JPH0665774A - ガス精製装置およびこのガス精製装置を用いた炭化水素改質型燃料電池システム - Google Patents
ガス精製装置およびこのガス精製装置を用いた炭化水素改質型燃料電池システムInfo
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- JPH0665774A JPH0665774A JP4223899A JP22389992A JPH0665774A JP H0665774 A JPH0665774 A JP H0665774A JP 4223899 A JP4223899 A JP 4223899A JP 22389992 A JP22389992 A JP 22389992A JP H0665774 A JPH0665774 A JP H0665774A
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- 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
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- Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 不純物を含む水素ガスを低電力で、かつ、そ
の流量が大きく変化しても精製圧縮する。 【構成】 複数個の単電池を、ガス入口流路とガス出口
流路間に直列または並列に切り換え接続するようにした
ものである。
の流量が大きく変化しても精製圧縮する。 【構成】 複数個の単電池を、ガス入口流路とガス出口
流路間に直列または並列に切り換え接続するようにした
ものである。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明はガスを電気化学的な反
応を利用して精製するガス精製装置およびこのガス精製
装置を備えた炭化水素改質型燃料電池システムに関する
ものである。
応を利用して精製するガス精製装置およびこのガス精製
装置を備えた炭化水素改質型燃料電池システムに関する
ものである。
【０００２】
【従来の技術】図４は例えば特公昭６２ー５９１８４号
公報に示された従来のガス精製装置を示す断面図であ
り、図において、１はイオン電導性膜で、その一方の面
には陽極のガス拡散電極２が、他方の面には陰極のガス
拡散電極３が配設されている。４は陽極側の金属集電体
で、下面の中央部にガス導入口４ａを、中央部から離れ
た位置に残余ガス導出口４ｂを有し、ガス拡散電極２と
対向する面側には上記ガス入口４ａに連通する溝状のガ
ス流路４ｃが設けられている。５は陰極側の金属集電体
で、上面の中央部にガス導出口５ａを有し、ガス拡散電
極３と対抗する面側には上記ガス導出口５ａと連通する
溝状のガス流路５ｂが設けられている。
公報に示された従来のガス精製装置を示す断面図であ
り、図において、１はイオン電導性膜で、その一方の面
には陽極のガス拡散電極２が、他方の面には陰極のガス
拡散電極３が配設されている。４は陽極側の金属集電体
で、下面の中央部にガス導入口４ａを、中央部から離れ
た位置に残余ガス導出口４ｂを有し、ガス拡散電極２と
対向する面側には上記ガス入口４ａに連通する溝状のガ
ス流路４ｃが設けられている。５は陰極側の金属集電体
で、上面の中央部にガス導出口５ａを有し、ガス拡散電
極３と対抗する面側には上記ガス導出口５ａと連通する
溝状のガス流路５ｂが設けられている。
【０００３】次に動作に付いて説明する。ガス拡散電極
２、３間に電圧を印加するとガス導入口４ａからガス流
路４ｃに入った水素ガスは陽極のガス拡散電極２で電子
を失い水素イオンとなる。 Ｈ2＋Ｈ2Ｏ→２ｅ-＋２Ｈ3Ｏ+ 水素イオンはイオン電導性膜１中の水を伴い上記電圧を
駆動力として陰極のガス拡散電極３まで進み、ガス拡散
電極３で電子を受け取り、水素ガスに戻る。 ２ｅ-＋２Ｈ3Ｏ+→Ｈ2＋Ｈ2Ｏ 生じた水素ガスはイオン電導性膜１を通ることができ
ず、上記電圧によるイオンの移動力は大きいので、陰極
のガス拡散電極３側に水素ガスが蓄積される。この水素
ガスはガス流路５ｂからガス導出口５ａに導かれ、ガス
導出口５ｂからは純度の高い水素ガスが得られる。この
ときガス導出口５ａの出口流量を流量調整弁（図示せ
ず）等により調整すれば高圧の水素ガスが得られる。一
方、上記イオン電導性膜１内を移動することができるの
は、水素イオンだけであるので、ガス導入口４ａに不純
物を含む水素ガスが導入された場合には、純粋な水素ガ
スと水分のみが、対極のガス拡散電極３に導出され、水
素濃度の低いガスはガス流路４ｃから残余ガス導出口４
ｂに導かれ、残余ガス導出口４ｂから流出する。
２、３間に電圧を印加するとガス導入口４ａからガス流
路４ｃに入った水素ガスは陽極のガス拡散電極２で電子
を失い水素イオンとなる。 Ｈ2＋Ｈ2Ｏ→２ｅ-＋２Ｈ3Ｏ+ 水素イオンはイオン電導性膜１中の水を伴い上記電圧を
