JP2009277374A - 固体酸化物形燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】電力取り出し用の導電性部材からの放熱を低減可能な固体酸化物形燃料電池を提供する。
【解決手段】固体酸化物形燃料電池が，燃料電池スタックに，燃料ガスと反応させるための空気，燃料ガスを水蒸気改質するための水，燃料ガスのいずれかの流体を供給する供給経路と，燃料電池スタックで発生した電力を取り出す出力部材と，出力部材と流体との間で熱交換するための熱交換器と，を具備する
【選択図】図１

Description

本発明は，固体酸化物形燃料電池に関する。

固体酸化物形燃料電池は，固体酸化物を用いて，燃料ガス（可燃ガス）と酸素を反応させて，電力を発生する。ここで，燃料電池を構成する燃料電池スタックの均熱性を維持するための技術が開示されている（特許文献１参照）。即ち，エンドプレートからの放熱により，燃料電池へ投入される空気を加熱する。この結果，エンドプレートからの放熱を低減し，燃料電池スタックの均熱性が維持される。
ところで，燃料電池スタックから電力を取り出すために，燃料電池スタックに導電性の部材が接続される（特許文献２参照）。

特開２００６−１７９２８６号公報 特開２００５−１８３０８９号公報

ここで，電力取り出し用の導電性部材からの放熱が大きいことが判った。一般に，燃料電池スタックは断熱容器内に収納され，高温に維持される。このため，電力取り出し用の導電性部材は，断熱容器内の高温領域と外界の低温領域に跨って配置され，その温度差の関係で放熱量が大きくなり易い。
上記に鑑み，本発明は電力取り出し用の導電性部材からの放熱を低減可能な固体酸化物形燃料電池を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る固体酸化物形燃料電池は，燃料極および空気極が両面に配置された酸素イオン伝導性固体電解質体が積層され，燃料ガスと空気中の酸素との反応により電力を発生する燃料電池スタックと，前記燃料電池スタックに，前記燃料ガスと反応させるための空気，前記燃料ガスを水蒸気改質するための水，前記燃料ガスのいずれかの流体を供給する供給経路と，前記燃料電池スタックで発生した電力を取り出す出力部材と，前記出力部材と前記流体との間で熱交換するための熱交換器と，を具備することを特徴とする。

本発明によれば，電力取り出し用の導電性部材からの放熱を低減可能な固体酸化物形燃料電池を提供できる。

以下，図面を参照して，本発明の実施の形態を詳細に説明する。
（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１実施形態に係る固体酸化物形燃料電池１００を表す側面図である。固体酸化物形燃料電池１００は，燃料ガスと空気の供給を受けて発電を行う装置である。燃料ガスとして，都市ガスなどの炭化水素燃料を用いることができる。固体酸化物形燃料電池１００は，燃料電池スタック１１０，空気配管１２１，１２２，導電性出力部材１３１，１３２，熱交換器１４０，断熱容器１７０を有する。なお，熱交換器１４０および空気配管１２１，１２２は，切断した断面状態を表している。また，燃料ガスおよび排ガスの配管の図示が省略されている。

燃料電池スタック１１０は，積層された燃料電池セル１１１，エンドプレート１１２，１１３を有する。燃料電池セル１１１は，板形状をなし，発電単位である。本実施形態では，燃料電池スタック１１０に発電に必要な量よりも多くの燃料ガスが投入され，余った燃料ガスは燃料電池スタック１１０の内部で燃焼される。燃料電池スタック１１０での燃料ガスの燃焼による発熱および発電時の燃料電池スタック１１０でのジュール熱と，断熱容器１７０からの放熱や投入ガスの予熱といった吸熱分とがバランスする。この結果，燃料電池スタック１１０の温度が一定に保たれ，熱自立運転がなされる。なお，燃料電池セル１１１の詳細は後述する。

