JP2005347013A

JP2005347013A - 燃料電池

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Publication number: JP2005347013A
Application number: JP2004163041A
Authority: JP
Inventors: Shoichi Kashima; 昭一加島
Original assignee: Sumitomo Precision Products Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Precision Products Co Ltd
Priority date: 2004-06-01
Filing date: 2004-06-01
Publication date: 2005-12-15
Anticipated expiration: 2024-06-01
Also published as: JP4705762B2

Abstract

【課題】電池セルを積層して構成されたセルスタックに対する予熱装置を備え、且つ酸化ガスの予熱装置を備えた燃料電池において、電池規模を小さく抑制する。
【解決手段】円板状の電池セルを中心軸方向に積層して形成された円柱形状のセルスタック１０を包囲するように、セルスタック１０の外周側に筒状の熱交換器４０を設ける。熱交換器４０では、セルスタック１０を包囲する弧状の排ガス流路４２，４２・・及び酸化ガス流路４３，４３・・が径方向へ交互に配列されている。排ガス流路４２，４２・・は、電池セルの積層方向に平行な方向の縦向き流路を内周部から外周部へ蛇行状に組み合わせた縦型である。酸化ガス流路４３，４３・・は、セルスタック１０の周方向に平行な２方向の横向き流路を外周部から内周部へ蛇行状に組み合わせた横型である。排ガス流路４２，４２・・は縦型であることにより、セルスタック１０の下方に装備される予熱装置３０の排ガスを、縦向き流路を通して外部へ効率的に排出することができ、予熱装置３０における排ガス流路を兼ねる。
【選択図】図１

Description

本発明は、水素リッチの燃料ガスと酸化ガスとを反応させて発電を行なう燃料電池に関し、更に詳しくは、発電に伴う燃焼排ガスにより酸化ガスを予熱する熱交換器を備えた燃料電池に関する。

代表的な燃料電池の一つとして、固体酸化物型燃料電池〔ＳＯＦＣ（Solid Oxide Fuel Cells）〕がある。この燃料電池では、イットリア安定化ジルコニアなどからなる薄く脆い円形の固体電解質板の一方の表面にアノード電極層を形成し、他方の表面にカソード電極層を形成した円板状の電極付き固体電解質が電池セルとして使用される。そして、この電池セルを挟んでアノード側の反応空間を水素リッチの燃料ガスが内周部から外周部へ流通し、カソード側の反応空間を空気などの酸化ガスが内周部から外周部へ流通することより、発電が行なわれる。

通常は、この電池セルを挟み、その両面側に反応空間が形成されるように、円板状のインターコネクタを板厚方向に積層した円柱形状のセルスタックが使用される。インターコネクタはステンレス鋼などからなり、ガス分離板を兼ねることからセパレータとも呼ばれる。

このような燃料電池における発電効率改善策の一つとして酸化ガスの予熱がある。即ち、燃料電池では、前述したとおり、円柱形状のセルスタックでの発電に伴ってセルスタックの外周側へ高温の燃焼ガスが排出される。その高温の排ガスと、セルスタックに導入される酸化ガスとを熱交換させることにより、酸化ガスを予熱して電池セルに供給する。このような予熱装置を持つ燃料電池の一つが特許文献１に記載されている。

ＥＰ１３４７５２９Ａ２明細書

特許文献１に記載された燃料電池では、円柱形状のセルスタックから、セルスタックの中心軸に直角な平面内に形成された横型の渦巻き状のガス流路を通って、燃焼ガスが外周側へ排出される。また、この横型の渦巻き状のガス流路に隣接して形成された別の横型の渦巻き状のガス流路を通って、酸化ガスが外周側から中心側のセルスタックへ送られ、その過程で燃焼ガスにより予熱される。

燃料電池では又、酸化ガスの予熱装置とは別に、セルスタックに対する予熱装置が装備される。即ち、燃料電池では、使用する燃料ガスの種類に応じて運転温度が相違するものの、運転開始時にはセルスタックを常温からその運転温度まで予熱する必要がある。この予熱は、一般に電池セルの下方に設けたガスバーナーにより行なわれる。即ち、セルスタックの下方に設けたガスバーナーにより上方のセルスタックを加熱して、常温から運転温度へ予熱するのである。

