JPH04132169A - 燃料電池発電システム - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、燃料と酸化剤を用い、これらの反応によって
発電を行う燃料電池を、複数台備えて運転する燃料電池
発電システムの構造等に関するものである。

［従来の技術］ 燃料電池は、燃料と酸化剤を用い、これらの反応によっ
て発電するものの総称であり、使用する電解質や燃料の
種類によってい（つかの種類がある。これらの中で、現
在、リン酸を電解質に使用したリン酸形燃料電池が実用
レベルにある。リン酸型燃料電池においては、一般に燃
料として原料ガスを改質した水素を使用し酸化剤には酸
素を用いているが、酸素源としては身近な空気が使用さ
れている。

このリン酸型燃料電他の従来例の系芝図は、第３図のと
おりである。この従来例は、発電部ｌと、その発電部ｌ
に供給する水素を主成分とする燃料ガスを原料ガスから
作製する改質器２Ｊ：、この改質器２を高温で作動させ
るためのバーナ３と、このバーナ３に空気を送り込むと
ともに前記発電部１内の酸化剤極１３に対し酸化剤とし
て空気を送り込むブロワ−４と、上記燃料ガスを作製す
る際に原料ガスへ混入する水蒸気を供給する水蒸気発生
装置５とを有している。

発電部１は、電解質１４を挟んで燃料極１１と酸化剤極
１３が配置されて構成されるセルが多数積層されており
、一定数のセル毎に冷却板１２が設けられるとともに、
それらの燃料極１１および酸化剤極１３には電気出力部
１５が設けられている。冷却板１２に対しては、水の補
給ライン５１から供給された水が水蒸気発生装置５と冷
却水ライン５２を通して冷却水として供給され、冷却板
１２を通過した後、一部の冷却水は水蒸気発生装置５で
水蒸気となる。その際、発電部１で集められた熱は、水
蒸気発生に必要な熱として利用される。改質器２へは、
原料ガス供給ライン２１を通して原料ガスが供給され、
この原料ガスに水蒸気発生装置５からの水蒸気が水蒸気
供給ライン５３を通して混入される。これらにより、改
質器２で原料ガス中のメタンガス等が水素ガスを主成分
とするガスに改質され、このガスが燃料供給ライン２２
を通して発電部ｌの各セルの燃料極１１に均等に送られ
る。各セルの燃料極１１からの排出ガスは、燃料ガス排
出ライン３１を通してバーナ３に燃料として供給され、
ブロワ−４からの空気でその排出ガス中の未反応の水素
が燃焼される。ブロワ−４は反応用空気の送風も兼ねて
おり、発電部１の酸化剤極１３への空気は、このブロワ
−４から空気供給ライン４１を通して供給され、反応後
の空気は空気排出ライン４２を通して排出される。

この型の燃料電池においては、燃料として使用されてい
る水素の利用率は約８０％、酸素の利用率は約５０％が
一般的に設定されており、この状態での、燃料のエネル
ギーから電気工ネルキーへの変換効率は、現状では約４
０％程度となっている。

〔発明が解決しようとする課題］ ところで、上記従来の技術における燃料電池において、
燃料エネルギーから電気エネルギーへの変換効率すなわ
ち発電効率の向上は、発電単価の低減をもたらし、総合
的なコスト低減につながるので、その効率向上は重要な
課題と言える。燃料電池は、ＮＯｘ、ＳＯｘ等の公害物
質の発生が無い、発電効率が高い、騒音が少ない、さら
に熱利用も図れるといった利点を有しているため、今後
フジェネレイシ１ンシステムを構成する際の発電源とし
て有望視されている。このようなコジェネレイシ璽ンシ
ステムを構成した場合、燃料電他の発電効率の向上は、
そのコスト削減上からも重要である。

このような効率の向上に効果のある対策としては、反応
空気中の酸素分圧を高めることがあげられる。しかし、
このような酸素濃度の高いガスを反応専用の酸化剤とし
て送入することは、上記従来例の燃料電他のように、改
質器２と発電部１に共通のブロワ−４で空気を送入する
構成ではできなかった。

