JP2006269419A

JP2006269419A - 固体酸化物形燃料電池および運転方法

Info

Publication number: JP2006269419A
Application number: JP2006043355A
Authority: JP
Inventors: Jun Akikusa; 順秋草
Original assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2005-02-22
Filing date: 2006-02-21
Publication date: 2006-10-05

Abstract

【課題】燃料電池の急速起動を可能とする。
【解決手段】複数の発電セル５を集合して燃料電池集合体１を構成し、ハウジング２０内に収納すると共に、運転時に前記燃料電池集合体１の内部に改質ガスを供給して発電反応を生じさせる固体酸化物形燃料電池において、前記ハウジング２０内に改質器２１、または改質器２１と水蒸気発生器２２を設置すると共に、少なくとも前記改質器２１を加熱する加熱装置２４を配設した。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池の昇温機構およびその運転方法に関するものである。

上記固体酸化物形燃料電池は、第三世代の発電用燃料電池として開発が進んでおり、現在、円筒型、モノリス型、および平板積層型の３種類が知られている。これら固体酸化物形燃料電池は、何れも酸化物イオン伝導体から成る固体電解質層を両側から空気極層（カソード）と燃料極層（アノード）で挟み込んだ積層構造を有し、例えば、平板積層型の場合、この積層体から成る発電セルとセパレータを交互に複数積層してスタック化し、ハウジング内に収納することによりモジュール化したものである。

固体酸化物形燃料電池では、反応用ガスとして空気極層側に酸化剤ガス（酸素) が供給され、燃料極層側に燃料ガス (Ｈ₂、ＣＯ、ＣＨ₄等) が供給される。空気極層と燃料極層は、反応用ガスが固体電解質層との界面に到達することができるよう、何れも多孔質の層とされている。

発電セル内において、空気極層側に供給された酸素は、空気極層内の気孔を通って固体電解質層との界面近傍に到達し、この部分で空気極層から電子を受け取って酸化物イオン（Ｏ^2-）にイオン化される。この酸化物イオンは、燃料極層に向かって固体電解質層内を拡散移動する。燃料極層との界面近傍に到達した酸化物イオンは、この部分で、燃料ガスと反応して反応生成物（Ｈ₂Ｏ、ＣＯ₂等）を生じ、燃料極層に電子を放出する。
このような電極反応で生じた電子は、別ルートの外部負荷にて起電力として取り出すことができる。

ところで、上記した固体酸化物形燃料電池を含む従来公知の燃料電池を運転（発電）する場合は、燃料電池スタック（特に発電セル）を各燃料電池の作動温度に予熱する必要がある。これは、発電セルでの電気化学反応を活性化するためである（特許文献１参照）。
特開平８−１６２１３７号公報

ところで、運転開始の際に燃料電池スタックを昇温する場合、従来は、電気ヒータやバーナ等の加熱装置を燃料電池スタックの周辺に配置し、加熱装置からの輻射熱によりスタック表面を加熱する方法が行われていた。しかしながら、この輻射熱を利用した予熱方法は、昇温時間が長く、発電運転までに長時間を要する（例えば、８時間程度）という問題があった。加えて、電気ヒータによる昇温の場合は電力消費が極めて大きくなり、燃料電池の発電前に余分な電力を消費してしまうという問題もあった。

本発明は、起動時に燃料モジュール内の改質器や水蒸気発生器を加熱装置により加熱することにより、起動初期の段階から水素を含む還元性の改質ガスを生成し、発電セルの燃料極側にこのパージガスを給配しつつ急速起動を可能とした固体酸化物形燃料電池およびその運転方法を提供することを目的としている。
また、この運転方法により、これまで燃料極の酸化防止のために使用されていた窒素を全く無くすことを目的としている。

すなわち、請求項１に記載の発明は、複数の発電セルを集合して燃料電池集合体を構成し、ハウジング内に収納すると共に、運転時に前記燃料電池集合体の内部に改質ガスを供給して発電反応を生じさせる固体酸化物形燃料電池において、前記ハウジング内に改質器、または改質器と水蒸気発生器を設置すると共に、少なくとも前記改質器を加熱する加熱装置を配設したことを特徴としている。
ここで、上述の燃料電池集合体とは、平板積層型の燃料電池のように、複数の発電セルとセパレータを交互に積層した燃料電池スタックや、円筒型の燃料電池のように、複数の発電セルを接続部材（インターコネクタ）を介して集合・接続したバンドル等をいう。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池において、前記加熱装置として電気ヒータ、または燃焼バーナを用いることを特徴としている。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２の何れかに記載の固体酸化物形燃料電池において、前記燃料電池集合体の周辺部に、当該燃料電池集合体から放出される改質ガスを燃焼するための燃焼触媒、または改質ガス着火用のヒータを配設したことを特徴としている。

