JPS5856230B2 - パワ−プラント - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はパワープラントに係り、更に詳細には電源とし
て燃料電池を用いた電力発生パワープラントに係る。

燃料電池技術に於ては燃料電池の性能を改善する為に三
つの一般的な試みがなされていた。

その一つは燃料電池が作動する温度を増大することであ
る。

しかしこの試みは材料の腐蝕及び酸性電解質電池に於て
は酸の蒸発により限られる。

第二の試みは電極表面の単位面積あたりの触媒の量を増
大することである。

しかしこの試みは費用の増大と電極の特定の表面上に添
加可能な触媒の量に関・する実用的限界によって制限さ
れる。

第三の試みは燃料電池内に於ける反応物質の圧力を増大
することである。

この技術の分野に於ては燃料電池は反応物質の圧力が増
大する程性能を増大することが周知である。

この試みに対する主たる障害の一つは反応物質を圧縮す
る為にかなりのエネルギーが必要とされることである。

例えば反応物質を圧縮する為のエネルギーは燃料電池に
より発生される電気エネルギーであるべきことが考えら
れる。

この電気エネルギーは圧縮機を駆動するのに用いられる
。

問題は適当な反応物質圧力を発生する為に圧縮機を駆動
する為に燃料電池の発生する電気エネルギーの約３０優
が必要であるということである。

このことは使用可能な電力の損失を補う為に燃料電池は
その大きさが約５０咎増大されなげればならないことを
意味する。

燃料電池積み重ね体は燃料電池パワープラントの最も高
価な構成部品であることから、その性能の増大は燃料電
池の寸法増大によるコスト増大によって打ち消される。

電池積み重ね体の全電気出力が増大するとコンデンサー
、燃料処理装置等のパワープラントのその他の構成要素
もそれに比例して増大されなげればならない。

このことはパワープラントの寸法及びコストを更に増大
する。

更に又高圧の反応物質を用いたパワープラントシステム
に於けるその他の明らかな欠点は、反応物質を加圧する
為に必要とされる追加設備の費用、より高価なシール構
造を必要とすること、高圧を保つためにより強力な部材
を必要とすることによる費用の増大である。

以上のことを考えると酸化剤として空気を用いたパワー
プラントに関しては、燃料電池積み重ね体に高圧反応物
質を用いるパワープラントに向かうことは何らの利益を
もたらさず、あるいはむしろ実質的不利益をもたらすと
考えられている。

以上の理由から今日まで燃料電池パワープラントは常に
大気圧に於ける反応物質を用いていた。

本発明の一つの目的は経済的に魅力のある燃料電池パワ
ープラントを提供することである。

本発明の他の一つの目的はより効率の良い燃料電池パワ
ープラントを提供することである。

本発明の更に他の一つの目的は水回収装置あるいは別個
の水源を必要としない燃料電池パワープラントを提供す
ることである。

本発明は燃料電池を用いる電力発生用パワープラントで
あり、この場合空気は燃料電池から排出されたガスのエ
ネルギにより少くとも一部駆動される圧縮機により圧縮
された空気が燃料電池へ供給される。

圧縮空気は電池の正極側へ入り、これより未処理燃料と
共にオートサーマルリアクタへ流れる。

オートサーマルリアクタからの排出ガスは電池の負極側
へ供給され、バーナにてガスを燃焼することにより発生
された熱により加熱され、かくして加熱された状態にて
圧縮機装置に動力を与えるべく圧縮機装置へ供給される
。

前記オートサーマルリアクタにより必要とされる蒸気は
正極排出ガスに存在するので、水回収装置は必要とされ
ない。

又電池積重ね体からの電気エネルギは空気を圧縮するの
には用いられないので、パワープラント容量を維持すべ
く燃料電池積重ね体の寸法を増大する必要はない。

当然のこととして、燃料電池の性能改善により得られる
利益は完全に利用され、従って電池積重ね体は寸法を増
大することなくより多くの電気エネルギを発生すること
ができる。

