JP5100950B2 - 固体酸化物燃料電池システム用統合モジュール - Google Patents

Description

【０００１】
（発明の分野）
本発明は、アフターバーナ、熱交換器、及び燃料処理装置を備えた固体酸化物燃料電池（“ＳＯＦＣ”）システムのための統合モジュールに関する。
【０００２】
（従来の技術）
多くの遠隔電力消費者が天然ガスまたはプロパンを使用しているので、これらを遠隔発電システムのＳＯＦＣ燃料として選択することは当然である。同様に、住宅用廃熱発電及び自動車における使用のように、燃料電池システムにとっては他の多くの応用が存在している。ＳＯＦＣは、蒸気改質（リフォーミング）、部分酸化、及び自己熱改質を含む燃料処理方法によって、炭化水素を容易に使用できるという長所を有している。炭化水素の燃料処理はＳＯＦＣ動作温度付近において行われるので、燃料処理装置（プロセッサ）及びスタックの両者を熱的に統合することが望ましい。
【０００３】
蒸気改質は総合システム効率を高める方法であり、水素が濃縮された燃料を有するスタックを提供する。従って、炭化水素燃料の蒸気改質を使用するＳＯＦＣシステムを提供することが望まれている。
【０００４】
もしＳＯＦＣシステムと共に使用するためのモジュールが、効果的に、１）スタック陰極排気ガスまたは他の空気を使用して、ＳＯＦＣスタック陽極排気ガス内に残留する燃料を完全に酸化させ、２）陽極排気ガスの酸化によって発生する熱を直接利用して、ＳＯＦＣスタックへ供給される炭化水素燃料／水混合体の全て、または所望部分を適当な触媒を使用して予熱し、そして３）（ＳＯＦＣスタックへ）到来する陰極空気を直接加熱すれば有利である。
【０００５】
（発明の概要）
固体酸化物燃料電池（“ＳＯＦＣ”）システム内に使用するために、幾つかの機能を１つのユニット内に組合わせた統合モジュールを開示する。一実施の形態においては、この統合モジュールは、燃料電池スタック陰極排気または他の空気を使用してスタック陽極排気を酸化させ、到来する炭化水素／水混合体（のあるパーセンテージ、または全て）を適当な触媒を使用して予熱して予備改質（プリリフォーム）させ、水素及び一酸化炭素が濃縮された流れを燃料電池陽極へ供給し、またＳＯＦＣ陰極へ向かう空気を更に加熱する。
【０００６】
一面において、本発明は、燃料取入口、空気取入口、陰極排気口、及び陽極排気口を有する燃料電池を含み、アフターバーナ、燃料処理装置、及び熱交換器を備えた統合モジュールからなるＳＯＦＣシステムであって、
（ａ）上記アフターバーナは、上記陽極排気口に、または上記陽極及び陰極排気口に接続されている取入口と、イグナイタとを備え、
（ｂ）上記熱交換器は、空気供給源に接続されている取入口と、上記ＳＯＦＣの空気取入口に接続されている排気口とを備え、上記熱交換器は、上記アフターバーナに熱的に結合されており、
（ｃ）上記燃料処理装置は、燃料／水供給源に接続されている取入口と、燃料改質用触媒と、上記ＳＯＦＣの燃料取入口に接続されている排気口とを備え、上記燃料処理装置は、上記熱交換器及び／または上記アフターバーナに熱的に結合されている。
【０００７】
アフターバーナは、ＳＯＦＣスタック排気中の使用されなかった燃料を燃焼させる。アフターバーナによって生じた熱は熱交換器によって交換され、ＳＯＦＣスタック内への空気の流れを予熱する。燃料／水の流れも燃料処理装置（アフターバーナからの熱も使用する）内において予熱され、予備改質される。燃料処理装置は、炭化水素燃料が燃料処理装置を通過するにつれてその流れを改質するような効果的な触媒を備えている。
【０００８】
一実施の形態においては、アフターバーナは、管状の燃焼室と、イグナイタとからなる。燃焼室は、到来する空気及び燃料／水混合体へ燃焼熱を伝達するための高温熱空気交換器によって取巻かれている。熱交換器自体は、燃料処理装置によって取巻かれている。従って、この統合モジュールは、管状のコアと、熱交換器を収容している中間シェルと、燃料処理装置を収容している外側シェルとからなることができる。
【０００９】
（実施の形態）
本発明は、ＳＯＦＣ内に使用するための統合モジュールを提供する。以下の本発明の説明の中で定義されていない用語は、当分野において広く認識されている意味を有している。
