JP2008071511A

JP2008071511A - 固体酸化物形燃料電池モジュールとその運転方法

Info

Publication number: JP2008071511A
Application number: JP2006246604A
Authority: JP
Inventors: 心 ▲高▼橋; Shin Takahashi; Hiromi Tokoi; 博見床井; Akira Gunji; 章軍司; Tomoya Murota; 知也室田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2006-09-12
Filing date: 2006-09-12
Publication date: 2008-03-27
Also published as: US20080063907A1

Abstract

【課題】モジュールの温度分布を均一化すること。
【解決手段】燃料電池セルを複数集合させたモジュールにおいて、モジュールの中央部と周囲部に供給されるアノードガス又はカソードガスのガス温度又はガス流量を、独立に制御できるようにした。これにより、昇温時にモジュール中央部の温度が周囲部の温度に比べて高くなったときには、中央部に供給されるガスの温度又は流量を制御して中央部の温度上昇を抑えることができる。また、発電時にモジュール中央部の温度が周囲部の温度に比べて上昇したときには、モジュール中央部に供給するガスの温度を下げ、また流量を調整することで中央部の温度上昇を抑えて、モジュールの温度分布を均一化することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は固体酸化物形燃料電池モジュールとその運転方法に関する。

燃料電池は、電解質を挟んでアノードおよびカソードを備え、アノード側には燃料ガスを、カソード側には酸化剤ガス（主として空気）を供給し、電解質を介して燃料と酸化剤を電気化学的に反応させることにより発電する発電装置である。燃料電池の種類の一つである固体酸化物形燃料電池は、作動温度が７００〜１０００℃程度と高く、発電効率が高いこと、また排熱も利用しやすいことから研究が進められている。

通常、燃料電池は、電気出力を得るために、数十から数百程度のセルを積層させた集合体（モジュール）を構成している。通常、このモジュールは、バーナやヒータなどの外部熱源によって発電可能な所定の温度まで昇温させたのち、発電を行う。発電時には、ジュール熱によってセルが発熱し、熱的に自立して運転されるため、外部熱源を必要としない。ここで、昇温時にモジュールに温度分布が発生すると、熱応力によりセルが破損するおそれがあるため、温度分布を均一にして昇温する必要がある。また、発電時においても、セルにとっては、運転温度が低すぎると性能が発揮できず、逆に運転温度が高すぎると材料劣化を招き寿命が悪化することから、できるだけ温度分布を均一化して最適な温度範囲で運転することが望まれる。したがって、昇温時、発電時のいずれにおいても、モジュールの信頼性、性能、寿命にとってモジュールの温度分布を均一化することが望まれている。

モジュールの温度分布均一化に関しては、例えば、ガス供給管をモジュールの中央部に設けて中央部が冷却され易くした例（例えば、特許文献１参照）や、モジュールの中央部に空気供給管を多く配置して、中央部に供給されるガス流量を多くした例（例えば、特許文献２参照）が知られている。

特開２００５−１５８５３０号公報（段落番号００５８）特開２００６−５４１７５号公報（要約）

しかし、前記した従来技術では、いずれも、供給されるガスの流量および温度が独立に制御できない。そのため、例えば昇温時に、加熱したガスでモジュールを昇温する場合、空気室からガスをモジュールに供給すると、モジュールの中央部に優先的に高温のガスが大量に供給され、モジュールの中央部の温度が上昇し、温度分布が発生するという問題点がある。

本発明の目的は、昇温時および発電時のいずれにおいてもモジュールの温度分布を均一化することができるようにした固体酸化物形燃料電池モジュール及びその運転方法を提供することにある。

本発明は、固体酸化物形燃料電池セルを複数集合させた固体酸化物形燃料電池モジュールにおいて、当該モジュールの中央部に供給されるアノードガス及び／又はカソードガスと当該モジュールの周囲部に供給されるアノードガス及び／又はカソードガスのガス温度またはガス流量が独立に制御できるようにしたことを特徴とする。

