JPH05129029A - 燃料電池を用いた発電システム - Google Patents
燃料電池を用いた発電システムInfo
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- JPH05129029A JPH05129029A JP3291330A JP29133091A JPH05129029A JP H05129029 A JPH05129029 A JP H05129029A JP 3291330 A JP3291330 A JP 3291330A JP 29133091 A JP29133091 A JP 29133091A JP H05129029 A JPH05129029 A JP H05129029A
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- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
- H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
- H01M8/0612—Combination 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
- H01M8/0625—Combination 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 in a modular combined reactor/fuel cell structure
- H01M8/0631—Reactor construction specially adapted for combination reactor/fuel cell
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- 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
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 水素分離膜を用いた改質装置及び固体高分子
電解質膜型燃料電池の特性を考慮し、全体として簡素で
エネルギーの利用効率の高い燃料電池による発電システ
ムを提供する。 【構成】 水素ガスを選択的に透過させる水素分離膜１
２が組み込まれた改質装置１１と、この改質装置１１か
らの水素ガスが供給される水素極２８と空気が供給され
る酸素極３６とが固体高分子電解質膜３７を挾んで対向
する燃料電池２７とを具えた発電システムにおいて、酸
素極３６に供給した後の空気により作動するエネルギー
回収手段４０,４１と、このエネルギー回収手段４０,４
１に用いた後の空気を改質装置１１の燃焼室１９に供給
する燃焼用空気供給通路３９と、水素ガスをキャリアガ
スと共に改質装置１１と燃料電池２７の水素極２８との
間を循環させる水素ガス循環通路２９,３０とを具えた
ものである。
電解質膜型燃料電池の特性を考慮し、全体として簡素で
エネルギーの利用効率の高い燃料電池による発電システ
ムを提供する。 【構成】 水素ガスを選択的に透過させる水素分離膜１
２が組み込まれた改質装置１１と、この改質装置１１か
らの水素ガスが供給される水素極２８と空気が供給され
る酸素極３６とが固体高分子電解質膜３７を挾んで対向
する燃料電池２７とを具えた発電システムにおいて、酸
素極３６に供給した後の空気により作動するエネルギー
回収手段４０,４１と、このエネルギー回収手段４０,４
１に用いた後の空気を改質装置１１の燃焼室１９に供給
する燃焼用空気供給通路３９と、水素ガスをキャリアガ
スと共に改質装置１１と燃料電池２７の水素極２８との
間を循環させる水素ガス循環通路２９,３０とを具えた
ものである。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、燃料電池を用いて排熱
エネルギを効率良く回収するようにした発電システムに
関し、特に比較的低温で作動する固体高分子電解質膜燃
料電池を用いた発電システムに応用して好適なものであ
る。
エネルギを効率良く回収するようにした発電システムに
関し、特に比較的低温で作動する固体高分子電解質膜燃
料電池を用いた発電システムに応用して好適なものであ
る。
【０００２】
【従来の技術】金属等の還元ガスとして有効な水素は、
燃料電池用の反応ガスとしても利用できることは周知の
通りである。この燃料電池は、資源の枯渇問題を有する
化石燃料を使う必要がない上、騒音をほとんど発生せ
ず、エネルギの回収効率も他のエネルギ機関と較べて非
常に高くできる等の優れた特徴を持っているため、例え
ばビルディング単位や工場単位の比較的小型の発電プラ
ントとして利用されている。
燃料電池用の反応ガスとしても利用できることは周知の
通りである。この燃料電池は、資源の枯渇問題を有する
化石燃料を使う必要がない上、騒音をほとんど発生せ
ず、エネルギの回収効率も他のエネルギ機関と較べて非
常に高くできる等の優れた特徴を持っているため、例え
ばビルディング単位や工場単位の比較的小型の発電プラ
ントとして利用されている。
【０００３】近年、この燃料電池を車載用の内燃機関に
代えて作動するモータの電源として利用し、このモータ
により車両等を駆動することが考えられている。この場
合に重要なことは、反応によって生成する物質等をでき
るだけ再利用することは当然のこととして、車載用であ
ることからも明らかなように、余り大きな出力は必要で
ないものの、全ての付帯設備と共に可能な限り小型であ
ることが望ましく、このような点から固体高分子電解質
膜燃料電池が注目されている。
代えて作動するモータの電源として利用し、このモータ
により車両等を駆動することが考えられている。この場
合に重要なことは、反応によって生成する物質等をでき
るだけ再利用することは当然のこととして、車載用であ
ることからも明らかなように、余り大きな出力は必要で
ないものの、全ての付帯設備と共に可能な限り小型であ
