CN101432911A - 发电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种发电装置，其具备单元主体和二次发电器件。单元主体具有：电解质体、燃料极及空气极。二次发电器件与燃料极及空气极中的至少一个接合且具有P型热电转换部件和N型热电转换部件。在该发电装置中，除利用单元主体进行发电之外，在发电起始温度以上的温度下，使单元主体进行发电时，与单元主体接合的P型热电转换部件和N型热电转换部件形成热电偶，利用塞贝克效应产生电力。

Description

发电装置
技术领域
本发明涉及一种可以有效利用用于使燃料电池单元工作的热能的发电装置。
背景技术
作为可抑制二氧化碳排放的能量源，氢燃料电池正受到关注。在氢燃料电池中，将燃料极和空气极与电解质体接合的燃料电池单元主体(单元主体)例如通过利用外部加热器等进行加热而维持在规定的发电起始温度以上，并且，通过供给燃料气体等进行发电。
固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell：SOFC)具备将燃料极(氢电极)和空气极(氧电极)与由固体氧化物构成的电解质接合(形成)的固体氧化物燃料电池单元主体。该固体氧化物燃料电池通过向上述燃料电池单元主体中供给燃料气体和空气等而产生电力。
根据2005年1月15日日本株式会社オ—ム社发行的由电气学会/燃料电池发电下一代系统技术调查专业委员会编撰的、第一版第三次印刷的《燃料电池技术(燃料電池の技術)》(以下称“文献1”)的第183页至230页的记载，已知上述固体氧化物燃料电池具有多种优点。
即，固体氧化物燃料电池可得到高输出，不仅氢气可作为燃料使用，而且含有大量一氧化碳的气体也可以作为燃料使用。另外，由于固体氧化物燃料电池在高温下进行工作，因而不需要使用昂贵的铂催化剂，而可以采用内部改性方法。再者，因为可以利用来自上述燃料电池单元主体的热量，由甲烷等燃料生成电池反应所需要的氢或一氧化碳，因此可以实现具备固体氧化物燃料电池的装置的小型化和高效率。
根据上述文献1等可知，这样的固体氧化物燃料电池，通常是一种用隔板隔开燃料极和空气极，将燃料气体供给到燃料极，并且将空气等供给到空气极的双室型固体氧化物燃料电池。
另一方面，还已知有如下的单室型固体氧化物燃料电池：不用隔板隔开燃料极和空气极，而是将燃料电池单元主体配置于氢或甲烷等燃料气体和空气等混合的气体环境内并可以进行发电。
这样的单室型固体氧化物燃料电池例如已经在日本特开2002-280015号公报、日本特开2002-280017号公报以及日本特开2002-313357号公报中进行了公开。
但是，燃料电池由于释放热能而产生能量损失。因此，特别是在高温环境下工作(发电)的固体氧化物燃料电池中，发电效率降低是不可否认的。另外，燃料极及空气极的反应热量(热能)不能被有效利用而导致释放到外部也是不可否认的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种发电装置用于解决这样的课题，其可以有效利用使燃料电池工作的热能和优选的反应热量，且可以实现高发电效率。
为了实现上述目的，本发明的发电装置，其特征在于，具备：单元主体，其具有电解质体、燃料极和空气极；二次发电机构，其与所述燃料极及空气极中的至少一个接合且具有P型热电转换部件和N型热电转换部件。
在具有上述结构的发电装置中，除利用单元主体进行发电之外，还可以使与在高温环境下进行发电的单元主体接合的P型热电转换部件和N型热电转换部件形成热电偶，构成二次发电机构，利用塞贝克效应得到电力。因此，可以提高发电效率。
另外，由于将与P型热电转换部件和N型热电转换部件接合的燃料极或者空气极中的反应热量，也利用塞贝克效应转换为电力，因而可以实现更高的发电效率。
