JPH0773894A - 燃料電池発電装置 - Google Patents
燃料電池発電装置Info
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- JPH0773894A JPH0773894A JP5237126A JP23712693A JPH0773894A JP H0773894 A JPH0773894 A JP H0773894A JP 5237126 A JP5237126 A JP 5237126A JP 23712693 A JP23712693 A JP 23712693A JP H0773894 A JPH0773894 A JP H0773894A
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- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
- H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
- H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
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- H01M2300/00—Electrolytes
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- H01M2300/0082—Organic polymers
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
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- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
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- H01M8/0612—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
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- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
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Abstract
(57)【要約】 （修正有）
【目的】燃料電池や改質器への水供給にポンプを用い
ず、装置全体を単純化、軽量化し、簡単な構成で燃料電
池の固体高分子電解質膜を加湿することができ、同時に
燃料電池の燃料極に供給される改質燃料ガスを好適な温
度に下げることができる。 【構成】電解質の両側に燃料極と酸化極とが配されてな
る燃料電池を有する燃料電池発電装置１０において、前
記燃料電池１０の酸化極からの排出ガスに含まれる水蒸
気を凝縮する凝縮器２４と、前記凝縮器２４より回収さ
れる凝縮水を室内圧の上昇に応じて強制的に排出する制
御手段２５とを設けた、燃料電池発電装置１０。
ず、装置全体を単純化、軽量化し、簡単な構成で燃料電
池の固体高分子電解質膜を加湿することができ、同時に
燃料電池の燃料極に供給される改質燃料ガスを好適な温
度に下げることができる。 【構成】電解質の両側に燃料極と酸化極とが配されてな
る燃料電池を有する燃料電池発電装置１０において、前
記燃料電池１０の酸化極からの排出ガスに含まれる水蒸
気を凝縮する凝縮器２４と、前記凝縮器２４より回収さ
れる凝縮水を室内圧の上昇に応じて強制的に排出する制
御手段２５とを設けた、燃料電池発電装置１０。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は燃料電池、特に固体高分
子型燃料電池、すなわちパーフルオロカーボンスルホン
酸（米国デュポン社製、商品名ナフィオン）等の固体高
分子膜を電解質とする固体高分子型燃料電池を用いる発
電装置に関する。
子型燃料電池、すなわちパーフルオロカーボンスルホン
酸（米国デュポン社製、商品名ナフィオン）等の固体高
分子膜を電解質とする固体高分子型燃料電池を用いる発
電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】ナフィオン等の固体高分子膜を電解質と
して用いる固体高分子型燃料電池は、小型軽量性に優
れ、また出力密度が高い等の観点より、特に車載に適し
た燃料電池として近年注目されている。
して用いる固体高分子型燃料電池は、小型軽量性に優
れ、また出力密度が高い等の観点より、特に車載に適し
た燃料電池として近年注目されている。
【０００３】燃料電池の酸化極からは、生成水蒸気と未
反応の空気とを含むガスが排出される。この排ガスを凝
縮器に供給して凝縮水を回収し、更にガスと水とに分離
するための気水分離器が設けられる。気水分離器で分離
されたガスと水はポンプを介して改質器や燃料電池に供
給される。
反応の空気とを含むガスが排出される。この排ガスを凝
縮器に供給して凝縮水を回収し、更にガスと水とに分離
するための気水分離器が設けられる。気水分離器で分離
されたガスと水はポンプを介して改質器や燃料電池に供
給される。
【０００４】また、電解質として用いるに適したイオン
導電性を発揮させるためには、上記固体高分子膜を乾燥
させないことが必要である。固体高分子膜の加湿方法と
