JP2009277375A - 固体酸化物形燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】発電スタックと起動用バーナが間隔を有して保持された固体酸化物形燃料電池を提供する。
【解決手段】固体酸化物形燃料電池は，酸素イオン伝導性固体電解質体を有する複数の燃料電池セルが積層され，燃料ガスと酸化剤ガス中の酸素との反応により電力を発生する発電スタックと，前記発電スタックを加熱するための燃焼プレートと，前記燃焼プレートが固定されるフレームと，を有する起動用バーナと，前記発電スタックと前記フレームとを保持し，前記発電スタックと前記燃焼プレートとを間隔を有して対向配置させる保持部材と，を具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は，固体酸化物形燃料電池に関する。

固体酸化物形燃料電池は，固体酸化物である固体電解質を用いて，燃料ガスと酸素を反応させて，電力を発生する。固体酸化物燃料電池は高温（例えば，７００℃〜１０００℃）で動作するため，コールドスタート時には外部から加熱する必要があり，一般的な加熱手段として起動用バーナが使用される。このため，固体酸化物燃料電池を加熱する起動用バーナに関する技術が公開されている（特許文献１〜３参照）。特許文献１記載の技術では，発電室内に表面燃焼起動用バーナを設置し，発電スタックは上部から吊り上げる。特許文献２記載の技術では，起動用バーナを空気導入配管内に設置し，燃焼によって加熱されたガスによって固体酸化物燃料電池を昇温する。特許文献３記載の技術では，発電スタックの側面に起動用バーナが設置され，その外面部に発電スタックに供給する空気供給ラインを有する。この結果，起動用バーナの耐熱性の向上や，投入する空気の熱回収により，エネルギー効率が向上する。
特開２００２−２８００５３号公報 特開２００５−３１７２３２号公報 特開２００７−１８９６６号公報

しかしながら，起動用バーナに設置されている燃焼プレートは，金属繊維やセラミックスで構成されているため，過度の高温に晒されると，再焼結などにより破損する可能性がある。また，燃焼プレートと発電スタック間の空間を精密にコントロールしないと，燃焼が安定しなかったり，場合によっては失火を招いたりする可能性がある。

特許文献１記載の技術では，起動用バーナにより発電セルを直接加熱するため，起動用バーナと発電セルとの距離を十分に離して設置する必要や，低い起動用バーナ出力で加熱する必要があり，加熱効率や起動性についての問題が懸念された。
特許文献２記載の技術では，発電スタックの加熱を直接行っておらず，ガスだけによる加熱のため，加熱効率が悪く，起動性についての問題が懸念される。
特許文献３記載の技術では，起動用バーナを設置した箇所が，発電スタックからの残ガスを燃焼させる箇所と同位置であるため，高温雰囲気に燃焼プレートが晒され，破損する問題が懸念される。また，スタックの側面に起動用バーナを配置すると起動用バーナからの排気ガスがスタックに当たりにくいので熱ロスが大きくなる問題があった。
上記に鑑み，本発明は，発電スタックと起動用バーナが間隔を有して保持された固体酸化物形燃料電池を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る固体酸化物形燃料電池は，酸素イオン伝導性固体電解質体を有する複数の燃料電池セルが積層され，燃料ガスと酸化剤ガス中の酸素との反応により電力を発生する発電スタックと，前記発電スタックを加熱するための燃焼プレートと，前記燃焼プレートが固定されるフレームと，を有する起動用バーナと，前記発電スタックと前記フレームとを保持し，前記発電スタックと前記燃焼プレートとを間隔を有して対向配置させる保持部材と，を具備することを特徴とする。発電スタックを起動用バーナに保持させることで，搬送時における位置ズレや破損を防止でき，また，保持部材を通じて起動用バーナからの熱が供給されるため，起動性に優れる効果が生まれる。

（１）前記発電スタックが，前記複数の燃料電池セルを接続する棒状の接続部材を有し，前記保持部材が，前記接続部材の端部に配置されても良い。接続部材，保持部材はそれぞれ，例えば，ボルトおよびボルトヘッドである。このボルトヘッドをボルトもしくはブラケットなどでフレームに接続する。

