JP4654631B2 - 固体酸化物形燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池スタックからの排ガスを効率良く利用して発電効率の向上を図ったシールレス構造の固体酸化物形燃料電池に関するものである。

固体酸化物形燃料電池は、第三世代の発電用燃料電池として開発が進んでおり、現在、円筒型、モノリス型、および平板積層型の３種類が知られている。これら固体酸化物形燃料電池は、何れも酸化物イオン伝導体から成る固体電解質層を両側から空気極層（カソード）と燃料極層（アノード）で挟み込んだ積層構造を有し、この積層体から成る発電セルとセパレータを交互に複数積層することによりスタック化されている。このスタックをハウジング内に収納して燃料電池を構成している。

固体酸化物形燃料電池では、反応用ガスとして空気極層側に酸化剤ガス（酸素) が供給され、燃料極層側に燃料ガス (Ｈ₂、ＣＯ、ＣＨ₄等) が供給される。空気極層と燃料極層は、反応用ガスが固体電解質層との界面に到達することができるよう、何れも多孔質の層とされている。

発電セル内において、空気極層側に供給された酸素は、空気極層内の気孔を通って固体電解質層との界面近傍に到達し、この部分で空気極層から電子を受け取って酸化物イオン（Ｏ^2-）にイオン化される。この酸化物イオンは、燃料極層に向かって固体電解質層内を拡散移動する。燃料極層との界面近傍に到達した酸化物イオンは、この部分で、燃料ガスと反応して反応生成物（Ｈ₂Ｏ、ＣＯ₂等）を生じ、燃料極層に電子を放出する。
このような電極反応で生じた電子は、別ルートの外部負荷にて起電力として取り出すことができる。

ところで、燃料電池から排出される排ガス中には、反応の際に消費されなかった僅かな水素や未改質のメタンが含まれている。従来の燃料電池発電システムでは、環境面や安全衛生の面から、これらの可燃ガスをそのまま装置外に排気せず、システム内の燃焼装置で燃焼するようにしている。

近年、省エネ性および経済性と共に、環境保全性において大きな効果が期待されるコージェネレーションシステムの出現が強く要望されているなかで、燃料電池発電システムにおいても、燃料電池から排出される排ガスを熱エネルギーとして有効活用する様々な提案が成されており、その一例として特許文献１が開示されている。
特許文献１には、排ガス中の可燃成分を燃焼触媒を用いて燃焼し、その燃焼熱を上記した排ガス燃焼器の熱エネルギーとして利用することにより発電効率を向上した燃料電池が開示されている。
特開２００３−３１７７７８号公報

ところで、燃料電池の発電反応を継続するためには発電セルを常時発電反応温度に保持しておく必要があり、そのための熱エネルギー源として燃料電池より排出されるジュール熱および高温の排ガスを使用することが行われている。

通常、固体酸化物形燃料電池の場合では、高温作動型で１０００℃前後、低温作動型でも７００℃前後の高い温度が必要であり、発電セルの温度低下は発電効率の低下を招くことになる。
このため、従来では、高温度の排ガスを用いて燃料電池スタックを加熱したり、ハウジング内に断熱材を付装してハウジング内雰囲気を高温に保持する等が行われているものの、熱エネルギーの供給量は不十分であり、発電効率の向上においてはまだまだ改善の余地は残されている。また、ハウジング内の保温効果を高めるために断熱材を多くするとその分の余分なスペースを必要とし、燃料電池が大型化することになる。

このような事情から、燃料電池から排出される余剰エネルギーをいかに効率良く回収し、そして発電反応に利用するかが大きな課題となっている。

本発明は、このような課題に鑑みて成されたもので、燃料電池スタックからの排熱を効率良く利用して発電効率の向上を図った固体酸化物形燃料電池を供することを目的としている。

すなわち、請求項１に記載の本発明は、電セルとセパレータを交互に積層して構成した燃料電池スタックをハウジング内に収納し、前記発電セルに反応用ガスを供給して発電反応を生じさせると共に、発電反応に使用されなかった残余のガスを排ガスとして前記燃料電池スタックの外周部から外に放出するシールレス構造の固体酸化物形燃料電池において、前記燃料電池スタックの周囲を覆うように燃料触媒を配設して燃料電池スタックから放出される排ガスを触媒により燃焼し、その触媒反応熱により燃料電池スタックを加熱・保温することを特徴としている。

上記構成では、触媒反応による高温度の燃焼ガスが燃料電池スタックの周辺雰囲気を加熱すると共に、燃料電池スタックの近傍を覆う燃焼触媒の存在により、高温ガスの拡散が適度に抑制されてスタック周辺の保温効果が得られることになる。これにより、燃料電池スタックを常に好適な発電反応温度に保持することができ、発電効率は向上する。

以上説明したように、本発明によれば、燃料電池スタックの周囲を覆うように燃料触媒を配設して燃料電池スタックから放出される排ガスを触媒により燃焼し、その触媒反応熱により燃料電池スタックを加熱・保温するように構成したので、燃料電池スタックを常に好適な発電反応温度に保持することができ、発電効率が向上する。

以下、図１、図２に基づいて本発明の一実施形態を説明する。
図１は本発明が適用された固体酸化物形燃料電池スタックの構成を示し、図２は燃料電池スタックにおける運転時のガスの流れを示している。

図１に示すように、燃料電池スタック１は、固体電解質層２の両面に燃料極層３と空気極層４を配した発電セル５と、燃料極層３の外側に配した燃料極集電体６と、空気極層４の外側に配した空気極集電体７と、各集電体６、７の外側に配したセパレータ８とで単セル１０を構成し、この単セル１０を縦方向に多数積層したものである。

