JPS6014768A - 固体電解質燃料電池発電装置 - 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】 本発明は、固体電解質燃料電池発電装置に関する。

米国特許出願節３２１．１３７号（発明の名称：燃料電
池発電装置）に記載されるような高温固体電解質燃料電
池は、典型的には７００℃以上の温度で化学エネルギー
を直流電気エネルギーへ変換する。この温度範囲は、固
体電解質に抵抗加熱による電力損失を充分に低く抑える
程度の導電性を与えるために必要である。かかる燃料電
池は高価な電極触媒や精製した燃料を必要としない。た
とえば、−耐化炭素／水素燃料の混合物を転化すること
なしに直接用いることができる。主要な電極材料として
は安定化ジルコニアがある。これはセラミック製の管状
支持構造体上に形成した層の形で用いられる。薄膜状高
温固体電解質燃料電池の支持管は一般的には安定化ジル
コニアで作られ、反応剤の一方、即ち燃ネ１あるいは酸
化剤を運ぶ導管として用いられる。このためこの支持管
は多孔性である必要がある。

しかしながら、この発電装置の構成には問題がある。そ
れは、燃料と空気のような酸化剤とをセラミック製高温
熱交換器を必要とする温度にまで予熱する必要があり、
その技術はこれらのｌｊｌ的のためには経済的にひき合
わないものである。」二連の特許出願に例示されたよう
な従来型の燃料電池では、燃料は完全には消費されずア
ノードの排気口で５〜１５％の燃料が残存する。同様に
、空気のような、冷却剤としても働く酸化剤も燃料電池
内で減損する。もっとも大気中の酸素の減損率は低い。

減損した燃料は、発電目的のためにその最大限利用され
ないことになる。発電装置では、反応生成物中に含まれ
る知覚できる熱だけでなく減損燃料と減損酸化剤との間
の非電気化学的燃焼反応により電気化学的反応に必要な
予熱が行なわれる。従って、この発電装置には高温予熱
手段が組み込まれており、このため別個の高温熱交換器
を用いる必要がない。

しかしながら上述の特許出願に開示されたような型の予
熱手段では直交流型（ｃｒｏｓｓ−ｆｌｏｗ）熱伝達が
用いられる。その結果、熱は１つの軸で発生してその軸
に直角な方向に流れるため予熱器部分内に温度のばらつ
きが生じ、そのため燃料電池の電気化学的反応速度が一
様でなくなり発電装置の効率が低くなる。

従って、予熱器内の温度のばらつきを回避できる燃料電
池発電装置の予熱手段が必要となる。プロセス伝搬に用
いる管がセラミック材料でつくられることを考えて、こ
の予熱手段はその予熱作用を遂行すると共にセラミック
材料から普通の製造方法で製造できるものである必要が
ある。

従って、本発明の高温固体電解質燃料電池発電装置は、
発電室及び燃焼生成物室を含む複数の室を含むハウジン
グ手段と、前記発電室と燃焼生成物室を分離する多孔隔
壁と、各々が閉端部と前記燃焼生成物室内に配置された
開放端部を有し前記開放端部から前記多孔隔壁を貫通し
て前記発電室へ延びる複数の細長い環状燃料電池と、各
々が前記発電室内に位置する燃料電池部分の内部へ延び
前記燃料電池内へ第１の気体反応剤を放出する手段を有
する前記燃料電池のための複数の導管と、前記ハウジン
グ１段を貫通する燃焼生成物室排気手段と、前記第１の
気体反応剤を前記導管へ供給するマニホルド手段と、第
２の気体反応剤を前記発電室へ流入させる手段とより成
り、前記マニホルド手段は、前記燃焼生成物室の内部で
あって前記多孔隔壁と前記排気手段の間に配設され、更
に前記マニホルド手段を前記ハウジング手段内部におい
て支持しながら前記第１及び第２の気体反応剤による燃
焼生成物が前記マニホルド手段を通過して前記排気手段
へ流れるようにする支持及びバイパス手段を具備して成
ることを特徴とする。

