JP2012216371A - 固体酸化物形燃料電池モジュールの構造および運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】固体酸化物形燃料電池から排気される排ガスから不純物が含まれない凝縮水を得るとともに、運転時に水自立可能な固体酸化物形燃料電池モジュールの構造および運転方法を提供する。
【解決手段】缶体４の内部に設けられ、発電セル１６に燃料ガスと空気を供給して発電反応を生じさせるとともに、これにより生成した排ガスおよび上記発電反応に消費されずに残った余剰ガスを発電セル１６外へ放出するシールレス構造の固体酸化物形燃料電池５のモジュール構造において、缶体４の内壁がカロライズ処理されているとともに、缶体４の内部に金属製の起動用バーナ３４が配設され、かつ缶体４の内部に燃焼触媒が配設されていない。
【選択図】 図１

Description

本発明は、缶体の内部に設けられ、発電反応により生成された排ガスおよび上記発電反応に消費されずに残った余剰ガスを発電セル外へ放出するシールレス構造の固体酸化物形燃料電池モジュールの構造および運転方法に関するものである。

従来の固体酸化物形燃料電池モジュールとして、缶体内部に固体酸化物形燃料電池および改質器を設け、この改質器に水蒸気発生器において生成した水蒸気および炭化水素ガスを供給して、当該改質器内において水素リッチな燃料ガスに改質し、その燃料ガスを燃料ガス供給ラインを介して、上記固体酸化物形燃料電池に供給するとともに、空気ブロアから供給された空気を空気供給ラインを介して、上記固体酸化物形燃料電池に供給するものが知られている。

上記固体酸化物形燃料電池は、固体電解質層の一方の面に燃料極層を、他方の面に空気極層を配置した発電セルを有し、この発電セルの外側の燃料極層側に燃料極集電体および空気極層側に空気極集電体を配置して、これら集電体の外側にセパレータを配置することにより単セルをなし、この単セルを複数積層することにより構成されている。そして、上記燃料ガス供給ラインからの燃料ガスを、上記セパレータを介して上記燃料極層に供給し、上記空気供給ラインからの空気を、上記セパレータを介して上記空気極層に供給することにより発電反応を生じさせるものである。

そして、上記固体酸化物形燃料電池は、上記発電反応により生成された排ガス、および上記発電反応に消費されずに残った余剰ガスを、上記燃料極集電体および上記空気極集電体の外周部から、上記缶体内に排出可能なシールレス構造になっている。

ここで、上記固体電解質層は、ランタンガレート材料（ＬＳＧＭＣ）等によって構成されている。また、燃料極層は、Ｎｉのサーメットで構成されている。そして、空気極層は、サマリウムストロンチウムコバルタイト(ＳＳＣ）によって構成されている。さらに、燃料極集電体は、Ｎｉ基合金などの多孔質焼結板によって構成されている。また、空気極集電体は、Ａｇ基合金などの多孔質焼結板によって構成されている。

一方、水蒸気発生器は、水供給手段から導入された水を、内部に充填された熱伝導性の良好なビーズによって効率的に気化して、上記改質器の改質反応に必要な水蒸気を生成するものである。

他方、改質器は、導入された炭化水素ガスおよび水蒸気を、内部に充填された炭化水素用のＮｉ（ニッケル）系、あるいはＲｕ（ルテニウム）系の改質触媒によって、改質して燃料ガスを生成するものである。

ところで、このようなシールレス構造の固体酸化物形燃料電池モジュールは、上記缶体内において、上記発電反応に消費されずに残った上記余剰ガスを燃焼させて、上記発電セルの発電反応により生成した排出ガスと共に、上記缶体から排気され、この排気された上記排ガスを回収して冷却することにより凝縮水を得ることができる。このため、この凝縮水を上記水蒸気発生器に供給する水の一部として利用することが可能になる。この際に、上記缶体内に排出された上記余剰ガスを燃焼媒体により燃焼させることにより、熱自立のための補助や、ＣＯなどの有害な成分などを燃焼させることができる。