也可以将所述N型热电转换部件与所述单元主体的所述燃料极接合，将所述P型热电转换部件与所述单元主体的所述空气极接合。
通过构成上述结构，不经由绝缘层即可将燃料极及空气极中的反应热量有效传递到二次发电机构，可以进一步提高塞贝克效应的发电效率。
再者，由于将单元主体设于形成热电偶的P型热电转换部件和N型热电转换部件之间，因此可以将塞贝克效应的发电电压与单元主体的发电电压加在一起的电压供给到外部。
所述二次发电机构也可以具备配置在其与所述单元主体相接合的接合部分的电绝缘层。
此时，由于利用电绝缘层使二次发电机构与单元主体电绝缘，因此可以适当地串联或者并联连接单元主体和二次发电机构，从而得到期望的发电电压。
所述P型热电转换部件经由第一电绝缘层与所述单元主体的所述燃料极接合，所述N型热电转换部件经由第二绝缘层与所述单元主体的所述空气极接合，所述二次发电机构还可以具有导电部件，该导电部件将面向所述第一绝缘层的所述P型热电转换部件的电极和面向所述第二绝缘层的所述N型热电转换部件的电极导通。
此时，由于可以将燃料极及空气极的反应热量分别传递给P型热电转换部件和N型热电转换部件，因此塞贝克效应的发电效率提高。
或者，也可以将所述N型热电转换部件及P型热电转换部件分开配置于所述绝缘层，所述二次发电机构还可以具有将面向所述绝缘层的所述P型热电转换部件及N型热电转换部件的电极导通的导电部件。
通过构成上述结构，由于在高温气体环境中可以最优化单元主体和P型热电转换部件、N型热电转换部件的配置，因此可以实现发电效率的进一步提高。
在如上所述的发电装置的所有构成中，也可以使所述单元主体构成固体氧化物燃料电池的一部分。此时，二次发电机构补充在高温环境下进行发电的固体氧化物燃料电池的单元主体，从而可以得到更多的电力，发电效率进一步提高。
另外，为了实现上述目的，本发明的发电装置，其特征在于，具备：单元主体，其具有电解质体、燃料极和空气极；二次发电机构，其具有P型热电转换部件和N型热电转换部件，所述P型热电转换部件兼用作所述单元主体的所述空气极。
在具有上述结构的发电装置中，由于空气极的反应热量直接传递给P型热电转换部件，因此，塞贝克效应的发电效率更高。另外，通过使热电转换部件和单元主体的一部分通用，从而可以减少发电装置的构成要素。
其结果是，可以提高发电装置的发电效率，并且可以实现发电装置的简单化和成本的降低。
再者，所述N型热电转换部件也可以兼用作所述单元主体的所述燃料极。
此时，燃料极和空气极的反应热量都直接传递给二次发电机构，塞贝克效应的发电效率更高。另外，通过使单元主体和热电转换部件通用，可以实现发电装置的简单化和成本的降低。并且，可以将二次发电机构的输出电压与单元主体的输出电压加在一起输出。
如上所述，根据本发明的发电装置，使单元主体进行发电，并且，可以将未用于发电而作为废热释放到外部的热能用于发电。另外，由于利用P型热电转换部件及N型热电转换部件，通过塞贝克效应将单元主体的燃料极或空气极的反应热量转换成电力，因此，可以进一步提高作为使用燃料电池的发电装置的效率。
附图说明
图1是表示本发明第一实施方式的发电装置的剖面概略结构的图；
图2是表示在第一实施方式中进一步经由电绝缘层将P型热电转换部件和N型热电转换部件与燃料极接合的发电装置的剖面概略结构的图；
图3是表示第一实施方式的变形例的发电装置的剖面概略结构的图；
图4是表示本发明第二实施方式的发电装置的剖面概略结构的图；
图5是表示本发明第三实施方式的发电装置的剖面概略结构的图；
图6是表示本发明第四实施方式的发电装置的剖面概略结构的图；
图7是表示第四实施方式的变形例的发电装置的剖面概略结构的图。
具体实施方式
下面，参照附图说明本发明的实施方式。
(第一实施方式)
基于图1及图2说明本发明第一实施方式的发电装置。