以下、添４；ｊ図面を参照して、本発明の実施例を詳細
に説ＩＪｊする。

第１及び第２図は、気密ハウジング１２を含む従来型燃
料電池発電装置ｌＯを示す、ハウジング１２は、発電室
１４及び燃焼生成物室または予熱室１６を含む複数の室
を囲繞する。ハウジング１２にはまた酸化剤取り入れ室
１８が含まれ、これは酸化剤を多数の導管２０へ供給す
るマニホルドの働きをする。ハウジング１２には、燃料
取り入れ口２４、空気取り入れ口２６及び燃焼生成物取
り出し口２８が設けられている。

発電室１４は、ハウジング１２の一方の端壁３０と多孔
隔壁３２の間に位置する。予熱室１６は、多孔隔壁３２
と管板３４のような管支持構造体の間に位置する。酸化
剤取り入れ室１８は、管板３４とハウジング１４のもう
一方の端壁３６の間に位置する。多孔隔壁３２は、その
圧力が大気圧より僅かに高い発電室１４と僅かに低い予
熱室１６の間を気体が矢印３８で示す方向に流れるよう
に設計されている。

細長い高温固体酸化物電解質管状燃料電池４０は、予熱
室１６と発電室１４の間を延びる。燃料電池の開放端部
４２は予熱室１６内にあり、一方閉端部４４は発電室１
４の内部に位置する。燃料電池は好ましくは管状構造を
右し、固体酸化物電解質は２つの電極の間挟まれて管状
多孔支持体」−に支持されている。

導管２０は、：５２図に示すようにその一端を管板３４
に支持されている。管板３４はステンレススティールで
形成してもよく、その孔４６には導管２０が自由に熱膨
張できるようにゆるく嵌入されている。導管２ｏはアル
ミナで形成してもよく、管板は低密度アルミナのような
絶縁物４８で被覆してもよい。矢印５０で示すように少
量の酸化剤が漏洩するのは構わない。

導管２０は管板３４から燃料電池４４の開放端部４２内
へ延び、図示のように１つの燃料電池に対して１つの導
管２ｏが設けられている。各導管２０は燃料電池の閉端
部４４に近いところまで延びる。各導管には、酸化剤を
燃料電池４０の内部で放出する開口した端ｆＨｌｌのよ
うな手段が設けられている。

減損燃料の流出を許容する多孔隔壁３２は、繊維状アル
ミナフェルトで作ったセラミック製多孔じゃま板のよう
なものでよく、あるいはセラミック酸の板片に各燃料電
池４０を包囲するセラミックウールの栓のような多孔性
の挿入物を設けたものを用いてもよい。

動作について説明すると、空気のような酸化剤が取り入
れ口２６を介して取り入れ室１８へ導入される。その取
り入れ室１８は個々の導１１ｉ２０の入口マニホルドと
して働く。空気は温度はぼ６００℃で大気圧より高い圧
力で導管内に流入するが、ハウジング内へ流入する前に
送風機と結合した熱交換器のような普通の手段により最
初加熱されている。空気は導管２０内を流れ予熱室１６
を通って、そこで更にほぼ８００℃の温度に加熱される
。

空気は更に導管２０の長さ全体を流れてほぼ１０００　
’Ｏの温度に加熱され、導管２０の開放端部から燃料電
池４０内へ放出される。燃料電池内部の空気はその方ソ
ードのところで電気化学的に反応し、その開放端部４０
に近ずくとその酸素含有！−がいくらか減る、即ち減損
する。減損した空気は燃焼生成物取寥たは予熱室１６の
内部へ放出される。

水素あるいは一酸化炭素と水素の混合物であるような燃
料は、予熱されて後燃料取入れ口を介して発電室１６の
内部へ供給される。

燃料は燃＊’を電池の外部の周りを流れてそのアノード
で電気化学的反応を行なう。燃料取り入れ１」２４はｔ
ｉｔましくは燃料電池４０の閉端部４４の近傍に位置し
、従って、多孔隔壁３２へ近づくに従って減損する。最
初のエネルギー含有量のほぼ５〜１５％を含む減損燃料
は、隔壁３４を拡散して予熱室１６内へ流入する。

