JP2006004806A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 固体高分子型燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、加湿器を配設することなく、固体高分子電解質膜に加湿用の水分を供給することが可能な燃料電池システムを提供する。
【解決手段】 固体高分子型燃料電池１０を備え、水素を燃焼させる燃焼部２０Ａから排出される燃焼排ガスをカソード１０Ｃ側に供給する燃焼排ガス供給ライン５１を備えてなる燃料電池システム１である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、固体高分子型燃料電池を備えた燃料電池システムに関する。

従来から、一般的な固体高分子型燃料電池として、イオン交換膜からなる電解質膜とこの電解質膜の一方の面に配置された触媒層及び拡散層からなるアノード（燃料極）及び前記電解質膜の他方の面に配置された触媒層及び拡散層からなるカソード（酸化剤極）と、からなる膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）と、前記アノードにアノードガス（水素ガス）を、カソードにカソードガス（酸素ガス、通常は空気）を供給するための流体通路を形成するセパレータとを備えたセルを構成し、このセルを複数積層してモジュールとしているものがある。

このような固体高分子型燃料電池では、アノード側でアノードガス（水素ガス）がイオン化して固体高分子電解質中を移動すると共に、電子が外部負荷を通ってカソード側に移動し、酸素と反応して水を生成する一連の電気化学反応により得られる電気エネルギーを取り出している。この時、水素イオンが前記固体高分子電解質膜中を移動するため、固体高分子電解質膜が乾燥し始めると、イオン伝導率が低下し、エネルギー変換効率が低下してしまう。そして、さらに乾燥が進むと、電解質膜としての機能を失い、発電することができなくなる虞がある。したがって、固体高分子型燃料電池では、固体高分子電解質膜に水分を供給する必要がある。

そこで、固体高分子電解質膜が乾燥することを防止する目的で、当該固体高分子電解質膜に水分を供給するための加湿器を、カソードガス供給路に設けた燃料電池システムが提案されている。（例えば、特許文献１参照）。

また、他の従来の燃料電池システムとして、例えば、蒸気制御弁を有し、飽和蒸気をボイラから原料予熱器と改質器の間に供給する飽和蒸気ラインを備え、改質器伝熱部の規定以上の温度上昇を温度センサーにより検出し、或いは負荷変化指令に基づく先行信号によって、蒸気制御弁を開き、飽和蒸気を改質器伝熱部の温度が規定以内に復帰するまで改質器前の燃アノードガスに混入することで、溶融炭酸塩型燃料電池の負荷降下時の改質器伝熱部の過熱を防止させる溶融炭酸塩型燃料電池システムが紹介されている。この溶融炭酸塩型燃料電池システムでは、前記改質器から排出された燃焼排ガスをカソード側に供給することで、カソード反応に必要なＣＯ₂ガスの循環を確実に行っている。（例えば、特許文献２参照）。
特開２００１−３５１６５９号公報 特開平６−２１５７９０号公報

しかしながら、前述した特許文献１に記載された燃料電池システムでは、カソードガス供給路に加湿器を設けているため、システムが大型化すると共に、コストがかかるという問題がある。

また、特許文献２に記載されているような溶融炭酸塩型燃料電池は、電解質膜として、通常、炭酸リチウムと炭酸カリウムを混合した混合炭酸塩を用いており、この混合炭酸塩は、燃料電池の運転温度では、溶融状態の透明な液体になり、この中を炭酸イオンが移動することで発電を行っている。したがって、溶融炭酸塩型燃料電池では、固体高分子型燃料電池のように、固体高分子電解質膜に水分を供給する必要がない。このため、特許文献２に記載されている溶融炭酸塩型燃料電池システムでは、カソード側に供給された燃焼排ガスを、電解質膜を加湿するために利用することについて何ら考慮がなされていない。

本発明は、固体高分子型燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、加湿器を配設することなく、固体高分子電解質膜に加湿用の水分を供給することが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。

