JP2006331680A - 燃料電池システム及びその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】改質条件を一定に維持することができ、水の供給量を可及的に削減することを可能にする。
【解決手段】燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２からの排ガスの一部により改質器２２を直接加熱する第１加熱機構７７ａと、前記排ガスの残余を熱交換器１８に供給するとともに、前記熱交換器１８で発生する熱により前記改質器２２を間接加熱する第２加熱機構７７ｂとを備える。改質器２２で予備改質された改質ガスは、アノード電極３４に供給される一方、このアノード電極３４には、生成水が水蒸気として存在し、前記改質ガスが水蒸気改質されて水素ガスが得られる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池スタック、熱交換器及び予備改質器を備える燃料電池システム及びその運転方法に関する。

通常、固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）は、電解質に酸化物イオン導電体、例えば、安定化ジルコニアを用いており、この電解質の両側にアノード電極及びカソード電極を配設した電解質・電極接合体（単セル）を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持している。この燃料電池は、通常、単セルとセパレータとが所定数だけ積層された燃料電池スタックとして使用されている。

この場合、上記の燃料電池に供給される燃料ガスは、通常、改質装置によって炭化水素系の原燃料から生成される水素ガスが使用されている。改質装置では、一般的に、メタンやＬＮＧ等の化石燃料等の炭化水素系の原燃料から改質原料ガスを得た後、この改質原料ガスに水蒸気改質や部分酸化改質、又はオートサーマル改質等を施すことにより、改質ガス（燃料ガス）が生成されている。

ところで、通常、原燃料として使用される都市ガスには、メタン（ＣＨ₄）の他に、エタン（Ｃ₂Ｈ₆）、プロパン（Ｃ₃Ｈ₆）及びブタン（Ｃ₄Ｈ₁₀）等の高炭素（Ｃ₂₊）炭化水素が含まれている。この種の高炭素炭化水素を固体電解質型燃料電池の燃料とする際には、改質処理を施してＣ₂₊の炭化水素を除去しておくことが好ましい。燃料配管やアノード電極に炭素が析出されて電池性能が劣化するおそれがあり、過剰な水蒸気を付加する必要があるからである。

このため、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池システムでは、図１２に示すように、水蒸気予備改質器１内において、５００℃以下の水蒸気予備改質器内温度で高炭素（Ｃ₂₊）炭化水素燃料を水蒸気と反応させて、水素及び湿量基準での測定で容積で２０％以上のメタンを含む燃料流を生成させている。そして、高温燃料電池２内には、燃料流と酸化剤とが供給されてメタンが改質されるとともに、前記高温燃料電池２のアノード（図示せず）における燃料流の反応と、カソード（図示せず）における酸化剤の反応とによって、発電が行われている。

特表２００３−５０７８６０号公報（図１）

しかしながら、上記の特許文献１では、水蒸気予備改質器１内の温度が５００℃以下にすると記載されているものの、この温度を一定温度に維持することは極めて困難である。従って、水蒸気予備改質器１内の温度を、常時、３００℃〜４００℃の最良温度範囲内に維持することができず、Ｓ／Ｃ（スチーム／カーボン）比を低く設定することができない。水蒸気予備改質器１内の温度が、Ｓ／Ｃ比に対して高くなると、炭素の析出（コーキング）が発生する可能性が高くなるからである。

このため、目標温度に対してＳ／Ｃ比を相当に高く設定する必要があり、改質反応に対し余分な水を供給しなければならない。これにより、水供給動力源、例えば、水ポンプの容量が大きくなってしまい、燃料電池の負荷が増大して経済的ではないという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、改質条件を一定に維持することができ、水の供給量を可及的に削減することが可能な燃料電池システム及びその運転方法を提供することを目的とする。

本発明は、電解質をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体とセパレータとが積層される燃料電池を設け、複数の前記燃料電池が積層される燃料電池スタックと、酸化剤ガスを前記燃料電池スタックに供給する前に加熱する熱交換器と、炭化水素を主体とする原燃料と水蒸気との混合燃料を水蒸気改質して燃料ガスを生成する予備改質器とを備える燃料電池システム及びその運転方法である。

先ず、発電反応に使用されて燃料電池スタックから排出される排ガスの一部は、第１加熱機構の作用下に予備改質器を直接加熱するための熱源として前記予備改質器に供給される。一方、排ガスの残余は、第２加熱機構の作用下に酸化剤ガスを加熱するための熱源として熱交換器に供給されるとともに、前記熱交換器で発生する熱が、前記予備改質器を間接加熱するための熱源として前記改質器に供給される。ここで、間接加熱とは、輻射熱乃至対流熱による加熱をいう。

次いで、直接加熱と間接加熱とが適宜制御されることにより、予備改質器が予め設定された改質条件値に維持される。そして、予備改質器により生成された燃料ガスが、アノード電極に供給されるとともに、電解質・電極接合体の発電反応により生成された生成水を用い、前記アノード電極上で前記燃料ガスが、直接、水蒸気改質されて水素燃料が得られる。

