(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質板を燃料極と空気極で挟持してセルを構成する溶融炭酸塩型燃料電池において、
電解質板に、燃料極側から空気極側に未反応ガスと燃料極の反応で生成したガスを流す微細な貫通孔を多数設けた、ことを特徴とする溶融炭酸塩型燃料電池。
【請求項２】
電力負荷出力に応じて燃料の流量制御をすることで、前記貫通孔には、燃料極側で反応によって生成されるガスや、燃料極側に供給されながら反応に使われなかった未反応ガスの全量が流れ、圧損に相当した燃料極側と空気極側との差圧が生じる、ことを特徴とする請求項１に記載の溶融炭酸塩型燃料電池。
【請求項３】
負荷出力に応じて燃料極側圧力を空気側圧力より高く保持し、該差圧により前記貫通孔には、燃料極側で反応によって生成されるガスや、燃料極側に供給されながら反応に使われなかった未反応ガスの全量が流れる、ことを特徴とする請求項１に記載の溶融炭酸塩型燃料電池。
【請求項４】
燃料極側に改質触媒を備え、該改質触媒により改質したガスを、前記貫通孔を通して、燃料極側から空気極側に未反応ガスと燃料極の反応で生成したガスを流す、ことを特徴とする請求項１に記載の溶融炭酸塩型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料の有する化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換する溶融炭酸塩型燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
溶融炭酸塩型燃料電池は、図４に模式的に示すように、薄い平板状の電解質板１を燃料極（アノード）２と空気極（カソード）３で挟んだセル４と、このセル４を間に挟持するセパレータ５とからなる。セパレータ５は、個々のセル４では電圧が低い（０．８Ｖ前後）ため、これを積層して高い電圧を得るために用いられる。
【０００３】
セパレータ５の上下面には、図示しないマニホールドを介して、燃料極２に水素を含むアノードガス，空気極３に酸素を含むカソードガスが供給され、高温（約６５０℃前後）において、各セル４で化学反応により発電し、セル面に垂直な方向（図で上下方向）に電流が取り出される。また、この温度において、電解質板１に含まれている電解質（溶融炭酸塩）は溶けており、この溶融塩とセパレータとの濡れにより、セパレータ間のガスシールを保持するようになっている。
【０００４】
図５は、上述した燃料電池を用い天然ガスを燃料とする発電装置の模式的構成図である。この図において、６はセル４を積層した溶融炭酸塩型燃料電池（以下、単に燃料電池という）、７は天然ガスを燃料とする改質器（リフォーマ）、８ａはガスブロア、８ｂは空気圧縮機である。天然ガスは改質器７の改質管内で水素を含むアノードガスに改質され燃料電池５のアノード側に供給され、発電に供される。燃料電池６を出た排ガス（アノード排ガス）は、改質器７の燃焼室で燃焼して改質管内の天然ガスを改質し、排ガスは酸素を含むカソードガスに混入される。ガスブロア８ａは、アノード側で発生した二酸化炭素（ＣＯ２  ）を空気極に供給する機能を有するため、炭酸ガスリサイクルブロアと呼ぶ。
【０００５】
図５に示したように、アノードガス（燃料ガスまたは改質ガス）は燃料電池６の燃料極反応室に供給され燃料極２で電極反応（アノード反応）を行い、その排ガスは燃焼後、空気と混合して空気極反応室に供給される。空気極３では、電極反応（カソード反応）を行い、同時に電池で発生する熱の除去も行い高温排ガスとしてエネルギーは回収される。なお、上述した燃料極２、電解質板１、空気極３は、電池性能を出すため充分良好な接触を維持している。また、電解質板１は電解液を多孔質中に充分保持しクロスリークを生じさせないようにしている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
