特開 2023-23237 固体酸化物形燃料電池システム

(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】P2023023237

(43)【公開日】2023-02-16

(54)【発明の名称】固体酸化物形燃料電池システム

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04 20160101AFI20230209BHJP

   H01M 8/0606 20160101ALI20230209BHJP

   H01M 8/04014 20160101ALI20230209BHJP

   H01M 8/2475 20160101ALI20230209BHJP

   H01M 8/00 20160101ALI20230209BHJP

   H01M 8/04694 20160101ALI20230209BHJP

   H01M 8/12 20160101ALN20230209BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04 Z

H01M8/0606

H01M8/04014

H01M8/2475

H01M8/00 Z

H01M8/04 J

H01M8/04 N

H01M8/04694

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 2021128545

(22)【出願日】2021-08-04

(71)【出願人】

【識別番号】515135114

【氏名又は名称】株式会社Ｅサーモジェンテック

(74)【代理人】

【識別番号】110001427

【氏名又は名称】弁理士法人前田特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】中田 秀輝

(72)【発明者】

【氏名】宇野 貴士

(72)【発明者】

【氏名】小野 里佳子

(72)【発明者】

【氏名】馬島 菜緒

(72)【発明者】

【氏名】岡嶋 道生

(72)【発明者】

【氏名】大畑 惠一

(72)【発明者】

【氏名】南部 修太郎

【テーマコード（参考）】

5H126

5H127

【Ｆターム（参考）】

5H126BB06

5H127AA07

5H127AB23

5H127AB25

5H127AC15

5H127BA02

5H127BA05

5H127BA13

5H127BA18

5H127BA35

5H127BB02

5H127BB19

5H127BB27

5H127DC95

5H127EE02

5H127EE03

5H127EE29

5H127EE30

5H127GG04

5H127GG09

(57)【要約】

【課題】個体酸化物燃料電池からの排ガスの熱エネルギーを利用し、発電効率を一層高めることができる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】固体酸化物形燃料電池システム１０１は、改質器４で生成された改質ガスで発電する燃料電池スタック９、燃料電池スタックで未利用の改質ガスを燃焼して燃焼排ガスを生成する燃焼器１３、燃焼排ガスと空気との熱交換を行う空気熱交換器１８、改質器、空気熱交換器、燃焼器及び燃料電池スタックを覆う筐体２８、筐体を覆う断熱部２０、空気熱交換器で熱交換後の燃焼排ガスが流れる排ガス経路２６、燃焼排ガスと水との熱交換を行う熱交換器２９、及び熱交換器で熱交換後の温水をためる貯湯タンク３０を備え、筐体、断熱部、排ガス経路、熱交換器、貯湯タンクの少なくとも一カ所以上の熱源に熱電発電モジュール２２が接触して配置されている。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料を水蒸気改質することで水素含有の改質ガスを生成する改質器と、
生成された前記改質ガスおよび空気を利用した発電反応により発電する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックで未利用の改質ガスと空気とを燃焼するとともに、高温の燃焼排ガスを生成する燃焼器と、
前記改質器から前記燃料電池スタックへ前記改質ガスが流れる改質ガス経路と、
前記改質器の外周に配置され、前記燃焼器からの前記燃焼排ガスが流れる燃焼排ガス経路と、
空気供給経路を流れる空気と前記燃焼排ガス経路を流れる前記燃焼排ガスとの熱交換を行う空気熱交換器と、
前記燃料電池スタックを収納するスタック収納部と、
前記改質器、前記空気熱交換器、前記燃焼器および前記燃料電池スタックを覆う筐体と、
前記筐体を覆う断熱部と、
前記断熱部の外に配置され、前記空気熱交換器と熱交換を行った後の前記燃焼排ガスが流れる排ガス経路と、
前記排ガス経路を流れる燃焼排ガスと水との熱交換を行う熱交換器と、
前記熱交換器で熱交換後の温水をためる貯湯タンクと、
を備え、
前記筐体、前記断熱部、前記排ガス経路、前記熱交換器、前記貯湯タンクの少なくとも一カ所以上の熱源に、該熱源と反対側の空気又は水との温度差で発電する熱電発電モジュールが接触して配置されている、固体酸化物形燃料電池システム。

【請求項2】

前記熱電発電モジュールは、熱抵抗を選定・調整する、あるいは複数重ねて熱抵抗を増大・調整することにより、筐体の断熱材を兼用することを特徴とする、請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池システム。

【請求項3】

前記熱源と反対側の前記熱電発電モジュール上に、放熱フィンが装着されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の固体酸化物形燃料電池システム。

【請求項4】

前記筐体、前記断熱部、前記燃焼排ガス経路、前記熱交換器、前記貯湯タンクの少なくとも一カ所以上の熱源に設置された前記熱電発電モジュールの発電動作の有無を任意に制御することを可能としたことを特徴とする、請求項１～３の何れかに記載の固体酸化物形燃料電池システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガス（空気）により発電を行う燃料電池装置に関し、特に、炭化水素系の原燃料ガスを改質し、改質された燃料ガスにより発電する固体酸化物形燃料電池システム（Solid Oxide Fuel Cell：以下「ＳＯＦＣ」とも言う）に関する。

【背景技術】

【0002】

固体電解質形燃料電池システム（ＳＯＦＣ）は、電解質として酸化物イオン導電性固体電解質を用い、その両側に電極を取り付け、一方の側に燃料ガスを供給し、他方の側に酸化剤ガス（空気、酸素等）を供給して、比較的高温で発電反応を生じさせて発電を行う燃料電池装置である。

