JP4991059B2

JP4991059B2 - 燃料電池及びその発電方法

Info

Publication number: JP4991059B2
Application number: JP2001226634A
Authority: JP
Inventors: 高志重久
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2001-07-26
Filing date: 2001-07-26
Publication date: 2012-08-01
Anticipated expiration: 2021-07-26
Also published as: JP2003045464A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池及びその発電方法に関し、特に、反応容器内で燃焼させ燃料電池セルを直接暖め起動させる燃料電池及びその発電方法に関する。
【０００２】
【従来技術】
固体電解質形燃料電池セルを用いた燃料電池は、図２に示すように、反応容器５１内に、空気室仕切板６１、セル固定板５５、６３を用いて空気室Ａ、燃焼室Ｂ、反応室Ｃ、燃料ガス室Ｄが形成されている。反応容器５１内に収容された複数の有底筒状の固体電解質形燃料電池セル５２は、セル固定板６３に形成されたセル挿入孔に挿入固定されており、また、その内部には空気室仕切板６１に固定された空気導入管５９の一端が挿入されている。
【０００３】
セル固定板６３には、余剰の燃料ガスを燃焼室Ｂに導入するための燃料ガス噴出孔が形成されており、セル固定板５５には、水素（燃料ガス）を反応室Ｃ内に供給するための供給孔が形成されている。
【０００４】
また、反応容器５１には、例えば水素からなる燃料ガスを導入する燃料ガス導入口５３、空気（酸素含有ガス）を導入する空気導入口５７、燃焼室Ｂ内で燃焼したガスを排出するための排気口６７が形成されている。
【０００５】
このような燃料電池は、空気室Ａからの空気を固体電解質形燃料電池セル５２内にそれぞれ供給し、かつ、燃料ガス室Ｄからの燃料ガスを複数の固体電解質形燃料電池セル５２間に供給し、反応室Ｃにて反応させ、余剰の空気と燃料ガスを燃焼室Ｂにて燃焼させ、燃焼したガスが排気口６７から外部に排出される。
【０００６】
ところで、上記のような燃料電池の発電を有効に開始するためには、燃料電池セル５２を例えば１０００℃程度まで加熱する必要があるが、従来、空気を外部で温め、その空気を空気導入口５７、空気導入管５９を介してセル５２内に供給し、これによりセル５２が発電可能な温度までセル５２を温める。その後、反応室Ｃにて反応発電させ、反応室Ｃにて反応しきれなかった余剰の燃料ガスを燃焼室Ｂ内に導入し、この燃料ガスと空気を用いて燃焼室Ｂで燃焼させ、燃焼室Ｂ中の空気導入管５９を暖め、その空気導入管５９中の空気を加熱することと、上記した燃焼室Ｂの燃焼により、その後は外部から熱を供給することなしに、約１０００℃の動作温度を保ち、電力を発生できる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、このような燃料電池では、立上げの際、空気を温める装置が必要であり、起動時には必要だが発電開始後は不要になるという問題と、空気を温めその空気によってセル５２を暖めるという工程を経るため、熱交換のロスが大きく、立上げまでの時間が長くなるという問題があった。
【０００８】