（２）発電開始時，発電終了時に対応して，燃料と空気の混合気と，空気と，を切り替えて起動用バーナに供給する供給手段，をさらに具備しても良い。

（３）前記混合気の空燃比が，０．７以上，１．５以下（理論空燃比に対する比率で０．５４〜１．１６）であることが好ましい。空燃比を０．７〜１．５とすることで，起動用バーナが失火する可能性を低減できる。

本発明によれば，発電スタックと起動用バーナが間隔を有して保持された固体酸化物形燃料電池を提供できる。

以下，図面を参照して，本発明の実施の形態を詳細に説明する。
（第１の実施の形態）
図１は，本発明の第１実施形態に係る固体酸化物形燃料電池１００を表す斜視図である。固体酸化物形燃料電池１００は，発電スタック１１０，気化器１２０，改質器１３０，熱交換器１４０，燃焼器１５０（１５０ａ，１５０ｂ），起動用バーナ１６０，断熱容器１７０を有する。なお，見やすさのために，発電スタック１１０，改質器１３０，燃焼器１５０と，起動用バーナ１６０とを離間した状態で表している。

発電スタック１１０は，積層された燃料電池セル１１１，エンドプレート１１２，１１３を有する。燃料電池セル１１１は，板形状をなし，発電単位である。

図２は，燃料電池セル１１１を分解した状態を表す斜視図である。燃料電池セル１１１は，コネクタプレート４１（４１ａ，４１ｂ），空気極フレーム４２，絶縁フレーム４３，セパレータ４４，空気極４５，電解質４６，燃料極４７，燃料極フレーム４８を有する。

コネクタプレート４１ａ，４１ｂは，金属等の導電性材料から構成され，燃料電池セル１１１の厚み方向の両側に一対配置される。コネクタプレート４１により，燃料電池セル１１１それぞれのガス流路が分離され，かつ板厚方向での導通が確保される。

隣り合う燃料電池セル１１１の間に配置されるコネクタプレート４１は，インターコネクタとなり，隣り合う燃料電池セル１１１を区分する。発電スタック１１０の積層方向の両端に配置されるコネクタプレート４１が，エンドプレート１１２，１１３となる。

電解質４６は，矩形の板形状であり，例えば，ＺｒＯ_２等の酸化物から構成され，セパレータ４４の下面に固定される。電解質４６は，酸素イオン伝導性固体電解質体として機能する。電解質４６の上下に，空気極４５および燃料極４７が固着される。空気極４５とコネクタプレート４１ａとの間には，その導通を確保するために，集電体（図示せず）が配置される。

コネクタプレート４１ａ，空気極フレーム４２，絶縁フレーム４３によって，セパレータ４４の上方に空気室が構成される。燃料極フレーム４８，コネクタプレート４１ｂによって，セパレータ４４の下方に燃料室が構成される。燃料室，空気室それぞれに，燃料ガス，空気が導入され，高温（例えば，７００℃程度）に加熱されることで，電解質４６を介して，燃料ガスと空気中の酸素が反応し，空気極４５，燃焼極４７をそれぞれ正極，負極とする直流の電気エネルギーが発生する。

エンドプレート１１２，１１３は，耐熱性及び導電性に優れた板材（例えばステンレス製の板材）から構成される。エンドプレート１１２，１１３は，積層される燃料電池セル１１１を押圧する保持板であり，かつ発電スタック１１０からの電流の出力端子でもある。

エンドプレート１１２，１１３，燃焼器１５０を介し，ボルト１８１，ナット１８２，略円柱状のボルトヘッド１８３により，燃料電池セル１１１が締め付けられて固定，一体化されることで，発電スタック１１０が構成される。ボルトヘッド１８３の上部に形成された雌ネジと，ボルト１８１が螺合する（ネジ止め）。

