JP6878591B2 - 燃料電池装置 - Google Patents

Description

本開示は、燃料電池装置に関する。

近年、次世代エネルギーとして、燃料ガス（水素含有ガス）と空気（酸素含有ガス）とを用いて電力を得ることができる燃料電池セルを収納容器内に収納してなる燃料電池モジュールと、燃料電池モジュールを動作させるための補機とを、筐体である外装ケース内に収納してなる燃料電池装置が種々提案されている。

このような燃料電池装置においては、燃料電池セルの発電で用いられなかった燃料ガスを燃焼させることによって、燃料電池セルの温度を上昇させることが知られている。このような、燃料電池装置の稼動に伴って生じる排ガス中に、燃料ガスが不完全燃焼して生じる一酸化炭素や、未使用の燃料ガスなどの成分が含まれる場合がある。

これらの成分を含有する排ガスをそのまま排気すると、安全性や環境等への影響が懸念される。それゆえ、燃料電池装置の稼動に伴って生じる排ガス中に含有される成分を除去するための手段を設けた燃料電池装置が提案されている。たとえば、燃料電池セルから排出された排ガスを浄化するための燃焼触媒を具備する燃料電池装置が提案されている（たとえば、特許文献１を参照。）。

また、燃料電池装置が暖まっていない状態においては、排ガスおよび燃焼触媒が低温のため、燃料触媒が十分に機能しないおそれがある。そのため、加熱手段によって、排ガスを加熱する加熱手段を具備する燃料電池装置が提案されている（たとえば、特許文献２を参照。）。

特開２００６−３２２９１号公報 特開２０１０−１９２２７２号公報

本開示の燃料電池装置は、
複数の燃料電池セルを積層したセルスタックを有する燃料電池モジュールと、
前記燃料電池モジュールに一端が接続され、前記燃料電池モジュールから排出される排ガスが流入する排ガス流路と、
前記排ガス流路内に配設される燃焼触媒と、
前記燃焼触媒よりも上流側の前記排ガス流路内に配設される、排ガス加熱用のヒータと、
前記ヒータと前記燃焼触媒との間に配設される、排ガスの流れを規制する排ガス規制部材であって、複数の開口が設けられた穴あき板である排ガス規制部材と、を備える。

本開示の目的、特色、および利点は、下記の詳細な説明と図面とから、より明確になるであろう。
実施形態の燃料電池装置の構成を示すブロック図である。 実施形態の燃料電池装置のセルスタック装置の構成を示す斜視図である。 実施形態の燃料電池装置の排気流路の構成を示す断面図である。 実施形態の燃料電池装置のフィルタ室の構成を示す斜視図である。 実施形態の燃料電池装置のフィルタ室の他の構成を示す斜視図である。 実施形態の燃料電池装置の排ガス規制部材の構成を示す平面図である。 実施形態の燃料電池装置の排ガス規制部材の他の構成を示す断面図である。 実施形態の燃料電池装置の燃焼触媒室の構成を示す斜視図である。 実施形態の燃料電池装置の燃焼触媒室の他の構成を示す斜視図である。 実施形態の燃料電池装置の燃料電池モジュールと排気流路の構成を示す断面図である。 実施形態の燃料電池装置の構成を示す分解斜視図である。

以下、図面を参考にして、実施形態を詳細に説明する。
図１は、実施形態の燃料電池装置の構成を示すブロック図である。また、図２は、実施形態の燃料電池装置のセルスタック装置の構成を示す斜視図である。なお、以降の図において同一の部材については同一の番号を付するものとする。

燃料電池装置１は、収納容器（図示せず）に改質器１０およびセルスタック装置２０を収納して構成される燃料電池モジュール２を含む。また、燃料電池装置１は、燃料電池モジュール２を作動させるための、熱交換器３１、凝縮水タンク３２、パワーコンディショナ３３、燃料供給装置３４、空気供給装置３５および改質水ポンプ３６等の補機類とともに、外装ケース（図示せず）に納められている。外装ケース内には、補機類の全てが収められる必要はなく、たとえば、熱交換器３１と熱交換をした水などの熱媒体を蓄える蓄熱タンク３７を外装ケースの外部に配設してもよい。

