JP4776606B2

JP4776606B2 - 燃料電池

Info

Publication number: JP4776606B2
Application number: JP2007277100A
Authority: JP
Inventors: 高志重久; 健児島津; 彰小梶
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2007-10-25
Filing date: 2007-10-25
Publication date: 2011-09-21
Anticipated expiration: 2022-12-25
Also published as: JP2008047546A

Description

本発明は、特に起動を迅速に行うことができるとともに、発電量の低下を抑制することが可能な燃料電池に関するものである。

近年、次世代エネルギーとして、燃料電池セルのスタックを収納容器内に収容した燃料電池が種々提案されている。

固体電解質型燃料電池は、複数の固体電解質型燃料電池セルからなるセルスタックを収納容器内に収容して構成されており、固体電解質を用いた燃料電池は作動温度が６００〜１０００℃と高いため、この温度まで燃料電池セルを加熱する必要がある。

従来、円筒型の燃料電池セルが知られているが、この円筒型の燃料電池セルでは、その端部に非発電部が形成されているため、燃料電池セルが長くなるほど非発電部の割合が小さくなり、発電量が増大することや発電効率が高くなることなどから、燃料電池セルの長さは長い方がよいとされている。

このような長尺の円筒型燃料電池セルを用いた燃料電池においては、発電に関与しない余剰燃料（空気及び水素）を燃焼させる燃焼室を設け、この燃焼室内の燃焼ガスにより、燃料電池セルに導入される導入ガスを加熱するとともに、燃焼熱により間接的に燃料電池セルを加熱し、熱効率を高めることが行われている。

また、この手法では燃料電池セル自体が熱伝導体となり、燃焼室で発生する燃焼熱を、燃料電池セルの排出口側の端部から他端部に熱伝導させ、燃料電池セル全体が加熱されている（特許文献１参照）。
特開平４−２３７９６３号公報

しかしながら、このような長尺の燃料電池セルを用いる燃料電池では、燃料電池セル自体を熱伝導体として燃料電池セルを加熱する効果は小さくなっている。

また、燃料電池セルが大きいために、急激に加熱すると燃料電池セル内部での温度差が大きくなり、破壊に至るため、徐々に昇温する必要がある。そのため、起動時間が非常に長くなり、加熱を開始してから燃料電池が発電を開始するまでに、長時間を要する。

また、頻繁に起動停止を行うような運転の形態では、発電時間に対して、起動時間の割合が自ずと増えるため、発電が行えない昇温時間が長くなり、これにより格段に発電効率を低下させることになる。

一方で、燃料電池セル内に形成されたガス流路の断面積にバラツキがあった場合には、燃料電池セル間で供給されるガス量が均一とならず、燃料電池の発電量が低下するといったおそれがある。それゆえ、本発明は、起動時間を大幅に短縮できる燃料電池を提供することを目的とする。

本発明の燃料電池は、収納容器内に、一方側が供給口とされ、他方側が排出口とされたガス流路が長手方向に形成されるとともに、固体電解質が燃料極及び空気極で挟持された発電部を有する柱状の燃料電池セルを、所定間隔をおいて複数並設した燃料電池セルスタックと、前記燃料電池セルをその側方から加熱する加熱体とを収納してなり、前記ガス流路の排出口より排出される燃料ガスを燃焼させるように構成してなる燃料電池であって、前記燃料電池セルの前記排出口側の端部に、ガス流路のガス流通量を抑制するガス排出抑制孔を有する蓋状部材が設けられていることを特徴とする。

このような燃料電池では、燃料電池セルの排出口側の端部近傍で燃料ガスと酸素含有ガスとを混合させ、燃焼させるように構成していることから、燃料ガスの燃焼により燃焼熱を発生させることができる。

