JP2023136558A - 燃料電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】改質水が気化する際の過剰な圧力上昇を緩和して、ガス流量を安定させる。【解決手段】燃料電池モジュールは、アノードガスとカソードガスとに基づいて発電する燃料電池と、改質水を導入して水蒸気を生成する気化部と、原燃料ガスを導入すると共に気化部から導出された水蒸気を導入して水蒸気改質によりアノードガスを生成する改質部と、燃焼熱により気化部および改質部を加熱する燃焼部と、を備える。気化部は、改質水を導入する改質水導入管を内管とし、水蒸気を導出する水蒸気導出管を外管とする二重管構造を有する。【選択図】図２

Description

本開示は、燃料電池モジュールに関する。

従来、アノードガスとカソードガスとに基づいて発電する燃料電池と、改質水供給管から供給される改質水を気化して水蒸気を発生させる気化部（蒸発部）と、原料供給管から供給される改質用原料を水蒸気改質してアノードガスを生成する改質部とを備える燃料電池モジュールが提案されている。例えば、特許文献１には、気化部と改質部とが互いに連通してハウジング内に収容され、ハウジングの一端側に改質用原料供給管と改質水供給管とが二重管構造に構成されたものが開示されている。

特許第６４７７０８５号公報

上述した燃料電池モジュールにおいて、気化部で想定以上の水蒸気が発生すると改質部の供給側の圧力が上昇して、改質用原料供給管から改質用原料を十分に供給できなくなる場合がある。そうなると、燃料電池に供給されるアノードガスが不足して燃料電池モジュールに悪影響を及ぼすことがある。

本開示は、改質水が気化する際の過剰な圧力上昇を緩和して、ガス流量を安定させることを主目的とする。

本開示は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。

本開示の燃料電池モジュールは、
アノードガスとカソードガスとに基づいて発電する燃料電池と、
改質水を導入して水蒸気を生成する気化部と、
原燃料ガスを導入すると共に前記気化部から導出された水蒸気を導入して水蒸気改質により前記アノードガスを生成する改質部と、
燃焼熱により前記気化部および前記改質部を加熱する燃焼部と、
を備え、
前記気化部は、改質水を導入する改質水導入管を内管とし、水蒸気を導出する水蒸気導出管を外管とする二重管構造を有する
ことを要旨とする。

本開示の燃料電池モジュールでは、気化部は、改質水を導入する改質水導入管を内管とし、水蒸気を導出する水蒸気導出管を外管とする二重管構造を有する。これにより、水蒸気を、二重管構造の外側の環状の隙間（水蒸気導出管）を通して導出するから、圧力損失を大きくすることができる。これにより、気化部で想定以上の水蒸気が発生しても、水蒸気導出管を介して導出される水蒸気量を抑えることができるから、改質部への原燃料ガスの導入側における過剰な圧力上昇を緩和することができる。このため、原燃料ガスと水蒸気とを安定して改質部に導入することができるから、アノードガスのガス流量を安定させることができる。

本開示の燃料電池モジュールにおいて、前記気化部および前記改質部を収容するように筒状の閉空間を形成する筒状部を備え、前記気化部は、前記改質水導入管が前記筒状部の一方の端壁を貫通すると共に、前記水蒸気導出管が前記端壁の手前で開口するように前記二重管構造が構成されており、前記筒状部は、前記端壁を貫通し原燃料ガスを導入する原燃料ガス導入管が設けられると共に、前記水蒸気導出管から導出された水蒸気と前記原燃料ガス導入管から導入された原燃料ガスとを混合して前記改質部に導く混合空間が形成されているものとしてもよい。こうすれば、水蒸気と原燃料ガスとを適切に混合させてから改質部に導入することができるから、アノードガスのガス流量をより安定させることができる。

本開示の燃料電池モジュールにおいて、前記燃焼部は、前記燃料電池から導入されるオフガスを着火させて燃焼させる燃焼装置を有し、前記筒状部は、前記燃焼装置が前記一方の端壁と反対側に位置するように、前記燃焼部と所定の隙間を隔てて前記燃焼部を囲むように形成され、前記気化部は、前記燃焼部の内部に配置され、前記改質部は、前記所定の隙間に配置されているものとしてもよい。こうすれば、気化部と改質部と燃焼部とを筒状部に収容したコンパクトな構成とすることができる。