本発明では、発電するまでの立ち上げ時間を大幅に短縮できる燃料電池及びその発電方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料電池は、反応容器内に、一対のセル固定板を用いて複数の有底筒状の燃料電池セルの開口端部と底部を固定し、該燃料電池セルが開口する燃焼室と、前記燃料電池セルの側面部が位置する反応室と、燃料ガスが供給される燃料ガス室とを形成するとともに、酸素含有ガスを前記燃料電池セル内にそれぞれ供給し、かつ、燃料ガスを前記燃料ガス室を介して前記反応室内の前記燃料電池セル間に供給して反応させ、発電する燃料電池であって、前記燃焼室と前記反応室を区切る前記セル固定板には、前記反応室内に供給される燃料ガスの余剰分が、前記燃焼室内に噴出するための燃料ガス噴出孔が形成されており、前記燃焼室内に、前記燃焼室内に噴出した燃料ガスと前記燃焼室内の酸素含有ガスとの混合ガスを燃焼させるための着火源と、該着火源の着火による燃焼を感知する燃焼感知器とが設けられており、前記燃料ガス室内に、該燃料ガス室内のガスを燃焼させるための着火源と、該着火源の着火による燃焼を感知する燃焼感知器とが設けられており、前記燃料ガス室内に供給される燃料ガスと酸素含有ガスの混合比を制御する混合比制御装置を有するとともに前記着火源の作動を制御する着火制御装置を備えることを特徴とする。
【００１０】
本発明の燃料電池では、燃料ガス室内に供給される酸素含有ガス及び燃料ガスの混合ガスを、着火源にて着火し、燃焼できるため、燃料電池セルを、その下方から直接ヒートアップでき、発電までの立ち上げ時間を大幅に短縮できるとともに、熱交換に対するエネルギーロスも小さく、立上げまでに要するエネルギーも小さくすることができ、さらに従来のように立上げ時のみ必要な空気を予備加熱する装置等を不要とできる。
【００１１】
また、本発明では、燃焼室と反応室を区切るセル固定板には、反応室内に供給される燃料ガスの余剰分が、燃焼室内に噴出するための燃料ガス噴出孔が形成されており、前記燃焼室内に、前記燃焼室内に噴出した燃料ガスと前記燃焼室内の酸素含有ガスの混合ガスを燃焼させるための着火源が設けられている。
【００１２】
このように、燃料電池セルの下方からの加熱のみならず、燃料電池セルの上方に熱源があるためにセル全体をほぼ均一に加熱することができ、熱衝撃によるセル破損を抑制できるとともに、さらにセルの加熱を促進できる。
【００１４】
また、本発明の燃料電池では、燃料ガス室内に供給される燃料ガスと酸素含有ガスの混合比を制御する混合比制御装置を有する。例えば、加熱する際には、混合比制御装置により燃料ガスと酸素含有ガスを燃料ガス室内に供給して燃焼させ、所定温度に達した後は、酸素含有ガスの供給を停止し、燃料ガスのみを供給し、発電を開始することができる。
【００１５】
さらに、燃料ガス量を酸素含有ガスよりも多くして、燃料ガス室内を燃焼させるとともに、燃料ガス室内で燃焼に用いられなかった燃料ガスを反応室内に導入し、反応室内にて反応させて発電し、燃料電池セルの加熱と発電を同時に行うこともできる。
【００１６】
さらに、本発明では、反応室には温度センサが設けられていることが望ましい。これにより、反応室内のセル温度を管理することができ、セル温度に対して燃料ガス室や燃焼室内での燃焼を制御することができる。
【００１７】
本発明の燃料電池の発電方法は、上記いずれかの燃料電池の発電方法であって、前記燃焼感知器からの信号により、前記燃焼室および前記燃料ガス室が燃焼していないと判断された場合に、前記混合比制御装置の信号に基づいて、前記燃料ガス室内に燃料ガスとともに酸素含有ガスを供給し、前記着火制御装置により前記着火源を作動させて、前記燃焼室および前記燃料ガス室において燃焼させることを特徴とする。また、前記混合比制御装置は、前記燃料ガス室内に供給される燃料ガス量を化学両論比よりも多くなるように燃料ガスおよび酸素含有ガスを供給することが望ましい。さらには、前記温度センサにより感知された前記反応室の温度が一定温度まで上昇した場合に、前記混合比制御装置が、前記燃料ガス室の酸素含有ガスの供給を停止することが望ましい。