上記従来例でも、酸化剤ガスの送入方法そのものだけを
変えて、バーナ３に送る空気の流路と酸化剤極１３に送
る空気の流路を別個にすれば、例えば、酸素富化装置に
より酸素濃度を高くしたガスを酸化剤極１３に送入する
ことが可能になる。

しかし、コジェネレイションシステム等を構成した時、
そのシステムが必要とする出力を単機で満足するような
燃料電池が無い場合や、燃料電池を増設する場合には、
従来例の酸化剤ガスの供給方法を上記のように改造した
ときに、各燃料電池に酸素富化装置を個別に複数台設置
する必要がある。

その場合、各燃料電池に専用の酸素富化装置を設置する
のは、設備費の増大により経済的に得策ではないという
問題がある。

本発明は、上記問題点を解決するために創案されたもの
で、複数台の燃料電池を運転する場合において、発電効
率の向上を図り、かつ運転時の動力量の低減および設備
費の低減を図ることができる燃料電池発電システムを提
供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 上記の目的を達成するための本発明の燃料電池発電シス
テムの構成は、 燃料極と酸化剤極が電解質とセパレータを介して交互に
配置された構造の発電部を有し酸素を主成分とする酸化
剤を該酸化剤極へ送入し燃料を該燃料極へ送入して発電
する燃料電池を複数台設置し、 前記複数台の燃料電池群の任意の燃料電他の酸化剤極排
出口を他の任意の燃料電他の酸化剤供給口に接続して行
き前記燃料電池群全体で酸化剤供給口と酸化剤排出口が
それぞれ１つになるような構造にするとともに、 酸素濃度を大気よりも高めた酸化剤を調製する手段を前
記燃料電池群全体の酸化剤供給口へ接続して設置し、 前記環数台の燃料電他の発電部内の酸化剤極を前記酸化
剤が直列に流れるようにしたことを特徴とする。

［作用コ 本発明は、発電部の酸化剤極への酸化剤を供給する専用
流路を持たせた燃料電池を複数台設置し、その酸化剤の
専用流路を直列に接続して、燃料電池群全体の酸化剤供
給口に大気より高酸素濃度の酸化剤を調製して供給し、
それが順次複数台の燃料電他の酸化剤極を直列に流れる
ようにして、各燃料電他の発電部内の酸素分圧を高め、
出力電圧を増加させることにより、燃料電他の効率向上
を図り、さらに、高濃度に調製した酸素の有効利用と、
その調製手段の台数低減および運転時の動力費の低減を
図る。

［実施例］ 以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する
。

第１図は本発明の一実施例の構成を示す燃料電池発電シ
ステムの系統図である。本実施例は、複数台（この例で
は２台）の燃料電池１０１，１０２群と、１台の酸素富
化装置６から成る。

上記燃料電池群の１台目の燃料電池１０１は、発電部１
と、その発電部ｌに供給する水素を主成分とする燃料ガ
スを原料ガスから作製する改質器２と、この改質器２を
高温で作動させるためのバーナ３と、このバーナ３にの
み空気を送り込むブロワ−４と、上記燃料ガスを作製す
る際に原料ガスへ混入する水蒸気を供給する水蒸気発生
装置５とを備えて構成される。

発電部１は、電解質１４を挟んで燃料極１１と酸化剤極
１３が配置されて構成されるセルが多数積層され、一定
数のセル毎に冷却板１２が設けられ、燃料極１１および
酸化剤極１３には電気出力部１５が設けられて構成され
る。冷却板１２に対しては、水の補給ライン５１から供
給された水が水蒸気発生装置５と冷却水ライン５２を通
して冷却水として供給され、その冷却板１２を通過した
後、一部の冷却水は水蒸気発生装置５で水蒸気となる。

