JPH02126564A - 燃料電池発電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、特に燃料として水素濃度の高いガスを供給す
る燃料電池発電装置に関するものである。

（従来の技術） 第３図に従来の代表的な燃料電池発電装置のプロセスフ
ロー図を示す。このシステムでは最初から水素濃度の高
い燃料が得られることがら、燃料改質装置は不要である
。また動作圧力が大気圧に近いため、電池の排燃料を燃
焼させた排ガスからブロアを回転させる動力は得られな
い。したがってブロアは電動機により駆動される。

この第３図において、１および２は燃料ブロアおよび空
気ブロアを示し、配管１０１がらは水素濃度の高い燃料
を供給し、配管２０１からは酸化剤として空気を供給す
る。燃料および空気は電池３の燃料極３１および空気極
３２に導かれ、相方の電気化学的反応により電気を発生
する。

電池３で発生した電気を電気的に外部に接続した回路で
消費すると、燃料極３１では水素の消費が行なわれ、空
気極３２では酸素の消費が行なわれ、そこから排出され
る排燃料ライン１０２および排空気ライン２０２中の排
燃料および排空気はそれぞれ水素濃度および酸素濃度の
低いガスとなり、それらの中には電気化学反応により生
成した水蒸気が混入される。

この排燃料および排空気はそれぞれ排燃料再循環ライン
１０３および排空気再循環ライン２０３を通して、各々
の再循環ブロア４および５により、電池３の燃料極３１
および空気極３２の入口に戻されて、未使用の燃料およ
び空気と混合されて再び使用される。その結果、排燃料
ライン１０２および排空気ライン２０２中の水素濃度お
よび酸素濃度は、再循環のないときに比べてさらに低く
なって排出される。これらの排燃料および排空気は、特
別に使用する目的がない場合には、圧力を調節する制御
弁４１、４２を通して大気中に放出される。

一方、電池３を動作に必要な温度に維持するために、電
池内に冷却管３３が埋設され、その中を冷却水が通過す
る。電池３を通過した冷却水は、水蒸気分離器６に導か
れて、そこで一部が水蒸気になり、燃料極入口の燃料ガ
スを加湿したり、水処理装置９の脱気用に使用される。

水蒸気分離器６では不足熱量を補うために、電気ヒータ
６１や、ボイラなどを内蔵している。また水蒸気分離器
６を出た冷却水は、熱交換器８で所定の温度に調節され
て、ポンプ７により駆動され。

電池３の冷却ラインに入り循環される。この冷却ライン
には水処理装置９から不足の冷却水が供給される。

（発明が解決しようとする課題） このようなシステムにおいては、まず電池３の排燃料が
大気に放出されることによって安全上問題がある。また
、排燃料と排空気を個別の制御弁により切り放すことに
より、電池３内の燃料極３１および空気極３２の間の極
間差圧が最大燃料または空気の供給圧力まで大きく現わ
れる危険性があり、場合によっては両極間の破壊が起り
、燃料と空気が直接反応して燃焼を引起す恐れがある。

また排燃料の有効な利用もなされないまま捨てられると
いう経済上の問題もある。さらに排燃料および排空気ラ
インの制御弁でラインの圧力を所定値に維持しながら、
電池内の極間差圧を一定値内に抑制する制御を施さなけ
ればならなく、制御の困難性が加わる。

本発明の目的は、電池の極間差圧が過大に現われるのを
抑え、かつ燃焼室で燃焼させてその熱を電池冷却水の加
熱に利用することにより、可燃ガスの放出がなくなり安
全性が高まり、加えてその熱を有効利用することができ
、発電装置の効率向上が期待できる燃料電池発電装置を
提供することにある。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 本発明の燃料電池発電装置は、水素濃度の高いガスを燃
料とし、空気を酸化剤として用い、電気化学的反応によ
り電気と水蒸気を発生する燃料電池発電装置において、
前記電池の燃料極から排出される排燃料と前記電池の電
気極から排出される排空気の少なくとも一部とを同一の
燃焼室に導いて燃焼させ、そこで発生した燃焼熱により
電池冷却水を加熱するよう構成したことを特徴とするも
のである。

（作　用） 本発明においては、電池から排出される排燃料および排
空気を同一の燃焼室に導くことにより、燃焼室内で両排
ガスラインの圧力が自動的に同一になることから、制御
弁による面倒な制御がなくても、電池内の燃料極および
空気極間の極間差圧を電池の排燃料ラインまたは排空気
ラインの圧力損失内に自動的に抑制することができる。

これによって電池の電極間に不用意な力が加わることに
よる破壊を防ぎ、かつ運転が容易になる。

（実施例） 以下、本発明を第１図および第２図に示す実施例を参照
して説明する。両図において第３図と同一符号は同一部
分を示すものであるからその説明は省略する。

第１図に示す本発明の実施例においては、電池３の排燃
料ライン１０２および排空気ライン２０２にボイラ１０
を設け、このボイラ１０の同一の燃焼室１１に電池３か
ら排出される燃料と空気の少なくとも一部を導いて燃焼
させて水蒸気を得るように構成したことを特徴とするも
のである。ボイラ１０のライン４０１は、ボイラ１０で
発生した水蒸気を水蒸気分離器６に送るものであり、ボ
イラ１０のライン４０３はボイラ１０に水を供給するも
のである。また電池３にバイパスライン３０１．３０２
を設けて電池への燃料および空気をバイパスさせである
。

