JPH05225990A - 燃料電池システム - Google Patents
燃料電池システムInfo
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- JPH05225990A JPH05225990A JP4029414A JP2941492A JPH05225990A JP H05225990 A JPH05225990 A JP H05225990A JP 4029414 A JP4029414 A JP 4029414A JP 2941492 A JP2941492 A JP 2941492A JP H05225990 A JPH05225990 A JP H05225990A
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M16/00—Structural combinations of different types of electrochemical generators
- H01M16/003—Structural combinations of different types of electrochemical generators of fuel cells with other electrochemical devices, e.g. capacitors, electrolysers
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- Y—GENERAL 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
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
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- Fuel Cell (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】系で発生する高温の熱エネルギーを有効に利用
できる燃料電池システムを提供する。 【構成】燃料に含まれる水素を利用した温度差電池４を
設け、温度差電池４の高温電極１４が、燃焼室６からの
高温の排ガスで加熱されるようにする。水素を含む燃料
は、まず温度差電池４の低温電極１１側に供給され、水
素の一部が電極反応によって温度差電池４内を高温電極
１２に移行する。残りの燃料は、低温電極１１側から外
部の配管を通って高温電極１２側に導入され、ここで燃
焼室６からの高温の排ガスによって、燃料電池１の稼動
温度にまで加熱される。高温電極１２から排出された燃
料は、燃料電池１の陽極１ａに供給される。
できる燃料電池システムを提供する。 【構成】燃料に含まれる水素を利用した温度差電池４を
設け、温度差電池４の高温電極１４が、燃焼室６からの
高温の排ガスで加熱されるようにする。水素を含む燃料
は、まず温度差電池４の低温電極１１側に供給され、水
素の一部が電極反応によって温度差電池４内を高温電極
１２に移行する。残りの燃料は、低温電極１１側から外
部の配管を通って高温電極１２側に導入され、ここで燃
焼室６からの高温の排ガスによって、燃料電池１の稼動
温度にまで加熱される。高温電極１２から排出された燃
料は、燃料電池１の陽極１ａに供給される。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、高温動作型の燃料電池
を有する燃料電池システムに関し、特に、水素ガスを含
む燃料を使用する燃料電池を有する燃料電池システムに
関する。
を有する燃料電池システムに関し、特に、水素ガスを含
む燃料を使用する燃料電池を有する燃料電池システムに
関する。
【０００２】
【従来の技術】一般に燃料電池では、陽極（アノード）
に燃料として例えば水素ガスなどを含むものが供給さ
れ、陰極（カソード）に酸化剤として酸素ガスや空気が
供給される。ここで、電解質として固体電解質や溶融塩
などを用いる高温動作型の燃料電池を用いる場合、これ
ら陽極および陰極に供給される燃料や酸化剤は、燃料電
池本体に送り込まれる前に、予め燃料電池の稼動温度近
くまで加熱する必要がある。稼動温度近くまでに燃料や
酸化剤を加熱する熱源としては、燃料電池で発電する際
に生じる熱エネルギーや、燃料電池から排出される未反
応の水素を燃焼して得られる燃焼熱が利用されている。
また、この高温動作型の燃料電池を使用する場合、系全
体としてのエネルギー利用効率を高めるため、排熱を利
用して、タービンによる発電、吸収式冷凍機による冷
房、給湯などが行なわれる。
に燃料として例えば水素ガスなどを含むものが供給さ
れ、陰極（カソード）に酸化剤として酸素ガスや空気が
供給される。ここで、電解質として固体電解質や溶融塩
などを用いる高温動作型の燃料電池を用いる場合、これ
ら陽極および陰極に供給される燃料や酸化剤は、燃料電
池本体に送り込まれる前に、予め燃料電池の稼動温度近
