JPS6068563A - 燃料電池発電装置 - Google Patents
燃料電池発電装置Info
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- JPS6068563A JPS6068563A JP58174582A JP17458283A JPS6068563A JP S6068563 A JPS6068563 A JP S6068563A JP 58174582 A JP58174582 A JP 58174582A JP 17458283 A JP17458283 A JP 17458283A JP S6068563 A JPS6068563 A JP S6068563A
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- pressure
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
- H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
- H01M8/0612—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
- H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
-
- 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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- Sustainable Energy (AREA)
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- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
〔発明の属する技術分野〕
本発明は酸化性の反応ガスとして大気から取り入れる空
気を用い、かつ該空気を圧縮して燃料電池に供給し、燃
料電池がこれにより大気圧より高められた作動圧力下で
運転される燃料電池発電装置に関する。
気を用い、かつ該空気を圧縮して燃料電池に供給し、燃
料電池がこれにより大気圧より高められた作動圧力下で
運転される燃料電池発電装置に関する。
大気から取り入れた空気を、いわゆる酸化ガスとして用
いることは燃料電池の経済性を増す上で重要であシ、従
来純酸素を酸化ガスとして用いて来た燃料電池において
も空気を酸化ガスとして用いることが種々試みられてい
る。しかし、空気中の酸素分は全体の２１％に過ぎず残
余が主に窒素であって不活性であるために、燃料電池の
ガス拡散性で、かつ触媒を含む空気側ＴＬ栖の活性が大
でないと、電池の起電力が低くなりエネルギ変換効率も
低下することになる。近年、活性の高い空気電極が得ら
れるようにはなって来たが、純酸素電極に比べて性能は
当然低く、かつ活性を増すために触媒量を多くするなど
の手段を講じれば空気電極のコストが高くなる問題点が
生じる。このため空気電極自体の活性ないし性能を向上
させる努力に並行して他の手段によって発電装置全体の
効率と・性能を向上させる試みが種々なされている。
いることは燃料電池の経済性を増す上で重要であシ、従
来純酸素を酸化ガスとして用いて来た燃料電池において
も空気を酸化ガスとして用いることが種々試みられてい
る。しかし、空気中の酸素分は全体の２１％に過ぎず残
余が主に窒素であって不活性であるために、燃料電池の
ガス拡散性で、かつ触媒を含む空気側ＴＬ栖の活性が大
でないと、電池の起電力が低くなりエネルギ変換効率も
低下することになる。近年、活性の高い空気電極が得ら
れるようにはなって来たが、純酸素電極に比べて性能は
当然低く、かつ活性を増すために触媒量を多くするなど
の手段を講じれば空気電極のコストが高くなる問題点が
生じる。このため空気電極自体の活性ないし性能を向上
させる努力に並行して他の手段によって発電装置全体の
効率と・性能を向上させる試みが種々なされている。
かかる手段の内で燃料電池内の反応ガスの圧力を上げる
試みがかなり有望である。燃料電池の運転圧力を上げる
ためには、今問題の空気の圧力を単独に上げるわけには
いかず、これに相応して燃料ガス側の圧力を上げる必要
があるが、この方は天然ガスを変成して燃料ガスとして
水素を発生させる場合は、幸いこの変成器から出る水素
ガスが既にかなりの圧力をもっているので好都合である
。
試みがかなり有望である。燃料電池の運転圧力を上げる
ためには、今問題の空気の圧力を単独に上げるわけには
いかず、これに相応して燃料ガス側の圧力を上げる必要
があるが、この方は天然ガスを変成して燃料ガスとして
