JP2005222899A - 燃料電池用セパレータ - Google Patents

Abstract

【課題】 排ガス中の水蒸気を炭化水素燃料の水蒸気改質に再利用することにより、排ガス熱交換による水蒸気発生量を抑制して排ガス温度を高温に維持する。
【解決手段】 セパレータ８は、燃料ガスが導入される燃料ガス導入口１０と、導入された燃料ガスを吐出する燃料ガス吐出口９と、燃料ガス導入口１０と燃料ガス吐出口９を連結する燃料ガス流路１１を備えている。更に、燃料ガス流路内のガス流による吸い込み効果により燃料極反応ガスの一部を燃料ガス流路１１に環流する吸引流路２０を備えている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、内部改質式の燃料電池に用いて好適なセパレータに関し、特に、電池反応で生じる燃料極反応ガスの再利用を可能にしたセパレータの構造に関するものである。

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。

発電セルには、空気極層側に酸化剤ガスとしての酸素（空気）が、燃料極層側に燃料ガス（Ｈ₂ 、ＣＯ、ＣＨ₄ 等）が供給される。空気極層と燃料極層は、ガスが固体電解質層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。空気極層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、空気極層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、燃料極層の方向に向かって固体電解質層内を拡散移動する。燃料極層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Ｈ₂ Ｏ、ＣＯ₂ 等の反応ガス（排ガス）を生じ、燃料極層に電子を放出する。

燃料電池は、主として天然ガス（メタンガス）等の炭化水素化合物（原燃料と言う）を用いているため、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。

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。
ＣＨ₄ ＋Ｈ₂Ｏ→３Ｈ₂ ＋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＋Ｈ₂ Ｏ→Ｈ₂ ＋ＣＯ₂

水蒸気改質反応は吸熱反応であることから、改質反応のための高温水蒸気を別途供給する必要がある。従来は、主に電池反応により生じる燃料電池スタックからの高温排ガスを熱交換して水蒸気を得ていた。

例えば、作動温度が１０００℃前後の高温作動型の固体酸化物形燃料電池では、排出される熱エネルギー量が多いため、改質反応に要する熱エネルギーを回収するのは比較的容易であるが、作動温度が７００℃程度の低温作動型で、特に、改質器を内蔵した内部改質式の固体酸化物形燃料電池では、改質温度も７００℃以下に制限されるため、先の高温型に比べて排出される排ガスには熱的な余裕が無く、改質反応が不十分になる恐れがあった。
このため、低温作動型の固体酸化物形燃料電池では、十分な改質反応を行なわせるため燃料ガスのＳ／Ｃ（スチーム・カーボン比）を３以上に確保する必要があった。Ｓ／Ｃが低く過ぎると発電セルに燃料ガスを導入する配管系等に炭素析出が発生し、それによって電池性能が低下する等の弊害が生じる。

尚、排ガスを再利用する技術として特許文献１が開示されている。
特開２００２−１５１１０６号公報

ところで、水は蒸発潜熱が大きいため、上記のように排ガスを熱交換して水蒸気を発生させると、排ガス温度が著しく低下する。例えば、作動温度７００℃程度の低温作動型の固体酸化物形燃料電池では、排ガス温度は１５０℃程度に低下してしまう。
このため、排ガスの熱エネルギーを有効に利用した効率の良いコージェネレーションシステムを実現することは困難であった。

本発明は、このような問題点に鑑みて成されたもので、電池反応で生じた水蒸気を炭化水素燃料の水蒸気改質用に再利用することにより、排ガス熱交換による水蒸気発生量を抑制し、その分、排ガス温度を高温に維持するようにした熱効率の良い固体酸化物形燃料電池のセパレータを提供することを目的としている。

すなわち、請求項１に記載の本発明は、燃料ガスが導入される燃料ガス導入口と、導入された燃料ガスを吐出する燃料ガス吐出口と、前記燃料ガス導入口と前記燃料ガス吐出口を連結する燃料ガス流路を備えた燃料電池のセパレータにおいて、前記燃料ガス流路内のガス流による吸い込み効果により、燃料極反応ガスの一部を前記燃料ガス流路に環流させる吸引流路を設けたことを特徴としている。

