特開 2023-151619 燃料電池装置

(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】P2023151619

(43)【公開日】2023-10-16

(54)【発明の名称】燃料電池装置

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04 20160101AFI20231005BHJP

   H01M 8/0606 20160101ALI20231005BHJP

   H01M 8/04791 20160101ALI20231005BHJP

   H01M 8/0662 20160101ALI20231005BHJP

   H01M 8/0668 20160101ALI20231005BHJP

   H01M 8/12 20160101ALN20231005BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04 J

H01M8/0606

H01M8/04791

H01M8/0662

H01M8/0668

H01M8/12 101

【審査請求】未請求

【請求項の数】11

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022061334

(22)【出願日】2022-03-31

(71)【出願人】

【識別番号】000006633

【氏名又は名称】京セラ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100147485

【弁理士】

【氏名又は名称】杉村 憲司

(74)【代理人】

【識別番号】230118913

【弁護士】

【氏名又は名称】杉村 光嗣

(74)【代理人】

【識別番号】100132045

【弁理士】

【氏名又は名称】坪内 伸

(74)【代理人】

【識別番号】100173794

【弁理士】

【氏名又は名称】色部 暁義

(72)【発明者】

【氏名】山下 祥二

(72)【発明者】

【氏名】小野 孝

(72)【発明者】

【氏名】大嶋 仁英

【テーマコード（参考）】

5H126

5H127

【Ｆターム（参考）】

5H126BB06

5H127AA07

5H127AB02

5H127AC02

5H127BA02

5H127BA05

5H127BA13

5H127BA17

5H127BA20

5H127BA28

5H127BB01

5H127DC05

5H127DC15

(57)【要約】

【課題】排出される二酸化炭素を減少させた燃料電池装置を提供する燃料電池装置を提供する。
【解決手段】燃料電池装置１００は、燃料電池１０と燃料ガス供給ライン２０と処理部３０とを有する。燃料電池１０は、燃料ガスを用いて発電する。燃料ガス供給ライン２０は、燃料ガスとなる第１燃料ガスを原料ガスから改質する改質器２１を含み、下流側で燃料電池１０に接続され、上流側から原料ガスとなる第１原料ガスが供給される。処理部３０は、上流側が燃料電池１０に接続され、下流側が燃料ガス供給ライン２０に接続され、燃料電池１０から排出される排ガスを処理し燃料電池１０が用いる燃料ガスとなる第２燃料ガス又は改質器２１が燃料ガスとなる第１燃料ガスに改質する原料ガスとなる第２原料ガスの少なくとも一方を含む排気由来ガスを前記燃料ガス供給ラインに供給する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料ガスを用いて発電する燃料電池と、
前記燃料ガスとなる第１燃料ガスを原料ガスから改質する改質器を含み、下流側で前記燃料電池に接続され、上流側から前記原料ガスとなる第１原料ガスが供給される燃料ガス供給ラインと、
上流側が前記燃料電池に接続され、下流側が前記燃料ガス供給ラインに接続され、前記燃料電池から排出される排ガスを処理し前記燃料電池が用いる燃料ガスとなる第２燃料ガス又は前記改質器が前記第１燃料ガスに改質する原料ガスとなる第２原料ガスの少なくとも一方を含む排気由来ガスを前記燃料ガス供給ラインに供給する処理部と、を備える
燃料電池装置。

【請求項2】

請求項１に記載の燃料電池装置において、
前記燃料ガス供給ラインの前記上流側から供給される前記第１原料ガスと、前記排気由来ガスとで成分が異なる、
燃料電池装置。

【請求項3】

請求項１又は２に記載の燃料電池装置において、
前記排ガスと、前記排気由来ガスとで成分が異なり、又は
前記排気由来ガスに含まれる特定成分の濃度が、前記排ガスに含まれる前記特定成分の濃度よりも高い、
燃料電池装置。

