JP2015035353A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システムが緊急停止した場合に、燃料電池のアノード（燃料極）を形成するニッケル等の酸化を抑制することができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システム１は、燃料電池２と、水素供給ラインＬ３により燃料電池２と接続され、燃料ガスＧ１と水Ｗとを反応させて改質ガスＧ２を生成する改質器３と、改質器３に水Ｗを供給する水供給部と、アノードオフガスラインＬ４により燃料電池２と接続されアノードオフガスＧ３１を燃焼処理する燃焼器４と、燃料電池２、改質器３及び燃焼器４を内部に包囲する筐体１０とを備え、筐体１０の内部と筐体１０の外部とには、それぞれ所定量の水が貯留される第１の水貯留部２０と第２の水貯留部３０とが設けられ、筐体１０の内部の温度が高温となる場合に、第１の水貯留部２０に貯留された水が水蒸気となる。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池と、燃料電池から排気されるアノードオフガスを燃焼処理する燃焼器と、を備える燃料電池システムに関する。

燃料電池システムとして、燃料電池（固体酸化物型燃料電池：ＳＯＦＣ（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）等）と、アノードオフガスラインを通じて燃料電池と接続され、燃料電池から排気されるアノードオフガスを燃焼処理する燃焼器と、を備えた燃料電池システムが知られている。

このような燃料電池システムにおいて、外部の空気がアノードオフガスラインを介して燃料電池の内部に入り込まないように、アノードオフガスラインを開閉するダンパ（逆止弁）が設けられた燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に記載の燃料電池システムにおいては、逆止弁は、外部から入り込む空気の流量に応じてアノードオフガスラインを開閉する。これにより、外部の空気がアノードオフガスラインを通じて、燃料電池の内部に逆流しようとした場合にも、逆止弁が閉鎖することで、燃料電池の内部に空気が入り込むことを抑制することができる。

特開２００９−８７８６２号公報

しかし、逆止弁を備えていない燃料電池システムにおいて、燃料電池システムが緊急停止した場合には、燃料電池の内部の温度が低下するため、この燃料電池の内部の圧力も低下する。これにより、外部から空気がアノードオフガスラインへと逆流し、アノードオフガスラインを介して燃料電池の内部に空気が入り込んだ場合には、燃料電池のアノード（燃料極）を形成するニッケル等は、空気（酸素）と接触して酸化される。その結果、燃料電池の発電セルが破損する虞がある。

従って、燃料電池システムが緊急停止した場合に、燃料電池のアノード（燃料極）を形成するニッケル等の酸化を抑制することができる燃料電池システムが望まれている。

本発明は、燃料電池システムが緊急停止した場合に、燃料電池のアノード（燃料極）を形成するニッケル等の酸化を抑制することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明は、燃料電池と、空気供給ラインにより前記燃料電池と接続され、前記燃料電池に酸素を含む空気を供給する空気供給部と、水素供給ラインにより前記燃料電池と接続され、高温下において燃料と水とを反応させて水素を生成する改質器と、燃料ガス供給ラインにより前記改質器と接続され、前記改質器に燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、水供給ラインにより前記改質器と接続され、前記改質器に水を供給する水供給部と、アノードオフガスラインにより前記燃料電池と接続され、前記燃料電池から排気されるアノードオフガスを燃焼処理する燃焼器と、前記燃料電池、前記改質器及び前記燃焼器を内部に包囲する筐体と、を備える燃料電池システムであって、前記水供給ラインにおける前記改質器よりも上流側の位置であって、前記筐体の内部と前記筐体の外部とには、それぞれ所定量の水が貯留される第１の水貯留部と第２の水貯留部とが設けられ、前記筐体の内部の温度が高温となった場合に、前記第１の水貯留部に貯留された水が水蒸気となる、燃料電池システムに関する。

