JP2008097936A - 固体酸化物形燃料電池モジュールおよびその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】モジュール１の酸化剤側バーナ５だけでなく、燃料側にもバーナ６を内蔵し、燃焼ガスで両側から直接加熱し、短時間で起動する固体酸化物形燃料電池モジュール１において、燃料側バーナの燃焼状態を良好に保ち、確実に短時間起動を実現する。
【解決手段】燃料側バーナ６のバーナ本体６１や予混合室６２に、冷却配管１７を設け、熱回収系１６と接続し、冷媒を供給することで燃料側バーナ６を冷却する。また、熱回収系１６の出口側に接続した熱交換器１８で、冷媒の持つ熱を回収する。
【効果】燃料側バーナ６を冷却して温度調整することにより、バーナの逆火（異常燃焼）を防止し、モジュールを均一に加熱し、その確実な短時間起動を実現する。また、回収した余剰熱を利用することでモジュールの総合効率を向上する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料と酸化剤とを反応させ電気を取り出す複数の単位セルを収納したセル容器を備えた固体酸化物形燃料電池モジュールおよびその制御方法に関する。

固体酸化物形燃料電池モジュールは発電温度が約８００〜１０００℃と高温であるため、発電可能な温度までモジュールを昇温する必要がある。近年、固体酸化物形燃料モジュールの実用化のため、モジュールの起動時間の短縮が試みられている。モジュールの短時間起動を可能とするモジュール構造や運転方法等が必要となっている。

固体酸化物形燃料電池モジュールの燃料側（アノード側とも呼ぶ）と酸化剤側（カソード側とも呼ぶ）を均一に加熱昇温し、短時間で起動させるモジュール構造として、特許文献１に示されるように、酸化剤側だけでなく、燃料側にもバーナを内蔵した構造が提案されている。このモジュール構造により、モジュールを燃料側および酸化剤側から同時にバーナで均一に加熱でき、モジュールの短時間起動を可能としている。

また、特許文献２には、例えば、燃料電池の内部を循環する冷却流体を被加熱流体とする流体加熱装置において、予混合ガスや燃焼室内を冷却することが開示されている。

さらに、特許文献３には、炭化水素原料を改質するために、液体燃料を気化する気化部と、気化された燃料を燃焼するバーナを備えた改質器において、前記気化部に冷却手段を設けることが開示されている。

特開２００１−１５５７５４号公報 特開２００２−３１３０７号公報 特開２００６−１２５９３号公報

特許文献１に開示された、酸化剤側だけでなく、燃料側にもバーナを内蔵した固体酸化物形燃料電池モジュールにおいては、下記の課題の存在が明らかになった。

固体酸化物形燃料電池モジュールに内蔵された酸化剤側および燃料側のバーナは、周囲を断熱材で囲むため、バーナ単体の場合と比べて温度が高くなる。特に、燃料電池に水素燃料を供給する燃料側バーナでは、燃料容器内の水素燃料を酸化させられないため、燃焼時に空気量が制限され、空気による冷却効果が小さく、温度が上昇し易い。この燃料側バーナには、燃料と空気を予め混合した燃料予混合気を供給するが、バーナ温度が上昇して燃料の発火温度を超えた場合、予混合気が発火し配管や予混合部で燃焼してしまう。これにより、バーナが正常に燃焼できなくなり、均一な加熱が不可能となって、折角のモジュールの短時間起動が困難となる。また、モジュール起動時の安全性確保の面からも好ましくない。

本発明の目的は、酸化剤側および燃料側の双方にバーナを内蔵した固体酸化物形燃料電池モジュールにおいて、内蔵されたバーナを正常な燃焼状態に保ち、確実なモジュールの短時間起動を実現するモジュール構造を提供することである。

本発明の他の目的は、空気等の酸化剤を直接加熱するだけでなく、水素燃料等をも直接加熱する固体酸化物形燃料電池モジュールの制御方法において、内蔵バーナを正常な燃焼状態に保ち、モジュールの確実な短時間起動を実現する制御方法を提供することである。

本発明はその一面において、酸化剤容器内の酸化剤を加熱する酸化剤側バーナと、燃料容器内の燃料を過熱する燃料側バーナとを備えた固体酸化物形燃料電池モジュールにおいて、前記燃料側バーナに、前記燃料容器内の燃料の温度を所定範囲内に保つ冷却手段を配置したことを特徴とする。

