JP2009541921A - 燃料電池装置における予備加熱装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、燃料電池装置の予備加熱装置に関し、燃料電池装置は、アノード側（７）とカソード側（８）とそれらの間の電解質（９）とを有する少なくとも１つの燃料電池ユニット（６）を備え、この燃料電池装置は、アノード側（７）への少なくとも１つの燃料入口（１）と、カソード側（８）への酸素含有空気入口（１１）と、並びに、脱硫ユニット（３）と、燃料改質ユニット（４）と、アノード及び／又はカソード側からの排出ガスを燃焼するためのアフターバーナ（１４）とを有する。本発明によれば、アフターバーナ（１４）には、燃料電池装置の始動フェーズ中にアフターバーナ（１４）に燃料を導入するための独立した燃料入口チャネル（２４）が設けられ、独立して供給された燃料の燃焼で形成された排出ガスの少なくとも一部が、始動フェーズ中に少なくとも脱硫ユニット（３）及び／又は燃料改質ユニット（４）を加熱するためにアフターバーナ（１４）から送り出されるように配置される。出口チャネル（２７’、２９’）には、熱交換器（３１）及び排出ガスの流量を調整するための調整手段（３０）が設けられている。

Description

本発明は請求項１の前文に記載された燃料電池装置における予備加熱装置に関するものであり、燃料電池装置はその内部にアノード側と、カソード側と、それらの間の電解質とを有する少なくとも１つの燃料電池ユニットを備え、この燃料電池装置は、アノード側への少なくとも１つの燃料入口と、カソード側への酸素含有空気入口と、脱硫ユニットと、燃料改質ユニットと、並びに、アノード及び／又はカソード側からの排出ガスを燃焼するためのバーナとを有している。

また、本発明は、燃料電池装置を予備加熱する方法にも関する。

優れた効率を備えた将来の１つのエネルギー源は、燃料が化学反応を介して直接、電気エネルギーに変換される燃料電池である。燃料電池は、２つの電極、即ち、アノード及びカソードと、それらの間の電解質と呼ばれるイオン導電性材料とを含む。しばしば、天然ガス若しくは他の炭化水素が燃料として使用され、通常、この燃料は、最初に例えばそれを改質することによって、燃料電池で使用できる燃料に変換されなければならない。このように処理された後で、燃料は燃料電池のアノードに導入され、これに対応して、反応に必要とされる酸素が燃料電池のカソードの中に例えば空気の形態で導入される。反応中に、電子が燃料電池のアノード上で燃料の水素から放出され、これらの電子はこのアノードから外部回路、即ち、燃料電池の背後にある負荷を介して燃料電池のカソードまで進む。こうして、水素は燃料電池の中で酸素と結合し、熱及びエネルギーを発生し、このエネルギーは、これを機械的形態に変換する必要なく電気エネルギーとして直接、発生される。しかし、通常、単一の燃料電池により発生される電位差は小さいので、これらの燃料電池から、直列に接続したいくつかの燃料電池ユニット、いわゆる燃料電池スタックを形成することが電圧若しくは電流をさらに増加させるために有益であり、これらのスタックを直列若しくは並列に接続するさらなる可能性もある。何よりも、燃料電池の有利な点は、優れた効率と、ノイズがないことと、可動部分が極めて少数しかないことである。他の有利な点は、環境に優しいこと、及び、水若しくは水蒸気だけを含むクリーンな排気ガスであることである。

通常、燃料電池発電プラントで使用される燃料は、その燃料に応じて、燃料を燃料電池に導入するのに先立って様々な予備処理を必要とする。これらの予備処理操作は、例えば、脱硫と、燃料の原料から又は他の触媒若しくは非触媒的方法から水素を生成することとを含むことができる。通常、使用される方法に関わらず、予備処理操作は周囲温度よりもはるかに高い温度で行われる。このために、プロセスを流れる材料は、熱交換器によって実際の処理プロセスの前に加熱されるか、又は、熱を実際の予備処理が行われる反応容器若しくは反応器の中に伝達させるか、のいずれかによって加熱されなければならない。また、上述の方法の両方を合わせて使用することもできる。

