JP5225604B2 - 固体酸化物形燃料電池およびその発電方法 - Google Patents

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池における構造の改良と、その運転方法に関する。

燃料電池は、電解質の両側にアノードおよびカソードを備え、アノード側には燃料ガスを、カソード側には酸化剤ガス（主として空気）を供給し、電解質を介して燃料と酸化剤を電気化学的に反応させることにより発電する発電装置である。燃料電池の種類の一つである固体酸化物形燃料電池は、作動温度が７００〜１０００℃程度と高く、発電効率が高いこと、また、排熱も利用しやすいことから、実用に向けた研究が進められている。

通常、燃料電池は、電気出力を得るために、数十から数百程度のセルを積層させた集合体（モジュール）を構成している。通常、このモジュールは、バーナやヒータなどの外部熱源によって発電可能な所定の温度（例えば６００℃程度）まで昇温させたのち、発電を行う。しかしながら、この温度に昇温するためには時間がかかり、エネルギーのロスも大きいことから、固体酸化物形燃料電池の使い勝手を悪くしていた。

また、発電時は、これらの外部熱源を停止し、燃料電池の発電反応によって熱的に自立できるが、そのためには燃料電池からの排熱で発電時の供給ガス温度を適正に制御する必要がある。すなわち、固体酸化物形燃料電池にとっては、起動時間の短縮、起動エネルギー低減、並びに温度維持と性能向上の両立を図ることが望まれている。

モジュールの昇温としては、特許文献１に開示されているように、空気流路にヒータを配置する例がある。

また、モジュールの温度維持としては、特許文献２に開示されているように、部分負荷時に蓄熱材を備えたバイパス経路を通過させる例がある。

特開２００４−１１９２９９号公報 特開２００４−７１３１２号公報

ここで問題となるのは、特許文献１における電気式空気ヒータのような起動用の加熱手段が、モジュールの外部に配置されているため、途中で熱が逃げ、高温ガスを効果的に供給できず、加熱を促進できにくいことである。

また、起動用の加熱手段が、モジュールの外部に配置されているために、システム全体が大型化し、放熱量が大きくなってしまい、効率が低下するということである。

すなわち、従来技術では、起動時間が長くなり、起動エネルギーロスが大きい。また、発電時に必要なガスの供給温度の維持が困難であった。

本発明の目的は、起動時間の短縮と効率を向上した固体酸化物形燃料電池を提供することである。

本発明の他の目的は、起動時間の短縮と効率の向上、並びに、運転時の温度維持と性能向上を両立させた固体酸化物形燃料電池を提供することである。

また、本発明の他の目的は、起動時間の短縮と効率を向上した固体酸化物形燃料電池の発電方法を提供することである。

さらに、本発明の他の目的は、起動時間の短縮と効率の向上、並びに、運転時の温度維持と性能向上を両立させた固体酸化物形燃料電池の発電方法を提供することである。

本発明はその一面において、燃料電池モジュール内に、モジュール加熱（起動）用と発電用のガス供給ラインを独立して配置したモジュール構造としたことを特徴とする。

また、本発明は他の一面において、複数の燃料電池セルを集合させた発電室を備えた燃料電池モジュールにおいて、モジュール加熱用と発電用のガスラインを切換えて運転することを特徴とする。

また、本発明は他の一面において、発電室へ供給するガスの分配器（ヘッダ）を備え、この分配器へ、起動用と発電用に独立に供給する２組のガス供給口を備えたことを特徴とする。

また、本発明は他の一面において、発電室へのガス供給ラインにおいて、セルに接近して起動用のガス加熱手段を配置し、この起動用ガス加熱手段よりも燃料電池セルから離れて発電用のガス予熱器を配置したことを特徴とする。

さらに、本発明は他の一面において、発電室へガスを供給するヘッダと発電用の予熱器とを一体化したことを特徴とする。

本発明の望ましい実施態様によれば、燃料電池モジュール内に、起動用と発電用のガス供給ラインを分離して配置することによって、起動時間の短縮、起動エネルギーの低減を実現できる。

また、本発明の望ましい実施態様によれば、起動用と発電用のカソードガス供給ラインを分離することによって、起動時間の短縮、起動エネルギーの低減と、発電時の温度維持、性能向上との両立を実現できる。

本発明のその他の目的と特徴は、以下に述べる実施形態の中で明らかにする。

以下に、図面を参照して、本発明の望ましい実施例について詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例１による固体酸化物形燃料電池の縦断側面図、図２は図１のＡ−Ａ断面図、図３は単電池セルの拡大縦断側面図である。

