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
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)。
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。
(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FeO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。
(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(CO)や水(HO)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。
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(CO)や水(HO)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。
本発明の参考例である発電装置の断面概略構造を示すものである。 参考例においてP型熱電変換部材とN型熱電変換部材とを更に電気絶縁層を介して燃料極に接合した発電装置の断面概略構造を示すものである。 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。
符号の説明
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

Claims (2)

  1. 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。
  2. 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、請求項に記載の発電装置。
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