JP2014082146A

JP2014082146A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2014082146A
Application number: JP2012230478A
Authority: JP
Inventors: Hirofumi Yamazaki; 洋文山崎; Jun Kawaguchi; 潤川口; Kimitaka Watabe; 仁貴渡部
Original assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2012-10-18
Filing date: 2012-10-18
Publication date: 2014-05-08

Abstract

【課題】燃焼器で発生した熱を適切なバランスで空気の加熱に利用することにより、燃料電池の大型化を回避しつつ、発電効率に優れる燃料電池を提供する。
【解決手段】燃料と空気とを反応させて発電する発電セルを複数積層してなる燃料電池スタック（３）と、外部から導入された燃料を改質することにより改質燃料を生成し、前記燃料電池スタックに供給する改質器（５）と、前記燃料電池スタック（３）から排出された排燃料の少なくとも一部および排空気を燃焼させ、発生した熱を前記改質器（５）に供給する燃焼器（９）と、外部から導入された空気を、前記燃焼器（９）で発生した熱によって加熱して前記燃料電池スタック（３）に供給する空気予熱器（７）であって、前記燃料電池スタックに対向して配置された空気予熱器（７）とを備える燃料電池（１）において、前記空気予熱器（７）の内部の少なくとも一部に、多数の伝熱体（５５）を充填する。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料と空気とを反応させて発電する燃料電池スタックからの排燃料を燃焼させる燃焼器の排熱および燃料電池スタックからの輻射熱を有効に利用してカソード空気の予熱を行うための構造に関する。

近年、化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する燃料電池が、高効率でクリーンな発電装置として注目されており、特に、固体酸化物電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）は発電効率に優れることから、種々の用途への展開が期待されている。

ＳＯＦＣは、他のタイプの燃料電池よりも作動温度が高いことから、発電時の排熱を、改質器における改質反応の促進や、発電反応に用いられる空気の予熱等に利用して、発電効率を向上させることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に開示された燃料電池では、燃料電池スタックの排燃料を燃焼させる燃焼器からの排熱および燃料電池スタックからの輻射熱により、カソードに供給される空気を予熱するので、発電効率の向上が期待される。

特開２０１１−２３８３６３号公報

しかしながら、特許文献１の燃料電池では、装置全体の小型化のために、空気予熱器、改質器を燃料電池スタックに近接させて配置すると、ともすれば燃料電池スタックから空気予熱器、改質器へ過剰に放熱される場合がある。特に低温の空気予熱器への輻射放熱が大きい。その結果、燃料電池スタックの温度が低下して燃料電池スタックの出力が低下するとともに、空気予熱器で回収される排熱量も低下して燃料電池の発電効率が低下する。

本発明の目的は、上記の課題を解決するために、燃料電池スタックから空気予熱器への輻射放熱を適量に制御して、空気予熱器での排熱回収効率を向上させることにより、燃料電池の大型化を回避しつつ、発電効率に優れる燃料電池を提供することにある。

前記した目的を達成するために、本発明に係る燃料電池は、燃料と空気とを反応させて発電する発電セルを複数積層してなる燃料電池スタックと、外部から導入された燃料を改質することにより改質燃料を生成し、前記燃料電池スタックに供給する改質器と、前記燃料電池スタックから排出された排燃料の少なくとも一部と排空気を燃焼させ、発生した熱を前記改質器に供給する燃焼器と、外部から導入された空気を、前記燃焼器で発生した熱を利用して加熱して前記燃料電池スタックに供給する空気予熱器であって、前記燃料電池スタックに対向して配置された空気予熱器とを備え、前記空気予熱器内部の少なくとも一部に、多数の伝熱体が充填されている。ここで、伝熱体とは、例えばセラミック製の球状体である。

この構成によれば、燃焼器で発生した熱が伝熱体を介して極めて効率的に空気予熱器内を通過する空気に伝達されるので、排熱回収量が増加する。その結果、燃料電池スタックから空気予熱器への輻射放熱量が低下し、空気予熱器を燃料電池スタックの近傍に対向配置させても、空気予熱器によって燃料電池スタックの熱が必要以上に奪われて燃料電池スタックの温度が低下することが防止される。空気予熱器に充填する伝熱体の充填量や充填する場所は容易に調整することができるので、燃焼器で発生した熱を適切なバランスで空気予熱器における熱交換に利用することが可能になる。これにより、燃料電池の大型化を回避しつつ、高い発電効率を実現できる。

