JP2001043881A - 固体電解質型燃料電池モジュール - Google Patents
固体電解質型燃料電池モジュールInfo
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- JP2001043881A JP2001043881A JP11215413A JP21541399A JP2001043881A JP 2001043881 A JP2001043881 A JP 2001043881A JP 11215413 A JP11215413 A JP 11215413A JP 21541399 A JP21541399 A JP 21541399A JP 2001043881 A JP2001043881 A JP 2001043881A
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 従来の固体電解質型燃料電池モジュールにお
いては、燃料ガスの改質装置を燃料電池モジュールと別
体の装置として必要とするほか、システムのエネルギー
効率が低下すること、発電室の上部および下部管板の温
度が高温となることに伴って厚肉化や高級材料の使用が
必要となることなどの不具合がある。 【解決手段】 本発明は、発電室の内部及び／または発
電室に隣接する位置の燃料導入路内に水蒸気改質触媒を
配置することにより、発電室内の発電反応により発生し
た熱を、直接に前記水蒸気改質触媒に伝達させて、外部
から供給された燃料ガス改質の吸熱反応に有効に利用す
ることことができるようにした。これによりシステム全
体のエネルギー効率の向上を図ることが出来るととも
に、改質反応吸熱により発電室が冷却されるため発電室
を支持する容器構造部材の熱負荷を緩和することがで
き、また構造部材の材質および寸法に対する要求を軽減
することができる。
いては、燃料ガスの改質装置を燃料電池モジュールと別
体の装置として必要とするほか、システムのエネルギー
効率が低下すること、発電室の上部および下部管板の温
度が高温となることに伴って厚肉化や高級材料の使用が
必要となることなどの不具合がある。 【解決手段】 本発明は、発電室の内部及び／または発
電室に隣接する位置の燃料導入路内に水蒸気改質触媒を
配置することにより、発電室内の発電反応により発生し
た熱を、直接に前記水蒸気改質触媒に伝達させて、外部
から供給された燃料ガス改質の吸熱反応に有効に利用す
ることことができるようにした。これによりシステム全
体のエネルギー効率の向上を図ることが出来るととも
に、改質反応吸熱により発電室が冷却されるため発電室
を支持する容器構造部材の熱負荷を緩和することがで
き、また構造部材の材質および寸法に対する要求を軽減
することができる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、固体電解質型燃料
電池発電装置の改良に関する。
電池発電装置の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】メタンを主成分とする天然ガス等の炭化
水素燃料と水蒸気を直接供給して、固体電解質型燃料電
池の燃料極で、メタンの水蒸気改質反応を生じさせ、ま
た、固体電解質型燃料電池の発電反応で発生する熱の一
部をこの水蒸気改質反応の吸熱反応熱として利用するよ
うにした技術を内部改質技術という。
水素燃料と水蒸気を直接供給して、固体電解質型燃料電
池の燃料極で、メタンの水蒸気改質反応を生じさせ、ま
た、固体電解質型燃料電池の発電反応で発生する熱の一
部をこの水蒸気改質反応の吸熱反応熱として利用するよ
うにした技術を内部改質技術という。
【０００３】しかし、この内部改質技術は、固体電解質
型燃料電池においては、作動温度が８００℃から１００
０℃と高く、水蒸気と天然ガス中のＣ（炭素）のモル比
であるＳ／Ｃが３以上でも、燃料極でカーボンの発生が
見られ、この内部改質技術を固体電解質型燃料電池に適
用するには不具合が生じる。このため、従来の固体電解
質型燃料電池システムでは、固体電解質型燃料電池モジ
ュールへ供給する前に、改質装置を設け、天然ガスに部
分的に水蒸気改質反応をおこさせ、燃料ガスにした後、
固体電解質型燃料電池モジュールに供給するようにし
て、不具合を解消している。
型燃料電池においては、作動温度が８００℃から１００
０℃と高く、水蒸気と天然ガス中のＣ（炭素）のモル比
であるＳ／Ｃが３以上でも、燃料極でカーボンの発生が
見られ、この内部改質技術を固体電解質型燃料電池に適
用するには不具合が生じる。このため、従来の固体電解
質型燃料電池システムでは、固体電解質型燃料電池モジ
ュールへ供給する前に、改質装置を設け、天然ガスに部
分的に水蒸気改質反応をおこさせ、燃料ガスにした後、
固体電解質型燃料電池モジュールに供給するようにし
て、不具合を解消している。
【０００４】図５は、このような、従来の固体電解質型
燃料電池モジュールの断面を示す図である。図におい
て、外周が断熱材８で被包された容器１６の内部には、
発電室１が、その上部を下部管板１４で区画され、形成
されている。この発電室１には、電解質を介装して内部
に燃料極、外部に空気極を配置した固体電解質型燃料電
