JPH097624A - 固体電解質型燃料電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、電池スタックで発生する反応熱
を、熱交換器で燃料ガス又は酸化剤（空気）ガスと熱交
換して、除去するようにした固体電解質型燃料電池（Ｓ
ＯＦＣ）に関する。従来、ＳＯＦＣの冷却のために、大
量の空気を供給するようにしていたため、大容量の送風
機又は圧縮機を必要とするとともに、この駆動に大きな
動力を要し、システム効率を悪化させていた。本発明
は、このような不具合を解消し、システム効率を向上さ
せたＳＯＦＣの提供を目的とする。 【構成】 本発明は、電池スタックを収容する発電室内
に放射型熱交換器を設け、電池スタックで発生する反応
熱で、電池スタックに供給する燃料ガス又は空気を効率
良く予熱して、ＳＯＦＣの過度の温度上昇を防止するよ
うにした。これにより、電池スタックに供給する空気量
は、発電反応に使用される程度に低減でき、供給装置の
小容量化、動力の低減ができ、システム効率に秀れたＳ
ＯＦＣとすることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、燃料電池スタック（以
下電池スタックという）における、電池発熱反応に伴い
生じる熱の除去を、電池スタックに供給する燃料ガス又
は酸化剤（空気）ガスと熱交換して行うようにした、固
体電解質型燃料電池（以下．ＳＯＦＣ(Solid Oxide Fue
l Cell)という）に関する。

【０００２】

【従来の技術】安定化ジルコニアのような酸素イオン導
電性のセラミックスであり、ガスや電子を透過せず、酸
素イオンだけを通す特性を有する、板状の固体電解質
（膜）の両側に燃料極と空気極を配設した単電池を積層
することにより、平板型又は一体積層型にされた電池ス
タックを具え、電池スタックに設けた燃料極、および空
気極にそれぞれ供給された、水素、一酸化炭素からなる
燃料ガスと、空気等の酸化剤ガスを、電気化学的に反応
させて発電するようにした、ＳＯＦＣが開発されてい
る。

【０００３】このような電池スタックによる発電時に
は、発熱反応を伴う。また、このようなＳＯＦＣにおい
ては、固体電解質の酸素イオン導電特性の面からは、高
温度である程、酸素イオン導電性は高く、発電効率の点
からは有利であるものの、電池スタックをはじめとす
る、ＳＯＦＣ構成材料の使用温度制約の面から発電作動
温度を１０００℃程度に維持する必要がある。このた
め、電池スタックで発生する熱のうち、過剰な熱は除去
する必要がある。

【０００４】この過剰な熱を除去する方法として、従
来、発電反応で発生する熱を、電池スタックに供給する
燃料ガスの改質時に生じる吸熱反応を利用して、除去し
たり、電池スタックの空気極に供給する空気を、発電反
応に必要とする空気量以上供給して冷却する方法が知ら
れている。図２、および図３は、これらの冷却方法のう
ち過剰な空気を供給して、過剰な熱を除去するようにし
た、ＳＯＦＣ横断面図および図２の矢視Ｂ−Ｂ断面図を
示す。

【０００５】これらの図において、燃料ガスＦは、ＳＯ
ＦＣ０１の底壁０１１ａ、およびＳＯＦＣ０１下端の台
板０１０に穿設された燃料ガス入口０３を通って、発電
室０９内に立設された、電池スタック０４の側部に付設
された燃料入口ガスマニホールド０５ａへ導入され、電
池スタック０４の図示しない、単電池に設けられた燃料
極に開口させ、セパレータに形成された燃料通路を通り
燃料極へ供給される。また、燃料極へ供給され、電池ス
タック０４の発電反応に使用されなかった未反応の燃料
排ガスは、図３に示すように、燃料入口ガスマニホール
ド０５ａと対角線に配置された、燃料出口ガスマニホー
ルド５ｂから発電室０９内に放出され、電池スタック０
４の周囲を通り、後述する空気出口ガスマニホールド６
ｂの出口６ｄの周囲から、発電室０９の上部に隔壁７で
区画された燃料室０８へ流出する。

【０００６】一方、酸化剤ガスとしての空気Ａは、ＳＯ
ＦＣ０１の上端の天井壁０１１ｂを貫通させた、空気入
口０２から燃焼室０８に配設された高温熱交換器０１３
に導入され、高温にされて、入口６Ｃから電池スタック
０４の側部に付設された空気入口ガスマニホールド０６
ａへ導入され、電池スタック０４の図示しない、単電池
に設けられた空気極に開口させ、セパレータに形成され
た空気通路を通り、空気極へ供給される。また、空気Ａ
は、空気極へ供給され発電反応に使用されるほか、前述
したように、電池スタック０４における発電反応に必要
とする以上の空気量が、電池スタック０４内の空気通路
に供給され、電池スタック０４の発電反応により生じる
過剰な熱を除去して、ＳＯＦＣ０１の内部を１０００℃
程度に保持するようにしている。

