JPH04286867A - 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、熱サイクルを少なくし
、熱サイクルに伴う材料劣化を抑える固体電解質型燃料
電池システムに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】固体電解質型燃料電池は、第３世代の燃
料電池と言われており、電解質として酸化物固体内の酸
素イオン伝導性を利用しているため、電解質の損耗の問
題は解消され、かつ１０００℃近くの高温で運転される
ため、発電効率も従来型の燃料電池に比べて高いという
利点がある。しかし、１０００℃という高温で使用する
ために使用材料に制限があり、例えば固体電解質にはＹ
２Ｏ３ドープＺｒＯ２（ＹＳＺ）、または燃料電極には
Ｎｉ＋ＺｒＯ２サーメット、酸素電極にはペロブスカイ
ト系結晶構造の酸化物導電性材料というようなセラミッ
クス材料が使用されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の技術による固体電解質型燃料電池では、限られたセ
ラミックス材料を用いているため、熱サイクルに弱く、
その熱サイクルに伴う材料劣化が避けられないという問
題がある。そこで、このような熱サイクルを小さくし、
熱サイクルに伴う材料劣化を避けるため、一旦運転を開
始したら連続運転状態を保持した方が良いとされている
。しかし、このような連続運転では、固体電解質型燃料
電池の出力を、使用する機器等の最大電力消費量に設定
する必要があるため、電力供給量が電力消費量に比べて
かなり大きくなり、電力損失が大きいという問題点があ
った。この対策として酸素ならびに燃料ガス供給量を変
化させ出力を調整する方法があるが、この方法ではガス
流量の変化にともない固体電解質型燃料電池の運転温度
が変化し、結局は固体電解質型燃料電池に熱負荷がかか
ることになるという問題がある。

【０００４】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、固体電解質型燃料電池
の出力を低く抑えたロードレベリングが可能で、かつ熱
サイクルが少ない固体電解質型燃料電池システムを提供
することを目的としている。

【０００５】

【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外周あるいは外部に該固体電
解質型燃料電池の余剰熱で動作する高温型固体電解質二
次電池または高温型溶融塩二次電池を配置し、前記固体
電解質型燃料電池を前記高温型固体電解質二次電池また
は高温型溶融塩二次電池に負荷の電力消費量に応じて充
放電させる手段を介して接続したことを特徴としている
。

【０００６】

【作用】本発明の固体電解質型燃料電池システムでは、
負荷の電力消費量が少ない時間帯には、固体電解質型燃
料電池の余剰な出力を、高温型固体電解質二次電池ある
いは高温型溶融塩二次電池に、充放電手段を通して充電
することによって蓄える。一方負荷の電力消費量が多い
時間帯には、固体電解質型燃料電池の出力の不足分を、
これら二次電池を放電することによって補う。このよう
にして、固体電解質型燃料電池の出力を低く抑えたロー
ドレベリングを可能にして電力損失のない運転を可能に
し、かつ、酸素ならびに燃料ガスの供給量を一定あるい
は変化を小さくして熱サイクルを少なくする。高温型固
体電解質二次電池あるいは高温型溶融塩二次電池は、そ
の動作に必要な温度を、固体電解質型燃料電池の運転に
よる余剰熱を利用して保持する。

【０００７】

【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。

【０００８】図１は本発明の第１の実施例のシステム構
成図を示す。

【０００９】図において、１は固体電解質型燃料電池、
２は高温型固体電解質二次電池、３はガス流路を表して
おり、高温型固体電解質二次電池２は、固体電解質型燃
料電池１の外部に配置されている。すなわち、固体電解
質型燃料電池１はガス流路３の上流に挿入配置され、高
温型固体電解質二次電池２はそのガス流路３の下流に挿
入配置される。従って、高温型固体電解質二次電池２へ
は、固体電解質型燃料電池１からの排ガスが供給される
。一方、４０は電気的接続、４１は負荷、４３は定電流
充電器、４４はＤＣ−ＤＣコンバータあるいはインバー
タを表している。定電流充電器４３は、固体電解質型燃
料電池１と、高温型固体電解質型二次電池２と、ＤＣ−
ＤＣコンバータあるいはインバータ４４の入力とに電気
的接続４０がなされており、高温型固体電解質二次電池
２から固体電解質型燃料電池１への逆流防止回路、高温
型固体電解質二次電池２の過充電，過放電を防止するた
めの保護回路を備えている。ＤＣ−ＤＣコンバータある
いはインバータ４４の出力は、負荷４１に電気的接続４
０がなされ、所定の形式に電力変換を行って負荷４１に
電力を供給する。

