JPH08321321A - 燃料電池 - Google Patents

燃料電池

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JPH08321321A
JPH08321321A JP7125224A JP12522495A JPH08321321A JP H08321321 A JPH08321321 A JP H08321321A JP 7125224 A JP7125224 A JP 7125224A JP 12522495 A JP12522495 A JP 12522495A JP H08321321 A JPH08321321 A JP H08321321A
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JP
Japan
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fuel cell
reformer
hydrogen
reforming
heat
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JP7125224A
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English (en)
Inventor
Hirokuni Oota
洋州 太田
Yoshinori Shirasaki
義則 白▲崎▼
Kyoichi Inoue
恭一 井上
Kennosuke Kuroda
健之助 黒田
Masaki Iijima
正樹 飯島
Kazuto Kobayashi
一登 小林
Yoshiyuki Takeuchi
竹内  善幸
Hiroshi Makihara
洋 牧原
Isamu Osada
勇 長田
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Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Tokyo Gas Co Ltd
Original Assignee
Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Tokyo Gas Co Ltd
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Publication date
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0612Combination 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
    • H01M8/0625Combination 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
    • YGENERAL 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
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 新規な燃料電池を提供する。 【構成】 水素分離透過膜を有する改質装置を燃料電池
内にその作動熱が改質装置の加熱に利用できるように組
込み、前記改質装置により炭化水素またはメタノールを
改質して得られる高純度水素を前記燃料電池に供給して
発電することを特徴とする燃料電池。 【効果】 単位燃料当たりの総合的な熱効率の高い燃料
電池である。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は単位燃料当たりの総合的
な熱効率の高い燃料電池に関する。
【0002】
【従来の技術】熱効率が40〜60%と極めて高く、騒
音や振動がなく、かつ大気汚染の心配がない分散型電源
として、燃料電池の実用化に向けて盛んに研究開発がな
されている。燃料電池としては150〜230℃で作動
するリン酸型、100℃以下で作動する固体高分子型、
アルカリ型、600〜700℃で作動する溶融炭酸塩
型、800〜1000℃で作動する固体電解質型などが
ある。これらの燃料電池は何れも水素を反応物質に使用
することができる。また、電極の白金などの触媒がCO
により被毒されるため、燃料電池に供給する水素含有ガ
ス中のCO濃度はできるだけ低い方が好ましく、中には
10ppm以下にする必要があるとされているものもあ
る。このため、従来の炭化水素やアルコールの水蒸気改
質法により製造した水素を燃料電池用の燃料ガスとする
には、粗製水素をCO変成器や水素精製器によりさらに
精製し、CO含有量が10ppm以下の高純度とする必
要があり、そのための工程が複雑で、かつ多量の高温熱
エネルギを要し、コストの面から問題となっていた。
【0003】ところで最近、前記水蒸気改質法による水
素の製造方法において、膜分離の併用技術が提案されて
いる。例えば、米国特許第5,229,102号明細書
には、触媒を充填したチューブ状の多孔セラミック膜に
炭化水素を供給することにより、生成した水素を選択的
に透過させる改質器が記載されている。これにより、生
成した水素を系外に取去ることにより、改質反応の平衡
が水素生成系に傾く結果、従来の改質器において750
