JP5421920B2 - 燃料電池機器 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池機器に関する。また、本発明は、燃料電池機器を作動する方法に関する。

燃料電池は、燃料として使用される水素と酸素の化学エネルギーから電流を作り出す、電気化学的装置であり、従来のようないかなる火炎燃焼も不要である。燃料電池は、アノードとカソードの2つの電極を有し、両電極の間には、イオンを伝導させる媒体、すなわち電解質が存在する。通常、燃料は、天然ガスもしくは他の炭化水素混合物、またはメタノールもしくはエタノール等のアルコールを含む。この最初の燃料は、まず、例えば改質処理によって、燃料電池で使用される燃料に変換され、あるいは燃料電池に直接導入され、そこで燃料電池に適した燃料に変換される。処理された燃料は、燃料電池のアノードに導入される。これに対応して、燃料電池のカソードに、燃料電池内で生じる反応に必要な酸素が、例えば空気の形態で導入される。燃料電池内で生じる反応においては、アノード上で、燃料ガスの水素から電子が放出される。この電子は、外部回路、すなわち、燃料電池に外部で接続された負荷を通して、燃料電池のカソードの方に移動する。カソードでは、電子と酸素が反応して、酸素イオンが発生し、この酸素イオンは、電解質を介してアノードの法に搬送され、これにより閉回路が形成される。次に、燃料電池のアノードでは、水素イオンと酸素イオンが結合して水が生じる。この全工程において、水の他、熱および電気が形成される。電気は、電気エネルギーとして直接回収されるため、これを一旦機械的形態に変換するいかなる必要性もない。

固体酸化物型燃料電池（SOFC）のアノードは、通常、多孔質セラミックマトリクス内に微小粒子状のニッケルを有する。燃料電池機器の始動および停止の際には、燃料電池のアノード側には、還元雰囲気を確保することが必要となり、これにより、アノードのニッケル部分の酸化が確実に抑制される。ニッケルに酸化が生じた場合、ニッケルは、酸化ニッケルとなり、三次元的な膨脹が生じ、この結果、アノードのニッケルセラミックマトリクスの構造が壊れ、あるいはアノード、カソード、および電解質等の燃料電池の部材が、相互に離脱してしまう。また、部分酸化の結果、アノード表面のニッケル部に形成された酸化層によって、燃料電池の効率が低下する。清浄なニッケル表面しか、触媒活性として機能しないためである。

本発明の課題は、燃料電池のアノードの酸化を抑制することにより、そのような問題の解決策を提供することである。

本発明の課題は、添付の請求項1の記載によって達成することができる。本発明による燃料電池機器は、燃料電池ユニットを有し、この燃料電池ユニットの燃料電池は、アノードおよびカソードと、両者の間の電解質とを有する。また、燃料電池機器は、アノードに燃料を搬送する燃料チャネルと、燃料電池チャネルと接続するように配置され、アルコール燃料から水素燃料ガスを生成する処理機器とを有する。アルコール燃料は、燃料チャネルに沿って処理機器に提供され、水素燃料ガスは、処理機器内でアルコール燃料から生成される。その後、水素燃料ガスは、処理機器からアノードに搬送される。本発明では、水は、処理機器に搬送される前に、燃料チャネル内でアルコール燃料と混合される。

本発明では、有意な利点が得られる。

水は、処理機器まで搬送される前に、燃料電池のアルコール燃料と混合される。これにより、処理機器内で生成される燃料ガスは、十分な還元性を有するようになり、アノードのニッケル材料の酸化が抑制される。本発明による燃料電池機器は、一次燃料として、メタノールまたはエタノール等のアルコール燃料を使用することが好ましい。この場合、燃料チャネル内を流れる一次燃料と十分な量の水分とを混合することにより、還元性燃料ガスを容易に生成することができる。従って、還元性ガスと燃料のそれぞれを、別個に供給する必要がなくなる。

本発明のある実施例では、アルコール燃料と混合される水分の量は、処理機器の後段の燃料ガスの水素量が、水素の着火下限よりも少なくなるように調節され、すなわち水素量は、最大でも5体積％にされ、好ましくは4体積％未満にされる。従って、アノード近傍において、爆発性混合ガスの生成が回避される。燃料電池ユニットが水素の自己発火温度（約585℃）に達すると、燃料と水の混合が抑制されても良い。ただし、水は、燃料処理システムに連続的に導入される必要があり、この水分量は、混合物の水分／炭素モル比が常時少なくとも2である必要がある。これにより、燃料処理機器および後続の熱交換器での炭素形成が、回避される。実際には、これは、水分とアルコール燃料とを直接混合することによって、および／または水蒸気を含むアノードの排ガスの一部を循環させることによって、行われる。

