JP4859375B2 - 燃料電池発電システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池発電システムに関し、特に、燃料電池本体に関わる燃料の前処理過程や排ガス処理過程においても、別の燃料電池を設置して発電を行える燃料電池発電システムに関する。

従来から、火力発電などに替わる低公害の発電手段として、或いは、ガソリンなどを燃料とするエンジンに取って代わる電動自動車の電気エネルギー源として、燃料電池が開発され、実用化されている。また、パーソナルコンピュータなどの電源としても、燃料電池の利用が注目され、電気エネルギー源としてその用途も拡大されている。そして、この燃料電池本体に対しては、高効率化、低コスト化を目指して多くの研究がなされている。

この燃料電池には、種々の発電形式があり、固体高分子型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、アルカリ型燃料電池、リン酸型燃料電池などが挙げられるが、これらの燃料電池から一種の燃料電池が選択され、当該燃料電池を用いて発電システムが構成される。そこで、図８に、従来の燃料電池発電システムの構成を示した。

図８に示された燃料電池発電システムは、燃料電池の本体である燃料電池装置１、燃料の前処理過程に配置された前処理の一つである燃料改質装置２、そして、排ガス処理過程に配置された排ガス処理装置３を備えている。

燃料電池装置１に、例えば、固体高分子電解質型燃料電池が使用されている場合、図８には、その詳細を示していないが、その燃料電池には、固体高分子電解質膜を挟んだ酸化剤極（カソード極）及び燃料極（アノード極）が含まれる。カソード極には、酸化剤供給路を通して、例えば、空気Ｇｏが供給される。供給された空気は、カソード極と接する所定の通路を下流側へ流れるときに、空気中の酸素が必要量だけ電極反応して消費されて、発電し、電力Ｐを出力する。

一方、燃料電池装置１には、燃料Ｆが供給されるが、そのアノード極に供給される前に、前処理（精製、改質、ＣＯ除去など）が施される。図８の発電システムでは、燃料Ｆを改質処理する場合が示され、燃料改質装置２が設置されている。燃料Ｆとしては、天然ガスなどのガス類が使用される。燃料改質装置２には、加熱装置２１が備えられ、水蒸気Ｇｗが供給された燃料改質雰囲気を加熱している。加熱装置２１は、例えば、電気ヒーターであっても、また、原燃料の燃焼器でもよい。この雰囲気中で水蒸気改質されて、水素リッチとなった改質燃料Ｆｒは、燃料電池装置１のアノード極に供給される。

燃料電池装置１において、改質燃料Ｆｒの水素と空気Ｇｏの酸素が必要量だけ電極反応した後に、その残りの水素及び酸素は、残ガスとなり、カソード極側から排ガスＧｅｃが、そして、アノード極側から排ガスＧｅａが排出される。これらのカソード側排ガスＧｅｃとアノード側排ガスＧｅａは、燃料電池装置１の下流側に設置された排ガス処理装置３に導入され、ここで、排ガス処理されて、排ガスＧｅとして発電システム外に排出される。

ところで、図８に示された従来の燃料電池発電システムでは、発電システムとしてのエネルギー利用効率が低いため、このエネルギー利用効率の向上を図る試みが、種々行われている（例えば、特許文献１、２を参照）。そのエネルギー利用効率の向上を図った燃料電池発電システムの一例が、図９に示されている。

図９に示された燃料電池発電システムの構成は、図８に示された従来の燃料電池発電システムを基本としているが、図８の発電システムでは、燃料改質装置に加熱装置が備えられたのに対し、図９の発電システムでは、この加熱装置として、燃料燃焼器による燃焼装置２１が備えられている点が異なっている。そして、燃料電池装置１からのアノード側排ガスＧｅａの一部又は全部が、この燃焼装置２１で燃焼される燃料として供給される。燃焼装置２１には、この燃焼を助けるために、外部から空気Ｇｏも供給される。ここで、燃料電池装置１で消費しきれなかった残りの燃料が、燃焼装置２１で燃焼され、燃料改質雰囲気の加熱に利用される。燃料改質装置で生成された改質燃料Ｆｒをシステム内で有効に消費される。

さらに、図９に示された燃料電池発電システムでは、燃料電池装置２から排出されたカソード側排ガスＧｅｃとアノード側排ガスＧｅａを処理する排ガス処理装置３で生成された水蒸気Ｇｗが、燃料改質装置２の燃料改質雰囲気中に供給されるようになっている。図８に示された燃料電池発電システムにおける燃料改質装置には、燃料改質に必要な水蒸気Ｇｗが、単に、別途に生成されて、燃料改質雰囲気に供給されていたが、図９の発電システムでは、排ガス処理装置３で生成される水蒸気を燃料改質に必要な水蒸気Ｇｗとして利用し、水蒸気生成エネルギーを節約している。

特開２００３−５１３２７号公報 特開２００４−３５６０１１号公報

上述した従来の燃料電池発電システムでは、燃料電池装置で消費されずに残った水素を、該燃料電池装置の上流側に備えられた燃料改質装置の加熱源に供給して、燃焼に利用し、さらに、燃料電池装置の下流側に備えられた排ガス処理装置で生成された水蒸気を、燃料改質装置の水蒸気改質に必要な水蒸気として利用している。

しかしながら、この燃料電池発電システム内において、エネルギーの有効利用が図られ、システム全体のエネルギー効率が向上しているが、このエネルギーの利用対策は、燃料電池本体の発電効率に直接的に寄与するものではないので、燃料電池発電システムの発電量を増大させることに対しては、エネルギー利用が充分に行われていないという問題があった。

