JP2013196771A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】所望の発電性能の実現とセルの劣化対策を両立することが可能な燃料電池を提供する。
【解決手段】酸化剤ガスと燃料ガスにより発電する棒状のセルを複数有するセル集合体と、このセル集合体のセルの長手方向の一端側に設けられ、酸化剤ガスと燃料ガスとの混合気体を燃焼させる燃焼室と、セル集合体のセルの長手方向の他端側に、その表面がセルからの輻射熱により昇温可能な状態で設けられたセルを支持する支持部材６８ａと、を有し、支持部材６８ａとセルの長手方向の他端とが接続された燃料電池において、支持部材６８ａの表面は、セルよりも輻射熱吸収率が高い輻射熱高吸収率層６８ｃからなるようにする。
【選択図】図４

Description

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスにより発電を行う燃料電池に関する。

複数のセルをケーシング内に収容し、それら複数のセルに燃料ガスと発電用空気（酸化剤ガス）とを供給して発電する燃料電池が種々提案されている。このような燃料電池では、起動時初期の低温時において、セルを迅速に昇温し、少しでも早く発電状態に移行することが要求される。その要求に応えるために、燃料ガスと発電用空気を燃焼させることにより生じる燃焼熱や、昇温したセルからの輻射熱を利用して、セルの迅速な昇温を図る燃料電池が知られている。その一例として、特許文献１に開示されている燃料電池が挙げられる。

特許文献１に開示された燃料電池は、多数の円筒型セルが列を成すようにして配置されたセル集合体をケーシング内部に収容し、ケーシングの内壁面とセル集合体との間に、セル集合体を囲むようにして、複数の輻射熱反射板を設けている。また、セル集合体上方には、燃料ガスと発電用空気を燃焼させる燃焼室が設けられている。この燃料電池は、その起動時、燃焼室で生じている燃焼の燃焼熱および輻射熱反射板により反射されたセルからの輻射熱により、セル集合体を迅速に昇温させるものである。また、発電運転時には、これら燃焼熱や輻射熱により、セルの温度が、所望の発電性能を発揮するための温度である発電基準温度に維持される。

特開２００３−１７８７８７号公報

ところが、上記構成では、セルの燃焼室に近い一端側が、セル集合体上部の燃焼室に生じている燃焼熱によって、セルの他端側よりも温められやすいため、セルの軸方向に温度差を生じやすい。また、発電運転時、セルの支持板の下部に供給される、セルよりも温度が低い燃料ガスの影響で、セルの支持板の温度が低い状態となり、この支持板によって上記セルの他端側の熱が奪われてしまうため、セルの軸方向に生じる温度差は非常に大きいものとなる。

セルの発電量はセル自体の温度に左右されるものであり、セルの燃焼室に近い一端側の温度を基準として発電運転を行った場合、他端側のセルの温度が、発電基準温度に達せず、所望の発電性能を発揮することができなくなる。一方、他端側の温度を基準として発電運転を行った場合、セルの燃焼室に近い一端側の温度が、発電基準温度よりも高くなるため、その一端側が早期に劣化してしまう。つまり、セルの軸方向に大きな温度差がある場合、所望の発電性能の実現とセルの劣化対策を両立することができないという問題がある。

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、所望の発電性能の実現とセルの劣化対策を両立することが可能な燃料電池を提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池は、酸化剤ガスと燃料ガスにより発電する棒状のセルを複数有するセル集合体と、このセル集合体のセルの長手方向の一端側に設けられ、酸化剤ガスと燃料ガスとの混合気体を燃焼させる燃焼室と、セル集合体のセルの長手方向の他端側に、その表面がセルからの輻射熱により昇温可能な状態で設けられたセルを支持する支持部材と、を有し、支持部材とセルの長手方向の他端とが接続された燃料電池において、支持部材の表面は、セルよりも輻射熱吸収率が高い輻射熱高吸収率層からなることを特徴とする。

輻射熱反射板が設けられた従来構造においても、輻射熱反射板により反射されたセルの輻射熱によって、支持部材が設けられたセルの長手方向の一端側は加熱されるが、支持部材の温度が低い場合、そのセルの一端側の熱が支持部材に奪われてしまい、結果的に、セルの軸方向における温度勾配の抑制がうまく行われない。

一方、本発明は、セルよりも高い輻射熱吸収率を有する支持部材の輻射熱高吸収率層が、セルからの輻射熱を吸収することによってセルよりも高い温度まで昇温される。そして、この昇温された輻射熱高吸収率層からの熱伝導により支持部材の他の部分が加熱され、支持部材全体が高温となるため、輻射熱反射板が設けられた従来構造のように、支持部材によってセルの熱が奪われることがない。

