JP2009193808A - 固体酸化物形燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】配管又は予熱機器等の破損をなくして熱エネルギーを効果的に回収することができる固体酸化物燃料電池モジュールを提供すること。
【解決手段】燃料ガスが供給されるアノードと、酸化剤ガスが供給されるカソードとが固体酸化物電解質層を介して形成された燃料電池単セルの集合体と、前記集合体の外部を包囲する単層又は複数層の断熱材を用いた断熱手段とを備えた燃料電池モジュールと、前記燃料電池モジュールの外部に配置された前記燃料ガス又は酸化剤ガスが流れる一つ又は複数の予熱通路を形成する断熱外壁と、前記断熱外壁と前記燃料電池モジュールとの間に配置された多孔質体を備えることを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
【選択図】図１

Description

本発明は放熱による熱エネルギー損失を効果的に低減することができる固体酸化物形燃料電池に関する。

通常、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は、電解質に酸化物イオン導電体、例えば安定化ジルコニアを用いており、この電解質の両側にアノード及びカソードを配置している。また、セル形状によっては、積層時にアノードまたはカソードと電気的接続の役割をするインターコネクタを備えている。この燃料電池は通常、単セルとセパレータとは、所定数だけ積層された燃料電池スタックとして使用されている。

従来においてはＳＯＦＣの発電温度が約１０００℃と非常に高温であり、その高温を維持するために断熱材を充填してなる断熱構造がとられているが、断熱材の枚数が嵩み、燃料電池モジュール本体は大がかりなものとなってしまった。また、燃料電池の内部温度は均一化することが好ましく、作動条件によっては内部において温度分布が生じることを防止することが好ましい。

このような断熱構造では、燃料電池等で発生する反応熱を断熱する手段として、例えば特許文献１記載のように、電池発熱反応に伴い発生する熱を燃料電池に供給する燃料ガス又は酸化剤ガスと熱交換して回収する手段が提案されている。

単に断熱、冷却するだけであれば、モジュール外部を断熱材で覆い、更に冷却装置を組み込むことで容易に解決することができるが、家庭用を想定した場合はコンパクト化が望まれる。

特開平０９−０７６２４公報 特開平０８−２７３６８６号公報

そこで、燃料電池モジュールをコンパクトにするために、燃料ガス又は酸化剤ガスの配管又は予熱容器を発電モジュールに隣接して配置する必要がある。しかし、約１０００℃という高温で稼動し続けると高温配管の熱膨張差によって配管又は予熱容器が破損する恐れがあるという問題を有していた。

本発明の目的は、配管又は予熱機器等の破損をなくして熱エネルギーを効果的に回収することができる固体酸化物燃料電池モジュールを提供することである。

本発明は、燃料ガスが供給されるアノードと、酸化剤ガスが供給されるカソードとが固体酸化物電解質層を介して形成された燃料電池単セルの集合体と、前記集合体の外部を包囲する単層又は複数層の断熱材を用いた断熱手段とを備えた燃料電池モジュールと、前記燃料電池モジュールの外部に配置された前記燃料ガス又は酸化剤ガスが流れる一つ又は複数の予熱通路を形成する断熱外壁と、前記断熱外壁と前記燃料電池モジュールとの間に配置された多孔質体を備えることを特徴とする固体酸化物形燃料電池を提供するものである。

本発明によれば、配管又は予熱機器等の破損をなくして燃料電池モジュールからの熱エネルギーを効果的に回収することができる固体酸化物燃料電池を提供することができる。

前記断熱外壁は、前記燃料電池モジュールの外周に配置された高温用断熱体と前記予熱通路の間及びその予熱通路を取り囲むように配置された断熱外壁（図１において、２１’及び２１’’）とからなるものが好ましい。

本発明の対象は、燃料ガスが供給されるアノードと酸化剤ガスが供給されるカソードとを有する燃料電池単セル集合体と、その集合体の外部を断熱材で包囲した燃料電池モジュールの外部に、前記燃料ガスもしくは酸化剤ガスが流れる予熱通路を配置したものである。具体的には前記通路に供給される前記燃料ガスもしくは酸化剤ガスの入口と出口との間に多孔質体を配して前記燃料電池モジュールからの伝熱及び輻射熱をより効率的に回収することを特徴とする。

