(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン導電性を有する固体高分子電解質を燃料極および空気極で挟み込み、メタノールと水を一定比率に混合したメタノール水を、改質器で水素リッチな改質ガスとした燃料水素を前記燃料極に供給し、前記空気極に供給した酸化剤中の酸素と電気化学的に反応させて、直接発電を行うようにした固体高分子型燃料電池において、前記メタノール水を加熱して前記燃料水素に改質する前記改質器に電気ヒータを設けると共に、前記改質器から前記固体高分子型燃料電池に供給する改質ガス供給系統に一酸化炭素を除去するＣＯ除去装置を設けたことを特徴とする固体高分子型燃料電池。
【請求項２】
前記電気ヒータを設けた前記改質器に、燃料電池から排出される未反応の残存燃料水素を燃焼して、前記電気ヒータと共に前記メタノール水を加熱して、前記燃料水素に改質する燃焼器を設けたことを特徴とする請求項１の固体高分子型燃料電池。
【請求項３】
前記電気ヒータの電力供給源として、前記燃料電池から出力される電力、若しくは前記燃料電池以外の発電装置から出力される電力を使用することを特徴とする請求項１、又は請求項２の固体高分子型燃料電池。
【請求項４】
前記電気ヒータを設けた前記改質器で改質され、前記燃料電池に供給される前記燃料水素に、燃料電池から排出される未反応の残存燃料水素を混合して、前記ＣＯ除去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、又は請求項３の固体高分子型燃料電池。
【請求項５】
イオン導電性を有する固体高分子電解質を燃料極および空気極で挟み込み、メタノールと水を一定比率に混合したメタノール水を、改質器で水素リッチな改質ガスとした燃料水素を改質ガス供給系統を介して前記燃料極に供給し、前記空気極に供給した酸化剤中の酸素と電気化学的に反応させて、直接発電を行うようにした固体高分子型燃料電池において、前記改質器に設けられ前記メタノール水を加熱する電気ヒータと、前記改質ガス供給系統の前記改質器の下流に設けられ改質ガス中の一酸化炭素を除去するＣＯ除去装置と、水分及び二酸化炭素を除去する二酸化炭素除去装置と、前記改質ガス供給系統のさらに下流に設けられ改質ガスを加湿する燃料加湿器とを備え、前記固体高分子型燃料電池から排出される残存燃料水素を前記改質器の下流側に循環利用するようにしたことを特徴とする固体高分子型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子電解質を挟み込んだ燃料極の表面に供給した燃料水素と、空気極の表面に供給した酸化剤とを、直接反応させて発電を行う固体高分子型燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体電解質を、多孔性の燃料極と、空気極で挟み込み、燃料極の外表面に供給した燃料水素中の水素と、空気極の外表面に供給した酸化剤中の酸素とを、電気化学的に反応させて、直接発電するようにした固体高分子型燃料電池が開発されている。
【０００３】
図７は、このような固体高分子型燃料電池において、改質器を設けて、メタノールを水素リッチな燃料水素に改質して、発電を行うようにした、従来のメタノール改質型の固体高分子型燃料電池システムの一例を示す図である。
すなわち、燃料電池において発電に使用される、燃料水素はメタノールと水を一定比率に混合したメタノール水を改質し、水素リッチな改質ガスとして得るようにしている。
【０００４】
図に示すように、メタノール水Ｍは、メタノール水タンク１からポンプ２により所定量を供給され、後述する高温の改質ガスＨを加熱源とする熱交換器Ａ３、改質器５から排出される燃焼排ガスＥを加熱源とする熱交換器Ｂ４により、熱交換されて昇温し、一部或は全部蒸発させた後、改質器５に導入され、改質触媒のもと２５０〜４５０℃程度の反応温度場で、数１に示す主反応により、水素リッチな改質ガスＨに変えるようにしている。
【０００５】
【数１】
0003564214.tif 000002
【０００６】
