JPWO2009028169A1

JPWO2009028169A1 - 燃料電池

Info

Publication number: JPWO2009028169A1
Application number: JP2009529984A
Authority: JP
Inventors: 秋草　順; 順秋草
Original assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2007-08-27
Filing date: 2008-08-26
Publication date: 2010-11-25
Also published as: US20110250513A1; WO2009028169A1

Abstract

本発明の課題は、燃料電池スタックにおける効率的な排熱の回収と効果的な温度制御を行える燃料電池を提供することである。かかる課題を解決するため、本発明では、発電セルを多数積層して構成した燃料電池スタック（３）を、外側に断熱層（１８）を配した容器（２ａ）内に収容すると共に、運転時に上記燃料電池スタック（３）の内部に反応用ガスを供給して発電反応を生じさせる内部改質式の燃料電池（１）において、上記容器（２ａ）の壁面に、上記燃料電池スタック３の排熱を熱源として燃料改質用の水蒸気を生成する水気化器（３０）が付設されている。

Description

本発明は、燃料電池スタックにおける効率的な熱回収と効果的な温度制御を行える燃料電池に関するものである。

従来より、燃料の有する化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する燃料電池は、高効率でクリーンな発電装置として注目されており、特に、固体酸化物形燃料電池は発電効率が高く、且つ、他の燃料電池と比べて作動温度が高いため排熱を有効に利用できる等の利点を有することから、第三世代の発電用燃料電池として研究開発が進めらている。

上記固体酸化物形燃料電池は、酸化物イオン導電体から成る固体電解質層を両側から空気極層と燃料極層で挟み込んだ構造を有し、発電時には、反応用ガスとして空気極層側に酸素が、また燃料極層側に燃料ガス (Ｈ₂、ＣＯ、ＣＨ₄等) が供給される。

発電セル内において、空気極層側に供給された酸素（例えば空気）は、空気極層内の気孔を通って固体電解質層との界面近傍に到達し、この部分で空気極層から電子を受け取って酸化物イオン（Ｏ^2-）にイオン化される。この酸化物イオンは、燃料極層に向かって固体電解質層内を拡散移動して燃料極層との界面近傍に到達し、この部分で、燃料ガスと反応して燃料極層に電子を放出すると共に、Ｈ₂Ｏ、ＣＯ₂等の反応生成物を発電セルの外に放出する。この電極反応で生じた電子は、別ルートの外部負荷にて起電力として取り出すことができる。

ところで、モジュール内において燃料ガスの改質を行う内部改質式の燃料電池においては、改質器と共に水蒸気発生器（水気化器）を配設し、燃料電池スタックからの高温排ガスを利用して水蒸気改質用の高温水蒸気を生成することが行われている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１では、上記水気化器がモジュール内と熱的に隔離されたモジュール下部に配設される構造が採られており、この部位において排ガスとの熱交換が行われるため、モジュール内の温度を低下させずに高温水蒸気を得ることが可能である。
このことは、運転温度が高く熱的に余裕の少ない、例えば、固体酸化物形燃料電池の熱回収においては、安定した発電動作を実現する上で極めて好ましい方法であった。因みに、排ガスの熱は、上記した水蒸気の発生の他、改質反応（吸熱反応）、空気や燃料ガスの予熱、燃料電池スタックの昇温等の熱源として回収される。

ところが、近年、燃料電池の高出力化や大型化が進み、モジュール内の発熱量が増大する傾向にあって、モジュール内は熱的に余剰な状態になってきており、逆に、モジュール内の温度を好適運転温度に保持するための温度制御（抜熱）が必要とされるようになってきた。

一般的に、燃料電池の温度制御には、空気による冷却が行われているが、上記熱的余剰傾向に伴う供給空気流量の増加により、空気供給用のブロアやコンプレッサの電力消費が増大し、その分、燃料電池にて発電された電力を無駄に消費してしまうという問題があった。
また、抜熱の効率を良くする方法として、燃料電池スタックに放熱板や放熱フィン等の放熱部材を設けることが行われているが、これら放熱部材による抜熱効果には限界があり、且つ、放熱部材を設置することにより、燃料電池スタックが大型化するという問題もある。
特開２００７−００５１３３号公報

