JP5575535B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池スタックからの排ガスを触媒燃焼させる燃焼器を有する燃料電池に関し、特には、燃焼器と改質器との間で高効率に熱交換を行うための構造に関する。

近年、化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する燃料電池が、高効率でクリーンな発電装置として注目されており、特に、固体酸化物電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）は発電効率に優れることから、種々の用途への展開が期待されている。

ＳＯＦＣは、他のタイプの燃料電池よりも作動温度が高いことから、発電時の排熱を、改質器における改質反応の促進や、発電反応に用いられる空気の予熱等に利用して、発電効率を向上させることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に開示された燃料電池では、４つの燃料電池スタックを縦横２列に配置し、これら燃料電池スタック間に十字形の改質器を、燃料電池スタックの側部および上部に熱交換器類を配置して、主として燃料電池スタックからの輻射熱によって、改質器、および熱交換器類が加熱されるように構成されている。

特開２００７−１５７４７９号公報

しかしながら、このように構成された燃料電池では、燃料電池スタックからの輻射熱を燃料改質や空気、燃料等の加熱に利用しているものの、燃料電池スタックから排出される高温の排ガスの持つ熱エネルギーは必ずしも十分に利用されておらず、発電効率の十分な向上が図れないという問題があった。

本発明の目的は、上記の課題を解決するために、燃料電池スタックからの高温の排ガスと改質器との間で高効率に熱交換を行うことにより、発電効率に優れる燃料電池を提供することにある。

前記した目的を達成するために、本発明に係る燃料電池は、燃料と空気とを反応させて発電する発電セルを複数積層してなる燃料電池スタックと、外部から導入された燃料を水蒸気改質することにより改質燃料を生成し、前記燃料電池スタックに供給する改質器と、前記燃料電池スタックから排出された排燃料の少なくとも一部と排空気とを燃焼させ、発生した熱を前記改質器に供給する燃焼器とを備え、前記改質器と前記燃焼器とが一体的に形成されている。ここで、「一体的に形成されている」とは、単一のハウジングを共有していることをいう。

改質器において、燃料である炭化水素、例えばメタンから水素リッチな改質燃料を生成する水蒸気改質反応は、以下の反応式で示される吸熱反応である。
ＣＨ_４ ＋ Ｈ_２Ｏ ＝ ＣＯ ＋ ３Ｈ_２
ＣO ＋ Ｈ_２Ｏ ＝ ＣＯ_２ ＋ Ｈ_２
上記構成によれば、改質器と燃焼器とが一体的に形成されていることにより、燃焼器で発生した熱を、放熱損失を抑制しながら、吸熱反応である水蒸気改質反応を行う低温の改質器に供給できるので、燃料電池の発電効率が向上する。また、燃焼器は改質器によって冷却されるため、燃焼器内温度が過度に上昇せず、長期に渡って燃料電池の高い発電効率が維持される。

本発明に係る燃料電池において、前記燃焼器が触媒によって前記排燃料および排空気を燃焼させる触媒燃焼器であり、前記改質器が前記燃料電池スタックと前記燃焼器との間に配置されていることが好ましい。この構成によれば、改質器は、燃焼器からの燃焼熱以外にも、燃料電池スタックから受ける輻射熱も燃料の水蒸気改質反応に利用できるので、水素リッチな改質燃料の生成が可能になる。さらには、燃料電池スタックと対面する改質器の高さ寸法、あるいは燃料電池スタックと改質器との距離を調整することにより燃料電池スタックから受熱する輻射熱量を制御できるので、改質ガス温度の調整が容易になる。

本発明に係る燃料電池において、さらに、外部から導入された空気を、前記燃焼器で発生した熱によって加熱して前記燃料電池スタックに供給する空気予熱器を備え、該空気予熱器が前記燃焼器と一体的に形成されていることが好ましい。この構成によれば、燃焼器と空気予熱器との間でも高効率に熱交換を行うことができ、発電効率が一層向上する。また、燃焼器、改質器および空気予熱器を一体化することにより、これらを別体に配置する場合に比べてコンパクトな構造となり、ホットモジュール表面からの放熱損失が低減する。

本発明に係る燃料電池において、前記空気予熱器の少なくとも一部が、前記燃料電池スタックと、前記燃焼器から排出された燃焼ガスの流路との間に配設されていることが好ましい。この構成によれば、空気予熱器には燃焼ガスからの熱と燃料電池スタックからの輻射熱が供給されて、空気を必要な温度まで加熱することができる。また、低温の改質器、空気予熱器等を燃料電池スタックの周りに配置することにより、燃料電池スタックからの放熱が促進される。その結果、燃料電池スタックの冷却に要する空気量を低減することが可能となり、燃料電池に空気を送り込む空気ブロワの動力が低減して燃料電池の発電効率が向上する。さらに、燃料電池スタックと対面する空気予熱器の高さ寸法、あるいは燃料電池スタックと空気予熱器との距離を調整することにより燃料電池スタックから受熱する輻射熱量を制御できるので、予熱空気温度の調整が容易になる。