本構成では、燃料ガス流路内のガス流により得られる吸い込み効果（アスピレータ効果）により、燃料極層側のセパレータ面上を流れてスタック外に排出される余剰ガス（燃料極反応ガス）の一部がセパレータ上の吸込口より吸引され、吸引流路を通して燃料ガス流路内に導入される。この燃料極反応ガスには電池反応で生じた水蒸気が含まれており、この水蒸気を炭化水素燃料を水蒸気改質するための水蒸気源として有効利用できる。

また、請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載の燃料電池用セパレータにおいて、前記吸引流路の燃料極反応ガスの吐出口を燃料ガス流路内においてガス流方向に向けて形成したことを特徴としている。

本構成では、吐出口を燃料ガスの流れ方向に開口すると、吸引流路の燃料極反応ガスが燃料ガス流路にスムースに流入されるようになり、燃料極反応ガスの環流効率が向上する。

また、請求項３に記載の本発明は、請求項１または請求項２の何れかに記載の燃料電池用セパレータにおいて、前記吸引流路の吐出口が形成される部分の前記燃料ガス流路を細くしたことを特徴としている。

本構成では、吐出口の周部を燃料ガス流路の他の部位より減圧することができ、負圧による吸い込み効果が向上される。

また、請求項４に記載の本発明は、請求項１から請求項３までの何れかに記載の燃料電池用セパレータにおいて、前記燃料ガス導入口がセパレータ側部に設けられ、前記燃料ガス吐出口がセパレータ中央部に設けられ、前記吸引流路の吸込口がセパレータの周縁部に設けられていることを特徴としている。

燃料ガス吐出口から燃料極層側に導入される燃料ガスは、電池反応を起こしながら上流のセパレータ中央部より下流側のセパレータ周縁部に向かって拡散しながら外部に排出される。
本構成では、吸引流路の吸込口がセパレータ上の最下流部位に設けられることにより、電極反応でより多くの水蒸気を含んだ燃料極反応ガスを燃料ガス流路内に環流することができる。

また、請求項５に記載の本発明は、請求項１から請求項４までの何れかに記載の燃料電池用セパレータにおいて、前記吸引流路を前記セパレータの周方向に沿って複数設けたことを特徴としている。

本構成では、セパレータ上面の数カ所で広範囲に燃料極反応ガスを吸引して燃料ガス流路内に環流することができるため、燃料極反応ガスの無駄な外部排出が抑制されて効率的な再利用が可能となる。

以上説明したように、本発明によれば、セパレータに吸引流路を設けて燃料極反応ガスを燃料ガス流路内に環流し、電池反応で生じた水蒸気を炭化水素燃料を水蒸気改質するための水蒸気源として再利用することにより、排ガス熱交換器による水蒸気の発生量を少なくでき、その分に相当する蒸気潜熱を減らして、排ガス温度を高温に維持することができる。その結果、高温排ガスを利用した効率の良いコージェネレーションシステムを実現することができる。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明に係る平板積層型の固体酸化物形燃料電池の要部構成を示し、図２、図３はセパレータの要部構成を示し、図４は燃料電池スタック運転時の反応ガスの流れを示している。

先ず、図１に基づいて本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池の構成を説明する。
本実施形態の燃料電池スタック１は、固体電解質層２の両面に燃料極層３と空気極層（酸化剤極層）４を配して構成した発電セル５と、燃料極層３の外側に配した燃料極集電体６と、空気極層４の外側に配した空気極集電体（酸化剤極集電体）７と、集電体６、７の外側に配したセパレータ８をそれぞれ順番に積層した構造を有する。

ここで、前記固体電解質層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、前記燃料極層３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、前記空気極層４はＬａＭｎＯ₃ 、ＬａＣｏＯ₃ 等で構成され、前記燃料極集電体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、前記空気極集電体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、前記セパレータ８はステンレス等で構成されている。

セパレータ８は、図１、図４に示すように、発電セル５間を電気的に接続すると共に、発電セル５に対してガスを供給する機能を有しており、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の燃料極集電体６に対向する面のほぼ中央部から吐出させる燃料ガス流路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の空気極集電体７に対向する面から吐出させる酸化剤ガス流路１２とを有している。但し、両端のセパレータ８（８Ａ、８Ｂ）は、通路１１、１２の何れか一方のみを有する。

