JP2015144090A

JP2015144090A - 燃料電池装置

Info

Publication number: JP2015144090A
Application number: JP2014017456A
Authority: JP
Inventors: 藤生　昭; Akira Fujio; 昭藤生; 琢也梶田; Takuya Kajita
Original assignee: JX Nippon Oil and Energy Corp
Current assignee: Eneos Corp
Priority date: 2014-01-31
Filing date: 2014-01-31
Publication date: 2015-08-06

Abstract

【課題】負荷変動時に、燃料電池スタックのオフガス燃焼部での火炎が不安定となり、吹き飛び等を生じて、失火状態となるので、上端部のオフガス燃焼部での火炎の安定化を図る。【解決手段】オフガス燃焼部３（３Ａ、３Ｂ）の上方に、燃料改質器５（５Ａ、５Ｂ）が配置される。突き出し片２１は、燃料改質器５の底面の一部から下方に突出し、燃料電池スタック１にまで達しない長さを有する。この突き出し片２１と、燃料改質器５の底面との間に、オフガス燃焼ガスの淀み領域となる角部が形成される。【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、燃料ガスと酸化剤（一般に空気）とを反応させて発電を行う複数の燃料電池セルの集合体である燃料電池スタックと、この燃料電池スタック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と、このオフガス燃焼部の上方に配置され、原燃料を改質して、燃料電池スタックに供給する燃料ガスを生成する燃料改質器と、を含んで構成される。

また、特許文献１には、オフガス燃焼部の上方にある燃料改質器の底面を凸曲面に形成することにより、オフガスの流れを層流状態に整えたり、又は、前記底面を凹曲面に形成することにより、外部ガスが入り込むのを妨げたりすること、が開示されている。

特開２００５−３３２７６２号公報

しかしながら、従来の燃料電池装置では、負荷変動時に、燃料利用率に応じたオフガスのガス組成、ガス量の変化に起因して、オフガス燃焼部での火炎が不安定となり、吹き飛び等を生じて、失火状態となることがあった。
また、特許文献１に記載の技術は、オフガスの流れを整えるのが目的であり、流れに沿って吹き飛びを生じるのを防ぐことはできない。

本発明は、このような実状に鑑み、オフガス燃焼部での火炎の安定化を図ることを課題とする。

上記の課題を解決するために、本発明は、燃料改質器の底面の一部から下方に突出し、燃料電池スタックにまで達しない長さの突き出し片を備え、この突き出し片と燃料改質器の底面との間に、オフガス燃焼ガスの淀み領域となる角部が形成される構成とする。

本発明によれば、突き出し片と燃料改質器の底面との間の角部によりオフガス燃焼ガスの淀み領域を作ることにより、淀み領域で燃焼ガスを滞留させ、淀み領域を高温化することができる。従って、淀み領域が火炎保持の熱源となり、火炎が安定する。
また、この突き出し片自体が高温化することにより、この熱が燃料改質器へ伝わる。燃料改質器から見れば、受熱面積が増加する。従って、燃料改質器での改質効率向上をも図り得る。

本発明の第１実施形態を示す燃料電池装置の概略正面図第１実施形態の燃料電池装置の概略平面図第１実施形態の燃料電池装置の概略側面図第１実施形態の変形例１を示す燃料電池装置の概略側面図第１実施形態の変形例２を示す燃料電池装置の概略側面図本発明の第２実施形態を示す燃料電池装置の概略正面図本発明の第３実施形態を示す燃料電池装置の概略正面図本発明の第４実施形態を示す燃料電池装置の概略正面図本発明の第５実施形態を示す燃料電池装置の概略正面図本発明の第６実施形態を示す燃料電池装置の概略正面図

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
図１は本発明の第１実施形態を示す燃料電池装置の概略正面図、図２は同上の燃料電池装置の概略平面図、図３は同上の燃料電池装置の概略側面図である。

本実施形態の燃料電池装置は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）方式であり、筐体（１１、１２、１３）内に、複数の燃料電池セルの集合体である燃料電池スタック１、オフガス燃焼部３、燃料改質器５、及び、酸化剤供給部材７を備える。