しかしながら、上記缶体から排気された上記排ガスを冷却して得られた上記凝縮水には、上記固体酸化物形燃料電池モジュールに用いられる物質に含有される不純物が含まれてしまうという問題がある。この不純物は、上記余剰ガスの燃焼を行う燃焼媒体や、起動時に上記缶体の内部を加熱する起動用バーナに用いられるセラミックプレート、上記缶体の内壁に塗布された耐熱塗料などに含まれるていると考えられる。

このように、上記凝縮水に不純物が含まれている場合、水の電気抵抗率の低下に繋がり、結果として、上記固体酸化物形燃料電池の下部に配設されている上記水蒸気発生器が目詰まりしてしまう。このため、上記凝縮水を燃料ガスの改質に供給する水の一部として利用した場合、上記水蒸気発生器の目詰まりにより、安定した水蒸気が生成されず、発電を維持することができない。また、目詰まりした上記水蒸気発生器を定期的にメンテナンスしなければならないという問題がある。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたもので、固体酸化物形燃料電池から排気される排ガスから不純物が含まれない凝縮水を得るとともに、運転時に水自立可能な固体酸化物形燃料電池モジュールの構造および運転方法を提供することを課題とするものである。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、缶体の内部に設けられ、発電セルに燃料ガスと空気を供給して発電反応を生じさせるとともに、これにより生成した排ガスおよび上記発電反応に消費されずに残った余剰ガスを発電セル外へ放出するシールレス構造の固体酸化物形燃料電池のモジュール構造において、上記缶体の内壁がカロライズ処理されているとともに、上記缶体の内部に金属製の起動用バーナが配設され、かつ上記缶体の内部に燃焼触媒が配設されていないことを特徴とするものである。

また、請求項２に記載の発明は、上記請求項１の固体酸化物形燃料電池モジュールを用いた運転方法であって、起動時に、上記缶体の内部を加熱して昇温し、当該固体酸化物形燃料電池の熱自立した後に、上記缶体内に排出された上記余剰ガスを燃焼させ、かつ上記缶体から排気される上記排ガスを冷却して得られた凝縮水を、上記燃料ガスの改質に供給する水の一部として利用するとともに、当該水の電導度が、予め設定されたしきい値を超えた際に、上記凝縮水の利用を停止することを特徴とするものである。

請求項１に記載の発明によれば、缶体の内壁が不純物を含まない物質により耐熱処理されているとともに、当該缶体の内部に不純物が含まれる物質を配設していない構造の固体酸化物形燃料電池モジュールのため、当該缶体から排気される排ガスから、不純物が混入されていない水を得ることができる。これにより、外部から水を供給しない水自立した状態により固体酸化物形燃料電池を運転することが可能になる。

請求項２に記載の発明によれば、起動時に、内壁がカロライズ処理された上記缶体の内部を、金属製の起動用バーナにより加熱するとともに、熱自立後に、燃焼媒体を用いずに上記缶体内に排出された上記余剰ガスを燃焼させるため、上記缶体から排気される排ガスに、不純物が混入していまうことを防ぐことができる。これにより、上記排ガスを冷却して得られた凝縮水を、燃料ガスの改質に供給する水の一部として、繰り返し上記水蒸気発生器に供給することができ、外部から導入される水の量を減らすことができる。

また、上記排ガスを冷却して得られた上記凝縮水を、上記水蒸気発生器に供給する際に、当該水の電導度が予め設定されたしきい値を超えた場合に、上記凝縮水の供給を停止するため、上記凝縮水が供給される上記水蒸気発生器の目詰まりを防ぐことができる。この結果、上記水蒸気発生器において、安定した水蒸気を生成し、発電を維持させることができるとともに、上記水蒸気発生器のメンテナンスコストを抑えることができる。

