JP2019220365A - 燃料電池モジュール及びその運転方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】コンパクト且つ簡単な構成で、燃料電池スタックを構成する燃料電池の燃料ガスの均一化を図ることができる燃料電池モジュール及びその運転方法を提供する。【解決手段】燃料ガス流路３２を介して燃料ガスが供給されるアノード電極２５と酸化剤ガス流路３０を介して酸化剤ガスが供給されるカソード電極２３とを有する平板状の燃料電池３３を複数積層した燃料電池スタック１２において、燃料電池３３を厚み方向に貫通して複数の燃料ガス流路３２に連通した燃料ガス入口連通孔３２ａに、炭化水素を主体とする原燃料を改質して燃料ガスを生成する改質触媒１４ａ（改質器１４）を設けた燃料電池モジュール１０が提供される。【選択図】図２

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モジュール及びその運転方法に関する。
固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）は、例えば、安定化ジルコニア等の酸化物イオン導伝体を固体電解質として用いる。固体電解質の両側には、アノード電極とカソード電極とが接合されている。このような、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は、発電効率が高く、様々な燃料を用いることができる一方で、炭化水素を主成分とする原燃料を用いる場合には、改質器が必要となる。
特許文献１には、燃料電池スタックの外側に改質器を設けると共に、改質器で燃料ガスと酸化剤ガスとを部分酸化反応で改質して、得られた燃料ガスを燃料電池スタックに供給する燃料電池システムが開示されている。
特開２０１７−２７７６６号公報
しかしながら、特許文献１の燃料電池システムでは、改質器と燃料電池スタックの各層を構成する電解質・電極接合体との距離が均等ではなく、各電解質・電極接合体に供給される燃料ガスの量が均一ではないといった問題がある。
本発明は、コンパクト且つ簡単な構成で、燃料電池スタックを構成する燃料電池の燃料ガスの均一化を図ることができる燃料電池モジュール及びその運転方法を提供することを目的とする。
本発明の一観点は、燃料ガス流路を介して燃料ガスが供給されるアノード電極と酸化剤ガス流路を介して酸化剤ガスが供給されるカソード電極とを有する平板状の燃料電池を複数積層した平板積層型の燃料電池スタックと、炭化水素を主体とする原燃料を改質し、前記燃料電池スタックに供給される前記燃料ガスを生成する改質器と、を備える燃料電池モジュールであって、前記燃料電池スタックには、複数の前記燃料電池を厚み方向に貫通して前記燃料ガス流路に連通した燃料ガス入口連通孔が形成されており、該燃料ガス入口連通孔に前記改質器を構成する改質触媒が設置されている燃料電池モジュールにある。
本発明の別の一観点は、燃料ガス流路を介して燃料ガスが供給されるアノード電極と酸化剤ガス流路を介して酸化剤ガスが供給されるカソード電極とを有する平板状の燃料電池を複数積層した平板積層型の燃料電池スタックと、炭化水素を主体とする原燃料を改質し、前記燃料電池スタックに供給される前記燃料ガスを生成する改質器と、を備え、前記燃料電池スタックには、複数の前記燃料電池を厚み方向に貫通して前記燃料ガス流路に連通した燃料ガス入口連通孔が形成されており、該燃料ガス入口連通孔に前記改質器を構成する改質触媒が設置されている燃料電池モジュールの運転方法であって、前記燃料電池モジュールの始動時には原燃料と酸化剤ガスとの混合ガスを前記改質器に供給すると共に、前記燃料電池モジュールの始動後は、前記改質器に燃料ガスを供給する燃料電池モジュールの運転方法にある。
上記観点の燃料電池モジュールによれば、燃料電池スタックを構成する各燃料電池に対して等距離の場所に改質触媒（改質器）が設けられるので、各燃料電池の燃料ガスの均一化を図ることができる。また、改質触媒（改質器）が燃料電池スタックの燃料ガス入口連通孔に内蔵されるため、燃料電池モジュールをコンパクト化できる。
第１の実施形態に係る燃料電池モジュールのブロック図である。 図１の燃料電池モジュールの燃料電池スタックの断面図である。 図２の燃料電池スタックを構成する燃料電池のＩＩＩ−ＩＩＩ線での断面図である。 第２の実施形態に係る燃料電池モジュールのブロック図である。 第２の実施形態に係る燃料電池モジュールの始動時の動作を示すフローチャートである。
