JP5959222B2 - 固体酸化物形燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、原燃料を水蒸気改質して燃料ガスを生成する改質器と、改質器で生成された燃料ガスを用いて発電する複数の燃料電池セルを有するセルスタックと、セルスタックからのオフガスを燃焼する燃焼部とを備える固体酸化物形燃料電池に関する。

固体酸化物形燃料電池は、他のタイプの燃料電池に比べて高温（例えば、６５０℃〜８００℃）で運転される燃料電池であるので、燃料電池からの排熱も高温となる。そのため、高温の熱が必要な熱利用機器や低温の熱で構わない熱利用機器など、幅広い機器にその高温の排熱を利用できる。

特許文献１には、筐体（５００）の内部に、改質用水の気化を行う気化部及び原燃料の水蒸気改質を行って燃料ガスを生成する改質部を有する改質器（２００）と、改質器で生成された燃料ガスを用いて発電する複数の燃料電池セル（１２０）を有するセルスタック（１００、１１０）と、セルスタックからのオフガスを燃焼する燃焼部とを備える固体酸化物形燃料電池（１０００）が記載されている。
加えて、特許文献１に記載の固体酸化物形燃料電池（１０００）において、筐体（５００）の内部は、その上面部、側面部、底面部の各壁面を板で仕切って多重構造とし、そこに、外部から導入する空気を流すための流路や、燃焼部での燃焼後のガスを含む高温の排ガスを流すための流路を隣り合わせて設けている。筐体の内部をこのような多重構造にすることで、高温の排ガスと空気との間で熱交換が行われ、その排ガスからの排熱回収が行われるようにしている。

特開２０１０−２２５４５４号公報

特許文献１に記載の固体酸化物形燃料電池では、上述したような筐体内部の多重構造による熱交換を行っているが、その熱交換が行われている部位は単に筐体の内部が板で仕切られた部位である。つまり、専用の熱交換器で熱交換を行うのではないため、排熱回収が充分に行われないという問題がある。
尚、筐体からの排ガスの出口に新たに専用の熱交換器を設け、その熱交換器で排ガスの熱を回収することも可能である。しかし、そのような専用の熱交換器を設けた場合、装置が大幅に大型化するという問題がある。更に、排ガスを筐体の外部に引き出して熱交換器へと導入するまでの配管部分での放熱が大きくなるので、排熱回収量が充分に得られないという問題もある。

更に、特許文献１では、改質器での水蒸気改質に用いる水を蒸発させるための気化器の下方に、燃焼器やその燃焼器で燃焼されるアノード排ガスを排出する燃料電池セルを設けている。そのため、気化器によって大きな熱が奪われると、局所的に温度が低下したコールドスポットが発生してその近傍での燃料電池セルの性能低下や燃焼器での失火が発生する可能性がある。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料電池セルや燃焼部の性能低下を抑制し、且つ、排熱回収性能を高めることができる固体酸化物形燃料電池を提供する点にある。

上記目的を達成するための本発明に係る固体酸化物形燃料電池の特徴構成は、原燃料を水蒸気改質して燃料ガスを生成する改質器と、前記改質器で生成された燃料ガスを用いて発電する複数の燃料電池セルを有するセルスタックと、前記セルスタックからのオフガスを燃焼する燃焼部とを容器の内部に備え、
前記容器の内部から外部へ排出される排ガスが有する熱を用いて、前記燃料電池セルに供給する酸素、及び、前記改質器に供給する原燃料、及び、前記改質器に供給する水のうちの少なくとも何れか一つを加熱する加熱装置を、前記容器の外部に、前記容器と一体に備え、
前記加熱装置で加熱された酸素を前記容器の内部に導入する酸素導入路を備え、
前記酸素導入路は、前記容器の外面と接触する位置に設けられ、前記加熱装置で加熱された酸素が前記容器から熱の伝達を受けながら前記容器の内部に導入されるように構成されている点にある。

