JP4084795B2

JP4084795B2 - 固体電解質形燃料電池

Info

Publication number: JP4084795B2
Application number: JP2004317999A
Authority: JP
Inventors: 和正丸谷
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2004-11-01
Filing date: 2004-11-01
Publication date: 2008-04-30
Anticipated expiration: 2019-03-17
Also published as: JP2005072014A

Description

本発明は、酸素含有ガスと燃焼ガスとの熱交換を行う固体電解質形燃料電池に関する。

従来の固体電解質形燃料電池は、図９に示すように、反応容器５１内に、空気室仕切板５３、燃焼室仕切板５５、燃料ガス室仕切板５７を用いて酸素含有ガス室Ａ、燃焼室Ｂ、反応室Ｃ、燃料ガス室Ｄが形成されている。

反応容器５１内に収容された複数の有底筒状の固体電解質形燃料電池セル５９は、燃焼室仕切板５５に形成された複数のセル挿入孔６０にそれぞれ挿入固定され、その開口部６１は燃焼室仕切板５５から燃焼室Ｂ内に突出しており、その内部には空気室仕切板５３に固定された空気導入管６３の一端が挿入されている。

燃焼室仕切板５５には、余剰の燃料ガスを燃焼室Ｂに導入するための余剰燃料ガス噴出孔６４が形成されており、燃料ガス室仕切板５７には、燃料ガスを反応室Ｃ内に供給するための供給孔が形成されている。

また、反応容器５１には、例えば水素からなる燃料ガスを導入する燃料ガス供給管６５、例えば空気からなる酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給管６７、燃焼室Ｂ内で燃焼したガスを排出するための排気管６９が形成されている。

燃料ガス供給管６５は燃料ガス室Ｄに開口し、酸素含有ガス供給管６７は酸素含有ガス室Ａに開口し、排気管６９は燃焼室Ｂに開口している。

固体電解質形燃料電池セル５９は、円筒状のポーラスな空気極の表面に固体電解質層が形成され、この固体電解質層の表面に燃料極層が形成され、さらに、集電体層が空気極層と固体電解質層に接合されて構成されている。

このような固体電解質形燃料電池は、酸素含有ガス室Ａからの空気を、空気導入管６３を介して固体電解質形燃料電池セル５９内にそれぞれ供給し、かつ、燃料ガス室Ｄからの燃料ガスを複数の固体電解質形燃料電池セル５９間に供給し、反応室Ｃにて反応させ、余剰の空気と余剰の燃料ガスを燃焼室Ｂにて燃焼させ、燃焼したガスが排気管６９から外部に排出される。

反応室Ｃ内の反応は、固体電解質形燃料電池セル５９内に供給された空気がポーラスな空気極層を固体電解質層に向けて拡散し、また燃料ガスが固体電解質形燃料電池セル５９の外側から固体電解質層に向けて拡散し、この固体電解質にて生じる。

しかしながら、従来の固体電解質形燃料電池は、発電用酸化剤ガスである空気の予熱が、燃焼室Ｂ内を通る空気導入管６３のみと限られていたために十分ではなかった。

本発明は、酸素含有ガスの予熱区間を拡大して予熱を十分とすることができ、発電システムとしてのエネルギー効率を向上できる固体電解質形燃料電池を提供することを目的とする。

本発明の固体電解質形燃料電池は、反応容器に複数の固体電解質形燃料電池セルを収容し、該固体電解質形燃料電池セルに酸素含有ガス及び燃料ガスを供給して発電するとともに、余剰の酸素含有ガスと余剰の燃料ガスが燃焼し、この燃焼により発生した燃焼ガスが前記反応容器外に排出される固体電解質形燃料電池であって、前記反応容器は、前記固体電解質形燃料電池セルへ酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス室と、該酸素含有ガス室と前記固体電解質形燃料電池セルとの間に配置された、前記余剰の酸素含有ガスおよび前記余剰の燃料ガスを燃焼させる燃焼室とを有し、該燃焼室を形成する前記反応容器の外面に、前記酸素含有ガス室へ供給される酸素含有ガスを予熱するための熱交換部を設けたことを特徴とする。これにより、酸素含有ガスの予熱区間を延長でき、酸素含有ガスの予熱を十分行うことができる。また、排気ガスとして外部に放出されていた燃焼ガスの熱エネルギーを再利用でき、発電システムのエネルギー効率を向上させることができる。

