JP2005209579A

JP2005209579A - 燃料電池組立体

Info

Publication number: JP2005209579A
Application number: JP2004017194A
Authority: JP
Inventors: Narikado Takahashi; 成門高橋; Takashi Ono; 孝小野
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2004-01-26
Filing date: 2004-01-26
Publication date: 2005-08-04

Abstract

【課題】比較的コンパクトに構成することができると共に、発電・燃焼によって生成される高熱が燃料ガスの改質に効果的に利用される燃料電池組立体を提供する。
【解決手段】ハウジングの少なくとも１面には、燃料ガス流路６２と燃焼ガス流路６０とを備えた流路部材４０が配設されている。燃料ガス流路には少なくとも１種の触媒８６、８８が収容されている。燃料ガスは燃料ガス流路を通して発電・燃焼手段に供給され、燃焼ガスは燃焼ガス流路を通して発電・燃焼室から排出される。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池組立体、更に詳しくはハウジング内に規定された発電・燃焼室内に発電・燃焼手段が配設されており、かかる発電・燃焼手段に水素リッチに改質された燃料ガスと共に酸素含有ガスが供給されることによって発電・燃焼が行われ、燃焼ガスが発電・燃焼室から排出される形態の燃料電池組立体に関する。

次世代エネルギーとして、近年、固体高分子型、リン酸型、溶融炭酸塩型及び固体電解質型等の種々の型の燃料電池発電システムが提案されている。特に、固体電解質型燃料電池発電システムは、作動温度が約１０００°Ｃと高いが、発電効率が高い、排熱が利用できる等の利点を有しており、研究開発が推し進められている。

燃料電池発電システムの典型例においては、下記特許文献１に開示されている如く、ハウジング内に発電・燃焼室が規定され、かかる発電・燃焼室内にセルスタックを含む発電・燃焼手段が配設されている形態の燃料電池組立体を備えている。発電・燃焼手段には、空気でよい酸素含有ガスと共に燃料ガスが供給され、発電・燃焼が行われる。燃料ガスは、例えば都市ガスでよく、改質手段を通して水素リッチに改質して発電・燃焼手段に供給される。発電・燃焼室とは別個に配設されている改質手段には、改質に必要な適宜の触媒が収容されており、かかる触媒の作用によって水素リッチに改質される。
特開２０００−１４９９７６号公報

而して、従来の燃料電池組立体においては、発電・燃焼室とは別個に改質手段が配設されており、全体を充分コンパクトに構成することができない、発電・燃焼によって生成される高熱を改質に効果的に利用することができず、排熱利用が充分ではない、という解決するべき問題が存在する。

本発明は上記事実に鑑みてなされたものであり、その主たる技術的課題は、比較的コンパクトに構成することができると共に、発電・燃焼によって生成される高熱が燃料ガスの改質に効果的に利用される、新規且つ改良された燃料電池組立体を提供することである。

本発明によれば、発電・燃焼室を規定するハウジングの少なくとも１面に燃料ガス流路と燃焼ガス流路とを備えた流路部材を配設し、燃料ガス流路には少なくとも１種の触媒を収容し、燃料ガス流路を通して燃料ガスを発電・燃焼手段に供給し、燃焼ガス流路を通して燃焼ガスを発電・燃焼室から排出するようにせしめることによって、上記主たる技術的課題が達成される。

即ち、本発明によれば、上記主たる技術的課題を達成する燃料電池組立体として、発電・燃焼室を規定するハウジングと、該ハウジング内に配設された発電・燃焼手段とを備え、該発電・燃焼手段には燃料ガス及び酸素含有ガスが供給され、該発電・燃焼室内に生成された燃焼ガスが該発電・燃焼室から排出される、燃料電池組立体において、
該ハウジングの少なくとも１面には、燃料ガス流路と燃焼ガス流路とを備えた流路部材が配設されており、該燃料ガス流路には少なくとも１種の触媒が収容されており、燃料ガスは該燃料ガス流路を通して該発電・燃焼手段に供給され、該燃焼ガスは該燃焼ガス流路を通して該発電・燃焼室から排出される、ことを特徴とする燃料電池組立体が提供される。

該流路部材は該ハウジングの実質上鉛直に延びる１側面に沿って配設されているのが好適である。該燃料ガス流路と該燃焼ガス流路とは該面の厚さ方向に積層されており、該燃料ガス流路と該燃焼ガス流路とはジグザグ状に延在せしめられているのが好ましい。