この目的を達成するため、本発明は、固体高分子型燃料電池を備えた燃料電池システムであって、水素を燃焼させる燃焼部から排出される燃焼排ガスを、前記燃料電池のカソード側に供給する燃焼排ガス供給ラインを備えてなる燃料電池システムを提供するものである。

この構成を備えた燃料電池システムでは、水素を燃焼させる燃焼部から排出される燃焼排ガス中に含まれている水分を、固体高分子電解質膜を加湿するための水分として使用することができる。このため、固体高分子電解質膜を加湿するための加湿器を別途配設する必要がない。

また、本発明にかかる燃料電池システムは、改質器で改質されたガスを燃料ガスとしてアノード側に供給する改質燃料ガス供給ラインをさらに備えることができ、前記水素を当該改質器の燃焼部で燃焼させることができる。

さらにまた、本発明にかかる燃料電池システムは、アノード側から排出されたアノード排ガスを前記燃焼部に供給するアノード排ガス供給ラインをさらに備え、前記燃焼部で当該アノード排ガスに含まれる水素を燃焼させることもできる。この構成によれば、前記利点に加え、アノード排ガスに含まれる水素を無駄なく使用することができる。

また、本発明にかかる燃料電池システムでは、前記燃焼部における空燃比を、前記燃料電池の発電量に応じて決定することができる。このようにすることで、前記利点に加え、燃料電池の発電に必要な量の酸化ガスをカソードに供給することができる。

そしてまた、本発明にかかる燃料電池システムは、前記燃焼部の燃焼排ガス出口から前記カソードの燃焼排ガス入口までの間に、熱交換器を設けることができる。このような構成にすることで、前記利点に加え、高温である燃焼排ガスの温度を燃料電池の反応温度まで低下させることができる。

さらにまた、本発明にかかる燃料電池システムは、前記カソード側から排出されるカソード排ガスに含まれる水蒸気を、前記改質器に供給される前の原料ガスに移動させる水蒸気交換器をさらに備えることができる。このように構成することで、水蒸気改質で用いる水蒸気を水から気化させて作る必要がなくなる、あるいは、水から作る水蒸気の量を削減することができるため、エネルギーを節約することができる。また、水蒸気改質用の水の使用量を大幅に減少することができる。

本発明にかかる燃料電池システムによれば、燃焼部から排出される燃焼排ガス中に含まれている水分を、固体高分子電解質膜を加湿するための水分として使用することができるため、固体高分子電解質膜を加湿するための加湿器を配設する必要がない。この結果、燃料電池システムを小型化することができると共に、コストを削減し、信頼性を向上することができる。

次に、本発明の好適な実施の形態にかかる燃料電池システムについて図面を参照して説明する。なお、以下に記載される実施の形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をこれらの実の形態にのみ限定するものではない。したがって、本発明は、その要旨を逸脱しない限り、様々な形態で実施することができる。

図１は、本実施の形態にかかる燃料電池システムの構成の概略を示す図、図２は、図１に示す燃料電池システムの構成要素である固体高分子型燃料電池の単セルの一部を断面で示す図である。

図１に示すように、本実施の形態にかかる燃料電池システム１は、固体高分子型燃料電池１０と、原料ガス（例えば、天然ガス、メタンガス、ブタンガス等）を改質して水素リッチな改質燃料ガスとし、これを固体高分子型燃料電池１０のアノード１０Ａに供給する改質器２０と、固体高分子型燃料電池１０のカソード１０Ｃから排出されたカソード排ガスを回収し、このカソード排ガスから水蒸気を回収すると共に、改質器２０に供給される前の原料ガスに水蒸気を移動させる水蒸気交換器３０と、改質器２０に空気を供給するエアブロア４０と、改質器２０の燃焼部２０Ａの燃焼排ガス出口から、カソード１０Ｃの燃焼排ガス入口までの間に設けられた熱交換器５０と、固体高分子型燃料電池１０からの直流電力を交流電力に変換して外部に供給する系統連係パッケージ６０と、を備えて構成されている。

