JP2006286280A

JP2006286280A - 固体高分子型燃料電池システム

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Publication number: JP2006286280A
Application number: JP2005102147A
Authority: JP
Inventors: Katsuzo Konakawa; 勝蔵粉川; Norio Yotsuya; 規夫肆矢
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2005-03-31
Filing date: 2005-03-31
Publication date: 2006-10-19
Anticipated expiration: 2025-03-31
Also published as: JP4940567B2

Abstract

【課題】本発明は、改質ガスの水分を水蒸気の状態で、燃料電池に供給して電池内部でのフラッディングによる電池性能低下を防止した安定した電池性能を維持し、耐久信頼性の高い固体高分子型燃料電池システムとする。
【解決手段】水素生成器の出口４０とアノード入口４１を接続する接続管３８を上がり勾配に構成している。このことにより、水素生成器から出た改質ガス中の水蒸気が凝縮した場合も、供給した水蒸気は、全て固体高分子型燃料電池のアノード入口４１から水蒸気の状態で常に供給できるため、フラッディングによる電池性能低下を防止し、耐久信頼性の高い固体高分子型燃料電池システムとなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、原料を水蒸気を用いて改質し水素ガスを生成する水素生成器と、この水素を燃料として発電する固体高分子形燃料電池よりなる固体高分子型燃料電池システムに関する。

水素生成器は、最近開発が進められている固体高分子形燃料電池の燃料となる水素を生成するもので、この水素の製造法としては炭化水素の水蒸気改質法が多く使用されている。水蒸気改質法は、メタン、エタン、プロパン、ブタン、都市ガス、ＬＰガス、天然ガス、その他の炭化水素ガスを水蒸気により改質して水素リッチな改質ガスを生成させる方法である。水蒸気改質法では改質部中での接触反応によりそれら炭化水素が水素リッチな改質ガスへ変えられる。そして、得られた水素リッチな改質ガスはＣＯ除去部でＣＯを低減して利用している。

図４は、水蒸気改質器を用いた原料、水蒸気の供給から水素ガスの出口に至るまでを示すブロック図である。燃焼部を配した加熱部と改質触媒を配置した改質部とにより構成される。高温となった改質部では炭化水素が水蒸気と反応して水素リッチな改質ガスが生成される。改質部は、炭化水素を原料とする場合には５００〜７００℃の温度に加温することが必要であり、改質触媒としては例えばＮｉ系、Ｒｕ系等の触媒が用いられる。改質触媒は、原料ガス中の硫黄化合物により被毒し性能劣化を来たすので、それらの硫黄化合物を除去するために脱硫部へ導入される。次いで、別途設けられた水蒸気発生部からの水蒸気を添加、混合して水蒸気改質器の改質部へ導入される。原料ガスがメタンである場合の改質反応はＣＨ_４＋２Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋４Ｈ_２で示される。生成する改質ガス中には未反応のメタン、未反応の水蒸気、生成炭酸ガスのほか、一酸化炭素（ＣＯ）が発生して８〜１５％程度含まれている。このため改質ガスは、この一酸化炭素を二酸化炭素と水素へ変えて除去するためにＣＯ変成部にかけられる。ＣＯ変成部では例えばＦｅ−Ｃｒ系触媒、Ｃｕ−Ｚｎ系触媒、あるいはＰｔ触媒が用いられる。ＣＯ変成部中での反応はＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋Ｈ_２で必要な水蒸気は改質部の残留水蒸気を利用する。そして、ＣＯ変成部から出る改質ガスは、未反応のメタンと余剰水蒸気と、水素と、二酸化炭素とからなる。しかし、この改質ガスには、ＣＯは完全には除去されず、１％程度以下ではあるがＣＯが含まれている。燃料電池に供給する燃料水素中のＣＯの許容濃度は１０ｐｐｍ程度であり、これを越えると電池性能が著しく劣化するので、ＣＯ成分は燃料電池へ導入する前にできる限り除去する必要がある。このため、改質ガスはＣＯ変成部によりＣＯ濃度を１％前後まで低下させた後、ＣＯ除去部にかけられる。ＣＯ除去部では空気などの酸化剤が添加され、２ＣＯ＋Ｏ_２→２ＣＯ_２とＣＯ_２に変えることでＣＯを除去し、改質ガスのＣＯ濃度を１０ｐｐｍ以下に低減させる。よって、改質ガスは、ＣＯ_２と空気成分のＮ２を含んだ多くの水素と、余剰水蒸気となり、燃料電池の燃料としてアノードに供給する。

