JP3489443B2 - 燃料電池システム - Google Patents
燃料電池システムInfo
- Publication number
- JP3489443B2 JP3489443B2 JP15386798A JP15386798A JP3489443B2 JP 3489443 B2 JP3489443 B2 JP 3489443B2 JP 15386798 A JP15386798 A JP 15386798A JP 15386798 A JP15386798 A JP 15386798A JP 3489443 B2 JP3489443 B2 JP 3489443B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- fuel cell
- hydrogen
- main
- cell stack
- auxiliary
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
Links
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
- Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
- Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries
Landscapes
- Electric Propulsion And Braking For Vehicles (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、車両用燃料電池シ
ステムに関し、特に排出された水素ガスを効率的に利用
することで全体効率を高めることができる燃料電池シス
テムに関する。
ステムに関し、特に排出された水素ガスを効率的に利用
することで全体効率を高めることができる燃料電池シス
テムに関する。
【０００２】
【従来の技術】この種の燃料電池システムは、燃料が有
するエネルギを直接電気エネルギに変換する装置であ
り、電解質を挟んで設けられた一対の電極のうちのアノ
ードに水素を含有する燃料ガスを供給するとともに、他
方のカソードに酸素を含有する燃料ガスを供給し、これ
ら一対の電極の電解質側の表面で生じる下記の電気化学
反応を利用して電極から電気エネルギを取り出すもので
ある。
するエネルギを直接電気エネルギに変換する装置であ
り、電解質を挟んで設けられた一対の電極のうちのアノ
ードに水素を含有する燃料ガスを供給するとともに、他
方のカソードに酸素を含有する燃料ガスを供給し、これ
ら一対の電極の電解質側の表面で生じる下記の電気化学
反応を利用して電極から電気エネルギを取り出すもので
ある。
【０００３】
【化１】
アノード反応：Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ-
カソード反応：２Ｈ+ ＋２ｅ- ＋（１／２）Ｏ2 →Ｈ2Ｏ
一対の電極に供給される燃料ガスを生成する装置として
は、水素を含有する燃料ガスを生成する装置として、メ
タノールを水蒸気改質して、水素を多量に含む燃料ガス
とする改質器、酸素を含有する燃料ガスを生成する装置
として、空気を取り入れて圧縮空気とする圧縮機が知ら
れている（たとえば、特開平８−２７３，６９０号公報
参照）。そして、図２に示すように、改質器１からの水
素含有ガスを燃料電池スタック３のアノードに供給する
一方で、図外の圧縮機からの圧縮空気を適切な温度に温
調したのち燃料電池スタック３のカソードへ供給する。
は、水素を含有する燃料ガスを生成する装置として、メ
タノールを水蒸気改質して、水素を多量に含む燃料ガス
とする改質器、酸素を含有する燃料ガスを生成する装置
として、空気を取り入れて圧縮空気とする圧縮機が知ら
れている（たとえば、特開平８−２７３，６９０号公報
参照）。そして、図２に示すように、改質器１からの水
素含有ガスを燃料電池スタック３のアノードに供給する
一方で、図外の圧縮機からの圧縮空気を適切な温度に温
調したのち燃料電池スタック３のカソードへ供給する。
【０００４】この燃料電池スタックとは、単位電池（セ
ル）が複数個直列に接続されることにより所望の電圧が
得られるように構成されたものであるが、燃料電池シス
テムに固体高分子型燃料電池スタックを用いた場合は、
消費される水素ガス量よりある程度大量の水素ガスを供
給しないと、たとえば一部のセルにおいて上記反応が過
剰に進行して多量の水素ガスが消費された場合など、積
層されたセル間の電圧にばらつきが生じ、一部のセルの
電圧が許容電圧を下回ることがある。こうして電圧が低
下したセルには大電流が流れることになるので、電極触
媒が劣化し電池の性能低下につながることになる。
ル）が複数個直列に接続されることにより所望の電圧が
得られるように構成されたものであるが、燃料電池シス
テムに固体高分子型燃料電池スタックを用いた場合は、
消費される水素ガス量よりある程度大量の水素ガスを供
給しないと、たとえば一部のセルにおいて上記反応が過
剰に進行して多量の水素ガスが消費された場合など、積
層されたセル間の電圧にばらつきが生じ、一部のセルの
電圧が許容電圧を下回ることがある。こうして電圧が低
下したセルには大電流が流れることになるので、電極触
媒が劣化し電池の性能低下につながることになる。
