JP2013201054A - Fuel cell module - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池モジュールに関する。 The present invention relates to a fuel cell module.
従来、燃料電池モジュールとしては、水素含有燃料を用いて改質ガスを発生させる改質器と、改質ガスを用いて発電を行うセルスタックと、改質器及びセルスタックを少なくとも収納する筐体と、改質器に供給される水素含有燃料の脱硫を行う脱硫器と、を備えたものが知られている。 Conventionally, as a fuel cell module, a reformer that generates a reformed gas using a hydrogen-containing fuel, a cell stack that generates power using the reformed gas, and a casing that houses at least the reformer and the cell stack And a desulfurizer that desulfurizes the hydrogen-containing fuel supplied to the reformer is known.
例えば特許文献1には、筐体に対し隔離された脱硫器を加熱せずに使用する燃料電池モジュールが記載されており、この脱硫器の脱硫触媒としては、例えば金属微粒子を担持したゼオライト脱硫触媒等が用いられている。また、例えば特許文献2には、セルスタックの排ガスの熱で脱硫器を加熱して使用する燃料電池モジュールが記載されている。
For example,
ここで、上述した燃料電池モジュールでは、脱硫触媒がゼオライト脱硫触媒等の比較的高価なものに限られてしまうおそれや、排ガス温度の低下により全体のエネルギ効率が低下してしまうおそれがある。そこで、近年の燃料電池モジュールにおいては、家庭等への益々の普及に伴い、そのエネルギ効率を維持しつつ低コスト化を実現することが強く要求されている。 Here, in the fuel cell module described above, the desulfurization catalyst may be limited to a relatively expensive one such as a zeolite desulfurization catalyst, or the overall energy efficiency may be reduced due to a decrease in exhaust gas temperature. Therefore, in recent fuel cell modules, with increasing spread to homes and the like, it is strongly required to realize cost reduction while maintaining energy efficiency.
そこで、本発明は、エネルギ効率を維持しつつ低コスト化を実現することが可能な燃料電池モジュールを提供することを課題とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a fuel cell module capable of realizing cost reduction while maintaining energy efficiency.
上記課題を解決するため、本発明に係る燃料電池モジュールは、水素含有燃料を用いて改質ガスを発生させる改質器と、改質ガスを用いて発電を行うセルスタックと、改質器及びセルスタックを少なくとも収納する筐体と、改質器に供給される水素含有燃料の脱硫を行う脱硫器と、を備え、脱硫器は、筐体の外面に対し熱的に接続するように取り付けられていることを特徴とする。 In order to solve the above problems, a fuel cell module according to the present invention includes a reformer that generates a reformed gas using a hydrogen-containing fuel, a cell stack that generates power using the reformed gas, a reformer, And a desulfurizer that desulfurizes the hydrogen-containing fuel supplied to the reformer, and the desulfurizer is attached to be thermally connected to the outer surface of the case. It is characterized by.
この本発明の燃料電池モジュールでは、脱硫器が筐体の外面に熱的に接続するように取り付けられているため、排ガスの熱によって脱硫器を加熱するのではなく、従来は筐体から外部へ放出されるだけであったセルスタックの発熱等による熱を、筐体から脱硫器へ伝熱させて脱硫器を加熱することができる。よって、脱硫器の加熱に起因してエネルギ効率が低下するのを抑制可能となる。また、このように脱硫器を加熱して高温に維持することができるため、加熱が要される比較的安価な金属系脱硫触媒等を脱硫触媒として使用することが可能となる。従って、本発明によれば、エネルギ効率を維持しつつ低コスト化を実現することができる。 In the fuel cell module of the present invention, since the desulfurizer is attached so as to be thermally connected to the outer surface of the casing, the desulfurizer is not heated by the heat of exhaust gas, but conventionally from the casing to the outside. The desulfurizer can be heated by transferring heat from the cell stack, which has only been released, from the casing to the desulfurizer. Therefore, it is possible to suppress a decrease in energy efficiency due to heating of the desulfurizer. In addition, since the desulfurizer can be heated and maintained at a high temperature in this way, a relatively inexpensive metal-based desulfurization catalyst that requires heating can be used as the desulfurization catalyst. Therefore, according to the present invention, cost reduction can be realized while maintaining energy efficiency.
また、脱硫器は、筐体の外面に対し断熱材を介して取り付けられていることが好ましい。この場合、断熱材によって筐体から脱硫器への伝熱を制御することができ、その結果、脱硫器の温度を制御することが可能となる。 Moreover, it is preferable that the desulfurizer is attached to the outer surface of the housing via a heat insulating material. In this case, the heat transfer from the housing to the desulfurizer can be controlled by the heat insulating material, and as a result, the temperature of the desulfurizer can be controlled.
