JP2014056688A

JP2014056688A - 燃料電池装置

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Publication number: JP2014056688A
Application number: JP2012200210A
Authority: JP
Inventors: Akira Yamamoto; 暁山本; Yukihiro Kawamichi; 幸弘川路; Sho Yokoyama; 翔横山; Yoshiaki Kaneko; 佳亮金子; Ryo Kishida; 遼岸田; Yasushi Mizuno; 康水野; Naoki Yokoo; 直樹横尾; Norihisa Shibazaki; 則久柴崎; Hiroki Oguro; 裕希小黒
Original assignee: Dainichi Co Ltd; JX Nippon Oil and Energy Corp
Current assignee: Dainichi Co Ltd; Eneos Corp
Priority date: 2012-09-12
Filing date: 2012-09-12
Publication date: 2014-03-27
Anticipated expiration: 2032-09-12
Also published as: JP5936967B2

Abstract

【課題】複数の燃料電池セル１０の上端部にて、オフガスを燃焼させる。複数の燃料電池セル１０が扁平容器形状の酸化剤供給部材４０によって２つのグループ（１１、１２）に分断される場合に、１つの点火装置２２で十分な着火性を確保する。
【解決手段】点火装置２２は、燃料電池セル１０のグループの１つ（１１）に設けられる。酸化剤供給部材４０は、その扁平部を貫通して燃料電池セル１０のグループ間にて火炎を伝播する火炎伝播通路６１〜６３を有する。火炎伝播通路の１つ（６１）は、点火装置２２による着火位置に対向する位置に設けられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池装置に関し、特に固体酸化物形の燃料電池装置に関する。

燃料電池装置は、燃料電池システムの中核をなすもので、水素含有燃料と酸化剤とを反応させて発電を行う複数の燃料電池セルと、燃料電池セルの上端部（燃料電池セルの反応ガスの流れ方向における下流端部）から排出されるオフガス（余剰の水素含有燃料）を燃焼させて燃料電池セルを高温状態に維持するオフガス燃焼部と、前記燃焼を開始させるため前記オフガスに点火する点火装置と、を含んで構成される。

また、燃料電池装置は、一般には、水素含有燃料を改質する改質器を更に含んで構成され、オフガス燃焼部は、燃料電池セルと共に改質器を加熱する。この改質器により燃料電池セルへの水素含有燃料の供給がなされる。

一方、複数の燃料電池セルに酸化剤を供給するための酸化剤供給部材は、扁平容器形状で、複数の燃料電池セルを２つのグループに分けるようにグループ間に上側から挿入配置され、下部に酸化剤の噴出口を有している。

かかる酸化剤供給部材の存在により、燃料電池セルの上端部側のオフガス燃焼部は、燃料電池セルのグループごとに分断されている。このため、点火装置は、着火性を確保すべく、燃料電池セルのグループごとに設けられている。従って、点火装置は２つ設けられている。
尚、上記のような燃料電池装置は、特許文献１に開示されている。

特開２０１１−０９６３８８号公報

しかしながら、上記の従来技術では、点火装置を２つ必要とするため、コスト高となっていた。かかるコストには、点火装置の購入費だけでなく、点火装置を燃料電池装置の筐体内に挿入配置する際の気密処理等の費用も含まれ、これらが全て２倍となることで、かなりのコスト高となる。

また、燃料電池装置の筐体内には、一般に、その中央部に酸化剤供給部材が設けられ、これを挟んで燃料電池セルのグループが設けられるため、グループごとの点火装置は、筐体の互いに正反対の側面（表裏面）から挿入配置されることになる。従って、組み立て面及びメンテナンス面が表側と裏側の２面となり、システムのレイアウトが制約される上、組み立て性の悪い構成となっていた。

本発明は、このような実状に鑑み、点火装置を１つにしてコストダウン及び組み立て性改善等を図る一方、酸化剤供給部材によって分断される燃料電池セルのグループ間の火移りを可能かつ良好にして、十分な着火性を確保できるようにすることを課題とする。

本発明に係る燃料電池装置は、水素含有燃料と酸化剤とを反応させて発電を行う複数の燃料電池セルと、前記複数の燃料電池セルの上端部から排出されるオフガスを燃焼させて前記燃料電池セルを高温状態に維持するオフガス燃焼部と、前記燃焼を開始させるため前記オフガスに点火する点火装置と、前記複数の燃料電池セルに前記酸化剤を供給するため、前記複数の燃料電池セルを少なくとも２つのグループに分けるようにグループ間に上側から挿入配置され、下部に酸化剤の噴出口を有する扁平容器形状の酸化剤供給部材と、を備える。