上記特徴構成によれば、改質器及びセルスタック及び燃焼部が設けられる容器からの排ガスが有する熱によって、燃料電池セルに供給する酸素、及び、改質器に供給する原燃料、及び、改質器に供給する水のうちの少なくとも何れか一つを加熱する加熱装置が、容器の外部に設けられているので、即ち、加熱装置は容器の外部で熱消費を行うように構成されているので、容器の内部での温度低下を抑制できる。その結果、容器の内部において、燃料電池セルの性能低下や燃焼部での失火といった問題の発生を抑制できる。
更に、加熱装置が容器と一体に備えられているので、容器の内部から外部へ排出される排ガスからの放熱を抑制して、排熱回収性能を高めることができる。
従って、燃料電池セルや燃焼部の性能低下を抑制し、且つ、排熱回収性能を高めることができる固体酸化物形燃料電池を提供できる。
加えて、加熱装置で加熱された酸素が容器から熱の伝達を受けて更に加熱された上で容器の内部に導入されるので、容器からの排熱を更に有効に利用できる。

本発明に係る固体酸化物形燃料電池の別の特徴構成は、前記容器と前記加熱装置とは、それらの間に伝熱量調整部材を挟んで隣接して配置される点にある。

上記特徴構成によれば、伝熱量調整部材を設けることで、容器を構成する部材から加熱装置を構成する部材への熱伝達を調整或いは制限することができる。つまり、伝熱量調整部材として、容器を構成する部材から加熱装置を構成する部材への熱伝達を制限するような構成を採用すれば、容器から加熱装置への熱伝達を、主に排ガスを媒体とした熱伝達によって行うことができる。或いは、伝熱量調整部材として、容器を構成する部材から加熱装置を構成する部材への熱伝達を促進するような構成を採用すれば、容器から加熱装置への熱伝達を、排ガスを媒体とした熱伝達と、容器を構成する部材から加熱装置を構成する部材への熱伝達とによって行うことができる。その結果、加熱装置において、容器からの排熱の有効利用を図ることができる。

本発明に係る固体酸化物形燃料電池の更に別の特徴構成は、前記加熱装置は、前記改質器に供給する原燃料と前記改質器に供給する水とを前記排ガスの熱を用いて加熱するとともに混合することで、前記改質器に供給する前記原燃料と水蒸気との混合気体を生成する点にある。

上記特徴構成によれば、改質器に供給する原燃料と水蒸気との混合気体が加熱装置で生成された上で容器の内部に供給される。つまり、改質器に供給する原燃料と水とは容器の外部で加熱されて混合気体とされた上で容器の内部に導入されるので、容器の内部で水に気化熱が奪われることもない。その結果、容器の内部において原燃料と水との加熱のために奪われる熱を小さくできるので、容器の内部での温度低下を抑制できる。

本発明に係る固体酸化物形燃料電池の更に別の特徴構成は、前記加熱装置は、前記改質器に供給する原燃料と前記改質器に供給する水との加熱に用いられた後の前記排ガスの熱を用いて前記燃料電池セルに供給する酸素を加熱する点にある。

上記特徴構成によれば、加熱装置において、先ず高温の排ガスが、改質器に供給する原燃料と水との加熱に用いられ、その後、相対的に温度が下がった排ガスが、燃料電池セルに供給する酸素の加熱に用いられる。つまり、高温の排ガスと、相対的に温度が下がった排ガスとを複数の用途に応じて供給することで、排ガスが有する熱の有効利用を図ることができる。

本発明に係る固体酸化物形燃料電池の更に別の特徴構成は、前記加熱装置は、前記改質器に供給する原燃料と前記改質器に供給する水とを前記排ガスの熱を用いて加熱するとともに混合する第１加熱器と、前記改質器に供給する原燃料と前記改質器に供給する水との加熱に用いられた後の前記排ガスの熱を用いて前記燃料電池セルに供給する酸素を加熱する第２加熱器とを有する点にある。

上記特徴構成によれば、排ガスが、先ず相対的に高温の熱を必要とする第１加熱器において原燃料と水とを加熱するために利用され、その後、排ガスが保有する相対的に低温の熱を用いて第２加熱器において酸素が加熱される。このように、排ガスが保有する熱を高温側から低温側へと段階的に回収して、熱の有効利用を図ることができる。

