JPS62170171A - 燃料電池系装置 - Google Patents

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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、燃料電池系装置に係り、特に負荷応答性を高
め長寿命の燃料電池を得るのに好適な、精製装置を備え
た燃料電池系装置に関するものである。

〔発明の背景〕

まず、従来の一般的な燃料電池系装置について第２図を
参照して説明する。

第２図は、従来の燃料電池系装置の系統図で、太い実線
矢印は燃料ガスおよび反応ガスの径路。

一点鎖線矢印は空気の径路、二点鎖線矢印は排ガスの径
路を示している。

第２図において、１は、天然ガス、メタノール等の燃料
を改質するリフオーマで、このリフオーマ１は、反応部
１ａと燃焼部１ｂとからなっている。２はシフトコンバ
ータで、これらリフオーマ１とシフトコンバータ２とで
燃料改質装置３が構成されている。４は燃料電池本体で
、水素極４ａ。

酸素極４ｂおよび電池冷却装置４Ｃからなっている。

５は、天然ガス、メタノール等の燃料を圧送するための
燃料ブロワ（または燃料ポンプ）を示し、この燃料ブロ
ワ５．燃料改質装置１３および配管系をもって燃料電池
本体に対する燃料供給系を構成している。

６は、空気ブロワを示し、この空気ブロワ６および配管
系をもって燃料電池本体４に対する燃料供給系を構成し
ている。

７は、燃料電池本体４の水素極４ａ出口とリフオーマ１
の燃焼部１ｂとを接続する水素極出口配管である。

このような構成の従来の燃料電池系装置の主要な作用を
次に説明する。

天然ガス、メタノール等の燃料は、太い実線で示すよう
に燃料ブロワ５により燃料改質装置３に圧送され、詳細
は図示しないが水蒸気と混合され、リフオーマ１の反応
部１ａにおいて水素を多量に含む、いわゆる水素リッチ
ガスに改質される。続いてシフトコンバータ２に導かれ
、ガス中の一酸化炭素が水と反応し、二酸化炭素と水素
に変換され机 この反応は天然ガス（メタン主体）燃料の場合、ＣＨ番
　＋２　ＨｚＯ−）ＣＯＺ　　＋　４　Ｈｚメタノール
燃料の場合、 ＣＨ３０１（＋Ｈ２０→Ｃ○２＋３Ｈ２１となる。

これらは、燃料電池本体４の水素極１ａに導かれ、ここ
で約８０％の水素が消費され、残り２０％の水素を含む
水素極排ガスは、水素極出口配管７でリフオーマ１の燃
焼部１ｂに戻され、改質反応に必要な燃焼熱の一部に用
いられる。

空気は、空気ブロワ６により昇圧され、一点鎖線の矢印
で示すように、燃料電池本体４の酸素極４ｂおよびリフ
オーマ１の燃焼部１ｂに供給され、酸化用、燃焼用とし
て消費される。

酸素極４ｂの排ガスおよび燃焼部１ｂの排ガスは合流し
て大気中に放出される。

このような従来のシステムには次のような問題があった
。

１）燃料電池系装置の効率を上げるためにはシステムの
圧力を上昇させればよいのであるが、そのために機器の
能力、耐圧などを上げる必要がある。

２）燃料改質装置３からの水素リッチガスには、通常１
％程度の一酸化炭素が含まれており、これは燃料電池４
の燗媒毒となり、電池寿命を短かくする原因となってい
る。

３）負荷が急に増加した場合、燃料供給系統の応答性が
燃料供給系の制御弁等の応答性に支配されるため、負荷
の増加に直ちに対応することができない。

なお、このような従来技術については、数多くの文献が
公表されているが、例えば、アメリカの電力研究所イー
ピアールアイ（ＥＰＲＩ）の技術がレポートであるスペ
シイフィケーションフォアデイスポーズド　フェルシェ
ルジェネレータｒｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｆｏｒ
　Ｄｉｓｐｅｒｓｅｄ　Ｆｕｅｌ　Ｃｅ１ｌＧｅｎｅｒ
ａｔｏｒＪ　（分散形燃料電池発電機）が、その−例で
ある。

〔発明の目的〕

本発明は、前述の従来技術の問題点を解決するためにな
されたもので、電池寿命が長く、高効率で、負荷応答性
にすぐれた燃料電池系装置の提供を、その目的としてい
る。

〔発明の概要〕

本発明に係る燃料電池系装置の構成は、燃料電池本体に
対する空気供給系と燃料供給系とを備え、その燃料供給
系に、燃料と水蒸気との混合ガスを加熱し水素リッチガ
スに改質および転換を行う燃料改質装置を備えた燃料電
池系装置において、前記燃料供給系に、前記燃料電池本
体に純水素を供給するための精製装置を配設し、その精
製装置の入口を前記燃料改質装置の出口に、その精製装
置の水素出口を前記燃料電池本体の水素極に、その精製
装置の排ガス出口と前記燃料改質装置の燃焼部にそれぞ
れ接続するとともに、前記燃料電池本体の水素極入口と
当該水素極出口とを循環ブロワを具備する水素循環用配
管で接続するようにしたものである。

なお、本発明を開発した考え方は、次のとおりである。

１）燃料電池は、水素極に供給される水素の分圧が高い
ほど効率が高くなる６したがって、従来のような水素リ
ッチの混合ガスではなく、純水素を水素極に供給すれば
高効率が得られる。

