燃料电池系统的制作方法

1.本公开涉及一种具备使用含氢气体来进行发电的燃料电池的燃料电池系统。


背景技术：

2.专利文献1公开了一种燃料电池系统，该燃料电池系统在改质器中从包含氮的原料生成包含氢、氮、一氧化碳以及氨的含氢气体，在变换器中通过变换反应降低该含氢气体(下面也称为原料氢)中所包含的一氧化碳的浓度，在氨去除器中去除含氢气体中所包含的氨，生成在一氧化碳去除器中通过氧化反应去除一氧化碳后的含氢气体，燃料电池使用该含氢气体来进行发电。
3.该燃料电池系统具备变换器、氨去除器、一氧化碳去除器以及燃料电池。
4.现有技术文献
5.专利文献
6.专利文献1：特开2012
‑
46395号公报


技术实现要素：

7.本公开提供一种能够使用包含氢、氮以及一氧化碳的原料氢来进行发电的小型的燃料电池系统。
8.本公开的燃料电池系统被供给包含氢、氮以及一氧化碳、且氮的浓度超过25％的原料氢，燃料电池系统具备：一氧化碳去除部，其去除原料氢中所包含的一部分一氧化碳后排出含氢气体；第一燃料电池，其使用含氢气体来进行发电。
9.本公开的燃料电池系统在发电时，不生成氨。因此，能够减小氨去除器的大小。因此，能够使燃料电池系统小型地构成。
附图说明
10.图1是实施方式1中的燃料电池系统的框图。
11.图2是实施方式2中的燃料电池系统的框图。
12.图3是实施方式3中的燃料电池系统的框图。
13.图4是其它的实施方式中的燃料电池系统的框图。
具体实施方式
14.(成为本公开的基础的知识等)
15.在发明人想到本公开的当时，燃料电池系统这一技术为如下状况：在改质器中通过改质反应来从城市燃气为主要成分的包含氮的原料生成包含氢、氮、一氧化碳以及氨的含氢气体，当在变换器中通过变换反应降低该含氢气体(下面也称为原料氢)中所包含的一氧化碳的浓度之后，在氨去除器中去除含氢气体中所包含的氨，燃料电池使用在一氧化碳去除器中通过氧化反应去除一氧化碳后的含氢气体来进行发电。
16.此外，假定将天然气作为直接原料来进行供给，原料中所包含的氮的浓度例如在欧洲最大是25％。
17.在这种状况下，存在以下担忧：在使用不是来源于天然气而是以氢为主要成分并包含多于25％的氮的气体(下面也称为原料氢)作为原料的情况下，在改质部中氮与氢进行反应而变成氨，从而氨使燃料电池被毒化，使燃料电池劣化。
18.为了防止燃料电池的劣化，需要去除氨。此时，存在原料氢中所包含的氮的浓度越高则氨去除器越大的问题。
19.因此，本公开提供一种即使原料氢中包含多于25％的氮，也能防止氨的生成从而减小氨去除器的大小的小型的燃料电池系统。
20.下面一边参照附图一边详细地说明实施方式。但是，有时省略不必要的详细说明。例如，有时省略对已经公知的事项的详细说明或者对实质上相同的结构的重复说明。
21.此外，附图以及下面的说明是为了使本领域技术人员充分地理解本公开而提供的，并非意图通过这些来对权利要求书中记载的主题进行限定。
22.(实施方式1)
23.下面使用图1来说明实施方式1。图1是实施方式1中的燃料电池系统100的框图。
24.[1
‑
1.结构]
[0025]
如图1所示，本实施方式的燃料电池系统100具备变换器1、一氧化碳去除器2、第一燃料电池3以及燃烧器4。
[0026]
变换器1通过变换反应去除原料氢中所包含的一部分一氧化碳。在本实施方式中，原料氢中包含氢、氮以及一氧化碳，并且氮的浓度超过25％。
[0027]
一氧化碳去除器2通过氧化反应去除一氧化碳。为了进行氧化反应，将空气作为包含氧的气体供给到一氧化碳去除器2。
[0028]
第一燃料电池3使用含氢气体进行发电。另外，第一燃料电池3具有通过阳极和阴极将电解质膜的两个主面夹在中间而形成的电解质膜
