(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
飽和蒸気圧が大気圧より高圧となる燃料と水を収容するための密閉容器と、
前記燃料の飽和蒸気圧によって前記密閉容器から供給された前記燃料と前記水とを気化させるための気化器と、
前記気化器によって気化された前記燃料を水素リッチガスに改質するための改質器と、
前記改質器から供給される前記水素リッチガスと酸素供給手段から供給される酸素とによって発電を行う燃料電池本体とを備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料は、ジメチルエーテルと水との混合液であることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
燃料を水素リッチガスに改質する改質器と、前記改質器から供給される水素リッチガスと酸素供給手段から供給される酸素とによって発電を行う燃料電池本体とを備えてなる燃料電池システムにおいて、前記燃料は密閉容器内に収容してあり、この密閉容器内へ供給された加圧ガスの圧力により前記燃料を前記改質器へ送給する構成であることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料はメタノールと水との混合液であることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料はエタノールと水との混合液であることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１，２，３，４又は５に記載の燃料電池システムにおいて、前記改質器においての改質反応は大気圧より高圧において行われる構成であることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、前記改質器と前記燃料電池本体との間に、前記改質器から供給される水素リッチガス中の水素を選択的に透過する半透膜手段を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、前記改質器と前記燃料電池本体との間に、前記改質器から供給される水素リッチガス中の一酸化炭素を除去するＣＯ除去手段を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料を水素リッチガスに改質するための改質器と、この改質器から供給される水素リッチガスと酸素供給手段から供給される酸素により発電を行う燃料電池本体とを備えてなる燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池には、使用する電解質の種類により、固体高分子型、リン酸型、アルカリ型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型等の型式があるが、前記燃料電池へ供給する水素は、例えば天然ガス，プロパンガス，メタノール等の種々の燃料を改質器において水素リッチガスに改質することによって供給されているのが一般的である。そして、酸素は、空気中の酸素がそのまま使用されており、コンプレッサーによって空気を燃料電池に供給している。
【０００３】
すなわち、燃料電池システムにおいては、燃料電池本体の他に、燃料電池本体に空気を送給するためのコンプレッサや、燃料を水素リッチガスに改質するための改質器及びこの改質器に対して燃料を送給するためのポンプ等が必要である［例えば、特許文献１参照］。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−２２６１０２号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前述のごとき従来の構成においては、改質器に対して燃料を供給するためのポンプが必要であると共に、前記燃料を水素リッチガスに改質するための改質器の容積が大きく、燃料電池システムの全体的構成の簡素化，小型化を図る上においてさらなる改良が求められている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前述のごとき従来の問題に鑑みてなされたもので、請求項１に係る発明は、飽和蒸気圧が大気圧より高圧となる燃料と水を収容するための密閉容器と、前記燃料の飽和蒸気圧によって前記密閉容器から供給された前記燃料と前記水とを気化させるための気化器と、前記気化器によって気化された前記燃料を水素リッチガスに改質するための改質器と、前記改質器から供給される前記水素リッチガスと酸素供給手段から供給される酸素とによって発電を行う燃料電池本体とを備えることを特徴とする。