ることが望ましく、このような点から固体高分子電解質
膜燃料電池が注目されている。
【０００４】かかる固体高分子電解質膜燃料電池は、固
体高分子電解質膜の両側に触媒を含むガス拡散電極を接
合したものであり、メタノールと水等で構成される水素
原料を改質して得られる改質ガスを反応ガスとしてガス
拡散電極の陽極（以下、これを水素極と呼称する）側に
供給して発電する形式が取られる。
体高分子電解質膜の両側に触媒を含むガス拡散電極を接
合したものであり、メタノールと水等で構成される水素
原料を改質して得られる改質ガスを反応ガスとしてガス
拡散電極の陽極（以下、これを水素極と呼称する）側に
供給して発電する形式が取られる。
【０００５】このような固体高分子電解質膜燃料電池に
よる従来の発電システムの一例の概念を表す図２に示す
ように、高温の水蒸気と共に炭化水素やメタノール等の
原料ガスが供給される改質原料供給管101には、スチー
ムリフォーミング反応による前記原料ガスの水素含有ガ
スへの改質を促進する円筒状の改質触媒102を組み込ん
だ改質装置103が接続している。なお、このスチームリ
フォーミング反応の代表的なものを下記化１に記す。
よる従来の発電システムの一例の概念を表す図２に示す
ように、高温の水蒸気と共に炭化水素やメタノール等の
原料ガスが供給される改質原料供給管101には、スチー
ムリフォーミング反応による前記原料ガスの水素含有ガ
スへの改質を促進する円筒状の改質触媒102を組み込ん
だ改質装置103が接続している。なお、このスチームリ
フォーミング反応の代表的なものを下記化１に記す。
【０００６】
【化１】
【０００７】又、この改質装置103の改質触媒102の内側
には、改質ガスから水素ガスを選択的に透過させる水素
分離膜104が設けられており、この水素分離膜104によっ
て円柱状に仕切られた改質装置103の中央部の水素分離
室105には、水素ガス供給管106を介して燃料電池本体10
7の水素極108が接続している。この水素極108からの余
分な水素含有ガスは、水蒸気や窒素(N2)ガス等のキャリ
アガスと共にキャリアガス戻し管109から前記水素分離
室105に戻されるようになっており、水素ガス供給管106
及びキャリアガス戻し管109を介して改質装置103と燃料
電池本体107との間を循環する上記キャリアガスによ
り、水素分離膜104を透過する水素含有ガスが燃料電池
本体107の水素極108に供給される。
には、改質ガスから水素ガスを選択的に透過させる水素
分離膜104が設けられており、この水素分離膜104によっ
て円柱状に仕切られた改質装置103の中央部の水素分離
室105には、水素ガス供給管106を介して燃料電池本体10
7の水素極108が接続している。この水素極108からの余
分な水素含有ガスは、水蒸気や窒素(N2)ガス等のキャリ
アガスと共にキャリアガス戻し管109から前記水素分離
室105に戻されるようになっており、水素ガス供給管106
及びキャリアガス戻し管109を介して改質装置103と燃料
電池本体107との間を循環する上記キャリアガスによ
り、水素分離膜104を透過する水素含有ガスが燃料電池
本体107の水素極108に供給される。
【０００８】前記燃料電池本体107は、前記水素極108と
空気供給管110を介して空気中の酸素が供給される酸素
極111とを水で浸された状態の固体高分子電解質膜112を
間に挾んで対向させ、下式の如き反応を起こさせること
により、水素極108と酸素極111との間に電圧を発生させ
て燃料電池本体107の発電を行っている。 ２Ｈ2 → ４Ｈ+＋４ｅ- Ｏ2＋４Ｈ+＋４ｅ- → ２Ｈ2Ｏ
空気供給管110を介して空気中の酸素が供給される酸素
極111とを水で浸された状態の固体高分子電解質膜112を
間に挾んで対向させ、下式の如き反応を起こさせること
により、水素極108と酸素極111との間に電圧を発生させ
て燃料電池本体107の発電を行っている。 ２Ｈ2 → ４Ｈ+＋４ｅ- Ｏ2＋４Ｈ+＋４ｅ- → ２Ｈ2Ｏ
【０００９】一方、前記改質触媒102の周囲に形成され
た環状の燃焼室113には、改質ガスから水素分離膜104に
よって水素ガスが除かれ、これにより分離される残留ガ
スを燃焼させるための空気を供給する燃焼用空気供給管
114が接続している。そして、この燃焼用空気供給管114
からの空気と水素分離膜104を透過しない前記残留ガス
とが燃焼室113内に供給され、ここで残留ガスが燃焼し
て改質触媒102を活性化させるようになっている。
た環状の燃焼室113には、改質ガスから水素分離膜104に
よって水素ガスが除かれ、これにより分離される残留ガ
スを燃焼させるための空気を供給する燃焼用空気供給管
114が接続している。そして、この燃焼用空気供給管114
からの空気と水素分離膜104を透過しない前記残留ガス
とが燃焼室113内に供給され、ここで残留ガスが燃焼し
て改質触媒102を活性化させるようになっている。
【００１０】なお、この残留ガスの燃焼に伴って発生す
る燃焼排ガスは、排ガス管115を介して燃焼室113から排
出され、前記酸素極111を通った空気供給管110からの余
剰の空気は、排気管116から外部に排出される。
る燃焼排ガスは、排ガス管115を介して燃焼室113から排
出され、前記酸素極111を通った空気供給管110からの余
剰の空気は、排気管116から外部に排出される。
【００１１】この他、改質触媒によって生成する改質ガ
スから水素分離膜による水素含有ガスの分離を促進させ
るため、水蒸気や水等の駆動流体のエジェクタ作用によ
り発生する吸引力を利用した図３に示す如き燃料電池を
用いた発電システムも知られている。
スから水素分離膜による水素含有ガスの分離を促進させ
るため、水蒸気や水等の駆動流体のエジェクタ作用によ
り発生する吸引力を利用した図３に示す如き燃料電池を
用いた発電システムも知られている。
【００１２】即ち、スチームリフォーミング反応による
原料ガスの改質を促進する改質触媒201を組み込んだ改
質装置202には、高温の水蒸気が供給される改質反応用
水蒸気供給管203が接続しており、この改質反応用水蒸
