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技術 溶融炭酸塩型燃料電池の作動方法

出願人 東燃株式会社一般財団法人石油エネルギー技術センター
発明者 斎藤健青柳良和さい合彰
出願日 1994年9月29日 (26年4ヶ月経過) 出願番号 1994-235081
公開日 1996年4月16日 (24年10ヶ月経過) 公開番号 1996-102328
状態 未査定
技術分野 燃料電池(本体)
主要キーワード 所定高温 供給配分 隅部付近 イットリア含有量 Ni合金粉末 触媒室 改質ユニット 通常セル
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(1996年4月16日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (5)

構成

カソードガス供給配分セル面内高温部低温部よりも多くする溶融炭酸塩型燃料電池作動方法。好適には触媒充填量を、燃料ガス入口側に比べ、燃料ガス出口側で多くし、かつセル面内のカソードガス流量を、アノードガス流路入口側に比べアノードガス流路出口側で多くしたり、セル面内の最高温度最低温度との温度差を150℃以内に制御する。

効果

溶融炭酸塩型燃料電池の作動、運転時において、電池性能に影響を与えることなく、温度分布バラツキを改善し、電池寿命を長期間維持しうる。

概要

背景

溶融炭酸塩型燃料電池は、それに供給する燃料改質方式により、改質装置燃料電池本体とは別に設ける外部改質方式と、電池内部で燃料を改質する内部改質方式とに大別され、特に後者はシステムの小型化、発電効率の向上などの点で優れている。さらに、内部改質方式は、燃料ガス室内改質触媒を配置する直接内部改質式と、上記燃料ガス室と隣接する位置に触媒室を設け、そこで改質されたガスを燃料ガス室に導く間接内部改質式に分けられる。

ところで、溶融炭酸塩型燃料電池の作動時において、通常原料ガスセルの各供給部分に均等に供給、分配されているが、その場合セル面内温度分布が大きいという問題があった。すなわち、この温度分布は図1にその等温線で示されるように、各原料ガスすなわち燃料ガス及び空気などの酸化剤ガス流路についてみるといずれも入り口側の方が低温出口側の方が高温であり、しかも両原料ガスの流路が最短で交差する一隅部付近最低温、該流路が最長で交差する他の一隅部付近すなわち該流路が最短で交差する一隅部の対角側付近最高温となるものであって、その最高温度最低温度との温度差は、電池の種類、電池の大きさ、運転条件などにより様々であるが、通常150℃以上と大きかった。

このような温度分布のバラツキのため、低温部では電池性能の低下が生じ、また高温部では腐食などが進行しやすく電池寿命を長期間維持するのが困難となり、特に大型のスタック構造のものでは深刻な問題となる。このため、冷却ユニットを数セルごとに挟んだり、間接内部改質ユニットを数セルごとに挟むなどの措置がなされているが、十分満足しうる成果は得られないし、部材点数が多くなり、コスト高となるのを免れない。

概要

カソードガス供給配分をセル面内の高温部で低温部よりも多くする溶融炭酸塩型燃料電池の作動方法。好適には触媒充填量を、燃料ガス入口側に比べ、燃料ガス出口側で多くし、かつセル面内のカソードガス流量を、アノードガス流路入口側に比べアノードガス流路出口側で多くしたり、セル面内の最高温度と最低温度との温度差を150℃以内に制御する。

溶融炭酸塩型燃料電池の作動、運転時において、電池性能に影響を与えることなく、温度分布のバラツキを改善し、電池寿命を長期間維持しうる。

目的

本発明は、このような事情の下、電池性能に影響を与えることなく、温度分布のバラツキを改善し、電池寿命を長期間維持しうる溶融炭酸塩型燃料電池の作動方法を提供することを目的としてなされたものである。

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

カソードガス供給配分セル面内高温部低温部よりも多くすることを特徴とする溶融炭酸塩型燃料電池作動方法

請求項2

触媒充填量を、燃料ガス入口側に比べ、燃料ガス出口側で多くし、かつセル面内のカソードガス流量を、アノードガス流路入口側に比べアノードガス流路出口側で多くするようにしたことを特徴とする内部改質式溶融炭酸塩型燃料電池の作動方法。