しかしながら、酸化ガスを予熱する場合、セルスタックの外周側にガス予熱用の熱交換器が設けられ、一方、セルスタックの下方にはセルスタックに対する予熱装置が設けられることになる。セルスタックに対する予熱装置では、加熱バーナーだけでなく、その排気系統も必要であり、２つの予熱装置のために、燃料電池が甚だ大型化する問題がある。

本発明の目的は、セルスタックに対する予熱装置を備え、更には酸化ガスの予熱装置を備えるにもかかわらず、電池規模を可及的に小さく抑制できる燃料電池を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の燃料電池は、円板状の電池セルを中心軸方向に積層して形成された円柱形状のセルスタックと、セルスタックから外周側に排出される排ガスにより酸化ガスを予熱するために前記セルスタックを包囲するようにその外周側に設けられた筒状の熱交換器とを具備している。そして、前記熱交換器ではセルスタックを包囲する排ガス流路及び酸化ガス流路が径方向へ交互に配列されると共に、排ガス流路はセルスタックにおけるセル積層方向に平行な方向の縦向き流路を内周部から外周部へ蛇行状に組み合わせた縦型に構成されており、酸化ガス流路はセルスタックの周方向に平行な２方向の横向き流路を外周部から内周部へ蛇行状に組み合わせた横型に構成されている。

本発明の燃料電池では、セルスタックを包囲する排ガス予熱用熱交換器が、縦型の排ガス流路と横型の酸化ガス流路で構成されている。特に排ガス流路が、縦向き流路を内周部から外周部へ蛇行状に組み合わせた縦型に構成されているために、セルスタックの下方に装備される予熱装置の排ガスを、縦型の排ガス流路を通して外部へ効率的に排出することができる。即ち、排ガス予熱用熱交換器における縦型の排ガス流路が、セル予熱装置における排ガス流路を兼ねることができ、セル予熱装置における排ガス流路が不要になることから、燃料電池の小型化が可能になる。

また、酸化ガス流路がセルスタックの周方向に平行な２方向の横向き流路を外周部から内周部へ蛇行状に組み合わせた横型に構成されているため、排ガス流路と酸化ガス流路の間でＵターン部同士の干渉がなくなり、これによる熱交換器の小型化も可能になる。

セル予熱装置から排出される排ガスの排出効率を高めるために、排ガス予熱用熱交換器においては、縦型の排ガス流路における最内周側の縦向き流路を上向きに形成することが望まれる。

またセルスタックの温度調節のために、排ガス予熱用熱交換器の更に内側にセルスタックを冷却するためのジャケットを設けることができるし、排ガス浄化触媒を加熱するために、その触媒を排ガス予熱用熱交換器内の縦向き流路に組み込むこともできる。触媒の組み込みにより、排ガス浄化触媒を加熱するための専用の加熱装置が不要になり、燃料電池の一層の小型化が可能になる。

本発明の燃料電池は、セルスタックから外周側に排出される排ガスにより酸化ガスを予熱するためにセルスタックを包囲するようにその外周側に設けられる熱交換器の排ガス流路を、セルスタックにおけるセル積層方向に平行な方向の縦向き流路が内周部から外周部へ蛇行状に組み合わされた縦型にし、酸化ガス流路を、セルスタックの周方向に平行な２方向の横向き流路が外周部から内周部へ蛇行状に組み合わされた横型にしたことにより、セルスタックの下方に装備される予熱装置の排ガスを、縦型の排ガス流路を通して外部へ効率的に排出することができる。即ち、排ガス予熱用熱交換器における縦型の排ガス流路が、セル予熱装置における排ガス流路を兼ねることができる。これにより、セルスタックに対する予熱装置を備え、更には酸化ガスの予熱装置を備える構成であるにもかかわらず、電池規模を可及的に小さく抑制することができる。

以下に本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明の一実施形態を示す燃料電池の縦断面図、図２は同燃料電池の横断面図である。

本実施形態の燃料電池は、円柱形状のセルスタック１０と、これを収容する円筒状のセル容器２０と、セル容器２０の下方に設けられた予熱装置３０と、セル容器２０の外側に設けられた環状の熱交換器４０とを備えている。熱交換器４０は、セルスタック１０に供給される空気の予熱装置である。

