(57)【要約】【課題】断熱筐体内での熱利用効率を高めて改質器での改質率を向上させ、発電効率を向上させることができる燃料電池モジュールを提供する。【解決手段】燃料電池モジュール１０は、燃料電池スタック１４と、改質用水蒸気及び原燃料ガスによる水蒸気改質反応により改質燃料を生成し、該生成した改質燃料を燃料電池スタック１４に供給する改質器２２とを断熱筐体１６内に収納する構成を有する。この燃料電池モジュール１０において、改質器２２は、断熱筐体１６内で上下方向に沿って配置されると共に、原燃料ガスの入口ポート２３を上部に有している。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックと、改質用水蒸気及び原燃料ガスによる水蒸気改質反応により改質燃料を生成し、該生成した改質燃料を前記燃料電池スタックに供給する改質器とを断熱筐体内に収納する燃料電池モジュールであって、
前記改質器は、前記断熱筐体内で上下方向に沿って配置されると共に、前記原燃料ガスの入口を上部に有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、
前記改質器は、前記燃料電池スタックの側面に対向配置されてい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１又は２記載の燃料電池モジュールにおいて、
前記改質用水蒸気を生成する改質水蒸発器を備え、
前記改質水蒸発器は、前記断熱筐体内で前記燃料電池スタックの上方に設置され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又は２記載の燃料電池モジュールにおいて、
前記改質器は、平板型の改質反応部を有する平板型構造、又は管状型の改質反応部を有する管状型構造であ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は複数配置され、前記改質器は各燃料電池スタックの側面に対向してい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又は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は複数配置され、前記改質器の燃料ガス出口から各燃料電池スタックまでのそれぞれの配管の内径及び配管長さを同一に設定したことを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項７】
請求項１又は２記載の燃料電池モジュールにおいて、
前記改質器を支持する支持台を備え、該支持台の上部には改質器の上縁部が係合する鍵爪構造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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタックと改質燃料を生成する改質器とを断熱筐体内に収納した燃料電池モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）や溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）のように６００℃〜１０００℃程度で反応を行う高温型の燃料電池では、断熱筐体の内部空間に燃料電池スタックを収納し、高温の燃料電池モジュールを構成することが行われている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、燃料電池スタックからの輻射熱を改質器で直接受け易くするために、改質器を燃料電池スタック近傍に対向配置し、これらを断熱筐体内に収納した構成が開示されている。この構成では、改質器の底部から改質器の上部に向けて原燃料ガスを流通させつつ改質し、生成した水素を燃料電池スタックの燃料極に供給する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−８６０５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献１の構成のように、燃料電池スタックや改質器を断熱筐体内に収納した構成の場合、断熱筐体の内部空間（発電反応室）では、上部に熱が籠り、底部では相対的に温度が低くなることが考えられる。
【０００６】
ところで、改質器での改質反応は吸熱反応であり、触媒にはニッケル系やルテニウム系等の触媒が使われるが、反応部入口で最も吸熱量が大きくなり、相対的に反応部入口で大きな熱を必要とする。従って、特許文献１の構成では、発電反応室の上部に吸熱反応が相対的に小さくなる反応部出口が配置されるため、熱の籠り易い上部の熱を効率的に利用することができない。そのため、改質器での改質率の低下やメタン濃度の増加により燃料電池モジュール全体としての発電効率の低下を招く要因になる。
【０００７】