気供給管203の途中には、炭化水素やメタノール等の原
料ガスが供給される改質原料供給管204が接続し、この
原料ガスが前記水蒸気と共に改質装置202の改質触媒201
中に送り込まれるようになっている。
原料ガスの改質を促進する改質触媒201を組み込んだ改
質装置202には、高温の水蒸気が供給される改質反応用
水蒸気供給管203が接続しており、この改質反応用水蒸
気供給管203の途中には、炭化水素やメタノール等の原
料ガスが供給される改質原料供給管204が接続し、この
原料ガスが前記水蒸気と共に改質装置202の改質触媒201
中に送り込まれるようになっている。
【００１３】又、この改質装置202の改質触媒201の内側
には、改質ガスから水素ガスを選択的に透過させる水素
分離膜205が設けられており、この水素分離膜205によっ
て仕切られた改質装置202の中央部の水素吸引室206に
は、先端側が吸引用蒸気供給管207を介して高圧の水蒸
気が供給されるエジェクタ208に連通する水素ガス吸引
管209の基端側が接続している。つまり、エジェクタ208
により水素ガス吸引管209を介して水素吸引室206内が減
圧状態となるため、改質ガス中に含まれる水素含有ガス
が効率良く水素分離膜205を透過して水素吸引室206内に
集められる。
には、改質ガスから水素ガスを選択的に透過させる水素
分離膜205が設けられており、この水素分離膜205によっ
て仕切られた改質装置202の中央部の水素吸引室206に
は、先端側が吸引用蒸気供給管207を介して高圧の水蒸
気が供給されるエジェクタ208に連通する水素ガス吸引
管209の基端側が接続している。つまり、エジェクタ208
により水素ガス吸引管209を介して水素吸引室206内が減
圧状態となるため、改質ガス中に含まれる水素含有ガス
が効率良く水素分離膜205を透過して水素吸引室206内に
集められる。
【００１４】前記エジェクタ208と燃料電池本体210の水
素極211とを接続する水素供給管212の途中には、前記吸
引用蒸気供給管207からの高圧の水蒸気を凝縮させる熱
交換器213と、排液管214を有する気液分離器215とが順
に介装され、これにより、燃料電池本体210の水素極211
には吸引用蒸気供給管207からの水蒸気が除去された状
態で水素含有ガスが供給される。
素極211とを接続する水素供給管212の途中には、前記吸
引用蒸気供給管207からの高圧の水蒸気を凝縮させる熱
交換器213と、排液管214を有する気液分離器215とが順
に介装され、これにより、燃料電池本体210の水素極211
には吸引用蒸気供給管207からの水蒸気が除去された状
態で水素含有ガスが供給される。
【００１５】前記燃料電池本体210は、前記水素極211と
空気供給管216を介して空気中の酸素が供給される酸素
極217とを冷却水供給管218からの冷却水により冷却され
る固体高分子電解質膜219を間に挾んで対向させ、これ
により水素極211と酸素極217との間に電圧を発生させて
燃料電池本体210の発電を行っている。
空気供給管216を介して空気中の酸素が供給される酸素
極217とを冷却水供給管218からの冷却水により冷却され
る固体高分子電解質膜219を間に挾んで対向させ、これ
により水素極211と酸素極217との間に電圧を発生させて
燃料電池本体210の発電を行っている。
【００１６】一方、前記改質触媒201の周囲に形成され
た燃焼室220には、改質ガスから水素分離膜205によって
水素ガスが除かれ、これによって分離される残留ガスを
燃焼させるための空気を供給する燃焼用空気供給管221
が接続しており、この燃焼用空気供給管221からの空気
と、改質触媒201に連通する残留ガス供給管222からの水
素分離膜205を透過しない前記残留ガスと、前記改質原
料供給管204から分岐する分岐管223からの原料ガスとが
燃焼室220内に供給され、ここで残留ガスが燃焼して改
質触媒201を活性化させるようになっている。
た燃焼室220には、改質ガスから水素分離膜205によって
水素ガスが除かれ、これによって分離される残留ガスを
燃焼させるための空気を供給する燃焼用空気供給管221
が接続しており、この燃焼用空気供給管221からの空気
と、改質触媒201に連通する残留ガス供給管222からの水
素分離膜205を透過しない前記残留ガスと、前記改質原
料供給管204から分岐する分岐管223からの原料ガスとが
燃焼室220内に供給され、ここで残留ガスが燃焼して改
質触媒201を活性化させるようになっている。
【００１７】なお、この残留ガスの燃焼に伴って発生す
る燃焼排ガスは、排ガス管224を介して燃焼室220から排
出され、前記酸素極217を通った空気供給管216からの余
剰の空気は、排気管225から外部に排出されるようにな
っている。又、前記水素極211からの余分な水素含有ガ
スはキャリアガス戻し管226から前記水素吸引室206に戻
される。
る燃焼排ガスは、排ガス管224を介して燃焼室220から排
出され、前記酸素極217を通った空気供給管216からの余
剰の空気は、排気管225から外部に排出されるようにな
っている。又、前記水素極211からの余分な水素含有ガ
スはキャリアガス戻し管226から前記水素吸引室206に戻
される。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】燃料電池を用いた図２
に示す従来の発電システムでは、改質触媒102が燃焼室1
13での燃焼触媒としても機能しているため、改質触媒10
2の経時的な劣化が激しく、頻繁に改質触媒102を交換す
る必要がある。又、燃焼室113に対する水素分離室105の
差圧を積極的に増大させていないため、改質装置103か
らの水素ガスの回収効率が余り高くない上、燃焼室113
にて生成する燃焼排ガスが排ガス管115からそのまま排
出されてしまい、排熱回収の点で問題がある。
に示す従来の発電システムでは、改質触媒102が燃焼室1
13での燃焼触媒としても機能しているため、改質触媒10
2の経時的な劣化が激しく、頻繁に改質触媒102を交換す
る必要がある。又、燃焼室113に対する水素分離室105の
