JPS5856231B2 - 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Ｏ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１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
係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％増大されなげればならないことを
意未する。

燃料電池積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。

電池積重ね体の全電気出力が増大するとコンデンサ、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、高圧を保つ為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１で燃料電池パワープラントは常に
大気圧ニ於ける反応物質を用いていた。

本発明の一つの目的は加圧された反応物質によって作動
する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同じ浮量の従来の燃料電
池パワープラントに比して寸法がより小さく全体のハー
ドウェアコストがより低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た発電用パワープラントであり
、この場合酸化剤はパワープラントにより生じた排気エ
ネルギはより駆動される圧縮機装置から高圧にて燃料電
池へ供給される。

典型的にはこの廃棄エネルギは高温の圧縮されたガスで
ある。

例えば圧縮機装置は正極ガス放出流中のエネルギによっ
て駆動されて良い。

一つの好唸しい実施例に於ては、蒸気変成リアクタが燃
料を処理するために用いられる。

バーナが該リアクタに対し熱を与える。

空気及び燃料はいずれも高圧にて燃料電池へ供給される
。

正極ガス放出流、負極ガス放出流及びリアクタバーナ放
出流中のエネルギはタービンを駆動するのに用いられ、
該タービンは正極への酸化剤を力任する圧縮機を１駆動
する。

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

事実、燃料電池積重ね本の性能改善によって得られた利
益は完全に利用され、即ち電池積重ね［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。

その他のこれ昔で認識されなかった利益がパワープラン
ト全体を通じて得られ、本発明に従って設計された燃料
電池パワープラントの魅力を更に増大する。

例えば本発明の一つの利点は水回収装置あるいはコンデ
ンサ装置の寸法を約１／２〜１／３に低減することであ
る。

このことは特に有意義である。

何故ならば、従来のパワープラントに於ける水回収装置
は電池積重ね本と燃料処理装置との組合せにほぼ匹敵す
る容積を占ｈ’ｒ＃ｉ）らである。

本発明の一つの実施例に於ては、水回収装置の必要性は
完全に除去される。

本発明の他の一つの実施例によれば、燃料処理装置のた
めの水は正極放出ガス及び負極放出ガスから水を凝縮分
離することにより得られる。

水が負極ガス放出流から凝縮されると、乾いたガスはこ
れよりリアクタバーナへ供給される。

リアクタバーナからの放出ガスは次いで乾燥した正極ガ
ス放出流と混合され、タービンへ供給される。

好ましい実施例については、以下の記述に於て詳細に説
明される如く、負極放出ガスＡＰｆｆｉ料処理装置のバ
ーナへ通される前にこれより水を凝縮することは従来の
非加圧式のパワープラントに於ては実用的ではなかった
が、本発明によるパワープラントに於ては特に有利であ
る。

上述の如く本発明の一つの実施例に於ては、陰極空、気
はタービン（即ちターボチャージャ）により１駆動され
る圧縮機によって加圧されるよう意図されている。

このタービンは蒸気変成りアクタバーナ及び燃料電池の
両方からの放出ガスによって駆動される。

部分負荷運転に於ては、さもなくば正極ガススペース及
びパワープラントのその他の構成要素へ送られるはずの
ターボチャージャからの圧縮空気の一部ａ料電池をバイ
パセされ、他のパワープラント放出ガスと共にタービン
へ送られる。

補助バーナが部分負荷運転中に用いられ、タービンへ入
るガスの温度を増大する。

かくしてタービンを駆動するガスの流量及び熱量は部分
負荷に於ても全負荷時と同じであり、従って圧縮機は同
じ速度により駆動され、これによって部分負荷に於ても
全負荷時と同じ圧力にて空気を圧送することができる。

本発明のこの局面により燃料電池は部分負荷に於て全負
荷よりも少い空気にて作動することができ、その間空気
の圧力は全負荷時と同じ圧力に維持される。

このことは加圧式パワープラントの利益が部分負荷運転
に於ても最大レベルに維持されるために必要であり、こ
のことについては以下に好斗しい実施例について詳細ニ
説明する。

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て行われる本発明の実施例につ
いての詳細な説明より明らかとなるであろう。

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、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給料電池積重ね本と、１４に
て全体的に示された圧縮機装置と、１６にて全体的に示
された燃料処理装置と、コンデンサ１８と、ボイラ２０
と、再生器２２と、空気流分割器あるいはエアコントロ
ールボックス２５とを含んでいる。

燃料電池積重ね本１２はガス状反応物質によって作動す
る任意の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
であるが、これは単に一例であり、他の酸化剤あるいは
燃料が用いられても良い。

積重ね木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んでいるが、ここでは簡単のため
単一の電池１３と熱的操作部１５を含むように示されて
いる。

図示の如く各電池は正極２４とこれより隔置された負極
２６と両極間畔装置された電解質保持マトリックス２８
とを含んでいる。

この好オしい実施例に於ては、電解質は燐酸液であるが
、本発明はこれに限られるものではなく、酸性及び塩基
性のいずれの電解質もあるいは又金属酸（１物電解質あ
るいは固体ポリマ電解質の如き固本電解質も用いられて
良い。

電極２４，２６は負荷２９と直列に接続されている。

各電池１３は更に正極２４の非電解質側にある正極ガス
スペース３０と負極２６の非電解質側にある負極ガスス
ペース３２とを含んでいる。

この実施例に於ては、燃料処理装置１６は蒸気変成リア
クタ３４及びリアクタバーナ３６を含んでいる。

圧縮機装置１４は軸３９を経て排ガスタービン４０によ
り１駆動される圧縮機３８を含むターボチャージャであ
り、その詳細はパワープラントの池の構成要素と共に以
下に於て詳細に説明されている。

第１図について更に見ると、作動に於ては、空気は導管
４１を経て圧縮機３８へ入り圧縮される。

大気圧より高い任意の圧力が非加圧式パワープラントに
比して幾分かの利益を与えるが、全パワープラントに討
し実質的な利益が得られるためには約２気圧あるいはそ
れ以上の圧力が好寸しい。

この圧縮された空気は導管４３を経てエアボックス２５
へ入る。

エアボックスは空気流を種々の構成要素５適当に分配す
るための制御装置及び弁を含む。

その一部は導管４２を経て正極ガススペース３０へ導か
れ、正極２４にてマドＩＪソクス２８内の燐酸電解質と
電気化学的に反応し、電気と水を発生し、該水の幾分か
は蒸発して正極ガススペース３０を通る空気流中へ戻さ
れる。

湿った高温の正極放出ガスハ導管４４を経てガススペー
ス３０を去り、再生器２２を通り、更にコンデンサ１８
を通って流れる。

冷却空気が導管４６を経てコンデンサ１８へ入り、熱せ
られた状態にて導管４８を経て去る。

コンデンサ１８内にて正極放出ガスは水が凝縮する点芽
で冷却され、以下に説明される如く燃料処理装置１６に
て使用されるべく集められる。

比較的冷たい正極放出ガスは導管５０を経てコンデンサ
を去り再生器２２を通って還流し、再生器２２に於て（
Ｉ′ｉ該流れはその失った熱の幾分かを回収する。

再熱された正極ガス放出流は再生器２２を去り、負極放
出ガス及びリアクタバーナ放出ガスと混合される。

この流れは次いで導管５２を経てタービン４０へ到り、
該タービンにエネルギを与えてこれを駆動し、該タービ
ンは圧縮機３８を１駆動する。

もし必要なら、それ自身の燃料供給源を有する補助バー
ナ（図示せず）が前記混合ガス流をそれがタービン４０
へ入る前に更に加熱すべく用いられて良い。

タービン４０を通った後、ガス流中に残留するエネルギ
は導管５８を経て捨てられるかあるいはパワープラント
の他の箇所にて用いられて良い。

負極側に於てはポンプ６０により正極ガススペース３０
へ流入する空気とは（・マ同じ圧力１で加圧されたナフ
サの如き水素を含む液内燃料がボイラ２０からの蒸気と
６１にて混合され、導管６２を経て蒸気変成リアクタ３
４へ流入する。

