JP2005293926A - 筒状燃料電池集合体 - Google Patents

Abstract

【課題】 内部改質型燃料電池発電システムにおいて、発電時に筒状燃料電池集合体の発電部分において生じる温度分布を減少させ、高い発電効率を実現するとともに長時間運転における劣化速度を抑制する。
【解決手段】 筒状燃料電池セルを複数接続した筒状燃料電池集合体において、複数のセルを集合化するための接合部に、放熱を促すための平板状、または波板状の部材を設け、セルから放熱板となる板状部材への熱移動を促進し、また、板状部材から供給ガスへの熱移動もおこす。
【選択図】 図１

Description

本発明は燃料電池発電システムに関する。さらに詳細には高温型の直接内部改質式燃料電池発電システムに関する。

筒状固体酸化物形燃料電池セルは、多孔質支持管−空気極−固体酸化物−燃料極−インターコネクタで構成される。なお、空気極が多孔質支持管を兼用する場合もある。燃料電池発電システムにおいては、燃料電池セルは複数接続され、燃料電池容器に収納されている。燃料電池セルの外側の燃料極には燃料ガスラインから燃料ガスが供給される。燃料電池セルの内側には空気導入管が挿入されており、空気分配器を介して酸化剤ガスが供給される。
燃料ガスには、水素ガスを用いることがもっとも好適であるが、天然ガス、プロパンガスなどの炭化水素系燃料ガスを改質器などによって水素リッチガスに転換して導入されることが多い。一方酸化剤ガスとしては、酸素ガスを用いることがもっとも好適であるが、入手性の問題などから一般的には空気が用いられる。このようにして燃料極側に燃料ガスが、空気極側に酸化剤ガスが供給されると、電解質の両側において電気化学反応が起こり電力と熱と水を発生する。この反応は水の電気分解の逆反応である。

筒状固体酸化物形燃料電池による発電システムは、通常数十本から数百本のセルを電気的に接続し集合化して構成される。従来の筒状燃料電池集合体を図５に示す。複数の筒状燃料電池セル１はニッケルフェルト４等により電気的に直列方向に接合され集合体が形成される。通常、電気的に並列方向にも電気的に接合される場合が多い。図５では直列方向に４段積層された筒状燃料電池集合体を並列方向から見た例である。
高温型である固体酸化物形燃料電池の特長として、その運転温度を利用して電池自身で水蒸気改質反応を起こし、都市ガスやLPG等の炭化水素から直接水素を生成させることができる点が挙げられる。したがって、燃料ガスとして未改質、または部分的に改質されたガスを直接筒状燃料電池集合体に供給して発電を行うことが可能である。この方式は内部改質方式と呼ばれる。水蒸気改質反応は吸熱反応であるため、電池反応からの発熱を有効利用できる。また、電池反応で生成した水（水蒸気）も改質反応に利用することができる。

実際の発電状態においては筒状燃料電池集合体の発電部分において温度分布が生じ、セル性能を十分に発揮できないという問題があった。通常、燃料電池にはその性能を最大限に発揮するのに最適な温度領域がある。例えば、ジルコニアを電解質として用いた固体酸化物燃料電池においてはその範囲は９００〜９５０℃程度である。これより高温になると発電性能はほとんど向上せず、むしろ、セル本体や周辺材料に高温によるダメージを与える。また、これより低い温度では発電性能が十分発揮できないことがある。しかしながら、セルを集合化した場合、セル全体をこの温度範囲に制御するのは困難で、前記筒状燃料電池集合体においては燃料の流れ方向を基準に述べると、燃料ガスと酸化剤ガスの供給条件に大きく影響されるが、燃料入口と出口部では低く、途中の中央部周辺で最高温度になるという傾向が一般的である。

特に内部改質方式では、水蒸気改質反応は筒状燃料電池集合体の燃料入口でかなり進行するため筒状燃料電池集合体の発電部分の温度分布をさらに大きくするという課題があった。

また、その他の方法として、集合化したセル間に炭化水素燃料を水蒸気改質するための反応管を設ける方法がある（例えば、特許文献１参照）。この例では、反応管の管壁の厚みを調整し、高温となる部分を効果的に冷却するように工夫されている。しかしながら、このような方法では発電システムの複雑化と大型化をまねくという問題があった。
特開２００３−１１５３０７号公報（第１図）

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、本発明の課題は、燃料電池発電システムの発電状態においては、筒状燃料電池集合体の発電部分において生じる温度分布を抑制することにある。高温部を発電に最適な温度になるようにシステムを制御すると、低温部ではセル性能が十分に発揮できないために全体の発電効率が低下する。逆に低温部を発電に最適な温度になるようにシステムを制御すると、高温部でのセル性能の低下が激しいため寿命が短くなる。また、高温部に耐えられる材料も使用しなければならなくなる点も問題となる。内部改質方式を採用した場合この温度分布はさらに大きくなる傾向にあった。

