JP2006054134A - 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た熱効率の良い固体酸化物形燃料電池を提供する。
【解決手段】 発電セルとセパレータを交互に多数積層して燃料電池スタック１を構成し、燃料改質器２１と共にハウジング３０内に収納して構成した固体酸化物形燃料電池において、燃料改質器２１を燃料電池スタック１の積層方向において複数のセパレータに接触させた状態で配設し、セパレータからの直接的な伝熱により熱回収を図る。
【選択図】 図１

Description

本発明は、内部改質式の固体酸化物形燃料電池に関し、詳しくは、燃料電池スタックからの排熱を有効利用した高効率の固体酸化物形燃料電池に関する。

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。

発電時、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反応生成物（Ｈ₂Ｏ、ＣＯ₂等）を生じ、燃料極層に電子を放出する。

燃料に水素を用いた場合の電極反応は次のようになる。
空気極： １／２ Ｏ₂ ＋ ２ｅ^- → Ｏ^2-
燃料極： Ｈ₂ ＋ Ｏ^2- → Ｈ₂ Ｏ＋２ｅ^-
全体 ： Ｈ₂ ＋ １／２ Ｏ₂ → Ｈ₂ Ｏ

ところで、燃料電池の燃料ガスは、主に天然ガス（メタンガス）や都市ガス等の炭化水素化合物（原燃料と言う）が使用されるため、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＋Ｈ₂Ｏ→Ｈ₂＋ＣＯ₂

従来より、燃料電池の改質方法として、燃料電池の外に燃料改質器を設置する外部改質法、或いは、図５に示すように、ハウジング３０内において高温の燃料電池スタック１の近傍に燃料改質器２１を配設したものや、図示しないがスタック内部に直接燃料改質触媒を担持したもの等、所謂、内部改質法が知られている。
水蒸気改質反応が吸熱反応であることから、改質反応のための熱を別途供給する必要がある外部改質法は発電効率が悪く燃料電池の燃料改質機構には不向きであり、近年、発電時に燃料電池より発生する熱の一部を改質反応の吸熱反応に利用できる効率的な内部改質法が注目されている。

改質反応は吸熱反応であり、十分な改質反応を得るには改質触媒を少なくとも６４０℃以上、望ましくは７００℃以上に加熱する必要があることから、内部改質式の燃料電池では、改質用の熱エネルギーとして燃料電池スタックからの高温排熱を利用する様々な方法が提案されており、その一例として特許文献１が開示されている。
特開２００３−２２９１６４号公報

ところで、固体酸化物形燃料電池の場合、作動温度が１０００℃前後の高温型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℃前後の低温作動型の固体酸化物形燃料電池の場合では、先の高温型に比べて排出される熱エネルギー量も少なく熱的にゆとりが無いため、効率的な熱回収が成されないと改質反応が不十分になる恐れがある。

特に、図５に示す内部改質機構は、燃料改質器２１をスタック近傍に配設して燃料電池スタック１からの輻射熱を回収するものであるから、熱の回収効率も十分とは言えない。改質不十分であるとメタン（未改質ガス）からの炭素析出で電池性能が急激に低下したり、発電セル内にメタンが導入されると吸熱反応による熱応力で燃料極が剥離し、寿命が短くなるといった弊害が生じる。
また、燃料改質器２１の配置スペースの関係より、モジュール自体が大型化するという問題がある。

このような実状から、上記弊害を無くして安定した発電性能を得るには、燃料電池から排出される余剰エネルギー（排熱）をいかに効率良く回収し、そして発電反応に有効使用するかが大きな課題となっている。

本発明は、このような従来からの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た熱効率の良い固体酸化物形燃料電池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、発電セルとセパレータを交互に多数積層して燃料電池スタックを構成し、燃料改質器と共にハウジング内に収納して構成した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積層方向において複数のセパレータに接触させた状態で配設した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、前記燃料改質器を前記燃料電池スタックの外側部に配設した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１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内部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２に記載の固体酸化物形燃料電池において、前記セパレータが前記燃料改質器と接触する端部を膨出して、前記燃料改質器との接触面積を増大した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１から請求項４までの何れかに記載の固体酸化物形燃料電池において、スタック端部を除く部位のセパレータと前記燃料改質器を接触させたことを特徴としている。

また、請求項６に記載の本発明は、請求項１から請求項５までの何れかに記載の固体酸化物形燃料電池において、前記燃料改質器を複数配設したことを特徴としている。

ハウジング内に配設した燃料改質器には、十分な改質反応（吸熱反応）を行うために高温を供給する必要がある。
そこで、本発明の請求項１に記載の構成では、燃料改質器を燃料電池スタックの、特に高温となるセパレータの側面に直接接触させ、その際の伝熱効果により熱回収するようにした。これにより、燃料改質器は排熱を効率良く受熱して高温を保持して十分なを改質反応を行うことができ、よって、燃料電池からの排熱を有効に利用した高効率発電が実現できる。
また、請求項２に記載の構成では、燃料改質器と燃料電池スタックを接触させることにより、ハウジング内における燃料改質器の設置スペースを極力少なくでき、モジュールの小型化が図れる。
また、請求項３に記載の構成では、燃料改質器の四方より高温排熱を直接受熱できることから、熱の回収効率が向上する。
また、請求項４に記載の構成では、燃料改質器とセパレータの接触面積を増やすことにより伝熱効果が増大し、熱の回収効率がより一層向上する。

