(57)【要約】【課題】燃料電池システムの構造を簡単にすることができ、そのエネルギー効率を向上できると共に、燃料電池を安定に駆動できる燃料電池システムを提供すること。【解決手段】水素とＣＯとを含有する水素含有改質ガスＧHを生成する改質器２と、水素含有改質ガスＧHを利用して発電を行う燃料電池３とを備えた燃料電池システム１である。燃料電池３は、水素含有改質ガスＧHが供給されるアノード流路３１と、酸素含有ガスＧOが供給されるカソード流路３２と、これらの間に配設された電解質体３３とを有している。電解質体３３は、水素含有改質ガスＧH中の水素を透過させるための水素分離金属層と、これを透過した水素をプロトンの状態にしてカソード流路３２に到達させるための、セラミックスよりなるプロトン伝導体層とを積層してなる。また、燃料電池システム１は、水素含有改質ガスＧH中のＣＯを除去するためのＣＯ除去装置５を有している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
改質原料から水素とＣＯとを含有する水素含有改質ガスを生成する改質器と、上記水素含有改質ガスを利用して発電を行う燃料電池とを備えた燃料電池システムにおいて、
上記燃料電池は、上記水素含有改質ガスが供給されるアノード流路と、酸素含有ガスが供給されるカソード流路と、該カソード流路と上記アノード流路との間に配設された電解質体とを有しており、
上記電解質体は、上記アノード流路に供給された上記水素含有改質ガス中の水素を透過させるための水素分離金属層と、該水素分離金属層を透過させた上記水素を水素プロトンの状態にして上記カソード流路に到達させるための、セラミックスよりなるプロトン伝導体層とを積層してなり、
上記燃料電池システムは、上記水素含有改質ガス中のＣＯを除去するためのＣＯ除去装置を有してい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において、上記ＣＯ除去装置は、上記アノード流路における水素含有改質ガスが供給される入口部に配設されていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１において、上記ＣＯ除去装置は、上記燃料電池の外部に配設されてい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において、上記改質器から生成された上記水素含有改質ガスは、上記水素分離金属層がＣＯにより被毒を受ける被毒限界温度以下に低下したときに、上記ＣＯ除去装置を介して上記燃料電池のアノード流路に供給され、上記水素分離金属層の温度が上記被毒限界温度を超えるときは、上記ＣＯ除去装置を介さずに上記燃料電池のアノード流路に供給されるよう構成されていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項において、上記ＣＯ除去装置は、ＣＯ選択酸化触媒を有していることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
請求項５において、上記ＣＯ除去装置には、上記水素分離金属層がＣＯにより被毒を受ける被毒限界温度以下に低下したときに、酸化用ガスが供給されるように構成されてい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１項において、上記ＣＯ除去装置は、メタネーション触媒を有していることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項において、上記ＣＯ除去装置は、ＣＯ吸着層を有していることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項において、上記ＣＯ除去装置は、ＣＯ2吸着層を有していることを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、改質器において改質原料から水素含有改質ガスを生成し、燃料電池において水素含有改質ガス中の水素を利用して発電を行う燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
炭化水素燃料等の改質原料を利用して発電を行う燃料電池システムは、改質原料等から水素を含有する改質ガスを生成する改質器と、上記改質ガスから高純度の水素を取り出すための水素分離金属装置と、水素を水素プロトンの状態にし酸素と反応させて発電を行う燃料電池とを備えている。上記改質器は、例えば、改質原料と水とによる水蒸気改質反応及び改質原料と酸素とによる部分酸化反応等を行って、上記改質ガスを生成している。また、上記水素分離金属装置は、パラジウム又はバナジウム等からなる水素分離金属を備えており、この水素分離金属は水素のみを透過させる性質を持っている。また、上記燃料電池は、上記水素分離金属を透過した水素が供給されるアノード流路と、空気等が供給されるカソード流路と、これらの流路の間に配設されたプロトン伝導体（電解質）とを有している。
【０００３】
そして、上記燃料電池システムにおいては、アノード流路に供給した水素を上記プロトン伝導体を透過させて水素プロトンの状態にし、カソード流路において、この水素プロトンと空気中の酸素とを反応させて水を生成しながら発電を行っている。このような燃料電池システムとしては、例えば、特許文献１及び２に示すものがある。
【０００４】
