JP2010027283A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system.
運転効率および環境性に優れる電源として、燃料電池が注目されている。燃料電池は、燃料と酸化剤との電気化学反応によって発電する。近年では、機器構成を簡素化するため、酸化剤を含む空気に燃料ガスを混合した混合ガスで発電する燃料電池が開発されている(例えば、特許文献1を参照)。
燃料電池は、電気化学反応に伴う反応熱で高温になる。このため、燃料電池へ供給される混合ガスは、反応熱で加熱される前に燃料ガスの混合比が充分に調整されている必要がある。本発明は、このような課題に鑑みなされたものであり、混合比を調整途中の混合ガスが燃料電池で加熱されるのを防ぐ技術を提供することを課題とする。 A fuel cell is heated to high temperatures by reaction heat accompanying an electrochemical reaction. For this reason, the mixed gas supplied to the fuel cell needs to be sufficiently adjusted in the mixing ratio of the fuel gas before being heated by the reaction heat. This invention is made | formed in view of such a subject, and makes it a subject to provide the technique which prevents that the mixed gas in the middle of adjusting a mixing ratio is heated with a fuel cell.
本発明は、上記課題を解決するため、燃料電池の反応熱が混合部へ伝わるのを防ぐ。 In order to solve the above problems, the present invention prevents the reaction heat of the fuel cell from being transmitted to the mixing section.
詳細には、燃料電池システムであって、燃料ガスと酸化剤ガスとを混合する混合部と、前記混合部が混合した混合ガスが供給されると、該混合ガス中の前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとの電気化学反応で発電する燃料電池と、前記燃料電池の反応熱が前記混合部へ伝わるのを防ぐ断熱手段と、を備える。 Specifically, in the fuel cell system, when a mixing unit that mixes a fuel gas and an oxidant gas and a mixed gas mixed by the mixing unit are supplied, the fuel gas in the mixed gas and the oxidizing agent are supplied. A fuel cell that generates electric power by an electrochemical reaction with the agent gas; and heat insulation means for preventing reaction heat of the fuel cell from being transmitted to the mixing unit.
上記燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとを混合した混合ガスで電気化学反応を起こし、発電する。燃料電池へ供される混合ガスは、燃料電池のアノード極の触媒で燃料ガスが、カソード極の触媒で酸化剤ガスが選択的に反応することにより、燃料電池における電気化学反応を実現する。 The fuel cell system generates electric power by causing an electrochemical reaction with a mixed gas in which a fuel gas and an oxidant gas are mixed. The mixed gas supplied to the fuel cell realizes an electrochemical reaction in the fuel cell by selectively reacting the fuel gas at the anode electrode catalyst and the oxidant gas at the cathode electrode catalyst.
ここで、燃料ガスと酸化剤ガスとを混合する場合、ガスの濃度が均一になるまでの間、ガスの濃度が不可避的にばらつく。上記燃料電池システムでは、混合部でガスを混合しているため、混合部内で混合ガスの濃度がばらついている。そこで、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池の反応熱が混合部へ伝わるのを防ぐ断熱手段を備える。燃料電池の反応熱が断熱手段へ伝わらないように構成されることで、混合比が調整途中の段階にある混合ガスが、燃料電池の反応熱で加熱されるのを防ぐことができる。 Here, when the fuel gas and the oxidant gas are mixed, the gas concentration inevitably varies until the gas concentration becomes uniform. In the fuel cell system, since the gas is mixed in the mixing unit, the concentration of the mixed gas varies in the mixing unit. Therefore, the fuel cell system according to the present invention includes heat insulating means for preventing the reaction heat of the fuel cell from being transmitted to the mixing section. By being configured so that the reaction heat of the fuel cell is not transmitted to the heat insulating means, it is possible to prevent the mixed gas whose mixing ratio is being adjusted from being heated by the reaction heat of the fuel cell.