【００１０】
一実施の形態においては、燃料電池スタックからの陰極及び陽極排気は、モジュール（１０）の中央の全体が管状の導管（以下、アフターバーナ（１２）という）内を通過する。陽極排気は、バーナアセンブリ（１４）を通してアフターバーナ（１２）へ直接導かれる。陰極排気は、図１に示すように、ポート（１７）及びマニホルド（１８）を通って進入し、バーナ（１４）に接しているアフタバーナ（１２）内へ導かれる。陽極排気は、炭化水素（例えば、メタン）のような酸化していない燃料種、一酸化炭素、または水素を含む。陰極排気は、典型的には一次空気（酸素が枯渇している）である。この空気の流れをＳＯＦＣ内で加熱するには、アフターバーナ内の陰極排気を使用することが好ましいが、それは必須ではなく、分離した空気源を使用することも、または、もし陽極排気自体がアフターバーナ内の残留燃料を完全に燃焼させることができる程の十分な酸素を含んでいれば、結局は何も使用しないこともできる。
【００１１】
アフターバーナ（１２）の上端は、アフターバーナ取入口、熱交換器排気口、及び燃料処理装置排気（即ち、改質された物質、もしくはリフォーメイト）のための開口を限定している取付け用フランジ（１６）を含んでいる。図３Ａに示すように、バーナ（１４）は類似のフランジ（１５）に取付けられており、バーナ管（１４）をアフターバーナ（１２）内へ挿入できるようになっている。
【００１２】
イグナイタ（２０）は、アフターバーナ（１２）の遠端に挿入されており、常温システムが始動した時にアフターバーナ（１２）を点弧させるために使用される。イグナイタ（２０）は、燃焼を開始させるためだけに動作させることができ、その後はターンオフさせることができる。イグナイタはパイロット炎、電子スパークデバイス、または他の点弧手段であることができる。
【００１３】
一実施の形態においては、陽極及び陰極排気の混合を制御するために、図５に示すように、燃料バーナ管（１４）はアフターバーナ（１２）内に収容されている。焼結した金属または多孔質セラミックノズルのような他の燃焼技術、または他の公知の燃焼／バーナ手段を使用することができる。アフターバーナ動作温度は、陽極排気内に存在する燃料種の自動点弧温度を超え得るので、正常動作中には制御された混合が要求される。バーナ管（１４）は、燃料ガス混合体を逃すための、そしてバーナ炎を支持するようにも動作する小さい孔を含んでいる。
【００１４】
アフターバーナ（１２）を取巻いているのは、統合モジュール（１０）の熱受入れ部分である。一実施の形態においては、図３に示すように、高温空気熱交換器（２４）がアフターバーナ（１２）を取巻いている。熱交換機（２４）は、熱エネルギを、アフターバーナ（１２）からＳＯＦＣ内の陰極に導かれる空気の流れへ伝達する。空気は、ポート（２６）を通して熱交換器へ進入し、管（２８）及びポート（３０）を通って出て行く。熱電対またはガスサンプリング手段を取付けることができるカップリング（３２）を設けることができる。一実施の形態においては、熱交換器（２４）の内部は、曲がりくねった経路に空気を導くバッフルになっており、空気への熱の伝達の可能性を高めている。図３に示すようにバッフル（３４）は、熱交換器を通る空気を実質的にらせん形状に導くように、連続したスパイラルバッフルの形状を取ることができる。またバッフルがアフターバーナから熱交換器内へ熱を導くのに役立っていることは明白である。このバッフリングは、曲がりくねった経路を通るように空気を導き、また熱を伝導させるどのような形態を取ることもできる。
【００１５】