そして、固体高分子電解質膜は水素のプロトンをアノード側からこの膜を通してカソード側に移動させる為には水分が介在する必要がある為、電池性能を十分に引き出すためには適度に加湿されている必要がある。改質燃料では、前記の改質或いは変成に必要な水蒸気に加えて、余剰の水蒸気を予め供給して、アノード側に供給する。アノード電側に求められる水蒸気供給は、相対湿度で６０〜１００％であり、相対湿度が高いほど固体高分子電解質膜での発電性能は安定することが判ってきた。

しかし、この水分が多すぎる場合は、水分の凝縮が起こり水滴となり、水素燃料が通過するアノード側流路で、この凝縮水が燃料通過を閉塞し、電極反応を低下させるフラッディング現象を引き起こす。

そこで、このフラッディングによる電池性能低下を防止する方法として、アノード入口で余分な水分を回収する方法が提案された。

それは、供給される水素ガスの経路において水蒸気を除去し、燃料電池に供給される水素ガス中の水蒸気の混在量を調整する水蒸気混在量調節手段とを備えている。固体高分子型燃料電池とメタノール改質装置との間に、水蒸気混在量調節手段としてバッファータンクが配設し、このバッファータンクの冷却媒体としてＰＥＦＣの冷却水を使用するように構成されている。冷却水循環回路に冷却水を放熱により所定温度に冷却する放熱器が設けられるとともに、冷却水循環回路とは個別にタンク冷却水循環回路が設定され、装置全体が複雑化しかつ大型化する問題点がある。

あるいは、メタノールを改質してアノード側電極に供給される水蒸気を含む水素ガスを生成する燃料改質装置と、燃料電池を冷却して温度が高くなった冷却媒体と水蒸気を含む水素ガスとを熱交換させることにより、水蒸気を含む水素ガスを、燃料電池の作動温度と略同一温度にかつ飽和水蒸気を含むように調整する調湿熱交換装置とを備えている。冷却媒体循環装置を介して循環する冷却水が、燃料電池を冷却することにより、この燃料電池の作動温度と略同一温度になった状態で調湿熱交換装置に供給される。この構成及び制御によれば、電池冷却水温度がアノード入口改質ガス温度よりも高い場合、アノード入口改質ガスの露点を下げることができず、逆に加熱してしまう恐れが生じる。すなわち、アノード入口改質ガスの余剰水分除去ができない場合が生じる問題点がある（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。

さらに、これらを改良して、燃料処理器と燃料電池本体の燃料極入口との間に設けられ、改質ガスに含まれる水を回収する水ドレイン回収部は、燃料処理器で生成された改質ガスと燃料処理器に供給される改質用水と熱交換を行い、改質ガス中の過剰水分を回収するものが提案されている（例えば、特許文献３参照）。

図５は、その燃料電池システムの構成図である。この実施の形態における燃料電池システムは、燃料源３、脱硫器４、水蒸気発生器５、改質器６、一酸化炭素（ＣＯ）シフト反応器７、ＣＯ選択酸化器８、水蒸気分離器９、改質用水タンク１０、アノード入口水ドレイン回収部１１、改質用水ポンプ１２、アノード１３、カソード１４、水冷却部１５、電池冷却水ポンプ１６、熱交換器、空気ブロア１７、凝縮熱交換器１８から構成している。

そして、燃料に例えばプロパンを使用する場合、脱硫器４を通過したプロパン燃料源３は硫黄分が取り除かれ、次に改質器６を通過する。この手前で、水蒸気発生器５で水が加熱され、ガス化した水蒸気がプロパンガスに合流する。改質器６では触媒によりプロパンと水蒸気の反応から、水素が生成するが、同時にＣＯの生成も行われる。ＣＯ選択酸化器８では、触媒によりＣＯ被毒が発生しない程度に、空気ブロア１７の空気供給により酸化反応を進める。また、プロパン改質の場合、水蒸気改質反応は以下の（化１）のようになる。