くまで加熱する必要がある。稼動温度近くまでに燃料や
酸化剤を加熱する熱源としては、燃料電池で発電する際
に生じる熱エネルギーや、燃料電池から排出される未反
応の水素を燃焼して得られる燃焼熱が利用されている。
また、この高温動作型の燃料電池を使用する場合、系全
体としてのエネルギー利用効率を高めるため、排熱を利
用して、タービンによる発電、吸収式冷凍機による冷
房、給湯などが行なわれる。
【０００３】図３は、従来の燃料電池システムの構成を
示す図である。この燃料電池システムでは、天然ガス
（主成分はメタンＣＨ4）から改質によって水素ガス
（Ｈ2）を含む燃料を生成し、この燃料を用いて燃料電
池５１により発電を行なうものである。この燃料電池シ
ステムは、高温動作型の燃料電池５１、天然ガスを受け
入れて天然ガスから硫黄分を取り除く脱硫装置５２、脱
硫装置５２の出口側に設けられた改質装置５３、２個の
熱交換器５４,５５、燃料電池５１からの未反応の水素
を燃焼させる燃焼室５６、排熱を利用して発電を行なう
ためのタービン５７によって構成されている。
示す図である。この燃料電池システムでは、天然ガス
（主成分はメタンＣＨ4）から改質によって水素ガス
（Ｈ2）を含む燃料を生成し、この燃料を用いて燃料電
池５１により発電を行なうものである。この燃料電池シ
ステムは、高温動作型の燃料電池５１、天然ガスを受け
入れて天然ガスから硫黄分を取り除く脱硫装置５２、脱
硫装置５２の出口側に設けられた改質装置５３、２個の
熱交換器５４,５５、燃料電池５１からの未反応の水素
を燃焼させる燃焼室５６、排熱を利用して発電を行なう
ためのタービン５７によって構成されている。
【０００４】この燃料電池システムでは、脱硫装置５２
と改質装置５３との間で脱硫後の天然ガスに水蒸気が加
えられ、改質装置５３内で、水蒸気が加えられた天然ガ
スが水素ガス（Ｈ2）と二酸化炭素（ＣＯ2）に変換され
るようになっている。改質装置５３からの水素を含むガ
ス（水素導入流）は、第１の熱交換器５４の一方の側を
通過して燃料電池５１の稼動温度にまで加熱され、燃料
電池５１の陽極５１ａに供給される。一方、酸素導入流
すなわち空気または酸素に富んだ空気は、第２の熱交換
器５５の一方の側を通過して稼動温度まで加熱され、燃
料電池５１の陰極５１ｋに供給される。
と改質装置５３との間で脱硫後の天然ガスに水蒸気が加
えられ、改質装置５３内で、水蒸気が加えられた天然ガ
スが水素ガス（Ｈ2）と二酸化炭素（ＣＯ2）に変換され
るようになっている。改質装置５３からの水素を含むガ
ス（水素導入流）は、第１の熱交換器５４の一方の側を
通過して燃料電池５１の稼動温度にまで加熱され、燃料
電池５１の陽極５１ａに供給される。一方、酸素導入流
すなわち空気または酸素に富んだ空気は、第２の熱交換
器５５の一方の側を通過して稼動温度まで加熱され、燃
料電池５１の陰極５１ｋに供給される。
【０００５】燃料電池５１では、陽極５１ａに導入され
た水素（Ｈ2）と陰極５１ｋに導入された酸素（Ｏ2）と
が反応し、電気と熱を発生する。そして、陽極５１ａか
らは、反応によって生成された水蒸気、改質の際に生成
された二酸化炭素、未反応の水素が排出される。また、
陰極５１ｋからは、窒素と未反応の酸素が排出される。
これら陽極５１ａおよび陰極５１ｋから排出されるガス
は、燃焼室５６で合流する。燃焼室５６では、未反応の
水素が燃焼し、高温の排ガスが排出される。この高温の
排ガスは、第１および第２の熱交換器５４,５５のそれ
ぞれ他方の側に導入され、水素導入流および酸素導入流
の加熱のために使用され、その後さらにタービン５７に
導入され、発電のために使用される。この場合、水素導
入流および酸素導入流を燃料電池５１の稼動温度にまで
到達させるのに要する熱量は、定常運転時において、全
発熱量の２０〜３０％であり、全発熱量のうちの残りの
熱量は、タービン５７での発電や、さらに、図示しない
吸収式冷凍機による冷房、給湯などのために使用され
る。
た水素（Ｈ2）と陰極５１ｋに導入された酸素（Ｏ2）と
が反応し、電気と熱を発生する。そして、陽極５１ａか
らは、反応によって生成された水蒸気、改質の際に生成
された二酸化炭素、未反応の水素が排出される。また、
陰極５１ｋからは、窒素と未反応の酸素が排出される。
これら陽極５１ａおよび陰極５１ｋから排出されるガス
は、燃焼室５６で合流する。燃焼室５６では、未反応の
水素が燃焼し、高温の排ガスが排出される。この高温の
排ガスは、第１および第２の熱交換器５４,５５のそれ
ぞれ他方の側に導入され、水素導入流および酸素導入流
の加熱のために使用され、その後さらにタービン５７に
導入され、発電のために使用される。この場合、水素導
入流および酸素導入流を燃料電池５１の稼動温度にまで
到達させるのに要する熱量は、定常運転時において、全
発熱量の２０〜３０％であり、全発熱量のうちの残りの
熱量は、タービン５７での発電や、さらに、図示しない
吸収式冷凍機による冷房、給湯などのために使用され
る。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】上述のように従来の燃