諸図に示すように、燃料処理装置（４２）の内壁としても役立っている熱交換器は中間シェル（４０）内に収容されている。燃料処理装置（４２）は、予備改質装置と呼ぶこともできる。好ましくは天然ガスである炭化水素は、水と混合されて燃料処理装置（４２）を通過する。燃料処理装置（４２）は、ニッケル／アルミニウム触媒のような適当な蒸気改質用触媒を含む。メタンの蒸気改質に適当な触媒は、当分野では公知である。炭化水素及び蒸気は吸熱反応で反応し、水素及び一酸化炭素を発生する。アフターバーナ（１２）から解放された熱エネルギは、この吸熱反応を駆動するために使用される。一実施の形態においては、触媒は、有孔バッフル板（４４）によって限定された燃料処理装置室（４２）内に収容されているペレットの形状である。炭化水素／水はポート（４６）を通って進入し、改質された物質は管（４８）及びポート（５０）を通って出て行く。燃料処理装置（４２）は、複数の燃料処理装置フィン（５４）を含むこともできる。燃料処理装置フィン（５４）は、シェル（４０）から外向きに伸びており、触媒を収容するのに、また熱を燃料処理装置（４２）内へ伝導させるのに役立つ。燃料処理装置は、モジュール（１０）の外側のシェルである外側シェル（５２）内に収容される。
【００１６】
上述した実施の形態においては、アフターバーナ、熱交換器、及び燃料処理装置は同心状の円筒である。しかしながら、代替実施の形態においては、これら３つの要素は異なる形状または形態を取ることができる。必要なことは、アフターバーナがＳＯＦＣ排気から燃料を受けてそれを燃焼させ、熱を熱交換器及び燃料処理装置へ供給することである。
【００１７】
統合モジュール（１０）は、到来する生の空気及び燃料／水混合体を予熱する低温熱交換器（図示してない）と共に機能することもできる。低温熱交換器及び統合モジュールの構成は、図１に概要を示してある。燃料／水は、熱交換器へ進入する前に、またはその後に燃料処理装置（４２）へ進入する前に混合することができる。熱交換器に大きい熱応力が加わらないようにするために、空気及び燃料の予熱は諸ステージにおいて行うことが好ましい。
【００１８】
統合モジュールは、上述したように、そして当業者には明白なように、ＳＯＦＣスタックと熱的に統合されている。上述した統合モジュール（１０）は、ヒートアップ、正常動作、及びトランジェント中に独特な機能的熱システムを提供する。統合モジュール（１０）は、燃料電池への電力負荷のトランジェント中に、及び空気及び燃料流量の変化中に優れたレスポンスを呈する。例えば、もしスタックの電気的負荷が減少すれば、スタック内で生成される熱（燃料電池反応の廃棄熱部分）も減少する。しかしながら、到来する燃料の組成が変化し、温度が上昇することから、統合モジュール（１０）内のアフターバーナ（１２）は自動的に応答する。アフターバーナの温度の上昇は、スタックへ供給される空気及び燃料の温度を上昇させ、従ってスタック温度を比較的一定に維持する。
【００１９】
ＳＯＦＣスタック及び統合モジュールの両者が冷えている始動時には、燃料は改質されずに燃料処理装置（４２）を通過し、また酸化されずにＳＯＦＣを通過する。従って、アフターバーナは実質的に燃料の全てを受けるので、その動作範囲の上端で動作することになる。アフターバーナの温度が上昇する結果、ＳＯＦＣスタックへ供給される空気が急速に加熱され、燃料処理装置も加熱される。燃料処理装置が吸熱蒸気改質反応を支持するのに十分な温度に到達すると、炭化水素は水素及び一酸化炭素に変換される。これらの水素及び一酸化炭素が、ＳＯＦＣにおいて利用される燃料種である。ＳＯＦＣが動作温度まで加熱されると、アフターバーナへ到達する燃料の量が減少してアフターバーナの温度を低下させるので、スタックへ供給される空気及び燃料の温度が低下する。
【００２０】
始動時のようにスタックが電力を発生しない時点には、燃料電池スタックを（従って、その熱統合の故にシステム全体を）動作温度まで上昇させる唯一の、または主たる熱源はアフターバーナ（１２）である。しかしながら、低温の始動からより速く暖機するために、または１つの動作温度から別の動作温度までより速く変化させるために、付加的なシステムバーナを付加することができる。正常な連続動作中には、アフターバーナは水素、一酸化炭素、及び燃料電池によって消費されなかった炭化水素燃料を消費する。この実施の形態においては、加熱、スタンバイ、及び正常動作中に、アフターバーナ（１２）へ供給される混合体は燃料電池スタックからの排気である。燃料処理装置（４２）及びスタックが燃料を改質できる温度範囲内にある場合（正常動作中のように）には、燃料内に見出される主要な燃料種（アフターバーナへの陽極排気）は水素及び一酸化炭素、並びに少量の生燃料（例えば、メタン）である。低温始動時に天然ガス（または、他の生燃料）と空気との混合体を燃焼させ得るようにしながら、この混合体のためにバーナ（１４）を最適化することが可能である。
