JPH06203866A - 固体電解質型燃料電池式発電炉 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 スタックをその長手方向に亘って容易に均温
化できる固体電解質型燃料電池式発電炉を提供する。 【構成】 単セル１０を有したスタック９の外方に形成
された発電用の第１ガスを流すための第１ガス流路１６
に沿って、その開口端１７ａが第１ガス流路１６の下流
側に位置される熱伝導性のよいガス注入管１８を設け
る。そして、このガス注入管１８内に第１ガスより供給
温度の低い均温ガスを流す。このガス注入管１８を介し
た均温ガス側への吸熱と、均温ガスと第１ガスとの合流
による第１ガスの温度降下によって、スタック９はその
長手方向に亘って均温化される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は固体電解質型燃料電池
を使用した発電炉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、イットリア安
定化ジルコニア（ＹＳＺ）やカルシア安定化ジルコニア
（ＣＳＺ）などの固体電解質を挟んで、例えばペロブス
カイト型ランタン系複合化合物からなる空気電極とニッ
ケルなどを主体とする燃料電極とを設け、この各電極に
臨ませて流される空気と燃料ガスとを固体電解質を介し
て電気化学的に反応させることにより起電力を得るもの
である。この種の燃料電池では、燃料ガス流路と空気流
路とを気密状態に分離する必要があるので、従来では、
例えば固体電解質を筒状に形成し、その内外面に前記各
電極を設けた筒状の単セルによって電力を得るようにし
たものが知られている。この場合、単セルで得られる電
力が少ないので、１または２以上の単セルを有する筒状
のスタックをケーシング内に複数配置し、これらを電気
的に直列や直並列に接続して電力を得るようにした発電
炉が一般的である。

【０００３】図３はこのような発電炉のスタック周りの
断面図であり、図中符号５０は円筒状の固体電解質をそ
の内面側の空気電極とその外面側の燃料電極とで挟みつ
けた円筒状の単セル５１を有するスタックである。この
セルスタッ５０はその上端の開口部側が第１ガス仕切板
５２を挿通し、その下端の閉塞部側が第２ガス仕切板５
３上に載置された状態で第２燃料ガス室５４内に位置決
めされている。

【０００４】また、スタック５０内には空気導入管５５
がその閉塞端近傍まで差し込まれており、このスタック
５０の内面側と空気導入管５５との間に空気流路５６が
形成され、このスタック５０の外面側にこのスタック５
０に沿って燃料ガス流路５７が形成されている。そし
て、空気導入管５５を介してスタック５０内に導入され
た空気が下方から上方に向かう空気流路５６中に流さ
れ、第２ガス仕切板５３の孔部５３ａを介して燃料ガス
室５４内に導入された燃料ガスが下方から上方に向かう
燃料ガス流路５７中を流されると、単セル５１の固体電
解質を介して空気と燃料ガスとが電気化学的に反応し、
この単セル５１に起電力が発生して、複数のスタック５
０を有するこの発電炉から所望の電力が取り出される。
そして、発電の用に供された後の燃料ガスおよび空気は
排ガス室５８内に集められた後、発電炉外に放出され
る。

【０００５】ところで空気と燃料ガスとの電気化学的反
応は約１０００℃の温度で最も効率よくなされるため、
空気や燃料ガスは１０００℃よりやや低い温度まで予熱
される必要がある。また、この電気化学的反応中にも熱
が発生し空気や燃料ガスの温度は上昇する。したがっ
て、空気流路５６および燃料ガス流路５７中を流れる空
気および燃料ガスの温度はその下流側においては１００
０℃をかなり超えた温度となってしまい、スタック５０
の構成材を熱劣化させその寿命を低下させたり、スタッ
ク５０の長手方向の温度の変化に起因して、単セル５１
の発電効率が下がってしまうという不都合が生じる。