また、全体が高温となった支持部材からの熱伝導によって、その支持部材に接続されたセルの長手方向の一端側が加熱される。したがって、この一端側よりも燃焼の燃焼熱によって、より大きな熱が加えられているセルの他端側との温度勾配を抑制することができる。

以上のように、支持部材表面を、燃料電池セルよりも高い輻射熱吸収率を有する輻射熱高吸収率層とし、反射板を用いた従来構造ではなしえなかった支持部材とセルの両者の加熱を可能にすることによって、セルの軸方向における温度勾配を抑制することができ、これによって、所望の発電性能の実現とセルの劣化対策を両立させることができる。

本発明は、好ましくは、輻射熱高吸収率層が、コーティングにより形成されたコーティング層である。

このように構成された本発明においては、支持部材の輻射熱高吸収率層をコーティング（薄膜被覆）により形成するため、従来とほぼ同一の厚みの支持部材によって、所望の発電性能の実現とセルの劣化対策を両立させることができる。

本発明は、好ましくは、支持部材側からセルへ供給される酸化剤ガスと燃料ガスの少なくとも一方の発電用ガスが供給される空間である発電用ガス空間部が、支持部材に隣接して設けられている。

このように構成された本発明においては、発電用ガス空間部に供給された発電用ガスが、隣接する高温となった支持部材によって加熱されるため、温度の低い発電用ガスにより、支持部材が設けられたセルの長手方向における一端側の熱が奪われることを防止することができるため、より確実にセルの軸方向における温度勾配を抑制することができる。

本発明の燃料電池によれば、所望の発電性能の実現と燃料電池セルの劣化対策を両立することが可能となる。

本発明の実施形態に係る燃料電池の一側面を取り除いた全体斜視図。 各種ガスの流れを示す、Ａ方向から見た図１の燃料電池の模式図。 本発明の実施形態における、一部が切り取られた燃料ガスタンクの斜視図。 本発明の実施形態における支持板の断面図。 本発明の実施形態におけるセルユニットの部分断面図。 セルユニットの支持板への接続状態を表す正面図。 セルユニットが接続された支持板の熱の移動の様子を表す断面模式図。

以下、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池モジュール２（燃料電池）の斜視図である。図１に示す燃料電池モジュール２は、内部構造が分かるよう、その一側面が取り外されている。一方、図２は、Ａ方向から見た図１の燃料電池モジュール２を模式的に表した図であって、なおかつ、燃料ガス、発電用空気（酸化剤ガス）および燃焼ガスの流れを示す図である。

燃料電池モジュール２は、複数のセルユニット１６よりなるセル集合体１２を収容するケーシング５６と、ケーシング５６の上部に設けられた熱交換器２２と、ケーシング５６内部に配置された改質器２０と、この改質器２０において改質された被改質ガスを一時的に貯留する燃料ガスタンク６８（発電用ガス空間部）を備えている。ケーシング５６の内部は密封空間となっており、ケーシング５６には、被改質ガス供給管６０と、水供給管６２とが繋げられている。一方、熱交換器２２には、発電用空気導入管７４と、燃焼ガス排出管８２とが繋げられている。

被改質ガス供給管６０は、ケーシング５６の内部に都市ガスといった改質用の被改質ガスを供給する管路であり、水供給管６２は、被改質ガスを水蒸気改質する際に用いられる水を供給する管路であって、これら被改質ガス供給管６０及び水供給管６２は、ケーシング５６の内部に導かれた後、共に改質器２０の上流に繋がれている。発電用空気導入管７４は、改質後の被改質ガス（以下、燃料ガスという。）と発電反応を起こさせるための発電用空気（酸化剤ガス）を供給する管路である。燃焼ガス排出管８２は、発電反応後の燃料ガスを燃焼した結果生じる燃焼ガスを排出する管路である。

改質器２０は、セル集合体１２の上方に形成された、燃料ガスと発電用空気を燃焼させる燃焼室１８の更に上方に配置されており、水供給管６２より供給された水を用いて、被改質ガス供給管６０より供給された被改質ガスの改質を行うものである。この改質器２０の下流端には、燃料供給管６６の上端が接続されている。そして、この燃料供給管６６の下端は、セル集合体１２の真下に設けられた燃料ガスタンク６８の側面に接続されている。

