JP2015125890A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】少なくとも蓄電装置を備えつつ、消費電力の低減を図ることができる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】 燃料電池システムは、筐体と、前記筐体内に設けられた燃料電池と、前記筐体内に設けられ、前記燃料電池から供給される電力により充電される蓄電装置と、前記筐体内に設けられ、前記燃料電池から排気配管を通じて排出される水蒸気および空気を取り込み、取り込んだ前記水蒸気および空気の熱により前記蓄電装置を温める熱交換器と、を備える。
【選択図】図４

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、特に、温度制御技術に関する。

従来、燃料ガスである天然ガス等から水素ガスを生成する改質器と、改質器で生成される水素ガスと酸化剤としての酸素（空気）との化学反応を利用して発電を行う燃料電池スタックと、を備える燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１３−６９５２０号公報

ところで、この種の燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックで生成された電気を蓄電する蓄電装置を備える構成が考えられる。この構成では、蓄電装置の充放電効率の観点から、蓄電装置をある程度高い温度で維持しておく場合があり、その場合には蓄電装置を加熱するためのヒータ等の加熱部を設けておく必要がある。
このように、蓄電装置を加熱するための加熱部を設けた場合、当該加熱部で電力が消費される分、燃料電池システム全体における消費電力の低減を図れない虞がある。

本発明は、上記事由に鑑みてなされたものであり、少なくとも蓄電装置を備えつつ、消費電力の低減を図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。

本発明の燃料電池システムは、筐体と、筐体内に設けられた燃料電池と、筐体内に設けられ、燃料電池から供給される電力により充電される蓄電装置と、筐体内に設けられ、燃料電池から排気配管を通じて排出される水蒸気および空気を取り込み、取り込んだ水蒸気および空気の熱により蓄電装置を温める熱交換器と、を備える。

本発明によれば、少なくとも蓄電装置を備えつつ、消費電力の低減を図ることができる。

実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。 実施形態に係る燃料電池スタックの概略構成図である。 実施形態に係る燃料電池システムの一部破断した概略斜視図である。 実施形態に係る燃料電池システムにおける熱の流れを示す模式図である。 変形例に係る熱交換器の概略構成図である。 変形例に係る燃料電池システムの一部破断した概略斜視図である。

［１．実施形態の要旨］
実施形態に係る燃料電池システムは、その要旨としては、少なくとも以下に示す構成が含まれる。

（１）実施形態に係る燃料電池システムは、筐体と、筐体内に設けられた燃料電池と、記筐体内に設けられ、燃料電池から供給される電力により充電される蓄電装置と、筐体内に設けられ、燃料電池から排気配管を通じて排出される水蒸気および空気を取り込み、取り込んだ水蒸気および空気の熱により前記蓄電装置を温める熱交換器と、を備える。

本構成によれば、燃料電池から排出された水蒸気や空気の熱により蓄電装置を加熱することができるので、蓄電装置の内部や蓄電装置の周囲にヒータ等の加熱部を別途設ける必要がない。従って、加熱部が不要となる分、燃料電池システム全体での消費電力の低減を図ることができる。

また、加熱部が不要となる分、蓄電装置の構造やその周囲の構造を簡素化することができるので、燃料電池システムの構成の簡素化および小型化を図ることができる。
更に、水蒸気および空気の熱が蓄電装置の加熱に使用されることにより、例えば蓄電装置を加熱する加熱部を備える場合であっても、加熱部から蓄電装置へ与えるべき熱量を低減することができるので、その分、加熱部における消費電力を低減することができる。

（２）実施形態に係る燃料電池システムは、上記熱交換器が、更に、上記水蒸気および空気の熱により外部から供給される空気を温めてから、上記燃料電池へ供給するものであってもよい。
本構成によれば、燃料電池から排出された水蒸気および空気の熱により燃料電池へ供給する空気を加熱することができるので、例えば燃料電池へ空気を供給するための空気配管を加熱するためのヒータ等の加熱部を別途設ける必要がない。従って、燃料電池システムの内部構造の簡素化を図ることができる。