‑
电极接合体。阳极被供给含氢气体，阴极被供给包含氧的空气，由此第一燃料电池3进行发电。
[0029]
燃烧器4通过使一次排气燃烧，来对构成一氧化碳去除部的变换器1和一氧化碳去除器2进行加热。一次排气是供给到第一燃料电池3的含氢气体中的未被用于第一燃料电池3中的发电而通过了第一燃料电池3的气体(含氢气体)。
[0030]
[1
‑
2.动作]
[0031]
关于如以上那样构成的本实施方式的燃料电池系统100，下面说明其动作和作用。
[0032]
首先，基于图1来说明燃料电池系统100中的使用原料氢进行发电的动作。
[0033]
为了去除包含氢、氮以及一氧化碳的原料氢中所包含的一部分一氧化碳，向变换器1供给原料氢。由此，能够在变换器1中降低原料氢所包含的一氧化碳的浓度。但是，在向第一燃料电池3供给通过了变换器1的含氢气体的情况下，有可能通过了变换器1的含氢气体中所包含的一氧化碳浓度高，即一氧化碳浓度没有被充分地降低，从而第一燃料电池3被毒化。
[0034]
因此，向一氧化碳去除器2供给从变换器1排出的含氢气体，进一步地降低向第一燃料电池3供给的含氢气体的一氧化碳浓度。像这样，能够通过向第一燃料电池3供给降低了一氧化碳浓度后的含氢气体，来在第一燃料电池3中使用含氢气体中所包含的氢来进行
发电。
[0035]
在此，第一燃料电池3无法将含氢气体中所包含的氢全部都用于发电。包含有在第一燃料电池3中没有使用完的氢的含氢气体作为一次排气被从第一燃料电池3排出。如果丢弃该一次排气，即向燃料电池系统100的外部排出该一次排气，则氢会被浪费。因此，将一次排气供给到燃烧器4，并使燃烧器4对该一次排气进行燃烧。由此，能够在燃烧器4中将能量以热能的形式取出。
[0036]
构成一氧化碳去除部的变换器1和一氧化碳去除器2能够通过将各自的温度维持为100℃以上的高温，来维持去除一氧化碳的能力。变换器1和一氧化碳去除器2都是发热反应，但是与发热反应导致的温度上升相比，放热导致的温度下降相对较大，从而难以维持温度。因此，使用在燃烧器4中产生的热，来加热变换器1和一氧化碳去除器2。由此，能够将变换器1和一氧化碳去除器2各自的温度维持在对于反应而言适当的温度。因而，变换器1和一氧化碳去除器2能够维持去除一氧化碳的能力。由此，能够在燃料电池系统100中稳定地进行发电。
[0037]
[1
‑
3.效果等]
[0038]
如以上那样，本实施方式的燃料电池系统100具备：一氧化碳去除部，其去除氮的浓度超过25％的原料氢中所包含的一部分一氧化碳后排出含氢气体；以及第一燃料电池3，其使用该含氢气体来进行发电。
[0039]
由此，燃料电池系统100在发电时不生成氨。因此，在原料氢中不包含氨的情况下，能够不需要氨去除器，从而能够使燃料电池系统变得小型。
[0040]
一氧化碳去除部具有：变换器1，其通过变换反应去除原料氢中所包含的一部分一氧化碳；以及一氧化碳去除器2，其通过氧化反应去除从变换器1排出的含氢气体中所包含的一氧化碳。
[0041]
在本实施方式中，作为一氧化碳去除部，具备变换器1和一氧化碳去除器2，但只要能够将向第一燃料电池3供给的含氢气体的一氧化碳浓度降低至不会在第一燃料电池3中引起被毒化的问题的程度，则一氧化碳去除部也可以仅具备变换器1和一氧化碳去除器2中的某一方。
[0042]
由此，能够根据原料氢中所包含的一氧化碳的浓度，适当地设置一氧化碳去除部。因此，能够从燃料电池系统中去除不需要的设备，能够使其变得小型。
[0043]
另外，本实施方式的燃料电池系统100具备燃烧器4，燃烧器4使用一次排气来加热一氧化碳去除部，该一次排气是含氢气体中的未被用于发电而通过了第一燃料电池3的气体。