また、予備改質器及び熱交換器は、燃料電池スタックに近接して配設されるとともに、前記熱交換器は、前記予備改質器の外側に配設されることにより、前記熱交換器と前記予備改質器との間には、第２加熱機構を構成する間接加熱用空間が形成されることが好ましい。このため、間接加熱用空間を介して熱交換器から予備改質器に輻射熱乃至対流熱が供給され、前記予備改質器が良好に間接加熱される。

さらに、予備改質器は、混合燃料を予備改質器内部に流入する入口部と、改質後の燃料ガスを燃料電池スタックに供給する出口部とを有するとともに、前記入口部は、第１加熱機構を構成する排ガス導出部に近接して配置されることが好ましい。特に、水蒸気改質の吸熱反応により最も低温になり易い入口部を優先して加熱することができ、急激な温度低下を阻止して予備改質器内の温度を均一に維持することが可能になる。これにより、改質反応を一定にするとともに、Ｓ／Ｃ比も一定にすることができる。

さらにまた、改質条件値は、予備改質器の温度及び原燃料に対する炭素と水蒸気とのモル比を含むことが好ましく、前記予備改質器の温度は、３５０℃近傍であるとともに、前記原燃料と前記水蒸気とのモル比は、１．０近傍であることが好ましい。従って、コーキング限界までＳ／Ｃ比を低下させることが可能になり、水の供給量が削減されて燃料電池の負荷を有効に軽減することができる。

また、混合燃料を生成するために、水を蒸発させる蒸発器を備え、熱交換器、前記蒸発器及び予備改質器を含む流体部は、燃料電池スタックの一方の側に配置されるとともに、前記流体部は、前記燃料電池スタックの中心軸に対して軸対称に配設されることが好ましい。このため、温度が高くなる流体部を集約して配置することができ、前記流体部からの放熱を阻止して熱回収率の向上が図られる。しかも、熱応力や熱歪みが発生し難くなり、耐久性が良好に向上する。

本発明によれば、予備改質器は、排ガスの一部により直接加熱されるとともに、前記排ガスの残余が供給される熱交換器からの熱によって間接加熱されている。これにより、予備改質器は、直接加熱と間接加熱とを制御するだけで、予め設定された改質条件値に確実に維持され、コーキング限界までＳ／Ｃ比を下げることが可能になる。従って、水の供給量を削減することができ、水供給動力源、例えば、水ポンプの容量を大幅に削減して燃料電池の負荷を有効に軽減することが可能になる。

さらに、アノード電極では、予備改質によって高炭素炭化水素燃料が除去された、例えば、メタンを主成分とする燃料ガスが供給される。そして、アノード電極上では、電解質・電極接合体の発電反応により生成された生成水を用いて、燃料ガスが、直接、水蒸気改質されて水素燃料が得られる。このため、アノード電極での改質反応に生成水を利用することができ、燃料電池システム全体に投入される水の量が大幅に削減される。これにより、水の供給動力源を一挙に小型化して負荷の軽減を図るとともに、水の消費量の削減が可能になる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システム１０の概略構成説明図であり、図２は、前記燃料電池システム１０の一部断面説明図であり、図３は、前記燃料電池システム１０の要部断面図である。

燃料電池システム１０は、定置用の他、車載用等の種々の用途に用いられている。燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２と、前記燃料電池スタック１２の一方の側に配置される流体部１４と、前記燃料電池スタック１２及び前記流体部１４を収容する筐体１６とを備える。

流体部１４は、酸化剤ガスを燃料電池スタック１２に供給する前に加熱する熱交換器１８と、炭化水素を主体とする原燃料（例えば、都市ガス）と水蒸気との混合燃料を生成するために、水を蒸発させる蒸発器２０と、前記混合燃料を改質して改質ガスを生成する改質器２２とを備える。

改質器２２は、都市ガス中に含まれるエタン（Ｃ₂Ｈ₆）、プロパン（Ｃ₃Ｈ₆）及びブタン（Ｃ₄Ｈ₁₀）等の高炭素（Ｃ₂₊）炭化水素を、主としてメタン（ＣＨ₄）を含む原燃料ガスに水蒸気改質するための予備改質器であり、２００℃〜５００℃、より好ましくは、３００℃〜４００℃、さらに好ましくは、３５０℃の作動温度に設定される。改質器２２は、好ましくは、Ｓ／Ｃ比が１．０に設定される。

筐体１６内では、燃料電池スタック１２の他方の側に、前記燃料電池スタック１２を構成する複数の燃料電池２６の積層方向（矢印Ａ方向）に締め付け荷重を付与する荷重付与機構２４が配設される（図２及び図４参照）。流体部１４及び荷重付与機構２４は、燃料電池スタック１２の中心軸に対して軸対称に配設される。

