JPH04280484A - 固体電解質型燃料電池システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、固体燃料電池から排出
される熱エネルギーを有効に利用できる固体電解質型燃
料電池システムに関するものある。

【０００２】

【従来の技術】電解質に酸化物固体電解質を用いる固体
電解質型燃料電池は、その動作温度が約１０００℃と高
温なために発電効率が高いこと、構成材料が固体のため
液漏れのトラブルがないこと等の特長を有し、第三世代
の燃料電池として期待されている。

【０００３】このような燃料電池の従来例を図５に示す
。図において、１は燃料電池本体、２は燃焼室、１１は
燃料入口マニホールド、１２は空気入口マニホールド、
１３は燃料出口マニホールド、１４は空気出口マニホー
ルド、１５は燃焼ガス排出口を示している。

【０００４】まず、燃料入口マニホールド１１，空気入
口マニホールド１２より燃料電池本体１へ、反応ガスと
して燃料および空気が送り込まれる。燃料電池本体１内
では、燃料極に供給された燃料が１０００℃程度の高温
でまず改質されて水素になり、この水素と、酸素極に供
給された空気中の酸素とが反応して電気と熱を発生する
。燃料出口マニホールド１３からは、その反応によって
生成された水蒸気と、改質の際に生成された二酸化炭素
および反応に使われなかった未反応水素が排出される。 空気出口マニホールド１４からは、未反応酸素ガスおよ
び反応に関与しない窒素ガスが排出され、前記燃料出口
マニホールド１３から排出される水蒸気，二酸化炭素，
未反応水素と燃焼室２で合流する。燃焼室２は、前記未
反応の水素を燃焼させ、燃料電池１本体に送り込まれる
燃料および空気が予熱できる熱交換機能を有している。

【０００５】このような燃料電池本体１の運転時におけ
る温度は約１０００℃に、燃焼室２内の温度は５００℃
以上に保たれており、燃焼室２外へ排気される二酸化炭
素および水蒸気の混合した燃焼ガスの温度は約５００℃
となる。このような高温の排ガス（燃焼ガス）が有する
熱エネルギーは、従来、タービンによる発電，吸収式冷
凍機による冷房，または給湯等に用いられ利用されてい
た。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の技術による燃料電池から排出される高温の排ガスが
持つ熱エネルギーの利用技術として、タービンを回転さ
せて発電する方法では、発電効率は３０％程度と比較的
高いもののタービンの専有面積が大きく、また保守のコ
ストが大きく、さらに騒音が大きい等の問題があった。 また、吸収式冷凍機による冷房を行う方法では吸収式冷
凍機の動作温度が２００℃以下であることから、高温の
熱エネルギーを有効に利用してはいなかった。さらに給
湯等に利用する方法については、大量に湯を使う用途は
限られており、また、給湯の温度としては１００℃以下
であることから吸収式冷凍機と同様に高温の熱エネルギ
ーを有効に利用してはいなかった。

【０００７】本発明は、上記問題点を解決するためにな
されたものであり、その目的は、運転時に固体電解質型
燃料電池から排出される高温排ガスの熱エネルギーを有
効に利用可能にするとともに、その際に騒音がなく、保
守が容易になるようにする固体電解質型燃料電池システ
ムを提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明の固体電解質型燃料電池システムにおいては
、固体電解質型燃料電池の運転時に排出される高温排ガ
スの熱エネルギーを高温側熱源とし、この高温側熱源と
低温浴の間に熱電発電素子または温度差電池を設置し、
前記高温排ガスの熱エネルギーを電気に変換することを
特徴としている。

【０００９】

【作用】本発明の固体電解質型燃料電池システムでは、
固体電解質型燃料電池運転時に排出される高温排ガスの
熱エネルギーを高温側熱源とし、これと低温浴の間で熱
電発電素子または温度差電池により熱電変換を行う。熱
電発電素子または温度差電池の熱電変換効率は、カルノ
ーサイクルの熱効率の原理に従い、高温側温度が高く温
度差が大きい程向上する。本発明は、このことを利用し
て、排ガスの熱エネルギーの有効利用を図る。また、熱
電発電素子または温度差電池は、回転部分がないことに
より、騒音をなくし保守を容易にする。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の実施例を、図面を参照して詳
細に説明する。