また、前記第２の水貯留部に貯留される水は、前記第１の水貯留部に貯留される水が減少するのに伴って前記第１の水貯留部へ供給されることが好ましい。

また、前記第２の水貯留部は、前記第１の水貯留部よりも大容量の水を貯留することが好ましい。

本発明によれば、燃料電池システムが緊急停止した場合に、燃料電池のアノード（燃料極）を形成するニッケル等の酸化を抑制することができる燃料電池システムを提供することができる。

本発明の実施形態における燃料電池システム１の構成を示す概略図である。

以下、本発明の実施形態における燃料電池システム１について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施形態における燃料電池システム１の構成を示す概略図である。

図１に示すように、本実施形態の燃料電池システム１は、燃料電池２と、改質器３と、燃焼器４と、ファン５と、ポンプ６と、第１の水貯留部２０と、第２の水貯留部３０とを備える。また、燃料電池２、改質器３及び燃焼器４、第１の水貯留部２０を内部に包囲する筐体１０（図１の２点鎖線）を備える。

また、燃料電池システム１は、空気供給ラインＬ１と、燃料ガス供給ラインＬ２と、水素供給ラインＬ３と、アノードオフガスラインＬ４と、水供給ラインＬ５と、カソードオフガスラインＬ６と、燃焼排気ガスラインＬ７とを備える。「ライン」とは、流路、経路、管路等の総称である。

空気供給ラインＬ１は、上流側において、空気供給部であるファン５に接続されており、下流側において燃料電池２に接続されている。すなわち、空気供給ラインＬ１の一端部近傍（図１の左側）は、酸素を含む空気を燃料電池２に供給するファン５及びフィルタ（図示せず）に接続されている。また、空気供給ラインＬ１の他端部（図１の右側）は、燃料電池２に接続されている。空気供給ラインＬ１には、ファン５の駆動によりフィルタ（図示せず）を通過した空気Ａ１が流通する。

燃料ガス供給ラインＬ２は、上流側において燃料としての都市ガスなどの燃料ガスＧ１を供給する燃料ガス供給部７に接続されており、下流側において改質器３に接続されている。燃料ガス供給ラインＬ２の一端部（図１の左側）は、燃料ガス供給部７に接続されている。また、燃料ガス供給ラインＬ２の他端部（図１の右側）は、改質器３に接続されている。燃料ガス供給ラインＬ２には、燃料ガスＧ１が流通する。

水素供給ラインＬ３は、上流側において改質器３に接続されており、下流側において燃料電池２に接続されている。すなわち、水素供給ラインＬ３の一端部（図１の左側）は、改質器３に接続されている。また、水素供給ラインＬ３の他端部（図１の右側）は、燃料電池２に接続されている。水素供給ラインＬ３には、改質器３の内部で生成された主に水素を含む改質ガスＧ２が流通する。

アノードオフガスラインＬ４は、上流側において燃料電池２に接続されている。また、アノードオフガスラインＬ４は、下流側において燃焼器４に接続されている。すなわち、アノードオフガスラインＬ４の一端部（図１の左側）は、燃料電池２に接続されている。また、アノードオフガスラインＬ４の他端部（図１の右側）は、燃焼器４に接続されている。アノードオフガスラインＬ４は、燃料電池２から排気されるアノードオフガスＧ３１を流通させるラインである。

カソードオフガスラインＬ６は、上流側において燃料電池２に接続されている。すなわち、カソードオフガスラインＬ６の一端部（図１の左側）は、燃料電池２に接続されている。また、カソードオフガスラインＬ６の他端部（図１の右側）は、燃焼器４に接続されている。カソードオフガスラインＬ６は、燃料電池２から排気されるカソードオフガスＧ３２を流通させるラインである。

水供給ラインＬ５には、水供給部８から供給された水Ｗが流通する。すなわち、水供給ラインＬ５は、上流側において水Ｗ等を供給する水供給部８に接続されており、下流側において改質器３に接続されている。また、水供給ラインＬ５における改質器３よりも上流側の位置であって、筐体１０の内部と外部には、それぞれ所定量の水が貯留される第１の水貯留部２０と第２の水貯留部３０とが設けられる。具体的には、水供給ラインＬ５において、上流側から順にポンプ６と第２の水貯留部３０と第１の水貯留部２０とが設けられる。