第１実施形態固体酸化物形燃料電池の容器及び加熱装置の概略的な構成を示す図である。 第２実施形態固体酸化物形燃料電池の容器及び加熱装置の概略的な構成を示す図である。 第３実施形態固体酸化物形燃料電池の容器及び加熱装置の概略的な構成を示す図である。

＜第１実施形態＞
以下に図面を参照して第１実施形態の固体酸化物形燃料電池について説明する。
図１は、固体酸化物形燃料電池の容器及び加熱装置の概略的な構成を示す図である。
固体酸化物形燃料電池は、容器１の内部に、原燃料を水蒸気改質して燃料ガスを生成する改質器３と、改質器３で生成された燃料ガスを用いて発電する複数の燃料電池セル１４を有する燃料電池部（セルスタック）９と、燃料電池部９からのオフガスを燃焼する燃焼部１０とを備える。
以下、容器１の内部の空間（「内部空間４」と記載する）に収容している、改質器３及び燃料電池部９及び燃焼部１０などの構成について具体的に説明する。

容器１の内部空間４に設けられる燃料電池部９は、改質器３で生成された燃料ガスが通流する燃料通流部（図示せず）と空気（即ち、酸素）が通流する空気通流部（図示せず）とを備えた複数の固体酸化物形の燃料電池セル１４を電気的に直列接続した状態で備えたセルスタックにて構成されている。図示は省略するが、燃料電池セル１４は、燃料極と空気極との間に固体電解質層を備えた固体酸化物形に構成される。各燃料電池セル１４では、燃料通流部を燃料ガスが上向きに通流することで燃料極の全体に燃料ガスが供給され、空気通流部を上向きに空気が通流することで空気極の全体に酸素（空気）が供給される。つまり、各燃料電池セル１４は、燃料通流部における燃料ガスの排出口及び空気通流部における排出口が上向きになる姿勢で横方向に並ぶ状態で、容器１の内部空間４に設置されている。

加えて、改質器３から供給される燃料ガスを受け入れるガスマニホールド１５が設けられる。複数の燃料電池セル１４は、ガスマニホールド１５の上方側に上述のように並ぶ状態で配置され、ガスマニホールド１５と複数の燃料電池セル１４における燃料通流部の下端のガス導入口とが連通接続されている。そして、ガスマニホールド１５に供給された燃料ガスが複数の燃料電池セル１４夫々の燃料通流部に対して下端のガス導入口から供給されて、各燃料通流部を下方側から上方側に通流して発電反応に供される。発電反応に供された後の排燃料ガスは、燃料電池セル１４夫々の燃料通流部の上端に設けられる排出口から排出される。

容器１の内部空間４には空気が供給される。本実施形態では、後述する加熱装置２で加熱された後の空気が、酸素導入路８を通って容器１の内部空間４に供給される。複数の燃料電池セル１４夫々における空気通流部の下端部近傍には、内部空間４と燃料電池セル１４の空気通流部の内部とを連通する空気供給孔（図示せず）が設けられている。複数の燃料電池セル１４夫々の空気通流部には内部空間４の空気がこの空気供給孔を通して供給されて、各空気通流部を下方側から上方側に通流して発電反応に供される。発電反応に供された後の排空気は、燃料電池セル１４の夫々の空気通流部の上端に設けられる排出口から排出される。

燃料電池部９の上方には、各燃料電池セル１４の燃料通流部から排出される排燃料ガスと空気通流部から排出される排空気（即ち、酸素）とを燃焼させる燃焼空間（即ち、燃焼部１０）が形成される。つまり、燃料電池部９により燃焼部１０が実現される。加えて、改質器３が、燃焼部１０として機能する燃料電池部９の上方の燃焼空間に隣接して設けられている。その結果、燃焼部１０で発生する燃焼熱によって、改質器３が加熱される。改質器３には原燃料ガスと水蒸気との混合ガスが供給され、改質器３において原燃料ガスの水蒸気改質が行われる。図示は省略するが、改質器３の内部には改質触媒が充填されており、この改質触媒の触媒作用によって原燃料ガスが改質処理される。