また、上記燃料電池の種類には、例えば、上記プロトン伝導体として固体高分子膜を用いた固体高分子膜型燃料電池や、上記プロトン伝導体として炭化ケイ素にリン酸を含浸させたものを用いたリン酸型燃料電池等がある。そして、上記改質器においては、炭素の析出を抑制するために例えば４００℃以上の高温で反応が行われる一方、上記各燃料電池の作動温度は、上記プロトン伝導体に水分を含浸させて使用する性質上、固体高分子膜型燃料電池では２０〜１２０℃ぐらいであり、リン酸型燃料電池では１２０〜２１０℃ぐらいである。
したがって、上記従来の燃料電池システムにおいては、上記改質器により生成した改質ガスの温度及び上記水素分離金属装置を透過した水素の温度が、燃料電池に供給する水素の温度よりも大幅に高く、水素の温度を燃料電池に供給するまでに大幅に低下させる必要がある。
【０００５】
そこで、特許文献１においては、熱交換器を設けることにより、上記改質器において生成した改質ガスとカソードオフガスとの熱交換を行い、改質ガスからカソードオフガスに熱量を与えて改質ガスの温度を低下させることが行われている。また、別の熱交換器により、上記水素分離金属装置を透過した水素の温度をさらに低下させてから、これを燃料電池に供給している。
また、特許文献２においては、凝縮器を設けて、水素分離金属装置を透過した水素をこの凝縮器に通過させることにより、水素の温度を低下させてから、これを燃料電池に供給している。
【０００６】
しかしながら、上記従来の燃料電池システムにおいては、温度を低下させるために上記熱交換器や上記凝縮器等を用いることにより、燃料電池システムにおけるシステム内のエネルギーロスが大きくなってしまう。また、燃料電池システムの構造が複雑になってしまうという問題があった。
【０００７】
また、上記固体高分子膜型燃料電池及び上記リン酸型燃料電池においては、上記のごとくプロトン伝導体に水分を含浸させて使用する。そして、このプロトン伝導体に含浸させる水としては、例えば上記カソード流路において上記水素プロトンと上記空気中の酸素とが反応して生成する水が用いられる。
しかしながら、このようにして生成された水の一部は、上記プロトン導電体に設けられたアノード電極及びカソード電極間における水の濃度勾配に起因するバックディフュージョンにより、プロトン伝導体を移動し上記アノード流路まで流れ込んでしまう。その結果、上記従来の燃料電池システムにおいては、反応に必要な水が不足しやすく、燃料電池を安定に駆動させることが困難であるという問題があった。
【０００８】
【特許文献１】特開２００３−１５１５９９号公報
【特許文献２】特開２００１−２２３０１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、燃料電池システムの構造を簡単にすることができ、そのエネルギー効率を向上できると共に、燃料電池を安定に駆動できる燃料電池システムを提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、改質原料から水素とＣＯとを含有する水素含有改質ガスを生成する改質器と、上記水素含有改質ガスを利用して発電を行う燃料電池とを備えた燃料電池システムにおいて、
上記燃料電池は、上記水素含有改質ガスが供給されるアノード流路と、酸素含有ガスが供給されるカソード流路と、該カソード流路と上記アノード流路との間に配設された電解質体とを有しており、
上記電解質体は、上記アノード流路に供給された上記水素含有改質ガス中の水素を透過させるための水素分離金属層と、該水素分離金属層を透過させた上記水素を水素プロトンの状態にして上記カソード流路に到達させるための、セラミックスよりなるプロトン伝導体層とを積層してなり、
上記燃料電池システムは、上記水素含有改質ガス中のＣＯを除去するためのＣＯ除去装置を有していることを特徴とする燃料電池システムにある（請求項１）。
【００１１】
本発明において、上記電解質体は、例えばペロブスカイト系などのセラミックスよりなる上記プロトン伝導体層を有しており、このようなプロトン伝導体層は、プロトンの伝導に水分を必要としない。そのため、上記燃料電池においては、従来の燃料電池のように水分を含水する必要がなく、安定に作動させることができる。また、水分を必要としないため、上記燃料電池は、例えば３００〜６００℃という高温状態で作動させることができる。
また、本発明において、上記電解質体は、上記水素分離金属層と上記プロトン伝導体層とを積層してなる。そのため、従来のように水素分離金属と燃料電池とを別々に設ける必要がなく、その構成を簡単にすることができる。
【００１２】
さらに、本発明の燃料電池システムにおいては、上記のごとく、上記燃料電池の作動温度を高温にすることができるため、上記改質器から供給される水素含有改質ガスの温度と、上記燃料電池の作動温度とをほとんど同じにすることができる。そのため、本発明においては、改質器と燃料電池との間に、これらの温度の違いから必要となる熱交換器や凝縮器等を設ける必要がない。そのため、これらを用いたことによるエネルギーロスをなくし、エネルギー効率を向上させることができる。したがって、上記燃料電池システムの構成を簡単にし、エネルギー効率を向上させることができる。
【００１３】
