JP2007018967A

JP2007018967A - 燃料電池の運転方法

Info

Publication number: JP2007018967A
Application number: JP2005201568A
Authority: JP
Inventors: Katsuya Hirata; 勝哉平田
Original assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2005-07-11
Filing date: 2005-07-11
Publication date: 2007-01-25

Abstract

【課題】昇温時間の短縮と、排熱回収装置を含む排ガス系の熱的負荷を軽減する燃料電池の運転方法を提供する。
【解決手段】発電セルを多数積層したスタック１をハウジング内に収納して燃料電池モジュール１０を構成し、運転開始の際の昇温時に、外部熱源により前記モジュール１０を予熱すると共に、前記モジュール内にパージ用のガスを導入する燃料電池の運転方法であって、前記パージ用ガスの少なくとも一部を前記モジュール１０から排出される排ガスと熱交換して予熱し、モジュール内に導入するようにする。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池の運転開始時の昇温方法に関するものである。

酸化物イオン導電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）で挟み込んだ構造を有する燃料電池は、燃料の有する化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する高効率、且つクリーンな発電装置として注目されている。固体酸化物形燃料電池では、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。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、上述の燃料電池の運転を開始する際には、電池反応（発電反応）を活性化するために発電セルを作動温度（運転温度）まで予熱する必要があることから、従来より、電気ヒータやバーナ等の加熱手段を用い、例えば、低温作動型の固体酸化物形燃料電池では、６００〜８００℃前後に昇温した後に反応用ガスを供給して発電を開始するようにしていた（特許文献１、特許文献２参照）。

また、昇温時の高温雰囲気下において、燃料電池モジュールの内部に残留する酸化剤ガス中の酸素によって特にＮｉを主成分とする燃料極層が酸化され、発電性能が極端に低下してしまうという問題があり、このため、上述の昇温動作と並行し、燃料電池モジュールに不活性ガス（例えば、窒素や空気）を供給して燃料電池の内部を不活性ガスで置換し、還元雰囲気を維持する、所謂、パージを行っていた。
特に、固体酸化物形燃料電池は、作動温度が６００℃程度と高いことに加え、発電セル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を採用したものは、電池内圧力の低下により外部（燃料電池モジュール内）の酸素含有ガスが電池内部に侵入し易くなっており、よって、運転開始時には、大量のガスパージが必要であった。
特開２００４−３３５１６４号公報特開２０００−２６８８３９号公報

通常、燃料電池では、このパージのためにガスボンベを装備し、その燃料ガス経路に直接パージ用の不活性ガスを供給する構成としている。このため、モジュール内に導入されるパージ用のガスは常温であり、モジュール内温度を低下させる方向に作用することから、昇温時のパージは昇温時間の短縮化の妨げとなるという問題があった。

また、燃料電池においては、モジュール内の排ガスは排気ラインを通して外部の各種排熱回収装置に誘導され、熱リサイクルされている。
通常、発電時においては、モジュール内の排ガス（６００℃以上）が、一旦、水蒸気発生器等の熱交換器を等して熱回収され、比較的低い３００℃程度の排ガスとなって排気ラインに放出されるが、特に昇温中は、上記のように熱交換されない高温（６００℃以上）の排ガスが直接外部に排出されており、この高温排ガスが排気ラインを通して外部の排熱回収装置に供給されることになる。従って、排気ラインを含め、昇温時の排熱回収装置の熱的負荷は極めて大きく、劣化し易くなっている。このため、排熱回収装置等はこの高温排ガスに耐え得る設計温度で作製する必要があり、コストアップの要因となっていた。
他方、排気ラインに、排熱回収装置を迂回するバイパスラインを設け、昇温時の高温排ガスをバイパスさせる方法も考えられるが、排気ラインや熱回収装置等の排ガス系の構造が複雑化するという問題がある。