差圧を積極的に増大させていないため、改質装置103か
らの水素ガスの回収効率が余り高くない上、燃焼室113
にて生成する燃焼排ガスが排ガス管115からそのまま排
出されてしまい、排熱回収の点で問題がある。
【００１９】又、図３に示す従来の発電システムでは、
エジェクタ208を用いることにより改質装置202からの水
素含有ガスの回収効率を図２に示したものよりも高めて
いるものの、改質触媒201が燃焼室220での燃焼触媒とし
ても機能しているため、改質触媒201の経時的な劣化が
激しく、頻繁に改質触媒201を交換する必要がある。し
かも、燃焼室220にて生成する燃焼排ガスが排ガス管224
からそのまま排出されてしまい、やはり排熱回収の点で
問題があった。
エジェクタ208を用いることにより改質装置202からの水
素含有ガスの回収効率を図２に示したものよりも高めて
いるものの、改質触媒201が燃焼室220での燃焼触媒とし
ても機能しているため、改質触媒201の経時的な劣化が
激しく、頻繁に改質触媒201を交換する必要がある。し
かも、燃焼室220にて生成する燃焼排ガスが排ガス管224
からそのまま排出されてしまい、やはり排熱回収の点で
問題があった。
【００２０】しかも、これら二つの発電システム共に水
素分離膜を用いた改質装置及び固体高分子電解質膜型燃
料電池の特徴を充分に生かしたシステムになっていると
は言い難く、エネルギーの有効利用や発電効率等の点で
何らかの改善の余地が残されていた。
素分離膜を用いた改質装置及び固体高分子電解質膜型燃
料電池の特徴を充分に生かしたシステムになっていると
は言い難く、エネルギーの有効利用や発電効率等の点で
何らかの改善の余地が残されていた。
【００２１】
【発明の目的】本発明は、水素分離膜を用いた改質装置
及び固体高分子電解質膜型燃料電池の特性を考慮し、全
体として簡素でエネルギーの利用効率の高い燃料電池に
よる発電システムを提供することを目的とする。
及び固体高分子電解質膜型燃料電池の特性を考慮し、全
体として簡素でエネルギーの利用効率の高い燃料電池に
よる発電システムを提供することを目的とする。
【００２２】
【課題を解決するための手段】水素分離膜を用いた改質
装置は、１〜７atm程度の加圧状態で５００〜６００℃
程度の低温改質により、窒素酸化物を発生させることな
く純度が９９.９９９％以上の極めて高純度な水素を得
ることができ、一酸化炭素の除去装置を付設する必要が
ない。しかも、触媒燃焼方式を採用することにより、改
質触媒を囲む燃焼室での残留ガス等を常圧下でも例えば
１０００ｋcal／Nm3以下の低発熱量の燃料ガスと酸素濃
度が１０％以下の酸素貧化空気とを用いて５５０〜６５
０℃程度の低温で燃焼させることができる。以上のよう
なことから、改質装置を構成する材料や強度の点で有利
である。
装置は、１〜７atm程度の加圧状態で５００〜６００℃
程度の低温改質により、窒素酸化物を発生させることな
く純度が９９.９９９％以上の極めて高純度な水素を得
ることができ、一酸化炭素の除去装置を付設する必要が
ない。しかも、触媒燃焼方式を採用することにより、改
質触媒を囲む燃焼室での残留ガス等を常圧下でも例えば
１０００ｋcal／Nm3以下の低発熱量の燃料ガスと酸素濃
度が１０％以下の酸素貧化空気とを用いて５５０〜６５
０℃程度の低温で燃焼させることができる。以上のよう
なことから、改質装置を構成する材料や強度の点で有利
である。
【００２３】一方、固体高分子電解質膜型燃料電池は低
温作動が可能で、その起動時間も短いものの、特に水素
極側に設けられる白金系等の水素解離用触媒が一酸化炭
素によって被毒するのを防止するため、不純物としての
一酸化炭素が１０ppmしか含まれない高純度の水素ガス
が必要となる。又、高分子電解質膜の乾燥を防止するた
め、水素ガスを加湿した状態で供給しなければならず、
しかも電池の単位体積当たりの出力（電流×電圧密度）
を大きくするためには、水素極及び酸素極共に操作圧を
高くする、即ち加圧操作を行うことが望ましい。
温作動が可能で、その起動時間も短いものの、特に水素
極側に設けられる白金系等の水素解離用触媒が一酸化炭
素によって被毒するのを防止するため、不純物としての
一酸化炭素が１０ppmしか含まれない高純度の水素ガス
が必要となる。又、高分子電解質膜の乾燥を防止するた
め、水素ガスを加湿した状態で供給しなければならず、
しかも電池の単位体積当たりの出力（電流×電圧密度）
を大きくするためには、水素極及び酸素極共に操作圧を
高くする、即ち加圧操作を行うことが望ましい。
【００２４】このような水素分離膜を用いた改質装置及
び固体高分子電解質膜型燃料電池の特性に鑑み、本発明
による燃料電池を用いた発電システムは、水素ガスを選
択的に透過させる水素分離膜が組み込まれ且つ原料ガス
を前記水素ガスが含まれた改質ガスに改質させる改質装
置と、この改質装置の前記水素分離膜を透過した前記水
素ガスが供給される水素極と空気が供給される酸素極と
が固体高分子電解質膜を挾んで対向する固体高分子電解
質膜型燃料電池とを具えた発電システムにおいて、前記
酸素極に供給した後の空気により作動するエネルギー回
収手段と、このエネルギー回収手段に用いた後の前記空
気を前記改質装置の燃焼室に供給する燃焼用空気供給通
路と、前記水素ガスをキャリアガスと共に前記改質装置
と前記固体高分子電解質膜型燃料電池の水素極との間を
循環させる水素ガス循環通路とを具えたものである。
び固体高分子電解質膜型燃料電池の特性に鑑み、本発明
による燃料電池を用いた発電システムは、水素ガスを選
択的に透過させる水素分離膜が組み込まれ且つ原料ガス
を前記水素ガスが含まれた改質ガスに改質させる改質装
置と、この改質装置の前記水素分離膜を透過した前記水
素ガスが供給される水素極と空気が供給される酸素極と
が固体高分子電解質膜を挾んで対向する固体高分子電解
質膜型燃料電池とを具えた発電システムにおいて、前記
酸素極に供給した後の空気により作動するエネルギー回
収手段と、このエネルギー回収手段に用いた後の前記空
気を前記改質装置の燃焼室に供給する燃焼用空気供給通
路と、前記水素ガスをキャリアガスと共に前記改質装置
