JP6870227B2

JP6870227B2 - 燃料電池モジュール

Info

Publication number: JP6870227B2
Application number: JP2016140431A
Authority: JP
Inventors: 智信中村
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2015-07-21
Filing date: 2016-07-15
Publication date: 2021-05-12
Anticipated expiration: 2036-07-15
Also published as: JP2017027937A

Description

この発明は、燃料電池モジュールに関する。特に、本発明は、固体酸化物形燃料電池モジュールに関する。

固体電解質形燃料電池（固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：ＳｏｌｉｄＯｘｉｄｅＦｕｅｌＣｅｌｌ）ともいう）は、燃料極（アノード）：Ｈ_２＋Ｏ^２−→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻、空気極（カソード）：（１／２）Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２−の反応により、電気エネルギーを取り出す装置である。一般に、燃料電池モジュールは、都市ガス等の原燃料ガスを改質して水素含有ガス（改質燃料ガス）を生成する改質器と、得られた改質燃料ガスと空気（酸化剤ガス）とを反応させて発電する燃料電池セルとをハウジング内に備えている。

このような燃料電池モジュールの改質器としては、円筒型改質器がある。円筒型改質器は、同心円状に間隔を置いて配置した複数の円筒体を有し、前記複数の円筒体によって区画された領域が、原燃料ガスと水および／または水蒸気との混合体の流路となる。そして、内側の円筒体の周方向中心部に前記混合体を加熱するためのバーナーを配置し、改質反応を進みやすくするために、前記混合体の流路内に紐状に成形したワイヤーメッシュを螺旋状に取り付けることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０−１２９４１１号公報

燃料電池モジュールを高効率で熱自立運転するためには、燃料電池セルからの輻射熱、および、燃料電池セルからの排ガスの燃焼熱を、改質器に伝搬させると同時に、外部への放熱を抑制することが重要である。しかし、特許文献１の技術では、改質器に熱を与えるために内管の中央部にバーナーを取り付ける必要がある。また、バーナーとワイヤーメッシュとでコストアップになる一方で、燃料電池セルからの放熱抑制は考慮されていない。

本発明は上記問題点を解決するものであり、燃料電池セルに起因する熱を改質器に効率よく伝搬させて熱利用効率を向上させるとともに、外部への放熱を抑制することのできる燃料電池モジュールを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の燃料電池モジュールは、
水蒸気を用いて燃料ガスを水素ガスに改質する改質器と、前記改質器によって改質された水素ガスと有酸素ガスとが供給されることにより発電する燃料電池セルと、前記燃料電池セルの上方に配置され、前記燃料電池セルで消費されなかった前記水素ガスと前記有酸素ガスとが導入される燃焼部とを備え、
前記改質器は、内管と、外管とを有する二重管構造であって、前記燃焼部を取り囲むように螺旋状に形成され、
前記内管と前記外管との間には、水蒸気改質触媒が配置されており、
前記内管には、前記燃料電池セルから排出される排気ガスが導入され、
前記内管と前記外管との間には、水蒸気と前記燃料ガスとの混合ガスが導入され、
前記燃焼部と前記燃料電池セルとの間には断熱材が配置されることを特徴とする。

前記改質器において、前記排気ガスと前記混合ガスとが、向流で流れていることが好ましい。

本発明の燃料電池モジュールにおいて、さらに、気化器を有しており、前記燃料電池セルの上方に前記改質器および前記気化器が配置されていることが好ましい。

本発明によれば、燃料電池セルに起因する熱を改質器に効率よく伝搬させて熱利用効率を向上させるとともに、外部への放熱を抑制することのできる燃料電池モジュールを提供することができる。

