JP2012531719A - 高温燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】高温燃料電池システムの効率性を向上させ、より柔軟な動作を可能とする。
【解決手段】高温燃料電池システムには、電気的に直列に接続され、スタックを形成する個々の燃料電池が存在する。水素を含み、改質装置からシステムの第一のスタックへ流れる燃料ガスがスタックを次々に流れ、適切な炭化水素化合物を、スタックの燃料電池のアノードにおける炭化水素化合物の直接内部改質のために、追加のスタックに順次導入される燃料ガスの流れ方向に、追加の接続ラインを経由して個々のスタックに供給し、空気を酸化手段としてシステムの個々の燃料電池へカソード側に供給する。
【選択図】図１

Description

本発明は、少なくとも１つの炭化水素化合物、好ましくはメタンまたは天然ガス、バイオガスのようにメタンを含むガスで動作する燃料電池システムに関する。しかしながら、プロパン、ブタンまたはエタノールも、追加の実施形態として動作のために用いることができる。

この点に関して、メタンの改質が上記の燃料電池の動作のために必要とされ、水素を燃料電池の電気化学反応のために燃料ガス中に供給することが知られている。

炭化水素化合物の分解反応は追加の改質装置中で最も頻繁に実行され、改質ガスはメタンを含み、燃料ガスとして高温の燃料電池に導入される。この点に関して、電気的に直列に接続された複数の燃料電池でスタックが形成される。

しかしながら、燃料電池内で直接内部改質を実行することも知られている。十分に高い温度では、メタンは水の存在下で水素と一酸化炭素に分解される。アノードでの燃料電池の冷却は吸熱反応によって達成でき、動作のために必要な水素を同時に利用できる。追加的な水素が、水の存在下での一酸化炭素から二酸化炭素への変換で自由になる。しかしながら、これは上記の吸熱反応よりもかなり小さな熱量を放出するだけの発熱反応である。

ＵＳ２００８／０２４８３４９Ａ１では、二つの燃料電池スタックを設けることが提案されている。この点に関して、二つのスタックのうち一つのスタックの燃料電池で直接内部改質が実行され、それによって冷却が達成される。少なくとも一つの追加のスタックは、内部改質によって得られた第一のスタックの残留燃料ガスでだけ動作する。高温燃料電池システム内のとりわけ臨界領域がさらに冷却され、より均一な温度分布が達成される。臨界入口領域での冷却は、周知のフレッシュガスの供給によって避けることはできない。

この点に関して、効率性は、反応により形成される水のせいで残留燃料ガスで動作する電池内で特に悪影響を受ける。燃料ガス中の高い水分比率は、燃料電池のネルンスト電圧を減少させる。従って、個々の燃料電池の有用な電位が下降し、電力密度もこれに応じて小さくなる。

既知のシステムで考慮すべきさらなる側面は、前もって酸化剤としてカソード側に供給される空気で実質的に生じる必須の放熱である。空気は、実際に必要な酸素のためにかなり過度の化学量論で供給され、電気化学反応で自由になった熱を放散する。しかしながら、このために、必要な大きな体積流量と、設計上避けることができない流量損失および圧力損失とにより、高い圧縮装置の出力が要求され、ひいては全体の効率を減少させる。

入口前の空気の冷却によるこの体積流量の減少は好ましくない。というのも、それは電解質を入口で局所的にかなり冷却し、結果その電気伝導性が下降し、さらに温度差による機械的歪みが避けられないからである。

従って、本発明の目的は、高温燃料電池システムの効率性を向上させ、そしてより柔軟な動作を可能とすることにある。

本発明によると、この目的は請求項１の特性を有するシステムによって達成される。好ましい実施形態および本発明のさらなる改良は、従属項で示される特性を用いることで達成される。

本発明に係る高温燃料セルシステムは、平面的なセル構造を有し、電気的に直列に接続され、複数のスタックを形成するそれ自体は周知である個々の燃料電池を備える。水素を含み、改質装置からシステムの第１のスタックに流れる燃料ガスが、スタックそして当然ながらスタック中の燃料電池を次々に通って流れる。全システムの燃料ガスの利用がカスケード効果によって増加し、システムの全体効率が増加する。しかしながら、複数の追加の接続ラインも導入される燃料ガスの流れ方向に存在し、これらを通って、少なくとも一つの好ましい炭化水素化合物が、スタックの燃料電池のアノードにおける炭化水素化合物の水素を含む燃料ガスへの直接内部改質のために、後に続いて配置されたスタックに導入される。この点に関して、用いられる炭化水素化合物がスタックに導入される際に通過する接続スタブが冷却装置に設けられる。すす（煤塵）の発生を冷却によって回避することができる。

