特許 7579628 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】

(24)【登録日】2024-10-30

(45)【発行日】2024-11-08

(54)【発明の名称】燃料電池システム

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04014 20160101AFI20241031BHJP

   H01M 8/04 20160101ALI20241031BHJP

   H01M 8/12 20160101ALN20241031BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04014

H01M8/04 Z

H01M8/12 101

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2018215473

(22)【出願日】2018-11-16

(65)【公開番号】P2020087533

(43)【公開日】2020-06-04

【審査請求日】2021-10-21

【審判番号】

【審判請求日】2023-06-05

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成３０年度、国立研究開発法人科学技術振興機構、戦略的イノベーション創造プログラム（ＳＩＰ）の研究開発委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】000000099

【氏名又は名称】株式会社ＩＨＩ

(74)【代理人】

【識別番号】110000936

【氏名又は名称】弁理士法人青海国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】村本 知哉

(72)【発明者】

【氏名】上口 聡

(72)【発明者】

【氏名】安孫子 和沙

【合議体】

【審判長】河端 賢

【審判官】倉橋 紀夫

【審判官】北村 亮

(56)【参考文献】

【文献】特開２００５－１５８５３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１２／０９１０３１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００２－２３１２９２（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】

密閉容器と、
前記密閉容器内に設けられた燃料電池本体と、
第１ブロワを含み、前記燃料電池本体の空気極に空気を供給する空気供給部と、
前記第１ブロワとは異なる第２ブロワを含み、前記密閉容器に冷却流体を供給する流体供給部と、
前記密閉容器から前記冷却流体を排出する流体排出部と、
を備え、
前記燃料電池本体は、固体酸化物形燃料電池であり、
前記第１ブロワおよび前記第２ブロワは、前記密閉容器の外に設けられる燃料電池システム。

【請求項2】

前記流体供給部は、前記密閉容器の上部に形成された供給口を有し、
前記流体排出部は、前記密閉容器における前記供給口の下方に形成された排出口を有する請求項１に記載の燃料電池システム。

【請求項3】

前記密閉容器内には、複数の前記燃料電池本体が設けられ、
前記流体供給部は、開口が形成された供給管を有し、
前記開口は、１の前記燃料電池本体と、前記１の燃料電池本体とは異なる他の前記燃料電池本体との間に位置する請求項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】

本開示は、燃料電池システムに関する。

【背景技術】

【0002】

都市ガスを燃料として発電する燃料電池システムが普及し始めている。このような燃料電池システムは、発電の際に燃料電池本体が発熱する。燃料電池本体の温度が所定の上限温度を上回ると、燃料電池システムの発電効率が低下したり、寿命が短縮されたりする。

【0003】

そこで、燃料電池本体が内部に収納された発電室と熱的に接続して配置された冷却部を備え、冷却部に空気を導くことで燃料電池本体を冷却する技術が開発されている（例えば、特許文献１）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１０－１４０７５０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかし、上記特許文献１の技術は、燃料電池本体を間接的に冷却しているにすぎない。このため、燃料電池本体の冷却効率が低いという課題がある。

【0006】

本開示は、このような課題に鑑み、燃料電池本体を効率よく冷却することが可能な燃料電池システムを提供することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記課題を解決するために、本開示の一態様に係る燃料電池システムは、密閉容器と、密閉容器内に設けられた燃料電池本体と、第１ブロワを含み、燃料電池本体の空気極に空気を供給する空気供給部と、第１ブロワとは異なる第２ブロワを含み、密閉容器に冷却流体を供給する流体供給部と、密閉容器から冷却流体を排出する流体排出部と、を備え、燃料電池本体は、固体酸化物形燃料電池であり、第１ブロワおよび第２ブロワは、密閉容器の外に設けられる。

【0008】

また、流体供給部は、密閉容器の上部に形成された供給口を有し、流体排出部は、密閉容器における供給口の下方に形成された排出口を有してもよい。

【0009】

また、密閉容器内には、複数の燃料電池本体が設けられ、流体供給部は、開口が形成された供給管を有し、開口は、１の燃料電池本体と、１の燃料電池本体とは異なる他の燃料電池本体との間に位置してもよい。

【発明の効果】

【0010】

本開示によれば、燃料電池本体を効率よく冷却することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本実施形態の燃料電池システムを説明する図である。

【図2】第１の変形例の燃料電池システムを説明する図である。

【図3】第２の変形例の燃料電池システムを説明する図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下に添付図面を参照しながら、本開示の実施形態について詳細に説明する。実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本開示を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。また本開示に直接関係のない要素は図示を省略する。

