JPH11307112A - 固体高分子電解質型燃料電池発電装置 - Google Patents
固体高分子電解質型燃料電池発電装置Info
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- JPH11307112A JPH11307112A JP10105080A JP10508098A JPH11307112A JP H11307112 A JPH11307112 A JP H11307112A JP 10105080 A JP10105080 A JP 10105080A JP 10508098 A JP10508098 A JP 10508098A JP H11307112 A JPH11307112 A JP H11307112A
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- solid polymer
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01B—BOILING; BOILING APPARATUS ; EVAPORATION; EVAPORATION APPARATUS
- B01B1/00—Boiling; Boiling apparatus for physical or chemical purposes ; Evaporation in general
- B01B1/005—Evaporation for physical or chemical purposes; Evaporation apparatus therefor, e.g. evaporation of liquids for gas phase reactions
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 固体高分子電解質型燃料電池を自動車の動力
源として用いるためにシステム全体をコンパクト化する
と共に負荷応答性を高めるようにする。 【解決手段】 改質器２６を、低温活性の高い改質触媒
を使用し且つシフトコンバータの運転温度と同じ温度で
運転できるようにして、シフトコンバータの機能を備え
た構成として、シフトコンバータをなくし、システムの
コンパクト化を図るようにする。又、改質器２６の加熱
に、ガスに比べて熱容量の大きい熱媒体３０を用いるよ
うにして、負荷応答性を向上させる。上記熱媒体３０の
加熱部３４とメタノール蒸発部３５と蒸気発生部３６を
一体化させた複合熱交換器３３として、システムのコン
パクト化を図るようにする。
源として用いるためにシステム全体をコンパクト化する
と共に負荷応答性を高めるようにする。 【解決手段】 改質器２６を、低温活性の高い改質触媒
を使用し且つシフトコンバータの運転温度と同じ温度で
運転できるようにして、シフトコンバータの機能を備え
た構成として、シフトコンバータをなくし、システムの
コンパクト化を図るようにする。又、改質器２６の加熱
に、ガスに比べて熱容量の大きい熱媒体３０を用いるよ
うにして、負荷応答性を向上させる。上記熱媒体３０の
加熱部３４とメタノール蒸発部３５と蒸気発生部３６を
一体化させた複合熱交換器３３として、システムのコン
パクト化を図るようにする。
Description
【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うち、固体高分子電解質型燃料電
池の発電装置に関するものである。
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うち、固体高分子電解質型燃料電
池の発電装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】自動車、船舶、宇宙船等の動力源として
燃料電池を用いることの検討が進められているが、メタ
ノールを原料とする固体高分子電解質型燃料電池は、１
００℃以下という低温で発電が行われ、出力密度が高
く、低温で作動するので、電池構成材料の劣化が少ない
こと、起動が容易であること、等の長所があることか
ら、特に、自動車等の輸送体の動力源として有効とされ
ている。
燃料電池を用いることの検討が進められているが、メタ
ノールを原料とする固体高分子電解質型燃料電池は、１
００℃以下という低温で発電が行われ、出力密度が高
く、低温で作動するので、電池構成材料の劣化が少ない
こと、起動が容易であること、等の長所があることか
ら、特に、自動車等の輸送体の動力源として有効とされ
ている。
【０００３】固体高分子電解質型燃料電池の基本的構成
は、固体高分子電解質膜の両面を、白金等の貴金属を触
媒とする多孔質のカソード（酸素極）とアノード（燃料
極）の両ガス拡散電極で挟んで重ね合わせてなるものを
セルとし、該セルをセパレータを介し積層してスタック
とするようにし、各セパレータの表裏両面にガス通路を
形成して、カソード側には酸化剤ガスをガス通路を通し
て給排させるようにし、又、アノード側には燃料ガスを
ガス通路を通して給排させるようにし、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
冷却部が設けられている構成となっている。
は、固体高分子電解質膜の両面を、白金等の貴金属を触
媒とする多孔質のカソード（酸素極）とアノード（燃料
極）の両ガス拡散電極で挟んで重ね合わせてなるものを
セルとし、該セルをセパレータを介し積層してスタック
とするようにし、各セパレータの表裏両面にガス通路を
形成して、カソード側には酸化剤ガスをガス通路を通し
て給排させるようにし、又、アノード側には燃料ガスを