また周知のシステムと同様に、空気が酸化剤としてシステムの個々の燃料電池へカソード側に供給される。この点に関して、しかしながら、燃料電池のカソードでの電気化学反応のための僅かの化学量の酸素が利用できる程度の空気が必要なだけなので、本発明によれば空気の体積流量をかなり低減できる。圧縮装置の動作のために必要とされる電力がより少なくなるので、全体の電気効率を従来のシステムと比較して５％まで向上させることができる。

この点に関して、本発明に係るシステムのスタックも流体的に直列に接続される。

本発明に係るシステムでは、それ自体周知の蒸気改質装置を用いることができ、これにより電池の動作のために炭化水素化合物から水素を含む燃料ガスを供給できる。この燃料ガスは第一のスタックの第一の燃料電池に導入され、システム全体を流れることができ、残留燃料ガスは最後のスタックの最後の電池から流れ方向に排出される。少なくともいくらかの残留燃料ガスは改質装置へ戻ることができ、炭化水素化合物の改質のために利用することができる。アノードの残留燃料ガスの改質装置への循環によって、改質を単純化することができる。同時に、残留ガスはほぼ燃料電池の動作温度なので、熱を再利用することができる。従って、改質装置の動作のために必要な熱エネルギーを減少できる。

改質装置は、特にシステムの起動時に、かなりの程度の燃料ガスを燃料電池の動作のために供給できることが要求される。当該燃料ガスは改質装置の後に配置された第１のスタックへのみ導入することができ、当該スタックはこれで動作することができる。いったん燃料電池内が十分な高温に達すると、炭化水素化合物がそれから接続ラインを通って個々のスタックへ供給される。電気化学反応で形成された水は燃料電池のアノード側に存在し、炭化水素化合物の改質およびそれに応じた水素の放出も前記水で達成可能である。

本発明に係るシステムは、部分負荷運転で改質装置からの燃料ガスだけで動作することもできる。

システムのスタックが互いに電気的に並列に接続される場合、電気負荷は起動時に改質装置の後に直接配置されたスタックにだけ適用され、電気化学反応のために必要な水を内部プロセスによって供給することができる。それによって、スタックの電気的デカップリングが可能となる。

しかしながら、本発明では改質を部分酸化（ＰＯｘ）過程により達成できるような別のタイプの改質装置を使用できることも分かっている。このために、技術的プラントの労力および技術的な改質装置の動作のための労力が蒸気改質装置と比較して低下する。燃料ガス中の大部分の水素は、炭化水素化合物の直接内部改質によって燃料電池のアノードで得ることができるので、少ない水素含有量、高い酸化物割合、および窒素含有量による蒸気改質に関する改質ガスの低い適応性は、かなりの影響を及ぼすものではない。本発明では、システムでの内部蒸気改質と組み合わせて部分酸化を実行することができる。

水は電気化学反応によって形成され、システム中を流れる燃料ガス中に蓄積するので、
本発明では利用可能なアノード表面をそれに適用できる。このために、一つのスタックを形成する燃料電池の数を、システムによってスタックごとに燃料ガスの流れ方向に増加させることができる。しかしながら、単独でまたはそれに加えて、個々の燃料電池表面の、特にアノード表面のサイズをこの方向に連続的に増加させることもできる。

経験則からして、この点に関して、燃料電池の数を倍増することは、後に続くスタック中で、前に配置されたスタック中の燃料電池の数に対して実行される。

この結果、大きな体積流量の炭化水素化合物を、前に配置されたスタックに続く次のスタックへ供給し、大量の水素を電気化学反応のために直接内部改質によって利用できる可能性がある。追加的な冷却も吸熱改質反応によって達成することができる。

加えて、個々のスタックに供給される炭化水素化合物の体積流量を制御することができる。制御は、個々のスタックの個々の温度および／または電力を考慮しながら実行される。スタックへ供給される炭化水素化合物の体積流量および個々の燃料電池の数は、それに隣接する燃料電池が不十分に冷却されない程度までは増加させることができる。