【0003】

この燃料電池システム（ＳＯＦＣ）は、燃料ガスと酸化剤ガス（空気、酸素等）とが一端側から他端側へと流れることによって作動する複数の燃料電池セルを備えた燃料電池セルを有し、外部から原料ガスである被改質ガス（都市ガス等）が供給され、その都市ガス等を改質触媒が収められた改質器に導入し、水素リッチな燃料ガスに改質した後に、燃料電池セルへ供給している。

【0004】

燃料ガスのうち発電反応に使用されなかった残余の燃料ガスを燃焼させて燃焼ガスとして外部に排出し、一方、燃料ガスと酸化剤ガスの何れか一方を外部ガスとして、燃料電池セルの外部に供給するようになっている。このとき、外部ガスは、燃料電池セルを冷やさないように、出来る限り、高温にすることが望ましい。さらに、燃料電池セルの内部に供給する燃料ガスと酸化剤ガスの他方のガス（内部ガス）も同様に高温にすることが好ましい。

【0005】

また、燃料ガスとして炭化水素を用いるＳＯＦＣでは、この燃料ガスを改質するために、例えば水蒸気を用いた水蒸気改質が利用されている。この水蒸気改質を促進するために、水蒸気改質触媒が用いられているとともに、燃料電池で未利用の改質ガスと空気とを燃焼するとともに、高温の燃焼排ガスを生成する燃焼器などから構成されている。

【0006】

特許文献１には、外部ガスである酸素含有ガス（空気）を燃焼ガスと熱交換して加熱するために、発電・燃焼室の４側面とハウジングとの４側面との間に、燃焼ガス流路と酸素含有ガス流路を配置して、熱交換部を形成した燃料電池装置が開示されている。

【0007】

特許文献２には、燃料電池スタックの周辺に発電用空気の供給経路を設け、発電用空気の温度を効率的に上昇させる構成が開示されている。

【0008】

特許文献３には、燃料電池スタック、燃焼器、蒸発部、改質部が円筒状の筒の中に一まとめ構成された燃料電池システムが開示されている。

【0009】

特許文献４には、熱回収装置により燃焼ガスと水とを熱交換して温水を生成して、燃料電池システム全体のエネルギー変換効率を高める構成が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0010】

【特許文献1】特許第４５８５２１８号公報

【特許文献2】特開２０１２－１４９２１号公報

【特許文献3】特開２０１４－７２０５２号公報

【特許文献4】特開２０１８－１５２１７９号広報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0011】

上述した従来の固体酸化物形燃料電池システムは、燃焼ガス経路と酸素含有ガス流路を配置し、熱交換部により酸素含有ガスの温度を上げ、燃焼排ガスの温度を下げる構成としている。燃料電池システムから排出された燃料排ガスは、熱回収装置により、水と燃焼排ガスの熱交換を行うことで熱回収を行い、温水を生成することとなる。しかしながら、生成した温水を使用しない場合、温水を必要としない場合、あるいは熱回収装置を構成しない場合は、燃焼排ガスの熱エネルギーを廃棄することとなってしまい、エネルギー変換効率が大幅に低下する。

【0012】

このように、先行技術文献に開示されている固体酸化物形燃料電池システムでは、そのエネルギー利用効率は、発電効率と排熱利用効率を合わせて約９０％近くになり、その残りが利用困難な排ガスの有するエネルギーとなる。燃焼排ガスの温度が高いまま外部に排出した場合は、発電効率が大幅に低下する。また、燃料電池システムの熱回収装置において、水を湯に変換する排熱利用効率が低下すると、エネルギー利用効率が大幅に低下するという問題がある。さらには、排ガスの有するエネルギーを有効利用できない等の課題を有していた。

【0013】

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、従来に比べ、簡易かつ高精度な燃料電池システムの排熱利用システムを実現するとともに、エネルギー利用効率の高い固体酸化物形燃料電池システムを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0014】

本発明に係る固体酸化物形燃料電池システムは、燃料を水蒸気改質することで水素含有の改質ガスを生成する改質器と、生成された改質ガスおよび空気を利用した発電反応により発電する燃料電池スタックと、燃料電池スタックで未利用の改質ガスと空気とを燃焼するとともに、高温の燃焼排ガスを生成する燃焼器と、改質器から燃料電池スタックへ改質ガスが流れる改質ガス経路と、改質器の外周に配置され、燃焼器からの燃焼排ガスが流れる燃焼排ガス経路と、空気供給経路を流れる空気と燃焼排ガス経路を流れる燃焼排ガスとの熱交換を行う空気熱交換器と、燃料電池スタックを収納するスタック収納部と、改質器、空気熱交換器、燃焼器および燃料電池スタックを覆う筐体と、筐体を覆う断熱部と、断熱部の外に配置され、空気熱交換器と熱交換を行った後の燃焼排ガスが流れる排ガス経路と、排ガス経路を流れる燃焼排ガスと水との熱交換を行う熱交換器と、熱交換器で熱交換後の温水をためる貯湯タンクとを備え、筐体、断熱部、排ガス経路、熱交換器、貯湯タンクの少なくとも一カ所以上の熱源に、該熱源と反対側の空気又は水との温度差で発電する熱電発電モジュールが接触して配置されている。

【発明の効果】

【0015】

本発明に係る固体酸化物形燃料電池システムは、断熱部または燃料電池システムの排ガス経路近傍に熱電発電モジュールを装着し、燃料電池内部の温度または排ガスの有する排熱と排ガス経路近傍の空気温度との温度差を利用して発電することが可能となり、固体酸化物型燃料電池システムのエネルギー利用効率を大幅に向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】実施形態１に係る固体酸化物形燃料電池システムの構成を模式的に示した図である。

【図2】実施形態２に係る固体酸化物形燃料電池システムの構成を模式的に示した図である。

【図3】実施形態３に係る固体酸化物形燃料電池システムの構成を模式的に示した図である。

【図4】フレキシブル熱電発電モジュールの構造を模式的に示した図である。

【図5】フレキシブル熱電発電モジュール装着した熱交換器の構造を模式的に示した図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

