CN113424345A - 燃料电池模块、发电系统以及燃料电池模块的运转方法 - Google Patents

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Abstract

一实施方式的燃料电池模块具备：多个燃料电池单体，它们分别包括燃料侧电极、电解质及氧侧电极；燃料气体供给管，其向所述燃料侧电极供给燃料气体；氧化性气体供给管，其包括第一管线及从位于所述第一管线的下游端的分支点分支出且与一个以上的所述燃料电池单体分别连接的多个第二管线，且所述氧化性气体供给管向所述多个燃料电池单体的所述氧侧电极供给氧化性气体；以及至少一根升温用燃料气体供给管，其与比所述分支点靠下游侧的所述第二管线连接。

Description

燃料电池模块、发电系统以及燃料电池模块的运转方法
技术领域
本发明涉及燃料电池模块、具备该燃料电池模块的发电系统以及该燃料电池模块的运转方法。
背景技术
已知有一种燃料电池，该燃料电池将由燃料侧电极、电解质以及氧侧电极构成的燃料电池单体作为最小单位，且通过使向燃料侧电极供给的燃料气体与向氧侧电极供给的氧化性气体发生化学反应来进行发电。其中，固体氧化物型燃料电池(Solid Oxide FuelCell(SOFC))将陶瓷等固体氧化物用作电解质，且例如将城市煤气、天然气等用作燃料气体，并例如将包含氧的空气等用作氧化性气体。这样的SOFC已知为为了提高离子传导率而使工作温度高达约700～1000℃的程度且用途广泛、高效率的高温型燃料电池。SOFC例如与燃气轮机、微型燃气轮机以及涡轮增压器等旋转设备组合而提高运转压力，由此能够进行更高效率的发电。另外，在这样的加压发电系统中，将从压缩机喷出的压缩空气作为氧化性气体向SOFC的氧侧电极供给，并且将从SOFC排出的高温的燃料废气向燃气轮机等旋转设备入口的燃烧器供给并进行燃烧，且利用在燃烧器产生的高温的燃烧气体来使旋转设备旋转，由此能够实现动力的回收。
通常，燃料电池构成为具备多个盒(cartridge)、电池堆的燃料电池模块，且该盒、电池堆收容有多个燃料电池单体。
SOFC在起动时需要使燃料电池单体升温至高温。作为其升温方案，而在专利文献1～3中公开了如下的方案，该方案在氧侧电极担载氧化催化剂而附加催化功能，且在氧侧电极为能够进行催化燃烧的温度时，向氧化性气体添加可燃界限浓度以下的燃料气体而进行催化燃烧，从而使燃料电池单体升温。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特许第5601945号公报
专利文献2：日本特开2018-6004号公报
专利文献3：美国专利第9874158号说明书
发明内容
发明要解决的课题
最近，由于大容量化的趋势，因此模块内的盒、电池堆的数量不断增加。因此，担心在盒、电池堆间温度的偏差会增大。若引起温度的偏差，则在一部分的燃料电池单体发电量会降低，因此需要对该温度偏差进行改善。在专利文献1～3所公开的燃料电池单体的升温方案中，在燃料电池模块的外部对在将氧化性气体向燃料电池模块供给的上游侧设置的起始管添加燃料气体。因此，不能对在模块内设置的多个盒中的每个进行燃料气体的流量、浓度的调整。因此，不能进行每个盒的温度调整。
本发明的一实施方式的目的在于，对收容于模块内的多个燃料电池单体的温度分布的偏差进行抑制。
用于解决课题的方案
(1)一实施方式的燃料电池模块具备：
多个燃料电池单体，它们分别包括燃料侧电极、电解质及氧侧电极；
燃料气体供给管，其向所述燃料侧电极供给燃料气体；
氧化性气体供给管，其包括第一管线及从位于所述第一管线的下游端的分支点分支出且与一个以上的所述燃料电池单体分别连接的多个第二管线，且所述氧化性气体供给管向所述多个燃料电池单体的所述氧侧电极供给氧化性气体；以及
至少一根升温用燃料气体供给管，其与比所述分支点靠下游侧的所述第二管线连接。
在此，“下游端”是指氧化性气体的流动方向下游端，“下游侧”是指氧化性气体的流动方向下游侧。另外，氧化性气体是指包含大致15％～30％的氧的气体，代表性地优选为空气，但除了空气以外，还可以使用燃烧废气与空气的混合气体、氧与空气的混合气体等。
在上述(1)的结构中，在运转中，从上述升温用燃料气体供给管向第二管线添加燃料气体，并将燃料气体导入在模块内设置的燃料电池单体的氧侧电极，利用燃料气体的燃烧来使燃料电池单体升温。由于多个第二管线各自与一个以上的燃料电池单体分别连接，因此将升温用燃料气体平衡性良好地向多个燃料电池单体供给。由此，能够抑制在模块内设置的多个燃料电池单体的温度分布的偏差。因此，能够抑制多个燃料电池单体的发电性能的偏差而提升发电性能。
(2)在一实施方式中，在所述(1)的结构的基础上，