ガス通路を通して給排させるようにし、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
冷却部が設けられている構成となっている。
【０００４】かかる構成の固体高分子電解質型燃料電池
を用いた発電装置としては、従来、図３に示す如きシス
テム構成のものがある。すなわち、固体高分子電解質膜
１の両面をカソード２とアノード３の両ガス拡散電極で
挟持させてなるセルをセパレータを介して積層してスタ
ックとし、且つ数セルに１つずつの冷却部４を備えてな
る固体高分子電解質型燃料電池Ｉのアノード３入口側
に、改質器５、熱交換器６、シフトコンバータ７、ＣＯ
除去器８を、上流側から下流側へ順に設置し、メタノー
ルタンク９から供給される原料としてのメタノールを、
メタノール蒸発器１０を経て改質器５に導入させるよう
にメタノール供給ライン１１を設け、一方、水タンク１
２からの水の一部を蒸気発生器１３で水蒸気にして送る
水蒸気ライン１４を上記メタノール供給ライン１１に接
続してメタノールと水蒸気を上記改質器５に導入して水
蒸気改質を行わせるようにすると共に、水の他の一部
を、冷却用として熱交換器６とＣＯ除去器８を通過させ
るようにし、上記改質器５で改質された燃料ガスＦＧ
を、熱交換器６で上記水タンク１２からの冷却水により
冷却した後、２００℃で運転されるシフトコンバータ７
でシフト反応を行って、固体高分子電解質型燃料電池Ｉ
の触媒毒となる一酸化炭素（ＣＯ）の濃度をＣＯ除去器
８が処理可能な濃度（１％以下）に低減するようにす
る。１５０℃で運転されるＣＯ除去器８でＣＯ除去処理
された燃料ガスＦＧが加湿器１５を経て固体高分子電解
質型燃料電池Ｉのアノード３へ供給するようにしてあ
る。一方、固体高分子電解質型燃料電池Ｉのカソード２
の入口側には、酸化剤ガスとして空気Ａをターボチャー
ジャ１６のコンプレッサ１７で圧縮して加湿器１５を経
て供給するようにすると共に、一部を分岐してＣＯ除去
器８に入れてＣＯの燃焼に用いるようにしてあり、又、
上記カソード２から排出されたカソード排ガスＣＧの全
量と、アノード３から排出されたアノード排ガスＡＧの
一部を、燃焼器１９で燃焼させた後、改質器５の燃焼室
に導入して、該改質器５の改質室内のメタノールを改質
触媒の存在下で２５０℃になるように熱を吸熱して反応
させることにより燃料ガスＦＧに改質するようにしてあ
る。
を用いた発電装置としては、従来、図３に示す如きシス
テム構成のものがある。すなわち、固体高分子電解質膜
１の両面をカソード２とアノード３の両ガス拡散電極で
挟持させてなるセルをセパレータを介して積層してスタ
ックとし、且つ数セルに１つずつの冷却部４を備えてな
る固体高分子電解質型燃料電池Ｉのアノード３入口側
に、改質器５、熱交換器６、シフトコンバータ７、ＣＯ
除去器８を、上流側から下流側へ順に設置し、メタノー
ルタンク９から供給される原料としてのメタノールを、
メタノール蒸発器１０を経て改質器５に導入させるよう
にメタノール供給ライン１１を設け、一方、水タンク１
２からの水の一部を蒸気発生器１３で水蒸気にして送る
水蒸気ライン１４を上記メタノール供給ライン１１に接
続してメタノールと水蒸気を上記改質器５に導入して水
蒸気改質を行わせるようにすると共に、水の他の一部
を、冷却用として熱交換器６とＣＯ除去器８を通過させ
るようにし、上記改質器５で改質された燃料ガスＦＧ
を、熱交換器６で上記水タンク１２からの冷却水により
冷却した後、２００℃で運転されるシフトコンバータ７
でシフト反応を行って、固体高分子電解質型燃料電池Ｉ
の触媒毒となる一酸化炭素（ＣＯ）の濃度をＣＯ除去器
８が処理可能な濃度（１％以下）に低減するようにす
る。１５０℃で運転されるＣＯ除去器８でＣＯ除去処理
された燃料ガスＦＧが加湿器１５を経て固体高分子電解
質型燃料電池Ｉのアノード３へ供給するようにしてあ
る。一方、固体高分子電解質型燃料電池Ｉのカソード２
の入口側には、酸化剤ガスとして空気Ａをターボチャー
ジャ１６のコンプレッサ１７で圧縮して加湿器１５を経
て供給するようにすると共に、一部を分岐してＣＯ除去
器８に入れてＣＯの燃焼に用いるようにしてあり、又、
上記カソード２から排出されたカソード排ガスＣＧの全
量と、アノード３から排出されたアノード排ガスＡＧの
一部を、燃焼器１９で燃焼させた後、改質器５の燃焼室
に導入して、該改質器５の改質室内のメタノールを改質
触媒の存在下で２５０℃になるように熱を吸熱して反応
させることにより燃料ガスＦＧに改質するようにしてあ
る。
【０００５】又、改質器５の燃焼室より排出された排ガ
スは、アノード３から排出されたアノード排ガスＡＧの
一部とともに燃焼器２０で燃焼させられた後にタービン
１８に導いて上記コンプレッサ１７を駆動させるように
し、タービン１８から排出された排気ガスは蒸気発生器
１３、メタノール蒸発器１０を通して排気ガスとして排
出させるようにしてある。更に、上記水タンク１２から
の冷却水の一部は、加湿器１５を経て固体高分子電解質
型燃料電池Ｉの冷却部４を通過させられるようにしてあ
り、該冷却部４を通過させられた冷却水は、冷却器２１
で冷却されて水タンク１２へ入れられるようにしてあ
り、又、カソード排ガスライン２２中の気水分離器２３
及びアノード排ガスライン２４中の気水分離器２５で各
々分離された水は、上記熱交換器６及びＣＯ除去器８を
通過した水とともに水タンク１２へ戻されるようにして
ある。
スは、アノード３から排出されたアノード排ガスＡＧの
一部とともに燃焼器２０で燃焼させられた後にタービン
１８に導いて上記コンプレッサ１７を駆動させるように
し、タービン１８から排出された排気ガスは蒸気発生器
１３、メタノール蒸発器１０を通して排気ガスとして排
出させるようにしてある。更に、上記水タンク１２から
の冷却水の一部は、加湿器１５を経て固体高分子電解質
