JP3365453B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電池内のアノードガス
の分布を出来るだけ均一にし、電池反応による発熱の分
布を均一になるようにした燃料電池に関する。

【０００２】

【従来の技術】溶融炭酸塩型燃料電池は、高効率で環境
への影響が少ないなど、従来の発電装置にない特徴を有
しており、水力、火力、原子力に続く発電システムとし
て注目を集め、現在鋭意研究が進められている。

【０００３】図５は天然ガスを燃料とする溶融炭酸塩型
燃料電池を用いた発電設備の一例を示す図である。同図
において、発電設備は、天然ガス等を水蒸気８と混合し
た燃料ガス１を水素を含むアノードガス２に改質する改
質器１０と、炭酸ガスと酸素を含むカソードガス３と水
素を含むアノードガス２とから発電する燃料電池１２と
を備えており、改質器１０で作られるアノードガス２は
燃料電池１２に供給され、燃料電池１２の内でその大部
分を消費してアノード排ガス４となり、燃焼用ガスとし
て改質器１０の燃焼室Ｃｏへ供給される。

【０００４】改質器１０ではアノード排ガス４中の可燃
成分（水素、一酸化炭素、メタン等）を燃焼室Ｃｏで燃
焼して高温の燃焼ガスを生成し、この燃焼ガスにより改
質室Ｒｅを加熱し、改質室Ｒｅで改質触媒により燃料ガ
ス１を改質してアノードガス２とする。アノードガス２
は燃料電池１２のアノードＡに供給される。また燃焼室
Ｃｏを出た燃焼排ガス５は空気予熱器１３で冷却された
後、凝縮器１４及び気水分離器１５により水分を除去さ
れ、低温ブロワ１６で加圧され、空気６と合流してカソ
ードガス３となる。このカソードガス３はカソードＣ内
をカソード循環ブロワ１９により循環し電池反応により
発生した熱を除去する。カソードガス３は燃料電池１２
内で一部が反応して高温のカソード排ガス７となり、そ
の一部は改質器１０の燃焼室Ｃｏへ供給され、他の一部
は空気６を圧縮するタービン圧縮機１７で動力を回収し
た後、さらに排熱回収蒸気発生装置１８で熱エネルギを
回収して系外に排出される。なお、この排熱回収蒸気発
生装置１８で発生した水蒸気８が天然ガスと混合されて
燃焼ガス１となる。

【０００５】図６は、燃料電池１２の模式的構造図であ
る。本図に示すように燃料電池１２は、電解質板ｔ、ア
ノードａ（電極）、カソードｃ（電極）及びセパレータ
板１２ｓよりなる。電解質板ｔは、焼結したセラミック
ス粉末からなる平板であり、その間隙に溶融炭酸塩を高
温の溶融状態で保持するようにしてある。アノードａ及
びカソードｃは、それぞれ焼結した金属粉末からなる平
板で、電解質板ｔを間に挟持する。単一の電池（単セ
ル）は、アノードａ、電解質板ｔ及びカソードｃから構
成される。複数の導電性セパレータ板１２ｓはその上下
にガス流路を有し、その間に単セルを挟持し、アノード
ａに沿って水素を含むアノードガスを流し、カソードｃ
に沿って酸素及び炭酸ガスを含むカソードガスを流すよ
うにしている。

【０００６】このような燃料電池１２を例えば約６５０
℃の高温に保持し、アノードａ及びカソードｃに沿って
アノードガスとカソードガスをそれぞれ流すことによ
り、電池反応が起こり電気を発生するとともに大量の熱
を発生する。この反応熱を除去するため、従来は、図５
に示すように大量のカソードガスをカソード内に循環さ
せ、燃料電池１２の出入口温度差が約１００℃以下とな
るように制御していた。つまり、燃料電池１２は、融点
の高い溶融炭酸塩を電解液として用いており、平均温度
が５００℃以下になると電解質が部分的に凝縮し、逆に
７００℃以上になると電解液の蒸発や腐食が激しくなる
ため、従来はカソード循環ブロワ１９により大量のカソ
ードガス３を燃料電池１２内で循環させ、入口温度５８
０〜６００℃、出口温度６７０〜６９０℃になるように
していた。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従来の溶融炭酸塩型燃
料電池では電池反応により発生する反応熱は、ガス入口
側よりガス出口側の方が大きい。このため電池出口側温
度は入口側温度より高くなり、電池内の反応熱の除去と
ともに温度をできるだけ均一にするためカソード循環ブ
ロワ１９によりカソードガスの循環が行われている。こ
のため、カソード循環ブロワ１９に必要な動力が大き
く、プラント効率が低下するという問題があった。また
電池出口側温度が高いため電解質液が蒸発し電池の寿命
が短かくなるという問題があった。