【０００５】以上の理由から、運転中は常に、消費され
る量以上の水素ガスが燃料電池スタックに供給され、余
剰水素ガスが生じるようになっている。そして、図示す
るように改質器を有するシステムにおいては、余剰水素
ガスを水蒸気方式の改質器にて燃焼させることで改質器
における吸熱反応に利用されている。
る量以上の水素ガスが燃料電池スタックに供給され、余
剰水素ガスが生じるようになっている。そして、図示す
るように改質器を有するシステムにおいては、余剰水素
ガスを水蒸気方式の改質器にて燃焼させることで改質器
における吸熱反応に利用されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】ところで、水蒸気改質
方式の改質器は、部分酸化方式の改質器に比べてサイズ
が大きく熱容量も大きいため、システムの小型化や起動
時間の短縮を図りたい場合には部分酸化方式の改質器が
有利となる。
方式の改質器は、部分酸化方式の改質器に比べてサイズ
が大きく熱容量も大きいため、システムの小型化や起動
時間の短縮を図りたい場合には部分酸化方式の改質器が
有利となる。
【０００７】しかしながら、部分酸化方式の改質器にお
ける改質反応は、下記式に示されるように発熱反応であ
るため、外部から熱を加える必要がない。このため、燃
料電池スタックからの余剰水素ガスを有効利用できず、
そのぶんだけシステムの効率が低下するといった問題が
あった。
ける改質反応は、下記式に示されるように発熱反応であ
るため、外部から熱を加える必要がない。このため、燃
料電池スタックからの余剰水素ガスを有効利用できず、
そのぶんだけシステムの効率が低下するといった問題が
あった。
【０００８】
【化２】ＣＨ3 ＯＨ＋（１／２）Ｏ2 →２Ｈ2 ＋ＣＯ2
＋１８９．５kcal/mol 本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされ
たものであり、排出された水素ガスを効率的に利用でき
全体効率を高めることができる燃料電池システムを提供
することを目的とする。
＋１８９．５kcal/mol 本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされ
たものであり、排出された水素ガスを効率的に利用でき
全体効率を高めることができる燃料電池システムを提供
することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１記載の燃料電池システムは、主として車両
駆動用の主機に駆動用電力を供給する主燃料電池と、前
記主燃料電池に水素含有ガスを供給する改質器と、前記
主燃料電池に酸素含有ガスを供給する手段とを備えた燃
料電池システムにおいて、前記主燃料電池から排出され
た水素含有ガスを一方の燃料ガスとし、主として前記車
両の電装品等の補機に駆動用電力を供給する補助燃料電
池を備えたことを特徴とする。
に、請求項１記載の燃料電池システムは、主として車両
駆動用の主機に駆動用電力を供給する主燃料電池と、前
記主燃料電池に水素含有ガスを供給する改質器と、前記
主燃料電池に酸素含有ガスを供給する手段とを備えた燃
料電池システムにおいて、前記主燃料電池から排出され
た水素含有ガスを一方の燃料ガスとし、主として前記車
両の電装品等の補機に駆動用電力を供給する補助燃料電
池を備えたことを特徴とする。
【００１０】この請求項１記載の燃料電池システムで
は、主燃料電池を用いて車両の主機を駆動するととも
に、改質器で生成した改質ガス（水素含有ガス）の利用
率を高めるべく補助燃料電池を設け、この補助燃料電池
を用いて補機を駆動するので、過剰水素含有ガスを供給
しなければならない燃料電池システムであっても、余剰
水素を効率的に利用することができ、これによりシステ
ム全体として高い効率となる。特に、補機の駆動電圧が
主機の駆動電圧に比べて低電圧である車両においては、
定格電圧の低い小型の補助燃料電池とすることができる
と同時に、こうした小型の補助燃料電池を用いて余剰水
素を有効に回収できる。
は、主燃料電池を用いて車両の主機を駆動するととも
に、改質器で生成した改質ガス（水素含有ガス）の利用
率を高めるべく補助燃料電池を設け、この補助燃料電池
を用いて補機を駆動するので、過剰水素含有ガスを供給
しなければならない燃料電池システムであっても、余剰
水素を効率的に利用することができ、これによりシステ
ム全体として高い効率となる。特に、補機の駆動電圧が
主機の駆動電圧に比べて低電圧である車両においては、
定格電圧の低い小型の補助燃料電池とすることができる
と同時に、こうした小型の補助燃料電池を用いて余剰水
素を有効に回収できる。
【００１１】また、主燃料電池に接続された二次バッテ
リの充電率が大きかったり、あるいは主機の消費電力が
小さくて一時的に余剰水素が増加しても、補助燃料電池
によってこれを有効に利用することができるので、水素
利用率を高水準に維持することができる。
リの充電率が大きかったり、あるいは主機の消費電力が
小さくて一時的に余剰水素が増加しても、補助燃料電池
によってこれを有効に利用することができるので、水素
利用率を高水準に維持することができる。
【００１２】本発明の燃料電池システムは、特に限定は
されないが、電気自動車あるいはハイブリッド自動車に
適用して好ましい。こうした自動車には、走行用の高電
圧電源と灯具などの補機を駆動するための低電圧電源が