型燃料電池Ｉの冷却部４を通過させられるようにしてあ
り、該冷却部４を通過させられた冷却水は、冷却器２１
で冷却されて水タンク１２へ入れられるようにしてあ
り、又、カソード排ガスライン２２中の気水分離器２３
及びアノード排ガスライン２４中の気水分離器２５で各
々分離された水は、上記熱交換器６及びＣＯ除去器８を
通過した水とともに水タンク１２へ戻されるようにして
ある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】ところが、燃料電池を
自動車等の輸送体の動力源として使用する場合は、燃料
電池発電装置のコンパクト化と負荷応答性が要求される
が、上記固体高分子電解質型燃料電池発電装置の場合、
アノード３から排出されたアノード排ガスＡＧは、改質
器５での吸熱反応に必要な熱を得るため燃焼器１９で燃
焼させるようにしてあり、負荷変動が生じて改質器５で
改質するガスの量、アノード３での燃料利用率が変動す
るようなことがあっても、これに柔軟に対処できるよう
にはなっておらず、又、原料としてのメタノールを改質
器５で改質して燃料ガスＦＧとしてアノード３に供給す
るラインには、燃料ガスを冷却するための熱交換器６や
シフトコンバータ７、ＣＯ除去器８が配設されていると
共に、メタノール蒸発器１０、蒸気発生器１３も別置き
となっていてコンパクト化には限界があり、更に、固体
高分子電解質型燃料電池は、ＣＯの被毒を受けるため、
ＣＯ濃度を１０〜１００ppm 以下にしなければならな
い。しかし、このＣＯ濃度は、蒸気とメタノールの混合
比（Ｓ／Ｃ）により大きく影響を受けるものであるが、
図３に示す燃料電池発電装置ではＳ／Ｃが一定となるよ
うな配慮はなされておらず、負荷変動が生じると、Ｓ／
Ｃが変って来る、という問題があった。
自動車等の輸送体の動力源として使用する場合は、燃料
電池発電装置のコンパクト化と負荷応答性が要求される
が、上記固体高分子電解質型燃料電池発電装置の場合、
アノード３から排出されたアノード排ガスＡＧは、改質
器５での吸熱反応に必要な熱を得るため燃焼器１９で燃
焼させるようにしてあり、負荷変動が生じて改質器５で
改質するガスの量、アノード３での燃料利用率が変動す
るようなことがあっても、これに柔軟に対処できるよう
にはなっておらず、又、原料としてのメタノールを改質
器５で改質して燃料ガスＦＧとしてアノード３に供給す
るラインには、燃料ガスを冷却するための熱交換器６や
シフトコンバータ７、ＣＯ除去器８が配設されていると
共に、メタノール蒸発器１０、蒸気発生器１３も別置き
となっていてコンパクト化には限界があり、更に、固体
高分子電解質型燃料電池は、ＣＯの被毒を受けるため、
ＣＯ濃度を１０〜１００ppm 以下にしなければならな
い。しかし、このＣＯ濃度は、蒸気とメタノールの混合
比（Ｓ／Ｃ）により大きく影響を受けるものであるが、
図３に示す燃料電池発電装置ではＳ／Ｃが一定となるよ
うな配慮はなされておらず、負荷変動が生じると、Ｓ／
Ｃが変って来る、という問題があった。
【０００７】そこで、本発明は、システム全体をシンプ
ルにしてコンパクト化すると共に負荷応答性を向上させ
て自動車等の輸送体の動力源として使用できるように
し、且つ負荷変動時でもメタノールと水の比が常に一定
になるようにした固体高分子電解質型燃料電池発電装置
を提供しようとするものである。
ルにしてコンパクト化すると共に負荷応答性を向上させ
て自動車等の輸送体の動力源として使用できるように
し、且つ負荷変動時でもメタノールと水の比が常に一定
になるようにした固体高分子電解質型燃料電池発電装置
を提供しようとするものである。
【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、固体高分子電解質膜をカソードとアノー
ドで挟み、カソード側に酸化剤ガスを供給すると共に、
アノード側に燃料ガスを供給するようにしてある燃料電
池のアノードへメタノールを改質して供給するライン
に、低温活性の高い改質触媒を用いてシフトコンバータ
の運転温度と同じ温度で運転するようにした改質器と、
該改質器で改質された燃料ガス中の一酸化炭素を除去す
るＣＯ除去器を設置し、且つ上記改質器の上流側に、メ
タノール蒸発部、蒸気発生部、熱媒体加熱部を一体化し
てなる複合熱交換器を設置して、メタノール蒸発部で蒸
発されたメタノールと蒸気発生部で発生させられた水蒸
気を上記改質器に導入するようにし、該改質器の加熱に
用いる熱媒体を、上記複合熱交換器の熱媒体加熱部で加
熱して改質器に導くようにした構成とする。
決するために、固体高分子電解質膜をカソードとアノー
ドで挟み、カソード側に酸化剤ガスを供給すると共に、
アノード側に燃料ガスを供給するようにしてある燃料電
池のアノードへメタノールを改質して供給するライン
に、低温活性の高い改質触媒を用いてシフトコンバータ
の運転温度と同じ温度で運転するようにした改質器と、
該改質器で改質された燃料ガス中の一酸化炭素を除去す
るＣＯ除去器を設置し、且つ上記改質器の上流側に、メ
タノール蒸発部、蒸気発生部、熱媒体加熱部を一体化し
てなる複合熱交換器を設置して、メタノール蒸発部で蒸
発されたメタノールと蒸気発生部で発生させられた水蒸
気を上記改質器に導入するようにし、該改質器の加熱に
用いる熱媒体を、上記複合熱交換器の熱媒体加熱部で加
熱して改質器に導くようにした構成とする。
【０００９】改質器とシフトコンバータを一体化させた
構成にできてコンパクト化が図れ、更に、メタノール蒸
発部と蒸気発生部と熱媒体加熱部を一体化してなる複合
熱交換器としているのでコンパクト化が図れ、したがっ
て自動車へ搭載する場合の設置スペースが小さくてす
み、有利となる。又、改質器の加熱に熱媒体を用いるこ
とから、負荷応答性を向上させることができる。