所述燃料电池模块具备将燃料废气从所述燃料电池单体排出的燃料废气排出管，
所述燃料电池模块构成为，所述升温用燃料气体供给管的上游端与所述燃料废气排出管连接，排出到所述燃料废气排出管的所述燃料废气的至少一部分经由所述升温用燃料气体供给管以及所述第二管线而向所述燃料电池单体供给。
根据上述(2)的结构，通过将从燃料废气排出管排出的未燃燃料气体向燃料电池单体供给，而能够对从燃料电池单体暂时排出的未燃燃料气体进行再利用。另外，通过使稀释了的未燃燃料气体向升温用燃料气体供给管供给，能够调整在各场所配置的多个升温用燃料气体供给管内的燃料气体的浓度。
(3)在一实施方式中，在所述(1)或(2)的基础上，
所述燃料电池模块具备一个以上的盒，所述一个以上的盒分别收容有两个以上的所述燃料电池单体，
各个所述第二管线与所述一个以上的盒连接。
根据上述(3)的结构，通过构成为能够将氧化性气体从构成第二管线的一根或者少数配管对在一个盒收容的多个燃料电池单体进行供给，能够将第二管线简化。
(4)在一实施方式中，在所述(3)的结构的基础上，
多个所述盒配置为列状，
所述第二管线包括：至少一根分支管，其沿着多个所述盒的排列方向配置；以及支管，其从该分支管分支出且与多个所述盒分别连接，
所述至少一根升温用燃料气体供给管包括与在多个所述盒的排列方向中央部设置的所述一根分支管连接的升温用燃料气体供给管。
根据上述(4)的结构，由于向在盒排列方向中央部设置的上述一根分支管供给升温用燃料气体，因此能够将升温用燃料气体平衡性良好地向下游侧的多个盒分配。
(5)在一实施方式中，在所述(3)或(4)的结构的基础上，
多个所述盒配置为列状，
所述第二管线包括：至少一根分支管，其沿着多个所述盒的排列方向配置；以及支管，其从该分支管分支出且与多个所述盒分别连接，
所述至少一根升温用燃料气体供给管包括如下升温用燃料气体供给管：所述升温用燃料气体供给管连接于与在多个所述盒的排列方向两端的至少一侧设置的所述盒连接的所述支管。
在将氧化性气体从一根或者少数根第二管线向配置为列状的多个盒供给的情况下，排列方向端侧的盒的温度容易变低。相对于此，根据上述(5)的结构，能够直接将升温用燃料气体以不会产生不足的方式向排列方向端侧的单个盒供给。
(6)在一实施方式中，在所述(4)或(5)的结构的基础上，
各个所述第二管线包括在盒列的侧方配置的直线配管部，所述多个第二管线各自的所述直线配管部隔着所述盒列而位于所述盒列的两侧。
根据上述(6)的结构，在配置为列状的多个盒的两侧配置第二管线的直线配管部，因此能够使第二管线紧凑化。另外，当形成有对于在一个盒收容的多个燃料电池单体而言共用的氧化性气体流路的情况下，能够从各盒的两侧供给升温用燃料气体，因此能够调整向在各盒收容的多个燃料电池单体供给的升温用燃料气体的流量。
(7)在一实施方式中，在所述(1)～(6)中任一结构的基础上，
所述燃料电池模块具备设置于所述升温用燃料气体供给管的阀。
根据上述(7)的结构，能够利用上述阀来控制从升温用燃料气体供给管向第二管线供给的燃料气体的流量，因此能够进一步抑制模块内的燃料电池单体的温度分布的偏差。
(8)在一实施方式中，在所述(7)的结构的基础上，
所述燃料电池模块具备用于对所述燃料电池单体的温度进行检测的一个以上的温度传感器。
根据上述(8)的结构，操作人员通过基于上述温度传感器的检测值对上述阀的开度进行调整，能够进一步抑制模块内的燃料电池单体的温度分布的偏差。需要说明的是，还可以基于温度传感器的检测值来自动调整阀的开度。
(9)在一实施方式中，在所述(1)～(8)中任一结构的基础上，
所述燃料电池模块具备将所述多个燃料电池单体收容的压力容器，
所述升温用燃料气体供给管将所述压力容器贯通地设置，且所述升温用燃料气体供给管包括：外部配管部，其位于所述压力容器的外部；以及内部配管部，其位于所述压力容器内部的内部。
根据上述(9)的结构，通过将升温用燃料气体供给管的一部分配置于压力容器的外部，能够使压力容器小型化。
(10)在一实施方式中，在所述(9)的结构的基础上，
所述燃料电池模块具备设置于所述升温用燃料气体供给管的阀，
所述阀设置于所述压力容器的外部。
根据上述(10)的结构，即使在具备压力容器的情况下，也能够通过将上述阀设置于压力容器的外部而使操作人员直接对阀进行操作。
(11)一实施方式的发电系统具备：
具有所述(1)～(10)中任一结构的燃料电池模块；以及
旋转设备，其使用从所述燃料电池模块排出的燃料废气和氧化性废气产生旋转动力，
向所述燃料电池模块供给使用所述旋转动力而压缩了的所述氧化性气体，所述燃料电池模块使用所述燃料气体和所述压缩了的氧化性气体进行发电。
