JP2008027752A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池に燃料ガスが供給されて発電する燃料電池システムに関し、特に、高分子電解質形燃料電池に都市ガスを用いて生成した燃料ガスが供給されて発電する高分子電解質形燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system that generates power by supplying a fuel gas to a fuel cell, and more particularly, a polymer electrolyte fuel cell that generates power by supplying a fuel gas generated using city gas to a polymer electrolyte fuel cell. About the system.
従来から、エネルギーを有効に利用することが可能である小規模発電装置として、発電効率及び総合効率が高い燃料電池コージェネレーションシステム(以下、単に「燃料電池システム」という)が注目されている。 2. Description of the Related Art Conventionally, a fuel cell cogeneration system (hereinafter simply referred to as a “fuel cell system”) with high power generation efficiency and overall efficiency has attracted attention as a small-scale power generation apparatus that can effectively use energy.
燃料電池システムは、その発電部の本体として、燃料電池を備えている。この燃料電池としては、例えば、高分子電解質形燃料電池が好適に用いられる。ところで、この高分子電解質形燃料電池は、水素と酸素とを利用して発電する。しかし、通常、水素の供給手段は、インフラストラクチャーとして整備されてはいない。従って、高分子電解質形燃料電池システムにより電力を得るためには、その高分子電解質形燃料電池システムの設置場所において、水素を生成する必要がある。そのため、従来の高分子電解質形燃料電池システムでは、通常、高分子電解質形燃料電池に加えて、改質装置が配設されている。この改質装置では、都市ガス、プロパンガス、ナフサ、ガソリン、灯油等の炭化水素系の原燃料、又は、メタノール等のアルコール系の原燃料と水とが用いられることにより、水素を含む燃料ガスが生成される。この改質装置において生成された燃料ガスと、酸素を含む空気等の酸化剤ガスとの各々が、高分子電解質形燃料電池に供給されて、高分子電解質形燃料電池システムは所望の電力を出力する。 The fuel cell system includes a fuel cell as a main body of the power generation unit. As this fuel cell, for example, a polymer electrolyte fuel cell is preferably used. By the way, this polymer electrolyte fuel cell generates power using hydrogen and oxygen. However, the hydrogen supply means is not usually established as an infrastructure. Therefore, in order to obtain electric power from the polymer electrolyte fuel cell system, it is necessary to generate hydrogen at the place where the polymer electrolyte fuel cell system is installed. Therefore, in a conventional polymer electrolyte fuel cell system, a reformer is usually provided in addition to the polymer electrolyte fuel cell. In this reformer, hydrogen-containing fuel gas is obtained by using hydrocarbon-based raw fuel such as city gas, propane gas, naphtha, gasoline, kerosene, or alcohol-based raw fuel such as methanol and water. Is generated. Each of the fuel gas generated in the reformer and the oxidant gas such as oxygen-containing air is supplied to the polymer electrolyte fuel cell, and the polymer electrolyte fuel cell system outputs desired power. To do.
ここで、従来の高分子電解質形燃料電池システム(以下、単に「燃料電池システム」という)の構成及びその動作について概説する。 Here, the configuration and operation of a conventional polymer electrolyte fuel cell system (hereinafter simply referred to as “fuel cell system”) will be outlined.
図5は、高分子電解質形燃料電池と改質装置とを備える従来の燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図である。 FIG. 5 is a block diagram schematically showing a configuration of a conventional fuel cell system including a polymer electrolyte fuel cell and a reformer.
図5に示すように、従来の燃料電池システム300は、改質装置101と、凝縮器102及び凝縮水タンク103と、凝縮器104及び凝縮水タンク105とを備えている。改質装置101は、原燃料としての都市ガスと水とを用いる水蒸気改質反応を進行させることにより、水素を含む燃料ガスを生成する。凝縮器102及び104は、二次冷却水を用いる所定の冷却構成により、水蒸気を水(凝縮水)に変換する。凝縮水タンク103及び105は、水(凝縮水)を貯蔵する。
As shown in FIG. 5, the conventional
又、この従来の燃料電池システム300は、空気供給装置106と、加湿器107と、凝縮器108と、凝縮水タンク109とを備えている。空気供給装置106は、酸化剤ガスとしての空気を、大気中から燃料電池システム300の内部に導入する。加湿器107は、一次冷却水を用いる所定の加湿構成により、酸化剤ガスとしての空気を加湿する。凝縮器108は、二次冷却水を用いる所定の冷却構成により、水蒸気を水(凝縮水)に変換する。凝縮水タンク109は、水(凝縮水)を貯蔵する。
The conventional
そして、この従来の燃料電池システム300は、その発電部の本体として、高分子電解質形燃料電池110を備えている。この高分子電解質形燃料電池110は、燃料ガス流路110aと、酸化剤ガス流路110bと、冷却水流路110cとを備えている。燃料電池システム300の発電運転の際、燃料ガス流路110aには、燃料ガスが供給される。酸化剤ガス流路110bには、酸化剤ガスとしての空気が供給される。冷却水流路110cには、一次冷却水が供給される。
The conventional
一方、図5に示すように、この従来の燃料電池システム300は、上述した加湿器107に加えて、冷却水タンク111と、冷却水ポンプ112と、熱交換器113とを備えている。冷却水タンク111は、一次冷却水を貯蔵する。冷却水ポンプ112は、所定の送水手段により、一次冷却水を送水する。加湿器107は、上述したように、一次冷却水を用いる所定の加湿構成により、酸化剤ガスとしての空気を加湿する。熱交換器113は、二次冷却水を用いる所定の熱交換構成により、一次冷却水を冷却する。
On the other hand, as shown in FIG. 5, the conventional
又、この従来の燃料電池システム300は、上述した凝縮器108,102,104及び熱交換器113に加えて、放熱器114と、冷却水タンク115と、冷却水ポンプ116とを備えている。放熱器114は、所定の空冷手段により、二次冷却水を冷却する。冷却水タンク115は、二次冷却水を貯蔵する。冷却水ポンプ116は、所定の送水手段により、二次冷却水を送水する。尚、上述したように、凝縮器108,102,104は、二次冷却水を用いる所定の冷却構成により、水蒸気を水(凝縮水)に変換する。熱交換器113は、二次冷却水を用いる所定の熱交換構成により、一次冷却水を冷却する。
The conventional
かかる従来の燃料電池システム300では、改質装置101及び空気供給装置106から燃料ガス及び酸化剤ガスとしての空気が燃料ガス流路110a及び酸化剤ガス流路110bに供給される。すると、高分子電解質形燃料電池110では、燃料ガスが有する水素と酸化剤ガスとしての空気が有する酸素とを利用する電気化学反応が進行する。これにより、高分子電解質形燃料電池110は所望の電力を出力する。
In such a conventional
この燃料電池システム300の発電運転の際、電気化学反応の進行に伴い生成される反応熱により、高分子電解質形燃料電池110の温度が上昇する。そのため、この従来の燃料電池システム300では、冷却水ポンプ112により、冷却水タンク111に貯蔵されている一次冷却水が高分子電解質形燃料電池110の冷却水流路110cに供給される。又、冷却水ポンプ116により、冷却水タンク115に貯蔵されている二次冷却水が、凝縮器108,102,104を介して、熱交換器113に供給される。これにより、高分子電解質形燃料電池110の温度が好適に維持される。
During the power generation operation of the
尚、高分子電解質形燃料電池110の燃料ガス流路110a及び酸化剤ガス流路110bから排出された排燃料ガス及び排空気は、凝縮器102及び108に供給される。凝縮器102及び108は、排燃料ガス及び排空気を除湿する。除湿された排燃料ガスは、改質装置101において水蒸気改質反応を進行させるために燃焼され、凝縮器104により更に除湿された後、燃料電池システム300の外部に排気される。又、除湿された排空気は、燃料電池システム300の外部に排気される。一方、凝縮器108,102,104から排出された水(凝縮水)は、凝縮水タンク109,103,105に貯蔵される。
The exhaust fuel gas and exhaust air discharged from the
ところで、都市ガスと水とが改質装置に供給され、その改質装置が水蒸気改質反応を進行させることにより燃料ガスを生成し、その燃料ガスが高分子電解質形燃料電池に供給されて発電する燃料電池システムでは、高分子電解質形燃料電池の発電性能が経時的に低下する場合がある。その理由は、改質装置で生成されるアンモニアにより、高分子電解質形燃料電池における膜電極接合体(通称、「MEA」という)の性能が経時的に低下するからである。 By the way, city gas and water are supplied to the reformer, and the reformer generates a fuel gas by advancing the steam reforming reaction, and the fuel gas is supplied to the polymer electrolyte fuel cell to generate power. In such a fuel cell system, the power generation performance of the polymer electrolyte fuel cell may deteriorate over time. The reason is that the performance of the membrane electrode assembly (commonly referred to as “MEA”) in the polymer electrolyte fuel cell deteriorates with time due to ammonia generated in the reformer.
