JPH0513094A - 燃料電池発電装置 - Google Patents

燃料電池発電装置

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JPH0513094A
JPH0513094A JP3165834A JP16583491A JPH0513094A JP H0513094 A JPH0513094 A JP H0513094A JP 3165834 A JP3165834 A JP 3165834A JP 16583491 A JP16583491 A JP 16583491A JP H0513094 A JPH0513094 A JP H0513094A
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JP
Japan
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hydrogen
fuel cell
fuel
generator
gas
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Pending
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JP3165834A
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English (en)
Inventor
Kenro Mitsuta
憲朗 光田
Toshiaki Murahashi
俊明 村橋
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Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
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Publication date
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04097Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with recycling of the reactants
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0662Treatment of gaseous reactants or gaseous residues, e.g. cleaning
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 燃料を有効利用し、負荷の変動に応じて水素
ガスをレスポンズよく燃料電池本体に供給できる燃料電
池発電装置を得る。 【構成】 燃料電池本体5から排出される燃料排出ガス
を受け入れてこの燃料排出ガスに含まれる水素を選択的
に濃縮する水素生成器6と、この水素生成器6によって
生成された水素ガスを蓄える水素貯蔵部7と、この水素
貯蔵部7に蓄えられた水素ガスを必要に応じて上記燃料
電池本体に供給する供給手段12とを備えるように構成
した。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、水素を含む燃料ガス
によって発電を行う燃料電池発電装置に関するものであ
る。
【0002】
【従来の技術】従来、固体高分子電解質型燃料電池発電
装置(以後SPFC発電装置と略す)としては図2に示
すものがあった。この装置は例えば電気自動車用とし
て、1990年に開催されたFuel Cell Se
minar (Phoenix,Arizona,No
vember25−28,1990)のアブストラクト
57頁〜60頁に開示されているもので、図において、
1はメタノールタンク、2はメタノール改質器、3はC
O転化器、4はバッファータンク、5は燃料電池本体で
あり、固体高分子電解質型燃料電池(以後SPFCと略
す)スタックである。なお、このシステムフロー図はか
なり簡単化して燃料側の重要な機器のみを示している。
【0003】次に動作について説明する。メタノールは
必要に応じて所定量がメタノールタンク1からメタノー
ル改質器2に送り込まれ、水素を生成分とする燃料ガス
に変換される。この燃料ガスには一酸化炭素が含まれて
おり一酸化炭素はSPFCスタック5の出力電圧を著し
く低下させるので、CO転化器3で二酸化炭素に変換さ
れる。こうして改質された燃料ガスはバッファータンク
4を通ってSPFCスタック5に送り込まれ発電が行な
われる。図には示していないがエアコンプレッサーを動
作させて圧縮空気を作り、必要に応じてSPFCスタッ
ク5に送り込まれ酸化剤として用いられる。SPFCス
タック5では水素と酸素から水を生成する反応を電気化