構成にできてコンパクト化が図れ、更に、メタノール蒸
発部と蒸気発生部と熱媒体加熱部を一体化してなる複合
熱交換器としているのでコンパクト化が図れ、したがっ
て自動車へ搭載する場合の設置スペースが小さくてす
み、有利となる。又、改質器の加熱に熱媒体を用いるこ
とから、負荷応答性を向上させることができる。
【００１０】又、上記熱媒体の加熱に排ガスタービンの
排気ガスを用いるようにするが、排ガスの適切な温度範
囲を使用することで熱媒体の過熱を防止でき、改質器の
改質触媒の耐熱温度以下で運転できることになる。
排気ガスを用いるようにするが、排ガスの適切な温度範
囲を使用することで熱媒体の過熱を防止でき、改質器の
改質触媒の耐熱温度以下で運転できることになる。
【００１１】ＣＯ除去器の冷却手段として空冷を採用す
ることにより冷却水や冷却ガスを通して行う方式に比し
て冷却ラインをなくしてシステムのコンパクト化が図れ
る。
ることにより冷却水や冷却ガスを通して行う方式に比し
て冷却ラインをなくしてシステムのコンパクト化が図れ
る。
【００１２】更に、メタノールと水の各定量ポンプを機
械的に同期させることにより、メタノールと水の割り合
いが常に設定値になるようになり、負荷応答時でも一酸
化炭素の濃度を１０〜１００ppm 以下に下げることがで
きる。
械的に同期させることにより、メタノールと水の割り合
いが常に設定値になるようになり、負荷応答時でも一酸
化炭素の濃度を１０〜１００ppm 以下に下げることがで
きる。
【００１３】
【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。
を参照して説明する。
【００１４】図１は本発明の実施の一形態を示すもの
で、図３に示したメタノールを原料として水蒸気改質を
行うようにした固体高分子電解質型燃料電池発電装置と
同様な構成において、改質器５とシフトコンバータ７を
一体化して、メタノールを改質して固体高分子電解質型
燃料電池Ｉのアノード３へ燃料ガスを供給するラインの
機器数を少なくしてシンプル化させると共に他の機器も
シンプル化を図ってシステム全体のコンパクト化を図る
ようにし、又、改質器で吸熱反応させるための熱を熱容
量の大きい熱媒体により得るようにして負荷応答性を高
めるようにし、更に、メタノールと水の割り合いを常に
一定になるようにメタノールと水の定量ポンプを機械的
に同期させてポンプの回転数が一定になるようにする。
で、図３に示したメタノールを原料として水蒸気改質を
行うようにした固体高分子電解質型燃料電池発電装置と
同様な構成において、改質器５とシフトコンバータ７を
一体化して、メタノールを改質して固体高分子電解質型
燃料電池Ｉのアノード３へ燃料ガスを供給するラインの
機器数を少なくしてシンプル化させると共に他の機器も
シンプル化を図ってシステム全体のコンパクト化を図る
ようにし、又、改質器で吸熱反応させるための熱を熱容
量の大きい熱媒体により得るようにして負荷応答性を高
めるようにし、更に、メタノールと水の割り合いを常に
一定になるようにメタノールと水の定量ポンプを機械的
に同期させてポンプの回転数が一定になるようにする。
【００１５】詳述すると、メタノールを原料とする場合
の改質器の改質触媒とシフトコンバータの低温シフト触
媒は、ともに銅（Ｃｕ）、亜鉛（Ｚｎ）を活性成分とす
る触媒であることに着目して、従来の上記改質器５に代
えて、触媒に低温活性の高い改質触媒を使用するように
し、且つ上記シフトコンバータ７の運転温度と同じ２０
０℃で運転できるようにした改質器２６とすることによ
り、従来設置されていた熱交換器６とシフトコンバータ
７をなくし、図１に示す如く、２００℃で運転する改質
器２６と１５０℃で運転するＣＯ除去器２７のみを、固
体高分子電解質型燃料電池Ｉのアノード３の入口側のメ
タノールを改質して供給するライン２８に設置するよう
にすると共に、上記ＣＯ除去器２７の冷却手段として空
冷フイン２９を設置して、ＣＯ除去器２７の冷却を、図
３に示す冷却水による冷却や冷却ガスによる冷却に代
え、空冷フイン２９で冷却するようにすることにより、
従来の冷却ラインを省略してシステムの簡略化を図るよ
うにする。
の改質器の改質触媒とシフトコンバータの低温シフト触
媒は、ともに銅（Ｃｕ）、亜鉛（Ｚｎ）を活性成分とす
る触媒であることに着目して、従来の上記改質器５に代
えて、触媒に低温活性の高い改質触媒を使用するように
し、且つ上記シフトコンバータ７の運転温度と同じ２０
０℃で運転できるようにした改質器２６とすることによ
り、従来設置されていた熱交換器６とシフトコンバータ
７をなくし、図１に示す如く、２００℃で運転する改質
器２６と１５０℃で運転するＣＯ除去器２７のみを、固
体高分子電解質型燃料電池Ｉのアノード３の入口側のメ
タノールを改質して供給するライン２８に設置するよう
にすると共に、上記ＣＯ除去器２７の冷却手段として空
冷フイン２９を設置して、ＣＯ除去器２７の冷却を、図
３に示す冷却水による冷却や冷却ガスによる冷却に代
え、空冷フイン２９で冷却するようにすることにより、
従来の冷却ラインを省略してシステムの簡略化を図るよ
うにする。
【００１６】又、上記改質器２６の加熱には、ガスに比
べ熱容量の大きい熱媒体３０を用いるようにして、熱媒
体３０を熱媒体ポンプ３２で循環させるようにする閉ル
ープの熱媒体循環ライン３１を設け、該熱媒体循環ライ
ン３１を流れる熱媒体３０を加熱する熱媒体加熱部３４
を、図３におけるメタノール蒸発器１０、蒸気発生器１
３に相当するメタノール蒸発部３５、蒸気発生部３６の
中間に一体化してなる複合熱交換器３３を構成し、該複
合熱交換器３３のメタノール蒸発部３５を通過したメタ
ノールと、複合熱交換器３３の蒸気発生部３６を通過し
た水蒸気とを改質器２６の改質室に導入するようにする