尚、燃料ガス流路１１には、接続管１３を介して図示しない燃料用マニホールからの燃料ガスが導入され、酸化剤ガス流路１２には、接続管１４を介して図示しない酸化剤用マニホールドからの酸化剤ガス（空気）が導入されるようになっている。
また、上記燃料用マニホールには、燃料電池内に内蔵の排ガス熱交換式水蒸気発生装置からの水蒸気が混合された炭化水素燃料が導入される。

そして、この燃料電池モジュール１は、発電セル５の外周部にガス漏れ防止シール機構を設けないシールレス構造と成されており、運転時には、図４に示すように、燃料ガス流路１１および酸化剤ガス流路１２を通してセパレータ８の略中心部から発電セル５に向けて供給される燃料ガスおよび酸化剤ガス（空気）を、発電セル５の外周方向に拡散させながら燃料極層３および空気極層４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高温ガス（余剰ガス）を、発電セル５の外周部からスタック外に自由に放出するようになっている。

ところで、本実施形態のセパレータ８は、図２に示すように、上記した燃料ガス流路１１に加え、燃料極集電体６側の面に、当燃料ガス流路１１に連通する吸引流路２０が設けられている。

この吸引流路２０の吸込口２１は当セパレータ面の縁部に設けられており、吸込口２１より燃料ガス流路１１に向かってほぼ垂直に連通されていると共に、その他端の吐出口２２は、Ｌ形のガス誘導部２３を介して燃料ガス流路１１内のガス流方向、即ち、セパレータ８の縁部から中心部に向けて開口している。

この吸引流路２０は、燃料ガス流路１１内のガス流により生ずる吸い込み効果（アスピレータ効果）を利用して燃料極反応ガスの一部を燃料ガス流路１１に環流させることができる。

セパレータ８の燃料ガス導入口１０より燃料ガス流路１１に導入される燃料ガスの流速は約１００ｍ／ｓｅｃ程であって、この高速の燃料ガスが燃料ガス流路１１内に挿入されると、そのガス流により、燃料ガス流路１１内部が減圧されることになり、燃料極集電体６側のセパレータ面上を周縁部に向かって拡散する燃料極反応ガスの一部が、セパレータ縁部において吸込口２１より吸引流路２０内に吸引されると共に、ガス誘導部２３を介して吐出口２２より吐出されて燃料ガス流路１１内において燃料ガスに合流する。
この際、吐出口２２が燃料ガスの流れ方向に開口されているため、吸引流路２０内の燃料極反応ガスは燃料ガス流路１１にスムースに流入して導入燃料ガスと混合される。この結果、燃料極反応ガスの環流は良好となる。

この燃料極反応ガスには、電池反応により生じた水蒸気が多分に含まれており、その分、燃料ガス流路１１内を流通する燃料ガス中の水蒸気量が増量され、炭化水素燃料を水蒸気改質するための水蒸気源として有効利用できる。
尚、炭化水素改質触媒は、セパレータ８の燃料ガス流路１１内や燃料極集電体６の内部に配置しておいて燃料ガスが燃料極層３に達する前に炭化水素改質触媒により改質反応を行わせるようにすることもできる。

また、本実施形態では、吸引流路２０の吐出口２２が形成される部分の燃料ガス流路１１は、ガス誘導部２３の存在により燃料ガス流路１１の他の部位に比べて細くなっており、これにより、吐出口２２の周部はさらに減圧され、負圧による吸い込み効果をより顕著にできる。
加えて、既述したように、シールレス構造では、燃料ガス吐出口９から燃料極層３側に導入される燃料ガスは電池反応を起こしながらセパレータ８の中央部より周縁部に拡散し、最終的に余剰ガスとしてスタック外に排出されるため、吸引流路２０の吸込口２１をその最下流部に当たるセパレータ８の周縁部に設けることにより、電極反応を繰り返してより多くの水蒸気を含んだ燃料極反応ガスを燃料ガス流路１１内に環流することができ、余剰ガスとして無駄に排出される水蒸気量を抑制して水蒸気を効率良く再利用できる。

