JP2008277046A - 円筒形燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料流れの下流側に位置する燃料極の発電性能を高め、燃料極全体が発電に寄与するようにする。
【解決手段】電解質の外側にアノードを有する円筒形燃料電池セルにおいて、燃料ガスに旋回力を与え、水素に比べて質量数の大きい水蒸気や二酸化炭素を遠心力で半径の大きな外周へ移動させ、アノード周囲の水素ガス濃度を高める。或いは、燃料流路に水素透過膜を設けて燃料流れの下流側の燃料濃度を高める。燃料をリサイクルさせて燃料流路の入口に戻す電池システムでは、リサイクルラインに水素透過膜を設けることもできる。
【選択図】図１

Description

本発明は円筒形状、扁平円筒形状、あるいは楕円形状等の形をした円筒形燃料電池に関する。本発明は、固体酸化物の電解質を有する固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）或いは固体高分子の電解質を有する固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）に好適である。

燃料電池は、アノード（燃料極）、電解質、カソード（空気極）からなるセルを備え、セルのアノード側に燃料ガスを供給し、カソード側に酸化剤ガスを供給し、電解質を介して燃料と酸化剤を電気化学的に反応させることにより発電する発電装置である。

燃料電池の種類の一つである固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は、発電効率が高い上に、６００〜１０００℃の高温で運転されるため、電池内で燃料の改質反応を行える。このため、燃料の多様化が図れると共に電池システム構造がシンプルになり、他の燃料電池に比べ、コスト低減のポテンシャルを持つ。当然、排熱も高温となるために利用しやすく、熱・電気併用システムばかりでなく、ガスタービンなどの他のシステムとのハイブリッドシステムを形成し易い特徴を持つ。

ＳＯＦＣは固体電解質の形状により、円筒形と平板形に大別される。円筒形は、平板形に比べて熱応力に強く、高温で運転するＳＯＦＣにとっては大きな利点である。

円筒形ＳＯＦＣの一例として、特許文献１には、筒形で多孔質の基体管の外壁に燃料極、電解質、空気極の順に積層されたセルを備え、基体管の内壁に螺旋状の溝を形成して燃料ガスの流れを乱し、基体管の内表面から水蒸気を効率的に除去して、燃料電池の効率を向上させたものが記載されている。

特開２００６−１００２１２号公報（要約）

ところで、円筒形ＳＯＦＣでは、燃料流れの上流側に位置する燃料極の発電性能に比べて、下流側に位置する燃料極の発電性能が低くなる傾向がある。前述の特許文献１は、この問題に対応するものではなく、この問題を解決するためのントを与えるものでもない。

本発明の目的は、燃料流れの下流側に位置する燃料極の発電性能を高めることができるようにした円筒形燃料電池を提供することにある。

本発明は、電解質を挟んでアノードとカソードを備え、アノードに沿って燃料流路を備え、カソードに沿って酸化剤流路を備えた円筒形状の燃料電池において、燃料流路を流れる燃料ガス中の全ガス量に対する燃料ガスの濃度比をアノード近傍において高める燃料高濃度化手段を備えたことを特徴とする。

また、本発明は、電解質の外側にアノードと集電極を有し内側にカソードを有する円筒形のセルと、前記セルを収納するセル容器とを備え、セル容器とアノードとの間を燃料流路とする円筒形状の燃料電池において、前記燃料流路を流れる燃料ガスを旋回させ、これによりアノード近傍の燃料ガスの濃度を高めるガス旋回手段を備えたことを特徴とする。

また、本発明は、電解質を挟んでアノードとカソードを有し、アノードに沿って燃料流路を有し、カソードに沿って酸化剤流路を有する円筒形状の燃料電池において、燃料流路に燃料ガスを選択的に透過させる選択的燃料透過手段を備えたことを特徴とする。

また、本発明は、電解質を挟んでアノードとカソードを有し、アノードに沿って燃料流路を有し、カソードに沿って酸化剤流路を有する円筒形状の燃料電池において、燃料流路から排出されたガスを再び燃料流路の入口部分に戻す燃料リサイクルラインを設け、その燃料リサイクルラインに燃料ガスを選択的に透過する選択的燃料透過手段を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、燃料流路の下流側においても電池反応が活発となり、発電性能を高めることができる。

本発明では、燃料流路の下流側において電池反応を活発にするために、アノード近傍の燃料濃度を高めることを提案する。また、燃料流路に選択的燃料透過膜を設置して下流側の燃料濃度を高めることを提案する。さらに、燃料リサイクルラインを設置すると共に、そのラインに選択的燃料透過膜を設けることを提案する。

アノード近傍の燃料濃度を高める手段としては、燃料流路を流れるガスに旋回力を与える方法が有効であり、電解質の外側にアノードを有する円筒形燃料電池に対し適用可能である。

