特開 2023-145252 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】P2023145252

(43)【公開日】2023-10-11

(54)【発明の名称】燃料電池システム

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/0662 20160101AFI20231003BHJP

   H01M 8/12 20160101ALI20231003BHJP

【ＦＩ】

H01M8/0662

H01M8/12 101

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022052618

(22)【出願日】2022-03-28

(71)【出願人】

【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】110004082

【氏名又は名称】弁理士法人北大阪特許事務所

(74)【代理人】

【識別番号】100141092

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 英生

(72)【発明者】

【氏名】正生 明宏

【テーマコード（参考）】

5H126

5H127

【Ｆターム（参考）】

5H126BB06

5H127AA07

5H127AC02

5H127AC05

5H127BA05

5H127BA13

5H127BA33

5H127BA37

5H127BA57

5H127BB02

5H127BB12

5H127BB27

5H127BB37

(57)【要約】

【課題】大気中へ排出される燃焼排ガスの結露を抑えることが可能となる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】セルスタックの燃料極から排出されたアノードオフガスを燃焼させるオフガスバーナーを備え、燃焼排ガスを熱利用する固体酸化物形の燃料電池システムであって、熱利用後の前記燃焼排ガスを加熱空気と混合させて当該システム外へ排出する構成とする。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

セルスタックの燃料極から排出されたアノードオフガスを燃焼させるオフガスバーナーを備え、燃焼排ガスを熱利用する固体酸化物形の燃料電池システムであって、
熱利用後の前記燃焼排ガスを加熱空気と混合させて当該システム外へ排出することを特徴とする燃料電池システム。

【請求項2】

前記加熱空気を当該システム内の排熱を用いて生成させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。

【請求項3】

前記加熱空気の温度は、熱利用後の前記燃焼排ガスの温度以上であり、
当該燃焼排ガスと当該加熱空気との混合比が１：２～１：３０の範囲内であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。

【請求項4】

前記アノードオフガスに含まれる水蒸気を、冷却用空気との熱交換により凝縮させる凝縮器と、
前記アノードオフガスを気水分離し、凝縮水を回収する水タンクと、を備え、
前記オフガスバーナーは、気水分離後の前記アノードオフガスを燃焼させるものであり、
前記加熱空気として、前記凝縮器を通過後の前記冷却用空気を用いることを特徴とする請求項１から請求項３の何れか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、固体酸化物形燃料電池を用いた燃料電池システムに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、発電効率が良く環境にも優しい電源として、各種方式の燃料電池が開発されている。特に、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は５０％以上の高い発電効率が得られるため、家庭用から産業用まで、広範な出力範囲の燃料電池システムに利用されている。

【0003】

都市ガス等の炭化水素燃料を原燃料とする外部改質型の燃料電池システムでは、例えば特許文献１に開示されているように、改質器において原燃料の改質処理が行われ、これにより得られた改質ガスを用いてセルスタックが発電する。また当該システム内には、セルスタックの燃料極から排出されたオフガスを燃焼させるオフガスバーナーを設けて、オフガスバーナーから改質器等へ熱供給が行われるようにするのが一般的である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特表２０１６－５２４３０３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

上述したオフガスバーナーから排出される燃焼排ガスは、発電反応に使用されなかった水素を燃焼させたものであるため、大気に比べて多くの水蒸気を含み露点温度が高くなっている。そのため、燃焼排ガスは大気中へ排出される際に温度が下がると結露し易く、その結果、例えば、結露した水が排気用配管を腐食させることがある。また、大気の湿度が高いと排気空気が過飽和となって、排気筒で白煙が発生することがある。この白煙は視界を遮ることもあるので、周囲への悪影響も懸念されている。

