JP3854170B2

JP3854170B2 - 燃料電池

Info

Publication number: JP3854170B2
Application number: JP2002045269A
Authority: JP
Inventors: 高志重久
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2002-02-21
Filing date: 2002-02-21
Publication date: 2006-12-06
Anticipated expiration: 2022-02-21
Also published as: JP2003249250A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池に関し、起動を迅速に行うことができる燃料電池に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
次世代エネルギーとして、近年、燃料電池セルのスタックを収納容器内に収容した燃料電池が種々提案されている。
【０００３】
固体電解質型燃料電池は、複数の燃料電池セルからなるセルスタックを収納容器内に収容して構成されており、発電はセルスタックに酸素含有ガス及び燃料ガスを供給して６００〜１０００℃程度の高温で行われていた。
【０００４】
しかしながら、固体電解質を用いた燃料電池は作動温度が６００〜１０００℃と高いため、この温度まで燃料電池セルを加熱する必要があり、実質的に発電するまでの時間が長いという問題があった。このような問題を解決するため、従来、収納容器の外部に酸素含有ガス（空気）を予熱する予熱器を設け、この予熱器で酸素含有ガスを加熱した後、セルスタックに供給し、これによりセルを加熱し、起動時間を短縮させることが提案されている。
【０００５】
また、発電に用いられなかった燃料ガスと酸素含有ガスを燃焼させ、この高温の燃焼ガスを収納容器外部まで配管により引き回し、酸素含有ガスを収納容器内部に供給するための配管に沿わせて熱交換を行い、燃焼ガスを有効に用いて酸素含有ガスを予熱することが提案されている。
【０００６】
さらに、近年では、収納容器内に酸素含有ガスを加熱するバーナーを設け、このバーナーで酸素含有ガスを加熱し、この予熱された酸素含有ガスをセルスタックに供給することが行われている（特開２０００−１４９９７６号参照）。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記種々の方法は、酸素含有ガスを加熱し、この加熱した酸素含有ガスをセルスタックに導入し、加熱した酸素含有ガスにより燃料電池セルを間接的に加熱するもので、セルの加熱効率が低く、未だ起動に時間がかかるという問題があった。
【０００８】
即ち、従来の燃料電池セルは、一般に固体電解質の内面に酸素側電極を、外面に燃料側電極を形成して構成されていたので、燃料電池セルの内部にバーナーを設けることは構造上困難であり、また、燃料電池セルの外面にバーナーを設けると、燃焼に酸素が必要であることから、金属からなる燃料側電極が酸化してしまうため、燃料電池セルを直接加熱するという発想自体あり得なかった。
【０００９】
また、上記したように、酸素含有ガスを加熱する予熱器を収納容器の外部に設けた場合は、加熱した酸素含有ガスにより燃料電池セルを加熱するため、燃料電池セルの間接的な加熱であり、また、セルスタックまでの供給経路が長くなるため、セルスタックに供給されるまでに酸素含有ガス温度が低下し、燃料電池セルの加熱効率が低下し、起動時間短縮効果が低いという問題があった。
【００１０】