本発明の一実施形態に係る燃料電池において、前記伝熱体が、前記空気予熱器の空気通路の少なくとも空気導入部に充填されていることが好ましい。この構成によれば、空気予熱器の最も低温となる部分である空気導入部に伝熱体を充填するので、より確実に燃料電池スタックの温度低下を防止することができる。

本発明の一実施形態に係る燃料電池において、前記燃料電池スタックと前記空気予熱器との間に、前記燃料電池スタックから前記空気予熱器への熱の伝播を遮る遮熱板が設けられていてもよい。この構成によれば、遮熱板によって燃料電池スタックから空気予熱器への熱の伝播を適量に制御することにより、一層効果的に燃料電池スタックの温度低下を防止することができる。さらに、空気予熱器での排熱回収がより一層促進されるため、燃料電池の大型化を回避しつつ、高い発電効率を実現できる。

本発明の一実施形態に係る燃料電池において、前記空気予熱器が前記燃焼器と一体的に形成されていることが好ましい。この構成によれば、燃焼器で発生した熱が放熱損失を抑制しながら空気予熱器に供給されるので、発電効率が一層向上する。また、燃焼器と空気予熱器とを一体化することにより、これらを別体に配置する場合に比べてコンパクトな構造となる。

以上のように、本発明に係る燃料電池によれば、空気予熱器に伝熱体を充填することで燃焼器の排熱を適切なバランスで空気の熱交換に利用することが可能となり、燃料電池の大型化を回避しつつ、発電効率が向上する。

本発明の一実施形態に係る燃料電池を示す斜視図である。図１のII-II線に沿った断面図である。図１の燃料電池を示す横断面図である。図１の実施形態に用いられる外囲ユニットの変形例を示す概略構成図である。

以下、本発明に係る実施形態を図面に従って説明するが、本発明はこの実施形態に限定されるものではない。

図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池１を示す斜視図である。燃料電池１は、発電装置として使用されるものであり、燃料電池スタック３、改質器５、空気予熱器７および燃焼器９を主要な構成要素として備えている。

図１のII-II線に沿った断面図である図２に模式的に示すように、燃料電池１は後述の断熱部材で囲まれた密閉された高温室１０内に設置されている。燃料電池スタック３は、燃料と空気とを反応させて発電する扁平な矩形の発電セル１１を、その主面と直交する方向Ｘに、セパレータ１３を介して複数積層して構成されている。各発電セル１１は燃料極（アノード）と空気極（カソード）との間にイオン導電性セラミック製電解質を介在させた固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）として構成されている。燃料電池スタック３の底部には、スタックアダプタ１５が取り付けられている。図１に示すように、スタックアダプタ１５内には燃料電池スタック３に接続する空気Ａ、燃料Ｆ、排燃料ＥＦのガス流路が設けられており、空気供給管２１、燃料供給管２３を通じて、空気Ａ、燃料Ｆが燃料電池スタック３へ供給され、排燃料配管２５を介して、燃料電池スタック３からの排燃料ＥＦの少なくとも一部が燃焼器９へ排出される。

改質器５は、燃料導入通路を形成する燃料導入管２７を介して外部から導入された、水蒸気を含む燃料Ｆから、吸熱反応である水蒸気改質反応によって改質燃料ＲＦであるＨ_２およびＣＯ等を生成する。この改質反応には、燃焼器９で発生した熱および燃料電池スタック３からの輻射熱が利用される。生成した改質燃料ＲＦは、燃料供給通路を形成する燃料供給管２３を介してスタックアダプタ１５に送られた後、発電セル１１の燃料極に供給される。本実施形態では、燃料Ｆとして、メタンを主成分とするガス、例えば都市ガス、バイオガス等を使用している。また、改質器５内には、図２に示す改質触媒２９として、ニッケル、ルテニウム等を担持したアルミナボールが充填されている。改質触媒２９としては、このほかに、水蒸気改質用触媒として一般的に用いられる各種の金属粒子を使用することができる。