駆動力として陰極のガス拡散電極３まで進み、ガス拡散
電極３で電子を受け取り、水素ガスに戻る。 ２ｅ-＋２Ｈ3Ｏ+→Ｈ2＋Ｈ2Ｏ 生じた水素ガスはイオン電導性膜１を通ることができ
ず、上記電圧によるイオンの移動力は大きいので、陰極
のガス拡散電極３側に水素ガスが蓄積される。この水素
ガスはガス流路５ｂからガス導出口５ａに導かれ、ガス
導出口５ｂからは純度の高い水素ガスが得られる。この
ときガス導出口５ａの出口流量を流量調整弁（図示せ
ず）等により調整すれば高圧の水素ガスが得られる。一
方、上記イオン電導性膜１内を移動することができるの
は、水素イオンだけであるので、ガス導入口４ａに不純
物を含む水素ガスが導入された場合には、純粋な水素ガ
スと水分のみが、対極のガス拡散電極３に導出され、水
素濃度の低いガスはガス流路４ｃから残余ガス導出口４
ｂに導かれ、残余ガス導出口４ｂから流出する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】従来のガス精製装置は
以上のように構成されているので、ガス拡散電極２、３
間に係る電圧Ｅは次式のようになる。 Ｅ＝Ｅ0＋ＲＴ／２Ｆ×ｌｎ（Ｐ2／Ｐ1）＋Ｉｒ ただし、Ｅ0は水素のイオン化電位、Ｒは気体常数、Ｔ
は温度、Ｆはファラディー常数、Ｐ2はガス拡散電極３
側の水素分圧、Ｐ1はガス拡散電極２側の水素分圧、Ｉ
は電流、ｒはイオン電導性膜１の電気抵抗である。ここ
で、両ガス拡散電極２、３に係る電圧について、その内
訳を見ると、右辺の第１項のイオン化電位Ｅ0は０．０
２Ｖ、第２項はネルンスト加電圧と呼ばれ両ガス拡散電
極２、３のガスの状態で決まるが、分圧比が１００ａｔ
ｍ／１ａｔｍの場合でも０．０６Ｖ程度である。しかし
残る第３項の抵抗が、４００ｍＡ／ｃｍ2程度の電流で
も０．１Ｖと大きく上記電圧の５５％を占めている。つ
まり電圧の効率がイオン電導性膜１の電気抵抗ｒが高い
ために非常に小さくなり電気特性が悪くなる。上記電気
抵抗ｒはイオン電導性膜１の厚みが０．２ｍｍの時のも
のであり、イオン電導性膜１の電気抵抗ｒを小さくする
ためにはイオン電導性膜１の厚みを薄くすれば良いが、
イオン電導性膜１の厚みを薄くすれば機械的強度が落
ち、例えば、０．２ｍｍの膜厚では１００気圧の差圧に
も十分耐えるが、膜厚が０．０２５ｍｍだと２０気圧、
同０．０１３ｍｍだと７気圧程度の差圧にしか耐えられ
ず、電気特性を上げようとすると、機械的な特性が悪く
なり、また、処理する必要なガスの量の大幅な変化に対
処できない等の問題点があった。
以上のように構成されているので、ガス拡散電極２、３
間に係る電圧Ｅは次式のようになる。 Ｅ＝Ｅ0＋ＲＴ／２Ｆ×ｌｎ（Ｐ2／Ｐ1）＋Ｉｒ ただし、Ｅ0は水素のイオン化電位、Ｒは気体常数、Ｔ
は温度、Ｆはファラディー常数、Ｐ2はガス拡散電極３
側の水素分圧、Ｐ1はガス拡散電極２側の水素分圧、Ｉ
は電流、ｒはイオン電導性膜１の電気抵抗である。ここ
で、両ガス拡散電極２、３に係る電圧について、その内
訳を見ると、右辺の第１項のイオン化電位Ｅ0は０．０
２Ｖ、第２項はネルンスト加電圧と呼ばれ両ガス拡散電
極２、３のガスの状態で決まるが、分圧比が１００ａｔ
ｍ／１ａｔｍの場合でも０．０６Ｖ程度である。しかし
残る第３項の抵抗が、４００ｍＡ／ｃｍ2程度の電流で
も０．１Ｖと大きく上記電圧の５５％を占めている。つ
まり電圧の効率がイオン電導性膜１の電気抵抗ｒが高い
ために非常に小さくなり電気特性が悪くなる。上記電気
抵抗ｒはイオン電導性膜１の厚みが０．２ｍｍの時のも
のであり、イオン電導性膜１の電気抵抗ｒを小さくする
ためにはイオン電導性膜１の厚みを薄くすれば良いが、
イオン電導性膜１の厚みを薄くすれば機械的強度が落
ち、例えば、０．２ｍｍの膜厚では１００気圧の差圧に
も十分耐えるが、膜厚が０．０２５ｍｍだと２０気圧、
同０．０１３ｍｍだと７気圧程度の差圧にしか耐えられ
ず、電気特性を上げようとすると、機械的な特性が悪く
なり、また、処理する必要なガスの量の大幅な変化に対
処できない等の問題点があった。
【０００５】この発明は上記のような問題点を解消する
ためになされたもので、厚みの薄い電気抵抗の小さいイ
オン導電性固体電解質体を使用し不純物を含む水素ガス
を、その流量が大きく変化しても精製・圧縮できるガス
精製装置、さらに、上記ガス精製装置を備えた負荷の大
きな変動に対処し得る炭化水素改質型燃料電池システム
を提供することを目的とする。
ためになされたもので、厚みの薄い電気抵抗の小さいイ
オン導電性固体電解質体を使用し不純物を含む水素ガス
を、その流量が大きく変化しても精製・圧縮できるガス
精製装置、さらに、上記ガス精製装置を備えた負荷の大
きな変動に対処し得る炭化水素改質型燃料電池システム
を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】この発明に係るガス精製
装置はイオン化可能なガスのガス入口流路と、複数個の