【０００７】また、空気極に供給されたが、電池スタッ
ク０４の発電反応に使用されなかった空気Ａ、または、
冷却のみの目的で供給された空気は、図３に示すよう
に、空気入口ガスマニホールド０６ａと対角線に配置さ
れた空気出口ガスマニホールド６ｂを通り、出口６ｄか
ら燃焼室０８へ流出する。

【０００８】燃焼室０８では、空気出口ガスマニホール
ド６ｂの出口６ｄから流入した空気Ａと、出口６ｄの周
辺から流入した燃料排ガスが燃焼反応を起し、燃焼ガス
となって高温熱交換器０１３で、前述したように、空気
入口０２からＳＯＦＣ０１内に導入される空気Ａを加熱
した後、排ガス出口０１２よりＳＯＦＣ０１外へ排出さ
れる。

【０００９】しかしながら、このような従来の電池冷却
方法では、不必要に過剰の空気を供給することが必要な
為、容量の大きい送風機、あるいは圧縮機を要し、また
その補機動力を必要とすることにより、ＳＯＦＣシステ
ムとしての効率が低くなるという問題点があった。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上述した電
池スタックで発生する過剰な熱を除去するため、電池ス
タックに供給する空気で冷却するようにした、従来の固
体電解質型燃料電池の不具合を解消するため、冷却のた
めに、過剰に電池スタックに供給していた空気の量を低
減し、送風機あるいは圧縮機を小型化できると共に、こ
れらの補機動力を小さくして、システム効率を向上でき
る固体電解質型燃料電池を提供することを課題とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】このため、本発明の固体
電解質型燃料電池は、次の手段とした。

【００１２】電池スタックの発電反応のために供給され
る燃料ガス又は酸化剤ガスを通過させ、電池スタックに
おける発電反応で生じる熱で加熱することによって、電
池スタックで発生する過剰熱を除去することにより、電
池スタックを冷却し、過剰な昇温を防止する放射型熱交
換器を、電池スタックを包囲して、収容する発電室の外
壁内部に隣接して設けた。

【００１３】

【作用】本発明の固体電解質型燃料電池は、上述の手段
により、電池スタックの発電反応で生じる反応熱は、発
電室内に配置された放射型熱交換器により、電池スタッ
クに供給される燃料ガス、又は酸化剤ガスに吸収され
る。

【００１４】これにより、電池スタックをはじめとする
固体電解質型燃料電池の構成材料が高温にさらされるこ
ともなくなる。また、冷却のために、不必要に過剰の酸
化剤を必要としないことから、送風機あるいは圧縮機を
小型化できると共に、これらを駆動する動力を低減で
き、システム効率の向上が図れる。さらに、未反応の燃
料ガスを燃焼させて、高温熱交換器により加熱していた
酸化剤ガスの昇温が少くて済み、未反応の燃料ガスをシ
ステムの他の熱源として使用することもできるようにな
る。

【００１５】

【実施例】以下本発明の固体電解質型燃料電池の実施例
を図面にもとづき説明する。図１は本発明の固体電解質
型燃料電池の一実施例を示す断面図である。

【００１６】（燃料）電池スタック４の発電反応に使用
される燃料ガスは、固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）
１下部に設けた台板１０を貫通させた燃料ガス入口３か
ら導入され、燃料入口ガスマニホールド５ａに入り、電
池スタック４を構成する単電池の燃料極に開口させた燃
料通路内に分岐して流入する。燃料通路を通過中に燃料
極で反応しなかった未反応の排燃料ガスは、図３に示す
ように、下流側の電池スタック４の燃料入口ガスマニホ
ールド５ａと対角側に配置された、燃料出口ガスマニホ
ールド５ｂへ送られ、燃料出口ガスマニホールド５ｂか
ら電池スタック４の周囲へ放出される。この電池スタッ
ク４の周囲に放出された排燃料ガスは、後述する空気出
口ガスマニホールド６ｂの出口周辺に設けられた隙間か
ら、発電室９の上方に、隔壁７で下部が区画された燃焼
室８へ入る。

【００１７】一方、同様に、電池スタック４の発電反応
に使用される酸化剤としての空気Ａは、ＳＯＦＣ１下部
の、空気入口２から導入され、ＳＯＦＣ１下部の底板１
０に設けられた、空気ヘッダ１０で分岐されて、発電室
９内の外壁１１に隣接して設置された放射型熱交換器１
５に導入される。放射型熱交換器１５に導入された空気
Ａは、電池スタック４からの放射熱を吸収しながら放射
型熱交換器１５内を上昇し、発電室９内の温度を一定に
保つと同時に、予熱される。