水素を発生させる場合は、幸いこの変成器から出る水素
ガスが既にかなりの圧力をもっているので好都合である
。
もつとも、空気側の方は圧力を上げるために圧縮機動力
が必要になり、発電装置全体としてのエネルギ変換効率
を下げる要因にはなるが、昇圧による燃料電池の変換効
率の上昇がこれを上回わるようにすることが可能である
。
が必要になり、発電装置全体としてのエネルギ変換効率
を下げる要因にはなるが、昇圧による燃料電池の変換効
率の上昇がこれを上回わるようにすることが可能である
。
このように構成された従来の燃料電池発電装置の系統例
を第１図に示す。図示のように系統は燃料電池１０．燃
料改質器２０および空気圧縮ユニット３０を含む。燃料
電池１０は模式的に示されており、電池内には燃料ガス
室１１ 、空気室致および電解液室ユ３が燃料電極１４
．空気電極１５を境にして図示のように画成されている
。燃料改質器２０は天然ガス等の原料ガスＦと変成用の
水蒸気Ｓとを受け入れ、高温の改質用触媒が納められて
いるガス改質室２１内で原料ガスＦを燃料電池に適した
改質ガスＦＯ１例えば水素に変成して燃料電池ユＯに燃
料ガスとして供給する。燃料電池１０はこの燃料ガスの
大部分ないしは相当部分を消費して発電作用を行なうが
、電池内で消費されなかった燃料ガスＦＯＩは燃料改質
器２０に送られ、そのバーナ部２２で同様に酸素の一部
が消費された燃料電池ｌＯから排出される空気ＡＯＩに
よって燃焼され、ガス改質室２１を燃料ガスの改質に必
要な所定の温度に加熱する。この燃料改質器２０から排
出される燃焼後の排ガスＥはなお相当な温度と圧力とを
有しているので、空気圧縮ユニット３０に送られてその
ガスタービン３１の駆動用に利用される。空気圧縮機３
２は、このガスタービン３１によって駆動され、大気と
しての空気ＡＯを吸入して高圧の圧縮空気ＡＣを燃料電
池ｌＯに供給する。
を第１図に示す。図示のように系統は燃料電池１０．燃
料改質器２０および空気圧縮ユニット３０を含む。燃料
電池１０は模式的に示されており、電池内には燃料ガス
室１１ 、空気室致および電解液室ユ３が燃料電極１４
．空気電極１５を境にして図示のように画成されている
。燃料改質器２０は天然ガス等の原料ガスＦと変成用の
水蒸気Ｓとを受け入れ、高温の改質用触媒が納められて
いるガス改質室２１内で原料ガスＦを燃料電池に適した
改質ガスＦＯ１例えば水素に変成して燃料電池ユＯに燃
料ガスとして供給する。燃料電池１０はこの燃料ガスの
大部分ないしは相当部分を消費して発電作用を行なうが
、電池内で消費されなかった燃料ガスＦＯＩは燃料改質
器２０に送られ、そのバーナ部２２で同様に酸素の一部
が消費された燃料電池ｌＯから排出される空気ＡＯＩに
よって燃焼され、ガス改質室２１を燃料ガスの改質に必
要な所定の温度に加熱する。この燃料改質器２０から排
出される燃焼後の排ガスＥはなお相当な温度と圧力とを
有しているので、空気圧縮ユニット３０に送られてその
ガスタービン３１の駆動用に利用される。空気圧縮機３
２は、このガスタービン３１によって駆動され、大気と
しての空気ＡＯを吸入して高圧の圧縮空気ＡＣを燃料電
池ｌＯに供給する。
以上のような従来からの燃料電池発電装置は、燃料電池
からの排出ガスを燃料改質のだめに有効に利用し、かつ
燃料改質器からの排ガスを燃料電池用の酸化ガスとして
の空気の圧縮に利用して装置の総合効率を高めるよう構
成されている点で、また前述のように電池を大気圧より
も高められた圧力条件で運転して燃料電池の発電効率を
高めている点で、極めて合理的なシステムではおるが、
前述のように空気側の電極の性能がまだ十分とはいえず
、空気電極側の運転条件の改善によって一層の変換効率
の向上をはかることが重要な課題とされてきた。とくに
電池の運転圧力を上げる点では、空気の圧縮に要するエ
ネルギが当然必要であって、現在の廃ガスタービンおよ
びコンプレッサの性能レベルではより一層の運転圧力の
上昇はむしろ総合効率の低下をまねく結果になり、かか
る手段も限界に来つつあるのが現状でちる。
からの排出ガスを燃料改質のだめに有効に利用し、かつ
燃料改質器からの排ガスを燃料電池用の酸化ガスとして
の空気の圧縮に利用して装置の総合効率を高めるよう構
成されている点で、また前述のように電池を大気圧より
も高められた圧力条件で運転して燃料電池の発電効率を
高めている点で、極めて合理的なシステムではおるが、
前述のように空気側の電極の性能がまだ十分とはいえず
、空気電極側の運転条件の改善によって一層の変換効率
の向上をはかることが重要な課題とされてきた。とくに
電池の運転圧力を上げる点では、空気の圧縮に要するエ
ネルギが当然必要であって、現在の廃ガスタービンおよ
びコンプレッサの性能レベルではより一層の運転圧力の
上昇はむしろ総合効率の低下をまねく結果になり、かか
