JPH04206157A - 燃料電池による発電システム - 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、排熱エネルギを効率良く回収するようにした
燃料電池による発電システムに関し、特に比較的低温で
作動する固体高分子電解質膜燃料電池を用いた発電シス
テムに応用して好適なものである。

〈従来の技術〉 金属等の還元ガスとして有効な水素は、燃料電池用の反
応ガスとしても利用できることは周知の通りである。こ
の燃料電池は、資源の枯渇問題を有する化石燃料を使う
必要がない上、騒音をほとんど発生せず、エネルギの回
収効率も他のエネルギ機関と較べて非常に高くてきる等
の優れた特徴を持っているため、例えばビルディング単
位や工場単位の比較的小型の発電プラントとして利用さ
れている。

近年、この燃料電池を車載用の内燃機関に代えて作動す
るモータの電源として利用し、このモータにより車両等
を駆動することが考えられている。この場合に重要なこ
とは、反応によって生成する物質等をできるたけ再利用
することは当然のこととして、車載用であることからも
明らかなように、余り大きな出力は必要でないものの、
全ての付帯設備と共に可能な限り小型であることが望ま
しく、このような点から固体高分子電解質膜燃料電池が
注目されている。

かかる固体高分子電解質膜燃料電池は、固体高分子電解
質膜の両側に触媒を含むガス拡散電極を接合したもので
あり、メタノールと水等で構成される水素原料を改質し
て得られる改質ガスを反応ガスとしてガス拡散電極の陽
極（以下、これを水素極と呼称する）側に供給して発電
する形式が取られる。

このような固体高分子電解質膜燃料電池による従来の発
電システムの概念を表す第３図に示すように、改質装置
１０１と原料タンク１０２とは原料供給管１０３を介し
て連結され、原料タンク１０２内の水素原料が改質装置
１０１に供給されるようになっている。又、改質装置１
０１と燃料電池本体１０４に形成された水素極１０５と
は、改質ガス供給管１０６及び燃料供給管１０７を介し
て連結されており、改質装置１０１にて水素原料の加熱
に伴う改質反応により生成する改質ガスが、改質ガス供
給管１０６から燃料電池本体１０４の水素極１０５に供
給され、これにより水素極１０５と燃料電池本体１０４
の酸素極１０８との間に電圧が発生して発電するように
なっている。そして、水素極１０５に供給された余剰の
改質ガスは、燃料供給管１０７により改質装置１０１に
送られ、これが燃焼することによって水素原料を加熱す
る。

なお、水素極１０５から改質装置１０１に送られて燃焼
した燃焼排ガスは、この改質装置１０１に組付けられた
排気管１０９を介して外部に排出される。

更に、前記燃料電池本体１０４と冷却水タンク１１０と
は、冷却水通路１１１を介して接続されており、これに
より水素極１０５及び図示しない固体高分子電解質膜を
間に挟んでこの水素極１０５と対向する酸素極１０８が
冷却されて発電効率が高められるようになっている。

〈発明が解決しようとする課題〉 第３図に示す固体高分子電解質膜燃料電池による従来の
発電システムでは、改質装置１０１で生成した改質ガス
供給管１０６内の改質ガスや排気管１０９内の燃焼排ガ
ス或いは熱交換後の冷却水通路１１１内を流れる冷却水
がそれぞれ熱エネルギを持っているものの、エネルギ量
としては余り大きなものではなく、従って従来の大型の
発電システムではこれを回収するようなことは殆ど考え
られていなかった。

ところが、固体高分子電解質膜燃料電池を用いた発電シ
ステムを１０キロワット程度の小型のものにまとめるこ
とを前提とすると、例えば改質ガスは毎時２５００キロ
力ロリー前後。

燃焼排ガスは毎時５０００キロ力ロリー前後、冷却水は
毎時８６００キロ力ロリー前後の熱量をそれぞれ保有し
ており、このような排熱エネルギを僅かなりとも捨てて
しまうことは、小型の発電システムては何かと問題があ
る。