そこで、本発明は、発電システムに設けられた燃料電池装置に関連して発生する燃料と酸素とが存在する雰囲気、或いは、燃料と水蒸気とが共存する雰囲気に、固体酸化物型燃料電池を配置して、該燃料電池装置とは別に発電し、取り出せる電力を増大できる燃料電池発電システムを提供することを目的とする。

以上の課題を解決するために、本発明の燃料電池発電システムでは、燃料供給系と排ガス系を有する燃料電池装置と、固体酸化物基板と、該基板の一方の面に設けられたカソード電極層と、該面と対向した該基板の他方の面に設けられたアノード電極層とを有し、前記排ガス系及び前記燃料供給系にそれぞれ組み込まれた第１及び第２の固体酸化物型燃料電池と、を備え、第１の固体酸化物型燃料電池は、前記排ガス系に設けられた排ガス処理装置に設置され、発電用燃料として前記燃料電池装置から排出される排ガスが供給され、第２の固体酸化物型燃料電池は、前記燃料電池装置に供給される燃料を加熱する燃料前処理装置の燃焼装置に配置され、カソード電極層には、空気が供給され、アノード電極層には、前記燃焼装置の火炎が供給され、該燃焼装置には、前記燃料電池装置から排出されるアノード側排ガスが供給される。

前記第１の固体酸化物型燃料電池の一つ又は複数が、前記排ガス処理装置内で、前記燃料電池装置から排出されるカソード側排ガスとアノード側排ガスの両方が存在する雰囲気中に配置され、具体的に、前記複数の第１の固体酸化物型燃料電池が、前記雰囲気中で、互いに並行に配置されることとした。

前記排ガス処理装置内において、前記燃料電池装置から排出されるカソード側排ガスが前記第１の固体酸化物型燃料電池のカソード電極層に供給され、前記燃料電池装置から排出されるアノード側排ガスと前記カソード排ガスの一部が前記第１の固体酸化物型燃料電池のアノード電極層に供給され、前記第１の固体酸化物型燃料電池のアノード電極層が、前記アノード側排ガスと前記カソード側排ガスによる予混火炎で曝されることとし、前記第１の固体酸化物型燃料電池の前記カソード電極層に、空気が供給されることとした。

前記第１の固体酸化物型燃料電池の前記カソード電極層には、空気が供給され、前記第１の固体酸化物型燃料電池の前記アノード電極層には、前記燃料電池装置から排出された前記カソード側排ガスと前記アノード側排ガスとの混合ガスが供給され、前記第１の固体酸化物型燃料電池のアノード電極層は、前記混合ガスによる予混火炎で曝されることとした。

前記第２の固体酸化物型燃料電池の前記カソード電極層は、前記燃焼装置に面して配置され、該燃焼装置の火炎で曝され、前記第２の固体酸化物型燃料電池の前記アノード電極層は、前記燃料前処理装置内の前処理雰囲気に曝されることとし、さらに、前記燃焼装置には、空気と、前記燃料電池装置から排出されるアノード側排ガスとが供給されることとした。

本発明の燃料電池発電システムでは、前記固体酸化物基板は、ジルコニア系セラミック又はセリア系セラミックで形成され、前記カソード電極層は、マンガナイト系セラミック又はコバルタイト系セラミックで形成され、前記アノード電極層は、ジルコニア系又はセリア系セラミックをベースとしたニッケル又は銅のサーメットで形成されていることとした。

本発明の燃料電池発電システムの前記固体酸化物型燃料電池は、前記固体酸化物基板における一方の面に複数のカソード電極層と、該一方の面に対向する他方の面に複数のアノード電極層とを有し、該固体酸化物基板を介して対向する前記カソード電極層及び前記アノード電極層とで複数の燃料電池セルが形成され、該燃料電池セルが順次に電気接続されて発電出力されることとした。

本発明の燃料電池発電システムの前記燃料電池装置は、固体高分子型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、アルカリ型燃料電池、リン酸型燃料電池、又は、固体酸化物燃料電池のいずれか一つを含むこととした。

以上のように、本発明による燃料電池発電システムによれば、固体酸化物基板と、該基板の一方の面に設けられたカソード電極層と、該面と対向した該基板の他方の面に設けられたアノード電極層とを有する固体酸化物型燃料電池を使用しているので、燃料と酸素とが存在する雰囲気、或いは、燃料と水蒸気とが共存する雰囲気が存在すれば、簡単に組み込むことができ、発電を容易に実行できる。

そのため、燃料電池本体を備えた発電システムには、燃料供給系に燃料改質装置が、備えられ、排ガス系に排ガス処理装置が備えられており、これらの燃料供給系及び排ガス系には、固体酸化物型燃料電池の発電に適した燃料と酸素とが存在する雰囲気、或いは、燃料と水蒸気とが共存する雰囲気が存在しているので、これらの雰囲気を利用して固体酸化物型燃料電池を配置して発電することにより、システム全体的に消費燃料当りの発電量を向上することができる。

また、燃料電池本体を備えた発電システムにおいて、燃料供給系に備えられた燃料改質装置又は排ガス系に備えられた排ガス処理装置には、装置内の雰囲気を加熱するための燃焼装置が設けられているので、これらの燃焼装置に、燃料電池装置で消費しきれなかった燃料を供給するようにしたので、システム全体のエネルギー利用効率を高くすることができる。