エンドプレート１１２，１１３は，耐熱性及び導電性に優れた板材（例えばステンレス製の板材）から構成される。エンドプレート１１２，１１３は，積層される燃料電池セル１１１を押圧する保持板であり，かつ燃料電池スタック１１０からの電流の出力端子でもある。エンドプレート１１２，１１３を介し，燃料電池スタック１１０を積層方向に貫く固定部材１１４，１１５により，燃料電池セル１１１が締め付けられて固定，一体化されることで，燃料電池スタック１１０が構成される。この固定部材１１４，１１５は，例えば，ボルト及びそれに螺合するナット等であり，燃料電池スタック１１０の枠部にあけられた貫通孔を貫く様に配置される。なお，本実施形態では，エンドプレート１１２，１１３がそれぞれ正極，負極となる。

空気配管１２１，１２２は，燃料ガスと反応させるための空気（流体）を燃料電池スタック１１０に供給するための供給経路である。空気配管１２２から供給される空気が熱交換器１４０で加熱され，空気配管１２１を経由して，燃料電池スタック１１０に供給される。

導電性出力部材１３１，１３２は，燃料電池スタック１１０から電力を取り出すための部材である。エンドプレート１１２，１１３それぞれに，棒状の導電性出力部材１３１，１３２が接続される。導電性出力部材１３１，１３２は，耐熱性及び導電性に優れた例えばニッケルからなり，燃料電池スタック１１０の外に電力を取り出すリード部として機能する。エンドプレート１１２，１１３の右側面に，雌ねじのねじ孔が形成される（図示せず）。一方，エンドプレート１１２，１１３に接続される導電性出力部材１３１，１３２の左端部の外周には，雄ねじのねじ部が形成されている（図示せず）。この雄ねじと雌ねじの螺合により，エンドプレート１１２，１１３と導電性出力部材１３１，１３２とが接続される。

熱交換器１４０は，空気配管１２２で供給される空気と，導電性出力部材１３１との間での熱交換を可能とする。熱交換器１４０は，容器１４１，および容器１４１内の空洞１４２を有する。導電性出力部材１３１が熱交換器１４０を貫通し，この空洞１４２内に配置される。空気配管１２２で供給される空気は，この空洞１４２内を通過する際に，導電性出力部材１３１からの放熱で加熱される。この熱交換により，導電性出力部材１３１からの放熱が有効利用され，外部に流出することが防止される。出力取り出し部位（導電性出力部材１３１）からの放熱を燃料電池スタック１１０に投入する空気により回収することで，熱ロスが少なくなる。この結果，燃料電池スタック１１０の熱自立運転が容易となる。

図２は，燃料電池セル１１１を分解した状態を表す斜視図である。燃料電池セル１１１は，コネクタプレート４１（４１ａ，４１ｂ），空気極フレーム４２，絶縁フレーム４３，セパレータ４４，空気極４５，電解質４６，燃料極４７，燃料極フレーム４８を有する。

コネクタプレート４１ａ，４１ｂは，金属等の導電性材料から構成され，燃料電池セル１１１の厚み方向の両側に一対配置される。コネクタプレート４１により，燃料電池セル１１１それぞれのガス流路が分離され，かつ板厚方向での導通が確保される。

隣り合う燃料電池セル１１１の間に配置されるコネクタプレート４１は，インターコネクタとなり，隣り合う燃料電池セル１１１を区分する。燃料電池スタック１１０の積層方向の両端に配置されるコネクタプレート４１が，エンドプレート１１２，１１３となる。

電解質４６は，矩形の板形状であり，例えば，ＺｒＯ_２等の酸化物から構成され，セパレータ４４の下面に固定される。電解質４６は，酸素イオン伝導性固体電解質体として機能する。電解質４６の上下に，空気極４５および燃料極４７が固着される。空気極４５とコネクタプレート４１ａとの間には，その導通を確保するために，集電体（図示せず）が配置される。

コネクタプレート４１ａ，空気極フレーム４２，絶縁フレーム４３によって，セパレータ４４の上方に空気室が構成される。燃料極フレーム４８，コネクタプレート４１ｂによって，セパレータ４４の下方に燃料室が構成される。燃料室，空気室それぞれに，燃料ガス，空気が導入され，高温（例えば，７００℃程度）に加熱されることで，電解質４６を介して，燃料ガスと空気中の酸素が反応し，空気極４５，燃料極４７をそれぞれ正極，負極とする直流の電気エネルギーが発生する。