【0013】

［燃料電池システム１００］
図１は、本実施形態の燃料電池システム１００を説明する図である。図１に示すように、燃料電池システム１００は、密閉容器１１０と、燃料電池本体１２０と、燃料供給部１３０と、空気供給部１４０と、アノード排気管１５０と、カソード排気管１６０と、冷却部１７０とを含む。なお、図１中、実線の矢印は、ガスの流れを示す。

【0014】

密閉容器１１０は、内部に空間（以下、「発電室１１２」と称する。）が形成された容器である。密閉容器１１０は、断熱材で構成された容器、または、真空容器である。つまり、密閉容器１１０は、断熱容器である。発電室１１２には、燃料電池本体１２０が設けられる。密閉容器１１０は、燃料電池本体１２０から外部への伝熱を抑制する。

【0015】

燃料電池本体（セルスタック）１２０は、燃料極１２２、空気極１２４、および、電解質１２６を含む。燃料極（アノード）１２２は、ＮｉおよびＮｉ化合物（例えば、ＮｉＯ）のいずれか一方または両方を含む。燃料極１２２には、供給マニホールド１２２ａと、排気マニホールド１２２ｂとが接続される。

【0016】

空気極（カソード）１２４は、電子伝導性を示す酸化物を含む。電子伝導性を示す酸化物は、例えば、ＬＳＭ（（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ_３）、ＬＳＣ（（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ_３）、または、ＬＳＣＦ（（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ_３）である。空気極１２４には、供給マニホールド１２４ａが接続される。

【0017】

電解質１２６は、燃料極１２２と空気極１２４との間に設けられる。電解質１２６は、酸化物イオン伝導性を有する固体酸化物を含む。酸化物イオン伝導性を有する固体酸化物は、例えば、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）である。

【0018】

燃料供給部１３０は、燃料極１２２に燃料ＦＧを供給する。本実施形態において、燃料供給部１３０は、燃料供給管１３２と、流量調整機構１３４とを含む。燃料供給管１３２は、燃料ＦＧの供給源と、燃料極１２２（供給マニホールド１２２ａ）とを接続する。燃料ＦＧは、水素である。燃料ＦＧの供給源は、例えば、アンモニアを貯留する高圧容器（ボンベ）およびアンモニア分解器、水素ボンベ、または、炭化水素ボンベおよび改質器である。流量調整機構１３４は、例えば、マスフローコントローラ、または、ポンプ（例えば、ダイヤフラムポンプ、または、回転翼式ポンプ）である。

【0019】

空気供給部１４０は、空気供給管１４２と、第１ブロワ１４４と、空気加熱器１４６とを含む。空気供給管１４２は、一端が開放され、他端が空気極１２４（供給マニホールド１２４ａ）に接続される。第１ブロワ１４４は、空気供給管１４２に設けられる。第１ブロワ１４４は、吸入側が空気供給管１４２の開放端側に接続される。第１ブロワ１４４は、吐出側が空気供給管１４２の供給マニホールド１２４ａ側に接続される。空気加熱器１４６は、例えば、電気ヒータで構成される。空気加熱器１４６は、空気供給管１４２における第１ブロワ１４４と供給マニホールド１２４ａとの間に設けられる。したがって、第１ブロワ１４４は、空気加熱器１４６によって加熱された空気ＡＲを空気極１２４に供給する。

【0020】

上記したように、燃料供給部１３０によって、燃料極１２２に燃料ＦＧ（水素）が供給されると、燃料極１２２において、下記反応式（１）に示す酸化反応が進行する。
Ｈ_２ ＋ Ｏ^２－ → ２Ｈ_２Ｏ ＋ ２ｅ^－ …反応式（１）

【0021】

また、上記したように、空気供給部１４０によって空気極１２４に空気ＡＲが供給されることにより、空気極１２４において、下記反応式（２）に示す還元反応が進行する。そして、酸化物イオン（Ｏ^２－）が電解質１２６を伝導（移動）することにより、燃料電池本体１２０が発電する。燃料電池本体１２０は、発電を開始すると、ジュール熱によって自体の温度が上昇する。
１／２Ｏ_２ ＋ ２ｅ^－ → Ｏ^２－ …反応式（２）

【0022】

アノード排気管１５０は、排気マニホールド１２２ｂと後段の設備（例えば、オフガス燃焼器）とを接続する。カソード排気管１６０は、密閉容器１１０に形成された下部開口１１０ａと、後段の設備とを接続する。

【0023】

上記反応式（１）に示す酸化反応が進行した結果生じるアノードオフガスＡＸ（水（水蒸気）、および、水素を含む）は、排気マニホールド１２２ｂ、および、アノード排気管１５０を通じて後段の設備に排気される。