学的に行って燃料ガス中の水素を消費する。SPFCス
タック5の材料としてカーボン材が多く用いられている
ので、発電中に水素が不足するとセル電圧が逆転してマ
イナスに転じるセルが生じ、カーボンの腐食が起こって
SPFCスタックにダメージを与える恐れがある。従っ
て、燃料ガスの利用率は通常80%以下に保って運転さ
れなければならない。すなわち20%の水素は使用され
ずに外部へ排出される。
【0004】また、負荷の変動に応じて、SPFCスタ
ックの発電量が変化するためこれに応じて反応ガスを加
減する必要がある。空気はエアコンプレッサーの動作頻
度の調節により自動的に変化させることができるが、改
質器での燃料の加減は短時間に行うのは困難である。従
ってバッファータンク4に貯蔵された燃料ガスで負荷の
増加に対応することになる。しかしながら、SPFCス
タック5での動作圧力や改質器2の圧力はせいぜい2K
g/cm2 程度の圧力でしかなく、バッファータンク4
の容積がよほど大きくないと負荷の変動に応じるのが困
難であった。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】従来の固体高分子電解
質型等の燃料電池発電装置は以上のように構成されてい
るので、燃料ガスについては負荷の変動に応じてSPF
Cスタックに供給することが困難であった。また燃料利
用率が80%程度なので残り20%の水素は外部へ排出
されるが、例えば自動車用に適用した場合、車庫でのア
イドリングが長時間になった場合などに安全性に問題が
あり、またエネルギーの有効利用の面から見てもったい
ないなどの問題点があった。
【0006】この発明は上記のような問題点を解消する
ためになされたもので、燃料を有効利用し、負荷の変動
に応じて燃料をレスポンスよく燃料電池本体に供給して
発電することのできる燃料電池発電装置を提供すること
を目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】この発明に係る燃料電池
発電装置は、燃料電池本体から排出される燃料排出ガス
を受け入れてこの燃料排出ガスに含まれる水素を選択的
に濃縮する水素生成器と、この水素生成器によって生成
された水素ガスを蓄える水素貯蔵部と、この水素貯蔵部
に蓄えられた水素ガスを必要に応じて上記燃料電池本体
に供給する供給手段とを備えるように構成したものであ
る。
【0008】
【作用】この発明の装置における水素生成器はSPFC
スタックから排出される希薄な水素を純度の高い水素に
変換し、燃料の有効利用を計る。また供給手段は負荷の
変換に応じて水素貯蔵部に貯蔵している水素をSPFC
スタックに供給する。
【0009】
【実施例】
実施例1.図1はこの発明の一実施例による固体高分子
電解質型の燃料電池発電装置を概略的に示す構成図であ
る。図において6は固体高分子膜(SPE)を有するS
PE型水素生成器、7は純水素の高圧タンクからなる水
素貯蔵部、8はノーマルクローズドの電磁弁、9と10
は圧力計、11は手動バルブである。12は前記電磁弁
8、圧力計9、10、及び配管13などから構成された
供給手段である。その他の符号は上記図1に示す従来の
装置と同様であるから説明を省略する。
【0010】次に動作について説明する。SPE型水素
生成器6は、例えば米国特許第4671080号明細書
(1987年)に開示されているような白金を触媒とす
る電極と固体高分子膜を有する電気化学デバイスなどを
適用することができる。この電気化学デバイスは白金触
媒により水素をプロトンに変換して固体高分子膜を通過
して対極に移動させここで再び白金触媒により再び水素
に変換される。このとき加えられる電気エネルギーは水
素とプロトンの変換にほとんど過電圧を生じないことか
ら、ごくわずかの電圧と電気エネルギーで希薄水素を純
水素に変換することができるものである。また固体高分
子膜は大きな差圧に耐えることができるので純水素を1
00気圧以上に高めそのままの状態で放置することも可
能である。
【0011】米国特許第4671080号明細書に開示
されているこの電気化学デバイスの使用目的は、この高
圧純水素を利用した宇宙用のクライオクーラーである。
このSPE型水素生成器で水素を濃縮するためには希薄
なガスに酸素や一酸化炭素や有機物、イオンがほとんど
含まれていないことと加湿されていること、また、好ま
しくは70℃前後の温度になっていることが必要である
が、これらの条件はSPFCスタック燃料排出ガスはす
べて満足している。なお、水素生成器6はSPFCスタ
ック5の一部として連結されていてもよく、あるいはス
タック5の中に組み込まれていてもよい。
【0012】水素生成器6で生成された純水素は水素貯
蔵部7に貯蔵される。水素生成器6と高圧タンクからな
る水素貯蔵部7の間に所望により昇圧ポンプ(図示省
略)を設置してもよく、この場合昇圧ポンプの駆動エネ
ルギーを必要とするが水素生成器6での消費電力がその