图1表示本发明第一实施方式的发电装置的剖面概略结构。在第一实施方式中，作为发电装置的燃料电池单元主体(以下称为“单元主体”)，使用固体氧化物燃料电池单元主体(单室型)。
首先，对发电装置的构成说明如下。
如图1所示，发电装置10具有：气体流路11、单元主体20以及二次发电器件(二次发电机构)30。单元主体20收纳于气体流路11中而构成单室型固体氧化物燃料电池的一部分。在发电装置10中，将例如由CHx(碳氢化合物)及COx(碳氧化物)组成的燃料气体与空气等进行了混合的混合燃料气体被加热到单元主体20开始发电的温度(发电起始温度)以上，从发电装置10的外部导入到气体流路11中。该发电起始温度例如为摄氏500度～1000度。
在单元主体20中，燃料极22与固体氧化物电解质体21的一个面接合，空气极23与另一个面接合。另外，为了将单元主体20发出的电力输出到外部，在燃料极22的、与固体氧化物电解质体21接合面的相反侧的面上接合有燃料极电极24，另外，在空气极23的、与固体氧化物电解质体21的接合面的相反则的面上接合有空气极电极25。而且，燃料极电极24通过导体24a，空气极电极25通过导体25a分别与气体流路11的外部相连接。
固体氧化物电解质体21例如可以利用8mol-YSZ(氧化钇稳定化氧化锆)、5mol-YSZ、SDC(氧化钪掺杂二氧化铈)、GDC(钆掺杂二氧化铈)、或者ScSZ(氧化钪稳定化氧化锆)等形成。燃料极22例如可以利用NiO+YSZ、NiO+SDC、NiO+GDC、LSCM(ランタンストロンチウムコバルトマンガナイト：锰酸镧锶结合钴酸锶镧)或者FeO3等形成。空气极23例如可以利用LSM(ランタンストロンチウムマンガナイト：锰酸镧锶)或LSC(ランタンストロンチウムコバルタイト：钴酸锶镧)等形成。
二次发电器件30具有P型热电转换部件31和N型热电转换部件32。P型热电转换部件31的一端侧和N型热电转换部件32的一端侧在燃料极电极24上彼此接合。这样接合的P型热电转换部件31和N型热电转换部件32，经由燃料极电极24与燃料极22相接，从而形成热电偶的高温侧触点。
另一方面，在位于气体流路11外部的P型热电转换部件31的另一端接合有P部件电极31a，同样地，在位于气体流路11外部的N型热电转换部件32的另一端侧接合有N部件电极32a。
另外，P型热电转换部件31例如可以用铬镍合金等形成，N型热电转换部件32例如可以用康铜等形成。
其次，发电装置10的作用说明如下。
在发电装置10中，若来自外部的、被加热到发电起始温度以上的混合燃料气体从气体流路11的图1中的左侧向右侧导入，则单元主体20被加热到发电起始温度以上的温度，作为燃料电池进行工作。
即，被加热的单元主体20的空气极23利用混合燃料气体中的空气生成氧离子(O2-)。该氧离子在固体氧化物电解质体21内移动到燃料极22，单元主体20产生电力。另外，移动的氧离子在燃料极22与混合燃料气体所含有的CHx或COx进行反应，生成二氧化碳(CO2)或水(H2O)。P型热电转换部件31和N型热电转换部件32被混合燃料气体所具有的热能和燃料极22的上述反应热量加热，利用塞贝克效应产生电力。
这样，由于发电装置10作为单室型固体氧化物燃料电池产生电力，并且，可通过塞贝克效应产生电力，因此，可得到高的发电效率。
另外，由于在空气极23也产生反应热量，因此，既可以将二次发电器件与空气极23接合，也可以将二次发电器件与燃料极22及空气极23都接合。
如图2所示，也可以经由电绝缘层40，将构成二次发电器件30的P型热电转换部件31和N型热电转换部件32与燃料极22和空气极23的任一个或者双方都接合。这样，在使用电绝缘层40的情况下，由于二次发电器件30和单元主体20被电绝缘，因此，通过适当地串联或者并联连接单元主体20和二次发电器件30，从而可以得到期望的发电电压。