本発明に係る燃料電池において、前記燃料電池スタックが矩形の前記発電セルを複数積層してなり、前記改質器、前記空気予熱器および前記燃焼器が、前記燃料電池スタックの外周を囲む角筒形状のスタック外囲ユニットを形成しており、このスタック外囲ユニットの内周部に前記改質器および前記空気予熱器が配設され、外周部に前記燃焼器が配設されていてもよい。この構成によれば、上述のように発電効率に優れる燃料電池の小型化を図ることができる。

以上のように、本発明に係る燃料電池によれば、燃料電池スタックからの輻射熱および高温の排ガスが持つ熱エネルギーを有効利用することにより、燃料電池の発電効率が向上する。

本発明の一実施形態に係る燃料電池を示す斜視図である。 図１のII-II線に沿った断面図である。 図１の燃料電池を示す横断面図である。 図１の実施形態に用いられる外囲ユニットの変形例を示す概略構成図である。 複数の燃料スタックを有する燃料電池の配置例を示す平面図である。

以下、本発明に係る実施形態を図面に従って説明するが、本発明はこの実施形態に限定されるものではない。

図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池１を示す斜視図である。燃料電池１は、発電装置として使用されるものであり、燃料電池スタック３、改質器５、空気予熱器７および燃焼器９を主要な構成要素として備えている。

図１のII-II線に沿った断面図である図２に模式的に示すように、燃料電池１は後述の断熱部材で囲まれた密閉された高温室１０内に設置されている。燃料電池スタック３は、燃料と空気とを反応させて発電する扁平な矩形の発電セル１１を、その主面と直交する方向Ｘに、セパレータ１２を介して複数積層して構成されている。各発電セル１１は燃料極（アノード）と空気極（カソード）との間にイオン導電性セラミック製電解質を介在させた固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）として構成されている。燃料電池スタック３の底部には、スタックアダプタ１３が取り付けられている。スタックアダプタ１３内には燃料電池スタック３に接続する空気Ａ、燃料Ｆ、排燃料ＥＦのガス流路が設けられており、空気供給管３３、燃料供給管２５を通じて、空気Ａ、燃料Ｆが燃料電池スタック３へ供給され、排燃料配管３５を介して、燃料電池スタック３からの排燃料ＥＦの少なくとも一部が燃焼器９へ排出される。

図１に示すように、改質器５は、外部から、燃料導入通路を形成する燃料導入管２３を介して導入された、水蒸気を含む燃料Ｆから、吸熱反応である水蒸気改質反応によって、改質燃料ＲＦであるＨ_２およびＣＯ等を生成する。この改質反応には、燃焼器９で発生した熱および燃料電池スタック３からの輻射熱が利用される。生成した改質燃料ＲＦは、燃料供給通路を形成する燃料供給管２５を介してスタックアダプタ１３に送られた後、発電セル１１の燃料極に供給される。本実施形態では、燃料Ｆとして、メタンを主成分とするガス、例えば都市ガスを使用している。改質器５内には、改質触媒２７として、ニッケル、ルテニウム等を担持したアルミナボールが充填されている。改質触媒２７としては、このほかに、水蒸気改質用触媒として一般的に用いられる各種の金属粒子を使用することができる。

空気予熱器７は、外部から空気導入路を形成する空気導入管３１を介して導入された空気Ａを、燃焼器９で発生した熱および燃料電池スタック３からの輻射熱によって加熱する。空気予熱器７内で加熱された高温の空気ＨＡは、空気供給路を形成する空気供給管３３を介してスタックアダプタ１３に送られた後、燃料電池スタック３の空気極に供給される。

燃料電池スタック３の燃料極から排出された排燃料ＥＦの一部または全部は、排燃料流路を形成する排燃料流路管３５を介して燃焼器９に導入される。また、燃焼器９の端部には、パンチングメタルを備える空気導入部９ａが設けられており、燃料電池スタック３の空気極から高温室１０に排出された排空気ＥＡは、空気導入部９ａを介して燃焼器９に導入される。燃焼器９は、導入された排燃料ＥＦおよび排空気ＥＡを燃焼させて、高温の燃焼ガスＨＧを生成する。燃焼ガスＨＧは、燃焼器９の下流側端部に接続された燃焼ガス流路３９を経由して外部へ排出される。本実施形態の燃焼器９は、触媒によって排燃料ＥＦおよび排空気ＥＡを燃焼させる触媒燃焼器として構成されており、図２に示すように、その内部に、燃焼触媒４１としてパラジウム、白金等を担持したアルミナボールが充填されている。燃焼器９における燃焼によって発生する熱は、改質器５における改質反応および空気予熱器７における空気の加熱に利用される。

