JP2015213023A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】容易に燃料電池の酸化を抑制す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１１と、触媒上で燃料Ｇ１と水Ｗとを反応させて、燃料電池１１に供給される改質ガスＧ２を生成する改質器１２と、燃料電池１１を収容し燃料電池１１を高温に維持するための断熱材１０に囲まれた高温部１３と、高温部１３に還元性ガスＲを供給し、高温部１３において燃料電池１１を還元雰囲気下に維持するための還元性ガス供給部２０と、を備える。還元性ガス供給部２０は、有機カルボン酸Ｏを供給する有機カルボン酸供給部２１と、化学反応により、有機カルボン酸供給部２１から供給された有機カルボン酸Ｏから還元性ガスＲを生成する反応部２２と、を備える。反応部２２の少なくとも一部は、高温部１３から露出する。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池（固体酸化物型燃料電池：ＳＯＦＣ（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）等）は、水素を含有する水素含有ガスと空気とを電気化学的に反応させて、発電を行う。このような燃料電池に加え、改質器と、燃焼器とを備えた燃料電池システムが知られている。燃料電池システムにおいては、改質器は、都市ガスなどの炭化水素系燃料を改質させて発生させた水素含有ガスを、燃料電池に供給する。燃焼器は、燃料電池から排出されるアノードオフガスを燃焼処理する。

このような燃料電池システムにおいて、燃料電池のアノードが酸化して劣化することを防止するために、燃料電池を還元雰囲気に保つ必要がある。燃料電池システムの作動中には、改質器から水素含有ガスが供給されるため、燃料電池のアノードは還元雰囲気に保たれる。しかし、燃料電池システムの起動時には、改質器が水素含有ガスを供給可能になるまでは、燃料電池のアノードを還元雰囲気に保つことができない。

特許文献１には、水電解水素製造装置を有する燃料電池システムが記載されている。燃料電池システムにおいては、燃料電池のアノードの酸化の抑制について、起動時又は停止時に水電解水素製造装置を制御することにより、水を電気分解して得た水素を燃料電池のアノードに供給することが記載されている。

特開２００８−２１７９９９号公報

しかしながら、特許文献１に記載の燃料電池システムは、起動時又は停止時に水素が適切な流量になるように、水電解水素製造装置を制御する必要がある。そのような複雑な制御を行うためには、適切な制御性を確保しなければならず、適切な制御性を確保するためには高コストとなる。

したがって、複雑な制御を伴わなくても、燃料電池のアノード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、容易に燃料電池のアノードの酸化を抑制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、触媒上で燃料と水とを反応させて、前記燃料電池に供給される改質ガスを生成する改質器と、前記燃料電池を収容し前記燃料電池を高温に維持するための高温部と、前記高温部に還元性ガスを供給し、前記高温部において前記燃料電池を還元雰囲気下に維持するための還元性ガス供給部と、を備え、前記還元性ガス供給部は、有機カルボン酸を供給する有機カルボン酸供給部と、化学反応により、前記有機カルボン酸供給部から供給された有機カルボン酸から還元性ガスを生成する反応部と、を備え、前記反応部の少なくとも一部は、前記高温部から露出する燃料電池システムに関する。

また、前記燃料電池から排出されたオフガスの熱により前記反応部に供給される前の有機カルボン酸を加熱する熱交換器で構成されることが好ましい。

また、前記反応部は、前記高温部から前記反応部の一部が露出することにより、前記高温部内の温度よりも低い温度に維持されることが好ましい。

また、前記有機カルボン酸がギ酸、酢酸、プロピオン酸及び酪酸からなる群から選択された少なくとも１つであることが好ましい。

本発明によれば、容易に燃料電池のアノードの酸化を抑制できる燃料電池システムを提供することができる。

本発明の第１実施形態の燃料電池システム１を示す概略図である。 本発明の第２実施形態の燃料電池システム１ａを示す概略図である。

［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態における燃料電池システム１について、図１を参照して説明する。図１は、本発明の第１実施形態における燃料電池システム１を示す概略図である。

図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池１１と、改質器１２と、還元性ガス供給部２０と、ポンプ５１とを備える。還元性ガス供給部２０は、有機カルボン酸供給部２１と反応部２２とを備える。有機カルボン酸供給部２１は、熱交換器２３と、有機カルボン酸貯留部２４と、ポンプ５２とを備える。燃料電池１１及び改質器１２は、断熱材１０で囲まれた高温部１３の内部に設けられている。還元性ガス供給部２０は、高温部１３の外部に設けられている。高温部１３においては、燃料電池１１が２００℃から１０００℃で運転され、改質器１２が２００℃から１０００℃で運転されるように、高温に保たれている。