図には示されていないが、燃料はそれが６１にて蒸気と
混合されるとき霧化されるのが好ましく、これによって
リアクタ３４へ流入する流れは蒸気状態となる。

ボイラ２０ばも（−必要ならそれ自身のバーナと燃料供
給源を備えていて良い。

しかし図示の好１し２い実施例に於ては、ボイラ２０は
電池積重ね本１２からの排熱によって運転される。

図示の如く、シリコンオイルの如き伶却媒木が導管６４
を経て電池積重ね本１２の熱的操作部１５へ流入し、電
池積重ね体により発生された熱を受取り、導管６６を経
て去る。

コンデンサ１８からの水は導管６γを経てボイラ２０へ
供給される。

冷却流木はボイラ２０へ入り、その熱をボイラ内の水に
与え蒸気を発生する。

冷却流木はボイラ２０を去り、ラジェータ６８へ流入し
、ここで更に熱が取り去られた後冷却原本はポンプ６９
により電池積重ね本１２へ戻される。

水素ガス及び恐らく幾分かの不純物よりなる処理された
燃料は導管７０を経て蒸気変成リアクタ３４を去り、電
池の負極ガススペース３２へ流入し、ここで電解質と電
気化学的に反応する。

この実施例に於ては、負極ガス流は負極及び正極ガスス
ペース間にガスの混入が生ずる危険を最小にするため正
極ガス流とほぼ同じ圧力とされるよう考えられている。

負極放出ガスは導管７２を経て負極ガススペース３２を
去り、７３にて正極ガス放出流と混合され、更に７４に
てバーナ放出ガスと混合され、しかる後混合ガスはター
ビン４０へ流入し、前述の如く圧縮機３８を１駆動する
。

この実施例に於ては、蒸気変成リアクタバーナ３６は導
管７５を経て供給されるそれ自身の燃料供給源を有し、
この燃料は導管７６を経てエアボックス２５から送られ
てくる圧縮空気と混合される。

空気と燃料はバーナ３６にて燃焼し、リアクタ３４へ熱
を与える。

バーナガス放出流は導管７７を経て１４にて負極及び正
極ガス放出流と混合される。

本発明の重要な特徴は、パワープラントにより生じた廃
棄エネルギを燃料電池に於て用いられる空気あるいは酸
化剤の圧縮のための圧縮機に用いることである。

このエネルギは殆どパワープラントの種々の部分から来
る高温加圧ガスであり、これはタービンへ供給されて圧
縮機を駆動する。

勿論、本発明の利益を最大限とするためには、さもなく
ば捨てられる廃棄エネルギをできるだけ多量に利用する
ことが有利である。

しかし従来技術に比しての利益は正極ガススペース放出
流のみがタービンを、駆動する高温加圧ガスであるとき
にも得られる。

このことはりアクタバーナからの放出ガスと負極ガスス
ペースからの放出ガスがタービンへ導かれず大気中へ放
出されるかあるいはそれらのエネルギが他の目的に用い
られることを意味する。

例えばバーナからの排出エネルギはボイラにより発生さ
れた蒸気をそれがリアクタに入る前に過熱するのに用い
られて良い。

実際、もし正極ガススペース放出流のみがタービンを１
駆動するのに用いられるならば、正極ガス流をそれがタ
ービンへ入る前に更に加熱すべくそれ自身の燃料供給源
を有する補助バーナ（図示せず）が必要であろう３又も
しバーナ放出流がタービンを１駆動するために用いられ
ないときには、低圧バーナを用いるのが好ましいであろ
う。

低圧バーナはバーナへ供給する空気を加圧する必要をな
くすものである。

この場合、もし陽極ガススペース放出流が同バーナへ燃
料を供給するために用いられるときには、その圧力は燃
料電池を去りバーナへ入る前に絞り等を用いることによ
り大気圧昔で低減されなげればならないであろう。

第１図の好昔しい実施例及び以下に説明される第３図及
び第４図に示す好ましい実施例に於て、負極放出流、正
極放出流及びバーナ放出流のエネルギは全て酸化剤を加
圧するタービンを駆動するために用いられている。

この実施例に於ては、リアクタ３４のための水は正極放
出ガスから水を凝縮することにより供給されているが、
河、湖あるいは大型の水タンクの如き水源の近くにパワ
ープラントが配置されても良い。

この場合にはコンデンサ装置を省略しこれらの他の水源
からの水をリアクタに供給することが可能である。

このことは再生器２２を省略させるものである。

第１図の実施例に於ける燃料処理装置は蒸気変成リアク
タ及びリアクタバーナのみであるが、本発明に従って設
計されるパワープラントの燃料処理装置はシフトコンバ
ータ及び／又は選択的酸化装置の如き他の構成要素を含
んでいて良い。

燃料処理装置についての種々の要求事項は、一部分、使
用される生燃料の種類及び燃料電池積重ね本に於ける燃
料の特定の設計に依存している。

事実、燃料処理装置は蒸気変成リアクタ及びリアクタバ
ーナの代わりに部分酸化水素発生器をきんでいて良い。

第３図及び第４図に示す本発明の他の実施例はこれら他
の構成要素の幾つかを含んでいる。

本発明に従って設計されたパワープラントに用いられる
に適したターボチャージャの一例として第２図に示すタ
ーボチャージャについて説明する３外気空気は圧縮機ダ
クト２００より入り、単段遠心インペラ２０２へ衝突し
、これによって空気は速度ヘッドを与えられる。

高速度空気流はディフューザ２０４へ流れ、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、圧縮空気は導管４３を経てデ
ィフューザ２０４を去り、エアボックス２５を通った後
正極ガススペース３０及びリアクタバーナ３６へ導入さ
れる。

方、第１図の導管５２より送られた高温ガスの如き高温
ガスがタービン入口２０６へ入り、遠心タービンロータ
２０８を通って流れる。

タービンロータはガス流の熱エネルギを軸馬力に変換し
、圧縮機インペラ２０２へ接続された軸２１０を駆動す
る。

ガスはタービン出口ダクト２１２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
トに使用されるに好笥しい装置の例を示すに過き゛ない
。

電池積重ね本が必要とする流量及び圧力を与えるに十分
な寸法の商業的に得られる任意のターボチャージャか用
いられて良し。

例えば１２００キロワンドパワープラントに対しては電
池積重ね本へ送られる反応物質ガスは約３．５気圧の圧
力であるとすれば、ブラウンボベリーのモデルＲＲ１５
０ターボチャージャが適当であろう。

この特定のモデルば３．５ｋｑＡｒａにて１．３６ ｋ
ｇ１７ｓｅｃの質量流量を与えることができる。

ターボチャージャなる語は通常遠心圧縮機に関して用い
られるが、ここでは軸流圧縮機をもきむ意味で使われて
いる。

但しこの場合、遠心圧縮機がより好ましい。何故ならば
、遠心圧縮機は軸流圧縮機よりも効率が高く、高い単段
圧縮比を有するからである。

第２図のターボチャージャは遠心タービンを含んでいる
が、軸流タービンを用いるターボチャージャが本発明の
パワープラントに用いられても良い。

第２図に示すものはこの技術の分野に於ては典型的にタ
ーボチャージャと称されるものの代表的なものであるが
、本発明はこれに限られるものではなく、高温の加圧ガ
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、圧縮機を駆動することができそれ自身高温の加
圧ガス流により駆動される如き任意の熱エンジン７５用
いられて良い。