本発明の燃料電池組立体においては、ハウジングの少なくとも１面を利用して流路部材を配設し、かかる流路部材に形成されている燃料ガス流路に少なくとも１種の触媒を収容して改質手段を構成している故に、ハウジングとは別個に改質手段を配設する必要がなく、全体を充分コンパクトに構成することができる。また、流路部材に形成されている燃料ガス流路を通って流動する燃料ガスと燃焼ガス流路を取って流動する燃焼ガスとの間で熱交換され、そしてまた燃料ガス流路を流動する燃料ガスにはハウジング内の高熱も伝えられ、かくして発電・燃焼によって生成される高熱が改質に効果的に利用される。

以下、添付図面を参照して、本発明に従って構成された燃料電池組立体の好適実施形態について更に詳述する。

図１を参照して説明すると、図示の燃料電池組立体は略直方体形状であるハウジング２を具備している。このハウジング２の６個の壁面には適宜の断熱材料から形成された断熱壁、即ち上断熱壁４、下断熱壁６、右側断熱壁８、左側断熱壁１０、前断熱壁（図示していない）及び後断熱壁（図示していない）が配設されている。所望ならば、各断熱壁の外面に金属板製でよい外壁を配設することもできる。ハウジング２内には発電・燃焼室１２が規定されている。

ハウジング２内の下端部には下部ガス室１４が配設されている。下部ガス室１４は上下方向寸法が比較的小さい直方体形状である。ハウジング２内の上端部には図１において左側に位置する上部ガス室１６と図１において右側に位置する上部ガス室１８が並列配置されている。これらの上部ガス室１６及び１８も上下方向寸法が比較的小さい直方体形状でよい。ハウジング２内の図１において左側部には上下方向に延在する連通ガス室２０が配設されている。かかる連通ガス室２０は横方向（図１において左右方向）寸法が比較的小さい直方体形状である。図２に明確に図示する如く、連通ガス室２０の上面には前後方向に間隔をおいて３個の連通筒２２が付設されており、かかる連通筒２２を介して連通ガス室２０の各々が上部ガス室１６の下面に連通されている。連通ガス室２０の下端部内側は下部ガス室１４の片側面に直接的に連結されている。従って、上部ガス室１６は連通ガス室２０を介して下部ガス室１４の片側部に連通せしめられている。下部ガス室１４の上面には横方向（図１において左右方向）に間隔をおいて上方に突出する５個の中空ガス噴出板２４が配設されている。かかるガス噴出板２４の下端は下部ガス室１４内に連通せしめられており、上部にはガス噴出孔（図示していない）が形成されている。

下部ガス室１４上には、更に、横方向（図１において左右方向）に適宜の間隔をおいて４個のガス室２６ａ、２６ｂ、２６ｃ及び２６ｄが形成されている。かかるガス室２６ａ、２６ｂ、２６ｃ及び２６ｄの各々は上記ガス噴出板２４の間に配置されている。ガス室２６ａ、２６ｂ、２６ｃ及び２６ｄの各々は前後方向（図１において紙面に垂直な方向）に細長く延びる直方体形状でよい。そして、ガス室２６ａ、２６ｂ、２６ｃ及び２６ｄの各々上には、セルスタック２８ａ、２８ｂ、２８ｃ及び２８ｄが配設されている。セルスタック２８ａ、２８ｂ、２８ｃ及び２８ｄの各々は上下方向に延びる複数個のセルを前後方向に配列して構成されている。それ自体は周知の形態でよいセルは、電極支持基板、燃料電極層、固体電解質層、酸素極層及びインターコネクタを含んでいる。

図１に二点鎖線で示すと共に図２に実線で示す如く、ガス室２６ａ及び２６ｃの前端はハウジング２内の前端部を上下方向に延びる連通管３０ａ及び３０ｃによって上部ガス室１８の前端部下面に連通せしめられている。また、図１に二点鎖線で示すごとく、ガス室２６ｂ及び２６ｄの後端はハウジング２内の後端部を上下方向に延びる連通管３０ｂ及び３０ｄによって上部ガス室１８の後端部下面に連通せしめられている。後に更に言及する如く、上部ガス室１８から連通管３０ａ、３０ｂ、３０ｃ及び３０ｄを介してガス室２６ａ、２６ｂ、２６ｃ及び２６ｄに燃料ガスが供給される。ガス室２６ａ、２６ｂ、２６ｃ及び２６ｄの上面壁にはセルスタック２８ａ、２８ｂ、２８ｃ及び２８ｄにおけるセルの各々に形成されているガス通路(図示していない）に連通せしめられている排出孔(図示していない）が形成されており、かかる排出孔を通してセルの各々のガス通路に燃料ガスが供給される。

