JP5128777B2 - 発電装置 - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池セルを動作させるための熱エネルギーを効率よく利用できる発電装置に関するものである。
二酸化炭素の排出を抑制できるエネルギー源として水素燃料電池が注目されている。水素燃料電池は、電解質体に燃料極と空気極とを接合した燃料電池セル本体（セル本体）を所定の発電開始温度以上に（例えば外部ヒータ等で加熱し）維持しながら、燃料ガスなどを供給して発電を行うものである。中でも固体酸化物型燃料電池（solid oxide fuel cell:SOFC）は、固体酸化物からなる電解質に燃料極（水素極）と空気極（酸素極）とを接合（形成）した固体酸化物型燃料電池セル本体に，燃料ガスおよび空気等を供給して、電力を発生させる燃料電池であり、高出力を得ることができ、水素ガスだけではなく、一酸化炭素を多量に含むガスも燃料として使用でき、高温で動作するので高価な白金触媒を使用する必要がなく、内部改質方式を採用することができて、セル本体からの発熱を利用してメタンなどの燃料から電池反応に必要な水素や一酸化炭素を生成させることができるから、装置の小型化と高効率化を図ることができる（非特許文献１）。こうした固体酸化物型燃料電池は、燃料極と空気極とをセパレータで遮って、燃料極に燃料ガスを、空気極に空気等を供給する二室型固体酸化物型燃料電池が一般的であるが（非特許文献１）、燃料極と空気極とをセパレータで遮ることなく、水素やメタン等の燃料ガスと空気等とを混合した雰囲気内にセル本体を位置づけて電力を発生させることができる単室型固体酸化物型燃料電池もある（特許文献１、２および３）。
電気学会・燃料電池発電次世代システム技術調査専門委員会編、「燃料電池の技術」、第１版第３刷、株式会社オーム社、平成１７年１月１５日、１８３頁ないし２３０頁等。 特開２００２−２８００１５号公報
特開２００２−２８００１７号公報
特開２００２−３１３３５７号公報
電気学会・燃料電池発電次世代システム技術調査専門委員会編、「燃料電池の技術」、第１版第３刷、株式会社オーム社、平成１７年１月１５日、１８３頁ないし２３０頁等。
しかし、燃料電池は、熱エネルギーを排出してエネルギー損失を生じるから、特に高温環境下において動作（発電）する固体酸化物型燃料電池では、発電効率低下が否めず、また燃料極及び空気極における反応熱（熱エネルギー）が有効に利用されず外部に排出されてしまうことも否めない。そこで本発明は、燃料電池を動作させる熱エネルギーと、好ましくは反応熱とを有効に利用することができて、高い発電効率を実現できる発電装置の提供を目的とする。
上記目的を達成するため、本発明にかかる発電装置は、発電開始温度以上に加熱された混合燃料ガスが流動するガス流路内に配設され、電解質体と燃料極と空気極とを有する燃料電池セル本体と、燃料極および空気極のうちの少なくとも一方に接合され、Ｐ型熱電変換部材とＮ型熱電変換部材とを有する２次発電手段とを備えた発電装置において、前記Ｎ型熱電変換部材は、一端が前記燃料極のみに接合され、他端を含む一部が前記ガス流路の外に位置して当該他端にＮ部材電極を有し、前記Ｐ型熱電変換部材は、一端が前記空気極のみに接合され、他端を含む一部が前記ガス流路の外に位置して当該他端にＰ部材電極を有する（請求項１）。かかる構成を有する発電装置では、セル本体による発電に加え、高温環境下で発電を行うセル本体に接合されたＰ型熱電変換部材とＮ型熱電変換部材とが熱電対となって（２次発電手段）、ゼーベック効果で電力を得ることができる。そして、Ｐ型熱電変換部材とＮ型熱電変換部材とが燃料電池セル本体を介して電気的に接続されることになるので、燃料電池セル本体の発電電圧と２次発電手段の発電電圧とを直列接続した電圧を、Ｐ部材電極とＮ部材電極とから取り出すことができ、より高い発電効率を実現できる。更に、Ｐ型熱電変換部材と接合された空気極、およびＮ型熱電変換部材と接合された燃料極における反応熱も、それぞれ良好にＰ型熱電変換部材およびＮ型熱電変換部材に伝達され、ゼーベック効果で電力に変換されるから、より高い発電効率を実現できる。
上記各発電装置において、セル本体が固体酸化物型燃料電池の一部を構成するものであれば、高温環境下で電力を発生する固体酸化物型燃料電池のセル本体を２次発電手段が補って、より多くの電力を得ることができて、発電効率がより高まる（請求項２）。