【００２１】
燃料電池において電気を生成するための電気化学的反応の副産物として燃料処理装置（４２）内に形成される水素及び一酸化炭素は、水及びＣＯ₂に変換される。水は、それが燃料電池スタックから排出される時には高温であるために水蒸気の形状であり、過熱蒸気としてアフターバーナ（１２）を通過する。アフターバーナ（１２）において全燃料種が実質的に完全に酸化され、水蒸気、二酸化炭素、及び窒素、並びに通常は過剰酸素だけを含む高温排気の流れが発生する。アフターバーナへ供給されるガス（陽極及び陰極スタック排気の混合）を化学量論まで希薄にした燃料とし、酸化されなかった燃料がシステムから出て行く可能性を低下させることが好ましい。アフターバーナ内の燃焼反応のための典型的な空気化学量論は約1.0乃至約3.0である。燃焼後のアフターバーナ燃焼産物は、統合モジュール（１０）内の高温熱交換器（２４）、及び統合モジュール外に位置する低温熱交換器に曝され、燃焼産物はそれらの熱の実質的な部分を到来する燃料及び空気の流れに与えた後に大気へ、または別の熱回収システムへ排出される。燃料の流れに関して言えば、燃料／水入口（４６）を通って予備改質器（４２）内へ進入する前に、予熱された炭化水素燃料ガス内へ水が注入される。別の実施の形態においては、統合モジュール（１０）の燃料処理装置部分を通過する炭化水素／水混合体に空気または酸素を追加して、燃料処理装置内の炭化水素の部分酸化によって自己熱改質を実現することもできる。熱がアフターバーナ（２０）から供給されると、炭化水素燃料／水混合体は燃料処理装置（４２）内で反応し、到来するガスを、水素及び一酸化炭素が濃縮されている流れに変換する。通常、これは、炭化水素／水混合体が加熱されて固体炭素が形成されないように、蒸気対炭素比を1.3：１乃至3.0：1.0で用いて行われる。蒸気改質による変換の後、熱いガス組成は、ガス温度及び関連熱力学的ガス平衡によって支配される。
【００２２】
もし燃料として炭化水素の代わりに純粋な水素が使用可能であれば、触媒を除去するだけで、燃料処理装置を水素予熱器に変換することができる。これらの水素システムでも、水、または空気を燃料の流れに付加する要求は除かれそうになく、必ずしも除く必要もなかろう。
【００２３】
当業者には明白なように、本発明の範囲から逸脱することなく以上の説明に種々の変更、適応、及び変化を考案することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のプロセスの概要図である。
【図２】 本発明の装置の概要図である。
【図３】 アフターバーナ及び熱交換器を示す図である。
【図３Ａ】 バーナアセンブリを示す図である。
【図４】 燃料処理装置を示す図である。
【図５】 外側シェルによって完成された統合モジュールを示す図である。
【図６】 装置の底面図である。

Claims (10)

1. 燃料取入口、空気取入口、陰極排気口、及び陽極排気口を有する燃料電池を含み、アフターバーナ、燃料処理装置、及び熱交換器を含む統合モジュールからなるＳＯＦＣシステムであって、
   （ａ）上記アフターバーナは、上記陽極排気口に、または上記陽極及び陰極排気口に接続されている取入口と、イグナイタとを備え、
   （ｂ）上記熱交換器は、空気供給源に接続されている取入口と、上記ＳＯＦＣの空気取入口に接続されている排気口とを備え、上記熱交換器は、上記アフターバーナに熱的に結合されており、
   （ｃ）上記燃料処理装置は、燃料／水供給源に接続されている取入口と、燃料改質用触媒と、上記ＳＯＦＣの燃料取入口に接続されている排気口とを備え、上記燃料処理装置は、上記熱交換器及び／または上記アフターバーナに熱的に結合されており、
   （ｄ）上記統合モジュールは、上記燃料電池から分離された別個のハウジングを備え、該ハウジングの中に、上記アフターバーナ、燃料処理装置、及び熱交換器が完全に含まれており、上記アフターバーナは中央の細長い、実質的に円筒形の管からなり、上記熱交換器は上記アフターバーナを取巻き、そして上記燃料処理装置は上記熱交換器を取巻いている