必須となるので、高電圧電源として主燃料電池を用いる
とともに低電圧電源として補助燃料電池を用いると効率
的に余剰水素を回収することができる。
されないが、電気自動車あるいはハイブリッド自動車に
適用して好ましい。こうした自動車には、走行用の高電
圧電源と灯具などの補機を駆動するための低電圧電源が
必須となるので、高電圧電源として主燃料電池を用いる
とともに低電圧電源として補助燃料電池を用いると効率
的に余剰水素を回収することができる。
【００１３】上記発明において、補助燃料電池の他方の
燃料ガス（酸素含有ガス）の供給手段は特に限定されな
いが、請求項２記載の燃料電池システムでは、前記主燃
料電池から排出された酸素含有ガスを他方の燃料ガスと
することを特徴とする。
燃料ガス（酸素含有ガス）の供給手段は特に限定されな
いが、請求項２記載の燃料電池システムでは、前記主燃
料電池から排出された酸素含有ガスを他方の燃料ガスと
することを特徴とする。
【００１４】主燃料電池に対しても過剰な酸素含有ガス
を供給し、余剰酸素含有ガスを補助燃料電池の他方の燃
料ガスとして用いることで、別途の酸素含有ガス供給手
段が不要となり、コストダウンやシステムの構造的簡素
化を図ることができる。
を供給し、余剰酸素含有ガスを補助燃料電池の他方の燃
料ガスとして用いることで、別途の酸素含有ガス供給手
段が不要となり、コストダウンやシステムの構造的簡素
化を図ることができる。
【００１５】上記発明において、補助燃料電池に供給さ
れる水素ガス流量は特に限定されないが、たとえば請求
項３記載の燃料電池システムのように、前記主燃料電池
及び前記補助燃料電池で夫々消費される水素量に対する
夫々の燃料電池への供給水素量の比を共に等しくストイ
キ値Ｓｔ、前記主燃料電池の定格消費水素量をＱｍと定
義したとき、前記補助燃料電池の定格消費水素量Ｑｓ
が、下記式で表されることが好ましい。
れる水素ガス流量は特に限定されないが、たとえば請求
項３記載の燃料電池システムのように、前記主燃料電池
及び前記補助燃料電池で夫々消費される水素量に対する
夫々の燃料電池への供給水素量の比を共に等しくストイ
キ値Ｓｔ、前記主燃料電池の定格消費水素量をＱｍと定
義したとき、前記補助燃料電池の定格消費水素量Ｑｓ
が、下記式で表されることが好ましい。
【００１６】
【数２】Ｑｓ＝Ｑｍ（Ｓｔ−１）／Ｓｔ
こうすることで、最も望ましいストイキ値をもって主燃
料電池および補助燃料電池に水素含有ガスを供給するこ
とができ、これらの燃料電池において総合的に水素利用
率を向上させることができる。すなわち、水素含有ガス
の不足による各セル間での電圧バラツキが抑制されると
ともに、過剰な水素含有ガスの供給による回収率の低下
を防止することができる。
料電池および補助燃料電池に水素含有ガスを供給するこ
とができ、これらの燃料電池において総合的に水素利用
率を向上させることができる。すなわち、水素含有ガス
の不足による各セル間での電圧バラツキが抑制されると
ともに、過剰な水素含有ガスの供給による回収率の低下
を防止することができる。
【００１７】
【００１８】
【００１９】上記発明においては特に限定されないが、
請求項４記載の燃料電池システムは、前記改質器が部分
酸化型改質器であることを特徴とする。部分酸化型改質
器による改質反応は発熱反応であることから、燃料電池
で生じた余剰水素ガスを燃焼させて利用する必要がな
い。したがって、こうした部分酸化型改質器を備えた燃
料電池システムには、特に本発明の利用価値がある。
請求項４記載の燃料電池システムは、前記改質器が部分
酸化型改質器であることを特徴とする。部分酸化型改質
器による改質反応は発熱反応であることから、燃料電池
で生じた余剰水素ガスを燃焼させて利用する必要がな
い。したがって、こうした部分酸化型改質器を備えた燃
料電池システムには、特に本発明の利用価値がある。
【００２０】
【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、過剰水素
含有ガスを供給しなければならない燃料電池システムで
あっても、余剰水素を効率的に利用することができ、こ
れにより高効率の燃料電池システムを提供することがで
きる。特に、補機の駆動電圧が主機の駆動電圧に比べて
低電圧である車両においては、定格電圧の低い小型の補
助燃料電池とすることができると同時に、こうした小型
の補助燃料電池を用いて余剰水素を有効に回収できる。
含有ガスを供給しなければならない燃料電池システムで
あっても、余剰水素を効率的に利用することができ、こ
れにより高効率の燃料電池システムを提供することがで
きる。特に、補機の駆動電圧が主機の駆動電圧に比べて
低電圧である車両においては、定格電圧の低い小型の補
助燃料電池とすることができると同時に、こうした小型
の補助燃料電池を用いて余剰水素を有効に回収できる。
【００２１】また、主燃料電池に接続された二次バッテ
リの充電率が大きかったり、あるいは主機の消費電力が
小さくて一時的に余剰水素が増加しても、補助燃料電池
によってこれを有効に利用することができるので、水素
利用率を高水準に維持することができる。
リの充電率が大きかったり、あるいは主機の消費電力が
小さくて一時的に余剰水素が増加しても、補助燃料電池
によってこれを有効に利用することができるので、水素
利用率を高水準に維持することができる。
【００２２】これに加えて、請求項２記載の発明によれ