燃料電池２６は、固体電解質型燃料電池である。この燃料電池２６は、図５及び図６に示すように、例えば、安定化ジルコニア等の酸化物イオン導電体で構成される電解質（電解質板）３０の両面に、カソード電極３２及びアノード電極３４が設けられた電解質・電極接合体３６を備える。

燃料電池２６は、作動温度が７００℃以上と高温であり、電解質・電極接合体３６では、アノード電極３４上で燃料ガス中のメタンが、生成水によって直接水蒸気改質されて水素燃料が得られる。

燃料電池２６は、一対のセパレータ３８間に複数、例えば、８個の電解質・電極接合体３６を挟んで構成される。セパレータ３８間には、このセパレータ３８の中心部である燃料ガス供給連通孔４０と同心円上に８個の電解質・電極接合体３６が配列される。燃料ガス供給連通孔４０の周囲には、酸化剤ガス供給部４１が気密に設けられる。

セパレータ３８は、図５に示すように、例えば、ステンレス合金等の板金で構成される１枚の金属プレートやカーボンプレート等で構成される。セパレータ３８は、中央部に燃料ガス供給連通孔４０を形成するとともに、複数の円板部４２を設ける。各円板部４２のアノード電極３４に接触する面には、前記アノード電極３４の電極面に沿って燃料ガスを供給するための燃料ガス通路４６を形成する第１突起部４８が設けられる。

各円板部４２のカソード電極３２に接触する面には、前記カソード電極３２の電極面に沿って酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス通路５０を形成する第２突起部５２が設けられる。図５及び図６に示すように、円板部４２には、燃料ガス通路４６に燃料ガスを供給するための燃料ガス導入口５４が形成される。

セパレータ３８のカソード電極３２に対向する面には、通路部材５６が、例えば、ろう付けやレーザ溶接等により固着される。通路部材５６は、中央部に燃料ガス供給連通孔４０を形成するとともに、前記燃料ガス供給連通孔４０から燃料ガス通路４６に連通する燃料ガス供給通路５８が形成される。セパレータ３８の外周には、使用済みの反応ガスである排ガスを排出するための排ガス排出路５９が設けられる。

図２及び図４に示すように、燃料電池スタック１２は、複数の燃料電池２６の積層方向両端にエンドプレート６０ａ、６０ｂを配置する。エンドプレート６０ａには、孔部６１を中心にして同一仮想円周上に孔部６２とねじ孔６４とが、交互に且つ所定の角度間隔ずつ離間して設けられる。孔部６２は、後述する空気通路８４に連通する。

筐体１６は、図２に示すように、荷重付与機構２４を収容する第１筐体部６６ａと、燃料電池スタック１２を収容する第２筐体部６６ｂとを備える。第１及び第２筐体部６６ａ、６６ｂ間は、エンドプレート６０ｂ及び前記エンドプレート６０ｂの第２筐体部６６ｂ側に絶縁材（図示せず）を介装してねじ６８及びナット７０により締め付けられる。

第２筐体部６６ｂには、流体部１４を構成する円筒状第３筐体部７２の一端部が接合されるとともに、前記第３筐体部７２の他端部には、ヘッド板７４が固着される。第３筐体部７２内には、発電に使用されて燃料電池スタック１２の排ガス排出路５９から排出される排ガスを流体部１４に流すための排ガス通路７６が設けられる。

図１及び図３に示すように、排ガス通路７６は、排ガスの一部を、改質器２２を直接加熱するための熱源として前記改質器２２に供給する第１加熱機構７７ａと、前記排ガスの残余を、酸化剤ガスを加熱するための熱源として熱交換器１８に供給するとともに、前記熱交換器で発生する熱を、前記改質器２２を間接加熱するための熱源として前記改質器２２に供給する第２加熱機構７７ｂとに接続される。

第１加熱機構７７ａは、排ガス通路７６に連通する第１通路部７８を備える一方、第２加熱機構７７ｂは、前記排ガス通路７６に連通する第２通路部８０を備え、前記第２通路部８０の下流には、水を蒸発させるための熱源として排ガスを蒸発器２０に供給する第３通路部８２が連通する。第１通路部７８は、壁部８１に形成された複数の孔部８１ａを介して主流路である第２通路部８０から分岐するとともに、整流孔（排ガス導出部）８３を介して改質器２２側に開放される。

改質器２２と蒸発器２０とは、燃料電池スタック１２から離間する方向（矢印Ａ１方向）に沿って順次配設されるとともに、熱交換器１８は、前記改質器２２の外側に配設される。熱交換器１８と改質器２２との間には、第２加熱機構７７ｂを構成する間接加熱用空間８５が形成される。