以下、燃料電池１の構造について詳しく説明する。燃料電池１では、改質器５が燃焼器９と一体的に形成されており、さらに、空気予熱器７が燃焼器９および改質器５と一体的に形成されている。すなわち、図１に示すように、改質器５、空気予熱器７および燃焼器９が、単一のユニットハウジング４４に収容されることにより一体化されており、ほぼ角筒形状のスタック外囲ユニット４５を形成している。スタック外囲ユニット４５の内周部４５Ａは、図３に示す平面視における一辺の位置を改質器５が占め、他の三辺の位置を空気予熱器７が占めている。一方、スタック外囲ユニット４５の外周部４５Ｂは、改質器５の外周側の部分が燃焼器９によって形成されており、空気予熱器７の外周側の部分が、燃焼ガス流路３９を形成する燃焼ガス排出器４６によって形成されている。

このように、改質器５、空気予熱器７および燃焼器９が一体化されているため、燃焼器９で発生した熱が、放熱損失を抑制しながら改質器５、および空気予熱器７に供給されるので、燃料電池１の発電効率が向上する。また、本実施形態では、燃料電池スタック３の動作温度が約８００℃、燃焼器９の動作時の温度が約６５０〜７００℃であるのに対し、改質器５の動作時の温度が約６００〜６５０℃である。このように、燃焼器９は改質器５により冷却されて過度に温度が上昇することがないため、図２に示す燃焼器９内の燃焼触媒４１の劣化が抑制され、長期に渡って燃料電池１の高い発電効率が維持される。

また、図１に示すように、スタック外囲ユニット４５の１つの角部４５ａには、燃料電池１の運転時の熱膨張分を吸収するための隙間４７が設けられている。隙間４７は、角部４５ａにおいて、スタック外囲ユニット４５の、燃料電池スタック３の積層方向Ｘの全範囲に渡って設けられている。上述の燃焼器９の空気導入部９ａは、隙間４７に臨む端部に設けられている。

図２に示すように、燃料電池スタック３は、その外周部３ａが、スタック外囲ユニット４５によって所定の間隔離間した状態で囲まれている。換言すれば、燃料電池スタック３の外周部３ａ、つまり、ほぼ直方体形状を有する燃料電池スタック３の、発電セル１１の積層方向Ｘに平行な４つの側面に対向して、スタック外囲ユニット４５の内周部４５Ａを形成する改質器５および空気予熱器７のいずれか一方が配置されている。このようにして、改質器５が、燃料電池スタック３と燃焼器９との間に配設されており、また、空気予熱器９が、燃料電池スタック３と燃焼ガス流路３９との間に配設されている。図１に示すように、スタック外囲ユニット４５の全体は、スタックアダプタ１３とスタック外囲ユニット４５とを接続する燃料供給管２５、空気供給管３３等の配管およびスタックアダプタ１３に取り付けられた金属製の支持部材４８によって、燃料電池スタック３を囲むように支持されている。

このように、燃焼器９と燃料電池スタック３との間に改質器５が配置されているので、燃料電池スタック３からの輻射熱と燃焼器９で発生した熱が改質器５へ供給されて、水素リッチな改質燃料ＲＦの生成が可能なため、燃料電池１の発電効率が向上する。また、燃焼ガス流路３９と燃料電池スタック３との間に空気予熱器９が配置されているので、燃料電池スタック３からの輻射熱と燃焼ガスからの熱により、空気が十分に加熱される。

また、低温の改質器５、空気予熱器７を燃料電池スタック３の周りに配置することにより、燃料電池スタック３からの放熱が促進される。その結果、燃料電池スタック３の冷却に要する空気量を低減することが可能となり、燃料電池１に空気を送り込む空気ブロワの動力が低減して燃料電池１の発電効率が向上する。さらには、燃料電池スタック３と対面する改質器５、空気予熱器７の高さ寸法（Ｘ方向の寸法）、あるいは燃料電池スタック３と改質器５、空気予熱器７との距離を調整することにより燃料電池スタック３から受熱する輻射熱量を制御できるので、改質ガス温度および空気予熱温度の調整が容易になる。

スタック外囲ユニット４５は、例えば、ステンレス鋼のような耐食性を有する金属板で形成されたユニットハウジング４４の内部に、同じ材質からなる仕切板４９を溶接などによって接合して設けることにより形成されている。すなわち、燃焼器９と改質器５とは、ユニットハウジング４４を共有し、１枚の仕切板４９のみを介して隣接している。同様に、燃焼器９と空気予熱器７とは、ユニットハウジング４４を共有し、仕切板のみを介して隣接している。なお、スタック外囲ユニット４５を形成する材料は、ステンレス鋼に限らず、機械的強度、耐食性、熱伝導性等を考慮して適宜選択してよい。また、スタック外囲ユニットの構造も、図２に示した例に限らず、機械的強度や組立性を考慮して適宜選択することができる。