ところで、平板積層型の燃料電池スタックでは、発電セルの積層方向においてスタック両端付近の温度が中側部分に比べて極端に低下するという傾向が見られる。これは、燃料電池スタックの端部が中段部分に比べて発電セルで生じたジュール熱が発散し易いことに起因しており、このような温度分布は発電効率の低下を招くことになる。
そこで、請求項５に記載の構成では、温度の高い燃料電池スタックの中段部分の発電セルからの発熱を効率良く吸収して改質反応に利用すると共に、その際の吸熱作用で燃料電池スタックの中段部分は冷却される。これにより、燃料電池スタックの積層方向の温度分布が均一化され、効率的な発電が可能となる。
また、請求項６に記載の構成では、燃料改質器を複数箇所に分散・設置することにより個々の燃料改質器を薄くできるため、モジュールの小型化が図れる。

以上説明したように、本発明によれば、燃料改質器を燃料電池スタックの積層方向において複数のセパレータに接触させた状態で配設したので、燃料改質器は排熱を効率良く受熱して十分な改質を行うことができ、これにより、燃料電池からの排熱を有効に利用した高効率発電が実現できる。

以下、図１〜図４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は同、単セルの構成を示し、図３、図４は本発明による燃料改質器の配置を示している。尚、説明を簡略化するため、以下の説明において従来と共通する部材については同一の符号を用いた。

図２に示すように、発電要素となる単セル１０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とで構成されている。

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。

上記セパレータ８は、図２に示すように、厚さ数ミリの角形ステンレス板で構成されており、当セパレータ８の介在により、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し、その内部に燃料ガスをセパレータ８の縁部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の縁部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を有している。

また、セパレータ８の左右両端には、板厚方向に貫通する一対のガス孔１３、１４が設けてあり、一方のガス孔１３は燃料ガス通路１１に、他方のガス孔１４は酸化剤ガス通路１２にそれぞれ連通し、各々のガス孔１３、１４からこれらのガス通路１１、１２を通して各発電セル５の各電極面に燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給できるようなっている。尚、上下に積層されるセパレータ８のガス孔同士は、それぞれリング状の絶縁性ガスケット１５、１６にて連結されている。

図１に示すように、上記構成の単セル１０を、間にガスケット１５、１６を介在して順次積層すると共に、この積層体の両端にフランジ２０ａ、２０ｂを配して上下より締め付け、当積層体を構成する各発電要素を相互に密着・接合することにより、燃料電池スタック１が構成される。
この際、スタックの内部には、それぞれ積層方向に延びる燃料ガス用のマニホールドと酸化剤ガス用のマニホールドの２系統の内部マニホールドが形成される。この内部マニホールドを通して外部からの反応用ガス（燃料ガスおよび酸化剤ガス）が各セパレータ８を介して発電セルに分配・供給される。係る構造の燃料電池スタック１を内部マニホールド式燃料電池スタックと言う。

そして、この燃料電池スタック１を内壁に断熱材３１を介装した筒状のハウジング３０に収納することにより、固体酸化物形燃料電池（燃料電池モジュール）が構成される。

また、この燃料電池モジュールは、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、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。ハウジング３０内に放出された余剰ガスは、ハウジング上部の排気管３２よりモジュールの外に排出されるようになっている。

また、図１に示すように、燃料電池スタック１の側部に接触させた状態で箱形の燃料改質器２１が配設されており、その出口部が上記したスタック内の燃料用マニホールドに連通されている。燃料改質器２１の入口部には、図示しない配管を介して炭化水素系ガス（例えば、都市ガス）と水蒸気の混合ガスが導入されようになっている。

燃料改質器２１は、ガス流路の内部にペレット触媒（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）を充填した構造のものや外形が四角状のハニカム触媒そのものを用いることができ、入口部より導入された炭化水素系ガスがこれらの改質触媒と反応することにより、水素リッチな燃料ガスに改質される。この際の改質反応は吸熱反応であり、そのために６５０〜８００℃程の高温を必要とすることは既述した通りである。

燃料改質器２１の両側部にはガイドピン２５が設けてあり、燃料電池スタック１の下フランジ２０ｂには、燃料改質器２１を支持するためのガイド板２３が起立・固定されている。このガイド板２３の上端に上記ガイドピン２５が係着可能なガイド溝２４が斜め下方に設けてある。