又圧縮及び膨張波を用いて膨張するガスからのエネルギ
の直接伝達により空気を圧縮するＣｏｍｐｒｅｘ（ブラ
ウンボベリー社の登録商標）スーパーチャージャあるい
は同様の原理により作用するその他の装置が用いられて
良い。

このＣｏｍｐｒｅｘスーパーチャージャはこの技術の分
野に於て周知であり、その詳細については１９５８年に
発行されたＭ ａｘＢ ｅｒｃｈｔｏｌｄ及びＦ、 Ｊ
、 Ｇａｒｄｉｎｅｒによる１°ＴｈｅＣｏｍｐｒｅｘ
゛°゛ＡＮｅｗ ＣｏｎｃｅｐｔｏｆＤ １ｅｓｅｌ
５ｕｐ−ｅ ｒｃｈａｒｇｉ ｎｇ”と題するＡＳＭＥ
の論文５８−７ＧＴＰ−１６を参照されたい。

この実施例の他の一つの特徴は負極及び正極ガススペー
ス３０．３２に於ける圧力が、これらの流れが７３にて
合流され従って７３にて当然のことながら同じ圧力を有
することから、より容易に等しく保たれることである。

この目的のために通常圧力制御装置が省略されて良い。

第１図についてこれ丑で説明した実施例の一つの修正が
第１図に於て点線により示されている。

この修正例に於ては、負極ガススペース３２からの放出
流ば１３にて導管１２を経て送られて来る正極ガス流と
直接混合されるのではなく、導管１００を経てバーナ３
６へ供給されている。

負極ガス放出流は十分な量の未燃水素ガスを含み、従っ
てバーナ３６は導管７５を経て燃料を供給される必要は
ない。

バーナ３６はリアクタ３４のための熱を与える。

バーナ放出ガスはこの実施例に於ては負極ガス放出流を
含み、熱交換器あるいは再生器１０１を通り導管１０４
を経て１０２にて正極ガス流と混合される。

かかえ構成により、コンデンサ１８に於て正極ガス放出
流及び負極ガス放出流の両者から水が除去される。

このことは陰極ガス流だけではリアクタ３４に対し十分
なｆ の水を与えることができないであろうから有利で
ある。

混合されたガス流はコンデンサ１８を去り、再生器２２
にて幾分かの失われた熱を回収し、次いで再生器１０１
を通り、バーナ放出ガスと陽極ガス放出流との結合され
たガス流から熱を吸収して更に温度上昇する。

高温ガス流は次いでタービン４０へ入り、該タービンは
圧縮機３８を駆動する。

熱交換器１０１０作用については以下にコンデンサ１８
の作用について詳細に説明するときに詳細に説明する。

第３図は本発明の他の一つの実施例を示す。

第１図に用いられているものと同じ符号は第１図に於け
るものと同じ構成要素を示す。

この実施例はその作動に於て第１図の修正実施例に類似
であるが、燃料処理装置１６にシフトコンバータ１０４
と選択的酸化装置１０６が加わっていることから、幾分
より複雑である。

又このパワープラントには４個の追加の熱交換器と燃料
ボイラが追加されている。

シフトコンバータ１０４はリアクタ３４を去るガス流の
一般化炭素濃度を低減する。

シフトコンバータに於ては一酸化炭素と水が下記の周知
の式に従って触媒の存在のもとで結合し、水素と二酸化
炭素、Ｊを発生する。

ＣＯ＋Ｈ２０Ｈ２＋ＣＯ２＋熱 （１）選択的酸化装
置に於ては、残留する一酸化炭素の殆どは触媒の存在の
もとて酸素と反応し、下記の式に従って更に二酸化炭素
と熱を発生する。

ＣＯ＋１／２０２−＋ＣＯ２＋熱 （２）選択的
酸化装置に於けるこのプロセスのための酸素はエアボン
クス２５から導管１０８を経て圧縮空気の形で供給され
ている。

コンデンサ１８を去る負極及び正極ガス流の混合物はこ
の実施例に於ては選択的酸化装置及びシフトコンバータ
内の熱交換器を通って流れ、これらの構成要素により発
生された追加の熱を吸収する。

かかる熱はさもなくば廃棄されるものである。

この実施例の燃料処理装置は蒸気変成リアクタ、リアク
タバーナ、シフトコンバータ及び選択的酸化装置を含む
ように示されているが、本発明に従って設計される・、
＜ワープラントの燃料処理装置は他の構成要素を含んで
いても良い。

燃料処理装置に関する必要要件はその一部分に関して使
用される生燃料の種類及び燃料電池積重ね木に於ける電
池の特定の設計に依存する。

事実、燃料処理装置は蒸気変成リアクタ及びリアクタバ
ーナの代わりに部分的酸化水素発生器を含んでいて良い
。

この実施例に於ては、燃料処理装置からの廃棄エネルギ
はりアクタバーナ排出ガスをタービン４０へ通すことに
より該タービンへ供給されている。

もしパワープラントが蒸気変成リアクタ、従ってリアク
タバーナを有しない時は、燃料処理装置からの廃棄エネ
ルギをタービンへ供給するために燃料処理装置と作動関
係にある熱交換器の如き他の装置が設けられ又任意の他
のガスがタービンへ送られなげればならないであろう。

第１図の実施例に於ては、蒸気はボイラを出て導管６２
から燃料を受は取った後直接リアクタ３４へ送られる。

第３図の実施例に於ては、蒸気はりアクタ３４へ入るに
先だって三つの熱交換器に通されている。

これは先ず熱交換器１１６を通り、ここでシフトコンバ
ータ１０４を去るガスからの熱によって過熱される。

次いでそれば１１４にて生燃料を受け、熱交換器１１８
にて導管７６を経て熱交換器１１８を通って流れる圧縮
空気から追加の熱を受ける。

燃料と過熱された蒸気は次いで他の一つの熱交換器１２
０を通り、ここでガス流の温度はリアクタ３４に於ける
蒸気変成反応に適した温度捷で増大される。

この温度は約５３８℃である、ゆ リアクタ３４を通っ
た後、部分的に処理された燃料は熱交換器１２０を通っ
て戻され、ここでその熱の殆どが戻される。

この実施例が第１図に示す修正例と異なる他の−一つの
特徴は熱交換器１２２である。

負極ガス放出流は導管１００を経で鴇交換器１２２を通
り、それがバーナ３６に導入されるに先立ってここで加
熱される。

バーナ３６はリアクタ３４は於ける蒸気変成反応のため
の熱を与える。

バーナ廃棄ガスは負極ガス放出流をよみ、これは熱交換
器１０１及び１２２に通されることによりそれがコンデ
ンサ１８に達する前に温度を低減され、以下に説明され
る如くコンデンサ１８に必要どされる仕事量を最小とす
るようになっている。

滓発明の第三の実施例が第４図に要因的に示されている
。

ここで先の実施例に於ける構成要素ど同じ構成要素は同
じ符号により示されている。

燃料電池積重ね木は以下に説明される理由から他の実施
例に於ける如く熱操作部をき１ないので新しい符号３０
０を付されている。

電池そのものは今度は３０２にて示されて釦り、これは
正極３０４、負極３０６、負極ガススペース３０８、正
極ガススペース３１０及び電解質３１２を浮んでいる。

この実施例は負極ガススペース３０８からの放出流が圧
縮機３８からの空気と共にリアクタバーナ３６へ供給さ
れていることに於て第３図の実施例と同じであることに
注意されたい。

