JP3571060B2

JP3571060B2 - 高温型燃料電池

Info

Publication number: JP3571060B2
Application number: JP27486992A
Authority: JP
Inventors: 淳角田; 浩志瀬戸; 敬朗大森; 利彦吉田
Original assignee: Petroleum Energy Center PEC; Tonen General Sekiyu KK
Current assignee: Tonen General Sekiyu KK; Japan Petroleum Energy Center JPEC
Priority date: 1992-09-21
Filing date: 1992-09-21
Publication date: 2004-09-29
Anticipated expiration: 2019-09-29
Also published as: JPH06103997A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、供給ガスと排出ガスとをマニホールド容器内でプレート型熱交換器により熱交換しうる燃料電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
集積多段セル構造などの燃料電池において、燃料ガスや酸化剤ガス等の供給ガスは高温の電池作動温度まで加熱する必要があり、そのコスト低減が要望されている。その一方、電池系外へ排出される燃料ガスや酸化剤ガス等の排出ガスは電池作動温度付近の高温のままであり、これをそのまま排出すると熱のロスが大きく、またその熱回収を図るには別に配管系や熱交換器を配設する必要があるなど装置が煩雑になり、さらに配管等の金属部材の高温酸化などによる損傷を被るおそれがあった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような従来の燃料電池のもつ欠点を克服し、供給ガスの加熱コストを低減するとともに、高温の排出ガスの熱回収を簡単に効率よく行え、高温酸化などによる配管等の金属部材の損傷を生じることがない燃料電池を提供することを目的としてなされたものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、前記の好ましい特徴を有する燃料電池を開発するために種々研究を重ねた結果、供給ガスと排出ガスとをマニホールド容器内でプレート型熱交換器により熱交換することにより、その目的を達成しうることを見出し、この知見に基づいて本発明を完成するに至った。
【０００５】
すなわち、本発明は、単電池及び集電体を複数個積層した多角柱状の多段セルからなる燃料電池本体を有底、有蓋の円筒状マニホールド容器内に、該マニホールド容器に内接し、該マニホールド容器と該燃料電池本体との間に燃料電池の燃料ガス及び酸化剤ガスの供給及び排出用の各空間としての各マニホールド空間を形成させて配設した燃料電池であって、相対的に低温の各発電用供給ガスと相対的に高温の各セル排出ガスとが熱交換されるように、燃料ガス及び酸化剤ガスの各供給及び排出用の各透孔を周縁部近傍に有する円盤状熱伝導性プレートを少なくとも５個積層してなり、かつ互いに隣接する上記プレートの各一対の対向面において、一方は少なくとも周縁部近傍以外は平坦で、かつ他方が燃料ガス又は酸化剤ガスの供給又は排出用の流路を有するプレート型熱交換器を上記燃料電池本体とともに上記マニホールド容器に内接し、該熱交換器における燃料電池本体側の端板の透孔が各マニホールド空間と連通し、マニホールド容器入口側の端板の透孔が燃料電池の燃料ガス及び酸化剤ガスの供給及び排出用の各管路と連通するように集合収納し、マニホールド容器と該熱交換器との間でガス漏れしないように封止したことを特徴とする高温型燃料電池を提供するものである。
