JP2004063341A

JP2004063341A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2004063341A
Application number: JP2002221843A
Authority: JP
Inventors: Noboru Yamauchi; 山内　昇; Mitsugi Yamanaka; 山中　貢
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-07-30
Filing date: 2002-07-30
Publication date: 2004-02-26

Abstract

【課題】燃料電池システム全体に供給する水または水蒸気の量を少なくする。
【解決手段】３つの燃料電池ユニット１，３，５をガス配管部１３，１５により直列に接続する。各燃料電池ユニット１，３，５は、酸化物透過型の電解質を有する燃料電池部９と、燃料電池部９に燃料を改質した改質ガスを供給する燃料改質部７とを備える。前段の燃料電池ユニット１の燃料電池部９から排出される排出ガスおよび燃料を、次段の燃料電池ユニット３の燃料改質部７へガス配管部１３を介して導く。さらに次段の燃料電池ユニット３の燃料電池部９から排出される排出ガスおよび燃料を、後段の燃料電池ユニット５の燃料改質部７へガス配管部１５を介して導く。後段の燃料電池ユニット５からの排出ガスは、凝縮器１７にて凝縮させて水または水蒸気に分離し、蒸発器１１で蒸発させて前段の燃料電池ユニット１の燃料改質部７に、燃料とともに供給する。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池から排出される排出ガスを他の燃料電池に供給して発電する燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば特開２００１−２１６９９２号公報には、燃料改質部を一体に備えた燃料電池を複数直列に並べ、前段の燃料電池の排気口を後段の燃料電池の燃料供給口に接続して構成したものが記載されている。これにより、▲１▼後段の燃料電池に供給する燃料および空気の温度を高く保ち、▲２▼燃料電池の空気極に空気を送るための圧縮機の圧縮動力を小さくしている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし上記した従来のものでは，各燃料電池の出力は同一であることを想定しているため、燃料電池の排出ガスに含まれる水または水蒸気を有効に利用することができず、システム全体に供給する水または水蒸気の量が多くなるという問題点がある。
【０００４】
そこで、この発明は、燃料電池システム全体に供給する水または水蒸気の量を少なくすることを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、この発明は、酸化物透過型の電解質を有する燃料電池部および燃料を改質した改質ガスを前記燃料電池部に供給する燃料改質部を単位ユニットとする複数の単位ユニットと、この単位ユニットの燃料電池部からの排出ガスおよび前記燃料を、他の単位ユニットの燃料改質部へ導くガス配管部と、前記排出ガスから水または水蒸気を分離する水分離機構と、この分離した水または水蒸気を前記単位ユニットの前記燃料改質部へ導く水配管部とを有する構成としてある。
【０００６】
【発明の効果】
この発明によれば、燃料電池部および燃料改質部からなる単位ユニットの排出ガスに含まれる水または水蒸気を、他の単位ユニットで使用するので、システム外部からの水または水蒸気の供給量を低減することができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【０００８】
図１は、この発明の第１の実施形態に係わる燃料電池システムを示す全体構成図である。この燃料電池システムは、単位ユニットとしての３つの燃料電池ユニット１，３，５を互いに直列に接続している。この各燃料電池ユニット１，３，５は、燃料改質部７と燃料電池部９とを一体化したものであるが、これらを独立したものとしてもよい。なお、ここでの燃料電池部９は、酸化物透過型の電解質を有する固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）である。
【０００９】
