特開 2023-100525 燃料電池システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023100525

(43)【公開日】2023-07-19

(54)【発明の名称】燃料電池システム

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04 20160101AFI20230711BHJP

   H01M 8/04029 20160101ALI20230711BHJP

   H01M 8/0606 20160101ALI20230711BHJP

   H01M 8/04014 20160101ALI20230711BHJP

   H01M 8/12 20160101ALI20230711BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04 N

H01M8/04029

H01M8/0606

H01M8/04014

H01M8/12 101

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022001264

(22)【出願日】2022-01-06

(71)【出願人】

【識別番号】000116574

【氏名又は名称】愛三工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000110

【氏名又は名称】弁理士法人 快友国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】寒川 太郎

【テーマコード（参考）】

5H126

5H127

【Ｆターム（参考）】

5H126BB06

5H127AA07

5H127AC07

5H127BA01

5H127BA02

5H127BA12

5H127BA20

5H127BA44

5H127BA45

5H127BB02

5H127EE24

(57)【要約】

【課題】燃料ガスを液体燃料から生成し、生成した燃料ガス等から不純物を除去する燃料電池システムにおいて、システム構成をより簡素化する技術を提供する。
【解決手段】燃料電池システムは、水槽に貯留された水との熱交換により液体燃料を気化させる気化器と、気化器により気化した気体燃料を改質することにより燃料ガスを生成する改質器と、改質器により生成された燃料ガス及び空気により発電する燃料電池と、燃料電池から排出された排ガスまたは改質器により生成された燃料ガスに含まれる不純物の少なくとも一方を、水槽に貯留された水により除去する除去器と、を備える。気化器の水槽と除去器の水槽とが水を共用している。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料電池システムであって、
水槽に貯留された水との熱交換により液体燃料を気化させる気化器と、
前記気化器により気化した気体燃料を改質することにより燃料ガスを生成する改質器と、
前記改質器により生成された前記燃料ガス及び空気により発電する燃料電池と、
前記燃料電池から排出された排ガスまたは前記改質器により生成された前記燃料ガスに含まれる不純物の少なくとも一方を、水槽に貯留された水により除去する除去器と、
を備え、
前記気化器の水槽と前記除去器の水槽とが水を共用している、
燃料電池システム。

【請求項2】

請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記気化器の水槽及び前記除去器の水槽に貯留される水の少なくとも一部は、前記燃料電池から排出された排出水から供給されるように構成されている、燃料電池システム。

【請求項3】

請求項１または２に記載の燃料電池システムであって、
前記気化器の水槽と前記除去器の水槽は、一体である、燃料電池システム。

【請求項4】

請求項１または２に記載の燃料電池システムであって、
前記気化器の水槽と前記除去器の水槽は、別体であるとともに連通しており、
前記燃料電池から排出された前記排ガスまたは前記改質器により生成された前記燃料ガスは、前記気化器の水槽に貯留された水と熱交換された後に前記除去器の水槽に貯留された水を通過するように構成されている、燃料電池システム。

【請求項5】

請求項１～４のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
前記除去器により不純物が除去された前記排ガスに含まれる水素が、前記燃料ガスとして前記燃料電池に供給されるように構成されている、燃料電池システム。

【請求項6】

請求項１～５のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
前記気化器の水槽及び前記除去器の水槽に貯留された水を中和する中和器をさらに備える、燃料電池システム。

【請求項7】

請求項６に記載の燃料電池システムであって、
前記中和器は、酸または塩基による中和反応を利用して水を中和する、燃料電池システム。

【請求項8】

請求項６に記載の燃料電池システムであって、
前記中和器は、緩衝液による緩衝作用を利用して水を中和する、燃料電池システム。

【請求項9】

請求項１～８のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池から排出された前記排ガスとの熱交換により、前記気化器により気化した前記気体燃料を昇温させる熱交換器をさらに備える、燃料電池システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本明細書に開示する技術は、燃料電池システムに関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、液体アンモニアを気化する気化器と、気化されたアンモニアを改質して燃料ガスを生成する改質器と、生成された燃料ガスと空気とにより発電する燃料電池と、を備える燃料電池システムが開示されている。特許文献１では、燃料電池から排出される排ガスを昇温して気化器に供給し、排ガスの熱により液体アンモニアを気化させる。

【0003】

特許文献２には、炭化水素を含む原料ガスを改質して水素含有ガスを生成する改質器と、水素含有ガス中のアンモニアを除去する除去器と、アンモニアが除去された水素含有ガスと空気とにより発電する燃料電池と、を備える、燃料電池システムが開示されている。特許文献２では、燃料電池内部の触媒の被毒を軽減するために、除去器において水素含有ガスを水と接触させることにより、アンモニアを水中に溶解させて、水素含有ガスからアンモニアを除去する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１６－１３４２７８号公報

