JPH11329457A - 燃料電池システム - Google Patents
燃料電池システムInfo
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- JPH11329457A JPH11329457A JP10153867A JP15386798A JPH11329457A JP H11329457 A JPH11329457 A JP H11329457A JP 10153867 A JP10153867 A JP 10153867A JP 15386798 A JP15386798 A JP 15386798A JP H11329457 A JPH11329457 A JP H11329457A
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Abstract
率を高めることができる燃料電池システムを提供する。 【解決手段】主として車両の主機に駆動用電力を供給す
る主燃料電池3と、主燃料電池に水素含有ガスを供給す
る改質器1と、主燃料電池に酸素含有ガスを供給する空
気圧縮機7とを備えた燃料電池システムであり、主燃料
電池から排出された水素含有ガスを一方の燃料ガスと
し、主として車両の補機に駆動用電力を供給する補助燃
料電池5を備える。
Description
ステムに関し、特に排出された水素ガスを効率的に利用
することで全体効率を高めることができる燃料電池シス
テムに関する。
するエネルギを直接電気エネルギに変換する装置であ
り、電解質を挟んで設けられた一対の電極のうちの陽極
に水素を含有する燃料ガスを供給するとともに、他方の
陰極に酸素を含有する燃料ガスを供給し、これら一対の
電極の電解質側の表面で生じる下記の電気化学反応を利
用して電極から電気エネルギを取り出すものである。
は、水素を含有する燃料ガスを生成する装置として、メ
タノールを水蒸気改質して、水素を多量に含む燃料ガス
とする改質器、酸素を含有する燃料ガスを生成する装置
として、空気を取り入れて圧縮空気とする圧縮機が知ら
れている(たとえば、特開平8−273,690号公報
参照)。そして、図3に示すように、改質器1からの水
素含有ガスを燃料電池スタック3の陽極に供給する一方
で、図外の圧縮機からの圧縮空気を適切な温度に温調し
たのち燃料電池スタック3の陰極へ供給する。
ル)が複数個直列に接続されることにより所望の電圧が
得られるように構成されたものであるが、燃料電池シス
テムに固体高分子型燃料電池スタックを用いた場合は、
消費される水素ガス量よりある程度大量の水素ガスを供
給しないと、たとえば一部のセルにおいて上記反応が過
剰に進行して多量の水素ガスが消費された場合など、積
層されたセル間の電圧にばらつきが生じ、一部のセルの
電圧が許容電圧を下回ることがある。こうして電圧が低
下したセルには大電流が流れることになるので、電極触
媒が劣化し電池の性能低下につながることになる。
る量以上の水素ガスが燃料電池スタックに供給され、余
剰水素ガスが生じるようになっている。そして、図示す
るように改質器を有するシステムにおいては、余剰水素
ガスを水蒸気方式の改質器にて燃焼させることで改質器
における吸熱反応に利用されている。
方式の改質器は、部分酸化方式の改質器に比べてサイズ
が大きく熱容量も大きいため、システムの小型化や起動
時間の短縮を図りたい場合には部分酸化方式の改質器が
有利となる。
ける改質反応は、下記式に示されるように発熱反応であ
るため、外部から熱を加える必要がない。このため、燃
料電池スタックからの余剰水素ガスを有効利用できず、
そのぶんだけシステムの効率が低下するといった問題が
あった。
+189.5kcal/mol 本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされ
たものであり、排出された水素ガスを効率的に利用でき
全体効率を高めることができる燃料電池システムを提供
することを目的とする。
に、請求項1記載の燃料電池システムは、主として車両
の主機に駆動用電力を供給する主燃料電池と、前記主燃
料電池に水素含有ガスを供給する改質器と、前記主燃料
電池に酸素含有ガスを供給する手段とを備えた燃料電池
システムにおいて、前記主燃料電池から排出された水素
含有ガスを一方の燃料ガスとし、主として前記車両の補
機に駆動用電力を供給する補助燃料電池を備えたことを
特徴とする。
は、主燃料電池を用いて車両の主機を駆動するととも
に、改質器で生成した改質ガス(水素含有ガス)の利用
率を高めるべく補助燃料電池を設け、この補助燃料電池
を用いて補機を駆動するので、過剰水素含有ガスを供給