【0006】

本発明は上記課題に鑑み、大気中へ排出される燃焼排ガスの結露を抑えることが可能となる燃料電池システムの提供を目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明に係る燃料電池システムは、セルスタックの燃料極から排出されたアノードオフガスを燃焼させるオフガスバーナーを備え、燃焼排ガスを熱利用する固体酸化物形の燃料電池システムであって、熱利用後の前記燃焼排ガスを加熱空気と混合させて当該システム外へ排出する構成とする。本構成によれば、大気中へ排出される燃焼排ガスの結露を抑えることが可能となる。

【0008】

また上記構成としてより具体的には、前記加熱空気を当該システム内の排熱を用いて生成させる構成としてもよい。本構成によれば、システムの熱自立を維持したまま加熱空気を生成させることが可能となる。また上記構成としてより具体的には、前記加熱空気の温度は、熱利用後の前記燃焼排ガスの温度以上であり、当該燃焼排ガスと当該加熱空気との混合比が１：２～１：３０の範囲内である構成としてもよい。

【0009】

また上記構成としてより具体的には、前記アノードオフガスに含まれる水蒸気を、冷却用空気との熱交換により凝縮させる凝縮器と、前記アノードオフガスを気水分離し、凝縮水を回収する水タンクと、を備え、前記オフガスバーナーは、気水分離後の前記アノードオフガスを燃焼させるものであり、前記加熱空気として、前記凝縮器を通過後の前記冷却用空気を用いる構成としてもよい。

【発明の効果】

【0010】

本発明に係る燃料電池システムによれば、大気中へ排出される燃焼排ガスの結露を抑えることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本実施形態に係る燃料電池システムの概略的な構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

本発明の一実施形態について、各図面を参照しながら以下に説明する。図１は、本実施形態に係る燃料電池システム１の概略的な構成図である。なお図１では流体の経路に関して、燃料ガスに関連する経路（ガス経路）を実線矢印で示し、改質水に関連する経路（水経路）を破線矢印で示し、空気に関連する経路（空気経路）を点線矢印で示し、その他の経路を一点鎖線の矢印で示している。また図１に示す白抜き矢印は、各経路を通る流体を示している。

【0013】

図１に示すように燃料電池システム１は、改質器１１、蒸発器１２、セルスタック１３、水回収装置１４、空気予熱器１５、オフガスバーナー１６、および混合部１７（後述する燃焼排ガスＧｆと冷却用空気Ａｄを混合させるスペース）を備える。

【0014】

なお、セルスタック１３は、固体酸化物形燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell：ＳＯＦＣ）であり、動作温度は例えば７００℃程度である。固体酸化物形燃料電池は、燃料極（アノード）に水素を含む燃料ガスが供給され、空気極（カソード）に酸素を含む空気が供給されることにより、電気化学反応を発生させて発電することが可能である。本実施形態では一例として、セルスタック１３は一つだけ設けられているが、セルスタック１３を並列に複数個設けるようにしても良い。

【0015】

水回収装置１４および混合部１７を除く燃料電池システム１の大部分の要素は、図１に示す断熱領域ＴＡ内に配置されている。断熱領域ＴＡは断熱材等で覆われており、外部への熱放出が極力抑えられるよう配慮されている。これにより燃料電池システム１は、熱自立の点で有利な構成となっている。

【0016】

燃料電池システム１には、原料ガス（本実施形態では一例として、メタンを含む都市ガスとする）を受入れる原料ガス受入部Ｐｇ、および、空気を受入れる空気受入部Ｐａが設けられている。原料ガスや空気は基本的に燃料電池システム１の外部から供給される。

【0017】

原料ガス受入部Ｐｇは、第１ガス経路Ｌｇ１を介して改質器１１に繋がっており、第１ガス経路Ｌｇ１の途中には第１ブロワＢ１が設けられている。第１ガス経路Ｌｇ１における第１ブロワＢ１より後段側の少なくとも一部は、蒸発器１２を通るように配置されている。

