JPS6264067A - 燃料電池システム - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、メタノール改質反応器により発生された水素
を原料とする燃料電池システムに関し、特に燃料電池か
ら排出される水素を燃焼し、その燃焼ガスにより、メタ
ノール改質反応器を適温に加熱するシステムに関する。

〔従来の技術〕

最近、燃料電池は発電効率が高く、クリーンエネルギー
の点から有望視されている。特に燃料電池から排出され
る水素を燃焼してその燃焼ガスエネルギーを有効に利用
しようとする試みが行われているが、未だ十分に満足な
装置はない。

従来の燃料電池システムについて第５図にフロ−シート
を示す。原料ＡとしてＬＮＧ等の炭化水素とスチームが
改質反応器１の反応部２に供給され、水素リッチの改質
ガスにされる。次にこの改質ガスはシフトコンバータ４
に供給され、−酸化炭素の水素化及び炭酸ガスの除去が
行われ、気水分離器５に送られて余剰水分が除去される
。この様にして得られる水素リッチガスが燃料電池６の
アノード７に供給される。一方、酸素源として空気Ｂが
使用され、空気がコンプレッサ９で加圧され、燃料電池
６のカソード８に供給される。この燃料電池６において
水素と酸素とが反応して発電し、電力が取り出される。

ここで未反応の水素ガスと空気は排ガスとしてそれぞれ
アノード７及びカソード８から排出され、改質器外部加
熱部３に導入して燃焼され、改質反応部２は所定温度に
加熱される。その後燃焼ガスは膨張タービン１０に導入
され、膨張タービン１０とコンプレッサ９は連結されて
いるので空気の加圧に利用される。この様にＬＮＧを原
料とする場合は、改質反応温度が高いので、反応器外部
加熱部３で水素を燃焼した高温の燃焼ガスによって反応
部２を加熱しても改質反応の触媒は高温に耐えるので支
障がなかった。

然るにメタノールを原料として改質反応により水素を発
生して燃料電池に供給する場合は次の様に不都合が生じ
る。即ちメタノールの改質反応は銅系改質触媒の存在下
で２５０〜３００℃の比較的低い温度で行なわれる。こ
れは銅系触媒は一般に熱に弱く、３００℃以上の温度で
熱劣化し活性が低下するからである。

従って反応器外部加熱部３で水素が燃焼されると高温燃
焼ガスによって反応管温度が５００℃付近まで加熱され
るので、反応管内に充填された触媒が劣化する。その為
に反応管温度を３００℃以下に保つには、燃焼ガスを低
温空気で希釈して４００℃程度までに温度を下げること
が行なわれる。しかし燃焼ガスを空気で直接冷却すると
、燃焼ガス量が増加し熱効果が低下する。

従ってこの様なメタノール改質水素燃料電池システムの
改良として第６図に示すフローシートのシステムがある
。このシステムは改質反応器１を熱媒油等を用いて間接
加熱するシステムである。

即ち熱媒油加熱器１１が設けられ、燃料電池６からの排
出された水素が燃焼部１２に導入されて燃焼され、その
燃焼ガスによって熱媒油ライン１３が加熱され、ポンプ
１４で循環され改質反応器１が間接的に加熱される。こ
の装置によって改質反応管温度を３００℃に調節し得る
が、しかしこのシステムは熱媒油加熱系設備を設ける必
要があるので装置が複雑となり、また熱媒油の取り扱い
等の厄介な操作をする欠点があった。

〔発明が解決しようとする問題点〕

本発明の目的は、燃焼ガスに希釈空気を加えたり、また
熱媒油による間接方式をとる様な従来技術の欠点を解決
し、燃料電池からの排出される水素を燃焼して、その燃
焼ガスを低温度化してメタノール改質反応器を加熱し、
改質反応触媒の劣化を防止する燃焼電池システムを提供
することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明の燃料電池システムは、メタノール改質器で発生
された水素と空気とを原料とし加圧下で発電する燃料電
池システムにおいて、発電後の燃料電池本体のアノード
から排出する水素がカソードから排出する空気で燃焼さ
れる燃焼器と、この燃焼器からの高温の燃焼ガスが導入
される連結した膨張タービンとターボコンプレッサとを
備え、このターボコンプレッサにより空気が加圧昇温さ
れで前記燃料電池本体のカソードに供給される手段と、
及び前記膨張タービンから排気される低温にされた燃焼
ガスが前記メタノール改質反応器の加熱部、例えば外熱
式加熱部やヒートパイプ加熱器等に導入される手段とが
設けられたシステムである。

要するに本発明の燃料電池システムは、水素を燃焼して
生成される高温燃焼ガスが先ず膨張タービンに導入され
て燃焼ガスのエネルギーがターボコンプレッサの動力の
形で回収され、その結果燃焼ガスの温度は低下され、そ
の後で燃焼ガスはメタノール改質反応器の外熱式加熱部
に導入され、燃焼ガスの温度が改質反応部の加熱に適す
るようにされる装置である。