この発明の上述の目的，その他の目的，特徴および利点は、図面を参照して行う以下の実施例の詳細な説明から一層明らかとなろう。

図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池モジュールの一例の構成を示す斜視図である。図２は、前記燃料電池モジュールに適用される改質器の構成の一例を示す斜視図である。図３は、図２に示す改質器の構造を説明する部分断面図である。図４は、前記燃料電池モジュールに適用される気化器の構成の一例を示す斜視図である。図５は、本発明の実施形態の変形例１に係る燃料電池モジュールの側面図である。図６は、図５に示す燃料電池モジュールの平面図である。図７は、本発明の実施形態の変形例２に係る燃料電池モジュールの側面図である。図８は、図７に示す燃料電池モジュールの平面図である。

以下、この発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。ただし、本発明は、以下の例に限定および制限されない。なお、以下で参照する図面は、模式的に記載されたものであり、図面に描画された物体の寸法の比率などは、現実の物体の寸法の比率などとは異なる場合がある。図面相互間においても、物体の寸法比率等が異なる場合がある。また、各実施形態は例示であり、異なる実施形態で示した構成の部分的な置換または組み合わせが可能であることは言うまでもない。また、同様の構成による同様の作用効果については、実施形態毎には逐次言及しない。

図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池モジュールの一例の構成を示す斜視図である。この実施形態の燃料電池モジュール１００は、固体酸化物形（ＳＯＦＣ形）の燃料電池モジュールである。燃料電池モジュール１００は、断熱性（＝熱伝導率が低い性質）を有して直方体をなすハウジング１１を含むが、図１は、燃料電池モジュール１００の内部構造を説明するために、ハウジング１１を想像線（二点鎖線）で図示したものである。ハウジング１１の内側には、燃料電池セル１０、燃焼部１２、空気予熱器１５、改質器２０および気化器３０が設けられる。ハウジング１１には、その外側から内側に貫通するパイプ１６、パイプ１７、パイプ１８およびパイプ１９が設けられる。

本実施形態では、パイプ１６、パイプ１７、パイプ１８およびパイプ１９はハウジングの上面に設けられる。空気（有酸素ガス）はパイプ１６を経て取り込まれ、改質用水はパイプ１８を経て取り込まれ、燃料ガス（都市ガス等のメタンガス）はパイプ１９を経て取り込まれる。

パイプ１６の一方端はハウジングの外側に突出し、パイプ１６の他方端はハウジングの内側に突出する。また、パイプ１８の一方端はハウジングの外側に突出し、パイプ１８の他方端はハウジングの内側に突出する。さらに、パイプ１９の一方端はハウジングの外側に突出し、パイプ１９の他方端はハウジングの内側に突出する。

パイプ１６の前記他方端は空気予熱器１５の給気口に接続される。空気予熱器１５の排気口は、燃料電池セル１０に設けられた空気用の給気口（図示せず）に接続される。

パイプ１９の前記他方端は改質器２０に設けられた燃料ガス導入口２４に接続される。パイプ１８の前記他方端は気化器３０の給水口３１に接続される。気化器３０の排気口（水蒸気出口）３２は、燃料ガス導入口２４に接続される燃料ガスパイプ１９に接続されるが、改質器２０に水蒸気用の給気口を設けておき、そこに接続してもよい。改質器２０の排気口（水素ガス出口２５）は燃料電池セル１０に設けられた水素ガス用の給気口（図示せず）に接続される。

図２は、本発明の燃料電池モジュールに適用される改質器の構成の一例を示す斜視図である。また、図３は、図２に示す改質器２０の構造を説明する部分断面図である。図３は、図２中の一点鎖線で切断したときの、一本の管の断面を示している。改質器２０は、内管２１と外管２２とを有する二重管構造である。内管２１と外管２２との間には、水蒸気改質触媒２３が配置されている。内管２１には、燃料電池セル１０から排出される排気ガスが導入される。そして、内管２１と外管２２との間には、燃料ガス導入口２４から燃料ガスが、気化器３０で生成された水蒸気とともに導入される。このように、改質器２０内部では、燃料ガスと排気ガスとは混ざり合わないようになっている。

