JP2004362800A

JP2004362800A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2004362800A
Application number: JP2003156464A
Authority: JP
Inventors: Naoya Murakami; 直也村上; Jun Akikusa; 順秋草
Original assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2003-06-02
Filing date: 2003-06-02
Publication date: 2004-12-24

Abstract

【課題】発電効率の向上とコンパクト化を図った燃料電池を提供する。
【解決手段】発電セルとセパレータを交互に積層して燃料電池スタック３を構成し、ハウジング２内に収納する。このハウジング２の外周部に冷却水管１８を配設し、熱交換によりハウジング２の表面を冷却すると共に、熱交換された温水をハウジング内に導入して燃料ガス改質のための水蒸気源として使用する。本構成により、従来、余剰エネルギーとして外部に放出されていた熱を有効に利用することができ、発電システムの効率化が図れる。また、ハウジング内の断熱材１７の層を薄くでき、燃料電池１のコンパクト化が図れる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内部改質式の燃料電池に関し、詳しくは、排熱を利用して改質反応用の高温水蒸気を効率良く生成できる燃料電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
固体酸化物形燃料電池は、第三世代の発電用燃料電池として開発が進んでいる。現在、固体酸化物形燃料電池は、円筒型、モノリス型、および平板積層型の３種類が提案されており、何れも酸化物イオン伝導体から成る固体電解質を空気極層と燃料極層との間に挟んだ積層構造を有する。この積層体から成る発電セルとセパレータを交互に積層することにより燃料電池スタックが構成される。
【０００３】
発電セルには、空気極側に酸化剤ガスとしての酸素（空気）が、燃料極側に燃料ガス（Ｈ_２、ＣＯ、ＣＨ_４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。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】
ところで、燃料電池に使用される燃料ガスは天然ガス（メタンガス）等の炭化水素化合物であるため、実際はこの原燃料を水素を主成分とする燃料ガスに改質してから使用する必要がある。改質の方法として、原燃料が炭化水素系の気体燃料や液体燃料の場合、通常は水蒸気改質法が用いられている。
【０００６】
例えば、メタンガスを原燃料とする改質反応は次のようになる。
脱硫されたメタンガスは、改質器で水蒸気を加えられて、水素と一酸化炭素になる。この改質反応は吸熱反応であって、温度は６５０〜８００℃程の高温となる。
ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ→３Ｈ_２＋ＣＯ
この時、生成された一酸化炭素は、さらに水蒸気と反応して水素と二酸化炭素に変わる。
ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→Ｈ_２＋ＣＯ_２
【０００７】
燃料電池の改質方法として、外部に改質器を設置する外部改質法や高温の燃料電池スタックの内部に直接改質機構を組み込んだ内部改質法が知られている。水蒸気改質反応が吸熱反応であることから、改質反応のための熱を供給する必要がある外部改質法は発電効率が悪いため、発電時に燃料電池より発生する熱の一部を改質反応の吸熱反応に利用できる効率的な内部改質法が注目されている。そして、従来より、吸熱反応のための高温水蒸気を供給する方法として特許文献１、特許文献２が提案されている。
【０００８】
【特許文献１】
特開昭５７−８２９７３号公報
【特許文献２】
特開平０３−２３６１６６号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１は、燃料電池の冷却水を燃料電池の冷却器内で蒸発させ、その水蒸気を改質反応用の水蒸気として供給する方法であり、特許文献２は燃料電池より放出されたアノードガスから分離した水蒸気を改質反応用の水蒸気の一部として供給する方法である。何れにしてもこれらの方法は、高温水蒸気を発生させるための大量の熱エネルギーが必要であり、よって、水蒸気を供給するために燃料電池から放出される余剰エネルギーをいかに効率良く使用するかが大きな課題となっている。
【００１０】
ところで、固体酸化物形燃料電池では、発電反応を継続するためには、発電セルを常時発電反応温度（７００〜１０００℃）に加熱しておくことが必要で、そのための熱エネルギーとして燃料電池の排ガスが使われている。しかしながら、一方では、電池内部が所定の発電反応温度以上に上昇し過ぎると電極の劣化・破損や電池構成部材の耐熱性等の問題が生じ、燃料電池の運転に支障を来すことになる。このため、適正な発電反応温度を維持すべく、排ガスによる電池内部からの加熱や断熱材によるハウジング内の保温と、電池外部からの冷却（水冷）が相並行して行われている。ハウジング内に断熱材を付装すると、その分余分なスペースを要し、燃料電池が大型化する。
【００１１】