又リアクタバーナ３６からの放出ガスは正極ガススペー
スからの放出ガスと混合され、タービン４０へ供給され
て圧縮機３８を駆動するようになっている。

この実施例と他の実施例の間の他の一つの重要な差は、
蒸気変成リアクタのための蒸気が水回収装置を要するこ
となく負極ガススペース放出流から直接得られているこ
とである。

かくして第４図について見ると、電池にて発生された蒸
気（即ち水）を含む放出ガスは導管３１４を経て負極ガ
ススペースを去り、弁装置３１６を通る。

弁装置３１６はガスの一部を導管３１８を経てリアクタ
バーナ３６へ導き、又ガスの一部を導管３２０を経て蒸
気変成リアクタ３４へ導く。

この後者の部分は蒸気をよむものであるが、導管３２２
を経てリアクタ３４へ供給される加圧された未処理燃料
とリアクタ３４内にて混合される。

部分的に処理された燃料は導管３２４を経て蒸気変成リ
アクタ３４を去り、ラジェータ３２６にて温度を低減さ
し、更に処理されるべくシフトコンバータ１０４へ通さ
れる。

処理された燃料はシフトコンバータ１０４を去り、導管
３３０を経て他のラジェータ３２８へ供給され、ここで
更に温度が低減された後ガスは導管３３２を経て負極ガ
ススペースへ供給される。

この実施例に於ては又タービン排ガスより熱をリアクタ
バーナ３６へ流入するりアクタバーナ入口燃料ガス流及
び圧縮空気流へ伝える熱交換器３３４及び３３６が設け
られている。

他の一つの熱交換器３４０はリアクタ３４へ入るガスを
加熱するノｉめのものである。

これら熱交換器の使用あるいは置換えはパワープラント
に用いられている特定の構成要素及びその配列及び必要
要件によってパワープラント毎に種々に異なって良いも
のであることを理解されたい。

第４図に示す熱交換器の配列は本発明の範囲を限定する
ためのものではなく、単に例を示すためのものである。

リアクタ３４に蒸気を供給することに加えて再循環され
た負極ガス放出流は電池積重ね本３００を冷却するため
に用いられる。

このことは負極ガススペース３０８へ流入するガス流の
温度を電池積重ね本が維持されるべき所要温度より実質
的に低いレベルに低減することによって達成される。

ガス温度に於ける最終的低減はラジェータ３２８にて達
成され、導管３４１を経てラジェータへ通される冷却空
気の量帰１］御することによって制御される。

ポンプ３４２は負極ガススペースヲ通ッて十分な量の冷
却ガスを保持する。

ガス流の温度は熱交換器３４０及びラジェータ３２６に
よッテモ低減される。

ラジェータ３２６はシフトコンバータ１０４へ流入する
ガスの温度を低減する。

シフトコンバータ１０４ばこの実施例に於ては低温シフ
トコンバータである。

シフトコンバータに於げる反応は発熱反応であり、従っ
てガス流がそれを通る際その温度を上昇し、このことば
第二のラジェータ３２８を必要とする。

熱交換器３４０の目的はリアクタ３４を去るガス流の温
度を低減することに加えて既に述べた如くリアクタ３４
へ入るガス流の温度を増大することで゛ある。

実際リアクタへ入るガスの温度を上昇するための熱交換
器とリアクタを去るガスの温度を低減するための熱交換
器の任意の組合せが用いられて良く、この場合リアクタ
放出流に於ける熱の実質的な部分７５廃棄されなげれば
良い。

上述の如く陽極ガススペースからの放出流にリアクタ３
４に於て十分な蒸気が持ち込捷れることが必要である。

十分な蒸気を確保するために陽極ガススペースを通る売
量がポンプ３４２によって維持されている。

負極ガススペースを通る必要な流量と弁３１６によって
制御されるリアクタバーナとリアクタそれ自身の間の必
要な分割率はガスの圧力、要求されるリアクタ効率及び
蒸気変成反応を所要の効率にて駆動するに要する十分な
熱を発生するためにリアクタバーナに於て要求される燃
料の量によって決定される。

第１図、第３図及び第４図の実施例に於ては、リアクタ
３４へ供給される蒸気は電池積重ね本冷却ループに配置
されたボイラによって発生される。

陽極ガススペースへ流入するガスの圧力は燃料と混合さ
れる蒸気の圧力によって制限される。

ボイラにて発生された蒸気の圧力は冷却ループに於ける
冷却流木の温度に依存し、該冷却ループの温度は電池積
重ね本の温度によって制限される。

例えば、もし燐酸電池の温度が腐蝕の問題により制限サ
レるときは、蒸気圧力はそれに従って制限される。

第４図の実施例は電池が燐酸電解質を用いているにも拘
らずこの圧力制御装置を有しない。

これは電池積重ね本の廃熱によって駆動されるボイラに
於て蒸気が発生されるのではなく、負極ガススペース３
０８に於ける全圧に関係なく該負極ガススペースへ蒸気
が蒸発するからである。

この場合、連続運転を行うには燃料電池より水を除去す
る必要がある。

水は電池積重ね木を出るガス流中に於てあるモル分率を
なしていなげればならない。

蒸気圧力は単に全圧×水のモル分率であるから、もし全
圧が増大すると蒸気圧力も増大する。

ある与えられた電池積重ね本鳳度に於ては電解質ばこの
理由のために全圧が増大するとより薄くなり、電解質上
の水の蒸気圧は増大する。

かくしてもし望むなら、より高い反応物質ガス圧が用い
られて良く、これがこの実施例の一つの利点である。

第５図は本発明の他の一つの実施例を示す。

この図に於て第１図に示す部分に類似の部分は第１図に
於けると同じ符号により示されている。

この実施例は先の各実施例と多くの部分について共通で
あるが、今昔で説明されなかった幾つかの特徴であって
もし望むなら第１図及び第３図の実施例に容易に付加さ
れ得るものを含んでいる。

これらの特徴の一つはコンデンサ装置に対する好ましい
構成に係るものであり、コンデンサ装置のかかる構成は
本発明の加圧システムに於てのみ可能なものである。

他の特徴はパワープラントが全出力にて作動するとき得
られる利益と同じ利益を維持しつつ部分出力にても同様
に作動することを可能にする装置が加わっていることで
ある。

第５図について見ると、パワープラントは１２にて全内
的に示された燃料電池積重ね本、１４にて全内的に示さ
れた圧縮機装置、１６にて全内的に示された燃料処理装
置、補助バーナ１Ｔ、コンデンサ１８，１９、ボイラ２
０、ラジェータ６８及びエアフロースプリンタあるいは
エアコントロールボックス２５を含んでいる。

この実施例に於ては、第１図の実施例に於げる如く、燃
料処理装置１６は唯一つの蒸気変成リアクタ３４とそれ
に関連したりアクタバーナ３６を含んでいるが、本発明
はこれに限られるものではない。