次に、本発明による燃料電池発電システムの実施形態について、図を参照しながら、説明する。図１に、本実施形態の燃料電池発電システムの構成例が示される。この燃料電池発電システムは、図９に示された燃料電池発電システムの構成を基本としており、同じ構成には、同じ符号が付されている。本実施形態の燃料電池発電システムにおける特徴的な構成に関して、太線のブロックで示されている。

その特徴的構成の一つとして、第１燃料電池３１が、燃料電池装置の排ガス系における排ガス処理装置３に組み込まれている。この第１燃料電池３１が、カソード側排ガスＧｅｃとアノード側排ガスＧｅａとで発電し、電力Ｐ１を出力する。また、他の特徴的構成として、第２燃料電池２２が、燃料電池装置の燃料供給系に係る燃料改質装置２の改質雰囲気を加熱する燃焼装置２１に組み込まれている。この第２燃料電池２２が、アノード側排ガスＧｅａと空気Ｇｏとで、或いは、改質燃料Ｆｒと空気Ｇｏとで発電し、電力Ｐ２を出力する。

電力Ｐ１及びＰ２は、燃料電池装置１が発電する電力Ｐとは、別に発電されるものであり、発電システム全体の出力としては、電力Ｐ１、Ｐ２だけ増量される。なお、図１に示された燃料電池発電システムでは、第１燃料電池と第２燃料電池の両方が、排ガス系と燃料供給系に組み込まれているが、燃料電池としては、排ガス系と燃料供給系のいずれか一方に組み込まれても、電力の増大を図ることができる。

次に、第１燃料電池３１及び第２燃料電池２２を燃料電池発電システムに組み込む構成に関する実施例について説明するが、その説明の前に、第１燃料電池３１及び第２燃料電池２２に関して、本発明の目的を達成するために各装置に組み込むのに適した燃料電池自体の構成について、図２及び図３を参照して説明する。

図２には、固体酸化物燃料電池に係る基本構成が示されている。図２（ａ）では、その固体酸化物燃料電池の概略構成による側面図が示され、図２（ｂ）には、その上面図が示されている。図２（ａ）及び（ｂ）に示された固体酸化物燃料電池は、固体酸化物基板Ｓ、カソード電極層Ｃ及びアノード電極層Ａを有している。

固体酸化物基板Ｓは、例えば、矩形形状の平板であり、カソード電極層Ｃとアノード電極層Ａとが、固体酸化物基板Ｓを介して対向するように、その平面のほぼ全面に形成されている。そして、カソード電極層Ｃには、リード線Ｌ１が接続され、アノード電極層Ａには、リード線Ｌ２が接続されており、リード線Ｌ１とＬ２とで、燃料電池出力が取り出される。なお、固体酸化物基板Ｓは、板状に形成されていればよく、矩形形状に限られず、装置に組み込む際に適した大きさに変形でき、任意の形状とすることができる。

固体酸化物基板Ｓには、例えば、公知のものを採用でき、次に示す材料を使用できる。
ａ） ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）、ＳｃＳＺ（スカンジア安定化ジルコニア）、これらにＣｅ、Ａｌ等をドープしたジルコニア系セラミックス
ｂ） ＳＤＣ（サマリアドープドセリア）、ＳＧＣ（ガドリアドープドセリア）等のセリア系セラミックス
ｃ） ＬＳＧＭ（ランタンガレート）、酸化ビスマス系セラミックス

また、アノード電極層には、例えば、公知のものを採用でき、次に示す材料を使用できる。
ｄ） ニッケルと、イットリア安定化ジルコニア系、スカンジア安定化ジルコニア系、又は、セリア系（ＳＤＣ、ＧＤＣ、ＹＤＣ等）セラミックとのサーメット
ｅ） 導電性酸化物を主成分（５０重量％以上９９重量％以下）とする焼結体（導電性酸化物とは、例えば、リチウムが固溶された酸化ニッケル等である）
ｆ） ｄ）、ｅ）に挙げたものに、白金族金属元素から成る金属、又は、その酸化物が１〜１０重量％程度配合されたもの
等が挙げられ、この中でも、特にｄ）、ｅ）が好ましい。

ｅ）の導電性酸化物を主成分とする焼結体は、優れた耐酸化性を有するのでアノード電極層の酸化に起因して発生する、アノード電極層の電極抵抗の上昇による発電効率の低下、或いは、発電不能、アノード電極層の固体酸化物層からの剥離といった現象を防止できる。また、導電性酸化物としては、リチウムが固溶された酸化ニッケルが好適である。さらに、上記ｄ）、ｅ）に挙げたものに、白金族金属元素から成る金属、またはその酸化物を配合することにより、高い発電性能を得ることができる。

カソード電極層は、公知のものを採用でき、例えば、ストロンチウム（Ｓｒ）が添加された周期律表第３族元素（ランタン等）を含むマンガン酸化化合物（例えば、ランタンストロンチウムマンガナイト）、ガリウム又はコバルト酸化化合物（例えば、ランタンストロンチウムコバルタイト）等が挙げられる。

アノード電極層とカソード電極層とは、共に多孔質体で形成されるが、固体酸化物基板Ｓも多孔質に形成されるとよい。固体酸化物基板は、緻密質に形成された場合には、耐熱衝撃性が低く、急激な温度変化によって、ひび割れが生じやすい。また、一般に、固体酸化物基板は、アノード電極層及びカソード電極層よりも厚く形成されるので、固体酸化物基板のひび割れが引き金となり、固体酸化物型燃料電池の全体にひび割れが発生し、バラバラになってしまっていた。

