JP3860733B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池に関し、更に詳細にはメタン等の燃料ガス及び酸素を含む混合燃料ガスや排ガスの給排口が形成された容器内に燃料電池用セルが収容された燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、火力発電等の発電効率に比較して、高効率の発電効率が期待できるため、現在、多くの研究がなされている。
かかる燃料電池には、図４に示す様に、イットリア（Ｙ₂Ｏ₃）が添加された安定化ジルコニアから成る焼成体を酸素イオン伝導型の固体電解質層１００として用い、この固体電解質層１００の一面側にカソード層１０２が形成されていると共に、固体電解質層１００の他面側にアノード層１０４が形成された燃料電池用セル１０６が配設されている。
この燃料電池用セル１０６のカソード層１０２側には、酸素又は酸素含有気体が供給される。他方のアノード層１０４側には、メタン等の燃料ガスが供給される。
【０００３】
かかる図４に示す燃料電池用セル１０６のカソード層１０２側に供給された酸素（Ｏ₂）は、カソード層１０２と固体電解質層１００との境界で酸素イオン（Ｏ^2-）にイオン化され、この酸素イオン（Ｏ^2-）は、固体電解質層１００によってアノード層１０４に伝導される。アノード層１０４に伝導された酸素イオン（Ｏ^2-）は、アノード層１０４に供給されたメタン（ＣＨ４ ）ガスと反応し、水（Ｈ₂Ｏ）、二酸化炭素（ＣＯ₂）、水素（Ｈ₂）、一酸化炭素（ＣＯ）が生成される。かかる反応の際に、酸素イオンが電子を放出するため、カソード層１０２とアノード層１０４との間に電位差が生じる。このため、カソ−ド層１０２とアノード層１０４を取出線１０８によって電気的に接続することにより、アノード層１０４の電子はカソード層１０２の方向（矢印の方向）に取出線１０８を流れ、燃料電池から電気を取り出すことができる。
尚、かかる図４に示す燃料電池の作動温度は、約１０００℃である。
【０００４】
しかし、図４に示す燃料電池用セル１０６は、約１０００℃もの高温下で、カソード層１０２側は酸化性雰囲気に晒されていると共に、アノード層１０４側は還元性雰囲気に晒されているため、燃料電池用セル１０６の耐久性を向上することは困難であった。
一方、SCIENCE，Vol.288（2000），p2031-2033には、図５に示す様に、固体電解質層１００の両面側にカソード層１０２とアノード層１０４とが形成された燃料電池用セル１０６を、メタンガスと酸素とが混合された混合燃料ガス内に載置しても、燃料電池用セル１０６に起電力が発生することが報告されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
図５に示す燃料電池の様に、燃料電池用セル１０６を混合燃料ガス内に載置することによって、燃料電池用セル１０６の全体を実質的に同一雰囲気とすることができ、両面の各々を異なる雰囲気に晒す図４に示す燃料電池用セル１０６に比較して、その耐久性の向上を図ることができる。
しかしながら、図５に示す燃料電池には、約１０００℃もの高温下でメタンガスと酸素とが混合された混合燃料ガスを供給するため、混合燃料ガスは、爆発の危険性を回避すべく、酸素濃度が発火限界よりも低濃度となるように（メタン濃度が発火限界を超える高濃度に）調整されて供給される。
このため、メタン等の燃料が完全燃焼するには著しく酸素量が不足し、メタン等の燃料の炭化が進行して電池性能が低下することがある。