【０００６】
本発明に用いられる燃料電池本体については特に制限はないが、例えば固体電解質型や溶融炭酸塩型のものなどが挙げられる。
【０００７】
本発明に用いられるプレート型熱交換器はマニホールド容器にほぼ内接してマニホールド容器内に収納され、マニホールド容器と該熱交換器との間でガス漏れしないように封止される。
【０００８】
この熱交換器においては、水素や改質ガスなどの燃料ガス及び酸素や空気などの酸化剤ガスなどの発電用供給ガスを電池作動温度に比べ低温例えば５００℃付近でプレート型熱交換器へその供給ガス入り口から送り込み、電池本体からの排出ガスを電池作動温度付近の高温例えば１０００℃でプレート型熱交換器へその排出ガス入り口から送り込むことにより、供給ガスと排出ガスとを適当なプレート面を介して熱交換させるようにするのがよい。
【０００９】
本発明の高温型燃料電池に用いられる熱交換器は、燃料ガス及び酸化剤ガスの各供給及び排出用の各透孔を周縁部近傍に有する円盤状熱伝導性プレートを少なくとも５個積層してなり、かつ互いに隣接する上記プレートの各一対の対向面において、一方は少なくとも周縁部近傍以外は平坦で、かつ他方が燃料ガス又は酸化剤ガスの供給又は排出用の流路を有することを特徴とする。この少なくとも周縁部近傍以外は平坦な一方の対向面は、通常平坦であるが、端板などにおいて後述するように周縁部近傍に溝を設けてもよい。
【００１０】
この熱交換器は、通常、熱伝導性プレートが、端板、及び片面のみに上記透孔に連通する流路を有する熱交換プレート及び／又は両面に上記透孔に連通する各流路を有する熱交換プレート、及び場合により用いられる両面平坦な中間プレートから構成される。
【００１１】
上記端板としては、例えば両面平坦なプレートや上記片面に流路をもつ熱交換プレートなどが用いられ、この熱交換プレートの場合にはその片面を裏面側としてすなわち内方にして用いられる。
【００１２】
マニホールド容器入口側の端板は、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給及び排出用の各管路と連通する透孔を円盤状プレートの周縁部近傍に等分位置で開設したものが好ましい。
【００１３】
セル側の端板は、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給及び排出用の各マニホールド空間と連通する透孔を円盤状プレートの周縁部近傍に等分位置で開設したものが好ましい。
【００１４】
これらの端板はその裏面側で周縁部近傍に、好ましくは周縁に沿って、長円状などの溝を適当な透孔に連通するように設けてもよい。この溝は、端板の全透孔に対応して設けてもよいし、また端板の排出ガス用透孔あるいは供給ガス用透孔のみに対応して設けてもよい。このようにすることにより、図５及び図６に示すように、熱交換用流路の設定が無理なく好都合にできるとともに、端板の各ガスの入口及び出口を容易にほぼ等分な位置関係とすることができる。
【００１５】
各ガス用熱交換プレートは、各ガス通過用の透孔を円盤状プレートの周縁部近傍に開設するとともに、各ガスを各プレート面上で熱交換させるために流通させる溝や凹部を片面あるいは両面に設けたものである。
【００１６】
これら熱交換プレートとしては、各ガス通過用の透孔をプレート周縁部近傍に開設するとともに、供給燃料ガス流通用にプレート片面に供給燃料ガス通過用透孔に連通する溝あるいは凹部を設けた供給燃料ガス用熱交換プレート、各ガス通過用の透孔をプレート周縁部近傍に開設するとともに、供給酸化剤ガス流通用にプレート片面に供給酸化剤ガス通過用透孔に連通する溝あるいは凹部を設けた供給酸化剤ガス用熱交換プレート、各ガス通過用の透孔をプレート周縁部近傍に開設するとともに、排出燃料ガス流通用にプレート片面に排出燃料ガス通過用透孔に連通する溝あるいは凹部を設けた排出燃料ガス用熱交換プレート、各ガス通過用の透孔をプレート周縁部近傍に開設するとともに、排出酸化剤ガス流通用にプレート片面に排出酸化剤ガス通過用透孔に連通する溝あるいは凹部を設けた排出酸化剤ガス用熱交換プレートなどが挙げられる。