燃料電池モジュール１０の概略構成図である。 改質ユニット２０の概略構成図である。 図２のＡ－Ａ断面図である。 図２のＢ－Ｂ断面図である。

次に、本開示の実施形態を図面を用いて説明する。図１は、燃料電池モジュール１０の概略構成図である。本実施形態の燃料電池モジュール１０は、図１に示すように、アノードガス中の水素とカソードガス中の酸素との電気化学反応により発電する燃料電池スタック１１と、水蒸気改質により原燃料ガス（例えば天然ガスやＬＰガス）を改質してアノードガスを生成する改質ユニット２０と、第１および第２熱交換器４１，４２と、凝縮器５０と、を備える。燃料電池スタック１１と改質ユニット２０と第１および第２熱交換器４１，４２とは、断熱性を有する箱形のモジュールケース１２に収容されている。燃料電池モジュール１０は、図示しない原燃料ガス供給装置や改質水供給装置、エア供給装置、貯湯タンクと共に燃料電池システムを構成する。なお、原燃料ガス供給装置は、原燃料ガスを改質ユニット２０（改質部２２）に供給するものであり、改質水供給装置は、原燃料ガスからアノードガスへの改質（水蒸気改質）に必要な改質水を改質ユニット２０（気化部２１）に供給するものであり、エア供給装置は、カソードガスとしてのエアを燃料電池スタック１１に供給するものである。また、貯湯タンクは、燃料電池モジュール１０で発生した熱を回収して貯湯するものである。

燃料電池スタック１１は、酸化ジルコニウム等の電解質と当該電解質を挟持するアノード電極およびカソード電極とをそれぞれ有し、上下方向に配列された複数の固体酸化物形の単セルを備える。各単セルのアノード電極内には、アノードガス通路が形成されている。また、各単セルのカソード電極内には、カソードガス通路が形成されている。

改質ユニット２０は、図１および図２に示すように、気化部２１と改質部２２と燃焼部２３と均圧部２４（図２参照）とを有する。これらは、図２に示すように、筒状に形成されると共に筒軸方向における両端部が閉じられた外管２５により覆われている。

気化部２１には、改質水供給装置の改質水配管３２が接続され、改質水配管３２を介して改質水が導入される。気化部２１は、導入した改質水を燃焼部２３からの熱（燃焼熱）により加熱し、改質水を蒸発させて水蒸気を生成する。気化部２１により生成された水蒸気は、均圧部２４にて当該均圧部２４に導入された原燃料ガスと混合され、その混合ガスは、改質部２２に流入する。

改質部２２は、その内部に充填された例えばＲｕ系またはＮｉ系の改質触媒２２１（図２参照）を有し、燃焼部２３からの熱の存在下で、改質触媒２２１による混合ガスの反応（水蒸気改質反応）によって水素ガスと一酸化炭素とを生成する。更に、改質部２２は、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素と水蒸気との反応（一酸化炭素シフト反応）によって水素ガスと二酸化炭素とを生成する。これにより、改質部２２によって、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気、未改質の原燃料ガス等を含むアノードガスが生成されることになる。改質部２２により生成されたアノードガスは、アノードガス配管３３を通って燃料電池スタック１１の各単セルのアノードガス通路へ流入し、アノード電極に供給される。

また、カソードガスとしてのエアは、エア供給装置からカソードガス配管３４を介して燃料電池スタック１１の各単セルのカソードガス通路へ流入し、カソード電極に供給される。各単セルのカソード電極では、酸化物イオン（Ｏ^2-）が生成され、当該酸化物イオンが電解質を透過してアノード電極で水素や一酸化炭素と反応することにより電気エネルギが得られる。燃料電池スタック１１の出力端子には、図示しないパワーコンディショナの入力端子が接続されており、燃料電池スタック１１の発電電力は、パワーコンディショナにより交流電力に変換されて電気負荷に供給される。