スタックを互いに分離することができるアダプタプレートが、スタック間に配置される。炭化水素化合物はアダプタプレートを通ってスタックに供給される。

改質を触媒的に補助することが好ましい。このために、適切な触媒、例えばニッケルのようにその温度耐性にゆえに特に適したものを用いることができる。この点に関して、触媒をアダプタ要素内に、燃料ガスチャネル中に、または燃料電池のアノード空間中に設けてもよく、炭化水素化合物が触媒にぶつかるように流れ、または触媒を通過して流れることができる。通過流が泡またはネットワーク状の開気孔構造（open-pore structure）中にある可能性もある。しかしながら、触媒コーティング（触媒被覆）のようなものを指定領域に形成し、当該領域に触媒的に作用する要素が含まれる、またはコーティングがそれと伴に形成されるようにすることもできる。

触媒的に補助される改質は、アノード表面に達する前に生じることが好ましい。アダプタプレート中で既に生じた改質に関して、間接内部改質も実行され、追加的に利用することができる。

本発明に係るシステムで各スタックまたは複数のスタックに炭化水素化合物を供給できる特別な可能性に加えて、燃料電池のカソードへの空気供給を各スタックのための分離ライン（分岐ライン）を通して個々に行ってもよい。このような並列供給の可能性によって、空気を低圧で導入することができ、これによって、このために必要な圧縮装置の動作におけるエネルギー要求量および損失をさらに低減することができる。

改質装置の温度バランスが燃料電池へ供給される燃料ガスの組成を、特に燃料ガス中のメタンの割合を決定し、動作中に変更することができない周知のシステムとは違って、本発明では、個々のスタックへ供給される炭化水素化合物の体積流量の制御によってこれを考慮することができる。従って、体積流量を、例えば起動の間、動作点（運転点）またはロードポイントに達するまで連続的に増加させることができる。しかしながら、ロードポインとの変化も、これらの体積流量の変動によって簡単かつ小さい時間間隔で達成することができる。スタックの燃料電池の温度に影響を与えることも上で述べたようにして可能である。

反応的に内部で形成された水をプロセス中で用いることができるので、残留ガス中に含まれ、再循環しなければならない水の量も減らすことができる。

必要な改質装置および圧縮装置のサイズを小さくできるので、必要な要求スペースも減らすことができる。周知のシステムに存在する他の装置またはアッセンブリーがなくても済み、これによりコストを減らすことができる。

除去される残留ガス中に含まれる不活性な成分の割合の最小化を達成でき、個々のスタックの電力密度に好ましい効果をもたらす。

本発明は、以下の実施形態によってより詳細に説明される。

部分酸化を実行するための改質装置を備えた本発明に係るシステムの実施形態のブロック図である。 蒸気改質装置を備えた本発明に係るシステムの実施形態のブロック図である。 メタンまたはメタンを含むガスの供給のためのアダプタプレートを備えた本発明に係るシステムの実施形態のブロック図である。 図３の実施形態とは異なるガス供給を備えた本発明に係るシステムの実施形態のブロック図である。 スタックが電気的および流体的に並列に接続された実施形態のブロック図である。

図１の実施例では、空気と、メタンを含むガスとしての天然ガスとが、部分酸化が生じる改質装置１に供給される。得られた燃料ガスは、燃料電池の第一のスタック２に供給される。このスタック２は、追加的な３つのスタック３、４、５に流体的に直列に接続され、燃料ガスはスタック２からスタック５へ流れることができる。残留ガスは、スタック５の後に続く矢印により示され、非常に複雑かつ／または高価な後処理なく、単純に除去することができる。

加えて、天然ガスが、含有されるメタンの直接内部改質のために、ライン（管路）を通ってスタック２に続いてスタック３へ、スタック４へおよびスタック５へ供給される。

本実施例では、燃料電池のカソード側への空気の個別外部分離供給が選択されている。従って、この空気は、明細書の一般部分で記載したように、分離ライン（分岐ライン）を通ってスタック２、３、４および５へ移動する。圧縮装置８を用いて生じさせなければならない必要な圧力は、図２の実施例で選択されたようなカソードへの空気供給で必要な圧力より小さくすることができる。図２の実施例における個々のスタック２、３、４および５への空気供給の形式を用いることも当然できる。