【００１７】
両面平坦な中間プレートは熱伝導等による熱交換機能を有するとともにガス分離板として機能する。
【００１８】
熱交換器においては、熱交換プレートの流路、例えば溝や凹部などをガスの接触面積が大きくなるようにあるいはガス流路が長くなるように形成するのが好ましい。
【００１９】
以下、熱交換器の各プレートを次のとおりの略号で示す。片面のみに所定ガスの流路をもつものを１、両面にそれぞれ異種の所定ガスの流路をもつものを２、中間プレートを３、端板を４とするとともに、これら１，２，４についてはそれら数字の後にその流路の種類を該流路を流れるガスの種類により次のとおりａ、ｂ、ａ′、ｂ′として付す。すなわち、ａは供給燃料ガス用流路、ｂは排出燃料ガス用流路、ａ′は供給酸化剤ガス用流路、ｂ′は排出酸化剤ガス用流路を示す。また、両面平坦であるかあるいは周縁部近傍にのみ溝を有する端板は４ｚで示す。
【００２０】
熱交換器の例を図１〜図４に示す。これらの図において、熱交換器を構成するプレートはセル側端板から下方へ順に次のとおり集積されている。すなわち、図１のものは、４ｚ−１ｂ′−１ａ′−１ａ−４ｂ、図２のものは、４ｂ′−３−１ａ′−１ａ−４ｂ、図３のものは、４ｂ′−３−２ａ′ａ−３−４ｂ、図４のものは、４ｚ−２ｂ′ａ′−３−２ａｂ−４ｚで表わされる。
【００２１】
その他の例を同様にして示すと、４ｚ−１ａ−１ｂ−１ａ′−４ｂ′、４ｚ−１ａ−１ｂ′−１ａ′−４ｂ、４ｚ−１ａ′−１ｂ−１ａ−４ｂ′、４ｚ−１ａ′−１ｂ′−１ａ−４ｂ、４ｚ−１ｂ−１ａ−１ａ′−４ｂ′、４ｚ−１ｂ−１ａ′−１ａ−４ｂ′、４ｚ−１ｂ′−１ａ−１ａ′−４ｂ、４ｚ−１ｂ′−１ａ′−１ａ−４ｂ、４ａ−１ｂ−１ａ′−３−４ｂ′、４ａ−１ｂ′−１ａ′−３−４ｂ、４ａ′−１ｂ−１ａ−３−４ｂ′、４ａ′−１ｂ′−１ａ−３−４ｂ、４ｂ−１ａ−１ａ′−３−４ｂ′、４ｂ−１ａ′−１ａ−３−４ｂ′、４ｂ′−１ａ−１ａ′−３−４ｂ、４ｂ′−１ａ′−１ａ−３−４ｂ、４ｂ−１ａ−３−１ｂ′−４ａ′、４ｂ−１ａ′−３−１ｂ′−４ａ、４ｂ′−１ａ−３−１ｂ−４ａ′、４ｂ′−１ａ′−３−１ｂ−４ａ、４ａ−１ｂ−３−１ａ′−４ｂ′、４ａ−１ｂ′−３−１ａ′−４ｂ、４ａ′−１ｂ−３−１ａ−４ｂ′、４ａ′−１ｂ′−３−１ａ−４ｂ、４ｂ−３−２ａａ′−３−４ｂ′、４ｂ−３−２ａ′ａ−３−４ｂ′、４ｂ′−３−２ａａ′−３−４ｂ、４ｂ′−３−２ａ′ａ−３−４ｂ、４ｂ−３−２ａｂ′−３−４ａ′、４ｂ−３−２ｂ′ａ−３−４ａ′、４ａ′−３−２ａｂ′−３−４ｂ、４ａ′−３−２ｂ′ａ−３−４ｂ、４ｂ′−３−２ａ′ｂ−３−４ａ、４ｂ′−３−２ｂａ′−３−４ａ、４ａ−３−２ａ′ｂ−３−４ｂ′、４ａ−３−２ｂａ′−３−４ｂ′、４ｂ′−３−２ａｂ−３−４ａ′、４ｂ′−３−２ｂａ−３−４ａ′、４ａ′−３−２ａｂ−３−４ｂ′、４ａ′−３−２ｂａ−３−４ｂ′、４ａ−３−２ｂｂ′−３−４ａ′、４ａ−３−２ｂ′ｂ−３−４ａ′、４ａ′−３−２ｂｂ′−３−４ａ、４ａ′−３−２ｂ′ｂ−３−４ａ、４ｚ−２ａｂ−３−２ａ′ｂ′−４ｚ、４ｚ−２ａｂ′−３−２ａ′ｂ−４ｚ、４ｚ−２ａ′ｂ−３−２ａｂ′−４ｚ、４ｚ−２ａ′ｂ′−３−２ａｂ−４ｚ、４ｚ−２ａｂ−３−２ｂ′ａ′−４ｚ、４ｚ−２ａｂ′−３−２ｂａ′−４ｚ、４ｚ−２ａ′ｂ−３−２ｂ′ａ−４ｚ、４ｚ−２ａ′ｂ′−３−２ｂａ−４ｚ、４ｚ−２ｂａ−３−２ａ′ｂ′−４ｚ、４ｚ−２ｂ′ａ−３−２ａ′ｂ−４ｚ、４ｚ−２ｂａ−３−２ｂ′ａ′−４ｚ、４ｚ−２ｂ′ａ−３−２ｂａ′−４ｚ、４ｚ−２ｂａ′−３−２ａｂ′−４ｚ、４ｚ−２ｂ′ａ′−３−２ａｂ−４ｚ、４ｚ−２ｂａ′−３−２ｂ′ａ−４ｚ、４ｚ−２ｂ′ａ′−３−２ｂａ−４ｚ、などが挙げられる。