本発明による燃料電池機器の一例である。

以下、添付の図面を参照して、本発明の一例について、より詳しく説明する。図面は、本発明によるある燃料電池機器の単純化された概略的なものである。

図に示す燃料電池機器1は、複数の燃料電池を有する燃料電池ユニット2を有する。図において、燃料電池ユニットの燃料電池は、一つの構成物として、概略的に示されている。燃料電池は、固体酸化物型燃料電池（SOFC）または溶融炭酸塩型燃料電池（MCFC）である。燃料電池は、アノード3およびカソード4と、両者の間の電解質5とを有する。アノード3は、ニッケルのような容易酸化性金属を有し、通常、この金属は、多孔質セラミックマトリクス内の微細粒子の形態である。

燃料電池機器1の燃料として、適当なアルコール、好適にはエタノールもしくはメタノールが使用される。アルコールは、燃料電池機器1における一次燃料である。燃料電池機器1では、他の燃料は使用されていない。燃料は、燃料ポンプ17により、燃料タンク6あるいはアノード燃料源から燃料チャネル7に供給され、このチャネルに沿って、蒸発器8まで送られる。蒸発器8では、燃料が気化される。燃料タンク6内の燃料は、未希釈である。燃料電池チャネル7に導入される燃料の体積流速は、燃料ポンプ17によって制御される。気化した燃料は、蒸発器8から、燃料チャネル7に沿って過熱器9に供給され、燃料蒸気は、ここで過熱化される。アノード3の排ガスから生じた水蒸気は、蒸発器8と過熱器9の間で、気化した燃料と混合される。この方法では、混合燃料中の水分量が上昇し、過熱器9での炭素形成が抑制される。

過熱器9の後、燃料蒸気は、燃料チャネル7に沿って燃料処理機器、すなわちスチーム改質器／メタネータ一体化反応器10まで供給され、燃料は、ここでまずスチーム改質され、その後メタン化される。反応器のスチーム改質器区画では、燃料中のアルコールは、触媒および水蒸気によって、水素（H₂）、二酸化炭素（CO₂）、一酸化炭素（CO）、および水蒸気（H₂O）にクラック処理される。反応器のメタン化区画では、二酸化炭素および一酸化炭素が、同一触媒表面で水素と反応して、メタンと水蒸気が生成される。改質処理およびメタン化処理の後、ガス形態の燃料ガスは、燃料チャネル7に沿って、燃料電池のアノード3側に供給される。燃料電池のカソード4側には、大気ダクト14に沿って、空気または他の酸化性ガスが供給される。燃料は、アノード3で「燃焼され」、これにより、燃料電池内に電気および熱が生じる。燃料が燃焼されると、排ガスが形成され、この排気ガスの一部は、回収チャネル11に沿って循環され、燃料の流れ方向において、改質器／メタネータ10の前段の位置にある燃料チャネル7まで戻され、ここで燃料と混合される。排ガスは、燃料チャネル7の、蒸発器8と過熱器9の間の位置、または蒸発器8の中に供給される。燃料チャネル7に供給された排ガスは、主に、水蒸気を含む。カソード4側の排ガスの一部は、排気ダクト16に沿って熱交換器15の方に供給され、カソード4に供給される空気は、ここで排ガスによって加熱される。

燃料電池機器1の通常の作動モードでは、燃料電池ユニット2の温度は、通常、約800℃〜1000℃の範囲まで上昇する。燃料電池機器1の始動時および停止時には、燃料電池ユニット2の温度は、通常作動温度よりも低くなる。この際、アノード3から回収チャネル11に沿った燃料チャネル7までの排ガスの循環は、まだ機能せず、あるいは限定された効果でしか作動しない。その結果、燃料ガスの還元性が弱まり、アノード3において、酸化性雰囲気が生じるようになる。例えば、酸素がカソード側からアノード側に逸散し、あるいは他の理由から、例えばシステムの停止の間、アノード側に空気が侵入する。この酸素により、アノードのニッケル材料は、酸化され、ニッケル酸化物（NiO）になる可能性がある。酸化した材料は、膨脹するため、アノード3の構造が壊れ、または燃料電池の構造が損傷を受ける。通常の場合、燃料電池ユニット2の温度が200〜600℃の範囲、特に400〜550℃の範囲にあるとき、アノード3に強酸化性雰囲気が形成される。また、メタネータ／改質器10内に存在し得るニッケル材料も、前記条件では酸化される。

