JP6247623B2 - 燃料電池システム - Google Patents
燃料電池システム Download PDFInfo
- Publication number
- JP6247623B2 JP6247623B2 JP2014209231A JP2014209231A JP6247623B2 JP 6247623 B2 JP6247623 B2 JP 6247623B2 JP 2014209231 A JP2014209231 A JP 2014209231A JP 2014209231 A JP2014209231 A JP 2014209231A JP 6247623 B2 JP6247623 B2 JP 6247623B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- fuel cell
- gas
- hydrogen
- mixed gas
- membrane
- 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.)
- Active
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
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
- Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)
Description
例えば、都市ガスに水素ガスを混合させて輸送した混合ガスから水素分離膜によって水素ガスを分離し、その水素ガスを燃料電池等の水素燃料設備に利用する都市ガス供給方法およびシステム、あるいは、その水素ガスを需要家に供給する水素ガスの供給方法およびシステムが開示されている(例えば、特許文献1、2参照)。
<1> 炭化水素ガスと水素ガスとを含む水素混合ガスを流通させる配管と、前記配管に設けられ、前記水素混合ガスから水素ガスを含む低分子ガスを分離する分離膜と、前記分離膜により分離された前記低分子ガス中に含まれる水素を反応させて発電する燃料電池と、前記分離膜よりも上流側にて前記配管と接続されており、前記水素混合ガスを前記燃料電池に供給するバイパス配管と、前記バイパス配管に設けられ、前記水素混合ガス中の硫黄分を除去する脱硫剤と、前記配管および前記バイパス配管を切り替えることにより、前記分離膜を介した前記低分子ガスの供給および前記バイパス配管を介した前記水素混合ガスの供給を切り替える切り替え手段と、を備える燃料電池システム。
[燃料電池システム]
以下、本発明の一実施形態に係る燃料電池システム100について、図1を用いて説明する。図1は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システム100の概略図である。
本実施形態に係る燃料電池システム100は、炭化水素ガスと水素ガスとを含む水素混合ガスを流通させる配管1と、配管1に設けられ、前記水素混合ガスから水素ガスを含む低分子ガスを分離する分離膜2と、分離膜2により分離された前記低分子ガス中に含まれる水素を反応させて発電する燃料電池4と、分離膜2よりも上流側にて配管1と接続されており、前記水素混合ガスを燃料電池4に供給するバイパス配管5と、バイパス配管5に設けられ、前記水素混合ガス中の硫黄分を除去する脱硫剤6と、配管1およびバイパス配管5を切り替えることにより、分離膜2を介した前記低分子ガスの供給およびバイパス配管5を介した前記水素混合ガスの供給を切り替える切り替え手段7と、を備える。
したがって、本実施形態の燃料電池システム100では、水素濃度が低いガスを発電に用いるため、水素混合ガスの加圧または透過側の減圧を行う必要がなく、付加動力も必要でない。そのため、燃料電池システム100を小型化でき、コストも削減できる。
上記問題を解決するため、本実施形態の燃料電池システム100は、水素混合ガス中の硫黄分を除去する脱硫剤6を備えるバイパス配管5と、配管1およびバイパス配管5を切り替える切り替え手段7と、を備えている。バイパス配管5に水素混合ガスを流通させると、脱硫剤6によって水素混合ガス中の硫黄分が除去された後、燃料電池4に水素混合ガスが供給され、燃料電池4に付着した硫黄分を除去することができる。そのため、発電時の電流密度が減少し、特定の値以下になったときに、バイパス配管5に水素混合ガスを供給するように切り替え手段7を切り替えることにより、燃料電池4に付着した硫黄分が除去されて電流密度を回復させることができる。よって、電流密度が一定の範囲となるように切り替え手段7を切り替えることにより、連続的な発電が可能であり、発電性能が長期間維持される。
一方、本実施形態の燃料電池システム100では、分離膜2と燃料電池4との間に脱硫剤を設けずに、発電時の電流密度が低下したときに水素混合ガスが供給されるバイパス配管5に脱硫剤6が設けられている。そのため、燃料電池4に付着した硫黄分を除去するときにのみ、バイパス配管5に水素混合ガスが供給されて脱硫剤6を通過する。よって、必要となる脱硫剤が少量で済むため、低コストであり、燃料電池システム100を小型化することが可能である。