また、水供給ラインＬ５は、第１の水貯留部２０に貯留された水が加熱された際に発生する水蒸気が流通するライン（流路）となる。ここで、第１の水貯留部２０、第２の水貯留部３０、及び水蒸気の発生に関しては、本発明の特徴部分であり、詳細は後述する。

燃料電池２としては、高温型の固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）が用いられる。燃料電池２は、複数の発電セル（図示せず）と、セパレータ（図示せず）とを交互に積層することで形成される燃料電池スタック（図示せず）を有している。燃料電池２は、改質器３と第１の水貯留部２０と燃焼器４と共に筐体１０の内部に設けられる。

燃料電池２の発電セルは、燃料極（アノード）と、空気極（カソード）と、これらアノード及びカソードの間に設けられた電解質層とを有する。燃料極（アノード）は、ニッケル等から形成される。燃料電池２は、改質器３から水素供給ラインＬ３を介して燃料極（アノード）に供給される改質ガスＧ２と、空気供給ラインＬ１から空気極（カソード）に供給される空気Ａ１中の酸素とを反応させることにより、発電を行なうことができる。燃料電池２による発電時の温度である運転温度は、７００℃〜１０００℃程度の高温である。燃料電池２によって発電された電気は、パワーコンディショナ（図示せず）に送られ、ＡＣ電圧に変換される。

燃料電池２は、燃焼器４に対して、アノードオフガスラインＬ４を介してアノードオフガスＧ３１を排気すると共に、カソードオフガスラインＬ６を介してカソードオフガスＧ３２を排気する。

ポンプ６は、水供給部８から供給される水Ｗの水量を調節する。ポンプ６により所定量に調整された水Ｗは、水供給ラインＬ５を通じて、筐体１０の外部に設けた第２の水貯留部３０及び筐体１０の内部に設けた第１の水貯留部２０を介して、改質器３に供給される。

改質器３は、燃料ガスＧ１及び水Ｗから改質ガスＧ２を生成する。すなわち、改質器３には、燃料ガス供給ラインＬ２を介して燃料ガスＧ１が供給される。また、改質器３には、水供給ラインＬ５を介して水Ｗが供給される。この際、燃料ガスＧ１を８００℃程度にまで加熱する必要がある。この加熱は、改質器３に設けた熱交換器（図示せず）においてアノードオフガスＧ３１及びカソードオフガスＧ３２から得た熱、並びに燃料電池スタック（図示せず）からの輻射熱により行われる。改質器３によって生成された改質ガスＧ２は、水素供給ラインＬ３を介して燃料電池２へ供給される。

燃焼器４は、燃料電池２から排気されるアノードオフガスＧ３１と、カソードオフガスＧ３２とを燃焼処理する。燃焼器４により燃焼されたアノードオフガスＧ３１及びカソードオフガスＧ３２は、燃焼器４の下流側に接続された燃焼排気ガスラインＬ７を通じて、燃焼排気ガスＧ３３として排出される。すなわち、アノードオフガスＧ３１は、水素ガスを含む。このため、アノードオフガスＧ３１は、燃焼器４により水素ガスが除去された不活性なガスとして外部に排気される。

第１の水貯留部２０は、筐体１０の内部であって、水供給ラインＬ５の途中に配置された改質器３よりも上流側に設けられる。第１の水貯留部２０は、所定量の水を貯留する給水バッファタンクとして機能する。すなわち、第１の水貯留部２０には、水供給部８から水供給ラインＬ５を介して供給される水Ｗが貯留される。第１の水貯留部２０に貯留された水Ｗは、筐体１０の内部の温度が高温となったときに加熱され、水蒸気となる。