本発明の他の一つの利点は主としてオートサーマルリア
クタである燃料処理装置が熱を供給するための別個のバ
ーナを必要としないことである。

このために負極排気ガス中のエネルギ及び未燃水素は燃
料処理装置へ熱を与えるために用いられるのではなく、
圧縮機装置を駆動するために全てが用いられて良い。

正極排出ガスが結局は電池の負極側に通されるので、本
発明の他の一つの実施例によれば、燃料は圧縮機装置に
入る空気と混合される。

このことは未処理燃料が加圧されないガス燃料であると
きに特に有利である。

何故ならば、このことは燃料が圧縮機装置により加圧さ
れることを許すからである。

本発明の上記の目的及びその他の目的、特徴及び利点は
以下に添付の図を参照しつつ行われる本発明の好ましい
実施例についての説明より明らかとなるのであろう。

第１図は本発明によるパワープラントの一つの実施例を
示し、ここでパワープラントは符号１０にて全体的に示
され、１２にて全体的に示された燃料電池積重ね体と、
１４にて全体的に示された圧縮機装置と、オートサーマ
ルリアクタ１６及びシフトコンバータ１８を含む燃料処
理装置と、触媒バーナ２０と、ラジェータ２２と、種種
の制御装置、熱交換器及びポンプとを含んでおり、これ
らについては以下に詳細に述べる。

電池積重ね体１２は一般に負荷と電気的に直列に接続さ
れた複数個の燃料電池を含むが、ここでは簡単のために
単一の電池２４と熱操作部２６を含む如く示されている
。

燃料電池積重ね体１２はガス状反応物質にて作動する従
来の型の燃料電池を含んでいて良い。

この実施例に於ては酸化剤は空気であり、燃料は水素で
ある。

図示の如く、各電池は正極２８とこれより隔置された負
極３０と、その間に配置された電解質を含むマトリック
ス３２とを含んでいる。

この好ましい実施例に於ては、電解質は燐酸液であるが
、本発明はこれにのみ限られるものではなく、塩基性電
解質、金属酸化物電解質あるいは固体ポリマーの如き固
体電解質も又本発明によるパワープラントの設計に応じ
て用いられて良い。

電極２８．３０は負荷３４を経て直列に接続されている
。

各電池２４は正極２８の非電解質側に正極ガススペース
３６を含み、又負極３０の非電解質側に負極ガススペー
ス３８を含んでいる。

本発明に於ては、燃料処理装置はオートサーマルリアク
タとシフトコンバータのみを含むように示されているが
、これは例えば選択的酸化装置、アンモニアスクラバ等
の追加の装置を含んでいて良い。

これらの構成要素は示されていないが、これらはパワー
プラントに容易に組み込まれ得るものであり、本発明の
範囲内に含まれて良いものである。

圧縮機装置１４は軸４４を経てタービン４２により駆動
される圧縮機４０を含むターボチャージャであり、パワ
ープラントのその他の構成要素と共に以下に於て詳細に
説明されている。

更に第１図について見ると、作動に於て空気は導管４６
を経て圧縮機４０へ入り、圧縮される。

大気圧より高い任意の圧力によって非加圧式ツバワープ
ラントに比して幾らかの利点が得られる。

しかし２気圧あるいはそれ以上の圧力がパワ−７ラント
全体として実質的な利益を得るために好ましい。

圧縮された空気はエアコントロールボックス４８により
触媒バーナ２０と燃料電池積重ね体１２０間に分けられ
る。

積重ね体１２へ導かれる部分は導管５０を経て正極ガス
スペース３６へ通される。

正極ガススペース３６に於ては空気中の酸素が正極２８
にてマトリックス３２内の燐酸電解質と電気化学的に反
応し、電気と水を発生する。

この水の幾分かは正極ガススペース３０を通って流れる
空気中へ受けて再び蒸発し、これと共に去る。

このことは電池の負極側に於ても同じである。負極及び
正極カススペース排出流として電池積重ね体を去る水の
流量は一定であるが、これら二つの流れの間の分割率は
幾つかの要件によって異なる。

一つの要件は正極ガススペースへ流入する空気が負極ガ
ススペースへ流入するガスに比して乾燥していることで
ある。

電池積重ね体へ流入するこれらの流れに於ける湿度の差
により、当業者はこれら放出流中に於ける水の量をある
値に制御するよう電池積重ね体を設計することができる
。

例えば電池積重ね体を通って反対方向に流れを流すこと
により、正極ガススペース放出量中に於ける水の量（即
ち蒸気の量）は負極ガススペース放出流中の水の量を減
らして増大される。

以下により詳細に説明される如く、燃料を処理するため
の蒸気は正極ガススペース放出流から得られるので正極
ガススペース放出流がその中に十分な量の蒸気を含むよ
うに電池積重ね体１２が設計されることが重要である。