また、前記断熱手段は、前記混合部の前記燃料ガスの温度が、該燃料ガスが発火しない所定温度になるように、前記燃料電池から前記混合部へ反応熱が伝わるのを防ぐものであってもよい。このように構成される燃料電池システムによれば、混合部内で燃料ガスが酸化剤ガスと反応することがなくなる。なお、所定温度とは、燃料ガスが自己発火しない温度であり、例えば、燃料ガスの発火点温度よりも低い温度である。 The heat insulating means prevents the heat of reaction from being transmitted from the fuel cell to the mixing section so that the temperature of the fuel gas in the mixing section reaches a predetermined temperature at which the fuel gas does not ignite. Also good. According to the fuel cell system configured as described above, the fuel gas does not react with the oxidant gas in the mixing section. The predetermined temperature is a temperature at which the fuel gas does not self-ignite, for example, a temperature lower than the ignition point temperature of the fuel gas.
また、前記混合部は、前記混合ガス中の前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとの反応による燃焼が生じない所定混合比になるように、該燃料ガスと該酸化剤ガスとを混合するものであってもよい。このように構成される燃料電池システムによれば、燃料電池へ供給された混合ガス中の燃料ガスが酸化剤ガスと反応して燃焼することがない。なお、所定混合比と
は、混合ガス中に点火源があっても燃焼が起こらない混合比である。また、一般的に燃焼という場合、広義には燃料電池における電気化学反応のような現象も含み得るが、本願ではこのような電気化学反応による燃焼を除くものとする。
The mixing unit mixes the fuel gas and the oxidant gas so that a predetermined mixing ratio is obtained in which combustion due to a reaction between the fuel gas and the oxidant gas in the mixed gas does not occur. There may be. According to the fuel cell system configured as described above, the fuel gas in the mixed gas supplied to the fuel cell does not react with the oxidant gas and burn. The predetermined mixing ratio is a mixing ratio at which combustion does not occur even if an ignition source is present in the mixed gas. In general, the term “combustion” may include a phenomenon such as an electrochemical reaction in a fuel cell in a broad sense, but in the present application, the combustion due to such an electrochemical reaction is excluded.
また、前記所定混合比は、前記酸化剤ガスに対する前記燃料ガスの比率が高いことにより、前記混合ガス中の該燃料ガスと該酸化剤ガスとの反応による燃焼が生じない混合比であり、前記混合部は、前記燃料電池のオフガスから分離した未反応の燃料ガスを、前記酸化剤ガスと混合するものであってもよい。 The predetermined mixing ratio is a mixing ratio at which combustion due to a reaction between the fuel gas and the oxidant gas in the mixed gas does not occur due to a high ratio of the fuel gas to the oxidant gas, The mixing unit may mix unreacted fuel gas separated from the off-gas of the fuel cell with the oxidant gas.
酸化剤ガスに対する燃料ガスの比率が高い場合、燃料電池から排気されるオフガスに多量の燃料ガスが含まれる。燃料ガスを電気化学反応で全て消費できるだけの酸化剤ガスが、燃料電池へ供給される混合ガスに元々含まれていないためである。燃料ガスの比率を高めることで、混合ガス中に点火源があっても燃焼が起こらないようにする場合、燃料電池のオフガス中に含まれる燃料ガスが多量に排気されてしまうため、上記燃料電池システムは、オフガスに含まれる未反応の燃料ガスを混合部が酸化剤ガスと再び混合する。これにより、燃料ガスの有効利用が図られる。 When the ratio of the fuel gas to the oxidant gas is high, the off-gas exhausted from the fuel cell contains a large amount of fuel gas. This is because the oxidant gas that can completely consume the fuel gas by the electrochemical reaction is not originally contained in the mixed gas supplied to the fuel cell. When combustion is prevented from occurring even if an ignition source is present in the mixed gas by increasing the ratio of the fuel gas, a large amount of the fuel gas contained in the off-gas of the fuel cell is exhausted. In the system, the unreacted fuel gas contained in the off-gas is mixed again by the mixing unit with the oxidant gas. Thereby, the effective use of fuel gas is achieved.