【0018】

改質器１１は、第２ガス経路Ｌｇ２を介して、セルスタック１３の燃料極１３ａに繋がっている。燃料極１３ａは、第３ガス経路Ｌｇ３を介して水回収装置１４に繋がっている。水回収装置１４は、水タンク１４ａ、凝縮器１４ｂ、冷却用空気経路１４ｃ、および冷却用空気（外気）の受入口１４ｄを備えており、第４ガス経路Ｌｇ４を介してオフガスバーナー１６に繋がっている。なお冷却用空気経路１４ｃは、受入口１４ｄから伸びており、凝縮器１４ｂを介して混合部１７に繋がっている。混合部１７からは、ガスを外部へ排気させるための排気用配管Ｌｙが伸びている。排気用配管Ｌｙの後段側には、高い位置からガスを排気させるための排気筒が配置されている。

【0019】

なお水タンク１４ａは、水経路Ｌｗを介して蒸発器１２に繋がっている。水経路Ｌｗには水ポンプＷ１が設けられており、水タンク１４ａ内の水を改質水Ｗａとして蒸発器１２へ継続的に供給することが可能である。これにより燃料電池システム１は、水自立を実現させることが可能である。水ポンプＷ１は、水タンク１４ａから蒸発器１２への改質水Ｗａの供給量を調節することが可能である。

【0020】

空気受入部Ｐａからは第１空気経路Ｌａ１が伸びており、第１空気経路Ｌａ１の途中には第２ブロワＢ２が設けられている。第１空気経路Ｌａ１は、セルスタック１３の空気極１３ｂに繋がっている。空気極１３ｂは、第２空気経路Ｌａ２を介してオフガスバーナー１６に繋がっている。またオフガスバーナー１６は、燃焼排ガス経路Ｌｘを介して、混合部１７に繋がっている。燃焼排ガス経路Ｌｘの途中には、蒸発器１２が設けられている。

【0021】

空気予熱器１５は、燃焼排ガス経路Ｌｘの所定位置（オフガスバーナー１６と蒸発器１２の間の位置）を通る流体と第１空気経路Ｌａ１の所定位置（第２ブロワＢ２とセルスタック１３の間の位置）を通る流体との間で、熱交換が行われるようにする。これにより、燃焼排ガスＧｆの熱を用いて空気Ａａを予熱することが可能となっている。

【0022】

次に、燃料電池システム１の動作概要について説明する。原料ガス受入部Ｐｇから第１ガス経路Ｌｇ１内に供給された原料ガスＧａは、第１ブロワＢ１の作用により後段側へ送られ、蒸発器１２に流入する。原料ガスＧａの供給に並行して、水ポンプＷ１によって水タンク１４ａから水経路Ｌｗ内に供給された改質水Ｗａが、蒸発器１２へ流入する。蒸発器１２は、流入した改質水Ｗａを熱交換により加熱して水蒸気（過熱蒸気）を生成し、これを第１ガス経路Ｌｇ１を流れる原料ガスＧａに混合させる。このようにして生成された原料ガスＧａと水蒸気の混合気体は、改質器１１へ流入する。

【0023】

改質器１１は、蒸発器１２から受けた水蒸気を用いて原料ガスＧａを改質し、改質ガスＧｂを生成して後段側へ送出する。改質器１１は、水蒸気改質用の触媒を有しており、原料ガスＧａに含まれるメタンと水蒸気を反応させ、一酸化炭素と水素を含む改質ガスＧｂを生成する。水蒸気改質は吸熱反応であるが、オフガスバーナー１６からの熱供給により、改質器１１は安定的に改質ガスＧｂを生成することが可能である。改質器１１から送出された改質ガスＧｂは、第２ガス経路Ｌｇ２を介して燃料極１３ａに流入する。

【0024】

一方、上述した原料ガスＧａおよび改質水Ｗａの供給に並行して、空気受入部Ｐａから第１空気経路Ｌａ１内に空気Ａａが供給される。第１空気経路Ｌａ１内の空気Ａａは、第２ブロワＢ２の作用により後段側へ送られる。この空気Ａａは、空気予熱器１５での熱交換によって加熱された後、空気極１３ｂに流入する。