【００２２】
本発明の燃料電池に用いられるプレート型熱交換器としては、上記した熱交換器を用いるのが好ましい。
【００２３】
このような燃料電池においては、熱交換器は燃料電池本体側の端板の透孔を燃料ガス及び酸化剤ガスの供給及び排出用の各マニホールド空間と連通させるように配設される。
【００２４】
熱交換器は高温型燃料電池例えば固体電解質型燃料電池や溶融炭酸塩型燃料電池に適用するのが好ましい。
【００２５】
以下、固体電解質型燃料電池に適用する場合について説明する。固体電解質型燃料電池本体は、両面にそれぞれカソード及びアノードを形成した固体電解質板をガス通路と電気的接続体を兼ねる集電体とを集積して形成される。
【００２６】
集電体のガス通路は燃料ガスや酸化剤ガスを供給しうるものであれば特に制限されず、形状や配置等も適宜選定しうるが、互いに直角方向に配置するのが簡単である。
【００２７】
上記集積に際しては、固体電解質板の両面に配設された電極すなわちカソード、アノードと集電体との間でガス漏れしないように封止する。このためには、軟化点が約８００℃のガラスペーストで封止すればよい。このガラスペーストは電池の作動温度（９００〜１０００℃）で適度に軟化しガスを封止する。
【００２８】
図７に多段集積型の電池本体の集合様式を展開して示す。これはカソード３２及びアノード３３を形成した固体電解質板３１と、燃料ガス通路用の溝と酸化剤ガス通路用の溝がほぼ直交する集電体３４とを交互に集積したものである。
【００２９】
この電池本体と熱交換器をマニホールド容器に集積収納するに際しては、燃料電池本体側の端板の透孔が燃料電池の燃料ガス及び酸化剤ガスの供給及び排出用の各マニホールド空間と連通するように配設される。
【００３０】
【実施例】
図５あるいは図６の集合様式に従い、熱交換器単位を作成した。４種類のガスをそれぞれ適当なプレート面に流して熱交換するプレート型熱交換器であって、円筒型マニホールド容器の内周面にほぼ密着する円筒状に以下に示すような所定の円盤状プレートを集積することにより形成される。
【００３１】
これらの図において、１５、２５はマニホールド容器入口側の端板であって、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給及び排出用の各管路と連通する透孔を円盤状プレートの周縁部近傍に等間隔に開設するとともに、上面側に該透孔に一方の端縁側で連通する例えば長円状などの溝を図示のとおり設けたものである。すなわち、この溝は１５では各透孔に対応してすべて設けられ、２５では排出ガス用透孔のみに対応して設けられている。
【００３２】
１６、２６はセル側の端板であって、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給及び排出用の各マニホールド空間と連通する透孔を円盤状プレートの周縁部近傍に等間隔に開設するとともに、下面側に該透孔に一方の端縁側で連通する例えば長円状などの溝を図示のとおり設けたものである。すなわち、この溝は１６では各透孔に対応してすべて設けられ、２６では供給ガス用透孔のみに対応して設けられている。
【００３３】
１１、１２、２１、２２は各供給ガス用熱交換プレートすなわち１１、２１は供給燃料ガス用、１２、２２は供給酸化剤ガス用のものであって、各ガス通過用の透孔を図示のとおり円盤状プレートの周縁部近傍に開設するとともに、各供給ガスを各プレート面上を熱交換させるために流通させる溝や凹部を設けたものである。
【００３４】
