JP2008251237A

JP2008251237A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2008251237A
Application number: JP2007088401A
Authority: JP
Inventors: Motoki Sato; 基樹佐藤
Original assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2007-03-29
Filing date: 2007-03-29
Publication date: 2008-10-16

Abstract

【課題】複数基の燃料電池スタックと、これらに接続される燃料バッファタンクおよび空気バッファタンクを適正に配置することにより、構造の簡素化と発電効率の向上を図る。
【解決手段】内部缶体２０内に複数基の燃料電池スタック３を配設して燃料電池１を構成する。燃料電池スタック３は、少なくとも平面視において縦横２列に配設されると共に、これら燃料電池スタックの各対向側面の外角部に、燃料マニホールド１３同士、および空気マニホールド１４同士がそれぞれ対面するように配置されており、且つ、燃料マニホールドの近傍に、対面する燃料マニホールドの双方に燃料ガスを供給する燃料バッファタンク４５が配設されると共に、空気マニホールドの近傍に、対面する空気マニホールドの双方に空気を供給する空気バッファタンク５５が配設されている
【選択図】図１

Description

本発明は、ハウジング内に複数基の燃料電池スタックを備えた燃料電池に関し、特に、各燃料電池スタックと、これら燃料電池スタックに接続される燃料バッファタンクと空気バッファタンクの好適な配置形態に関するものである。

近年、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燃料電池は、高効率でクリーンな発電装置として注目されており、特に、固体酸化物形燃料電池は発電効率が高く、且つ、他の燃料電池と比べて作動温度が高いため排熱を有効に利用できるなどの多くの利点を有することから、第三世代の発電用燃料電池として研究開発が進めらている。

この固体酸化物形燃料電池（発電セル）は、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と燃料極層で挟み込んだ積層構造を有し、発電時には、反応用ガスとして空気極層側に酸化剤ガス（酸素) が、また燃料極層側に燃料ガス (Ｈ₂、ＣＯ、等) が供給される。

発電セル内において、空気極層側に供給された酸素（例えば空気）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して燃料極層との界面近傍に到達し、この部分で、燃料ガスと反応して燃料極層に電子を放出すると共に、Ｈ₂Ｏ、ＣＯ₂等の反応生成物を排ガスとして発電セルの外に放出する。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、この発電セル単体では出力が極めて小さいため、通常は、この発電セルを多数直列状態に積層して高出力化した燃料電池スタックが用いられている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１には、発電セルとセパレータを交互に多数積層すると共に、この積層体の外周部に積層方向に延びる燃料マニホールドと空気マニホールドを具備した内部マニホールド型の燃料電池スタックが開示されている。
特開２００５−３２７５５４号公報

ところで、燃料電池においては、上述した複数の発電セルで成る燃料電池スタックを、さらに複数基配設することによって、より高出力の燃料電池を構成することができる。

図５は、このようなマルチスタック構造による燃料電池の一例（要部構成）を示しており、この例では、上述したような内部マニホールド型の燃料電池スタック３が、平面上に縦横２列に配置され、高さ方向に複数段積層されると共に、これら燃料電池スタック３の対向側面間に燃料改質器３０が配設されている。

そして、これら平面視、縦横２列の燃料電池スタック３の各対向側面の外角部に燃料マニホールド１３と空気マニホールド１４とが設けられ、それぞれが対面するように各燃料電池スタック３が配置されている。
このため、燃料マニホールド１３に燃料ガスを供給する燃料バッファタンク４５は、各燃料マニホールド１３に対応して縦横２列の四角体の周部中央に相対向して設けられ、各燃料バッファタンク４５とこれに対応する各燃料電池スタック３の燃料マニホールド１３とが個々の配管３７により接続されている。
また、空気マニホールド１４に空気を供給する空気バッファタンク５５は、燃料電池スタック３の上方に設けられ、各空気バッファタンク５５とこれに対応する燃料電池スタック３の空気マニホールド１４とが個々の配管３８により接続されている。

