JP5147301B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

近年、地球規模で環境問題、エネルギー問題が大きな課題となっているが、その解決に貢献し得る有力な発電システムとして、燃料電池システムが注目されている。この燃料電池システムは、燃料ガス及び酸化剤ガスの電気化学反応により発電を行う燃料電池、燃料改質器、燃料ガス熱交換器及び酸化剤ガス熱交換器等をケーシングに収容して構成される燃料電池モジュールと、燃料電池における発電反応により発生し、ケーシングから導かれた高温排ガスから熱エネルギーを回収する熱交換器等とを備えて構成されている（例えば、特許文献１等参照）。

また、このような燃料電池システムにおいては、燃料ガス及び酸化剤ガスは、ポンプにより昇圧されて燃料電池に供給され、或いは、燃料ガスや酸化剤ガスが収納された高圧のガスボンベから燃料電池に供給されている。
特開２００７−８０７６１号公報

しかしながら、従来の燃料電池システムにおいては、ポンプにより昇圧された燃料ガスや酸化剤ガスが燃料電池に供給されるため、或いは、高圧の燃料ガスボンベや酸化剤ガスボンベから燃料ガスや酸化剤ガスが燃料電池に供給されるため、燃料電池を収容するケーシング内部は、ケーシング外と比べて高圧の状態となっている。そのため、燃料電池において発生した電流をケーシング外部に取り出すためにケーシングに形成された電流線取出口や、燃料電池の作動を監視するための各種センサーの計測配線等をケーシング外部に取り出すためにケーシングに形成された配線取出口から、高温排ガスが漏洩するおそれがあった。電流線取出口や配線取出口をシール材によりシールしたとしても、電流線取出口や配線取出口からの高温排ガスの漏洩を抑制することは難しく、高温排ガスがケーシングから漏洩した場合、熱交換器に導かれる高温排ガスの流量が減少する。この結果、熱交換器において効率よく熱エネルギーを回収することが困難になり、燃料電池システムのエネルギー効率が低下することとなる。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであって、エネルギー効率の高い燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明の上記目的は、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されることにより発電すると共に排ガスを生成する燃料電池と、前記燃料電池が収容されるケーシングと、前記燃料電池において生成され、前記ケーシングから導かれる排ガスから熱エネルギーを回収する熱交換器とを備える燃料電池システムであって、前記ケーシングの内部を吸引して前記熱交換器に排ガスを導く吸引装置を備える燃料電池システムにより達成される。

また、この燃料電池システムにおいて、前記吸引装置は、前記熱交換器を介して前記ケーシングの内部を吸引することが好ましい。

また、前記吸引装置は、前記ケーシング内部の圧力と前記ケーシング外部の圧力とが等しくなるように吸引流量が制御されていることが好ましい。

また、前記燃料電池に供給される燃料ガスの流量を計測する燃料ガス流量計と、前記燃料電池に供給される酸化剤ガスの流量を計測する酸化剤ガス流量計と、前記吸引装置により吸引される排ガスの吸引流量を計測する排ガス流量計とを更に備えており、前記排ガス流量計により計測された実測吸引流量値が、前記燃料ガス流量計及び前記酸化剤ガス流量計によりそれぞれ計測される実測燃料ガス流量値及び実測酸化剤ガス流量値に基づいて演算により求めた発電後の演算排ガス流量値と等しくなるように、前記吸引装置の吸引流量が制御されていることが好ましい。

また、前記燃料電池の発電により発生する電気出力値と、該電気出力値に対応する前記燃料電池の排ガス生成量との関係を、複数の電気出力値に対して予め求めたデータベースと、前記燃料電池の発電により発生する電気出力値を計測する出力計とを更に備えており、前記出力計により計測した電気出力値に対応する前記データベース中の排ガス生成量と、前記吸引装置により吸引される排ガスの吸引流量とが等しくなるように、前記吸引装置の吸引流量が制御されていることが好ましい。

