JP5033641B2 - 燃料電池装置の構造および方法 - Google Patents

Description

本発明は、少なくとも１つの燃料電池ユニットを含み、その燃料電池が１つの陰極側と１つの陽極側とを含み、陰極側に燃料入口および陽極側に酸素含有ガス入口を含んでいる請求項１の前文に記載されているような燃料電池装置における燃料電池の漏洩ガスを処理する構造に関するものである。また、本発明は請求項７の前文による方法にも関するものである。

効率の良い将来の１つのエネルギ源は、化学反応により燃料を電気に直接に変換する燃料電池である。燃料電池は２つの電極、すなわち陰極および陽極を含み、両極間には電解質と称されるイオン伝達物質が配置される。通常、使用される燃料は天然ガスまたは他の炭化水素であり、それらを例えば改質処理によって燃料電池で使用する燃料に変換しなければならない。このようにして処理した燃料は燃料電池の陰極へ与えられ、酸化に必要な酸素は、例えば空気の形態で燃料電池の陽極へ導かれる。反応においては、陰極にて燃料の水素ガスから電子が解放されて、外部回路、すなわち燃料電池に続いて配置された負荷を通して燃料電池の陽極へ流れる。したがって、燃料電池において水素は酸素と結合して熱およびエネルギを発生し、そのエネルギは機械的形態に変換する必要なく電気エネルギとして直接に回収できる。しかしながら、１つの燃料電池に生じる電位差は典型的に小さいので、多数の燃料電池を直列に接続したユニット、すなわちいわゆる燃料電池スタックを形成し、それらのスタックをさらに直列または並列に連結することで電圧または電流をさらに高められることを便宜的に考えた。燃料電池の利点は、良好な効率、静粛性、および可動部品の必要性が非常に小さいことを含む。他の利点は、水または水蒸気だけの排出物は環境に優しく、きれいなことである。

平坦状の固形酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）または溶融炭酸基燃料電池（ＭＣＦＣ）で形成されたスタックのような高温で作動する燃料電池スタックは、漏洩防止のために例えばガラスでシールされて互いに緊密に押合わされねばならない。それにも拘わらずに水素および空気を含む何らかの燃料含有ガスが常に燃料電池スタックから漏洩し、これは環境に危険な可燃ガスであって、さらに加えて吸い込むと危険である。

従来技術の解決策においては、燃料電池スタックからのこの漏洩ガスは、例えば連続した空気の流れによって装置から直接に排出されていた。１つの欠点は、上述した危険性であり、また、連続した空気の流れが装置を冷やしてしまい、これによりエネルギが失われて装置の効率が低下するという事実である。

この欠点を修正するために、燃料電池スタックが閉じた圧力容器内に配置される解決策をも従来技術は開示した。したがって、燃料電池スタックの内部圧力に等しい適当圧力が圧力容器内に与えられると、燃料電池スタックからのガスの漏洩は防止できる。しかしながら、１つの欠点は、これに適した圧力容器は大きく、重く、このために非常に高価になるということである。この圧力容器はそれなりにさらに危険となる。

本発明の目的は、従来技術の上述した欠点を解消できる燃料電池装置の構造を生み出すことである。本発明の特別な目的は、燃料電池からのガス漏洩を処理して、そのガス漏洩が環境上の危険性を生じることなく、また、装置の近辺を付随的に危険することのない燃料電池装置の構造を生み出すことである。本発明のさらなる目的は、燃料電池スタックが始動状態の間に余剰酸素を含有する廃棄ガスのアフターバーナーによって予熱することのできる構造を生み出すことである。本発明による構造は、請求項１の特徴を記載する部分に開示されたことを特徴とする。本発明の他の実施例は、他の請求項に開示されたことを特徴とする。本発明は請求項７の特徴を記載する部分に開示されたことを特徴とする。