また、この主反応は、吸熱反応であるため、反応の進行には、常に熱を供給する必要があり、このため、従来は、燃料電池９から排出される未反応の水素を含む残存燃料水素ＲＨを燃料源とし、外部から供給される空気等の酸化剤Ｏと共に、燃焼器１２にて燃焼させ、これを熱源として、利用し熱を供給するようにしている。
また、燃料源としては、メタノール水Ｍを投入し、酸化剤と共に、燃焼器１２にて燃焼させ、熱源として利用し、熱を供給する場合もある。
【０００７】
さらに、上述した主反応により得られる改質ガスＨには、反応平衡上、一酸化炭素（ＣＯ）が多く含まれるため、改質器５から排出され、前述したように、熱交換器Ａ３でメタノール水Ｍと熱交換した改質ガスＨを、冷却水Ｗにより冷却して、ＣＯを除去するＣＯ除去装置６等により、ＣＯ濃度を燃料電池許容入口濃度まで低減した後、燃料加湿器７にて加湿後、燃料電池９の燃料極周辺に導入するようにしている。
また、燃料電池９の空気極に供給する酸化剤Ｏには、通常、酸素や空気が用いられ、酸化剤加湿器８により加湿後、燃料電池９の空気極周辺に導入するようにしている。
【０００８】
また、燃料電池９にて発生した電気は、蓄電池、コンバータ、インバータや出力制御装置等の電力制御装置１０を経由して、システム外部へ電気出力Ｐとして供給されるようになっている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような固体高分子型燃料電池では、次のような不具合があった。
【００１０】
（１）外部負荷の急変動に伴い、燃料電池９出力が急変動するため、燃焼器１２に向かう残存燃料の量が急変することになる。
すなわち、外部負荷が急増する場合、燃料電池９での燃料消費量が急増して、燃焼器１２に供給される残存燃料が減少し、燃焼器１２で失火が生じる恐れがある。
また、外部負荷が急減する場合、燃料電池９での燃料消費量が急減して、残存燃料の燃焼器１２への供給量が急増し、不完全燃焼が生じる恐れがある。
このように、燃焼器１２での燃料の燃焼が不安定になりやすく、外部負荷の急変に対し、運転が困難である。
【００１１】
（２）燃焼排ガスＥをシステム外に排出不可能な、密閉空間等で固体高分子型燃料電池を構成し、使用する場合、システムが複雑になるとともに、大規模の改質器５からの燃焼排ガスＥの処理システムが必要となり、機器全体が大きくなる。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明の請求項１に示す固体高分子型燃料電池は、次の手段とした。
【００１３】
（１）燃料極に供給された燃料水素と空気極に供給された酸化剤とを、固体電解質のもとで電気化学的に反応させて、直接発電するようにした固体高分子型燃料電池において、メタノール水を加熱して水素リッチな燃料水素に改質して燃料電池に供給する改質器に、加熱用の電気ヒータを設けた。
なお、改質器に設ける、メタノール水を改質する加熱源としては、電気ヒータのみを設けるようにしても良く、また、電気ヒータと従来の燃焼器等の加熱源とを併用するようにしても良いものである。
【００１４】
（１′）本発明の固体高分子型燃料電池によれば、改質器に電気ヒータを設けることで、外部負荷の急変動に伴い、燃料電池の出力が急変動して、燃焼器における失火の恐れ、不完全燃焼する恐れ、若しくは燃焼器での燃焼が不安定になり運転が困難になる恐れがなくなる。
【００１５】
（１″）また、電気ヒータのみにより、改質器に必要なすべての熱を供給するようにすれば、改質器から燃焼排ガスのでないシステムの構成が可能になるとともに、改質ガス中の二酸化炭素（ＣＯ２  ）、水分（Ｈ２  Ｏ）、ＣＯ除去装置等、不純物処理システムと組合わせることで、燃料電池から排出される残存燃料を循環利用可能なシステムが構築可能で、固体高分子型燃料電池システム全体をコンパクトにすることができる。
【００１６】
また、本発明の請求項２に示す固体高分子型燃料電池は、上述（１）の手段に加え、次の手段とした。
【００１７】
（２）改質器に電気ヒータを設けることに加え、燃料電池から排出される未反応の残存燃料水素を燃焼させて、電気ヒータと共に、メタノール水を加熱して燃料水素に改質すると燃焼器を改質器に設けた。