根据上述(11)的结构，达成了本发明的上述目的，并且，由于能够将压缩了的氧化性气体向燃料电池模块供给，因此能够提升发电效率，并且，由于使用从燃料电池模块排出的燃料废气和氧化性废气来产生旋转动力，因此能够提升发电效率并且能够减小发电系统的所需动力。
(12)在一实施方式中，在所述(11)的结构的基础上，
所述旋转设备由燃气轮机或者涡轮增压器构成。
根据上述(12)的结构，除了发电效率的提升以及发电系统的所需动力减小之外，由于旋转设备是燃气轮机，因此能够利用燃料电池模块和燃气轮机进行复合发电。
(13)一实施方式的燃料电池模块的运转方法是具备所述(1)～(10)中任一结构的燃料电池模块的运转方法，
所述燃料电池模块的运转方法具备升温步骤，所述升温步骤从所述至少一根升温用燃料气体供给管向在所述第二管线流动的所述氧化性气体添加所述燃料气体，而使所述氧化性气体升温。
根据上述(13)的方法，第二管线与一个以上的燃料电池单体分别连接，因此，通过进行上述升温步骤，能够抑制在模块内设置的多个燃料电池单体的温度分布的偏差。由此，能够抑制燃料电池单体的发电性能的偏差而提升发电性能。
(14)在一实施方式中，在所述(13)的方法的基础上，
在所述升温步骤中，
向在所述第二管线流动的所述氧化性气体添加从所述燃料电池单体排出的所述燃料气体的至少一部分。
根据上述(14)的方法，能够将从燃料电池单体排出的燃料废气作为升温用燃料气体而进行再利用，并且，通过将稀释了的燃料废气向升温用燃料气体供给管供给，能够调整在各场所配置的多个升温用燃料气体供给管内的燃料气体的浓度。
(15)在一实施方式中，在所述(13)或(14)的方法的基础上，
使所述升温步骤在所述燃料电池模块的起动时、额定发电时或者部分负荷时进行。
根据上述(15)的方法，通过使上述升温步骤在燃料电池模块的起动时、额定发电时或者部分负荷时进行，能够抑制模块内的多个燃料电池单体的温度分布的偏差。
发明效果
根据若干实施方式，能够在运转中抑制燃料电池模块内的多个燃料电池单体的温度分布的偏差，由此，能够抑制多个燃料电池单体的发电性能的偏差而提升发电性能。
附图说明
图1是示出一实施方式的燃料电池模块的概要结构的概要结构图。
图2是一实施方式的燃料电池模块的立体图。
图3是示出一实施方式的燃料电池模块的概要结构的概要结构图。
图4是一实施方式的燃料电池模块的立体图。
图5是一实施方式的燃料电池模块的横剖视图。
图6是一实施方式的电池堆的纵剖视图。
图7是一实施方式的燃料电池模块的氧化性气体供给管的示意图。
图8是一实施方式的燃料电池模块的氧化性气体供给管的示意图。
图9是一实施方式的燃料电池模块的氧化性气体供给管的示意图。
图10是一实施方式的燃料电池模块的运转方法的工序图。
图11是一实施方式的燃料电池模块的运转方法的工序图。
图12是一实施方式的发电系统的系统图。
图13是一实施方式的发电系统的系统图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的若干实施方式进行说明。其中，这些实施方式所记载的或者附图所示的构成部件的尺寸、材质、形状及其相对的配置等并不意在将本发明的范围限定于此，而只不过是说明例。
例如，“在某方向上”、“沿着某方向”、“平行”、“正交”、“中心”、“同心”或者“同轴”等表示相对的或绝对的配置的表述不仅表示严格上那样的配置，还表示具有公差、或者能够得到相同功能的程度的角度、距离而相对地位移了的状态。
例如，“相同”、“相等”以及”均质”等表示事物相等的状态的表述不仅表示严格相等的状态，还表示存在公差、或者能够得到相同功能的程度的差的状态。
例如，表示四边形状、圆筒形状等形状的表述不仅表示几何学上严格意义下的四边形状、圆筒形状等形状，还表示在能够得到相同效果的范围内包含凹凸部、倒角部等的形状。
另一方面，“具备”、“含有”、“配备”、“包含”或者“具有”一个构成要素这样的表述不是将其他构成要素的存在排除在外的排他性的表述。
图1～图4示出若干实施方式的燃料电池模块10(10A、10B)及其构成部件。在图1～图4中，在模块10(10A、10B)的内部收容有分别包括燃料侧电极、电解质以及氧侧电极等的多个燃料电池单体。在模块10的发电容量大的情况下，燃料电池单体的数量变得庞大，因此，庞大数量的燃料电池单体被收容于一个以上的盒11。或者，形成具有多个燃料电池单体的电池堆，并将多个电池堆分别收容于一个以上的盒11。另外，从燃料气体供给管30向构成燃料电池单体的燃料侧电极供给燃料气体f，且从氧化性气体供给系统20向氧侧电极供给氧化性气体a。由此，在多个燃料电池单体引起发电。