上記した燃料改質部７は、図示しない改質触媒を備えており、燃料電池部９は、図示しない電解質膜を間に挟んでその両側に電極触媒を備えた燃料極９ａおよび空気極９ｂをそれぞれ備えている。
【００１０】
この燃料電池システムを起動する際には、直列に接続した燃料電池ユニット１，３，５のうち最前段部の燃料電池ユニット１の燃料改質部７に、図示しない燃料供給部から燃料（ＣＨ_４）および、外部から水蒸気をそれぞれ供給するとともに、起動時など必要に応じて空気または酸素を供給する。一方燃料電池ユニット１の燃料電池部９における空気極９ｂには、空気を供給する。
【００１１】
燃料改質部７に供給された燃料が、水素を主成分とする改質ガスに変換されて燃料電池部９の燃料極９ａに送られ、この改質ガスと空気極９ｂに送られた空気中の酸素とで電解質膜を介して電気化学反応を起こさせて発電が行われる。
【００１２】
ＳＯＦＣの場合、酸素が電解質膜を通過して燃料極９ａで水素や一酸化炭素と反応するため、水は燃料極９ａ側に生成される。燃料がメタンで、燃料電池ユニット１に供給した水の量がメタン分子と水分子との比でＨ_２Ｏ／Ｃ＝１のとき、燃料電池ユニット１内で起こる総括反応は、
ＣＨ_４　＋　Ｈ_２Ｏ　＋　２　Ｏ_２　→　ＣＯ_２　＋　３　Ｈ_２Ｏ　　　（１）
で表される。
【００１３】
このため、燃料極９ａから排出される排出ガス中に含まれる水の量は、燃料のメタンが１モルにつき３モルとなる。燃料がナフサやガソリンなどの場合、燃料中の炭素原子と水素原子の比がおおよそ１：２であるため、燃料中の炭素原子１モルについて燃料電池ユニット１内で起こる総括反応は、
ＣＨ_２　＋　Ｈ_２Ｏ　＋　（３／２）Ｏ_２→　ＣＯ_２　＋　２　Ｈ_２Ｏ　　　（２）
となり、燃料極９ａからの排出ガス中に含まれる水の量は、燃料中の炭素原子１モルにつきおおよそ２モルとなる。
【００１４】
燃料電池ユニット１の燃料極９ａからの排出ガスは、次段の燃料電池ユニット３の手前で、燃料（３ＣＨ_４）が混合された後、この燃料電池ユニット３の燃料改質部７へ送られる。すなわち、この燃料電池システムは、燃料電池ユニット１の燃料電池部９からの排出ガスおよび燃料を、次段の燃料電池ユニット３の燃料改質部７へ導くガス配管部１３を備えている。
【００１５】
排出ガスに混合する燃料の量は、排出ガスに含まれる水の量により制限される。例えば燃料がメタンの場合、燃料電池ユニット３内の燃料改質部７での改質反応は、化学量論的には、
ＣＨ_４　＋　Ｈ_２Ｏ　→　ＣＯ　＋　３　Ｈ_２　　　（３）
で表されるため、メタン１モルに対し水１モルが最低限必要である。したがって、前段の燃料電池ユニット１に供給したメタンのモル数を１とすれば、燃料電池ユニット３の手前で混合できるメタンの量は３である。
【００１６】
ただし、水の量が化学量論比である場合は、燃料改質部７で、燃料中の炭素がペースト状になって改質器内の触媒や壁面に付着する、いわゆるコーキングが発生する可能性があり、その場合は供給するメタンの量を抑えて水の量を化学量論比より過剰にする必要がある。
【００１７】
一方、燃料がナフサやガソリンなどの場合の改質反応は、
ＣＨ_２＋　Ｈ_２Ｏ　→　ＣＯ　＋　２　Ｈ_２　　　（４）
であり、メタンの場合と同様に炭素原子１モルあたり水１モル必要である。
【００１８】
上記したように、次段の燃料電池ユニット３には、前段の燃料電池ユニット１より、燃料がメタンの場合で最大３倍、ナフサやガソリンなどの場合で２倍の燃料が供給可能である。このため、燃料電池ユニット３の出力も、燃料がメタンの場合で最大３倍、ナフサやガソリンなどの場合で２倍にすることができる。この場合、燃料電池ユニット３での総括反応は、前段の燃料電池ユニット１に供給した燃料のモル数を１とした場合それぞれ、
３ＣＨ_４　＋　３Ｈ_２Ｏ＋　６　Ｏ_２　→　３　ＣＯ_２　＋　９　Ｈ_２Ｏ　　　　　（５）
２　ＣＨ_２　＋　２　Ｈ_２Ｏ　＋　３　Ｏ_２　→　２　ＣＯ_２　＋　４　Ｈ_２Ｏ　　　（６）
で表される。このため、燃料電池ユニット３の燃料極９ａからの排出ガス中の水の量は、それぞれ燃料電池ユニット１に供給した燃料のモル数の９倍（燃料がメタンの場合）および４倍（燃料がナフサやガソリンの場合）となる。
【００１９】
次段の燃料電池ユニット３の燃料極９ａから排出される排出ガス中の水または水蒸気は、再び燃料（９ＣＨ_４）と混合された後、後段の燃料電池ユニット５に送られる。すなわち、この燃料電池システムは、次段の燃料電池ユニット３の燃料電池部９からの排出ガスおよび燃料を、後段の燃料電池ユニット５の燃料改質部７へ導くガス配管部１５を備えている。