２）燃料電池は、−酸化炭素により電極の触媒が被毒し
寿命が低下する。したがって、純水素を水素極に供給し
てやれば、電池寿命を長くすることができる。

３）燃料電池の電極付近が純水素で満されていれば、負
荷が急増した場合にも一時的に水素不足の状態に陥るこ
とが少い。

しかるに、従来の燃料改質装置における水蒸気改質反応
、シフト反応では、シフトコンバータからのガスには２
０〜２５％程度の二酸化炭素が含まれている。

そこで、本発明は、この二酸化炭素および未反応燃料２
反応過程で生成する一酸化炭素、あるいは残留水分等を
除去し、純水等を燃料電池本体の水素極に供給しようと
するものである。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図を参照して説明する。

第１図は、本発明の一実施例に係る燃料電池系装置の系
統図で１図中、第２図と同一符号のものは従来技術と同
等部分であるから、その説明を省略する。

第１図において、８は、燃料電池本体４に純水素を供給
するための精製装置で、この精製装＠８は、燃料電池本
体４に対する燃料供給系路中に配設されている。すなわ
ち、精製装置８の入口は精製装置入口配管９を介して燃
料改質装置３のシフトコンバータ２出口に接続され、精
製装＠８の水素出口は精製装置出口配管工０を介して燃
料電池本体４の水素極４ａに接続され、精製装置８の排
ガス出口を精製装置排ガス配管１１を介して燃料改質装
置３におけるリフオーマ１の燃焼部］ｂに接続されてい
る。

また、燃料電池本体４の水素極４ａの入口と同水素極４
ｂの出口とを、循環ブロワ１３を具備した水素循環用配
管１２により接続している。

ここで、精製装置３は既知の装置、例えばＰＳＡ　（プ
レッシャ・スイング・アトソープション）等であり、水
素以外のガスの吸着、脱着を弁の切替えにより連続的に
行わせて、高純度（例えば、９９．９９９９％）の水素
を得る装置を採用している。

このような構成の本実施例の燃料電池系装置の主要な作
用のうち、第２図で示した従来技術と異なるところを説
明する。

天然ガス、メタノール等の燃料は水蒸気と混合され、燃
料改質装置３におけるリフオーマ１で水素リッチガスに
改質され、シフトコンバータ２で二酸化炭素と水素に変
換される。

シフトコンバータ２で変換された二酸化炭素。

水素を主とする燃料は、Ｍ８装置入口配管９を経て精製
装置８で、二酸化炭素、−酸化炭素、未反応燃料、およ
び残留水分など水素以外のガス、水分の除去がなされ、
純水素が精製送装置出口配管１０を経て燃料電池本体４
の水素極４ａに供給される。

精製装＠８から発生する排ガス中には、水素などの可燃
ガスが含まれており、これは精製装置排ガス配管工１に
よりリフオーマ１の燃焼部１ｂに戻され、改質反応に必
要な燃焼熱の一部に用いられる。

また、水素極４ａの内部での水素消費の部分的偏りを抑
制するため、水素循環用配管１２により水素の循環が行
われている。

本実施例によれば１次に述べる効果が得られる６１）燃
料電池の効率を高めることができる。

すなわち、電池効率は電池電圧に比例するが、水素分圧
と電池電圧の間には次式の関係が成立するといわれてい
る。

ここで、 Ｐｌ　：状態１すなわち精製する前における水素分圧 Ｐ２　：状態２すなわち精製した後における水素分圧 ΔＶ：状態１と２における電池セル電圧の差を表わす。

したがって、水素分圧が高いほど、すなわち水素純度が
高いほど、電池効率を高くすることができる。

２）燃料電池の寿命を長くすることができる。

すなわち、従来、燃料改質装＠３の出口ガスは約１％の
一酸化炭素が含まれていて、電池電極に使用されている
燭媒が被毒し電池寿命が短くなっていたが、本実施例に
よれば、精製装置８によって一酸化炭素を除去してのち
水素極４ａに純水素を供給するので、燃料電池の寿命を
飛躍的に長くすることができる。

３）負荷応答性を向上させることができる。

燃料電池に対する負荷が急に増加した場合、従来の装置
では、水素極４ａの内部に溜っている水素を一時的に充
当はするものの、やがて水素の濃度が減少し、他の二酸
化炭素等の濃度が電極付近で相対的に増加するため、充
分な水素が電極に供給されなくなり、要求されろ電力が
得られないという状態があったが１本実施例によれば、
水素極４ａを常時純水素で満たされるので、前述の不都
合な現象は防止することができ、したがって負荷変化に
対する応答性を高めることができる。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明によれば、電池寿命が長く、
高効率で、負荷応答性にすぐれた燃料電池装置を提供す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は１本発明の一実施例に係る燃料電池系装置の系
統図、第２図は、従来の燃料電池系装置の系統図である
。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、燃料電池本体に対する空気供給系と燃料供給系とを
   備え、その燃料供給系に、燃料と水蒸気との混合ガスを
   加熱し水素リッチガスに改質および転換を行う燃料改質
   装置を備えた燃料電池系装置において、前記燃料供給系
   に、前記燃料電池本体に純水素を供給するための精製装
   置を配設し、その精製装置の入口を前記燃料改質装置の
   出口に、その精製装置の水素出口を前記燃料電池本体の
   水素極に、その精製装置の排ガス出口を前記燃料改質装
   置の燃焼部にそれぞれ接続するとともに、前記燃料電池
   本体の水素極入口と当該水素極出口とを循環ブロワを具
   備する水素循環用配管で接続するように構成したこと特
   徴とする燃料電池系装置。