（３）また、実施形態に係る燃料電池システムは、筐体内に、燃料電池および蓄電装置のいずれか一方から外部の電気機器へ電力を供給する電力供給装置が設けられているものであってもよい。
本構成によれば、電力供給装置を含めてユニット化された燃料電池システムを実現することができる。

（４）また、実施形態に係る燃料電池システムは、上記燃料電池へ供給する燃料ガスを水蒸気改質する改質器と、燃料電池から排出される水蒸気が凝集して生成される水を回収するとともに、回収した水を気化させて改質器へ供給する水蒸気供給装置と、を更に備えるものであってもよい。
本構成によれば、改質器が、燃料電池から排出される水蒸気を利用して水蒸気改質を行うので、別途水蒸気生成器等を設ける必要がない。これにより、燃料電池システムの構成の簡素化および小型化を図ることができる。

（５）また、実施形態に係る燃料電池システムは、上記燃料電池が、固体酸化物形燃料電池であってもよい。
本構成によれば、燃料電池が、作動温度が特に高い固体酸化物形燃料電池から構成されていることにより、燃料電池から排出される水蒸気の温度も高い。従って、燃料電池から排出される水蒸気および空気の熱による蓄電装置の加熱をより効果的に行うことができる。

（６）また、実施形態に係る燃料電池システムは、上記蓄電装置が、溶融塩電池から構成されていてもよい。
本構成によれば、燃料電池から排出される水蒸気および空気の熱により溶融塩電池の溶融塩を溶解させることができる。

［２．実施形態の詳細］
＜１＞構成
図１は、本実施形態に係る燃料電池システム１の概略構成図である。
燃料電池システム１は、ホットモジュール１０と、パワーコンディショナ（インバータ）１３と、蓄電装置１４と、脱硫器１５と、空気供給装置１６と、凝集水回収ユニット（水蒸気供給装置）１７と、を備える。ここで、ホットモジュール１０は、燃料電池スタック１１と、改質器１２と、ヒータ１８と、を有する。

図２は、本実施形態に係る燃料電池スタック１１の概略断面図である。
燃料電池スタック１１は、発電部１１１と、第１流路１１２と、第２流路１１３とから構成される。ここで、第１流路１１２は、燃料ガス（Ｈ_２）が流れる流路であり、発電部１１１の一面側に設けられている。また、第２流路１１３は、空気（Ｏ_２）が流れる流路であり、発電部１１１の他面側に設けられている。

発電部１１１は、燃料極集電体１２１と、燃料極側触媒層１２２と、電解質層１２３と、空気極側触媒層１２４と、空気極集電体１２５と、を有する積層構造体である。この発電部１１１は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）から構成されている。なお、発電部１１１は、例えば溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）やリン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）であってもよい。
燃料極集電体１２１は、第１流路１１２側に設けられ、空気極集電体１２５は、第２流路１１３側に設けられている。また、発電部１１１は、より大きな電力を得るため、複数個（例えば１０〜１００個程度）設けられており、それらは積層された状態で配置されている。そして、燃料電池スタック１１のエンドプレートからは、一対のリード線Ｃ１が引き出されており、当該リード線Ｃ１は、パワーコンディショナ１３に接続されている。この一対のリード線Ｃ１は、発電部１１１それぞれから取り出された電力をパワーコンディショナ１３へ供給するためのものである。

ここで、燃料極集電体１２１は、第１流路１１２の内壁の一部を構成しており、第１流路１１２を流れる燃料ガスが、燃料極集電体１２１の表面に接触可能となっている。また、空気極集電体１２５も、第２流路１１３の内壁の一部を構成しており、第２流路１１３を流れる空気が、空気極集電体１２５の表面に接触可能となっている。

