JP2020074274A - 多段式燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】固体酸化物型燃料電池による簡単な構成により、水蒸気除去のためにアノードオフガスを一旦冷却した後に再生燃料ガスとして利用するための再加熱を、燃料電池の排熱を利用せずに行えて、長期使用時の信頼性も十分に高い多段式燃料電池システムを提供する。【解決手段】電解質層に酸化物導電体を用いた固体酸化物型燃料電池による多段式燃料電池システム１０であって、前段側の燃料電池スタック１１ａおよび後段側の燃料電池スタック１１ｂと、燃料電池スタック１１ａから排出されたアノードオフガスを燃料電池スタック１１ｂへ供給するガスライン２２の上流部と下流部との間で熱交換を行う熱交換器１２と、ガスライン２２の中流部と外部から供給される冷却用流体との間で熱交換を行う熱交換器１３とを備える。熱交換器１３は、ガスライン２２の中流部にファンで冷却風を送るラジエータである。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池スタックを多段化して構成した多段式燃料電池システムに関し、特に、固体酸化物型燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell。以下では「ＳＯＦＣ」と記すこともある）による多段式燃料電池システムに関する。

固体酸化物型燃料電池は、酸化物導電体を用いた電解質層を挟んでアノード（燃料極）とカソード（空気極）とが配置されている。動作温度は、例えば７００〜８００℃程度である。

固体酸化物型燃料電池では、アノード側に水素などの燃料を供給するとともにカソード側に空気を供給し、電気化学反応を起こして電力を取り出す。空気供給管から供給される空気中の酸素はカソードで酸化物イオンとなり、電解質層を通ってアノードに至る。ここで燃料供給管から供給される燃料と反応して電子を放出し、電気と反応生成物（水や二酸化炭素）を生成する。

固体酸化物型燃料電池などによる燃料電池システムの高効率化のため、燃料利用率を向上させる手法として、燃料電池スタックの多段化が提案されている（例えば、特許文献１や特許文献２を参照）。すなわち、複数の燃料電池スタックを用い、前段の燃料電池スタックで未反応であった燃料ガス中から水蒸気や二酸化炭素を取り除き、反応に寄与する燃料ガスの濃度を高めた再生燃料ガスを後段の燃料電池スタックで利用するものである。

特開２００６−０３１９８９号公報 特開２０１６−１１５４９５号公報

特許文献１に記載されたＳＯＦＣシステムでは、アノードオフガスから水蒸気を除去するために、アノードオフガスを露点温度以下まで冷却して凝縮する。アノードオフガスから水蒸気を除去して再生燃料ガスとして利用するには、この再生燃料ガスを燃料電池スタックの発電温度まで再加熱する必要があり、そのための熱源として燃料電池の排熱などが利用されていた。

一方、特許文献２に記載された多段式燃料電池システムでは、アノードオフガスから水蒸気分離膜によって水蒸気を気体の状態で除去するので、水の凝縮に必要な露点温度以下までアノードオフガスを冷却する必要はない。しかし、水蒸気を気体の状態で除去するためには、水蒸気分離膜の両側で圧力差を作る必要がある。この水蒸気分離膜は水蒸気を通して他の気体を通さない一種のフィルターであり、高温下での長期間の使用でさびや塵などによって水蒸気分離膜の表面が汚染されると、目詰まりが生じ得る。そうすると、運転に必要な水の確保が困難となり、長期使用時の信頼性が必ずしも十分ではない。

従来技術のこのような課題に鑑み、本発明の目的は、電解質層に酸化物導電体を用いた固体酸化物型燃料電池による簡単な構成により、水蒸気を除去するためにアノードオフガスを一旦冷却した後に再生燃料ガスとして利用するための再加熱を、燃料電池の排熱を利用せずに行うことが可能で、長期使用時の信頼性も十分に高い多段式燃料電池システムを提供することである。

上記目的を達成するため、本発明の多段式燃料電池システムは、電解質層に酸化物導電体を用いた固体酸化物型燃料電池による多段式燃料電池システムであって、少なくとも１台の前段側燃料電池スタックおよび少なくとも１台の後段側燃料電池スタックと、前記前段側燃料電池スタックから排出されたアノードオフガスを前記後段側燃料電池スタックへ供給するガス経路の上流部と下流部との間で熱交換を行う第１熱交換器と、前記ガス経路の中流部と外部から供給される冷却用流体との間で熱交換を行う第２熱交換器と、を備え、前記第２熱交換器は、前記ガス経路の中流部にファンで冷却風を送るラジエータであることを特徴とする。

ここで、前記第１熱交換器や前記第２熱交換器の具体例としては、プレート式熱交換器、シェル・アンド・プレート式熱交換器、またはシェル・アンド・チューブ式熱交換器などが挙げられるが、これらに限らない。