图3表示第一实施方式的变形例的发电装置的剖面概略结构。另外，对于与第一实施方式具有同样功能的构成要素标注同样的附图标记，省略其说明。
在第一实施方式的变形例的发电装置10a中，构成二次发电器件30的P型热电转换部件31和N型热电转换部件32经由电绝缘层40与燃料极22的燃料极电极24接合。P型热电转换部件31和N型热电转换部件32在电绝缘层40上分开，P型热电转换部件31的一端侧和N型热电转换部件32的一端侧经由导电部件33彼此连接。
在发电装置10a中，由于P型热电转换部件31和N型热电转换部件32在电绝缘层40上分开，因此可以将P型热电转换部件31和N型热电转换部件32配置于能够有效利用单元主体20的反应热量的位置。另外，可以将P型热电转换部件31和N型热电转换部件32配置于能够从在单元主体20附近流动的混合燃料气体有效吸收热能的位置。因此，能够进一步提高发电装置10a的发电效率。
(第二实施方式)
图4表示本发明第二实施方式的发电装置的剖面概略结构。另外，对于与上述各实施方式具有同样功能的构成要素分别标注同样的附图标记，省略其说明。
在发电装置10b中，P型热电转换部件31经由第一电绝缘层40与燃料极22的燃料极电极24接合，N型热电转换部件32经由第二电绝缘层41与空气极23的空气极电极25接合。这些P型热电转换部件31和N型热电转换部件32构成二次发电器件(二次发电机构)30。
在面向第一电绝缘层40的P型热电转换部件31的一端侧，形成有P型热电转换部件的电极即第二P部件电极31b。另外，在面向第二电绝缘层41的N型热电转换部件32的一端侧，形成有N型热电转换部件的电极即第二N部件电极32b。第二P部件电极31b和第二N部件电极32b通过导电部件33电连接。
在发电装置10b中，若将被加热到发电起始温度以上的混合燃料气体从发电装置10b的外部导入到气体流路11中，则燃料电池单元主体(以下称为“单元主体”)20被加热到发电起始温度以上的温度而作为燃料电池进行工作。
P型热电转换部件31和N型热电转换部件32被混合燃料气体具有的热能加热。除进行这样的加热之外，P型热电转换部件31也可被燃料极22的反应热量加热，N型热电转换部件32也可被空气极23的反应热量加热，因此，塞贝克效应的发电效率更高。
这样，发电装置10b作为单室型固体燃料电池产生电力，并且，利用塞贝克效应产生电力，从而可以进一步提高其发电效率。
另外，在发电装置10b中，由于二次发电器件30和单元主体20电绝缘，因此，通过适当地串联或者并联连接单元主体20和二次发电器件30，从而可以得到期望的发电电压。
(第三实施方式)
图5表示本发明第三实施方式的发电装置的剖面概略结构。另外，对于与上述各实施方式具有同样功能的构成要素分别标注同样的附图标记，省略其说明。
在发电装置10c中，P型热电转换部件31与空气极23直接接合，N型热电转换部件32与燃料极22直接接合。P型热电转换部件31和N型热电转换部件32构成二次发电器件(二次发电机构)30。即，二次发电器件30的P型热电转换部件31和N型热电转换部件32经由燃料电池单元主体(以下称为“单元主体”)20电连接。
在发电装置10c中，若将被加热到发电起始温度以上的混合燃料气体从发电装置10c的外部导入到气体流路11中，则单元主体20被加热到发电起始温度以上的温度而作为燃料电池进行工作。
P型热电转换部件31和N型热电转换部件32被混合燃料气体具有的热能加热。除进行这样的加热之外，P型热电转换部件31也可被空气极23的反应热量加热，N型热电转换部件32也可被燃料极22的反应热量加热。其结果是，构成二次发电器件30的P型热电转换部件31和N型热电转换部件32利用塞贝克效应产生电力。
这样，发电装置10c作为单室型固体燃料电池产生电力，并且，可以利用塞贝克效应更有效地产生电力，因此可以进一步提高其发电效率。
