JP6571560B2 - 燃料電池発電モジュール - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池発電モジュールであって、特に、低効率燃焼反応を最小限に抑え、燃料電池発電モジュールの燃料利用率及び発電効率を高めるために再生利用燃料を使用する高効率の燃料電池発電モジュールに関する。

従来の燃料電池は、反応温度に基づいて高温型および低温型の二つのタイプに分類することができ、高温型燃料電池のより高い効率は、例えば、メタンを燃料ガスとして使用してノードに直接入力する、低い作業温度型燃料電池で採用されている貴金属電極触媒を用いることなく、作動することができる。
これが、近年の高温型燃料電池の開発が注目されている高い作業温度型燃料電池の利点である。より高く及びより安定した発電性能を追求するために多くの国では、電解質、電極触媒、連結板、及び燃料電池動態や反応機構における他の材料を含む面での研究、システムテストを実行するために労力と大量のリソースを投資している。

米国特許公開ＵＳ ２０１０/０１３６３７８ Ａ１は、改質器と燃焼器とが統合された設計として開示されているが、燃料が希薄な状態の領域内にあるとき、燃焼反応が抑制されて、システム機能を停止する傾向がある。

米国特許第７１５６８８６ Ｂ２は、燃料の再利用のための燃焼後の排気ガスと改質器に熱を供給するように、燃焼器が改質器の下方に配置された直接積み重ね構造を有する改質器と燃焼器とが統合された構造を開示している。このような改質器と燃焼器構造で発生した熱は、大きな損失を生じ、および熱管理において改善の余地がある。

一般的な高温燃料電池の発電システムは、水素富化燃料の電気化学的反応で電気エネルギーを生成するもので有るが、燃焼反応を向上させるために排熱を利用し、電気化学反応を行っていなかった残余燃料を燃焼器に導入することにより、生成された熱エネルギーをシステム動作のために提供する。
システムは、システムによって必要とされる程度を超えた過剰な熱を発生させる場合には、システム動作の危険性を増加させる。高温型燃料電池には、システムの構成要素の大部分が単一のユニットに統合されているため、高い作動温度（７００〜８００℃）またはそれ以上に加熱されると、内部の改質触媒を置換するとき困難を生じる。

従来の燃料電池の欠点を解決するため、更なる熱と燃料再生利用効率の改善と向上が求められている。

米国公開特許第 ２０１０/０１３６３７８ Ａ１号

米国特許第７１５６８８６ Ｂ２号

本発明は、燃料電池構成要素の配置について、燃料や熱エネルギー再生利用する仕組みを改良した装置を提供する。

本発明は、高効率の燃料電池発電モジュールを提供することを目的になされたものである。燃料電池積層体の未反応燃料を再生利用及び燃焼用燃料として燃焼器に供給され、また燃焼器で発生した熱を直接に燃料電池積層体とプレート式蒸発器を加熱するために使用され、残余の熱が燃料電池積層体からの残留空気を加熱するために使用され、そして加熱された空気が燃料電池スタック内に導入された新鮮な空気を予熱するために使用される。

本発明の主要な目的は、高効率の燃料電池発電モジュールを提供することにある。燃料電池積層体の未反応燃料の再生利用及び燃焼用燃料として燃焼器に供給され、燃焼器で発生した熱が直接に燃料電池積層体とプレート式蒸発器を加熱するために使用され、熱の残りが燃料電池積層体からの残留空気を加熱するために使用され、そして加熱された空気が燃料電池積層体内に導入された新鮮な空気を予熱するために使用される。プレート式蒸発器は、燃料と共に燃料電池積層体の中に入る水を蒸気に変換する。したがって、未反応の燃料を再生利用するだけではなく、全体の発電モジュールの効率を促進するために熱の利用効率を向上させる。

本発明の一つの目的は、燃料電池積層体に垂直に順番に立設されている燃料電池積層体、底板、燃焼器、プレート式蒸発器の四つの部分を含む高効率の燃料電池発電モジュールを提供し、これらの各部品の間での熱伝達が直接接触を介して強化され、燃料電池積層体の周囲をフェンス状に囲んで配置された配管内を流れる新鮮な空気を予熱することにより、燃焼器によって生成された熱を最大限に活用して、放熱及び燃料損失量を低減することにより全体的な経済的効率を向上させる。