具体的に説明すると、都市ガスは、その製造過程において大気中から不可逆的に混入する窒素を含有している。都市ガスが含有する窒素の濃度は、通常、1%程度以下の濃度である。この窒素を含有する都市ガスが改質装置に供給されると、水蒸気改質反応が進行することにより生成される水素と窒素とが結合して、アンモニアが生成される。つまり、燃料電池システムの発電運転の際、改質装置は、数ppm程度の濃度でアンモニアを含有する燃料ガスを高分子電解質形燃料電池に供給している。すると、高分子電解質形燃料電池の膜電極接合体における高分子電解質膜では、プロトンがアンモニウムイオンにより経時的に置換される。この置換反応により、膜電極接合体における高分子電解質膜のプロトン交換能力が、発電運転時間の経過と共に、除々に低下する。つまり、高分子電解質膜の性能が経時的に低下するので、膜電極接合体の性能が経時的に低下する。そして、この膜電極接合体の性能の経時的な低下により、高分子電解質形燃料電池の発電性能が経時的に低下する。このように、燃料ガスがアンモニアを含有している場合には、燃料電池システムの可逆的或いは不可逆的かつ経時的な発電性能の低下を引き起こす場合がある。 More specifically, city gas contains nitrogen which is irreversibly mixed from the atmosphere during the production process. The concentration of nitrogen contained in city gas is usually about 1% or less. When the city gas containing nitrogen is supplied to the reformer, hydrogen produced by the steam reforming reaction and nitrogen are combined to produce ammonia. That is, during the power generation operation of the fuel cell system, the reformer supplies a fuel gas containing ammonia at a concentration of several ppm to the polymer electrolyte fuel cell. Then, in the polymer electrolyte membrane in the membrane electrode assembly of the polymer electrolyte fuel cell, protons are replaced with ammonium ions over time. As a result of this substitution reaction, the proton exchange capacity of the polymer electrolyte membrane in the membrane electrode assembly gradually decreases with the elapse of the power generation operation time. That is, since the performance of the polymer electrolyte membrane decreases with time, the performance of the membrane electrode assembly decreases with time. The power generation performance of the polymer electrolyte fuel cell decreases with time due to a decrease in the performance of the membrane electrode assembly over time. Thus, when the fuel gas contains ammonia, the fuel cell system may cause reversible or irreversible power generation performance degradation over time.
そこで、改質装置が生成した燃料ガスからアンモニアを除去する、高分子電解質形燃料電池の発電性能が経時的に低下することを防止する燃料電池システムの構成が、種々提案されている。 Therefore, various configurations of fuel cell systems have been proposed in which ammonia is removed from the fuel gas generated by the reformer, and the power generation performance of the polymer electrolyte fuel cell is prevented from decreasing with time.
例えば、燃料ガスを加湿する際、その燃料ガスが含有するアンモニアを水に溶解させ、イオン交換筒によりアンモニアを除去してその水を再利用する燃料電池システムの構成が提案されている(例えば、特許文献1参照)。 For example, when humidifying a fuel gas, a configuration of a fuel cell system is proposed in which ammonia contained in the fuel gas is dissolved in water, the ammonia is removed by an ion exchange cylinder, and the water is reused (for example, Patent Document 1).
又、例えば、燃料ガスが含有するアンモニアを電気分解により窒素と水素とに変換する燃料電池システムの構成や、アンモニアを電気泳動により窒素と水素とに変換する燃料電池システムの構成が提案されている(例えば、特許文献2及び3参照)。
In addition, for example, a configuration of a fuel cell system that converts ammonia contained in fuel gas into nitrogen and hydrogen by electrolysis and a configuration of a fuel cell system that converts ammonia into nitrogen and hydrogen by electrophoresis are proposed. (For example, refer to
かかる燃料電池システムの構成によれば、改質装置が生成した燃料ガスからアンモニアが除去され、そのアンモニアが除去された燃料ガスが高分子電解質形燃料電池の燃料ガス流路に供給されるので、高分子電解質形燃料電池の発電性能が経時的に低下することはない。つまり、高分子電解質形燃料電池の発電性能が長期間に渡り確保されるので、燃料電池システムの発電性能が長期間に渡り確保される。
しかしながら、上記従来の提案において、燃料ガスが含有するアンモニアを水に溶解させ、イオン交換筒によりアンモニアを除去して水を再利用する構成では、そのイオン交換筒を定期的に再生又は交換する必要がある。又、イオン交換筒の価格は、通常、比較的高価である。更には、イオン交換筒を用いるアンモニア除去機構の構成は、通常、比較的複雑な構成である。従って、このイオン交換筒を用いる構成では、燃料電池システムを安価に構成することや、燃料電池システムのランニングコストを抑制することが困難である。 However, in the above conventional proposal, in the configuration in which the ammonia contained in the fuel gas is dissolved in water, the ammonia is removed by the ion exchange cylinder and the water is reused, it is necessary to periodically regenerate or replace the ion exchange cylinder. There is. Also, the price of the ion exchange cylinder is usually relatively high. Furthermore, the configuration of the ammonia removal mechanism using an ion exchange cylinder is usually a relatively complicated configuration. Therefore, in the configuration using this ion exchange cylinder, it is difficult to configure the fuel cell system at low cost and to suppress the running cost of the fuel cell system.
又、上記従来の提案において、燃料ガスが含有するアンモニアを電気分解或いは電気泳動により窒素と水素とに変換する構成では、燃料電池システムの内部に電気分解槽や電気泳動槽を配設する必要がある。これらの電気分解槽や電気泳動槽の価格は、通常、非常に高価である。更には、これらの電気分解槽や電気泳動槽を用いるアンモニア除去機構の構成は、通常、非常に複雑かつ大型な構成である。加えて、これらの電気分解槽や電気泳動槽を用いる構成では、燃料ガスからアンモニアを除去するために大電力が必要になる。 In the conventional proposal, in the configuration in which ammonia contained in the fuel gas is converted into nitrogen and hydrogen by electrolysis or electrophoresis, it is necessary to dispose the electrolysis tank or the electrophoresis tank inside the fuel cell system. is there. These electrolysis and electrophoresis tanks are usually very expensive. Furthermore, the structure of the ammonia removal mechanism using these electrolysis tanks and electrophoresis tanks is usually a very complicated and large structure. In addition, in the configuration using these electrolysis tanks and electrophoresis tanks, large electric power is required to remove ammonia from the fuel gas.
つまり、上記従来の提案では、一般家庭に普及させることが可能である、初期費用及び維持費用が安価でありかつ小規模な、省エネルギー性に優れる現実的な燃料電池システムを構築することは困難であった。 In other words, with the above conventional proposal, it is difficult to construct a realistic fuel cell system that can be spread to ordinary households, has low initial cost and maintenance cost, and is small and excellent in energy saving. there were.
本発明は、上記従来の課題を解決するためになされたものであって、初期費用及び維持費用が安価であり、単純かつ小規模な構成を有する省電力型のアンモニア除去手段を備えた、長期間に渡り安定して電力を供給可能な発電効率に優れる燃料電池システムを提供することを目的としている。 The present invention has been made in order to solve the above-described conventional problems, and has a low initial cost and a low maintenance cost, and includes a power-saving ammonia removing means having a simple and small-scale configuration. An object of the present invention is to provide a fuel cell system excellent in power generation efficiency capable of supplying power stably over a period of time.