る手段も限界に来つつあるのが現状でちる。
本発明は叙上のような技術の現状に鑑み、空気電極側の
運転性能を向上して、燃料電池発電装置の総合効率をよ
り一層改善することを目的とする。
運転性能を向上して、燃料電池発電装置の総合効率をよ
り一層改善することを目的とする。
本発明は、燃料電池の空気電極に供給する空気中の酸素
の濃度を大気中の空気の酸素濃度より上げることにより
空気電極側の運転性能を上げて上述の目的を達成するた
め、酸素交換器を設けて大気から取り入れた第１の空気
と燃料電池内で酸素が部分的に消費された第２の空気と
の間で酸素の交換を行なわせるようにし、該酸素交換器
を第２の空気中の酸素の分圧が第１の空気中の酸素の分
圧よりも高い条件で運転することによシ、第２の空気に
より第１の空気を酸素富化して大気中の空気よシも酸素
濃度の高い該第１の空気を燃料電池の空気電極側に供給
することを要旨とする。
の濃度を大気中の空気の酸素濃度より上げることにより
空気電極側の運転性能を上げて上述の目的を達成するた
め、酸素交換器を設けて大気から取り入れた第１の空気
と燃料電池内で酸素が部分的に消費された第２の空気と
の間で酸素の交換を行なわせるようにし、該酸素交換器
を第２の空気中の酸素の分圧が第１の空気中の酸素の分
圧よりも高い条件で運転することによシ、第２の空気に
より第１の空気を酸素富化して大気中の空気よシも酸素
濃度の高い該第１の空気を燃料電池の空気電極側に供給
することを要旨とする。
かかる本発明の構成において、第２の空気は燃料電池に
より含有酸素の相当な部分、ふつうは５０％程度がすで
に消費されているので、その酸素濃度は大気から吸入さ
れる第１の空気の酸素濃度よシも当然低い。しかし、幸
いなことに燃料電池は大気圧よりも高い圧力条件で運転
されており、圧縮された高圧の空気が供給されているの
で、電池から排出される空気は燃料電池の運転圧力と大
差ない高圧状態を保っておシ、たとえ酸素の５０％が消
費されていても圧力が２気圧（絶対値）以上あればその
中の酸素分圧は大気中の空気の酸素分圧よシも高い。本
発明はこの条件を利用して第１の空気と第２の空気との
間の酸素交換を行なわせ、第２の空気の酸素富化を実現
するものである。通常かかる酸素富化には酸素を与える
側のガスを圧縮して高圧状態にするためのエネルギ消費
が必要になる問題点があるが、本発明の場合は燃料電池
の効率向上のために第２の空気はすでに圧縮されて高圧
状態にあシ、このため酸素富化のためにわざわざ空気を
圧縮する必要がないという点も有利である。
より含有酸素の相当な部分、ふつうは５０％程度がすで
に消費されているので、その酸素濃度は大気から吸入さ
れる第１の空気の酸素濃度よシも当然低い。しかし、幸
いなことに燃料電池は大気圧よりも高い圧力条件で運転
されており、圧縮された高圧の空気が供給されているの
で、電池から排出される空気は燃料電池の運転圧力と大
差ない高圧状態を保っておシ、たとえ酸素の５０％が消
費されていても圧力が２気圧（絶対値）以上あればその
中の酸素分圧は大気中の空気の酸素分圧よシも高い。本
発明はこの条件を利用して第１の空気と第２の空気との
間の酸素交換を行なわせ、第２の空気の酸素富化を実現
するものである。通常かかる酸素富化には酸素を与える
側のガスを圧縮して高圧状態にするためのエネルギ消費
が必要になる問題点があるが、本発明の場合は燃料電池
の効率向上のために第２の空気はすでに圧縮されて高圧
状態にあシ、このため酸素富化のためにわざわざ空気を
圧縮する必要がないという点も有利である。
本発明における酸素交換器としては、有機化合物の薄膜
のもつガス選択性を利用するのが有利である。近時かか
るガス選択性を有する薄膜用の材料やその薄膜化技術が
急速に進歩しつつあり、実用化もかなり進んで来ている
。かかる薄膜を用いれば、酸素交換のために第１の空気
と第２の空気との間に必要な圧力差は１気圧もあれば十
分なことが多い。最近における燃料電池は５気圧程度の
運転圧力をもつことが多いので、気圧の点からも大気圧
の取り込み空気を酸素富化させる上で十分でアリ、ある
いはもう少し高圧の取シ込み空気と酸素交換を行なわせ
て酸素交換器の小形化をはかるこ七も可能である。
のもつガス選択性を利用するのが有利である。近時かか
るガス選択性を有する薄膜用の材料やその薄膜化技術が
急速に進歩しつつあり、実用化もかなり進んで来ている
。かかる薄膜を用いれば、酸素交換のために第１の空気
と第２の空気との間に必要な圧力差は１気圧もあれば十
分なことが多い。最近における燃料電池は５気圧程度の
運転圧力をもつことが多いので、気圧の点からも大気圧
の取り込み空気を酸素富化させる上で十分でアリ、ある
いはもう少し高圧の取シ込み空気と酸素交換を行なわせ
て酸素交換器の小形化をはかるこ七も可能である。
