特許 6236972 燃料電池システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6236972

(24)【登録日】2017年11月10日

(45)【発行日】2017年11月29日

(54)【発明の名称】燃料電池システム

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04 20160101AFI20171120BHJP

   H01M 8/04228 20160101ALI20171120BHJP

   H01M 8/04303 20160101ALI20171120BHJP

   H01M 8/12 20160101ALN20171120BHJP

   H01M 8/0612 20160101ALN20171120BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/04 N

   H01M8/04 J

   H01M8/04 Y

   !H01M8/12

   !H01M8/06 G

【請求項の数】2

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2013-164382(P2013-164382)

(22)【出願日】2013年8月7日

(65)【公開番号】特開2015-35268(P2015-35268A)

(43)【公開日】2015年2月19日

【審査請求日】2016年5月25日

(73)【特許権者】

【識別番号】000175272

【氏名又は名称】三浦工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100126000

【弁理士】

【氏名又は名称】岩池 満

(74)【代理人】

【識別番号】100145713

【弁理士】

【氏名又は名称】加藤 竜太

(72)【発明者】

【氏名】安井 賢志

【審査官】 大内 俊彦

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００６−７９８７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特許第２８７４９２３（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】 特開平９−２２５２６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−５９７５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１６１１８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ８／００−８／２４９５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料電池と、
アノードオフガスラインを通じて前記燃料電池と接続され、前記燃料電池から排気されるアノードオフガスを燃焼処理する燃焼器と、
を備える燃料電池システムであって、
前記アノードオフガスラインには、外部から逆流する空気に含まれる酸素により酸化される、略円筒状に形成された酸化用金属部材が、アノードオフガスが流れる方向に直交する断面の全面に亘るように配置され、
前記酸化用金属部材は、前記アノードオフガスラインを形成する管体の内部に装着自在な金属材であって、（ａ）多孔質金属材、または（ｂ）多孔質セラミックス材に金属微粒子が担持された金属材から構成される
燃料電池システム。

【請求項2】

前記酸化用金属部材は、本体部を有し、
前記本体部は、前記アノードオフガスラインから排気されるアノードオフガスを流通させるための流通孔を有する、請求項１に記載の燃料電池システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、燃料電池と、アノードオフガスラインを燃料電池と通じて接続され、燃料電池から排気されるアノードオフガスを燃焼処理する燃焼器と、を備える燃料電池システムに関する。

【背景技術】

【0002】

燃料電池システムとして、燃料電池（固体酸化物型燃料電池：ＳＯＦＣ（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）等）と、アノードオフガスラインを通じて燃料電池と接続され、燃料電池から排気されるアノードオフガスを燃焼処理する燃焼器と、を備えた燃料電池システムが知られている。

【0003】

このような燃料電池システムにおいて、外部の空気がアノードオフガスラインを介して燃料電池の内部に入り込まないように、アノードオフガスラインを開閉する逆止弁が設けられた燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。

【0004】

特許文献１に記載の燃料電池システムにおいては、外部の空気がアノードオフガスラインを通じて、燃料電池の内部に逆流しようとした場合に、逆止弁が閉鎖することで、燃料電池の内部に空気が入り込むことを抑制することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０００−３０７２３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかし、逆止弁を備えていない燃料電池システムにおいて、燃料電池システムが緊急停止した場合には、燃料電池の内部の温度が低下するため、燃料電池の内部は負圧状態となる。これにより、外部から空気を取り込もうとする空気吸引現象が発生し、アノードオフガスラインを介して燃料電池の内部に空気が入り込んだ場合には、燃料電池のアノード（燃料極）を形成するニッケル等は、空気（酸素）と接触して酸化される。その結果、燃料電池の発電セルが破損する虞がある。

【0007】

従って、燃料電池システムが緊急停止した場合でも、燃料電池のアノード（燃料極）を形成するニッケル等の酸化を抑制することができる燃料電池システムが望まれている。

【0008】

本発明は、燃料電池システムが緊急停止した場合に、燃料電池のアノード（燃料極）を形成するニッケル等の酸化を抑制することができる燃料電池システム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】

【0009】

本発明は、燃料電池と、アノードオフガスラインを通じて前記燃料電池と接続され、前記燃料電池から排気されるアノードオフガスを燃焼処理する燃焼器と、を備える燃料電池システムであって、前記アノードオフガスラインには、外部から逆流する空気に含まれる酸素により酸化される、略円筒状に形成された酸化用金属部材が、アノードオフガスが流れる方向に直交する断面の全面に亘るように配置され、前記酸化用金属部材は、前記アノードオフガスラインを形成する管体の内部に装着自在な金属材であって、（ａ）多孔質金属材、または（ｂ）多孔質セラミックス材に金属微粒子が担持された金属材から構成される燃料電池システムに関する。

