JPH04286870A - 燃料電池 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、燃料電池の燃料を改質
するために必要となる水蒸気を燃料電池の排ガスから回
収可能とする燃料電池に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池は、電解質、燃料極、酸素極か
らなる発電部を有し、燃料極には燃料および酸素極には
例えば空気を供給することで発電を行う装置であり、発
電に伴って発生する熱も利用することができる。このう
ち燃料については、都市ガス等に水蒸気を混合して、改
質器により水素を主成分とする燃料に改質して供給して
いる。図５は、従来の燃料電池のうち、燃料電池で発生
する熱を空気で冷却する方式の構成を示している。この
図５を用いて燃料電池の発電方法と、燃料となる水素を
生成する際に必要な水蒸気の製造方法の従来例について
説明する。

【０００３】この従来例では、まず、都市ガス等の燃料
に水蒸気を混合し燃料供給管６を通して改質器７に導き
、改質を行って水素を生成し、生成された水素を電池１
の燃料極２に導く。一方、酸素極４には空気供給用ブロ
ア９により空気供給管８を通して空気を導き、空気中の
酸素と改質で得られた水素を反応させて発電を行う。 燃料極２に供給された水素は全量は反応に使われず、燃
料極２の排ガスにはまだ水素が残っており、この水素を
燃料極排ガス管１０を通して改質器７に導き、燃焼させ
て加熱し、吸熱反応を行う改質器７の温度を維持してい
る。改質器７で燃焼した排ガスと酸素極排ガス管１１を
通る酸素極４の排ガスは合流して排ガス熱回収用熱交換
器１２に導かれ、冷房，暖房、給湯の熱源として回収さ
れ、同時に排ガス中に含まれる水蒸気を凝縮させる。

【０００４】この凝縮水は、凝縮水回収管１３を通して
凝縮水回収タンク１４に集められ、凝縮水送水ポンプ１
５により気水分離器１６に圧送され、気水分離器１６内
で蒸気になる。気水分離器１６内での蒸気発生用の熱源
は、燃料電池１を冷却する空気通路２２の途中に設けた
空気／水熱交換器１９で回収した燃料電池１での発生熱
とし、この回収熱を加熱水循環ポンプ１７により加熱水
循環通路１８を通して気水分離器１６に送っている。こ
の気水分離器１６で発生させた蒸気が、水蒸気供給管２
３を通して燃料供給管６に送られ改質用の蒸気として使
われていた。

【０００５】なお、従来、燃料電池に気体分離膜を適用
して、電池の酸素極に送る空気中の酸素濃度を高めたり
、改質された水素の濃度を高めたりして、燃料電池の発
電効率を高めるのに使用された技術（特願平２−１０５
５４号、特開昭６０−２３８７７号）がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の技術による燃料電池では、燃料の改質に使用される
蒸気を得るために、排ガス中に含まれる水蒸気を一旦凝
縮させて排ガスから分離し、再度加熱する必要があるた
め、凝縮水回収タンク，凝縮水送水ポンプ，気水分離器
，気水分離器加熱水循環ポンプ，気水分離器加熱用空気
水熱交換器，水蒸気を燃料に混合させるためのエジェク
タ等が必要になり、装置が複雑になるという欠点があっ
た。また、凝縮水を再び加熱するための熱が必要になり
、外部に取り出せる熱量が減少するという欠点があった
。

【０００７】本発明は、上記欠点を解消するためになさ
れたものであり、その目的は、燃料電池の燃料改質用蒸
気を製造するための装置構成を簡単にするとともに、燃
料改質用蒸気製造のための熱量を節約する燃料電池を提
供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明の燃料電池においては、電解質、燃料極、酸
素極からなる燃料電池において、前記燃料極へ燃料を供
給する配管と前記燃料極の排ガスを排気する配管および
／または前記酸素極の排ガスを排気する配管との間に、
前記排ガス中の熱および水蒸気を透過させ該水蒸気を改
質用として前記燃料に供給する熱交換器を設けたことを
特徴としている。