具体的に説明すると、燃料電池システム１においては、燃料電池システム１の緊急停止時に筐体１０の内部は高温状態となる。このため、筐体１０の内部に配置された第１の水貯留部２０の内部も、筐体１０の内部の余熱により高温状態となる。すなわち、第１の水貯留部２０に貯留された水は、加熱され、水蒸気となる。第１の水貯留部２０の内部で発生した水蒸気は、水供給ラインＬ５を通じて改質器３を介して更に水素供給ラインＬ３を通じて、燃料電池２の内部に送出される。

第２の水貯留部３０は、筐体１０の外部であって、水供給ラインＬ５の途中に配置されたポンプ６と第１の水貯留部２０との間に設けられる。第２の水貯留部３０は、所定量の水を貯留する給水バッファタンクとして機能する。すなわち、第２の水貯留部３０には、水供給部８から水供給ラインＬ５を通じて供給される水Ｗが貯留される。ここで、第２の水貯留部３０は、第１の水貯留部２０よりも大容量の水が貯留できる大型の給水バッファタンクとしている。

具体的に説明すると、第２の水貯留部３０は、第１の水貯留部２０よりも上側に配置されている。第２の水貯留部３０に貯留される水は、第１の水貯留部２０に貯留される水が蒸発により減少するのに伴って第１の水貯留部２０へ供給される。このメカニズムについては後述する。

次に、燃料電池システム１の緊急停止時の動作の詳細について説明する。
本実施形態の燃料電池システム１において、燃料電池システム１が緊急停止（非通電時）となった場合には、筐体１０の内部に設けられた第１の水貯留部２０に貯留されている水は、筐体１０の内部の余熱により加熱され、水蒸気となる。この第１の水貯留部２０の内部で発生した水蒸気は、水供給ラインＬ５を通じて改質器３の流路（図示せず）を介して更に水素供給ラインＬ３を通じて、燃料電池２の内部に送出される。

すなわち、燃料電池システム１の緊急停止時には、第１の水貯留部２０の内部で発生した水蒸気は、燃料電池２の内部に次々と送り出される。そのため、燃料電池２の内部は、第１の水貯留部２０から送り出された水蒸気で充満した状態となる。これにより、外部からアノードオフガスラインＬ４を介して燃料電池２の内部に空気（酸素）が入り込もうとした場合でも、燃料電池２の内部で充満した水蒸気は、空気（酸素）の流入を抑制する。この結果、燃料電池２のアノード（燃料極）を形成するニッケル等の酸化を抑制することができるため、発電セルの破損を防止することができる。

ここで、前述したように、第１の水貯留部２０は、筐体１０の内部に配置される。また、この第１の水貯留部２０は、水の貯留量が少ない小型の給水バッファタンクとしている。これにより、燃料電池システム１の通電時であって、筐体１０の内部が常温状態となっている場合には、第１の水貯留部２０に貯留された水は、水蒸気が発生しやすい温水状態となっている。そのため、燃料電池システム１の緊急停止時には、即時、第１の水貯留部２０から水蒸気を発生させることができる。

第２の水貯留部３０は、第１の水貯留部２０よりも上側に配置されている。そのため、第２の水貯留部３０に貯留される水は、第１の水貯留部２０に貯留される水が蒸発により減少するのに伴って、自重（水頭圧）により第２の水貯留部３０から第１の水貯留部２０へ供給される。そして、第１の水貯留部２０の内部で発生した水蒸気は、水供給ラインＬ５を通じて改質器３を介して更に水素供給ラインＬ３を通じて、燃料電池２の内部に送出される。

第１実施形態の燃料電池システム１によれば、例えば、以下の効果が奏される。
本実施形態の燃料電池システム１においては、燃料電池２と、燃料ガスＧ１と水Ｗとを反応させて改質ガスＧ２を生成する改質器３と、燃料電池２から排気されるアノードオフガスＧ３１を燃焼処理する燃焼器４と、燃料電池２、改質器３及び燃焼器４を内部に包囲する筐体１０とを備え、水供給ラインＬ５における改質器３よりも上流側の位置であって、筐体１０の内部と筐体１０の外部とには、それぞれ所定量の水が貯留される第１の水貯留部２０と第２の水貯留部３０とが設けられ、筐体１０の内部の温度が高温となった場合に、第１の水貯留部２０及び第２の水貯留部３０に貯留された水が水蒸気となる。