ＣＯ選択酸化器８を通過した改質ガスは、主に水素、炭酸ガス、水蒸気等より構成される。水蒸気が含まれている理由は、通常（１）式の反応において、過剰の水蒸気を供給するためである。これは、反応水蒸気量に余裕がないと改質触媒において、カーボンフォーメーションと呼ばれる炭化反応が進み、触媒を炭化、その劣化を招くばかりでなく、改質ガス通路を閉塞してしまう恐れがあるためである。さらには、アノード供給ガスに適度に水分を含んでないと、アノード電極での反応が進行しにくく、電池の性能を高く発揮することが困難になるため、そのためにも水蒸気発生器５から改質ガスに加えられる水蒸気は多めに供給制御される。これらのガスが、改質ガス通路１９を経てアノード入口水ドレイン回収部１１に入り、ここで水分とガス分が分離される。ここで、ガス分のみガス通路１９ａを経て電池本体２のアノード１３に送り込まれる。水ドレイン回収部１１はその上流側に改質ガスと改質用水の熱交換を行う熱交換器機能を有し、高温のアノード供給ガスが冷却され、過剰水蒸気及びミストはタンク部に凝縮し、水蒸気はその冷却温度、すなわち露点における飽和水蒸気となってアノード１３に供給される。一方、逆に改質用水は、改質用水路２０を経て水ドレイン回収部に送られて、ここで改質ガスによって加熱され、配管２０ａを経て水蒸気発生器５へ送られ、改質用水が加熱される。水蒸気発生器５で水から水蒸気に加熱する燃焼量を少なくできるため、システム全体の効率を向上維持することができる。

そして、水ドレイン回収部１１で分離された水ドレインはドレイン戻り管を通って水タンク１０へ送られる。アノード１３に送り込まれた水素ガスは、ＭＥＡの触媒層を経てプロトンＨ＋が電解質膜を通過し、空気ブロア１７によりカソード１４を通過する空気中の酸素及び電子と結びついて水が生成される。したがって、アノードは陰極、カソード極は陽極となり、電位を持って直流電圧を発電する。この電位間に電気負荷を持てば電源としての機能を持つことになる。残ったアノード出口ガスは、水蒸気発生器５及び改質器６の加熱用燃焼ガスとして使われる。また、カソード出口ガス中の水蒸気及び燃焼排気ガス中の水蒸気は、凝縮熱交換器１８により、水分を回収し、システムでの水自立を図っている。このように、アノード入口で露点を下げてアノードガス中の余剰水分を取り除くことは、燃料電池に電池温度よりも低い飽和温度の飽和水蒸気を含む水素ガスが供給されるため、電池内部でのフラッディングによる電池性能低下を防止し、安定した電池性能を維持できる。さらには、改質用水に凝縮水の熱を回収するため、全体システムの効率を低下させることなくカーボンフォーメーションを防止し、改質器を含む燃料処理器の運転信頼性を高めることができることが明示してある。

しかし、この構成及び制御によれば、燃料に対して必要以上の多くの水蒸気を供給して、改質反応処理を行った後、余分な水分を水ドレン回収器で取り除き燃料電池のアノード側に供給し、回収した水分を合理的なエネルギー利用ができることが述べられている。しかし、改質器、ＣＯシフト反応器等に必要以上の水分を流すと、高温を保つためにより多くの熱を必要とし加熱エネルギーが増大してシステムの効率が低下するばかりでなく、各触媒内を流れる流量が増加することは、同じ反応効率を保つためには、各触媒を大きくする必要があり、システムの巨大化と高コストを生じた。
特開平７−２２６２２４号公報特開平１０−３２１２４６号公報特開２００２−４２８４７号公報