【特許文献2】国際公開第２０１１／１１１４００号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１の燃料電池システムでは、気化されたアンモニアの一部が改質器において分解されずに、燃料ガス中に残存する場合がある。すなわち、燃料電池システムでは、改質された燃料ガスが不純物を含み得る。このような不純物は、燃料電池システムや周囲環境に対して様々な影響を及ぼし得るため、燃料ガスや燃料電池から排出される排ガス等から不純物を除去することが望ましい。

【0006】

ここで、特許文献１のように燃料ガスを液体燃料から生成する燃料電池システムに対して、特許文献２のような除去器を適用する場合、大きなスペースを要するとともにシステム構成が複雑化する。本明細書は、燃料ガスを液体燃料から生成し、生成した燃料ガス等から不純物を除去する燃料電池システムにおいて、システム構成をより簡素化する技術を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本明細書が開示する燃料電池システムは、水槽に貯留された水との熱交換により液体燃料を気化させる気化器と、前記気化器により気化した気体燃料を改質することにより燃料ガスを生成する改質器と、前記改質器により生成された前記燃料ガス及び空気により発電する燃料電池と、前記燃料電池から排出された排ガスまたは前記改質器により生成された前記燃料ガスに含まれる不純物の少なくとも一方を、水槽に貯留された水により除去する除去器と、を備える。前記気化器の水槽と前記除去器の水槽とが水を共用している。

【0008】

上記の燃料電池システムでは、気化器の水槽に貯留された水との熱交換により液体燃料を気化させる。この気化器の水槽は、除去器の水槽と水を共用している。すなわち、液体燃料の気化に利用される水と不純物の除去に利用される水とが、気化器と除去器とで共用される。燃料電池から排出される排ガスや、改質器により生成された燃料ガスは、比較的高温であるため、排ガスまたは燃料ガスを除去器に導入すると、不純物を除去することができるとともに、水槽に貯留された水が昇温される。このため、液体燃料の気化に要する水温を維持することができる。このように、燃料ガスや排ガスの熱を気化器と除去器とにおいて有効利用することができる。したがって、上記の構成では、システム構成が簡素化されるとともに、システムを効率良く稼働させることができる。

【0009】

前記気化器の水槽及び前記除去器の水槽に貯留される水の少なくとも一部は、前記燃料電池から排出された排出水から供給されるように構成されてもよい。このような構成では、水槽に水を補給する頻度を低減することができる。

【0010】

前記気化器の水槽と前記除去器の水槽は、一体であってもよい。このような構成では、気化器と除去器の水槽が、１つの水槽で兼用されるため、システム構成がより簡素化される。

【0011】

前記気化器の水槽と前記除去器の水槽は、別体であるとともに連通していてもよい。前記燃料電池から排出された前記排ガスまたは前記改質器により生成された前記燃料ガスは、前記気化器の水槽に貯留された水と熱交換された後に前記除去器の水槽に貯留された水を通過するように構成されていてもよい。このような構成では、排ガスまたは燃料ガスが、液体燃料を気化させるための水槽に先に導入される。すなわち、気化器の水槽の水温を効率良く上昇させることができる。

【0012】

前記除去器により不純物が除去された前記排ガスに含まれる水素が、前記燃料ガスとして前記燃料電池に供給されるように構成されてもよい。このような構成では、排ガス中の水素を有効利用できる。

【0013】

前記気化器の水槽及び前記除去器の水槽に貯留された水を中和する中和器をさらに備えてもよい。気化器及び除去器の水槽には、不純物が溶解する。これにより、水槽中の水のｐＨが変動する。上記の構成では、水槽中の水を中和する中和器を備えることにより、システムの腐食や水の異臭を抑制することができる。なお、前記中和器は、例えば、酸または塩基による中和反応を利用して水を中和してもよいし、緩衝液による緩衝作用を利用して水を中和してもよい。

【0014】

前記燃料電池から排出された前記排ガスとの熱交換により、前記気化器により気化した前記気体燃料を昇温させる熱交換器をさらに備えてもよい。このような構成では、気化した気体燃料を改質器に導入する前に予め昇温することができる。また、排ガスは降温されるため、水槽に貯留された水が過度に昇温されることを抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】実施例１の燃料電池システムの構成を示す概略図。