空気予熱器７は、図１に示すように、外部からの空気導入路を形成する空気導入管３１を介して導入された空気Ａを、燃焼器９で発生した熱および燃料電池スタック３からの輻射熱によって加熱する。空気予熱器７内で加熱された高温の空気ＨＡは、空気供給路を形成する空気供給管２１を介してスタックアダプタ１５に送られた後、燃料電池スタック３の空気極に供給される。

燃料電池スタック３の燃料極から排出された排燃料ＥＦの一部または全部は、排燃料流路を形成する排燃料流路管２５を介して燃焼器９に導入される。また、燃焼器９の端部には、パンチングメタルを備える空気導入口９ａが設けられており、燃料電池スタック３の空気極から高温室１０に排出された排空気ＥＡは、空気導入口９ａを介して燃焼器９に導入される。燃焼器９は、導入された排燃料ＥＦおよび排空気ＥＡを燃焼させて、高温の燃焼ガスＨＧを生成する。燃焼ガスＨＧは、空気予熱器７を通った後、空気予熱器７の下流側端部に接続された燃焼ガス排出管３７を経由して外部へ排出される。本実施形態の燃焼器９は、触媒によって排燃料ＥＦおよび排空気ＥＡを燃焼させる触媒燃焼器として構成されており、図２に示すように、その内部に、燃焼触媒３９としてパラジウム、白金等を担持したアルミナボールが充填されている。燃焼器９における燃焼によって発生する熱は、上述のように改質器５における改質反応および空気予熱器７における空気の加熱に利用される。

以下、燃料電池１の構造についてさらに詳しく説明する。燃料電池１では、改質器５が燃焼器９と一体的に形成されており、さらに、空気予熱器７が燃焼器９および改質器５と一体的に形成されている。すなわち、図１に示すように、改質器５、空気予熱器７および燃焼器９が、単一のユニットハウジング４１に収容されることにより一体化されており、ほぼ角筒形状のスタック外囲ユニット４３を形成している。スタック外囲ユニット４３の内周部４３Ａは、平面視における一辺の位置を改質器５が占め、他の三辺のコの字形の位置を、空気予熱器７の空気通路を形成する空気通路部７ａが占めている。一方、スタック外囲ユニット４３の外周部４３Ｂは、改質器５の外周側の部分が燃焼器９によって形成されており、空気予熱器７の空気通路部の外周側の部分が、燃焼ガス通路を形成する燃焼ガス通路部７ｂによって占められている。

このように、空気予熱器７と燃焼器９とが一体化されているため、燃焼器９で発生した熱が、放熱損失を抑制しながら空気予熱器７に供給されるので、燃料電池１の発電効率が向上する。

図２に示すように、燃料電池スタック３は、その外周部３ａが、近接して配置されたスタック外囲ユニット４３によって囲まれている。換言すれば、燃料電池スタック３の外周部３ａ、つまり、ほぼ直方体形状を有する燃料電池スタック３の、発電セル１１の積層方向Ｘに平行な４つの各側面に対向して、スタック外囲ユニット４３の内周部４３Ａを形成する改質器５および空気予熱器７のいずれか一方が配置されている。図１に示すように、スタック外囲ユニット４３の全体は、スタックアダプタ１５とスタック外囲ユニット４３とを接続する燃料供給管２３、空気供給管２１等の配管およびスタックアダプタ１５に取り付けられた金属製の支持部材４８によって、燃料電池スタック３を囲むように支持されている。

スタック外囲ユニット４３は、図２に示すように、例えば、ステンレス鋼のような耐食性を有する金属板で形成されたユニットハウジング４１の内部に、同じく耐食性を有する金属板からなる仕切板４９を溶接などによって接合して設けることにより形成されている。すなわち、燃焼器９と改質器５とは、ユニットハウジング４１を共有し、１枚の仕切板４９のみを介して隣接している。なお、スタック外囲ユニット４３を形成する材料および仕切板４９を形成する材料は、ステンレス鋼に限らず、機械的強度、耐食性、熱伝導性等を考慮して適宜選択してよい。また、スタック外囲ユニットの構造も、図２に示した例に限らず、機械的強度や組立性を考慮して適宜選択することができる。