しかしながら、前記従来の構成では、燃料に対して必要以上の多くの水蒸気を供給して、改質反応処理を行った後、余分な水分を水ドレン回収器で取り除き燃料電池のアノード側に供給し、回収した水分を合理的なエネルギー利用ができることが述べられているが、改質器、ＣＯシフト反応器等に必要以上の水分を流すと、高温を保つためにより多くの熱を必要とし加熱エネルギーが増大してシステムの効率が低下するばかりでなく、各触媒内を流れる流量が増加することは、同じ反応効率を保つためには、各触媒を大きくする必要があり、システムの巨大化と高コストを生じた。そのため、改質効率が低くなり、また、改質触媒への過度の負荷による劣化が生じ、長期信頼性を確保できなくシステム効率が低下するという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、原料を供給する手段と、水を供給する手段と、加熱手段と、触媒充填した改質部と、ＣＯ変成部と、ＣＯ除去部を順次接続した水素生成器と、固体高分子膜の両面にアノードとカソード通路を形成した固体高分子型燃料電池より構成し、前記水素生成器の出口と前記アノード入口を接続する接続管を上がり勾配に構成したことにより、水素生成器から出た改質ガス中の水蒸気が凝縮した場合、前記接続管内を上がり勾配に沿って再び前記水素生成器に戻り再び加熱されて水蒸気とできることにより、固体高分子型燃料電池のアノード入口には水蒸気の状態で常に供給できる。このため、電池内部でのフラッディングによる電池性能低下を防止した安定した電池性能を維持でき、また、必要最適な水分の供給により改質効率の向上による効率的なシステムと触媒の負荷を低下して耐久信頼性の高い固体高分子型燃料電池システムを提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の固体高分子型燃料電池システムは、原料を供給する手段と、水を供給する手段と、加熱手段と、触媒充填した改質部と、ＣＯ変成部と、ＣＯ除去部を順次接続した水素生成器と、固体高分子膜の両面にアノードとカソード通路を形成した固体高分子型燃料電池より構成し、前記水素生成器の出口と前記アノード入口を接続する接続管を上がり勾配に構成している。

このことにより、水素生成器から出た改質ガス中の水蒸気が凝縮した場合、凝縮水は、前記接続管内を上がり勾配に沿って再び前記水素生成器に戻り再び加熱されて水蒸気とできることにより、供給した水蒸気は、反応により消費された量を除いて、固体高分子型燃料電池のアノード入口から水蒸気の状態で常に供給できる。このため、電池内部でのフラッディングによる電池性能低下を防止した安定した電池性能を維持できる。また、必要最適な水分の供給が可能となり、改質効率の向上による効率的なシステムと触媒の負荷を低下して耐久的に信頼性が維持できる。

本発明の固体高分子型燃料電池システムは、水素生成器の出口とアノード入口を接続する接続管を上がり勾配に構成していることにより、電池内部でのフラッディングによる電池性能低下を防止した安定した電池性能を維持できる。また、供給した水蒸気が反応後その全てがアノード側に供給されるため、精確な水分コントロールが可能となり、必要最適な水分の供給が可能となり、改質効率の向上による効率的なシステムと触媒の負荷を低下して耐久信頼性の高い固体高分子型燃料電池システムとなる。

第１の発明は、原料を供給する手段と、水を供給する手段と、加熱手段と、触媒充填した改質部と、ＣＯ変成部と、ＣＯ除去部を順次接続した水素生成器と、固体高分子膜の両面にアノードとカソード通路を形成した固体高分子型燃料電池より構成し、前記水素生成器の出口と前記アノード入口を接続する接続管を上がり勾配に構成している。

このことにより、水素生成器から出た改質ガス中の水蒸気が凝縮した場合、凝縮水は、前記接続管内を上がり勾配に沿って再び前記水素生成器に戻り再び加熱されて水蒸気とできることにより、供給した水蒸気は、反応により消費された量を除いて、固体高分子型燃料電池のアノード入口から水蒸気の状態で常に供給でき、この水分量は供給量と反応量を計算することから精度よく設定できる。

このため、電池内部での露点温度を管理でき、露点温度が高くて生じるフラッディングによる電池性能低下を防止した安定した電池性能を維持できる。また、供給した水蒸気が反応後その全てがアノード側に供給されるため、精確な水分コントロールが可能となり、必要最適な水分の供給が可能となり、改質効率の向上による効率的なシステムと触媒の負荷を低下して耐久的に信頼性が維持できる。

第２の発明は、特に、第１の発明において、固体高分子型燃料電池は、水素生成器より上方に配置してある。このことにより、水素生成器の改質ガスの出口は、これと接続した固体高分子型燃料電池のアノード側入口より低くなる。