して特開平３−２６９９５５号公報に記載の方法が知ら
れている。この従来技術によれば、改質器を経た改質燃
料ガスを燃料電池の燃料極に供給する燃料供給系に気化
器ａおよび加湿器ｂが設けられると共に、コンプレッサ
により加圧された空気を燃料電池の酸化極に供給する空
気供給系に気化器ｃおよび加湿器ｄが設けられる。燃料
電池の酸化極に生成される水を貯蔵するタンクから気化
器ｃに送られる水は、加圧により高温となっている空気
を熱源として気化され、この水蒸気が更に気化器ａに送
入され、改質器からの排ガスおよび改質燃料ガスを熱源
として十分に気化される。気化器ａからの水蒸気が加湿
器ｂおよびｄに導入されることにより、燃料電池に供給
される改質燃料ガスおよび空気が共に十分量の水蒸気を
含むものとされ、固体高分子膜が加湿される。
導電性を発揮させるためには、上記固体高分子膜を乾燥
させないことが必要である。固体高分子膜の加湿方法と
して特開平３−２６９９５５号公報に記載の方法が知ら
れている。この従来技術によれば、改質器を経た改質燃
料ガスを燃料電池の燃料極に供給する燃料供給系に気化
器ａおよび加湿器ｂが設けられると共に、コンプレッサ
により加圧された空気を燃料電池の酸化極に供給する空
気供給系に気化器ｃおよび加湿器ｄが設けられる。燃料
電池の酸化極に生成される水を貯蔵するタンクから気化
器ｃに送られる水は、加圧により高温となっている空気
を熱源として気化され、この水蒸気が更に気化器ａに送
入され、改質器からの排ガスおよび改質燃料ガスを熱源
として十分に気化される。気化器ａからの水蒸気が加湿
器ｂおよびｄに導入されることにより、燃料電池に供給
される改質燃料ガスおよび空気が共に十分量の水蒸気を
含むものとされ、固体高分子膜が加湿される。
【０００５】この従来技術の利点は、固体高分子膜の加
湿と同時に、供給系の当初においてはかなりの高温とな
っている改質燃料ガスおよび空気を燃料電池の運転温度
（８０〜１００℃程度）に近い温度に下げた状態で燃料
電池に供給することが可能とされる点にある。すなわ
ち、改質器を経て得られる高温の改質燃料ガスは気化器
ａにおける熱交換によって、またコンプレッサによる圧
縮を受けて高温となる空気は気化器ｃにおける熱交換に
よって、それぞれ１００℃＋α程度の温度に下げられる
ため、作動される燃料電池における固体高分子膜のイオ
ン導電性が良好に発揮され、発電効率が向上される。
湿と同時に、供給系の当初においてはかなりの高温とな
っている改質燃料ガスおよび空気を燃料電池の運転温度
（８０〜１００℃程度）に近い温度に下げた状態で燃料
電池に供給することが可能とされる点にある。すなわ
ち、改質器を経て得られる高温の改質燃料ガスは気化器
ａにおける熱交換によって、またコンプレッサによる圧
縮を受けて高温となる空気は気化器ｃにおける熱交換に
よって、それぞれ１００℃＋α程度の温度に下げられる
ため、作動される燃料電池における固体高分子膜のイオ
ン導電性が良好に発揮され、発電効率が向上される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】燃料電池および改質器
を有する発電装置においては大量の水が必要とされるた
め、システム全体としての水収支を考慮しなければなら
ない。上述のように、燃料電池の酸化極からの排ガスを
凝縮器により凝縮し、凝縮水を気水分離器およびポンプ
を用いて燃料電池や改質器に供給することが可能である
が、この場合には装置の複雑化および重量化を招いてし
まう。
を有する発電装置においては大量の水が必要とされるた
め、システム全体としての水収支を考慮しなければなら
ない。上述のように、燃料電池の酸化極からの排ガスを
凝縮器により凝縮し、凝縮水を気水分離器およびポンプ
を用いて燃料電池や改質器に供給することが可能である
が、この場合には装置の複雑化および重量化を招いてし
まう。
【０００７】また、特開平３−２６９９５５号公報に記
載の上記従来技術は、大きな利点を有するものではある
が、反面、改質燃料ガス供給系および空気供給系の双方
に気化器と加湿器とを設け、これら気化器および加湿器
更には関連する機器との間に複雑な循環系を設ける必要
があり、同様に燃料電池システム全体の複雑化を招くと
いう問題がある。
載の上記従来技術は、大きな利点を有するものではある
が、反面、改質燃料ガス供給系および空気供給系の双方
に気化器と加湿器とを設け、これら気化器および加湿器
更には関連する機器との間に複雑な循環系を設ける必要
があり、同様に燃料電池システム全体の複雑化を招くと
いう問題がある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明は、燃料電池によ
る発電装置における燃料電池や改質器への水供給をポン
プを用いることなく行い、装置全体の構成の単純化およ
び軽量化を図ることを目的とする。
る発電装置における燃料電池や改質器への水供給をポン
プを用いることなく行い、装置全体の構成の単純化およ
び軽量化を図ることを目的とする。
【０００９】また、本発明の別の目的は、簡単な構成で
燃料電池の固体高分子電解質膜を加湿することができ、
同時に燃料電池の燃料極に供給される改質燃料ガスを好
適な温度に下げることができる、新規な構成の固体高分
子型燃料電池発電装置を提供することにある。
燃料電池の固体高分子電解質膜を加湿することができ、
同時に燃料電池の燃料極に供給される改質燃料ガスを好
適な温度に下げることができる、新規な構成の固体高分
子型燃料電池発電装置を提供することにある。
【００１０】すなわち本発明は、電解質の両側に燃料極