また、本発明は、固体酸化物形燃料電池モジュールにおいて、当該モジュールにアノードガス又はカソードガスとして供給されるガスの分配器を備え、前記分配器から当該モジュールの中央部と周囲部にガスが分配供給されるようにし、当該モジュールの中央部に供給されるガスと当該モジュールの周囲部に供給されるガスのガス温度またはガス流量が独立して制御できるようにしたことを特徴とする。

また、本発明は、固体酸化物形燃料電池セルが複数集合したモジュールにアノードガスとカソードガスを供給して発電を行う固体酸化物形燃料電池モジュールの運転方法において、当該モジュールの中央部と周囲部の温度を計測し、その計測値に基づいて、当該モジュールの中央部へ供給するガスと当該モジュールの周囲部へ供給するガスの少なくとも一方のガス温度及び／又はガス流量を制御するようにしたことを特徴とする。

本発明によれば、モジュールの中央部と周囲部に供給するガスの温度または流量を独立に制御することができるので、昇温時および発電時の全てにおいて、モジュール中央部を効果的に冷却でき、温度分布を均一化することができる。

本発明は、モジュールの中央部に供給されるガスとモジュールの周囲部に供給されるガスのガス温度とガス流量を独立に制御できるようにしたものである。これにより、昇温時にモジュール中央部の温度が周囲部の温度に比べて高くなったときには、例えば中央部に供給されるガスの温度又は流量を制御して、中央部の温度上昇を抑えることが可能になった。また、発電時にモジュール中央部の温度が周囲部の温度に比べて上昇したときにも、例えばモジュール中央部に供給するガスの温度を下げ、また流量を調整することで、中央部の温度上昇を抑えることが可能になった。なお、本件において、「Ａ及び／又はＢ」の用語は、ＡとＢを含むもの、Ａのみを含むもの、及びＢのみを含むものを意味する。

本発明の実施に当たっては、複数のガス供給口を設けて、その一部からモジュール中央部へガスを供給し、他のガス供給口からモジュールの全域または周囲部へガスを供給することが望ましい。そして、それらのガス供給口から供給するガスの温度と流量を独立して制御できるようにすることが望ましい。

また、本発明の実施に当たっては、複数のガス供給口から供給されるガスの温度及び／又は流量を制御するための制御装置を備えることが望ましい。この制御装置は、モジュール周囲部温度とモジュール中央部温度の検知信号に基づいて制御信号を送信するものがよい。このために、本発明では、モジュールの周囲部の温度を検知するための温度検知器と、モジュールの中央部の温度を検知するための温度検知器を備えることが望ましい。また、これらの温度検知器の検知信号が入力されると、前記制御装置に対して制御信号を送信するシステム制御装置を更に備えることが望ましい。

また、本発明の実施に当たっては、アノードガス又はカソードガスを分配供給する分配器を設け、この分配器を介してモジュールの各セルにガスを供給することが望ましい。モジュールの一部に例えばヒータを設置しておけば、モジュール周囲部に供給されるガスを昇温して送ることができ、モジュール中央部の温度が高くなりすぎるのを抑えることができる。

分配器を備える場合、更に分配器に複数のガス供給口を備え、その一部から供給されたガスはモジュールの中央部へ供給され、それ以外のガス供給口から供給されたガスはモジュールの全域又は周囲部に供給されるようにすると共に、複数のガス供給口から供給されるガスの温度と流量を独立に制御できるようにすることが望ましい。このために、複数のガス供給口の一部を分配器の中央部まで延ばしてモジュール中央部へガスが供給され易くすることが望ましい。また、分配器の内部に仕切り板を設けて、仕切り板で囲まれた内部のガスがモジュール中央部へ供給されるようにすることが望ましい。

図２は、本発明と比較するために、一般的な固体酸化物形燃料電池モジュールの構成を示したものである。図２の（ａ）はモジュールの全体構成を示した概略断面図であり、（ｂ）はＡ−Ａ断面図である。固体酸化物形燃料電池セル８０は、図３に拡大図を示したように、有底円筒形をした固体酸化物電解質８０ｅの外側にアノード８０ａ、内側にカソード８０ｃを備えたものである。図２には、便宜上、３６本の固体酸化物形燃料電池セル８０が示されているが、通常は数十から数百程度のセルが、直列もしくは並列に積層集合され、発電が行われる。この集合体をモジュール３０と称する。

