JP2009245631A - Fuel cell stack and solid oxide fuel cell using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、板状の固体電解質の一方の表面に燃料極層が形成され、他方の表面に酸化剤極層が形成された発電セルがセパレータによって挟み込まれた燃料電池スタック及びこれを用いた固体酸化物形燃料電池に関するものである。 The present invention relates to a fuel cell stack in which a fuel electrode layer is formed on one surface of a plate-shaped solid electrolyte and an oxidant electrode layer is formed on the other surface and sandwiched by separators, and a solid using the same The present invention relates to an oxide fuel cell.
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、実用化された固体高分子形燃料電池(PEFC)の他にも、現在、第1世代としてリン酸形燃料電池(PAFC)、第2世代として溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)、そして第3世代として固体酸化物形燃料電池(SOFC)の開発が期待されている。中でも、固体酸化物形燃料電池(SOFC)は、作動温度が600℃〜1000℃と高く、排熱の効率的な利用が可能であって、大規模発電用途にも適しており、1kw〜10kwの家庭用、業務用などから火力発電所の代替用までの幅広い分野での利用が可能となる。 In recent years, fuel cells that directly convert chemical energy of fuel into electrical energy have attracted attention as high-efficiency and clean power generators. In addition to the polymer electrolyte fuel cells (PEFC) that have been put into practical use, Development of a phosphoric acid fuel cell (PAFC) as the first generation, a molten carbonate fuel cell (MCFC) as the second generation, and a solid oxide fuel cell (SOFC) as the third generation is expected. Among them, the solid oxide fuel cell (SOFC) has a high operating temperature of 600 ° C. to 1000 ° C., can efficiently use exhaust heat, and is suitable for large-scale power generation applications. It can be used in a wide range of fields, from home use and business use to replacement of thermal power plants.
この固体酸化物形燃料電池としては、例えば、特許文献1に示すように、平板状の固体電解質層の一方の表面に酸化剤極層(カソード)が、他方の表面に燃料極層(アノード)が形成された発電セルを、板厚方向にセパレータを介して複数積層したシールレス構造の平板積層形燃料電池スタックを有する平板型の固体酸化物形燃料電池が知られている。なお、この平板形燃料電池スタックには、燃料極層とセパレータとの間に燃料極集電体が配置されるとともに、酸化剤極層とセパレータとの間に酸化剤極集電体が配置されている。 As this solid oxide fuel cell, for example, as shown in Patent Document 1, an oxidant electrode layer (cathode) is formed on one surface of a flat solid electrolyte layer, and a fuel electrode layer (anode) on the other surface. 2. Description of the Related Art A flat plate type solid oxide fuel cell having a flat plate type fuel cell stack having a sealless structure in which a plurality of power generation cells formed with the above are stacked in the thickness direction via a separator is known. In this flat plate fuel cell stack, a fuel electrode current collector is disposed between the fuel electrode layer and the separator, and an oxidant electrode current collector is disposed between the oxidant electrode layer and the separator. ing.
そして、この平板型の固体酸化物形燃料電池では、発電時に、反応用ガスとして酸化剤極層側に酸化剤ガス(酸素) が供給されるとともに、燃料極層側に燃料ガス(CH4 等を含有する都市ガス)を改質器において下記反応によって改質した改質ガス (H2、CO2等) が供給される。これらの酸化剤極層および燃料極層は、反応用ガスが固体電解質層との界面に到達することができるよう、何れも多孔質の層とされている。
CH4+2H2O → 4H2+CO2
In this flat solid oxide fuel cell, during power generation, an oxidant gas (oxygen) is supplied to the oxidant electrode layer side as a reaction gas, and a fuel gas (CH 4 or the like) is supplied to the fuel electrode layer side. The reformed gas (H 2 , CO 2, etc.) obtained by reforming the city gas containing) by the following reaction in the reformer is supplied. These oxidant electrode layer and fuel electrode layer are both porous layers so that the reaction gas can reach the interface with the solid electrolyte layer.
CH 4 + 2H 2 O → 4H 2 + CO 2
これにより、発電セル内において、酸化剤極層側に供給された酸素は、酸化剤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、この部分で酸化剤極層から電子を受け取って酸化物イオン(O2-)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、この部分で改質ガスと反応して反応生成ガス(H2O、CO2等)を生じ、燃料極層に電子を放出する。これによって、電極反応で生じた電子が別ルートの外部負荷にて起電力として取り出される。 As a result, oxygen supplied to the oxidant electrode layer side through the pores in the oxidant electrode layer reaches the vicinity of the interface with the solid electrolyte layer in the power generation cell. And is ionized to oxide ions (O 2− ). The oxide ions diffuse and move in the solid electrolyte layer toward the fuel electrode layer. The oxide ions that have reached the vicinity of the interface with the fuel electrode layer react with the reformed gas at this portion to generate a reaction product gas (H 2 O, CO 2, etc.), and discharge electrons to the fuel electrode layer. Thereby, electrons generated by the electrode reaction are taken out as an electromotive force at an external load of another route.