く問題点を解決するための手段〉 本発明による燃料電池による発電システムは、水素原料
とこの水素原料を加熱するための燃焼ガスが供給され且
つ当該水素原料の加熱に伴う改質反応により該水素原料
から水素ガスを含む改質ガスを生成させる改質装置と、
この改質装置で生成した改質ガスが供給される水素極を
有する燃料電池と、この燃料電池を冷却する冷却水が流
れる冷却水通路と、前記水素原料を加熱した後の燃焼排
ガスを前記改質装置から導き出す排ガス通路とを有する
発電システムにおいて、前記改質装置と前記燃料電池と
の間の改質ガス通路の途中に設けられてこれら改質装置
から燃料電池へと流れる前記改質ガスにより作動する第
一の動力源と、この第一の動力源に接続するエネルギ回
収装置と、このエネルギ回収装置に接続する第二の動力
源と、この第二の動力源を回転させる作動流体が流れる
作動流体通路と、この作動流体通路と前記冷却水通路及
び排ガス通路とに跨がって設けられ且つ前記冷却水と前
記燃焼排ガスとで前記作動流体を加熱するための熱交換
器とを具えたものである。

〈作用〉 改質装置にて生成した改質ガスは改質ガス通路を通って
燃料電池本体へと送られる。この時、燃料電池本体へと
流れる改質ガスの主としてエンタルピーにより第一の動
力源が駆動され、改質ガスが保有するエネルギをエネル
ギ回収装置によって回収する。

一方、水素原料を加熱した燃焼排ガス及び燃料電池本体
を冷却することによって昇温した冷却水は熱交換器を介
して作動流体にそれぞれ熱を与え、これを気化させる。

そして、この気化した作動流体が第二の動力源を通過す
る際、この作動流体の主としてエンタルピーにより第一
の動力源が駆動され、燃焼排ガス及び冷却水が保有する
熱エネルギをエネルギ回収装置によって回収する。

〈実施例〉 本発明を固体高分子電解質膜燃料電池（以下、単に燃料
電池と呼称する）を用いた発電システムに応用した一実
施例の概念を表す第１図及びその改質装置の部分の断面
構造を表す第２図に示すように、改質装＃１１の筋状を
なす燃焼筒１２の一端側には、後述する空気とメタノー
ルとからなる始動用の燃焼ガス或いは空気と燃料電池本
体１３がらの未反応ガスとからなる定常運転時の燃焼ガ
スを燃焼させるための燃焼室１・１が形成されており、
この燃焼室１４内には燃焼ガスの燃焼を促進させるため
の燃焼触媒】５が保持されている。

先端側が燃焼室１４に臨む燃焼ノズル１６を中央部に貫
通状態で固定した端板１７は、この燃焼筒１２の一端に
接合されており、前記燃焼ノズル１６の先端部には逆火
防止機能を有する燃料分散器１８が装着されている。

そして、この燃料分散器１８から燃焼室１４内に供給さ
れる燃焼ガスは、燃焼触媒１５により着火燃焼して４０
０℃〜１２００’Ｃ程度の温度となる。又、この燃焼ノ
ズル１６には燃料供給管１９を介してメタノールタンク
２ｏが連結されている。そして、この燃料供給管１９の
途中には、燃料電池の始動時に前記メタノールタンク２
０内のメタノールを燃焼ノズル１６側へ圧送する図示し
ない始動用燃料供給ポンプと、この始動用燃料供給ポン
プがら供給されるメタノールを蒸発気化させて燃焼ノズ
ル１６へ送り込むための図示しないメタノール気化器と
を具えた始動装置２１が設けられている。

