JPH11500257A - 固体電解質高温燃料電池モジュール及びその作動方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 燃料電池を作動するために必要な反応媒体が供給される燃料電池（４）を多数積層して構成した固体電解質高温燃料電池モジュール（２）において、この発明によれば、燃料電池（４）内に燃焼プロセスの際に発生した熱が反応媒体が燃料電池（４）に供給される前にその反応媒体の加熱に使用される。

Description

【発明の詳細な説明】 固体電解質高温燃料電池モジュール及びその作動方法 この発明は、固体電解質高温燃料電池モジュール及びその作動方法に関する。 水を電気分解する際に水の分子が電流によって水素と酸素とに分解されること は公知である。燃料電池においてはこの動作が逆方向に行われる。即ち、水素と 酸素とを電気化学的に結合させて水を生成する際に、高効率でかつ、燃料として 純粋な水素が使用されるときは、有害物質や一酸化炭素を排出することなく、電 流が発生する。例えば天然ガスのような工業的燃料ガスと純酸素の代わりに空気 を使用しても燃料電池は他の化石エネルギー源に較べて明らかに有害物質及びＣ Ｏ₂の発生が少ない。この原理を技術的に転換することにより、多様な電解質及 び８０℃乃至１０００℃の作動温度による非常に様々な解決法をもたらした。 固体電解質高温燃料電池（ＳＯＦＣ）においては天然ガスは一次的なエネルギ ー源として使われる。この燃料電池の出力密度は１ＭＷ／ｍ³にもなるので、非 常にコンパクトな構造を可能とする。付加的に発生した熱は９００℃以上の温度 を持っている。 燃料電池モジュールは専門書では「スタック」とも呼ばれるが、固体電解質高 温燃料電池モジュールにおいては上側のバイポーラカバーブレートの下に１つの 溝板、固体電解質電極素子、もう１つの溝板、もう１つのバイポーラプレート等 を順次積層している。その場合、それぞれ２つの隣接したバイポーラプレートの 間にある固体電解質電極素子は、この固体電解質電極素子の両側に直接接してい る溝板及びこの溝板に接している両バイポーラプレートの各々の面と共に、全体 として固体電解質高温燃料電池を形成する。 この型式の及びその他の型式の燃料電池モジュールは例えばエイ・ジェイ・ア ップルバイ、エフ・アール・フォークス、ファン・ノルストラウド・ラインホル ト著「燃料電池ハンドブック」第４４２乃至４５４頁或いは「エネルギー経済日 常問題」１９９３年６月、第６号、第３８２乃至３９０頁の論文「エネルギー変 換器としての燃料電池」により公知である。 ドイツ連邦共和国特許出願公開第３９３５７２２号及び第４００９１３８号明 細書からは、平形の固定して積層された固体電解質高温燃料電池を多数直列接続 してなる固体電解質高温燃料電池モジュールが公知である。直接隣接して直列に 接続された燃料電池の間にはバイポーラプレートが組み込まれ、１つの燃料電池 の陰極を他の直接隣接している燃料電池の陽極に電気的に導通接続し、両側に作 り込まれた通路により反応ガスの供給を確保している。その場合、反応ガスを導 く通路は固体電解質高温燃料電池モジュールの長手軸に対して平行に配置され、 固体電解質高温燃料電池モジュール全体にわたって延びている。 固体電解質高温燃料電池モジュールの作動の際の重要な問題は、反応の際に発 生する熱を固体電解質高温燃料電池モジュールから排出することにある。この熱 の一部は反応媒体を介して導出される。反応媒体を介して導出される熱量は、流 入する反応媒体と流出する反応媒体との温度差が大きければ大きい程大きい。比 較的大きな温度差では、比較的低温で反応媒体が固体電解質高温燃料電池モジュ ールに流入するときには、燃料電池の作動温度が比較的小さくなり、これは固体 電解質電極素子の出力性能の低下になる。同時に燃料電池の活性領域における温 度差に基づいて機械的に敏感な電解質が損傷される危険がある。 もう１つの問題は改質性の反応媒体で作動する際に生ずる。改質反応により反 応媒体を供給する範囲が付加的に冷却され、これもまた同様に電解質に機械的な 応力を生ずる。 さらに、ドイツ連邦共和国特許出願公開第４２１７８９２号明細書からは、多 数の固体電解質燃料電池を含む集積室からの排ガスが集積室の外側の燃焼室で燃 焼される燃料電池の構成が公知である。