未処理ガス状燃料はこの実施例に於ては加圧された天然
ガスであるが、これは燃料制御装置５２へ入る。

（もし未処理燃料が液体であるときにはこれは電動ポン
プにより加熱され、正極ガススペース放出流と混合され
る前に霧化されて良い。

）この湿った正極ガス流は導管５４を経て正極ガススペ
ースを去る。

燃料制御装置５２からの燃料は導管５８を経て５６にて
導管５４内へ供給される６（もし望むなら燃料はリアク
タ１６へ直接供給されて良い。

）燃料と正極ガススペース放出流の混合物はこれより再
生熱交換器６０に於てオートサーマルリアクタ放出ガス
からの熱を用いて加熱される。

かくして高温となった湿った正極ガススペース放出流と
生の燃料の混合物はオートサーマルリアクタ１６へ流入
し、ここで部分的酸化、蒸気変成及びシフト変換の組合
せが起こる。

これについては以下により詳細に述べる。

水素、水及びその他のガスは導管６２を経てオートサー
マルリアクタ１６を去り、熱交換器６０へ流れ、オート
サーマルリアクタ１６へ流入するガス流へ熱を伝える。

ガスは熱交換器６０を去り、導管６６を経て他の熱交換
器６４へ供給され、ここで熱は負極ガススペース放出ガ
スへ伝えられる。

部分的に処理されたガス流は次いで導管６３を経てシフ
トコンバータ１８へ入り、更に処理される。

シフトコンバータに於ては水は触媒の存在のもとでガス
流中の一酸化炭素と反応し、以下の式に従って追加の水
素プラス二酸化炭素及び熱を発生する。

ＣＯ＋Ｈ２０→Ｈ２＋ＣＯ２＋熱 （１）処理された
燃料は導管７０を経てシフトコンバータ１８を去り、他
の一つの熱交換器７２へ供給され、ここで追加の熱が除
去される。

ガスは次いで導管γ４を経て負極ガススペース３８へ供
給され、ここでガス流中の水素は電解質３２と反応する
。

負極ガススペース３８からの放出ガスは導管７８を経て
圧縮機４０から送られてくる空気と共に導管７６を経て
触媒バーナ２０へ供給される。

空気及び陽極ガススペース放出流中の未燃水素は白金の
如き触媒の存在のもとで燃焼する。

バーナ２０からの放出ガスは導管８０を経てタービンへ
供給され、圧縮機４０を駆動する。

ガスは次いで導管８２を経てタービン４２より排出され
る。

触媒バーナ２０は所要の吐出圧を維持するに十分な速度
にて圧縮機４０を駆動するためにタービン４２へ流入す
るガスの温度を上げるために必要である。

この実施例に於ては、電池積重ね体１２の冷却は別個の
冷却ループによって行われる。

シリコンオイルあるいは水の如き冷却剤が導管８４を経
て電池積重ね体の熱交換部２６へ熱交換関係に流入する
。

この冷却流体は積重ね体１２より熱を受は取り、導管８
６を経て去る。

この実施例に於ては冷却流体は又再生熱交換器７２を経
て流れることにより負極ガススペース３８へ流入しよう
とするガスからも熱を奪う。

かくして高温となった流体は導管８８を経てラジェータ
２２へ供給され、ここで熱は例えば大気中へ放出される
。

ポンプ９０は冷却流体を循環させるものである。

本発明に従って設計されるパワープラントに用いられる
に適した圧縮機装置の一例として、第２図にターボチャ
ージャが示されている。

外気空気は圧縮機ダクト１００へ入り、単段遠心インペ
ラ１０２に衝突し、これによって空気は速度ヘッドを与
えられる。

高速の空気流はディフューザ１０４へ入り、ここで速度
ヘッドは圧力ヘッドに変えられる。

第１図の実施例に於ては、圧縮された空気は導管５０を
経てディフューザ１０４を去り、正極カススペース３６
へ導入されて良い。

一方高温ガスが第１図の導管８０等からタービン１０６
へ入り、遠心タービンロータ１０８を経て流れ、そのガ
ス流の熱エネルギを軸動力に変換し、圧縮機インペラ１
０２と接続された軸１１０を１駆動する。

ガスはタービン出口導管１１２を経て排出される。

第２図に示すターボチャージャは本発明のパワープラン
トに用いられる好ましい装置の一つの型を示すのみであ
る。

パワープラントに用いられるよう選択された燃料電池に
よって必要とされる流量と圧力を与えるに十分な寸法の
任意の商業的に得られるターボチャージャが用いられて
良い。