請求項3

セル面内の最高温度最低温度との温度差を150℃以内に制御することを特徴とする請求項1又は2記載の溶融炭酸塩型燃料電池の作動方法。

技術分野

カソードガスセル面内への供給配分アノードガス流路入り口側から出口側にかけて均等にした以外は実施例と同様に所定電池を作動させた結果、150mA/cm2での平均セル電圧は650mVと前記各実施例とほぼ同じであった。しかし、セル面内の最高温度最低温度の温度差は171℃と大きかった。

背景技術

0001

本発明は、電池性能に影響を与えることなく、温度分布バラツキを改善し、電池寿命を長期間維持しうる溶融炭酸塩型燃料電池作動方法に関するものである。

0002

溶融炭酸塩型燃料電池は、それに供給する燃料改質方式により、改質装置燃料電池本体とは別に設ける外部改質方式と、電池内部で燃料を改質する内部改質方式とに大別され、特に後者はシステムの小型化、発電効率の向上などの点で優れている。さらに、内部改質方式は、燃料ガス室内改質触媒を配置する直接内部改質式と、上記燃料ガス室と隣接する位置に触媒室を設け、そこで改質されたガスを燃料ガス室に導く間接内部改質式に分けられる。

0003

ところで、溶融炭酸塩型燃料電池の作動時において、通常原料ガスセルの各供給部分に均等に供給、分配されているが、その場合セル面内の温度分布が大きいという問題があった。すなわち、この温度分布は図1にその等温線で示されるように、各原料ガスすなわち燃料ガス及び空気などの酸化剤ガス流路についてみるといずれも入り口側の方が低温、出口側の方が高温であり、しかも両原料ガスの流路が最短で交差する一隅部付近最低温、該流路が最長で交差する他の一隅部付近すなわち該流路が最短で交差する一隅部の対角側付近最高温となるものであって、その最高温度と最低温度との温度差は、電池の種類、電池の大きさ、運転条件などにより様々であるが、通常150℃以上と大きかった。

発明が解決しようとする課題

0004

このような温度分布のバラツキのため、低温部では電池性能の低下が生じ、また高温部では腐食などが進行しやすく電池寿命を長期間維持するのが困難となり、特に大型のスタック構造のものでは深刻な問題となる。このため、冷却ユニットを数セルごとに挟んだり、間接内部改質ユニットを数セルごとに挟むなどの措置がなされているが、十分満足しうる成果は得られないし、部材点数が多くなり、コスト高となるのを免れない。

課題を解決するための手段

0005

本発明は、このような事情の下、電池性能に影響を与えることなく、温度分布のバラツキを改善し、電池寿命を長期間維持しうる溶融炭酸塩型燃料電池の作動方法を提供することを目的としてなされたものである。

0006

本発明者らは、溶融炭酸塩型燃料電池の作動方法を改善すべく、鋭意研究を重ねた結果、カソードガスは通常空気等の酸化剤ガスであって通常セル高温部より低い温度で電池に供給されることから、所定高温の燃料ガスであるアノードガス作動状態の高温の電池に対して冷却能を有することに着目し、カソードガスをセル面内で高温部に低温部よりも多く供給することにより、上記目的を達成しうることを見出し、これらの知見に基づいて本発明をなすに至った。

0007

すなわち、本発明は、カソードガスの供給配分をセル面内の高温部で低温部よりも多くすることを特徴とする溶融炭酸塩型燃料電池の作動方法を提供するものである。好ましい態様としては、
溶融炭酸塩型燃料電池が外部マニホールドを配設したスタック構造のものである前記項記載の作動方法、
カソードガスの供給配分を、カソードガス流路に少なくともアノードガス入り口側と出口側とで圧損差をつけることに調節する前記項又は項記載の作動方法、
カソードガスの供給配分を、外部マニホールド内に配設された流れ調節部材で調節する前記項記載の作動方法、
触媒充填量を、燃料ガス入口側に比べ、燃料ガス出口側で多くし、かつセル面内のカソードガス流量を、アノードガス流路入口側に比べアノードガス流路出口側で多くするようにしたことを特徴とする内部改質式溶融炭酸塩型燃料電池の作動方法、
セル面内の最高温度と最低温度との温度差を150℃以内に制御する前記項ないし項のいずれかに記載の作動方法、
カソードガスの温度をアノードガス流路入口側でアノードガス流路出口側より高くする前記項ないし項のいずれかに記載の作動方法、が挙げられる。

