(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を複数積層した燃料電池スタックと、
炭化水素を主体とする原燃料を改質し、前記燃料電池スタックに供給される前記燃料ガスを生成する改質器と、
前記燃料電池スタックから排出される前記燃料ガスである燃料排ガスと前記酸化剤ガスである酸化剤排ガスとを燃焼させ、燃焼排ガスを発生させる排ガス燃焼器と、
を備える燃料電池モジュールであって、
前記排ガス燃焼器が配置される箱形状の排ガス燃焼室と、
前記改質器に供給される前の前記原燃料を、前記排ガス燃焼器から発生する前記燃焼排ガスにより予め昇温させる箱形状の予昇温部と、
を設けるとともに、
前記排ガス燃焼室と前記予昇温部とは、互いに隣接して配置され、
前記予昇温部の箱形状を構成する１つの壁が、前記排ガス燃焼室の一面を構成することを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池モジュールにおいて、前記排ガス燃焼室は、立方体形状又は直方体形状を有し、
前記燃料電池スタックと前記予昇温部とは、前記排ガス燃焼室を挟んで互いに対向して配置されるとともに、
前記改質器は、前記排ガス燃焼室の側面に沿って略コ字状に配置されることを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池モジュールにおいて、前記燃料電池スタックと前記予昇温部とは、前記排ガス燃焼室の上部と下部とに配置されるとともに、
前記予昇温部は、前記排ガス燃焼室の前記一面である下面を構成することを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記予昇温部は、ケーシング部材を有し、
前記ケーシング部材の内部には、仕切り板を介して渦巻き状の燃料ガス予昇温通路が形成されることを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項５】
請求項４記載の燃料電池モジュールにおいて、前記排ガス燃焼器は、前記排ガス燃焼室の上部から配置されて前記燃料排ガス及び前記酸化剤排ガスが排出される排ガス排出口を備え、
前記燃料ガス予昇温通路は、渦巻きの中心部が前記排ガス排出口の真下に配置されることを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池モジュールにおいて、水を蒸発させるとともに、水蒸気を前記改質器に供給する蒸発器を備え、
前記蒸発器は、前記予昇温部よりも原燃料流通方向上流に配置されることを特徴とする燃料電池モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を複数積層した燃料電池スタックを備える燃料電池モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
通常、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は、固体電解質に酸化物イオン導電体、例えば、安定化ジルコニアを用いている。固体電解質の両側にアノード電極とカソード電極とを配設した電解質・電極接合体（以下、ＭＥＡともいう）は、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持されている。燃料電池は、通常、電解質・電極接合体とセパレータとが所定数だけ積層された燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
ＳＯＦＣでは、炭化水素を主体とする原燃料を改質し、燃料電池スタックに供給される燃料ガスを生成する改質器を備えている。例えば、特許文献１に開示されている燃料電池システムでは、原燃料源からの原燃料（都市ガス）、空気圧縮機からの空気及び水タンクからの水蒸気よりなる原料ガスは、予熱燃焼器によって加熱されてから燃料改質器に供給されている。予熱燃焼器は、排ガス管を通じて供給される燃料電池からの排ガスを燃焼させ、原料ガスを予熱して燃料改質器に供給している。
【０００４】
その際、予熱燃焼器と燃料改質器の間には、原料ガスを加熱するための電気ヒータが設けられている。電気ヒータは、燃料電池システムの起動時に原料ガスの予熱量を確保するために設けられている。すなわち、起動後しばらくの間は、燃料電池からの排ガスの量が不十分であるため、予熱燃焼器のみでは原料ガスの予熱が不十分となるからである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−１５５７４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記の特許文献１では、起動時の原料ガスの予熱量を確保するために、専用の電気ヒータが用いられている。このため、電気ヒータを駆動させるために電力消費が増加するとともに、前記電気ヒータのオン・オフ制御が必要になるという問題がある。