以下、本発明の好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。
（第１の実施形態）
図１に示す、本実施形態に係る燃料電池モジュール１０は、定置用の他、車載用やポータブル発電機等の種々の用途に用いられる。
燃料電池モジュール１０は、平板積層型の燃料電池スタック１２と、改質器１４と、排ガス燃焼器１６と、熱交換器１８とを備える。燃料電池スタック１２は、図２に示すように、燃料ガス（主に、水素及び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平板状の固体酸化物燃料電池３３を備える。複数の燃料電池３３は、厚み方向（矢印Ａ方向）に積層されると共に、燃料電池積層方向（以下、単に積層方向という）の両端には、エンドプレート２０ａ、２０ｂが配置されている。
図３に示すように、燃料電池３３は、例えば、安定化ジルコニア等の酸化物イオン導伝体で構成される電解質２４の両面に、カソード電極２３及びアノード電極２５が設けられた電解質・電極接合体（ＭＥＡ）２７を備える。
電解質・電極接合体２７の両側には、カソード側セパレータ３１ａとアノード側セパレータ３１ｂとが配置される。カソード側セパレータ３１ａには、カソード電極２３に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路３０が形成される。アノード側セパレータ３１ｂには、アノード電極２５に燃料ガスを供給する燃料ガス流路３２が形成される。なお、燃料電池３３としては、従来より使用されている種々のＳＯＦＣを用いることができる。
燃料電池３３は、動作温度が数百℃と高温であり、アノード電極２５には、原燃料を改質して得られる、水素及び一酸化炭素を含んだ燃料ガスが供給される。
図２に示すように、燃料電池スタック１２には、各酸化剤ガス流路３０の入口側に連通する酸化剤ガス入口連通孔３０ａと、酸化剤ガス流路３０の出口側に連通する酸化剤ガス出口連通孔３０ｂとが設けられている。酸化剤ガス入口連通孔３０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３０ｂは、燃料電池スタック１２内の積層方向（矢印Ａ方向）に延在する。
また、燃料電池スタック１２には、各燃料ガス流路３２の入り口側に連通する燃料ガス入口連通孔３２ａと、燃料ガス流路３２の出口側に連通する燃料ガス出口連通孔３２ｂとが設けられる。燃料ガス入口連通孔３２ａ及び燃料ガス出口連通孔３２ｂは、燃料電池スタック１２内の積層方向（矢印Ａ方向）に延在する。
燃料電池モジュール１０には、原燃料として、メタン、エタン、プロパン、ブタン等の炭化水素を含むガスが供給される。このような原燃料は、改質器１４によって改質されて、主に水素及び一酸化炭素を含む燃料ガスに変換される。すなわち、改質器１４は、炭化水素を主体とする原燃料を改質して燃料電池スタック１２に供給される燃料ガスを生成する。改質器１４は、例えば、部分酸化改質器（ＰＯＸ改質器）や、水蒸気改質器とすることができる。
本実施形態の改質器１４は、燃料電池スタック１２の燃料ガス入口連通孔３２ａに設けられた改質触媒１４ａによって構成される。すなわち、改質器１４は燃料ガス入口連通孔３２ａ内に内蔵されている。改質器１４は、メッシュ又は多数の孔が設けられた筒体の中に改質触媒１４ａを充填したものであり、燃料ガス入口連通孔３２ａ内の燃料ガス流路３２と対向する部分の全域に亘って設けられている。このような改質器１４には、原燃料と共に、酸化剤ガス及び水蒸気の少なくとも一方又は両方が供給される。改質器１４は、原燃料中の炭化水素と、酸素又は水とを反応させることにより、主として水素及び一酸化炭素を含む燃料ガスに変換する。このような改質器１４は、５００℃〜１０００℃の動作温度で作動する。
改質器１４を、部分酸化改質を行うものとして構成する場合には、改質触媒１４ａとしては、例えば、Ｐｔ（白金）、Ｒｈ（ロジウム）及びＰｄ（パラジウム）の少なくとも１つを含んだ金属触媒を使用できる。この場合には、改質器１４に原燃料と共に酸化剤ガスが供給される。例えば、混合ガス中の酸素と炭素との比率Ｏ2／Ｃ＝０．５に設定すると、２ＣＨ4＋Ｏ2→４Ｈ2＋２ＣＯといった部分酸化反応が発生する。この部分酸化反応は、発熱反応であり、改質器１４から高温（例えば、５００℃〜１０００℃）の燃料ガスが発生する。