【０００６】このため、例えば燃料ガス流路５７に沿っ
て均温化のためのヒートパイプを設置し、このヒートパ
イプにより高温側の熱を低温側に輸送して燃料ガス流路
に沿った温度勾配を無くす試みがなされている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、作動流
体を密閉容器内に封入したヒートパイプを高温の発電炉
内で使用するのは、信頼性の点で問題があり、現実的で
ないという問題があった。また、スタック５０が上下方
向に位置決めされ、燃料ガス流路５７が下方から上方に
向かって形成されている場合、ヒートパイプはトップヒ
ートモードとなりその性能を充分に発揮できないという
問題があった。

【０００８】この発明は上記の事情に鑑みてなされたも
のであり、スタックをその長手方向に亘って容易に均温
化できる固体電解質型燃料電池式発電炉を提供すること
を目的とするものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この発明は、上記の目的
を達成するために、固体電解質を一対の電極で挟みつけ
た単セルを有するスタックを備え、発電用に予熱された
空気と燃料ガスのうち一方の第１ガスを前記スタックに
沿ってその外方に形成された第１ガス流路に流し、他方
の第２ガスを前記スタックに沿ってその内方に形成され
た前記第１ガス流路と同方向に向く第２ガス流路に流し
て発電を行なう固体電解質型燃料電池式発電炉におい
て、前記第１ガスよりその供給温度が低い均温ガスを流
すガス注入管が、前記第１ガス流路に沿いかつその開口
端を第１ガス流路の下流側に位置させて配置されている
ことを特徴とするものである。

【００１０】

【作用】単セルを有するスタックの第１ガス流路と第２
ガス流路にそれぞれ発電用に予熱された第１ガスと第２
ガスとを供給すると、単セル中の固体電解質を介して第
１ガスと第２ガスとが電気化学的に反応して、単セル中
に起電力が発生する。この場合、電気化学的反応時に熱
が生じ第１および第２ガス流路の下流側の温度は上昇し
てくるが、ガス注入管を介してその供給温度が第１ガス
より低い均温ガスを第１ガス流路の下流側に向かって流
しているので、熱伝導性のよいガス流入管を介して発電
時に発生する熱をこの均温ガスが吸収する。また、この
均温ガスを第１ガス流路の下流側に放出しているため、
温度の上昇した第１ガスは温度の低い均温ガスと合流し
て温度が下げられる。

【００１１】

【実施例】つぎにこの発明の実施例を図面を参照して説
明する。図１はこの発明の一実施例である固体電解質型
燃料電池式発電炉の断面図であり、図２はこの発電炉の
単セル周りの断面斜視図である。

【００１２】図中符号１は発電炉の外面を形成するケー
シングであり、このケーシング１にはその内部に空気仕
切板２、第１ガス仕切板３、第２ガス仕切板４とが取り
付けられており、このケーシング１内はこれ等によって
４つの部屋、すなわち上方から下方に向かって空気室
５、排ガス室６、第１燃料ガス室７および第２燃料ガス
室８に分けられている。そして空気室５には発電用の予
熱空気を供給する空気供給孔５ａが設けられ、排ガス室
６には使用済みの空気と燃料ガスとを排出するガス排出
孔６ａが設けられているとともに、第２燃料ガス室８に
は発電用の予熱燃料ガスを供給する燃料ガス供給孔８ａ
が設けられている。

【００１３】また、図中９は第１燃料ガス室７内に上下
方向に複数配設されているスタックであり、このスタッ
ク９は円筒状の単セル１０とその上部の案内部１１とか
ら形成されており、全体としては上部が開口し、下部が
閉塞した形状をしている。そして、このスタック９はそ
の下部の閉塞端側が第２ガス仕切板４上に支持され、そ
の上部の開口端側案内部１１が第１ガス仕切板３に形成
された孔部３ａを貫通して排ガス室６側に臨んだ状態で
位置決めされている。なお、スタック９の案内部１１は
前記孔部３ａに遊嵌状態で差し込まれており、第１ガス
仕切板３の案内部１１の周りには燃料ガスの流路となる
隙間１２が形成されており、また、第２ガス仕切板４に
も燃料ガスの流路となる複数の孔部４ａが形成されてい
る。