本発明の他の好ましい実施形態の１つとして、前記燃料電池モジュールの位置に応じて、前記予熱通路に配した前記多孔質体の気孔率が異なる固体酸化物形燃料電池モジュールがある。また、他の実施形態として、前記予熱通路及び前記燃料電池には温度計測手段及び反応ガス流量調整手段を設けて、前記燃料電池の温度分布に応じて前記予熱通路に供給する前記燃料ガスもしくは酸化剤ガスの流量を制御する固体酸化物形燃料電池モジュールがある。

さらに他の好ましい形態として、前記燃料電池及び前記予熱通路に備えられた温度計測手段を前記燃料電池モジュールから外部に取り出す計測用ポートに熱絶縁用端子が接続されている固体酸化物形燃料電池モジュールがある。また、前記予熱通路に流れる流体が燃料ガスの場合、前記通路の内側に配する前記多孔質体が耐還元性材料である固体酸化物形燃料電池モジュールがある。

そしてさらに、好ましい形態として、前記予熱通路に流れる流体が酸化剤ガスの場合、前記通路の内側に配する前記多孔質体が耐酸化性材料である固体酸化物形燃料電池モジュールがある。

本発明の他の望ましい実施態様によれば、前記燃料電池に供給する燃料ガスもしくは酸化剤ガスが流れる通路を、前記断熱手段で包囲された燃料電池モジュールに近接して配置し、燃料電池単セルが発電することによる発熱を燃料電池モジュール外部に放熱する前に回収することができる。

また、前記予熱通路の中に多孔質板を配することで予熱通路内の熱伝導率の向上及び予熱通路内を流れる前記燃料ガスもしくは酸化剤ガスを予熱通路面内に均一に流すことができるので、燃料電池の温度分布を均一にすることができ、効率的に放熱を回収することができる。

また、前記予熱通路を複数設けた場合、前記燃料電池の温度計測手段で計測された温度に応じて、各通路に流す前記燃料ガスもしくは前記酸化剤ガスの流量を調整することが好ましい。これにより、燃料電池の温度分布を均一にすることができるので、より効率的に放熱を回収することができる。

また、前記通路に挿入する多孔質体は熱伝導の良い金属材料が望ましく、前記通路を流れる流体が前記燃料ガスであれば還元雰囲気なので、耐還元性材の金属材料例えば、ニッケルなどを用い、前記通路を流れる流体が酸化剤ガスであれば耐酸化性の金属材料例えば、ステンレス材などを用いることにより効果的に放熱を回収することができる。

本発明において、燃料電池モジュールはアノードと、固体酸化物層を介して配置されたカソードを含む燃料電池単セルの集合体と、その外周を取り囲む断熱材（断熱内壁２０）を含む構成を意味する。

前記燃料電池モジュールの外部には燃料ガス又は酸化剤ガスが流れる１つ又は複数の予熱通路を形成する断熱外壁を配置する。そして、この断熱外壁２１内に形成される予熱通路４１に多孔質体９を配置し、前記断熱内壁（高温断熱材）２０からの熱エネルギーを多孔質体により回収する。断熱外壁２１は、外側の断熱外壁２１’と内側の断熱壁２１’’とから構成される。

以下、具体的な本発明の実施の形態について具体的に記載する。
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池モジュールの概略構成断面図である。図１に示すように本発明では燃料電池１を有している。燃料電池１は、固体酸化物形燃料電池である。燃料電池１は、燃料電池単セルの集合体であり、燃料電池単セルの集合体と集電極３及びその外周に配置された高温断熱材２０とから燃料電池モジュールが構成される。

図２は、本発明に採用できる円筒型の燃料電池単セルの構造を示す一部断面斜視図である。本発明は、例えば図２に示すような円筒型や、積層型などに適用され、燃料電池単セルの構造・形状が限定されるものではない。図２に示す円筒型の固体酸化物形燃料電池単セルは、電解質５３の両面にカソード５１、アノード５４及びインターコネクタ５２が設けられた電解質電極接合体を備えている。