【0010】

【0011】

【0012】

また、前記酸化用金属部材は、本体部を有し、前記本体部は、前記アノードオフガスラインから排気されるアノードオフガスを流通させるための流通孔を有することが好ましい。

【発明の効果】

【0013】

本発明によれば、燃料電池システムが緊急停止した場合に、燃料電池のアノード（燃料極）を形成するニッケル等の酸化を抑制することができる燃料電池システムを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本発明の第１実施形態における燃料電池システム１の構成を示す概略図である。

【図2】本発明の第１実施形態における酸化用金属部材２０が配置されたアノードオフガスラインＬ４を示す縦断面図である。

【図3】本発明の第２実施形態における酸化用金属部材３０が配置されたアノードオフガスラインＬ４を示す縦断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態における燃料電池システム１について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の第１実施形態における燃料電池システム１の構成を示す概略図である。図２は、本発明の第１実施形態における酸化用金属部材２０が配置されたアノードオフガスラインＬ４を示す縦断面図である。

【0016】

図１に示すように、第１実施形態の燃料電池システム１は、燃料電池２と、改質器３と、燃焼器４と、ファン５と、を備える。

【0017】

また、燃料電池システム１は、空気供給ラインＬ１と、燃料ガス供給ラインＬ２と、水素供給ラインＬ３と、アノードオフガスラインＬ４と、水供給ラインＬ５と、カソードオフガスラインＬ６と、排気ガスラインＬ７とを備える。「ライン」とは、流路、経路、管路等の総称である。

【0018】

空気供給ラインＬ１は、上流側において、空気供給部であるファン５に接続されており、下流側において燃料電池２に接続されている。すなわち、空気供給ラインＬ１の一端部近傍（図１の左側）は、酸素を含む空気を燃料電池２に供給するファン５及びフィルタ（図示せず）に接続されている。また、空気供給ラインＬ１の他端部（図１の右側）は、燃料電池２に接続されている。空気供給ラインＬ１には、ファン５の駆動によりフィルタ（図示せず）を通過した空気Ａ１が流通する。

【0019】

燃料ガス供給ラインＬ２は、上流側において燃料としての都市ガスなどの燃料ガスＧ１の供給源（図示せず）に接続されており、下流側において改質器３に接続されている。すなわち、燃料ガス供給ラインＬ２の一端部（図１の左側）は、都市ガス等の燃料ガスＧ１の供給源（図示せず）に接続されている。また、燃料ガス供給ラインＬ２の他端部（図１の右側）は、改質器３に接続されている。燃料ガス供給ラインＬ２には、燃料ガスＧ１が流通する。

【0020】

水素供給ラインＬ３は、上流側において改質器３に接続されており、下流側において燃料電池２に接続されている。すなわち、水素供給ラインＬ３の一端部（図１の左側）は、改質器３に接続されている。また、水素供給ラインＬ３の他端部（図１の右側）は、燃料電池２に接続されている。水素供給ラインＬ３には、改質器３の内部で生成された主に水素を含む改質ガスＧ２が流通する。

【0021】

アノードオフガスラインＬ４は、上流側において燃料電池２に接続されている。また、アノードオフガスラインＬ４は、下流側において燃焼器４に接続されている。すなわち、アノードオフガスラインＬ４の一端部（図１の左側）は、燃料電池２に接続されている。また、アノードオフガスラインＬ４の他端部（図１の右側）は、燃焼器４に接続されている。アノードオフガスラインＬ４は、燃料電池２から排気されるアノードオフガスＧ３１を流通させるラインである。

【0022】

アノードオフガスラインＬ４の途中の位置（図１のＡ部）には、多孔質の金属材により形成された酸化用金属部材２０が設けられている。酸化用金属部材２０は、外部から逆流する空気に含まれる酸素により、酸化される。酸化用金属部材２０（図２参照）は、本発明の特徴部分であり、この酸化用金属部材２０の構成の詳細については後述する。

【0023】

水供給ラインＬ５は、上流側において水Ｗ等の供給源（図示せず）に接続されており、下流側において改質器３に接続されている。水供給ラインＬ５には、水Ｗ等の供給源から供給された水Ｗが流通する。