熱交換器１８及び改質器２２は、燃料電池スタック１２に可及的に近接しており、この燃料電池スタック１２の排ガス排出路５９には、排ガス通路７６から第２加熱機構７７ｂを構成する第２通路部８０が直接連通する。この第２通路部８０は、熱交換器１８内に設けられる一方、前記熱交換器１８内には、被加熱流体である空気を排ガスと対向流に流すための空気通路８４が、前記第２通路部８０に近接して設けられる。この空気通路８４は、ヘッド板７４に接続される空気供給管８６に連通する。

蒸発器２０は、互いに同軸上に配設される外筒部材８８と内筒部材９０とを備えるとともに、前記外筒部材８８と前記内筒部材９０との間には、二重管９２が螺旋状に配設される。図３及び図７に示すように、二重管９２は、外管９４ａと内管９４ｂとを備え、前記外管９４ａと外筒部材８８及び内筒部材９０との間には、第３通路部８２が形成される。

外管９４ａと内管９４ｂとの間には、原燃料通路９６が形成される一方、前記内管９４ｂ内には、水通路９８が形成される。内管９４ｂには、蒸発器２０の下流側に位置して複数の孔部１００が形成される。孔部１００は、例えば、直径が１０μｍ〜１００μｍに設定される。

二重管９２の上流側端部は、ヘッド板７４を貫通して外部に延在するとともに、前記二重管９２の下流側端部は、内管９４ｂが終端して外管９４ａのみが矢印Ａ２方向に延在する。この外管９４ａには、混合燃料供給管１０１の一端が接続され、前記混合燃料供給管１０１の他端は、改質器２２の入口部１０２に連結される（図３参照）。混合燃料供給管１０１は、燃料電池スタック１２側に延在して入口部１０２に連結されるとともに、この入口部１０２は、排ガス通路７６から分岐する第１通路部７８に連通する整流孔８３に近接して配置される。改質器２２に沿う混合燃料の流れ方向と、熱交換器１８に沿う排ガスの流れ方向とは、略平行流（矢印Ａ方向）に設定される。

図８に示すように、改質器２２は、入口部１０２が形成される蓋１０８を備え、この蓋１０８を端部にして第１受け部材１１０と第２受け部材１１２とが交互に接続される。図８及び図９に示すように、第１及び第２受け部材１１０、１１２は、略プレート状に形成されており、前記第１受け部材１１０の中央部には、孔部１１４が形成される。第２受け部材１１２の外周縁部には、同一円周上に複数の孔部１１６が形成される。

第１及び第２受け部材１１０、１１２間には、複数の改質用触媒ペレット１１８が挟持される。触媒ペレット１１８は、円柱状に形成され、例えば、セラミックス化合物の基台にニッケル系触媒が設けられて構成される。

改質器２２内には、第１受け部材１１０の孔部１１４と第２受け部材１１２の孔部１１６とを通って蛇行しながら矢印Ａ方向に延在する改質用通路１２０が形成される。改質器２２の下流側（矢印Ａ１方向端部側）には、出口部１２２が設けられ、この出口部１２２に改質ガス供給路１２４の一端が接続される（図８参照）。改質ガス供給路１２４は、図３に示すように、改質器２２の軸方向に沿って延在し、エンドプレート６０ａの孔部６１に嵌合されて燃料ガス供給連通孔４０に連通する。

ヘッド板７４には、蒸発器２０の第３通路部８２に連通する主排気管１２６と、前記蒸発器２０の中央部に位置して改質器２２の外周に沿って矢印Ａ１方向に移動する排ガスを排出するための排気管１２８とが接続される。

蒸発器２０を構成する外筒部材８８の外周には、筒状カバー１２９が配設される。この筒状カバー１２９と外筒部材８８との間には、閉塞された断熱層１２９ａが形成されるとともに、前記断熱層１２９ａには、第２通路部８０に連通して排ガスの一部が充填される。

図１に示すように、燃料電池システム１０は、改質器２２の温度を検出する、例えば、熱電対等の複数の温度センサ１３０ａ〜１３０ｄと、第１加熱機構７７ａに供給される排ガス流量を調整する開閉バルブ１３２と、前記改質器２２を予め設定された改質条件値に維持するために、前記開閉バルブ１３２を調整して前記第１加熱機構７７ａ及び第２加熱機構７７ｂから前記改質器２２に供給される熱量の比率を調整する制御装置（制御機構）１３４とを備える。なお、制御装置１３４は、燃料電池システム１０全体の制御をも行う。

温度センサ１３０ａは、改質器２２の入口部１０２に近接して配置されるとともに、温度センサ１３０ｂ〜１３０ｄは、前記改質器２２の混合燃料流れ方向（矢印Ａ１方向）に沿って、順次、配設され、温度センサ１３０ｄは、前記改質器２２の出口部１２２に最も近接する。開閉バルブ１３２は、排気管１２８に設けられている。なお、この開閉バルブ１３２に代替して、開度調整可能な可変絞りバルブ等を採用してもよい。

