JP2009093923A - 固体酸化物形燃料電池モジュール - Google Patents
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Abstract
【解決手段】固体酸化物形燃料電池モジュール1は、固体酸化物形燃料電池セル3が複数個(例えば18個)積層された固体酸化物形燃料電池スタック5と、固体酸化物形燃料電池スタック5の積層方向(図1の上下方向)の両側に密着して積層された集電板を兼ねる第1、第2発熱器7、9と、上方の第1発熱器7の上側に密着して積層された空気予熱器11と、下方の第2発熱器9の下側に密着して積層された燃料改質器13と、固体酸化物形燃料電池モジュール1を積層方向に貫く第1〜第10固定部材15〜33などを備えている。
【選択図】図1
Description
また、一般的なSOFCにおいて、投入した燃料全てを発電に費やすことは不可能である。その理由は、燃料が不足すると燃料極が酸化し、最悪、セルが割れてしまうなどの問題がある。そこで、通常、燃料の利用率を80%程度に制御して運転されており、残りの20%は断熱容器内で燃焼させて熱エネルギーとして利用することが一般的である。
第15回SOFC研究会 講演要旨集 P.18-21 105B 第15回SOFC研究会 講演要旨集 P.6-9 102B
例えば、本発明者等が開発している平板型スタックでは、スタック単体で検討した場合においても、スタック中央部が高温に、両端やエッジ部が低温になることが分かっている。更に、断熱容器内に、スタックを改質部や予熱部などと共に収容した場合は、その位置によっては、セル間の温度部分布を拡大する要因となることも明らかになっている。
つまり、本発明では、固体酸化物形燃料電池スタックの積層方向における温度分布のばらつき、特に積層方向端部における温度低下を抑えて、固体酸化物形燃料電池スタックの温度を均一化することができる。これにより、高効率の発電を行うことができる。
本発明では、燃焼触媒又は抵抗体(セラミック)ヒータにより、可燃ガスの燃焼を行う。触媒(燃焼触媒)による燃焼は、通常の燃焼と比較して、燃焼部分の温度が低温であり、窒素酸化物(NOX)の生成が少なく良好である。また、特にCOの酸化性に優れているため、有害なCOを放出する可能性が低いので好適である。さらに、燃料が希薄な場合にも燃焼が進行するため、特に定常運転時の排ガス燃焼方法として最適である。
改質器では、燃料ガスを水素リッチにする改質反応が行われるが、この改質反応は吸熱反応であるので、固体酸化物形燃料電池スタックに改質器を接触又は近接させると、固体酸化物形燃料電池スタックの端部の温度が低下する。
外部から導入される酸化剤ガスは予熱器で予熱されるが、この酸化剤ガスの温度は低いので、予熱器は、固体酸化物形燃料電池スタックに対しては吸熱として作用する。
これにより、装置をコンパクトにできる。
・ここで、前記固体電解質体(固体酸化物体)は、電池の作動時に燃料極に導入される燃料ガス又は空気極に導入される酸化剤ガスのうちの一方の一部をイオンとして移動させることができるイオン伝導性を有する。このイオンとしては、例えば酸素イオン及び水素イオン等が挙げられる。また、燃料極は、還元剤となる燃料ガスと接触し、セルにおける負電極として機能する。空気極は、酸化剤となる酸化剤ガスと接触し、セルにおける正電極として機能する。
燃料ガスとしては、水素、還元剤となる炭化水素、水素と炭化水素との混合ガス、及びこれらのガスを所定温度の水中を通過させ加湿した燃料ガス、これらのガスに水蒸気を混合させた燃料ガス等が挙げられる。炭化水素は特に限定されず、例えば、天然ガス、ナフサ、石炭ガス化ガス等が挙げられる。この燃料ガスとしては水素が好ましい。これらの燃料ガスは1種のみを用いてもよいし、2種以上を併用することもできる。また、50体積%以下の窒素及びアルゴン等の不活性ガスを含有していてもよい。
図1及び図2に示す様に、本実施例の固体酸化物形燃料電池スタック1は、燃料ガス(例えば水素)と酸化剤ガス(例えば空気(詳しくは空気中の酸素))との供給を受けて発電を行う装置である。
b)次に、固体酸化物形燃料電池モジュール1のガス流路について説明する。
次に、空気予熱器11から排出された予熱後の空気は、第7貫通孔77(A2)内に導入され、各固体酸化物形燃料電池セル3内に導入される。
次に、燃料改質器13から排出された改質後の燃料ガスは、第4貫通孔71(F2)内に導入され、各固体酸化物形燃料電池セル3内に導入される。
次に、第1発熱器7では、排ガス中における未反応の空気と燃料ガスとが反応して燃焼し、その排ガスは、第3貫通孔69(H2)を介して、固体酸化物形燃料電池モジュール1外に排出される。
まず、例えばSUS430からなる板材を打ち抜いて、インターコネクタ45、51、空気極フレーム53、燃料極フレーム59、セパレータ57を製造した。
固体酸化物形燃料電池セル3のセル本体49を、定法に従って製造した。具体的には、燃料極37のグリーンシート上に、固体酸化物体39の材料を印刷し、その上に空気極43の材料を印刷し、その後焼成した。尚、セル本体49は、セパレータ57にロウ付けして固定した。
d)この様に、本実施例の固体酸化物形燃料電池モジュール1は、固体酸化物形燃料電池スタック5の積層方向の両側に第1、第2発熱器7、9が積層され、更に、第1発熱器7の外側に空気予熱器11が積層されるとともに、第2発熱器9の外側に燃料改質器13が積層されて、一体に形成されている。
本実施例では、発熱器に特徴があるので、発熱器について説明する。なお、第1発熱器と第2発熱器は、ほぼ同様な構成であるので、ここでは、第2発熱器を例に挙げて説明する。
つまり、第2プレート125には、上室155に対応する開口部157が設けられ、第4プレート129には、下室159に対応する開口部161が設けられ、第3プレート127には、上室155と下室159を連通するために多数の連通孔163が形成されている。そして、上室155内には、前記実施例1と同様に、例えば粒状の担体に担持された燃焼触媒165が配置されている。
なお、第1発熱器については、前記実施例1と同様な構成であってもよい。