このような構成の多段式燃料電池システムによれば、水蒸気を除去するためにアノードオフガスを一旦冷却した後に再生燃料ガスとして利用するための再加熱を、冷却前のアノードオフガス自体によって行うので、燃料電池の排熱を利用しなくてよい。これにより、燃料電池の排熱を給湯などの熱源として利用でき、多段式燃料電池システム全体の効率を向上させることが可能となる。

本発明の多段式燃料電池システムにおいて、前記前段側燃料電池スタックの台数が前記後段側燃料電池スタックの台数よりも多いことが好ましい。

また、本発明の多段式燃料電池システムにおいて、前記第２熱交換器の内部で生じた凝縮水をアノードオフガスから分離する気水分離器を備えていてもよい。前記第２熱交換器は、その内部で生じた凝縮水をアノードオフガスから分離して排出するように構成することもできる。

また、本発明の多段式燃料電池システムにおいて、前記第１熱交換器を構成する部材としては、例えば、ステンレス系材料またはチタン系材料などが挙げられるが、これらに限らない。前記部材どうしの接合部は、例えば、モリブデン、クロム、またはニッケルの少なくとも１つを添加した溶接材料を用いた溶接にて接合されていてもよいし、ニッケル系のろう材を用いたろう接にて接合されていてもよいし、またはレーザ溶接にて接合されていてもよい。ただし、このような接合方法に限らない。

本発明の多段式燃料電池システムによれば、水蒸気を除去するためにアノードオフガスを一旦冷却した後に再生燃料ガスとして利用するための再加熱を、冷却前のアノードオフガスによって行うので、燃料電池の排熱を利用しなくてよい。これにより、燃料電池の排熱を給湯などの熱源として利用でき、多段式燃料電池システム全体の効率を向上させることが可能となる。

本発明の第１実施形態に係る多段式燃料電池システム１０の概観構成図である。 本発明の第２実施形態に係る多段式燃料電池システム１０Ａの概観構成図である。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。

＜第１実施形態＞
図１は本発明の第１実施形態に係る多段式燃料電池システム１０の概観構成図である。この図１に示すように、固体酸化物型燃料電池による多段式燃料電池システム１０は、前段側（図中では左側）の燃料電池スタック１１ａおよび後段側（図中では右側）の燃料電池スタック１１ｂと、第１の熱交換器１２と、第２の熱交換器１３とを備えている。

燃料電池スタック１１ａおよび燃料電池スタック１１ｂ（特に区別が必要ないときは「燃料電池スタック１１」と呼ぶ）はいずれも、発電セルとインターコネクタとが交互に複数積層されて構成されている。

これらの燃料電池スタック１１では、アノード側に水素などの燃料を供給するとともにカソード側に空気を供給し、電気化学反応を起こすことで電力を取り出すことができる。空気中の酸素はカソードで酸化物イオンとなり、電解質層を通ってアノードに至って燃料と反応して電子を放出し、電気と反応生成物（水や二酸化炭素）を生成する。

この多段式燃料電池システム１０では、予熱された燃料ガスを燃料電池スタック１１ａへ供給する燃料ガスライン２１と、燃料電池スタック１１ａから排出されたアノードオフガスを燃料電池スタック１１ｂへ供給するガスライン２２と、燃料電池スタック１１ｂから排出されたアノードオフガスを排出するアノードオフガスライン２３とが設けられている。

なお、燃料電池スタック１１ａから排出されたアノードオフガスには、反応しなかった燃料が含まれているものの、反応生成物である水蒸気などによって燃料濃度が低下している。そのため、再生燃料ガスとして燃料電池スタック１１ｂで再利用するためには、アノードオフガスから水蒸気を除去する必要がある。

ガスライン２２はさらに、上流側から下流側へと順に、ガスライン２２ａと、ガスライン２２ｂと、ガスライン２２ｃと、ガスライン２２ｄとを有している。そして、燃料電池スタック１１ａのアノード側出口は、ガスライン２２ａによって熱交換器１２の高温側入口に接続されている。熱交換器１２の高温側出口は、ガスライン２２ｂによって熱交換器１３の高温側入口に接続されている。熱交換器１３の高温側出口は、ガスライン２２ｃによって熱交換器１２の低温側入口に接続されている。熱交換器１２の低温側出口は、ガスライン２２ｄによって燃料電池スタック１１ｂのアノード側入口に接続されている。

このような接続によって、熱交換器１２はガスライン２２の上流部と下流部との間で熱交換を行う。ガスライン２２の上流部を通るアノードオフガスの温度は十分高いので、ガスライン２２の下流部を通って燃料電池スタック１１ｂに供給される再生燃料ガスを十分に再加熱することができる。熱交換器１３はガスライン２２の中流部と冷却水ライン２４によって外部から供給される冷却水との間で熱交換を行う。つまり、熱交換器１３は、熱交換器１２より低温での熱交換（例えば常温冷却水との熱交換）を行うことになり、アノードオフガスを速やかに露点温度まで冷却し、アノードオフガス中の水蒸気を効率よく凝縮させることができる。