燃料極集電体１２１は、Ｎｉ等の金属材料から形成された多孔質金属体から構成さている。なお、燃料極集電体１２１は、表面がＮｉ−Ｓｎ合金層で覆われたものであってもよい。
燃料極側触媒層１２２は、例えば、酸化ニッケル（ＮｉＯ）、イットリウム添加ジルコン酸バリウム等の酸化物から構成される。
電解質層１２３は、例えば、イットリウム添加ジルコン酸バリウム等の酸化物から構成される。
空気極側触媒層１２４は、例えば、ランタンストロンチウムコバルト鉄酸化物（ＬＳＣＦ）から構成される。
空気極集電体１２５は、Ｎｉ−Ｓｎ合金等の金属材料から形成された多孔質金属体から構成される。

改質器１２は、触媒からなる改質部（図示せず）とこの改質部を加熱するバーナー（図示せず）により構成される。この改質器１２では、脱硫器１５からメタンガス（ＣＨ_４）が供給されるとともに、凝集水回収ユニットから水蒸気（Ｈ_２Ｏ）が供給されることにより、例えば、下記式（１）に示すような水蒸気改質反応が生じている。

このように、水蒸気改質反応が生じることにより、水素（Ｈ_２）と二酸化炭素（ＣＯ_２）とが生成される。また、改質器１２の内部には、水素と二酸化炭素とを分離する分離膜（図示せず）が設けられている。そして、改質器１２は、その内部で発生し分離膜を透過できなかった二酸化炭素が配管Ｌ７を通じて燃料電池システム１の外部へ排出されるよう構成されている。

なお、燃料電池スタック１１へ供給する燃料ガスは、メタンガスに限定されるものではなく、例えば、ジメチルエーテルやプロパンガスを採用してもよい。或いは、アンモニアガスや水素ガスを採用してもよい。ここで、燃料ガスとして水素ガスを採用する場合、改質器１２は設ける必要がない。

ヒータ１８は、例えばセラミックヒータから構成されている。そして、ヒータ１８は、燃料電池スタック１１および改質器１２の周囲に設けられており、燃料電池スタック１１および改質器１２を４００〜６００℃程度に温めることができる。

パワーコンディショナ１３は、燃料電池スタック１１から供給される電力を、ケーブルＣ３を介して外部の電気機器や蓄電装置１４へ供給する。また、パワーコンディショナ１３は、例えば、燃料電池スタック１１からの電力供給量が低下した場合、蓄電装置１４から供給される電力を外部の電気機器へ供給することもできる。また、パワーコンディショナ１３は、ホットモジュール１０の燃料電池スタック１１とケーブルＣ１を介して接続されており、蓄電装置１４とケーブルＣ２を介して接続されている。
このパワーコンディショナ１３は、例えば断熱部材（図示せず）により覆われた構成としてもよい。この場合、ホットモジュール１０や蓄電装置１４で発生した熱を遮断することができるので、パワーコンディショナ１３への熱負荷の軽減を図ることができる。

蓄電装置１４は、溶融塩電池等から構成される。
溶融塩電池としては、例えば、溶融塩が、ＮａＦＳＡ（ナトリウム・ビスフルオロスルフォニルアミド）５６ｍｏｌ％とＫＦＳＡ（カリウム・ビスフルオロスルフォニルアミド）４４ｍｏｌ％との混合物であるものを採用することができる。この溶融塩電池では、上記混合物の融点である５７℃以上の温度で維持することにより、溶融塩を溶融することにより生成される電解液を用いる。この溶融塩電池の動作温度領域は、５７℃〜１９０℃であり、動作の安定性を考慮すれば９０℃程度が好ましい。

