JP4988172B2 - 固体酸化物形燃料電池発電システム - Google Patents

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池発電システムに関する。

燃料電池は、電解質を挟んで一方の側にアノードを備え、他方の側にカソードを備え、アノード側には燃料ガスを、カソード側には酸化剤ガスを供給し、電解質を介して燃料と酸化剤を電気化学的に反応させることにより発電する発電装置である。燃料電池の種類の一つである固体酸化物形燃料電池は、作動温度が７００〜１０００℃程度と高く、発電効率が高いこと、また排熱も利用しやすいことから研究が進められている。

しかし、一方で、固体酸化物形燃料電池は作動温度が高く、また、電解質に固体のセラミックスを用いていることから、急速昇温すると電池が破損する恐れがあり、このため、昇温に時間がかかり、固体酸化物形燃料電池発電システムの使い勝手を悪くしていた。また、作動温度が高いので、燃料電池と、アノード及び／又はカソードへガスを分配供給するヘッダとを収納するモジュールをコンパクトに構成しないと、放熱が大きくなり、効率が悪くなるという問題もあった。

燃料電池の昇温手段としては、加熱源（バーナ）で加熱した流体を、モジュールの外部からモジュールの内部に貫通させて流通し、燃料電池を間接的に加熱する方法がある（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−２８９２５０号公報（要約）

モジュールの外部に加熱源を設ける方法は、発電装置をコンパクトにできず、放熱が大きくなる。また、燃料電池を間接的に加熱する方法では、昇温に時間がかかる。

本発明の目的は、昇温時間を短くでき、しかも放熱を抑制できるようにした固体酸化物形燃料電池発電システムを提供することにある。

本発明は、固体のセラミックスよりなる電解質を挟んでアノードとカソードを備えた固体酸化物形燃料電池と、アノード及び／又はカソードにガスを分配供給するヘッダと、燃料電池及びヘッダを収納したモジュールとを備えた燃料電池発電システムであって、アノードに燃料ガスを分配供給するヘッダ及び／又はカソードに酸化剤ガスを分配供給するヘッダの内部に、ガスの温度を制御できる加熱機構を備えたものである。

加熱機構は、燃料電池のカソードに酸化剤であるカソードガスを分配供給するヘッダの内部、又は、アノードにアノードガスである燃料ガスを分配供給するヘッダの内部、或いは、その両方に設けることができる。

本発明においては、アノード及び／又はカソードにガスを分配供給するヘッダの内部にガス加熱機構を設けているので、燃料電池の昇温時間を短縮することができる。また、ガス加熱機構をヘッダ内に設けたことにより、モジュールがコンパクトになり、放熱を少なくすることができ、効率向上が図れる。

本発明において、ガス加熱手段には、バーナ或いは燃焼触媒を用いることができる。バーナとしては、同軸噴流ノズルで構成されるクラスターバーナを用いることが特に好ましい。ヘッダとバーナを一体化すると、構造の簡素化が図れる。

燃料電池の上方にカソード又はアノードにガスを分配供給するヘッダを設け、ヘッダの内部にバーナを設置する場合には、バーナからの燃焼ガスが鉛直方向上部から下部に流れるようにバーナを倒置して配置することが望ましい。

ヘッダ内には、ガスの加熱手段だけでなく、ガスの温度を制御できる機構も備えておくことが好ましい。例えば、ヘッダに流体を供給してアノードガス及び／又はカソードガスと混合させることにより、ガスの温度を制御する温度制御機構を設けておくことが好ましい。燃料電池は破損防止のために温度コントロールが必要であり、昇温に合わせてガスの温度を調節していくことで、信頼性のある急速起動が可能になる。

温度制御手段としては、このほかに、ヘッダ内に熱交換器を設けておくことも有効である。

本発明においては、アノード及び／又はカソードにガスを分配供給するヘッダの内部にバーナ又は燃焼触媒よりなるガスの加熱手段を備え、更にモジュールの外部からヘッダ内に冷却媒体を流通させて前記加熱手段によって生成された燃焼ガスと熱交換させる温度制御手段を備えることが望ましい。これは、起動時のみならず定常運転時においても有効な手段である。その理由は、燃料電池が発電を開始できる温度に達したならば、アノードガス或いはカソードガスの加熱は停止するが、燃料電池は発電によって発熱するので、その後は、冷却することが必要になってくるためである。本発明のようにヘッダの内部に、モジュールの外部から冷却媒体を流通できるようにしておくことで、定常発電時における燃料電池の温度コントロールが可能になる。

また、本発明は起動時間を短縮できることから、コジェネレーション用だけでなくマイクロガスタービンとのコンバインドサイクルシステムにも適用でき、負荷追従性に優れた分散電源システムとして利用できる。なお、本発明において「及び／又は」の表現は、両方或いはどちらか一方を意味する。