ここで、固体電解質層２はイットリアを添加した安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等で構成され、燃料極層３はＮｉ、Ｃｏ等の金属あるいはＮｉ−ＹＳＺ、Ｃｏ−ＹＳＺ等のサーメットで構成され、空気極層４はＬａＭｎＯ₃、ＬａＣｏＯ₃等で構成され、燃料極集電体６はＮｉ基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、空気極集電体７はＡｇ基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、セパレータ８はステンレス等で構成されている。

セパレータ８は、発電セル５間を電気的に接続すると共に、発電セル５に対して反応用ガスを供給する機能を有するもので、燃料ガスをセパレータ８の外周面から導入してセパレータ８の燃料極集電体６に対向する面のほぼ中央部１１ａから吐出する燃料ガス通路１１と、酸化剤ガスをセパレータ８の外周面から導入してセパレータ８の空気極集電体７に対向する面のほぼ中央１２ａから吐出する酸化剤ガス通路１２を備えている。

また、この燃料電池スタック１の両端には、ステンレス等で成る一対の端板９Ａ、９Ｂが配設されており、燃料電池スタック１からの電力（電流出力）は、この上下一対の端板９Ａ、９Ｂを介して外部回路（負荷）を接続することにより取り出すことができるようになっている。

また 燃料電池スタック１の側方には、外部からの燃料ガスを各セパレータ８に分配・供給する燃料ガス用マニホールド１５と、外部からの酸化剤ガス（空気）を各セパレータ８に分配・供給する酸化剤ガス用マニホールド１６とが積層方向に列設されている。燃料ガス用マニホールド１５は、多数の接続管１３を介して各セパレータ８の燃料ガス通路１１に接続されており、酸化剤ガス用マニホールド１６は多数の接続管１４を介して各セパレータ８の酸化剤ガス通路１２に接続されている。

これら、燃料電池スタック１や各マニホールド１５、１６を円筒状の断熱ハウジング３０に収納して、モジュール化することにより、固体酸化物形燃料電池が構成される。

また、この固体酸化物形燃料電池は、発電セル５の外周部にガス漏れ防止シールを設けないシールレス構造とされており、運転時には、図２の示すように、燃料ガス通路１１および酸化剤ガス通路１２を通してセパレータ８の略中心部から発電セル５に向けて供給される燃料ガスおよび酸化剤ガス（空気）を、発電セル５の外周方向に拡散させながら燃料極層３および空気極層４の全面に良好な分布で行き渡らせて発電反応を生じさせると共に、発電反応で消費されなかった余剰ガス（排ガス）を発電セル５の外周部からハウジング３０内に自由に放出するようになっている。
尚、ハウジング３０の上部には、内部空間に放出された排ガスをモジュール外に排出するための排気機構３０ａが設けてある。

ところで、本実施形態では、ハウジング３０内において、燃料電池スタック１の周囲を覆うようにスタック近傍に燃焼触媒２０が配置された構成としている。
この燃焼触媒２０は、例えば、薄板状のハニカム触媒を用いて、例えは、Ｐｔ、Ｐｄ等をアルミナ担体に担持したものを多数のハニカム状の流路内に担持し、これを上下端板９Ａ、９Ｂの間に、且つ、各マニホールド１５、１６を挟むようにすだれ状に配設している。

上記したように、シールレス構造の燃料電池スタック１では、発電反応で消費されなかった余剰ガスが発電セル５の外周部からハウジング３０内に放出される構造であるから、排出ガスは筒状のハウジング３０内を上方に向かって流通・拡散する過程で燃焼触媒２０に接触し、その触媒反応により排ガス中の可燃成分（未燃焼炭化水素）が触媒燃焼する。
すなわち、燃焼触媒２０によってハウジング３０内の排ガス中の可燃成分の燃焼が促進されることにより、高温度の燃焼ガスが生成される。

このように、触媒反応による高温度の燃焼ガスが燃料電池スタック１の周辺の雰囲気をより高温にすると共に、燃料電池スタック１の近傍を覆う燃焼触媒２０が遮断板の役目を果たし、この遮断板の存在により、スタック近傍の高温ガスが外側に拡散するのが抑制されて、スタック周辺の保温効果が得られるようになる。
本構成では、排ガスの燃焼とその燃焼熱の回収を１つのハウジング３０内において連続的に行うことができるため、排熱の利用効率に優れると共に、燃料電池モジュール自体の構造が簡略化されコンパクト化が可能となる。

また、一方では、燃焼触媒２０をすだれ状に配置することにより、その隙間を通してスタック周辺の高温ガスを適度な通気を持ってハウジング３０内の全体に行き渡らせることができるため、その背後に配設される図示しない燃料改質器や空気予熱器、水気化器等の熱交換器類にも十分な熱エネルギーを供給することができると共に、燃料電池スタック１の過剰な昇温を回避することができる。
これにより、燃料電池スタック１は常に好適な発電反応温度に保持されることになり、燃料電池の発電効率は著しく向上する。

本発明が適用された燃料電池スタックの構成を示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図。 燃料電池スタックの要部概略構成図で、運転時のガスの流れを示す。

符号の説明

１ 燃料電池スタック
５ 発電セル
８ セパレータ
２０ 触媒燃焼
３０ ハウジング

Claims (1)

1. 発電セルとセパレータを交互に積層して構成した燃料電池スタックをハウジング内に収納し、前記発電セルに反応用ガスを供給して発電反応を生じさせると共に、発電反応に使用されなかった残余のガスを排ガスとして前記燃料電池スタックの外周部から外に放出するシールレス構造の固体酸化物形燃料電池において、
   前記燃料電池スタックの周囲を覆うように燃焼触媒を配設して燃料電池スタックから放出される排ガスを触媒により燃焼し、その触媒反応熱により燃料電池スタックを加熱・保温することを特徴とする固体酸化物形燃料電池。

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