ところで、この固体酸化物形燃料電池では、上述のように作動温度が高いために上記燃料電池スタックや改質器などの燃料電池の構成部品に使用できる部材が、例えば、セラミックなどに制限されてしまうという問題があった。
このため、近年、作動温度を低下させて、安価な金属材料なども使用できる低温作動型の固体酸化物形燃料電池が開発されている。
By the way, in this solid oxide fuel cell, since the operating temperature is high as described above, members that can be used for fuel cell components such as the fuel cell stack and the reformer are limited to ceramics, for example. There was a problem that.
For this reason, in recent years, a low temperature operation type solid oxide fuel cell has been developed which can lower the operating temperature and can use an inexpensive metal material.
その一方で、上述の改質器によって燃料ガスを改質するのには、600℃〜700℃の高温が必要とされる。
その結果、上述のように固体酸化物形燃料電池の作動温度を低下させると、スタックの発熱を利用して作動する改質器の作動温度も下がり、上述の改質反応が充分に行われないまま、未改質の燃料ガスが燃料極層に供給されてしまう恐れがある。
このため、固体酸化物形燃料電池は、改質器による改質温度によって作動温度を低化させることができる範囲が制約されてしまうという問題があった。
On the other hand, a high temperature of 600 ° C. to 700 ° C. is required to reform the fuel gas by the above reformer.
As a result, when the operating temperature of the solid oxide fuel cell is lowered as described above, the operating temperature of the reformer that operates using the heat generated by the stack also decreases, and the above reforming reaction is not sufficiently performed. The unreformed fuel gas may be supplied to the fuel electrode layer.
For this reason, the solid oxide fuel cell has a problem that the range in which the operating temperature can be lowered is limited by the reforming temperature by the reformer.
これに対して、本出願人らは、特許文献2に示すように、セパレータによって挟み込まれた上記発電セルと、セパレータによって挟み込まれた内部改質器とを交互に積層した燃料電池スタックを複数有する平板型の固体酸化物形燃料電池を提案している。
この燃料電池によれば、構成部品の中で最も高温になる燃料電池スタック内の内部改質器によって燃料ガスを改質させることができるため、固体酸化物燃料電池の作動温度を低下させることができる。
In contrast, as shown in
According to this fuel cell, the fuel gas can be reformed by the internal reformer in the fuel cell stack having the highest temperature among the component parts, so that the operating temperature of the solid oxide fuel cell can be lowered. it can.
しかしながら、この固体酸化物形燃料電池は、内部改質器を組み込んだ燃料電池スタックが必要以上に大型化してしまうために、大型化に伴う熱ロスの増大により、排熱を利用する上でのエネルギー効率も低下してしまうという欠点がある。 However, in this solid oxide fuel cell, since the fuel cell stack incorporating the internal reformer becomes larger than necessary, the heat loss accompanying the increase in size increases the use of exhaust heat. There is a drawback that energy efficiency is also reduced.
そこで、燃料電池スタックが必要以上に大型化することなく、作動温度の低下を可能にすることができる燃料電池スタック及びこれを用いた固体酸化物形燃料電池を提案することを課題とする。 Accordingly, an object of the present invention is to propose a fuel cell stack that can reduce the operating temperature without increasing the size of the fuel cell stack more than necessary, and a solid oxide fuel cell using the same.
本発明者等は、酸素を加えた未改質の燃料ガスを、ガス流出表面にニッケル板を載置したセパレータに供給することによって改質できることを見出し、以下の請求項1〜3の本発明を完成するに至ったものである。 The present inventors have found that unreformed fuel gas to which oxygen has been added can be reformed by supplying it to a separator having a nickel plate mounted on the gas outflow surface. Has been completed.
すなわち、請求項1に記載の発明は、板状の固体電解質の一方の表面に燃料極層が形成され、他方の表面に酸化剤極層が形成された発電セルが、上記燃料極層に燃料ガスを供給する燃料ガス通路が形成されたセパレータと、上記酸化剤極層に酸化剤ガスとして酸素含有ガスを供給する酸化剤ガス通路が形成されたセパレータとによって挟み込まれた燃料電池スタックにおいて、上記固体電解質として、上記酸素が上記酸化剤極層にてイオン化された酸化物イオンを上記燃料極層側に向けて拡散させることによって、上記燃料極層側の界面にて、上記酸化物イオンの一部が上記燃料ガスと反応することにより反応生成物が生成されるとともに、上記酸化物イオンの残部から電子が当該固体電解質内を上記酸化剤極層に向けて逆流することにより酸素が燃極層側に再生成される電子リーク特性を有する電解質が用いられており、かつ上記セパレータと上記燃料極層との間に、ニッケル層が配設されていることを特徴としている。 That is, according to the first aspect of the present invention, there is provided a power generation cell in which a fuel electrode layer is formed on one surface of a plate-like solid electrolyte and an oxidant electrode layer is formed on the other surface. In a fuel cell stack sandwiched between a separator in which a fuel gas passage for supplying gas is formed and a separator in which an oxidant gas passage for supplying an oxygen-containing gas as an oxidant gas is formed in the oxidant electrode layer. As a solid electrolyte, the oxide ions in which the oxygen is ionized in the oxidant electrode layer are diffused toward the fuel electrode layer side, so that one of the oxide ions is formed at the interface on the fuel electrode layer side. As a result of the reaction of the part with the fuel gas, a reaction product is generated, and electrons flow back from the remainder of the oxide ions in the solid electrolyte toward the oxidant electrode layer. Element has an electrolyte having electron leakage characteristics being regenerated used 燃極 layer side, and between the separator and the fuel electrode layer, is characterized in that the nickel layer is disposed.