この燃焼熱を、燃料電池セル自身を熱伝導体として、燃料電池セルの排出口側の端部と逆の端部にまで伝導することで、燃料電池の起動時間を大幅に短縮できる。

また、収納容器内に、上記燃料電池セルを所定間隔をおいて複数並設した燃料電池セルスタックを収納することにより、燃料電池の起動時間を大幅に短縮できる。

また、このような燃料電池では、燃料電池セルの排出口側の端部からの熱伝導による加熱に加え、収納容器内に燃料電池セルを直接加熱する加熱体を設けることで、さらに、燃料電池セルが発電可能な温度に達するまでの時間が短縮され、起動時間を短縮することができる。

さらに、このような燃料電池は、仮に、燃料電池セル内に形成されたガス流路の断面積にばらつきがあったとしても、燃料電池セルのガス排出口側の端部に、燃料電池セルの内部に設けられたガス流路のガス流通量を抑制し、流体抵抗を増大させるガス排出抑制孔を有する蓋状部材を設けることで、燃料電池セルに供給されるガス量は、燃料電池セルのガス流路の断面積に影響されず、ガス排出抑制孔を有する蓋状部材によって制御される。

そのため、複数の燃料電池セルにそれぞれ供給されるガス量を容易に均一にすることができ、容易に各燃料電池セルの発電量のばらつきを抑制することができるため、発電量の低下や、発電効率の低下、燃料電池セルの破壊を防止できる。

また、蓋状部材を、耐熱性、耐熱衝撃性、強度に優れ、酸化雰囲気、還元雰囲気で安定な部材とすることで、急激な加熱によっても燃料電池セルが破壊されることがなくなる。

本発明の燃料電池では、収納容器内に、内部にガス流路を有する柱状の燃料電池セルを所定間隔をおいて複数並設した燃料電池セルスタックと、燃料電池セルをその側方から加熱する加熱体とを収納してなり、ガス流路の排出口より排出される燃料ガスを燃焼させるように構成するとともに、燃料電池セルの排出側の端部に、ガス流路のガス流通量を抑制するガス排出抑制孔を有する蓋状部材を設けることにより、燃料電池セルの加熱に要する時間を大幅に短縮することが可能となり、起動時間を大幅に短縮できるとともに、各燃料電池セルの発電量のばらつきを抑制することができる。

図１は、本発明の燃料電池の一形態を示すもので、符号１は断熱構造を有する収納容器を示している。

収納容器１は、耐熱性金属からなる枠体（図示せず）と、この枠体の内面に設けられた断熱材（図示せず）とから構成されている。

この収納容器１の内部には、複数の燃料電池セル２が集合した燃料電池セルスタック３が複数収納され、燃料電池セルスタック３を構成する燃料電池セル２の下端部は、燃料電池セル２の支持体を兼ねた燃料ガスタンク５の上蓋６に支持固定され、上端部は仕切り板７に支持固定されている。

この仕切り板７により、収納容器１内に発電室９と燃焼室１１が形成されている。また、この仕切り板７には酸素含有ガスを発電室９から燃焼室１１に導入する酸素含有ガス排出孔１３が形成されている。

この燃焼室１１に突出した燃料電池セル２の排出口側の端部近傍で、余剰の燃料ガスを燃焼させ、発生した燃焼熱を燃料電池セル２の加熱に利用する。この燃焼室１１に突出した燃料電池セル２の排出口側の端部には、燃料電池セル２内のガス流通量を制御し、燃料電池セル２を急激な加熱から保護する蓋状部材１４が設けられている。なお、燃焼室１１には、起動時に着火するための着火源（図示せず）が設けられている。

また、燃料ガスタンク５の上蓋６ａと底板６ｂ並びに側板６ｃとで、燃料ガスタンク室１５を構成しており、この燃料ガスタンク室１５には燃料電池セル２の発電に要する燃料ガスを導入する燃料ガス導入管１７が接合されている。

燃料ガスタンク５の上蓋６にはガス通路（貫通孔）が形成され（図示せず）、このガス通路は燃料電池セル２のガス流路に連通しており、燃料ガスは、燃料ガス導入管１７、燃料ガスタンク室１５を介し、ガス通路、燃料電池セル２のガス流路を通過し、燃料電池セル２の排出口側の端部に設けられた蓋状部材１４のガス排出抑制孔から、燃焼室１１へと導入される。

