JP2005327553A - 固体酸化物形燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池スタックからの排熱を効率良く利用して発電効率の向上を図る。
【解決手段】 発電セル５とセパレータ８を交互に積層して構成した燃料電池スタック１をハウジング３０内に収納する。燃料電池スタック１は、発電反応に使用されなかった残余のガスを排ガスとしてスタックの外周部から外部に放出するシールレス構造とする。ハウジング内に配置されて燃料電池スタック１からの放射熱を受熱する熱交換体２１、２２の外表面に燃焼触媒２０を担持して燃料電池スタック１から放出される排ガスを触媒燃焼し、その触媒反応熱により熱交換体２１、２２を加熱する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池スタックからの排ガスを効率良く利用して発電効率の向上を図ったシールレス構造の固体酸化物形燃料電池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おり、現在、円筒型、モノリス型、および平板積層型の３種類が知られている。これら固体酸化物形燃料電池は、何れも酸化物イオン伝導体から成る固体電解質層を両側から空気極層（カソード）と燃料極層（アノード）で挟み込んだ積層構造を有し、この積層体から成る発電セルとセパレータを交互に複数積層することによりスタック化されている。このスタックをハウジング内に収納して燃料電池を構成している。

固体酸化物形燃料電池では、反応用ガスとして空気極層側に酸化剤ガス（酸素) が供給され、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、反応用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、何れも多孔質の層とされている。

発電セル内において、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反応生成物（Ｈ₂Ｏ、ＣＯ₂等）を生じ、燃料極層に電子を放出する。
このような電極反応で生じた電子は、別ルートの外部負荷にて起電力として取り出すことができる。

ところで、燃料電池から排出される排ガスには、反応の際に消費されなかった僅かな水素や未改質のメタン等が含まれている。従来の燃料電池発電システムでは、環境面や安全衛生の面から、これらの可燃ガスをそのまま外部に排気せず、システム内の燃焼装置で燃焼するようにしている。

近年、省エネ性および経済性と共に、環境保全性において大きな効果が期待されるコージェネレーションシステムの出現が強く要望されているなかで、燃料電池発電システムにおいても、燃料電池から排出される排ガスを熱エネルギー源として有効利用する様々な提案が成されており、その一例として、特許文献１が開示されている。
特許文献１には、排ガス中の可燃成分を燃焼触媒を用いて燃焼し、その燃焼熱を上記した排ガス燃焼器の熱エネルギー源として利用することにより発電効率を向上した燃料電池が開示されている。
特開２００３−３１７７７８号公報

ところで、燃料電池の発電反応を継続するためには発電セルを常時好適な発電反応温度に保持しておく必要があり、そのための熱エネルギー源として燃料電池より排出される高温の排ガスを使用することが行われている。

通常、固体酸化物形燃料電池では、高温作動型で１０００℃前後、低温作動型でも７００℃前後の高い温度が必要であり、発電セルの温度が低下すると発電効率の低下を招くことになる。
このため、従来より、燃料電池から排出される高温度の排ガスを用いて燃料電池スタックを加熱したり、ハウジング内に断熱材を付装してハウジング内の雰囲気を高温度に保持する等の対策が成されてはいるが、熱エネルギーの供給量はまだまだ不十分であり、発電効率の向上のための排ガスの利用において、改善の余地は残されている。また、ハウジング内の保温効果を高めるために断熱材を多くするとその分の余分なスペースを必要とし、燃料電池が大型化するという問題もある。

このような事情から、燃料電池から排出される余剰エネルギーをいかに効率良く回収して発電反応に利用するかが大きな課題となっている。

本発明は、このような課題に鑑みて成されたもので、燃料電池スタックからの排熱を効率良く利用して発電効率の向上を図った固体酸化物形燃料電池を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、発電セルとセパレータを交互に積層して構成した燃料電池スタックをハウジング内に収納し、前記発電セルに反応用ガスを供給して発電反応を生じさせると共に、発電反応に使用されなかった残余のガスを排ガスとして前記燃料電池スタックの外周部から外部に放出するシールレス構造の固体酸化物形燃料電池において、前記ハウジング内に配置されて前記燃料電池スタックからの放射熱を受熱する熱交換体の外表面に燃焼触媒を担持すると共に、当該燃焼触媒により燃料電池スタックから放出される排ガスを触媒燃焼して前記熱交換体を加熱することを特徴としている。

