JP2000268833A - 燃料電池システム - Google Patents
燃料電池システムInfo
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- JP2000268833A JP2000268833A JP11069809A JP6980999A JP2000268833A JP 2000268833 A JP2000268833 A JP 2000268833A JP 11069809 A JP11069809 A JP 11069809A JP 6980999 A JP6980999 A JP 6980999A JP 2000268833 A JP2000268833 A JP 2000268833A
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- fuel cell
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- reducing gas
- compressor
- gas compressor
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- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Withdrawn
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- 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
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 水素、メタンを含む還元ガスを圧縮する還元
ガス圧縮機と、酸素を含む酸化ガスを圧縮する酸化ガス
圧縮機と、前記圧縮された還元ガスから水素を分離する
水素精製装置と、水素と酸素との電気化学反応によって
発電する燃料電池とを備える燃料電池システムにおい
て、運転動力を削減すること。 【解決手段】 燃料電池から発生する排熱を駆動源とす
る冷凍機を備え、圧縮機の前段階に設置された熱交換
器、還元ガス圧縮機及び酸化ガス圧縮機の中間冷却部と
に前記冷凍機から冷熱を導入するプロセスを有すること
を特徴とする燃料電池システム。
ガス圧縮機と、酸素を含む酸化ガスを圧縮する酸化ガス
圧縮機と、前記圧縮された還元ガスから水素を分離する
水素精製装置と、水素と酸素との電気化学反応によって
発電する燃料電池とを備える燃料電池システムにおい
て、運転動力を削減すること。 【解決手段】 燃料電池から発生する排熱を駆動源とす
る冷凍機を備え、圧縮機の前段階に設置された熱交換
器、還元ガス圧縮機及び酸化ガス圧縮機の中間冷却部と
に前記冷凍機から冷熱を導入するプロセスを有すること
を特徴とする燃料電池システム。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池システム
の省エネルギー技術に関する。
の省エネルギー技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】本発明は、固体高分子型燃料電池（ＰＥ
ＭＦＣ）と、熱駆動型の冷凍機を中心とするシステム化
に関するもので、ＰＥＭＦＣと、熱駆動型の冷凍機につ
いてそれぞれの特徴と、システムの従来技術について説
明する。ＰＥＭＦＣの特徴は以下があげられる。すなわ
ち、固体だけからなるため、電解質の散逸・保持の問
題がなく電池構造が簡単で保守が容易。常温で作動
し、起動時問が極めて早い。また高温型でないのでシス
テムの材料選択も容易で長寿命が期待できる。固体高
分子膜が差圧に耐えるため電池の加圧制御が容易。高
出力密度が得られるため、小型軽量化が可能。また、
広い電流密度で作動できるため負荷変動の大きな用途に
も使用可能。同じ常温作動型のアルカリ型燃料電池と
比較しＣＯ2 を含む燃料ガス（改質ガス）が使用でき
る。
ＭＦＣ）と、熱駆動型の冷凍機を中心とするシステム化