燃焼ガスの熱は集積室に後置接続された 熱交換器において、集積室に固体電解質燃料電池の作動のために供給される酸化 ガス及び反応ガスに伝達される。 解放された熱を排出するための熱交換装置を組み込んだ高温燃料電池スタック はまたドイツ連邦共和国特許出願公開第４１３７９６８号明細書からも公知であ る。そこでは排ガスは、後置接続されたガスタービンにおいてさらに利用するた めに、高温燃料電池スタックの内側でガスタービンの必要な入口温度にまで加熱 される。高温燃料電池スタックの外側では高温燃料電池スタックの酸化ガス及び 反応ガスが解放された熱で付加的に加熱される。 それ故この発明の課題は、固体電解質高温燃料電池モジュールの作動方法であ って、熱を効率的にかつ僅少な技術的経費で反応媒体の加熱に利用できるものを 提供することにある。さらにこの方法を実施するための固体電解質高温燃料電池 モジュールを提供しようとするものである。 第一の課題は特許請求の範囲の請求項１の特徴でもって解決される。第二の課 題は請求項２の特徴でもって解決される。 多数の積層された燃料電池から構成され燃料電池を作動させるために必要な反 応媒体が供給される固体電解質高温燃料電池モジュールを作動するためのこの方 法においては、この発明によれば、燃焼プロセスの際に燃料電池内に発生する熱 は反応媒体が燃料電池に供給される前に、全反応媒体を固体電解質高温燃料電池 モジュール内に配置された第一の通路区間に熱を受け取るように貫流させること により反応媒体の加熱に利用される燃料電池内で発生した熱の一部は、それ故、 燃料電池の外で、しかし固体電解質高温燃料電池モジュールの中で反応媒体に伝 達される。固体電解質高温燃料電池モジュールに供給される前の反応媒体の温度 を適当に設定することにより反応媒体はこの熱伝達によって燃料電池の作動に必 要な温度に加熱され、その結果殆ど固体電解質高温燃料電池モジュールの出力性 能の低下は起きない。反応媒体は、それ故、低温の入口温度により燃料電池モジ ュールの冷却に、出力の低下を来すことなく使用される。反応媒体の加熱及びそ れから生ずる燃料電池の活性領域での温度差の減少によりさらに機械的に敏感な 電解質が損傷を受けることがない。反応媒体を固体電解質高温燃料電池モジュー ルに導入する際の温度は従来の方法におけるよりも低いので、熱を放出するため に必要な反応媒体の通流量が減少する。このような方法により固体電解質高温燃 料電池モジュールのコンパクトな構造が可能とされる。 多数積層された燃料電池を備え、燃料電池を作動するために必要な反応媒体が 供給される固体電解質高温燃料電池モジュールにおいては、この発明によれば、 固体電解質高温燃料電池モジュールの中に配置され、反応媒体をその燃料電池へ の供給前に加熱するための手段が設けられる。 特に第一の通路区間は固体電解質高温燃料電池モジュールの縁部にその長手軸 に対して平行に配置される。この通路区間は固体電解質高温燃料電池モジュール の全長にわたって延び、この第一の通路区間に対してほぼ平行に配置され燃料電 池に連通している第二の通路区間に通じている。それ故反応媒体は、固体電解質 高温燃料電池モジュールの長さにほぼ相当する区間で、燃料電池に供給される前 に加熱される。 さらに異なる構成においては第一の通路区間は、固体電解質高温燃料電池モジ ュールの縁部にその長手軸に対してほぼ平行に配置されている第一の部分通路を 備える。第一の部分通路は固体電解質高温燃料電池モジュールの全長にわたって 延び、長手軸に対してほぼ垂直に延びる第二の部分通路に通じている。さらにこ の第二の部分通路は、対向側の縁部に長手軸に対してほぼ平行に配置され固体電 解質高温燃料電池モジュールの全長にわたって延びている第三の部分通路に通じ ている。この第三の部分通路は、第一の通路区間の第三の部分通路に対してほぼ 平行に配置され燃料電池に連通している第二の通路区間に通じている。それ故こ のような特別の構成においては、反応媒体は、固体電解質高温燃料電池モジュー ルの全長の２倍以上に相当する区間で、燃料電池に供給される前に加熱される。 さらに異なる構成においては、第一及び／又は第二の通路区間はそれぞれ少な くとも２つの平行な通路区間を備える。通路区間の数を増やすことにより熱を受 け取る表面積が拡大され、これにより固体電解質高温燃料電池モジュールからの 熱放出が改善される。 