JP5096163B2 - 燃料電池装置における予熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池装置における予熱装置に関し、上記燃料電池装置は少なくとも１つの燃料電池ユニットを含み、上記燃料電池はアノード側およびカソード側およびその間の電解質を含み、上記燃料電池装置は、上記アノード側に少なくとも１つの燃料入口と、上記カソード側に酸素含有空気入口と、脱硫ユニットと、燃料処理ユニットと、アノード側およびカソード側の排ガスを燃焼させるためのアフターバーナとをさらに備える。

効率の良い未来のエネルギー源の１つは燃料電池であり、それにより燃料が化学反応により直接電気に変換される。燃料電池は、２つの電極、すなわち、アノードおよびカソードと、それらの間に電解質と呼ばれるイオン伝導材料とを含む。一般に、その使用される燃料は天然ガスまたは他の炭化水素であり、それは、たとえば、改質によって、燃料電池が使用する燃料に変換されなければならない。このように処理された燃料は、燃料電池のアノードに直接に送られ、燃焼のために必要な酸素が、たとえば、空気の形で燃料電池のカソードに導入される。その反応において、電子は、アノード上の燃料ガスの水素から解放され、それらは外部回路、すなわち、その燃料電池の後に配置されている負荷を介して燃料電池のカソードに移動する。それ故、水素は燃料電池内で酸素と結合され、熱およびエネルギーを発生し、そのエネルギーはそれを機械的な形に変換する必要なしに電気エネルギーとして直接戻すことができる。しかし、１つの燃料電池によって生成される電位差は通常非常に小さいので、いくつかの燃料電池が直列に接続されたユニット、すなわち、いわゆる燃料電池スタックを形成し、そのスタックをさらに直列に、あるいは並列に接続して電圧または電流をさらに増大させることができるようにするのが適切であると考えられている。燃料電池の利点は、効率の良いこと、静かなこと、および可動部分が非常に小さくてすむことである。更なる利点は、その排出物が水または水蒸気だけであり、環境に優しく、クリーンであることである。

燃料電池発電所で使用される燃料は、燃料電池にその燃料を供給する前に、その燃料によって変わる何らかの前処理を必要とするのが普通である。これらの前処理の操作としては、とりわけ、脱硫、その燃料の原料からの水素の生成、または他の触媒的または非触媒的な方法などがあり得る。使用される方法の如何にかかわらず、その前処理操作は普通周囲温度よりずっと高い温度において実行される。この理由のために、上記プロセスの流体は実際のプロセスに先立って熱交換器によってそれらを加熱すること、あるいは、実際の前処理が実行される反応容器または炉に熱を伝達することのいずれかによって加熱されなければならない。上記方法の両方を一緒に使用することもできる。

先行技術によると、予熱が実行されるために熱が必要なので、アフターバーナによって生成される排ガスが熱交換器を通してリサイクルされ、熱交換器内で熱が処理中の燃料の原料に対して伝達される。さらに、システムの配管および内容物が入っている反応容器は外部トレース加熱および加熱抵抗器によって電気的に加熱される。そのような先行技術による解決策の欠点は、燃料電池システムが予熱のための十分な電気エネルギーを作り出すことができないので、燃料電池装置の起動段階において外部の電気が大量に必要であり、電気を消費することである。もう１つの欠点は、システムの上記実際の動作段階における、後での上記予熱に対する電力の使用は、その燃料電池自体により作り出される電気の一部を使用することである。これにより、その燃料電池装置の電気的効率が低下する。

本発明の目的は、先行技術の上記欠点をなくすことができることにより燃料電池装置における予熱装置を製造することである。本発明の予熱装置は請求項１の特徴記述部分に開示されている内容を特徴とする。本発明の他の実施形態は他の請求項で開示されている内容を特徴とする。

本発明の予熱装置の基本的なアイデアは、燃料電池装置の少なくとも起動段階においてアフターバーナに燃料を供給するための別の燃料入口流路がアフターバーナに対して配置されていること、およびこの別に導入される燃料の燃焼において発生する排ガスの少なくとも一部が、燃料電池装置の起動段階において脱硫ユニットおよび／または燃料処理ユニット、たとえば、改質装置またはプレリフォーマを加熱するためにアフターバーナから送られるように構成されていることである。