従来技術によると、加熱のための予備処理のこの必要性は、アフターバーナで発生した排出ガスを、処理すべき燃料原料に熱を伝達する熱交換器を介して循環させることによって達成される。これに加えて、その中身と共に管及び反応容器が、外部トレース加熱発熱エレメントによって電気的に加熱される。こうした従来技術の解決策の不利な点は、燃料電池システム自体が未だ予備加熱のための十分な電気エネルギーを発生できないために、燃料電池システムの始動フェーズでの外部電力に対する強い必要性とその消費である。他の不利な点は、その後のシステム実稼働段階で、前述の予備加熱のための電気エネルギーの使用が、燃料電池自体で発生した電力の一部を消費することである。このために、燃料電池装置の発電効率が低下する。

本発明の目的は、上述した従来技術の不利な点を除去できる、燃料電池装置の安価で信頼性の高い予備加熱装置を提供することである。本発明の特有の目的は、外部からの電気加熱を用いずにシステムを少なくとも部分的に若しくは全体として始動できる燃料電池装置の予備加熱装置を提供することである。本発明のさらなる目的は、燃料及び／若しくは反応容器を、燃料電池自体で発生させた電力を使用することなく予備加熱できる解決策を提供することである。また、稼働中に、外部の電力若しくは燃料電池で発生させた電力を必要とすることなく、使用する反応容器を加熱できる解決策を提供することも本発明の目的である。

本発明による予備加熱装置は、請求項１の特徴部分の中に開示された内容によって特徴づけられる。本発明による方法は、請求項７の特徴部分の中に開示された内容によって特徴づけられる。本発明の他の実施例は、他の請求項で開示された内容によって特徴づけられる。

本発明による予備加熱装置の基本的なアイデアは、アフターバーナへの独立した燃料入口チャネルが燃料電池装置の始動フェーズ中にアフターバーナに燃料を導入するように配置されること、並びに、この装置が、排出ガスを脱硫ユニットに向けるためにアフターバーナから脱硫ユニットまで導くチャネル及び脱硫ユニットからの排出ガスを取り去るための出口チャネル、及び／又は、排出ガスを改質ユニットに向けるためのアフターバーナから改質ユニットまでのチャネル及び改質ユニットからの排出ガスを取り去るための出口チャネルを備えること、である。さらに、脱硫ユニットの出口チャネルにはガスの流量を調整するための調整手段が設けられ且つこの排出チャネルは調整手段と脱硫ユニットとの間に熱交換器を備え、及び／又は、改質ユニットの排出チャネルには排出ガスの流量を調整するための調整手段が設けられ且つ出口チャネルは調整手段と改質ユニットとの間に熱交換器を備える。

本発明の１つの実施例において、脱硫ユニットはチャネルに連結されたケーシングにおおわれており、このチャネルを通じてアフターバーナの排出ガスの少なくとも一部が上記ケーシングに向けられるように配置されている。この場合の有利な点は、とりわけ、始動フェーズ中に反応容器を、外部の電気エネルギーを用いずに予備加熱できることである。他の有利な点は、稼働中に反応容器を、電気エネルギーを使わずに適正なプロセス温度まで予備加熱できることである。これは、反応容器を予備加熱するために燃料電池自体で発生させた電気エネルギーを使う必要がないので、従来技術の装置に比べて燃料電池装置の効率を高める。

