JP2008135305A - 燃料電池装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の起動時から発電初期の燃料電池の発電により生じる排ガス中の有害成分を効率的に浄化することができる燃料電池装置を提供する。
【解決手段】燃料電池２と、燃料電池２の発電により生じる排ガスの熱を回収するための熱交換器４と、排ガス中の有害成分を浄化するための燃焼触媒６を有する浄化装置３とを具備する燃料電池装置１であって、浄化装置３は、燃料電池２の発電により生じる排ガスが内部を流通して熱交換器４に排出され、燃焼触媒６を加熱するための加熱装置を有することにより、燃焼触媒６の活性を向上させることができることから、燃料電池の起動時から発電初期の燃料電池の発電により生じる排ガスを効率的に浄化することができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池の発電により生じる排ガスを効率的に浄化できる燃料電池装置、特には固体電解質形燃料電池に好適に採用できる燃料電池装置に関する。

近年、次世代エネルギーとして、燃料電池セルを複数配列してなる燃料電池セルスタックを収納容器内に収納した燃料電池やその運転方法（システム）が種々提案されている。また、あわせて燃料電池より排出された排気ガスと水とで熱交換する熱交換器を具備する燃料電池装置が提案されている。

このような燃料電池の発電においては、改質器にて炭化水素系燃料を改質し、改質した燃料ガスと酸素含有ガスとを燃料電池本体へ供給して発電が行なわれる。

ところで、燃料電池の発電により生じる排ガス中には、特に高効率発電時（即ち高い燃料利用率での運転時）や高い空気利用率での運転時における不完全燃焼等により生じる一酸化炭素や、未燃焼の燃料ガスなどをはじめとする有害成分を含有する場合がある。

これらの有害成分を含有する排ガスをそのまま排気すると、安全性や環境等への影響が懸念される。それゆえ、燃料電池の発電により生じる排ガス中に含有される有害成分を除去するための手段を設けた燃料電池が提案されており、例えばハウジング内に複数の固体酸化物形燃料電池セルを収納するとともに、燃料電池セルより排出された燃焼排ガスを浄化する浄化装置（例えば、燃焼触媒を用いる浄化装置）を具備する燃料電池が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００６−３２２９１号公報

ここで燃焼触媒は、例えば排ガス中の有害成分の１つである一酸化炭素を二酸化炭素に酸化する機能を有するが、燃焼触媒が効果的に作動するためにはある程度の排気ガス温度、触媒温度が必要となってくる。また触媒の種類により、活性の温度範囲が異なり、低温型とされる燃焼触媒であっても、５０℃以下等の低温では特に活性が低い（もしくは活性がない）ことが知られている。

ところで、燃料電池の起動時から発電初期においては、昇温のために高温の燃焼排ガスと常温の各種熱交換を行うため、燃料電池全体の温度は徐々に上昇するものの、排ガス自体の温度上昇は比較的遅くなる。すなわち、燃料電池の起動時から発電初期にかけて多く有害成分が排出される傾向がある。それゆえ、浄化装置として燃焼触媒を用いた場合であっても、有害成分を効率よく除去することが困難となるおそれがあった。

それゆえ、本発明は、燃料電池の起動時から発電初期であっても、効率よく有害成分を除去することが可能な燃料電池装置を提供することにある。

本発明の燃料電池装置は、燃料電池と、該燃料電池の発電により生じる排ガスの熱を回収するための熱交換器と、前記排ガスを浄化するための燃焼触媒を内部に有する浄化装置とを具備する燃料電池装置であって、前記浄化装置は、前記燃料電池より生じる前記排ガスが内部を流通して前記熱交換器に排出される形状であるとともに、前記燃焼触媒を加熱するための加熱装置を有することを特徴とする。

本発明の燃料電池装置は、燃料電池の発電により生じる排ガスを浄化するための燃焼触媒を内部に有する浄化装置に、燃焼触媒の温度を上昇させるための加熱装置を設けることにより、加熱装置より直接燃焼触媒を加熱する、もしくは加熱装置を介して間接的に燃焼触媒を加熱することで、効率よく燃焼触媒の温度を上昇させることができる。