そこで本発明は、冷却すべきハウジング表面からの放射熱を改質反応用の水蒸気を得るための熱エネルギーとして有効に利用することにより、発電効率の向上とコンパクト化を図った燃料電池を提供することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
すなわち、請求項１に記載の本発明は、発電セルとセパレータを交互に積層して燃料電池スタックを構成し、ハウジング内に収納すると共に、運転時に当該燃料電池スタック内へ反応用ガスを供給して発電反応を生じさせる内部改質式の燃料電池において、前記ハウジングの外周部に冷却水管を配設し、熱交換により前記ハウジングの表面を冷却すると共に、熱交換された前記冷却水管の温水を前記ハウジング内に導入して燃料ガス改質のための水蒸気源として使用することを特徴としている。
【００１３】
本構成では、ハウジングを冷却して得られた温水を、更にハウジング内において発電セルからの排熱で加熱することにより改質用の水蒸気源としているので、従来、余剰エネルギーとして外部に放出されていた熱を有効に利用することができ、発電システムの効率化が図れる。
【００１４】
また、請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載の燃料電池において、前記ハウジングの内部に断熱材を付装すると共に、ハウジング内において前記冷却水管の下流側を少なくとも前記断熱材層の内部に配設することを特徴としている。
【００１５】
本構成では、断熱材内を流通する冷却水はハウジングの外部で暖められた温水であって周囲との温度差は小さいため、ハウジング内において効率的な熱交換が行われるようになり、効率良く高温水蒸気を得ることができる。また、これにより、付装される断熱材の層を薄くでき、燃料電池のコンパクト化が図れる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図１および図２に基づいて本発明の実施形態を説明する。
図１は本発明が適用された固体酸化物形燃料電池の内部概略構成を示し、図２は燃料電池スタックの要部概略構成を示している。
【００１７】
図１において、符号１は固体酸化物形燃料電池、符号２は内壁に断熱材１７を層状に付装した円筒状のアルミ製ハウジング、符号３は積層方向を縦にしてハウジング２内の中央部に配置された燃料電池スタックである。図２に示すように、この燃料電池スタック３は固体電解質層４の両面に燃料極層５および空気極層（酸化剤極層）６を配した発電セル７と、燃料極層５の外側の燃料極集電体８と、空気極層６の外側の空気極集電体（酸化剤極集電体）９と、各集電体８、９の外側のセパレータ１０を順番に積層した構造を有する。
【００１８】
ここで、固体電解質層４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５はＮｉ、Ｃｏ等の金属あるいはＮｉ−ＹＳＺ、Ｃｏ−ＹＳＺ等のサーメットで構成され、空気極層６はＬａＭｎＯ_３、ＬａＣｏＯ_３等で構成され、燃料極集電体８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９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１０はステンレス等で構成されている。
【００１９】
また、燃料電池スタック３の側方には、各セパレータ１０の燃料ガス通路２６（図２参照）に接続管１１を通して燃料ガスを供給する燃料用マニホールド１３と、各セパレータ１０の酸化剤ガス通路２５（図２参照）に接続管１２を通して酸化剤ガスとしての空気を供給する酸化剤用マニホールド１４とが、発電セル７の積層方向に延在して設けられている。
【００２０】
また、燃料用マニホールド１３のほぼ中央部に、運転時の発電反応に必要な外部燃料ガスを供給するための燃料ガス供給管１５が接続され、また、酸化剤用マニホールド１４のほぼ中央部に、発電反応に必要な外部酸化剤ガス（空気）を供給するための酸化剤ガス供給管１６が接続されている。
【００２１】
また、この固体酸化物形燃料電池１は、発電セル７の外周部にガス漏れ防止シールを設けないシールレス構造とされており、運転時には、図２に示すように、燃料ガス通路２６および酸化剤ガス通路２５を通してセパレータ１０の略中心部から発電セル７に向けて吐出される燃料ガスおよび酸化剤ガス（空気）を、発電セル７の外周方向に拡散させながら燃料極層５および空気極層６の全面に良好な分布で行き渡らせて発電反応を生じさせると共に、発電反応で消費されなかった残余のガスを、発電セル７の外周部から外に自由に放出するようになっている。また、ハウジング２には、その内部の発電反応室２０に放出される余剰ガスをハウジング２の外に排出するための排気穴１９が設けられている。
【００２２】
ところで、本実施形態の固体酸化物形燃料電池１では、ハウジング２の外表面に近接して、その縦方向の全域に亘って熱伝導の良い銅製等の冷却水管１８が螺旋状に配管されている。この冷却水管１８は、電池内部が所定の発電反応温度以上に上昇するのを防止し、常時発電セル７を適正な発電反応温度に維持するために設けた熱交換機構を構成しており、その上流側は外部の冷却水供給源に接続されている。
因みに、固体酸化物形燃料電池１では、発電セル内の温度を発電反応温度７００℃以上に維持する必要があり、ハウジング内の全面にマイクロサーム等の特殊断熱材１７を層状に付装して保温・断熱しても、ハウジング２の表面温度は時として１００℃以上の高温になる。
【００２３】