筐体としては、最内側の燃焼室区画部材１１と中間の排気流路区画部材１２と最外側の酸化剤流路区画部材１３とが設けられる。
燃焼室区画部材１１は、正面視で、左右一対の側板１１ａ、１１ｂと底板１１ｃとを有し、上部開放の溝形（チャンネル形）に形成されている。この燃焼室区画部材１１には断熱材１８が内張され、その中に燃料電池スタック１、オフガス燃焼部３、燃料改質器５、及び、酸化剤供給部材７が配置される。
排気流路区画部材１２は、正面視で、左右一対の側板１２ａ、１２ｂと底板１２ｃと天板１２ｄとを有し、箱状に形成されている。
酸化剤流路区画部材１３は、正面視で、左右一対の側板１３ａ、１３ｂと底板１３ｃと天板１３ｄとを有し、箱状に形成されている。

燃料電池スタック１は、複数の固体酸化物形燃料電池セルを集合し電気的に直列（及び並列）に接続してなる集合体であり、燃焼室区画部材１１内の底部に配置される台座２上に立設されている。
各燃料電池セルは、扁平な断面を有して上下方向に延びる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複数の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燃料ガスが供給される。カソードには外部から酸化剤（一般に空気）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、酸化剤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、各燃料電池セルのカソードにて、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が多数備えられ、これらは電気的に直列（及び並列）に接続されて、燃料電池セルの集合体である燃料電池スタック１を構成している。本実施形態では、燃料電池スタック１を構成する多数の燃料電池セルは、２つのグループ、すなわち第１セルグループ１Ａと第２セルグループ１Ｂとに分けられている。

ここで、燃料電池スタック１への燃料ガスの供給は、台座２側（燃料電池スタック１の下端部側）からなされ、台座２は燃料分配機能を有している。燃料ガスとしては、燃料改質器５から改質ガスが供給される。
燃料電池スタック１への酸化剤（一般に空気）の供給は、後に詳述する酸化剤供給部材７を介してなされる。本実施形態では、酸化剤供給部材７は、燃料電池スタック１内、すなわち第１及び第２セルグループ１Ａ、１Ｂ間に臨んでいる。言い換えれば、燃料電池スタック１は、酸化剤供給部材７によって、第１セルグループ１Ａと第２セルグループ１Ｂとに分割されている。

オフガス燃焼部３は、燃料電池スタック１での余剰の燃料ガス（発電未反応ガスとして排出されるオフガス）を余剰の酸化剤の存在下で燃焼させ、燃料電池スタック１及び燃料改質器５を高温状態に維持する。ここで、燃料電池スタック１の上端部が燃料電池スタック１からのオフガスの排出部となり、このオフガスは着火デバイス（図示せず）により着火されて燃焼する。従って、燃料電池スタック１の上端部側がオフガス燃焼部３となる。但し、本実施形態では、燃料電池スタック１は２つのセルグループ１Ａ、１Ｂに分かれているので、オフガス燃焼部３も各セルグループ１Ａ、１Ｂの上端部の第１オフガス燃焼部３Ａと第２オフガス燃焼部３Ｂとに分かれている。

オフガス燃焼部３での燃焼熱により燃料電池スタック１は発電可能な高温状態に維持される。燃焼によって生成された高温の排気ガスは燃焼室区画部材１１上部の開放部から燃焼室区画部材１１の側板１１ａ、１１ｂと排気流路区画部材１２の側板１２ａ、１２ｂとの間に形成される排気流路１４を経て排気出口１５より筐体外に排出される。その廃熱は適宜熱利用される。

燃料改質器５は、改質触媒を用いた改質反応により、原燃料（水素含有燃料）を改質して、水素リッチな燃料ガス（改質ガス）を生成する。このため、燃料改質器５には筐体外の燃料ポンプ（図示せず）により原燃料が供給される。

原燃料（水素含有燃料）としては、一般に炭化水素系燃料が用いられる。ここでいう炭化水素系燃料とは、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をいい、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。

燃料改質器５での改質方式は、特に限定されず、例えば、水蒸気改質（ＳＲ）、部分酸化改質（ＰＯＸ）、自己熱改質（ＡＴＲ）、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、燃料改質器５内の入口側（又はこれとは別）に水気化部を設け、筐体外から供給される水を気化して、水蒸気を生成する。

