JP2006012721A

JP2006012721A - 燃料電池装置

Info

Publication number: JP2006012721A
Application number: JP2004191581A
Authority: JP
Inventors: Masamitsu Murai; 正光村井; Sadao Tanigawa; 貞夫谷川; Shuichi Matsunaga; 秀一松永; Harunobu Takeda; 晴信竹田; Yoshiyuki Aso; 良之阿曽
Original assignee: Japan Steel Works Ltd
Current assignee: Japan Steel Works Ltd
Priority date: 2004-06-29
Filing date: 2004-06-29
Publication date: 2006-01-12

Abstract

【課題】本発明は密閉された空間にて使用される燃料電池装置において触媒燃焼処理を行うことにより、安全上燃料ガスを全く外部に排出しない燃料電池（クローズドサイクル燃料電池）を供給し、さらに発生する熱を熱交換し、この温水を水素吸蔵合金容器の加温に用い、水素の消費量を削減することを目的とする。
【解決手段】本発明による燃料電池装置は、燃料電池(3A)からの排出水素ガス(3a')を触媒燃焼式排ガス処理部(10)の熱交換器(10b)にて温水に熱交換して温水にし、この温水(11)を水素吸蔵合金容器(1)に供給して水素を取り出すことにより、水素の使用量を削減する構成である。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池装置に関し、特に、艦船などの密閉された空間で使用されるクローズドサイクル型燃料電池装置に関し、排出水素ガスを除去するために触媒燃料式排ガス処理部を用い、クローズドサイクル型の燃料電池装置を実現するための新規な改良に関する。

従来、固体高分子燃料電池では水素と酸素が反応して発電が起きるが、燃料電池内で燃料の水素ガスの量が不足すると電極の消耗などが起きて破損するなど故障の原因となる。このため、通常、自動車や家庭用に使用される燃料電池では、水素ガスを余剰に供給する方法がとられている。このため、電池内で消費されなかった未反応の水素ガスは循環利用されるが、不純ガスが含まれるため、この不純ガスによる発電効率の低下の影響を排除するため、燃料純度および燃料電池メーカーなどにより若干異なっているようではあるが、約１〜１０％程度排気されている。この排気ガスはそのまま燃料電池にリサイクルすることができないため、改質器のガス燃料として利用するか、大気へ排気するか何れかの方法がとられている。

図８に従来の排気ガス方式における燃料電池システムのフローを示す。
すなわち、図８の構成においては、水素供給装置として水素吸蔵合金を利用するものであるが、水素吸蔵合金容器１からの水素ガス（Ｈ₂)は液体酸素２からの酸素ガス(Ｏ₂)が供給される燃料電池３に供給され、この燃料電池３から得られた６０℃の温水４が前記水素吸蔵合金容器１へ供給されるように構成されている。

一方、燃料電池内で完全に燃料を消費する場合は、図９又は図１０の構成のように、燃料電池３，３Ａを図９では２段、図１０では３段に直列につなげることにより、１段目より排出された余剰水素と反応に必要な酸素を適切に制御供給し発電させる運用などが考えられる。又、さらに２段目より排出された余剰水素と反応に必要な酸素を適切に制御供給し発電させる運用などが考えられる。すなわち、図９、図１０は完全燃料消費型の燃料電池装置のフローを示す。また、図８と同一部分には同一符号を付しその説明は省略する。
尚、前述の図８及び図９で示される従来構成については、一般的であるため、ここでは、この構成を示すための特許文献等を開示していないが図１０については、特許文献１などにその構成が開示されている。

特開平６−２０３８６２号公報

従来の燃料電池装置は、以上のように構成されていたため、次のような課題が存在していた。
すなわち、固体高分子燃料電池へ各種原料から得られた水素を供給する場合、不純ガスが含まれるため、運用期間中に燃料電池内に不純ガスが濃縮して溜まり、発電出力の低下が起きる。このため、定期的に不純ガスを放出するパージ行程を実施している。また、火災などを起こしてはいけない船内の機関室や密閉された空間に設置運用される燃料電池では、余剰の水素を系外に排出することは安全上できない。従って、排出される水素ガスを容器に貯蔵する場合、容器が大きくなり、装置が大型化され、その適用には大きい障害となっていた。
従来の燃料電池装置では、発電効率の低下が最終段の燃料電池に限定裂けるので、発電効率の低下はあまりないが、使用する水素ガスはきわめて純度が高いものが必要であり、そのため、ランニングコストが高くなっていた。また、燃料電池の設計および制御が極めて難しくなる欠点を有していた。