各単セルにおいて電気化学反応（発電）に使用されなかったアノードガス（以下、「アノードオフガス」という）は、アノードオフガス配管３５を通ってモジュールケース１２外へ一旦導出され、モジュールケース１２外に設置された凝縮器５０（冷却器）に供給される。そして、凝縮器５０へ供給されたアノードオフガスは、貯湯タンクからの湯水との熱交換により冷却させられてアノードオフガスに含まれる水蒸気が除去された後、モジュールケース１２内に再導入され、改質ユニット２０の燃焼部２３へと供給される。なお、アノードオフガスに含まれる水蒸気が凝縮されることで得られた水は、改質水タンクに貯留されて改質水として用いられる。

また、各単セルにおいて電気化学反応（発電）に使用されなかったカソードガス（以下、「カソードオフガス」という）は、カソードオフガス配管３６を通って燃焼部２３に供給される。

燃焼部２３に流入したアノードオフガスは、水素や一酸化炭素等の燃料成分を含む可燃性ガスであり、燃焼部２３に流入した酸素を含むカソードオフガスと混合される。そして、着火装置を含むバーナー装置２３５により着火させられて燃焼部２３で混合ガス（以下、「オフガス」という）が着火すると、当該オフガスの燃焼により、気化部２１での水蒸気の生成や、改質部２２での水蒸気改質反応等に必要な熱が発生することになる。また、燃焼部２３では、未燃燃料を含む燃焼排ガスが生成され、当該燃焼排ガスは、燃焼排ガス配管３７を通って、燃焼触媒を経て外気へ排出される。なお、燃焼触媒は、燃焼排ガス中の未燃燃料を再燃焼させるための酸化触媒である。

第１および第２熱交換器４１，４２は、いずれも、モジュールケース１２内に設置されている。第１熱交換器４１は、アノードオフガス配管３５の凝縮器５０よりも上流側を流通するアノードオフガスと、アノードオフガス配管３５の凝縮器５０よりも下流側を流通するアノードオフガスとの間で熱交換を行なう。第２熱交換器４２は、燃焼排ガス配管３７を流通する燃焼排ガスと、カソードガス配管３４を流通するカソードガスとの間で熱交換を行なう。

改質ユニット２０において、図２に示すように、燃焼部２３は、筒状に形成されると共に筒軸方向における両端部が端壁２３２，２３３により閉じられた燃焼室２３１と、燃焼室２３１の端壁２３２の内面側に設けられたバーナー装置２３５と、を有する。燃焼室２３１の端壁２３２には、バーナー装置２３５の内側から燃焼室２３１内にアノードオフガスが流入するようにアノードオフガス配管３５が接続されると共に、バーナー装置２３５の外側から燃焼室２３１内にカソードオフガスが流入するようにカソードオフガス配管３６が接続されている。また、燃焼室２３１の端壁２３２とは反対側の端壁２３３には、燃焼室２３１内でアノードオフガスおよびカソードオフガスの燃焼により生成される燃焼排ガスがユニット外へ流出するように燃焼排ガス配管３７が接続されている。

気化部２１は、燃焼室２３１の内部に、燃焼室２３１のバーナー装置２３５が配置される端壁２３２とは反対側の端壁２３３に所定の間隔をおいて近接するように配置されている。気化部２１は、燃焼室２３１の端壁２３３と同側の端部の端壁２１７に、改質水を導入する改質水配管３２が配置されている。改質水配管３２は、外管２５の端壁２５４を貫通して外部に延在して、図示しない改質水供給装置（改質水ポンプ）に接続されている。なお、改質水ポンプは、例えば電磁力とバネ力とによりプランジャを間欠的に駆動（往復動）させることで改質水を吐出するプランジャポンプなどとして構成されており、改質水を改質水配管３２に間欠的に吐出するものとなっている。

