JPH11307111A - 燃料電池用空気供給装置 - Google Patents

燃料電池用空気供給装置

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JPH11307111A
JPH11307111A JP10105079A JP10507998A JPH11307111A JP H11307111 A JPH11307111 A JP H11307111A JP 10105079 A JP10105079 A JP 10105079A JP 10507998 A JP10507998 A JP 10507998A JP H11307111 A JPH11307111 A JP H11307111A
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exhaust gas
cathode
fuel cell
air
positive displacement
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JP10105079A
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Shigeru Takabe
茂 高部
Hideaki Komaki
秀明 駒木
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IHI Corp
Original Assignee
Ishikawajima Harima Heavy Industries Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃料電池のカソードへ供給する空気源の駆動
動力にアノード排ガスの燃焼ガスや系内の排ガスのエネ
ルギーを利用し、且つ空気流量が少なくても安定した運
転ができるようにする。 【解決手段】 燃料電池Ｉのカソード２へ空気を供給す
る空気源として容積形コンプレッサ１０を用いる。該容
積形コンプレッサ１０を排ガスタービン８で駆動させる
ようにする。排ガスタービン８の吸入側に、触媒燃焼器
６出口側の燃焼ガスライン７を接続する。カソード排ガ
スライン１２とアノード排ガスライン１３を触媒燃焼器
６に接続し、アノード排ガスＡＧを燃焼して排ガスター
ビン８を作動させるようにし、アノード排ガスの燃焼ガ
スのエネルギーを空気供給動力として利用させるように
する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は燃料の有する化学エ
ネルギーを直接電気エネルギーに変換するエネルギー部
門で用いる燃料電池のカソード（酸素極）側へ酸化剤ガ
スとして空気を供給する空気源を駆動して空気を供給さ
せるようにする燃料電池用空気供給装置に関するもので
ある。
【０００２】
【従来の技術】燃料電池は、用いる電解質により、リン
酸型、溶融炭酸塩型、固体電解質型、固体高分子電解質
型の如き種類に分けられているが、いずれの型式の燃料
電池も、電解質板又は電解質膜の両面をカソード（酸素
極）とアノード（燃料極）の両電極で挟持させ、カソー
ド側には酸化剤ガスとして空気（Ｏ2 ）を供給すると共
に、アノード側には燃料ガスとして水素（Ｈ2 ）を供給
するようにしたものを１セルとして、各セルをセパレー
タを介し多層に積層してスタックとするようにしてあ
る。
【０００３】上記燃料電池のカソード側へ空気を圧送し
て供給するための従来の空気供給装置としては、図４に
示す如く排ガスタービンによりコンプレッサを駆動させ
るようにしたターボチャージャ方式、図５に示す如くモ
ータでコンプレッサを駆動させるようにしたモータ駆動
方式等がある。
【０００４】図４は一例として天然ガス改質溶融炭酸塩
型燃料電池発電装置の空気供給装置として用いるように
したターボチャージャ方式を示すもので、電解質板ａの
両面をカソードｂとアノードｃの両電極で挟んでカソー
ドｂ側に酸化剤ガスとして空気Ａを供給するようにする
と共にアノードｃ側に燃料ガスＦＧを供給するようにし
たセルをセパレータを介し積層してスタックとした燃料
電池ＦＣの上流側に改質器ｄを設置し、且つカソードｂ
への空気供給装置として、排ガスタービンｆと該排ガス
タービンｆで駆動されるコンプレッサｇとからなるター
ボチャージャｅを設置し、排ガスタービンｆの吸入側に
カソード排ガスラインｈを接続して、カソード排ガスＣ
Ｇで排ガスタービンｆを回わすようにし、又、コンプレ
ッサｇの吐出側に接続した空気供給ラインｉをカソード
ｂの入口側に接続すると共に、該空気供給ラインｉより
分岐させた分岐ラインｊを改質器ｄの燃焼室Ｃｏ入口側
へ接続して、コンプレッサｇで圧縮された空気Ａがカソ