または、改質器１４を、水蒸気改質を行うものとして構成してもよい。この場合には、改質触媒１４ａとして、例えば、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つを含んだ金属触媒を用いることができる。この場合には、原燃料と水蒸気との混合ガスが改質器１４に供給される。そして、改質器１４内において、例えば、ＣＨ4＋Ｈ2Ｏ→３Ｈ2＋ＣＯといった水蒸気改質反応が発生する。この水蒸気改質反応は、吸熱反応であり、燃料電池３３の反応熱や、排ガス燃焼器１６の燃焼熱によって、必要な熱が供給され得る。
燃料電池スタック１２は、エンドプレート２０ａ、２０ｂ間が不図示の止めねじによって固定され、積層方向に所定の締め付け荷重が付与される。エンドプレート２０ｂには、燃料ガス入口連通孔３２ａと連通した燃料ガス導入口３４と、燃料ガス出口連通孔３２ｂと連通した燃料ガス排出口３６と、酸化剤ガス入口連通孔３０ａと連通した酸化剤ガス導入口４０と、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂと連通した酸化剤ガス排出口３８とが形成されている。
燃料ガス排出口３６は、燃料排ガス流路１２ｃを介して排ガス燃焼器１６（図１参照）に連通している。酸化剤ガス排出口３８は、酸化剤排ガス流路１２ｄを介して排ガス燃焼器１６に連通している。また、酸化剤ガス導入口４０には、酸化剤ガス流路１８ａを介して熱交換器１８（図１参照）が接続されている。
図１に示すように、排ガス燃焼器１６は、燃料電池スタック１２から排出された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、高温の燃焼ガスを発生させる。排ガス燃焼器１６で生成された燃焼ガスは熱交換器１８に供給される。
熱交換器１８は、燃焼ガスとの熱交換により、酸化剤ガス（空気）を昇温させる。熱交換器１８と燃料電池スタック１２とは、酸化剤ガス流路１８ａを介して接続されている。熱交換器１８で昇温された酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路１８ａを介して燃料電池スタック１２の酸化剤ガス入口連通孔３０ａ（図２参照）に供給される。
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。
燃料電池モジュール１０には、図１に示すように、改質器１４に、原燃料と共に酸化剤ガス又は水蒸気がエンドプレート２０ａの燃料ガス導入口３４から供給される。燃料ガス入口連通孔３２ａの改質器１４内では、原燃料と酸化剤ガス又は水蒸気との混合ガスが導入されることに伴い、原燃料が改質される。
図２に示すように、改質器１４によって改質された燃料ガスは、燃料電池スタック１２の燃料ガス流路３２を流れる。燃料電池スタック１２の各層を構成する電解質・電極接合体２７には、略等しい量の燃料ガスが供給される。燃料ガス流路３２を流れた燃料ガス（燃料排ガス）は、燃料ガス出口連通孔３２ｂを経て、燃料ガス排出口３６から排出される。燃料排ガスは、燃料排ガス流路１２ｃに連通する排ガス燃焼器１６内に導入される。
図１に示すように、酸化剤ガスは、熱交換器１８及び酸化剤ガス流路１８ａを経て、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ（図２参照）から燃料電池スタック１２に導入される。熱交換器１８では、供給された空気（酸化剤ガス）が燃焼ガスによって昇温される。熱交換器１８で昇温された空気は、酸化剤ガス流路１８ａを経て、燃料電池スタック１２の酸化剤ガス導入口４０から酸化剤ガス入口連通孔３０ａに導入される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路３０を流れる。
このようにして、空気が酸化剤ガス流路３０を流れる一方で、燃料ガスが燃料ガス流路３２を流れる。これにより、燃料電池３３のカソード電極２３及びアノード電極２５で化学反応が発生し、発電が行われる。酸化剤ガス流路３０を流れた酸化剤ガス（酸化剤排ガス）は、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂを経て、酸化剤ガス排出口３８から排出される。酸化剤排ガスは、酸化剤排ガス流路１２ｄを経て、排ガス燃焼器１６内に導入される。