本発明は、上記問題に鑑み成されたもので、ハウジングの内壁に水気化器を付設することにより、燃料電池スタックにおける効率的な排熱の回収と効果的な温度制御を行えるようにした燃料電池を提供することを目的としている。

すなわち、本発明に係る燃料電池は、発電セルを多数積層して構成した燃料電池スタックを、容器内に収容すると共に、運転時に上記燃料電池スタックの内部に反応用ガスを供給して発電反応を生じさせる内部改質式の燃料電池において、上記容器の壁面に、上記燃料電池スタックの排熱を熱源として燃料改質用の水蒸気を生成する水気化器が付設されていることを特徴としている。

上記水気化器は、外部からの供給水が上記容器の壁面に沿って面方向に流通する水流通部を有する構成とすることが可能である。その場合、上記水流通部の底部を傾斜させる構成とすることが可能である。

また、上記燃料電池においては、上記水気化器内に伝熱性のビーズを充填する構成とすることが可能である。

また、上記燃料電池においては、上記水気化器を上記容器の内面または外面の何れかに付設することが可能である。

また、上記燃料電池においては、上記水気化器の上方に、当該水気化器からの水蒸気を一時滞留させておく水蒸気バッファタンクを配設することが望ましい。

また、上記燃料電池としては、排ガスを発電セルの外周部より放出するシールレス構造の固体酸化物形燃料電池を用いることが可能である。

本発明によれば、容器の壁面に水気化器が付設されているので、水気化器は、上記壁面を伝熱面として、スタックの排熱を効率良く受熱し、高温水蒸気を生成すると共に、その際の気化熱による抜熱効果で、熱的余剰状態にある容器内を好適運転温度に制御・保持することができる。

特に、上記水気化器は、供給水が容器の壁面に沿って面方向に流通する水流通部を有するため、壁面からの伝導熱を効率良く受熱して水を速やかに気化させることができる。

また、上記水流通部の底部を傾斜させることにより、水気化器の水量が少ない時は水が底部に集中し、纏まった水量にて安定した水の気化が行える。

また、上記水気化器の内部に伝熱性のビーズを充填した場合には、この伝熱性ビーズの熱伝達効果により、熱交換性能が向上し、水気化器内の水を速やかに気化させて、安定した水蒸気量を得ることができる。

また、水気化器を容器の内面に付設することにより、水気化器は、容器壁面からの伝導熱とともに燃料電池スタックからの直接的な輻射熱を受熱できるため、熱交換性能が向上し、その分、水気化器を小形化できる。

また、水気化器を容器の外面に付設することにより、容器壁面における断熱性能が向上するため、容器の外側に断熱材を配設する場合の断熱材の厚さを薄くすることができ、燃料電池の小形化が図れる。

また、水気化器の上部に水蒸気バッファタンクを配設した場合には、水蒸気を一時的に滞留させておくことにより、水蒸気温度がさらに上昇し、高温水蒸気を得ることができる。

図１は、本発明が適用された固体酸化物形燃料電池の内部構成を示す側面図である。図２は、燃料電池スタックの要部構成を示す図である。図３は、水気化器を内缶体の側壁の外面に設けた状態を示す図である。図４は、水気化器の一構成例を示す図である。図５Ａは、水気化器の水流通路の内部を示す図である。図５Ｂは、水気化器の水流通路の内部を示す図である。図６は、水気化器を内缶体の天壁に設けた状態を示す図である。図７は、水気化器を内缶体の底壁に設けた状態を示す図である。

符号の説明

１燃料電池（固体酸化物形燃料電池）
２ａ容器（内缶体）
２ａ１〜２ａ３壁面
３燃料電池スタック
７発電セル
１８断熱層（断熱材）
３０水気化器
３１水蒸気バッファタンク
３２水流通部
３３底部
３４ビーズ（セラミックビーズ）

