JP2013501319A - 固体酸化物形燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】
【解決手段】本発明は平面型燃料電池を積み重ねて配置した固体酸化物形燃料電池システムに関し、該システムでは排出ガス中の酸化していない成分又は酸化が完全でない成分を一体的に再燃焼することができる。本発明によるシステムの燃料電池は、カソード−電解質−アノード構成単位を有する。２つの各燃料電池同士の間にバイポーラプレートを配置し、アノードへの燃料ガスの供給と排出並びにカソードへの酸化剤の供給と排出を行うチャネルを存在させる。アノード側又はカソード側の排出ガスを、内部に追加したチャネルを介して又は直接的にアフターバーナーに誘導し、このアフターバーナー内ではアノード側及びカソード側の排出ガス中に形成された排出ガス混合物を触媒により再酸化させる。ここで、触媒作用のあるアフターバーナーを、一つ一つの燃料電池に、又は複数の燃料電池からなるグループに関連付けるが、アフターバーナーを配置する際には、アノード側又はカソード側において燃料電池から放出された排出ガスがアフターバーナーに直接入ることができるよう配置する。
【選択図】図１

Description

本発明は、平面型燃料電池を積み重ねて配置した固体酸化物形燃料電池システムに関し、該システムでは排出ガス中の酸化していない成分又は酸化が完全でない成分を一体的に再燃焼することができる。

本件における固体酸化物形燃料電池システムは、カソード−電解質−アノード（ＣＥＡ）の構成単位で形成する。個々の燃料電池のこれらの構成単位同士を互いに分離させるバイポーラプレートは、１つの燃料電池からその隣の燃料電池への導電体を形成する。これに関して、アノード側では燃料ガスを、そしてカソード側では通例空気である酸化剤を個々の燃料電池に供給する。このため、これらのガスを流通させることのできる構造を、アノードスペースとカソードスペースに存在させる。典型的に燃料ガスと酸化剤は、直交流又は逆流のいずれかでアノード及びカソードを通過するよう誘導する。

使用する燃料ガスを完全に変換させることは一般的には不可能であるため、アフターバーナーにおいて再酸化処理を行い、燃料電池の排出ガスの酸化していない成分又は酸化が完全でない成分を再処理する必要がある。

燃料ガスとして不純な水素を使用する場合には、例えばメタンや天然ガス等の炭化水素化合物として存在する燃料の改質を行う。このために、水蒸気の改質を頻繁に行うことのできる改質装置を使用する。

欧州特許第１０３７２９６（Ｂ１）号からは、燃料電池スタック周辺で再燃焼を行う燃料電池バッテリが知られている。これに関して、燃料電池の排出ガスをその外縁部に誘導し、再燃焼空間に通じる開口を介して排出することができる。ここで、積層した燃料電池全ての排出ガスが再燃焼空間に誘導されるよう、少なくとも１つの再燃焼空間を形成する。アノードとカソードの排出ガスは、１つ又は複数の再燃焼空間に入る。これに関して、カソードから放出された空気は、アノード側の排出ガス中に含まれる酸化しなかった又は酸化が完全でなかった燃料ガスの成分に対する酸化剤として使用できる。しかし、この文献には再燃焼の種類に関しては一切記載されていない。

この文献から理解される再燃焼空間は、積層した燃料電池全てに接続している。しかしこれに関して、燃料電池中の水蒸気の逆拡散が生じる可能性があり、これがアノードへのダメージとなって、損傷をもたらすおそれがある。

さらに、これらの再燃焼空間では流れと圧力の状態が不確定となる可能性があり、これにより酸化が不十分となって、燃料電池からの排出ガスの更なる排出口に影響が及ぶおそれがある。

さらに燃料電池スタック周辺に構成要素を追加する必要があるが、これはスペースの問題もあって設置するのに更なる労力がかかり、また比出力密度が低下する。これらの要素を高温で安定した密封状態とすることに関しても、非常に問題が多い。