単電池で精製されたガスを送出するガス出口流路間に、
上記複数個の単電池を直列または並列に切り換え接続す
る直並列切換手段を設けたものである。また、燃料電池
の負荷の急減時等において上記燃料電池をバイパスした
改質ガスと燃料電池の放出ガスとを、複数個の単電池を
直並列切換接続するようにした上記ガス精製装置により
精製し、この精製ガスをタンクを介し上記燃料電池に供
給するようにしものである。
装置はイオン化可能なガスのガス入口流路と、複数個の
単電池で精製されたガスを送出するガス出口流路間に、
上記複数個の単電池を直列または並列に切り換え接続す
る直並列切換手段を設けたものである。また、燃料電池
の負荷の急減時等において上記燃料電池をバイパスした
改質ガスと燃料電池の放出ガスとを、複数個の単電池を
直並列切換接続するようにした上記ガス精製装置により
精製し、この精製ガスをタンクを介し上記燃料電池に供
給するようにしものである。
【０００７】
【作用】この発明におけるガス精製装置は直並列切り換
え手段により直列または並列に切換え接続された複数個
の単電池によりガス入り口流路から流入したガスが精製
される。また、ガス精製装置により燃料電池からの放出
ガスと改質器からの改質ガスが精製され、この精製され
たガスはタンクに蓄積されると共に上記タンクを介し燃
料電池に供給される。
え手段により直列または並列に切換え接続された複数個
の単電池によりガス入り口流路から流入したガスが精製
される。また、ガス精製装置により燃料電池からの放出
ガスと改質器からの改質ガスが精製され、この精製され
たガスはタンクに蓄積されると共に上記タンクを介し燃
料電池に供給される。
【０００８】
実施例１．図１はこの発明の一実施例によるガス精製装
置を示す構成図であり、図において、６、７は一体に形
成された第１と第２の単電池で、図２にその概念的な断
面図を示す。図２において、８、９はプロトン導電性性
膜等のイオン導電性固体電解質体で、その一方の面には
陽極のガス拡散電極１０、１１が、他方の面には陰極の
ガス拡散電極１２、１３が配設されている。１４は陰極
側の金属集電体で、中央部にはガス導出口１４ａを有
し、ガス拡散電極１２と対向する面側には図３に示され
るように上記ガス導出口１４ａに連通しガス拡散電極１
２側に開口する溝状のガス流路１４ｂが形成されてい
る。１５は陽極側の金属集電体で、中央部にガス導入口
１５ａを、中央部から離れた位置に残余ガス導出口１５
ｃを有し、ガス拡散電極１１と対向する面側にはガス導
入口１５ａおよび残余ガス導出口１５ｃと連通し陽極の
ガス拡散電極１１側に開口する図３に示されるような溝
状のガス流路１５ｂが形成されている。
置を示す構成図であり、図において、６、７は一体に形
成された第１と第２の単電池で、図２にその概念的な断
面図を示す。図２において、８、９はプロトン導電性性
膜等のイオン導電性固体電解質体で、その一方の面には
陽極のガス拡散電極１０、１１が、他方の面には陰極の
ガス拡散電極１２、１３が配設されている。１４は陰極
側の金属集電体で、中央部にはガス導出口１４ａを有
し、ガス拡散電極１２と対向する面側には図３に示され
るように上記ガス導出口１４ａに連通しガス拡散電極１
２側に開口する溝状のガス流路１４ｂが形成されてい
る。１５は陽極側の金属集電体で、中央部にガス導入口
１５ａを、中央部から離れた位置に残余ガス導出口１５
ｃを有し、ガス拡散電極１１と対向する面側にはガス導
入口１５ａおよび残余ガス導出口１５ｃと連通し陽極の
ガス拡散電極１１側に開口する図３に示されるような溝
状のガス流路１５ｂが形成されている。
【０００９】１６は陽極のガス拡散電極１０と陰極のガ
ス拡散電極１３間に配設された金属集電体で、ガス拡散
電極１０と対向する面側にはガス導入口１６ａおよび残
余ガス導出口１６ｃと連通しガス拡散電極１０側に開口
する図３に示されるような溝状のガス流路１６ｂが、ま
た、ガス拡散電極１３と対向する面側にはガス導出口１
６ｄと連通しガス拡散電極１３側に開口する図３に示さ
れるような溝状のガス流路１６ｅが形成されている。上
記８、１０、１２、１４、１６によって第１の単電池
が、上記９、１１、１３、１５、１６によって第２の単
電池７が構成され、これらの第１と第２の単電池６、７
は上記金属集電体１６によって電気的に直列に積層され
ている。
ス拡散電極１３間に配設された金属集電体で、ガス拡散
電極１０と対向する面側にはガス導入口１６ａおよび残
余ガス導出口１６ｃと連通しガス拡散電極１０側に開口
する図３に示されるような溝状のガス流路１６ｂが、ま
た、ガス拡散電極１３と対向する面側にはガス導出口１
６ｄと連通しガス拡散電極１３側に開口する図３に示さ
れるような溝状のガス流路１６ｅが形成されている。上
記８、１０、１２、１４、１６によって第１の単電池
が、上記９、１１、１３、１５、１６によって第２の単
電池７が構成され、これらの第１と第２の単電池６、７
は上記金属集電体１６によって電気的に直列に積層され
