(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン導電性電解質マトリクスの両側に一対のガス拡散電極を配してなる単電池を複数個積層して構成された電池スタックを備え、水素および少なくとも１種の他のガスを含む燃料ガスを該電池スタックの燃料極に供給するとともに、空気を電池スタックの空気極に供給して直流電流を発生させる燃料電池発電装置において、
イオン導電性電解質マトリクスの両側に一対のガス拡散電極を配してなる単電池を複数個積層して構成され、直流電力が供給されて、アノード側の該ガス拡散電極で上記燃料ガス中の水素から水素イオンを生成し、該水素イオンを該イオン導電性電解質マトリクスを通ってカソード側に移動させ、カソード側の該ガス拡散電極で該水素イオンを水素に戻すように機能する水素濃縮装置を備え、
上記水素濃縮装置が上記電池スタックの上流側に配され、上記燃料ガスを分岐して上記水素濃縮装置のアノード側およびカソード側に供給し、カソード出口ガスを上記燃料極に供給するようにしたことを特徴とする燃料電池発電装置。
【請求項２】
上記燃料極の出口ガスを上記水素濃縮装置のアノード側に供給するリサイクル回路を備えていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電装置。
【請求項３】
上記電池スタックで発生した直流電流を駆動力として上記水素濃縮装置に供給するようにしたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の燃料電池発電装置。
【請求項４】
上記電池スタックと上記水素濃縮装置とが電気的に直列に接続されていることを特徴とする請求項３記載の燃料電池発電装置。
【請求項５】
上記水素濃縮装置の単電池の外形寸法を上記電池スタックの単電池の外形寸法と実質的に同じくし、上記電池スタックと上記水素濃縮装置とが積層一体化されていることを特徴とする請求項４記載の燃料電池発電装置。
【請求項６】
上記イオン導電性電解質マトリクスは、イオン導電性電解質が多孔性基材に含浸されて構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の燃料電池発電装置。
【請求項７】
上記イオン導電性電解質がリン酸であることを特徴とする請求項６記載の燃料電池発電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池発電装置に関し、特に低カロリーガスを原燃料とする燃料電池発電装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、燃料電池発電装置は、エネルギーの高効率利用およびクリーン環境化を目指すコジェネレーションシステムとして注目されている。燃料電池の燃料源としては、一般に都市ガス１３Ａや天然ガス等の炭化水素を改質器で水蒸気と反応させて得られる水素リッチな改質ガスが使用されてきた。
【０００３】
図７は従来の燃料電池発電装置を示すシステムフロー図である。
図７において、１は原燃料中に含まれる硫黄化合物を除去するための脱硫器、２は脱硫器１で硫黄化合物を除去された原燃料中に含まれるメタン等の炭化水素を水蒸気と反応させて水素リッチな改質ガスに変換する改質器、３は改質器２で改質された改質ガス中に含まれる一酸化炭素を水蒸気と反応させて水素に変換する一酸化炭素変成器、４は燃料ガス中の水素と空気中の酸素とから直流電力を発生させる電池スタックであり、この電池スタック４は燃料極４ａと空気極４ｂとから構成されている。
【０００４】
つぎに、従来のシステムの動作について説明する。
原燃料としての都市ガスは、まず脱硫器１に投入され、その中で、都市ガス中に含まれる付臭剤等の硫黄化合物が除去される。そして、硫黄化合物を除去された原燃料が、水蒸気とともにニッケル系の触媒が充填された改質器２に投入され、その中で改質反応が行われて、原燃料中の炭化水素が水蒸気と反応して、水素、二酸化炭素、一酸化炭素を含む改質ガスに変換される。この改質ガスを燃料ガスとして電池スタック４の燃料極４ａに直接供給すると、改質ガス中の一酸化炭素が電池スタック４の燃料電極を被毒することになる。そこで、改質ガスを一酸化炭素変成器３に投入し、その中で一酸化炭素を水蒸気と反応させて水素と二酸化炭素とに変換し、一酸化炭素濃度が最終的に約１％以下に低減された変成ガスに変換する。そして、この変成ガスが燃料ガスとして電池スタック４の燃料極４ａに供給されると同時に、空気が電池スタック４の空気極４ｂに供給される。