また、請求項４に記載の発明は、請求項１から請求項３までの何れかに記載の固体酸化物形燃料電池において、前記固体酸化物形燃料電池は、発電反応に使用しない残余のガスを燃料電池集合体の外で燃焼させるシールレス構造の固体酸化物形燃料電池であることを特徴としている。

また、請求項５に記載の発明は、複数の発電セルを集合して燃料電池集合体を構成し、ハウジング内に収納すると共に、運転時に前記燃料電池集合体の内部に改質ガスを供給して発電反応を生じさせる固体酸化物形燃料電池の運転方法であって、改質器と水蒸気発生器と加熱装置を備え、燃料電池起動時に、前記加熱装置により少なくとも前記改質器を加熱し、加熱された前記改質器に燃料ガスと前記水蒸気発生器からの水蒸気を供給して水素主成分の改質ガスを発生し、改質ガスを前記燃料電池集合体に供給して前記発電セルの燃料極を還元状態に保ちつつ前記燃料電池集合体の温度を上昇させることを特徴としている。

また、請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の固体酸化物形燃料電池の運転方法において、前記燃料電池集合体に供給した水素主成分の改質ガスを燃料電池集合体から放出し、燃焼して前記燃料電池集合体の温度を上昇させることを特徴としている。

本発明によれば、燃料電池集合体が収納されるハウジング内に加熱装置を設置した改質器や水蒸気発生器を設置し、燃料電池の起動時に、これら改質器や水蒸気発生器を加熱装置にて加熱するようにしたので、起動直後から改質反応により得られた水素主成分の改質ガスを燃料電池集合体の内部に供給し、窒素ガスを使用することなく発電セルの燃料極側を還元状態に保つことが可能になる。さらに、燃料電池集合体の近傍において残余の改質ガスを燃焼することにより燃料電池集合体を短時間で加熱することができるため、燃料電池の急速起動が可能となる。
また、一旦、上記燃焼反応が開始すると、その燃焼熱によってハウジング内の改質器や水蒸気発生器が加熱されるため、起動時のような加熱装置による加熱は必要なくなる。これにより、加熱装置として、例えば、電気ヒータを用いた場合の電力消費を大幅に削減することができる。

以下、図１〜図４に基づいて本発明の実施形態を説明する。
図１は本発明が適用された固体酸化物形燃料電池の内部概略構成を示し、図２は燃料電池スタックにおける運転時のガスの流れを示し、図３、図４は改質器および水蒸気発生器に対する加熱装置の設置状態を示している。

図１に示すように、本実施形態の固体酸化物形燃料電池（燃料電池モジュール）は、内壁に保温用の断熱材（図示せず）を配したハウジング２０（缶体）を有し、このハウジング２０内の中央に発電反応を生じさせる燃料電池スタック１が配設されていると共に、この燃料電池スタック１の周辺部に改質器２１や水蒸気発生器２２等が配設されている。

改質器２１内には炭化水素用のＮｉ（ニッケル）系、或いは、Ｒｕ（ルテニウム）系の改質触媒が充填されており、外部から供給される炭化水素系燃料ガスを水素主体の燃料ガスに改質することができる。
水蒸気発生器２２は、上記改質反応に必要な高温水蒸気を得るための熱交換器であって、燃料電池スタック１の排熱をより多く吸収できるよう、例えば、図３、図４に示すように、燃料電池スタックの中央部に対面する位置に配設されており、水蒸気導入管１７を介して高温水蒸気を改質器２１に誘導する。

上記燃料電池スタック１は、固体電解質層２の両面に燃料極層３と空気極層４を配した発電セル５と、燃料極層３の外側に配した燃料極集電体６と、空気極層４の外側に配した空気極集電体７と、各集電体６、７の外側に配したセパレータ８とで構成される単セル１０を縦方向に多数積層して構成されている。

上記構造の単セル１０において、固体電解質層２はイットリアを添加した安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等で構成され、燃料極層３はＮｉ、Ｃｏ等の金属、あるいはＮｉ−ＹＳＺ、Ｃｏ−ＹＳＺ等のサーメットで構成され、空気極層４はＬａＭｎＯ₃、ＬａＣｏＯ₃等で構成され、燃料極集電体６はＮｉ基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、空気極集電体７はＡｇ基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、セパレータ８はステンレス等で構成されている。