図３は、一部が切り取ってある、燃料供給管６６が接続された燃料ガスタンク６８を示す斜視図である。図３に示すように、燃料ガスタンク６８は、セルユニット１６を支持する支持板６８ａ（支持部材）と、燃料ガス流入容器６８ｅから構成されている。この燃料ガスタンク６８は、燃料ガス流入容器６８ｅの側面に設けられた取付金具６８ｆを、Ｌ字金具６９を介して、燃料電池モジュール２の底面に設けられた台座６７に、ねじ等の連結部品を用いて固定されている。また、支持板６８ａは、溶着により燃料ガス流入容器６８ｅに接合されている。

この支持板６８ａには、セルユニット１６を一定の位置で支持するための複数の挿入孔６８ｄが設けられている。また、支持板６８ａの断面を表す図４に示すように、支持板６８ａは、アルミニウム等の金属からなる基台６８ｂおよびこの基台６８ｂの表面にセル１２よりも高い輻射熱吸収率を有する素材によりコーティング処理されて形成されたコーティング層６８ｃ（輻射熱高吸収率層）から構成されている。このコーティング層６８ｃは、セル８４からの輻射熱を吸収しやすい支持板６８ａの上面側に設けられている。したがって、発電時、コーティング層６８ｃは、セル８４からの輻射熱を十分に吸収することができる。このコーティング層６８ｃは、例えば、黒体塗料によるコーティング処理や、錫を含んだ顔料によるコーティング処理により形成される。なお、本実施形態においては、セル８４の輻射熱吸収率は５０％であり、コーティング層６８ｃの輻射熱吸収率は、それよりも高い９０％に設定されている。

改質器２０より排出された燃料ガスは、燃料供給管６６を通り、この燃料ガスタンク６８内部へと供給された後、各セルユニット１６の内側にある燃料ガス流路（詳細は後述する）内へと供給される。そして、この燃料ガスは、セルユニット１６内を上昇した後、燃焼室１８に至るようになっている。

一方、発電用空気は、ケーシング５６の側部に設けられた複数の吹出口７８ａ，７８ｂから供給され、各セルユニット１６の外側に沿って、下方から上方へ流れた後、燃焼室１８に至るようになっている。

燃焼室１８では、発電反応に使用されなかった燃料ガスと発電用空気との混合ガスが燃焼される。この燃焼により発生した燃焼ガスは、燃焼室１８内を上昇した後、熱交換器２２内に流入する。そして、発電用空気導入管７４から供給された熱交換器２２内部を通過する発電用空気と熱交換を行った後、燃焼ガス排出管８２より外部へ排出されるようになっている。

次に、図５に基づき、本実施形態におけるセルユニット１６について説明する。図５は、本実施形態のセルユニット１６を示す部分断面図である。

セルユニット１６は、棒状をなすセル８４と、このセル８４の上下方向端部にそれぞれ接続された、熱伝導性を有する材料からなる内側電極端子８６とを備えている。

セル８４は、上下方向に延びる管状構造体であり、内部に燃料ガス流路８８を形成する円筒形の内側電極層９０と、円筒形の外側電極層９２と、内側電極層９０と外側電極層９２との間にある電解質層９４とを備えている。この内側電極層９０は、燃料ガスが通過する燃料極であり、一方、外側電極層９２は、空気と接触する空気極である。

セルユニット１６の上端側と下端側に取り付けられた内側電極端子８６は、同一の機能を果たすため、ここでは、下端側に取り付けられた内側電極端子８６について具体的に説明する。内側電極層９０の下部９０ａは、電解質層９４と外側電極層９２に対して露出された外周面９０ｂと下端面９０ｃとを備えている。内側電極端子８６は、導電性を有すると共に、熱伝導性を有するシール材９６を介して内側電極層９０の外周面９０ｂと接続され、さらに、内側電極層９０の下端面９０ｃとは直接接触することにより、内側電極層９０と電気的に接続されている。内側電極端子８６の中心部には、内側電極層９０の燃料ガス流路８８と連通する燃料ガス流路９８が形成されている。なお、内側電極端子８６およびシール材９６は、熱伝導可能な材料により形成されている。また、燃料電池モジュール２内部に収容されたこれら複数のセルユニット１６は、集電体１０２を介して、電気的に直列接続されている。

これらセルユニット１６は、図６に示すように、支持板６８ａとの絶縁を図るために、セラミック等の絶縁性を有すると共に、熱伝導性も有する材料からなるブッシュ１０４を介して、支持板６８ａに接続される。具体的には、ブッシュ１０４の凸部１０４ａを、支持板６８ａの挿入孔６８ｄに挿入し、その後、このブッシュ１０４に設けられた内側電極端子８６の突出部１００とほぼ同一径を有する貫通孔１０４ｂ（図７参照）に、内側電極端子８６の突出部１００を挿入することにより、セルユニット１６は支持板６８ａに接続される。

