JP2004127624A

JP2004127624A - Fuel cell system

Info

Publication number: JP2004127624A
Application number: JP2002288061A
Authority: JP
Inventors: Hirosuke Sato; 佐藤　裕輔
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2002-09-30
Filing date: 2002-09-30
Publication date: 2004-04-22
Anticipated expiration: 2022-09-30
Also published as: JP3676334B2

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system in which fuel and water are supplied by utilizing the saturated vapor pressure of the fuel. SOLUTION: This is a fuel cell system that comprises a reformer 11 for reforming the fuel into a hydrogen rich gas and a fuel cell main unit 9 which generates power by the hydrogen rich gas supplied from the reformer 11 and oxygen supplied from an oxygen supply means 41. The above fuel is a fuel of which saturated vapor pressure is higher than the atmospheric pressure and is stored in a fuel tank 13. The fuel is supplied from the fuel tank 13 to the reformer 11 by the saturated vapor pressure inside the fuel tank 13, and a pressure supply means for supplying the saturated vapor pressure to a water tank 19 storing the water to be supplied to the reformer 11 is provided. COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料を水素リッチガスに改質するための改質器と、この改質器から供給される水素リッチガスと酸素供給手段から供給される酸素により発電を行う燃料電池本体とを備えてなる燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池には、使用する電解質の種類により、固体高分子型、リン酸型、アルカリ型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型等の型式があるが、前記燃料電池へ供給する水素は、例えば天然ガス，プロパンガス，メタノール等の種々の燃料を改質器において水素リッチガスに改質することによって供給されているのが一般的である。このように、燃料を水素リッチガスに改質して燃料電池へ供給する先行例に係る燃料電池システムにおいては、燃料電池本体の他に、燃料電池本体に空気を送給するためのコンプレッサや、燃料を水素リッチガスに改質するための改質器及びこの改質器に対して燃料を送給するためのポンプ等が必要である［例えば、特許文献１参照］。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−２２６１０２号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前述のごとき従来の構成においては、改質器に対して燃料を供給するためのポンプが必要であると共に、前記燃料を水素リッチガスに改質するための改質器の容積が大きく、燃料電池システムの全体的構成の簡素化，小型化を図る上においてさらなる改良が求められている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前述のごとき従来の問題に鑑みてなされたもので、請求項１に係る発明は、燃料を水素リッチガスに改質する改質器と、前記改質器から供給される水素リッチガスと酸素供給手段から供給される酸素とによって発電を行う燃料電池本体とを備えてなる燃料電池システムにおいて、前記燃料は飽和蒸気圧が大気圧より高圧となる燃料であって燃料タンク内に収容してあり、この燃料タンク内の飽和蒸気圧により前記燃料を前記改質器へ送給する構成であり、かつ前記改質器へ供給するための水を収容した水収容タンクに対して、前記飽和蒸気圧を供給する加圧供給手段を備えた構成である。
【０００６】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料は、ジメチルエーテルである。
【０００７】
請求項３に係る発明は、請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料は炭化水素である。
【０００８】
請求項４に係る発明は、燃料を水素リッチガスに改質する改質器と、前記改質器から供給される水素リッチガスと酸素供給手段から供給される酸素とによって発電を行う燃料電池本体とを備えてなる燃料電池システムにおいて、前記改質器へ供給する燃料を収容した燃料タンク及び水を収容した水収容タンクの少なくとも一方のタンク内を加圧するための加圧ガスを収容したガスタンクを備えた構成である。
【０００９】
請求項５に係る発明は、請求項４に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料はメタノールである。
【００１０】
請求項６に係る発明は、請求項４に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料はエタノールである。
【００１１】
請求項７に係る発明は、請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、前記改質器においての改質反応は大気圧より高圧において行われる構成である。
【００１２】
請求項８に係る発明は、請求項１〜７のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、前記改質器と前記燃料電池本体との間に、前記改質器から供給される水素リッチガス中の水素を選択的に透過する半透膜手段を備えた構成である。
【００１３】
請求項９に係る発明は、請求項１〜７のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、前記改質器と前記燃料電池本体との間に、前記改質器から供給される水素リッチガス中の一酸化炭素を除去するＣＯ除去手段を備えた構成である。
【００１４】
請求項１０に係る発明は、請求項９に記載の燃料電池システムにおいて、前記ＣＯ除去手段に対して空気を供給する空気タンクを備え、前記燃料の飽和蒸気圧又は前記ガスタンクの圧力を前記空気タンクへ供給する構成である。
【００１５】
請求項１１に係る発明は、請求項１〜１０の何れか１つに記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池本体において生じた水分を回収する水回収タンクを備え、この水回収タンク内の水を前記水収容タンク内へ送給する際、前記水収容タンク内の圧力を解放する圧力解放手段を備えた構成である。
【００１６】
請求項１２に係る発明は、請求項１０に記載の燃料電池システムにおいて、前記空気タンクへ空気を供給する際に、前記空気タンク内の圧力を解放する圧力解放手段を備えた構成である。
【００１７】
請求項１３に係る発明は、請求項１〜１２の何れか１つに記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池本体の空気極側から排出される排出ガスを再び空気極に循環する構成である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１を参照するに、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システム１は、燃料電池の１例としてイオン導電性を有する固体高分子膜（イオン交換膜）３を、燃料極５と空気極（酸化剤極）７によって挟み込んだ構成の燃料電池本体９を備えている。この種の燃料電池は、固体高分子型燃料電池（高分子電解質形燃料電池）として知られているので、前記燃料電池本体９の詳細な説明は省略する。
【００１９】
前記燃料電池本体９における前記燃料極５に対して水素を供給するために、燃料を水素リッチガスに改質するための改質器１１が設けられている。前記燃料は、飽和蒸気圧が大気圧より高圧であるジメチルエーテル（ＤＭＥ）であって、燃料タンク１３内に収容してある。良く知られているようにジメチルエーテルの常温での飽和蒸気圧は大気圧より高圧であって約６気圧の圧力を有する。したがって、ジメチルエーテルを燃料タンク１３内に収容して密閉した状態においては、燃料タンク１３内には約６気圧の飽和蒸気圧が常に作用していることになる。
【００２０】
前記燃料タンク１３内の燃料を取り出すために、前記燃料タンク１３の上部付近には開閉自在かつ開度調節を行うことによって前記燃料気体の流量を制御可能の開閉弁１５が接続してあり、この開閉弁１５には、前記改質器１１に接続した接続路１７が接続してある。したがって、前記開閉弁１５を開くと、前記燃料タンク１３内に作用する飽和蒸気圧によって前記燃料は密閉容器１３から気化ガスとして流出される。そして、気化したガスが前記改質器１１へ供給されることになる。
【００２１】
前記燃料（ジメチルエーテル）の改質を行うために、前記改質器１１へ水を供給するための水収容タンク１９が備えられている。この水収容タンク１９は、例えばピストン、ダイアクラム等の移動自在の区画体２１によって上部室（第１室）１９Ａと下部室（第２室）１９Ｂとを区画してあり、下部室１９Ｂには前記改質器１１へ供給する水が収容されている。
【００２２】
前記水を前記改質器１１へ供給するために、前記水収容タンク１９の下部室１９Ｂには、前記接続路１７へ接続した接続路２３が接続してあり、この接続路２３には、前記開閉弁１５同様の開閉弁２５及び気化器２７が水収容タンク１９側から順次配置してある。そして、前記燃料の飽和蒸気圧を前記水収容タンク１９に供給するために前記水収容タンク１９の上部室１９Ａには、前記燃料タンク１３の上部側に接続した加圧供給手段の１例としての接続路２９が接続してあり、この接続路２９には開閉自在の第１開閉弁３１及び大気へ開放自在の圧力解放手段の１例としての第２開閉弁３３が前記燃料タンク１３側から順次配置してある。
【００２３】