本発明による構造の基本的な概念は、燃料電池スタック（単数または複数）を含む燃料電池ユニットが火災防止筐体の燃焼空間内に閉じ込められ、その空間には漏洩燃料を燃焼させるための酸素含有ガスを導くための１つの入口が配置される。利点の１つは、このようにして燃料として使用される漏洩水素が、環境問題および電力損失を生じることなく安全に燃焼されることができることである。他の利点は、漏洩燃料の燃焼が熱損失を生じる代わりに、同時に必要温度に燃料電池を保持できるようになし、これにより全体効率が改善されることである。これは余剰酸素含有排気ガスを筐体の前記燃焼空間内へ導くための入口ラインをシステムのアフターバーナーから配置することによって好ましく達成される。付随的利点は、燃料電池装置の始動時に本発明の解決策はアフターバーナーによって燃料電池スタックを予熱でき、これにより電気的作動の予熱を軽減し、あるいは予熱に電気をまったく必要としないようにできることである。他の利点は、燃料電池ユニットを包囲するための大きく、重く、高価で、そして危険な圧力容器はまったく必要でないということである。

少なくとも１つの燃料電池ユニットを含む燃料電池装置における燃料電池から漏洩したガスを処理するための本発明による方法では、その燃料電池は１つの陰極側および１つの陽極側と、それらの両極間に電解質とを含み、その燃料電池装置は陰極側への燃料入口と、陽極側への酸素含有ガスの導入部とを少なくとも含み、燃料電池装置が使用されるときに燃料は陰極側へ導入され、酸素含有ガスは陽極側へ導入される。本発明による方法の特徴は、酸素含有ガスが燃料電池ユニットを囲む空間内へ導入されることである。

以下に本発明は例示実施例によって添付図面を参照して詳細に開示される。

図１は、本発明による構造を使用できる典型的な燃料電池装置を単純化した概略図で示している。図１は燃料電池装置を示していて、燃料電池ユニット６を形成する高温燃料電池スタックは、例えば固形酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）または溶融炭酸基燃料電池（ＭＣＦＣ）、または他の適当な燃料電池形式として構成されることができる。図示装置では、例えば天然ガスから発生される水素が燃料として使用される。天然ガスは加圧された状態で給送ライン１を通り、熱交換器２を経て装置内に導かれ、熱交換器においては排気ガスの熱で加熱される。熱交換器に続いて脱硫ユニット３が配置され、脱硫ユニットでは硫黄が燃料から除去される。脱硫ユニット３に続いて天然ガスは装置の形状に応じて予備改質装置または改質装置４に導かれ、そこで天然ガスはとりわけ水素に転換される。水素の形成を促進するために水が使用され、水は加圧した状態で入口ライン１６を通り、熱交換器１７を経て装置内に導かれ、その熱交換器において排気ガスの熱によって蒸発される。改質装置４においては、水蒸気を使用して天然ガスの炭化水素が水素、メタンおよび二酸化炭素に転換される。装置の作動効率を改善するために、陰極側７の排気ガスの一部は熱交換器５およびファンまたは圧縮機１３を経て改質装置４の入口側へ導かれ、これにより二酸化炭素および陰極側７の排気ガスの水蒸気もまたその入口流れに混入される。改質装置４から燃料は前記熱交換器５を経て燃料電池スタックで形成された燃料電池ユニット６の陰極側７へ導かれる。燃料電池ユニット６の燃料電池スタックは多数の燃料電池が互いに接触するように詰合わされて形成され、各燃料電池は１つの陰極側７および１つの陽極側８と、両極間の電解質９とを有している。同図において、燃料電池スタックおよびそれらの可能な組合せは組立体として概略的に示されている。陰極側７の再循環されない排気ガスの一部はアフターバーナー１４へ導かれ、そこにおいて残余燃料が燃焼された後引き続き排気ガスは熱交換器１７，２，１５を経て装置から排出される。

同様に、酸素はファンまたは圧縮機１０によって空気と共に陽極側８へ送られ、そこから空気は入口ライン１１を経て熱交換器１２へ導かれ、そこにおいて流入空気は陽極側８へ送られる前に陽極側からの排気ガスによって予熱される。陽極側の排気ガスの熱の大部分は、それが送られる熱交換器１２において陽極側へ送られる空気を予熱することに使用される。この熱のわずかな部分は排気ガスによりさらにアフターバーナー１４へ送られて装置から排出されるか、または、例えば熱交換器１５を経て装置から排出される。