本発明は、上記従来の課題を考慮してなされたものであり、断熱筐体内での熱利用効率を高めて改質器での改質率を向上させ、発電効率を向上させることが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。
【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、燃料電池スタックと、改質用水蒸気及び原燃料ガスによる水蒸気改質反応により改質燃料を生成し、該生成した改質燃料を前記燃料電池スタックに供給する改質器とを断熱筐体内に収納する燃料電池モジュールであって、前記改質器は、前記断熱筐体内で上下方向に沿って配置されると共に、前記原燃料ガスの入口を上部に有することを特徴とする。
【０００９】
このような構成によれば、改質器を断熱筐体内で上下方向に沿って配置し、さらに原燃料ガスの入口を改質器の上部に設けている。このため、断熱筐体内において上部に集中した熱を改質器で最も大きな熱を必要とする入口側に与えることができる。従って、断熱筐体内での熱利用効率を高め、改質器での改質率を向上させることができ、燃料電池モジュール全体での発電効率を向上させることができる。
【００１０】
前記改質器は、前記燃料電池スタックの側面に対向配置されていると、高温の燃焼排ガスの対流熱伝達及び高温で作動する燃料電池スタックからの輻射熱を効率よく改質器で回収することができる。
【００１１】
前記改質用水蒸気を生成する改質水蒸発器を備え、前記改質水蒸発器は、前記断熱筐体内で前記燃料電池スタックの上方に設置されるとよい。そうすると、断熱筐体内で発生して上昇する熱を効率的に利用して改質用水蒸気を生成することができる。また、改質水蒸発器が燃料電池スタックの上方に設置され、改質器の入口が上部に設置されるため、両者間での原燃料ガスや改質用水蒸気の流通が円滑となる。
【００１２】
前記改質器は、平板型の改質反応部を有する平板型構造、又は管状型の改質反応部を有する管状型構造であってもよい。
【００１３】
前記燃料電池スタックは複数配置され、前記改質器は各燃料電池スタックの側面に対向している構成であってもよい。
【００１４】
前記燃料電池スタックは複数配置され、前記改質器の燃料ガス出口から各燃料電池スタックまでのそれぞれの配管の内径及び配管長さを同一に設定すると、改質器から各燃料電池スタックへの供給ガスの等配分を図ることができ、各燃料電池スタックの性能のバランスがとれ、安定したシステム効率を得ることが可能となる。
【００１５】
前記改質器を支持する支持台を備え、該支持台の上部には改質器の上縁部が係合する鍵爪構造が設けられていると、改質器の転倒や脱落を防止することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、断熱筐体内での熱利用効率を高め、改質器での改質率を向上させることができ、燃料電池モジュール全体での発電効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】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備えた発電装置の構成を示すブロック図である。
【図２】図２は、本発明の一実施形態に係る燃料電池モジュールの一構成例を示す斜視図である。
【図３】図３は、改質器を断熱筐体内で支持するための支持台の一例を示す構成図であり、図３（Ａ）は、側面図、図３（Ｂ）は、背面図、図３（Ｃ）は、底面図である。
【図４】図４は、変形例に係る改質器を示す斜視図である。
【図５】図５は、本実施形態の改質器を用いて原燃料ガスを上部から下部に向けて流した場合と、この改質器と同一の機器構成で原燃料ガスを下部より上部に向けて流した場合とでの改質器の温度に対する改質性能を比較したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明に係る燃料電池モジュールについて好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１９】
先ず、図１を参照して燃料電池モジュール１０を備えた発電装置１２の全体的な構成を説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池モジュール１０を備えた発電装置１２の構成を示すブロック図である。
【００２０】
図１に示すように、発電装置１２は、燃料電池スタック１４を断熱筐体１６の内部に設けた燃料電池モジュール１０と、燃料電池モジュール１０に燃料及び空気を供給する燃料供給ラインＬＦ１〜ＬＦ３及び空気供給ラインＬＡ１，ＬＡ２と、燃料電池モジュール１０からの排熱を利用して温水を製造する温水熱交換器１８と、燃料電池モジュール１０で使用する改質用水蒸気を生成するための水を貯留する凝集水タンク２０とを備えたコジェネレーションシステムとして構成されている。
【００２１】