以下図面を参照しながら本発明の実施例を詳細に説明す
る。第２図は本発明を実施した燃料電池発電装置の要部
の系統図であって、第１図と同じ部分には同じ符号が付
されている。第１図の従来装置と異なるところは、酸素
交換器４０が設けられた点てあって、該交換器４０には
第１の空気として大気から取り入れられる取り込み空気
ＡＯが導入される第ユの空気室４ユと、燃料電池１０か
ら排出される高圧の空気Ａ３が導入される第２の空気室
４２が設けられておシ、両室は図では模式的に示された
酸素富化膜部によって隔てられている。前述の取り込み
空気ＡＯは第１の空気室４１中で酸素富化された空気Ａ
］となシ、さらに圧縮機３２により圧縮されて、例えば
５気圧程度の高圧の供給空気Ａ２となり、燃料電池１０
の空気室我に供給される。該供給空気Ａ２は燃料電池１
０内でその中の酸素の例えば５０％程度が消費された後
排出空気Ａ３となり、酸素交換器４０の第２の空気室４
２に入り、その高い酸素分圧の若干を失いながら前述の
取り込み空気ＡＯを酸素富化させた後、排空気Ａ４とな
って酸素交換器４０を出て、燃料改質器茄のバーナ室２
２に燃焼用空気として供給される。なお、容易にわかる
ように排空気Ａ４はその酸素分圧が酸素交換器中で取シ
込み空気ＡＯ中の酸素分圧よりも高いので、まだ燃焼用
空気として十分な程度の酸素濃度を有している。丑た、
第２図には原料ガスＦ中の硫黄分を除去する脱硫装置外
と改質ガスＦＣ中の一酸化炭素分を処理する一酸化炭素
処理器Ｕが示されているが、系統内での熱回収装置類ほ
かは説明の簡略化のため省略されていることを了解され
たい。
る。第２図は本発明を実施した燃料電池発電装置の要部
の系統図であって、第１図と同じ部分には同じ符号が付
されている。第１図の従来装置と異なるところは、酸素
交換器４０が設けられた点てあって、該交換器４０には
第１の空気として大気から取り入れられる取り込み空気
ＡＯが導入される第ユの空気室４ユと、燃料電池１０か
ら排出される高圧の空気Ａ３が導入される第２の空気室
４２が設けられておシ、両室は図では模式的に示された
酸素富化膜部によって隔てられている。前述の取り込み
空気ＡＯは第１の空気室４１中で酸素富化された空気Ａ
］となシ、さらに圧縮機３２により圧縮されて、例えば
５気圧程度の高圧の供給空気Ａ２となり、燃料電池１０
の空気室我に供給される。該供給空気Ａ２は燃料電池１
０内でその中の酸素の例えば５０％程度が消費された後
排出空気Ａ３となり、酸素交換器４０の第２の空気室４
２に入り、その高い酸素分圧の若干を失いながら前述の
取り込み空気ＡＯを酸素富化させた後、排空気Ａ４とな
って酸素交換器４０を出て、燃料改質器茄のバーナ室２
２に燃焼用空気として供給される。なお、容易にわかる
ように排空気Ａ４はその酸素分圧が酸素交換器中で取シ
込み空気ＡＯ中の酸素分圧よりも高いので、まだ燃焼用
空気として十分な程度の酸素濃度を有している。丑た、
第２図には原料ガスＦ中の硫黄分を除去する脱硫装置外
と改質ガスＦＣ中の一酸化炭素分を処理する一酸化炭素
処理器Ｕが示されているが、系統内での熱回収装置類ほ
かは説明の簡略化のため省略されていることを了解され
たい。
第３図は本発明装置に用いられる酸素交換器４０の具体
構造例であって、前述の酸化富化膜部をもつ複数本の管
状の酸素交換ユニット４４が互いにフランジ結合された
胴間とその両端を覆う蓋体４６゜４７とからなる密封ケ
ース内に、その両端部に気密結合された１対の鏡板４８
、４８を介して支持されて収納されている。該酸素交
換ユニットは、第４図に示すように多孔板で構成された
心管５０のまわシに透気性材料５１例えば金網や不織布
、酸化富化膜部を支持する同様に透気性の支持層５２が
順次配された構成をもっており、前記心管５０の両端が
前記鏡板４日に気密に溶接ないし接合される。なお、第
３図に示された構成例では、酸素交換ユニットの外側が
高圧側の第２の空気室４２になっており、燃料電池から
の排出空気Ａ３は胴間に設けられた入口管４５ａを経て
該第２の空気室に導入され出口管４５ｂを経て排空気Ａ
４ないし燃焼用空気として導出される。一方、第１の空
気室４１は酸素交換ユニット４４と鏡板４８とによって
第２の空気室４２がら気密に隔離されており、取り込み
空気ＡＯは蓋体４６に、設けられた入口管４６ａからこ
の第１の空気室４１に導入され、酸素交換ユニツ）４４
の心管５０の内孔を流れながら酸素富化され、蓋体４７
に設けられた出口管４’７ａから酸素富化された空気Ａ
１となって導出される。
構造例であって、前述の酸化富化膜部をもつ複数本の管
状の酸素交換ユニット４４が互いにフランジ結合された
胴間とその両端を覆う蓋体４６゜４７とからなる密封ケ
ース内に、その両端部に気密結合された１対の鏡板４８
、４８を介して支持されて収納されている。該酸素交