固体酸化物形燃料電池セル１の基本構造は、図３に示すように、円筒形の固体酸化物形電解質１０１を、外側からアノード１０２、内側からカソード１０３で挟んだ構成である。図２には、便宜上、３６本だけ固体酸化物形燃料電池セル１を図示しているが、通常、数十から数百程度、直列もしくは並列に積層集合させて発電室１０を形成し、発電を行う。この集合体である図１の全体を燃料電池モジュール３０と称している。

燃料電池セル１のカソード１０３側には、カソードガス２，９として酸化剤ガス（空気や燃焼ガス）を流す。このうち、起動用のカソードガス２は、起動用のガス供給口２１から供給され、一方、発電用のカソードガス９は、発電用のガス供給口９１から供給される。これらのカソードガス２，９は、発電室１０内の各燃料電池セル１へ、カソードガスを均等分配するためのヘッダ３、空気導入管４を通って、各燃料電池セル１のカソード１０３に到達する。

起動用バーナ７は、本発明の望ましい実施例においては、図１に示すように、燃料電池モジュール３０内の空気ヘッダ３に密接して配置されている。

さて、起動時には、発電に先立ち、まず、燃料電池を発電を開始できる最低の温度である約６００〜７００℃まで昇温する。起動用カソードガスライン２０から、燃料５と空気６を、起動用バーナ７に供給して高温の起動用カソードガス２とし、この高温ガスで加熱し続ける。

このとき、起動用バーナ７は空気ヘッダ３に密接して配置されているので、起動用バーナ７で加熱された起動用カソードガス２が、ヘッダ３への供給の途中で冷やされる可能性は低い。したがって、高温の起動用カソードガス２を効果的に発電室１０内の燃料電池セル１に供給でき、モジュール加熱を効果的に促進できる。なお、ここで説明した起動用バーナ７は一例であり、要は、燃料電池セル１に高温のガスを供給して昇温させるための加熱手段が必要ということである。

その後、発電を開始できる温度に到達すると、起動用燃料５の供給を絶って起動用バーナ７を停止するとともに、アノードガスライン８からの燃料ガスと、発電用カソードガス９を、固体酸化物形燃料電池セル１に供給し、発電が開始される。

アノードガスライン８から供給される燃料ガスとしては、通常、都市ガスやＬＮＧ、ＬＰＧなどの炭化水素系燃料と水蒸気を混合したガスを改質器で一部あるいは全て水蒸気改質させたものを用いる。発電時は、燃料電池１が発熱するので、その熱で７００〜１０００℃程度に熱的に自立して運転される。発電（化学）反応を生じなかったアノードガスおよびカソードガスは、燃料電池１の出口側で燃焼し、排ガス８１となる。

さて、空気分配用のヘッダ３は、起動用の高温カソードガス２が供給される供給口２１と、発電用のカソードガス９が供給される供給口９１の２つを有しており、起動用のカソードガスライン２０と、発電用のカソードガスライン９０とが分離して形成されたシステム構成となっている。この発電用のカソードガスライン９０の供給口９１は、金属配管で予熱器１１を経由している。発電時に運転するこの予熱器１１も、燃料電池モジュール３０内に配置している。したがって、予熱器１１で加熱された発電用カソードガス９が、ヘッダ３への供給の途中で冷やされる可能性は低く、高温の発電用カソードガス９を効果的に発電室１０内の燃料電池セル１に供給でき、効率の高い発電を促進できる。

この実施例によれば、起動時に、ヘッダ３に密接配置した起動用バーナ７に燃料５と空気６を供給して燃焼させることにより、高温のカソードガス２を生成し、直近のセル１に供給することによって、燃料電池モジュール３０全体の昇温が容易になる。したがって、起動時間の短縮と起動エネルギーの低減を達成できる。

図４は、本発明の実施例１における第１の運転方法での昇温特性の一例図である。

本システムにおいて、時点ｔ１においてバーナ７に点火して昇温を開始し、起動用カソードガス２により、モジュール３０が加熱される。そして、時点ｔ２において、発電室１０の温度Ｔ１が、発電可能最低温度、例えばＴｕ＝６００℃を超えると、これを検出して、時点ｔ３において、起動用バーナ７を停止するとともに、アノードガスライン８から燃料ガスの供給を開始して発電を始める。

