(57)【要約】【課題】燃料電池本体の直前ないしは本体内部でガスを充分加湿するためには多量の蒸発潜熱が必要であると共に、その潜熱授受により燃料電池本体の温度分布を引き起こし、燃料電池の発電性能を低下させるという課題があった。【解決手段】固体高分子形燃料電池システムの最上流である改質器６のスチームカーボン比を予め高めることで、燃料電池３のアノード２に流入する燃料ガス中の水分濃度を必要域にできるため、燃料電池の安定性能を維持することができる。【選択図】　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスが流入するアノードと空気が流入するカソードを有する固体高分子形の燃料電池と、原燃料と水蒸気から前記燃料ガスを生成する改質器とを備えた固体高分子形燃料電池システムにおいて、
前記改質器に供給する水蒸気と原燃料中のカーボンのモル流量比であるスチームカーボン比を、前記燃料電池の運転温度で飽和蒸気条件となるように設定したことを特徴とする固体高分子形燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の固体高分子形燃料電池システムにおいて、
前記改質器に投入する水蒸気と原燃料中のカーボンのモル流量比であるスチームカーボン比を３．５から４．０の間に設定したことを特徴とする固体高分子形燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１に記載の固体高分子形燃料電池システムにおいて、
前記改質器の燃焼部からの排出ガスによって、該改質器に供給する水蒸気を発生させる蒸気発生器を設けたことを特徴とする固体高分子形燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子形燃料電池システムに関わり、特に家庭等で使用される大気圧レベルの圧力での運転に好適な固体高分子形燃料電池システムに関わる。
【０００２】
【従来の技術】
近年、固体高分子膜の電気化学的特性が向上したことで、オンサイト型分散電源としての家庭用固体高分子形燃料電池システムの実現が期待されるようになってきた。この家庭用固体高分子形燃料電池システムは、現行のインフラである都市ガスのパイプラインを用いて都市ガスから水素含有ガスを造り、その水素含有ガスにより燃料電池で発電しかつ熱需要としての給湯を賄う方式が実用化への第一段階と考えられている。
【０００３】
このような都市ガスを利用する家庭用の燃料電池システムは、燃料電池に必要な水素を改質器によって製造する。この改質器では原燃料の都市ガスと水蒸気を触媒下７００℃程度で反応させて水素含有ガスを造る。（式１）は燃料の代表組成としてメタンを用いた場合の水蒸気改質反応である。（式２）は（式１）に続いて起こるＣＯシフト反応である。
【０００４】
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ２…（式１）
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２…（式２）
改質器での反応においては、原燃料中のカーボンが単独に析出して流路の閉塞を起さないように、水蒸気量を量論値以上に設定される。いわゆる、スチームカーボン比（原燃料中のスチームモル流量／カーボンモル流量の比であり、Ｓ／Ｃと略記する）を２〜３程度に設定することが多い。特に家庭用固体高分子形燃料電池システムでは、システム発電効率を重視して、投入スチーム量は削減方向にあり、Ｓ／Ｃ＝２．５前後が多用される。
【０００５】
一方、固体高分子形燃料電池本体では、水素をイオンと電子に分離する膜を常に湿った状態にして膜のイオン導電性を確保する必要性から、これまで燃料電池本体の直前ないしは燃料電池本体内部に加湿器を設けて燃料電池本体に入るガスを加湿する方法を採用していた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前述した従来技術においては、燃料電池本体の直前ないしは本体内部でガスを充分加湿するためには多量の蒸発潜熱が必要であると共に、その潜熱授受により燃料電池本体の温度分布を引き起こし、燃料電池の発電性能を低下させるという課題があった。
【０００７】
本発明の目的は、燃料電池の安定性能を維持することができる固体高分子形燃料電池システムを提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前述した課題を解決する手段として、固体高分子形燃料電池システムの最上流である改質器のスチームカーボン比を予め高めることで、燃料電池のアノードに流入する燃料ガス中の水分濃度を必要域に設定することができる。具体的には、スチームカーボン比を燃料電池の運転温度に応じた飽和蒸気になるように設定することで、燃料電池の膜の湿潤性を維持することができる。一方、空気が供給される燃料電池のカソード側は、電池反応によって生成するＨ２Ｏの排出側であるため、膜近傍は乾きにくい状態である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例である固体高分子形燃料電池システムを図１に示す。本システムは、カソード１とアノード２を有する燃料電池３と、燃焼部４と改質反応部５から成り水素含有ガスである改質ガスを造る改質器６と、改質器６の改質反応部５から得られる改質ガス中の一酸化炭素を水素に変成する一酸化炭素変成器７，一酸化炭素変成器７から排出される改質ガス中の一酸化炭素濃度を下げるための一酸化炭素酸化器８，改質器６の改質反応部５で必要な水蒸気を発生させる蒸気発生器９，蒸気発生器９の給水や一酸化炭素変成器７と一酸化炭素酸化器８への冷却水の供給を行う水ポンプ１０，カソードガス排気ファン１１および燃焼ガス排気ファン１２から構成される。
【００１０】
本システムの動作は、次の通りである。
【００１１】