【００１１】図１は本発明の第１の実施例を示す構成図
である。図において、１は燃料電池本体、２は燃焼室、
３は熱源、４は低温浴、５は熱電発電素子または温度差
電池（以下代表して熱電発電素子等と記す）、１１は燃
料入口マニホールド、１２は空気入口マニホールド、１
３は燃料出口マニホールド、１４は空気出口マニホール
ド、１５は燃焼ガス排出口、１６は熱源入口、１７は熱
源排出口、１８は低温浴入口、１９…低温浴出口である
。

【００１２】燃料電池本体１および燃焼室２に関連する
構成は、図５で説明した従来例の同符号の構成部分と同
様である。本実施例では、燃焼室２の燃焼ガス排出口１
５を熱電発電素子等５の熱源３の熱源入口１６に接続す
る。これにより、燃料室２における燃焼ガス排出口１５
から排出される燃焼ガスは、熱源入口１６を通り、熱源
３に流入した後、熱源排出口１７より排出される。具体
例で述べると、その時、燃焼室２内の温度が８００℃で
あれば、熱源入口１６の温度は８００℃となり、ここで
、熱源排出口１７の温度が５００℃、熱源３の平均温度
が６５０℃となるよう燃焼ガスの流量調整を行う。一方
、冷却用空気を低温浴入口１８より流入させ、低温浴４
を通して低温浴出口１９より流出させる。ここで、低温
浴入口１８の温度が２５℃であれば、低温浴出口１９の
温度が２２５℃、低温浴４の平均温度が１００℃となる
ように、冷却用空気の流量調整を行う。この平均温度６
５０℃の熱源３と平均温度１００℃の低温浴４の間に下
記に述べる熱電発電素子または温度差電池５を設置する
。

【００１３】図２は熱電発電素子の構成例を示す斜視図
である。図において、５１はｎ形熱電半導体、５２はｐ
形熱電半導体、５３は金属電極を示している。通常、熱
電発電素子としては、複数のｎ形熱電半導体素子５１お
よびｐ形熱電半導体５２が金属電極５３により交互に電
気的に直列に接続されてユニット化されたサーモモジュ
ールが用いられる。ここで、一方の面の金属電極５３側
（高温側）を図１の熱源３側に接するようにし、他方の
面の金属電極５３側（低温側）を低温浴４側に接するよ
うに配置すると、ｎ形熱電半導体５１は高温側が正（＋
），低温側が負（−）になるように熱起電力を発現し、
ｐ形熱電半導体５２は高温側が負（−），低温側が正（
＋）になるように熱起電力を発現して、端子電圧ＶＭで
矢示のような方向に電流Ｉを流すことができる。このｎ
形およびｐ形の熱電半導体材料としては、ビスマステル
ル系、鉛テルル系、鉄シリコーン系、シリコーンゲルマ
ニウム系、ビスマスアンチモン系、ガリウムリン系等の
ものが用いられるが、本発明ではこれらに限定されず、
温度差間に設置された時に起電力を発現し出力が取り出
せれるものであればよい。

【００１４】次に、温度差電池の構成例を図３の斜視図
に示す。図において、５４は上部空間、５５，５６は多
孔質カーボン電極、５７はＡｇＣｌ溶融塩電解質、５８
は下部空間、５９は管路を示している。温度差電池の構
成においては、２枚の多孔質カーボン電極５５，５６間
にＡｇＣｌ溶融塩電解質５７を、電極５５，５６の上部
および下部に空間５４，５８を有し、この上部，下部空
間５４，５８は、管路５９でつながった構造となってお
り、塩素ガスＣｌ２で満たされている。

【００１５】このような構造の温度差電池が温度差間に
置かれた時に熱起電力を生じ、低温側電極ではｅ−＋１
／２Ｃｌ２→Ｃｌ−となり、Ｃｌ−がＡｇＣｌ溶融塩電
解質５７間を移動し、高温側電極５５ではＣｌ−→１／
２Ｃｌ２＋ｅ−となり、Ｃｌ２ガスを発生する。Ｃｌ２
ガスは拡散により上部空間５４から管路５９を通して下
部空間５８へ移動することによって、再び反応し、定常
的に出力を取り出すことができる。