したがって、前記第２開閉弁３３を閉じ、前記開閉弁２５及び第１開閉弁３１を開いた状態においては、前記燃料タンク１３内の燃料の飽和蒸気圧が水収容タンク１９の上部室１９Ａに作用し、下部室１９Ｂ内の水が送出されることになる。そして、送出された水は気化器２７において気化され、前記接続路１７において前記燃料ガスと混合されて前記改質器１１へ供給されるものである。この際、燃料としてのジメチルエーテル（ＤＭＥ）と水蒸気との混合比率が１：４になるように、前記開閉弁１５，２５によってそれぞれの流量は調節されている。
【００２４】
既に理解されるように、燃料タンク１３内の燃料及び水収容タンク１９内の水を改質器１１に対して供給するに際しては、前記燃料タンク１３内の燃料の飽和蒸気圧を利用するものであるから、燃料及び水を送給するためのポンプを省略することができ、全体的構成の簡素化を図ることができると共に小型化を図ることができるものである。
【００２５】
前記改質器１１内にはＡｌ_２Ｏ_３にＲｈを担持した改質触媒が内装されており、この改質器１１において、前記ジメチルエーテルと水蒸気との混合体は、［ＣＨ_３ＯＣＨ_３＋３Ｈ_２Ｏ→３ＣＯ_２＋６Ｈ_２］と、水素を含む水素リッチガスに改質される。この改質されたガス中には、僅かではあるがＣＯが存在するので、水素を選択的に透過する半透膜手段３５が設けられている。
【００２６】
上記半透膜手段３５は、石英系の水素透過半透膜よりなるものであって、前記改質ガス中の主として水素を選択的に透過する作用をなすものであり、前記燃料電池本体９の燃料極５へほぼ水素のみのガスを供給するものである。前記半透膜手段３５には、例えばニードルバルブのごとく開度を調節自在の背圧調節弁３７が接続してあり、この背圧調節弁３７の上流側を、前記飽和蒸気圧より低圧であるが大気圧より高圧の例えば５気圧程度に調節してある。そして、前記背圧調節弁３５の下流側はほぼ大気圧であって、触媒燃焼器３９に接続してある。
【００２７】
上記触媒燃焼器３９内には通常の触媒燃焼器同様にＰｔ系の触媒が内装されており、前記半透膜手段３５を透過しなかったガス（ＤＭＥ，Ｈ_２，ＣＯ，ＣＯ_２，Ｈ_２Ｏ）が酸素供給手段の１例としてのブロア４１から送給される空気の１部と混合して前記触媒燃焼器３９に供給され、触媒燃焼される。この触媒燃焼器３９における触媒燃焼によって発生した熱は、前記気化器２７，改質器１１，半透膜手段３５へ伝達されて、前記水の気化，改質反応熱，半透膜加熱に使用される。
【００２８】
既に理解されるように、前記半透膜手段３５は背圧調節弁３７によって大気圧よりも高圧の約５気圧が作用しているので、前記改質器１１においての改質は大気圧よりも高圧で行われることとなり、気化ガスの密度が大であるから、大気圧でもって改質反応を行う場合に比較して、改質器１１の容積を小さくすることができる。また半透膜手段３５における透過圧力差が大きいため水素透過半透膜の面積は大気圧で透過させる場合よりも小さくて良いこととなる。
【００２９】
したがって、改質器１１及び半透膜手段３５の構成の小型化を図ることが容易であり、全体的構成の小型化を図ることができるものである。
【００３０】
前記燃料電池本体９における前記空気極７へ空気を送給するために、酸素供給手段の１例としての前記ブロア４１に接続した送給路４３は加熱された空気を供給するために熱交換器４５を経て前記触媒燃焼器３９に接続した第１分岐路４３Ａと前記空気極７側へ接続した第２分岐路４３Ｂとに分岐してあり、各分岐路４３Ａ，４３Ｂにはニードルバルブ等のごとき開度調節自在の流量制御弁４７，４９がそれぞれ配置してある。
【００３１】
そして、前記燃料電池本体９における前記燃料極５へ送給された水素は発電に使用され、この燃料極５から排出される未使用の水素を前記触媒燃焼器３９へ導くために、前記燃料極５側には回収路５１が接続してある。上記触媒燃焼器３９において燃焼された燃焼ガスは回収路５３を介して前記熱交換器４５に導かれている。また、前記空気極７側から排出されるガスを回収するために、前記空気極７側には回収路５５が接続してあり、この回収路５５に回収された水蒸気の一部を凝縮するために、前記回収路５５は前記熱交換器４５に接続してある。
【００３２】
前記熱交換器４５において凝縮されて回収された水は水タンク５７に一時貯留され、前記燃料電池本体９における前記固体高分子膜３の保湿性を維持するために、接続路５６を介して利用されている。前記回収路５５に回収されたガス中の未使用の酸素と生成物としての水蒸気の一部を前記空気極７に循環するために、前記回収路５５には前記第２分岐路４３Ｂ側へ接続した分岐路５５Ａが分岐接続してあり、この分岐路５５Ａには、流量制御弁５９及びポンプ６１が順次配置してある。
【００３３】
上記構成により、空気極７から排出されるガスの一部はポンプ６１によって吸引される態様となる。また、前記燃料極５側からプロトンが移動する際に含水率が低下する傾向にある固体高分子膜３は、空気極７に対して生成物としての水蒸気の一部が循環されるので、保湿性が適正値に保持されることとなり、水分管理が容易になるものである。
【００３４】
前記水収容タンク１９に対して水の補給を行うために、前記水タンク５７と水収容タンク１９の下部室１９Ｂは接続路６３を介して接続してあり、この接続路６３には、前記水タンク５７側からポンプ６５、第３開閉弁６７が順次配置してある。
【００３５】
したがって、前記第１開閉弁３１及び開閉弁２５を閉じ、第２開閉弁３３を開くことによって水収容タンク１９の上部室１９Ａを大気圧に開放した状態において、第３開閉弁６７を開くと共にポンプ６５を駆動することにより、水タンク５７内の水を水収容タンク１９の下部室１９Ｂへ補給することができる。
【００３６】
上述のように下部室１９Ｂへ水を補給した後に、第２，第３の開閉弁３３，６７を閉じ、第１開閉弁３１及び開閉弁２５を開くことにより、初期状態に復帰するものである。
【００３７】
以上のごとき説明より理解されるように、改質器１１に対する燃料及び水の送給は、当該燃料の飽和蒸気圧を利用して行うものであるから、前記改質器１１に対して燃料及び水を送給するためのポンプを省略することができ、全体的構成の簡素化、小型化を図ることができるものである。
【００３８】
また、水収容タンク１９の下部室１９Ｂへの水の補給は、上部室１９Ａを大気圧に開放して行うことができるので、水を補給するための前記ポンプ６５は比較的小型で良いこととなる。さらに、前記改質器１１の改質反応は、前記燃料の飽和蒸気圧に基づき、大気圧よりも高圧下において行うことができ、改質器１１の容積を、大気圧で改質反応を行う場合に比較して小さくできることとなり、従来に比較して、燃料電池システムの全体的構成の簡素化，小型化を図ることができるものである。
【００３９】
ところで、例えば次のごとき構成とすることにより、前記ポンプ６５、開閉弁６７を省略することも可能である。すなわち、前記水収容タンク１９の下部室１９Ｂ内に、例えばコイルスプリング等のごとき適宜の弾性部材を内装して、図１において前記区画体２１を常に上方向へ付勢した構成とする。この場合、前記区画体２１に作用する燃料の飽和蒸気圧によって前記弾性部材は縮小され得るように、前記弾性部材の付勢力を設定する。そして、前記ポンプ６５、開閉弁６７に替えて、前記水タンク５７側から水収容タンク１９側への水の流れは許容するが、水の逆流を阻止するチェック弁を、下部室１９Ｂの入口または接続路６３に配置した構成とする。
【００４０】
上記構成とすることにより、水収容タンク１９の下部室１９Ｂに水を補給すべく、前述したように水収容タンク１９の上部室１９Ａを大気圧に開放すると、下部室１９Ｂ内に備えた弾性部材の作用によって区画体２１が図１において上方向へ移動され、下部室１９Ｂが負圧となるので、水タンク５７から前記下部室１９Ｂに水が吸引されることとなる。そして、前記下部室１９Ｂに流入した水の逆流は、接続路６３に配置したチェック弁の作用によって阻止されることとなる。したがって、構成のより簡素化、小型化を図ることができるものである。
【００４１】
なお、燃料はジメチルエーテルでなく、プロパンやブタンのような炭化水素でもよい。
【００４２】
図２は本発明の第２の実施形態を示すもので、前記第１の実施形態において説明した構成部分と同一機能を奏する構成部分には同一符号を付することとして重複した説明は省略する。
【００４３】
この第２の実施の形態においては、前記半透膜手段３５に替えて、ＣＯを除去するためにＣＯ除去手段６９を備えた構成である。そして、前記ＣＯ除去手段６９と燃料極５との間に流量制御弁７１を配置した構成である。
【００４４】
前記ＣＯ除去手段６９にはＣｕ系の触媒を採用して、［ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋Ｈ_２］，［ＣＯ＋Ｈ_２→ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ］の反応によりＣＯをＣＯ_２等に変化し、ＣＯの除去を行っているものである。上記反応を行う際、流量制御弁７１の上流側は燃料の飽和蒸気圧より僅かに低圧であるが大気圧より高圧の約５気圧であって、ＣＯの除去がより効果的に行われる。
【００４５】
この第２の実施の形態においても前記第１の実施形態と同様の効果を奏し得るものである。
【００４６】
ところで、前記ＣＯ除去手段６９に、Ｒｕ／Ａｌ_２　Ｏ_３　触媒を用いて、酸素とＣＯとを〔ＣＯ＋１／２Ｏ_２　→ＣＯ_２　〕のように反応させてＣＯの除去を行う場合には、ＣＯ除去手段６９に対して空気を供給する空気供給手段が必要である。この場合、空気供給手段を、燃料の飽和蒸気圧を利用する構成とすることが可能である。
【００４７】
すなわち、図２に示すように、前記区画体２１と同様の区画体７３によって内部を第１室７５Ａと第２室７５Ｂに区画した空気タンク７５の前記第１室７５Ａと前記燃料タンク１３の上部とを開閉弁７７を配置した接続路７９によって接続すると共に、前記空気タンク７５の第１室７５Ａを大気圧に開放自在の圧力解放手段の一例としての開閉弁８１を前記接続路７９と分岐接続して設ける。そして、前記空気タンク７５の第２室７５Ｂに開閉弁８３を介してブロア８５を接続して設けると共に、開閉弁８５を介して前記第２室７５ＢをＣＯ除去手段６９に接続した構成とする。
【００４８】
上記構成により、開閉弁８１，８３を閉じて開閉弁７７，８５を開いた状態にすると、前記燃料タンク１３内の燃料の飽和蒸気圧が空気タンク７５の第１室７５Ａに作用するので、第２室７５Ｂ内の空気はＣＯ除去手段６９側へ送給されることになる。
【００４９】
そして、前記空気タンク７５の第２室７５Ｂ内へ空気の補給を行う場合には、開閉弁７７，８５を閉じると共に開閉弁８１を開いて第１室７５Ａを大気圧に開放した状態にあるとき、開閉弁８３を開くと共にブロア８５を駆動することにより前記空気タンク７５の第２室７５Ｂに対して空気を補給することができるものである。
【００５０】
既に理解されるように、上記構成においては燃料の飽和蒸気圧を利用して、ＣＯ除去手段６９に対して空気の供給を行うものであるから、空気供給手段の小型化を図ることができるものである。また前記水収容タンク１９に準じて前記空気タンク７５の第２室７５Ｂに弾性部材を備えた構成とした場合には、前記開閉弁８３及びブロア８５に替えてチェック弁を採用した構成とすることも可能なものであり、構成のより簡素化、小型化を図ることができるものである。
【００５１】
図３は本発明の第３実施形態を示すもので、前述した第１の実施形態と同一機能を奏する構成部分には同一符号を付することとして重複した説明は省略する。
【００５２】