燃料電池モジュール１０は、燃料電池スタック１４と、改質器２２と、空気予熱器２４と、改質水蒸発器２６とを備え、これらを断熱部材を箱状に画成した断熱筐体１６の内部（高温室）に設置したものである。断熱部材としては、グラスウール等の一般的な断熱材を用いればよい。但し、ボード状の高性能断熱材を使用することで、燃料電池モジュール１０をよりコンパクトに構成することができる。
【００２２】
燃料電池スタック１４は、燃料供給ラインＬＦ３から導入される燃料と、空気供給ラインＬＡ２から導入される空気とを反応させて発電する矩形平板の発電セルを複数積層した公知の構成である。本実施形態の場合、燃料電池スタック１４を、燃料極（アノード）１４ａと空気極（カソード）１４ｂとの間に電解質としてイオン伝導性セラミックスを介在させた固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）で構成している。固体酸化物形燃料電池を平板型の積層スタックで構成すると、燃料電池スタック１４をコンパクトに構成することができ、容積当たりの発電出力を高くすることができる。燃料電池スタック１４として他の高温型燃料電池、例えば、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）等を用いてもよい。燃料電池スタック１４の側部には、昇温用のヒータ２８が設置されている。
【００２３】
燃料供給ラインＬＦ１からの原燃料ガス（例えば、天然ガス、ＬＰＧ又は都市ガス等の炭化水素系の燃料）は、脱硫器３０及び改質器２２を経て水素や一酸化炭素を含む改質燃料となり、燃料供給ラインＬＦ３から燃料極１４ａへと導入される。
【００２４】
改質水蒸発器２６は、温水熱交換器１８からの凝集水を貯留する凝集水タンク２０から水供給ラインＬＷを介して送られる水（改質水）を蒸発させて改質用の水蒸気を生成するものである。本実施形態では、水供給ラインＬＷからの改質水が燃料供給ラインＬＦ１からの原燃料ガスと共に改質水蒸発器２６に導入される。改質水蒸発器２６で生成された水蒸気（改質用水蒸気）は、燃料供給ラインＬＦ２から原燃料ガスと共に改質器２２に導入される。改質器２２は、公知の構成でよく、その内部に各種の改質触媒が設けられている。燃料は改質水蒸発器２６で生成された水蒸気と共に、例えば３００℃程度まで加熱された状態で改質器２２に導入され、ここで７００℃程度まで温度上昇しつつ、水蒸気改質されて改質燃料となる。改質水蒸発器２６に改質水のみを導入し、ここで生成された改質用水蒸気を燃料供給ラインＬＦ１を流れる原燃料ガスと混合させた後、改質器２２に導入する構成としてもよい。
【００２５】
空気供給ラインＬＡ１からの空気は、ブロワ３２によって空気予熱器２４に導入され、所望の温度（例えば、６５０〜７００℃程度）まで予熱された後、空気供給ラインＬＡ２から空気極１４ｂへと導入される。
【００２６】
燃料電池スタック１４からの排ガスは排ガスラインＬＧから温水熱交換器１８に送られる。温水熱交換器１８は、貯水槽３６から供給される水を排ガスラインＬＧからの排ガスによって加熱して温水を製造し、製造した温水は貯水槽３６へと戻される。貯水槽３６では、補給水が供給され、温水が取り出される。また、温水熱交換器１８を通過した排ガスは、凝集水タンク２０で凝集・除塵されて排気する。凝集水は改質水として改質水蒸発器２６に供給される。凝集水タンク２０にはレベル計が設置され、水が一定レベル以下になると補給水が供給される。これにより、不要なガス及び余剰な水が排気及び排水される。
【００２７】
次に、以上のような発電装置１２を構成する燃料電池モジュール１０の具体的な構成例について説明する。
【００２８】
図２は、本発明の一実施形態に係る燃料電池モジュール１０の一構成例を示す斜視図であり、一部を断面で図示している。以下では、燃料電池モジュール１０の各構成要素について、図２における手前側を前側（正面側）、奥側を後側（背面側）と呼び、さらに左右方向を幅方向（左右幅方向）、高さ方向を上下方向と呼んで説明する。
【００２９】
図２に示すように、本実施形態では１つの断熱筐体１６内に４個の燃料電池スタック１４を設けた４個１組の構成からなる燃料電池モジュール１０を用いている。この燃料電池モジュール１０は、断熱筐体１６内に設置された棚装置４０の上棚４０ａ及び下棚４０ｂに燃料電池スタック１４を２個ずつ載置しており、正面視で２行２列の配置となっている。以下では、このような４個１組の燃料電池スタック１４をまとめて燃料電池スタック１４として説明することもある。
【００３０】
燃料電池モジュール１０では、棚装置４０に載置された燃料電池スタック１４の正面に対向するように扁平箱状の改質器２２が上下方向に沿って設置され、燃料電池スタック１４の上方に扁平箱状の改質水蒸発器２６が設置され、燃料電池スタック１４の側面を囲むように空気予熱器２４が設置されている。
【００３１】
改質器２２は、その内部に各種の改質触媒を設けた平板型の改質反応部（触媒層）２２ａを有した平板型構造である。改質器２２は、断熱筐体１６内で上下方向に沿って配置され、燃料電池スタック１４と並列されている。