燃料流れに旋回力を与えることにより、ガスに遠心力が働き、燃料である水素に比べて質量数の大きい水蒸気や二酸化炭素は遠心力で半径の大きな外周へと向かうようになる。これにより、電池反応の起こる内周側の燃料濃度を高くすることができる。ガスの旋回によるアノード近傍の燃料高濃度化は、燃料流路の下流側でより強く現れ、燃料ガス流れの下流側の電池反応を活発にすることができる。

ガスに旋回力を与える手段としては、燃料流路のガス入口部分に、斜め上向きにノズルを取り付けた整流板を設置することが有効である。このノズルを通して燃料ガスを燃料流路に供給することにより、燃料ガスに旋回力を与えることができる。また、集電極を複数に分割して、それらを斜め上向きに配置することも有効である。分割された集電極間をガスが通過する際にガスに旋回力が与えられる。ノズル付き整流板と集電極の分割化を組み合わせることが好ましい。

このほかに、ガス旋回手段としては、セル容器の内面に螺旋溝を設けること、或いはセル容器の内面またはアノードの外表面に螺旋状のフィラーを設けること等が有効である。

燃料流路或いは燃料リサイクルラインに選択的燃料透過手段を設ける方法は、電解質の外側にアノードを有するセル、或いは電解質の外側にカソードを有するセルのどちらに対しても適用可能である。ＳＯＦＣやＰＥＦＣの燃料ガスには一般に水素ガスが使用され、水素透過膜は良く知られている。したがって、実施容易である。

以上述べた円筒形燃料電池の複数個を、直列又は並列に接続して燃料電池システムが構築される。

本発明の円筒形燃料電池には、円筒形、扁平円筒形、あるいは楕円形等の形をしたセルが含まれる。これらを含めて、本発明では円筒形燃料電池と称している。

以下、円筒形セルの外側をアノードとし、内側をカソードとしたものを例にとって本発明の実施形態を説明するが、これに限定されるものではない。

図１に本発明の実施例に係る円筒形セルの立体図と縦断面図を示す。（ａ）は立体図であり、（ｂ）は縦断面図である。セルは固体電解質１の外周にアノード２（燃料極）を形成し、内周にカソード３（空気極）を形成し、アノード２の外表面に電流を取り出すための集電極５を複数個に分割して形成したものからなる。全体の形状は袋管状である。これらはセル容器１５に収納され、セル容器１５の内面とアノード２の外面をそれぞれ流路壁とする燃料流路６が形成される。また、セルの中心には酸化剤として空気を供給する空気導入管４が設けられ、空気流路７が形成される。図１では図示していないが、燃料はノズル付きの整流板等を用いて斜め上向きに供給され、旋回流が形成される。

セルの電流は集電極５からアノード２および固体電解質１を経て、カソード３へと流れ込む。燃料は燃料流路６を周方向に旋回しながら矢印で示した燃料流れ８のように流れる。

固体電解質１は、円筒袋管状で、材質としてはイットリウム安定化ジルコニア（ＹＳＺ）などが用いられる。アノード２の材質にはニッケルとＹＳＺからなる多孔質のサーメットなどが用いられる。ニッケルは改質触媒として働く。カソード３の材質にはランタンマンガネイトなどが用いられる。

ここで、電池反応を示しておく。先ず、炭化水素系燃料を改質して水素を含む改質ガスを生成する方法について、炭化水素系燃料としてメタンを例にとって説明する。改質触媒上で主に（１）式の反応によりメタンと水蒸気が反応（改質反応）して水素が生成する。なお、改質触媒としてはニッケル系のほかに、ルテニウム系なども使用できる。

ＣＨ_４ ＋ Ｈ_２Ｏ ＝ ＣＯ ＋ ３Ｈ_２ …（１）式
同時に、（１）式により反応したＣＯは、下記の（２）式で表されるＨ_２Ｏとの反応（ＣＯ転化反応）により、さらに水素に変換され燃料となる。

ＣＯ ＋ Ｈ_２Ｏ ＝ ＣＯ_２ ＋ Ｈ_２ …（２）式
炭化水素系燃料から水素を生成する反応は吸熱反応であり、この反応を継続するためには熱を供給する必要があり、一般には改質触媒を４００〜８００℃程度に維持する必要がある。

電池反応（発電反応）は、アノード２で生起し、下記の（３）式、（４）式で表され、発熱反応である。

Ｈ_２ ＋ １／２Ｏ_２ ＝ Ｈ_２Ｏ …（３）式
ＣＯ ＋ １／２Ｏ_２ ＝ ＣＯ_２ …（４）式
従って、電池反応が進むと水蒸気と二酸化炭素が生成され、燃料流路６中には水蒸気と二酸化炭素の濃度が高まることになる。一方、燃料となる水素と一酸化炭素は電池反応で消費され、下流に行くほど燃料濃度が希薄になっていく。結果として燃料流路中の全ガス量（燃料ガス量＋電池反応生成物量）に占める燃料ガスの濃度は下流に行くほど低下することになる。