另外，在发电装置10c中，由于二次发电器件30的P型热电转换部件31和N型热电转换部件32经由单元主体20电连接，因而单元主体20和二次发电器件30电串联连接。因此，将二次发电器件30的发电电压与单元主体20的发电电压加在一起的电压，输出到第一P部件电极31a和第一N部件电极32a之间。
(第四实施方式)
图6表示本发明第四实施方式的发电装置的剖面概略结构。另外，对于与上述各实施方式具有同样功能的构成要素分别标注同样的附图标记，省略其说明。
在发电装置10d的燃料电池单元主体(以下称为“单元主体”)20a中，燃料极22与固体氧化物电解质体21的一个面接合，N型热电转换部件32经由燃料极电极24与燃料极22接合。在固体氧化物电解质体21的另一个面上，接合有也作为空气极起作用的P型热电转换部件31。即，单元主体20a具有：固体氧化物电解质体21、燃料极、也作为空气极起作用的P型热电转换部件31。另外，构成二次发电器件(二次发电机构)30的P型热电转换部件31和N型热电转换部件32，经由固体氧化物电解质体21、燃料极22及燃料极电极24电连接。
在发电装置10d中，若将被加热到发电起始温度以上的混合燃料气体从发电装置10d的外部导入到气体流路11中，则单元主体20a被加热到发电起始温度以上而作为燃料电池进行工作。
P型热电转换部件31及N型热电转换部件32被混合燃料气体具有的热能加热。此时，由于P型热电转换部件31作为空气极进行反应，因而也可被其反应热量加热。其结果是，构成二次发电器件30的P型热电转换部件31和N型热电转换部件32利用塞贝克效应产生电力。
这样，由于发电装置10d作为单室型固体燃料电池产生电力，并且，可以利用塞贝克效应产生电力，因而可以提高发电效率。另外，在发电装置10d中，由于P型热电转换部件31作为空气极进行反应，因而可以将其反应热量更有效地用于发电。
图7表示第四实施方式的变形例的发电装置的剖面概略结构。另外，对于与上述各实施方式具有同样功能的构成要素分别标注同样的附图标记，省略其说明。
在发电装置10e的燃料电池单元主体(以下称为“单元主体”)20b中，在固体氧化物电解质体21的一个面上，接合有也作为燃料极起作用的N型热电转换部件32。在固体氧化物电解质体21的另一个面上，接合有也作为空气极起作用的P型热电转换部件31。即，单元主体20b具有：固体氧化物电解质体21、也作为空气极起作用的P型热电转换部件31、以及也作为燃料极起作用的N型热电转换部件32。另外，将构成二次发电器件(二次发电机构)30的N型热电转换部件32和P型热电转换部件31经由固体氧化物电解质体21电连接。
在发电装置10e中，若将被加热到发电起始温度以上的混合燃料气体从发电装置10e的外部导入到气体流路11中，则单元主体20b被加热到发电起始温度以上而作为燃料电池进行工作。另外，P型热电转换部件31和N型热电转换部件32被混合燃料气体具有的热能加热，并且，都可被燃料电池的反应热量加热。其结果是，构成二次发电器件30的P型热电转换部件31和N型热电转换部件32利用塞贝克效应产生电力。这样，在发电装置10e中，由于P型热电转换部件31和N型热电转换部件32被反应热量直接加热，因而其发电效率更高。
以上说明了关于本发明的实施方式，但本发明的发电装置不限于上述实施方式所示的装置。
即，本发明的发电装置只要具备燃料电池单元主体，且可利用燃料电池单元主体中的燃料极或空气极的反应热量即可，电解质体不限于固体氧化物电解质体。另外，由燃料电池单元主体构成的燃料电池的形式也不限于单室型燃料电池。本发明的发电装置也可以具有多个燃料电池单元主体。