と酸化極とが配されてなる燃料電池と、液体燃料を原料
として改質反応することにより前記燃料電池の燃料極に
供給すべき水素リッチな改質ガスを生成する改質器とを
有する燃料電池発電装置において、燃料電池の酸化極か
らの排出ガスに含まれる水蒸気を凝縮する凝縮器と、凝
縮器より回収される凝縮水を室内圧の上昇に応じて強制
的に排出する制御手段とを設けたことを特徴とする。
と酸化極とが配されてなる燃料電池と、液体燃料を原料
として改質反応することにより前記燃料電池の燃料極に
供給すべき水素リッチな改質ガスを生成する改質器とを
有する燃料電池発電装置において、燃料電池の酸化極か
らの排出ガスに含まれる水蒸気を凝縮する凝縮器と、凝
縮器より回収される凝縮水を室内圧の上昇に応じて強制
的に排出する制御手段とを設けたことを特徴とする。
【００１１】制御手段は、凝縮器より回収される凝縮水
を貯水する貯水室と、貯水室内の水面レベルに応じて昇
降するフロートと、貯水室内の水面レベルが一定レベル
以上となったときにフロートにより閉じられる排気バル
ブと、排気バルブが前記フロートにより閉じられたとき
に貯水室のガス内圧が上昇することにより水を強制的に
排出する排水バルブとを有するものとして構成すること
が好適である。
を貯水する貯水室と、貯水室内の水面レベルに応じて昇
降するフロートと、貯水室内の水面レベルが一定レベル
以上となったときにフロートにより閉じられる排気バル
ブと、排気バルブが前記フロートにより閉じられたとき
に貯水室のガス内圧が上昇することにより水を強制的に
排出する排水バルブとを有するものとして構成すること
が好適である。
【００１２】本発明はまた、固体高分子電解質膜の両側
に燃料極と酸化極とが接合されてなる燃料電池と、液体
燃料を原料として改質反応することにより燃料電池の燃
料極に供給すべき水素リッチな改質ガスを生成する改質
器とを有する固体固体高分子型燃料電池発電装置におい
て、改質器から燃料電池の燃料極に至る改質ガス供給経
路にバブリング室を介在せしめ、改質器からの改質ガス
をバブリング室において気泡状態で水中に通過させる間
に改質ガスと水との間で熱交換を行い、改質ガスを冷却
すると共に水を熱して水蒸気を生成し、冷却された改質
ガスと水蒸気との混合気を燃料電池の燃料極に供給する
よう構成され、かつ、燃料電池の酸化極からの排出ガス
に含まれる水蒸気を凝縮する凝縮器と、凝縮器より回収
される凝縮水を室内圧の上昇に応じて強制的に排出する
制御手段とを設けたことを特徴とする。
に燃料極と酸化極とが接合されてなる燃料電池と、液体
燃料を原料として改質反応することにより燃料電池の燃
料極に供給すべき水素リッチな改質ガスを生成する改質
器とを有する固体固体高分子型燃料電池発電装置におい
て、改質器から燃料電池の燃料極に至る改質ガス供給経
路にバブリング室を介在せしめ、改質器からの改質ガス
をバブリング室において気泡状態で水中に通過させる間
に改質ガスと水との間で熱交換を行い、改質ガスを冷却
すると共に水を熱して水蒸気を生成し、冷却された改質
ガスと水蒸気との混合気を燃料電池の燃料極に供給する
よう構成され、かつ、燃料電池の酸化極からの排出ガス
に含まれる水蒸気を凝縮する凝縮器と、凝縮器より回収
される凝縮水を室内圧の上昇に応じて強制的に排出する
制御手段とを設けたことを特徴とする。
【００１３】制御手段から排出される水は、バブリング
室に供給することができる。
室に供給することができる。
【００１４】制御手段は、凝縮器より回収される凝縮水
を貯水する貯水室と、貯水室内の水面レベルに応じて昇
降するフロートと、貯水室内の水面レベルが一定レベル
以上となったときにフロートにより閉じられる排気バル
ブと、排気バルブがフロートにより閉じられたときに貯
水室のガス内圧が上昇することにより水を強制的に排出
する排水バルブとを有してなるものとして構成すること
が好適である。
を貯水する貯水室と、貯水室内の水面レベルに応じて昇
降するフロートと、貯水室内の水面レベルが一定レベル
以上となったときにフロートにより閉じられる排気バル
ブと、排気バルブがフロートにより閉じられたときに貯
水室のガス内圧が上昇することにより水を強制的に排出
する排水バルブとを有してなるものとして構成すること
が好適である。
【００１５】この場合、排気バルブを経て排出されるガ
スを改質器に供給すると共に、排水バルブを経て排出さ
れる水をバブリング室に供給することができる。
スを改質器に供給すると共に、排水バルブを経て排出さ
れる水をバブリング室に供給することができる。
【００１６】バブリング室における熱交換を更に効率化
するために、該室内の水を加熱する加熱手段を設けるこ
とができる。この加熱手段は、改質器における改質反応
に用いられる燃焼部からの燃焼排ガスおよび生成水蒸気
を熱源とすることができる。好ましくは、バブリング室
に隣接して隔壁されてなる第２のバブリング室を設け、
燃焼部からの燃焼排ガスが該第２のバブリング室におい
て気泡状態で水中に通過することにより熱せられる水を
介して前記バブリング室内の水を加熱する。また、前記
燃焼部からの生成水蒸気が前記第２のバブリング室を通
過することにより液化し、熱回収される水を介して前記
バブリング室内の水を加熱する。
するために、該室内の水を加熱する加熱手段を設けるこ
とができる。この加熱手段は、改質器における改質反応
に用いられる燃焼部からの燃焼排ガスおよび生成水蒸気
を熱源とすることができる。好ましくは、バブリング室
に隣接して隔壁されてなる第２のバブリング室を設け、
燃焼部からの燃焼排ガスが該第２のバブリング室におい