補助バーナ１７とコンデンサ１９を除き第１図に示すパ
ワープラントに設けられている全ての構成要素が設けら
れている。

第５図について更に見ると、作動に於て空気は導管４１
を経て圧縮機３８へ入り、圧縮される。

圧縮された空気はその途中にあるバイパス制御弁２７を
経てエアボックス２５へ流れる。

今、弁２７が圧縮機３８からの全ての空気をエアボック
ス２５へ導く位置にあると仮定する。

これはパワープラントが全出力にて運転している場合で
ある。

エアボックスはこれ１でに説明した他の実施例に於ける
如く空気流を種々の構成要素へ適当に分配するための制
御装置及び弁をよんでいる。

空気の一部は導管４２を経て陰極ガススペース３０へ導
かれ又導管７６を経てバーナ３６へ導かれる。

湿った高湿の正極放出ガスは導管４４を経てガススペー
ス３０を去り、コンデンサ１８へ入ル。

コンデンサ１８内にては正極放出ガスは水が凝縮する温
度丑で冷却され、凝縮した水は集められて以下に説明さ
れる如く燃料処理装置１６にて用いられる。

正極ガス放出流は導管５０を経てコンデンサ１８を去り
、リアクタバーナ３６からの放出ガスと５１にて混合さ
れ、これと共にタービン４０へ通され、かくしてタービ
ン４０へ動力を与え圧縮機３８を駆動する。

この実施例には示されていないが、パワープラントは第
１図に示す再生器２２に類似の再生器を含んでいて良く
、正極放出ガスは第１図の実施例に於ける如くコンデン
サ１８へ入る前とこれを出た後に該再生器を通されて良
い。

負極側に於ては加圧された燃料ば６１にて加圧された蒸
気と混合され、蒸気変成リアクタ３４へ入る。

処理された燃料は導管７０を経て蒸気変成リアクタ３４
を去り、負極カススペース３２へ入る。

負極ガス流は負極ガススペースと正極ガススペースの間
にガスの混合が生じる危険を最小とすべく正極ガス流と
ほぼ同じ圧力とされている。

負極ガススペース３２からの放出流はコンデンサ１９へ
供給され、とれよりバーナ３６へ供給される。

負極ガス放出流は十分な量の未燃水素ガスを含んでおり
、従ってバーナ３６には別個の燃料を供給する必要はな
い。

バーナ３６はリアクタ３４に対する熱を与える。

負極ガス放出流を含むバーナ放出流は５４にてごれ１で
の如く正極ガス放出流と混合されタービン４０へ通され
る。

この実施例に於ては、負極ガス放出流はバーナ３６へ導
かれ、これに燃料を与えるようになっているが、ある場
合には正極ガス放出流をバーナへ導かず、その代わりに
これを導管５０を通って送られる正極ガススペースから
の放出流と直接混合することがより望オしいであろう。

この場合にはバーナばそれ自身の燃料供給源を備えてい
なげればならない。

次にパワープラントが部分負荷にて運転されるのが好ま
しいと仮定する。

部、分負荷運転中は燃料電池により必要とされる燃料及
び空気の量はより少い。

又燃料電池が発生する水の量もより少い。負極ガススペ
ースを通る空気の質量流量が部分負荷運転中に低減され
ると、電池によってはより少量の水が発生されるので、
正極ガス流中に於ける水の分圧は全力運転中に比して著
しく低減する。

このことは非常に好ましくないことである。

何故ならば、例えばコンデンサ１８を通って流れる正極
ガス放出流中に於ける水蒸気の分圧が非常に低くなり、
これによってリアクタに必要な水を凝縮することが一層
困難となるからである。

あるいは又より大きなコンデンサが必要とされることと
なる。

同様に電池積重ね木は部分負荷にては全負荷に於ける程
の熱を発生せず、従って部分負荷に於て電池積重ね本を
通る空気量が多過ぎると、該空気流は電池積重ね本から
多量の熱を奪い過ぎ、その結果電池積重ね体が適冷され
る。

このことは電池積重ね本を十分な作動温度オで加熱する
ために補助バーナを用いることを必要とする。

このことは非能率的であり非経済的である。

パワープラント全体にわたって加圧された反応物質を用
いることの利点を以下により詳細に説明する。

しかし、もしこれらの利点が部分負荷に於てもそれぞれ
最大限に維持されるためには、反応物質が部分負荷運転
に於ても全負荷運転に於けると同じ圧力に維持されるこ
とが必要である。

又同時に直前の文節にて説明した如き問題を回避するた
めに、燃料電池の陰極ガススペースを通る空気の質量流
量を低減することが必要である。

第５図の実施例に於ては、ターボチャージャはある固定
された幾何学形状を有し、従ってタービンを通る質量流
量が低下したときには圧縮機にて同じ吐出圧力を維持す
ることができない。

又タービンを駆動するガスの温度が部分負荷にて低下す
ると、同じ高圧を維持することができない。

固定された幾何学形状を有するターボチャージャ１４に
対しては、部分負荷運転に於ても全負荷運転に於けると
同じ圧力の圧縮空気を吐出するためには、タービン４０
を通るガスの質量流量及び温度は部分負荷運転に於ても
全負荷運転に於けるとほぼ同じ値に維持されなげればな
らない。

タービン４０へ流入するガスのエネルギが低減すると、
タービン４００回転速度が低下し、従って圧縮機３８に
よって圧送される空気の圧力及び質量流量が低下する。

これに対する一つの解法は部分負荷にてターボチャージ
ャによって圧縮される余剰空気をニアコント０−ルボソ
クス２５を経て４Ｊアクタバーナ３６へ供給することで
あろう。

しかし部分負荷にては電池積重ね本１２はより少量の燃
料を用いており、従って負極ガススペースを去りバーナ
３６へ入るガス中にはより少量の未燃燃料しか含１れて
いない。

勿論部分負荷にてはりアクタバーナ３６によって発生さ
れるべき熱量も少〈て良い。

従って部分負荷に於てはバーナ３６にて必要とされるエ
アボックス２５からの空気も少くて良い。

圧縮機３８により加圧された余剰の空気がバーナ３６に
通されると、バーナ温度が所定のレベルに維持されるよ
うバーナは全ての空気を加熱しなげればならない。

このことばバーナに追加の燃料を必要とし、効率を著し
く悪くする。

以上の如き全ての問題は第５図の実施例に於ては回避さ
れている。

バイパス弁２７は燃料電池により発生された電流に応答
する。

全力運転に於ては圧縮機３８からの空気は全てエアボッ
クス２５へ通される。

出力が低減すると弁２７が開き、空気の一部をバイパス
導管４００を経て電池積重ね本１２を迂回してバイパス
させる。

このバイパスされた空気ば４０２にてバーナ３６からの
放出流と混合され、５１にて正極ガススペース３０から
の放出流と混合され、タービ／４０を通って流れる。

かくしてタービン４０を通る質量流量は部分負荷に於て
も著しく低減されることはない。

正極ガススペースからの放出流の温度及びバーナ３６か
らの放出流の温度は部分負荷に於ても全負荷に於けるも
のと同じであるが、その質量流量が低下していることに
よりそれが含む熱量はより小さい補助バーナ１１がバイ
パス導管４００内に設けられており、バイパス空気を十
分な温度まで加熱しこれによってそれが他の放出ガス流
と混合されると、タービンへ流入する混合ガス流の熱含
有量（及び質量流量）は全負荷時とほぼ同じとなる。

もし補助バーナ１７がないときには、バイパス空気はタ
ービン４０へ流入するガスの温度を下げ、これによって
タービ／４０の回転速度が下がり、圧縮機３８を出る空
気の質量流量及び圧力が低下する。

バーナ１７は導管４０４を経てリアクタ３４に対する燃
料と同じ燃料源から燃料を供給される。

弁４０６がバーナ１７への燃料流量を制御し、これはタ
ービン４０へ流入するガスの温度を適当なレベルに維持
すべくシステム内に於ける多数の変数の任意のものに応
答して良い。

