(57)【要約】【課題】簡単な構成により燃料処理装置から燃料電池スタックに供給される改質ガスの露点を適切に制御する燃料電池発電システムを提供する。【解決手段】水素を主成分とし且つ水分を含む燃料ガスを用いて発電するセルスタック４と、炭化水素系原料を前記燃料ガスに改質する燃料処理装置１と、セルスタック４を冷却する冷却媒体を外部冷却媒体により冷却する第１の熱交換器６と、第１の熱交換器６で冷却された冷却媒体と燃料処理装置１からセルスタック４に供給される燃料ガスとの間で熱交換させる第２の熱交換器２とを備え、第２の熱交換器２で前記燃料ガスと熱交換した後の前記冷却媒体をセルスタック４に供給するように構成されている。【選択図】　図１
2004030943.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素を主成分とし且つ水分を含む改質ガスを用いて発電するセルスタックと；
炭化水素系原料を前記改質ガスに改質する燃料処理装置と；
前記セルスタックを冷却する冷却媒体を外部冷却媒体により冷却する第１の熱交換器と；
前記第１の熱交換器で冷却された冷却媒体と前記燃料処理装置から前記セルスタックに供給される改質ガスとの間で熱交換させる第２の熱交換器とを備え；
前記第２の熱交換器で前記改質ガスと熱交換した後の前記冷却媒体を前記セルスタックに供給するように構成された；
燃料電池発電システム。
【請求項２】
前記第２の熱交換器は、熱交換した後の前記改質ガスの露点温度が前記熱交換した後の前記冷却媒体の温度以下であるように構成された請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料処理装置で製造した改質ガスを燃料電池スタックに供給して発電する燃料電池発電システムに関し、特に改質ガスの露点制御に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池発電システムでは、燃料処理装置で製造した改質ガスを燃料電池スタックに供給し、燃料電池スタックにおいて発電を行っている。燃料処理装置では、燃料としての炭化水素化合物に水を反応させて水素ガスを得ている。燃料電池スタックでは、改質ガスに含まれる水素ガスを酸素と反応させて、水、電力、並びに熱を得ている。この場合、燃料電池スタックを形成する膜が湿潤状態であることが、燃料電池スタックで発電を行う要件となっている。そこで、燃料電池スタックに供給される改質ガスにおいては、一定割合の水分を含有させて、燃料電池スタックが乾燥状態になることを防止する必要がある。
【０００３】
図５は改質ガスに水蒸気を添加する従来の構成ブロック図である。燃料処理装置（ＦＰＳ：Ｆｕｅｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ）１では、燃料ガスとしての都市ガスを改質ガスに改質処理し、加湿水供給器２Ａにて改質ガスに水を加えて、燃料電池スタック（ＦＣＳ：Ｆｕｅｌ　Ｃｅｌｌ　Ｓｔａｃｋ）４に供給している。燃料電池スタック４の内部温度は、例えば５０℃〜６０℃の範囲内で一定に保持する必要があるので、燃料電池冷却系５Ａを構成する管路にはポンプ７を用いて冷却媒体が流される。燃料電池スタック４は、発電反応により熱を発生するが、燃料電池冷却系５Ａにより冷却される。燃料電池冷却系熱交換器６は、燃料電池冷却系５Ａを流れる冷却媒体を冷却している。加湿水供給器２Ａでは、燃料処理装置１の出口にて適温に制御された加湿水を注入して、改質ガスに含まれる水分を一定割合としている。
【０００４】
図６は燃料電池スタックに供給する改質ガスを冷却する従来の構成ブロック図である。燃料処理装置１では、燃料ガスとしての都市ガスを改質ガスに改質処理し、燃料供給系熱交換器２Ｂにて改質ガスを冷却し、燃料電池スタック４に供給している。燃料電池スタック４は、燃料電池冷却系５と燃料電池冷却系熱交換器６によって一定温度になるように冷却されている。燃料供給系冷却系５Ｂには、ポンプ７Ｂを用いて燃料供給系熱交換器２Ｂに冷却媒体を流して、燃料電池スタック４に供給される改質ガスを冷却して、改質ガスの露点を制御している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、燃料電池スタック４に供給される改質ガスの露点温度が高すぎると、燃料電池スタック４内部で改質ガス中の水分が凝縮して、安定した発電を妨げる要因となる。そこで、図５に示すような加湿水注入による水分制御では、加湿水の温度制御によって改質ガス露点を制御している。すると、加湿水注入による水分制御を精緻なものとする必要が生じて、燃料電池発電システムが複雑になるという課題がある。
【０００６】