本発明によれば、エネルギー効率の高い燃料電池システムを提供することができる。

以下、本発明に係る燃料電池システムについて添付図面を参照して説明する。図１は、室内空間９に設置された本発明の一実施形態に係る燃料電池システム１の概略構成図である。図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池モジュール２、燃料ガス供給部３、酸化剤ガス供給部４、熱交換器５、及び、吸引装置６を備えている。燃料電池モジュール２は、内部に燃料電池２１を備えている。

燃料ガス供給部３は、都市ガスやメタン、プロパン、水素等の燃料ガスを昇圧して燃料電池２１に供給する装置であり、燃料ガスを昇圧する燃料ガス用ポンプ３１と、燃料ガスが通過する燃料ガス配管３２とを備えている。

酸化剤ガス供給部４は、空気や酸素等の酸化剤ガスを昇圧して燃料電池２１に供給する装置であり、酸化剤ガスを昇圧する酸化剤ガス用ポンプ４１と、酸化剤ガスが通過する酸化剤ガス配管４２とを備えている。

燃料電池モジュール２は、燃料電池２１と、当該燃料電池２１を内部に収容する密閉状のケーシング２２とを備えている。燃料電池２１は、燃料ガス配管３２及び酸化剤ガス配管４２と接続しており、燃料ガス供給部３から供給される燃料ガスと、酸化剤ガス供給部４から供給される酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行う装置である。燃料電池２１は、いわゆる固体酸化物型の燃料電池２１であり、その構造は、図２に示すように、酸化物イオン導電体から成る固体電解質層２４を両側から燃料極層（アノード）２５と空気極層（カソード）２６とで挟み込んだ発電セル２３を、セパレータ２７を介して複数積層してスタック化した積層構造を有する。セパレータ２７は、発電セル２３の空気極層２６に酸化剤ガスを供給し、燃料極層２５に燃料ガスを供給する機能を有しており、例えば、一方面（空気極層２６との接合面）に酸化剤ガスが通過可能な流路（図示せず）が形成されると共に、他方面（燃料極層２５の接合面）に燃料ガスが通過可能な流路（図示せず）が形成されて構成されている。

発電時においては、燃料極層２５側に燃料ガスが供給され、空気極層２６側に酸化剤ガスが供給される。燃料極層２５及び空気極層２６は、供給された燃料ガス及び酸化剤ガスがそれぞれ固体電解質層２４との界面に到達することができるよう、いずれも多孔質の層とされている。

空気極層２６側に供給された酸化剤ガス（酸素）は、空気極層２６内の気孔を通って固体電解質層２４との界面近傍に到達し、この部分で空気極層２６から電子を受け取って酸化物イオン（Ｏ^２−）にイオン化される。この酸化物イオンは、燃料極層２５に向かって固体電解質層２４内を拡散移動し、燃料極層２５との界面近傍に到達した酸化物イオンはこの部分で燃料ガスと反応して、燃料極層２５に電子を放出すると共に、高温排ガス（Ｈ_２Ｏ、ＣＯ_２等）が生成される。電極反応で生じた電子は、起電力として電流線２８ａを介して外部に取り出される。生成された高温排ガスは、ケーシング２２内に放出される。

ケーシング２２は、内部に配置される燃料電池２１において生成される高温排ガスが室内空間９に放出されることを防止するために全体的に気密となるように形成されている。但し、燃料電池２１における電池反応により発生した電流を外部に取り出すための電流線２８ａが挿通する電流線取出口２８ｂや、燃料電池２１の作動を監視するための電圧計側線及び熱電対等の計測配線２９ａを外部に取り出すための配線取出口２９ｂを備えている。電流線取出口２８ｂや配線取出口２９ｂは、電流線２８ａや計測配線２９ａ等を挿通させた状態において、高温排ガスが漏洩することを抑制するためにシール材（図示せず）によりシールされている。

