JP5044921B2

JP5044921B2 - 燃料電池モジュールおよび運転方法

Info

Publication number: JP5044921B2
Application number: JP2005319629A
Authority: JP
Inventors: 順秋草
Original assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2005-11-02
Filing date: 2005-11-02
Publication date: 2012-10-10
Anticipated expiration: 2025-11-02
Also published as: JP2007128718A

Description

本発明は、燃料電池モジュールの排気機構および当排気機構を備える燃料電池モジュールおよびその運転方法に関するものである。

発電セルを多数積層して構成した燃料電池スタックを断熱ハウジング内に収納し、運転時に燃料電池スタックに反応用ガスを供給して発電反応を生じさせる燃料電池モジュールが知られている。

係る構造の燃料電池モジュールは、発電反応で生じた排ガスをモジュール外に排出するための排気機構を備えており、例えば、引用文献１、引用文献２には、モジュール内の高温排ガスを直接外部に排出する排気機構と、モジュール内の排ガスを熱交換器を通して燃料ガスや空気等の予熱用熱源として使用（熱リサイクル）した後にモジュール外に排出する排気機構とをそれぞれ個々に備えた構成が開示されている。
特開２００２−２６０６９７号公報特開２００４−２２７８４７号公報

ところが、上記した特許文献１、特許文献２の排気機構は次のような解決すべき問題を有していた。

すなわち、燃料電池モジュール内の排ガス温度は５００〜６００℃と高温であるため、排ガスが上記した複数の排気機構を通して排出されると、排ガスの熱によりガス排出部付近の温度が上昇して燃料電池モジュールの側面温度が過度に上昇してしまうという不都合が生じる。
これを防止するには、温度上昇部分の断熱材を他の部分より厚くする等の熱対策（断熱対策）が必要であるが、これによりモジュールが大型化する。また、モジュール内に排気機構を複数設けることにより構造が複雑化し、これもまたモジュールの大型化に繋がる。

また、従来、燃料電池モジュールの温度制御（燃料電池スタックの冷却）は、スタック内に供給する空気の量を調整することにより行っているが、特に高出力タイプの燃料電池の場合は、排気機構での熱リサイクルがモジュール温度を上昇させることから、空気冷却による効果的な温度制御が難しくなるという問題もある。
特許文献２では、各排気管に開閉バルブを設けて排ガスの外部排出量を調整することにより、このような温度制御に係わる弊害を回避するようにしているが、この排ガス流量の調整機構もまた、モジュールの構造を複雑にしていた。空冷効果を向上するには、空気の供給量を増やすことが考えられるが、このことは空気導入のためのブロアやモータ等の補機動力を増加させることになり、曳いては、システム全体の発電効率を低下させることになる。

本発明の目的は、熱交換器を有する熱リサイクルのための排気機構と排ガスを直接外部に排出する排気機構とを一体化して一箇所に集約したコンパクトな排ガスの排気機構を提供することであり、また別の目的は、当排気機構を用いることでモジュール構造の複雑化やモジュール温度の制御の問題等を解消した燃料電池モジュールを提供することであり、また別の目的は、当排気機構を用いた効率的な燃料電池モジュールの運転方法を提供することである。

すなわち、請求項１に記載の本発明は、発電セルを多数積層して構成した燃料電池スタックをハウジング内に収納し、運転時に前記燃料電池スタックに反応用ガスを供給して発電反応を生じさせると共に、発電反応で生じた排ガスを外部に排出する燃料電池モジュールに用いる排ガスの排気機構であって、前記燃料電池スタックから導入された前記排ガスを熱源とする熱交換器を備え、且つ前記排ガスを当該熱交換器を迂回して外部に排出するバイパス流路が当該熱交換器に並設され、前記熱交換器は、熱交換性能の異なる少なくとも２つの熱交換部を備えて前記排ガスの流路に対して各々が並設されているとともに、前記熱交換器の各々の当該熱交換部および前記バイパス流路を前記排ガスの流路に対して直交方向にスライドさせることにより遮断および解放し、前記排ガスを前期熱交換器側および／または前期バイパス流路側に分配・誘導するガス流切換手段を備えることを特徴としている。

