(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電池スタック、上記電池スタックの燃料極出口ガス中の水素を選択的に分離する水素分離器を備え、上記水素分離器において分離した水素を、上記水素分離器のカソード内において、上記水素分離器のカソードに供給される燃料ガスと混合して、燃料極入口ガスを生成し、上記燃料極入口ガスを上記電池スタックの燃料極に供給することを特徴とする燃料電池発電装置。
【請求項２】
水素分離器は、水素イオン導電性電解質膜の両側に一対のガス拡散電極を配した単電池を複数個積層した構成であり、一方の上記ガス拡散電極に相当するアノードに、電池スタックの燃料極出口ガスを供給し、他方の上記ガス拡散電極に相当するカソードに燃料ガスを供給し、直流電流を駆動力とし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】
燃料ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させて水素に変換するＣＯ変成器を有し、上記ＣＯ変成器の出口ガスを燃料ガスとして水素分離器のカソードに供給することを特徴とする請求項２記載の燃料電池発電装置。
【請求項４】
電池スタックにおいて発生する直流電流を駆動力として、水素分離器を駆動させることを特徴とする請求項２記載の燃料電池発電装置。
【請求項５】
電池スタックと水素分離器とを電気的に直列に接続す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】
水素分離器を構成する単電池の外形寸法と、電池スタックの外形寸法とを揃え、互いに積層した状態で用いることを特徴とする請求項５記載の燃料電池発電装置。
【請求項７】
水素イオン導電性電解質膜に含まれる電解質がリン酸であることを特徴とする請求項２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、少なくとも水素または一酸化炭素（以下、ＣＯとする。）のいずれかを含み、メタン等の炭化水素成分の含有量が少なく改質反応を必要としないガスを燃料とする燃料電池発電装置に関する。
【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ガスが使用されてきた。
【０００３】
図７に従来の燃料電池発電装置を構成する主要部を示す。この図７に付した符号１０１は硫黄化合物を除去するための脱硫器、１０２は燃料ガス中の炭化水素を水蒸気と反応させて水素リッチガスに変換する改質器、１０３は水素リッチガス中のＣＯを水蒸気と反応させて水素に変換するＣＯ変換器、１０４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、燃料極１０４ａと空気極１０４ｂとから構成される。
【０００４】
次に、この図７に示す従来の燃料電池発電装置の動作について説明する。まず、脱硫器入口配管９８から導入される燃料ガスは脱硫器１０１で付臭剤等の硫黄化合物を除去され、次にニッケル系の触媒が充填された改質器１０２に導入される。改質器１０２に導入された燃料ガス中のメタン等の炭化水素と外部から供給される水蒸気９９は、水素、二酸化炭素、ＣＯを含む改質ガスに変換される。改質ガス中のＣＯは電池スタック１０４の燃料電極を被毒するため、ＣＯ変成器１０３でＣＯと水蒸気とを反応させて水素と二酸化炭素に変換し、最終的にＣＯ濃度を約１％以下にした燃料ガスを電池スタック１０４の燃料極１０４ａ側に導入する。
【０００５】
燃料極１０４ａおよび空気極１０４ｂではそれぞれ図８に示すような電気化学反応が生じ、直流電力を取り出すことができる。すなわち、燃料極１０４ａにおいて、水素分子は水素イオンと電子に分離し、空気極１０４ｂにおいて、酸素分子と水素イオンと電子が反応して水分子が生じる。
【０００６】
ここで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、外部に交流電力として取り出される。
なお、燃料極１０４ａに供給する水素量は、電池スタック１０４で必要とする量よりも過剰に供給し、余剰水素ガスは燃料極出口配管１０５を介して改質器１０２に導入し、改質器１０２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。
【０００７】
また、従来の技術を示す文献に特開平６−６５７７４号公報があり、固体高分子型燃料電池タイプの水素濃縮装置が示されている。この水素濃縮装置では、燃料電池から排出されるガス中に含まれる水素を純水素に変換し、貯蔵する構成が示されている。また、燃料ガスは水素濃縮装置に流さず、燃料電池から排出されたガスのみを流すという構成となっている。