池を複数直列に接続してなり、下端を閉塞した円筒型に
された固体電解質型燃料電池スタック２（以下単にスタ
ックという）が多数鉛直状態に配置されている。
燃料電池モジュールの断面を示す図である。図におい
て、外周が断熱材８で被包された容器１６の内部には、
発電室１が、その上部を下部管板１４で区画され、形成
されている。この発電室１には、電解質を介装して内部
に燃料極、外部に空気極を配置した固体電解質型燃料電
池を複数直列に接続してなり、下端を閉塞した円筒型に
された固体電解質型燃料電池スタック２（以下単にスタ
ックという）が多数鉛直状態に配置されている。
【０００５】また、容器１６の発電室１の上方には、下
部管板１４および下部管板１４と間隔を設けて、その上
方に設けられた上部管板１３で区画された燃料排出室５
が、さらに、その上方の容器１６内の上端に、上部管板
１３で下方が区画された燃料供給室３が、それぞれ画成
されている。さらに、スタック２の円筒型の軸心部には
燃料供給管４が設置され、その上端は、燃料供給室３に
連通するとともに、下端は、下端が閉塞されたスタック
２の下端部に連通されている。また、図示しない輻射変
換体等により区画された容器１６内部の発電室１に下方
には、輻射変換体１７と間隔を設けて空気熱交換器６が
設けられている。
部管板１４および下部管板１４と間隔を設けて、その上
方に設けられた上部管板１３で区画された燃料排出室５
が、さらに、その上方の容器１６内の上端に、上部管板
１３で下方が区画された燃料供給室３が、それぞれ画成
されている。さらに、スタック２の円筒型の軸心部には
燃料供給管４が設置され、その上端は、燃料供給室３に
連通するとともに、下端は、下端が閉塞されたスタック
２の下端部に連通されている。また、図示しない輻射変
換体等により区画された容器１６内部の発電室１に下方
には、輻射変換体１７と間隔を設けて空気熱交換器６が
設けられている。
【０００６】また、燃料供給室３には、外部から燃料ガ
スＳＦを供給するための燃料導入管９が連結されてお
り、この燃料導入管９の途中には、天然ガスの部分的な
改質反応をするための改質装置１５が設けられている。
すなわち、外部から燃料導入管９で供給された天然ガス
と水蒸気の混合ガスＮＧ／ＳＴは、改質装置１５に入
り、ここで天然ガスＮＧの主成分である、メタンの一部
が、天然ガスとともに改質装置１５に移送された水蒸気
と反応し、水素と一酸化炭素の燃料ガスＳＦに分解され
改質される。この燃料ガスＳＦは、さらに、燃料導入管
９を通って燃料供給室３に供給される。
スＳＦを供給するための燃料導入管９が連結されてお
り、この燃料導入管９の途中には、天然ガスの部分的な
改質反応をするための改質装置１５が設けられている。
すなわち、外部から燃料導入管９で供給された天然ガス
と水蒸気の混合ガスＮＧ／ＳＴは、改質装置１５に入
り、ここで天然ガスＮＧの主成分である、メタンの一部
が、天然ガスとともに改質装置１５に移送された水蒸気
と反応し、水素と一酸化炭素の燃料ガスＳＦに分解され
改質される。この燃料ガスＳＦは、さらに、燃料導入管
９を通って燃料供給室３に供給される。
【０００７】燃料供給室３に供給された燃料ガスＳＦ
は、燃料供給室３から燃料供給管4内を通りスタック２
の下端部に供給され、燃料供給管４の外周上とスタック
2の内面との間を上昇する際に、スタック２の内側に設
けた燃料極における発電反応に使用された後、排燃料Ｅ
Ｆとなって、スタック２の上端を開口させた下部管板１
４を通過して、燃料排出室５に集められ、燃料排出室５
に設けた燃料排出管１０によって容器１６内から排出さ
れる。
は、燃料供給室３から燃料供給管4内を通りスタック２
の下端部に供給され、燃料供給管４の外周上とスタック
2の内面との間を上昇する際に、スタック２の内側に設
けた燃料極における発電反応に使用された後、排燃料Ｅ
Ｆとなって、スタック２の上端を開口させた下部管板１
４を通過して、燃料排出室５に集められ、燃料排出室５
に設けた燃料排出管１０によって容器１６内から排出さ
れる。
【０００８】また、燃料ガスＳＦとともに、スタック２
の発電に使用される供給空気ＳＡは、空気熱交換器６に
連結されている空気導入管１１によって、外部から空気
熱交換器６に供給される。空気熱交換器６には、発電室
１内で加熱された排空気ＥＡを容器１６外へ排出するた
め、発電室１内に垂設された空気排出管７の下端が連結
されている。空気導入管１１で空気熱交換器６に供給さ
れた供給空気ＳＡは、同様に空気排出管７で供給された
排空気ＥＡとの間で再生熱交換を行い予熱される。空気
熱交換器６で予熱された供給空気ＳＡは、発電室1の下
部を区画する多孔体の素材で形成された輻射変換体１７
の下方に供給される。輻射変換体１７は、スタック２か
ら放射される熱により高温となった発電室１からの熱を
受熱し、高温となっており、その内部を通過する予熱さ
れた供給空気ＳＡは、さらに加熱された後、スタック２
の外周面に供給されて発電反応に使用される。使用後の
排空気ＥＡは前述の空気排出管７に集められ、空気熱交
換器６を経て空気排出管１２より排気される
の発電に使用される供給空気ＳＡは、空気熱交換器６に
連結されている空気導入管１１によって、外部から空気
熱交換器６に供給される。空気熱交換器６には、発電室