【0024】

カソードオフガスラインＬ６は、燃料電池２から排気されるカソードオフガスＧ３２を流通させるラインである。カソードオフガスラインＬ６は、上流側において燃料電池２に接続されている。すなわち、カソードオフガスラインＬ６の一端部（図１の左側）は、燃料電池２に接続されている。また、カソードオフガスラインＬ６の他端部（図１の右側）は、燃焼器４に接続されている。

【0025】

燃料電池２としては、高温型の固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）が用いられる。燃料電池２は、複数の発電セル（図示せず）と、セパレータ（図示せず）とを交互に積層することで形成される燃料電池スタック（図示せず）を有している。

【0026】

発電セルは、燃料極（アノード）と、空気極（カソード）と、これらアノード及びカソードの間に設けられた電解質層とを有する。燃料極（アノード）は、ニッケル等から形成される。燃料電池２は、改質器３から水素供給ラインＬ３を介して燃料極（アノード）に供給される改質ガスＧ２と、空気供給ラインＬ１から空気極（カソード）に供給される空気Ａ１中の酸素とを反応させることにより、発電を行なうことができる。燃料電池２による発電時の温度である運転温度は、７００℃〜１０００℃程度の高温である。燃料電池２によって発電された電気は、パワーコンディショナ（図示せず）に送られ、ＡＣ電圧に変換される。

【0027】

燃料電池２は、燃焼器４に対して、アノードオフガスラインＬ４を介してアノードオフガスＧ３１を排気すると共に、カソードオフガスラインＬ６を介してカソードオフガスＧ３２を排気する。

【0028】

改質器３は、燃料ガスＧ１及び水Ｗから改質ガスＧ２を生成する。すなわち、改質器３には、燃料ガス供給ラインＬ２を介して燃料ガスＧ１が供給される。また、改質器３には、水供給ラインＬ５を介して水Ｗが供給される。この際、燃料ガスＧ１を８００℃程度にまで加熱する必要がある。この加熱は、改質器３に設けた熱交換器（図示せず）においてアノードオフガスＧ３１及びカソードオフガスＧ３２から得た熱、並びに燃料電池スタック（図示せず）からの輻射熱により、行われる。改質器３によって生成された改質ガスＧ２は、水素供給ラインＬ３を介して燃料電池２へ供給される。

【0029】

燃焼器４は、燃料電池２から排気されるアノードオフガスＧ３１と、カソードオフガスＧ３２とを燃焼処理する。燃焼器４により燃焼されたアノードオフガスＧ３１及びカソードオフガスＧ３２は、燃焼器４の下流側に接続された排気ガスラインＬ７を通じて、燃焼排気ガスＧ３３として排出される。すなわち、アノードオフガスＧ３１は、水素ガスを含むため、燃焼器４により水素ガスが除去された不活性なガスの状態で外部に排気される必要がある。

【0030】

［酸化用金属部材２０の構成］
図１に示すように、アノードオフガスラインＬ４の途中（図１のＡ部）には、多孔質の金属材として形成され且つ酸化用のフィルタとして機能する酸化用金属部材２０が設けられる。図２に示すように、アノードオフガスラインＬ４を形成する管体部１０は、大径部１１と小径部１２とを有する。大径部１１の内部に、酸化用金属部材２０が配置される。

【0031】

酸化用金属部材２０は、略円柱状に形成され、その本体部２１は、多数の孔部を有している。すなわち、第１実施形態では、アノードオフガスラインＬ４を形成する管体の途中（図１のＡ部）に、多孔質且つ酸化され易い金属材を、装着して配置している。

【0032】

酸化用金属部材２０を形成する本体部２１の寸法（外径寸法、幅寸法）は、酸化用金属部材２０が配置されるアノードオフガスラインＬ４の管体（管体部１０）の寸法などに基づいて、それぞれの大きさ（外径寸法、幅寸法）に決定される。

【0033】

具体的に説明すると、図２に示すように、外部からアノードオフガスラインＬ４を通じて逆流した空気（外部空気Ａ１１）が、酸化用金属部材２０の本体部２１を通過すると、この通過した空気に含まれる酸素は、酸化用金属部材２０の本体部２１に接触する。この酸素が接触した本体部２１の金属領域は、酸化される酸化領域となる。すなわち、この酸化用金属部材２０を通過した外部空気Ａ１１（図２参照）は、酸素がほとんど除去されるように処理された処理済空気Ａ１２（図２参照）となる。

【0034】

これにより、燃料電池２の内部にアノードオフガスラインＬ４を介して空気が入り込んだ場合でも、この空気は、酸素のほとんどが除去されるように処理された処理済空気Ａ１２であることから、燃料電池２のアノード（燃料極）を形成するニッケル等が酸化することを抑制することができる。そのため、燃料電池２に設けられた発電セルの破損などを防止することができる。