このとき、従来、起動用のカソードガスラインと発電用のカソードガスラインが同一であったため、時点ｔ３でバーナ７を停止すると、図４に示すように、発電用カソードガス９の温度Ｔ９ｃが急激に下がり、発電室１０の温度Ｔ１ｃも急激に下がってしまう。この発電室温度Ｔ１ｃの急激な変化によって、燃料電池セル１への熱応力が発生し、最悪の場合は、セラミックスのセルが破損してしまう。

これに対して、本発明の実施例１では、起動用カソードガスライン２０とは独立に、予熱器１１を含む発電用カソードガスライン９０を設けている。このため、起動用バーナ７の停止後は、排ガス８１の熱を回収して予熱された発電用カソードガス９を発電室１０内の燃料電池セル１に供給でき、燃料電池セル１に低温のガスが直接供給されることはない。したがって、図４に示したように、発電室温度Ｔ１は、若干の低下が認められるだけで、十分に発電可能な高温に保たれ、発電性能を向上できる。もちろん、温度の急変に伴うセル破損などの危険はなく、高い信頼性を達成できる。

起動時における高温の起動用カソードガス２は、燃料５と空気６を、起動用ガス供給口２１から起動用バーナ７に供給して燃焼させることにより生成し、直近の燃料電池セル１に供給できる。したがって、モジュール３０の昇温が容易になり、起動時間の短縮と、起動エネルギーの低減を図ることができる。また、この起動ラインとは独立して、発電用カソードガスライン９０を設け、予熱器１１を設けたので、バーナ７の停止後は、排ガス８１の熱を回収して予熱された空気を発電用カソードガス９として燃料電池セル１に供給できる。このため、発電室１０内に低温のガスが直接供給されることはなく、モジュール３０の温度維持と温度分布の低減を図ることができ、発電性能を向上できる。

これら２つの効果は、第１に、図１に示したように、起動用バーナ７を、モジュール３０内の、しかもセルに近い位置に配置したこと、第２に、モジュール３０内で、起動用バーナ７よりもセルから遠い側に、発電用の予熱器１１を配置したことで達成できる。

さらに、以下に説明するように、起動用バーナ７を燃焼しながら、発電を行うことも容易となる。

図５は、本発明の実施例１による固体酸化物形燃料電池をバーナを燃焼しながら、発電を行う運転方法における昇温特性の一例図である。

固体酸化物形燃料電池が発電するためには、所定量の空気が必要となる。しかし、バーナ７の燃焼時に、同一のラインから、この所定量の空気を供給しようとしても、バーナ７を安定に燃焼させるためには、燃料５と空気６の割合、およびそれらの温度を適正な範囲にしておかないと、バーナが失火したり、逆火したりしてしまう。例えば、バーナ７が燃焼する時の空気に対する燃料のモル比（当量比）は通常０．５〜０．８程度であり、発電するために空気を増やして当量比をこの範囲より下げると、バーナ７が失火してしまう。

逆に、燃料供給量を下げる場合には、燃料の供給流速が小さくなったり燃料温度が上昇したりして逆火する可能性が増す。したがって、バーナ７を燃焼しながら発電用のガスを同一ラインから供給することは困難である。

そこで、本発明の望ましい実施例では、起動用のカソードガスライン２０と発電用のカソードガスライン９０を分離しておくことにより、バーナ７の燃焼状態を気にせずに、発電に必要なガスを発電用ガス供給口９１から独立に供給できるようにした。

図５に示すように、起動用のバーナ７を燃焼している間の時点ｔ３に、予熱器１１を通して発電用カソードガス９をモジュール３０に供給して発電を開始する。これにより、バーナ７の燃焼時の高温ガスをモジュール３０に供給しながら、発電時のジュール発熱も加熱に使うことができる。このため、図示するように、時点ｔ３以降、モジュール３０内の発電室１０の温度Ｔ１の上昇が加速され、さらに昇温時間の短縮を達成できることになる。その後、時点ｔ４において、バーナ７を完全に停止させている。

この運転方法では、バーナ７の燃焼を完全に停止せずに、発電に徐々に切換えることができるため、図４に示した運転方法よりも、さらにバーナ７を停止した際のモジュール３０内の発電室温度Ｔ１の変化を少なくでき、セル１の破損を防止できるといった効果も得られる。

さらに、従来、バーナ燃焼時に大量に捨てられていた排ガス８１の熱を、本実施例では予熱器１１により回収して発電室に供給しているので、熱ロスが少なくなり、起動エネルギーを低減し、効率のよいシステムが得られることになる。