【０００７】
本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単且つ経済的な構成で、改質反応を効率的に行うことが可能な燃料電池モジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る燃料電池モジュールは、燃料電池スタック、改質器及び排ガス燃焼器を備えている。燃料電池スタックは、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を複数積層している。改質器は、炭化水素を主体とする原燃料を改質し、燃料電池スタックに供給される燃料ガスを生成している。排ガス燃焼器は、燃料電池スタックから排出される燃料ガスである燃料排ガスと酸化剤ガスである酸化剤排ガスとを燃焼させ、燃焼排ガスを発生させている。
【０００９】
燃料電池モジュールは、排ガス燃焼器が配置される箱形状の排ガス燃焼室と、改質器に供給される前の原燃料を、前記排ガス燃焼器から発生する燃焼排ガスにより予め昇温させる箱形状の予昇温部と、を設けている。そして、前記排ガス燃焼室と前記予昇温部とは、互いに隣接して配置され、前記予昇温部の箱形状を構成する１つの壁が、排ガス燃焼室の一面を構成している。
【００１０】
また、排ガス燃焼室は、立方体形状又は直方体形状を有することが好ましい。その際、燃料電池スタックと予昇温部とは、排ガス燃焼室を挟んで互いに対向して配置されるとともに、改質器は、前記排ガス燃焼室の側面に沿って略コ字状に配置されることが好ましい。このため、改質器全体には、排ガス燃焼室で発生する高温の燃焼熱が均等に伝導され、良好な改質反応及び該改質器の均温化が遂行されるとともに、無駄な放熱が有効に抑制可能になる。
【００１１】
さらに、この燃料電池モジュールでは、燃料電池スタックと予昇温部とは、排ガス燃焼室の上部と下部とに配置されるとともに、前記予昇温部は、前記排ガス燃焼室の一面である下面を構成することが好ましい。従って、予昇温部には、排ガス燃焼室で発生する高温の燃焼熱が伝導され、効率的な排熱回収が遂行されるとともに、原燃料の昇温処理が確実に遂行される。
【００１２】
さらにまた、予昇温部は、ケーシング部材を有し、前記ケーシング部材の内部には、仕切り板を介して渦巻き状の燃料ガス予昇温通路が形成されることが好ましい。これにより、予昇温部内には、長尺な燃料ガス予昇温通路が形成され、原燃料を確実且つ容易に昇温させることができる。
【００１３】
また、排ガス燃焼器は、排ガス燃焼室の上部から配置されて燃料排ガス及び酸化剤排ガスが排出される排ガス排出口を備え、燃料ガス予昇温通路は、渦巻きの中心部が前記排ガス排出口の真下に配置されることが好ましい。このため、燃料ガス予昇温通路を流通する燃料ガスは、効率的且つ十分な昇温処理が遂行され、予昇温部全体を有効にコンパクト化且つ低コスト化することが可能になる。
【００１４】
さらに、この燃料電池モジュールでは、水を蒸発させるとともに、水蒸気を改質器に供給する蒸発器を備え、前記蒸発器は、予昇温部よりも原燃料流通方向上流に配置されることが好ましい。従って、蒸発器における蒸発不足や変動は、予昇温部での熱交換により解消されるため、流量変動のない安定した燃料ガスを改質器に供給することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、予昇温部は、燃料電池モジュール内で最も高温となる排ガス燃焼室の一面を構成しており、前記排ガス燃焼室で発生する燃焼熱の放熱を低減させるとともに、効率的な排熱の回収が可能になる。これにより、簡単且つ経済的な構成で、改質反応を効率的に行うことが可能になり、発電効率の向上が容易に図られる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池モジュールの要部説明図である。
【図２】前記燃料電池モジュールの概略構成説明図である。
【図３】前記燃料電池モジュールの要部の分解斜視説明図である。
【図４】前記燃料電池モジュールを構成する排ガス燃焼室の平面説明図である。