【０００８】本発明は上述の問題点に鑑みてなされたも
ので、電池出口側の反応熱の発生を少なくすることによ
りカソード循環ブロワの動力を減少させるとともに、電
池出口側温度を低下させることにより電解質液の蒸発を
防止して電池の長寿命化をはかることを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、焼結したセラミックス粉末からなりその間隙に溶融
炭酸塩を高温の溶融状態で保持する平板状の電解質板
と、該電解質板を間に挟持しそれぞれ焼結した金属粉末
からなる平板状のアノード及びカソードと、アノード、
電解質板及びカソードからなるセルを間に挟持する複数
の導電性セパレータ板とを備え、前記セパレータ板は、
アノードに沿って水素を含むアノードガスを流す第１ア
ノードガス流路と、第１アノードガス流路の途中にアノ
ードガスを導入する複数の第２アノードガス流路と、カ
ソードに沿って炭酸ガス及び酸素を含むカソードガスを
流すカソードガス流路とを有する。

【００１０】また、前記各アノードは、細長い複数のア
ノードセグメントからなり、前記第１アノードガス流路
はアノードセグメントの長辺方向に設けられ、前記第２
アノードガス流路は、各アノードセグメントの長辺両側
に設ける。

【００１１】

【作用】アノードガス入口側は燃料過濃領域であり、同
じ電流密度での電池反応を考えた場合、反応過電圧が出
口側より小さいので、電池反応による発熱が小さい。一
方電池出口側は燃料希薄領域であり、同じ電流密度での
電池反応を考えた場合、反応過電圧が入口側より大きい
ので、電池反応による発熱が大きい。このため第１アノ
ードガス流路に対しその途中に第２アノードガス流路を
設け、従来第１アノード流路から流していた流量の一部
を分割して第２アノード流路からも流すようにして、ア
ノードガスを電池内で均一になるように供給することに
より、出口側の反応過電圧も均一化され電池反応による
発熱が少なくなる。これによりカゾード循環ブロワの動
力も少なくなる。さらに出口側の温度が下がるので電解
質液の蒸発も少なくなり、電池の寿命が長くなる。

【００１２】アノードセグメントにはその長辺方向に第
１アノードガス流路が設けられ、アノードセグメントの
長辺両側に第２アノードガス流路が設けられているの
で、アノードシグメント領域内でアノードガスの分布は
均一に近づき、電池反応による発熱及び温度も均一に近
づく。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。各図において、共通部分には同一の符号を
使用する。図１は、実施例の溶融炭酸塩型燃料電池の断
面図で一部を部分的に分離して示した図である。溶融炭
酸塩型燃料電池２０は、焼結したセラミックス粉末から
なりその間隙に溶融炭酸塩を高温の溶融状態で保持する
平板状の電解質板ｔと、電解質板ｔを間に挟持しそれぞ
れ焼結した金属粉末からなる平板状のアノードａ及びカ
ソードｃと、アノードａ、電解質板ｔ及びカソードｃか
らなるセルを間に挟持する複数の導電性セパレータ板２
２とを備えている。セパレータ板２２は、プレス加工又
は曲げ加工により成形した複数の薄板から構成されてい
る。

【００１４】図１において、セパレータ板２２は、水平
なセンタープレート２３と、センタープレート２３を上
下から挟み込むとともに、アノードａ及びカソードｃを
支持する２つのコルゲート２４と、センタープレート２
３とコルゲート２４を上下から挟み外周部がセンタープ
レート２３に固着されたマスクプレート２５とからな
る。コルゲート２４は、薄い金属板を一定のピッチでオ
フセットさせながら折り曲げたものであり、コルゲート
の折り曲げ方向及びそれと直交する方向にもガスが流れ
るようになっている。かかる構造により、アノードａに
沿ってアノードガスを流す第１アノード流路２６とカソ
ードｃに沿ってカソードガスを流すカソードガス流路２
７が形成されている。なお、本図で電解質板ｔに対して
アノードａを上に、カソードｃを下にしているが、この
逆の配置にしてもよい。

【００１５】図２は、図１のＸ−Ｘ矢視図で、左半分が
図１に対応している。すなわち、セパレータ板２２は、
図１のセパレータが２個横に繋がったものである。アノ
ードａは細長い複数（図２で２枚）のアノードセグメン
ト３１からなり、この長辺方向に第１アノードガス流路
２６が設けられている。セパレータ板２２のマスクプレ
ート２５には、第１アノードガス流路２６の途中のアノ
ードセグメント３１の両側に第２アノードガス流路３２
が設けられている。３３はカソードマニホールド、３４
はアノードマニホールドである。なお、図２ではアノー
ドセグメント３１は２枚の場合を示したが、本発明の実
施には、１枚でもまた、３枚以上でもよい。