固体酸化物基板が多孔質に形成されることで、発電時に、火炎中、或いは、火炎の近傍に配置されて、急激に温度変化を与えても、さらに、温度差の激しいヒートサイクルに対しても、ひび割れ等がなくなり、耐熱衝撃性が向上する。また、多孔質であっても、その気孔率が１０％未満のときは、耐熱衝撃性に著しい向上が認められなかったが、１０％以上であると良好な耐熱衝撃性が見られ、２０％以上であるとより好適である。これは、固体酸化物層が多孔質であると、加熱による熱膨張が空隙部分で緩和されるためと考えられる。

固体酸化物型燃料電池は、例えば、次のように製造される。先ず、固体酸化物層の材料粉末を所定配合割合で混合し、平板状に成形する。その後、これを焼成して焼結することで固体酸化物層としての基板が作られる。このとき、気孔形成剤等の材料粉末の種類や配合割合、焼成温度、焼成時間、予備焼成等の焼成条件等を調整することによって、様々な気孔率の固体酸化物層を作ることができる。こうして得られた固体酸化物層としての基板の一面側に、カソード電極層となる形状でペーストを、他面側にアノード電極層となる形状でペーストを夫々塗布した後に、焼成を行うことにより、図３に示されるように、一枚の固体酸化物基板に２つの固体酸化物型燃料電池を製造することができる。

また、固体酸化物型燃料電池は、さらに耐久性を向上することができる。この耐久性の向上手法としては、平板形の燃料電池におけるカソード電極層とアノード電極層とに、メッシュ状金属を埋設、或いは、固着させるものである。埋設する方法としては、各層の材料（ペースト）を固体酸化物基板に塗布し、メッシュ状金属をその塗布された材料中に埋め込んだ後に焼成を行う。固着する方法としては、メッシュ状金属を各層の材料によって完全に埋め込むことなく、接着させて焼結しても良い。

メッシュ状金属としては、これを埋設する、或いは、固着するカソード電極層、アノード電極層との熱膨張係数の調和や、耐熱性に優れたものが好適である。具体的には、白金や、白金を含む合金から成る金属でメッシュ状にしたものが挙げられる。ＳＵＳ３００番代（３０４、３１６等）、或いは、ＳＵＳ４００番代（４３０等）のステンレスでも良く、これらはコストの点で有利である。

また、メッシュ状金属を用いる代わりに、ワイヤ状金属をアノード電極層、カソード電極層に埋設或いは固着させてもよい。ワイヤ状金属は、メッシュ状の金属と同様の金属から成り、その数や配設形状等に限定はない。メッシュ状金属やワイヤ状金属を、アノード電極層やカソード電極層に埋設、或いは、固着することにより、熱履歴等によってひび割れした固体酸化物基板がバラバラになって崩れないように補強されることになり、さらに、メッシュ状金属やワイヤ状金属は、ひび割れした部分を電気的に接続することができる。

なお、これまで、固体酸化物基板を多孔質性にした場合を説明したが、燃料電池の固体酸化物基板に、緻密構造のものを使用することができ、この場合には、特に、熱履歴によるひび割れに対処するのに、カソード電極層及びアノード電極層にメッシュ状金属又はワイヤ状金属を埋め込み、或いは、埋設することは、有効な手段となる。

メッシュ状金属或いはワイヤ状金属は、アノード電極層とカソード電極層の両方に配設しても良いし、どちらか一方に配設しても良い。また、メッシュ状金属とワイヤ状金属を組み合わせて配設しても良い。熱履歴によってひび割れが生じたときには、少なくともアノード電極層に、メッシュ状金属又はワイヤ状金属が埋設されていれば、その発電能力を低下させることがなく、発電を継続することができる。固体酸化物燃料電池セルの発電能力は、アノード電極層の燃料極としての有効面積に負うところが大きいので、少なくともアノード電極層にメッシュ状金属或いはワイヤ状金属を配設すると良い。

以上で、固体酸化物型燃料電池の構成について説明されたが、以下に、この固体酸化物型燃料電池を用いた場合の発電原理について説明する。

上述した固体酸化物型燃料電池のカソード電極層Ｃ側に酸素（Ｏ_２）が供給される。カソード電極層Ｃと固体酸化物基板Ｓ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、固体酸化物基板Ｓによってアノード電極層Ａに伝導される。アノード電極層Ａに伝導された酸素イオン（Ｏ^２−）は、アノード電極層Ａに供給された例えば、メタン（ＣＨ_４）ガスと反応し、水（Ｈ_２Ｏ）、二酸化炭素（ＣＯ_２）、水素（Ｈ_２）、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、カソード電極層Ｃとアノード電極層Ａとの間に電位差が生じる。このため、カソ−ド電極層Ｃとアノード電極層Ａとに電気的に接続されたリード線Ｌ１、Ｌ２によって、燃料電池としての電力を取り出すことができる。

そこで、上述したような、固体酸化物基板の両面側にカソード電極層Ｃとアノード電極層Ａとが形成された固体酸化物型燃料電池を、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することにより、カソード電極層Ｃとアノード電極層Ａとの間に起電力が発生し、リード線Ｌ１とＬ２とから、燃料電池としての電力を取り出せる。