に関するもので、ＰＥＭＦＣと、熱駆動型の冷凍機につ
いてそれぞれの特徴と、システムの従来技術について説
明する。ＰＥＭＦＣの特徴は以下があげられる。すなわ
ち、固体だけからなるため、電解質の散逸・保持の問
題がなく電池構造が簡単で保守が容易。常温で作動
し、起動時問が極めて早い。また高温型でないのでシス
テムの材料選択も容易で長寿命が期待できる。固体高
分子膜が差圧に耐えるため電池の加圧制御が容易。高
出力密度が得られるため、小型軽量化が可能。また、
広い電流密度で作動できるため負荷変動の大きな用途に
も使用可能。同じ常温作動型のアルカリ型燃料電池と
比較しＣＯ2 を含む燃料ガス（改質ガス）が使用でき
る。
【０００３】一方で問題点は、常温作動型であるため
排熱温度が低く、排熱利用が制限される。改質ガスを
使用する場合は、含まれる微量のＣＯに電極が被毒され
やすくＣＯ除去が必要。固体高分子膜や白金電極が高
価。膜の水分管理が必要。問題点のは、低温作動
の長所が欠点になっている。に関しては、大量生産技
術、また白金使用量を大幅に低減できる方法も提案さ
れ、高出力密度化が進んでいる。問題点のについて
は、フッ素樹脂系イオン交換膜は含水状態で良好なプロ
トン伝導性を示すことから、膜の含水量は水蒸気の分圧
（相対湿度）に大きく依存し、乾燥すると水を失い高抵
抗体となる。
排熱温度が低く、排熱利用が制限される。改質ガスを
使用する場合は、含まれる微量のＣＯに電極が被毒され
やすくＣＯ除去が必要。固体高分子膜や白金電極が高
価。膜の水分管理が必要。問題点のは、低温作動
の長所が欠点になっている。に関しては、大量生産技
術、また白金使用量を大幅に低減できる方法も提案さ
れ、高出力密度化が進んでいる。問題点のについて
は、フッ素樹脂系イオン交換膜は含水状態で良好なプロ
トン伝導性を示すことから、膜の含水量は水蒸気の分圧
（相対湿度）に大きく依存し、乾燥すると水を失い高抵
抗体となる。
【０００４】したがって、ＰＥＦＣに適用する場合に
は、膜を飽和水蒸気圧近傍の雰囲気に保持する水分管理
が必要となる。通常、水分管理は反応ガスをあらかじめ
加湿しセルに供給する手段が用いられる。作動温度が比
較的高くなると、反応ガス中の水蒸気分圧が高くなっ
て、逆に反応ガスの分圧が低下し、電池特性が極端に低
下する。したがって、高温側で良好な電池特性を得よう
とすれば、加圧下で作動することが望ましい。ＰＥＭＦ
Ｃの場合、差圧に耐える特徴を有するので加圧下の作動
については技術的障害か少ない特徴がある。
は、膜を飽和水蒸気圧近傍の雰囲気に保持する水分管理
が必要となる。通常、水分管理は反応ガスをあらかじめ
加湿しセルに供給する手段が用いられる。作動温度が比
較的高くなると、反応ガス中の水蒸気分圧が高くなっ
て、逆に反応ガスの分圧が低下し、電池特性が極端に低
下する。したがって、高温側で良好な電池特性を得よう
とすれば、加圧下で作動することが望ましい。ＰＥＭＦ
Ｃの場合、差圧に耐える特徴を有するので加圧下の作動
については技術的障害か少ない特徴がある。
【０００５】中小規模の分散発電型やオンサイト発電型
用途については、排熱利用が困難という欠点を高発電効
率で補える用途が期待されている。他の燃料電池の電流
密度以上で０．８Ｖ以上のセル電圧が期待できることか
ら、システム化するとき改質工程への熱利用が困難な不
利を補える可能性があり、発電効率が重視される分散定
置型の用途に適用される可能性が高いと考えられてい
る。常温作動、高効率を生かした非常用電源、副生水素
利用用途、またコジェネシステムについては、発電比率
を高めるような使い方によって、熱電比の小さな建物等
の需要に適すると考えられている。
用途については、排熱利用が困難という欠点を高発電効
率で補える用途が期待されている。他の燃料電池の電流
密度以上で０．８Ｖ以上のセル電圧が期待できることか
ら、システム化するとき改質工程への熱利用が困難な不
利を補える可能性があり、発電効率が重視される分散定
置型の用途に適用される可能性が高いと考えられてい
る。常温作動、高効率を生かした非常用電源、副生水素
利用用途、またコジェネシステムについては、発電比率