本発明の固体酸化物形燃料電池モジュールの一実施形態を示す概略構成図である。 図１の固体酸化物形燃料電池の単セルを示す縦断面図である。

図１に示すように、本発明の一実施形態の固体酸化物形燃料電池モジュールは、内缶体１と、この内缶体１を断熱材２により覆う外缶体３とからなる缶体４を有し、この缶体４の内部に、固体酸化物形燃料電池５と改質器６と金属製の起動用バーナ３４とが配設され、当該缶体４の下部に固体酸化物形燃料電池５から排出された排ガスを、缶体４の外部に排出する排出口７が形成されているとともに、この排出口７に水蒸気を供給する水蒸気発生器８が配設され、かつ缶体４の外部に、炭化水素ガスブロア９、水ポンプ１０、空気ブロア１１、制御装置２８、熱交換器１２、水電導度計２５およびイオン交換樹脂３２とが配設されて概略構成されている。

ここで、缶体４の内缶体１および外缶体２は、内壁の表面に、アルミニウムを拡散浸透させる表面改質処理法であるカロライズ処理が施されている。また、この内缶体１の内部に配設された金属製の起動用バーナ３４は、メタルニットバーナが用いられている。

そして、固体酸化物形燃料電池５は、図２に示すように、固体電解質層１３の一方の面に燃料極層１４が配置されているとともに、他方の面に空気極層１５が配置されて発電セル１６が構成されている。この発電セル１６は、燃料極層１４の外側に、燃料極集電体１７が配置されているとともに、空気極層１５の外側に空気極集電体１８が配置されている。さらに、燃料極集電体１７および空気極集電体１８の外側には、セパレータ１９が配置されて、単セル２０が構成されている。この単セル２０は、図１に示すように、複数積層され、積層方向の一端側と他端側とがフランジ２１により挟み込まれている。

また、固体電解質層１３は、ストロンチウム、マグネシウム、コバルトを添加したランタンガレート材料（ＬＳＧＭＣ）によって構成されている。

そして、燃料極層１４は、Ｎｉのサーメットで構成されている。また、空気極層１５は、サマリウムストロンチウムコバルタイト(ＳＳＣ）により構成されている。

さらに、燃料極集電体１７は、Ｎｉ基合金などの多孔質焼結板によって構成されている。また、空気極集電体１８は、Ａｇ基合金などの多孔質焼結板によって構成されている。

また、セパレータ１９は、ステンレス板によって構成されているとともに、燃料極層１４に燃料ガスを供給する燃料ガス通路２２、および空気極層１５に空気を供給する空気通路２３が穿設されている。

そして、発電セル１６を挟持しているセパレータ１９同士の間は、Ｎｉの多孔質焼結板からなる燃料極集電体１７、およびＡｇの多孔質焼結板からなる空気極集電体１８から、発電反応により生成された排ガスと、当該発電反応に消費されずに残った高温の余剰ガスとを内缶体１内に排出可能なシールレス構造になっている。

さらに、複数積層した単セル２０を挟持しているフランジ２１には、燃料ガスを導入する燃料ガス供給ライン２４ａ、および空気を導入する空気供給ライン２７が各々接続されている。

また、缶体４の外部に配置された炭化水素ガスブロア９は、その吐出側に炭化水素ガス供給ライン２４が接続せれているとともに、この炭化水素ガス供給ライン２４の他方側が、缶体４内部に収納された改質器６の導入側に接続されている。

そして、改質器６は、その内部に炭化水素用のＮｉ（ニッケル）系、あるいはＲｕ（ルテニウム）系の改質触媒が充填されている。さらに、改質器６の出口側には、燃料ガス供給ライン２４ａが接続されているとともに、この燃料ガス供給ライン２４ａの他方側がフランジ２１を介して、セパレータ１９に接続されている。

