(57)【要約】 【課題】  燃料電池のエネルギー効率を向上させる。【解決手段】  発電セルを多数積層して構成したスタック３を断熱ハウジング２内に収納して成る燃料電池１において、断熱ハウジング２内には発電セルを予熱する予熱用バーナ２０が設けられている。この予熱用バーナ２０は、燃焼を行うバーナ本体２１と、バーナ本体２１の外面部を冷却するための空気熱交換機構を備え、且つ、空気熱交換機構には熱交換を終えた冷却用空気をスタック３に導入するための予熱空気通路１６が配設されている。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電セルを多数積層してスタックを構成すると共に、当該スタックを断熱ハウジング内に収納して成る燃料電池において、
前記断熱ハウジング内に前記発電セルを予熱する予熱用バーナが設けられ、
前記予熱用バーナは、燃焼を行うバーナ本体と、当該バーナ本体の外面部を冷却するための空気熱交換機構を備え、且つ、当該空気熱交換機構には熱交換を終えた冷却用空気を前記スタックに導入するための予熱空気通路が配設されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記予熱用バーナとして赤外線バーナを用い、その燃焼プレートが前記スタックの側面に対向するように配設されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記予熱用バーナが、前記スタックの周辺に複数個配設されていることを特徴とする請求項１または請求項２の何れかに記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタックの排熱を有効に利用したエネルギー効率の高い燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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、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（スタック化）すると共に、このスタックを断熱材で包囲されたハウジング内に収納することによりモジュール化されている。
【０００３】
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。
【０００４】
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（Ｏ2-）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。
【０００５】
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（例えば、固体酸化物形燃料電池では６００〜８００℃程度）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って、従来では、燃料電池スタックの外周に電気ヒータやバーナ等の加熱手段を配設して予熱する方法や、外部より加熱したガスを燃料電池スタックの周囲に導入する予熱方法等が行われている。
【０００６】
これら予熱方法の内、電気ヒータによる予熱は電力消費が大きく、その分、燃料電池の発電効率が低下するという欠点もあり、近年では、反応用ガスとして燃料電池に供給する燃料ガス（例えば、都市ガス）を使用したバーナによる予熱方法が多く採用されるようになってきた。
【０００７】
尚、燃料電池の予熱手段にバーナを用いたものとして、例えば、特許文献１が開示されている。
【特許文献１】特開２００３−２４９２５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところが、上記した電気ヒータやバーナ等の加熱手段が配設されるモジュール内空間は断熱材により保温されていて常時６００〜８００℃の高温雰囲気となっており、このため、バーナによる予熱の場合は、金属製（例えば、ＳＵＳ製）のバーナ本体が高温雰囲気に曝されることによるバーナ本体の耐熱性が問題となっている。
このような高温雰囲気からバーナ本体を保護し、バーナの耐熱性を向上するにはバーナ本体を空気冷却する必要があるが、冷却空気による熱交換でモジュール内の熱が奪われることになり、その分、燃料電池のエネルギー効率が悪くなるという弊害が生じる。尚、熱交換を終えた冷却用空気はそのまま外部に排出されていた。
【０００９】
本発明は、上記問題に鑑み成されたもので、予熱用バーナの冷却空気を燃料電池の予熱空気として使用することにより、エネルギー効率の向上を図った燃料電池を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
すなわち、請求項１に記載の発明は、発電セルを多数積層してスタックを構成すると共に、当該スタックを断熱ハウジング内に収納して成る燃料電池において、前記断熱ハウジング内に前記発電セルを予熱する予熱用バーナが設けられ、前記予熱用バーナは、燃焼を行うバーナ本体と、当該バーナ本体の外面部を冷却するための空気熱交換機構を備え、且つ、当該空気熱交換機構には熱交換を終えた冷却用空気を前記スタックに導入するための予熱空気通路が配設されていることを特徴としている。
【００１１】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池において、前記予熱用バーナとして赤外線バーナを用い、その燃焼プレートが前記スタックの側面に対向するように配設されていることを特徴としている。