例えば、１２００キロワツトパワープラントに対しては
燃料電池積重ね体への反応物質ガスは約３．５気圧であ
るべきであり、ブラウンボベリのモデルＲＲ１５０ター
ボチャージャが適当であろう。

この特定のモデルは３．５ ％にて１．４にり／ｓｅｃ
までの必要流量を与えることができる。

ターボチャージャなる語は一般に遠心式圧縮機について
用いられているが、ここでは軸流圧縮機をも含むことを
意図している。

遠心圧縮機は軸流圧縮機では一般に得られない高い効率
と高い単段圧縮比を有することから好ましい。

又第２図のターボチャージャは遠心タービンを示してい
るが、軸流タービンを用いたターボチャージャも又本発
明のパワープラントに用いられて良い。

第２図に示すものはターボチャージャの技術に於て参照
される典型的なものであり、本発明はこれに限られるも
のではなく、一つの高温の圧力ガス（典型的には排ガス
）のエネルギを用いて他のガスを圧縮する任意の装置が
用いられて良い。

例えば圧縮機を１駆動することのできる任意の熱エンジ
ンであって高温の圧力ガスによってエネルギを与えられ
るものが用いられて良い。

同様にＣｏｍｐｒｅｘ （ブラウンボベリーネエの登録
商標）スーパーチャージャは膨張するガスからのエネル
ギな直接伝えられることにより圧縮と膨張を用いて空気
を圧縮するものであり、かかる装置や同様の原理により
作動する他の装置が用いられても良い。

前記Ｃｏｍｐｒｅｘ式過給概念はこの技術の分野に於て
は周知であり、このことに関する詳細については１９５
８年３月発行のＭａｘ Ｂ ｅｒｃｈｔｏｌｄ及びＦ
、 Ｊ、 Ｇａｒｄｉｎｅｒによる’ＴｈｅＣｏｍｐ
ｒｅｘ°°°゛°４ Ｎｅｗ Ｃｏｎｃｅｐｔ ｏ
ｆ Ｄｉｅ −５ｅｌ Ｓｕｐｅｒｃｈａｒｇｉｎ
ｇ ”と題するＡＳＭＥ論文＃５８−ＧＴＰ−１６を参
照されたい。

オートサーマルリアクタ１６は本発明の重要な部分であ
る。

基本的には三つの燃料処理反応がリアクタ１６内にて同
時に起こる。

この中には以下の式に従う蒸気変成反応がある。

ＣＨ４＋２Ｈ２０→４Ｈ２＋ＣＯ２−熱 （２）又以下
の式による部分的酸化がある。

ＣＨ４＋ ’／２０２→ＣＯ＋２Ｈ２＋熱 （３）又
以下の式によるシフト変換がある。

ＣＯ＋Ｈ２Ｏ−＋ＣＯ２＋Ｈ２＋熱 （４）式（
２）及び（３）に於て燃料はメタンとして示されている
が、これは単なる例であり、本発明の範囲を限定するこ
とを意図しているものではない。

部分的酸化反応及びシフト変換反応によって発生された
熱は蒸気変成反応を推進するために用いられ、従って燃
料処理のために別個のバーナ（従って追加の燃料）は必
要とされない。

このことは一つの重要な利点である。

又蒸気発生装置及び蒸気回収装置並びにこれらと関連す
る制御装置も完全に排除される。

何故ならば、燃料処理のための十分な蒸気を既に含む正
極ガススペース放出流がこれに加えられた生の燃料と共
にオートサーマルリアクタ１６へ直接通されるからであ
る。

このことはパワープラントシステムを著しく簡単にし又
装置に関する費用を低減する。

オートサーマルリアクタはこの技術の分野に於ては周知
であり、商業的に建造されている。

オートサーマルリアクタ及びそれが如何にして炭化水素
燃料及び湿った空気を水素ガスに変換するかについては
、１９６２年５月付げ’ Ｔ ｈｅ Ｊ ｏｕｒｎａ
ｌｏｆ Ｗｏｒｌｄ Ｎｉｔｒｏｇｅｎ ”に於ける
” Ｔ ｏｐｓｏｅＳ Ｂ Ａ Ａｕｔ−ｏｔｈｅｒ
ｍａｌ Ｐ ｒｏｃｅｓｓ ｆｏｒＰｒｏｄｕｃｔ
ｉｏｎ ｏｆ ５ｙｎｔｈｅｓｉｓ Ｇａｓ ａｎ
ｄＢｙ ｄｒｏ ｇ ｅｎ ”と題する論文を参照さ
れたい。