【図５】前記燃料電池モジュールの、図１中、Ｖ−Ｖ線断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１に示すように、本発明の実施形態に係る燃料電池モジュール１０は、定置用の他、車載用等の種々の用途に用いられる。燃料電池モジュール１０は、燃料電池ユニット１２を備え、前記燃料電池ユニット１２が筐体１４内に収容される。
【００１８】
図１及び図２に示すように、燃料電池ユニット１２は、燃料電池スタック１６、改質器１８、空気予熱器２０、排ガス燃焼器２２及び蒸発器２４が組み付けられるとともに、全体として略直方体形状（又は略立方体形状）に構成される。排ガス燃焼器２２は、排ガス燃焼室２６に配置されるとともに、前記排ガス燃焼室２６の一面は、予昇温部２８により構成される。
【００１９】
図２に示すように、空気予熱器２０と燃料電池スタック１６の酸化剤ガス系流路（図示せず）とは、空気供給配管３０ａを介して接続される。蒸発器２４、予昇温部２８及び改質器１８は、混合ガス供給配管３０ｂを介して接続され、前記改質器１８と燃料電池スタック１６の燃料ガス系流路（図示せず）とは、燃料ガス供給配管３０ｃを介して接続される。蒸発器２４は、予昇温部２８よりも原燃料流通方向上流に配置される。
【００２０】
燃料電池スタック１６の燃料排ガス出口と排ガス燃焼器２２とは、燃料排ガス配管３０ｄにより接続される。燃料電池スタック１６の酸化剤排ガス出口と排ガス燃焼器２２とは、酸化剤排ガス配管３０ｅにより接続される。排ガス燃焼器２２により生成される燃焼排ガスは、燃焼ガス配管３０ｆを介して空気予熱器２０及び蒸発器２４の順に供給される。
【００２１】
燃料電池スタック１６は、燃料ガス（水素ガスにメタン、一酸化炭素が混合した気体）と酸化剤ガス（空気）との電気化学反応により発電する。燃料電池スタック１６は、図１に示すように、平板状の固体酸化物形燃料電池３１を備え、複数の前記燃料電池３１は、鉛直方向（矢印Ａ方向）（又は水平方向）に積層される。
【００２２】
燃料電池３１は、例えば、安定化ジルコニア等の酸化物イオン導電体で構成される電解質の両面に、カソード電極及びアノード電極が設けられた電解質・電極接合体（ＭＥＡ）を備える。電解質・電極接合体の両側には、カソードセパレータとアノードセパレータとが配設される。カソードセパレータには、カソード電極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス系流路の一部が形成されるとともに、アノードセパレータには、アノード電極に燃料ガスを供給する燃料ガス系流路の一部が形成される。
【００２３】
図１、図３及び図４に示すように、排ガス燃焼室２６は、立方体形状又は直方体形状を有する。燃料電池スタック１６と予昇温部２８とは、排ガス燃焼室２６を挟んで互いに対向して配置されるとともに、改質器１８は、前記排ガス燃焼室２６の側面に沿って略コ字状に配置される。具体的には、燃料電池スタック１６と予昇温部２８とは、排ガス燃焼室２６の上部と下部とに配置されるとともに、前記予昇温部２８は、前記排ガス燃焼室２６の一面である下面を構成する。
【００２４】
改質器１８は、図３及び図４に示すように、排ガス燃焼室２６の長辺方向に延在するとともに、互いに平行な中空状の側板部３２ａ、３２ｂを有する。側板部３２ａ、３２ｂの端部には、これらと直交する方向に面方向が設定される中空状の端板部３２ｃが一体に設けられる。側板部３２ａ、３２ｂの開放側端部には、閉塞板部３２ｄが設けられる。閉塞板部３２ｄは、４面を有する箱形状を有するが、一枚の平板で構成してもよい。図４に示すように、改質器１８の外面と筐体１４の内壁面との間には、排ガスを流通させる排ガス流通路３３が形成される。
【００２５】
改質器１８の内部には、図示しないが、改質触媒が充填される。改質触媒としては、Ｒｕ（ルテニウム）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｐｔ（白金）、Ｒｈ（ロジウム）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｉｒ（イリジウム）又はＦｅ（鉄）の少なくとも１種類の触媒金属を使用する。改質器１８は、炭化水素を主体とする原燃料（例えば、都市ガス）と水蒸気との混合ガスを水蒸気改質し、燃料電池スタック１６に供給される燃料ガスを生成する。
【００２６】
図３に示すように、側板部３２ａの端板部３２ｃとは反対の端部には、予昇温部２８に接続される原燃料導入管３４が設けられる。側板部３２ｂの端板部３２ｃとは反対の端部には、燃料ガス供給配管３０ｃが設けられ、前記燃料ガス供給配管３０ｃは、燃料電池スタック１６の燃料ガス系流路に接続される。
