JP4908057B2

JP4908057B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP4908057B2
Application number: JP2006139349A
Authority: JP
Inventors: 雅之横尾; 洋介野崎
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2006-05-18
Filing date: 2006-05-18
Publication date: 2012-04-04
Anticipated expiration: 2026-05-18
Also published as: JP2007311200A

Description

本発明は、燃料電池スタックを用いて発電を行う燃料電池システムに関するものである。

図２は従来の燃料電池システムの構成を示す図である。図２において、１は改質器、２は第一の燃料電池スタック、３は第一の燃料電池スタック２の燃料極、４は第一の燃料電池スタック２の電解質、５は第一の燃料電池スタック２の空気極、６は燃焼器、７は凝縮器、８は燃料ガス供給経路、９は水素リッチガス排出経路、１０は酸化剤ガス供給経路、１１は第一の燃料極排出ガス排出経路、１２は第一の空気極排出ガス排出経路、１３は燃焼ガス排出経路、１４は冷却水供給経路、１５は冷却水排出経路、１６は排水経路、１７は水供給経路、１８は二酸化炭素排出経路、１９は例えば主成分がメタンである天然ガス等の燃料ガス、２０は水素リッチガス、２１は酸化剤ガスである空気、２２は第一の燃料極排出ガス、２３は第一の空気極排出ガス、２４は燃焼ガス、２５は冷却水、２６は排水、２７は水、２８は二酸化炭素である。図２の例では、第一の燃料電池スタック２は、燃料極３と電解質４と空気極５とからなる１つの燃料電池セルで構成されているが、周知のとおり実際には多くの燃料電池セルが積層されたものから構成される。

図２を用いて、従来の燃料電池システムについて説明する。改質器１には、燃料ガス供給経路８を介して燃料ガス１９が供給され、さらに凝縮器７から水供給経路１７を介して水２７が供給される。改質器１では、内部に充填された改質触媒の働きにより燃料ガス１９の水蒸気改質反応が行われ、水素リッチガス２０が生成される。この水蒸気改質反応は吸熱反応であり、効率的に水素を生成させるためには、外部から改質器１に必要な反応熱を供給し、改質器１の温度を例えば７００〜７５０℃に維持することが必要である。このためには、例えば第一の燃料電池スタック２の排熱を、水蒸気改質反応に必要な反応熱として改質器１に供給すればよい。

改質器１で生成された水素リッチガス２０は、水素リッチガス排出経路９を介して第一の燃料電池スタック２の燃料極３に供給される。また、第一の燃料電池スタック２の空気極５には、酸化剤ガス供給経路１０を介して空気２１が供給される。第一の燃料電池スタック２では、水素リッチガス２０中の水素及び一酸化炭素の電気化学的酸化反応により発電が行われる。そして、第一の燃料電池スタック２で発電に利用された後の第一の燃料極排出ガス２２は第一の燃料極排出ガス排出経路１１を介して燃焼器６に供給され、第一の燃料電池スタック２で発電に利用された後の第一の空気極排出ガス２３は第一の空気極排出ガス排出経路１２を介して燃焼器６に供給される。燃焼器６では、第一の燃料極排出ガス２２中の未反応水素及び未反応一酸化炭素を第一の空気極排出ガス２３中の未反応酸素と燃焼反応させて、燃焼ガス２４を生成する。

燃焼ガス２４は、燃焼ガス排出経路１３を介して凝縮器７に供給される。なお、図２では示していないが、燃焼ガス２４の持つ潜熱は、燃料ガス１９及び空気２１の昇温と、水２７の蒸発に利用される。燃料ガス１９及び空気２１の昇温には、例えば熱交換器を使用すればよく、また水２７を蒸発させるには、水供給経路１７に燃焼ガス排出経路１３を接近させて配置すればよい。

凝縮器７には、冷却水供給経路１４を介して冷却水２５が供給され、凝縮器内を流れた冷却水２５が冷却水排出経路１５を介して排出されるようになっている。凝縮器７は、内部に冷却水２５を環流させ、燃焼ガス排出経路１３から供給された燃焼ガス２４を１００℃以下に冷却する。この結果、燃焼ガス２４中の水蒸気は、凝縮液化され、その一部が水２７として改質器１に供給される。残りの水は排水２６として排水経路１６からシステムの外部に排出される。凝縮器７で燃焼ガス２４から水蒸気を除去した後のガスは二酸化炭素のみで構成されることになる。この二酸化炭素２８は、二酸化炭素排出経路１８からシステムの外部に排出される。

宮尾元泰，白濱大，安部俊哉，藤永幸作，樋渡研一，村上弘展，斉藤健，上野晃，「円筒形ＳＯＦＣモジュールの開発状況」，第１４回ＳＯＦＣ研究発表会講演要旨集，ｐ．１６−１９，２００５