〜880℃の高温が必要であったのに対し、300〜7
00℃の比較的低温度で改質できる旨が記載されてい
る。また比較的低温度で改質できるので、ガスタービン
やガスエンジンの排出ガス程度の温度を改質熱源として
利用できることが記載されている。またこれとは別に、
改質装置にパラジウム系薄膜を併用し、改質により得ら
れる水素を薄膜を通して高純度水素とし、これを燃料電
池に供給する技術も知られている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】このように改質器によ
る高純度水素の製造、さらには燃料電池による発電など
個々の技術やそれらの一部の組合わせ技術については断
片的に試みられ、単位燃料当たりの発電効率や総合熱効
率を高める努力がなされているものの、それらのより一
層の向上が求められていることは言うまでもない。
【0005】また燃料電池の発電効率は前記のように非
常に高いが、それでも燃料電池自体の発熱により失われ
る熱エネルギは大きい。従って、これを有効利用してさ
らに総合的な熱効率を向上させることが課題であった。
【0006】
【課題を解決するための手段】このような技術の現状に
鑑み、本発明者らは燃料電池の総合的な熱効率を極限ま
で高めるために鋭意検討した結果、燃料電池内に燃料電
池の燃料となる水素を製造する特定の改質装置を組込む
ことにより、それを達成できることを見い出し、本発明
を完成するに至った。
【0007】すなわち本発明は (1)水素分離透過膜を有
する改質装置を燃料電池内にその作動熱が改質装置の加
熱に利用できるように組込み、前記改質装置により炭化
水素またはメタノールを改質して得られる高純度水素を
前記燃料電池に供給して発電することを特徴とする燃料
電池、(2) 上記水素分離透過膜が無機多孔体の表面にパ
ラジウム含有合金の薄膜を形成させた構造を有するもの
であることを特徴とする上記 (1)記載の燃料電池、(3)
上記燃料電池が溶融炭酸塩型燃料電池または固体電解質
型燃料電池であり、改質原料が天然ガスであることを特
徴とする上記 (1)または (2)に記載の燃料電池、及び
(4) 上記燃料電池がリン酸型燃料電池であり、改質原料
がメタノールであることを特徴とする上記 (1)または
(2)に記載の燃料電池である。
【0008】本発明で採用される改質装置としては水素
分離透過膜(メンブレンと称する)を有するものであ
る。これにより高純度水素、例えばCO濃度が10pp
m以下の高純度水素を供給でき、しかも改質が炭化水素
を原料とする場合では通常400〜650℃の温度範囲
で、またメタノールを原料とする場合では通常200〜
600℃、特には200〜400℃の温度範囲で改質す
ることができる。このように比較的低温で改質がなされ
得るのは改質装置がメンブレンを有しており、生成した
水素を系外に取出すことにより、前記のように化学平衡
が水素生成系に移行することに起因する。炭化水素とし
て天然ガスの主成分であるメタン(CH4)の場合を例
にとると、下記化1の改質反応
【化1】 において、従来の改質法では反応領域温度を約800℃
にすることが必要であったが、同じ転化率を達成するの
にメンブレンを利用することにより、前記のように温度
400〜650℃で達成することができる。同様にメタ
ノールの場合は次の化2の改質反応
【化2】 が起こり、やはり200〜600℃程度の低温で改質で
きる。
【0009】このようなメンブレンを備えた改質装置は
通常メンブレンリアクタとも称されるものであり、熱効
率を考慮してより経済的な形状が種々工夫されている。
メンブレンとしては水素を選択的に透過する膜で、かつ
耐熱性を有する膜が用いられる。例えば膜厚100μm
以上のパラジウム含有合金膜、あるいは膜厚50μm以
下のパラジウム含有合金薄膜を無機多孔体、例えば金属
やセラミックの多孔体あるいは金属不織布上にコーティ
ングしたものが用いられる。無機多孔体としてはシール
などの加工性、耐衝撃性、水素透過性などの観点から、
金属多孔体が好ましい。前記パラジウム含有合金として
はパラジウム単独またはパラジウムを10重量%以上含
有するものが好ましく、パラジウム以外にPtなど10
族元素、Rh,Irなどの9族元素、Ruなどの8族元
素、Cu,Ag,Auなどの11族元素を有するものが
好ましい。この他、バナジウム(V)を含有する合金
膜、例えばNi−Co−V合金にパラジウムをコーティ
ングした膜などが用いられる。
【0010】炭化水素を水蒸気改質する改質触媒として
は、8〜10族金属(Fe,Co,Ni,Ru,Pd,
Ptなど)を含有するものが好ましく、Ni,Ru,R
hを担持した触媒またはNiO含有触媒が特に好まし
い。
【0011】改質原料としては、炭化水素及びメタノー
ルが用いられ、炭化水素としては炭素数1〜10程度の
ものが使用でき、これらにはメタンを主成分とする天然
ガス、LPG、都市ガス、ナフサなどの軽質炭化水素が
含まれるが、中でも天然ガスを用いることが好ましい。
【0012】本発明で使用する具体的な改質装置として
は特に限定はなく、公知のものが使用できる。例えば、
特開平2−311301号公報には、触媒を充填した反
応管内に水素分離機能を有する分離膜を、さらに前記反
応管外側に外筒を設け、触媒を充填した反応管内に改質
原料を供給して水素を発生させ、分離膜の内側に不活性
