JP5939858B2 - 燃料電池モジュール - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池モジュールに関する。

従来、燃料電池モジュールとしては、水素含有燃料を用いて改質ガスを発生させる改質器と、改質ガスを用いて発電を行うセルスタックと、改質器及びセルスタックを少なくとも収納する筐体と、改質器に供給される水素含有燃料の脱硫を行う脱硫器と、を備えたものが知られている。

例えば特許文献１には、筐体に対し隔離された脱硫器を加熱せずに使用する燃料電池モジュールが記載されており、この脱硫器の脱硫触媒としては、例えば金属微粒子を担持したゼオライト脱硫触媒等が用いられている。また、例えば特許文献２には、セルスタックの排ガスの熱で脱硫器を加熱して使用する燃料電池モジュールが記載されている。

特開２００９−０３２４０６号公報 特開２００６−３０９９８２号公報

ここで、上述した燃料電池モジュールでは、脱硫触媒がゼオライト脱硫触媒等の比較的高価なものに限られてしまうおそれや、排ガス温度の低下により全体のエネルギ効率が低下してしまうおそれがある。そこで、近年の燃料電池モジュールにおいては、家庭等への益々の普及に伴い、そのエネルギ効率を維持しつつ低コスト化を実現することが強く要求されている。

そこで、本発明は、エネルギ効率を維持しつつ低コスト化を実現することが可能な燃料電池モジュールを提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る燃料電池モジュールは、水素含有燃料を用いて改質ガスを発生させる改質器と、改質ガスを用いて発電を行うセルスタックと、改質器及びセルスタックを少なくとも収納する筐体と、改質器に供給される水素含有燃料の脱硫を行う脱硫器と、を備え、脱硫器は、筐体の外面に対し熱的に接続するように取り付けられていることを特徴とする。

この本発明の燃料電池モジュールでは、脱硫器が筐体の外面に熱的に接続するように取り付けられているため、排ガスの熱によって脱硫器を加熱するのではなく、従来は筐体から外部へ放出されるだけであったセルスタックの発熱等による熱を、筐体から脱硫器へ伝熱させて脱硫器を加熱することができる。よって、脱硫器の加熱に起因してエネルギ効率が低下するのを抑制可能となる。また、このように脱硫器を加熱して高温に維持することができるため、加熱が要される比較的安価な金属系脱硫触媒等を脱硫触媒として使用することが可能となる。従って、本発明によれば、エネルギ効率を維持しつつ低コスト化を実現することができる。

また、脱硫器は、筐体の外面に対し断熱材を介して取り付けられていることが好ましい。この場合、断熱材によって筐体から脱硫器への伝熱を制御することができ、その結果、脱硫器の温度を制御することが可能となる。

また、筐体及び脱硫器は、断熱材で包まれていることが好ましい。この場合、上記作用効果、すなわち、排ガスの熱で脱硫器を加熱するのではなくセルスタックの発熱等による熱を筐体から脱硫器へ伝熱させて脱硫器を加熱するという作用効果を、効果的に発揮することができる。

また、脱硫器は、その内部に水素含有燃料を流通させる流路を有し、流路は、水素含有燃料を流入させる入口部側と水素含有燃料を流出させる出口部側とで互いに熱交換可能になるよう折り返されていることが好ましい。この場合、脱硫器の温度分布を均一化することができ、水素含有燃料を好適に脱硫することが可能となる。

本発明によれば、エネルギ効率を維持しつつ低コスト化を実現することが可能となる。

一実施形態に係る燃料電池モジュールを示す概略ブロック図である。 図１の燃料電池モジュールにおける脱硫器を示す断面図である。 図１の燃料電池モジュールを説明するための概略斜視図である。 図１の燃料電池モジュールにおける脱硫器の温度分布を流路に沿って示すグラフである。 （ａ）は図１の燃料電池モジュールにおける脱硫器の変形例を示す断面図、（ｂ）は図１の燃料電池モジュールにおける脱硫器の他の変形例を示す断面図である。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池モジュールを示す概略ブロック図である。図１に示すように、本実施形態の燃料電池モジュール１は、改質器２、セルスタック３、燃焼部４及び水気化器５を少なくとも収容する筐体６を備えている。

この燃料電池モジュール１は、水素含有燃料及び酸化剤を用いて、セルスタック３にて発電を行う。燃料電池モジュール１におけるセルスタック３の種類は特に限定されず、例えば、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ：Polymer Electrolyte Fuel Cell）、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide FuelCell）、リン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ：Phosphoric Acid FuelCell）、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ：Molten Carbonate Fuel Cell）、及び、その他の種類を採用することができる。