また、酸素含有ガスと燃焼ガスとの熱交換部を、余剰の酸素含有ガスと余剰の燃料ガスとを燃焼させるための燃焼室を形成する反応容器の外面に設けることにより、反応容器の燃焼ガスにより高温となる部位を確実に冷却することができ、この部位の熱的負荷を軽減し、反応容器の寿命を向上させることができる。

さらに、酸素含有ガスと燃焼ガスとの熱交換部を、燃焼室を形成する反応容器を取り巻くように設けるのが望ましい。取り巻くように設けることにより、さらに熱交換効率を高めることができるとともに、反応容器の燃焼ガスにより高温となる部位をもれなく冷却することができ、この部位の熱的負荷を軽減し、反応容器の寿命を向上することができる。

また、燃焼室に接続され該燃焼室での燃焼ガスを排気するための排気管を、酸素含有ガス室に酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス供給管の一部を構成する供給部の内部に設けた二重管構造とすることにより、排気管外表面において排気管内の燃焼ガスと、供給部内の酸素含有ガスとの間で熱交換できることとなり、予熱区間を大幅に延長でき、酸素含有ガスの予熱を十分行うことができるとともに、燃焼ガスの熱エネルギーを酸素含有ガスの予熱として再利用でき、発電システムとしてのエネルギー効率を向上できる。

本発明の固体電解質形燃料電池では、固体電解質形燃料電池セルを収納するための反応容器が、固体電解質形燃料電池セルへ酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス室と、酸素含有ガス室と固体電解質形燃料電池セルとの間に配置され、余剰の酸素含有ガスおよび余剰の燃料ガスを燃焼させる燃焼室とを有するとともに、燃焼室を形成する反応容器の外面に、酸素含有ガス室へ供給される酸素含有ガスを予熱するための熱交換部を設けたことから、酸素含有ガスの予熱区間を延長でき、酸素含有ガスの予熱を十分行うことができるとともに、燃焼ガスによる熱エネルギーを回収して、発電システムとしてのエネルギー効率を向上できる。

本発明の固体電解質形燃料電池は、図１に示すように、反応容器１内に、酸素含有ガス室仕切板３、燃焼室仕切板５、燃料ガス室仕切板７を用いて酸素含有ガス室Ａ、燃焼室Ｂ、反応室Ｃ、燃料ガス室Ｄが形成されている。

反応容器１内に収容された複数の有底筒状の固体電解質形燃料電池セル９は、燃焼室仕切板５に形成された複数のセル挿入孔６にそれぞれ挿入固定され、その開口部１０は燃焼室仕切板５から燃焼室Ｂ内に突出しており、その内部には、空気室仕切板３に挿入固定された空気導入管１１の一端が挿入されている。

燃焼室仕切板５には、図２に示すように、余剰の燃料ガスを燃焼室Ｂに導入するための多数の余剰燃料ガス噴出孔１２が形成されており、燃料ガス室仕切板７には、図１に示したように、燃料ガスを反応室Ｃ内に供給するための多数の供給孔１４が形成されている。

そして、反応容器１には、例えば水素からなる燃料ガスを導入する燃料ガス導入管１３、空気からなる酸素含有ガスを導入する酸素含有ガス供給管１７、燃焼室Ｂ内で燃焼したガスを排出するための排気管１９が設けられている。即ち、燃料ガス導入管１３の一端は燃料ガス室Ｄに開口しており、酸素含有ガス供給管１７の一端は酸素含有ガス室Ａに開口し、排気管１９の一端は燃焼室Ｂに開口している。