ば、主燃料電池に対しても過剰な酸素含有ガスを供給
し、余剰酸素含有ガスを補助燃料電池の他方の燃料ガス
として用いることで、別途の酸素含有ガス供給手段が不
要となり、コストダウンやシステムの構造的簡素化を図
ることができる。
ば、主燃料電池に対しても過剰な酸素含有ガスを供給
し、余剰酸素含有ガスを補助燃料電池の他方の燃料ガス
として用いることで、別途の酸素含有ガス供給手段が不
要となり、コストダウンやシステムの構造的簡素化を図
ることができる。
【００２３】請求項３記載の発明によれば、最も望まし
いストイキ値をもって主燃料電池および補助燃料電池に
水素含有ガスを供給することができ、水素含有ガスの不
足による各セル間での電圧バラツキが抑制されるととも
に、過剰な水素含有ガスの供給による回収率の低下を防
止することができる。
いストイキ値をもって主燃料電池および補助燃料電池に
水素含有ガスを供給することができ、水素含有ガスの不
足による各セル間での電圧バラツキが抑制されるととも
に、過剰な水素含有ガスの供給による回収率の低下を防
止することができる。
【００２４】
【００２５】請求項４記載の発明によれば、上述した本
発明の効果が最も有効に発揮されることになる。
発明の効果が最も有効に発揮されることになる。
【００２６】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面に
基づいて説明する。第１実施形態 図１は本発明の燃料電池システムの第１実施形態を示す
ブロック図であり、まず構成を説明すると、タンク１０
に蓄えられた改質原料は、ポンプ１１により部分酸化型
改質器１に供給され、この改質器１にて、空気圧縮機１
から導かれる圧縮空気中の酸素と反応して、水素リッチ
な改質ガスを発生させる。
基づいて説明する。第１実施形態 図１は本発明の燃料電池システムの第１実施形態を示す
ブロック図であり、まず構成を説明すると、タンク１０
に蓄えられた改質原料は、ポンプ１１により部分酸化型
改質器１に供給され、この改質器１にて、空気圧縮機１
から導かれる圧縮空気中の酸素と反応して、水素リッチ
な改質ガスを発生させる。
【００２７】この改質ガスは、さらにＣＯ除去装置２に
供給され、ここで燃料電池スタック３を被毒しない１０
０ｐｐｍ以下のＣＯ濃度とされたのち、主機を駆動する
電力を発生させる主燃料電池スタック３に供給される。
ＣＯ除去装置２としては、例えばＣＯ選択酸化触媒を用
いたものが用いられる。
供給され、ここで燃料電池スタック３を被毒しない１０
０ｐｐｍ以下のＣＯ濃度とされたのち、主機を駆動する
電力を発生させる主燃料電池スタック３に供給される。
ＣＯ除去装置２としては、例えばＣＯ選択酸化触媒を用
いたものが用いられる。
【００２８】主燃料電池スタック３では、別系統で供給
される空気圧縮機７からの圧縮空気と、上述した部分酸
化型改質器１からの改質ガス中の水素とを反応させるこ
とにより、電力を発生させる。そして、この電流は、Ｄ
Ｃ／ＤＣ３ａにより電圧変換されたのち、主機用に設け
られた２次バッテリー３ｂに供給されてここに蓄えられ
るか、直接主機に供給されて消費される。ここで主機と
は、本発明の燃料電池システムを電気自動車あるいはハ
イブリッド自動車に適用する場合には、走行用モータな
どが該当し、主機用２次バッテリー３ｂは、この走行用
モータ等を駆動するための高電圧電源が該当する。
される空気圧縮機７からの圧縮空気と、上述した部分酸
化型改質器１からの改質ガス中の水素とを反応させるこ
とにより、電力を発生させる。そして、この電流は、Ｄ
Ｃ／ＤＣ３ａにより電圧変換されたのち、主機用に設け
られた２次バッテリー３ｂに供給されてここに蓄えられ
るか、直接主機に供給されて消費される。ここで主機と
は、本発明の燃料電池システムを電気自動車あるいはハ
イブリッド自動車に適用する場合には、走行用モータな
どが該当し、主機用２次バッテリー３ｂは、この走行用
モータ等を駆動するための高電圧電源が該当する。
【００２９】主燃料電池スタック３から排出された改質
ガスは、小型のＣＯ除去装置４に流入し、ＣＯを再び燃
料電池の性能低下を引き起こさないレベル（たとえば１
００ｐｐｍ以下）まで濃度低下させたのち、小出力のサ
ブ燃料電池スタック５に供給され、ここで主燃料電池ス
タック３から排出される圧縮空気と反応し、電力を発生
させる。小型のＣＯ除去装置４としては、例えばＣＯ選
択酸化触媒を用いたものが用いられる。
ガスは、小型のＣＯ除去装置４に流入し、ＣＯを再び燃
料電池の性能低下を引き起こさないレベル（たとえば１
００ｐｐｍ以下）まで濃度低下させたのち、小出力のサ
ブ燃料電池スタック５に供給され、ここで主燃料電池ス
タック３から排出される圧縮空気と反応し、電力を発生
させる。小型のＣＯ除去装置４としては、例えばＣＯ選
択酸化触媒を用いたものが用いられる。
【００３０】このサブ燃料電池スタック５で生じた電流
は、ＤＣ／ＤＣ５ａにより電圧変換されたのち、補機用
に設けられた２次バッテリー５ｂに供給されてここに蓄
えられるか、直接補機に供給されて消費される。ここで
補機とは、本発明の燃料電池システムを電気自動車ある
いはハイブリッド自動車に適用する場合には、灯具など
の電装品等が該当し、補機用２次バッテリー５ｂは、こ
うした電装品を駆動するための低電圧電源が該当する。
は、ＤＣ／ＤＣ５ａにより電圧変換されたのち、補機用