【0025】

セルスタック１３は、燃料極１３ａに流入した改質ガスＧｂと空気極１３ｂに流入した空気Ａａを用いて発電するとともに、燃料極１３ａからオフガスＧｃ（アノードオフガス）を排出する。この発電で得られた電力は、不図示の電力供給ラインを介して外部へ供給される。オフガスＧｃには、燃料極１３ａにおいて未反応であった水素等の燃料成分が含まれている。なお空気極１３ｂからは、空気極１３ｂにおいて未反応であった酸素等を含む残りの空気Ａｂが、第４空気ラインＬａを介してオフガスバーナー１６へ排出される。

【0026】

燃料極１３ａから排出されたオフガスＧｃは第３ガス経路Ｌｇ３を通り、水回収装置１４に流入する。水回収装置１４において、凝縮器１４ｂは、受入口１４ｄから冷却用空気経路１４ｃに供給された冷却用空気Ａｄと熱交換させることにより、オフガスＧｃを露点温度以下まで冷却し、オフガスＧｃに含まれる水蒸気を凝縮させる。凝縮器１４ｂにおける熱交換により、冷却用空気Ａｄの温度が上昇するとともに、オフガスＧｃの温度が下降する。このように加熱された冷却用空気Ａｄ（加熱空気）は、混合部１７へ流入する。

【0027】

凝縮器１４ｂを通過したオフガスＧｃは水タンク１４ａで気水分離され、凝縮水が水タンク１４ａに回収される一方、凝縮しなかった残りの部分は残存オフガスＧｄとして第４ガス経路Ｌｇ４へ流入する。残存オフガスＧｄは、気水分離の処理を施したオフガスＧｃに相当する。なお水回収装置１４は、オフガスＧｃからの水蒸気除去を効率良く行うことができるように、断熱領域ＴＡの外部に配置されている。

【0028】

凝縮器１４ｂの冷却用空気の流路は、密閉型であってもよいし、開放型であってもよい。前者の場合、プレート式、シェルアンドプレート式、シェルアンドチューブ式等の熱交換器を使用することができ、ブロワにより冷却用空気を伝熱面に送り込む。後者の場合、空冷式のラジエーターを使用することができ、オフガスＧｃが内部流通する熱交換コアの表面にファンにより冷却用空気を通風させる。なお、ラジエーターは、冷却用空気の供給時の圧力損失が低いうえ、空気流量の調節も容易であるので、燃料電池システム１の補機電力を低減できるメリットがある。

【0029】

水タンク１４ａに回収された凝縮水は、先述のとおり水経路Ｌｗを介して蒸発器１２に供給され、改質水Ｗａとして再利用される。なお、オフガスＧｃから水蒸気を除去して残存オフガスＧｄを生成することにより、オフガスＧｃ中の未反応の燃料成分をオフガスバーナー１６で効率良く燃焼することが可能となる。

【0030】

第４ガス経路Ｌｇ４に流入した残存オフガスＧｄは、オフガスバーナー１６に流入する。オフガスバーナー１６は、空気極１３ｂから排出された空気Ａｂと残存オフガスＧｄの混合気体を燃焼させて熱を発生させるとともに、燃焼によって生じた燃焼排ガスＧｆを燃焼排ガス経路Ｌｘへ排出する。なお、オフガスバーナー１６は改質器１１の近傍に配置されており、オフガスバーナー１６から生じる熱は、放射伝熱や対流伝熱により改質器１１へ効率良く伝わるようになっている。

【0031】

燃焼排ガス経路Ｌｘを通る燃焼排ガスＧｆは、空気予熱器１５を通過する際に空気Ａａと熱交換される。空気予熱器１５における熱交換により、空気Ａａの温度が上昇するとともに、燃焼排ガスＧｆの温度が下降する。燃焼排ガスＧｆは空気予熱器１５を通過した後、蒸発器１２を通過する際に改質水Ｗａと熱交換された上で、混合部１７へ流入する。蒸発器１２は、燃焼排ガスＧｆとの熱交換により改質水Ｗａを加熱して、先述したとおり水蒸気を生成することになる。