従来の固体酸化物形燃料電池システムでは、エネルギー利用効率を上げるため、排ガス温度を利用し温水を生成することにより固体酸化物形燃料電池システムとしてのエネルギー利用効率を確保している。しかしながら、温水を使用しない場合、あるいは温水を必要としない場合は、発電効率のみが固体酸化物形燃料電池システムのエネルギー利用効率となるため、大幅なエネルギーロスが生じるという問題点を有していた。

【0018】

本発明者等は、この問題点に関し、検討を重ねた結果、以下の知見を得た。すなわち、熱電発電モジュールを用い排ガス経路の温度を利用し発電する、または断熱材や筐体の温度を利用して発電することで、一層固体酸化物形燃料電池システムのエネルギー利用効率および発電効率を向上させることが可能となることを見出し、本発明に至った。

【0019】

本発明では、以下に示す実施形態を提供する。

【0020】

本発明の一実施形態における固体酸化物形燃料電池システムは、燃料を水蒸気改質することで水素含有の改質ガスを生成する改質器と、生成された前記改質ガスおよび空気を利用して発電反応により発電する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックで未利用の改質ガスと空気とを燃焼するとともに高温の燃焼排ガスを生成する燃焼器と、前記改質器から前記燃料電池へ前記改質ガスが流れる改質ガス経路と、前記改質器の外周に配置され前記燃焼器からの前記燃焼排ガスが流れる燃焼排ガス経路と、空気供給経路を備え、前記空気供給経路を流れる空気と前記燃焼排ガス経路を流れる前記燃焼排ガスが熱交換する空気熱交換器と、前記燃料電池スタックを収納するスタック収納部と、前記改質器、空気熱交換器、燃焼器および燃料電池スタックを覆う筐体と、前記筐体を覆う断熱部と、前記断熱部または前記筐体に接触させ、前記筐体または断熱部の温度を利用し発電する熱電発電モジュールとを備えた構成をなしている。

【0021】

上記の構成によると、筐体の温度と周囲空気温度の温度差または断熱部と周囲空気の温度差を利用して発電することが可能となるため、固体酸化物形燃料電池および固体酸化物形燃料電池システムの発電効率およびエネルギー利用効率を向上させることが可能となる。

【0022】

本発明の他の実施形態における固体酸化物形燃料電池システムは、燃料を水蒸気改質することで水素含有の改質ガスを生成する改質器と、生成された前記改質ガスおよび空気を利用して発電反応により発電する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックで未利用の改質ガスと空気とを燃焼するとともに高温の燃焼排ガスを生成する燃焼器と、前記改質器から前記燃料電池へ前記改質ガスが流れる改質ガス経路と、前記改質器の外周に配置され前記燃焼器からの前記燃焼排ガスが流れる燃焼排ガス経路と、空気供給経路を備え、前記空気供給経路を流れる空気と前記燃焼排ガス経路を流れる前記燃焼排ガスが熱交換する空気熱交換器と、前記燃料電池スタックを収納するスタック収納部と、前記改質器、空気熱交換器、燃焼器および燃料電池スタックを覆う筐体と、前記筐体を覆う断熱部と、前記断熱部の外に配置され、前記空気熱交換器と熱交換を行った後の前記燃焼排ガスが流れる排ガス経路と、前記排ガス経路の外周部に接触させ前記燃焼排ガスの温度を利用し発電する熱電発電モジュールとを備えた構成をなしている。

【0023】

上記の構成によると、排ガス経路と周囲空気温度の温度差を利用して発電することが可能となるため、固体酸化物形燃料電池および固体酸化物形燃料電池システムの発電効率およびエネルギー利用効率を向上させることが可能となる。

【0024】

本発明の他の実施形態における固体酸化物形燃料電池システムは、燃料を水蒸気改質することで水素含有の改質ガスを生成する改質器と、生成された前記改質ガスおよび空気を利用して発電反応により発電する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックで未利用の改質ガスと空気とを燃焼するとともに高温の燃焼排ガスを生成する燃焼器と、前記改質器から前記燃料電池へ前記改質ガスが流れる改質ガス経路と、前記改質器の外周に配置され前記燃焼器からの前記燃焼排ガスが流れる燃焼排ガス経路と、空気供給経路を備え、前記空気供給経路を流れる空気と前記燃焼排ガス経路を流れる前記燃焼排ガスが熱交換する空気熱交換器と、前記燃料電池スタックを収納するスタック収納部と、前記改質器、空気熱交換器、燃焼器および燃料電池スタックを覆う筐体と、前記筐体を覆う断熱部と、前記燃焼排ガスと水との熱交換を行う熱交換器と、前記熱交換器で熱交換後の温水をためる貯湯タンクとを有し、前記熱電発電モジュールを前記熱交換器または前記貯湯タンクの一部に接触させ発電する構成をなしている。

【0025】

上記の構成によると、熱交換器の一部または貯湯タンクの一部と周囲空気温度の温度差を利用して発電することが可能となるため、固体酸化物形燃料電池および固体酸化物形燃料電池システムの発電効率およびエネルギー利用効率を向上させることが可能となる。