この始動装置２１と燃焼ノズル１６との間の燃料供給管
１９の途中には、一端側が空気を燃焼室１４側に送り込
むためのブロワ２２に接続する燃焼用空気供給管２３の
他端部が連結されている。前記ブロワ２２には、電源で
ある蓄電池２４から電気を供給されるブロワ駆動モータ
２５が連結され、このブロワ駆動モータ２５を作動させ
ることによって、燃焼用の空気が前記燃焼ガスの一部と
して燃焼用空気供給管２３から燃料供給管１９及び燃焼
ノズル１６を介し、燃焼室１４に送り込まれるようにな
っているっ 前記燃焼筒１２の内周面には、耐熱れんが等で構成した
断熱層２６が形成されて燃焼室１４内を保温し、燃焼筒
１２の外周面からの熱放散を防止している。これにより
、燃焼室１４内が充分高温となった場合には、燃焼触媒
１５の作用と相俟って後述する燃料電池本体１３からの
未反応ガスと空気とを供給するだけで燃焼室１４内を充
分高温に保つことができるので、始動装置２１の運転を
停止し、メタノールの供給は行わないようになっている
。

前記燃焼筒１２の周囲には、熱交換筒２７がこの燃焼筒
１２の外周面と隙間を隔てて同心状に配置されている。

これら燃焼部１２と熱交換筒２７との隙間の他端側は、
燃焼筒１２の他端部に刻設した切欠通路２８を介して燃
焼室１４内に連通し、この隙間の一端側には燃焼室１４
内で燃焼した燃焼排ガスを外部に導（排気管２９が接続
している。

前記燃焼筒１２と熱交換筒２７との隙間には、水素原料
予熱管３０が螺旋状に配管されている。そして、この水
素原料予熱管３０の一端側か熱交換筒２７を貫通し、水
素原料供給管３１を介して前記メタノールタンク２０に
接続する一方、当該水素原料予熱管３０の他端側か燃焼
室１４の内周面に沿って螺旋状に配管された水素原料加
熱管３２の一端側に連結されている。前記改質装置１１
とメタノールタンク２０との間の水素原料供給管３１の
途中には、原料ポンプ駆動モータ３３の作動により、メ
タノールタンク２ｏ内のメタノールを改質装置１１側へ
圧送する原料供給ポンプ３４が取り付けられている。更
に、この水素原料供給管３１の途中には、一端側が水タ
ンク３５に連通する水供給管３６の他端側か接続してお
り、この水供給管３６の途中には、前記メタノールと共
に水素原料を構成する水タンク３５内の水を水ポンプ駆
動モータ３７の作動により、水素原料供給管３１内に圧
送するための水供給ポンプ３８が取り付けられている。

従って、メタノールと水とからなる水素原料が水素原料
予熱管３０を通って水素原料加熱管３２へと移動する間
に、燃焼室１４から燃焼筒１２と熱交換筒２７との隙間
を通って排気管２９へ向けて流れる高温の燃焼排ガスと
の間で熱交換が行われ、水素原料は２００’Ｃ〜５００
°Ｃ程度にまで予熱されるようになっている。この場合
、メタノールと水との混合比は、１モルのメタノールに
対して水を０．０５モルから５モル程度に設定すること
が望ましい。

なお、前記原料ポンプ駆動モータ３３や水ポンプ駆動モ
ータ３８は、蓄電池２４から供給される電気によって運
転されるようになっている。

前記燃焼筒１２の中央部には、水素原料加熱管３２の他
端側に接続する改質用ヘッダ３９が設けられており、こ
の改質用ヘッダ３９には燃焼筒１２の他端側に延びる相
互に平行な複数本の改質ガス生成管４０の一端側が整流
用オリフィス４１を介してそれぞれ連結されている。こ
れら改質ガス生成管４０の他端側には、多数の連通口４
２を有する封板４３が接合されており、当該改質ガス生
成管４０の内部には水素原料加熱管３２で加熱された水
素原料の改質反応を促進するための改質用触媒４４がそ
れぞれ充填されている。メタノールと水とが混合した水
素原料はこの改質ガス生成管４０内で ＣＨ３０Ｈ＋ｎＨｚＯ→（Ｉ　ｎ）ＣＯ＋ｎＣ０ｚ＋（
２＋ｎ）Ｈ２但し、０＜ｎ＜１ なる改質反応を起こし、上記化学式の右辺に示される改
質ガスを生成する。この場合、原料カスの改質反応を効
率良く行わせるためには、改質ガス生成管４０内の圧力
を一平方センチメートル当たり３ｋｇ重〜２０ｋｇ重程
度に設定し、又、この改質ガス生成管４ｏ内の温度を２
００°Ｃ〜６００°Ｃ程度に設定することが望ましい。

