JPS61147471A - 燃料電池発電システム - Google Patents

燃料電池発電システム

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JPS61147471A
JPS61147471A JP59267162A JP26716284A JPS61147471A JP S61147471 A JPS61147471 A JP S61147471A JP 59267162 A JP59267162 A JP 59267162A JP 26716284 A JP26716284 A JP 26716284A JP S61147471 A JPS61147471 A JP S61147471A
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JP
Japan
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fuel cell
fuel
gas
steam
combustion
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JP59267162A
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English (en)
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Hisami Motokado
本門 久美
Toshio Ikeda
俊夫 池田
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Publication date
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0612Combination 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
    • HELECTRICITY
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    • H01M8/04007Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01M8/04022Heating by combustion
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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。

Description

【発明の詳細な説明】 [発明の技術分野1 本発明は燃料電池発電システムに係り、特に燃料電池で
の反応後の排燃料を有効的に利用してシステムのエネル
ギ効率を向上させ得るようにした燃料電池発電システム
に関する。
[発明の技術的背景とその問題点] 近年、燃料の有しているエネルギーを直接電気的エネル
ギーに変換するものとして燃料電池が知られている。こ
の燃料電池は通常、電解質を挾んで一対の多孔質電極を
配置して燃料電池を構成すると共に、一方の電極の背面
に水素などの燃料を接触させ、また他方の電極の背面に
酸素などの酸化剤を接触させ、このとき起こる電気化学
的反応を利用して、上記電極間から電気エネルギーを取
出すようにしたものであり、上記燃料と酸化剤が供給さ
れている限り高い変換効率で電気エネルギーを取出すこ
とができるものである。そしてこの燃料電池は、一般に
燃料電池の燃料極に供給する水素を生成する改質装置と
、酸化剤極に大気中からターボコンプレッサ等を介して
供給する空気処理装置と、燃料電池の直流出力電力を交
流に変換して電力系統に与える電力変換装置とを備えて
、燃料電池発電システムを構成していることが多い。
以下、この種の燃料電池発電システムの構成例を第2図
に基づいて説明する。図において、原料ガスであるメタ
ン原燃料1と、気水供給装置2 hSら発生する水蒸気
2′とを、一定比率で混合して改質装置3に供給する。
この改質装置3での反応は、 CH4+H20→3H2+C0−Q で示すことが出来る。
この反応から明らかなように、改質は吸熱反応であるた
めに加熱を必要とする。そしてこのための熱は、改質装
置3の上部に設けられたパイロットバーナ4とメインバ
ーナ5の燃焼熱として供給される。改質装置3での反応
後の出口ガス3′は、高温シフトコンバータ6、低温シ
フトコンバータ7を通過した後に、約70%〜80%の
水素濃度を有するガスとなる。この水素ガス゛7′は、
燃料電池8の燃料極8′の反応用ガス8“と、第1の補
助バーナ9にて加熱燃焼させたるめの燃焼用ガス9′と
に分流される。そして、第1の補助バーナ9ではこの燃
焼用ガス9′と、後述するコンプレッサからの吐出空気
13′の分流空気16とが混合燃焼する。そして、この
燃焼排ガス9′と、改質装置3のパイロットバーナ4お
よびメーンバーナ5の燃焼排ガス10の混合排ガス11
が、タービン12に供給されるようになっている。この
混合排ガス11にて駆動されるタービン12は、これに
連結されているコンプレッサ13を駆動することにより
、大気中の空気14を吸入し圧縮して圧縮空気を吐出す
る。
一方、上記タービン12を駆動した混合排ガス11は大
気中に排出される。また、コンプレッサ13の吐出空気
13′は燃料電池8の酸化剤極15の反応用ガス15′
、また第1の補助バーナ9用空気16、パイロットバー
ナ4用空気17およびメインバーナ5用空気18に分流
される。そして、第1の補助バーナ9では前述したよう
に燃焼用ガス9′を、またパイロットバーナ4ではメタ
ン原燃料1の分流1′を、さらにメーンバーナ5では燃
料電池8での反応後の排燃料22を各々燃やす役割をは
たす。
さて、燃料電池8における燃料極8′の反応ガス8″と
酸化剤極15の反応ガス15′との反応式は、 燃料極側: H2−+2H” +2e 空気極側:%02 +2H十+2e−+H20となる。
このように、電子が外部回路を移動する事によって起電
力を生じるわけで、換言すればH2+メ02→H20+
直流電力+反応熱と表現できる。
燃料電池8は、このように反応して直流電力を発生する
。また、反応時には反応熱を発生することから、電池的
冷却系19の冷却水19′が必要である。その冷却水1
9′ (一般に高温高圧形の燃料電池では、150〜1
80℃程度)は気水供給装置F2から温水として供給循
環することにより、燃料電池8の反応時の余分な熱を取
り除いて電池温度をほぼ一定値(前述の例では180〜
210℃程度)に保つ。また、燃料電池8を冷却した後
の温水は気水供給ti置2へ戻るように閉ループ構成さ
れている。さらに、気水供給装W2で発生した水蒸気は
、上記改質装置3ヘメタン原燃料1と共に供給している
なお図示は省略したが、気水供給装置2内の水量が減少
した時、これをほぼ一定量に保つように外部から補水で