と前記固体高分子電解質膜型燃料電池の水素極との間を
循環させる水素ガス循環通路とを具えたものである。
【００２５】
【作用】改質装置と固体高分子電解質膜型燃料電池とを
連通する水素ガス循環通路内にはキャリアガスが充填さ
れており、このキャリアガスは改質装置と固体高分子電
解質膜型燃料電池の水素極との間を循環する。
連通する水素ガス循環通路内にはキャリアガスが充填さ
れており、このキャリアガスは改質装置と固体高分子電
解質膜型燃料電池の水素極との間を循環する。
【００２６】一方、改質装置に供給される原料ガスは、
この改質装置によって改質ガスとなり、キャリアガスの
流れに伴って改質ガス中の水素ガスが水素分離膜を透過
し、キャリアガスと合流して固体高分子電解質膜型燃料
電池の水素極に供給される。そして、この固体高分子電
解質膜型燃料電池の酸素極に供給される空気中の酸素と
反応し、これら水素極と酸素極との間に電圧が発生す
る。
この改質装置によって改質ガスとなり、キャリアガスの
流れに伴って改質ガス中の水素ガスが水素分離膜を透過
し、キャリアガスと合流して固体高分子電解質膜型燃料
電池の水素極に供給される。そして、この固体高分子電
解質膜型燃料電池の酸素極に供給される空気中の酸素と
反応し、これら水素極と酸素極との間に電圧が発生す
る。
【００２７】又、酸素極に供給された後の空気の流れは
エネルギー回収手段に送られ、そのエネルギーが何らか
の形で回収された後、更に空気供給通路から改質装置の
燃焼室に送られて水素ガスが減損状態となった改質ガス
の燃焼に利用される。
エネルギー回収手段に送られ、そのエネルギーが何らか
の形で回収された後、更に空気供給通路から改質装置の
燃焼室に送られて水素ガスが減損状態となった改質ガス
の燃焼に利用される。
【００２８】
【実施例】本発明による燃料電池を用いた発電システム
の一実施例の概念を表す図１に示すように、本実施例の
改質装置１１は、炭化水素やメタノール等の原料ガスの
スチームリフォーミング反応により生成する改質ガスか
ら、水素ガスを選択的に透過させる円筒状の水素分離膜
１２と、この水素分離膜１２を取り囲み且つ原料ガスの
改質触媒１３が組み込まれた内筒１４と、この内筒１４
を取り囲み且つ燃焼触媒１５が組み込まれた外筒１６と
で主要部が構成されている。
の一実施例の概念を表す図１に示すように、本実施例の
改質装置１１は、炭化水素やメタノール等の原料ガスの
スチームリフォーミング反応により生成する改質ガスか
ら、水素ガスを選択的に透過させる円筒状の水素分離膜
１２と、この水素分離膜１２を取り囲み且つ原料ガスの
改質触媒１３が組み込まれた内筒１４と、この内筒１４
を取り囲み且つ燃焼触媒１５が組み込まれた外筒１６と
で主要部が構成されている。
【００２９】なお、原料ガスのスチームスチームリフォ
ーミング反応により生成する改質ガスから、水素ガスを
選択的に透過させる前記水素分離膜１５として、本実施
例では水素選択性の高いパラジウム合金系のものを採用
している。これにより、乾燥状態では容易に９９.９９
９％以上の高純度な水素を得ることができ、水素ガス中
に含まれる一酸化炭素の濃度を１０ppm以下にすること
が望ましい高分子電解質膜型燃料電池の要求を実現する
ことができる。
ーミング反応により生成する改質ガスから、水素ガスを
選択的に透過させる前記水素分離膜１５として、本実施
例では水素選択性の高いパラジウム合金系のものを採用
している。これにより、乾燥状態では容易に９９.９９
９％以上の高純度な水素を得ることができ、水素ガス中
に含まれる一酸化炭素の濃度を１０ppm以下にすること
が望ましい高分子電解質膜型燃料電池の要求を実現する
ことができる。
【００３０】前記改質装置１１の内筒１４には、原料ガ
スを改質触媒１３中に供給する改質原料供給管１７が接
続しており、更にこの改質原料供給管１７の途中には、
前記原料ガスと共に高温の水蒸気を内筒１４内に供給す
る改質反応用水蒸気供給管１８が接続している。本実施
例では、原料ガスの一部を内筒１４と外筒１６とで囲ま
れた燃焼室１９内に供給できるようにしており、これに
伴って前記改質原料供給管１７と外筒１６とは、改質原
料供給管１７の途中から分岐する分岐管２０を介して連
通状態となっている。
スを改質触媒１３中に供給する改質原料供給管１７が接
続しており、更にこの改質原料供給管１７の途中には、
前記原料ガスと共に高温の水蒸気を内筒１４内に供給す
る改質反応用水蒸気供給管１８が接続している。本実施
例では、原料ガスの一部を内筒１４と外筒１６とで囲ま
れた燃焼室１９内に供給できるようにしており、これに
伴って前記改質原料供給管１７と外筒１６とは、改質原
料供給管１７の途中から分岐する分岐管２０を介して連
通状態となっている。
【００３１】又、前記水素分離膜１２と内筒１４とで囲
まれた改質ガス発生室２１と前記燃焼室１９とは、この
改質ガス発生室２１内の残留ガスを燃焼室１９内に導く
ための残留ガス供給管２２を介して連通状態となってお
り、この残留ガス供給管２２の途中には当該残留ガス供
給管２２内を流れる残留ガスのエネルギーを利用して回
転する膨張タービン２３が介装されている。
まれた改質ガス発生室２１と前記燃焼室１９とは、この
改質ガス発生室２１内の残留ガスを燃焼室１９内に導く
ための残留ガス供給管２２を介して連通状態となってお
り、この残留ガス供給管２２の途中には当該残留ガス供
給管２２内を流れる残留ガスのエネルギーを利用して回
転する膨張タービン２３が介装されている。
【００３２】更に、前記燃焼室１９内での残留ガスの燃
焼によって生成する排ガスは、この燃焼室１９に連通す
る排ガス管２４を介して外部に排出されるようになって
いるが、本実施例ではこの燃焼排ガスの熱エネルギーを
有効利用するため、排ガス管２４と前記改質原料供給管
１７とを交差させ、この交差部分に改質原料供給管１７
内を流れる原料ガスを加熱する熱交換器２５を設けてい
る。
焼によって生成する排ガスは、この燃焼室１９に連通す
る排ガス管２４を介して外部に排出されるようになって
いるが、本実施例ではこの燃焼排ガスの熱エネルギーを
