JP4849201B2 - 固体酸化物形燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は固体酸化物形燃料電池の排ガス排気構造に関するものである。

上記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してタック化し、この燃料電池スタックをハウジング内に収納することによりモジュール化したものである。

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。

燃料に水素を用いた場合の電極反応は次のようになる。
空気極： １／２ Ｏ₂ ＋ ２ｅ^- → Ｏ^2-
燃料極： Ｈ₂ ＋ Ｏ^2- → Ｈ₂ Ｏ＋２ｅ^-
全体 ： Ｈ₂ ＋ １／２ Ｏ₂ → Ｈ₂ Ｏ

ところで、固体酸化物形燃料電池では、発電セルの電気化学反応が約６５０〜１０００℃の高温酸化性雰囲気中で行われることがら、起動時の電池反応を活性化するため、反応用ガスとして外部より供給される酸素（空気）、燃料ガス、改質用の水蒸気等を予め必要温度に予熱しておく必要がある。

従来より、反応用ガスを予熱するための熱エネルギーとして発電時に燃料電池から排出される高温排ガスを利用することにより、燃料電池のエネルギー効率を向上する数々の試みが提案されている。

図３は、従来の固体酸化物形燃料電池の構成を示している。符号１は発電セルを多数積層して構成した燃料電池スタックを示し、この燃料電池スタック１を断熱材３１が介装されたハウジング３０内に収納することによりモジュール化されている。
運転時には、この燃料電池スタック１の内部に適温に予熱された燃料ガス、空気、水蒸気等の反応用ガスが供給されて発電セル内において発電反応が生じると共に、その際に生じた高温の排ガスがハウジング３０の内部空間に排出されるようになっている。

また、ハウジング３０の下部には、断熱材３１にて包囲された熱交換部２０が配設されており、ハウジング３０内に放出された排ガスは、この熱交換部２０内に誘導されるようになっている。外部から供給される燃料ガスや空気は、一旦、この熱交換部内において高温排ガスと熱交換して必要温度に予熱され、また、外部供給水は、熱交換により高温水蒸気となる。これら反応用ガスは、それぞれ配管を通して燃料電池スタック１内に誘導されるようになっている。
一方、熱交換を終えた排ガスは低温となって熱交換部２０の排気管２０ａよりモジュール外に排出され、外部設置の排熱回収装置にて熱回収される。

このように、燃料電池スタック１から排出される排ガスを反応用ガス等の予熱エネルギーとして利用することにより、燃料電池システムのエネルギー効率を向上することができる。

尚、排ガスを利用することにより熱エネルギー効率の向上を図った燃料電池システムとして、特許文献１、特許文献２が開示されている。
特開２００３−１５１６０９号公報 特開２００３−１３２９２１号公報

ところで、固体酸化物形燃料電池の場合、作動温度が７００℃前後の低温作動型でも発電時には電池スタック１より４５０〜６００℃といった極めて高温度の排ガスが排出される。ところが、上記した熱交換後の排ガスは高温度の４５０〜６００℃から１５０〜２５０℃と低下するため、排熱回収装置での排熱利用も限定され（例えば、店舗、家庭内での給湯エネルギー）、排熱の利用効率も満足できるものではなかった。

本発明は、このような事情に鑑み成されたもので、熱リサイクル後の低温排ガスと共に、高温排ガスも得られる固体酸化物形燃料電池を提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、発電セルを多数積層して構成した燃料電池スタックを断熱ハウジング内に収納し、運転時に前記燃料電池スタックの内部に反応用ガスを供給して発電反応を生じさせると共に、発電反応で生じた排ガスを前記断熱ハウジング内に排気するシールレス構造の固体酸化物形燃料電池において、前記断熱ハウジングの上部に、前記燃料電池スタックからの前記排ガスの一部を直接外部に排気する排気管を設け、前記断熱ハウジングの下部に、底板によって当該断熱ハウジングの内部と仕切られるとともに断熱材で包囲された空間であって、かつ前記排ガスを熱源として外部から供給される水、燃料ガスおよび空気を予熱する熱交換器類を備えた熱交換部を配設するとともに、前記底板に前記断熱ハウジング内の前記排ガスの一部を前記熱交換部に誘導する排気口を設け、かつ前記熱交換部に前記熱交換器類から排出された熱交換後の排ガスを排出する排気管を設けたことを特徴としている。