そこで、本発明の課題は、メタン等の燃料と酸素との混合燃料ガスを用い、混合燃料ガスの爆発を防止しつつ、燃料の炭化の進行を防止し得る程度に酸素濃度を向上した混合燃料ガスを使用し得る燃料電池を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、前記課題を解決するには、容器内の燃料電池用セルを除く空間部の防爆構造が重要と考え検討した結果、この空間部に充填物を充填し、充填物間の間隙を、発火限界内にある混合燃料ガスが存在していても発火し得ない間隙とすることにより、混合燃料ガスの防爆を図ることができることを見出し、本発明に到達した。
すなわち、本発明は、メタン等の燃料ガス及び酸素を含む混合燃料ガスや排ガスの給排口が形成された容器内に燃料電池用セルが収容された燃料電池において、 該容器内の燃料電池用セルを除く部分であって、混合燃料ガスや排ガスが流動する前記容器内の空間部に充填物が充填され、前記充填物間の間隙が、前記燃料電池を駆動した際に、前記空間部内に発火限界内の混合燃料ガスが存在しても発火し得ない間隙であることを特徴とする燃料電池にある。
【０００７】
かかる本発明において、容器内の空間部に充填した充填物の間隙を、燃料電池を駆動した際に、前記空間部の混合燃料ガスの消炎距離よりも狭くすることにより、空間部内で混合燃料ガスの発火を確実に防止できる。
更に、充填物間の最大間隙を、燃料電池を駆動した際に、空間部内の混合燃料ガスの爆轟を防止し得る消炎直径以下とすることにより、空間部内で混合燃料ガスが発火しても爆轟を防止できる。
また、燃料電池用セルを収容した収容部に加熱手段を設け、充填物を充填した空間部に冷却手段を設けることによって、空間部の防爆作用を更に向上できる。この様な、本発明で用いる充填物としては、燃料電池の駆動条件で安定している金属又はセラミックから成る粉粒体、多孔体又は細管を好適に使用できる。
【０００８】
また、燃料電池用セルとしては、固体電解質層がカソード層とアノード層とに挟み込まれて形成された複数の単一燃料電池用セルを、互いに隣接するアノード層とカソード層とを直接接合するように積層して形成した多層燃料電池用セルとすることによって、所望電圧を取出すことができる。
この多層燃料電池用セルを、その単一燃料電池用セルのアノード層及びカソード層を混合燃料ガスの流動方向に対して平行となるように容器内に載置する場合には、前記カソード層及びアノード層の各々を、前記混合燃料ガスが通過し得る多数の微細孔が形成された多孔質層とし、固体電解質層を、前記混合燃料ガスが実質的に通過することのない緻密構造とすることができる。
一方、多層燃料電池用セルを、その単一燃料電池用セルのアノード層及びカソード層を混合燃料ガスの流動方向に対して直角に載置する場合には、アノード層、カソード層及び固体電解質層の各々を、前記混合燃料ガスが通過し得る多数の微細孔が形成された多孔質層することにより、混合燃料ガスが多層燃料電池用セルを通過でき、他の通路を形成することを要しない。
【０００９】
本発明によれば、容器の燃料電池用セルを除く空間部の防爆を図ることができ、混合燃料ガスの燃料の炭化が発生しない程度に、混合燃料ガス中の酸素濃度を増加（燃料濃度を低下）できる。
その結果、混合燃料ガス中の燃料の炭化が進行することに起因する電池性能の低下を防止できる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明に係る燃料電池の一例を図１に示す。図１に示す燃料電池では、複数の単一燃料電池用セル１６，１６・・を積層した多層燃料電池用セルを、メタン等の燃料ガスと酸素とを含む混合燃料ガス（以下、混合ガスと称することがある）が供給される複数の供給配管２０ａ，２０ａ・・と、排ガスが排出される複数の排出配管２０ｂ，２０ｂとが形成された、横断面形状が矩形又は円形の容器２０内に収容している。