料電池システムでは、系全体でのエネルギー利用効率を
高めるため、タービンによる発電、吸収式冷凍機による
冷房、給湯などが行なわれているが、例えばタービンに
よる発電の場合、高温の熱エネルギーを利用するもの
の、発電効率が３０％程度であって残りの７０％は利用
されないという問題点がある。吸収式冷凍機の場合、そ
の動作温度が２００℃以下であって、高温の熱エネルギ
ーを有効には利用していないという問題点がある。さら
に、給湯などの場合、大量に湯を使う用途は限られてお
り、また吸収式冷凍機と同様に高温の熱エネルギーを有
効には利用していという問題点がある。
料電池システムでは、系全体でのエネルギー利用効率を
高めるため、タービンによる発電、吸収式冷凍機による
冷房、給湯などが行なわれているが、例えばタービンに
よる発電の場合、高温の熱エネルギーを利用するもの
の、発電効率が３０％程度であって残りの７０％は利用
されないという問題点がある。吸収式冷凍機の場合、そ
の動作温度が２００℃以下であって、高温の熱エネルギ
ーを有効には利用していないという問題点がある。さら
に、給湯などの場合、大量に湯を使う用途は限られてお
り、また吸収式冷凍機と同様に高温の熱エネルギーを有
効には利用していという問題点がある。
【０００７】本発明の目的は、系で発生する高温の熱エ
ネルギーを有効に利用できる燃料電池システムを提供す
ることにある。
ネルギーを有効に利用できる燃料電池システムを提供す
ることにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】第１の発明の燃料電池シ
ステムは、温度差電池が設けられ、前記燃料電池システ
ムに外部から供給される燃料は、少なくとも前記温度差
電池の低温電極に供給され、前記温度差電池の高温電極
は前記燃料電池システムの排熱で加熱され、前記高温電
極から流出する前記燃料が前記燃料電池に供給される。
ステムは、温度差電池が設けられ、前記燃料電池システ
ムに外部から供給される燃料は、少なくとも前記温度差
電池の低温電極に供給され、前記温度差電池の高温電極
は前記燃料電池システムの排熱で加熱され、前記高温電
極から流出する前記燃料が前記燃料電池に供給される。
【０００９】第２の発明の燃料電池システムは、燃料電
池に供給される燃料を予備加熱する予備加熱手段と、前
記燃料電池に供給される前の前記予備加熱手段で予備加
熱された前記燃料と前記予備加熱手段で予備加熱される
前の前記燃料との温度差を利用して発電する温度差電池
とが設けられている。
池に供給される燃料を予備加熱する予備加熱手段と、前
記燃料電池に供給される前の前記予備加熱手段で予備加
熱された前記燃料と前記予備加熱手段で予備加熱される
前の前記燃料との温度差を利用して発電する温度差電池
とが設けられている。
【００１０】
【作用】一般に燃料電池システムでは、水素ガスを含む
燃料を燃料電池の稼動温度まで加熱する必要がある。本
発明の燃料電池システムでは、燃料の成分である水素を
用いた温度差電池を構成することにより、燃料電池シス
テムの運転時に排出される高温の排ガスの熱エネルギー
をより有効に利用することができる。水素を用いた温度
差電池は、水素の酸化還元電位が温度によって変化する
ことを利用したものであり、燃料電池に導入するために
加熱されて高温になった水素と燃料電池システムの外部
から供給された低温の水素との間で起電力を発生させる
ものである。温度差電池を設けることにより、高温の熱
エネルギーを電気エネルギーに変換するとともに水素を
稼動温度まで加熱することができ、総合的なエネルギー
効率が高く、保守の容易なシステムを実現できる。
燃料を燃料電池の稼動温度まで加熱する必要がある。本
発明の燃料電池システムでは、燃料の成分である水素を
用いた温度差電池を構成することにより、燃料電池シス
テムの運転時に排出される高温の排ガスの熱エネルギー
をより有効に利用することができる。水素を用いた温度
差電池は、水素の酸化還元電位が温度によって変化する
ことを利用したものであり、燃料電池に導入するために
加熱されて高温になった水素と燃料電池システムの外部
から供給された低温の水素との間で起電力を発生させる
ものである。温度差電池を設けることにより、高温の熱
エネルギーを電気エネルギーに変換するとともに水素を
稼動温度まで加熱することができ、総合的なエネルギー
効率が高く、保守の容易なシステムを実現できる。
【００１１】まず、水素の温度差電池の原理について説
明する。
明する。
【００１２】高温および低温の水素を用いた温度差電池
は、一般に、多孔性の低温電極と、同じく多孔性の高温
電極と、これら両方の電極に挟持された電解質とによっ
て構成される。電解質としては、プロトン（Ｈ+イオ
ン）伝導性の固体が一般に使用される。低温電極には、
電解質に接しない側から低温の水素が供給され、高温電
極には、高温の水素が接触している。ここで、両方の電
極を構成する物質が電極反応で変化せず、高温電極が高