を高めるような使い方によって、熱電比の小さな建物等
の需要に適すると考えられている。
【０００６】次に熱駆動型の冷凍機について特徴と作動
原理を説明する。熱駆動型の冷凍機は、物質の相変化、
化学反応を利用する系が主であり、凝縮器、蒸発器、再
生器などからなっている。吸収式冷凍機として代表的な
ＬｉＢｒ水溶液を利用した系では、ＬｉＢｒの濃度によ
る蒸気圧差を利用しての水の蒸発時の冷熱発生、希薄な
ＬｉＢｒ溶液の熱による水蒸気の追い出しと水の凝縮に
よる再生によりサイクルを行っている。吸着式冷凍機で
は、シリカゲルが水を吸着する際の（他方では水の蒸
発）により冷熱発生、シリカゲルの加熱による再生（他
方では水の凝縮）でサイクルを行っている。
原理を説明する。熱駆動型の冷凍機は、物質の相変化、
化学反応を利用する系が主であり、凝縮器、蒸発器、再
生器などからなっている。吸収式冷凍機として代表的な
ＬｉＢｒ水溶液を利用した系では、ＬｉＢｒの濃度によ
る蒸気圧差を利用しての水の蒸発時の冷熱発生、希薄な
ＬｉＢｒ溶液の熱による水蒸気の追い出しと水の凝縮に
よる再生によりサイクルを行っている。吸着式冷凍機で
は、シリカゲルが水を吸着する際の（他方では水の蒸
発）により冷熱発生、シリカゲルの加熱による再生（他
方では水の凝縮）でサイクルを行っている。
【０００７】水素吸蔵合金（ＭＨ）方式では２種類以上
の水素吸蔵放出圧が異なるＭＨを用いて、水素の放出時
の吸熱反応を用いた冷熱発生、熱により片方のＭＨの水
素圧を上昇させ冷熱発生側のＭＨに戻す再生によるサイ
クルが行われている。従来の燃料電池システムでは、燃
料電池排熱を利用して熱駆動型の冷凍機の再生に導入
し、冷熱発生を行わせ室内の冷房や、生産工程に使用す
ることは、コジェネレーションとして広く行われてい
た。
の水素吸蔵放出圧が異なるＭＨを用いて、水素の放出時
の吸熱反応を用いた冷熱発生、熱により片方のＭＨの水
素圧を上昇させ冷熱発生側のＭＨに戻す再生によるサイ
クルが行われている。従来の燃料電池システムでは、燃
料電池排熱を利用して熱駆動型の冷凍機の再生に導入
し、冷熱発生を行わせ室内の冷房や、生産工程に使用す
ることは、コジェネレーションとして広く行われてい
た。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】ところで燃料電池シス
テムでは、酸化ガスは通常圧縮機により加圧され発電部
に供給されている。また還元ガスも水素との混合ガスを
分離する際に、ＰＳＡ法などにより原料ガスは圧縮さ
れ、分離精製された後、燃料電池に供給されている。そ
の際の圧縮機の圧縮のエネルギーは絶対温度に比例する
するため、圧縮機は中間冷却として内部熱交換器に冷却
水が導入されている。通常冷却水はクーリングタワーが
用いられており、大気との熱交換であるため冷却水温度
はそれほど低くならないので圧縮動力の削減には限界が
あった。従って本発明は、上記問題点を解決し、エネル
ギー利用効率の一層の改善を可能とする排熱を用いた燃
料電池システムを提供するものである。
テムでは、酸化ガスは通常圧縮機により加圧され発電部
に供給されている。また還元ガスも水素との混合ガスを
分離する際に、ＰＳＡ法などにより原料ガスは圧縮さ
れ、分離精製された後、燃料電池に供給されている。そ
の際の圧縮機の圧縮のエネルギーは絶対温度に比例する
するため、圧縮機は中間冷却として内部熱交換器に冷却
水が導入されている。通常冷却水はクーリングタワーが
用いられており、大気との熱交換であるため冷却水温度
はそれほど低くならないので圧縮動力の削減には限界が
あった。従って本発明は、上記問題点を解決し、エネル
ギー利用効率の一層の改善を可能とする排熱を用いた燃
料電池システムを提供するものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、前記課題
を解決する手段を鋭意検討した結果、燃料電池排熱を用
いて冷熱を製造し、その冷熱を利用して燃料ガス、酸化
ガスの圧縮機の吸気冷却と中間冷却を行うことによって
目的を達成できることを知見し、本発明をなすに至っ
