JP4970672B2

JP4970672B2 - 燃料電池発電設備

Info

Publication number: JP4970672B2
Application number: JP2001271173A
Authority: JP
Inventors: 康匡高木; 俊一岡屋; 昇篠崎; 雄作谷内
Original assignee: IHI Aerospace Co Ltd
Current assignee: IHI Aerospace Co Ltd
Priority date: 2001-09-07
Filing date: 2001-09-07
Publication date: 2012-07-11
Anticipated expiration: 2021-09-07
Also published as: JP2003086208A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、簡略化した補機類で高い有効発電出力を発電する燃料電池発電設備に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図３は、固体高分子型燃料電池（ＰｏｌｙｍｅｒＥｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅＦｕｅｌＣｅｌｌ：ＰＥＦＣ）の原理図である。この燃料電池は、電解質にプロトン（Ｈ⁺）導電性を有する高分子膜Ｔを用い、この膜の両側に薄い多孔質Ｐｔ触媒電極（アノードＡとカソードＣ）を付けた構造を有する。それぞれの電極にＨ₂およびＯ₂を供給し、室温〜１００℃前後で動作させると、Ｈ₂はＨ₂極（アノードＡ）でＨ⁺に酸化され、Ｈ⁺は膜内を移動してＯ₂極（カソードＣ）に到達する。一方ｅ^- は外部回路を通って電気的な仕事をしたのち、Ｏ₂極に到達する。Ｏ₂極ではＯ₂が到達したＨ⁺およびｅ^-と反応してＨ₂Ｏに還元される。なお上述した燃料電池では、高分子膜Ｔの保護のため水蒸気を供給すると共に、カソードＣでは反応生成物として水蒸気が形成される。
【０００３】
図４は、上述した燃料電池を用いた従来の発電設備の全体構成図である。この図において、符号４は図３に示したセルを複数積層した積層電池（以下、スタックと呼ぶ）である。スタック４には、Ｈ₂極（アノードＡ）に水素ガスを供給するアノードラインＡと、Ｏ₂極（カソードＣ）に空気を供給するカソードラインＣと、燃料電池を冷却するための冷却水ラインＷとが設けられている。
【０００４】
水タンク１の冷却水は循環ポンプ２により圧送され圧力調整器３により規定圧以下でスタック４に供給され、スタック４を冷却し、放熱器５ａを通って水タンク１に戻される。
【０００５】
また、水素貯蔵タンク６に蓄圧された水素ガス（Ｈ₂）は、水素供給ライン１７の圧力調整器７により規定圧に調整し、加湿装置８で水分を加湿した後、スタック４に供給される。スタック４のアノードＡで反応後の水分を含む水素ガスは、水素／水分離器１２により水素ガスと水に分離され、水素ガスは水素ポンプ１１によりチェック弁１３ａを介して加湿装置８に戻り、水はチェック弁１３ｂを介して循環ポンプ２の上流側に戻される。
【０００６】
更に、大気中の空気は、空気供給ライン１８の空気圧縮器９により規定圧以内で圧縮され、放熱器５ｂで冷却し、サージタンク１０で加湿した後、スタック４に供給される。スタック４のカソードＣで反応後の空気は、加湿に要した水に加え、反応による生成水が加わるため大量の水分を含んでいる。そのため、反応後の空気は、空気／水分離器１４により空気と水に分離され、空気は大気中に放出され、更に、水量管理容器１６で必要量の水のみをチェック弁１３ｃを介して循環ポンプ２の上流側に戻し、余分な水は、大気中に放出される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、燃料電池の燃料である水素ガスと、酸化剤である空気は、燃料電池を保護しかつ電池性能を向上させるため、加湿器８又はサージタンク１０を通しスタック４に供給される。また、スタック４では、発電量に応じ水素と酸素が反応し水が生成される。この生成水は未消費の水素ガス及び空気と混合し、各排出ポートよりスタック外に排出され、各分離器により気体（水素ガス又は空気）と水に分離される。分離した水素ガスはリターンポンプ（水素ポンプ１１）により逆止弁１３ａを通り、加湿装置８に戻される。また水の一部はスタック冷却のための循環ポンプ２の吸込側に戻され、空気は大気中に放出される。