[0044]
在本实施方式中，燃烧器4对变换器1和一氧化碳去除器2这两方进行加热，但只要能够将向第一燃料电池3供给的含氢气体的一氧化碳浓度降低至不会在第一燃料电池3中引起被毒化的问题的程度，则也可以构成为燃烧器4仅对变换器1和一氧化碳去除器2中的某一方进行加热。
[0045]
因此，燃烧器4能够根据原料氢中所包含的一氧化碳的浓度来对一氧化碳去除部适当地进行加热，从而能够去除不需要的加热结构，由此使燃料电池系统变得小型。
[0046]
(实施方式2)
[0047]
下面使用图2来说明实施方式2。图2是实施方式2中的燃料电池系统200的框图。
[0048]
[2
‑
1.结构]
[0049]
如图2所示，本实施方式的燃料电池系统200具备变换器1、一氧化碳去除器2、第一燃料电池3、燃烧器4、第二燃料电池5以及硫去除部6。
[0050]
在本实施方式的燃料电池系统200中，对与实施方式1相同的构成要素标注相同的附图标记，省略其说明。
[0051]
第二燃料电池5使用一次排气来进行发电。一次排气是供给到第一燃料电池3的含氢气体中的未被用于第一燃料电池3中的发电而通过了第一燃料电池3的气体。
[0052]
从第一燃料电池3排出后向第二燃料电池5供给的一次排气中所包含的氢量比向第一燃料电池3供给的含氢气体中所包含的氢量少。因而，构成为第二燃料电池5的发电输出比第一燃料电池3的发电输出小。
[0053]
硫去除部6通过吸附材料去除原料氢中所包含的硫成分。当硫成分被供给到变换器1、一氧化碳去除器2、第一燃料电池3以及第二燃料电池5时，各个设备会被毒化。因而，能够通过在变换器1的上游侧设置硫去除部6，来抑制各个设备被硫成分毒化。作为硫去除部6，例如使用对硫进行吸附去除的吸附材料。
[0054]
[2
‑
2.动作]
[0055]
关于如以上那样构成的本实施方式的燃料电池系统200，下面说明其动作和作用。
[0056]
首先，基于图2来说明燃料电池系统200中的使用原料氢进行发电的动作。
[0057]
原料氢除了包含氢、氮以及一氧化碳之外，有时还包含硫成分。为了去除该硫成分，将原料氢供给至硫去除部6。通过硫去除部6降低了硫浓度后的原料氢被供给到构成一氧化碳去除部的变换器1和一氧化碳去除器2，从而成为一氧化碳浓度被降低后的含氢气体。
[0058]
第一燃料电池3使用该含氢气体来进行发电。第一燃料电池3无法将供给到第一燃料电池3的含氢气体全部都用于发电，供给到第一燃料电池3的含氢气体中的未被用于第一燃料电池3中的发电的气体作为一次排气被从第一燃料电池3排出。
[0059]
从第一燃料电池3排出的一次排气被供给到第二燃料电池5。第二燃料电池5使用一次排气来进行发电。由此，燃料电池系统200能够产生出仅通过第一燃料电池3而无法得到的电力。
[0060]
向第一燃料电池3供给的含氢气体中所包含的氢量比从第一燃料电池3排出后向第二燃料电池5供给的一次排气中所包含的氢量多。因而，也可以构成为第一燃料电池3的发电输出比第二燃料电池5的发电输出大。
[0061]
第二燃料电池5无法将供给到第二燃料电池5的一次排气全部都用于发电。供给到第二燃料电池5的一次排气中的未被用于第二燃料电池5中的发电的气体作为二次排气被从第二燃料电池5排出。
[0062]
在该二次排气不被燃料电池系统200利用而被排出的情况下，二次排气中所包含的能量被浪费。因此，将二次排气供给到燃烧器4，并使燃烧器4对该二次排气进行燃烧，来将二次排气保有的能量以热能的形式取出，并将该热能用于对构成一氧化碳去除部的变换器1和一氧化碳去除器2的加热。
[0063]
[2
‑