そして、本発明の燃料電池では、例えば、燃料電池セル２の側方、すなわち、燃料電池セル２の側面と所定間隔をおいて燃料電池セル２を加熱する加熱体１９が配置されている。加熱体１９には、加熱体１９に加熱用ガスを供給する加熱用ガス導入管２１が接合されている。加熱体１９に供給される加熱用ガスは、少なくとも燃料電池セル２に酸素を供給するために、酸素を含有し、さらに、加熱体１９を燃焼バーナーとして用いる場合には可燃性ガスを含有する。発電や燃焼に用いられた排気ガスは燃焼室１１の側方に設けられたガス排気管２３より燃料電池外へ廃棄される。

燃料電池セルスタック３は、例えば、図２に示すように、複数の燃料電池セル２を２列に整列させ、隣設した２列の最外部の燃料電池セル２の電極同士が導電部材２５で接続され、これにより２列に整列した複数の燃料電池セル２が電気的に直列に接続されている。

一方の燃料電池セル２と、他方の燃料電池セル２との間には、金属フェルト及び／又は金属板からなる集電部材２７を介在させ、一方の燃料電池セル２の燃料極２ｂを、支持体２ａに設けられたインターコネクタ２ｅ、集電部材２７を介して他方の燃料電池セル２の空気極２ｄに電気的に接続して、セルスタック３が構成されている。

図３は燃料電池セル２の構造を具体的に説明するもので、燃料電池セル２は、断面が扁平状で、全体的に見て楕円柱状であり、弧状部ｍと、平坦部ｎがあり、その内部には複数のガス流路２９が長手方向に形成されている。すなわち、この燃料電池セル２は、ガス流路２９方向に長い形状である。

この燃料電池セル２は、断面が扁平状で、全体的に見て楕円柱状の多孔質な支持体２ａの外面に、金属を主成分とする多孔質な燃料極２ｂ、緻密質な固体電解質２ｃ、多孔質な導電性セラミックスからなる空気極２ｄを順次積層し、支持体２ａ上の空気極２ｄが形成されていない領域にインターコネクタ２ｅを形成して構成されている。

また、同時に、支持体２ａは多孔質であることが必要であり、また、支持体２ａの熱膨張係数を固体電解質２ｃなどと合わせる必要があるため、Ｎｉと熱膨張係数の小さい無機粉末とを混合して支持体２ａを作製する必要がある。なお、例えば、Ｎｉ等を多く含有させることにより、熱伝導率が大きい支持体２ａを形成することもできる。

従来、無機粉末としてＹ_２Ｏ_３を固溶したＺｒＯ_２が用いられているが、例えば、これに変えて熱膨張係数の低いＹ_２Ｏ_３を無機粉末として用いることで、支持体２ａのＮｉ量を増加させることができ、支持体２ａの熱伝導率を大きくすることができる。このように、燃料電池セル２の大部分を占める支持体２ａの熱伝導率を大きくすることで燃料電池セル２の長手方向の熱伝導率を大きくすることができる。また、高熱伝導率を有する支持体２ａが燃料電池セル２で占める割合を増やすことで、燃料電池セル２の長手方向の熱伝導率を大きくすることができる。

燃料電池セル２において燃料極２ｂ、固体電解質２ｃ、空気極２ｄが重畳した部分が発電する部分である。

燃料電池セル２の燃料極２ｂ、固体電解質２ｃ、空気極２ｄが重畳した部分は、発電室９の中央部に存在し、燃料電池セル２の両端部は、固体電解質２ｃの上面に空気極２ｄが形成されていない領域が形成されており、燃料電池セル２の両端部は発電に寄与していない。この空気極２ｄが形成されていない燃料電池セル２の両端部が燃料ガスタンク５の上蓋６および仕切り板７にそれぞれ支持されている。また、緻密な固体電解質２ｃにより、発電室９内における固体電解質２ｃの内外のガス混合を防止している。

図４は、排出口側の端部に蓋状部材１４を具備した燃料電池セル２を具体的に説明する斜視図である。蓋状部材１４により、燃料電池セル２のガス流量を制御することができ、燃料電池セル２間のガス流量のばらつきを防止できる。また、燃料電池セル２を急激な加熱から保護できる。

