JP5410840B2

JP5410840B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP5410840B2
Application number: JP2009130110A
Authority: JP
Inventors: 仁貴渡部
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2009-05-29
Filing date: 2009-05-29
Publication date: 2014-02-05
Anticipated expiration: 2029-05-29
Also published as: JP2010277876A

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池等の燃料電池を備えた固体酸化物形燃料電池システムに関するものである。

従来より、固体酸化物からなる平板状の電解質層と、この電解質層の表裏面にそれぞれ形成した空気極および燃料極とで単セルを形成し、燃料極と空気極とに燃料ガスと酸化剤ガスとをそれぞれ供給して酸化還元反応を行わせることにより、水の電気分解の逆の反応を利用して発電する固体酸化物形燃料電池（Solid Oxide Fuel Cells:SOFC)が知られている。固体酸化物形燃料電池は、他の燃料電池より高い電気変換効率・出力密度を有するため、分散電源として積極的に開発が進められている。

単セルを実際に燃料電池として動作させる際には、実用上十分な発電量を得るために単セルを積層（スタック化）して直列接続し、燃料極側を還元雰囲気に、空気極側を酸化雰囲気に保つとともに、十分な発電効率を得るために電解質のイオン伝導性を確保して容易に電気化学反応が起こる６５０−１０００℃程度の高温に燃料電池本体を保つ必要がある。これを実現するために、互いに異なる雰囲気に晒される燃料極と空気極間をガス不透過でかつ電気伝導性のある部品で電気的に接続し、各電極にそれぞれ燃料ガスと酸化剤ガスを適正に分配および供給する目的で、各単セル間に金属で作られたインターコネクタ（セパレータ）が配置される。また、単セルとインターコネクタとの間には、これらの電気的な接続を確実にするために金属からなる集電部材が配設されている。単セルと、この単セルを収容するインターコネクタと、単セルとインターコネクタとの間に配設される集電部材とを備えた単スタックを積層し、当該インターコネクタを介してマニホールドから供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスを各単セルに供給し、上端と下端のインターコネクタを端子として負荷回路に接続すると、所定の電圧レベルの電力を生成することができる。

このような単スタックを積層した固体酸化物形燃料電池（以下、「セルスタック」という）は、通常、燃料ガスや酸化剤ガスをセルスタックに供給する供給部、セルスタックを通過した反応生成ガスや未反応ガス（以下、「オフガス」という）を使用するオフガス使用部などとともに、固体酸化物形燃料電池システムを構成する。固体酸化物形燃料電池システムの１構成例を図１に示す。

図１に示す固体酸化物形燃料電池システム１０は、原料ガスと水（水蒸気）から水素リッチな燃料ガスを生成する改質器２と、この改質器２により生成された燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行う固体酸化物形燃料電池のセルスタック３と、このセルスタック３からのオフガスを燃焼させて熱エネルギーを取り出すことにより燃料リサイクルを行う燃焼器４０とを備えている。この固体酸化物形燃料電池システム１０において、セルスタック１で生成される電力の開回路電位Ｖは、水素燃料の場合、気体定数をＲ、温度をＴ、ファラディー定数をＦとすると、下式（１）により導かれる（例えば、非特許文献１参照。）。

上式（１）の右辺において、第１項は水素の自由エネルギーを由来とする理論電圧Ｖ₀であり、第２項は酸素分圧比で発生する電位である。発電時において、第２項は、水素燃料が消費されるために燃料分圧ｐ_H2が小さくなる。このとき、十分な量の燃料ガスをセルスタック３に供給していないと、酸素分圧比が極めて小さくなるので、これに伴って電圧も小さくなってしまう。したがって、通常、燃料ガスは、使い切れないほどの量がセルスタック３に供給されている。

燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給されたセルスタック３から排出されるオフガスは、燃焼器４０に導かれる。単セルの燃料極側から排出されるオフガス（以下、「燃料オフガス」という）には、未反応燃料が含まれているので、燃料の有効利用の観点から燃焼器４０の燃料として用いられている。この燃焼器４０により生成される熱エネルギーは、例えば、セルスタック３が大規模であって発電時に生じるジュール熱が十分でない場合に熱自立させるの用いられたり、天然ガスや都市ガスの主成分であるメタンの下式（２）に示すような改質反応を効率よく行わせるのに、改質器２を高温に保持するために用いられたりしている。