て気泡状態で水中に通過することにより熱せられる水を
介して前記バブリング室内の水を加熱する。また、前記
燃焼部からの生成水蒸気が前記第２のバブリング室を通
過することにより液化し、熱回収される水を介して前記
バブリング室内の水を加熱する。
【００１７】燃料電池の燃料極から排出される未反応改
質ガスと酸化極から排出される空気とを燃焼部に供給し
て燃焼することにより、加熱手段の熱源として用いる燃
焼排ガスを生成することができる。
質ガスと酸化極から排出される空気とを燃焼部に供給し
て燃焼することにより、加熱手段の熱源として用いる燃
焼排ガスを生成することができる。
【００１８】更に、バブリング室内の水量を制御するた
めの水量調製手段を設けることができる。
めの水量調製手段を設けることができる。
【００１９】
【作用】燃料電池の酸化極からの排出ガスが凝縮器に送
入され、該排出ガスに含まれる水蒸気から凝縮水が回収
される。凝縮水は次いで制御手段に供給され、室内圧の
上昇に応じて強制的に排出され、燃料電池や改質器その
他必要な箇所に給水される。
入され、該排出ガスに含まれる水蒸気から凝縮水が回収
される。凝縮水は次いで制御手段に供給され、室内圧の
上昇に応じて強制的に排出され、燃料電池や改質器その
他必要な箇所に給水される。
【００２０】制御手段は、貯水室と、フロートと、排気
バルブと、排水バルブとを有してなり、貯水室内の凝縮
水レベルが一定レベル以上となったときに排気バルブが
フロートにより閉じられる。排気バルブが閉じられる
と、貯水室のガス内圧が上昇し、排水バルブを介して強
制的に排水がなされる。
バルブと、排水バルブとを有してなり、貯水室内の凝縮
水レベルが一定レベル以上となったときに排気バルブが
フロートにより閉じられる。排気バルブが閉じられる
と、貯水室のガス内圧が上昇し、排水バルブを介して強
制的に排水がなされる。
【００２１】改質器からの改質ガスは改質器出口におい
て約２５０℃の高温であり、この高温の改質ガスがバブ
リング室において気泡状態で水中を通過することによ
り、１００℃近くの温度にまで冷却され、固体高分子型
燃料電池の運転温度に近い好適な温度を有するものとし
て燃料極に供給される。同時にバブリング室内の水が熱
せられて水蒸気が生成され、この水蒸気が改質ガスと共
に燃料極に供給されるため、固体高分子膜電解質が加湿
され、良好なイオン導電性を発揮する。
て約２５０℃の高温であり、この高温の改質ガスがバブ
リング室において気泡状態で水中を通過することによ
り、１００℃近くの温度にまで冷却され、固体高分子型
燃料電池の運転温度に近い好適な温度を有するものとし
て燃料極に供給される。同時にバブリング室内の水が熱
せられて水蒸気が生成され、この水蒸気が改質ガスと共
に燃料極に供給されるため、固体高分子膜電解質が加湿
され、良好なイオン導電性を発揮する。
【００２２】
【実施例】図１は本発明の一実施例による発電装置を示
す。この発電装置は、前述のナフィオンやＰＳＳＡ−Ｐ
ＶＡ（ポリスチレンスルホン酸−ポリビニルアルコール
共重合体）、ＰＳＡＡ−ＥＶＯＨ（ポリスチレンスルホ
ン酸−エチレンビニルアルコール共重合体）等のイオン
交換性固体高分子樹脂膜を電解質とし、この電解質の両
側に燃料極と酸化極とが接合されてなる単電池が、セパ
レータを介して複数個積層された構造の固体高分子型燃
料電池１０を有する。燃料電池１０の燃料極には後述す
る改質器およびバブリング室１８を経て水素ガスと水蒸
気とが供給され、酸化極には空気が供給される。
す。この発電装置は、前述のナフィオンやＰＳＳＡ−Ｐ
ＶＡ（ポリスチレンスルホン酸−ポリビニルアルコール
共重合体）、ＰＳＡＡ−ＥＶＯＨ（ポリスチレンスルホ
ン酸−エチレンビニルアルコール共重合体）等のイオン
交換性固体高分子樹脂膜を電解質とし、この電解質の両
側に燃料極と酸化極とが接合されてなる単電池が、セパ
レータを介して複数個積層された構造の固体高分子型燃
料電池１０を有する。燃料電池１０の燃料極には後述す
る改質器およびバブリング室１８を経て水素ガスと水蒸
気とが供給され、酸化極には空気が供給される。
【００２３】改質器１２には、燃料電池１０の燃料極に
供給するための水素リッチな改質ガス（水素ガスを主体
として二酸化炭素ガスその他の夾雑成分を含むもの）を
生成する改質部１４と、改質部１４における改質反応の
ための熱源として燃焼排ガスを生成する燃焼部１６とが
設けられる。改質部１４にはメタノール等の液体燃料が
供給され、改質部１４に必要に応じて設けられる気化器
によって気化された後、公知の触媒作用の下で水蒸気改
質される。
供給するための水素リッチな改質ガス（水素ガスを主体
として二酸化炭素ガスその他の夾雑成分を含むもの）を
生成する改質部１４と、改質部１４における改質反応の
ための熱源として燃焼排ガスを生成する燃焼部１６とが
設けられる。改質部１４にはメタノール等の液体燃料が
供給され、改質部１４に必要に応じて設けられる気化器
によって気化された後、公知の触媒作用の下で水蒸気改
質される。
【００２４】改質部１４における改質反応により得られ
る改質ガスは、改質器１２から貯水バブリング室１８に
送られる。改質器１２の出口における改質ガスは約２５
０℃程度の高温を有するが、バブリング室１８の水中を
気泡として上昇しながら通過する間に熱交換されて１０
０℃程度に冷却される。逆に、バブリング室１８中の水
は高温の改質ガスによって熱せられて水蒸気を生成す
る。すなわちバブリング室１８からは１００℃程度の温
度の改質ガスと水蒸気とが送出され、燃料電池１０の燃
料極に供給される。
る改質ガスは、改質器１２から貯水バブリング室１８に