電池スタック４の燃料極４ａと空気極４ｂでは、それぞれ式（１）、（２）の電気化学反応が進行し、直流電力が取り出される。
燃料極：  Ｈ２  →  ２Ｈ＋＋２ｅ−    …（１）
空気極：  １／２・Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−  →  Ｈ２Ｏ    …（２）
このようにして得られた直流電力は、インバータ（図示せず）により交流に変換され、交流出力として外部に取り出される。
【０００５】
なお、燃料極４ａに供給する水素量は、電池スタック４で必要とする量よりも過剰に供給し、余剰水素を改質器２のバーナ部（図示せず）で燃焼し、改質反応に必要な熱源としている。水素利用率（水素の消費量と供給量との比）は、通常７５〜８０％としている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の燃料電池発電装置は、以上のように構成されているので、下水汚泥を嫌気処理して得られる消化ガスのような低カロリーガスを原燃料とする場合には、電池スタック４に供給する燃料ガス中の水素分圧が低くなり、水素利用率を高くすると、電池スタック４を損傷するおそれがあった。そして、水素利用率を高くできないため、発電効率が低くなるという課題があった。
【０００７】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、消化ガスのような低カロリーガスを原燃料として用いた場合でも、電池スタックの損傷を防止でき、信頼性を向上させるとともに、水素利用率を高めて発電効率を高めることができる燃料電池発電装置を得ることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る燃料電池発電装置は、イオン導電性電解質マトリクスの両側に一対のガス拡散電極を配してなる単電池を複数個積層して構成された電池スタックを備え、水素および少なくとも１種の他のガスを含む燃料ガスを該電池スタックの燃料極に供給するとともに、空気を電池スタックの空気極に供給して直流電流を発生させる燃料電池発電装置において、イオン導電性電解質マトリクスの両側に一対のガス拡散電極を配してなる単電池を複数個積層して構成され、直流電力が供給されて、アノード側の該ガス拡散電極で上記燃料ガス中の水素から水素イオンを生成し、該水素イオンを該イオン導電性電解質マトリクスを通ってカソード側に移動させ、カソード側の該ガス拡散電極で該水素イオンを水素に戻すように機能する水素濃縮装置を備え、上記水素濃縮装置が上記電池スタックの上流側に配され、上記燃料ガスを分岐して上記水素濃縮装置のアノード側およびカソード側に供給し、カソード出口ガスを上記燃料極に供給するようにしたものである。
【０００９】
また、上記燃料極の出口ガスを上記水素濃縮装置のアノード側に供給するリサイクル回路を備えているものである。
【００１０】
また、上記電池スタックで発生した直流電流を駆動力として上記水素濃縮装置に供給するようにしたものである。
【００１１】
また、上記電池スタックと上記水素濃縮装置とが電気的に直列に接続されているものである。
【００１２】
また、上記水素濃縮装置の単電池の外形寸法を上記電池スタックの単電池の外形寸法と実質的に同じくし、上記電池スタックと上記水素濃縮装置とが積層一体化されているものである。
【００１３】
また、上記イオン導電性電解質マトリクスは、イオン導電性電解質が多孔性基材に含浸されて構成されているものである。
【００１４】
また、上記イオン導電性電解質がリン酸であるものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図について説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る燃料電池発電装置を示すシステムフロー図であり、図において図７に示した従来の燃料電池発電装置と同一または相当部分には同一符号を付し、その説明を省略する。
図１において、５は電池スタック４の前段（上流側）に配され、電池スタック４に供給される燃料ガス中の水素濃度を高めるための水素濃縮装置である。
なお、この実施の形態１による燃料電池発電装置は、水素濃縮装置５が電池スタック４の前段に設けられ、下水汚泥を嫌気処理して得られる消化ガス（ＣＨ４：６０％、ＣＯ２：４０％、Ｈ２Ｓ：１０ｐｐｍ）が原燃料として用いられている点を除いて、図７に示した従来の燃料電池発電装置と同様に構成されている。
【００１６】
ここで、水素濃縮装置５の具体的構成と電池スタック４との接続について図２を参照しつつ説明する。