有効利用するため、排ガス管２４と前記改質原料供給管
１７とを交差させ、この交差部分に改質原料供給管１７
内を流れる原料ガスを加熱する熱交換器２５を設けてい
る。
【００３３】一方、前記水素分離膜１２によって仕切ら
れた改質装置１１の中央部の水素分離室２６と、燃料電
池本体２７の水素極２８とは、水素供給管２９及びキャ
リアガス戻し管３０を介して相互に連通し、キャリアガ
スが充填された水素ガスの循環通路を構成している。つ
まり、水素分離膜１２を透過した水素分離室２６内の水
素ガスは、キャリアガスと共に水素供給管２９を通って
燃料電池本体２７の水素極２８に供給され、余剰の水素
ガスがキャリアガスと共にキャリアガス戻し管３０から
水素分離室２６へ戻されるようになっている。
れた改質装置１１の中央部の水素分離室２６と、燃料電
池本体２７の水素極２８とは、水素供給管２９及びキャ
リアガス戻し管３０を介して相互に連通し、キャリアガ
スが充填された水素ガスの循環通路を構成している。つ
まり、水素分離膜１２を透過した水素分離室２６内の水
素ガスは、キャリアガスと共に水素供給管２９を通って
燃料電池本体２７の水素極２８に供給され、余剰の水素
ガスがキャリアガスと共にキャリアガス戻し管３０から
水素分離室２６へ戻されるようになっている。
【００３４】前記水素供給管２９の途中には、膨張ター
ビン２３と同軸一体の圧縮機３１が介装され、この圧縮
機３１の作動によって水素供給管２９内を流れる水素ガ
スが燃料電池本体２７の水素極２８に加圧状態で供給さ
れるようになっている。又、本実施例では前記キャリア
ガスとして水蒸気を採用しているため、前記水素分離室
２６と圧縮機３１との間の水素供給管２９の途中には、
水素分離室２６側から流れて来る水素ガスに含まれる水
蒸気を凝縮させるための冷却液供給管３２が組み込まれ
た凝縮器３３と、凝縮した水分を排出するためのドレン
管３４を有する気液分離器３５とが介装され、適度な湿
気を含んだ水素ガスが燃料電池本体２７の水素極２８へ
送り込まれるようになっている。
ビン２３と同軸一体の圧縮機３１が介装され、この圧縮
機３１の作動によって水素供給管２９内を流れる水素ガ
スが燃料電池本体２７の水素極２８に加圧状態で供給さ
れるようになっている。又、本実施例では前記キャリア
ガスとして水蒸気を採用しているため、前記水素分離室
２６と圧縮機３１との間の水素供給管２９の途中には、
水素分離室２６側から流れて来る水素ガスに含まれる水
蒸気を凝縮させるための冷却液供給管３２が組み込まれ
た凝縮器３３と、凝縮した水分を排出するためのドレン
管３４を有する気液分離器３５とが介装され、適度な湿
気を含んだ水素ガスが燃料電池本体２７の水素極２８へ
送り込まれるようになっている。
【００３５】燃料電池本体２７は、水素極２８と空気中
の酸素が供給される酸素極３６とを水で浸された状態の
固体高分子電解質膜３７を間に挾んで対向させたもので
あり、前記酸素極３６には除塵された空気が供給される
空気供給管３８と、酸素極３６を通過した後の空気を改
質装置１１の燃焼室１９に供給する燃焼用空気供給管３
９とが接続している。
の酸素が供給される酸素極３６とを水で浸された状態の
固体高分子電解質膜３７を間に挾んで対向させたもので
あり、前記酸素極３６には除塵された空気が供給される
空気供給管３８と、酸素極３６を通過した後の空気を改
質装置１１の燃焼室１９に供給する燃焼用空気供給管３
９とが接続している。
【００３６】前記燃焼用空気供給管３９の途中には、酸
素極３６を通過した後の膨張空気により作動する膨張タ
ービン４０が介装され、この膨張タービン４０と同軸一
体の圧縮機４１が空気供給管３８の途中に介装されてい
る。これにより、圧縮機４１の作動に伴って加圧された
状態の空気が燃料電池本体２７の酸素極３６に供給さ
れ、加圧された状態の水素ガスが燃料電池本体２７の水
素極２８に供給されることと相俟って、燃料電池として
の発電効率が従来よりも改善することができる。
素極３６を通過した後の膨張空気により作動する膨張タ
ービン４０が介装され、この膨張タービン４０と同軸一
体の圧縮機４１が空気供給管３８の途中に介装されてい
る。これにより、圧縮機４１の作動に伴って加圧された
状態の空気が燃料電池本体２７の酸素極３６に供給さ
れ、加圧された状態の水素ガスが燃料電池本体２７の水
素極２８に供給されることと相俟って、燃料電池として
の発電効率が従来よりも改善することができる。
【００３７】本実施例では、これら膨張タービン４０及
び圧縮機４１を本発明のエネルギー回収手段として機能
させているが、膨張タービン４０を水素供給管２９の圧
縮機３１の動力源として利用する等、これ以外に利用す
ることも当然可能である。
び圧縮機４１を本発明のエネルギー回収手段として機能
させているが、膨張タービン４０を水素供給管２９の圧
縮機３１の動力源として利用する等、これ以外に利用す
ることも当然可能である。
【００３８】なお、本実施例では膨張タービン４０と燃
焼室１９との間の燃焼用空気供給管３９の途中から分岐
する排気管４２を設け、空気が過渡に燃焼室１９側へ供
給されないように配慮している。
焼室１９との間の燃焼用空気供給管３９の途中から分岐
する排気管４２を設け、空気が過渡に燃焼室１９側へ供
給されないように配慮している。
【００３９】従って、熱交換器２５を通って加熱膨張し
た改質原料供給管１７からの原料ガス及び改質反応用水
蒸気供給管１８からの高温の水蒸気が改質ガス発生室２
１内に供給され、改質ガス発生室２１内の圧力が水素分
離室２６内の圧力に対して相対的に高くなる上、水蒸気
がキャリアガスとして水素分離室２６内に流される結
果、この水素分離室２６内の水素ガスの分圧が改質ガス
発生室２１内の水素ガスの分圧よりも大幅に低くなった
状態となる。これにより、改質ガス発生室２１にて生成
した水素ガスが効率良く水素分離膜１２を透過し、水素
分離室２６からキャリアガスと共に燃料電池本体２７の
水素極２８側に送られる。この場合、凝縮器３３及び気
液分離器３５によって水素含有ガスが適切な加湿状態に
調節される。
た改質原料供給管１７からの原料ガス及び改質反応用水