上記従来の課題を解決するために、本発明に係る燃料電池システムは、原燃料が供給されて水蒸気改質反応により燃料ガスを生成する改質装置と、燃料ガスが供給されて電気化学反応により電力を発生させかつ排燃料ガスを排出する高分子電解質形燃料電池と、を少なくとも備えており、前記改質装置で生成された燃料ガスからアンモニアを抽出し、該アンモニアが抽出された燃料ガスを前記高分子電解質形燃料電池に供給し、かつ前記抽出したアンモニアを前記高分子電解質形燃料電池から排出された排燃料ガスに混合するアンモニアポンプを更に備えている。 In order to solve the above-described conventional problems, a fuel cell system according to the present invention includes a reformer that supplies raw fuel and generates a fuel gas by a steam reforming reaction, and a fuel gas that is supplied by an electrochemical reaction. A polymer electrolyte fuel cell that generates electric power and discharges exhaust fuel gas, extracts ammonia from the fuel gas generated by the reformer, and extracts the fuel gas from which the ammonia has been extracted It further includes an ammonia pump that supplies the polymer electrolyte fuel cell and mixes the extracted ammonia with the exhaust fuel gas discharged from the polymer electrolyte fuel cell.
かかる構成とすると、アンモニアポンプにより、燃料ガスが含有するアンモニアが、高分子電解質形燃料電池に供給されることなく、高分子電解質形燃料電池から排出された排燃料ガスに混合される。これにより、高分子電解質形燃料電池の膜電極接合体の性能が長期間に渡り好適に確保されるので、長期間に渡り安定して電力を供給可能な燃料電池システムを提供することが可能になる。 With this configuration, the ammonia contained in the fuel gas is mixed with the exhaust fuel gas discharged from the polymer electrolyte fuel cell without being supplied to the polymer electrolyte fuel cell by the ammonia pump. As a result, the performance of the membrane electrode assembly of the polymer electrolyte fuel cell is suitably ensured over a long period of time, so that it is possible to provide a fuel cell system capable of stably supplying power over a long period of time. Become.
この場合、前記アンモニアポンプが、陽イオン交換体と、該陽イオン交換体を挟持する一対の導電性触媒層及び該一対の導電性触媒層を挟持する一対の導電性ガス拡散層を有する一対のガス拡散電極と、を少なくとも備えている。 In this case, the ammonia pump includes a cation exchanger, a pair of conductive catalyst layers that sandwich the cation exchanger, and a pair of conductive gas diffusion layers that sandwich the pair of conductive catalyst layers. And at least a gas diffusion electrode.
かかる構成とすると、単純かつ小規模な構成を有する省電力型のアンモニア除去手段を提供することができるので、初期費用及び維持費用が安価でありかつ発電効率に優れる燃料電池システムを提供することが可能になる。 With such a configuration, it is possible to provide a power-saving ammonia removal means having a simple and small-scale configuration, and therefore, it is possible to provide a fuel cell system with low initial cost and low maintenance cost and excellent power generation efficiency. It becomes possible.
この場合、前記陽イオン交換体が、有機陽イオン交換体である。 In this case, the cation exchanger is an organic cation exchanger.
かかる構成とすると、特殊な構成を有する陽イオン交換体を準備することなく、既に市販されている一般的な有機陽イオン交換体を利用して、アンモニアポンプを構成することができる。これにより、アンモニアポンプを安価に構成することが可能になる。 With such a configuration, an ammonia pump can be configured using a common organic cation exchanger that is already on the market without preparing a cation exchanger having a special configuration. This makes it possible to configure the ammonia pump at a low cost.
この場合、前記有機陽イオン交換体が、パーフルオロスルホン酸膜である。 In this case, the organic cation exchanger is a perfluorosulfonic acid membrane.
かかる構成とすると、高分子電解質形燃料電池の電解質膜として一般的に用いられているパーフルオロスルホン酸膜を利用するので、アンモニアポンプをより一層安価に構成することが可能になる。 With such a configuration, since the perfluorosulfonic acid membrane generally used as the electrolyte membrane of the polymer electrolyte fuel cell is used, the ammonia pump can be configured at a lower cost.
又、上記の場合、前記陽イオン交換体が、無機陽イオン交換体である。 In the above case, the cation exchanger is an inorganic cation exchanger.
かかる構成としても、特殊な構成を有する陽イオン交換体を準備することなく、既に市販されている一般的な無機陽イオン交換体を利用して、アンモニアポンプを構成することができる。これにより、アンモニアポンプを安価に構成することが可能になる。 Even with such a configuration, an ammonia pump can be configured using a general inorganic cation exchanger that is already on the market without preparing a cation exchanger having a special configuration. This makes it possible to configure the ammonia pump at a low cost.
この場合、前記無機陽イオン交換体が、リン酸水溶液層である。 In this case, the inorganic cation exchanger is a phosphoric acid aqueous solution layer.
かかる構成とすると、リン酸形燃料電池の電解質層として一般的に用いられているリン酸水溶液層を利用するので、アンモニアポンプをより一層安価に構成することが可能になる。 With such a configuration, a phosphoric acid aqueous solution layer that is generally used as an electrolyte layer of a phosphoric acid fuel cell is used, so that the ammonia pump can be configured at a lower cost.
又、上記の場合、前記一対の導電性ガス拡散層の前記アンモニア抽出側が、親水性官能基を備えている。 In the above case, the ammonia extraction side of the pair of conductive gas diffusion layers has a hydrophilic functional group.
かかる構成とすると、一対の導電性ガス拡散層におけるアンモニア抽出側に、燃料ガスが含有する水蒸気が結露し易くなる。これにより、アンモニアポンプにおいて、燃料ガスが含有するアンモニアを選択的にかつ確実にトラップすることが可能になる。 With this configuration, water vapor contained in the fuel gas is likely to condense on the ammonia extraction side in the pair of conductive gas diffusion layers. As a result, the ammonia contained in the fuel gas can be selectively and reliably trapped in the ammonia pump.
この場合、前記親水性官能基が、スルホン酸基である。 In this case, the hydrophilic functional group is a sulfonic acid group.
かかる構成とすると、一対の導電性ガス拡散層におけるアンモニア抽出側において、燃料ガスが含有する水蒸気を確実に結露させることが可能になる。 With this configuration, water vapor contained in the fuel gas can be reliably condensed on the ammonia extraction side of the pair of conductive gas diffusion layers.
又、この場合、前記親水性官能基が、ヒドロキシル基である。 In this case, the hydrophilic functional group is a hydroxyl group.
かかる構成としても、一対の導電性ガス拡散層におけるアンモニア抽出側において、燃料ガスが含有する水蒸気を確実に結露させることが可能になる。 Even with such a configuration, it is possible to reliably condense the water vapor contained in the fuel gas on the ammonia extraction side in the pair of conductive gas diffusion layers.
又、上記の場合、前記一対の導電性ガス拡散層の前記アンモニア混合側が、疎水性官能基を備えている。 In the above case, the ammonia mixing side of the pair of conductive gas diffusion layers has a hydrophobic functional group.
かかる構成とすると、一対の導電性ガス拡散層におけるアンモニア混合側において、アンモニアを含有する水が気化し易くなる。これにより、アンモニアポンプにおいて、燃料ガスが含有するアンモニアを排燃料ガスに確実に混合することが可能になる。 With this configuration, water containing ammonia is easily vaporized on the ammonia mixing side in the pair of conductive gas diffusion layers. Thereby, in the ammonia pump, the ammonia contained in the fuel gas can be reliably mixed with the exhaust fuel gas.
又、上記の場合、前記高分子電解質形燃料電池から電力が供給されて前記アンモニアポンプにその駆動用電力を供給する電力供給系統を更に備えている。 In the above case, the apparatus further includes a power supply system which is supplied with electric power from the polymer electrolyte fuel cell and supplies driving power to the ammonia pump.
かかる構成とすると、アンモニアポンプにその駆動用電力を供給するための電源等を配設する必要がなくなるので、燃料電池システムを小型化することが可能になる。又、燃料電池システムの構成を簡素化することが可能になる。 With this configuration, it is not necessary to provide a power source or the like for supplying driving power to the ammonia pump, so that the fuel cell system can be reduced in size. In addition, the configuration of the fuel cell system can be simplified.
更に、上記の場合、前記高分子電解質形燃料電池と前記アンモニアポンプとが、直接的又は間接的に一体化されている。 Furthermore, in the above case, the polymer electrolyte fuel cell and the ammonia pump are integrated directly or indirectly.
かかる構成とすると、高分子電解質形燃料電池とアンモニアポンプとが直接的又は間接的に一体化されているので、最も簡単でありかつコンパクトな構成の燃料電池システムを提供することが可能になる。 With such a configuration, since the polymer electrolyte fuel cell and the ammonia pump are directly or indirectly integrated, it is possible to provide a fuel cell system having the simplest and most compact configuration.