混合比を調整途中の混合ガスが燃料電池で加熱されるのを防ぐことが可能となる。 It is possible to prevent the mixed gas in the middle of adjusting the mixing ratio from being heated by the fuel cell.
以下、本発明の実施形態を例示的に説明する。以下に示す各実施形態は例示であり、本発明はこれらに限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be exemplarily described. Each embodiment shown below is an illustration and this invention is not limited to these.
<第一実施形態>
図1は、本実施形態に係る燃料電池システム1の構成図である。図1に示すように、燃料電池システム1は、燃料電池スタック2(本発明でいう、燃料電池に相当する)、燃料電池スタック2へ混合ガスを供給するための混合器3(本発明でいう、混合部に相当する)を備える。混合器3は、バルブ4を介して空気と燃料ガス(水素)とが混合された混合ガスを濃度が均一になるように混合し、燃料電池スタック2へ供給する。バルブ4は、空気圧縮機5から排気される空気へ、水素を貯蔵する水素貯蔵タンク6から供給される水素を混ぜる。空気には、燃料電池スタック2の電気化学反応で酸化剤ガスとして作用する酸素ガスが含まれている。
<First embodiment>
FIG. 1 is a configuration diagram of a
このように構成される燃料電池システム1では、水素と空気とが混合された混合ガスが燃料電池スタック2へ供給されることで電気化学反応が起こり、電力が生ずる。図2は、燃料電池スタック2の内部構造を示す概略構造図である。図2に示すように、燃料電池スタック2は、約800℃にも達する電気化学反応の反応熱に耐えるセラミック系固体電解質と、セラミック系固体電解質の上に配置された燃料極および空気極とで構成される。燃料極および空気極は、触媒を担持した電極である。燃料極および空気極が配置された電解質の表面を混合ガスが通過すると次のような反応が生じる。
In the
すなわち、電解質の表面を混合ガスが通過することにより、空気極では、触媒作用により、混合ガスに含まれる酸素から陰イオンが生成される。空気極で生成された陰イオンは、電解質を介して燃料極へ供される。また、燃料極では、触媒作用により、混合ガスに含まれる水素と、電解質を介して空気極から供される陰イオンとが反応する。これにより、負荷を介して電気的に接続される燃料極と空気極との間の回路に電子が流れ、負荷へ電力が供される。このように構成される単室型の燃料電池スタック2は、燃料極を通過するガスと空気極を通過するガスとを遮断したものと異なり、ガスを遮断するためのガスシールやセパレータが不要であるため、小型化や集積化に大変有利である。
That is, when the mixed gas passes through the surface of the electrolyte, an anion is generated from oxygen contained in the mixed gas by a catalytic action at the air electrode. The anion generated at the air electrode is supplied to the fuel electrode via the electrolyte. Further, at the fuel electrode, hydrogen contained in the mixed gas reacts with anions provided from the air electrode via the electrolyte due to catalytic action. As a result, electrons flow in a circuit between the fuel electrode and the air electrode that are electrically connected via the load, and power is supplied to the load. The single-chamber
なお、燃料電池システム1は、図1に示すように分離膜モジュール7を有する。分離膜モジュール7は、燃料電池スタック2から排気される未反応の混合ガスから水素を分離する装置である。分離膜モジュール7は、混合ガスから分離した水素をバルブ4へ流すことで、未反応の水素を燃料電池スタック2へ戻す。電気化学反応に必要な空気と水素の混合比は7:3であるため、燃料電池スタック2へ供給する混合ガス中の水素濃度を約30%以下にすれば、混合ガス中の水素を燃料電池スタック2で全て電気化学反応させることにより、混合ガス中の水素を全て消費することが可能となる。従って、この場合、このような分離膜モジュール7は無用のものとなるが、後述するように本燃料電池システム1は、混合器3から燃料電池スタック2へ供される混合ガス中の水素濃度が75vol%を上回るようにしている。よって、燃料電池スタック2の容量が極めて大きいものであったとしても、混合器3から供される混合ガス中の水素を完全に消費することは不可能となるため、本燃料電池システム1では、燃料電池スタック2のオフガス中に不可避的に含まれる未反応の水素を分離膜モジュール7が回収している。