なお、溶融塩としては、上記の他、ＮａＦＳＡと、ＬｉＦＳＡ、ＫＦＳＡ、ＲｂＦＳＡまたはＣｓＦＳＡとの混合物も好適である。また、有機カチオン等よりなる他の塩を混合する場合もあり、一般には、溶融塩は、（ａ）ＮａＦＳＡを含む混合物、（ｂ）ＮａＴＦＳＡを含む混合物、（ｃ）ＮａＦＴＡを含む混合物、が適する。また、（ａ）〜（ｃ）のうち２以上を混合することも可能である。これらの場合、各混合物の溶融塩は、比較的低融点となるので、少ない加熱で高濃度のイオンが溶解した状態を実現し、溶融塩電池を作動させることができる。なお、溶融塩電池は、用いる溶融塩の種類に応じて最適な動作温度領域が異なる。

また、蓄電装置１４としては、例えばリチウムイオンキャパシタまたはこれと溶融塩電池とが組み合わされた構成としてもよい。

脱硫器１５は、外部の燃料ガス系統から配管Ｌ３を通じて供給される燃料ガスに混入している硫黄成分を除去する機能を有する。この脱硫器１５としては、例えば、Ｎｉ−Ｍｏ系或いはＣｏ−Ｍｏ系の触媒と、酸化亜鉛等から形成された吸着部材と、触媒および吸着部材を加熱するヒータ（図示せず）と、を備えるものが挙げられる。この場合、脱硫器１５では、燃料ガスに混入している硫黄化合物が、２５０〜４００℃の温度に設定された触媒上で水素と反応することにより硫化水素が生成される。その後、３５０〜４００℃の温度に設定された吸着部材に、生成された硫化水素が取り込まれる。このようにして、燃料ガスに混入している硫黄化合物が取り除かれる。そして、脱硫器１５は、脱硫した燃料ガスを、配管Ｌ４を通じて改質器１２へ送る。

空気ブロア１６は、配管Ｌ１を通じて取り込んだ外気を、配管Ｌ２１を介して熱交換器２１へ送り込む。

凝集水回収ユニット１７は、例えば貯水槽から構成され、燃料電池スタック１１から排出されて配管Ｌ５１、熱交換器２１および配管Ｌ５２を通ってきた水蒸気が冷却されて液体となったものを回収する。また、凝集水回収ユニット１７に貯留された水は、気化されて水蒸気となり、配管Ｌ６を通じて改質器１２へ供給される。そして、改質器１２では、凝集水回収ユニット１７から供給される水蒸気を利用して燃料ガスの水蒸気改質を行う。

このように、改質器１２が、燃料電池スタック１１から排出される水蒸気を利用して水蒸気改質を行うので、別途水蒸気生成器等を設ける必要がない。これにより、燃料電池システム１の構成の簡素化および小型化を図ることができる。

熱交換器２１は、蓄電装置１４に接触した状態で配置されている。この熱交換器２１は、蓄電装置１４および、空気ブロア１６から供給される空気を、燃料電池スタック１１から配管Ｌ５１を通じて供給される水蒸気および空気（熱媒体）の熱により温める機能を有する。ここで、熱交換器２１により温められた空気は、配管Ｌ２２を通じて燃料電池スタック１１へ供給される。

図３は、本実施形態に係る燃料電池システム１の一部破断した斜視図である。以下、図３におけるホットモジュール１０およびパワーコンディショナ１３の並び方向を上下方向として説明する。
燃料電池システム１は、略矩形箱状の筐体３１を備える。そして、この筐体３１内に、ホットモジュール１０、パワーコンディショナ１３、蓄電装置１４、脱硫器１５、凝集水回収ユニット１７および熱交換器２１が収納されている。そして、空気ブロア１６は、筐体３１の外部に設置されている。ここで、パワーコンディショナ１３は、例えば略矩形箱状のハウジング１３ａを有し、内部に各種電気回路が格納されている。また、蓄電装置１４も例えば略矩形箱状のハウジング１４ａを有し、内部に溶融塩電池等が格納されている。そして、蓄電装置１４それぞれは、例えばハウジング１４ａの上面が熱交換器２１に接触した状態で配置されている。