本発明の一つの目的は、改質器と組み合わせた燃料電池積層体に対して、それぞれ正極と負極とは燃料流路及び空気流路を介して、燃料電池積層体の内部で接続され、燃料流路の各端部にそれぞれ燃料入口および燃料出口に設けられ、かつ、空気流路の各端部にそれぞれ空気入口及び空気出口が設けられている。
燃料電池積層体の一方の側に設けられた燃焼器は熱い熱風出口と空気入口とを連通する空気流路を有する。
燃焼器の燃料電池積層体に対して反対側面に取り付けられたプレート式蒸発器が設けられ、さらに、燃料電池積層体の燃料出口に連通して、再生利用のため未反応燃料及び水を導入して分離するための気水分離器が配置される。
燃料電池積層体の外周には、外管と内管から構成された複数の複合管が設けられ、各々の外管は内管を包囲して、内管の一方の端部を燃焼器の熱風出口と連通して燃焼器からの熱風を導入して外管を流通する空気を加熱する。

本発明のもう一つの目的は、燃料電池発電モジュールにおいて高い熱伝導率の底板が設けられ、燃料電池積層体と燃焼器がそれぞれ該底板の上側と下側に取り付けられて、前記燃料電池積層体と燃焼器との間に配置されている。

本発明のもう一つの目的は、気水分離器により複合管を介して再生利用する未反応燃料と水を分離して、プレート式蒸発器に供給する燃料電池発電モジュールを提供する。
すなわち、外管を介してプレート式蒸発器に再生利用する未反応燃料を導入し、内管を介してプレート式蒸発器に再生利用水を導入し、中間層管を介してプレート式蒸発器に外部燃料を導入して補充する。

本発明のもう一つの目的は、燃料電池積層体の外周に設けられた多層管が複数並列したフェンス状に配置され、互いに接続され、燃料電池積層体の周囲を囲むことを特徴とする燃料電池発電モジュールを提供することである。

本発明のもう一つの目的は、燃焼器が室温で水素と空気との燃焼反応を発生させるための多孔質触媒担体を有する触媒型燃焼器を有することを特徴とする燃料電池発電モジュールを提供する。

本発明のもう一つの目的は、プレート式蒸発器内部を通過する水の分離及び蒸発の熱交換効率を高めるために、多孔質充填材を備えることを特徴とする燃料電池発電モジュールを提供する。

本発明のもう一つの目的は、外管に入る前に新鮮な空気を予熱器により予熱させることを特徴とする燃料電池発電モジュールを提供する。

添付の図面と併せて本発明の他の目的の利点および新規な特徴を、以下の詳細な説明からより明らかにする。

以下、本発明に関わる料電池発電モジュールについて、図１〜４を用いて説明する。
本発明の構成は、燃料電池積層体１、燃焼器２、プレート式蒸発器３、複合管４、気水分離器５、複合管６と、を配置した構造を備えている。燃料電池積層体１は、改質装置と組み合わされた正極及び負極であり、燃料流路１１と空気流路１２とを介して燃料電池積層体１の内部でそれぞれ接続されている。
燃料入口１１１と燃料出口１１２は、それぞれ燃料流路１１の各端部に設けられ、かつ、空気入口１２１及び空気出口１２２は、それぞれ空気流路１２の各端部に設けられている。

燃焼器２は、燃料電池積層体１の一方の側に配置され、常温で供給される水素と空気とが、燃焼反応することが出来る多孔質触媒担体を備える。燃焼器２は、空気入口２１と熱風排出口２２を備え、また空気流通管１２３を介して空気出口１２２と連通する。例示的な一実施形態において、高い熱伝導性を有する平板１３は、燃焼器２と燃料電池積層体１との間に設けられており、燃料電池積層体１と燃焼器２は、それぞれ平板１３の上下両側に取り付けられている。

プレート式蒸発器３は、燃焼器２の燃料電池積層体１に対して反対側に配置され、燃料導入口１１１に向けて燃料混合管３１で連通し、内部に多孔質充填材が設けられていて流入した水を蒸発分離することによって熱伝達効率を高めることができる。

複合管６は、内管６１と中間層管６２と外管６３とからなる。内管６１の一方の端部を前記プレート式蒸発器３の中に延長し、中間層管６２が内管６１の外周に嵌合され、さらに外管６３が中間層管６２の外周に取り付けられ、外管６３の一端がプレート式蒸発器と連通すると共に、外管６３と中間層管６２とが相互接続されている。
例示的な実施形態において、中間層管６２の他端は補助燃料配管６２１を介して外部の燃料源（図示せず）に接続され、内管６１の他端は水管６１１に接続され、外管６３の他端は燃料配管６３１に接続されている。