【００１９】
従来は燃料電池内の温度制御は燃料電池セル中の電流によって生じるジュール熱と未反応の燃料ガスの燃焼によって制御を行なっていた。しかしながら、電流や未反応の燃料ガスは外部負荷（電流使用量）の変動に対しても制御しなくてはならず、燃料電池内の温度制御は非常に困難であり、燃料電池内部に温度ばらつきが生じ、性能が低下するという問題があったが、本発明の燃料電池では、外部負荷変動に対しても下方部での燃焼に用いるガスに対して負荷変動分を考慮すればよく、燃料電池内の温度制御を独立して行うことができ、制御が容易となる。
【００２０】
例えば、燃料電池で発生する電流を使用しない場合には発電する必要がないため、燃焼室内の燃焼による温度保持能力が低下し、燃料電池の温度が低下するが、本発明では、燃料電池内の温度が低下した場合に燃料電池セルを加熱することができ、温度制御を容易に行うことができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明の燃料電池は、図１に示すように、反応容器１内に、有底筒状の固体電解質形燃料電池セル２を複数収容して構成されており、この反応容器１には、発電時に、例えば水素からなる燃料ガスを導入する燃料ガス導入口３、燃料電池セル２の底部を固定するためのセル固定板５、空気等の酸素含有ガスを導入する酸素含有ガス導入口７、セル２内に酸素含有ガスを導入する導入管９、この導入管９を固定する仕切板１１、セル２の開口端部を固定するセル固定板１３とを具備して構成されている。
【００２２】
反応容器１内は、仕切板１１、セル固定板５、セル固定板１３により、酸素含有ガス室Ａ、燃焼室Ｂ、反応室Ｃ、燃料ガス室Ｄが形成されている。
【００２３】
セル固定板５には、燃料ガスをセル２間に分散するための分散孔（図示せず）が形成されている。仕切板１１とセル２の開口端部を固定するセル固定板１３との間は、例えば酸素含有ガスとしての空気と燃料ガスとしての水素が燃焼する燃焼室Ｂとされ、セル固定板１３には、セル２間を通過した余剰の燃料ガスを燃焼室Ｂ内に導入する燃料ガス噴出孔（図示せず）が形成され、燃焼室Ｂ内で燃焼したガスは、排気口１７を介して外部に排出される。
【００２４】
導入管９は、仕切板１１に形成された導入管挿入孔に挿入されており、その下端部はセル２内に挿入されている。
【００２５】
セル２はセル固定板１３に形成されたセル挿入孔に挿入され、その底部がセル固定板５に支持固定されている。
【００２６】
そして、本発明の燃料電池では、燃料ガス室Ｄ及び燃焼室Ｂ内に、燃料ガス室Ｄ及び燃焼室Ｂ内に供給された空気と水素の混合ガスを燃焼させるための着火源２３がそれぞれ設けられている。着火源２３としては、放電により着火する装置や電流による熱源で着火する装置がある。
【００２７】
この着火源２３には、燃料ガス室Ｄ及び燃焼室Ｂ内に配置された燃焼感知機２４が接続されており、この燃焼感知機２４は、燃料ガス室Ｄ及び燃焼室Ｂ内の燃焼を感知する。この燃焼感知機２４は、反応容器１の外部に設けられた着火制御装置２５に接続され、燃焼感知機２４からの信号を受け取り、着火源２３を作動させるように構成されている。燃焼感知機２４としては、例えば、熱電対のような温度そのものをモニターするもの、光学系の温度モニター、あるいは、形状記憶合金のように温度によってスイッチの動作を行うものがある。
【００２８】