同様に、空気予熱器７の空気通路５１と燃焼ガス通路５３とは、ユニットハウジング４１を共有し、仕切板４９のみを介して隣接している。このように構成された空気予熱器７の内部には、多数の伝熱体５５が充填されている。具体的には、空気予熱器７の空気通路５１と燃焼ガス通路５３のそれぞれに、伝熱体５５が充填されている。伝熱体５５は、空気通路５１での使用時の温度域（２００〜５００℃）、および燃料ガス通路５３での使用時の温度域（４００〜６００℃）で少なくとも０．６以上の大きい輻射率（吸収率）を有しているものが好ましい。燃焼ガス通路５３内に充填された伝熱体５５は、燃焼器９から排出されて燃焼ガス通路５３を通過する高温の燃焼ガスによって加熱される。その際、燃焼ガスの持つ熱エネルギーが伝熱体５５の表面から遠赤外線となって放射され、仕切板４９および空気通路５１内の伝熱体５５に伝播されて空気通路５１内を通過する空気を加熱し、燃焼ガスの排熱回収効率が向上する。

なお、本実施形態では、伝熱体５５としてアルミナボールを使用しているが、アルミナボール以外のセラミック製の球状体、例えばシリカボールやムライトボールを使用してもよい。さらに、伝熱体５５はセラミック製の球状体に限らず、様々な材質、形状、大きさのものを使用してよく、空気通路５１と燃焼ガス通路５３とで充填する伝熱体５５の材質、形状、大きさを変えてもよい。また、伝熱体の形状としては、球状に限らず、例えば円柱状であってもよいが、空気予熱器７内を通過する空気および燃焼ガスの圧力損失を低減するために、直径３〜１０ｍｍ程度の球状であることが好ましい。

また、伝熱体５５は、空気予熱器７内の少なくとも一部に充填されていればよいが、図３に示すように、少なくとも、空気予熱器７の最も低温となる部分である空気導入部の近傍に充填されていることが好ましい。本実施形態においては、平面視でコの字形に配置された空気予熱器７の、空気導入部７ａａ側（燃焼ガス排出部７ｂａ側）の２辺に相当する部分に伝熱体５５を充填している。

本実施形態では、さらに、燃料電池スタック３と空気予熱器７との間に、燃料電池スタック３から空気予熱器７への過剰な輻射放熱を遮る遮熱板５９を設けている。遮熱板５９を設けることにより、燃料電池スタック３から空気予熱器７への輻射放熱量を適量に制御することができるので、一層効果的に燃料電池スタック３の温度低下が防止されるとともに、空気予熱器７での排熱回収がより一層促進される。遮熱板５９の高さは、少なくとも空気予熱器７の高さ以上であれば、燃料電池スタック３の高さより低く設定してもよいが、図２に示すように、燃料電池スタック３の高さと同程度以上とすることにより、燃料電池スタック３から高温室１０内への輻射放熱も抑制することができ、さらには燃料電池スタック３の温度低下が防止される。さらに、遮熱板５９の幅は、少なくとも燃料電池スタック３の幅と同程度であればよい。

遮熱板５９を形成する材質としては、耐熱性および遮熱性を有していればどのようなものを使用してもよいが、本実施形態では、例えば、ＳＵＳ３１０Ｓのような高温耐性に優れる厚さ０．５ｍｍ程度の薄いステンレス鋼板を用いる。また、遮熱性を高めるためにステンレス鋼板に銀めっきを施してもよく、上記の材質の板材を複数枚重ねたものを遮熱板５９として用いてもよい。また、遮熱板５９として断熱材を使用してもよく、ステンレス鋼板と断熱材とを組み合わせたものを使用しても良い。更には、例えば、燃料電池スタック３の所定の面と対向する遮熱板５９ａを銀めっきを施したステンレス鋼板とし、燃料電池スタック３の所定の他面と対向する遮熱板５９ｂを銀めっきを施さないステンレス鋼板又は断熱材とし、遮熱板５９ａと遮熱板５９ｂとを金具等で繋ぎ合わせても良い。つまり、互いに直交する第一部材（遮熱板５９ａ）と第二部材（遮熱板５９ｂ）とを組み合わせた遮熱板５９であって、第一部材（遮熱板５９ａ）と第二部材（遮熱板５９ｂ）との材質を夫々異なる材料で形成しても良い。なお、断熱材を使用する場合は、厚みにより遮熱性を制御することが可能である。このようにすることで、燃料電池スタック３からの輻射放熱量をより細やかに制御することが可能となり、より効率的な燃料電池の発電が可能となる。