また、本発明の燃料電池システムにおいては、上記改質器にて、改質原料から水素とＣＯとを含有する水素含有改質ガスが生成され、該水素含有改質ガスは、上記燃料電池における上記アノード流路に供給される。そして、上記電解質中の上記水素分離金属層が水素含有改質ガスから水素を透過させ、該水素分離金属層を透過した水素はプロトンの状態になって上記プロトン伝導体層を透過し、上記カソード流路に到達する。該カソード流路においては、該カソード流路に供給した酸素含有ガス中の酸素と、水素プロトン（Ｈ+、水素イオンともいう。）とが反応し、水が生成される。上記燃料電池においては、例えば上記電解質体にアノード電極やカソード電極を形成しておくことにより、上記の水の生成とともに、アノード電極及びカソード電極間から電気エネルギーを取り出すことができる。
【００１４】
ところで、上記改質器からアノード流路に供給される水素含有改質ガスに含まれるＣＯは、上記水素分離金属層を被毒し、その水素分離能を劣化させるおそれがある。しかし、本発明の燃料電池システムは、上記ＣＯ除去装置を有しているため、上記改質器にて生成される水素含有改質ガス中に含まれるＣＯを除去することができる。したがって、上記水素分離金属層の被毒を防止することができ、上記燃料電池システムをさらに安定に駆動させることができる。
【００１５】
以上のごとく、本発明によれば、燃料電池システムの構造を簡単にすることができ、エネルギー効率を向上できると共に、燃料電池を安定に駆動できる燃料電池システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
次に、本発明の燃料電池システム（請求項１）における好ましい実施の形態について説明する。
本発明において、上記燃料電池は、上記アノード流路、上記カソード流路、及び上記電解質体とを積層してなる。また、上記燃料電池は、上記アノード流路、カソード流路、及び上記電解質体を積層してなる単位電池セルをさらに複数積層して構成することもできる。
【００１７】
また、上記電解質体は、上記水素分離金属層と上記プロトン伝導体層とを積層してなり、上記水素分離金属層としては、例えばパラジウム（Ｐｄ）とバナジウム（Ｖ）との積層膜等を用いることができる。また、パラジウム（Ｐｄ）からなる膜を単独で用いることもでき、また、パラジウム合金等を用いることもできる。
また、上記プロトン伝導体層としては、例えばペロブスカイト系の電解質膜等を用いることができる。ペロブスカイト系の電解質膜としては、例えば、ＢａＣｅＯ3系のもの、ＳｒＣｅＯ3系のもの等がある。
【００１８】
また、上記改質器においては、炭化水素等の改質原料から水素とＣＯとを含有する水素含有改質ガスが生成される。上記水素含有改質ガスは、上記改質器において、改質原料と水とによる水蒸気改質反応や、改質原料と酸素とによる部分酸化反応等を行うことによって生成することができる。このようにして得られる水素含有改質ガスには、水素やＣＯ以外にもＣＯ2等が含まれることがある。
また、カソード流路には酸素含有ガスが供給されるが、このような酸素含有ガスとしては、例えば酸素や空気などがある。
【００１９】
また、上記燃料電池には、冷媒流路を形成させることができる。そして、このような冷媒流路に水等の冷媒を供給することにより、上記燃料電池の温度が必要以上に上昇することを防止することができ、上記燃料電池をより安定に駆動させることができる。
上記冷媒流路は、例えば上記燃料電池における上記アノード流路、上記カソード流路、上記電解質体に積層して構成することができる。
【００２０】
次に、上記ＣＯ除去装置は、上記アノード流路における水素含有改質ガスが供給される入口部に配設されていることが好ましい（請求項２）。
この場合には、上記ＣＯ除去装置を上記燃料電池内に形成することができるため、上記燃料電池システムの構成を簡単にすることができる。
また、この場合には、上記ＣＯ除去装置における発熱を上記燃料電池の温度上昇に利用することができ、上記燃料電池の温度を、上記水素分離金属層がＣＯによって被毒を受ける温度である被毒限界温度よりも高くすることができる。
【００２１】
即ち、上記ＣＯ除去装置においては、後述の酸化反応、メタネーション反応、及び吸着反応などによりＣＯの除去が行われる。そして、これらの反応は発熱反応であるため、この場合には、発熱反応により生じた熱を利用して、上記燃料電池の温度を上昇させることができる。つまり、上記燃料電池内の上記アノード流路の入口部に上記ＣＯ除去装置を設けることにより、ＣＯの除去反応と共に、上記燃料電池の温度を上昇させることができる。その結果、上記燃料電池の温度を、上記水素分離金属層がＣＯによって被毒を受ける温度である被毒限界温度よりも高くすることができ、ＣＯによる被毒をより一層回避することができる。
【００２２】
また、上記ＣＯ除去装置は、上記燃料電池の外部に配設させることができる（請求項３）。
この場合には、上記ＣＯ除去装置の作動を個別に制御することができる。即ち、上記のごとく、ＣＯ除去装置を上記燃料電池の外部に配設することにより、上記ＣＯ除去装置の作動状態を外部から制御することが容易になり、上記ＣＯ除去装置を上記燃料電池の内部に形成した場合よりも上記ＣＯ除去装置の制御性を向上できる。そのため、例えば上記水素分離金属層の温度が上記被毒限界温度以下のとき等という、上記ＣＯ除去装置の作動が必要なときに、これを作動状態にすることが容易にできる。
【００２３】
また、上記改質器から生成された上記水素含有改質ガスは、上記水素分離金属層がＣＯにより被毒を受ける被毒限界温度以下に低下したときに、上記ＣＯ除去装置を介して上記燃料電池のアノード流路に供給され、上記水素分離金属層の温度が上記被毒限界温度を超えるときは、上記ＣＯ除去装置を介さずに上記燃料電池のアノード流路に供給されるよう構成されていることが好ましい（請求項４）。
この場合には、上記ＣＯ除去装置の作動を必要時に応じて選択的におこなうことができる。