セルスタック１０は、複数枚の円板状のインターコネクタの各間に、電池セルとして円形の電極付き固体電解質板を挟んで積層した固体電解質型である。このセルスタック１０は、空気供給管１１を通して中心部に上方から酸化ガスとしての空気を供給される。また、図示されない燃料管を通して中心部周囲に上方から都市ガス等の炭化水素系の燃料ガスを供給される。

部分酸化改質又は水蒸気改質を終えてセルスタック１０内に供給された燃料ガスは、電池セルの一面側に形成されたアノード側の反応空間を内周部から外周部へ流通する。また、熱交換器４０による予熱を終えてセル内に供給された空気は、電池セルの他面側に形成されたカソード側の反応空間を内周部から外周部へ流通する。これにより、セルスタック１０で発電が行なわれ、その結果として燃焼ガスがセルスタック１０から外周側へ排出される。

セル容器２０は、上面及び下面が閉塞された円筒状の密閉容器であり、円筒形状の架台２１上に固定されている。このセル容器２０は、高温の燃焼排ガスに耐え得るステンレス鋼などの耐熱金属により構成されている。セル容器２０の最下部、より詳しくは円筒形状の胴体の最下部には、複数のガス排出孔２２，２２・・が周方向に所定間隔で全周にわたって設けられている。

予熱装置３０は、セル容器２０を支持する架台２１の周囲に設けられた円筒状のカバー３１を有している。カバー３１は、内側の架台２１との間に円環状の予熱室３２を形成している。予熱室３２は、上方の熱交換器４０と連通しており、その内部には、架台２１を包囲するように円環状のリングバーナー３３が設けられている。リングバーナー３３は、運転開始時に主にセル容器２０の外周面を加熱し、容器内の電池セル１０を常温から運転温度まで予熱する。３４はリングバーナー３３へ燃料を供給する燃料供給管、３５は点火フラグ、３６は炎検知プラグである。

熱交換器４０は、セル容器２０を包囲する厚肉の円筒体であり、最内周部にはセル容器２０の外周面に接する円環状のジャケット４１を有している。ジャケット４１の外側には、直径が段階的に大きくなる複数の円環状の排ガス流路４２，４２・・が所定の隙間をあけて同心状に形成されている。また、直径が段階的に大きくなる複数の円環状の酸化ガス流路４３，４３・・が隣接する排ガス流路４２，４２の間に位置して形成されている。

熱交換器４０は、ここでは半円の円弧状をした排ガス流路４２，４２・・及び酸化ガス流路４３，４３・・を円環状に組み合わせた構成になっている。即ち、ここにおける排ガス流路４２，４２・・及び酸化ガス流路４３，４３・・は、円環状のものを周方向に２分割した構造になっている。

熱交換器４０の一方の半円部では、図１に示すように、複数の弧状の排ガス流路４２，４２・・のうち、ジャケット４１の外側に位置する１番内側の排ガス流路４２は、排ガスを下から上へ流通させる上向き流路になっており、その下端部が、セル容器２０の最下部に設けられた複数のガス排出孔２２，２２・・を介してセル容器２０内に連通すると共に、下方の予熱室３２に連通している。

内側から２番目の排ガス流路４２は、排ガスを上から下へ流通させる下向き流路であり、１番目の排ガス流路４２とは上端部同士が連通している。以下同様に上向き流路及び下向き流路が交互に配置されると共に、下端部同士及び上端同士が交互に連通している。これにより、一方の半円部での複数の排ガス流路４２，４２・・は、セルスタック１０におけるセル積層方向に平行な方向の縦向き流路を内周部から外周部へ蛇行状に組み合わせた縦型になっている。

一番外側の排ガス流路４２は上向き流路であり、図示されないヘッダー部を介して、熱交換器４０の外周部上面に取付けられた排気管４４から排ガスを外部へ排出するようになっている。熱交換器４０の径方向中間部には、幅の広い排ガス流路４２が形成されている。この排ガス流路４２には排ガス浄化触媒５０が配置されている。