一方、この改質装置１１の他端側には、ＣＯ低減装置４
５が封板４３に隣接状態で取り付けられており、改質ガ
ス生成管４ｏとこのＣＯ低減装置４５とは、封板４３の
連通口４２を介して連通している。そして、ｃｏ低減装
置４５には改質ガス生成管４０内での水素原料の改質反
応により生成する改質ガス中のＣＯを低減させるＣＯシ
フト触媒４６が充填されているが、この改質ガスからＣ
Ｏを除去するのは、周知のように燃料電池本体１３の水
素極４７がＣＯによって被毒してしまい、電池としての
能力が極端に低下するのを防止するためである。

更に、前記ＣＯ低減装置４５に連通する改質ガス供給管
４８には、燃料電池本体１３の水素導入口４９が加湿装
置５０を介して接続し、改質ガス供給管４８内の改質ガ
スを適当な湿度に自動調整した状態で、燃料電池本体１
３の水素極４７側に送り込むようになっている。そして
、ＣＯ低減装置４５とこの加湿装置５０との間の改質ガ
ス供給管４８の途中には、前記蓄電池２４に接続する発
電機５１を連結した第一の動力源である第一の排気ター
ビン５２と、改質ガス中のＣＯをセレクトオキソ反応に
よって除去する図示しないセレクトオキソ触媒を充填し
たＣＯ除去装置５３とが、改質装置１１側から順に設け
られ、このＣＯ除去装置５３によって精製された改質ガ
スが加湿装置５０により加湿されて燃料電池本体１３の
水素導入口４９へ送り込まれるようになっている。つま
り、この水素導入口４９から燃料電池本体１３の水素極
４７に送り込まれた改質ガスのうち、余剰の未反応ガス
は燃料電池本体１３と前記燃料供給管１９とを連通ずる
燃焼用余剰ガス供給管５４を介して燃焼ノズル１６に供
給され、燃焼室１４内で燃焼して水素原料加熱管３２内
を流れる水素原料を加熱する。

本発明におけるエネルギ回収装置を構成する発電機５１
は、ＣＯ低減装置４５からＣＯ除去装置５３へ向けて改
質ガス供給管４８内を流れる高温の改質ガスにより、第
一の排気タービン５２を介して作動するものである。

この時、第一の排気ターピン５２を通過してこれを駆動
回転させる高温の改質ガスが断熱膨張するため、その温
度が急激に下降して低温となった改質ガスがＣＯ除去装
置５３へ送られる。これにより、ＣＯ除去装置５３での
セレクトオキソ反応が理想的に進み、水素の酸化をほと
んどさせることなく残留ＣＯ濃度を例えば１０ｐｐｍ程
度にまで低下させることができ、低温作動の燃料電池で
あっても効率良く運転することが可能となる。

なお、上述したセレクトオキソ反応は５０°Ｃ〜６０°
Ｃ前後の温度が理想的であるため、このＣＯ除去装置５
３を冷却するようにしても良い。これに伴って、ＣＯ除
去装置５３の直前の改質ガス供給管４８の途中に気水分
離器を介装し、上述した断熱膨張等による改質ガス中の
水分を前記水タンク３５に回収することも有効である。

又、本実施例ではエネルギ回収装置として発電機５１を
採用し、この発電機５１により発電された電気を蓄電池
２４に蓄え、ブロワ駆動モータ２５や原料ポンプ駆動モ
ータ３３゜水ポンプ駆動モータ３７等の電源として利用
するようにしたが、空気圧縮器等を本発明によるエネル
ギ回収装置として第一の排気タービン５２に連結し、こ
れによって得られる圧縮空気を燃焼室１４や燃料電池本
体１３の酸素極５５に供給するようにしても良い。