水素含有燃料として、例えば、炭化水素系燃料が用いられる。炭化水素系燃料として、分子中に炭素と水素とを含む化合物（酸素等、他の元素を含んでいてもよい）若しくはそれらの混合物が用いられる。炭化水素系燃料として、例えば、炭化水素類、アルコール類、エーテル類、バイオ燃料が挙げられ、これらの炭化水素系燃料は従来の石油・石炭等の化石燃料由来のもの、合成ガス等の合成系燃料由来のもの、バイオマス由来のものを適宜用いることができる。具体的には、炭化水素類として、メタン、エタン、プロパン、ブタン、天然ガス、ＬＰＧ（液化石油ガス）、都市ガス、タウンガス、ガソリン、ナフサ、灯油、軽油が挙げられる。

なお、アルコール類として、メタノール、エタノールが挙げられる。エーテル類として、ジメチルエーテルが挙げられる。バイオ燃料として、バイオガス、バイオエタノール、バイオディーゼル、バイオジェットが挙げられる。酸化剤として、例えば、空気、純酸素ガス（通常の除去手法で除去が困難な不純物を含んでもよい）、酸素富化空気が用いられる。

改質器２は、供給される水素含有燃料から水素リッチガス（水素含有ガス）としての改質ガスを発生させる。改質器２は、改質触媒を用いた改質反応により、水素含有燃料を改質して改質ガスを発生させる。改質器２での改質方式は、特に限定されず、例えば、水蒸気改質、部分酸化改質、自己熱改質、その他の改質方式を採用できる。なお、改質器２は、セルスタック３に要求される水素リッチガスの性状によって、改質触媒により改質する改質器の他に性状を調整するための構成を有する場合もある。例えば、セルスタック３のタイプが固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）やリン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）であった場合、改質器２は、水素リッチガス中の一酸化炭素を除去するための構成（例えば、シフト反応部、選択酸化反応部）を有する。改質器２は、改質ガスをセルスタック３へ供給する。

セルスタック３は、改質器２からの改質ガス及び酸化剤を用いて発電を行う。このセルスタック３は、発電に用いられなかった改質ガス及び酸化剤をオフガスとして、燃焼部４へ供給する。

燃焼部４は、セルスタック３から供給されるオフガスを燃焼させ、改質器２及び水気化器５を加熱する。この燃焼部４は、セルスタック３の上部に位置している。燃焼部４は例えばケースから構成され、発電に用いられなかった改質ガス及び酸化剤をこのケース内で燃焼し、このケースと熱的に接続している改質器２及び水気化器５を間接的に加熱してもよい。又は、燃焼部４は例えばケース無しで構成され、セルスタック３の上部で、発電に用いられなかった改質ガス及び酸化剤を燃焼し、改質器２及び水気化器５を直接的に加熱してもよい。燃焼部４の燃焼で発生した排ガスは、筐体６外へ排気される。

水気化器５は、供給される水を加熱し気化させ、改質器２に供給される水蒸気を生成する蒸発器である。水気化器５は、生成した水蒸気を改質器２へ供給する。この水気化器５における水の加熱は、例えば、改質器２の熱、燃焼部４の熱、あるいは排ガスの熱を回収する等、燃料電池モジュール１内で発生した熱を用いることができる。本実施形態では、水気化器５は、燃焼部４の上方側に配置されている。

筐体６は、直方体状を呈する金属製の箱体とされ、少なくとも改質器２、セルスタック３、燃焼部４及び水気化器５を収納するための内部空間を有している。

また、図１，２に示すように、本実施形態の燃料電池モジュール１は、脱硫器７を備えている。脱硫器７は、その外形が長尺箱状を呈しており、改質器２に供給される水素含有燃料の脱硫を行う。この脱硫器７は、水素含有燃料に含有される硫黄化合物を除去するための脱硫触媒７ｘを有している。脱硫器７の脱硫方式としては、例えば硫黄化合物を水素と反応させて除去する水素化脱硫方式が採用されている。脱硫器７は、脱硫した水素含有燃料を改質器２へ供給する。脱硫触媒７ｘとしては、Ｎｉに代表される金属系脱硫触媒が用いられている。

脱硫器７は、水素含有燃料を流通させる流路８を内部に有している。この流路８には、上記脱硫触媒７ｘが充填されている。また、流路８は、水素含有燃料を流入させる入口部８ａ側と、水素含有燃料を流出させる出口部８ｂ側と、の間で互いに熱交換可能になるよう折り返されている。