【００１０】次に、上記第１の実施例における固体電解
質型燃料電池１の構成例を説明する。図２は、その一部
破断面を含む斜視図を示す。図において、４は単位発電
セル、８は燃料電池スタック、１１は断熱容器、１２ａ
〜１２ｄはガス路を示している。平板型を例として、単
位発電セル４は、イットリア（Ｙ２Ｏ３）を添加したジ
ルコニア（ＺｒＯ２）系から成る固体電解質５と、スト
ロンチウム（Ｓｒ）を添加したランタンマンガナイト（
Ｌａ１−ｘＳｒｘＭｎＯ３）等のペロブスカイト系結晶
構造の酸化物導電性材料の酸素電極６と、Ｎｉ−ＺｒＯ
２サーメットの燃料電極７とからなる。この単位発電セ
ル４は、１段以上積層されて燃料電池スタック８を形成
し、単位発電セル４間は、ＬａＣｒ１−ｘＭｇｘＯ３系
酸化物導電性材料のインタコネクタ９により接続されて
いる。この燃料電池スタック８の両側面壁には、アルミ
ナ（Ａｌ２Ｏ３）製のガスマニホールド構造体１０が配
置され、その外側に２重壁を有するステンレス製の断熱
容器１１が配置されている。ガスマニホールド等のつな
ぎ目は、ガラスやセラミックス接着剤により接着され、
ガスシールがなされている。そして、例えば図中のガス
路１２ａから空気（酸素ガス）を供給し、ガス路１２ｂ
から燃料ガスを供給し、ガス路１２ｃおよび１２ｄから
排ガスを排出するようになっている。

【００１１】次に、上記第１の実施例における高温型固
体電解質二次電池２の構成例を説明する。

【００１２】まず、高温型固体電解質二次電池の単位発
電セルの構造を図３の断面図で示す。Ｎａ−Ｓ高温型固
体電解質二次電池を例として、単位発電セル１３は、溶
融金属ナトリウム（Ｎａ）からなる負極１４、β−アル
ミナ（Ｎａ２Ｏ・１１Ａｌ２Ｏ３）からなる固体電解質
１５、溶融硫黄からなる正極１６、これらを収容するス
テンレス製の金属容器１７で構成される。ここで正極側
端子１８と負極側端子１９は、一端を閉じた管状の固体
電解質１５の開口端に絶縁用α−アルミナ製リング２０
をガラスで封着し、絶縁を保った構造になっている。

【００１３】第１の実施例における固体電解質型二次電
池２としては、上記した単位発電セル１３をモジュール
化したものが使用される。図４は、その高温型固体電解
質二次電池モジュールを示す。高温型固体電解質二次電
池モジュールは、単位発電セル１３が、数個から数十個
直列あるいは並列に接続されて形成され、この外側にス
テンレス製の断熱容器２１が配置されている。この断熱
容器２１内に連通してガス流路３が接続される。

【００１４】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。

【００１５】高温型固体電解質二次電池等を動作させる
ためには、３００℃〜６５０℃の温度が必要である。本
実施例では、この動作温度を、固体電解質型燃料電池１
の高温排ガスを利用して得る。すなわち、固体電解質型
燃料電池１は約１０００℃の高温で運転されるので、前
述のＮａ−Ｓ高温型固体電解質二次電池２は、固体電解
質型燃料電池１の排ガスにより、動作温度である３５０
℃に保持される。このＮａ−Ｓ高温型固体電解質二次電
池２の単位発電セル１３では、１本当り２．０７Ｖの電
圧を取り出すことができる。

【００１６】ここで、図１の電気的接続構成により、負
荷４１の電力消費量少ない時間帯になると、固体電解質
型燃料電池１で余剰になる出力は、定電流充電器４３を
通してＮａ−Ｓ高温型固体電解質二次電池２へ供給され
、Ｎａ２Ｓｘ→２ＮＡ＋ｘＳ…（１）の充電反応により
蓄えられる。逆に、負荷４１の電力消費量の多い時間帯
になると、２Ｎａ＋ｘＳ→Ｎａ２Ｓｘ…（２）の放電反
応により、Ｎａ−Ｓ高温型固体電解質型二次電池２に蓄
えた電力が取り出され、固体電解質型燃料電池１の出力
だけでは不足する負荷４１への電力がＤＣ−ＤＣコンバ
ータあるいはインバータ４４へ供給される。このように
して固体電解質型燃料電池１の出力を低く抑えたロード
レベリングが可能となり、空気および燃料ガスの供給量
を一定もしくは変動を小さくできるので、熱サイクルが
少ない固体電解質型燃料電池システムを実現することが
できる。