気化器１２０は，水を気化して改質器１３０に供給するものであり，部材１２１，１２２を有する。部材１２１，１２２は，外形が略平板形状であり，その内部に互いに連結される空洞を有し，水の気化が可能である。部材１２１は，発電スタック１１０の側面に略並行に配置される。部材１２２は，起動用バーナ１６０の上面と発電スタック１１０の下面の間に配置され，起動時にはバーナからの熱により水の気化が可能である。

改質器１３０は，発電スタック１１０の下部に接続され，水蒸気で燃料ガス（例えば，炭化水素燃料）を改質する（水蒸気改質方式）。燃料ガス（炭化水素燃料）を改質してから，発電スタック１１０へ改質ガスを供給することで，燃料極４７での炭素の析出や燃料極４７での温度低下を防止する。

熱交換器１４０は，発電スタック１１０からの発熱で，発電スタック１１０に供給する空気を加熱する（熱の回収）。

燃焼器１５０（１５０ａ，１５０ｂ）は，発電スタック１１０からの発電後の余ったガス（排ガス）を燃焼させ，発電スタック１１０の温度を一定に保つ。

起動用バーナ１６０は，発電スタック１１０を作動温度（例えば，７５０℃）まで加熱するためのものであり，発電スタック１１０および改質器１３０の下側に配置される。起動用バーナ１６０は，フレーム１６１，燃焼プレート１６２，プレート保持部１６３，配管１６４を有する。フレーム１６１は，起動用バーナ１６０全体を保持する台座であり，この例では，発電スタック１１０の荷重が分散されるように，フレーム１６１の端部が曲げ加工されている。燃焼プレート１６２は，多孔質のセラミック材料等から構成され，その表面で，可燃性ガスと空気との混合ガスが燃焼する。プレート保持部１６３は，燃焼プレート１６２をフレーム１６１に保持する。配管１６４は，可燃性ガスと空気の混合ガスを燃焼プレート１６２に供給する。

ここで，図示しない切替手段により，燃焼プレート１６２に供給するガスを可燃性ガスと空気の混合ガスと空気とで切り替えることができる。発電開始時（起動時）には，可燃性ガスと空気との混合ガスを燃焼プレート１６２に供給して，発電スタック１１０等が加熱される。発電終了時には，空気を燃焼プレート１６２に供給して，発電スタック１１０等が冷却される。

断熱容器１７０は，断熱性能を有した容器であり，発電スタック１１０，気化器１２０，改質器１３０，熱交換器１４０，燃焼器１５０，起動用バーナ１６０を格納する。

図３は，発電スタック１１０，燃焼器１５０，起動用バーナ１６０の接続状態を表す断面図である。ボルトヘッド１８３の上下がねじ加工されている。既述のように，ボルトヘッド１８３の上部の雌ネジは，ボルト１８１と螺合する。ボルトヘッド１８３の下部の雌ネジ１８４は，ボルト１８５と螺合する。ボルト１８５は，ねじ部１８６，頭部１８７を有し，フレーム１６１に形成された貫通穴から差し込まれて，ボルトヘッド１８３の下部の雌ネジ１８４と螺合する。即ち，ボルトヘッド１８３，ボルト１８５によって，発電スタック１１０が起動用バーナ１６０に保持される。発電スタック１１０を起動用バーナ１６０に保持させ，搬送によるハウジング内における構成部材の位置ずれや破損を防止でき，また，保持部材を通じて起動用バーナからの熱が供給されるため，起動性に優れる効果が生まれる。また，ボルトヘッド１８３の長さを適宜にすることで，起動用バーナ１６０の上部に適宜の空間が確保される。即ち，ボルトヘッド１８３がスペーサとして機能する。

（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施形態を説明する。図４は，本発明の第２の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池２００での発電スタック１１０，燃焼器１５０，起動用バーナ１６０の接続状態を表す断面図である。ボルトヘッド１８３ａの下部はねじ加工されていない。ブラケット１８５ａは，外径が略円筒形状で，穴１８６ａを有する。ボルトヘッド１８３ａは，ブラケット１８５ａの穴１８６ａに挿入される。即ち，穴１８６ａはボルトヘッド１８３ａのガイド溝である。ブラケット１８５ａは，フレーム１６１に溶接等で固定される。ボルトヘッド１８３の長さおよびブラケット１８５ａの底部の厚さを適宜にすることで，起動用バーナ１６０の上部に適宜の空間が確保される。