以下、図１〜図７に基づいて本発明に係る燃料電池の実施形態を説明する。

図１は本発明が適用された固体酸化物形燃料電池の内部構成を示す側面図、図２は燃料電池スタックの要部構成を示す図、図３は水気化器を内缶体の側壁の外面に設けた状態を示す図、図４は水気化器の一構成例を示す図、図５Ａおよび図５Ｂは水気化器の内部を示す図、図６は水気化器を内缶体の天壁に設けた状態を示す図、図７は水気化器を内缶体の底壁に設けた状態を示す図である。

図１において、符号１は固体酸化物形燃料電池を示し、符号２はＳＵＳ製の箱形の内缶体２ａ（容器）と、この内缶体２ａを覆うアルミニウム製の外パネル２ｂで構成されるハウジングを示し、符号３は積層方向を縦にして内缶体２ａの中央に配設された燃料電池スタックを示す。内缶体２ａと外パネル２ｂの間には、断熱材１８が層状に配設されており、これにより、内缶体２ａ内の燃料電池スタック３を高温度に保持しておくことができる。

上記燃料電池スタック３は、図２に示すように、固体電解質層４の両面に燃料極層５および空気極層６を配した発電セル７と、燃料極層５の外側の燃料極集電体８と、空気極層６の外側の空気極集電体９と、各集電体８、９の外側のセパレータ１０を順番に多数積層した構造を有する。

固体電解質層４はイットリアを添加した安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等で構成され、燃料極層５はＮｉ等の金属、あるいはＮｉ−ＹＳＺ等のサーメットで構成され、空気極層６はＬａＭｎＯ₃、ＬａＣｏＯ₃等で構成され、燃料極集電体８はＮｉ等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、空気極集電体９はＡｇ等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、セパレータ１０はステンレス等で構成されている。

セパレータ１０は、発電セル７間を電気的に接続すると共に、発電セル７に反応用ガスを供給する機能を有し、燃料ガスマニホールド１３を介して後述する改質器２１から供給される改質ガスをセパレータ１０の外周面から導入してセパレータ１０の燃料極集電体８に対向するほぼ中央部から吐出する燃料ガス通路１１と、空気マニホールド１４を介して後述する空気熱交換器２２から供給される空気をセパレータ１０の外周面から導入してセパレータ１０の空気極集電体９に対向する面のほぼ中央部から吐出する空気通路１２を備えている。

この固体酸化物形燃料電池１は、発電セル７の外周部にガス漏れ防止シールを設けないシールレス構造を採用しており、発電反応で消費されなかった残余のガス（排ガス）を発電セル７の外周部から外に自由に放出するようになっている。そして、図１に示すように、ハウジング２の天井部には、内缶体２ａ内に放出された排ガスを外部に排出するための排気口１９が設けられている。

また、内缶体２ａ内には、上記燃料電池スタック３の他、外部から供給された燃料ガスを予熱する燃料熱交換器２０や、この燃料ガスを水蒸気改質する改質器２１や、外部から供給された空気を予熱する空気熱交換器２２等が配設されている。
上記燃料熱交換器２０の入口には、燃料ガス導入用の燃料ガス供給管１５が接続され、この燃料熱交換器２０の出口は、配管２３により改質器２１の入口に接続され、改質器２１の出口は、配管２４により燃料電池スタック３内の燃料ガスマニホールド１３に接続されている。また、空気熱交換器２２の入口には、空気導入用の空気供給管１６が接続され、この空気熱交換器２２の出口は、配管２５により燃料電池スタック３内の空気マニホールド１４に接続されている。

そして、これら熱交換器類２０、２２や改質器２１は燃料電池スタック３からの輻射熱を効率良く受熱できるように、それぞれ燃料電池スタック３の近傍の適所に配設されている。特に、本実施形態では、上述したようにシールレス構造の採用により、内缶体２ａ内に高温排ガスが自由に放出されるため、熱交換器による熱回収は容易であり、且つ熱交換機構も簡略化できる。