また、燃焼ガスの配管を引き回して酸素含有ガス供給管に沿わせる場合にも、加熱した酸素含有ガスにより燃料電池セルを加熱するため、燃料電池セルの間接的な加熱であり、また、燃焼ガスを有効利用できるものの、燃焼ガスの配管を外部に引き回す必要があり、熱交換する部分までの燃焼ガスの導入経路が長くなるため、熱交換する部分に至るまでに燃焼ガス温度が急激に低下し、酸素含有ガスとの熱交換率が低く、起動時間短縮効果が低いという問題があった。
【００１１】
さらに、収納容器内に酸素含有ガスを加熱するバーナーを設ける場合には、バーナを用いるものの、酸素含有ガスの加熱に用いられ、燃料電池セルの間接的な加熱であり、起動時間短縮効果が低いという問題があった。
【００１２】
本発明は、起動時間を大幅に短縮できる燃料電池を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料電池は、複数の燃料電池セルが集合したセルスタックを収納容器内に収納してなる燃料電池において、前記燃料電池セル間に、起動用のセル加熱用バーナを設けてなるとともに、前記燃料電池セルが、固体電解質の一方側に酸素側電極、他方側に燃料側電極を形成してなり、前記セル加熱用バーナが、前記燃料電池セルの酸素側電極が形成された面に対向して設けられ、さらに、前記セル加熱用バーナの燃焼領域の側方における前記燃料電池セルの側面には、断熱層が設けられていることを特徴とする。このような燃料電池では、セル加熱用バーナで燃料電池セルを直接的に加熱するため、燃料電池セルの加熱効果が大きく、起動時間を大幅に短縮できる。
【００１４】
また、本発明の燃料電池では、燃料電池セルが、固体電解質の一方側に酸素側電極、他方側に燃料側電極を形成してなり、セル加熱用バーナが、前記燃料電池セルの酸素側電極が形成された面に対向して設けられている。セル加熱用バーナは燃焼時に酸素が必要であるが、酸素側電極はもともと金属酸化物が用いられているため、セル加熱用バーナへの酸素供給時に酸素側電極の酸化を心配することがない。また、本発明の燃料電池では、セル加熱用バーナの燃焼領域の側方における燃料電池セルの側面には、断熱層が設けられている。このような燃料電池では、セル加熱用バーナによる燃料電池セルの急速加熱が、断熱層を介して行われるため、燃料電池セルに対する熱衝撃を緩和することができる。また、セル加熱用バーナによる熱を外部に逃がすことなく燃料電池セルに供給することができる。
【００１６】
また、本発明の燃料電池では、セル加熱用バーナの燃焼領域の側方における燃料電池セルの側面には、断熱層が設けられているため、セル加熱用バーナによる燃料電池セルの急速加熱が、断熱層を介して行われるため、燃料電池セルに対する熱衝撃を緩和することができる。また、セル加熱用バーナによる熱を外部に逃がすことなく燃料電池セルに供給することができる。
【００１７】
また、断熱層はガラスからなることが望ましい。ガラスは密着性が良好であり、しかも熱に対する耐久性が良好であるため、燃料電池セルの信頼性を向上できる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の燃料電池の一形態を示すもので、符号３１は断熱構造を有する収納容器を示している。この収納容器３１の内部には、複数の燃料電池セル３３が集合したセルスタック３５と、このセルスタック３５の上方に隣接した燃焼室３７と、この燃焼室３７を挿通する酸素含有ガス供給管３９と、燃焼室３７の上方に設けられた熱交換部４１とから構成されている。
【００１９】
収納容器３１は、耐熱性金属からなる枠体３１ａと、この枠体３１ａの内面に設けられた断熱材３１ｂとから構成されている。
【００２０】
セルスタック３５は、例えば、図２に示すように、複数の燃料電池セル３３を３列に整列させ、隣設した２列の最外部の燃料電池セル３３の電極同士が導電部材４１で接続され、これにより３列に整列した複数の燃料電池セル３３が電気的に直列に接続している。