改質器１０には、炭化水素ガスなどの原燃料を供給する原燃料供給管１００と、改質水を供給する水供給管１０１とが接続されている。原燃料供給管１００と水供給管１０１とが一体となった管路で改質器１０に接続する構成であってもよい。

原燃料供給管１００には、改質器１０に原燃料を送り込むための燃料供給装置３４が設けられている。原燃料と改質水とは、加熱された改質器１０で改質反応し、水素を含む改質ガスが生成される。改質器１０で生成された改質ガスは、改質ガス供給管１０２を通ってセルスタック装置２０に供給される。

セルスタック装置２０は、マニホールド２１および燃料電池セル２２を多数接続したセルスタック２３を含む。なお、図２においては、燃料電池セル２２として、柱状で固体酸化物形の燃料電池セルを例示している。

改質器１０から、セルスタック装置２０に供給された改質ガスはマニホールド２１から燃料電池セル２２内に供給される。セルスタック装置２０において、燃料電池セル２２の外側には空気供給路１０３から酸素含有ガスである空気が導入されている。空気供給路１０３には、空気供給装置３５が接続されており、空気供給装置３５によって、セルスタック装置２０に空気を送り込む。改質ガスが燃料電池セル２２内を通過するときに、この空気と反応して発電が行われる。

発電に使用されなかった改質ガスは、セルスタック２３の上部で発電に使用されなかった空気と合流して燃焼し、高温の排ガスが生成される。また、燃焼で発生した熱によって改質器１０を加熱する。燃料電池モジュール２で発電された電気は、パワーコンディショナ３３に送られ、電力消費および蓄電池への蓄電などに用いることができる。

改質器１０およびセルスタック装置２０は高温となるため、断熱材などで包囲されて収納容器（図示せず）に収められ、燃料電池モジュール２として、補機とともに外装ケース内に配置されている。

燃料電池モジュール２内で生じた排ガスは、セルスタック装置２０から排出された後、排ガス流路１０４を通って熱交換器３１に供給される。熱交換器３１には、循環ライン１０５が接続されており、この循環ライン１０５に導入されている媒体と排ガスとで熱交換を行う。媒体としては、水などを用いることができる。

熱交換によって、排ガスは冷却され、媒体は排ガスの熱によって加熱される。排ガスは冷却されて、排ガス中に含まれる水蒸気が、水と気体に分離される。気体は、排気流路１０７を通って外部に排出される。排ガスを冷却することによって分離された水は、凝縮水回収流路１０６を通って凝縮水タンク３２に送られる。

凝縮水タンク３２においては、水はイオン交換などを経て純水化され、純水化された水は、水供給管１０１に導入され、改質水ポンプ３６により改質水として改質器１０に供給される。不要な水はドレイン１０８から排出される。

熱交換器３１で暖められた媒体は、蓄熱タンク３７に移動する。媒体は、循環ライン１０５を循環しながら熱を蓄えることができる。蓄えられた熱は、給湯などに利用することができる。蓄熱タンク３７に蓄えられた媒体が水の場合には、蓄熱タンク３７の水を給湯に利用してもよい。

蓄熱タンク３７の媒体の温度が高くなりすぎた場合には、ラジエタを設けて熱交換器３１に供給する媒体の温度を低下させる構成にしてもよい。

図３は、実施形態の燃料電池装置の排ガス流路を示す断面図である。排ガス流路１０４は、燃料電池モジュール２と、熱交換器３１とを接続している。

排ガス流路１０４は、たとえば、フィルタ室４０、ヒータ室５０、燃焼触媒室６０および接続室７０をこの順に連結して構成されている。フィルタ室４０、ヒータ室５０、燃焼触媒室６０および接続室７０からなる排ガス流路１０４を構成する管路は、たとえば、ステンレス鋼板などで構成されている