【００２７】
図１及び図３に示すように、排ガス燃焼器２２は、燃料電池スタック１６の下部に接続されて排ガス燃焼室２６の上部に配置される。排ガス燃焼器２２は、燃料電池スタック１６から排出される燃料ガスである燃料排ガスが流通される燃料排ガス配管３０ｄと、酸化剤ガスである酸化剤排ガスが流通される酸化剤排ガス配管３０ｅとを備える。
【００２８】
燃料排ガス配管３０ｄは、内管とし、酸化剤排ガス配管３０ｅは、外管として二重管が構成される。燃料排ガス配管３０ｄの先端側外周には、複数個の燃料排ガス導出口（排ガス排出口）３８が等角度間隔離間して形成される。酸化剤排ガス配管３０ｅの先端には、複数個の酸化剤排ガス導出口（排ガス排出口）４０が同心円上に形成される。改質器１８を構成する端板部３２ｃには、グロープラグ４２が装着され、前記グロープラグ４２の先端は、排ガス燃焼器２２に近接して配置される。
【００２９】
空気予熱器２０は、燃焼排ガスとの熱交換により酸化剤ガスを昇温させるとともに、燃料電池スタック１６に前記酸化剤ガスを供給する。蒸発器２４には、水と原燃料とが供給され、水が蒸発して生成された水蒸気と原燃料との混合ガスは、混合ガス供給配管３０ｂを介して予昇温部２８に供給される。
【００３０】
図３及び図５に示すように、予昇温部２８は、立方体形状又は直方体形状のケーシング部材４４を有する。ケーシング部材４４の内部には、仕切り板４４ａを介して渦巻き状の燃料ガス予昇温通路４６が形成される。仕切り板４４ａには、所定の部位に水蒸気を含む原燃料（混合ガス）を通過させるための開口部４４ａｈが形成される。燃料ガス予昇温通路４６は、渦巻きの中心領域（中心部）４８が排ガス排出口である燃料排ガス導出口３８及び酸化剤排ガス導出口４０の真下に配置される。
【００３１】
このように構成される燃料電池モジュール１０の動作について、以下に説明する。
【００３２】
図１及び図２に示すように、燃料電池モジュール１０の運転時には、空気予熱器２０に空気が供給されるとともに、蒸発器２４には、原燃料及び水が供給される。具体的には、空気予熱器２０の燃焼ガス配管（図示せず）には、後述する燃焼排ガスが供給されるとともに、前記空気予熱器２０には、酸化剤ガスとしての空気が供給されている。空気は、燃焼排ガスにより加熱（熱交換）され、高温になった前記空気は、空気供給配管３０ａを介して燃料電池スタック１６の酸化剤ガス系流路に供給される。
【００３３】
一方、例えば、都市ガス（ＣＨ4、Ｃ2Ｈ6、Ｃ3Ｈ8、Ｃ4Ｈ10を含む）等の原燃料は、水と共に蒸発器２４に供給される。蒸発器２４には、後述する燃焼排ガスが供給されるため、水が蒸発して水蒸気が生成され、この水蒸気と原燃料との混合ガスは、混合ガス供給配管３０ｂを介して予昇温部２８に導入される。予昇温部２８では、図３及び図５に示すように、ケーシング部材４４の内部には、仕切り板４４ａを介して渦巻き状の燃料ガス予昇温通路４６が形成されている。このため、混合ガスは、燃料ガス予昇温通路４６に沿って流通するとともに、燃焼排ガスの燃焼熱により昇温される。
【００３４】
昇温された混合ガスは、燃料ガス予昇温通路４６から原燃料導入管３４を通って改質器１８に供給される。改質器１８では、混合ガスが水蒸気改質され、Ｃ2+の炭化水素が除去（改質）されてメタンを主成分とする改質ガスが得られる。改質ガスは、燃料ガス供給配管３０ｃを通って燃料電池スタック１６の燃料ガス系流路に供給される。
【００３５】
従って、各燃料電池３１では、酸素と空気との化学反応により発電が行われる。図１〜図３に示すように、発電反応により燃料電池スタック１６から排出される燃料ガスである燃料排ガスは、燃料排ガス配管３０ｄに導出される。同様に、発電反応により燃料電池スタック１６から排出される酸化剤ガスである酸化剤排ガスは、酸化剤排ガス配管３０ｅに導出される。
【００３６】
図１及び図３に示すように、燃料排ガスは、燃料排ガス配管３０ｄの複数個の燃料排ガス導出口３８から排ガス燃焼室２６に導入される。一方、酸化剤排ガスは、酸化剤排ガス配管３０ｅの複数個の酸化剤排ガス導出口４０から排ガス燃焼室２６に導入される。これにより、排ガス燃焼室２６には、燃料排ガスと酸化剤排ガスとが混合されて燃焼され、燃焼排ガスが発生する。なお、排ガス燃焼室２６では、グロープラグ４２が必要に応じて駆動され、燃料排ガスと酸化剤排ガスとの混合ガスが着火される。
【００３７】