次に、図７に基づき、セル８４の発電時における熱の移動の様子について説明する。図７は、セルユニット１６が接続された燃料ガスタンク６８の断面を模式的に表した図であって、図中の実線の矢印ＡおよびＣにより、発電時におけるコーティング層６８ｃが吸収した輻射熱の移動の様子を表している。

セル８４の発電可能な温度は比較的高いため（特に、固体酸化物型燃料電池においては６００℃以上）、発電時、支持板６８ａのコーティング層６８ｃは、その高い輻射熱吸収率を持って、セル８４からの大きな輻射熱を大量に吸収する（図中の破線の矢印Ｂ）。特に、コーティング層６８ｃは、セル８４よりも大きな輻射熱吸収率を有しているため、支持板６８ａの表面は、昇温して、セル８４よりも高い温度となる。

支持板６８ａの基台６８ｂは、図中の細い実線の矢印Ｃのように、高温となった支持板６８ａのコーティング層６８ｃからの熱伝導により、徐々に温められ、このコーティング層６８ｃに近い温度まで上昇する。こうして、支持板６８ａ全体が高温となる。また、図中の実線の矢印Ａに示すように、熱伝導性を有するブッシュ１０４の温度も、コーティング層６８ｃからの熱伝導により、コーティング層６８ｃに近い温度まで上昇する。同様に、高温となったブッシュ１０４からの熱伝導により、内側電極端子８６の温度も上昇し、この内側電極端子８６からセル８４へ熱伝導により熱が移動することによって、セル８４の下端部は加熱される。

このように、高温となったコーティング層６８ｃは、これに接続された熱伝導可能な部材を介して、熱伝導によってセル８４の下端側を加熱することができる。

また、高温となった支持板６８ａは、その下部に供給されている燃料ガスまでも熱伝導や輻射熱によって加熱するため、セル８４の下端側の燃料ガス流路８８を温度の低い燃料ガスが通過することにより、その燃料ガスにセル８４の下端側の熱が奪われてしまうことを防止できる。

このように、支持板６８ａの表面がセルよりも高い輻射熱吸収率を有するよう構成することによって、上端側よりも燃焼室１８から離れたセル８４の下端側および支持板６８ａをどちらも加熱することができ、さらに、セル８４内部へ供給される燃料ガスまでをも加熱することが可能となる。したがって、燃焼室１８で生じている燃焼の燃焼熱によって下端側より大きな熱が加えられているセル８４の上端側と、セル８４の下端側との温度差を小さくすることができる。こうして、セルの軸方向における温度勾配を抑制することができるため、軸方向におけるセル８４全体の温度を発電基準温度に合わせることが可能となり、所望の発電性能の実現とセルの劣化対策を両立させることが可能となる。

２…燃料電池モジュール
１２…セル集合体
１６…セルユニット
１８…燃焼室
２０…改質器
２２…熱交換器
２６…水供給源
５６…ケーシング
６０…被改質ガス供給管
６２…水供給管
６６…燃料供給管
６７…台座
６８…燃料ガスタンク
６８ａ…支持板
６８ｂ…基台
６８ｃ…コーティング層
６８ｄ…挿入孔
６８ｅ…燃料ガス流入容器
６８f…取付金具
６９…Ｌ字金具
７０…燃焼ガス配管
７２…発電用空気流路
７４…発電用空気導入管
７８ａ、７８ｂ…吹出口
８２…燃焼ガス排出管
８４…セル
８６…内側電極端子
８８…燃料ガス流路
９０…内側電極層
９２…外側電極層
９４…電解質層
９８…連通流路
１００…突出部
１０２…集電体
１０４…ブッシュ
１０４ａ…凸部
１０４ｂ…貫通孔

Claims (3)

1. 酸化剤ガスと燃料ガスにより発電する棒状のセルを複数有するセル集合体と、
   このセル集合体の前記セルの長手方向の一端側に設けられ、酸化剤ガスと燃料ガスとの混合気体を燃焼させる燃焼室と、
   前記セル集合体の前記セルの長手方向の他端側に、その表面が前記セルからの輻射熱により昇温可能な状態で設けられた前記セルを支持する支持部材と、を有し、
   前記支持部材と前記セルの長手方向の前記他端とが接続された燃料電池において、
   前記支持部材の表面は、前記セルよりも輻射熱吸収率が高い輻射熱高吸収率層からなることを特徴とする燃料電池。
2. 前記輻射熱高吸収率層は、コーティングにより形成されたコーティング層であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記支持部材側から前記セルへ供給される前記酸化剤ガスと燃料ガスの少なくとも一方の発電用ガスが供給される空間である発電用ガス空間部が、前記支持部材に隣接して設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。

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