また、上述した固体酸化物型燃料電池の利用の一形態として、固体酸化物基板の外面に形成されたアノード電極層を火炎で直接暴露することにより発電することができる。この固体酸化物型燃料電池では、固体酸化物基板の形状を板状とし、例えば、薄い平板による固体酸化物基板Ｓが採用され、この固体酸化物基板Ｓの片面には、カソード電極層Ｃが形成され、そして、他の反対側面に、アノード電極層Ａが形成されているので、カソード電極層Ｃを空気極とし、アノード電極層Ａを燃料極として、空気と燃料を分離して供給することが可能となり、カソード電極層側の酸素リッチ状態と、アノード電極層側の燃料リッチ状態とを容易に形成できる。

ここで、燃料電池としての発電用の火炎が、アノード電極層Ａの全面を曝すように供給され、この火炎は、供給される燃料の燃焼によって生成される。この火炎を生成する燃料、例えば、気体燃料であれば、メタン等を、液体燃料であれば、メタノール等を供給するようにできる。また、カソード電極層Ｃには、空気が供給される。

なお、図２（ａ）及び（ｂ）に示した固体酸化物型燃料電池では、固体酸化物基板Ｓの面に設けられるカソード電極層Ｃ及びアノード電極層Ａは、全面に広がる一枚の層で形成され、一つの燃料電池セルを構成したが、図３（ａ）及び（ｂ）に示されるように、平板による固体酸化物基板Ｓの片面に、複数ずつのカソード電極層、アノード電極層を形成し、燃料電池全体として、複数の燃料電池セルを構成することもできる。

図３（ａ）では、基板Ｓの面上に、２つのカソード電極層Ｃ１、Ｃ２と、その反対面に、２つのアノード電極層Ａ１、Ａ２が形成されている。カソード電極層Ｃ１とアノード電極層Ａ１とで、そして、カソード電極層Ｃ２とアノード電極層Ａ２とで、夫々、一個の燃料電池セルが構成される。そして、カソード電極層Ｃ１に、起電力取出し用のリード線Ｌ１が取り付けられ、アノード電極層Ａ２にも、起電力取出し用のリード線Ｌ２が取り付けられている。さらに、図３（ｂ）に示されるように、カソード電極層Ｃ２とアノード電極層Ａ１とは、接続線Ｌ０で電気的に接続されている。リード線及び接続線としては、耐熱性のある白金製、或いは、白金を含む合金製のものが使用される。

そこで、２つの固体酸化物型燃料電池セルの下方で、メタンガス等の燃料が燃焼して、火炎が生成されると、アノード電極層Ａ１、Ａ２の全面がその火炎に曝される。２つの燃料電池セルは、接続線Ｌ０で直列接続されるので、リード線Ｌ１とリード線Ｌ２との間には、２つの燃料電池セルの起電力が足し合わされた大きさの出力が得られる。

構成された燃料電池セルのアノード電極層Ａ１、Ａ２は、平板形状に形成されているので、管状のものに比べて、ムラなく火炎を当てることが可能となる。さらに、アノード電極層Ａ１、Ａ２を火炎側に向けられ、火炎中に存在する炭化水素、水素、ラジカル（ＯＨ、ＣＨ、Ｃ_２、Ｏ_２Ｈ、ＣＨ_３）などを燃料として利用しやすくしている。

また、平板形であると、カソード電極層Ｃ１、Ｃ２を火炎から遮断することができるので、アノード電極層Ａ１、Ａ２を火炎側に向けた状態で、カソード電極層Ｃ１、Ｃ２を空気中に露出することが容易となる。これにより、２つの燃料電池セルによる燃料電池は、開放型形態のままで、カソード電極層Ｃ１、Ｃ２側では、空気中の酸素を利用しやすくなり、酸素リッチ状態を維持できる。なお、カソード電極層Ｃ１、Ｃ２がさらに効率良く酸素を利用できるように、カソード電極層Ｃ１、Ｃ２に向かって酸素を含有する気体（空気、酸素リッチガス等）を供給することもできる。

燃焼のための燃料としては、火炎を伴って燃焼酸化するもの（燃えるもの）であれば良い。燐、硫黄、フッ素、塩素、又は、これらの化合物等でも良いが、有機物が好ましい。有機物燃料としては、例えば、メタン、エタン、プロパン、ブタン等のガス、ヘキサン、へプタン、オクタン等のガソリン系液体、メタノール、エタノール、プロパノール等のアルコール、アセトン等のケトン、その他の有機溶剤各種、食用油、灯油等が挙げられる。この中でも、特に、ガスが好ましい。

さらに、火炎は、拡散火炎でも予混火炎でも良いが、拡散火炎は、火炎が不安定であり、煤の発生によってアノード電極層の機能低下を招きやすいので、予混火炎の方が好適である。予混火炎は安定している上に、火炎サイズを調整しやすいので有利であり、さらに燃料濃度を調整して、煤の発生を防止することができる。

以上の様にして、一枚の固体酸化物基板に、複数の燃料電池セルが構成され、火炎を、同一面に形成されたアノード電極層に晒すことができ、カソード電極層側では、空気が、火炎と分離して供給される固体酸化物型燃料電池を作成することができる。図３に示された固体酸化物型燃料電池では、２つの燃料電池セルを直列接続するために、接続線Ｌ０が、固体酸化物基板Ｓの外側を渡って、カソード電極層Ｃ２とアノード電極層Ａ１とを接続していた。この接続線Ｌ０は、固体酸化物基板の外側に飛び出した形状となっているため、接続線Ｌ０が邪魔である場合がある。そこで、固体酸化物基板Ｓにおいて、カソード電極層又はアノード電極層が形成されていない部分に、ビアを設け、このビアを介して、カソード電極層とアノード電極層を接続することもできる。