また、酸素含有ガス供給管１７は、図３乃至図５に示すように、酸素含有ガス供給管１７内に排気管１９が挿入された二重管部（供給部）ａ、燃焼室Ｂを形成する反応容器１の外周面に沿って環状に形成された反応容器当接部ｂ、予熱された酸素含有ガスを酸素含有ガス室Ａに導入する導入部ｃとから構成されている。ここで、反応容器当接部ｂが熱交換部となる。

酸素含有ガス供給管１７の一端は、排気管１９の一端の開口位置と対向する位置に開口している。

酸素含有ガス供給管１７の二重管部ａでは、排気管１９内を燃焼ガスが、酸素含有ガス供給管７と排気管１９との間を酸素含有ガスが流れることになる。

また、酸素含有ガスの体積に対し熱交換面積をできるだけ大きくするという点から、酸素含有ガス供給管１７の内壁面と排気管１９の外周面との隙間ｄ₁ 、反応容器１の外周面と反応容器当接部ｂの内面との間隔ｄ₂ は、１０ｍｍ以下であることが望ましい。

尚、固体電解質形燃料電池セル９は、図６に示すように、例えば、支持管としてのＬａＭｎＯ_３系空気極層２５と、この空気極層２５の表面に形成されたＹ_２Ｏ_３安定化ＺｒＯ_２からなる固体電解質層２６と、固体電解質層２６の表面に形成されたＮｉ−ジルコニア系の燃料極層２７と、空気極層２５と電気的に接続されるＬａＣｒＯ_３系よりなるインターコネクタ２８とから構成されている。

そして、図７に示すように、一方の固体電解質形燃料電池セル９のインターコネクタ２８を、他方の固体電解質形燃料電池セル９の燃料極層２７にＮｉ金属繊維等の接続部材３１を介して、他方の固体電解質形燃料電池セル９の燃料極層２７に接続して、複数の固体電解質形燃料電池セル９が電気的に接続され、スタック３３が構成されており、このようなスタック３３が、図１に示したように、反応容器１内に収容されて固体電解質形燃料電池が構成されている。

反応容器１内には、一つの固体電解質形燃料電池セル９のインターコネクタ２８に接続された電極３５と、他方の固体電解質形燃料電池セル９の燃料極層２７に接続された電極３７が配置されており、これらの電極３５、３７を介して電力が取り出される。

このような固体電解質形燃料電池は、例えば空気を酸素含有ガス供給管１７から空気導入管１１を介して固体電解質形燃料電池セル９内に導入するとともに、燃料ガス供給管１３から例えば水素を導入し、燃料ガス室仕切板７の分散孔で分散して固体電解質形燃料電池セル９の外部に導入することにより行われ、余剰の空気と燃料ガスは燃焼室Ｂ内で燃焼させられ、排気管１９から外部に排出される。

固体電解質形燃料電池セル一本のガスの流れを説明すると、水素ガス（燃料ガス）はセル下方から導入され、発電により酸化されながら上方へと進む。一方空気（酸化含有ガス）は空気導入管１１を介してセル上方よりセル内部下方へ導入される。そしてセル内部下方より上部へと流れる。セル上部より排出された空気は発電で消費されなかった水素ガスと反応し、燃焼室Ｂ内で燃焼する。

以上のように構成された固体電解質形燃料電池では、酸素含有ガス供給管１７を、二重管部（供給部）ａと、反応容器１の外周面に沿って形成された反応容器当接部（熱交換部）ｂと、導入部ｃとから構成したので、酸素含有ガスの予熱を、燃焼室Ｂの側面を形成する反応容器１の表面において行うことができ、酸素含有ガスの予熱をさらに十分行うことができるとともに、燃焼室Ｂを形成する高温の反応容器１の表面と、低温の酸素含有ガスとの間で熱交換することにより、反応容器１の表面を冷却することができ、反応容器１における熱的負荷を軽減でき、反応容器１の寿命を向上することができる。