また、缶体４の外部に配置された水ポンプ１０は、その吐出側に水供給ライン２６が接続されているとともに、この水供給ライン２６の上流側からイオン交換樹脂３２、流量計３３、水電導度計２５が介装されている。イオン交換樹脂３２は、スチレン・ジビニルベンゼンの共重合体からなる母体を有し、ポリスチレン長鎖分子がジビニルベンゼンの架橋により、広い表面積を持つ立体的網目構造の樹脂により形成されている。

そして、水供給ライン２６の他方側が水蒸気発生器８の導入側に接続されている。また、水蒸気発生器８の出口側に、水蒸気供給ライン２６ａの一方側が接続されてているとともに、水蒸気供給ライン２６ａの他方側が燃料ガス供給ライン２４ａに接続されている。

さらに、水蒸気発生器８は、缶体４の排出口７を横断して介装されているとともに、燃料極集電体１７および空気極集電体１８から排出される上記排ガスの熱により、水を効率良く気化させるために、熱伝導性の良好なビーズが充填されている。

また、缶体４の排出口７には、排ガスライン２９の一端側が接続されているとともに、他端側が熱交換器１２の導入側に接続されている。そして、この熱交換器１２の出口側に、凝縮水ライン３６の一方側が接続されているとともに、凝縮水ライン３６の他方側が分岐点３８に接続されている。さらに、凝縮水ライン３６には、凝縮水ライン用電磁弁３０が介装されている。

さらに、分岐点３８には、外部からの水を導入する市水ライン３５が接続されているとともに、この市水ライン３５に市水ライン用電磁弁３１が介装されている。また、分岐点３８には、水ポンプ１０に上記凝縮水または上記市水を導入する水導入ライン３７の一方側が接続されているとともに、水導入ライン３７の他方側が水ポンプ１０に接続されている。

また、缶体４の外部に配設された空気ブロア１１は、その吐出側に空気供給ライン２７が接続されているとともに、この空気供給ライン２７の他方側がフランジ２１を介して、セパレータ１９に接続されている。

そして、缶体４の外部に配置された制御装置２８は、固体酸化物形燃料電池５の熱自立後に、凝縮水ライン３６に介装された水電導度計２５から、水の電導度を検出するとともに、凝縮水ライン３６に介装された流量計３３から、水の供給流量を検出し、これらの検出信号により、凝縮水ライン３６に介装された凝縮水ライン用電磁弁３０、および市水ライン３５に介装された市水ライン用電磁弁３１を制御している。

以上の構成からなる固体酸化物形燃料電池モジュールを用いた運転方法について説明する。
まず、図１に示すように、空気ブロア１１、炭化水素ガスブロア９、水ポンプ１０を作動させるとともに、金属製の起動用バーナ３４により、内壁にカロライズ処理が施された内缶体１の内部を加熱して、固体酸化物形燃料電池５を昇温させるとともに、水ポンプ１０から水蒸気発生器８に供給された水が、水蒸気に生成される。この際に、水ポンプに導入される上記水は、固体酸化物形燃料電池５が熱自立するまでの間、市水ライン３５から導入されるため、市水ライン用電磁弁３１が開状態、凝縮水ライン用電磁弁３０が閉状態になるように、制御装置２８により制御される。

そして、水蒸気発生器８において生成された水蒸気と、炭化水素ガスブロア９から供給された炭化水素ガスとが改質器６に導入され、この改質器６内において水素リッチな燃料ガスに改質される。そして、改質された燃料ガスが燃料ガス供給ライン２４ａを介して、固体酸化物形燃料電池５に導入されるとともに、空気ブロア１１から供給された空気が空気供給ライン２７を介して、固体酸化物形燃料電池５に導入される。

これにより、固体酸化物形燃料電池５は、図２に示すように、燃料ガス供給ライン２４ａからの燃料ガスが、セパレータ１９の燃料ガス通路２２を介して燃料極層１４に導入されるとともに、空気供給ライン２７からの空気が、セパレータ１９の空気通路２３を介して空気極層１５に導入されることにより発電反応が生じ、燃料極集電体１７および空気極集電体１８から、上記発電反応により生成した高温の排ガスおよび上記発電反応に消費されずに残った高温の余剰ガスが内缶体１内に排出される。

