JP2007220521A - 単室型固体酸化物型燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】ヒータ等の加熱手段を用いず、発電に必要な高温雰囲気を実現でき、内燃機関等の燃焼排ガスだけで電力を得ることができ、好ましくは、燃焼排ガスを浄化できる単室型固体酸化物型燃料電池の提供を目的とする。
【解決手段】固体酸化物からなる電解質に燃料極と空気極とを形成した固体酸化物型燃料電池セルを、内燃機関等の燃焼排ガスの流路（燃料電池セル収納部）内に配置して、排ガス導入部から燃料電池セル収納部に導入されて排ガス排出部へと排出される高温の燃焼排ガスの流れの中に位置づけて、燃焼排ガスの熱エネルギーにて固体酸化物型燃料電池セルを加熱し、燃焼排ガスに含まれるＣＨｘ、ＣＯｘを燃料ガスとして使用して発電する。
【選択図】図１

Description

本発明は、単室型固体酸化物型燃料電池に関するものである。

固体酸化物型燃料電池（solid oxide fuel cell:SOFC）は、固体酸化物からなる電解質に燃料極（水素極）と空気極（酸素極）とを接合（形成）した固体酸化物型燃料電池セル（セル）に燃料ガスおよび空気等を供給して、電力を発生させる燃料電池であり、高温で動作するため貴金属を用いなくとも、高出力と高い発電効率を得ることができる。しかし、燃料極と空気極とをセパレータで遮って、燃料極側に燃料ガスを、空気極側に空気等を供給するいわゆる二室型固体酸化物型燃料電池は、セパレータ等を有して構造が複雑である。これに対し、単室型固体酸化物型燃料電池は、固体酸化物電解質に形成した燃料極と空気極とをセパレータで遮ることなく、水素やメタン等の燃料ガスと空気等とを混合した雰囲気内に配置して電力を発生させるものである（特許文献１，２および３）。このように単室型固体酸化物型燃料電池は、セパレータが不要であるから、構造が簡単で安価な燃料電池を実現することができる。
特開２００２−２８００１５号公報 特開２００２−２８００１７号公報 特開２００２−３１３３５７号公報

しかし、電解質に固体酸化物を用いた燃料電池は、高温の雰囲気中において電力を発生するものであるから、例えば摂氏５００度ないし１０００度以上の高温雰囲気中にセルを配置しなければ電力を発生しない。そのため、従来の単室型固体酸化物型燃料電池は、二室型固体酸化物型燃料電池と同様に、高温雰囲気を実現するためのヒータ等の加熱手段とそれを動作させるエネルギー源とを必要として、構造の簡単化には限界がある。また、内燃機関あるいは外燃機関等に単室型固体酸化物型燃料電池を組み合わせてエネルギー源を構成するハイブリッドシステムの場合、内燃機関等の燃料と燃料電池の燃料ガスとの両方が必要となって、構造が複雑になり、製造コスト、ランニングコスト等が上昇する。かかるハイブリッドシステムでは、燃焼排ガスを浄化する装置が必要となるから、さらに構造が複雑になり、コストが上昇する。

そこで本発明は、上記各問題を解決するために、ヒータ等を用いることなくセルが発電するための高温雰囲気（発電開始温度以上の高温雰囲気）を実現できて、また内燃機関等の燃料以外の燃料を用いることなく燃料電池で電力を得ることができて、簡単な構造で安価なハイブリッドシステムを実現できる単室型固体酸化物型燃料電池の提供を目的とし、好ましくは、内燃機関等の燃焼排ガスを浄化することができて、さらなる構造の簡単化とコスト低減とを可能とする単室型固体酸化物型燃料電池の提供を目的とする。

上記目的を達成するため、本発明にかかる単室型固体酸化物型燃料電池は、固体酸化物からなる電解質に燃料極と空気極とを接合（形成）した固体酸化物型燃料電池セルを内燃機関等の燃焼排ガスの流路内（燃料電池セル収納部）に配置したものである。したがって、本発明にかかるセルは、排ガス導入部から燃料電池セル収納部に導入されて排ガス排出部へと排出される高温の燃焼排ガスによって、例えば摂氏５００度ないし１０００度以上の発電開始温度以上にまで加熱されるから、ヒータ等の加熱手段を用いることなく、電力を発生することができる。