と共に、熱媒体加熱部３４で加熱されて改質器２６の加
熱室を流れる熱媒体３０で改質器２６の加熱を行わせる
ようにし、又、図３におけるターボチャージャ１６に代
えて、ターボリショルムコンプレッサ３７を用いるよう
にして、排ガスタービン３８によりリショルムコンプレ
ッサ３９を駆動させるようにし、該ターボリショルムコ
ンプレッサ３７の排ガスタービン３８から排出された排
ガスを、上記複合熱交換器３３の加熱に用いるように、
タービン排ガスライン４０を複合熱交換器３３に接続し
て、排気ガスを水の蒸発、熱媒体の加熱、メタノールの
蒸発に使用するようにし、排気ガスの一部を、タービン
排ガスライン４０より分岐した分岐ライン４１を介して
起動用燃焼器４２に接続し、該起動用燃焼器４２に導入
されるメタノールの一部を燃焼させて、起動時の加熱用
として複合熱交換器３３に導入できるようにし、一方、
上記排ガスタービン３８には、触媒燃焼器４３で燃焼し
た排ガスを導入するようにし、触媒燃焼器４３には、カ
ソード２からのカソード排ガスの全量とアノード３から
のアノード排ガスの全量を導入させて燃焼させるように
する。
べ熱容量の大きい熱媒体３０を用いるようにして、熱媒
体３０を熱媒体ポンプ３２で循環させるようにする閉ル
ープの熱媒体循環ライン３１を設け、該熱媒体循環ライ
ン３１を流れる熱媒体３０を加熱する熱媒体加熱部３４
を、図３におけるメタノール蒸発器１０、蒸気発生器１
３に相当するメタノール蒸発部３５、蒸気発生部３６の
中間に一体化してなる複合熱交換器３３を構成し、該複
合熱交換器３３のメタノール蒸発部３５を通過したメタ
ノールと、複合熱交換器３３の蒸気発生部３６を通過し
た水蒸気とを改質器２６の改質室に導入するようにする
と共に、熱媒体加熱部３４で加熱されて改質器２６の加
熱室を流れる熱媒体３０で改質器２６の加熱を行わせる
ようにし、又、図３におけるターボチャージャ１６に代
えて、ターボリショルムコンプレッサ３７を用いるよう
にして、排ガスタービン３８によりリショルムコンプレ
ッサ３９を駆動させるようにし、該ターボリショルムコ
ンプレッサ３７の排ガスタービン３８から排出された排
ガスを、上記複合熱交換器３３の加熱に用いるように、
タービン排ガスライン４０を複合熱交換器３３に接続し
て、排気ガスを水の蒸発、熱媒体の加熱、メタノールの
蒸発に使用するようにし、排気ガスの一部を、タービン
排ガスライン４０より分岐した分岐ライン４１を介して
起動用燃焼器４２に接続し、該起動用燃焼器４２に導入
されるメタノールの一部を燃焼させて、起動時の加熱用
として複合熱交換器３３に導入できるようにし、一方、
上記排ガスタービン３８には、触媒燃焼器４３で燃焼し
た排ガスを導入するようにし、触媒燃焼器４３には、カ
ソード２からのカソード排ガスの全量とアノード３から
のアノード排ガスの全量を導入させて燃焼させるように
する。
【００１７】更に、メタノールタンク９から複合熱交換
器３３のメタノール蒸発部３５へメタノールを圧送する
定量ポンプ４４と、水タンク１２から複合熱交換器３３
の蒸気発生部３６へ水を圧送する定量ポンプ４５とを、
回転数の比が一定になるように機械的に同期させるよう
連結手段４６で連結し、負荷変動時でもメタノールと水
の比が常に一定となるようにする。
器３３のメタノール蒸発部３５へメタノールを圧送する
定量ポンプ４４と、水タンク１２から複合熱交換器３３
の蒸気発生部３６へ水を圧送する定量ポンプ４５とを、
回転数の比が一定になるように機械的に同期させるよう
連結手段４６で連結し、負荷変動時でもメタノールと水
の比が常に一定となるようにする。
【００１８】その他の構成は図３に示す従来のシステム
構成と同じであり、同一のものには同一符号が付してあ
る。
構成と同じであり、同一のものには同一符号が付してあ
る。
【００１９】図２は上記構成とした固体高分子電解質型
燃料電池発電装置における複合熱交換器に改質器、ＣＯ
除去器、熱媒体循環ラインを組み付けた具体例を示すも
のであり、４７は熱媒体タンクであり、該熱媒体タンク
４７内の熱媒体を熱媒体ポンプ３２で閉ループの循環ラ
イン３１を循環させるようにしたものである。
燃料電池発電装置における複合熱交換器に改質器、ＣＯ
除去器、熱媒体循環ラインを組み付けた具体例を示すも
のであり、４７は熱媒体タンクであり、該熱媒体タンク
４７内の熱媒体を熱媒体ポンプ３２で閉ループの循環ラ
イン３１を循環させるようにしたものである。
【００２０】本発明の固体高分子電解質型燃料電池発電
装置を起動するときは、先ず、メタノールタンク９内の
メタノールを起動用燃焼器４２で触媒燃焼させ、その燃
焼熱で水蒸気を発生させ、更に、熱媒体３０の加熱、メ
タノールの蒸発を行わせるようにする。加熱された熱媒
体は、熱媒体循環ライン３１を循環して流れることによ
り改質器２６を加熱し、メタノール蒸発部３５を通過し
たメタノールと蒸気発生部３６で発生した水蒸気が改質
器２６の改質室に導入されてメタノールの水蒸気改質が
行われる。
装置を起動するときは、先ず、メタノールタンク９内の
メタノールを起動用燃焼器４２で触媒燃焼させ、その燃
焼熱で水蒸気を発生させ、更に、熱媒体３０の加熱、メ
タノールの蒸発を行わせるようにする。加熱された熱媒
体は、熱媒体循環ライン３１を循環して流れることによ
り改質器２６を加熱し、メタノール蒸発部３５を通過し
たメタノールと蒸気発生部３６で発生した水蒸気が改質
器２６の改質室に導入されてメタノールの水蒸気改質が
行われる。
【００２１】改質器２６は、従来のシフトコンバータの
運転温度と同じ２００℃で運転され、改質器２６出口で
のＣＯ濃度をＣＯ除去器２７で処理可能な濃度まで低減
することができる。改質器２６で改質された燃料ガスＦ
Ｇは、ＣＯ除去器２７に入り、ここで燃料ガスに同伴し