このように本発明にかかる発電装置によれば、セル本体が電力を発生するとともに、発電に使用されずに廃熱として外部に排出される熱エネルギーを発電に利用でき、またセル本体の燃料極や空気極における反応熱がＰ型熱電変換部材とＮ型熱電変換部材とによって電力に変換されるから（ゼーベック効果）、燃料電池を用いた発電装置としての効率を高めることができる。
以下、本発明の参考例である発電装置を図１および図２に基づいて説明する。
図１は、本発明の参考例にかかる発電装置の断面概略構造を示すものであり、参考例の発電装置は、セル本体に固体酸化物型燃料電池セル本体（単室型）を用いた例である。
（発電装置の構成）
図１に示すように、発電装置１０は、ガス流路１１、セル本体２０、２次発電手段３０を有している。セル本体２０はガス流路１１に収容されて単室型の固体酸化物型燃料電池の一部を構成する。発電装置１０では、燃料ガスと空気等を混合した混合燃料ガスが、セル本体２０が発電を開始する温度以上（発電開始温度、例えば摂氏５００度ないし１０００度以上）に加熱されて、外部からガス流路１１へと導入される。
（発電装置の構成）
図１に示すように、発電装置１０は、ガス流路１１、セル本体２０、２次発電手段３０を有している。セル本体２０はガス流路１１に収容されて単室型の固体酸化物型燃料電池の一部を構成する。発電装置１０では、燃料ガスと空気等を混合した混合燃料ガスが、セル本体２０が発電を開始する温度以上（発電開始温度、例えば摂氏５００度ないし１０００度以上）に加熱されて、外部からガス流路１１へと導入される。
（セル本体）
セル本体２０では、固体酸化物型電解質体２１の一方の面には燃料極２２が接合され、同じく他方の面には空気極２３が接合されている。なおセル本体が発電する電力を外部に出力するために、燃料極２２の固体酸化物型電解質体２１と相対する面には燃料極電極２４が接合され、また空気極２３の固体酸化物型電解質体２１と相対する面には空気極電極２５が接合されている。そして燃料極電極２４は導体２４ａで、空気極電極２５は導体２５ａで、それぞれガス流路１１の外部に接続されている。
固体酸化物型電解質体２１は、例えば、８ｍｏｌ−ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）、５ｍｏｌ−ＹＳＺ、ＳＤＣ（スカンジナドープドセリア）、ＧＤＣ（ガドリウムドープドセリア）、またはＳｃＳＺ（スカンジア安定化ジルコニア）等で形成することができる。燃料極２２は、例えば、ＮｉＯ＋ＹＳＺ、ＮｉＯ＋ＳＤＣ、ＮｉＯ＋ＧＤＣ、ＬＳＣＭ（ランタンストロンチウムコバルトマンガナイト）、またはＦｅＯ３等で形成することができる。空気極２３は、例えば、ＬＳＭ（ランタンストロンチウムマンガナイト）やＬＳＣ（ランタンストロンチウムコバルタイト）等で形成することができる。
セル本体２０では、固体酸化物型電解質体２１の一方の面には燃料極２２が接合され、同じく他方の面には空気極２３が接合されている。なおセル本体が発電する電力を外部に出力するために、燃料極２２の固体酸化物型電解質体２１と相対する面には燃料極電極２４が接合され、また空気極２３の固体酸化物型電解質体２１と相対する面には空気極電極２５が接合されている。そして燃料極電極２４は導体２４ａで、空気極電極２５は導体２５ａで、それぞれガス流路１１の外部に接続されている。
固体酸化物型電解質体２１は、例えば、８ｍｏｌ−ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）、５ｍｏｌ−ＹＳＺ、ＳＤＣ（スカンジナドープドセリア）、ＧＤＣ（ガドリウムドープドセリア）、またはＳｃＳＺ（スカンジア安定化ジルコニア）等で形成することができる。燃料極２２は、例えば、ＮｉＯ＋ＹＳＺ、ＮｉＯ＋ＳＤＣ、ＮｉＯ＋ＧＤＣ、ＬＳＣＭ（ランタンストロンチウムコバルトマンガナイト）、またはＦｅＯ３等で形成することができる。空気極２３は、例えば、ＬＳＭ（ランタンストロンチウムマンガナイト）やＬＳＣ（ランタンストロンチウムコバルタイト）等で形成することができる。
（２次発電手段）