図６は、本発明の実施例２による固体酸化物形燃料電池の電池モジュールの縦断側面図と制御ブロック図である。この実施例２は、モジュール３０内の発電室１０に設けられた温度センサ１２により発電室温度を検知し、検知信号１２Ｓとしてシステム制御装置１３に送信することによって、前述したような制御を実行するシステムを示す。

温度センサ１２によって、発電室の温度Ｔ１の情報が、検知信号１２Ｓとしてシステム制御装置１３に入力される。これを受けて、発電室１０の昇温速度を最適化するように、システム制御装置１３が機能する。

図４を参照しながら説明すると、まず、時点ｔ１において起動指令を受けると、制御信号１３１Ｓにより、起動用カソードガスライン２０、起動用カソードガス供給口２１から燃料５と空気６からなる起動用カソードガス２の供給を開始させる。同時に、起動用バーナ７を点火することにより、起動用ガス温度Ｔ２および発電室温度Ｔ１は、図４に示すように上昇する。

時点ｔ２において、温度センサ１２からの信号１２Ｓにより、発電室温度Ｔ１が、発電可能最低温度Ｔｕを超えたことを検出すると、時点ｔ３において、前記制御信号１３１Ｓにより、起動用燃料５の供給を絶ち、バーナ７を停止させる。一方、制御信号１３２Ｓにより、発電用カソードガスライン２０を起動して発電用カソードガス９を供給開始し、同時に、アノードガス供給ライン８を起動して、発電用燃料の供給を開始させる。このときの発電用ガス９の温度は、図４に示す通りであり、時点ｔ３から燃料電池は発電を開始する。その後も、発電室温度Ｔ１が、予め設定された適正温度を保つように、制御信号１３２Ｓ〜１３４Ｓを、それぞれ、発電用カソードガスライン９０、アノードガスライン８、および負荷制御装置１４に送信する。これらの制御信号により、発電用カソードガスライン９０からの発電用カソードガス（空気主成分）９の温度および流量、およびアノードガスライン８からの燃料ガスの供給が制御される。また、負荷制御装置１４からの制御信号１４Ｓにより、電池の負荷（図示せず）、具体的には、モジュール３０としての発電電流値が制御される。

このような制御により、起動時間の短縮と起動エネルギーの低減、並びに発電中の温度維持と性能向上の両立を達成できる。

なお、本実施例では、温度センサ１２からの温度信号１２Ｓに基づいて制御する例を示したが、制御方式はこれに限定されるものではない。例えば、バーナ７を点火後の十分な時間を計測して、発電に移行することもできる。

図７は、本発明の実施例３による固体酸化物形燃料電池の電池モジュールの縦断側面図である。この実施例３は、予熱器１１をヘッダ３の直上に配置し、一体化したものであり、その他の構成は図１の実施例と同様であり、重複説明は避ける。

この構造では、ヘッダ３を構成する容器面と予熱器１１が、金属同士で広い面積にて接触している。このため、排ガス８１の熱を、ヘッダ３を通して熱伝導で予熱器１１へ、より多く伝えることができ、図１の実施例よりも予熱性能が向上し、さらに起動時間の短縮と起動エネルギーの低減、並びに発電時の温度維持と性能向上の両立を実現できる。また、予熱器１１とヘッダ３を一体化したことにより、コンパクトになるため、システム全体の設置体積が減り、放熱を低減できることから、高効率化も図れる。

なお、以上の実施例では円筒形で示したが、本発明は、円筒形以外の平板形の固体酸化物形燃料電池の場合にも適用できるのはもちろんである。

さらに、これまでの実施例では、カソード側のガス供給ラインのみを起動時と発電時に分離するシステム構成で説明してきたが、アノード側でも同様の構成としても発明の効果が得られることはもちろんである。

本発明により固体酸化物形燃料電池の起動時間の短縮、起動エネルギーの低減、並びに、温度維持と性能向上の両立を実現できるため、地球環境に優しい分散電源システムとして利用できる。

本発明の実施例１による固体酸化物形燃料電池の縦断側面図。 図１のＡ−Ａ断面図である。 本発明の実施例１による単電池セルの拡大縦断側面図である。 本発明の実施例１における第１の運転方法での昇温特性の一例図である。 本発明の実施例１においてバーナを燃焼しながら、発電を行う第２の運転方法における昇温特性の一例図である。 本発明の実施例２による固体酸化物形燃料電の電池モジュールの縦断側面図と制御ブロック図である。 本発明の実施例３による固体酸化物形燃料電池の電池モジュールの縦断側面図である。