ている。
【００１０】１７は第１の単電池６のガス導入口１６ａ
と第２の単電池７のガス導出口１６ｄ間に接続された第
１の開閉弁、１８は第２の単電池７のガス導入口１５ａ
と第１の単電池６のガス導入口１６ａ間に接続された第
２の開閉弁、１９は第１の単電池６のガス導出口１４ａ
と第２のガス導出口１６ｄ間に接続された第３の開閉
弁、２０はイオン化可能なガスのガス入口流路２１とガ
ス出口流路２２間に第１と第２の単電池６、７を直列ま
たは並列に切換え接続する直並列切換接続手段であり、
上記第１、２、３の開閉弁１７、１８、１９で構成され
ている。２３は第１の単電池６の残余ガス導出口１６ｃ
に第４の開閉弁２４を介し接続されたガス排出管、２５
は第２の単電池７の残余ガス導出口１５ｃに第５の開閉
弁２６を介し接続されたガス排出管、２７は上記６、
７、２０〜２６で構成されたガス精製装置、２８は第１
と第２の単電池６、７の両極に適当な電位を与える直流
電源である。
と第２の単電池７のガス導出口１６ｄ間に接続された第
１の開閉弁、１８は第２の単電池７のガス導入口１５ａ
と第１の単電池６のガス導入口１６ａ間に接続された第
２の開閉弁、１９は第１の単電池６のガス導出口１４ａ
と第２のガス導出口１６ｄ間に接続された第３の開閉
弁、２０はイオン化可能なガスのガス入口流路２１とガ
ス出口流路２２間に第１と第２の単電池６、７を直列ま
たは並列に切換え接続する直並列切換接続手段であり、
上記第１、２、３の開閉弁１７、１８、１９で構成され
ている。２３は第１の単電池６の残余ガス導出口１６ｃ
に第４の開閉弁２４を介し接続されたガス排出管、２５
は第２の単電池７の残余ガス導出口１５ｃに第５の開閉
弁２６を介し接続されたガス排出管、２７は上記６、
７、２０〜２６で構成されたガス精製装置、２８は第１
と第２の単電池６、７の両極に適当な電位を与える直流
電源である。
【００１１】次に動作に付いて説明する。 モード１（並列）：処理するガスが大量の時、開閉弁１
７を閉じ、開閉弁１８、１９を開き、ガス入口流路２１
とガス出口流路２２間に第１と第２の単電池６、７が並
列に接続される。ガス入口流路２１に入った不純物を含
んだ水素ガスは、ガス導入口１５ａとガス導入口１６ａ
へ分岐して流入し、第１と第２の単電池６、７の陽極の
ガス拡散電極１０、１１で電子を失い水素イオンとな
る。この水素イオンはプロトン導電性性膜８、９中の水
を伴い第１の単電池６の両ガス拡散電極１０、１２間、
第２の単電池７の両ガス拡散電極１１、１３間に印加さ
れた電圧を駆動源として陰極のガス拡散電極１２、１３
まで進み、ここで電子を受け取り、水素ガスに戻る。こ
の純度が高く、圧力が高くなった水素ガスはガス流路１
４ｂ、１６ｅを流れてガス導出口１４ａ、１６ｄに導か
れる。ガス導出口１４ａへ導かれた水素ガスはガス導出
口４ａからガス出口流路２２へ送出される。また、ガス
導出口１６ｄに導かれた水素ガスはガス導出口１６ｄか
ら開閉弁１９を介してガス出口流路２２へ送出される。
一方、開閉弁２４、２６を開くと、ガス流路１５ｂ、１
６ｂを流れ水素濃度が低くなったガスは残余ガス導出口
１５ｃ、１６ｃへ導かれ、残余がス導出口１５ｃ、１６
ｃから開閉弁２４、２６、ガス排出管２３、２５を介し
外部へ放出される。
７を閉じ、開閉弁１８、１９を開き、ガス入口流路２１
とガス出口流路２２間に第１と第２の単電池６、７が並
列に接続される。ガス入口流路２１に入った不純物を含
んだ水素ガスは、ガス導入口１５ａとガス導入口１６ａ
へ分岐して流入し、第１と第２の単電池６、７の陽極の
ガス拡散電極１０、１１で電子を失い水素イオンとな
る。この水素イオンはプロトン導電性性膜８、９中の水
を伴い第１の単電池６の両ガス拡散電極１０、１２間、
第２の単電池７の両ガス拡散電極１１、１３間に印加さ
れた電圧を駆動源として陰極のガス拡散電極１２、１３
まで進み、ここで電子を受け取り、水素ガスに戻る。こ
の純度が高く、圧力が高くなった水素ガスはガス流路１
４ｂ、１６ｅを流れてガス導出口１４ａ、１６ｄに導か
れる。ガス導出口１４ａへ導かれた水素ガスはガス導出
口４ａからガス出口流路２２へ送出される。また、ガス
導出口１６ｄに導かれた水素ガスはガス導出口１６ｄか
ら開閉弁１９を介してガス出口流路２２へ送出される。
一方、開閉弁２４、２６を開くと、ガス流路１５ｂ、１
６ｂを流れ水素濃度が低くなったガスは残余ガス導出口
１５ｃ、１６ｃへ導かれ、残余がス導出口１５ｃ、１６
ｃから開閉弁２４、２６、ガス排出管２３、２５を介し
外部へ放出される。
【００１２】モード２（直列）：処理するガスが少ない
とき、開閉弁１７を開き、開閉弁１８、１９を閉じ、ガ
ス入口流路２１とガス出口流路２２間に第１と第２の単
電池６、７を直列に接続する。ガス入口流路２１に入っ
た不純物を含んだ水素ガスはガス導入口１５ａからガス
流路１５ｂに流入し、第２の単電池７の陽極のガス拡散
電極１１で電子を失い水素イオンとなる。この水素イオ