以下、本発明の実施例及び比較例について説明するが、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。
[比較例]
図２は、アノードに供給する燃料ガスの加熱手段と、カソードに供給する酸化剤ガスの加熱手段が、モジュールの外部に設けられている固体酸化物形燃料電池発電システムを示している。燃料電池８０は、円筒形を有する固体電解質８０ｅの外側にアノード８０ａを有し、内側にカソード８０ｃを有する。図２には、便宜上、２個しか燃料電池８０が図示されていないが、通常は数十から数百個程度を用いて発電が行われる。モジュール３０は、これらの燃料電池８０を収納するための容器である。

燃料電池の起動時には、空気８４と炭化水素系の燃料８５を起動バーナ１に供給し、このバーナで燃焼させて燃焼ガス６０を生成する。この燃焼ガス６０をアノード８０ａに供給することによって、燃料電池８０が昇温される。

この起動バーナ１以外に、空気等の酸化剤よりなるカソードガス８１を電気ヒータ２０で加熱し、カソードヘッダ９１を通して空気導入管７から、それぞれの燃料電池８０の内面であるカソード８０ｃに流通させて昇温を促進させる方法も採り得る。ここで、ヘッダは、数十から数百あるセルのそれぞれに均一にガスを分散させるための分配器である。

このようにして、燃料電池８０が昇温されるが、発電を開始できる最低の温度である約６００〜７００℃まで起動バーナ１や電気ヒータ２０で加熱しつづける必要がある。なお、ここで説明した起動バーナ１や電気ヒータ２０は一例であり、要は燃料電池８０に高温のガスを供給して昇温させるための加熱手段が必要ということである。

その後、発電を開始できる温度に到達すると、起動バーナ１や電気ヒータ２０などの加熱手段を停止し、炭化水素系の燃料８５とカソードガス８１を燃料電池８０に供給し、発電が行われる。この時、燃料電池８０は発熱するので、その熱で７００〜１０００℃程度に熱的に自立して運転されることになる。なお、炭化水素系の燃料８５には、通常、図示していない水蒸気が追加され、また、一部改質が行われた状態で燃料が燃料電池８０に供給される。電池排ガス８２は排気ガス８３としてモジュール３０の外部に排出される。

ここで問題となるのは、起動バーナ１や電気ヒータ２０などの加熱手段がモジュール３０の外部に設置されていることである。この構造では、途中で熱が逃げることにより高温ガスを効果的に供給できないため、加熱の促進ができにくい。また、加熱手段がモジュールの外部にあるために、システム全体がコンパクトにならないために放熱が大きくなってしまい、効率が低下する。

図１は本発明の実施例である。図１では、カソードヘッダ９１の内部にカソードバーナ１００を設けている。このカソードバーナに、カソードガス８１と、燃料８６を供給し、燃焼ガス６１を発生させる。この燃焼ガス６１を、空気導入管７を通じてカソード８０ｃに供給する。このように、カソードガスの加熱手段をカソードヘッダ内に設けたことにより、燃料電池により近い位置で高温ガスを供給することができるようになり、昇温が促進され、起動時間の短縮が達成できる。

なお、図１では、起動バーナ１にヘッダを設けていないが、図５に示すように、モジュール３０の内部にアノードヘッダ９５を設けて、そのヘッダの内部に起動バーナ１を設けも良い。

図３は、図１におけるカソードバーナ１００を、複数個の同軸噴流ノズル１０を有するクラスターバーナ１００ａとしたものであり、バーナの部分を示してある。図３の（ａ）はバーナの正面図であり、（ｂ）は（ａ）のＸ部を拡大して示したものである。（ｃ）はＡ−Ａ矢視図、（ｄ）は同軸噴流ノズルの配置例を示している。このクラスターバーナは複数個の同軸噴流ノズル１０からなり、一方の空気ノズル１０ｂから空気８１を、他方の燃料ノズル１０ａから燃料８６をそれぞれ独立に流通させるようになっている。この同軸噴流ノズル１０を出た後は、空気と燃料が短い区間で急速に混合されて混合気が形成されるので、図示しない点火機構によって点火すると着火し、燃焼ガス６１が形成される。この同軸噴流ノズル１０は微細な噴口であり、一例として、空気ノズル１０ｂの内径は３〜８ｍｍ程度、燃料ノズル１０ａの内径は１〜２ｍｍ程度である。

このクラスターバーナをヘッダ内に置くことにより、以下の効果が得られる。

（１）空気と燃料を予め混合させた後に着火させる予混合バーナではないため、自発火すなわち逆火の恐れが無い。カソードヘッダはモジュール内にあるため、高温になるが、自発火の恐れが無いので、バーナを使う上で好適である。