3.效果等]
[0064]
如以上那样，本实施方式的燃料电池系统200具备：一氧化碳去除部，其去除氮的
浓度超过25％的原料氢中所包含的一部分一氧化碳后排出含氢气体；以及第一燃料电池3，其使用该含氢气体来进行发电。
[0065]
一氧化碳去除部具有：变换器1，其通过变换反应去除原料氢中所包含的一部分一氧化碳；以及一氧化碳去除器2，其通过氧化反应去除从变换器1排出的含氢气体中所包含的一氧化碳。
[0066]
另外，本实施方式的燃料电池系统200具备第二燃料电池5，第二燃料电池5使用一次排气来进行发电，该一次排气是含氢气体中的未被用于发电而通过了第一燃料电池3的气体。第二燃料电池5的发电输出比第一燃料电池3的发电输出小。
[0067]
由此，在本实施方式的燃料电池系统200中，第二燃料电池5能够使用从第一燃料电池3排出的一次排气来进行发电。因此，燃料电池系统200能够不浪费地使用原料氢中所包含的氢。
[0068]
另外，本实施方式的燃料电池系统200具备燃烧器4，燃烧器4使用二次排气来加热一氧化碳去除部，该二次排气是一次排气中的未被用于发电而通过了第二燃料电池5的气体。
[0069]
由此，本实施方式的燃料电池系统200能够使用从第二燃料电池5排出的二次排气来加热一氧化碳去除部。因此，燃料电池系统200能够不浪费地使用原料氢。
[0070]
另外，本实施方式的燃料电池系统200具备硫去除部6，硫去除部6从向一氧化碳去除部供给的原料氢中去除硫。
[0071]
由此，本实施方式的燃料电池系统200能够通过硫去除部6去除向变换器1供给的原料氢中所包含的硫成分。因此，即使原料氢中包含硫成分，燃料电池系统200也能够稳定地进行发电。
[0072]
此外，本实施方式中的硫去除部6不限于用吸附材料来去除硫，也可以是，将通过加氢脱硫来去除硫的加氢脱硫部用作硫去除部6。在使用了加氢脱硫部的情况下，能够通过使用原料氢中所包含的氢来将硫成分降低至更低浓度。
[0073]
另外，由于适于加氢脱硫部的温度带与变换器1和一氧化碳去除器2的温度带接近，因此也可以是，用变换器1或一氧化碳去除器2或燃烧器4来加热加氢脱硫部。
[0074]
由此，能够将原料氢中所包含的硫成分降低至更低浓度。因此，能够进一步防止变换器1、一氧化碳去除器2、第一燃料电池3和第二燃料电池5被毒化。
[0075]
(实施方式3)
[0076]
下面使用图3来说明实施方式3。图3是实施方式3中的燃料电池系统300的框图。
[0077]
[3
‑
1.结构]
[0078]
如图3所示，本实施方式的燃料电池系统300具备变换器1、一氧化碳去除器2、第一燃料电池3、燃烧器4、第二燃料电池5、第三燃料电池7以及氨去除器8。
[0079]
在本实施方式的燃料电池系统300中，对与实施方式1或实施方式2相同的构成要素标注相同的附图标记，省略其说明。
[0080]
第三燃料电池7使用二次排气来进行发电。二次排气是供给到第二燃料电池5的一次排气中的未被用于第二燃料电池5中的发电而通过了第二燃料电池5的气体。
[0081]
从第二燃料电池5排出并向第三燃料电池7供给的二次排气中所包含的氢量比向第二燃料电池5供给的一次排气中所包含的氢量少。因而，也可以构成为第三燃料电池7的
发电输出比第二燃料电池5的发电输出小。在该情况下，第二燃料电池5的发电输出比第一燃料电池3的发电输出小，第三燃料电池7的发电输出比第二燃料电池5的发电输出小。
[0082]
氨去除器8去除向第一燃料电池3供给的含氢气体中所包含的氨。通过氨去除器8将含氢气体中所包含的氨的浓度降低至第一燃料电池3不会被毒化的浓度。
[0083]
[3
‑
2.动作]
[0084]