以上で、燃料と酸素とが存在する雰囲気、或いは、燃料と水蒸気とが共存する雰囲気でも発電可能であり、第１燃料電池３１及び第２燃料電池２２として組み込むことに適した燃料電池は、固体酸化物基板と、該基板の一方の面に設けられたカソード電極層と、該面と対向した該基板の他方の面に設けられたアノード電極層とを有する固体酸化物型燃料電池であることが説明された。なお、図１に示された燃料電池発電システムの燃料電池装置自体に、上述した固体酸化物型燃料電池を採用することができる。

次に、図４乃至図７を参照して、上述された固体酸化物型燃料電池を第１燃料電池３１及び第２燃料電池２２として組み込む具体的構成が、実施例１乃至４に分けて、以下に説明される。実施例１及び２は、固体酸化物型燃料電池が、燃料電池装置の排ガス系に組み込まれる場合であり、実施例３及び４は、固体酸化物型燃料電池が、燃料電池装置の燃料供給系に組み込まれる場合である。

実施例１は、第１燃料電池３１が、燃料電池装置１の排ガス系に備えられた排ガス処理装置３に配置される場合であって、第１燃料電池３１が、排ガス処理装置３内に置かれ、第１燃料電池自体が、燃料電池装置１から排出されるカソード側排ガスＧｅｃ及びアノード側排ガスＧｅａの混合ガス中に配置される。第１燃料電池３１の配置の仕方が、図４に示されている。

図４は、図１に示された燃料電池発電システムにおける排ガス処理装置３の構成を中心にして示されており、同じ部分には、同じ符号が付されている。図４では、第１燃料電池３１として、上述したように、固体酸化物基板の両面にカソード電極層とアノード電極層を形成した固体酸化物型燃料電池を採用しており、３個の固体酸化物型燃料電池３１−１乃至３１−３が、混合ガスの雰囲気中に並行配置されている。排ガス処理装置３では、排ガスを処理するために、この混合ガスの雰囲気は、元々、適当な温度に加熱されているので、この混合ガスの雰囲気は、固体酸化物型燃料電池の発電に適した環境になっている。

排ガス処理装置内に配置する固体酸化物型燃料電池の数は、３個に限られず、１個又は複数個を適宜選択することができる。また、各々の固体酸化物型燃料電池に接続されているリード線Ｌ１とＬ２の結線の仕方により、複数の燃料電池を、直列接続、並列接続、又は、直並列接続とすることによって、電力Ｐ１の出力電圧値又は出力電流値を変更することができる。

各々の固体酸化物型燃料電池は、燃料電池装置１から排出されたカソード側排ガスＧｅｃに含まれた酸素と、同じく排出されたアノード側排ガスＧｅａに含まれた水素との電極反応により発電し、電力Ｐ１を出力する。ここでは、各々の固体酸化物型燃料電池が、アノード側排ガスＧｅａを発電用燃料としている。必要に応じて、排ガス処理装置３に空気Ｇｏを供給し、酸素を補うようにしてもよい。各々の固体酸化物型燃料電池が消費しきれずに残った水素は、排ガス処理装置３内で処理され、排ガスＧｅとなってシステム外に放出される。

従来の燃料電池発電システムでは、燃料電池装置１から排出された排ガスに含まれた発電で消費されずに残った燃料は、排ガス処理装置で排ガス処理されて捨てられていたが、以上に説明した実施例１によれば、排ガス処理装置内に配置された固体酸化物型燃料電池で、残った燃料が発電用に有効に利用され、発電システムの全体的に、消費燃料当りの発電量を増加させることができる。

実施例２も、第１燃料電池３１が、燃料電池装置１の排ガス系に備えられた排ガス処理装置３に配置される場合であって、第１燃料電池３１が、排ガス処理装置３内に置かれる点では、実施例１の場合と同様であるが、実施例２では、第１燃料電池自体を、燃料電池装置１から排出されるカソード側排ガスＧｅｃ及びアノード側排ガスＧｅａの混合ガス中に配置するのではなく、カソード側排ガスＧｅｃとアノード側排ガスＧｅａとを、個別に、第１燃料電池である固体酸化物型燃料電池のカソード電極層側とアノード電極層側に分けて供給される。その第１燃料電池３１の配置の仕方が、図５に示されている。

図５は、図１に示された燃料電池発電システムにおける排ガス処理装置３の構成を中心にして示されており、同じ部分には、同じ符号が付されている。図５でも、第１燃料電池３１として、上述したように、固体酸化物基板Ｓの両面にカソード電極層Ｃとアノード電極層Ａを形成した固体酸化物型燃料電池が採用されている。

固体酸化物型燃料電池３１は、排ガス処理装置３の内部において、燃料電池装置から排出されるカソード側排ガスＧｅｃとアノード側排ガスＧｅａの排ガス処理装置３への導入部位に配置されると都合がよい。カソード側排ガスＧｅｃは、固体酸化物型燃料電池３１のカソード電極層Ｃの側に供給され、アノード側排ガスＧｅａは、そのアノード電極層Ａの側に供給される。必要に応じて、排ガス処理装置３に空気Ｇｏを供給し、酸素を補うようにしてもよい。