なお、熱交換器１３での熱交換には、必ずしも水を用いなくてもよく、他の冷却用流体も使用可能である。例えば、エチレングリコールなどの不凍液を使用してもよいし、熱交換器にファンで冷却風を送るラジエータなどを使用してもよい。ただし、これらに限らない。

高温での熱交換を行う熱交換器１２を構成する部材（母材）としては、例えば、ステンレス系材料またはチタン系材料などが挙げられるが、これらに限らない。これらの部材どうしの接合部は、例えば、モリブデン、クロム、またはニッケルの少なくとも１つを添加した溶接材料を用いた溶接にて接合されていてもよいし、ニッケル系のろう材を用いたろう接にて接合されていてもよいし、レーザ溶接にて接合されていてもよい。ただし、このような接合方法に限らない。

熱交換器１２や熱交換器１３の具体例としては、プレート式熱交換器、シェル・アンド・プレート式熱交換器、またはシェル・アンド・チューブ式熱交換器などが挙げられる。熱交換器１２がプレート式熱交換器の場合は、プレート間のシールにガスケットを使用しない溶接タイプかブレージングタイプが好適である。特に、レーザ溶接によるものは、母材どうしを溶融させて接合するので高温での使用に適している点で、極めて好ましい。ただし、これらの熱交換器に限らない。

多段式燃料電池システム１０では、熱交換器１３の高温側出口と熱交換器１２の低温側入口とを接続するガスライン２２ｃに気液分離器１４が設けられており、熱交換器１３の内部で生じた凝縮水を分離して、排水ライン２５から排出する。気液分離器１４としては、例えば、バッフル式のドレンセパレータを使用することができる。また、気液分離器１４と熱交換器１３の間に水蒸気分離膜を配置し、より高度にアノードオフガスから水分を除去してもよい。

以上で説明した第１実施形態の構成によれば、燃料電池スタック１１ａから排出されたアノードオフガスを、再生燃料ガスとして燃料電池スタック１１ｂで再利用するため、熱交換器１２および熱交換器１３によって一旦常温近くまで冷却して水蒸気を凝縮させて除去した後、熱交換器１２において冷却前のアノードオフガス自体によって燃料電池の動作温度まで再加熱することができる。アノードオフガスの再加熱に燃料電池の排熱を利用しないので、燃料電池の排熱を給湯などの熱源として利用でき、多段式燃料電池システム１０全体の効率を向上させることが可能となる。また、閉塞のおそれがある水蒸気分離膜の使用は不可欠ではないので、長期使用時の信頼性も十分高く確保することができる。

＜第２実施形態＞
上述した第１実施形態では、前段側の燃料電池スタック１１ａに供給された燃料ガスより排出されるアノードオフガスの流量が少なくなるため、後段側の燃料電池スタック１１ｂへ供給される再生燃料ガスの流量も十分ではないこともあり得る。そこで、前段側の燃料電池スタックの台数を後段側の燃料電池スタックの台数より多くした構成を第２実施形態とする。

図２は本発明の第２実施形態に係る多段式燃料電池システム１０Ａの概観構成図である。なお、第２実施形態は、次に述べる点を除いては、図１を参照して説明した第１実施形態と同一であるので、同じ構成部材には同じ参照符号を付すこととし、以下では主として相違点について説明する。

この図２に示すように、固体酸化物型燃料電池による多段式燃料電池システム１０Ａは、前段側（図中では左側）に２台の燃料電池スタック１１ａ、１１ｂおよび後段側（図中では右側）に１台の燃料電池スタック１１ｃ（特に区別が必要ないときは「燃料電池スタック１１」と呼ぶ）と、第１の熱交換器１２と、第２の熱交換器１３Ａとを備えている。

この多段式燃料電池システム１０Ａでは、予熱された燃料ガスを供給する燃料ガスライン２１は、燃料電池スタック１１ａ、１１ｂへそれぞれ接続されている。また、ガスライン２２ａの上流側は、燃料電池スタック１１ａ、１１ｂの各アノード側へそれぞれ接続されている。

また、熱交換器１３Ａは、第１実施形態の気液分離器１４を兼ねるものが用いられている。熱交換器１３Ａは、例えば、プレート式熱交換器やシェル・アンド・プレート式熱交換器であって、伝熱プレートがほぼ垂直になるようにプレートパックが配置される。そして、伝熱プレート間にアノードガスを下降流で流通させることにより、プレートパック下部のノズルから凝縮水とアノードガスを分離して排出する。分離後の凝縮水は、ガスライン２２ｃから分岐する排水ライン２５を介して排出される。