また前記膨張タービンの後流に補助燃焼器が設けられ、
前記燃料電池本体のアノードから排気される水素の一部
をバイパスして前記補助燃焼器に導入する手段を設ける
ことができる。また前記燃焼器や前記補助燃焼器に本燃
料電池システム系外から助燃料を導入する手段を設ける
ことができる。

若し燃焼器からの燃焼ガスの発生が多すぎて、ターボコ
ンプレッサの動力が過剰になる場合には、アノードから
の排気される水素の一部が燃焼器に導入されずにバイパ
スされて補助燃焼器に導入され燃焼されるように調整さ
れる。また燃焼ガスのエネルギーが少なくてターボコン
プレッサの動力が不足したり、改質反応器外熱式加熱部
に供給するエネルギーが少ないときには助燃料が燃焼器
又は補助燃焼器に導入されて燃焼されて熱量が補うよう
にされる。

上述の如く本発明の燃料電池システムは、排出される水
素ガスを燃焼した燃焼ガスがターボコンプレッサの駆動
動力に利用され、同時に膨張タービンを介して燃焼ガス
が低温化されて改質反応器の加熱用媒体に使用されるシ
ステムである。

〔実施例〕

実施例　１ 本発明の燃料電池システムの１例を第１図に示す。原料
Ａとしてメタノールとスチームがメタノール改質器１の
反応部２に供給され、銅系触媒の存在下で温度約３００
℃で改質反応され、水素リッチガスが生成される。この
水素リッチガスが気液分離器５で液状物を分離して乾燥
され、燃料電池本体６のアノード７に供給される。一方
、空気Ｂはターボコンプレッサ９で加圧され、燃料電池
本体６のカソード８に供給される。燃料電池本体６で水
素と酸素とが反応して発電し、未反応の水素はアノード
７から、空気はカソード８から気液分離器２６を経てそ
れぞれ燃焼器１５に導入されて燃焼される。生成する燃
焼ガスは膨張タービン１０に導入され、膨張タービン１
０に連結したターボコンプレッサ９が駆動される。次に
膨張タービン１０で膨張して温度が低下された燃焼ガス
は、補助燃焼器１６に導入され、必要に応じて温度が調
整された後、改質反応器１の外熱式加熱部３に導入され
反応部２を適温に加熱する。

このとき、膨張タービン１０を駆動する動力が不足の場
合には、圧力検出器２１で検知され、助燃料１７を燃焼
器１５に加えて燃焼ガス量が増される。またタービン１
０に対して動力が過剰の場合には、排出水素ラインに設
けた流量調節弁１９．２０を連動作動して排出水素の一
部をバイパスして直接に補助燃焼器１６に導入する。ま
た改質反応器外熱式加熱部３へ導入される燃焼ガスのエ
ネルギーが不足の場合は、補助燃焼器１６でバイパス水
素２２、又は系外からの助燃料１８が燃焼されて熱量が
付加され、燃焼ガス温度が適温に調節される。そして燃
焼ガスは最後に排出口Ｃから排出される。

次に連結した膨張タービン１０−ターボコンプレッサ９
のフローシートを第２図に示し、燃焼ガス、空気のそれ
ぞれの温度、圧力のバランスを述べる。

膨張タービン１０−ターボコンプレッサ９は高圧段ター
ビンｌ０Ｈ−高圧段ターボコンプレッサ９Ｈ１及び低圧
段タービン１．ＯＬ−低圧段コンプレッサ９Ｌの２段に
構成され、高、低圧段コンプレッサ９Ｈ，９Ｌとの間に
中間冷却器２３が設けられる。２段に構成するのは、１
段では約３倍以上に加圧するのが困難のためである。低
圧段コンプレッサ９Ｌで加圧されて温度上昇した空気は
中間冷却器２３で温度が下げられて体積が減少し、高圧
段コンプレッサ９Ｈで高圧縮されると圧縮効率は高くな
り、出口で温度が１８０℃前後にコントロールされる。

第２図のライン位置の測定点◇印の点で、温度、圧力を
測定し、その結果を第１表に示す。

第１表 第１表から、燃焼ガスは５．３６ｋｇ／ｃＪ−Ｇ、４２
３℃で膨張タービンＩＯＨからＩＯＬに導入され、Ｏｋ
ｇ／ｄ・Ｇ、　２１０℃のガスとなって排出され、一方
空気はＯｋｇ／ｃｄ−Ｇ、　１．５℃でターボコンプレ
ッサ９Ｌから９Ｈに導入され、６．０２ｋｇ／ｃｄ−Ｇ
、　１８０℃となって排出される。この様に燃焼ガスの
エネルギーは空気の顕熱上昇分と装置の熱損失の形で失
い、その結果燃焼ガスは顕熱放出により温度は一般に２
００〜２５０℃に低下され、改質外熱式加熱部３に導入
されるのに適温とされる。

更に、第３図に示す燃料電池８．燃焼器１５、及びター
ボコンプレッサ９−膨張タービン１０に燃焼ガスと空気
を送るラインを示す。そのラインの◇印の位置における
空気、水素、燃焼ガスの流量、圧力、温度、及び組成を
測定し、第２表に示す。