0008

本発明方法においては、溶融炭酸塩型燃料電池の作動時に、カソードガスは、セル面内の高温部に対して低温部よりも多く供給配分される。その際、セル面内の最高温度と最低温度との温度差を150℃以内に制御するのが好ましく、またカソードガスの供給配分は、好ましくはカソードガス流路に少なくともアノードガス入り口側と出口側とで圧損差をつけることによって調節される。また、必要に応じ、カソードガスの温度をアノードガス流路入口側でアノードガス流路出口側より高くすると一層セル面内の温度分布の幅を小さくすることができる。

発明の効果

0009

本発明方法を有利に適用しうる溶融炭酸塩型燃料電池としては、外部マニホールドを配設したスタック構造のものや、内部改質式のものが挙げられる。溶融炭酸塩型燃料電池として外部マニホールド配設スタック構造のものを用いる場合には、カソードガスの供給配分は、好ましくは外部マニホールド内に配設された流れ調節部材、例えばバッフル板などで調節される。また、溶融炭酸塩型燃料電池として内部改質式のものを用いる場合には、触媒の充填量を、燃料ガス入口側に比べ、燃料ガス出口側で多くし、かつセル面内のカソードガス流量を、アノードガス流路入口側に比べアノードガス流路出口側で多くするように制御するのが好ましい。この内部改質式燃料電池に用いられる触媒としては、イットリア安定化ジルコニア(例えばイットリア含有量モル%のもの)にルテニウム担持した触媒を用いるのが好ましい。

0010

本発明の作動方法によれば、溶融炭酸塩型燃料電池の作動、運転時において、電池性能に影響を与えることなく、温度分布のバラツキを改善し、電池寿命を長期間維持しうるという顕著な効果が奏される。

0011

次に実施例によって本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの例によって何ら限定されるものではない。

0012

実施例1
溶融炭酸塩型燃料電池として、図2の斜視概略図及びその部分拡大説明図に示すように、Ni合金粉末多孔質焼結体アノード11と、炭酸リチウム炭酸カリウム(62:38モル比)の混合塩を含むアルミン酸リチウム電解質板13とNiOの多孔質焼結体のカソード12が積層されたセルを基本構造とし、該セルと、ガス流路溝15a,15bを設けたステンレス製セパレータ14を交互に積層した電池スタック1の側面4箇所にマニホールド2を取り付けたものを用いた。電極は82cm×55cmの矩形状であり、アノード側の流路溝には予め粒径約1.5mmのイットリアを3モル%含有させたジルコニア担体にルテニウムを1.0重量%になるように担持した触媒を図4に示すとおりセル面内の充填量の分布状態が傾斜状となるように充填した。

0013

この電池の立上げを以下のとおり行った。先ず、アノード側;H2/N2=18.4/169(L/min)、カソード側;空気/CO2=304/130(L/min)のガス条件で400℃まで10℃/時間で昇温した。次いで、アノード側;H2/CO2/N2/H2O=18.4/4.5/137/28.2(L/min)、カソード側;空気/CO2=304/130(L/min)のガス条件で600℃まで10℃/分で昇温した。その後、アノード側;C3H8/H2/CO2/H2O=17/25/138/120(L/min)(燃料利用率70%)、カソード側;空気/CO2/N2/H2O=1184/339/1016/183(L/min)のガスをそれぞれのガス入口温度を600℃として供給した。

0014

実施例2
実施例1と同様に作動状態とした電池について、図5に示すように、セルのアノードガス流路のほぼ中間部でカソードガス流路をアノードガス流路前段相当部と後段相当部とに二分し、カソードガス流量の割合を前者と後者で0.8:1.2とした。このようにして電池を作動させた結果、150mA/cm2での平均セル電圧は651mVであった。また、セル面内の最高温度741℃と最低温度601℃の温度差は141℃と従来より小さくなった。

0015

実施例3
カソードガス流量の割合0.8:1.2を0.7:1.3とした以外は実施例2と同様にして所定電池を作動させた結果、150mA/cm2での平均セル電圧は651mVであった。また、セル面内の最高温度732℃と最低温度601℃の温度差は131℃と従来より小さくなった。

図面の簡単な説明

0016

比較例

0017

図1溶融炭酸塩型燃料電池の従来の作動時のセル面内の温度分布を示す等温図。
図2本発明の各例で用いる溶融炭酸塩型燃料電池の斜視概略図。
図3図2の部分拡大説明図。
図4本発明の各例で用いる溶融炭酸塩型燃料電池のセル面内の触媒充填量の分布状態を示す説明図。
図5本発明の実施例2におけるカソードガス流量の配分を示す説明図。

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