固体酸化物型燃料電池３１のアノード電極層Ａが、燃料を燃焼させるバーナーを有する燃焼装置３２に面して配置される。この燃焼装置３２は、燃料電池装置１から排出されたアノード側排ガスＧｅａを燃焼させて、火炎を発生させる。アノード電極層Ａの全面が、この火炎に曝される。そこで、固体酸化物型燃料電池３１は、この火炎に含まれる活性種を燃料として、カソード側排ガスＧｅｃに含まれる酸素と電極反応して発電し、電力Ｐ１を出力する。

燃焼装置３２は、特別に設ける必要がなく、元々備えられている、排ガス処理の雰囲気を加熱する燃焼装置を使用することができ、この燃焼装置にアノード側排ガスＧｅａを供給することもできる。また、固体酸化物型燃料電池３１が消費しきれずに残った燃料は、排ガス処理装置３内で処理され、排ガスＧｅとなってシステム外に放出される。

従来の燃料電池発電システムでは、燃料電池装置１の発電で消費されずに残った排ガスに含まれた燃料は、排ガス処理装置で排ガス処理されて捨てられていたが、以上に説明した実施例２によれば、排ガス処理装置内に配置された固体酸化物型燃料電池で、残った燃料が発電用に有効に利用され、発電システムの全体的に、消費燃料当りの発電量を増加させることができる。

実施例３は、第２燃料電池２２が、燃料電池装置１の燃料供給系に備えられた燃料改質装置２に配置される場合であって、第２燃料電池２２は、燃料改質装置２内に置かれ、第２燃料電池自体が、燃料改質雰囲気を加熱するための燃料改質装置に元々備えられた燃焼装置に組み込まれるようにした。第２燃料電池２２の配置の仕方が、図６に示されている。

図６は、図１に示された燃料電池発電システムにおける燃料改質装置２の構成を中心にして示されており、同じ部分には、同じ符号が付されている。図６では、第２燃料電池２２として、上述したように、固体酸化物基板の両面にカソード電極層とアノード電極層を形成した固体酸化物型燃料電池を採用している。実施例３の場合には、燃料改質装置２の燃焼装置２１において発生される火炎を固体酸化物型燃料電池の発電用燃料としているので、カソード電極層側を酸素リッチ状態とするため、空気Ｇｏが供給される空気室を設けている。燃料改質雰囲気は、この空気室を介して加熱される。

燃焼装置２１には、燃料電池装置１から排出されたアノード側排ガスＧｅａの一部又は全部が供給され、さらに、アノード側排ガスＧｅａを燃焼させるための空気が空気室２３を通じて供給される。固体酸化物型燃料電池２２は、カソード電極層Ｃに供給された空気Ｇｏ中の酸素と、アノード電極層Ａの全面を曝す火炎に含まれる活性種との電極反応で発電し、電力Ｐ２を出力する。

従来の燃料電池発電システムでは、燃料電池装置１の発電で消費されずに残った排ガスに含まれた燃料は、排ガス処理装置で排ガス処理されて捨てられていたが、以上に説明した実施例３によれば、燃料改質置に配置された固体酸化物型燃料電池で、残った燃料が発電用と加熱用に有効に利用され、発電システムの全体的に、消費燃料当りの発電量を増加させることができる。

実施例４も、第２燃料電池２２が、燃料電池装置１の燃料供給系に備えられた燃料改質装置２に配置される場合であって、第２燃料電池２２は、燃料改質装置２内に置かれ、第２燃料電池自体が、燃料改質雰囲気を加熱するための燃料改質装置に元々備えられた燃焼装置に組み込まれ、燃料電池装置１から排出されるアノード側排ガスＧｅａが燃料改質雰囲気を加熱する燃焼装置に利用される点では、実施例３の場合と同様であるが、実施例４では、第２燃料電池の燃料が燃料改質雰囲気から供給されるようになっている。その第２燃料電池２２の配置の仕方が、図７に示されている。

図７は、図１に示された燃料電池発電システムにおける燃料改質装置２の構成を中心にして示されており、同じ部分には、同じ符号が付されている。図７では、第２燃料電池２２として、上述したように、固体酸化物基板の両面にカソード電極層とアノード電極層を形成した固体酸化物型燃料電池を採用している。実施例４の場合には、燃料改質装置２における燃料改質雰囲気から燃料が供給されるように、固体酸化物型燃料電池２２のアノード電極層Ａが、この燃料改質雰囲気側に向いて、該雰囲気に接している。

また、固体酸化物型燃料電池２２のアノード電極層Ａが燃料改質雰囲気側に向いているため、カソード電極層Ｃは、必然的に燃焼装置２１側に向くことになる。そこで、燃料電池装置１から排出されるアノード側排ガスＧｅａの一部又は全部を燃焼装置２１で燃焼するためと、カソード電極層Ｃ側を酸素リッチ状態とするためとを併せて、燃焼装置２１に空気Ｇｏを供給する。燃焼装置２１には、アノード側排ガスＧｅａだけでなく、他のガス類を燃料として併用することができる。

固体酸化物型燃料電池２２は、カソード電極層Ｃに供給された空気Ｇｏ中の酸素と、アノード電極層Ａの全面を曝す燃料改質雰囲気で生成された改質燃料に含まれる活性種との電極反応で発電し、電力Ｐ２を出力する。