排ガス燃焼器１６に導入された燃料排ガス及び酸化剤排ガスは、排ガス燃焼器１６内で燃焼し、燃焼ガスが熱交換器１８に供給される。このとき、排ガス燃焼器１６で発生した燃焼熱は、輻射又は熱伝導により、燃料電池スタック１２の加熱及び動作温度維持に用いられる。その後、燃焼ガスは、熱交換器１８で酸化剤ガスの昇温に用いられた後、燃料電池モジュール１０から排気される。
この燃料電池モジュール１０は、以下の効果を奏する。
燃料電池モジュール１０において、改質器１４は、燃料電池スタック１２の燃料ガス入口連通孔３２ａに設けた部分酸化改質触媒によって構成される。これにより、改質器１４を燃料電池スタック１２の外部に設ける必要がなくなり、燃料電池モジュール１０を小型化できる。
また、従来、燃料電池モジュールにおいては、燃料ガスは燃料ガス入口連通孔を介して供給されていたが、燃料ガス導入口が形成されたエンドプレート付近の燃料電池により多くの燃料ガスが供給される一方で、エンドプレートから離れた側の燃料電池には、燃料ガスの供給量が少なくなってしまう。その結果、燃料ガスの供給が過剰な燃料電池が生じることで発電効率が低下してしまう。これに対し、本実施形態の燃料電池モジュール１０によれば、改質器１４が全ての燃料電池３３に対して等距離に配置されるため、改質された燃料ガスを均等な条件で各燃料電池３３に均等に分配することができる。これにより、燃料ガスの利用効率が高くなる。
さらに、燃料電池モジュール１０において、燃料電池３３から排出された燃料排ガスと酸化剤排ガスとを燃焼させる排ガス燃焼器１６と、排ガス燃焼器１６で生成した燃焼ガスで酸化剤ガスを昇温させる熱交換器１８を備えている。燃料電池モジュール１０によれば、排ガス燃焼器１６からの輻射又は熱伝導により燃料電池３３を加熱できると共に、熱交換器１８で加熱した酸化剤ガスで燃料電池３３を加熱できるため、始動性に優れる。
（第２の実施形態）
第２の実施形態の燃料電池モジュール５０は、図４に示すように、改質器１４Ａの改質触媒１４ａとして、部分酸化改質用の改質触媒を用いる。また、始動用ガス供給手段５２と、燃料ガス供給手段５４を備えている点で、図１の燃料電池モジュール１０と異なる。その他の構成は、燃料電池モジュール１０と同様である。なお、燃料電池モジュール１０と同様の構成については、同一の符号を付してその詳細な説明は省略する。
始動用ガス供給手段５２は、改質器１４Ａに接続されており、燃料電池モジュール１０の始動時に始動用のガスとして、原燃料と酸化剤ガスとの混合ガスを改質器１４Ａに供給するように構成されている。
燃料ガス供給手段５４は、例えば外部の改質器等であり、燃料電池モジュール５０の定常運転時に、改質器１４Ａが設けられた燃料ガス入口連通孔３２ａに燃料ガスを供給する。以上の、始動用ガス供給手段５２及び燃料ガス供給手段５４は、不図示の制御手段の制御下に動作するように構成されている。
以下、本実施形態における燃料電池モジュール５０の始動時の動作について説明する。
本実施形態では、燃料電池モジュール５０の始動時に、図５に示すように、始動用ガス供給手段５２を通じて、改質器１４Ａに、原燃料及び酸化剤ガス（空気）の混合ガスを供給する（ステップＳ１０）。原燃料及び酸化剤ガスの導入に伴って、改質器１４Ａ内の混合ガスが点火され、部分酸化反応により原燃料が燃料ガスに変換される。
改質器１４Ａで発生した高温の燃料ガスは、燃料電池３３の燃料ガス流路３２を通過して、燃料電池３３を加熱する。また、酸化剤ガス流路３０には、酸化剤ガスが供給される。
次に、燃料電池モジュール５０は、燃料電池スタック１２が始動したか否かを検出する（ステップＳ１２）。すなわち、燃料電池スタック１２の温度が所定値に上昇したか、又は、アノード及びカソードから所定の電力が発生しているか否かを検出する。燃料電池スタック１２の始動が検出されない場合（ステップＳ１２、ＮＯ）には、ステップＳ１０に戻り、始動用ガス供給手段５２が、改質器１４Ａに対して原燃料と酸化剤ガスの供給を継続する。
一方、燃料電池スタック１２の始動が検出された場合（ステップＳ１２、ＹＥＳ）には、始動用ガス供給手段５２が改質器１４Ａへの酸化剤ガスの供給を停止し、燃料ガス供給手段５４が燃料ガス導入口３４から燃料ガスを供給する（ステップＳ１４）。以上により、始動処理が終了する。以後、燃料ガス供給手段５４から供給された燃料ガスによって、燃料電池モジュール５０が定常運転に移行する。