ここで、本発明において、燃料電池スタックとは、1枚の発電セルが2枚のセパレータによって挟み込まれたセルユニットを有しているものを意味するものであって、発電セルを燃料ガス通路および酸化剤通路が形成されたセパレータを介して複数積層することによって複数組のセルユニットを有しているのも含まれる。
また、上記ニッケル層としては、例えば、ニッケル板や、セパレータの燃料極層側の表面に施したニッケルメッキ層を含む意味である。
Here, in the present invention, the fuel cell stack means one having a cell unit in which one power generation cell is sandwiched between two separators, and the power generation cell is connected to a fuel gas passage and It is also included to have a plurality of sets of cell units by stacking a plurality of layers through separators in which an oxidant passage is formed.
The nickel layer includes, for example, a nickel plate or a nickel plating layer applied to the surface of the separator on the fuel electrode layer side.
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の燃料電池スタックにおいて、上記発電セルは、上記燃料ガス通路および上記酸化剤ガス通路が形成されたセパレータを介して板厚方向に複数積層され、かつ上記各セパレータと上記各燃料極層との間には、それぞれ燃料極集電体が配設されており、当該燃料極集電体は発泡ニッケルからなることを特徴としている。 According to a second aspect of the present invention, in the fuel cell stack according to the first aspect, a plurality of the power generation cells are stacked in a plate thickness direction via a separator in which the fuel gas passage and the oxidant gas passage are formed. In addition, a fuel electrode current collector is disposed between each separator and each fuel electrode layer, and the fuel electrode current collector is made of nickel foam.
請求項3に記載の発明は、板状の固体電解質の一方の表面に燃料極層が形成され、他方の表面に酸化剤極層が形成された発電セルを、上記燃料極層に燃料ガスを供給する燃料ガス通路および上記酸化剤極層に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス通路がそれぞれ形成されたセパレータを介して、板厚方向に複数積層した燃料電池スタックを有し、上記セパレータの上記酸化剤ガス通路に上記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給ラインが接続されるとともに、上記燃料ガス通路に上記燃料ガスを供給する燃料ガス供給ラインが接続され、かつこの燃料ガス供給ラインに上記燃料ガスを改質する改質器が介装された固体酸化物形燃料電池において、上記セパレータと上記燃料極層との間にニッケル層が配設され、かつ上記燃料ガス供給ラインには、上記改質器の下流側において上記燃料ガスに酸素含有ガスを加える酸素供給配管が接続されていることを特徴としている。 According to a third aspect of the present invention, there is provided a power generation cell in which a fuel electrode layer is formed on one surface of a plate-shaped solid electrolyte and an oxidant electrode layer is formed on the other surface, and fuel gas is supplied to the fuel electrode layer. A plurality of fuel cell stacks stacked in the plate thickness direction through separators each having a fuel gas passage to be supplied and an oxidant gas passage for supplying an oxidant gas to the oxidant electrode layer; An oxidant gas supply line for supplying the oxidant gas is connected to the oxidant gas passage, a fuel gas supply line for supplying the fuel gas is connected to the fuel gas passage, and the fuel gas supply line is connected to the fuel gas supply line. In a solid oxide fuel cell in which a reformer for reforming a fuel gas is interposed, a nickel layer is disposed between the separator and the fuel electrode layer, and the fuel gas supply line includes: In the downstream side of the Kiaratame reformer is characterized in that oxygen supply pipe adding an oxygen-containing gas into the fuel gas is connected.