本発明による燃料電池装置は、クローズドサイクルを形成する燃料電池装置において、燃料電池からの排出水素ガスの排出水素ガスラインに熱交換器を有する触媒燃焼式排ガス処理部を設ける構成であり、また、前記燃料電池への水素供給部として第１水素吸蔵合金容器を用いる構成であり、また、前記触媒燃焼式排気ガス処理部に不燃ガスを循環利用する構成であり、また、前記不燃ガスとして、アルゴンガス、窒素ガスまたはこれらの混合ガスまたは、水蒸気の何れかを用いる構成であり、また、前記水蒸気は、９０℃以下の温度で使用する構成であり、また、前記排出水素ガスを外部に出さないように前記熱交換器を用いて熱に変換する構成であり、また、前記触媒燃焼式排ガス処理部の熱交換器からの温水を前記第１水素吸蔵合金容器に供給する構成であり、また、前記熱交換器からの前記温水よりも高温の高温温水を高温作動合金を充填した第２水素吸蔵合金容器に供給する構成であり、また、前記排出水素ガスラインに前記排出水素ガスを一旦貯めるための貯留タンクを設け、前記貯留タンクと前記触媒燃焼式排ガス処理部の触媒との間に前記排出水素ガスの供給を制御するための排出水素ガス供給制御部を設けた構成であり、また、前記触媒燃焼式排ガス処理部においては、触媒を充填した触媒容器と前記熱交換器とを一緒に組み込んだ構成である。

本発明による燃料電池装置は、以上のように構成されているため、次のような効果を得ることができる。
すなわち、密閉空間における燃料電池装置において、燃料電池からの排出水素ガスを触媒燃焼式排ガス処理部にて外部に放出することなく不純ガスのみに減少させられるため、貯蔵される不純ガスの中に殆ど水素ガスが存在せず火災、爆発のない安全なクローズドサイクル燃料電池装置が可能となる。かつ貯蔵する不純ガス中に水素ガスがなくなり小型の貯蔵装置でよい燃料電池装置が可能となる。
また、完全燃料消費型電池装置内部において、排出水素ガスを減少させてゆく時に水素ガス不足による電極の損傷による発電性能の劣化や破損が起きる可能性が高く運転可能時間が短くなる欠点があったが、本発明の燃料電池装置では、燃料電池内で水素不足を生じない条件下の運用で排出ガスを最小とすることが可能であり、長時間運転が可能となる。また、燃料電池からの排出水素ガスを接触燃焼式排ガス処理部の熱交換器にて排出水素ガスを外部に放出することなく温水に代えて水素吸蔵合金容器に供給しているため、密閉された空間において利用される燃料電池の稼動時の水素消費量を（５〜１０％）削減が可能であり、水素ガスの燃料電池外部への排出がなくなり、燃料として燃焼させる場合と異なり、火気を使用することなく比較的低温で安全に運転可能なため、安全かつ高効率で長時間運転可能な水素供給装置が可能となる。

本発明は、密閉空間などで使用されるクローズドサイクル燃料電池から排出される水素ガスを排出水素ガス処理部にて水素ガスを除去かつ温水に熱交換し、水素吸蔵合金容器に供給することにより、燃料電池の稼動時の水素消費量を削減することと安全かつ小型のクローズドサイクル燃料電池装置を構築することを目的とする。

以下、図面と共に本発明による燃料電池装置の好適な実施の形態について説明する。
尚、従来例と同一又は同等部分については同一符号を用いて説明する。
触媒燃焼利用クローズドサイクル型燃料電池装置を示す図１又は図３の構成において符号１で示されるものは周知の常温作動可能な高吸蔵合金体心立方格子構造を有するＢＣＣ合金系の第１水素吸蔵合金容器であり、この第１水素吸蔵合金容器１からの水素ガス（Ｈ₂）は液体酸素２からの酸素ガス（Ｏ_２）供給される１段目の燃料電池３に供給され発電が行われる。

前記１段目の燃料電池３から放出される余剰の排出水素ガス３ａは２段目の燃料電池３Ａへ供給されて２段目の燃料電池３Ａの発電が行われる。
前記２段目の燃料電池３Ａから放出される余剰の水素ガス３ａ’は、排出水素ガスライン３Ｂを経て前記液体酸素２から酸素ガス（Ｏ_２）が供給され触媒１０ａが充填された触媒燃焼式排ガス処理部１０に供給され、この排出水素ガス３ａ’と前記酸素ガス（Ｏ_２）によって触媒１０ａの燃焼が行われる。