配管1は、炭化水素ガスと水素ガスとを含む水素混合ガスを流通させるための管である。配管1には、水素混合ガスから水素ガスを含む低分子ガスを分離する分離膜2が設けられており、分離膜2を介して低分子ガス供給配管3と接続している。また、配管1は、分離膜2よりも上流側にて水素混合ガスを燃料電池4に供給するバイパス配管5と接続しており、分離膜2よりも下流側にて燃料電池4での発電時に使用されなかったガスを配管1に戻すための未利用ガス供給配管8と接続している。
また、配管1は他の燃焼機器に接続され、燃料電池4の発電時に使用されなかったガスを他の燃焼機器に供給する構成であってもよい。
水素混合ガスとしては、低濃度の水素ガスを含むガスを用いてもよく、具体的には、水素混合ガスの水素濃度は、3体積%〜8体積%の範囲にあることが好ましく、4体積%〜6体積%の範囲にあることがより好ましい。上記数値範囲内であれば、他の燃焼機器での水素利用を損なうことなく、燃料電池での発電を好適に行うことができ、発電により生じた電力を有効活用することができる。
分離膜2は、配管1に設けられ、かつ、水素混合ガスから水素ガスを含む低分子ガスを分離するための膜である。分離膜2は、分子篩効果によって、水素混合ガス中に含まれる、水素ガスを含む低分子ガスと、低分子ガス以外のガスと、を分離する。分離された水素ガスを含む低分子ガスは、低分子ガス供給配管3を介して燃料電池4に供給される。
低分子ガスは、分子量が小さい分子からなるガスであり、水素ガス、メタンガスなどを含む。低分子ガス以外のガスは、分子量が大きな分子からなるガスであり、エタンガス、プロパンガス、ブタンガス、都市ガスに含まれる付臭剤などを含む。都市ガスに含まれる付臭剤としては、シクロヘキセン、ターシャリーブチルメルカプタン(TBM)などが挙げられる。
分離された低分子ガスは、分離膜2と燃料電池4との間に設けられた低分子ガス供給配管3を介して燃料電池4に供給され、燃料電池4にて低分子ガス中に含まれる水素を反応させて発電する。また、燃料電池4は、燃料極、空気極および電解質を備えている。
なお、固体高分子形燃料電池の作動温度は、70℃〜100℃程度であることが好ましい。
空気極(カソード)には、酸素を含む酸化剤ガスが供給される。そして、酸素が、電子を受け取り、かつ、固体高分子電解質膜を通って空気極側に移動した水素イオンと反応する(2H++1/2O2+2e−→H2O)。この反応により、水が生成され、発電が行われる。
触媒層としては、中でも、Ptを25質量%〜35質量%、Ruを20質量%〜30質量%含み、残部カーボンよりなるPt−Ru合金担持カーボンが好適である。
燃料電池4の出力側には、蓄電池9が設けられていることが好ましい。発電により生じた余剰な電力を貯めておくことが可能である。
バイパス配管5は、分離膜2よりも上流側にて配管1と接続されており、かつ、水素混合ガスを燃料電池4に供給するための配管である。バイパス配管5と配管1との接続部には、切り替え手段7が設けられており、切り替え手段7の切り替えにより、バイパス配管5に水素混合ガスを供給するか否かを切り替え可能である。
また、バイパス配管5には、水素混合ガス中の硫黄分を除去する脱硫剤6が設けられている。
脱硫剤6は、バイパス配管5に設けられ、水素混合ガス中の硫黄分(例えば、硫化水素)を除去するためのものである。バイパス配管5を流通する水素混合ガスを脱硫剤6に通すことで、水素混合ガス中に含まれる硫黄分が除去されるため、硫黄分を含まない水素混合ガスが燃料電池4に供給される。
切り替え手段7は、配管1およびバイパス配管5を切り替えることにより、分離膜2を介した低分子ガスの供給およびバイパス配管5を介した水素混合ガスの供給を切り替えるためのものである。例えば、燃料電池4での発電量が低下してきた場合に、切り替え手段7を切り替えてバイパス配管5に水素混合ガスを供給し、硫黄分が付着した電解質を洗浄すればよい。また、燃料電池での発電量が回復した場合に、切り替え手段7を切り替えてバイパス配管5への水素混合ガスの供給を停止させればよい。
以下、発電時の電流密度の変化に応じて切り替え手段7を切り替える方法について、図3を用いてより詳細に説明する。図3は、発電時の電流密度の変化を示すグラフである
つまり、図3に示すように、発電時の電流密度が第1の閾値よりも高い場合には、分離膜2が設けられた配管1(メインライン)に水素混合ガスを供給する。そして、発電時の電流密度が第1の閾値以下になった場合に、切り替え手段7を切り替えてバイパス配管5(脱硫ライン)に水素混合ガスを供給する。
上述したように、電流密度の減少速度は遅く、かつ、電流密度の回復速度は速くなるため、T1の方がT2よりもかなり大きくなり、必要な脱硫剤の量を大きく減らすことができる。例えば、T1=90(s)、T2=10(s)とすると、必要な脱硫剤の量を通常の燃料電池システムの1/10とすることができる。
未利用ガス供給配管8は、燃料電池4での発電時に使用されなかった未利用ガス(メタンガスなど)、バイパス配管5から燃料電池4に供給された水素混合ガスを配管1に供給するための配管である。
未利用ガス供給配管8は、配管1と接続していなくてもよく、他の燃焼機器に接続され、未利用ガスまたは水素混合ガスを他の燃焼機器に供給してもよい。また、未利用ガス供給配管8には、硫黄分を除去するための脱硫剤を設けてもよい。