燃焼排ガスは、改質器１８の内側及び排ガス流通路３３（図４参照）を流通することにより、前記改質器１８を昇温させるとともに、予昇温部２８に燃焼熱を伝達する。さらに、燃焼排ガスは、燃焼ガス配管３０ｆを介して空気予熱器２０及び蒸発器２４の順に供給される（図２参照）。このため、空気予熱器２０及び蒸発器２４に燃焼熱が伝達される。
【００３８】
この場合、本実施形態では、図１及び図３に示すように、予昇温部２８は、燃料電池モジュール１０内で最も高温となる排ガス燃焼室２６の一面を構成している。従って、排ガス燃焼室２６で発生する燃焼熱の放熱を低減させるとともに、効率的な排熱の回収が可能になる。これにより、燃料電池モジュール１０では、簡単且つ経済的な構成で、改質反応を効率的に行うことが可能になり、発電効率の向上が容易に図られるという効果が得られる。
【００３９】
すなわち、予昇温部２８により混合ガスが昇温されると、改質器１８の入口温度が上昇する。このため、混合ガスは、触媒活性温度以上に予昇温され、改質触媒の性能を発揮させることができ、結果的に触媒量が有効に低減されてコスト及び寸法の低減が図られるという利点がある。
【００４０】
また、排ガス燃焼室２６は、立方体形状又は直方体形状を有している。その際、燃料電池スタック１６と予昇温部２８とは、排ガス燃焼室２６を挟んで互いに対向して配置されるとともに、改質器１８は、前記排ガス燃焼室２６の側面に沿って略コ字状に配置されている。従って、改質器１８全体には、排ガス燃焼室２６で発生する高温の燃焼熱が均等に伝導され、良好な改質反応及び改質器１８の均温化が遂行されるとともに、無駄な放熱が有効に抑制可能になる。
【００４１】
これにより、触媒劣化が均等化されるため、改質器１８の出口改質率の低下が軽減される。このため、触媒使用量や長時間運転でのスタック劣化や発電効率の低下が良好に低減されるとともに、改質器１８に作用する熱応力が有効に低減される。
【００４２】
さらに、燃料電池スタック１６と予昇温部２８とは、排ガス燃焼室２６の上部と下部とに配置されるとともに、前記予昇温部２８は、前記排ガス燃焼室２６の下面を構成している。従って、予昇温部２８には、排ガス燃焼室２６で発生する高温の燃焼熱が伝導され、効率的な排熱回収が遂行されるとともに、原燃料の昇温処理が確実に遂行される。
【００４３】
さらにまた、予昇温部２８は、ケーシング部材４４を有し、前記ケーシング部材４４の内部には、仕切り板４４ａを介して渦巻き状の燃料ガス予昇温通路４６が形成されている。これにより、予昇温部２８内には、長尺な燃料ガス予昇温通路４６が形成され、混合ガス（原燃料）を確実且つ容易に昇温させることができる。
【００４４】
また、排ガス燃焼器２２は、排ガス燃焼室２６の上部から配置されて燃料排ガス及び酸化剤排ガスが排出される燃料排ガス導出口３８及び酸化剤排ガス導出口４０を備えている。そして、予昇温部２８の燃料ガス予昇温通路４６は、渦巻きの中心領域４８が、燃料排ガス導出口３８及び酸化剤排ガス導出口４０の真下に配置されている。このため、燃料ガス予昇温通路４６を流通する混合ガスには、効率的且つ十分な昇温処理が遂行され、予昇温部２８全体を有効にコンパクト化且つ低コスト化することが可能になる。
【００４５】
さらに、燃料電池モジュール１０は、水を蒸発させるとともに、水蒸気を改質器１８に供給する蒸発器２４を備え、前記蒸発器２４は、予昇温部２８よりも原燃料流通方向上流に配置されている（図２参照）。従って、蒸発器２４における蒸発不足や変動は、予昇温部２８での熱交換により解消されるため、流量変動のない安定した燃料ガスを改質器１８に供給することができる。
【符号の説明】
【００４６】
１０…燃料電池モジュール            １２…燃料電池ユニット
１４…筐体                          １６…燃料電池スタック
１８…改質器                        ２０…空気予熱器
２２…排ガス燃焼器                  ２４…蒸発器
２６…排ガス燃焼室                  ２８…予昇温部
３１…燃料電池                      ３２ａ、３２ｂ…側板部
３２ｃ…端板部                      ３８…燃料排ガス導出口
４０…酸化剤排ガス導出口            ４４…ケーシング部材
４４ａ…仕切り板                    ４６…燃料ガス予昇温通路
４８…中心領域
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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