電解質５３は、安定化ジルコニア等の酸化物イオン伝導体で構成されている。インターコネクタ５２は、積層時に、アノードまたはカソードと電気的接続の役割を担う。図１には図２に示す単セルを複数個配置した燃料電池モジュールとその熱回収システムをあわせて示した。

燃焼室１０は、燃料電池１のアノード及びカソードから排出された未反応燃料を燃焼し、燃焼排ガスの熱量を高める。燃焼排ガスは、６００℃〜１０００℃と非常に高温であり、この高温の燃焼排ガスを利用して、空気や燃料の予熱、燃料の改質、蒸気発生及び温水用の熱源として利用する。

空気導入管２は燃料電池１のカソード側にブロアーやコンプレッサーなどの酸化剤ガス供給源（図示せず）から酸化剤ガスを供給するために設けられており、円筒型の場合、燃料電池単セルの先端部分まで酸化剤ガスである空気を送り込むために用いられる。

集電極３は燃料電池１が発電することによって発生した起電力を集め、外部に取り出すために設けられている。

また燃料電池単セル１間の温度差を低減する目的で均熱板１３を設けている。均熱板１３は材料として特に限定するものではないが、熱伝導が良い材料が好ましく、例えば還元雰囲気でも使用できる銅などが好適な例として挙げられる。

アノード室１１は燃料ガスを燃料電池１のアノードに均一に供給するために、アノード室仕切り板７で燃料ガスをアノード室１１の隅々まで分散させ、多孔質状の整流板６で燃料電池１のアノードに均一に燃料ガスを供給する。アノード室１１には燃料ガス供給手段３２が接続されている。燃料ガス供給手段３２は、例えば都市ガスなど主としてメタン（ＣＨ_４）を含む原燃料ガスに水蒸気改質することができる改質器（図示せず）などが好適な手段として用いられる。

カソード室１２は酸化剤ガスを燃料電池１のカソードに均一に供給するために、カソード室仕切り板８で酸化剤ガスをカソード室１２の隅々まで分散させ、空気導入管２に均一に酸化剤ガスを供給することで、燃料電池１のカソードにも均一に酸化剤ガスを供給することができる。

図３は、本発明に採用できる燃料電池１発電部分の断熱構造の概略図である。図３より、燃料電池単セル４からの放熱は高温用断熱材（断熱内壁）２０及び低温用高機能断熱材（断熱外壁）２１で約４００℃まで低減することができる。ここで高温用断熱材２０は耐熱性が約７００℃〜１０００℃において低熱膨張係数を有する材料が好ましい。例えばシリカアルミナ系の耐熱繊維で構成されるファインフレックス（登録商標、ニチアス（株）商品名）などが好適な材料として挙げられるが、これに限定するものではない。また低温用高機能断熱材としては約４００℃〜６００℃において低熱膨張が好ましく、例えばドイツのＷａｃｋｅｒ Ｃｈｅｍｉｅ ＧｍｂＨ社が開発した「ＰＯＲＥＸＴＨＥＲＭ ＷＤＳ」などが好適な材料として挙げられる。しかし、これに限定するものではない。

低温用断熱材２１の内壁２１’’からの放熱により空気予熱通路４１によって酸化剤ガスを予熱する。空気予熱通路４１には放熱から効率的に熱エネルギーを回収するために多孔質体９が挿入されている。ここで多孔質体９の材料を限定するものではないが、より効率的に放熱を回収するために熱伝導性の良い金属材料が好ましい。但し、予熱ガス及び断熱内壁２１’’からの熱エネルギーによって焼損したり破壊したりしないような、十分高い耐熱性の材料を選択する。多孔質体の気孔は、貫通孔が好ましく、かつその貫通孔の方向は、予熱通路の方向と直交又は横切る方向が好ましい。

ここで燃料電池モジュールの軸方向に対して、挿入する多孔質材の気孔径又は気孔率が異なるものを使用することが望ましい。例えば、燃料電池単セルの軸方向の平均温度と比較して、温度が高いと想定される部分には多孔質材の気孔径又は気孔率が大のものを挿入する。これにより、その部分を流れる燃料ガスもしくは酸化剤ガスの流量を増やすことができるため、より効果的に燃料電池の高温部の温度を下げることができる。

