JP2002358989A

JP2002358989A - 燃料電池のガス予熱装置

Info

Publication number: JP2002358989A
Application number: JP2001166039A
Authority: JP
Inventors: Jun Akikusa; 順秋草; Koji Hoshino; 孝二星野; Kiichi Komada; 紀一駒田
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2001-06-01
Filing date: 2001-06-01
Publication date: 2002-12-13

Abstract

(57)【要約】【課題】予熱管の熱交換効率を高める。【解決手段】燃料電池の発電部に対して燃料ガスを供
給する燃料ガス供給管の一部区間を、外部からの熱で中
を流れる燃料ガスを予熱する予熱管３１として使用す
る。予熱管３１の管壁外周及び管壁内周には多孔質金属
板３２が巻き付いている。多孔質金属板３２は、厚さ方
向に連続的に密から粗に組成の変化する傾斜組成を有す
るもので、管壁との接触面側に気孔の小さな密の層、反
対の表面側に気孔の大きな粗の層を向けて、予熱管３１
に巻き付いている。管壁内周に巻き付いている多孔質金
属板には、燃料ガスの改質触媒が担持させられている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池のガス予
熱装置に関する。

【０００２】酸化物イオン伝導体からなる固体電解質層
を空気極層と燃料極層との間に挟んだ積層構造を持つ固
体電解質型燃料電池は、第三世代の発電用燃料電池とし
て開発が進んでいる。固体電解質型燃料電池では、空気
極側に酸素（空気）が、燃料極側には燃料ガス
（Ｈ_２、ＣＯ等）が供給される。空気極と燃料極は、
ガスが固体電解質との界面に到達することができるよう
に、いずれも多孔質とされている。

【０００３】空気極側に供給された酸素は、空気極層内
の気孔を通って固体電解質層との界面近傍に到達し、こ
の部分で、空気極から電子を受け取って酸化物イオン
（Ｏ^２ ⁻）にイオン化される。この酸化物イオンは、燃
料極の方向に向かって固体電解質層内を拡散移動する。
燃料極との界面近傍に到達した酸化物イオンは、この部
分で、燃料ガスと反応して反応生成物（Ｈ_２Ｏ、ＣＯ_２
等）を生じ、燃料極に電子を放出する。

【０００４】燃料に水素を用いた場合の電極反応は次の
ようになる。空気極：１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻ → Ｏ^２− 燃料極：Ｈ_２＋Ｏ^２− → Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻ 全体：Ｈ_２＋１／２Ｏ_２ → Ｈ_２Ｏ

【０００５】固体電解質層は、酸化物イオンの移動媒体
であると同時に、燃料ガスと空気を直接接触させないた
めの隔壁としても機能するので、ガス不透過性の緻密な
構造となっている。この固体電解質層は、酸化物イオン
伝導性が高く、空気極側の酸化性雰囲気から燃料極側の
還元性雰囲気までの条件下で化学的に安定で、熱衝撃に
強い材料から構成する必要があり、かかる要件を満たす
材料として、イットリアを添加した安定化ジルコニア
（ＹＳＺ）が一般的に使用されている。

【０００６】一方、電極である空気極（カソード）層と
燃料極（アノード）層はいずれも電子伝導性の高い材料
から構成する必要がある。空気極材料は、７００℃前後
の高温の酸化性雰囲気中で化学的に安定でなければなら
ないため、金属は不適当であり、電子伝導性を持つペロ
ブスカイト型酸化物材料、具体的にはＬａＭｎＯ_３もし
くはＬａＣｏＯ_３、または、これらのＬａの一部をＳ
ｒ、Ｃａ等に置換した固溶体が一般に使用されている。
また、燃料極材料は、Ｎｉ、Ｃｏなどの金属、或いはＮ
ｉ−ＹＳＺ、Ｃｏ−ＹＳＺなどのサーメットが一般的で
ある。

【０００７】固体酸化物型燃料電池には、１０００℃前
後の高温で作動させる高温作動型のものと、７００℃前
後の低温で作動させる低温作動型のものとがある。低温
作動型の固体酸化物型燃料電池は、例えば電解質である
イットリアを添加した安定化ジルコニア（ＹＳＺ）の厚
さを１０μｍ程度まで薄膜化して、電解質の抵抗を低く
して、低温でも燃料電池として発電するように改良され
た発電セルを使用する。

【０００８】高温の固体酸化物型燃料電池では、セパレ
ータには、例えばランタンクロマイト（ＬａＣｒ
Ｏ_３）等の電子伝導性を有するセラミックスが用いら
れるが、低温作動型の固体酸化物燃料電池では、ステン
レス等の金属材料を使用することができる。