ガス(スイープガス)を流入させて分離膜を透過した水
素をスイープガスに同伴させて系外に取出し、燃料電池
に供給する技術が記載されている。すなわち改質部を同
心状の三重管とし、中間層に触媒を充填して水素を製造
し、分離膜を通して管の中心部に分離された水素をスイ
ープガスに同伴させて排出するものである。改質装置と
して好ましいものは上記の通りであるが、この他に前記
米国特許明細書に記載されているようなセラミックメン
ブレンを用いることもできる。
【0013】本発明で使用される燃料電池としては、燃
料電池の作動熱により燃料電池自体の燃料を改質により
製造するため、改質原料の種類により改質熱源となりう
る燃料電池が選択される。例えば改質原料が天然ガスな
どの炭化水素である場合、改質温度はメンブレンを有す
る改質器を用いても400〜600℃の高温が必要ある
から、このような高温の作動温度を有する燃料電池、例
えば溶融炭酸塩型燃料電池または固体電解質型燃料電池
が用いられる。これらの中では溶融炭酸塩型燃料電池が
好ましい。同様にメタノールを改質原料とする場合で
は、炭化水素を用いる場合の前記のような高温の作動温
度を有する燃料電池を使用しても改質率が高くなり構わ
ないが、熱効率の観点から比較的低温で作動するリン酸
型燃料電池が好ましい。
【0014】本発明においては、改質装置を燃料電池内
にその作動熱が改質装置の加熱に利用できるように組込
むことが必要である。具体的には、燃料電池内の高温発
生部に改質装置自体を熱伝導率の大きい材料で挟み込む
ようにスタッキングすれば足り、スタッキング方法は特
に限定されるところはない。
【0015】
【実施例】以下、本発明を実施例を挙げて説明するが、
本発明はこれに限定されるところはない。 〔実施例1〕図1は本実施例において採用した本発明に
係る燃料電池の一例の概略説明図であり、本例において
は2基の燃料電池8の間に2基の改質装置3を組込んで
いる。図1において、天然ガスなどの改質原料1はスチ
ーム2と共にメンブレン4を有する改質装置3に供給さ
れる。メンブレン4を有する改質装置3において前記改
質反応が起こり、生成する水素はメンブレン4により高
純度水素5として取出され、熱交換器7で供給水6と熱
交換した後、燃料電池8に供給されて発電に使用され
る。一方、未反応の改質原料、改質反応で生成するC
O、CO2 、水素、スチームなどが含まれるオフガス9
はメンブレン4を有する改質装置3から取出され、エン
ジン、ガスタービンあるいは他の燃焼装置などの燃料と
して使用される。
【0016】
【発明の効果】以上詳細に述べたように、本発明により
水素分離透過膜を有する改質装置を用い、これを燃料電
池内に組込み、その作動熱を燃料電池の燃料の改質熱源
として利用することにより、システム全体として極めて
高い熱効率を達成でき燃料電池とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による燃料電池の一例の概略説明図。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 井上 恭一 神奈川県横浜市鶴見区岸谷1−3−25− 504 (72)発明者 黒田 健之助 東京都千代田区丸の内二丁目5番1号 三 菱重工業株式会社内 (72)発明者 飯島 正樹 東京都千代田区丸の内二丁目5番1号 三 菱重工業株式会社内 (72)発明者 小林 一登 広島県広島市観音新町四丁目6番22号 三 菱重工業株式会社広島研究所内 (72)発明者 竹内 善幸 広島県広島市観音新町四丁目6番22号 三 菱重工業株式会社広島研究所内 (72)発明者 牧原 洋 広島県広島市観音新町四丁目6番22号 三 菱重工業株式会社広島研究所内 (72)発明者 長田 勇 東京都千代田区丸の内二丁目5番1号 三 菱重工業株式会社内

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 水素分離透過膜を有する改質装置を燃料
    電池内にその作動熱が改質装置の加熱に利用できるよう
    に組込み、前記改質装置により炭化水素またはメタノー
    ルを改質して得られる高純度水素を前記燃料電池に供給
    して発電することを特徴とする燃料電池。
  2. 【請求項2】 上記水素分離透過膜が無機多孔体の表面
    にパラジウム含有合金の薄膜を形成させた構造を有する
    ものであることを特徴とする請求項1記載の燃料電池。
  3. 【請求項3】 上記燃料電池が溶融炭酸塩型燃料電池ま
    たは固体電解質型燃料電池であり、改質原料が天然ガス
    であることを特徴とする請求項1または請求項2記載の
    燃料電池。
  4. 【請求項4】 上記燃料電池がリン酸型燃料電池であ
    り、改質原料がメタノールであることを特徴とする請求
    項1または請求項2記載の燃料電池。
JP7125224A 1995-05-24 1995-05-24 燃料電池 Pending JPH08321321A (ja)

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Cited By (4)

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Effective date: 20010918