それにより、燃焼触媒の温度を高めることで、燃焼触媒の活性が向上することから、燃料電池の発電により生じる排ガスを、効率よく浄化することができる。

また、浄化装置は、燃料電池より生じる排ガスが内部を流通して熱交換器に排出される形状であることから、排ガス中の有害成分を除去（転化）することができる。

したがって、本発明の浄化装置を備える燃料電池装置は、燃料電池の起動時から発電初期であっても、効率よく排ガスを浄化することができる。

また本発明の燃料電池装置は、前記浄化装置が伝熱板により形成されるとともに、前記伝熱板が前記加熱装置の機能を有することが好ましい。

浄化装置を伝熱板により形成するとともに、伝熱板が加熱装置の機能を有することで、燃料電池の発電により生じた排ガスの熱を浄化装置に伝熱する、さらにはヒーターやバーナー等で浄化装置を直接加熱することで、浄化装置（伝熱板）を介して燃焼触媒を加熱することができる。それにより、浄化装置（伝熱板）を介してさらに効率よく燃焼触媒の温度を高めることができる。

また本発明の燃料電池装置は、前記加熱装置が伝熱板であって、該伝熱板が前記浄化装置の前記燃料電池の発電により生じる前記排ガスが流れる排ガス流路に沿って設けられていることが好ましい。

本発明においては、加熱装置を伝熱板とするとともに、伝熱板を浄化装置内の排ガス流路に沿って設けることにより、燃料電池の起動時から発電初期であっても、その排ガスの熱を効率よく伝熱板に伝熱させることができる。それにより、伝熱板を介して燃焼触媒の温度を高めることができる。

それゆえ、燃料電池の発電により生じる排ガスを、効率よく浄化することができるとともに、燃料電池の発電により生じる排ガスを、より有効利用することができる。

また本発明の燃料電池装置は、前記浄化装置に、該浄化装置に着脱可能で、かつ内部を排ガスが流通するカートリッジを設けるとともに、該カートリッジは前記伝熱板により形成されるとともに、内部に前記燃焼触媒を有することが好ましい。

本発明においては、浄化装置に着脱可能なカートリッジの内部に燃焼触媒を有することから、浄化装置のメンテナンス等で燃焼触媒を交換する際に、浄化装置を分解等する必要がなく、新しい燃焼触媒が充填されたカートリッジを入れ替える、もしくは洗浄装置よりカートリッジを取り外して、その内部の燃焼触媒を入れ替える等により、燃焼触媒の交換を行なうことができる。それゆえ、燃焼触媒の交換が容易となる。

さらに、例えばカートリッジの内部を排ガスが流通するとともに、カートリッジが伝熱板により形成されていることから、燃料電池の発電により生じた排ガスの熱により、カートリッジを形成する伝熱板を介して効率よく燃焼触媒の温度を高めることができ、燃料電池の発電により生じる排ガスを、効率よく浄化することができる。

本発明の燃料電池装置は、燃焼触媒を有する浄化装置に、燃焼触媒の温度を上昇させるための加熱手段を設けることにより、効率よく燃焼触媒の温度を上昇させ、燃焼触媒の活性を向上させることにより、燃料電池の起動時から発電初期に生じる排ガスを、効率よく浄化することができる。

図１は、本発明の燃料電池装置１を簡略化して示すブロック図である。なお、図１で示すブロック図では、本発明の燃料電池装置１において重要となる部材のみを示している。なお、同一の部材については同一の番号を付するものとし、以下同様とする。また、図１で示す矢印は、燃料電池の発電により生じた排ガスの流れ方向を示している。

燃料電池本体内には、電解質を一対の電極で挟んだ燃料電池セルの集合体である燃料電池２が収納されており、燃料電池２に燃料ガスおよび酸素含有ガスが供給されて、燃料電池２の発電が行なわれる。

燃料電池２の発電により生じた排ガスは、排気流路５を介して、燃焼触媒６を含有する浄化装置３を流通する。その際、浄化装置３の内部に含有される燃焼触媒６により排ガス中に含有される一酸化炭素等の有害成分が除去（転化）されて、排ガスが浄化される。そして、浄化された排ガスは、続いて熱交換器４を介して排ガスの熱と空気や燃料ガス、及び、水の少なくとも１つ以上とで熱交換された後、排気流路５より排出される。なお、熱交換器４にて熱交換された後の湯水は、貯湯タンク（図示せず）に貯湯することができる。