温の熱媒体に接していてその温度が低温電極よりも高
く、各電極での水素の圧力（分圧）が等しいと仮定する
と、水素の酸化還元電位の温度による変化によって、低
温電極では、 Ｈ2 → ２Ｈ+＋２ｅ- の反応が起こる。この反応により生成したＨ+イオン
（プロトン）は電解質中を通り高温電極へ移動する。ま
た高温電極では、 ２Ｈ+＋２ｅ- → Ｈ2 の反応により水素（ガス）の生成反応が起こる。このよ
うに、高温と低温の水素による起電力の発現により、電
子は低温電極から外部回路を通じて高温電極へ移動す
る。すなわち、水素を用いた温度差電池系においては、
高温電極に供給される高温の熱媒体の熱エネルギーを電
気エネルギーに変換することが可能となる。ここで、外
部の配管を通して、低温電極で電極反応を起こさなかっ
た水素を高温電極に供給し高温の熱媒体と熱交換させれ
ば、発電と同時に水素を低温から高温へ加熱すること可
能となる。また、燃料電池の燃料として純水素を用い、
温度差電池の電解質のプロトン伝導量を大きくすれば、
燃料として使用される純水素の全量をプロトン伝導によ
って（すなわち温度差電池の電極反応に寄与させて）、
低温電極から高温電極に向けて輸送することが可能とな
る。この場合も、発電と同時に燃料の水素ガスの加熱が
行なわれることになる。高温の熱媒体としては、燃料電
池システムから発生する高温の排ガスを用いることがで
き、また、そのようにすることによってエネルギー変換
効率の向上という本発明の目的を達成することができ
る。
は、一般に、多孔性の低温電極と、同じく多孔性の高温
電極と、これら両方の電極に挟持された電解質とによっ
て構成される。電解質としては、プロトン（Ｈ+イオ
ン）伝導性の固体が一般に使用される。低温電極には、
電解質に接しない側から低温の水素が供給され、高温電
極には、高温の水素が接触している。ここで、両方の電
極を構成する物質が電極反応で変化せず、高温電極が高
温の熱媒体に接していてその温度が低温電極よりも高
く、各電極での水素の圧力（分圧）が等しいと仮定する
と、水素の酸化還元電位の温度による変化によって、低
温電極では、 Ｈ2 → ２Ｈ+＋２ｅ- の反応が起こる。この反応により生成したＨ+イオン
（プロトン）は電解質中を通り高温電極へ移動する。ま
た高温電極では、 ２Ｈ+＋２ｅ- → Ｈ2 の反応により水素（ガス）の生成反応が起こる。このよ
うに、高温と低温の水素による起電力の発現により、電
子は低温電極から外部回路を通じて高温電極へ移動す
る。すなわち、水素を用いた温度差電池系においては、
高温電極に供給される高温の熱媒体の熱エネルギーを電
気エネルギーに変換することが可能となる。ここで、外
部の配管を通して、低温電極で電極反応を起こさなかっ
た水素を高温電極に供給し高温の熱媒体と熱交換させれ
ば、発電と同時に水素を低温から高温へ加熱すること可
能となる。また、燃料電池の燃料として純水素を用い、
温度差電池の電解質のプロトン伝導量を大きくすれば、
燃料として使用される純水素の全量をプロトン伝導によ
って（すなわち温度差電池の電極反応に寄与させて）、
低温電極から高温電極に向けて輸送することが可能とな
る。この場合も、発電と同時に燃料の水素ガスの加熱が
行なわれることになる。高温の熱媒体としては、燃料電
池システムから発生する高温の排ガスを用いることがで
き、また、そのようにすることによってエネルギー変換
効率の向上という本発明の目的を達成することができ
る。
【００１３】さらに、電解質を通り高温電極から低温電
極へ移動する熱エネルギーのうち発電に使われないもの
は、低温の水素の昇温に使われるため熱の損失にはなら
ないという利点を有している。すなわち、一般に温度差
電池では、高温電極から低温電極へ熱が移動して低温電
極から散逸することが効率の低下につながっていたが、
本発明では、この散逸する熱を燃料電池に供給される燃
料の加熱に使用することになり、従来の温度差電池の欠
点を利点に変えたことになる。
極へ移動する熱エネルギーのうち発電に使われないもの
は、低温の水素の昇温に使われるため熱の損失にはなら
ないという利点を有している。すなわち、一般に温度差
電池では、高温電極から低温電極へ熱が移動して低温電
極から散逸することが効率の低下につながっていたが、
本発明では、この散逸する熱を燃料電池に供給される燃
料の加熱に使用することになり、従来の温度差電池の欠
点を利点に変えたことになる。
【００１４】本発明では温度差電池を設けているので、
温度差電池を設けず熱交換のみによって燃料を加熱する
場合に比べ、温度差電池からの出力電力に対応する分だ
け、燃料の加熱に要する熱エネルギーが増加することに
なる。しかしながら、熱源として燃料電池システムの高
温の排ガスを使用している場合には、この増加した熱エ
ネルギーは、従来、有効には利用されていなかった熱エ
ネルギーであり、熱エネルギーの利用効率が高まること
になる。
温度差電池を設けず熱交換のみによって燃料を加熱する
場合に比べ、温度差電池からの出力電力に対応する分だ
け、燃料の加熱に要する熱エネルギーが増加することに