また、請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載の排気機構において、前記ガス流切換手段による排ガス分配量を可変としたことを特徴としている。

また、請求項３に記載の本発明は、請求項１または請求項２に記載の排気機構において、前記熱交換器は、水を導入して水蒸気を生成する水蒸気発生器であることを特徴としている。

また、請求項４に記載の燃料電池モジュールは、請求項１から請求項３までの何れかに記載の排気機構を備えて成ることを特徴としている。

また、請求項５に記載の本発明は、請求項４に記載の燃料電池モジュールの運転方法であって、運転開始の際の昇温時に、前記燃料電池スタックからの排ガスを前記ガス流切換手段にて前記熱交換器側に誘導することを特徴としている。

また、請求項６に記載の本発明は、請求項４に記載の燃料電池モジュールの運転方法であって、運転中、前記燃料電池モジュール内の温度変化に応じ、前記ガス流切換手段にて前記熱交換器側と前記バイパス流路側への排ガスの分配・誘導量を調整することを特徴と
している。

また、請求項７に記載の本発明は、請求項４に記載の燃料電池モジュールの運転方法であって、運転停止の際の降温時に、前記燃料電池スタックからの排ガスを前記ガス流切換手段にて前記バイパス流路側に誘導することを特徴としている。

本発明によれば、熱交換器（水蒸気発生器）を有する排気機構と排ガスを直接排出する排気機構（すなわち、バイパス流路）の２つの排気系統を一体化して一箇所に集約する構成としたので、従来のように、排出ガスの放熱によりモジュール側面の温度が上昇されることが防止され、よって、その為の特別な熱対策（断熱対策）が不要となることから、燃料電池モジュールの構造が簡素化され、コンパクト化が図れると共に、排出ガスの放熱が抑制される分、排気温度が上昇することから、高温の排ガスを効率良く活用したより好ましいコージェネレーション化が期待できる。

また、この排気機構に排ガスを熱交換器側またはバイパス流路側に分配・誘導するガス流切換手段を備えた構成としたので、このガス流切換手段により燃料電池の運転状態に応じて各排気系の排ガス量を制御することにより、起動時、停止時の昇温、降温時間を短縮できると共に、運転中は、少量の冷却空気で効果的な温度制御が行えるため補機動力が低減され、システム全体の発電効率を向上することができる。

以下、図面に基づいて本発明の実施形態を説明する。
図１は本発明が適用された固体酸化物形燃料電池の内部概略構成を示し、図２は燃料電池スタックの要部構成を示し、図３〜図７は排気機構の様々な例を示している。

本実施形態の固体酸化物形燃料電池１（燃料電池モジュール１）は、内壁に保温用の断熱材３４を配したハウジング２（缶体）を有し、この断熱ハウジング２内の中央に発電反応を生じさせる燃料電池スタック３が配設され、且つ、この燃料電池スタック３の周部に燃料改質器４０が配設されている。

燃料改質器４０内には炭化水素改質触媒が充填されており、外部から供給される炭化水素系の燃料ガス（例えば、都市ガス）が水素主体の燃料ガスに改質される。
燃料改質器４０の入口側には、外部より燃料ガスを導入するための燃料ガス供給管１５が接続されており、出口側は配管により燃料電池スタック内部に配設された燃料ガスマニホールド１３に接続されている。また、燃料電池スタック内部の酸化剤ガスマニホールド１４には外部から空気を導入するための酸化剤ガス供給管１６が接続されている（図１、図２参照）。

燃料電池スタック３は、図２に示すように、固体電解質層４の両面に燃料極層５および空気極層６を配した発電セル７と、燃料極層５の外側の燃料極集電体８と、空気極層６の外側の空気極集電体９と、各集電体８、９の外側のセパレータ１０を順番に多数積層した構造を有する。