本発明の望ましい実施態様においては、前記冷却手段は、前記バーナの燃料予混合室を冷却するように構成する。

本発明の望ましい他の実施態様においては、前記冷却手段は、前記燃料側バーナのバーナ本体を冷却するように熱媒体の流路を構成する。

本発明は他の一面において、前記燃料側バーナの冷却によって温められた前記熱媒体から熱を回収する熱回収手段を備える。

本発明の望ましい実施態様においては、前記熱回収手段は、回収した熱を、（１）給湯設備の熱源、（２）排熱回収ボイラに供給し、蒸発式冷凍機を駆動させ、（３）タ−ビンに供給し、発電機を駆動させ、あるいは、（４）燃料側に供給する燃料の改質または水蒸気の発生用熱源として利用する。

本発明の望ましい実施態様によれば、バーナ燃料予混合気の温度を調整し、燃料予混合気の異常燃焼を防止し、バーナの燃焼状態を正常に保ち、モジュールの均一加熱が可能となり、固体酸化物形燃料電池の確実な短時間（例えば、１時間以内）起動を実現できる。

本発明の他の望ましい実施態様によれば、バーナおよび／またはバーナ燃料予混合気の冷却によって温められた熱媒体から熱を回収し、有効に利用することができる。

本発明のその他の目的と特徴は、以下に述べる実施形態の中で明らかにする。

本発明の第１の実施例を図１と図２を用いて説明する。

図１は、本発明の第１の実施例による燃料側バーナの予混合室に冷却手段を備えた固体酸化物形燃料電池モジュールを示す断面図と熱回収系ブロック構成図である。固体酸化物形燃料電池モジュールの運転温度は、８００℃〜１０００℃程度である。

固体酸化物形燃料電池モジュール１は、酸化剤容器２とセル容器３および燃料容器４から構成され、酸化剤容器２には酸化剤側バーナ５、燃料容器４には燃料側バーナ６が取付けられている。セル容器３の内部には単位セル７が複数本収納され、各単位セルは、電気良導体８で電気的に接続されている。モジュールの両端には、モジュールで発生した電流を取り出すためにカソード電極９とアノード電極１０が設けられ、カソード集電極１１およびアノード集電極１２を介して、単位セル７と接続される。

セル容器３と、これを挟む酸化剤容器２および燃料容器４の全体、並びに、酸化剤側バーナ５と燃料側バーナ６の全部又は一部は、断熱材１３で覆われる。

固体酸化物形燃料電池モジュール１の起動に際して、酸化剤側バーナ５と燃料側バーナ６に各々燃料と空気を供給して予混合し、バーナで燃焼させ、その燃焼ガスで直接セルを加熱昇温する。燃料側バーナ６は、バーナ本体６１と予混合室６２とからなり、図２に示すように、バーナ燃料配管６３およびバーナ空気配管６４から燃料と空気を導入する。

モジュール内の単位セル７が運転温度に達した後、酸化剤容器２には、空気供給管１４を通して空気が送られ、単位セル７のカソード集電極１１に供給される。また、燃料容器４には、燃料供給管１５から発電用の燃料が送られ、単位セル７のアノード集電極１２に供給される。単位セル７では、電気化学反応により、電流が発生する。モジュール全体で発生した電流は、カソード電極９とアノード電極１０から取り出される。

図１には、固体酸化物形燃料電池モジュール１の燃料側バーナ６から回収した熱を、給湯に利用する熱回収系１６を備えた実施例を示している。燃料側バーナ６の予混合室６２で温められた冷媒（熱媒体）を、配管１７を介して熱交換器１８に通し、熱媒体の熱で冷媒の流れと対向させて流した水を温める。温められた温湯は、貯湯槽１９に蓄えられ、給湯に利用される。

図２は、本発明の第１の実施例における燃料側バーナ部分の詳細断面図である。燃料側バーナ６の予混合室６２に、バーナ燃料配管６３とバーナ空気配管６４が接続されており、各々燃料と空気が一定割合で供給され、予混合室６２で混合された後、燃料側バーナ６のバーナ本体６１に供給され、燃焼される。予混合室６２内には、螺旋状の配管１７が設置されており、熱回収系１６と接続されている。熱回収系１６の出口側は、図１の熱交換器１８と接続されている。

固体酸化物形燃料電池モジュール１を起動する際、燃料側バーナ６の燃焼開始と同時に熱回収系１６を通して予混合室６２内に設置された配管１７に冷却水を供給することにより、予混合室６２内の予混合気が冷却され、温度上昇が効果的に抑えられた。これにより、バーナ燃料予混合気が、予混合室６２内で燃焼することがなくなり、燃料側バーナ６と、酸化剤側バーナ５によるモジュールの均一加熱が可能となった。これにより、固体酸化物形燃料電池モジュール１の確実な起動時間短縮を実現できた。

