JP2007294224A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】カソード空気を予熱して、セルスタック容器の加熱効率を向上させることによって、起動時間を大幅に短縮した燃料電池を提供する。
【解決手段】複数枚のアノードおよびカソードからなる円板状の電池セルを中心軸の方向に積層して構成されたセルスタック２、およびこれらを収容したセルスタック容器３からなる燃料電池であって、前記セルスタック容器の下方にバーナー５を配し、セルスタック容器を加熱する構成であり、前記セルスタック容器の外周に改質器４を配し、さらに当該改質器の周囲にカソード空気の通路となるジャケット７を設けたことを特徴とする燃料電池である。前記ジャケットは、上部通路、中部通路および下部通路で構成されており、上部通路および下部通路が中部通路によって連通している構成であることが望ましい。
【選択図】図２

Description

本発明は燃料電池に関し、さらに詳しくは起動時間を大幅に短縮することができる燃料電池に関するものである。

代表的な燃料電池の一つとして、ＳＯＦＣ（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌｓ）と称される固体酸化物型燃料電池（以下、ＳＯＦＣまたは、単に「燃料電池」と表記する。）がある。

ＳＯＦＣは、イットリア安定化ジルコニアなどからなる薄く脆い円形の固体電解質板における一方の表面にアノード電極層を形成し、他方の表面にカソード電極層を形成した円板状の電極付き固体電解質が電池セルとして使用される。

通常、この電池セルは、複数枚を中心軸の方向に積層してセルスタックを構成して使用される。前記セルスタックは、円筒形状のセルスタック容器に収容され、セルスタックのアノード側には燃料ガスを供給し、カソード側には空気を供給する。供給されたガスは、それぞれの通路を介してセルスタックの中央から外周へ流通することによって化学反応を起こし発電が行われ、発電にともなってセルスタックから外周部に向かって高温の排ガスが生じる。

ＳＯＦＣは、作動温度が６００℃〜１０００℃と高いことから、白金触媒のように高価な貴金属の触媒が不要であること、また、内部改質方式を採用し、セルスタックからの発熱を利用して電池反応に必要な水素等を生成させることが可能となり、装置の小型化と高効率化が図れる等の長所を有する。

前述の通り、ＳＯＦＣはアノード側に燃料ガスを供給し、カソード側に空気を供給することによって両者を化学反応させて発電する仕組みである。このため、ＳＯＦＣのセルスタック温度が、ＳＯＦＣの作動温度（６００℃）より低い場合は、前述した化学反応が有効に行われない。また、６２０℃以下で燃料ガスを流すと未燃焼の燃料ガスが生じ、ＣＯガスがそのまま排出される場合があることから、これらを防止するためセルスタックの温度が６２０℃以上となるまで燃料ガスをセルスタックに供給できない。

したがって、ＳＯＦＣを起動させる際には、セルスタックの温度を少なくとも６２０℃以上に予熱する必要があり、ＳＯＦＣが起動して実際に作動するまでにはかなりの時間を要する。これにともないＳＯＦＣの起動時間が長くなることから、ＳＯＦＣの発電効率が悪化するため、起動時には、セルスタックの温度をＳＯＦＣの作動温度まで迅速に上昇させる必要がある。

図１は、従来の燃料電池におけるセルスタックの予熱方法を説明する図である。燃料電池１は、カソード２ａおよびアノード２ｂからなるセルスタック２、これらを収容するセルスタック容器３、改質器４およびバーナー５で構成されており、カソード空気を予熱するための熱交換器６を具備している。

ＳＯＦＣを起動する際、セルスタック容器３は、その下方に配されたバーナー５を用いて加熱される。セルスタック２はセルスタック容器３よりの輻射熱とセル内部を流れるカソード空気により加熱される。カソード空気はセルスタック容器３で加熱された排ガスと熱交換器６で熱交換を行うことによって加熱され、カソード２ａの中心へ供給され、外側へ流通し、前記排ガスと混合されてＳＯＦＣの系外へ排出される。

しかし、予熱時の初期段階では、排ガスの温度が低く、カソード空気の温度が上昇するまでに時間を要する。また、熱交換器６から、セルスタック２までの配管距離が長く、熱交換器６で加熱されたカソード空気は、配管を流通する際の放熱量が多くなり、加熱効率が悪くカソード２ａに供給される際には温度が低下する。