た、すなわち、その発明の要旨とするところは、水素、
メタンを含む還元ガスを圧縮する還元ガス圧縮機と、酸
素を含む酸化ガスを圧縮する酸化ガス圧縮機と、前記圧
縮された還元ガスから水素を分離する水素精製装置と、
水素と酸素との電気化学反応によって発電する燃料電池
とを備える燃料電池システムにおいて、燃料電池から発
生する排熱を駆動源とする冷凍機を備え、圧縮機の前段
階に設置された熱交換器、還元ガス圧縮機及び酸化ガス
圧縮機の中間冷却部に前記冷凍機から冷熱を導入するプ
ロセスを有することを特徴とする燃料電池システムであ
る。このようにして、圧縮機への導入ガスの温度を下げ
ることにより、省エネルギー性の高い燃料電池システム
を構築することができる。
を解決する手段を鋭意検討した結果、燃料電池排熱を用
いて冷熱を製造し、その冷熱を利用して燃料ガス、酸化
ガスの圧縮機の吸気冷却と中間冷却を行うことによって
目的を達成できることを知見し、本発明をなすに至っ
た、すなわち、その発明の要旨とするところは、水素、
メタンを含む還元ガスを圧縮する還元ガス圧縮機と、酸
素を含む酸化ガスを圧縮する酸化ガス圧縮機と、前記圧
縮された還元ガスから水素を分離する水素精製装置と、
水素と酸素との電気化学反応によって発電する燃料電池
とを備える燃料電池システムにおいて、燃料電池から発
生する排熱を駆動源とする冷凍機を備え、圧縮機の前段
階に設置された熱交換器、還元ガス圧縮機及び酸化ガス
圧縮機の中間冷却部に前記冷凍機から冷熱を導入するプ
ロセスを有することを特徴とする燃料電池システムであ
る。このようにして、圧縮機への導入ガスの温度を下げ
ることにより、省エネルギー性の高い燃料電池システム
を構築することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
て、図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明の
排熱を用いた燃料電池システムの構成図であり、この図
を用いて燃料電池排熱の有効利用方法について説明す
る。燃料電池１は、水素精製装置６からの水素、酸化ガ
ス圧縮機５からの酸素を反応させて、発電する燃料電池
である。燃料電池１の排熱は冷凍機７の駆動源として利
用され、発生した冷熱は熱交換器２及び３、圧縮機４及
び５に循環するプロセスである。還元ガスは熱交換器２
で冷却された後圧縮機４に導入され、圧縮機４の１段目
のタービンの圧縮動力を削減する。圧縮機４には数段の
中間冷却用の熱交換器を有しており、次に中間冷却用の
熱交換器に冷水が導入され還元ガスの温度を冷却するこ
とにより、２段目のタービンの圧縮動力を削減する。３
段以降も同様に動力を削減することができる。酸化ガス
についても、同様の効果が得られる。酸化ガスが空気の
場合には、冷房用に使用することもできる。以上のプロ
セスにより還元ガス及び酸化ガスの圧縮動力の削減を行
い、省エネルギーを可能とする。なお、符号８は排熱、
９は冷水、１０は冷却水、１１は排熱源である。
て、図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明の
排熱を用いた燃料電池システムの構成図であり、この図
を用いて燃料電池排熱の有効利用方法について説明す
る。燃料電池１は、水素精製装置６からの水素、酸化ガ
ス圧縮機５からの酸素を反応させて、発電する燃料電池
である。燃料電池１の排熱は冷凍機７の駆動源として利
用され、発生した冷熱は熱交換器２及び３、圧縮機４及
び５に循環するプロセスである。還元ガスは熱交換器２
で冷却された後圧縮機４に導入され、圧縮機４の１段目
のタービンの圧縮動力を削減する。圧縮機４には数段の
中間冷却用の熱交換器を有しており、次に中間冷却用の
熱交換器に冷水が導入され還元ガスの温度を冷却するこ
とにより、２段目のタービンの圧縮動力を削減する。３
段以降も同様に動力を削減することができる。酸化ガス
についても、同様の効果が得られる。酸化ガスが空気の
場合には、冷房用に使用することもできる。以上のプロ
セスにより還元ガス及び酸化ガスの圧縮動力の削減を行