燃料改質器５は、また、オフガス燃焼部３での燃焼熱によって加熱されるように、燃焼室区画部材１１内で燃料電池スタック１の上方に配置される。
また、本実施形態の燃料改質器５は、酸化剤供給部材７のレイアウトのため、間隔をあけて平行に配置される２つの筒形燃料改質器５Ａ、５Ｂにより構成される。この場合、２つの筒形燃料改質器５Ａ、５Ｂは燃料が並列に流れるように接続してもよいし、折り返して直列に流れるように接続してもよい。
燃料改質器５の出口側からは、生成された改質ガスの供給管６が導出され、燃料電池スタック１の台座（燃料分配部）２に接続されている。

酸化剤供給部材７は、燃料電池スタック１に酸化剤を供給するため、燃料電池スタック１を構成する第１及び第２セルグループ１Ａ、１Ｂ間に、これらの側面部に沿って配置される扁平容器を主体として構成される。この扁平容器は、上面が開口し、両側面が扁平面をなして各セルグループ１Ａ、１Ｂの側面部に相対する矩形の容器である。

酸化剤供給部材７は、排気流路区画部材１２の天板１２ｄに予め形成されたスリットより燃焼室区画部材１１内に挿入され、上端部側の開口部は酸化剤導入口８として酸化剤流路区画部材１３内（排気流路区画部材１２と酸化剤流路区画部材１３との間）に開口している。
排気流路区画部材１２と酸化剤流路区画部材１３との間には、筐体外の酸化剤ポンプ（図示せず）により、酸化剤流路区画部材１３の底板１３ｃに設けた酸化剤入口１６を介して、酸化剤が供給される。酸化剤は、排気流路区画部材１２の側板１２ａ、１２ｂと酸化剤流路区画部材１３の側板１３ａ、１３ｂとの間に形成される酸化剤流路１７を下から上へ流れて、酸化剤供給部材７内に流入する。

酸化剤供給部材７の下端部側には、酸化剤供給部材７を構成する扁平容器の底部近傍の両側面に、複数の酸化剤噴出口９が形成され、両側面の酸化剤噴出口９より各セルグループ１Ａ、１Ｂに酸化剤を供給するように構成されている。
従って、酸化剤供給部材７は、扁平容器の上端部側に酸化剤導入口８を有し、下端部側に酸化剤噴出口９を有する。酸化剤は、酸化剤供給部材７の酸化剤導入口８より流入して、扁平容器内を上から下へ流れ、酸化剤噴出口９から噴出して、各セルグループ１Ａ、１Ｂのカソードに供給される。

次にオフガス燃焼部３の保炎構造について説明する。
燃料電池スタック１を構成する各セルグループ１Ａ、１Ｂの上端部に設けられる各オフガス燃焼部３Ａ、３Ｂの上方には、燃料改質器５を構成する各筒形燃料改質器５Ａ、５Ｂが設けられる。
ここにおいて、燃料改質器５の各筒形燃料改質器５Ａ、５Ｂの両側面に突き出し片２１が取付けられる。

突き出し片２１は、平板状で、上部が各筒形燃料改質器５Ａ、５Ｂの側面に取付けられ、下部が各筒形燃料改質器５Ａ、５Ｂの底面から下方に突き出している。
突き出し片２１は、燃料改質器５の各筒形燃料改質器５Ａ、５Ｂの底面から下方に突出するも、燃料電池スタック１（１Ａ、１Ｂ）にまで達しない長さである。

従って、突き出し片２１と、燃料改質器５（５Ａ、５Ｂ）の底面との間に、オフガス燃焼ガスの淀み領域となる角部が形成される。
尚、この角部には、曲げ加工上の、ある程度の曲げアールを有していてもよい。また、必ずしも直角である必要はないが、９０°程度、あるいは、９０°以下とすることで、淀み効果を上げることができる。

本実施形態によれば、燃料改質器５（５Ａ、５Ｂ）の底面の一部から下方に突出し、燃料電池スタック１（１Ａ、１Ｂ）にまで達しない長さの突き出し片２１を備え、突き出し片２１と燃料改質器５（５Ａ、５Ｂ）の底面との間に、オフガス燃焼ガスの淀み領域となる角部を形成することにより、次のような効果を得ることができる。
突き出し片２１と燃料改質器５（５Ａ、５Ｂ）の底面との間の角部で、オフガス燃焼ガスを淀ませ、燃焼ガスを滞留させて、淀み領域を高温化することができる。従って、淀み領域が火炎保持の熱源となり、火炎が安定する。
また、この突き出し片２１自体が高温化することにより、この熱が燃料改質器５（５Ａ、５Ｂ）へ伝わる。燃料改質器５から見れば、受熱面積が増加することとなる。従って、燃料改質器５での改質性能向上を図ることができる。