送られる。改質器１２の出口における改質ガスは約２５
０℃程度の高温を有するが、バブリング室１８の水中を
気泡として上昇しながら通過する間に熱交換されて１０
０℃程度に冷却される。逆に、バブリング室１８中の水
は高温の改質ガスによって熱せられて水蒸気を生成す
る。すなわちバブリング室１８からは１００℃程度の温
度の改質ガスと水蒸気とが送出され、燃料電池１０の燃
料極に供給される。
【００２５】燃料電池１０の燃料極からは未反応の改質
ガスと水蒸気とが排出され、酸化極からは生成される水
蒸気と共に未反応の空気が排出される。燃料極から排出
される改質ガスと水蒸気は水タンクを有するトラップ２
２に送られ、ここで水蒸気が離脱された後、改質器１２
の燃焼部１６に供給される。トラップ２２内の水は、改
質器１２の改質部１４に供給されて改質反応に必要な水
蒸気を生成すると共に、後述する第２のバブリング室２
０への補水に用いられる。一方、酸化極からの排ガスは
凝縮器２４により排ガス中の水蒸気から凝縮水が回収さ
れた後、制御手段２５において水と高温の空気とに分離
され、水は給水ライン２６を介してバブリング室１８に
供給され、空気は給気ライン２７を介して改質器１２の
燃焼部１６に送入されて燃焼燃料として消費される。
ガスと水蒸気とが排出され、酸化極からは生成される水
蒸気と共に未反応の空気が排出される。燃料極から排出
される改質ガスと水蒸気は水タンクを有するトラップ２
２に送られ、ここで水蒸気が離脱された後、改質器１２
の燃焼部１６に供給される。トラップ２２内の水は、改
質器１２の改質部１４に供給されて改質反応に必要な水
蒸気を生成すると共に、後述する第２のバブリング室２
０への補水に用いられる。一方、酸化極からの排ガスは
凝縮器２４により排ガス中の水蒸気から凝縮水が回収さ
れた後、制御手段２５において水と高温の空気とに分離
され、水は給水ライン２６を介してバブリング室１８に
供給され、空気は給気ライン２７を介して改質器１２の
燃焼部１６に送入されて燃焼燃料として消費される。
【００２６】制御手段２５は図２に示される構成を有
し、凝縮器２４からの凝縮水Ｗを収容する貯水室２８を
有する。貯水室２８内には、凝縮水Ｗの水面レベルに応
じて昇降するフロート２９が設けられると共に、給水ラ
イン２６に通ずる排水バルブ３０が下方に、給気ライン
２７に通ずる排気バルブ３１が上方にそれぞれ設けられ
る。
し、凝縮器２４からの凝縮水Ｗを収容する貯水室２８を
有する。貯水室２８内には、凝縮水Ｗの水面レベルに応
じて昇降するフロート２９が設けられると共に、給水ラ
イン２６に通ずる排水バルブ３０が下方に、給気ライン
２７に通ずる排気バルブ３１が上方にそれぞれ設けられ
る。
【００２７】貯水室２８内の所定水面レベルを越えて大
量の凝縮水Ｗが貯水されると、フロート２９が排気バル
ブ３１を閉じる。排気バルブ３１が閉じられると、排気
ライン２７への排気が行われなくなるので、凝縮器２４
から送られるガスによって貯水室２８の内圧が上昇し、
これにより排水バルブ３０を開き、排水ライン２６を通
じての排水が行われる。排水が行われて貯水室２８内の
水面レベルが所定レベル以下となると、再び排気バルブ
３１が開き、排気ライン２７への排気が行われる。これ
によって内圧が低下し、排水バルブ３０は再び閉じられ
る。
量の凝縮水Ｗが貯水されると、フロート２９が排気バル
ブ３１を閉じる。排気バルブ３１が閉じられると、排気
ライン２７への排気が行われなくなるので、凝縮器２４
から送られるガスによって貯水室２８の内圧が上昇し、
これにより排水バルブ３０を開き、排水ライン２６を通
じての排水が行われる。排水が行われて貯水室２８内の
水面レベルが所定レベル以下となると、再び排気バルブ
３１が開き、排気ライン２７への排気が行われる。これ
によって内圧が低下し、排水バルブ３０は再び閉じられ
る。
【００２８】なお、図示実施例では、排水ライン２６を
通じてバブリング室１８に給水するように構成されてい
るが、これに代えてあるいはこれと共に、他の水を必要
とする箇所、たとえば改質器１２の改質部１４に供給す
るように構成しても良い。
通じてバブリング室１８に給水するように構成されてい
るが、これに代えてあるいはこれと共に、他の水を必要
とする箇所、たとえば改質器１２の改質部１４に供給す
るように構成しても良い。
【００２９】以上のように、改質器１２の燃焼部１６に
は、燃料電池１０の燃料極からの排ガス中の未反応改質
ガスがトラップ２２を介して供給されると共に、酸化極
から排出される空気が凝縮器２４および制御手段２５を
介して供給される。これら未反応改質ガスと空気との混
合気を燃焼部１６にて燃焼することによって得られる燃
焼排ガスは、公知のように改質部１４に与えられて改質
反応のための熱源として利用されるが、その一部はバブ
リング室１８内の水を１００℃近くにまで昇温させるた
めの熱源としても用いられる。
は、燃料電池１０の燃料極からの排ガス中の未反応改質
ガスがトラップ２２を介して供給されると共に、酸化極
から排出される空気が凝縮器２４および制御手段２５を
介して供給される。これら未反応改質ガスと空気との混
合気を燃焼部１６にて燃焼することによって得られる燃
焼排ガスは、公知のように改質部１４に与えられて改質
反応のための熱源として利用されるが、その一部はバブ
リング室１８内の水を１００℃近くにまで昇温させるた
めの熱源としても用いられる。
【００３０】図示実施例では、バブリング室１８内の水
をかかる温度に効率的に熱するために第２のバブリング
室２０がバブリング室１８に接して設けられ、燃焼部１