請求項１に記載の構成では、熱リサイクル時の熱交換作用に影響されることなく、排ガス排気機構からは高温の排ガスが得られるようになり、例えば、この高温排ガスは、工場等においてスチーム発生用の熱エネルギー等として利用できる。
加えて、ハウジングの外側に熱交換部を設けることにより、モジュール内温度に影響を及ぼすことなく、熱交換部において熱リサイクルのための熱交換が可能となる。同時に別の排ガス排気機構からは高温の排ガスが得られる。

以上説明したように、本発明によれば、燃料電池スタックからの排ガスの一部を熱リサイクルとして利用すると共に、残りの排ガスを直接モジュール外に排気する構成としたので、熱リサイクル後の低温排ガスと共に、高温排ガスも同時に得ることができ、これにより、排ガスの熱エネルギーを有効に利用でき、発電システムの効率をより一層高めることができる。

以下、図面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の構成を示し、図２は燃料電池スタックの運転時のガスの流れを示している。尚、説明を簡略化するため、以下の説明において従来と共通する部材については同一の符号を用いた。

図１、図２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とで構成された単セル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。

上記構成の燃料電池スタック１を断熱材３１が介装された筒状のハウジング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（燃料電池モジュール）が構成されている。

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に示すように、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。

このハウジング３０の上部には、その内部空間に放出された高温度（作動温度が７００℃前後の固体酸化物形燃料電池の場合、４５０〜６００℃）の排ガスを直接モジュール外に排出するための排気管３０ａが設けてある。この高温排ガスは外部設置の熱回収装置にて熱回収され、例えば、工場内で用いるスチーム発生用の熱エネルギー等として利用される。

また、ハウジング３０の下部には、底板２５によってハウジング３０内と仕切られるとともに高温排ガスを熱源とする熱交換部２０が配設されている。
この熱交換部２０は、断熱材３２で包囲された空間内に外部供給水、燃料ガス、空気等を個々に予熱するための熱交換器類（図示せず）を備えており、これら水、燃料ガス、空気等が各熱交換器内において底板２５に形成された排気口２１を介して導入されたハウジング３０内の高温排ガスと熱交換して高温水蒸気や予熱燃料ガス、予熱空気となり、各配管を通して燃料電池スタック１内に誘導されるようになっている。
一方、熱交換を終えた各熱交換器からの排ガスは低温（１５０〜２５０℃）となって熱交換部２０の排気管２０ａよりモジュール外に排出され、外部設置の排熱回収装置にて熱回収される。回収された熱は、例えば、店舗、家庭内において、給湯用の熱エネルギーとして利用することができる。

このように、燃料電池スタック１からの排ガスの一部を熱交換部２０に誘導して熱リサイクルする一方で、残りの排ガスは熱交換しないで直接モジュール外に排気する構成とすると、排熱回収装置にあっては、熱リサイクル後の低温度の排ガスと共に、この熱リサイクルに影響されることなく高温度の排ガスも同時に得ることができ、これにより、排ガスの熱エネルギーを有効に利用でき、発電システムの効率をより一層高めることができる。

本発明が適用された固体酸化物形燃料電池の構成を示す図。 燃料電池スタックの運転時のガスの流れを示す図。 従来の固体酸化物形燃料電池の構成を示す図。

符号の説明

１ 燃料電池スタック
５ 発電セル
２０ 熱交換部
２５ 底板
３０ ハウジング
２０ａ、３０ａ 排気管

Claims (1)

1. 発電セルを多数積層して構成した燃料電池スタックを断熱ハウジング内に収納し、運転時に前記燃料電池スタックの内部に反応用ガスを供給して発電反応を生じさせると共に、発電反応で生じた排ガスを前記断熱ハウジング内に排気するシールレス構造の固体酸化物形燃料電池において、
   前記断熱ハウジングの上部に、前記燃料電池スタックからの前記排ガスの一部を直接外部に排気する排気管を設け、
   前記断熱ハウジングの下部に、底板によって当該断熱ハウジングの内部と仕切られるとともに断熱材で包囲された空間であって、かつ前記排ガスを熱源として外部から供給される水、燃料ガスおよび空気を予熱する熱交換器類を備えた熱交換部を配設するとともに、前記底板に前記断熱ハウジング内の前記排ガスの一部を前記熱交換部に誘導する排気口を設け、かつ前記熱交換部に前記熱交換器類から排出された熱交換後の排ガスを排出する排気管を設けたことを特徴とする固体酸化物形燃料電池。

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