【0024】

また、反応式（２）に示す反応が進行した結果生じるカソードオフガスＣＸ（酸素、窒素を含む）は、空気極１２４から排気される。そして、カソードオフガスＣＸは、発電室１１２、下部開口１１０ａ、および、カソード排気管１６０を通じて後段の設備に排気される。

【0025】

上記したように、燃料電池本体１２０は、発電を開始すると発熱する。燃料電池本体１２０の温度が所定の上限温度（例えば、８００℃）を上回ると、燃料電池システム１００の発電効率が低下したり、寿命が短縮されたりする。そこで、本実施形態の燃料電池システム１００は、冷却部１７０を備える。以下、冷却部１７０について詳述する。

【0026】

［冷却部１７０］
冷却部１７０は、燃料電池本体１２０を冷却する。冷却部１７０は、流体供給部１８０と、流体排出部１９０とを含む。流体供給部１８０は、密閉容器１１０に冷却流体ＣＦを供給する。本実施形態では、冷却流体ＣＦとして空気（外気）を例に挙げる。流体供給部１８０は、供給口１８２と、流体供給管１８４と、第２ブロワ１８６とを含む。

【0027】

供給口１８２は、密閉容器１１０の上部に形成される。本実施形態において、供給口１８２は、密閉容器１１０における燃料電池本体１２０の上方に形成される。

【0028】

流体供給管１８４は、一端が開放され、他端が供給口１８２に接続される。第２ブロワ１８６は、流体供給管１８４に設けられる。第２ブロワ１８６は、吸入側が流体供給管１８４の開放端側に接続される。第２ブロワ１８６は、吐出側が流体供給管１８４の供給口１８２側に接続される。

【0029】

流体排出部１９０は、密閉容器１１０から冷却流体ＣＦを排出する。流体排出部１９０は、密閉容器１１０に形成された排出口と、流体排出管とを含む。本実施形態において、下部開口１１０ａが排出口として機能する。また、カソード排気管１６０が流体排出管として機能する。下部開口１１０ａ（排出口）は、密閉容器１１０における供給口１８２および燃料電池本体１２０の下方に形成される。

【0030】

したがって、供給口１８２から供給された冷却流体ＣＦは、発電室１１２内を下降流となって流れ、下部開口１１０ａ、カソード排気管１６０を通じて、カソードオフガスＣＸとともに後段の設備に排気される。

【0031】

以上説明したように、本実施形態の燃料電池システム１００は、冷却部１７０を備える。これにより、冷却部１７０は、冷却流体ＣＦ（外気）を発電室１１２に直接供給することができる。したがって、燃料電池システム１００は、燃料電池本体１２０を冷却流体ＣＦで直接冷却することが可能となる。このため、燃料電池システム１００は、燃料電池本体１２０を間接的に冷却する従来技術と比較して、燃料電池本体１２０を効率よく冷却することができる。

【0032】

したがって、燃料電池システム１００は、発電効率の低下を抑制することが可能となる。また、燃料電池システム１００は、寿命の短縮を抑制することができる。

【0033】

また、第１ブロワ１４４の吐出空気量を増加させる従来技術と比較して、燃料電池本体１２０を効率よく冷却することができる。具体的に説明すると、第１ブロワ１４４の吐出空気量を増加させた場合、空気加熱器１４６によって加熱された空気で燃料電池本体１２０を冷却することになる。一方、本実施形態の冷却部１７０は、外気を冷却流体ＣＦとして利用する。このため、冷却部１７０は、第１ブロワ１４４の吐出空気量を増加させる従来技術と比較して、燃料電池本体１２０を効率よく冷却できる。

【0034】

また、冷却部１７０は、供給口１８２の下方に形成された下部開口１１０ａ（排出口）を有する。これにより、燃料電池本体１２０のうち、相対的に高温となる上部から相対的に低温となる下部に向かって冷却流体ＣＦを通過させることができる。したがって、冷却部１７０は、燃料電池本体１２０を効率よく冷却することが可能となる。

【0035】

また、燃料電池システム１００は、冷却流体ＣＦとして外気を利用する。これにより、冷却流体ＣＦに要するコストを削減することができる。

【0036】

［第１の変形例］
上記実施形態において、燃料電池本体１２０は、カソードオフガスＣＸが空気極１２４から直接排気される構成を例に挙げて説明した。しかし、カソードオフガスＣＸの排気態様に限定はない。

【0037】

図２は、第１の変形例の燃料電池システム２００を説明する図である。図２に示すように、燃料電池システム２００は、密閉容器１１０と、燃料電池本体２２０と、燃料供給部１３０と、空気供給部１４０と、アノード排気管１５０と、カソード排気管２６０と、冷却部２７０とを含む。なお、図２中、実線の矢印は、ガスの流れを示す。