断熱容器１７０は，断熱性能を有した容器であり，燃料電池スタック１１０を格納する。空気配管１２１，１２２は，断熱容器１７０の内外に配置される。導電性出力部材１３１，１３２は，断熱容器１７０を貫通して配置される。この例では，熱交換器１４０が断熱容器１７０の内外に渡って配置される。これに対して，熱交換器１４０を断熱容器１７０の内部あるいは外部のみに配置することも可能である。但し，どちらかと言えば，熱交換器１４０は断熱容器１７０の外部に設置するほうが好ましい。熱交換器１４０を断熱容器１７０の内部に設置すると，断熱容器１７０内の熱が熱交換器１４０により吸熱されるためである。

（第２の実施の形態）
図３は本発明の第２実施形態に係る固体酸化物形燃料電池２００を表す側面図である。固体酸化物形燃料電池２００は，燃料電池スタック１１０，空気配管２２１，２２２，導電性出力部材１３１，１３２，熱交換器２４０，断熱容器１７０を有する。なお，熱交換器２４０および空気配管２２１，２２２は，切断した断面状態を表している。また，燃料ガスおよび排ガスの配管の図示が省略されている。

熱交換器２４０は，空気配管２２２で供給される空気と，導電性出力部材１３１との間での熱交換を可能とする。熱交換器２４０は，容器２４１，および容器２４１内の空洞２４２を有する。導電性出力部材１３１が熱交換器２４０を貫通し，この空洞２４２内に配置される。空気配管２２２で供給される空気は，この空洞２４２内を通過する際に，導電性出力部材１３１からの放熱で加熱される。本実施形態では，容器１４１，空洞２４２が円筒形であり，その軸に沿って導電性出力部材１３１が配置される。導電性出力部材１３１が空洞２４２の軸に配置されることで，空洞２４２内の空気に導電性出力部材１３１からの放熱が均一に伝達され，熱ロスのさらなる低減が可能となる（効果的な熱の回収）。
以上の点を除き，本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池２００は，固体酸化物形燃料電池１００と実質的に相違する訳ではないので，詳細な説明を省略する。

（第３の実施の形態）
図４は本発明の第３実施形態に係る固体酸化物形燃料電池３００を表す側面図である。固体酸化物形燃料電池３００は，燃料電池スタック１１０，空気配管３２１，３２２，導電性出力部材１３１，１３２，熱交換器３４０，断熱容器１７０を有する。なお，燃料ガスおよび排ガスの配管の図示が省略されている。

熱交換器３４０は，空気配管３２２で供給される空気と，導電性出力部材１３１との間での熱交換を可能とする。熱交換器３４０は，空気配管３４１を有する。空気配管３４１は，空気配管３２１，３２２の間に配置され，導電性出力部材１３１に螺旋状に巻き付けられる。空気配管３４１を通過する空気が，導電性出力部材１３１からの放熱で加熱される。
以上の点を除き，本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池３００は，固体酸化物形燃料電池１００と実質的に相違する訳ではないので，詳細な説明を省略する。

（比較例）
図５は本発明の比較例に係る固体酸化物形燃料電池１００ｘを表す側面図である。固体酸化物形燃料電池１００ｘは，燃料電池スタック１１０，空気配管１２１ｘ，導電性出力部材１３１，１３２，断熱容器１７０を有する。即ち，固体酸化物形燃料電池１００ｘは熱交換器を有せず，空気配管１２１ｘから流入される空気はそのまま燃料電池スタック１１０に投入される。

（その他の実施形態）
本発明の実施形態は上記の実施形態に限られず拡張，変更可能であり，拡張，変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。

１．上記実施形態では，熱交換器１４０〜３４０によって，燃料電池スタック１１０での反応用の空気を加熱していた。空気に換えて，他の流体を加熱することも可能である。このような流体として，（１）燃料ガス，（２）燃料ガスを水蒸気改質するための水，（３）汎用の水が考えられる。