また、図６に示すような燃料電池冷却系５と燃料供給系冷却系５Ｂの２系統を冷却系統として設ける場合には、燃料供給系冷却系５Ｂによって改質ガス露点を制御している。しかし、異なる冷却系統毎にポンプを設置する必要がある為、燃料電池発電システムの冷却系が複雑になるという課題がある。また、燃料電池冷却系５と燃料供給系冷却系５Ｂが独立している為、燃料電池冷却系５が変動した場合に燃料供給系冷却系５Ｂも当該変動に追従する必要があり、制御が複雑になるという課題もある。
【０００７】
本発明は上述する課題を解決するもので、簡単な構成により燃料処理装置から燃料電池スタックに供給される改質ガスの露点を適切に制御する燃料電池発電システムを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記第１の目的を達成するために、本発明の燃料電池発電システムは、例えば図１に示すように、水素を主成分とし且つ水分を含む改質ガスを用いて発電するセルスタック４と、炭化水素系原料を前記改質ガスに改質する燃料処理装置１と、セルスタック４を冷却する冷却媒体を外部冷却媒体により冷却する第１の熱交換器６と、第１の熱交換器６で冷却された冷却媒体と燃料処理装置１からセルスタック４に供給される改質ガスとの間で熱交換させる第２の熱交換器２とを備え、第２の熱交換器２で前記改質ガスと熱交換した後の前記冷却媒体をセルスタック４に供給するように構成されている。
【０００９】
このように構成された装置においては、第２の熱交換器２で改質ガスを冷却するので改質ガスの露点が適切な値になり、セルスタック４内で水分が凝縮するのを防止することができる。また、第１の熱交換器６と第２の熱交換器２では共通の冷却媒体を用いているので、冷却媒体の管路が単一で済み構成が簡単になる。ここで、セルスタック４を用いる燃料電池は、典型的には固体高分子膜を電解質とする燃料電池である。また、冷却媒体は典型的には水である。
【００１０】
好ましくは、第２の熱交換器２は、熱交換した後の前記改質ガスの露点温度が前記熱交換した後の前記冷却媒体の温度以下であるように構成されていると、冷却媒体で冷却されるセルスタック４の内部温度に対しても熱交換した後の前記改質ガスの露点温度が低くなり、セルスタック４内部での水分の凝縮が生じなくてすむ。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、各図において互いに同一あるいは相当する部材には同一符号または類似記号を付し、重複した説明は省略する。
図１は本発明による第１の実施の形態である燃料電池発電システムを説明する構成ブロック図である。図において、燃料処理装置１は炭化水素系原料を改質ガスに改質するもので、例えば改質触媒層、変成触媒層、選択酸化触媒層から構成されている。燃料処理装置１は、以下に示す反応式により、飽和水蒸気を含む改質ガスを生成している。即ち、改質触媒層においては、主に炭化水素系原料の水蒸気改質反応が行われる。例えば炭化水素系原料がメタンの場合、次式による水蒸気改質反応が行われる。
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ２　・・・（１）
改質触媒層に用いる改質触媒は、改質反応を促進するものであれば何でもよく、例えば触媒の種類としてＮｉ系改質触媒やＲｕ系改質触媒などが用いられる。
【００１２】
変成触媒層では、下式の変成反応が行われる。
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２　・・・（２）
変成触媒層として、例えばＦｅ−Ｃｒ系の変成触媒、Ｐｔ系の変成触媒、Ｃｕ−Ｚｎ系変成触媒が用いられる。選択酸化触媒層では、変成ガスと選択酸化用空気との間で下式のＣＯ選択酸化反応が行われる。
ＣＯ＋（１／２）Ｏ２→ＣＯ２　・・・（３）
選択酸化用空気中の酸素は、反応式（３）により改質ガス中のＣＯを酸化して除去する。選択酸化触媒は、ＣＯに対する選択酸化性が高いものであれば何でもよく、例えばＰｔ系選択酸化触媒、Ｒｕ系選択酸化触媒やＰｔ−Ｒｕ系選択酸化触媒などがある。炭化水素系原料としては、メタン、都市ガスのような気体と、灯油、ガソリンのような液体とがある。
【００１３】
燃料供給系・燃料電池冷却系熱交換器２は、燃料供給系３を流れる改質ガスと燃料電池冷却系５を流れる冷却媒体との熱交換を行ない、改質ガスの露点を制御している。改質ガスの燃料処理装置１出口温度は、例えば１００℃〜１２０℃になっている。冷却媒体の燃料電池スタック４入口温度は、例えば５０℃〜６０℃にする必要がある。燃料供給系・燃料電池冷却系熱交換器２は、平行流型でも対向流型でもよい。本実施の形態で用いる熱交換器としては、プレート型熱交換器、コイル型熱交換器、フィン・チューブ式等がある。プレート型熱交換器の場合には、伝熱面が稼げるので、熱交換器が小型化できる。