本発明は、以上に述べたような手段において実施され、初期費用及び維持費用が安価であり、単純かつ小規模な構成を有する省電力型のアンモニア除去手段を備えた、長期間に渡り安定して電力を供給可能な発電効率に優れる燃料電池システムを提供することが可能になるという効果を奏する。 The present invention is implemented in the means as described above, has low initial cost and maintenance cost, and is stable for a long period of time with a power-saving ammonia removing means having a simple and small-scale configuration. Thus, there is an effect that it is possible to provide a fuel cell system that can supply power and has excellent power generation efficiency.
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。 Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(実施の形態1)
先ず、本発明の実施の形態1に係る燃料電池システムの構成及びその動作について、図面を参照しながら詳細に説明する。
(Embodiment 1)
First, the configuration and operation of the fuel cell system according to
図1は、高分子電解質形燃料電池と改質装置とを備える、本発明の実施の形態1に係る燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図である。尚、図1では、本発明を説明するために必要となる構成要素のみを示しており、その他の構成要素については、図示を省略している。
FIG. 1 is a block diagram schematically showing a configuration of a fuel cell system according to
図1に示すように、本発明の実施の形態1に係る燃料電池システム100は、改質装置1と、本発明を特徴付けるアンモニアポンプ23と、凝縮器4及び凝縮水タンク5と、凝縮器6及び凝縮水タンク7とを備えている。改質装置1は、原燃料としての都市ガスと水とを用いる水蒸気改質反応を進行させることにより、水素を含む燃料ガスを生成する。アンモニアポンプ23は、電気泳動を利用することにより燃料ガスが含有するアンモニアを排燃料ガス側に直接的に移動させて、その移動させたアンモニアを排燃料ガスに混合させる。尚、このアンモニアポンプ23の内部構成とその動作については、後に詳細に説明する。又、凝縮器4及び6は、二次冷却水を用いる所定の冷却構成により、水蒸気を水(凝縮水)に変換する。凝縮水タンク5及び7は、水(凝縮水)を貯蔵する。そして、燃料電池システム100では、改質装置1の燃料ガス排出口とアンモニアポンプ23の燃料ガス導入口とが、配管2aにより相互に接続されている。又、アンモニアポンプ23の燃料ガス排出口と後述する高分子電解質形燃料電池14の燃料ガス流路14aの一端とが、配管2bにより相互に接続されている。又、高分子電解質形燃料電池14の燃料ガス流路14aの他端とアンモニアポンプ23の排燃料ガス導入口とが、配管3bにより相互に接続されている。又、アンモニアポンプ23の排燃料ガス排出口と凝縮器4の排燃料ガス導入口とが、配管3aにより相互に接続されている。又、凝縮器4の排燃料ガス排出口及び凝縮水排出口と改質装置1の排燃料ガス導入口及び凝縮水タンク5の凝縮水導入口とが、所定の配管により相互に接続されている。更には、改質装置1の排燃焼ガス排出口と凝縮器6の排燃焼ガス導入口とが所定の配管により相互に接続され、凝縮器6の凝縮水排出口と凝縮水タンク7の凝縮水導入口とが所定の配管により相互に接続されている。これにより、燃料電池システム100において、燃料ガスの給排系統が構成されている。
As shown in FIG. 1, a
又、この実施の形態1に係る燃料電池システム100は、空気供給装置8と、加湿器10と、凝縮器12と、凝縮水タンク13とを備えている。空気供給装置8は、酸化剤ガスとしての空気を、大気中から燃料電池システム100の内部に導入する。加湿器10は、一次冷却水を用いる所定の加湿構成により、酸化剤ガスとしての空気を加湿する。凝縮器12は、二次冷却水を用いる所定の冷却構成により、水蒸気を水(凝縮水)に変換する。凝縮水タンク13は、水(凝縮水)を貯蔵する。そして、燃料電池システム100では、空気供給装置8の空気排出口と加湿器10の空気導入口とが、配管9aにより相互に接続されている。又、加湿器10の空気排出口と後述する高分子電解質形燃料電池14の酸化剤ガス流路14bの一端とが、配管9bにより相互に接続されている。又、高分子電解質形燃料電池14の酸化剤ガス流路14bの他端と凝縮器12の排空気導入口とが、配管11により相互に接続されている。更には、凝縮器12の凝縮水排出口と凝縮水タンク13の凝縮水導入口とが、所定の配管により相互に接続されている。これにより、燃料電池システム100において、酸化剤ガスの給排系統が構成されている。
In addition, the
そして、この実施の形態1に係る燃料電池システム100は、発電部の本体として、高分子電解質形燃料電池14を備えている。この高分子電解質形燃料電池14は、燃料ガス流路14aと、酸化剤ガス流路14bと、冷却水流路14cとを備えている。燃料電池システム100の発電運転の際、燃料ガス流路14aには、燃料ガスが供給される。酸化剤ガス流路14bには、酸化剤ガスとしての空気が供給される。冷却水流路14cには、一次冷却水が供給される。すると、高分子電解質形燃料電池14では、燃料ガスが有する水素と酸化剤ガスとしての空気が有する酸素とを利用する所定の電気化学反応が進行する。これにより、高分子電解質形燃料電池14は所望の電力を出力する。
The
一方、図1に示すように、この実施の形態1に係る燃料電池システム100は、上述した加湿器10に加えて、冷却水タンク15と、冷却水ポンプ16と、熱交換器17とを備えている。冷却水タンク15は、一次冷却水を貯蔵する。冷却水ポンプ16は、所定の送水手段により、一次冷却水を送水する。加湿器10は、上述したように、一次冷却水を用いる所定の加湿構成により、酸化剤ガスとしての空気を加湿する。熱交換器17は、二次冷却水を用いる所定の熱交換構成により、一次冷却水を冷却する。そして、この燃料電池システム100では、冷却水タンク15の冷却水排出口と冷却水ポンプ16の冷却水導入口とが、配管18aにより相互に接続されている。又、冷却水ポンプ16の冷却水排出口と高分子電解質形燃料電池14の冷却水流路14cの一端とが、配管18bにより相互に接続されている。又、高分子電解質形燃料電池14の冷却水流路14cの他端と加湿器10の冷却水導入口とが、配管18cにより相互に接続されている。更には、加湿器10の冷却水排出口と熱交換器17の冷却水導入口とが、配管18dにより相互に接続されている。そして、熱交換器17の冷却水排出口と冷却水タンク15の冷却水導入口とが、配管18eにより相互に接続されている。これにより、燃料電池システム100において、一次冷却水の循環系統が構成されている。
On the other hand, as shown in FIG. 1, the
又、この実施の形態1に係る燃料電池システム100は、上述した凝縮器12,4,6及び熱交換器17に加えて、放熱器19と、冷却水タンク20と、冷却水ポンプ21とを備えている。放熱器19は、所定の空冷手段により、二次冷却水を冷却する。冷却水タンク20は、二次冷却水を貯蔵する。冷却水ポンプ21は、所定の送水手段により、二次冷却水を送水する。尚、上述したように、凝縮器12,4,6は、二次冷却水を用いる所定の冷却構成により、水蒸気を水(凝縮水)に変換する。又、熱交換器17は、二次冷却水を用いる所定の熱交換構成により、一次冷却水を冷却する。そして、燃料電池システム100では、冷却水タンク20の冷却水排出口と冷却水ポンプ21の冷却水導入口とが、配管22aにより相互に接続されている。又、冷却水ポンプ21の冷却水排出口と凝縮器12の冷却水導入口と、この凝縮器12の冷却水排出口と凝縮器4の冷却水導入口と、この凝縮器4の冷却水排出口と凝縮器6の冷却水導入口と、この凝縮器6の冷却水排出口と熱交換器17の冷却水導入口との各々が、配管22b,22c,22d,22eにより各々相互に接続されている。更には、熱交換器17の冷却水排出口と放熱器19の冷却水導入口とが、配管22fにより相互に接続されている。そして、放熱器19の冷却水排出口と冷却水タンク20の冷却水導入口とが、配管22gにより相互に接続されている。これにより、燃料電池システム100において、二次冷却水の循環系統が構成されている。
Further, the
かかる燃料電池システム100では、その発電運転の際、改質装置1からアンモニアポンプ23にアンモニアを含有する燃料ガスが供給される。すると、アンモニアポンプ23は、電気泳動を利用することにより燃料ガスが含有するアンモニアを排燃料ガス側に直接的に移動させて、その移動させたアンモニアを排燃料ガスに混合させる。その一方で、アンモニアポンプ23は、アンモニアを除去した燃料ガスを高分子電解質形燃料電池14の燃料ガス流路14aに供給する。つまり、この実施の形態1に係る燃料電池システム100では、改質装置1で生成されたアンモニアが、高分子電解質形燃料電池14に供給されることなく、高分子電解質形燃料電池14から排出された排燃料ガスと共に凝縮器4に供給される。そして、凝縮器4を通過して改質装置1が内蔵する図1では図示されない燃焼器に供給されたアンモニアは、排燃料ガスと共に、水蒸気改質反応を進行させるために燃焼される。
In the
アンモニアポンプ23から排出された燃料ガスは、高分子電解質形燃料電池14の燃料ガス流路14aに供給される。この際、高分子電解質形燃料電池14には、その動作原理上、加湿された燃料ガスが供給される必要がある。しかし、水蒸気改質反応によれば、改質装置1に供給される水の一部が、燃料ガス中に水蒸気として残留する。つまり、改質装置1から供給される燃料ガスは、その改質装置1において、ある程度の加湿度にまで自動的に加湿されている。従って、通常は、改質装置1で生成され、アンモニアポンプ23を通過した燃料ガスは、特に加湿されることなく、高分子電解質形燃料電池14の燃料ガス流路14aに直接供給される。尚、アンモニアポンプ23から排出された燃料ガスの露点と高分子電解質形燃料電池14が要求する燃料ガスの露点との差分を補償する必要がある場合には、加湿器10に加えて、燃料ガスを加湿するための加湿器を別途設ける。