【０００７】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料は、ジメチルエーテルと水との混合液である。
【０００８】
請求項３に係る発明は、燃料を水素リッチガスに改質する改質器と、前記改質器から供給される水素リッチガスと酸素供給手段から供給される酸素とによって発電を行う燃料電池本体とを備えてなる燃料電池システムにおいて、前記燃料は密閉容器内に収容してあり、この密閉容器内へ供給された加圧ガスの圧力により前記燃料を前記改質器へ送給する構成である。
【０００９】
請求項４に係る発明は、請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料はメタノールと水との混合液である。
【００１０】
請求項５に係る発明は、請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料はエタノールと水との混合液である。
【００１１】
請求項６にかかる発明は、請求項１，２，３，４又は５に記載の燃料電池システムにおいて、前記改質器においての改質反応は大気圧より高圧において行われる構成である。
【００１２】
請求項７に係る発明は、請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、前記改質器と前記燃料電池本体との間に、前記改質器から供給される水素リッチガス中の水素を選択的に透過する半透膜手段を備えた構成である。
【００１３】
請求項８に係る発明は、請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、前記改質器と前記燃料電池本体との間に、前記改質器から供給される水素リッチガス中の一酸化炭素を除去するＣＯ除去手段を備えた構成である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１を参照するに、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システム１は、燃料電池の１例としてイオン導電性を有する固体高分子膜（イオン交換膜）３を、燃料極５と空気極（酸化剤極）７によって挟み込んだ構成の燃料電池本体９を備えている。この種の燃料電池は、固体高分子型燃料電池（高分子電解質形燃料電池）として知られているので、前記燃料電池本体９の詳細な説明は省略する。
【００１５】
前記燃料電池本体９における前記燃料極５に対して水素を供給するために、燃料を水素リッチガスに改質するための改質器１１が設けられている。前記燃料は、飽和蒸気圧が大気圧より高圧であるジメチルエーテル（ＤＭＥ）と水とを１：６の割合で混合した混合液であって、密閉容器１３内に収容してある。良く知られているようにジメチルエーテルの常温での飽和蒸気圧は大気圧より高圧であって約６気圧の圧力を有する。水との混合液の場合、蒸気圧は低下するが、前記混合液を密閉容器１３内に収容して密閉した状態においては、密閉容器１３内には約４気圧の飽和蒸気圧が常に作用していることになる。
【００１６】
前記密閉容器１３内の前記混合液を取り出すために、前記密閉容器１３の下部付近には開閉自在かつ開度調節を行うことによって前記混合液の流量を制御可能の開閉弁１５が接続してあり、この開閉弁１５には、前記改質器１１に接続した気化器１７が接続してある。したがって、前記開閉弁１５を開くと、前記密閉容器１３内に作用する飽和蒸気圧によって前記混合液は密閉容器１３から流出される。そして、気化器１７において気化し、気化したガスが前記改質器１１へ供給されることになる。
【００１７】
この際、前記密閉容器１３内の気相に存在するガスを前記改質器１１へ供給するものではなく、混合液を気化器１７においてガス化してから前記改質器１１へ供給するものであるから、前記改質器１１に対してジメチルエーテルと水との割合の比に対応した一定の組成のガスを常に供給することができ、前記改質器１１においては常に安定した良好な改質を行うことができるものである。
【００１８】
既に理解されるように、密閉容器１３内の燃料を改質器１１に対して供給するに際しては、密閉容器１３内の燃料の飽和蒸気圧を利用するものであるから、燃料を送給するためのポンプを省略することができ、全体的構成の簡素化を図ることができると共に小型化を図ることができるものである。
【００１９】