１内で加熱された排空気ＥＡを容器１６外へ排出するた
め、発電室１内に垂設された空気排出管７の下端が連結
されている。空気導入管１１で空気熱交換器６に供給さ
れた供給空気ＳＡは、同様に空気排出管７で供給された
排空気ＥＡとの間で再生熱交換を行い予熱される。空気
熱交換器６で予熱された供給空気ＳＡは、発電室1の下
部を区画する多孔体の素材で形成された輻射変換体１７
の下方に供給される。輻射変換体１７は、スタック２か
ら放射される熱により高温となった発電室１からの熱を
受熱し、高温となっており、その内部を通過する予熱さ
れた供給空気ＳＡは、さらに加熱された後、スタック２
の外周面に供給されて発電反応に使用される。使用後の
排空気ＥＡは前述の空気排出管７に集められ、空気熱交
換器６を経て空気排出管１２より排気される
【０００９】このように、発電室１内の発熱を利用し
て、輻射変換体１７内で、空気熱交換器６で予熱された
供給空気ＳＡを、さらに加熱することで、発電室１内部
での空気の温度上昇幅を抑え、発電室１内部の温度差を
小さくすることができる。輻射変換体１７を通過して発
電室１内に供給された供給空気ＳＡは、発電室１内に鉛
直状態に配設されている、スタック２の外周面に沿って
上昇するとき、スタック２の外側に設けた空気極におけ
る発電反応に使用されるとともに、発電室１内の冷却を
行う。また、発電室１内での発電等に使用され、９００
〜１０００℃に加熱された排空気ＥＦは、前述の空気排
出管７に集められ、前述したように、空気熱交換器６に
導入され、供給空気ＳＡの予熱に使用された後、空気排
出管１２によって容器１６外へ排気される。
て、輻射変換体１７内で、空気熱交換器６で予熱された
供給空気ＳＡを、さらに加熱することで、発電室１内部
での空気の温度上昇幅を抑え、発電室１内部の温度差を
小さくすることができる。輻射変換体１７を通過して発
電室１内に供給された供給空気ＳＡは、発電室１内に鉛
直状態に配設されている、スタック２の外周面に沿って
上昇するとき、スタック２の外側に設けた空気極におけ
る発電反応に使用されるとともに、発電室１内の冷却を
行う。また、発電室１内での発電等に使用され、９００
〜１０００℃に加熱された排空気ＥＦは、前述の空気排
出管７に集められ、前述したように、空気熱交換器６に
導入され、供給空気ＳＡの予熱に使用された後、空気排
出管１２によって容器１６外へ排気される。
【００１０】このように、発電室１内は、スタック２に
おける発電のために、９００〜１０００℃の高温に保つ
必要があり、前述したように、発電室１を内部に収容す
る容器１６の外周を被包する断熱材８により保温され
て、高温を保持するようにしている。また、発電室１の
上部を区画する下部管板１４は、発電室１内に鉛直状態
に配置されているスタック２を支持すると同時に、燃料
排出室５内の排燃料ＥＦと発電室１内の供給空気ＳＡ、
又は排空気ＥＡとが混合燃焼するのを防止している。さ
らに、下部管板１４とともに、燃料排出室５を区画し、
容器１６の上端に設置される燃料供給室３の下部を区画
する上部管板１３は、スタック２の軸心部に垂下させた
燃料供給管４を支持するとともに、燃料供給室３と燃料
排出室５との隔壁となって燃料ガスＳＦと排燃料ＥＦと
の混合を防止している。
おける発電のために、９００〜１０００℃の高温に保つ
必要があり、前述したように、発電室１を内部に収容す
る容器１６の外周を被包する断熱材８により保温され
て、高温を保持するようにしている。また、発電室１の
上部を区画する下部管板１４は、発電室１内に鉛直状態
に配置されているスタック２を支持すると同時に、燃料
排出室５内の排燃料ＥＦと発電室１内の供給空気ＳＡ、
又は排空気ＥＡとが混合燃焼するのを防止している。さ
らに、下部管板１４とともに、燃料排出室５を区画し、
容器１６の上端に設置される燃料供給室３の下部を区画
する上部管板１３は、スタック２の軸心部に垂下させた
燃料供給管４を支持するとともに、燃料供給室３と燃料
排出室５との隔壁となって燃料ガスＳＦと排燃料ＥＦと
の混合を防止している。
【００１１】しかしながら、このような、従来の固体電
解質型燃料電池モジュールに使用する燃料ガスを得るた
めに、天然ガスの水蒸気改質反応に使用する改質装置１
５では、固体電解質型燃料電池モジュールと別体の装置
を必要とするほか、次のような不具合がある。
解質型燃料電池モジュールに使用する燃料ガスを得るた
めに、天然ガスの水蒸気改質反応に使用する改質装置１
５では、固体電解質型燃料電池モジュールと別体の装置
を必要とするほか、次のような不具合がある。
【００１２】（１）水蒸気改質反応が吸熱反応であり、
発電室１からの排燃料ＥＡや燃料ガスＳＦの一部を燃焼
するなどして改質装置１５を加熱する必要があり、シス
テムの効率が低下する。
発電室１からの排燃料ＥＡや燃料ガスＳＦの一部を燃焼
するなどして改質装置１５を加熱する必要があり、シス
テムの効率が低下する。
【００１３】（２）発電室１の温度は、９００〜１００
０℃であり、スタック２および燃料供給管４を支持す
る、下部管板１４および上部管板１３の温度が高温とな
るため、厚肉化や高級材料の使用が必要である。
０℃であり、スタック２および燃料供給管４を支持す