第２表 メタノール改質の水素を原料とする燃料電池では、改質
ガス中にメタン等の高発熱成分が存在しない為に、アノ
ード排出水素ガス■の発熱量が低い。その結果、メタノ
ール改質水素ガスを原料としたときに燃料電池からの排
出水素ガスの発熱」（（は約８００Ｋｃａｌ／Ｎ　ｒｒ
？であったが、一方メタン改質水素ガスを原料としたと
きは約１，５００Ｋｃａｌ／Ｎｎ？である。この為に本
装置では、アノード排出の水素ガスをカソード排出ガス
の低酸素の空気で燃焼した場合、第２表の如く燃焼温度
は６２０℃になったが、一般に燃焼温度は５００〜７０
０℃になる。この燃焼ガスを膨張タービン１０に導入し
動力を回収すると、膨張タービン１０の出口のガス温度
は４００℃前後となった。従ってこの低温にされた燃焼
ガスが改質器外熱式加熱器３に導入されても、反応管壁
温度が改質触媒の耐熱限界温度を越えなく、適当な温度
になる。上述のように燃焼器１５からの燃焼ガスは高温
であるが、膨張タービン１０に導入されてターボコンプ
レッサ９の駆動動力としてエネルギーを回収されること
により、燃焼ガスの温度が低下され、また空気はターボ
コンプレッサ９で加圧されて昇温し、カソードに導入さ
れるのに適する。

燃焼ガスの温度降下のために特別に熱交換器を設ける必
要がなく、膨張タービン１０−ターボコンプレッサ９に
より燃焼ガスエネルギーは効率よく利用される。

実施例　２ 改質反応器の加熱部としてヒートパイプ方式加熱器を設
けた例を第４図のフロートシートに示す。

燃焼ガスが膨張タービン１０から排出される迄は実施例
１と同様である。しかし、燃焼ガスが膨張タービン１０
から排出された後、ヒートパイプ加熱器２４に導入され
、ヒートパイプ２５が加熱される。ヒートパイプ２５中
の加熱媒体、例えば水等は改質反応器１とヒートパイプ
加熱器２４の間に循環して熱交換され、改質反応温度が
適温にされる。この様に燃焼ガスによって改質反応器を
間接加熱することにより、燃焼ガスの温度が若干高温で
もヒートパイプによって調節できるので、改質反応温度
を最適に維持するのに好都合である。

〔発明の効果〕

本発明の燃料電池システムは、メタノール改質水素を原
料とするシステムで、燃料電池から排出される水素と空
気とが燃焼され、その高温の燃焼ガスが膨張タービンに
導入され、これによってり−ボコンプレッサを駆動して
空気を加圧することによってエネルギーを回収し、同時
に燃焼ガスは低温化され、この低温化燃焼ガスが改質器
加熱部に導入されることにより、燃焼ガスは低温度化さ
れているので改質反応部は適正な温度にコントロールで
き、銅系触媒は劣化することがない。また改質器外熱式
加熱部は低温燃焼ガスが導入されるので非圧構造でもよ
い。また高温燃焼ガスを利用しターボコンプレッサによ
り燃料電池へ導入する空気は加圧、昇温されるので、燃
焼ガスのエネルギーを高効率に利用できる。また熱交換
器等を設ける必要がなく装置が簡単化され経済的である
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の燃料電池システムのフローシートを示
し、第２図、第３図はそれぞれ燃焼器、膨張タービン−
ターボコンプレッサ、及びこれらと燃料電池を結ぶ燃焼
ガス、空気ラインのフローシートを示し、第４図は本発
明の他の燃料電池システムのフローシートを示す。また
、第５図、第６図は従来の燃料電池システムのフローシ
ートを示す。 Ａ　原料　　　　　　　　Ｂ　空気 Ｃ排気燃焼ガス

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）メタノール改質反応器で発生した水素と空気とを
   加圧下で発電する燃料電池システムにおいて、燃料電池
   本体のアノードから排出する水素がカソードから排出す
   る空気によって燃焼される燃焼器と、この燃焼器からの
   高温の燃焼ガスが導入される連結した膨張タービンとタ
   ーボコンプレッサとを備え、このターボコンプレッサに
   より空気が加圧、昇温されて前記燃料電池本体のカソー
   ドに供給される手段と、及び前記膨張タービンから排出
   される低温にされた燃焼ガスが前記メタノール改質反応
   器の加熱部に導入される手段とが設けられたことを特徴
   とする燃料電池システム。
2. （２）前記メタノール改質反応器の加熱部が外熱式加熱
   部又はヒートパイプ加熱器であることを特徴とする特許
   請求の範囲第１項に記載の燃料電池システム。
3. （３）前記燃料電池本体のアノードから排出する水素の
   一部が前記燃焼器に導入されることなくバイパスされて
   、前記膨張タービンの後流に配置された補助燃焼器に導
   入される手段が設けられたことを特徴とする特許請求の
   範囲第１項又は第２項に記載の燃料システム。