关于如以上那样构成的燃料电池系统300，下面说明其动作、作用。
[0085]
首先，基于图3来说明燃料电池系统300中的使用原料氢进行发电的动作。
[0086]
原料氢除了包含氢、氮以及一氧化碳之外，有时还包含氨。为了去除该氨，向氨去除器8供给通过构成一氧化碳去除部的变换器1和一氧化碳去除器2来降低了一氧化碳浓度后的含氢气体。
[0087]
氨去除器8将含氢气体中所包含的氨的浓度降低至第一燃料电池3不会被毒化的浓度。向第一燃料电池3供给氨浓度降低后的含氢气体。
[0088]
第一燃料电池3使用通过氨去除器8降低了氨浓度后的含氢气体来进行发电。第一燃料电池3无法将供给到第一燃料电池3的含氢气体全部都用于发电。供给到第一燃料电池3的含氢气体中的未被用于第一燃料电池3中的发电的气体作为一次排气被从第一燃料电池3排出。向第二燃料电池5供给该一次排气。
[0089]
第二燃料电池5无法将供给到第二燃料电池5的一次排气全部都用于发电，供给到第二燃料电池5的一次排气中的未被用于第二燃料电池5中的发电的气体作为二次排气被从第二燃料电池5排出。向第三燃料电池7供给该二次排气。
[0090]
第三燃料电池7无法将供给到第三燃料电池7的二次排气全部都用于发电，供给到第三燃料电池7的二次排气中的未被用于第三燃料电池7中的发电的气体作为三次排气被从第三燃料电池7排出。向燃烧器4供给该三次排气。
[0091]
燃烧器4燃烧三次排气，来加热构成一氧化碳去除部的变换器1和一氧化碳去除器2。
[0092]
[3
‑
3.效果等]
[0093]
如以上那样，本实施方式的燃料电池系统300具备：一氧化碳去除部，其去除氮的浓度超过25％的原料氢中所包含的一部分一氧化碳后排出含氢气体；以及第一燃料电池3，其使用该含氢气体来进行发电。
[0094]
一氧化碳去除部具有：变换器1，其通过变换反应去除原料氢中所包含的一部分一氧化碳；以及一氧化碳去除器2，其通过氧化反应去除从变换器1排出的含氢气体中所包含的一氧化碳。
[0095]
另外，本实施方式的燃料电池系统300具备：第二燃料电池5，其使用一次排气来进行发电，该一次排气是含氢气体中的未被用于发电而通过了第一燃料电池3的气体；以及第三燃料电池7，其使用二次排气来进行发电，该二次排气是一次排气中的未被用于发电而通过了第二燃料电池5的气体。
[0096]
第二燃料电池5的发电输出比第一燃料电池3的发电输出小，第三燃料电池7的发电输出比第二燃料电池5的发电输出小。
[0097]
由此，在本实施方式的燃料电池系统300中，第二燃料电池5能够使用从第一燃料电池3排出的一次排气来进行发电，第三燃料电池7能够使用从第二燃料电池5排出的二次
排气来进行发电。因此，燃料电池系统300能够不浪费地使用原料氢中所包含的氢。
[0098]
另外，本实施方式的燃料电池系统300具备燃烧器4，燃烧器4使用三次排气来加热一氧化碳去除部，该三次排气是二次排气中的未被用于发电而通过了第三燃料电池7的气体。
[0099]
由此，本实施方式的燃料电池系统300能够使用从第三燃料电池7排出的三次排气来加热一氧化碳去除部。因此，燃料电池系统300能够不浪费地使用原料氢。
[0100]
另外，本实施方式的燃料电池系统300具备氨去除器8，氨去除器8位于第一燃料电池3的上游，用于去除氨。
[0101]
由此，燃料电池系统300能够通过氨去除器8去除向第一燃料电池3供给的含氢气体中所包含的氨。因此，即使原料氢中包含氨，燃料电池系统300也能够稳定地进行发电。
[0102]
(其它实施方式)
[0103]