換ユニットは、第４図に示すように多孔板で構成された
心管５０のまわシに透気性材料５１例えば金網や不織布
、酸化富化膜部を支持する同様に透気性の支持層５２が
順次配された構成をもっており、前記心管５０の両端が
前記鏡板４日に気密に溶接ないし接合される。なお、第
３図に示された構成例では、酸素交換ユニットの外側が
高圧側の第２の空気室４２になっており、燃料電池から
の排出空気Ａ３は胴間に設けられた入口管４５ａを経て
該第２の空気室に導入され出口管４５ｂを経て排空気Ａ
４ないし燃焼用空気として導出される。一方、第１の空
気室４１は酸素交換ユニット４４と鏡板４８とによって
第２の空気室４２がら気密に隔離されており、取り込み
空気ＡＯは蓋体４６に、設けられた入口管４６ａからこ
の第１の空気室４１に導入され、酸素交換ユニツ）４４
の心管５０の内孔を流れながら酸素富化され、蓋体４７
に設けられた出口管４’７ａから酸素富化された空気Ａ
１となって導出される。
なお、酸素富化膜認は前述のように有機化合物から構成
されることが多く、運転温度が１８０度Ｃ程度の燃料電
池から排出される比較的高温状態のままで排出空気Ａ３
を酸素交換器４０に導入すると酸素富化膜部が劣化ない
し損傷を受けるおそれがおるが、もちろん必要な所定温
度以下に冷却された後酸素交換器４０に導入される。こ
の排出空気Ａ３は燃料電池ｌＯに対しては電池内で発生
した反応生成水を蒸気の形で除去する役目をももってお
り、従って大量の蒸気を含有した状態で電池から排出さ
れる。
されることが多く、運転温度が１８０度Ｃ程度の燃料電
池から排出される比較的高温状態のままで排出空気Ａ３
を酸素交換器４０に導入すると酸素富化膜部が劣化ない
し損傷を受けるおそれがおるが、もちろん必要な所定温
度以下に冷却された後酸素交換器４０に導入される。こ
の排出空気Ａ３は燃料電池ｌＯに対しては電池内で発生
した反応生成水を蒸気の形で除去する役目をももってお
り、従って大量の蒸気を含有した状態で電池から排出さ
れる。
かかる多量の蒸気を含んだ排出空気は、そのままではも
ちろん燃焼用空気として不向きであり、かつ潜熱の形で
排出空気中に含まれる熱量を回収する必要があるので、
ふつうは水冷の熱交換器により冷却されてその水魚気分
が凝縮される。従って酸素交換器４０には排出空気Ａ３
をこのように冷却され、かつ水蒸気を取除かれた後に導
入すればなんら問題はなく、過剰な水分によって酸素富
化膜が悪影響をこうむるおそれもない。
ちろん燃焼用空気として不向きであり、かつ潜熱の形で
排出空気中に含まれる熱量を回収する必要があるので、
ふつうは水冷の熱交換器により冷却されてその水魚気分
が凝縮される。従って酸素交換器４０には排出空気Ａ３
をこのように冷却され、かつ水蒸気を取除かれた後に導
入すればなんら問題はなく、過剰な水分によって酸素富
化膜が悪影響をこうむるおそれもない。
本発明装置に用いられる酸素交換器の酸素富化膜として
有利な有機化合物の膜は、いわばモレキュラーシーブの
性能をもつもので、かなシ高性能のものが数年前から米
国のＧＦｉ社ほかで開発、製品化されており、最も実績
の多いシリコーンとカーボネートの共重合体材料を用い
たものでも、１回の空気透過により空気中の酸素濃度を
大気中の空気のほぼ２倍の４０％程度に高める性能をも
っている。この種材料のほかに、近年にいたってポリオ
レフィン系材料、含ふっ素シリコーン材料、ポリぶつ化
ビニリデン材料、ポリ塩化ビニール材料のあるものなど
数多くの材料が有望なことが知られておシ、とくに最近
では面積当たりの酸素透過量の大きなものが得られてい
る。材料により酸素透過係数や分離係数が異なるが、い
ずれも１気圧程度までの圧力差の条件でほぼ１段の透過
により、本発明に必要な程度の酸素富化が可能な性能を
有する。しかし、かかる酸素富化膜はふつう１ミクロン
ないしそれ以下の薄膜であって、透気性ないしは多孔性
の支持膜によシ強度を持たせてやる必要があり、かつ第
４図に示したように薄い酸素富化Ｍ４３から支持層５２
の方向に酸素を選択的に透過させてやるのがふつうであ
る。
有利な有機化合物の膜は、いわばモレキュラーシーブの
性能をもつもので、かなシ高性能のものが数年前から米
国のＧＦｉ社ほかで開発、製品化されており、最も実績
の多いシリコーンとカーボネートの共重合体材料を用い
たものでも、１回の空気透過により空気中の酸素濃度を
大気中の空気のほぼ２倍の４０％程度に高める性能をも
っている。この種材料のほかに、近年にいたってポリオ
レフィン系材料、含ふっ素シリコーン材料、ポリぶつ化
ビニリデン材料、ポリ塩化ビニール材料のあるものなど
数多くの材料が有望なことが知られておシ、とくに最近
では面積当たりの酸素透過量の大きなものが得られてい
る。材料により酸素透過係数や分離係数が異なるが、い
ずれも１気圧程度までの圧力差の条件でほぼ１段の透過
