JP6488112B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

複数の燃料電池セルスタックの燃料流路が、直列に接続された燃料電池スタックシステムが開示されている（特許文献１参照）。

特開２００９−３７９１５号公報

しかしながら、上記した従来例では、燃料の流路の上流側に位置する燃料電池セルスタックにおいてある程度燃料が消費されるため、下流側の燃料電池セルスタックでは燃料の濃度が低下する。この場合において、燃料電池セルスタック間が電気的に直列に接続されていると、下流側の燃料電池セルスタックに上流側の燃料電池セルスタックと同じ電流が流れることになり、下流側の燃料電池セルスタック内に積層された各燃料電池セルの電圧が低くなってしまう。燃料電池セルの電圧の低下は、電極の安定性に影響を与えるため、下流側の燃料電池セルスタックの長期耐久性を確保することが難しくなる。

本発明は、上記事実を考慮して、シンプルな構成で、高発電効率と長期耐久性を両立させることを目的とする。

請求項１に係る燃料電池システムは、燃料を用いて各々が発電を行い、互いに積層されて一体的にモジュール化された、第１セルスタック及び第２セルスタックと、前記第１セルスタック及び前記第２セルスタックに直列に前記燃料を供給する流路と、前記第１セルスタックと前記第２セルスタックとの境界で共通化された陰極と、前記第１セルスタックと前記第２セルスタックの各々について前記陰極と積層方向の反対側に設けられた陽極に、前記第１セルスタックと前記第２セルスタックが並列になるように各々接続され、前記第１セルスタック及び前記第２セルスタックで発電された電力を取り出す電気配線と、を有する。

この燃料電池システムでは、複数の燃料電池が、燃料の流路に直列に接続されているので、燃料を有効利用して、総合的な発電効率を高めることができる。また、複数の燃料電池が、電気配線に並列に接続されているので、燃料の流路の上流側の燃料電池で燃料が消費されて、下流側の燃料電池に供給される燃料の濃度が薄くなっていても、該下流側の燃料電池セルの電圧が低くなることを抑制できる。これにより、下流側の燃料電池の燃料極の劣化を抑制し、長期耐久性を確保することができる。このため、シンプルな構成で、高発電効率と長期耐久性を両立させることができる。

請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、前記複数の燃料電池として、第１セルスタックと、前記流路における前記第１セルスタックの下流側に位置する第２セルスタックとを有し、前記第１セルスタックに対する前記第２セルスタックの有効電極面積の比を、０．９５〜１．０５とすることができる。

この燃料電池システムでは、第１セルスタックに対する第２セルスタックの有効電極面積の比が適切に設定されているので、第２セルスタックの燃料電池セルの電圧を高めて（引き上げて）長期耐久性を確保しつつ、発電効率を高めることができる。

請求項２に係る燃料電池システムは、燃料を用いて発電を行う複数の燃料電池と、前記複数の燃料電池に直列に前記燃料を供給する流路と、前記複数の燃料電池の電極に、前記複数の燃料電池が並列になるように接続され、前記複数の燃料電池で発電された電力を取り出す電気配線と、を有し、前記複数の燃料電池として、第３セルスタックと、前記流路における前記第３セルスタックの下流側に位置する第１セルスタックと、前記第１セルスタックの下流側に位置する第２セルスタックとを有し、前記第３セルスタックと前記第１セルスタックの間の前記流路に対して、燃料が追加供給される。

この燃料電池システムでは、燃料電池が３つのセルスタックを有しているので、発電効率を更に高めることができる。また、第３セルスタックとその下流側の第１セルスタックとの間の流路に、燃料が追加供給されるので、該第１セルスタックの更に下流側の第２セルスタックにおいて、燃料電池セルの電圧を高めて、燃料極の劣化を抑制し、長期耐久性を確保することができる。このため、３つのセルスタックにより発電効率を更に高めつつ、長期耐久性を確保することができる。
請求項３に係る燃料電池システムは、前記第１セルスタック、前記第２セルスタック、及び前記第３セルスタックは、前記第３セルスタック、前記第１セルスタック、前記第２セルスタックの順に積層されて一体的にモジュール化され、前記第３セルスタックと前記第１セルスタックとの境界で陰極が共通化され、前記第３セルスタックの陽極は前記陰極と積層方向の反対側に設けられ、前記第１セルスタックと前記第２セルスタックとの境界で陽極が共通化され、前記第２セルスタックの陰極は、前記第１セルスタックの積層方向の反対側に設けられている。