ＣＨ₄＋Ｈ₂Ｏ→３Ｈ₂＋ＣＯ・・・（２）

このように、燃焼器４０は、固体酸化物形燃料電池システム１０の他の構成要素で用いられる熱エネルギーを生成するために設けられているので、放熱による熱損失をできるだけ小さくする必要がある。そこで、通常、燃焼器４０は、固体酸化物形燃料電池システム内でも高温なセルスタック３近辺に配置されている。このため、燃焼器４０は、耐熱性に優れた部材から構成され、この部材の耐熱温度を超えないように運転される必要がある。これを実現するには、例えば、熱電対などの温度モニターや燃料オフガスの大量流入を防ぐバルブ等を設け、燃焼器４０の温度を計測しながら燃焼器４０への燃料オフガスの流量を制御することが想定される。

上松宏好、「燃料電池発電システムと熱計算」、第１版、株式会社オーム社、２００４年１１月１０日、ｐ．５２，５３

しかしながら、高温環境下で用いることができる熱電対やこの熱電対を用いた流量制御器はいずれも高価であるので、低コスト化を実現することが困難であった。また、燃料オフガスの大量流入を防ぐバルブについては、それを高温環境下に設置しなければならず、この実現が困難であった。

そこで、本願発明は、低コストで容易に燃焼器の温度を制御することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

上述したような課題を解決するために、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、この燃料電池からのオフガスを燃焼させる燃焼器とを備えた燃料電池システムであって、燃焼器は、燃焼させるオフガスの量を制御する流体素子を備えることを特徴とするものである。

上記燃料電池システムにおいて、流体素子は、１の方向に向かってオフガスを供給するオフガス供給管と、１の方向に対して直交し、かつ、燃焼側に向かって酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給管とを備えるようにしてもよい。

上記燃料電池システムにおいて、オフガス供給管と対向配置されたオフガス排気管と、このオフガス排気管の出力端に接続されたリサイクルブロアとをさらに備えるようにしてもよい。

上記燃料電池システムにおいて、燃料電池は、固体酸化物形燃料電池からなるようにしてもよい。

本発明によれば、燃焼させるオフガスの量を制御する流体素子を設けることにより、高価な熱電対や流量制御器を設けたり、設置が困難な燃料オフガスの大量流入を防ぐためのバルブを設けなくてよいので、結果として、低コストで容易に燃焼器の温度を制御することができる。

図１は、本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの構成を模式的に示す図である。図２は、本発明の実施の形態に係る燃料電池システムにおける燃焼器の構成を模式的に示す図である。図３は、本発明の実施の形態に係る燃料電池システムにおける燃焼器内部のオフガスの流れを説明するための図である。図４は、本発明の実施の形態に係る燃料電池システムにおける燃焼器内部のオフガスの流れを説明するための図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態に係る固体酸化物形燃料電池システムについて説明する。なお、本実施の形態は、図１を参照して背景技術の欄で説明した固体酸化物形燃料電池システムと燃焼器４０の構成が相違するものである。したがって、本実施の形態において、背景技術の欄で説明した固体酸化物形燃料電池システムと同等の構成要素については同じ名称および符号を付し、適宜説明を省略する。

図１に示すように、本実施の形態に係る固体酸化物形燃料電池システム１は、原料ガスと水（水蒸気）から水素リッチな燃料ガスを生成する改質器２と、この改質器２により生成された燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行う固体酸化物形燃料電池のセルスタック３と、このセルスタック３からのオフガスを燃焼させて熱エネルギーを取り出すことにより燃料リサイクルを行う燃焼器４とを備えている。

燃焼器４は、図２に示すように、筐体からなる燃焼室４１と、一端がセルスタック３の燃料極側の排気管に接続され、他端が燃焼室４１内部に配設された燃料オフガス給気管４２と、一端が燃焼室４１内部で燃料オフガス給気管４２の他端と所定距離離間して対向配置され、他端が燃焼室４１外部に導出され排気装置や他の燃料リサイクル装置に接続された燃料排気管４３と、一端がセルスタック３の空気極側の排気管に接続され、他端が、その軸線が燃料オフガス給気管４２の軸線に対して直交し、かつ、燃料オフガス給気管４２の他端と燃料排気管４３の一端との間の領域（以下、「干渉領域」という）に向かって開口するように燃焼室４１内部に配設された酸化剤オフガス給気管４４と、一端が燃焼室４１内部の燃焼領域および干渉領域から離れた位置に配設され、他端が燃焼室４１外部に導出され改質器２やセルスタック３を高温保持するための機構に接続された酸化剤排気管４５とを備えている。このような燃焼器４において、燃焼反応は、酸化剤オフガス給気管４４の他端と対向し、かつ、干渉領域よりも酸化剤オフガス給気管４４から離れた領域（以下、「燃焼領域」という）で行われる。