また、請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池において、前記熱交換体が燃料改質器であることを特徴としている。

また、請求項３に記載の本発明は、請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池において、前記燃料改質器を前記燃料電池スタックの周辺に配設したことを特徴としている。

また、請求項４に記載の本発明は、請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池において、前記熱交換体が空気予熱器であることを特徴としている。

また、請求項５に記載の本発明は、請求項４に記載の固体酸化物形燃料電池において、前記空気予熱器を前記燃料電池スタックの上方に配設したことを特徴としている。

ここで、請求項１に記載の構成では、ハウジング内の熱交換体は燃料電池スタックからの放射熱を受熱し、且つ、触媒反応により生じる高温度の燃焼ガスによって加熱されるため、発電反応に必要な大量の熱エネルギーを排ガスより効率良く回収して発電反応を活性化できる。

また、請求項２、３に記載の構成では、燃料電池スタックからの放射熱を直接的に伝熱可能なスタック近傍に改質器を配置して放射熱を効率良く受熱すると共に、触媒反応により生じる高温度の燃焼ガスによって加熱されるため、改質反応の吸熱反応に必要とされる十分な高熱を得ることができる。これにより触媒反応は活性化され、燃料改質器の改質能は向上する。

また、請求項４、５に記載の構成では、スタック上方に配置して上方に向けて対流する排ガスの熱をスタック上方にて効率良く受熱し、且つ、触媒反応により生じる高温度の燃焼ガスによって加熱されるため、外部からの酸化剤ガス（空気）を効率良く予熱することができる。また、空気予熱器自体をスタック上方に配置することにより、空気予熱器の熱交換動作が燃料電池スタックやその周辺に配置された燃料改質器へ熱的影響を及ぼすのを回避することができる。

以上説明したように、本発明によれば、ハウジング内に配置された熱交換体の外表面に燃焼触媒を担持して燃料電池スタックから放出される排ガスを触媒燃焼し、その触媒反応熱により熱交換体を加熱するようにしたので、ハウジング内の熱交換体は燃料電池スタックからの放射熱を受熱して加熱されると共に、触媒反応により生じた高温度の燃焼ガスによってさらに加熱されることになる。このように、発電反応に要する大量の熱エネルギーは排ガスより効率良く回収できるため、発電効率は向上する。

以下、図１〜図３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構成を示し、図２は燃料電池スタックの上面を示し、図３は燃料電池スタックにおける運転時のガスの流れを示している。

図１、図２に示すように、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４を配した発電セル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７と、各集電体６、７の外側に配したセパレータ８とで単セル１０を構成し、この単セル１０を縦方向に多数積層したものである。

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、Ｃｏ−ＹＳＺ等のサーメットで構成され、空気極層４はＬａＭｎＯ₃、ＬａＣｏＯ₃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。

セパレータ８は、発電セル５間を電気的に接続すると共に、発電セル５に対して反応用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の燃料極集電体６に対向する面のほぼ中央部１１ａから吐出する燃料ガス通路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の空気極集電体７に対向する面のほぼ中央１２ａから吐出する酸化剤ガス通路１２を備えている。

また、この燃料電池スタック１の両端には、ステンレス等で成る上下一対の端板９Ａ、９Ｂが配設されており、燃料電池スタック１からの電力（電流出力）は、この上下の端板９Ａ、９Ｂを介して外部回路（負荷）を接続することにより取り出すことができるようになっている。