【０００８】
【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、メタン等の炭化水素成分を含まないか含有量が少なく改質反応を必要としないガスを燃料とした場合には、燃料極出口ガス中の余剰水素のエネルギーを有効に利用できないため、発電効率が低くなることが問題であった。
【０００９】
この発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、少なくとも水素またはＣＯのいずれかを含み、メタン等の炭化水素成分を含まないか含有量が少なく、改質反応を必要としないガスを燃料とする燃料電池発電装置において、発電効率を高くすることが可能な燃料電池発電装置を提供することを目的とする。
【００１０】
この発明による燃料電池発電装置は、電池スタック、上記電池スタックの燃料極出口ガス中の水素を選択的に分離する水素分離器を備え、上記水素分離器において分離した水素を、上記水素分離器のカソード内において、上記水素分離器のカソードに供給される燃料ガスと混合して、燃料極入口ガスを生成し、上記燃料極入口ガスを上記電池スタックの燃料極に供給するものである。
【００１１】
また、この発明による燃料電池発電装置の水素分離器は、水素イオン導電性電解質膜の両側に一対のガス拡散電極を配した単電池を複数個積層した構成であり、一方の上記ガス拡散電極に相当するアノードに、電池スタックの燃料極出口ガスを供給し、他方の上記ガス拡散電極に相当するカソードに燃料ガスを供給し、直流電流を駆動力としているものである。
【００１２】
さらに、この発明による燃料電池発電装置は、上記のような構成に加え、燃料ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させて水素に変換するＣＯ変成器を有し、上記ＣＯ変成器の出口ガスを燃料ガスとして水素分離器のカソードに供給するものである。
【００１３】
また、この発明による燃料電池発電装置は、上記のような構成の電池スタックにおいて発生する直流電流を駆動力として、水素分離器を駆動させるものである。
【００１４】
さらに、この発明による燃料電池発電装置は、上記のような構成の電池スタックと水素分離器とを電気的に直列に接続するものである。
【００１５】
また、この発明による燃料電池発電装置は、水素分離器を構成する単電池の外形寸法と、電池スタックの外形寸法とを揃え、互いに積層した状態で用いるものである。
【００１６】
さらに、この発明による燃料電池発電装置は、上記のような構成において、水素イオン導電性電解質膜に含まれる電解質をリン酸とするものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
実施の形態１.
図１は、この発明の実施の形態１による燃料電池発電装置の主要部を示す図である。以下、この発明の実施の形態１を図１に基づいて説明する。
図１において、符号１は燃料ガス中の水素と空気中の酸素から直流電流を発生させる電池スタックであり、水素イオン導電性電解質膜１ｃの両側に燃料極１ａと空気極１ｂを配した構成となっている。符号２は燃料極１ａの出口ガス中の水素を選択的に透過分離する水素分離器で、水素イオン導電性電解質膜２ｃの両側にガス拡散電極からなるアノード２ａとカソード２ｂを配した単電池を複数個積層した構成としており、アノード２ａに供給された電池スタック１の燃料極１ａの出口ガス中の水素を直流を駆動力としてカソード２ｂ側に選択的に透過分離する機能を持っている。
【００１８】
また、図１において符号３ａは、水素分離器２のアノード入口配管で、電池スタック１の燃料極１ａの出口配管と連結されている。３ｂは、燃料ガスを水素分離器２のカソード２ｂに供給するカソード入口配管である。４ａは水素分離器２のアノード出口配管で、水素成分を分離除去後のガスを排気するためのものである。また４ｂは、水素分離器２のカソード出口配管で、電池スタック１の燃料極１ａに接続されている。その他、符号５は電池スタック１および水素分離器２に供給される直流電流を、６ａは空気極１ｂに空気を導入する空気極入口配管を、６ｂは空気極１ｂから排気を行う空気極出口配管をそれぞれ示している。
【００１９】
次に、図１に示す燃料電池発電装置の動作について説明する。
まず、水素分離器２のアノード２ａに供給された燃料極１ａの出口ガス中の水素は、外部から供給された直流電力によりアノード２ａおよびカソード２ｂで図２の化学式に示すような電気化学的反応が進行し、アノード２ａに供給されたガスの中の水素のみを選択的にカソード２ｂ側に移動させる。