前記触媒燃焼式排ガス処理部１０には、熱交換器１０ｂが一緒に組み込まれた状態で設けられており、この触媒１０ａによる燃焼熱の熱交換器１０ｂによる熱交換によって生成された１００℃程度の温水１１は、前記第１水素吸蔵合金容器１に供給されていることにより、外部からのエネルギーの投入を必要とすることなく、燃料電池３の排熱より高温の熱媒体である温水１１を得ることができ、前記第１水素吸蔵合金容器１に残存する水素ガス（Ｈ_２）が燃料電池３に供給可能となる。

尚、図３の構成の第１水素吸蔵合金容器１を用いる場合、温水１１を用いているため、６０℃から１００℃まで加熱すると、約０.２ｗｔ％以上の水素ガス（Ｈ_２）の放出が可能となることが明らかであり、図４に示されるように、水素移動量増加量が約０.１ｗｔ％以上でも、５％以上の出力向上が得られることが明らかである。
尚、図２は具体的に前記触媒燃焼式排ガス処理部１０において構成された例を示したものである。すなわち、触媒燃焼式排ガス処理部１０の不燃ガスとして水蒸気を用いる場合について説明する。触媒燃焼式排ガス処理部１０の中には水が充填され、水蒸気により満たされている。燃料電池３Ａより排出される水素ガスを含んだ不純ガスと燃料電池３Ａで発生した水が触媒燃焼式排ガス処理部１０に導入される。この中に排出水素ガス３ａ’に含まれる水素ガスと酸素ガスのモル比が２：１以上で、常に酸素ガスが過剰となるように供給する。送風機２５によりガス処理部１０に含まれる水蒸気、水素、酸素、不純ガスの混合ガスが触媒内を流れるように運転される。このとき、水素と他のガスとの体積比が安全性の面から爆発下限界以下、好ましくは、１／４以下に調整され、触媒１０ａにより混合ガス中の水素は、酸素と反応し水蒸気となり、この反応で発熱がおきることから、加熱された混合ガスとなる。この混合ガスと外部媒体の熱交換を熱交換器１０ｂにより行えば、温水又は高温などを得ることも可能となる。この熱交換器１０ｂを通過した後、混合ガスは循環し再度触媒１０ａの入った容器に導入される。この操作を繰返すことにより、燃料電池３Ａより排出された水素ガスは水蒸気に変換され、不純ガスが濃縮された状態で触媒容器内に保存される。このため、保存されるガスとしては、不純ガスと水蒸気と反応により残った若干の酸素ガスのみとなる。この操作を行うことにより、不純ガスを燃料電池３Ａから分離排気可能となり、またその排気ガスの容量の最小化が達成でき、この場合、触媒燃焼式排ガス処理部１０内に不活性ガスを充填して運用することも可能である。

図６は図３の触媒燃焼式排ガス処理部１０の内部構成を示しており、燃料電池３Ａからの水素ガス（Ｈ_２）である排出水素ガス３ａ’は貯留タンク２０に一旦貯留され、この貯留タンク２０からの排出水素ガス３ｂ’は排出水素ガス供給制御部２１の各制御弁２２、２３によって酸素との割合いが調整されて混合部２４に供給され、送風機２５からの不燃ガス（窒素、アルゴン又はこれらの混合ガスまたは水蒸気の何れか）からなる処理ガス２６と混合されて加熱ユニット２７を経て触媒１０ａに供給される。

前記触媒１０ａで燃焼された熱は、水が供給される熱交換器１０ｂにて温水１１に熱交換され、この温水１１が水素吸蔵合金容器１に供給される。
従って、前記貯留タンク２０内に貯められた排出水素ガス３ａ’は、排出水素ガス供給制御部２１によって酸素２３との混合が調整され、安全的に触媒１０ａ側へ供給される。尚、前記触媒１０ａの容器１０Ａと熱交換器１０ｂは一体に構成することもできる。

次に、図５及び図７の構成は、前述の図３及び図６の形態の他の形態を示すもので、同一部分には同一符号を付し、その説明は省略すると共に、異なる部分についてのみ説明する。
すなわち、図５の構成においては、触媒燃焼式排ガス処理部１０から熱交換器１０ｂによって取り出された熱水（〜約２００℃）からなり前記温水より高温の高温温水１１Ａは、高温作動のＭｇ系の水素吸蔵合金が充填された第２水素吸蔵合金容器１Ａに供給されることにより、外部からのエネルギーの投入をすることなく燃料電池排熱より高い熱媒体が供給されることになる。