具体的には、流路８では、脱硫器７における一方の側面７ａ下部に入口部８ａが設けられ、脱硫器７における側面７ａ上部に出口部８ｂが設けられている。流路８における入口部８ａ側及び出口部８ｂ側は、脱硫器７内を上下に画設するよう長手方向に延びる金属板７ｃを介して、互いに当接されている。このような流路８は、入口部８ａから他方の側面７ｂ近傍まで真っ直ぐ延びた後、上方へ回り込むよう側面７ａ側へ向けて折り返され、そして、出口部８ｂまで真っ直ぐ延びている。

また、流路８における入口部８ａ側及び出口部８ｂ側のそれぞれには、水素含有燃料を拡散させるための拡散層７ｙが設けられている。入口部８ａには、当該入口部８ａ内へと水素含有燃料を流通させる流入配管７ｄが接続され、出口部８ｂには、当該出口部８ｂ外へと水素含有燃料を流通させる流出配管７ｅが接続されている。

この脱硫器７は、筐体６の上面（外面）６ａに断熱材９を介して横置きに配設され、筐体６の上面６ａに対し熱的に接続するよう取り付けられている。具体的には、脱硫器７は、筐体６との間で断熱材９を挟み込むようにして当該筐体６の上面６ａ上に載置されている。換言すると、筐体６、断熱材９及び脱硫器７は、互いに当接されると共に、下方から上方にこの順で積層されている。

断熱材９は、所定厚さを有する板状を呈しており、上方から見て少なくとも脱硫器７を含むように筐体６の上面６ａにて拡がっている。つまり、脱硫器７及び筐体６が直接対向しないように脱硫器７及び筐体６間に断熱材９が介在されている。この断熱材９では、その所定厚さを適宜設定することで、筐体６から脱硫器７へ伝熱される熱量を制御し、脱硫器７の温度を所定温度に維持させることができる。ここでの断熱材９の厚さは、脱硫器７が上限温度以上にならないよう設定されており、これにより、安全性及び信頼性が高められている。なお、断熱材９としては、その材質や仕様は限定されず、種々のものを使用することができる。

また、断熱材９を挟んで互いに熱的に接続された筐体６及び脱硫器７は、その外囲が覆われよう外側断熱材（断熱材）１０で包まれている。外側断熱材１０は、筐体６、脱硫器７及び断熱材９を外部に対し熱的に密閉するように取り囲むと共に、これらを互いに固定して一体化させている。なお、外側断熱材１０としては、上記断熱材９と同様に、その材質や仕様は限定されず、種々のものを使用することができる。

以上、本実施形態の燃料電池モジュール１では、脱硫器７が筐体６の上面６ａに熱的に接続するように取り付けられている。そのため、排ガスの熱により脱硫器７を加熱するのではなく、図３に示すように、従来は筐体６から外部へ放出されるだけであったセルスタック３自体の発熱や燃焼部４の燃焼等による熱を、筐体６から脱硫器７へ伝熱させ、脱硫器７を１００℃以上（好ましくは１５０℃〜３００℃）に加熱することができる。なお、脱硫器７を加熱する観点からは、セルスタック３は動作温度が高い固体酸化物形燃料電池、溶融炭酸塩形燃料電池であることが好ましい。

従って、例えば、脱硫器７を排ガスで加熱することが必要でないため、排ガス温度の低下で全体のエネルギ効率しまうのを防止することができる。すなわち、脱硫器７の加熱に起因してエネルギ効率が低下するのを抑制可能となる。また、脱硫器７を加熱して高温に維持することができるため、加熱が必要な比較的安価な金属系脱硫触媒等を脱硫触媒として使用することが可能となり、金属微粒子を担持したゼオライト脱硫剤に代表される比較的高価な脱硫触媒を用いることが不要となる。よって、本実施形態によれば、エネルギ効率を維持しつつ低コスト化を実現することができる。

また、本実施形態では、脱硫器７を筐体６と一体化でき、筐体６から隔離して配置することが不要となるため、その構成のコンパクト化が可能となる。また、本実施形態では、脱硫器７を排ガスと直接熱交換する構造体も不要である。また、脱硫器７が改質器２と同等に加熱されない構造となるため、改質触媒と極めて近い温度帯（例えば６００℃程度）で使用できるものに脱硫触媒７ｘが限られることもない。

また、本実施形態では、上述したように、脱硫器７が筐体６の上面６ａに対し断熱材９を介して取り付けられているため、この断熱材９によって筐体６から脱硫器７への伝熱を制御して脱硫器７の温度を制御することが可能となる。