固体電解質層４はイットリアを添加した安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等で構成され、燃料極層５はＮｉ等の金属あるいはＮｉ−ＹＳＺ等のサーメットで構成され、空気極層６はＬａＭｎＯ₃、ＬａＣｏＯ₃等で構成され、燃料極集電体８はＮｉ等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、空気極集電体９はＡｇ等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、セパレータ１０はステンレス等で構成されている。

セパレータ１０は、発電セル７間を電気的に接続すると共に、発電セル７に反応用ガスを供給する機能を有し、上述した燃料ガスマニホールド１３より供給される燃料ガスをセパレータ１０の外周面から導入してセパレータ１０の燃料極集電体８に対向するほぼ中央部から吐出する燃料ガス通路１１と、上述した酸化剤ガスマニホールド１４より供給される酸化剤ガスをセパレータ１０の外周面から導入してセパレータ１０の空気極集電体９に対向する面のほぼ中央部から吐出する酸化剤ガス通路１２とを備えている。

また、この燃料電池モジュール１は、発電セル７の外周部にガス漏れ防止シールを設けないシールレス構造とされており、運転時には、図２に示すように、燃料ガス通路１１および酸化剤ガス通路１２を通してセパレータ１０の略中心部から発電セル７に向けて吐出される燃料ガスおよび酸化剤ガス（空気）を、発電セル７の外周方向に拡散させながら燃料極層５および空気極層６の全面に良好な分布で行き渡らせて発電反応を生じさせると共に、発電反応で消費されなかった残余のガス（排ガス）を発電セル７の外周部から放出する。
モジュール内の排ガスは、底部の排気機構３０を介してモジュール外に自由に排出されるようになっている。因みに、作動温度が７００℃前後の固体酸化物形燃料電池モジュール１の場合、排ガスの温度は４５０〜６００℃である。

この排気機構３０内には、上部の燃料電池スタック３から排出される高温排ガスを熱源とする熱交換器２０（水蒸気発生器２０）が配設されている。
この熱交換器２０は、断熱材３５で包囲された空間内に収容されており、給水管１７通して外部供給水がこの熱交換器２０の下方より導入されて上方に流通する過程で熱交換器２０内において上部の排ガス導入口３１より導入された高温排ガスと熱交換して高温水蒸気となる。高温水蒸気は、熱交換器２０の上端より配管３３を通して燃料電池モジュール１内に誘導され、モジュール内において燃料ガス供給管１５からの燃料ガスと合流・混合されて混合ガスとなって燃料改質器４０に導入されると共に、熱交換器２０にて熱交換を終えた排ガスは低温（１５０〜２５０℃）となって排気機構３０の排気口３２よりモジュール外に排出され、この排ガスは後述する排熱回収装置に誘導されるようになっている。

また、排気機構３０は、図３、図４に示すように、排ガス導入口３１より導入された排ガスを熱交換器２０を迂回して外部に排出するバイパス流路２２を備え、且つ、排ガスを熱交換器２０側および／またはバイパス流路２２側に分配・誘導するためのガス流切換手段２３（本実施形態ではダンパ２３を使用）を備えている。
尚、このガス流切換手段２３としては、上述のダンパの他、切換弁や邪魔板等を使用することも勿論可能である。

上述の排気機構３０の内、図３に示す実施形態は、熱交換器２０を迂回するように、その側方に管状のバイパス流路２２を設け、このバイパス流路２２内に回転式のダンパ２３を設けた構成であって、ダンパ２３によりバイパス流路２２を全開状態とした場合は、熱交換器２０の圧損により排気機構３０内を流通する排ガスの殆どが熱交換器２０を迂回してこのバイパス流路２２を通して外部に排出される。

他方、図４に示す実施形態は、熱交換器２０を熱交換性能の異なる２つの熱交換部２１ａ（熱交換性能大）と２１ｂ（熱交換性能小）とで構成し、排ガス導入口３１より導入された排ガスをスライド式ダンパ２３にて熱交換器２０（２１ａ、２１ｂ）、および熱交換器２０に併設されたバイパス流路２２（熱交換性能を有さない排ガス流路）に分配・誘導する構成としている。