例えば本発明による３、５驚システムであって、電解質
が燐酸であり、生燃料が天然ガスであるものに於ては、
リアクタを出るガス流は約５５係の窒素、１７％の水、
２０％の水素、３５咎のＣ０１４，５咎のＣＯ２及び無
視し得る量のメタンを含んティる。

これらの量はりアクタへ流入するガスの組成及び温度に
応じて幾分具なる。

リアクタ１６を出るガス中に於ける窒素含有率が高いの
はりアクタへ入る空気の量が大きいことによることに注
目されたい。

熱交換器６０及び６４を通った後、これらのガスは更に
シフトコンバータ１８にて処理され、更に水素の量を増
し、一酸化炭素の量を減する。

シフトコンバータへ流入するガスの圧力が高いこと及び
該ガス中に於ける炭素に対する酸素の比が高いこと（こ
れは正極ガス排出流中に於ける酸素分子の数が多いこと
による）により、シフトコンバータは極度に高い効率を
有し、即ちガス中に於ける殆ど全ての一酸化炭素を除去
することができる。

このことは本発明から得られる一つの利点である。

シフトコンバータを去るガスの典型的組成は約５５多窒
素、１４％水、２３．６％水素、０．３φＣ０１７，７
係ＣＯ２及び無視可能な量のメタンである。

これらが負極ガススペース３８へ流入するガスである。

窒素含有率が非常に高いことから、負極ガススペースの
入口に於ける水素分圧は特に低い。

ガスが負極ガススペースを去るまでには僅かに約３％の
水素のみが存在し、これは従来の電池の負極ガススペー
ス排出流中に通常見い出される水素濃度の約−である。

周知のネルンストの式によれば、水素の分圧が低下する
と負極性能が低下する（即ち電池電圧が低下する）。

ネルンストの式は以下の通りである。

ここでＣは常数であり、△Ｖａｎｏｄｅは電池電圧に於
ける変化であり、ＰＨ２は負極ガススペースに於ける水
素の分圧であり、ＰＨ２（ｒｅｆ）は参照分圧である。

もシ２」二記の如き組成のガスが大気圧にて作動する電
池積重ね体に用いられると、負極り性能は非実用的なほ
どに低下する。

本発明に於てはガスの全圧が高いことがガス流中に於け
る水素の低いパーセン）・を幾分補償し、本発明に従っ
て設計されたパワープラントをガス圧が３．５シに於て
も多くＱ用途に対し魅力あるものとする。

勿論、ガス圧が例えば１０気圧に達すると、ガス流中に
於ける水素パーセントの低さにも拘らず従来のものに比
して負極性能を著しく改善する。

この点に関し本発明に於ては、す゛アクタ１６・＼供給
されろ蒸気の圧力はＩモ縮機４０により供給される空気
の圧力に等しいことに注意されたい。

ボイラーの如き別個の源から蒸気変成リアクター蒸気が
供給されるパワープラントに於ては、蒸気圧力は通常ボ
イラーにて水を蒸気に変えるのに利用し得る温度によっ
て制限されろ。

このことは負極ガススペースへ供給される処理された燃
料の圧力を制限する。

本発明に於てはこのような制限はない。

再び第１図について見ると、この制御システムは種種の
パワーレベルにて効率良くパワープラントを作動させる
ようになっている。

燃料制御装置５２は９２にて動力部からの電流出力を感
知し、これに応答スる。

パワーブラフ １−のパワーレベルが下ると、燃料制御
装置は自動的に電流り低下を感知し、正極放出ガス流中
に供給される燃料量を低減する。

燃料は圧縮機４０かも供給される空気圧力を維持するレ
ベル又は空気圧力が低下するレベルまで低減されて良い
。

オートサーマルリアクタを去るガスの温度は全てのパワ
ーレベルに於てほぼ一定に維持されるのが好ましい。

触媒バーナと正極ガススペースの間に於ける如く、圧縮
機からの空気を分割することを制御するエアコントロー
ルボックス４８はオートサーマルリアクタを去るガスの
温度に９４にて応答する。

この温度はオートサーマルリアクタへ供給される燃料及
び空気の量に応じて増減する。

もしパワーレベルが低減されると、オートサーマルリア
クター、供給される燃料は低減され、オートサーマルリ
アクタを去るガスの温度は混合気中の空気が増ノくする
ことにより増大する。