固体酸化物形燃料電池１００の燃料極４７で炭素が析出すると燃料電池スタック１１０が劣化，もしくは破損する恐れがある。このため，燃料ガス（炭化水素燃料）を改質してから，燃料電池スタック１１０へ流すことが望ましい。水蒸気で燃料ガス（例えば，炭化水素燃料）を改質し（水蒸気改質方式），炭素の析出を防止できる。このために，水蒸気改質用の水が固体酸化物形燃料電池１００に供給される。そして，その水を気化するために気化器が，燃料ガスを改質するために改質触媒を入れた改質器が必要となる。但し，固体酸化物形燃料電池の燃料極で水蒸気改質を行うことも可能である。この場合，改質器を別途に設ける必要は無い。この改質用の水を熱交換器１４０〜３４０によって加熱することでも，導電性出力部材１３１からの熱ロスを低減できる。

２．上記実施形態では，導電性出力部材１３１のみに，熱交換器１４０〜３４０が取り付けられていた。これに対して，導電性出力部材１３２のみ，導電性出力部材１３１，１３２の双方に熱交換器１４０〜３４０を取り付けても良い。また，導電性出力部材１３１，１３２で異なる流体を加熱することも可能である。例えば，導電性出力部材１３１，１３２それぞれで，空気，水を加熱することができる。

以下，本発明の実施例を説明する。
実施例１は，第１の実施形態に対応する。即ち，燃料電池スタック１１０からの出力取り出し部材（導電性出力部材１３１）が熱交換器１４０を貫通するように組付け，出力取り出し部材（導電性出力部材１３１）からの熱を回収する。但し，加熱される流体を汎用の水とした。この水は，例えば，風呂に利用できる。

実施例２は，熱交換器１４０に流す流体を水蒸気改質用の水をとして使用する以外は，実施例１と同様とした。

実施例３は，熱交換器１４０に流す流体を発電に必要な空気をとする以外は，実施例１と同様とした。

実施例４は，熱交換器１４０に流す流体を燃料ガスとしてのメタンとする以外は，実施例１と同様とした。

実施例５は，第２の実施形態に対応する。即ち，熱交換器２４０を二重構造とし，外側に空気，もしくは水を流す。

実施例６は，第３の実施形態に対応する。即ち，導電性出力部材１３１の外側に螺旋状に空気配管３４１を巻き付け，その空気配管３４１に空気，もしくは水を流す。

実施例７では，２つの熱交換器がある。即ち，導電性出力部材１３１，１３２それぞれに配管を取り付け，片側には燃料ガスをもう一方には空気を流した。

実施例８は，一方の配管に水，他方の配管に空気を流す以外は実施例７と同様とした。

実施例９は，一方の配管に燃料ガス（メタン），他方の配管に水を流す以外は実施例７と同様とした。

比較例では，熱交換器を有しない。即ち，導電性出力部材１３１，１３２に何の熱交換機能を付与されない。

燃料電池スタック１１０に投入される直前の温度と熱交換器に投入する時の温度差，比熱，密度，流量から計算して，熱交換器で回収した熱量を算出した。その結果を図６に示す。

比較例１では，出力取り出し部材（導電性出力部材１３１，１３２）からの放熱を回収していないため，φ１５程度の出力線を用いた場合には，スタック温度が７００℃の時に１本当たり１５〜２０Ｗの放熱がある。

導電性出力部材１３１，１３２からの放熱は，相当に大きい。導電性出力部材１３１がφ１５ｍｍ，長さ２００ｍｍで，燃料電池スタック１１０の温度が７００℃の時に，導電性出力部材１３１，１３２の１本当たり約２０Ｗの放熱がある。固体酸化物形燃料電池１００が１ｋＷ出力の場合，放熱が約９００Ｗでも熱自立運転は可能である。しかし，固体酸化物形燃料電池１００への負荷を５００Ｗ，２００Ｗ，１００Ｗと下げた場合には，それぞれ放熱を４５０Ｗ，１８０Ｗ，９０Ｗ以下としないと熱自立運転は不可能となる。このように，導電性出力部材１３１，１３２からの放熱は決して無視できる値ではない。その放熱を回収し，燃料電池スタック１１０へと返すことで，より低出力発電の時でも熱自立運転が容易となる。