【0032】

また既に説明したとおり、混合部１７には冷却用空気Ａｄと燃焼排ガスＧｆが流入する。混合部１７は、燃焼排ガスＧｆを冷却用空気Ａｄと混合させた混合ガスを、排気用配管Ｌｙを介して燃料電池システム１の外部（大気中）へ排出する。これにより、大気中へ排出される燃焼排ガスＧｆの結露を抑えて、排気用配管Ｌｙの腐食や白煙の発生を極力防ぐことが可能となっている。

【0033】

すなわち、燃焼排ガスＧｆは発電反応に使用されなかった水素を燃焼させており、大気に比べて多くの水蒸気を含み露点温度が高くなっている。また、燃焼排ガスＧｆは空気予熱器１５や蒸発器１２で熱利用されるため、熱利用後の燃焼排ガスＧｆは熱利用前に比べ、温度が下がって結露し易くなっている。このような熱利用後の燃焼排ガスＧｆを単独で大気中へ排出させると、その際に更に温度が下がって燃焼排ガスＧｆが結露し、この結露した水が排気用配管Ｌｙを腐食させる虞がある。しかし本実施形態では、冷却用空気Ａｄを混合させることで露点温度を低くしておき、燃焼排ガスＧｆが結露し難くなるように配慮されている。これにより、排気用配管Ｌｙの腐食が抑えられるとともに、大気の湿度が高くても排気空気が過飽和とはなり難いため、排気筒での白煙の発生も抑えられる。

【0034】

なお、冷却用空気Ａｄは凝縮器１４ｂでの熱交換（オフガスＧｃからの熱回収）によって加熱されるようになっており、加熱後の冷却用空気Ａｄ（混合部１７に流入する段階の冷却用空気Ａｄ）の温度は、熱利用後の燃焼排ガスＧｆ（混合部１７に流入する段階の燃焼排ガスＧｆ）の温度以上となっている。そのため、混合部１７において燃焼排ガスＧｆと冷却用空気Ａｄを混合させた際に、燃焼排ガスＧｆの温度が下がって結露が促進されるといった事態は回避される。燃焼排ガスＧｆをより結露させ難くする観点から、燃焼排ガスＧｆに混合させる冷却用空気Ａｄの温度はできるだけ高いことが好ましい。

【0035】

混合部１７の具体的構成は、凝縮器１４ｂのタイプを考慮して決定することが望ましい。例えば、凝縮器１４ｂがプレート式熱交換器である場合、燃焼排ガス経路Ｌｘの末端に混合用のチャンバーを接続し、排気筒に向かってチャンバー内を流れる低圧の燃焼排ガスＧｆに対し、冷却用空気経路１４ｃのブロワにより冷却用空気を流入させる。また、凝縮器１４ｂがラジエーターである場合、熱交換コアを通過した後のファンからの空気流を混合用のチャンバーに取り込むようにしておき、排気筒に向かってチャンバー内を流れる低圧の冷却用空気に対し、燃焼排ガス経路Ｌｘから燃焼排ガスＧｆを放出させる。

【0036】

また冷却用空気Ａｄの加熱は、燃料電池システム１内の排熱（本実施形態の例ではオフガスＧｃの熱）を用いることにより、燃料電池システム１の熱自立を維持したまま行うことが可能となっている。但し、本発明に係る加熱空気を生成する加熱方法としては、燃料電池システム内の排熱を用いる方法の他、例えば発電した電気でヒーターを駆動し、当該ヒーターの熱を用いて加熱空気を生成する方法等を採用することも可能である。