水素イオン導電性電解質膜２ｃは、アノード２ａで生成した水素イオン（Ｈ+ ）をカソード２ｂに移動させる機能を持っている。例えば、リン酸など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した多孔性材料に含浸したものが使用できる。
【００２０】
図２に示すような反応によって、カソード２ｂに移動した水素は、カソード２ｂ内で、カソード入口配管３ｂから供給された燃料ガスと混合される。この混合ガスを、燃料極入口ガスとする。燃料極入口ガスは、カソード出口配管４ｂを通って電池スタック１の燃料極１ａ側に供給される。電池スタック１では、従来の燃料電池発電装置と同様の動作により、直流電力に変換され、さらにインバータ（図示せず）により交流に変換される。
【００２１】
なお、水素分離器２において、アノード２ａからカソード２ｂへの水素透過量は、電流値と単電池の積層数に比例するが、安定に動作させるためには、燃料極１ａの出口ガス中水素量７０〜９０％、好ましくは８０％程度を分離するように電流値を設定するのが良い。
【００２２】
電池スタック１の燃料利用率は、通常７０〜８０％であり、原燃料としてメタンなどの炭化水素成分を含まないか含有量が少ない場合には、これまで燃料極１ａの出口ガス中の水素の有効な利用方法は無く、ボイラーで燃焼して温水またはスチームに変換する方法が一般的であったが、本発明の水素分離器２を設置することにより、その内の７０〜９０％を回収し、電池スタックの実質的な燃料利用率を向上できるため、発電効率を向上できるという利点がある。
【００２３】
また、電池スタック１の燃料極１ａに供給される燃料ガス中の水素分圧は、水素分離器２を設置しない場合と比較して高められており、水素分圧の向上による電池スタックの特性向上もあり、発電効率の向上に寄与できるという効果がある。
水素の選択的分離に必要な電力は、水素のイオン化反応および水素イオンの水素発生反応による反応過電圧と水素イオン導電性電解質膜２ｃの抵抗に依存するが、現状の技術では、１ｋＷあたりの水素分離能力は約３〜５Ｎｍ3 / ｈであり、投入電力以上の電力が回収可能である。
【００２４】
なお、この発明の水素分離器２とは使用方法が異なるが、電気化学反応プロセスを利用した水素の分離装置には、例えば特開平６−６５７７４号公報に開示されたイオン導電性固体電解質膜を用いた水素濃縮装置がある。この水素濃縮装置の場合、燃料ガス中のＣＯの影響を強く受けるため、ＣＯ濃度をｐｐｂオーダまで小さくする必要がある。また燃料ガス中にイオン成分、特に陽イオン成分が含まれる場合、電解質の導電抵抗が増加するため、これらの不純物成分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。
【００２５】
一方、この発明のリン酸を電解質とする水素分離器５の場合、動作温度を１７０〜２００℃にしているため、ＣＯの許容濃度は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ＣＯ変成器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ため、イオン導電性固体電解質膜を用いる場合と比較して、影響を受け難いという利点がある。
【００２６】
実施の形態２.
次に、この発明の実施の形態２の燃料電池発電装置の概略図を図３に示して説明する。
図３は、水素分離器を備えた燃料電池発電装置の主要部を示す図であり、燃料ガスとして、Ｈ2 ：３５％、ＣＯ：４０％、ＣＯ2 ：１２％、Ｈ2 Ｏ：１０％ガスを用いる。この組成のガスは、例えば「 廃棄物のガス化溶融炉」 （工業材料、Ｖｏｌ. ４６，Ｎｏ. １１，ｐ. ５４、１９９８）に記載されており、廃棄物を処理するためのガス化溶融炉から生成するもので、通常は燃焼してスチームに変換し、スチームタービン等を用いて電力に変換していたが、発電効率は２４％程度と低く、かつ燃焼時にＮＯｘが発生するため、高効率で環境性の良い発電装置が要望されている。
【００２７】
図３において、符号７は燃料ガス中のＣＯを水蒸気と反応させて水素に変換するＣＯ変成器を示し、その他、既に説明のために用いた符号と同一符号は同一、若しくは相当部分を示すものである。
【００２８】