【００１８】放射型熱交換器１５内を上昇し、ＳＯＦＣ
１上端の空気ヘッダ１４’に達した予熱された空気Ａ
は、燃焼室８の上端に配設されたダクト１６で再度集め
られて、高温熱交換器１３に導入され、燃焼室８の高温
燃焼排ガスと熱交換し、電池入口温度まで予熱された
後、空気入口ガスマニホールド６ａへ導入される。ま
た、空気入口ガスマニホールド６ａへ導入された空気Ａ
は、電池スタック４を構成する板状の単電池の空気極に
開口させた空気通路内に分岐して流入する。

【００１９】この空気通路内を通過中に空気極で反応し
なかった排空気は、図３に示すように、下流側の電池ス
タックの空気入口ガスマニホールド６ａが設置された位
置と対角側に配置された、出口ガスマニホールド６ｂを
経て空気出口ガスマニホールド６ｂ上部に設けられた出
口より燃焼室８へ入る。燃焼室８では、この排空気は、
上述した排燃料ガスと共に燃焼し、その燃焼ガスは高温
熱交換器１３にて放射型熱交換器１５で予熱された空気
を、さらに電池入口温度まで予熱し、排ガス出口１２よ
り放出される。

【００２０】本実施例の固体電解質型燃料電池は、上述
のように構成されているので、電池スタック４における
発電反応時に発生する熱は、放射型熱交換器１５によ
り、電池スタック４に供給される空気に、効果的に伝達
されるため、発電室９内がＳＯＦＣ１構成材料の使用面
から制約される温度以上に上がることがない。また、Ｓ
ＯＦＣ１の冷却のために、電池スタック４の発電反応に
必要とする空気量の数倍の空気量を供給する必要があっ
たが、これを発電反応に必要とする程度に低減すること
ができる。

【００２１】これにより、空気供給に大型の送風機又は
圧縮機、さらには、大きな動力を必要としていたもの
が、小型化でき、コンパクトになるとともに、システム
効率を向上させることができる。さらに、大量の空気を
供給するために、電池入口温度まで空気を昇温するため
には、燃焼室８で排燃料ガスを大量に燃焼させる必要が
あったが、これを少くでき、排燃料ガスをシステムの他
の熱源として使用できるようになり、熱効率の向上を図
ることもできる。

【００２２】

【発明の効果】以上述べたように、本発明の固体電解質
型燃料電池によれば、特許請求の範囲に示す構成によ
り、 （１）電池スタックをはじめとする、固体電解質型燃料
電池の構成部材が使用温度以上になることもなく、耐久
性に秀れたものにできる。 （２）発電反応上、不必要に過剰な酸化剤を供給する従
来装置に比べて、冷却のための酸化剤の供給を低減する
ことができるため、これらの供給に必要とする送風機、
あるいは圧縮機を小型化できると共に、動力を低減する
ことができシステム効率の向上が図れる。 （３）大量の燃焼ガスを発生させることなく、電池入口
温度が保持でき熱効率に秀れたものにできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の固体電解質型燃料電池の一実施例を示
す断面図。

【図２】従来の固体電解質型燃料電池を示す断面図。

【図３】図１の矢視Ａ−Ａ、および図２の矢視Ｂ−Ｂ平
面図である。

【符号の説明】

１，０１ 固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ） ２，０２ 空気入口 ３，０３ 燃料ガス入口 ４，０４ （燃料）電池スタック ５ａ，０５ａ 燃料入口ガスマニホールド ５ｂ，０５ｂ 燃料出口ガスマニホールド ６ａ，０６ａ 空気入口ガスマニホールド ６ｂ，０６ｂ 空気出口ガスマニホールド ０６ｃ 入口 ０６ｄ 出口 ７，０７ 隔壁 ８，０８ 燃焼室 ９，０９ 発電室 １０，０１０ 台板 １１，０１１ 外壁 ０１１ａ 底壁 ０１１ｂ 天井壁 １２，０１２ 排ガス出口 １３，０１３ 高温熱交換器 １４，１４’ 空気ヘッダ １５ 放射型熱交換器

フロントページの続き (72)発明者 下雅意 猛 神戸市兵庫区和田崎町一丁目１番１号 三 菱重工業株式会社神戸造船所内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 固体電解質を介して、高温で燃料ガスと
   酸化剤ガスを反応させることによって、直接発電を行う
   平板型若しくは一体積層型の電池スタックを具える固体
   電解質型燃料電池において、前記電池スタックを収容す
   る発電室内に外壁と隣接して配置され、前記電池スタッ
   クで発生する反応熱を、前記電池スタックに供給する前
   記燃料ガス若しくは酸化剤ガスと熱交換して、冷却する
   放射型熱交換器を設けたことを特徴とする固体電解質型
   燃料電池。