に設けられた２次バッテリー５ｂに供給されてここに蓄
えられるか、直接補機に供給されて消費される。ここで
補機とは、本発明の燃料電池システムを電気自動車ある
いはハイブリッド自動車に適用する場合には、灯具など
の電装品等が該当し、補機用２次バッテリー５ｂは、こ
うした電装品を駆動するための低電圧電源が該当する。
【００３１】このサブ燃料電池スタック５は、主燃料電
池スタック３において消費されなかった改質ガス中の水
素量で安定な発電ができる容量とされている。
池スタック３において消費されなかった改質ガス中の水
素量で安定な発電ができる容量とされている。
【００３２】例えば、主燃料電池スタック３が定格出力
時に１０Ｎｍ3 ／ｈの水素ガスを消費する燃料電池スタ
ックであり、安定した各セル電圧を得るのに必要な水素
量が、消費される水素量の１．２倍（これをストイキ値
Ｓｔと定義する。ストイキ値Ｓｔとは、消費される水素
量に対する供給される水素量の比をいう。）とすると、
主燃料電池スタック３には、改質ガス中に１２Ｎｍ3 ／
ｈの水素を有する改質ガスが供給される。
時に１０Ｎｍ3 ／ｈの水素ガスを消費する燃料電池スタ
ックであり、安定した各セル電圧を得るのに必要な水素
量が、消費される水素量の１．２倍（これをストイキ値
Ｓｔと定義する。ストイキ値Ｓｔとは、消費される水素
量に対する供給される水素量の比をいう。）とすると、
主燃料電池スタック３には、改質ガス中に１２Ｎｍ3 ／
ｈの水素を有する改質ガスが供給される。
【００３３】ここで、主燃料電池スタック３に供給され
る改質ガスの水素濃度を７５％とすると、改質器１から
主燃料電池スタック３へ流すべき改質ガスの流量は、１
２／０．７５＝１６Ｎｍ3 ／ｈとなる。また、主燃料電
池スタック３に供給される改質ガス中のＣＯ濃度が１０
０ｐｐｍだとすれば、この改質ガスに含まれるＣＯの流
量は１６×１００／１００００００＝１．６×１０-3Ｎ
ｍ3 ／ｈである。
る改質ガスの水素濃度を７５％とすると、改質器１から
主燃料電池スタック３へ流すべき改質ガスの流量は、１
２／０．７５＝１６Ｎｍ3 ／ｈとなる。また、主燃料電
池スタック３に供給される改質ガス中のＣＯ濃度が１０
０ｐｐｍだとすれば、この改質ガスに含まれるＣＯの流
量は１６×１００／１００００００＝１．６×１０-3Ｎ
ｍ3 ／ｈである。
【００３４】主燃料電池スタック３において、水素を１
０Ｎｍ3 ／ｈだけ消費すれば、余剰水素は２Ｎｍ3 ／ｈ
である。また、ＣＯは主燃料電池スタック３内では消費
されないから、流量は変化しないで濃度が高まり、主燃
料電池スタック３の出口において、その濃度は、１．６
×１０-3／（１６−１０）＝２６７ｐｐｍとなる。
０Ｎｍ3 ／ｈだけ消費すれば、余剰水素は２Ｎｍ3 ／ｈ
である。また、ＣＯは主燃料電池スタック３内では消費
されないから、流量は変化しないで濃度が高まり、主燃
料電池スタック３の出口において、その濃度は、１．６
×１０-3／（１６−１０）＝２６７ｐｐｍとなる。
【００３５】したがって、主燃料電池スタック３の下流
に設けられたサブ燃料電池スタック５においては、２Ｎ
ｍ3 ／ｈの水素で各セルが安定した電圧を発生するよう
にしなければならない。よって、ここでもストイキ値Ｓ
ｔ＝１．２となるように、２／１．２＝約１．６７Ｎｍ
3 ／ｈの水素消費で定格出力となるものとすればよい。
に設けられたサブ燃料電池スタック５においては、２Ｎ
ｍ3 ／ｈの水素で各セルが安定した電圧を発生するよう
にしなければならない。よって、ここでもストイキ値Ｓ
ｔ＝１．２となるように、２／１．２＝約１．６７Ｎｍ
3 ／ｈの水素消費で定格出力となるものとすればよい。
【００３６】以上のことは、ストイキ値Ｓｔを用いて以
下のようにまとめられる。
下のようにまとめられる。
【００３７】
【数３】サブ燃料電池スタックの定格使用水素＝主燃料
電池スタックの定格使用水素×（Ｓｔ−１）／Ｓｔ なお、小型のＣＯ除去装置４は、６Ｎｍ3／ｈの改質ガ
ス中に含有する２６７ｐｐｍのＣＯガスを１００ｐｐｍ
以下とする性能が必要となる。
電池スタックの定格使用水素×（Ｓｔ−１）／Ｓｔ なお、小型のＣＯ除去装置４は、６Ｎｍ3／ｈの改質ガ
ス中に含有する２６７ｐｐｍのＣＯガスを１００ｐｐｍ
以下とする性能が必要となる。
【００３８】上記性能を有するサブ燃料電池スタック５
にて水素と酸素とがそれぞれ消費された改質ガス及び空
気は、それぞれ燃焼器６に供給され、改質ガス中のＣＯ
を酸化してＣＯ2 に変換したのち系外に排出する。
にて水素と酸素とがそれぞれ消費された改質ガス及び空
気は、それぞれ燃焼器６に供給され、改質ガス中のＣＯ
を酸化してＣＯ2 に変換したのち系外に排出する。
【００３９】次に作用を説明する。本実施形態の燃料電
池システムによれば、主燃料電池スタック３から排出さ
れる余剰水素を、サブ燃料電池スタック５で利用して電
力に変換することができる。すなわち、発生水素１２Ｎ
ｍ3 ／ｈのうち、主燃料電池スタック３にて１０Ｎｍ3
／ｈ、サブ燃料電池スタック５にて１．６７Ｎｍ3 ／ｈ
利用されることになり、改質器１が生成した改質ガス中
の水素の利用率が、サブ燃料電池スタック５が無い場合
の利用率１０／１２＝８３．３３％に対して、（１０＋
１．６７）／１２＝９７．２５％まで向上する。
池システムによれば、主燃料電池スタック３から排出さ
れる余剰水素を、サブ燃料電池スタック５で利用して電
力に変換することができる。すなわち、発生水素１２Ｎ