請求項1〜2に記載の燃料電池スタックおよび請求項3に記載の固体酸化物形燃料電池によれば、固体電解質として電子リーク特性を有する電解質を用いたため、固体電解質の燃料極層側の界面に水蒸気などの反応生成物とともに酸素が存在する。このため、燃料ガスをセパレータから燃料極層に向けて供給する際に、燃料ガスは、ニッケル層の表面に沿って流れて、上記燃料極層に存在する酸素によって発熱反応である酸化反応を起こし、水蒸気改質に必要な熱と高い温度場を提供する。
According to the fuel cell stack according to claim 1 and the solid oxide fuel cell according to
そうして、この固体電解質の燃料極層側の界面は、水蒸気リッチでもあるため、下記改質反応が一段と進行して多くの水素を生成できる。
CH4+2H2O → 4H2+CO2
従って、燃料電池の構成部品で最も高温になる燃料電池スタック内にて燃料ガスを改質することができ、燃料電池スタックの外部に設置した改質器の改質温度によって制約されることなく、高効率の発電を可能とし、同時に燃料電池の作動温度を低下させることができる。さらに、燃料電池スタックが燃料極層とセパレータとの間に配設したニッケル層分しか大型化しないため、必要以上の大型化によって排熱を利用する燃料電池全体としてのエネルギー効率が低下することを阻止することができる。
Thus, since the interface on the fuel electrode layer side of this solid electrolyte is also rich in water vapor, the following reforming reaction proceeds further and a large amount of hydrogen can be generated.
CH 4 + 2H 2 O → 4H 2 + CO 2
Therefore, the fuel gas can be reformed in the fuel cell stack that is the highest temperature among the components of the fuel cell, and is not limited by the reforming temperature of the reformer installed outside the fuel cell stack. Highly efficient power generation is possible, and at the same time, the operating temperature of the fuel cell can be lowered. In addition, since the fuel cell stack is enlarged only for the nickel layer disposed between the fuel electrode layer and the separator, the energy efficiency of the entire fuel cell using exhaust heat is reduced due to the enlargement more than necessary. Can be blocked.
特に、請求項2に記載の発明によれば、セパレータと燃料極層との間に発泡ニッケルからなる燃料極集電体を配設することによって、この燃料極集電体によって上記改質反応を進行させることができるとともに、固体電解質の燃料極層側の界面に存在する酸素や水蒸気が発泡ニッケルからニッケル層表面まで拡散するため、酸素の存在および水蒸気リッチの条件下のニッケル層表面および燃料極集電体内において効率的に上記酸化反応を伴う改質反応を行うことができる。
In particular, according to the invention described in
加えて、請求項3に記載の発明によれば、燃料ガスを改質器によって改質して、酸素供給配管によって加えられた酸素含有ガスとともにセパレータの燃料ガス通路に供給する。従って、燃料ガス通路に未改質の燃料ガスが供給された場合にも、この燃料ガスは、酸素含有ガスが加えられているため、改質ガスなどとともに、燃料電池の構成部品で最も高温になる燃料電池スタック内に供給されることによってニッケル層の表面等にて酸化反応を伴う改質反応を起こして、固体電解質の燃料極層側により多くの水素を含む改質ガスを送ることができる。このため、未改質の燃料ガスがそのまま燃料極層に供給される可能性が著しく低減され、未改質ガスをそのまま燃料極層の外部から放出することによる燃料電池全体としてのエネルギー損失を著しく減少させることができる。
In addition, according to the invention described in
以下、本発明に係る平板型の固体酸化物形燃料電池の実施形態を、図1〜図5を用いて説明する。 Hereinafter, embodiments of a flat plate type solid oxide fuel cell according to the present invention will be described with reference to FIGS.
本実施形態に係る燃料電池は、図1および図2に示すように、固体電解質11の一方の表面に燃料極層12が形成されるとともに、他方の表面に酸化剤極層13が形成されてなる発電セル16を、板厚方向に矩形板状のセパレータ2を介して複数積層した外観視略矩形柱状の燃料電池スタック10を有して構成されている。
As shown in FIGS. 1 and 2, the fuel cell according to this embodiment has a
さらに、この燃料電池スタック10は、発電セル16の燃料極層12とセパレータ2との間に円形平板状の燃料極集電体14が配置されるとともに、この燃料極集電体14とセパレータ2との間には、ニッケル板17が配置されている。また、燃料電池スタック10は、酸化剤極層13とセパレータ2との間に円形平板状の酸化剤極集電体15が配置されている。
Further, in the
この固体電解質11には、電子リーク特性を有する円形平板状のセリア系、ビスマス系またはランタンガレート系のセラミックス板が用いられる。
具体的に、電子リーク特性を有するセリア系のセラミックス板としては、セリア(CeO2 )に少量のY2O3、Gd2O3、Sm2O3などをドープしたものが使用され、中でもセリアにSm2O3をドープしたサマリウム・ドープト・セリア(SDC)が用いられる。また、ビスマス系のセラミックス板としては、酸化ビスマス(Bi2O3)にイットリア(Y2O3)を加えたものが使用される。
また、固体電解質11として、好ましくは、ランタンガレート系セラミックス板であるLa1-xSrxGa1-y-zMgyCozO3(X=0.05〜0.3、Y=0〜0.29、Z=0.01〜0.3、Y+Z=0.025〜0.3(以下、LSGMCと略す))が用いられる。
As the
Specifically, as a ceria-based ceramic plate having electron leakage characteristics, ceria (CeO 2 ) doped with a small amount of Y 2 O 3 , Gd 2 O 3 , Sm 2 O 3, etc. is used. Samarium doped ceria (SDC) doped with Sm 2 O 3 is used. As the bismuth ceramic plate, bismuth oxide (Bi 2 O 3 ) and yttria (Y 2 O 3 ) are used.