排ガス流路１０４の上方には、燃料電池モジュール２が配置されており、燃料電池モジュール２の排気口２９は燃料電池モジュール２の底面に設けられている。排ガス流路１０４の下方には熱交換器３１が配置されている。

本実施形態においては、排ガス流路１０４は上方から下方に排ガスが流れるように設けられており、排ガスは上方の燃料電池モジュール２の排気口２９からフィルタ室４０に流入し、ヒータ室５０、燃焼触媒室６０および接続室７０を順に通過して、熱交換器３１に流出する。

フィルタ室４０は、上流側が燃料電池モジュール２の排気口２９に連通し、下流側がヒータ室５０に連通している。フィルタ室４０は、管体４１で構成され、円筒状である。フィルタ室４０内には、シリカ除去部材であるフィルタ４２と、第３制限部材であるフィルタ支持部材４３とが設けられている。

また、排ガス流路１０４を構成するフィルタ室４０の機能の一部を燃料電池モジュール２内に設けてもよい。たとえば、フィルタ室４０は、燃料電池モジュール２の内部に設けることもでき、たとえば、シリカ除去部材であるフィルタ４２およびフィルタ支持部材４３は、燃料電池モジュールの排気口２９内に設けてもよい。

図４は、実施形態の燃料電池装置のフィルタ室の構成例を示す斜視図である。フィルタ室４０の内壁４１ａは仮想線で示している。フィルタ４２は円柱状であり、直径は管体４１の内径とほぼ同じであり、フィルタ４２の側面が管体４１の内壁４１ａに密着して設けられている。フィルタ４２の下方に設けられたフィルタ支持部材４３は、フィルタ４２が、ヒータ室５０に落下することを防いでいる。

フィルタ４２は、たとえば、酸化アルミニウム（アルミナ）がコーティングされたＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ系ステンレス合金で構成されており、排ガスに含まれるシリカ粒子を取り除くことが可能である。このことによって、燃料触媒に粒子が詰まって性能が低下することを軽減できる。また、排ガスとともにシリカの微粒子が大気中に放出されることを抑制することができる。

フィルタ支持部材４３は、たとえば、フェライト系ステンレス鋼板からなる円弧状のばねであり、フィルタ室４０の内壁４１ａに付勢接触するように取り付けられている。たとえば、振動などによって、フィルタ４２が下方に移動しようとしても、フィルタ支持部材４３によって支持されるので、フィルタ４２がヒータ室に落ちることを防ぐことができ、フィルタ４２の位置を安定させることができる。

図５は、実施形態の燃料電池装置のフィルタ室の他の構成例を示す斜視図である。フィルタ室４０の内壁４１ａは仮想線で示している。フィルタ４２は、図３に示すものと同様である。フィルタ４２の上下に円弧状のばねであるフィルタ支持部材４３ａ、４３ｂが、フィルタ４２を上下から挟むように設けられている。このことによって、輸送時などにおいて、フィルタ４２の振動などによる位置ずれを軽減することができる。

つぎに、図３に示すヒータ室５０は、直方体状である。ヒータ室５０は、上方がフィルタ室４０に連通しており、下方が燃焼触媒室６０に連通している。ヒータ室５０を構成する管体５１の内壁５１ａにはヒータ５２を挿入するための穴が複数設けられており、棒状のヒータ５２が複数挿入されている。

ヒータ室５０に流入した排ガスはヒータ５２によって加熱される。ヒータ５２を制御して、燃焼触媒が機能する温度を超えるように排ガスを加熱する。燃料電池装置１の運転が継続されて、排ガスの温度が十分高くなっている場合には、ヒータ５２は、動作させなくてもよい。なおヒータ室５０は直方体状に限られるものではなく、円柱状であってもよい。また、ヒータ５２は１つであってもよい。