なる。しかしながら、熱源として燃料電池システムの高
温の排ガスを使用している場合には、この増加した熱エ
ネルギーは、従来、有効には利用されていなかった熱エ
ネルギーであり、熱エネルギーの利用効率が高まること
になる。
【００１５】本発明において、温度差電池の各電極に用
いる電極材料としては、多孔性、導電性を有し、使用す
る温度環境に耐えられるものであればよく、例えば、多
孔性の炭素電極、多孔質焼結ニッケル電極、多孔質チタ
ン電極、多孔質白金電極などが好適に用いられる。ま
た、温度差電池の電解質の材料としては、プロトン伝導
性を有するものであれば限定されるものではないが、例
えば、Ｈ3ＰＷ12Ｏ40・２９Ｈ2Ｏ，Ｈ3Ｍｏ12ＰＯ40・
２９Ｈ2Ｏ，ＨＵＯ2ＰＯ4・４Ｈ2Ｏ，Ｚｒ（ＨＰＯ4）2
・２Ｈ2Ｏ，ＳｒＣｅ0.95Ｙｂ0.05Ｏ3，ＫＨ2ＰＯ4，Ｓ
ｒＣｅＯ3系などのものが好適に用いられる。
いる電極材料としては、多孔性、導電性を有し、使用す
る温度環境に耐えられるものであればよく、例えば、多
孔性の炭素電極、多孔質焼結ニッケル電極、多孔質チタ
ン電極、多孔質白金電極などが好適に用いられる。ま
た、温度差電池の電解質の材料としては、プロトン伝導
性を有するものであれば限定されるものではないが、例
えば、Ｈ3ＰＷ12Ｏ40・２９Ｈ2Ｏ，Ｈ3Ｍｏ12ＰＯ40・
２９Ｈ2Ｏ，ＨＵＯ2ＰＯ4・４Ｈ2Ｏ，Ｚｒ（ＨＰＯ4）2
・２Ｈ2Ｏ，ＳｒＣｅ0.95Ｙｂ0.05Ｏ3，ＫＨ2ＰＯ4，Ｓ
ｒＣｅＯ3系などのものが好適に用いられる。
【００１６】
【実施例】次に本発明の実施例について図面を参照して
説明する。図１は、本発明の一実施例の燃料電池システ
ムの構成を示す図、図２は、本発明に使用される温度差
電池の構成の一例を説明する模式断面図である。
説明する。図１は、本発明の一実施例の燃料電池システ
ムの構成を示す図、図２は、本発明に使用される温度差
電池の構成の一例を説明する模式断面図である。
【００１７】この燃料電池システムは、天然ガス（主成
分はメタンＣＨ4）から改質によって水素ガス（Ｈ2）を
含む燃料を生成し、この燃料を燃料電池１に供給するも
のであって、高温動作型の燃料電池１、天然ガスを受け
入れて天然ガスから硫黄分を取り除く脱硫装置２、脱硫
装置２の出口に接続された改質装置３、改質装置３の出
口と燃料電池１の陽極１ａの入口との間に設けられた温
度差電池４、空気もしくは酸素に富んだ空気（酸素導入
流）を燃料電池１の稼動温度近傍まで加熱するための熱
交換器５、燃料電池１の陽極１ａと陰極１ｂのそれぞれ
の出口に接続され燃料電池１からの未反応の水素を燃焼
させる燃焼室６、排熱を利用して発電を行なうためのタ
ービン７とからなっている。
分はメタンＣＨ4）から改質によって水素ガス（Ｈ2）を
含む燃料を生成し、この燃料を燃料電池１に供給するも
のであって、高温動作型の燃料電池１、天然ガスを受け
入れて天然ガスから硫黄分を取り除く脱硫装置２、脱硫
装置２の出口に接続された改質装置３、改質装置３の出
口と燃料電池１の陽極１ａの入口との間に設けられた温
度差電池４、空気もしくは酸素に富んだ空気（酸素導入
流）を燃料電池１の稼動温度近傍まで加熱するための熱
交換器５、燃料電池１の陽極１ａと陰極１ｂのそれぞれ
の出口に接続され燃料電池１からの未反応の水素を燃焼
させる燃焼室６、排熱を利用して発電を行なうためのタ
ービン７とからなっている。
【００１８】まず、温度差電池４の構成について、図２
により説明する。
により説明する。
【００１９】この温度差電池４は、陰極である多孔性の
低温電極１１、陽極である多孔性の高温電極１２、これ
ら低温電極１１と高温電極１２とに挟持されたプロトン
伝導性の固体電解質１３、低温電極１１に接して設けら
れたする低温水素配管１４、高温電極１２に接して設け
られた高温水素配管１５、熱媒体が流通する高温熱媒体
配管１６とによって構成されている。低温水素配管１４
は、入口１４ａと出口１４ｂを有し、水素を含むガス
（水素導入流）がその入口１４ａから導入されたとき、
ガスに含まれる水素の一部を低温電極１１に供給してこ
の低温電極１１で電極反応を起こさせるようになってい
る。水素導入流の水素以外の成分および低温電極１１に
供給されなかった水素は、出口１４ｂから排出される。
同様に、高温水素配管１５は、入口１５ａと出口１５ｂ
とを有し、水素導入流がその入口１５ａから供給され
る。そして、高温電極１２での電極反応によって生成し
た水素ガスは、高温電極１２からこの高温水素配管１５
に移行し、入口１５ａからのガスともに出口１５ｂから
排出されるようになっている。また、高温熱媒体配管１
６は、その中を通過する高温熱媒体によって、高温電極
１２と高温水素配管１５の双方を加熱するようになって
おり、高温水素配管１５の入口１５ａから比較的温度の
低いガスが導入されたときであっても、このガスを加熱
し、かつ高温電極１２の温度を所定の動作温度に維持で
きるようになっている。
低温電極１１、陽極である多孔性の高温電極１２、これ
ら低温電極１１と高温電極１２とに挟持されたプロトン