図２に示すように、荷重付与機構２４は、燃料ガス供給連通孔４０の近傍に対して第１締め付け荷重Ｔ１を付与する第１締め付け部１４０ａと、電解質・電極接合体３６に対して前記第１締め付け荷重Ｔ１よりも小さな第２締め付け荷重Ｔ２を付与する第２締め付け部１４０ｂとを備える（Ｔ１＞Ｔ２）。

第１締め付け部１４０ａは、図２及び図４に示すように、エンドプレート６０ａの一方の対角位置に設けられるねじ孔６４、６４に螺合する短尺な第１締め付けボルト１４２ａ、１４２ａを備える。第１締め付けボルト１４２ａ、１４２ａは、燃料電池２６の積層方向に延在するとともに、第１押圧プレート１４４ａに係合する。第１押圧プレート１４４ａは、幅狭な板状を有しており、燃料ガス供給連通孔４０を覆ってセパレータ３８の中央部に係合する。

第２締め付け部１４０ｂは、長尺な第２締め付けボルト１４２ｂ、１４２ｂを備え、前記第２締め付けボルト１４２ｂ、１４２ｂは、エンドプレート６０ａの他方の対角位置に設けられるねじ孔６４、６４に螺合する。第２締め付けボルト１４２ｂ、１４２ｂの端部は、外周湾曲形状の第２押圧プレート１４４ｂを貫通し、この端部にナット１４６が螺合する。前記第２押圧プレート１４４ｂの各円弧状部には、燃料電池２６の円板部４２に配置される各電解質・電極接合体３６に対応してスプリング１４８及び台座１４９が配設される。スプリング１４８は、例えば、セラミックススプリングにより構成される。

このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。

図３及び図７に示すように、蒸発器２０を構成する二重管９２の原燃料通路９６には、例えば、都市ガス（ＣＨ₄、Ｃ₂Ｈ₆、Ｃ₃Ｈ₈及びＣ₄Ｈ₁₀を含む）等の原燃料が供給されるとともに、前記二重管９２の水通路９８には、水が供給される。さらに、空気供給管８６には、酸化剤ガスである、例えば、空気が供給される。

蒸発器２０では、原燃料が二重管９２内の原燃料通路９６に沿って螺旋状に移動するとともに、水が水通路９８に沿って螺旋状に移動する一方、第３通路部８２には、後述する排ガスが流通している。このため、水通路９８を移動する水が、内管９４ｂの下流側に形成されている複数の孔部１００から原燃料通路９６に水蒸気化されて噴出される。

その際、原燃料通路９６を流れる原燃料に水蒸気が混在されて混合燃料が得られ、この混合燃料は、外管９４ａに連結された混合燃料供給管１０１を介して改質器２２の入口部１０２に供給される。図８に示すように、入口部１０２から改質器２２内に供給される混合燃料は、第１受け部材１１０の孔部１１４を通って第１及び第２受け部材１１０、１１２間に挟持されている複数の触媒ペレット１１８によって改質される。さらに、この混合燃料は、第２受け部材１１２の外周縁部に形成された孔部１００から次なる触媒ペレット１１８に供給される。

これにより、混合燃料は、改質器２２内を蛇行する改質用通路１２０に沿って移動しながら水蒸気改質され、Ｃ₂₊の炭化水素が除去（改質）されてメタンを主成分とする改質ガス（燃料ガス）が得られる。この改質ガスは、改質器２２の出口部１２２に連通する改質ガス供給路１２４を通って燃料電池スタック１２の燃料ガス供給連通孔４０に供給される。改質器２２の軸方向に沿って延在した改質ガス供給路１２４は、第１通路部７８により分岐された排ガス及び熱交換器１８からの輻射熱によって加熱され、発電反応ができる温度域（例えば、６００℃）まで昇温される。

図５及び図６に示すように、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔４０から燃料ガス供給通路５８に沿って移動し、円板部４２の燃料ガス導入口５４から燃料ガス通路４６に導入される。燃料ガス導入口５４は、各電解質・電極接合体３６のアノード電極３４の略中央位置に設定されている。このため、燃料ガスは、燃料ガス導入口５４からアノード電極３４の略中央に供給される一方、前記アノード電極３４には、発電反応による生成水が水蒸気として存在している。従って、アノード電極３４上では、燃料ガス中のメタンが、直接、水蒸気改質されて水素ガスが得られ、この水素ガスを主成分とする該燃料ガスは、燃料ガス通路４６に沿って前記アノード電極３４の外周部に向かって移動する。

一方、図３に示すように、空気供給管８６から熱交換器１８に供給される空気は、この熱交換器１８の空気通路８４に沿って移動する際、第２通路部８０に沿って移動する後述する燃焼排ガスとの間で熱交換が行われ、所望の温度に予め加温されている。熱交換器１８で加温された空気は、図５及び図６に示すように、燃料電池スタック１２の酸化剤ガス供給部４１に供給され、電解質・電極接合体３６の内側周端部と円板部４２の内側周端部との間から矢印Ｂ方向に流入する。従って、空気は、酸化剤ガス通路５０に沿って電解質・電極接合体３６のカソード電極３２の内側周端部から外側周端部に向かって流動する。