ンはプロトン導電性性膜９中の水を伴い第２の単電池７
の両ガス拡散電極１１、１３間に印加された電圧を駆動
源として陰極のガス拡散電極１３まで進み、ここで電子
を受け取り、水素ガスに戻る。この純度が高くなった水
素ガスはガス流路１６ｅを流れてガス導出口１４ａ、１
６ｄに導かれる。ガス導出口１４ａへ導かれた水素ガス
はガス導出口４ａから開閉弁１７を介しガス導入口１６
ａへ導かれガス流路１６ｂに流入し、陽極のガス拡散電
極１０で再びイオン化しプロトン導電性性膜８を通り陰
極のガス拡散電極１２まで進み、ここで電子を受け取
り、再び水素ガスに戻り、ガス流路１４ｂを経てガス導
出口１４ａからガス出口流路２２へ送出される。このと
きガス出口流路２２の出口流量を流量調整弁（図示せ
ず）等により調整すれば所定の高圧の圧縮水素ガスが得
られる。
とき、開閉弁１７を開き、開閉弁１８、１９を閉じ、ガ
ス入口流路２１とガス出口流路２２間に第１と第２の単
電池６、７を直列に接続する。ガス入口流路２１に入っ
た不純物を含んだ水素ガスはガス導入口１５ａからガス
流路１５ｂに流入し、第２の単電池７の陽極のガス拡散
電極１１で電子を失い水素イオンとなる。この水素イオ
ンはプロトン導電性性膜９中の水を伴い第２の単電池７
の両ガス拡散電極１１、１３間に印加された電圧を駆動
源として陰極のガス拡散電極１３まで進み、ここで電子
を受け取り、水素ガスに戻る。この純度が高くなった水
素ガスはガス流路１６ｅを流れてガス導出口１４ａ、１
６ｄに導かれる。ガス導出口１４ａへ導かれた水素ガス
はガス導出口４ａから開閉弁１７を介しガス導入口１６
ａへ導かれガス流路１６ｂに流入し、陽極のガス拡散電
極１０で再びイオン化しプロトン導電性性膜８を通り陰
極のガス拡散電極１２まで進み、ここで電子を受け取
り、再び水素ガスに戻り、ガス流路１４ｂを経てガス導
出口１４ａからガス出口流路２２へ送出される。このと
きガス出口流路２２の出口流量を流量調整弁（図示せ
ず）等により調整すれば所定の高圧の圧縮水素ガスが得
られる。
【００１３】この圧縮は直列に接続された第１と第２の
単電池６、７の２段に分けて行なわれるので、１段で高
圧まで圧縮する従来のものよりもプロトン導電性性膜
８、９の厚さを薄くすることができ、プロトン導電性性
膜８、９内の水の拡散を助けプロトン導電性性膜８、９
自体の電気抵抗が低くなって前述の電圧の効率が高くな
り、消費電力も小さくなる。一方、開閉弁２６を開く
と、ガス流路１５ｂを流れ水素濃度が低くなったガスは
残余ガス導出口１５ｃへ導かれ、残余がス導出口１５ｃ
から開閉弁２６、ガス排出管２５を介し外部へ放出され
る。なお、この場合、ガス導入口１６ａからガス流路１
６ｂに流入するガスは単電池７で精製された純粋の水素
ガスであるので開閉弁２４を閉じる。
単電池６、７の２段に分けて行なわれるので、１段で高
圧まで圧縮する従来のものよりもプロトン導電性性膜
８、９の厚さを薄くすることができ、プロトン導電性性
膜８、９内の水の拡散を助けプロトン導電性性膜８、９
自体の電気抵抗が低くなって前述の電圧の効率が高くな
り、消費電力も小さくなる。一方、開閉弁２６を開く
と、ガス流路１５ｂを流れ水素濃度が低くなったガスは
残余ガス導出口１５ｃへ導かれ、残余がス導出口１５ｃ
から開閉弁２６、ガス排出管２５を介し外部へ放出され
る。なお、この場合、ガス導入口１６ａからガス流路１
６ｂに流入するガスは単電池７で精製された純粋の水素
ガスであるので開閉弁２４を閉じる。
【００１４】実施例２．なお、上記実施例では電気的に
直列に積層した２つの単電池をガス入口流路とガス出口
流路間に直並列に切換接続しているが、これに限らず、
例えば、電気的に直列に積層した３つ以上の単電池をガ
ス入口流路とガス出口流路間に直並列に切換接続するよ
うにしても良く、前述実施例と同様の効果が得られる。
直列に積層した２つの単電池をガス入口流路とガス出口
流路間に直並列に切換接続しているが、これに限らず、
例えば、電気的に直列に積層した３つ以上の単電池をガ
ス入口流路とガス出口流路間に直並列に切換接続するよ
うにしても良く、前述実施例と同様の効果が得られる。
【００１５】実施例３．また、複数個の単電池を電気的
に直列に積層することなく、単独に形成された複数個の
単電池をガス入口流路とガス出口流路間に直並列に切換
接続するようにしても良く、前述実施例と同様の効果が
得られる。
に直列に積層することなく、単独に形成された複数個の
単電池をガス入口流路とガス出口流路間に直並列に切換
接続するようにしても良く、前述実施例と同様の効果が
得られる。
【００１６】実施例４．図４はこの発明の他の実施例を
示す炭化水素改質型燃料電池システムの構成図であり、
図において、２５は図１に示されるガス精製装置、２９
はメタノールタンク３０からのメタノールと水タンク３
１からの水とを反応させる改質器、３２は燃料電池、３
３は燃料電池３２に空気や酸素等の酸化剤を供給する酸
化剤供給装置、３４は改質器２９の改質ガスを燃料電池