さらに、本発明のある実施形態においては、脱硫ユニットはケーシングによって囲まれ、燃料処理ユニットはケーシングによって囲まれ、ケーシングは、アフターバーナの排ガスの少なくとも一部が上記ケーシングに流れるように構成されている流路に連結されている。この装置の利点は、とりわけ、燃料および反応容器の起動段階において外部の電気エネルギーなしで予熱することができることである。もう１つの利点は、動作段階において、燃料および反応容器を、電気エネルギーなしで正しい温度まで予熱することができることである。これは、先行技術の装置に関連して燃料電池装置の効率を増大させることになる。何故なら、燃料および反応容器の予熱のために、上記燃料電池自体によって作り出される電気エネルギーを使用する必要がないからである。

以下において、本発明はある例示としての実施形態によって、および添付の図面を参照することによって、より詳細に開示される。

図１は、本発明の装置を使用することができる典型的な燃料電池装置を簡略化した概略図である。図１は、燃料電池装置を示し、燃料電池ユニット６を形成している高温の燃料電池スタックを、たとえば、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）または溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）または他の適切なタイプの燃料電池から構成することができる。図示の装置においては、たとえば、天然ガスから生成される水素が燃料として使用される。他の適切な燃料としては、たとえば、メタノール、ディーゼル油、ケロシンおよび他の炭化水素含有物質などがある。天然ガスは熱交換器２を介して供給ライン１を通して加圧された状態で装置内に導入され、熱交換器内で燃料が排ガスの熱によって加熱される。熱交換器２の次に脱硫ユニット３があり、その内部で燃料から硫黄が取り除かれる。脱硫ユニット３の後、天然ガスは燃料処理ユニットとして働くプレリフォーマまたは改質装置４内に送られ、その内部で天然ガスが水素に変換される。水素を発生するために水が使用され、その水は加圧された状態で熱交換器１７を介して入口ダクト１６を通して装置内に導入され、熱交換器内で水が排ガスの熱によって気化される。改質装置４において、天然ガスの炭化水素が、水蒸気を使用して水素、メタンおよび炭素酸化物に変換される。装置の動作の効率を改善するために、アノード側７の排ガスの一部が熱交換器５およびファン１３を介して改質装置４の入口側に送られ、それにより二酸化炭素および水蒸気も入口フロー内に混合される。改質装置４から、燃料は上記熱交換器５を介して燃料電池スタックによって形成されている燃料電池ユニット６のアノード側７に送られる。燃料電池ユニット６の燃料電池スタックは、互いに接触するように一緒に圧縮されているいくつかの燃料電池によって形成され、各燃料電池はアノード側７とカソード側８と、それらの間の電解質９とを有する。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がアセンブリとして概略的に示されている。アノード側７の一部はガスを排出し、そのガスは再循環されず、アフターバーナ１４内に送り込まれ、アフターバーナ内で残留燃料が燃焼され、その後に排ガスが熱交換器１７、２および１５を介して装置から出ていくように導かれる。

同様に、酸素がファン１０によって空気と一緒にカソード側８に供給され、ファン１０から空気が入口ライン１１を介して熱交換器１２に送られ、熱交換器１２内で入ってくる空気がカソード側８に送られる前にカソード側からの排ガスによって予熱される。カソード側排ガスの熱の大部分はカソード側排ガスが送り込まれる熱交換器１２内のカソード側に送り込まれる空気を予熱するために使用される。その熱の小さい部分がさらに排ガスと一緒にアフターバーナ１４へ送られ、装置から出ていく。熱の一部は、また、たとえば、熱交換器１５を介してアフターバーナ１４をバイパスして装置から直接排出される。