【００１４】
燃料電池スタック４は、セルスタックとも呼ばれるもので、改質ガスに含まれる水素ガスと酸化剤ガスとを用いて電力を発生するものである。燃料電池スタック４の詳細は後で説明する。燃料電池冷却系５は、燃料電池スタック４で昇温した冷却媒体を燃料電池冷却系熱交換器６によって冷却し、燃料供給系・燃料電池冷却系熱交換器２を経由して、燃料電池スタック４に還流させる冷却媒体の循環路を形成している。ポンプ７は、燃料電池冷却系５における冷却媒体を循環させる動力源である。燃料電池冷却系熱交換器６は、燃料電池冷却系５を流れる冷却媒体と、別途設けられた冷却媒体管路系８を流れる冷却媒体との熱交換を行うもので、燃料供給系・燃料電池冷却系熱交換器２と同様に、平行流型でも対向流型でもよい。
【００１５】
このように構成された装置における炭化水素系原料並びに冷却媒体の流れを説明する。炭化水素系原料は、燃料処理装置１にて処理されて改質ガスとなる。改質ガスは燃料電池冷却系との熱交換器２を介して、燃料電池スタック４に供給される。一方、燃料電池冷却系５を流れる冷却媒体は、燃料電池スタック４を出た後、燃料電池冷却系熱交換器６にて冷却媒体管路系８により冷却されたのち、燃料供給系３と熱交換する熱交換器２を経由して、燃料電池スタック４に戻る。
【００１６】
燃料電池スタック４では、固体高分子膜１１ａの水素イオン透過性を保持するため、供給する各ガスは適度な水分を保つ必要がある。そこで、燃料電池スタック４内の水分は、一般的に電池運転温度において飽和となる程度に燃料供給系・燃料電池冷却系熱交換器２によって制御されている。そして、水蒸気の過剰量が少なければ、凝縮した過剰水は各ガス流通路へと運ばれて、電池反応に使われなかったガスによって外部に取り除かれる。しかし、水蒸気の過剰量がガスで運べる量を超過すると、ガス流通路が凝縮した水によって詰まってしまい、フラッディングと呼ばれる現象を生じて発電に支障を生じる構造となっている。以下、燃料電池スタック４の構造の詳細を説明する。
【００１７】
図２は、燃料電池スタック４の構造を示す基本的構造図で、（ａ）はセパレータに形成された改質ガス通過路と酸化剤ガス通過路の配置を説明する斜視図、（ｂ）は膜電極接合体の積層状態を説明する断面図である。図２（ｂ）において、膜電極接合体１１−１、１１−２、１１−３は、一面に燃料極（アノード）２１を有し、他面に酸化剤極（カソード）２２を有する固体高分子膜１１ａ−１、１１ａ−２、１１ａ−３より形成される。膜電極接合体１１−１、１１−２、１１−３は、セパレータ１２−２、１２−３にて隔てられている。以下、特に固体高分子膜に個別に言及する必要がないときは、固体高分子膜の符号は単に１１ａと、同様に膜電極接合体は１１と、セパレータは１２とする。
【００１８】
図２（ａ）において、セパレータ１２の一方の面、燃料極側の面には改質ガス通過路１４が、他方の面、酸化剤極側には酸化剤ガス通過路１５が細い溝としてそれぞれ形成されている。各ガス通過路の溝は、それぞれが形成された面を満遍なくカバーするように形成されている。本固体高分子型燃料電池は、このように膜電極接合体１１とセパレータ１２が交互に配列され多層構造をなしている。
【００１９】
表面に溝の形成されたセパレータ１２が、固体高分子膜１１ａに密着して重ねられると、前記溝と固体高分子膜１１ａの表面とで改質ガスを通すことのできる通路、即ち改質ガス通過路１４が形成される。酸化剤ガス通過路１５についても同様である。ここで、燃料極２１、酸化剤極２２は、それぞれ例えばカーボンペーパーのような多孔質導電性材料に白金等の触媒を担持させて作られるガス拡散電極であり、これをホットプレス等の方法により固体高分子膜１１ａに接合して膜電極接合体１１を形成する。また、セパレータ１２は、カーボンなどの導電性材料を用いて作られており、切削、プレス等によりその両面に改質ガス通過路１４及び酸化剤ガス通過路１５が設けられる。
【００２０】
膜電極接合体１１内の固体高分子膜１１ａは、水分を含んで電解質を形成しており、イオン化した水素を選択的に透過する。燃料電池に改質ガス及び酸化剤ガスを供給した場合、膜１１ａの表面に設けられた燃料極２１と他方の表面上に設けられた酸化剤極２２との間に起電力が生じる。さらに、燃料極２１と酸化剤極２２が外部負荷に接続された場合、燃料極２１上において改質ガス中の水素は電子を放出してイオン化する。すると、この水素イオンは固体高分子膜１１ａを透過し、酸化剤極２２上において電極２２から供給される電子及び酸化剤ガス中の酸素Ｏ２と反応して水を生成し、同時に外部負荷には電流が流れる。なお、図２（ａ）においては、セパレータ１２の片面しか見えないので、改質ガス通過路１４だけが図示されているが、セパレータ１２の反対側の面には、酸化剤ガス通過路１５がほぼ同様に形成されている。