このことはエアコントロールボックス４８によって正極
カススペース３６を通る空気流を低減せしめ又触媒バー
ナ２０へ流れる空気流を増大せしめる。

かくしてオートザーマルリアク！へ流れる空気流は燃料
の量と共に減少し７９．これによってオートサーマルリ
アクタを去るガスの温度を低減する。

パワーレベルを低減し、同時にシステム中の反応物質の
圧力を低減するために、燃料流量は負極ガス放出流中に
おける未燃水素の量が全出力運転時に於けるより低くさ
れる。

このことは触媒バーナへ供給される燃料の量が全力運転
時よりも少いことを意味し、これによって触媒バーナよ
りタービンへ流れるガス流の温度が低下し、又タービン
速度が低下する。

夕・−ビン速度が低下することは圧縮機からの吐出圧が
低下することを意味する。

燃料流量がパフ−レベルを増大するために増大されたと
きからパワープラントが所要のより高いパワーレベルに
達するまでの間には時間遅れがあるので、バッテリ式ピ
ークユニット９６が用いられろ。

これは例えば米国特許第３８２３３５８号に記述されて
いる如きものであって良い。

このユニットは電池積重ね体により発生される電流に応
答するものであり、エネルギを貯えたバッテリを有し、
これは前述の遅れ時間の開作動し、電池積重ね体それ自
身が増大された燃料流量による所要の出力レベルにもた
らされるまでパワープラントの出力を速やかに増大する
作用をなす。

これは本発明の一部ではない。

図には直流を交流に変換するためのインバータ９８が含
まれている。

次に第３図について見ると、これは本発明の他の一つの
実施例を解図的に示す。

この図に於ては第１図に示すパワープラントの構成部分
に類似の構成部分は同じ符号により示されている。

この実施列と第１図の実施例の差について以下に説明す
る。

これら二つの実施例の間の主たる差は、未処理の、即ち
生の燃料が混合制御装置２００にて空気と混合され、両
者が導管２０２を経て圧縮機４０へ供給されていること
である。

ターボチャージャは燃料及び空気の圧力を増大する。

このことはパワープラントに於て使用可能な生の燃料が
十分に加圧されていないガス燃料であるとき特に有用で
ある。

何故ならば、電池積重ね体により発生された電気エネル
ギをガス燃料の加圧のために用いることは好ましくない
からである。

空気と混合された加圧燃料は正極ガススペースを通るが
、この燃料（これは通常メタンである）は殆ど正極には
達せず、従って実際には全ての燃料は単に加圧下にてオ
ートサーマルリアクタへ入る。

この実施例と第１図の実施例の間の他の一つの差は、触
媒バーナがタービン４２の上流側ではなくその下流側に
配置されていることである。

タービン排気ガスは導管２０６からの加圧されていない
空気と共に導管２０４を経て触媒バーナ２０へ供給され
、ここで燃焼され、ガスの温度を上昇させる。

バーナ２００かもの排出流は導管２１０を経て熱交換器
２０８へ送られ、その熱は負極ガススペース排出流にそ
れがタービン４２へ流入する前に伝えられる。

バーナ排出ガス流は次いで導管２１２を経て放出される
。

触媒バーナをタービンの下流側に配置することにより、
バーナかもの排気ガスはタービン４２を通らず、従って
加熱される必要はない。

もし触媒バーナが第１図の実施例に於ける如くタービン
４２の上流側に配置されていると、それは加圧された空
気を供給されなげればならないであろう。

第３図の実施例に於て、圧縮機４０を去る空気は燃料を
含んでおり、この燃料の幾分かは必然的に触媒バーナ２
０へ供給される。

負極ガススペースからの放出ガスは触媒バーナを駆動す
るに十分な未燃水素を有するので、余分の燃料は単に浪
費されるだけであろう。

この実施例と第１図の実施例の間の他の一つの差は、熱
交換器７２がシフトコンバータ１３を去る放出ガスから
正極ガススペース３６を去る放出ガスへ熱を伝えるよう
配置されていることである。

これは二つの実施例の間の差としては比較的重要ではな
い。

この変化は本発明によるパワープラントに於ける熱交換
器の正確な位置が臨界的なものではないことを示すため
に行われたに過ぎないものである。

熱交換器７２の目的は負極ガススペースに流入するガス
を冷却することである。

このことは第１図及び第３図の両実施例に於て達成され
ている。

本発明に従って設計されたパワープラントはこれらの図
に示されているよりもより多くのあるいはより少い数の
熱交換器を有していて良い。

加圧された反応物質を用いる燃料電池パワープラントを
運転することの利点がより完全に理解され且評価される
よう、次に第４図を参照する。

この図は大気圧の反応物質を用いた燃料電池の性能と例
えば全圧が約３．５気圧である反応物質を用いた同じ燃
料電池の性能とを比較するために用いられて良いもので
ある。