１３、１４、２３、２４は各排出ガス用熱交換プレートすなわち１３、２３は排出燃料ガス用、１４、２４は排出酸化剤ガス用のものであって、各ガス通過用の透孔を図示のとおり円盤状プレートの周縁部近傍に開設するとともに、各排出ガスを各プレート面上を熱交換させるために流通させる溝や凹部を設けたものである。この溝や凹部はガスの接触面積が大きくなるようにあるいはガス流路が長くなるように形成するのが好ましく、例えば溝や凹部の占める面積を大きくしたり、千鳥状、蛇行状あるいはジグザグ状に溝あるいは凹部に突起、邪魔板、フィンなどを配設するのがよい。
【００３５】
１５と１６、１３と１４、１１と１２、２５と２６、２３と２４及び２１と２２はそれぞれ同一構造のものが部材点数が少なくてすむので好ましい。
【００３６】
図５及び図６において、１６及び２６はそれぞれ１５及び２５を反転させたものを９０度回転させたものであるし、１２及び２２はそれぞれ１１及び２１を９０度回転させたものであるし、１４及び２４はそれぞれ１３及び２３を９０度回転させたものである。また、図示の矢印は実線が燃料ガス系統を、点線が酸化剤ガス系統をそれぞれ示す。
【００３７】
図７の集合様式に従い、１５０ｍｍ角４０段スタツクセルを作製した。固体電解質板３１にはイットリアを３モル％添加したジルコニアである部分安定化ジルコニアからなる１５０×１５０×０．２ｍｍの板状物を用いた。そして、酸素通路側にＬａ_0.9Ｓｒ_0.1ＭｎＯ₃粉末（平均粒径約５μｍ）を有機系バインダーに分散し、厚さ０．１〜０．５ｍｍに塗布してカソード３２とし、水素通路側にＮｉ／ＺｒＯ₂（重量比９／１）を有機系バインダーに分散し、厚さ０．１〜０．５ｍｍに塗布してアノード３３とした。集電体３４はＮｉ系合金からなる１５０×１５０×５ｍｍの平板にガス流路として深さ１．０ｍｍの溝を設けたものを用いた。
【００３８】
このように各電極を一体形成した固体電解質板３１と集電体３４を図７のように集積し、固体電解質板３１と集電体３４の間に軟化点が約８００℃のガラスペーストを塗布してガス封止用とした。このガラスペーストは電池の作動温度で軟化してガスを封止する。
【００３９】
一方、図８に示すように、マニホールド容器４２内に熱交換器単位２組からなる熱交換器４３を設置した。熱交換器のプレート間のガス封止もセルと同様に適当なガラスにより行った。また、熱交換器とマニホールド容器の間のガス封止も同様に行った。
【００４０】
このマニホールド容器４２内の熱交換器４３上に上記のようにして得られた電池本体４１を取り付けた。電池本体４１とマニホールド容器４２との接触部分はガラスペーストを塗布してガス封止した。こうして集積した電池にガス配管を接続した。電気の取り出し部には耐熱合金製の棒状体を螺着し、電気的に接続した。
【００４１】
このようにして作製した燃料電池を加熱した。室温から１５０℃までは１℃／ｍｉｎで昇温し、ガラスペーストの溶媒を蒸発させた。１５０℃から３００℃までは５℃／ｍｉｎで昇温した。３００℃以上では水素通路側にアノードの酸化を防止するため、窒素ガスを流し、５℃／ｍｉｎで１０００℃まで昇温した。その後、１０００℃に保持してアノード側に水素、カソード側に酸素を流し、発電を開始した。セルの開放電圧は４８．５Ｖで、水素のリーク量は０．１％以下で、セル内、熱交換器内ともにガス封止は良好であった。
【００４２】
また、熱電対によりそれぞれのガスの熱交換器入口温度、熱交換器出口温度を測定した結果を表１に示す。
【００４３】
【表１】

【００４４】
各排出ガスの熱交換器出口温度は７００℃未満まで冷却されているので、マニホールド容器４２に接続されている耐熱金属配管４４の高温酸化による損傷は、１０００℃以上の排ガスが排出される通常のスタックセルの場合よりも少なかった。また、燃料ガス、酸化剤ガスの入口温度を５００℃程度と低く抑えることが可能になるため、供給ガスの流体制御が容易に行え、予熱ヒーターの熱衝撃を少なくすることができる。