【００１７】次に、本発明の第２の実施例を説明する。

【００１８】図５は、そのシステム構成図を示す。図に
おいて、１は固体電解質型燃料電池、２は高温型固体電
解質二次電池、３はガス流路を表しており、高温型固体
電解質二次電池２が固体電解質型燃料電池１の外周に配
置されている。一方、電気的接続は第１の実施例と同様
である。図６，図７は、高温型固体電解質二次電池２の
配置構造をさらに詳しく説明するための図であり、図６
は固体電解質型燃料電池１ならびに高温型固体電解質二
次電池２の横断面図を示し、図７は縦断面図を示す。固
体電解質型燃料電池１ならびに高温型固体電解質二次電
池２の構造ならびに使用材料は図２，図３で説明した第
１の実施例と同様である。本実施例では、高温型固体電
解質二次電池２を構成する単位発電セル１３が固体電解
質型燃料電池１の外周を取り巻く２重壁を有するステン
レス製の断熱容器２５の内部に配置されている。

【００１９】以上のように構成された第２の実施例にお
いては、高温型固体電解質二次電池２を構成している単
位発電セル１３が固体電解質型燃料電池の外周に配置さ
れ、さらにその外周を断熱容器２５で囲まれているので
、高温型固体電解質二次電池２は固体電解質型燃料電池
の幅射熱によって動作温度を保持できる。従って、本実
施例も実施例で説明した同様に、固体電解質型燃料電池
の出力を低く抑えたロードレベリングが可能で、かつ熱
サイクルが少ない固体電解質型燃料電池システムを実現
することができる。本実施例では、固体電解質型燃料電
池１の排ガスを高温型固体電解質二次電池２へ循環させ
る必要がないという利点が得られる。

【００２０】次に、本発明の第３の実施例を説明する。

【００２１】図８は、そのシステム構成図を示す。図に
おいて、１は固体電解質型燃料電池、２７は高温型溶融
塩二次電池、３はガス流路を表しており、本実施例では
高温型溶融塩二次電池２７が固体電解質型燃料電池１の
外周に配置されている。すなわち、固体電解質型燃料電
池１はガス流路３の上流に挿入配置され、高温型固体電
解質二次電池２７はそのガス流路３の下流に挿入配置さ
れる。従って、高温型固体電解質二次電池２７へは、固
体電解質型燃料電池１からの排ガスが供給される。一方
、電気的接続は、第１の実施例と同様である。また、固
体電解質型燃料電池１の構成ならびに使用材料も、第１
の実施例と同様である。

【００２２】上記第３の実施例における高温型溶融塩二
次電池２７の構成例は、次の通りである。図９は、高温
型溶融塩二次電池２７の単位発電セル２９の断面図を示
す。Ｌｉ−Ａｌ／ＦｅＳ高温型溶融塩二次電池を例とし
て、単位発電セル２９は、リチウム含有量が約１０〜４
８ｍｏｌ％のリチウム−アルミニウム合金（Ｌｉ−Ａｌ
）からなる負極３０、塩化リチウム−塩化カリウム（６
７ｍｏｌ％ＬｉＣｌ−３３ｍｏｌ％ＫＣｌ）からなる溶
融塩３１、硫化鉄（ＦｅＳ）からなる正極３２、さらに
窒化ホウ素クロスからなるセパレータ３３、鉄メッシュ
からなる正極集電体３４、ステンレススクリーンからな
る負極集電体３５、これらを収容するステンレス製の金
属容器３６で構成される。高温型容器溶融塩二次電池２
７としては、この単位発電セル２９をモジュール化した
ものが用いられる。高温型溶融塩二次電池モジュールの
構成は、第１の実施例の図４で示した高温型固体電解二
次電池のモジュールと同様であり、単位発電セル２９が
、数個から数十個直列あるいは並列に接続されて、高温
型溶融塩二次電池のモジュールを形成しており、この外
側にステンレス製の断熱容器が配置されている。

【００２３】以上のように構成した第３の実施例の動作
および作用を述べる。

【００２４】本実施例においては、高温型溶融塩二次電
池２７の動作温度を、固体電解質型燃料電池１の高温排
ガスおよび輻射熱を利用して得る。すなわち、上記した
Ｌｉ−Ａｌ／ＦｅＳ高温型溶融塩二次電池２７は、固体
電解質型燃料電池１の排ガスや輻射熱により、動作温度
である４５０〜５００℃に保持される。このＬｉ−Ａｌ
／ＦｅＳ高温型溶融塩二次電池２７の単位発電セルでは
１本当り、１．３３Ｖの電圧を取り出すことができる。

