JP3605167B2 - 固体高分子型燃料電池システム - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、燃料の持つ化学エネルギを、直接電気エネルギに変換して発電を行うことのできる、固体高分子型燃料電池から排出される残存水素、若しくは残存酸素を、再度固体高分子型燃料電池に、動力を必要とすることなく、循環させることのできる固体高分子型燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子型燃料電池は、図２に示すように、その電解質膜１に、例えば、スルホン酸基を持つフッ素樹脂系イオン交換膜等の高分子イオン交換膜を用い、電解質膜１の両側に、例えば、白金等を使用した触媒電極層２，３、及び多孔質のカーボン電極４，５を備えた電極接合体６構造を、多層積層して構成した燃料電池本体１０と、カーボン電極４，５間に設けられた外部回路７で構成されている。
【０００３】
この様に構成された燃料電池本体１０のカーボン電極のアノード極４側に供給された、加湿された燃料ガス中の水素は、触媒電極層のアノード極２上で、Ｈ_２ →２Ｈ^＋ ＋２ｅ⁻ の反応を行い、水素イオン化され、水素イオンＨ^＋ は電解質１中を水の介在のもと、Ｈ^＋ ｘＨ_２ Ｏとして、カーボン電極のカソード極５側へ、水と共に移動する。
移動した水素イオンＨ^＋ は、触媒電極層のカソード極３上で、カソード極５側に供給された空気等の酸化剤ガス中の酸素、及び外部回路７を流通してきた電子と反応して、１／２Ｏ_２ ＋２Ｈ^＋ ＋２ｅ⁻ →Ｈ_２ Ｏの反応を行い、水を生成し、その生成水はカソード極３，５より燃料電池本体１０外へ排出されることになる。このとき、外部回路７を流通する電子流れを直流の電気エネルギとして利用するようにしている。
【０００４】
なお、電解質膜１となる高分子イオン交換膜においては、前述のように水素イオンＨ^＋ 透過性を実現させるためには、常に充分なる保水状態に保持しておく必要があり、通常、燃料ガス、および酸化剤ガスに、電池の運転温度（常温〜１００℃程度）近辺相当の飽和水蒸気を含ませて、すなわち、加湿した燃料ガスおよび酸化剤ガスを燃料電池本体１０に供給し、高分子イオン交換膜１の保水状態を保つようにしている。
【０００５】
図２に、このような固体高分子型燃料電池を用いて発電を行う、従来の固体高分子型燃料電池システムの一例を示す。
このシステムにおいては、電気化学反応を起して発電を行う水素、および酸素は、それぞれ、例えばボンベのような燃料供給装置８、および酸化剤供給装置９からの燃料ガス、酸化剤ガスによって供給される。
これらの燃料供給装置８、および酸化剤供給装置９からの燃料ガスおよび酸化剤ガスは、燃料ガス供給管２５および酸化剤ガス供給管２６によって水素側減圧弁１９および酸素側減圧弁２０にそれぞれ送られ、これらの減圧弁１９，２０で調圧後、加温、加湿するために、それぞれ水素加湿装置１１、および酸素加湿装置１２にそれぞれ導入される。
【０００６】
燃料ガス中の水素、および酸化剤ガス中の酸素は、ここで所定の温度、加湿状態に調整され、燃料電池本体１０のアノード極２，４およびカソード極３，５へとそれぞれ導入され、前述の通り電気エネルギを発生する。
また、燃料電池本体０６内で発電に利用されず残った水素、または酸素は、電気化学反応に伴って生成された水分、及び加湿水分とともに、燃料電池本体１０外に排出される。
この燃料電池本体１０外に排出された水素、または酸素は、それぞれ水素気水分離器１３、酸素気水分離器１４により気水分離され、水素循環ポンプ、またはコンプレッサ（以下水素コンプレッサという）１５、水素逆止弁１７、および酸素循環ポンプ、またはコンプレッサ（以下、水素コンプレッサという）１６、酸素逆止弁１８を介して燃料電池本体１０へ通ずる燃料ガス供給ライン２５、および酸素供給ライン２６にそれぞれ戻され、燃料電池本体１０のアノード極２，４およびカソード極３，５に再度導入され、循環利用されるようになっている。
【０００７】
しかしながら、このように構成された従来の固体高分子型燃料電池システムによる発電では、次のような不具合があった。
【０００８】
（１）水素コンプレッサ１５、および酸素コンプレッサ１６は、それぞれ燃料電池本体１０で発電した電力を、インバータ制御装置２３から供給されて作動する、コンプレッサ駆動用モータ２１，２２で駆動されるようになっているため、固体高分子型燃料電池システム全体としての電気出力、いわゆる送電端出力が小さくなる。
【０００９】
（２）水素コンプレッサ１５、および酸素コンプレッサ１６は、その動力軸部からの循環させる水素ガス、および酸素ガスのリーク防止のために、この部分に高度なシール技術が必要となり、これが機器のコスト上昇を招くとともに、運用上においても、機器、あるいはシステム全体の信頼性を低下させることとなる。
