JP2009217965A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池への凝縮水の流入を効果的に防止し、発電安定性及び耐久性の向上を図る。
【解決手段】本発明の燃料電池システムは、改質ガスと、酸化剤ガスとを使用して発電を行う燃料電池と、原燃料ガスを水蒸気改質して、改質ガスを生成する改質装置２０と、改質装置２０が生成した改質ガスを冷却し、当該改質ガスの露点を調整する改質ガス熱交換器３０と、改質ガス熱交換器３０を通過した改質ガスを改質装置２０の排熱を利用することで加温する改質ガス加温部２１０と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、特に、固体高分子型燃料電池を用いた燃料電池システムに関する。

近年、電解質にイオン伝導性を有する高分子膜を用いた固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell, PEFC）が注目されている。このＰＥＦＣでは、改質装置からアノード（燃料極）に供給された燃料ガス（水素含有ガス）は、水素イオンと電子に分解される。水素イオンは、高分子膜内を通過して、カソード（空気極）へと移動し、電子は、外部回路（導線）内を通って、カソードへと移動する。そして、カソードにおいて、水素イオンと電子が、供給された酸化剤ガス（空気）に含まれる酸素と反応して、結合し、水が生成される。ＰＥＦＣは、かかる一連の電気化学反応により、電気エネルギーを取り出している。

上記において、水素イオンは、高分子膜中の水分子と結びついて（つまり、水和して）移動する。したがって、このままでは、反応が進むにつれて、高分子膜中の水分が次第に減り、電池の性能が低下してしまう（いわゆるドライアウト）。このため、ＰＥＦＣは、高分子膜を湿潤状態に維持する必要があり、一般には、燃料ガス又は酸化剤ガスの少なくとも何れか一方を加湿器で加湿した後にＰＥＦＣに供給することで、高分子膜に水分を補給している。

一方、燃料ガスに凝縮水が含まれ、これがＰＥＦＣに供給されると、ＰＥＦＣ内部のガス通路が凝縮水で塞がれてしまい、燃料ガスの拡散が妨げられ、ＰＥＦＣの発電性能を低下させてしまう。これに対し、燃料ガス中の凝縮水を気液分離器で分離してからＰＥＦＣに供給する技術が知られている（例えば、特許文献１等）。
特開２００５−１５８５００号公報

しかしながら、特許文献１等の従来技術では、気液分離器からＰＥＦＣへ供給される過程において、燃料ガスの温度が低下することで、燃料ガスに含まれる水蒸気の一部が液化してしまい（凝縮）、これにより、凝縮水がＰＥＦＣに供給されてしまうおそれがある。

本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、燃料電池への凝縮水の流入を効果的に防止でき、燃料電池の発電安定性及び耐久性の向上が図れる燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池システムは、改質ガスと、酸化剤ガスとを使用して発電を行う燃料電池と、原燃料ガスを水蒸気改質して、前記改質ガスを生成する改質装置と、該改質装置が生成した前記改質ガスを冷却し、当該改質ガスの露点を調整する熱交換器と、該熱交換器を通過した前記改質ガスを前記改質装置の排熱を利用することで加温する改質ガス加温手段と、を備えることを特徴とする。

上記構成の燃料電池システムにおいて、前記改質ガス加温手段により、前記改質ガスの温度が３℃〜１０℃昇温されるのが好ましい。

また、前記改質ガス加温手段は、前記改質装置が備え、前記改質ガス中の一酸化炭素を低減する浄化部の排熱を利用して前記改質ガスを加温することが可能である。

あるいは、前記改質ガス加温手段は、前記改質装置が備え、改質水を沸騰させて水蒸気を生成する蒸発部の排熱を利用して前記改質ガスを加温することが可能である。

以上の如く、本発明によれば、燃料電池の発電安定性及び耐久性の向上が期待できる。

以下、本発明に係る燃料電池システムの一実施形態について図面を参照して説明する。

図１は、本実施形態に係る燃料電池システムを組み込んだコジェネレーションシステムの構成を示す模式図である。このコジェネレーションシステムは、燃料電池システムと、燃料電池システムによる発電に伴って発生する熱量を有効利用するためのコジェネレーション部と、を備える。