【００１６】図３は、図２のＹ線における断面図で、第
２アノードガス流路３２の断面を示す。第２アノードガ
ス流路３２は、センタープレート２３、コルゲート２
４、及び２枚のマスクプレート２５に設けられた開口部
よりなり、燃料電池の複数の積層したセパレータを通し
てアノードガスを流すようになっている。更に、カソー
ド側のマスクプレート２５とセンタープレート２３には
円筒状の仕切り３５が設けられ、アノードガスがカソー
ド側に流れないようになっている。このような構造によ
りアノードａの各部にアノードガスが流れるようになっ
ている。なお、アノードマニホールド３４も第２アノー
ドガス流路３２とほぼ同様になっている。また、カソー
ドマニホールド３３はアノード側にアノードガスを流さ
ないようにアノードマニホールド３４と逆の構造になっ
ている。

【００１７】上述した構成により、第１アノードガス流
路２６とこの途中の両側に設けられた複数の第２アノー
ドガス流路３２からアノードガスを流すことにより、ア
ノード領域のアノードガスの分布がほぼ均一になるの
で、電池出口における反応熱の発生も少なくなり、これ
とともに電池出口温度も低下する。従って反応熱を除去
するカソード循環ブロワ１９の動力が低減し、電解質板
ｔの電解質液の蒸発が少なくなり電池の寿命が長くな
る。図４はアノードの温度分布を示したもので、アノー
ドガスを第１アノードガス流路２６と第２アノードガス
流路３２へ分割して供給することにより、反応熱の発生
を少なくし温度を低下させている。実線Ａが本実施例の
アノードの温度分布を示し、破線Ｂが従来例のアノード
の温度分布を示す。

【００１８】

【発明の効果】以上の説明より明らかなように、本発明
は第１アノードガス流路の途中に複数の第２アノードガ
ス流路を設け、アノード領域におけるアノードガスの分
布を均一になるようにするので、アノードガスの希薄に
よる電池反応熱の過剰発生を防止でき、アノード領域の
温度を低下することができる。これによりカソード循環
ブロワの動力が低減し、電解質板の電解液蒸発が少なく
なり、電池の寿命を長くすることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例の溶融炭酸塩型燃料電池の断面図であ
る。

【図２】図１のＸ−Ｘ矢視図で、セパレータ板の上面を
示す。

【図３】図２のＹ線における断面図で第２アノードガス
流路を示す。

【図４】実施例の溶融炭酸塩型燃料電池の温度分布を従
来例と比較して示した図である。

【図５】溶融炭酸塩型燃料電池を用いた従来の発電設備
の全体図である。

【図６】溶融炭酸塩型燃料電池の模式的構造を示す図で
ある。

【符号の説明】

１ 燃料ガス ２ アノードガス ３ カソードガス ４ アノード排ガス ５ 燃焼排ガス ６ 空気 ７ カソード排ガス ８ 水蒸気 １０ 改質器 １２ 燃料電池 １２ｓセパレータ板 １３ 空気予熱器 １４ 凝縮器 １５ 気水分離器 １６ 低温ブロワ １７ タービン圧縮機 １８ 排熱回収蒸気発生装置 １９ カソード循環ブロワ ２０ 溶融炭酸塩型燃料電池 ２２ セパレータ板 ２３ センタープレート ２４ コルゲート ２５ マスクプレート ２６ 第１アノードガス流路 ２７ カソードガス流路 ３１ アノードセグメント ３２ 第２アノードガス流路 ３３ カソードマニホールド ３４ アノードマニホールド ３５ 仕切り ａ アノード ｃ カソード ｔ 電解質板 Ｃｏ 燃焼室 Ｒｅ 改質室

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 焼結したセラミックス粉末からなりその
   間隙に溶融炭酸塩を高温の溶融状態で保持する平板状の
   電解質板と、該電解質板を間に挟持しそれぞれ焼結した
   金属粉末からなる平板状のアノード及びカソードと、ア
   ノード、電解質板及びカソードからなるセルを間に挟持
   する複数の導電性セパレータ板とを備え、 前記セパレータ板は、アノードに沿って水素を含むアノ
   ードガスを流す第１アノードガス流路と、第１アノード
   ガス流路の途中にアノードガスを導入する複数の第２ア
   ノードガス流路と、カソードに沿って炭酸ガス及び酸素
   を含むカソードガスを流すカソードガス流路とを有する
   ことを特徴とする燃料電池。
2. 【請求項２】 前記各アノードは、細長い複数のアノー
   ドセグメントからなり、前記第１アノードガス流路はア
   ノードセグメントの長辺方向に設けられ、前記第２アノ
   ードガス流路は、各アノードセグメントの長辺両側に設
   けられていることを特徴とする燃料電池。