この第３の実施の形態においては、燃料としてメタノールを使用し、前記燃料タンク１３内にはメタノールを収容したものである。メタノールの飽和蒸気圧は常温では大気圧より低圧であるから、前記燃料タンク１３内のメタノールを改質器１１へ送給するために、加圧ガスとして窒素ガスを充填した加圧ボンベ８７を、開閉弁８９を介して前記燃料タンク１３に接続すると共に前記接続路２９に接続した構成である。そして、メタノールを気化するために、接続路１７に気化器９１を配置した構成である。
【００５３】
したがって、改質器１１において改質反応を行うとき、大気圧よりも高圧において燃料の改質を行うことができ、前述した第１の実施形態と同様の効果を奏し得るものである。また第３の実施形態においても、半透膜手段３５に替えてＣＯ除去手段を採用する構成とすることも可能である。
【００５４】
なお、燃料はメタノールでなくエタノール等のアルコールを用いてもよい。
【００５５】
【発明の効果】
以上のごとき説明より理解されるように、本発明によれば、燃料の飽和蒸気圧，加圧ガスの加圧力を利用して燃料、水を改質器に送給する構成であるから、燃料、水を送給するためのポンプを省略することができると共に大気圧より高圧で改質反応を行うことが容易であり、燃料電池システムの全体的構成の簡素化を図ることができると共に小型化を図ることができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す説明図である。
【図２】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す説明図である。
【図３】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す説明図である。
【符号の説明】
９…燃料電池本体
１１…改質器
１３…燃料タンク
１９…水収容タンク
１９Ａ…上部室（第１室）
１９Ｂ…下部室（第２室）
２５…開閉弁
２７…気化器
３１…第１開閉弁
３３…第２開閉弁
３５…半透膜手段
３７…背圧調節弁
３９…触媒燃焼器
４１…ブロア
４３…供給路
４５…熱交換機
５１…回収路
５３…回収路
５７…水タンク
５９…流量制御弁
６１…ポンプ
６５…ポンプ
６９…ＣＯ除去手段
７５…空気タンク
７５Ａ…第１室
７５Ｂ…第２室
８７…加圧ボンベ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention includes a reformer for reforming a fuel into a hydrogen-rich gas, and a fuel cell main body for generating power using the hydrogen-rich gas supplied from the reformer and oxygen supplied from an oxygen supply unit. The present invention relates to a fuel cell system.
[0002]
[Prior art]
Depending on the type of electrolyte used in the fuel cell, there are solid polymer type, phosphoric acid type, alkali type, molten carbonate type, solid oxide type and the like, but hydrogen supplied to the fuel cell is, for example, Generally, various fuels such as natural gas, propane gas, and methanol are supplied by reforming in a reformer into hydrogen-rich gas. As described above, in the fuel cell system according to the related art in which fuel is reformed into hydrogen-rich gas and supplied to the fuel cell, in addition to the fuel cell main body, a compressor for supplying air to the fuel cell main body, a fuel And a pump for feeding fuel to the reformer for reforming the gas into a hydrogen-rich gas are required [for example, see Patent Document 1].
[0003]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-226102
[Problems to be solved by the invention]
In the conventional configuration as described above, a pump for supplying fuel to the reformer is required, and the capacity of the reformer for reforming the fuel to hydrogen-rich gas is large, so that the fuel cell system Further improvements are required in order to simplify and reduce the size of the overall configuration.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
The present invention has been made in view of the conventional problems as described above, and the invention according to claim 1 has a reformer for reforming a fuel into a hydrogen-rich gas, and a hydrogen-rich gas supplied from the reformer. A fuel cell system comprising: a fuel cell main body that generates electric power with oxygen supplied from oxygen supply means; wherein the fuel is a fuel whose saturated vapor pressure is higher than atmospheric pressure and is contained in a fuel tank. The fuel is supplied to the reformer by the saturated vapor pressure in the fuel tank, and the saturated vapor is supplied to a water storage tank containing water to be supplied to the reformer. This is a configuration including a pressurizing supply unit that supplies pressure.
[0006]
According to a second aspect of the invention, in the fuel cell system according to the first aspect, the fuel is dimethyl ether.
[0007]
The invention according to claim 3 is the fuel cell system according to claim 1, wherein the fuel is a hydrocarbon.
[0008]
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a reformer for reforming a fuel into a hydrogen-rich gas, and a fuel cell main body for generating electricity by using the hydrogen-rich gas supplied from the reformer and oxygen supplied from an oxygen supply means. The fuel cell system comprises a gas tank containing a pressurized gas for pressurizing at least one of a fuel tank containing fuel to be supplied to the reformer and a water containing tank containing water. Configuration.
[0009]
The invention according to claim 5 is the fuel cell system according to claim 4, wherein the fuel is methanol.
[0010]
The invention according to claim 6 is the fuel cell system according to claim 4, wherein the fuel is ethanol.
[0011]
The invention according to claim 7 is the fuel cell system according to any one of claims 1 to 6, wherein the reforming reaction in the reformer is performed at a pressure higher than the atmospheric pressure.
[0012]
The invention according to claim 8 is the fuel cell system according to any one of claims 1 to 7, wherein the hydrogen-rich gas supplied from the reformer is provided between the reformer and the fuel cell body. This is a configuration including a semipermeable membrane means for selectively permeating hydrogen.
[0013]