る、下部管板１４および上部管板１３の温度が高温とな
るため、厚肉化や高級材料の使用が必要である。
【００１４】（３）高温の、下部管板１４部および上部
管板１３部から容器１２外への放熱が多くなり、発電室
１から回収できる熱量が減少し、システムの効率が低下
する。
管板１３部から容器１２外への放熱が多くなり、発電室
１から回収できる熱量が減少し、システムの効率が低下
する。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上述した従
来の固体電解質型燃料電池モジュールの不具合を解消す
るため、別体の改質装置の設置を不要にできるととも
に、水蒸気改質反応に必要な加熱に、燃料や排燃料によ
る燃焼ガスを供給する必要がなく、また、下部管板およ
び上部管板の過熱を防止でき軽量化、低コスト化できる
とともに外部への放熱を少くして熱効率を向上できる燃
料電池モジュールを提供することを課題とする。
来の固体電解質型燃料電池モジュールの不具合を解消す
るため、別体の改質装置の設置を不要にできるととも
に、水蒸気改質反応に必要な加熱に、燃料や排燃料によ
る燃焼ガスを供給する必要がなく、また、下部管板およ
び上部管板の過熱を防止でき軽量化、低コスト化できる
とともに外部への放熱を少くして熱効率を向上できる燃
料電池モジュールを提供することを課題とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】本発明は、従来の固体電
解質型燃料電池モジュールにおいて解決が望まれる前述
の課題を解決するために、以下の手段を提供するもので
ある。
解質型燃料電池モジュールにおいて解決が望まれる前述
の課題を解決するために、以下の手段を提供するもので
ある。
【００１７】（１）外部から供給された炭化水素燃料を
水蒸気と反応させて水素と一酸化炭素に改質する水蒸気
改質触媒を、固体電解質が配置されて水素と酸素から発
電反応を行う発電室の内部および／または発電室に隣接
する位置に配置して、発電反応により前記発電室内で発
生した熱エネルギーを、直接に前記水蒸気改質触媒に伝
達させて改質反応に使用されるように構成したことを特
徴とする燃料電池モジュール。 （２）前記水蒸気改質触媒を燃料導入流路の内部に充填
したことを特徴とする前記（１）項に記載の燃料電池モ
ジュール。 （３）前記燃料導入流路は、前記発電室を内包する容器
の下部外側より挿入され前記発電室の内部及び／又は発
電室に隣接する位置を貫通して前記発電室上方に画成さ
れた燃料供給室に連通されていることを特徴とする前記
（１）ないし（２）項に記載の燃料電池モジュール。 （４）前記燃料導入流路は、前記発電室を内包する容器
の下部外側より挿入され同容器の下部に設置された燃料
ガス／排燃料熱交換器、前記発電室下方に画成された燃
料供給室を経て、同燃料供給室直上に配置された前記水
蒸気改質触媒、さらにその上に設置された輻射変換体を
通り前記発電室に連通されていることを特徴とする前記
（１）ないし（２）項に記載の燃料電池モジュール。
水蒸気と反応させて水素と一酸化炭素に改質する水蒸気
改質触媒を、固体電解質が配置されて水素と酸素から発
電反応を行う発電室の内部および／または発電室に隣接
する位置に配置して、発電反応により前記発電室内で発
生した熱エネルギーを、直接に前記水蒸気改質触媒に伝
達させて改質反応に使用されるように構成したことを特
徴とする燃料電池モジュール。 （２）前記水蒸気改質触媒を燃料導入流路の内部に充填
したことを特徴とする前記（１）項に記載の燃料電池モ
ジュール。 （３）前記燃料導入流路は、前記発電室を内包する容器
の下部外側より挿入され前記発電室の内部及び／又は発
電室に隣接する位置を貫通して前記発電室上方に画成さ
れた燃料供給室に連通されていることを特徴とする前記
（１）ないし（２）項に記載の燃料電池モジュール。 （４）前記燃料導入流路は、前記発電室を内包する容器
の下部外側より挿入され同容器の下部に設置された燃料
ガス／排燃料熱交換器、前記発電室下方に画成された燃
料供給室を経て、同燃料供給室直上に配置された前記水
蒸気改質触媒、さらにその上に設置された輻射変換体を
通り前記発電室に連通されていることを特徴とする前記
（１）ないし（２）項に記載の燃料電池モジュール。
【００１８】
【作用】本発明の固体電解質型燃料電池モジュールで
は、前述の課題を解決するための手段により、発電室内
の燃料導入流路内および／または発電室に隣接する位置
の燃料導入流路内で、水蒸気改質反応が起き、供給され
た炭化水素燃料が水蒸気と反応し、一部水素と一酸化炭
素に変化した燃料ガスに改質される。このときの水蒸気
改質反応は、吸熱反応であるが、この反応熱は、発電室
内の発電反応で発生した熱の伝達による直接加熱で賄わ
れる。
は、前述の課題を解決するための手段により、発電室内
の燃料導入流路内および／または発電室に隣接する位置
の燃料導入流路内で、水蒸気改質反応が起き、供給され
た炭化水素燃料が水蒸気と反応し、一部水素と一酸化炭
素に変化した燃料ガスに改質される。このときの水蒸気
改質反応は、吸熱反応であるが、この反応熱は、発電室
内の発電反応で発生した熱の伝達による直接加熱で賄わ
れる。
【００１９】これにより、水蒸気改質反応を行わせるた