２次発電手段３０は、Ｐ型熱電変換部材３１とＮ型熱電変換部材３２とを有しており、Ｐ型熱電変換部材３１とＮ型熱電変換部材３２との一端部側が燃料極電極２４上において接続され（燃料極電極２４を介して燃料極２２に接して熱電対の高温側接点を形成し）、ガス流路１１の外部に位置するＰ型熱電変換部材３１の他の端部にはＰ部材電極３１ａが、同じくＮ型熱電変換部材３２の他の端部にはＮ部材電極３２ａが接合されている。なおＰ型熱電変換部材３１は例えばクロメル等を用いて形成でき、Ｎ型熱電変換部材３２は例えばコンスタンタン等を用いて形成できる。
２次発電手段３０は、Ｐ型熱電変換部材３１とＮ型熱電変換部材３２とを有しており、Ｐ型熱電変換部材３１とＮ型熱電変換部材３２との一端部側が燃料極電極２４上において接続され（燃料極電極２４を介して燃料極２２に接して熱電対の高温側接点を形成し）、ガス流路１１の外部に位置するＰ型熱電変換部材３１の他の端部にはＰ部材電極３１ａが、同じくＮ型熱電変換部材３２の他の端部にはＮ部材電極３２ａが接合されている。なおＰ型熱電変換部材３１は例えばクロメル等を用いて形成でき、Ｎ型熱電変換部材３２は例えばコンスタンタン等を用いて形成できる。
（作用）
発電装置１０では、外部から発電開始温度以上に加熱された混合燃料ガス（例えばＣＨｘ、ＣＯｘ、Ａｉｒ等を混合したガス）がガス流路１１の図１中、左から右へと導入されると、セル本体２０が発電開始温度以上の温度に加熱されて燃料電池として動作する。すなわち加熱されたセル本体２０の空気極２３では、燃焼排ガス中の空気（Ａｉｒ）で酸素イオン（Ｏ２−）が生成され、この酸素イオンは固体酸化物型電解質体２１内を燃料極２２に移動して、セル本体２０が電力を発生する。また移動した酸素イオンは、燃料極２２において燃焼排ガスに含まれるＣＨｘやＣＯｘと反応して、二酸化炭素（ＣＯ２）や水（Ｈ２Ｏ）を生成する。またＰ型熱電変換部材３１とＮ型熱電変換部材３２とは、混合燃料ガスが有する熱エネルギーと燃料極２２における上記反応熱とで加熱されて、ゼーベック効果によって電力を発生する。かくして発電装置１０は、単室型固体酸化物型燃料電池として電力を発生するとともに、ゼーベック効果で電力を発生することができるから、高い発電効率を得ることができる。
発電装置１０では、外部から発電開始温度以上に加熱された混合燃料ガス（例えばＣＨｘ、ＣＯｘ、Ａｉｒ等を混合したガス）がガス流路１１の図１中、左から右へと導入されると、セル本体２０が発電開始温度以上の温度に加熱されて燃料電池として動作する。すなわち加熱されたセル本体２０の空気極２３では、燃焼排ガス中の空気（Ａｉｒ）で酸素イオン（Ｏ２−）が生成され、この酸素イオンは固体酸化物型電解質体２１内を燃料極２２に移動して、セル本体２０が電力を発生する。また移動した酸素イオンは、燃料極２２において燃焼排ガスに含まれるＣＨｘやＣＯｘと反応して、二酸化炭素（ＣＯ２）や水（Ｈ２Ｏ）を生成する。またＰ型熱電変換部材３１とＮ型熱電変換部材３２とは、混合燃料ガスが有する熱エネルギーと燃料極２２における上記反応熱とで加熱されて、ゼーベック効果によって電力を発生する。かくして発電装置１０は、単室型固体酸化物型燃料電池として電力を発生するとともに、ゼーベック効果で電力を発生することができるから、高い発電効率を得ることができる。
なお空気極２３でも反応熱が生じるから、空気極２３に２次発電手段を接合してもよいし、燃料極２２及び空気極２３の双方に２次発電手段を接合してもよい。また図２に示すように、２次発電手段３０を構成するＰ型熱電変換部材３１とＮ型熱電変換部材３２とを、電気絶縁層４０を介して、燃料極２２と空気極２３との何れか一方もしくは双方に接合してもよい。かかる構成では、２次発電手段３０とセル本体２０とが電気的に絶縁されるから、セル本体２０と２次発電手段３０とを適宜直列あるいは並列接続して、所望の発電電圧を得ることができる。
図３は、本発明の一実施例にかかる発電装置の断面概略構造を示すものである（請求項１に対応）。なお前述した参考例と同様の機能を有する構成要素には、同一の符号を付してその説明を省略する。
発電装置１０ｃでは、２次発電手段３０を構成するＰ型熱電変換部材３１が直接空気極２３に接合し、またＮ型熱電変換部材３２が直接燃料極２２に接合している。すなわち２次発電手段３０のＰ型熱電変換部材３１とＮ型熱電変換部材３２とは、セル本体２０を介して電気的に接続されている。
