JP6550813B2 - 燃料電池モジュール - Google Patents

Description

本発明は、断熱筐体内に燃料電池スタックを配置した燃料電池モジュールに関する。

固体酸化物形燃料電池等の高温型燃料電池は運転温度が６００℃〜１０００℃程度であり、燃料極（アノード）に導入する水素を主成分とする改質ガスや、空気極（カソード）に導入する酸素を含んだ空気等を常温で燃料電池スタックに導入すると、大きな温度差によって構成材料（セラミックス）に大きな熱応力が発生し、材料の劣化や破損（セル割れ）の原因となる。

そこで、従来、このような燃料電池スタックを備えた燃料電池モジュールでは、起動時に改質器をバーナーで加熱するか、或いは燃料電池スタックに接続する配管にヒータを設置し、燃料電池スタックに導入する燃料や空気を加熱していた。

例えば、特許文献１には、燃料電池スタックに燃料及び空気を導入するそれぞれの配管にヒータを設け、導入する燃料と空気を加熱する構成が記載されている。特許文献２には、燃料電池スタックに導入する空気をヒータで加熱し、カソード周辺の水分を乾燥・除去する構成が記載されている。特許文献３には、燃料電池スタック自体に薄膜ヒータを設け、発電開始時に燃料電池スタック本体を加熱する構成が記載されている。

特開２００８−９７８９１号公報 特開２０１０−２５１２１９号公報 特開２００４−１１１３０７号公報

ところが、上記のような燃料電池モジュールでは、そのシステム構成によってはガスバーナーが無い場合や設置できない場合があり、またガスバーナーによる加熱は局部的な加熱となるためシステム全体を均等に加熱することが難しい。上記特許文献３の構成のように燃料電池スタック本体を薄膜ヒータで加熱する場合も同様であり、システム全体の熱効率を改善することは難しい。上記特許文献１、２のように配管をヒータで加熱する構成では伝熱面積が不足するため、この場合にもシステム全体の熱効率を向上させることは難しい。

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、燃料電池スタックに導入される改質燃料又は空気を効率よく予熱す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。

本発明に係る燃料電池モジュールは、断熱筐体内に燃料電池スタックを配置した燃料電池モジュールであって、前記断熱筐体内で前記燃料電池スタックの周囲には、前記燃料電池スタックに供給する燃料を改質する改質器、該改質器での改質反応に用いる改質用水蒸気を生成する改質水蒸発器、及び前記燃料電池スタックに供給する空気を予熱する空気予熱器のうちの少なくとも１つが配置され、前記燃料電池スタックの周囲に配置される前記改質器、前記改質水蒸発器、又は前記空気予熱器の前記燃料電池スタック側の面とは反対側の面に加熱手段を設けたことを特徴とする。

このような構成によれば、断熱筐体内で燃料電池スタックの周囲に配置される改質器、改質水蒸発器、又は空気予熱器の燃料電池スタック側の面とは反対側の面に加熱手段を設けたことにより、当該機器を十分な伝熱面積で均等に加熱することが可能となる。このため、燃料電池スタックに導入される改質燃料又は空気を効率よく予熱することができ、システム全体の熱効率を向上させることができる。

前記燃料電池スタックの周囲に配置される前記改質器、前記改質水蒸発器、又は前記空気予熱器は、前記燃料電池スタックの端面に対向配置され、該燃料電池スタックの端面に対向配置された面とは反対側の面に前記加熱手段を設けた構成であると、当該機器を燃料電池スタックからの輻射熱等で効率よく加熱することができ、その反対側の面を加熱手段で効率よく加熱することができるため、燃料電池スタックに導入される改質燃料又は空気を一層効率よく予熱することができる。

前記加熱手段は、管状ヒータ又は面状ヒータであってもよい。すなわち、加熱手段は、各機器の燃料電池スタック側とは反対側の面に設けられるため、燃料電池スタックからの輻射熱等の放熱を直接受けることがない。このため、耐熱温度が比較的低い管状ヒータや面状ヒータ等の汎用ヒータを加熱手段として使用することが可能であり、加熱手段を低コストで構成することができる。