たＣＯの除去が行われる。ＣＯ除去器２７の冷却手段と
して、空冷フイン２９を用いているので、従来の冷却水
による場合の如き冷却ラインをＣＯ除去器２７に設ける
必要をなくすことができ、システムをシンプル化でき、
又、上記改質器２６は、従来の改質器とシフトコンバー
タを一体にした構成であることからも、システムのシン
プル化をより図ることができて、コンパクト化を図るこ
とができることになる。
運転温度と同じ２００℃で運転され、改質器２６出口で
のＣＯ濃度をＣＯ除去器２７で処理可能な濃度まで低減
することができる。改質器２６で改質された燃料ガスＦ
Ｇは、ＣＯ除去器２７に入り、ここで燃料ガスに同伴し
たＣＯの除去が行われる。ＣＯ除去器２７の冷却手段と
して、空冷フイン２９を用いているので、従来の冷却水
による場合の如き冷却ラインをＣＯ除去器２７に設ける
必要をなくすことができ、システムをシンプル化でき、
又、上記改質器２６は、従来の改質器とシフトコンバー
タを一体にした構成であることからも、システムのシン
プル化をより図ることができて、コンパクト化を図るこ
とができることになる。
【００２２】ＣＯ除去器２７でＣＯ除去が行われた燃料
ガスＦＧはアノード３へ供給され、該アノード３から排
出されたアノード排ガスＡＧは、気水分離器２５で気水
分離され、ガスは触媒燃焼器４３へ導入され、水は水タ
ンク１２へ導入される。
ガスＦＧはアノード３へ供給され、該アノード３から排
出されたアノード排ガスＡＧは、気水分離器２５で気水
分離され、ガスは触媒燃焼器４３へ導入され、水は水タ
ンク１２へ導入される。
【００２３】一方、カソード２へは、リショルムコンプ
レッサ３９で圧縮された空気Ａが酸化剤ガスとして供給
され、該空気の一部は、ＣＯ除去器２７へ供給される。
カソード２から排出されたカソード排ガスＣＧは、気水
分離器２３で気水分離され、ガスは全量が触媒燃焼器４
３へ導入され、水は水タンク１２へ導入される。
レッサ３９で圧縮された空気Ａが酸化剤ガスとして供給
され、該空気の一部は、ＣＯ除去器２７へ供給される。
カソード２から排出されたカソード排ガスＣＧは、気水
分離器２３で気水分離され、ガスは全量が触媒燃焼器４
３へ導入され、水は水タンク１２へ導入される。
【００２４】上記触媒燃焼器４３で燃焼させられて排出
された排気ガスは、排ガスタービン３８へ送られ、ここ
で膨張させられて複合熱交換器３３や起動用燃焼器４２
へ送られ、複合熱交換器３３へ送られたタービン排気ガ
スは、蒸気発生、熱媒体の加熱、メタノールの蒸発に供
した後、排出される。
された排気ガスは、排ガスタービン３８へ送られ、ここ
で膨張させられて複合熱交換器３３や起動用燃焼器４２
へ送られ、複合熱交換器３３へ送られたタービン排気ガ
スは、蒸気発生、熱媒体の加熱、メタノールの蒸発に供
した後、排出される。
【００２５】本発明においては、上述した如く、改質器
２６の加熱に、熱容量の大きい熱媒体３０を使用するよ
うにしているが、熱媒体はガスより比熱が大きいため、
ガス加熱に比べて負荷変化時の応答に優れており、負荷
応答性を高めることができ、又、改質器２６の改質触媒
の耐熱温度は３５０℃であるため、改質器２６の加熱に
用いられる熱媒体３０の温度が高すぎると、改質触媒を
劣化させることになるが、本発明では、熱媒体３０の加
熱に排ガスタービン３８から排出された排気ガスを使用
するようにしてあるので、該排気ガスの適切な温度範囲
を使用することにより、燃焼ガスで熱媒体を直接加熱す
る場合に起る熱媒体温度の過熱を防止することができ
る。
２６の加熱に、熱容量の大きい熱媒体３０を使用するよ
うにしているが、熱媒体はガスより比熱が大きいため、
ガス加熱に比べて負荷変化時の応答に優れており、負荷
応答性を高めることができ、又、改質器２６の改質触媒
の耐熱温度は３５０℃であるため、改質器２６の加熱に
用いられる熱媒体３０の温度が高すぎると、改質触媒を
劣化させることになるが、本発明では、熱媒体３０の加
熱に排ガスタービン３８から排出された排気ガスを使用
するようにしてあるので、該排気ガスの適切な温度範囲
を使用することにより、燃焼ガスで熱媒体を直接加熱す
る場合に起る熱媒体温度の過熱を防止することができ
る。
【００２６】
【発明の効果】以上述べた如く、本発明の固体高分子電
解質型燃料電池発電装置は、上述した如き構成を有して
いるので、次の如き優れた効果を奏し得る。 (1) 改質器に低温活性の高い改質触媒を使用し、且つ改
質器をシフトコンバータの運転温度と同じ低い温度で運
転するようにしてあるので、従来用いていた熱交換器や
シフトコンバータをなくすことができて、システムのシ
ンプル化が図れてコンパクト化を図ることができる。 (2) ＣＯ除去器の冷却手段として冷却ガスや冷却水を用
いることなく、空冷フインで冷却するようにしてあるの
で、冷却用の流体を流すための冷却ラインをなくすこと
ができて、システムをシンプル化できる。 (3) 改質器の加熱に熱容量の大きい熱媒体を使用するの
で、熱媒体がガスより比熱が大きいことからガス加熱に
比して負荷変化時の応答に優れ、負荷応答性を高めるこ
とができる。 (4) 上記熱媒体の加熱する加熱部を蒸気発生部とメタノ
ール蒸発部と一体化して複合熱交換器とし、該複合熱交
換器の水の蒸発、熱媒体の加熱、メタノールの蒸発に排
ガスタービンからの排気ガスを用いるようにしてあるの
で、複合熱交換器の使用により、従来別々に用いられて
いた機器数を低減できてシステムのシンプル化が図れる
と共に、熱媒体の加熱に排ガスタービンからの排気ガス
を用いることから、排気ガスの適切な温度範囲を使用す
ることにより改質器の改質触媒の耐熱温度以下で運転す
ることができて、熱媒体温度の過熱を防止することがで
きる。 (5) メタノールをメタノール蒸発部に送る定量ポンプと