尚、図３および図４の何れの構成も、ダンパ２３による流路の開閉動作により各部位（熱交換器２０側とバイパス流路２２側）への排ガス流量を任意に調整できるようになっている。

また、図３、図４の他、図５〜図７に示す構成の排気機構３０を用いることができる。

図５に示す実施形態は、熱交換器２０の前段側（排ガス導入側）にゲート式のダンパ２３を設けた構成、図６に示す実施形態は、熱交換器２０の後段側（排ガス放出側）にゲート式のダンパ２３を設けた構成、図７に示す実施形態は、バイパス流路２２内に回転式のダンパ２３を設けた構成で、図４の構成に類似している。
これらの排気機構３０もまた、ダンパ２３による流路の開閉動作により各排気系（熱交換器２０側とバイパス流路２２側）への排ガス流量を任意に調整できるようになっている。

このように、本実施形態の排気機構によれば、ダンパ２３の開閉動作により、燃料電池スタック３からの排ガスをバイパス流路２２を介して直接外部に排出する排気系統と、排ガスを熱交換器２０を介して外部に排出する排気系統と、排ガスを任意の配分量でバイパス流路２２および熱交換器２０に誘導して外部に排出する排気系統の３系統を一つの排気機構３０内に集約して一体的に構成することができる。
係る構成であれば、従来のように、複数箇所より排出される排出ガスの放熱でモジュール側面の温度が上昇されるといった不都合が回避でき、よって、その為の特別な熱対策（断熱対策）が不要となることから、燃料電池モジュールの構造が簡素化され、コンパクト化が図れる。加えて、このようにして排出ガスの放熱が抑制される分、排気温度が上昇することから、高温の排ガスを効率良く活用したより好ましいコージェネレーション化が期待できる。

次ぎに、上記構成の排気機構３０を備えた燃料電池モジュール１の運転方法を図５を参照して説明する。

運転開始の際は、先ず、燃料電池スタック３の周辺に配設された電気ヒータやバーナ等の加熱手段（図示せず）により燃料電池スタック３の昇温が開始される。この昇温は、燃料電池スタック３を発電可能な状態（固体酸化物形燃料電池の場合では、スタック温度６００〜８００℃）に移行するために行う。

この時、排気機構３０内では、図５（ａ）に示すように、ダンパ２３がバイパス流路２２側に切り換えられてバイパス流路２２は閉じられた状態となっており、よって、排ガス導入口３１より導入された排ガスの殆どが熱交換器２０側に誘導され、上述の加熱手段に加え、熱交換器２０内において外部供給水を介して排ガスの熱エネルギーが燃料電池モジュール内にリサイクルされることになり、燃料電池スタック３の予熱がより一層促進され、発電開始までの昇温時間が短縮できる。

また、予熱完了後の発電時（スタック温度６００〜８００℃に昇温）においては、図５（ｂ）に示すように、負荷変動等によるモジュール内温度（例えば、セパレータの温度）の変化に応じてダンパ２３が矢印方向に動作し、モジュール内温度を発電可能な温度範囲内に制御する。

すなわち、モジュール内温度が一定以上に上昇した場合、ダンパ２３が熱交換器２０側に切り換えられて、排ガスをバイパス流路２２側に誘導する。これにより、熱交換器２０による熱リサイクル量が減少し、モジュール内温度を一定温度範囲内に低下させることができる。他方、モジュール内温度が一定以下に低下した場合は、ダンパ２３をバイパス流路２２側に切り換えることにより排ガスは熱交換器２０側に誘導され、熱交換器２０による熱リサイクル量が増大し、モジュール内温度は一定温度範囲内に上昇する。

尚、モジュール内温度に応じて適宜ダンパ２３の開閉度を制御することにより、各排気系へ誘導される排ガス流量を調整することができる。従来、このような発電時におけるモジュール内温度の制御は、主として冷却用空気の供給量により行っていたが、当運転方法によれば、少量の冷却用の空気でより効果的な温度制御が行えることになり、冷却用空気導入のためのブロアやモータ等の補機動力を低減することができ、システム全体の発電効率を向上することができる。