このため、水素生成器から出た改質ガス中の水蒸気が凝縮した場合、凝縮水は水素生成器に戻り再び加熱されて水蒸気とできることにより、供給した水蒸気は、反応により消費された量を除いて、固体高分子型燃料電池のアノード入口から水蒸気の状態で常に供給できる。このため、固体高分子型燃料電池を水素生成器の上方に設置するという簡単な配置で、電池内部での露点温度を管理でき、露点温度が高くて生じるフラッディングによる電池性能低下を防止した安定した電池性能を維持でき、また、改質効率の向上による効率的なシステムと触媒の負荷を低下して耐久的に信頼性が維持できる。

第３の発明は、特に、第１の発明または第２の発明の固体高分子型燃料電池システムを接続管の出口は、入口より高い位置に構成してある。このことにより、水素生成器の改質ガスの出口と固体高分子型燃料電池のアノード側入口を接続した接続管内で、水素生成器から出た改質ガス中の水蒸気が凝縮した場合、凝縮水は位置の低い接続管の入口から水素生成器に戻り、再び加熱されて水蒸気とできる。このため、接続管の出口は、入口より高い位置に構成するという簡単な構成で、電池内部での露点温度を管理でき、露点温度が高くて生じるフラッディングによる電池性能低下を防止した安定した電池性能を維持でき、また、改質効率の向上による効率的なシステムと触媒の負荷を低下して耐久的に信頼性が維持できる。

第４の発明は、特に、第１〜３の発明のいずれかの発明の固体高分子型燃料電池システムを、接続管の一部に拡管部を設け、この拡管部と接続管の入口を連通するリターン管を構成してある。このことにより、接続管内で凝縮した水分を速やかに分離して水素生成器に戻すことが可能となり、より安定したシステムを実現できる。

即ち、接続管内を流れる改質ガスの流速が早い場合、接続管内で凝縮した水分が液滴となって固体高分子型燃料電池まで流れていく場合がある。しかし、拡管部で改質ガスの流れる断面積を大きくして流速を遅くすることにより水滴は、改質ガスと確実に分離できる。そしてリターン管をとおり水素生成器に確実に戻し水蒸気とできる。このため、フラッディングによる電池性能低下を防止した安定した電池性能を維持でき、また、電池のアノード露点温度を高精度に管理でき、改質効率の向上による効率的なシステムと耐久的に信頼性が維持できる。

第５の発明は、特に請求項１〜４の発明のいずれかの発明の固体高分子型燃料電池システムを接続管は、内部を金属等の高熱伝導材で構成すると共に、外部は断熱材で覆って構成したことにより、接続管内での水分の凝縮を大幅に低下できる。

すなわち、水素生成器から出てくる改質ガスは、１００℃以上の過熱状態である。そこで、接続管を高熱伝導材とすることにより、この高温を保ち結露を防止できる。また、接続管の外側を断熱材で覆うことにより放熱を防止し、接続管内を流れる改質ガスの温度低下を防止できる。このため、改質ガスの水分凝縮を防止して、フラッディングによる電池性能低下を防止した安定した電池性能を維持でき、また、電池のアノード露点温度を高精度に管理でき、改質効率の向上による効率的なシステムと耐久的に信頼性が維持できる。

第６の発明は、特に請求項１〜５の発明のいずれかの発明の固体高分子型燃料電池システムを接続管は、内部に吸水性のウィックを構成したことにより、接続管の位置関係に配慮することなく、接続管内で凝縮した水分は、このウィックに吸水して水素生成器の内部まですみやかに戻すことができる。

このため、設計の自由度が拡大でき、改質ガスの水分凝縮を防止して、フラッディングによる電池性能低下を防止した安定した電池性能を維持でき、また、電池のアノード露点温度を高精度に管理でき、改質効率の向上による効率的なシステムと耐久的に信頼性が維持できる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施形態における固体高分子型燃料電池システムを示す構成図である。固体高分子型燃料電池システム全体は、図４に示した様に原料を供給する手段と、水を供給する手段と、加熱手段を有する改質部と、ＣＯ変成部と、ＣＯ除去部と、燃料電池を順次接続した構成として、生成した水素ガスを燃料電池に接続して利用する。