３２をバイパスしガス精製装置２５に供給するバイパス
回路３５を開閉する開閉弁、３６は燃料電池３２のガス
放出口３２ａとガス精製装置２５のガス入口流路２１間
に接続された逆止弁、３７はガス精製装置２５のガス出
口流路２２と燃料電池３２のガス導入口３２ｂ間に開閉
弁３８、３９を介し接続された高圧ガスタンク、４０は
ガス精製装置２５のガス出口流路２２と燃料電池３２の
ガス導入口３２ｂ間に開閉弁４１、４２を介し接続され
た緩衝タンクである。
示す炭化水素改質型燃料電池システムの構成図であり、
図において、２５は図１に示されるガス精製装置、２９
はメタノールタンク３０からのメタノールと水タンク３
１からの水とを反応させる改質器、３２は燃料電池、３
３は燃料電池３２に空気や酸素等の酸化剤を供給する酸
化剤供給装置、３４は改質器２９の改質ガスを燃料電池
３２をバイパスしガス精製装置２５に供給するバイパス
回路３５を開閉する開閉弁、３６は燃料電池３２のガス
放出口３２ａとガス精製装置２５のガス入口流路２１間
に接続された逆止弁、３７はガス精製装置２５のガス出
口流路２２と燃料電池３２のガス導入口３２ｂ間に開閉
弁３８、３９を介し接続された高圧ガスタンク、４０は
ガス精製装置２５のガス出口流路２２と燃料電池３２の
ガス導入口３２ｂ間に開閉弁４１、４２を介し接続され
た緩衝タンクである。
【００１７】次に動作について説明する。改質器２９へ
メタノールタンク３０からメタノールが導入され、水タ
ンク３１からは水が導入される。改質器２９へ導入され
たメタノールは水タンク３１から導入された水と改質器
２９内で反応して、 ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋３Ｈ2 水素ガスと炭酸ガスの混合ガスとなって燃料電池３２へ
送られる。燃料電池３２では炭酸ガスを消費しないので
余分なガスはガス放出口３２ａから放出される。この時
燃料電池３２内での水素の欠乏と水の補給のために、反
応に必要な量よりも過剰に、燃料である上記混合ガスを
供給するので、ガス放出口３２ａから放出されるガス中
には多量の水素が含まれることになる。また、燃料電池
３２の負荷量に応じて上記混合ガスの供給量が増減さ
れ、負荷が大きい時にはガス放出口３２ａから放出され
るガス量も多くなる。
メタノールタンク３０からメタノールが導入され、水タ
ンク３１からは水が導入される。改質器２９へ導入され
たメタノールは水タンク３１から導入された水と改質器
２９内で反応して、 ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋３Ｈ2 水素ガスと炭酸ガスの混合ガスとなって燃料電池３２へ
送られる。燃料電池３２では炭酸ガスを消費しないので
余分なガスはガス放出口３２ａから放出される。この時
燃料電池３２内での水素の欠乏と水の補給のために、反
応に必要な量よりも過剰に、燃料である上記混合ガスを
供給するので、ガス放出口３２ａから放出されるガス中
には多量の水素が含まれることになる。また、燃料電池
３２の負荷量に応じて上記混合ガスの供給量が増減さ
れ、負荷が大きい時にはガス放出口３２ａから放出され
るガス量も多くなる。
【００１８】したがって、燃料電池３２の負荷が大きい
時には、ガス精製装置２５の開閉弁１７が閉じられると
共に、開閉弁１８、１９が開かれ、ガス精製装置２５は
上記モード１（並列）に設定され、燃料電池３２のガス
放出口３２ａから逆止弁３６を介して供給された多量の
放出ガスが精製される。ガス精製装置２５で精製された
多量の水素ガスは少し圧力が上がり、開閉弁４１、４２
を開くことにより緩衝タンク４０を介し再び燃料電池３
２に供給される。なお、燃料電池３２の負荷が急減した
ときには、改質器２９での改質ガス量を急変させること
は困難であるので、開閉弁４２が閉じられると共に、開
閉弁３４が開かれ、改質器２９から出てくる改質ガスの
一部が燃料電池３２をバイパスしてガス精製装置２５に
導入され精製される。この精製された水素ガスは開閉弁
４１を介して緩衝タンク４０に導入され蓄積される。
時には、ガス精製装置２５の開閉弁１７が閉じられると
共に、開閉弁１８、１９が開かれ、ガス精製装置２５は
上記モード１（並列）に設定され、燃料電池３２のガス
放出口３２ａから逆止弁３６を介して供給された多量の
放出ガスが精製される。ガス精製装置２５で精製された
多量の水素ガスは少し圧力が上がり、開閉弁４１、４２
を開くことにより緩衝タンク４０を介し再び燃料電池３
２に供給される。なお、燃料電池３２の負荷が急減した
ときには、改質器２９での改質ガス量を急変させること
は困難であるので、開閉弁４２が閉じられると共に、開
閉弁３４が開かれ、改質器２９から出てくる改質ガスの
一部が燃料電池３２をバイパスしてガス精製装置２５に
導入され精製される。この精製された水素ガスは開閉弁
４１を介して緩衝タンク４０に導入され蓄積される。
【００１９】また、燃料電池３２の負荷が小さい時に