その際、発電部１で集められた熱の一部は水蒸気発生に
必要な熱として利用される。改質器２へは、原料ガス供
給ライン２１を通して原料ガスが供給され、この原料ガ
スに水蒸気発生装置５からの水蒸気が水蒸気供給ライン
５３を通して混入される。これらにより、改質器２で原
料ガス中のメタンガス等が水素ガスを主成分とするガス
に改質され、このガスが燃料供給ライン２２を通して各
セルの燃料極１１に均等に送られる。各セルの燃料極１
１からの排出ガスは、燃料ガス排出ライン３１を通して
バーナ３に燃料として供給され、ブロワ−４から改質器
２へ送入される空気でその排出ガス中の未反応の水素が
燃焼される。上記においてブロワ−４は、改質器２への
空気の送入だけに使用される。

２台目の燃料電池１０２は、第１図で発電部１以外を図
示省略しているが、上記１台目の燃料電池１０１と同様
に構成されている。

これらの燃料電池群に対して酸化剤ガスを供給する構造
において、本実施例では、まず、１台目の燃料電池１０
１の酸化剤極１３の酸化剤ガス供給口に酸素富化装置６
を接続して、酸素ａ変を高めた空気を酸化剤ガスとして
供給する。次に、１台目の燃料電Ｉ′ｔｌ！１０１の酸
化剤極１３からの空気排出ライン４２を、冷却器７を通
して２台目の燃料電池１０２の酸化剤極１３の酸化剤ガ
ス供給口に接続して１台目の燃料電池１０１の酸化剤極
排出ガスを２台目の燃料電池１０２へ供給する。このよ
うに、本実施例では、複数台の燃料電池群の酸化剤ガス
の流路を多段に接続して、全体として酸化剤ガスの供給
口を１つとし、排出口を１つとしている。上記酸素富化
装置６としては、気体分離膜を使用し、その気体分離膜
を通して空気を動力機で吸引することにより、大気より
高酸素濃度の酸化剤ガスを調製するようにした装置など
が適用できる。

以上のように構成した実施例の動作および作用を述べる
。

本実施例は、２台の燃料電池１０１，１０２を設置し、
１台目の燃料電池１０１には、酸素富化装置６で酸素濃
度を高めた空気を酸化剤ガスとして供給し、１台目の燃
料電池１０１を通過して温度が高くなりかつ水蒸気を含
んだ反応終了後の酸化剤極排出ガスを、冷却器７を通し
て冷却するとともに余分な水蒸気を除去し、２台目の燃
料電池１０２へ反応用の酸化剤ガスとして送り込んで、
これらの複数台の燃料電池１０１，１０２群を運転する
。これによって、燃料電池１０１，１０２の発電出力を
高め、酸素富化装置６を全体として１個で済むようにし
て設備費を低減させるとともに、酸化剤ガス中の高濃度
酸素の有効利用を図れるようにする。

第２図（ａ）、（ｂ）は、本実施例の作用説明図であり
、（ａ）は、１台の燃料電池に酸素濃度５０％のガスを
供給し、酸素利用率を２０％に設定した場合の酸化剤極
の入口（供給口）、出口（排出口）の酸素濃度の分布状
態を示し、（ｂ）は、本実施例の燃料電池を２台接続し
た運転において、全体としての酸化剤ガス供給口に酸素
濃度５０％のガスを供給し、各燃料電他の酸素利用率を
２０％とした場合の酸素濃度の分布状態を示している。

各図の中の数字は供給時における酸化剤ガス中の各成分
（Ｎ、は支索、０．は酸素、Ｈ，Ｏは水蒸気）の濃１ｍ
（入口を基準にした値）を示し、Ｐ　ａｔは酸素の分圧
を表している（ただし、ここでの濃度計算では入口のガ
スは乾ガスとしている）。

始めに、酸素濃度の高いガスを酸化剤極１３に送入した
時の、発電部ｌの単セルの発電電圧の上昇について第２
図（ａ）に基づいて説明する。この場合の発電部ｌのセ
ル１組当りの発電電圧の上昇値は、下記の式によって表
わされる。酸化剤ガス中の酸素濃度を高めると、例えば
、酸素分圧がＰ、からＰ、に上昇するので、単セルの発
電電圧の上昇値は経験上分圧によって表わされる。