ヒータ５２の下流側に、排ガス規制部材５３が設けられている。図６は、実施形態の燃料電池装置の排ガス規制部材の構成を示す平面図であり、図７は、施形態の燃料電池装置の排ガス規制部材のＡ−Ａ断面を示す断面図である。

排ガス規制部材５３は、上面５３ａがヒータ室５０の内壁５１ａに沿った矩形状であり、孔５３ｂが縦横に多数設けられている穴あき板である。排ガス規制部材５３の開口の形状としては、開口が多数設けられたパンチングメタル状のほか、メッシュ状であってもよい。

また、排ガス規制部材５３の縁部５３ｃ、５３ｄは折曲げられて脚部５３ｅ，５２ｆが形成されている。排ガス規制部材５３の断面は、コの字状である。また、脚部５３ｅ，５３ｆは、管体５１の底面５１ｂ上に載置されている。排ガス規制部材５３は、縁部５３ｃ，５３ｄが折曲げられているので、排ガス規制部材５３の強度を確保することができる。なお、排ガス規制部材５３の形状は、ヒータ室５０の内壁５１ａの形状に合わせて適宜変更することができる。

排ガス規制部材５３によって、ヒータ室５０を通って燃焼触媒室６０へ流れる排ガスに対する流路抵抗が増加し、排ガスがヒータ室５０内に滞留するようになって、ヒータ５２で加熱され、温度が上昇しやすくなる。

また、ステンレス鋼板などの金属で構成されている排ガス規制部材５３は、ヒータ５２の輻射熱で加熱されているので、排ガスが排ガス規制部材５３を通過することによって、排ガス規制部材５３から排ガスに熱が伝導して排ガスをさらに加熱することができる。排ガス規制部材５３によって、ヒータ室５０から流れる排ガスは整流されて燃焼触媒室６０に送られる。

特に、ヒータ５２にて排ガスをより効率よく加熱するにあたっては、排ガス規制部材５３の開口を、ヒータ５２の直下にのみ位置するように設けることがよい。それにより、ヒータ５２を稼働させたときに、排ガスがヒータ５２の熱を受けた後に、燃焼触媒室６０に流れることとなり、より効率よく排ガスを加熱することができる。

以上、詳述したように、本実施形態の燃料電池装置１によれば、ヒータ５２による排ガスの加熱状況が改善され、燃焼触媒の機能が高まって、排ガスの処理効率を向上させることができる。

つぎに、図３において、燃焼触媒室６０は円筒状であり、上流側がヒータ室５０と連通し、下流側が接続室７０と連通している。燃焼触媒室６０は、管体６１で構成されている。燃焼触媒室６０の形状は円柱状である。

図８は、実施形態の燃料電池装置の燃焼触媒室の構成例を示す斜視図である。仮想線は、管体６１の内壁６１ａを示す。なお、図８において、燃焼触媒保持部材６４は省略されている。

管体６１内に、円柱状の燃焼触媒６２が配設されている。燃焼触媒６２の直径は、燃焼触媒室６０の内径とほぼ同じである。燃焼触媒６２としては、たとえば、多孔質のアルミナ担持体に白金を担持させた燃焼触媒や、酸化アルミニウム（アルミナ）がコーティングされたＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ系ステンレス合金に白金、パラジウムを坦持させた燃焼触媒を用いることができる。なお、燃焼触媒室６０は円筒状に限られるものではなく、また燃焼触媒６２も燃焼触媒室６０の形状に合わせて適宜変更可能である。

燃焼触媒６２の上方に、第１制限部材である燃焼触媒支持部材６３が設けられている。燃焼触媒支持部材６３は、円弧状のばねであり、円筒状の燃焼触媒室６０の内壁６１ａに付勢接触して取付けられている。たとえば、振動などによって、燃焼触媒６２が上方に移動しようとしても、燃焼触媒６２の上面が、燃焼触媒支持部材６３に当接して、燃料触媒の変位を制限する。このことによって、燃焼触媒６２の位置を安定させることができる。

