JPH01294367A - 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】 発明の背景 本発明は燃料電池システム、特に内部改質を使用する燃
料電池システムに関する。

米国特許第４，５３２，１９２号明細書は水素燃料プロ
セスガスを最大限に利用するために適合する内部改質燃
料電池システムを開示している。これは前記システム中
に陽極装置（ａｎｏｄｅ　ｍｅａｎ）及び陰極装置（ｃ
ａｔｈｏｄｅ）を備え、且つ前記システムの燃料電池の
陰極区画（ａｎｏｄｅ　ｃｏｍｐａｒｔｍｅｎｔ）から
の廃ガスを前記陽極装置へ供給する移動装置を組込むこ
とにより達成される。この廃ガスは通常未使用水素、水
、少量の一酸化炭素及びメタン（メタンが燃刹供給物で
ある場合）及び二酸化炭素を通常含有してなる。

前記移動装置の陽極装置と陰極装置の間に電圧を印加す
ることにより、供給される廃ガス中の水素は前記移動装
置の陰極装置へ移動し、該廃ガス中の他の成分は除かれ
る。この移動した水素は第１流を形成し、次に、この第
１流はメタン燃料供給物と併合され、この併合されたガ
ス類をスチーム改質及び電気化学的反応のために燃料電
池の陰極区画へ供給する。

また、米国特許第４，５３２，１９２号明細書のシステ
ムは水素を取り出した後に残存する成分をも利用するも
のである。これらの成分は第２流を形成し、まず、コン
デンサーを通過させて水成分を除去する８次に、除去さ
れた水はスチーム改質操作を促進するために使用される
。これは水を第１流を併合し、併合したガス類をメタン
燃料供給物へ添加することにより達成される。

次に、水不在の第２流をバーナーへ供給し、オキシダン
ト供給物からのオキシダントにより燃焼して任意の残留
水素を除去する。この段階で相当量の二酸化炭素を含む
得られたオキシダントガスを次にオキシダントプロセス
ガスとして燃料電池の陽極区画（ｃａｔｈｏｄｅ　ｃｏ
ｍｐａｒｔｍｅｎｔ）へ供給する。

前記米国特許明細書の上述のシステムは燃料電池廃ガス
中の水素の利用量を増加し且つシステムの性能を高める
ように該廃ガス中の水及び二酸化炭素を利用するために
有利である。しかし、前記システムは、大形コンデンサ
ーや熱交換器を使用しなければならないから、それらを
除去するか、または寸法を縮小し且つ数を低減すれば更
に前記米国特許の利点を高めることができる。

従って、本発明の目的は上述のタイプの改善された内部
改質燃料電池システムを提供することにある。

本発明の他の目的はコンデンサー及び熱交換器の必要条
件を低減した上述のタイプの内部改質燃料電池システム
を提供することにある。

発明の概要 本発明の原理によれば、上述の目的及び他の目的は、燃
料供給装置からの燃料を燃料電池の陰極区画へ供給する
前に移動装置の陰極装置を介して供給することからなる
上述のタイプの内部改質燃料電池システムにおいて実現
する。燃料を陰１極装置への上述のように供給すること
により、移動装置の陰極装置へ供給される燃料電池陰極
廃ガス（第１廃ガス）中の水の１部並びに実質１全ての
水素が移動装置の陽極装置へ接続され、前記水の量は供
給される燃料に応じて制御できることを見出した。

結果として、移動装置の陰極廃ガスからの流れ（第１流
）は燃料供給物をも含有して燃料電池へ使用されるから
、該第１流自体は燃料電池の陰極区画で必要なスチーム
改質を促進するための水を含有することになり、それに
よって、第１流と併合するために移動装置の陽極装置の
残留成分（第２流漏）からの水を得るためのこれまで使
用されていたコンデンサーは除去され、また、除去され
ない場合でも原著に小さい寸法となる。更に、燃料供給
装置からの燃料を移動装置の陰極装置へ供給することに
より移動装置の電力必要量が低減される。それによって
、システムの全コストは低下するが、システムの効率は
上昇する。

本発明の他の面において、燃料電池システムは燃料供給
物中の不純物（メタンが燃料の場合には主として硫黄）
を除去するための装置を備えており、移動装置は精製装
置の温度と非常に近い温度度で運転される。それ故、移
動装置の運転範囲内で燃料供給を行なうために通常使用
される熱交換器の必要性もまた低減する。更に、硫黄不
純物を除去するために必要な水素は移動装置から供給す
ることができ、それによって別個の水素供給源の必要性
を回避する。

詳細な記載 第１図は本発明の原理による燃料電池システム（１）を
示すものである。この燃料電池システムは陰極区画（２
ａ）及び陽極区画（２ｂ）を備える高温燃料電池（２）
［すなわち高温燃料電池は３１６℃（６００下）以上の
温度で運転される］からなる。

