JPH0367305B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の属する技術分野〕 本発明は酸化性の反応ガスとして大気から取り
入れる空気を用い、かつ該空気を圧縮して燃料電
池に供給し、燃料電池がこれにより大気圧より高
められた作動圧力下で運転される燃料電池発電装
置に関する。

〔従来技術とその問題点〕

大気から取り入れた空気を、いわゆる酸化ガス
として用いることは燃料電池の経済性を増す上で
重要であり、従来純酸素を酸化ガスとして用いて
来た燃料電池においても空気を酸化ガスとして用
いることが種々試みられている。しかし、空気中
の酸素分は全体の21％に過ぎず残余が主に窒素で
あつて不活性であるために、燃料電池のガス拡散
性で、かつ触媒を含む空気側電極の活性が大でな
いと、電池の起電力が低くなりエネルギ変換効率
も低下することになる。近年、活性の高い空気電
極が得られるようにはなつて来たが、純酸素電極
に比べて性能は当然低く、かつ活性を増すために
触媒量を多くするなどの手段を講じれば空気電極
のコストが高くなる問題点が生じる。このため空
気電極自体の活性ないし性能を向上させる努力に
並行して他の手段によつて発電装置全体の効率と
性能を向上させる試みが種々なされている。

かかる手段の内で燃料電池内の反応ガスの圧力
を上げる試みがかなり有望である。燃料電池の運
転圧力を上げるためには、今問題の空気の圧力を
単独に上げるわけにはいかず、これに相応して燃
料ガス側の圧力を上げる必要があるが、この方は
天然ガスを変成して燃料ガスとして水素を発生さ
せる場合は、幸いこの変成器から出る水素ガスが
既にかなりの圧力をもつているので好都合であ
る。もつとも、空気側の方は圧力を上げるために
圧縮機動力が必要になり、発電装置全体としての
エネルギ変換効率を下げる要因にはなるが、昇圧
による燃料電池の変換効率の上昇がこれを上回わ
るようにすることが可能である。

このように構成された従来の燃料電池発電装置
の系統例を第１図に示す。図示のように系統は燃
料電池１０、燃料改質器２０および空気圧縮ユニ
ツト３０を含む。燃料電池１０は模式的に示され
ており、電池内には燃料ガス室１１、空気室１２
および電解液室１３が燃料電極１４、空気電極１
５を境にして図示のように画成されている。燃料
改質器２０は天然ガス等の原料ガスＦと変成用の
水蒸気Ｓとを受け入れ、高温の改質用触媒が納め
られているガス改質室２１内で原料ガスＦを燃料
電池に適した改質ガスFC、例えば水素に変成し
て燃料電池１０に燃料ガスとして供給する。燃料
電池１０はこの燃料ガス大部分ないしは相当部分
を消費して発電作用を行なうが、電池内で消費さ
れなかつた燃料ガスFC1は燃料改質器２０に送ら
れ、そのバーナ部２２で同様に酸素の一部が消費
された燃料電池１０から排出される空気AC1によ
つて燃焼され、ガス改質室２１を燃料ガスの改質
に必要な所定の温度に加熱する。この燃料改質器
２０から排出される燃焼後の排ガスＥはなお相当
な温度と圧力とを有しているので、空気圧縮ユニ
ツト３０に送られてそのガスタービン３１の駆動
用に利用される。空気圧縮機３２は、このガスタ
ービン３１によつて駆動され、大気としての空気
Ａ０を吸入して高圧の圧縮空気Ａ０を燃料電池１
０に供給する。