ードｂと改質器ｄの燃焼室Ｃｏに送られるようにしたも
のである。なお、ｋは改質器ｄの燃焼室Ｃｏから排出さ
れた燃焼排ガスをカソードｂの入口側へ導く燃焼排ガス
ライン、Ｒｅは改質器ｄの改質室、ｌは改質原料を改質
器ｄの改質室Ｒｅへ導く改質原料ライン、ｍは改質室ｄ
で改質された燃料ガスＦＧをアノードｃの入口側へ導く
燃料ガスライン、ｎはアノード排ガスＡＧを気水分離器
ｏで水分を除去した後、改質器ｄの燃焼室Ｃｏに導入さ
せるアノード排ガスラインである。
【０００５】図５は図４に示すターボチャージャ方式に
代えて、コンプレッサｇをモータＭで駆動するようにし
たもので、モータＭによりコンプレッサｇを直接駆動し
て、コンプレッサｇの入口側より導入された空気Ａを圧
縮して吐出側より図４の如き燃料電池のカソードへ供給
させるようにしたものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】ところが、図４に示す
如きターボチャージャの場合は、カソードｂから排出さ
れたカソード排ガスにより排ガスタービンｆを回わして
コンプレッサｇを駆動させるものであるが、流量Ｑと圧
力Ｐの関係は、図６に示すようになっており、流量が下
がると圧力も下がってしまい、低流量域でサージングが
発生するおそれがあり、そのため、流量と圧力の両方の
調整をしなければならない。
【０００７】又、図５に示す如きモータ駆動方式の場合
は、燃料電池から排出される排ガスエネルギーを空気供
給のための動力として有効に利用できないと共に、燃料
電池で得られた電力をモータＭの駆動に消費するので、
無駄となる、という問題がある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するために、燃料電池のカソード入口側へ接続した空
気供給ラインを通してカソードへ圧縮空気を供給する空
気源として容積形コンプレッサを設け、且つ該容積形コ
ンプレッサを駆動する排ガスタービンの吸入側に、上記
燃料電池のアノードから排出されたアノード排ガスを燃
焼して得た燃焼ガスを導入させるようにし、上記アノー
ド排ガスの燃焼ガスにより作動する排ガスタービンで容
積形コンプレッサを駆動させてカソードへ空気を供給さ
せるようにした構成とし、又、アノード排ガスの燃焼ガ
スに代えて、系内で発生した高温の排ガスを排ガスター
ビンに導入させるようにする。
【０００９】燃料電池のアノードから排出されたアノー
ド排ガスを燃焼させて排ガスタービンに導入して該排ガ
スタービンを作動させることにより、空気を圧縮する容
積形コンプレッサを駆動する動力としてアノード排ガス
の燃焼ガスのエネルギーを有効利用することができる。
又、系内で発生した高温の排ガスで排ガスタービンを作
動させることにより、系内で得られた排ガスのエネルギ
ーを有効利用することができる。容積形コンプレッサで
あるため、低流量でもサージング発生のおそれがない。
【００１０】更に、容積形コンプレッサの軸にモータジ
ェネレータを取り付けることにより、発電機として電力
を取り出したり、容積形コンプレッサの回転をアシスト
させることもできる。
【００１１】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。
【００１２】図１（イ）（ロ）は本発明の実施の一形態
を示すもので、燃料電池として、メタノールを原料とし
且つ１００℃以下という低温で発電が行われると共に出
力密度が高く、低温で作動することから自動車等の動力
源として有効とされている固体高分子電解質型燃料電池
を用いた発電装置において、燃料電池のカソードへの空
気供給装置として適用した場合を示す。
【００１３】すなわち、固体高分子電解質膜１の両面
を、白金等の貴金属を触媒とする多孔質のカソード（酸
素極）２とアノード（燃料極）３の両電極で挟んで重ね
合わせ、カソード２側へ酸化剤ガスとして空気Ａを、
又、アノード３側へ燃料ガスＦＧをそれぞれ供給するよ
うにしたものを１セルとして、各セルをセパレータを介
し多層に積層してスタックとするようにしてあり、更
に、燃料電池の反応が発熱反応であることから、数セル
に１つずつの冷却部４が設けてある固体高分子電解質型
燃料電池Ｉのカソード２の入口側に接続した空気供給ラ
イン５と、該カソード２から排出されたカソード排ガス
ＣＧとともにアノード３から排出されたアノード排ガス
ＡＧを燃焼して高温（４００℃位）の燃焼ガスとして排
出する触媒燃焼器６の出口側の燃焼ガスライン７との間
に、本発明の空気供給装置IIを設置し、アノード排ガス
ＡＧの燃焼ガスのエネルギーを利用して空気源としての
コンプレッサを駆動させ、空気Ａを圧縮してカソード２
へ供給させるようにする。
【００１４】上記本発明の空気供給装置IIは、図１
（ロ）に拡大して示す如く、排ガスタービン８と、該排