図２は、図１に記述されているような装置など、燃料電池装置に適用される本発明の１つの解決策を簡略化した方法で概略的に示す。明確にするために、図２は、図１に示されている装置のすべてを示してはいない。この装置においては、脱硫ユニット３がケーシング２によって囲まれており、ケーシング２の内部寸法は脱硫ユニット３より適当に広くなっているので、ケーシング２１の内壁と脱硫ユニット３との間のリサイクルされるガスに対する流れの空間があり、その空間は本質的にすべての方向において脱硫ユニット３を囲んでいる。同様に、燃料処理ユニットとして働いている改質装置４または対応している装置はケーシング２３によって囲まれ、ケーシング２３の内部容積は改質装置４より適当に大きい寸法になっており、したがって、ケーシング２３の内壁と改質装置４との間のリサイクル・ガスに対する流れの空間があり、その空間は改質装置４を本質的にすべての方向において囲んでいる。

別の燃料流路２４がアフターバーナ１４に連結されており、その流路を介して未処理の燃料がアフターバーナ１４に導入される。さらに、空気流路２５が燃料流路２４に連結されており、空気がファンによって空気流路内に導入され、アフターバーナ１４の中に燃料が到着する前にその燃料と混合される。その混合は、場合によっては、同様にバーナ自身においても実行することができる。たとえば、図１に示すファン１０は、空気を同様にカソードに吹き付けるファンとしても働くことができる。

それ故、アフターバーナ１４の排ガス流路２０は、排ガスを外側に導いている排ガス流路２６の他に、必要な時に、何か処理があればその処理をさらに介して、脱硫ユニットを加熱するために流路２７に沿って脱硫ユニット３のケーシング２１に、改質プロセスに対して適するように燃料の温度を上昇させるために流路２８に沿ってヒータ２２に、および改質装置４を加熱するために流路２９に沿って改質装置４のケーシング２３内へ排ガスを送ることができるように配管されている。上記各流路２４、２５および２７〜２９には、必要に応じてその流路を開閉し、その流路のガス流量を調整するための調整弁３０などが設けられている。

この装置は、アノード側７の排ガスのリサイクルを実行するためのエジェクタ１８をさらに含む。アノード側の排ガスはアノード７からリサイクル流路１９を介してエジェクタに導かれる。エジェクタ１８は燃料入口流路１内に位置し、たとえば、脱硫ユニット３と改質装置４との間に位置する。ファンなどの装置をエジェクタ１８の代わりに使用することもできる。

本発明の解決策によって、燃料、脱硫ユニット３および改質装置４の予熱が、脱硫に先立って別の燃料入口流路２４を介してアフターバーナ１４に原燃料の少なくとも一部を導くことにより、および流路２７に沿って燃焼される排ガスの少なくとも一部を脱硫ユニット３の加熱のために脱硫ユニット３のケーシング２１に導くことにより装置の起動段階で実行される。同様に、このように燃焼される燃料の排ガスの一部が、改質装置４などの燃料処理ユニットを加熱するために改質装置４のケーシング２３内に流路２９に沿って導かれる。脱硫の次に、導かれた燃料の排ガスの一部を別の流路２４を介して流路２８を通してヒータ２２に導くことによって、ヒータ２２により燃料の温度がさらに上昇する。

燃料電池装置の実際の動作段階においては、起動段階での予熱などは不要であるが、反応容器を加熱するため、およびそれらの温度をそのプロセスによって必要なレベルに保つために同じ流路２７、２８および２９を介して排ガスを導くことができる。それ故、プロセスの熱損失（もしあれば）を補償することができ、そのプロセスの効率を向上させることができる。

当業者にとっては、本発明は上記の例に限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲内で変えることができることは明らかである。それ故、装置の構造および使用される構造の構成要素は上述したものとは異なっていてもよい。これにより、たとえば、燃料処理ユニットとして動作している脱硫ユニットおよび改質装置またはプレリフォーマを、別々のケーシングの代わりに共通のケーシング内に入れることができる。

同様に、当業者にとっては、燃料、排ガスおよび空気などの、装置内で移送される物質の循環は、必ずしも上述したものである必要はなく、その循環を多くの方法および多くの装置構成によって実行することができることは明らかである。