以上のように、容器１の内部空間４には、燃料電池部９での発電反応により生じる高温の熱、及び、燃焼部１０での排燃料ガスの燃焼により生じる高温の熱が存在している。そして、この高温の熱は排ガスとして、容器１の下方のガス排出部６を通って、容器１の外部に設けられ且つ容器１と一体に設けられる加熱装置２に供給される。

本実施形態の固体酸化物形燃料電池が備える加熱装置２は、容器１の内部から外部へ排出される排ガスが有する熱を用いて、燃料電池セル１４に供給する酸素、及び、改質器３に供給する原燃料、及び、改質器３に供給する水のうちの少なくとも何れか一つを加熱する。

加熱装置２は、例えばプレート型熱交換器などの種々の熱交換器を用いて構成できる。そして、加熱装置２では、容器１の内部空間４からガス排出部６を通って供給される排ガスと、空気（酸素）とが熱交換して、空気が加熱される。また、容器１と加熱装置２とは、それらの間に伝熱量調整部材５を挟んで隣接して配置される。伝熱量調整部材５を設けることで、容器１を構成する部材から加熱装置２を構成する部材への熱伝達を調整或いは制限することができる。つまり、伝熱量調整部材５として、容器１を構成する部材から加熱装置２を構成する部材への熱伝達を制限するような構成を採用すれば、容器１から加熱装置２への熱伝達を、主に排ガスを媒体とした熱伝達によって行うことができる。或いは、伝熱量調整部材５として、容器１を構成する部材から加熱装置２を構成する部材への熱伝達を促進するような構成を採用すれば、容器１から加熱装置２への熱伝達を、排ガスを媒体とした熱伝達と、容器１を構成する部材から加熱装置２を構成する部材への熱伝達とによって行うことができる。その結果、加熱装置２において、容器１からの排熱の有効利用を図ることができる。

例えば、伝熱量調整部材５によって容器１を構成する部材から加熱装置２を構成する部材への熱伝達を制限するような場合、断熱材料を板状又はシート状に形成した構成や、断熱シートを袋状に形成し、その袋状の断熱シートの内部に粒状の断熱材料を充填した構成や、直接の接触を極力排した空間層の構成や、真空断熱層の構成などを伝熱量調整部材５として採用できる。或いは、伝熱量調整部材５によって容器１を構成する部材から加熱装置２を構成する部材への熱伝達を促進するような場合、板状に構成した金属材料などを伝熱量調整部材５として採用できる。

また、加熱装置２で空気の加熱に利用された後の排ガスは、加熱装置２から排出され、気水分離器１６に供給される。気水分離器１６では、排ガス中に含まれている水蒸気が加熱装置２から排出されるまでの間に凝縮して発生した水を排ガスと分離する。気水分離器１６によって水が分離された後の排ガスは排気される。気水分離器１６で排ガスから分離された水は、例えば、回収して貯留された後で改質器３へ供給する水（即ち、改質用水）として再利用される。

加熱装置２で加熱された後の空気は、酸素導入路８を通って容器１の内部空間４に導入される。この酸素導入路８は、容器１の外面から放出される熱を受けることができる位置関係（例えば、酸素導入路８の外面と容器１の外面とが接触するような位置関係など）に設けられているので、酸素導入路８を流れる空気は、容器１から熱の伝達を受けながら容器１の内部に導入される。つまり、加熱装置２で加熱された空気が容器１から熱の伝達を受けて更に加熱された上で容器１の内部に導入されるので、容器１からの排熱を更に有効に利用できる。尚、加熱装置２で加熱された空気が容器１からの熱の伝達を受けて内部空間４に導入されればよく、酸素導入路８を容器１の内側に設け、加熱装置２で加熱された後の空気が、容器１からの熱の伝達を受けながら内部空間４に導入されるようにすることもできる。また、本実施形態では、燃料電池セル１４に供給される空気（酸素）が加熱装置２によって加熱される例を示すが、改質器３に供給する原燃料、又は、改質器３に供給する水が加熱されるような設計変更を行ってもよい。