さらに、燃料電池システム100では、十分な発電性能を長時間にわたって維持することができ、燃料電池システム100をガスメーターに組み込むことで、細かい頻度でのデータ計測、通信が可能となり、詳細なデータを取得しながら、長時間に亘って使用することも可能である。
[燃料電池システム]
以下、本発明の他の実施形態に係る燃料電池システム200について、図2を用いて説明する。図2は、本発明の他の実施形態に係る燃料電池システム200の概略図である。なお、第一実施形態と共通する構成については、同一の番号を付しており、その説明を省略する。
本実施形態の燃料電池システム200は、分離膜2と燃料電池4との間(低分子ガス供給配管3)に、低分子ガスを水蒸気改質する改質器10を備えている。
2 分離膜
3 低分子ガス供給配管
4 燃料電池
5 バイパス配管
6 脱硫剤
7 切り替え手段
8 未利用ガス供給配管
9 蓄電池
10 改質器
11 改質水供給管
100、200 燃料電池システム
Claims (8)
- 炭化水素ガスと水素ガスとを含む水素混合ガスを流通させる配管と、
前記配管に設けられ、前記水素混合ガスから水素ガスを含む低分子ガスを分離する分離膜と、
前記分離膜により分離された前記低分子ガス中に含まれる水素を反応させて発電する燃料電池と、
前記分離膜よりも上流側にて前記配管と接続されており、前記水素混合ガスを前記燃料電池に供給するバイパス配管と、
前記バイパス配管に設けられ、前記水素混合ガス中の硫黄分を除去する脱硫剤と、
前記配管および前記バイパス配管を切り替えることにより、前記分離膜を介した前記低分子ガスの供給および前記バイパス配管を介した前記水素混合ガスの供給を切り替える切り替え手段と、
を備える燃料電池システム。 - 発電時の電流密度が第1の閾値以下になった場合に、前記切り替え手段を切り替えて前記バイパス配管に前記水素混合ガスを供給し、
発電時の電流密度が第2の閾値以上になった場合に、前記切り替え手段を切り替えて前記バイパス配管への前記水素混合ガスの供給を停止させる、請求項1に記載の燃料電池システム。 - 前記燃料電池は、燃料極、空気極および電解質を備え、
前記バイパス配管から供給される前記水素混合ガスにより、前記電解質における硫黄分を除去する、請求項1または請求項2に記載の燃料電池システム。 - 前記燃料電池は、固体高分子形燃料電池である、請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
- 前記分離膜は、活性炭、多孔質シリカ膜、多孔質アルミナ膜、多孔質ジルコニア膜、ゼオライト膜、多孔質ガラス膜、または高分子膜である、請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
- 前記水素混合ガスの水素濃度は、3体積%〜8体積%の範囲にある、請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
- 前記燃料電池の出力側に蓄電池を備える、請求項1〜請求項6のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
- 前記分離膜と前記燃料電池との間に、前記低分子ガスを水蒸気改質する改質器を備える、請求項1〜請求項7のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2014209231A JP6247623B2 (ja) | 2014-10-10 | 2014-10-10 | 燃料電池システム |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2014209231A JP6247623B2 (ja) | 2014-10-10 | 2014-10-10 | 燃料電池システム |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2016081615A JP2016081615A (ja) | 2016-05-16 |
JP6247623B2 true JP6247623B2 (ja) | 2017-12-13 |
Family
ID=55958908
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2014209231A Active JP6247623B2 (ja) | 2014-10-10 | 2014-10-10 | 燃料電池システム |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP6247623B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN113164876A (zh) * | 2018-12-11 | 2021-07-23 | 东丽株式会社 | 发电系统 |
Family Cites Families (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP3629949B2 (ja) * | 1998-05-07 | 2005-03-16 | 日産自動車株式会社 | 燃料電池システム |
JP4721525B2 (ja) * | 2001-01-19 | 2011-07-13 | 東京瓦斯株式会社 | 都市ガス供給方法及び装置 |
