JP2016134370A - 燃料電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】燃料排ガスと酸化剤排ガスとを容易且つ確実に混合させることができ、所望の燃焼排ガスを効率的に生成することを可能にする。
【解決手段】燃料電池モジュール１０は、燃料電池スタック１６と排ガス燃焼器２２とを備える。排ガス燃焼器２２は、ノズル部材３２と外管部材３４とを備える。ノズル部材３２の先端部周面３２ａには、複数個の燃料排ガス導出口３６が設けられる一方、外管部材３４の先端端面３４ａには、複数個の酸化剤排ガス導出口３８が設けられる。燃料排ガス導出口３６から排出される燃料排ガスと、酸化剤排ガス導出口３８から排出される酸化剤排ガスとは、互いに直交する方向に導出されながら混合される。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を複数積層した燃料電池スタックを備える燃料電池モジュールに関する。

通常、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は、固体電解質に酸化物イオン導電体、例えば、安定化ジルコニアを用いている。固体電解質の両側にアノード電極とカソード電極とを配設した電解質・電極接合体（以下、ＭＥＡともいう）は、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持されている。燃料電池は、通常、電解質・電極接合体とセパレータとが所定数だけ積層された燃料電池スタックとして使用されている。

ＳＯＦＣでは、一般的に、炭化水素を主体とする原燃料を改質し、燃料電池スタックに供給される燃料ガスを生成する改質器を備えている。改質器で生成された燃料ガスは、酸化剤ガス（空気）と共に燃料電池スタックに供給され、前記燃料電池スタックでは、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電される。そして、燃料電池スタックから排出される燃料ガスである燃料排ガスと酸化剤ガスである酸化剤排ガスとは、排ガス燃焼器に供給されて燃焼され、燃焼排ガスが発生されている。この燃焼排ガスは、改質器、水蒸気発生用の蒸発器及び酸化剤ガス予熱用の空気予熱器等に供給されることにより、熱エネルギーの効率的な利用が図られている。

例えば、特許文献１に開示されている燃料電池システムでは、燃料オフガス給気管と燃料排気管とが、燃料オフガスの流れ方向と酸化剤オフガスの流れ方向とを直交させるように配設されている。このため、燃料オフガスは、その流れ方向が、酸化剤オフガスの流量に対する相対的な流量に応じて変化し、燃焼領域に向かって押し流される流量が、酸化剤オフガスの流量に対する相対的な流量に依存している。従って、燃焼領域に向かって流れる燃料オフガスの流量が所定の値以下となるよう設定することにより、燃焼器で生成される熱エネルギーを所定の値以下にすることができ、耐熱温度を超えないように前記燃焼器を運転することができる、としている。

特開２０１０−２７７８７６号公報

上記の特許文献１では、燃焼室内において、単一の燃料オフガス給気管と単一の燃料排気管とが、互いに直交するように配置されている。このため、燃料オフガスと酸化剤オフガスとが混合し難いおそれがあるとともに、流速によっては、特に燃料オフガスが吹き飛ばされ、良好な燃焼排ガスが生成されないという問題がある。

本発明は、この種の問題を解決するものであり、燃料排ガスと酸化剤排ガスとを容易且つ確実に混合させることができ、所望の燃焼排ガスを効率的に生成することが可能な燃料電池モジュールを提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池モジュールは、燃料電池スタックと排ガス燃焼器とを備えている。燃料電池スタックは、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を複数積層している。排ガス燃焼器は、燃料電池スタックから排出される燃料ガスである燃料排ガスと酸化剤ガスである酸化剤排ガスとを燃焼させ、燃焼排ガスを発生させている。

排ガス燃焼器は、ノズル部材と外管部材とを備えている。ノズル部材は、先端部側面に燃料排ガスを排出させる複数個の燃料排ガス導出口が設けられている。外管部材は、ノズル部材の外方を周回し、該ノズル部材の先端部近傍で終端する端面に、酸化剤排ガスを前記ノズル部材の軸方向に排出させる複数個の酸化剤排ガス導出口が設けられている。