伝導性の固体電解質１３、低温電極１１に接して設けら
れたする低温水素配管１４、高温電極１２に接して設け
られた高温水素配管１５、熱媒体が流通する高温熱媒体
配管１６とによって構成されている。低温水素配管１４
は、入口１４ａと出口１４ｂを有し、水素を含むガス
（水素導入流）がその入口１４ａから導入されたとき、
ガスに含まれる水素の一部を低温電極１１に供給してこ
の低温電極１１で電極反応を起こさせるようになってい
る。水素導入流の水素以外の成分および低温電極１１に
供給されなかった水素は、出口１４ｂから排出される。
同様に、高温水素配管１５は、入口１５ａと出口１５ｂ
とを有し、水素導入流がその入口１５ａから供給され
る。そして、高温電極１２での電極反応によって生成し
た水素ガスは、高温電極１２からこの高温水素配管１５
に移行し、入口１５ａからのガスともに出口１５ｂから
排出されるようになっている。また、高温熱媒体配管１
６は、その中を通過する高温熱媒体によって、高温電極
１２と高温水素配管１５の双方を加熱するようになって
おり、高温水素配管１５の入口１５ａから比較的温度の
低いガスが導入されたときであっても、このガスを加熱
し、かつ高温電極１２の温度を所定の動作温度に維持で
きるようになっている。
【００２０】次に、この燃料電池システムにおける各構
成要素の接続関係について、さらに詳しく説明する。
成要素の接続関係について、さらに詳しく説明する。
【００２１】天然ガスは脱硫装置２に供給されるが、脱
硫装置２と改質装置３との間で、脱硫された天然ガスに
水蒸気が添加されるようになっている。改質装置３の出
口と温度差電池４の低温水素配管１４の入口１４ａとが
接続され、低温水素配管１４の出口１４ｂと高温水素配
管１５の入口１５ａとが接続され、高温水素配管の出口
１５ｂと燃料電池１の陽極１ａの入口とが接続されてい
る。酸素導入流の配管は、熱交換器５の一方の側を介し
て燃料電池１の陰極１ｋの入口に接続されている。そし
て、燃焼室６の出口は、温度差電池４の高温熱媒体配管
１６の入口に接続され、この高温熱媒体配管１６の出口
は、熱交換器５の他方の側を介してタービン７に接続さ
れている。
硫装置２と改質装置３との間で、脱硫された天然ガスに
水蒸気が添加されるようになっている。改質装置３の出
口と温度差電池４の低温水素配管１４の入口１４ａとが
接続され、低温水素配管１４の出口１４ｂと高温水素配
管１５の入口１５ａとが接続され、高温水素配管の出口
１５ｂと燃料電池１の陽極１ａの入口とが接続されてい
る。酸素導入流の配管は、熱交換器５の一方の側を介し
て燃料電池１の陰極１ｋの入口に接続されている。そし
て、燃焼室６の出口は、温度差電池４の高温熱媒体配管
１６の入口に接続され、この高温熱媒体配管１６の出口
は、熱交換器５の他方の側を介してタービン７に接続さ
れている。
【００２２】次に、本実施例の動作について説明する。
【００２３】脱硫装置２に供給された天然ガスは脱硫さ
れ、そののち水蒸気を添加されて改質装置３に導入され
る。改質装置３では、 ＣＨ4 ＋ ２Ｈ2Ｏ → ４Ｈ2 ＋ ＣＯ2 の反応により天然ガスの改質が行なわれ、水素と二酸化
炭素を主成分とするガス（水素導入流）が出力される。
上記の反応は吸熱反応であるため改質装置３は加熱さ
れ、その結果、改質装置３からの水素導入流の出口温度
は４００℃程度である。
れ、そののち水蒸気を添加されて改質装置３に導入され
る。改質装置３では、 ＣＨ4 ＋ ２Ｈ2Ｏ → ４Ｈ2 ＋ ＣＯ2 の反応により天然ガスの改質が行なわれ、水素と二酸化
炭素を主成分とするガス（水素導入流）が出力される。
上記の反応は吸熱反応であるため改質装置３は加熱さ
れ、その結果、改質装置３からの水素導入流の出口温度
は４００℃程度である。
【００２４】この水素導入流すなわち水素を含むガス
は、低温水素配管１４の入口１４ａから温度差電池４に
供給され、水素導入流中の水素の一部は、陰極である低
温電極１１において、 Ｈ2 → ２Ｈ+ ＋ ２ｅ- の反応により外部回路に電子を放出してＨ+イオン（プ
ロトン）となり、固体電解質１３を通って、高温電極１
２へ移動する。反応しなかった残りの水素ガスおよび二
酸化炭素は、低温水素配管１４の出口１４ｂから高温水
素配管１５の入口１５ｂに入り、高温水素配管１５を通
過しながら、高温熱媒体配管１６を通過する高温の排ガ
スによって加熱される。ここで、高温電極１２上では、
固体電解質１３中を通過してきたＨ+イオンが、 ２Ｈ+ ＋ ２ｅ- → Ｈ2 の反応により外部回路から電子を受け取って高温の水素
となり、高温水素配管１５の入口１５ａより流入してき
た水素導入流（Ｈ2／ＣＯ2混合ガス）と合流し、出口１
５ｂから流出する。この結果、高温水素配管中１５の水
素導入流は燃料電池１の稼動温度付近まで加熱され、燃
料電池１の陽極１ａに導入される。
は、低温水素配管１４の入口１４ａから温度差電池４に
供給され、水素導入流中の水素の一部は、陰極である低
温電極１１において、 Ｈ2 → ２Ｈ+ ＋ ２ｅ- の反応により外部回路に電子を放出してＨ+イオン（プ