【0026】

本発明の他の実施形態における固体酸化物形燃料電池システムは、燃料を水蒸気改質することで水素含有の改質ガスを生成する改質器と、生成された前記改質ガスおよび空気を利用して発電反応により発電する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックで未利用の改質ガスと空気とを燃焼するとともに高温の燃焼排ガスを生成する燃焼器と、前記改質器から前記燃料電池へ前記改質ガスが流れる改質ガス経路と、前記改質器の外周に配置され前記燃焼器からの前記燃焼排ガスが流れる燃焼排ガス経路と、空気供給経路を備え、前記空気供給経路を流れる空気と前記燃焼排ガス経路を流れる前記燃焼排ガスが熱交換する空気熱交換器と、前記燃料電池スタックを収納するスタック収納部と、前記改質器、空気熱交換器、燃焼器および燃料電池スタックを覆う筐体と、前記筐体を覆う断熱部と、前記断熱部の外に配置され、前記空気熱交換器と熱交換を行った後の前記燃焼排ガスが流れる排ガス経路と、前記排ガス経路を流れる燃焼排ガスと水との熱交換を行う熱交換器と、前記熱交換器で熱交換後の温水をためる貯湯タンクとを有し、前記筐体、前記排ガス経路、前記熱交換器、前記貯湯タンクの少なくとも一カ所以上の熱源に接触させ発電する熱電発電モジュールを備えた構成をなしている。

【0027】

上記の構成によると、筐体の温度と周囲空気温度の温度差または断熱部と周囲空気の温度差、排ガス経路と周囲空気温度の温度差、熱交換器の一部または貯湯タンクの一部と周囲空気温度の温度差のいずれか一つ以上の温度差を利用して発電することが可能となるため、固体酸化物形燃料電池および固体酸化物形燃料電池システムの発電効率およびエネルギー利用効率を向上させることが可能となる。

【0028】

本発明の他の実施形態における固体酸化物形燃料電池システムは、前記筐体、前記断熱部、前記排ガス経路、前記熱交換器、前記貯湯タンクの少なくとも一カ所以上の熱源に設置された前記熱電発電モジュールの発電動作の有無を任意に制御することを可能とした構成としている。

【0029】

上記の構成によると、前記筐体、前記断熱部、前記排ガス経路、前記熱交換器、前記貯湯タンクの少なくとも一カ所以上の熱源に設置された前記熱電発電モジュールの発電動作を任意に設定することが可能なため、用途に応じた最適な発電効率およびエネルギー利用効率を実現することが可能となる。

【0030】

本発明の他の実施態様における固体酸化物形燃料電池システムは、前記熱電発電モジュールが、フィルムをベースとしたフレキシブル熱電発電モジュールで構成されている。

【0031】

上記の構成によると、フレキシブル熱電発電モジュールを固定する対象物固定部の形状に曲線部分を有した場合においても、フレキシブル熱電発電モジュールと対象物固定部とを精度よく密着させることが可能となるため、固体酸化物形燃料電池および固体酸化物形燃料電池システムの発電効率およびエネルギー利用効率を向上させることが可能となる。

【0032】

以下、本発明の実施形態における具体的構成を、図面を参照して説明する。なお、以下では全ての図を通じて同一又は対応する構成部材には同一の参照符号を付して、その説明については省略する。

【0033】

（実施形態１）
図１および図４を参照して、実施形態１に係る固体酸化物形燃料電池システム１０１について説明する。図１は、本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池システム１０１の構成の一例を示した模式図であり、固体酸化物形燃料電池１００を側部から見たときの構成と、排ガスの熱量を利用し貯湯タンク３０にお湯をためる構成を模式的に示している。図４では、熱電発電モジュール２２の構成を模式的に示している。

【0034】

図１および図４に示すように、固体酸化物形燃料電池システム１０１は、燃料ガス供給経路１、改質水供給部２、蒸発器３、改質器４、改質ガス経路５、発電空気供給経路６、第一空気供給経路７、第二空気供給経路８、燃料電池スタック９、燃料電池スタック９を収納する燃料電池スタック収納部１０、燃料オフガス１１、発電空気オフガス１２、燃焼器１３、燃焼器１３へ供給された燃料オフガス１１と発電空気オフガス１２に着火する点火プラグ１４、燃焼排ガス１５、燃焼排ガス経路１６、燃焼排ガス１５を固体酸化物形燃料電池１００から外部へ排出するための配管部となる燃焼排ガス出口１７、第一空気熱交換器１８，第二空気熱交換器１９、固体酸化物形燃料電池１００から空気中への放熱を抑制する断熱部２０、温度センサ２１、温度制御装置（図示せず）、熱交換器２９、貯湯タンク３０、熱電発電モジュール２２を備えている。蒸発器３、改質器４、第一空気供給経路７、第二空気供給経路８、燃料電池スタック収納部１０、及び燃焼器１３は、筐体２８で保持されている。

【0035】

蒸発器３および改質器４は、燃焼器１３の上方に設けられ、燃料電池スタック９は、燃焼器１３の下方に配置されている。第一空気熱交換器１８および第ニ熱交換器１９の第一空気供給経路７および第二空気供給経路８で、改質ガス経路５、燃焼排ガス経路１６、蒸発器３、改質器４、燃焼器１３および燃料電池スタック収納部１０の外周部が覆われている。発電用空気２５および空気層３１で、固体酸化物形燃料電池１００の内部が覆われている。

【0036】

改質水供給部２は、改質器４における水蒸気改質反応に用いる改質水２３を供給し、蒸発器３は、改質水２３と燃焼排ガス１５との熱交換により水蒸気改質を行うための水蒸気を生成する。改質器４により生成された改質ガスは、改質ガス経路５を流路とし改質器４から燃料電池スタック９へ供給される。発電空気供給経路６は、燃料電池スタック９に発電用空気（酸化剤ガス）２５を供給する供給経路となり、配管で第一空気供給経路７に結合される。