以下において、本発明を１つの実施例を使用し添付図面を参照してより詳細に説明する。

図１に、本発明による予熱装置を都合よく使用できる典型的な燃料電池装置を概略的に単純化して示す。図１は、高温で動作し燃料電池ユニット６を形成している燃料電池スタックが、例えば固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）若しくは溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ）若しくは他の適切な燃料電池タイプから成ることができる燃料電池装置を示している。図示した装置の燃料を、例えば天然ガスから得られる水素とすることができる。他の適切な燃料は、例えば、メタノール、ディーゼル油、灯油及び他の炭化水素含有物質である。天然ガスは、加圧された状態で入口管１を通じて、排出ガスの熱により燃料を加熱する熱交換器２を介して、本装置の中に導入される。燃料からイオウを除去する脱硫ユニット３が熱交換器２の後に配置される。脱硫ユニット３の次に、天然ガスは、天然ガスから水素を形成する燃料改質ユニットとして働く予備改質器若しくは改質器４の中に向けられる。水素の形成にあたって水が使用されるが、この水は、加圧状態で入口管１６に沿って、排出ガスの熱で水を水蒸気にする熱交換器１７を介して本装置の中に導入される。改質器４の内部で、天然ガス中の炭化水素は、水蒸気によって水素と、メタンと、炭化酸素とに改質される。装置の動作を高めるために、アノード側７の排出ガスの一部が、熱交換器５及びブロワ１３を介して改質器４の入口側に向けられ、ここで二酸化炭素と水蒸気とが入口流れの状態で混合される。燃料は、改質器４から上記の熱交換器５を介して燃料電池スタックによって形成された燃料電池ユニット６のアノード側７に向けられる。燃料電池ユニット６の燃料電池スタックは一緒に圧締めされたいくつかの燃料電池から成り、各燃料電池はアノード側７とカソード側８とそれらの間の電解質９とを有する。図中、燃料電池スタック及びそれらの可能な組み合わせを１つのユニットとして概略的に示している。再循環されないアノード側７の排出ガスの一部は、アフターバーナ１４に向けられ、ここで、残っている燃料が燃焼され、この次に、排出ガスは熱交換器１７、２、及び１５を介して装置から除去される。

これに対応して、ブロワ１０によって空気と一緒に運ばれる酸素がカソード側８に導入されるが、空気はブロワ１０から入口管１１に沿って熱交換器１２に向けられ、この熱交換器１２では、カソード側８に空気を導入するのに先立ってカソード側からの排出ガスによって、流入する空気を予備加熱する。カソード側の排出ガスの熱の大部分は、カソード側からの排出ガスが向けられる熱交換器１２の中でカソード側に導入すべき空気を予備加熱するために使用される。少量の熱は、排出ガスと共にアフターバーナ１４にさらに向けられ、そこを通って装置から排出される。また、一部の熱は、アフターバーナ１４を通り過ぎ、例えば熱交換器１５を介して直接、装置から排出される。

図２に、図１に記載の装置などの熱交換器装置に適用された本発明による解決策の単純化した概略図を示す。分かりやすくするために、図２には、図１に示した全ての装置を示してはいない。この装置において、脱硫ユニット３はケーシング２１におおわれていて、このケーシング２１は、ガスの流れる隙間がケーシング２１の内壁と脱硫ユニット３との間に形成されるように脱硫ユニット３よりも適度に大きな内寸を有し、脱硫ユニット３を実質的に全ての側から取囲んでいる。それに応じて、改質器４若しくは燃料改質ユニットとして働く他の装置も、排出ガスが流れる隙間がケーシング２３の内壁と改質器４との間に形成されるように、改質器４より適度に大きな内寸を有するケーシング２３によっておおわれ、流れ用の隙間が改質器４を実質的に全ての側から取囲んでいる。

独立した燃料チャネル２４がアフターバーナ１４に連結され、このチャネルを通って未処理燃料がアフターバーナに導入される。さらに、空気をブロワで導入するために空気チャネル２５が燃料チャネル２４に連結されており、この空気は、燃料がアフターバーナ１４に行き着く前に燃料と混合するように配置されている。また、混合は、場合によっては実際のバーナの中で行われてもよい。図１に示したブロワ１０が例えばこのブロワとして働いてよく、また、カソード８に空気を送り込んでもよい。