図６は、燃料電池の各セル４の出入口におけるガス組成例を示している。従来の燃料電池では、アノードガスは燃料極反応室の入口（図で左端）に供給され、燃料極２に沿って流れてアノード反応により水素及び一酸化炭素が消費され、反対側の反応室の出口（図で右端）から未反応ガスと反応生成物（ＣＯ２  ，Ｈ２  Ｏ）を伴い排出される。従って、燃料極２の雰囲気燃料濃度は、入口から出口にかけ燃料消費と共に低下し、燃料濃度の低下により起電圧が低下する。この燃料濃度の低下による起電圧の低下をネルンストロスと呼ぶ。ネルンストロスは、燃料利用率を大きくする程、大きくなる問題点がある。
【０００７】
また、空気極３ではカソード反応に炭酸ガスを必要とするため、上述したようにアノード排ガスが空気圧縮機８ｂからの空気に混入されているが、空気極に供給されるガスは、燃焼後の排ガスと混合されるため空気極で必要な酸素、炭酸ガスの濃度は薄く燃料極と同様にネルンストロスが大きい問題点がある。
すなわち、従来の溶融炭酸塩型燃料電池では、ネルンストロスによる電池性能の低下が避けられず、そのため燃料の高利用率運転ができない問題点があった。
【０００８】
また、上述したように従来の溶融炭酸塩型燃料電池を用いた発電装置では、燃料極で発生した炭酸ガスを酸素極に供給するために炭酸ガスリサイクル系を必要とするが、このため発電出力が変化する過渡時に、負荷応答速度が制約される問題点があった。すなわち、発電反応による燃料極で発生する炭酸ガス量と空気極での消費量が等しいにも係わらず、過渡時の配管容量による炭酸ガスリサイクルの遅れで負荷変動に対応した運転がきわめて難しい問題点があった。
【０００９】
更に、炭酸ガスリサイクル系を必要とするため、配管設備、ブロワ設備が必要になり、発電装置の構成が複雑となり、コストが高くなる問題点があった。
【００１０】
本発明は、上述した種々の問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、ネルンストロスによる電池性能の低下がなく、燃料の高利用率運転が可能であり、炭酸ガスリサイクル系を必要とせず、急速な負荷変動にも容易に応答でき、発電装置の構成がシンプルであり、コストが低減できる、溶融炭酸塩型燃料電池を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、電解質板を燃料極と空気極で挟持してセルを構成する溶融炭酸塩型燃料電池において、電解質板に、燃料極側から空気極側に未反応ガスと燃料極の反応で生成したガスを流す微細な貫通孔を多数設けた、ことを特徴とする溶融炭酸塩型燃料電池が提供される。
【００１２】
上記本発明の構成によれば、電解質板に設けられた貫通孔を通して燃料極側から空気極側に未反応ガスと燃料極の反応で生成したガスが流れるので、燃料極全面にわたって新鮮な燃料に晒させることができ、燃料濃度の低下に起因するネルンストロスによる電池性能の低下をなくし、燃料の高利用率運転が可能となる。また、電解質板の貫通孔を通して、燃料極側での反応により発生した炭酸ガスを空気極側に直接供給できるので、従来の炭酸ガスリサイクル系が不要となり、かつ発電反応による燃料極で発生する炭酸ガス量と空気極での消費量が等しいので、急速な負荷変動にも容易に応答できる。更に、炭酸ガスリサイクル系が不要となるため、発電装置の構成がシンプルとなり、コストを低減することができる。
【００１３】
本発明の好ましい実施形態によれば、電力負荷出力に応じて燃料の流量制御をすることで、前記貫通孔には、燃料極側で反応によって生成されるガスや、燃料極側に供給されながら反応に使われなかった未反応ガスの全量が流れ、圧損に相当した燃料極側と空気極側との差圧が生じる。この構成により、電力負荷出力に応じて常に必要な燃料流量をセルに供給することにより、未反応のまま空気極側に流れる燃料ガス量を数％以下に抑え、燃料の高利用率運転と同時に、残留可燃ガスによる発熱を抑制することができる。
【００１４】
本発明の好ましい別の実施形態によれば、負荷出力に応じて燃料極側圧力を空気側圧力より高く保持し、該差圧により前記貫通孔には、燃料極側で反応によって生成されるガスや、燃料極側に供給されながら反応に使われなかった未反応ガスの全量が流れる。この構成により、例えば発電しないＯＣＶ時には差圧をほぼ０にして、燃料の消費を抑え、発電時には発電出力に応じて差圧を高めて常に必要な燃料流量をセルに供給することにより、未反応のまま空気極側に流れる燃料ガス量を数％以下に抑え、燃料の高利用率運転と同時に、残留可燃ガスによる発熱を抑制することができる。