により、本発明に必要な程度の酸素富化が可能な性能を
有する。しかし、かかる酸素富化膜はふつう１ミクロン
ないしそれ以下の薄膜であって、透気性ないしは多孔性
の支持膜によシ強度を持たせてやる必要があり、かつ第
４図に示したように薄い酸素富化Ｍ４３から支持層５２
の方向に酸素を選択的に透過させてやるのがふつうであ
る。
最後に、本発明により酸素交換器を設けた場合の利点に
ついて述べる。燃料電池への供給空気中の酸素濃度が高
まることによって、電池の起電力が上昇し、従って電池
の発電効率が向上するが、公知のように酸素分圧の起電
力に及ぼす影響は、ΔＶ ＝ ０．１３ Ｘ ＡＱｇ＋
ｏ （ｐ／ｐｏ ）であることが知られている。ただし
、Ｐは酸素富化されたときの電池内空気中の平均酸素分
圧、ＰＯは酸素富化されないときの電池内の平均酸素分
圧、ΔＶは酸素富化による起電力上昇値（単位ボルト）
である。燃料ガスに水素を用いたときの燃料電池の理論
起電力（効率１００χ）は１．４８ボルトであるから、
△Ｖを１．４８で除算すれば、酸素富化による燃料電池
の発電効率の上畳分が計算できる。
ついて述べる。燃料電池への供給空気中の酸素濃度が高
まることによって、電池の起電力が上昇し、従って電池
の発電効率が向上するが、公知のように酸素分圧の起電
力に及ぼす影響は、ΔＶ ＝ ０．１３ Ｘ ＡＱｇ＋
ｏ （ｐ／ｐｏ ）であることが知られている。ただし
、Ｐは酸素富化されたときの電池内空気中の平均酸素分
圧、ＰＯは酸素富化されないときの電池内の平均酸素分
圧、ΔＶは酸素富化による起電力上昇値（単位ボルト）
である。燃料ガスに水素を用いたときの燃料電池の理論
起電力（効率１００χ）は１．４８ボルトであるから、
△Ｖを１．４８で除算すれば、酸素富化による燃料電池
の発電効率の上畳分が計算できる。
さて、燃料電池発電装置の酸素利用率αはふつう５０Ｘ
程度でらり（α＝０．５）、酸素交換器により交換でき
る酸素量ｆは、 ｆ＝ｋ・Ｈ３−ｐｏ）・ｑ３ で表わせる。ただし、ｋは酸素透過率、Ｐ３は第２図に
示した燃料電池から一排出される空気Ａ３の圧力、ＰＯ
は大気から取り入れられる空気の圧力（＝１気圧）、ｑ
３は前述の空気Ａ３中の酸素量である。この内、空気Ａ
３の圧力はふつう５気圧程度、すなわち酸素交換器内の
差圧は４気圧あるから、現在入手可能な酸素交換膜を用
いた場合に前式を簡単化のためで＝βｑ３とおいて、β
＝０・５程度にとることは実用上困難でない。
程度でらり（α＝０．５）、酸素交換器により交換でき
る酸素量ｆは、 ｆ＝ｋ・Ｈ３−ｐｏ）・ｑ３ で表わせる。ただし、ｋは酸素透過率、Ｐ３は第２図に
示した燃料電池から一排出される空気Ａ３の圧力、ＰＯ
は大気から取り入れられる空気の圧力（＝１気圧）、ｑ
３は前述の空気Ａ３中の酸素量である。この内、空気Ａ
３の圧力はふつう５気圧程度、すなわち酸素交換器内の
差圧は４気圧あるから、現在入手可能な酸素交換膜を用
いた場合に前式を簡単化のためで＝βｑ３とおいて、β
＝０・５程度にとることは実用上困難でない。
つぎに発電装置内の酸素の物質収支を表わす算式をたて
ると、第２図の空気ＡＯ〜Ａ４中の酸素量をそれぞれｑ
、Ｑ−ｑ ／４とし、電池内の酸素消費量をｑとすると
、 ｑ−αｑｏ 、 ｑｌ＝ｑｏ＋ｆ 、 ｑ２！：ｑｌ
、 ｑ３ ＝ｑ２−ｑ 。
ると、第２図の空気ＡＯ〜Ａ４中の酸素量をそれぞれｑ
、Ｑ−ｑ ／４とし、電池内の酸素消費量をｑとすると
、 ｑ−αｑｏ 、 ｑｌ＝ｑｏ＋ｆ 、 ｑ２！：ｑｌ
、 ｑ３ ＝ｑ２−ｑ 。
ｑ４ ＝ ｑ３− ｆ
であるから、上述のｆ−βｑ３をこれに入れて整理する
と、 ｑＯ＝ ｑｌａ 、 ｑｌ ＝ （１−ａβ）／α（１
−β）・ｑ、ｑ３”（１−ａ）／σ （コ−−β） ・
ｑ、ｑ４＝（コーα）／α ・ ｑとなる。一方、空
気ＡＯ〜Ａ４中の窒素の量ｑｎは不変であり、取り入れ
空気についてｑｏ ／ ｑｎ ＝ ０．２１１０．７９
であるから、これからｑｎをめることができ、これを用
いて各空気ＡＯ〜Ａ４中の酸素濃度ＣＯ〜Ｃ４（００＝
０．２１ ）を計算し、酸素交換器に関係する空気Ａｌ
。
と、 ｑＯ＝ ｑｌａ 、 ｑｌ ＝ （１−ａβ）／α（１
−β）・ｑ、ｑ３”（１−ａ）／σ （コ−−β） ・
ｑ、ｑ４＝（コーα）／α ・ ｑとなる。一方、空
気ＡＯ〜Ａ４中の窒素の量ｑｎは不変であり、取り入れ
空気についてｑｏ ／ ｑｎ ＝ ０．２１１０．７９
であるから、これからｑｎをめることができ、これを用
いて各空気ＡＯ〜Ａ４中の酸素濃度ＣＯ〜Ｃ４（００＝
０．２１ ）を計算し、酸素交換器に関係する空気Ａｌ
。
Ａ３の酸素濃度を出すと、前述のようにβ＝０５のとき
、 Ｃ！ｌ ＝ ０．２８ 、 ０３ ＝０．２１となる。
、 Ｃ！ｌ ＝ ０．２８ 、 ０３ ＝０．２１となる。