めの別体の改質装置の設置が不要となるとともに、改質
装置を加熱するために必要となっていた、発電室から容
器の外に設けられた改質装置へ移送され燃焼させる排燃
料を供給しまたは燃料を使用することが不要となり、シ
ステムとしての効率を向上できる。
めの別体の改質装置の設置が不要となるとともに、改質
装置を加熱するために必要となっていた、発電室から容
器の外に設けられた改質装置へ移送され燃焼させる排燃
料を供給しまたは燃料を使用することが不要となり、シ
ステムとしての効率を向上できる。
【００２０】また、発電室内の燃料導入流路内および／
または発電室に隣接する位置の燃料導入流路内での水蒸
気改質反応による吸熱により、発電室からの放熱により
加熱される上部管板、および下部管板が冷却され、高温
化が防止できる。これにより、これらの管板の厚肉化、
若しくは高級材料の使用が不要となり、軽量化、および
低コスト化が達成できる。また、これらの管板の高温化
を防止することにより、これらの部分から、断熱材を通
って容器の外へ放出される熱量を少くでき、発電室で発
生する熱量の回収を多くでき、システムのほかの熱源と
して使用できるようになり、これにより、熱効率が改善
されシステム効率を向上できる。
または発電室に隣接する位置の燃料導入流路内での水蒸
気改質反応による吸熱により、発電室からの放熱により
加熱される上部管板、および下部管板が冷却され、高温
化が防止できる。これにより、これらの管板の厚肉化、
若しくは高級材料の使用が不要となり、軽量化、および
低コスト化が達成できる。また、これらの管板の高温化
を防止することにより、これらの部分から、断熱材を通
って容器の外へ放出される熱量を少くでき、発電室で発
生する熱量の回収を多くでき、システムのほかの熱源と
して使用できるようになり、これにより、熱効率が改善
されシステム効率を向上できる。
【００２１】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、図
１〜図４に示す。図１および図２は、発電室１内の燃料
導入管９内および発電室１の外周部に配置された燃料導
入管９内に水蒸気改質触媒１００が設置された固体電解
質型燃料電池モジュールの断面図である。図１と図２で
は、燃料供給室３と燃料排出室５の上下関係が互いに逆
になっている。また、図３および図４は、発電室１の下
部に配置された輻射変換体１７の下方に隣接して水蒸気
改質触媒１００が設置された固体電解質型燃料電池モジ
ュールの断面図である。図３と図４では、空気導入管１
１と空気排出管１２の位置関係が互いに逆になってい
る。以下に図１に示す実施例に基づいて説明する。ただ
し、この実施例に記載されている構成部品の形状、その
相対的位置等は特に特定的な記載がない限りは、この発
明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明に
すぎない。なお図５の従来例と同一部材については同一
符号を使用する。
１〜図４に示す。図１および図２は、発電室１内の燃料
導入管９内および発電室１の外周部に配置された燃料導
入管９内に水蒸気改質触媒１００が設置された固体電解
質型燃料電池モジュールの断面図である。図１と図２で
は、燃料供給室３と燃料排出室５の上下関係が互いに逆
になっている。また、図３および図４は、発電室１の下
部に配置された輻射変換体１７の下方に隣接して水蒸気
改質触媒１００が設置された固体電解質型燃料電池モジ
ュールの断面図である。図３と図４では、空気導入管１
１と空気排出管１２の位置関係が互いに逆になってい
る。以下に図１に示す実施例に基づいて説明する。ただ
し、この実施例に記載されている構成部品の形状、その
相対的位置等は特に特定的な記載がない限りは、この発
明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明に
すぎない。なお図５の従来例と同一部材については同一
符号を使用する。
【００２２】図１は、本発明の固体電解質型燃料電池モ
ジュールの一例を示す断面図である。断熱材を内包した
容器１６に被包された発電室１には、内側に燃料極、外
側に空気極を配置した固体電解質型燃料電池を複数直列
に接続してなる円筒型のスタック２が鉛直状態で配置さ
れている。前記発電室１の上方には、燃料供給室３、燃
料排出室５が順次設置されている。なお、スタック２の
上端は燃料供給室３に開口しており下端は閉鎖され発電
室１とは遮断されている。前記スタック２内には、下端
が前記スタック下部に開口し上端が前記燃料排出質に連
通する排燃料回収管４が挿入されている。燃料を燃料供
給室３に供給する燃料導入管９が、容器１６外部下方よ
り挿入され、発電室１、下部管板１４を貫通して燃料供
給室３に連通するとともに、発電室１の外周部を貫通し
て燃料供給室３に連通している。図においては、発電室
内には、複数のスタックが稠密に垂設されており、発電
室１内を貫通する燃料導入管９は、かかるスタックの間
隙を通って上部の燃料供給室へスムースに連通させるた
めに、容器１６の下部より発電室内へ挿入している。ま
た、図において容器１６外部下方より容器内に導入した
燃料導入管９は、発電室１内を貫通する配管と発電室１