【０００８】
しかし、上述した従来の燃料電池発電設備では、燃料電池を運転するために多数の補機類が必要となる問題点があった。この補機類には、上述した放熱器５ｂ、加湿装置８、サージタンク１０、水素ポンプ１１が含まれ、これらを作動させるために燃料電池で発電した電力の一部を消費するため、外部に取出り出せる有効発電出力が低下する問題点があった。
【０００９】
本発明はかかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、補機類のうち、上述した放熱器、加湿装置、サージタンク、水素ポンプを省略又は電力消費の少ない機器に置き換えることができ、これにより、簡略化した補機類で有効発電出力を高めることができる燃料電池発電設備を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、燃料電池（４）に水素ガスを供給する水素供給ライン（１７）と、燃料電池に圧縮空気を供給する空気供給ライン（１８）と、燃料電池を出た水素ガスから水分を分離する水素／水分離器（１２）と、燃料電池を出た空気から水分を分離する空気／水分離器（１４）とを有する燃料電池発電設備において、
前記水素供給ラインに設けられその流れで内部に水素負圧部を形成する水素負圧発生装置（２２）と、
前記空気供給ラインに設けられその流れで内部に空気負圧部を形成する空気負圧発生装置（２４）と、
前記水素／水分離器で分離した水素を水素負圧発生装置内に吸引する水素吸引ライン（２６）と、
前記空気／水分離器で分離した水を空気負圧発生装置内に吸引する水吸引ライン（２８）と、
加湿用の水を水素負圧発生装置内に吸引する加湿ライン（２５）とを備えた、ことを特徴とする燃料電池発電設備が提供される。
【００１１】
上記本発明の構成によれば、水素供給ラインに水素負圧発生装置（２２）が設けられ、その流れで内部に水素負圧部を形成するので、水素吸引ライン（２６）を介して水素／水分離器で分離した水素を水素負圧発生装置内に吸引することができる。また、空気供給ラインに空気負圧発生装置（２４）が設けられ、その流れで内部に空気負圧部を形成するので、水吸引ライン（２８）を介して空気／水分離器で分離した水を従来装置以上に空気負圧発生装置内に吸引することができ、また圧縮空気の冷却が可能となる。
また、この構成により、従来の加湿装置なしに、水を水素ガスに吸引させてこれを加湿することができる。
【００１２】
従って、従来の補機類のうち、放熱器、加湿装置、サージタンク、水素ポンプを省略し、これを電力を必要としない負圧発生装置（２２，２４）、例えばベンチュリに置き換えて、従来と同様に水素ガスと水の循環・再利用を行うことができ、有効発電出力を高めることができる。
【００１５】
また、前記加湿ライン（２５）と水素吸引ライン（２６）は、それぞれ逆流を防ぐ逆止弁（２５ａ，２６ａ）を有する。
【００１６】
この構成により、加湿ライン（２５）や水素吸引ライン（２６）を通って水素ガスが逆流するのを防ぎ、作動の安定性を高めることができる。
【００１７】
前記水素負圧発生装置（２２）及び空気負圧発生装置（２４）は、固定ベンチュリ、可変ベンチュリ、又はエゼクタポンプである。
【００１８】
この構成により、電力を消費することなく、可動部がほとんどない簡単な構成で、内部に負圧部を容易に形成することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【００２０】
図１は、本発明の燃料電池発電設備の全体構成図である。この図に示すように、本発明の燃料電池発電設備２０は、燃料電池４（スタック）に水素ガスを供給する水素供給ライン１７と、燃料電池４に圧縮空気を供給する空気供給ライン１８と、燃料電池４を出た水素ガスから水分を分離する水素／水分離器１２と、燃料電池４を出た空気から水分を分離する空気／水分離器１４とを有する。
【００２１】
本発明の燃料電池発電設備２０は、更に、水素負圧発生装置２２、空気負圧発生装置２４、水素吸引ライン２６、加湿ライン２５、及び水吸引ライン２８を備えている。
【００２２】
水素負圧発生装置２２は、水素供給ライン１７の途中（この例では、圧力調整器７の下流側）に設けられ、その流れで内部に水素負圧部を形成する機能を有する。また、空気負圧発生装置２４は、空気供給ライン１８の途中（この例では、空気圧縮器９の下流側）に設けられ、その流れで内部に空気負圧部を形成する機能を有する。