【０００９】

【作用】本発明の燃料電池では、熱および水蒸気を透過
させる機能を有する熱交換器により、燃料極からの排ガ
ス中あるいは燃料極および空気極からの両方の排ガス中
に含まれる水蒸気を水蒸気のまま回収し、燃料改質用の
水蒸気として燃料に供給する。これにより、排ガス中の
水蒸気を凝縮させるための装置，凝縮水を加熱して蒸気
にする装置，凝縮水を加熱する熱を回収する装置等を不
要にする。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の実施例を、図面を参照して詳
細に説明する。

【００１１】図１は本発明の第１の実施例の構成を示す
図である。本実施例は、電解質としてリン酸を用いる常
圧タイプで空冷式の燃料電池を例とする。１は燃料電池
、２は燃料極、３は電解質、４は酸素極、５は冷却板、
６は燃料供給管、７は改質器、８は空気供給管、９は空
気供給用ブロア、１０は燃料極排ガス管、１１は酸素極
排ガス管、１２は排ガス熱回収用熱交換器、２０は電池
冷却熱回収用熱交換器、２１は電池冷却空気循環ブロア
、２２は冷却用空気通路、３０は熱および水蒸気を透過
させる機能を有する水蒸気透過熱交換器である。

【００１２】本実施例の配管接続において、燃料供給管
６は改質器７改質側入口に接続され、その出口は燃料極
２へ接続される。燃料極排ガス管１０は、改質器７の燃
焼側入口に接続され、改質器７の燃焼排ガス出口は酸素
極排ガス管１１に合流されている。このような燃料供給
管６と燃料極排ガス管１１との間に、水蒸気透過熱交換
器３０が設けられ、この水蒸気透過熱交換器３０の燃料
極排ガス経路出口側の管路に排ガス熱回収用熱交換器１
２が挿入されている。空気供給管路８は、空気供給用ブ
ロア９が挿入されて、酸素極４の入口に接続される。燃
料電池１内に設けられた冷却板５は、電池冷却熱回収用
熱交換器２０および電池冷却空気循環ブロア２１が冷却
用空気通路２２で結ばれている。

【００１３】次に、上記実施例で用いられる水蒸気透過
熱交換器３０の構成例を説明する。図２は、水蒸気透過
熱交換器３０において、伝熱面の一部は熱のみを伝え、
残りの伝熱面は熱および水蒸気を透過されせるようにし
たものの模式図を示す。図において、３１は熱交換のみ
を行う伝熱面、３２は水蒸気透過膜、３３は燃料の流れ
、３４は排ガスの流れ、３５は熱の流れ、３６は水蒸気
と熱の流れを示している。

【００１４】排ガス中に含まれる水蒸気を単に水蒸気透
過膜を透過させて燃料に供給すると、燃料側の温度が露
点温度以下の場合、水蒸気が水蒸気透過膜の表面で結露
し水蒸気透過性能が低下する。そこで本構成例では、水
蒸気透過膜３２に隣接して熱交換のみを行う伝熱面３１
を配置し、排ガス３３に含まれる熱エネルギーによって
燃料３４をあらかじめ昇温したのち、水蒸気３６を水蒸
気透過膜３２から供給できるようにしている。

【００１５】水蒸気透過膜３２として例えば分子構造の
ち密なポリイミド分離膜を用いることにより、窒素，二
酸化炭素，水蒸気等からなる排ガスから、水蒸気を選択
的に透過させることができる。またポリイミド分離膜は
従来の高分子膜に比較して耐熱性に優れており、耐熱温
度は３００〜３５０℃にも達するため、高温の排ガスの
まま水蒸気を透過させることができ、結露等による透過
性能の劣化が生じない。ポリイミド分離膜は、主として
酸二無水物とジアミンを反応させることによって得られ
るが、市販品を用いてもよい。