図１において、２１は、都市ガスを原料として燃料電池発電装置に供給する水素を生成する改質部であり、２２は、都市ガスに連結した原料を供給する手段、２３は、水蒸気として水を供給する手段であり、触媒容器２４に連結して設けてある。

２５は、例えば、鉄板やセラミックス等の支持体の担体にニッケルもしくはルテニウムを主成分とする触媒を表面に担持させた多数の触媒粒で充填した触媒層で、この触媒層２５で原料ガスを反応させることにより、水素と二酸化炭素および一酸化炭素からなる生成ガスを反応生成する。この生成反応は５００〜７００℃程度の高温で生じる吸熱反応である。このため、加熱手段として燃焼器２６により高温の燃焼ガスを供給して水蒸気を含む原料ガスと触媒層２５を加熱している。燃焼器２６は、都市ガス（天然ガス）や燃料電池から排出されるオフガス（未反応水素ガス）、または都市ガスとオフガスを混合して燃料として燃料管２７から供給してディストリビュータ２８から噴出し、燃焼用空気は空気管２９から供給して空気噴出部３０から噴出することにより燃焼を行っている。３１は、燃焼器２６によって生じる火炎３２が触媒容器２４に直接触れることを避け、さらに燃焼ガス３３の流路を規定するための燃焼筒である。燃焼ガス３３は、触媒容器２４の周囲に沿って流れ、排気管３４より改質部２１の外部に排出される。

水蒸気改質部２１の中で、都市ガスに連結した原料を供給する手段２２と水蒸気として水を供給する手段２３により供給された原料ガスは、触媒容器２４に流入し、触媒容器２４内の触媒層２５で原料ガスは水素と二酸化炭素および一酸化炭素に反応生成して、生成ガス出口３５からＣＯ変成部３６、ＣＯ除去部３７、接続管３８、燃料電池３９へと順次接続してある。そして、水素生成器の出口４０は、アノード入口４１を接続する接続管３８を上がり勾配に構成している。また、接続管３８は内部を金属パイプ４２で通路とし、外側は断熱材４３で覆ってある。

以上のように構成された水素生成器について、以下その動作、作用を説明する。

運転時、都市ガスに連結した原料を供給する手段２２と水蒸気として水を供給する手段２３により触媒容器２４に原料ガスとして供給する。触媒容器２４に入った原料ガスは、充填された多数の触媒層２５によって水素の多い改質ガスになる反応を行い生成ガス出口３５に至る。この反応は吸熱反応であるため、常に加熱することにより反応が続く。

ＣＯ変成部３６は、生成する改質ガス中には未反応のメタン、未反応の水蒸気、生成炭酸ガスのほか、一酸化炭素（ＣＯ）が発生して８〜１５％程度含まれている。このため改質ガスは、この一酸化炭素を二酸化炭素と水素へ変えて除去するためにＣＯ変成部３６を設ける。ＣＯ変成部３６では例えばＦｅ−Ｃｒ系触媒、Ｃｕ−Ｚｎ系触媒、あるいはＰｔ触媒が用いられ、約３００℃程度で反応が行われる。ＣＯ変成部３６中での反応はＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋Ｈ_２で必要な水蒸気は改質部２１の残留水蒸気を利用する。そして、ＣＯ変成部３６から出る改質ガスは、未反応のメタンと余剰水蒸気と、水素と、二酸化炭素とからなる。しかし、この改質ガスには、ＣＯは完全には除去されず、１％程度以下ではあるがＣＯが含まれている。固体高分子型燃料電池に供給する燃料水素中のＣＯの許容濃度は１０ｐｐｍ程度であり、これを越えると電池性能が著しく劣化するので、ＣＯ成分は燃料電池へ導入する前にできる限り除去する必要がある。このため、改質ガスはＣＯ変成部３６によりＣＯ濃度を１％前後まで低下させた後、ＣＯ除去部３７を設ける。ＣＯ除去部３７は、一酸化炭素を選択的に酸化する触媒が担持されており、空気などの酸化剤が添加され、２ＣＯ＋Ｏ_２→２ＣＯ_２とＣＯ_２に変えることでＣＯを除去し、改質ガスのＣＯ濃度を１０ｐｐｍ以下に低減させる。このような構成と動作で、定常時は原料ガスから水素に改質して燃料電池を運転し発電を継続する。