燃料電池の発電により生じた排ガス中には、一酸化炭素などをはじめとする有害成分を含有する場合がある。この有害成分を含有する排ガスをそのまま燃料電池装置１の外部に排気すると、安全性の問題や、環境等への影響が懸念される。それゆえ、燃料電池の発電により生じる排ガスを排気するにあたっては、排ガス中に含まれる有害成分を除去（転化）した後に排気する必要がある。

本発明においては、燃料電池２の発電により生じた排ガスが内部を流通して熱交換器４に排出する浄化装置３を具備する。

ここで、燃焼触媒６としては、一般的に知られている燃焼触媒を用いることができ、例えば、白金、パラジウム等の貴金属類の他、マンガン、コバルト、銀、銅、ニッケル等を用いることができ、浄化する有害成分に応じて、適宜選択して使用することができる。

また、燃焼触媒の形状としては、例えば球状、ハニカム形状、タブレット形状等を用いることができ、図２は浄化装置３の内部にタブレット形状（円柱状）の燃焼触媒６を有する場合を示している。なお、実際にはタブレット状の触媒は密に充填されており、必要以上の隙間は空いていないのが好ましい。

燃料電池の発電により生じる排ガス中の有害成分は、特に燃料電池の起動時から発電初期にかけて多く排出される傾向がある。それゆえ、燃料電池の起動時から発電初期において効率的に有害成分を除去（転化）する必要がある。

しかしながら、燃焼触媒は、その種類や浄化対象となる有害成分により、活性の温度範囲が異なり、低温型とされる燃焼触媒であっても、例えば５０℃以下のような低温では特に活性が低い（もしくは活性がない）ことが知られている。

ここで、燃料電池の起動時から発電初期においては、燃料電池の発電により生じる排ガスの温度が低温となるため、低温型の燃焼触媒を用いた場合であっても、有害成分を効率的に除去（転化）することが難しい場合がある。

ここで、本発明においては、燃焼触媒を含有する浄化装置に、燃焼触媒を加熱するための加熱装置を設けることにより、加熱装置により直接燃焼触媒を加熱する、もしくは加熱装置を介して間接的に燃焼触媒を加熱することで、燃焼触媒の温度を上昇させることができる。

それにより、燃焼触媒の温度を上昇させ燃焼触媒の活性を高めることで、燃料電池の起動時から発電初期といった、燃料電池の発電により生じる排ガスの温度が低い場合であっても、排ガス中の有害成分を効率的に除去（転化）することができる。

ちなみに浄化装置３の形状としては、燃料電池２の発電により生じる排ガスが、内部を流通して熱交換器４に排出される形状であり、かつ燃焼触媒６を浄化装置３内に保持できる形状とする必要がある。そのような形状としては、例えば浄化装置３のうち排ガスの流路に面する部材を、メッシュ状の部材で形成することができる。

図３は、浄化装置３に加熱装置としてヒーター７を設け、燃焼触媒６をヒーター７により直接加熱する場合の一例を示す。

図３においては、浄化装置３の内部に加熱装置としてヒーター７を設けたことから、燃料電池２の起動時から発電初期（特には起動時）に、ヒーター７の電源を入れることにより、ヒーター７により直接燃焼触媒６を加熱することで、燃焼触媒６の温度を迅速に高めることができる。

それにより、燃焼触媒６の温度を高めることで、燃焼触媒６の活性を向上させることができることから、燃料電池２の起動時から発電初期のような、排ガス温度が低い場合であっても、排ガスを効率よく浄化することができる。

なお、加熱装置としては、燃焼触媒６を直接加熱することができるものであれば、特に制限はなく、例えばバーナー等を用いることもできる。なお、これらの燃焼触媒６を直接加熱する加熱装置を用いる場合は、加熱装置が燃焼触媒を過加熱して、燃焼触媒６を劣化することがないよう、温度が一定に達すると自動的に電源のスイッチが切れる等の手段を有していることが好ましい。