また、燃料ガス導入口３には、燃料ガス室Ｄにおける燃焼を制御するため、燃料ガスと酸素含有ガスの混合比を制御する混合比制御装置２６が設けられている。この混合比制御装置２６は、バーナーのようなノズルが複数備えられていてもよいし、ガスコンロのように燃料ガスの噴出口が多数あるものであってもよい。燃料ガス室Ｄ内に供給される燃料ガスと酸素含有ガスの割合は、化学両論比よりも燃料ガスが多くなっていることが望ましい。これにより、反応室Ｃ内での燃焼を抑制することができ、セル２の燃料極やＮｉフェルトの酸化を抑制することができ、発電時の耐久性を向上できる。
【００２９】
反応室Ｃには温度を感知するための温度センサ２７が設けられており、この温度センサ２７は混合比制御装置２６に接続され、反応室Ｃ内の温度により燃料ガスおよび酸素含有ガスの混合比率を直接制御できるようになっている。これにより、例えば、発電中に反応室Ｃ内の温度が低下した場合などにおいても燃料ガス室内を燃焼させ、セル２の温度を均一に保つことができる。
【００３０】
以上のような燃料電池の発電方法について説明する。まず、燃焼感知機２４からの信号により、燃焼室Ｂ及び燃料ガス室Ｄ内が燃焼していないことが感知され、この信号が混合比制御装置２６、着火制御装置２５に伝達され、燃料ガス室Ｄ内に燃料ガスとともに酸素含有ガスが導入され、着火制御装置２５により着火源２３が作動し、燃焼室Ｂ及び燃料ガス室Ｄが燃焼する。尚、燃料ガス室Ｄ内に導入される燃料ガス、酸素含有ガスは、完全燃焼しないように酸素含有ガスが少な目に導入されるため、燃料ガスが不完全燃焼となり、この燃料ガスが反応室Ｃ内を介して燃焼室Ｂ内に供給され、導入管９を介して導入された酸素含有ガスと混合しているため、着火源２３の作動により燃焼室Ｂが燃焼することになる。
【００３１】
そして、反応室Ｃ内の温度がある一定温度まで上がると、温度センサ２７がこれを感知し、この信号が混合比制御装置２６に伝達され、混合比制御装置２６により酸素含有ガスの燃料ガス室Ｄ内への供給が停止され、燃料ガスのみ供給し、発電が開始される。
【００３２】
尚、混合比制御装置２６により、燃料ガス室Ｄ内を燃焼させ、セル２を加熱しながら、燃料ガスを反応室Ｃ内に導入し、この反応室Ｃで発電することもできる。この場合、ある程度、セル２の温度を上げた後に、例えば６００度以上に上げた後に、上記のように、発電とセル２の加熱を行うことが望ましい。
【００３３】
さらに、発電中に、反応室Ｃ内の温度が低下した場合においても燃料ガス室Ｄを燃焼させ、セル２を加熱することもできる。
【００３４】
以上のように構成された燃料電池では、熱源が反応容器１内のセル２の下方にあり、セル２を直接暖めることができるため、動作温度まで急激に温度を上げることができ、機動性を向上できる。
【００３５】
また、燃料ガス室Ｄ及び燃焼室Ｂの両方に熱源を持つことになり、燃焼室Ｂ内の燃焼によりセル２の開口端部近傍を直接加熱できるとともに、導入管９内の酸素含有ガスを加熱し、セル２の内部から加熱することができ、セル２の温度が加熱段階において均一になり、セル２の破損を抑制できるとともに、セル２を迅速に加熱することができ、早期な立ち上がりを実現できる。
【００３６】
このようにセル２が急激に加熱されるため、セル２は熱衝撃に強いことが望ましく、特に直径が１０ｍｍ以下のセル２を用いることが望ましい。また、セル２は、発電に寄与しうる、即ち固体電解質の両側に電極が形成された部分の有効長さが３０ｃｍ以下であることが望ましい。このような短いセル２において上下から加熱することにより、セル２を均一に加熱することができる。
【００３７】
また、従来では、セル２は、燃焼室Ｂに近い方が温度が高い傾向があったが、本発明の燃料電池では燃料ガス室Ｄ及び燃焼室Ｂの両方に熱源を持つことになり、
これにより、均一な発電ができ、発電効率を上げることが可能となる。
【００３８】