ここで、ホットモジュール１０は、筐体３１の上側に配置されている。熱交換器２１は、ホットモジュール１０の下方に配置されている。そして、蓄電装置１４は、熱交換器２１の下方に配置されている。凝集水回収ユニット１７は、スペーサ２２を介してパワーコンディショナ１３および蓄電装置１４の下方に配置されている。そして、燃料電池スタック１１から導出された配管Ｌ５１は、熱交換器２１に接続され、熱交換器２１から導出される配管Ｌ５２は、凝集水回収ユニット１７に接続されている。

このように、燃料電池システム１は、ホットモジュール１０や蓄電装置１４、パワーコンディショナ（電力供給装置）１３を収納する筐体３１を備えることにより、パワーコンディショナ１３を含めてユニット化された燃料電池システムを実現することができる。

＜２＞燃料電池システムにおける熱の流れについて
次に、本実施形態に係る燃料電池システム１における熱の流れについて説明する。
図４は、本実施形態に係る燃料電池システム１における熱の流れを示す模式図である。
ホットモジュール１０の燃料電池スタック１１から排出される水蒸気および空気は、配管Ｌ５１を通って熱交換器２１へ送られる。ここで、水蒸気および空気は、ホットモジュール１０から排出された直後は、４００℃〜６００℃の温度となっている。そして、水蒸気および空気の熱は、配管Ｌ５１を通る間に配管Ｌ５１の管壁を介して放出される。これにより、水蒸気が熱交換器２１に到達した時点では、水蒸気の温度は、蓄電装置１４にとって好適な温度範囲（５０℃〜１５０℃）或いはそれよりも若干高めの温度となる。

熱交換器２１内では、水蒸気および空気の熱が蓄電装置１４へ伝達される（図４中の矢印Ｑ１参照）。同時に、水蒸気および空気の熱は、空気ブロア１６から配管を通じて供給される空気へも伝達される（図４中の矢印Ｑ２参照）。これにより、燃料電池スタック１１から排出された熱を、蓄電装置１４および燃料電池スタック１１へ供給する空気を加熱するために使用することができる。
このように、燃料電池システム１では、燃料電池スタック１１から排出される水蒸気および空気の熱を利用して、蓄電装置１４および外部から供給される空気の加熱を行う。

これにより、燃料電池スタック１１から排出される水蒸気および空気の熱により溶融塩電池の溶融塩を溶融させることができる。

＜３＞まとめ
結局、本実施形態に係る燃料電池システム１では、燃料電池スタック１１から排出された水蒸気や空気の熱により蓄電装置１４を加熱することができるので、蓄電装置１４の内部や蓄電装置１４の周囲にヒータ等の加熱部を別途設ける必要がない。従って、加熱部が不要となる分、燃料電池システム１全体での消費電力の低減を図ることができる。
また、加熱部が不要となる分、蓄電装置１４の構造やその周囲の構造を簡素化することができるので、燃料電池システム１の構成の簡素化および小型化を図ることができる。
更に、水蒸気および空気の熱が蓄電装置１４の加熱に使用されることにより、例えば蓄電装置１４を加熱する加熱部を備える場合であっても、加熱部から蓄電装置１４へ与えるべき熱量を低減することができるので、その分、加熱部における消費電力を低減することができる。

また、本実施形態に係る燃料電池システム１では、燃料電池スタック１１から排出された水蒸気および空気の熱により燃料電池スタック１１へ供給する空気を加熱する。従って、２２を加熱するためのヒータ等の加熱部を別途設ける必要がない。従って、燃料電池システム１の内部構造の簡素化を図ることができる。

更に、前述のように、燃料電池スタック１１の発電部１１１が、作動温度が特に高い固体酸化物形燃料電池から構成されている場合、燃料電池スタック１１から排出される水蒸気および空気の温度も高い。従って、燃料電池スタック１１から排出される水蒸気および空気の熱による蓄電装置１４の加熱をより効果的に行うことができる。