また、筐体及び脱硫器は、断熱材で包まれていることが好ましい。この場合、上記作用効果、すなわち、排ガスの熱で脱硫器を加熱するのではなくセルスタックの発熱等による熱を筐体から脱硫器へ伝熱させて脱硫器を加熱するという作用効果を、効果的に発揮することができる。 Moreover, it is preferable that the housing | casing and a desulfurizer are wrapped with the heat insulating material. In this case, the above-mentioned effect, that is, the effect of heating the desulfurizer by transferring heat from the heat of the cell stack to the desulfurizer instead of heating the desulfurizer with the heat of the exhaust gas, is effective. Can be demonstrated.
また、脱硫器は、その内部に水素含有燃料を流通させる流路を有し、流路は、水素含有燃料を流入させる入口部側と水素含有燃料を流出させる出口部側とで互いに熱交換可能になるよう折り返されていることが好ましい。この場合、脱硫器の温度分布を均一化することができ、水素含有燃料を好適に脱硫することが可能となる。 Further, the desulfurizer has a flow path through which the hydrogen-containing fuel is circulated, and the flow path can exchange heat with each other between the inlet side through which the hydrogen-containing fuel flows and the outlet side through which the hydrogen-containing fuel flows out. It is preferable to be folded so that In this case, the temperature distribution of the desulfurizer can be made uniform, and the hydrogen-containing fuel can be suitably desulfurized.
本発明によれば、エネルギ効率を維持しつつ低コスト化を実現することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to realize cost reduction while maintaining energy efficiency.
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the following description, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
図1は、本発明の一実施形態に係る燃料電池モジュールを示す概略ブロック図である。図1に示すように、本実施形態の燃料電池モジュール1は、改質器2、セルスタック3、燃焼部4及び水気化器5を少なくとも収容する筐体6を備えている。
FIG. 1 is a schematic block diagram showing a fuel cell module according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the
この燃料電池モジュール1は、水素含有燃料及び酸化剤を用いて、セルスタック3にて発電を行う。燃料電池モジュール1におけるセルスタック3の種類は特に限定されず、例えば、固体高分子形燃料電池(PEFC:Polymer Electrolyte Fuel Cell)、固体酸化物形燃料電池(SOFC:Solid Oxide FuelCell)、リン酸形燃料電池(PAFC:Phosphoric Acid FuelCell)、溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC:Molten Carbonate Fuel Cell)、及び、その他の種類を採用することができる。
The
水素含有燃料として、例えば、炭化水素系燃料が用いられる。炭化水素系燃料として、分子中に炭素と水素とを含む化合物(酸素等、他の元素を含んでいてもよい)若しくはそれらの混合物が用いられる。炭化水素系燃料として、例えば、炭化水素類、アルコール類、エーテル類、バイオ燃料が挙げられ、これらの炭化水素系燃料は従来の石油・石炭等の化石燃料由来のもの、合成ガス等の合成系燃料由来のもの、バイオマス由来のものを適宜用いることができる。具体的には、炭化水素類として、メタン、エタン、プロパン、ブタン、天然ガス、LPG(液化石油ガス)、都市ガス、タウンガス、ガソリン、ナフサ、灯油、軽油が挙げられる。 As the hydrogen-containing fuel, for example, a hydrocarbon fuel is used. As the hydrocarbon fuel, a compound containing carbon and hydrogen in the molecule (may contain other elements such as oxygen) or a mixture thereof is used. Examples of hydrocarbon fuels include hydrocarbons, alcohols, ethers, and biofuels. These hydrocarbon fuels are derived from conventional fossil fuels such as petroleum and coal, and synthetic systems such as synthesis gas. Those derived from fuel and those derived from biomass can be used as appropriate. Specific examples of hydrocarbons include methane, ethane, propane, butane, natural gas, LPG (liquefied petroleum gas), city gas, town gas, gasoline, naphtha, kerosene, and light oil.
なお、アルコール類として、メタノール、エタノールが挙げられる。エーテル類として、ジメチルエーテルが挙げられる。バイオ燃料として、バイオガス、バイオエタノール、バイオディーゼル、バイオジェットが挙げられる。酸化剤として、例えば、空気、純酸素ガス(通常の除去手法で除去が困難な不純物を含んでもよい)、酸素富化空気が用いられる。 Examples of alcohols include methanol and ethanol. Examples of ethers include dimethyl ether. Examples of biofuels include biogas, bioethanol, biodiesel, and biojet. As the oxidizing agent, for example, air, pure oxygen gas (which may contain impurities that are difficult to remove by a normal removal method), or oxygen-enriched air is used.