は、ガス精製装置２５の開閉弁１７が開かれると共に、
開閉弁１８、１９が閉じられ、ガス精製装置２５は上記
モード２（直列）に設定され、燃料電池３２のガス放出
口３２ａから逆止弁３６を介して供給された小量の放出
ガスが精製される。このとき開閉弁３８が閉じられてい
るのでガス精製装置２５で精製された水素ガスの圧力は
高圧となる。この高圧の水素ガスは開閉弁３８を開くこ
とにより高圧ガスタンク３７に蓄積される。高圧ガスタ
ンク３７に蓄積された高圧の水素ガスは燃料電池３２の
負荷が急増し改質器２９からの燃料が不足するときに、
開閉弁３９が開かれ再び燃料電池３２に供給される。
は、ガス精製装置２５の開閉弁１７が開かれると共に、
開閉弁１８、１９が閉じられ、ガス精製装置２５は上記
モード２（直列）に設定され、燃料電池３２のガス放出
口３２ａから逆止弁３６を介して供給された小量の放出
ガスが精製される。このとき開閉弁３８が閉じられてい
るのでガス精製装置２５で精製された水素ガスの圧力は
高圧となる。この高圧の水素ガスは開閉弁３８を開くこ
とにより高圧ガスタンク３７に蓄積される。高圧ガスタ
ンク３７に蓄積された高圧の水素ガスは燃料電池３２の
負荷が急増し改質器２９からの燃料が不足するときに、
開閉弁３９が開かれ再び燃料電池３２に供給される。
【００２０】なお、ここで想定したように負荷が大きく
変動するシステムとしては、燃料電池を、例えば電気自
動車の電源とした場合が挙げられ、この場合その特性が
十分に発揮される。
変動するシステムとしては、燃料電池を、例えば電気自
動車の電源とした場合が挙げられ、この場合その特性が
十分に発揮される。
【００２１】実施例５．なお、上記実施例においては、
改質器２９でメタノールと水とを反応させて得た水素ガ
スを含んだ改質ガスを燃料電池３２に導入するようにし
たものを示したが、これに限らず、改質ガスは水素ガス
を含んだものであれば良く、例えば、メタンや軽油と水
を反応させて得た改質ガスであっても良く、上記実施例
と同様の効果が得られる。
改質器２９でメタノールと水とを反応させて得た水素ガ
スを含んだ改質ガスを燃料電池３２に導入するようにし
たものを示したが、これに限らず、改質ガスは水素ガス
を含んだものであれば良く、例えば、メタンや軽油と水
を反応させて得た改質ガスであっても良く、上記実施例
と同様の効果が得られる。
【００２２】実施例６．また、単電池を構成するガス拡
散電極に触媒を担持させても良く、この場合、電圧効率
がより向上する。
散電極に触媒を担持させても良く、この場合、電圧効率
がより向上する。
【００２３】
【発明の効果】以上のように、この発明によれば、複数
個の単電池をガス入口流路とガス出口流路間に直列また
は並列に切り換え接続するように構成したので、厚みの
薄い電気抵抗の小さいイオン導電性固体電解質体を使用
することができ電圧効率が向上し、不純物を含む水素ガ
スを低電力で、かつ、その流量が大きく変化しても精製
・圧縮できる。また、上記直並列に切り換え接続される
複数個の単電池を電気的に直列に積層しているので、装
置が小型化される。また、燃料電池の負荷の急減時等に
おいて上記燃料電池をバイパスした改質ガスと燃料電池
の放出ガスとを、複数個の単電池を直並列切換接続する
ようにしたガス精製装置により精製し、この精製ガスを
タンクを介し上記燃料電池に供給するように構成したの
で、燃料電池の負荷が大きく変化してもその変化に応じ
た量の燃料を燃料電池に供給することができ、かつ、燃
料電池の燃料の利用効率が向上する等の効果がある。
個の単電池をガス入口流路とガス出口流路間に直列また
は並列に切り換え接続するように構成したので、厚みの
薄い電気抵抗の小さいイオン導電性固体電解質体を使用
することができ電圧効率が向上し、不純物を含む水素ガ
スを低電力で、かつ、その流量が大きく変化しても精製
・圧縮できる。また、上記直並列に切り換え接続される
複数個の単電池を電気的に直列に積層しているので、装
置が小型化される。また、燃料電池の負荷の急減時等に
おいて上記燃料電池をバイパスした改質ガスと燃料電池
の放出ガスとを、複数個の単電池を直並列切換接続する
ようにしたガス精製装置により精製し、この精製ガスを
タンクを介し上記燃料電池に供給するように構成したの
で、燃料電池の負荷が大きく変化してもその変化に応じ
た量の燃料を燃料電池に供給することができ、かつ、燃
料電池の燃料の利用効率が向上する等の効果がある。
【図１】この発明の一実施例によるガス精製装置の構成
図である。
図である。
【図２】図１に示される単電池の概念的な断面図であ
る。
る。
【図３】図２のＩＩＩーＩＩＩ断面図である。
【図４】この発明の他の実施例による炭化水素改質型燃
料電池システムの構成図である。
料電池システムの構成図である。
【図５】従来のガス精製装置の構成図である。
６ 第１の単電池 ７ 第２の単電池 ２０ 直並列切換接続手段 ２１ ガス入口流路 ２２ ガス出口流路
Claims (3)