［３．変形例］
また、例えば、熱交換器が、蓄電装置１４の表面全体における、所定割合の部分を覆う形状を有するものであってもよい。

図５は、本変形例に係る熱交換器３２１を示し、（ａ）は概略構成図、（ｂ）は概略斜視図である。
図５（ａ）に示すように、熱交換器３２１は、蓄電装置１４を覆うように配置されていることにより、熱交換器３２１と蓄電装置１４との間の伝熱面積を大きくすることができる。また、図５（ｂ）に示すように、例えば、熱交換器３２１は、蓄電装置１４の上方から被せることができるような形状を有するものとすることができる。

図６は、本変形例に係る他の燃料電池システム４０１の一部破断した概略斜視図である。なお、実施形態と同様の構成については同一の符号を付している。
燃料電池システム４０１では、燃料電池スタック１１から排出される水蒸気が流れる配管Ｌ４５１の螺旋状部Ｌ４５３が、蓄電装置１４を巻回するように配置されている。ここで、螺旋状部Ｌ４５３は、例えば蓄電装置１４のハウジング１４ａの外面に接触した状態で配置することができる。
この場合、燃料電池スタック１１から配管Ｌ４５１の螺旋状部Ｌ４５３に流れてきた水蒸気および空気の熱が、螺旋状部Ｌ４５１の管壁を通じて蓄電装置１４へ伝達する。こうして、燃料電池スタック１１から排出された水蒸気および空気の熱により蓄電装置１４を温めることができる。

本構成によれば、蓄電装置１４と熱交換器３２１との間における伝熱面積が大きくなる。従って、熱交換器３２１を流れる水蒸気および空気の熱の、蓄電装置１４への伝達が促進される。これにより、蓄電装置１４を効率良く加熱することができる。

［４．付記］
なお、前述の実施形態および変形例では、定置型の燃料電池システムについて説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、燃料電池自動車やフォークリフト等の産業用車両等の燃料電池を搭載したシステムであってもよい。

また、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

１，４０１ 燃料電池システム
１０ ホットモジュール
１１ 燃料電池スタック（燃料電池）
１２ 改質器
１３ パワーコンディショナ（電力供給装置）
１３ａ，１４ａ ハウジング
１４ 蓄電装置
１５ 脱硫器
１６ 空気供給装置
１７ 凝集水回収ユニット（水蒸気供給装置）
１８ ヒータ（加熱部）
２１，３２１ 熱交換器
２２ スペーサ
３１ 筐体
１１１ 発電部
１１２ 第１流路
１１３ 第２流路
１２１ 燃料極集電体
１２２ 燃料極側触媒層
１２３ 電解質層
１２４ 空気極側触媒層
１２５ 空気極集電体
Ｃ１，Ｃ２ リード線
Ｌ１，Ｌ２１，Ｌ２２，Ｌ３，Ｌ４，Ｌ５，Ｌ６，Ｌ７ 配管

Claims (6)

1. 筐体と、
   前記筐体内に設けられた燃料電池と、
   前記筐体内に設けられ、前記燃料電池から供給される電力により充電される蓄電装置と、
   前記筐体内に設けられ、前記燃料電池から排気配管を通じて排出される水蒸気および空気を取り込み、取り込んだ前記水蒸気および空気の熱により前記蓄電装置を温める熱交換器と、を備える
   燃料電池システム。
2. 前記熱交換器は、更に、前記水蒸気および空気の熱により外部から供給される空気を温めてから、前記燃料電池へ供給する
   請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記筐体内に、前記燃料電池および前記蓄電装置のいずれか一方から外部の電気機器へ電力を供給する電力供給装置が設けられている
   請求項１または請求項２記載の燃料電池システム。
4. 前記燃料電池へ供給する燃料ガスを水蒸気改質する改質器と、
   前記燃料電池から排出される水蒸気が凝集して生成される水を回収するとともに、回収した水を前記改質器へ供給する水蒸気供給装置と、を更に備える
   請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
5. 前記燃料電池は、固体酸化物形燃料電池である
   請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
6. 前記蓄電装置は、溶融塩電池から構成される
   請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。