もし望むなら、この補助バーナは前記バイパスガス流が
タービン４０へ到る途中にてそれを通過する限りバイパ
ス導管４０内の任意の下流位置に配置されて良い。

例えば、それは点線のボックス４１０にて示されている
如く、導管４０８内に配置されても良い。

しかし導管４０８′に、配置された補助バーナば、バイ
パス空気が＝般に酸素に薄い他の種々の放出ガス流と既
に混合されていることから、導管４００内に配置される
よりもより薄い酸素モードのガスを受けることになろう
。

従ってバイパス導管４００内にて補助燃焼を行うのがよ
り容易であり且より経済的である。

又この実施例に於ては、補助バーナは生燃料にて運転さ
れているが、これは導管７０から供給される処理された
燃料によって運転されても良い。

しかしこのことは補助バーナによって使用される燃料の
量を補うべく追加の燃料がリアクタ３４へ供給されるこ
とを必要とする。

本発明の利点及び作動がより完全に理解され且評価され
るよう、第６図について見る。

この図は大気圧に於ける反応物質を用いた燃料電池の性
能と例えば約３，５気圧の全圧に於ける反応物質を用い
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。

燃料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
される負極あるいは正極のいずれかに於ける反応物質の
重量流量を電池へ供給される水素又は酸素の重量流量で
割った値である。

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）が又負極に於ては水素利
用率（ＵＨ２）が存在する。

反応物質利用率を上げることは負極及び正極から見て反
応物質の分圧を下げることになる。

何故ならば、より多量の反応物質が電池を通る単位質量
流量から取り去られるからである。

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

第６図にて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電池性能を表わす。

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。

又これら曲線の各々によって表わされる電池は同じ温度
にて作動すると仮定されている。

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

この式は次のタロ＜表わされる。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。

ネルンストの式は以下の如く表わされる。

ここでＣは常数である。

一定温度及び一定利用率に対しては、反応物質の全圧が
増大すると両反応物質の分圧が増大し、正極性能及び負
極性能の両者が改善されることが明らかである。

燃料電池性能の総合的改善は単に以下の式により表わさ
れる。

。△Ｖ ＝△Ｖｃａｔｈｏｄｅ ＋１ｓＶａｎｏｄｅ
（５）ｏｔａ１ 式（５）の左辺は第６図のグラフに於て一定電流密度に
於ける点ＡとＢの間の電圧差として示され１いる。

更に第６図のグラフより、３．５気圧の反応物質温度に
て作動す丞ことにより電池寸法は、点Ｃに於ける運転に
よる叩く、電池出力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６図のグラフに於ける点線曲線はそれぞれ表示さｔ′
Ｌｆｃ如りｔ、０及び３．５気圧の反応物質圧力に於け
る電池性能を表わす。

これらの曲線は、電池がより高い反応物質利用率に対し
設計されていることを除き、実線曲線により表わされた
電池に全ての点に於て類似の電池性能を表わしている。

３．５気圧に於ては電池はより高い反応物質利用率にて
運転することかでき、尚従来の電池に比して点Ｂ／にて
作動することにより電池電圧の増大あるいは同じ電池電
圧に対し点Ｃ′にて作動することによる電流密度の増大
の如き改善を与えろことに注目されたい。

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
用率を増大することば同じ電池電圧を維持するために電
池の寸法を増大するかあるいは同じ電池寸法を維持する
ためには電圧損失を許容することを意味することに注目
されたいゎ性能を犠牲にし７たりあるいは電池の寸法を
増大させることなく、より高い水素利用率にて作動する
ことかできることの重要性は、この好ましい実施例に於
ける蒸気変成リアクタ３４の作動に関する以下の説明よ
り明らかとなるであろう。

燃料電池性能の改良に関しては第４図による本発明の構
成は特記に値する。

このパワープラントに於ては、負極ガススペースを通っ
である量の二酸化炭素が再循環されている。

このことは負極ガススペースに入る水素の分圧を該ガス
流中に於ける二酸化炭素のより高いレベルに対応するだ
け他の実施例に於けるよりも幾分下げることになる。

ネルラストの式（３）によれば、このことは燃料電池性
能を下げる傾向を有する。

しかし正極に於ける電池性能の改善及び以下に説明され
るこの実施例のその他の改善及び利点（水回収装置が不
用となること等）が向かかる実施例によるパワープラン
トを魅力的なものとする。

又この特殊な実施例は電池積重ね本温度により圧力制限
がなされないので、より高い反応物質圧力が用いられて
良く、従つで負極ガススペースへ流入する水素の分圧は
他の実施例に比して低くなるのではなくむしろより高く
され、これによってこの実施例をより魅力的なものとし
ている。

１４９℃、大気圧にてイ／慟する従来の燐酸電解質燃料
電池に於ては、燐酸電解質の蒸気が起る。

かかる酸の蒸発が起こると、パワープラントの運転中に
酸が規則的に補給されることを必要とする。

酸蒸発は正極ガススペースを通る空気の質量流量、酸の
分圧及び正極ガススペースに於ける全ガス圧の関数であ
り、以下の式によって定められる。

上記の式より、正極ガススペースを通るガス流の全圧が
増大すると酸損失が低下することが明らかである。

又全圧が増大すると電解質の希釈により酸の全圧が低下
し、更に酸損失が低減することも事実である。

又反応物質圧力がより高いことにヨリ、本発明のパワー
プラントに組み込芽れた燃料電池はより高い酸素利用率
にて運転することができ、従って正極ガススペースを通
る空気流量はより小さく酸損失は更に低減される。

以上の叩き要件が組み合わさって酸損失の低減はかなり
の程度に於て達成されることが結論される。

蒸気変成リアクタの性能を示すグラフが第７図に示され
ている。

変成効率（ηＲ）が垂直軸にプロットされ、処理された
ガス流の流量（Ｗ）をリアクタの伝熱面＠（Ａｈえ）に
て割ったものが横軸にプロットさす１．ている。

Ａ１１ｘなる項はリアクタの寸法に直接関係するので、
横軸に沿って右方へ移動するにつれてリアクタ寸法は低
減する。

リアクタ効率は下記の式によって定められる。

η□、−＜Ｋ）ＵＨ２（α・β）（７） ここでＫは常数でありＵＨ２は燃料電池に於ける水素利
用率であり、積（α・β）はリアクタに於ける燃料変換
である。

燃料変換（α・β）は流入する燃料の炭素の内のＣＯ２
に変換されたもののパーセントである。

これは蒸気変成リアクタに於て発生された水素の量を表
わす。

第７図のグラフに於てば、９０係及び７５係燃料変換曲
線がＵＨ２及びＵ箱と表示された水素利用率曲線と共に
示されており、後者はより高い水素利用率を示す。

比較の目的でＵ□２が第６図の実線曲線により表わされ
た水素利用率ａ司じであり、又ＵＫ、が第６図の点線曲
線により表わされた水素利用率であると仮定する。

第６図に関して説明した如く、大気圧に於ける反応物質
を用いた燃料電池はある特定の電池寸法に対しある特定
の電池電圧を達成するためには（即ち点Ａにて作動する
ためには）ある特定の水素利用率Ｕ）（２にて作動する
よう制限される。