これに対応して、アフターバーナ１４の排出ガスチャネル２０が経路設定され、排出ガスを、必要であれば必要な追加の処理を介して、周辺大気に至らしめる排出ガスチャネル２６に向けることに加えて、脱硫ユニット３を加熱するためにチャネル２７を通じて脱硫ユニット３、より詳細には脱硫ユニット３のケーシング２１に向け、燃料の温度を改質に適した温度まで高めるためにチャネル２８を通じてヒーター２２に向け、改質器４を加熱するためにチャネル２９を通じて改質器４、より詳細には改質器４のケーシング２３に向けることができる。排出ガスは、脱硫ユニット３、ヒーター２２及び改質器４から、出口チャネル２７’、２８’、２９’を介して除去される。出口チャネル２７’、２８’、２９’は排出ガスチャネル２６と流体連通している。脱硫ユニット３の出口チャネル２７’と、ヒーター２２の出口チャネル２８’と、改質器４の出口チャネル２９’には、排出ガスを排出ガスチャネル２６に向ける前に、排出ガスを冷却するための熱交換器３１が設けられる。排出ガスに含まれた熱は、熱交換器３１によってガス若しくは液体などの暖房回路３２内部の媒質の流れに伝達される。暖房回路３２内の加熱された媒質は、例えば地域暖房ネットワーク若しくは他の熱分配ネットワーク３３に向けられる。

流れチャネル２４、２５及び出口チャネル２７’、２８’、２９’には、チャネルを開閉し必要に応じてチャネル内のガス流量を調整するための調整バルブ３０若しくは類似の調整手段が設けられる。調整バルブ３０は、排出ガスの流れ方向において熱交換器３１の下流位置で、脱硫ユニット３の出口チャネル２７’、ヒーター２２の出口チャネル２８’及び改質器４の出口チャネル２９’の中に設けられる。したがって、熱交換器３１は、調整弁３０と脱硫ユニット３との間の脱硫ユニットの出口チャネル２７’の中と、ヒーター２２と調整弁３０との間の出口チャネル２８’の中と、並びに、改質器４と調整弁３０との間の改質器の出口チャネル２９’の中に在る。

本装置は、アノード側７の排出ガスの再循環を行うためのエジェクタ１８をさらに備える。アノード側の排出ガスは、アノード７から再循環チャネル１９を介してエジェクタに向けられる。エジェクタ１８は、脱硫ユニット３と改質器４との間などの、燃料入口チャネル１の中に配置される。ブロワ若しくは類似の装置をエジェクタ１８の代わりに使用してもよい。

本発明による解決策によって、脱硫に先立って未処理燃料の少なくとも一部を独立した燃料入口チャネル２４を介してアフターバーナ１４に向けることによって、及び、こうして燃焼された燃料の排出ガスの少なくとも一部を脱硫ユニット３を加熱するためにチャネル２７を通じて脱硫ユニット３、即ち、脱硫ユニット３のケーシング２１などに向けることによって、燃料、脱硫ユニット３及び改質器４の予備加熱を装置の始動フェーズ中に行う。これに対応して、こうして燃焼された燃料の排出ガスの一部は、改質ユニットを加熱するために、チャネル２９を介して改質器４のケーシング２３などの燃料改質ユニットに向けられる。さらに、燃料の温度は、脱硫の後で、独立したチャネル２４から導入された燃料の排出ガスの一部をヒーター２２にチャネル２８を通じて向けることによって、ヒーター２２によって高められる。排出ガスは、脱硫ユニット３、ヒーター２２及び改質器４から、出口チャネル２７’、２８’、２９’に沿って、排出ガスが冷却される熱交換器３１に向けられる。排出ガスに含まれた熱は、熱交換器３１によって暖房回路３２の媒質の流れに伝達される。脱硫ユニット３、ヒーター２２及び改質器４への排出ガスの流れは、ユニット３、２２、４の温度測定値に基づいて制御される、出口チャネル２７’、２８’、２９’の調整バルブ３０によって要望どおりに調整される。

燃料電池装置の実稼働中は、始動フェーズのときのような予備加熱を必要としないが、しかし、反応容器を加熱するために排出ガスを導き、それらの温度をプロセスが要求するレベルに維持するために、同一のチャネル２７、２８及び２９を使用することができる。これにより、プロセスの任意の熱損失を補い、プロセスの効率を高めることができる。