ロトン）となり、固体電解質１３を通って、高温電極１
２へ移動する。反応しなかった残りの水素ガスおよび二
酸化炭素は、低温水素配管１４の出口１４ｂから高温水
素配管１５の入口１５ｂに入り、高温水素配管１５を通
過しながら、高温熱媒体配管１６を通過する高温の排ガ
スによって加熱される。ここで、高温電極１２上では、
固体電解質１３中を通過してきたＨ+イオンが、 ２Ｈ+ ＋ ２ｅ- → Ｈ2 の反応により外部回路から電子を受け取って高温の水素
となり、高温水素配管１５の入口１５ａより流入してき
た水素導入流（Ｈ2／ＣＯ2混合ガス）と合流し、出口１
５ｂから流出する。この結果、高温水素配管中１５の水
素導入流は燃料電池１の稼動温度付近まで加熱され、燃
料電池１の陽極１ａに導入される。
【００２５】一方、外部から供給される酸素導入流すな
わち空気または酸素に富んだ空気は、熱交換器５の一方
の側を通過し、このとき熱交換器５の他方の側を流通す
る高温の排ガスによって燃料電池１の稼動温度付近にま
で加熱され、燃料電池１の陰極１ｋに供給される。その
結果、水素導入流中の水素と酸素導入流中の酸素とが燃
料電池１の内部で反応し、電力と熱とを発生させる。燃
料電池１の陽極１ａの出口からは、反応によって生成し
た高温の水蒸気、改質の際に生成された二酸化炭素およ
び未反応の水素が排出される。また、陰極１ｋの出口か
らは、未反応の酸素および反応に関与しない窒素が排出
され、これらは燃焼室６で合流する。なお、燃料電池１
で発生する熱エネルギーは、陽極１ａおよび陰極１ｋか
ら排出されるガスによって、燃料電池１外に運び出され
る。
わち空気または酸素に富んだ空気は、熱交換器５の一方
の側を通過し、このとき熱交換器５の他方の側を流通す
る高温の排ガスによって燃料電池１の稼動温度付近にま
で加熱され、燃料電池１の陰極１ｋに供給される。その
結果、水素導入流中の水素と酸素導入流中の酸素とが燃
料電池１の内部で反応し、電力と熱とを発生させる。燃
料電池１の陽極１ａの出口からは、反応によって生成し
た高温の水蒸気、改質の際に生成された二酸化炭素およ
び未反応の水素が排出される。また、陰極１ｋの出口か
らは、未反応の酸素および反応に関与しない窒素が排出
され、これらは燃焼室６で合流する。なお、燃料電池１
で発生する熱エネルギーは、陽極１ａおよび陰極１ｋか
ら排出されるガスによって、燃料電池１外に運び出され
る。
【００２６】燃焼室６では、燃料電池１から排出された
未反応の水素が燃焼し、燃焼ガスが高温の排ガスとして
排出される。この、高温の排ガスは、燃焼室６での燃焼
熱のほか燃料電池１で発生した熱エネルギーの担体とし
て機能し、温度差電池４の高温熱媒体配管１６に導入さ
れ、高温水素配管１５内の水素導入流および高温電極１
２を加熱し、さらに熱交換器５の他方の側に供給されて
酸素導入流を加熱する。そして、熱交換器５の他方の側
の出口から排出されたこの排ガスは、タービンを駆動す
るには十分な温度を有しているので、発電のためにター
ビン７に供給される。さらに、排ガスの熱エネルギーは
給湯などにも使用することが可能である。ここでは、温
度差電池１と熱交換器５の他方の側とが直列に接続され
ているが、並列に接続することも可能である。
未反応の水素が燃焼し、燃焼ガスが高温の排ガスとして
排出される。この、高温の排ガスは、燃焼室６での燃焼
熱のほか燃料電池１で発生した熱エネルギーの担体とし
て機能し、温度差電池４の高温熱媒体配管１６に導入さ
れ、高温水素配管１５内の水素導入流および高温電極１
２を加熱し、さらに熱交換器５の他方の側に供給されて
酸素導入流を加熱する。そして、熱交換器５の他方の側
の出口から排出されたこの排ガスは、タービンを駆動す
るには十分な温度を有しているので、発電のためにター
ビン７に供給される。さらに、排ガスの熱エネルギーは
給湯などにも使用することが可能である。ここでは、温
度差電池１と熱交換器５の他方の側とが直列に接続され
ているが、並列に接続することも可能である。
【００２７】ここで、温度差電池４として、低温電極１
１および高温電極１２にそれぞれ編目状多孔性白金板を
使用し、固体電解質１３にＳｒＣｅ0.95Ｙｂ0.05Ｏ3を
使用したものを用いたところ、低温電極１１側と高温電
極１２側それぞれでの水素の分圧を１ａｔｍとしたとき
に、電極間の温度差１℃当りの起電力はほぼ一定で０.
１８ｍＶ／℃であった。そして、この燃料電池システム
の定常運転時において、低温電極１１の平均温度を４０
０℃、高温電極１２の平均温度を８００℃としたとこ
ろ、温度差電池４のセル当り７２ｍＶの起電力が得ら
れ、また短絡電流は０.８Ａ／ｃｍ2となり、単に燃料を
加熱するのに比べ高効率な燃料電池システムが構築でき
た。
１および高温電極１２にそれぞれ編目状多孔性白金板を
使用し、固体電解質１３にＳｒＣｅ0.95Ｙｂ0.05Ｏ3を
使用したものを用いたところ、低温電極１１側と高温電
極１２側それぞれでの水素の分圧を１ａｔｍとしたとき
に、電極間の温度差１℃当りの起電力はほぼ一定で０.