蒸気供給管１８からの高温の水蒸気が改質ガス発生室２
１内に供給され、改質ガス発生室２１内の圧力が水素分
離室２６内の圧力に対して相対的に高くなる上、水蒸気
がキャリアガスとして水素分離室２６内に流される結
果、この水素分離室２６内の水素ガスの分圧が改質ガス
発生室２１内の水素ガスの分圧よりも大幅に低くなった
状態となる。これにより、改質ガス発生室２１にて生成
した水素ガスが効率良く水素分離膜１２を透過し、水素
分離室２６からキャリアガスと共に燃料電池本体２７の
水素極２８側に送られる。この場合、凝縮器３３及び気
液分離器３５によって水素含有ガスが適切な加湿状態に
調節される。
【００４０】水素分離室２６から水素供給管２９に送り
出された水素含有ガスは、膨張タービン２３によって駆
動される凝縮器３３にて冷却液供給管３２内を流れる冷
却液と熱交換した後、気液分離器３５により余分な水分
が分離され、適当な温度と湿度とに調整されて圧縮機３
１を介し、加圧された状態となって燃料電池本体２７の
水素極２８に供給される。そして、この水素極２８にて
水素含有ガス中の大部分の水素が消費され、電気的に変
換される。
出された水素含有ガスは、膨張タービン２３によって駆
動される凝縮器３３にて冷却液供給管３２内を流れる冷
却液と熱交換した後、気液分離器３５により余分な水分
が分離され、適当な温度と湿度とに調整されて圧縮機３
１を介し、加圧された状態となって燃料電池本体２７の
水素極２８に供給される。そして、この水素極２８にて
水素含有ガス中の大部分の水素が消費され、電気的に変
換される。
【００４１】しかる後、水素極２８からの水素ガスが減
損したガスは、キャリアガス戻し管３０を通って再び水
素分離室２６内に戻される。
損したガスは、キャリアガス戻し管３０を通って再び水
素分離室２６内に戻される。
【００４２】一方、水素分離膜１２を透過しなかった改
質後の残留ガスは、改質ガス発生室２１から残留ガス供
給管２２を介して前記膨張タービン２３側に排出され、
膨張タービン２３を駆動することによりエネルギーの回
収を行った後、燃焼室１９内に送り込まれて燃焼触媒１
５により燃焼し、改質触媒１３の活性化を図る。この
時、改質ガス発生室２１からの残留ガスだけでは、燃料
が不足する場合には、改質原料供給管１７からの原料ガ
スの一部を分岐管２０を介して燃焼室１９内に導き、補
助燃料ガスとして使用する。
質後の残留ガスは、改質ガス発生室２１から残留ガス供
給管２２を介して前記膨張タービン２３側に排出され、
膨張タービン２３を駆動することによりエネルギーの回
収を行った後、燃焼室１９内に送り込まれて燃焼触媒１
５により燃焼し、改質触媒１３の活性化を図る。この
時、改質ガス発生室２１からの残留ガスだけでは、燃料
が不足する場合には、改質原料供給管１７からの原料ガ
スの一部を分岐管２０を介して燃焼室１９内に導き、補
助燃料ガスとして使用する。
【００４３】又、膨張タービン４０によって駆動される
圧縮機４１にて加圧された空気は、空気供給管３８から
燃料電池本体２７の酸素極３６に供給され、その酸素の
一部が燃料電池の発電のために消費される。この酸素極
３６を通過した膨張空気は、燃焼用空気供給管３９の途
中に設けられた前記膨張タービン４０に供給され、ここ
でエネルギーの回収を行うと共にその一部が排気管４２
から系外に排出された後、改質装置１１の燃焼室１９内
に供給され、前記残留ガスの燃焼用空気として使用され
る。
圧縮機４１にて加圧された空気は、空気供給管３８から
燃料電池本体２７の酸素極３６に供給され、その酸素の
一部が燃料電池の発電のために消費される。この酸素極
３６を通過した膨張空気は、燃焼用空気供給管３９の途
中に設けられた前記膨張タービン４０に供給され、ここ
でエネルギーの回収を行うと共にその一部が排気管４２
から系外に排出された後、改質装置１１の燃焼室１９内
に供給され、前記残留ガスの燃焼用空気として使用され
る。
【００４４】この燃焼室１９内で発生する燃焼熱は、前
記改質ガス発生室２１内で生ずる吸熱性のスチームリフ
ォーミング反応の熱源として利用され、更にその燃焼排
ガスを熱交換機２５に導いて原料ガスの予熱に用いる。
記改質ガス発生室２１内で生ずる吸熱性のスチームリフ
ォーミング反応の熱源として利用され、更にその燃焼排
ガスを熱交換機２５に導いて原料ガスの予熱に用いる。
【００４５】本発明による燃料電池を用いた発電システ
ムが有効であることを確認するため、上述した一実施例
においてメタンを原料ガスとして出力が５ｋＷの発電シ
ステムを構成し、その特性について試験した結果、単一
セル当たり０.７５Ｖの電圧が得られた。
ムが有効であることを確認するため、上述した一実施例
においてメタンを原料ガスとして出力が５ｋＷの発電シ
ステムを構成し、その特性について試験した結果、単一
セル当たり０.７５Ｖの電圧が得られた。
【００４６】試験条件は以下の通りである。即ち、酸素
極３６には空気供給管３８から８０℃の温度の空気を
２.５気圧の圧力で１時間当たり５９５モルの割合で供
給する一方、水素極２８には８０℃の水素含有ガスを２
気圧の圧力で１時間当たり２７９.８モルの割合で供給
した。この水素含有ガスの成分は水素が５９.６モル
％、窒素が２７.７モル％、水が１２.７モル％である。
極３６には空気供給管３８から８０℃の温度の空気を
２.５気圧の圧力で１時間当たり５９５モルの割合で供
給する一方、水素極２８には８０℃の水素含有ガスを２
気圧の圧力で１時間当たり２７９.８モルの割合で供給
した。この水素含有ガスの成分は水素が５９.６モル
％、窒素が２７.７モル％、水が１２.７モル％である。
【００４７】このように、燃料電池本体２７の酸素極３
６にて使用した空気を膨張タービン４０によるエネルギ
ー回収後に、改質装置１１の燃焼室１９内に供給し、改
質ガス発生室２１からの残留ガスの燃焼用空気として用
いる一方、改質装置１１の水素分離室２６内に透過して
来る水素ガスを搬送するキャリアガスとして、燃料電池
本体２７の水素極２８からのオフガスを循環再利用する
本発明のシステムが有効であることが判った。
６にて使用した空気を膨張タービン４０によるエネルギ