そして、水素生成器２１の出口とアノード入口４１を接続する接続管３８を上がり勾配に構成している。このことにより、水素生成器２１から出た改質ガス中の水蒸気が凝縮した場合、凝縮水は、接続管３８内を上がり勾配に沿って再び水素生成器２１のＣＯ除去部３７に戻る。ＣＯ除去部３７は１００℃以上の高温であるため、再び加熱されて水蒸気とできることにより、供給した水蒸気は、反応により消費された量を除いて、固体高分子型燃料電池３９のアノード入口４１から水蒸気の状態で常に供給でき、この水分量は供給量と反応量を計算することから精度よく設定できる。このため、電池内部での露点温度を管理でき、露点温度が高くて生じるフラッディングによる電池性能低下を防止した安定した電池性能を維持できる。また、供給した水蒸気が反応後その全てがアノード側に供給されるため、精確な水分コントロールが可能となり、必要最適な水分の供給が可能となり、改質効率の向上による効率的なシステムと触媒の負荷を低下して耐久的に信頼性が維持できる。

また、固体高分子型燃料電池３９は、水素生成器２１より上方に配置してあることにより、水素生成器２１の改質ガスの出口は、これと接続した固体高分子型燃料電池３９のアノード側入口２６より必ず低くなる。このため、水素生成器２１から出た改質ガス中の水蒸気が凝縮した場合、凝縮水は水素生成器２１に戻り再び加熱されて水蒸気とできることにより、供給した水蒸気は、反応により消費された量を除いて、固体高分子型燃料電池３９のアノード入口４１から水蒸気の状態で常に供給できる。このため、固体高分子型燃料電池３９を水素生成器２１の上方に設置するという簡単な配置で、電池内部での露点温度を管理でき、露点温度が高くて生じるフラッディングによる電池性能低下を防止した安定した電池性能を維持でき、また、改質効率の向上による効率的なシステムと触媒の負荷を低下して耐久的に信頼性が維持できる。

また、接続管３８の出口は、入口より高い位置に構成してあることにより、水素生成器２１の改質ガスの出口と固体高分子型燃料電池３９のアノード側入口２６を接続した接続管３８内で、水素生成器２１から出た改質ガス中の水蒸気が凝縮した場合、凝縮水は位置の低い接続管３８の入口から水素生成器２１に戻り、再び加熱されて水蒸気とできる。このため、接続管３８の出口は、入口より高い位置に構成するという簡単な構成で、燃料電池内部での露点温度を管理でき、露点温度が高くて生じるフラッディングによる電池性能低下を防止した安定した電池性能を維持でき、また、改質効率の向上による効率的なシステムと触媒の負荷を低下して耐久的に信頼性が維持できる。

（実施の形態２）
図２は、本発明の第２の実施形態における固体高分子型燃料電池システムにおける水素生成器の断面図と固体高分子型燃料電池を示すものである。実施の形態１と異なるところは、接続管３８の一部に拡管部４４を設け、この拡管部４４と接続管３８の入口を連通するリターン管４５を構成してある。このことにより、接続管３８内で凝縮した水分を速やかに分離して水素生成器２１に戻すことが可能となり、より安定したシステムを実現できる。即ち、接続管３８内を流れる改質ガスの流速が早い場合、接続管３８内で凝縮した水分が液滴となって固体高分子型燃料電池３９まで流れていく場合が危惧される。しかし、拡管部４４で改質ガスの流れる断面積を大きくして流速を遅くすることにより水滴は、改質ガスと確実に分離できる。そしてリターン管４５を通り水素生成器２１に確実に戻し水蒸気とできる。このため、フラッディングによる電池性能低下を防止した安定した電池性能を維持でき、また、電池のアノード露点温度を高精度に管理でき、改質効率の向上による効率的なシステムと耐久的に信頼性が維持できる。