The fuel gas discharged from the
尚、改質装置1に代えて、例えば、水素ボンベの如き水素貯蔵装置が配設される場合には、アンモニアポンプ23を配設する必要はない。しかしながら、実用的な連続発電設備としての燃料電池システムを構築する場合には、都市ガス、プロパンガス、ガソリン等の連続的に入手可能な原燃料を用いて燃料ガスを製造する必要がある。従って、通常は、水蒸気改質反応により燃料ガスを生成する改質装置1が配設される。そして、原燃料として都市ガスが用いられる場合には、改質装置1においてアンモニアが生成されるため、アンモニアポンプ23を配設する必要がある。これにより、高分子電解質形燃料電池14をアンモニアに起因する悪影響から保護することが可能になる。
In place of the
一方、かかる燃料電池システム100では、その発電運転の際、空気供給装置8から高分子電解質形燃料電池14の酸化剤ガス流路14bに酸化剤ガスとしての空気が供給される。この際、高分子電解質形燃料電池14には、燃料ガスの場合と同様にして、加湿された空気が供給される必要がある。そこで、燃料電池システム100では、空気供給装置8から供給される空気が加湿器10により加湿される。そして、加湿器10により加湿された空気が、高分子電解質形燃料電池14の酸化剤ガス流路14bに供給される。尚、加湿器10は、通常、水蒸気透過性の透湿膜を備える膜加湿器である。この加湿器10は、高分子電解質形燃料電池14から排出された一次冷却水を熱源及び水源として、空気供給装置8から供給される空気を所望の加湿度にまで加湿する。
On the other hand, in the
燃料ガス及び酸化剤ガスとしての空気が燃料ガス流路14a及び酸化剤ガス流路14bに供給されると、高分子電解質形燃料電池14では、燃料ガスが有する水素と酸化剤ガスとしての空気が有する酸素とを利用する所定の電気化学反応が進行する。これにより、高分子電解質形燃料電池14は、所望の電力を出力する。この際、所定の電気化学反応の進行に伴い生成される反応熱により、高分子電解質形燃料電池14の温度が上昇する。そこで、燃料電池システム100では、冷却水ポンプ16の送水動作により、冷却水タンク15に貯蔵されている一次冷却水が、高分子電解質形燃料電池14の冷却水流路14cに連続的に供給される。これにより、高分子電解質形燃料電池14の温度が適温(通常、60〜80℃)に保たれる。尚、高分子電解質形燃料電池14から排出された、温度上昇した一次冷却水は、改質器10において、空気供給装置8から供給される空気の加湿のために利用される。加湿器10から排出された一次冷却水は、熱交換器17において二次冷却水により冷却された後、冷却水タンク15に戻される。
When air as a fuel gas and an oxidant gas is supplied to the
又、かかる燃料電池システム100では、一次冷却水を冷却するために、冷却水ポンプ21の送水動作により、冷却水タンク20に貯蔵されている二次冷却水が、凝縮器12,4,6を介して熱交換器17に連続的に供給される。すると、熱交換器17では、加湿器10から供給される一次冷却水が、冷却水タンク20から供給される二次冷却水により冷却される。そして、熱交換器17において一次冷却水との熱交換により温度上昇した二次冷却水は、冷却水ポンプ21の送水動作により、放熱器19に連続的に供給される。放熱器19は、所定の空冷手段により、二次冷却水を冷却する。これにより、燃料電池システム100において、一次冷却水及び二次冷却水の温度が適温に保たれる。放熱器19により冷却された二次冷却水は、その後、冷却水タンク20に戻される。
In the
このように、実施の形態1に係る燃料電池システム100では、その良好な発電状態が確実に確保されるよう、高分子電解質形燃料電池14の温度が一次冷却水により直接的に制御される。又、この燃料電池システム100では、その良好な発電状態が確実に確保されるよう、高分子電解質形燃料電池14の温度が二次冷却水により間接的に制御される。これにより、燃料電池システム100において、高分子電解質形燃料電池14の発電状態が適切に維持される。
As described above, in the
一方、燃料電池システム100の発電運転の際、高分子電解質形燃料電池14から排出された排燃料ガスは、アンモニアポンプ23を通過する際にアンモニアと混合された後、凝縮器4に供給される。凝縮器4により除湿されたアンモニアを含有する排燃料ガスは、その後、改質装置1に供給される。そして、アンモニアを含有する排燃料ガスは、改質装置1に内蔵された図示されない燃焼器において、水蒸気改質反応を進行させるために燃焼される。改質装置1から排出された排燃焼ガスは、凝縮器6に供給される。凝縮器6により除湿された排燃焼ガスは、燃料電池システム100の外部に排気される。尚、凝縮器4及び6から排出された凝縮水は、凝縮水タンク5及び7に貯蔵される。
On the other hand, during the power generation operation of the
又、燃料電池システム100の発電運転の際、高分子電解質形燃料電池14から排出された排空気は、凝縮器12に供給される。凝縮器12により除湿された排空気は、燃料電池システム100の外部に排気される。凝縮器12から排出された凝縮水は、凝縮水タンク13に貯蔵される。
Further, during the power generation operation of the
尚、凝縮水タンク5,7,13に貯蔵された凝縮水は、図1では図示しない凝縮水の再生系統において、濾過、イオン交換等の浄水処理が施される。この浄水処理が施された凝縮水は、冷却水タンク15に供給される。そして、この浄水処理が施された凝縮水は、高分子電解質形燃料電池14を冷却するための一次冷却水としてや、空気供給装置8から供給される空気を加湿するために利用される。又は、この浄水処理が施された凝縮水は、改質装置1において、水蒸気改質反応を進行させるために利用される。
The condensed water stored in the
次に、本発明を特徴付けるアンモニアポンプの構成及びその動作について、図面を参照しながら詳細に説明する。 Next, the configuration and operation of an ammonia pump characterizing the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図2は、本発明の実施の形態1に係るアンモニアポンプの構成を模式的に示す構成図である。ここで、図2(a)は本発明の実施の形態1に係るアンモニアポンプの分解斜視図であり、図2(b)は図2(a)に示すIIb−IIb線に沿った断面図である。尚、図2では、アンモニアポンプの特徴的な構成を説明するために必要となる構成要素のみを示しており、その他の構成要素については、図示を省略している。
FIG. 2 is a configuration diagram schematically showing the configuration of the ammonia pump according to
図2(a)及び(b)から明らかなように、このアンモニアポンプ23の構成は、一般的な高分子電解質形燃料電池積層体(通常、単に「スタック」という)の単電池(通常、単に「セル」という)の構成と基本的に同様である。即ち、図2(a)及び(b)に示すように、本発明の実施の形態1に係るアンモニアポンプ23は、導電性セパレータ23aと、膜電極接合体23bと、導電性セパレータ23cとを備えている。これらの導電性セパレータ23a、膜電極接合体23b、導電性セパレータ23cは、各々、略平板状の形状を有している。又、これらの導電性セパレータ23a、膜電極接合体23b、導電性セパレータ23cは、各々、アンモニアポンプ23の主面A側から見た場合、矩形状の同一形状を有している。そして、これらの導電性セパレータ23a、膜電極接合体23b、及び、導電性セパレータ23cがこの順で積層され、所定の締結手段により締結されて、アンモニアポンプ23が構成されている。
As is apparent from FIGS. 2A and 2B, the
具体的には、導電性セパレータ23a及び23cは、ジグザグ状の燃料ガス流路Pa及びジグザグ状の排燃料ガス流路Pbを備えている。そして、燃料ガス流路Paの図2では下方に配管2aが燃料ガスを供給可能に接続され、燃料ガス流路Paの図2では上方に配管2bが燃料ガスを排出可能に接続されている。又、排燃料ガス流路Pbの図2では上方に配管3bが排燃料ガスを供給可能に接続され、排燃料ガス流路Pbの図2では下方に配管3aが排燃料ガスを排出可能に接続されている。これらの燃料ガス流路Paと排燃料ガス流路Pbとは、アンモニアポンプ23の完成体において、膜電極接合体23bにより隔離されている。従って、アンモニアポンプ23においては、燃料ガス流路Paに燃料ガスが供給され、排燃料ガス流路Pbに排燃料ガスが供給される場合であっても、燃料ガスと排燃料ガスとが混合されることはない。
Specifically, the
一方、図2(b)に示すように、膜電極接合体23bは、一枚の陽イオン交換体aと、一対のガス拡散電極b及びcとを備えている。
On the other hand, as shown in FIG. 2B, the
陽イオン交換体aは、有機陽イオン交換体、又は、無機陽イオン交換体により構成されている。ここで、有機陽イオン交換体としては、例えば、パーフルオロスルホン酸膜が用いられる。又、無機陽イオン交換体としては、例えば、リン酸水溶液層が用いられる。 The cation exchanger a is composed of an organic cation exchanger or an inorganic cation exchanger. Here, as the organic cation exchanger, for example, a perfluorosulfonic acid membrane is used. Moreover, as an inorganic cation exchanger, a phosphoric acid aqueous solution layer is used, for example.