また燃料電池モジュールの軸方向の平均温度と比較して、温度が低いと想定される部分には多孔質材の気孔径又は気孔率が小さいものを挿入することで、その部分を流れる燃料ガスもしくは酸化剤ガスの流量を減らすことができる。その部分での過冷却を防止することができる。

上記の説明のように、大きな燃料ガスもしくは酸化剤ガス流量が必要なときは気孔径又は気孔率の大きい多孔質体とし、小さい流量が必要なときは、気高径又は気孔率の小さい多孔質体とする。

本実施の形態にかかる固体酸化物形燃料電池によれば、以下の効果を奏する。
（１）燃料電池モジュールから外部への放熱を燃料ガス及び酸化剤ガスの予熱として用い、予熱通路に多孔質体を挿入することでより効率的に予熱することができる。単に予熱通路を設けただけでは、燃料電池モジュールから放出される熱エネルギーが十分回収されないまま燃料電池外に放出されることになるが、予熱通路内に多孔質体を配置することにより、熱エネルギーを極めて効率よく回収することができる。
（２）多孔質体は連続気孔を有するものが好ましく、この多孔質体を挿入することで予熱通路に均一に燃料ガスもしくは酸化剤ガスを流すことができるので、燃料電池モジュールの温度を均一にすることができる。
（３）燃料電池モジュールの軸方向に対して、挿入する多孔質体の気孔率を変えることで、燃料電池モジュールの軸方向に対して温度を均一にすることができる。
（４）予熱通路によりモジュールからの放熱を回収するため、断熱材を薄くすることができるので燃料電池モジュールの放熱ロスを低減し、かつコンパクトにすることができる。
（第２実施形態）
図４（ａ）は本発明の第２実施形態にかかる固体酸化物形燃料電池の概略斜視図であり、図４（ｂ）は燃料電池モジュールの軸方向における温度勾配を示すグラフである。第１実施形態では、空気予熱通路を１つとしていたが、本実施形態では、この通路を軸方向に複数に分割してなるものである。

図４ａ）に示すように、本実施形態にかかる燃料電池モジュール本体の空気予熱通路は、軸方向に複数個（本実施では３つ）設けており、それぞれの通路の酸化剤ガス入口は独立している。図４（ｂ）に示すように、燃料電池１の表面付近には、それぞれの軸方向の高さに温度（Ｔ１、Ｔ２及びＴ３）を計測する手段が設けられる。

複数に空気予熱通路を区切ることで、燃料電池１の軸方向に温度分布の差があった場合でも制御手段（図示せず）によって、測定温度に応じて各空気予熱通路に供給する空気流量を制御することができるので、燃料電池１の軸方向の熱分布を均一化することができる。

すなわち、図４（ｂ）に示すように、燃料電池１の温度分布が軸方向に対して中心部分（Ｔ２）が高いような場合（図中実線）、温度が高い部分の空気供給手段３１２の流量を増すことでＴ２の温度を選択的に下げることで、燃料電池１の軸方向に対して温度分布を均一化することができる。また燃料電池軸方向に対して周方向では、多孔質板を用いているのでガスの流量が全体的に均一になるため、燃料電池の温度を均一に制御することができる。

本実施形態にかかる固体酸化物形燃料電池によれば、空気予熱通路を複数に分割することで、燃料電池１の軸方向の温度分布が均一化されるので、温度上昇に伴う燃料電池の劣化等を防止することができる。
（３実施形態）
図５は本発明の第２実施形態にかかる固体酸化物形燃料電池の概略図である。図５に示すように第３の実施形態では、空気を予熱する通路の他に燃料予熱通路４２１を備えている。燃料予熱通路４２１には改質される前の原燃料ガスと水蒸気を混合したガスもしくは改質された燃料ガスが供給される。

以上、本実施形態によれば、空気だけではなく、燃料電池１からの放熱を燃料ガスの予熱及び改質に利用することができるので、外部に改質器、燃料予熱器などが不要になり、よりコンパクトな燃料電池システムを提供することができる。