酸素が減損した空気と燃料を含む燃焼生成物は、管板３
４を介して予熱室１６の内部へ漏洩した空気と共に直接
に発熱反応する。実質的に燃料を燃焼させるこの反応に
より生じた熱と減損燃料及び空気に含まれた知覚できる
熱は共に、入来する空気を熱するために用いられる。燃
焼生成物は、はぼ９００　’Ｃの温度で燃焼生成物取り
出し口２８を介して排出される。

第２図の影を付けた領域５２は、燃焼が実際に生起する
予熱室１６の領域を表わす。この燃焼領域の長さはは一
般的には非常に短く、典型的には１．２７ｃｍ（０，５
インチ）以下である。排気ガスはそこから矢印５４で示
すように燃焼生成物取り出し口２８へ流れる。一般的に
は、燃焼生成物取り出し口２８近傍の導管４０にはその
取り出し口２８から離れた導管に比べて燃焼生成反応物
から多量の熱が伝達され、従って、燃焼生成物取り出し
口２８から最も離れた予熱室１６内の導管２０は燃焼生
成物取り出し２８に近い導管より予熱の程度が有意に低
い。予熱室１６の内部にはかかる温度のばらつきがあり
、導管２０内部の酸化剤の予熱が均一に行なわれないこ
とになる。電気化学的反応、従って燃料電池４０による
電気の発生は入来反応剤の温度に関係があるため、同一
発電装置の種々の燃料電池の間に発電量のばらつきが生
しる。これを回避するため、ハウジングの側壁で管板３
４に非常に近いところに多数の燃焼生成物取り出し１：
ｉを位置させることが考えられるが、かかる構成では導
管２０の熱分布が等化されないため依然として温度のば
らつきは避けられない。従って、燃焼生成物取り出し口
を軸方向に設けることが必要である。しかしながら。

かかる解決法と酸化剤を軸方向に供給するという条件は
両立させる必要がある。

第３及び第４図は、本発明の一実施例による燃ｔｐ１電
池発電装置６０を示す。気密ハウジング６２がこの発電
装置を囲繞する。ハウジング６２は発電室６４、反応生
成物室６６、空気マニホルド室６８及び排気室７０を含
む複数の空間を囲繞する。ハウジング６２を燃料取り入
れロア２、酸化剤取り入れ口、及び燃焼生成物排気ロア
ロが貫通する。発電室６８は、ハウジング６２の第１の
端壁６８と多孔隔壁８０の間に位置する。燃焼生成物室
６６は、多孔隔壁８０と酸化剤マニホルド８２の間に位
置する。酸化剤マニホルド８２は酸化剤マニホルド室６
８の内部に配置されている。排気室７０はハウジングの
もう一方の端壁８４から内部の酸化剤マニホルド８２の
ほうへ延びる。

細長い高温固体酸化物電解質管状燃料電池８６は、燃焼
生成物室６６と第１の端壁７８の間を延びる。燃料電池
８６の開放端部８８は燃焼生成物室６６内に位置し、そ
の閉端部９０は発電室６４内に位置する。燃料電池は好
ましくは管状であり、その固体酸化物固体電解質は管状
多孔支持体上に支持され２つの電極の間に介在する。

導管９２は一方の方向においては多孔隔壁８０を貫通し
て燃料電池８６内部のその閉端部９０まで実質的に延び
、その反対方向においては多孔隔壁から燃焼生成物室６
６を通って酸化物マニホルド８２を貫通する。各導管９
２は中空であり、典型的には燃料電池内への反応媒体放
出手段を構成する開口端部を有する。同様に１ｍｍ副剤
マニホルド８２内へ延びる導管９２の端部は開口してい
る。

減損燃料の流入を許容する多孔隔壁８０としては繊維状
アルミナフェルトで製造したセラミック製多孔じゃま板
を用いてもよく、あるいはセラミック製板片にセラミッ
クウールの栓のような多孔挿入物で各燃料電池８６を囲
んだものを用いてもよい。