符号の説明

１…固体酸化物形燃料電池セル、２…起動用カソードガス、３…ヘッダ、４…空気導入管、５…起動用燃料、６…起動用空気、７…起動用バーナ、８…アノードガスライン、８１…排ガス、９…発電用カソードガス、９０…発電用カソードガスライン、９１…発電用カソードガス供給口、１０…発電室、１１…予熱器、１２…温度センサ、１２Ｓ…検知信号、１３…システム制御装置、１３１Ｓ〜１３４Ｓ…制御信号、１４…負荷制御装置、１４Ｓ…モジュール発電電流の制御信号、２０…起動用カソードガスライン、３０…燃料電池モジュール、１０１…固体電解質、１０２…アノード、１０３…カソード。

Claims (6)

1. 電解質を挟んで一側にアノード、他側にカソードを有する複数の燃料電池セルと、これら複数の燃料電池セルを収納した発電室を備えた燃料電池モジュールと、この燃料電池モジュールの一方から発電用のアノードガスを供給するアノードガス供給ラインと、前記燃料電池モジュールの他方から発電用のカソードガスを供給するカソードガス供給ラインとを備えた固体酸化物形燃料電池において、
   前記燃料電池モジュール内の前記発電用のカソードガス供給ラインから独立して設けられた起動用カソードガス供給ラインと、
   この起動用カソードガス供給ラインからの起動用カソードガスを燃やし、前記発電室内の燃料電池セル群に高温ガスを供給する起動用バーナと、
   前記燃料電池モジュール内において前記燃料電池セルから見て前記起動用バーナの背後に配置され、前記燃料電池からの排熱を回収して前記発電用のカソードガス供給ラインからの発電用カソードガスを加熱する排熱回収手段と、
   前記起動用と発電用のカソードガス供給ラインからそれぞれカソードガスの供給を受ける複数のガス供給口を有し、前記発電室内の燃料電池セル群にカソードガスを分配するガス分配器
   を備えたことを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
2. 請求項１において、前記起動用カソードガス供給ラインは、前記発電用のカソードガス供給ラインと並列に前記ガス分配手段に前記起動用カソードガスを供給するように構成されたことを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
3. 請求項１または２において、前記燃料電池モジュール内の温度を検出する温度センサと、この温度センサからの温度信号を入力し、入力した温度信号が所定の温度に達したとき前記発電用のカソードガス供給ラインを活かして発電用カソードガスの供給を開始させる制御装置を備えたことを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
4. 請求項１〜３のいずれかにおいて、前記起動用バーナの起動後の時間を計時する計時手段と、この計時手段からの時間信号を入力し、入力した時間信号が所定時間に達したとき前記発電用のカソードガス供給ラインを活かして発電用カソードガスの供給を開始させる制御装置を備えたことを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
5. 請求項１〜４のいずれかにおいて、前記発電室内の燃料電池セルへのカソードガスの供給を、起動用カソードガスの供給、起動用カソードガスと発電用カソードガスの同時供給、および、発電用カソードガスの供給の順序に切換えて運転する制御装置を備えたことを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
6. 電解質を挟んで一側にアノード、他側にカソードを有する複数の燃料電池セルと、これら複数の燃料電池セルを収納した発電室を備えた燃料電池モジュールと、この燃料電池モジュールの一方から発電用のアノードガスを供給するアノードガス供給ラインと、前記燃料電池モジュールの他方から発電用のカソードガスを供給するカソードガス供給ラインとを備えた固体酸化物形燃料電池の発電方法において、
   前記燃料電池モジュール内の前記発電用のカソードガス供給ラインから独立した起動用カソードガス供給ラインから前記発電室へ起動用カソードガスを供給するステップと、
   前記発電室内の燃料電池セル群に高温の起動用カソードガスを供給するように、前記起動用カソードガス供給ステップにおいて、起動用カソードガスをバーナで燃やすステップと、
   前記燃料電池モジュール内において前記燃料電池セルから見て前記起動用バーナの背後に配置された排熱回収手段を用い、前記燃料電池からの排熱を回収して前記発電用のカソードガス供給ラインの発電用カソードガスを加熱する排熱回収加熱ステップと、
   前記起動用と発電用のカソードガス供給ラインからそれぞれカソードガスの供給を受ける複数のガス供給口を有するガス分配器を用い、前記発電室内の燃料電池セル群にカソードガスを分配するカソードガス分配ステップを備えたことを特徴とする固体酸化物形燃料電池の発電方法。

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