本発明は、このような従来の問題点に鑑み成されたもので、昇温時間の短縮と、排熱回収装置を含む排ガス系の熱的負荷を軽減する燃料電池の運転方法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、発電セルを多数積層したスタックをハウジング内に収納して燃料電池モジュールを構成し、運転開始の際の昇温時に、外部熱源により前記モジュールを予熱すると共に、前記モジュール内にパージ用のガスを導入する燃料電池の運転方法であって、前記パージ用ガスの少なくとも一部を前記モジュールからの排熱で予熱してモジュール内に導入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に記載の燃料電池の運転方法において、前記モジュールの排気ラインに排ガスを熱源とする排ガス熱交換器を設けると共に、前記パージ用ガスの少なくとも一部をこの排ガス熱交換器で熱交換して前記モジュール内に導入す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に記載の燃料電池の運転方法において、前記排ガス熱交換器が、発電時に水蒸気を生成する水蒸気発生器である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３に記載の燃料電池の運転方法において、昇温時には前記排ガス熱交換器に前記パージ用ガスを供給し、昇温後の発電時には前記パージ用ガスを水に切り換えて前記排ガス熱交換器に供給す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１から請求項４までの何れかに記載の燃料電池の運転方法において、前記燃料電池は、発電反応に使用されなかった残余のガスを発電セルの外周部より放出するシールレス構造の固体酸化物形燃料電池であることを特徴としている。

本発明によれば、昇温時にモジュール内に導入されるパージガスの少なくとも一部を排ガスと熱交換して予熱することにより、パージガスによるモジュール内温度の低下を緩和することができ、昇温時間を短縮できる。また、昇温時の排ガスの熱を有効に利用することができる。
また、パージガスの熱交換手段として昇温時に不使用の水蒸気発生器を利用することにより、パージガス予熱のための新たな熱交換手段を設ける必要はなく、これにより、装置を簡易化できると共に、コストダウンが図れる。
他方、高温排ガスをパージガスと熱交換することにより、排ガスの温度を低下することができ（例えば、約６００℃から約３００℃に低下）、その結果、排気ラインを含み、下流部においてこれに接続される排熱回収装置（熱リサイクル用）の熱的負荷を軽減することができ、安価な設計とこれら排ガス系の高寿命化を実現できる。

以下、図面に基づいて本発明の実施形態を説明する。
ここで、図１、図２は本発明が適用された燃料電池発電装置の概略構成を示し、図３は燃料電池スタックの内部構成を示している。

本実施形態の燃料電池発電装置は、図１（ａ）に示すように、燃料ガス供給量と空気供給量に応じて直流出力電力を発生する固体酸化物形燃料電池１（燃料電池スタック１）、この燃料電池スタック１に酸化剤ガス（空気）を導入するための空気供給ライン２０、燃料電池スタック１に燃料ガスを導入するための燃料供給ライン３０、燃料電池モジュール１０内に配設されて上記燃料供給ライン３０より導入される炭化水素系ガス（例えば、都市ガス）を水素リッチな燃料ガスに改質する燃料改質器９、燃料電池モジュール１０の下部に配設されて、燃料電池スタック１からの排ガスを熱源として上記燃料改質器９の改質反応に必要な水蒸気を発生する水蒸気発生器１３（排ガス熱交換器）、この水蒸気発生器１３に水を導入するための給水ライン４０等で構成されている。

また、図３に示すように、上記燃料供給ライン３０の途上には、都市ガスとパージガス（例えば、窒素を使用）の切換を行う切換弁３１が配設され、上記給水ライン４０の途上には、水とパージガスの切換を行う切換弁４１が配設されている。尚、これら切換弁３１、４１の切換制御は図示しない制御部により行われるものである。

上記燃料電池スタック１は、図３に示すように、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とで単セルを構成し、この単セル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（高温排ガス）を発電セル５の外周部からモジュール内に自由に放出するようになっている。
モジュール内空間に放出された排ガス（６００℃程度）は下部の水蒸気発生器１３に導入され、この水蒸気発生器１３において熱交換されて３００℃程度の比較的温度に低い排ガスとなり、排気ライン５０を介して下流部の、例えば、温水器、空調機等のような排熱回収装置５１に供給されて熱回収（熱リサイクル）されるようになっている。

上記構成の燃料電池発電装置において、運転開始の際は、先ず、燃料電池モジュール１０に配設された電気ヒータやバーナ等の加熱手段（図示せず）により、燃料電池スタック１の予熱が開始される。昇温中のモジュール内は上記加熱手段による予熱で高温雰囲気（最大で６００℃程度）となっており、この高温ガスが水蒸気発生器１３を通して排気ライン５０に誘導される。
昇温中、発電は行われず、燃料電池スタック内に燃料ガスは導入されないため、水蒸気発生器１３は水蒸気の生成には与っていない。