本発明の燃料電池では、起動から電流取り出し（発電）の時間が１時間以内で行うことができる。これにより、起動により消費される発電に寄与しない無駄なエネルギーを抑制でき、総合的に効率のよいものとなる。
【００３９】
尚、上記例では、燃焼感知機２４を設け、この信号により着火源２３の作動を制御したが、温度センサ２７の信号により着火源２３の作動を直接制御しても良い。
【００４０】
また、上記例では、燃料ガス室Ｄ及び燃焼室Ｂの両方に熱源を有する場合について説明したが、本発明では、燃料ガス室Ｄのみに熱源を有する場合であっても、従来よりもセル２を迅速に加熱することができる。
【００４１】
【発明の効果】
本発明の燃料電池では、燃料ガス室内に供給される酸素含有ガス及び燃料ガスの混合ガスを、着火源にて着火し、燃焼できるため、燃料電池セルを、その下方から直接ヒートアップでき、発電までの立ち上げ時間を大幅に短縮できるとともに、熱交換に対するエネルギーロスも小さく、立上げまでに要するエネルギーも小さくすることができ、さらに従来のように立上げ時のみ必要な空気を予備加熱する装置等を不要とできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池の模式図である。
【図２】従来の燃料電池の模式図である。
【符号の説明】
１・・・反応容器
２・・・燃料電池セル
５、１３・・・セル固定板
２３・・・着火源
２６・・・混合比制御装置
２７・・・温度センサ
Ｂ・・・燃焼室
Ｃ・・・反応室
Ｄ・・・燃料ガス室

Claims

反応容器内に、一対のセル固定板を用いて複数の有底筒状の燃料電池セルの開口端部と底部を固定し、該燃料電池セルが開口する燃焼室と、前記燃料電池セルの側面部が位置する反応室と、燃料ガスが供給される燃料ガス室とを形成するとともに、酸素含有ガスを前記燃料電池セル内にそれぞれ供給し、かつ、燃料ガスを前記燃料ガス室を介して前記反応室内の前記燃料電池セル間に供給して反応させ、発電する燃料電池であって、
前記燃焼室と前記反応室を区切る前記セル固定板には、前記反応室内に供給される燃料ガスの余剰分が、前記燃焼室内に噴出するための燃料ガス噴出孔が形成されており、前記燃焼室内に、前記燃焼室内に噴出した燃料ガスと前記燃焼室内の酸素含有ガスとの混合ガスを燃焼させるための着火源と、該着火源の着火による燃焼を感知する燃焼感知器とが設けられており、
前記燃料ガス室内に、該燃料ガス室内のガスを燃焼させるための着火源と、該着火源の着火による燃焼を感知する燃焼感知器とが設けられており、
前記燃料ガス室内に供給される燃料ガスと酸素含有ガスの混合比を制御する混合比制御装置を有するとともに
前記着火源の作動を制御する着火制御装置を備える
ことを特徴とする燃料電池。
前記反応室には温度センサが設けられていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
請求項１又は２記載の燃料電池の発電方法であって、
前記燃焼感知器からの信号により、前記燃焼室および前記燃料ガス室が燃焼していないと判断された場合に、前記混合比制御装置の信号に基づいて、前記燃料ガス室内に燃料ガスとともに酸素含有ガスを供給し、前記着火制御装置により前記着火源を作動させて、前記燃焼室および前記燃料ガス室において燃焼させることを特徴とする燃料電池の発電方法。
前記混合比制御装置は、前記燃料ガス室内に供給される燃料ガス量を化学両論比よりも多くなるように燃料ガスおよび酸素含有ガスを供給することを特徴とする請求項３記載の燃料電池の発電方法。
請求項２記載の燃料電池の発電方法であって、前記温度センサにより感知された前記反応室の温度が一定温度まで上昇した場合に、前記混合比制御装置が、前記燃料ガス室の酸素含有ガスの供給を停止することを特徴とする燃料電池の発電方法。