燃料電池システムは、燃料電池１０と、改質装置２０と、改質ガス熱交換器３０と、回収水タンク４０と、加湿器５０と、を備える。また、コジェネレーション部は、貯湯タンク７０と、貯湯水循環ライン７１と、熱媒体水循環ライン７２、７３と、熱交換器７４、７５と、循環ポンプ７６〜７８と、を備える。

貯湯タンク７０は、温水が貯留される柱状の容器である。貯湯タンク７０の下部には水道水などの水（低温の水）が供給される供給口（図示せず）が設けられている。貯湯水循環ライン７１の一端は、貯湯タンク７０の下部に接続し、他端は、貯湯タンク７０の上部に接続している。循環ポンプ７６は、貯湯水を循環させるためのポンプである。循環ポンプ７６により、貯湯タンク７０の下部から吸い込まれた貯湯水は、貯湯水循環ライン７１を通って加温され、貯湯タンク７０の上部に吐出される。

熱媒体水循環ライン７２は、燃料電池１０及び熱交換器７４と熱交換する熱媒体水Ａの循環路である。循環ポンプ７７は、熱媒体水Ａを循環させるためのポンプである。低温の熱媒体水Ａが、燃料電池１０と熱交換すると、燃料電池１０は冷却される一方、熱媒体水Ａは、燃料電池１０の排熱を吸収して昇温する。昇温した熱媒体水Ａの熱エネルギーは、熱交換器７４によって貯湯水に吸収される。これにより、貯湯水は昇温する。

熱媒体水循環ライン７３は、改質ガス熱交換器３０及び熱交換器７５と熱交換する熱媒体水Ｂの循環路である。循環ポンプ７８は、熱媒体水Ｂを循環させるためのポンプである。低温の熱媒体水Ｂは、改質ガス熱交換器３０により、改質ガスの熱エネルギーを吸収して昇温する。昇温した熱媒体水Ｂの熱エネルギーは、熱交換器７５によって貯湯水に吸収される。これにより、貯湯水は昇温する。

燃料電池１０は、固体高分子型の燃料電池であり、一般的には、燃料電池スタック（ＦＣスタック）と呼ばれる。燃料電池１０は、複数のセルを積み重ねた構成を有し、一つのセルは、何れも図示しないが、燃料極（アノード）と空気極（カソード）とからなる一対の電極と、この電極間に介在する高分子膜とをセパレータで挟み込んだ構成を有する。燃料電池１０は、アノードに供給された燃料ガス（改質ガス）とカソードに供給された酸化剤ガス（空気）を使用して発電を行う。

改質装置２０は、燃料電池１０に供給する改質ガスを生成するための装置であり、図２に示すように、燃焼部２１と、改質部２２と、冷却部２３と、シフト部２４と、浄化部２５と、蒸発部２６と、から構成されている。

燃焼部２１は、水蒸気改質反応に適するように改質部２２の加熱を行う。燃焼部２１には、図示しない燃焼用燃料供給源及び燃焼用空気供給源からそれぞれ燃焼用燃料（例えば、天然ガス）及び燃焼用空気が供給され、また、燃料電池１０から排出されたアノードオフガス（未使用な水素を含んだ改質ガス）が供給される。

燃焼部２１は、供給される燃焼用燃料やアノードオフガスを燃焼用空気によって燃焼させ、高温の燃焼ガスを発生させる。この燃焼ガスは、燃焼ガス流路２００を通って、燃焼排ガスとして外部に排気される。燃焼ガス流路２００は、燃焼部２１を包囲するようにして設けられた円筒形状の改質部２２と、改質部２２を包囲するようにして設けられた円筒形状の断熱部２７と、断熱部２７を包囲するようにして設けられた円筒形状の蒸発部２６と当接するようにして設けられている。

より詳細には、燃焼ガス流路２００は、改質部２２の内、外周壁と、断熱部２７の内、外周壁と、蒸発部２６の内周壁と当接できるように２つの折り返し点を設けた折り返し流路となっている。つまり、燃焼ガス流路２００を通過する燃焼ガスにより、改質部２２及び蒸発部２６が適温まで加熱される構造となっている。

改質部２２は、天然ガス等の原燃料ガスを水蒸気改質して、水素リッチな改質ガスを生成する。改質部２２の内部には、水蒸気改質触媒２０１（例えば、ＮｉやＲｕ系の触媒）が充填された折り返し流路２０２が設けられている。