熱交換器４０の他方の半円部でも、一方の半円部と同様に、複数の弧状の排ガス流路４２，４２・・は、セルスタック１０におけるセル積層方向に平行な方向の上向き流路と下向き流路を内周部から外周部へ蛇行状に組み合わせた縦型に構成されており、中間の排ガス流路４２には排ガス浄化触媒５０が配置されている。

一方、複数の酸化ガス流路４３，４３・・については、図２に示すように、熱交換器４０の一方の半円部では、一番外側の弧状の酸化ガス流路４３では、酸化ガスである空気が周方向の一方へ流通する。この酸化ガス流路４３には、熱交換器４０の外周部上面に取付けられた空気導入管４６からヘッダー部４７を介して空気が導入される。

外側から２番目の酸化ガス流路４３では、酸化ガスである空気が周方向の他方へ流通する。即ち、１番目の酸化ガス流路４３とは逆向きに空気が通する。このために、１番目の酸化ガス流路４３と２番目の酸化ガス流路４３は、一方の側端部同士が連通している。以下同様に周方向で異なる向きの流路が交互に配置されており、これにより、一方の半円部での複数の酸化ガス流路４３，４３・・は、電池セル１０の周方向に平行な２方向の横向き流路を外周部から内周部へ蛇行状に組み合わせた横型になっている。

一番内側の酸化ガス流路４３は、下流側の側端部が、熱交換器４０の内周部上面に取付けられた空気導出管４８にヘッダー部４９を介して連通しており、これにより酸化ガス流路４３，４３・・を流通した空気を空気導出管４８から外部へ排出する。

熱交換器４０の他方の半円部でも、一方の半円部と同様に、複数の弧状の酸化ガス流路４３，４３・・は、セルスタック１０の周方向に平行な２方向の横向き流路を外周部から内周部へ蛇行状に組み合わせた横型に構成されている。

なお、セル容器２０の外側に設けられた環状のジャケット４１には、熱交換器４０の内周部上面に取付けられた空気導入管４５から冷却用の空気が導入される。ジャケット４１を流通した空気は、一番内側の排ガス流路４２に流入する。

排気管４４及び空気導出管４８は、熱交換器４０の２つの半円部に別々に設けられているが、空気導入管４５，４６は、熱交換器４０の２つの半円部で共用されている。空気導入管４５は、熱交換器４０の中心を挟んで反対側に設けられている。空気導入管４６及び空気導出管４８，４８は、熱交換器４０の中心に対して同じ側に設けられている。

次に本実施形態の燃料電池の機能について説明する。

セルスタック１０を運転するにあたって、予熱装置３０内のリングバーナー３３により、主にセル容器２０の外周面を加熱し、容器内のセルスタック１０を常温から運転温度まで予熱する。このときに生じる燃焼排ガスは、熱交換器４０内の排ガス流路４２，４２・・を内周部から外周部へ順番に通過して外部へ排出される。

ここで、熱交換器４０内の排ガス流路４２，４２・・は、セルスタック１０におけるセル積層方向に平行な方向の上向き流路と下向き流路を内周部から外周部へ蛇行状に組み合わせた縦型に構成されており、特に、燃焼排ガスが最初に流入する最内周の排ガス流路４２は、上向き流路になっている。このため、予熱に伴う燃焼排ガスは、予熱室３２から熱交換器４０内の排ガス流路４２，４２・・を通ってスムーズに外部へ排出される。

即ち、熱交換器４０内の排ガス流路４２，４２・・が予熱時の排ガス流路として利用される。このため、予熱装置３０においては排ガスの排出系統が不要になり、この点から燃料電池の小型化が図られる。

セルスタック１０の予熱時には又、電池セルのカソード側に空気が供給される。この空気は、空気導入管４６から熱交換器４０内に導入され、更に熱交換器４０内の酸化ガス流路４３，４３・・を外周部から内周部へ通過した後、空気導出管４８，４８から一旦熱交換器４０の外に排出され、その後にセル容器２０内のセルスタック１０に供給される。

ここで、酸化ガス流路４３，４３・・は排ガス流路４２，４２・・の各間に位置している。このため、酸化ガス流路４３，４３・・を外から内へ流通する空気が、排ガス流路４２，４２・・を内から外へ流通する燃焼排ガスと熱交換され、予熱される。そして、この予熱された空気がセルスタック１０へ供給されることからも、セルスタック１０の予熱が促進される。