如以上那样，作为在本技术中公开的技术的例示，说明了实施方式1至实施方式3。然而，本公开的技术不限定于此，还能够应用于进行了变更、置换、附加、省略等的实施方式。另外，还能够将上述实施方式1至实施方式3中说明的各构成要素进行组合来形成为新的实施方式。
[0104]
因此，下面例示其它实施方式。
[0105]
在实施方式2中，说明了变换器1、一氧化碳去除器2、第一燃料电池3、第二燃料电池5以及燃烧器4各一个串联连接的结构。但是，不限于该结构，也可以是，如图4示出的燃料电池系统400那样，构成为分别具有多个变换器1a、1b、1c、一氧化碳去除器2a、2b、2c、第一燃料电池3a、3b、3c、第二燃料电池5a、5b以及燃烧器4a、4b、4c。
[0106]
如图4中示出的燃料电池系统400那样，在将多个设备并联地配置的情况下，通过使多个第二燃料电池5a、5b的发电输出的总和比多个第一燃料电池3a、3b、3c的发电输出的总和小，能够不浪费地使用原料氢中所包含的氢。
[0107]
另外，如图4所示，通过使第二燃料电池5a、5b的个数比第一燃料电池3a、3b、3c的个数少，即使是第一燃料电池3a、3b、3c各自的发电输出与第二燃料电池5a、5b各自的发电输出相同的装置，也能够使第二燃料电池5a、5b的发电输出的总和比第一燃料电池3a、3b、3c的发电输出的总和小。
[0108]
另外，在实施方式1至实施方式3中，作为一氧化碳去除部，使用了变换器1和一氧化碳去除器2这两方，但不限于此，也可以仅为变换器1和一氧化碳去除器2中的某一方。也可以是，根据原料氢中所包含的一氧化碳的浓度以及会使第一燃料电池3被毒化的一氧化碳的浓度等，来变更变换器1与一氧化碳去除器2的组合。
[0109]
在原料氢中所包含的一氧化碳的浓度高的情况下，也可以使用变换器1来降低一氧化碳。在原料氢中所包含的一氧化碳的浓度低的情况下，也可以仅使用一氧化碳去除器2来降低一氧化碳。另外，在向第一燃料电池3供给的含氢气体的一氧化碳浓度未被抑制为低浓度的情况下第一燃料电池3可能被一氧化碳毒化，在这种情况下，也可以使用一氧化碳去除器2。
[0110]
在实施方式1至实施方式3中，作为原料氢，除了包含氢、氮以及一氧化碳之外，有时还包含氨。
[0111]
在原料氢的氨浓度高且氨可能使第一燃料电池3被毒化的情况下，也可以如实施
方式3那样设置氨去除器8。另外，在原料氢中所包含的氨的浓度低且含氢气体中所包含的氨不会使第一燃料电池3被毒化的情况下，也可以不设置氨去除器8。
[0112]
在实施方式3中，将氨去除器8配置在一氧化碳去除器2与第一燃料电池3之间，但是，氨去除器8的设置部位在第一燃料电池3的上游侧即可，也可以不位于一氧化碳去除器2与第一燃料电池3之间。例如，也可以是，将氨去除器8设置在变换器1的上游侧，通过氨去除器8从原料氢中去除氨，向变换器1供给去除氨后的原料氢。另外，也可以是，在变换器1与一氧化碳去除器2之间设置氨去除器8。
[0113]
此外，上述的实施方式用于例示本公开中的技术，因此能够在权利要求书或者与其等同的范围内进行各种变更、置换、附加、省略等。
[0114]
产业上的可利用性
[0115]
本公开能够应用于使用包含氢、氮以及一氧化碳的原料氢来进行发电的燃料电池系统。具体地说，本公开能够应用于使用产业领域中所排出的含有剩余的氢的气体进行的发电等。
[0116]
附图标记说明
[0117]
1、1a、1b、1c：变换器；2、2a、2b、2c：一氧化碳去除器；3、3a、3b、3c：第一燃料电池；4、4a、4b、4c：燃烧器；5、5a、5b：第二燃料电池；6：硫去除部；7：第三燃料电池；8：氨去除器；100：燃料电池系统；200：燃料电池系统；300：燃料电池系统；400：燃料电池系统。