きるように構成している。さらに、燃料電池8を出てか
ら気水供給装置2に戻る間の電池冷却水の放熱による温
度低下や補水時の温度低下を補うために、気水供給装置
2には電気ヒータ20が組込まれている。
ところで、このような燃料電池発電システムで問題とな
るのは燃料電池8での反応後の排ガスである。すなわち
、燃料電池8の酸化剤極15の排ガス21は大気中に放
出されるか、或いは前述の混合排ガス11と混合され、
タービン12の駆動エネルギの一部になる。しかし、燃
料極8′の排ガス22は一般に燃料電池8通過後も40
%程度の残存水素が排ガス22に含まれているため、改
質装置3のメインバーナ5に供給して燃焼熱をメタン原
燃料1の改質反応に利用する方法が採られている。その
燃料電池8への反応用ガス8″の供給量と消費量および
電気出力との関係を第3図に示す。メインバーナ5への
供給分は、改質装置3に供給するメタン原燃料1と水蒸
気m2′に応じて改質装置3の出口ガス3′の温度を一
定に保つように供給されるため、改質袋@3の出口ガス
温度が高くなると燃料極8′の排ガス22の一部は大気
へ放出管24より放出される。特に第3図に示すように
、燃料電池8への燃料流量8″は電気出力に応じてa 
−b−cと供給するが、6点(後述は低出力とする)以
下の出力領域では燃Fl電池8の燃料極8′通過時の拡
散が悪くなり負荷に応じた電気出力が得られなくなるた
め、燃料流量をD−b−cと増加して燃料利用率(消費
量/供給量をいう)を下げる必要がある。従って、特に
低出力時にはメタン原燃料1と水蒸気2′との混合量に
対してメインバーナ5への供給量が多くなり、改質装置
3の内部の反応管を燃焼熱にて焼損する恐れがあるので
、これを防止するために大気へ放出する量も多くなる。
しかし乍ら、大気への放出はこの排ガス22が可成りの
水素を含む可燃ガスであることから、その取扱いには細
心の注意が必要で安全面への考慮が要求されるのみでな
く、エネルギの無駄な放出は経済的な損失となる。
[発明の目的] 本発明は上記のような問題を解決するために成されたも
ので、その目的とするところは燃料電池での反応後の可
燃性排ガスの大気放出弁を再利用してシステムのエネル
ギ効率の向上を図り、かつ安全性の向上を図ることが可
能な燃料電池発電システムを提供することにある。
[発明の概要] 上記目的を達成するために本発明では、内部に改質反応
触媒層が設けられた改質管の内側に原料ガスおよび水蒸
気の混合ガスを導入すると共に、上記改質管の外側に燃
焼ガスおよび燃焼用空気を燃焼室の燃焼器により燃焼し
て得られた高温加熱ガスを通過させることにより上記混
合ガスを改質ガスに改質する改質装置と、この改質装置
で得られた改質ガスを改′質ガスラインを介し燃料とし
て燃料極に導入すると共に圧縮空気を酸化剤として酸化
剤極に導入し、これらを電気化学的に反応させて発電を
行ない、かつこの発電に使用した後の燃料を上記改質装
置への燃焼ガスとして排出する燃F31電池と、温水お
よび水蒸気を生成する気水供給装置とを備え、上記気水
供給装置の温水は冷却水として燃料電池を冷却した後に
気水供給装置へ戻るように閉ループ構成すると共に水蒸
気は上記原料ガスと混合させるように構成された燃料電
池発電システムにおいて、上記燃料電池の燃料極側の排
ガス系路の一部に分岐路を設けると共に、この分岐路に
導かれる排ガスを燃焼させる補助バーナを備え、かつこ
の補助バーナの燃焼熱を上記気水供給装置に供給するよ
うにしたことを特徴とする。
[発明の実施例] 以下、本発明を図面に示す一実施例について説明する。
第1図は、本発明による燃料電池発電システムの構成例
を示したもので、第2図と同一部分には同一符号を付し
てその説明を省略し、ここでは異なる点についてのみ述
べる。つまり、第1図は前記第2図における燃料電池8
通過後の可燃性ガスである排ガス22を、燃料電池の燃
料極8′と改質装置3のメインバーナ5につながる配管
の一部から分岐して第2の補助バーナ25に流入させ、
コンプレッサ13の吐出空気13′の一部26と混合し
て燃焼するようにしている。また、上記第2の補助バー
ナ25からの燃焼排ガス27を、燃料電池8の出口と気
水供給袋@2とを結ぶ電池冷却水の戻りライン19′の
中間に設けられた熱交換器2日の加熱側に導くようにし
ている。
さらに、燃料電池を出た冷却水を、上記熱交換器28の
被加熱側に導くように構成している。
かかる構成の燃料電池発電システムとすることにより、
配管からの放熱等によって温度の低下した戻りの冷却水
は、熱交換器28の作用により第2の補助バーナ25か
らの燃焼排ガス27の熱をもらい、充分温度を回復した
後に気水供給装置2へ戻る。また、改質装置3のメイン
バーナ5への排ガス22の供給量は、上記第2の補助バ
ーナ25へ導く農を加減する事によって調節できるので
、メタン原燃料1と水蒸気2′の混合量に応じたメイン
バーナ5の燃焼量を維持でき、もって改質装置3の出口
ガス3′の温度を一定に保つことができる。さらに、熱
交換器28の加熱側へ導かれた第2の補助バーナ25の
排ガス27は、気水供給装置2からの冷却水と熱交換し
た後に大気放出されるが、この排気ガス中には可燃分は
殆んど残っていないので安全上格別の考慮を必要とする
ことはない。
上述のように本構成の燃料電池発電システムによれば、
相当量の可燃分を含んだ燃料電池8の排ガスを第2の補
助バーナ25で完全燃焼させ、かつその燃焼熱を電池冷
却水や気水供給装置2に供給できるので、従来のような
気水供給装置の電気ヒータの容量は小容量で済み、場合
によってはこれを不要とすることができ、システムのエ
ネルギ効率を向上させることが可能となる。加えて、可
燃性ガスを大気へ放出する必要が無いことから、極めて
安全性の高いシステムとすることができる。
尚、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、例
えば第2の補助バーナ25の燃焼熱を直接気水供給装置
2に供給するようにしても同様に実施することが出来る
ことは勿論のことである。
[発明の効果] 以上説明したように本発明によれば、燃料電池での反応
後の可燃性排ガスの大気放出弁を再利用してシステムの
エネルギ効率の向上を図り、かつ安全性の向上を図るこ
とが可能な極めて信頼性の高い燃料電池発電システムが
提供できる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の燃料電池発電システムの一実施例を示
す構成図、第2図は従来の燃料電池発電システムの一例
を示す構成図、第3図は同燃料電池発電システムの電気
出力と燃料の供給量および消費量との関係を示す図であ
る。 2・・・気水供給装置、3・・・改質装置、6,7・・
・高。 低温シフトコンバータ、8・・・燃料電池、9・・・第
1の補助バーナ、12・・・タービン、13・・・コン
プレッサ、20・・・電気ヒータ、25・・・第2の補
助バーナ、28・・・熱交換器。 出願人代理人 弁理士 鈴江武彦 第1図