固体酸化物形燃料電池セル８０のカソード側には、カソードガス９０として酸化剤ガス（空気や燃焼ガス）を流す。このガスは、ガス供給口９３より供給され、各セルへガスを均等分配するための分配器であるヘッダ９１を通り、空気導入管９２を通ってカソード８０ｃに到達する。

一方、アノード側には、通常、都市ガスやＬＮＧ、ＬＰＧなどの炭化水素系燃料と水蒸気を混合したガスを改質器で一部あるいは全てを水蒸気改質させてからアノードガス１００として供給する。

このようにして供給されたカソードガス９０およびアノードガス１００が電気化学反応を生じることで、電気と熱が発生する。カソードガス９０とアノードガス１００の未反応ガスは、固体酸化物形燃料電池セル８０の出口側で混合して燃焼し、高温の排ガス１０１としてヘッダ９１と熱交換し、排気される。昇温時には、カソードガス９０として、ヒータで加熱した高温ガスや、またはバーナで燃焼させた酸素含有の高温ガスをカソード８０ｃに供給して、モジュールを発電可能な所定の温度まで昇温する。定格発電時には、室温の空気をカソードガス９０として供給し、固体酸化物形燃料電池セル８０の電気化学反応による熱を冷却して温度均一化を図る。部分負荷時においては、電気化学反応による熱が減少するため、排ガス１０１の熱を利用し、カソードガス９０の流量を下げて、或る程度予熱してからセルに供給する。このように、運転状況によりカソードガス９０の供給流量およびガス温度を変化させ、固体酸化物形燃料電池セル８０の温度を制御する。また、モジュール３０を取り囲む断熱材１によって、放熱を抑制する。

しかしながら、モジュール周囲部３０Ｌは、放熱分だけモジュール中央部３０Ｈよりもセル温度が低くなる傾向にあった。また、モジュールを大型化するためにセルの本数を多くすると、モジュール中央部３０Ｈの温度が上がりすぎて、最適な運転温度範囲を超える懸念があった。そのため、モジュール中央部を冷却する必要があるが、従来は、供給されるカソードガス９０の流量および温度が独立に制御できなかった。そのため、昇温時に、加熱したガスでモジュールを昇温する場合、例えば特許文献１のように空気室からガスをモジュールに供給すると、モジュールの中央部に優先的に高温のガスが大量に供給され、モジュールの中央部の温度が上昇し、温度分布が発生するという問題点があった。すなわち、従来の方法ではモジュール３０の温度分布が不均一となり、性能を発揮できず、また寿命も悪化することが問題であった。

図１は本発明の実施例であり、（ａ）はモジュールの全体構成を示す概略断面図、（ｂ）はＡ−Ａ断面図である。本実施例では、ヘッダ９１にガス供給口９３の他にもう一つのガス供給口２０１を設け、これらの２つのガス供給口よりカソードガスを供給する構成としている。ガス供給口２０１より供給されるカソードガス２００は、ガス供給口９３より供給されるカソードガス９０よりも低温となるように、排ガス１０１からの熱交換量を少なくした構成としている。さらに、ガス供給口２０１はヘッダ９１の中央部まで延びており、カソードガス２００がモジュール中央部３０Ｈを優先的に冷却できるようになっている。モジュール中央部へカソードガス２００を供給しやすくするために、図１に示すように仕切り板９４を設けても良い。この仕切り板９４はヘッダ９１を完全に分離するものではないため、カソードガス２００が不要の場合にはカソードガス９０によってモジュール中央部へガスが供給される。