【００１６】温度差電池においても、単セルでは、熱起
電力が小さいことから、ｎ形（高温側が負、低温側が正
）およびｐ形（高温側が正、低温側が負）の単セル電池
を図２と同様に電気的に直列に接続してユニット化した
サーモモジュールを用いてもよい。温度差電池例として
は、正極／電解質／負極が、固体電解質型のＡｇ／α−
ＡｇＩ／Ａｇ系、Ｉ２，Ｃ／α−ＡｇＩ／Ｃ，Ｉ２系、
Ｏ２＋Ｎ２／ζ−（Ｂｉ２Ｏ３）１−Ｘ（Ｙ２Ｏ３）Ｘ
／Ｐｔ，Ｏ２＋Ｎ２（Ｘ＝０，０．３）系、溶融塩電解
質型αＡｇ／ＡｇＸ（χ），ＡｇＹ（１−χ）／Ａｇ（
Ｘ，Ｙ＝Ｉ，Ｂｒ，Ｃｌ，ＮＯ３，χ＝１〜０系）、Ｃ
ｌ２，Ｃ／ＭＣｌ／Ｃ，Ｃｌ２（Ｍ＝Ｋ，Ｎａ，Ｌｉ）
系、Ａｇ／ＡｇＮＯ３（χ），ＭＮＯ３（１−χ）／Ａ
ｇ（χ＝１〜０．２，Ｍ＝Ｋ，Ｒｂ，Ｃｓ）系、Ｎｉ／
ＮｉＣｌ２／ＫＣｌ（０．４６），ＺｎＣｌ２（０．５
４）／ＣｕＣｌ／Ｃｕ系、Ｏ２＋ＣＯ２，Ｐｔ／Ｍ２Ｃ
Ｏ３／Ｐｔ，Ｏ２＋ＣＯ２（Ｍ＝Ｌｉ，Ｎａ，Ｋ）系、
水溶液系のＰｔ／Ｆｅ（ＣＮ）６４−，Ｆｅ（ＣＮ）６
３−，Ｋ２ＳＯ４／Ｐｔ系、Ｐｔ／Ｆｅ２＋，Ｆｅ３＋
，ＨＣｌ／Ｐｔ系等のもの使用ができるが、本発明では
これらに限定されず、温度差間に設置された時に起電力
を発現し出力が取り出せれるものであればよい。

【００１７】以上のように構成した第１の実施例の動作
および作用を述べる。本実施例では、熱電発電素子また
は温度差電池５を高温側熱源３と低温浴４との間に設置
することにより、温度差に比例した熱起電力を発現する
ものである。熱電発電素子または温度差電池５の熱電変
換効率は、カルノーサイクルの熱効率の原理に従い、高
温側温度が高く温度差が大きい程向上する。従って、高
温の熱エネルギーを放出する固体電解質燃料電池に適用
すると、一層高効率の熱電変換が可能となる。また、熱
電発電素子または温度差電池５は回転部分がないため、
騒音が無く保守の容易なシステムが実現できる。

【００１８】例えば、上記第１の実施例において、発電
能力１５ｍＶ／℃を有するＦｅＳｉ系熱電発電素子また
は温度差電池５を設置すると、ほぼ温度差に比例した熱
起電力を発生し、温度差５５０℃で８．２Ｖの電圧を取
り出すことができる。また、熱源排出口１７より排出さ
れる燃焼ガスの熱エネルギーは、さらに別な熱電発電素
子または温度差電池を用いて、同様の方法により熱電変
換することができる。さらに、低温浴出口１９より排出
される空気は、２００℃以上に加熱されるため、この熱
エネルギーを吸収式冷凍機，給湯等の熱源に利用しても
よい。このようにすれば、より一層の固体電解質型燃料
電池１の高温排ガスの熱エネルギーの有効利用が図れる
。

【００１９】次に、本発明の第２の実施例を説明する。

【００２０】図４は、その構成図を示す。本実施例は、
低温浴４の冷却媒体に燃料電池本体１に供給する燃料ガ
スおよび空気を用いた点が第１の実施例と異なっている
。すなわち、燃料ガスは低温浴入口１８から流入し、低
温浴４を通り低温浴出口１９から出て、燃料室２で加熱
され燃料入口マニホールド１１から燃料電池本体１へ送
り込まれる。空気も燃料ガスとは別の低温浴入口２０か
ら低温浴４へ流入し、低温浴出口２１から出て、燃焼室
２で加熱された空気入口マニホールド１２から燃料電池
本体１へ送り込まれる。燃料電池本体１で反応したガス
は、燃料室２で燃焼したのち燃焼ガス排出口１５から排
出され、熱源入口１６から熱源３へ流入し、熱源排出口
１７から排出される。その他の構成は、第１の実施例と
同様である。

【００２１】このような構成の第２実施例では、燃料ガ
スおよび空気が低温浴４においても予備加熱されて燃料
電池本体１へ送り込まれるため、熱源入口１６の温度は
第１の実施例よりも高温になり、熱電発電素子等５の熱
電変換効率をより一層高めることができる。

【００２２】以上を第１の実施例に対応する具体例で述
べると、燃料ガスおよび空気は、低温浴入口１８，２０
での温度が２５℃であるとすると、低温浴出口１９，２
１での温度が２２５℃となって燃焼室２へ送り込まれる
。ここで、燃料ガスおよび空気は、２２５℃まで予備加
熱されているため、燃焼室２内の温度は、未反応水素の
燃焼により９００℃まで上昇する。従って、９００℃の
燃焼ガスが熱源３に流入し、熱源排出口１７では温度７
００℃で排出され、熱源３の平均温度は８００℃となる
。この平均温度８００℃の熱源３と平均温度１００℃の
低温浴４の間に、発電能力１５ｍＶ／℃を有するＦｅＳ
ｉ系の熱電発電素子または塩化銀溶融塩を用いた温度差
電池５を設置すると、ほぼ温度差に比例した熱起電力す
なわち、温度差７００℃で１０Ｖの電圧を取り出すこと
ができる。なお、熱源排出口１７より排出される熱エネ
ルギーは熱電発電素子または温度差電池を用いて、同様
の方法により熱電変換すれば、より一層の高温排ガスの
熱エネルギーの有効利用を図ることができる。

【００２３】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明の
固体電解質型燃料電池システムは、燃料電池運転時に排
出される高温排ガスの熱エネルギーを有効に電気変換で
き、騒音がなく、保守が容易であるという利点を有して
いる。また、本発明の請求項２の発明によれば、燃料電
池へ供給する燃料ガスと空気が予備加熱されるので、高
温排ガスの温度をより一層高くすることができ、より一
層高い効率で高温排ガスの熱エネルギーを電気変換する
ことが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示す構成図

【図２】本
発明の実施例に使用する熱電発電素子の構成例を示す斜
視図

【図３】本発明の実施例に使用する温度差電池の構成例
を示す斜視図

【図４】本発明の第２の実施例を示す構成図

【図５】固
体電解質型燃料電池の従来例を示す構成図

【符号の説明】

１…燃料電池本体、２…燃焼室、３…熱源、４…低温浴
、５…熱電発電素子または温度差電池、１１…燃料入口
マニホールド、１２…空気入口マニホールド、１３…燃
料出口マニホールド、１４…空気出口マニホールド、１
５…燃焼ガス排出口、１６…熱源入口、１７…熱源排出
口、１８…低温浴入口（または燃料ガス用低温浴入口）
、１９…低温浴出口（または燃料ガス用低温浴出口）、
２０…空気用低温浴入口、２１…空気用低温浴出口。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　固体電解質型燃料電池の運転時に排出
   される高温排ガスの熱エネルギーを高温側熱源とし、こ
   の高温側熱源と低温浴の間に熱電発電素子または温度差
   電池を設置し、前記高温排ガスの熱エネルギーを電気に
   変換することを特徴とする固体電解質型燃料電池システ
   ム。
2. 【請求項２】　　請求項１記載の固体電解質型燃料電池
   システムにおいて、低温浴の冷却媒体に固体電解質型燃
   料電池に供給する燃料ガスおよび／または空気を用いた
   ことを特徴とする固体電解質型燃料電池システム。