【００１５】
また、燃料極側に改質触媒を備え、該改質触媒により改質したガスを、前記貫通孔を通して、燃料極側から空気極側に未反応ガスと燃料極の反応で生成したガスを流すことが好ましい。この構成により、内部改質型の燃料電池を簡単な構成で実現することができ、外部改質器を不要とし、発電装置を更にシンプルにすることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付して重複した説明を省略する。図１は、本発明による溶融炭酸塩型燃料電池のセル構造を示す模式図である。この図に示すように、本発明の溶融炭酸塩型燃料電池 は、電解質板１１を燃料極１２と空気極１３で挟持してセル１４を構成する燃料電池であり、電解質板１１に、燃料極側から空気極側に未反応ガスと燃料極の反応で生成したガスを流す微細な貫通孔１１ａを多数設けている。
【００１７】
上述したように、燃料極のネルンストロスを小さくさせるためには電極全面に渡って新鮮な燃料に晒させる事が必要である。そのため、本発明では、電解質板１１を従来のように燃料極側と空気極側の隔壁とせず、電解質板１１に微細な貫通孔１１ａを多数設けて、燃料極側から空気極側に未反応ガスと燃料極の反応で生成したガスを流すようにしたものである。燃料極１２及び空気極１３は、従来からポーラスであるため、電解質板１１に貫通孔１１ａを設け、燃料極側と空気極側との間に差圧を付けるとガスが電解質板１１を通して直接流れるようになる。
【００１８】
図１に示すように、燃料極１２におけるアノード反応では、水素と炭酸イオンとの反応により、水蒸気と二酸化炭素が発生する。この水蒸気と二酸化炭素は、電解質板１１の貫通孔１１ａを通して直接空気極１３に供給される。空気極１３におけるカソード反応では、カソードガス中の酸素と二酸化炭素との反応により炭酸イオンが発生する。この炭酸イオンは電解質板１１の電解液を通って燃料極１２に直接供給される。従って、本発明の構成によれば、アノード反応で必要な炭酸イオンと、カソード反応で必要な炭酸ガスがセル内で直接循環することになる。また、図１において、燃料極１２及び空気極１３を構成する粒子を○形で示しており、発電による電子はこの粒子を通して流れる。
【００１９】
図１における燃料極１２での反応は、流路側から燃料ガス（水素，一酸化炭素）を電解質側からの炭酸イオンを受け入れ多孔質電極内で反応するまでは従来と同じであるが、反応生成物や未反応ガスが従来は燃料極流路に戻されたが、本発明では近傍の電解質の微細な貫通孔１１ａを通過し空気極１３に到達する。この構成により、ガス流れが一方向であるため燃料極１２の表面を常に新鮮な高濃度の燃料に晒すことが可能となりネルンストロスを小さくできる。また、燃料は、高利用率で運転することにより未燃分の空気極１３への流出を抑えるのがよい。
【００２０】
空気極１３での反応は、電解質板１１の微細な貫通孔１１ａを通過した高濃度の炭酸ガスと空気極流路側からの酸素の取り入れで多孔質内で反応し燃料極１２に必要な炭酸イオンを生成する。電解質板１１の微細な貫通孔１１ａを通過した未燃分の燃料は空気極１３で燃焼することになるが高燃料利用率での運転と電極全面での薄められた燃焼となるため電池へ影響を少なくすることができる。また、従来と比較すると、反応ガス濃度、特に炭酸ガス濃度を高くできるため、空気極１３でもネルンストロスを小さくできる。
【００２１】
電解質板１１に微細な貫通孔１１ａを設ける手段は、粗い粒子を混入する手段やポアフォーマの混合等が考えられる。ポアフォーマは、加熱時に気化する高分子材料等で構成し、燃料電池の加熱時に気化させてその部分に空洞（貫通孔１１ａ）を形成することができる。微細貫通孔１１ａは、例えば直径１００μｍの微細貫通孔が電解質板１１の空孔体積の５％程度あると１気圧１５０ｍＡ／ｃｍ２  の負荷で約１ｍの水頭圧として加わることとなる。
【００２２】