ハウジング２内には、後に更に言及する如く、作動開始時等に発電に使用されなかった燃料ガスと酸素含有ガスとを燃焼を開始するための点火手段（図示していない）も配設されている。上記セルスタック２８ａ、２８ｂ、２８ｃ及び２８ｃは発電手段を構成し、点火手段は燃焼手段を構成し、従ってセルスタック２８ａ、２８ｂ、２８ｃ及び２８ｃ並びに点火手段は発電・燃焼手段を構成する。

図示の実施形態においては、ハウジング２内には右側断熱壁８に沿って延びる板状流路部材４０が配設されている。そして、この流路部材４０の内側にも断熱部材４２が配設されている。図１と共に図３を参照して説明を続けると、流路部材４０は実質上鉛直に延在する中空平板形態であり、内側壁４６、外側壁４８、底壁５０（図４及び図５）、上壁５２、前壁５４及び後壁５６を有する。流路部材４０の厚さ方向（図１において左右方向）中間には仕切板５８が配設されており、流路部材４０内は厚さ方向に積層された２個の流路、即ち内側に位置する燃焼ガス流路６０と外側に位置する燃料ガス流路６２とに区画されている。

図３と共に図４を参照して説明を続けると、燃焼ガス流路６０には上下方向に間隔をおいて実質上水平に延びる４個の仕切壁６４ａ、６４ｂ、６４ｃ及び６４ｄが配設されている。仕切壁６４ａ及び６４ｃの前縁は流路部材４０の前壁５４に接続されているが、後縁は流路部材４０の後壁５６に対して間隔をおいて前方に位置せしめられている。一方、仕切壁６４ｂ及び６４ｄの後縁は流路部材４０の後壁５６に接続されているが、前縁は流路部材４０の前壁５４に対して間隔をおいて後方に位置せしめられている。かくして、燃焼ガス流路６０は図４に矢印で示すとおりのジグザグ状に延在せしめられている。

図３と共に図５を参照して説明すると、燃料ガス流路６２にも上下方向に間隔をおいて実質上水平に延びる４個の仕切壁６６ａ、６６ｂ、６６ｃ及び６６ｄが配設されている。仕切壁６６ａ及び６６ｃの前縁は前壁５４に接続されているが、後縁は後壁５６に対して間隔をおいて前方に位置せしめられている。一方、仕切壁６６ｂ及び６６ｄの後縁は後壁５６に接続されているが、前縁は前壁５４に対して間隔をおいて後方に位置せしめられている。かくして、燃料ガス流路６２も図５に矢印で示すとおりのジグザグ状に延在せしめられている。

図３及び図４に明確に図示如く、流路部材４０の内側壁４６の上端部には流入開口６８が形成されており、燃焼ガス流路６０は流入開口６８を介して発電・燃焼室１２と連通せしめられている。図１を参照することによって理解されるとおり、流路部材４０の内側に配設されている上記断熱部材４２の上端は流入開口６８の下縁と実質上同高乃至これよりも幾分下方に位置せしめられており、流入開口６８は断熱部材４２の上方を介して発電・燃焼室１２と連通せしめられている。一方、図３及び図５に図示する如く、流路部材４０の上壁５２の外側部には流出開口７０が形成され、かかる流出開口７０に対応して上記上部ガス室１８の下面壁にも開口（図示していない）が形成されており、燃料ガス流路６２は流出開口７０を介して上部ガス室１８に連通せしめられている。

図３、図４及び図５を参照して説明を続けると、上記流路部材４０の後方には上下方向に細長く延びる二重筒体７２が配設されている。かかる二重筒体７２は円筒形状の内側筒部材７４と角筒形状の外側筒部材７６とを含んでいる。内側筒部材７４内には燃料ガス流入路７８が規定されており、内側筒部材７４と外側筒部材７６との間には燃焼ガス排出路８０が規定されている。図５に明確に図示する如く、燃料ガス流入路７８の下端（下流端）は流路部材４０に形成されている燃料ガス流路６２に連通されている。一方、図４に明確に図示する如く、燃焼ガス排出路８０の下端（上流端）は流路部材４０に形成されている燃焼ガス流路６０に連通されている。