他方、内缶体２ａの側壁２ａ１には、外面（断熱材１８側の面）に付随するように水蒸気生成用の水気化器３０が配設されており、また、天壁２ａ２の外面（断熱材１８側の面）に水気化器３０からの水蒸気を一時的に滞留しておく水蒸気バッファタンク３１が配設されている。
上記水気化器３０の入口には、水導入用の給水管１７が接続され、出口は、配管２６により水蒸気バッファタンク３１の入口に接続され、その出口が水蒸気配管２７を介して燃料ガス供給管１５の途上に接続されている。

図１では、この水気化器３０を内缶体２ａの一側壁２ａ１（左側壁）に設けた場合を示したが、図１中、一点鎖線で示すように、他の側壁２ａ１（右側壁）にも設けても良く、例えば、図示しないが、前後左右の四側壁２ａ１の全てに水気化器３０を設けることも勿論可能である。
また、水気化器３０は、側壁２ａ１の外面でなく、図３に示すように、内缶体２ａの内面（燃料電池スタック３側の面）に設けても勿論構わない。

上記水気化器３０は、耐熱性、熱伝導性に優れる金属板（例えば、ＳＵＳ製）で構成される薄く扁平な四角い箱体で成り、内部は導入された水が底部３３から上方に流通する水流通部３２となっており、この水流通部３２内の底部３３には、少なくとも導入された水が気化できる高さまで伝熱性のセラミックビーズ（アルミナボール、ジルコニアボール）３４が充填されている。セラミックビーズの粒径は１〜２ｍｍ程度である。

本実施形態では、図５Ａ、図５Ｂに示すように、上記水流通部３２の底部３３を傾斜させた構造とし、水流通部３２内の水量が少なくなった時に、水が底部３３の低い部分に集中するようになっている。
図５Ａは、底部３３を片側に傾斜させた構造、図５Ｂは、底部３３をＶ字状に傾斜させた構造であり、水蒸気生成の安定性の面からは、図５Ｂの構造が好ましい。

また、図１では、水気化器３０を内缶体２ａの側壁２ａ１に付設した場合を示したが、図６に示すように、内缶体２ａの天壁２ａ２に設けても良く、或いは、図７に示すように、底壁２ａ３に設けても良い。これらの場合では、図示のように、水気化器３０の上面に水蒸気バッファタンク３１を配設することができる。

また、図１、図３、図６、図７等においては、水気化器３０を内缶体２ａの壁面に直接取り付けるようにしたが、支柱（図示せず）を介して壁面に取り付けるようにしても良い。何れにしても、水が水流通部３２内を内部缶体２ａの壁面に沿って面方向に流通するように水気化器３０が配設されていることが、効率的な熱交換を行う上で好ましい。

また、係る水気化器３０は、上述した扁平の箱体を用いなくても、図４に示すように、耐熱性、熱伝導性に優れる金属板３５（例えば、ＳＵＳ製）を用いて内缶体２ａの壁面（例えば、側壁２ａ１）を２重構造とし、内缶体２ａの壁面とこの金属板３５、３６にて形成される空間部を水流通部３２とすることによっても実現できる。符号３７は補強用のリブであり、水流通部３２の適所に設けられている。
尚、上記構成の水気化器３０は、内缶体２ａの側壁２ａ１だけでなく、天壁２ａ２や底壁２ａ３にも適用できることは勿論である。

上記構成の固体酸化物形燃料電池１では、運転時、燃料ガス（例えば、都市ガス）、空気、水がそれぞれ、燃料ガス供給管１５、空気供給管１６、給水管１７を介して内缶体２ａ内に供給される。