そして、燃料排ガス導出口から排出される燃料排ガスと、酸化剤排ガス導出口から排出される酸化剤排ガスとは、互いに直交する方向に排出されながら混合されている。

また、この燃料電池モジュールでは、外管部材の端面側からの平面視で、各燃料排ガス導出口の延長上の間に、酸化剤排ガス導出口が配置されることが好ましい。このため、特に燃料排ガスと酸化剤排ガスとの流速が異なる際に、一方のガスが吹き飛ばされることがなく、混合燃焼ガスが確実に得られ、所望の燃焼排ガスを効率的に生成することができる。

さらに、この燃料電池モジュールでは、各燃料排ガス導出口の延長上の間に、２以上の酸化剤排ガス導出口が配置されることが好ましい。従って、混合燃焼ガスが確実に得られるとともに、所望の酸化剤排ガス流量を確保することが可能になる。

さらにまた、この燃料電池モジュールでは、酸化剤排ガス導出口は、ノズル部材の周方向に短尺で且つ該ノズル部材の径方向に長尺な非円形形状を有することが好ましい。従って、燃料排ガス導出口の間に、２以上の酸化剤排ガス導出口を確実且つ効率的に配置させることが可能になる。

さらにまた、この燃料電池モジュールでは、酸化剤排ガス導出口の開口面積は、燃料排ガス導出口の開口面積よりも大きいことが好ましい。運転中の空気の流量は、燃料の流量よりも多いため、同一の開口面積では、燃料排ガスの流速が比較的遅くなってしまう。そのため、酸化剤排ガス導出口の開口面積を、燃料排ガス導出口の開口面積よりも大きく設定することによって、酸化剤排ガスの流速と燃料排ガスの流速とを可及的に等速にすることができる。

また、この燃料電池モジュールでは、排ガス燃焼器は、燃料排ガスと酸化剤排ガスとを着火させる着火部を備えることが好ましい。その際、燃料排ガス導出口は、重力方向に延在するノズル部材の先端部側面に、水平方向に向かって開口するとともに、着火部の先端は、前記燃料排ガス導出口と同一の高さ位置に配置されることが好ましい。このため、着火位置近傍に燃料排ガスが確実に排出され、着火性が良好に向上する。

本発明によれば、ノズル部材の先端部側面に複数個の燃料排ガス導出口が設けられるとともに、外管部材の端面に複数個の酸化剤排ガス導出口が設けられている。従って、燃料排ガス導出口から排出される燃料排ガスと、酸化剤排ガス導出口から排出される酸化剤排ガスとは、互いに直交する方向に導出されながら確実に混合される。このため、例えば、流速の相違に起因して燃料排ガスが吹き飛ばされることを抑制することが可能になる。これにより、燃料排ガスと酸化剤排ガスとを容易且つ確実に混合させることができ、所望の燃焼排ガスを効率的に生成することが可能になる。

本発明の実施形態に係る燃料電池モジュールの要部説明図である。 前記燃料電池モジュールの概略構成説明図である。 前記燃料電池モジュールを構成する排ガス燃焼器の要部斜視説明図である。 前記排ガス燃焼器の先端端面側からの平面説明図である。

図１に示すように、本発明の実施形態に係る燃料電池モジュール１０は、定置用の他、車載用等の種々の用途に用いられる。燃料電池モジュール１０は、燃料電池ユニット１２を備え、前記燃料電池ユニット１２が筐体１４内に収容される。

図１及び図２に示すように、燃料電池ユニット１２は、燃料電池スタック１６、改質器１８、空気予熱器２０、排ガス燃焼器２２及び蒸発器２４が組み付けられる。排ガス燃焼器２２は、排ガス燃焼室２６に配置されるとともに、前記排ガス燃焼室２６の一面は、予昇温部２８により構成される。

図２に示すように、空気予熱器２０と燃料電池スタック１６の酸化剤ガス系流路（図示せず）とは、空気供給通路３０ａを介して接続される。蒸発器２４、予昇温部２８及び改質器１８は、混合ガス供給通路３０ｂを介して接続され、前記改質器１８と燃料電池スタック１６の燃料ガス系流路（図示せず）とは、燃料供給通路３０ｃを介して接続される。蒸発器２４は、予昇温部２８よりも原燃料流通方向上流に配置される。