前記改質器１１内にはＡｌ2 Ｏ3 にＲｈを担持した改質触媒が内装されており、この改質器１１において、前記ジメチルエーテルと水との混合液は、［ＣＨ3 ＯＣＨ3 ＋３Ｈ2 Ｏ→３ＣＯ2 ＋６Ｈ2 ］と、水素を含む水素リッチガスに改質される。この改質されたガス中には、僅かではあるがＣＯが存在するので水素を選択的に透過する半透膜手段１９が設けられている。
【００２０】
上記半透膜手段１９は、石英系の水素透過半透膜よりなるものであって、前記改質ガス中の主として水素を選択的に透過する作用をなすものであり、前記燃料電池本体９の燃料極５へほぼ水素のみのガスを供給するものである。前記半透膜手段１９には、例えばニードルバルブのごとく開度を調節自在の背圧調節弁２１が接続してあり、この背圧調節弁２１の上流側を、前記飽和蒸気圧より低圧であるが大気圧より高圧の例えば３気圧程度に調節してある。そして、前記背圧調節弁２１の下流側はほぼ大気圧であって、触媒燃焼器２３に接続してある。
【００２１】
上記触媒燃焼器２３内には通常の触媒燃焼器同様にＰｔ系の触媒が内装されており、前記半透膜手段１９を透過しなかったガス（ＤＭＥ，Ｈ2 ，ＣＯ，ＣＯ2 ，Ｈ2 Ｏ）が酸素供給手段の１例としてのブロア２５から送給される空気と混合して前記触媒燃焼器２３に供給され、触媒燃焼される。この触媒燃焼器２３における触媒燃焼によって発生した熱は、前記気化器１７，改質器１１，半透膜手段１９へ伝達されて、前記混合液の気化，改質反応熱，半透膜加熱に使用される。
【００２２】
既に理解されるように、前記半透膜手段１９は背圧調節弁２１によって大気圧よりも高圧の約３気圧が作用しているので、前記改質器１１においての改質は大気圧よりも高圧で行われることとなり、気化ガスの密度が大であるから、大気圧でもって改質反応を行う場合に比較して、改質器１１の容積を小さくすることができる。また半透膜手段１９における透過圧力差が大きいため水素透過半透膜の面積は大気圧で透過させる場合よりも小さくて良いこととなる。
【００２３】
したがって、改質器１１及び半透膜手段１９の構成の小型化を図ることが容易であり、全体的構成の小型化を図ることができるものである。
【００２４】
前記燃料電池本体９における前記空気極７へ空気を送給するために、酸素供給手段の１例としての前記ブロア２５に接続した送給路２７は加熱された空気を供給するために熱交換器２９を経て前記触媒燃焼器２３に接続した第１分岐路２７Ａと前記空気極７側へ接続した第２分岐路２７Ｂとに分岐してあり、各分岐路２７Ａ，２７Ｂにはニードルバルブ等のごとき開度調節自在の流量制御弁３１，３３がそれぞれ配置してある。
【００２５】
そして、前記燃料電池本体９における前記燃料極５へ送給された水素は発電に使用され、この燃料極５から排出される未使用の水素を前記触媒燃焼器２３へ導くために、前記燃料極５側には回収路３５が接続してある。上記触媒燃焼器２３において燃焼された燃焼ガスは回路２４を介して前記熱交換器２９に導かれている。また、前記空気極７側から排出されるガスを回収するために、前記空気極７側には回収路３７が接続してあり、この回収路３７に回収された水蒸気の一部を凝縮するために、前記回収路３７は前記熱交換器２９に接続してある。
【００２６】
前記熱交換器２９において凝縮されて回収された水は水タンク３９に一時貯留され、前記燃料電池本体９における前記固体高分子膜３の保湿性を維持するために利用されている。前記回収路３７に回収されたガス中の未使用の酸素と生成物としての水蒸気の一部を前記空気極７に循環するために、前記回収路３７には前記第２分岐路２７Ｂ側へ接続した分岐路３７Ａが分岐接続してあり、この分岐路３７Ａには、流量制御弁４１及びポンプ４３が順次配置してある。
【００２７】
上記構成により、空気極７から排出されるガスの一部はポンプ４３によって吸引される態様となり、ガスを循環させることができる。また、前記燃料極５側からプロトンが移動する際に含水率が低下する傾向にある固体高分子膜３は、空気極７に対して生成物としての水蒸気の一部が循環されるので、保湿性が適正値に保持されることとなり、水分管理が容易になるものである。
【００２８】
以上のごとき説明より理解されるように、改質器１１に対する燃料の送給は、当該燃料の飽和蒸気圧を利用して行うものであるから、前記改質器１１に対して燃料を送給するためのポンプを省略することができる。また前記改質器１１の改質反応は、前記飽和蒸気圧に基づき、大気圧よりも高圧下において行うことができ、改質器１１の容積を、大気圧で改質反応を行う場合に比較して小さくできることとなり、従来に比較して、燃料電池システムの全体的構成の簡素化，小型化を図ることができるものである。