この容器２０は、燃料電池の作動温度で充分に耐熱性を呈するように、１２００℃程度まで耐熱性を有するセラミック等の耐熱材料によって形成され、多層燃料電池用セルを構成する単一燃料電池用セル１６，１６・・の各々は、緻密構造の固体電解質層１０の一面側に形成された多孔質層のカソード層１２と、この固体電解質層１０の他面側に形成された多孔質層のアノード層１４とから形成されている。
かかる単一燃料電池用セル１６のアノード層１４と、他の単一燃料電池用セル１６のカソード層１２とは、直接接合されて多層燃料電池用セルを形成する。この多層燃料電池用セルで発電された電力は、多層燃料電池用セルの最外層の一方に位置する単一燃料電池用セル１６のカソード層１２と、他方の最外層に位置する単一燃料電池用セル１６のアノード層１４とから引き出された引出線（図示せず）によって取出される。
【００１１】
図１に示す単一燃料電池用セル１６を形成する固体電解質層１０は、酸素イオン誘導体であって、イットリウム（Ｙ）やスカンジウム（Ｓｃ）等の周期律表第３族元素により部分安定化されたジルコニア酸化物、或いはサマリウム（Ｓｍ）やガドリウム（Ｇｄ）等がドープされたセリウム酸化物によって形成される。
更に、カソード層１２は、ストロンチウム（Ｓｒ）等の周期律表第３族元素が添加されたランタンのマンガン、ガリウム又はコバルト酸化化合物から形成され、アノード層１４は、固体電解質層１０を形成する固体電解質が１０〜３０wt％添加されたニッケルサーメット又は白金担持体によって形成されている。
この様にして形成されたカソード層１２及びアノード層１４は、多孔質層であって、その開気孔率を２０％以上、好ましくは３０〜７０％、特に４０〜５０％とすることが好ましい。
図１に示す多層燃料電池用セルは、予め焼成して形成した固体電解質層１０に、所定形状の各層用のグリーンシートを積層した後、又は各積層用のペーストを所定形状に塗布した後、再焼成することによって得ることができる。
また、予め焼成して形成した単一燃料電池用セル１６，１６・・を積層して一体化することによっても、多層燃料電池用セルを得ることができる。
【００１２】
図１に示す燃料電池で用いる多層燃料電池用セルのカソード層１２とアノード層１４とは、多孔質層であるため、供給配管２０ａ，２０ａ・・から供給された混合ガスは通過可能である。
このため、図１に示す燃料電池では、多層燃料電池用セルを、単一燃料電池用セル１６を形成するカソード層１２及びアノード層１４が供給配管２０ａ，２０ａ・・から供給した混合ガスの流動方向と平行となるように、容器２０内に収容している。
その際に、容器２０内に供給した混合ガスが多層燃料電池用セルのカソード層１２及びアノード層１４を経由して流れるように、多層燃料電池用セルの外周面の略全面を容器２０の内周面に密着し、容器２０内に供給した混合ガスが、容器２０の内壁面と多層燃料電池用セルの外周面との間等からバイパスすることを防止している。
尚、必要に応じて容器２０の内壁面と多層燃料電池用セルの外周面との間に、例えばアルミナセメントや高融点ガラス等の低気孔率材料を用いて封止を施してもよい。
【００１３】
この様に容器２０内に収容した多層燃料電池用セルと供給配管２０ａ，２０ａ・・との間、及び多層燃料電池用セルと排出配管２０ｂ，２０ｂ・・との間に、空間部２２，２４が形成される。かかる空間部２２，２４が、空状態の場合は、燃料電池の駆動温度である約１０００℃の高温下において、混合ガスの発火を防止するには、混合ガス中の酸素濃度を発火限界よりも低濃度（メタン等の燃料ガスを発火限界よりも高濃度）とすることが必要である。
多層燃料電池用セルに供給する混合ガスとして、酸素濃度が低濃度の混合ガスを用いる場合、混合ガス中のメタン等の燃料ガスが炭化して電池性能が低下することがある。
一方、混合ガス中の酸素濃度を、燃料ガスが炭化することのない濃度にすると、空間部２２中の混合ガスの組成が発火限界内に入り、爆発の危険性が著しく高くなる。