なお、本発明は上述した発明の実施の形態に限定されず、燃料電池モジュールの外側に熱交換機能を付与し、燃料電池モジュールからの余剰な熱を除去する構成であれば良い。従って、図示したような構成に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

本発明の第１実施形態に係る固体酸化物形燃料電池の構成図である。 本発明に採用できる円筒型燃料電池セルの一部断面斜視図である。 本発明の第１実施形態に係る固体酸化物形燃料電池モジュール外部の断面図である。 本発明の第２実施形態に係る固体酸化物形燃料電池の概略構成図である。 本発明の第３実施形態に係る固体酸化物形燃料電池の概略構成図である。

符号の説明

１…燃料電池、２…空気導入管、３…集電極、４…燃料電池単セル、６…整流板、７…アノード室仕切り板、８…カソード室仕切り板、９…多孔質体、１０…燃焼室、１１…アノード室、１２…カソード室、２０…高温用断熱材、２１…低温用高機能断熱材、３１…酸化剤ガス供給手段、３２…燃料ガス供給手段、４１…空気予熱通路、５１…カソード、５２…インターコネクタ、５３…固体酸化物形電解質、５４…アノード、３１１，３１２，３１３…酸化剤ガス供給手段、３２１…燃料ガス供給手段、４１１…空気予熱通路１、４１２…空気予熱通路２、４１３…空気予熱通路３、４１４…空気予熱通路、４２１…燃料予熱通路

Claims (9)

1. 燃料ガスが供給されるアノードと、酸化剤ガスが供給されるカソードとが固体酸化物電解質層を介して形成された燃料電池単セルの集合体と、前記集合体の外部を包囲する単層又は複数層の高温断熱材を備えた燃料電池モジュールと、前記燃料電池モジュールの外部に配置された前記燃料ガス又は酸化剤ガスが流れる一つ又は複数の予熱通路を形成する断熱外壁と、前記断熱外壁と前記燃料電池モジュールとの間に配置された多孔質体を備えることを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
2. 前記燃料電池モジュールの位置に応じて、前記予熱通路に配した前記多孔質体の気孔率が異なることを特徴とする請求項１記載の固体酸化物形燃料電池。
3. 前記予熱通路及び前記燃料電池モジュールに温度計測手段及び反応ガス流量調整手段を設け、前記燃料電池モジュールの温度分布に応じて前記予熱通路に供給する前記燃料ガスもしくは酸化剤ガスの流量を制御することを特徴とする請求項１又は２記載の固体酸化物形燃料電池。
4. 前記燃料電池モジュール及び前記予熱通路に備えられた温度計測手段を前記燃料電池モジュールから外部に取り出す計測用ポートに、熱絶縁用端子が接続されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池モジュール。
5. 前記予熱通路に流れる流体が燃料ガスの場合、前記通路の内側に配する前記多孔質体が耐還元性材料であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池モジュール。
6. 前記予熱通路に流れる流体が酸化剤ガスの場合、前記通路の内側に配する前記多孔質体が耐酸化性材料であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池モジュール。
7. 燃料ガスが供給されるアノードと、酸化剤ガスが供給されるカソードとが固体酸化物電解質層を介して形成された燃料電池単セルの集合体と、前記集合体の外部を包囲する高温断熱材を備えた燃料電池モジュールと、前記燃料電池モジュールの外部に配置された前記燃料ガス又は酸化剤ガスが流れる予熱通路を形成する断熱外壁と、前記断熱外壁と前記燃料電池モジュールとの間に配置された多孔質体とを備え、前記多孔質体の気孔率が前記燃料電池モジュールの軸方向における温度が高い位置ほど高いことを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
8. 前記予熱通路及び前記燃料電池モジュールに設けた温度計測手段及び反応ガス流量調整手段を備え、前記燃料電池モジュールの軸方向の温度分布に応じて前記予熱通路に供給する前記燃料ガスもしくは酸化剤ガスの流量を制御することを特徴とする請求項７記載の固体酸化物形燃料電池。
9. 前記燃料電池モジュール及び前記予熱通路に備えられた温度計測手段を前記燃料電池モジュールから外部に取り出す計測用ポートに熱絶縁用端子が接続されていることを特徴とする請求項７に記載の固体酸化物形燃料電池モジュール。

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