改質器2は、供給される水素含有燃料から水素リッチガス(水素含有ガス)としての改質ガスを発生させる。改質器2は、改質触媒を用いた改質反応により、水素含有燃料を改質して改質ガスを発生させる。改質器2での改質方式は、特に限定されず、例えば、水蒸気改質、部分酸化改質、自己熱改質、その他の改質方式を採用できる。なお、改質器2は、セルスタック3に要求される水素リッチガスの性状によって、改質触媒により改質する改質器の他に性状を調整するための構成を有する場合もある。例えば、セルスタック3のタイプが固体高分子形燃料電池(PEFC)やリン酸形燃料電池(PAFC)であった場合、改質器2は、水素リッチガス中の一酸化炭素を除去するための構成(例えば、シフト反応部、選択酸化反応部)を有する。改質器2は、改質ガスをセルスタック3へ供給する。
The reformer 2 generates a reformed gas as a hydrogen-rich gas (hydrogen-containing gas) from the supplied hydrogen-containing fuel. The reformer 2 reforms the hydrogen-containing fuel and generates a reformed gas by a reforming reaction using a reforming catalyst. The reforming method in the reformer 2 is not particularly limited, and for example, steam reforming, partial oxidation reforming, autothermal reforming, and other reforming methods can be employed. The reformer 2 may have a configuration for adjusting the properties in addition to the reformer reformed by the reforming catalyst depending on the properties of the hydrogen-rich gas required for the
セルスタック3は、改質器2からの改質ガス及び酸化剤を用いて発電を行う。このセルスタック3は、発電に用いられなかった改質ガス及び酸化剤をオフガスとして、燃焼部4へ供給する。
The
燃焼部4は、セルスタック3から供給されるオフガスを燃焼させ、改質器2及び水気化器5を加熱する。この燃焼部4は、セルスタック3の上部に位置している。燃焼部4は例えばケースから構成され、発電に用いられなかった改質ガス及び酸化剤をこのケース内で燃焼し、このケースと熱的に接続している改質器2及び水気化器5を間接的に加熱してもよい。又は、燃焼部4は例えばケース無しで構成され、セルスタック3の上部で、発電に用いられなかった改質ガス及び酸化剤を燃焼し、改質器2及び水気化器5を直接的に加熱してもよい。燃焼部4の燃焼で発生した排ガスは、筐体6外へ排気される。
The combustion unit 4 burns off-gas supplied from the
水気化器5は、供給される水を加熱し気化させ、改質器2に供給される水蒸気を生成する蒸発器である。水気化器5は、生成した水蒸気を改質器2へ供給する。この水気化器5における水の加熱は、例えば、改質器2の熱、燃焼部4の熱、あるいは排ガスの熱を回収する等、燃料電池モジュール1内で発生した熱を用いることができる。本実施形態では、水気化器5は、燃焼部4の上方側に配置されている。
The water vaporizer 5 is an evaporator that heats and vaporizes supplied water to generate water vapor supplied to the reformer 2. The water vaporizer 5 supplies the generated steam to the reformer 2. Heating of the water in the water vaporizer 5 can use heat generated in the
筐体6は、直方体状を呈する金属製の箱体とされ、少なくとも改質器2、セルスタック3、燃焼部4及び水気化器5を収納するための内部空間を有している。
The
また、図1,2に示すように、本実施形態の燃料電池モジュール1は、脱硫器7を備えている。脱硫器7は、その外形が長尺箱状を呈しており、改質器2に供給される水素含有燃料の脱硫を行う。この脱硫器7は、水素含有燃料に含有される硫黄化合物を除去するための脱硫触媒7xを有している。脱硫器7の脱硫方式としては、例えば硫黄化合物を水素と反応させて除去する水素化脱硫方式が採用されている。脱硫器7は、脱硫した水素含有燃料を改質器2へ供給する。脱硫触媒7xとしては、Niに代表される金属系脱硫触媒が用いられている。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
脱硫器7は、水素含有燃料を流通させる流路8を内部に有している。この流路8には、上記脱硫触媒7xが充填されている。また、流路8は、水素含有燃料を流入させる入口部8a側と、水素含有燃料を流出させる出口部8b側と、の間で互いに熱交換可能になるよう折り返されている。
The