図５に図示する如く、流路部材４０の底壁５０の外側部には水導入管８２が接続されており、かかる水導入管８２は燃料ガス流路６２の下端に連通せしめられている。更に、燃料ガス流路６２内には少なくとも１種の触媒が収容されている。図示の実施形態においては、燃料ガス流路６２のおける仕切壁６６ｄよりも下方の空間には導入される水を効果的に水蒸気化するための伝熱部材８４が収容されており、仕切壁６６ｃと仕切壁６６ｄとの間の空間にはＮｉ−Ｍｏ系等の水添脱硫触媒とＺｎＯ系吸着脱硫触媒とを組合せた脱硫触媒の如き適宜の脱硫触媒８６が収容されており、仕切壁６６ｂと仕切壁６６ｃとの間の空間及び仕切壁６６ａと仕切壁６６ｂとの間の空間には改質触媒８８が収容されている。所望ならば、仕切壁６６ｄと前壁５４との間に仕切壁６６ｄに続いて延在するメッシュ部材（図示していない）を配設して、伝熱部材８４と脱硫触媒８６とが混入するのを防止し、そしてまた仕切壁６６ｃと後壁５６との間に仕切壁６６ｃに続いて延在するメッシュ部材（図示していない）を配設して、脱硫触媒８６と改質触媒８８が混入するのを防止することもできる。また、水添反応を助長するために燃料ガス流路６２の適宜の部位に水素導入手段（図示していない）を付設することもできる。

図１に図示する如く、ハウジング２内には、左側断熱壁１０に沿って延びる板状流路部材９０も配設されている。この板状流路部材９０と上記連通ガス室２０との間にも断熱部材９２が配設されている。流路部材９０は上記流路部材４０を構成する中空平板形態と面対称形態である中空平板形態であり、その厚さ方向（図１において左右方向）内側にはジグザグ状に延在する燃焼ガス流路９４が区画され、その厚さ方向外側にはジグザグ状に延在する酸素含有ガス流路９６が区画されている。流路部材９０は、その厚さ方向外側には燃料ガス流路ではなくて酸素含有ガス流路９６が区画されていること、この酸素含有ガス流路９６内には伝熱部材、脱硫触媒或いは改質触媒等が収容されておらず、そしてまた水導入管が付設されていないことを除いて、上記流路部材４０と実質上同一でよい。燃焼ガス流路９６は内側壁９８の上端部に形成された流入開口１００を通して発電・燃焼室１２と連通せしめられている。図１を参照することによって理解されるとおり、流路部材９０と上記連通ガス室２０との間に配設されている断熱部材９２の上端は流入開口１００の下縁と実質上同高乃至これより幾分下方に位置せしめられており、流入開口１００は連通ガス室２０の上端に配設されている３個の連通筒２２の間を通して発電・燃焼室１２と連通せしめられている。酸素含有ガス流路９６は、上壁１０２の外側部に形成されている流出開口１０４及び上記上部ガス室１６の下面壁に形成されている開口（図示していない）を介して上記上部ガス室１６に連通せしめられている。

流路部材９０の後方には上記二重筒体７２と実施上同一でよい二重筒体１０６が配設されている。かかる二重筒体１０６は円筒形状の内側筒部材１０８と角筒形状の外側筒部材１１０とを含んでいる。内側筒部材１０８内には酸素含有ガス流入路(図示していない）が規定されており、内側筒部材１０８と外側筒部材１１０との間には燃焼ガス排出路(図示していない）が規定されている。酸素含有ガス流入路の下端（下流端）は流路部材９０に形成されている酸素含有ガス流路９６に連通されている。一方、燃焼ガス排出路の下端（上流端）は流路部材９０に形成されている燃焼ガス流路９４に連通されている。

上述したとおりの燃料電池組立体においては、二重筒体７２に配設されている燃料ガス流入路７８を通して流路部材４０の燃料ガス流路６２に、都市ガスでよい燃料ガスが供給される。そして、燃料ガス流路６２を流動する際に、そこに収容されている脱硫触媒及び／又は改質触媒の作用を受けて水素リッチな燃料ガスに改質される。しかる後に、上部ガス室１８に導入され、次いで連通管３０ａ、３０ｂ、３０ｃ及び３０ｄを介してガス室２６ａ、２６ｂ、２６ｃ及び２６ｄに導入され、セルスタック２８ａ、２８ｂ、２８ｃ及び２８ｄに供給される。一方、空気でよい酸素含有ガスは二重筒体１０６に形成されている酸素含有ガス流入路を通して流路部材９０の酸素含有ガス流路９６に供給され、次いで上部ガス室１６及び連通ガス室２０を通して下部ガス室１４に導入され、そしてガス噴出板２４の噴出孔からセルスタック２８ａ、２８ｂ、２８ｃ及び２８ｄに向けて噴射される。セルスタック２８ａ、２８ｂ、２８ｃ及び２８ｄの各々においては、酸素極において、
１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２−（固体電解質）
の電極反応が生成され、燃料極において、
Ｏ^２−（固体電解質）＋Ｈ_２→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻
の電極反応が生成されて発電される。発電された電力は適宜の取出ライン（図示していない）を通して取り出される。発電に使用されることなくセルスタック２８ａ、２８ｂ、２８ｃ及び２８ｄから上方に流動した燃料ガス及び酸素含有ガスは燃焼される。周知の如く、セルスタック２８ａ、２８ｂ、２８ｃ及び２８ｄにおける発電に起因して、そしてまた燃料ガスと酸素含有ガスとの燃焼に起因して発電・燃焼室１２内は例えば１０００℃程度の高温になる。かかる高温はハウジング２内に配設されている流路部材４０及び９０に伝えられ、燃料ガスの改質に効果的に利用され、そしてまた酸素含有ガスの加熱に効果的に利用される。