【００１８】
（２′）本発明の固体高分子型燃料電池によれば、上述（２）の手段により、上述（１′）に加え、燃料電池から排出される残存燃料水素の急変により、燃焼が不安定になっても、改質器に対し電気ヒータにより、安定的に熱の供給が行えることが可能となり、従来と同様に、残存燃料水素を改質器の熱源とする利点を享受しつつ、負荷変動時でも、システムを安定して運転できる。
また、改質器からの燃焼排ガスの量を少くすることができ、燃焼排ガスの処理システムを小型にでき、機器全体をコンパクトにできる。
【００１９】
また、本発明の請求項３に示す固体高分子型燃料電池は、上述（１）の手段、又は上述（１）（２）の手段に加え、次の手段とした。
【００２０】
（３）燃料電池、または本燃料電池以外で発電した電気を電気ヒータに供給し、改質器に必要な熱を供給するようにした。
【００２１】
本発明の固体高分子型燃料電池によれば、上述（３）の手段により、上述（１′）（１″）又は上述（１′），（１″），（２′）に加え、
（３′）燃料電池で発電した電力を電気ヒータに使用するようにすれば、電気ヒータを使用しながら、商用電源との接続が不要となり、商用電源の利用が困難な車両、又は潜水艇を含む船舶、又は宇宙機器を含む飛行体の駆動源としての燃料電池の使用が可能になる。
【００２２】
（３″）また、燃料電池以外で発電した電力を電気ヒータに使用するとすれば、燃料電池の起動が容易に出来るようになり、特に、ビル等の電源として燃料電池の採用が好適なものになる。
【００２３】
また、本発明の請求項４に示す固体高分子型燃料電池は、上述（１）の手段、又は上述（１），（２）の手段、又は上述（１），（２），（３）の手段に加え、次の手段とした。
【００２４】
（４）電気ヒータのみを設けた、又は電気ヒータと共に燃焼器を設けた改質器で改質され、燃料電池に供給する燃料水素に、燃料電池から排出される、未反応の水素を多く含む残存燃料水素を混合して、燃料電池に供給するようにした。
【００２５】
（４′）本発明の固体高分子型燃料電池によれば、上述（４）の手段により、上述（１′）（１″）又は（１′）（１″）（２′）又は（１′）（１″）（２′）（３′）（３″）に加え、改質器において改質され、水素リッチにされた燃料水素が燃料電池の発電に効率的に使用される。
（５）上記（４）の電気ヒータのみを設けた場合において、さらに、改質器から前記燃料極への改質ガス供給系統に、改質ガス中の水分及び二酸化炭素を除去する二酸化炭素除去装置と、改質ガス中の一酸化炭素を除去するＣＯ除去装置と、改質ガスを加湿する燃料加湿器とを備え、前記固体高分子型燃料電池から排出される残存燃料水素を前記改質器の下流側に循環利用するようにした。
上述の固体高分子型燃料電池によれば、燃料電池、または本燃料電池以外の発電装置で発電した電気を使い、電気ヒータのみにより改質器に必要なすべての熱を供給するようにすることで、改質器から燃焼排ガスのでないシステムの構成が可能になるとともに、改質ガス中の二酸化炭素、水分、ＣＯ除去装置等不純物処理システムと組合わせることで、燃料電池から排出される残存燃料水素を循環利用可能なシステムが構築される。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の固体高分子型燃料電池の実施の一形態を、図面にもとづき説明する。
なお、本発明の実施の形態を示す図面において、図７に示す符番と同一符番のものは、同一部材につき説明を省略する。
【００２７】
図１は、本発明の固体高分子型燃料電池の実施の第１形態を示すブロック図である。
図に示すように、メタノール水Ｍは、メタノール水タンク１からポンプ２により所定量を供給され、熱交換器Ａ３、熱交換器Ｂ４により改質ガスＨ、及び燃焼排ガスＥと熱交換し昇温し、一部蒸発、あるいは全部蒸発した後、改質器５に導入され、改質触媒のもとで２５０〜４５０℃程度の反応温度場で、数１に示す主反応により、水素リッチな改質ガスＨに変わる。
【００２８】