【0037】

燃料電池スタック９は、供給された改質ガスおよび発電用空気２５を利用して発電反応により発電する。燃焼器１３は、改質器４を燃焼熱で直接加熱するとともに、燃料電池スタック９で発電反応に使用されず残った、残余の燃料（燃料オフガス）と残余の発電空気（発電空気オフガス１２）とを燃焼するとともに、高温の燃焼排ガスを生成する。燃焼排ガス経路１６は、蒸発器３および改質器４の外周に配置され燃焼器１３から生成された燃焼排ガス１５が流れる。

【0038】

第一空気供給経路７は、燃焼排ガス経路１６の外周に角状または筒状に配置され、第一空気熱交換器１８は、第一空気供給経路７を流れる発電用空気２５と燃焼排ガス経路１６を流れる燃焼排ガス１５とが熱交換する。

【0039】

一方、第二空気供給経路８は、燃料電池スタック収納部１０の外周を覆うように構成され、燃料電池スタック９へ供給される発電空気の流路となる。第二空気熱交換器１９は、第二空気供給経路１９を有し、燃料電池スタック収納部１０の発電空気オフガス１２と第二空気供給経路８を流れる発電用空気２５とを熱交換することで、燃料電池スタック９へ供給される発電用空気２５の温度を上昇させる。

【0040】

温度センサ２１は、改質器４、燃焼器１３または燃料電池スタック９の近傍に設置され、検出された温度に応じて、温度制御装置（図示せず）により、固体酸化物形燃料電池１００の内部の蒸発器３、改質器４、燃焼器１３、燃料電池スタック９、発電用空気２５などの各要素、および改質触媒が所定の温度範囲となるように、発電空気流量、燃料ガス流量、発電量、などの様々な制御が実施される。

【0041】

上述したように、温度制御装置は、温度センサ２１による温度の検出結果に基づき、流量調整弁（図示せず）の開閉を制御することができる。温度制御装置は、例えば、ＭＰＵ、ＣＰＵなどの演算処理部と、メモリなどの記憶部とを備え、ＣＰＵ等がメモリに記憶されたプログラムを読み出し、実行することで各種制御を実行することができる。

【0042】

燃料ガス、改質水、発電用空気２５は、固体酸化物形燃料電池１００の外部から、供給用ポンプなどにより配管を流路としてそれぞれのタイミングで供給される。

【0043】

固体酸化物形燃料電池１００では、筐体（固体酸化物形燃料電池１００の構造物全体）の外部から供給された燃料ガス（原料）を改質器４で改質し、改質された改質ガス（改質ガス、改質後燃料ガス）と外部から供給された発電用空気２５とを利用して燃料電池（固体酸化物形燃料電池）９が発電反応により発電する。

【0044】

なお、本明細書では、燃料ガス供給経路１を通じて外部から供給されるガスを燃料ガス（原料）と称し、改質器４において改質反応により改質された改質ガスを改質後燃料ガス（燃料ガス）２４と称する。

【0045】

固体酸化物形燃料電池１００は、燃料電池スタック９の動作時（発電時）には、燃焼器１３にて、発電反応に利用されなかった改質後燃料ガス２４と発電用空気２５とを燃焼させ、高温の排気ガスを生成し、その熱エネルギーを有効に利用することで高効率な発電運転を実現している。また、固体酸化物形燃料電池１００では、筐体２８の内側に断熱材からなる断熱部（断熱部材）２０が備えられており、筐体２８の内部から外部への放熱を可能な限り遮断するように構成されている。

【0046】

また、固体酸化物形燃料電池１００では、筐体２８の外部に昇圧部（図示せず）が配置されている。昇圧部は、燃料ガス供給経路１を通じて供給された燃料ガスを昇圧し、筐体２８内に配置されている蒸発器３に導入する。なお、燃料ガス供給経路１を通じて供給される改質後燃料ガス２４としては、都市ガスまたは、プロパンガスなどの炭化水素を主成分とするガスを用いることができる。

【0047】

一般的には、蒸発器３に流入する改質後燃料ガス２４は、脱硫器（図示せず）を介して流入される。脱硫器は、例えば、水添脱硫方式により燃料ガスに含まれる硫黄成分を除去する方式がある。脱硫器に充填する脱硫剤としては、例えば、銅および亜鉛を含む脱硫剤が挙げられる。なお、脱硫剤は、水添脱硫を行うことができれば、その材料は特に限定されず、Ｎｉ－Ｍｏ系又はＣｏ－Ｍｏ系触媒と酸化亜鉛との組み合わせであってもよい。Ｎｉ－Ｍｏ系又はＣｏ－Ｍｏ系触媒と酸化亜鉛とを組み合わせた脱硫剤の場合、脱硫器は３５０～４００℃の温度範囲にて、燃料ガス中の有機硫黄を水添分解する。そして、脱硫器は、生成したＨ_２Ｓを、３５０～４００℃の温度範囲にてＺｎＯに吸着させて除去する。例えば、燃料ガスが都市ガスの場合、付臭剤として硫黄化合物であるジメチルスルフィド（dimethl sulfide ;Ｃ_２Ｈ_６Ｓ，ＤＭＳ）が含有されている。このＤＭＳは、脱硫器において、以下の反応式（１）、（２）によるＺｎＳの形、または物理吸着の形で脱硫剤によって除去される。
Ｃ_２Ｈ_６Ｓ＋２Ｈ_２→２ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｓ ・・・（１）
Ｈ_２Ｓ＋ＺｎＯ→Ｈ_２Ｏ＋ＺｎＳ ・・・（２）
なお、付臭剤は、上述したＤＭＳに限定されるものではなく、ＴＢＭ（Ｃ_４Ｈ_１０Ｓ）またはＴＨＴ（Ｃ_４Ｈ_８Ｓ）等の他の硫黄化合物であってもよい。