燃料電池スタック１６の燃料排ガス出口と排ガス燃焼器２２とは、燃料排ガス通路３０ｄにより接続され、前記燃料電池スタック１６の酸化剤排ガス出口と前記排ガス燃焼器２２とは、酸化剤排ガス通路３０ｅにより接続される。排ガス燃焼器２２により生成される燃焼排ガスは、燃焼排ガス通路３０ｆを介して空気予熱器２０及び蒸発器２４の順に供給される。

燃料電池スタック１６は、燃料ガス（水素ガスにメタン、一酸化炭素が混合した気体）と酸化剤ガス（空気）との電気化学反応により発電する。燃料電池スタック１６は、図１に示すように、平板状の固体酸化物形燃料電池３１を備え、複数の前記燃料電池３１は、鉛直方向（矢印Ａ方向）（又は水平方向）に積層される。

燃料電池スタック１６と予昇温部２８とは、排ガス燃焼室２６を挟んで互いに対向して配置されるとともに、改質器１８は、前記排ガス燃焼室２６の側面に沿って略コ字状に配置される。改質器１８の内部には、図示しないが、改質触媒が充填される。改質触媒としては、Ｒｕ（ルテニウム）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｐｔ（白金）、Ｒｈ（ロジウム）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｉｒ（イリジウム）又はＦｅ（鉄）の少なくとも１種類の触媒金属を使用する。改質器１８は、炭化水素を主体とする原燃料（例えば、都市ガス）と水蒸気との混合ガスを水蒸気改質し、燃料電池スタック１６に供給される燃料ガスを生成する。

図１及び図３に示すように、排ガス燃焼器２２は、燃料電池スタック１６の下部に接続され、排ガス燃焼室２６の上部に配置される。排ガス燃焼器２２は、ノズル部材３２と、前記ノズル部材３２の外方を周回する外管部材３４とを有し、これらが二重管を構成する。ノズル部材３２は、有底の円筒形状を有し、先端部周面（側面）３２ａに燃料排ガスを排出させる複数個の燃料排ガス導出口３６が水平方向に向かって設けられる。燃料排ガス導出口３６は、円形形状を有し、先端部周面３２ａに等角度間隔ずつ離間して形成される。

外管部材３４は、角筒形状を有するとともに、重力方向に延在するノズル部材３２の先端（下端）近傍に、具体的には、前記ノズル部材３２の先端位置から上方に距離ｔだけ離間する位置に、先端（下端）端面３４ａが配置される。先端端面３４ａには、酸化剤排ガスをノズル部材３２の軸方向に排出させる複数個の酸化剤排ガス導出口３８が下方に向かって設けられる。酸化剤排ガス導出口３８は、長円形状、楕円形状又は長方形状等の非円形形状を有する。なお、外管部材３４は、円筒形状を有してもよい。

燃料排ガス導出口３６から水平方向に排出される燃料排ガスと、酸化剤排ガス導出口３８から下方に排出される酸化剤排ガスとは、互いに直交する方向に導出されながら混合される。図４に示すように、外管部材３４の先端端面３４ａ側からの平面視で、各燃料排ガス導出口３６の延長線Ｌの間に、２つの酸化剤排ガス導出口３８が配置される。なお、各燃料排ガス導出口３６の延長線Ｌの間には、１つの又は３つ以上の酸化剤排ガス導出口３８が配置されてもよい。

酸化剤排ガス導出口３８は、ノズル部材３２の周方向に短尺な幅寸法Ｈを有し、且つ該ノズル部材３２の径方向に長尺な長さＬ（Ｌ＞Ｈ）を有する非円形形状である。酸化剤排ガス導出口３８の開口面積は、燃料排ガス導出口３６の開口面積よりも大きく、前記酸化剤排ガス導出口３８の総開口面積は、前記燃料排ガス導出口３６の総開口面積よりも大きい。

図１に示すように、改質器１８には、着火部であるグロープラグ４０が装着される。グロープラグ４０は、水平方向に延在しており、先端は、排ガス燃焼器２２に近接して配置される。グロープラグ４０の先端は、燃料排ガス導出口３６と同一の高さ位置に配置される。

空気予熱器２０は、燃焼排ガスとの熱交換により酸化剤ガスを昇温させるとともに、燃料電池スタック１６に前記酸化剤ガスを供給する。蒸発器２４は、水と原燃料とが供給され、燃焼排ガスにより水が蒸発して生成された水蒸気と原燃料との混合ガスは、混合ガス供給通路３０ｂを介して予昇温部２８に供給される。予昇温部２８は、混合ガスを燃焼排ガスの燃焼熱により昇温させ、改質器１８に供給する。