また、燃料電池システム１は、燃料ガス供給ラインＬ１と、水供給ラインＬ２と、改質ガス供給ラインＬ３と、空気供給ラインＬ４と、排出ラインＬ５と、有機カルボン酸供給ラインＬ６、還元性ガス供給ラインＬ７と、を備える。なお、「ライン」とは、流路、経路、管路等の総称である。

［ラインの説明］
燃料ガス供給ラインＬ１においては、燃料ガス供給ラインＬ１の一端部は、都市ガス等の燃料ガスＧ１を供給可能な燃料ガス供給部（図示せず）に接続され、燃料ガス供給ラインＬ１の他端部は改質器１２に接続されている。燃料ガスＧ１は、燃料ガス供給部から燃料ガス供給ラインＬ１を流通して、改質器１２に供給される。

水供給ラインＬ２の一端部は、水貯留部（図示せず）に接続され、水供給ラインＬ２の他端部は、改質器１２に接続されている。水供給ラインＬ２の途中には、ポンプ５１が接続されている。ポンプ５１は、改質器１２に改質水Ｗを供給するために、水貯留部からの改質水Ｗを加圧する。水貯留部内の改質水Ｗは、ポンプ５１の駆動によって、水貯留部から水供給ラインＬ２を流通して、改質器１２へ供給される。

改質ガス供給ラインＬ３においては、改質ガス供給ラインＬ３の一端部は改質器１２に接続され、改質ガス供給ラインＬ３の他端部は燃料電池１１に接続されている。改質器１２において生成される水素を含む改質ガスＧ２は、改質ガス供給ラインＬ３を流通して、燃料電池１１に供給され、発電に用いられる。

空気供給ラインＬ４においては、空気供給ラインＬ４の一端部は、酸素を含む空気Ａ１を燃料電池１１に供給するための空気供給部としてのブロワ（図示せず）及びフィルタ（図示せず）に接続されている。空気供給ラインＬ４の他端部は燃料電池１１に接続されている。空気Ａ１は、ブロワからフィルタを通過し、空気供給ラインＬ４を流通して、燃料電池１１に供給される。

排出ラインＬ５においては、排出ラインＬ５の一端部は、燃料電池１１に接続され、排出ラインＬ５の他端部は、屋外（図示せず）に開放されている。排出ラインＬ５の途中には、熱交換器２３が接続されている。熱交換器２３は、燃料電池１１から排出された排出ラインＬ５内のオフガスＧ３と後述の有機カルボン酸供給ラインＬ６内の有機カルボン酸Ｏとの熱交換を行う。オフガスＧ３は、熱交換器２３によって、後述の有機カルボン酸Ｏに熱を伝達した上で、屋外に排出される。

有機カルボン酸供給ラインＬ６においては、有機カルボン酸供給ラインＬ６の一端部は、有機カルボン酸貯留部２４に接続され、有機カルボン酸供給ラインＬ６の他端部は、反応部２２に接続されている。有機カルボン酸供給ラインＬ６の途中には、ポンプ５２と熱交換器２３とが接続されている。有機カルボン酸Ｏは、ポンプ５２の駆動によって、有機カルボン酸貯留部２４から有機カルボン酸供給ラインＬ６を流通して、反応部２２へ供給される。また、有機カルボン酸Ｏは、熱交換器２３によって、オフガスＧ３の熱が与えられた上で、反応部２２に供給される。

還元性ガス供給ラインＬ７においては、還元性ガス供給ラインＬ７の一端部は反応部２２に接続され、還元性ガス供給ラインＬ７の他端部は燃料電池１１に接続されている。還元性ガスＲは、反応部２２から還元性ガス供給ラインＬ７を流通して、燃料電池１１に供給される。即ち、還元性ガスＲは、反応部２２から還元性ガス供給ラインＬ７を流通して、高温部１３に供給される。

［各装置の説明］
燃料電池１１としては、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）が用いられる。燃料電池１１は、燃料電池スタック（図示せず）を有している。燃料電池スタックは、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。

発電セルは、アノードと、カソードと、アノードとカソードとの間に設けられた電解質層と、を有する。アノードは、ニッケル等から形成され、還元性ガスＲにより還元雰囲気に保たれている。燃料電池１１は、改質器１２から改質ガス供給ラインＬ３を介してアノードに供給される改質ガスＧ２と、空気供給ラインＬ４から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１１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１１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１１は、アノードからのオフガスであるアノードオフガス、及びカソードからのオフガスであるカソードオフガスを排出する。アノードオフガスは、アノードガス（水素）を含むため、アノードガス（水素）を不活化するために燃焼器（図示せず）によって燃焼処理を行ってもよい。
アノードオフガス及びカソードオフガスは、オフガスＧ３として燃料電池１１の下流側に接続された排出ラインＬ５、及び熱交換器２３を介して、屋外に排出される。