The invention according to claim 9 is the fuel cell system according to any one of claims 1 to 7, wherein the hydrogen-rich gas supplied from the reformer is provided between the reformer and the fuel cell body. This is a configuration including a CO removing means for removing carbon monoxide.
[0014]
According to a tenth aspect of the present invention, in the fuel cell system according to the ninth aspect, an air tank for supplying air to the CO removing means is provided, and the saturated vapor pressure of the fuel or the pressure of the gas tank is set to the air tank. It is a structure to supply to.
[0015]
According to an eleventh aspect of the present invention, in the fuel cell system according to any one of the first to tenth aspects, there is provided a water recovery tank for recovering moisture generated in the fuel cell main body, and water in the water recovery tank is provided. And a pressure release unit for releasing the pressure in the water storage tank when the water is supplied into the water storage tank.
[0016]
According to a twelfth aspect of the present invention, in the fuel cell system according to the tenth aspect, a pressure release unit that releases pressure in the air tank when supplying air to the air tank is provided.
[0017]
According to a thirteenth aspect, in the fuel cell system according to any one of the first to twelfth aspects, the exhaust gas discharged from the air electrode side of the fuel cell main body is circulated again to the air electrode. .
[0018]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Referring to FIG. 1, a fuel cell system 1 according to a first embodiment of the present invention includes a solid polymer membrane (ion exchange membrane) 3 having ion conductivity as an example of a fuel cell, A fuel cell body 9 having a configuration sandwiched between air electrodes (oxidant electrodes) 7 is provided. Since this type of fuel cell is known as a polymer electrolyte fuel cell (polymer electrolyte fuel cell), a detailed description of the fuel cell body 9 will be omitted.
[0019]
In order to supply hydrogen to the fuel electrode 5 in the fuel cell main body 9, a reformer 11 for reforming the fuel into a hydrogen-rich gas is provided. The fuel is dimethyl ether (DME) having a saturated vapor pressure higher than the atmospheric pressure, and is contained in the fuel tank 13. As is well known, the saturated vapor pressure of dimethyl ether at room temperature is higher than atmospheric pressure and has a pressure of about 6 atm. Therefore, when dimethyl ether is stored in the fuel tank 13 and hermetically sealed, a saturated vapor pressure of about 6 atm is always applied to the fuel tank 13.
[0020]
In order to take out the fuel in the fuel tank 13, an opening / closing valve 15 is connected near the upper part of the fuel tank 13 and is capable of controlling the flow rate of the fuel gas by opening and closing and controlling the opening degree. The on-off valve 15 is connected to a connection path 17 connected to the reformer 11. Therefore, when the on-off valve 15 is opened, the fuel flows out of the closed vessel 13 as a vaporized gas due to the saturated vapor pressure acting in the fuel tank 13. Then, the vaporized gas is supplied to the reformer 11.
[0021]
In order to reform the fuel (dimethyl ether), a water storage tank 19 for supplying water to the reformer 11 is provided. In the water storage tank 19, an upper chamber (first chamber) 19A and a lower chamber (second chamber) 19B are partitioned by a movable partition body 21 such as a piston and a diaphragm, and the lower chamber 19B has The water to be supplied to the reformer 11 is stored.
[0022]
In order to supply the water to the reformer 11, a connection path 23 connected to the connection path 17 is connected to the lower chamber 19B of the water storage tank 19, and the connection path 23 An on-off valve 25 and a carburetor 27 similar to the on-off valve 15 are sequentially arranged from the water storage tank 19 side. In order to supply the saturated vapor pressure of the fuel to the water storage tank 19, an upper chamber 19 A of the water storage tank 19 is provided as an example of pressurized supply means connected to the upper side of the fuel tank 13. A connection path 29 is connected to the connection path 29. A first opening / closing valve 31 which can be freely opened and closed and a second opening / closing valve 33 which is an example of a pressure releasing means which can be freely opened to the atmosphere are sequentially provided from the fuel tank 13 side. It is arranged.
[0023]
Therefore, when the second on-off valve 33 is closed and the on-off valve 25 and the first on-off valve 31 are open, the saturated vapor pressure of the fuel in the fuel tank 13 acts on the upper chamber 19A of the water storage tank 19. Then, the water in the lower chamber 19B is sent out. The discharged water is vaporized in the vaporizer 27, mixed with the fuel gas in the connection path 17, and supplied to the reformer 11. At this time, the respective flow rates are adjusted by the on-off valves 15 and 25 so that the mixing ratio of dimethyl ether (DME) as fuel and steam becomes 1: 4.