【００２４】
即ち、上記水素分離金属層は、上記水素含有改質ガスに含まれるＣＯ等によって被毒を受けることにより、その水素を分離する性質が低下するおそれがあるが、このＣＯによる被毒は、温度に依存しておこり、被毒限界温度を越えたときには被毒はほとんどおこらず、被毒限界温度以下に低下したときにおこる。上記被毒限界温度は、上記水素分離金属層の種類や作動条件等により異なるが、例えば水素分離金属層としてパラジウムを用いた場合には、およそ３００℃である。
【００２５】
したがって、上記被毒限界温度以下の場合には、上記水素含有改質ガスを上記ＣＯ除去装置を介して上記燃料電池のアノード流路に供給し、一方、上記被毒限界温度を超える場合には、バイパス等により上記改質器から上記水素含有改質ガスを直接アノード流路に供給させることにより、上記水素分離金属層の被毒を効率的に防止することができる。これにより、上記ＣＯ除去装置の寿命を長くすることができ、上記燃料電池システムを長期間安定に作動させることができる。
【００２６】
また、上記のごとく、上記被毒限界温度により上記ＣＯ除去装置への上記水素含有改質ガスの供給を制御した場合には、上記ＣＯ除去装置の作動が不要な状況下におけるＣＯ除去装置の反応体積や熱容量を小さくすることができる。そのため、上記燃料電池システムの起動時間や過渡応答性を向上させることができる。
【００２７】
次に、上記ＣＯ除去装置は、ＣＯ選択酸化触媒を有していることが好ましい（請求項５）。
この場合には、上記水素含有改質ガス中に含まれるＣＯの選択酸化により、上記水素分離金属層の被毒に寄与するＣＯを除去することができる。また、ＣＯの酸化反応に伴う発熱により、上記水素含有改質ガスの温度が上昇し、上記燃料電池の温度を上昇させることができる。その結果、上記燃料電池の温度を上記被毒限界温度よりも高い温度に速やかに移行させることができ、ＣＯからの被毒をより一層受けにくくすることができる。
【００２８】
即ち、この場合には、ＣＯの選択酸化によってＣＯを除去し、さらに酸化反応による発熱によって上記燃料電池の温度を上記被毒限界温度よりも高い温度に移行させることにより、効率的に上記水素分離金属層の被毒を防止することができる。
上記ＣＯ選択酸化触媒としては、例えば白金触媒、ルテニウム触媒、白金とルテニウムとの合金触媒、白金一鉄、及びロジウム等から選ばれる１種以上を用いることができる。
【００２９】
また、上記ＣＯ除去装置には、上記水素分離金属層がＣＯにより被毒を受ける被毒限界温度以下に低下したときに、酸化用ガスが供給されるように構成されていることが好ましい（請求項６）。
白金系ルテニウム等の上記ＣＯ選択酸化触媒は、例えば３００℃以上という高温条件下においては、上記水素含有改質ガス中のＣＯよりもＨ2を酸化する活性の方が高く、ＣＯの酸化が充分に起こらないばかりか、燃料電池の駆動に必要なＨ2を消費させてしまうおそれがある。そこで、上記のごとく、上記被毒限界温度以下のときに上記ＣＯ除去装置に、酸素や空気等の酸化用ガスを供給することにより、効率的にＣＯの酸化を行い、上記水素分離金属層の被毒を回避することができる。また、上記ＣＯ除去装置を上記燃料電池の外部に配設する場合には、よりＣＯを酸化し易い温度条件である２００℃以下になったときに、上記酸化用ガスを上記ＣＯ除去装置に供給することが好ましい。
【００３０】
また、上記ＣＯ除去装置は、メタネーション触媒を有していることが好ましい（請求項７）。
この場合には、上記ＣＯ除去装置において、ＣＯと水素とからメタンと水を生成するメタネーション反応が起こり、これにより上記水素含有改質ガスに含まれるＣＯを除去することができる。その結果、上記水素分離金属層の被毒を防止することができる。また、メタネーション反応に伴う発熱により、上記水素含有改質ガスの温度が上昇し、上記燃料電池の温度を上昇させることができる。その結果、上記燃料電池の温度を上記被毒限界温度よりも高い温度に速やかに移行させることができ、ＣＯからの被毒をより一層受けにくくすることができる。
【００３１】
即ち、この場合には、ＣＯのメタネーション反応によってＣＯを除去し、さらにメタネーション反応による発熱によって上記燃料電池の温度を上記被毒限界温度よりも高い温度に移行させることにより、効率的に上記水素分離金属層の被毒を防止することができる。
上記メタネーション触媒としては、例えばルテニウム触媒や、Ｎｉ触媒等を用いることができる。
【００３２】
また、上記ＣＯ除去装置は、ＣＯ吸着層を有していることが好ましい（請求項８）。
この場合には、上記水素含有改質ガス中に含まれるＣＯを吸着により除去することができる。その結果、上記水素分離金属層の被毒を防止することができる。また、ＣＯ吸着層へのＣＯの吸着に伴う発熱により、上記水素含有改質ガスの温度が上昇し、上記燃料電池の温度を上昇させることができる。その結果、上記燃料電池の温度を上記被毒限界温度よりも高い温度に速やかに移行させることができ、ＣＯからの被毒をより一層受けにくくすることができる。
【００３３】
即ち、この場合には、ＣＯの吸着反応によってＣＯを除去し、さらに吸着反応による発熱によって上記燃料電池の温度を上記被毒限界温度よりも高い温度に移行させることにより、効率的に上記水素分離金属層の被毒を防止することができる。
上記ＣＯ吸着層としては、例えば活性炭や、ホブカライト等を用いることができる。
【００３４】
また、上記ＣＯ除去装置は、ＣＯ2吸着層を有していることが好ましい（請求項９）。