また、本実施形態では、上述したように、筐体６及び脱硫器７が外側断熱材１０で包まれている。よって、上記作用効果、すなわち、排ガスの熱で脱硫器７を加熱するのではなくセルスタック３の発熱や燃焼部４の燃焼等による熱を筐体６から脱硫器７へ伝熱させて脱硫器７を加熱するという作用効果を、効果的に発揮することができる。

また、本実施形態では、上述したように、脱硫器７の流路８が折り返されており、この流路８の入口部８ａ側と出口部８ｂ側とで互いに熱交換可能になっている。よって、脱硫器７では、入口部８ａに流入された水素含有燃料が出口部８ｂから流出される水素含有燃料で加熱されることとなる。その結果、例えば図３に例示されるように、従来は流路８の入口部８ａ側で低く出口部８ｂ側で高くなり易かった脱硫器７の温度分布Ｏ１を、脱硫触媒７ｘに好適な温度範囲（例えば１５０℃〜３００）内に維持されるように均一化した温度分布Ｏ２とすることが可能となる。

なお、本実施形態の燃料電池モジュール１では、セルスタック３、燃焼部４、改質器２及び脱硫器７が、下から上にこの順で配置される構成とされて脱硫器７が加熱されている。そのため、熱が下から上に向かう性質（対流）を利用して脱硫器７へ好適に熱伝達させることができる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変形し、又は他のものに適用したものであってもよい。

例えば、水気化器５の配置位置は上記実施形態に限定されず、筐体６内の底部に水気化器５が配置される場合もある。

また、上記実施形態では、脱硫器７が筐体６の上面６ａに取り付けられているが、筐体６の底面や側面に取り付けられていてもよく、要は、筐体６の外面に対し熱的に接続するよう取り付けられていればよい。また、脱硫器７が配置される向きについては、上記実施形態では横置きとされているが、縦置きとされてもよいし、図５（ａ）に示すように、図２の脱硫器７とは逆置きとされていてもよい。

また、脱硫器７における流路８の形態は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば図５（ｂ）に例示された流路８’では、脱硫器７における側面７ａの略中央に入口部８ａ’が設けられ、当該入口部８ａ’に近接するよう側面７ａ上部に出口部８ｂ’が設けられている。このような流路８は、入口部８ａから配管７ｄ内において側面７ｂ近傍まで真っ直ぐ延びた後、配管７ｄ外において上方及び下方から回り込むように側面７ａ側へ向けて折り返され、そして、出口部８ｂへ向かって延びている。

このような流路８’においても、入口部８ａ側の配管７ｄ内の水素含有燃料が出口部８ｂから流出する水素含有燃料で加熱される、つまり、脱硫器７を流通する水素含有燃料は、流路８’における入口部８ａ側と出口部８ｂ側にて互いに熱交換されることとなる。

１…燃料電池モジュール、２…改質器、３…セルスタック、６…筐体、６ａ…上面（外面）、７…脱硫器、８、８’…流路、８ａ，８ａ’…入口部、８ｂ，８ｂ’…出口部、９…断熱材、１０…外側断熱材（断熱材）。

Claims (3)

1. 水素含有燃料を用いて改質ガスを発生させる改質器と、
   前記改質ガスを用いて発電を行うセルスタックと、
   前記セルスタックから供給されるオフガスを燃焼させて前記改質器を加熱する燃焼部と、
   前記改質器、前記燃焼部及び前記セルスタックを少なくとも収納する筐体と、
   前記改質器に供給される前記水素含有燃料の脱硫を行う脱硫器と、を備え、
   前記脱硫器は、前記筐体の上面に対し熱的に接続するように取り付けられており、
   前記セルスタック、前記燃焼部、前記改質器及び前記脱硫器が、高さ方向における下から上にこの順で配置される構成とされて前記脱硫器が加熱され、
   前記脱硫器は、その内部に前記水素含有燃料を流通させる流路を有し、
   前記流路は、前記水素含有燃料を流入させる入口部側と前記水素含有燃料を流出させる出口部側とで互いに熱交換可能になるよう折り返されており、
   前記流路には、脱硫触媒が充填され、折り返された前記流路における、前記水素含有燃料が互いに対向して流れる前記入口部及び前記出口部には、前記水素含有燃料を拡散させる拡散層が設けられていることを特徴とする燃料電池モジュール。
2. 前記脱硫器は、前記筐体の上面に対し、前記脱硫器が上限温度以上とならないよう設定された厚さの板状の断熱材を介して取り付けられていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池モジュール。
3. 前記筐体及び前記脱硫器は、断熱材で包まれていることを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池モジュール。

Images