Further, as the
上記燃料極層12は、Ni等の金属あるいはNi−YSZ、Ni−SDC、Ni−GDC等のサーメットによって形成され、酸化剤極層13は、LaMnO3、LaCoO3、SrCoO3等によって形成されている。また、燃料極集電体14は、スポンジ状の多孔質焼結ニッケル板(発泡ニッケル)で円形平板状に構成され、酸化剤極集電体15はAg等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で円形平板状に構成されている。
The
さらに、上記ニッケル板17は、燃料極集電体14と同径の円形平板状に構成されており、その中央部には後述の吐出口2xに対応する開口17aが形成されている。
Further, the
上記セパレータ2は、厚さ数mmの略方形状のステンレス製の板材で構成されており、上述した発電セル16、各集電体14、15およびニッケル板17が積層される中央部のセパレータ本体20と、このセパレータ本体20より面方向に延設されて、当セパレータ本体20の対向縁部を2箇所で支持する一対のセパレータアーム21、22とで構成されている。
The
そして、セパレータ本体20は、集電体14、15を介して発電セル16間を電気的に接続するとともに、発電セル16に対して反応用ガスを供給する機能を有し、その内部に燃料ガスをセパレータ2の縁部から導入してセパレータ2の燃料極集電体14に対向する面の中心部の吐出口2xから噴出させる燃料ガス通路23と、酸化剤ガスをセパレータ2の縁部から導入してセパレータ2の酸化剤極集電体15に対向する面の中心部の吐出口2yから噴出させる酸化剤ガス通路24とを有する。
The
また、各セパレータアーム21、22は、それぞれセパレータ本体20の外周辺に沿って僅かな隙間を持って対向角隅部に延設される細長帯状として積層方向に可撓性を持たせた構造とされると共に、これらセパレータアーム21、22の端部26、27に板厚方向に貫通する一対のガス孔28x、28yが設けてある。
一方のガス孔28xはセパレータ2の燃料ガス通路23に連通し、他方のガス孔28yはセパレータ2の酸化剤ガス通路24に連通し、各々のガス孔28x、28yからこれらのガス通路23、24を通して各発電セル16の各電極12、13面に燃料ガスや酸化剤ガスを供給するようになっている。
Each
One gas hole 28x communicates with the
そして、各セパレータ2の本体20間にそれぞれ発電セル16および集電体14、15を介在させるとともに、各セパレータ2のガス孔28x、28y間に各々絶縁性のマニホールドリング29x、29yを介在させることによって、ガス孔28xおよびマニホールドリング29xによって構成された燃料ガスマニホールドと、ガス孔28yおよびマニホールドリング29yによって構成された空気マニホールドとを有する外観視略矩形柱状の燃料電池スタック10が構成される。
In addition, the
この燃料電池スタック10の上部および下部には、図3に示すように、セパレータ2より外法の大きいフランジ3が設けられており、これらのフランジ3のマニホールドに対応する2箇所には、それぞれ2本ずつボルト31が挿通されて、その両端部にナット32が螺合されている。このフランジ3と、両端部にナット32を螺合したボルト31とによって、上述のマニホールドリング29x、29yを介装したマニホールドのガスシール性が担保されている。
As shown in FIG. 3,
そして、上部のフランジ3には、中央部に発電セル16の外法より大きい穴30が設けられており、この穴30には、最上段のセパレータ2上に載置された発電セル16と略同一の大きさの錘39が配置されている。この錘39により、集電体14、15に挟み込まれた発電セル16とニッケル板17とセパレータ2との相互密着性が担保されている。
The
このようにして構成された燃料電池スタック10は、4枚の側板からなる矩形筒体と天板と底板とを有する内部缶体5内の中央部に、架台51に載置された状態で、平面的に縦横方向に複数行(本実施形態においては2行)複数列(本実施形態においては2列)に並べて多数配置され、上下高さ方向にも複数(本実施形態においては4個)配置されている。これにより、内部缶体5内には、上下高さ方向に配置された複数の燃料電池スタック10によって構成される燃料電池スタック群1a〜1dが配設されており、他方、内部缶体5の外周は断熱材50によって覆われている。
The
また、各燃料電池スタック10は、起動時に酸化剤ガスと改質ガスとの反応によって生成される反応ガスや未反応ガスをそのまま外部に放出するシールレス構造を採用しており、これらの放出された未反応ガスの燃料熱等で内部缶体5内は発電に必要な温度を保てるようになっている。
Each