The
また、燃料電池システム1は、燃料電池スタック2の熱が混合器3へ伝わるのを防ぐ断熱材8(本発明でいう、断熱手段に相当する)を備える。断熱材8の詳細については後述する。
The
以上のように構成される燃料電池システム1では、以下のように動作することで発電が行われる。すなわち、燃料電池システム1は、システムの動作電源が供給されると図示しない電子制御装置が空気圧縮機5を始動すると共に水素貯蔵タンク6の水素を流す。これにより、水素と空気との混合ガスが燃料電池スタック2を流れ、水素と酸素との電気化学反応によって発電が行われる。電気化学反応で発電する燃料電池スタック2は、構成材料等によって異なるものの、概ね以下のような性能である。
The
開放電圧:0.9V(1対の燃料極/空気極間)
IV性能:0.7W/cm2(IV:電流電圧)
発電温度:約800℃
ところで、空気と混合された水素は、空気中の水素濃度が4〜75vol%の場合に、空気中の酸素と結びついて燃焼可能となることが一般的に知られている。水素が自己発火する発火点温度は572℃(572℃未満が本発明でいう所定温度に相当する)であることから、上記燃料電池システム2では、燃料電池スタック2を通過する混合ガスの水素濃度が75vol%を上回るように、バルブ4で合流される空気と水素との混合比が調整される。また、燃料電池スタック2を通過する混合ガスの濃度分布がばらつくことで、水素濃度が局部的に75vol%以下となる領域が混合ガス中に発生しないようにするため、バルブ4で混ぜられたガスを混合器3が充分に混合する。燃料電池システム1は、このように構成されることで混合ガスの燃焼を防ぎ、燃料電池スタック2の構成を簡素化しながら混合ガスの電気化学反応を実現している。なお、混合ガス中の水素濃度が0vol%以上4vol%未満、及び75vol%より高く100vol%以下となるときの水素と空気の混合比が、本発明でいう所定混合比に相当する。
Open-circuit voltage: 0.9V (between a pair of fuel electrode / air electrode)
IV performance: 0.7 W / cm 2 (IV: current voltage)
Power generation temperature: about 800 ° C
By the way, it is generally known that hydrogen mixed with air becomes combustible in combination with oxygen in the air when the hydrogen concentration in the air is 4 to 75 vol%. Since the ignition point temperature at which hydrogen self-ignites is 572 ° C. (less than 572 ° C. corresponds to the predetermined temperature in the present invention), in the
ところで、バルブ4で混合された混合ガスは、混合器3に至ることで攪拌等が施されている。これにより、燃料電池スタック2へ供される混合ガス中に、水素濃度が4vol%以上75vol%以下となる領域が発生しなくなる。しかし、バルブ4と混合器3との間を流れる混合ガス中には、水素濃度が75vol%以下となる領域が存在し得る。よって、本実施形態に係る燃料電池システム1では、燃料電池スタック2の熱により、バルブ4と混合器3との間にある混合ガスが、水素が自己発火する発火点温度を超えないように、燃料電池スタック2の熱を遮っている。本実施形態に係る燃料電池システム1は、このように構成されることで混合器3における水素と空気との混合を容易にしている。
By the way, the mixed gas mixed by the
<第二実施形態>
以下、本発明の第二実施形態について説明する。図3は、本実施形態に係る燃料電池システム11の構成図である。本実施形態に係る燃料電池システム11と、上述した第一実施形態の燃料電池システム1との相違点は、分離膜モジュール7の有無にある。すなわち、上述した第一実施形態では、燃料電池スタック2へ供される混合ガス中の水素濃度が75vol%を上回るように調整されていたため、燃料電池スタック2のオフガス中に含まれる未反応の水素を分離膜モジュール7が回収する構成となっていたが、本実施形態では、燃料電池スタック2へ供される混合ガス中の水素濃度が4vol%未満になるように調整することで分離膜モジュール7を省略している。以下、本実施形態に係る燃料電池システム11について説明する。なお、上述した第一実施形態に係る燃料電池システム1と同様の構成要素については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
<Second embodiment>
Hereinafter, a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 3 is a configuration diagram of the
図3に示すように、燃料電池システム11は、上記第一実施形態に係る燃料電池システム1と同様、燃料電池スタック2、混合器3、空気圧縮機5、及び水素貯蔵タンク6を備える。空気圧縮機5から排気される空気と、水素貯蔵タンク6から供給される水素とを混ぜるバルブ14は、上述した第一実施形態に係るバルブ4と異なり、燃料電池スタック2へ供される混合ガス中の水素濃度が4vol%未満になるように空気と水素の混合比を調整している。