【００２０】
ガス配管部１５で混合される燃料の量と、燃料電池ユニット５の出力は、前記した前段の燃料電池ユニット１と次段の燃料電池ユニット３との関係と同様に考えることができる。すなわち、混合できる燃料の量は、次段の燃料電池ユニット３に供給した燃料のモル数の、メタンの場合で３倍、ナフサやガソリンなどの場合で２倍であり、燃料電池ユニット５の出力も、燃料電池ユニット３の、メタンの場合で３倍、ナフサやガソリンなどの場合で２倍とすることができる。
【００２１】
後段の燃料電池ユニット５での総括反応は、前段の燃料電池ユニット１に供給した燃料のモル数を１とした場合、メタンの場合と、ナフサやガソリンの場合とでそれぞれ、
９　ＣＨ_４　＋　９　Ｈ_２Ｏ　＋　１８　Ｏ_２　→　９　ＣＯ_２　＋　２７　Ｈ_２Ｏ　　　　（７）
４　ＣＨ_２＋　４　Ｈ_２Ｏ　＋　１２　Ｏ_２　→　４　ＣＯ_２＋　８　Ｈ_２Ｏ　　　　（８）
で表される。このため、燃料電池ユニット５の燃料極９ａ側からの排出ガス中の水の量は、それぞれ燃料電池ユニット１に供給した燃料のモル数の２７倍および８倍となる。
【００２２】
後段の燃料電池ユニット５の燃料極９ａから排出される排出ガスは、一部を分流して水分離機構としての凝縮器１７に送り、この凝縮器１７で水または水蒸気を二酸化炭素（ＣＯ_２）から分離する。分離した水は、前記した蒸発器１１に送って蒸気にした後、凝縮器１７で分離した水蒸気とともに、前段の燃料電池ユニット１に水配管部１８を通して供給する。
【００２３】
上記した第１の実施形態による燃料電池システムの場合、従来のものに比べ、凝縮器１７および蒸発器１１の能力が小さくて済む。すなわち、燃料がメタンで、１段目の燃料電池ユニット１の出力が１ｋＷの場合、２段目および３段目の燃料電池ユニット３および５の出力は、それぞれ３ｋＷ、９ｋＷとなるので、合計１３ｋＷとなる。従来の１３ｋＷのシステムでは、その出力に見合った凝縮器および蒸発器が必要であるが、本発明のシステムでは１段目の１ｋＷの出力に見合った凝縮器１７および蒸発器１１、つまり従来のシステムの１／１３の能力で済む。
【００２４】
このことは、自動車での使用を考えた場合極めて重要である。自動車では凝縮器としてラジエータを使用するが、自動車ではラジエータの能力は制限されるため、従来のシステムでは必要な水の量を回収するのが極めて困難である。ところが、本発明のシステムによれは、ラジエータの能力に制限があっても対応することができる。
【００２５】
このように、上記した第１の実施形態によれば、後段の燃料電池ユニットは、それより前段の燃料電池ユニットから排出される水を全量使用することができるので、システム外部からの水の供給量は、１段目の燃料電池ユニット１が必要とする水の量で済み、最低限に抑えることができる。
【００２６】
また、前段の燃料電池ユニットから排出される水の増加に対応して、後段の燃料電池ユニットの出力も大きくなっていくので、システム外部からの水の供給量は抑えたまま、少ない段数でも高出力のシステムを構築することができる。
【００２７】
なお、上記した実施形態では、燃料電池ユニットが３段の場合を示したが、さらに多段のシステムも可能であり、その場合でも凝縮器および蒸発器の能力は１段目の燃料電池ユニットに見合ったもので済むため、同じ凝縮器および蒸発器の能力でより大きな出力のシステムを構築することができる。
【００２８】
図２は、この発明の第２の実施形態に係わる燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。この実施形態は、燃料がメタンの場合の、前記図１の２段目および３段目の燃料電池ユニット３および５に相当する燃料電池ユニット３０および５０を、１段目の燃料電池ユニット１０と同じ出力のものに複数に分割している。
【００２９】
すなわち、前段の燃料電池ユニット１０に対し、次段の燃料電池ユニット３０を、分割ユニット３１，３２，３３として３つ設けてこれらを並列に、ガス配管部１９によって接続している。さらに、各分割ユニット３１，３２，３３に対し、後段の燃料電池ユニット５０を、それぞれ３つずつの分割ユニット（５１，５２，５３），（５４，５５，５６），（５７，５８，５９）として全部で９つ設けてこれらを３つずつ並列に、ガス配管部２１，２３，２５によってそれぞれ接続している。
【００３０】