図３の例では、平面視でコの字形に配置された空気予熱器７の、空気導入７ａａ部側（ガス排出部７ｂａ側）の２辺に対向するように遮熱板５９を配設している。もっとも、遮熱板５９を設ける位置および範囲は、燃料電池スタック３からの輻射熱量を考慮して適宜設定してよく、例えば、空気予熱器７および改質器５への輻射放熱量を適量に制御するために燃料電池スタック３の全周にわたって設置してもよく、伝熱体５５の充填によって燃料電池スタック３の温度低下が十分に抑制される場合には、遮熱板５９を省略してもよい。

なお、図３に示すように、燃料電池１は、その外側を密閉構造によって覆う断熱部材６１によって形成された高温室１０に設置されていることが好ましい。断熱部材６１としては、グラスウールのような一般的な断熱材を用いることができる。

また、改質器５、空気予熱器７および燃焼器９の形状および配置は図１の例に限らず、例えば図４に示す変形例のように構成することができる。図４（ａ）は、燃焼器９を増設して断面Ｌ字形に形成した例、（ｂ）は改質器５を増設して断面Ｌ字形に形成した例を示している。また、図４（ｃ）は、スタック外囲ユニット４３の平面視における一辺を占める燃焼器９の上流側の三辺の部分、つまり空気予熱器７の外周側に位置する部分を、燃料電池スタック３から排出された排空気ＥＡの排出路６３として形成して、排空気ＥＡが、空気予熱器７内に外部から導入された空気Ａと熱交換を行った後に燃焼器９に導入されるように構成した例である。さらに、図４（ｄ）は、燃焼器９と改質器５、および空気予熱器７の空気通路５１と燃焼ガス通路５３をそれぞれ入れ替えたものである。いずれの例においても、空気予熱器７内に伝熱体５５が充填されており、燃料電池スタック３と空気予熱器７との間に遮熱板５９が設けられている。

本実施形態に係る燃料電池１によれば、燃焼器９で発生した熱が、伝熱体を５５介して極めて効率的に空気予熱器７内を通過する空気に伝達されるので、空気予熱器７を燃料電池スタック３の近傍に対向配置させても、空気予熱器７によって燃料電池スタック３の熱が必要以上に奪われて温度が低下することが防止される。これにより、燃料電池１の大型化を回避しつつ、高い発電効率を実現することが可能となる。

以上のとおり、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能である。したがって、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。

１燃料電池
３燃料電池スタック
５改質器
７空気予熱器
９燃焼器
５１空気予熱器の空気通路
５３空気予熱器の燃焼ガス通路
５５伝熱体
５９遮熱板
Ａ空気
Ｆ燃料
ＥＡ排空気
ＥＦ排燃料

Claims

燃料と空気とを反応させて発電する発電セルを複数積層してなる燃料電池スタックと、
外部から導入された燃料を改質することにより改質燃料を生成し、前記燃料電池スタックに供給する改質器と、
前記燃料電池スタックから排出された排燃料の少なくとも一部と排空気を燃焼させ、発生した熱を前記改質器に供給する燃焼器と、
外部から導入された空気を、前記燃焼器で発生した熱を利用して加熱して前記燃料電池スタックに供給する空気予熱器であって、前記燃料電池スタックに対向して配置された空気予熱器と、
を備え、
前記空気予熱器の内部の少なくとも一部に、多数の伝熱体が充填されている燃料電池。
請求項１において、前記伝熱体が、前記空気予熱器の、空気通路の少なくとも空気導入部に充填されている燃料電池。
請求項１または２において、前記伝熱体がセラミック製の球状体である燃料電池。
請求項１から３のいずれか一項において、前記燃料電池スタックと前記空気予熱器との間に、前記燃料電池スタックから前記空気予熱器への熱の輻射を遮る遮熱板が設けられている燃料電池。
請求項１から４のいずれか一項において、前記空気予熱器が前記燃焼器と一体的に形成されている燃料電池。