また、燃料電池モジュール２は、上述した燃料電池２１の他に、燃料ガスを水蒸気改質するための燃料改質器や、燃料電池２１から排出される高温排ガスとの間で熱交換を行い燃料電池２１に供給される燃料ガスを予熱する燃料ガス熱交換器、燃料電池２１から排出される高温排ガスとの間で熱交換を行い燃料電池２１に供給される酸化剤ガスを予熱する酸化剤ガス熱交換器等をケーシング２２の内部に備えるように構成してもよい（いずれも図示せず）。なお、燃料電池２１としては、固体酸化物型の燃料電池の他に、リン酸型、溶融炭酸塩型、高分子電解質型等の種々の燃料電池を採用することが可能である。

熱交換器５は、燃料電池２１における発電反応により発生し、ケーシング２２から排出される高温排ガスから熱エネルギーを回収する装置であり、高温排ガス配管５１を介してケーシング２２と接続している。この熱交換器５は、ケーシング２２から導かれた高温排ガスと、熱交換器５内に配設された管路５２内を通過する水との間で熱交換を行い、温水を生成することにより、熱エネルギーを回収できるように構成されている。なお、熱交換器５としては、上述のように温水を生成することにより高温排ガスの熱エネルギーを回収するタイプの他、熱交換器５内部の管路５２内に空気等の気体を通過させ、高温排ガスと空気等の気体との間で熱交換を行い高温排ガスの熱エネルギーを回収するタイプのものを採用することもできる。

吸引装置６は、室内空間９を構成する壁９１等に設けられた排ガス排出口９２と熱交換器５とを接続する排ガス配管５４の途中に設けられており、熱交換器５の内部空間５３及び高温排ガス配管５１を介して、燃料電池モジュール２のケーシング２２内の高温排ガスを吸引して熱交換器５に高温排ガスを導くと共に、室内空間９の外部に排ガスを排出できるように構成されている。この吸引装置６として、例えば、排気ファンや吸引ポンプ等を例示することができる。

このように構成された燃料電池システム１の作動について、以下説明する。まず、燃料ガス用ポンプ３１及び酸化剤ガス用ポンプ４１を駆動し、燃料ガス配管３２及び酸化剤ガス配管４２を介して燃料電池２１に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給する。燃料電池２１においては、導かれた燃料ガス及び酸化剤ガスの電気化学反応により電気エネルギーが生成される。生成された電気エネルギーは、電流線２８ａを介して外部に取り出される。

電気化学反応における電気エネルギーの生成に伴い、燃料電池２１において高温排ガスが生成され、ケーシング２２内に放出される。ケーシング２２内に放出された高温排ガスは、吸引装置６の吸引作用により高温排ガス配管５１を介して熱交換器５内に導かれ、当該熱交換器５において、熱交換器５の内部の管路５２内を通過する水との間で熱交換を行い、水を加熱する。水との熱交換により熱エネルギーが奪われ温度が低下した排ガスは、排ガス排出口９２から室内空間９の外部に排出される。

ここで、燃料電池２１における電池反応により発生しケーシング２２内に放出される高温排ガスは吸引装置６の作用により吸引されるので、ケーシング２２の内部圧力は低下し、ケーシング２２内外の圧力差を低減させることが可能になる。これにより、電流線取出口２８ｂや配線取出口２９ｂを介して、ケーシング２２の内部から高温排ガスがケーシング２２の外部に漏洩することを効果的に抑制することができる。この結果、熱交換器５に導かれる高温排ガスの流量が減少することを抑制して、熱交換器５において効率よく高温排ガスから熱エネルギーを回収することが可能になり、燃料電池システム１のエネルギー効率を向上させることができる。