図１に示した第１の実施形態では、２段目の燃料電池ユニット３の出力は、１段目の燃料電池ユニット１の出力の３倍となっているが、本実施形態での２段目の３つの分割ユニット３１，３２，３３のそれぞれの出力は、１段目の燃料電池ユニット１０と同出力である。つまり、３つの分割ユニット３１，３２，３３を合わせた燃料電池ユニット３０の出力の総計は、前段の燃料電池ユニット１０の出力の３倍である
さらに、３段目の燃料電池ユニット５０は、９つの分割ユニット５１〜５９で構成してあり、この９つの分割ユニット５１〜５９個々の出力も、前段の分割ユニット３１，３２，３３個々の出力と同等である。つまり、９つの分割ユニット５１〜５９を合わせた燃料電池ユニット５０の出力の総計は、２段目の燃料電池ユニット３０の出力の３倍である。
【００３１】
この第２の実施形態では、前段の燃料電池ユニット１０に燃料および水蒸気、そして起動時など必要に応じて空気または酸素を供給するのは、前記図１に示した第１の実施形態と同様である。前段の燃料電池ユニット１０の燃料極から排出されるの排出ガスは、燃料であるメタンがガス配管部１９で混合された後、３つの分割ユニット３１，３２，３３にそれぞれ供給される。
【００３２】
２段目の分割ユニット３１の燃料極側の排出ガスは、燃料であるメタンがガス配管部２１で混合された後、分割ユニット５１，５２，５３へ、分割ユニット３２の燃料極側の排出ガスは、燃料であるメタンがガス配管部２３で混合された後、分割ユニット５４，５５，５６へ、さらに分割ユニット３３の燃料極側の排出ガスは、燃料であるメタンがガス配管部２５で混合された後、分割ユニット５７，５８，５９へ、それぞれ供給される。
【００３３】
この第２の実施形態の場合、２段目および３段目の各燃料電池ユニット３０および５０における各分割ユニット３１〜３３および５１〜５９は、前段の燃料電池ユニット１０と同一であるため、量産に適している。また、大きな１つの燃料電池ユニットで出力調整を行おうとすると、応答遅れが大きくなるが、本実施形態では各ユニットの出力をオン−オフすることで、全体の出力をある程度調整することが可能であるため、応答性に優れる。
【００３４】
例えば、アイドリング運転時のように、出力が燃料電池の最高効率を示す出力（全負荷の１５％程度）よりも小さい場合には、一部の燃料電池ユニットで運転することによりエネルギ効率を高めることができる。すなわち、全負荷の５％程度の出力が必要な場合、燃料電池ユニット１０および分割ユニット３１，５１，５２，５３にのみ燃料を供給し、それぞれ１５％負荷で運転すれば、トータル出力は５．８％とすることができる（５個のユニットを１５％で運転すれば、１３個のユニット全部を１００％で運転するのに対してトータル出力が５．８％になるということ）。
【００３５】
このように燃料を供給する燃料電池ユニットを選択することにより、広い負荷にわたって最高効率に近い運転を行うことが可能となり、上記したようなアイドリング運転時などの低負荷領域でも、高効率の運転を行うことができる（燃料電池は全負荷に対して２０％位で運転するのが最も効率がよいので、全部のユニットを５．８％で運転するよりも、一部のユニットだけを２０％に近い負荷で使用した方が効率がよい）。
【００３６】
このように、上記した第２の実施形態によれば、同一出力の燃料電池ユニットを複数備えたシステムで、前記第１の実施形態と同様の効果が得られ、ユニットの量産によってコストを低減することができる。
【００３７】
図３は、この発明の第３の実施形態に係わる燃料電池システムを示す全体構成図である。この実施形態は、単位ユニットとしての燃料電池の単セル２７を複数積層して燃料電池スタック２９として構成したものである。
【００３８】
個々の単セル２７は、前記図１に示した第１の実施形態のものと同様に、図４に斜視図として示すように、燃料改質部４１と燃料電池部４３とから構成されている。
【００３９】
燃料改質部４１には図示しない改質触媒が備えられ、燃料電池部４３には図示しない電解質膜を間に挟んでその両側に電極触媒を備えた燃料極４３ａおよび空気極４３ｂを設けてある。
【００４０】
１段目の単セル２７の燃料改質部４１には、外部から燃料（ＣＨ_４）および水蒸気（Ｈ_２Ｏ）、そして起動時など必要に応じて空気または酸素を供給する。供給した燃料、水蒸気、空気は、燃料改質部４１で水素を主成分とする改質ガスに変換されて燃料電池部４３の燃料極４３ａに送られ、さらに燃料電池部４３の空気極４３ｂに図示しない別のマニホ−ルドから別途供給された空気中の酸素が電解質膜を燃料極４３ａ向けてに透過して発電が行われる。