以上のような従来からの燃料電池発電装置は、
燃料電池からの排出ガスを燃料改質のために有効
に利用し、かつ燃料改質器からの排ガスを燃料電
池用の酸化ガスとしての空気の圧縮に利用して装
置の総合効率を高めるよう構成されている点で、
また前述のように電池を大気圧よりも高められた
圧力条件で運転して燃料電池の発電効率を高めて
いる点で、極めて合理的なシステムではあるが、
前述のように空気側の電極の性能がまだ十分とは
いえず、空気電極側の運転条件の改善によつて一
層の変換効率の向上をはかることが重要な課題と
されてきた。とくに電池の運転圧力を上げる点で
は、空気の圧縮に要するエネルギが当然必要であ
つて、現在の廃ガスタービンおよびコンプレツサ
の性能レベルではより一層の運転圧力の上昇はむ
しろ総合効率の低下をまねく結果になり、かかる
手段も限界に来つつあるのが現状である。

〔発明の目的〕

本発明は叙上のような技術の現状に鑑み、空気
電極側の運転性能を向上して、燃料電池発電装置
の総合効率をより一層改善することを目的とす
る。

〔発明の要点〕

本発明は、燃料電池の空気電極に供給する空気
中の酸素の濃度を大気中の空気の酸素濃度より上
げることにより空気電極側の運転性能を上げて上
述の目的を達成するため、酸素交換器を設けて大
気から取り入れた第１の空気と燃料電池内で酸素
が部分的に消費された第２の空気との間で酸素の
交換を行なわせるようにし、該酸素交換器を第２
の空気中の酸素の分圧が第１の空気中の酸素の分
圧よりも高い条件で運転することにより、第２の
空気により第１の空気を酸素富化して大気中の空
気よりも酸素濃度の高い該第１の空気を燃料電池
の空気電極側に供給することを要旨とする。

かかる本発明の構成において、第２の空気は燃
料電池により含有酸素の相当な部分、ふつうは50
％程度がすでに消費されているので、その酸素濃
度は大気から吸入される第１の空気の酸素濃度よ
りも当然低い。しかし、幸いなことに燃料電池は
大気圧よりも高い圧力条件で運転されており、圧
縮された高圧の空気が供給されているので、電池
から排出される空気は燃料電池の運転圧力と大差
ない高圧状態を保つており、たとえ酸素の50％が
消費されていても圧力が２気圧（絶対値）以上あ
ればその中の酸素分圧は大気中の空気の酸素分圧
よりも高い。本発明はこの条件を利用して第１の
空気と第２の空気との間の酸素交換を行なわせ、
第２の空気の酸素富化を実現するものである。通
常かかる酸素富化には酸素を与える側のガスを圧
縮して高圧状態にするためのエネルギ消費が必要
になる問題点があるが、本発明の場合は燃料電池
の効率向上のために第２の空気はすでに圧縮され
て高圧状態にあり、このため酸素富化のためにわ
ざわざ空気を圧縮する必要がないという点も有利
である。

本発明における酸素交換器としては、有機化合
物の薄膜のもつガス選択性を利用するのが有利で
ある。近時かかるガス選択性を有する薄膜用の材
料やその薄膜化技術が急速に進歩しつつあり、実
用化もかなり進んで来ている。かかる薄膜を用い
れば、酸素交換のために第１の空気と第２の空気
との間に必要な圧力差は１気圧もあれば十分なこ
とが多い。最近における燃料電池は５気圧程度の
運転圧力をもつことが多いので、気圧の点からも
大気圧の取り込み空気を酸素富化させる上で十分
であり、あるいはもう少し高圧の取り込み空気と
酸素交換を行なわせて酸素交換器の小形化をはか
ることも可能である。