水を蒸気発生部に送る定量ポンプを機械的に同期させた
構成としてあるので、メタノールと水の両定量ポンプの
回転数の比を一定にすることができ、負荷変動時でも常
にメタノールと水の割り合いを一定にすることができ
て、ＣＯ濃度を１０〜１００ppm 以下に下げることがで
きる。 (6) 以上により固体高分子電解質型燃料電池発電装置を
コンパクトなシステム構成とすることができると共に負
荷応答性の向上が達成でき、自動車の動力源として最適
なものとなる。
解質型燃料電池発電装置は、上述した如き構成を有して
いるので、次の如き優れた効果を奏し得る。 (1) 改質器に低温活性の高い改質触媒を使用し、且つ改
質器をシフトコンバータの運転温度と同じ低い温度で運
転するようにしてあるので、従来用いていた熱交換器や
シフトコンバータをなくすことができて、システムのシ
ンプル化が図れてコンパクト化を図ることができる。 (2) ＣＯ除去器の冷却手段として冷却ガスや冷却水を用
いることなく、空冷フインで冷却するようにしてあるの
で、冷却用の流体を流すための冷却ラインをなくすこと
ができて、システムをシンプル化できる。 (3) 改質器の加熱に熱容量の大きい熱媒体を使用するの
で、熱媒体がガスより比熱が大きいことからガス加熱に
比して負荷変化時の応答に優れ、負荷応答性を高めるこ
とができる。 (4) 上記熱媒体の加熱する加熱部を蒸気発生部とメタノ
ール蒸発部と一体化して複合熱交換器とし、該複合熱交
換器の水の蒸発、熱媒体の加熱、メタノールの蒸発に排
ガスタービンからの排気ガスを用いるようにしてあるの
で、複合熱交換器の使用により、従来別々に用いられて
いた機器数を低減できてシステムのシンプル化が図れる
と共に、熱媒体の加熱に排ガスタービンからの排気ガス
を用いることから、排気ガスの適切な温度範囲を使用す
ることにより改質器の改質触媒の耐熱温度以下で運転す
ることができて、熱媒体温度の過熱を防止することがで
きる。 (5) メタノールをメタノール蒸発部に送る定量ポンプと
水を蒸気発生部に送る定量ポンプを機械的に同期させた
構成としてあるので、メタノールと水の両定量ポンプの
回転数の比を一定にすることができ、負荷変動時でも常
にメタノールと水の割り合いを一定にすることができ
て、ＣＯ濃度を１０〜１００ppm 以下に下げることがで
きる。 (6) 以上により固体高分子電解質型燃料電池発電装置を
コンパクトなシステム構成とすることができると共に負
荷応答性の向上が達成でき、自動車の動力源として最適
なものとなる。
【図１】本発明の固体高分子電解質型燃料電池発電装置
のシステム構成を示す系統図である。
のシステム構成を示す系統図である。
【図２】図１における複合熱交換器に改質器、ＣＯ除去
器、熱媒体循環ラインを組み合わせた一例を示す斜視図
である。
器、熱媒体循環ラインを組み合わせた一例を示す斜視図
である。
【図３】従来の固体高分子電解質型燃料電池発電装置の
システム構成図である。
システム構成図である。
Ｉ 固体高分子電解質型燃料電池 １ 固体高分子電解質膜 ２ カソード ３ アノード ９ メタノールタンク １２ 水タンク ２６ 改質器 ２７ ＣＯ除去器 ２８ ライン ２９ 空冷フイン ３０ 熱媒体 ３１ 熱媒体循環ライン ３３ 複合熱交換器 ３４ 熱媒体加熱部 ３５ メタノール蒸発部 ３６ 蒸気発生部 ３７ ターボリショルムコンプレッサ ３８ 排ガスタービン ３９ リショルムコンプレッサ ４４，４５ 定量ポンプ ４６ 連結手段
フロントページの続き (72)発明者 渡部 武憲 東京都江東区豊洲三丁目１番15号 石川島 播磨重工業株式会社東二テクニカルセンタ ー内 (72)発明者 山中 康朗 東京都江東区豊洲三丁目１番15号 石川島 播磨重工業株式会社東二テクニカルセンタ ー内
Claims (4)
- 【請求項１】 固体高分子電解質膜をカソードとアノー
ドで挟み、カソード側に酸化剤ガスを供給すると共に、
アノード側に燃料ガスを供給するようにしてある燃料電
池のアノードへメタノールを改質して供給するライン
に、低温活性の高い改質触媒を用いてシフトコンバータ
の運転温度と同じ温度で運転するようにした改質器と、
該改質器で改質された燃料ガス中の一酸化炭素を除去す
るＣＯ除去器を設置し、且つ上記改質器の上流側に、メ
タノール蒸発部、蒸気発生部、熱媒体加熱部を一体化し
てなる複合熱交換器を設置して、メタノール蒸発部で蒸
発されたメタノールと蒸気発生部で発生させられた水蒸
気を上記改質器に導入するようにし、該改質器の加熱に
用いる熱媒体を、上記複合熱交換器の熱媒体加熱部で加
熱して改質器に導くようにした構成を有することを特徴
とする固体高分子電解質型燃料電池発電装置。 - 【請求項２】 複合熱交換器でのメタノールの蒸発、熱
媒体の加熱、水の蒸発に排ガスタービンからの排気ガス
を用いるようにする請求項１記載の固体高分子電解質型
燃料電池発電装置。 - 【請求項３】 ＣＯ除去器の冷却手段を空冷とするよう
にした請求項１又は２記載の固体高分子電解質型燃料電
池発電装置。 - 【請求項４】 メタノールをメタノール蒸発部へ送る定
量ポンプと水を蒸気発生器へ送る定量ポンプを機械的に
同期して両定量ポンプの回転数の比が一定になるように
した請求項１、２又は３記載の固体高分子電解質型燃料
電池発電装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10105080A JPH11307112A (ja) | 1998-04-15 | 1998-04-15 | 固体高分子電解質型燃料電池発電装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10105080A JPH11307112A (ja) | 1998-04-15 | 1998-04-15 | 固体高分子電解質型燃料電池発電装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11307112A true JPH11307112A (ja) | 1999-11-05 |