以上の燃料電池モジュール５０は、以下の効果を奏する。
改質器１４Ａは、部分酸化改質用の改質触媒を用いている。さらに、燃料電池モジュール５０の始動時において、始動用ガス供給手段５２を通じて、改質器１４Ａに、原燃料及び酸化剤ガス（空気）の混合ガスを供給する。これにより、改質器１４Ａの部分酸化改質による発熱反応で、高温の燃料ガスを発生させることができ、始動時に燃料電池３３を加熱することができる。その結果、燃料電池スタック１２の外側に加熱用の燃焼器を設ける必要がなくなり、燃料電池モジュール５０を小型化できる。
上記において、本発明について好適な実施形態を挙げて説明したが、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の改変が可能なことは言うまでもない。
１０、５０…燃料電池モジュール １２…燃料電池スタック
１４、１４Ａ…改質器 １４ａ…改質触媒
１６…排ガス燃焼器 １８…熱交換器
２０ａ、２０ｂ…エンドプレート ３０…酸化剤ガス流路
３１ａ、３１ｂ…セパレータ ３２…燃料ガス流路
３２ａ…燃料ガス入口連通孔 ３２ｂ…燃料ガス出口連通孔
５２…始動用ガス供給手段 ５４…燃料ガス供給手段

Claims (6)

  1. 燃料ガス流路を介して燃料ガスが供給されるアノード電極と酸化剤ガス流路を介して酸化剤ガスが供給されるカソード電極とを有する平板状の燃料電池を複数積層した平板積層型の燃料電池スタックと、
    炭化水素を主体とする原燃料を改質し、前記燃料電池スタックに供給される前記燃料ガスを生成する改質器と、
    を備える燃料電池モジュールであって、
    前記燃料電池スタックには、複数の前記燃料電池を厚み方向に貫通して前記燃料ガス流路に連通した燃料ガス入口連通孔が形成されており、該燃料ガス入口連通孔に前記改質器を構成する改質触媒が設置されてい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であって、前記改質触媒は部分酸化改質触媒であり、前記改質器は部分酸化反応により、前記原燃料を水素と一酸化炭素を含む燃料ガスに変換する燃料電池モジュール。
  3. 請求項１記載の燃料電池モジュールであって、前記改質触媒は、水蒸気改質触媒であり、前記改質器は水蒸気改質反応により、前記原燃料を水素と一酸化炭素を含む燃料ガスに変換する燃料電池モジュール。
  4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池モジュールであって、
    前記燃料電池から排出された燃料排ガスと酸化剤排ガスとを燃焼させる排ガス燃焼器と、
    前記排ガス燃焼器で生成した燃焼ガスを用いて前記酸化剤ガスを昇温させる熱交換器と、
    備えた燃料電池モジュール。
  5. 請求項３記載の燃料電池モジュールであって、
    前記改質器に原燃料と酸化剤ガスとを含んだ混合ガスを供給する始動用ガス供給手段と、
    前記改質器に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、を備え、
    前記燃料電池モジュールの始動時には前記始動用ガス供給手段から前記混合ガスを前記改質器に供給すると共に、前記燃料電池モジュールの始動後は、前記燃料ガス供給手段から燃料ガスを前記改質器に供給する燃料電池モジュール。
  6. 燃料ガス流路を介して燃料ガスが供給されるアノード電極と酸化剤ガス流路を介して酸化剤ガスが供給されるカソード電極とを有する平板状の燃料電池を複数積層した平板積層型の燃料電池スタックと、炭化水素を主体とする原燃料を改質し、前記燃料電池スタックに供給される前記燃料ガスを生成する改質器と、を備え、前記燃料電池スタックには、複数の前記燃料電池を厚み方向に貫通して前記燃料ガス流路に連通した燃料ガス入口連通孔が形成されており、該燃料ガス入口連通孔に前記改質器を構成する改質触媒が設置されている燃料電池モジュールの運転方法であって、
    前記燃料電池モジュールの始動時には原燃料と酸化剤ガスとの混合ガスを前記改質器に供給すると共に、前記燃料電池モジュールの始動後は、前記改質器に燃料ガスを供給する燃料電池モジュールの運転方法。
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