また、ケーシング２２の内部の圧力を低下させることができる結果、燃料ガス用ポンプ３１及び酸化剤ガス用ポンプ４１による昇圧後の燃料ガス及び酸化剤ガスの供給圧力値を下げることが可能になる。この結果、燃料ガス用ポンプ３１及び酸化剤ガス用ポンプ４１を駆動させるために必要な消費電力を低減させることが可能になり、燃料電池システム１全体としてのエネルギー効率を高めることが可能になる。また、低い供給圧力により燃料ガス及び酸化剤ガスを燃料電池２１に供給できるようになる結果、燃料ガス用ポンプ３１及び酸化剤ガス用ポンプ４１として、容量が小さい小型のポンプを採用することができ、適用機器選定範囲も拡大されるので、燃料電池システム１の製作コストを低減することが可能になる。更に、ケーシング２２内の圧力を低下させることができる結果、シール性能の低い安価なシール材を用いて、ケーシング２２における隙間をシールしたり、電流線取出口２８ｂや配線取出口２９ｂをシールしたとしても、高温排ガスがケーシング２２の外部に漏洩することを効果的に抑制することができるので、シール材に要するコストを低減することもできる。

また、ケーシング２２の内部圧力をケーシング２２も外部圧力と等しくなるように吸引装置６の吸引流量を制御することにより、ケーシング２２に形成された電流線取出口２８ｂや配線取出口２９ｂから高温排ガスが漏洩することを確実に防止することができ、燃料電池システム１のエネルギー効率をより一層高めることができる。

ケーシング２２の内部の圧力をケーシング２２の外部の圧力と等しくなるように吸引装置６の吸引流量を制御する方法としては、例えば、以下に示すような種々の方法がある。第１の方法として、ケーシング２２の内部の圧力およびケーシング２２の外部の圧力を計測する圧力計をそれぞれ設置し、両者の圧力計における計測値が等しくなるように吸引装置６の吸引流量を制御することにより行うことができる。なお、吸引装置６として排気ファンを採用する場合には、ファン回転数を制御することにより吸引流量を調整することができる。

第２の方法として、燃料ガス配管３２、酸化剤ガス配管４２、及び、熱交換器５と排ガス排出口９２とを接続する排ガス配管５４に、燃料ガス流量計、酸化剤ガス流量計、及び排ガス流量計をそれぞれ設け、燃料ガス流量計及び酸化剤ガス流量計により計測した実測燃料ガス流量値及び実測酸化剤ガス流量値に基づいて、演算により燃料電池２１における発電後（電気化学反応後）の演算排ガス流量値を求め、当該演算排ガス流量値と、排ガス流量計において実際に計測される実測排ガス流量値とが等しくなるように吸引装置６の吸引流量を制御することにより行うことができる。

第３の方法として、燃料電池２１の発電によって発生する電気出力値（例えば、電圧）に対応する燃料ガス流量値、酸化剤ガス流量値、及び、燃料電池２１の排ガス生成量の関係を、複数の電気出力値に対して予め求めてデータベース化すると共に、燃料電池２１において発生する電気出力値を計測する出力計を設けて、吸引装置６により吸引される高温排ガスの吸引流量が、出力計において計測した電気出力値に対応するデータベース中の排ガス生成量と等しくなるように、吸引装置６の吸引流量を制御することにより行うことができる。吸引装置６による吸引流量は、熱交換器５と排ガス排出口９２とを接続する排ガス配管５４に流量計を設置してこの流量計の計測値をモニターすることにより調整することができる。また、吸引装置６として排気ファンを採用する場合には、排気ファンのファン回転数と吸引流量との関係を予め求めたデータベースに基づいて、排気ファンのファン回転数を決定し、吸引流量を調整することもできる。

以上、本発明に係る燃料電池システム１の一実施形態について説明したが、本発明の具体的な構成は、上記実施形態に限定されない。例えば、上記実施形態では、熱交換器５と排ガス排出口９２との間を接続する排ガス配管５４の途中に吸引装置６を配置し、熱交換器５の内部空間５３を介してケーシング２２内の高温排ガスを吸引するように構成されているが、熱交換器５とケーシング２２とを接続する高温排ガス配管５１の途中に吸引装置６を配置するように構成することもできる。このような構成であっても、ケーシング２２内における高温排ガスを吸引してケーシング２２内の圧力を低下させて、ケーシング２２内外における圧力差を低減することができ、ケーシング２２における電流線取出口２８ｂや配線取出口２９ｂから高温排ガスがケーシング２２の外部に漏洩することを抑制することが可能になる。