【０００９】また、固体酸化物型燃料電池の構造には、
円筒型、モノリス型、及び平板積層型の３種類が提案さ
れている。それらの構造のうち、低温作動型の固体酸化
物型燃料電池には、金属のセパレータを使用できること
から、金属のセパレータに形状付与しやすい平板積層型
の構造が適している。

【００１０】平板積層型の固体電解質型燃料電池のスタ
ックは、発電セル、集電体、セパレータを交互に積層し
た構造を持つ。一対のセパレータが発電セルを両面から
挟んで、一方は空気極集電体を介して空気極と、他方は
燃料極集電体を介して燃料極と接している。燃料集電体
には、Ｎｉ基合金等のスポンジ状の多孔質体を使用する
ことができ、空気極集電体には、Ａｇ基合金等の同じく
スポンジ状の多孔質体を使用することができる。スポン
ジ状多孔質体は、集電機能、ガス透過機能、均一ガス拡
散機能、クッション機能、熱膨脹差吸収機能等を兼ね備
えるので、多機能の集電体材料として適している。

【００１１】セパレータは、発電セル間を電気接続する
と共に、発電セルに対してガスを供給する機能を有する
もので、燃料ガスをセパレータ外周面から導入してセパ
レータの燃料極層に対向する面から吐出させる燃料通路
と、酸化剤ガスをセパレータ外周面から導入してセパレ
ータの酸化剤極層に対向する面から吐出させる酸化剤通
路とをそれぞれ有している。

【００１２】一方、燃料電池スタックの側方には、各セ
パレータの燃料通路に接続管を通して燃料ガスを供給す
る燃料用マニホールド（燃料用ディストリビュータ）
と、各セパレータの酸化剤通路に接続管を通して酸化剤
ガスを供給する酸化剤用マニホールド（酸化剤用ディス
トリビュータ）とが、発電セルの積層方向に延在して設
けられている。

【００１３】ところで、この種の燃料電池の中に、燃料
ガスを改質するための予熱部を、セパレータに燃料ガス
を供給する供給管の経路上に設けたものがある。その場
合、燃料ガス供給管の一部の区間を予熱管として使用
し、発電部からの排ガスの熱等を利用して予熱管を外か
ら熱することで、中を流れる燃料ガスに熱を加えるよう
にしている。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】しかし従来の予熱管
は、平滑な管壁を有する配管をそのまま用いているの
で、熱交換効率が悪く、外部からの熱を有効に中の燃料
ガスに伝達することができないという問題があった。

【００１５】本発明は、上記事情を考慮し、予熱管の熱
交換効率を高めて、例えば燃料ガスを改質する上での効
率の向上を図れるようにした燃料電池のガス予熱装置を
提供することを目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、燃料
電池の発電部に対してガスを供給するガス供給管の一部
を、外部からの熱あるいは燃料電池の排ガスの熱で中を
流れるガス（燃料ガス又は／及び酸化剤ガス）を予熱す
る予熱管として構成した燃料電池において、前記予熱管
の管壁外周及び管壁内周の少なくともいずれかに多孔質
金属板が巻き付いていることを特徴としている。

【００１７】例えば、燃料ガスとしてメタンを用いる場
合の改質反応の化学式は、ＣＨ_４＋２Ｈ_２Ｏ→４Ｈ_２＋ＣＯ_２（またはＣＯ）になるが、この反応は吸熱反応であり、反応促進のため
には外部からの熱を必要とする。

【００１８】この点、本発明では、予熱管の管壁外周及
び管壁内周の少なくともいずれかに多孔質金属板が巻き
付いているので、管壁の実質的な表面積が大幅に拡大
し、熱交換効率が向上する。従って、予熱管の中を流れ
るガスが燃料ガスの場合は、改質反応が促進される。こ
こで、多孔質金属板としては、三次元網状構造の金属骨
格を有する焼結体を使用することができる。

【００１９】請求項２の発明は、請求項１において、前
記多孔質金属板が、厚さ方向に連続的に密から粗に組成
の変化する傾斜組成を有しており、該多孔質金属板が、
管壁との接触面側に気孔の小さな密の層、反対の表面側
に気孔の大きな粗の層を向けて予熱管に巻き付いている
ことを特徴としている。

【００２０】この発明で用いている多孔質金属板は、厚
さ方向に傾斜組成を有しており、管壁との接触面側が気
孔の小さな密の層、反対の表面側が気孔の大きな粗の層
となるようにして予熱管に巻き付いているので、金属と
流体との接触界面が管壁から流体に向かって徐々に拡大
していき、流体から予熱管への熱移動及び予熱管から流
体へ熱移動がスムーズに行われるようになり、熱交換効
率がアップする。

【００２１】請求項３の発明は、請求項１または２にお
いて、前記予熱管の中を流れるガスが燃料ガスであり、
予熱管の管壁内周に多孔質金属板が巻き付いている場合
に、該管壁内周の多孔質金属板に、燃料ガスの改質触媒
を担持させたことを特徴としている。