在本实施方式中，氧化性气体供给系统20包括：氧化性气体供给主管21(第一管线)，其设置于氧化性气体a的流动方向上游侧；以及多个氧化性气体供给分支管23(23a、23b)及氧化性气体供给分支支管24(24a、24b)(第二管线)，它们从位于氧化性气体供给主管21的下游端的分支点22分支出且与多个盒11中的每个分别连接。并且，在氧化性气体供给分支管23或者氧化性气体供给分支支管24连接有至少一根升温用燃料气体供给管42(42a、42b)或者43(43a、43b)。
在上述结构中，在模块10的起动时等运转中，从升温用燃料气体供给管42或者43向氧化性气体供给分支管23或者氧化性气体供给分支支管24添加燃料气体f。添加的燃料气体f在燃料电池单体的氧侧电极燃烧而使燃料电池单体升温，因此能够缩短起动时间。作为使燃料气体f燃烧的方案，例如，在氧侧电极担载氧化催化剂，在氧化性气体成为能够进行催化燃烧的温度(例如400℃以上)时，由于氧侧电极的催化作用而使燃料气体f燃烧。由于多个氧化性气体供给分支管23或者氧化性气体供给分支支管24分别与一个以上的盒11连接，因此升温用燃料气体f被平衡性良好地向多个盒11供给。由此，能够抑制在模块10内设置的多个盒11的温度分布的偏差，因此能够抑制多个燃料电池单体的发电性能的偏差而提升发电性能。
图5是模块10的横剖视图，在盒11的内部收容有多个电池堆12而形成发电室55。以将由多个电池堆12形成的发电室55包围的方式设置有隔热件56、57、58以及59，利用这些隔热件将发电室55相对于其外侧隔热，而使在发电室55产生的热不会向外侧逸散。
图6是在盒11的内部收容的电池堆12的纵剖视图，电池堆12包括多个燃料电池单体14。燃料电池单体14构成为包括燃料侧电极15、电解质16以及氧侧电极17。电池堆12在基体上形成有多个燃料电池单体14，并由上述多个燃料电池单体14进行发电。以下，以圆筒形的电池堆12为例进行说明，但除了圆筒形以外，例如还可以设为扁平圆筒型、平板形的电池堆。
如图6所示，电池堆12构成为包括圆筒形状的基体管13、在基体管13的外周面形成的多个燃料电池单体14以及在相邻的燃料电池单体14之间形成的互连器18。燃料电池单体14通过将燃料侧电极15、电解质16以及氧侧电极17层叠而形成。另外，具备与多个燃料电池单体14中的在基体管13的轴向一端形成的燃料电池单体14的氧侧电极17经由互连器18而电连接的引线膜19、以及与多个燃料电池单体14中的在基体管13的轴向另一端形成的燃料电池单体14的燃料侧电极15而电连接的引线膜(未图示)。
互连器18具有导电性，且在相邻的燃料侧电极15之间将一方的燃料电池单体14的氧侧电极17与另一方的燃料电池单体14的燃料侧电极15电连接，从而将相邻的燃料电池单体彼此串联连接。引线膜19具有导电性，且将由被互连器18串联连接的多个燃料电池单体14发出的直流电力导出至电池堆12的端部附近。
在一实施方式中，如图5所示，燃料气体供给管30被引导设置于多个盒11的上方，且经由多个燃料气体供给支管31而与各盒11连接。燃料气体f在各盒11中从燃料气体供给管30向在隔热件57的内侧设置的燃料气体供给室32供给。供给到燃料气体供给室32的燃料气体f通过构成电池堆12的基体管13的内部，而供于燃料电池单体14的发电。供于发电之后的燃料废气f’流入在发电室55的下方形成的燃料废气排出室33，并从燃料废气排出室33经由燃料废气排出支管34以及燃料废气排出管35而向模块10外排出。
在一实施方式中，在盒11的内部，在发电室55的下方设置有氧化性气体供给室25，氧化性气体a经由氧化性气体供给分支管23(23a、23b)以及氧化性气体供给分支支管24(24a、24b)而向氧化性气体供给室25供给。供给到氧化性气体供给室25的氧化性气体a从在电池堆12与隔热件56之间形成的间隙(未图示)流入发电室55，而供于燃料电池单体14的发电。用于发电之后的氧化性废气a’从该间隙流入在发电室55的上方形成的氧化性废气排出室26，进而从氧化性废气排出室26经过氧化性废气排出支管27向氧化性废气排出管28排出。
需要说明的是，在图2以及图4中省略了氧化性废气a’的排出系统的图示。
在一实施方式中，如图1～图4所示，在燃料气体供给管30与氧化性气体供给主管21之间连接有连接管40。在连接管40设置有阀50，流动于燃料气体供给管30的燃料气体f的一部分在所希望的时候作为升温用燃料气体f经由氧化性气体供给主管21、氧化性气体供给分支管23以及氧化性气体供给分支支管24向盒11供给。然而，在使用该供给系统将升温用燃料气体向盒11供给的情况下，不能调整对每个盒11供给的燃料气体f的流量、浓度。因此，不能进行每个盒11的温度调整。
于是，在图1以及图2所示的实施方式中，设置将连接管40与升温用燃料气体供给管42(42a、42b)或者43(43a、43b)连接的升温用燃料气体供给主管41，并将升温用燃料气体f从连接管40经由升温用燃料气体供给主管41向升温用燃料气体供给管42或者43供给。由此，能够将升温用燃料气体平衡性良好地向多个盒11供给，从而能够抑制多个盒11的温度分布的偏差。