前記ブロワ２２と燃料電池本体１３に形成された空気導
入口５６とは、前記燃焼用空気供給管２３から分岐する
反応用空気供給管５７を介して連結され、前記ブロワ駆
動モータ２５によって駆動されるブロワ２２からの加圧
空気が、この燃料電池本体１３の空気導入口５６に接続
する酸素極５５へ圧送されるようになっている。そして
、この空気導入口５６から燃料電池本体１３に送り込ま
れた空気は、この燃料電池本体１３内での反応生成水を
含んだ状態となって、燃料電池本体１３の酸素極５５に
接続する気水分離器５８に供給され、この内の水分が水
回収管５９を介して水タンク３５に回収され、気体分が
排気管６０から外部に排出される。

一方、前記水タンク３５と燃料電池本体１３と加湿装置
５０とは、冷却用循環配管６１を介して連結されており
、これら水タンク３５と燃料電池本体１３との間の冷却
用循環配管６１の途中には、蓄電池２４から電気が供給
される循環ポンプ駆動モータ６２の作動により、水タン
ク３５内の水を燃料電池本体１３に供給してこの燃料電
池本体１３を冷却する循環ポンプ６３が設けられている
。前記加湿装置５０内には、燃料電池本体１３を冷却し
た冷却水循環配管６１からの水と、改質ガス供給管４８
からの改質ガスとを仕切る図示しないガス拡散膜が組み
込まれており、この加湿装置５０内の水の水蒸気分圧に
対２した水蒸気が改質ガスに添加され、余剰の水蒸気が
冷却水循環配管６１から水タンク３５に戻されるように
なっている。

前記発電機５１を挟んで第一の排気タービン５２の反対
側には、第二の排気タービン６４が図示しない減速機を
介して発電機５■に連結されている。本発明による第二
の動力源として機能する第二の排気タービン６４は、沸
点の低い千ト→フルオロエチレン等の作動流体が流れる
熱回収管６５の途中に位置し、この熱回収管６５は前記
作動流体を貯溜する作動流体タンク６６に接続している
。又、作動流体タンク６６と第二の排気タービン６４と
の間の熱回収管６５の途中には、作動流体タンク６６内
の作動流体を第二の排気タービン６４側へ圧送するだめ
の作動流体供給ポンプ６７が介装され、この作動流体供
給ポンプ６７には蓄電池２４から電気が供給されて作動
流体供給ポンプ６７を作動させるための流体ポンプ駆動
モータ６８が連結されている。

更に、作動流体供給ポンプ６７と第二の排気タービン６
４との間の熱回収管６５の途中には、熱交換器６９が組
付けられ、この熱交換器６９には前記燃焼排ガスの排気
管２９及び冷却水循環配管６１が導かれている。

これにより、作動流体タンク６６内の作動流体は熱交換
器６９を通過する間に排気管２９内を流れる燃焼排ガス
及び冷却水循環配管６１内を流れる冷却水の熱を奪って
蒸発気化し、第二の排気タービン６４側へ高圧となって
送られる。この結果、第二の排気タービン６４を通過し
てこれを駆動回転させる蒸気となった作動流体が断熱膨
張して再び凝縮し、熱回収管６５から作動流体タンク６
６内に戻されるようになっている。

なお、この熱回収管６５内の作動流体を完全に液化させ
るため、第二の排気タービン６４と作動流体タンク６６
との間の熱回収管６５の途中に凝縮器を更に組み込むこ
とも有効である。

このように、本実施例では改質ガス供給管４８内を流れ
る改質ガスによって、第一の排気タービン５２を駆動す
るようにしたが、第二の排気タービン６４の駆動方法と
同様に、改質ガス供給管４８内を流れる改質ガスとの熱
交換を行う作動流体によって駆動させるようにしても良
い。又、本実施例では第一の動力源及び第二の動力源と
して排気タービン５２、６４を採用し、これらを−台の
発電機５１に接続したが、それぞれ独立にエネルギを回
収するようにしても良い。更に、これら排気タービン５
２．６４の代えてそれぞれプランジャ型のアキシャルポ
ンプやスクリューポンプ等を用いることも当然可能であ
る。