上記セパレータ８は、発電セル５間を電気的に接続すると共に、発電セル５に対して反応用ガスを供給する機能を有するもので、燃料ガス（改質ガス）をセパレータ８の外周面から導入してセパレータ８の燃料極集電体６に対向する面のほぼ中央部１１ａから吐出する燃料ガス通路１１と、酸化剤ガスをセパレータ８の外周面から導入してセパレータ８の空気極集電体７に対向する面のほぼ中央１２ａから吐出する酸化剤ガス通路１２を有する。

また燃料電池スタック１の内部には、図１に示すように、スタック積層方向に延びる燃料ガス用マニホールド１３と酸化剤ガス用マニホールド１４が形成されており、燃料ガス用マニホールド１３には改質器２１からの燃料ガス導入管１５が接続され、酸化剤ガス用マニホールド１４には外部から誘導された酸化剤ガス導入管１６が接続されている。

この固体酸化物形燃料電池は、発電セル５の外周部にガス漏れ防止シールを設けないシールレス構造とされており、運転時には、図２に示すように、燃料ガス通路１１および酸化剤ガス通路１２を通してセパレータ８の略中心部から発電セル５に向けて供給される燃料ガス（改質ガス）および酸化剤ガス（空気）を、発電セル５の外周方向に拡散させながら燃料極層３および空気極層４の全面に良好な分布で行き渡らせて発電反応を生じさせると共に、発電反応で消費されなかった余剰ガス（排ガス）を発電セル５の外周部からハウジング２０内に自由に放出するようになっている。ハウジング２０の上部には、ハウジング内の排ガスをハウジング外に排出するための排気口２０ａが設けてある。

ところで、本実施形態では、上記した改質器２１および水蒸気発生器２２に加熱装置２４が付設されており、改質器２１や水蒸気発生器２２を熱伝導により加熱できるようになっている。加熱装置２４として電気ヒータや燃焼バーナが用いられる。

図３、図４に加熱装置２４として電気ヒータを用いた場合の加熱装置２４の取り付けを示す。
図３は、プレート状ヒータを用いた場合で、このプレート状ヒータが燃料電池スタック１の側面に対面する各々箱形の改質器２１や水蒸気発生器２２の外側面に取り付けられており、その直射熱により改質器２１や水蒸気発生器２２を外面より加熱するようになっている。
また、図４は、パイプ状ヒータを用いた場合で、改質器２１内や水蒸気発生器２２内に縦方向にそれぞれ複数本（２本）配設されており、改質器２１や水蒸気発生器２２を内部より加熱するようになっている。
尚、図３、図４では、燃料電池スタック１の周辺に改質器２１と水蒸気発生器２２が、それぞれ２基づつ燃料電池スタック１を挟んで対向設置されており、それぞれに、加熱装置２４が付設されている。

また、燃料電池スタック１の近傍の２箇所に、燃料電池スタック１の外周部より放出された余剰ガス（改質ガス）の燃焼を促進するための燃焼手段として、燃焼触媒２３がスタック積層方向に沿って配設されている。この燃焼触媒２３は、例えば、薄板状のハニカム触媒を用いて、Ｐｔ、Ｐｄ等をアルミナ担体に担持したものを使用することができる。
また、図示しないが、余剰ガスの燃焼手段として、上記燃焼触媒２３に替え、放出された余剰ガスに着火して燃焼させる着火ヒータやイグナイタを燃料電池スタック近傍の適所に配設することもできる。或いは、これら燃焼触媒２３と着火ヒータ・イグナイタを併用することもできる。何れにしても、これらの燃焼手段は、燃料電池スタック１より放出された改質ガスを迅速に着火・燃焼させ、スタック全体を効率良く、且つ、均一に加熱するのに極めて有効である。

次ぎに、上記構成から成る固体酸化物形燃料電池の運転方法を説明する。

燃料電池の起動と同時に、加熱装置２４を作動し、改質器２１および水蒸気発生器２２を熱伝導により加熱・昇温させると共に、外部より燃料ガス導入管１５を通して燃料ガス（炭化水素系燃料）を、酸化剤ガス導入管１６を通して酸化剤ガス（空気）を、また、水供給管１８を通して水（外部で一旦熱交換され、高温水となっている）を、それぞれ燃料電池モジュール内に供給する。改質器２１および水蒸気発生器２２は、加熱装置２４により外面（図３の場合）、または内部（図４の場合）より熱伝導にて加熱されることにより、改質器２１は僅か数分で改質可能な温度にまで昇温し、水蒸気発生器２２は高温水蒸気を発生する。