ところが、上記構成では、接続のための各種配管や管継手等の部品点数が増大し、配管構造が複雑化してコスト高になると共に、配管の複雑な引き回しにより管路長が増大することから、管路の圧力損失が大きくなり、その分、補機動力を増大せざるを得ず、発電効率や発電性能が低下するという問題を有していた。

本発明は、上記問題に鑑み成されたもので、複数の燃料電池スタックと、これらに接続される燃料バッファタンクおよび空気バッファタンクを適正に配置することにより、構造の簡素化と発電効率の向上を図った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に記載の燃料電池は、発電セルを多数積層すると共に、この積層体の一対向角部に各発電セルに燃料ガスを供給する燃料マニホールドと、各発電セルに空気を供給する空気マニホールドを設けて燃料電池スタックを構成し、この燃料電池スタックをハウジング内に複数基配設して成る燃料電池スタックにおいて、前記燃料電池スタックは、少なくとも平面視において縦横２列に配設されると共に、これら燃料電池スタックの各対向側面の外角部に、前記燃料マニホールド同士、および空気マニホールド同士がそれぞれ対面するように配置されており、且つ、前記燃料マニホールドの近傍に、対面する燃料マニホールドの双方に燃料ガスを供給する燃料バッファタンクが配設されると共に、前記空気マニホールドの近傍に、対面する空気マニホールドの双方に空気を供給する空気バッファタンクが配設されていることを特徴としている。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池において、前記燃料バッファタンクおよび前記空気バッファタンクは、それぞれ前記燃料電池スタックの近傍において高さ方向に配設されていることを特徴としている。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２の何れかに記載の燃料電池において、前記燃料電池スタックの対向側面間に十字型の燃料改質器が配設され、且つ、前記燃料バッファタンクと対面する位置に前記燃料改質器で改質された燃料ガスを排出するガス排出口が設けられていることを特徴としている。

請求項１〜３に記載の発明によれば、平面視において縦横２列に配設された各燃料電池スタックの燃料マニホールド同士、および空気マニホールド同士を対面するように配置し、それらの近傍に燃料バッファタンクと空気バッファタンクを配設したので、１基のバッファタンクを対面する２基のマニホールドに共用することが可能となり、各バッファタンクの数を削減できると共に、接続用配管の長さも短くできる。
また、各バッファタンクと燃料電池スタック間の配管構造も簡素化され、部品点数の削減によるコスト低減が可能となると共に、管路長が短縮されることにより、管路の圧力損失が低減するため、その分、補機動力を低減することができ、高効率の発電が可能となる。加えて、上述のように、燃料バッファタンクの数が削減され、配管の長さが短くなることにより、各燃料電池スタック３への燃料ガスの等流配が可能となり、発電性能の向上に寄与できる。

また、請求項２に記載の発明によれば、燃料バッファタンクおよび空気バッファタンクを燃料電池スタックの近傍において高さ方向に配設したので、高さ方向においても、各燃料電池スタックと各バッファタンクの配管接続は簡素化され、上記同様に、部品点数の削減によるコスト低減が可能になると共に、管路長が短縮されることにより圧力損失が低減するため、その分、補機動力を低減することができ、高効率の発電が可能となる。

また、請求項３に記載の発明によれば、燃料改質器のガス排出口を燃料バッファタンクの近傍において対面させたので、燃料改質器と燃料バッファタンクの間の配管の長さを短縮でき、且つ、配管構造も簡素化できる。

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〜図３は本発明が適用された固体酸化物形燃料電池の内部概略構成を示し、図４は燃料電池スタックの要部概略構成を示している。

図１〜図３において、符号１は固体酸化物形燃料電池（燃料電池モジュール）である。符号２は外部缶体、符号２０は内部缶体で、外部缶体２と内部缶体２０の間に断熱材２３が介装されている。内部缶体２０は、缶内（すなわち、ハウジング内）を気密状態に保持している。この内部缶体２０内のほぼ中央に積層方向を縦にして複数基の燃料電池スタック３が配設されている。