ガスと水を分離するための気水分離器５は、回収管５１を介して燃料電池積層本体１の燃料出口１１２に連通して、再生利用のための未反応成分の残留する燃料と水とを受容し、再生利用燃料としてその一部を燃焼器２の入口２１に導入すると共に、燃料電池積層本体１の空気出口１２２から流出する空気と混合して、燃焼のために燃焼器２に供給する。
そして、気水分離器５は、第１燃料管５３及び燃料ポンプ５３１を通って流通する燃料管６３１に接続されており、再生利用燃料は補助燃料管６２１と接続する中間層管６２からの補充燃料を混合して、プレート式蒸発器３に導入される。
また、気水分離器５は、給水管５２と水供給のため外部（図示せず）と接続される水補助水管５２２とを水ポンプ５２１に接続し、再生利用水は、水ポンプ５２１によって十分な純水の供給を得て、水供給管６１１と接続する内管６１を介してプレート式蒸発器３に導入される。

多層管４は、外管４２と内管４１で構成され、内管４１の外周を囲む外管４２からなり、複数の多層管４の各々が燃料電池積層体１の外周に設けられ、内管４１の一端は燃焼器２からの高温排気を導入するため燃焼器２の熱風排出口２２に連通し、また内管４１の他端は排気口４１１であり、
外管４２の一端は空気流路の入口４２１から新鮮な空気を導入して、その他端が燃料電池積層本体１の空気入口１２１に連通することにより、外管４２の一端から新鮮な空気を導入して流動しながら、内管４１によって加熱して燃料電池積層本体１の空気入口１２１に導入することができる。

本発明の実施形態として例示する燃料電池本体１は、複数の多層管４が設けられてあり、それぞれを燃料電池積層体１の周囲を包囲する互いに接続したフェンス状に構成されており、外管４２の入口４２１に設けられている予熱器７によって、空気が外管４２内に導入される前に予熱されて、燃料電池積層体１と外管４２との間で良好な熱交換効果を発揮する。

装置の稼働時には、未反応成分が残留する燃料は、燃料電池積層体１の燃料出口１１２から、回収管５１によって気水分離器５に導入され、再生利用する燃料及び水に分離及び出力した後、一部の再生利用燃料（約２０％）は第２燃料管５４を経て流動して、循環する空気流通管１２３から流出する燃料電池積層本体１からの未反応成分を含む空気と混合して、燃焼器２の入口２１を通って導入されて燃焼し、発生した熱はプレート式蒸発器３および燃料電池積層本体１を加熱し、さらに残余の熱は、熱風排出口２２をから内管４１を経て排気口４１１から排出される。

残る再生利用燃料（約８０％）は、
第２燃料管５３、燃料ポンプ５３１、燃料管６３１を経て外層管６３に供給され、補助燃料管６２１を介して中間層管６２から供給される外部燃料と混合し、再生利用される。
一方、再循環される水は、水供給管５２を経て外部給水入口５２２から水を補給して、水ポンプ５２１から供給管６１１と内層管６１とを経て、プレート式蒸発器３に供給される。

プレート式蒸発器３は、燃焼器２からの熱を吸収して水を蒸気に変換し、外層管６３と中間層管６２から導入された燃料と混合し、燃料混合管３１を経て燃料流路１１の燃料入口１１１を介して燃料電池積層体１に供給する。
外部からの新鮮な空気は、空気入口４２１から外管４２に導入され、予熱器７によって加温されて、外管４２内の空気流は内管４１によってさらに加熱されて後、空気入口１２１に導入され、燃料電池本体１の流路１１内の蒸気及び混合燃料と反応するための空気流路１２に供給することができる。

本発明の多くの特徴および利点は、本発明の構造及び機能の詳細と共に、前述の説明に記載されている事項に制約されない、ということが理解されるべきであり、以上において詳細にされた開示は例示として示されたのみであって、当業者が必要に応じてなし得る変更、特に形状、サイズ、および本発明の原理内での部品の配置の変更、調整等は、特許請求の範囲に表現される用語の広い一般的な意味によって示される全範囲に至るまで、その権利範囲に属すると解されるべきである。