【請求項4】

請求項３に記載の燃料電池装置において、
前記処理部は、前記排ガスから前記特定成分を分離する分離部を含む、
燃料電池装置。

【請求項5】

請求項３又は４に記載の燃料電池装置において、
前記特定成分は二酸化炭素である、
燃料電池装置。

【請求項6】

請求項１から５のいずれか一項に記載の燃料電池装置において、
前記処理部は、前記改質器の上流側に接続される、
燃料電池装置。

【請求項7】

請求項１から５のいずれか一項に記載の燃料電池装置において、
前記処理部は、前記改質器の下流側に接続される、
燃料電池装置。

【請求項8】

請求項１から６のいずれか一項に記載の燃料電池装置において、
前記処理部は、前記排ガスに含まれるガス成分から、前記第２原料ガスを生成する、
燃料電池装置。

【請求項9】

請求項１から８のいずれか一項に記載の燃料電池装置において、
前記処理部が前記燃料電池の近傍に配置される、
燃料電池装置。

【請求項10】

燃料ガスを用いて発電する燃料電池装置の運転方法であって、
燃料ガス供給ラインに対して改質器を用いて前記燃料ガスに改質される原料ガスを供給するステップと、
前記燃料ガスとなる第１燃料ガスを原料ガスから改質するステップと、
前記燃料電池から排出される排ガスを処理し、前記燃料電池が用いる燃料ガスとなる第２燃料ガス又は前記第１燃料ガスに改質する原料ガスとなる第２原料ガスの少なくとも一方を含む排気由来ガスを更に前記燃料ガス供給ラインに対して供給するステップと、を含む、
燃料電池装置の運転方法。

【請求項11】

燃料ガスを用いて発電する燃料電池と、
改質器を用いて前記燃料ガスに改質される原料ガスとなる第１原料ガス又は第２原料ガスが供給される燃料ガス供給ラインと、
前記燃料ガスとなる第１燃料ガスを前記原料ガスから改質する改質器と、
を備える燃料電池装置であり、
前記燃料電池から排出される排ガスを処理して、前記燃料ガス供給ラインに、前記燃料電池が用いる燃料ガスとなる第２燃料ガス又は前記改質器が前記第１燃料ガスに改質する原料ガスとなる第２原料ガスの少なくとも一方を含む排気由来ガスを供給する処理部と、を更に備える、
燃料電池装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、燃料電池装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

原料ガスから燃料ガスを改質する改質器を含み、燃料ガスを用いて発電する燃料電池装置が知られている（特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００２－２９８８６３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

近年、燃料電池装置から排出される二酸化炭素を減少させることが求められている。

【0005】

本開示の目的は、排出される二酸化炭素を減少させた燃料電池装置及び燃料電池装置の運転方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上述した課題を解決すべく、第１の観点による燃料電池装置は、燃料ガスを用いて発電する燃料電池と、前記燃料ガスとなる第１燃料ガスを原料ガスから改質する改質器を含み、下流側で前記燃料電池に接続され、上流側から前記原料ガスとなる第２燃料ガスが供給される燃料ガス供給ラインと、上流側が前記燃料電池に接続され、下流側が前記燃料ガス供給ラインに接続され、前記燃料電池から排出される排ガスを処理し前記燃料電池が用いる燃料ガスとなる第２燃料ガス又は前記改質器が前記燃料ガスとなる前記第１燃料ガスに改質する原料ガスとなる第２原料ガスの少なくとも一方を含む排気由来ガスを前記燃料ガス供給ラインに供給する処理部と、を備える。

【0007】

第２の観点による燃料電池装置の運転方法は、燃料ガスを用いて発電する燃料電池装置の運転方法であって、燃料ガス供給ラインに対して改質器を用いて前記燃料ガスに改質される原料ガスを供給するステップと、前記燃料ガスとなる第１燃料ガスを原料ガスから改質するステップと、前記燃料電池から排出される排ガスを処理し、前記燃料電池が用いる燃料ガスとなる第２燃料ガス又は前記第１燃料ガスに改質する原料ガスとなる第２原料ガスの少なくとも一方を含む排気由来ガスを更に前記燃料ガス供給ラインに対して供給するステップと、を含む。

【0008】

第３の観点による燃料電池装置は、燃料ガスを用いて発電する燃料電池と、改質器を用いて前記燃料ガスに改質される原料ガスとなる第１原料ガス又は第２原料ガスが供給される燃料ガス供給ラインと、前記燃料ガスとなる第１燃料ガスを前記原料ガスから改質する改質器と、を備える燃料電池装置であり、前記燃料電池から排出される排ガスを処理して、前記燃料ガス供給ラインに、前記燃料電池が用いる燃料ガスとなる第２燃料ガス又は前記改質器が前記第１燃料ガスに改質する原料ガスとなる第２原料ガスの少なくとも一方を含む排気由来ガスを供給する処理部と、を更に備える。

【発明の効果】

【0009】

上記のように構成された本開示に係る燃料電池装置及び燃料電池装置の運転方法は、排出される二酸化炭素を減少させ得る。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】第１の実施形態に係る燃料電池装置の概略構成図である。