従来の燃料電池発電システムでは、燃料電池装置１の発電で消費されずに残った排ガスに含まれた燃料は、排ガス処理装置で排ガス処理されて捨てられていたが、以上に説明した実施例４によれば、燃料改質置に備えられた燃焼装置で燃焼される燃料となり、燃料電池装置で残った燃料が加熱用に有効に利用され、発電システムの全体的に、消費燃料当りの発電量を増加させることができる。

本発明による燃料電池発電システムの基本構成を説明する図である。 本発明の燃料電池発電システムに組み込まれる第１及び第２燃料電池に用いられる固体酸化物型燃料電池の構成を説明する図である。 第１及び第２燃料電池の構成の変形例を説明する図である。 排ガス処理装置に組み込まれる第１燃料電池の構成の実施例１を説明する図である。 排ガス処理装置に組み込まれる第１燃料電池の構成の実施例２を説明する図である。 燃料改質装置に組み込まれる第２燃料電池の構成の実施例３を説明する図である。 燃料改質装置に組み込まれる第２燃料電池の構成の実施例４を説明する図である。 従来技術による燃料電池発電システムの構成を説明する図である。 燃料電池排ガスの有効利用を図った燃料電池発電システムの構成を説明する図である。

符号の説明

１ 燃料電池装置
２ 燃料改質装置
３ 排ガス処理装置
２１ 燃焼装置
２２ 第２燃料電池
２３ 空気室
３１、３１−１〜３１−３ 第１燃料電池
Ａ、Ａ１、Ａ２ アノード電極層
Ｃ、Ｃ１、Ｃ２ カソード電極層
Ｓ 固体酸化物基板

Claims (11)

1. 燃料供給系と排ガス系を有する燃料電池装置と、
   固体酸化物基板と、該基板の一方の面に設けられたカソード電極層と、該面と対向した該基板の他方の面に設けられたアノード電極層とを有し、前記排ガス系及び前記燃料供給系にそれぞれ組み込まれた第１及び第２の固体酸化物型燃料電池と、を備え、
   第１の固体酸化物型燃料電池は、前記排ガス系に設けられた排ガス処理装置に設置され、発電用燃料として前記燃料電池装置から排出される排ガスが供給され、
   第２の固体酸化物型燃料電池は、前記燃料電池装置に供給される燃料を加熱する燃料前処理装置の燃焼装置に配置され、カソード電極層には空気が供給され、アノード電極層には前記燃焼装置の火炎が供給され、該燃焼装置には前記燃料電池装置から排出されるアノード側排ガスが供給されることを特徴とする燃料電池発電システム。
2. 前記第１の固体酸化物型燃料電池の一つ又は複数が、前記排ガス処理装置内で、前記燃料電池装置から排出されるカソード側排ガスとアノード側排ガスの両方が存在する雰囲気中に配置されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システム。
3. 前記複数の第１の固体酸化物型燃料電池が、前記雰囲気中で、互いに並行に配置されることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池発電システム。
4. 前記排ガス処理装置内において、前記燃料電池装置から排出されるカソード側排ガスが前記第１の固体酸化物型燃料電池のカソード電極層に供給され、前記燃料電池装置から排出されるアノード側排ガスと前記カソード側排ガスの一部が前記第１の固体酸化物型燃料電池のアノード電極層に供給され、
   前記第１の固体酸化物型燃料電池のアノード電極層が、前記アノード側排ガスと前記カソード排ガスの混合ガスによる予混火炎で曝されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システム。
5. 前記第１の固体酸化物型燃料電池の前記カソード電極層に、空気が供給されることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池発電システム。
6. 前記第１の固体酸化物型燃料電池の前記カソード電極層には、空気が供給され、
   前記第１の固体酸化物型燃料電池の前記アノード電極層には、前記燃料電池装置から排出された前記カソード側排ガスと前記アノード側排ガスとの混合ガスが供給され、
   前記第１の固体酸化物型燃料電池のアノード電極層は、前記混合ガスによる予混火炎で曝されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システム。
7. 前記第２の固体酸化物型燃料電池の前記カソード電極層は、前記燃焼装置に面して配置され、該燃焼装置の火炎で曝され、
   前記第２の固体酸化物型燃料電池の前記アノード電極層は、前記燃料前処理装置内の前処理雰囲気に曝されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システム。
8. 前記燃焼装置には、空気と、前記燃料電池装置から排出されるアノード側排ガスとが供給されることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池発電システム。
9. 前記固体酸化物基板は、ジルコニア系セラミック又はセリア系セラミックで形成され、
   前記カソード電極層は、マンガナイト系セラミック又はコバルタイト系セラミックで形成され、
   前記アノード電極層は、ジルコニア系又はセリア系セラミックをベースとしたニッケル又は銅のサーメットで形成されていることを特徴とする請求項１乃至８に記載の燃料電池発電システム。
10. 前記第１又は第２の固体酸化物型燃料電池は、前記固体酸化物基板における一方の面に複数のカソード電極層と、該一方の面に対向する他方の面に複数のアノード電極層とを有し、該固体酸化物基板を介して対向する前記カソード電極層及び前記アノード電極層とで複数の燃料電池セルが形成され、該燃料電池セルが順次に電気接続されて発電出力されることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の燃料電池発電システム。
11. 前記燃料電池装置は、固体高分子型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、アルカリ型燃料電池、リン酸型燃料電池、又は、固体酸化物燃料電池のいずれか一つを含むことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の燃料電池発電システム。

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