燃料電池スタック３は、図４に示すように、固体電解質層４の両面に燃料極層５と空気極層６を配した発電セル７と、燃料極層５の外側の燃料極集電体８と、空気極層６の外側の空気極集電体９と、各集電体８、９の外側のセパレータ１０とを単位セルとして複数積層すると共に、この単位セルによる積層体を電気的絶縁を施した部材（図示せず）により固定してユニット化したものである。

ここで、固体電解質層４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５はＮｉ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６はＬａＭｎＯ₃、ＬａＣｏＯ₃等で構成され、燃料極集電体８はＮｉ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９はＡｇ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１０はステンレス等で構成されている。

セパレータ１０は、発電セル７間を電気的に接続すると共に、発電セル７に反応用ガスを供給する機能を有し、燃料マニホールド１３より供給される燃料ガスをセパレータ１０の外周面から導入してセパレータ１０の燃料極集電体８に対向するほぼ中央部から吐出する燃料ガス通路１１と、空気マニホールド１４より供給される空気をセパレータ１０の外周面から導入してセパレータ１０の空気極集電体９に対向する面のほぼ中央から吐出する空気通路１２を備えている。

尚、上述した燃料マニホールド１３と空気マニホールド１４は、各燃料電池スタック３の一対向角部において縦方向に貫通するように形成されており、スタック内において、燃料マニホールド１３は、後述する燃料バッファタンク４５の燃料分配管２８に接続され、空気マニホールド１４は後述する空気バッファタンク５５の空気分配管２９に接続されている。

本実施形態は、上記構成の燃料電池スタック３が内部缶体２０内のほぼ中央付近に平面視において縦横２列に配置されると共に、高さ方向に４段積層され、合計１６基で成る高出力の燃料電池モジュール１が構成されている。
そして、上記燃料電池モジュール１では、燃料電池スタック３の各対向側面の各外角部に、燃料マニホールド１３同士、および空気マニホールド１４同士がそれぞれ対面するように各燃料電池スタック３が配置されている。

また、内部缶体２０内には、平面視において縦横２列に配設された各々燃料電池スタック３の対向側面間にそれぞれ改質触媒を充填した扁平箱形の翼部３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄを有する十字型の燃料改質器３０が最上段の燃料電池スタック３から最下段の燃料電池スタック３に近接する位置まで配設され、且つ、翼部３０ａと翼部３０ｃの上端部に各々燃料ガス導入用のガス入口３１が設けられ、翼部３０ｂと翼部３０ｄの下端部に改質ガス排出用のガス排出口２４が設けられている。
そして、燃料改質器３０は、上述した複数の燃料電池スタック３と共に底部のスタック台２２上に固定されている。

また、内部缶体２０内において、平面視、縦横２列の燃料電池スタック３の周囲に筒型の燃料バッファタンク４５と空気バッファタンク５５、および、平板型の燃料熱交換器４０と空気熱交換器５０がそれぞれ燃料電池スタック３の高さ方向に沿って立設されている。

ここで、上記燃料バッファタンク４５は、それぞれ対面する燃料マニホールド１３、１３の近傍、すなわち、平面視、縦横２列に配置された燃料電池スタックの各列の中央であって、燃料改質器３０の翼部３０ｂおよび翼部３０ｄの端部側に位置し、且つ、平面視、横２列の燃料電池スタック３０を挟んで対向するように配設されている。
また、空気バッファタンク５５は、それぞれ対面する空気マニホールド１４、１４の近傍、すなわち、平面視、縦横２列に配置された燃料電池スタックの各列の中央に位置し、且つ、燃料改質器３０の翼部３０ａおよび翼部３０ｃの端部側において、平面視、縦２列の燃料電池スタック３０を挟んで対向するように配設されている。

また、各燃料バッファタンク４５と内部缶体２０の間には、平面視、横２列の燃料電池スタック３を挟んで対向するように空気熱交換器５０、５０が配設され、各空気バッファタンク５５と内部缶体２０の間には、平面視、縦２列の燃料電池スタック３を挟んで対向するように燃料熱交換器４０、４０が配設されている。