〔発明の実施例〕

以下図面を参照しながら本発明の実施例を詳細
に説明する。第２図は本発明を実施した燃料電池
発電装置の要部の系統図であつて、第１図と同じ
部分には同じ符号が付されている。第１図の従来
装置と異なるところは、酸素交換器４０が設けら
れた点であつて、該交換器４０には第１の空気と
して大気から取り入れられる取り込み空気Ａ０が
導入される第１の空気室４１と、燃料電池１０か
ら排出される高圧の空気Ａ３が導入される第２の
空気室４２が設けられており、両室は図では模式
的に示された酸素富化膜４３によつて隔てられて
いる。前述の取り込み空気Ａ０は第１の空気室４
１で酸素富化された空気Ａ１となり、さらに圧縮
機３２により圧縮されて、例えば５気圧程度の高
圧の供給空気Ａ２となり、燃料電池１０の空気室
１２に供給される。該供給空気Ａ２は燃料電池１
０内でその中の酸素の例えば50％程度が消費され
た後排出空気Ａ３となり、酸素交換器４０の第２
の空気室４２に入り、その高い酸素分圧の若干を
失いながら前述の取り込み空気Ａ０を酸素富化さ
せた後、排空気Ａ４となつて酸素交換器４０を出
て、燃料改質器２０のバーナ室２２に燃料用空気
として供給される。なお、容易にわかるように排
空気Ａ４はその酸素分圧が酸素交換器中で取り込
み空気Ａ０中の酸素分圧よりも高いので、まだ燃
焼用空気として十分な程度の酸素濃度を有してい
る。また、第２図には原料ガスＦ中の硫黄分を除
去する脱硫装置２３と改質ガスFC中の一酸化炭
素分を処理する一酸化炭素処理器２４が示されて
いるが、系統内での熱回収装置類ほかは説明の簡
略化のため省略されていることを了解されたい。

第３図は本発明装置に用いられる酸素交換器40
の具体構造例であつて、前述の酸化富化膜４３を
もつ複数本の管状の酸素交換ユニツト４４が互い
にフランジ結合された胴４５とその両端を覆う蓋
体４６，４７とからなる密封ケース内に、その両
端部に気密結合された１対の鏡板４８，４８を介
して支持されて収納されている。該酸素交換ユニ
ツトは、第４図に示すように多孔板で構成された
心管５０のまわりに透気性材料５１例えば金網や
不織布、酸化富化膜４３を支持する同様に透気性
の支持層５２が順次配された構成をもつており、
前記心管５０の両端が前記鏡板４８に気密に溶接
ないし接合される。なお、第３図に示された構成
例では、酸素交換ユニツトの外側が高圧側の第２
の空気室４２になつており、燃料電池からの排出
空気Ａ３は胴４５に設けられた入口管４５ａを経
て該第２の空気室に導入され出口管４５ｂを経て
排空気Ａ４ないし燃焼用空気として導出される。
一方、第１の空気室４１は酸素交換ユニツト４４
と鏡板４８とによつて第２の空気室４２から気密
に隔離されており、取り込み空気Ａ０は蓋体４６
に設けられた入口管４６ａからこの第１の空気室
４１に導入され、酸素交換ユニツト４４の心管５
０の内孔を流れながら酸素富化され、蓋体４７に
設けられた出口管４７ａから酸素富化された空気
Ａ１となつて導出される。なお、酸素富化膜４３
は前述のように有機化合物から構成されることが
多く、運転温度が180度Ｃ程度の燃料電池から排
出される比較的高温状態のままで排出空気Ａ３を
酸素交換器４０に導入すると酸素富化膜４３が劣
化ないし損傷を受けるおそれがあるが、もちろん
必要な所定温度以下に冷却された後酸素交換器４
０に導入される。この排出空気Ａ３は燃料電池１
０に対しては電池内で発生した反応生成水を蒸気
の形で除去する役目をももつており、従つて大量
の蒸気を含有した状態で電池から排出される。か
かる多量の蒸気を含んだ排出空気は、そのままで
はもちろん燃焼用空気として不向きであり、かつ
潜熱の形で排出空気中に含まれる熱量を回収する
必要があるので、ふつうは水冷の熱交換器により
冷却されてその水蒸気分が凝縮される。従つて酸
素交換器４０には排出空気Ａ３をこのように冷却
され、かつ水蒸気を取除かれた後に導入すればな
んら問題はなく、過剰な水分によつて酸素富化膜
が悪影響をこうむるおそれもない。