また、気化部２１は、複数の連通孔（貫通孔）を有するパンチングメタルなどのメッシュ状の仕切部材２１５，２１６によって、内部が落滴部２１１と充填部２１２とバッファ部２１３との３つに仕切られている。なお、図３は、図２のＡ－Ａ断面図であり、図４は、図２のＢ－Ｂ断面図である。本実施形態では、落滴部２１１と、落滴部２１１に対して仕切部材２１５により仕切られた充填部２１２とが端壁２１７側に設けられており、落滴部２１１および充填部２１２に対して仕切部材２１６により仕切られたバッファ部２１３が端壁２１７とは反対側の端壁２１８側に設けられている。

落滴部２１１は、改質水配管３２により導入された改質水が落滴する空間である。充填部２１２は、熱伝導率の高い球状の蓄熱部材として例えばアルミナ球状体２１２ａが充填された空間であり、燃焼室２３１で発生した燃焼熱により当該アルミナ球状体２１２ａが加熱された状態となっている。充填部２１２には、落滴部２１１に落滴した改質水が仕切部材２１５の連通孔を通って流入可能である。充填部２１２に流入した水は、充填されたアルミナ球状体２１２ａの隙間で拡散されながら気化される。なお、落滴部２１１とバッファ部２１３には、アルミナ球状体２１２ａは充填されていない。また、充填部２１２の底面に水が滞留すると、仕切部材２１６の孔を通ってバッファ部２１３に流入し、バッファ部２１３内で気化される。バッファ部２１３は、端壁２１８側即ちバーナー装置２３５に近い側に設けられているから、落滴部２１１や充填部２１２よりも高温となる。このため、バッファ部２１３に流入した水は気化が促進される。

また、バッファ部２１３は、少なくとも落滴部２１１や充填部２１２よりも大きな空間であり、本実施形態では落滴部２１１と充填部２１２とを合わせた空間よりも大きく、例えば充填部２１２の１０倍程度の空間となるように仕切られている。このため、気化部２１では、改質水が水蒸気に気化する際の体積膨張をバッファ部２１３で十分に吸収することができる。これにより、気化部２１から導出される水蒸気の圧力の変動を抑えて、原燃料ガスと水蒸気とを安定して改質部２２に導入することができるから、アノードガスのガス流量を安定させることができる。

また、気化部２１は、燃焼室２３１の端壁２３３と同側の端部の端壁２１７に、即ち改質水配管３２が配置された端壁２１７，２３３に、気化した水蒸気を導出する水蒸気配管２１４が接続されている。本実施形態の気化部２１は、改質水配管３２を内管とし、水蒸気配管２１４を外管とする二重管構造を有する。改質水配管３２は、外管２５の端壁２５４を貫通して外側まで延びているが、水蒸気配管２１４は、外管２５の端壁２５４よりも手前で均圧部２４に開口する長さに形成されている。このため、充填部２１２やバッファ部２１３で気化した水蒸気は、落滴部２１１から水蒸気配管２１４を通って均圧部２４へ導出され、均圧部２４を介して改質部２２へと供給される。水蒸気配管２１４と改質水配管３２とが二重管構造となっているため、水蒸気は環状の隙間を通って均圧部２４に導出される。このため、水蒸気配管２１４を短い長さで形成しても、圧力損失を比較的大きくすることができる。

改質部２２は、燃焼室２３１の側壁（周壁）２３４の外周面と外管２５の側壁（周壁）２５１の内周面との間に形成される筒状の空間（筒状空間、所定の隙間）に配置された改質触媒２２１を有する。改質部２２は、筒状空間の筒軸方向における一方の端部から水蒸気と原燃料ガスとを流入し、水蒸気改質により生成されたアノードガスを筒軸方向における他方の端部から流出する。改質部２２から流出されたアノードガスは、アノードガス配管３３を通って燃料電池スタック１１のアノード電極へ供給される。