改質器１２は、燃料ガス供給ラインＬ１から供給された燃料ガスＧ１及び水供給ラインＬ２から供給された改質水Ｗに基づいて、触媒上で、水素を含む改質ガスＧ２を生成する。改質器１２によって生成された水素を含む改質ガスＧ２は、改質ガス供給ラインＬ３を介して燃料電池１１へ供給される。

反応部２２は、水および空気に対して実質的に不浸透であり、反応部２２の内部で行われる反応条件に耐え得る物質で構成された容器である。反応部２２は、所定の温度、圧力及びｐＨに保たれており、反応部２２の内部に水溶媒及び触媒を有している。

反応部２２に供給された有機カルボン酸Ｏは、水溶媒中の触媒と触媒反応を起こし、水素ガス及び二酸化炭素ガスを含む還元性ガスＲを発生させる。本実施形態において、触媒は、[Ｒｕ（ＴＰＰＴＳ）₂（Ｈ₂Ｏ）₄］Ｘ_Yである。なお、式中、Ｘは、配位していないアニオン、例えばトシラート、トリフレートであり、Ｙは１又は２であり、Ｘ_Yの全体の電荷は−２である。また、本実施形態において、有機カルボン酸Ｏは、ギ酸である。

本実施形態において、所定の温度は、ギ酸が効率よく触媒反応を行うために適したものを採用している。所定の温度は、常温（通常は２０〜２５℃程度）よりも高い温度であれば特に限定されるものではないが、好ましくは２０℃〜２００℃、より好ましくは９０℃〜１２５℃に設定する。
反応部２２は、熱交換器２３によって、オフガスＧ３の熱が与えられた高温の有機カルボン酸Ｏが供給されることにより、触媒反応に好ましい所定の温度が保たれるようになっている。

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は、燃料電池１１と、触媒上で燃料Ｇ１と水Ｗとを反応させて、燃料電池１１に供給される改質ガスＧ２を生成する改質器１２と、燃料電池１１を収容し燃料電池１１を高温に維持するための断熱材１０に囲まれた高温部１３と、高温部１３に還元性ガスＲを供給し、高温部１３において燃料電池１１を還元雰囲気下に維持するための還元性ガス供給部２０と、を備え、還元性ガス供給部２０は、有機カルボン酸Ｏを供給する有機カルボン酸供給部２１と、化学反応により、有機カルボン酸供給部２１から供給された有機カルボン酸Ｏから還元性ガスＲを生成する反応部２２と、を備え、反応部２２の少なくとも一部は、高温部１３から露出する。

このような燃料電池システム１においては、還元性ガスＲが反応部２２において生成されて高温部１３に供給されるため、高温部１３において還元性ガスＲは還元雰囲気に保たれて、燃料電池１１のアノードも還元雰囲気に保たれる。燃料電池１１のアノードは、還元雰囲気に保たれることにより、燃料電池１１のアノードの酸化を抑制することができる。

また、燃料電池システム１は、燃料電池１１から排出されたオフガスＧ３の熱により反応部２２に供給される前の有機カルボン酸Ｏを加熱する熱交換器２３を備える。このような燃料電池システム１によれば、熱交換器２３によって加熱された有機カルボン酸Ｏが反応部２２に供給されるため、反応部２２において有機カルボン酸Ｏが還元性ガスＲを生成するために適した温度は、維持される。そのため、燃料電池システム１においては、反応部２２を高温部１３に配置しなくても、反応部２２において効率よく還元性ガスＲが生成される。生成された還元性ガスＲが燃料電池１１の存する高温部１３に供給されることにより、燃料電池１１のアノードは還元雰囲気に保たれる。このため、複雑な制御を伴わなくても、燃料電池１１のアノードの酸化を抑制することができる。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態における燃料電池システム１ａについて、図２を参照して説明する。図２は、本発明の第２実施形態における燃料電池システム１ａを示す概略図である。

ここで、第２実施形態における燃料電池システム１ａは、第１実施形態における燃料電池システム１と比べて、熱交換器２３を有していない点が主に異なる。また、第２実施形態における燃料電池システム１ａは、第１実施形態における燃料電池システム１と比べて、反応部２２ａが高温部１３の外部ではなく、反応部２２ａの一部が高温部１３の内部にある点が主に異なる。前述した第１実施形態と同様な他の構成については同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。