ガスタービン８に必要に応じて減速機９を介して連結さ
れた機械駆動式過給器の如き容積形コンプレッサ１０と
からなり、排ガスタービン８の吸入側には、触媒燃焼器
６の出口側の燃焼ガスライン７を接続し、又、容積形コ
ンプレッサ１０の吸入側には空気Ａの吸入管１１を接続
すると共に、容積形コンプレッサ１０の吐出側に空気供
給ライン５を接続し、更に、上記触媒燃焼器６にカソー
ド排ガスライン１２とアノード排ガスライン１３を接続
し、カソード２から排出されたカソード排ガスＣＧとと
もにアノード３からのアノード排ガスＡＧが触媒燃焼器
６に導入されて燃焼させられるようにし、該触媒燃焼器
６で燃焼させられたアノード排ガスの燃焼ガスにより排
ガスタービン８を作動させて、容積形コンプレッサ１０
による空気供給の動力としてアノード排ガスの燃焼ガス
のエネルギーを利用させるようにする。
【００１５】上記容積形コンプレッサ１０として用い
る、たとえば、機械駆動式過給器（スーパーチャージ
ャ）は、ケーシング内に雄ロータと雌ロータをかみ合わ
せて平行に配置し、両ロータを回転することにより一端
側から吸入した空気を軸方向へ移動しながら圧縮して他
端側より吐出させるようにしてある。同様な構成を有す
るリショルムコンプレッサも容積形コンプレッサ１０の
１つとして使用することができる。
【００１６】このような容積形コンプレッサ１０は、１
段圧縮で高圧縮比の加圧空気を供給することができて有
利である。
【００１７】なお、図１（イ）中、１４は加湿器、１５
はシフトコンバータの機能を備えて運転されるようにし
てある改質器、１６は空冷フイン１７により冷却される
ようにしてあるＣＯ除去器、１８は改質器１５の加熱に
用いるようにした熱媒体１９を循環させるようにする熱
媒体循環ライン、２０は熱媒体加熱部２１とメタノール
蒸発部２２と蒸気発生部２３を一体化させてなる複合熱
交換器、２４はメタノールタンク、２５は水タンク、２
６，２７は気水分離器、２８は起動用燃焼器、２９は冷
却器である。
【００１８】図１に示す実施の形態の場合には、固体高
分子電解質型燃料電池Ｉのアノード３から排出されたア
ノード排ガスＡＧはカソード２から排出されたカソード
排ガスＣＧとともに触媒燃焼器６へ導入されて燃焼させ
られ、約４００℃の燃焼ガスが触媒燃焼器６から燃焼ガ
スライン７を経て排ガスタービン８に吸入側より供給さ
れる。これにより排ガスタービン８は、アノード排ガス
の燃焼ガスにより作動させられ、空気Ａを圧縮してカソ
ード２へ供給させるようにする空気源としての容積形コ
ンプレッサ１０を駆動させることができ、上記アノード
排ガスＡＧの燃焼ガスを排ガスタービン８に導入させる
ことにより、該燃焼ガスのエネルギーを、空気源の駆動
動力として有効に利用できることになる。
【００１９】上記容積形コンプレッサ１０の圧力と流量
との関係は、図２に示す如く、一定圧力域に達すると、
流量Ｑを少なくしても圧力Ｐの変動はなく、低流量でも
サージング等の心配がない。
【００２０】上記実施の形態では、排ガスタービン８に
アノード排ガスＡＧとカソード排ガスＣＧを触媒燃焼器
６で燃焼して得られた約４００℃の燃焼ガスを導入し
て、該排ガスタービン８を回転させるようにした場合を
示したが、図１（イ）における複合熱交換器２０のメタ
ノール蒸発部２２を出た約３００℃の排ガスの如き系内
で発生した高温の排ガス３０を、排ガスタービン８の吸
入側に導入させるようにすることができる。この場合
は、二点鎖線で示す如くメタノール蒸発部２２の出口側
の排ガスライン３１を、排ガスタービン８の入口側に接
続することにより可能となる。
【００２１】このように、メタノールの蒸発に用いて、
なお３００℃位の温度となっている排ガスを、排ガスタ
ービン８に導入させるようにすることにより、無駄に放
出されている排ガスのエネルギーを容積形コンプレッサ
１０の動力として利用することができて、カソード２に
加圧空気を供給させることができる。又、上記メタノー
ルの蒸発に用いられた排ガスを利用すると、触媒燃焼器
６で燃焼されたガスは、他に有効利用することが可能と
なる。
【００２２】更に、図３は本発明の他の実施の形態を示
すもので、図１（ロ）に示す如き排ガスタービン８によ
り容積形コンプレッサ１０を駆動させるようにした構成
において、容積形コンプレッサ１０の軸上に、モータジ
ェネレータ３２を取り付けた構成としたものである。
【００２３】このような構成とすることにより、燃料電
池Ｉのカソード２へ空気を供給する空気源としての容積
形コンプレッサ１０を駆動する排ガスタービン８の発生
動力が十分ある場合は、発電させることによりエネルギ
ー回収を行わせることができ、又、起動時に排ガスター
ビン８へのアノード排ガス燃焼ガスが利用できない場合
あるいは運転中に容積形コンプレッサ１０から多くの空