【００２３】
加湿ライン２５は、この例では、循環ポンプ２の下流側と水素負圧発生装置２２内の水素負圧部を連通する配管ラインであり、水素負圧部の負圧により、加湿用の水を水素負圧発生装置内に吸引する。吸引された水は、内部を流れる水素と混合されて、燃料電池４（スタック）に供給される。
【００２４】
また、この加湿ライン２５には、逆流を防ぐ逆止弁２５ａが設けられ、水素ガスの逆流を防ぎ、作動の安定性を高めるようになっている。
【００２５】
水素吸引ライン２６は、水素／水分離器１２の水素出口部と水素負圧発生装置２２内の水素負圧部を連通する配管ラインであり、水素負圧部の負圧により、水素／水分離器１２で分離した水素を水素負圧発生装置内に吸引する。吸引された水素は、内部を流れる水素と混合されて、燃料電池４（スタック）に供給される。
【００２６】
また、この水素吸引ライン２６にも、逆流を防ぐ逆止弁２６ａが設けられ、水素ガスの逆流を防ぎ、作動の安定性を高めるようになっている。
【００２７】
水吸引ライン２８は、空気／水分離器１４の下流の水量管理容器１６の水出口部と空気負圧装置２４内の空気負圧部とを連通する配管ラインであり、空気負圧部の負圧により空気／水分離器１４で分離した水を空気負圧発生装置内に吸引する。吸引された水は、内部を流れる空気中で蒸発し、空気圧縮器９による断熱圧縮で上昇した空気（例えば約１３０℃）を水の気化熱で冷却するとともに、空気と混合してこれを加湿するようになっている。
【００２８】
図２は、本発明を構成する負圧発生装置の模式図である。この図において、（Ａ）は固定ベンチュリ、（Ｂ）は可変ベンチュリ、（Ｃ）はエゼクタポンプを示している。
【００２９】
上述した水素負圧発生装置２２及び空気負圧発生装置２４は、これらの固定ベンチュリ、可変ベンチュリ、又はエゼクタポンプであることが好ましい。これらの負圧発生装置は、圧縮ガス源（この例では水素又は空気）さえあれば、電力の消費なしに内部に負圧部を形成し、外部から流体（水素又は空気）を吸引することができる。また、可動部がほとんどなく、長寿命であり、かつ容易に安定運転できる特徴を有する。
【００３０】
上述した本発明の燃料電池発電設備２０の作動を以下に説明する。
【００３１】
水タンク１の水は循環ポンプ２により圧送され圧力調整器３により規定圧以下でスタック４を冷却し、放熱器５を通って水タンク１に戻る。水素貯蔵タンク６に蓄圧された水素は、圧力調整器７により規定圧に調整したのち、水素供給ライン１７に設置された水素負圧発生装置２２を通りスタック４に供給される。空気は空気圧縮器９により規定圧以内で圧縮されたのち圧縮器後に設置された空気負圧発生装置２４を通りスタック４に供給される。水素負圧発生装置２２には、循環ポンプ２の吐出側で分岐した加湿ライン２５及びスタック４より排出し、水素／水分離器１２により分離した水素を導く水素吸引ライン２６を各々逆止弁２５ａ，２６ａを通し連結する。空気負圧発生装置２４にはスタック４より排出し、空気／水分離器１４により分離した水の一部を導く水吸引ライン２８を連結する。
【００３２】
供給水素は水素負圧発生装置２２で流速を早め、水素負圧発生装置２２内に形成される水素負圧部に連結された加湿ライン２５より水を吸引し供給水素に噴出し加湿する。同様に水素吸引ライン２６より未消費水素を引入れる。圧縮空気は空気負圧発生装置２４で水素負圧発生装置２２と同様に連結された水吸引ライン２８より水を吸引し圧縮空気に噴出し加湿する。
【００３３】
スタック４は発電量に応じ加湿された水素と空気の中のＯ₂を消費し、水を生成する。生成された水は、未消費の水素及び空気と混合し排出される。各ガスは各分離器で水素と水、空気と水に分離される。水素は水素負圧発生装置２２に通じる水素吸引ライン２６を通し水素供給ラインに吸入され再利用される。水素／水分離器１２にて分離された水は、循環ポンプ２の上流に通じる配管から循環ポンプ２へ吸引される。空気／水分離器１４により分離された水は、加湿に要した水に加え、反応による生成水が加わるため水量管理容器１６にて空気加湿循環系に規定量以上に溜まらないように余分な水は、大気に放出する。溜まった水は水吸引ライン２８を通し空気負圧発生装置２４に引込まれる。また、空気／水分離器１４で分離された空気は不要であり大気に放出される。
【００３４】