【００２２】この発明では、管壁内周に巻き付けた多孔
質金属板に改質触媒を担持させたので、触媒と接触する
燃料ガスの改質反応を促進させることができる。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面に
基づいて説明する。図１は実施形態の固体電解質型燃料
電池におけるガス予熱装置の概略構成図であり、（ａ）
は斜視図、（ｂ）は（ａ）図のＩｂ−Ｉｂ矢視断面図、
（ｃ）は管壁と多孔質金属板の断面図、図２は燃料電池
の全体構成を示す概略斜視図、図３はその要部の分解断
面図、図４は同要部の分解斜視図である。

【００２４】まず、実施形態の固体電解質型燃料電池の
全体構成を、図２、図３、図４を用いて説明する。図２
において、１は燃料電池スタックである。この燃料電池
スタック１は、図３及び図４に示すように、固体電解質
層２の両面に燃料極層３及び空気極層４を配した発電セ
ル（発電部）５と、燃料極集電体６と、空気極集電体７
と、セパレータ８とを所定の順番に積層した構造を持
つ。

【００２５】ここで、固体電解質層２はイットリアを添
加した安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等で構成され、燃料
極層３はＮｉ、Ｃｏ等の金属あるいはＮｉ−ＹＳＺ、Ｃ
ｏ−ＹＳＺ等のサーメットで構成され、空気極層４はＬ
ａＭｎＯ_３、ＬａＣｏＯ_３等で構成され、燃料極集電体
６はＮｉ基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構
成され、空気極集電体７はＡｇ基合金等のスポンジ状の
多孔質焼結金属板で構成され、セパレータ８はステンレ
ス等で構成されている。

【００２６】セパレータ８は、発電セル５間を電気接続
すると共に、発電セル５に対してガスを供給する機能を
有するもので、燃料ガスをセパレータ８の外周面から導
入してセパレータ８の燃料極層３に対向する面から吐出
させる燃料通路１１と、酸化剤ガスをセパレータ８の外
周面から導入してセパレータ８の酸化剤極層４に対向す
る面から吐出させる酸化剤通路１２とをそれぞれ有して
いる。ただし、両端のセパレータ８（８Ａ、８Ｂ）は、
いずれかの通路１１、１２のみを有する。

【００２７】一方、図２に示すように、燃料電池スタッ
ク１の側方には、各セパレータ８の燃料通路１１に接続
管１３を通して燃料ガスを供給する燃料用マニホールド
１５と、各セパレータ８の酸化剤通路１２に接続管１４
を通して酸化剤ガスを供給する酸化剤用マニホールド１
６とが、発電セル５の積層方向に延在して設けられてい
る。

【００２８】この場合、燃料用マニホールド１５に燃料
ガスを送り込むための燃料ガス供給管３０の経路上に、
燃料ガスを改質するための予熱部４０が設けられてい
る。この予熱部４０は、燃料ガス供給管３０の一部の区
間を予熱管３１として使用し、外部から熱（あるいは燃
料電池の排ガスの熱）を加えることで、予熱管３１の管
壁を通して、中を流通する燃料ガスを加熱するものであ
る。

【００２９】ここでは、図１（ａ）、（ｂ）に示すよう
に、予熱管３１の管壁外周及び管壁内周には、多孔質金
属板３２が管壁に密着させた状態で巻き付いている。こ
の多孔質金属板３２は、Ｎｉ基合金やＡｇ基合金等より
なる三次元網状骨格を有するスポンジ状の多孔質金属板
からなり、次の工程を経ることで作製されている。工程
の順番は、スラリー調製工程→成形工程→発泡工程→乾
燥工程→脱脂工程→焼結工程である。

【００３０】まず、スラリー調製工程において、金属粉
末、有機溶剤（ｎ−ヘキサン等）、界面活性剤（ドデシ
ルベンゼンスルホン酸ナトリウム等）、水溶性樹脂結合
剤（ヒドロキシプロピルメチルセルロース等）、可塑剤
（グリセリン等）、水、を混ぜて発泡スラリーを調製す
る。これを成形工程において、ドクターブレード法によ
りキャリヤシート上に薄板状に成形してグリーンシート
を得る。次に発泡工程において、このグリーンシートを
高温高湿環境下で、揮発性有機溶剤の蒸気圧及び界面活
性剤の起泡性を利用してスポンジ状に発泡させた後、乾
燥工程、脱脂工程、焼成工程を経て多孔質金属板を得
る。