６からの燃焼排ガスの一部がこの第２のバブリング室２
０に供給される。前述のバブリング室１８内におけるバ
ブリング作用と同様に、燃焼排ガスが第２のバブリング
室２０において水中を気泡状態で上昇する間に水温が効
率的に上昇し、その水温がバブリング室１８内の水に伝
熱される。第２のバブリング室２０内で水中を通過した
燃焼排ガスは外部に排気される。第２のバブリング室２
０への給水には主としてトラップ２２内の水が用いられ
るが、燃焼排ガス中に含まれる水蒸気も該第２のバブリ
ング室２０の水中を通過する間に液化する。第２のバブ
リング室２０からのオーバーフロー水は、トラップ２２
からの水と共に、改質部１４に送られる。
をかかる温度に効率的に熱するために第２のバブリング
室２０がバブリング室１８に接して設けられ、燃焼部１
６からの燃焼排ガスの一部がこの第２のバブリング室２
０に供給される。前述のバブリング室１８内におけるバ
ブリング作用と同様に、燃焼排ガスが第２のバブリング
室２０において水中を気泡状態で上昇する間に水温が効
率的に上昇し、その水温がバブリング室１８内の水に伝
熱される。第２のバブリング室２０内で水中を通過した
燃焼排ガスは外部に排気される。第２のバブリング室２
０への給水には主としてトラップ２２内の水が用いられ
るが、燃焼排ガス中に含まれる水蒸気も該第２のバブリ
ング室２０の水中を通過する間に液化する。第２のバブ
リング室２０からのオーバーフロー水は、トラップ２２
からの水と共に、改質部１４に送られる。
【００３１】以上に説明したように、燃料電池１０の燃
料極と改質器１２の改質部１４との間にバブリング室１
８を設け、改質部１４から得られる改質ガスをこのバブ
リング室１８の水中を気泡として通過させることによ
り、該高温の改質ガスとバブリング室内の水との間で熱
交換が効率的に行われ、バブリング室内の水が加熱され
て得られる水蒸気と１００℃近くの適温に下げられた改
質ガスとが燃料極に供給される。水蒸気は燃料極を介し
て燃料電池の電解質を加湿する。
料極と改質器１２の改質部１４との間にバブリング室１
８を設け、改質部１４から得られる改質ガスをこのバブ
リング室１８の水中を気泡として通過させることによ
り、該高温の改質ガスとバブリング室内の水との間で熱
交換が効率的に行われ、バブリング室内の水が加熱され
て得られる水蒸気と１００℃近くの適温に下げられた改
質ガスとが燃料極に供給される。水蒸気は燃料極を介し
て燃料電池の電解質を加湿する。
【００３２】ガス気泡を水中に通過されることにより効
率的な熱交換が行われることを下記試算によって実証す
る。
率的な熱交換が行われることを下記試算によって実証す
る。
【００３３】水中のガス気泡は密度差による浮力を受け
ることになり、ガス（３Ｈ２＋ＣＯ２）気泡の浮上速度
をストークスの抵抗式から求めると下記数式１の通りで
ある。
ることになり、ガス（３Ｈ２＋ＣＯ２）気泡の浮上速度
をストークスの抵抗式から求めると下記数式１の通りで
ある。
【数１】 ここで、水温３００Ｋ、水圧０．１ＭＰａの場合（条件
１）、水温３８０Ｋ、水圧０．１ＭＰａ（条件２）およ
び水温３８０Ｋ、水圧０．２ＭＰａ（条件３）の各条件
を想定すると、条件１のときはρｗ（ｋｇ／ｍ３）＝１
０００、ρｇ（ｋｇ／ｍ３）＝０．５０５、ηｗ（Ｐａ
・ｓ）＝８５４であり、条件２のときはρｗ＝１００
０、ρｇ＝０．３９８、ηｗ＝２６３であり、条件３の
ときはρｗ＝１０００、ρｇ＝０．７９６、ηｗ＝２６
３であるから、気泡径を２ｍｍとしてこれらの数値を数
式１に当てはめると、 条件１のときの浮上速度Ｖ１＝２．５ｍ／ｓ 条件２のときの浮上速度Ｖ２＝８．３ｍ／ｓ 条件３のときの浮上速度Ｖ３＝８．３ｍ／ｓ となる。この結果から、ガス気泡速度は水温が高くなる
と大きくなるが、圧力変化には影響されないことが理解
される。次に、気泡径２ｍｍのガス球１個当たりの熱量
は下記数式２より求められるから、４５０Ｋ、０．１Ｍ
Ｐａの条件下における混合ガス（３Ｈ２＋ＣＯ２）の物
性ρｇ（ｋｇ／ｍ３）＝０．３３５１、Ｃｐ（ＫＪ／ｋ
ｇ・Ｋ）＝１１．１２を数式２に当てはめると、 ガスの持ち込み熱量Ｑｇ＝１．８７×１０−５ＫＪ となる。
１）、水温３８０Ｋ、水圧０．１ＭＰａ（条件２）およ
び水温３８０Ｋ、水圧０．２ＭＰａ（条件３）の各条件
を想定すると、条件１のときはρｗ（ｋｇ／ｍ３）＝１
０００、ρｇ（ｋｇ／ｍ３）＝０．５０５、ηｗ（Ｐａ
・ｓ）＝８５４であり、条件２のときはρｗ＝１００
０、ρｇ＝０．３９８、ηｗ＝２６３であり、条件３の
ときはρｗ＝１０００、ρｇ＝０．７９６、ηｗ＝２６
３であるから、気泡径を２ｍｍとしてこれらの数値を数
式１に当てはめると、 条件１のときの浮上速度Ｖ１＝２．５ｍ／ｓ 条件２のときの浮上速度Ｖ２＝８．３ｍ／ｓ 条件３のときの浮上速度Ｖ３＝８．３ｍ／ｓ となる。この結果から、ガス気泡速度は水温が高くなる
と大きくなるが、圧力変化には影響されないことが理解
される。次に、気泡径２ｍｍのガス球１個当たりの熱量
は下記数式２より求められるから、４５０Ｋ、０．１Ｍ
Ｐａの条件下における混合ガス（３Ｈ２＋ＣＯ２）の物
性ρｇ（ｋｇ／ｍ３）＝０．３３５１、Ｃｐ（ＫＪ／ｋ
ｇ・Ｋ）＝１１．１２を数式２に当てはめると、 ガスの持ち込み熱量Ｑｇ＝１．８７×１０−５ＫＪ となる。
【数２】 また、該ガス球１個当たりの放熱量は下記数式３より求
められる。
められる。
【数３】 ここで、０．１ＭＰａの圧力下で温度４５０Ｋの該ガス
球が３７３Ｋの水中を通過するときの熱伝達率をＷｈｉ