また、高温燃料電池（２）は内部改質タイプの電池であ
り、これは燃料供給装置（３）からの炭化水素燃料を内
部で改質して水素プロセスガスを形成することを意味す
るものである。説明のために、この改質は陰極区画（ａ
）で行なうものと仮定するが、例えば陰極区画から隔離
された区画のような燃料電池中の他の場所で行なうこと
もできる。また、説明のために、高温燃料電池（２）は
溶融炭酸塩燃料電池であるものと仮定するが、本発明の
原理は例えば固体酸化物燃料電池のような他の高温燃料
電池へ適用することができる。

燃料供給装置く３）は燃料電池システム（１）により移
動する燃料を高温燃料電池（２）の陰極区画（２ａ）へ
送出す。燃料供給装置（３）からの燃料は例えばメタン
、メタノール、エタノールまたは天然ガスのような任意
の炭化水素装入原料であることができるが、本発明にお
いてはメタンであると仮定する。陰極区画（２ａ）中で
メタンは上述のように改質され且つ電気化学的反応を受
ける。これは未使用水素、水、少量のメタン及び−酸化
炭素及び多量の二酸化炭素を含有する陰極廃棄物すなわ
ち第１廃ガスを生ずる。

米国特許第４，５３２，１９２号明細書に記載するよう
に、燃料電池システム（１）はこの第１廃ガスを移動装
置（４）の陽極装置（４ａ）へ移動させる。この移動装
置は米国特許第４，５３２，１９２号及び／または同第
４，６２０，９１４号明細書に開示されているようなタ
イプのものである０本発明において、移動装置（４）は
リン酸電気化学的移動装置であり、陽極装置（４ａ）に
加えて陰極装置（４ｂ）、陽極装置（４ａ）及び陰極装
置（４ｂ）に電圧を印加するための電圧供給源（４ｄ）
及び可変負荷（４ｅ）を含む。

米国特許第４，５３２，１９２号明細書に記載するよう
に、前記廃ガス中の水素以外の成分を除外するために、
該廃ガスを移動装置（４）の陽極装置（４ａ）を通すと
、前記廃ガス中の水素含量は電解槽の陰極装置（４ｂ）
へ移動して第１流を形成する０次に、この第１流は燃料
電池システム（１）によりリサイクルされて高温燃料電
池（２）の陰極区画（２ａ）へ再循環され、それによっ
てこれまで未使用であった水素を電気化学的転化のため
に高温燃料電池（２）で。

利用することができる。従って、水素の利用量の増加が
実現するり 米国特許第４，５３２，１９２号明細書において、水素
の移動後に移動装置の陽極装置（４ａ）から取出さ′れ
るた残留成分類は第２流れを形成する。この第２流→は
コンデンサーへ送られて水を除去し、水の１部は第１流
と併合され、燃料の改質を促進し且つ炭素の析出を防止
するために高温燃料電池（２）の陰極区画（２ａ）へ送
られる。

本発明の原理によれば、米国特許第４，５３２，１９２
号明細書のシステムの上述のよう−なコンデンサーの必
要性は除去されるか、除去されない場合にもコンデンサ
ーの必要性は大きく低減される。更に詳細には、本発明
によれば、陽極装置（４ａ）へ接続された上述の第１廃
ガス中の水を水素と共に陰極装置（４ｂ）へ調節可能に
送ることにより達成される。

特に、燃料供給装置（３）からの燃料を水素移動操作中
に陰極装置（４ｂ）を通すことにより、所望の水移動が
燃料の量に対応して制御可能な方法で行なわれることを
見出した。

本発明の燃料電池システム（１）において、移動装置（
４）の陰極装置（４ｂ）からの第１流は予め未使用水素
、水及び燃料を含有している。この流れを高温燃料電池
（２）の陰極区画（２ａ）へ送ると、それによって同伴
する燃料の改質を促進するために望ましい水がこの流れ
中に自動的に存在する。これによって、上述のような目
的に必要である陽極袋？ｅｆ　（４ａ）からの第２流か
らの水の除去及びコンデンサーはもはや必要でなくなる
。

第１図に示すように、燃料電池システム（１）の本発明
の例示的実施態様において、燃料供給装置（３）からの
燃料は加熱され、精製され且つ移動装置について適した
温度へ冷却された後に、移動装置（４）の陽極袋Ｍ　（
４ａ）へ供給される。特に、燃料は第１熱交換器（５）
、第２熱交換器（６）、燃料精製装置（７）へ送られ、
第１熱交換器（５）に戻り、次に陽極袋ｆｆ　（４ａ）
へ送られる。