【００２１】
具体的に説明すると、燃料電池セル３３は、断面が扁平状で、全体的に見て楕円柱状であり、その内部には複数の燃料ガス通路３４が形成されている。この燃料電池セル３３は、断面が扁平状で、全体的に見て楕円柱状の多孔質な金属を主成分とする燃料側電極３３ａの外面に、緻密質な固体電解質３３ｂ、多孔質な導電性セラミックスからなる酸素側電極３３ｃを順次積層し、酸素側電極３３ｃと反対側の燃料側電極３１ａの外面にインターコネクタ３３ｄを形成して構成されており、燃料側電極３３ａが支持体となっている。
【００２２】
一方の燃料電池セル３３と他方の燃料電池セル３３との間には、金属フェルト及び／又は金属板からなる集電部材４３を介在させ、一方の燃料電池セル３３の燃料側電極３３ａを、該燃料側電極３３ａに設けられたインターコネクタ３３ｄ、集電部材４３を介して他方の燃料電池セル３３の酸素側電極３３ｃに電気的に接続して、セルスタック３５が構成されている。
【００２３】
複数の燃料電池セル３３の上下端部は、図１に示したように支持部材４５、４７に支持固定され、これによりセルスタック３５が構成されている。支持部材４５、４７は、収納容器３１を上下方向に仕切る隔壁の役割を兼ねており、支持部材４５、４７間において、燃料側電極３３ａ、固体電解質３３ｂ、酸素側電極３３ｃが重畳した部分が発電する部分であり、支持部材４５、４７間が発電室４９とされている。
【００２４】
燃料側電極３３ａ、固体電解質３３ｂ、酸素側電極３３ｃが重畳した部分は、発電室４９の中央部に存在し、燃料電池セルの両端部は、固体電解質３３ｂの上面に酸素側電極３３ｃが形成されていない領域が形成されており、燃料電池セル３３の両端部は発電に寄与していない。この酸素側電極３３ｃが形成されていない燃料電池セル３３の両端部が支持部材４５、４７に支持固定されている。緻密な固体電解質３３ｂにより、発電室４９内における固体電解質３３ｂの内外のガス混合を防止している。
【００２５】
セルスタック３５の下方には、燃料ガスをセルスタック３５に供給するための燃料ガス供給管５１が設けられ、この燃料ガス供給管５１には、燃料ガスを燃料電池セル３３のそれぞれの燃料ガス通路３４に供給する分岐管５２が形成されている。
【００２６】
また、燃料ガス供給管５１の下方には燃料電池セルを直接加熱するためのバーナー用ガス供給管５３が配置されており、このバーナー用ガス供給管５３には、発電室４９の下方で燃焼するための複数のセル加熱用バーナ５５が設けられている。
【００２７】
セル加熱用バーナ５５の先端部は支持部材４７に固定されている。発電室４９には、起動時にセル加熱用バーナ５５から噴出されるガスに着火するため着火源（図示せず）が設けられている。
【００２８】
図３にセル加熱用バーナ５５及びその近傍を拡大して記載する。この図３に示すように、支持部材４７近傍の固体電解質３３ｂ上には酸素側電極３３ｃが形成されておらず、代わりにガラスからなる断熱層５６が形成されている。この断熱層５６はセル加熱用バーナ５５から噴出されるガスの燃焼領域Ｆ（破線で示す）の側方に形成されている。
【００２９】
断熱層５６はガラス以外にセラミックから構成されていても良いが、密着性が良好という点からガラスを用いることが望ましい。また、断熱層５６は、セル加熱用バーナ５５の燃焼による影響を最小限にするような範囲で形成されている。
【００３０】
また、図１に示したように、燃焼室３７を挿通する酸素含有ガス供給管３９は支持部材４５を挿通し、その先端部が発電室４９の下部であって燃料電池セル３３間に位置している。発電で用いられなかった余剰の酸素含有ガスは、支持部材４５に設けられた余剰ガス噴出孔５７から燃焼室３７内に噴出するように構成されている。燃焼室３７においても、起動時に着火するための着火源が設けられている。