ニッケルの酸化を抑制するため、燃料チャネル7において、燃料と水分を混合させることにより、アルコール燃料の組成が変更される。水分は、アノード3から燃料チャネル7への排ガスの循環が抑制された状況下にあるとき、燃料と混合される。その後、必要な燃料処理段階（改質処理、メタン化処理）の後段において、温度200℃では、水素還元性混合ガスが既に形成されている。換言すれば、ガスは、十分な還元性を有するようになり、アノード3のニッケル材料を還元性状態に維持することができる。このような方法では、アノード3に酸化性雰囲気が形成され得る温度において、燃料組成を変化させることができる。

燃料電池機器1は、水分供給手段22を有し、水タンク12または別の水源から、燃料チャネル7に水分が供給される。水分供給手段22は、水ポンプ18と、水ダクト13とを有し、水ダクト13は、燃料チャネル7と水源の間に適合される。水分は、水ポンプ18により、水タンク12から水ダクト13に供給され、さらに水ダクト13を介して、燃料チャネル7に供給される。水ダクト13は、燃料の流れ方向において、改質器／メタネータ10の前段の位置において、燃料チャネル7と接続され、この位置は、燃料タンク6と蒸発器8の間であることが好ましい。水分は、水ダクト13から燃料チャネル7に導入され、燃料チャネル7を流れる燃料と混合される。混合点では、燃料は、気化されていない。燃料と水の混合物は、蒸発器8で気化され、過熱器9で過熱化される。気化した燃料と水蒸気の混合物は、スチーム改質器／メタネータ10でクラック処理され、これにより、水素燃料ガスが提供される。燃料ガスは、メタン（CH₄）、水素（H₂）、一酸化炭素（CO）、二酸化炭素（CO₂）、および水蒸気(H₂O)を含む。燃料電池ユニット2の温度が低い場合、メタン（CH₄）は、少量しか生成されない。燃料チャネル7に導入される水分の体積流速は、水ポンプ18によって制御される。水分および燃料の体積流速は、それぞれ、水ポンプ18および燃料ポンプ17によって制御され、燃料チャネル7を流れる燃料／水混合物中の燃料の含有量は、0から100％の間で変化する。測定装置19が燃料電池ユニットのアノード3と接続されるように適合され、燃料電池ユニットの温度を測定する。また、燃料チャネル7には、第2の測定装置21が配置され、アノード3に導入される燃料ガス中の水素量が測定される。測定装置19および第2の測定装置21の測定結果は、制御ユニット20に伝送され、この制御ユニット20は、各測定結果に基づいて、水ポンプ18と燃料ポンプ17を調整する。

燃料電池機器1の始動時には、燃料電池ユニット2の温度が約200℃に達した際に、水分供給手段22から燃料チャネル7への水の供給が開始される。ただし、このときの温度は、最大でも約400℃以下である。燃料チャネル7を流れる燃料と混合される水の量は、改質器／メタネータ10の後段での燃料ガスの水素量、すなわちアノード3に導入される燃料ガスの水素量が、最大5体積％、好ましくは、最大4体積％となるように調整される。

燃料電池ユニット2の温度が上昇すると、アノード3からチャネル7に戻され循環される排ガス量は、増加する。これは、アノード3に供給される燃料ガスの還元性を強める。燃料電池ユニット2の温度が上昇すると、燃料チャネル7に供給される燃料が増加し、排ガスの循環量に比例して、燃料チャネル7に供給される水分は、徐々に減少する。燃料電池ユニット2の温度が水素の自己発火温度（約585℃）に到達すると、燃料チャネル7への水分供給は、完全に停止される。その後、再度、アノード3から燃料チャネル7への排ガスの循環が、最大レベルで行われる。燃料電池ユニット2の温度が550〜600℃になると、水ダクト13から燃料チャネル7への水分供給は、停止される。