燃料電池３のカソード１では、カソード出口側に設けたカソードガス排気ファン１１により吸引されることでカソード１内が負圧になり、カソード入口側より燃料電池３の酸化ガスである空気１３が取り込まれる。一方、アノード２には改質ガス１４が流れるが、その駆動源は燃焼ガス排気ファン１２による吸引である。すなわち、燃焼ガス排気ファン１２を駆動することにより、蒸気発生器９内が負圧になるとともに改質器６の燃焼部４が負圧になり、さらにアノード２および一酸化炭素酸化器８，一酸化炭素変成器７，改質反応部５が負圧となる。したがって、燃焼部４には燃焼に供する空気１５とアノード排ガス１６が流入して燃焼し高温ガスを発生して改質反応部５を加熱して改質反応を促進させる。
【００１２】
また、燃焼部４から排出する燃焼ガス１７は、蒸気発生器９において水ポンプ１０から送り込まれる水１８を過熱して蒸気１９に変える。この蒸気１９は改質反応部５に供給されて、（式１）及び（式２）に示したように改質反応の原料になる。改質反応部５には原燃料である都市ガス２０が流入して蒸気１９と改質反応を起こし、水素リッチなガスである改質ガス２５が生成される。この場合、都市ガス２０のカーボンモル流量に対する蒸気１９のモル流量比、すなわちＳ／Ｃを３．９とする。改質反応部５を出た改質ガス２５は、一酸化炭素変成器７に導かれ、水ポンプ１０から供給される冷却水２１により一酸化炭素の変成反応が生じる温度にまで低下されて、（式２）の反応により一酸化炭素が減じて水素が増えた改質ガス２６になる。
【００１３】
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２…（式２）（式２）の通り、一酸化炭素変成反応では、改質器６で投じた蒸気１９の一部が消費される。
【００１４】
一酸化炭素変成器７から流出する改質ガス２６は、一酸化炭素酸化器８に導かれて、水ポンプ１０から供給される冷却水２２により一酸化炭素の酸化反応に適する温度にまで下げられる。一酸化炭素酸化器８には一酸化炭素を酸化するための空気２３が流入し、一酸化炭素の少ない改質ガス１４が造られる。一酸化炭素酸化器８を流出した改質ガス１４は、運転温度がおよそ７０℃の燃料電池３のアノード２に導かれて、電池の電気化学反応に供され、その結果、燃料電池３で発電され電気が発生する。アノード２から排出されたアノード排ガス１６は、燃料改質器６の燃焼部４に流入し、燃料ガスとして燃焼に供する。
【００１５】
以上のように、改質器６での蒸気１９の使用量に加えて一酸化炭素変成器７における蒸気１９の消費量を考慮して、改質器６に投入するＳ／Ｃを３．９とすることで、図２に示したシステム特性計算結果より、一酸化炭素酸化器８から流出する改質ガス１４のＨ２Ｏ濃度、すなわち燃料電池アノード入口ガスのＨ２Ｏ濃度が、図３に示した燃料電池３の運転温度である７０℃の飽和蒸気条件の３０Ｖｏｌ．％と一致するため、燃料電池３の膜の湿潤性が保たれ、アノード側の加湿器が不要とできる。また、改質器６でのＳ／Ｃが増えたことで、（式１）及び（式２）の反応が右方向に進み易くなるため改質器６および一酸化炭素変成器７において少なからず水素濃度が増えるので、燃料電池３での発電性能が向上するという効果がある。
【００１６】
この場合、改質器６でのＳ／Ｃを３．５より下げると、７０℃で運転する燃料電池３のアノード入口での蒸気濃度は、飽和蒸気濃度の約９０％に下がるため、Ｓ／Ｃを上昇させた効果が損なわれる。一方、Ｓ／Ｃを４．０より上げると、燃料電池３において蒸気が過飽和状態となり、ガス流路内で蒸気凝縮が起こり、水滴が詰まってしまうフラッディング現象を生じ易くなる。よって、７０℃で運転する燃料電池３の場合には、改質器６でのＳ／Ｃは、３．５から４．０の範囲に設定することが望ましい。
【００１７】
なお、図１において、改質器６の方式は水蒸気改質方式のほか、部分酸化方式を併用したオートサーマル方式であっても同様に実施できるものである。
【００１８】
加湿器によって燃料電池に入るガスを加湿するようにした従来技術では、燃料電池本体の直前ないしは本体内部でガスを充分加湿するためには多量の蒸発潜熱が必要であると共に、その潜熱授受により燃料電池本体の温度分布を引き起こし、燃料電池の発電性能および寿命を低下させてしまう場合があった。
【００１９】
これに対して、本実施例では上述したように、改質器６のスチームカーボン比（Ｓ／Ｃ）を、燃料電池３の運転温度に応じた飽和蒸気になる数値に設定することで、燃料電池３の膜の湿潤性を確保できるため、燃料電池３の安定性能を維持できる。さらに、燃料電池３のアノード側加湿器を不要とすることができるため、燃料電池本体の加湿機構を軽減でき、システム構成のシンプル化，設置スペースの縮小化を図ることが可能となる。また、燃料電池３にとっては、改質器６と一酸化炭素変成器７にて水素が少なからず増えるので、発電性能が向上するという効果がある。
【００２０】
【発明の効果】
本発明によれば、燃料電池の安定性能を維持することができる固体高分子形燃料電池システムを提供できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例である固体高分子形燃料電池システム。
【図２】本発明のシステム特性計算結果。
【図３】大気圧での温度と飽和蒸気濃度の関係。
【符号の説明】
１…カソード、２…アノード、３…燃料電池、４…燃焼部、５…改質反応部、６…改質器、７…一酸化炭素変成器、８…一酸化炭素酸化器、９…蒸気発生器、１０…水ポンプ、１１…カソードガス排気ファン、１２…燃焼ガス排気ファン、１３，１５，２３…空気、１４，２５，２６…改質ガス、１６…アノード排ガス、１７…燃焼ガス、１８…水、１９…蒸気、２０…都市ガス、２１，２２…冷却水。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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