【図2】実施例２の燃料電池システムの構成を示す概略図。

【図3】実施例３の燃料電池システムの構成を示す概略図。

【発明を実施するための形態】

【0016】

（実施例１）
以下、図面を参照して、実施例１の燃料電池システム（以下、単にシステムということがある。）１について説明する。図１に示すように、システム１は、液体燃料タンク４と、ポンプ６と、気化器１２と、熱交換器１４と、改質器１６と、燃料電池２０と、除去器２２と、窒素分離膜２４と、を備えている。

【0017】

液体燃料タンク４は、液体燃料５を貯蔵する。本実施例では、液体燃料５として液体アンモニア（液体燃料の一例）が用いられる。液体燃料タンク４は、液体アンモニアを、例えば常温（２０～２５℃）かつ数気圧（８～１０気圧）で貯蔵する。液体燃料タンク４は、アンモニアを液体状態で貯蔵するため、アンモニアの貯蔵効率が高い。

【0018】

ポンプ６は、液体燃料タンク４と気化器１２との間を接続する液体アンモニア供給管３０に配設されている。ポンプ６は、液体燃料タンク４に貯蔵された液体アンモニアを、気化器１２に向けて送り出す。

【0019】

気化器１２は、液体アンモニア供給管３０に接続されている。気化器１２は、液体アンモニア供給管３０から流入する液体アンモニアを気化させ、気体アンモニア供給管３２に送り出す。気化器１２は、水槽１２ａと、蒸発器１２ｂを有している。水槽１２ａには、水６０が貯留されている。水槽１２ａ内に貯留された水６０の温度は、約７０℃である。後述するが、本実施例では、気化器１２の水槽１２ａと除去器２２の水槽２２ａが、一体となっている。すなわち、水槽１２ａと水槽２２ａとが、水を共用している。気化器１２に流入した液体アンモニアは、蒸発器１２ｂを通過する過程で水槽１２ａ内の水６０との熱交換により気化され、気体アンモニア供給管３２に送り出される。

【0020】

熱交換器１４は、気化器１２と改質器１６との間を接続する気体アンモニア供給管３２に配設されている。熱交換器１４は、改質器１６に導入される気体アンモニアを予熱するために設けられている。気体アンモニアは、燃料電池２０から排出された排ガス（後述）との熱交換により、約３５０～４００℃まで昇温される。昇温された気体アンモニアは、改質器１６に送り出される。

【0021】

改質器１６は、気体アンモニア供給管３２に接続されている。改質器１６は、気体アンモニアを改質することで、水素を含有する燃料ガスを生成する。改質器１６は、ヒータ（不図示）を有しており、ヒータによりアンモニアを加熱することで、アンモニアが改質されて水素及び窒素に分解される。ここでは、約９００℃まで昇温された燃料ガスが生成される。生成された燃料ガスは、燃料ガス供給管３４に送り出される。

【0022】

燃料電池２０は、固体酸化物形燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell、ＳＯＦＣ）である。燃料電池２０は、複数のセルが積層されたスタック構造を有している。各セルは、アノード２０ａと、カソード２０ｂと、アノード２０ａとカソード２０ｂとの間に配置された電解質層（不図示）と、を有している。アノード２０ａは、燃料ガス供給管３４を介して改質器１６に接続されている。アノード２０ａには、改質器１６により改質された燃料ガスが供給される。カソード２０ｂは、空気供給管３５を介して空気ブロワ２６に接続されている。カソード２０ｂには、空気ブロワ２６により大気中から空気が供給される。燃料電池２０は、改質器１６により生成された燃料ガスと、空気ブロワ２６から供給される空気とを利用して発電を行う。

【0023】

燃料電池２０が発電すると、燃料ガス中の水素と空気中の酸素とが化学反応して生成された水（排出水）とともに、未反応の燃料ガス等を含む排ガスが排出される。このときの排ガスの温度は、約７００℃である。排ガス及び排出水は、排出管３６を通って熱交換器１４に導入される。排ガス及び排出水は、熱交換器１４において、気化器１２により気化された気体アンモニアとの熱交換により、降温される。降温された排ガス及び排出水は、排出管３６を通って、除去器２２に導入される。

【0024】

上記の改質器１６で生成される燃料ガスには、改質器１６で改質（分解）されずに残存する残留アンモニア（不純物の一例）が存在する場合がある。燃料ガスに含まれる残留アンモニアは、燃料電池２０からそのまま排出され、排ガス中に含有される。除去器２２は、排ガス中に含有される残留アンモニアを水に溶解させることにより排ガスから除去する。除去器２２は、水６０が貯留された水槽２２ａを有している。本実施例では、除去器２２の水槽２２ａと、気化器１２の水槽１２ａとが、一体となって構成されている。すなわち、液体アンモニアを気化させるために利用される水６０が、残留アンモニアを除去するための水６０と共用される。排出管３６は、水槽２２ａの水６０の中まで延びており、排出管３６を流通する排ガス及び排出水は、排出管３６の先端部分に設けられた複数の排出孔３６ａから水槽２２ａの水６０内に流出する。排出水は、水槽２２ａ内の水６０として利用される。また、排ガスに含まれる残留アンモニアは、水６０に溶解することにより、排ガス中から除去される。残留アンモニアが除去された排ガス（より詳細には、水素及び窒素の混合ガス）の大部分は、分離管３８に導入される。