積層した燃料電池の傍らに追加の要素としてアフターバーナーと改質装置が存在する高温の燃料電池システムが、独国特許出願公開第１０３１０６４２（Ａ１）号に記載されている。それらは、燃料電池スタックとは別個の要素として隔てられており、全ての燃料電池に改質装置から改質した燃料ガスが供給され、全ての燃料電池の排出ガスが共通のアフターバーナーに供給される。従って、改質装置とアフターバーナーの寸法は、それぞれの燃料電池スタックに対してその出力を考慮しながら定め、前記スタックに適応させる必要がある。なぜなら、そうしなければ所望の必要な形態で再燃焼を実行することができないためである。

欧州特許第１０３７２９６（Ｂ１）号（ＥＰ１０３７２９６Ｂ１） 独国特許出願公開第１０３１０６４２（Ａ１）号（ＤＥ１０３１０６４２Ａ１）

従って本発明の目的は、安価に且つ柔軟に製造できる固体高分子形燃料電池システムを提供することである。

本発明によれば、この目的は請求項１の特徴を有するシステムにより達成される。本発明の有利な実施形態と更なる展開は、従属請求項に示す特徴により達成可能である。

周知の燃料電池システムを発端として、本発明では１つのシステムにおいて複数の平面型燃料電池を積み重ねて配置する。

各燃料電池にそれぞれのカソード−電解質−アノードの構成単位が存在する。燃料電池同士は互いに分離しているが、バイポーラプレート（インターコネクタとも呼ぶ）により相互に導電接続する。

さらに、アノードへの燃料ガスの供給と排出並びにカソードへの酸化剤の供給と排出を行うチャネルが存在し、アノード側又はカソード側の排出ガスを、内部に追加したチャネルを介して又は直接的にアフターバーナーに誘導し、このアフターバーナー内ではアノード側及びカソード側の排出ガス中に形成された排出ガス混合物を触媒により再酸化させることができる。

本発明によれば、触媒作用のあるアフターバーナーを、一つ一つの燃料電池に、又は複数の燃料電池からなるグループに関連付ける。これに関して、システムのアフターバーナーを配置する際には、アノード側又はカソード側において燃料電池から放出された排出ガスがアフターバーナーに直接入るよう配置する。これに関して、アノードの排出ガス又はカソードの排出ガスの少なくともいずれかを、各燃料電池からアフターバーナーに直接入るようにし、それぞれ他方の排出ガスについては、チャネルを通過させた後、システムに組み入れてそれぞれのアフターバーナーに入るようにすることを保証する。一方の排出ガス流をこのように迂回させることは、燃料ガスと酸化剤を逆流又は直交流で燃料電池を通るように誘導する際に、常に必要である。２つの排出ガス流のうちの一方の排出口を、アフターバーナーに対して９０°又は１８０°オフセットさせて配置する。

燃料電池毎にそれ自体のアフターバーナーを備えない場合には、最大１０個の燃料電池を組み合わせて１つのグループとし、このアフターバーナーに関連付けるべきである。

排出ガス混合物を通すことができ、触媒効果のある、又は少なくとも１つの触媒作用のある要素が存在する有孔構造を、アフターバーナーに形成又は配置すべきである。ただし、触媒作用のある塗膜をアフターバーナーの内面に施すこともできる。これに関して、このように塗布した壁を有するアフターバーナーにチャネルを形成し、これらチャネルを通るように排出ガス混合物を誘導することにより、再酸化処理を施すことができる。

カソード−電解質−アノード構成単位では、アノード及びカソードを固体電解質の対向する２つの側面の、燃料電池の電気化学的作用領域に形成することができる。固体電解質の表面は、電解質上に例えば塗膜としてアノードとカソードを形成した電気化学的作用領域より大きくすることができる。固体電解質は隣接するガス空間同士の分離層を形成することができる。燃料ガス、酸化剤、及び排出ガスを供給及び排出するチャネルを、固体電解質に形成した開口によって形成することができる。これらのチャネルを介して燃料ガスをアノードに流し、可能な酸化剤である空気をカソードに流し、そして前述の通り、それらのいずれかから直接又はチャネルを介してアフターバーナーへと流入させることができる。

本発明によるシステムは、一つ一つの燃料電池又は燃料電池のグループに対する別個の改質装置を備え、前記改質装置を燃料電池と関連付けることができ、特に有利である。これに関して、アノード側の改質装置からそれぞれの関連する燃料電池（１つ以上）へと直接燃料ガスを導入することができる。