ｔａｋｅｒの実験式によって求めると、 熱伝達率ｈ＝９０７００ｗ／ｍ２・Ｋ となるから、 ガス球の放熱量Ｑ’ｇ＝８５Ｗ と求められる。 よって、式Ｑｇ＝Ｑ’ｇ・ｔより、 ガス球の放熱時間ｔ＝２．２×１０−４ｓｅｃ となり、ガス球は水中にて一瞬のうちに冷却されること
が理解される。また、放熱に要する必要液面高さｈ＝Ｖ
・ｔ＝１．８３×１０−３ｍであり、きわめて微量の水
で十分であることが理解される。このようにバブリング
室１８には僅かな量の水が存在すれば良いが、燃料電池
１０の燃料極に供給する改質ガス温度および水蒸気量を
好適な範囲に制御するためには、ある一定範囲の水量が
常時保持されることが望ましい。このために、図示実施
例ではバブリング室１８にフロート１９を設けている
が、システム全体の水収支を考慮すると、酸化極からの
排出ガス中に含まれる反応生成水を回収することが必要
になる。そこで、バブリング室１８に凝縮器２４を介し
て回収水を導き、バブリング室１８、２０間の液面差を
フロート１９で調整している。フロート１９の浮力につ
いては、バブリング室１８が第２バブリング室２０より
も圧力大となることを考慮して、導通パイプ径すなわち
フロート体積を決定する。なお、第２のバブリング室２
０側にフロートを設置することも考えられるが、第２バ
ブリング室２０側には大気が存在し、この大気がバブリ
ング室１８に混入することにより水素の燃焼範囲に入る
可能性があるため、フロート１９はバブリング室１８の
側に設置することが望ましい。
球が３７３Ｋの水中を通過するときの熱伝達率をＷｈｉ
ｔａｋｅｒの実験式によって求めると、 熱伝達率ｈ＝９０７００ｗ／ｍ２・Ｋ となるから、 ガス球の放熱量Ｑ’ｇ＝８５Ｗ と求められる。 よって、式Ｑｇ＝Ｑ’ｇ・ｔより、 ガス球の放熱時間ｔ＝２．２×１０−４ｓｅｃ となり、ガス球は水中にて一瞬のうちに冷却されること
が理解される。また、放熱に要する必要液面高さｈ＝Ｖ
・ｔ＝１．８３×１０−３ｍであり、きわめて微量の水
で十分であることが理解される。このようにバブリング
室１８には僅かな量の水が存在すれば良いが、燃料電池
１０の燃料極に供給する改質ガス温度および水蒸気量を
好適な範囲に制御するためには、ある一定範囲の水量が
常時保持されることが望ましい。このために、図示実施
例ではバブリング室１８にフロート１９を設けている
が、システム全体の水収支を考慮すると、酸化極からの
排出ガス中に含まれる反応生成水を回収することが必要
になる。そこで、バブリング室１８に凝縮器２４を介し
て回収水を導き、バブリング室１８、２０間の液面差を
フロート１９で調整している。フロート１９の浮力につ
いては、バブリング室１８が第２バブリング室２０より
も圧力大となることを考慮して、導通パイプ径すなわち
フロート体積を決定する。なお、第２のバブリング室２
０側にフロートを設置することも考えられるが、第２バ
ブリング室２０側には大気が存在し、この大気がバブリ
ング室１８に混入することにより水素の燃焼範囲に入る
可能性があるため、フロート１９はバブリング室１８の
側に設置することが望ましい。
【発明の効果】本発明によれば、制御手段を設けること
で従来の気水分離器とポンプとを兼ね備えた作用を果た
すことができ、装置全体の構成を簡略化し軽量化するこ
とができる。また、バブリング室を設けることにより改
質ガスを冷却して適正温度とすると同時に水蒸気が得ら
れ、燃料電池の固体高分子型電解質膜を加湿することが
できる。
で従来の気水分離器とポンプとを兼ね備えた作用を果た
すことができ、装置全体の構成を簡略化し軽量化するこ
とができる。また、バブリング室を設けることにより改
質ガスを冷却して適正温度とすると同時に水蒸気が得ら
れ、燃料電池の固体高分子型電解質膜を加湿することが
できる。
【図１】本発明の一実施例による固体高分子型燃料電池
発電装置の構成を示す図である。
発電装置の構成を示す図である。
【図２】図１における制御手段の構成を示す図である。
１０ 固体高分子型燃料電池 １２ 改質器 １４ 改質部 １６ 燃焼部 １８ バブリング室 ２０ 第２のバブリング室 ２２ トラップ ２４ 凝縮器 ２５ 制御手段 ２８ 貯水室 ２９ フロート ３０ 排水バルブ ３１ 排気バルブ
Claims (12)
- 【請求項１】 電解質の両側に燃料極と酸化極とが配
されてなる燃料電池を有する燃料電池発電装置におい
て、前記燃料電池の酸化極からの排出ガスに含まれる水
蒸気を凝縮する凝縮器と、前記凝縮器より回収される凝
縮水を室内圧の上昇に応じて強制的に排出する制御手段
とを設けたことを特徴とする燃料電池発電装置。 - 【請求項２】 前記制御手段が、前記凝縮器より回収
される凝縮水を貯水する貯水室と、前記貯水室内の水面
レベルに応じて昇降するフロートと、前記貯水室内の水
面レベルが一定レベル以上となったときに前記フロート
により閉じられる排気バルブと、前記排気バルブが前記
フロートにより閉じられたときに前記貯水室のガス内圧
が上昇することにより水を強制的に排出する排水バルブ
とを有してなることを特徴とする請求項１の燃料電池発
電装置。 - 【請求項３】 固体高分子電解質膜の両側に燃料極と
酸化極とが接合されてなる燃料電池と、液体燃料を原料
として改質反応することにより前記燃料電池の燃料極に
供給すべき水素リッチな改質ガスを生成する改質器とを
有する固体固体高分子型燃料電池発電装置において、前
記改質器から前記燃料電池の燃料極に至る改質ガス供給
経路にバブリング室を介在せしめ、前記改質器からの改
質ガスを前記バブリング室において気泡状態で水中に通
過させる間に改質ガスと水との間で熱交換を行い、改質
ガスを冷却すると共に水を熱して水蒸気を生成し、冷却