改質部２２には、外部から供給される原燃料ガスと蒸発部２６からの水蒸気を混合した混合ガスが、冷却部２３を通じて供給される。供給された混合ガスは、折り返し流路２０２を通過する際、水蒸気改質触媒２０１と水蒸気改質反応することで改質される。これにより、水素ガスと一酸化炭素ガスが生成される。また、生成した一酸化炭素と水蒸気が反応して、水素ガスと二酸化炭素とに変成する一酸化炭素シフト反応も生じる。生成されたこれらのガス（改質ガス）は、冷却部２３に送られる。

冷却部２３は、改質部２２から送られてきた改質ガスと、上記混合ガスとの間で熱交換を行う。これにより、高温である改質ガスが降温される一方、混合ガスが昇温される。そして、降温された改質ガスはシフト部２４に送られ、昇温された混合ガスは、改質部２２に送られる。

シフト部２４は、改質部２２から冷却部２３を通じて送られてきた改質ガス中の一酸化炭素の低減を行う。シフト部２４には、その内部に一酸化炭素シフト反応用の触媒２０３（例えば、Ｃｕ−Ｚｎ系の触媒）が充填された折り返し流路２０４が設けられている。シフト部２４に流入した改質ガスは、折り返し流路２０４を通過する際、触媒２０３と一酸化炭素シフト反応を起こし、水素ガスと二酸化炭素ガスとに変成する。シフト部２４を通過した改質ガスは、浄化部２５に送られる。

浄化部２５は、シフト部２４から送られてきた改質ガス中の一酸化炭素のさらなる低減を行う。浄化部２５は、前述したように円筒形状に形成されていて、蒸発部２６の外周壁に当接するようにして設けられている。また、浄化部２５には、図示しない空気供給源より酸化用空気が供給されるようになっている。浄化部２５の内部には、触媒２０５（例えば、ＲｕやＰｔ系の選択酸化反応触媒）が充填されている。シフト部２４から流入した改質ガス中の一酸化炭素は、供給された酸化用空気中の酸素と反応して二酸化炭素になる。この反応は、触媒２０５によって促進される。

これにより、改質ガス中の一酸化炭素濃度がさらに低減される（１０ｐｐｍ以下）。浄化部２５によって一酸化炭素濃度が低減された改質ガスは、改質ガス熱交換器３０（図１参照）に送られる。

蒸発部２６は、図１の回収水タンク４０から供給される改質水を沸騰させて水蒸気を生成する。この水蒸気は、前述したように原燃料ガスと混合され、冷却部２３を介して改質部２２に供給される。

図１の改質ガス熱交換器３０では、浄化部２５から送られてきた改質ガスの露点が調整される。具体的には、１００℃を超える改質ガスが、熱媒体水Ｂにより所定温度（約６５℃）まで冷却される。その際、改質ガス中の一部の水分が分離し、回収水タンク４０に回収水として回収される。回収水タンク４０に回収された回収水は、改質水として再利用される。

改質ガス熱交換器３０で露点が調整された改質ガスは、詳細は後述するが、再度、改質装置２０に戻されて昇温された後、燃料電池１０に供給される。

加湿器５０は、図示しない空気供給源から供給される空気（酸化剤ガス）の加湿を行う。本実施形態の加湿器５０は、供給された酸化剤ガスと燃料電池１０のカソードから排出されるカソードオフガスとを水蒸気透過膜（例えば、中空糸膜、イオン交換膜等）を介して接触させることにより湿熱交換を行う膜式加湿器である。酸化剤ガスは、カソードオフガスから熱エネルギー及び水分を吸収して加湿された後、燃料電池１０のカソードに供給される。

以上のように構成される燃料電池システムは、改質ガス熱交換器３０で露点が調整された後の改質ガスを、再度、改質装置２０に戻して加温してから燃料電池に供給する、という特徴を有する、以下、かかる特徴点について詳細に説明する。

図２に示すように、改質ガス熱交換器３０から送られてきた改質ガスは、改質ガス加温部２１０を通過した後、燃料電池１０のアノードに供給される。改質ガス加温部２１０は、環状に形成されたガス管路であり、浄化部２５の外周壁に沿って配設されている。