電池の間の比較を行うには幾つかの変数が考慮に入れら
れなげればならない。

反応物質利用率は電気化学的反応により電池内にて消費
される負極又は正極のいずれかに於ける反応物質の重量
流量を電池に於ける水素又は酸素の重量流量により割っ
たものである。

従って酸素及び水素にて作動する燃料電池に於ては、正
極に於て酸素利用率（Ｕｏ２）が、又負極に於て水素利
用率（ＵＨ２）が存在する。

反応物質利用率を上昇することは当然負極及び正極から
見て反応物質の分圧を低下させる。

何故ならば、電池を通るガス流の単位質量当りからより
多量の反応物質が取り出されるからである。

従って電極の表面に於けるガス流中の反応物質の平均量
は入口から出口へ向けて減少する。

第４図に於て１．０気圧と表示された曲線はある特定の
水素利用率及び酸素利用率に於ける燃料電池の性能を表
わす。

３．５気圧と表示された実線曲線は同じ反応物質利用率
に於ける電池性能を表わす。

又これら曲線の各各によって表わされた電池は同じ温度
にて作動しているものと仮定されている。

周知のターフエルの式によれば、酸素分圧が増大すると
き正極性能の増大（即ち電圧の増大）が生ずる。

この式は以下の通りである。ここでＫは常数である。

ネルンストの式によれば、水素の分圧が増大すると負極
性能の増大（即ち電池電圧の増大）が生ずる。

ネルンストの式は既に式（５）として示されたが再びこ
れを以下に示す。

一定温度、一定利用率に対しては、反応物質の全力が増
大すると両反応物質の分圧の増大を生じ、正極性能及び
負極性能の両者の改善をもたらすことが明らかである。

燃料電池性能に於ける総合的改善は以下の式によって単
純に表わされる。

△Ｖｔｏｔａ、ｇ−△Ｖｃａｔｈｏｄｅ＋△Ｖａｎｏｄ
ｅ （８）式（８）の左辺は第４図のグラフに於て
一定電流密度に於げる点ＡとＢの間の電圧差として表わ
されている。

更に第４図のグラフから、３．５気圧の反応物質圧力に
て作動することにより、電池寸法は点Ｃにて作動するこ
とにより、電池電圧を低減することなく低減されること
が理解されよう。

第４図のグラフに於ける点線曲線は、それぞれの表示の
通り、１．０気圧及び３．５気圧の反応物質圧力に於け
る電池性能を示す。

これらの曲線は、電池がより高い反応物質利用率に則し
て設計されていることを除き、実線曲線によって表わさ
れた電池に対し全ての点で同じである電池の性能を表わ
す。

本発明に於て、３．５気圧の場合、負極ガススペースに
流入する水素分圧は従来の非加圧式パワープラントの負
極ガスへ流入する水素分圧よりも低いという事実にも拘
らず、酸素分圧の増大による燃料電池性能の改善によっ
て電池はより高い反応物質利用率にて作動し、点Ｂにて
作動する如く電池電圧が増大し、あるいは点Ｃにて作動
する如く同じ電池電圧に対する電流密度の増大（即ち電
池寸法の減少）の如き、従来技術に対する改良をもたら
す。

一方、大気圧に於ける反応物質を用いた電池に対しては
、利用率の増大は同じ電池電圧を維持するために電池寸
法を増大することあるいは同じ電池寸法を維持するため
に電圧損失に甘んじることのいずれかを意味する。

より高い水素利用率にて作動することができることは、
電池を駆動するために負極ガススペースを通されなげれ
ばならない処理燃料がより小さいことを意味する。

勿論、１０気圧の如きより高いガス圧力にて作動するこ
とにより、処理されたガス流中に多量の窒素が存在する
にも拘らず、従来の非加圧式パワープラントに於けるよ
りも水素分圧は高くなり、燃料電池性能は一層改善され
る。