【００１６】以上のように構成した第１の実施例の動作
および作用を述べる。

【００１７】まず、本実施例は次のように動作する。燃
料電池１の酸素極４には空気供給用ブロア９により空気
が送られる。一方、都市ガス等の燃料は、水蒸気透過熱
交換器３０を通ることにより、酸素極４の排ガス中に含
まれる水蒸気を供給され、改質器７に入る。改質器７で
は、燃料が水素に改質され、燃料電池１の燃料極２に供
給される。燃料電池１内では、燃料極２に供給された水
素と酸素極４に供給された空気中の酸素が電解質３を介
して反応し、電気と熱を発生する。この燃料電池１での
反応は発熱反応であるため、リン酸型燃料電池１の場合
は、電池冷却空気循環ブロア２１により電池本体が２０
０℃程度になるように冷却される。燃料電池１での反応
によって生成された水は、水蒸気として酸素極４より排
出される。このとき反応に使われなかった窒素等も一緒
に排出される。一方、燃料極２側からは、電池での反応
に使われなかった水素と改質時に生成された二酸化炭素
等が排出される。この燃料極２からの排ガスは改質器７
に供給されて、吸熱反応である改質器７の温度維持のた
めの燃料として使用される。この改質器７の燃焼排ガス
と酸素極４の排ガスを合流させて、水蒸気透過熱交換器
３０に導き、水蒸気透過膜を透過させて、水蒸気のまま
改質用として燃料に供給する。水蒸気透過熱交換器３０
により水蒸気を失った排ガスは、排ガス熱回収用熱交換
器１２で熱回収された後、大気中に放出される。

【００１８】以上のように、本実施例では燃料電池１の
空気極４からの排ガスおよび改質器７の燃焼排ガス中に
含まれる水蒸気が水蒸気のまま回収されて、燃料改質用
の水蒸気として改質器７に供給することができるので、
従来の燃料電池で必要としていた排ガス中の水蒸気を凝
縮させるための装置，凝縮水を加熱して蒸気にする装置
，凝縮水を加熱する熱を回収する装置等が不要になる。

【００１９】次に、本発明の第２の実施例を説明する。

【００２０】図３は、その構成を示す図である。本実施
例は空冷式の、電解質としてリン酸を用いる燃料電池で
、電池と改質器を加圧して発電効率を高めたタイプを例
としている。図において、１−１は加圧タイプのリン酸
型燃料電池、９−１は空気加圧用圧縮機、３７は燃料加
圧用圧縮機、３８は減圧弁を示す。これ以外の構成部分
は、第１の実施例の同一符号の構成部分と同様である。 本実施例は、燃料電池１−１が加圧タイプであること、
改質器７の改質側入口と水蒸気透過熱交換器３０との間
に燃料加圧用圧縮機３７が挿入されていること、および
水蒸気透過熱交換器３０と排ガス熱回収用熱交換器１２
の間に減圧弁３８が挿入されていることが、第１の実施
例と異なる点である。それ以外の配管の接続構成は、第
１の実施例と同一である。

【００２１】このような第２の実施例の動作において、
電池１−１の酸素極４には空気加圧用圧縮機９−１によ
り加圧された空気が送られる。一方、都市ガス等の燃料
は、熱および水蒸気を透過させる機能を有する熱交換器
３０を通ることにより、排ガス中に含まれる水蒸気を供
給され、燃料加圧用圧縮機３１により加圧された後、改
質器７に入る。改質器７での反応および燃料電池１−１
内での反応は第１の実施例の場合と同様である。改質器
７の燃焼排ガスと酸素極４の排ガスは合流して、水蒸気
透過熱交換器３０に入る。本実施例では、燃料電池１−
１，改質器７が燃料加圧用圧縮機３７によって加圧され
ているため、水蒸気透過熱交換器３０内では排ガス側の
圧力が高く、燃料側の圧力が低いので、水蒸気が透過し
易くなる。このため、第１の実施例の水蒸気透過熱交換
器に比較して水蒸気透過膜の面積が小さくてすむ利点が
ある。水蒸気透過熱交換器３０を出た排ガスは減圧弁３
８を通り、ほぼ大気圧になった後、排ガス熱回収用熱交
換器１２で熱回収され大気中に放出される。