また、運転停止の際の降温時は、図５（ｃ）に示すように、ダンパ２３が熱交換器２０側に切り換えられ、このダンパ２３により排ガスがバイパス流路２２側に誘導され、高温排ガスの殆どがこのバイパス流路２２を通して直接モジュール外に排出されると共に、熱交換器２０による熱リサイクルが停止されることから、降温時間が短縮できる。また、降温時間の短縮は補機動力の低減に繋がるものである。

このように、燃料電池スタック３からの排ガスの一部を熱交換器２０に誘導して熱リサイクルする一方で、残りの排ガスは熱交換せずに直接モジュール外に排出する構成とすることにより、熱リサイクル後の低温度の排ガスと、この熱リサイクルに影響されない高温度の排ガスが外部設置の排熱回収装置に誘導されて熱回収される。回収された熱は、例えば、店舗、家庭内において、給湯用の熱エネルギー等として有効に利用でき、発電システムの効率をより一層高めることができる。

本発明が適用された固体酸化物形燃料電池の内部概略構成を示す図。本発明に係る燃料電池スタックの要部概略構成を示す図。本発明に係る排気機構の内部構造を示す図。同、図３とは別の排気機構の内部構造を示す図。同、図４とは別の排気機構の内部構造を示す図。同、図５とは別の排気機構の内部構造を示す図。同、図６とは別の排気機構の内部構造を示す図。

符号の説明

１燃料電池モジュール（固体酸化物形燃料電池）
２ハウジング
３燃料電池スタック
７発電セル
２０熱交換器（水蒸気発生器）
２２バイパス流路
２３ガス流切換手段
３０排気機構

Claims

発電セルを多数積層して構成した燃料電池スタックをハウジング内に収納し、運転時に前記燃料電池スタックに反応用ガスを供給して発電反応を生じさせると共に、発電反応で生じた排ガスを外部に排出する燃料電池モジュールに用いる排ガスの排気機構であって、
前記燃料電池スタックから導入された前記排ガスを熱源とする熱交換器を備え、且つ前記排ガスを当該熱交換器を迂回して外部に排出するバイパス流路が当該熱交換器に並設され、
前記熱交換器は、熱交換性能の異なる少なくとも２つの熱交換部を備えて前記排ガスの流路に対して各々が並設されているとともに、前記熱交換器の各々の当該熱交換部および前記バイパス流路を前記排ガスの流路に対して直交方向にスライドさせることにより遮断および解放し、前記排ガスを前期熱交換器側および／または前期バイパス流路側に分配・誘導するガス流切換手段を備えることを特徴とする排気機構。
前記ガス流切換手段による排ガス分配量を可変としたことを特徴とする請求項２に記載の排気機構。
前記熱交換器は、水を導入して水蒸気を生成する水蒸気発生器であることを特徴とする請求項２に記載の排気機構。
請求項１から請求項３までの何れかに記載の排気機構を備えて成ることを特徴とする燃料電池モジュール。
請求項４に記載の燃料電池モジュールの運転方法であって、
運転開始の際の昇温時に、前記燃料電池スタックからの排ガスを前記ガス流切換手段にて前記熱交換器側に誘導することを特徴とする燃料電池モジュールの運転方法。
請求項４に記載の燃料電池モジュールの運転方法であって、
運転中、前記燃料電池モジュール内の温度変化に応じ、前記ガス流切換手段にて前記熱交換器側と前記バイパス流路側への排ガスの分配・誘導量を調整することを特徴とする燃料電池モジュールの運転方法。
請求項４に記載の燃料電池モジュールの運転方法であって、
運転停止の際の降温時に、前記燃料電池スタックからの排ガスを前記ガス流切換手段にて前記バイパス流路側に誘導することを特徴とする燃料電池モジュールの運転方法。