以上説明したように、本発明に係る燃料電池システムによれば、高発電効率と長期耐久性を両立させることができる、という優れた効果が得られる。

請求項２に記載の燃料電池システムによれば、第２セルスタックの長期耐久性を確保しつつ、発電効率を高めることができる、という優れた効果が得られる。

請求項３に記載の燃料電池システムによれば、３つのセルスタックにより発電効率を更に高めつつ、長期耐久性を確保することができる、という優れた効果が得られる。

第１実施形態に係る燃料電池システムを概念的に示すブロック図である。 第１実施形態に係る燃料電池システムを模式的に示すブロック図である。 第２実施形態に係る燃料電池システムを概念的に示すブロック図である。 第２実施形態に係る燃料電池システムを模式的に示すブロック図である。

以下、本発明を実施するための形態を図面に基づき説明する。

［第１実施形態］
図１、図２において、本実施形態に係る燃料電池システム１０は、複数の燃料電池の一例たる第１セルスタック１１及び第２セルスタック１２と、流路１４と、電気配線１６，１８とを有している。

図中、第１セルスタック１１は「Ｃｅｌｌ Ｓｔａｃｋ−Ａ」とも表記され、第２セルスタック１２は「Ｃｅｌｌ Ｓｔａｃｋ−Ｂ」とも表記されている。第１セルスタック１１及び第２セルスタック１２は、燃料を用いて発電を行う、例えば固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）であり、燃料電池セル２６が電気的に直列に積層されて構成されている。第１セルスタック１１及び第２セルスタック１２における各々の燃料電池セル２６は、電解質層の表裏面に燃料極及び空気極が夫々積層されたものである（何れも図示せず）。なお、本実施形態において、燃料極には触媒粒子としてニッケル（ニッケルあるいは白金等貴金属とニッケルとの合金）が含まれており、ニッケルが酸化物ではなく金属である状態において燃料極として機能する。

第１セルスタック１１に対する第２セルスタック１２の有効電極面積の比ｒｂは、０．９５〜１．０５である。各燃料電池セル２６での電極の面積が同一の場合、有効電極面積の比ｒｂは、第１セルスタック１１での燃料電池セル２６の積層段数に対する、第２セルスタック１２での燃料電池の積層段数の比となる。

図１において、流路１４は、第１セルスタック１１及び第２セルスタック１２の燃料極（図示せず）に燃料を直列に供給するためのものである。この流路１４において、第２セルスタック１２は、第１セルスタック１１の下流側に位置しており、第１セルスタック１１の燃料極と第２セルスタック１２の燃料極は、流路１４に直列に接続されている。つまり、本実施形態には、二段構成のカスケード型の燃料電池が用いられている。

流路１４は、具体的には、流路１４Ａ，１４Ｂを有している。流路１４Ａは、第１セルスタック１１に燃料を供給するための配管である。流路１４Ｂは、第１セルスタック１１で使用されなかった燃料を第２セルスタック１２に供給するための配管である。第２セルスタック１２で使用されなかった燃料（オフガス）は、流路２２に排出されるようになっている。流路１４Ａには、原料ガス（例えばメタン）を水蒸気改質して燃料（例えば水素や一酸化炭素）とするための改質器２４（図２）が設けられている。

図１において、電気配線１６，１８は、第１セルスタック１１及び第２セルスタック１２の電極に、該第１セルスタック１１及び第２セルスタック１２が並列になるように接続され、該第１セルスタック１１及び第２セルスタック１２で発電された電力を取り出すものである。第１セルスタック１１及び第２セルスタック１２は、この電気配線１６，１８に並列に接続されている。図２に示されるように、第１セルスタック１１及び第２セルスタック１２は、例えば一体的にモジュール化されており、第１セルスタック１１と第２セルスタック１２の境界では、例えば陰極２８が共通化されている。この陰極２８は、電気配線１８に接続されている。電気配線１６に接続される陽極（図示せず）は、燃料電池セル２６の積層方向における陰極２８と反対側に夫々設けられている。

（作用）
本実施形態は、上記のように構成されており、以下その作用について説明する。図１、図２において、本実施形態に係る燃料電池システム１０では、改質器２４で水蒸気改質された燃料が、流路１４Ａを通じて第１セルスタック１１に供給される。これにより、第１セルスタック１１において発電が行われる。第１セルスタック１１で利用されなかった燃料は、流路１４Ｂを通じて第２セルスタック１２に供給される。これにより、第２セルスタック１２において発電が行われる。このように本実施形態では、第１セルスタック１１及び第２セルスタック１２が、燃料の流路１４に直列に接続されているので、燃料を有効利用して、発電効率を高めることができる。