[0024]
As already understood, when the fuel in the fuel tank 13 and the water in the water storage tank 19 are supplied to the reformer 11, the saturated vapor pressure of the fuel in the fuel tank 13 is used. Accordingly, a pump for supplying fuel and water can be omitted, so that the overall configuration can be simplified and the size can be reduced.
[0025]
Wherein the reformer 11 are reforming catalyst decorated carrying Rh on _Al 2 _{O 3,} in the reformer 11, mixture of the dimethyl ether and _{_{steam, [CH 3 OCH 3 + 3H}} 2 O → 3CO ₂ + 6H ₂ ] to be reformed into a hydrogen-rich gas containing hydrogen. Since a small amount of CO is present in the reformed gas, a semipermeable membrane means 35 for selectively permeating hydrogen is provided.
[0026]
The semi-permeable membrane means 35 is made of a quartz-based hydrogen-permeable semi-permeable membrane and has a function of selectively permeating mainly hydrogen in the reformed gas. A gas containing almost only hydrogen is supplied to the fuel electrode 5. The semi-permeable membrane means 35 is connected to a back pressure control valve 37 whose opening can be adjusted like a needle valve, for example, and the upstream side of the back pressure control valve 37 has a pressure lower than the saturated vapor pressure. Is adjusted to a pressure higher than the atmospheric pressure, for example, about 5 atm. The downstream side of the back pressure control valve 35 is substantially at atmospheric pressure, and is connected to the catalytic combustor 39.
[0027]
The catalyst combustor 39 contains a Pt-based catalyst similarly to a normal catalyst combustor, and gas (DME, H ₂ , CO, CO ₂ , H ₂₎ which has not passed through the semipermeable membrane means 35. O) is mixed with a part of the air supplied from a blower 41 as an example of the oxygen supply means, supplied to the catalytic combustor 39, and subjected to catalytic combustion. The heat generated by the catalytic combustion in the catalytic combustor 39 is transmitted to the vaporizer 27, the reformer 11, and the semipermeable membrane means 35, and is used for the vaporization of water, heat of reforming reaction, and heating of the semipermeable membrane. Is done.
[0028]
As already understood, since the semi-permeable membrane means 35 is operated at about 5 atm higher than the atmospheric pressure by the back pressure regulating valve 37, the reforming in the reformer 11 is performed at a pressure lower than the atmospheric pressure. Since the reaction is performed at a high pressure and the density of the vaporized gas is large, the volume of the reformer 11 can be reduced as compared with the case where the reforming reaction is performed at atmospheric pressure. Further, since the permeation pressure difference in the semipermeable membrane means 35 is large, the area of the hydrogen permeable semipermeable membrane may be smaller than that in the case where the permeation is performed at atmospheric pressure.
[0029]
Therefore, it is easy to reduce the size of the reformer 11 and the semipermeable membrane means 35, and the overall configuration can be reduced in size.
[0030]
In order to supply air to the air electrode 7 in the fuel cell body 9, a supply path 43 connected to the blower 41 as an example of an oxygen supply means is provided with a heat exchanger for supplying heated air. A first branch 43A connected to the catalytic combustor 39 through a first branch 45 and a second branch 43B connected to the side of the air electrode 7 are branched through the branch 45, and each branch 43A, 43B is provided with a needle valve or the like. Flow control valves 47 and 49 whose opening can be freely adjusted are arranged.
[0031]
The hydrogen supplied to the fuel electrode 5 in the fuel cell main body 9 is used for power generation. In order to guide unused hydrogen discharged from the fuel electrode 5 to the catalytic combustor 39, A recovery path 51 is connected to the fifth side. The combustion gas burned in the catalytic combustor 39 is guided to the heat exchanger 45 via a recovery passage 53. In addition, a recovery path 55 is connected to the air electrode 7 side for recovering gas discharged from the air electrode 7 side, and a part of the water vapor recovered in the recovery path 55 is condensed. In addition, the recovery path 55 is connected to the heat exchanger 45.
[0032]
The water condensed and recovered in the heat exchanger 45 is temporarily stored in a water tank 57 and is used via a connection path 56 to maintain the moisture retention of the solid polymer membrane 3 in the fuel cell body 9. Have been. In order to circulate unused oxygen in the gas recovered in the recovery path 55 and a part of water vapor as a product to the air electrode 7, the recovery path 55 is connected to the second branch path 43B side. The branch path 55A is branched and connected, and a flow control valve 59 and a pump 61 are sequentially arranged in the branch path 55A.