燃料電池システム１が緊急停止時に、筐体１０の内部の温度が高温状態となるため、筐体１０の内部に設けられた第１の水貯留部２０に貯留されている水は、筐体１０の内部の余熱により加熱され、水蒸気となる。そして、第１の水貯留部２０の内部で発生した水蒸気は、燃料電池２の内部に送出される。これにより、外部からアノードオフガスラインＬ４を介して燃料電池２の内部に空気（酸素）が入り込もうとした場合でも、燃料電池２の内部で充満した水蒸気は、外部からの空気（酸素）の流入を抑制する。この結果、燃料電池２のアノード（燃料極）を形成するニッケル等が酸化することが抑制され、発電セルの破損を防止することができる。

また、第２の水貯留部３０に貯留される水は、第１の水貯留部２０に貯留される水が減少するのに伴って第１の水貯留部２０へ供給される。そのため、第１の水貯留部２０に貯留される水が自動的に補給されるため、水蒸気による外部からの空気（酸素）の流入を抑制する効果を継続することができる。

また、第２の水貯留部３０は、第１の水貯留部２０よりも水の貯留量が多い大型の給水バッファタンクとして機能する。第２の水貯留部３０は、筐体１０の外部に設けられているため、筐体１０の内部に設けられている第１の水貯留部２０と比べて、容易に大容量化することができる。そのため、第２の水貯留部３０により大量の水蒸気を発生させるための水を確保することができる。すなわち、第２の水貯留部３０は、大容量の水を貯留する給水バッファタンクとして機能するため、長期に亘って水蒸気を発生できる給水バッファタンクとして使用することができる。

１ 燃料電池システム
２ 燃料電池
３ 改質器
４ 燃焼器
５ ファン（空気供給部）
６ ポンプ
７ 燃料ガス供給部
８ 水供給部
１０ 筐体
２０ 第1の水貯留部
３０ 第２の水貯留部
Ｌ１ 空気供給ライン
Ｌ２ 燃料ガス供給ライン
Ｌ３ 水素供給ライン
Ｌ４ アノードオフガスライン
Ｌ５ 水供給ライン
Ａ１ 空気
Ｇ１ 燃料ガス
Ｇ２ 改質ガス
Ｇ３１ アノードオフガス

Claims (3)

1. 燃料電池と、
   空気供給ラインにより前記燃料電池と接続され、前記燃料電池に酸素を含む空気を供給する空気供給部と、
   水素供給ラインにより前記燃料電池と接続され、高温下において燃料と水とを反応させて水素を生成する改質器と、
   燃料ガス供給ラインにより前記改質器と接続され、前記改質器に燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、
   水供給ラインにより前記改質器と接続され、前記改質器に水を供給する水供給部と、
   アノードオフガスラインにより前記燃料電池と接続され、前記燃料電池から排気されるアノードオフガスを燃焼処理する燃焼器と、
   前記燃料電池、前記改質器及び前記燃焼器を内部に包囲する筐体と、を備える燃料電池システムであって、
   前記水供給ラインにおける前記改質器よりも上流側の位置であって、前記筐体の内部と前記筐体の外部とには、それぞれ所定量の水が貯留される第１の水貯留部と第２の水貯留部とが設けられ、
   前記筐体の内部の温度が高温となった場合に、前記第１の水貯留部に貯留された水が水蒸気となる、
   燃料電池システム。
2. 前記第２の水貯留部に貯留される水は、前記第１の水貯留部に貯留される水が減少するのに伴って前記第１の水貯留部へ供給される、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記第２の水貯留部は、前記第１の水貯留部よりも大容量の水を貯留する、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。

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