発電された電力は、電気配線１６，１８により取り出される。本実施形態では、第１セルスタック１１及び第２セルスタック１２が、電気配線１６，１８に並列に接続されている。従って、燃料の流路１４の上流側の第１セルスタック１１で燃料が消費されて、下流側の第２セルスタック１２に供給される燃料の濃度が薄くなっていても、該下流側の第２セルスタック１２のセル電圧が低くなることを抑制できる。これにより、下流側の第２セルスタック１２の燃料極の劣化を抑制し、長期耐久性を確保することができる。このため、シンプルな構成で、高発電効率と長期耐久性を両立させることができる。

また、本実施形態では、第１セルスタック１１に対する第２セルスタック１２の有効電極面積の比ｒｂを適切に設定することで、下流側に配置された第２セルスタック１２の燃料電池セル２６の電圧を高めて（引き上げて）長期耐久性を確保しつつ、発電効率を高めることができる。

ここで、有効電極面積の比ｒｂを０．９０〜１．１５まで変化させた計算例を示す。第１セルスタック１１又は第２セルスタック１２の単セルスタックでの発電効率をシステムＡＣ換算効率で５５％（ＬＨＶ：低位発熱量基準）であり、この効率が燃料利用率７５％のときに得られると仮定した。本実施形態のように、燃料電池を第１セルスタック１１及び第２セルスタック１２の二段構成とした場合の発電効率、そのときの各セルスタックの燃料利用率、各セルスタックを構成する燃料電池セル２６（以降、単に「１セル」と称する場合がある）の電圧を試算した。試算の前提として、各セルスタックの１セル当たりの面積抵抗を０．３５２Ω・ｃｍ² 、電流密度を０．２５Ａ／ｃｍ² 、第１セルスタック１１及び第２セルスタック１２から電力を取り出す際の発電効率ロスを１０％と仮定した。また改質器２４に供給される単位時間当たりの水蒸気の分子数Ｓと、改質器２４に供給される単位時間当たりの炭化水素系の原料ガスの炭素原子数Ｃとの比であるスチームカーボン比Ｓ／Ｃを３とした。結果は表１に示される通りである。なお、表２は、第１セルスタック１１及び第２セルスタック１２を電気配線１６，１８に直列に接続した比較例について、同様の試算を行ったものであり、有効電極面積の比ｒｂ＝０．５０（最適比率）の場合のみを示している。

表１において、良、不可の判定基準として、発電効率と各セルスタックの燃料利用率の値を用いた。発電効率は単独セルスタックの効率５５％と比較して十分な効果が得られる６０％以上を良とした。また、燃料利用率は単独セルスタックで設定した燃料利用率７５％を超えない７５％以下を良とした。その結果、有効電極面積の比ｒｂが０．９０の場合と、１．１０の場合の判定を不可とした。有効電極面積の比ｒｂが０．９０の場合について判定を不可としたのは、発電効率が６０％を下回ると共に、第１セルスタック１１の燃料利用率が７５％を超えているためである。また、有効電極面積の比ｒｂが１．１０の場合について判定を不可としたのは、第２セルスタック１２の燃料利用率が７５％を超えているためである。
なお、カスケード型の燃料電池において特定のセルスタックでの燃料利用率が過大、即ちカスケード型の燃料電池において特定のセルスタックと他のセルスタックとの燃料利用率のバランスが偏ると、燃料利用率が大きいセルスタックの負荷が過大となり、電極寿命が低下する。この観点から本実施形態では燃料利用率の上限を、単独セルスタックで構成される燃料電池で通常採用される７５％と同等の値に設定している。

表１において判定が良となる有効電極面積の比ｒｂが０．９５〜１．０５のとき、発電効率（システムＡＣ換算効率）が、６１〜６２％（ＬＨＶ）と最大となった。発電効率が５５％の単独セルスタックに、本実施形態の技術を適用することにより、発電効率が約６２％にまで向上し得ることがわかった。これは、表２に示される比較例の発電効率に対しても遜色ない数値である。