図２は、図１に示したような装置の燃料電池装置に適用できる本発明の１つの解決策を示している。この装置では、燃料電池ユニット６は防火ケーシング１８を備えており、この防火ケーシングは燃料電池ユニット６の全体を包囲する。燃料および空気の入口、ならびに排気ガスの出口は、ケーシング１８の壁を通してシール状態で燃料電池ユニット６へ導かれている。ケーシング１８は、漏洩燃料の燃焼空間１９がケーシング１８の内壁面と燃料電池ユニット６との間に形成されるように、燃料電池ユニット６よりも内径が適当に大きくなるように寸法決めされており、この燃焼空間は燃料電池ユニット６の燃料電池スタックを基本的に全方位において取り囲む。

同様に、排気ガス入口ライン２２が第１の端部でアフターバーナー１４の出口２０に連結されており、この入口ラインは他端部でケーシング１８の燃焼空間１９に連結されている。図２の実施例では、入口ラインはファン２１または同様装置を備えている。ファン２１は、燃焼空間の圧力損失を補償しなければならない場合に必要とされる。しかしながら、しばしばアフターバーナーの出口における高圧は燃焼空間１９へ向かう、また、そこからさらに向かうガスの流れを引き起こすのに十分である。この装置は付随的に出口通路２３または同様の手段を含み、その手段の第１の端部は燃焼空間１９内に位置し、また、その手段は燃焼空間の排気ガス１９を直接に、または熱交換器を経て、あるいは燃焼ガスを再びアフターバーナー１４へ導くことで装置から移送するように構成されている。出口のさまざまな任意形状は図面に示されていない。

本発明によれば、余剰酸素を高温排気ガスはアフターバーナー１４から入口ライン２２に沿って燃焼空間１９へ導かれ、そこにおいて燃料電池から漏洩した高温燃料が酸素と結合して他の装置とは切離された状態で安全に燃焼され、そして排気ガスとして装置から排除される。余剰酸素を含有する排気ガスはその温度が漏洩燃料の発火温度よりも高い状態でアフターバーナー１４から燃焼空間１９へ導かれ、これにより何れかの炭化水素を有する漏洩燃料は燃焼される。さらに、漏洩ガスの燃焼は燃料電池ユニット６の燃料電池の基本的に近くで行われて、燃料電池の作動時に必要な温度に燃料電池を保持するようになす。

高温度で作動する例えば固形酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）または溶融炭酸基燃料電池（ＭＣＦＣ）で形成されたスタックのような燃料電池スタックは、始動されて負荷をかけることができる状態になるまでの間、約４５０℃の温度に予熱されねばならない。通常、予熱は電気抵抗装置によって遂行される。燃料電池はその作動温度にまで加熱された後でのみ電力を提供するのであり、その温度は予熱温度よりも格段に高く、したがって予熱は燃料電池自体が発生する電気によって行うことができない。設置場所で十分な外部電源がない場合は、予熱は実行が困難となる。

本発明の解決策によれば、燃料電池の予熱はアフターバーナー１４の排気ガスの少なくとも幾分かを燃料電池ユニット６を包囲するケーシング１８の燃焼空間１９に導くことで行える。このようにして、アフターバーナー１４の排気ガスは燃料電池を加熱し、この目的で使用できる外部電源がなくても反応を開始させることができる。

当業者には、本発明が上述した例に制限されることはなく、以下の請求項の記載範囲内で変更できるということは明白である。したがって、例えば、装置および使用される構成部材の構造は上述したものと相違されることができる。アフターバーナーからのガスに代えて、例えば陽極側の排気ガスのような余剰酸素を含むガスの導入を考えることができ、そのガスは酸素を十分に含み、比較的高温度のものとされる。