また、本実施形態によれば、突き出し片２１は、燃料改質器５（５Ａ、５Ｂ）の側面の延長方向に形成されるため、オフガス燃焼部３（３Ａ、３Ｂ）の全域に対し淀み効果を発揮させることができる。
また、本実施形態によれば、突き出し片２１は、平板状で、上部が燃料改質器５（５Ａ、５Ｂ）の側面に取付けられ、下部が燃料改質器５（５Ａ、５Ｂ）の底面から突出する構成とすることにより、曲げ加工等の必要が無く、部品コストの低減を図ることができる。

次に本実施形態の変形例について説明する。
第１実施形態では、図３に示されているように、突き出し片２１は、燃料電池スタック１（１Ａ、１Ｂ）の長手方向（セルの積層方向）に、略全長に亘って、連続的に設けられている。これにより、燃料電池スタック１（１Ａ、１Ｂ）の長手方向のいずれの場所においても淀み効果を発揮させ、高温化を図ることができる。

これに対し、変形例１では、図４に示されるように、突き出し片２１は、燃料電池スタック１（１Ａ、１Ｂ）の長手方向に、所定の間隔で、複数、断続的に設けられている。これにより、淀み部による燃焼ガスの滞留による高温化と、淀み無し部でのスムーズな燃焼との調和を図ることができる。但し、複数の突き出し片２１の燃料改質器５への取付部は一体としてもよい。

また、変形例２では、図５に示されるように、突き出し片２１は、燃料電池スタック１（１Ａ、１Ｂ）の長手方向の一部に設けられている。ここでいう一部とは、例えば、燃料改質器５の入口側の水気化部に対応する部位とすることで、気化熱を必要とする水気化部の温度低下を抑制することができる。このように一部に設ける構成であっても、少なくとも一箇所に火炎保持の熱源を確保することができ、全体の失火を防止することができる。

次に本発明の第２実施形態について図６により説明する。
図６は本発明の第２実施形態を示す燃料電池装置の概略正面図である。
本実施形態では、突き出し片２２は、板材の両端部を折り曲げて溝形（チャンネル形）に形成されている。そして、板材の中間部が燃料改質器５（５Ａ、５Ｂ）の底面に取付けられ、板材の両端部が、燃料改質器５（５Ａ、５Ｂ）の両側面の延長方向に、燃料改質器５（５Ａ、５Ｂ）の底面から突出している。
本実施形態によれば、燃料改質器５（５Ａ、５Ｂ）の両側面に対応する突き出し片２２を１枚の板材により形成できるという利点がある。

次に本発明の第３実施形態について図７により説明する。
図７は本発明の第３実施形態を示す燃料電池装置の概略正面図である。
本実施形態では、突き出し片２３は、第２実施形態（図６）と同様の溝形（チャンネル形）であるが、第２実施形態（図６）に比べ、小幅化している。突き出し片２３の幅は、保持対象の火炎に合わせて設定すればよい。

次に本発明の第４実施形態について図８により説明する。
図８は本発明の第４実施形態を示す燃料電池装置の概略正面図である。
本実施形態では、突き出し片２４は、燃料改質器５（５Ａ、５Ｂ）を構成する筐体の側板を当該筐体の底板より突出させることで、燃料改質器５（５Ａ、５Ｂ）の筐体と一体に形成される。
本実施形態によれば、部品点数を増加させることなく、必要とする淀み効果等を得ることができる。

次に本発明の第５実施形態について図９により説明する。
本実施形態では、突き出し片２５は、燃料改質器５（５Ａ、５Ｂ）の底面の幅方向中央部から下方に突出するように形成される。
具体的には、Ｔ字状断面の部材を用い、Ｔ字の上面を燃料改質器５（５Ａ、５Ｂ）の底面に接合している。尚、燃料改質器５（５Ａ、５Ｂ）の底面への取付部を有していればよいので、Ｌ字状断面の部材を用いることもできる。
このように、燃料改質器５（５Ａ、５Ｂ）の底面の幅方向中央部から下方に突出する突き出し片２５であっても、突き出し片２５と、燃料改質器５（５Ａ、５Ｂ）の底面との間に、淀み領域となる角部が形成されるので、上記の第１〜第４実施形態と同様の効果が得られる。
この場合、突き出し片２５は、櫛歯状に複数設けられていてもよい。