前記加熱手段の出力を制御するヒータ制御部を備え、前記ヒータ制御部は、前記改質器、前記改質水蒸発器、又は前記空気予熱器が目標温度となるように前記加熱手段の出力を制御すると、燃料電池モジュールを高い熱効率に維持しながら運転することができる。

少なくとも前記改質器は、前記断熱筐体内で前記燃料電池スタックの周囲に配置されると共に前記加熱手段が設けられ、前記ヒータ制御部は、前記改質器の内部に収納された触媒の温度が目標温度となるように前記加熱手段の出力を制御する構成としてもよい。これにより、改質器での改質反応の効率が向上し、さらに燃料電池スタックに導入される改質燃料を効率よく予熱することができるため、システム全体の熱効率を一層向上させることができる。

本発明によれば、燃料電池スタックに導入される改質燃料又は空気を効率よく予熱することができ、システム全体の熱効率を向上させることができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池モジュールを備えた発電装置の構成を示すブロック図である。 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は、図２に示す燃料電池モジュールの概略構成を示す平面図である。 図４は、改質器を正面側から見た説明図である。 図５は、本実施形態に係る燃料電池モジュールの起動手順の一例を示すフローチャートである。

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。

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。

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，ＬＦ２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で使用する改質用の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。

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（気化器）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。

燃料電池スタック１４は、燃料供給ラインＬＦ２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、昇温用の本体ヒータ２８が設置されている。

燃料供給ラインＬＦ１からの原燃料（例えば、メタンガス、都市ガス等）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ＬＦ２から燃料極１４ａへと導入される。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。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から送られる水を蒸発させ改質用の水蒸気を生成するものであり、生成した水蒸気は水蒸気供給ラインＬＷから改質器２２に導入される直前の燃料供給ラインＬＦ１に導入される。これにより、燃料は改質水蒸発器２６で高温となった水蒸気と混合され、例えば３００℃程度まで加熱された後、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。

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。

燃料電池スタック１４から出た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。凝集水は改質用の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一方、水が一定レベル以上になるとオーバーフローにより排水する。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。

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。

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、図３は、図２に示す燃料電池モジュール１０の概略構成を示す平面図である。以下では、燃料電池モジュール１０を構成する各機器について、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、左右方向を幅方向（左右幅方向）と呼んで説明する。

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。燃料電池スタック１４の搭載個数は適宜変更可能である。

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の側面に空気予熱器２４が設置されている。

断熱筐体１６で保温する構成である燃料電池モジュール１０では、高い温度を必要とする改質器２２と空気予熱器２４とを燃料電池スタック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。

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。改質器２２は、このような平板型構造であって各燃料電池スタック１４の正面を覆うように配置されているため、燃料電池スタック１４から発生した熱を効率的に受けることができる。

図４は、改質器２２を正面側から見た説明図であり、改質器２２に設けられるヒータ６４の出力を制御する制御系統も合わせて図示したブロック説明図である。

図３及び図４に示すように、ヒータ６４は、改質器２２の燃料電池スタック１４側とは反対側の面である外壁面２２ｂに設けられている。ヒータ６４は、金属細管（シース）に発熱線と絶縁物質を充填した細管状のヒータであり、自由に曲げて用いることが可能な構造である。本実施形態では、改質器２２の外壁面２２ｂにヒータ６４を蛇行させて配置して固定具６６で固定することにより、外壁面２２ｂの全体を均等に加熱可能としている。図４中に２点鎖線で示すように、細管状のヒータ６４に代えて、外壁面２２ｂの略全体を覆うように設けられる面状のヒータ６８を用いてもよい。

ヒータ６４は、ヒータ制御部７０と接続されている。ヒータ制御部７０は、改質器２２の表面温度を測定する表面温度センサＴ１及び改質器２２の内部温度を測定する内部温度センサＴ２の測定値に基づきヒータ６４の出力制御を行う。表面温度センサＴ１は、外壁面２２ｂに設けられて該外壁面２２ｂの温度を検出し、内部温度センサＴ２は、改質反応部２２ａに設けられて該改質反応部２２ａの触媒温度を検出する。ヒータ制御部７０には、さらに燃料電池スタック周囲温度センサＴ３が接続されている。燃料電池スタック周囲温度センサＴ３は、燃料電池スタック１４周囲の温度を検出するものであり、例えば図３に示すように燃料電池スタック１４の近傍に設けられる。