発電・燃焼室１２内に生成された燃焼ガスは流路部材４０及び９０に形成されている流入開口６８及び１００から燃焼ガス流路６０及び９４に流入し、ジグザグ状に延在する燃焼ガス流路６０及び９４を流動した後に二重筒体７２の燃焼ガス排出路８０及び二重筒体１０６の燃焼ガス排出路を通して排出される。燃焼ガスが二重筒体７２の燃焼ガス排出路８０を流動する際には、二重筒体７２の燃料ガス流入路７８を燃料ガスが流動し、燃焼ガスと燃料ガスとの間で熱交換が行われる。そしてまた、燃焼ガスが流路部材４０の燃焼ガス流路６０をジグザグ状に流動せしめられる際には、燃料ガスが燃料ガス流路６２をジグザグ状に流動せしめられ、かくして燃焼ガスと燃料ガスとの間で効果的に熱交換される。そしてまた、燃焼ガスが二重筒体１０６の燃焼ガス排出路を流動する際には、二重筒体１０６の酸素含有ガス流入路を酸素含有ガスが流動し、燃焼ガスと酸素含有ガスとの間で熱交換が行われる。そして、燃焼ガスが流路部材９０の燃焼ガス流路９４をジグザグ状に流動せしめられる際には、酸素含有ガスが流路部材９０の酸素含有ガス流路９６をジグザグ状に流動せしめられ、かくして燃焼ガスと酸素含有ガスとの間で効果的に熱交換される。酸素含有ガスは上部ガス室１６、連通ガス室２０及び下部ガス室１４を通る際にも発電・燃焼室１２内の高温によって加熱される。所望ならば、連通ガス室２０、下部ガス室１４及びガス噴出板２４を介して酸素含有ガスを供給することに代えて、上部ガス室１６からセルスタック２８、２８ｂ、２８ｃ及び２８ｄ間に垂下する複数個の酸素含有ガス噴出管を配設し、かかる酸素含有ガス噴出管を通して酸素含有ガスを供給することもできる。

本発明に従って構成された燃料電池組立体の好適実施形態を示す断面図。図１の燃料電池組立体を、一部を省略して示す斜面図。図１の燃料電池組立体における流路部材及び二重筒体を、一部を切り欠いて示す斜面図。図１の燃料電池組立体における流路部材に形成されている燃焼ガス流路及び二重筒体に形成されている燃焼ガス排出路を示す簡略図。図１の燃料電池組立体における流路部材に形成されている燃料ガス流路及び二重筒体に形成されている燃料ガス流入路を示す簡略図。

符号の説明

２：ハウジング
１２：発電・燃焼室
２８ａ、２８ｂ、２８ｃ及び２８ｄ：セルスタック
４０：流路部材
６０：燃焼ガス流路
６２：燃料ガス流路
８４：伝熱部材
８６：脱硫触媒
８８：改質触媒

Claims

発電・燃焼室を規定するハウジングと、該ハウジング内に配設された発電・燃焼手段とを備え、該発電・燃焼手段には燃料ガス及び酸素含有ガスが供給され、該発電・燃焼室内に生成された燃焼ガスが該発電・燃焼室から排出される、燃料電池組立体において、
該ハウジングの少なくとも１面には、燃料ガス流路と燃焼ガス流路とを備えた流路部材が配設されており、該燃料ガス流路には少なくとも１種の触媒が収容されており、燃料ガスは該燃料ガス流路を通して該発電・燃焼手段に供給され、該燃焼ガスは該燃焼ガス流路を通して該発電・燃焼室から排出される、ことを特徴とする燃料電池組立体。
該流路部材は該ハウジングの実質上鉛直に延びる１側面に沿って配設されている、請求項１記載の燃料電池組立体。
該燃料ガス流路と該燃焼ガス流路とは該面の厚さ方向に積層されており、該燃料ガス流路と該燃焼ガス流路とはジグザグ状に延在せしめられている、請求項１又は２記載の燃料電池組立体。