水素濃縮装置５は、一対のガス拡散電極であるアノード５ａおよびカソード５ｂをイオン導電性電解質マトリクス５ｃの両側に配してなる単電池を複数個積層して構成されている。このイオン導電性電解質マトリクス５ｃは、リン酸等の水素イオン導電性電解質をシリコンカーバイドの微粉末を膜状に成形してなる多孔性基材に含浸させて構成されている。
また、電池スタック４は、一対のガス拡散電極である燃料極４ａおよび空気極４ｂをイオン導電性電解質マトリクス４ｃの両側に配してなる単電池を多数個積層して構成されたリン酸型燃料電池である。
そして、一酸化炭素変成器３の出口配管である燃料ガス供給配管６から分岐するアノード供給配管７ａおよびカソード供給配管７ｂが、水素濃縮装置５のアノード５ａおよびカソード５ｂに接続されている。また、水素濃縮装置５のカソード出口配管８ｂが、電池スタック４の燃料極４ａに接続されている。
なお、図２では、説明を簡略化するために１個の単電池のみを示している。
【００１７】
つぎに、この実施の形態１による燃料電池発電装置の動作を説明する。
脱硫器１から一酸化炭素変成器３までの動作は、原燃料として消化ガスを用いている点を除いて、図７に示した従来の装置と同様に動作する。
一酸化炭素変成器３から排出された変成ガスは、燃料ガスとして、燃料ガス供給配管６、アノード供給配管７ａおよびカソード供給配管７ｂを介して水素濃縮装置５のアノード５ａおよびカソード５ｂのそれぞれに供給される。水素濃縮装置５のアノード５ａおよびカソード５ｂでは、外部からの直流電力により、それぞれ式（３）、（４）の電気化学反応が進行し、カソード５ｂ側の燃料ガスの水素濃度が高められる。
アノード：  Ｈ２  →  ２Ｈ＋＋２ｅ−    …（３）
カソード：  ２Ｈ＋＋２ｅ−  →  Ｈ２    …（４）
つまり、アノード５ａ側に供給された燃料ガス中の水素はアノード５ａで電子を失い水素イオンとなる。この水素イオンは、イオン導電性電解質マトリクス５ｃを通りカソード５ｂまで進み、そこで電子を受け取って水素に戻る。このようにして、アノード５ａ側に供給された燃料ガス中の水素がカソード５ｂ側に移動し、カソード５ｂ側を流れる燃料ガスの水素濃度が高められる。
この水素濃度が高められた燃料ガスは、カソード出口配管８ｂを介して電池スタック４の燃料極４ａに供給され、直流電力が取り出され、さらにインバータ（図示せず）により交流に変換される。一方、水素濃度が低められた燃料ガスは、アノード出口配管８ａを介して外部に排出される。
【００１８】
ここで、水素濃縮装置５においては、アノード５ａ側からカソード５ｂ側への水素の透過量は、電流値と単電池の積層数とに比例する。即ち、外部から供給される直流電力が大きくなるほど、単電池の積層数が多いほど、カソード５ｂの出口ガスの水素濃度が高められる。
【００１９】
このように、この実施の形態１によれば、水素濃縮装置５を電池スタック４の前段に配しているので、カソード５ｂの出口における燃料ガスの水素濃度が水素濃縮装置５に供給される供給ガスの水素濃度より高められる。
そこで、原燃料として安価な消化ガスを用いても、電池スタック４の燃料極４ａに供給される燃料ガス中の水素分圧が高められ、燃料ガス中の水素分圧が低いことに起因する電池スタック４の損傷が防止され、信頼性を向上させることができる。また、電池スタック４の燃料極４ａに供給される燃料ガスの水素濃度を高くできるので、発電効率を高めることができる。
また、一酸化炭素変成器３からの変成ガスを分岐して水素濃縮装置５のアノード５ａおよびカソード５ｂに供給しているので、変成ガスの全量をアノード５ａに供給する場合と比較して、アノード５ａからカソード５ｂに移動すべき水素量を減らすことができ、水素濃縮のための電力を低減することができる。さらに、アノード５ａとカソード５ｂとの流量比および電流値を制御することにより、水素濃度を自由に設定することができる。
【００２０】
ここで、電気化学プロセスを利用した水素濃縮装置としては、例えば特開平６−６５７７４号公報に記載されたイオン導電性固体電解質膜を用いた装置が提案されている。この従来の水素濃縮装置においては、燃料ガス中の一酸化炭素の影響を強く受けるため、一酸化炭素濃度をｐｐｂオーダまで除去する必要があった。また、燃料ガス中に陽イオン成分が含まれていると、電解質の抵抗が増加してしまい、これらの不純物の除去が必要となり、燃料ガスの不純物成分の除去装置を別途設ける必要があった。
一方、この実施の形態１による水素濃縮装置５においては、一酸化炭素の許容濃度が約１％程度あり、リン酸型燃料電池発電装置で用いられている一酸化炭素変成器３の出口ガス相当の燃料ガスをそのまま用いることが可能である。また、燃料ガス中のイオン成分の影響も、リン酸が強酸であることから、イオン導電性固体電解質膜を用いる場合と比較して、影響を受けにくく、従来の水素濃縮装置で必要であった燃料ガスの不純物成分の除去装置が不要となる。