ヒータ制御部７０は記憶部７２を有する。記憶部７２には、表面温度センサＴ１によって測定される改質器２２の外壁面２２ｂの目標温度（例えば、５００℃）と、内部温度センサＴ２によって測定される改質器２２の内部の目標温度（例えば、７００℃）と、燃料電池スタック周囲温度センサＴ３によって測定される排ガスの目標温度（例えば、５００℃）とが記憶されている。これら各目標温度は図示しない入力手段によって設定変更可能であってもよい。

次に、本実施形態に係る燃料電池モジュール１０の起動手順について、改質器２２に設けたヒータ６４の出力制御を主として説明する。図５は、本実施形態に係る燃料電池モジュール１０の起動手順の一例を示すフローチャートである。

燃料電池モジュール１０の起動時には、先ず、ヒータ制御部７０の制御下に改質器２２の外壁面２２ｂに設けたヒータ６４をオン制御（ＯＮ）する（図５中のステップＳ１）。これにより改質器２２の外壁面２２ｂの温度が次第に上昇する。

ステップＳ２において、ヒータ制御部７０は、表面温度センサＴ１による検出結果から改質器２２の外壁面２２ｂが目標温度（ここでは５００℃）に到達したか否かの判定を継続し（ステップＳ２のＮｏ）、外壁面２２ｂが目標温度に到達すると（ステップＳ２のＹｅｓ）、続いてステップＳ３が実行される。

ステップＳ３では、燃料電池モジュール１０又は発電装置１２の全体を制御する制御装置（図示せず）の制御下に、改質器２２への燃料供給ラインＬＦ１からの原燃料の導入と、改質水蒸発器２６で生成される改質用水蒸気の水蒸気供給ラインＬＷからの導入とが開始され、改質器２２の改質反応部２２ａでの燃料改質が開始される。

ここで、改質器２２での改質反応（水蒸気改質反応）は吸熱反応であるため、改質が進むと改質器２２の温度が低下し、燃料電池スタック１４での反応温度も低下する。そこで、改質器２２での反応熱を補い、燃料電池スタック１４での反応温度を確保するため、ヒータ制御部７０は燃料電池スタック周囲温度センサＴ３によって検出される燃料電池スタック１４の周囲温度が目標温度（ここでは５００℃）程度となるようにヒータ６４の出力を高め、外壁面２２ｂの温度を上昇させる（ステップＳ４）。なお、ヒータ６４は耐熱温度、例えば６００℃以下となるように出力制御される必要があり、耐熱温度を超えた場合にはヒータ制御部７０はヒータ６４をオフ制御（ＯＦＦ）する。

そして、ヒータ制御部７０は、内部温度センサＴ２による検出結果から改質器２２の内部での触媒温度が目標温度（ここでは７００℃）になるようにヒータ６４の出力制御を行う。その結果、触媒温度が目標温度となり燃料電池モジュール１０の起動運転が終了すると、燃料電池モジュール１０は発電状態を維持する定常運転で運転制御されるため、ヒータ制御部７０は内部温度センサＴ２によって検出される改質器２２内部の触媒温度が目標温度（ここでは７００℃）に維持されるようにヒータ６４の出力を制御する。これにより、燃料電池モジュール１０（発電装置１２）の起動時に改質器２２からの改質燃料が燃料極１４ａに対して常温程度の低温で導入されることが回避され、燃料電池スタック１４の劣化や破損が生じることが防止されると共に、定常運転時の改質温度も確保されるためシステム全体の熱効率が向上する。

以上のように、本実施形態に係る燃料電池モジュール１０では、改質器２２を断熱筐体１６内で燃料電池スタック１４の周囲に配置し、この改質器２２の燃料電池スタック１４側の面とは反対側の面である外壁面２２ｂに加熱手段であるヒータ６４（６８）を設けている。

従って、燃料電池モジュール１０では外壁面２２ｂに設けたヒータ６４により、改質器２２を十分な伝熱面積で均等に加熱することが可能となる。このため、起動時には改質器２２内の触媒温度を目標温度まで迅速に到達させ、定常時には改質器２２内の触媒温度を目標温度付近に安定して維持することができる。これにより、燃料電池スタック１４に導入される改質燃料を効率よく予熱することができ、システム全体の熱効率を向上させることができる。しかも、起動時にヒータ６４により改質器２２を加熱することで、改質器２２の外壁面２２ｂの温度が目標温度である５００℃程度まで上昇するまでの時間が短縮されるため、燃料電池モジュール１０の起動時間を短縮することができる。