ここで、熱交換器４０内の酸化ガス流路４３，４３・・は、縦型の排ガス流路４２，４２・・と異なり、セルスタック１０の周方向に平行な２方向の横向き流路を外周部から内周部へ蛇行状に組み合わせた横型に構成されている。このため、両者の間でＵターン部同士の干渉がなくなり、その結果として熱交換器４０も小型化される。

セルスタック１０が運転温度に達すると、電池セルのアノード側に改質を終えた燃料ガスが所定流量で供給される。同時に、電池セルのカソード側に所定流量の空気が酸化ガスとして供給される。この空気は、空気導入管４６から熱交換器４０内に導入され、更に熱交換器４０内の酸化ガス流路４３，４３・・を外周部から内周部へ順番に通過した後、空気導出管４８，４８から一旦熱交換器４０の外に排出され、その後にセル容器２０内のセルスタック１０に供給される。

このとき、セルスタック１０からは高温の燃焼ガスが排ガスとして外周側へ排出される。この排ガスは、セル容器２０の最下部から複数のガス排出孔２２，２２・・を通って熱交換器４０内の最下部に内側から流入する。その排ガスは、予熱時の燃焼排ガスと同様、熱交換器４０内の排ガス流路４２，４２・・を内周部から外周部へ順番に通過し、排気管４４から外部へ排出される。これにより、酸化ガス流路４３，４３・・を外周部から内周部へ通過する空気は、排ガスで加熱される。加熱された空気は、空気導出管４８から一旦熱交換器４０の外に排出され、その後にセル容器２０内のセルスタック１０に供給される。

このような酸化ガスの予熱により発電効率が上がることは周知のとおりである。

発電中に電池セル１０の温度が上がり過ぎたときは、空気導入管４５から熱交換器４０内のジャケット４１に冷却用の空気を導入する。これによりセル容器２０が外部から冷却され、容器内のセルスタック１０が適温に維持される。冷却に使用された後の空気は、排ガスに合流して熱交換器１０の外に排出される。

このように、本実施形態の燃料電池では、セル容器２０の外周側に設けられた熱交換器４０により、酸化ガスとしての空気がセルスタック１０から排出される高温の排ガスにより予熱される。

また、運転開始に先立ち、セル容器２０内のセルスタック１０が下方の予熱装置３０により運転温度に予熱されるが、その燃焼排ガスは熱交換器４０内の排ガス流路４２，４２・・を通って外部へ排出される。このため、予熱装置３０は排気系統が不要となり、小型化される。また、その燃焼排ガスにより、予熱時にカソード側に供給される空気が予熱されるため、予熱効率も上がる。

特に、熱交換器４０内の排ガス流路４２，４２・・は、セルスタック１０の積層方向に平行な方向の上向き流路と下向き流路を内周部から外周部へ蛇行状に組み合わせた縦型に構成されているため、運転時の排ガスについても予熱時の排ガスについても、共に高い排出効率が確保される。

また、熱交換器４０内の酸化ガス流路４３，４３・・は、セルスタック１０の周方向に平行な２方向の横向き流路を外周部から内周部へ蛇行状に組み合わせた横型に構成されている。このため、排ガス流路４２，４２・・と酸化ガス流路４３，４３・・との間でＵターン部同士の干渉がなくなり、熱交換器４０も小型化される。

更に、本実施形態の燃料電池では、排ガスを浄化する触媒５０が熱交換器４０内の排ガス流路４２，４２・・の中間部に配置される。この位置では排ガス温度が１５０℃以上であるため、排ガス浄化触媒５０は、排ガスを利用して適温に加熱される。このため、触媒５０を加熱する装置が不要となり、この点からも電池規模が小さくなる。

なお、本実施形態では、熱交換器４０内の排ガス流路４２，４２・・及び酸化ガス流路４３，４３・・は、円環状のものを周方向で２分割した構造になっているが、３或いは４以上に分割した構造でもよく、更には円環状の一体構造でもよい。