炭化水素系の燃料ガスは燃料ガス導入管１５内において、水蒸気導入管１７にて誘導された水蒸気発生器２２からの高温水蒸気と合流・混合し、混合ガスとなって改質器２１に誘導され、改質器２１内において炭化水素用の改質触媒の作用により炭化水素系の燃料ガスは水素主体の燃料ガスに改質される。この改質反応は吸熱反応であって、改質反応に必要な高熱（６５０〜８００℃）は、付設の加熱装置２４からの直射熱を受熱して得られる。

改質器２１で発生した改質ガスは、燃料電池スタック１内の燃料ガス用マニホールド１３に誘導され、当マニホールド１３を通して各セパレータ８に導入される。そして、酸化剤ガス用マニホールド１４を通して導入される空気とともにこれら反応用ガスが、各セパレータ８内を通過して発電セル５の略中心部から外周方向に拡散するように流れる。この改質ガスは水素を含む還元性ガスであり、発電セル５の燃料極側を還元状態に保つことができる。
そして、発電反応に使用されなかった水素主成分の余剰ガスは、そのまま燃料電池スタック１の外周部から外へ放出し、上記した燃焼手段（燃焼触媒、着火ヒータ・イグナイター）により速やかに着火・燃焼する。

このように、本発明では、起動直後から改質反応により得られた水素主成分の改質ガスを燃料電池スタック内部に供給できると共に、スタック近傍において、この水素主成分の改質ガスを燃焼することにより燃料電池スタックを短時間で加熱・昇温することができ、これにより、燃料電池の急速起動が可能となる。
因みに、発電開始（定格運転）までの時間は、従来の８時間に対し３時間以下と大幅に短縮できる。加えて、従来のような、運転開始時に必要とされる酸化防止のための窒素ガスのスタック内導入（窒素パージ）が不要となり、そのための窒素ガスボンベの設置や配管設備を省略することができ、コストダウンが図れる。

また、一旦、上記燃焼反応が開始すると、その燃焼熱によって近傍の改質器２１や水蒸気発生器２２が加熱されるため、起動時に用いた加熱装置２４による加熱は不要となる。
本実施形態では、加熱装置２４は運転開始後の３０分程度作動すれば良い。これにより、加熱装置２４として、例えば、電気ヒータを用いた場合の電力消費を大幅に削減することができる。

本発明が適用された固体酸化物形燃料電池の内部概略構成を示す図。燃料電池スタックにおける運転時のガスの流れを示す図。改質器および水蒸気発生器に対する加熱装置の設置状態を示す図。改質器および水蒸気発生器に対する加熱装置の図３とは別の設置状態を示す図。

符号の説明

１燃料集合体（燃料電池スタック）
５発電セル
８セパレータ
２０ハウジング
２１改質器
２２水蒸気発生器
２３燃焼触媒
２４加熱装置（電気ヒータ、燃焼バーナ）

Claims

複数の発電セルを集合して燃料電池集合体を構成し、ハウジング内に収納すると共に、運転時に前記燃料電池集合体の内部に改質ガスを供給して発電反応を生じさせる固体酸化物形燃料電池において、
前記ハウジング内に改質器、または改質器と水蒸気発生器を設置すると共に、少なくとも前記改質器を加熱する加熱装置を配設したことを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
前記加熱装置として電気ヒータまたは燃焼バーナを用いることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池。
前記燃料電池集合体の周辺部に、当該燃料電池集合体から放出される改質ガスを燃焼するための燃焼触媒、または改質ガス着火用のヒータを配設したことを特徴とする請求項１または請求項２の何れかに記載の固体酸化物形燃料電池。
前記固体酸化物形燃料電池は、発電反応に使用しない残余のガスを燃料電池集合体の外で燃焼させるシールレス構造の固体酸化物形燃料電池であることを特徴とする請求項１から請求項３までの何れかに記載の固体酸化物形燃料電池。
複数の発電セルを集合して燃料電池集合体を構成し、ハウジング内に収納すると共に、運転時に前記燃料電池集合体の内部に改質ガスを供給して発電反応を生じさせる固体酸化物形燃料電池の運転方法であって、
改質器と水蒸気発生器と加熱装置を備え、
燃料電池起動時に、前記加熱装置により少なくとも前記改質器を加熱し、
加熱された前記改質器に燃料ガスと前記水蒸気発生器からの水蒸気を供給して水素主成分の改質ガスを発生し、
改質ガスを前記燃料電池集合体に供給して前記発電セルの燃料極を還元状態に保ちつつ前記燃料電池集合体の温度を上昇させることを特徴とする固体酸化物形燃料電池の運転方法。
前記燃料電池集合体に供給した水素主成分の改質ガスを燃料電池集合体から放出し、燃焼して前記燃料電池集合体の温度を上昇させることを特徴とする請求項５に記載の固体酸化物形燃料電池の運転方法。