また、上記実施形態において、ケーシング２２の内部の圧力が負圧（大気圧よりも圧力が低い状態）となるように、吸引装置６による高温排ガスの吸引流量を制御するように構成してもよい。このような構成を採用することにより、燃料ガス用ポンプ３１や酸化剤ガス用ポンプ４１を省略したとしても、多孔質の燃料極層２５および空気極層２６を介して燃料ガス配管３２及び酸化剤ガス配管４２から、燃料ガス及び酸化剤ガスを燃料極層２５及び空気極層２６にそれぞれ導くことが可能になる。この結果、燃料ガス用ポンプ３１及び酸化剤ガス用ポンプ４１を駆動するのに要する消費電力を削減でき燃料電池システム１のエネルギー効率を高めることが可能になると共に、燃料電池システム１のコンパクト化を図ることができる。なお、このような構成を採用する場合、燃料ガス配管３２及び酸化剤ガス配管４２にマスフローコントローラーや弁等の流量調整手段を設け、燃料ガス及び酸化剤ガスの燃料電池２１への供給流量を調整することが好ましい。

本発明の一実施形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図である。 図１に示す燃料電池システムが備える燃料電池の構成を示す概略構成図である。

符号の説明

１ 燃料電池システム
２ 燃料電池モジュール
２１ 燃料電池
２２ ケーシング
２３ 発電セル
２４ 固体電解質層
２５ 燃料極層
２６ 空気極層
２７ セパレータ
２８ａ 電流線
２８ｂ 電流線取出口
２９ａ 計測配線
２９ｂ 配線取出口
５ 熱交換器
６ 吸引装置

Claims (2)

1. 燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されることにより発電すると共に排ガスを生成する燃料電池と、
   前記燃料電池が収容されるケーシングと、
   前記燃料電池において生成され、前記ケーシングから導かれる排ガスから熱エネルギーを回収する熱交換器と、
   前記ケーシングの内部を吸引して前記熱交換器に排ガスを導く吸引装置と、
   前記燃料電池に供給される燃料ガスの流量を計測する燃料ガス流量計と、
   前記燃料電池に供給される酸化剤ガスの流量を計測する酸化剤ガス流量計と、
   前記吸引装置により吸引される排ガスの吸引流量を計測する排ガス流量計とを備え、
   前記吸引装置は、前記熱交換器を介して前記ケーシングの内部を吸引し、
   前記排ガス流量計により計測された実測吸引流量値が、前記燃料ガス流量計及び前記酸化剤ガス流量計によりそれぞれ計測される実測燃料ガス流量値及び実測酸化剤ガス流量値に基づいて演算により求めた発電後の演算排ガス流量値と等しくなるように、前記吸引装置の吸引流量が制御されることで、前記ケーシング内部の圧力と前記ケーシング外部の圧力とを等しくさせる燃料電池システム。
2. 燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されることにより発電すると共に排ガスを生成する燃料電池と、
   前記燃料電池が収容されるケーシングと、
   前記燃料電池において生成され、前記ケーシングから導かれる排ガスから熱エネルギーを回収する熱交換器と、
   前記ケーシングの内部を吸引して前記熱交換器に排ガスを導く吸引装置と、
   前記燃料電池の発電により発生する電気出力値と、該電気出力値に対応する前記燃料電池の排ガス生成量との関係を、複数の電気出力値に対して予め求めたデータベースと、
   前記燃料電池の発電により発生する電気出力値を計測する出力計とを備え、
   前記吸引装置は、前記熱交換器を介して前記ケーシングの内部を吸引し、
   前記出力計により計測した電気出力値に対応する前記データベース中の排ガス生成量と、前記吸引装置により吸引される排ガスの吸引流量とが等しくなるように、前記吸引装置の吸引流量が制御されることで、前記ケーシング内部の圧力と前記ケーシング外部の圧力とを等しくさせる燃料電池システム。

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