【００３１】
熱交換部４１は、熱交換器４１ａと、燃焼室３７を介してセルスタック３５に対向して設けられた酸素含有ガス収容室４１ｂとから構成されている。
【００３２】
熱交換器４１ａは、図４に示すように、平板６１と波板６３を交互に積層したプレートフィン型構造とされており、酸素含有ガス収容室４１ｂと連通する通路を形成する波板６３ａは、図４（ｂ）に示すように形成され、また、燃焼ガスの排出用の通路を形成する波板６３ｂは、図４（ｃ）に示すように形成されている。
【００３３】
燃焼ガスは、図１に一点鎖線で示したように熱交換器４１ａの下部側面から導入され、熱交換器４１ａの上方へ排出され、一方、酸素含有ガスは配管７３により、図１に破線で示したように熱交換器４１ａの上部側面から導入され、熱交換器４１ａの下方へ導かれ、酸素含有ガス収容室４１ｂ内に導入される。
【００３４】
酸素含有ガス収容室４１ｂは、図５に示すように、熱交換器４１ａの酸素含有ガスが導入される側の端面、即ちセルスタック側端面に設けられており、波板６３ａの各通路を通過した酸素含有ガスが一旦収容されるようになっている。
【００３５】
酸素含有ガス収容室４１ｂには、複数の酸素含有ガス供給管３９の一端が開口し、連通している。
【００３６】
酸素含有ガス収容室４１ｂの側面と断熱材３１ｂとの間、即ち酸素含有ガス収容室４１ｂの周囲は、図１に示したように、燃焼室３７中の燃焼ガスを熱交換器４１ａに導入する燃焼ガス導入口７１とされている。この燃焼ガス導入口７１を介して燃焼ガスが熱交換器４１ａの波板６３ｂの通路へ導出される。
【００３７】
以上のように構成された燃料電池では、外部からの酸素含有ガス（例えば空気）を配管７３により熱交換器４１ａに導入し、酸素含有ガス収容室４１ｂに導入し、酸素含有ガス供給管３９を介して発電室４９のセル間に噴出させるとともに、燃料ガス（例えば水素）を燃料ガス供給管５１を介して燃料電池セル３３の燃料ガス通路３４内に供給し、発電室４９におけるセル３３において発電させる。
【００３８】
発電に用いられなかった余剰の燃料ガスは燃料ガス通路３４の上端から燃焼室３７内に噴出し、発電に用いれらなかった余剰の酸素含有ガスは、余剰ガス噴出孔５７から燃焼室３７内に噴出し、余剰の燃料ガスと余剰の酸素含有ガスを反応させて燃焼させ、燃焼ガスを発生させ、この燃焼ガスが燃焼ガス導入口７１を介して熱交換器４１ａに導出され、熱交換器４１ａの上端から排出される。
【００３９】
本発明の燃料電池では、燃料電池セル３３近傍にセル加熱用バーナ５５を設けたので、燃料電池の起動時には、着火源によりセル加熱用バーナ５５が点火され、燃料電池セル３３を直接加熱することができ、燃料電池セル３３を発電する温度まで急速に加熱でき、起動時間を大幅に短縮できる。
【００４０】
さらに、セル加熱用バーナ５５で燃料電池セル３３を直接加熱したとしても、その燃焼領域Ｆの側方には断熱層５６が形成されているため、燃料電池セル３３への影響を殆どなくすことができる。さらに、燃料電池セル３３の外面には酸素側電極３３ｃが形成されているため、セル加熱用バーナ５５を燃焼させたとしても、酸素側電極３３ｃの酸化を心配する必要がない。
【００４１】
また、発電に寄与しなかった余剰の燃料ガスと酸素含有ガスが燃焼室３７内に導入され、この燃焼室３７中で反応して燃焼し、この燃焼ガス及び外部の酸素含有ガスを熱交換器４１ａに導入し、この熱交換器４１ａで燃焼ガスと酸素含有ガスとの間で熱交換させ、起動時に酸素含有ガスを予熱することができ、また、酸素含有ガス供給管３９が燃焼室３７を挿通することにより、燃焼ガスにより酸素含有ガス供給管３９内の酸素含有ガスをさらに加熱することができるため、加熱した酸素含有ガスにより燃料電池セル３３を間接的に加熱して実質的に発電するまでの起動時間をさらに短縮できる。