上記改質器にて生成される上記水素含有改質ガスには、水素やＣＯ等の他にＣＯ2が含まれる場合がある。そしてこのＣＯ2も、ＣＯと同様に、上記水素分離金属層を被毒させるおそれがある。そのため、上記ＣＯ除去装置に、ＣＯ2吸着層を配設することにより、上記水素分離金属層の被毒を一層防止することができる。
【００３５】
また、この場合には、ＣＯ2吸着層へのＣＯ2の吸着に伴う発熱により、上記水素含有改質ガスの温度が上昇し、上記燃料電池の温度を上昇させることができる。その結果、上記燃料電池の温度を上記被毒限界温度よりも高い温度に速やかに移行させることができ、ＣＯからの被毒をより一層受けにくくすることができる。
【００３６】
また、上記ＣＯ除去装置においては、上記ＣＯ2吸着層と上記ＣＯ選択酸化触媒とを併用することが好ましい。
この場合には、上記ＣＯ2吸着層は、上記改質器にて生成された水素含有改質ガス中に含まれるＣＯ2だけでなく、上記ＣＯ選択酸化触媒によるＣＯの酸化によって生成するＣＯ2をも吸着除去することができる。即ち、この場合には、上記水素分離金属の被毒に寄与するＣＯ及びＣＯ2を効率的に除去することができる。
上記ＣＯ2吸着層としては、例えばリチウムジルコネート（Ｌｉ2ＺｒＯ3）や、リチウムシリケート（Ｌｉ4ＳｉＯ4）等を用いることができる。
【実施例】
【００３７】
（実施例１）
次に、本発明の実施例にかかる燃料電池システムにつき、図１及び図２を用いて説明する。
図１に示すごとく、本例の燃料電池システム１は、改質原料から水素とＣＯとを含有する水素含有改質ガスＧHを生成する改質器２と、上記水素含有改質ガスＧHを利用して発電を行う燃料電池３とを備えている。上記燃料電池２は、上記水素含有改質ガスＧHが供給されるアノード流路３１と、酸素含有ガスＧOが供給されるカソード流路３２と、これらの間に配設された電解質体３３とを有している。
【００３８】
また、図２に示すごとく、上記電解質体３３は、上記アノード流路３１に供給された上記水素含有改質ガスＧH中の水素を透過させるための水素分離金属層３３１と、これを透過した水素を水素プロトンの状態にして上記カソード流路３２に到達させるための、セラミックスよりなるプロトン伝導体層３３２とを積層してなる。
また、図１に示すごとく、上記燃料電池システム１は、上記水素含有改質ガスＧH中のＣＯを除去するためのＣＯ除去装置５を有している。また、上記燃料電池３には、これを冷却するための冷媒Ｃを供給するための冷媒流路３９が形成されている。
【００３９】
以下、本例の燃料電池システム１につき、詳細に説明する。
図１及び図２に示すごとく、本例の燃料電池３においては、上記電解質体３３を挟むようにアノード流路３１及びカソード流路３２が形成されている。アノード流路３１には、改質器２にて改質原料を改質して得られる水素含有改質ガスＧHが供給される。この水素含有改質ガスＧHは、水素とＣＯを含有している。また、改質器２と燃料電池３の間には、バルブ２１が設けられており、このバルブ２１を開くことにより改質器２から燃料電池３のアノード流路３１内に水素含有改質ガスＧHが供給される。また、カソード流路３２には、酸素含有ガスＧOとしての空気が供給される。
【００４０】
また、図２に示すごとく、本例において、電解質体３３は、水素分離金属層３３１とプロトン伝導体層と３３２とを積層してなる。本例の水素分離金属層３３１は、パラジウム（Ｐｄ）とバナジウム（Ｖ）との積層膜からなる。なお、水素分離金属層３３１は、パラジウムだけでもよく、これを含有する合金とすることもできる。また、水素分離金属層３３１は、３気圧のアノードガス供給条件下において、電流密度に換算して１０Ａ／ｃｍ2を超える水素透過性能を有している。こうして、水素分離金属層３３１の導電抵抗は無視できる程度に小さくしている。
【００４１】
また、本例のプロトン伝導体層３３２は、ペロブスカイト系の電解質膜からなる。そして、プロトン伝導体層３３２の導電抵抗は、固体高分子型電解質膜の導電抵抗と同じくらいになるまで小さくしている。また、ペロブスカイト系の電解質膜としては、例えば、ＢａＣｅＯ3系のもの、ＳｒＣｅＯ3系のものがある。
【００４２】
また、図２に示すごとく、本例の電解質体３は、プロトン電解質体層３３２におけるアノード流路３１側の表面に形成したアノード電極３７（陽極）と、プロトン伝導体層３３２におけるカソード流路３２側の表面に形成したカソード電極３８（陰極）とを有している。本例において、アノード電極３７は、水素分離金属層３３１を構成するパラジウムにより構成している。また、カソード電極３８は、Ｐｔ系の電極触媒により構成している。なお、アノード電極３７は、Ｐｔ系の電極触媒により構成することもできる。本例の燃料電池３においては、これらのアノード電極３７及びカソード電極３８から外部に電気エネルギーを取り出すことができる。
【００４３】
また、図１に示すごとく、本例においては、燃料電池３に冷媒Ｃを供給するための冷媒流路３９を形成してある。本例においては、冷媒Ｃとして水を用いている。
また、本例においては、アノード流路３１の入口部３１５にＣＯ除去装置５が配設されている。本例においては、ＣＯ除去装置５として白金触媒よりなるＣＯ選択酸化触媒を用いた。また、ＣＯ選択酸化触媒の代わりにメタネーション触媒やＣＯ吸着層を用いることもできる。また、ＣＯ除去装置５としては、ＣＯ選択酸化触媒に加えて、メタネーション触媒や、ＣＯ吸着層や、ＣＯ2吸着層を用いることもできる。
【００４４】
次に、本例の燃料電池システム１の作用効果につき、図１及び図２を用いて説明する。