ここで、燃料オフガス給気管４２、燃料排気管４３および酸化剤オフガス給気管４４は、燃焼室４１内部の燃料オフガスの流れを制御する流体素子として機能する。上述したように、燃料オフガス給気管４２と酸化剤オフガス給気管４４とは、燃料オフガスの流れ方向と酸化剤オフガスの流れ方向とが直交するように配設されている。これにより、干渉領域において、燃料オフガスには、その流れに対して垂直な方向から酸化剤オフガスが吹き付けられるので、燃焼領域の方に押し流されることとなる。この押し流される量は、燃料オフガスの流量に依存する。例えば、燃料オフガスの流量が小さい場合、燃料オフガスの殆どは、酸化剤オフガスの流れに引きずられて、干渉領域から燃焼領域に向かって流れていく。一方、燃料オフガスの流量が大きい場合、燃料オフガスの殆どは酸化剤オフガスの流れに引きずられずに燃料排気管４３に向かって流れ、その一部だけが酸化剤オフガスの流れに引きずられて燃焼領域に向かって流れていく。このように、燃料オフガスは、その流れ方向が、酸化剤オフガスの流量に対する相対的な流量に応じて変化し、燃焼領域に向かって押し流される流量が、酸化剤オフガスの流量に対する相対的な流量に依存する。したがって、燃焼領域に向かって流れる燃料オフガスの流量が所定の値以下となるよう設定することにより、燃焼器４で生成される熱エネルギーを所定の値以下にすることができ、耐熱温度を超えないように燃焼器４を運転することができる。

なお、燃料オフガス給気管４２は、燃料オフガスの流量が小さいときには酸化剤ガスの流れに引きずられるよう、燃料オフガスの流量が大きいときには酸化剤ガスの流れに引きずられないような流速を担保するように、その断面積が設定されている。

次に、本実施の形態に係る固体酸化物形燃料電池システムの燃焼器４における燃焼動作について説明する。

セルスタック３により発電が行われると、セルスタック３から排出される燃料オフガスは、燃料オフガス供給管４２により燃焼室４１内部に導入される。一方、セルスタック３から排出される酸化剤オフガスは、酸化剤オフガス給気管４４により燃料オフガスの流れに対して直交する方向から燃焼室４１内部に導入される。

このとき、図３に示すように燃料オフガスの流量が小さい場合、燃料オフガスは、流体素子の作用により、その殆どが酸化剤オフガスの流れ方向（酸化剤オフガス給気管４４の他端の軸線方向）に引きずられるようにして流れていき、燃焼領域に導かれて、そこで燃焼することとなる。この燃焼後の反応ガスは、酸化剤排気管４５から改質器２やセルスタック３に導かれ、これらの高温保持のために利用される。一方、燃料排気管４３に流入した燃料オフガスは、燃料排気管４３から他の燃料リサイクル装置に導かれる。
このように、燃料オフガスの流量が小さい場合には、燃料オフガスの殆どが燃焼されるので、改質器２やセルスタック３の高温保持に必要な熱エネルギーを供給することが可能となる。

一方、図４に示すように燃料オフガスの流量が大きい場合、燃料オフガスは、流体素子の作用により、その殆どが燃料排気管４３に向かって流れていき、所定の量だけが酸化剤オフガスの流れ方向に引きずられて燃焼することとなる。燃焼後の反応ガスは、酸化剤排気管４５から改質器２やセルスタック３に導かれ、これらの高温保持のために利用される。一方、燃料排気管４３に流入した燃料オフガスは、燃料排気管４３から他の燃料リサイクル装置に導かれる。
このように、燃料オフガスの流量が大きい場合には、殆どの燃料オフガスが燃料排気管４３から他の燃料リサイクル装置に導かれ、所定の量の燃料オフガスだけが燃焼されるので、改質器２やセルスタック３の高温保持に必要な熱エネルギーのみが生成されることとなる。これにより、燃焼器４に過剰な燃料オフガスが供給されるのを防ぐことができるので、燃焼器４が耐熱温度を超えるまでに加熱されるのを防ぐことができる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、燃料オフガス給気管４２と酸化剤オフガス給気管４４とを燃料オフガスの流れ方向と酸化剤オフガスの流れ方向とが直交するように配設することにより、これらが燃焼させる燃料オフガスの量を制御する流体素子として機能させることができる。すなわち、燃料オフガスは、その流れ方向が、酸化剤オフガスの流量に対する相対的な流量に応じて変化し、燃焼領域に向かって押し流される流量が、酸化剤オフガスの流量に対する相対的な流量に依存する。したがって、燃焼領域に向かって流れる燃料オフガスの流量が所定の値以下となるよう設定することにより、燃焼器４で生成される熱エネルギーを所定の値以下にすることができ、耐熱温度を超えないように燃焼器４を運転することができる。結果として、高価な熱電対や流量制御器を設けたり、設置が困難な燃料オフガスの大量流入を防ぐためのバルブを設けたりしなくてよいので、低コストで容易に燃焼器４の温度を制御することができる。