【００２９】
また、密閉容器１３を加熱することにより、混合液の送液圧力をより高圧にすることが可能となる。さらに、密閉容器１３より気体としてＤＭＥと水を取り出すことも可能である。
【００３０】
図２は本発明の第２の実施形態を示すもので、前記第１の実施形態において説明した構成部分と同一機能を奏する構成部分には同一符号を付することとして重複した説明は省略する。
【００３１】
この第２の実施の形態においては、前記半透膜手段１９に替えて、ＣＯを除去するためにＣＯ除去手段４５を備えた構成である。そして、前記開閉弁１５と気化器１７との間及び前記ＣＯ除去手段４５と燃料極５との間にそれぞれ流量制御弁４７，４９を配置した構成である。
【００３２】
前記ＣＯ除去手段４５にはＣｕ系の触媒を採用して、［ＣＯ＋Ｈ2 Ｏ→ＣＯ2 ＋Ｈ2 ］，［ＣＯ＋Ｈ2 →ＣＨ4 ＋Ｈ2 Ｏ］の反応によりＣＯをＣＯ2 等に変化し、ＣＯの除去を行っているものである。上記反応を行う際、流量制御弁４９の上流側は燃料の飽和蒸気圧より僅かに低圧であるが大気圧より高圧の約３気圧であって、ＣＯの除去がより効果的に行われる。
【００３３】
この第２の実施の形態においても前記第１の実施形態と同様の効果を奏し得るものである。
【００３４】
図３は本発明の第３実施形態を示すもので、前述した第１の実施形態と同一機能を奏する構成部分には同一符号を付することとして重複した説明は省略する。
【００３５】
この第３の実施の形態においては、燃料としてメタノールを使用し、前記密閉容器１３にはメタノールと水との混合液を収容したものである。メタノールの飽和蒸気圧は常温では大気圧より低圧であるから、前記密閉容器１３内の混合液を改質器１１へ送給するために、窒素ガスを充填した加圧ボンベ５１を、開閉弁５３を介して前記密閉容器１３に接続した構成である。
【００３６】
したがって、改質器１１において改質反応を行うとき、大気圧よりも高圧において燃料の改質を行うことができ、前述した第１の実施形態と同様の効果を奏し得るものである。また第３の実施形態においても、半透膜手段１９に替えてＣＯ除去手段を採用する構成とすることも可能である。なお、燃料はメタノールでなくエタノールでもよい。
【００３７】
図４は、図２に示した気化器１７，改質器１１，ＣＯ除去手段４５及び触媒燃焼器２３を積層して改質器システムを構成する場合を例示したものである。この場合、単に順次積層するものではなく、各種反応等に伴う熱移動を考慮して吸熱反応層と発熱反応層とを隣接して積層することが望ましいものである。
【００３８】
そこで、この図４に示す構成においては、断熱材よりなる断熱層５５上に吸熱層である改質触媒層（改質器１１）を積層し、この改質触媒層１１上に発熱の大きな触媒燃料層（触媒燃焼器２３）及びＣＯシフト層（ＣＯ除去手段４５）を順次積層し、このＣＯシフト層の上部に吸熱層である気化層（気化器１７）を積層した構成である。
【００３９】
したがって発熱層においての発熱が吸熱層に効果的に利用されることとなり、熱効率がより向上するものである。
【００４０】
【発明の効果】
以上のごとき説明より理解されるように、本発明によれば、燃料の飽和蒸気圧，加圧ガスの加圧力を利用して燃料を改質器に送給する構成であるから、燃料送給のためのポンプを省略することができると共に大気圧より高圧で改質反応を行うことが容易であり、燃料電池システムの全体的構成の簡素化を図ることができると共に小型化を図ることができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す説明図である。
【図２】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す説明図である。
【図３】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す説明図である。
【図４】気化器，改質器，ＣＯ除去手段及び触媒燃焼器を積層する場合の構成を示す説明図である。
【符号の説明】
９  燃料電池本体
１１  改質器
１３  密閉容器
１７  気化器
１９  半透膜手段
２１  背圧調節弁
２３  触媒燃焼器
２７  送給路
２９  熱交換器
４５  ＣＯ除去手段
５１  加圧ボンベ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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