【００１４】
この点、図１の燃料電池では、空間部２２，２４に充填物２６を充填し、充填物２６、２６間の間隙を、燃料電池を駆動した際に、空間部２２，２４内に酸素濃度（燃料ガス濃度）が発火限界内の混合ガスが存在していても発火し得ない距離としている。
具体的には、充填物２６、２６間の間隙を、燃料電池を駆動した際に、空間部２２，２４内に存在する発火限界内の混合ガスの消炎距離よりも狭くなるように、充填物を充填している。
このため、容器２０に供給する混合ガス中の酸素濃度を、メタン等の燃料ガスが発火する発火限界内まで高めても、空間部２２，２４での発火を回避できる。ここで言う「混合ガスの消炎距離」とは、「化学便覧（応用化学編ＩＩ）」（社団法人日本化学会編、昭和６３年１１月１５日第２刷発行）の第４０７頁に規定されており、混合ガスの発火が起こり得る最小電極間距離のことである。この距離よりも狭い電極間距離では、エネルギーをいくら大きくして発火が起こらない。
かかる消炎距離は、混合ガス中の酸素濃度や圧力等に応じて変化するため、燃料電池を駆動した際に、空間部２２，２４の混合ガスの消炎距離を実験的に求めておくことが好ましい。
【００１５】
また、空間部２２，２４に充填に充填した充填物の充填物間隙は、一様ではなく分布を有している。このため、充填物２６、２６間の間隙が、平均では、燃料電池を駆動した際に、空間部２２，２４の混合ガスの消炎距離よりも狭いものの、最大間隙が広くなる場合がある。この場合、混合ガスが発火したとき、爆轟に繋がるおそれがあるため、充填物２６間の最大間隙を、燃料電池を駆動した際に、空間部２２，２４内に存在する混合燃料ガスの爆轟を防止し得る消炎直径以下とすることによって、例え混合ガスに着火しても爆轟を防止できる。
尚、「消炎直径」とは、筒から吹出す混合気体に着火しても、筒内に燃焼波が浸入できない限界の直径をいい、メタンと酸素との混合気体の消炎直径は、０．１〜３ｍｍである。
【００１６】
図１に示す燃料電池の空間部２２，２４に充填する充填物２６としては、燃料電池の駆動条件で安定している金属又はセラミックから成る粉粒体、多孔体又は細管を用いることができる。
かかる粉粒体、多孔体又は細管としては、Ｔｉ，Ｃｒ，Ｔｅ、Ｃｏ、Ｎｉ，Ｃｕ，Ａｌ，Ｍｏ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ａｇ，Ｗ，Ｐｔ，Ａｕから成る群から選ばれた一種又は二種以上を含む合金によって形成された粉粒体、多孔体又は細管、或いはＭｇ，Ａｌ，Ｓｉ，Ｚｒから成る群から選ばれた一種又は二種以上含むセラミックによって形成された粉粒体、多孔体又は細管を好適に用いることができる。
また、粉粒体としては、粒径が５０〜１０００μｍの粉粒体が好ましく、多孔体としては、開気孔率が５０％以上の多孔体が好ましい。細管としては、内径１００〜２００μｍの細管が好適に使用でき、長い細管を空間部２２，２４に混合ガスの流動方向に並べて充填してもよく、短管状の細管を空間部２２，２４にランダムに充填してもよい。
尚、混合ガスを燃料電池に供給する供給配管２０ａ，２０ａ・・での発火を防止すべく、供給配管２０ａ内に充填物を充填してもよい。
【００１７】
図１に示す燃料電池には、混合ガスを複数の供給配管２０ａ，２０ａ・・から供給する。この様に、混合ガスを分散して供給することによって、供給配管２０ａ内での混合ガスの発火を極力防止している。
容器２０の空間部２２に供給された混合ガスは、充填された充填物２６間の間隙を通過して多層燃料電池用セルに到達し、多孔質層のカソード層１２及びアノード層１４を空間部２４の方向に流動する。この際に、混合ガスは、カソード層１２及びアノード層１４を形成する微細孔内に拡散し、固体電解質層１０の表面に到達する。