ｍ3 ／ｈのうち、主燃料電池スタック３にて１０Ｎｍ3
／ｈ、サブ燃料電池スタック５にて１．６７Ｎｍ3 ／ｈ
利用されることになり、改質器１が生成した改質ガス中
の水素の利用率が、サブ燃料電池スタック５が無い場合
の利用率１０／１２＝８３．３３％に対して、（１０＋
１．６７）／１２＝９７．２５％まで向上する。
【００４０】また、本実施形態の燃料電池システムで
は、サブ燃料電池スタック５の上流にてＣＯ除去を行う
必要があるが、このＣＯ除去装置４においては、（１．
６×１０-3）×（２６７−１００）／２６７＝１．０×
１０-3（Ｎｍ3 ／ｈ）のＣＯ流量を除去すればよい。こ
れを選択触媒で行うと考えると、その反応式は、
は、サブ燃料電池スタック５の上流にてＣＯ除去を行う
必要があるが、このＣＯ除去装置４においては、（１．
６×１０-3）×（２６７−１００）／２６７＝１．０×
１０-3（Ｎｍ3 ／ｈ）のＣＯ流量を除去すればよい。こ
れを選択触媒で行うと考えると、その反応式は、
【化３】
ＣＯ＋（１／２）Ｏ2 →ＣＯ2 −２９３（kJ/mol）
で示されるから、１モルが２２．４リットルの体積を占
めると考えると、１．０×１０-3（Ｎｍ3 ／ｈ）／３６
００／２２．４＝１．２４×１０-8（mol/s）となる。
したがって、その吸熱量は、２９３×１０3 ×１．２４
×１０-8（mol/s）＝３．６３（J/s）＝３．６３（Ｗ）
である。この値は、サブ燃料電池スタック５が発生する
電力量に比べ非常に小さく、したがってトータルのエネ
ルギー収支を考えると、サブ燃料電池スタック５を設け
た方がプラスとなる。
めると考えると、１．０×１０-3（Ｎｍ3 ／ｈ）／３６
００／２２．４＝１．２４×１０-8（mol/s）となる。
したがって、その吸熱量は、２９３×１０3 ×１．２４
×１０-8（mol/s）＝３．６３（J/s）＝３．６３（Ｗ）
である。この値は、サブ燃料電池スタック５が発生する
電力量に比べ非常に小さく、したがってトータルのエネ
ルギー収支を考えると、サブ燃料電池スタック５を設け
た方がプラスとなる。
【００４１】また、本実施形態の燃料電池システムにお
いては、主燃料電池スタック３が、２次バッテリー３ｂ
の充電率が大きいか、あるいは主機の消費電力量が小さ
い等の理由から発電量を急に小さくすべく、タンク１０
からの改質原料の供給量を減らしても、配管及び改質器
内に原料が残留しているため、燃料電池スタック３に比
べて出力低下の反応は遅くなる。
いては、主燃料電池スタック３が、２次バッテリー３ｂ
の充電率が大きいか、あるいは主機の消費電力量が小さ
い等の理由から発電量を急に小さくすべく、タンク１０
からの改質原料の供給量を減らしても、配管及び改質器
内に原料が残留しているため、燃料電池スタック３に比
べて出力低下の反応は遅くなる。
【００４２】したがって、主燃料電池スタック３と改質
器１との反応遅れ時間に発生した水素は、余剰水素とし
てサブ燃料電池スタック５に供給され、サブ燃料電池ス
タック５において電力発生に用いることができる。
器１との反応遅れ時間に発生した水素は、余剰水素とし
てサブ燃料電池スタック５に供給され、サブ燃料電池ス
タック５において電力発生に用いることができる。
【００４３】また、サブ燃料電池スタック５は、主燃料
電池スタック３と異なる電圧となるよう設定することに
より、補機運転用に低い電圧が必要なシステムであった
場合、これに要するＤＣ／ＤＣ５ａを小容量のものとす
ることができる。
電池スタック３と異なる電圧となるよう設定することに
より、補機運転用に低い電圧が必要なシステムであった
場合、これに要するＤＣ／ＤＣ５ａを小容量のものとす
ることができる。
【００４４】さらに、主燃料電池スタック３では、改質
ガス中の水素量と同様に、各セル電圧を許容電圧以上に
保つため、圧縮空気についても必要空気量に対して大き
な流量を流す必要がある。
ガス中の水素量と同様に、各セル電圧を許容電圧以上に
保つため、圧縮空気についても必要空気量に対して大き
な流量を流す必要がある。
【００４５】したがって、この圧縮空気流量の必要空気
量に対する比を、改質ガス側のストイキ値Ｓｔより大き
くとれば、サブ燃料電池スタック５に新規の圧縮空気を
導入することなく、主燃料電池スタック３の排出空気を
用いて電力を発生させることができる。これにより、新
規な圧縮空気をサブ燃料電池スタック５に導入するため
に必要となる圧縮機７での仕事量を減らし、システム効
率を向上させることができる。
量に対する比を、改質ガス側のストイキ値Ｓｔより大き
くとれば、サブ燃料電池スタック５に新規の圧縮空気を
導入することなく、主燃料電池スタック３の排出空気を
用いて電力を発生させることができる。これにより、新
規な圧縮空気をサブ燃料電池スタック５に導入するため
に必要となる圧縮機７での仕事量を減らし、システム効
率を向上させることができる。
【００４６】
【００４７】
【００４８】
【００４９】
【００５０】なお、以上説明した実施形態は、本発明の
理解を容易にするために記載されたものであって、本発
明を限定するために記載されたものではない。したがっ
て、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技
術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨
である。