均圧部２４は、燃焼室２３１の端壁２３３と外管２５の端壁２５４とにより画成された空間を有する。外管２５の端壁２５４には、上述した改質水配管３２と燃焼排ガス配管３７とが均圧部２４を貫通するように取り付けられ、原燃料ガスが均圧部２４に流入するように原燃料ガス配管３１が接続されている。また、均圧部２４の空間は、水蒸気配管２１４を介して気化部２１内と連通する。これにより、原燃料ガスと水蒸気とが均圧部２４を介して改質部２２に流入することにより、均圧部２４がバッファ部として機能し、改質部２２の筒状空間（改質触媒２２１）に対して原燃料ガスと水蒸気とを周方向に略均一に供給することができる。また、上述した二重管構造により、気化部２１で想定以上の水蒸気が発生しても、気化部２１から均圧部２４に導出される水蒸気量を抑えて、均圧部２４における過剰な圧力の上昇を緩和することができる。このため、均圧部２４の圧力上昇により、改質部２２に原燃料ガスの供給が妨げられるのを防止し、改質部２２に原燃料ガスと水蒸気とを適切に供給して、アノードガスのガス流量を安定させることができる。

以上説明した本実施形態の燃料電池モジュール１０では、気化部２１は、改質水配管３２を内管とし、水蒸気配管２１４を外管とする二重管構造を有し、水蒸気を二重管構造の外側の環状の隙間（水蒸気配管２１４）を通して導出するから、圧力損失を大きくすることができる。このため、気化部２１で想定以上の水蒸気が発生しても、導出される水蒸気量を抑えて、改質部２２への原燃料ガスの導入側における過剰な圧力上昇を緩和することができるから、原燃料ガスと水蒸気とを安定して改質部２２に導入してアノードガスのガス流量を安定させることができる。これにより、燃料電池スタック１１に流れるアノードガスの流量不足によりカソードガスが過剰になることで、アノード電極等が酸化されて膨張し、燃料電池スタック１１が破損するのを防止することができる。また、燃焼部２３に流れるアノードオフガスの流量不足により失火が生じるのを防止することができる。

また、気化部２１は、改質水配管３２が外管２５の端壁２５４を貫通すると共に、水蒸気配管２１４が端壁２５４の手前で開口するように二重管構造が構成されている。外管２５は、端壁２５４を貫通する原燃料ガス配管３１が設けられると共に、水蒸気配管２１４から導出された水蒸気と原燃料ガス配管３１から導入された原燃料ガスとを混合して改質部２２に導く均圧部２４が形成されている。このため、水蒸気と原燃料ガスとを適切に混合させてから改質部２２に導入することができるから、アノードガスのガス流量をより安定させることができる。

また、気化部２１と改質部２２と燃焼部２３とを外管２５に収容したコンパクトな構成とすることができる。

上述した実施形態では、気化部２１と改質部２２と燃焼部２３とを外管２５に収容した１ユニットの構成（改質ユニット２０）を例示したが、これに限られない。例えば、気化部２１と改質部２２とを１ユニットとして燃焼部２３を別にする構成などとしてもよい。

上述した実施形態では、気化部２１は、落滴部２１１を充填部２１２およびバッファ部２１３とは別に形成したが、これに限られず、落滴部２１１を充填部２１２に含めてもよい。即ち、気化部２１は、内部が充填部２１２とバッファ部２１３とに仕切られていればよい。あるいは、気化器２１の内部が、充填部２１２とバッファ部２１３とに仕切られておらず、１つの空間（充填部２１２）としてもよい。

上述した実施形態では、気化部２１が燃焼部２３の内部（燃焼室２３１）に配置され、バッファ部２１３がバーナー装置２３５側となるようにしたが、これに限られない。例えば、充填部２１２とバッファ部２１３との並びの方向を、外管２５の筒軸方向に直交する方向などとして、バッファ部２１３だけがバーナー装置２３５側とならないようにしてもよい。また、気化部２１が燃焼部２３の内部（燃焼室２３１）に配置されない構成としてもよい。

上述した実施形態では、燃料電池スタック１１からのアノードオフガスを凝縮器５０に供給し、凝縮器５０においてアノードオフガスに含まれる水蒸気を除去した後、燃焼部２３へ供給するものとした。しかし、燃料電池スタック１１からのアノードオフガスを直接に燃焼部２３へ供給してもよい。この場合、燃焼部２３でオフガスの燃焼により生じた燃焼排ガスを凝縮器へ供給し、燃焼排ガスに含まれる水蒸気を凝縮するようにすればよい。