この蓋状部材１４はキャップ形状をしており、ガス排出抑制孔３１が形成された遮蔽板１４ａ、燃料電池セル２に外嵌する環状体１４ｂとから構成されている。

この蓋状部材１４を用いることで、仮に、燃料電池セル２内に形成されたガス流路２９の形状が複数の燃料電池セル２間でばらついても、各燃料電池セル２に供給されるガス量を均一にすることができ、燃料電池の発電能力を向上させることができ、また、燃料枯れに伴い発生する金属成分の酸化による燃料電池セル２の電気的抵抗の増大や、空気枯れに伴い発生する固体電解質２ｃと空気極２ｄとの剥離による燃料電池セル２の破壊を防止できる。また、蓋状部材１４を設けることで燃料電池セル２のガス流通量を抑制できるため、燃料利用率を高くすることができる。

図５は、排出口側の端部に蓋状部材１４を具備した燃料電池セル２を具体的に説明する端面図である。

燃料電池セル２の排出口側の端面３３と、蓋状部材１４のガス排出抑制孔３１が設けられた遮蔽板１４ａ間には共通ガス室３５が形成されている。このように燃料電池セル２の排出口側の端面３３と遮蔽板１４ａ間に共通ガス室３５を設けることで、複数のガス流路２９を通過するガスは一旦、共通ガス室３５で合流するため、ガス排出抑制孔３１は例えば一つだけでもよい。

燃料電池セル２内部に供給されるガスは、燃料電池セル２の排出口側の端部とは逆側の端部からガス流路２９に導入され、共通ガス室３５を経て、蓋状部材１４に設けられたガス排出抑制孔３１を通過し、燃料電池セル２外に排出される。また、燃料電池セル２の外部には、他のガスが供給され、多孔質の燃料極２ｂ、緻密質の固体電解質２ｃ、多孔質の空気極２ｄが積層された発電部で、燃料極２ｂと空気極２ｄ間の酸素濃度差に基づく発電が行われる。

蓋状部材１４は、余剰のガスの燃焼により急激に加熱される燃料電池セル２の排出口側の端部を保護する機能も併せ持つため、急激な加熱に伴う燃料電池セル２の破壊を防止することができる。

なお、この蓋状部材１４は、耐熱性、耐熱衝撃性、強度に優れ、酸化雰囲気、還元雰囲気で安定なアルミナやジルコニア、安定化ジルコニア、部分安定化ジルコニアなどが好適に用いられる。また、ガス排出抑制孔３１は穴状であっても、スリット状であってもよいが、作製が容易であり、より精度よくガス量を制御できる点から、スリット状であることが望ましい。また、ガス排出抑制孔３１は一つであっても、複数であってもよい。

以上のように構成された燃料電池では、定常運転時には、外部からの酸素含有ガス（例えば空気）を加熱用ガス導入管２１により、加熱体１９を通じ、発電室９の燃料電池セル２間に噴出させるとともに、燃料ガス（例えば水素）を燃料ガス導入管１７により、燃料ガスタンク室１５を介し、燃料電池セル２のガス流路２９内に供給し、発電室９における燃料電池セル２において発電させる。

発電に用いられなかった余剰の燃料ガスは、ガス流路２９の上端から蓋状部材１４のガス排出抑制孔３１を介して燃焼室１１内に噴出し、発電に用いられなかった余剰の酸素含有ガスは、酸素含有ガス排出孔１３から燃焼室１１内に噴出し、余剰の燃料ガスと余剰の酸素含有ガスを反応させて、燃料電池セル２の排出口側の端部近傍で燃焼させ、燃焼ガスを発生させ、この燃焼ガスは燃焼室１１の側方に設けられたガス排気管２３から排出される。

このような構造を有する燃料電池では、燃焼室１１の燃料電池セル２の排出口側の端部近傍で発生した燃焼熱が、燃料電池セル２自身を熱伝導媒体として、燃料電池セル２を加熱できる。