このような構成とすることにより、ヘッダ９１に供給するカソードガスの流量および温度が独立に制御できることになる。例えば昇温時に、ガス供給口９３より高温のガスを供給した時に、モジュール中央部３０Ｈの温度が上がって来た場合には、ガス供給口２０１より所定流量の低温のカソードガス２００を供給して、モジュール中央部３０Ｈの温度上昇を抑制する。また、発電時にモジュール中央部３０Ｈが上がって来た場合にも、同様にガス供給口２０１より所定流量の低温のカソードガス２００を供給して、温度上昇を抑制できる。

つまり、ヘッダ９１へのガス供給口を２つとし、それぞれの供給口から流量および温度を独立に制御したカソードガスを供給することが可能となったため、昇温時および発電時の全てにおいてモジュール中央部３０Ｈを効果的に冷却でき、温度分布の均一化が達成できた。

図４は、モジュール中央部３０Ｈに設けられた温度センサ２Ａと、モジュール周囲部３０Ｌに設けられた温度センサ２Ｂによりモジュールの温度を検知し、それぞれ検知信号２ＡＳおよび検知信号２ＢＳとしてシステム制御装置３００に送信して制御を行うシステムを示す。温度センサ２Ａと２Ｂによってモジュール温度分布の情報が検知信号２ＡＳおよび２ＢＳとしてシステム制御装置３００に入力されると、モジュールの温度分布を均一化するようにシステム制御装置３００から制御信号３０１Ｓと制御信号３０２Ｓがそれぞれヘッダ制御装置３０１とヘッダ制御装置３０２に送信される。これらの制御信号により、例えば昇温時であればヘッダ制御装置３０１では制御信号３０１ＳＡによりガス供給口９３より供給されるカソードガス９０の温度および流量が制御される。具体的には、ヒータの制御温度やバーナの燃焼量である。また、ヘッダ制御装置３０２では制御信号３０２ＳＡによって、モジュール中央部に冷却ガスを供給するように、ガス供給口２０１から低温のカソードガス２００の供給を開始する。

発電時においても、温度センサ２Ａと２Ｂにより、ヘッダ制御装置３０１と３０２から、それぞれ流量および温度が制御されたカソードガス９０およびカソードガス２００が供給され、モジュール温度分布を低減するように働く。

このような制御により、モジュールの温度分布の均一化が可能となる。なお、本実施例では温度センサ２Ａおよび２Ｂにより制御する例を示したが、本発明の骨子は、ヘッダに複数のガス供給口を設け、それぞれに流量およびガス温度の異なるガスを供給することで、モジュールの温度分布均一化を図ることであるため、制御方式はこれに限定されるものではない。

また、本実施例では有底円筒形セルの例で説明したが、これ以外の例えば平板形をした固体酸化物形燃料電池の場合にも適用可能である。また、これまでの実施例ではヘッダをカソードガス用のヘッダとしたが、アノードガス用のヘッダでも同様に適用できる。

本発明の固体酸化物形燃料電池モシュールの一例を示した概略構成図である。一般的な固体酸化物形燃料電池モジュールの概略構成図である。単セルの構成図である。本発明の他の実施例を示す概略構成図である。

符号の説明

１…断熱材、２Ａ…温度センサ、２Ｂ…温度センサ、２ＡＳ…検知信号、２ＢＳ…検知信号、３０…モジュール、３０Ｌ…モジュール周囲部、３０Ｈ…モジュール中央部、８０…固体酸化物形燃料電池セル、８０ａ…アノード、８０ｃ…カソード、８０ｅ…固体酸化物電解質、９０…カソードガス、９１…ヘッダ、９２…空気導入管、９３…ガス供給口、９４…仕切り板、１００…アノードガス、１０１…排ガス、２００…カソードガス、２０１…ガス供給口、３００…システム制御装置、３０１…ヘッダ制御装置、３０１Ｓ…制御信号、３０１ＳＡ…制御信号、３０２…ヘッダ制御装置、３０２Ｓ…制御信号、３０２ＳＡ…制御信号。