本例の燃料電池システム１は、上記改質器２と上記燃料電池３とを有している。改質器２においては、改質原料から水素とＣＯとを含有する水素含有改質ガスＧHが生成され、この水素含有改質ガスＧHは、燃料電池３のアノード流路３１に供給される。
そして、アノード流路３１に供給された水素含有改質ガスＧHは、入口部３１５に配設されたＣＯ除去装置５によりＣＯが除去される。具体的には、ＣＯ除去装置５が有するＣＯ選択酸化触媒により、水素含有改質ガスＧH中に含まれるＣＯが酸化されて除去される。
【００４５】
このように、水素含有改質ガスＧHは、アノード流路３１の入口部３１５でＣＯが除去されてアノード流路３１内に供給される。そのため、アノード流路３１を流れる水素含有改質ガスＧH中にはＣＯがほとんど含有されていない。それ故、本例の燃料電池システム１においては、電解質体３３中の水素分離金属層３３１がＣＯによって被毒を受けることを防止でき、燃料電池３を安定に作動させることができる。
【００４６】
また、ＣＯ除去装置５において、水素含有改質ガスＧH中のＣＯが酸化される反応は、発熱反応であり、この発熱によって水素含有改質ガスＧHの温度を上昇させることができる。この水素含有改質ガスＧHは、さらに水素分離金属層３３１の温度を上昇させることができ、これにより、水素分離金属層３３１の温度をこれがＣＯによって被毒を受ける温度である被毒限界温度よりも高くすることができ、ＣＯによる被毒を一層回避することができる。
【００４７】
即ち、本例において、アノード流路３１の入口部に設けたＣＯ除去装置５は、そのＣＯ選択酸化触媒により、ＣＯを酸化して除去すると共に、このときに発生した熱により、水素分離金属層３３１の温度を被毒限界温度以上に移行させることができる。これにより、水素分離金属層３３１をＣＯによる被毒から効率的に防ぐことができる。
【００４８】
また、アノード流路３１に供給された水素含有改質ガスＧH中の水素は、電解質体３３中の水素分離金属層３３１を透過する。水素分離金属層３３１を透過した水素は、さらにプロトンの状態になってプロトン伝導体層３３２を透過し、カソード流路３２に到達する。
ここで、カソード流路３２には酸素含有ガスＧOとして空気が供給されており、この空気中に含まれる酸素と、カソード流路３２に到達したプロトンとが反応し、水が生成する。本例の燃料電池システム１においては、この水の生成反応に伴って、プロトン伝導体層３３２の表面に形成したアノード電極３７とカソード電極３８とから電気エネルギーを取り出すことができる。
【００４９】
本例においては、上記プロトン伝導体層３３２として、セラミックスを用いている。そのため、プロトン伝導体層３３２は、プロトンの伝導に水分を必要としない。そのため、本例の燃料電池３においては、従来の固体高分子膜型燃料電池及びリン酸型燃料電池等のように水分を確保する必要がなく、安定に作動させることができる。また、水分を必要としないため、本例の燃料電池３は、例えば３００〜６００℃という高温状態で作動させることができる。
また、電解質体３３は、水素分離金属層３３１とプロトン伝導体層３３２とを積層してなるため、従来のように水素分離金属と燃料電池とを別々に設ける必要がなく、その構成を簡単にすることができる。
【００５０】
さらに、本例の燃料電池システム１においては、上記のごとく、燃料電池３の作動温度を高温にすることができるため、改質器２から供給される水素含有改質ガスＧHの温度と、燃料電池３の作動温度とをほとんど同じにすることができる。
そのため、改質器２と燃料電池３との間に、これらの温度の違いから必要となる熱交換器や凝縮器等を設ける必要がない。そのため、これらを用いたことによるエネルギーロスをなくし、エネルギー効率を向上させることができる。したがって、燃料電池システム１の構成を簡単にし、エネルギー効率を向上させることができる。
また、本例の燃料電池システム１においては、燃料電池３に冷媒流路３９が形成されている。そのため、燃料電池３の温度上昇を抑制し、燃料電池を安定に作動させることができる。
【００５１】
以上のごとく、本例によれば、燃料電池システムの構造を簡単にすることができ、そのエネルギー効率を向上できると共に、燃料電池を安定に駆動できる燃料電池システムを提供を提供することができる。
【００５２】
（実施例２）
本例は、水素分離金属層の温度変化に応じて、上記ＣＯ除去装置に酸化用ガスを供給するように構成した燃料電池システムの例である。
図３に示すごとく、本例においては、燃料電池３の外部に、燃料電池３のアノード流路に酸化用ガスＯXとしての空気を供給する酸化用ガス供給装置６を設け、また、燃料電池３の温度を検出するための温度センサ６５を燃料電池３に形成してある。また、酸化用ガス供給装置６と改質器２とアノード流路３１の入口部３１５に配置されたＣＯ除去装置５との間には、三方弁２３が設けられている。そして、改質器２からの水素含有改質ガスＧHは三方弁２３を介してアノード流路３１に供給される。また、酸化用ガス供給装置６からの酸化用ガスＯXは、三方弁２３にて改質器２からの水素含有改質ガスＧHと合流してアノード流路３１に供給される。
その他の構成は実施例１と同様であり、アノード流路３１の入口部３１５には、実施例１と同様のＣＯ選択酸化触媒よりなるＣＯ除去装置５が配設されている。
【００５３】