ー回収後に、改質装置１１の燃焼室１９内に供給し、改
質ガス発生室２１からの残留ガスの燃焼用空気として用
いる一方、改質装置１１の水素分離室２６内に透過して
来る水素ガスを搬送するキャリアガスとして、燃料電池
本体２７の水素極２８からのオフガスを循環再利用する
本発明のシステムが有効であることが判った。
【００４８】
【発明の効果】本発明の燃料電池を用いた発電システム
によると、水素分離膜を用いた改質装置を採用すること
により、高純度の水素ガスを得ることが可能となり、燃
料電池を構成する固体高分子電解質膜を劣化させる心配
がない。又、改質触媒とは別に改質装置の燃焼室に燃焼
触媒を設けたので、低温下や低発熱量の燃料や或いは低
酸素濃度での燃焼が可能となり、改質装置を構成する材
料や強度の点で従来のものよりも有利となる。
によると、水素分離膜を用いた改質装置を採用すること
により、高純度の水素ガスを得ることが可能となり、燃
料電池を構成する固体高分子電解質膜を劣化させる心配
がない。又、改質触媒とは別に改質装置の燃焼室に燃焼
触媒を設けたので、低温下や低発熱量の燃料や或いは低
酸素濃度での燃焼が可能となり、改質装置を構成する材
料や強度の点で従来のものよりも有利となる。
【００４９】更に、燃料電池の酸素極で使用した空気を
エネルギーの回収後に、改質装置の燃焼用空気として用
いているため、燃料電池の酸素極からの熱量と発電時に
生成する水分とによりエンタルピーが増大する分、省エ
ネルギーを期待することができる。
エネルギーの回収後に、改質装置の燃焼用空気として用
いているため、燃料電池の酸素極からの熱量と発電時に
生成する水分とによりエンタルピーが増大する分、省エ
ネルギーを期待することができる。
【図１】燃料電池を用いた本発明による発電システムの
一実施例の概略を表す概念図である。
一実施例の概略を表す概念図である。
【図２】燃料電池を用いた従来の発電システムの一例を
表す概念図である。
表す概念図である。
【図３】燃料電池を用いた従来の発電システムの別な一
例を表す概念図である。
例を表す概念図である。
１１は改質装置、１２は水素分離膜、１３は改質触媒、
１４は内筒、１５は燃焼触媒、１６は外筒、１７は改質
原料供給管、１８は改質反応用水蒸気供給管、１９は燃
焼室、２０は分岐管、２１は改質ガス発生室、２２は残
留ガス供給管、２３は膨張タービン、２４は排ガス管、
２５は熱交換器、２６は水素分離室、２７は燃料電池本
体、２８は水素極、２９は水素供給管、３０はキャリア
ガス戻し管、３１は圧縮機、３２は冷却液供給管、３３
は凝縮器、３４はドレン管、３５は気液分離器、３６は
酸素極、３７は固体高分子電解質膜、３８は空気供給
管、３９は燃焼用空気供給管、４０は膨張タービン、４
１は圧縮機、４２は排気管である。
１４は内筒、１５は燃焼触媒、１６は外筒、１７は改質
原料供給管、１８は改質反応用水蒸気供給管、１９は燃
焼室、２０は分岐管、２１は改質ガス発生室、２２は残
留ガス供給管、２３は膨張タービン、２４は排ガス管、
２５は熱交換器、２６は水素分離室、２７は燃料電池本
体、２８は水素極、２９は水素供給管、３０はキャリア
ガス戻し管、３１は圧縮機、３２は冷却液供給管、３３
は凝縮器、３４はドレン管、３５は気液分離器、３６は
酸素極、３７は固体高分子電解質膜、３８は空気供給
管、３９は燃焼用空気供給管、４０は膨張タービン、４
１は圧縮機、４２は排気管である。
Claims (1)
- 【請求項１】 水素ガスを選択的に透過させる水素分離
膜が組み込まれ且つ原料ガスを前記水素ガスが含まれた
改質ガスに改質させる改質装置と、この改質装置の前記
水素分離膜を透過した前記水素ガスが供給される水素極
と空気が供給される酸素極とが固体高分子電解質膜を挾
んで対向する固体高分子電解質膜型燃料電池とを具えた
発電システムにおいて、前記酸素極に供給した後の空気
により作動するエネルギー回収手段と、このエネルギー
回収手段に用いた後の前記空気を前記改質装置の燃焼室
に供給する燃焼用空気供給通路と、前記水素ガスをキャ
リアガスと共に前記改質装置と前記固体高分子電解質膜
型燃料電池の水素極との間を循環させる水素ガス循環通
路とを具えた燃料電池を用いた発電システム。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3291330A JPH05129029A (ja) | 1991-11-07 | 1991-11-07 | 燃料電池を用いた発電システム |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3291330A JPH05129029A (ja) | 1991-11-07 | 1991-11-07 | 燃料電池を用いた発電システム |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05129029A true JPH05129029A (ja) | 1993-05-25 |
Family
ID=17767519
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3291330A Pending JPH05129029A (ja) | 1991-11-07 | 1991-11-07 | 燃料電池を用いた発電システム |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH05129029A (ja) |
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0926756A1 (de) * | 1997-12-11 | 1999-06-30 | dbb fuel cell engines GmbH | PEM-Brennstoffzellensystem sowie Verfahren zum Betreiben eines PEM-Brennstoffzellensystems |
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