次に、図３に示す燃料電池発電装置の動作について説明する。図３において、燃料ガスは水蒸気と混合後、ＣＯ変成器入口配管８からＣＯ変成器７に導入される。ＣＯ変成器７においては、燃料ガス中のＣＯを水蒸気と反応させ水素とＣＯ2 に変換するとともにＣＯ濃度を１％以下にする。ＣＯ濃度を１％以下とした燃料ガスは、水素分離器２のカソード２ｂに供給され、水素分圧を高められた燃料ガスがカソード出口配管８ｂを通って電池スタック１の燃料極１ａに導入される。電池スタック１においては従来の燃料電池発電装置と同様の動作により、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。
【００２９】
電池スタック１の燃料極１ａから排出された燃料極出口ガスは、先述の実施の形態１で説明したものと同様の動作により燃料極１ａの出口配管とアノード入口配管３ａを通って水素分離器２のアノード２ａに導入され、水素のみを選択的にカソード２ｂに移動させる。なお、水素分離器２のアノード出口配管８ａからは排気がなされる。
【００３０】
水素分離器２には、水素イオン導電性電解質としてリン酸を用い、有効電極面積４０００ｃｍ2 級の単電池９０セルを積層したものを用い、外部電源により直流を流し、燃料極１ａの出口ガス中の水素のうち、約８０％を分離して燃料極１ａの入口ガスに混入する構成とした。
【００３１】
システム計算により、燃料流量および発電効率を試算し、水素分離器２の有無による比較を行った結果、水素分離器２を用いない場合、燃料流量は４７９Ｎｍ3 / ｈで、発電効率は２８. ５％（発電端＝送電端）であった。一方、水素分離器２を用いた場合、燃料流量は２２６Ｎｍ3 / ｈで、発電効率は３８. １％（発電端）に向上した。また、水素分離に必要な電力は約１５ｋＷと試算され、送電端出力は交流１８５ｋＷ、送電端での発電効率は３５. ２％である。
【００３２】
また、水素分離器２を用いない場合、燃料極１ａの入口ガスの水素濃度は約５７ｄｒｙ％であるのに対し、水素分離器２を用いる場合、約６４ｄｒｙ％に上昇しており、水素分圧上昇によるセル電圧向上分として約３〜５ｍＶ／セル見込める。
【００３３】
さらに、水素分圧が低い場合には、燃料利用率が高くなった場合、燃料極１ａの損傷など信頼性に影響する要因が高くなるのに対し、水素分離器２を用いた場合には、燃料極１ａの出口ガス中の水素を回収できるため、燃料利用効率を高くする必要がなく、燃料利用率を信頼性が十分確保できる値、例えば７０％程度に設定できるという利点がある。
【００３４】
また、従来のスチームタービンによる発電装置の場合、送電端発電効率は２４％程度である（前述の文献：「 廃棄物のガス化溶融炉」 （工業材料、Ｖｏｌ. ４６，Ｎｏ. １１，ｐ. ５４、１９９８））のに対し、この発明の燃料電池発電装置によれば、発電効率は発電端で３８％、送電端でも３５％が見込まれ、大幅な発電効率の向上が見込める。また、スチームタービンでは、発電効率を向上させるためには水冷式の復水器を設ける必要があり、大量の冷却水を確保する必要があるが、燃料電池の場合には大量の冷却水は不要であり、立地の制約がなくなるという利点がある。
【００３５】
実施の形態３.
次に、この発明の実施の形態３の燃料電池発電装置のシステム構成図を図４に示して説明する。この実施の形態３においては、先述の実施の形態１および実施の形態２において燃料電池発電装置を構成する水素分離器２の電源としての直流電流として、電池スタック１で発電した直流電力を分岐して用いる例について示す。
【００３６】
図４において、符号９は電池スタック１で発生した直流電流を交流に変換するインバータ、１０は水素分離器２の直流電源となるＤＣ／ＤＣコンバータである。このＤＣ／ＤＣコンバータ１０において電池スタック１で発生した直流の一部を分岐し、水素分離器２に直流電力を供給する。
電池スタック１で発生した直流電流を利用する構成としたため、新たに水素分離器２に供給する直流電源が不要であり、燃料電池発電装置の構成を簡略化できるという効果が得られる。
【００３７】
実施の形態４.
次に、この発明の実施の形態４の燃料電池発電装置を示すシステム構成図を図５に示して説明する。
図５では、電池スタック１と水素分離器２とを電気的に直列に接続し、電池スタック１の直流電流をそのまま駆動力として水素分離を行う構成としている点に特徴がある。
【００３８】
電池スタック１と水素分離器２とを電気的に直列に接続した場合、燃料極１ａ出口ガス中の水素の分離量は、電池スタック１の積層セル数と水素分離器２の積層セル数との比により設定を行う。この発明の場合には、電池スタック１の積層セル数を３００セル、水素分離器２の積層セル数を１００セルとすることにより、定常的な動作ができることが分かった。
【００３９】
この発明によれば、水素分離器２の直流電流を制御するためのＤＣ／ＤＣコンバータは不要であり、燃料電池発電装置構成および制御ソフトもシンプルなものを用いることができるという効果がある。
【００４０】
実施の形態５.