ある特定の水素利用率を選択すれば、蒸気変成リアクタ
の作動は水素利用率曲線Ｕ□２に沿うどこかで行われる
ことを必要とする。

従ってそれは該特定の電池に対し蒸気変成リアクタの効
率と寸法の最適な組合せを選択する問題である。

７般にリアクタ寸法を妥当な範囲に保つためには、従来
のリアクタに於ける燃料変換ば＝般に約９０係である。

このことは従来の電池に使用される蒸気変成リアクタの
作動点をＤに位置せしめる。

ここでより高い水素利用率にて燃料電池を運転すること
ができることが非常に重要であることが明らかとなった
であろう。

例えば本発明に従って設計されたパワープラントに於て
は、曲線Ｕ丘、に従って運転することが可能である。

このことは、リアクタがより低い燃料変換率にて運転す
ることができるので、効率を犠牲にするとどなくより小
さい蒸気変成リアクタを用いることを許容するものであ
る。

この作動点は第７図に於てＥにて示されている。

勿論もし望むなら、リアクタ寸法は同じに保たれ、リア
クタ効率が点Ｆにて作動する如く著しく改善されても良
い。

より高い利用率にて作動するときには、燃料電池性能に
於て幾らかの損失はあるが、燃料電池性能の全本特性は
同著しく改善され、しかも更に蒸気変成リアクタに於て
重要な改善がなされることに注目すべきである。

このことは従来のパワープラントと対照的である。

従来のパワープラントに於てはより高い反応物質利用率
は蒸気変成リアクタに対しては利益となるが、かかる利
益は燃料電池性能に及ぼされａ影響によって打ち消され
るものであった。

本発明に従ってパワープラントを設計する場合には、勿
論リアクタ性能に於ける改善を追求することと燃料電池
性能に於ける改善を追求することの間に調整を行うこと
が必要である。

従って反応物質利用率、電池寸法、電池出力電圧、リア
クタ寸法、リアクタ効率、及びリアクタ燃料変換率は設
計されるパワープラントのある特定の目標に基いて選択
される。

好ｌしい実施例に於ては、燃料としてナフサを用い、蒸
気変成リアクタ３４はニンケノ囁虫媒を用いる周知の型
のものであることが考えられている。

しかしリアクタは水素を発生する任意の従来の装置であ
って良い。

例えば蒸気変成リアクタより効率は悪いが、部分酸化水
素発生装置が用いられて良く、これは反応物質ガスの圧
力がより高いことにより著しい利益を受ける。

電池積重ね本に対する燃料として純粋な水素が得られる
場合等には燃料処理装置は必要とされない。

本発明の第１図、第３図及び第５図に従って設計された
パワープラントに関しては、従来の燃料電池パワープラ
ントに於けるコンデンサより著しく小さいコンデンサが
用いられて良い。

一定の電流に於ては、ファラデーの法則に従って燃料電
池からの一定量の水が製造される。

この水は放出ガス流中に１１れて電池を出る。

蒸気変成反応は周知の通りある量の水を必要とし、これ
は従来の装置に於ては、本発明の第１図、第３図及び第
５図の実施例に於ける如く、少くともその一部について
は正極ガス流より得られていた。

この水は正極ガス流よりコンデンサによって除去される
。

ガス流が大気圧状態にある従来の燐酸電解質パワープラ
ントに於ては、蒸気の露点型［常に低く、従って蒸気変
成反応を行うに十分な水を凝縮するためには、コンデン
サを去るガス流の温度は冷却用外気より数度だけ高いも
のでなげればならない。

従って非常に大きなコンデンサが必要とされる。

これ寸でに述べた如くコンデンサは従来の燃料電池パワ
ープラントの最も大きな構成要素である。

本発明による加圧されたパワープラントに於ては、正極
ガススペースを去るガス流の露点はガス流の圧力が高い
ことによって従来のものに比して著しく高い。

例えば１４９℃、 ３．２ ｋｇ／ｃｒ１￥の電池積
重ね木を去るガス流の露点は１４９℃、大気圧に於ける
電池積重ね木を去るガス流の露点より約３４℃高い。

このことは同じ量の水を凝縮するためにガス涼暖ｉ加圧
システムに於ける温度１で低減される必要がないことを
意味する。

換言すれば、コンテンサ冷却空気の温度とコンデンサを
去るガス流の温度の間には大きな温度差が存在する。

加圧システム及び非加圧システムがいずれも３２℃の冷
却空気を用いると仮定すると、コンデンサの寸法ば１／
２〜１／３に低減される。

コンデンサ装置の寸法がこのように減小することは本発
明の主要な利点の一つであり、パワープラントのコスト
を著しく低減せしめるものである。

第１図に関し説明された修正実施例に於ては、負極ガス
スペース放出流はバーナ３６を通った後１０２にて正極
ガススペース放出流と混合される。

この流れは非常に高温であり、かなりの量の湿分を含ん
でいる。

勿論コンデンサ１−８から要求される仕事量の観点から
、コンデンサ１８に流入するガス流の温度はできるだけ
露点に近いことが車重しい。

負極ガス放出流が燃料処理装置１６を去るときには、そ
の温度は約６７１℃である。

コンデンサに関する観点から、かかる非常に高い温度の
ガスを負極ガス放出流と混合しそれを直接コンデンサへ
通ずことは禁止されるべきである。

従ってこのガスは先ず再生器１０１に通され、ここで約
３６℃寸で冷却される。

次いでこのガスは正極ガススペース３０からのガスと混
合される。

この混合されたガスは熱交換器２２へ入り、ここで更に
温度が低減される。

ガス流がタービンを駆動するに十分なエネルギを有する
よう、ガス流はコンデンサを出そ後再生器２２及び１０
１に再び通されることにより約３１６℃寸で加熱される
。

従来のパワープラントに於ては、負極ガススペースのみ
からは蒸気変成リアクタに対する十分な水が得られない
場合が多い。

ある場合には加圧式パワープラントでさえも同じ問題に
遭遇する。

非加圧反応物質を用いる従来の燃料電池パワープラント
に於ては、通常リアクタバーナ放出ガス流より追加の水
が回収されている。

第５図に示す如き本発明の実施例に於ては、蒸気変成リ
アクタに対し必要な追加の水は負極ガス玄ベース放出流
よ−りそれかりアクタバーナに流入する前に回収される
。

このことは従来の非加圧式燃料電池パワープラントに於
ては不可能であった。

何故ならば、非加圧負極ガススペース放出流及び非加圧
正極ガススペース放出流から凝縮可能な水の量は蒸気変
成りアクタにとっては伺不十分であったからである。

リアクタバーナに於て発生された追加の水が負極ガスス
ペース放出流に於ける水と共に回収されるよう、コンデ
ンサ装置はりアクタバーナの下流側に配置されていた。

かかる構成は別の問題を提起していた。

何故ならば、リアクタバーナ放出ガスが非常に高温であ
ることにより、該ガスの温度をそれがリアクタバーナの
後流側にあるコンデンサに流入する前に低減するために
非常に大きな再生式熱交換器が必要とされたからである
。

第５図に示す如キ本発明のパワープラントはかかル両生
式熱交換器の必要性をなくすものであり、このことば本
発明の一つの重要な利点である。

本発明のパワープラントに於ける負極ガススペース放出
流の圧力が高いことにより、その露点が高いことによっ
て、正極ガス放出流がリアクタバーナに通される前にこ
れより十分な量の水を回収することが妥当な大きさのコ
ンデンサ装置によって可能となり、従ってこの水が正極
ガススペース放出流から回収された水と組み合わされる
と蒸気変成リアクタに対し十分な水が得られる。

陽極ガススペース放出流からそれがリアクタバーナに流
入する前に水を回収することは、該ガス流より水蒸気の
殆どを除去することによりバーナにてより高い温度が得
られることにより、蒸気変成リアクタの寸法を減小する
効果をも有する。