の外周部を貫通する配管に分岐させているが、このよう
に燃料導入管９を分岐させずに前記のそれぞれの配管を
容器１６外部から別々に挿入してもよい。
ジュールの一例を示す断面図である。断熱材を内包した
容器１６に被包された発電室１には、内側に燃料極、外
側に空気極を配置した固体電解質型燃料電池を複数直列
に接続してなる円筒型のスタック２が鉛直状態で配置さ
れている。前記発電室１の上方には、燃料供給室３、燃
料排出室５が順次設置されている。なお、スタック２の
上端は燃料供給室３に開口しており下端は閉鎖され発電
室１とは遮断されている。前記スタック２内には、下端
が前記スタック下部に開口し上端が前記燃料排出質に連
通する排燃料回収管４が挿入されている。燃料を燃料供
給室３に供給する燃料導入管９が、容器１６外部下方よ
り挿入され、発電室１、下部管板１４を貫通して燃料供
給室３に連通するとともに、発電室１の外周部を貫通し
て燃料供給室３に連通している。図においては、発電室
内には、複数のスタックが稠密に垂設されており、発電
室１内を貫通する燃料導入管９は、かかるスタックの間
隙を通って上部の燃料供給室へスムースに連通させるた
めに、容器１６の下部より発電室内へ挿入している。ま
た、図において容器１６外部下方より容器内に導入した
燃料導入管９は、発電室１内を貫通する配管と発電室１
の外周部を貫通する配管に分岐させているが、このよう
に燃料導入管９を分岐させずに前記のそれぞれの配管を
容器１６外部から別々に挿入してもよい。
【００２３】燃料導入管９より供給された天然ガスと水
蒸気の混合ガスＮＧ／ＳＴは、燃料導入管９内に設置さ
れた水蒸気改質触媒１００により一部が水素と一酸化炭
素に改質され燃料ガスＳＦとなり、燃料供給室３に供給
される。水蒸気改質触媒１００としては、ニッケル系触
媒が適する、が、これだけに限定されるものではない。
燃料ガスＳＦは、燃料供給室３からスタック２内に流入
し排燃料回収管１９の外周面とスタック２の内面との間
をスタック下端まで下降する際に、スタック２の内側に
設けた燃料極における発電反応に使用された後、排燃料
ＥＦとなって排燃料回収管１９内を通過して燃料排出室
５に集められてから燃料排出管１０より排気される。
蒸気の混合ガスＮＧ／ＳＴは、燃料導入管９内に設置さ
れた水蒸気改質触媒１００により一部が水素と一酸化炭
素に改質され燃料ガスＳＦとなり、燃料供給室３に供給
される。水蒸気改質触媒１００としては、ニッケル系触
媒が適する、が、これだけに限定されるものではない。
燃料ガスＳＦは、燃料供給室３からスタック２内に流入
し排燃料回収管１９の外周面とスタック２の内面との間
をスタック下端まで下降する際に、スタック２の内側に
設けた燃料極における発電反応に使用された後、排燃料
ＥＦとなって排燃料回収管１９内を通過して燃料排出室
５に集められてから燃料排出管１０より排気される。
【００２４】また、発電に使用される供給空気ＳＡは、
空気導入管１１から空気熱交換器６に供給され、そこで
発電室１内で加熱された排空気ＥＡとの間で再生熱交換
を行い予熱される。予熱された供給空気ＳＡは、発電室
１の下方を区画する輻射変換体を通過して、さらに、加
熱されて、発電室１に供給される。そして、発電室１内
を上昇するとき、スタック２の外側に設けられた空気極
と発電反応し、発電を行う。この発電反応により、９０
０〜１０００℃に加熱された排空気ＥＡは、空気排出管
７に集められ、空気熱交換器６に送られ、前述の通り、
供給空気ＳＡと熱交換をした後、空気排出管１２で外部
へ排気される。
空気導入管１１から空気熱交換器６に供給され、そこで
発電室１内で加熱された排空気ＥＡとの間で再生熱交換
を行い予熱される。予熱された供給空気ＳＡは、発電室
１の下方を区画する輻射変換体を通過して、さらに、加
熱されて、発電室１に供給される。そして、発電室１内
を上昇するとき、スタック２の外側に設けられた空気極
と発電反応し、発電を行う。この発電反応により、９０
０〜１０００℃に加熱された排空気ＥＡは、空気排出管
７に集められ、空気熱交換器６に送られ、前述の通り、
供給空気ＳＡと熱交換をした後、空気排出管１２で外部
へ排気される。
【００２５】発電室内は９００〜１０００℃の高温に保
つ必要があり、発電室１全体は、断熱材９により保温さ
れる。なお、下部管板１４は、スタック２を支持すると
同時に、燃料ガスＳＦと発電室１内の供給空気ＳＡ若し
くは排空気ＥＡが混合燃焼するのを防止している。ま
た、上部管板１３は、排燃料回収管１９を支持すると共
に、燃料供給室３と燃料排出室５との隔壁となってい
る。
つ必要があり、発電室１全体は、断熱材９により保温さ
れる。なお、下部管板１４は、スタック２を支持すると
同時に、燃料ガスＳＦと発電室１内の供給空気ＳＡ若し
くは排空気ＥＡが混合燃焼するのを防止している。ま
た、上部管板１３は、排燃料回収管１９を支持すると共
に、燃料供給室３と燃料排出室５との隔壁となってい
る。
【００２６】このような構成の固体電解質型燃料電池モ
ジュールにおいて、発電室１内の燃料導入管９内および
発電室１の外周部の燃料導入管９内に設置された水蒸気
改質触媒１００に外部から供給され導かれた、天然ガス
と水蒸気の混合ガスＮＧ／ＳＴの水蒸気改質反応に伴う