上述の空気Ａｌ中の酸素濃度Ｃ１は燃料電池の入口空気
Ａ２の酸素濃度Ｃ２と等しく、また空気Ａ３の酸素濃度
Ｃ３は燃料電池の出口空気濃度にほかならないから、燃
料電池内の酸素の平均分圧は（Ｃ１＋ ０３ ）／２に
比例する。一方酸素交換器をつけないときについては、
燃料電池の入口空気の酸素濃度はＣＯで、出口空気の酸
素濃度は（］−α）ＣＯであるから、平均分圧がこれか
ら計算でき、前述の△■をめる式％式％） となり、これを理論値１．４８ボルトで除して、酸素富
化による効率上昇は約２３％となる。ふつう燃料電池の
エネルギ変換効率は４０％でちるから、これを４２％程
度に向上させうることかわかる。
Ａ２の酸素濃度Ｃ２と等しく、また空気Ａ３の酸素濃度
Ｃ３は燃料電池の出口空気濃度にほかならないから、燃
料電池内の酸素の平均分圧は（Ｃ１＋ ０３ ）／２に
比例する。一方酸素交換器をつけないときについては、
燃料電池の入口空気の酸素濃度はＣＯで、出口空気の酸
素濃度は（］−α）ＣＯであるから、平均分圧がこれか
ら計算でき、前述の△■をめる式％式％） となり、これを理論値１．４８ボルトで除して、酸素富
化による効率上昇は約２３％となる。ふつう燃料電池の
エネルギ変換効率は４０％でちるから、これを４２％程
度に向上させうることかわかる。
以上説明のとおり、本発明によれば、高圧の空気を酸化
ガスとして用いる燃料電池発電装置に対して、燃料電池
内で部分的に酸素を消費されたいわば使用ずみの空気の
圧力を利用して大気から取シ込んだ空気を酸素富化して
燃料電池に供給するようにしたので、供給空気中の酸素
濃度の上昇に相応して燃料電池の出力電圧の上昇を、従
ってそのエネルギ変換効率の改善をすることができる。
ガスとして用いる燃料電池発電装置に対して、燃料電池
内で部分的に酸素を消費されたいわば使用ずみの空気の
圧力を利用して大気から取シ込んだ空気を酸素富化して
燃料電池に供給するようにしたので、供給空気中の酸素
濃度の上昇に相応して燃料電池の出力電圧の上昇を、従
ってそのエネルギ変換効率の改善をすることができる。
また、この効率の上昇に要する運転経費の上昇はほとん
どない。理論的には電池に供給する空気中の酸素濃度を
増加させた分に対応して圧縮機で圧縮すべき空気量が数
２程士昇することにはなるが、酸素交換器の利用により
酸素の見掛は上の利用率が高まるので、この上昇分もほ
ぼ相殺されてしまう。また本発明の実施のために付加す
べき酸素交換器は完全な静止器械であって、酸素富化膜
の寿命の点にまだ若干未知の数の点があるにしても、特
別な保守は不要で運転経費も掛からない。
どない。理論的には電池に供給する空気中の酸素濃度を
増加させた分に対応して圧縮機で圧縮すべき空気量が数
２程士昇することにはなるが、酸素交換器の利用により
酸素の見掛は上の利用率が高まるので、この上昇分もほ
ぼ相殺されてしまう。また本発明の実施のために付加す
べき酸素交換器は完全な静止器械であって、酸素富化膜
の寿命の点にまだ若干未知の数の点があるにしても、特
別な保守は不要で運転経費も掛からない。
第１図は従来の燃料電池発電装置にの要部の系統図、第
２図以降は本発明の実施例を示すもので、第２図は本発
明による燃料電池発電装置の要部の系統図、第３図は本
発明装置に用いられる酸素交換器の構成例を示す断面図
、第４図は該酸素交換器内の酸素交換ユニットの一部を
断面で示す斜視図でちる。図において、 ］、０・・・燃料電池、３２・・・酸化性反応ガスとし
ての空気を圧縮する空気圧縮機、４０・・酸素交換器、
必・・・酸素富化膜、必・・・酸素交換ユニット、ＡＯ
・・・第１の空気、Ａ３・・・第２の空気、である。
２図以降は本発明の実施例を示すもので、第２図は本発
明による燃料電池発電装置の要部の系統図、第３図は本
発明装置に用いられる酸素交換器の構成例を示す断面図
、第４図は該酸素交換器内の酸素交換ユニットの一部を
断面で示す斜視図でちる。図において、 ］、０・・・燃料電池、３２・・・酸化性反応ガスとし
ての空気を圧縮する空気圧縮機、４０・・酸素交換器、
必・・・酸素富化膜、必・・・酸素交換ユニット、ＡＯ
・・・第１の空気、Ａ３・・・第２の空気、である。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 ］）大気から取り入れた第１の空気を圧縮して酸化性の
反応ガスとして用いる大気圧よシ高められた作動圧力下
で運転される燃料電池発電装置であって、燃料電池内で
は前記第１の空気中の酸素が部分的に消費されるように
したものにおいて、該燃料電池内で部分的に酸素が消費
された第２の空気中の残存酸素と前記第１の空気中の酸
素とを交換する酸素交換器を設け、該酸素交換器を第２
の空気中の酸素分圧が第１の空気中の酸素分圧よりも高
い条件下で運転して第２の空気により第１の空気中の酸