これにより、電解質・電極接合体３６では、アノード電極３４に沿って燃料ガスが供給されるとともに、カソード電極３２に沿って空気が供給され、電気化学反応により発電が行われる。この発電時に、アノード電極３４には、生成水が生成される。

各電解質・電極接合体３６の外周部に排出される排ガスは、排ガス排出路５９を介して積層方向に移動し、排ガス通路７６に導入される。排ガス通路７６に導入された高温（７００℃前後）の排ガスは、図３に示すように、一部が孔部８１ａを介して第１通路部７８に分岐され、壁部８１の整流孔８３から改質器２２の入口部１０２に供給される。改質器２２の入口部１０２を集中的に加熱した排ガスは、蒸発器２０の内側を通って排気管１２８から外部に排出される。

一方、排ガス通路７６の第２通路部８０に供給された残余の排ガスは、熱交換器１８内を通って空気と熱交換を行い、この空気を所望の温度に加温して温度低下が惹起される。この排ガスは、一部が断熱層１２９ａに充填されるとともに、残余の部分が第２通路部８０に連通する第３通路部８２に導入される。この第３通路部８２は、蒸発器２０を構成する二重管９２と外筒部材８８及び内筒部材９０との間に形成されており、排ガスは前記二重管９２の水通路９８を通過する水を蒸発させる。従って、原燃料通路９６には、原燃料に水蒸気が混合された混合燃料を確実に生成することができる。なお、蒸発器２０を通過した排ガスは、主排気管１２６を介して外部に排出される。

この場合、第１の実施形態では、図１に示すように、排ガス通路７６に排出された排ガスの一部を改質器２２に直接供給する第１加熱機構７７ａと、前記排ガスの残余を熱交換器１８に供給するとともに、前記熱交換器１８で発生する熱を、前記改質器２２を間接加熱するための熱源として空間８５から該改質器２２に供給する第２加熱機構７７ｂとが設けられている。

このため、改質器２２は、第１加熱機構７７ａを構成する第１通路部７８から供給される排ガスの一部によって直接加熱されるとともに、熱交換器１８で発生する熱は、空間８５を介して輻射熱乃至対流熱として前記改質器２２を間接加熱する。

その際、制御装置１３４では、改質器２２に装着されている複数の温度センサ１３０ａ〜１３０ｄにより検出された前記改質器２２の各部位における検出温度ｔが入力されている。この制御装置１３４では、予め設定された改質条件値の中、設定温度Ｔ（例えば、３５０℃）と検出温度ｔとが比較される。そして、検出温度ｔ＝設定温度Ｔとなるように、開閉バルブ１３２の開閉制御が行われる。

具体的には、熱交換器１８から間接加熱されることで、改質器２２を均熱化するが、検出温度ｔが設定温度Ｔよりも低い場合（ｔ＜Ｔ）、検出温度ｔが設定温度Ｔに等しい場合（ｔ＝Ｔ）に比較して開閉バルブ１３２が開放される。このため、排ガス通路７６から第１通路部７８に導入される排ガス流量が増加され、排ガスによる改質器２２の直接加熱が促進される。これにより、検出温度ｔと設定温度Ｔとの温度差を縮めるように作動する。従って、第１通路部７８から供給される排ガスによる直接加熱と、熱交換器１８から輻射熱乃至対流熱による間接加熱とがバランスされる。

さらにまた、検出温度ｔが設定温度Ｔよりも高い場合（ｔ＞Ｔ）、検出温度ｔが設定温度Ｔに等しい場合（ｔ＝Ｔ）に比較して開閉バルブ１３２が閉塞される。これにより、改質器２２の排ガスによる直接加熱が停止され、熱交換器１８からの間接加熱が継続して行われる。

上記の制御が行われることによって、燃料電池システム１０の運転状態が変動しても、改質器２２を所定の設定温度Ｔに正確に温度調整することができる。このため、改質器２２は、予め設定された改質条件値、すなわち、例えば、３５０℃に均温できることからＳ／Ｃ比＝１．０に設定することも可能となり、その結果、コーキング限界までＳ／Ｃ比を下げることが可能になる。

しかも、燃料電池スタック１２では、改質器２２により生成された燃料ガス、すなわち、メタンを主成分とする燃料ガスが、アノード電極３４に供給されている。その際、アノード電極３４には、電解質・電極接合体３６の発電反応により生成された生成水が水蒸気として存在している。従って、アノード電極３４上では、燃料ガス中のメタンが、直接、水蒸気改質されて水素ガスが得られ、発電反応に利用できる。