なお、改質器２０からカソード１０Ｃに接続された配管によって、改質器２０の燃焼部２０Ａから排出される燃焼排ガスをカソード１０Ｃに供給する燃焼排ガス供給ライン５１が構成され、改質器２０からアノード１０Ａに接続された配管によって、改質器２０で改質された改質燃料ガスをアノード側に供給する改質燃料ガス供給ライン５２が構成され、アノード１０Ａから改質器２０に接続された配管によって、アノード１０Ａから排出されたアノード排ガスを改質器２０の燃焼部２０Ａに供給するアノード排ガス供給ライン５３が構成され、カソード１０Ｃから水蒸気交換器３０に接続された配管によって、カソード排ガス供給ライン５４が構成されている。

固体高分子型燃料電池１０は、図２に示すように、単セル１１を複数積層してなり、この単セル１１は、電解質膜１２と、この電解質膜１２を狭持するアノード１０Ａ及びカソード１０Ｃと、このアノード１０Ａに燃料ガス（水素リッチな改質燃料ガス）を供給する燃料ガス供給路１３を有するセパレータ１４と、カソード１０Ｃに酸化ガスを供給する酸化ガス供給路１５を有するセパレータ１６と、から構成されている。なお、セパレータ１４及び１６は、複数の単セル１１を積層した際に隣り合う単セル１１との隔壁の役割を果たしている。

アノード１０Ａは、触媒電極１７Ａとガス拡散電極１８Ａから構成され、カソード１０Ｃは、触媒電極１７Ｃとガス拡散電極１８Ｃとから構成されている。そして、各単セル１１のアノード１０Ａには、改質器２０から改質燃料ガス供給ライン５２を介して水素リッチな改質燃料ガスが供給され、各単セル１１のカソード１０Ｃには、改質器２０から燃焼排ガス供給ライン５１を介して燃焼排ガス（空気や水蒸気）が酸化ガスとして供給されることにより、改質燃料ガス中の水素と、酸化ガス中の酸素との電気化学反応によって発電が行われる。また、固体高分子型燃料電池１０の図示しない出力端子は、系統連係パッケージ６０内の図示しないインバータを介して外部に接続されている。

改質器２０は、水蒸気交換器３０を介して導入された原料ガスと水蒸気との混合気を、次式（１）及び次式（２）に示す反応に供することにより、水素リッチな改質ガスを生成する。
ＣＨ₄＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ₂ 式（１）
ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋Ｈ₂ 式（２）

また、改質器２０には、こうした反応に必要な熱を供給する燃焼部２０Ａが設けられており、この燃焼部２０Ａには、前記原料ガスが供給されると共に、エアブロア４０から燃焼に必要な空気が供給される。また、この燃焼部２０Ａには、アノード１０Ａからアノード排ガス供給ライン５３を介して供給されるアノード排ガスが供給される。すなわち、アノード排ガスを有効利用するために、アノード排ガス中の未反応の水素を燃焼部２０Ａの燃料として用いることができるように構成され、ここで燃焼された燃焼排ガス（空気や水蒸気）を酸化ガスとして、燃焼排ガス供給ライン５１を介してカソード１０Ｃに供給する。

ここで、前記燃焼排ガスには、空気の他に水蒸気が含まれており、この水蒸気がカソード１０Ｃに供給される。このため、この水蒸気を電解質膜１２の加湿用として利用することができる。したがって、従来のように、電解質膜１２を加湿するための加湿器を別途設ける必要がない。

水蒸気交換器３０は、水蒸気選択透過性の高い中空糸膜により分けられた排ガス通路３０Ａと、原料ガス通路３０Ｂとを備え、カソード１０Ｃからカソード排ガス供給ライン５４を介して排ガス通路３０Ａに供給された水蒸気を含んだカソード排ガスと、原料ガス通路３０Ｂを通過する原料ガスを向流接触させることにより、カソード排ガスの水蒸気及び熱を原料ガスへ移す。具体的には、水蒸気を含むカソード排ガスと水蒸気を含まない原料ガスとの間に発生する水蒸気分圧の差を利用してカソード排ガスの水蒸気が中空糸膜を透過して原料ガスへ移り、また、カソード排ガスの熱が常温の原料ガスに中空糸膜を介して伝達される。これにより、水蒸気改質用の水蒸気を水から作る必要がなくなる、あるいは、水から作る水蒸気の量を削減することができるため、熱効率を大幅に向上することができると共に、水蒸気改質用の水の使用量を大幅に低減することができる。