放向の平均酸素分圧はＯ，’１５３気圧（Ｐ、）となる
。一方、入口の酸素濃度を５０％、利用率を２０％とし
た場合、出口の酸素量は入口換算で４０％、濃度分圧は
０．３６３気圧となり、酸化剤極板内の平均酸素分圧は
０．４３気圧となる（第２図（ａ））。従って、酸素濃
度を高めたことによる単位セル当たりの電圧上昇値と電
圧上昇率は、以下のように求められる。なお、通常使用
する運転状態における、リン酸形燃料電他のセル１組あ
たりの電圧は、概ね０．６５Ｖであり、以下ではこの値
を用いている。

電圧上昇値（セル１組あたり） この式（１）に基づいて、酸素濃度５０％の酸化剤ガス
を供給した時の電圧上昇率を計算する。

まず、大気をそのまま使用し酸素の利用率を５０％とし
た場合、出口の酸素量は入口換算で１０゜５％で、出口
における酸素分圧は生成水蒸気の分圧を考慮すると０゜
０９５気圧となり、酸化剤極このように、酸素濃度を高
めると、入口と出口間の平均酸素分圧は高（なり、燃料
電他の出力を高めることができる。

次に、２台の燃料電池を設置して運転する本実施例の場
合の、各燃料電池１０１．１０２の発電電圧の上昇につ
いて第２図（ｂ）に基ついて説明すると、上昇値は次の
とおりなる。例えば、酸素濃度５０％の酸化剤ガスを供
給した場合、１台目と２台目の燃料電池１０１，１０２
の酸化剤極１３の入口（供給口）から出口（排出口）へ
の酸素濃度は、第２図（ｂ）に示すようになる。ここで
の濃度は、全て１台目の燃料電池１０１への入口換算値
で示す。また、酸素の利用率は３０％としている。まず
。１台目の燃料電池１０１の酸化剤極１３の極板群を通
過した後の酸素量は３５％となり、この時の酸素分圧は
０．３気圧となっている。従って、その１台目の酸化剤
極板内の平均酸素分圧は０．４気圧となる。次に、この
ガスを２台目の燃料電池１０２の酸化剤極１３の極板群
に送ると、出口での酸素量は２４．５％と通常の大気に
近い濃度にまで低下させることができる。この時の２台
目の酸化剤極１３の出口における酸素分圧は０．１９５
気圧となり、その２台目の酸化剤極板内の平均酸素分圧
は平均酸素分圧０．２４７気圧となる。この状態におけ
るセル１総当たりの電圧上昇値を、（１）式によって計
算すると次のとおりである。

条件・酸素濃度５０％（酸素利用率　３０％）１台目（
セル１組あたり） ２台目（セル１組あたり） 従って、この状態における発電部１全体の電圧上昇率は
、以下のとおりである。

１台目（セル１組あたり） ２台目（セル１組あたり） 電圧上昇率　　０・０２１４＋　０・６５ｏ、ａｓ　　
　＝１．０３３倍 電圧上昇の割合は、１台目の燃料電池１０１では、従来
例の燃料電池を改造して酸素濃度５０％のガスを使用し
て酸素利用率を２０％とした場合に比べ、１０％程度小
さくなる。しかし、２台目の燃料電池１０２は、専用の
酸素富化装置を設ける必要が無く、１台目の燃料電池１
０１からの酸化剤極排出ガスを使用するだけで１台目の
ｌ／２の出力向上を図ることが出来る。また、ここでは
酸素利用率を３０％に上げることによって、燃料電池に
送る酸化剤ガスの流量は、酸素利用率が２０％だった時
に比ベロア％に低減させることができ、酸素富化装置の
小形化や運転費の大幅な削減を図ることができる。また
、酸素利用率は、発電電流に依存しているので発電電流
の調整によっである程度のコトロールは可能である。従
って、１台目の燃料電池１０１の発電電流を減少させれ
ば酸素利用率は低下し、１台目の燃料電池ｌｏｔでの平
均酸素分圧を高めることができ、２台目の燃料電池１０
２に比較的酸素濃度の高い酸化剤ガスを流すことが出来
る。さらに、発電部１の出力電圧が高くなると、一定の
出力電力を得る場合の発電電流は小さくても済むように
なる。燃料電他の発電電流と使用する燃料の使用量の関
係をみると、電流が大きくなるにつれて燃料使用量が増
す。従って、出力電圧が高くなることによって、付随的
に燃料の使用量も減少し、燃料電他の運転経費も低減さ
せることができる。