【0025】

窒素分離膜２４は、分離管３８を介して除去器２２に接続されている。窒素分離膜２４は、水素及び窒素の混合ガスから窒素を分離する。窒素分離膜２４を混合ガスが通過すると、窒素のみが窒素分離膜２４に吸着され、水素は窒素分離膜２４を透過する。窒素分離膜２４を透過した水素は、水素供給管４０に送り出される。水素供給管４０は、燃料電池２０のアノード２０ａに接続されており、当該水素は、燃料ガスとしてアノード２０ａに供給される。

【0026】

また、システム１は、中和器２８を有している。上述したように、システム１を稼働させると、水槽１２ａ、２２ａに貯留された水６０には、アンモニアが溶解する。このため、システム１の稼働を継続すると、水６０が塩基性を示すようになる。また、水槽１２ａ、２２ａ内には、燃料電池２０からの排出水が供給されるため、水槽１２ａ、２２ａ内の水６０の量が増加する。図１に示すように、中和器２８は、水槽１２ａ、２２ａから溢れた水６２を中和する。具体的には、中和器２８は、アンモニアが溶解した水６２に対してクエン酸を投入することにより、中和反応を利用して水６２を中和する。中和された水６２は、排水として処理される。

【0027】

以上に説明したように、本実施例のシステム１では、気化器１２の水槽１２ａと除去器２２の水槽２２ａとが一体となっている。すなわち、液体アンモニアの気化に利用される水６０を貯留する水槽１２ａと、残留アンモニアの除去に利用される水６０を貯留する水槽２２ａとが１つの水槽で兼用されるため、システム構成を簡素化することができる。また、燃料電池２０から排出される排ガスは、比較的高温（約７００℃）であるため、排ガスを水槽１２ａ、２２ａに貯留された水６０に導入すると、残留アンモニアが除去されるとともに、水６０が昇温される。このように、水槽１２ａ、２２ａを一体とすることで、残留アンモニアの除去と、液体アンモニアの気化に要する水温を維持するためのエネルギーの供給とを、同時に行うことができる。したがって、本実施例では、システム構成を簡素化することができるとともに、システムを効率良く稼働させることができる。

【0028】

また、本実施例では、水槽１２ａ、２２ａ内に、燃料電池２０から排出された排出水が供給される。このため、蒸発等により水槽１２ａ、２２ａ内の水６０が減少することが抑制され、水槽１２ａ、２２ａ内に水を補給する頻度を低減することができる。

【0029】

また、本実施例では、残留アンモニアが除去された排ガス（水素及び窒素の混合ガス）から窒素分離膜２４によって窒素が分離され、窒素分離膜２４を透過した水素が、燃料ガスとして燃料電池２０に供給される。したがって、排ガス中の水素を有効利用できる。

【0030】

また、本実施例では、水槽１２ａ、２２ａに貯留された水６０を中和する中和器２８を備えている。アンモニアが溶解した水６０を中和器２８により中和することができるため、システムの腐食や水の異臭を抑制することができる。また、中和された水６２は略中性を示すため、排水として簡易に処理することができる。

【0031】

また、本実施例では、熱交換器１４により、燃料電池２０から排出された排ガスを降温させるとともに、気化器１２により気化した気体アンモニアを昇温させる。このため、気体アンモニアを改質器１６に導入する前に予め昇温することができる。また、排ガスは降温されるため、水槽１２ａ、２２ａに貯留された水６０が過度に昇温されることを抑制することができる。

【0032】

（実施例２）
図２に示すように、実施例２の燃料電池システム１００は、排ガスに代えて燃料ガスが除去器２２に導入される点が実施例１と異なっている。その他の構成については、実施例１と同様である。