本発明装置に用いられる酸素交換器の酸素富化
膜として有利な有機化合物の膜は、いわばモレキ
ユラーシーブの性能をもつもので、かなり高性能
のものが数年前から米国のGE社ほかで開発、製
品化されており、最も実績の多いシリコーンとカ
ーボネートの共重合体材料を用いたものでも、１
回の空気透過により空気中の酸素濃度を大気中の
空気のほぼ２倍の40％程度に高める性能をもつて
いる。この種材料のほかに、近年にいたつてポリ
オレフイン系材料、含ふつ素シリコーン材料、ポ
リふつ化ビニリデン材料、ポリ塩化ビニール材料
のあるものなど数多くの材料が有望なことが知ら
れており、とくに最近では面積当たりの酸素透過
量の大きなものが得られている。材料により酸素
透過係数や分離係数が異なるが、いずれも１気圧
程度までの圧力差の条件でほぼ１段の透過によ
り、本発明に必要な程度の酸素富化が可能な性能
を有する。しかし、かかる酸素富化膜はふつう１
ミクロンないしそれ以下の薄膜であつて、透気性
ないしは多孔性の支持膜により強度を持たせてや
る必要があり、かつ第４図に示したように薄い酸
素富化膜４３から支持層５２の方向に酸素を選択
的に透過させてやるのがふつうである。

最後に、本発明により酸素交換器を設けた場合
の利点について述べる。燃料電池への供給空気中
の酸素濃度が高まることによつて、電池の起動力
が上昇し、従つて電池の発電効率が向上するが、
公知のように酸素分圧の起電力に及ぼす影響は、 ΔV＝0.13×log₁₀（Ｐ／P0） であることが知られている。ただし、Ｐは酸素富
化されたときの電池内空気中の平均酸素分圧、
P0は酸素富化されないときの電池内の平均酸素
分圧、ΔVは酸素富化による起電力上昇値（単位
ボルト）である。燃料ガスに水素を用いたときの
燃料電池の理論起電力（効率100％）は1.48ボル
トであるから、ΔVを1.48で除算すれば、酸素富
化による燃料電池の発電効率の上昇分が計算でき
る。

さて、燃料電池発電装置の酸素利用率αはふつ
う50％程度であり（α＝0.5）、酸素交換器により
交換できる酸素量ｆは、 ｆ＝ｋ・（p3−p0）・q3 で表わせる。ただし、ｋは酸素透過率、ｐ３は第
２図に示した燃料電池から排出される空気Ａ３の
圧力、ｐ０は大気から取り入れられる空気の圧力
（＝１気圧）、ｑ３は前述の空気Ａ３中の酸素量で
ある。この内、空気Ａ３の圧力はふつう５気圧程
度、すなわち酸素交換器内の差圧は４気圧あるか
ら、現在入手可能な酸素交換膜を用いた場合に前
式を簡単化のためｆ＝βq3とおいて、β＝0.5程度
にとることは実用上困難でない。

つぎに発電装置内の酸素の物質収支を表わす算
式をたてると、第２図の空気Ａ０〜Ａ４中の酸素
量をそれぞれｑ０〜ｑ４とし、電池内の酸素消費
量をｑとすると、 ｑ＝αq0，q1＝q0＋ｆ，q2＝q1，q3＝q2−
ｑ，q4＝q3−ｆ であるから、上述のｆ＝βq3をこれに入れて整理
すると、 q0＝ｑ／α，q1＝（１−αβ）／α（１−β）・ｑ，q3
＝（１−α）／α（１−β）・ｑ，q4＝（１−α）／
α・ｑ となる。一方、空気Ａ０〜Ａ４中の窒素の量qn
は不変であり、取り入れ空気についてqo／qn＝
0.21／0.79であるから、これからqnを求めること
ができ、これを用いて各空気Ａ０〜Ａ４中の酸素
濃度Ｃ０〜Ｃ４（C0＝0.21）を計算し、酸素交換
器に関係する空気Ａ１，Ａ３の酸素濃度を出す
と、前述のようにβ＝0.5のとき、 C1＝0.28，C3＝0.21 となる。