固体電解質層１０の表面に到達した混合ガスのうち、メタン等の可燃性ガスと固体電解質層１０を通過した酸素イオンとが電気化学的に反応し、水（Ｈ₂Ｏ）、二酸化炭素（ＣＯ₂）、水素（Ｈ₂）、一酸化炭素（ＣＯ）を生成すると共に、酸素イオンが電子を放出する。この電気化学的反応によって生成した水（Ｈ₂Ｏ）、二酸化炭素（ＣＯ₂）、水素（Ｈ₂）、一酸化炭素（ＣＯ）は、空間部２４から排出配管２０ｂ，２０ｂ・・から排出される。
【００１８】
混合ガスは、多層燃料電池用セルのカソード層１２及びアノード層１４を流れるに従って酸素量が減少し、水（Ｈ₂Ｏ）、二酸化炭素（ＣＯ₂）、水素（Ｈ₂）、一酸化炭素（ＣＯ）が増加するが、混合ガス中の組成は実質的に同一である。このため、排出ガスが充填される空間部２４も、空間部２２と同様に、充填物２６を充填して防爆構造にしておくことを必要とする。
尚、図１の燃料電池に供給する混合ガスとしては、メタンの他に、水素ガス、エタン，プロパン等の可燃性ガスと空気とを混合した混合ガスを好適に用いることができる。
【００１９】
図１に示す燃料電池では、多層燃料電池用セルを構成する固体電解質層１０が緻密構造であるため、多層燃料電池用セルを、その単一燃料電池用セル１６を形成するカソード層１２及びアノード層１４を供給配管２０ａ，２０ａ・・から供給した混合ガスの流動方向と平行となるように容器２０内に収容し、多孔質層であるカソード層１２及びアノード層１４を混合ガスの流路としている。かかる図１に示す燃料電池では、多層燃料電池用セルの外周面と容器２０の内周面との封止が困難となり易い傾向にある。
この点、図２に示す燃料電池の様に、複数の単一燃料電池用セル４０，４０・・が積層された多層燃料電池用セルを、単一燃料電池用セル４０を形成するカソード層１２及びアノード層１４を供給配管２０ａ，２０ａ・・から供給した混合ガスの流動方向と直角となるように容器２０内に収容することによって、多層燃料電池用セルの外周面と容器２０の内周面との封止を容易とすることができる。但し、混合ガスが多層燃料電池用セルを通過することを要するため、図２に示す多層燃料電池用セルを構成する単一燃料電池用セル４０は、カソード層１２、アノード層１４及び固体電解質層３０が多孔質層によって形成されている。
【００２０】
図２に示す多層燃料電池用セルは、所定形状に形成した各層のグリーンシートを積層した積層体を同時焼成することによって得ることができる。このため、図２に示す多層燃料電池用セルは、予め焼成して形成した固体電解質層１０に、所定形状の各層用のグリーンシートを積層した後、又は各層用のペーストを所定形状に塗布した後、再焼成することによって得る図１に示す多層燃料電池用セルに比較して、製造コスト等を安価とすることができる。
ここで、図２に示す燃料電池を形成する部材のうち、図１に示す燃料電池と同一部材については図１と同一番号を付して詳細な説明を省略する。
かかる図２に示す燃料電池の供給配管２０ａ，２０ａ・・から供給した混合ガスは、多孔質層のカソード層１２、アノード層１４及び固体電解質層３０内を流れつつ、電気化学反応を惹起し、排出配管２０ｂ，２０ｂ・・から排出される。
【００２１】
図１及び図２に示す燃料電池は、燃料電池全体を所定温度雰囲気下に置いて発電を行っているが、図３に示す様に、多層燃料電池用セルが収容された部分を加熱する加熱手段としての加熱ヒータ５０を設け、多層燃料電池用セル近傍で且つ充填物２６が充填された空間部２２，２４には、冷却手段としての冷却管５２を設けてもよい。この様に、空間部２２，２４の混合ガスを冷却することによって、空間部２２，２４における混合ガスの消炎直径を大きくできる。
この様に、空間部２２，２４を強制冷却する場合には、空間部２２，２４に充填する充填物２６を、伝熱性が良好な金属とすることが好ましい。