第５図は燃料電池の１部を示す切り欠き図であり、主と
して酸化剤マニホルド室６８と排気室７０を示す。第５
図には並置した２つの酸化剤マニホルド８２が示されて
いる。各酸化剤マニホルド８２は導管のための管板９４
と取り入れ管のための管板９６を有する。

導管９２は導管用管板９４を貫通する。酸化剤取り入れ
ロア４は取り入れ用管用管板９６を貫通する。これら２
つの管板９４．９６は実質的に平行であり波型の壁９８
により連結されている。ハウジング６２と波型の壁９８
の間の隙間、同様に、隣接する波型の壁９８間の隙間に
より、燃焼生成物室６６と排気室７０の間が連通関係に
あることが理解される。

従来型発電装置の構造では、管板３４に絶縁物を設ける
必要があった。本発明によれば、入来する酸化剤の冷却
効果によりこれは必要ではなくなる。従って、熱伝達特
性を改善し製造を容易にするために、酸化剤マニホルド
８２全体を絶縁されない金属で製作することができる。

動作時、空気のような酸化剤は酸化剤取り入れロア４を
介して酸化剤マニホルド８２へ流入する。導管内に流入
する空気はほぼ６００℃の温度で大気圧より高い圧力を
有するが、ハウジングへ流入する前に送風機と結合した
熱交換器のような普通の手段で最初に加熱されている。

酸化剤マニホルド８２は空気を導管９２へ分配する。空
気はその後導管９２内において燃焼生成物室６６を流れ
、そこで更にほぼ８００℃の温度にまで加熱される。空
気は更に燃焼電池８６内部の導管９２の長さ部分を流れ
て更にほぼ１０００℃の温度に加熱され、導管９２の開
放端部から燃料電池８６の内部へ放出される。空気が燃
料電池の開放端部８８の方へ流れ方向を変えて導管９２
と燃料電池８６の間の環状部分を流れる間、燃料電池の
カソードのところで電気化学的に反応し、燃料電池開放
端部８８へ接近するに従いその酸素含有量が減少する。

酸素含有量の減少した減損空気は燃焼生成物室６０内へ
放出される。

水素、あるいは−酸化炭素と水素の混合物のような燃料
は、予熱後燃料取り入れロア２を介して発電室６４内へ
供給される。燃料は燃料電池８６の外側表面の周りを流
れて、アノードで電気化学的反応を行なう。燃料取り入
れロア２は好ましくは燃料電池閉端部９０近傍に位置す
るため、燃料は多孔隔壁８０へ近づくに従って減損する
。最初の燃料含有量のほぼ５〜１５％を含む減損燃料は
、隔壁８０を拡散して燃焼生成物室６６内へ流入する。

酸素が減損した空気と燃料を含む燃焼生成物は、導管の
管板９４を介して燃焼生成物室内へ漏洩する空気と共に
直接に発熱反応する。燃料を実質的に燃焼させるこの反
応の熱と減損撚ネ４及び空気に含まれた知覚できる熱は
共に、導管９２により燃焼生成物室６０を介して運ばれ
る空気を予熱するため番と利用される。燃焼生成物は、
燃焼生成物室６９から波型の壁９８とハウジング６２の
間の隙間、あるいは隣接する波型の壁９８間の隙間を介
して流出する。燃焼生成物の熱は、波型の壁９８に沿い
また導管用管板９４及び取り入れ管用管板９６のところ
で酸化剤マニホルドへ伝達される。燃焼生成物は排気室
内へ流入し、そこから排気ロアロを介して燃料電池発電
装置より排出される。

この構成からはいくつかの利点が得られる。先ずｔＪＳ
ｌに、高温の燃焼生成物が従来型装置の燃焼生成物取り
出し口と比較して有意に長い距離の量温度が低い入来空
気へ熱を伝達できる。高温燃焼生成物は燃焼後直ちに排
出されるのではなく、導管９２の全長にわたり熱伝達関
係でその導管に沿って流れ、更に排気室７０から最終的
に排出されるまで酸化剤マニホルド８２の長さ方向に沿
い熱伝達関葆に保たれる。その結果、利用可能な全熱量
のうち有意に高い割合の熱が入来する空気流へ伝達され
、燃料電池の効率が改善されると共に外部熱源の必要性
が減少する。