ここにおいて、前記点火装置は、前記燃料電池セルのグループの１つに設けられる。そして、前記酸化剤供給部材は、その扁平部を貫通して前記燃料電池セルのグループ間にて火炎を伝播する火炎伝播通路を少なくとも１つ有し、前記火炎伝播通路の１つは、前記点火装置による着火位置に対向する位置に設けられる。言い換えると、燃料電池装置を側面から見たときに、火炎伝播通路の開口部内に着火点が位置するように構成される。

「点火装置による着火位置（着火点）」とは、点火装置の点火動作（火種の生成）によってオフガスに最初に火が着く燃料電池セル上の位置をいい、点火装置の位置と異なる場合がある。

本発明によれば、点火装置が１つであっても、酸化剤供給部材に火炎伝播通路を設けたため、点火装置を有する燃料電池セルのグループから点火装置を有しない燃料電池セルのグループへ、火炎の伝播を可能にすることができる。しかも、火炎伝播通路の１つは、点火装置による着火位置に対向する位置に設けられているので、火炎を速やかに伝播させることができる。これにより、コストダウンのみならず、組み立て性、メンテナンス性を向上させることができる。

本発明の一実施形態を示す燃料電池装置の正面縦断面図同上の燃料電池装置の平面横断面図（図１のＡ−Ａ矢視断面図）同上の燃料電池装置の側面縦断面図（図１のＢ−Ｂ矢視断面図）酸化剤供給部材の概略斜視図酸化剤供給部材への火炎伝播通路の形成方法を示す図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して、詳細に説明する。
図１は本発明の一実施形態を示す燃料電池装置の正面縦断面図、図２は同上の燃料電池装置の平面横断面図（図１のＡ−Ａ矢視断面図）、図３は同上の燃料電池装置の側面縦断面図（図１のＢ−Ｂ矢視断面図）である。

燃料電池装置の筐体については、燃焼室区画部材１と天板２のみを示している。ここで、燃焼室区画部材１は、底面１ａ、長側面１ｂ、１ｃ及び短側面１ｄ、１ｅを有している。天板２は、燃焼室区画部材１の上面側開口部に対向している。天板２の上側の領域は酸化剤（空気）の供給源をなす。燃焼室区画部材１の長側面１ｂ、１ｃ上端部と天板２との間の空隙３は、排気出口をなす。

次に燃料電池装置の筐体内部の構成について説明する。
本実施形態の燃料電池装置は、筐体内、特に燃焼室区画部材１内に、水素含有燃料と酸化剤（一般には空気）とを反応させて発電を行う複数の燃料電池セル１０と、複数の燃料電池セル１０の上端部から排出されるオフガスを燃焼させて燃料電池セル１０を高温状態に維持するオフガス燃焼部２０と、前記燃焼を開始させるため前記オフガスに点火する点火装置２２とを備える。

燃料電池装置はまた、燃焼室区画部材１内に、水素含有燃料を改質して燃料電池セル１０のアノード（燃料極）に供給する改質器３０と、燃料電池セル１０のカソード（酸化剤極）に酸化剤（空気）を供給する酸化剤供給部材４０とを備える。

燃料電池セル１０は、上下方向に延びる扁平なセル支持体の表面に、アノード（燃料極）、固体酸化物からなる電解質、カソード（酸化剤極）を積層してなる。セル支持体は、その延在方向に沿って内部に燃料通路が形成されると共に、多孔質である。よって、アノードにはセル支持体内部から水素含有燃料が供給される。カソードには外部から酸化剤が供給される。

電解質は、高温下で酸化物イオンを伝導する。アノードは、酸化物イオンと燃料中の水素とを反応させて、電子及び水を発生させる。カソードは、空気中の酸素と電子とを反応させて、酸化物イオンを発生させる。

従って、燃料電池セル１０のカソードにて、下記（１）式の電極反応が生起され、アノードにて、下記（２）式の電極反応が生起されて、発電がなされる。
カソード：１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２−（電解質）・・・（１）
アノード：Ｏ^２−（電解質）＋Ｈ_２→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻ ・・・（２）

燃料電池装置には上記のような燃料電池セル１０が多数備えられ、これらは電気的に直列及び／又は並列に接続されて、燃料電池セル１０の組み立て体であるセルスタックを構成している。本実施形態では、セルスタックは、第１のセルスタック１１と第２のセルスタック１２として、台座１３上に２列に配置され、グループ化されている。