尚、図３に示す燃料電池を形成する部材について、図１及び図２に示す燃料電池と同一部材は同一番号を付して詳細な説明を省略した。
【００２２】
以上、説明してきた図１〜図３においては、多層燃料電池用セルを用いているが、燃料電池用セルと容器との間隙から混合ガスのバイパスを防止できれば、本発明を単一燃料電池用セルのみを容器内に収容した燃料電池にも適用できる。
【００２３】
【発明の効果】
本発明によれば、混合燃料ガスを用いた燃料電池において、酸素濃度が発火範囲内に入る混合燃料ガスを用いて安全に発電ができる。このため、酸素濃度が著しく低い場合に惹起される、混合燃料ガス中の燃料の炭化が進行して電池性能が低下することを防止でき、発電効率の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池の一例を説明する縦断面図である。
【図２】本発明に係る燃料電池の他の例を説明する縦断面図である。
【図３】本発明に係る燃料電池の他の例を説明する縦断面図である。
【図４】従来の燃料電池を説明する概略図である。
【図５】改良された燃料電池を説明す概略図である。
【符号の説明】
１０，３０ 固体電解質層
１２ カソード層
１４ アノード層
１６，４０ 単一燃料電池用セル
２０ 容器
２０ａ 供給配管
２０ｂ 排出配管
２２，２４ 空間部
２６ 充填物
５０ 加熱ヒータ
５２ 冷却管

Claims (8)

1. メタン等の燃料ガス及び酸素を含む混合燃料ガスや排ガスの給排口が形成された容器内に燃料電池用セルが収容された燃料電池において、
   該容器内の燃料電池用セルを除く部分であって、混合燃料ガスや排ガスが流動する空間部に充填物が充填され、
   前記充填物間の間隙が、前記燃料電池を駆動した際に、前記空間部内に発火限界内の混合燃料ガスが存在しても発火し得ない間隙であることを特徴とする燃料電池。
2. 容器内の空間部に充填された充填物の間隙が、燃料電池を駆動した際に、前記空間部内の混合燃料ガスの消炎距離よりも狭い請求項１記載の燃料電池。
3. 充填物間の最大間隙が、燃料電池を駆動した際に、空間部内の混合燃料ガスの爆轟を防止し得る消炎直径以下である請求項１又は請求項２記載の燃料電池。
4. 燃料電池用セルが収容された収容部には、加熱手段が設けられ、充填物が充填された空間部には、冷却手段が設けられている請求項１〜３記載のいずれか一項記載の燃料電池。
5. 充填物が、燃料電池の駆動条件で安定している金属又はセラミックから成る粉粒体、多孔体又は細管である請求項１〜４のいずれか一項記載の燃料電池。
6. 燃料電池用セルが、固体電解質層がカソード層とアノード層とに挟み込まれて形成された複数の単一燃料電池用セルが、互いに隣接するアノード層とカソード層とが直接接合されるように積層されて形成された多層燃料電池用セルである請求項１〜５のいずれか一項記載の燃料電池。
7. 多層燃料電池用セルが、その単一燃料電池用セルのアノード層及びカソード層が混合燃料ガスの流動方向に対して平行となるように容器内に載置され、
   前記カソード層及びアノード層の各々が、前記混合燃料ガスが通過し得る多数の微細孔が形成された多孔質層であり、固体電解質層が、前記混合燃料ガスが実質的に通過することのない緻密構造である請求項６記載の燃料電池。
8. 多層燃料電池用セルが、その単一燃料電池用セルのアノード層及びカソード層が混合燃料ガスの流動方向に対して直角に載置され、
   前記アノード層、カソード層及び固体電解質層の各々が、前記混合燃料ガスが通過し得る多数の微細孔が形成された多孔質層である請求項６記載の燃料電池。

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