次にこのように構成された本発明の燃料電池発電装置の
作用を説明する。まず起動時には燃料極バイパスライン
３０１および空気極バイパスライン３０２を通して燃料
および空気をボイラ１０へ導いて燃焼させ水蒸気を得る
。　この水蒸気をライン４０１を通して水蒸気分離器６
の中の冷却水を昇温し、ポンプ７で循環させながら電池
３を動作に必要な温度まで昇温する。

動作条件が成立したら燃料および空気をライン１０１お
よび２０１より導入し、燃料極３１および空気極３ｚの
入口の制御弁２１および２２を開けて電池３へ導く。電
池３では水素および酸素の消費が行なわれ、排出された
排燃料および排空気はライン１０２および２０２を通し
てボイラの燃焼室１１へ導かれ、燃焼されてその熱で水
蒸気を発生させる。発生した水蒸気はライン４０１を通
して水蒸気分離器６へ導かれ、分離内の水を加熱する。

排空気の一部は燃焼を制御するために制御弁２３を通し
て大気へ放出される。

このときボイラ１０で燃焼に利用される電池からの排空
気には、電気化学反応により電池内で生成した水蒸気が
多量に含まれており、酸素濃度も低下しているので燃焼
温度が低くなり燃焼しにくい。

そこで、排空気ライン２０２に空気中の水蒸気を除湿す
る分離器を設置したり、あるいはバイパスライン３０２
を通して酸素濃度の高い空気を追加する方法が考えられ
るが、分離器を設置するとシステムが複雑になり、設備
費も余分にかかる。また空気を追加して酸素過剰率を高
くとると、空気ブロア１２を駆動する電力を余分に必要
とする。

そこで、ボイラ１０の燃焼室１１での燃焼を補助する目
的で、酸化促進剤として燃焼室内に触媒を使用すると、
燃焼温度が低かったり、酸素過剰率が低くても安定した
燃焼を得ることができる。なお酸素過剰率とは次の定義
式によるものである。

次に第２図に示す本発明の他の実施例においては、電池
３からの排燃料および排空気ライン１０２゜２０２は、
水蒸気分離器６に付属したボイラ１３の燃焼室１２に導
かれて燃焼され、その熱により水蒸気分離器６内の電池
冷却水を直接加熱するよう構成したものである。

このとき燃焼室１２で燃焼に利用される電池３からの排
空気は、酸素濃度が低下しているので、先の実施例の場
合と同様に燃焼室１２内に酸化促進剤として触媒を使用
することにより低い酸素過剰率で安定した燃焼を促すこ
とができる。

さらに第１図および第２図の実施例において、排燃料を
排空気で燃焼させる部分に燃焼を促進する触媒を使用す
ることにより、酸素過剰率を低く抑えることができ、空
気の追加量を減らすことが出来るので、空気供給量を減
らすことができ、空気ブロアの動力を減らすことができ
１発電設備全体の効率向上しこ寄与し、経済的になる。

また、触媒による燃焼は３００℃以上１０００℃以下の
温度で実現できるのでＮＯＩの発生を低く抑え、環境保
全上有利となる。

なお、これらの発明においては技術的背景のところで述
べたように、必ずしも大気圧に近い圧力で動作するシス
テムに限定する必要はなく、燃料ブロアおよび空気ブロ
アのかわりに、圧縮機を使用するだけで高圧力で動作す
るシステムとしてもそのまま利用できる。

〔発明の効果〕

このように本発明によれば、電池から排出される排燃料
および排空気を同一の燃焼室に導くことにより、燃焼室
内で両排ガスラインの圧力が自動的に同一になることか
ら、制御弁による面倒な制御がなくても、電池内の燃料
極および空気極間の極間差圧を電池の排燃料ラインまた
は排空気ラインの圧力損失内に自動的に抑制することが
でき、電池の電極間に不用意な力が加わることによる破
壊を防ぎ、かつ運転が容易になるという効果がある。

また排燃料を排空気の少なくとも一部とともに燃焼させ
ることにより、可燃ガスの放出がなくなるので安全性が
高まり、かつその燃焼熱を電池冷加水の加熱に利用する
ことにより、分離器内蔵ボイ２の外部燃料を減らしたり
、内蔵ヒータを不要とし、発電装置全体の効率向上とい
う効果をもたらす。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の燃料電池発電装置の一実施例を示す系
統図、第２図は本発明の他の実施例を示す系統図、第３
図は従来の燃料電池発電装置を示す系統図である。 １・・・燃料ブロア　　　　２・・・空気ブロア３・・
・電池　　　　　　　３１・・・燃料極３２・・・空気
極　　　　　　３３・・・冷却管４・・・燃料極循環ブ
ロア　５・・・空気極循環ブロア６・・水蒸気分離器　
　　７・・冷却水循環ポンプ８・・・熱交換器　　　　
　９・・・水処理装置ＩＯ・・・ボイラ　　　　　　１
１・・燃焼室１０２・・・排燃料ライン １０３・・・排燃料再循環ライン ２０２・・・排空気ライン ２０３・・排空気再循環ライン 第 図 第 図 第 図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 水素濃度の高いガスを燃料とし、空気を酸化剤として用
   い、電気化学的反応により電気と水蒸気を発生する燃料
   電池発電装置において、前記電池の燃料極から排出され
   る排燃料と前記電池の空気極から排出される排空気の少
   なくとも一部とを同一の燃焼室に導いて燃焼させ、そこ
   で発生した燃焼熱により電池冷却水を加熱するよう構成
   したことを特徴とする燃料電池発電装置。