さらに、排ガスは、セルスタック容器３の上部において、カソード２ａを流通した低温のカソード空気と混合されることから、セルスタック容器３を介して加熱しても、加熱効率が悪く、温度が上昇するまでに時間を要することになる。したがって、セルスタック２内の温度が燃料電池１の作動温度まで上昇するにはかなりの時間を要し、排ガスを用いたカソード空気の予熱による起動時間の短縮には制限があった。

そこで、ＳＯＦＣの起動時間を短縮する種々の方法が提案されている。例えば、特許文献１には、ＳＯＦＣセルの近傍にセル加熱用バーナーを設け、セル加熱用バーナーでＳＯＦＣセルを直接的に加熱し、ＳＯＦＣセルの加熱効果を向上させ、起動時間を短縮させる燃料電池が開示されている。

しかし、特許文献１の燃料電池はセルを直接的に加熱しているため、セルに断熱層を設けても、セルに対する熱衝撃を完全に緩和することができず、セルに割れが生じる場合がある。また、同燃料電池はセル近傍にセル加熱用バーナーを設けるため、セル近傍へ酸素供給を必要とすることから金属アノードの酸化が懸念される。

特開２００３−２４９２５０号公報

前述の通り、ＳＯＦＣの発電効率を向上させるには、ＳＯＦＣの起動時において、セルスタックの温度をＳＯＦＣの作動温度まで迅速に上昇させ、起動時間を短縮する必要がある。

本発明は、上述したＳＯＦＣにおいて要求される起動時間の短縮に鑑みてなされたものであり、起動時にセルスタックのみならず、カソード空気を効率よく加熱することによってセルスタック容器の加熱効率を向上させ、起動時間を大幅に短縮した燃料電池を提供することを目的とする。

本発明者は、上述した課題を解決するため、ＳＯＦＣの起動時間を短縮させる構成に関して詳細に検討した。その結果、予熱時に供給されるカソード空気の温度を上昇させることで、セルスタック容器の加熱効率を大幅に向上できることを知見した。

本発明の燃料電池は、上記の知見に基づいて完成されたものであり、複数枚のカソードおよびアノードからなる円板状の電池セルを中心軸の方向に積層して構成されたセルスタック、およびこれらを収容したセルスタック容器からなる燃料電池であって、前記セルスタック容器の下方にバーナーを配し、セルスタック容器を加熱する構成であり、前記セルスタック容器の外周に改質器を配し、さらに当該改質器の周囲に前記カソードの加熱用空気の通路となるジャケットを設けたことを特徴とする。

上記ジャケットにカソード空気を流通させ、予熱時にはバーナーで発生した高温ガスの熱が伝導・輻射により改質器を通り、更にカソード空気を加熱し、加熱したカソード空気をセルスタックへ供給することによって、セルスタック容器の加熱効率を向上させ、実際に作動するまで迅速に加熱することが可能となり、ＳＯＦＣの起動時間を大幅に短縮できる。

本発明の燃料電池は、改質器にジャケットを周設しており、仕切板を介して複数の通路を有し、その複数の通路がそれぞれ連通する構成とすることもできる。

上記構成を採用することによってカソード空気を効率よく加熱することが可能となり、セルスタック容器の加熱効率が向上し、ＳＯＦＣの起動時間が短縮できる。

また、本発明の燃料電池に設けるジャケットは、上部通路、中部通路および下部通路で構成されており、上部通路および下部通路が中部通路によって連通していることが望ましい。

上記構成を採用することによって、ジャケットの製作コストが低廉になるとともに、カソード空気を効率よく加熱することが可能になり、セルスタック容器の加熱効率が向上し、ＳＯＦＣの起動時間を短縮できる。

本発明の燃料電池は、バーナーを下方に配したセルスタック容器の上方に設けられた前記ジャケットの入口から、カソード空気を流入し、前記セルスタック容器の下方で前記バーナーに近接した部位に設けられた前記ジャケットの出口から流出する構成が望ましい。

カソード空気をセルスタック容器の加熱源となるバーナーの近傍からセルスタックへ供給することによって、高温度のカソード空気をセルスタックへ供給できるため、セルスタック容器の加熱効率の向上が図れることによる。

本発明の燃料電池は、セルスタック容器に配される改質器の周囲にジャケットを設け、セルスタックのカソードに供給するカソード空気を加熱していることから、セルスタックの加熱効率を向上させることによって、作動温度までに要する加熱時間を大幅に短縮することができるので、燃料電池の起動時間を大幅に短縮できる。