燃料電池機器1が停止されると、前述の工程が逆の順番で行われる。燃料電池ユニット2の温度が600〜550℃にまで低下すると、水ダクト13から燃料チャネル7への水分の供給が開始される。水分供給は、アノードに供給される燃料ガス中の水素量が5体積％以下になるように、好ましくは、最大4体積％以下となるように制御される。燃料電池ユニット2の温度が400〜200℃になると、水ポンプ18が停止し、燃料チャネル7への水の供給は、完全に停止される。また、これと同時に燃料ポンプ17が停止し、燃料チャネル7への燃料の供給が停止される。

燃料チャネル7への水分の供給は、アルコール燃料とアノード循環ガスの混合物中のスチーム／炭素比が極めて小さい状況の下では、燃料電池機器1の通常作動の間にも、行われても良い。その後、水分供給手段22により、水分が燃料チャネル7に導入され、混合物のスチーム／炭素比が所望のレベルに整えられる。

Claims (8)

1. 燃料電池機器を作動する方法であって、
   前記燃料電池機器は、
   燃料電池ユニットであって、該燃料電池ユニットの燃料電池は、アノード、カソード、および両電極間の電解質を取り囲む、燃料電池ユニットと、
   燃料を前記アノードに搬送する燃料チャネルと、
   前記燃料チャネルに接続するように配置され、アルコール燃料から水素燃料ガスを生成する処理機器と、
   を有し、
   当該方法において、前記燃料チャネルに沿って、アルコール燃料が前記処理機器に供給され、
   前記処理機器内で、前記アルコール燃料から水素燃料ガスが生成され、
   燃料ガスは、前記処理機器から前記アノードに供給され、
   燃料ガスは、前記アノードで使用され、
   前記燃料ガスの使用後に生じた排ガスは、前記アノードから、前記燃料の流れ方向において、前記処理機器の前段の位置で、前記燃料チャネル内に放出され、前記燃料と混合され、
   水源から前記燃料チャネルに水が供給され、前記水は、前記処理機器に搬送される前に、前記燃料チャネルにおいて、前記アルコール燃料と混合され、
   前記燃料電池機器は、前記燃料電池ユニットの温度を測定する測定装置と、制御ユニットとを有し、
   該制御ユニットは、前記測定装置の測定結果に基づいて、前記燃料チャネルに供給される水の量を制御するように配置されることを特徴とする方法。
2. 前記水は、前記燃料電池機器の始動段階および／または停止段階において、前記アルコール燃料に添加されることを特徴とする請求項1に記載の方法。
3. 前記アルコール燃料と混合される水の量は、前記処理機器の後段における前記水素燃料ガスの水素量が最大5体積％以下となるように添加されることを特徴とする請求項1または2に記載の方法。
4. 水は、前記燃料電池ユニットの温度が200〜600℃の間、好ましくは400〜550℃の間にあるとき、前記アルコール燃料と混合されることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一つに記載の方法。
5. 前記アルコール燃料は、前記処理機器に供給される前に、蒸発器内で気化され、
   水は、前記蒸発器に供給される前に、前記燃料チャネル内で前記アルコール燃料に添加されることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一つに記載の方法。
6. 燃料電池ユニットを有する燃料電池機器であって、
   前記燃料電池ユニットの燃料電池は、アノード、カソード、および両電極間の電解質を取り囲み、
   当該燃料電池機器は、
   燃料を前記アノードに搬送する燃料チャネルと、
   前記燃料チャネルに接続するように配置され、アルコール燃料から水素燃料ガスを生成する処理機器と、
   排ガスを前記アノードから、前記燃料の流れ方向において、前記処理機器の前段の位置で、前記燃料チャネルに搬送する回収チャネルと、
   を有し、
   当該燃料電池機器は、さらに、
   水源から、前記処理機器の前段の位置で、前記燃料チャネルに水を供給する水分供給手段を有するとともに、
   前記燃料電池ユニットの温度を測定する測定装置と、制御ユニットとを有し、
   該制御ユニットは、前記測定装置の測定結果に基づいて、前記燃料チャネルに供給される水の量を制御するように配置されることを特徴とする燃料電池機器。
7. 前記アノードは、ニッケルまたは他の酸化されやすい金属を有することを特徴とする請求項6に記載の燃料電池機器。
8. 前記燃料チャネルに接続するように適合された蒸発器を有し、
   前記水分供給手段の供給点は、前記蒸発器の前段において、前記燃料チャネルに配置されることを特徴とする請求項6または7に記載の燃料電池機器。

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