これにより、アノード電極３４での改質反応に生成水を利用することができ、改質器２２において水蒸気改質に要する水分量を最小限にできることから、通常の発電反応の温度（７００℃〜８００℃）でコーキングしてしまう水分量でもコーキングすることなく発電反応を継続でき、燃料電池システム１０全体に投入される水の量が大幅に削減される。このため、水の供給動力源、例えば、水ポンプ（図示せず）の容量及び水の消費量を大幅に削減することが可能になり、燃料電池スタック１２の負荷が有効に軽減されるとともに、新たに水を供給する必要がなくなることで水の消費量の削減が可能になる。

従って、過剰に水を供給する必要がなくなるため、燃料電池スタック１２の発電性能が有効に発揮されるとともに、特に金属部材であるセパレータ３８のアノード電極３４側が水蒸気により酸化されることを低減し、耐久性の向上を図ることができるという効果が得られる。

この他にも、水の供給量を削減することで、排ガス中に含まれる水蒸気量も少なくする。換言すれば、排ガスから失っていた水蒸気の潜熱を減らすことができ、排熱回収が容易になる。このため、熱交換器１８や蒸発器２０に過大な性能を要求する必要がなくなり、コンパクト化できる。

さらに、改質器２２を直接加熱及び／又は間接加熱するための熱源として、燃料電池スタック１２から排出される排ガスを利用している。これにより、排熱の回収率が有効に向上して経済的であるという利点がある。

さらにまた、改質器２２では、水蒸気改質が行われており、特に、入口部１０２の近傍で温度低下が惹起し易い。その際、改質器２２の入口部１０２を、高温の排ガスにより集中して加熱することによって、前記改質器２２の温度低下を有効に抑制することができる。

さらに、熱交換器１８、蒸発器２０及び改質器２２を含む流体部１４は、燃料電池スタック１２の一方の側に配置されるとともに、前記流体部１４は、前記燃料電池スタック１２の中心軸に対して軸対称に配設されている。従って、燃料電池システム１０内で温度が高くなる流体部１４を、同一の領域内に集約することができ、前記流体部１４からの放熱が抑制されて熱回収率を高めることが可能になる。しかも、流体部１４が軸対称であるため、熱応力や熱歪が発生し難く、耐久性が向上するという利点がある。

しかも、熱交換器１８及び改質器２２は、燃料電池スタック１２に近接して配設されており、前記燃料電池スタック１２からの熱授受が容易且つ確実になって、熱回収率を高めることができる。

図１１は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムを構成する流体部１５０の概略構成説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池システム１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。

流体部１５０は、熱交換器１８と改質器２２と蒸発器１５２とを備える。この流体部１５０は、燃料電池スタック１２の一方の側に配置されるとともに、前記燃料電池スタック１２の中心軸に対して軸対称に配置される。流体部１５０では、改質器２２の外側に蒸発器１５２が配設されるとともに、この蒸発器１５２の外側に熱交換器１８が配設される。

このように構成される第２の実施形態では、熱交換器１８の内側に蒸発器１５２及び改質器２２が配設されており、この改質器２２を前記熱交換器１８からの輻射熱及び対流熱で温めることができるとともに、前記蒸発器１５２の断熱性が有効に向上し、水蒸気を発生し易くなるという効果が得られる。しかも、流体部１５０は矢印Ａ方向の寸法が有効に短尺化され、燃料電池システム全体の小型化が容易に図られる。

本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池システムの概略構成説明図である。 前記燃料電池システムの一部断面説明図である。 前記燃料電池システムを構成する流体部の要部断面説明図である。 前記燃料電池システムを構成する燃料電池スタックの概略斜視説明図である。 前記燃料電池スタックを構成する燃料電池の分解斜視説明図である。 前記燃料電池のガス流れ状態を示す一部分解斜視説明図である。 前記燃料電池システムを構成する蒸発器の要部斜視説明図である。 前記燃料電池システムを構成する改質器の一部断面説明図である。 前記改質器の要部分解斜視図である。 前記改質器の長さ方向の温度を調整する際の説明図である。 本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池システムを構成する流体部の要部断面説明図である。 従来技術の燃料電池システムにおける発電方法の説明図である。

符号の説明

１０…燃料電池システム １２…燃料電池スタック
１４、１５０…流体部 １６…筐体
１８…熱交換器 ２０、１５２…蒸発器
２２…改質器 ２４…荷重付与機構
２６…燃料電池 ３０…電解質
３２…カソード電極 ３４…アノード電極
３６…電解質・電極接合体 ３８…セパレータ
５９…排ガス排出路 ６０ａ、６０ｂ…エンドプレート
６６ａ、６６ｂ、７２…筐体部 ７６…排ガス通路
７７ａ、７７ｂ…加熱機構 ７８、８０、８２…通路部
８３…整流孔 ８４…空気通路
８５…空間 ８６…空気供給管
８８…外筒部材 ９０…内筒部材
９２…二重管 ９４ａ…外管
９４ｂ…内管 ９６…原燃料通路
９８…水通路 １００、１１４、１１６…孔部
１０１…混合燃料供給管 １０２…入口部
１１０、１１２…受け部材 １１８…触媒ペレット
１２０…改質用通路 １２２…出口部
１２４…改質ガス供給路 １２６…主排気管
１２８…排気管 １２９…筒状カバー
１２９ａ…断熱層 １３０ａ〜１３０ｄ…温度センサ
１３２…開閉バルブ １３４…制御装置