【0048】

充填する脱硫剤が銅および亜鉛を含む場合、脱硫器は、１０～４００℃程度、好ましくは１５０～３００℃程度の温度範囲で脱硫を行う。この銅亜鉛系脱硫剤は、水添脱硫能力に加えて物理吸着能力もあり、低温では主に物理吸着、高温では化学吸着（Ｈ_２Ｓ＋ＺｎＯ→Ｈ_２Ｏ＋ＺｎＳ）を行うことができる。この場合、脱硫後の燃料ガスに含まれる硫黄含有量は、１ｖｏｌ ｐｐｂ（parts per billion）以下、通常は０．１ｖｏｌ ｐｐｂ以下となる。

【0049】

このように、脱硫器において、Ｎｉ－Ｍｏ系又はＣｏ－Ｍｏ系触媒、あるいは銅および亜鉛のいずれかを含む脱硫剤が充填されている場合、単位体積あたりの硫黄成分除去量が大きくなる。それゆえ、上述した脱硫剤を用いる場合、所望の硫黄濃度まで硫黄を除去するために必要となる脱硫剤の量を低減させることができる。

【0050】

以上のようにして脱硫器によって脱硫された脱硫後燃料ガスは、改質器４へと供給される。

【0051】

次に、改質器４について説明する。改質器４は、部分酸化改質用として用いられるものであってもよいが、更に高効率な動作を実現するために、部分酸化改質反応だけでなく、水蒸気改質反応も行える仕様にしておくことが有利である。図１に示すように、本実施形態では、改質器４の上流側（脱硫後、燃焼排ガス経路１６が配置される側）に蒸発器３を配置し、脱硫された改質後燃料ガス２４に改質水供給部２を通じて供給された水（改質水）を混合させ改質器４に供給できる構成となっている。

【0052】

なお、改質器４に充填される改質触媒としては、Ａｌ_２Ｏ_３（アルミナ）の球体表面にＮｉを含浸し、担持したものや、Ａｌ_２Ｏ_３の球体表面にルテニウムを付与したものを適宜用いることができる。

【0053】

ところで、固体酸化物形燃料電池１００の起動時では、改質器４において吸熱反応である水蒸気改質反応を行うためには熱エネルギーが不足している。そこで、固体酸化物形燃料電池１００の起動時は、改質水供給部２から蒸発器３に水を供給させずに、改質空気経路（図示せず）を通じて改質器４に導入した空気を利用して、改質器４は以下の式（３）で表される部分酸化改質反応を行い、水素ガスおよび一酸化炭素を生成する。
Ｃ_ｎＨ_ｍ＋(ｎ／２)Ｏ_２ → ｎ・ＣＯ＋(ｍ／２)Ｈ_２（ｎ，ｍは任意の自然数） ・・・（３）
そして、これらの水素ガスおよび一酸化炭素を、改質ガス経路５を通じて燃料電池スタック９に供給し、第二空気供給経路８を通じて供給された発電用空気２５と合わせて発電反応を行う。

【0054】

また、固体酸化物形燃料電池１００が起動して発電が進むにつれ、改質器４の温度が上昇していく。すなわち、上記の式（３）で表される部分酸化改質反応は発熱反応であり、更に、燃焼器１３からの燃焼排ガス１５及び輻射熱により、改質器４の温度が上昇させられる。そして、改質器４の温度が、例えば、４００℃以上になれば以下の式（４）で表される水蒸気改質反応を並行して行うことが可能となる。
Ｃ_ｎＨ_ｍ＋ｎ・Ｈ_２Ｏ → ｎ・ＣＯ＋(ｍ／２＋ｎ)Ｈ_２（ｎ，ｍは任意の自然数） ・・・（４）
上述した式（４）で示される水蒸気改質反応は、式（３）で示される部分酸化改質反応と比較すると、同じ量の炭化水素（Ｃ_ｎＨ_ｍ）から生成できる水素量がより多くなり、その結果、固体酸化物形燃料電池１００での発電反応に利用可能な改質ガスの量が多くなる。つまり、水蒸気改質反応の方が効率よく改質ガスを生成することができる。また、式（４）に示す水蒸気改質反応は吸熱反応であるため、式（３）に示す部分酸化改質反応による発熱と燃焼器１３から排出された排気ガスが保有する熱、及び燃焼器１３からの輻射熱を利用し、必要な熱量を補いつつ、水蒸気改質反応を進行させる。そして、改質器４の温度が例えば、６００℃以上になれば、式（４）の水蒸気改質反応に必要な熱量を排気ガスの有する熱及び燃焼器１３からの輻射熱だけで補うことが可能となるため、水蒸気改質反応のみの運転に切り替えることができる。

【0055】

蒸発器３は、改質器４にて水蒸気改質反応を行うために設置したものである。蒸発器３では、燃焼器１３から排出された燃焼排ガス１５の熱及び燃焼器１３からの輻射熱を利用して、改質水供給部２から供給された水（改質水）を気化させ、燃料ガスまたは脱硫器から供給された脱硫後の燃料ガスと混合させる。そして、蒸発器３は、混合後の燃料ガスを改質器４へと導入する。

【0056】

第一空気熱交換器１８および第二空気熱交換器１９は、燃料電池スタック９での発電反応に利用される発電用空気２５を加熱するためのものであり、燃焼排ガス１５、燃焼器１３および燃料電池スタック９を覆う発電空気オフガス１２から熱量を吸収する。

【0057】

空気熱交換器１８、１９は、発電空気供給経路６を通じて外部から供給された空気を、燃焼器１３での燃焼により生じた排気ガス及び燃焼器１３の輻射熱との熱交換により加熱する。例えば、第一空気熱交換器１８を流通した後の空気は、４００～８００℃まで加熱される。そして、この加熱された空気が熱交換後、発電空気供給経路６により燃料電池スタック９へと供給される。