本発明は上述の実施例に限定されず、添付の特許請求の範囲の範囲内で変更できることは当業者には明らかであろう。したがって、本装置の設計及び使用される設計要素は、上で説明した内容から変更することができる。したがって、例えば、脱硫ユニットと、改質器若しくは燃料改質ユニットとして働く予備改質器とを、２つの別々なケーシングの代わりに１つのケーシングの中に配置してもよい。

また、燃料、排出ガス、及び空気などの本装置内を循環している材料の循環は、上に説明した内容に類似している必要はなく、循環はいくつかの方法で異なる装置構成を使用して行われてもよいことも当業者には明らかであろう。

また、燃料改質ユニットは、本目的に適した装置であるべきであるが、装置の構成に応じて異なってもよいことも当業者には明らかであろう。

さらに、本発明による解決策は、前述の固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）若しくは溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ）だけに限定されるものでなく、いくつかの他のタイプの燃料電池に関連して使用できることも当業者には明らかであろう。

さらに、前述の天然ガスに代わって、使用される燃料は、燃料電池に使用するのに適した任意の他の燃料とすることができることも当業者には明らかであろう。水素の代わりに他の材料もまた使用でき、その場合には、改質器の代わりに対応する燃料処理ユニットを使用することができる。

典型的な燃料電池装置の単純化した概略図である。 燃料電池装置に適用された本発明による装置の単純化した概略図である。

Claims (9)