【００１２】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２の何れかに記載の燃料電池において、前記予熱用バーナが、前記スタックの周辺に複数個配設されていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、バーナ本体に空気熱交換機構を備えるため、運転開始時や発電運転中にバーナ本体が過度の高温に加熱されることが回避でき、バーナ本体の耐久性が向上すると共に、熱交換を終えた予熱用バーナからの冷却用空気を燃料電池の予熱空気として利用するように構成したので、従来、外部に無駄に排出していた熱エネルギーを有効に利用することができ、エネルギー効率の高い燃料電池を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
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、図２は本発明の固体酸化物形燃料電池の内部構成を示し、図３は燃料電池スタックの要部概略構成を示し、図４は予熱用バーナの構成を示している。
【００１５】
図１、図２において、符号１は固体酸化物形燃料電池、符号２は内壁に断熱材１８を付装したハウジング（缶体）、符号３は積層方向を縦にしてハウジング２の内部に配設された燃料電池スタックである。本実施形態は、ハウジング２内に合計１２基の燃料電池スタック３を集合・配置した高出力型の燃料電池モジュールである。そして各燃料電池スタック３には、反応用ガスとしての外部からの燃料ガスおよび酸化剤ガス（空気）を各燃料電池スタック内に導入するための燃料ガス供給管１５と酸化剤ガス供給管１６が接続されている。
尚、上記燃料ガス供給管１５は、燃料熱交換器３３、改質器３２等を介して燃料電池スタック３に接続されている。
【００１６】
上記燃料電池スタック３は、図３に示すように、固体電解質層４の両面に燃料極層５および空気極層（酸化剤極層）６を配した発電セル７と、燃料極層５の外側の燃料極集電体８と、空気極層６の外側の空気極集電体（酸化剤極集電体）９と、各集電体８、９の外側のセパレータ１０を順番に積層した構造を有する。
【００１７】
ここで、固体電解質層４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５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６はＬａＭｎＯ3、ＬａＣｏＯ3等で構成され、燃料極集電体８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９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１０はステンレス等で構成されている。
【００１８】
セパレータ１０は、発電セル７間を電気的に接続すると共に、発電セル７に反応用ガスを供給する機能を有し、上記した燃料ガス供給管１５を通して供給される燃料ガスをセパレータ１０の外周面から導入してセパレータ１０の燃料極集電体８に対向するほぼ中央部から吐出する燃料ガス通路１１と、上記した酸化剤ガス供給管１６を通して供給される酸化剤ガスをセパレータ１０の外周面から導入してセパレータ１０の空気極集電体９に対向する面のほぼ中央部から吐出する酸化剤ガス通路１２を備えている。
【００１９】
この固体酸化物形燃料電池１は、発電セル７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３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１０の略中心部から発電セル７に向けて吐出される燃料ガスおよび酸化剤ガス（空気）を、発電セル７の外周方向に拡散させながら燃料極層５および空気極層６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残余のガス（排ガス）を発電セル７の外周部から外に自由に放出するようになっている。そして、ハウジング２の上部と下部には、ハウジング２の内部空間に放出された排ガスを外部に排出するための排気管１９ａ、１９ｂが設けられている。
【００２０】
また、ハウジング２内には、運転開始時に燃料電池スタック３を予熱するための予熱用バーナ２０が配設されている。
【００２１】
上記予熱用バーナ２０として赤外線バーナ２０が使用され、この赤外線バーナ２０が、図１、図２に示すように、燃焼プレート２２を露出させた状態で燃料電池モジュールの側部を囲むように４基が断熱材１８内に埋設されている。
【００２２】
この赤外線バーナ２０は、例えば、図４に一例として示すように、細長箱形に形成されたＳＵＳ製の内箱２４と外箱２５の大小２つの箱体により成る２重構造のバーナ本体２１を備えており、その前面開口部に多孔質セラミックス製板材による上記した燃焼プレート２２が取り付けられている。これら内箱２４と外箱２５は、それぞれの周縁部に設けたフランジ２４ａ、２５ａが上下に重なり合って一体的に固定されている。
【００２３】
また、内箱２４の背面部には、燃焼用の混合ガスを導入するためのガス導入口２３、２３が設けられており、当ガス導入口２３、２３より混合ガスが供給されることにより、内箱２４は混合ガスが充満した燃焼用の混合ガス室として機能する。
【００２４】
また、この内箱２４と外箱２５との間に空間部２６（すなわち、冷却空気流路２６）が形成されており、且つ、外箱２５の長手一端部には、この冷却空気流路２６に冷却用空気を導入するための空気導入口２７が設けられ、他端部には、冷却空気流路２６を通過中に熱交換された空気を外部に取り出すための空気排出口２８が設けられている。
運転時に空気導入口２７より冷却空気流路２６に冷却用空気が供給されることにより、この外箱２５部分はバーナ本体２１の空気熱交換機構として機能する。そして、図１に示すように、このバーナ本体２１のガス導入口２３には、外部から誘導されたバーナ用燃焼ガス供給管３０が接続され、空気導入口２７には、外部から誘導された冷却用空気供給管３１が接続され、空気排出口２８には、ハウジング内において各燃料電池スタック３に誘導される予熱空気通路としての酸化剤ガス管１６が接続されている。