そして、この冷却水管１８の下流側はハウジング２の上部に設けた排気穴１９よりハウジング内に導入されて断熱材１７の層内を周回し、更に、発電反応室２０内において燃料電池スタック３より距離をおいて周回するように断熱材１７の壁部に沿って配管されており、その端部が図示しない水蒸気分離手段等を経て、ハウジング内を巡る燃料ガス供給管１５の所定の部位にて連結・接続されて燃料ガス供給管内に水蒸気を導入するようになっている。尚、排気穴１９には発電セル７からの排ガスが集中して排気溜まりを形成しており、この部分においても有効な熱交換が行われる。
【００２４】
上記構成の冷却水管１８による熱交換機構では、外部より冷却水管１８を通して供給された冷却水はハウジング２の表面より放射熱を吸収してハウジング全体を外側より冷却し、これにより、冷却水管１８内の冷却水は温水となる。この温水は、排気穴１９の隙間よりハウジング内に導入され、断熱材１７の層内を周回する過程で周囲の熱により加熱されて気化する。
断熱材内を流通する冷却水はハウジング外部で暖められた温水であるから、断熱層内にあって周囲との温度差は小さく、よって、断熱材１７内、発電反応室２０内において効率的な熱交換が行われ、大量の熱エネルギーを効率良く吸収して高温水蒸気を得る。この高温水蒸気は燃料ガス供給管１５に誘導され、燃料ガス供給管内において外部からの燃料ガスと混合される。
【００２５】
例えば、燃料ガスの流路には、内部に炭化水素触媒を充填した燃料改質機構（図示せず）が配設されており、この燃料改質機構に燃料ガスである炭化水素ガス（ＣＨ_４）と冷却水管１８からの高温水蒸気の混合ガスが導入されることにより、混合ガスは炭化水素触媒に接触して水蒸気改質法による炭化水素ガスの改質反応が行われ、水素リッチな改質ガス（Ｈ_２、ＣＯ、ＣＯ_２）を生成する。
燃料改質機構で得られた水素リッチな改質ガスは、燃料ガスとして図１に示す燃料用マニホールド１３に誘導され、ここから各接続管１１を通して各セパレータ１０の側部に導入される。さらに、図２に示すように、燃料ガスはセパレータ１０の側面から燃料ガス通路２６を通して燃料極側に吐出し、燃料極集電体８内を拡散移動して燃料極層５に達する。
【００２６】
このように、本構成では、ハウジング２を外側から冷却して得られた温水を、更にハウジング内に誘導し、発電セル７からの放射熱で加熱することにより高温水蒸気を生成し、これを改質用水蒸気として用いているので、従来、余剰エネルギーとして外部に放出されていた排熱を有効に利用することができ、発電システムの効率化が図れる。また、このような熱交換機構をハウジング２の外側と内側に配設することにより、ハウジング内に付装される断熱材１７の層を従来型より薄くでき、燃料電池１のコンパクト化が図れる。因みに、ハウジング２の径４５０φ、中央の燃料電池スタックの径１５０φとすると断熱材１７の層厚は６０〜１３０ｍｍ程度である。
【００２７】
以上、本実施形態では、ジルコニア等の固体酸化物を電解質とする固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）について説明したが、これに限るものではなく、燐酸を電解質とする燐酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩を電解質とする溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）、或いは、イオン交換膜を電解質とする固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）等についても勿論適用可能である。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に記載の本発明によれば、ハウジングの外周部に冷却水管を配設してハウジングの表面を冷却すると共に、熱交換された温水をハウジング内に導入して燃料ガス改質のための水蒸気源として使用するように構成したので、従来、余剰エネルギーとして外部に放出されていた熱を有効に利用することができ、発電システムの効率化が図れる。
【００２９】
また、請求項２に記載の本発明によれば、ハウジング内において前記冷却水管の下流側を断熱材の内部に配設する構成としたので、断熱材内を流通する冷却水はハウジング外部で暖められた温水であって周囲との温度差は小さいため、ハウジング内において効率的な熱交換が行われ、大量の熱エネルギーを効率良く吸収して高温水蒸気を生成することができる。
また、このような冷却水管による熱交換機構をハウジングの外側と内側に配設することにより、ハウジング内に付装される断熱材の層を薄くでき、燃料電池のコンパクト化が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用された固体酸化物形燃料電池の内部概略構成を示す断面図。
【図２】燃料電池スタックの要部概略構成図で、運転時のガスの流れを示す。
【符号の説明】
１燃料電池（固体酸化物形燃料電池）
２ハウジング
３燃料電池スタック
７発電セル
１０セパレータ
１８冷却水管
１７断熱材

Claims

発電セルとセパレータを交互に積層して燃料電池スタックを構成し、ハウジング内に収納すると共に、運転時に当該燃料電池スタック内へ反応用ガスを供給して発電反応を生じさせる内部改質式の燃料電池において、
前記ハウジングの外周部に冷却水管を配設し、熱交換により前記ハウジングの表面を冷却すると共に、熱交換された前記冷却水管の温水を前記ハウジング内に導入して燃料ガス改質のための水蒸気源として使用することを特徴とする燃料電池。
前記ハウジングの内部に断熱材を付装すると共に、ハウジング内において前記冷却水管の下流側を少なくとも前記断熱材層の内部に配設することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。