特にこの通路区間は円形断面を持っている。 さらにまた異なる構成においては、反応媒体を供給し加熱するための第一及び 第二の通路区間は反応媒体の中に含まれる燃料媒体を改質するために触媒物質が 被層されている。これにより燃料媒体が燃料電池に供給される前に既に改質され 、改質の際に温度差により燃料電池内に生ずる固体電解質電極素子における機械 的応力の発生が大幅に回避される。 この発明をさらに説明するために図面の実施例を参照する。 図面において、図１はこの発明による固体電解質高温燃料電池モジュールの横 断面を概略的に示す。 図２はこの発明の図１による固体電解質高温燃料電池モジュールのバイポーラ プレートの平面を概略的に示す。 図３はこの発明による異なる実施例の固体電解質高温燃料電池モジュールの横 断面を概略的に示す。 図４はこの発明の図３による固体電解質高温燃料電池モジュールのバイポーラ プレートの平面を概略的に示す。 図１において固体電解質高温燃料電池モジュール２は多数の矩形の平板状燃料 電池４を有する。固体電解質高温燃料電池モジュール２は２つのカバープレート ６及び８と、底プレート１０とでそれぞれ上下を閉鎖されている。第一の通路区 間１２は固体電解質高温燃料電池モジュール２の縁部にその長手軸１４にほぼ平 行に配置され、固体電解質高温燃料電池モジュール２の全長にわたって延びてい る。 第一の通路区間１２にほぼ平行に、燃料電池４と連通する第二の通路区間１６ が配置されている。第一の通路区間１２と第二の通路区間１６とはカバープレー ト６に配置されている空所１８に通じている。反応媒体、例えば水素或いは酸素 は、その流れが矢印２０で示され、底プレート１０を通って固体電解質高温燃料 電池モジュール２に流入する。この反応媒体は第一の通路区間１２及び空所１８ を介して、燃料電池４と連通している第二の通路区間１６に達する。そこで行わ れる反応、換言すれぼ燃焼の後、反応媒体は第三の通路部２２を経由し底プレー ト１０を通って排出される。流出する反応媒体の流れ方向は矢印２４で示されて いる。 それ故燃料電池４の中で生成された熱の一部は、燃料電池４の外部で、しかし 固体電解質高温燃料電池モジュール２の内部で燃料電池４に供給される前に反応 媒体に伝達される。 第一及び第二の通路区間１２、１６はこの実施例では絶縁性セラミック、例え ばＡｌ₂Ｏ₃、ＺｒＯ₂（ＹＳＺ）或いはＭｇＡｌ₂Ｏ₄スピネルからなる隔壁２６ によって隔離されている。 図２はクロスフロー動作するように構成されたバイポーラプレート３２の構造 を平面で示す。このバイポーラプレートは一体に構成されている。バイポーラプ レート３２の縁部にそれぞれ第一及び第二の通路区間１２、１６に属するスリッ ト状の貫通孔が２×２個の燃料電池構造３４ａ、ｂ、ｃ及びｄに反応媒体を供給 するため配置されている。これらは、固体電解質電極素子、即ち本来の反応空間 に反応媒体を供給する溝領域３６と連通している。 この溝領域３６は直接互いに接して配置された溝で構成され、縁部領域を除い て、バイポーラプレート３２のほぼ全面を覆っている。この溝領域は反応媒体を 排出するための第三の通路区間２２のスリット状の貫通孔と連通している。第一 及び第二の通路区間３８、４０のスリット状の貫通孔は第二の反応媒体を固体電 解質電極素子に供給し、通路区間４２のスリット状の貫通孔を通して平行に転向 される。通路区間４０、４２及び４４と連通し、溝領域３６に対して垂直に配置 されている溝領域、従ってクロスフロー構成を表す図は示されていない。この溝 領域はバイポーラプレート３２の裏側に配置されている。 この発明の他の実施例が図３に示されている。固体電解質高温燃料電池モジュ ール２はこの実施例では多数の矩形及び平板状の燃料電池４を有し、２つのカバ ープレート６及び８と底プレート５２及び５６とで上下が閉鎖されている。 反応媒体の流れ方向の矢印２０及び２４により示される反応媒体の導入及び排 出は固体電解質高温燃料電池モジュール２の同一側で底プレート５２及び５６を 通して行われる。この構成においては第一の通路区間１２は、固体電解質高温燃 料電池モジュール２の縁部で長手軸１４に対してほぼ平行に配置されている部分 通路１２ａを持っている。この部分は、反応後に反応媒体を燃料電池に排出する 第三の通路区間２２に対して平行に配置されている。 