次に本発明の第６実施形態について図１０により説明する。
図１０は本発明の第６実施形態を示す燃料電池装置の概略正面図である。
本実施形態では、酸化剤供給部材７（７Ａ、７Ｂ）は、２つに分けて設けられ、複数の燃料電池セルの集合体である燃料電池スタック１を挟むように、その左右両方の側面図に沿って配置されている。
従って、燃料電池スタック１の上端部のオフガス燃焼部３も、その上方の燃料改質器５も、分かれることなく、１つずつ設けられている。
このような配置の場合も、例えば第１実施形態（図１）の突き出し片２１と同様の、突き出し片２６を、燃料改質器５の両側面に取付けることで、同様な効果を得ることができる。

以上では、燃料電池スタック１が２つに分けられる場合と１つの場合とについて説明したが、３つ以上に分けられる場合も、それぞれのオフガス燃焼部３に対し、本発明を適用することが可能である。

尚、第６実施形態（図１０）は、第１実施形態（図１）と組み合わせたが、第２〜第５実施形態（図６〜図９）と組み合わせることも可能であることは言うまでもない。
また、第２〜第６実施形態で用いた突き出し片２２〜２６についても、第１実施形態で用いた突き出し片２１と同様、燃料電池スタック１の長手方向の長さは、図３、図４又は図５に示したような態様をとることが可能である。

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、特許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燃料電池スタック（複数の燃料電池セルの集合体）
１Ａ、１Ｂセルグループ
２台座
３オフガス燃焼部
５（５Ａ、５Ｂ）燃料改質器
６改質ガスの供給管
７（７Ａ、７Ｂ）酸化剤供給部材
８酸化剤導入口
９酸化剤噴出口
１１燃焼室区画部材
１２排気流路区画部材
１３酸化剤流路区画部材
１４排気流路
１５排気出口
１６酸化剤入口
１７酸化剤流路
１８断熱材
２１〜２６突き出し片

Claims

燃料ガスと酸化剤とを反応させて発電する燃料電池スタックと、
この燃料電池スタック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と、
このオフガス燃焼部の上方に配置され、原燃料を改質して、前記燃料電池スタックに供給する燃料ガスを生成する燃料改質器と、
を含んで構成される、燃料電池装置であって、
前記燃料改質器の底面の一部から下方に突出し、前記燃料電池スタックにまで達しない長さの突き出し片を備え、
前記突き出し片と前記燃料改質器の底面との間に、オフガス燃焼ガスの淀み領域となる角部が形成されることを特徴とする、燃料電池装置。
前記突き出し片は前記燃料改質器の側面の延長方向に形成されることを特徴とする、請求項１記載の燃料電池装置。
前記突き出し片は、平板状で、上部が前記燃料改質器の側面に取付けられ、下部が前記燃料改質器の底面から突出することを特徴とする、請求項２記載の燃料電池装置。
前記突き出し片は、板材の両端部を折り曲げて溝形に形成され、中間部が前記燃料改質器の底面に取付けられ、両端部が前記燃料改質器の底面から突出す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。
前記突き出し片は、前記燃料改質器を構成する筐体の側板を当該筐体の底板より突出させることで、前記燃料改質器と一体に形成されることを特徴とする、請求項２記載の燃料電池装置。
前記突き出し片は、前記燃料改質器の幅方向中央部から下方に突出するように形成されることを特徴とする、請求項１記載の燃料電池装置。
前記突き出し片は、前記燃料電池スタックの長手方向に、略全長に亘って連続的に設けられることを特徴とする、請求項１〜請求項６のいずれか１つに記載の燃料電池装置。
前記突き出し片は、前記燃料電池スタックの長手方向に、断続的に設けられることを特徴とする、請求項１〜請求項６のいずれか１つに記載の燃料電池装置。
前記突き出し片は、前記燃料電池スタックの長手方向の一部に設けられることを特徴とする、請求項１〜請求項６のいずれか１つに記載の燃料電池装置。