この場合、ヒータ６４は、燃料電池スタック１４側とは反対側の外壁面２２ｂに設けられるため、燃料電池スタック１４からの輻射熱等の放熱を直接受けることがない。このため、例えば耐熱温度が１０００℃以下と低い汎用ヒータを使用することが可能であり、ヒータ６４のコストを低く抑えることができる。

ところで、当該燃料電池モジュール１０における燃料電池スタック１４の周囲には、改質器２２以外にも空気予熱器２４及び改質水蒸発器２６が配置されている。そこで、例えば空気予熱器２４の外壁面にヒータ６４（６８）を設けてもよく、改質水蒸発器２６の箱体の外壁面（上壁面）にヒータ６４（６８）を設けてもよい。つまり、燃料電池モジュール１０の仕様によって多少条件は異なるが、少なくとも改質器２２、空気予熱器２４、及び改質水蒸発器２６の全ての機器又は一部の機器における燃料電池スタック１４側の面とは反対側の面に加熱手段であるヒータ６４（６８）を設けると、燃料電池スタック１４に導入される改質燃料や空気を効率よく予熱して低コストでシステム全体の熱効率を向上させ、起動時間を短縮することが可能となる。

また、例えば、特許文献「特開２００６−８６０５３号公報」に記載される、発電反応で消費されなかった残余の高温ガスを発電セルの外周部から自由に放出する構造の燃料電池スタックを用いた場合、排出ガスは反応により燃焼し、この燃焼熱を利用してシステム全体の熱効率を更に向上することができる。

なお、空気予熱器２４にヒータ６４（６８）を設けた場合には、ヒータ制御部７０は空気予熱器２４の外壁面の温度や出口での予熱空気の温度を目標温度とするようにヒータ６４（６８）の出力を制御するとよい。また、改質水蒸発器２６にヒータ６４（６８）を設けた場合には、ヒータ制御部７０は改質水蒸発器２６の外壁面の温度や出口での改質用水蒸気の温度を目標温度とするようにヒータ６４（６８）の出力を制御するとよい。

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。

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 改質器
２２ａ 改質反応部
２２ｂ 外壁面
２４ 空気予熱器
２６ 改質水蒸発器
６４，６８ ヒータ
７０ ヒータ制御部
Ｔ１ 表面温度センサ
Ｔ２ 内部温度センサ
Ｔ３ 燃料電池スタック周囲温度センサ

Claims (3)

1. 断熱筐体内に燃料電池スタックを配置した燃料電池モジュールであって、
   前記断熱筐体内で前記燃料電池スタックの周囲に配置され、前記燃料電池スタックに供給する燃料を改質する改質器と、
   前記改質器における前記燃料電池スタック側の面とは反対側の面に設けられたヒータと、
   前記ヒータの出力を制御するヒータ制御部と、
   前記改質器の外壁の温度を測定する表面温度センサと、
   前記改質器内部の触媒温度を測定する内部温度センサと、
   前記燃料電池スタックの表面温度を測定する燃料電池スタック周囲温度センサと、
   を備え、
   当該燃料電池モジュールの起動運転時において、前記ヒータ制御部は、前記表面温度センサで測定される前記改質器の外壁の温度が目標温度に到達し、前記改質器への原燃料の導入が開始された後に、前記燃料電池スタック周囲温度センサで測定される前記燃料電池スタックの周囲温度が目標温度になるように前記ヒータの出力を制御し、さらに、前記内部温度センサで測定される前記改質器内部の触媒温度が目標温度になるように前記ヒータの出力を制御することを特徴とする燃料電池モジュール。
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端面に対向配置され、該燃料電池スタックの端面に対向配置された面とは反対側の面に前記ヒータを備えることを特徴とする燃料電池モジュール。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池モジュールにおいて、
   前記ヒータは、管状ヒータ又は面状ヒータであることを特徴とする燃料電池モジュール。

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