図２は、本発明による溶融炭酸塩型燃料電池を用いた発電装置の模式的構成図である。この図に示すように、本発明の溶融炭酸塩型燃料電池では、燃料極反応室を通過したガス（アノード排ガス）の出口がなく、燃料極側から排ガスを出さず、燃料極側に供給したガスは、燃料極側で反応によって生成されるガスや、燃料極側に供給されながら反応に使われなかった未反応ガスの全量を電解質板に設けた微細な貫通孔１１ａからカソード側に流すようになっている。
【００２３】
更に、図２（Ａ）に示すように、燃料流量調節弁１７で負荷出力によって燃料流量を制御し、燃料極側で反応によって生成されるガスや、燃料極側に供給されながら反応に使われなかった未反応ガスの全量を電解質板に設けた微細な貫通孔１１ａからカソード側に流すようになっている。
また、他の制御方法としては、図２（Ｂ）に示すように、燃料極側と空気極側との差圧を検出する差圧計１６と、この差圧計１６の出力によりガス量を制御する流量調節弁１７とを備え、燃料極側圧力を空気側圧力より高く保持し、この差圧により負荷出力に応じたガス量を燃料極側から空気極側に流すこともできる。
【００２４】
これらの構成により、例えば発電しないＯＣＶ時には差圧をほぼ０にして、燃料の消費を抑え、発電時には発電出力に応じて差圧を高めて常に必要な燃料流量をセルに供給することにより、未反応のまま空気極側に流れる燃料ガス量を数％以下に抑え、燃料の高利用率運転と同時に、残留可燃ガスによる発熱を抑制することができる。
【００２５】
図３は、本発明による溶融炭酸塩型燃料電池の別の実施形態を示す図である。この図に模式的に示すように、燃料極側に多孔流路板１９と改質触媒１８を備え、多孔流路板１９により電流の取出しを確保し、改質触媒１８により改質したガスを、前記貫通孔１１ａを通して燃料極側から空気極側に未反応ガスと燃料極の反応で生成したガスを流すことにより、内部改質型の燃料電池を簡単な構成で実現することができ、外部改質器を不要とし、発電装置を更にシンプルにすることができる。
【００２６】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。
【００２７】
【発明の効果】
上述したように、本発明による溶融炭酸塩型燃料電池は、▲１▼ネルンストロスの低減により電池性能が向上する、▲２▼炭酸ガスリサイクル系が不要となり炭酸ガスの遅れがなく運転が簡単である、▲３▼貫流型で制御が簡単である、▲４▼高燃料利用率運転ができる、▲５▼装置がシンプルとなりコストが低減できる、▲６▼内部リフォーミング型にも適用できる、等の特徴を有する。
【００２８】
すなわち、本発明の溶融炭酸塩型燃料電池は、ネルンストロスによる電池性能の低下がなく、燃料の高利用率運転が可能であり、炭酸ガスリサイクル系を必要とせず、急速な負荷変動にも容易に応答でき、発電装置の構成がシンプルであり、コストが低減できる、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による溶融炭酸塩型燃料電池のセル構造を示す模式図である。
【図２】本発明による燃料電池を用いた発電装置の模式的構成図である。
【図３】本発明による燃料電池の別の実施形態図である。
【図４】溶融炭酸塩型燃料電池の模式図である。
【図５】天然ガスを燃料とする従来の発電装置の模式的構成図である。
【図６】セルの出入口におけるガス組成例を示す図である。
【符号の説明】
１  電解質板
２  燃料極（アノード）
３  空気極（カソード）
４  セル
５  セパレータ
６  燃料電池
７  改質器（リフォーマ）
８ａ  ガスブロア（炭酸ガスリサイクルブロア）
８ｂ  空気圧縮機
１１  電解質板
１１ａ  貫通孔
１２  燃料極
１３  空気極
１４  セル
１６  差圧計
１７  流量調節弁
１８  改質触媒
１９  多孔流路板
【図１】
0003575650.tif 000002
【図２】
0003575650.tif 000003
【図３】
0003575650.tif 000004
【図４】
0003575650.tif 000005
【図５】
0003575650.tif 000006
【図６】
0003575650.tif 000007