また、酸素含有ガス供給管１７内に排気管１９を挿入し、排気管１９内に燃焼ガスを、酸素含有ガス供給管１７と排気管１９との間に酸素含有ガスを流すことにより、排気管１９外表面において排気管１９内の燃焼ガスと、酸素含有ガス供給管１７内の酸素含有ガスとの間で熱交換できることとなり、予熱区間を大幅に延長でき、酸素含有ガスの予熱を十分行うことができるとともに、従来、排気ガスとして外部に放出していた燃焼ガスの熱エネルギーを酸素含有ガスの予熱として再利用でき、発電システムとしてのエネルギー効率を向上できる。

さらに、高温の排気管１９の外表面で熱交換することにより、排気管１９の外表面を冷却することができ、排気管１９の熱的負荷を軽減でき、排気管１９の寿命を向上することができる。

尚、上記例では、酸素含有ガス供給管１７に、燃焼室Ｂの側面を形成する反応容器１の外周面全体に沿って形成された反応容器当接部ｂを形成した例について説明したが、反応容器当接部は、反応容器１の外周全体に形成される必要はなく、例えば、半周でも良い。

また、上記例では、酸素含有ガス供給管１７を、二重管部ａと、反応容器１の外周に沿って形成された反応容器当接部ｂと、導入部ｃとから構成した例について説明したが、本発明では、上記実施例に限定されるものではなく、例えば、図８に示すように、酸素含有ガス供給管１７を、排気管１９に沿った（当接した）状態で形成された当接部ｅと、当接部ｅから、予熱された酸素含有ガスを酸素含有ガス室Ａに導入する導入部ｆとから構成しても良い。

本発明の固体電解質形燃料電池の模式図である。燃焼室仕切板およびその近傍を示すもので、（ａ）は側面図、（ｂ）は平面図である。燃焼室の側面を形成する反応容器およびその近傍を示す斜視図である。図１のｘ−ｘ線に沿う断面図である。酸素含有ガス供給管の二重管部を示す断面図である。固体電解質形燃料電池セルの断面図である。スタックを示す平面図である。酸素含有ガス供給管を排気管に沿って形成した状態を示す側面図である。従来の固体電解質形燃料電池の模式図である。

符号の説明

１・・・反応容器
５・・・燃焼室仕切板
６・・・セル挿入孔
９・・・固体電解質形燃料電池セル
１０・・・開口部
１１・・・空気導入管
１３・・・燃料ガス供給管
１７・・・酸素含有ガス供給管
１９・・・排気管
Ａ・・・酸素含有ガス室
Ｂ・・・燃焼室
Ｃ・・・反応室
Ｄ・・・燃料ガス室

Claims

反応容器に複数の固体電解質形燃料電池セルを収容し、該固体電解質形燃料電池セルに酸素含有ガス及び燃料ガスを供給して発電するとともに、余剰の酸素含有ガスと余剰の燃料ガスが燃焼し、この燃焼により発生した燃焼ガスが前記反応容器外に排出される固体電解質形燃料電池であって、前記反応容器は、前記固体電解質形燃料電池セルへ酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス室と、該酸素含有ガス室と前記固体電解質形燃料電池セルとの間に配置された、前記余剰の酸素含有ガスおよび前記余剰の燃料ガスを燃焼させる燃焼室とを有し、該燃焼室を形成する前記反応容器の外面に、前記酸素含有ガス室へ供給される酸素含有ガスを予熱するための熱交換部を設けたことを特徴とする固体電解質形燃料電池。
前記熱交換部が、前記燃焼室を形成する前記反応容器の外面を取り巻くように設けられていることを特徴とする請求項１に記載の固体電解質形燃料電池。
前記燃焼室に接続され該燃焼室での燃焼ガスを排気するための排気管と、前記酸素含有ガス室に前記酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス供給管とを有するとともに、該酸素含有ガス供給管は、前記熱交換部と、該熱交換部に前記酸素含有ガスを供給するための供給部と、前記熱交換部を流れた酸素含有ガスを前記酸素含有ガス室に供給するための導入部とからなり、前記排気管と前記供給部とが、前記排気管を前記供給部の内部に設けた二重管構造であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の固体電解質形燃料電池。