Claims (10)

1. 電解質をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体とセパレータとが積層される燃料電池を設け、複数の前記燃料電池が積層される燃料電池スタックと、酸化剤ガスを前記燃料電池スタックに供給する前に加熱する熱交換器と、炭化水素を主体とする原燃料と水蒸気との混合燃料を水蒸気改質して燃料ガスを生成する予備改質器とを備える燃料電池システムであって、
   発電反応に使用されて前記燃料電池スタックから排出される排ガスの一部を、前記予備改質器を直接加熱するための熱源として前記予備改質器に供給する第１加熱機構と、
   前記排ガスの残余を、前記酸化剤ガスを加熱するための熱源として前記熱交換器に供給するとともに、前記熱交換器で発生する熱を、前記予備改質器を間接加熱するための熱源として前記予備改質器に供給する第２加熱機構と、
   前記第１及び第２加熱機構を制御することにより、前記予備改質器を予め設定された改質条件値に維持する制御機構と、
   を備え、
   前記予備改質器により生成された前記燃料ガスを前記アノード電極に供給するとともに、前記電解質・電極接合体の発電反応により生成された生成水を用い、前記アノード電極上で前記燃料ガスを水蒸気改質することを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記予備改質器及び前記熱交換器は、前記燃料電池スタックに近接して配設されるとともに、
   前記熱交換器は、前記予備改質器の外側に配設されることにより、前記熱交換器と前記予備改質器との間には、前記第２加熱機構を構成する間接加熱用空間が形成されることを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池システムにおいて、前記予備改質器は、前記混合燃料を予備改質器内部に流入する入口部と、
   改質後の燃料ガスを前記燃料電池スタックに供給する出口部と、
   を有するとともに、
   前記入口部は、前記第１加熱機構を構成する排ガス導出部に近接して配置されることを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記改質条件値は、前記予備改質器の温度及び前記原燃料に対する炭素と前記水蒸気とのモル比を含むことを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項４記載の燃料電池システムにおいて、前記予備改質器の温度は、３５０℃近傍であるとともに、前記原燃料に対する炭素と前記水蒸気とのモル比は、１．０近傍であることを特徴とする燃料電池システム。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記混合燃料を生成するために、水を蒸発させる蒸発器を備え、
   前記熱交換器、前記蒸発器及び前記予備改質器を含む流体部は、前記燃料電池スタックの一方の側に配置されるとともに、
   前記流体部は、前記燃料電池スタックの中心軸に対して軸対称に配設されることを特徴とする燃料電池システム。
7. 電解質をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体とセパレータとが積層される燃料電池を設け、複数の前記燃料電池が積層される燃料電池スタックと、酸化剤ガスを前記燃料電池スタックに供給する前に加熱する熱交換器と、炭化水素を主体とする原燃料と水蒸気との混合燃料を水蒸気改質して燃料ガスを生成する予備改質器とを備える燃料電池システムの運転方法であって、
   発電反応に使用されて前記燃料電池スタックから排出される排ガスの一部を、前記予備改質器を直接加熱するための熱源として前記予備改質器に供給する工程と、
   前記排ガスの残余を、前記酸化剤ガスを加熱するための熱源として前記熱交換器に供給するとともに、前記熱交換器で発生する熱を、前記予備改質器を間接加熱するための熱源として前記予備改質器に供給する工程と、
   前記予備改質器の直接加熱と間接加熱とを制御することにより、前記予備改質器を予め設定された改質条件値に維持する工程と、
   前記予備改質器により生成された前記燃料ガスを前記アノード電極に供給するとともに、前記電解質・電極接合体の発電反応により生成された生成水を用い、前記アノード電極上で前記燃料ガスを水蒸気改質する工程と、
   を有することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
8. 請求項７記載の運転方法において、前記予備改質器は、前記混合燃料を予備改質器内部に流入する入口部と、改質後の燃料ガスを前記燃料電池スタックに供給する出口部とを有するとともに、
   前記入口部は、前記第１加熱機構を構成する排ガス導出部に近接して配置され、前記排ガス導出部から前記入口部に前記排ガスを供給することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
9. 請求項７又は８記載の運転方法において、前記改質条件値は、前記予備改質器の温度及び前記原燃料に対する炭素と前記水蒸気とのモル比を含むことを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
10. 請求項９記載の運転方法において、前記予備改質器の温度は、３５０℃近傍であるとともに、前記原燃料に対する炭素と前記水蒸気とのモル比は、１．０近傍であることを特徴とする燃料電池システムの運転方法。

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