当業者には、燃料、排気ガスおよび空気のような装置に搬入される材料の循環は、上述したように行われる必要性はなく、多くの方法および多数の装置形状によって循環できるということは明白となろう。

当業者には、本発明による解決策は固形酸化物燃料電池または溶融炭酸基燃料電池に関連してのみ使用されるように制限されるのではなく、基本的に高温で作動する全ての燃料電池の基本的にあらゆる漏洩ガスに対して使用できることは明白となるであろう。

当業者には、天然ガスに加えて、燃料電池で使用できる他の燃料を燃料として使用できることもさらに明白である。したがって、他の適当な物質を水素に代えて使用できる。

概略的に単純化して１つの典型的な燃料電池装置を示している。 概略的に単純化して燃料電池装置に応用された本発明による構造を示している。

符号の説明

１ 給送ライン
２ 熱交換器
３ 脱硫ユニット
４ 予備改質装置または改質装置
５ 熱交換器
６ 燃料電池ユニット
７ 陰極側
８ 陽極側
９ 電解質
１０ ファンまたは圧縮機
１１ 入口ライン
１２ 熱交換器
１３ ファンまたは圧縮機
１４ アフターバーナー
１５ 熱交換器
１６ 入口ライン
１７ 熱交換器
１８ 防火ケーシング
１９ 燃焼空間
２０ 出口
２１ ファン
２２ 排気ガス入口ライン
２３ 出口通路

Claims (6)

1. 少なくとも１つの燃料電池ユニット（６）を含み、その燃料電池が１つの陰極側（７）と１つの陽極側（８）とを含み、陰極側（７）への燃料入口（１）および陽極側（８）への酸素含有ガス入口（１１）を含んでいる燃料電池装置における燃料電池の漏洩ガスを処理する構造であって、燃料電池ユニット（６）がそれを包囲するケーシング（１８）の燃焼空間（１９）内に配置され、燃焼空間（１９）はそこへ酸素含有ガスを導入する開口を備えており、また、燃料電池装置が陰極側および陽極側の排気ガスを燃焼させるためのアフターバーナー（１４）を備えていて、アフターバーナー（１４）から余剰酸素含有排気ガスを燃焼空間（１９）へ導くための入口ライン（２２）がアフターバーナー（１４）と燃焼空間（１９）との間に配置されていることを特徴とする構造。
2. アフターバーナー（１４）と燃焼空間（１９）との間の入口ライン（２２）がファン（２１）を備えていることを特徴とする請求項１に記載された構造。
3. 燃焼空間（１９）の排気ガスを燃料電池装置から排出するための出口通路（２３）が設けられていることを特徴とする請求項１に記載された構造。
4. 燃焼空間（１９）内にて漏洩ガスの燃焼が燃料電池の近くで行われて、燃料電池をその作動時に適当温度に保持することを特徴とする請求項１または請求項２に記載された構造。
5. 燃料電池装置の始動時に反応が可能とされる温度にまで燃料電池を過熱するためにアフターバーナー（１４）の排気ガスの少なくとも一部分が燃料電池ユニット（６）を包囲するケーシング（１８）の燃焼空間（１９）内に導かれるように構成されたことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載された構造。
6. 少なくとも１つの燃料電池ユニット（６）を含み、その燃料電池は１つの陰極側（７）および１つの陽極側（８）を含み、また、陰極側（７）への少なくとも１つの燃料入口（１）、および陽極側（８）への酸素含有ガスの入口（１１）が配置され、また、燃料は作動時に陰極側（７）へ導入され、酸素含有ガスは陽極側（８）へ導入されるようになされた燃料電池装置における燃料電池から漏洩したガスを処理するための方法であって、酸素含有ガスが燃料電池ユニット（６）を包囲する燃焼空間（１９）内に導入され、燃料電池装置が陰極側および陽極側の排気ガスを燃焼させるためのアフターバーナー（１４）を含み、アフターバーナー（１４）から入口ライン（２２）を経て余剰酸素含有排気ガスを、燃料電池ユニット（６）を包囲する燃焼空間（１９）へ導くことを特徴とする方法。

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