具体的には、流路8では、脱硫器7における一方の側面7a下部に入口部8aが設けられ、脱硫器7における側面7a上部に出口部8bが設けられている。流路8における入口部8a側及び出口部8b側は、脱硫器7内を上下に画設するよう長手方向に延びる金属板7cを介して、互いに当接されている。このような流路8は、入口部8aから他方の側面7b近傍まで真っ直ぐ延びた後、上方へ回り込むよう側面7a側へ向けて折り返され、そして、出口部8bまで真っ直ぐ延びている。
Specifically, in the
また、流路8における入口部8a側及び出口部8b側のそれぞれには、水素含有燃料を拡散させるための拡散層7yが設けられている。入口部8aには、当該入口部8a内へと水素含有燃料を流通させる流入配管7dが接続され、出口部8bには、当該出口部8b外へと水素含有燃料を流通させる流出配管7eが接続されている。
A
この脱硫器7は、筐体6の上面(外面)6aに断熱材9を介して横置きに配設され、筐体6の上面6aに対し熱的に接続するよう取り付けられている。具体的には、脱硫器7は、筐体6との間で断熱材9を挟み込むようにして当該筐体6の上面6a上に載置されている。換言すると、筐体6、断熱材9及び脱硫器7は、互いに当接されると共に、下方から上方にこの順で積層されている。
The
断熱材9は、所定厚さを有する板状を呈しており、上方から見て少なくとも脱硫器7を含むように筐体6の上面6aにて拡がっている。つまり、脱硫器7及び筐体6が直接対向しないように脱硫器7及び筐体6間に断熱材9が介在されている。この断熱材9では、その所定厚さを適宜設定することで、筐体6から脱硫器7へ伝熱される熱量を制御し、脱硫器7の温度を所定温度に維持させることができる。ここでの断熱材9の厚さは、脱硫器7が上限温度以上にならないよう設定されており、これにより、安全性及び信頼性が高められている。なお、断熱材9としては、その材質や仕様は限定されず、種々のものを使用することができる。
The
また、断熱材9を挟んで互いに熱的に接続された筐体6及び脱硫器7は、その外囲が覆われよう外側断熱材(断熱材)10で包まれている。外側断熱材10は、筐体6、脱硫器7及び断熱材9を外部に対し熱的に密閉するように取り囲むと共に、これらを互いに固定して一体化させている。なお、外側断熱材10としては、上記断熱材9と同様に、その材質や仕様は限定されず、種々のものを使用することができる。
The
以上、本実施形態の燃料電池モジュール1では、脱硫器7が筐体6の上面6aに熱的に接続するように取り付けられている。そのため、排ガスの熱により脱硫器7を加熱するのではなく、図3に示すように、従来は筐体6から外部へ放出されるだけであったセルスタック3自体の発熱や燃焼部4の燃焼等による熱を、筐体6から脱硫器7へ伝熱させ、脱硫器7を100℃以上(好ましくは150℃〜300℃)に加熱することができる。なお、脱硫器7を加熱する観点からは、セルスタック3は動作温度が高い固体酸化物形燃料電池、溶融炭酸塩形燃料電池であることが好ましい。
As described above, in the
従って、例えば、脱硫器7を排ガスで加熱することが必要でないため、排ガス温度の低下で全体のエネルギ効率しまうのを防止することができる。すなわち、脱硫器7の加熱に起因してエネルギ効率が低下するのを抑制可能となる。また、脱硫器7を加熱して高温に維持することができるため、加熱が必要な比較的安価な金属系脱硫触媒等を脱硫触媒として使用することが可能となり、金属微粒子を担持したゼオライト脱硫剤に代表される比較的高価な脱硫触媒を用いることが不要となる。よって、本実施形態によれば、エネルギ効率を維持しつつ低コスト化を実現することができる。
Therefore, for example, since it is not necessary to heat the
また、本実施形態では、脱硫器7を筐体6と一体化でき、筐体6から隔離して配置することが不要となるため、その構成のコンパクト化が可能となる。また、本実施形態では、脱硫器7を排ガスと直接熱交換する構造体も不要である。また、脱硫器7が改質器2と同等に加熱されない構造となるため、改質触媒と極めて近い温度帯(例えば600℃程度)で使用できるものに脱硫触媒7xが限られることもない。
Moreover, in this embodiment, since the
また、本実施形態では、上述したように、脱硫器7が筐体6の上面6aに対し断熱材9を介して取り付けられているため、この断熱材9によって筐体6から脱硫器7への伝熱を制御して脱硫器7の温度を制御することが可能となる。
Moreover, in this embodiment, since the
また、本実施形態では、上述したように、筐体6及び脱硫器7が外側断熱材10で包まれている。よって、上記作用効果、すなわち、排ガスの熱で脱硫器7を加熱するのではなくセルスタック3の発熱や燃焼部4の燃焼等による熱を筐体6から脱硫器7へ伝熱させて脱硫器7を加熱するという作用効果を、効果的に発揮することができる。
In the present embodiment, as described above, the
また、本実施形態では、上述したように、脱硫器7の流路8が折り返されており、この流路8の入口部8a側と出口部8b側とで互いに熱交換可能になっている。よって、脱硫器7では、入口部8aに流入された水素含有燃料が出口部8bから流出される水素含有燃料で加熱されることとなる。その結果、例えば図3に例示されるように、従来は流路8の入口部8a側で低く出口部8b側で高くなり易かった脱硫器7の温度分布O1を、脱硫触媒7xに好適な温度範囲(例えば150℃〜300)内に維持されるように均一化した温度分布O2とすることが可能となる。
In the present embodiment, as described above, the
なお、本実施形態の燃料電池モジュール1では、セルスタック3、燃焼部4、改質器2及び脱硫器7が、下から上にこの順で配置される構成とされて脱硫器7が加熱されている。そのため、熱が下から上に向かう性質(対流)を利用して脱硫器7へ好適に熱伝達させることができる。