（２）同軸噴流を出た後での混合区間が１０ｍｍ程度と短くて済むので、ヘッダの長さをコンパクトにできる。

（３）図３に示すように、同軸噴流ノズルは円形や矩形など種々の配置をとることができ、ヘッダ設計の自由度が増す。

（４）バーナを停止し発電のためにカソードガス８１だけを供給する際、このバーナが複数の空気ノズル１０ｂから形成されているため、複数の燃料電池８０のそれぞれに均一にガスを分散させることが容易である。つまり、分配器（ヘッダ）としての機能を有する。

このような利点から、バーナとしてクラスターバーナを使用することにより、本発明の効果がさらに高まる。

図４は、カソードガスの加熱手段として燃焼触媒１１０を用い、カソードヘッダ９１内に設置したものである。燃焼触媒１１０としてはパラジウム系などの触媒を用いることができる。この例においては、空気８１と燃料８６を燃焼触媒１１０に供給し、触媒上で燃焼反応させることにより燃焼ガス６１を生成させ、各燃料電池に供給することになる。この構成においても、加熱手段がヘッダ内にあり、燃料電池の近くで高温ガスを発生させて供給することができるため、実施例１と同様の効果が得られる。

図６は、図１におけるカソードヘッダ９１を貫通するように、冷却媒体を流通させる配管９０を設け、これによりガスの温度を制御できるようにしたものである。配管９０は、図６のように燃焼ガス６１が流れていく側に設けることが望ましい。このような構成とすることで、昇温に合わせてガスの温度を調節できるので、燃料電池の破損を防止し信頼性のある起動が可能となる。また、既に述べたように、燃料電池が発電を開始できる温度に達したならば、起動バーナ及びカソードガスバーナを停止し、以後は燃料電池の発熱によって運転を継続することになる。その際に、燃料電池の過剰の発熱を抑えることが必要になる。そこで、配管９０に冷却媒体を流し、その流量を調整することにより、定常発電時における燃料電池の温度をコントロールすることも可能になるといった効果も得られる。

なお、これまでの実施例においては、燃料電池８０の内面をカソード８０ｃ、外面をアノード８０ａとしてきた。本発明の骨子は、分配器としてのヘッダ内にガス加熱手段、更には温度制御手段を設けたことである。そのため、内面をアノード８０ａ、外面をカソード８０ｃとし、カソードヘッダの代わりにアノードヘッダとした場合や、円筒形以外の平板形等の固体酸化物形燃料電池にも適用できることはもちろんである。

本発明による燃料電池発電システムの一実施例を示した断面図である。 本発明と対比するために示した比較例の断面図である。 カソードバーナをクラスターバーナとしたときの断面図である。 本発明の他の実施例を示した断面図である。 本発明による燃料電地発電システムの他の実施例を示した断面図である。 図１のカソードヘッダに冷却媒体を流通する配管を設けた実施例を示す断面図。

符号の説明

１…起動バーナ、７…空気導入管、１０…同軸噴流ノズル、１０ａ…燃料ノズル、１０ｂ…空気ノズル、２０…電気ヒータ、３…モジュール、６０…燃焼ガス、６１…燃焼ガス、８０…燃料電池、８０ａ…アノード、８０ｃ…カソード、８０ｅ…固体電解質、８１…カソードガス、８２…電池排ガス、８３…排気ガス、８４…空気、８５…燃料、８６…燃料、９０…配管、９１…カソードヘッダ、９５…アノードヘッダ、１００…カソードバーナ、１００ａ…クラスターバーナ、１１０…燃焼触媒。

Claims (3)

1. 固体のセラミックスよりなる電解質を挟んでアノードとカソードを備えた固体酸化物形燃料電池と、前記アノード及び／又は前記カソードにガスを分配供給するヘッダと、前記燃料電池及び前記ヘッダを収納したモジュールとを備えた燃料電池発電システムであって、
   前記ヘッダの内部に、前記ガスを加熱できる加熱手段と加熱温度を制御できる制御手段とを含む加熱制御機構を備え、
   前記カソードにガスを分配供給する前記ヘッダの内部に設けられた前記加熱手段は、燃料ガス及びカソードガスを供給する複数の同軸噴流ノズルで構成されるクラスターバーナであり、
   前記カソードにガスを分配供給する前記ヘッダの内部に設けられた前記制御手段は、前記モジュールの外部からこのヘッダ内に冷却媒体を流通させる配管に冷却媒体を流通させて前記クラスターバーナの燃焼ガスと熱交換させることで、前記クラスターバーナの燃焼ガスの温度を制御する熱交換器である、
   ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池発電システム。
2. 請求項１において、前記燃料電池の上方に前記カソード又は前記アノードにガスを分配供給する前記ヘッダが設けられ、前記クラスターバーナからの燃焼ガスが鉛直方向上部から下部に流れるように前記クラスターバーナが倒置して設けられていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池発電システム。
3. 請求項１において、前記ヘッダと前記クラスターバーナが一体化されていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池発電システム。

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