另外，作为混合燃料气体，只要使用具有发电起始温度以上温度的、被排出的内燃机或外燃机的燃烧废气，燃料电池单元主体即可被高温的燃烧废气加热并产生电力。而且，由于可以利用燃烧废气的热能、和燃料极及空气极的任一个或者双方的反应产生的热量使二次发电器件产生电力，因此，可以提高其发电效率。另外，由于从燃烧废气所包含的碳氢化合物(CHx)或碳氧化物(COx)生成二氧化碳(CO2)或水(H2O)，故可以对燃烧废气进行净化。因此，若将本发明的发电装置应用于汽车等，则可以使用燃烧废气进行发电，可以节省油耗并净化燃烧废气。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1、一种发电装置，具备：
单元主体，其具有电解质体、燃料极和空气极；
二次发电机构，其与所述燃料极及空气极中的至少一个接合，且具有P型热电转换部件和N型热电转换部件，其特征在于，
所述N型热电转换部件仅与所述单元主体的所述燃料极及空气极中的所述燃料极接合，所述P型热电转换部件仅与所述单元主体的所述燃料极及空气极中的所述空气极接合。
2、一种发电装置，具备：
单元主体，其具有电解质体、燃料极和空气极；
二次发电机构，其与所述燃料极及空气极中的至少一个接合，且具有P型热电转换部件和N型热电转换部件，其特征在于，
所述二次发电机构还具备配置在其与所述单元主体相接合的接合部分的电绝缘层。
3、如权利要求2所述的发电装置，其特征在于，
所述P型热电转换部件经由第一电绝缘层与所述单元主体的所述燃料极接合，
所述N型热电转换部件经由第二电绝缘层与所述单元主体的所述空气极接合，
所述二次发电机构还具备导电部件，该导电部件将面向所述第一绝缘层的所述P型热电转换部件的电极和面向所述第二绝缘层的所述N型热电转换部件的电极导通。
4、如权利要求2所述的发电装置，其特征在于，
所述N型热电转换部件及P型热电转换部件彼此分开配置于所述绝缘层，
所述二次发电机构还具备将面向所述绝缘层的所述P型热电转换部件及N型热电转换部件的电极导通的导电部件。
5、如权利要求1～4中任一项所述的发电装置，其特征在于，
所述单元主体构成固体氧化物燃料电池的一部分。

Claims (8)

1、一种发电装置，其特征在于，具备：
单元主体，其具有电解质体、燃料极和空气极；
二次发电机构，其与所述燃料极及空气极中的至少一个接合，且具有P型热电转换部件和N型热电转换部件。
2、如权利要求1所述的发电装置，其特征在于，
所述N型热电转换部件与所述单元主体的所述燃料极接合，所述P型热电转换部件与所述单元主体的所述空气极接合。
3、如权利要求1所述的发电装置，其特征在于，
所述二次发电机构还具备配置在其与所述单元主体相接合的接合部分的电绝缘层。
4、如权利要求3所述的发电装置，其特征在于，
所述P型热电转换部件经由第一电绝缘层与所述单元主体的所述燃料极接合，
所述N型热电转换部件经由第二电绝缘层与所述单元主体的所述空气极接合，
所述二次发电机构还具备导电部件，该导电部件将面向所述第一绝缘层的所述P型热电转换部件的电极和面向所述第二绝缘层的所述N型热电转换部件的电极导通。
5、如权利要求3所述的发电装置，其特征在于，
所述N型热电转换部件及P型热电转换部件分开配置于所述绝缘层，
所述二次发电机构还具备将面向所述绝缘层的所述P型热电转换部件及N型热电转换部件的电极导通的导电部件。
6、如权利要求1～5中任一项所述的发电装置，其特征在于，
所述单元主体构成固体氧化物燃料电池的一部分。
7、一种发电装置，其特征在于，具备：
单元主体，其具有电解质体、燃料极和空气极；
二次发电机构，其具有P型热电转换部件和N型热电转换部件；其中，
所述P型热电转换部件兼用作所述单元主体的所述空气极。
8、如权利要求7所述的发电装置，其特征在于，
所述N型热电转换部件兼用作所述单元主体的所述燃料极。
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