この発電反応により、固体酸化物形燃料電池５は、予め設定された燃料利用率に従って、負荷上昇が開始される。そして、発電セル１６の温度が上昇し、電流が定格電流値に到達すると、固体酸化物形燃料電池５が熱自立した状態になり、固体酸化物形燃料電池５の運転が開始される。

また、固体酸化物形燃料電池５が熱自立すると、温度上昇した発電セル１６の熱により、内缶体１内に排出された上記余剰ガスが燃料される。これにより、上記余剰ガスを燃焼媒体を用いずに燃焼させることができる。そして、上記余剰ガスが燃焼され、缶体４の下部に形成された排気口７から、上記排ガスが排気される。この際に、排出口７を横断して介装されている水蒸気発生器８が上記排ガスにより加熱されて、この水蒸気発生器８に供給された水が気化して水蒸気が生成される。

さらに、排気口７から排出した上記排ガスは、排ガスライン２９を介して、熱交換器１２に導入される。そして、この熱交換器１２によって、高温の上記排ガスが冷却され、凝縮水が生成される。

そして、熱交換器１２によって凝縮水が生成されると、制御装置２８からの制御信号により、凝縮水ライン３６に介装された凝縮水ライン用電磁弁３０が通電されて開状態となるとともに、市水ライン３５に介装された市水ライン用電磁弁３１が非通電となり閉状態となる。これにより、水ポンプ１０に導入される水が、上記市水から上記凝縮水に切り替わり、外部から水を導入せずに、継続的に上記凝縮水の使用が可能となる。

この際に、凝縮水ライン３６に介装されたイオン交換樹脂３２により、上記凝縮水中のイオンが水素イオンと水酸化物イオンにそれぞれ交換され、各々が反応して水になる。

さらに、水ポンプ１０に導入される水が上記凝縮水に切り替わると、上記凝縮水が水ポンプ１０から水蒸気発生器８に供給される。その際に、制御装置２８は、熱交換器１２により生成された上記凝縮水の電気抵抗値（Ω・ｃｍ）から、電導度（μＳ／ｃｍ）を水電導度計２５により測定し、この測定した電導度（μＳ／ｃｍ）がしきい値として設定される。そして、水ポンプ１０から水蒸気発生器８に供給される上記凝縮水の電導度（μＳ／ｃｍ）が、水電導度計２５から検出信号により、上記しきい値を超えた判断されると、制御装置２８からの制御信号により、凝縮水ライン３６に介装された凝縮水ライン用電磁弁３０が非通電となり閉状態となるとともに、市水ライン３５に介装された市水ライン用電磁弁３１が通電されて開状態となる。これにより、水ポンプ１０に導入される水が、上記凝縮水から上記市水に切り替わる。

また、制御装置２８は、熱交換器１２により生成された上記凝縮水の供給流量が、何らかの原因により低下した場合に、凝縮水ライン３６に介装された流量計３３からの検出信号を受信し、この検出信号により供給流量が低下した判断されると、制御装置２８からの制御信号により、凝縮水ライン３６に介装された凝縮水ライン用電磁弁３０が非通電となり閉状態となるとともに、市水ライン３５に介装された市水ライン用電磁弁３１が通電されて開状態となる。これにより、水ポンプ１０に導入される水が、上記凝縮水から上記市水に切り替わり、上記凝縮水の供給流量の低下の原因が究明されて、問題が解決すると、再び上記市水から上記凝縮水に切り替わるように、制御装置２８により制御される。