燃料改質器２１のガイドピン２５をガイド板２３のガイド溝２４に係着・支持すると、燃料改質器２１はその自重によってガイド溝２４に沿って斜めに摺動・降下し、その背面が燃料電池スタック１の側面に当接した状態で固定される。
係る取り付け構造は、ハウジング内の高温雰囲にあって熱膨張や腐食等により構造的、機能的に影響を受け易い固定用バネ部材等を用いることなく、簡潔構造、且つ、簡単操作にて燃料改質器２１を燃料電池スタック１の側部に確実に接触・支持できるものである。

この燃料改質器２１は、図３に示すように、積層体の各構成要素の内、特に高温となる複数のセパレータ８の側面に物理的に接触させ、その際の伝熱効果によりセパレータ８から直接熱回収するようにしたもので、本実施形態では、四角状セパレータ８の対向２面に配設されている。
尚、燃料改質器２１のセパレータ８の側面と接触する面に絶縁性のコーティング２２を施したり、或いはアルミナ等の絶縁板２２を介在させることにより、燃料改質器２１とセパレータ８とを電気的に絶縁してセパレータ同士の短絡を回避している。

また、図３に示すように、セパレータ８の燃料改質器２１と接触する端部８ａを厚さ方向に膨出してラッパ状にしても良い。これにより、セパレータ８と燃料改質器２１との接触面積が増大し、熱の回収効率が更に向上する。

また、本実施形態では、図１に示すように、燃料改質器２１をスタック中段部分の複数のセパレータ８に接触させ、スタック両端部のセパレータ８には非接触としている。
このような配置にすると、温度の高い燃料電池スタック１の中側部分の発電セル５からの発熱（ジュール熱）を効率良く回収して改質反応に利用すると共に、その際の吸熱作用で燃料電池スタック１の中側部分を冷却することができる。一方、スタック端部のセパレータ８は非接触であるから、そのままの温度が保持されている。
この結果、燃料電池スタック１の積層方向の温度分布が均一化され、効率的な発電が可能となる。尚、非接触とするセパレータ８はスタック両端の１枚に限るものではなく、燃料電池スタック１の温度分布に応じて適宜数枚が設定されるものである。

次に、図４は、燃料改質器２１を燃料電池スタック１内部に配置した実施形態を示している。

この実施形態は、積層される各セパレータ８の左右両端部を矩形状に刳り抜き、積層によりスタック内部に形成される空間部２６に箱形の燃料改質器２１を嵌め込む構造である。この場合も、上記図３の実施形態と同様、燃料改質器２１がセパレータ８の側面と接触する面には、絶縁性のコーティング２２を施したり、或いはアルミナ等の絶縁板２２を介在させて燃料改質器２１とセパレータ８間の電気的絶縁を確保している。

上記構成では、燃料改質器２１の周部がセパレータ８と接触し、四方より高温排熱を直接受熱できるため、図３の場合に比べて熱の回収効率を向上できると共に、燃料電池スタック１を簡潔構造にできるというメリットがある。

このように、本発明の固体酸化物形燃料電池では、燃料電池スタック１の外側、或いは内側の何れに配置しても、セパレータ８と燃料改質器２１を物理的に接触させることにより、その際の伝熱効果により燃料改質器２１は排熱を効率良く回収して高温を保持して十分な改質を行うことができ、燃料電池からの排熱を有効に利用した高効率発電が実現できると共に、ハウジング内における改質器２１の設置スペースを極力少なくして、モジュールの小型化が図れる。
また、燃料改質器２１を複数（２面配置に限らず、３面、或いは４面配置も可能）に分散・配置することにより、個々の燃料改質器２１の厚みを薄くでき、その分、モジュールの小型化が図れる。

本発明は、内部マニホールド式の燃料電池スタック１に適用すると、燃料改質器２１からの改質ガスをセパレータ８を介して各発電セルに分配・供給する機構的な面で好適である。

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。 単セルの構成を示す図。 本発明に係る燃料改質器の配置を示す上面図。 同、燃料改質器の図３とは別の配置を示す上面図。 燃料改質器の従来の配置を示す上面図。

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
２１ 燃料改質器
３０ ハウジング

Claims (6)

1. 発電セルとセパレータを交互に多数積層して燃料電池スタックを構成し、燃料改質器と共にハウジング内に収納して構成した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積層方向において複数のセパレータに接触させた状態で配設したことを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
2. 前記燃料改質器を前記燃料電池スタックの外側部に配設した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内部に配設した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。
4. 前記セパレータの前記燃料改質器と接触する端部を膨出して、前記燃料改質器との接触面積を増大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。
5. スタック端部を除く部位のセパレータと前記燃料改質器を接触させ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固体酸化物形燃料電池。
6. 前記燃料改質器を複数配設したことを特徴とする請求項１から請求項５までの何れかに記載の固体酸化物形燃料電池。

Images