他の点では，第２の実施形態は，第１の実施形態と実質的に相違する訳ではないので，詳細な説明を省略する。

（その他の実施形態）
本発明の実施形態は上記の実施形態に限られず拡張，変更可能であり，拡張，変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
上記実施形態では，改質器１３０，燃焼器１５０ａを発電スタック１１０と一体的に構成していた。この結果，改質器１３０，燃焼器１５０ａを介して，発電スタック１１０が起動用バーナ１６０に保持されている。これに対して，改質器１３０，燃焼器１５０ａを発電スタック１１０と別体としても良い。この場合，発電スタック１１０と起動用バーナ１６０が直接対向することになる。

本発明の実施例につき説明する。
（実施例１）
実施例１は，第１の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池１００に対応する構成を有する。但し，改質器１３０，燃焼器１５０ａを発電スタック１１０と別体とした。別体とする点は，他の実施例２〜８，比較例１，２でも同様とする。起動用バーナ１６０と発電スタック１１０の間に，３０ｍｍの間隔を確保した。起動用バーナ１６０に，空燃比１．３７である都市ガス３Ｌ／ｍｉｎ，Ａｉｒ４５Ｌ／ｍｉｎの混合ガスを投入し，発電スタック１１０を７５０℃まで加熱した。

（実施例２）
実施例２は，第２の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池１００に対応する構成を有する。起動用バーナ１６０と発電スタック１１０の間に，３０ｍｍの間隔を確保した。空燃比１．３７である都市ガス３Ｌ／ｍｉｎ，Ａｉｒ４５Ｌ／ｍｉｎの混合ガスを投入し，発電スタック１１０を７５０℃まで加熱した。

（実施例３）
実施例３は，第１の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池１００に対応する構成を有する。フレーム１６１を厚いＳＵＳ板とした以外は，実施例１と同様とした。

（実施例４）
実施例４は，第１の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池１００に対応する構成を有する。起動用バーナ１６０と発電スタック１１０の間隔を１５ｍｍとした以外は，実施例１と同様とした。

（実施例５）
実施例４は，第１の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池１００に対応する構成を有する。起動用バーナ１６０と発電スタック１１０の間隔を５０ｍｍとした以外は，実施例１と同様とした。

（実施例６）
実施例６は，第１の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池１００に対応する構成を有する。空燃比１．１０である都市ガス３Ｌ／ｍｉｎ，Ａｉｒ３６Ｌ／ｍｉｎの混合ガスを用いた以外は，実施例１と同様とした。

（実施例７）
実施例７は，第１の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池１００に対応する構成を有する。空燃比０．７３である都市ガス３Ｌ／ｍｉｎ，Ａｉｒ２４Ｌ／ｍｉｎの混合ガスを用いた以外は，実施例１と同様とした。

（実施例８）
実施例８は，第１の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池１００に対応する構成を有する。空燃比１．３７である都市ガス１Ｌ／ｍｉｎ，Ａｉｒ１５Ｌ／ｍｉｎの混合ガスを用いた以外は，実施例１と同様とした。実施例８では，起動用バーナ１６０での燃焼量を低減している。

（比較例１）
比較例１は，第１の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池１００に対応する構成を有する。起動用バーナ１６０と発電スタック１１０の間隔を１０ｍｍとした以外は，実施例１と同様とした。

（比較例２）
比較例２は，第１の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池１００に対応する構成を有する。空燃比０．５４である都市ガス３Ｌ／ｍｉｎ，Ａｉｒ１８Ｌ／ｍｉｎの混合ガスを用いた以外は，実施例１と同様とした。

（比較例３）
比較例３は，第１の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池１００に対応する構成を有する。空燃比１．５８である都市ガス３Ｌ／ｍｉｎ，Ａｉｒ５２Ｌ／ｍｉｎの混合ガスを用いた以外は，実施例１と同様とした。