また、当業者にとっては、装置の構成に依存して、動作原理は異なるがこの応用において適用できる装置を燃料改質ユニットとして使用することができることは明らかである。

さらに、当業者にとっては、本発明の解決策は固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）または溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）での使用に限定されるものではなく、他のタイプの燃料電池でも同様に使用することができることは明らかである。

さらに、当業者にとっては、上記天然ガスの他に、燃料電池において使用されるように適用可能な他の燃料を、燃料として使用することができることは明らかである。また、水素の代わりに他の適切な物質を使用することができ、それにより対応する燃料処理ユニットが改質装置の代わりに使用される。

１つの典型的な燃料電池装置を簡略化した方法で示す概略図である。 燃料電池装置に適用される本発明の装置を簡略化した方法で示す概略図である。

Claims (6)

1. 燃料電池装置における予熱装置であって、前記燃料電池装置が少なくとも１つの燃料電池ユニット（６）を備え、前記燃料電池ユニット（６）の燃料電池が、アノード側（７）と、カソード側（８）と、それらの間の電解質（９）とを含み、前記燃料電池装置が、前記アノード側（７）へ向かう少なくとも１つの燃料入口（１）と、前記カソード側（８）へ向かう酸素含有空気入口（１１）と、脱硫ユニット（３）と、前記脱硫ユニット（３）の下流で前記アノード側（７）の上流に配置された改質装置（４）と、前記アノードおよび／またはカソード側の排ガスを燃焼させるためのアフターバーナ（１４）とをさらに含み、前記アフターバーナ（１４）には、前記燃料電池装置の少なくとも起動段階において燃料を前記アフターバーナ（１４）に供給するための別の燃料入口流路（２４）が設けられ、前記予熱装置が、少なくとも前記脱硫ユニット（３）および前記改質装置（４）を加熱するために前記アフターバーナ（１４）から前記燃料電池装置の起動段階において別に供給される燃料の燃焼において発生した排ガスの少なくとも一部を導くための、前記アフターバーナ（１４）から前記脱硫ユニット（３）へ導く流路（２７）および前記アフターバーナ（１４）から前記燃料改質装置（４）へ導く流路（２９）をさらに備え、前記流路（２７、２９）には、それぞれ前記流路（２７、２９）の流量を調整するために調整弁（３０）が設けられることを特徴とする装置。
2. 前記脱硫ユニット（３）がケーシング（２１）によって囲まれ、前記改質装置（４）がケーシング（２３）によって囲まれ、前記ケーシング（２１、２３）が、それぞれ調整弁（３０）を備えた流路（２７、２９）に連結されており、前記流路を通して前記アフターバーナ（１４）の排ガスの少なくとも一部が前記ケーシング（２１、２３）に導かれるように配置されることを特徴とする請求項１に記載の予熱装置。
3. 前記別の燃料入口流路（２４）が、前記脱硫ユニット（３）の前において前記燃料入口（１）に連結されることを特徴とする請求項１または２に記載の予熱装置。
4. 空気流路（２５）が、前記アフターバーナ（１４）に追加の空気を導入するために前記別の燃料入口流路（２４）に連結されることを特徴とする、請求項１、２または３のいずれか１項に記載の予熱装置。
5. 前記アフターバーナ（１４）の排ガスの少なくとも一部が、前記燃料電池装置の通常の動作時において、前記アフターバーナ（１４）の排ガス流路（２０）に連結されている流路（２７、２８および２９）を通して、前記脱硫ユニット（３）のケーシング（２１）、前記改質装置（４）のケーシング（２３）、および前記燃料入口（１）内に位置するヒータ（２２）に導かれるように配置されることを特徴とする請求項１から４までのいずれか１項に記載の予熱装置。
6. 前記別の燃料入口流路（２４）および前記空気流路（２５）を開閉するための調整弁（３０）が、前記別の燃料入口流路（２４）および前記空気流路（２５）に設けられることを特徴とする請求項４に記載の予熱装置。

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