ところで、燃焼触媒６を加熱する手段として、伝熱板を用いることもできる。上述したような燃焼触媒６に対して直接熱を伝える場合に、燃焼触媒６の温度が非常に上昇し、燃焼触媒６の耐熱温度を超えるおそれがある。燃焼触媒６の耐熱温度を超えた場合には、燃焼触媒６の触媒活性が劣化する。それゆえ、燃焼触媒６を間接的に加熱することにより、燃焼触媒６の耐熱温度を超えるような加熱を抑えることができる。

図４は、浄化装置３が伝熱板８により形成されており、伝熱板８が加熱装置の機能を有し、伝熱板を介して燃焼触媒６（図示せず）を加熱する浄化装置３の一例を示している。ここで、伝熱板８が加熱装置の機能を有するとは、伝熱板８が実質的に加熱装置を兼ねることを意味する。なお、図中の矢印は、燃料電池２の発電により生じた排ガスの流れ方向を示している。なお浄化装置３は、排ガスの流路に面する伝熱板８をメッシュ状とした例を示している。

ここで、浄化装置３を伝熱板８にて形成したことにより、伝熱板８（浄化装置３）を加熱することで、浄化装置３の内部に有する燃焼触媒６を加熱することができる。それにより、燃焼触媒６の温度を高めることで、燃焼触媒６の活性を向上させることができることから、燃料電池２の起動時から発電初期のような、排ガス温度が低い場合であっても、排ガス中の有害成分の除去（転化）を向上することができる。

伝熱板８を加熱するにあたっては、燃料電池２の発電により生じる排ガスの熱を伝熱板８に伝えることにより加熱することができ、その熱により燃焼触媒６を加熱することができる。

なお、さらに効率よく伝熱板８を加熱すべく、浄化装置３の外側より直接伝熱板８を加熱することも可能である。図４はその一例を示しており、浄化装置３（伝熱板８）の外側に、ヒーター７を設けている場合を示す。なおこの場合、浄化装置３の外側より直接伝熱板８を加熱することができればよく、例えば浄化装置３の近傍にバーナーを設け、バーナーにより浄化装置３を加熱することも可能である。

また、燃料電池２の発電により生じた排ガスの熱を有効利用するにあたっては、例えば、浄化装置３内の排ガス流路に沿って伝熱板を設けることもできる。

図５は、浄化装置３内の排ガス流路沿って伝熱板８を設けた例を示している。なお、図４と同様、図中の矢印は、燃料電池２の発電により生じた排ガスの流れ方向を示している。

燃料電池２の起動時から発電初期に排出される排気ガスは温度が低いものの、その排ガスの熱を効率的に燃焼触媒６に伝えることができれば、排ガス中の有害成分の除去（転化）を向上（促進）することができる。

ここで、伝熱板８を浄化装置３内の排ガス流路に沿って設けることにより、浄化装置３に流通する燃料電池２の発電により生じる排ガスが、伝熱板８沿って流れることから、排ガスが伝熱板８と効率よく接触し、燃料電池２の排ガスの熱を、燃焼触媒６に伝えることができる。

それにより、燃焼触媒６の温度を高めることで、燃焼触媒６の活性を向上させることができることから、燃料電池２の起動時から発電初期のような、排ガス温度が低い場合であっても、排ガス中の有害成分の除去（転化）を向上することができる。

また、伝熱板８を燃焼触媒のガス流れ方向に設置することで、局所的な加熱とならず、触媒全体を流れ方向に対してほぼ均等に加熱することができる。同様に、流れ方向に対し垂直方向に伝熱板８を設置することで、この垂直面内の燃焼触媒をほぼ均熱とすることができる。それにより、ヒーター７やバーナーなどの加熱器の熱を触媒に均等に伝えることができるため、加熱器からの局所的な過熱による触媒劣化を防止することができる。

なお、伝熱板８は、浄化装置３の大きさや燃焼触媒６の量等により、適宜その枚数や大きさを変更して用いることができる。さらに、より効率よく燃料電池２の排ガスと接触すべく、例えば波型や表面に凹凸を有する形状等であってもよい。

また、燃料電池２の起動時から発電初期のような、排ガス温度が低い場合に、より効率的に排ガス温度を伝熱板８に伝熱すべく、伝熱板８を排気流路５の内部に伸ばして配置することも可能である。