以上のように、本実施形態では、加熱装置２を、改質器３及びセルスタック及び燃焼部１０が設けられる容器１の内部に設けていない。つまり、加熱装置２は、容器１の外部で空気の予熱を開始し、容器１に入る時点での空気温度を上昇させることにより、容器１およびその内部の燃料電池セル１４および燃焼部１０の温度を上昇させる。その結果、容器１の内部において、燃料電池セル１４の性能低下や燃焼部１０での失火といった問題の発生を抑制できる。更に、加熱装置２が容器１と一体に備えられているので、容器１の内部から外部へ排出される排ガスからの放熱を抑制して、排熱回収性能を高めることができる。従って、燃料電池セル１４や燃焼部１０の性能低下を抑制し、且つ、排熱回収性能を高めることができる固体酸化物形燃料電池を提供できる。

＜第２実施形態＞
第２実施形態の固体酸化物形燃料電池は、加熱装置の機能が第１実施形態で説明した固体酸化物形燃料電池と異なっている。以下に、第２実施形態の固体酸化物形燃料電池について説明するが、第１実施形態と同様の構成については説明を省略する。

図２は、第２実施形態固体酸化物形燃料電池の容器及び加熱装置の概略的な構成を示す図である。
図示するように、加熱装置２は、改質器３に供給する原燃料ガスと改質器３に供給する水とを、容器１から排出される排ガスの熱を用いて加熱するとともに混合することで、改質器３に供給する原燃料ガスと水蒸気との混合気体を生成する。本実施形態でも、加熱装置２は、例えばプレート型熱交換器などの種々の熱交換器を用いて構成される。加熱装置２の内部の一つの流路には、原燃料ガスと水との気液混合流体が供給され、加熱装置２の内部の別の流路には、排ガスが供給される。そして、加熱装置２の内部で、気液混合流体が排ガスによって加熱されて、原燃料ガスと水蒸気との混合気体が生成される。
その後、加熱装置２で生成された原燃料ガスと水蒸気との混合気体は、容器１の内部に供給される。

以上のように、改質器３に供給する原燃料ガスと水とは容器１の外部で加熱されて（水は気化されて）、混合気体とされた上で容器１の内部に導入されるので、容器１の内部で水に気化熱が奪われることもない。その結果、容器１の内部での温度低下を抑制できる。

＜第３実施形態＞
第３実施形態の固体酸化物形燃料電池は、加熱装置の機能が上記実施形態で説明した固体酸化物形燃料電池と異なっている。以下に、第３実施形態の固体酸化物形燃料電池について説明するが、上記実施形態と同様の構成については説明を省略する。

図３は、第３実施形態固体酸化物形燃料電池の容器及び加熱装置の概略的な構成を示す図である。
図示するように、加熱装置２は、改質器３に供給する原燃料と改質器３に供給する水との加熱に用いられた後の排ガスの熱を用いて燃料電池セル１４に供給する酸素を加熱する。具体的には、加熱装置２は、改質器３に供給する原燃料と改質器３に供給する水とを排ガスの熱を用いて加熱するとともに混合する第１加熱器２Ａと、改質器３に供給する原燃料と改質器３に供給する水との加熱に用いられた後の排ガスの熱を用いて燃料電池セル１４に供給する酸素を加熱する第２加熱器２Ｂとを有する。本実施形態でも、第１加熱器２Ａ及び第２加熱器２Ｂは、例えばプレート型熱交換器などの種々の熱交換器を用いて構成される。また、容器１と加熱装置２（第１加熱器２Ａ及び第２加熱器２Ｂ）とは、それらの間に伝熱量調整部材５を挟んで隣接して配置される。