次に、この発明の実施の形態５の燃料電池発電装置を図６に示して説明する。この実施の形態５では、図６に示すように、水素分離器２の単電池の外形寸法を、電池スタック１の単電池の外形寸法と実質的に同じとし、両者を積層するとともに電気的に直列に接続し、電池スタック１の直流電流を駆動力として、選択的水素分離を行う構成としたもので、積層形態以外は先述の実施の形態４の構成と同様である。
上記のように、電池スタック１と水素分離器２の電極の外形寸法を揃えて積層した構成とすることにより、電池スタック１と水素分離器２とが一体化され、燃料電池発電装置の構成がシンプルになるとともにコンパクトになるという効果が得られる。
【００４１】
なお、上記の実施の形態１〜実施の形態５においては、電池スタック１としてリン酸型燃料電池、水素分離器の水素イオン導電性電解質としてリン酸を用いた例を示したが、燃料ガス中の不純物成分を十分に除去できる場合には、電池スタック１としてリン酸以外の燃料電池、例えば固体高分子型燃料電池を使用することができる。また、水素分離器２のイオン導電性電解質膜として、固体高分子膜を用いることができることは自明であり、この発明と同様の効果が得られる。
【００４２】
【発明の効果】
この発明による燃料電池発電装置は、電池スタックの燃料極出口ガス中の水素を選択的に分離する水素分離器を備えているため、電池スタックの実質的な燃料利用率を向上できるため、発電効率を向上できるという効果がある。
【００４３】
また、この発明による燃料電池発電装置は、上記のような効果に加え、ＣＯ変成器を備えたことにより、燃料ガスに含まれるＣＯを水蒸気と反応させ水素と二酸化炭素に変換するとともにＣＯ濃度を小さくできる。従って、電池スタックに供給する水素量を高めることができるため、発電効率を向上することができるとともに、電極の被毒等を抑制することが可能である。
【００４４】
さらに、この発明による燃料電池発電装置は、上記のような効果に加え、電池スタックにおいて発生する直流電流を水素分離器の駆動力として用いるため、水素分離器の直流電源を別途用意する必要がなく、装置の構成を簡略化できるという効果がある。
【００４５】
また、この発明による燃料電池発電装置は、電池スタックと水素分離器とを電気的に直列に接続することによって、電池スタックにおいて発生する直流電流をそのまま駆動力として水素分離器に供給できる。また電池スタックにおいて発生する直流電流を分岐して駆動力として用いる場合よりも、装置の構成および制御ソフトをシンプルにできるという効果がある。
【００４６】
さらに、この発明による燃料電池発電装置は、電池スタックと水素分離器を構成する単電池の外形寸法を揃えて積層して用いるため、電池スタックと水素分離器とが一体化され、燃料電池発電装置の構成がシンプルになるとともにコンパクトになるという効果がある。
【００４７】
また、この発明による燃料電池発電装置は、水素イオン導電性電解質膜に含まれる電解質をリン酸としている。従って、固体高分子膜を利用する場合よりも電池スタックの動作温度が高くなり、ＣＯによる電極の被毒等を抑制することが可能となる。リン酸を電解質としている場合、燃料ガスのＣＯ濃度が１％以下であれば許容できるため、応用範囲を広くできるという効果もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の実施の形態１による燃料電池発電装置を示す図である。
【図２】  この発明の実施の形態１の説明に必要な図である。
【図３】  この発明の実施の形態２による燃料電池発電装置を示す図である。
【図４】  この発明の実施の形態３による燃料電池発電装置を示す図である。
【図５】  この発明の実施の形態４による燃料電池発電装置の要部を示す図である。
【図６】  この発明の実施の形態５による燃料電池発電装置の要部を示す図である。
【図７】  従来の燃料電池発電装置を示す図である。
【図８】  燃料電池発電装置の動作説明に必要な図である。
【符号の説明】
１. 電池スタック  １ａ. 燃料極  １ｂ. 空気極
１ｃ、２ｃ. 水素イオン導電性電解質膜  ２. 水素分離器
２ａ. アノード  ２ｂ. カソード  ３ａ. アノード入口配管
３ｂ. カソード入口配管  ４ａ. アノード出口配管
４ｂ. カソード出口配管  ５. 直流電流  ６ａ. 空気極入口配管
６ｂ. 空気極出口配管  ７ＣＯ変成器  ８ａ. アノード出口配管
８ｂ. カソード出口配管  ９．インバータ  １０. ＤＣ／ＤＣコンバータ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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