分少なくなるので経済性やコンパクト性などの面で選択
されるべきものである。また、同様に電磁弁や逆止弁が
設けられていてもよい。水素貯蔵部7としては、例えば
一般によく用いられている47リットル ボンベを用い
るとすると150atmまで圧力を高めた場合に貯蔵で
きる純水素は7m3 になる。これにより例えば10KW
の発電装置を1時間以上動かすことができ、電気自動車
だと60Km以上の距離を時速60Kmで走行すること
が計算上可能である。従って負荷変動に対してはもっと
小さな圧力容器でよく2atm以下で貯蔵するバッファ
ータンク4と比べてはるかに多い量を貯蔵できる。
【0013】電磁弁8は通常は閉じられており、水素貯
蔵部7に貯蔵された純水素をSPFCスタック5に供給
する必要がある場合に開く。この動作は各種センサー、
マイコンなどと組み合わせるなど、既存の制御技術によ
り自動化してもよく、また運転員が手動で行っても良
い。水素貯蔵部7からSPFCスタック5の燃料入口配
管につながるまでの配管13では最大150atmの高
圧水素を動作圧力である2atm以下の圧力まで減圧す
る必要があり、減圧弁を入れておくことが望ましいが配
管13の一部を狭くして流れを制限するような簡単な機
構で代用してもよい。2つの圧力計9,10は水素貯蔵
部7側の圧力P2とSPFCスタック5の燃料ガス導入
側の動作圧力P1をモニターできるので有用であるが、
必ずしも必要ではない。なお圧力計10のモニターをす
れば水素貯蔵部7の充填状況を運転員あるいはコンピュ
ーターが判断できるので制御しやすくなる。
【0014】水素貯蔵部7に充分な純水素が貯蔵されて
いれば、運転開始時にまず電磁弁8を開いて純水素で運
転し、200℃以上で動作するメタノール改質器2が昇
温されて、充分に動作可能になってから、改質器2から
の燃料による運転に切り換えることもでき、一方SPF
Cスタック5は室温から動作できるので即時に出力する
ことができるようになる。これに対して従来の発電装置
では20分程度のスタートアップ時間を要していた。ま
た外部から高圧水素を高圧タンク7に充填することもで
き、この場合手動バルブ11を開いて充填作業を行うこ
とができる。なお電磁弁8の開閉の判断にはスタック5
の電圧や電流値の他に水素生成器6に流れる電流値その
他を用いることができる。なお、電流値を用いることが
できるのは一定の外部電圧で純水素に変換できる量が燃
料排出ガスの水素濃度に左右され、燃料が不足すると水
素生成器に流れる電流値が大幅に減少するためである。
【0015】なお、上記実施例ではメタノールを燃料と
した場合を示しているがエタノール、メタンなど他の水
素化合物を燃料として用いてよく、改質器2の仕様が多
少変化するだけで本発明の目的には無関係である。ま
た、上記実施例では燃料電池としてSPFC型のものを
用い、水素生成器としてSPE型水素生成器を用いる場
合について説明したが、これらに限定されるものではな
い。その他水素貯蔵部7を高圧タンクに代えて他の水素
貯蔵手段を用いるなど各種の変形や変更が可能であるこ
とは勿論である。
【0016】
【発明の効果】以上のようにこの発明によれば、燃料電
池本体から排出される燃料排出ガスを受け入れてこの燃
料排出ガスに含まれる水素を選択的に濃縮する水素生成
器と、この水素生成器によって生成された水素ガスを蓄
える水素貯蔵部と、この水素貯蔵部に蓄えられた水素ガ
スを必要に応じて上記燃料電池本体に供給する供給手段
とを備えるように構成したことにより、燃料を有効利用
し、負荷の変動に応じて燃料をレスポンスよく燃料電池
に供給して発電することができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の一実施例による固体高分子電解質型
燃料電池発電装置を概略的に示す構成図である。
【図2】従来の固体高分子電解質型燃料電池発電装置を
示す構成図である。
【符号の説明】
5 燃料電池本体(SPFCスタック) 6 水素生成器 7 水素貯蔵部 12 供給手段

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 【請求項1】 水素を含む燃料ガスの供給を受けて発電
    する燃料電池本体と、この燃料電池本体から排出される
    燃料排出ガスを受け入れてこの燃料排出ガスに含まれる
    水素を選択的に濃縮する水素生成器と、この水素生成器
    によって生成された水素ガスを蓄える水素貯蔵部と、こ
    の水素貯蔵部に蓄えられた水素ガスを必要に応じて上記
    燃料電池本体に供給する供給手段とを備えたことを特徴
    とする燃料電池発電装置。
JP3165834A 1991-07-05 1991-07-05 燃料電池発電装置 Pending JPH0513094A (ja)

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