【００３２】
改質器２２の上端面には、改質水蒸発器２６を出た原燃料ガスが流れる燃料供給ラインＬＦ２が接続される入口ポート（入口）２３が設けられ、改質器２２の下端面には改質燃料を燃料電池スタック１４へと供給する燃料供給ラインＬＦ３が接続される出口ポート（出口）２５が設けられている。すなわち、入口ポート２３は改質反応部２２ａの上部に設けられ、出口ポート２５は改質反応部２２ａの下部に設けられている。従って、入口ポート２３から改質器２２に導入された原燃料ガス及び改質用水蒸気は、改質器２２内を上部から下部へと向かう流れ（ダウンフロー）の中で改質され、生成された改質燃料（水素）が出口ポート２５から燃料電池スタック１４の燃料極１４ａへと供給される。
【００３３】
本実施形態の場合、改質器２２の燃料ガス出口となる出口ポート２５から各燃料電池スタック１４までの各燃料供給ラインＬＦ３は、それぞれの配管の内径及び配管長さが同一になるように調整している。これにより、改質器２２から各燃料電池スタック１４への供給ガスの等配分を図ることができ、各燃料電池スタック１４の性能のバランスがとれる。なお、燃料電池スタック１４の搭載数がさらに増えた場合にも同様の対応により、安定したシステム効率を得ることが可能となる。また、改質器２２とそれぞれの配管との間に断熱材を設置すると、配管の受熱を抑制することができ、各燃料電池スタック１４に供給する燃料ガス温度が変動することを抑制できる。
【００３４】
空気供給ラインＬＡ１を介して空気予熱器２４に導入された空気は、予熱器内部を流通して所望の温度まで加熱された後、空気供給ラインＬＡ２から燃料電池スタック１４の空気極１４ｂへと導入される。
【００３５】
改質水蒸発器２６は、内部空間で改質水を蒸発させて改質用水蒸気を生成する扁平直方体形状の箱体６０と、箱体６０を燃料電池モジュール１０に設置する際のブラケットとなる取付部材６２と備える。改質水蒸発器２６には、水供給ラインＬＷからの改質水及び燃料供給ラインＬＦ１からの原燃料ガスの入口となる入口管６４と、原燃料ガス及び生成した改質用水蒸気の出口となる出口管６６とが設けられている。
【００３６】
燃料電池スタック１４から排出された排ガスは、図１に示すように排ガスラインＬＧから外部の温水熱交換器１８へと送られる。
【００３７】
本実施形態に係る燃料電池モジュール１０では、より高い温度を必要とする改質器２２と空気予熱器２４とを断熱筐体１６内で燃料電池スタック１４の側面に配置し、これらより低い温度でよい改質水蒸発器２６を燃料電池スタック１４の上方に配置している。
【００３８】
改質器２２は、上記のように扁平箱状であって各燃料電池スタック１４の燃料排ガスの排出面４２と対向し、その正面を覆うように上下方向に沿って配置されている。このため、断熱筐体１６内で発生した燃焼火炎の輻射熱、高温の燃焼排ガスの対流熱伝達及び高温で作動する燃料電池スタック１４からの輻射熱を効率よく改質器２２に与えることができる。さらに、改質器２２への原燃料ガスの入口となる入口ポート２３を改質反応部２２ａの上部に設けている。このため、断熱筐体１６内において上部に集中した熱を改質器２２で最も大きな熱を必要とする改質反応部２２ａの入口側に与えることができる。従って、断熱筐体１６内での熱利用効率を高め、改質器２２での改質率を向上させることができ、燃料電池モジュール１０全体での発電効率を向上させることができる。
【００３９】
改質器２２及び空気予熱器２４よりも低い温度で作動する改質水蒸発器２６は燃料電池スタック１４の上方に配置されることにより、断熱筐体１６内で発生して上昇する熱を効率的に受けることができる。これにより、生成された改質用水蒸気を所望の過熱状態まで十分に加熱することができる。また、改質水蒸発器２６が燃料電池スタック１４の上方に設置され、改質器２２の入口ポート２３が上部に設置されているため、両者間での原燃料ガスや改質用水蒸気の流通が円滑となり、配管構造等を簡素化できる。
【００４０】
このように、本実施形態に係る燃料電池モジュール１０では、燃料電池スタック１４を囲むように改質器２２、空気予熱器２４及び改質水蒸発器２６を設置しているため、断熱筐体１６内で発生する燃料電池スタック１４の輻射熱等を各機器で効率的に回収することができる。そのため、改質器２２での改質効率や空気予熱器２４での予熱効率、さらには改質用水蒸気での加熱効率が向上し、断熱筐体１６から外部への放熱を低減することができるため、モジュール内の熱自立を維持することができる。これにより、燃料電池スタック１４での燃料利用率の低下が防止され、装置全体の発電効率を維持することができる。
【００４１】
ところで、改質器２２は、その高さ寸法及び幅寸法と比較して、奥行き寸法が短いため、奥方向（燃料電池スタック１４の方向）への転倒や、接続した機器からの振動による移動やずれをする懸念がある（図２参照）。そこで、本実施形態では、奥方向への転倒や位置ずれを抑制する機能を持った支持台６７によって改質器２２を支持する構成としている（図２参照）。