【００３１】この場合、発泡工程において、グリーンシ
ートの内部に発生した気泡は、全方向からほぼ等価な圧
力を受けて略球状の形状で成長する。気泡が内部から拡
散して大気との界面に近づくと、気泡は、気泡と大気の
間のスラリーの薄い部分へと成長していき、やがて気泡
は破れて、気泡内部の気体は、できた小孔から大気中へ
拡散していく。よって、表面に開口した連続気孔を有す
る多孔質金属板が得られる。

【００３２】特に、この多孔質金属板３２は、図１
（ｃ）に示すように、厚さ方向に連続的に密から粗に組
成の変化する傾斜組成を有しており、この多孔質金属板
３２が、管壁との接触面側に気孔の小さな密の層、反対
の表面側に気孔の大きな粗の層を向けて、予熱管３１の
管壁外周及び管壁内周に巻き付いている。また、管壁内
周に巻き付いている多孔質金属板３２には、燃料ガスの
改質触媒を担持させている。

【００３３】従って、予熱管３１の管壁の実質的な表面
積を大幅に拡大することができ、その結果、管壁を通し
ての熱交換効率を向上させることができて、燃料ガスの
改質反応を促進させることができる。特に、多孔質金属
板３２は厚さ方向に傾斜組成を有していて、管壁との接
触面側が気孔の小さな密の層、反対の表面側が気孔の大
きな粗の層となっているので、金属と流体との接触界面
が管壁から流体に向かって徐々に拡大していくことにな
り、流体から予熱管３１への熱移動及び予熱管３１から
流体へ熱移動がスムーズに行われ、熱交換効率が大幅に
アップする。また、燃料ガスと接触する内周側の多孔質
金属板３２には改質触媒を担持させているので、触媒と
接触する燃料ガスの改質反応を促進させることができ
る。

【００３４】なお、上記実施形態では、多孔質金属板３
２が予熱管３１の管壁外周と内周の両方に巻き付いてい
る場合を示したが、予熱管３１の管壁外周または管壁内
周のいずれかのみに多孔質金属板３２が巻き付いていて
もよい。

【００３５】また、上記実施形態では、燃料ガス供給管
の一部区間に設けた予熱管に対して本発明を適用した場
合を示したが、酸化剤ガス供給管の一部区間に設けた予
熱管に本発明を適用することもできる。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１〜３の発
明によれば、予熱管の管壁外周及び管壁内周の少なくと
もいずれかに多孔質金属板が巻き付いているので、管壁
の実質的な表面積を大幅に拡大させることができ、管壁
を通しての熱交換効率を向上させることができる。従っ
て、燃料ガス供給管上の予熱管に本発明を適用した場合
には、燃料ガスの改質反応を促進させることができる。
特に、請求項２の発明では、多孔質金属板が傾斜組成を
有しているので、一層の熱交換効率のアップが図れる。
また、請求項３の発明では、内周側の多孔質金属板に改
質触媒を担持させているので、燃料ガスの改質反応を一
層促進させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態の燃料電池における燃料ガス
予熱装置の概略構成図で、（ａ）は斜視図、（ｂ）は
（ａ）図のＩｂ−Ｉｂ矢視断面図、（ｃ）は管壁と多孔
質金属板の断面図である。

【図２】本発明の実施形態の燃料電池の全体構成図であ
る。

【図３】同燃料電池の要部構成を示す分解断面図であ
る。

【図４】同燃料電池の要部構成を示す分解斜視図であ
る。

【符号の説明】

５発電セル（発電部）３０燃料ガス供給管３１予熱管３２多孔質金属板

フロントページの続き (72)発明者駒田紀一埼玉県さいたま市北袋町１−297 三菱マテリアル株式会社開発技術戦略部Ｆターム(参考） 5H026 AA06 CC06 EE02 5H027 AA06 BA01 BA08

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】燃料電池の発電部に対してガスを供給す
るガス供給管の一部を、外部からの熱あるいは燃料電池
の排ガスの熱で中を流れるガスを予熱する予熱管として
構成した燃料電池において、前記予熱管の管壁外周及び
管壁内周の少なくともいずれかに、多孔質金属板が巻き
付いていることを特徴とする燃料電池のガス予熱装置。
【請求項２】前記多孔質金属板が、厚さ方向に連続的
に密から粗に組成の変化する傾斜組成を有しており、該
多孔質金属板が、管壁との接触面側に気孔の小さな密の
層、反対の表面側に気孔の大きな粗の層を向けて、予熱
管に巻き付いていることを特徴とする請求項１記載の燃
料電池のガス予熱装置。
【請求項３】前記予熱管の中を流れるガスが燃料ガス
であり、予熱管の管壁内周に多孔質金属板が巻き付いて
いる場合に、該管壁内周の多孔質金属板に、燃料ガスの
改質触媒を担持させたことを特徴とする請求項１または
２記載の燃料電池のガス予熱装置。