図３に示すごとく、本例の燃料電池システム１においては、改質器２にて生成される水素含有改質ガスＧHが三方弁２３を介して燃料電池３のアノード流路３１に供給される。この水素含有改質ガスＧHは、アノード流路３１の入口部３１５に形成されたＣＯ除去装置５を通ってアノード流路３１内に供給される。実施例１と同様に、アノード流路３１内に水素含有改質ガスＧHが供給されると、該水素含有改質ガスＧH中に含まれる水素が電解質３３を通ってプロトンの状態でカソード流路３２に到達し、該カソード流路３２において、酸素含有ガスＧOと反応し水を生成する。このとき、燃料電池３においては、電気エネルギーを取り出すことができる。
【００５４】
また、燃料電池３に形成した温度センサ６５は、燃料電池３の温度を検知し検出信号ＳTを酸化用ガス供給装置６に送っている。そして、燃料電池３の温度が上記水素分離金属層の被毒限界温度以下になったときに、酸化用ガス供給装置６は、三方弁２３を介して、アノード流路３１の入口部３１５に配設したＣＯ除去装置への酸化用ガスＯXの供給を開始する。
【００５５】
本例の燃料電池システム１においては、上記のごとく、燃料電池３に配設した温度センサ６５が燃料電池３の温度を検知して酸化用ガス供給装置６に検出信号ＳTを送り、酸化用ガス供給装置６は、その温度に応じて、ＣＯ除去装置５に酸化用ガスＯXを供給している。
即ち、燃料電池３に配設した温度センサ６５からの検出信号ＳTが上記水素分離金属層の被毒限界温度を越えている場合には、酸化用ガス供給装置６は、酸化用ガスＯXを供給しない。そして、このとき、改質器２からは、水素やＣＯを含んだ水素含有改質ガスＧHが、アノード流路３１に供給される。アノード流路３１に供給された水素含有改質ガスＧHは、入口部３１５に設けられたＣＯ除去装置５を介してアノード流路３１の内部に流れ込む。このとき、ＣＯ除去装置５においては、酸化用の酸素が不足しているため、水素含有改質ガスＧH中に含まれるＣＯは、ほとんど酸化されずにそのままアノード流路３１の内部に送られるが、上記のごとく、被毒限界温度を超えているため、上記水素分離金属層が被毒を受けることはほとんどない。
【００５６】
一方、温度センサ６５からの検出信号ＳTが上記水素分離金属層の被毒限界温度以下の場合には、水素分離金属層が水素含有改質ガスＧH中ＣＯにより被毒を受けるおそれがあり、本例においては、このとき、酸化用ガス供給装置６から酸化用ガスＯXとしての空気が供給される。酸化用ガスＯXは、三方弁２３にて改質器２から生成される水素含有改質ガスＧHと合流してアノード流路３１内のＣＯ除去装置５に送られる。そしてＣＯ除去装置５において、水素含有改質ガスＧH中のＣＯは、ＣＯ選択酸化触媒により酸化されて除去される。この酸化反応に用いられる酸素は、酸化用ガスＯXが利用される。
このようにして、水素含有改質ガスＧH中のＣＯは、酸化により除去されるため、水素分離金属層の被毒を防止することができる。
【００５７】
また、酸化反応時には、熱が発生し、この熱により燃料電池３の温度を、水素分離金属層の被毒限界温度以上に移行させることができる。被毒限界温度を超えたときには、水素分離金属層は、ＣＯによる被毒をほとんど受けない。そして、燃料電池３の温度が水素分離金属層の被毒限界温度を超えると、温度センサ６５からの検出信号ＳTを検知した酸化用ガス供給装置６は、酸化用ガスの供給を停止する。なお、本例においては、上記のごとく、燃料電池３に温度センサ６５を形成してあるが、この温度センサ６５は、電解質３３中の水素分離金属層３３１に直接形成することもできる。
その他の効果は、実施例１と同様である。
【００５８】
（実施例３）
本例は、ＣＯ除去装置を燃料電池の外部に設けた燃料電池システムの例である。
図４に示すごとく、本例においては、実施例１と同様のＣＯ除去装置５を燃料電池３の外部に設けてある。そして、改質器２にて生成される水素含有改質ガスＧHは、ＣＯ除去装置５を介して燃料電池３のアノード流路３１に供給される。その他の構成は、実施例１と同様である。
【００５９】
図４に示すごとく、本例においては、上記のごとく、ＣＯ除去装置を燃料電池３の外部に配置してある。
そのため、ＣＯ除去装置５の作動を必要時に応じて選択的におこなうことができる。これにより、ＣＯ除去装置５の寿命を長くさせ、上記燃料電池を長期間安定に駆動させることができる。その他の効果は実施例１と同様である。
【００６０】
（実施例４）
本例は、ＣＯ除去装置を外部に設ける共に、水素分離金属層の温度変化に応じて、上記ＣＯ除去装置に酸化用ガスを供給するように構成した燃料電池システムの例である。
即ち、本例は、実施例３の燃料電池システムに実施例２の酸化用ガス供給装置及び温度センサを設けた例である。
【００６１】
図５に示すごとく、本例の燃料電池システム１においては、実施例３と同様に、燃料電池３の外部にＣＯ除去装置５を設けてある。このＣＯ除去装置５は、実施例１と同様のものであって、ＣＯ選択酸化触媒よりなる。
また、本例の燃料電池システム１においては、実施例２と同様に、燃料電池３の外部に、燃料電池３のアノード流路に酸化用ガスＯXとしての空気を供給する酸化用ガス供給装置６を設け、また、燃料電池３の温度を検出するための温度センサ６５を燃料電池３に形成してある。
【００６２】
また、図５に示すごとく、酸化用ガス供給装置６と改質器２とＣＯ除去装置５との間には、三方弁２３が設けられている。そして、改質器２からの水素含有改質ガスＧHは三方弁２３を介してＣＯ除去装置５に送られ、さらに該ＣＯ除去装置５からアノード流路３１に供給される。また、酸化用ガス供給装置６からの酸化用ガスＯXは、三方弁２３にて改質器２からの水素含有改質ガスＧHと合流してＣＯ除去装置５に送られる。その他の構成は実施例１と同様である。
【００６３】