- 【請求項１】 イオン導電性固体電解質体の両側にガス
拡散電極を配した複数個の単電池と、イオン化可能なガ
スのガス入口流路と、上記複数個の単電池で精製された
ガスを送出するガス出口流路と、上記ガス入口流路と上
記ガス出口流路間に上記複数個の単電池を直列、または
並列に切換え接続する直並列切換接続手段とを備えてい
ることを特徴とするガス精製装置。 - 【請求項２】 イオン導電性固体電解質体の両側にガス
拡散電極を配した複数個の単電池と、イオン化可能なガ
スのガス入口流路と、上記複数個の単電池で精製された
ガスを送出するガス出口流路と、上記ガス入口流路と上
記ガス出口流路間に上記複数個の単電池を直列、または
並列に切換え接続する直並列切換接続手段とを備え、上
記複数個の単電池を電気的に直列に積層したことを特徴
とするガス精製装置。 - 【請求項３】 燃料電池と、上記燃料電池に水素ガスを
含んだ改質ガスを供給する改質器とを備えると共に、イ
オン導電性固体電解質体の両側にガス拡散電極を配した
複数個の単電池と、上記改質器の改質ガスと上記燃料電
池の放出ガスのガス入口流路と、上記複数個の単電池で
精製されたガスのガス出口流路と、上記ガス入口流路と
上記ガス出口流路間に上記複数個の単電池を直列、また
は並列に切換え接続する直並列切換接続手段とを有する
ガス精製装置と、上記ガス出口流路から送出される精製
されたガスを蓄積すると共に上記精製ガスを上記燃料電
池に供給するガスタンクとを備えていることを特徴とす
る炭化水素改質型燃料電池システム。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4223899A JPH0665774A (ja) | 1992-08-24 | 1992-08-24 | ガス精製装置およびこのガス精製装置を用いた炭化水素改質型燃料電池システム |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4223899A JPH0665774A (ja) | 1992-08-24 | 1992-08-24 | ガス精製装置およびこのガス精製装置を用いた炭化水素改質型燃料電池システム |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0665774A true JPH0665774A (ja) | 1994-03-08 |
Family
ID=16805454
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4223899A Pending JPH0665774A (ja) | 1992-08-24 | 1992-08-24 | ガス精製装置およびこのガス精製装置を用いた炭化水素改質型燃料電池システム |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0665774A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2016526608A (ja) * | 2013-07-01 | 2016-09-05 | サステイナブル イノベーションズ エルエルシーＳｕｓｔａｉｎａｂｌｅ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎｓ，Ｌｌｃ | 水素システム及び動作の方法 |
| JP2018090899A (ja) * | 2016-12-06 | 2018-06-14 | パナソニックＩｐマネジメント株式会社 | 電気化学式水素ポンプ |
| CN116031461A (zh) * | 2023-02-27 | 2023-04-28 | 珠海格力电器股份有限公司 | 燃料电池串并联多堆协同运行系统及其控制方法 |
-
1992
- 1992-08-24 JP JP4223899A patent/JPH0665774A/ja active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2016526608A (ja) * | 2013-07-01 | 2016-09-05 | サステイナブル イノベーションズ エルエルシーＳｕｓｔａｉｎａｂｌｅ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎｓ，Ｌｌｃ | 水素システム及び動作の方法 |
| JP2018090899A (ja) * | 2016-12-06 | 2018-06-14 | パナソニックＩｐマネジメント株式会社 | 電気化学式水素ポンプ |
| CN116031461A (zh) * | 2023-02-27 | 2023-04-28 | 珠海格力电器股份有限公司 | 燃料电池串并联多堆协同运行系统及其控制方法 |
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