ところで燃焼触媒６は、使用期間や頻度に応じて交換等のメンテナンスを行なうことが好ましい。それにより、燃料電池２の発電により生じる排ガス中の有害成分を、常時有効に浄化することができる。

ここで、燃焼触媒６を交換するにあたっては、浄化装置３を燃料電池２や熱交換器４、さらには排気流路５等と取り外す、さらには浄化装置３を分解する等、手間がかかる場合がある。

図６は、浄化装置３に、排ガスが内部を流通し、内部に燃焼触媒６（図示せず）を有するとともに、かつ浄化装置３に着脱可能なカートリッジ９を設けた例を示す。

ここで、浄化装置３の外部より着脱可能なカートリッジ９の内部に燃焼触媒６を有することにより、燃焼触媒６を交換する場合に、浄化装置３を燃料電池２や熱交換器４、さらには排気流路５等を取り外す、さらには浄化装置３を分解する等の必要がなく、新しい燃焼触媒６が充填されたカートリッジ９を入れ替えることや、取り外したカートリッジ９の燃焼触媒６を入れ替えることで、燃焼触媒６の交換が非常に容易となる。したがって、燃焼触媒６の交換において、手間がかかることを解消することができる。

あわせて、カートリッジ９を伝熱板８にて形成し、カートリッジ９を浄化装置３の燃料電池２の発電により生じる排ガスが流れる排ガス流路に設けることにより、排ガスの熱を、カートリッジ９を形成する伝熱板８を介して効率よく燃焼触媒６の温度を高めることができる。

それにより、燃焼触媒６の交換が容易であるとともに、燃料電池２の起動時から発電初期のような、排ガス温度が低い場合であっても、排ガスを効率よく浄化することができる。

なお、カートリッジ９は、浄化装置３の大きさや必要とする燃焼触媒６の量や大きさにより適宜作製することができ、例えば、カートリッジ９の内部を燃料電池２の発電により生じる排ガスが流通することが容易となるよう、メッシュ状の伝熱板８を用いて作製することができる。

以上、本発明について詳細に説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。

例えば、浄化装置３を、燃料電池２および熱交換器４に排気流路５を介さず、直接連結することも可能である。この場合、浄化装置３の内部に排気流路を設ければよい。

本発明の燃料電池装置の構成を概略的に示すブロック図である。 本発明の燃料電池装置を構成する浄化装置の内部に燃焼触媒を有することを示す説明図である。 本発明の燃料電池装置を構成する浄化装置の内部に燃焼触媒を加熱するヒーターを有することを示す説明図である。 本発明の燃料電池装置を構成する浄化装置が伝熱板で形成され、かつ伝熱板にヒーターを有することを示す斜視図である。 本発明の燃料電池装置を構成する浄化装置の内部に伝熱板を有することを示す斜視図である。 本発明の燃料電池装置を構成する浄化装置にカートリッジを有することを示す斜視図である。

符号の説明

１：燃料電池装置
２：燃料電池
３：浄化装置
４：熱交換器
５：排気流路
６：燃焼触媒
７：ヒーター
８：伝熱板
９：カートリッジ

Claims (4)

1. 燃料電池と、該燃料電池の発電により生じる排ガスの熱を回収するための熱交換器と、前記排ガスを浄化するための燃焼触媒を内部に有する浄化装置とを具備する燃料電池装置であって、前記浄化装置は、前記燃料電池より生じる前記排ガスが内部を流通して前記熱交換器に排出され、前記燃焼触媒を加熱するための加熱装置を有することを特徴とする燃料電池装置。
2. 前記浄化装置が伝熱板により形成されるとともに、前記伝熱板が前記加熱装置の機能を有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
3. 前記加熱装置が伝熱板であって、該伝熱板が前記浄化装置の前記燃料電池の発電により生じる前記排ガスが流れる排ガス流路に沿って設けられていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
4. 前記浄化装置に、該浄化装置に着脱可能で、かつ内部を排ガスが流通するカートリッジを設けるとともに、該カートリッジは前記伝熱板により形成されるとともに、内部に前記燃焼触媒を有することを特徴とする請求項２または請求項３に記載の燃料電池装置。

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