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)内部に改質反応触媒層が設けられた改質管の内側
    に原料ガスおよび水蒸気の混合ガスを導入すると共に、
    前記改質管の外側に燃焼ガスおよび燃焼用空気を燃焼室
    の燃焼器により燃焼して得られた高温加熱ガスを通過さ
    せることにより前記混合ガスを改質ガスに改質する改質
    装置と、この改質装置で得られた改質ガスを改質ガスラ
    インを介し燃料として燃料極に導入すると共に圧縮空気
    を酸化剤として酸化剤極に導入し、これらを電気化学的
    に反応させて発電を行ない、かつこの発電に使用した後
    の燃料を前記改質装置への燃焼ガスとして排出する燃料
    電池と、温水および水蒸気を生成する気水供給装置とを
    備え、前記気水供給装置の温水は冷却水として燃料電池
    を冷却した後に気水供給装置へ戻るように閉ループ構成
    すると共に水蒸気は前記原料ガスと混合させるように構
    成された燃料電池発電システムにおいて、前記燃料電池
    の燃料極側の排ガス系路の一部に分岐路を設けると共に
    、この分岐路に導かれる排ガスを燃焼させる補助バーナ
    を備え、かつこの補助バーナの燃焼熱を前記気水供給装
    置に供給するようにしたことを特徴とする燃料電池発電
    システム。
  2. (2)燃料電池冷却後の温水或いは蒸気は補助バーナの
    燃焼熱と熱交換器で熱交換した後に気水供給装置へ戻る
    ように構成したことを特徴とする特許請求の範囲第(1
    )項記載の燃料電池発電システム。
JP59267162A 1984-12-18 1984-12-18 燃料電池発電システム Pending JPS61147471A (ja)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6398966A (ja) * 1986-10-16 1988-04-30 Fuji Electric Co Ltd 燃料改質用バ−ナ
JP2005251766A (ja) * 2005-05-31 2005-09-15 Sanyo Electric Co Ltd 燃料電池システム
FR2884357A1 (fr) * 2005-04-11 2006-10-13 Renault Sas Dispositif de production d'electricite embarque a bord d'un vehicule automobile incluant un reformeur de carburant

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