しなければならない燃料電池システムであっても、余剰
水素を効率的に利用することができ、これによりシステ
ム全体として高い効率となる。特に、補機の駆動電圧が
主機の駆動電圧に比べて低電圧である車両においては、
定格電圧の低い小型の補助燃料電池とすることができる
と同時に、こうした小型の補助燃料電池を用いて余剰水
素を有効に回収できる。
リの充電率が大きかったり、あるいは主機の消費電力が
小さくて一時的に余剰水素が増加しても、補助燃料電池
によってこれを有効に利用することができるので、水素
利用率を高水準に維持することができる。
されないが、電気自動車あるいはハイブリッド自動車に
適用して好ましい。こうした自動車には、走行用の高電
圧電源と灯具などの補機を駆動するための低電圧電源が
必須となるので、高電圧電源として主燃料電池を用いる
とともに低電圧電源として補助燃料電池を用いると効率
的に余剰水素を回収することができる。
燃料ガス(酸素含有ガス)の供給手段は特に限定されな
いが、請求項2記載の燃料電池システムでは、前記主燃
料電池から排出された酸素含有ガスを他方の燃料ガスと
することを特徴とする。
を供給し、余剰酸素含有ガスを補助燃料電池の他方の燃
料ガスとして用いることで、別途の酸素含有ガス供給手
段が不要となり、コストダウンやシステムの構造的簡素
化を図ることができる。
れる水素ガス流量は特に限定されないが、たとえば請求
項3記載の燃料電池システムのように、燃料電池で消費
される水素量に対する供給水素量の比をストイキ値S
t、前記主燃料電池の定格消費水素量をQmと定義した
とき、前記補助燃料電池の定格消費水素量Qsが、下記
式で表されることが好ましい。
料電池および補助燃料電池に水素含有ガスを供給するこ
とができ、これらの燃料電池において過不足なく水素含
有ガスが消費される。すなわち、水素含有ガスの不足に
よる各セル間での電圧バラツキが抑制されるとともに、
過剰な水素含有ガスの供給による回収率の低下を防止す
ることができる。
は、主として車両の主機に駆動用電力を供給する主燃料
電池と、前記主燃料電池に水素含有ガスを供給する改質
器と、前記主燃料電池に酸素含有ガスを供給する手段と
を備えた燃料電池システムにおいて、前記主燃料電池か
ら排出された水素含有ガスを一方の燃料ガスとし、前記
主燃料電池と同一の定格電圧を出力し、前記車両の主機
に駆動用電力を供給する補助燃料電池を備えたことを特
徴とする。
は、主燃料電池で余剰となった水素含有ガスを用いて補
助燃料電池にて発電し、これを主機の駆動用電力として
利用するので、主機において多くの電力が必要となって
も充分にこれを賄うことができる。また、何らかの原因
で主燃料電池が故障しても、これを補助燃料電池からの
電力で補うことができるので、システム全体の稼働率の
低下を抑制することができる。
請求項5記載の燃料電池システムは、前記改質器が部分
酸化型改質器であることを特徴とする。部分酸化型改質
器による改質反応は発熱反応であることから、燃料電池
で生じた余剰水素ガスを燃焼させて利用する必要がな
い。したがって、こうした部分酸化型改質器を備えた燃
料電池システムには、特に本発明の利用価値がある。
含有ガスを供給しなければならない燃料電池システムで
あっても、余剰水素を効率的に利用することができ、こ
れにより高効率の燃料電池システムを提供することがで
きる。特に、補機の駆動電圧が主機の駆動電圧に比べて
低電圧である車両においては、定格電圧の低い小型の補
助燃料電池とすることができると同時に、こうした小型
の補助燃料電池を用いて余剰水素を有効に回収できる。
リの充電率が大きかったり、あるいは主機の消費電力が
小さくて一時的に余剰水素が増加しても、補助燃料電池
によってこれを有効に利用することができるので、水素
利用率を高水準に維持することができる。
ば、主燃料電池に対しても過剰な酸素含有ガスを供給
し、余剰酸素含有ガスを補助燃料電池の他方の燃料ガス
として用いることで、別途の酸素含有ガス供給手段が不
要となり、コストダウンやシステムの構造的簡素化を図
ることができる。
いストイキ値をもって主燃料電池および補助燃料電池に
水素含有ガスを供給することができ、水素含有ガスの不
足による各セル間での電圧バラツキが抑制されるととも
に、過剰な水素含有ガスの供給による回収率の低下を防
止することができる。
で余剰となった水素含有ガスを用いて補助燃料電池にて
発電し、これを主機の駆動用電力として利用するので、
主機において多くの電力が必要となっても充分にこれを
賄うことができる。また、何らかの原因で主燃料電池が
故障しても、これを補助燃料電池からの電力で補うこと
ができるので、システム全体の稼働率の低下を抑制する