【0058】

なお、詳細は後述するが、第一空気熱交換器１８により空気との熱交換を行って保有する熱の一部が奪われた排気ガスは、断熱部２０の外に配置された排ガス経路２６を通じて熱交換器２９に導かれるように構成されている。

【0059】

燃料電池スタック９は、上述したように、改質ガス経路５を通じて供給された改質後燃料ガス２４と、第二空気供給経路８を通じて供給された発電用空気２５とを利用して発電反応により発電を行うものである。すなわち、燃料電池スタック９では、改質後燃料ガス２４が供給される燃料極および発電用空気２５が供給される空気極を有し、該燃料極と該空気極との間で発電反応を行って発電する燃料電池単セルを複数枚、直列に接続してセルスタックを形成している。なお、燃料電池スタック９は、更に直列接続したセルスタックを並列に接続させた構成としてもよい。

【0060】

燃料電池スタック９を構成する燃料電池単セルとしては、例えば、イットリアをドープしたジルコニア（ＹＳＺ）、イットリビウムやスカンジウムをドープしたジルコニア、あるいはランタンガレート系の固体電解質からなる燃料電池単セルを用いることができる。例えば、燃料電池単セルがＹＳＺの場合、厚みにもよるが、約６００～９００℃の温度範囲にて、発電反応が行われる。

【0061】

（排気ガスの流れ、排気ガスの温度調整および蒸発器、改質器、発電用空気の昇温）
本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池１００は、蒸発器３、改質器４および第一空気熱交換器を燃焼排ガス経路１６の流路に設置することにより、高温の燃焼排ガス１５によって、蒸発器３、改質器４、発電用空気２５をそれぞれの機能に適した温度まで加熱することができる。ここでは、燃焼器１３で生成された排気ガスの流れについて説明する。

【0062】

燃焼器１３で生成する排気ガスの流量およびその温度については、燃料電池スタック９における改質後燃料ガス２４及び発電用空気２５の燃料利用率（発電反応により、燃料として燃料電池スタック９で消費される割合）を調整することにより、制御することが可能である。本実施形態では、例えば、燃焼器１３の温度範囲を、約６００～９００℃になるように、燃料電池スタック９における改質後燃料ガス２４及び発電用空気２５の燃料利用率を設定する。

【0063】

このように温度範囲が設定された燃焼器１３において、未利用の改質後燃料ガス２４と発電用空気２５とを燃焼して生成された燃焼排ガス１５は、改質器４および蒸発器３を加熱する。これにより燃焼排ガス１５の有する熱の一部が消費される。

【0064】

さらに、熱の一部が消費された燃焼排ガス１５は、第一空気熱交換器１８の第一空気供給経路７を流れる外部から供給された発電用空気２５との熱交換によって、燃焼排ガス１５が有する熱がさらに奪われ、燃焼排ガス１５を外部に放出するのに適切な温度まで低下される。

【0065】

すなわち、燃焼器１３で生成された燃焼排ガス１５の温度は、例えば、約６００℃～９００℃と高温である。しかし、この燃焼排ガス１５によって改質器４および蒸発器３を加熱し、更に、第一空気熱交換器１８によって発電用空気２５との熱交換を行いこの空気を加熱すれば、燃焼排ガス１５は燃焼排ガス出口１７に到達するまでにその温度は十分に低下する。

【0066】

特に、燃料電池スタック９を用いて、例えば、１ｋＷの発電を行う場合、５０Ｌ／ｍｉｎ以上の空気を外気温から約４００～８００℃になるまで加熱する必要があるため、第一空気熱交換器１８および第二空気熱交換器１９では大量の熱量が必要となる。そこで、この必要な熱量を燃焼排ガス１５の熱量によって賄う。

【0067】

以上のように、燃焼排ガス経路１６を流通する燃焼排ガス１５の温度は、燃焼器１３で生成する燃焼排ガス１５の流量と温度、改質器４および蒸発器３に吸熱される熱量、および第一空気熱交換器１８に吸熱される熱量などを考慮して所望の値となるように制御される。そして、燃焼排ガス出口１７到達した燃焼排ガスは、固体酸化物形燃料電池１００の外部へと流通する。

【0068】

燃焼排ガス出口１７から排出された排ガスは、排ガス経路２６を通過し熱交換器２９に流入し、外部から供給される水との熱交換を行い、貯湯タンク３０に温水が貯蔵される。

【0069】

熱電発電モジュール２２は、筐体２８、断熱部２０、排ガス経路２６、熱交換器２９、貯湯タンク３０のいずれか一カ所以上の熱源に固定され、周囲の空気温度と固定部の温度差により発電する。この際、熱電発電モジュール２２における発電動作のタイミングおよび発電動作を行う熱電発電モジュール２２は、それぞれ個別に設定でき、個別にｏｎ／ｏｆｆの制御が可能な構成とする。また、熱電発電モジュール２２の表面は、セラミックまたはフィルムで構成されている。筐体２８は、円筒または立方体であり、その他、熱電発電モジュール２２を固定する対象物の表面形状はフラットまたは曲面となるため、フィルムをベースとしたフレキシブルであることにより、一層の熱電発電モジュール２２と固定部との密着度が向上し、熱電発電モジュール２２の発電量が増加することとなる。

【0070】

なお、本実施形態では、発電反応と未利用の改質ガスの燃焼等により、筐体２８内は数百℃とかなり高温になる。従って、本実施形態においては、筐体２８の外面に熱電発電モジュール２２を装着し、筐体２８を高温源とし、筐体２８外の雰囲気を低温源として、有効に熱電発電が行える。なお、ここでは、筐体２８内はかなり高温であるため、熱電発電モジュール２２はセラミック板等の熱抵抗体３２をかまして装着する必要がある。