【0037】

なお、混合部１７における燃焼排ガスＧｆと冷却用空気Ａｄの混合比について、燃焼排ガスＧｆに対して冷却用空気Ａｄの割合が２倍未満の場合は、これらの混合ガスの水蒸気分圧が比較的高いままであるため、温度低下時に水蒸気の凝縮が起こり易くなる虞がある。一方、燃焼排ガスＧｆに対して冷却用空気Ａｄの割合が３０倍超過の場合は、混合ガスの水蒸気分圧は十分に低くなるが、冷却用空気Ａｄの流量を増やすためブロワやファンの消費電力と外部に捨てる熱量が増え過ぎて、燃料電池システム１の発電効率が下がる虞がある。これらの事情を考慮して、当該混合比は１：２～１：３０の範囲内とすることが望ましい。

【0038】

上述したとおり本実施形態に係る燃料電池システム１は、オフガスバーナー１６から排出される燃焼排ガスＧｆを熱利用する固体酸化物形の燃料電池システムであって、熱利用後の燃焼排ガスＧｆを加熱空気と混合させて当該システム外へ排出する。そのため、大気中へ排出される燃焼排ガスＧｆの結露を抑えることが可能となっている。なお燃料電池システム１は、オフガスＧｃに含まれる水蒸気を冷却用空気Ａｄとの熱交換により凝縮させる凝縮器１４ｂと、オフガスＧｃを気水分離し凝縮水を回収する水タンク１４ａと、を備え、オフガスバーナー１６は残存オフガスＧｄ（気水分離後のオフガスＧｃ）を燃焼させるものとなっており、上記加熱空気として、凝縮器１４ｂを通過後の冷却用空気Ａｄを用いるようになっている。

【0039】

また、本発明に係る燃料電池システムは、複数段のセルスタックを有する多段式の燃料電池システムとして構成することも可能である。本実施形態の燃料電池システム１を多段式の燃料電池システムとする場合は、例えば、セルスタック１３を前段側セルスタックとし、さらに後段側セルスタックを設けるように構成すれば良い。この場合の構成例としては、後段側セルスタックの燃料極に残存オフガスＧｄが流入し、当該燃料極から排出されるオフガスがオフガスバーナー１６に流入するとともに、後段側セルスタックの空気極に空気Ａｂが流入するとともに、当該空気極から排出される空気がオフガスバーナー１６に流入する構成が採用され得る。

【0040】

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の構成は上記実施形態に限られず、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることが可能である。すなわち上記実施形態は、全ての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の技術的範囲は、上記実施形態の説明ではなく、特許請求の範囲によって示されるものであり、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内に属する全ての変更が含まれると理解されるべきである。

【産業上の利用可能性】

【0041】

本発明は、固体酸化物形燃料電池を用いた燃料電池システムに利用可能である。

【符号の説明】

【0042】

１ 燃料電池システム
１１ 改質器
１２ 蒸発器
１３ セルスタック
１３ａ 燃料極
１３ｂ 空気極
１４ 水回収装置
１４ａ 水タンク
１４ｂ 凝縮器
１４ｃ 冷却用空気経路
１４ｄ 冷却用空気の受入口
１５ 空気予熱器
１６ オフガスバーナー
１７ 混合部
Ａａ、Ａｂ 空気
Ａｄ 冷却用空気
Ｂ１ 第１ブロワ
Ｂ２ 第２ブロワ
Ｇａ 原料ガス
Ｇｂ 改質ガス
Ｇｃ オフガス
Ｇｄ 残存オフガス
Ｇｆ 燃焼排ガス
Ｌａ１ 第１空気経路
Ｌａ２ 第２空気経路
Ｌｇ１ 第１ガス経路
Ｌｇ２ 第２ガス経路
Ｌｇ３ 第３ガス経路
Ｌｇ４ 第４ガス経路
Ｌｘ 燃焼排ガス経路
Ｌｙ 排気用配管
Ｌｗ 水経路
Ｐａ 空気受入部
Ｐｇ 原料ガス受入部
ＴＡ 断熱領域
Ｗ１ 水ポンプ
Ｗａ 改質水

【図1】