実施形態の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した本開示の主要な要素との対応関係について説明する。実施形態の燃料電池スタック２１が本開示の「燃料電池」に相当し、気化部２１が「気化部」に相当し、改質部２２が「改質部」に相当し、燃焼部２３が「燃焼部」に相当し、改質水配管３２が「改質水導入管」に相当し、水蒸気配管２１４が「水蒸気導出管」に相当する。外管２５が「筒状部」に相当し、原燃料ガス配管３１が「原燃料ガス導入管」に相当し、均圧部２４が「混合空間」に相当する。バーナー装置２３５が「燃焼装置」に相当する。

なお、実施形態の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係は、実施形態が課題を解決するための手段の欄に記載した発明を実施するための形態を具体的に説明するための一例であることから、課題を解決するための手段の欄に記載した発明の要素を限定するものではない。即ち、課題を解決するための手段の欄に記載した発明についての解釈はその欄の記載に基づいて行われるべきものであり、実施形態は課題を解決するための手段の欄に記載した発明の具体的な一例に過ぎないものである。

以上、本発明を実施するための形態について実施形態を用いて説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明は、燃料電池モジュールの製造産業などに利用可能である。

１０ 燃料電池モジュール、１１ 燃料電池スタック、１２ モジュールケース、２０ 改質ユニット、２１ 気化部、２２ 改質部、２３ 燃焼部、２４ 均圧部、２５ 外管、３１ 原燃料ガス配管、３２ 改質水配管、３３ アノードガス配管、３４ カソードガス配管、３５ アノードオフガス配管、３６ カソードオフガス配管、３７ 燃焼排ガス配管、４１ 第１熱交換器、４２ 第２熱交換器、５０ 凝縮器、５１ 温度センサ、２１１ 落滴部、２１２ 充填部、２１２ａ アルミナ球状体、２１３ バッファ部、２１４ 水蒸気配管、２１５，２１６ 仕切部材、２１７，２１８ 端壁、２２１ 改質触媒、２３１ 燃焼室、２３２，２３３ 端壁、２３４ 周壁、２３５ バーナー装置、２５１ 側壁、２５４ 端壁。

Claims (3)

1. アノードガスとカソードガスとに基づいて発電する燃料電池と、
   改質水を導入して水蒸気を生成する気化部と、
   原燃料ガスを導入すると共に前記気化部から導出された水蒸気を導入して水蒸気改質により前記アノードガスを生成する改質部と、
   燃焼熱により前記気化部および前記改質部を加熱する燃焼部と、
   を備え、
   前記気化部は、改質水を導入する改質水導入管を内管とし、水蒸気を導出する水蒸気導出管を外管とする二重管構造を有する
   燃料電池モジュール。
2. 請求項１に記載の燃料電池モジュールであって、
   前記気化部および前記改質部を収容するように筒状の閉空間を形成する筒状部を備え、
   前記気化部は、前記改質水導入管が前記筒状部の一方の端壁を貫通すると共に、前記水蒸気導出管が前記端壁の手前で開口するように前記二重管構造が構成されており、
   前記筒状部は、前記端壁を貫通し原燃料ガスを導入する原燃料ガス導入管が設けられると共に、前記水蒸気導出管から導出された水蒸気と前記原燃料ガス導入管から導入された原燃料ガスとを混合して前記改質部に導く混合空間が形成されている
   燃料電池モジュール。
3. 請求項２に記載の燃料電池モジュールであって、
   前記燃焼部は、前記燃料電池から導入されるオフガスを着火させて燃焼させる燃焼装置を有し、
   前記筒状部は、前記燃焼装置が前記一方の端壁と反対側に位置するように、前記燃焼部と所定の隙間を隔てて前記燃焼部を囲むように形成され、
   前記気化部は、前記燃焼部の内部に配置され、
   前記改質部は、前記所定の隙間に配置されている
   燃料電池モジュール。

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