本実施形態では、容器１から排出される高温の排ガスが、先ず第１加熱器２Ａに供給される。第１加熱器２Ａには改質器３に供給する原燃料ガス及び水との気液混合流体も供給される。そして、第１加熱器２Ａでは、排ガスによって原燃料ガスと水との気液混合流体が加熱されて、原燃料ガスと水蒸気との混合気体が生成される。
第２加熱器２Ｂには、第１加熱器２Ａでの加熱に用いられた後の排ガスと、燃料電池セル１４に供給する空気（酸素）とが供給される。そして、第２加熱器２Ｂでは、第１加熱器２Ａで用いられた後の排ガスによって燃料電池セル１４に供給する空気が加熱される。

以上のように、改質器３に供給する原燃料ガスと水とは容器１の外部で加熱されて（水は気化されて）混合気体とされた上で容器１の内部に導入され、及び、燃料電池セル１４に供給する空気は容器１の外部で加熱された上で容器１の内部に導入されるので、容器１の内部での温度低下を抑制できる。
更に、第３実施形態では、加熱装置２において、先ず高温の排ガスが、改質器３に供給する原燃料と水との加熱に用いられ、その後、相対的に温度が下がった排ガスが、燃料電池セル１４に供給する酸素の加熱に用いられる。つまり、高温の排ガスと、温度が下がった排ガスとを複数の用途に応じて供給することで、即ち、排ガスが保有する熱を高温側から低温側へと段階的に回収することで、熱の有効利用を図ることができる。

＜別実施形態＞
上記実施形態において、固体酸化物形燃料電池の容器１の内部空間４に収容している改質器３及び燃料電池部９及び燃焼部１０の構成や、加熱装置２の構成などについて概略的に説明したが、それらの構成は適宜設計可能である。

本発明は、燃料電池セルや燃焼部の性能低下を抑制し、且つ、排熱回収性能を高めることができる固体酸化物形燃料電池に利用できる。

１ 容器
２ 加熱装置
２Ａ 第１加熱器
２Ｂ 第２加熱器
３ 改質器
５ 伝熱量調整部材
８ 酸素導入路
９ 燃料電池部（セルスタック）
１０ 燃焼部
１４ 燃料電池セル

Claims (5)

1. 原燃料を水蒸気改質して燃料ガスを生成する改質器と、前記改質器で生成された燃料ガスを用いて発電する複数の燃料電池セルを有するセルスタックと、前記セルスタックからのオフガスを燃焼する燃焼部とを容器の内部に備え、
   前記容器の内部から外部へ排出される排ガスが有する熱を用いて、前記燃料電池セルに供給する酸素、及び、前記改質器に供給する原燃料、及び、前記改質器に供給する水のうちの少なくとも何れか一つを加熱する加熱装置を、前記容器の外部に、前記容器と一体に備え、
   前記加熱装置で加熱された酸素を前記容器の内部に導入する酸素導入路を備え、
   前記酸素導入路は、前記容器の外面と接触する位置に設けられ、前記加熱装置で加熱された酸素が前記容器から熱の伝達を受けながら前記容器の内部に導入されるように構成されている固体酸化物形燃料電池。
2. 前記容器と前記加熱装置とは、それらの間に伝熱量調整部材を挟んで隣接して配置される請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池。
3. 前記加熱装置は、前記改質器に供給する原燃料と前記改質器に供給する水とを前記排ガスの熱を用いて加熱するとともに混合することで、前記改質器に供給する前記原燃料と水蒸気との混合気体を生成する請求項１又は２に記載の固体酸化物形燃料電池。
4. 前記加熱装置は、前記改質器に供給する原燃料と前記改質器に供給する水との加熱に用いられた後の前記排ガスの熱を用いて前記燃料電池セルに供給する酸素を加熱する請求項３に記載の固体酸化物形燃料電池。
5. 前記加熱装置は、前記改質器に供給する原燃料と前記改質器に供給する水とを前記排ガスの熱を用いて加熱するとともに混合する第１加熱器と、前記改質器に供給する原燃料と前記改質器に供給する水との加熱に用いられた後の前記排ガスの熱を用いて前記燃料電池セルに供給する酸素を加熱する第２加熱器とを有する請求項４に記載の固体酸化物形燃料電池。

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