本発明では、改質器２０が二重管構造となっており、内管２１内に高温の排気ガスを流すので、改質器２０からの熱の漏れが減少し、燃料電池モジュール１００外周部の温度が上昇しにくくなるため、燃料電池モジュール１００からの放熱量を減少させることができる。ここで、「燃料電池セル１０から排出される排気ガス」としては、燃料電池セル１０から排出されるセル排気ガスをそのまま導入してもよいし、後述の化学式３および化学式４に従う化学反応によって消費されなかった空気および水素ガスを含むセル排気ガスを、燃焼部１２において燃焼させた排気ガスを導入してもよい。

また、本発明では、内管２１の表面において熱交換が起こるので、前記特許文献１等に見られるような円筒体を使用した改質器と比較して、熱交換面積を大きくすることが可能である。あるいは、同じ熱交換面積を要する場合には、本発明における改質器は、より小型化することが可能である。

さらに、二重管構造の配管を用いることで、改質器の形状を容易に変更することも可能である。本実施形態において、改質器２０は螺旋状に、燃焼部１２を取り囲むように形成されているが、本発明はこれに限定されない。例えば、前記配管を蛇行させたり、前記とは異なる螺旋形状にしたりすることができる。そのため、燃料電池セルの形状や燃焼部の配置等に制限されることなく採用が可能であるとともに、燃料電池セルへの熱応力を低減させることもできる。また、燃料電池モジュール１００の外観に合わせて、改質器の配置場所を容易に変更することもできる。

本実施形態においては、二重管構造の内管２１の直径は６ｍｍ以上１６ｍｍ以下とすることが好ましい。また、外管２２の直径は８ｍｍ以上２４ｍｍ以下とすることが好ましい。二重管の直径（外管２２の直径）は細いほうが、形状に自由度を与えることができるため好ましい。一方で、燃料電池セルから排出される多量の排気ガスが内管２１に導入されるため、圧力損失を低減させるという観点からは、内管２１の直径は、例えば、８ｍｍ以上１５ｍｍ以下とすることが好ましい。外管２２の直径は、内管２１の直径に合わせて設定するとよい。内管２１と外管２２との間に配置される水蒸気改質触媒２３は、粒状のものを充填して用いることが好ましい。しかし、本発明はこれに限定されない。燃料ガスと水蒸気との混合ガスが適正な流量で水蒸気触媒２３が配置される領域を通過して、後述の化学式１および化学式２で示される改質反応が進行することができれば、水蒸気改質触媒２３としては他の形状のものを用いることもできる。粒状の水蒸気改質触媒２３を用いる場合、粒子径は、０．５ｍｍ以上６．０ｍｍ以下とすることが好ましい。

前記の二重管構造は、改質器への適用に限定されず、例えば、空気予熱器や気化器にも適用することができる。

図４は、本発明の燃料電池モジュールに適用される気化器の構成の一例を示す斜視図であり、気化器３０は二重管構造である。気化器３０は、導入口３３から内管に改質器２０の内管２１から排出された排気ガスが導入される。また、改質用水パイプ１８から外管に改質水が導入される。改質水は、内管を流れる排気ガスによって加熱されて気化し水蒸気となり、排気口（水蒸気出口）３２から排出される。、排気口（水蒸気出口）３２から排出された水蒸気は、改質器２０の燃料ガス導入口２４から、パイプ１９から取り込まれた燃料ガス（メタンガス）とともに改質器２０に供給される。本実施形態においては、気化器３０は、改質器２０の上方に設けられる。

改質器２０では、メタンガスおよび水蒸気が、化学式１および化学式２によって水素ガスおよび炭酸ガスに変換される。
［化１］
ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ→３Ｈ_２＋ＣＯ
［化２］
ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→Ｈ_２＋ＣＯ_２

ここで、改質器２０の反応は吸熱反応である。本発明においては、改質器２０は、燃料電池セル１０の輻射熱、燃焼部１２の輻射熱、および、改質器２０の内管２１内を流れる排気ガスの熱を利用して改質を行う。なお、燃焼部１２の温度は約７００℃を示す。