この主反応は、吸熱反応であるため、反応の進行には常に熱を供給する必要があり、本実施の形態では、燃料電池９から排出された水素を含む残存燃料水素ＲＨを燃料源とし、酸化剤Ｏと共に燃焼器１２にて燃焼させて、反応を行わせるとともに、電力制御装置１０を経由して燃料電池９で発電した電気の一部を使い、電気ヒータ１１により改質器５に熱を供給して行うようにしている。
また、燃料源としてメタノール水Ｍを投入し、酸化剤Ｏと共に燃焼器１２にて燃焼させ熱源として利用する場合もある。
【００２９】
改質器５でメタノール水Ｍから改質された改質ガスＨには、反応平衡上、一酸化炭素（ＣＯ）が多く含まれるため、通常ＣＯ除去装置６等により、ＣＯ濃度を燃料電池許容入口濃度まで低減し、燃料加湿器７にて加湿後燃料電池９に導入するようになっている。
また、酸化剤Ｏには通常、酸素や空気が用いられ、酸化剤加湿器８により加湿した後、燃料電池９に導入するようになっている。
燃料電池９にて発生した電気出力Ｐは、蓄電池、コンバータ、インバータや出力制御装置等の電力制御装置１０を経由して、システム外部へ電気出力として供給されるようになっている。
【００３０】
次に、図２は本発明の固体高分子型燃料電池の実施の第２形態を示すブロック図である。
本実施の形態では、メタノール水Ｍは、メタノール水タンク１からポンプ２により所定量を供給され、熱交換器Ａ３により改質ガスと熱交換し昇温させ、一部蒸発の後、改質器５に導入され、電気ヒータ１１を熱源として完全に蒸発させた後、改質触媒のもとで２５０〜４５０℃程度の反応温度場で、数１に示す主反応により水素リッチな改質ガスに変わる。
この主反応は、吸熱反応であるため反応の進行には常に熱を供給する必要があり、本実施の形態では、電力制御装置１０を経由して燃料電池９で発電した電気の一部を使い、電気ヒータ１１のみにより改質器５に必要なすべての熱を供給するようにしたシステムとしている。
【００３１】
改質ガスＨには、反応平衡上、一酸化炭素（ＣＯ）が多く含まれるため、通常ＣＯ除去装置６等により、ＣＯ濃度を燃料電池許容入口濃度まで低減し、燃料加湿器７にて加湿後燃料電池９に導入するようになっている。
また、酸化剤Ｏには通常、酸素や空気が用いられ、酸化剤加湿器８により加湿後燃料電池９に導入するようになっている。
燃料電池９にて発生した電気は、蓄電池、コンバータ、インバータや出力制御装置等の電力制御装置１０を経由して、前述したように、一部は電気ヒータ１１に供給され、残りはシステム外部へ電気出力として供給されるようになっている。
【００３２】
また、本実施の形態においては、燃料電池９から排出された水素を含む残存燃料水素ＲＨは、システム外部へ取り出され、燃焼させて図示しない他の機器の駆動源、若しくは加熱源として利用される。
【００３３】
次に図３は、本発明の固体高分子型燃料電池の実施の第３形態を示すブロック図である。
図に示すように、本実施の形態においては、改質器５から燃料電池９に改質ガス（燃料水素Ｈ）を供給する改質ガス供給系統に、改質ガス中の水分Ｈ２  Ｏ、二酸化炭素ＣＯ２  、除去装置１３、ＣＯ除去装置６等の不純物処理システムを設け、改質ガスを純度の高い燃料水素に精製してから、燃料加湿器７に導入できるようにして、燃料電池９から排出される残存燃料水素ＲＨを改質器５下流側にリサイクルさせ、残存燃料水素ＲＨを循環利用できるようにしている。
【００３４】
このように、改質ガス供給系統に水分Ｈ２  Ｏ、二酸化炭素ＣＯ２  除去装置１３、ＣＯ除去装置６等、不純物処理システムを設けることで燃料電池９から改質ガス供給系統に循環ループを設け、燃料電池９から改質ガス供給系統に返される残存燃料水素ＲＨ内の不純物の濃縮、滞留が抑えられるシステムとなっている。
【００３５】
次に図４は、本発明の固体高分子型燃料電池の実施の第４形態を示すブロック図である。
本実施の形態においては、図２に示した実施の第２形態に加えて、さらに燃料電池９、または本燃料電池９以外の発電装置１４、例えば、燃料電池９で駆動するようにした自動車の車輪の回転を利用した発電機で発電された電気を、電力制御装置１０を経由して電気ヒータ１１に供給し、電気ヒータ１１のみにより、改質器５に必要なすべての熱を供給するようにしたシステムである。
【００３６】
なお、本燃料電池９以外から電気ヒータ１１に供給される電力としては、商用電源から供給するようにすることもできるものである。