なお、図１に示した例では、スタック外囲ユニット４５において、内周部４５Ａの平面視における一辺の位置を改質器５が占め、他の三辺の位置を空気予熱器７が占めるように構成し、外周部４５Ｂの、改質器５の外周側の部分が燃焼器９によって形成され、空気予熱器７の外周側の部分が、燃焼ガス流路３９を形成する燃焼ガス排出器４６によって形成されるように構成したが、改質器５、空気予熱器７および燃焼器９の形状および配置はこれに限らず、例えば図４に示す変形例のように構成することができる。図４（ａ）は、燃焼器９を増設して断面Ｌ字形に形成した例、（ｂ）は改質器５を増設して断面Ｌ字形に形成した例を示している。また、図４（ｃ）は、スタック外囲ユニット４５の平面視における一辺を占める燃焼器９の上流側の三辺の部分、つまり空気予熱器７の外周側に位置する部分を、燃料電池スタック３から排出された排空気ＥＡの排出路５１として形成して、排空気ＥＡが、空気予熱器７内に外部から導入された空気Ａと熱交換を行った後に燃焼器９に導入されるように構成した例である。

また、図３に示すように、燃料電池１は、その外側を密閉構造によって覆う断熱部材５５によって形成された高温室１０に設置されていることが好ましい。断熱部材５５としては、グラスウールのような一般的な断熱材を用いることができる。燃料電池１の燃焼器９の外周部９ａを覆う断熱部材５５を設けることにより、燃焼器９からの放熱損失がさらに抑制されて、燃焼器９の熱が改質器５または空気予熱器７に高効率に伝達され、燃料電池１の発電効率が一層向上する。

本実施形態に係る燃料電池１においては、１つの燃料電池スタック３に対して１つの改質器５が設けられるので、複数、例えば４つの燃料電池スタック３を用いる場合、４つの燃料電池スタック３の配置は適宜選択することができる。例えば、図５（ａ）に示すように、４つの燃料電池スタック３を縦横各２列に配置して、その周囲を断熱部材５５で覆ってもよく、あるいは、図５（ｂ）に示すように、４つの燃料電池スタック３のすべてを１列に並べて配置して、その周囲を断熱部材５５で覆ってもよい。

本実施形態に係る燃料電池１によれば、改質器５と燃焼器９とが一体的に形成されていることにより、吸熱反応を行う低温の改質器５と、燃料電池スタック３からの高温の排ガス、すなわち排燃料ＥＦおよび排空気ＥＡとの間での熱交換の放熱損失が抑制され、燃料電池１の発電効率が向上する。

以上のとおり、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能である。したがって、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。

１ 燃料電池
３ 燃料電池スタック
５ 改質器
７ 空気予熱器
９ 燃焼器
１１ 発電セル
４５ スタック外囲ユニット
Ａ 空気
Ｆ 燃料
ＥＡ 排空気
ＥＦ 排燃料
Ｘ 燃料電池スタックの積層方向

Claims (4)

1. 燃料と空気とを反応させて発電する発電セルを複数積層してなる燃料電池スタックと、
   外部から導入された燃料を水蒸気改質することにより改質燃料を生成し、前記燃料電池スタックに供給する改質器と、
   前記燃料電池スタックから排出された排燃料の少なくとも一部および排空気を燃焼させ、発生した熱を前記改質器に供給する燃焼器と、
   を備え、
   前記改質器と前記燃焼器とが一体的に形成されており、
   前記燃焼器が触媒によって前記排燃料および排空気を燃焼させる触媒燃焼器であり、
   前記改質器が前記燃料電池スタックと前記燃焼器との間に配置されており、
   前記改質器が前記燃料電池スタックの側面に対向して配置されている
   燃料電池。
2. 請求項１において、外部から導入された空気を、前記燃焼器で発生した熱によって加熱して前記燃料電池スタックに供給する空気予熱器を備え、該空気予熱器が前記燃焼器と一体的に形成されている燃料電池。
3. 請求項１または２において、前記空気予熱器の少なくとも一部が、前記燃料電池スタックと、前記燃焼器から排出された燃焼ガスの流路との間に配設されている燃料電池。
4. 請求項３において、前記燃料電池スタックが矩形の前記発電セルを複数積層してなり、前記改質器、前記空気予熱器および前記燃焼器が、前記燃料電池スタックの外周を囲む角筒形状のスタック外囲ユニットを形成しており、このスタック外囲ユニットの内周部に前記改質器および前記空気予熱器が配設され、外周部に前記燃焼器が配設されている燃料電池。
   

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