燃料ガス導入口２４から導入された燃料ガスは、水蒸気とともに、改質器２０の内管２１と外管２２との間に導入される。内管２１と外管２２との間の流路には、水蒸気改質触媒２３が配置され、この流路を燃料ガスおよび水蒸気の混合ガスが通過する過程で、前述の化学式１および化学式２の反応が起こり、燃料ガスの改質がなされる。

前記反応をより進めて高い改質率を得るためには、例えば、前記流路を長くすることが好ましい。本実施形態における改質器は、二重管構造の配管からなる。そして、前記配管は燃焼部１２を取り囲むような螺旋状に、燃料電池モジュールにおける上部から下部に向かう方向に形成されており、流路が長くなるようにされている。

なお、前記反応は、燃料ガス導入口２４から水素ガス出口２５に向かうにしたがい、各化学式の右辺側に進んでいき、流路の終点近傍では、右辺側の化合物の分率が高くなるため、反応が平衡状態となる。吸熱反応である前記反応は、より加熱を行うことで進めることができる。よって、前記反応を進めるためには、流路の終点近傍で、より高温となるようにするとよい。そこで、改質器２０においては、排気ガスと前記混合ガスとが向流で流れるようにすることが好ましい。水素ガス出口２５側から排気ガスを内管２１に導入すると、高温の排気ガスによって改質器２０の出口温度を最大にすることができる。よって、流路終点近傍で燃料ガスをさらに加熱して、前記反応をより進め、改質率を向上させることができる。また、より効率的に熱交換を行うことができるため、改質器２０を構成する二重管の配管を短くすることができる。

本実施形態の態様とすると、改質器２０の外部で燃焼熱が消費され難く、改質器２０を効率的に加熱することができる。また、改質を行う部分では吸熱反応が起こるので、この改質器２０は、吸熱体によって囲まれているといえる。そのため、従来の燃料電池モジュールにおける改質器と比較して、改質器からの放熱を抑えることができ、燃料電池モジュール１００の小型化が可能となる。

空気予熱器１５は、パイプ１６から取り込まれた空気（有酸素ガス）を予熱する。予熱された空気は、燃料電池セル１０の下側から燃料電池セル１０に供給される。また、改質器２０によって発生した水素ガスは、燃料電池セル１０の下側から燃料電池セル１０に供給される。

燃料電池セル１０の空気極および燃料極では、化学式３および化学式４に従う化学反応が生じる。この結果、燃料電池セル１０の上下の最外層に、プラス電圧およびマイナス電圧がそれぞれ発生する。燃料電池セル１０で発生したプラス電圧およびマイナス電圧は、図示しない端子を経て出力される。
［化３］
１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２−
［化４］
Ｈ_２＋Ｏ^２−→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻

化学式３および化学式４に従う化学反応によって消費されなかった空気および水素ガスは、燃料電池セル１０から燃焼部１２に導入される。燃焼部１２は、イグナイターを有しており、内部で前記空気および前記水素ガスを燃焼させる。本実施形態においては、燃焼部１２は、燃料電池セル１０の上部に配置されている。燃焼後の排気ガスは、改質器２０下部から、内管２１に導入される。排気ガスは、改質器２０の内管２１を経て、気化器３０に導入口（排気ガス入口）３３から導入され、気化器３０を経てパイプ１７（排ガスパイプ）から排出される。

なお、本実施形態においては、空気予熱器１５は螺旋状の配管が上部から下部に向かう方向に形成されており、図１において燃料電池セル１０を取り囲むように設けられている。空気は、パイプ１６を介して上部から空気予熱器１５内に供給される。供給された空気は、空気予熱器１５の配管を通り、空気予熱器１５は、燃料電池セル１０の輻射熱を用いて空気を予熱する。予熱された空気は、燃料電池セル１０に供給される。本実施形態では空気予熱器１５が螺旋状の配管からなるものを説明したが、これに限られず、平面状の１段または多段からなる空気予熱器であっても構わない。

本実施形態においては、改質器２０および気化器３０は燃料電池セル１０の上方に配置されている。このように配置することで、高温の排気ガスを、短い経路で改質器２０および気化器３０に導入することができ、燃料電池モジュール全体の設置面積を減少させることができる。しかし、本発明は前記構成に限定されず、改質器および気化器は燃料電池セル１０の側面側に配置してもよい。