【００２２】本実施例は基本的な構成において、第１の
実施例と同様であることから、それと同様に燃料電池１
−１の空気極４からの排ガスおよび改質器７の燃焼排ガ
ス中に含まれる水蒸気が水蒸気のまま回収されて、燃料
改質用の水蒸気として改質器７に供給することができ、
従来の燃料電池で必要としていた排ガス中の水蒸気を凝
縮させるための装置，凝縮水を加熱して蒸気にする装置
，凝縮水を加熱する熱を回収する装置等が不要にするこ
とができる。

【００２３】次に、本発明の第３の実施例を説明する。

【００２４】図４は、その構成を示す図である。本実施
例は空冷式固体電解質を用いた燃料電池で、第１の実施
例と同様に電池と改質器を加圧して発電効率を高めたタ
イプのものを例としている。図において、１−２は加圧
タイプの固体電解質燃料電池、３９は排ガス／燃料熱交
換器、４０は排ガス／空気熱交換器である。これ以外の
構成部分は第１の実施例および第２の実施例の同一符号
の構成部分と同様である。固体電解質燃料電池１−２で
は、高温で動作されるため、燃料の改質が燃料極２にお
いて行なうことができ、外部の改質器が不要となってい
る。

【００２５】本実施例の配管接続においては、燃料供給
管６が水蒸気透過熱交換器３０，燃料加圧用圧縮機３７
，排ガス／燃料熱交換器３９を順次接続して燃料極２へ
接続される。一方、空気供給管８は、空気加圧用圧縮機
９−１，排ガス／空気熱交換器４０を接続して酸素極４
に接続される。酸素極排ガス管１１は、燃料極排ガス管
１０が合流されて、排ガス／燃料熱交換器３９および排
ガス／空気熱交換器４０を通り、続いて図２で示した水
蒸気透過熱交換器３０を通り、さらに減圧弁３８，排ガ
ス熱回収用熱交換器１２を通って大気へ開放されている
。

【００２６】以上のように構成した第３の実施例の動作
および作用を述べる。

【００２７】本実施例は、次のように動作する。まず、
空気加圧用圧縮機９−１により加圧された空気は排ガス
／空気熱交換器４０を通って排ガスが持つ熱エネルギー
により昇温された後、燃料電池１−２の酸素極４に導か
れる。一方、都市ガス等の燃料は、水蒸気透過熱交換器
３０を通ることにより、排ガス中に含まれる水蒸気を供
給され、燃料加圧用圧縮機３７により加圧される。加圧
された燃料は、排ガス／燃料熱交換器３９を通って排ガ
スが持つ熱エネルギーにより昇温された後、燃料極２に
供給される。空気，燃料の両方を、燃料電池１−２に供
給する前にあらかじめ昇温する理由は、固体電解質燃料
電池１−２は電池が１０００℃程度の高温で反応してお
り、ここに低温の空気や燃料が供給されると、温度分布
により反応が起こらない部分ができたり、材料に大きな
熱応力が生じたりすることを防ぐためである。

【００２８】燃料電池１−２内では燃料極２に供給され
た燃料が１０００℃程度の高温でまず改質されて水素に
なり、この水素と酸素極４に供給された空気中の酸素と
が反応して、電気と熱を発生する。固体電解質燃料電池
１−２の場合は、酸素極４側から反応に使われなかった
窒素等が排出され、燃料極２側からは反応によって生成
された水が水蒸気として、改質の際に生成された二酸化
炭素と一緒に排出される。