図２の実施例では、スタック５から除去された残留ガスが戻ってくることができる蒸気改質装置１が用いられる。改質装置１に戻され、蒸気改質のために有用な残留ガスの体積流量は制御することができる。改質装置１へ供給される天然ガス流は、化学量論および改質装置の温度を考慮しながら同様に制御することができる。

ラインを通って個々のスタック３、４および５へ供給される天然ガスの体積流量は、それぞれ互いに独立して同様に制御することができる。

図２の実施例では、圧縮装置７が残留燃料ガスの改質装置１への戻りライン中に存在する。

図３および図４の実施例は、特に、個々のスタック２、３、４、５を形成する、またはスタックに組み合わされる燃料電池の数が連続的に増加していくことを図示するものであり、これを個々の描かれたブロックのサイズによって示している。

スタック２、３、４および５は、アダプタプレート６によってそれぞれ互いに分離される。スタック３、４および５で内部改質される天然ガスは、アダプタプレート６を通ってスタック３、４および５へ追加的に供給される。

この点に関して、間接内部改質は、図３で示される流路管理によりアダプタプレート６内で生じることができ、直接内部改質はスタック３、４、５の燃料電池内で生じる。

図４に示すような追加的に供給される天然ガスの流路管理で、スタック３、４および５の燃料電池内で直接内部改質を実行でき、その好ましい効果を利用することができる。この点に関して、改質が主にアノードの表面で生じる。

図５の実施例では、改質装置１で形成された燃料ガスが第一のスタック２に供給される。二つの個々のスタック３および４と、スタック５および６とは、流れ方向に流体的かつ電気的に直列に接続されるが、この点に関して、スタックペア３および４は、スタック５および６対して並列に接続される。メタンまたはメタンを含むガスは、スタック３、４、５および６のそれぞれに別々に供給することができる。スタック４および６から排出される残留ガスは、圧縮装置７および調整可能なバルブの助けによって改質装置１へ戻ることができる。この実施例では、残留ガスを、再燃焼装置（アフターバーナー）９を通るように導くこともできる。

Claims (11)

1. 少なくとも一つの炭化水素化合物で動作可能な高温燃料電池システムであって、
   スタック（３、４、５）が、電気的に直列に接続された個々の燃料電池で形成され、改質装置（１）から前記システムの第一のスタック（２）へ流れる水素を含む燃料ガスが前記スタックを順次流れ、
   メタンまたはメタンを含むガスを、前記スタック（３、４、５）の燃料電池のアノードにおける前記少なくとも一つの炭化水素化合物の水素を含む燃料ガスへの直接内部改質のために、追加のスタック（３、４、５）へ導入される前記燃料ガスの流れ方向に、追加の接続ラインを経由して前記各スタック（３、４、５）に順次供給し、
   空気を酸化手段として前記システムの個々の前記燃料電池へカソード側に供給することを特徴とするシステム。
2. 前記改質装置（１）は蒸気改質装置であって、前記蒸気改質装置に前記システムから排出された残留燃料ガスは戻ることができることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
3. 前記改質装置（１）は、部分酸化による改質のためのものであることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
4. スタック（３、４、５）を形成する燃料電池の数が前記システムを通過する前記燃料ガスの流れ方向に増加し、および／または燃料電池のアノード表面のサイズが前記方向に増加することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のシステム。
5. 空気が酸化手段として分離接続ラインを通って前記各スタック（３、４、５）へ供給されることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のシステム。
6. 前記スタック（２、３、４、５）はアダプタプレート（６）によって互いに分離され、前記アダプタプレートを通って前記炭化水素化合物が供給されることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のシステム。
7. アダプタプレート（６）および／または前記燃料電池のアノード空間に、触媒が配置され、または触媒として機能するコーティングが形成されていることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のシステム。
8. スタック（３、４、５）へ供給可能な炭化水素化合物の体積流量を、前記燃料電池の電力に基づきおよび／または温度に基づき制御できることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のシステム。
9. 戻り残留燃料ガスの体積流量を、前記システムの電力に基づきおよび／または温度に基づき制御できることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載のシステム。
10. システムのスタックは、電気的および流体的に並列に接続されることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか１項に記載のシステム。
11. 前記炭化水素化合物は、スタック（２、３、４、５、６）への導入前に冷却装置を通過するように導かれることを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載のシステム。

Images