在一实施方式中，如图1～图4所示，具备一个以上的盒11，且在各盒11收容有多个燃料电池单体14。例如，如图5以及图6所示，多个燃料电池单体14作为电池堆12而被收容。氧化性气体供给分支管23经由氧化性气体供给分支支管24而分别与一个以上的盒11连接。因此，通过构成为能够将氧化性气体a从构成氧化性气体供给分支管23以及氧化性气体供给分支支管24的一根或者少数配管对在一个盒11收容的多个燃料电池单体14进行供给，能够减小氧化性气体供给分支管23以及氧化性气体供给分支支管24的根数，从而能够将这些配管简化。
在一实施方式中，如图1以及图2所示，在升温用燃料气体供给管42或者43设置有阀51。能够利用阀51来调整从升温用燃料气体供给管42以及43向氧化性气体供给分支管23以及氧化性气体供给分支支管24供给的燃料气体f的流量，因此能够进一步抑制模块10的多个燃料电池单体14的温度分布的偏差。
需要说明的是，阀51既可以是仅能够进行开闭动作的开闭阀，或者也可以由能够调整流量的流量调整阀构成。
在一实施方式中，如图2以及图4所示，具备用于对燃料电池单体14的温度进行检测的温度传感器53。根据该实施方式，操作人员通过基于温度传感器53的检测值对阀51的开闭进行操作，而能够进一步抑制模块10内的多个燃料电池单体14的温度分布的偏差。
在该实施方式中，也可以对每个盒11设置多个温度传感器53。另外，也可以构成为基于温度传感器53的检测值来自动调整阀51的开度。
在一实施方式中，如图1～图4所示，设置有压力容器54，且将多个燃料电池单体14收容于压力容器54的内部。另一方面，阀51配置于压力容器54的外部。根据该实施方式，通过将阀51设置于压力容器54的外部，从而操作人员能够直接操作阀51。另外，通过将燃料电池单体14收容于压力容器54的内部，从而即使向燃料电池单体14供给加压了的燃料气体f以及氧化性气体a也是安全的，且通过供给加压了的燃料气体f以及氧化性气体a，能够提升模块10的发电性能。
在图5所示的实施方式中，在压力容器54的内表面设置有隔热件60。由此，能够抑制压力容器54内的热向压力容器54外逸散的情况。
在一实施方式中，如图1～图5所示，升温用燃料气体供给管42以及43将压力容器54贯通地设置，且升温用燃料气体供给管42以及43由位于压力容器54的外部的外部配管部44a和位于压力容器54的内部的内部配管部44b构成。根据该实施方式，通过将升温用燃料气体供给管42以及43的一部分配置于压力容器54的外部，能够使压力容器54小型化。
在一实施方式中，如图3以及图4所示，设置有从燃料废气排出管35分支出且与燃料气体供给管30连接的再循环管45。构成为，供于燃料电池单体14的发电之后排出到燃料废气排出管35的燃料废气f’的至少一部分被设置于再循环管45的再循环鼓风机52再度向燃料电池单体14供给。
在一实施方式中，如图3以及图4所示，升温用燃料气体供给主管41(41a、41b)的上游端与再循环管45连接。构成为，燃料废气f’的至少一部分经由升温用燃料气体供给管42(42a、42b)或者43(43a、43b)而向氧化性气体供给分支管23(23a、23b)以及氧化性气体供给分支支管24(24a、24b)添加，并向燃料电池单体14的空气侧供给。由此，能够将从燃料电池单体14暂时排出的燃料废气f’作为升温用燃料气体f而再利用，并且，通过将稀释了的燃料废气f’向升温用燃料气体供给管42或者43供给，能够调整在各场所配置的多个升温用燃料气体供给管内的燃料气体f的浓度。
在一实施方式中，多个盒11配置为列状。在图1～图4所示的实施方式中配置为一列。并且，氧化性气体供给分支管23以及氧化性气体供给分支支管24构成为包括：至少一根分支管23(23a、23b)，其沿着多个盒11的排列方向配置；以及分支支管24(24a、24b)，其从分支管23分支出且与各盒11连接。另外，一根或者多根升温用燃料气体供给管42与在盒排列方向中央部设置的分支管23连接。
根据该实施方式，由于向在盒排列方向中央部设置的分支管23(23a、23b)供给升温用燃料气体f，因此能够将升温用燃料气体f平衡性良好地向下游侧的多个盒11供给。
在一实施方式中，如图1以及图2所示，多个盒11配置为列状。氧化性气体供给分支管23构成为包括：至少一根分支管23，其沿着多个盒11的排列方向配置；以及分支支管24，其从分支管23分支出且与各盒11连接。另外，一根或者多根单个盒升温用燃料气体供给管43(43a、43b)与在盒排列方向两端的至少一侧设置的一根或者多根分支支管24连接。