本発明によるシステムでは、電気化学的反応で形成された水により個々の燃料電池の内部で改質を行うことができるため、容量を小さくした改質装置をシステムで使用すること又は幾つかの改質装置を省くことができる。

さらに、システムのアフターバーナーと改質装置を互いに並列に、そしてスタック状に共通の面に電気化学的作用領域の傍らに配置することができ、システムの一体的な構成要素とすることができる。ただし、システムの燃料電池全てに共通する改質装置を設けて、それら全燃料電池に改質した燃料ガスを供給するようにしてもよい。

本発明によるシステムにおいて使用する改質装置には、燃料／空気混合物を供給することができる。これに関して、高温で水蒸気を供給することにより周知の方法で燃料を改質することができ、例えば、燃料としてメタン又は天然ガスを使用する際には、燃料電池のアノード側には水素及び含有一酸化炭素を有する燃料ガスを供給することができる。一方、部分酸化法によっても改質を行うことができるが、この場合には、水蒸気改質の場合に比べて、改質した燃料ガスに含まれる水素の割合がより小さくなる。しかし、この場合には改質に関わる技術的設備に対する労力が少なくて済む。触媒作用のある塗膜又は構造を、改質装置に用いてもよい。

改質装置で行う処理を支援するために、改質装置に熱交換器を設けることができる。熱交換器は燃料電池の廃熱を利用して改質装置の温度を上昇させるが、これは熱交換器への熱伝導によって、改質装置にて起こる化学反応に対して好ましい効果を有する。アフターバーナーにおける熱交換器は、アフターバーナーの廃熱を利用して、カソードに供給する酸化剤を予熱する。

既に述べたように、大きくした電解質を燃料電池に設けることにより、互いに隣り合わせて配置するアフターバーナー及び／又は改質装置は、カソード−電解質−アノード構成単位の電解質と共に関連する熱交換器によって、流体密封状態で互いに分離した状態となる。これらは導電性ではないため、問題がない。

本発明によるシステムは、各々同一に製造した、システムの１つの面を形成する個々の構成要素から、異なる出力を有するようにモジュール式に組み立てることができるため、安価に製造することができる。これに関して、それぞれのアフターバーナーと任意に改質装置は、常に理想に合った寸法と対応する能力を備える。７０Ｗから５０ｋＷの電力を有するシステムを実現できる。対応する電気的接点を設けると共に、燃料又は燃料ガス及び酸化剤を調整可能に供給することにより、個々の選択した燃料電池を動作させ、その一方で他の燃料電池をオフとすることで、部分的な負荷運転を単純に実現することができ、またこの点に関して少なくとも、この目的のために理想とする寸法としたアフターバーナーで排出ガスを再燃焼させることができる。

さらに、動作に必要な全ての物質及びガスを、動作中にシステム全体を取り囲む１つのハウジング内に配置することができ、そして特にガス伝導用のチャネルをシステムの構成要素に直接形成することができるため、構造をコンパクトにすることができると共に、追加的なライン、密封構造、ベールを省くことができる。

システム内での燃料電池の改質及び再燃焼の動作に高い温度を追加的に使用する可能性もあるが、熱交換器及び熱絶縁材を設けるようなさらなる労力の必要もない。システム内及び個々の面において熱伝導により温度補償を使用することもできる。

対応するアフターバーナーと任意に改質装置を有する燃料電池を１つの共通した面に設けることで、燃料電池はそれぞれの面において障害のない流体直列接続を示すことができる。

熱的な統合、高い電気システム効率、並びに体積的及び質量的に高い出力密度を達成できる。

システム内の個々の面を各々同一に製造することができるため、任意の所望の数でそれらを積層させることができる。面は繰返し単位を示すことができる。面同士は様々に互いに接続させることができる。力の伝達と形状の整合を行う接続、並びに材料を連続させる接続を用いることができる。

これらの接続にははんだを使用することが特に好ましく、とりわけ周知のガラスはんだが特に好適である。かかるはんだは接続に使用するのみでなく、密封用にも使用できる。例えば、ＣＥＡの電解質表面の特定の領域にガラスはんだを使用して、そこに密封構造を形成することができる。例えば、電解質中に存在する開口周辺の領域にはんだを用いて、ガス伝導用のチャネルを形成することができる。

以下に例を示すことにより、本発明をより詳細に説明する。

本発明によるシステムで使用できる面の断面図である。 本発明によるシステムの面の要素の分解図である。 燃料ガスと酸化剤を直交流させる面をカソード側から見た図である。 燃料ガスと酸化剤を直交流させる面をアノード側から見た図である。 燃料ガスと酸化剤を逆流させる面をカソード側から見た図である。 燃料ガスと酸化剤を逆流させる面をアノード側から見た図である。

図１は本発明による固体高分子形燃料電池システムに使用できると共に、これに関して「統合プロセス層（ＩＰＬ）」と呼ぶこともできる面の特に有利な実施形態を示すよう意図した図である。

この点に関して、カソード−電解質−アノード構成単位（ＣＥＡ）の上側とこれに対向する下側をバイポーラプレート５が覆う。ガラスはんだによる密封構造１０を、半径方向外縁部に形成する。これに関して、ガラスはんだ１４をカソードフレーム１３及びアノードフレーム１７と共に用いて、密封することができる。バイポーラプレート５とカソード１の間並びにバイポーラプレート５とアノード２の間に空間が存在し、これらを通して、電気化学的作用領域にわたって燃料ガスと酸化剤を流すことができる。これに関して、カソード１側には、酸化剤が流通するチャネルと、カソード１とバイポーラプレート５とを導電的に接続する接点となる繊維７が存在する。この図では繊維７を断面で示しているが、ガス伝導チャネルは、図の面に対してその前方と後方に存在している。

図１に示す面には、改質装置８とアフターバーナー９が存在する。これに関して、下方のバイポーラプレート５と固体電解質３と密封構造１０との間に形成された、更なる中空空間内に改質装置８を配置し、これらの要素がガス気密式に改質装置８を取り囲む。適切な炭化水素化合物の形態の燃料を、図示しない供給手段により改質装置８に投入することができる。塗膜の触媒作用と高い温度を利用して、改質した燃料ガスを改質装置から、詳細には固体電解質３と共に形成したチャネルを通してアノード２側の空間内へと誘導することができるが、この点に関して、改質した燃料ガスはアノード２の表面を通過するように誘導することができる。

電気化学的反応によりカソード１とアノード２の間に電流が流れると共に、酸化剤として供給した空気により燃料ガスの部分的な化学変換が生じる。前記空気は、同様に図示しない少なくとも１つの供給手段によりカソード１におけるチャネルを通して流し込む。従ってアノード側の排出ガスは酸化していない成分又は酸化が完全でない成分を含むため、この排出ガスをカソード側の排出ガスと共にこの面のアフターバーナー９中へと一体化したチャネルを介して誘導する。

アフターバーナー９は上側に配置したバイポーラプレート５と固体電解質３と密封構造１０との間の空間に配置及び形成する。触媒作用のある塗膜を設けた有孔セラミック構造１６を存在させ、これを通してアノード２とカソード１の排出ガス混合物を流すが、この点に関しては、不均一系触媒作用によりアノード側の排出ガスの再燃焼処理を支援することができる。

燃料ガスを流すことのできるアノード２側の空間については、ニッケルからなる有孔発泡金属６を充填する。この発泡ニッケルは、アノード２及びこれに関連する下方のバイポーラプレート５との導電接続を形成する。

ここで示す例では、追加の熱交換器１１を改質装置８にさらに設け、熱交換器１１を介して改質装置８の温度を上昇させるが、これは電気化学的反応から生じる内部領域からの熱伝導によって達成できる。アフターバーナー９の熱交換器１２は、カソード１に供給する空気の温度を熱伝導によって上昇させる。

図２に示す分解図は、高度に集積した可能な一構造を示す。ここで、バイポーラプレート５には開口５．１（バイポーラプレート５はこれがなければ全表面が閉じた形態である）が存在し、この開口を通して、システムを動作させるためのガスのうちの１つを、１つの面からその隣接する次の面へと流すことができる。