そこで、本発明では、昇温時は、図２に示すように、切換弁３１により都市ガスとパージガス（窒素）の流路切り換えを行い、燃料供給ライン３０に窒素が導入すると共に、切換弁４１により水と窒素の流路切り換えを行い、給水ライン４０に窒素を導入するようにした。
尚、燃料供給ライン３０を流通する窒素量と給水ライン４０を流通する窒素量の割合は給水ライン４０側の水蒸気発生器１３の耐久性（耐圧）、サイズ等を考慮して適宜決定する。

給水ライン４０の窒素は水蒸気発生器１３内において高温排ガスと熱交換され予熱されると共に、この予熱された窒素がモジュール内において燃料供給ライン３０からの常温の窒素と合流し、暖められた窒素は、燃料改質器９を通過して燃料電池スタック１内に導入され、スタック内部（セパレータを通して燃料極側）を還元雰囲気に置換する。これにより、昇温時に燃料極層が酸化されて発電性能が極端に低下するのを防止している。

本実施形態では、昇温時にモジュール内に導入される窒素の少なくとも一部を排ガスと熱交換して予熱することにより、窒素ガスの導入によるモジュール内温度の低下を緩和することができ、その結果、昇温時間を短縮できる。また、昇温時の排ガスの熱を有効に利用することができる。
加えて、モジュール内の高温排ガスが常温の窒素と熱交換されることにより、外部に放出される排ガスの温度が低下し（例えば、約６００℃から約３００℃に低下）、その結果、排気ライン５０を含み、下流部においてこれに接続される排熱回収装置５１の熱的負荷を軽減することができ、安価な設計とこれら排ガス系の高寿命化を実現できる。

他方、昇温動作完了後の発電時には、図１に示すように、切換弁３１による都市ガスと窒素の流路切換えが逆転し、燃料供給ライン３０に都市ガスが導入されると共に、切換弁４１による水と窒素の流路切換が逆転し、給水ライン４０に水が導入される。
給水ライン４０の水は水蒸気発生器１３において高温排ガスと熱交換され水蒸気を生成すると同時に、排気ライン５０に放出する排ガスの温度を低下させると共に、この水蒸気と燃料供給ライン３０の都市ガスがモジュール内において合流し、混合ガスとなって燃料改質器９に導入されて水素リッチな燃料ガスに改質される。この燃料改質器９からの燃料ガスと空気供給ライン２０からの空気の導入により、各発電セル５において上述した発電反応が行われる。

以上、本実施形態では、パージガスの熱交換手段として昇温時に水蒸気の生成に与らない水蒸気発生器１３を利用することにより、パージガスの予熱のための新たな熱交換手段を設けず装置を簡易化できると共に、コストダウンが図れる。
また、本実施形態では、パージガスの導入手段に燃料供給ライン３０と給水ライン４０を使用し、給水ライン４０を介してスタック内に導入するパージガスの一部を水蒸気発生器１３にて予熱するようにしたが、パージガスの導入手段として給水ライン４０のみを使用し、導入する全パージガスを予熱することも勿論可能である。係る方法では、窒素ガスの導入によるモジュール内温度の低下を緩和する上でメリットを有する。

本発明が適用された燃料電池発電装置の概略構成を示す説明図。本発明が適用された燃料電池発電装置の概略構成を示す図１とは別の説明図。本発明が適用された燃料電池スタックの内部構成を示す図。

符号の説明

１スタック（燃料電池スタック）
５発電セル
１０燃料電池モジュール
１３排ガス熱交換器（水蒸気発生器）
５０排気ライン

Claims

発電セルを多数積層したスタックをハウジング内に収納して燃料電池モジュールを構成し、運転開始の際の昇温時に、外部熱源により前記モジュールを予熱すると共に、前記モジュール内にパージ用のガスを導入する燃料電池の運転方法であって、
前記パージ用ガスの少なくとも一部を前記モジュールからの排熱で予熱してモジュール内に導入することを特徴とする燃料電池の運転方法。
前記モジュールの排気ラインに排ガスを熱源とする排ガス熱交換器を設けると共に、前記パージ用ガスの少なくとも一部をこの排ガス熱交換器で熱交換して前記モジュール内に導入することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の運転方法。
前記排ガス熱交換器が、発電時に水蒸気を生成する水蒸気発生器であることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池の運転方法。
昇温時には前記排ガス熱交換器に前記パージ用ガスを供給し、昇温後の発電時には前記パージ用ガスを水に切り換えて前記排ガス熱交換器に供給することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池の運転方法。
前記燃料電池は、発電反応に使用されなかった残余のガスを発電セルの外周部より放出するシールレス構造の固体酸化物形燃料電池である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の運転方法。