   ことを特徴とするＳＯＦＣシステム。
2. 上記熱交換器取入口から上記熱交換器排気口までの曲がった経路に沿って空気を導くためのバッフルを上記熱交換器内に更に備えていることを特徴とする請求項１に記載のＳＯＦＣシステム。
3. 上記バッフルは、上記アフターバーナを取巻いている傾斜した面からなることを特徴とする請求項２に記載のＳＯＦＣシステム。
4. 上記熱交換器から上記燃料処理装置内へ突出ている複数の熱フィンを更に備えていることを特徴とする請求項１に記載のＳＯＦＣシステム。
5. 上記アフターバーナの排気を受入れて、上記統合モジュールへ進入する空気及び／または燃料／水を予熱する低温熱交換器を更に備えていることを特徴とする請求項１に記載のＳＯＦＣシステム。
6. 取入れ燃料／水の流れ、取入れ空気の流れ、陰極排気の流れ、及び陽極排気の流れを有するＳＯＦＣと共に使用するための統合モジュールであって、
   （ａ）上記ＳＯＦＣからの上記陽極排気の流れ、または上記陽極及び陰極排気の流れを受入れる入口と、
   （ｂ）上記排気の流れと流体的に通じていて、イグナイタ及び排気口を備えている燃焼室と、
   （ｃ）上記燃焼室に関連付けられ、上記燃焼室からの熱を上記ＳＯＦＣの上記取入れ空気の流れへ伝達する熱交換器と、
   （ｄ）上記燃焼室及び／または上記熱交換器に関連付けられ、改質用触媒を備えている燃料処理装置と、
   を備え、
   上記取入れ燃料の流れは先ず水または蒸気と混合され、次いで加熱されて上記燃料処理装置内の上記触媒上を通過し、上記ＳＯＦＣへ進入する前に上記燃料内の水素が濃縮され、
   上記燃焼室、燃料処理装置、及び熱交換器は、上記燃料電池から分離された別個のハウジングの中に完全に含まれており、上記燃焼室は細長い円筒であり、上記熱交換器は上記燃焼室を同心状に取巻いており、上記燃料処理装置は、上記熱交換器を同心状に取巻いている
   ことを特徴とする統合モジュール。
7. 上記燃料処理装置は、上記熱交換器から上記燃料処理装置内へ突出ている複数の熱フィンと、流体が上記燃料処理装置を通って流れることを許容しつつ上記触媒を保持する有孔バッフルブロックとを備えていることを特徴とする請求項６に記載の統合モジュール。
8. 円筒形のアフターバーナと、熱交換器と、燃料処理装置とを備える統合モジュールであって、上記熱交換器が上記アフターバーナを同心状に取巻き、上記燃料処理装置が上記熱交換器を同心状に取巻いているような統合モジュールを使用してＳＯＦＣの排気からエネルギを抽出する方法であって、
   （ａ）上記排気の流れからの使用されなかった燃料を燃焼させて熱を発生させるステップと、
   （ｂ）上記ステップ（ａ）において発生させた熱を使用し、上記ＳＯＦＣ内への取入れ空気の流れを予熱するステップと、
   （ｃ）上記ステップ（ａ）において発生させた熱を使用し、改質用触媒及び流れが存在する中で上記取入れ燃料の流れを加熱して上記燃料の流れの中の水素を濃縮させるステップと、
   を含むことを特徴とする方法。
9. 上記アフターバーナは、上記ＳＯＦＣの陰極及び陽極の両排気口からの排気を受けることを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 燃料取入口、空気取入口、陰極排気口、及び陽極排気口を有する燃料電池を含み、アフターバーナ、燃料処理装置、及び熱交換器を備えている統合モジュールからなるＳＯＦＣシステムであって、
    （ａ）上記アフターバーナは、中央の細長い、実質的に円筒形の管と、上記管の一方の端において上記陽極排気口及び陰極排気口に接続されている取入口と、イグナイタとを備え、
    （ｂ）上記熱交換器は、上記アフターバーナを取巻き且つ空気供給源に接続されている取入口と、上記ＳＯＦＣの空気取入口に接続されている排気とを備え、
    （ｃ）上記燃料処理装置は、上記熱交換器を取巻き且つ燃料供給源／水に接続されている取入口と、燃料改質用触媒と、上記ＳＯＦＣの燃料取入口に接続されている排気口とを備えている、
    ことを特徴とするＳＯＦＣシステム。

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