第一の部分通路１２ａは固体電解質高温燃料電池モジュール２の全長にわたっ て延び、長手軸１４に対してほぼ垂直に上側のカバープレート６の空所を通る第 二の部分通路１２ｂに通じている。この部分通路１２ｂは、対向する縁部に長手 軸１４に対してほぼ平行に配置され、固体電解質高温燃料電池モジュール２の全 長にわたって延びている第三の部分通路１２ｃに通じている。この部分通路１２ ｃは、底プレート５６の空所５４を経由して、第一の通路区間１２の第三の部分 通路１２ｃに対してほぼ平行に配置され燃料電池４と連通している第二の通路区 間１６に通じている。 それ故この有力な実施例においては反応媒体は、固体電解質高温燃料電池モジ ュール２の全長の２倍以上に相当する区間において、燃料電池４に供給される前 に加熱される。 図４は、図２と同様な原理に従って構成されているバイポーラプレート６２の 構造を平面で示す。この実施例では第一及び第二の反応媒体の第一の通路区間１ ２並びに３８はそれぞれ多数の平行な円形断面を持つ通路区間１２０並びに３８ ０を有している。 通路区間１２０並びに３８０の数を増やすことにより熱を受け取る表面積が増 大され、これにより熱の排出が改善される。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 クラインライン、ウイルヘルム ドイツ連邦共和国 デー−90762 フユル ト バーンホフプラツツ ８ (72)発明者 ロート、ラインハルト ドイツ連邦共和国 デー−91083 バイエ ルスドルフ ベルリーナー シユトラーセ 21

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．積層された多数の燃料電池（４）から構成され燃料電池の作動に必要な反応 媒体が供給される固体電解質高温燃料電池モジュール（２）の作動方法において 、反応媒体が燃料電池（４）に供給される前に固体電解質高温燃料電池モジュー ル（２）の内部に配置された第一の通路区間（１２）を燃焼プロセスで生じた熱 を受け取るために貫流する固体電解質高温燃料電池モジュールの作動方法。 ２．積層された多数の燃料電池（４）を備え、これに燃料電池の作動に必要な反 応媒体が供給される固体電解質高温燃料電池モジュール（２）であって、固体電 解質高温燃料電池モジュール（２）の内部に配置され反応媒体をそれが燃料電池 （４）に供給される前に加熱する手段が設けられている固体電解質高温燃料電池 モジュール。 ３．第一の通路区間（１２）が固体電解質高温燃料電池モジュール（２）の縁部 にその長手軸（１４）に対してほぼ平行に配置され、固体電解質高温燃料電池モ ジュール（２）の全長にわたって延びており、第一の通路区間（１２）に対して ほぼ平行に配置されかつ燃料電池（４）に連通する第二の通路区間（１６）に通 じている請求項２記載の固体電解質高温燃料電池モジュール。 ４．第一の通路区間（１２）が、固体電解質高温燃料電池モジュール（２）の縁 部にその長手軸（１４）に対してほぼ平行に配置されかつ固体電解質高温燃料電 池モジュール（２）の全長にわたって延びている第一の部分通路（１２ａ）を有 し、この部分通路は上側の端板（６）の空所を通って長手軸（１４）に対してほ ぼ垂直に延びている第二の部分通路（１２ｂ）を経由して、対向側の縁部に長手 軸（１４）に対してほぼ平行に配置されている第一の通路区間（１２）の第三の 部分通路（１２ｃ）に通じており、この部分通路は固体電解質高温燃料電池モジ ュール（２）の全長にわたって延びておりかつ底プレート（５６）の空所（５４ ）を経由して、第一の通路区間（１２）の第三の部分通路（１２ｃ）に対してほ ぼ 平行に配置されかつ燃料電池（４）に連通している第二の通路区間（１６）に通 じている請求項３記載の固体電解質高温燃料電池モジュール。 ５．それぞれ互いに平行な少なくとも２つの第一の通路区間（１２０）が設けら れている請求項４記赦の固体電解質高温燃料電池モジュール。 ６．第一の通路区間（１２０）が円形横断面をもっている請求項５記載の固体電 解質高温燃料電池モジュール。 ７．反応媒体を供給し加熱する第一及び第二の通路区間（１２、１６）が反応媒 体に含まれる燃料媒体の改質のために触媒物質で被層されている請求項６記載の 固体電解質高温燃料電池モジュール。