さらに、本実施形態に係る燃料電池は、上述の平板積層形燃料電池スタック10の燃料極層12に燃料ガスマニホールドや燃料ガス通路23を通じて改質ガスを供給する燃料ガス供給ライン6と、酸化剤極層13に酸化剤ガスマニホールドや酸化剤ガス通路24を通じて酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給ライン7とを有している。
この酸化剤ガス供給ライン7は、燃料電池スタック群1bおよび1c、または1dおよび1aの側面に沿ってそれぞれ配設された直方体状の筺体からなる空気熱交換器72aまたは72bと、それぞれの下流側に設けられた空気バッファタンク73aまたは73bと、各燃料電池スタック10の酸化剤ガスマニホールドと、これらを接続する配管74a、74bや空気熱交換器72a、72bの導入側に接続される配管(図示を略す)と、酸化剤ガス通路24とによって構成されている。
Furthermore, the fuel cell according to the present embodiment includes a fuel
The oxidant gas supply line 7 includes
他方、燃料ガス供給ライン6には、一端部に燃料ガスが導入される導入口を有して、他端部側が2本に分枝している分枝管60が備えられており、この分枝管60は、2本に分枝している他端部側に、それぞれ水蒸気発生器(図示を略す)を介装した水蒸気供給ラインが接続されている。また、分枝管60は、当該接続部の下流側の他端部がそれぞれ燃料熱交換器61a、61bに接続されている。
各燃料熱交換器61a、61bは、燃料電池スタック群1aおよび1b、または1cおよび1dの側面に沿ってそれぞれ配設された直方体状の筺体からなり、排出側がそれぞれ導入管62を介して改質器63に接続されている。
On the other hand, the fuel
Each of the
この改質器63は、燃料電池スタック群1a〜1dの対向側面間に配置される横断面十字状の筺体からなり、燃料電池スタック群1aと1bの間に位置する翼部63aと、スタック群1bと1cとの間に位置する63bと、スタック群1cと1dとの間に位置する翼部63cと、スタック群1dと1aとの間に位置する翼部63dとを有している。これらの各翼部63a〜63dは、最上段の燃料電池スタック10同士の間から最下段の燃料電池スタック10同士の間まで延在する高さを有しており、各翼部63a〜63dの内部には、それぞれ改質触媒が収容されている。
The reformer 63 includes a cruciform cross-sectional casing disposed between opposing side surfaces of the fuel
そして、この改質器63は、翼部63aおよび63cの上部にそれぞれ導入管62が接続されるとともに、翼部63bのおよび63dの下部にそれぞれ排出管64が接続されており、これらの排出管64の他端部は、それぞれ燃料バッファタンク65a、65bに接続されている。
また、これらの燃料バッファタンク65a、65bは、それぞれ配管66a、66bを介して各燃料電池スタック10の燃料ガスマニホールドに接続されている。
The reformer 63 has an
The
従って、燃料ガス供給ライン6は、分枝管60と燃料熱交換器61a、61bと導入管62と改質器63と排出管64と燃料バッファタンク65a、65bと燃料ガスマニホールドと配管66a、66bと燃料ガス通路23とによって構成されている。
Accordingly, the fuel
さらに、この燃料バッファタンク65a、65bには、それぞれ酸素含有ガスを供給する酸素供給配管(図示を略す)が接続されており、これによって、燃料電池は、燃料ガスマニホールドに供給された酸素含有ガスを含む改質ガスが各スタック10の発電セル16の燃料極層12に、空気マニホールドに供給された酸化剤ガスが各スタック10の発電セル16の酸化剤極層13にそれぞれ供給されるようになっている。
Further, oxygen supply pipes (not shown) for supplying an oxygen-containing gas are connected to the
また、上述の燃料熱交換器61a、61b、改質器63、燃料バッファタンク65a、65b、水蒸気発生器、空気熱交換器72および空気バッファタンク73a、73bなどは、いずれも内部缶体5内あるいはその近傍に配置されて、内部缶体5の各側板に設置された起動時に作動する赤外線バーナ55や上述の内部缶体5内の昇温などによって加熱されるようになっている。
The
次いで、上述の平板型の燃料電池の作用について説明する。
まず、赤外線バーナ55を起動させるとともに、燃料ガスとして都市ガスを分枝管60を通じて燃料ガス供給ライン6に、酸化剤ガスとして空気を酸化剤ガス供給ライン7にそれぞれ供給する。
Next, the operation of the flat plate type fuel cell will be described.