上記課題を解決するために、請求項１では、多孔質支持管−空気極−固体酸化物−燃料極−インターコネクタで構成される筒状燃料電池セルを複数接続した燃料電池集合体において、前記筒状燃料電池セル間の接合部に、放熱を促すための板状部材を設けた。これにより、セルでの発電により発生する熱を効果的に、供給ガスに移動させることができる。

請求項２では、前記放熱を促すための部材が、発電部分の、セル長さ方向に対して中段部分に接触している。これにより、高温となりやすいセル中段部分において発生した熱を供給ガスに移動させることができる。

請求項３では、前記放熱を促すための部材の接合部材に接触する部分の長さが、筒状燃料電池集合体の積層方向について、断熱材に近い外側より中央が長くなるように傾斜配置する。これにより、高温となりやすい筒状燃料電池集合体の中央部分において発生した熱を供給ガスに移動させることができる。

請求項４では、前記放熱を促すための部材が、網目構造を持つ。これにより、セルでの発電により発生する熱を効果的に、供給ガスに移動させることができる。

請求項５では、前記放熱を促すための部材が、波状である。これにより、セルでの発電により発生する熱を効果的に、供給ガスに移動させることができる。

以上の説明から明らかなように、本発明の燃料電池発電システムによれば、筒状燃料電池集合体の高温部に放熱を促すための部材を設けたことにより、発電部での温度分布を減少させることができ、発電システムの効率を高めることができる。

以下に図面を参照して本発明をより具体的に説明する。
図１は本発明の一例である、２並列４段の燃料電池集合体の断面図である。図５の従来例ではひとつのセルのインターコネクタ部と、そのセルと電気的に直列に接続されるもうひとつのセルの燃料極部はニッケルフェルトで接合されている。それに対し、図１の例ではニッケルフェルトが２分割され、間に放熱のための金属板がはさまれている。セル部分での発電により発生した熱はニッケルフェルトを介し金属板に熱伝導する。図５の従来の例では熱はセルとニッケルフェルトからのみ燃料極ガスに放散されるが、図１の例ではそれらに加えて、表面積の大きい放熱板からも放熱されることにより、効率良く熱の移動が進む。図１の例では放熱板は接続される各セルから等距離にあるが、より効率良く放熱を促すためには、非発電部分であるインターコネクタ部からは遠く、発電部分である燃料極部側にはより近い位置に配置される方が望ましい。
放熱板の材料としては、使用雰囲気下で安定で、導電性が良い金属等が使用可能であるが、中でも比較的安価で熱伝導性の高いニッケルや銅などが望ましい。また、これらの放熱板にはガスの拡散を促すための穴やフィンやディンプル等が設けられても良い。
図２は図１の燃料電池集合体を横方向から表した図で、直列方向の接続の構造を示している。
図３は本発明の他の実施例である。放熱板の長さを、温度が高くなりやすい中央部のセルに接する部分では長く、熱が外部に放散されやすい外側のセルほど短くした例である。
図４は本発明の他の実施例である。放熱板として波板状の部材が使用された例である。放熱板の表面積が大きくなるため放熱効果が大きくなる。

本発明の筒状燃料電池集合体の一実施例を略示する図である。 図１を別方向から略示する図である。 本発明の筒状燃料電池集合体の他の実施例を略示する図である。 本発明の筒状燃料電池集合体の他の実施例を略示する図である。 従来の筒状燃料電池集合体の一般的な構成図である。

符号の説明

１ 多孔質支持体（空気極、固体酸化物電解質を含む）
２ 燃料極
３ インターコネクタ
４ ニッケルフェルト
５ 放熱板
６ セル

Claims (5)

1. 多孔質支持管−空気極−固体酸化物−燃料極−インターコネクタで構成される筒状燃料電池セルを複数接続した燃料電池集合体において、前記筒状燃料電池セル間の接合部に、放熱を促すための板状部材を設けたことを特徴とする筒状燃料電池集合体
2. 前記放熱を促すための部材が、発電部分の、セル長さ方向に対して中段部分に接触していることを特徴とする請求項１に記載の筒状燃料電池集合体
3. 前記放熱を促すための部材が接合部に接触する部分の長さを、筒状燃料電池集合体の積層方向について、断熱材に近い外側より中央が長くなるように傾斜配置することを特徴とする請求項１または２に記載の筒状燃料電池集合体
4. 前記放熱を促すための部材が、2次元または3次元の網目構造を持つことを特徴とする請求項１ないし３いずれか一項に記載の筒状燃料電池集合体
5. 前記放熱を促すための部材が、波板状であることを特徴とする請求項１、請求項２または３に記載の筒状燃料電池集合体
   
   

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