【図2】第１の実施形態に係る燃料電池装置の変形例の概略構成図である。

【図3】第２の実施形態に係る燃料電池装置の概略構成図である。

【図4】第３の実施形態に係る燃料電池装置の概略構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、本開示を適用した燃料電池装置の実施形態が、図面を参照して説明される。

【0012】

図１に示すように、本開示の一実施形態に係る燃料電池装置１００は、燃料電池１０と、燃料ガス供給ライン２０と、処理部３０と、を含んで構成される。燃料電池装置１００は、例えば、家庭等の電力の需要家施設に設けられる。

【0013】

燃料電池１０は、セルスタックを有してよい。燃料電池１０は、筐体内にセルスタックを内包する燃料電池モジュールとしてよい。セルスタックは、例えば固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）であり、後述する改質器２１又は反応器１３２、３３２が供給する燃料ガス、及び空気中の酸素を用いた電気化学反応により発電する。また、セルスタックは電気化学反応により水を生成する。セルスタックから排出される水は、高温のガス状で燃料電池１０から排出される。燃料電池１０は、発電のための稼働中に熱を発する。

【0014】

セルスタックが行う電気化学反応は、例えば以下の化学反応式で表される。
Ｈ_２＋１／２Ｏ_２→Ｈ_２Ｏ
ＣＯ＋１／２Ｏ_２→ＣＯ_２

【0015】

燃料電池１０から排出される排ガスは、燃料電池１０において未反応の燃料ガスを含むことが一般的である。当該排ガスは、前述のように、後述する処理部３０が処理する二酸化炭素等を含んでよい。当該排ガス中の燃料ガスが、例えば着火ヒータ等を用いて燃焼されることで、後述する改質器２１が加熱されてもよい。

【0016】

燃料電池１０の上流側に、燃料ガス供給ライン２０の下流側が接続される。

【0017】

ＬＮＧ、ＬＰＧ等の需要家の外部から供給される第１原料ガスが、上流側のガス取得口４１を介して、燃料ガス供給ライン２０へ供給される。

【0018】

燃料ガス供給ライン２０は、改質器２１を含む。なお改質器２１は、セルスタックを含む燃料電池１０と一緒に筐体内に内包されて、燃料電池モジュールを構成してよい。改質器２１は、原料ガスを改質して燃料ガスを生成する。具体的には、改質器２１は、第１原料ガスを原料ガスとして用いて改質して、第１燃料ガスを燃料ガスとして生成する。改質器２１は、原料ガスと、水取得口４２を介して外部の供給管などから取得する水とを反応物として、水蒸気改質反応を生じさせることにより、水素を第１燃料ガスとして生成する。例えば、都市ガスに含まれるメタンの水蒸気改質反応は、以下の化学反応式で表される。
ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ_２

【0019】

改質器２１は、水蒸気改質、部分酸化改質及びドライリフォーミングの少なくとも一方を行ってよい。

【0020】

処理部３０の上流側は、燃料電池１０に接続される。処理部３０の下流側は、燃料ガス供給ライン２０に接続される。処理部３０の下流側は、燃料ガス供給ライン２０の改質器２１の下流側に接続されてよい。後述され図３に示される処理部３０の下流側は、燃料ガス供給ライン２２０の改質器２２１の上流側に接続されてもよい。なお、後述され図４に示される処理部３３０の下流側は、燃料ガス供給ライン２０の改質器２１の上流側に接続されてもよい。処理部３０は、燃料電池装置１００から排出される二酸化炭素が削減されるように、燃料電池１０から排出される排ガスを処理し、排気由来ガスを供給する。排ガスは、未反応の水素、電気化学反応により生成した二酸化炭素、水蒸気、及び一酸化炭素を含んでよい。

【0021】

排気由来ガスは、後述されるように、第２燃料ガス又は第２原料ガスの少なくとも一方を含む。第２燃料ガスは、燃料電池１０が用いる燃料ガスとなり得る。第２燃料ガスは、排気ガスよりも濃度が高められた燃料ガスであって、例えば、水素及び一酸化炭素の少なくとも一方である。第２原料ガスは、改質器２１が第１燃料ガスに改質する原料ガスとなり得る。第２原料ガスは、排気ガスよりも濃度が高められた原料ガスであって、例えば、メタンである。燃料ガス供給ライン２０の上流側から供給される第１原料ガスと、排気由来ガスとで成分が異なってよい。排ガスと、排気由来ガスとで成分が異なってよい。排気由来ガスに含まれる特定成分の濃度が、排ガスに含まれる当該特定成分の濃度よりも高くてよい。特定成分は、例えば、二酸化炭素である。