[0033]
According to the above configuration, a part of the gas discharged from the air electrode 7 is suctioned by the pump 61. Further, the solid polymer membrane 3 in which the water content tends to decrease when protons move from the fuel electrode 5 side, because a part of water vapor as a product is circulated to the air electrode 7, so that the moisture retention is maintained. Property is maintained at an appropriate value, and moisture management becomes easy.
[0034]
In order to supply water to the water storage tank 19, the water tank 57 and the lower chamber 19 B of the water storage tank 19 are connected via a connection path 63. A pump 65 and a third on-off valve 67 are sequentially arranged from the tank 57 side.
[0035]
Therefore, in a state where the first opening / closing valve 31 and the opening / closing valve 25 are closed and the second opening / closing valve 33 is opened to open the upper chamber 19A of the water storage tank 19 to the atmospheric pressure, the third opening / closing valve 67 is opened and the pump is opened. By driving the 65, the water in the water tank 57 can be supplied to the lower chamber 19B of the water storage tank 19.
[0036]
After supplying water to the lower chamber 19B as described above, the second and third on-off valves 33 and 67 are closed, and the first on-off valve 31 and the on-off valve 25 are opened to return to the initial state. .
[0037]
As understood from the above description, the supply of fuel and water to the reformer 11 is performed using the saturated vapor pressure of the fuel. A pump for supplying water can be omitted, and the overall configuration can be simplified and downsized.
[0038]
In addition, since water can be supplied to the lower chamber 19B of the water storage tank 19 by opening the upper chamber 19A to the atmospheric pressure, the pump 65 for supplying water can be relatively small. Become. Furthermore, the reforming reaction of the reformer 11 can be performed at a pressure higher than the atmospheric pressure based on the saturated vapor pressure of the fuel, and the reforming reaction of the reformer 11 is performed at the atmospheric pressure. As a result, the overall configuration of the fuel cell system can be simplified and downsized as compared with the related art.
[0039]
By the way, the pump 65 and the on-off valve 67 can be omitted, for example, by adopting the following configuration. That is, a suitable elastic member such as a coil spring is provided inside the lower chamber 19B of the water storage tank 19, and the partition 21 is constantly urged upward in FIG. In this case, the urging force of the elastic member is set such that the elastic member can be reduced by the saturated vapor pressure of the fuel acting on the partition 21. Then, instead of the pump 65 and the on-off valve 67, the flow of water from the water tank 57 side to the water storage tank 19 side is allowed, but a check valve for preventing backflow of water is provided at the inlet of the lower chamber 19B or It is configured to be arranged in the connection path 63.
[0040]
With the above configuration, when the upper chamber 19A of the water storage tank 19 is opened to the atmospheric pressure as described above in order to supply water to the lower chamber 19B of the water storage tank 19, the elastic member provided in the lower chamber 19B is provided. The partition 21 is moved upward in FIG. 1 by the action of FIG. 1, and the lower chamber 19B becomes negative pressure, so that water is sucked from the water tank 57 into the lower chamber 19B. Then, the reverse flow of the water flowing into the lower chamber 19B is prevented by the action of the check valve arranged in the connection passage 63. Therefore, the structure can be further simplified and downsized.
[0041]
Note that the fuel may be a hydrocarbon such as propane or butane instead of dimethyl ether.
[0042]
FIG. 2 shows a second embodiment of the present invention. Components having the same functions as the components described in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
[0043]
In the second embodiment, a CO removing means 69 is provided for removing CO in place of the semipermeable membrane means 35. The flow control valve 71 is arranged between the CO removing means 69 and the fuel electrode 5.
[0044]
A CO-based catalyst is used for the CO removing means 69 and [CO + H ₂ CO is changed to CO ₂ or the like by the reaction of O → CO ₂ + H ₂ ] or [CO + H ₂ → CH ₄ + H ₂ O] to remove CO. When the above reaction is performed, the pressure on the upstream side of the flow control valve 71 is slightly lower than the saturated vapor pressure of the fuel but is higher than the atmospheric pressure, that is, about 5 atm, so that CO can be removed more effectively.