JP5412976B2 (ja) * | 2009-06-12 | 2014-02-12 | Toto株式会社 | 固体電解質型燃料電池 |
CN104661954A (zh) * | 2012-07-24 | 2015-05-27 | 努威拉燃料电池有限公司 | 分布式氢气提取系统 |
JP5949333B2 (ja) * | 2012-08-30 | 2016-07-06 | 東京瓦斯株式会社 | 燃料電池の運転方法及び燃料電池システム |
-
2014
- 2014-10-10 JP JP2014209231A patent/JP6247623B2/ja active Active
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2016081615A (ja) | 2016-05-16 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US8673510B2 (en) | Systems and methods for maintaining hydrogen-selective membranes during periods of inactivity | |
Chen et al. | Effects of nitrogen and carbon monoxide concentrations on performance of proton exchange membrane fuel cells with Pt–Ru anodic catalyst | |
JP2004284875A (ja) | 水素製造システムおよび燃料電池システム | |
EP2639869B1 (en) | Operation method of polymer electrolyte fuel cell system and polymer electrolyte fuel cell system | |
JP6419790B2 (ja) | 水素再生利用装置および操作方法 | |
JP2005093115A (ja) | 燃料電池発電装置とその運転方法 | |
US9707509B2 (en) | Method of purifying a hydrogen stream using an electrochemical cell | |
JP6247623B2 (ja) | 燃料電池システム | |
JP6675098B2 (ja) | 水素純化装置及び水素純化システム | |
Du et al. | Performance and durability of a polymer electrolyte fuel cell operating with reformate: effects of CO, CO2, and other trace impurities | |
JP2012134056A (ja) | 燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転方法 | |
JP4617648B2 (ja) | 水素抽出装置 | |
JP2005071949A (ja) | 燃料電池発電装置とその運転方法 | |
JP5632688B2 (ja) | 脱硫システムおよび脱硫システムの制御方法 | |
JP2020037724A (ja) | 水素システム | |
JP4550385B2 (ja) | 水素製造装置および燃料電池システム | |
JP2014186891A (ja) | 燃料電池発電システム | |
JP4426169B2 (ja) | 燃料電池システム | |
JP5265032B2 (ja) | 燃料電池システム及びその発電停止方法 | |
WO2015118889A1 (ja) | 水素生成装置およびその運転方法ならびに燃料電池システム | |
JP2012214336A (ja) | 改質システム | |
JP6770268B2 (ja) | 燃料電池セルの保護装置、燃料電池、燃料電池セルの駆動方法 | |
JP2005293959A (ja) | 水素ガス製造発電システム及びその運転方法 | |
JP2007157481A (ja) | 脱硫器および燃料電池発電装置 | |
JP2020056087A (ja) | 水素生成システムおよびその運転方法 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20170127 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20171011 |
|
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20171031 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20171117 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6247623 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |