JP5260132B2 - 固体酸化物形燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は，固体酸化物形燃料電池に関する。

固体酸化物形燃料電池は，固体酸化物を用いて，可燃ガスと酸素を反応させて，電力を発生する。可燃ガスに炭化水素を用いる場合，炭素析出を抑制するために，炭化水素が改質して用いられる。効率の面から，炭化水素の改質に水蒸気が用いられ，水蒸気を供給するための気化器が必要となる。

ここで，気化器を加熱する技術が開示されている（特許文献１，２参照）。気化器では水の気化のため，加熱が必要である。特許文献１記載の技術では，固体酸化物形燃料電池で発生する予熱を水蒸気改質器の加熱に利用している。また，特許文献２記載の技術では，燃料電池スタックからの熱を改質器で受け，改質器からの熱を脱硫器，気化器で受ける。

特開２００１−２６６９２４号公報 特開２００６−３５１２９３号公報

しかしながら，特許文献１，２記載の技術では，起動時での気化器の加熱が考慮されていない。起動時には燃料電池スタック自体からの発熱は少なく，気化器を十分に温めることが困難である。発電を開始して，燃料電池スタック自体からの発熱が増えてから，水を添加して水蒸気改質を開始すると，水を添加しない間に炭素が析出する可能性が高くなる。
上記に鑑み，本発明は起動時に気化器を効果的に加熱可能な固体酸化物形燃料電池を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る固体酸化物形燃料電池は，水を気化させて水蒸気を発生する気化器と，前記水蒸気を用いて，可燃ガスを改質する改質器と，燃料極および空気極が両面に配置された酸素イオン伝導性固体電解質体が積層され，前記改質された可燃ガスを酸素と反応させて，電力を発生する燃料電池スタックと，前記燃料電池スタックからの排ガスを燃焼させる排ガス燃焼器と，前記気化器，前記改質器，および前記燃料電池スタックを加熱する起動用バーナと，前記気化器，前記改質器，前記燃料電池スタック，前記排ガス燃焼器，および前記起動用バーナを収容する断熱容器と，を具備し，前記気化器が，前記起動用バーナと対向し，かつ前記起動用バーナと前記燃料電池スタックの間に配置される第１の部材と，この第１の部材と一体的に形成され，かつ前記燃料電池スタックまたは前記排ガス燃焼器の少なくとも一方と対向または接触して配置される第２の部材と，を有することを特徴とする。

本発明によれば，起動時に気化器を効果的に加熱可能な固体酸化物形燃料電池を提供できる。

以下，図面を参照して，本発明の実施の形態を詳細に説明する。
（第１の参考形態）
図１は本発明の第１参考形態に係る固体酸化物形燃料電池１００を表す側面図である。
図２は，固体酸化物形燃料電池１００を表す斜視図である。なお，図２では，断熱容器１７０の図示が省略されている。

固体酸化物形燃料電池１００は，燃料ガス（可燃ガス）と空気の供給を受けて発電を行う装置である。燃料ガスとして，都市ガスなどの炭化水素燃料を用いることができる。固体酸化物形燃料電池１００は，気化器１１０，改質器１２０，燃料電池スタック１４０，排ガス燃焼器１５０，起動用バーナ１６０，断熱容器１７０を有する。なお，気化器１１０等に接続される配管は図示を省略している。

気化器１１０は，改質器１２０に水蒸気を供給する。気化器１１０は，流入口１１１，流出口１１２，部材１１３，１１４を有する。なお，既述のように，流入口１１１，流出口１１２に接続される配管は図示を省略している。流入口１１１は，口径の異なる２つの管から構成される（２重管構造）。内側の管から水が，２つの管の間から燃料ガスが気化器１１０に流入する。流出口１１２から燃料ガスおよび水蒸気が流出し，図示しない配管を経由して，改質器１２０に流入する。部材１１３，１１４で，流入口１１１から流入した水が気化して，水蒸気となる。なお，部材１１３，１１４の詳細は後述する。

改質器１２０は，燃料電池スタック１４０の下部に接続され，水蒸気で燃料ガス（例えば，炭化水素燃料）を改質する（水蒸気改質方式）。固体酸化物形燃料電池１００は後述の燃料極４７での燃料ガスの改質が可能である。しかし，万一，燃料極４７で炭素が析出すると燃料電池スタック１４０が劣化，もしくは破損する恐れがある。このため，燃料ガス（炭化水素燃料）を改質してから，燃料電池スタック１４０へ流すことが望ましい。なお，水蒸気改質方式を採用したのは，部分酸化方式よりも発電効率が高くなることを考慮したためである。

燃料電池スタック１４０は，積層された燃料電池セル１４１，エンドプレート１４２，１４３を有する。燃料電池セル１４１は，板形状をなし，発電単位である。燃料電池セル１４１の詳細は後述する。

エンドプレート１４２，１４３は，耐熱性及び導電性に優れた板材（例えばステンレス製の板材）から構成される。エンドプレート１４２，１４３は，積層される燃料電池セル１４１を押圧する保持板であり，かつ燃料電池スタック１４０からの電流の出力端子でもある。エンドプレート１４２，１４３を介し，燃料電池スタック１４０を積層方向に貫く固定部材により，燃料電池セル１４１が締め付けられて固定，一体化されることで，燃料電池スタック１４０が構成される。この固定部材は，例えば，ボルト及びそれに螺合するナット等であり，燃料電池スタック１４０の枠部にあけられた貫通孔を貫く様に配置される。なお，本実施形態では，エンドプレート１４２，１４３がそれぞれ正極，負極となる。

図３は，燃料電池セル１４１を分解した状態を表す斜視図である。燃料電池セル１４１は，コネクタプレート４１（４１ａ，４１ｂ），空気極フレーム４２，絶縁フレーム４３，セパレータ４４，空気極４５，電解質４６，燃料極４７，燃料極フレーム４８を有する。

コネクタプレート４１ａ，４１ｂは，金属等の導電性材料から構成され，燃料電池セル１４１の厚み方向の両側に一対配置される。コネクタプレート４１により，燃料電池セル１４１それぞれのガス流路が分離され，かつ板厚方向での導通が確保される。

隣り合う燃料電池セル１４１の間に配置されるコネクタプレート４１は，インターコネクタとなり，隣り合う燃料電池セル１４１を区分する。燃料電池スタック１４０の積層方向の両端に配置されるコネクタプレート４１が，エンドプレート１４２，１４３となる。

電解質４６は，矩形の板形状であり，例えば，ＺｒＯ_２等の酸化物から構成され，セパレータ４４の下面に固定される。電解質４６は，酸素イオン伝導性固体電解質体として機能する。電解質４６の上下に，空気極４５および燃料極４７が固着される。空気極４５とコネクタプレート４１ａとの間には，その導通を確保するために，集電体（図示せず）が配置される。

コネクタプレート４１ａ，空気極フレーム４２，絶縁フレーム４３によって，セパレータ４４の上方に空気室が構成される。燃料極フレーム４８，コネクタプレート４１ｂによって，セパレータ４４の下方に燃料室が構成される。燃料室，空気室それぞれに，燃料ガス，空気が導入され，高温（例えば，７００℃程度）に加熱されることで，電解質４６を介して，可燃ガスと空気が反応し，空気極４５，燃焼極４７をそれぞれ正極，負極とする直流の電気エネルギーが発生する。

排ガス燃焼器１５０は，燃料電池スタック１４０からの発電後の余ったガス（排ガス）を燃焼させる。排ガス燃焼器１５０での排ガスの発熱および発電時の燃料電池セル１４１自体のジュール熱と，断熱容器１７０からの放熱や投入ガスの予熱といった吸熱分とがバランスする。この結果，燃料電池スタック１４０の温度が一定に保たれ，熱自立運転がなされる。

起動用バーナ１６０は，燃料電池スタック１４０を作動温度まで加熱するためのものであり，燃料電池スタック１４０および改質器１２０の下側に配置される。起動用バーナ１６０は，フレーム１６１，セラミックプレート１６２を有する。燃料ガスと空気の混合気が起動用バーナ１６０に投入され，セラミックプレート１６２の表面で燃焼する。

断熱容器１７０は，断熱性能を有した容器であり，気化器１１０，改質器１２０，燃料電池スタック１４０，排ガス燃焼器１５０，起動用バーナ１６０を格納する。断熱容器１７０は，容器本体１７１，断熱材１７２から構成される。金属製の容器本体１７１の内部にセラミックの多孔体からなる断熱材１７２が配置される。

（気化器の詳細）
気化器１１０は，改質器１２０に十分な量の水蒸気を供給する必要がある。もし，気化器１１０が十分に動作しないと，燃料ガス（炭化水素等）が分解することにより炭素析出が発生するため，部分酸化方式，もしくは水蒸気改質方式と部分酸化方式の併用を採用せざるを得なくなる。そして，起動時に燃料電池スタック１４０の温度が３５０℃以上になると，燃料極４７の酸化防止のため，燃料極４７側に燃料ガスや不活性ガス（例えば窒素ガス）を流す必要があるが，燃料ガスを用いて酸化防止を図った場合，気化器１１０での水の気化が十分でないと，燃料ガスが分解し，配管内，もしくは燃料極４７で炭素が析出する可能性がある。即ち，気化器１１０が十分に動作しないと，炭化水素燃料から炭素が析出するため，起動時には窒素ガスなどの不活性ガスを使用せざるを得なくなるが，家庭用や業務用を想定すると，固体酸化物形燃料電池での不活性ガスの使用は，利便性を阻害し，実用化の妨げになる。

部材１１３，１１４は，外形が略平板形状であり，その内部に互いに連結される空洞を有し，水の気化が可能である。部材１１３は，排ガス燃焼器１５０および燃料電池スタック１４０の側面に略並行に配置される。部材１１４は，起動用バーナ１６０の上面および燃料電池スタック１４０と排ガス燃焼器１５０の下面に略並行に配置される。即ち，起動用バーナ１６０と排ガス燃焼器１５０の近くに気化器１１０の一部（部材１１４）が配置され，起動用バーナ１６０と排ガス燃焼器１５０からの熱を受ける。

部材１１４が起動用バーナ１６０の上面に配置されていることで，起動時に，気化器１１０が起動用バーナ１６０からの放熱を受けることができる。また，部材１１３，１１４の双方が排ガス燃焼器１５０に面していることで，発電時に，気化器１１０が排ガス燃焼器１５０からの放熱を受けることができる。

この結果，起動時の早い段階で気化器１１０で水を気化することが可能となる。即ち，起動時に窒素ガスを用いず，燃料ガスを流しながら，燃料電池スタック１４０を昇温できる。また，発電時には，排ガス燃焼器１５０からの熱も受けることができる。

起動時には，起動用バーナ１６０及びこれに温められている燃料電池スタック１４０からの輻射熱により，気化器１１０が加熱される。発電時には，排ガス燃焼器１５０と燃料電池スタック１４０からの放熱により，気化器１１０が加熱される。この結果，気化器１１０で水蒸気が安定に発生される。

（第１の参考形態の変形例）
図４は本発明の第１参考形態の変形例に係る固体酸化物形燃料電池１００ａを表す側面図である。図５は，固体酸化物形燃料電池１００ａを表す斜視図である。なお，図５では，断熱容器１７０の図示が省略されている。固体酸化物形燃料電池１００ａは，気化器１１０ａを有する。気化器１１０ａは，流入口１１１，流出口１１２，部材１１３，１１４，１１５を有する。即ち，気化器１１０ａでは，気化器１１０と比較して，部材１１５が追加されている。部材１１５は外形が略平板形状で，その内部に部材１１３の空洞と連結される空洞を有する。部材１１５は，排ガス燃焼器１５０および燃料電池スタック１４０の側面と略並行に配置され（対向し），発電時に，排ガス燃焼器１５０および燃料電池スタック１４０からの発熱を受けることができる。この結果，気化器１１０ａは，より効果的に，水を気化できる。
その他の点では，固体酸化物形燃料電池１００ａは，固体酸化物形燃料電池１００と本質的に異なるものでないので，詳細な説明を省略する。

（第２の参考形態）
図６は本発明の第２参考形態に係る固体酸化物形燃料電池１００ｂを表す側面図である。固体酸化物形燃料電池１００ｂは，気化器１１０の面に対向する面Ａで，断熱材１７２が他の面（例えば，面Ｂ）より薄くなっている。気化器１１０にて断熱容器１７０内の熱が吸収されるようにすることで，その気化器１１０が配置される部分の断熱容器１７０の断熱性を低くすることができる。即ち，断熱材１７２の使用量を低減し，断熱容器１７０の一部で断熱性能を低下させても，断熱容器１７０全体での断熱性を同等の性能にすることができる。そのため，余計な断熱材１７２を使用する必要がなくなり，断熱容器１７０をコンパクトにすることができる。
その他の点では，固体酸化物形燃料電池１００ｂは，固体酸化物形燃料電池１００と本質的に異なるものでないので，詳細な説明を省略する。

（第１の実施の形態）
図７は本発明の第１実施形態に係る固体酸化物形燃料電池１００ｃを表す側面図である。固体酸化物形燃料電池１００ｃは，部材１１４ｃの長さが部材１１４より長いことから，部材１１４ｃが燃料電池スタック１４０と起動用バーナ１６０の間に配置されている。
気化器１１０の一部もしくは全体が起動用バーナ１６０と燃料電池スタックの間に配置されることで，起動時には起動用バーナ１６０からの熱を受け，発電時には燃料電池スタック１４０からの熱を受けることができる。
その他の点では，固体酸化物形燃料電池１００ｃは，固体酸化物形燃料電池１００と本質的に異なるものでないので，詳細な説明を省略する。

（第２の実施の形態）
図８は本発明の第２実施形態に係る固体酸化物形燃料電池１００ｄを表す側面図である。固体酸化物形燃料電池１００ｄは，２つの排ガス燃焼器１５０ａ，１５０ｂが燃料電池スタック１４０の上下に一体化して配置されている。排ガス燃焼器１５０ａ，１５０ｂと燃料電池スタック１４０を一体化することで，気化器１１０が発電時の燃料電池スタック１４０からのジュール熱と排ガス燃焼熱を同時に効果的に受けることができる。
その他の点では，固体酸化物形燃料電池１００ｄは，固体酸化物形燃料電池１００と本質的に異なるものでないので，詳細な説明を省略する。

（比較例）
図９は本発明の比較例に係る固体酸化物形燃料電池１００ｘを表す側面図である。固体酸化物形燃料電池１００ｘは，気化器１１０，改質器１２０に替えて，気化・改質器１１０ｘを有する。気化・改質器１１０ｘは，水の気化と，燃料ガスの改質の双方を実行する。気化・改質器１１０ｘを燃料電池スタック１４０の側面に配置することで，気化・改質器１１０ｘが燃料電池スタック１４０からの熱をうける。

（実施例）
第１，第２の参考形態，第１，第２の実施形態，および比較例についての実験結果を説明する。起動用バーナ１６０を動作し，次の（１），（２）の場合に，気化器１１０等の温度を測定した。
（１）燃料電池スタック１４０の温度が３５０℃で，水を注入していないとき
（２）燃料電池スタック１４０の温度が７００℃で，水を注入してから３０分経過したとき
図１０は，実験結果を纏めた表である。実施例１〜４は，燃料電池１００，１００ｂ，
１００ｃ，１００ｄに対応する。

実施例１では，発電時に水を添加して３０分後の気化器１１０の温度が２００℃となっており，水を気化できる温度であることが確認された。また，起動時においても燃料電池スタック１４０の温度が３５０℃と燃料極４７が酸化する温度であっても，気化器１１０の温度は５００℃と十分に水を気化できる温度であることが確認された。

実施例２では，発電時に水を添加して３０分後の気化器１１０の温度が２１０℃となっており，水を気化できる温度であることが確認された。また，起動時においても燃料電池スタック１４０の温度が３５０℃と燃料極４７が酸化する温度であっても，気化器１１０の温度は５２０℃と十分に水を気化できる温度であることが確かめられた。実施例２は実施例１と結果は同様であるが，断熱容器１７０の断熱性を下げても，断熱容器１７０からの放熱量は大きくなく，断熱材を減らせることが確認された。

実施例３では，発電時に水を添加して３０分後の気化器１１０の温度が２３０℃となっており，水を気化できる温度であることが確認された。また，起動時においても燃料電池スタック１４０の温度が３５０℃と燃料極４７が酸化する温度であっても，気化器１１０の温度は５５０℃と十分に水を気化できる温度であることが確認された。起動用バーナ１６０と燃料電池スタック１４０の間に気化器１１０の一部を配置することで，温度が１０％程度上がっており，気化能力が向上することが判った。

実施例４では，発電時に水を添加して３０分後の気化器１１０の温度が２４０℃となっており，水を気化できる温度であることが確認された。また，起動時においても燃料電池スタック１４０の温度が３５０℃と燃料極４７が酸化する温度であっても，気化器１１０の温度は５７０℃と十分に水を気化できる温度であることが確認された。排ガス燃焼器１５０を燃料電池スタック１４０と一体化することで，排ガス燃焼器１５０からの熱が効果的に受けられるようになり，気化能力が向上することが分かった。