【００１４】スタック９の単セル１０は円筒状の固体電
解質１０ａと、この固体電解質１０ａを挟みつけるよう
に例えばその内面側に形成される空気電極１０ｂおよび
その外面側に形成される燃料電極１０ｃと、空気電極１
０ｂに導通して燃料電極１０ｃ外方に突出する上下に細
長いインタコネクタ１０ｄとから構成されている。そし
て左右方向に隣接するスタック９の単セル１０同士はそ
のインタコネクタ１０ｄと空気電極１０ｂとが導電性フ
ェルト１３を介して電気的に直列に接続され、前後方向
に隣接するスタック９の単セル１０同士はその燃料電極
１０ｃ同士が導電性フェルト１３を介して電気的に並列
に接続されていて、複数のスタック９の単セル１０は全
体として直並列に接続された構成となっている。

【００１５】また、スタック９内には、その上端部が空
気仕切板２を貫通する空気導入管１４がその閉塞端近傍
まで差し込まれており、この空気導入管１４とスタック
９との間に下方から上方に向かって空気流路１５が形成
されている。スタック９の外方には隣接するスタック９
との間に下方から上方に向かって燃料ガス流路１６が形
成されている。

【００１６】さらに、第２燃料ガス室８内には発電用の
燃料ガスとは別系統の均温ガスである第２燃料ガスを発
電炉内に供給するガス供給管１７が配設されている。そ
してこのガス供給管１７には第２ガス仕切板４を貫通し
て第１燃料ガス室７内の燃料ガス流路１６に沿って上方
に延び、その開口端１７ａが燃料ガス流路１６の下流側
に位置する熱伝導性のよい複数のガス注入管１８が取り
付けられており、ガス供給管１７内に供給された第２燃
料ガスはこのガス注入管１８を通って、燃料ガス流路１
６の下流側で発電用の燃料ガスと合流するようになって
いる。前記第２燃料ガスはその組成は燃料ガスと同一で
あるが、その供給温度は燃料ガスより充分に低く、燃料
ガス流路１６中の発電によって加熱される燃料ガスの温
度を下げ、スタック９の均温化を図ることができる温度
に設定されている。

【００１７】つぎにこの発電炉の作用を説明する。空気
供給孔５ａから空気室５内に供給された予熱空気が空気
導入管１４を介してスタック９内の空気流路１５に導入
され、燃料ガス供給孔８ａから第２燃料ガス室８内に供
給された予熱燃料ガスが第２ガス仕切板４の孔部４ａを
介して第１燃料ガス室７内の燃料ガス流路１６に導入さ
れると、単セル１０中の固体電解質を介して空気中の酸
素と燃料ガスとが電気化学的に反応して、この単セル１
０に起電力を生じ、複数のスタック９から所望の電力が
取り出される。そして、使用済みの空気はスタック９の
上端から排ガス室６内に送られ、使用済みの燃料ガスは
隙間１２を通って排ガス室６内に送られて、両者ともガ
ス排出孔６ａから発電炉外に放出される。

【００１８】ここで、燃料ガスが燃料ガス流路１６中
を、単セル１０の下方から上方に流動すれば、同じく空
気流路１５中を下方から上方に流動する空気との間で電
気化学的反応が生じ、このとき発生する熱によって燃料
ガス等の温度は上方に行くにしたがって上昇し、単セル
１０の温度も同様に上昇してくる。いっぽう、比較的温
度の低い第２燃料ガスがガス供給管１７を介して、第１
燃料ガス室７内のガス注入管１８内に流されるため、燃
料ガス流路１６の上流部から中間部にかけて発電時に発
生する熱は燃料ガスからこのガス注入管１８を介して第
２燃料ガス側に吸収され、燃料ガスや単セル１０の温度
上昇は抑えられる。

【００１９】そして、最も温度が上昇する燃料ガス流路
１６の下流側において、第２燃料ガスがガス注入管１８
から燃料ガス流路１６中に放出されるため、高温となっ
た燃料ガスはまだ比較的温度の低い第２燃料ガスと合流
して発電に最適な温度（約１０００℃）まで温度が下げ
られ、このことにより、単セル１０の温度も下げられ
る。したがって、スタック９はその長手方向に亘ってこ
の第２燃料ガスにより均温化され、スタック９の熱劣化
が防止されて発電炉の長寿命化を図ることができるとと
もに、セルスタック９がその長手方向に亘って発電に適
した温度に均一に維持される分、単セル１０の発電効率
の向上を図ることができる。