そこで、本発明では燃料流れ８に旋回力を与える。これにより、ガスに遠心力が働き、水素に比べ質量数の大きい水蒸気や二酸化炭素は遠心力で半径の大きな外周へと向かい、電池反応の起こる小半径側のアノードでは全ガス量に対する燃料濃度の比が高くなる。従って、アノードの下流で発電性能が低下するのを防止できる。

ここで、遠心力による濃縮係数（α―１）は下記の(５)式で表せる。

α−１＝（Ｍａ−Ｍｂ）Ｖ^２／２ＲＴ …（５）式
ここで、αは分離係数、Ｍａ、Ｍｂは質量数、Ｖは回転速度、Ｒはガス定数、Ｔは温度である。

仮に回転速度Ｖを３００ｍ／ｓとすれば、水素は二酸化炭素に比べ約２１％、水に比べ約８％濃縮されることになる。

図２は本実施例における燃料流路の横断面図であり、水素濃度の高低の様子を模式的に示したものである。燃料流路６を流れるガスには遠心力が働くため、Ｈ_２濃度やＣＯ濃度が高い燃料リッチ領域１１はアノード２に近い内周側に形成され、電池反応生成物であるＨ_２ＯやＣＯ_２を多く含む電池反応生成物リッチ領域１２はアノード２より遠い外周側に形成される。従って、燃料ガス流れの下流にあってもアノード２の表面では全流量に対する燃料の比率を高めることができる。

図３の（ａ）と（ｂ）に燃料ガスに旋回力を与える手段を備えた円筒形セルの立体図と縦断面図を示す。本実施例は、円筒形セルの底部および燃料流路６の底部に整流板９を設けている。整流板９には流れを整流するための整流ノズル１０を設けた。整流ノズル１０は燃料に旋回流を与えるために斜め上方向きに設置されている。燃料流れ８は旋回流となってセル上方へと流出する。この時、図２に示したような濃度勾配が形成される。

図４の（ａ）と（ｂ）に、集電極５を斜め上向きになるように傾斜をつけて配置し、さらに整流板９を備えた円筒形セルの立体図と縦断面図を示す。このように集電極５を螺旋状に設けることにより、旋回力をより一層強めることができる。

なお、ガス旋回手段としては、セル容器の内周或いはアノードの外周に螺旋状にフィラーを設ける方法や、セル容器１５の内周に螺旋溝を設ける方法などもある。これらの手段は、図４のように整流ノズル１０と併用することが好ましい。

比較のために、図７の（ａ）と（ｂ）にガス旋回手段を有しない円筒形セルの立面図と縦断面図を示す。燃料流れ８は直進流であり、旋回流とならないためにアノード近傍の水素濃度を高めることができない。このため、燃料流れの下流での電池反応を高めることができず、高い発電性能が得られない。

ここでは、燃料流路６の途中に水素透過膜を設けて、燃料流れの下流側の水素ガス濃度を高めた実施例について説明する。

図５の（ａ）と（ｂ）に本実施例である円筒形セルの立体図と縦断面図を示す。燃料流路６の途中には水素透過膜１３が設けられている。水素透過膜１３には燃料ガス中の水素だけが透過するため、下流に向かう水素濃度が高められ、発電性能が向上する。なお、水素透過量Ｑは下記の(６)式で表記できる。

Ｑ＝ΦＳ（√Ｐ１−√Ｐ２）／ｄ …（６）式
ここで、Φは透過係数、Ｓは透過面積、Ｐ１、Ｐ２は上流側及び下流側のガス圧力、ｄは膜厚さである。

例えば、透過係数Φを１０^−６とすると透過面積Ｓが１ｃｍ^２で厚さ２μｍの時、１００Ｐａ程度の圧力差で電流１０Ａ分の水素を流すことが可能である。図５の水素透過膜１３の設置位置はセルの軸方向最上端から１／３ないし１／２程度の位置が好ましい。すなわち、燃料ガス中の水素濃度が低くなる領域及び改質が終了する領域に水素透過膜を設置することが好ましい。

本実施例では、燃料リサイクルラインを設けて、そのラインの途中に水素透過膜を設けた例を説明する。

図６に本発明の実施例である円筒形セル装置の縦断面図を示す。セルの上端部で残った燃料をセル底部に戻し、リサイクル運転をする場合である。水素透過膜１３をリサイクルライン１４の途中に設置している。これにより、不要な電池反応生成物等はリサイクルライン１４から分離でき、水素を選択的に燃料流路の入口部分に戻すことができる。