図２に示した従来の燃料電池システムでは、燃料ガスの利用率を高めた場合に燃料極３からの水蒸気の排出が不十分になり、セルの発電性能が大幅に低下するという問題点があった。燃料極３からの水蒸気の排出が不十分になる理由は、燃料ガスの利用率を高めた場合、燃料極３の出口付近の水蒸気濃度が高くなるが、水素に対して水蒸気が重い分子であるために、軽い水素だけでは水蒸気を押し出すことが難しくなり、水蒸気が詰まる可能性が高くなるからである。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、燃料極からの水蒸気の排出性能を高くして燃料電池スタックの発電性能を向上させ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。

本発明の燃料電池システムは、燃料ガスの改質反応により水素リッチガスを生成する改質器と、前記水素リッチガスに含まれる水素及び一酸化炭素の電気化学的酸化反応により発電を行う第一の燃料電池スタックと、この第一の燃料電池スタックから排出された第一の燃料極排出ガスに含まれる未反応水素及び未反応一酸化炭素を電気化学的に酸化して、窒素及び酸素を含まないガスを生成する酸化手段と、この酸化手段で生成されたガスを凝縮して水蒸気を除去し、この水蒸気の除去後に残る不活性ガスをリサイクルガスとして排出する凝縮器と、前記改質器から排出された水素リッチガスと前記凝縮器から排出されたリサイクルガスの少なくとも一部を混合して前記第一の燃料電池スタックの燃料極に供給する混合手段とを備えるものである。
また、本発明の燃料電池システムの１構成例において、前記酸化手段は、燃料極に前記第一の燃料電池スタックから排出された第一の燃料極排出ガスが供給されると共に、空気極に前記第一の燃料電池スタックから排出された第一の空気極排出ガスが供給され、前記第一の燃料極排出ガスに含まれる未反応水素及び未反応一酸化炭素を電気化学的に酸化する第二の燃料電池スタックである。
また、前記不活性ガスは、前記水素リッチガスに含まれる一酸化炭素の酸化によって生じた二酸化炭素である。

本発明によれば、水素リッチガスと共に不活性ガスを第一の燃料電池スタックの燃料極に供給することにより、燃料極の出口付近に溜まっている水蒸気を不活性ガスで押し出して、燃料極から排出することができる。その結果、本発明では、従来の燃料電池システムに比べて、水蒸気の排出性能を高くすることができ、第一の燃料電池スタックの発電性能を向上させることができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの構成を示す図であり、図２と同一の構成には同一の符号を付してある。図１において、２９は第二の燃料電池スタック（酸化手段）、３０は第二の燃料電池スタック２９の燃料極、３１は第二の燃料電池スタック２９の電解質、３２は第二の燃料電池スタック２９の空気極、３３は第二の燃料極排出ガス排出経路、３４は第二の空気極排出ガス排出経路、３５はリサイクル二酸化炭素供給経路、３６は接続部（混合手段）、３７は第二の燃料極排出ガス、３８は第二の空気極排出ガス、３９はリサイクル二酸化炭素である。

本実施の形態と従来の燃料電池システムが異なる点は、第一の燃料電池スタック２から排出された第一の燃料極排出ガス２２に含まれる未反応水素及び未反応一酸化炭素を電気化学的に酸化する第二の燃料電池スタック２９を設け、第一の燃料電池スタック２の燃料極３に水素リッチガス２０と共に、不活性ガスであるリサイクル二酸化炭素３９を供給する点である。

本実施の形態では、第一の燃料電池スタック２で発電に利用された後の第一の燃料極排出ガス２２を第一の燃料極排出ガス排出経路１１を介して第二の燃料電池スタック２９の燃料極３０に供給し、第一の燃料電池スタック２で発電に利用された後の第一の空気極排出ガス２３を第一の空気極排出ガス排出経路１２を介して第二の燃料電池スタック２９の空気極３２に供給する。

第二の燃料電池スタック２９では、燃料極３０と空気極３２とが電気的に接続されている。これにより、第二の燃料電池スタック２９では、電圧０の状態で電流が流れ、第一の燃料極排出ガス２２中の水素及び一酸化炭素が全て電気化学的に酸化される。この電気化学的酸化反応は、電位が０である点が異なるだけで、第一の燃料電池スタック２で起きている酸化と同じものである。第二の燃料電池スタック２９の燃料極３０から排出される第二の燃料極排出ガス３７は、水蒸気と二酸化炭素のみを含むことになる。

第二の燃料極排出ガス３７は、第二の燃料極排出ガス排出経路３３を介して凝縮器７に供給される。なお、図１では具体的に示していないが、第二の燃料極排出ガス３７の持つ潜熱は、燃料ガス１９及び空気２１の昇温と、水２７の蒸発に利用される。燃料ガス１９及び空気２１の昇温には、例えば熱交換器を使用すればよく、また水２７を蒸発させるには、水供給経路１７に第二の燃料極排出ガス排出経路３３を接近させて配置すればよい。