First, the
すると、この酸化剤供給ライン7に供給された空気は、空気熱交換器72a、72b内にて加熱された後に、空気バッファタンク73a、73bに供給され、次いで配管74a、74bを介して、各燃料電池スタック10の酸化剤ガスマニホールドを通じて各セパレータ2の酸化剤ガス通路24に供給される。
Then, the air supplied to the oxidant supply line 7 is heated in the
この酸化剤ガス通路24に供給された空気は、吐出口2yを通じて発電セル16の酸化剤極集電体15から酸化剤極層13に供給されると、酸素が空気極層13において電子を受け取ることにより、酸化物イオン(O2-)にイオン化されつつ、固体電解質層11に移動する。そして、この酸化物イオンが固体電解質層11内において、燃料極層12に向けて拡散する。すると、この固体電解質11の燃料極層12側の界面において、酸化物イオンの一部が下記改質ガスと反応して、水蒸気などの反応生成物を外部に放出するとともに、酸化物イオンの残部から一部電子が固体電解質11の酸化剤極層13に向けて逆流することにより燃料極層12側に酸素が再生成される。
When the air supplied to the
他方、この燃料ガス供給ライン6に供給された都市ガスは、水蒸気供給ラインから供給された水蒸気とともに燃料熱交換器61a、61b内にて加熱された後に、導入管62から改質器63に供給されて、燃料電池スタック群1a〜1dの各スタック10からの放熱によって効率的に加熱されつつ改質触媒に接触して水素リッチな改質ガスに改質される。
そして、この改質ガスは、排出管64を通じて燃料バッファタンク65a、65bに供給されて、この燃料バッファタンク65a、65b内にて酸素供給配管から空気が加えられ、次いで、この空気とともに配管66a、66bや各燃料電池スタック10の燃料ガスマニホールドを通じて各セパレータ2の燃料ガス通路23に供給される。
On the other hand, the city gas supplied to the fuel
The reformed gas is supplied to the
この燃料ガス通路23に供給された改質ガスは、吐出口2xからニッケル板17の開口17aを通じて燃料極層12に向けて供給される際に、ニッケル板17の表面に沿って流れ、次いで、燃料極集電体14を通じて燃料極層12に移動する。このとき、改質ガスとともに未改質の燃料ガスが存在する場合に、この燃料ガスは、固体電解質11の燃料極層12側の界面から拡散した酸素や水蒸気が存在するニッケル板17の表面や燃料極集電体14内において、酸化反応を伴う改質反応を起こして、燃料極層12に供給される。従って、上述のように固体電解質11の燃料極層12側の界面に存在する上記酸化物イオンと反応して水蒸気などの反応生成物を外部に放出するとともに、燃料極層12に電子を放出する。この放出された電子が起電力として取り出される。
The reformed gas supplied to the
本実施形態の平板型の固体酸化物形燃料電池によれば、固体電解質11として電子リーク特性を有するLSGMCなどを用いたため、固体電解質11の燃料極層12側の界面に水蒸気などの反応生成物とともに酸素が存在する。さらに、発電時には、燃料ガスを改質器63によって改質した改質ガスを燃料ガス供給ライン6を通じて燃料ガス通路23に供給する際に、酸素供給配管から微量の空気が加えられる。
According to the flat plate type solid oxide fuel cell of this embodiment, LSGMC having electron leakage characteristics is used as the
その際、この酸素供給配管から供給される空気量は、燃料ガス供給ライン6に燃料ガスとしてメタンガスを主成分とする都市ガスが供給される場合には、空気に含まれる酸素量がメタンガスの1/10〜4/10のモル数となるように調製される。これは、1/10未満であると、ニッケル板17の表面などで上記改質反応が充分に行われないためであり、4/10を超えてしまうと、高温雰囲気の燃料電池スタック10において燃焼して、電極反応による発電量が減少してしまうためである。
At this time, the amount of air supplied from this oxygen supply pipe is such that when the city gas mainly composed of methane gas is supplied as fuel gas to the fuel
従って、燃料ガス通路23に改質ガスとともに一部未改質の燃料ガスが供給された場合にも、この燃料ガスは、改質ガスとともに吐出口2xから開口17aを通じて燃料極層12に向けて供給される際に、ニッケル板17の表面に沿って流れ、次いで、燃料極集電体14を通じて燃料極層12に移動する。このとき、燃料ガスは、固体電解質11の燃料極層12側から拡散した酸素や水蒸気が存在するニッケル板17の表面や燃料極集電体14内において、酸化反応を伴う改質反応を起こすことにより、多量の水素を含む改質ガスを生成する。このため、未改質の燃料ガスが燃料ガス通路23に供給された場合にも、改質ガスとなって燃料極層12の固体電解質11側の界面に供給される。
Therefore, even when a partially unreformed fuel gas is supplied to the
それ故に、未改質の燃料ガスがそのまま燃料極層12に供給される可能性が著しく低減され、未改質ガスをそのまま燃料極層12の外部から放出することによるエネルギー損失を著しく減少させることができる。附言するならば、各燃料電池スタック10からの放熱によって効率的に加熱される改質器63によって燃料ガスを改質できる上に、最も高温の燃料電池スタック10内にて改質反応を行うことができるため、燃料電池の作動温度を最大限に低下させることができる。また、この燃料電池スタック10は、発電セル16と同数のニッケル板17を配置することによって上述の改質機能を得ることができるため、必要以上に大型化することなく、排熱を利用する平板型の固体酸化物形燃料電池におけるエネルギー効率の低下も防止できる。
Therefore, the possibility that unreformed fuel gas is directly supplied to the
なお、本発明は、上述の実施形態に何ら限定されるものでなく、例えば、ニッケル板17に代えて、セパレータ2の燃料極集電体14側の表面にニッケルメッキを施してもよく、また、燃料バッファタンク65a、65bに酸素含有ガスを供給する酸素供給配管と、燃料極層側に酸素を再生成する電子リーク特性を有する固体電解質11との両方を兼ね備える必要はなく、少なくともいずれか一方を備えていればよい。
また、平板積層型の燃料電池スタック10を複数有する平板型の固体酸化物形燃料電池に限定されるものでなく、この平板型以外の固体酸化物形燃料電池であってもよい。
The present invention is not limited to the above-described embodiment. For example, instead of the
Further, the present invention is not limited to a flat plate type solid oxide fuel cell having a plurality of flat plate type fuel cell stacks 10, and may be a solid oxide fuel cell other than this flat plate type.