【0022】

処理部３０は、分離部３１を含んでよい。分離部３１は、排ガスから特定成分を分離してよい。分離部３１は、更に、排ガスから一酸化炭素及び水素を分離してよい。言換えると、分離部３１は、排ガスから主に水蒸気を除去してよい。分離部３１は、凝縮器、水蒸気分離膜、水蒸気透過性のイオン交換樹脂等であってよい。

【0023】

前述されるように、処理部３０の下流側は、燃料ガス供給ライン２０に接続される。より具体的に、処理部３０の分離部３１の透過ガス出口は、燃料ガス供給ライン２０の、改質器２１の下流側に、接続されてよい。燃料電池１０は、分離部３１における分離により濃縮した第２燃料ガスを燃料ガスとして用いて発電してよい。言い換えれば、処理部３０の分離部３１は、燃料電池１０が用いる第２燃料ガスを供給してよい。

【0024】

分離部３１で排ガスから除去された水蒸気等は、排気される。排気には、分離部３１で分離できなかった一酸化炭素が含まれることがある。排気中の一酸化炭素を燃焼させる燃焼部５０が分離部３１の排気口の下流に設けられてよい。

【0025】

図２に示すように、処理部１３０は、分離部３１の透過ガス出口の下流側に、更に反応器１３２を備えてよい。処理部１３０の反応器１３２の下流側は、燃料ガス供給ライン２０の、改質器２１の下流側に、接続されてよい。反応器１３２は、分離部３１で濃縮された特定成分（二酸化炭素）と、分離部３１で濃縮された水素又は改質器２１等から供給される水素とを合成して、一酸化炭素を生成してよい。この反応は、以下の化学反応式で表される。反応器１３２は、例えば還元触媒を含んでよい。
ＣＯ_２＋Ｈ_２→ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ

【0026】

反応器１３２が行う反応は吸熱反応である。処理部１３０の例えば反応器１３２が燃料電池１０に近傍に配置されて、燃料電池１０が発する熱が反応器１３２に与えられてよい。バーナ等の熱源が処理部１３０の反応器１３２を加熱してもよい。

【0027】

反応器１３２は、合成される一酸化炭素だけでなく、分離部３１で濃縮された一酸化炭素又は水素も、燃料電池１０に供給してよい。

【0028】

燃料電池１０は、反応器１３２から供給される一酸化炭素又は水素を、第２燃料ガスとして用いて発電してよい。言い換えれば、処理部１３０の反応器１３２は、燃料電池１０が用いる第２燃料ガスを供給してよい。

【0029】

図３に示すように、本開示の第２の実施形態に係る燃料電池装置２００は、燃料電池装置１００に類似する構成を有する。以下、燃料電池装置１００と同じ構成は再度説明されず、燃料電池装置１００とは異なる構成が説明される。

【0030】

分離部３１は、上述したように排ガス中の二酸化炭素、一酸化炭素及び水素を濃縮してよい。改質器２２１では、後述するように、分離部３１で濃縮された二酸化炭素（第２原料ガス）を用いて改質する二酸化炭素改質反応を生じてよい。この二酸化炭素改質反応の結果として、水素に加えて、一酸化炭素（第１燃料ガス）も生成されてよい。したがって、分離部３１が供給する排気由来ガスは、第２燃料ガスである一酸化炭素及び水素、並びに第２原料ガスである二酸化炭素を含む。

【0031】

処理部３０の下流側は、燃料ガス供給ライン２０の、改質器２２１の上流側に、接続されてよい。分離部３１の透過ガス出口の下流と、ガス取得口４１の下流とが合流してよい。合流に伴い、分離部３１が供給する第２原料ガス又は第２燃料ガスと、ガス取得口４１を介して外部の供給管から供給される第１原料ガスとが混合して、燃料ガス供給ライン２０へ供給されてよい。

【0032】

燃料ガス供給ライン２２０の改質器２２１は、上述した水蒸気改質反応に加えて、二酸化炭素改質反応を生じさせてよい。具体的には、改質器２２１は、ガス取得口４１を介して外部の供給管から供給される第１原料ガスに含まれるメタンと、分離部３１が供給する第２原料ガスに含まれる二酸化炭素とで、燃料電池１０が発電に使用する一酸化炭素、水素等の第１燃料ガスを生成してよい。例えば、二酸化炭素改質反応は、以下の化学反応式で表される。
ＣＨ_４＋ＣＯ_２→２ＣＯ＋２Ｈ_２