【００２１】
実施の形態２．
図３はこの発明の実施の形態２に係る燃料電池発電装置における水素濃縮装置周りを示すシステムフロー図である。
図３において、９は電池スタック４の燃料極４ａの出口とアノード供給配管７ａとを連結するリサイクル回路、１０はリサイクル回路９の経路中に配設されたブロワである。
なお、他の構成は上記実施の形態１と同様に構成されている。
【００２２】
電池スタック４の燃料極４ａの出口ガスは、改質器２のバーナ部に供し、燃焼させることにより改質反応に必要な熱源としている。そして、電池スタック４での水素利用率の設定条件によっては、改質反応に必要な熱量以上の燃料極４ａの出口ガスが排出される。
この実施の形態２では、ブロワ１０を作動させることにより、燃料極４ａの出口ガスの全部または一部がリサイクル回路９を介してアノード供給配管７ａに供給され、一酸化炭素変成器３から排出された燃料ガスと合流して、アノード５ａに供給される。そして、水素濃縮装置５において、アノード５ａに供給された燃料ガスと燃料極４ａの出口ガスとから水素がカソード５ｂ側に取り出され、カソード５ｂの出口ガスの水素濃度が高められる。
【００２３】
この実施の形態２によれば、燃料極４ａの出口ガスの余剰分から水素を取り出せるので、その分原燃料の供給量を低減でき、低コスト化が図られるとともに、発電効率を向上させることができる。
【００２４】
実施の形態３．
図４はこの発明の実施の形態３に係る燃料電池発電装置の要部を示すシステムフロー図である。
図４において、１１は電池スタック４で発生した直流を交流に変換するインバータ、１２は電池スタック４で発生した直流の一部を分岐し、水素濃縮装置５に供給する直流に変換するＤＣ／ＤＣコンバータである。
なお、他の構成は上記実施の形態１と同様に構成されている。
【００２５】
この実施の形態３では、電池スタック４で発生した直流の一部がＤＣ／ＤＣコンバータ１２で直流に変換されて水素濃縮装置５に供給され、水素濃縮装置５における電気化学反応が進行される。
従って、電池スタック４で発生した直流を水素濃縮装置５における電気化学反応の駆動力として利用しているので、水素濃縮装置５に直流電力を供給する直流電源を別途設ける必要がなく、装置の簡略化および低価格化が図られる。
【００２６】
実施の形態４．
図５はこの発明の実施の形態４に係る燃料電池発電装置の要部を示すシステムフロー図である。
図５において、電池スタック４と水素濃縮装置５とが電気的に直列に接続されている。
なお、他の構成は上記実施の形態３と同様に構成されている。
【００２７】
この実施の形態４では、電池スタック４で発生した直流電流が直接水素濃縮装置５に供給され、水素濃縮装置５における電気化学反応が進行される。
従って、電池スタック４で発生した直流電流を制御するＤＣ／ＤＣコンバータ１２が不要となり、装置の簡略化および低価格化が図られる。
【００２８】
実施の形態５．
図６はこの発明の実施の形態５に係る燃料電池発電装置の要部を示すシステムフロー図である。
図６において、水素濃縮装置５を構成する単電池の外形寸法が電池スタック４を構成する単電池の外形寸法と実質的に同一に形成され、水素濃縮装置５と電池スタック４とが積層され、かつ、電気的に直列に接続されている。
なお、他の構成は上記実施の形態４と同様に構成されている。
【００２９】
この実施の形態５では、電池スタック４と水素濃縮装置５とが積層一体化されているので、装置構成がシンプルになるとともに、装置のコンパクト化が図られる。
【００３０】
なお、上記各実施の形態では、電池スタック４としてリン酸型燃料電池を用いるものとして説明しているが、電池スタックはリン酸型燃料電池に限定されるものではなく、例えば固体高分子膜型燃料電池や溶融炭酸塩型燃料電池でもよい。
また、上記各実施の形態では、水素濃縮装置５のイオン導電性電解質マトリクス５ｃがリン酸等の水素イオン導電性電解質をシリコンカーバイドの微粉末を膜状に成形してなる多孔性基材に含浸させて構成されているものとして説明しているが、イオン導電性電解質マトリクスはこれに限定されるものではなく、例えばイオン導電性固体電解質膜でもよい。この場合、リン酸等の水素イオン導電性電解質をシリコンカーバイドの微粉末を膜状に成形してなる多孔性基材に含浸させて構成されたイオン導電性電解質マトリクス５ｃに比べて、燃料ガス中の一酸化炭素濃度および不純物成分に影響されやすく、それらの除去装置が必要となり、装置の大型化を招いてしまうという不具合があるが、燃料ガス中の一酸化炭素および不純物成分が十分に除去されていれば、イオン導電性電解質マトリクス５ｃと同等の水素濃縮効果が得られる。