ここで、燃料電池セル１０（セルスタック１１、１２）への水素含有燃料の供給は、台座１３側（セルスタック１１、１２の下端部側）からなされ、台座１３は水素含有燃料の分配機能を有している。水素含有燃料としては、改質器３０から改質ガスが供給される。
燃料電池セル１０（セルスタック１１、１２）への酸化剤（空気）の供給は、セルスタック１１、１２の列間に配置した酸化剤供給部材４０を介してなされる。

また、セルスタック１１、１２の上端部側はオフガス（未反応の水素含有燃料）の排出部となり、オフガスは余剰の酸化剤供給下で燃焼する。従って、セルスタック１１、１２の上端部近傍がオフガス燃焼部２０となる。

改質器３０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、水素リッチな改質ガスを生成する。本実施形態では、オフガス燃焼部２０での燃焼熱によって加熱されるように、改質器３０は、燃焼室区画部材１内でセルスタック１１、１２の上方に配置される。改質器３０は、酸化剤供給部材４０を避けるように形成されている。そして、改質器３０の出口部からセルスタック１１、１２の台座１３へ改質ガスの供給パイプ３２が設けられる。

水素含有燃料（原燃料）としては、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は、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、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、ガソリン、ナフサ、灯油、軽油が挙げられる。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。

改質器３０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。水蒸気改質を用いる場合は、改質器３０内（又は改質器３０とは別）に水気化部を設け、筐体１外部から供給される水を加熱し気化させることによって水蒸気を生成する。

次に酸化剤供給部材４０について説明する。
天板２の上側の領域は酸化剤（空気）の供給源であり、この天板２にセルスタック１１、１２の列設方向と同方向に延びるスリット４が形成されている。このスリット４は酸化剤入口をなす。そして、このスリット４から燃焼室区画部材１内へ酸化剤供給部材４０が挿入配置されている。

酸化剤供給部材４０は、図４の概略斜視図に示されるように、上面が開口し垂直な扁平面を有する矩形の容器で、セルスタック１１、１２の列間に平行に配置され、上面側の開口部は酸化剤（空気）の供給源と連通している。そして、扁平な矩形の容器の底部近傍の両側面に複数の酸化剤噴出口４６が形成され、酸化剤噴出口４６はセルスタック１１、１２に相対している。
従って、酸化剤（空気）は、スリット４から酸化剤供給部材４０の内部に流入し、酸化剤噴出口４６から噴出して、セルスタック１１、１２のカソードに供給される。

次に燃料電池セル１０（セルスタック１１、１２）の上端部から排出されるオフガスを燃焼させるオフガス燃焼部２０での燃焼を開始させるため、オフガスに点火する点火装置２２について説明する。
点火装置２２としては、点火ヒータ又は点火プラグが用いられるが、本実施形態では点火ヒータを用いている。

点火装置２２は、筐体を構成する燃焼室区画部材１の長側面１ｂを貫通させて取付けられ、先端のヒータ部２２ａは一方のセルスタック１１の上端部と改質器３０の底面との間に挿入配置されている。
点火装置２２は、第１のセルスタック１１の列設方向では、図２に示されるように燃料分配用の台座１３への燃料供給位置（改質ガスの供給パイプ３２の接続位置）に近い位置に設ける。速やかな着火のためである。

一方、点火装置２２を有する第１のセルスタック１１から点火装置を有しない第２のセルスタック１２への良好な火移りを実現するため、第１のセルスタック１１のオフガス燃焼部と第２のセルスタック１２のオフガス燃焼部とを隔てる酸化剤供給部材４０に、その扁平部を貫通させて、複数の火炎伝播通路６１、６２、６３を設ける（図４参照）。

複数の火炎伝播通路６１〜６３は、セルスタック１１、１２の列設方向に並べられる。言い換えれば、複数の火炎伝播通路６１〜６３は、扁平容器形状の酸化剤供給部材４０における酸化剤の通流方向Ｆと直交する酸化剤供給部材の長手方向Ｌに並べられる（図４参照）。尚、複数の火炎伝播通路６１〜６３は、長手方向Ｌに間隔をあけて配置されていれば、図４の上下方向（Ｆ方向）にずれていてもよい。

火炎伝播通路６１〜６３の形成方法について説明する。火炎伝播通路６１〜６３は、具体的には、図５に示すように、扁平な容器形状の酸化剤供給部材４０の表側パネルと裏側パネルとを部分的に両面から絞り加工して両パネルを圧着した後、圧着部の中央部を打ち抜き加工により円形等に打ち抜いて形成する。尚、酸化剤が漏出しないように、圧着及び打ち抜き加工された酸化剤供給部材４０の縁部を全周溶接することが好ましい。また、火炎伝播通路は、本実施形態では円形の例を図示しているが、楕円形、扇形、多角形であってもよい。