【００４２】
図３は、改質器２２を断熱筐体１６内で支持するための支持台６７の一例を示す構成図であり、図３（Ａ）は、側面図、図３（Ｂ）は、背面図、図３（Ｃ）は、底面図である。図２及び図３に示すように、支持台６７は、脚部６８と、脚部６８の上部で改質器２２を保持する保持部６９とを備え、例えば改質器２２の幅方向両側部に左右一対で取り付けられる。脚部６８は、手前側（燃料電池スタック１４とは反対側）に向かって突出した脚板６８ａを有し、この脚板６８ａの先端側に設けられた取付孔６８ｂを用いて断熱筐体１６の床面上に固定される（図２参照）。保持部６９は、脚部６８の上面である載置面６９ａに下端面が載置された改質器２２の上縁部を上端に形成された鍵爪構造のフック６９ｂで係合するものである。
【００４３】
支持台６７では、上記のように手前側に突出して床面上に着地する脚板６８ａを有することにより、改質器２２の重量に対抗する回転モーメントが向上し、奥方向への転倒や位置ずれが抑制される。すなわち、改質器２２の重心が手前方向に移動し、奥方向への転倒や位置ずれが抑制される。一方、奥方向には燃料電池スタック１４が配置されているため、脚板６８ａのように脚部６８を伸長させることが難しい。そこで、保持部６９の上部に改質器２２の上縁部を把持するフック６９ｂを設けたことにより、奥方向に脚板等を突出させることなく改質器２２の転落や傾倒を確実に防止している。なお、図示はしないが、改質器２２と支持台６７の間に挟むように断熱材を配置することで、改質器２２の放熱を抑制できる。
【００４４】
上記では平板型構造の改質器２２を例示したが、燃料電池モジュール１０には他の構造からなる改質器を搭載しても勿論よい。例えば、図４に示すように、その内部に各種の改質触媒を設けた管状型（円筒型）の改質反応部（触媒層）７０ａを複数本（図４では３本）並列した管状型構造の改質器７０を用いてもよい。改質器７０では、各改質反応部７０ａの上部が入口連結管７２で接続され、下部が出口連結管７４で接続されると共に、入口連結管７２に入口ポート２３が設けられ、出口連結管７４に出口ポート２５が設けられている。このような構成からなる改質器７０についても、入口連結管７２が上部となり出口連結管７４が下部となる姿勢で図２に示す改質器２２に代えて燃料電池モジュール１０に配設することで、高い改質率を得ることができる。
【実施例】
【００４５】
図５は、本実施形態の改質器２２を用いて原燃料ガスをダウンフローで流した場合と、この改質器２２と同一の機器構成で原燃料ガスを下部より上部に向けて流した場合（アップフロー）とでの改質器の温度に対する改質性能を比較したグラフである。図５中で、四角形状が本実施形態のダウンフローでの改質率（ＤＦ）を示し、菱形形状が比較例となるアップフローでの改質率（ＵＦ）を示す。
【００４６】
図２及び図４から明らかなように、吸熱反応量の大きい改質器２２の改質反応部２２ａの入口ポート２３を断熱筐体１６内で熱の籠り易い燃料電池モジュール１０の上部に配置した本実施形態の構成では、上部に籠る熱を効率よく回収でき、その結果改質性能が向上することが分かった。一方、改質器２２の改質反応部２２ａの入口ポート２３を断熱筐体１６内で燃料電池モジュール１０の下部に配置した比較例の構成では、上部に籠る熱を効率よく回収することができず、その結果改質性能が低下することが分かった。
【００４７】
なお、本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で自由に変更できることは勿論である。
【００４８】
例えば、上記実施形態では、燃料電池スタック１４を４個１組又は１個１組として用いた構成を例示したが、燃料電池スタック１４の搭載個数は適宜変更可能であることは勿論である。また、燃料電池スタック１４は矩形の積層形状ではなく、円筒形状の発電セルを１本又は複数本有した構成であってもよい。但し、改質器２２（７０）での改質率を考慮すると、燃料電池スタック１４の個数を変更した場合であっても各燃料電池スタック１４の排出面４２に改質器２２（７０）を対向配置することが望ましい。
【符号の説明】
【００４９】
１０  燃料電池モジュール
１２  発電装置
１４  燃料電池スタック
１４ａ  燃料極
１４ｂ  空気極
１６  断熱筐体
２２，７０  改質器
２２ａ，７０ａ  改質反応部
２３  入口ポート
２４  空気予熱器
２５  出口ポート
２６  改質水蒸発器
４２，４４  排出面
６７  支持台
ＬＡ１，ＬＡ２  空気供給ライン
ＬＦ１〜ＬＦ３  燃料供給ライン
ＬＷ  水供給ライン
【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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