【0038】

また、上記燃料電池システム１００と実質的に等しい構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。

【0039】

燃料電池本体２２０は、燃料極１２２と、供給マニホールド１２２ａと、排気マニホールド１２２ｂと、空気極１２４と、供給マニホールド１２４ａと、排気マニホールド２２４ｂと、電解質１２６とを含む。排気マニホールド２２４ｂは、空気極１２４に接続される。

【0040】

カソード排気管２６０は、排気マニホールド２２４ｂに接続される。

【0041】

冷却部２７０は、燃料電池本体２２０を冷却する。冷却部２７０は、流体供給部１８０と、流体排出部２９０とを含む。流体排出部２９０は、下部開口１１０ａ（排出口）と、流体排気管２９２とを含む。流体排気管２９２は、下部開口１１０ａとカソード排気管２６０とを接続する。

【0042】

以上説明したように、第１の変形例の燃料電池システム２００は、冷却部２７０を備える。これにより、冷却部２７０は、冷却流体ＣＦ（外気）を発電室１１２に直接供給することができる。したがって、燃料電池システム２００は、燃料電池本体２２０を冷却流体ＣＦで直接冷却することが可能となる。このため、燃料電池システム２００は、燃料電池本体２２０を間接的に冷却する従来技術と比較して、燃料電池本体２２０を効率よく冷却することができる。

【0043】

［第２の変形例］
上記実施形態では、燃料電池システム１００が、１の燃料電池本体１２０を備える場合を例に挙げた。しかし、燃料電池システムは、複数の燃料電池本体１２０を備えてもよい。

【0044】

図３は、第２の変形例の燃料電池システム３００を説明する図である。燃料電池システム３００は、密閉容器１１０と、燃料電池本体１２０と、燃料供給部１３０と、空気供給部１４０と、アノード排気管１５０と、カソード排気管１６０と、冷却部３７０とを含む。なお、図３中、実線の矢印は、ガスの流れを示す。また、図３中、理解を容易にするために、燃料供給部１３０、空気供給部１４０、アノード排気管１５０を省略する。また、上記燃料電池システム１００と実質的に等しい構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。

【0045】

図３に示すように、燃料電池システム３００では、密閉容器１１０の発電室１１２には、複数の燃料電池本体１２０が設けられる。

【0046】

冷却部３７０は、複数の燃料電池本体１２０を冷却する。冷却部３７０は、流体供給部３８０と、流体排出部１９０とを含む。流体供給部３８０は、流体供給管３８４と、第２ブロワ１８６とを含む。流体供給管３８４は、両端が開放される。つまり、流体供給管３８４は、両端に開口が形成される。流体供給管３８４は、密閉容器１１０を貫通する。流体供給部３８０の他端の開口３８４ａは、燃料電池本体１２０と燃料電池本体１２０との間に位置する。本実施形態において、開口３８４ａは、複数の燃料電池本体１２０のうち、中央に配される燃料電池本体１２０間に位置する。つまり、開口３８４ａは、燃料電池本体１２０の群の中央に位置する。

【0047】

これにより、冷却部３７０は、相対的に高温となる、複数の燃料電池本体１２０のうち、中央に配される燃料電池本体１２０間に冷却流体ＣＦを供給することができる。したがって、冷却部３７０は、燃料電池本体１２０を効率よく冷却することが可能となる。

【0048】

以上、添付図面を参照しながら実施形態について説明したが、本開示は上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。

【0049】

例えば、上記実施形態において、冷却流体ＣＦとして空気を例に挙げて説明した。しかし、冷却流体ＣＦに限定はない。冷却流体ＣＦは、例えば、窒素または水であってもよい。冷却流体ＣＦが水である場合、冷却部１７０は、水の潜熱で燃料電池本体１２０を冷却することができる。

【0050】

また、上記実施形態において、供給口１８２が燃料電池本体１２０の上方に形成され、下部開口１１０ａ（排出口）が燃料電池本体１２０の下方に形成される構成を例に挙げて説明した。しかし、供給口１８２および下部開口１１０ａの位置に限定はない。例えば、供給口１８２および下部開口１１０ａは、密閉容器１１０の側面に設けられてもよい。

【産業上の利用可能性】

【0051】

本開示は、燃料電池システムに利用することができる。

【符号の説明】

【0052】

１００ 燃料電池システム
１１０ 密閉容器
１１０ａ 下部開口（排出口）
１２０ 燃料電池本体
１８０ 流体供給部
１８２ 供給口
１９０ 流体排出部
２００ 燃料電池システム
２２０ 燃料電池本体
２９０ 流体排出部
２９２ 流体排気管
３００ 燃料電池システム
３８０ 流体供給部
３８４ 流体供給管
３８４ａ 開口

【図1】

【図2】

【図3】