凝縮器７には、冷却水供給経路１４を介して冷却水２５が供給され、凝縮器内を流れた冷却水２５が冷却水排出経路１５を介して排出されるようになっている。凝縮器７は、内部に冷却水２５を環流させ、第二の燃料極排出ガス排出経路３３から供給された第二の燃料極排出ガス３７を１００℃以下に冷却する。この結果、第二の燃料極排出ガス３７中の水蒸気は、凝縮液化され、その一部が水２７として改質器１に供給される。残りの水は排水２６として排水経路１６からシステムの外部に排出される。

こうして、第二の燃料極排出ガス３７中の水蒸気は液化されて除去され、第二の燃料極排出ガス３７から水蒸気を除去した後のガスは二酸化炭素のみで構成されることになる。この二酸化炭素の一部は、リサイクル二酸化炭素３９としてリサイクル二酸化炭素供給経路３５に排出される。そして、残りの二酸化炭素２８は、二酸化炭素排出経路１８からシステムの外部に排出される。

本実施の形態では、接続部３６によってリサイクル二酸化炭素供給経路３５を水素リッチガス排出経路９に接続している。これにより、リサイクル二酸化炭素３９は、水素リッチガス排出経路９から供給される水素リッチガス２０と混合されて、第一の燃料電池スタック２の燃料極３に供給される。

このように、本実施の形態では、水素リッチガス２０と共に、不活性ガスである二酸化炭素３９を第一の燃料電池スタック２の燃料極３に供給することにより、燃料極３の出口付近に溜まっている水蒸気を二酸化炭素３９で押し出して、燃料極３から排出することができる。その結果、本実施の形態では、水素リッチガス２０のみを燃料極３に供給する従来の燃料電池システムに比べて、水蒸気の排出性能を高くすることができ、第一の燃料電池スタック２の発電性能を向上させることができる。

なお、水素リッチガスとは、第一の燃料電池スタック２の発電に寄与するに足りる濃度の水素を含有しているガスという意味である。
また、本実施の形態では、二酸化炭素をリサイクルしているが、この二酸化炭素は水素リッチガス２０に含まれている一酸化炭素が燃料電池スタック２，２９で酸化されてできたものである。水素リッチガス２０に混入するリサイクル二酸化炭素３９の混入量は、基本的には多いほど良い。燃料電池スタック２，２９には、燃料ガスと空気とが混ざらないように隔絶するシール（不図示）が設けられており、リサイクル二酸化炭素３９の混入量はこのシールの性能に影響を与えるが、シール性能に問題がない限り、リサイクル二酸化炭素３９の混入量が多い方が水蒸気の排出性能に優れるので、リサイクル二酸化炭素３９の混入量は基本的には多いほど良い。

本発明は、燃料電池に適用することができる。

本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。従来の燃料電池システムの構成を示す図である。

符号の説明

１…改質器、２…第一の燃料電池スタック、３，３０…燃料極、４，３１…電解質、５，３２…空気極、７…凝縮器、８…燃料ガス供給経路、９…水素リッチガス排出経路、１０…酸化剤ガス供給経路、１１…第一の燃料極排出ガス排出経路、１２…第一の空気極排出ガス排出経路、１４…冷却水供給経路、１５…冷却水排出経路、１６…排水経路、１７…水供給経路、１８…二酸化炭素排出経路、１９…燃料ガス、２０…水素リッチガス、２１…空気、２２…第一の燃料極排出ガス、２３…第一の空気極排出ガス、２５…冷却水、２６…排水、２７…水、２８…二酸化炭素、２９…第二の燃料電池スタック、３３…第二の燃料極排出ガス排出経路、３４…第二の空気極排出ガス排出経路、３５…リサイクル二酸化炭素供給経路、３６…接続部、３７…第二の燃料極排出ガス、３８…第二の空気極排出ガス、３９…リサイクル二酸化炭素。

Claims

燃料ガスの改質反応により水素リッチガスを生成する改質器と、
前記水素リッチガスに含まれる水素及び一酸化炭素の電気化学的酸化反応により発電を行う第一の燃料電池スタックと、
この第一の燃料電池スタックから排出された第一の燃料極排出ガスに含まれる未反応水素及び未反応一酸化炭素を電気化学的に酸化して、窒素及び酸素を含まないガスを生成する酸化手段と、
この酸化手段で生成されたガスを凝縮して水蒸気を除去し、この水蒸気の除去後に残る不活性ガスをリサイクルガスとして排出する凝縮器と、
前記改質器から排出された水素リッチガスと前記凝縮器から排出されたリサイクルガスの少なくとも一部を混合して前記第一の燃料電池スタックの燃料極に供給する混合手段とを備えることを特徴とする燃料電池システム。
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
前記酸化手段は、燃料極に前記第一の燃料電池スタックから排出された第一の燃料極排出ガスが供給されると共に、空気極に前記第一の燃料電池スタックから排出された第一の空気極排出ガスが供給され、前記第一の燃料極排出ガスに含まれる未反応水素及び未反応一酸化炭素を電気化学的に酸化する第二の燃料電池スタックであることを特徴とする燃料電池システム。
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
前記不活性ガスは、前記水素リッチガスに含まれる一酸化炭素の酸化によって生じた二酸化炭素であることを特徴とする燃料電池システム。