実施例１のように水で熱交換させ，その水を例えばコジェネレーションとしての温水を生成する装置の前段階とすることで，熱を利用できることになり，全体のシステム効率の向上に繋がる。

実施例２では，熱交換した水を燃料電池スタック１１０へと投入することにより，水の移動距離が短くなる。このため，熱ロスが小さく，回収した熱を効果的に利用できる。

実施例３のように熱交換する流体を水ではなく，空気としても実施例２と同様の効果が得られる。

実施例４のように熱交換する流体を燃料としても実施例２と同様の効果が得られる。

実施例５のように熱交換器を二重構造とすることで，効果的な熱交換が可能となり，熱ロスが小さくなる。

実施例６のように，螺旋状に配管を巻き付け，その配管に熱交換する流体を流すことで，実施例５よりもより効果的に熱交換を行うことが可能となり，熱ロスがより小さくなる。

実施例７〜９のように，導電性出力部材１３１，１３２の両方に熱交換機能を付与することで，熱ロスは小さくできる。即ち，実施例７〜９のように，２本の導電性出力部材１３１，１３２に対し，燃料電池スタック１１０に必要な燃料，空気，水の内，いずれか２つの流体（媒体）にて熱交換することが最も効率が良かった。この場合，最終的な回収熱量は，２つの媒体それぞれでの回収熱量の和となる。この観点からすると，実施例８での水と空気の組み合わせが良かった。

なお，実施例５，６では，２つの媒体（空気，水）を別個に使用しているので（２つの媒体を同時に使用している訳ではない），最終的な回収熱量は，それぞれの媒体での回収熱量そのものである。

本発明の第１実施形態に係る固体酸化物形燃料電池１００を表す側面図である。 燃料電池セル１１１を分解した状態を表す斜視図である。 本発明の第２実施形態に係る固体酸化物形燃料電池２００を表す側面図である。 本発明の第３実施形態に係る固体酸化物形燃料電池３００を表す側面図である。 本発明の比較例に係る固体酸化物形燃料電池１００ｘを表す側面図である。 実験結果を纏めた表である。

符号の説明

１００ 固体酸化物形燃料電池
１１０ 燃料電池スタック
１１１ 燃料電池セル
１１２，１１３ エンドプレート
１１４，１１５ 固定部材
１２１，１２２ 空気配管
１３１，１３２ 導電性出力部材
１４０ 熱交換器
１４１ 容器
１４２ 空洞
１７０ 断熱容器
４１（４１ａ，４１ｂ） コネクタプレート
４２ 空気極フレーム
４３ 絶縁フレーム
４４ セパレータ
４５ 空気極
４６ 電解質
４７ 燃料極
４８ 燃料極フレーム

Claims (6)

1. 燃料極および空気極が両面に配置された酸素イオン伝導性固体電解質体が積層され，燃料ガスと空気中の酸素との反応により電力を発生する燃料電池スタックと，
   前記燃料電池スタックに，前記燃料ガスと反応させるための空気，前記燃料ガスを水蒸気改質するための水，前記燃料ガスのいずれかの流体を供給する供給経路と，
   前記燃料電池スタックで発生した電力を取り出す出力部材と，
   前記出力部材と前記流体との間で熱交換するための熱交換器と，
   を具備することを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
2. 前記熱交換器が，前記出力部材を囲み，前記流体を通過させる容器を有する
   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. 前記熱交換器が，前記出力部材に巻き付けられ，前記流体を通過させる配管を有する
   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。
4. 前記出力部材が，正極，負極それぞれに対応する第１，第２の出力部材を有し，
   前記熱交換器が，第１，第２の出力部材それぞれに対応する第１，第２の熱交換器を有する
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の固体酸化物形燃料電池。
5. 前記第１，第２の熱交換器それぞれで熱交換される流体が異なる
   ことを特徴とする請求項４に記載の固体酸化物形燃料電池。
6. 前記燃料電池スタックを覆う断熱容器
   をさらに具備することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の固体酸化物形燃料電池。

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