本発明の燃料電池は、複数枚のカソードおよびアノードからなる円板状の電池セルを中心軸の方向に積層して構成されたセルスタック、およびこれらを収容したセルスタック容器からなる燃料電池であって、前記セルスタック容器の下方にバーナーを配し、セルスタック容器を加熱する構成であり、前記セルスタック容器の外周に改質器を配し、さらに当該改質器の周囲にカソード空気の通路となるジャケットを設けることにより、セルスタックの予熱時間の短縮を図る。

図２は、本発明の燃料電池におけるセルスタックの予熱方法を説明する図である。図２に示すように、燃料電池１は、カソード２ａおよびアノード２ｂからなるセルスタック２、セルスタック容器３および改質器４で構成されており、カソード空気を加熱するための熱交換器６を具備している。

本発明の燃料電池１は、その起動時に、セルスタック容器３の下方に配されたバーナー５で発生した高温ガスにより、セルスタック容器３を加熱し、セルスタック容器３に収納されているセルスタック２を加熱する。セルスタック２の加熱を行った後の排ガスは、熱交換器６を介してカソード空気と熱交換を行い、カソード空気を加熱する。前記排ガスによって加熱されたカソード空気は、ジャケット７を流通し、さらにバーナーで発生した高温ガスやセルスタックからの輻射熱によって加熱された改質器４よりの伝導・輻射熱によって加熱されてカソード２ａへと供給される。

したがって、カソード空気は、従来よりも高温度の状態でセルスタック２へと供給される。さらに、従来の燃料電池１は、セルスタック２から離れた位置に熱交換器６を配してカソード空気を加熱していたが、本発明の燃料電池１は、改質器３に周設したジャケット７でカソード空気を加熱することから、加熱源からセルスタック２までの配管距離は、従来の燃料電池１と比較すると短くできる。したがって、配管部での放熱量が減少することによって加熱効率が向上し、セルスタック２の温度を燃料電池の作動温度まで上昇させる時間を大幅に短縮できる。

本発明の燃料電池１は、改質器４にジャケット７を周設し、仕切板を介した複数の通路を有し、その通路がそれぞれ連通する構成とすることによって、カソード空気をさらに効率よく加熱することが可能となる。

また、本発明の燃料電池１は、上記ジャケット７の具体的な構成を、仕切板を介して上部通路７ａ、中部通路７ｂおよび下部通路７ｃを有し、前記各通路をそれぞれ連通させることにより、カソード空気を効率よく加熱することが可能となり、さらにジャケット７の製作コストを低廉とできる。

図３は、本発明の燃料電池に設けるジャケットの構成例を示す図であり、（ａ）はジャケットが仕切板を介して上部通路、中部通路および下部通路で構成され、孔を介して連通している例を、（ｂ）はジャケットが上部通路、中部通路および下部通路で構成され、中部通路で連通している例を示す図である。

図３（ａ）に示すジャケット７は、仕切板を介して、上部通路７ａ、中部通路７ｂおよび下部通路７ｃで構成されており、上部通路７ａと中部通路７ｂおよび中部通路７ｂと下部通路７ｃはそれぞれ孔７ｄで連通している。

上記構成を採用することによって、ジャケット７に流入したカソード空気は、改質器４の周囲を流通しながら改質器４よりの伝導・輻射熱によって効率よく加熱され、カソード２ａへと供給される。したがって、カソード空気は従来よりも高温度でカソード２ａへ供給されることから、燃料電池１の起動時間を短縮することが可能となる。

また、本発明の燃料電池１に設けるジャケット７は、図３（ｂ）に示すように、仕切板に孔を設ける構成ではなく、上部通路７ａおよび下部通路７ｃを改質器に周設し、中部通路７ｂを介して連通する構成としてもよい。

本発明の燃料電池１は、ジャケット７の構成を上記構成とすることで、ジャケット７の構成部材を少なくし、製作コストが抑制できる。さらに、カソード空気は改質器４の周囲を流通するため、カソード空気を効率よく加熱することができ、燃料電池１の起動時間を短縮することが可能となる。

本発明の燃料電池１では、バーナー５を下方に配したセルスタック容器３の上方に設けられた前記ジャケット７の入口から、カソード空気を流入し、前記セルスタック容器３の下方で前記バーナー５に近接した部位に設けられた前記ジャケット７の出口から流出し、カソード空気をより高温度でカソード２ａへ供給するのが望ましい。