【0033】

実施例２では、図２に示すように、改質器１６が、燃料ガス供給管１３４を介して除去器２２に接続されている。すなわち、気体アンモニアが、改質器１６によって燃料ガスに改質された後、燃料ガスが、熱交換器１４を経由して除去器２２に導入される。熱交換器１４では、改質器１６に導入される前の気体アンモニアとの熱交換により、燃料ガスが降温される。燃料ガス供給管１３４は、水槽２２ａの水６０の中まで延びており、燃料ガス供給管１３４を流通する燃料ガスは、燃料ガス供給管１３４の先端部分に設けられた複数の排出孔１３４ａから水槽２２ａの水６０内に流出する。実施例１において説明したように、燃料ガス中には、残留アンモニアが存在する場合がある。本実施例では、燃料ガスに含まれる残留アンモニアを除去器２２により除去する。残留アンモニアが除去された燃料ガスは、分離管３８に導入される。

【0034】

残留アンモニアが除去された燃料ガス（すなわち、水素及び窒素の混合ガス）は、窒素分離膜２４により、水素と窒素とに分離される。そして、窒素分離膜２４を透過した水素は、燃料ガスとして燃料電池２０のアノード２０ａに供給される。

【0035】

本実施例のシステム１００では、改質器１６により生成された燃料ガスが、燃料電池２０に供給される前に残留アンモニアが除去される。実施例１では、燃料電池２０として、固体酸化物形燃料電池が使用されたが、例えば、固体高分子形燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell、ＰＥＦＣ）は、アンモニア等の不純物により劣化が生じ易いことが知られている。このため、実施例２のシステム１００は、不純物に対する耐性が比較的低い種類の燃料電池（例えば、固体高分子形燃料電池）を使用する際に特に有用である。

【0036】

なお、実施例２においても、実施例１と同様に、燃料電池２０から排出される排ガス及び排出水を除去器２２に導入してもよい。このように構成すると、燃料電池２０における未反応の燃料ガス（水素）や排出水を有効利用することができる。

【0037】

（実施例３）
図３に示すように、実施例３の燃料電池システム２００は、気化器１１２の水槽１１２ａと、除去器１２２の水槽１２２ａが別体となっている。水槽１１２ａと水槽１２２ａとは、連通管１１４によって接続されている。すなわち、水槽１１２ａ及び水槽１２２ａ内の水は、連通管１１４を介して流通可能である。その他の構成は、実施例１と同様である。

【0038】

実施例３では、排出管３６が気化器１１２の水槽１１２ａ内の水６０を通過した後に、除去器１２２の水槽１２２ａに導入される。すなわち、排出管３６は、まず水槽１１２ａ内に進入し、連通管１１４を通って水槽１２２ａ内に導かれる。排出管３６の排出孔３６ａは、除去器１２２の水槽１２２ａ内に位置するように設けられている。

【0039】

実施例３のシステム２００では、燃料電池２０から排出される排ガスが、液体アンモニアを気化させるための水槽１１２ａ内に先に導入される。比較的高温の状態である排ガスが水槽１２２ａよりも先に水槽１１２ａ内に導入されるため、排ガスと水槽１１２ａ内の水６０との熱交換により、液体アンモニアの気化に要する水温を効率良く維持することができる。

【0040】

なお、実施例３において、実施例２の構成（すなわち、改質器１６で生成された燃料ガスを除去器２２に導入する構成）を実施例３に適用してもよい。

【0041】

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。以下、上述した実施例の変形例を以下に列挙する。

【0042】

（変形例）
上述した実施例では、液体燃料として液体アンモニアを使用する例について説明したが、例えば、炭化水素を含有する化合物や、アルコール等を液体燃料として使用してもよい。

【0043】

また、中和器２８では、中和反応を利用して水６２を中和する態様に代えて、緩衝液を投入し、緩衝液の緩衝作用を利用して水６２を中和してもよい。緩衝液としては、例えば、リン酸緩衝液を用いることができる。

【0044】

実施例１及び実施例３において、水素及び窒素の混合ガスから窒素を分離して水素を再利用する構成（すなわち、分離管３８、窒素分離膜２４、水素供給管４０）は、設けられなくてもよい。また、各実施例において、熱交換器１４及び中和器２８は設けられなくてもよい。

【0045】

また、各実施例において、水素供給管４０に水素を昇圧する昇圧機構を配置してもよい。例えば、水素供給管４０にエゼクタやブロワ等を配置して、昇圧した水素を燃料電池２０に供給してもよい。このような構成では、燃料電池２０に燃料ガス（水素）を効率良く供給することができる。

【0046】

本明細書又は図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書又は図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

【符号の説明】

【0047】

１：燃料電池システム
４：液体燃料タンク
５：液体燃料
６：ポンプ
１２：気化器
１２ａ：水槽
１２ｂ：蒸発器
１４：熱交換器
１６：改質器
２０：燃料電池
２２：除去器
２２ａ：水槽
２４：窒素分離膜
２８：中和器
６０：水

【図1】

【図2】

【図3】