素を富化して燃料電池に供給するようにしたことを特徴
とする燃料電池発電装置。 ２、特許請求の範囲第１項記載の発電装置において、酸
素交換器が酸素富化膜によシ第１の空気中の酸素と第２
の空気中の酸素とを交換することを特徴とする燃料電池
発電装置。 ３）特許請求の範囲第１項記載の発電装置において、酸
素交換器において第２の空気と酸素が交換される第１の
空気が圧縮前の大気圧下の第１の空気であることを特徴
とする燃料電池発電装置４゜
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP58174582A JPS6068563A (ja) | 1983-09-21 | 1983-09-21 | 燃料電池発電装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP58174582A JPS6068563A (ja) | 1983-09-21 | 1983-09-21 | 燃料電池発電装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6068563A true JPS6068563A (ja) | 1985-04-19 |
| JPH0367305B2 JPH0367305B2 (ja) | 1991-10-22 |
Family
ID=15981072
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP58174582A Granted JPS6068563A (ja) | 1983-09-21 | 1983-09-21 | 燃料電池発電装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS6068563A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1999060654A1 (en) * | 1998-05-18 | 1999-11-25 | The Procter & Gamble Company | Metal/oxygen battery or fuel cell with oxygen cathode containing oxygen concentrator and regulating means of controlling its supply |
| EP1557896A1 (de) * | 2004-01-16 | 2005-07-27 | Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft | Energieumwandlungsvorrichtung und Verfahren zum Betreiben der Energieumwandlungsvorrichtung |
| JP2008066211A (ja) * | 2006-09-11 | 2008-03-21 | Daihatsu Motor Co Ltd | 燃料電池システム |
-
1983
- 1983-09-21 JP JP58174582A patent/JPS6068563A/ja active Granted
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1999060654A1 (en) * | 1998-05-18 | 1999-11-25 | The Procter & Gamble Company | Metal/oxygen battery or fuel cell with oxygen cathode containing oxygen concentrator and regulating means of controlling its supply |
| EP1557896A1 (de) * | 2004-01-16 | 2005-07-27 | Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft | Energieumwandlungsvorrichtung und Verfahren zum Betreiben der Energieumwandlungsvorrichtung |
| JP2008066211A (ja) * | 2006-09-11 | 2008-03-21 | Daihatsu Motor Co Ltd | 燃料電池システム |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0367305B2 (ja) | 1991-10-22 |
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