上記燃料熱交換器４０の下端部（入口）には、外部缶体２の底部より導入される燃料供給管１５が接続され、燃料熱交換器４０の上端部（出口）は、配管３４により燃料改質器３０の各ガス入口３１に接続されており、燃料改質器３０の下端部（ガス排出口２４）は、配管３２により燃料バッファタンク４５の下端部（入口）に接続されている。
他方、上記空気熱交換器５０の下端部（入口）には、予熱空気を導入する温空気配管２５が接続されており、空気熱交換器５０の上端部（出口）は、配管３６により空気バッファタンク５５の上端部（入口）に接続されている。この空気バッファタンク５５の下端部（入口）には、外部からの空気を導入する空気供給管１６が接続されている。

上記燃料バッファタンク４５の出口は、複数の燃料分配管２８により、また、空気バッファタンク５５の出口は、複数の空気分配管２９により、それぞれ近傍に位置する各燃料電池スタック３に接続されている。
すなわち、燃料バッファタンク４５からの燃料分配管２８は、各々燃料電池スタック３の上端部と下端部において燃料マニホールド１３に接続され、空気バッファタンク５５からの空気分配管２９は、上側２段の燃料電池スタック３においてはスタック下端部において空気マニホールド１４に接続され、下側２段の燃料電池スタック３においてはスタック上端部において空気マニホールド１４に接続されている。

また、内部缶体２０内に水蒸気導入用の水蒸気配管２６が導入されており、内部缶体２０内において燃料供給管１５に接続されている。

上記構成の燃料電池モジュール１において、運転時には、外部からの燃料ガス（例えば、都市ガス）が燃料供給管１５を介して内部缶体２０内に導入されると共に、内部缶体２０内において水蒸気配管２６からの高温水蒸気と合流し、混合ガスとなって燃料電池スタック３周辺の各燃料熱交換器４０に下端入口より導入される。
混合ガスは、これら燃料熱交換器４０内を上方に流通する過程で対向する燃料電池スタック３からの輻射熱を受熱して昇温されると共に、より雰囲気温度が高いスタック上部において高温の混合ガスとなる。この高温の混合ガスは、燃料改質器３０の上端部において、各翼部３０ａ、３０ｃの端部のガス入口３１より改質器内部に導入される。
混合ガスは、燃料改質器３０内を下方に流通する過程で改質触媒による改質反応が行われる。この改質反応は吸熱反応であって、改質反応に必要な熱は、燃料電池スタック３からの輻射熱を回収して得られる。

燃料改質器３０で改質された水素リッチな燃料ガスは、下端部の各ガス排出口２４より配管３２を介して燃料バッファタンク４５に導入され、燃料バッファタンク４５内に一時貯留された後、燃料分配管２８を通して各燃料電池スタック３の燃料マニホールド１３に分配される。

一方、予熱空気は、温空気配管２５を介して各空気熱交換器５０の下方入口より導入され、各空気熱交換器５０内を上方に流通する過程でそれぞれ対向する燃料電池スタック３からの輻射熱を効率良く受熱して昇温されると共に、上端出口より配管３６を介して空気バッファタンク５５の上部入口に導入され、空気バッファタンク５５内に一時貯留された後、そこから、空気分配管２９を通して各燃料電池スタック３の空気マニホールド１４に分配される。

また、この空気バッファタンク５５には、上端より温空気が導入されると共に、下端より空気供給管１６からの外部の冷空気が導入されるため、この予熱空気と外部空気との供給量でスタック温度をコントロールすることも可能である。

尚、各燃料電池スタック３に供給された反応用ガス（燃料ガス、空気）の流れは図３に示した通りである。

以上、本発明では、燃料電池スタック３が少なくとも平面視において縦横２列に配置されているため、内部缶体２０内において各燃料電池スタック３の熱的条件を同一にすることができ、これら燃料電池スタック３の熱的制御を一括して行うことが可能となり、熱制御機構（燃料ガスや空気の供給制御装置やその流通系路）を簡素化することができる。

また、複数の燃料電池スタック３に囲まれて輻射熱の熱溜まりとなり、最も高温となる内部缶体２０の中央部分に燃料改質器３０が配置されているため、燃料改質器３０では、対向する各燃料電池スタック３からの高温度の輻射熱を多量に受熱して、十分な改質温度にて転化率の高い燃料改質が行われるようになり、残留メタンの少ない水素リッチな改質ガスを各燃料電池スタック３に供給できるようになる。これにより、高効率発電が行える。