また、熱回収系１６の出口に接続した熱交換器１８で、予混合室６２内の予混合気の冷却によって温められた水から、熱を回収して利用することにより、モジュールの総合効率が向上した。

以上、この実施例では、熱媒体および熱交換器に流す水の流量を調節することで、燃料容器４内の燃料の温度を、所望の７００℃〜７５０℃に保つことができ、固体酸化物形燃料電池モジュール１の確実な短時間起動を実現することができた。また、燃料容器４内の燃料の温度を、上記の所望値内に保ちつつ、必要とする温度の給湯が可能となり、給湯時の再加熱が不要となり、バーナから回収した熱を有効に利用でき、固体酸化物形モジュール１の熱効率の向上を図ることができた。

固体酸化物形燃料電池モジュール１では、モジュールを昇温するためにバーナが内蔵されているが、これまで、バーナからの熱回収は行なわれていない。これに対し、本実施例によれば、内蔵した燃料側バーナ６の過熱を防ぎ、正常な燃焼状態を保ち、確実な短時間起動を実現すると同時に、確実な短時間起動を実現するために得られる燃料側バーナ６からの余剰熱を有効に利用できるという顕著な効果を発揮できる。

図３および図４は、本発明の第２の実施例による燃料側バーナの予混合室に冷却手段を備えた固体酸化物形燃料電池モジュールを示す断面図である。図３は、モジュールの燃料側バーナ６のバーナ本体６１に冷却手段を備えた固体酸化物形燃料電池モジュール１を示している。この第２の実施例のモジュール構造は、図３に示すように、燃料側バーナ６の冷却部分を除いて第１の実施例と同じであり、重複説明は避ける。

第２の実施例の燃料側バーナ６の詳細構造を図４に示す。第２の実施例では、燃料側バーナ６のバーナ本体６１の壁面に冷却水路２０を設け、冷却水路２０と熱回収系１６を接続している。熱回収系１６の出口側は、第１の実施例と同様に熱交換器１８に接続されている。

この第２の実施例においても、第１の実施例と同様に、固体酸化物形燃料電池モジュール１を起動する際、燃料側バーナ６の燃焼開始と同時に、熱回収系１６を通して、燃料側バーナ本体６１に設けられた冷却水路２０に冷却水を供給する。

これにより、燃料側バーナ６が冷却され、バーナにより温められていた予混合気も温度上昇が抑えられた。その結果、第１の実施例と同様に、バーナ燃料予混合気が予混合室６２内で燃焼することがなくなり、燃料側バーナ６と酸化剤側バーナ５によるモジュール１の均一加熱が可能となった。これにより、固体酸化物形燃料電池モジュール１の起動時間の短縮が可能となった。

第１および第２の実施例は共に、バーナ６（バーナ本体６１および／またはバーナ燃料予混合室６２）の冷却に水を用いており、モジュール１の起動時間を短縮したい場合に、冷却効果が大きいので特に有効である。

図５は、本発明の第３の実施例による熱回収系を備えた固体酸化物形燃料電池モジュールを示す断面図とブロック構成図である。この実施例は、燃料側バーナ６の予混合室６２の冷却にガスを用いた例を示している。

モジュール１の構成は、第１の実施例と同一である。予混合室６２を冷却する熱媒体にガスを用いることにより、予混合気の温度上昇を抑えて、モジュールの均一加熱が可能となる。これにより、第１および第２の実施例と同様に、モジュール１の起動時間短縮が可能となった。

図６は、本発明の第４の実施例による熱回収系を備えた固体酸化物形燃料電池モジュールを示す断面図とブロック構成図である。固体酸化物形燃料電池モジュール１の燃料側バーナ６の予混合室６２から回収した熱を、給湯に利用した実施例を示している。燃料側バーナ６の予混合室６２の熱で温められた熱媒体（冷媒）を、排熱回収ボイラ２１に通し、蒸気を発生させる。発生した蒸気を、蒸発式冷凍機２２に供給し、冷凍機２２を運転する。

本実施例構成では、燃料側バーナ６の予混合室６２から回収した熱を、冷凍機２２のエネルギー源として利用でき、固体酸化物形モジュール１の熱効率の向上が図れる。本実施例においても、燃料側バーナ６からの熱を有効に利用することが可能となる。