なお、本実施例以外の構造であっても燃料電池による発
電システムとして、この明細書の「特許請求の範囲」の
欄に記載した概念に含まれるものでありさえすれば、い
かなる構造のものを採用しても何ら問題ないことは言う
までもない。

〈発明の効果〉 本発明の燃料電池による発電システムによると、改質装
置と燃料電池本体との間の改質ガス通路の途中に、改質
装置からの改質ガスによって作動する第一の動力源を設
け、更に改質装置からの燃焼排ガス及び燃料電池本体を
冷却した冷却水の熱エネルギを熱交換器を介して作動流
体に与え、この作動流体により作動する第二の動力源を
設け、これら二つの動力源にエネルギ回収装置を接続し
たので、従来はそのまま捨てていた熱エネルギの３０％
程度を回収することができ、小型の発電システムを実現
し得る。

又、図示した実施例では第一の動力源をＣＯ低減装置と
ＣＯ除去装置との間に設け、二〇〇〇低減装置からの高
温の改質ガスが第一の動力源を通過する間に断熱膨張し
、低温となった改質ガスがＣＯ除去装置に送られる。

この結果、水素を酸化させることな（ＣＯを選択的に酸
化させ、残留ＣＯ濃度を従来のものよりも大幅に低減さ
せることができ、小型の装置であっても高効率で水素を
精製することが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を固体高分子電解質膜燃料電池による発
電システムに応用した一実施例の概念図、第２図はその
改質装置の部分の断面図、第３図は従来の固体高分子電
解質膜燃料電池による発電システムの一例を表す概念図
である。 又、図中の符号で１１は改質装置、１２は燃焼筒、１３
は燃料電池本体、１４は燃焼室、１６は燃焼バーナ、１
９は燃料供給管、２ｏはメタノールタンク、２２はブロ
ワ、２３は燃焼用空気供給管、２４は蓄電池、２９は排
気管、３１は水素原料供給管、３２は水素原料加熱管、
３５は水タンク、３６は水供給管、４０は改質ガス生成
管、４５はＣ○低減装置、４７は水素極、４８は改質ガ
ス供給管、５１は発電機、５２は第一の排気タービン、
５３はｃｏ除去装置、５４は燃焼用余剰ガス供給管、５
５は酸素極、５７は反応用空気供給管、６１は冷却用循
環配管、６２は循環ポンプ駆動モータ、６３は循環ポン
プ、６４は第二の排気タービン、６５は熱回収管、６６
は作動流体タンク、６７は作動流体供給ポンプ、６８は
流体ポンプ駆動モータ、６９は熱交換器である。 特許出願人　三菱重工業株式会社 代理人　弁理士　光石英俊（他１名）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 水素原料とこの水素原料を加熱するための燃焼ガスが供
   給され且つ当該水素原料の加熱に伴う改質反応により該
   水素原料から水素ガスを含む改質ガスを生成させる改質
   装置と、この改質装置で生成した改質ガスが供給される
   水素極を有する燃料電池と、この燃料電池を冷却する冷
   却水が流れる冷却水通路と、前記水素原料を加熱した後
   の燃焼排ガスを前記改質装置から導き出す排ガス通路と
   を有する発電システムにおいて、前記改質装置と前記燃
   料電池との間の改質ガス通路の途中に設けられてこれら
   改質装置から燃料電池へと流れる前記改質ガスにより作
   動する第一の動力源と、この第一の動力源に接続するエ
   ネルギ回収装置と、このエネルギ回収装置に接続する第
   二の動力源と、この第二の動力源を作動させる作動流体
   が流れる作動流体通路と、この作動流体通路と前記冷却
   水通路及び排ガス通路とに跨がって設けられ且つ前記冷
   却水と前記燃焼排ガスとで前記作動流体を加熱するため
   の熱交換器とを具えた燃料電池による発電システム。