以上で説明した第２実施形態の構成によれば、燃料電池スタック１１ａおよび燃料電池スタック１１ｂから排出されたアノードオフガスを、再生燃料ガスとして燃料電池スタック１１ｃで再利用するため、熱交換器１２および熱交換器１３Ａによって一旦常温近くまで冷却して水蒸気を凝縮させて除去した後、熱交換器１２において冷却前のアノードオフガス自体によって燃料電池の動作温度まで再加熱することができる。アノードオフガスの再加熱に燃料電池の排熱を利用しないので、燃料電池の排熱を給湯などの熱源として利用でき、多段式燃料電池システム１０Ａ全体の効率を向上させることが可能となる。また、閉塞のおそれがある水蒸気分離膜の使用は不可欠ではないので、長期使用時の信頼性も十分高く確保することができる。前段側に２台の燃料電池スタック１１ａ、１１ｂがあるので、後段側の１台の燃料電池スタック１１ｃへ供給される再生燃料ガスの流量を十分確保することができる。

なお、本発明は、その主旨または主要な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形で実施することができる。そのため、上述の実施形態はあらゆる点で単なる例示にすぎず、限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示すものであって、明細書本文にはなんら拘束されない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。

例えば、本発明の多段式燃料電池システムは、第１実施形態および第２実施形態で示した２段の燃料電池スタックからなる構成に限らず、３段以上の燃料電池スタックからなる構成とすることもできる。その場合、隣接する段間において、ガス流通方向の上流側が前段側燃料電池スタックとされ、下流側が後段側燃料電池スタックとされる。そして、隣接する段間における第１熱交換器と第２熱交換器の配列・接続関係は、各実施形態で示した構成が適用される。

本発明は、電解質層に酸化物導電体を用いた固体酸化物型燃料電池による多段式燃料電池システムに特に好適である。

１０、１０Ａ
多段式燃料電池システム
１１（１１ａ〜１１ｃ）
燃料電池スタック
１２ 第１の熱交換器
１３、１３Ａ
第２の熱交換器
１４ 気液分離器
２１ 燃料ガスライン
２２ ガスライン
２３ アノードオフガスライン
２４ 冷却水ライン
２５ 排水ライン

Claims (8)

1. 電解質層に酸化物導電体を用いた固体酸化物型燃料電池による多段式燃料電池システムであって、
   少なくとも１台の前段側燃料電池スタックおよび少なくとも１台の後段側燃料電池スタックと、
   前記前段側燃料電池スタックから排出されたアノードオフガスを前記後段側燃料電池スタックへ供給するガス経路の上流部と下流部との間で熱交換を行う第１熱交換器と、
   前記ガス経路の中流部と外部から供給される冷却用流体との間で熱交換を行う第２熱交換器と、を備え、
   前記第２熱交換器は、前記ガス経路の中流部にファンで冷却風を送るラジエータであることを特徴とする多段式燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の多段式燃料電池システムにおいて、
   前記前段側燃料電池スタックの台数が前記後段側燃料電池スタックの台数よりも多いことを特徴とする多段式燃料電池システム。
3. 請求項１または２に記載の多段式燃料電池システムにおいて、
   前記第２熱交換器の内部で生じた凝縮水をアノードオフガスから分離する気水分離器を備えることを特徴とする多段式燃料電池システム。
4. 請求項１または２に記載の多段式燃料電池システムにおいて、
   前記第２熱交換器は、その内部で生じた凝縮水をアノードオフガスから分離して排出するように構成されることを特徴とする多段式燃料電池システム。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の多段式燃料電池システムにおいて、
   前記第１熱交換器を構成する部材は、ステンレス系材料またはチタン系材料からなり、
   前記部材どうしの接合部は、モリブデン、クロム、またはニッケルの少なくとも１つを添加した溶接材料を用いた溶接にて接合されていることを特徴とする多段式燃料電池システム。
6. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の多段式燃料電池システムにおいて、
   前記第１熱交換器を構成する部材は、ステンレス系材料またはチタン系材料からなり、
   前記部材どうしの接合部は、ニッケル系のろう材を用いたろう接にて接合されていることを特徴とする多段式燃料電池システム。
7. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の多段式燃料電池システムにおいて、
   前記第１熱交換器を構成する部材は、ステンレス系材料またはチタン系材料からなり、
   前記部材どうしの接合部は、レーザ溶接にて接合されていることを特徴とする多段式燃料電池システム。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の多段式燃料電池システムにおいて、
   前記第１熱交換器は、プレート式熱交換器、シェル・アンド・プレート式熱交換器、またはシェル・アンド・チューブ式熱交換器であることを特徴とする多段式燃料電池システム。