【００２５】ここで、図８の電気的接続構成により、第
１の実施例で説明したと同様にして、負荷４１の電力消
費量少ない時間帯になると、固体電解質型燃料電池１で
余剰になる出力は、定電流充電器４３を通して高温型溶
融塩二次電池２７へ供給され、Ｆｅ＋Ｌｉ２Ｓ＋２Ａｌ
→２（Ｌｉ−Ａｌ）＋ＦｅＳ…（３）の充電反応により
蓄えられる。逆に、負荷４１の電力消費量の多い時間帯
になると、２（Ｌｉ−Ａｌ）＋ＦｅＳ→Ｆｅ＋Ｌｉ２Ｓ
＋２Ａｌ…（４）の放電反応により、高温型溶融塩二次
電池２７に蓄えた電力が取り出され、固体電解質型燃料
電池１の出力だけでは不足する負荷４１への電力がＤＣ
−ＤＣコンバータあるいはインバータ４４へ供給される
。このようにして固体電解質型燃料電池１の出力を低く
抑えたロードレベリングが可能で、かつ熱サイクルが少
ない固体電解質型燃料電池システムを実現することがで
きる。

【００２６】なお、第１および第２の実施例では、固体
電解質型燃料電池として平板型固体電解質型燃料電池を
示したが、円筒型固体電解質型燃料電池も同様な構造に
することができる。また、高温型固体電解質二次電池と
してＮａ−Ｓ型を挙げたが、これに限られるものではな
い。具体的には、それ以外にＬｉ／Ｓ高温型固体電解質
二次電池などが挙げられる。また、第３の実施例では、
高温型溶融塩二次電池としてＬｉ−Ａｌ／ＦｅＳ型を挙
げたが、これに限られるものではない。具体的にはＬｉ
／Ｓ高温型溶融塩二次電池、Ｌｉ／Ｃｌ２高温型溶融塩
二次電池などが挙げられる。また、第１または第３の実
施例においては、排ガスのほかスチームを利用して二次
電池の動作温度を得るようにしても良い。以上では、第
１〜第３の実施例を用いて本発明の説明を行ったが、本
発明はこれらに限定されるものでないことは当然であり
、その主旨に沿って種々に応用され、種々の実施態様を
取り得るものである。

【００２７】

【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、固体電解質型燃料電
池の出力を低く抑えたロードレベリングが可能で、かつ
熱サイクルが少ないという効果を有している。このため
、固体電解質型燃料電池の材料劣化を低減できる利点が
得られる。

【００２８】また、請求項２の発明によれば、特に固体
電解質型燃料電池の余剰熱を有効に利用して、高温型高
温電解質二次電池または高温型溶融塩電池を動作させる
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示すシステム構成図

【
図２】固体電解質型燃料電池の一部破断面を含む斜視図

【図３】高温型固体電解質二次電池の単位発電セルの断
面図

【図４】高温型固体電解質二次電池のモジュールの構成
図

【図５】本発明の第２の実施例を示すシステム構成図

【
図６】固体電解質型燃料電池ならびに高温型固体電解質
二次電池の横断面図

【図７】固体電解質型燃料電池ならびに高温型固体電解
質二次電池の縦断面図

【図８】本発明の第３の実施例を示すシステム構成図

【
図９】高温型溶融塩二次電池の単位発電セルの断面図

【符号の説明】

１…固体電解質型燃料電池、２…高温型固体電解質二次
電池、３…ガス流路、４…単位発電セル、５…固体電解
質、６…酸素電極、７…燃料電極、８…燃料電池スタッ
ク、９…インタコネクタ、１０…ガスマニホールド構造
体、１１…断熱容器、１２ａ…空気（酸素）ガス路、１
２ｂ…燃料ガス路、１２ｃ，１２ｄ…排ガス路、１３…
単位発電セル、１４…負極、１５…固体電解質、１６…
正極、１７…金属容器、１８…正極端子、１９…負極端
子、２０…絶縁用リング、２１…断熱容器、２５…２重
壁を有する断熱容器、２７…高温型溶融塩二次電池、２
９…単位発電セル、３０…負極、３１…溶融塩、３２…
正極、３３…セパレータ、３４…正極集電体、３５…負
極集電体、３６…金属容器、４０…電気的接続、４１…
負荷、４３…定電流充電器、４４…ＤＣ−ＤＣコンバー
タあるいはインバータ。

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外周あるいは
   外部に該固体電解質型燃料電池の余剰熱で動作する高温
   型固体電解質二次電池または高温型溶融塩二次電池を配
   置し、前記固体電解質型燃料電池を前記高温型固体電解
   質二次電池または高温型溶融塩二次電池に負荷の電力消
   費量に応じて充放電させる手段を介して接続したことを
   特徴とする固体電解質型燃料電池システム。
2. 【請求項２】　　固体電解質型燃料電池の容器が二重壁
   を有する断熱容器であり、高温型固体電解質二次電池あ
   るいは高温型溶融塩二次電池がその内部に配置されたこ
   とを特徴とする請求項１記載の固体電解質型燃料電池シ
   ステム。