水は給水管１７を介して水気化器３０に導入され、水流通部３２内において、燃料電池スタック３の高温排熱によって加熱されて気化し、水蒸気となって水流通部３２内を上昇し、配管２６を介して水蒸気バッファタンク３１内に誘導されて一時的に滞留される。水蒸気バッファタンク３１内の水蒸気は、タンク内においてさらに加熱されて高温水蒸気となる。
この高温水蒸気は、水蒸気配管２７を介して燃料ガス供給管１５に導入され、燃料ガス供給管１５内において燃料ガスと合流されて混合ガスとなる。混合ガスは、燃料熱交換器２０内を上方に流通する過程で燃料電池スタック３からの輻射熱により昇温されて高温の混合ガスとなり、配管２３を介して改質器２１に導入されると共に、改質器２１内において改質触媒による水蒸気改質が行われ、水素リッチな燃料ガスに改質される。改質ガスは、配管２４を介して燃料電池スタック３内の燃料ガスマニホールド１３に導入される。

一方、空気は空気供給管１６を介して空気熱交換器２２に導入され、空気熱交換器２２内を上方に流通する過程で燃料電池スタック３からの輻射熱により昇温され、配管２５を介して燃料電池スタック３内の空気マニホールド１４に導入される。そして、改質ガスと空気が各発電セル７内に供給され、発電セル７内の各電極において既述した電極反応が行われる。

ここで、本実施形態による固体酸化物形燃料電池１では、水気化器３０が内缶体２ａの壁面に付設されているので、水気化器３０は、上記壁面を伝熱面として、燃料電池スタック３からの排熱を効率良く受熱して速やかに高温水蒸気を生成することができ、且つ、その際の気化熱による抜熱効果で、熱的余剰状態にある内缶体２ａ内を好適運転温度に保持することができる。

この際、水気化器３０は、水流通部３２内の水が内缶体２ａの壁面に沿って面方向に流通するように配設されているため、壁面からの伝導熱を効率良く取り入れて熱交換することができる。

また、上記水流通部３２の底部３３を傾斜させているので、水流通部３２内の水量が少なくなった時は、水が底部３３の低い部分に集中し、纏まった水量にて安定した水の気化が行える。加えて、上記水流通部３２内に伝熱性のセラミックビーズ３４が充填されているので、その熱伝達効果により、水流通部３２内の水を速やかに気化させて、安定した水蒸気量を得ることができる。

また、図１に示すように、水気化器３０を内缶体２ａの内面に設けた場合は、水気化器３０は、内缶体２ａの壁面からの伝導熱とともに燃料電池スタック３からの直接的な輻射熱を受熱できるため、単位面積当たりの水蒸気生成能力が向上し、その分、水気化器３０を小形化できるというメリットがある。
他方、図３に示すように、水気化器３０を内缶体２ａの外面に設けた場合は、単位面積当たりの水蒸気生成能力は低下するものの、内缶体２ａの壁面における断熱性能が向上し、内缶体２ａの外側に配設される断熱材１８を薄くすることが可能になり、燃料電池の小形化が図れるというメリットがある。

以上のように、本発明に係る燃料電池によれば、燃料電池スタックにおける効率的な排熱の回収と効果的な温度制御を行うことができる。

Claims

発電セルを多数積層して構成した燃料電池スタックを、容器内に収容すると共に、運転時に上記燃料電池スタックの内部に反応用ガスを供給して発電反応を生じさせる内部改質式の燃料電池において、
上記容器の壁面に、上記燃料電池スタックの排熱を熱源として燃料改質用の水蒸気を生成する水気化器が付設されていることを特徴とする燃料電池。
上記水気化器は、外部からの供給水が上記容器の壁面に沿って面方向に流通する水流通部を有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
上記水流通部の底部を傾斜させて成ることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
上記水気化器内に伝熱性のビーズが充填されて成ることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
上記水気化器は、上記容器の内面に付設されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
上記水気化器は、上記容器の外面に付設されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
上記水気化器の上方に、当該水気化器からの水蒸気を一時滞留させておく水蒸気バッファタンクが配設されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
上記燃料電池は、排ガスを発電セルの外周部より放出するシールレス構造の固体酸化物形燃料電池であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。