【0033】

分離部３１が供給する第２燃料ガスは、改質器２２１をそのまま通過してよい。

【0034】

図４に示すように、本開示の第３の実施形態に係る燃料電池装置３００は、燃料電池装置１００に類似する構成を有する。以下、燃料電池装置１００と同じ構成は再度説明されず、燃料電池装置１００とは異なる構成が説明される。

【0035】

処理部３３０の分離部３１は、上述したように排ガス中の二酸化炭素、一酸化炭素及び水素を濃縮し供給してよい。

【0036】

燃料電池装置３００は、分離部３１の透過ガス出口の下流側に接続される、反応器３３２を備えてよい。反応器３３２は、前述した反応器１３２が生じさせる反応に代えて又は当該反応に加えて、分離部３１で濃縮された二酸化炭素と、分離部３１で濃縮された又は改質器２１等から供給される水素とを用いて、メタン等の炭化水素（第２原料ガス）を合成してよい。合成は、例えば以下の化学反応式で表される。反応器３３２は、ニッケル系触媒又はルテニウム系触媒としてよい。なお、この反応は発熱反応である。
ＣＯ_２＋４Ｈ_２→ＣＨ_４＋２Ｈ_２Ｏ

【0037】

上述した反応に使用される水素は、外部の任意の水素源から供給されてよい。分離部３１が供給する一酸化炭素は、反応器３３２をそのまま通過してよい。

【0038】

処理部３３０の下流側は、燃料ガス供給ライン２０の、改質器２１の上流側に、接続されてよい。反応器３３２の下流と、ガス取得口４１の下流とが合流してよい。合流に伴い、ガス取得口４１を介して外部の供給管から供給される第１原料ガスと、反応器３３２が供給する第２原料ガス又は第２燃料ガスと、が混合されて、燃料ガス供給ライン２０へ供給されてよい。

【0039】

以上のような構成の本実施形態の燃料電池装置１００、１００’、２００及び３００は、燃料ガスを用いて発電する燃料電池１０と、燃料ガスとなる第１燃料ガスを原料ガスから改質する改質器２１、２２１を含み、下流側で燃料電池１０に接続され、上流側から原料ガスとなる第１原料ガスが供給される燃料ガス供給ライン２０、２２０と、上流側が燃料電池１０に接続され、下流側が燃料ガス供給ライン２０、２２０に接続され、燃料電池１０から排出される排ガスを処理し燃料電池１０が用いる燃料ガスとなる第２燃料ガス又は改質器２１が前記第１燃料ガスに改質する原料ガスとなる第２原料ガスの少なくとも一方を含む排気由来ガスを供給する処理部３０、１３０、３３０と、を備える。

【0040】

一般的な燃料電池装置では、一酸化炭素、二酸化炭素等を含む燃料電池からの排ガスが、燃焼部により燃焼されて二酸化炭素にされ排出されていた。一方、上述の構成を有する本実施形態の燃料電池装置１００、１００’、２００及び３００では、処理部３０、１３０、３３０が、二酸化炭素等を含む排ガスを処理して、第２燃料ガスを燃料電池１０に供給し、又は第２原料ガスを改質器２１に供給する。したがって、燃料電池装置１００、１００’、２００及び３００では、排出される二酸化炭素が減少され得る。

【0041】

又、本実施形態の燃料電池装置１００、１００’、２００及び３００では、燃料電池１０が、ガス取得口４１から供給される第１原料ガスから生成される第１燃料ガスを用いる。更に、燃料電池１０は、処理部３０、１３０、３３０が生成する第２燃料ガス、又は処理部３０、１３０、３３０が生成する第２原料ガスから生成される第１燃料ガスも用いる。それゆえ、燃料電池装置１００、１００’、２００及び３００では、ガス取得口４１から供給される第１原料ガスの供給量が削減され得る。

【0042】

また、本実施形態の燃料電池装置１００’において、処理部１３０が燃料電池１０の近傍に配置される。処理部１３０が排ガスを処理して第２燃料ガス又は第２原料ガスを供給する反応は、吸熱反応である。処理部１３０を燃料電池１０の近傍に配置することにより、燃料電池１０が発する熱が、処理部１３０に与えられ、処理部１３０の吸熱反応が促進され得る。

【0043】

本発明を諸図面や実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形や修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形や修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。

【符号の説明】

【0044】

１００，１００’，２００，３００ 燃料電池装置
１０ 燃料電池
２０，２２０ 燃料ガス供給ライン
２１，２２１ 改質器
３０，１３０，３３０ 処理部
３１ 分離部
１３２，３３２ 反応器
４１ ガス取得口
４２ 水取得口
５０ 燃焼部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】