ここにおいて、複数の火炎伝播通路６１〜６３の１つ（６１）は、点火装置２２による着火位置に対向する位置に設ける。点火装置２２が点火ヒータである場合は、ヒータ部２２ａの位置が着火位置となるので、ヒータ部２２ａに対向する位置に設ける。着火位置に対応する位置に火炎伝播通路６１を設けることにより、点火装置２２を有する第１のセルスタック１１から点火装置を有しない第２のセルスタック１２への火炎伝播ルートを短くすることができる。

また、火炎伝播通路６１〜６３の通路断面下端部は、燃料電池セル１０（セルスタック１１、１２）の上端部より低位置に設けられ、火炎伝播通路６１〜６３の通路断面上端部は、燃料電池セル１０（セルスタック１１、１２）の上端部より高位置に設けられる。セルスタック１１の上端部からセルスタック１２の上端部へ火移りする火炎を火炎伝播通路６１〜６３の下側及び上側の縁部が邪魔しないようにするためである。

また、火炎伝播通路６１〜６３の通路断面中心部（あるいは最広幅部）は、燃料電池セル１０（セルスタック１１、１２）の上端部より高位置に設けられ、セルスタック１１からセルスタック１２へ火移りする火炎の主流に対し、火炎伝播通路６１〜６３が最適な位置にくるようにしている。ここでいう通路断面中心部とは、通路断面の高さ方向両端部間の高さ（最大高さ）の１／２の位置上の線と、通路断面の幅方向両端部間の幅（最大幅）の１／２の位置上の線との交点をいう。尚、通路断面中心部と最広幅部との両方が燃料電池セル１０（セルスタック１１、１２）の上端部より高位置に設けられることが、より好ましい。

また、火炎伝播通路６１〜６３の通路断面上端部は、改質器３０の底面より高位置に設けるとよい。これにより、セルスタック１１の上端部から改質器３０の底面までの範囲内の火炎を確実に伝播することができる。

火炎伝播通路６１〜６３は、セルスタック１１からセルスタック１２への均一な火移りを保証するため、セルスタック１１、１２の列設方向（酸化剤供給部材４０の長手方向Ｌ）に複数設けられるが、点火装置２２は、複数の火炎伝播通路６１〜６３のうち、燃料分配用の台座１３への燃料供給位置（改質ガスの供給パイプ３２の接続位置）に最も近い火炎伝播通路６１に対応させて設けられる。セルスタック１１への着火を速やかに行わせ、その着火点から速やかにセルスタック１２に火移りさせるためである。

火炎伝播通路６１〜６３は、セルスタック１１からセルスタック１２への均一な火移りを保証するため、セルスタック１１、１２の列設方向（酸化剤供給部材４０の長手方向Ｌ）に複数設けられるが、複数の火炎伝播通路６１〜６３は、酸化剤供給部材４０の長手方向Ｌの中央部を通って酸化剤の通流方向Ｆに延びる中心線Ｃを対称軸として左右対称に配置される（図４参照）。これにより、セルスタック１１からセルスタック１２へのより均一な火移りを保証できる。また、酸化剤供給部材４０に火炎伝播通路６１〜６３を設けることで、酸化剤供給部材４０内の酸化剤の流れを阻害することになるが、火炎伝播通路６１〜６３を左右対称に配置することで、酸化剤供給部材４０内の酸化剤の流れの均一性を確保することができる。尚、本実施形態では、火炎伝播通路が３つ（奇数）のため、中央の火炎伝播通路６２を対称軸と重なるように設けているが、偶数であれば、対称軸と重なるように設けることは要しない。

本実施形態によれば、点火装置２２が１つであっても、酸化剤供給部材４０に火炎伝播通路６１〜６３を設けたため、点火装置２２を有する燃料電池セル１０のグループ（第１のセルスタック１１）から点火装置を有しない燃料電池セル１０のグループ（第２のセルスタック１２）へ、火炎の伝播を可能にすることができる。しかも、火炎伝播通路６１〜６３の１つ（６１）は、点火装置２２による着火位置に対向する位置に設けられているので、火炎を速やかに伝播させることができる。これにより、点火装置２２が１つになって、コストダウンのみならず、組み立て性、メンテナンス性を向上させることができる。

尚、上記の実施形態では、水素含有燃料として、例えば炭化水素系燃料を用い、改質器３０により、水素リッチな改質ガスに改質して、燃料電池セル１０のアノードに供給する構成としたが、水素含有燃料として、有機ハイドライドを用い、改質器３０を脱水素反応型に代え、有機ハイドライドの脱水素反応によって生じる水素リッチガスを燃料電池セル１０のアノードに供給してもよい。また、水素含有燃料として、純水素を用いることも可能である。この場合には、改質器３０を省略し、筐体外の水素タンクなどから燃料電池セル１０のアノードに水素含有燃料を直接供給することができる。