理解を容易にするために記載されたものであって、本発
明を限定するために記載されたものではない。したがっ
て、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技
術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨
である。
【図１】本発明の燃料電池システムの第１実施形態を示
すブロック図である。
すブロック図である。
【図２】従来の燃料電池システムを示すブロック図であ
る。
る。
１…部分酸化型改質器（改質器）
２…ＣＯ除去装置
３…主燃料電池スタック（主燃料電池）
３ａ…ＤＣ／ＤＣコンバータ
３ｂ…主機用二次バッテリ
４…ＣＯ除去装置
５…サブ燃料電池スタック（補助燃料電池）
５ａ…ＤＣ／ＤＣコンバータ
５ｂ…サブバッテリ
６…燃焼器
７…空気圧縮機
１０…改質原料
１１…ポンプ
Claims (4)
- 【請求項１】 主として車両駆動用の主機に駆動用電力
を供給する主燃料電池と、前記主燃料電池に水素含有ガ
スを供給する改質器と、前記主燃料電池に酸素含有ガス
を供給する手段とを備えた燃料電池システムにおいて、 前記主燃料電池から排出された水素含有ガスを一方の燃
料ガスとし、主として前記車両の電装品等の補機に駆動
用電力を供給する補助燃料電池を備えたことを特徴とす
る燃料電池システム。 - 【請求項２】 前記補助燃料電池は、前記主燃料電池か
ら排出された酸素含有ガスを他方の燃料ガスとすること
を特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。 - 【請求項３】 前記主燃料電池及び前記補助燃料電池で
夫々消費される水素量に対する夫々の燃料電池への供給
水素量の比を共に等しくストイキ値Ｓｔ、前記主燃料電
池の定格消費水素量をＱｍと定義したとき、前記補助燃
料電池の定格消費水素量Ｑｓが、下記式で表されること
を特徴とする請求項１または２記載の燃料電池システ
ム。 【数１】Ｑｓ＝Ｑｍ（Ｓｔ−１）／Ｓｔ - 【請求項４】 前記改質器が部分酸化型改質器であるこ
とを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の燃料
電池システム。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP15386798A JP3489443B2 (ja) | 1998-05-19 | 1998-05-19 | 燃料電池システム |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP15386798A JP3489443B2 (ja) | 1998-05-19 | 1998-05-19 | 燃料電池システム |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11329457A JPH11329457A (ja) | 1999-11-30 |
| JP3489443B2 true JP3489443B2 (ja) | 2004-01-19 |
Family
ID=15571848
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP15386798A Expired - Lifetime JP3489443B2 (ja) | 1998-05-19 | 1998-05-19 | 燃料電池システム |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3489443B2 (ja) |
Families Citing this family (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001229945A (ja) * | 2000-02-17 | 2001-08-24 | Denso Corp | 燃料電池システム |
| JP4604389B2 (ja) * | 2001-05-09 | 2011-01-05 | 株式会社デンソー | 燃料電池システム |
| AU2003289326A1 (en) | 2002-12-12 | 2004-06-30 | Sony Corporation | Fuel cell mounted device, and electric power supply system |
| JP4919076B2 (ja) * | 2002-12-12 | 2012-04-18 | ソニー株式会社 | 燃料電池搭載装置 |
| JP4540950B2 (ja) * | 2003-07-31 | 2010-09-08 | 株式会社クリーンクラフト | 電気自動車の電源装置 |
| US9059434B2 (en) | 2008-08-06 | 2015-06-16 | Bloom Energy Corporation | Structure and method for SOFC operation with failed cell diode bypass |
| EP2719006A4 (en) | 2011-06-09 | 2014-12-17 | Bloom Energy Corp | DERIVATIVE DIODE STRUCTURES FOR FUEL CELLS AND METHODS OF FASTENING |