本実施例では、発熱器に特徴があるので、発熱器について説明する。なお、第1発熱器と第2発熱器は同様な構成であるので、ここでは、第2発熱器を例に挙げて説明する。
つまり、第2プレート175には、上室205に対応する開口部207が設けられ、第4プレート179には、下室209に対応する開口部211が設けられ、第3プレート177には、上室205と下室209を連通するために多数の連通孔213が形成されている。そして、上室205内には、前記実施例1と同様に、例えば粒状の担体に担持された燃焼触媒215が配置されている。
従って、本実施例では、前記実施例2と同様に、空気残ガスと燃料残ガスとが連通孔213によって均一に混合されることにより、効率良く燃焼するとともに、銅板クラッド部217によって、伝熱と集電が効率良く行われる。
図12に示す様に、本実施例の固体酸化物形燃料電池モジュール221は、固体酸化物形燃料電池セル223が積層された固体酸化物形燃料電池スタック225の積層方向の両側に、集電板227、229が積層され、更に、各集電板227、229の外側に、発熱器231、233が積層されたものである。
図13に示す様に、本実施例の固体酸化物形燃料電池モジュール241では、固体酸化物形燃料電池セル243が積層された固体酸化物形燃料電池スタック245の積層方向の両側に、集電板247、249が積層されている。
本実施例においても、前記実施例1と同様に、固体酸化物形燃料電池スタック245内の温度分布を均一化できるという効果を奏する。
図14に示す様に、本実施例の固体酸化物形燃料電池モジュール261では、固体酸化物形燃料電池セル263が積層された固体酸化物形燃料電池スタック265の積層方向の両側に、集電板267、269が積層されている。
図15に示す様に、本実施例の固体酸化物形燃料電池モジュール281では、モジュール本体283に異なる内径を有する貫通孔285〜303が形成されている。
尚、本発明は前記実施例になんら限定されるものではなく、本発明を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。
(3)発熱器内にてガスを燃焼させる場合には、内部に燃焼を促す燃焼触媒を配置すると好適であるが、例えばセラミックヒータを配置して着火するようにしてもよい。
(5)発熱器をスタックの両側に配置する場合には、一方の発熱器と他方の発熱器を直列に接続しても良いが(即ち一方の発熱器から他方の発熱器にガスを流すようにしても良いが)、スタックからそれぞれの発熱器にガスを並列に供給するようにしてもよい。
3、223、243、263…固体酸化物形燃料電池セル
5、225、245…固体酸化物形燃料電池スタック
7、9、121、171、231、233、251、271、273…発熱器
11、275…空気予熱器
13、253、277…ガス改質器
15、17、19、21、23、25、27、29、31、33…固定部材
37…燃料極
39…固体電解質体(固体酸化物体)
43…空気極
63、283…モジュール本体
93、165、215…燃焼触媒
Claims (8)
- 固体電解質体と、該固体電解質体の一面に設けられ、燃料ガスに接する燃料極と、該固体電解質体の他面に設けられ、酸化剤ガスに接する空気極とを備えた平板型の固体酸化物形燃料電池セルを、複数積層した固体酸化物形燃料電池スタックと、
可燃ガスの燃焼によって発熱する発熱器と、
を備えた固体酸化物形燃料電池モジュールであって、
前記固体酸化物形燃料電池スタックの積層方向の少なくとも一方の端部に接触して又は近接して前記発熱器を配置したことを特徴とする固体酸化物形燃料電池モジュール。 - 前記発熱器の内部に、ガスの燃焼触媒又は抵抗体ヒータを配置したことを特徴とする前記請求項1に記載の固体酸化物形燃料電池モジュール。
- 前記発熱器の前記固体酸化物形燃料電池スタック側と反対側に、前記燃料ガスの改質を行う改質器を配置したことを特徴とする前記請求項1又は2に記載の固体酸化物形燃料電池モジュール。
- 前記発熱器の前記固体酸化物形燃料電池スタック側と反対側に、前記酸化剤ガスの予熱を行う予熱器を配置したことを特徴とする前記請求項1〜3のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池モジュール。
- 前記発熱器が、前記固体酸化物形燃料電池スタックの集電板を兼ねることを特徴とする前記請求項1〜4のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池モジュール。
- 前記固体酸化物形燃料電池セルから排出されるガスが前記発熱器に供給される流路を有し、発電時には、前記排出されたガスを前記発熱器の燃料として用いることを特徴とする前記請求項1〜5のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池モジュール。
- 前記発熱器内には、前記燃料ガスが供給される流路と、前記酸化剤ガスが供給される流路と、両流路を区分する穴あき整流板を有し、前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスを前記穴あき整流板の連通孔を通過させて前記両ガスを混合することを特徴とする前記請求項1〜6のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池モジュール。
- 前記固体酸化物形燃料電池スタックの積層方向の両側に、内部に燃焼触媒を有する前記発熱器を配置するとともに、前記両発熱器の流路を直列に接続し、
更に、一方の前記発熱器の前記固体酸化物形燃料電池スタック側と反対側に、前記ガスの改質を行う改質器を配置するとともに、他方の前記発熱器の前記固体酸化物形燃料電池スタック側と反対側に、前記酸化剤ガスの予熱を行う予熱器を配置したことを特徴とする前記請求項1〜7のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池モジュール。
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