2 セパレータ
2x 燃料ガスの吐出口
2y 酸化剤ガスの吐出口
6 燃料ガス供給ライン
7 酸化剤ガス供給ライン
10 燃料電池スタック
11 固体電解質
12 燃料極層
13 酸化剤極層
14 燃料極集電体
15 酸化剤極集電体
16 発電セル
17 ニッケル板
17a 開口
23 燃料ガス通路
24 酸化剤ガス通路
63 改質器
2
Claims (3)
上記固体電解質として、上記酸素が上記酸化剤極層にてイオン化された酸化物イオンを上記燃料極層側に向けて拡散させることによって、上記燃料極層側の界面にて、上記酸化物イオンの一部が上記燃料ガスと反応することにより反応生成物が生成されるとともに、上記酸化物イオンの残部から一部電子が当該固体電解質内を上記酸化剤極層に向けて逆流することにより酸素が燃料極層側に再生成される電子リーク特性を有する電解質が用いられており、かつ
上記セパレータと上記燃料極層との間に、ニッケル層が配設されていることを特徴とする燃料電池スタック。 A power generation cell in which a fuel electrode layer is formed on one surface of a plate-shaped solid electrolyte and an oxidant electrode layer is formed on the other surface is formed with a fuel gas passage for supplying fuel gas to the fuel electrode layer In a fuel cell stack sandwiched between a separator and a separator formed with an oxidant gas passage for supplying an oxygen-containing gas as an oxidant gas to the oxidant electrode layer,
As the solid electrolyte, the oxide ions in which the oxygen is ionized in the oxidant electrode layer are diffused toward the fuel electrode layer side, so that the oxide ions are formed at the interface on the fuel electrode layer side. A reaction product is generated by a part of the reaction with the fuel gas, and a part of the electrons from the remainder of the oxide ions flows back through the solid electrolyte toward the oxidant electrode layer, thereby generating oxygen. A fuel cell stack, wherein an electrolyte having electron leakage characteristics regenerated on the fuel electrode layer side is used, and a nickel layer is disposed between the separator and the fuel electrode layer .
上記燃料極層と上記ニッケル層との間には、燃料極集電体が配設されており、当該燃料極集電体は発泡ニッケルからなることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池スタック。 A plurality of the power generation cells are stacked in the plate thickness direction via a separator in which the fuel gas passage and the oxidant gas passage are formed, and a fuel electrode current collector is disposed between the fuel electrode layer and the nickel layer. The fuel cell stack according to claim 1, wherein the fuel electrode current collector is made of nickel foam.
上記セパレータと上記燃料極層との間にニッケル層が配設され、かつ
上記燃料ガス供給ラインには、上記改質器の下流側において上記燃料ガスに酸素含有ガスを加える酸素供給配管が接続されていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池。 A power generation cell having a fuel electrode layer formed on one surface of a plate-like solid electrolyte and an oxidant electrode layer formed on the other surface, a fuel gas passage for supplying fuel gas to the fuel electrode layer, and the oxidant A plurality of fuel cell stacks stacked in the thickness direction through separators each formed with an oxidant gas passage for supplying an oxidant gas to the polar layer, and the oxidant gas in the oxidant gas passage of the separator; A reformer for connecting a fuel gas supply line for supplying the fuel gas to the fuel gas passage, and for reforming the fuel gas to the fuel gas supply line In a solid oxide fuel cell in which
A nickel layer is disposed between the separator and the fuel electrode layer, and an oxygen supply pipe for adding an oxygen-containing gas to the fuel gas is connected to the fuel gas supply line on the downstream side of the reformer. A solid oxide fuel cell.
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JP2014089846A (en) * | 2012-10-29 | 2014-05-15 | Central Research Institute Of Electric Power Industry | Heat and electricity cogeneration type adjustment power supply, and heat and electricity cogeneration system |
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