上述の空気Ａ１中の酸素濃度Ｃ１は燃料電池の
入口空気Ａ２の酸素濃度Ｃ２と等しく、また空気
Ａ３の酸素濃度Ｃ３は燃料電池の出口空気濃度に
ほかならないから、燃料電池内の酸素の平均分圧
は（C1＋C3）／２に比例する。一方酸素交換器
をつけないときについては、燃料電池の入口空気
の酸素濃度はＣ０で、出口空気の酸素濃度は（１
−α）Ｃ０であるから、平均分圧がこれから計算
でき、前述のΔVを求める式について、 Ｐ∝（C1＋C3）／２：P0∝C0・（２−α）／２ が成立する。これにC0＝0.21、C1＝0.28、C3＝
0.21を入れると、 ΔV＝0.034ボルト となり、これを理論値1.48ボルトで除して、酸素
富化による効率上昇は約2.3％となる。ふつう燃
料電池のエネルギ変換効率は40％であるから、こ
れを42％程度に向上させうることがわかる。

〔発明の効果〕

以上説明のとおり、本発明によれば、高圧の空
気を酸化ガスとして用いる燃料電池発電装置に対
して、燃料電池内で部分的に酸素を消費されたい
わば使用ずみの空気の圧力を利用して大気から取
り込んだ空気を酸素富化して燃料電池に供給する
ようにしたので、供給空気中の酸素濃度の上昇に
相応して燃料電池の出力電圧の上昇を、従つてそ
のエネルギ交換効率の改善をすることができる。
また、この効率の上昇に要する運転経費の上昇は
ほとんどない。理論的には電池に供給する空気中
の酸素濃度を増加させた分に対応して圧縮機で圧
縮すべき空気量が数％程上昇することにはなる
が、酸素交換器の利用により酸素の見掛け上の利
用率が高まるので、この上昇分もほぼ相殺されて
しまう。また本発明の実施のために付加すべき酸
素交換器は完全な静止器械であつて、酸素富化膜
の寿命の点にまだ若干未知の数の点があるのにし
ても、特別な保守は不要で運転経費も掛からな
い。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の燃料電池発電装置の要部の系統
図、第２図以降は本発明の実施例を示すもので、
第２図は本発明による燃料電池発電装置の要部の
系統図、第３図は本発明装置に用いられる酸素交
換器の構成例を示す断面図、第４図は該酸素交換
器内の酸素交換ユニツトの一部を断面で示す斜視
図である。図において、 １０……燃料電池、３２……酸化性反応ガスと
しての空気を圧縮する空気圧縮機、４０……酸素
交換器、４３……酸素富化膜、４４……酸素交換
ユニツト、Ａ０……第１の空気、Ａ３……第２の
空気、である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 大気から取り入れた第１の空気を圧縮して酸
   化性の反応ガスとして用いる大気圧より高められ
   た作動圧力下で運転される燃料電池発電装置であ
   つて、燃料電池内では前記第１の空気中の酸素が
   部分的に消費されるようにしたものにおいて、該
   燃料電池内で部分的に酸素が消費された第２の空
   気中の残存酸素と前記第１の空気中の酸素とを交
   換する酸素交換器を設け、該酸素交換器は第２の
   空気中の酸素分圧が第１の空気中の酸素分圧より
   も高い条件下で運転して第２の空気により第１の
   空気中の酸素を富化するものであることを特徴と
   する燃料電池発電装置。 ２ 特許請求の範囲第１項記載の発電装置におい
   て、酸素交換器は酸素富化膜により第１の空気中
   の酸素と第２の空気中の酸素とを交換するもので
   あることを特徴とする燃料電池発電装置。 ３ 特許請求の範囲第１項記載の発電装置におい
   て、酸素交換器において第２の空気と酸素が交換
   される第１の空気が圧縮前の大気圧下の第１の空
   気であることを特徴とする燃料電池発電装置。