【００２５】
また、燃料電池モジュールの外部には図示しない空気供給装置としてのブロアとミキサーが配設されており、ブロアからの送風が冷却用空気として冷却用空気供給管３１に供給されると共に、その一部が予熱用バーナ２０の燃料空気としてこのミキサーにも供給されるようになっている。
一方、燃料ガス（例えば、都市ガス）は、燃料電池の反応ガス用として上記した燃料ガス供給管１５に供給されると共に、予熱用バーナの燃焼用としてその一部が上記ミキサーに供給され、このミキサー内において燃料ガスがブロアからの空気と混合され、混合ガスとして上記したバーナ用燃焼ガス供給管３０に供給されるようになっている。
【００２６】
次ぎに、上記構成の予熱機構による予熱動作を説明する。
【００２７】
運転開始の際の予熱時に、バーナ本体２１の内箱２４にはバーナ用燃焼ガス供給管３０を通して背面部のガス導入口２３より混合ガスが送り込まれる。この混合ガスは燃焼プレート２２の多数の細孔を通ってプレート表面に達し、バーナ本体２１に設けた図示しない着火手段（例えば、イグナイター）により着火され、プレート表面付近で燃焼して燃焼プレート２２を赤熱させる。
この赤熱した燃焼プレート２２の輻射熱で、その近傍に対面位置する複数の燃料電池スタック３を側面部より加熱すると共に、燃料電池スタック３の周辺雰囲気（モジュール内空間の雰囲気）を高温にする。この赤外線バーナ２０は、燃料電池スタック３の集合体を囲むようその周辺に複数配置（４基）されているので、モジュール外周部を満遍なく均等に加熱することができる。
【００２８】
一方、バーナ本体２１の冷却空気流路２６には、冷却用空気供給管３１を通して外箱２５の空気導入口２７より冷却用空気が送り込まれる。この冷却用空気が冷却空気路２６内を流通することにより、周囲と熱交換してバーナ本体２１の背面部と外周部が冷却されるため、バーナ本体２１が過度の高温に加熱されることを回避でき、耐久性が向上する。また、熱交換により加熱された空気は外箱２５の空気排出口２８よりバーナ外に排出される。
排出された加熱空気は、酸化剤ガス供給管１６により空気熱交換器３４に導入され、この空気熱交換器３４にて更に加熱されると共に、各燃料電池スタック３に分岐・誘導されて、図３に示すように、燃料電池スタック内の各セパレータ１０に導入され、セパレータ１０の外周部より内部の酸化剤ガス通路１２を通して空気極側に吐出し、空気極集電体９内を拡散移動して空気極層に達する。加熱空気がセパレータ１０の酸化剤ガス通路１２を通過する過程で周囲と熱交換してセパレータ１０は内部からも加熱（予熱）される。
【００２９】
燃料電池スタック３が発電可能な所定温度に昇温されると、バーナ本体２１への混合ガスの供給が断たれて赤外線バーナ２０の燃焼運転が停止されるが、ブロアからの送風は継続されている。昇温後は、燃料ガス供給管１５を通し、燃料電池スタック３への燃料ガスの供給が開始される。
すなわち、燃料ガス供給管１５に導入された燃料ガス（例えば、都市ガス）は、外部からの水と混合させられて混合ガスとなり、この混合ガスが燃料熱交換器３３にて加熱された後、改質器３２に導入されると共に、この改質器３２において改質されて水素リッチな燃料ガスとなって各燃料電池スタック３に分岐・供給される。そして、酸化剤ガス供給管１６を通して供給される空気と共に燃料電池スタック内において発電が開始されるが、バーナ本体２１は冷却用空気により冷却されるため、発電運転中においてもバーナ本体２１は排ガスによる高温雰囲気から保護されることになり、同時に熱交換により得られた加熱空気は酸化剤ガス供給管１６より空気熱交換器３４を通して予熱用として燃料電池スタック３に供給され、昇温時と同様に燃料電池スタック３は内部より加熱され、スタック内温度を好適な反応温度に維持する。
尚、運転中のバーナ２０への送風量は運転開始時の送風量に比べて増加されているため、バーナ本体２１への冷却効果はより向上しており、よって、発電運転中に生じる高温排ガスに対してもバーナ本体２１は十分耐え得るものである。
【００３０】
このように、本発明によれば、バーナ本体２１に空気熱交換機構を備えるため、予熱用バーナ２０による昇温時も昇温後の発電時も、予熱用バーナ２０の燃焼熱や排ガスの熱によってバーナ本体２１が過度の高温に加熱されることはなくなり、予熱用バーナ２０の耐久性が向上すると共に、熱交換を終えた予熱用バーナ２０の冷却用空気を外部に無駄に放出せずに予熱用空気として利用し、燃料電池スタック３を内部より加熱する。これにより、燃料電池スタック３の外周部と内部の温度差を小さく抑えながら発電セル７の昇温を促進することができ、よって、排熱の利用効率に優れたエネルギー効率の高い燃料電池を提供することができる。
【００３１】
尚、以上説明した本実施形態では、複数の燃料電池スタック３を集合配置した高出力型の燃料電池モジュールについて説明したが、単数の燃料電池スタック３で構成された燃料電池モジュールについても本発明が適用可能であることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明に係る固体酸化物形燃料電池の内部構造を示す側断面図。
【図２】本発明に係る固体酸化物形燃料電池の内部構造を示す平断面図。
【図３】本発明に係る燃料電池スタックの要部概略構成図で、運転時のガスの流れを示す。
【図４】本発明に係る予熱用バーナの構成を示し、（ａ）は長さ方向の断面図、（ｂ）は幅方向の断面図。
【符号の説明】
【００３３】
１  燃料電池（固体酸化物形燃料電池）
２  ハウジング
３  燃料電池スタック
７  発電セル
１６  予熱空気通路（酸化剤ガス供給管）
２０  予熱用バーナ（赤外線バーナ）
２１  バーナ本体
２２  燃焼プレート
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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