図３は本発明の他の実施形態を示す燃料電池の縦断面図、図４は同燃料電池の横断面図である。

本実施形態の燃料電池は、略四角形に組み合わされた４つのセルスタック１０，１０・・を具備している。４つのセルスタック１０，１０・・は、４つのセル容器２０，２０・・内に収容されている。熱交換器４０は、４つのセルスタック１０，１０・・の間で共用され、４つのセル容器２０，２０・・を包囲する環状体になっている。

より詳しくは、熱交換器４０では、ジャケット４１、最も内側の排ガス流路４２及び酸化ガス流路４３は、セル容器２０，２０・・を独立に包囲しているが、それ以外の排ガス流路４２，４２・・及び酸化ガス流路４３，４３・・は、機構上は４つのセル容器２０，２０・・をまとめて包囲している。ただし、機能上は、４つのセルスタック１０，１０・・間で共用される排ガス流路４２，４２・・及び酸化ガス流路４３，４３・・は、電池セル１０，１０・・に各対応して周方向で４分割されている。

なお、図示されていないが、４つのセルスタック１０，１０・・は、４つのセル容器２０，２０・・の各下方に設けられた予熱装置によって独立に予熱される。

本実施形態の燃料電池でも、熱交換器４０により、酸化ガスとしての空気が４つの電池セル１０，１０・・から排出される高温の排ガスにより予熱される。

また、熱交換器４０内の排ガス流路４２，４２・・が予熱装置の排気系統を兼ねるために、電池規模が小さくなる。熱交換器４０内の排ガス流路４２，４２・・が、電池セル１０の積層方向に平行な方向の上向き流路と下向き流路を内周部から外周部へ蛇行状に組み合わせた縦型であるため、排ガスの排出効率が高い。

一方、熱交換器４０内の酸化ガス流路４３，４３・・は、縦型の排ガス流路４２，４２・・と異なり、セルスタック１０の周方向に平行な２方向の横向き流路を外周部から内周部へ蛇行状に組み合わせた横型である。このため、熱交換器４０も小型となる。

更に、熱交換器４０内の排ガス流路４２に排ガス浄化触媒が配置され、排ガスを利用してこの触媒が加熱されるため、この点からも燃料電池が小型化される。

本実施形態においても熱交換器４０内の排ガス流路４２，４２・・及び酸化ガス流路４３，４３・・の分割数は限定せず、非分割でもよい。

本発明の一実施形態を示す燃料電池の縦断面図である。同燃料電池の横断面図である。本発明の他の実施形態を示す燃料電池の縦断面図である。同燃料電池の横断面図である。

符号の説明

１０セルスタック
２０セル容器
２２ガス排出孔
３０予熱装置
３２予熱室
３３リングバーナー
４０熱交換器
４１ジャケット
４２排ガス流路
４３酸化ガス流路
４４排気管
４５，４６空気導入管
４７，４９ヘッダー部
４８空気導出管
５０排ガス浄化触媒

Claims

円板状の電池セルを中心軸方向に積層して構成された円柱形状のセルスタックルと、セルスタックから外周側に排出される排ガスにより酸化ガスを予熱するために前記セルスタックを包囲するようにその外周側に設けられた筒状の熱交換器とを具備しており、前記熱交換器ではセルスタックを包囲する排ガス流路及び酸化ガス流路が径方向へ交互に配列されると共に、排ガス流路はセルスタックにおけるセル積層方向に平行な方向の縦向き流路を内周部から外周部へ蛇行状に組み合わせた縦型に構成されており、酸化ガス流路はセルスタックの周方向に平行な２方向の横向き流路を外周部から内周部へ蛇行状に組み合わせた横型に構成されていることを特徴とする燃料電池。
前記セルスタックの下方に予熱装置を装備し、前記縦型の排ガス流路が前記予熱装置から排出される排ガスの流路を兼ねる請求項１に記載の燃料電池。
前記縦型の排ガス流路における最内周側の縦向き流路が、前記予熱装置から排出される排ガスを導入するべく上向きに形成されている請求項２に記載の燃料電池。
前記熱交換器の更に内側に電池セルを冷却するジャケットを装備する請求項１に記載の燃料電池。
前記熱交換器内の縦向き流路の中間部に排ガス浄化触媒を具備する請求項１に記載の燃料電池。