一方 燃料電池スタック１の側方には、外部からの燃料ガスを各セパレータ８に分配・供給する燃料ガス用マニホールド１５と、外部からの酸化剤ガス（空気）を各セパレータ８に分配・供給する酸化剤ガス用マニホールド１６とが積層方向に列設されている。燃料ガス用マニホールド１５は、多数の接続管１３を介して各セパレータ８の燃料ガス通路１１に接続されており、酸化剤ガス用マニホールド１６は多数の接続管１４を介して各セパレータ８の酸化剤ガス通路１２に接続されている。

これら、燃料電池スタック１や各マニホールド１５、１６を円筒状の断熱ハウジング３０に収納して、モジュール化することにより、固体酸化物形燃料電池が構成される。

また、この固体酸化物形燃料電池は、発電セル５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３に示すように、燃料ガス通路１１および酸化剤ガス通路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余剰ガス（排ガス）を発電セル５の外周部からハウジング３０内に自由に放出するようになっている。
尚、ハウジング３０の上部には、ハウジング内部空間に放出された排ガスをモジュール外に排出するための排気機構３０ａが設けてある。

また、本実施形態では、ハウジング３０内において、炭化水素触媒を充填した２台の燃料改質器２１、２１が燃料電池スタック１からの放射熱を効率良く受熱できるよう、燃料電池スタック１の周囲を囲むように、その近傍に相対向して配設されている。
尚、この燃料改質器２１には配管を通して燃料ガスである炭化水素ガスと高温水蒸気の混合ガスが導入されると共に、改質触媒にて改質された水素リッチな燃料ガスは配管を通して燃料用マニホールド１３に誘導されるようになっている。

燃料改質器２１は、熱伝導性の良いセラミックスや金属で成る箱体の内部にガス流路を設けてペレット触媒（例えば、Ｎｉ系またはＲｕ系の炭化水素改質用触媒を分散して付着させたもの）を充填した構造としたり、或いは、ハニカム状の流通路を有するハニカム触媒を用いたりすることができる。

一方、ハウジング３０内にあって、燃料電池スタック１の上方には熱交換路を長くした蛇管構造の空気予熱器２２が配設されている。

この空気予熱器２２は、酸化剤用マニホールド１４へ供給する空気を予熱するための熱交換器であって、予熱のために高い温度を必要とすることから、燃料電池スタック１や上記燃料改質器２１の温度に影響を及ぼすことなく燃料電池スタック１からの排ガスの熱を大量に、且つ、効率的に受熱できるよう、下部の高温排ガスが対流するスタック上部に配置している。

ところで、本実施形態では、上記した燃料改質器２１や空気予熱器２２等のように、ハウジング３０内に配置されて燃料電池スタック１からの排熱を受熱する熱交換体の外表面に燃焼触媒２０を担持した構成としており、例えば、各燃料改質器２１、２１においては図２に示すように、燃料電池スタック１との対向側面側に、また、空気予熱器２２では、図１に示すように、管体の全面を覆うように配置している。
燃焼触媒２０としては、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｃｅ、Ｏｓ等を用い、これら貴金属をアルミナ担体に担持したものを各々熱交換体の所定部位や全面に分散したり、或いは、ウオッシュコーティングにより層状に配置している。

上記したように、シールレス構造の燃料電池スタック１では、発電反応で消費されなかった余剰ガスが発電セル５の外周部からハウジング３０内の空間部に放出される構造であるから、放出された高温排ガスは筒状のハウジング３０内を下方より上方に向かって対流する過程で燃料改質器２１や空気予熱器２２の表面に担持した燃焼触媒２０と接触し、その際の触媒反応により排ガス中の有害な可燃成分（未燃焼炭化水素）が触媒燃焼する。
固体酸化物形燃料電池の作動温度は、高温作動型で１０００℃前後、低温作動型でも７５０℃前後であることから、ハウジング３０内の高温雰囲気下にあって排ガス中の可燃成分は燃焼温度を越えており、燃焼触媒２０によって燃焼（触媒燃焼）が促進されることにより高温度の燃焼ガスが生成され、その触媒反応熱により熱交換体は外表面から加熱される。