金属材料からなる平面を切り抜いて得ることのできるカソードフレーム１３を、ＣＥＡ１から３と上方のバイポーラプレート５との間に配置することができる。適切なガラスはんだ１４を用いることで、材料が連続した密封状態を達成できるが、このガラスはんだ１４は、面の組み立てと接合を行う前に、このカソードフレーム１３の上側と下側に塗布することができる。この接続において、カソードフレーム１３に自由領域を設け、固体電解質３上に形成するカソード１をこの領域内に配置する。さらに、この図でカソードフレーム１３の左側に示す自由空間１３．１が存在するが、この自由空間内に改質装置８の熱交換器１１を入れることができる。この熱交換器１１に続き、カソード１及びバイポーラプレート５を介して酸化剤を供給するチャネル及び繊維７を有する要素１５とカソード１を導電接続させるように、そしてこれらに続いて、アフターバーナー９の触媒作用のある有孔構造１６を、自由空間内に挿入することができる。

カソード１は、固体電解質３の上側中央に配置する。下側にはアノード２を相補的に設ける。固体電解質３には更なる開口３．１が存在し、これを介して燃料ガス又は酸化剤である空気を、固体電解質３の上側から下側に流すことができる。この点に関して、動作の際にこれらガスを流す方向を考慮することで、アノード側の排出ガスをこれら開口３．１を通るように誘導する、又はカソード側の排出ガスをアフターバーナー９へと誘導することができる。

固体電解質３の寸法については、さらにその半径方向外縁部が、バイポーラプレート５の外縁部、カソードフレーム１３、そして固体電解質３の下に配置するアノードフレーム１７と共に、切抜き部を有した平面状構造を形成するよう定め、また固体電解質３はセラミック材料から形成する。

アノードフレーム１７の有する自由空間に、触媒作用のある有孔構造１８を挿入し、改質装置８を形成することができる。中心部の自由空間には、アノード２と下方のバイポーラプレート５に対する電気的接点となる発泡ニッケル６を受け入れることができる。アノードフレーム１７の後方自由空間には、アフターバーナー９の熱交換器１２を挿入することができる。

図３は燃料ガスと酸化剤を直交流させて燃料電池を動作させることのできる面のカソード側の図である。これに関して、カソードフレーム１３の改質装置には熱交換器１１を配置し、カソード側では前記熱交換器を空気が流れた後、前記空気はカソード１を流れて、燃料電池の電気化学的反応に使用される。カソード１を流れた後、空気はアフターバーナー９に供給される。

固体電解質３とカソードフレーム１３に開口３．１を形成し、カソードフレーム１３にチャネル１９を形成することで、アノード２の排出ガスがそれらを介してアフターバーナー９に供給され、ここで触媒作用により完全に酸化される。密封構造１０を形成し、材料を連続させる接続を行うガラスはんだ１４を両側に塗布して、ここには図示しないバイポーラプレート５及びＣＥＡの固体電解質３に対する密封と材料を連続させる接続を行う。

アフターバーナー９に配置した熱交換器１２を有するチャンネル１９を介して、予熱空気がアノード側からカソード側に移動する。

図４は、この面の他方の側を示す図である。外部から改質装置８に投入した燃料／空気混合物は、改質装置８で水素と一酸化炭素を含む改質した燃料ガスに変換される。直交流であるためにチャネル２０に燃料ガスが誘導されることで、燃料ガスはカソード側の空気に垂直な方向にアノード２を流れ、アノード側の排出ガスが開口３．１を介してカソード側とアフターバーナー９に供給される。

酸化剤である空気を予熱するために、熱交換器１２に空気を誘導し、その後他方の側のカソード１へとチャネル２０を通過させる。

この側でも、アノードフレーム１７と固体電解質３と下方に配置するバイポーラプレート３との間に、ガラスはんだ１４による密封と材料を連続させる接続を形成する。

図５及び図６は、空気及び燃料ガスを逆流させる面のガス伝導を概略的に示す図である。

カソード側で熱交換器１２を空気が流れた後、カソード１上の繊維７同士の間に形成したチャネルを流れる。カソードの後、空気は改質装置８の熱交換器１１上を移動し、そこからアフターバーナー９、アノード側へと導かれる。

固体電解質３には、システム内でガスを伝導させる開口３．１を形成する。図５と図６では、固体電解質３をより大きい表面に適合させて、カソード側とアノード側を分離させたことが明らかとなる。