また、上記の実施形態では、複数の燃料電池セル１０を装備させるに際し、燃料電池セル１０の組み立て体であるセルスタック１１、１２を２列に設けて、これらの列間に酸化剤供給部材４０を配置するようにしたが、２列になっていることは要件ではなく、酸化剤供給部材４０が複数の燃料電池セル１０を少なくとも２つのグループに分けるようにグループ間に配置されている場合に本発明を適用できる。

また、上記の実施形態では、点火装置２２として点火ヒータを用いた例で説明したが、点火装置２２として火花放電により火花点火を行う点火プラグを用いてもよい。但し、点火プラグの場合は、点火プラグの電極位置とオフガスの着火位置とは異なるので、点火プラグの点火動作によるオフガスの着火位置に対向させて、火炎伝播通路を設けるようにする。

また、上記の実施形態では、複数の扁平状の燃料電池セルを直列に接続したセルスタックを例示したが、複数の円筒状の燃料電池セルを直列及び／又は並列に接続したセルスタックを用いてもよい。

以上からわかるように、図示の実施形態はあくまで本発明を例示するものであり、本発明は、説明した実施形態により直接的に示されるものに加え、請求の範囲内で当業者によりなされる各種の改良・変更を包含するものであることは言うまでもない。

１燃焼室区画部材（筐体）
２天板
３空隙（排気出口）
４スリット（酸化剤入口）
１０燃料電池セル
１１第１のセルスタック
１２第２のセルスタック
１３台座
２０オフガス燃焼部
２２点火装置（点火ヒータ）
２２ａヒータ部
３０改質器
３２改質ガスの供給パイプ
４０酸化剤供給部材
４６酸化剤噴出口
６１、６２、６３火炎伝播通路

Claims

水素含有燃料と酸化剤とを反応させて発電を行う複数の燃料電池セルと、
前記複数の燃料電池セルの上端部から排出されるオフガスを燃焼させて前記燃料電池セルを高温状態に維持するオフガス燃焼部と、
前記燃焼を開始させるため前記オフガスに点火する点火装置と、
前記複数の燃料電池セルに前記酸化剤を供給するため、前記複数の燃料電池セルを少なくとも２つのグループに分けるようにグループ間に上側から挿入配置され、下部に酸化剤の噴出口を有する扁平容器形状の酸化剤供給部材と、
を備える、燃料電池装置であって、
前記点火装置は、前記燃料電池セルのグループの１つに設けられ、
前記酸化剤供給部材は、その扁平部を貫通して前記燃料電池セルのグループ間にて火炎を伝播する火炎伝播通路を少なくとも１つ有し、
前記火炎伝播通路の１つは、前記点火装置による着火位置に対向する位置に設けられることを特徴とする、燃料電池装置。
前記火炎伝播通路の通路断面下端部は、前記燃料電池セルの上端部より低位置に設けられ、前記火炎伝播通路の通路断面上端部は、前記燃料電池セルの上端部より高位置に設けられることを特徴とする、請求項１記載の燃料電池装置。
前記火炎伝播通路の通路断面中心部は、前記燃料電池セルの上端部より高位置に設けられることを特徴とする、請求項１又は請求項２記載の燃料電池装置。
前記オフガス燃焼部の上方に、燃焼熱を利用し、前記水素含有燃料を改質して前記燃料電池セルに供給する改質器を備え、
前記火炎伝播通路の通路断面上端部は、前記改質器の底面より高位置に設けられることを特徴とする、請求項２又は請求項３記載の燃料電池装置。
前記複数の燃料電池セルへ前記水素含有燃料を供給するため、前記複数の燃料電池セルの下端部側に燃料分配用の台座を備え、
前記火炎伝播通路は、前記酸化剤供給部材に複数設けられ、
前記点火装置は、前記複数の火炎伝播通路のうち、前記台座への燃料供給位置に最も近い火炎伝播通路に対応させて設けられることを特徴とする、請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の燃料電池装置。
前記火炎伝播通路は、前記扁平容器形状の酸化剤供給部材における酸化剤の通流方向と直交する前記酸化剤供給部材の長手方向に並べられて複数設けられ、
前記複数の火炎伝播通路は、前記酸化剤供給部材の長手方向の中央部を通って酸化剤の通流方向に延びる中心線を対称軸として左右対称に配置されることを特徴とする、請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載の燃料電池装置。