吸熱は、発電室１内の発電反応で発生した熱の伝達によ
る直接加熱で賄われる。
ジュールにおいて、発電室１内の燃料導入管９内および
発電室１の外周部の燃料導入管９内に設置された水蒸気
改質触媒１００に外部から供給され導かれた、天然ガス
と水蒸気の混合ガスＮＧ／ＳＴの水蒸気改質反応に伴う
吸熱は、発電室１内の発電反応で発生した熱の伝達によ
る直接加熱で賄われる。
【００２７】
【発明の効果】以上述べたように、本発明の固体電解質
型燃料電池モジュールによれば、特許請求の範囲に示す
構成により、次の効果が得られる。
型燃料電池モジュールによれば、特許請求の範囲に示す
構成により、次の効果が得られる。
【００２８】（１）高温の固体電解質燃料電池モジュー
ルの発電室内部の燃料導入管内に水蒸気改質触媒が設置
されているため、メタンを主成分とする天然ガス等の炭
化水素燃料を、固体電解質燃料電池の燃料ガスに改質す
るために別体で設置される改質装置の設置が不要とな
り、装置全体のコンパクト化が図れる。
ルの発電室内部の燃料導入管内に水蒸気改質触媒が設置
されているため、メタンを主成分とする天然ガス等の炭
化水素燃料を、固体電解質燃料電池の燃料ガスに改質す
るために別体で設置される改質装置の設置が不要とな
り、装置全体のコンパクト化が図れる。
【００２９】（２）高温の発電室内の発電反応による熱
を直接利用して水蒸気改質反応をおこすことが可能で、
改質用の燃料や排燃料の燃焼ガスによる加熱が不要とな
り、システムの熱効率を向上できる。
を直接利用して水蒸気改質反応をおこすことが可能で、
改質用の燃料や排燃料の燃焼ガスによる加熱が不要とな
り、システムの熱効率を向上できる。
【００３０】（３）水蒸気改質反応の吸熱を利用して、
下部管板および上部管板を冷却することで、これらの管
板の過熱を防止できる。この管板の温度が低下すること
により、高温時において、管板の強度を維持するのに必
要であった肉厚が低減でき、あるいは材料の低級化を図
ることができる。
下部管板および上部管板を冷却することで、これらの管
板の過熱を防止できる。この管板の温度が低下すること
により、高温時において、管板の強度を維持するのに必
要であった肉厚が低減でき、あるいは材料の低級化を図
ることができる。
【００３１】（４）管板の温度が低下するため、管板部
から外部へ排出される熱量が少くなり、発電室で発生す
る熱をシステムで必要とする他の機器に、効果的に使用
でき、システムの熱効率を向上させることもできる。
から外部へ排出される熱量が少くなり、発電室で発生す
る熱をシステムで必要とする他の機器に、効果的に使用
でき、システムの熱効率を向上させることもできる。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】本発明の固体電解質型燃料電池モジュールの実
施形態の一例を示す側断面図である。
施形態の一例を示す側断面図である。
【図５】従来の固体電解質型燃料電池モジュールの実施
形態の一例を示す側断面図である。
形態の一例を示す側断面図である。
１ 発電室 ２ 固体電解質型燃料電池スタック ３ 燃料供給室 ４ 燃料供給管 ５ 燃料排出室 ６ 空気熱交換器 ７ 空気排出管 ８ 断熱材 ９ 燃料導入管 １０ 燃料排出管 １１ 空気導入管 １２ 空気排出管 １３ 上部管板 １４ 下部管板 １５ 改質装置 １６ 容器 １７ 輻射変換体 １８ 熱交換器 １９ 排燃料回収管 １００ 水蒸気改質触媒 ＳＡ 供給空気 ＥＡ 排空気 ＳＦ 燃料ガス ＥＦ 排燃料 ＮＧ／ＳＴ 天然ガスと水蒸気の混合ガス
Claims (4)
- 【請求項１】外部から供給された炭化水素燃料を水蒸気
と反応させて水素と一酸化炭素に改質する水蒸気改質触
媒を、固体電解質が配置されて水素と酸素から発電反応
を行う発電室の内部および／または発電室に隣接する位
置に配置して、発電反応により前記発電室内で発生した
熱エネルギーを、直接に前記水蒸気改質触媒に伝達させ
て改質反応に使用されるように構成したことを特徴とす
る固体電解質型燃料電池モジュール。 - 【請求項２】前記水蒸気改質触媒を燃料導入流路の内部
に充填したことを特徴とする請求項１に記載の固体電解
質型燃料電池モジュール。 - 【請求項３】前記燃料導入流路は、前記発電室を内包す
る容器の下部外側より挿入され前記発電室の内部及び／
又は発電室に隣接する位置を貫通して前記発電室上方に
画成された燃料供給室に連通されていることを特徴とす
る請求項１ないし請求項２に記載の固体電解質型燃料電
池モジュール。 - 【請求項４】前記燃料導入流路は、前記発電室を内包す
る容器の下部外側より挿入され同容器の下部に設置され
た燃料ガス／排燃料熱交換器、前記発電室下方に画成さ
れた燃料供給室を経て、同燃料供給室直上に配置された
前記水蒸気改質触媒、さらにその上に設置された輻射変
換体を通り前記発電室に連通されていることを特徴とす
る請求項１ないし請求項２に記載の固体電解質型燃料電