前記第２水素吸蔵合金容器１Ａから放出された（Ｈ_２）は、２段目のＢＣＣ系の低温作動の第１水素吸蔵合金容器１に供給され、この第１水素吸蔵合金容器１からの（Ｈ_２）は前記燃料電池３に供給される。
前述のように、ＢＣＣ系の第１水素吸蔵合金容器１の前段に高温作動のＭｇ系の第２水素吸蔵合金容器１Ａを用いて２段構成とすることにより、１０％以上の出力向上が得られ、高温作動合金としては、３ｗｔ％以上の水素吸蔵量を有するＭｇ系の第２水素吸蔵合金容器１Ａが好適である。
尚、前述の図３及び図５の構成を同時に運用することも可能である。
また、図７で示される図５の触媒燃焼式排ガス処理部１０の構成は、前述の図６の構成に対して、空冷式の第１水素吸蔵合金容器１が送風機２５側へ接続されているのみで他の構成は同一である。
尚、前記第２水素吸蔵合金容器１Ａから放出された水素ガス（Ｈ_２）を直接前記燃料電池３に供給することも可能である。

本発明は、燃料電池以外の水素供給系にも適用可能である。

本発明によるクローズドサイクル型燃料電池装置を示すブロック図である。図１の触媒燃焼式排ガス処理部の構造を示す構成図である。本発明による熱利用を考慮したクローズドサイクル型燃料電池装置を示すブロック図である。図３の出力向上を示す特性図である。図３の他の形態を示すブロック図である。図３の触媒式排ガス処理部を具体的に示すブロック図である。図５の触媒式排ガス処理部を具体的に示すブロック図である。従来の燃料電池装置を示すブロック図である。図８の他の従来構成を示すブロック図である。従来の完全燃料消費型燃料電池装置の構成の例を示す構成図である。

符号の説明

１第１水素吸蔵合金容器
１Ａ第２水素吸蔵合金容器
２液体酸素（又は酸素ボンベ）
３燃料電池
３Ａ燃料電池
３ａ、３ａ’ 排出水素ガス
３Ｂ排出水素ガスライン
１０触媒燃焼式排ガス処理部
１０ａ触媒
１０ｂ熱交換器
１１温水
１１Ａ高温温水
２０貯留タンク
２１排出水素ガス供給制御部
２５送風機

Claims

クローズドサイクルを形成する燃料電池装置において、燃料電池(3,3A)からの排出水素ガス(3a')の排出水素ガスライン(3B)に熱交換器(10b)を有する触媒燃焼式排ガス処理部(10)を設けることを特徴とする燃料電池装置。
前記燃料電池(3,3A)への水素供給部として第１水素吸蔵合金容器(1)を用いることを特徴とする請求項１記載の燃料電池装置。
前記触媒燃焼式排気ガス処理部(10)に不燃ガスを循環利用する構成としたことを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池装置。
前記不燃ガスとして、アルゴンガス、窒素ガスまたはこれらの混合ガスまたは、水蒸気の何れかを用いることを特徴とする請求項３記載の燃料電池装置。
前記水蒸気は、９０℃以下の温度で使用することを特徴とする請求項４記載の燃料電池装置。
前記排出水素ガス(3a')を外部に出さないように前記熱交換器(10b)を用いて熱に変換する構成としたことを特徴とする請求項１ないし５の何れかに記載の燃料電池装置。
前記触媒燃焼式排ガス処理部(10)の熱交換器(10b)からの温水(11)を前記第１水素吸蔵合金容器(1)に供給する構成としたことを特徴とする請求項１ないし６の何れかに記載の燃料電池装置。
前記熱交換器(10b)からの前記温水よりも高温の高温温水(11A)を高温作動合金を充填した第２水素吸蔵合金容器(1A)に供給する構成としたことを特徴とする請求項１ないし７の何れかに記載の燃料電池装置。
前記排出水素ガスライン(3B)に前記排出水素ガス(3a')を一旦貯めるための貯留タンク(20)を設け、前記貯留タンク(20)と前記触媒燃焼式排ガス処理部(10)の触媒(10a)との間に前記排出水素ガス(3a)の供給を制御するための排出水素ガス供給制御部(21)を設けたことを特徴とする請求項１ないし８の何れかに記載の燃料電池装置。
前記触媒燃焼式排ガス処理部(10)においては、触媒(10a)を充填した触媒容器(10A)と前記熱交換器(10b)とを一緒に組み込んだ構成としたことを特徴とする請求項１ないし９の何れかに記載の燃料電池装置。