【００１０】
（３）供給圧力を持つ燃料ガス、または酸化剤ガスを、それぞれ減圧弁１９，２０で、わざわざ減圧して燃料電池に供給しており、燃料ガスまたは酸化剤ガスの保有する圧力は、利用・回収されてなく、エネルギ的な無駄が発生しており、システムとしての効率化が充分でない。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述した従来の固体高分子型燃料電池システムの不具合を解消し、システム全体としての電気出力、いわゆる送電端出力を向上できるとともに、システムに採用される機器コストを安くして、しかも、システム全体の信頼性を向上できる、効率の良い固体高分子型燃料電池システムを提供することを課題とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明の固体高分子型燃料電池システムにおいては、次の手段を採用した。
燃料ガス供給ライン、酸化剤ガス供給ラインの少くとも一方の供給ラインを流れる、燃料ガス、酸化剤ガスの供給圧力で作動する圧力回収タービンと、圧力回収タービンで駆動されるコンプレッサを設け、このコンプレッサへ燃料電池本体から排出された、残存水素ガス、残存酸素ガスの少くとも一方を導入して、加圧し、燃料電池本体へ供給して、循環させるようにした。
【００１３】
なお、圧力回収タービンは、燃料ガス、又は酸化剤ガスの供給圧力のそれぞれで、作動させるものとしても良く、また、これらガスのうちの一方のガスの供給圧力で作動するものとしても良い。
さらに、コンプレッサは、燃料電池本体から排出される残存水素、および残存酸素を、それぞれ燃料電池本体に循環させるものを、それぞれ設けても良く、またこれらのガスのうちの一方のガスだけを、燃料電池本体に循環させるようにしても良い。
【００１４】
【作用】
本発明の固体高分子型燃料電池は、上述の手段により、燃料供給装置、若しくは酸化剤供給装置より供給された、加圧状態の燃料ガス、又は酸化剤ガスの少くとも一方は、圧力回収タービンに導入して膨張させることで、これを駆動させることができる。
これにより、少くとも加圧状態の燃料ガス、若しくは酸化剤ガスの保有するガス圧力が、コンプレッサ動力として回収されるとともに、所定の燃料電池本体に供給される圧力まで減圧される。
また、循環ガスとなる、燃料電池本体より排出された残存水素ガス、または残存酸素ガスの少くとも一方を、このコンプレッサにより、強制的に燃料電池本体へ戻すように閉ループを組むことで、これらのガスの循環システムを構成することができる。
【００１５】
これにより、燃料電池本体に供給される燃料ガス、若しくは酸化剤ガスの保有する圧力を有効に回収することが可能となり、これにより、従来必要であった残存水素ガス、若しくは残存酸素ガスを循環させるために必要としていた、モータ駆動電力が不要となるため、システム全体の出力を上げることができるとともに、システム効率も高められる。
また、モータが不要になるため、動力軸部からの外部への循環ガスのリークの心配もなくなり、これらの機器のコストが低減できるとともに、システムの信頼性を向上させることができる。
【００１６】
【実施例】
以下、本発明の固体高分子型燃料電池システムの実施例を図面にもとづき説明する。
図１は、本発明の固体高分子型燃料電池システムの一実施例を示すブロック図である。
【００１７】
図に示すように、燃料電池本体１０で電気化学反応を起す水素ガス、および酸素ガスを含む、燃料ガス、および酸化剤ガスは、それぞれ、例えばボンベのように加圧された燃料供給装置８、酸化剤供給装置９より燃料ガス供給管２５、および酸化剤ガス供給管２６を介して、水素側減圧弁１９、および酸素側減圧弁２０にそれぞれ供給される。
減圧弁１９，２０ではそれぞれ一部調圧された燃料ガス、および酸化剤ガスは、それぞれ水素圧力回収タービン２７、および酸素圧力回収タービン２８に導入される。
これらの圧力回収タービン２７，２８では、最終的に燃料電池本体１０に供給するのに必要な所定圧力にまで、燃料ガス、および酸化剤ガス膨張減圧させ、この圧力膨張によって水素圧力回収タービン２７、酸素圧力回収タービン２８を回転させる。
【００１８】
燃料電池本体１０に供給するための所定圧力になった、燃料ガス、および酸化剤ガスは、それぞれ加温、加湿するために、水素加湿装置１１、および酸素加湿装置１２に、それぞれ導入される。
燃料ガス中の水素、および酸化剤ガス中の酸素は、ここで所定の温度、加湿状態にそれぞれ調整され、燃料電池本体１０のアノード極２，４、およびカソード極３，４へそれぞれ導入される。
なお、燃料電池本体１０には、電気化学反応を起す量以上の水素および酸素が供給されて、発電が行われる。
【００１９】