本例の燃料電池システム１においは、実施例３と同様に、燃料電池システム１の外部にＣＯ除去装置５が形成されている。そのため、ＣＯ除去装置５の作動を個別に制御でき、ＣＯ除去装置５を必要時に応じて選択的に作動させることができる。これにより、ＣＯ除去装置５の寿命を長くさせ、上記燃料電池を長期間安定に駆動させることができる。
【００６４】
また、本例の燃料電池システム１においては、実施例２と同様に、燃料電池３に形成した温度センサ６５からの検出信号ＳTに基づいて、酸化用ガス供給装置６から酸化用ガスＯXをＣＯ除去装置５に供給することができる。即ち、温度センサ６５が検知する燃料電池３の温度が、上記水素分離金属層の被毒限界温度以下の場合に、酸化用ガスＯXを供給し、被毒限界温度を超える場合には、酸化用ガスＯXの供給を停止することにより、ＣＯ除去装置５において水素含有改質ガスＧH中のＣＯを効率的に除去することができる。その他の効果は、実施例１と同様である。
【００６５】
（実施例５）
本例は、ＣＯ除去装置を燃料電池の外部に設ける共に、水素分離金属層の温度に応じて、水素含有改質ガスのアノード流路への供給経路を変えるよう構成した燃料電池システムの例である。
図６に示すごとく、本例の燃料電池システム１においては、実施例３及び４と同様に、燃料電池３の外部にＣＯ除去装置５を設けてある。このＣＯ除去装置５は、実施例１と同様のものであって、ＣＯ選択酸化触媒よりなる。
【００６６】
また、同図に示すごとく、改質器２と燃料電池３との間には、改質器２から生成される水素含有改質ガスＧHをアノード流路３１に供給するための流路８が形成されており、この流路８における改質器２と燃料電池３との間に、ＣＯ除去装置５は配置されている。また、流路８には、ＣＯ除去装置５を挟むように、三方弁２５及び三方弁２６が形成されている。そして、三方弁２５及び三方弁２６の間には、これらを結ぶバイパス流路８５が形成されている。
【００６７】
したがって、本例の燃料電池システム１においては、改質器２にて生成される水素含有改質ガスＧHは、三方弁の２５、２６の開閉状態に応じて、ＣＯ除去装置５を介してアノード流路３１に供給されたり、あるいはＣＯ除去装置５を介さずにバイパス流路８５を通ってアノード流路３１に供給される。
また、燃料電池３には、その温度を検出するための温度センサ６５が形成されており、また、燃料電池３の外部には、温度センサ６５からの検出信号Ｓｔに基づいて、三方弁２５の開閉状態を変えるバイパス制御装置７が配置されている。その他の構成は実施例１と同様である。
【００６８】
図６に示すごとく、本例の燃料電池システム１においては、燃料電池３に設けられた温度センサ６５が燃料電池３の温度を検知し検出信号ＳTをバイパス制御装置７に送信している。燃料電池３の温度が上記水素分離金属層の被毒限界温度以下になると、検出信号ＳTを検知したバイパス制御装置７は、改質器２からの水素含有改質ガスＧHがバイパス流路８５を通らず、ＣＯ除去装置５を介してアノード流路に供給されるように、三方弁２５の開閉状態を操作する。したがって、この場合には、水素含有改質ガスＧHは、ＣＯ除去装置５によってＣＯが除去されて、アノード流路３１内に供給される。
【００６９】
一方、燃料電池３の温度が上記水素分離金属層の被毒限界温度を越えると、検出信号ＳTを検知したバイパス制御装置７は、改質器２からの水素含有改質ガスＧHがＣＯ除去装置５に供給されず、バイパス流路８５を通ってアノード流路３１に供給されるように、三方弁２５の開閉状態を操作する。したがって、この場合には、水素含有改質ガスＧHは、水素だけでなくＣＯを含んだ状態でアノード流路３１に供給される。
【００７０】
電解質体３３の上記水素分離金属層は、被毒限界温度を越えるときには、ＣＯにより被毒を受けず、被毒限界温度以下になったときにＣＯによる被毒を受ける。
本例の燃料電池システム１においては、上記のごとく、被毒限界温度以下になったときには、ＣＯ除去装置５を介して水素含有改質ガスＧHが燃料電池３に供給され、被毒限界温度を越えたときには、ＣＯ除去装置５を介さずに水素含有改質ガスＧHが燃料電池３に供給される。そのため、ＣＯ除去装置５において、水素含有改質ガスＧH中のＣＯを効率的に除去することができる。その結果、ＣＯ除去装置５におけるＣＯ選択酸化触媒の寿命を向上させることができる。それ故、長期間安定に燃料電池３を駆動させることができる。
その他の効果は実施例１と同様である。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】実施例１にかかる、燃料電池システムの全体の概略を示す説明図。
【図２】実施例１にかかる、燃料電池の構成を示す部分断面図。
【図３】実施例２にかかる、燃料電池システムの全体の概略を示す説明図。
【図４】実施例３にかかる、燃料電池システムの全体の概略を示す説明図。
【図５】実施例４にかかる、燃料電池システムの全体の概略を示す説明図。
【図６】実施例５にかかる、燃料電池システムの全体の概略を示す説明図。
【符号の説明】
【００７２】
１  燃料電池システム
２  改質器
３  燃料電池
３１  アノード流路
３２  カソード流路
３３  電解質体
５  ＣＯ除去装置
【図１】
2005166305.tif 000003
【図２】
2005166305.tif 000004
【図３】
2005166305.tif 000005
【図４】
2005166305.tif 000006
【図５】
2005166305.tif 000007
【図６】
2005166305.tif 000008