このように、本発明の燃料電池モジュールでは、改質器の内部から効率的な加熱を行うことができるので、燃料電池セルと改質器とを熱伝導部材で物理的に接合して熱の伝搬を行う必要はなく、例えば、熱伝導部材の接合に起因する燃料電池セルにおける温度むらや、燃料電池セルへの熱応力を低減することができる。そして、燃料電池セルから排出されるガスの燃焼熱は、改質器内部に効率的に伝搬されるので、熱利用効率も向上させることができる。

なお、本実施形態の燃料電池モジュール１００は、一組の燃料電池セル１０および改質器２０を有している。ただし、本発明においては、この構成に限定されない。本発明の燃料電池モジュールは、例えば、複数組の燃料電池セルおよび改質器をハウジング内に有していてもよい。

図５は本発明の実施形態の変形例１に係る燃料電池モジュール１００Ａの側面図である。図６は、図５に示す燃料電池モジュール１００Ａの平面図である。図１と共通する構成については同一の符号を付し、説明を省略する。

燃料電池モジュール１００Ａは、燃料電池モジュール１００の構成に加えて断熱材４０Ａを備える。断熱材４０Ａは、燃料電池セル１０および空気予熱器１５と、燃焼部１２との間に設けられている。これにより燃焼部１２から燃料電池セル１０に燃焼熱が伝わることを抑制でき、燃料電池セル１０内の温度差に起因する応力集中を抑制することができる。

図７は本発明の実施形態の変形例２に係る燃料電池モジュール１００Ｂの側面図である。図８は、図７に示す燃料電池モジュール１００Ｂの平面図である。図１と共通する構成については同一の符号を付し、説明を省略する。

燃料電池モジュール１００Ｂは、燃料電池モジュール１００の構成に加えて断熱材４０Ｂを備える。断熱材４０Ｂは、燃焼部１２と改質器２０および気化器３０との間の領域に、燃焼部１２の外周を取り囲むように設けられている。これにより燃焼部１２の燃焼熱の多くは排ガスの顕熱となり、改質器２０において効率的に熱交換することができる。この結果、燃料電池モジュール１００Ｂからの放熱を減らすことができる。

１００燃料電池モジュール
１０燃料電池セル
１１ハウジング
１２燃焼部
１５空気予熱器
１６（空気）パイプ
１７（排ガス）パイプ
１８（改質用水）パイプ
１９（燃料ガス）パイプ
２０改質器
２１内管
２２外管
２３水蒸気改質触媒
２４燃料ガス導入口
２５水素ガス出口
３０気化器
３１給水口
３２排気口（水蒸気出口）
３３導入口（排気ガス入口）
４０Ａ、４０Ｂ断熱材

Claims

水蒸気を用いて燃料ガスを水素ガスに改質する改質器と、前記改質器によって改質された水素ガスと有酸素ガスとが供給されることにより発電する燃料電池セルと、前記燃料電池セルの上方に配置され、前記燃料電池セルで消費されなかった前記水素ガスと前記有酸素ガスとが導入される燃焼部とを備え、
前記改質器は、内管と、外管とを有する二重管構造であって、前記燃焼部を取り囲むように螺旋状に形成され、
前記内管と前記外管との間には、水蒸気改質触媒が配置されており、
前記内管には、前記燃料電池セルから排出される排気ガスが導入され、
前記内管と前記外管との間には、水蒸気と前記燃料ガスとの混合ガスが導入され、
前記燃焼部と前記燃料電池セルとの間には断熱材が配置される、燃料電池モジュール。
前記改質器において、前記排気ガスと前記混合ガスとが、向流で流れている、請求項１記載の燃料電池モジュール。
さらに、気化器を有しており、
前記燃料電池セルの上方に前記改質器および前記気化器が配置されている、請求項１または２記載の燃料電池モジュール。