い、省エネルギーを可能とする。なお、符号８は排熱、
９は冷水、１０は冷却水、１１は排熱源である。
【００１１】
【実施例】還元ガスは純度７５％の還元ガス、酸化ガス
は空気を使用した。熱交換器は還元ガス及び酸化ガスの
温度を２０℃低下、圧縮機は４段圧縮として中間冷却用
の熱交換器３箇所をそれぞれ３５℃低下した。燃料電池
は固体高分子型燃料電池を使用し２９０００ｋＷ発電し
た。全排熱量５０％の内６０％を燃料電池から取り出し
た。その内のほぼ４０％が冷凍機に導入され、冷凍機の
ＣＯＰは０．６であることから２８０００００ｋｃａｌ
／ｈの冷熱が熱交換器と圧縮機の冷却に使用した。これ
により圧縮動力は８％削減され、全体としては３％の省
電力となることがわかった。
は空気を使用した。熱交換器は還元ガス及び酸化ガスの
温度を２０℃低下、圧縮機は４段圧縮として中間冷却用
の熱交換器３箇所をそれぞれ３５℃低下した。燃料電池
は固体高分子型燃料電池を使用し２９０００ｋＷ発電し
た。全排熱量５０％の内６０％を燃料電池から取り出し
た。その内のほぼ４０％が冷凍機に導入され、冷凍機の
ＣＯＰは０．６であることから２８０００００ｋｃａｌ
／ｈの冷熱が熱交換器と圧縮機の冷却に使用した。これ
により圧縮動力は８％削減され、全体としては３％の省
電力となることがわかった。
【００１２】
【発明の効果】以上述べたように、排熱により発生させ
た冷熱を圧縮機の吸気の冷却に用いることにより、圧縮
動力の削減が可能になり、これより省エネルギーを行う
ことができる。
た冷熱を圧縮機の吸気の冷却に用いることにより、圧縮
動力の削減が可能になり、これより省エネルギーを行う
ことができる。
【図１】本発明の排熱を用いた燃料電池システムのフロ
ーである。
ーである。
１ 燃料電池 ２、３ 熱交換器 ４ 還元ガス圧縮機 ５ 酸化ガス圧縮機 ６ 水素精製装置 ７ 冷凍機 ８ 排熱 ９ 冷水 １０ 冷却水 １１ 排熱源
Claims (1)
- 【請求項１】 水素、メタンを含む還元ガスを圧縮する
還元ガス圧縮機と、酸素を含む酸化ガスを圧縮する酸化
ガス圧縮機と、前記圧縮された還元ガスから水素を分離
する水素精製装置と、水素と酸素との電気化学反応によ
って発電する燃料電池とを備える燃料電池システムにお
いて、燃料電池から発生する排熱を駆動源とする冷凍機
を備え、圧縮機の前段階に設置された熱交換器と還元ガ
ス圧縮機及び酸化ガス圧縮機の中間冷却部とに前記冷凍
機から冷熱を導入するプロセスを有することを特徴とす
る燃料電池システム。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11069809A JP2000268833A (ja) | 1999-03-16 | 1999-03-16 | 燃料電池システム |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11069809A JP2000268833A (ja) | 1999-03-16 | 1999-03-16 | 燃料電池システム |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000268833A true JP2000268833A (ja) | 2000-09-29 |
Family
ID=13413468
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11069809A Withdrawn JP2000268833A (ja) | 1999-03-16 | 1999-03-16 | 燃料電池システム |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2000268833A (ja) |
-
1999
- 1999-03-16 JP JP11069809A patent/JP2000268833A/ja not_active Withdrawn
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20060606 |