【００３１】
【発明の効果】
この発明は、以上説明したように構成されているので、以下に示すような効果を奏する。
【００３２】
この発明によれば、イオン導電性電解質マトリクスの両側に一対のガス拡散電極を配してなる単電池を複数個積層して構成された電池スタックを備え、水素および少なくとも１種の他のガスを含む燃料ガスを該電池スタックの燃料極に供給するとともに、空気を電池スタックの空気極に供給して直流電流を発生させる燃料電池発電装置において、イオン導電性電解質マトリクスの両側に一対のガス拡散電極を配してなる単電池を複数個積層して構成され、直流電力が供給されて、アノード側の該ガス拡散電極で上記燃料ガス中の水素から水素イオンを生成し、該水素イオンを該イオン導電性電解質マトリクスを通ってカソード側に移動させ、カソード側の該ガス拡散電極で該水素イオンを水素に戻すように機能する水素濃縮装置を備え、上記水素濃縮装置が上記電池スタックの上流側に配され、上記燃料ガスを分岐して上記水素濃縮装置のアノード側およびカソード側に供給し、カソード出口ガスを上記燃料極に供給するようにしたので、消化ガスのような低カロリーガスを原燃料として用いた場合でも、電池スタックの損傷を防止でき、信頼性を向上させるとともに、水素利用率を高めて発電効率を高めることができる燃料電池発電装置が得られる。
【００３３】
また、上記燃料極の出口ガスを上記水素濃縮装置のアノード側に供給するリサイクル回路を備えているので、燃料極の出口ガスの余剰分から水素を回収して原燃料の供給量を低減でき、低コスト化が図られるとともに、発電効率を向上させることができる。
【００３４】
また、上記電池スタックで発生した直流電流を駆動力として上記水素濃縮装置に供給するようにしたので、水素濃縮装置用の直流電源を別途設ける必要がなく、装置の簡略化および低価格化が図られる。
【００３５】
また、上記電池スタックと上記水素濃縮装置とが電気的に直列に接続されているので、電池スタックで発生した直流電流を制御するＤＣ／ＤＣコンバータ等が不要となり、装置の簡略化および低価格化が図られる。
【００３６】
また、上記水素濃縮装置の単電池の外形寸法を上記電池スタックの単電池の外形寸法と実質的に同じくし、上記電池スタックと上記水素濃縮装置とが積層一体化されているので、装置構成がシンプルになるとともに、装置のコンパクト化が図られる。
【００３７】
また、上記イオン導電性電解質マトリクスは、イオン導電性電解質が多孔性基材に含浸されて構成されているので、燃料ガス中の一酸化炭素やイオン成分に影響を受けにくい水素濃縮装置が得られる。
【００３８】
また、上記イオン導電性電解質がリン酸であるので、一般的な燃料電池発電装置に用いられる一酸化炭素変成器の出口ガス相当の燃料ガスをそのまま使用できるとともに、燃料ガス中の不純物成分の除去装置を不要となり、装置の簡略化が図られ、低価格化を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１に係る燃料電池発電装置を示すシステムシステムフロー図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係る燃料電池発電装置における水素濃縮装置周りを示すシステムフロー図である。
【図３】この発明の実施の形態２に係る燃料電池発電装置における水素濃縮装置周りを示すシステムフロー図である。
【図４】この発明の実施の形態３に係る燃料電池発電装置における水素濃縮装置周りを示すシステムフロー図である。
【図５】この発明の実施の形態４に係る燃料電池発電装置の要部を示すシステムフロー図である。
【図６】この発明の実施の形態５に係る燃料電池発電装置の要部を示すシステムフロー図である。
【図７】従来の燃料電池発電装置を示すシステムフロー図である。
【符号の説明】
４  電池スタック、４ａ  燃料極、４ｂ  空気極、４ｃ  イオン導電性電解質マトリクス、５  水素濃縮装置、５ａ  アノード、５ｂ  カソード、５ｃ  イオン導電性電解質マトリクス、９  リサイクル回路。
【図１】
0003609961.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
0003609961.tif 000005
【図５】
0003609961.tif 000006
【図６】
0003609961.tif 000007
【図７】
0003609961.tif 000008