燃料極反応ガスを燃料ガス流路１１内に環流し、再利用することにより、図示しない排ガス熱交換式水蒸気発生装置の水蒸気発生量（即ち、水の蒸発潜熱）を少なくでき、図示しない燃料用マニホールドに導入される水蒸気混合ガスのＳ／Ｃ（スチームカーボン比）で、例えば、約１．８まで抑制すると、排ガス温度を従来の１５０℃から３８０℃程度まで高めることができる（但し、作動温度７００℃程度の低温作動型の固体酸化物型燃料電池の場合）。

このように、排ガス温度を従来より高温に維持することができれば、排ガスの熱エネルギーを利用した効率の良いコージェネレーションシステムを実現することが可能となり、例えば、高温排ガスで吸収式冷凍機を作動させ易くなる等、その応用範囲は広がる。

図３は、セパレータ８の別の実施形態を示している。図３のセパレータは図２のセパレータの構造と相違して、吸引流路２０の吸込口２１をセパレータ面上の周縁に沿って複数個（本実施形態では、３個）等間隔に設けたものである。

当セパレータ８は、中央部に燃料ガス吐出口９を設けた４枚の金属板２５〜２８を順番に重ね合わせて構成した４層構造と成されており、最上層の金属板２８の各吸込口２１はその下層にて金属板２７の環状流路２４によって連結され、更に、この環状流路２４は、その下層にて金属板２６の連通孔２９を介して最下層の金属板２５の燃料ガス流路１１内に設けたガス誘導部２３（図２のガス誘導部２３と同じ構造のものを用いている）に連通されて、その吐出口２２を燃料ガス流方向に向けて開口している。

本構成では、セパレータ８の中央部より吐出されて周縁部に向かって拡散する燃料極反応ガスをセパレータ上面の数カ所で広範囲に吸引すると共に、それぞれを環状流路２４にて合流させた後、連通孔２９を通してガス誘導部２３に導き、吐出口２２より燃料ガス流路１１内に流入させる。これにより、燃料極反応ガスの無駄な外部排出を抑制して水蒸気のより効率的な再利用が可能となる。

尚、以上説明した実施形態では、燃料ガス流路１１をセパレータ８内の所定の１箇所に形成したが、これに限定されるものではなく、例えば、図３の各吸込口２１の各々に対応して複数設けるようにしても勿論構わない。

本発明に係る平板積層型の固体酸化物形燃料電池の要部構成を示す斜視図。 本発明に係るセパレータの要部構成を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は縦断面図。 図２とは別のセパレータの要部構成を示す図。 燃料電池スタック運転時のガスの流れを示す図。

符号の説明

８ セパレータ
９ 燃料ガス吐出口
１０ 燃料ガス導入口
１１ 燃料ガス流路
２０ 吸引流路
２１ 吸込口
２２ 吐出口

Claims (5)

1. 燃料ガスが導入される燃料ガス導入口と、導入された燃料ガスを吐出する燃料ガス吐出口と、前記燃料ガス導入口と前記燃料ガス吐出口を連結する燃料ガス流路を備えた燃料電池のセパレータにおいて、
   前記燃料ガス流路内のガス流による吸い込み効果により、燃料極反応ガスの一部を前記燃料ガス流路に環流させる吸引流路を設けたことを特徴とする燃料電池用セパレータ。
2. 前記吸引流路の燃料極反応ガスの吐出口を燃料ガス流路内においてガス流方向に向けて形成したことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用セパレータ。
3. 前記吸引流路の吐出口が形成される部分の前記燃料ガス流路を細くしたことを特徴とする請求項１または請求項２の何れかに記載の燃料電池用セパレータ。
4. 前記燃料ガス導入口がセパレータ側部に設けられ、前記燃料ガス吐出口がセパレータ中央部に設けられ、前記吸引流路の吸込口がセパレータ周縁部に設けられていることを特徴とする請求項１から請求項３までの何れかに記載の燃料電池用セパレータ。
5. 前記吸引流路を前記セパレータの周方向に沿って複数設けたことを特徴とする請求項１から請求項４までの何れかに記載の燃料電池用セパレータ。

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