発電装置１０ｃでは、２次発電手段３０を構成するＰ型熱電変換部材３１が直接空気極２３に接合し、またＮ型熱電変換部材３２が直接燃料極２２に接合している。すなわち２次発電手段３０のＰ型熱電変換部材３１とＮ型熱電変換部材３２とは、セル本体２０を介して電気的に接続されている。
発電装置１０ｃにおいて、外部から発電開始温度以上に加熱された混合燃料ガスをガス流路１１へ導入すると、セル本体２０は、発電開始温度以上の温度に加熱されて燃料電池として動作する。またＰ型熱電変換部材３１とＮ型熱電変換部材３２とは、混合燃料ガスが有する熱エネルギーで加熱されるとともに、Ｐ型熱電変換部材３１は空気極２３の反応熱でも加熱され、Ｎ型熱電変換部材３２は燃料極２２の反応熱でも加熱されて、ゼーベック効果によって電力を発生する。かくして発電装置１０ｃは、単室型固体燃料電池として電力を発生するとともに、ゼーベック効果でさらに効率よく電力を発生することができるから、発電効率をよりいっそう高めることができる。
また発電装置１０ｃでは、２次発電手段３０のＰ型熱電変換部材３１とＮ型熱電変換部材３２とがセル本体２０を介して電気的に接続されているから、セル本体２０の発電電圧と２次発電手段３０の発電電圧とを直列接続した電圧が、第１のＰ部材電極３１ａと第１のＮ部材電極３２ａとから出力される。
なお本発明にかかる発電装置は、加熱されたセル本体に接続され、また燃料極や空気極の反応熱を利用できるものであれば、電解質体を固体酸化物型電解質体に限定するものではなく、また単室型燃料電池に限定されるものでもない。また本発明にかかる発電装置は複数のセル本体を有するものであってもよい。
また混合燃料ガスとして、発電開始温度以上で排出される内燃機関や外燃機関の燃焼排ガスを使用すれば、セル本体が高温の燃焼排ガスで加熱されて電力を発生するとともに、燃焼排ガスの熱エネルギーと、燃料極と空気極との何れか一方もしくは双方における反応の熱で２次発電手段が電力を発生することができて、発電効率が向上する。また燃焼排ガスに含まれるＣＨｘやＣＯｘから二酸化炭素（ＣＯ２）や水（Ｈ２Ｏ）が生成されるから、燃焼排ガスを浄化することができる。したがって本発明にかかる発電装置を自動車などに適用すれば、燃焼排ガスを用いて発電することができて、燃費が向上するとともに、燃焼排ガスを浄化することができる。
また混合燃料ガスとして、発電開始温度以上で排出される内燃機関や外燃機関の燃焼排ガスを使用すれば、セル本体が高温の燃焼排ガスで加熱されて電力を発生するとともに、燃焼排ガスの熱エネルギーと、燃料極と空気極との何れか一方もしくは双方における反応の熱で２次発電手段が電力を発生することができて、発電効率が向上する。また燃焼排ガスに含まれるＣＨｘやＣＯｘから二酸化炭素（ＣＯ２）や水（Ｈ２Ｏ）が生成されるから、燃焼排ガスを浄化することができる。したがって本発明にかかる発電装置を自動車などに適用すれば、燃焼排ガスを用いて発電することができて、燃費が向上するとともに、燃焼排ガスを浄化することができる。
１０、１０ｃ 発電装置
２０ セル本体
２１ 固体酸化物型電解質体
２２ 燃料極
２３ 空気極
２４ 燃料極電極
２５ 空気極電極
３０ ２次発電手段
３１ Ｐ型熱電変換部材
３２ Ｎ型熱電変換部材
２０ セル本体
２１ 固体酸化物型電解質体
２２ 燃料極
２３ 空気極
２４ 燃料極電極
２５ 空気極電極
３０ ２次発電手段
３１ Ｐ型熱電変換部材
３２ Ｎ型熱電変換部材
Claims (2)
- 発電開始温度以上に加熱された混合燃料ガスが流動するガス流路内に配設され、電解質体と燃料極と空気極とを有する燃料電池セル本体と、
前記燃料極および空気極のうちの少なくとも一方に接合され、Ｐ型熱電変換部材とＮ型熱電変換部材とを有する２次発電手段と
を備えた発電装置において、
前記Ｎ型熱電変換部材は、一端が前記燃料極のみに接合され、他端を含む一部が前記ガス流路の外に位置して当該他端にＮ部材電極を有し、
前記Ｐ型熱電変換部材は、一端が前記空気極のみに接合され、他端を含む一部が前記ガス流路の外に位置して当該他端にＰ部材電極を有する
ことを特徴とする発電装置。 - 前記燃料電池セル本体は固体酸化物型燃料電池の一部を構成していることを特徴とする、請求項１に記載の発電装置。
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