こうして高温の燃焼排ガスに曝されたセルは、その空気極が燃焼排ガス中の空気（Ａｉｒ）等と反応して、燃料電池として動作するために必要なイオン（例えば酸素イオン）を生成する。こうして生成されたイオンは、セルの固体酸化物電解質内を空気極から燃料極に移動して、燃料極において燃焼排ガスに含まれるＣＨｘやＣＯｘと反応して、二酸化炭素（ＣＯ_２）や水（Ｈ_２Ｏ）を生成する。こうして生成された二酸化炭素や水（水蒸気）は、燃焼排ガスとともに外部に排出される。したがって、本発明にかかるセルは、燃焼排ガスに含まれるＣＨｘ（メタンガス等）やＣＯｘ（一酸化炭素等）を減少（燃焼排ガスを浄化）することができる。

このように、本発明にかかるセルは、燃焼排ガスの熱エネルギーで加熱されて、燃焼排ガス中のＣＨｘやＣＯｘを燃料ガスとして利用して、燃料電池として動作するとともに、燃焼排ガス中のＣＨｘやＣＯｘを減少させて、燃焼排ガスを浄化することができる。

このように本発明にかかる単室型固体酸化物型燃料電池によれば、ヒータ等を用いることなく、燃焼排ガスの熱エネルギーによって発電開始温度以上の高温雰囲気が実現されて、構造の簡単化とコスト低減とが達成される。また、本発明にかかる単室型固体酸化物型燃料電池によれば、セルが、内燃機関等の燃焼排ガスを用いて電力を発生するから、ハイブリッドシステムの簡単化とコスト低減とが達成される。また、本発明にかかる単室型固体酸化物型燃料電池によれば、セルが内燃機関等の燃焼排ガスを浄化するから、ハイブリッドシステムのさらなる構造の簡単化とコスト低減とが達成される。

以下、本発明にかかる単室型固体酸化物型燃料電池を図１を用いて説明する。
（単室型固体酸化物型燃料電池の構成）
本発明にかかる単室型固体酸化物型燃料電池１０は、排ガス流路部２０および固体酸化物型燃料電池セル３０を有している。排ガス流路部２０は、燃焼排ガス４０を導入する排ガス導入部２１、固体酸化物型燃料電池セル３０を収容して燃焼排ガス４０が通流する燃料電池セル収納部２２、および燃料電池セル収納部２２の内部を通流した燃焼排ガス４０を排出する排ガス排出部２３を有している。
固体酸化物型燃料電池セル３０は、例えば、長方形の平板状に形成された固体酸化物電解質３１を有し、固体酸化物電解質３１の一方の表面には、空気極３２が形成され、他方の表面には、燃料極３３が形成されている。排ガス導入部２１には、燃焼排ガス４０として、例えばガソリンエンジンから排出される燃焼排ガス４０が導入される。

（固体酸化物型燃料電池セルの構成材料）
固体酸化物電解質３１は、例えば、８ｍｏｌ−ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）、５ｍｏｌ−ＹＳＺ、ＳＤＣ（スカンジナドープドセリア）、ＧＤＣ（ガドリウムドープドセリア）、またはＳｃＳＺ（スカンジア安定化ジルコニア）等で形成することができる。空気極３２は、例えば、ＬＳＭ（ランタンストロンチウムマンガナイト）やＬＳＣ（ランタンストロンチウムコバルタイト）等で形成することができる。燃料極３３は、例えば、ＮｉＯ＋ＹＳＺ、ＮｉＯ＋ＳＤＣ、ＮｉＯ＋ＧＤＣ、ＬＳＣＭ（ランタンストロンチウムコバルトマンガナイト）、またはＦｅＯ_３等で形成することができる。

（作用）
ガソリンエンジン等が排出する燃焼排ガス４０には、ＣＨｘ、ＣＯｘ、Ａｉｒ等が含まれている。この燃焼排ガスが、摂氏５００ないし１０００度の高温状態で排ガス導入部２１から排ガス流路部２０へと導入されると、固体酸化物型燃料電池セル３０は、発電開始温度以上の温度に加熱される。
こうして加熱された固体酸化物型燃料電池セル３０の空気極３２では、燃焼排ガス中の空気（Ａｉｒ）から酸素イオン（Ｏ^２−）が生成され、この酸素イオンはセルの固体酸化物電解質内を空気極から燃料極に移動する。こうして移動した酸素イオンは、燃料極３３において燃焼排ガスに含まれるＣＨｘやＣＯｘと反応して、二酸化炭素（ＣＯ_２）や水（Ｈ_２Ｏ）を生成する。したがって、空気極３２と燃料極３３との間に負荷１１を接続すると、酸素イオンによって運ばれた電子が燃料極（マイナス電極）から空気極（プラス電極）へと流れて、負荷１１に電力が供給される。