また、起動時には外部からの酸素含有ガス（例えば空気）と可燃性ガスとを加熱用ガス導入管２１により、加熱体１９を通じ、発電室９の燃料電池セル２間に噴出させ、加熱体１９の表面で燃焼させ、燃料電池セル２を燃料電池セル２の側面から直接加熱し、余剰の酸素含有ガスは、酸素含有ガス排出孔１３から燃焼室１１内に噴出する。さらに、燃料ガス導入管１７により、燃料ガスタンク室１５を介し、燃料電池セル２のガス流路２９内を通過し、さらに、蓋状部材１４に設けられたガス排出抑制孔３１を通過し、燃焼室１１に噴出した燃料ガスと、余剰の酸素含有ガスとは燃焼室１１で燃焼し、燃料電池セル２を燃料電池セル２の燃焼室１１側の排出口側の端部から加熱し、さらに起動時間を短縮できる。

なお加熱体１９は、電気式のヒーターでも、ガス燃焼式のバーナーでもよい。エネルギー効率を重視する場合、ガス燃焼式のバーナーを用いることが望ましい。また、電気式のヒーターは、制御が容易という点で望ましい。これらの加熱体１９は、燃料電池セル２近傍に配置し、燃料電池セル２を直接加熱できるようにすることが望ましい。

また、加熱体１９は面状の加熱体１９であることが望ましい。加熱体１９を面状加熱体とし、燃料電池セル２の側面に対向して配置することで、燃料電池セル２の側面の大部分を同時に加熱することが可能となるため、燃料電池セルの温度差による破壊を防ぐことができると同時に、急速な加熱が可能となり、さらに、起動時間を短縮できる。

また、発電に寄与しなかった余剰の燃料ガスと酸素含有ガスの燃焼熱を、熱交換器などを利用し、導入ガスの加熱に用いることも可能であり、これにより、さらに起動時間を短縮できる。例えば、収納容器１内の燃焼室１１に熱交換器を設け、この熱交換器に加熱用ガス導入管２１と、加熱体１９を接続する。排出される燃焼ガスと、発電に用いられる酸素含有ガスとを熱交換器で熱交換し、酸素含有ガスを予熱する。予熱された酸素含有ガスを加熱体１９に導入し、酸素含有ガスを燃料電池セル２に供給する。このような構造では、酸素含有ガスの予熱を行うためのバーナーを別途設ける必要がなく、小型にでき、しかも燃焼ガスを有効利用できる。

なお、本発明は上記形態に限定されるものではなく、発明の要旨を変更しない範囲で種々の変更が可能である。例えば、上記形態では、図２に示したような楕円柱状で複数のガス流路２９を有する燃料電池セル２を用いてセルスタック３を構成した例について説明したが、燃料電池セル２は円筒状で、ガス流路２９が一つであっても良く、燃料電池セル２の形状は特に限定されるものではない。

本発明の燃料電池を示す縦断面図である。図１のセルスタックを示す横断面図である。図１の燃料電池セルを示す横断面斜視図である。本発明の燃料電池セルを示す斜視図である。図４の燃料電池セルを示す端面図である。

符号の説明

１・・・収納容器
２・・・燃料電池セル
２ｂ・・・燃料極
２ｃ・・・固体電解質
２ｄ・・・空気極
１４・・・蓋状部材
１９・・・加熱体
２９・・・ガス流路
３１・・・ガス排出抑制孔

Claims

収納容器内に、一方側が供給口とされ、他方側が排出口とされたガス流路が長手方向に形成されるとともに、固体電解質が燃料極及び空気極で挟持された発電部を有する柱状の燃料電池セルを、所定間隔をおいて複数並設した燃料電池セルスタックと、前記燃料電池セルをその側方から加熱する加熱体とを収納してなり、前記ガス流路の排出口より排出される燃料ガスを燃焼させるように構成してなる燃料電池であって、前記燃料電池セルの前記排出口側の端部に、ガス流路のガス流通量を抑制するガス排出抑制孔を有する蓋状部材が設けられていることを特徴とする燃料電池。