As shown in FIG. 3, the
第一実施形態の説明で述べたように、電気化学反応に必要な空気と水素の混合比は7:3であるため、燃料電池スタック2へ供給する混合ガス中の水素濃度を約30%以下にすれば、混合ガス中の水素を燃料電池スタック2で全て電気化学反応させることにより、混合ガス中の水素を全て消費することが可能となる。従って、燃料電池スタック2へ供される混合ガス中の水素濃度が4vol%未満になるように空気と水素の混合比を調整するバルブ14を採用することにより、本実施形態に係る燃料電池システム11では分離膜モジュール7を省略している。
As described in the description of the first embodiment, since the mixing ratio of air and hydrogen necessary for the electrochemical reaction is 7: 3, the hydrogen concentration in the mixed gas supplied to the
以上のように構成される燃料電池システム11では、燃料電池スタック2を通過する混合ガスの水素濃度が4vol%未満になるように、バルブ14で合流される空気と水素との混合比が調整される。また、燃料電池スタック2を通過する混合ガスの濃度分布がばらつくことで、水素濃度が局部的に4vol%以上となる領域が混合ガス中に発生しないようにするため、バルブ14で混ぜられたガスを混合器3が充分に混合する。よって、電気化学反応の熱によって約800℃にも達する燃料電池スタック2を混合ガスが通過しても、混合ガスの燃焼が防止される。
In the
その他、本実施形態に係る燃料電池システム11の効果は第一実施形態に係る燃料電池システム1と同様である。例えば、バルブ14と混合器3との間を流れる混合ガス中に4vol%以上75vol%以下となる領域が存在していても、断熱材8により、水素が自己発火する発火点温度を超えないように、燃料電池スタック2の熱が遮られている。本実施形態に係る燃料電池システム11は、このように構成されることで混合器3における水素と空気との混合を容易にしている。
In addition, the effect of the
<変形例1>
以下、上述した第一実施形態の変形例について説明する。図4は、本変形例に係る燃料電池システム21の構成図である。以下、第一実施形態の変形例として本変形例を説明するが、本変形例は第二実施形態についても適用可能である。
<
Hereinafter, modifications of the first embodiment described above will be described. FIG. 4 is a configuration diagram of the
本変形例と第一実施形態との相違点は、断熱材8の有無にある。すなわち、上述した第一実施形態では、混合器3へ伝わる燃料電池スタック2からの熱を断熱材8で遮っていた
。本変形例では、燃料電池スタック2と混合器3とを離間させることで熱を遮る。また、混合器3と燃料電池スタック2とを繋ぐ配管を介して熱が伝達されるのを防ぐため、混合器3と燃料電池スタック2とを繋ぐ配管に放熱部28を設ける。放熱部28は、混合器3と燃料電池スタック2とを繋ぐ配管を蛇腹状に蛇行させたものであり、混合器3と燃料電池スタック2とを繋ぐ配管の長さを長くすることで、配管を介して伝わる燃料電池スタック2から混合器3への熱の伝達を防ぐ。
The difference between this modification and the first embodiment is the presence or absence of the heat insulating material 8. That is, in the first embodiment described above, the heat from the
燃料電池スタック2と混合器3との間の間隔は、バルブ4と混合器3との間を流れる混合ガスの温度が水素の発火点温度を超えない程度に適宜調整する。放熱部28についても同様である。
The distance between the
このように構成される燃料電池システム21の効果は、第一実施形態や第二実施形態に係る燃料電池システムと同様である。例えば、バルブ14と混合器3との間を流れる混合ガス中に4vol%以上75vol%以下となる領域が存在していても、放熱部28等により、混合器3の温度が、水素が自己発火する発火点温度を超えないように、燃料電池スタック2の熱が遮られている。本実施形態に係る燃料電池システム11は、このように構成されることで混合器3における水素と空気との混合を容易にしている。
The effect of the
<変形例2>
また、上記各燃料電池システムは、次のように変形しても良い。例えば、上記各燃料電池システムは、混合器を積極的に冷却するものであってもよい。混合器を冷却する手段としては、燃料電池スタックの冷却に用いられる冷却水、空気圧縮機が吸い込む空気、或いは水素貯蔵タンクから供される水素等を用いることが可能である。空気圧縮機が吸い込む空気を利用して混合器を冷やす場合の例を図5に示す。上記各燃料電池システムは、例えば、図5に示すように、空気圧縮機に吸い込まれる空気が混合器3やバルブ4の外側を通過するようにすることで、混合器3内のガスを冷却してもよい。これによれば、断熱材で混合器3等を充分に断熱できない場合であっても、これらを冷却することで燃料電池スタック2による加熱を抑えることが可能である。