本発明の例示的実施態様のように、燃料がメタンである
場合には、燃料精製装置（７）は供給燃料から硫黄不純
物を除去するために主に使用される。

通常、燃料精製装置は有機質硫黄類（例えばｐｈ　１ｏ
ｓｈｏｎｅｓ及びメルカプテン）を水素により無機質硫
黄類（例えば硫化水素）へ転化する慣用の水素化脱硫（
ＨＤＳ）装置（７ａ）と、次の酸化亜鉛を利用して前記
無機質硫黄を除去するための洗浄装置（７ｂ）よりなる
ことができる、好都合には、本発明の燃料電池システム
において、ＨＤＳ装置（７ａ）用の水素は移動装置の陰
極装置（４ｂ）から取り出されるガス流から誘導される
。

燃料の経路を追うことにより分かるように、燃料供給装
置（３）からの燃料は第１熱交換器（５）中で予め精製
済燃料により加熱され、循環の予め精製済燃料は移動装
置（４）に適合する温度へ冷却される。加熱された不純
物含有燃料は次に第２熱交換器（６）中で更に加熱され
、その結集燃料は燃料精製装置（７）で必要な温度とな
る。燃料精製装置（７）からの上述のような精製済燃料
は第１熱交換器（５）で冷却され、次に、移動装置（４
）の陽極袋’ｌ　（４ａ）へ送られる。

第２熱交換器（６）を通過する不純物含有燃料用の熱は
陰極区画（２ａ）からの第１廃ガスから誘導される。こ
の第１廃ガスは第２熱交換器（６）を通って温度を移動
装置（４）に適合するレベルへ低下させる。第２熱交換
器（６）を通過した購、第１廃ガスは移動装置（４）の
陽極装置（４ａ）へ直接供給するか（第１図において点
線で示す経路）、または第１廃ガス中の一酸化炭素を水
素及び水に転化する転化装置（１１）へまず送られる。

第２熱交換器（６）を使用する前に、第１廃ガスを他の
熱交換器（９）に送ることによりまず冷却する。熱交換
器（９）において、第１廃ガスは移動装置（４）の陰極
装置（４ｂ）からの第１流へ熱を与え、その結果第１流
が高温燃料電池（２）の陰極区画（２ａ）へ入る前に第
１流の温度を上昇させる。

燃料電池システム（１）の説明を完全なものにするため
に、水及び水素が移動した後に陽極装置（４ａ）に残留
する成分は第２流を形成する。第２流はバーナー（１５
）へ送られ、オキシダント供給装置（１２）からの空気
により第２流中の成分は燃焼される。有利なことは、移
動装置中の第２流から水を予め除去することは燃焼操作
を促進し、オキシダント組成を向上する。結果として、
バーナー中での二酸化炭素製造も促進される。

この段階で二酸化炭素に富んだ得られた流れは熱交換器
（１４）へ送られ、陽極区画（２ｂ）からの廃ガスによ
り冷却される０次に、冷却済流れは陽極区画ヘリサイク
ルされて、オキシダント供給装置（１２）からの空気と
混合される。好都合には、上述のように移動装置により
流れから水が既に除去されているために、冷却済流れか
ら陽極区画への二酸化炭素の移動も増加する。

上述のように、本発明の燃焼電池システムにおいて、移
動装置（４）の陰極袋！　（４ｂ）へ燃料を通過せさる
ことにより高温燃料電池（２）中の改質反応のために水
を誘導するためにこれまで使用されていた水回収装置は
除去される。移動装置（４）の陰極装置（４ｂ）への燃
料の通過はいわゆるネルンストポテンシャルを低下し、
それによって装置の電力必要量を低減するものと思われ
る。それ故、燃料電池システム（１）は装置及びエネル
ギーを余り必要としなｔ）。

上述から分かるように、陰極袋ｆｆ　（４ｂ）へ送られ
る水の藍は炭素の形成を防止するのに必要なスチーム量
及び高温燃料電池（２）の陰極区画（２ａ）で改質反応
を行なうことができるスチーム必要量に依存する。所望
のスチーム／炭素比は通常１であり、上述の場合には、
この比を得るために、水の量は燃料供給量に応じて調節
することができる。

本発明の他の面において、燃料電池システム（１）は必
要とする装置の量を更に低減するために付加的に適応で
きる。更に詳細には、燃料電池システム（１）は、移動
装置（４）の運転温度が燃料精製装置（７）の運転温度
にほぼ近い約２６０℃（５００下）以上へ上昇させて運
転することができる。その場合には、約２６０〜３１６
℃（５００〜６００下）へ燃料精製装置（７）の運転温
度を僅かに低下させることにより、それら２つの運転温
度を充分に接近させて燃料予熱負担を低減し、燃料供給
装置から燃料精製袋！　（７）を介して移動装置（４）
への燃料電池システムの支流において第１熱交換器（５
）及び第２熱交換器（６）の２つだけの熱交換器の燃料
電池システムを使用することが可能となる。