【００２９】燃料極２の排ガスと酸素極４の排ガスは合
流して、排ガス／燃料熱交換器３９、排ガス／空気熱交
換器４０を通って１５０〜３００℃程度に冷却されたあ
と、水蒸気透過熱交換器３０に入り、前述した通り排ガ
ス中に含まれている水蒸気を水蒸気透過膜を透過させて
水蒸気のまま改質用として燃料に供給する。排ガスを１
５０〜３００℃程度に冷却してから水蒸気透過熱交換器
３０に導く理由は、図２の水蒸気透過膜３２にポリイミ
ド分離膜を用いるとすると、ポリイミド分離膜の耐熱温
度が３００℃程度のため、この温度以下にする必要があ
るからである。本実施例においても、水蒸気透過熱交換
器３０内では排ガス側の圧力が高く、燃料側の圧力が低
いため、水蒸気が透過し易くなる。このため、第２の実
施例の場合と同様に水蒸気透過膜の面積が小さくてすむ
。水蒸気透過熱交換器３０を出た排ガスは減圧弁３２を
とおりほぼ大気圧になった後、排ガス熱回収用熱交換器
１２で熱回収され大気中に放出される。

【００３０】本実施例においても、燃料電池１−２から
の排ガス中に含まれる水蒸気が、水蒸気透過熱交換器の
働きで、水蒸気のまま回収され、燃料極２で燃料の改質
を行う際の改質用の水蒸気として燃料に供給される。こ
のため、従来の燃料電池で必要としていた排ガス中の水
蒸気を凝縮させるための装置，凝縮水を加熱して蒸気に
する装置，凝縮水を加熱する熱を回収する装置等が不要
にすることができる。

【００３１】なお、上記実施例以外に燃料極へ燃料を供
給する配管と燃料極の排ガスを排気する配管の間に熱お
よび水蒸気を透過させる機能を有する熱交換器を設けた
構成も可能である。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。

【００３２】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明の
燃料電池によれば、燃料電池の燃料改質用水蒸気を水蒸
気のまま排ガス中から回収できるため、これまで改質用
水蒸気製造のために必要であった排ガス中の水蒸気を凝
縮させるための装置，凝縮水を加熱して蒸気にする装置
，凝縮水を加熱する熱を回収する装置等が不要になり、
水蒸気を発生させるための熱エネルギーも不要になる利
点が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の構成を示す図

【図２】
伝熱面の一部は熱のみを伝え残りの伝熱面は熱および水
蒸気を透過させるようにした熱交換器の模式図

【図３】
本発明の第２の実施例の構成を示す図

【図４】本発明の
第３の実施例の構成を示す図

【図５】従来例の構成を示
す図

【符号の説明】

１…常圧タイプのリン酸型燃料電池、１−１…加圧タイ
プのリン酸型燃料電池、１−２…加圧タイプの固体電解
質燃料電池、２…燃料極、３…電解質、４…酸素極、５
…冷却板、６…燃料供給管、７…改質器、８…空気供給
管、９…空気供給用ブロア、９−１…空気加圧用圧縮機
、１０…燃料極排ガス管、１１…酸素極排ガス管、１２
…排ガス熱回収用熱交換器、１９…空気／水熱交換器、
２０…電池冷却熱回収用熱交換器、２１…電池冷却空気
循環ブロア、２２…冷却用空気通路、３０…水蒸気透過
熱交換器、３１…熱交換のみを行う伝熱面、３２…熱と
蒸気を透過させる伝熱面、３３…燃料の流れ、３４…排
ガスの流れ、３５…熱の流れ、３６…水蒸気と熱の流れ
、３７…燃料加圧用圧縮機、３８…減圧弁、３９…排ガ
ス／燃料熱交換器、４０…排ガス／空気熱交換器。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　電解質、燃料極、酸素極からなる燃料
   電池において、前記燃料極へ燃料を供給する配管と前記
   燃料極の排ガスを排気する配管および／または前記酸素
   極の排ガスを排気する配管との間に、前記排ガス中の熱
   および水蒸気を透過させ該水蒸気を改質用として前記燃
   料に供給する熱交換器を設けたことを特徴とする燃料電
   池。
2. 【請求項２】　　熱交換器が、一部分は熱のみ伝え残り
   の部分は熱および水蒸気を透過させる伝熱面を有するこ
   とを特徴とする燃料電池。