ガス拡散電極bは、主に白金カーボンからなる導電性触媒層b1と、電気伝導性及びガス透過性を有する炭素繊維からなる導電性ガス拡散層b2とを備えている。同様にして、ガス拡散電極cは、主に白金カーボンからなる導電性触媒層c1と、電気伝導性及びガス透過性を有する炭素繊維からなる導電性ガス拡散層c2とを備えている。ここで、導電性ガス拡散層b2には、親水処理が施されていることがより望ましい。この親水処理としては、例えば、プラズマ処理、賦活処理等の親水処理が挙げられる。これらの親水処理により、導電性ガス拡散層b2の表面には、ヒドロキシル基等に代表される親水性官能基が構築される。又、導電性ガス拡散層b2に親水性を付与するためには、その導電性ガス拡散層b2にパーフルオロスルホン酸重合体を含浸させてもよい。この含浸処理により、導電性ガス拡散層b2は、スルホン酸基を備える導電性ガス拡散層となる。 The gas diffusion electrode b includes a conductive catalyst layer b1 mainly made of platinum carbon and a conductive gas diffusion layer b2 made of carbon fibers having electrical conductivity and gas permeability. Similarly, the gas diffusion electrode c includes a conductive catalyst layer c1 mainly made of platinum carbon and a conductive gas diffusion layer c2 made of carbon fibers having electrical conductivity and gas permeability. Here, it is more desirable that the conductive gas diffusion layer b2 is subjected to a hydrophilic treatment. Examples of the hydrophilic treatment include hydrophilic treatment such as plasma treatment and activation treatment. By these hydrophilic treatments, hydrophilic functional groups represented by hydroxyl groups and the like are constructed on the surface of the conductive gas diffusion layer b2. In order to impart hydrophilicity to the conductive gas diffusion layer b2, the conductive gas diffusion layer b2 may be impregnated with a perfluorosulfonic acid polymer. By this impregnation treatment, the conductive gas diffusion layer b2 becomes a conductive gas diffusion layer having a sulfonic acid group.
又、導電性ガス拡散層c2には、疎水処理が施されていることがより望ましい。この疎水処理により、導電性ガス拡散層c2の表面には、メチル基等に代表される疎水性官能基が構築される。尚、導電性ガス拡散層c2が、ポリテトラフルオロエチレンが含侵された炭素繊維からなる場合、疎水処理を省略することができる。ポリテトラフルオロエチレン及び炭素繊維からなる導電性ガス拡散層c2は、撥水性を備えているからである。 Further, it is more desirable that the conductive gas diffusion layer c2 is subjected to a hydrophobic treatment. By this hydrophobic treatment, a hydrophobic functional group represented by a methyl group or the like is constructed on the surface of the conductive gas diffusion layer c2. When the conductive gas diffusion layer c2 is made of carbon fiber impregnated with polytetrafluoroethylene, the hydrophobic treatment can be omitted. This is because the conductive gas diffusion layer c2 made of polytetrafluoroethylene and carbon fiber has water repellency.
そして、陽イオン交換体aの一方の主面における所定の領域には、その陽イオン交換体aに導電性触媒層b1が接触した状態で、ガス拡散電極bが接合されている。又、陽イオン交換体aの他方の主面における所定の領域には、その陽イオン交換体aに導電性触媒層c1が接触した状態で、ガス拡散電極cが接合されている。これにより、アンモニアポンプ23において、膜電極接合体23bが構成されている。
And the gas diffusion electrode b is joined to the predetermined area | region in one main surface of the cation exchanger a in the state which the electroconductive catalyst layer b1 contacted the cation exchanger a. In addition, a gas diffusion electrode c is joined to a predetermined region on the other main surface of the cation exchanger a in a state where the conductive catalyst layer c1 is in contact with the cation exchanger a. Thereby, in the
本実施の形態では、アンモニアポンプ23の導電性セパレータ23a及び23cは、高分子電解質形燃料電池14における導電性セパレータの構成と同様にして、金属又はカーボンを主原料とする導電性材料により各々構成されている。又、膜電極接合体23bは、高分子電解質形燃料電池14における膜電極接合体と同様の構成を有している。そして、本実施の形態では、膜電極接合体23bにおける陽イオン交換体aの周囲が導電性セパレータ23a及び23cの周縁部により挟持され、かつ膜電極接合体23bにおけるガス拡散電極b及びcの所定領域が導電性セパレータ23a及び23cの所定領域により導電状態で挟持されて、アンモニアポンプ23が構成されている。
In the present embodiment, the
かかるアンモニアポンプ23では、燃料電池システム100の発電運転の際、改質装置1から燃料ガス流路Paにアンモニアを含有する燃料ガスが供給される。一方、アンモニアポンプ23の排燃料ガス流路Pbには、高分子電解質形燃料電池14の燃料ガス流路14aから排出された排燃料ガスが供給される。この際、図2(b)に示すように、アンモニアポンプ23の導電性セパレータ23aと導電性セパレータ23cとの間には、電圧が印加される。アンモニアポンプ23を駆動するための駆動用電力は、本実施の形態では、高分子電解質形燃料電池14から供給される。つまり、本実施の形態に係る燃料電池システム100は、高分子電解質形燃料電池14から電力が供給されてアンモニアポンプ23にその駆動用電力を供給する電力供給系統を更に備えている。尚、アンモニアポンプ23の導電性セパレータ23aと導電性セパレータ23cとの間に印加される電圧値は、陽イオン交換体aの膜厚によっても異なるが、概ね1V程度の電圧値である。つまり、アンモニアポンプ23の陽イオン交換体aにおいてアンモニウムイオンが電気泳動可能であり、その一方で陽イオン交換体aにおいて水の電気分解が進行しない程度の所定の電圧が、導電性セパレータ23aと導電性セパレータ23cとの間に印加される。
In the
すると、アンモニアポンプ23では、燃料ガスが含有する水蒸気が結露して概ね湿潤状態とされた膜電極接合体23bの導電性ガス拡散層b2において、燃料ガスが含有するアンモニアの水への溶解が進行する。この際、アンモニアは水に対して極めて溶解し易いため、燃料ガスが含有するアンモニアは選択的に水に溶解する。つまり、アンモニアポンプ23の導電性ガス拡散層b2において、燃料ガスが含有するアンモニアが選択的にトラップされる。一方、水に対する水素の溶解度は、極めて低い。そのため、燃料ガスが含有する水素は、水に殆ど溶解することなく、アンモニアポンプ23から排出される。そして、燃料ガスが含有するアンモニアが水に溶解することにより、化学式(1)に示すように、アンモニウムイオンと水酸化物イオンとが生成される。
Then, in the
NH3+H2O→NH4 ++OH- ・・・(1)
一方、アンモニアポンプ23の膜電極接合体23bにおける導電性触媒層b1上では、化学式(2)に示すように、水素の解離反応が進行する。
NH 3 + H 2 O → NH 4 + + OH - ··· (1)
On the other hand, on the conductive catalyst layer b1 in the