Claims

固体酸化物形燃料電池セルを複数集合させた固体酸化物形燃料電池モジュールにおいて、当該モジュールの中央部に供給されるアノードガス及び／又はカソードガスと当該モジュールの周囲部に供給されるアノードガス及び／又はカソードガスのガス温度またはガス流量が独立に制御できるようにしたことを特徴とする固体酸化物形燃料電池モジュール。
請求項１において、前記アノードガスと前記カソードガスの少なくとも一方が複数のガス供給口から当該モジュールに供給されるようにし、複数のガス供給口の一部から当該モジュールの中央部へガスが供給され、それ以外のガス供給口から当該モジュールの全域または周囲部にガスが供給されるようにしたことを特徴とする固体酸化物形燃料電池モジュール。
請求項２において、複数の前記ガス供給口から供給されるガスの温度及び／又は流量を制御するための制御装置を備えたことを特徴とする固体酸化物形燃料電池モジュール。
請求項３において、前記制御装置が当該モジュールの周囲部温度と当該モジュールの中央部温度の検知信号に基づいて制御信号を送信するものであることを特徴とする固体酸化物形燃料電池モジュール。
請求項４において、当該モジュールの周囲部の温度を検知するための温度検知器と、当該モジュールの中央部の温度を検知するための温度検知器を有することを特徴とする固体酸化物形燃料電池モジュール。
請求項５において、前記温度検知器の検知信号が入力されると前記制御装置に対して制御信号を送信するシステム制御装置を備えたことを特徴とする固体酸化物形燃料電池モジュール。
複数の固体酸化物形燃料電池セルが集合した固体酸化物形燃料電池モジュールにおいて、当該モジュールにアノードガス又はカソードガスとして供給されるガスを各セルに分配する分配器を備え、前記分配器から当該モジュールの中央部と周囲部にガスが分配供給されるようにし、当該モジュールの中央部に供給されるガスと当該モジュールの周囲部に供給されるガスの温度または流量が独立して制御できるようにしたことを特徴とする固体酸化物形燃料電池モジュール。
請求項７において、前記分配器に複数のガス供給口を備え、その一部から当該モジュールの中央部へガスが供給され、それ以外のガス供給口から当該モジュールの全域又は周囲部にガスが供給されるようにしたことを特徴とする固体酸化物形燃料電池モジュール。
請求項８において、複数の前記ガス供給口から供給されるガスの温度及び／又は流量を制御するための制御装置を備えたことを特徴とする固体酸化物形燃料電池モジュール。
請求項９において、前記制御装置が当該モジュールの周囲部温度と当該モジュールの中央部温度の検知信号に基づいて制御信号を送信するものであることを特徴とする固体酸化物形燃料電池モジュール。
請求項１０において、当該モジュールの周囲部の温度を検知するための温度検知器と、当該モジュールの中央部の温度を検知するための温度検知器を有することを特徴とする固体酸化物形燃料電池モジュール。
請求項１１において、前記温度検知器の検知信号が入力されると前記制御装置に対して制御信号を送信するシステム制御装置を有することを特徴とする固体酸化物形燃料電池モジュール。
請求項８において、前記分配器の内部に当該モジュールの中央部へ供給されるガスと当該モジュールの周囲部へ供給されるガスとを仕切る仕切り板を設けたことを特徴とする固体酸化物形燃料電池モジュール。
固体酸化物形燃料電池セルが複数集合したモジュールにアノードガスとカソードガスを供給して発電を行う固体酸化物形燃料電池モジュールの運転方法において、当該モジュールの中央部と周囲部の温度を計測し、その計測値に基づいて、当該モジュールの中央部へ供給するガスと当該モジュールの周囲部へ供給するガスの少なくとも一方のガス温度及び／又はガス流量を制御するようにしたことを特徴とする固体酸化物形燃料電池モジュールの運転方法。
請求項１４において、前記ガス温度及び／又はガス流量が制御されるガスがカソードガスであることを特徴とする固体酸化物形燃料電池モジュールの運転方法。
請求項１４において、前記ガス温度及び／又はガス流量が制御されるガスがアノードガスであることを特徴とする固体酸化物形燃料電池モジュールの運転方法。