池モジュール。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21541399A JP4326078B2 (ja) | 1999-07-29 | 1999-07-29 | 固体電解質型燃料電池モジュール |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21541399A JP4326078B2 (ja) | 1999-07-29 | 1999-07-29 | 固体電解質型燃料電池モジュール |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001043881A true JP2001043881A (ja) | 2001-02-16 |
| JP4326078B2 JP4326078B2 (ja) | 2009-09-02 |
Family
ID=16671927
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP21541399A Expired - Lifetime JP4326078B2 (ja) | 1999-07-29 | 1999-07-29 | 固体電解質型燃料電池モジュール |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP4326078B2 (ja) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2002015310A2 (en) * | 2000-08-10 | 2002-02-21 | Siemens Westinghouse Power Corporation | Segregated exhaust fuel solid fuel cell generator |
| JP2002280050A (ja) * | 2001-03-21 | 2002-09-27 | Toto Ltd | 燃料電池発電装置 |
| JP2003086226A (ja) * | 2001-09-12 | 2003-03-20 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | 燃料電池システム |
| JP2004227846A (ja) * | 2003-01-21 | 2004-08-12 | Mitsubishi Materials Corp | 燃料電池モジュール |
| WO2007114110A1 (ja) * | 2006-03-31 | 2007-10-11 | Nippon Oil Corporation | 固体酸化物形燃料電池および改質器 |
| JP2010050101A (ja) * | 2009-09-25 | 2010-03-04 | Tokyo Gas Co Ltd | 発電装置 |
-
1999
- 1999-07-29 JP JP21541399A patent/JP4326078B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2002015310A2 (en) * | 2000-08-10 | 2002-02-21 | Siemens Westinghouse Power Corporation | Segregated exhaust fuel solid fuel cell generator |
| WO2002015310A3 (en) * | 2000-08-10 | 2003-04-03 | Siemens Westinghouse Power | Segregated exhaust fuel solid fuel cell generator |
| JP2002280050A (ja) * | 2001-03-21 | 2002-09-27 | Toto Ltd | 燃料電池発電装置 |
| JP2003086226A (ja) * | 2001-09-12 | 2003-03-20 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | 燃料電池システム |
| JP2004227846A (ja) * | 2003-01-21 | 2004-08-12 | Mitsubishi Materials Corp | 燃料電池モジュール |
| WO2007114110A1 (ja) * | 2006-03-31 | 2007-10-11 | Nippon Oil Corporation | 固体酸化物形燃料電池および改質器 |
| JP2007273317A (ja) * | 2006-03-31 | 2007-10-18 | Nippon Oil Corp | 固体酸化物形燃料電池および改質器 |
| KR101350127B1 (ko) | 2006-03-31 | 2014-01-09 | 제이엑스 닛코닛세키에너지주식회사 | 고체산화물형 연료전지 및 개질기 |
| JP2010050101A (ja) * | 2009-09-25 | 2010-03-04 | Tokyo Gas Co Ltd | 発電装置 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP4326078B2 (ja) | 2009-09-02 |
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