比較例では，気化器１１０は燃料電池スタック１４０からの熱しか受けることができない構造であり，発電時に水を添加して３０分後の気化器１１０の温度が１００℃となっており，水が液体として存在しており，十分に気化できていない状態であることが確認された。また，起動時においても燃料電池スタック１４０の温度が３５０℃と燃料極４７が酸化する温度であっても気化器１１０の温度は８０℃しかなく，この温度では炭化水素燃料を流すと燃料電池スタック１４０内で炭化水素が分解し，炭素析出するので，窒素ガスなどの不活性ガスしか流すことができない。

（その他の実施形態）
本発明の実施形態は上記の実施形態に限られず拡張，変更可能であり，拡張，変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。例えば，次のように，気化器１１０ａを，第１の実施形態以外の第２〜第４の実施形態に適用しても良い。

本発明の第１参考形態に係る固体酸化物形燃料電池１００を表す側面図である。 固体酸化物形燃料電池１００を表す斜視図である。 燃料電池セル１４１を分解した状態を表す斜視図である。 本発明の第１参考形態の変形例に係る固体酸化物形燃料電池１００ａを表す側面図である。 固体酸化物形燃料電池１００ａを表す斜視図である。 本発明の第２参考形態に係る固体酸化物形燃料電池１００ｂを表す側面図である。 本発明の第１実施形態に係る固体酸化物形燃料電池１００ｃを表す側面図である。 本発明の第２実施形態に係る固体酸化物形燃料電池１００ｄを表す側面図である。 本発明の比較例に係る固体酸化物形燃料電池１００ｘを表す側面図である。 実験結果を纏めた表である。

符号の説明

１００ 固体酸化物形燃料電池
１１０ 気化器
１１１ 流入口
１１２ 流出口
１１３ 部材
１１４ 部材
１１５ 部材
１２０ 改質器
１４０ 燃料電池スタック
１４１ 燃料電池セル
１４２，１４３ エンドプレート
１５０ 排ガス燃焼器
１６０ 起動用バーナ
１６１ フレーム
１６２ セラミックプレート
１７０ 断熱容器
１７１ 容器本体
１７２ 断熱材
４１（４１ａ，４１ｂ） コネクタプレート
４２ 空気極フレーム
４３ 絶縁フレーム
４４ セパレータ
４５ 空気極
４６ 電解質
４７ 燃料極
４８ 燃料極フレーム

Claims (4)

1. 水を気化させて水蒸気を発生する気化器と，
   前記水蒸気を用いて，可燃ガスを改質する改質器と，
   燃料極および空気極が両面に配置された酸素イオン伝導性固体電解質体が積層され，前記改質された可燃ガスを酸素と反応させて，電力を発生する燃料電池スタックと，
   前記燃料電池スタックからの排ガスを燃焼させる排ガス燃焼器と，
   前記気化器，前記改質器，および前記燃料電池スタックを加熱する起動用バーナと，
   前記気化器，前記改質器，前記燃料電池スタック，前記排ガス燃焼器，および前記起動用バーナを収容する断熱容器と，を具備し，
   前記気化器が，前記起動用バーナと対向し，かつ前記起動用バーナと前記燃料電池スタックの間に配置される第１の部材と，この第１の部材と一体的に形成され，かつ前記燃料電池スタックまたは前記排ガス燃焼器の少なくとも一方と対向または接触して配置される第２の部材と，を有することを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
2. 前記第２の部材と前記燃料電池スタックの間に，前記排ガス燃焼器が配置される
   ことを特徴とする請求項１記載の固体酸化物形燃料電池。
3. 前記排ガス燃焼器が前記燃料電池スタックと近接または接触して配置される
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の固体酸化物形燃料電池。
4. 前記第２部材が，前記燃料電池スタックに対向する第１の面と，この第１の面の反対側に配置される第２の面と，を有し，
   前記断熱容器が断熱層を有し，
   前記第２の面に対向する箇所での前記断熱層の厚さが，前記燃料電池スタックに対向する箇所での前記断熱層の厚さより，薄い
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の固体酸化物形燃料電池。

Images