【００２１】
以上説明したような構造を有する装置では、電子は燃料極２１で放出され酸化剤極２２でとり込まれるので、燃料極２１を負極、酸化剤極２２を正極とする電池を構成することになる。また複数の膜電極接合体１１（固体高分子膜１１ａ）とセパレータ１２とを交互に重ねて多層構造とすることにより、全体として所望の電圧の燃料電池を構成することができる。また、固体高分子型燃料電池においては、酸化剤極２２では前記のような電気化学的反応の結果水が生じる。
【００２２】
次に、本実施の形態における改質ガス露点温度と燃料電池入口冷却媒体温度の関係を説明する。図３は改質ガス露点温度と燃料電池入口冷却媒体温度の変化状態を運転時間の経過と共に説明するグラフである。燃料電池発電システムが起動した直後は、改質ガス露点温度が燃料電池入口冷却媒体温度より高くなっている。しかし、燃料電池発電システムが起動を完了して、定常運転に移行した後は、熱交換器２が有効に作用して、改質ガス露点温度が燃料電池スタック４入口冷却媒体温度より低くなる。好ましくは、改質ガス露点温度は燃料電池スタック４入口冷却媒体温度に対して、２〜３℃程度低くなっていると、過湿状態でも乾燥状態でもないため、好ましい。即ち、熱交換器２を用いて改質ガス露点温度を燃料電池スタック４の内部温度よりも数度低く保持するにより、改質ガス中の水分が燃料電池スタック４の内部で凝縮することを防ぎ、燃料電池スタック４は安定した発電を行うことができる。
【００２３】
図４は本発明による第２の実施の形態を説明する構成ブロック図である。図４と図１の実施の形態との相違を説明すると、熱交換器２における燃料電池冷却系５における冷却媒体の流れが、燃料供給系３における改質ガスの流れに対して、正逆が反対になっている。熱交換器２が平行流型か対向流型かに応じて、熱交換が適切に行われるように、燃料電池冷却系５における冷却媒体の流れの方向を定めるとよい。
【００２４】
なお、上記の実施の形態においては、燃料処理装置として改質触媒層、変成触媒層、選択酸化触媒層から構成されているものを示したが、要するに炭化水素系原料を改質ガスに改質できるものであればよい。また、上記の実施の形態においては、セルスタックとして固体高分子型燃料電池から構成されているものを示したが、本発明は固体高分子型以外の燃料電池であって露点制御が必要なものにも適用可能である。
【００２５】
【発明の効果】
以上のように本発明の燃料電池発電システムによれば、水素を主成分とし且つ水分を含む改質ガスを用いて発電するセルスタックと、炭化水素系原料を前記改質ガスに改質する燃料処理装置と、セルスタックを冷却する冷却媒体を外部冷却媒体により冷却する第１の熱交換器と、第１の熱交換器で冷却された冷却媒体と燃料処理装置からセルスタックに供給される改質ガスとの間で熱交換させる第２の熱交換器とを備え、第２の熱交換器で前記改質ガスと熱交換した後の前記冷却媒体をセルスタックに供給するように構成されている。そこで、第１の熱交換器と第２の熱交換器では共通の冷却媒体を用いているので、冷却媒体の管路が単一で済み構成が簡単になる。また、第２の熱交換器により、燃料処理装置からセルスタックに供給される改質ガスの露点制御をしているので、セルスタック内部で改質ガスに含まれる水分が凝縮することもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による第１の実施の形態である燃料電池発電システムを説明する構成ブロック図である。
【図２】燃料電池スタック４の構造を示す基本的構造図である。
【図３】改質ガス露点温度と燃料電池入口冷却媒体温度の変化状態を運転時間の経過と共に説明するグラフである。
【図４】本発明による第２の実施の形態である燃料電池発電システムを説明する構成ブロック図である。
【図５】改質ガスに水蒸気を添加する従来の構成ブロック図である。
【図６】燃料電池スタックに供給する改質ガスを冷却する従来の構成ブロック図である。
【符号の説明】
１　燃料処理装置（ＦＰＳ）
２　（燃料供給系・燃料電池冷却系）熱交換器
３　燃料供給系
４　燃料電池スタック（ＦＣＳ）
５　燃料電池冷却系
６　燃料電池冷却系熱交換器
【図１】
2004030943.tif 000003
【図２】
2004030943.tif 000004
【図３】
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【図４】
2004030943.tif 000006
【図５】
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【図６】
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