In the
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変形し、又は他のものに適用したものであってもよい。 The preferred embodiments of the present invention have been described above. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments. The present invention is modified without departing from the scope described in the claims or applied to others. It may be.
例えば、水気化器5の配置位置は上記実施形態に限定されず、筐体6内の底部に水気化器5が配置される場合もある。
For example, the arrangement position of the water vaporizer 5 is not limited to the above embodiment, and the water vaporizer 5 may be arranged at the bottom in the
また、上記実施形態では、脱硫器7が筐体6の上面6aに取り付けられているが、筐体6の底面や側面に取り付けられていてもよく、要は、筐体6の外面に対し熱的に接続するよう取り付けられていればよい。また、脱硫器7が配置される向きについては、上記実施形態では横置きとされているが、縦置きとされてもよいし、図5(a)に示すように、図2の脱硫器7とは逆置きとされていてもよい。
In the above embodiment, the
また、脱硫器7における流路8の形態は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば図5(b)に例示された流路8’では、脱硫器7における側面7aの略中央に入口部8a’が設けられ、当該入口部8a’に近接するよう側面7a上部に出口部8b’が設けられている。このような流路8は、入口部8aから配管7d内において側面7b近傍まで真っ直ぐ延びた後、配管7d外において上方及び下方から回り込むように側面7a側へ向けて折り返され、そして、出口部8bへ向かって延びている。
Moreover, the form of the
このような流路8’においても、入口部8a側の配管7d内の水素含有燃料が出口部8bから流出する水素含有燃料で加熱される、つまり、脱硫器7を流通する水素含有燃料は、流路8’における入口部8a側と出口部8b側にて互いに熱交換されることとなる。
Also in such a
1…燃料電池モジュール、2…改質器、3…セルスタック、6…筐体、6a…上面(外面)、7…脱硫器、8、8’…流路、8a,8a’…入口部、8b,8b’…出口部、9…断熱材、10…外側断熱材(断熱材)。
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記改質ガスを用いて発電を行うセルスタックと、
前記改質器及び前記セルスタックを少なくとも収納する筐体と、
前記改質器に供給される前記水素含有燃料の脱硫を行う脱硫器と、を備え、
前記脱硫器は、前記筐体の外面に対し熱的に接続するように取り付けられていることを特徴とする燃料電池モジュール。 A reformer that generates reformed gas using hydrogen-containing fuel;
A cell stack for generating power using the reformed gas;
A housing that houses at least the reformer and the cell stack;
A desulfurizer that desulfurizes the hydrogen-containing fuel supplied to the reformer,
The fuel cell module, wherein the desulfurizer is attached so as to be thermally connected to an outer surface of the casing.
前記流路は、前記水素含有燃料を流入させる入口部側と前記水素含有燃料を流出させる出口部側とで互いに熱交換可能になるよう折り返されていることを特徴とする請求項1〜3の何れか一項記載の燃料電池モジュール。 The desulfurizer has a flow path for circulating the hydrogen-containing fuel therein,
4. The flow path according to claim 1, wherein the flow path is folded so that heat exchange is possible between an inlet portion side through which the hydrogen-containing fuel flows and an outlet portion side through which the hydrogen-containing fuel flows out. The fuel cell module according to any one of claims.
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