【0035】

第１実施形態において、酸化用金属部材２０には、多数の孔部を有する金属材（多孔質金属材）であるポーラスメタル（Ｐｏｒｕｓ Ｍｅｔａｌ）を用いる。このように、酸化用金属部材２０にポーラスメタルなどの多孔質金属材を用いることにより、逆流した空気（酸素）により酸化される酸化用金属部材２０の表面積（酸化領域）を、より大きくすることができる。これによって、酸化用金属部材２０による空気（酸素）に対する除去効率を向上させることができる。

【0036】

また、上述したように、酸化用金属部材２０には、多数の孔部を有する多孔質金属材を用いるので、多数の孔部の表面積自体を、大きな酸化領域とすることができ、逆流した空気中の酸素に対する除去効率をより向上させることができる。

【0037】

ここで、第１実施形態において、酸化用金属部材２０は、酸素で酸化された酸化用金属部材２０の酸化領域を元の状態に戻す還元機能を備えている。具体的に説明すると、燃料電池システム１の緊急停止状態が解除され、通常状態（稼動が再開）となった場合、燃焼器４に対して、燃料電池２からアノードオフガスラインＬ４を通じたアノードオフガスＧ３１の供給は、再開される。

【0038】

ここで、燃料電池２からアノードオフガスラインＬ４を通じて供給されるアノードオフガスＧ３１には、水素ガスが含まれるため、逆流した空気により酸化された酸化用金属部材２０の酸化領域は、水素ガスにより還元された領域として復元されることとなる。これにより、酸化用金属部材２０は、メンテナンスなどにより交換しなくても、長期にわたって繰り返し使用することができるため、コストの削減を図ることができる。

【0039】

また、酸化用金属部材２０としては、高温の熱処理により焼き固めた焼結金属材（例えば、セラミックス）を選定すると共に、このセラミックスの表面に多数の金属微粒子を吹き付け加工して担持させた金属材を使用してもよい。この場合、セラミックス材の表面に吹き付けた多数の微粒子は、空気に含まれる酸素により酸化されることとなる。そのため、より大きな酸化領域（酸化される表面積）を確保することができ、これによって、逆流した空気中の酸素に対する除去効率を向上させることができる。

【0040】

また、酸化用金属部材２０には、多数の六角孔を有するハニカム構造の金属材を選定してもよい。このように酸化用金属部材２０をハニカム構造の金属材とした場合には、多数の六角孔により酸化領域を拡大することができると共に、酸化用金属部材２０の本体部２１の強度を向上させることができる。これにより、酸化用金属部材２０を長期にわたって使用することができる。

【0041】

第１実施形態の燃料電池システム１によれば、例えば、以下の効果が奏される。
本実施形態の燃料電池システム１においては、燃料電池２と、アノードオフガスラインＬ４を通じて燃料電池２と接続され、燃料電池２から排気されるアノードオフガスＧ３１を燃焼処理する燃焼器４と、を備え、アノードオフガスラインＬ４には、外部から逆流する空気に含まれる酸素により酸化される酸化用金属部材２０が配置される。

【0042】

燃料電池システム１の緊急停止時に、外部からアノードオフガスラインＬ４を通じて空気（外部空気Ａ１１）が逆流した場合には、逆流した空気は、酸化用金属部材２０を通過することとなる。しかし、この酸化用金属部材２０を通過した空気は、酸化用金属部材２０により酸素がほとんど除去されるように処理された処理済空気Ａ１２となっている。これにより、燃料電池２のアノード（燃料極）を形成するニッケル等が酸化することを抑制することができ、この結果、燃料電池２の発電セルが破損することを防止することができる。

【0043】

また、本実施形態の燃料電池システム１においては、酸化用金属部材２０は、アノードオフガスラインＬ４を形成する管体の内部に装着自在な金属材であって、略円柱状に形成されると共に、多孔質金属材から構成される。

【0044】

そのため、多数の孔部により空気に対する酸化領域を拡大することができ、効率的に酸化作用を促進することができ、逆流した空気（酸素）により酸化される表面積（酸化領域）を多くすることができる。そのため、酸化用金属部材２０による空気中の酸素に対する除去効率を向上させることができる。

【0045】

また、本実施形態の燃料電池システム１においては、酸化用金属部材２０は、アノードオフガスラインＬ４を形成する管体の内部に装着自在な金属材であって、多孔質セラミックス材に金属微粒子が担持された金属材から構成される。