すなわち、単室型固体酸化物型燃料電池１０は、ガソリンエンジン等の燃焼排ガス４０が有している廃熱（熱エネルギー）と、ＣＨｘやＣＯｘとによって（燃料電池としての燃料ガスを必要とせず）、燃料電池として動作して電力を発生することができる。また、排ガス導入部２１から導入された燃焼排ガス４０に含まれているＣＨｘやＣＯｘは、固体酸化物型燃料電池セル３０における上記反応によって、二酸化炭素や水（水蒸気）となって排ガス排出部２３から外部に排出される。

かかる単室型固体酸化物型燃料電池１０を自動車に適用して、ガソリンエンジン（あるいはディーゼルエンジン）の燃焼排ガスを排ガス流路部２０へ導けば、該自動車は、単室型固体酸化物型燃料電池１０からもエネルギーを得ることができて、燃費が向上するとともに、燃焼排ガスが浄化される。ここで、単室型固体酸化物型燃料電池１０を自動車のマフラー内に設けることもできる。もちろん単室型固体酸化物型燃料電池１０をオートバイ等に適用することも可能である。

すなわち、内燃機関あるいは外燃機関を動力源（エネルギー源）とする車両、あるいは装置に、本発明にかかる単室型固体酸化物型燃料電池を適用すれば、燃焼排ガスを用いて発電することができるから、簡単な構成で電力を発生させて、燃費を向上させ、かつ燃焼排ガスを浄化することができる。しかも、構成が簡単化できて、コストも低減する。
なお、本発明にかかる単室型固体酸化物型燃料電池は、上記実施例に示したものに限定されるものではなく、固体酸化物型燃料電池セルの構成（構造、構成材料等）は、例えば、平板の一方の面に燃料極と空気極とを形成したものであってもよいし、筒型に形成された固定酸化物電解質の内周面と外周面とに燃料極（あるいは空気極）と空気極（あるいは燃料極）とを形成したものであってもよい。固定酸化物、燃料極、および空気極を構成する物質は、燃焼排ガスの温度にて、発電開始温度となるものであれば、実施例に例示した物質に限定されない。

また、排ガス流路部内に、複数の固体酸化物型燃料電池セルを配置して、各固体酸化物型燃料電池セルを電気的に直列あるいは並列接続して、電力を発生させるものであってもよい。この場合、発電開始温度の高い第１の固体酸化物型燃料電池セルと、前記発電開始温度よりも低い発電開始温度を有する第２の固体酸化物型燃料電池セルとを用いて、燃焼排ガスの流れの上流側に第１の固体酸化物型燃料電池セルを配置し、下流側に第２の固体酸化物型燃料電池セルを配置し、これら第１および第２の固体酸化物型燃料電池セルを電気的に直列あるいは並列接続してもよい。このような複数の固体酸化物型燃料電池セルを用いれば、燃焼排ガスから多くの電力を得ることができ、かつ燃焼排ガスの浄化をさらに良好なものとすることができる。

本発明にかかる単室型固体酸化物型燃料電池の断面構造の１例を示す図である。

符号の説明

１０ 単室型固定酸化物型燃料電池
２０ 排ガス流路部
２１ 排ガス導入部
２２ 燃料電池セル収納部
２３ 排ガス排出部
３０ 固定酸化物型燃料電池セル
３１ 固定酸化物電解質
３２ 空気極（酸素極）
３３ 燃料極（水素極）
４０ 燃焼排ガス

Claims (3)

1. 燃焼排ガスを導入する排ガス導入部と、
   この排ガス導入部から導入された前記燃焼排ガスが通流する燃料電池セル収納部と、
   この燃料電池セル収納部を通流した前記燃焼排ガスを排出する排ガス排出部と、
   前記燃料電池セル収納部の内部に配置された固体酸化物からなる電解質に燃料極と空気極とを接合した固体酸化物型燃料電池セルと
   を有することを特徴とする単室型固体酸化物型燃料電池。
2. 内燃機関もしくは外燃機関から排出された燃焼排ガスを前記燃焼排ガスとして、前記排ガス導入部に導入すること特徴とする請求項１に記載の単室型固体酸化物型燃料電池。
3. 前記固体酸化物型燃料電池セルが、前記燃焼排ガスに含まれるＣＨｘもしくはＣＯｘのいずれか一方もしくは双方と反応して、二酸化炭素もしくは二酸化水素のいずれか一方もしくは双方を生成することを特徴とする請求項２に記載の単室型固体酸化物型燃料電池。

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