燃焼触媒６２の下面に当接して、第２制限部材である燃焼触媒保持部材６４が設けられている。燃焼触媒保持部材６４の外径は、内壁６１ａの直径とほぼ等しく、燃焼触媒保持部材６４は、円盤状の部材であって、円形の開口を有しており、円環部６４ａと、円環部６４ａから下方に伸びる脚部６４ｂとからなっている。

燃焼触媒６２が下方に移動しようとすると、燃焼触媒保持部材６４が当接して、燃焼触媒６２の変位を制限する。また、燃焼触媒保持部材６４の脚部６４ｂは、管体６１の底面６１ｂ上に載置されている。このため、燃焼触媒６２は、底面６１ｂに接触せず、燃焼触媒６２と、底面６１ｂとの間に空間が確保される。

たとえば、燃焼触媒６２が底面６１ｂと接触していると、燃焼触媒６２を通過する排ガスの出口が狭くなり、燃焼触媒６２の中央部に排ガスが集中するので、流路抵抗が大きくなったり、排ガスを処理する効率が悪くなったりするおそれがある。しかしながら、燃焼触媒保持部材６４によって燃焼触媒６２下方の空間を確保することで、燃焼触媒６２全体に排ガスを流すことができるので、燃焼触媒６２おける排ガスの処理効率を高めることができる。

図９は、実施形態の燃料電池装置の燃焼触媒室の他の構成例を示す斜視図である。仮想線は、管体６１の内壁６１ａを示す。

燃焼触媒６２の上方に、第１制限部材である燃焼触媒支持部材６３ａが設けられている。また、前述の燃焼触媒保持部材６４に代えて、燃焼触媒６２の下方に、第１制限部材である燃焼触媒支持部材６３ｂが設けられている。燃焼触媒支持部材６３ａ，６３ｂは、円弧状のばねであり、燃焼触媒室６０の内壁６１ａに付勢接触して取付けられている。

このように、燃焼触媒６２の上下を燃焼触媒支持部材６３ａ，６３ｂで挟むことによって、燃焼触媒６２の位置ずれを抑制することができる。また、燃焼触媒６２は、底面６１ｂに接触せず、燃焼触媒６２と、底面６１ｂとの間に空間が確保されているので、燃焼触媒６２全体に排ガスを流すことができるので、燃焼触媒６２おける排ガスの処理効率を高めることができる。

つぎに、燃焼触媒室６０の下流側には開口６０ａが設けられており、開口６０ａに接続室７０が接続されている。接続室７０は管体７１で形成されている。

接続室７０はＬ字状であり、接続室７０の上流側は、燃焼触媒室６０に接続され、下流側は、熱交換器３１の側面に接続している。このように接続室７０をＬ字状にして熱交換器３１の側面に接続する構成とすることによって、排ガス流路１０４および熱交換器３１を含む全体の高さを抑制する。

また、このことによって、燃料電池装置１の高さを抑え、小型化を実現することができる。なお、接続室７０は、熱交換器３１の排ガス流入口の場所に合わせて適宜変更することができる。

図１０は、実施形態の燃料電池装置の燃料電池モジュールと排気流路の構成を示す断面図である。燃料電池モジュール２は、図２に示すセルスタック装置２０が４つ横並びに収納容器３０に納められている。

セルスタック装置２０は内壁２６内に設置され、内壁２６の外側を中壁２５が覆っている。空気供給路１０３から供給された空気と燃料電池セル２２内を通る改質ガスを反応させて発電を行った後、空気と改質ガスは燃料電池セル２２上方で合流して燃焼し、改質器１０を加熱し、排ガスになる。

排ガスは、改質器上方の内壁２６の開口２６ａから内壁２６と中壁２５の間の空間に形成された排出流路２７を通って排気口２９へ導かれる。排気口２９に導かれた排ガスは、排ガス流路１０４のフィルタ室４０に流入して、熱交換器３１へ向かって移動していく。なお、外壁２４と、中壁２５との間の空間２８には、酸素含有ガスである空気が流通している。