【００２０】また、燃料ガス流路１６の下流側では燃料
ガスが消費され、その濃度が低下しているため、発電効
率が低化するが、この場合、可燃性ガスを充分に含む第
２燃料ガスが燃料ガスと合流するため、燃料ガス流路１
６の下流側の燃料ガス濃度をその分、上げることがで
き、この点においても発電効率の向上を図ることができ
るようになる。

【００２１】なお、ガス注入管１８を介した第２燃料ガ
ス側への熱の吸収のみでは燃料ガス流路１６の中間部等
の温度上昇を充分に抑えきれない場合は、この部分にお
けるガス注入管１８に多数の細孔を設け、この細孔から
第２燃料ガスを燃料ガス流路１６側に放出して、燃料ガ
スの温度を下げ、セルスッタック９の温度を下げるよう
にしてもよい。この場合、燃料ガス側に第２燃料ガスを
介して可燃性ガスも補給されるため、この点における発
電効率の向上も期待できる。

【００２２】また、第２燃料ガスの組成は必ずしも燃料
ガスと同一である必要はなく、電気化学的な反応時に必
要とされる水素ガス等をある程度含むとともに、燃料ガ
ス中の成分ガスと反応等を生じないガスを有するもので
あればよい。

【００２３】さらに、ガス注入管１８はすべての燃料ガ
ス流路１６中に設ける必要はなく単セル１０を均温化で
きるものであれば、必要な燃料ガス流路１６にのみ設け
るものであってもよい。

【００２４】また、発電炉中のスタック９も１個の単セ
ル１０でなく、例えば直列に接続される複数の単セルを
有するものであってもよく、かつスタック９に対する空
気と燃料ガスの流れが逆になっているものであってもよ
い。この場合、ガス注入管１８中には均温ガスとして空
気が流されることとなる。さらに、発電炉はセルスタッ
ク９の両端が開口され、空気と燃料ガスの流れが同方向
となるものであってもよい。

【００２５】

【発明の効果】以上の説明から明らかなようにこの発明
によれば、スタックの外方に発電用の第１ガスを流すた
めに形成された第１ガス流路に沿って、その開口端がこ
の第１ガス流路の下流側に位置される熱伝導性のよいガ
ス注入管を設け、このガス注入管内に第１ガスより供給
温度が低い均温ガスを流したので、この均温ガス側への
第１ガス流路側からの吸熱と、第１ガス流路の下流側に
おけるこの均温ガスの第１ガスとの合流による第１ガス
の温度降下によって、スタックはその長手方向に亘って
容易に均温化される。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例である発電炉の断面図であ
る。

【図２】スタックの単セル周りの断面図である。

【図３】従来の発電炉のスタック周りの断面図である。

【符号の説明】

９…スタック、 １０…単セル、 １５…空気流路（第
２ガス流路）、 １６…燃料ガス流路（第１ガス流
路）、 １８…ガス注入管。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中島 武憲 東京都江東区木場一丁目５番１号 株式会 社フジクラ内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 固体電解質を一対の電極で挟みつけた単
   セルを有するスタックを備え、発電用に予熱された空気
   と燃料ガスのうち一方の第１ガスを前記スタックに沿っ
   てその外方に形成された第１ガス流路に流し、他方の第
   ２ガスを前記スタックに沿ってその内方に形成された前
   記第１ガス流路と同方向に向く第２ガス流路に流して発
   電を行なう固体電解質型燃料電池式発電炉において、 前記第１ガスよりその供給温度が低い均温ガスを流すガ
   ス注入管が、前記第１ガス流路に沿いかつその開口端を
   第１ガス流路の下流側に位置させて配置されていること
   を特徴とする固体電解質型燃料電池式発電炉。