【0046】

そのため、より大きな酸化領域（酸化される表面積）を確保することができ、これによって、逆流した空気中の酸素に対する除去効率を向上させることができる。

【0047】

［第２実施形態］
次に、図３により、本発明の燃料電池システム１における第２実施形態について説明する。図３は、本発明の第２実施形態における酸化用金属部材３０が配置されたアノードオフガスラインＬ４を示す縦断面図である。

【0048】

ここで、第２実施形態は、第１実施形態と比べて、酸化用金属部材２０の形状と異なる酸化用金属部材３０を用いた点が主に異なる。前述した第１実施形態と同様な他の構成については同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。また、この第２実施形態においても、前述した第１実施形態と同様な効果が奏される。

【0049】

すなわち、図３に示すように、アノードオフガスラインＬ４の管体部１０は、大径部１１と小径部１２とを有する。大径部１１の内部に、酸化用のフィルタとして機能する酸化用金属部材３０が配置される。酸化用金属部材３０は、略円柱状に形成された本体部３１を有する。酸化用金属部材３０の本体部３１には、アノードオフガスＧ３１を流通させるための複数の流通孔３２が形成される。なお、第２実施形態では、酸化用金属部材３０の本体部３１に複数の流通孔３２を形成している。しかし、流通孔３２は、１つであってもよい。

【0050】

図３に示すように、外部からアノードオフガスラインＬ４に逆流した空気（外部空気Ａ１１）が酸化用金属部材３０を通過すると、この通過した空気に含まれる酸素は、酸化用金属部材３０を形成する本体部３１に接触する。この酸素が接触した本体部３１の所定領域は、酸化される酸化領域となる。

【0051】

第２実施形態では、燃料電池システム１の緊急停止時に、外部からアノードオフガスラインＬ４を通じて、空気（外部空気Ａ１１）が逆流した場合には、逆流した空気は、酸化用金属部材３０を通過することとなる。この酸化用金属部材３０を通過した空気は、酸素がほとんど除去されるように処理された処理済空気Ａ１２となる。これにより、燃料電池２のアノード（燃料極）を形成するニッケル等が酸化することを抑制することができる。そのため、燃料電池２に設けられた発電セルの破損などを防止することができる。

【0052】

ここで、第２実施形態では、逆流した空気は、酸化用金属部材３０の複数の流通孔３２を通過する。そのときに、複数の流通孔３２の円筒表面が酸化することとなり、酸化領域（酸化される表面積）を確保することができる。これによって、逆流した空気中の酸素に対する除去効率を向上させることができる。また、第２実施形態では、酸化用金属部材３０に複数の流通孔３２を形成しているため、燃料電池２から排気されるアノードオフガスＧ３１が流通しやすくなる。そのため、アノードオフガスＧ３１の圧力損失を低下させることができる。

【0053】

以上、好適な実施形態について説明したが、本発明は、前述した実施形態に限定されることなく、種々の形態で実施することができる。
すなわち、第１、２実施形態において、酸化用金属部材２０、３０の材料としては、ポーラスメタル（Ｐｏｒｕｓ Ｍｅｔａｌ）を使用している。しかし、酸化し易い金属材であると共に、多数の孔部を有する多孔質金属材であれば、酸化用金属部材として好適に使用することができる。

【0054】

また、第１、２実施形態において、酸化用金属部材２０、３０は、アノードオフガスラインＬ４の管体部１０の大径部１１の内部に配置されているが、この位置に限定されない。燃料電池２と燃焼器４との流通ラインであるアノードオフガスラインＬ４の途中の部位であれば、酸化用金属部材２０、３０は、どの部位に配置しても、逆流した空気（酸素）に対するフィルタとしての機能を奏することができる。また、酸化用金属部材２０、３０は、アノードオフガスラインＬ４の管体の内部ではなく、アノードオフガスラインＬ４の管体を分岐させた連結部などに配置されてもよい。

【符号の説明】

【0055】

１ 燃料電池システム
２ 燃料電池
３ 改質器
４ 燃焼器
１０ 管体部
２０、３０ 酸化用金属部材
２１、３１ 本体部
３２ 流通孔
Ｌ３ 水素ガス供給ライン
Ｌ４ アノードオフガスライン
Ｌ６ カソードオフガスライン
Ｌ７ 排気ガスライン
Ａ１１ 外部空気
Ａ１２ 処理済空気
Ｇ２ 改質ガス
Ｇ３１ アノードオフガス
Ｇ３２ カソードオフガス
Ｇ３３ 燃焼排気ガス

【図1】

【図2】

【図3】