気の圧送が必要となって排ガスタービン８のみでは動力
が不足するような場合等では、容積形コンプレッサ１０
を駆動させる駆動装置として使用して回転をアシストさ
せることができる。
【００２４】なお、上記実施の形態では、燃料電池とし
て、自動車の動力源として有効なものとして固体高分子
電解質型燃料電池の場合について示したが、他の種類の
燃料電池についても適用できることは勿論であり、又、
発電装置のシステム構成は、図１（イ）は一例を示すも
のであって、これに限定されるものではなく、たとえ
ば、図１（イ）において、改質器とシフトコンバータを
別々に配置して、改質器を２５０℃で運転させるように
したり、又、メタノール蒸発器と蒸気発生器を別々に配
置し、更に、改質器の加熱にカソード排ガスとアノード
排ガスを燃焼して得た燃焼ガスを用いるようにするこ
と、等は任意である。
【００２５】
【発明の効果】以上述べた如く、本発明の燃料電池用空
気供給装置によれば、燃料電池のカソードへ圧送する空
気源として容積形コンプレッサを用い、該容積形コンプ
レッサを駆動する動力を排ガスタービンから取るように
し、該排ガスタービンには、アノード排ガスを燃焼した
高温のガスか、又は発電システム内で発生した高温のガ
スを導入して、これらガスのエネルギーを空気供給動力
として利用するようにしてあるので、燃料電池の排ガス
エネルギーを排ガスタービンで有効利用できると共に、
該排ガスタービンで駆動される空気源に、容積形コンプ
レッサを用いているので、高圧縮比の圧縮空気をカソー
ドへ供給でき、且つ低流量でもサージング等の問題がな
く、コントロールが容易であり、又、容積形コンプレッ
サの軸上に、モータジェネレータを配設した構成とする
ことにより、起動時で排ガスタービンからの動力が得ら
れないときや多くの空気を必要とするとき等では、容積
形コンプレッサの回転をアシストさせることができ、逆
に排ガスタービンの動力が十分あるときや空気の使用量
が少ないときは発電機として発電させることができる、
等の優れた効果を奏し得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態を示すもので、（イ）は
固体高分子電解質型燃料電池発電装置に適用した例を示
すシステム構成図、（ロ）は本発明の概要図である。
【図２】本発明における容積形コンプレッサとしての機
械駆動式過給機の場合の圧力と流量の特性を示す図であ
る。
【図３】本発明の実施の他の形態を示す概要図である。
【図４】従来の一例を示す概要図である。
【図５】従来の他の例を示す概要図である。
【図６】ターボチャージャの場合の圧力と流量の特性を
示す図である。
【符号の説明】
Ｉ 固体高分子電解質型燃料電池 ２ カソード ３ アノード ５ 空気供給ライン ６ 触媒燃焼器 ７ 燃焼ガスライン ８ 排ガスタービン １０ 容積形コンプレッサ １２ カソード排ガスライン １３ アノード排ガスライン ３１ 排ガスライン ３２ モータジェネレータ Ａ 空気 ＡＧ アノード排ガス

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 燃料電池のカソード入口側へ接続した空
    気供給ラインを通してカソードへ圧縮空気を供給する空
    気源として容積形コンプレッサを設け、且つ該容積形コ
    ンプレッサを駆動する排ガスタービンの吸入側に、上記
    燃料電池のアノードから排出されたアノード排ガスを燃
    焼して得た燃焼ガスを導入させるようにし、上記アノー
    ド排ガスの燃焼ガスにより作動する排ガスタービンで容
    積形コンプレッサを駆動させてカソードへ空気を供給さ
    せるようにしたことを特徴とする燃料電池用空気供給装
    置。
  2. 【請求項２】 燃料電池のカソード入口側へ接続した空
    気供給ラインを通してカソードへ圧縮空気を供給する空
    気源として容積形コンプレッサを設け、且つ該容積形コ
    ンプレッサを駆動する排ガスタービンの吸入側に、系内
    で発生した高温排ガスを導入させるようにし、上記アノ
    ード排ガスの燃焼ガスにより作動する排ガスタービンで
    容積形コンプレッサを駆動させてカソードへ空気を供給
    させるようにしたことを特徴とする燃料電池用空気供給
    装置。
  3. 【請求項３】 容積形コンプレッサの軸上に、モータジ
    ェネレータを取り付けた請求項１又は２記載の燃料電池
    用空気供給装置。
JP10105079A 1998-04-15 1998-04-15 燃料電池用空気供給装置 Pending JPH11307111A (ja)

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