図７は、本発明の第５の実施例による熱回収系を備えた固体酸化物形燃料電池モジュールを示す断面図とブロック構成図である。固体酸化物形燃料電池モジュールのバーナから回収した熱を、動力源として利用した実施例を示している。バーナの熱で温められた熱媒体はタービン１０４に供給され、タービンが回転し、これに直結した発電機１０７で発電が行なわれる。本実施例では、バーナで回収した熱を動力として取り出すことが可能である。これにより，固体酸化物形モジュールの熱効率の向上が図れる。本実施例においても、バーナ部分からの熱を有効に利用することが可能となる。

図８は、本発明の第６の実施例による熱回収系を備えた固体酸化物形燃料電池モジュールを示す断面図とブロック構成図である。固体酸化物形燃料電池モジュール１のバーナ６から回収した熱を、固体酸化物形燃料電池の燃料容器４に供給する燃料の改質および蒸気の発生に用いた例を示している。燃料側バーナ６で温められた熱媒体（冷媒）を熱交換器１８１，１８２に通し、空気を対向して流し、温められた空気を改質器２５および蒸発器２６に流し、燃料の改質および蒸気の発生を行なう。改質後の燃料および発生した蒸気を固体酸化物形燃料電池モジュール１の燃料容器４に供給し、燃料電池としての発電を行なう。これにより、燃料側バーナ６から回収した余剰熱を、燃料の改質および蒸気の発生のエネルギー源として有効に利用できる。

図１および図６〜８の熱回収系１６の実施例により、これまで有効に利用されていなかった固体酸化物形燃料電池の燃料側バーナからの熱を、有効利用することが可能となり、固体酸化物形燃料電池の熱効率の向上を図ることができる。利用先としては、ユーザの使用条件に応じて給湯、冷凍のエネルギー源、発電機の動力、あるいは発電に必要となる燃料の改質や蒸気の発生に利用している。

以上述べた本発明の実施例から、固体酸化物形燃料電池の燃料側バーナを冷却し、温度を調整すると共に、熱を回収することで、モジュールの起動時間短縮と、総合効率の向上の両立を図ることができる。

本発明の第１の実施例による燃料側バーナの予混合室に冷却手段を備えた固体酸化物形燃料電池モジュールを示す断面図と熱回収系ブロック構成図。 本発明の第１の実施例における燃料側バーナ部分の詳細断面図。 本発明の第２の実施例による燃料側バーナの予混合室に冷却手段を備えた固体酸化物形燃料電池モジュールを示す断面図。 本発明の第２実施例における燃料側バーナ部分の詳細断面図。 本発明の第３実施例による熱回収系を備えた固体酸化物形燃料電池モジュールを示す断面図とブロック構成図。 本発明の第４の実施例による熱回収系を備えた固体酸化物形燃料電池モジュールを示す断面図とブロック構成図。 本発明の第５の実施例による熱回収系を備えた固体酸化物形燃料電池モジュールを示す断面図とブロック構成図。 本発明の第６の実施例による熱回収系を備えた固体酸化物形燃料電池モジュールを示す断面図とブロック構成図。

符号の説明

１…固体酸化物形燃料電池モジュール、２…酸化剤容器、３…セル容器、４…燃料容器、５…酸化剤側バーナ、６…燃料側バーナ、６１…バーナ本体、６２…予混合室、６３…バーナ燃料配管、６４…バーナ空気配管、７…単位セル、８…電気良導体、９…カソード電極、１０…アノード電極、１１…カソード集電極、１２…アノード集電極、１３…断熱材、１４…空気供給管、１５…燃料供給管、１６…熱回収系、１７…配管、１８，１８１，１８２…熱交換器、１９…貯湯槽、２０…冷却水路、２１…排熱回収ボイラ、２２…蒸発式冷凍機、２３…タービン、２４…発電機、２５…改質器、２６…蒸発器。

Claims (20)