次に第８図について見ると、これは一定のガス流量度に
於けるシフトコンバータ性能を示すグラフである。

第３図及び第４図の実施例はシフトコンバータを含んで
いることに注意されたい。

このグラフはシフトコンバータの性能と該コンバータを
通って流れるガスの圧力との間に直接的関係があること
を示している。

即ちより高いガス圧力にて運転しているときは、触媒作
用が増大し、これはシフトコンバータ寸法の低減に変換
されあるいは同じ寸法のシフトコンバータを用いるトキ
はより完全なシフトが行われることを意味する。

シフトコンバータを通るガスの圧力が大気圧より約４、
２ ｋｑ／ｃｒ？１に増大されると、シフトコンバータ
の作動は倍加されることが理解されよう。

このようにシフトコンバータ性能が改善されることば木
登ｉ 明に従って高圧の反応物質により燃料電池積重ね
本を運転することができることの一つの利点である。

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々の修正が可フ 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既略図であ
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
ボチャージャの断面図である。 第３図、第４図及び第５図は本発明によるパワープラン
トの他の実施例を示す概略図である。 第６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。 第１図は本発明のパフ−プラントに用いられる蒸気変成
リアクタの性能を示すグラフである。 第８図は種々の圧力に於けるシフトコンバータ性能を示
すグラフである。 １０〜パワープラント、１２〜燃料電池積重ね本、１４
〜圧縮機装置、１６〉燃料処理装置、１８〜コンデンサ
、２０〜ボイラ、２２〜再生器、２４〜正極、２５〜エ
アコントロールボツクス、２６〜負極、２８〜電解質保
持マトリツクス、２９〜負荷、３０〜正極ガススペース
、３２〜負極ガススペース、３４〜蒸気変成リアクタ、
３６〜リアクタバーナ、３８〜圧縮機、３９〜軸、４０
〜排気タービン、６０〜ポ／フ、６８〜ラジエータ、６
９〜ポンプ、１０１〜再生器、１０４〜シフトコンバー
タ、１０６〜選択曲選択装置、１１６．１１８，１２０
，１２２〜熱交換器、２００〜圧縮機ダクト、２０２〜
遠心インペラ、２０４〜デイフユーザ、２０６〜タ一ビ
ン入口、２０８〜タービンロータ、２１ＯＮ軸、２１２
〜タービン出ロダクト、３００〜燃料電池積重ね木、３
０２〜燃料電池、３０４〜正極、３０６〜負極、３０８
〜負極カススペース、３１０〜正極ガススペース、３１
２〜電解質、３１６〜弁装置、３２６〜ラジエータ、３
３４，３３６，３４０〜熱交換器、４０６−４゜

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の燃料電池
   をきみ、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蒸気変成りアクタと
   、前記蒸気変成リアクタに熱を与えるリアクタバーナと
   をきむ燃料処理装置と、 蒸気を生成しこれを前記蒸気変成りアクタへ供給する装
   置と、 を含むパワープラントにして、 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
   され氾然料を前記蒸気変成リアクタへ供給する装置と、 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、 前記負極ガススペースより排出されたガスの少なくとも
   第一の部分を前記リアクタバーナへ供給する装置と、 前記正極ガススペース及び前記リアクタバーナより排出
   された圧縮状態にあるガスを前記タービンへ供給する装
   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ｌ−［於て、
   前記の圧縮された空気を前記正極ガススペースへ供給す
   る装置は前記圧縮機より圧縮された空気を前記リアクタ
   バーナへ供給する装置ヲ含んで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、前記正極ガススペースより排出されたガスより
   水を凝縮するコンデンサが設けられても・す、前記の前
   記正極ガススペースより排出されたガスを前記タービン
   へ供給する装置は該ガスを先ず前記コンデンサへ供給す
   る装置をよんでいるパワープラント。 ４ 特許請求の範囲第３項のパワープラントに於て、ボ
   イラーを含み蒸気を生成する装置と、前記コンデンサに
   て凝縮された水を前記ボイラーへ供給する装置と、前記
   ボイラーにて生成された蒸気を前記蒸気変成りアクタへ
   供給する装置とを含んでいるパワープラント。 ５ 特許請求の範囲第４項のパワープラントに於て、前
   記の蒸気を生成する装置は前記燃料電池積重ね体より前
   記ボイラーへ熱を伝達すべく前記燃料電池積重ね体及び
   前記ボイラーと熱交換関係に冷却流体を供給する装置を
   きんでいるパワープラント。 ６ 特許請求の範囲第３項のパワープラントに於て、前
   記の前記正極ガススペース及び前記リアクタバーナより
   排出されたガスを前記タービンへ供給する装置は該ガス
   が前記コンデンサへ供給される前に先ず前記リアクタバ
   ーナより排出されたガスを前記正極ガススペースより排
   出されたガスと混合する装置と、かくして混合されたガ
   スを前記コンデンサへ供給する装置とを含んでいるパワ
   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、シフトコンバータが設げられ、前記
   の前記蒸気変成リアクタより前記負極ガススペース）燃
   料を供給する装置は該燃料を更に処理するため該燃料を
   先ず前記シフトコンバータへ供給する装置を含んでいる
   パワープラント８ 特許請求の範囲第１項乃至第７項の
   いづれかのパワープラントに於て、選択的酸化装置が設
   けられ、前記の圧縮された空気を前記正極ガススペース
   へ供給する装置は前記圧縮機により圧縮された空気を前
   記選択的酸化装置へ供給する装置をきみ、前記り前記蒸
   気変成リアクタより燃料を前記負極ガススペースへ供給
   する装置は前記シフトコンバータよりの燃料を更に処理
   するため該燃料を前記選択的酸化装置へ供給する装置を
   含んでいるパワープラント。 ９ 特許請求の範囲第１項乃至第８項のいづれかのパワ
   ープラントに於て、熱を除去する装置が設けられても・
   す、前記の前記蒸気変成リアクタより燃料を前記負極カ
   ススペースへ供給する装置は該燃料の温度を前記燃料電
   池積重ね体の温度より低い温度寸で減するため該燃料を
   前記熱を除去する装置へ供給する装置を含んでいるパワ
   ープラント。 １０特許請求の範囲第１項乃至第９項のいづれかのパワ
   ープラントに於て、部分負荷時に前記圧縮機より圧縮さ
   れた空気の一部を前記正極ガススペースを迂回してバイ
   パスさせる装置と、前記夕、−ビンへ供給されるガスに
   追加Ｑ熱を与える補助バーナとが設けられ、前記の前記
   タービンへガスを供給する装置は前記のバイパスされた
   圧縮空気を前記タービンへ供給する装置をよんでいるパ
   ワープラント。 １１ 特許請求の範囲第１０項のパワープラントに於て
   、前記の圧縮された空気を前記正極ガススペースを迂回
   してバイパスさせる装置はバイパス通路を有し、前記補
   助バーナは前記バイパス通路にそこを通って流れるバイ
   パスされた空気を燃焼用空気として使用するよう設けら
   れているパワープラント。 １２特許請求の範囲第１項のパワープラントに於て、前
   記負極ガススペースより排出されたガスのうちの第二の
   部分を前記蒸気変成リアクタへ供給する装置が設けられ
   、この第二の部分のガスは前記蒸気変成リアクタが必要
   とする蒸気を含む量とされるパワープラント。 １３特許請求の範囲第１項のパワープラントに於て、補
   助バーナと該補助バーナへ燃料を供給する装置とが設け
   られ、前記の前記正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は該ガスが前記タービン
   へ供給される前に該ガスのエネルキー増大すべく先ず該
   ガスを前記補助バーナへ供給する装置を含んでいるパワ
   ープラント。