そして、燃料電池本体１０内で発電に利用されず残った残存水素、および残存酸素は、反応に伴って生成された水分、及び加湿水分とともに、燃料電池本体１０外に排出される。
燃料電池本体１０外に排出された残存水素、および残存酸素は、それぞれ水素気水分離器１３、および酸素気水分離器１４により、それぞれ気水分離され、分離された残存水素、および残存酸素は、水素回収コンプレッサ２９、および酸素回収コンプレッサ３０のコンプレッサ部に導入される。
【００２０】
水素回収コンプレッサ２９、および酸素回収コンプレッサ３０は、前述した燃料ガス、および酸化剤ガスの、それぞれの膨張圧力を利用して作動する、水素圧力回収タービン２７、および酸素圧力回収タービン２８と同軸に連結され、これらの圧力回収タービン２７，２８で、それぞれ駆動されており、これにより残存水素、または残存酸素は昇圧される。
昇圧された残存水素、または残存酸素は、逆止弁１７，１８を通り、それぞれ水素加湿装置１１、または酸素加湿装置１２の上流側の燃料ガス供給管２５、および酸化剤ガス供給管２６へと戻され、再び燃料電池燃料、酸化剤として循環利用されるようになっている。
【００２１】
以上、本発明の固体高分子型燃料電池システムの一実施例について説明したが、本発明はこの様な実施例に限定されるものではない。
すなわち、圧力回収タービンは、水素圧力回収タービン２７と酸素圧力回収タービン２８を、それぞれ設け、水素回収コンプレッサ２９、および酸素回収コンプレッサ３０をそれぞれ駆動するようにしているが、例えば水素圧力回収タービン２７のみを設け、これにより水素回収コンプレッサ２９、および酸素回収コンプレッサ３０を同時駆動するようにもできる。また、残存ガスも残存水素のみを循環させるようにすることもできるものである。
【００２２】
さらに、燃料ガス、酸化剤ガスは、供給装置から供給される水素ガス、酸素ガス、そのものを使用するようにしても良く、逆に酸化剤供給装置９は、ブロワ等により大気を供給できるようにしたものでも良いものである。
【００２３】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明の固体高分子型燃料電池システムによれば、特許請求の範囲に示す構成により、
（１）従来の水素循環コンプレッサ、酸素循環コンプレッサを使用することなく、残存水素、若しくは残存酸素の循環利用ができるため、そのモータ駆動電力が不要となり、システム全体としての電気出力、いわゆる送電端出力を上げることができる。
すなわち、供給圧力を持った燃料ガス、または酸化剤ガスの圧力を回収して、有効利用しており、エネルギ的に無駄がなく、システム効率を上げることが可能である。
また、システム内で消費される動力が小さくなるため、効率よい固体高分子型燃料電池システムを構成することができる。
【００２４】
（２）水素循環コンプレッサ、酸素循環コンプレッサのような動力軸部からの、外部への循環ガスリーク防止対策を必要としないため、機器コストを安く、しかも駆動部も少なく、機器、あるいはシステム全体の信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の固体高分子型燃料電池システムの一実施例を示すブロック図。
【図２】図１に示す実施例における固体高分子型燃料電池の発電原理を示す模型図。
【図３】従来の固体高分子型燃料電池システムの一例を示すブロック図である。
【符号の説明】
１ 電解質膜
２ 触媒電極（アノード極）
３ 触媒電極（カソード極）
４ 多孔質カーボン電極（アノード極）
５ 多孔質カーボン電極（カソード極）
６ 電極接合体
７ 外部回路
８ 燃料供給装置
９ 酸化剤供給装置
１０ 燃料電池本体
１１ 水素加湿装置
１２ 酸素加湿装置
１３ 水素気水分離器
１４ 酸素気水分離器
１５ 水素コンプレッサ
１６ 酸素コンプレッサ
１７ 水素逆止弁
１８ 酸素逆止弁
１９ 減圧弁（水素側）
２０ 減圧弁（酸素側）
２１ 水素コンプレッサ駆動用モータ
２２ 酸素コンプレッサ駆動用モータ
２３ インバータ制御装置
２５ 燃料ガス供給管
２６ 酸化剤ガス供給管
２７ 水素圧力回収タービン
２８ 酸素圧力回収タービン
２９ 水素回収コンプレッサ
３０ 酸素回収コンプレッサ

Claims (1)

1. 燃料ガス中の水素と酸化剤ガス中の酸素を電気化学反応させて発電を行う、固体高分子型燃料電池システムにおいて、燃料電池本体に供給される加圧された前記燃料ガス、前記酸化剤ガスの少くとも一方の供給圧力で作動する圧力回収タービンと、前記圧力回収タービンで駆動させるコンプレッサを具え、前記燃料電池本体から排出される残存水素ガス、残存酸素ガスの少くとも一方を前記コンプレッサで前記燃料電池本体へ供給して、循環させることを特徴とする固体高分子型燃料電池システム。

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