表２に示される比較例では、第２セルスタックの１セルあたりの電圧は０．８００Ｖであり、第１セルスタックよりも低くなる。１セルあたりの電圧が低くなると燃料極中のニッケルが酸化されて劣化するリスクが高まり、逆に１セルあたりの電圧が高くなるとそのリスクが低くなる。これに対し、表１において、有効電極面積の比ｒｂが０．９５〜１．０５のとき、第２セルスタック１２の１セルあたりの電圧（各セルスタックは電気的に並列に接続されているから、第１セルスタック１１および第２セルスタック１２の燃料電池セル２６（図２参照）の積層段数が等しい場合は、第２セルスタック１２の１セルあたりの電圧＝第１セルスタック１１の１セルあたりの電圧／ｒｂで計算される）は、０．８００〜０．８８５であり、比較例と同等、あるいはより高くなっている。特にｒｂ＝０．９５〜１．００では下流側に配置された第２セルスタック１２の１セルあたりの電圧は大幅に改善される。従って、第２セルスタック１２において、燃料極中のニッケルの酸化による劣化が抑制され、長期耐久性が確保される。

このように、本実施形態では、シンプルな構成で、６２％（ＬＨＶ）の高発電効率と長期耐久性を両立させることができる。また、本実施形態は、業務用ＳＯＦＣ、家庭用ＳＯＦＣに適用可能である。一般に燃料電池システムでは発電の際にセルスタックで発生する熱により温水を生成することで総合的なエネルギー効率を向上させているが、発電効率を６２％程度まで向上させることで、熱利用を必要としない超高効率モノジェネレーションシステムの開発が可能となり、市場が大幅に拡大する。

［第２実施形態］
図３、図４において、本実施形態に係る燃料電池システム２０は、複数の燃料電池として、第３セルスタックと、流路１４における第３セルスタックの下流側に位置する第１セルスタック１１と、第１セルスタック１１の下流側に位置する第２セルスタック１２とを有している。図中、第３セルスタック１３は「Ｃｅｌｌ Ｓｔａｃｋ−Ｃ」とも表記される。第３セルスタック１３は、例えば固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）であり、燃料電池セル２６が電気的に直列に積層されて構成されている。

第３セルスタック１３は、第１セルスタック１１の上流側に位置しており、第３セルスタック１３、第１セルスタック１１及び第２セルスタック１２は、流路１４に直列に接続されている。つまり、本実施形態には、三段構成のカスケード型の燃料電池が用いられている。

流路１４は、流路１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃを有している。流路１４Ａは、第３セルスタック１３で使用されなかった燃料を第１セルスタック１１に供給するための配管である。流路１４Ｃは、第３セルスタック１３に燃料を供給するための配管である。流路１４Ｃには、原料ガスを水蒸気改質するための改質器３４（図４）が設けられている。また、第３セルスタック１３と第１セルスタック１１の間の流路１４Ａに対しては、改質器２４において水蒸気改質された燃料が追加供給されるようになっている。流路１４Ｂについては第１実施形態と同様である。

第３セルスタック１３、第１セルスタック１１及び第２セルスタック１２は、電気配線１６，１８に並列に接続されている。図４に示されるように、第３セルスタック１３、第１セルスタック１１及び第２セルスタック１２は、例えば一体的にモジュール化されており、第３セルスタック１３と第１セルスタック１１の境界では、例えば陰極２８が共通化されている。この陰極２８は、電気配線１８に接続されている。第３セルスタック１３において、電気配線１６に接続される陽極（図示せず）は、燃料電池セル２６の積層方向における陰極２８と反対側に設けられている。

また、第１セルスタック１１と第２セルスタック１２の境界では、陽極３０が共通化されている。この陽極３０は、電気配線１６に接続されている。第２セルスタック１２において、電気配線１８に接続される陰極（図示せず）は、燃料電池セル２６の積層方向における陽極３０と反対側に設けられている。

他の部分については、第１実施形態と同様であるので、同一の部分には図面に同一の符号を付し、説明を省略する。

（作用）
本実施形態は、上記のように構成されており、以下その作用について説明する。図３、図４において、本実施形態に係る燃料電池システム２０では、改質器３４で水蒸気改質された燃料が、流路１４Ｃを通じて第３セルスタック１３に供給される。これにより、第３セルスタック１３において発電が行われる。第３セルスタック１３で利用されなかった燃料は、流路１４Ａを通じて第１セルスタック１１に供給される。これにより、第１セルスタック１１において発電が行われる。第１セルスタック１１で利用されなかった燃料は、流路１４Ｂを通じて第２セルスタック１２に供給される。これにより、第２セルスタック１２において発電が行われる。