そして、固体酸化物形燃料電池５が熱自立した後に、固体酸化物形燃料電池５から排出される排ガスを熱交換器１２により冷却して生成される上記凝縮水を利用して、固体酸化物形燃料電池５の運転が行われると、固体酸化物形燃料電池５によって得られた電力が、セパレータ１９を介して、コンバータ（図示せず）に供給される。このコンバータに供給された電力は、入力電圧を希望値の出力電圧に変換され、さらに上記コンバータの出力側に配線されたインバータ（図示せず）を介して、外部に出力される。

上述の実施の形態による固体酸化物形燃料電池モジュールの構造および運転方法によれば、内缶体１の内壁が不純物を含まない物質により耐熱処理されているとともに、内缶体１の内部に不純物が含まれる物質を配設していないモジュール構造のため、内缶体４から排気される排ガスから、不純物が混入されていない水を得ることができる。これにより、外部から水を供給しない水自立した状態により固体酸化物形燃料電池５を運転することが可能になる。

また、起動時に、内壁がカロライズ処理された内缶体１の内部を、金属製の起動用バーナ３４により加熱するとともに、熱自立後に、燃焼媒体を用いずに内缶体１内に排出された上記余剰ガスを燃焼させるため、内缶体１から排気される排ガスに、不純物が混入していまうことを防ぐことができる。これにより、上記排ガスを冷却して得られた上記凝縮水を、燃料ガスの改質に供給する水の一部として、繰り返し水蒸気発生器８に供給することができ、外部から導入される水の量を減らすことができる。

そして、上記排ガスを冷却して得られた上記凝縮水を、水蒸気発生器８に供給する際に、当該水の電導度が予め設定されたしきい値を超えた場合に、上記凝縮水の供給を停止するため、上記凝縮水が供給される水蒸気発生器８の目詰まりを防ぐことができる。この結果、水蒸気発生器８において、安定した水蒸気を生成し、発電維持させることができるとともに、水蒸気発生器８のメンテナンスコストを抑えることができる。

なお、上記実施の形態において、空気ブロア１１から空気供給ライン２７を介して、空気を空気極層１５に供給する場合のみ説明したが、これに限定されるものでなく、例えば、空気ブロア１１と空気を空気極層１５との間に、空気ブロア１１から空気極層１５に供給される空気の圧力を安定させる空気バッファタンクを介装しても対応可能である。

シールレス構造の固体酸化物形燃料電池に利用することができる。

１ 内缶体
２ 断熱材
３ 外缶体
４ 缶体
５ 固体酸化物形燃料電池
６ 改質器
７ 排出口
８ 水蒸気発生器
９ 炭化水素ガスブロア
１０ 水ポンプ
１１ 空気ブロア
１２ 熱交換器
１３ 固体電解質層
１４ 燃料極層
１５ 空気極層
１６ 発電セル
１７ 燃料極集電体
１８ 空気極集電体
１９ セパレータ
２０ 単セル

Claims (2)

1. 缶体の内部に設けられ、発電セルに燃料ガスと空気を供給して発電反応を生じさせるとともに、これにより生成した排ガスおよび上記発電反応に消費されずに残った余剰ガスを発電セル外へ放出するシールレス構造の固体酸化物形燃料電池のモジュール構造において、
   上記缶体の内壁がカロライズ処理されているとともに、上記缶体の内部に金属製の起動用バーナが配設され、かつ上記缶体の内部に燃焼触媒が配設されていないことを特徴とする固体酸化物形燃料電池モジュールの構造。
2. 上記請求項１の固体酸化物形燃料電池モジュールを用いた運転方法であって、
   起動時に、上記缶体の内部を加熱して昇温し、当該固体酸化物形燃料電池の熱自立した後に、上記缶体内に排出された上記余剰ガスを燃焼させ、かつ上記缶体から排気される上記排ガスを冷却して得られた凝縮水を、上記燃料ガスの改質に供給する水の一部として利用するとともに、当該水の電導度が、予め設定されたしきい値を超えた際に、上記凝縮水の利用を停止することを特徴とする固体酸化物形燃料電池モジュールの運転方法。

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