1. 少なくとも一つの燃料電池ユニット（６）を有する燃料電池装置の予備加熱装置であって、前記燃料電池ユニット（６）の燃料電池はアノード側（７）とカソード側（８）とそれらの間の電解質（９）とを備え、前記燃料電池装置は、前記アノード側（７）の燃料入口（１）と、前記カソード側（８）の酸素含有空気入口（１１）と、並びに、脱硫ユニット（３）と、燃料改質ユニット（４）と、前記アノード及び／又はカソード側からの排出ガスを燃焼するためのアフターバーナ（１４）とを備え、前記アフターバーナ（１４）には、前記燃料電池装置の始動フェーズ中に前記アフターバーナ（１４）に燃料を導入するための独立した燃料入口チャネル（２４）が設けられ、
   排出ガスを前記脱硫ユニット（３）に向けるための前記アフターバーナ（１４）から前記脱硫ユニット（３）までのチャネル（２７）及び排出ガスを前記脱硫ユニット（３）から除去するための出口チャネル（２７’）と、及び／又は、
   排出ガスを改質ユニット（４）に向けるための前記アフターバーナ（１４）から前記改質ユニット（４）までのチャネル（２９）及び排出ガスを前記改質ユニット（４）から除去するための出口チャネル（２９’）とを備えた前記予備加熱装置において、
   前記脱硫ユニット（３）の前記出口チャネル（２７’）には前記排出ガスの流量を調整するための調整手段（３０）が設けられ、且つ、前記出口チャネル（２７’）には前記調整手段（３０）と前記脱硫ユニット（３）との間に熱交換器（３１）が設けられ、及び／又は、
   前記改質ユニット（４）の前記出口チャネル（２９’）には前記排出ガスの流量を調整するための調整手段（３０）が設けられ、且つ、前記出口チャネル（２９’）には前記調整手段（３０）と前記改質ユニット（４）との間に熱交換器（３１）が設けられることを特徴とする予備加熱装置。
2. 請求項１に記載の予備加熱装置において、前記脱硫ユニット（３）はケーシング（２１）におおわれ、及び／又は、前記燃料改質ユニット（４）はケーシング（２３）におおわれ、排出ガスを前記アフターバーナ（１４）から前記ケーシング（２１、２３）に向けるためにチャネル（２７、２９）が前記ケーシングに連結されていることを特徴とする、予備加熱装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の予備加熱装置において、前記独立した燃料入口チャネル（２４）が前記脱硫ユニット（３）に先立って前記燃料入口チャネル（１）に連結されていることを特徴とする、予備加熱装置。
4. 請求項１から３までのいずれか一項に記載の予備加熱装置において、前記独立した燃料入口チャネル（２４）に連結された空気チャネル（２５）が、前記アフターバーナ（１４）に付加的な空気を導入するために在ることを特徴とする、予備加熱装置。
5. 請求項１から４までのいずれか一項に記載の予備加熱装置において、前記予備加熱装置は、前記燃料を加熱するために前記燃料入口チャネル（１）の中に配置されたヒーター（２２）と、排出ガスを前記ヒーター（２２）に向けるために前記アフターバーナ（１４）と前記ヒーター（２２）との間に配置されたチャネル（２８）と、前記ヒーター（２２）から排出ガスを除去するための出口チャネル（２８’）とを備えることを特徴とする、予備加熱装置。
6. 請求項５に記載の予備加熱装置において、前記出口チャネル（２８’）には前記排出ガス流量を調整するための調整手段（３０）が設けられ、且つ、前記出口チャネル（２８’）には前記調整手段（３０）と前記ヒーター（２２）との間に熱交換器（３１）が設けられていることを特徴とする、予備加熱装置。
7. 燃料電池ユニット（６）を有する燃料電池装置を予備加熱する方法であって、前記燃料電池ユニット（６）の燃料電池はアノード側（７）とカソード側（８）とそれらの間の電解質（９）とを備え、前記燃料電池装置は、前記アノード側（７）への少なくとも１つの燃料入口（１）と、前記カソード側（８）への酸素含有空気入口（１１）と、並びに、脱硫ユニット（３）と、燃料改質ユニット（４）と、前記アノード及びカソード側からの排出ガスを燃焼するためのアフターバーナ（１４）とを備え、燃料が前記燃料電池の始動フェーズ中に前記アフターバーナ（１４）に導入され、燃料は前記アフターバーナ（１４）の中で燃焼され、前記脱硫ユニット（３）は、前記アフターバーナ（１４）の中で燃焼された前記燃料の前記排出ガスを前記脱硫ユニット（３）に向けることによって加熱され、排出ガスは前記脱硫ユニット（３）から出口チャネル（２８’）を介して除去され、及び／又は、前記燃料改質ユニット（４）は前記アフターバーナ（１４）の中で燃焼された前記燃料の前記排出ガスを前記改質ユニット（４）に向けることによって加熱され、排出ガスは前記改質ユニット（４）から出口チャネル（２９’）を介して除去される前記方法において、
   前記脱硫ユニット（３）への前記排出ガスの流量は前記出口チャネル（２８’）の中に配置された調整手段（３０）によって調整され、且つ、前記排出ガスの流量は前記調整手段（３０）と前記脱硫ユニット（３）との間の前記出口チャネル（２８’）の中に配置された熱交換器（３１）によって冷却され、及び／又は、
   前記改質ユニット（４）への前記排出ガスの流量は前記出口チャネル（２９’）の中に配置された調整手段（３０）によって調整され、且つ、前記排出ガスの流量は前記調整手段（３０）と前記改質ユニット（４）との間の出口チャネル（２９’）の中に配置された熱交換器（３１）によって冷却されることを特徴とする方法。
8. 請求項７に記載の方法において、前記装置は、前記燃料を加熱するために前記燃料入口チャネル（１）の中に配置されたヒーター（２２）を備え、前記ヒーター（２２）は前記アフターバーナ（１４）の中で燃焼された燃料の排出ガスを前記ヒーター（２２）に向けることによって加熱され、排出ガスは前記ヒーター（２２）から出口チャネル（２８’）に沿って除去され、前記ヒーター（２２）への前記排出ガスの流量は前記出口チャネル（２８’）の中に配置された調整手段（３０）によって調整され、
   前記排出ガスの流量は前記調整手段（３０）と前記ヒーター（２２）との間の前記出口チャネル（２８’）の中に配置された熱交換器（３１）によって冷却されることを特徴とする、方法。
9. 請求項７又は請求項８に記載の方法において、前記脱硫ユニット（３）及び／又は前記改質ユニット（４）及び／又は前記ヒーター（２２）への前記排出ガスの流量は、前記ユニットの温度測定値に基づいて制御されることを特徴とする、方法。

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