以上に於ては本発明を好ましい実施例について説明した
が、本発明の範囲内にて種種の修正が可能であることは
当業者にとって明らかであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるパワープラントを示す概略図であ
る。 第２図は本発明のパワープラントに用いられて良いター
ボチャージャを示す断面図である。 第３図は本発明によるパワープラントの他の一つの実施
例を示す概略図である。 第４図は本発明のパワープラントに用いられる燃料電池
の性能を示すグラフである。 １０・・・パワープラント、１２・・・燃料電池積重ね
体、１４・・・圧縮機装置、１６・・・オートサーマル
リアクタ、２０・・・触媒バーナ、２２・・・ラジェー
タ、２４・・・電池、２６・・・熱操作部、２８・・・
正極、３０・・・負極、３２・・・電解質マトリックス
、３４・・・負荷、３６・・・正極ガススペース、３８
・・・負極ガススペース ４０・・・圧縮機、４２・・
・タービン、４４・・・軸、４８・・・エアコントロー
ルボックス、５２・・・燃料制御装置、６０・・・再生
熱交換器、６４，７２・・・熱交換器、９０・・・ポン
プ、１００・・・圧縮機ダクト、１０２・・・遠心イン
ペラ、１０４・・・ディフューザ、１０６・・・タービ
ン入口、１０８・・・タービンロータ、１１０・・・軸
、１１２・・・タービン出口ダクト、２００・・・混合
制御装置、２０８・・・熱交換器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 負荷と電気的に直列に接続された複数個燃料電池を
   含み、各燃料電池は正極と、負極と、これら両極の間に
   配置された電解質と、前記正極の非電解質側に設けられ
   た正極ガススペースと、前記負極の非電解質側に設けら
   れた負極ガススペースとを含む如き燃料電池積重ね体と
   、 水素を含む燃料から水素を生成する燃料処理装置と、 タービンに作動的に接続された圧縮機を含む圧縮機装置
   と、 前記圧縮機より前記正極ガススペースへ少なくとも２気
   圧に圧縮された空気を供給する装置と、水素を含む圧縮
   された燃料を前記燃料処理装置へ供給する装置と、 前記燃料処理装置より圧縮された水素を前記負極ガスス
   ペースへ供給する装置と、 を含むパワープラントにして、 前記燃料処理装置はオートサーマルリアクタを含んでお
   り、 前記正極ガススペースより排出されたガスを前記オート
   サーマルリアクタへ供給する装置と、前記負極ガススペ
   ースより排出されたガスを前記タービンへ供給する装置
   と、 バーナと前記負極ガススペースより放出されたガスを前
   記バーナへ供給する装置とを含み前記負極ガススペース
   から排出されたガスをそれが前記タービンへ供給される
   前に加熱する装置と、を有するパワープラント。 ２、特許請求の範囲第１項のパワープラントに於て、前
   記水素を含む燃料はガス状であり、該燃料はそれが前記
   オートサーマルリアクタへ供給される前に前記圧縮機へ
   導かれて少なくとも２気圧に圧縮されるようになってい
   るパワープラント。 ３ 特許請求の範囲第１項又は第２項のパワープラント
   に於て、前記の前記オートサーマルリアクタへ圧縮され
   た燃料を供給する装置は前記圧縮機にて圧縮された燃料
   を圧縮された空気と共に前記正極ガススペースへ供給す
   る装置を含んでいるパワープラント。 ４ 特許請求の範囲第１項乃至第３項のいづれかのパワ
   ープラントに於て、前記オートサーマルリアクタより排
   出されるガスより該オートサーマルリアクタへ流入する
   ガスへ熱を伝達すべく前記オートサーマルリアクタへ入
   るガスとこれより排出されるガスの間に熱交換関係を与
   える熱交換装置が設けられているパワープラント。 ５ 特許請求の範囲第１項乃至第４項のいづれかのパワ
   ープラントに於て、前記バーナは前記タービンの上流側
   に配置されており、前記の前記負極ガススペースより排
   出されたガスを前記タービン−・供給する装置は前記バ
   ーナより排出されたガスを前記タービンへ供給する装置
   を含んでいるパワープラント。 ６ 特許請求の範囲第１項乃至第４項のいづれかのパワ
   ープラントに於て、前記バーナは前記タービンの下流側
   に配置されており、前記の前記負極ガススペースより排
   出されたガスを前記バーナへ供給する装置は前記タービ
   ンより排出されたガスを前記バーナへ供給する装置を含
   み、前記バーナは前記負極ガススペースより排出された
   ガスと前記タービンの上流側にて熱交換関係にあるパワ
   ープラント。 ７ 特許請求の範囲第１項乃至第６項のいづれかのパワ
   ープラントに於て、前記圧縮機より圧縮された空気を前
   記バーナへ供給する装置が設けられているパワープラン
   ト。