【0071】

熱電発電モジュール２２上には、放熱フィン３３を装着するのが熱電発電モジュール２２での温度差を確保して、効率を上げるのが望ましい。また、熱電発電モジュール２２の適度な熱抵抗を選べば、断熱材としても兼用可能である。例えば、熱電発電モジュール２２が１枚では十分な熱抵抗が得られない場合は、モジュールを多層にすれば良い。この場合は、さらに多層分の熱電発電出力も得られる。なお、図１では、熱電発電モジュール２２は、一面に設けたようになっているが、筐体が直方体の場合、全ての面に取り付けることができるのはもちろんである。また、筐体が円筒型の場合には、熱電発電モジュールは曲面に密着して取り付けられるように、フレキシブルモジュールが適している。

【0072】

図４は、熱電発電モジュール２２の具体的な構成を示した図である。図４に示すように、フレキシブルなベース基板４１上に配線ランド４２が形成され、配線ランド４２の上に、Ｐ型熱電素子４３及びＮ型熱電素子４４が交互に配列して実装されている。Ｐ型熱電素子４３及びＮ型熱電素子４４は、フレキシブルな上部配線基板４５に形成された配線層４６により直列接続されている。熱電発電された電力は、取出し電極４７から取り出される。

【0073】

上部配線基板４５には、Ｐ型熱電素子４３及びＮ型熱電素子４４が直列接続された方向に沿って、複数のスリット４８が形成されている。これにより、熱電発電モジュール２２は、スリット４８の直角方向に曲がり易くなる。そのため、熱電発電モジュール２２を円筒面やパイプに装着する際、スリット４８を円筒の軸方向に合せることによって、熱電発電モジュール２２が円筒面やパイプ外面に密着し易くなる。

【0074】

なお、電気自動車搭載のような燃料電池システムでは、直接水素ガスを原料とするので、改質器は必要なく、またスペース、需要の点から貯湯タンクは設けられない。適宜このような変更は可能である。

【0075】

また、本実施形態では、燃料電池の方式は個体酸化物形燃料電池システム（ＳＯＦＣ）１０１としたが、固体酸化物形燃料電池１００を固体高分子形燃料電池として、個体高分子形燃料電池システム（ＰＥＦＣ）１０１としてもよい。

【0076】

（実施形態２）
本発明の実施形態２では、図２に示すように、熱電発電モジュール２２を、さらに排ガス経路２６に装着し、この排熱を熱源とする。このような出口経路は排ガスパイプ３４であることが多いので、熱電発電モジュール２２としては、フレキシブルモジュールが適している。また、排ガス経路の他に、燃焼排ガス１５が熱交換器２９で熱交換して、貯湯タンク３０に行く温水経路２７の温水パイプ３５にも熱電発電モジュール２２を装着する。

【0077】

（実施形態３）
本発明の実施形態３では、図３に示すように、熱電発電モジュール２２を、さらに熱交換器２９の排ガス側と水側の間に装着し、また、貯湯タンク３０にも装着し、熱の有効活用を図る。ここでは、貯湯タンク３０に装着した熱電発電モジュール２２上に放熱フィン３３を装着するのが熱電発電モジュール２２での温度差を確保して、効率を上げるのが望ましい。

【0078】

図５は、熱電発電モジュール２２を、熱交換器２９の排ガス側と水側の間に装着した具体例を示した図である。本実施形態においては、熱交換器２９において、高温側パイプと低温側パイプの間に熱電発電モジュール２２を装着し、両者の温度差を利用して熱電発電を行う。なお、この時、二重管構成の熱交換器なら、図５のように、内側管５１に熱電発電モジュール２２を密着装着し、外側管５２を熱電発電モジュール２２の外面に密着させる構成にすれば、効率的な発電ができる。また、外側管５２を、熱伝達層（例えば、柔軟性のある放熱シート）５３を介して熱電発電モジュール２２の外面に密着させれば、より確実に熱電発電モジュール２２の外面に密着させることができる。

【0079】

上記説明から、当業者にとって、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造および／または機能の詳細を実質的に変更できる。

【産業上の利用可能性】

【0080】

本発明は、従来に比べ、燃料電池の発電効率およびエネルギー利用効率を大幅に高めることが可能となる。よって、本発明は、例えば、個体酸化物燃料電池または固体酸化物燃料電池システムに利用できる。

【符号の説明】

【0081】

１ 燃料ガス供給経路
２ 改質水供給部
３ 蒸発器
４ 改質器
５ 改質ガス経路
６ 発電空気供給経路
７ 第一空気供給経路
８ 第二空気供給経路
９ 燃料電池スタック
１０ 燃料電池スタック収納部
１１ 燃料オフガス
１２ 発電空気オフガス
１３ 燃焼器
１４ 点火プラグ
１５ 燃焼排ガス
１６ 燃焼排ガス経路
１７ 燃焼排ガス出口
１８ 第一空気熱交換器
１９ 第二空気熱交換器
２０ 断熱部
２１ 温度センサ
２２ 熱電発電モジュール
２４ 改質後燃料ガス
２５ 発電用空気（酸化剤ガス）
２６ 排ガス経路
２７ 温水経路
２８ 筐体
２９ 熱交換器
３０ 貯湯タンク
３１ 空気層
３２ 熱抵抗体（断熱材）
３３ 放熱フィン
３４ 排ガスパイプ
３５ 温水パイプ
４１ ベース基板
４２ 実装配線ランド
４３ ｐ型熱電素子チップ
４４ ｎ型熱電素子チップ
４５ 上部配線基板
４６ 上部接続配線
４７ 電源取り出し電極
４８ スリット
５１ 内管
５２ 外管
５３ 熱伝達層
１００ 固体酸化物形燃料電池
１０１ 固体酸化物形燃料電池システム

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】