すなわち、改質器５に燃料電池９からの電力供給を受ける電気ヒータ１１を設けて、改質を行うようにした場合、燃料電池９の起動時には、電気ヒータ１１のほかに、改質器５には加熱源を必要とするが、このような商用電源を使用できるようにすることにより、燃焼器１２等の設置を不要にできる。
【００３７】
次に、図５は本発明の固体高分子型燃料電池の実施の第５形態を示すブロック図である。
本実施の形態は、図１に示した実施の第１形態に加えて、図４に示した実施の第４形態と同様に、燃料電池９以外の発電装置１４で発電された電気を電力制御装置１０を経由して電気ヒータ１２に供給するようにしたものである。
【００３８】
さらに、図６は本発明の固体高分子型燃料電池の第６形態を示すブロック図である。
本実施の形態は、図３に示す実施の第３形態に加え、図４に示した実施の形態と同様、燃料電池９以外の発電装置で発電された電気を電力制御装置を経由して電気ヒータ１１に供給するようにしたものである。
【００３９】
【発明の効果】
以上、述べたように、本発明の固体高分子型燃料電池によれば、特許請求の範囲に示す構成により、
（１）燃料電池から排出される残存燃料の急変により、燃焼が不安定になることが予想される場合においても、改質器に対し、電気ヒータにより安定的に熱の供給が行えることが可能になり、負荷変動時でもシステムを安定して運転できる。
【００４０】
（２）また、電気ヒータを設けることで、外部負荷の急変動に伴い、燃料電池の出力が急変動して、燃焼器における失火の恐れ、不完全燃焼する恐れ、若しくは燃焼器での燃焼が不安定になり運転が困難になる恐れがなくなり、燃焼器の燃焼を安定化させることができる。
さらに、改質器でメタノール水から改質された改質ガスには、反応平衡上、一酸化炭素（ＣＯ）が多く含まれるが、ＣＯ除去装置により、ＣＯ濃度を燃料電池許容入口濃度まで低減され、固体高分子燃料電池に導入することができる。
【００４１】
（３）さらに、燃料電池、または本燃料電池以外の発電装置で発電した電気を使い、電気ヒータのみにより改質器に必要なすべての熱を供給するようにすることで、改質器から燃焼排ガスのでないシステムの構成が可能になるとともに、改質ガス中の二酸化炭素、水分、ＣＯ除去装置等不純物処理システムと組合わせることで、燃料電池から排出される残存燃料水素を循環利用可能なシステムが構築可能で、固体高分子型燃料電池システム全体をコンパクトにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の固体高分子型燃料電池の実施の第１形態を示すブロック図、
【図２】本発明の固体高分子型燃料電池の実施の第２形態を示すブロック図、
【図３】本発明の固体高分子型燃料電池の実施の第３形態を示すブロック図、
【図４】本発明の固体高分子型燃料電池の実施の第４形態を示すブロック図、
【図５】本発明の固体高分子型燃料電池の実施の第５形態を示すブロック図、
【図６】本発明の固体高分子型燃料電池の第６形態を示すブロック図、
【図７】従来のメタノール改質型の固体高分子型燃料電池システムの一例を示す図である。
【符号の説明】
１    メタノール水タンク
２    ポンプ
３    熱交換器Ａ
４    熱交換器
５    改質器
６    ＣＯ除去装置
７    燃料加湿器
８    酸化剤加湿器
９    燃料電池
１０  電力制御装置
１１  電気ヒータ
１２  燃焼器
１３  二酸化炭素除去装置
１４  外部電源（燃料電池以外の発電装置）
Ｅ    燃焼排ガス
Ｈ    改質ガス
ＲＨ  残存燃料水素
Ｏ    酸化剤
ＲＯ  残存酸化剤
Ｍ    メタノール水
Ｗ    冷却水
Ｐ    電気出力
【図１】
0003564214.tif 000003
【図２】
0003564214.tif 000004
【図３】
0003564214.tif 000005
【図４】
0003564214.tif 000006
【図５】
0003564214.tif 000007
【図６】
0003564214.tif 000008
【図７】
0003564214.tif 000009