[0045]
Also in the second embodiment, the same effects as in the first embodiment can be obtained.
[0046]
By the way, when CO is removed by reacting oxygen and CO as [CO + 1 / 2O ₂ → CO ₂ ] using the Ru / Al ₂ O ₃ catalyst in the CO removing means 69, Air supply means for supplying air to the removing means 69 is required. In this case, the air supply means can be configured to use the saturated vapor pressure of the fuel.
[0047]
That is, as shown in FIG. 2, an upper portion of the first chamber 75A of the air tank 75 and an upper portion of the fuel tank 13 of which the inside is partitioned into a first chamber 75A and a second chamber 75B by a partition 73 similar to the partition 21. Is connected by a connecting path 79 in which an on-off valve 77 is arranged, and an on-off valve 81 as an example of a pressure releasing means capable of releasing the first chamber 75A of the air tank 75 to the atmospheric pressure is branched to the connecting path 79. Provided. A blower 85 is connected to the second chamber 75B of the air tank 75 via an on-off valve 83, and the second chamber 75B is connected to the CO removing means 69 via the on-off valve 85.
[0048]
With the above configuration, when the on-off valves 81, 83 are closed and the on-off valves 77, 85 are opened, the saturated vapor pressure of the fuel in the fuel tank 13 acts on the first chamber 75A of the air tank 75. The air in the second chamber 75B is sent to the CO removing means 69 side.
[0049]
When air is supplied into the second chamber 75B of the air tank 75, the on-off valves 77 and 85 are closed and the on-off valve 81 is opened to open the first chamber 75A to the atmospheric pressure. By opening the on-off valve 83 and driving the blower 85, air can be supplied to the second chamber 75B of the air tank 75.
[0050]
As already understood, in the above configuration, air is supplied to the CO removing means 69 using the saturated vapor pressure of the fuel, so that the air supply means can be reduced in size. It is. When the second chamber 75B of the air tank 75 is provided with an elastic member according to the water storage tank 19, a check valve is used instead of the on-off valve 83 and the blower 85. It is also possible to make the configuration simpler and smaller.
[0051]
FIG. 3 shows a third embodiment of the present invention. Components having the same functions as those of the above-described first embodiment are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
[0052]
In the third embodiment, methanol is used as fuel, and methanol is contained in the fuel tank 13. Since the saturated vapor pressure of methanol is lower than the atmospheric pressure at room temperature, in order to supply the methanol in the fuel tank 13 to the reformer 11, a pressurized cylinder 87 filled with nitrogen gas as a pressurized gas is used. The fuel cell system is connected to the fuel tank 13 via an on-off valve 89 and to the connection path 29. And, in order to vaporize methanol, a vaporizer 91 is arranged in the connection path 17.
[0053]
Therefore, when the reforming reaction is performed in the reformer 11, the fuel can be reformed at a pressure higher than the atmospheric pressure, and the same effects as in the first embodiment can be obtained. Also in the third embodiment, it is possible to adopt a configuration in which a CO removing unit is employed instead of the semipermeable membrane unit 35.
[0054]
The fuel may be alcohol, such as ethanol, instead of methanol.
[0055]
【The invention's effect】
As understood from the above description, according to the present invention, since the fuel and water are fed to the reformer using the saturated vapor pressure of the fuel and the pressurized pressure of the pressurized gas, the fuel The pump for supplying water can be omitted, the reforming reaction can be easily performed at a pressure higher than the atmospheric pressure, and the overall configuration of the fuel cell system can be simplified and downsized. Can be achieved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram illustrating a configuration of a fuel cell system according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram showing a configuration of a fuel cell system according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is an explanatory diagram showing a configuration of a fuel cell system according to a third embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
9 fuel cell body 11 reformer 13 fuel tank 19 water storage tank 19A upper chamber (first chamber)
19B… Lower room (second room)
25 open / close valve 27 vaporizer 31 first open / close valve 33 second open / close valve 35 semi-permeable membrane means 37 back pressure control valve 39 catalyst combustor 41 blower 43 supply path 45 heat exchanger 51 Recovery path 53 Recovery path 57 Water tank 59 Flow control valve 61 Pump 65 Pump 69 CO removal means 75 Air tank 75A First chamber 75B Second chamber 87 Pressurized cylinder