【００４５】
【発明の効果】
本発明の燃料電池において、熱交換器は、種々の系統のガスを相互に簡単かつ効率的に熱交換することができる。すなわち、各供給ガスを各排出ガスとプレートを介して熱交換することにより、相対的に低温の供給ガスは相対的に高温の排出ガスで予熱されるとともに、排出ガスは供給ガスで冷却され、セル全体の熱効率を高めることができる。
【００４６】
また、他の熱交換媒体や配管を要することなく、電池系とのスタック構造の配置が可能で、全体もコンパクト化することができる上に、熱交換器の入口、出口の流体温度を下げることができ、流体制御が容易になるとともに、熱交換器の封止もセルと同様に行われる。さらに、マニホールド容器に接続される耐熱金属配管などの各種部材の熱衝撃や高温酸化などによる損傷や破壊を抑制しうる。
【図面の簡単な説明】
【図１】熱交換器の集合様式の１例の斜視説明図。
【図２】熱交換器の集合様式の他の例の斜視説明図。
【図３】熱交換器の集合様式の別の例の斜視説明図。
【図４】熱交換器の集合様式の更に別の例の斜視説明図。
【図５】熱交換器単位の集合様式の１例の斜視説明図。
【図６】熱交換器単位の集合様式の別の例の斜視説明図。
【図７】固体電解質型燃料電池本体の集合様式の１例の斜視説明図。
【図８】本発明の燃料電池の１例の説明図。
【符号の説明】
１ａ片面に供給燃料ガス用流路をもつ熱交換プレート
１ａ′ 片面に供給酸化剤ガス用流路をもつ熱交換プレート
１ｂ′ 片面に排出酸化剤ガス用流路をもつ熱交換プレート
２ａ′ａ両面にそれぞれ供給酸化剤ガス用流路及び供給燃料ガス用流路をもつ熱交換プレート
２ａｂ両面にそれぞれ供給燃料ガス用流路及び排出燃料ガス用流路をもつ熱交換プレート
３中間プレート
４ｂ片面に排出燃料ガス用流路をもつ端板
４ｂ′ 片面に排出酸化剤ガス用流路をもつ端板
４ｚ端板
１１、２１供給燃料ガス用熱交換プレート
１２、２２供給酸化剤ガス用熱交換プレート
１３、２３排出燃料ガス用熱交換プレート
１４、２４排出酸化剤ガス用熱交換プレート
１５、１６、２５、２６端板
３１固体電解質板
３２カソード
３３アノード
３４集電体
４１電池本体
４２マニホールド容器
４３熱交換器
４４耐熱金属配管

Claims

単電池及び集電体を複数個積層した多角柱状の多段セルからなる燃料電池本体を有底、有蓋の円筒状マニホールド容器内に、該マニホールド容器に内接し、該マニホールド容器と該燃料電池本体との間に燃料電池の燃料ガス及び酸化剤ガスの供給及び排出用の各空間としての各マニホールド空間を形成させて配設した燃料電池であって、相対的に低温の各発電用供給ガスと相対的に高温の各セル排出ガスとが熱交換されるように、燃料ガス及び酸化剤ガスの各供給及び排出用の各透孔を周縁部近傍に有する円盤状熱伝導性プレートを少なくとも５個積層してなり、かつ互いに隣接する上記プレートの各一対の対向面において、一方は少なくとも周縁部近傍以外は平坦で、かつ他方が燃料ガス又は酸化剤ガスの供給又は排出用の流路を有するプレート型熱交換器を上記燃料電池本体とともに上記マニホールド容器に内接し、該熱交換器における燃料電池本体側の端板の透孔が各マニホールド空間と連通し、マニホールド容器入口側の端板の透孔が燃料電池の燃料ガス及び酸化剤ガスの供給及び排出用の各管路と連通するように集合収納し、マニホールド容器と該熱交換器との間でガス漏れしないように封止したことを特徴とする高温型燃料電池。
熱伝導性プレートが、端板、及び片面のみに上記透孔に連通する流路を有する熱交換プレート及び／又は両面に上記透孔に連通する各流路を有する熱交換プレート、及び場合により用いられる両面平坦な中間プレートからなる請求項１記載の燃料電池。