図示の酸化剤マニホルドは５×５のマトリックス構成を
有するが、この数は波型の壁９８により隙間が形成され
ることを条件として１種々のマトリックスあるいは形状
に合わせて変更することが可能である。従って、あるマ
トリックスの内部の導管９２が充分に加熱されないこと
が装置の実際の運転を行なった結果判明すれば、この温
度のばらつきを減少するためにマトリックスをたいした
困難を伴なわずに変更することができる。例えば５×５
でなく多分５×３あるいは３×３のマトリックスを用い
た方が実際的であろう。

次に、酸化剤マニホルド８２はモジュラ−ユニットとし
て構成されるため製造が容易であることを理解されたい
。燃料電池８６、それに関連する導管９２及び多孔隔壁
８０は全てハウジング６２の外部で組み立てて、封着前
にハウジング６２の内部へただ配設すればよいことがわ
かる。また、流れを分岐させるためのマニホルドの構成
が簡単であり、真っすぐな導管９２を用いることができ
るため製造コストがかなり節約できる。

【図面の簡単な説明】

第１ｒＡは、従来型燃料電池発電装置の一部破断斜視図
である。 第２図は、第１図の発電装置の一部断面図である。 第３図は、本発明の一実施例による燃料電池発電装置の
一部破断斜視図である。 第４図は、ｆｔ５３図に示す発電装置の一部断面図であ
る。 第５図は、第３図の燃料電池発電装置の別のマニホルド
構造を示す一部断面図である。 ６０・・・・燃料電池発電装置 ６２・・・・気密ハウジング ６４・・・・発電室 ６６・・・・燃焼生成物室 ６８・・・・空気マこボルド室 ７０・・・・排気室 ７２・・・・燃料取り入れロ ア４・・・・酸化剤取り入れロ アロ・・・・燃焼生成物Ｉ気Ｌ１ ８０・・・・多孔隔壁 ８２・・・・酸化剤マニホルド ８６・・・・固体酸化物電解質燃料電池８８・・・・開
放端部 ９０・・・・閉端部 ８２・・・・導管 ８４・・・・導管用管板 ８６・・・・取り入れ用管板 ８８・・・・波型壁

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、発電室及び燃焼生成物室を含む複数の室を含むハウ
   ジング手段と、前記発電室と燃焼生成物室を分離する多
   孔隔壁と、各々が閉端部と前記燃焼生成物室内に配置さ
   れた開放端部を右し前記開放端部から前記多孔隔壁を貫
   通して前記発電室へ延びる複数の細長い環状燃料電池と
   、各々が前記発電室内に位置する燃料電池部分の内部へ
   延び前記燃料電池内へ第１の気体反応剤を放出する手段
   を有する前記燃料電池のための複数の導管と、前記ハウ
   ジング手段を貫通する燃焼生成物室排気手段と、前記第
   １の気体反応剤を前記導管へ供給するヤニホルト手段と
   、第２の気体反応剤を前記発電室へ流入させる手段とよ
   り成り、前記マニホルド手段は、前記燃焼生成物室の内
   部であって前記多孔隔壁と前記排気手段の間に配設され
   、更に前記マニホルド手段を前記ハウジング手段内部に
   おいて支持しながら前記第１及び第２の気体反応剤によ
   る燃焼生成物が前記マこホルト手段を通過して前記排気
   手段へ流れるようにする支持及びバイパス手段を具備し
   て成ることを特徴とする高温固体電解質燃料電池発電装
   置。 ２、前記マニホルド手段は、第１の管板と、前記第１の
   管板と前記多孔隔壁の間に配置され前記導管が貫通する
   第２の管板とより成り、　ｊｉｒｊ記支持及びバイパス
   手段は前記管板へＭ出接続した波型の側部より成ること
   を特徴とする１１０記第１項記載の発電装置。 ３゜前記マニホルド手段は絶縁されない金属により形成
   されることを特徴とする前記第１または第２項記載の発
   電装置。