本発明の燃料電池発電モジュール構造の説明図である。 本発明の燃料電池発電モジュール構造の正面図である。 本発明の燃料電池発電モジュール構造の背面図である。 本発明の燃料電池発電モジュール構造体の部分断面図である。

燃料電池積層体１
１１ 燃料流路
１１１ 燃料入口
１１２ 燃料出口
１２ 空気流路
１２１ 空気入口
１２２ 空気出口
１２３ 空気流通管
１３ 平板
２ 燃焼器
２１ 空気入口
２２ 熱風排出口
３ プレート式蒸発器
３１ 燃料混合管
４ 多層管
４１ 内管
４１１ 排気口
４２ 外管
４２１ 入口
５ 気水分離器
５１ 回収管
５２ 給水管
５２１ 水ポンプ
５２２ 補助水管
５３ 第１燃料管
５３１ 燃料ポンプ
５４ 第２燃料管
６ 複合管
６１ 内管
６１１ 水管
６２ 中間層管
６２１ 補助燃料管
６３ 外管
６３１ 燃料管
７ 予熱器

Claims (7)

1. 燃料電池発電モジュールにおいて、改質器と組み合わせた燃料電池積層体を備え、
   前記燃料電池積層体内で正極が燃料流路と接続され、負極が空気流路に接続され、
   前記燃料流路の入口及び出口がそれぞれ燃料流路の端部に配置され、前記空気流路の入口及び出口がそれぞれ空気流路の端部に配置されてなり、
   前記燃料電池積層体の空気流路の出口に連通する空気入口及び熱風排出口を設けて、前記燃料電池積層体の一側に設けられた燃焼器を備え、
   前記燃焼器の前記燃料電池積層体に対して反対側面に取り付けられたプレート式蒸発器を備え、
   前記燃料電池積層体の前記燃料流路の出口に連通する気水分離器を備え、
   再生利用のために前記燃料流路出口から排出される燃料を前記気水分離器に導入し、分離された未反応成分が残留する燃料の一部と前記燃料電池積層体の空気流路出口から流出する空気とを混合して、前記燃焼器入口に導入して燃焼熱を発生させて、
   前記燃焼器の燃焼熱を直接これに接する前記プレート式蒸発器及び前記燃料電池積層体に伝導させ、
   再生利用のため分離された残余の未反応成分が残留する燃料に補充の燃料を加えて後、前記プレート式蒸発器に供給し、かつ再生利用のため前記気水分離器で分離された水に補充水を加えて後、前記プレート式蒸発器に供給し、
   該プレート式蒸発器において前記燃焼器からの熱伝導により、水を蒸気に変換して前記燃料電池積層体の燃料入口に燃料と蒸気とを供給し、
   前記燃料電池積層体の外周を囲んで配置され、外管と内管から構成された複数の複合管を設けて、該内管の一端を前記燃焼器からの熱風排出口と連通し、該外管の一端を前記燃料電池積層体の空気入口と連通させて、
   該外管の他端から導入する空気が該内管を流通する熱風によって加熱されて、前記燃料電池積層体に流入するようにした、
   ことを特徴とする燃料電池発電モジュール。
2. 前記燃料電池積層体と前記燃焼器は、それぞれ高熱伝導率性プレートの上側と下側に取り付けられて、該高熱伝導率性プレートは前記燃料電池積層体と前記燃焼器との間に装着されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電モジュール。
3. 前記気水分離器で分離された再生利用燃料と水とを前記プレート式蒸発器に供給するため複合管を設けてなり、
   該複合管が内管と外管と中間管とから構成され、
   該内管で再生利用水を供給し、該外管で再生利用燃料を供給し、前記中間管で外部から補充する燃料を供給することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電モジュール。
4. 前記複数の複合管が互いに接続されて、前記燃料電池積層体の外周を囲んでフェンス状に配置して設けられたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電モジュール。
5. 前記燃焼器が常温で水素と空気との燃焼反応を発生させるための多孔質触媒担体を有する触媒型燃焼器であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電モジュール。
6. 前記プレート式蒸発器は、多孔質充填材料を設けて熱伝達効率を向上して透過する水の分離効率を向上したことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電モジュール。
7. 前記複合管の外管に予熱器を設けて該外管に導入する空気を予熱することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電モジュール。

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