ことができる。
発明の効果が最も有効に発揮されることになる。
基づいて説明する。第1実施形態 図1は本発明の燃料電池システムの第1実施形態を示す
ブロック図であり、まず構成を説明すると、タンク10
に蓄えられた改質原料は、ポンプ11により部分酸化型
改質器1に供給され、この改質器1にて、空気圧縮機1
から導かれる圧縮空気中の酸素と反応して、水素リッチ
な改質ガスを発生させる。
供給され、ここで燃料電池スタック3を被毒しない10
0ppm以下のCO濃度とされたのち、主機を駆動する
電力を発生させる主燃料電池スタック3に供給される。
CO除去装置2としては、例えばCO選択酸化触媒を用
いたものが用いられる。
される空気圧縮機7からの圧縮空気と、上述した部分酸
化型改質器1からの改質ガス中の水素とを反応させるこ
とにより、電力を発生させる。そして、この電流は、D
C/DC3aにより電圧変換されたのち、主機用に設け
られた2次バッテリー3bに供給されてここに蓄えられ
るか、直接主機に供給されて消費される。ここで主機と
は、本発明の燃料電池システムを電気自動車あるいはハ
イブリッド自動車に適用する場合には、走行用モータな
どが該当し、主機用2次バッテリー3bは、この走行用
モータ等を駆動するための高電圧電源が該当する。
ガスは、小型のCO除去装置4に流入し、COを再び燃
料電池の性能低下を引き起こさないレベル(たとえば1
00ppm以下)まで濃度低下させたのち、小出力のサ
ブ燃料電池スタック5に供給され、ここで主燃料電池ス
タック3から排出される圧縮空気と反応し、電力を発生
させる。小型のCO除去装置4としては、例えばCO選
択酸化触媒を用いたものが用いられる。
は、DC/DC5aにより電圧変換されたのち、補機用
に設けられた2次バッテリー5bに供給されてここに蓄
えられるか、直接補機に供給されて消費される。ここで
補機とは、本発明の燃料電池システムを電気自動車ある
いはハイブリッド自動車に適用する場合には、灯具など
の電装品等が該当し、補機用2次バッテリー5bは、こ
うした電装品を駆動するための低電圧電源が該当する。
池スタック3において消費されなかった改質ガス中の水
素量で安定な発電ができる容量とされている。
時に10Nm3 /hの水素ガスを消費する燃料電池スタ
ックであり、安定した各セル電圧を得るのに必要な水素
量が、消費される水素量の1.2倍(これをストイキ値
Stと定義する。ストイキ値Stとは、消費される水素
量に対する供給される水素量の比をいう。)とすると、
主燃料電池スタック3には、改質ガス中に12Nm3 /
hの水素を有する改質ガスが供給される。
る改質ガスの水素濃度を75%とすると、改質器1から
主燃料電池スタック3へ流すべき改質ガスの流量は、1
2/0.75=16Nm3 /hとなる。また、主燃料電
池スタック3に供給される改質ガス中のCO濃度が10
0ppmだとすれば、この改質ガスに含まれるCOの流
量は16×100/1000000=1.6×10-3N
m3 /hである。
0Nm3 /hだけ消費すれば、余剰水素は2Nm3 /h
である。また、COは主燃料電池スタック3内では消費
されないから、流量は変化しないで濃度が高まり、主燃
料電池スタック3の出口において、その濃度は、1.6
×10-3/(16−10)=267ppmとなる。
に設けられたサブ燃料電池スタック5においては、2N
m3 /hの水素で各セルが安定した電圧を発生するよう
にしなければならない。よって、ここでもストイキ値S
t=1.2となるように、2/1.2=約1.67Nm
3 /hの水素消費で定格出力となるものとすればよい。
下のようにまとめられる。
電池スタックの定格使用水素×(1−St)/St なお、小型のCO除去装置4は、6Nm3 /hの改質ガ
ス中に含有する267ppmのCOガスを100ppm
以下とする性能が必要となる。
にて水素と酸素とがそれぞれ消費された改質ガス及び空
気は、それぞれ燃焼器6に供給され、改質ガス中のCO
を酸化してCO2 に変換したのち系外に排出する。
池システムによれば、主燃料電池スタック3から排出さ
れる余剰水素を、サブ燃料電池スタック5で利用して電
力に変換することができる。すなわち、発生水素12N
m3 /hのうち、主燃料電池スタック3にて10Nm3
/h、サブ燃料電池スタック5にて1.67Nm3 /h
利用されることになり、改質器1が生成した改質ガス中
の水素の利用率が、サブ燃料電池スタック5が無い場合
の利用率10/12=83.33%に対して、(10+
1.67)/12=97.25%まで向上する。
は、サブ燃料電池スタック5の上流にてCO除去を行う
必要があるが、このCO除去装置4においては、(1.