| JP6556440B2 (ja) * | 2014-11-19 | 2019-08-07 | 東京瓦斯株式会社 | 燃料電池システム |
| CN104875628B (zh) * | 2015-06-19 | 2017-04-19 | 浙江大学 | 可避免氢气泄放损失的液氢燃料电池汽车动力系统 |
| JP6698406B2 (ja) * | 2016-03-31 | 2020-05-27 | 東京瓦斯株式会社 | 燃料電池システム |
-
1998
- 1998-05-19 JP JP15386798A patent/JP3489443B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH11329457A (ja) | 1999-11-30 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JPH0917438A (ja) | 燃料電池を搭載した移動体における燃料電池システム | |
| US10680265B2 (en) | Energy storage using an REP with an engine | |
| KR20030067568A (ko) | 연료전지 시스템 및 연료전지 시스템 작동방법 | |
| US6887609B2 (en) | Fuel cell system and method for operating the fuel cell system | |
| EP1241723A1 (en) | Water recovery for a fuel cell system | |
| JP3489443B2 (ja) | 燃料電池システム | |
| JP3100791B2 (ja) | 燃料電池発電装置 | |
| JP2001243961A (ja) | 燃料電池システム | |
| US20110136026A1 (en) | Hybrid power plant system for vehicles | |
| EP1737061A2 (en) | Fuel cell system and its operating method | |
| JP3220438B2 (ja) | 燃料電池発電システム | |
| JP2001135336A (ja) | 燃料電池システム | |
| JP4416503B2 (ja) | 燃料電池への水素の供給装置及び方法並びに車両の電気駆動のための燃料電池の使用 | |
| Emadi et al. | Status review of power electronic converters for fuel cell applications | |
| JP2000188120A (ja) | 燃料電池システム | |
| JP3609961B2 (ja) | 燃料電池発電装置 | |
| JP2002083607A (ja) | 高分子電解質型燃料電池コージェネレーションシステム | |
| JP4479361B2 (ja) | ハイブリッド型燃料電池発電装置 | |
| JP2001335785A (ja) | 一酸化炭素除去装置 | |
| JP4189851B2 (ja) | 燃料改質装置及び燃料電池システム | |
| JP2000058090A (ja) | 固体電解質型燃料電池の運転方法 | |
| Khan | Designing 1 kW PEMFC APU for 4 passenger vehicle | |
| JPH11339821A (ja) | ハイブリッド型燃料電池システム | |
| Williamson et al. | Power Electronic Converters for Fuel Cell Applications | |
| JP2002216830A (ja) | 燃料電池システム |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20081107 Year of fee payment: 5 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20091107 Year of fee payment: 6 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20101107 Year of fee payment: 7 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20111107 Year of fee payment: 8 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20121107 Year of fee payment: 9 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20121107 Year of fee payment: 9 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20131107 Year of fee payment: 10 |
|
| EXPY | Cancellation because of completion of term |