１８ｍＶ／℃であった。そして、この燃料電池システム
の定常運転時において、低温電極１１の平均温度を４０
０℃、高温電極１２の平均温度を８００℃としたとこ
ろ、温度差電池４のセル当り７２ｍＶの起電力が得ら
れ、また短絡電流は０.８Ａ／ｃｍ2となり、単に燃料を
加熱するのに比べ高効率な燃料電池システムが構築でき
た。
【００２８】
【発明の効果】以上説明したように本発明は、燃料の成
分である水素の温度差電池を構成することにより、燃料
電池システムの運転時に排出される高温排ガスの熱エネ
ルギーをより有効に利用することができるようになると
いう効果を有する。
分である水素の温度差電池を構成することにより、燃料
電池システムの運転時に排出される高温排ガスの熱エネ
ルギーをより有効に利用することができるようになると
いう効果を有する。
【図１】本発明の一実施例の燃料電池システムの構成を
示す図である。
示す図である。
【図２】本発明に使用される温度差電池の構成の一例を
説明する模式断面図である。
説明する模式断面図である。
【図３】従来の燃料電池システムの構成を示す図であ
る。
る。
１ 燃料電池 １ａ 陽極 １ｋ 陰極 ２ 脱硫装置 ３ 改質装置 ４ 温度差電池 ５ 熱交換器 ６ 燃焼室 ７ タービン １１ 低温電極 １２ 高温電極 １３ 固体電解質 １４ 低温水素配管 １５ 高温水素配管 １６ 高温熱媒体配管
フロントページの続き (72)発明者 小山 光範 東京都千代田区内幸町一丁目１番６号 日 本電信電話株式会社内
Claims (4)
- 【請求項１】 水素ガスを含む燃料を使用する燃料電池
を有する燃料電池システムにおいて、 温度差電池が設けられ、 前記燃料電池システムに外部から供給される燃料は、少
なくとも前記温度差電池の低温電極に供給され、 前記温度差電池の高温電極は前記燃料電池システムの排
熱で加熱され、 前記高温電極から流出する前記燃料が前記燃料電池に供
給されることを特徴とする燃料電池システム。 - 【請求項２】 水素ガスを含む燃料を使用する燃料電池
を有する燃料電池システムにおいて、 前記燃料電池に供給される燃料を予備加熱する予備加熱
手段と、 前記燃料電池に供給される前の前記予備加熱手段で予備
加熱された前記燃料と前記予備加熱手段で予備加熱され
る前の前記燃料との温度差を利用して発電する温度差電
池とが設けられていることを特徴とする燃料電池システ
ム。 - 【請求項３】 予備加熱手段が、燃料電池システムに発
生する高温排ガスのの熱エネルギーを利用して予備加熱
を行なうものである請求項２記載の燃料電池システム。 - 【請求項４】 温度差電池が、低温電極と高温電極との
間にはさまれて設けられプロトン伝導体で構成された電
解質を有する請求項１ないし３いずれか１項に記載の燃
料電池システム。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP02941492A JP3246515B2 (ja) | 1992-02-17 | 1992-02-17 | 燃料電池システム |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP02941492A JP3246515B2 (ja) | 1992-02-17 | 1992-02-17 | 燃料電池システム |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05225990A true JPH05225990A (ja) | 1993-09-03 |
| JP3246515B2 JP3246515B2 (ja) | 2002-01-15 |
Family
ID=12275475
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP02941492A Expired - Lifetime JP3246515B2 (ja) | 1992-02-17 | 1992-02-17 | 燃料電池システム |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3246515B2 (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1998025320A1 (en) * | 1996-12-02 | 1998-06-11 | Hydrogenics Inc. | Hybrid self-contained heating and electrical power supply incorporating a hydrogen fuel cell, a thermoelectric generator and a catalytic burner |
| KR100486561B1 (ko) * | 2002-06-21 | 2005-05-03 | 엘지전자 주식회사 | 수소가스가 재활용되는 혼합 연료전지 |
| JP2007187401A (ja) * | 2006-01-16 | 2007-07-26 | Misawa Kankyo Gijutsu Kk | 冷暖房設備 |
| JP2017532718A (ja) * | 2014-08-11 | 2017-11-02 | ジョンソン・アイピー・ホールディング・エルエルシー | 熱−電気化学変換器 |
| RU2699757C1 (ru) * | 2018-12-28 | 2019-09-10 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Цирит Термо" | Отопительная установка со встроенным термогенератором |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4686954B2 (ja) | 1999-06-28 | 2011-05-25 | チッソ株式会社 | ワニス組成物および液晶表示素子 |
-
1992
- 1992-02-17 JP JP02941492A patent/JP3246515B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1998025320A1 (en) * | 1996-12-02 | 1998-06-11 | Hydrogenics Inc. | Hybrid self-contained heating and electrical power supply incorporating a hydrogen fuel cell, a thermoelectric generator and a catalytic burner |
| KR100486561B1 (ko) * | 2002-06-21 | 2005-05-03 | 엘지전자 주식회사 | 수소가스가 재활용되는 혼합 연료전지 |
| JP2007187401A (ja) * | 2006-01-16 | 2007-07-26 | Misawa Kankyo Gijutsu Kk | 冷暖房設備 |
| JP2017532718A (ja) * | 2014-08-11 | 2017-11-02 | ジョンソン・アイピー・ホールディング・エルエルシー | 熱−電気化学変換器 |
| US10522862B2 (en) | 2014-08-11 | 2019-12-31 | Johnson Ip Holding, Llc | Thermo-electrochemical converter |
| US10938053B2 (en) | 2014-08-11 | 2021-03-02 | Johnson Ip Holding, Llc | Thermo-electrochemical converter |
| RU2699757C1 (ru) * | 2018-12-28 | 2019-09-10 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Цирит Термо" | Отопительная установка со встроенным термогенератором |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3246515B2 (ja) | 2002-01-15 |
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