6×10-3)×(267−100)/267=1.0×
10-3(Nm3 /h)のCO流量を除去すればよい。こ
れを選択触媒で行うと考えると、その反応式は、
めると考えると、1.0×10-3(Nm3 /h)/36
00/22.4=1.24×10-8(mol/s)となる。
したがって、その吸熱量は、293×103 ×1.24
×10-8(mol/s)=3.63(J/s)=3.63(W)
である。この値は、サブ燃料電池スタック5が発生する
電力量に比べ非常に小さく、したがってトータルのエネ
ルギー収支を考えると、サブ燃料電池スタック5を設け
た方がプラスとなる。
いては、主燃料電池スタック3が、2次バッテリー3b
の充電率が大きいか、あるいは主機の消費電力量が小さ
い等の理由から発電量を急に小さくすべく、タンク10
からの改質原料の供給量を減らしても、配管及び改質器
内に原料が残留しているため、燃料電池スタック3に比
べて出力低下の反応は遅くなる。
器1との反応遅れ時間に発生した水素は、余剰水素とし
てサブ燃料電池スタック5に供給され、サブ燃料電池ス
タック5において電力発生に用いることができる。
電池スタック3と異なる電圧となるよう設定することに
より、補機運転用に低い電圧が必要なシステムであった
場合、これに要するDC/DC5aを小容量のものとす
ることができる。
ガス中の水素量と同様に、各セル電圧を許容電圧以上に
保つため、圧縮空気についても必要空気量に対して大き
な流量を流す必要がある。
量に対する比を、改質ガス側のストイキ値Stより大き
くとれば、サブ燃料電池スタック5に新規の圧縮空気を
導入することなく、主燃料電池スタック3の排出空気を
用いて電力を発生させることができる。これにより、新
規な圧縮空気をサブ燃料電池スタック5に導入するため
に必要となる圧縮機7での仕事量を減らし、システム効
率を向上させることができる。
ブロック図であり、上述した第1実施形態と同様の構成
部材には同一の符号を付してある。
燃料電池スタック5の定格出力は第1実施形態と同様に
しながら、その定格電圧を主燃料電池スタック3と同様
になるよう設定されている。すなわち、主燃料電池スタ
ック3とサブ燃料電池スタック5とのDC/DC3aと
2次バッテリー3bとを共用化した燃料電池システムで
ある。
池システムは、たとえば補機の消費電力がサブ燃料電池
スタック5の発生電力量に対して少ないシステムに適用
することが好ましく、このようにサブ燃料電池スタック
5を設けることで、主燃料電池スタック3で排出してし
まう水素量を低下させることができ、主機で多くの電力
を消費できるため、システムの効率が向上する。
れば、主燃料電池スタック3で断線等のトラブルや性能
低下が生じても、サブ燃料電池スタック5で主機用電力
の一部を賄えるため、システムの完全停止を避けること
ができる。
理解を容易にするために記載されたものであって、本発
明を限定するために記載されたものではない。したがっ
て、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技
術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨
である。
すブロック図である。
すブロック図である。
る。
Claims (5)
- 【請求項1】主として車両の主機に駆動用電力を供給す
る主燃料電池と、前記主燃料電池に水素含有ガスを供給
する改質器と、前記主燃料電池に酸素含有ガスを供給す
る手段とを備えた燃料電池システムにおいて、 前記主燃料電池から排出された水素含有ガスを一方の燃
料ガスとし、主として前記車両の補機に駆動用電力を供
給する補助燃料電池を備えたことを特徴とする燃料電池
システム。 - 【請求項2】前記主燃料電池から排出された酸素含有ガ
スを他方の燃料ガスとすることを特徴とする請求項1記
載の燃料電池システム。 - 【請求項3】燃料電池で消費される水素量に対する供給
水素量の比をストイキ値St、前記主燃料電池の定格消
費水素量をQmと定義したとき、前記補助燃料電池の定
格消費水素量Qsが、下記式で表されることを特徴とす
る請求項1または2記載の燃料電池システム。 【数1】Qs=Qm(1−St)/St - 【請求項4】主として車両の主機に駆動用電力を供給す
る主燃料電池と、前記主燃料電池に水素含有ガスを供給
する改質器と、前記主燃料電池に酸素含有ガスを供給す
る手段とを備えた燃料電池システムにおいて、 前記主燃料電池から排出された水素含有ガスを一方の燃
料ガスとし、前記主燃料電池と同一の定格電圧を出力
し、前記車両の主機に駆動用電力を供給する補助燃料電
池を備えたことを特徴とする燃料電池システム。 - 【請求項5】前記改質器が部分酸化型改質器であること
を特徴とする請求項1〜4の何れかに記載の燃料電池シ
ステム。
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
JP15386798A JP3489443B2 (ja) | 1998-05-19 | 1998-05-19 | 燃料電池システム |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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Publications (2)
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JPH11329457A true JPH11329457A (ja) | 1999-11-30 |
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Family
ID=15571848
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP15386798A Expired - Lifetime JP3489443B2 (ja) | 1998-05-19 | 1998-05-19 | 燃料電池システム |
Country Status (1)
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JP (1) | JP3489443B2 (ja) |
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