1. 外部から燃料を供給される燃料容器と、外部から酸化剤を供給される酸化剤容器と、前記燃料容器からの燃料と前記酸化剤容器からの酸化剤とを反応させ電気を取り出す複数の単位セルを収納したセル容器と、前記酸化剤容器内の酸化剤を加熱する酸化剤側バーナと、前記燃料容器内の燃料を加熱する燃料側バーナを備えた固体酸化物形燃料電池モジュールにおいて、前記燃料側バーナに、前記燃料容器内の燃料の温度を所定範囲内に保つ冷却手段を配置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。
2. 請求項１において、前記燃料側バーナは、バーナ本体と、このバーナ本体へ導入する燃料と空気を混合するバーナ燃料予混合室とを備え、前記冷却手段は、前記バーナ燃料予混合室を冷却するように構成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。
3. 請求項１において、前記燃料側バーナは、バーナ本体と、このバーナ本体へ導入する燃料と空気を混合するバーナ燃料予混合室とを備え、前記冷却手段は、前記バーナ本体を冷却するように構成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。
4. 請求項１〜３のいずれかにおいて、前記冷却手段は、前記燃料側バーナを通る熱媒体の流路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。
5. 請求項１〜４のいずれかにおいて、前記燃料側バーナの冷却によって温められた熱媒体から熱を回収する熱回収手段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。
6. 請求項５において、前記熱回収手段は、熱交換器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。
7. 請求項４〜６のいずれかにおいて、前記熱媒体として、水，空気，または不活性ガスを用いたことを特徴とする固体酸化物形燃料電池モジュール。
8. 請求項１〜７のいずれかにおいて、前記冷却手段によって前記燃料側バーナから回収した熱を、熱および動力として利用する熱回収系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。
9. 請求項１〜７のいずれかにおいて、前記冷却手段によって前記燃料側バーナから回収した熱を、給湯設備の熱源として利用する熱回収系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。
10. 請求項１〜７のいずれかにおいて、前記冷却手段によって前記燃料側バーナから回収した熱を、排熱回収ボイラに供給し、蒸発式冷凍機を駆動させる熱回収系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。
11. 請求項１〜７のいずれかにおいて、前記冷却手段によって前記燃料側バーナから回収した熱を、タ−ビンに供給し、発電機を駆動させる熱回収系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。
12. 請求項１〜７のいずれかにおいて、前記冷却手段によって前記燃料側バーナから回収した熱を、前記モジュールの燃料容器に供給する燃料の改質または水蒸気の発生用熱源として利用する熱回収系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。
13. 複数の単位セルを収容したセル容器と、このセル容器を挟むように配置された水素等の燃料を導入する燃料容器および酸素等の酸化剤を導入する酸化剤容器と、この酸化剤容器内の酸化剤を加熱する酸化剤側バーナと、前記燃料容器内の燃料を加熱する燃料側バーナと、前記燃料容器とセル容器および酸化剤容器を覆う断熱材とを備えた固体酸化物形燃料電池モジュールにおいて、前記燃料側バーナの外方に隣接して配置され、前記燃料側バーナの燃料と酸化剤とを導入しこれらを予め混合する予混合室と、この予混合室に配管され熱媒体を通す冷却配管と、この熱媒体を介して回収した熱を、熱および／または動力として利用する熱回収系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。
14. 燃料容器に外部から燃料を供給するステップと、前記燃料容器内の燃料を燃料側バーナで過熱するステップと、酸化剤容器に外部から酸化剤を供給するステップと、前記酸化剤容器内の酸化剤を酸化剤側バーナで加熱するステップと、複数の単位セルを収納したセル容器内で、前記燃料容器からの加熱燃料と前記酸化剤容器からの加熱酸化剤とを反応させ電気を取り出すステップを備えた固体酸化物形燃料電池モジュールの制御方法において、前記燃料側バーナに、前記燃料容器内の燃料の温度を所定範囲内に保つ冷却ステップ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の制御方法。
15. 請求項１４において、前記燃料側バーナのバーナ本体へ導入する燃料と空気を、バーナ燃料予混合室で混合するステップを備え、前記冷却ステップは、前記バーナ燃料予混合室を冷却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の制御方法。
16. 請求項１４において、前記燃料側バーナのバーナ本体へ導入する燃料と空気を、バーナ燃料予混合室で混合するステップを備え、前記冷却ステップは、前記バーナ本体を冷却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の制御方法。
17. 請求項１４〜１６のいずれかにおいて、前記冷却ステップは、前記燃料側バーナのバーナ本体を通る熱媒体の流路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の制御方法。
18. 請求項１４〜１７のいずれかにおいて、前記冷却ステップによって温められた熱媒体から熱を回収する熱回収ステップ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の制御方法。
19. 請求項１８において、前記熱回収ステップは、熱交換器を用いて、前記冷却ステップによって温められた熱媒体から熱を回収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の制御方法。
20. 請求項１７〜１９のいずれかにおいて、前記冷却ステップは、熱媒体として、水，空気，または不活性ガスを用い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制御方法。

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