(1/2)H2→H++e- ・・・(2)
又、アンモニアポンプ23における膜電極接合体23bの燃料ガス流路Pa側では、化学式(3)に示すように、プロトンと水酸化物イオンとの中和反応が進行する。
(1/2) H 2 → H + + e − (2)
Further, on the fuel gas flow path Pa side of the
H++OH-→H2O ・・・(3)
つまり、アンモニアポンプ23では、膜電極接合体23bの燃料ガス流路Pa側において、図2(b)に示すように、見かけ上、化学式(4)に示す化学反応が進行する。
H + + OH − → H 2 O (3)
That is, in the
NH3+(1/2)H2→NH4 ++e- ・・・(4)
尚、燃料電池システム100の構成によっては、アンモニアポンプ23におけるガス拡散電極bの導電性ガス拡散層b2で燃料ガスが含有する水蒸気が結露するため、高分子電解質形燃料電池14に供給される燃料ガスの露点が低下する場合がある。この場合には、燃料ガスの露点を適切に補償するために、アンモニアポンプ23と高分子電解質形燃料電池14との間に加湿器を配設すればよい。
NH 3 + (1/2) H 2 → NH 4 + + e − (4)
Depending on the configuration of the
一般的に、陽イオン交換体aでは、アンモニウムイオンに対する親和性がプロトンに対する親和性よりも遙かに大きい。従って、アンモニアポンプ23において、膜電極接合体23bの燃料ガス流路Pa側で水に溶解したアンモニア(アンモニウムイオン)は、陽イオン交換体aの中に容易に取り込まれる。そして、この取り込まれたアンモニウムイオンは、陽イオン交換体aの末端基を順次置換して、アンモニアポンプ23における膜電極接合体23bの排燃料ガス流路Pb側に到達する。すると、アンモニアポンプ23では、膜電極接合体23bのガス拡散電極cにおける導電性触媒層c1において、化学式(5)に示すように、アンモニウムイオンの還元反応が進行する。これにより、アンモニウムイオンがアンモニアに戻される。
In general, in the cation exchanger a, the affinity for ammonium ions is much greater than the affinity for protons. Therefore, in the
NH4 ++e-→NH3+(1/2)H2 ・・・(5)
アンモニアポンプ23において、膜電極接合体23bのガス拡散電極cにおける導電性触媒層c1で生成されたアンモニアは、その導電性触媒層c1に隣接する導電性ガス拡散層c2に移動する。すると、アンモニアポンプ23では、導電性ガス拡散層c2に移動したアンモニアが、排燃料ガス流路Pbに供給される排燃料ガスに混合される。アンモニアを含有する排燃料ガスは、その後、アンモニアポンプ23の排燃料ガス流路Pbから排出される。アンモニアポンプ23から排出されたアンモニアを含有する排燃料ガスは、凝縮器4に供給され、この凝縮器4において除湿される。この除湿されたアンモニアを含有する排燃料ガスは、改質装置1の燃焼器に供給される。そして、このアンモニアを含有する排燃料ガスは、改質装置1の燃焼器において、水蒸気改質反応を進行させるために燃焼される。
NH 4 + + e − → NH 3 + (1/2) H 2 (5)
In the
尚、化学式(2)に示すように、アンモニアポンプ23では、水素の解離反応が進行することにより、燃料ガスが含有する水素の一部が消費される。又、アンモニアポンプ23では、化学式(5)に示すように、アンモニアの生成と同時に水素が生成される。この生成された水素は、アンモニアや排燃料ガスと共に凝縮器4に供給された後、改質装置1の燃焼器において燃焼される。従って、一見すると、本発明によれば、燃料電池システム100の発電効率が悪化するように思われる。しかしながら、アンモニアポンプ23において燃料ガスから抽出されるアンモニアの濃度は、数ppm程度の濃度である。そのため、アンモニアポンプ23における水素の消費量は、極めて少量である。従って、燃料電池システム100の発電効率が実質的に悪化することはない。
As shown in the chemical formula (2), in the
このように、本発明では、アンモニアポンプ23により、改質装置1で生成されたアンモニアが、連続的にかつ選択的にトラップされる。そして、改質装置1で生成されたアンモニアは、高分子電解質形燃料電池14に供給されることなく、その高分子電解質形燃料電池14から排出された排燃料ガスに混合される。即ち、本発明では、アンモニアポンプ23は、電気化学的なケミカルポンプとしてのアンモニアポンプとして機能する。その結果、本発明によれば、高分子電解質形燃料電池14が備える高分子電解質膜の性能を長期間に渡り好適に維持することが可能になる。これにより、高分子電解質形燃料電池14の発電性能が長期間に渡り好適に維持されるので、燃料電池システム100の発電性能が長期間に渡り好適に維持される。
As described above, in the present invention, the ammonia generated in the
又、本発明では、アンモニアポンプ23が高分子電解質形燃料電池14の単電池の構成と基本的に同様に構成されている。そのため、アンモニアポンプ23の構成を単純な構成とすることが可能になると共に、燃料ガスからアンモニアを抽出してこれを排燃料ガスに混合させる際の消費電力を抑制することが可能になる。加えて、本発明によれば、アンモニアポンプ23を定期的に再生させる必要はない。又、本発明によれば、アンモニアポンプ23を定期的に交換する必要はない。これらにより、アンモニアポンプ23を安価に構成することが可能になると共に、アンモニアポンプ23のランニングコストを抑えることが可能になる。つまり、燃料電池システム100を安価に提供することが可能になると共に、そのランニングコストを抑えることが可能になる。
In the present invention, the
更には、本発明によれば、アンモニアポンプ23を小型化することができる。従って、燃料電池システム100が大型化することを防止することが可能になる。これにより、燃料電池システム100を一般家庭に向けて幅広く普及させることが可能になる。又、本発明によれば、移動用や携帯用等の燃料電池システム100にも、アンモニアポンプ23を設けることが可能になる。これにより、燃料電池システム100の利便性を更に向上させることが可能になる。
Furthermore, according to the present invention, the
尚、アンモニアポンプ23の構成は、図2に示す構成に限定されることはない。即ち、アンモニアポンプ23は、改質装置1に供給される都市ガスの窒素含有濃度や、燃料電池システム100の定格出力等の指標に応じて、適切に構成される。かかる構成とすることにより、本実施の形態により得られる効果と同様の効果を得ることが可能になる。
The configuration of the
(実施の形態2)
図3は、高分子電解質形燃料電池と改質装置とを備える、本発明の実施の形態2に係る燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図である。尚、図3では、本発明を説明するために必要となる構成要素のみを示しており、その他の構成要素については、図示を省略している。又、図3では、実施の形態1に係る燃料電池システム100の構成要素と同一の構成要素には、同一の符号を付している。
(Embodiment 2)
FIG. 3 is a block diagram schematically showing a configuration of a fuel cell system according to
図3に示すように、本発明の実施の形態2に係る燃料電池システム200は、基本的には、実施の形態1に係る燃料電池システム100の構成と同様の構成を備えている。しかしながら、この燃料電池システム200の構成は、アンモニアポンプ23と高分子電解質形燃料電池14とが一体化されている点で、燃料電池システム100の構成とは異なっている。尚、その他の点については、燃料電池システム200の構成及びその動作と燃料電池システム100の構成及びその動作とは同様である。
As shown in FIG. 3, the
具体的には、この燃料電池システム200は、高分子電解質形燃料電池14とアンモニアポンプ23とを備えている。燃料電池システム200において、高分子電解質形燃料電池14とアンモニアポンプ23とは一体化されている。そして、この燃料電池システム200では、改質装置1の燃料ガス排出口とアンモニアポンプ23の燃料ガス導入口とが、配管2により相互に接続されている。又、アンモニアポンプ23の排燃料ガス排出口と凝縮器4の排燃料ガス導入口とが、配管3により相互に接続されている。尚、アンモニアポンプ23の燃料ガス排出口には、高分子電解質形燃料電池14の燃料ガス流路14aの一端が直接接続されている。アンモニアポンプ23の排燃料ガス導入口には、高分子電解質形燃料電池14の燃料ガス流路14aの他端が直接接続されている。
Specifically, the
図4は、本発明の実施の形態2に係る燃料電池システムのアンモニアポンプと高分子電解質形燃料電池との接合体の構成を模式的に示す構成図である。ここで、図4(a)は、本発明の実施の形態2に係るアンモニアポンプと高分子電解質形燃料電池との接合体の外観斜視図である。又、図4(b)は、図4(a)に示すIVb−IVb線に沿った断面図である。尚、図4では、アンモニアポンプと高分子電解質形燃料電池との接合体の特徴的な構成を説明するために必要となる構成要素のみを示しており、その他の構成要素については、図示を省略している。又、図4では、実施の形態1に係る燃料電池システム100の構成要素と同一の構成要素には、同一の符号を付している。