【００４２】
さらに、セルスタック３５の上部に燃焼室３７、酸素含有ガス収容室４１ｂ、熱交換器４１ａが隣接して形成されているため、燃焼室３７で燃焼した高温の燃焼ガスを、配管等を用いることなく熱交換器４１ａに直接導入でき、簡単な構造で酸素含有ガスの予熱効率を大きくできる。
【００４３】
また、収納容器３１内で、燃焼ガスと酸素含有ガスとを熱交換できるため、酸素含有ガスの予熱を行うためのバーナーを別途設ける必要がなく、小型にでき、しかも燃焼ガスを有効利用できる。
【００４４】
さらに、熱交換器４１ａに酸素含有ガス収容室４１ｂを設けたので、熱交換器４１ａと酸素含有ガス供給管３９との接続を酸素含有ガス収容室４１ｂを介して行うことができ、熱交換器４１ａからの酸素含有ガスを発電室４９内に確実に供給できる。
【００４５】
尚、本発明は上記形態に限定されるものではなく、発明の要旨を変更しない範囲で種々の変更が可能である。例えば、上記形態では、図２に示したような楕円柱状で複数の燃料ガス通路３４を有する燃料電池セル３３を用いてセルスタックを構成した例について説明したが、燃料電池セルは円筒状で、燃料ガス通路が一つであっても良く、燃料電池セルの形状は特に限定されるものではない。
【００４６】
また、熱交換器４１ａとしてプレートフィン型を用いたが、本発明ではこれに限定されるものではなく、それ以外の熱交換器を用いても良いことは勿論である。
【００４７】
【発明の効果】
本発明の燃料電池では、燃料電池セル近傍にセル加熱用バーナを設けたので、セル加熱用バーナで燃料電池セルを直接的に加熱することができ、燃料電池セルの加熱効果が大きく、起動時間を大幅に短縮できる。このように燃料電池セルをセル加熱用バーナで直接加熱しても、セル加熱用バーナが、燃料電池セルの酸素側電極が形成された面に対向して設けられており、この面側を加熱することになるが、酸素側電極はもともと金属酸化物が用いられているため、セル加熱用バーナの燃焼時に酸素側電極の酸化を心配することがない。
【００４８】
また、セル加熱用バーナの燃焼領域近傍における燃料電池セルの側面に断熱層が設けられているため、セル加熱用バーナの直接加熱による影響を最小限とできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池を示す縦断面図である。
【図２】図１のセルスタックを示す横断面図である。
【図３】燃料電池セル近傍にセル加熱用バーナを設けた状態を示す断面図である。
【図４】図１の熱交換器の概念を説明するための図であり、（ａ）は熱交換器の斜視図、（ｂ）は酸素含有ガスの通路を形成するための波板を示す斜視図、（ｃ）は燃焼ガスの通路を形成するための波板を示す斜視図である。
【図５】本発明の熱交換部を説明するための斜視図である。
【符号の説明】
３１・・・収納容器
３３・・・燃料電池セル
３３ａ・・・燃料側電極
３３ｂ・・・固体電解質
３３ｃ・・・酸素側電極
３４・・・燃料ガス通路
３５・・・セルスタック
５５・・・セル加熱用バーナ
５６・・・断熱層
Ｆ・・・燃焼領域

Claims

複数の燃料電池セルが集合したセルスタックを収納容器内に収納してなる燃料電池において、前記燃料電池セル間に、起動用のセル加熱用バーナを設けてなるとともに、前記燃料電池セルが、固体電解質の一方側に酸素側電極、他方側に燃料側電極を形成してなり、前記セル加熱用バーナが、前記燃料電池セルの酸素側電極が形成された面に対向して設けられ、さらに、前記セル加熱用バーナの燃焼領域の側方における前記燃料電池セルの側面には、断熱層が設けられていることを特徴とする燃料電池。
前記断熱層がガラスからなることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。