すなわち、燃料改質器２１では、燃料電池スタック１からの放射熱による加熱に加え、触媒反応による高温度の燃焼ガスにより加熱されることにより、改質反応の吸熱反応に必要とされる十分な熱（６５０〜８００℃）を得ることができる。これにより改質反応が活性化され、燃料改質器２１の改質能は向上する。
また、都市ガス燃料（炭化水素ガス）を使用する場合は、通常燃料電池スタック１との温度差２００℃未満まで空気を予熱する必要があり、好適温度に予熱するには、得られる電気出力の約３倍分の熱エネルギーを熱交換する必要がある。

そこで、空気予熱器２２をスタック上方に配置し、燃料電池スタック１から放出されてスタック上方に対流する高温排ガスを効率的に受熱できるようにすると共に、触媒反応により生じた高温度の燃焼ガスによってさらに加熱するようにした。これにより、燃料電池スタック１や燃料改質器２１の温度に影響を及ぼすことなく外部からの酸化剤ガス（空気）を好適温度に予熱することができる。

このように、ハウジング３０内の熱交換体は燃料電池スタック１からの放射熱を効率良く受熱して加熱され、更に触媒反応による高温度の燃焼ガスにより加熱される。即ち、発電反応に要する大量の熱エネルギーは効率的な排ガス利用により得られることになり、よって、燃料電池の発電効率は著しく向上する。

以上説明した本実施形態では、熱交換体として燃料改質器２１と空気予熱器２２を説明したが、ハウジング３０内に燃料ガス予熱器や水蒸気発生器等が設置されている場合は、これらの熱交換体にも勿論適用可能である。
尚、燃料ガス予熱器は燃料改質器に供給する燃料ガスを予熱するための熱交換器であり、水蒸気発生器はこの燃料ガスに混合する高温水蒸気を生成するための熱交換器である。

本構成では、排ガスの燃焼とその燃焼熱の回収を１つのハウジング３０内において連続的に行うことができるため、排熱の利用効率に優れると共に、燃料電池モジュール自体の構造が簡略化され、コンパクト化が可能となる。

また、排ガスの燃焼手段として燃焼触媒２０を用いることにより、ＮＯｘを生じることなくハウジング３０内において排ガス中の有害成分を燃焼・除去し、排ガスをクリーンな状態でハウジング３０外に排出することができ、よって、省エネ性および経済性と共に、環境保全性に優れたコージェネレーションシステムの構築を実現することができる。

本発明が適用された固体酸化物形燃料電池の構成を示す図。 本発明が適用された燃料電池スタックの上面を示す図。 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 燃料電池スタック
５ 発電セル
８ セパレータ
２０ 燃焼触媒
２１ 燃料改質器
２２ 空気予熱器
３０ ハウジング

Claims (5)

1. 発電セルとセパレータを交互に積層して構成した燃料電池スタックをハウジング内に収納し、前記発電セルに反応用ガスを供給して発電反応を生じさせると共に、発電反応に使用されなかった残余のガスを排ガスとして前記燃料電池スタックの外周部から外部に放出するシールレス構造の固体酸化物形燃料電池において、
   前記ハウジング内に配置されて前記燃料電池スタックからの放射熱を受熱する熱交換体の外表面に燃焼触媒を担持すると共に、当該燃焼触媒により燃料電池スタックから放出される排ガスを触媒燃焼して前記熱交換体を加熱することを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
2. 前記熱交換体が燃料改質器であることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池。
3. 前記燃料改質器を前記燃料電池スタックの周囲に配設したことを特徴とする請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池。
4. 前記熱交換体が空気予熱器であることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池。
5. 前記空気予熱器を前記燃料電池スタックの上方に配設したことを特徴とする請求項４に記載の固体酸化物形燃料電池。

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