当将氧化性气体a从一根或者少数根管路向配置为列状的多个盒11供给的情况下，排列方向端侧的盒11的温度容易变低。相对于此，根据该实施方式，能够直接将升温用燃料气体f以不会产生不足的方式向排列方向端侧的单个盒11供给。
在一实施方式中，如图2以及图4所示，多个氧化性气体供给分支管23(23a、23b)在分支点22处从氧化性气体供给主管21分支出，且各氧化性气体供给分支管23(23a、23b)包括在盒列的侧方配置的直线配管部。该直线配管部隔着盒列而沿着盒列位于盒列的两侧。根据该实施方式，由于在配置为列状的多个盒11的两侧配置上述直线配管部，因此能够使氧化性气体供给分支管23以及氧化性气体供给分支支管24紧凑化。另外，当形成有对于在一个盒11收容的多个燃料电池单体14而言共用的氧化性气体流路的情况下，能够从各盒11的两侧供给升温用燃料气体f，因此能够对向收容于各盒11的多个燃料电池单体14供给的升温用燃料气体f的流量相对于盒的排列方向进行左右方向的调整。
图7～图9示出氧化性气体供给系统20的其他的若干实施方式。图7所示的燃料电池模块具备对多个燃料电池单体14进行收容的一个盒11。氧化性气体供给系统20由在氧化性气体a的流动方向上游侧设置的一根氧化性气体供给主管21、以及在位于氧化性气体供给主管21的下游端的分支点22处从氧化性气体供给主管21分支出的两根氧化性气体供给分支管23(23a、23b)构成。两根氧化性气体供给分支管23与盒11的两端侧连接，且从盒11的两端侧向收容于盒11的多个燃料电池单体14供给氧化性气体a。
图8所示的燃料电池模块具备配置为一列的多个盒11。氧化性气体供给系统20由在氧化性气体a的流动方向上游侧设置的一根氧化性气体供给主管21、在分支点22处分支出的氧化性气体供给分支管23(23a)、以及在比分支点22靠下游侧处从氧化性气体供给分支管23(23a)分支出的氧化性气体供给分支支管24(24a)构成。氧化性气体供给分支支管24(24a)由与各盒11的一端侧连接且将氧化性气体a向各盒11供给的支管构成。
图9所示的燃料电池模块具备配置为一列的多个盒11。氧化性气体供给系统20由在氧化性气体a的流动方向上游侧设置的一根氧化性气体供给主管21、在分支点22以及分支点22的下游侧处分支出的氧化性气体供给分支管23(23a)以及氧化性气体供给分支支管24(24a、24b)构成。氧化性气体供给分支支管24(24a、24b)在各盒11中由从氧化性气体供给分支管23(23a)分支出的支管构成。氧化性气体供给分支支管24(24a、24b)与各盒11的两端侧连接，并向各盒11供给氧化性气体a。
一实施方式的燃料电池模块10的运转方法在模块10的起动时进行。如图10所示，从至少一根升温用燃料气体供给管42或者43向在氧化性气体供给分支管23以及氧化性气体供给分支支管24流动的氧化性气体a添加燃料气体f(步骤S10)。该燃料气体f在氧侧电极17燃烧而使燃料电池单体14升温(升温步骤S12)。作为燃料气体f的燃烧方案，例如，利用在氧侧电极17担载的氧化催化剂，在氧侧电极17为能够进行催化燃烧的温度(例如400℃以上)时，即使燃料气体f为可燃界限浓度以下也能够使燃料气体f燃烧。在步骤S10中，能够在设置于燃料电池模块10内的多个区域的盒11中将升温用燃料气体f添加于氧化性气体a，因此，能够将模块10所设置的多个燃料电池单体14调整为所希望的温度分布。由此，能够抑制模块10的燃料电池单体14的温度分布的偏差(步骤S14)。另外，添加的燃料气体f在燃料电池单体14的氧侧电极17燃烧而使燃料电池单体14升温，因此能够缩短起动时间。
在一实施方式中，在步骤S10中，向在氧化性气体供给分支管23流动的氧化性气体a添加从多个燃料电池单体14排出的燃料气体f的至少一部分(再利用步骤S10a)。根据该实施方式，能够将从燃料电池单体14排出的燃料废气f’作为升温用燃料气体f而进行再利用，并且，通过将稀释了的燃料废气f’向多个升温用燃料气体供给管42或者43内供给，而使在各场所配置的多个升温用燃料气体供给管42或者43内的燃料气体f的浓度的调整变得容易。
一实施方式的燃料电池模块10的运转方法在额定发电时或者部分负荷时进行。如图11所示，从至少一根升温用燃料气体供给管42或者43向在氧化性气体供给分支管23以及氧化性气体供给分支支管24流动的氧化性气体a添加燃料气体f(步骤S20)。该燃料气体f在氧侧电极17燃烧而使燃料电池单体14升温(温度均匀步骤S22)。由此，在模块10的发电时或者部分负荷时，能够抑制模块10内的多个盒11的温度分布的偏差(步骤S24)。例如，在额定发电时能够缓和多个盒11的温度的不均匀，从而能够提高发电性能。在部分负荷时，燃料电池单体14的温度处于相比设定温度过度下降的趋势，但通过利用步骤S20以及温度均匀步骤S22对难以由发电进行温度维持的盒进行加热，从而能够扩大部分负荷的运用范围。