改質ガス加温部２１０に流入した改質ガスは、浄化部２５の排熱（即ち、浄化部２５を通過する改質ガス（約１５０℃）の熱エネルギー）を吸収し、昇温する。その際、改質ガスは、約７０℃まで昇温されるのが望ましい。このため、改質ガス加温部２１０は、通過する改質ガスの昇温幅が、３℃〜１０℃となるように、その管構造、配管路等が決定される。

このように、改質ガス熱交換器３０を通過した改質ガスを所定温度（例えば、約７０℃）まで加温した後、燃料電池１０に供給することで、凝縮水の燃料電池１０への流入を効果的に防止できる。

その結果、従来、凝縮水の流入に起因して発生していた発電電圧の急激な低下（図３（ａ）参照）が防止され、発電電圧の安定化（図３（ｂ）参照）及び耐久性の向上が図れる。

改質ガスは、別途設けたヒータ等により加温することも可能であるが、上述の如く、改質装置２０（浄化部２５）の排熱を利用して加温した方が、総合的なエネルギー効率を低下させることなく、コジェネレーションの観点から望ましい。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

例えば、上記実施形態では、改質ガス熱交換器３０を通過した改質ガスを浄化部２５の排熱を利用して加温しているが、これに限定されることは勿論ない。例えば、図４に示すように蒸発部２６の排熱を利用するようにしてもよい。図４の例では、環状に形成された改質ガス加温部２２０が、蒸発部２６の外周壁に沿って配設されている。

また、燃料電池１０を構成する高分子膜（電解質膜）のプロトン伝導性を確実に維持する観点から、図５に示すように、加湿器６０を備え、改質装置２０から送られてくる改質ガスを加湿した後、改質ガス熱交換器３０に供給するようにしてもよい。加湿器６０には、加湿器５０と同様、膜式加湿器を採用することができる。その場合、加湿器６０では、改質装置２０から供給された改質ガスと燃料電池１０のアノードから排出されるアノードオフガスとを水蒸気透過膜（例えば、中空糸膜、イオン交換膜等）を介して接触させることにより湿熱交換が行われる。これにより、改質ガスは、アノードオフガスから熱エネルギー及び水分を吸収して加湿された後、改質ガス熱交換器３０に供給される。

また、上記実施形態では、浄化部２５の内部に充填する触媒２０５として、選択酸化反応触媒を用いたが、一酸化炭素メタネーション反応触媒を採用してもよい。これにより、改質ガス中の一酸化炭素のメタン化が促進され、一酸化炭素濃度の低減が図れる。

本発明の一実施形態に係る燃料電池システムを組み込んだコジェネレーションシステムの構成を示す模式図である。 図１の改質装置の構成を示す断面図である。 燃料電池の発電特性を示す図であり、（ａ）は従来の燃料電池システムが備える燃料電池の特性を示し、（ｂ）は本発明の燃料電池システムが備える燃料電池の特性を示す。 改質ガス加温部の変形例を示す図である。 本発明の他の実施形態に係る燃料電池システムを組み込んだコジェネレーションシステムの構成を示す模式図である。

符号の説明

１０ 燃料電池
２０ 改質装置
３０ 改質ガス熱交換器（熱交換器）
２１０、２２０ 改質ガス加温部（改質ガス加温手段）
２５ 浄化部
２６ 蒸発部

Claims (4)

1. 改質ガスと、酸化剤ガスとを使用して発電を行う燃料電池と、
   原燃料ガスを水蒸気改質して、前記改質ガスを生成する改質装置と、
   該改質装置が生成した前記改質ガスを冷却し、当該改質ガスの露点を調整する熱交換器と、
   該熱交換器を通過した前記改質ガスを前記改質装置の排熱を利用することで加温する改質ガス加温手段と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記改質ガス加温手段により、前記改質ガスの温度が３℃〜１０℃昇温される、
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記改質ガス加温手段は、前記改質装置が備え、前記改質ガス中の一酸化炭素を低減する浄化部の排熱を利用して前記改質ガスを加温する、
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記改質ガス加温手段は、前記改質装置が備え、改質水を沸騰させて水蒸気を生成する蒸発部の排熱を利用して前記改質ガスを加温する、
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。