上述した本発明の構成によれば、水素供給ライン１７に水素負圧発生装置２２が設けられ、その流れで内部に水素負圧部を形成するので、水素吸引ライン２６を介して水素／水分離器で分離した水素を水素負圧発生装置２２内に吸引することができる。また、空気供給ラインに空気負圧発生装置２４が設けられ、その流れで内部に空気負圧部を形成するので、水吸引ライン２８を介して空気／水分離器で分離した水を空気負圧発生装置２４内に吸引することができる。
【００３５】
従って、従来の補機類のうち、放熱器、加湿装置、サージタンク、水素ポンプを省略し、これを電力を必要としない負圧発生装置２２，２４、例えばベンチュリに置き換えて、従来と同様に水素ガスと水の循環・再利用を行うことができ、有効発電出力を高めることができる。
【００３６】
なお、本発明は上述した実施例及び実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。上述した例では、燃料電池に空気を供給する場合を示したが、酸素を供給する場合にも同様に適用することができる。
【００３７】
【発明の効果】
上述したように、本発明は、ガス供給ラインの一部を絞り、この絞り部でガスの流速を大きくし、その流速を利用し管壁等に負圧部を形成し、水素供給ライン負圧部にはスタックより排出・分離された未消費水素と水循環ラインから供給される水を、また空気供給ライン負圧部には排出へ分離された水の一部を供給弁を通し導入するものである。
【００３８】
この構成により、本発明は以下の効果を有する。
（１）水素のリターンポンプが不要となり電流の内部消費が少なくなり、有効発電量が増える。
（２）補機類に必要なスペースが少なく、小型、軽量となる。
（３）スパーク等により危険性が少なくなり安全性が向上する。
（４）容器中の水にガスを通し加湿する従来の加湿器が不要となり、小型、軽量となる。
（５）圧縮空気温度が低下し、圧縮空気へ冷却装置が不要となる。
（６）圧縮機の効率が増大し、小型化が可能となる。
【００３９】
従って、本発明の燃料電池発電設備は、補機類のうち、放熱器、加湿装置、サージタンク、水素ポンプを省略又は電力消費の少ない機器に置き換えることができ、これにより、簡略化した補機類で有効発電出力を高めることができる、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池発電設備の全体構成図である。
【図２】本発明を構成する負圧発生装置の模式図である。
【図３】固体高分子型燃料電池の原理図である。
【図４】従来の燃料電池発電設備の構成図である。
【符号の説明】
１水タンク、２循環ポンプ、３圧力調整器、
４スタック（燃料電池）、５ａ，５ｂ放熱器、
６水素貯蔵タンク、１７水素供給ライン、
７圧力調整器、８加湿装置、９空気圧縮器、
１０サージタンク、１１水素ポンプ、
１２水素／水分離器、１３ａ，１３ｂ，１３ｃチェック弁、
１４空気／水分離器、１６水量管理容器、
１８空気供給ライン、２０燃料電池発電設備、
２２水素負圧発生装置、２４空気負圧発生装置、
２５加湿ライン、２６水素吸引ライン、
２５ａ，２６ａ逆止弁、２８水吸引ライン、

Claims

燃料電池（４）に水素ガスを供給する水素供給ライン（１７）と、燃料電池に圧縮空気を供給する空気供給ライン（１８）と、燃料電池を出た水素ガスから水分を分離する水素／水分離器（１２）と、燃料電池を出た空気から水分を分離する空気／水分離器（１４）とを有する燃料電池発電設備において、
前記水素供給ラインに設けられその流れで内部に水素負圧部を形成する水素負圧発生装置（２２）と、
前記空気供給ラインに設けられその流れで内部に空気負圧部を形成する空気負圧発生装置（２４）と、
前記水素／水分離器で分離した水素を水素負圧発生装置内に吸引する水素吸引ライン（２６）と、
前記空気／水分離器で分離した水を空気負圧発生装置内に吸引する水吸引ライン（２８）と、
加湿用の水を水素負圧発生装置内に吸引する加湿ライン（２５）とを備えた、ことを特徴とする燃料電池発電設備。
前記加湿ライン（２５）と水素吸引ライン（２６）は、それぞれ逆流を防ぐ逆止弁（２５ａ，２６ａ）を有する、ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電設備。
前記水素負圧発生装置（２２）及び空気負圧発生装置（２４）は、固定ベンチュリ、可変ベンチュリ、又はエゼクタポンプである、ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電設備。