排出ラインＬ５ａにおいては、オフガスＧ３を排出するために、排出ラインＬ５ａの一端部は燃料電池１１に接続され、排出ラインＬ５ａの他端部は、屋外（図示せず）に開放されている。第１実施形態とは異なり、排出ラインＬ５ａの途中には、熱交換器２３は接続されず、オフガスＧ３はそのまま屋外に排出される。

有機カルボン酸供給ラインＬ６ａにおいては、有機カルボン酸Ｏを反応部２２ａに供給するため、有機カルボン酸供給ラインＬ６ａの一端部は有機カルボン酸貯留部２４に接続され、有機カルボン酸供給ラインＬ６ａの他端部は反応部２２ａに接続されている。第１実施形態とは異なり、有機カルボン酸供給ラインＬ６ａの途中には、熱交換器２３は接続されていない。

反応部２２ａは、第１実施形態においては、高温部１３の外部に設けられていたが、第２実施形態においては、反応部２２ａは断熱材１０ａに埋め込まれている。反応部２２ａにおいては、断熱材１０ａに埋め込まれていることにより、一端部は高温部１３の内部に露出しており、他端部は高温部１３の外部に露出するようになっている。高温部１３の内部における反応部２２ａの露出については、反応部２２ａの有機カルボン酸の触媒反応に適した所定の温度になる程度に露出するようになっている。

第２実施形態の燃料電池システム１ａによれば、例えば、以下の効果が奏される。
第２実施形態の燃料電池システム１ａにおいては、反応部２２ａは、高温部１３から反応部２２ａの一部が露出することにより、高温部１３の内部の温度よりも低い温度に維持される。このような燃料電池システム１ａは、高温部１３の内部よりも低くかつ高温部１３の外部よりも高い温度であって、有機カルボン酸が化学反応に適した温度に保たれる。そのため、複雑な制御を伴わなくても、反応部２２ａにおいて還元性ガスＲは生成され、生成された還元性ガスＲは高温部１３に供給される。これにより燃料電池１１が還元雰囲気に保たれるため、熱交換器２３がなくても、燃料電池１１のアノードの酸化を抑制することができる。また、この第２実施形態においても、前述した第１実施形態と同様な効果が奏される。

以上、好適な実施形態について説明したが、本発明は、前述した実施形態に限定されることなく、種々の形態で実施することができる。

例えば、上述の実施形態においては、有機カルボン酸としてギ酸を採用したが、有機カルボン酸は、これに限られない。有機カルボン酸は、炭素、水素及び／又は酸素原子から構成され、アノードを劣化する物質を含まない常温で液体である炭化水素であれば、ギ酸に限られず、例えば、酢酸、プロピオン酸及び酪酸を採用することができる。また、これらの有機カルボン酸は、複数の種類の有機カルボン酸を併用してもよい。そして、触媒は、[Ｒｕ（ＴＰＰＴＳ）₂（Ｈ₂Ｏ）₄］Ｘ_Yに限られず、有機カルボン酸と触媒反応を起こすことにより、高温部１３を還元雰囲気に保つことのできるガスを生じさせうるものを採用することができる。

１，１ａ 燃料電池システム
１０，１０ａ 断熱材
１１ 燃料電池
１２ 改質器
１３ 高温部
２０ 還元性ガス供給部
２１ 有機カルボン酸供給部
２２，２２ａ 反応部
２３ 熱交換器
Ｇ２ 改質ガス（水素）
Ｇ３ オフガス
Ｗ 改質水（水）
Ｏ 有機カルボン酸
Ｒ 還元性ガス

Claims (4)

1. 燃料電池と、
   触媒上で燃料と水とを反応させて、前記燃料電池に供給される改質ガスを生成する改質器と、
   前記燃料電池を収容し前記燃料電池を高温に維持するための高温部と、
   前記高温部に還元性ガスを供給し、前記高温部において前記燃料電池を還元雰囲気下に維持するための還元性ガス供給部と、を備え、
   前記還元性ガス供給部は、有機カルボン酸を供給する有機カルボン酸供給部と、化学反応により、前記有機カルボン酸供給部から供給された有機カルボン酸から還元性ガスを生成する反応部と、を備え、
   前記反応部の少なくとも一部は、前記高温部から露出する燃料電池システム。
2. 前記燃料電池から排出されたオフガスの熱により前記反応部に供給される前の有機カルボン酸を加熱する熱交換器を備える請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記反応部は、前記高温部から前記反応部の一部が露出することにより、前記高温部内の温度よりも低い温度に維持される請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 前記有機カルボン酸がギ酸、酢酸、プロピオン酸及び酪酸からなる群から選択された少なくとも１つである、請求項１〜請求項３のいずれかに記載の燃料電池システム。

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