在一实施方式中，在步骤S20中，向在氧化性气体供给分支管23流动的氧化性气体a添加从多个燃料电池单体14排出的燃料气体f的至少一部分(再利用步骤S20a)。
需要说明的是，上述若干实施方式的运转方法还可以在模块10的起动时或者额定发电时、部分负荷时以外的运转时例如负载变动时应用。
在一实施方式中，适合于燃料电池单体14变为高温的、例如SOFC以及熔融碳酸型燃料电池(MCFC)(Molten Carbonate Fuel Cell)等。这些燃料电池需要将燃料电池单体加热至能够运转的高温，从而存在到发电开始为止的时间较长这样的问题，但通过应用上述实施方式，能够将到发电开始为止的时间缩短。
燃料电池模块10有时应用于与GTCC(Gas Turbine Combined Cycle：燃气轮机联合循环发电机组)、MGT(Micro Gas Turbine：微型燃气轮机)、或者涡轮增压器组合而利用的复合发电系统。
图12是示出一实施方式的发电系统70(70A)的系统图。在图12中，发电系统70(70A)具备上述结构的若干实施方式的燃料电池模块10、以及燃气轮机72(旋转设备)。向构成燃气轮机72的压缩机74供给氧化性气体a，且氧化性气体a在被压缩机74压缩之后，经由氧化性气体供给系统20而向燃料电池模块10供给。由燃料电池模块10在用于发电的化学反应中使用后的氧化性废气a’以及燃料废气f’经由氧化性废气排出管28以及燃料废气排出管35而向构成燃气轮机72的燃烧器78输送，且在燃烧器78生成高温的燃烧气体。利用通过使该燃烧气体在涡轮76隔热膨胀而产生的旋转动力，在发电机80生成电力，并且，通过对压缩机74进行驱动而产生压缩气体。将该压缩气体作为氧化性气体a向燃料电池模块10的氧化性气体供给系统20供给。燃料电池模块10使用压缩了的氧化性气体a和燃料气体f来进行发电。
根据上述结构，通过具备上述若干实施方式的燃料电池模块10，从而能够抑制在模块10内设置的多个燃料电池单体14的温度分布的偏差，由此，能够抑制多个燃料电池单体14的发电性能的偏差而提升发电性能。另外，由于能够向燃料电池模块10供给压缩了的氧化性气体a，因此能够提升发电效率。另外，由于利用从燃料电池模块10排出的氧化性废气a’和燃料废气f’对燃烧器78进行驱动而产生旋转动力，因此能够减小发电系统70(70A)的所需动力。而且，由于能够利用燃料电池模块10和燃气轮机72这两方来复合地发电，因此能够增加发电量。
图13是示出一实施方式的发电系统70(70B)的系统图。发电系统70(70B)将涡轮增压器82用作旋转设备。在图13中，将氧化性气体a向构成涡轮增压器82的压缩机84供给并进行压缩，且将压缩了的氧化性气体a向燃料电池模块10供给。由燃料电池模块10在用于发电的化学反应中使用后的氧化性废气a’以及燃料废气f’经由氧化性废气排出管28以及燃料废气排出管35而向构成涡轮增压器82的涡轮86输送，并使涡轮86旋转而产生旋转动力。通过利用该旋转动力对压缩机84进行驱动，从而产生压缩气体。
根据该实施方式，能够抑制在模块10内设置的多个燃料电池单体14的温度分布的偏差，由此，能够抑制多个燃料电池单体14的发电性能的偏差而提升发电性能。因此，能够提升发电系统70(70B)的发电效率，并且能够减小所需动力。
工业实用性
根据若干实施方式，能够将收容于燃料电池模块的多个盒以及发电单体的温度分布调整为所希望的温度分布，由此，能够提升模块的发电性能。
附图标记说明
10 燃料电池模块
11 盒
12 电池堆
13 基体管
14 燃料电池单体
15 燃料侧电极
16 电解质
17 氧侧电极
18 互连器
19 引线膜
20 氧化性气体供给系统
21 氧化性气体供给主管(第一管线)
22 分支点
23(23a、23b) 氧化性气体供给分支管(第二管线)
24(24a、24b) 氧化性气体供给分支支管(第二管线)
25 氧化性气体供给室
26 氧化性废气排出室
27 氧化性废气排出支管
28 氧化性废气排出管
30 燃料气体供给管
31 燃料气体供给支管
32 燃料气体供给室
33 燃料废气排出室
34 燃料废气排出支管
35 燃料废气排出管
40 连接管
41(41a、41b) 升温用燃料气体供给主管
42(42a、42b) 升温用燃料气体供给管
43(43a、43b) 单个盒升温用燃料气体供给管
44a 外部配管部
44b 内部配管部
45 再循环管
50、51 阀
52 再循环鼓风机
53 温度传感器
54 压力容器
55 发电室
56、57、58、59、60 隔热件
70(70A、70B) 发电系统