FIG. 4 is a configuration diagram schematically showing a configuration of a joined body of an ammonia pump and a polymer electrolyte fuel cell in the fuel cell system according to
図4(a)及び(b)に示すように、本実施の形態では、アンモニアポンプ23の構成が高分子電解質形燃料電池14の単電池の構成と同様であることを利用して、適切な設計により、アンモニアポンプ23と高分子電解質形燃料電池14とを備える接合体24が構成されている。この接合体24において、高分子電解質形燃料電池14は、高分子電解質形燃料電池積層体14dと、集電板14e,14eと、締結端板14f,14fとを備えている。又、この接合体24においては、高分子電解質形燃料電池14に隣接して、アンモニアポンプ23及び締結端板14gが配設されている。そして、本実施の形態では、締結端板14gとアンモニアポンプ23と高分子電解質形燃料電池14とが、その順で積層され、所定の締結手段により締結されて、接合体24が構成されている。
As shown in FIGS. 4 (a) and 4 (b), in the present embodiment, the configuration of the
尚、本実施の形態では、アンモニアポンプ23と高分子電解質形燃料電池14とが直接的に一体化されている形態について説明したが、この形態に限定されることはない。例えば、アンモニアポンプ23と高分子電解質型燃料電池14とを熱的に分離するために、所定の断熱板を介してそれらを間接的に一体化する形態としてもよい。又、例えば、高分子電解質型燃料電池14からアンモニアポンプ23への熱伝導率を制御するために、所定の緩衝板を介してそれらを間接的に一体化する形態としてもよい。
In the present embodiment, the embodiment in which the
かかる構成としても、アンモニアポンプ23により、改質装置1で生成されたアンモニアが、連続的にかつ選択的にトラップされる。そして、改質装置1で生成されたアンモニアは、高分子電解質形燃料電池14に供給されることなく、その高分子電解質形燃料電池14から排出された排燃料ガスに混合される。その結果、高分子電解質形燃料電池14が備える高分子電解質膜の性能を長期間に渡り好適に維持することが可能になる。これにより、高分子電解質形燃料電池14の発電性能が長期間に渡り好適に維持されるので、燃料電池システム200の発電性能が長期間に渡り好適に維持される。
Even in such a configuration, the ammonia generated in the
又、本実施の形態によれば、アンモニアポンプ23と高分子電解質形燃料電池14とが一体化されているので、燃料電池システム200を最もコンパクトに構成することが可能になる。これにより、燃料電池システム200をより一層小型化することが可能になる。
Further, according to the present embodiment, since the
更には、本実施の形態によれば、アンモニアポンプ23と高分子電解質形燃料電池14とが一体化されているので、アンモニアポンプ23を高分子電解質形燃料電池14により適温に加熱することができる。これにより、アンモニアポンプ23において、燃料ガスが含有するアンモニアを効果的にトラップすることができる。従って、燃料電池システム200の発電性能をより一層長期間に渡り好適に維持することが可能になる。
Furthermore, according to the present embodiment, since the
尚、その他の点については、実施の形態1の場合と同様である。 Other points are the same as those in the first embodiment.
本発明に係る燃料電池システムは、初期費用及び維持費用が安価であり、単純かつ小規模な構成を有する省電力型のアンモニア除去手段を備えた、長期間に渡り安定して電力を供給することが可能な発電効率に優れる燃料電池システムとして、産業上の利用可能性を備えている。 The fuel cell system according to the present invention has a low initial cost and a low maintenance cost, and stably supplies power over a long period of time with a power-saving ammonia removing means having a simple and small-scale configuration. As a fuel cell system with excellent power generation efficiency, it has industrial applicability.
1 改質装置
2 配管
2a,2b 配管
3 配管
3a,3b 配管
4 凝縮器
5 凝縮水タンク
6 凝縮器
7 凝縮水タンク
8 空気供給装置
9a,9b 配管
10 加湿器
11 配管
12 凝縮器
13 凝縮水タンク
14 高分子電解質形燃料電池
14a 燃料ガス流路
14b 酸化剤ガス流路
14c 冷却水流路
14d 高分子電解質形燃料電池積層体
14e 集電板
14f 締結端板
14g 締結端板
15 冷却水タンク
16 冷却水ポンプ
17 熱交換器
18a〜18e 配管
19 放熱器
20 冷却水タンク
21 冷却水ポンプ
22a〜22g 配管
23 アンモニアポンプ
23a 導電性セパレータ
23b 膜電極接合体
23c 導電性セパレータ
24 接合体
101 改質装置
102 凝縮器
103 凝縮水タンク
104 凝縮器
105 凝縮水タンク
106 空気供給装置
107 加湿器
108 凝縮器
109 凝縮水タンク
110 高分子電解質形燃料電池
110a 燃料ガス流路
110b 酸化剤ガス流路
110c 冷却水流路
111 冷却水タンク
112 冷却水ポンプ
113 熱交換器
114 放熱器
115 冷却水タンク
116 冷却水ポンプ
100〜300 燃料電池システム
A 主面
Pa 燃料ガス流路
Pb 排燃料ガス流路
a 陽イオン交換体
b ガス拡散電極
b1 導電性触媒層
b2 導電性ガス拡散層
c ガス拡散電極
c1 導電性触媒層
c2 導電性ガス拡散層
DESCRIPTION OF
Claims (12)
燃料ガスが供給されて電気化学反応により電力を発生させかつ排燃料ガスを排出する高分子電解質形燃料電池と、
を少なくとも備えており、
前記改質装置で生成された燃料ガスからアンモニアを抽出し、該アンモニアが抽出された燃料ガスを前記高分子電解質形燃料電池に供給し、かつ前記抽出したアンモニアを前記高分子電解質形燃料電池から排出された排燃料ガスに混合するアンモニアポンプを更に備えている、高分子電解質形燃料電池システム。 A reformer for supplying raw fuel and generating fuel gas by a steam reforming reaction;
A polymer electrolyte fuel cell that is supplied with fuel gas, generates electric power by an electrochemical reaction, and discharges exhaust fuel gas; and
At least,
Ammonia is extracted from the fuel gas generated by the reformer, the fuel gas from which the ammonia has been extracted is supplied to the polymer electrolyte fuel cell, and the extracted ammonia is extracted from the polymer electrolyte fuel cell. A polymer electrolyte fuel cell system further comprising an ammonia pump for mixing with the discharged exhaust gas.
The polymer electrolyte fuel cell system according to claim 1, wherein the polymer electrolyte fuel cell and the ammonia pump are integrated directly or indirectly.
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JP2008282737A (en) * | 2007-05-11 | 2008-11-20 | Nippon Soken Inc | Fuel cell system, and its control method |
WO2012111629A1 (en) * | 2011-02-16 | 2012-08-23 | Jx日鉱日石エネルギー株式会社 | Fuel cell system |
US10403917B2 (en) | 2016-11-29 | 2019-09-03 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Fuel cell unit |
-
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- 2006-07-21 JP JP2006199402A patent/JP2008027752A/en active Pending
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