なお、本実施の形態において、燃料オフガスが流れる配管が燃料オフガス給気管４２と燃料排気管４３という２つの配管から構成される場合を例に説明したが、これらは１つの配管から構成されるようにしてもよい。この場合、酸化剤オフガス給気管４４の他端の軸線と干渉する部分に孔を形成することにより、本実施の形態と同等の作用効果を実現することができる。

また、酸化剤オフガス給気管４４は、他端が干渉領域と所定の距離離間して配置するようにしたり、他端が干渉領域に接するように配置したりするようにしてもよい。

また、本実施の形態では、燃料排気管４３の他端に排気装置や他の燃料リサイクル装置に接続される場合を例に説明したが、その他端に燃料リサイクルブロアーを接続するようにしてもよい。この燃料リサイクルブロアーは、燃料オフガスを能動的に改質器２に導くものである。これにより、例えば、燃料リサイクルブロアーにより大量の燃料オフガスを改質器２に導くようにすると、干渉領域を通過する燃料オフガスの流量が大きくなるので、燃焼する燃料オフガスが少なくなる。一方、燃料リサイクルブロアーにより少量の燃料オフガスを改質器２に導くようにすると、干渉領域を通過する燃料オフガスの流量が小さくなるので、燃焼する燃料オフガスが多くなる。このように、燃料リサイクルブロアーの駆動を制御することによって、燃焼させる燃料オフガスの量を制御することができる。
なお、燃料リサイクルブロアーは、燃料オフガス給気管４２の中途に設けるようにしてもよい。これにより、燃焼器４に導かれる前の燃料オフガスの流量を制御することにより、燃焼させる燃料オフガスの量を制御することができる。

また、本実施の形態において、例えばファンやポンプなど、燃焼器４に供給される酸化剤オフガスの流量を制御する装置をさらに設けるようにしてもよい。これは、酸化剤オフガス給気管４４の途中等に設けることができる。これにより、例えば、燃料オフガスに吹き付ける酸化剤オフガスの量を所定の値に設定すると、燃焼領域に流れていく燃料オフガスの量も酸化剤オフガスの流量に応じた所定の値となるので、燃焼器４で生成される熱エネルギーの値を制御することができる。

また、本実施の形態では、セルスタック３として固体酸化物形燃料電池を適用した場合を例に説明したが、セルスタック３に用いる燃料電池は固体酸化物形燃料電池に限定されず、適宜自由に設定することができる。

本発明は、燃料オフガスを燃焼させる燃焼器、このような燃焼器を備える燃料電池システム等の各種システムなどに適用することができる。

１…固体酸化物形燃料電池システム、２…改質器、３…セルスタック、４…燃焼器、４１…燃焼室、４２…燃料オフガス給気管、４３…燃料排気管、４４…酸化剤オフガス給気管、４５…酸化剤排気管。

Claims

燃料電池と、この燃料電池からのオフガスを燃焼させる燃焼器とを備えた燃料電池システムであって、
前記燃焼器は、１の方向に向かって燃料オフガスを供給する燃料オフガス給気管と、入力端が、前記燃料オフガス給気管の出力端と対向配置された燃料排気管と、前記１の方向に対して直交し、かつ、前記燃料オフガス給気管の出力端と前記燃料排気管の入力端との間の領域において燃焼側に向かって前記酸化剤オフガスを供給する酸化剤オフガス給気管とを有し、燃焼させる前記オフガスの量を制御する流体素子を備え、
前記燃料排気管の出力端に接続されたリサイクルブロアをさらに備える
ことを特徴とする燃料電池システム。
前記燃料オフガス給気管の断面積は、前記燃料オフガスの流量が小さいときには前記燃料オフガスが前記酸化剤ガスの流れに引きずられ、前記燃料オフガスの流量が大きいときには前記燃料オフガスが前記酸化剤ガスの流れに引きずられない前記燃料オフガスの流速を担保するように設定されている
ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
前記燃料電池は、固体酸化物形燃料電池からなる
ことを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池システム。