72 燃气轮机
74、84 压缩机
76、86 涡轮
82 涡轮增压器
78 燃烧器
80 发电机
a 氧化性气体
a’ 氧化性废气
f 燃料气体
f’ 燃料废气。

Claims (15)

1.一种燃料电池模块，其特征在于，
所述燃料电池模块具备：
多个燃料电池单体，它们分别包括燃料侧电极、电解质及氧侧电极；
燃料气体供给管，其向所述燃料侧电极供给燃料气体；
氧化性气体供给管，其包括第一管线及从位于所述第一管线的下游端的分支点分支出且与一个以上的所述燃料电池单体分别连接的多个第二管线，且所述氧化性气体供给管向所述多个燃料电池单体的所述氧侧电极供给氧化性气体；以及
至少一根升温用燃料气体供给管，其与比所述分支点靠下游侧的所述第二管线连接。
2.根据权利要求1所述的燃料电池模块，其特征在于，
所述燃料电池模块具备将燃料废气从所述燃料电池单体排出的燃料废气排出管，
所述燃料电池模块构成为，所述升温用燃料气体供给管的上游端与所述燃料废气排出管连接，排出到所述燃料废气排出管的所述燃料废气的至少一部分经由所述升温用燃料气体供给管以及所述第二管线而向所述燃料电池单体供给。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池模块，其特征在于，
所述燃料电池模块具备一个以上的盒，所述一个以上的盒分别收容有两个以上的所述燃料电池单体，
各个所述第二管线与所述一个以上的盒连接。
4.根据权利要求3所述的燃料电池模块，其特征在于，
多个所述盒配置为列状，
所述第二管线包括：至少一根分支管，其沿着多个所述盒的排列方向配置；以及支管，其从该分支管分支出且与多个所述盒分别连接，
所述至少一根升温用燃料气体供给管包括与在多个所述盒的排列方向中央部设置的所述一根分支管连接的升温用燃料气体供给管。
5.根据权利要求3或4所述的燃料电池模块，其特征在于，
多个所述盒配置为列状，
所述第二管线包括：至少一根分支管，其沿着多个所述盒的排列方向配置；以及支管，其从该分支管分支出且与多个所述盒分别连接，
所述至少一根升温用燃料气体供给管包括如下升温用燃料气体供给管：所述升温用燃料气体供给管连接于与在多个所述盒的排列方向两端的至少一侧设置的所述盒连接的所述支管。
6.根据权利要求4或5所述的燃料电池模块，其特征在于，
各个所述第二管线包括位于盒列的侧方的直线配管部，所述多个第二管线各自的所述直线配管部隔着所述盒列而位于所述盒列的两侧。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的燃料电池模块，其特征在于，
所述燃料电池模块具备设置于所述升温用燃料气体供给管的阀。
8.根据权利要求7所述的燃料电池模块，其特征在于，
所述燃料电池模块具备用于对所述燃料电池单体的温度进行检测的一个以上的温度传感器。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的燃料电池模块，其特征在于，
所述燃料电池模块具备将所述多个燃料电池单体收容的压力容器，
所述升温用燃料气体供给管将所述压力容器贯通地设置，且所述升温用燃料气体供给管包括：外部配管部，其位于所述压力容器的外部；以及内部配管部，其位于所述压力容器内部的内部。
10.根据权利要求9所述的燃料电池模块，其特征在于，
所述燃料电池模块具备设置于所述升温用燃料气体供给管的阀，
所述阀设置于所述压力容器的外部。
11.一种发电系统，其特征在于，
所述发电系统具备：
权利要求1至10中任一项所述的燃料电池模块；以及
旋转设备，其使用从所述燃料电池模块排出的燃料废气和氧化性废气产生旋转动力，
向所述燃料电池模块供给使用所述旋转动力而压缩了的所述氧化性气体，所述燃料电池模块使用所述燃料气体和所述压缩了的氧化性气体进行发电。
12.根据权利要求11所述的发电系统，其特征在于，
所述旋转设备由燃气轮机或者涡轮增压器构成。
13.一种燃料电池模块的运转方法，其是权利要求1至10中任一项所述的燃料电池模块的运转方法，其特征在于，
所述燃料电池模块的运转方法具备升温步骤，所述升温步骤从所述至少一根升温用燃料气体供给管向在所述第二管线流动的所述氧化性气体添加所述燃料气体，而使所述氧化性气体升温。
14.根据权利要求13所述的燃料电池模块的运转方法，其特征在于，
在所述升温步骤中，
向在所述第二管线流动的所述氧化性气体添加从所述燃料电池单体排出的所述燃料气体的至少一部分。
15.根据权利要求13或14所述的燃料电池模块的运转方法，其特征在于，
使所述升温步骤在所述燃料电池模块的起动时、额定发电时或者部分负荷时进行。
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