燃料電池の動作に必要な２つのガス流を逆流に誘導するように、改質装置８とアフターバーナー９をアノード側に配置する。

改質装置８で改質した燃料ガスは、アノード２を介して発泡金属６を通り、アノードの排出ガスはアフターバーナー９に誘導される。アフターバーナー９での再酸化処理に必要な空気は、カソード側から供給することができる。

１ カソード
２ アノード
３ 固体電解質
３．１ 開口
５ バイポーラプレート
５．１ 開口
６ 発泡金属
７ 繊維
８ 改質装置
９ アフターバーナー
１０ 密封構造
１１ 熱交換器
１２ 熱交換器
１３ カソードフレーム
１３．１ 自由空間
１４ ガラスはんだ
１５ チャネル及び繊維を有する要素
１６ 有孔構造
１７ アノードフレーム
１８ 有孔構造
１９ チャネル
２０ チャネル

Claims (11)

1. 固体酸化物形燃料電池システムであって、複数の平面型燃料電池がスタックを形成し、各燃料電池がカソード−電解質−アノード構成単位を有し、２つの各燃料電池同士の間にバイポーラプレートを配置し、アノードへの燃料ガスの供給及び排出並びにカソードへの酸化剤の供給及び排出を行うチャネルが存在し、前記アノード側又は前記カソード側の排出ガスを、内部に追加したチャネルを介して又は直接的にアフターバーナーに誘導し、前記アフターバーナー内で、前記アノード側及び前記カソード側の前記排出ガスに形成された排出ガス混合物を触媒により再酸化させる、前記固体酸化物形燃料電池システムにおいて、触媒作用のあるアフターバーナー（９）を、一つ一つの燃料電池に、又は複数の燃料電池からなるグループに関連付けることと、前記アノード側又は前記カソード側において１つの燃料電池から放出された排出ガスが１つのアフターバーナー（９）に直接入るよう前記アフターバーナー（９）を配置することと、を特徴とするシステム。
2. 最大１０個の燃料電池を組み合わせて１つのグループとし、１つのアフターバーナー（９）に関連付けること、を特徴とする請求項１に記載のシステム。
3. 前記排出ガス混合物を通すことができ、触媒効果のある、又は少なくとも１つの触媒作用のある要素が存在する有孔構造（１６）を、前記アフターバーナー（９）に形成又は配置すること、を特徴とする請求項１又は２に記載のシステム。
4. 触媒作用のある塗膜を前記アフターバーナー（９）の内面に施すこと、を特徴とする請求項１又は２に記載のシステム。
5. 前記カソード−電解質−アノード構成単位では、前記アノード（２）及び前記カソード（１）を前記固体電解質（３）の対向する２つの側面の、前記燃料電池の電気化学的作用領域に形成し、これに関して前記固体電解質（３）の表面は、前記固体電解質（３）が隣接するガス空間同士の分離層を形成するように、前記電気化学的作用領域より大きくすることと、前記固体電解質（３）に形成した開口（３．１）が、燃料ガス、酸化剤、及び排出ガスの供給と排出を行うチャネル（１９、２０）を示すことと、を特徴とする先行する請求項のうちの一項に記載のシステム。
6. 別個の改質装置（８）を、一つ一つの燃料電池又は複数の燃料電池からなるグループに関連付け、前記改質装置（８）からの燃料ガスが前記アノード側の前記燃料電池に直接入るようにすること、を特徴とする先行する請求項のうちの一項に記載のシステム。
7. 前記システムの前記アフターバーナー（９）及び／又は前記改質装置（８）を互いに並列に、そしてスタック状に共通の面に前記電気化学的作用領域の傍らに配置し、前記システムの一体的な構成要素とすること、を特徴とする先行する請求項のうちの一項に記載のシステム。
8. 燃料／空気混合物を前記改質装置（８）に供給できること、を特徴とする先行する請求項のうちの一項に記載のシステム。
9. 前記アフターバーナー（９）に熱交換器（１２）を配置すること、を特徴とする先行する請求項のうちの一項に記載のシステム。
10. 前記改質装置（８）に熱交換器（１１）を配置すること、を特徴とする先行する請求項のうちの一項に記載のシステム。
11. 前記カソード−電解質−アノード構成単位の固体電解質（３）を用いて、互いに隣接するガス空間同士を流体密封状態で分離すること、を特徴とする先行する請求項のうちの一項に記載のシステム。

Images