Family
ID=14397961
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10105080A Pending JPH11307112A (ja) | 1998-04-15 | 1998-04-15 | 固体高分子電解質型燃料電池発電装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH11307112A (ja) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006032174A (ja) * | 2004-07-16 | 2006-02-02 | Sanyo Electric Co Ltd | 燃料電池発電システムおよびその停止方法 |
| JP2006228664A (ja) * | 2005-02-21 | 2006-08-31 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 燃料電池発電システム |
| US7265080B2 (en) | 2002-06-12 | 2007-09-04 | Nsk Ltd. | Rolling bearing, rolling bearing for fuel cell, compressor for fuel cell system and fuel cell system |
| JP2008030990A (ja) * | 2006-07-28 | 2008-02-14 | Toyota Motor Corp | 改質システム及び燃料電池システム |
| CN114586206A (zh) * | 2019-10-17 | 2022-06-03 | 蓝界科技控股公司 | 具有组合燃料蒸发和阴极气体加热器单元的燃料电池系统、其用途以及其操作方法 |
| US11658315B2 (en) | 2019-10-17 | 2023-05-23 | Blue World Technologies Holding ApS | Fuel cell system with a multi-stream heat exchanger and its method of operation |
-
1998
- 1998-04-15 JP JP10105080A patent/JPH11307112A/ja active Pending
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7265080B2 (en) | 2002-06-12 | 2007-09-04 | Nsk Ltd. | Rolling bearing, rolling bearing for fuel cell, compressor for fuel cell system and fuel cell system |
| JP2006032174A (ja) * | 2004-07-16 | 2006-02-02 | Sanyo Electric Co Ltd | 燃料電池発電システムおよびその停止方法 |
| JP2006228664A (ja) * | 2005-02-21 | 2006-08-31 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 燃料電池発電システム |
| JP2008030990A (ja) * | 2006-07-28 | 2008-02-14 | Toyota Motor Corp | 改質システム及び燃料電池システム |
| CN114586206A (zh) * | 2019-10-17 | 2022-06-03 | 蓝界科技控股公司 | 具有组合燃料蒸发和阴极气体加热器单元的燃料电池系统、其用途以及其操作方法 |
| US11594742B2 (en) | 2019-10-17 | 2023-02-28 | Blue World Technologies Holding ApS | Fuel cell system with a combined fuel evaporation and cathode gas heater unit and its method of operation |
| CN114586206B (zh) * | 2019-10-17 | 2023-03-28 | 蓝界科技控股公司 | 具有组合燃料蒸发和阴极气体加热器单元的燃料电池系统、其用途以及其操作方法 |
| US11658315B2 (en) | 2019-10-17 | 2023-05-23 | Blue World Technologies Holding ApS | Fuel cell system with a multi-stream heat exchanger and its method of operation |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20041102 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20070202 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20070213 |
|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20070703 |