そして、本発明では、特に、平面視において縦横２列に配設された各燃料電池スタック３の各列の中央において、燃料マニホールド１３同士、および空気マニホールド１４同士が対面（隣接）するように配置され、且つ、それらの近傍に燃料バッファタンク４５と空気バッファタンク５５が配設されるので、１基の燃料バッファタンク４５（または、空気バッファタンク５５）を隣接する２基の燃料マニホールド１３（または、空気マニホールド１４）に共用することが可能となり、これにより、各バッファタンク４５、５５の数を削減できると共に、接続用配管の長さも短くできる。

また、各バッファタンク４５、５５と燃料電池スタック３間の配管構造も簡素化され、部品点数の削減によるコスト低減が可能になると共に、管路長が短縮されることにより、管路の圧力損失が低減するため、その分、補機動力（図示せず）を低減することができ、高効率の発電が可能となる。
加えて、上述のように、燃料バッファタンク４５の数が削減され、配管の長さも短くできることにより、各燃料電池スタック３への燃料ガスの等流配が可能となり、発電性能の向上に寄与できる。

また、燃料バッファタンク４５および空気バッファタンク５５を燃料電池スタック３の近傍において高さ方向に配設したので、高さ方向においても、各燃料電池スタック３（すなわち、燃料マニホールド１３、空気マニホールド１４）と各燃料バッファタンク４５、空気バッファタンク５５とは近接しており、よって、配管は短縮化、簡素化され、上記同様に、部品点数の削減によるコスト低減が可能となると共に、管路長が短縮されることにより圧力損失が低減するため、その分、補機動力（図示せず）を低減することができ、高効率の発電が可能となる。

加えて、燃料改質器３０のガス排出口２４を燃料バッファタンク４５の近傍において対面させたので、燃料改質器３０と燃料バッファタンク４５の間の配管の長さを短縮でき、且つ、配管構造も簡素化できる。

以上、本実施形態では、燃料電池モジュール１については、平面方向４基配置の燃料電池スタック３を縦方向に４段積み上げた構成を説明したが、積層段数はこれに限るものではないことは勿論である。

本発明に係る燃料電池の内部構成を示す上面図。同、燃料電池の内部構成を示す側面図。同、燃料電池の内部構成を示す図２とは別の側面図。同、燃料電池スタックの要部構成を示す説明図。従来例として示した燃料電池の内部構成を示す上面図。

符号の説明

１燃料電池（固体酸化物形燃料電池）
３燃料電池スタック
７発電セル
１３燃料マニホールド
１４空気マニホールド
２４ガス排出口
３０燃料改質器
４５燃料バッファタンク
５５空気バッファタンク

Claims

発電セルを多数積層すると共に、この積層体の一対向角部に各発電セルに燃料ガスを供給する燃料マニホールドと、各発電セルに空気を供給する空気マニホールドを設けて燃料電池スタックを構成し、この燃料電池スタックをハウジング内に複数基配設して成る燃料電池において、
前記燃料電池スタックは、少なくとも平面視において縦横２列に配設されると共に、これら燃料電池スタックの各対向側面の外角部に、前記燃料マニホールド同士、および空気マニホールド同士がそれぞれ対面するように配置されており、且つ、前記燃料マニホールドの近傍に、対面する燃料マニホールドの双方に燃料ガスを供給する燃料バッファタンクが配設されると共に、前記空気マニホールドの近傍に、対面する空気マニホールドの双方に空気を供給する空気バッファタンクが配設されていることを特徴とする燃料電池。
前記燃料バッファタンクおよび前記空気バッファタンクは、それぞれ前記燃料電池スタックの近傍において高さ方向に配設されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
前記燃料電池スタックの対向側面間に十字型の燃料改質器が配設され、且つ、前記燃料バッファタンクと対面する位置に、前記燃料改質器で改質された燃料ガスを排出するガス排出口が設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２の何れかに記載の燃料電池。