本発明の燃料電池の具体的な構成を図面に基づいて説明する。

図４は、本発明で採用した燃料電池の構成を示す図であり、（ａ）は燃料電池の内部構成を、（ｂ）は（ａ）の内部構成をＡ方向の矢視で示す図である。図４に示すように燃料電池１はカソード２ａおよびアノード２ｂからなるセルスタック２、セルスタック容器３、改質器４で構成される。

また、ジャケット７は、上部通路７ａ、中部通路７ｂおよび下部通路７ｃで構成され、上部通路７ａと下部通路７ｃは改質器４に周設されており、中部通路７ｂを介して連通している。

セルスタック容器３は、その下方に配されたバーナー５で発生した高温ガスにより加熱され、高温ガスは、通路３ｂを流通し、セルスタック容器３および改質器４を加熱しながら、排ガスとして排ガス出口８から燃料電池１の系外に排出され、図４では省略した熱交換器を介して、カソード空気と熱交換を行う。

排ガスと熱交換を行って加温されたカソード空気は、ジャケット７に設けられたカソード空気の入口９からジャケット７内に流入し、さらに改質器４よりの伝導・輻射熱で加熱されながらジャケット７内を流通し、カソード空気の出口１０から、図４では省略した配管を介してカソード２ａへと供給される。

カソード２ａ内を流通したカソード空気はセルスタック容器３の上部および下部に設けられた孔３ａを介して通路３ｂに流入し、排ガスと混合され、排ガス出口８から燃料電池１の系外に排出され、熱交換器に加熱媒体として供給される。

上記構成を採用して、カソード空気を予熱することによって、カソード２ａへ供給するカソード空気の温度を従来よりも上昇させ、セルスタック容器３の起動時における加熱効率を向上させることが可能となり、セルスタック２の温度が燃料電池１の作動温度に達するまでの時間を大幅に短縮することができた。

本発明の燃料電池は、セルスタック容器に周設されている改質器の周囲にジャケットを設け、当該ジャケット部にカソード空気を流入させ、改質器からの伝導・輻射熱によってカソード空気を効率よく加熱することによって、燃料電池の起動時間を大幅に短縮でき、熱効率を大幅に向上できる。これにより、コージェネレーションシステム等で採用される燃料電池に高い信頼性を持って利用できる。

従来の燃料電池におけるセルスタックの予熱方法を説明する図である。 本発明の燃料電池におけるセルスタックの予熱方法を説明する図である。 本発明の燃料電池に設けるジャケットの構成例を示す図であり、（ａ）はジャケットが仕切板を介して上部通路、中部通路および下部通路で構成され、孔を介して連通している例を、（ｂ）はジャケットが上部通路、中部通路および下部通路で構成され、中部通路で連通している例を示す図である。 本発明で採用した燃料電池の構成を示す図であり、（ａ）は燃料電池の内部構成を、（ｂ）は（ａ）の内部構成をＡ方向の矢視で示す図である。

符号の説明

１：燃料電池、 ２：セルスタック、
２ａ：カソード ２ｂ：アノード
３：セルスタック容器、 ３ａ：孔、
３ｂ：通路、 ４：改質器、
５：バーナー、 ６：熱交換器、
７：ジャケット、 ７ａ：上部通路
７ｂ：中部通路、 ７ｃ：下部通路、
７ｄ：孔、 ８：排ガス出口、
９：カソード空気の入口、 １０：カソード空気の出口

Claims (4)

1. 複数枚のカソードおよびアノードからなる円板状の電池セルを中心軸の方向に積層して構成されたセルスタック、およびこれらを収容したセルスタック容器からなる燃料電池であって、
   前記セルスタック容器の下方にバーナーを配し、セルスタック容器を加熱する構成であり、前記セルスタック容器の外周に改質器を配し、さらに当該改質器の周囲に前記カソードの加熱用空気の通路となるジャケットを設けたことを特徴とする燃料電池。
2. 前記ジャケットが前記改質器に周設され仕切板を介して複数の通路で構成されており、前記複数の通路がそれぞれ連通していることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記ジャケットが上部通路、中部通路および下部通路で構成されており、上部通路および下部通路が中部通路によって連通していることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
4. 前記カソードの加熱用空気は、バーナーを下方に配した前記セルスタック容器の上方に設けられた前記ジャケットの入口から流入され、前記セルスタック容器の下方で前記バーナーに近接した部位に設けられた前記ジャケットの出口から流出されて前記セルスタック容器に供給されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池。
   

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