【００４１】
燃料極４３ａから排出される水蒸気を含む排出ガスは、ガス配管部としてのマニホールド部４５に送られ、ここで燃料（３ＣＨ_４）が燃料供給部４７を通して混合された後、次段の３つの単セル２７に送られ、１段目の単セル２７同様に燃料改質部４１による改質反応と燃料電池部４３による発電が行われる。
【００４２】
この実施形態では、燃料としてメタンを想定しており、次段の３つの単セル２７で前段の１つの単セル２７の最大３倍の出力とすることができるのは、前出の第１の実施形態で説明した通りである。
【００４３】
上記した次段の３つの単セル２７の燃料極４３ａから排出ガスは、ガス配管部としてのマニホールド部４９に送られて、ここで燃料（９ＣＨ_４）が燃料供給部６１を通して混合された後、さらに後段の９つの単セル２７に送られる。
【００４４】
９つの単セル２７からの排出ガスは、マニホールド部６３に排出され、一部が分岐管６５を介して分流して水分岐機構としての凝縮器６７で凝縮して水または水蒸気に分離される。分離した水は、蒸発器６９で蒸発し、凝縮器１７で分離した水蒸気とともに水配管部７１を経て１段目の単セル２７に供給され、次段および後段の各単セル２７に必要な水は、排出ガス中に含まれる水で補われる。
【００４５】
このように第３の実施形態によれば、燃料電池システムを燃料電池スタック２９として構成しても、本発明を適用することができるので、燃料電池スタック２９に供給する水の量は従来のものに比べ大幅に抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施形態に係わる燃料電池システムを示す全体構成図である。
【図２】この発明の第２の実施形態に係わる燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。
【図３】この発明の第３の実施形態に係わる燃料電池システムを示す全体構成図である。
【図４】第３の実施形態における燃料電池単セルの斜視図である。
【符号の説明】
１，３，５，１０　燃料電池ユニット（単位ユニット）
７，４１　燃料改質部
９，４３　燃料電池部
１８，７１　水配管部
１３，１５，１９，２１，２３，２５　ガス配管部
１７，６７　凝縮器（水分離機構）
２７　単セル（単位ユニット）
２９　燃料電池スタック
３０，５０　燃料電池ユニット
３１〜３３，５１〜５９　分割ユニット（単位ユニット）
４５，４９　マニホールド部（ガス配管部）

Claims

酸化物透過型の電解質を有する燃料電池部および燃料を改質した改質ガスを前記燃料電池部に供給する燃料改質部を単位ユニットとする複数の単位ユニットと、この単位ユニットの燃料電池部からの排出ガスおよび前記燃料を、他の単位ユニットの燃料改質部へ導くガス配管部と、前記排出ガスから水または水蒸気を分離する水分離機構と、この分離した水または水蒸気を前記単位ユニットの前記燃料改質部へ導く水配管部とを有することを特徴とする燃料電池システム。
前記複数の単位ユニットを、前記ガス配管部により互いに直列に接続したことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
前記水分離機構で分離した水または水蒸気を、前記直列に接続した複数の単位ユニットの最前段部のみに供給することを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
前記直列に接続した複数の単位ユニットのうち後段の単位ユニットの出力が前段の単位ユニットの出力よりも大きいことを特徴とする請求項２または３記載の燃料電池システム。
前記直列に接続した複数の単位ユニットのうち前段の単位ユニットを、複数の後段の単位ユニットに並列に接続したことを特徴とする請求項２または３記載の燃料電池システム。
最前段部に位置する１段目の単位ユニットの燃料改質部には、燃料と水分離機構で分離した水または水蒸気を供給し、２段目以降の単位ユニットの燃料改質部には、前段の単位ユニットから排出される排出ガス中の水または水蒸気と、この水または水蒸気で改質可能な量の燃料とをそれぞれ供給することを特徴とする請求項２ないし５のいずれかに記載の燃料電池システム。
前記複数の単位ユニットを互いに積層して燃料電池スタックを構成したことを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の燃料電池システム。