従って、再度、燃料電池システムの顕著な簡略化が得ら
れる。更に、移動装置（４）の運転温度を上昇させるこ
とにより、移動装置の効率及び−酸化炭素被毒に対する
抵抗性を増加することができる。

全ての場合において、上述の配置は本発明の用途を示す
多数の可能な特異的な配置の単なる説明に過ぎないこと
を理解されたい。本発明の精神及び範囲を逸脱しない限
り多数の種々の池の配置を本発明の原理に基づいて容易
に案出することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理に基づく内部改質燃料電池システ
ムを示す図である。図中、■・・・燃料電池システム、
２・・・高温燃料電池、２ａ・・・陰極区画、２ｂ・・
・陽極区画、３・・・燃料供給装置、４・・・移動装置
、４ａ・・・陽極装置、４ｂ・・・陰極装置、４ｃ・・
・リン酸電解液、４ｄ・・・電圧供給源、４ｅ・・・可
変負荷、５・・・第１熱交換器、６・・・第２熱交換器
、７・・・燃料精製装置、７ａ・・・水素化脱硫装置、
７ｂ・・・洗浄装置、９・・・熱交換器、１２・・・オ
キシダント供給装置、１４・・・熱交換器、１５・・・
バーナー。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、燃料供給装置からの炭化水素燃料を受け入れる燃料
   電池システムにおいて、前記燃料電池システムが、 燃料プロセスガス流を運搬し且つ水素及び水を含有する
   第１廃ガスを発生する陰極区画；オキシダントプロセス
   ガスを受け入れ且つ第２廃ガスを発生する陽極区画；及
   び前記燃料及び水の混合物を受け入れ且つ前記燃料中の
   炭化水素含量をスチーム改質して燃料プロセスガス流を
   造るための内部改質装置を含んでなる燃料電池、 第１廃ガスを受け入れるための陽極装置；陰極装置；前
   記陰極装置及び陽極装置へ電圧を印加するための装置；
   及び前記燃料供給装置から陰極装置へ炭化水素燃料を供
   給するための装置を備える移動装置であって、該移動装
   置は前記陽極装置中の第１廃ガス中の水を前記陰極装置
   への燃料供給量に依存して制御可能に陰極装置へ送り且
   つ前記陽極装置中の第１廃ガス中の水素を前記陰極装置
   へ送るものであり、陰極装置中に供給された燃料及びそ
   れに併合された水及び水素を含む成分類が第１流を形成
   し、且つ前記陽極装置中の残留成分が第２流を形成し、
   且つ 前記第１流れを内部スチーム改質装置へ接続するための
   装置を備えてなることを特徴とする燃料電池システム。 ２、スチーム改質装置が陰極区画へ組み込まれている請
   求項１記載の燃料電池システム。３、燃料供給装置から
   の燃料から不純物を除去する装置及び精製された燃料を
   陰極装置に接続する装置を含んでなる請求項１記載の燃
   料電池システム。 ４、燃料中の不純物が硫黄である請求項３記載の燃料電
   池システム。 ５、不純物除去装置が第１流の１部を受け入れる請求項
   ４記載の燃料電池システム。 ６、燃料供給装置からの燃料と精製済燃料とを熱交換す
   るための第１熱交換器装置；前記燃料供給装置からの燃
   料と第１廃ガスとを熱交換するための第１熱交換器装置
   に続く第２熱交換器装置を備えてなる請求項３記載の燃
   料電池システム。 ７、第１廃ガスを第２熱交換器装置中で熱交換する前に
   、第１流と第１廃ガスとを熱交換するための第３熱交換
   器装置を備えてなる請求項６記載の燃料電池システム。 ８、第２流れとオキシダントの新鮮な供給物を受け入れ
   るためのバーナー；及び前記バーナーの排出物を陽極区
   画とを接続するための装置を備えてなる請求項７記載の
   燃料電池システム。 ９、第２廃ガスとバーナーの排出物とを熱交換するため
   の第４熱交換器装置を備えてなる請求項８記載の燃料電
   池システム。 １０、第１廃ガス中の一酸化炭素を二酸化炭素及び水素
   へ転化するための転化反応器を備えてなる請求項７記載
   の燃料電池システム。 １１、移動装置が電気化学的電解槽である請求項３記載
   の燃料電池システム。 １２、電気化学的電解槽が２６０℃以上の温度で運転さ
   れる請求項１１記載の燃料電池システム。 １３、電気化学的電解槽がリン酸電気化学的電解槽であ
   る請求項１２記載の燃料電池システム。 １４、燃料電池が溶融炭酸塩燃料電池または固体酸化物
   燃料電池である請求項１記載の燃料電池システム。 １５、炭化水素燃料がメタンである請求項１記載の燃料
   電池システム。