なお、以上の実施形態では円筒形状として袋管に例をとって説明したが、底のない開放された円筒形状でも一向にその効果を損なうものでない。

また、セル形状は円筒形状に限るものではなく、扁平円筒形状や楕円形状等のセルにも適用でき、同様の効果が得られる。

本実施形態の燃料電池では、円筒形セルのほぼ全領域が電池反応に寄与するので、発電面積を増大でき、発電量が増大し、かつ、過電圧が減少して内部抵抗が低減できるのでエネルギー効率を高めることができる。

ガス旋回手段を省略した状態での円筒形セルの立体図と縦断面図を示す。 円筒形セルの燃料流路の横断面図を示す。 本発明の実施例である円筒形セルの立体図と縦断面図を示す。 本発明の他の実施例である円筒形セルの立体図と縦断面図を示す。 燃料流路に水素透過膜を設けた円筒形セルの立体図と縦断面図を示す。 燃料リサイクルラインに水素透過膜を設けた円筒形セルの縦断面図を示す。 ガス旋回手段および水素透過膜を有しない従来の円筒形セルの燃料流れを示した立体図と縦断面図を示す。

符号の説明

１…固体電解質、２…アノード（燃料極）、３…カソード（空気極）、４…空気導入管、５…集電極、６…燃料流路、７…空気流路、８…燃料流れ、９…整流板、１０…整流ノズル、１１…燃料リッチ領域、１２…電池反応生成物リッチ領域、１３…水素透過膜、１４…リサイクルライン、１５…セル容器。

Claims (13)

1. 電解質を挟んでアノードとカソードを備え、前記アノードに沿って燃料流路を備え、前記カソードに沿って酸化剤流路を備えた円筒形状の燃料電池において、前記燃料流路を流れる燃料ガス中の全ガス量に対する燃料ガスの濃度比をアノード近傍において高める燃料高濃度化手段を備えたことを特徴とする円筒形燃料電池。
2. 電解質の外側にアノードと集電極を有し内側にカソードを有する円筒形のセルと、前記セルを収納するセル容器とを備え、前記セル容器と前記アノードとの間を燃料流路とする円筒形状の燃料電池において、前記燃料流路を流れる燃料ガスを旋回させ、これによりアノード近傍の燃料ガスの濃度を高めるガス旋回手段を備えたことを特徴とする円筒形燃料電池。
3. 前記燃料ガスが水素ガスであることを特徴とする請求項２に記載の円筒形燃料電池。
4. 前記ガス旋回手段として、前記燃料流路のガス入口部分に、斜め上向きにノズルを有する整流板を備えたことを特徴とする請求項２に記載の円筒形燃料電池。
5. 前記ガス旋回手段として、前記集電極を複数に分割して、それぞれ斜め上向きに設置したことを特徴とする請求項２に記載の円筒形燃料電池。
6. 前記ガス旋回手段として、前記燃料流路のガス入口部分に斜め上向きにノズルを有する整流板を備え、さらに前記集電極を複数に分割して、それぞれ斜め上向きに設置したことを特徴とする請求項２に記載の円筒形燃料電池。
7. 前記ガス旋回手段として、前記セル容器の内面に螺旋溝を設けたことを特徴とする請求項２に記載の円筒形燃料電池。
8. 前記ガス旋回手段として、前記セル容器の内面または前記アノードの外表面に螺旋状のフィラーを設けたことを特徴とする請求項２に記載の円筒形燃料電池。
9. 電解質を挟んでアノードとカソードを有し、前記アノードに沿って燃料流路を有し、前記カソードに沿って酸化剤流路を有する円筒形状の燃料電池において、前記燃料流路に燃料ガスを選択的に透過させる選択的燃料透過手段を備えたことを特徴とする円筒形燃料電池。
10. 前記燃料流路を流れる燃料ガスが水素ガスであり、前記選択的燃料透過手段が水素透過膜であり、前記水素透過膜がガスの流れを遮るように設置されていることを特徴とする請求項９に記載の円筒形燃料電池。
11. 電解質を挟んでアノードとカソードを有し、前記アノードに沿って燃料流路を有し、前記カソードに沿って酸化剤流路を有する円筒形状の燃料電池において、前記燃料流路から排出されたガスを前記燃料流路の入口部分に戻す燃料リサイクルラインを設け、その燃料リサイクルラインに燃料ガスを選択的に透過する選択的燃料透過手段を備えたことを特徴とする円筒形燃料電池。
12. 前記燃料流路を流れる燃料ガスが水素ガスであり、前記選択的燃料透過手段が水素透過膜であることを特徴とする請求項１１に記載の円筒形燃料電池。
13. 請求項１〜１２のいずれかに記載の円筒形燃料電池の複数個を直列又は並列に接続したことを特徴とする燃料電池。

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