Claims

A fuel cell system comprising: a reformer that reforms a fuel into a hydrogen-rich gas; and a fuel cell body that performs power generation using a hydrogen-rich gas supplied from the reformer and oxygen supplied from oxygen supply means. The fuel is a fuel whose saturated vapor pressure is higher than the atmospheric pressure and is stored in a fuel tank, and the fuel is supplied to the reformer by the saturated vapor pressure in the fuel tank, And a pressurized supply unit for supplying the saturated vapor pressure to a water storage tank containing water to be supplied to the reformer.

The fuel cell system according to claim 1, wherein the fuel is dimethyl ether.

The fuel cell system according to claim 1, wherein the fuel is a hydrocarbon.

A fuel cell system comprising: a reformer that reforms a fuel into a hydrogen-rich gas; and a fuel cell body that performs power generation using a hydrogen-rich gas supplied from the reformer and oxygen supplied from oxygen supply means. A fuel cell system comprising a gas tank containing a pressurized gas for pressurizing at least one of a fuel tank containing fuel to be supplied to the reformer and a water containing tank containing water. .

The fuel cell system according to claim 4, wherein the fuel is methanol.

The fuel cell system according to claim 4, wherein the fuel is ethanol.

The fuel cell system according to any one of claims 1 to 6, wherein the reforming reaction in the reformer is performed at a pressure higher than the atmospheric pressure.

The fuel cell system according to claim 1, wherein a half of the hydrogen-rich gas supplied from the reformer selectively permeates between the reformer and the fuel cell body. A fuel cell system comprising a membrane means.

8. The fuel cell system according to claim 1, wherein CO is removed between the reformer and the fuel cell main body to remove carbon monoxide in a hydrogen-rich gas supplied from the reformer. 9. A fuel cell system comprising means.

The fuel cell system according to claim 9, further comprising an air tank configured to supply air to the CO removing unit, and configured to supply a saturated vapor pressure of the fuel or a pressure of the gas tank to the air tank. Characteristic fuel cell system.

The fuel cell system according to any one of claims 1 to 10, further comprising a water recovery tank for recovering water generated in the fuel cell main body, and sending water in the water recovery tank into the water storage tank. A fuel cell system comprising: a pressure releasing unit that releases pressure in the water storage tank when supplying water.

11. The fuel cell system according to claim 10, further comprising a pressure release unit that releases pressure in the air tank when supplying air to the air tank.

13. The fuel cell system according to claim 1, wherein exhaust gas discharged from the air electrode side of the fuel cell body is circulated again to the air electrode. .