（実験結果）
図５に，実施例１〜８，比較例１〜３の実験結果を示す。
実施例１，４，５，比較例１から，燃焼プレート１６２の上部に１５ｍｍ程度以上の間隔を確保することが好ましいことが判る。燃焼プレート１６２の上部に十分な空間が確保されないと，失火し易くなり，また燃焼プレート１６２が割れ易い。
また，実施例１，６，比較例２，３から，空燃比０．７〜１．５程度の範囲が好ましいことが判る。燃料ガスと空気の比率が訂正範囲からずれると，失火し易くなる。この都市ガスの理論空燃比が１．２９であることから，この空燃比０．７〜１．５は，理論空燃比に対して，０．５４〜１．１６となる（燃料ガスの理論空燃比Ｒ０に対する混合ガスの空燃比Ｒ１の比率（Ｒ１／Ｒ０））。

なお，燃焼プレート１６２の破損は，昇温試験後に目視で確認した。また，起動用バーナ１６０の失火回数は，発電スタック１１０が７５０℃に昇温するまでに失火した（炎が消えた）回数を表す。

以上のように，発電スタック１１０を起動用バーナ１６０に保持することで，搬送によるハウジング内における構成部材の位置ずれや破損を防止でき，保持部材を通じて起動用バーナからの熱が供給されるため，起動性に優れる効果も生まれる。また，空燃比を０．７〜１．５（理論空燃比に対する空燃比の比率（Ｒ１／Ｒ０）が０．５４〜１．１６），且つ発電スタック１１０と燃焼プレート１６２との間隔を１５ｍｍ以上とすることで，起動用バーナ１６０を失火させることなく，発電スタック１１０を稼動温度である７５０℃まで加熱することができた。

本発明の第１実施形態に係る固体酸化物形燃料電池１００を表す斜視図である。 燃料電池セル１１１を分解した状態を表す斜視図である。 第１の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池１００での発電スタック１１０，燃焼器１５０，起動用バーナ１６０の接続状態を表す断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池２００での発電スタック１１０，燃焼器１５０，起動用バーナ１６０の接続状態を表す断面図である。 実施例１〜８，比較例１〜３の実験結果を表す表である。

符号の説明

１００ 固体酸化物形燃料電池
１１０ 発電スタック
１１１ 燃料電池セル
１１２，１１３ エンドプレート
１２０ 気化器
１３０ 改質器
１４０ 熱交換器
１５０ 燃焼器
１６０ 起動用バーナ
１６１ フレーム
１６２ 燃焼プレート
１６３ プレート保持部
１７０ 断熱容器
１８１ ボルト
１８２ ナット
１８３ ボルトヘッド
１８５ ボルト
１８５ａ ブラケット

Claims (4)

1. 酸素イオン伝導性固体電解質体を有する複数の燃料電池セルが積層され，燃料ガスと酸化剤ガス中の酸素との反応により電力を発生する発電スタックと，
   前記発電スタックを加熱するための燃焼プレートと，前記燃焼プレートが固定されるフレームと，を有する起動用バーナと，
   前記発電スタックを前記フレームに保持し，かつ前記発電スタックと前記燃焼プレートとを間隔を有して対向配置させる保持部材と，
   を具備することを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
2. 前記発電スタックが，前記複数の燃料電池セルを接続する棒状の接続部材を有し，
   前記保持部材が，前記接続部材の端部に配置される
   ことを特徴とする請求項１記載の固体酸化物形燃料電池。
3. 発電開始時，発電終了時に対応して，前記燃料ガスと空気との混合気と，空気と，を切り替えて起動用バーナに供給する供給手段，
   をさらに具備することを特徴とする請求項１または２に記載の固体酸化物形燃料電池。
4. 前記起動用バーナに前記燃料ガスと空気との混合気が供給され，この燃料ガスの理論空燃比に対する混合気の空燃比の比率が０．５４以上，１．１６以下である，
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の固体酸化物形燃料電池。

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