された改質ガスと水蒸気との混合気を前記燃料電池の燃
料極に供給するよう構成され、かつ、前記燃料電池の酸
化極からの排出ガスに含まれる水蒸気を凝縮する凝縮器
と、前記凝縮器より回収される凝縮水を室内圧の上昇に
応じて強制的に排出する制御手段とを設けたことを特徴
とする固体高分子型燃料電池発電装置。 - 【請求項４】 前記制御手段から排出される水が前記
バブリング室に供給されることを特徴とする請求項３の
固体高分子型燃料電池発電装置。 - 【請求項５】 前記制御手段が、前記凝縮器より回収
される凝縮水を貯水する貯水室と、前記貯水室内の水面
レベルに応じて昇降するフロートと、前記貯水室内の水
面レベルが一定レベル以上となったときに前記フロート
により閉じられる排気バルブと、前記排気バルブが前記
フロートにより閉じられたときに前記貯水室のガス内圧
が上昇することにより水を強制的に排出する排水バルブ
とを有してなることを特徴とする請求項３の固体高分子
型燃料電池発電装置。 - 【請求項６】 前記排気バルブを経て排出されるガス
が前記改質器に供給されると共に、前記排水バルブを経
て排出される水が前記バブリング室に供給されることを
特徴とする請求項５の固体高分子型燃料電池発電装置。 - 【請求項７】 前記バブリング室内の水を加熱する加
熱手段が設けられることを特徴とする請求項３ないし６
のいずれかの固体高分子型燃料電池発電装置。 - 【請求項８】 前記加熱手段が、前記改質器における
改質反応に用いられる燃焼部からの燃焼排ガスおよび生
成水蒸気を熱源とすることを特徴とする請求項７の固体
高分子型燃料電池発電装置。 - 【請求項９】 前記加熱手段が、前記バブリング室に
隣接して隔壁されてなる第２のバブリング室よりなり、
前記燃焼部からの燃焼排ガスが前記第２のバブリング室
において気泡状態で水中に通過することにより熱せられ
る水を介して前記バブリング室内の水を加熱することを
特徴とする請求項８の固体高分子型燃料電池発電装置。 - 【請求項１０】 前記加熱手段が、前記燃焼部からの生
成水蒸気が前記第２のバブリング室を通過することによ
り液化し、熱回収される水を介して前記バブリング室内
の水を加熱することを特徴とする請求項９の固体高分子
型燃料電池発電装置。 - 【請求項１１】 前記燃料電池の燃料極から排出される
未反応改質ガスと酸化極から排出される空気とが前記燃
焼部に供給され、前記燃焼部において燃焼されて燃焼排
ガスを生成することを特徴とする請求項１０の固体高分
子型燃料電池発電装置。 - 【請求項１２】 前記バブリング室内の水量を制御する
ための水量調製手段が設けられることを特徴とする請求
項１１の固体高分子型燃料電池発電装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5237126A JPH0773894A (ja) | 1993-08-31 | 1993-08-31 | 燃料電池発電装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5237126A JPH0773894A (ja) | 1993-08-31 | 1993-08-31 | 燃料電池発電装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0773894A true JPH0773894A (ja) | 1995-03-17 |
Family
ID=17010800
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5237126A Pending JPH0773894A (ja) | 1993-08-31 | 1993-08-31 | 燃料電池発電装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0773894A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH10312821A (ja) * | 1997-05-14 | 1998-11-24 | Sanyo Electric Co Ltd | 燃料電池システム |
| JP2010287519A (ja) * | 2009-06-15 | 2010-12-24 | Panasonic Corp | 燃料電池システム |
| KR101338840B1 (ko) * | 2011-01-19 | 2013-12-06 | 현대하이스코 주식회사 | 간소화된 연료 변환 장치를 포함하여 운전 방법이 향상된 연료전지 시스템 |
-
1993
- 1993-08-31 JP JP5237126A patent/JPH0773894A/ja active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH10312821A (ja) * | 1997-05-14 | 1998-11-24 | Sanyo Electric Co Ltd | 燃料電池システム |
| JP2010287519A (ja) * | 2009-06-15 | 2010-12-24 | Panasonic Corp | 燃料電池システム |
| KR101338840B1 (ko) * | 2011-01-19 | 2013-12-06 | 현대하이스코 주식회사 | 간소화된 연료 변환 장치를 포함하여 운전 방법이 향상된 연료전지 시스템 |
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