このように本実施形態では、燃料電池が３つのセルスタック（第３セルスタック１３、第１セルスタック１１及び第２セルスタック１２）を有しているので、発電効率を更に高めることができる。また、第３セルスタックとその下流側の第１セルスタックとの間の流路１４に、改質器２４で水蒸気改質された燃料が追加供給されるので、該第１セルスタック１１の更に下流側の第２セルスタック１２に供給される燃料濃度が極端に低下することがなく、燃料電池セル２６の電圧を高めて（引き上げて）、燃料極の劣化を抑制し、長期耐久性を確保することができる。このため、３つのセルスタックにより発電効率を更に高めつつ、長期耐久性を確保することができる。

発電された電力は、電気配線１６，１８により取り出される。本実施形態では、第３セルスタック１３、第１セルスタック１１及び第２セルスタック１２が、電気配線１６，１８によって並列に接続されている。従って、第１セルスタック１１で燃料が消費されて第２セルスタック１２に供給される燃料の濃度が薄くなっても、第２セルスタック１２のセル電圧が低くなることを抑制できる。また、仮に第３セルスタック１３と第１セルスタック１１との間で改質器２４から供給される燃料の濃度が薄いものであったとしても、下流側の第１セルスタック１１及び第２セルスタック１２の燃料電池セル２６の電圧が低くなることを抑制できる。これにより、下流側の第１セルスタック１１及び第２セルスタック１２の燃料極の劣化を抑制し、長期耐久性を確保することができる。このため、シンプルな構成で、高発電効率と長期耐久性を両立させることができる。

［他の実施形態］
以上、本発明の一例について説明したが、本発明の実施形態は、上記に限定されるものでなく、上記以外にも、その主旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施可能であることは勿論である。

第１セルスタック１１、第２セルスタック１２及び第３セルスタック１３が、何れも燃料電池セル２６を電気的に直列に積層して構成されるものとしたが、各々の燃料電池セルスタックが単層の燃料電池（即ち、１セル）で構成されていてもよい。

第１実施形態において、第１セルスタック１１に対する第２セルスタック１２の有効電極面積の比ｒｂが、０．９５〜１．０５であるものとしたが、必ずしも数値範囲はこれに限られるものではない。

第２実施形態において、第３セルスタック１３と第１セルスタック１１の間の流路１４Ａに対して、燃料が追加供給されるものとしたが、燃料の追記供給を行わない構成であってもよい。

１０…燃料電池システム、１１…第１セルスタック（燃料電池）、１２…第２セルスタック（燃料電池）、１３…第３セルスタック（燃料電池）、１４…流路、１６…電気配線、１８…電気配線、２０…燃料電池システム、ｒｂ…有効電極面積の比

Claims (3)

1. 燃料を用いて各々が発電を行い、互いに積層されて一体的にモジュール化された、第１セルスタック及び第２セルスタックと、
   前記第１セルスタック及び前記第２セルスタックに直列に前記燃料を供給する流路と、
   前記第１セルスタックと前記第２セルスタックとの境界で共通化された陰極と、前記第１セルスタックと前記第２セルスタックの各々について前記陰極と積層方向の反対側に設けられた陽極に、前記第１セルスタックと前記第２セルスタックが並列になるように各々接続され、前記第１セルスタック及び前記第２セルスタックで発電された電力を取り出す電気配線と、を有する燃料電池システム。
2. 燃料を用いて発電を行う複数の燃料電池と、
   前記複数の燃料電池に直列に前記燃料を供給する流路と、
   前記複数の燃料電池の電極に、前記複数の燃料電池が並列になるように接続され、前記複数の燃料電池で発電された電力を取り出す電気配線と、
   を有し、
   前記複数の燃料電池として、第３セルスタックと、前記流路における前記第３セルスタックの下流側に位置する第１セルスタックと、前記第１セルスタックの下流側に位置する第２セルスタックとを有し、
   前記第３セルスタックと前記第１セルスタックの間の前記流路に対して、燃料が追加供給される、燃料電池システム。
3. 前記第１セルスタック、前記第２セルスタック、及び前記第３セルスタックは、前記第３セルスタック、前記第１セルスタック、前記第２セルスタックの順に積層されて一体的にモジュール化され、
   前記第３セルスタックと前記第１セルスタックとの境界で陰極が共通化され、前記第３セルスタックの陽極は前記陰極と積層方向の反対側に設けられ、
   前記第１セルスタックと前記第２セルスタックとの境界で陽極が共通化され、前記第２セルスタックの陰極は、前記第１セルスタックの積層方向の反対側に設けられている、請求項２に記載の燃料電池システム。

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