図１１は、実施形態の燃料電池装置の構成を示す分解斜視図である。外装ケース８０内に燃料電池モジュール２、各モジュールを動作させるための補機およびそれらを接続する配管を収納してなる。なお、図１１においては一部構成を省略して示している。

燃料電池装置１は、支柱８１と外装板８２とから構成される外装ケース８０の内部を仕切板８３によって上下に区画し、その上方側に燃料電池モジュール２を収納している。下方側には、各モジュールを動作させるための補機類が収納されている。また、燃料電池モジュール２の底面に接続された排ガス流路１０４（図示せず）は、仕切板８３を貫通して設けられ、仕切板８３の下方側に設置された熱交換器３１（図示せず）に接続されている。

仕切板８３には、仕切板８３の下方側の空気を仕切板８３の上方側に流すための空気流通口８４が設けられており、外装板８２の上部には、外装ケース８０内の空気を排気するための排気口８５が設けられている。

上記構成の燃料電池装置１によれば、先にも述べたように、ヒータ５２による排ガスの加熱状況が改善され、燃焼触媒の機能が高まって、排ガスの処理効率を向上させることができる。

以上、本開示について詳細に説明したが、本開示は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更、改良等が可能である。

さらに、本開示は、その精神または主要な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形態で実施できる。したがって、前述の実施形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、本開示の範囲は請求の範囲に示すものであって、明細書本文には何ら拘束されない。さらに、請求の範囲に属する変形や変更は全て本開示の範囲内のものである。

１ 燃料電池装置
２ 燃料電池モジュール
５２ ヒータ
５３ 排ガス規制部材
６２ 燃焼触媒
１０４ 排ガス流路

Claims (8)

1. 複数の燃料電池セルを積層したセルスタックを有する燃料電池モジュールと、
   前記燃料電池モジュールに一端が接続され、前記燃料電池モジュールから排出される排ガスが流入する排ガス流路と、
   前記排ガス流路内に配設される燃焼触媒と、
   前記燃焼触媒よりも上流側の前記排ガス流路内に配設される、排ガス加熱用のヒータと、
   前記ヒータと前記燃焼触媒との間に配設される、排ガスの流れを規制する排ガス規制部材であって、複数の開口が設けられた穴あき板である排ガス規制部材と、を備える燃料電池装置。
2. 前記穴あき板は、縁部が折曲げられている、請求項１に記載の燃料電池装置。
3. 前記燃焼触媒に近接して前記排ガス流路内に設けられ、前記燃焼触媒の変位を制限する第１制限部材を備える請求項１または２に記載の燃料電池装置。
4. 前記排ガス流路は、円筒状の燃焼触媒室を備え、
   前記燃焼触媒室内に、前記燃焼触媒と、前記第１制限部材とが配置され、
   前記燃焼触媒は、円柱状であり、
   前記第１制限部材は、前記燃焼触媒室内壁に付勢接触している円弧状ばねである、請求項３に記載の燃料電池装置。
5. 前記燃焼触媒に近接して前記排ガス流路内に設けられ、前記燃焼触媒の変位を制限する円盤状の第２制限部材を備える請求項４に記載の燃料電池装置。
6. 前記ヒータの上流側の前記排ガス流路内または前記燃料電池モジュールの排気口内にシリカ除去部材を備える請求項１〜５のいずれか１つに記載の燃料電池装置。
7. 前記シリカ除去部材に近接して前記排ガス流路内または前記燃料電池モジュールの排気口内に設けられ、前記シリカ除去部材の変位を制限する第３制限部材を備える請求項６に記載の燃料電池装置。
8. 前記ヒータの上流側に円筒状のフィルタ室を備え、
   前記フィルタ室内に、前記シリカ除去部材と、前記シリカ除去部材の下方配置された前記第３制限部材とを備え、
   前記シリカ除去部材は円柱状であり、
   前記第３制限部材は、前記フィルタ室内壁に付勢接触している円弧状ばねである、請求項７に記載の燃料電池装置。

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