このように構成される燃料電池モジュール１０の動作について、以下に説明する。

図２に示すように、燃料電池モジュール１０の運転時には、空気予熱器２０に空気が供給されるとともに、蒸発器２４には、原燃料及び水が供給される。空気予熱器２０では、空気が後述する燃焼排ガスにより加熱（熱交換）され、高温になった前記空気は、燃料電池スタック１６の酸化剤ガス系流路に供給される。

一方、例えば、都市ガス（ＣＨ₄、Ｃ₂Ｈ₆、Ｃ₃Ｈ₈、Ｃ₄Ｈ₁₀を含む）等の原燃料は、水と共に蒸発器２４に供給される。蒸発器２４には、燃焼排ガスが供給されるため、水が蒸発して水蒸気が生成され、この水蒸気と原燃料との混合ガスは、予昇温部２８に導入される。予昇温部２８では、混合ガスが燃焼排ガスの燃焼熱により昇温される。

昇温された混合ガスは、改質器１８に供給される。改質器１８では、混合ガスが水蒸気改質され、Ｃ₂₊の炭化水素が除去（改質）されてメタンを主成分とする改質ガスが得られる。改質ガスは、燃料電池スタック１６の燃料ガス系流路に供給される。

従って、各燃料電池３１では、酸素と空気との化学反応により発電が行われる。発電反応により燃料電池スタック１６から排出される燃料ガスである燃料排ガスは、燃料排ガス通路３０ｄに導出される。同様に、発電反応により燃料電池スタック１６から排出される酸化剤ガスである酸化剤排ガスは、酸化剤排ガス通路３０ｅに導出される。

図１及び図３に示すように、燃料排ガスは、ノズル部材３２の燃料排ガス通路３０ｄに沿って下方に流通した後、先端部周面３２ａに形成された複数個の燃料排ガス導出口３６ら水平方向に向かって排ガス燃焼室２６に導入される。一方、酸化剤排ガスは、外管部材３４の酸化剤排ガス通路３０ｅに沿って下方に流通した後、先端端面３４ａに形成された複数個の酸化剤排ガス導出口３８から下方に向かって排ガス燃焼室２６に導入される。

これにより、排ガス燃焼室２６には、水平方向に排出される燃料排ガスと重力下方向に排出される酸化剤排ガスとが混合されて燃焼され、燃焼排ガスが発生する。なお、排ガス燃焼室２６では、グロープラグ４０が必要に応じて駆動され、燃料排ガスと酸化剤排ガスとの混合燃焼ガスが着火される。

図２に示すように、燃焼排ガスは、改質器１８を昇温させるとともに、予昇温部２８に燃焼熱を伝達する。さらに、燃焼排ガスは、空気予熱器２０及び蒸発器２４の順に供給される。このため、空気予熱器２０及び蒸発器２４に燃焼熱が伝達される。

この場合、本実施形態では、図１及び図３に示すように、ノズル部材３２の先端部周面３２ａに複数個の燃料排ガス導出口３６が設けられるとともに、外管部材３４の先端端面３４ａに複数個の酸化剤排ガス導出口３８が設けられている。従って、燃料排ガス導出口３６から排出される燃料排ガスと、酸化剤排ガス導出口３８から排出される酸化剤排ガスとは、互いに直交する方向に導出されながら確実に混合される。これにより、例えば、流速の相違に起因して燃料排ガスが吹き飛ばされることを抑制することが可能になり、前記燃料排ガスと酸化剤排ガスとを容易且つ確実に混合させることができ、所望の燃焼排ガスを効率的に生成することが可能になるという効果が得られる。

また、燃料電池モジュール１０では、図４に示すように、外管部材３４の先端端面３４ａ側からの平面視で、各燃料排ガス導出口３６の延長上の間に、酸化剤排ガス導出口３８が配置されている。このため、特に燃料排ガスと酸化剤排ガスとの流速が異なる際に、例えば、前記酸化剤排ガスの流速が速い場合に、前記燃料排ガス（一方のガス）が吹き飛ばされることがない。従って、混合燃焼ガスが確実に得られ、所望の燃焼排ガスを生成することができる。