なお、上記実施例において、冷却器７は、１台目の燃料
電池１０１と２台目の燃料電池１０２とを結ぶ空気排出
ライン４２が比較的長いことなどにより、その中を通る
燃料電池１０１の酸化剤極排出ガスを十分冷却し、冷却
手段としての機能を果す場合には、省略可能である。ま
た、上記実施例における高濃度の酸素を含んだ酸化剤ガ
スを調製する手段として気体分離膜方式等の酸素富化装
置を使用することを例に述べたが、小形の燃料電池にお
いては、例えば酸素ボンベ等を用いて、このような酸素
剤ガスを得ることも可能であり、高酸素濃度の酸化剤ガ
スの調製手段は特に限定するものではない。このように
、本発明はその主旨に沿って種々に応用され、種々の実
施態様を取り得るものである。

［発明の効果コ 以上の説明で明らかなように、本発明の燃料電池発電シ
ステムによれば、任意の１台目の燃料電池を、酸素富化
装置等の酸化剤ガス調整手段によって通常の大気よりも
酸素ａ度の高いガスを調整し、燃料電他の酸化剤供給方
式としてはこの酸化剤ガスが発電部の酸化剤極に送入出
来る構造とし、任意の１合口の燃料電池に通常の大気よ
りも酸素濃度の高いガスを供給し、反応後の酸化剤極排
出ガスを２台目以降の燃料電池に多段に供給することが
出来る。これによって、各燃料電他の発電部内での酸素
の平均分圧が高（なって大きな出力電圧が得られ、燃料
電他の発電効率を高めることができる。この際、酸化剤
ガスの供給を多段としているので、総合的には出口にお
ける酸素の利用率は高くなり、高濃度の酸素を有効に利
用することができる。これらの結果、燃料の使用量も減
少し、燃料電他の運転経費そのものも低減させることが
できる。さらに、各燃料電池毎に専用の酸素富化装置を
設置しなくとも済むので設備費も高くならず、大きな経
済的利点を得ることが出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の構成を示す燃料電池発電シ
ステムの系統図、第２図（ａ）、（ｂ）は上記実施例の
作用説明図、第３図は従来例の燃料電他の系統図である
。 １・・・発電部、６・・・酸素富化装置、７・・・冷却
器、１１・・・燃料極、１３・・・酸化剤極、１４・・
・電解質、４２・・・空気排出ライン。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）燃料極と酸化剤極が電解質とセパレータを介して
   交互に配置された構造の発電部を有し酸素を主成分とす
   る酸化剤を該酸化剤極へ送入し燃料を該燃料極へ送入し
   て発電する燃料電池を複数台設置し、 前記複数台の燃料電池群の任意の燃料電池の酸化剤極排
   出口を他の任意の燃料電池の酸化剤供給口に接続して行
   き前記燃料電池群全体で酸化剤供給口と酸化剤極排出口
   がそれぞれ１つになるような構造にするとともに、 酸素濃度を大気よりも高めた酸化剤を調製する手段を前
   記燃料電池群全体の酸化剤供給口へ接続して設置し、 前記複数台の燃料電池の発電部内の酸化剤極を前記酸化
   剤が直列に流れるようにしたことを特徴とする燃料電池
   発電システム。
2. （２）任意の燃料電池の酸化剤極排出口を他の任意の酸
   化剤供給口に接続して行く際に、その間に冷却手段を介
   在させることを特徴とする燃料電池発電システム。