<
Further, each of the fuel cell systems may be modified as follows. For example, each fuel cell system may actively cool the mixer. As a means for cooling the mixer, it is possible to use cooling water used for cooling the fuel cell stack, air sucked by an air compressor, hydrogen supplied from a hydrogen storage tank, or the like. FIG. 5 shows an example in which the mixer is cooled by using the air sucked by the air compressor. For example, as shown in FIG. 5, each of the fuel cell systems described above cools the gas in the
1,11,21,・・燃料電池システム
2・・・燃料電池スタック
3・・・混合器
5・・・空気圧縮機
8・・・断熱材
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記混合部が混合した混合ガスが供給されると、該混合ガス中の前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとの電気化学反応で発電する燃料電池と、
前記燃料電池の反応熱が前記混合部へ伝わるのを防ぐ断熱手段と、を備える、
燃料電池システム。 A mixing section for mixing fuel gas and oxidant gas;
A fuel cell that generates electricity by an electrochemical reaction between the fuel gas in the mixed gas and the oxidant gas when the mixed gas mixed by the mixing unit is supplied;
Heat insulation means for preventing reaction heat of the fuel cell from being transmitted to the mixing section,
Fuel cell system.
請求項1に記載の燃料電池システム。 The heat insulating means prevents reaction heat from being transmitted from the fuel cell to the mixing section so that the temperature of the fuel gas in the mixing section reaches a predetermined temperature at which the fuel gas does not ignite;
The fuel cell system according to claim 1.
請求項1または2に記載の燃料電池システム。 The mixing unit mixes the fuel gas and the oxidant gas so as to have a predetermined mixing ratio that does not cause combustion due to a reaction between the fuel gas and the oxidant gas in the mixed gas.
The fuel cell system according to claim 1 or 2.
前記混合部は、前記燃料電池のオフガスから分離した未反応の燃料ガスを、前記酸化剤ガスと混合する、
請求項3に記載の燃料電池システム。 The predetermined mixing ratio is a mixing ratio at which combustion due to a reaction between the fuel gas and the oxidant gas in the mixed gas does not occur due to a high ratio of the fuel gas to the oxidant gas.
The mixing unit mixes the unreacted fuel gas separated from the off-gas of the fuel cell with the oxidant gas.
The fuel cell system according to claim 3.
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JP2008184942A JP2010027283A (en) | 2008-07-16 | 2008-07-16 | Fuel cell system |
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