また、接続管３８は、内部を金属等の高熱伝導材で構成する金属管２７と共に、外部は断熱材で覆った断熱材４３構成したことにより、接続管３８内での水分の凝縮を大幅に低下できる。すなわち、水素生成器２１から出てくる改質ガスは、１００℃以上の過熱状態である。そこで、接続管３８を高熱伝導材の金属管２７とすることにより、この高温を保ち結露を防止できる。また、接続管３８の外側を断熱材４３で覆うことにより放熱を防止し、接続管３８内を流れる改質ガスの温度低下を防止できる。このため、改質ガスの水分凝縮を防止して、フラッディングによる電池性能低下を防止した安定した電池性能を維持でき、また、電池のアノード露点温度を高精度に管理でき、改質効率の向上による効率的なシステムと耐久的に信頼性が維持できる。

また、簡単な構成は、信頼性の向上と、部品点数の低減、組み立て工数の低減等、構成の簡略化による低コストが可能となる。

（実施の形態３）
図３は、本発明の第３の実施形態における固体高分子型燃料電池システムにおける水素生成器の断面図と固体高分子型燃料電池を示すものである。実施の形態１と異なるところは、接続管３８は、内部に吸水性のウィック４６を構成してある。このことにより、接続管３８の位置関係に配慮することなく、接続管３８内で凝縮した水分は、このウィック４６に吸水して水素生成器２１の内部まですみやかに戻すことができる。このため、設計の自由度が拡大でき、改質ガスの水分凝縮を防止して、フラッディングによる電池性能低下を防止した安定した電池性能を維持でき、また、電池のアノード露点温度を高精度に管理でき、改質効率の向上による効率的なシステムと耐久的に信頼性が維持できる。

以上のように、本発明にかかる固体高分子型燃料電池システムは、水素生成器の出口とアノード入口を接続する接続管を上がり勾配に構成していることにより、水素生成器から出た改質ガス中の水蒸気が凝縮した場合も、凝縮水は上がり勾配に沿って再び前記水素生成器に戻り再び加熱されて水蒸気とできることにより、供給した水蒸気は、全て固体高分子型燃料電池のアノード入口から水蒸気の状態で常に供給できる。このため、電池内部でのフラッディングによる電池性能低下を防止した安定した電池性能を維持でき、必要最適な水分の供給が可能となり、改質効率の向上による効率的なシステムと触媒の負荷を低下して耐久信頼性の高い固体高分子型燃料電池システムを提供でき、様々な燃料電池システムの用途に適応できる。

本発明の実施の形態１における固体高分子型燃料電池システムの構成図本発明の実施の形態２における固体高分子型燃料電池システムの構成図本発明の実施の形態３における固体高分子型燃料電池システムの構成図燃料電池システムの構成図従来の固体高分子型燃料電池システムの構成図

符号の説明

２１改質部
２２原料を供給する手段
２３水を供給する手段
２４触媒容器
２５触媒層
２６燃焼器（加熱手段）
３５生成ガス出口（改質ガス出口）
３６ＣＯ変成部
３７ＣＯ除去部
３８接続管
３９固体高分子型燃料電池
４０水素生成器の出口
４１アノード入口
４２金属管
４３断熱材
４４拡管部
４５リターン管
４６ウィック

Claims

原料を供給する手段と、水を供給する手段と、加熱手段と、触媒充填した改質部と、ＣＯ変成部と、ＣＯ除去部を順次接続した水素生成器と、固体高分子膜の両面にアノードとカソード通路を形成した固体高分子型燃料電池より構成し、前記水素生成器の出口と前記アノード入口を接続する接続管を上がり勾配に構成したことを特徴とする固体高分子型燃料電池システム。
固体高分子型燃料電池は、水素生成器より上方に配置した請求項１に記載の固体高分子型燃料電池システム。
接続管の出口は、入口より高い位置に構成した請求項１または２記載の固体高分子型燃料電池システム。
接続管の一部に拡管部を設け、この拡管部と接続管の入口を連通するリターン管を構成した請求項１〜３のいずれか１項に記載の固体高分子型燃料電池システム。
接続管は、内部を金属等の高熱伝導材で構成すると共に、外部は断熱材で覆って構成した請求項１〜４のいずれか１項に記載の固体高分子型燃料電池システム。
接続管は、内部に吸水性のウィックを構成した請求項１〜５のいずれか１項に記載の固体高分子型燃料電池システム。