エアブロア４０は、改質器２０の燃焼部２０Ａで行われる燃焼に必要な空気と、固体高分子型燃料電池１０の発電に必要な空気を供給する。したがって、この空気の空燃比は、少なくとも、固体高分子型燃料電池１０の発電に必要な酸化ガス量が残る値に設定される。すなわち、空気の空燃比は、固体高分子型燃料電池１０の発電量に応じて決定される。

熱交換器５０は、燃焼排ガス供給ライン５１上に配設されており、燃焼部２０Ａから排出された高温の燃焼排ガスを、固体高分子型燃料電池１０の反応温度まで低下させる。

系統連係パッケージ６０は、内部に図示しないインバータを備えており、このインバータには、固体高分子型燃料電池１０の図示しない出力端子が接続されている。そして、固体高分子型燃料電池１０からの直流電力を交流電力に変換して外部に供給する。

なお、本実施の形態では、熱交換器５０を燃焼排ガス供給ライン５１上に配設した場合について説明したが、これに限らず、熱交換器５０は、燃焼部２０Ａの燃焼排ガス出口からカソード１０Ｃの燃焼排ガス入口までの間であれば、任意の位置に配設することができる。なお、この燃焼部２０Ａの燃焼排ガス出口からカソード１０Ｃの燃焼排ガス入口までの間とは、燃焼部２０Ａの内部も含まれるものとする。また、燃焼排ガスの温度は、原料ガスによって冷却してもよい。

また、本実施の形態では、アノード１０Ａに供給する燃料ガスとして、原料ガスを改質器２０によって改質して得られた水素リッチな改質燃料ガスを使用する場合について説明したが、これに限らず、燃料ガスとして、例えば、水素ボンベ等から供給される水素ガスを使用してもよい。

本実施の形態にかかる燃料電池システムの構成の概略を示す図である。 図１に示す燃料電池システムの構成要素である固体高分子型燃料電池の単セルの一部を断面で示す図である。

符号の説明

１ 燃料電池システム
１０ 固体高分子型燃料電池
２０ 改質器
３０ 水蒸気交換器
４０ エアブロア
５０ 熱交換器
５１ 燃焼排ガス供給ライン
５２ 改質燃料ガス供給ライン
５３ アノード排ガス供給ライン
５４ カソード排ガス供給ライン
６０ 系統連係パッケージ

Claims (6)

1. 固体高分子型燃料電池を備えた燃料電池システムであって、
   水素を燃焼させる燃焼部から排出される燃焼排ガスを、前記燃料電池のカソード側に供給する燃焼排ガス供給ラインを備えてなる燃料電池システム。
2. 改質器で改質されたガスを燃料ガスとしてアノード側に供給する改質燃料ガス供給ラインをさらに備え、前記水素を当該改質器の燃焼部で燃焼させる請求項１記載の燃料電池システム。
3. アノード側から排出されたアノード排ガスを前記燃焼部に供給するアノード排ガス供給ラインをさらに備え、前記燃焼部で当該アノード排ガスに含まれる水素を燃焼させる請求項１または請求項２記載の燃料電池システム。
4. 前記燃焼部における空燃比を、前記燃料電池の発電量に応じて決定する請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
5. 前記燃焼部の燃焼排ガス出口から前記カソードの燃焼排ガス入口までの間に、熱交換器を設けてなる請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
6. 前記カソード側から排出されるカソード排ガスに含まれる水蒸気を、前記改質器に供給される前の原料ガスに移動させる水蒸気交換器をさらに備えてなる請求項２ないし請求項５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
   
   

Images