さらに、酸化剤排ガス導出口３８は、ノズル部材３２の周方向に短尺な幅寸法Ｈを有し、且つ該ノズル部材３２の径方向に長尺な長さＬ（Ｌ＞Ｈ）を有する非円形形状である。これにより、燃料排ガス導出口３６の間に、２以上の酸化剤排ガス導出口３８を確実且つ効率的に配置させることが可能になる。

さらにまた、酸化剤排ガス導出口３８の全体の開口面積は、燃料排ガス導出口３６の全体の開口面積よりも大きい。燃料電池スタック１６では、運転中の空気の流量は、燃料の流量よりも多いため、同一の開口面積では、燃料排ガスの流速が比較的遅くなってしまう。このため、酸化剤排ガス導出口３８の総開口面積を、燃料排ガス導出口３６の総開口面積よりも大きく設定することにより、酸化剤排ガスの流速と燃料排ガスの流速とを可及的に等速にすることができる。

また、図１に示すように、排ガス燃焼器２２は、燃料排ガスと酸化剤排ガスとを着火させるグロープラグ４０を備えている。その際、燃料排ガス導出口３６は、重力方向に延在するノズル部材３２の先端部周面３２ａに水平方向に向かって開口するとともに、グロープラグ４０の先端は、前記燃料排ガス導出口３６と同一の高さ位置に配置されている。従って、グロープラグ４０の着火位置近傍に燃料排ガスが確実に排出され、着火性が良好に向上する。

１０…燃料電池モジュール １２…燃料電池ユニット
１４…筐体 １６…燃料電池スタック
１８…改質器 ２０…空気予熱器
２２…排ガス燃焼器 ２４…蒸発器
２８…予昇温部 ３１…燃料電池
３２…ノズル部材 ３２ａ…先端部周面
３４…外管部材 ３４ａ…先端端面
３６…燃料排ガス導出口 ３８…酸化剤排ガス導出口
４０…グロープラグ

Claims (6)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を複数積層した燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックから排出される前記燃料ガスである燃料排ガスと前記酸化剤ガスである酸化剤排ガスとを燃焼させ、燃焼排ガスを発生させる排ガス燃焼器と、
   を備える燃料電池モジュールであって、
   前記排ガス燃焼器は、先端部側面に前記燃料排ガスを排出させる複数個の燃料排ガス導出口が設けられるノズル部材と、
   前記ノズル部材の外方を周回し、該ノズル部材の先端部近傍で終端する端面に、前記酸化剤排ガスを前記ノズル部材の軸方向に排出させる複数個の酸化剤排ガス導出口が設けられる外管部材と、
   を備えるとともに、
   前記燃料排ガス導出口から排出される前記燃料排ガスと、前記酸化剤排ガス導出口から排出される前記酸化剤排ガスとは、互いに直交する方向に排出されながら混合されることを特徴とする燃料電池モジュール。
2. 請求項１記載の燃料電池モジュールにおいて、前記外管部材の前記端面側からの平面視で、各燃料排ガス導出口の延長上の間に、前記酸化剤排ガス導出口が配置されることを特徴とする燃料電池モジュール。
3. 請求項２記載の燃料電池モジュールにおいて、各燃料排ガス導出口の延長上の間に、２以上の前記酸化剤排ガス導出口が配置されることを特徴とする燃料電池モジュール。
4. 請求項２又は３記載の燃料電池モジュールにおいて、前記酸化剤排ガス導出口は、前記ノズル部材の周方向に短尺で且つ該ノズル部材の径方向に長尺な非円形形状を有することを特徴とする燃料電池モジュール。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記酸化剤排ガス導出口の開口面積は、前記燃料排ガス導出口の開口面積よりも大きいことを特徴とする燃料電池モジュール。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記排ガス燃焼器は、前記燃料排ガスと前記酸化剤排ガスとを着火させる着火部を備え、
   前記燃料排ガス導出口は、重力方向に延在する前記ノズル部材の前記先端部側面に、水平方向に向かって開口するとともに、
   前記着火部の先端は、前記燃料排ガス導出口と同一の高さ位置に配置されることを特徴とする燃料電池モジュール。

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