JP2008135300A - 固体電解質燃料電池モジュール及び固体電解質燃料電池の空気供給方法 - Google Patents

Abstract

【課題】モジュールの小型化を図ることができる固体電解質燃料電池モジュール及び固体電解質燃料電池の空気供給方法を提供する。
【解決手段】発電室２４と、前記発電室２４に設けられ、内側に燃料極を外側に空気極を配置した固体電解質燃料電池を複数直列に接続してなる円筒型のスタック２７と、前記スタック２７へ燃料４１を供給する燃料供給室２６と、前記固体電解質燃料電池で反応した燃料側排ガス４１を外部へ排出する燃料排出室２５と、一端が前記燃料供給室２６に連通し、他端が前記スタック２７の先端まで延出する燃料供給管２９と、前記発電室２４の周囲を断熱すると共に、該発電室２４内に空気４５を供給する空気供給配管１１を少なくとも一面に有してなり、前記発電室２４からの放熱により供給される空気４５を加熱する断熱炉壁部１２とを具備する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、モジュールの小型化を図ることができる固体電解質燃料電池モジュール及び固体電解質燃料電池の空気供給方法に関する。

固体電解質型燃料電池では、発電時の発熱を利用した自立運転を実現するため、従来構造では、発電室周りに断熱材を設置し、発電室からの放熱量を抑えている。

従来、高温固体電解質燃料電池は作動温度が８００℃から１０００℃と高く、固体電解質燃料電池スタックを含む発電室を高温に維持する必要があり、断熱構造でモジュールを構成している。また、空気の熱交換器を用いて排空気との間で再生熱交換を行い、供給空気を予熱するとともに、輻射変換体を用いて高温の燃料電池スタックから放射される熱を用いて輻射変換体で空気を加熱している。

図７は、従来の固体電解質燃料電池モジュール（以下「モジュール」ともいう。）２０を示す。図７中の符番２１は、モジュール全体を保温する断熱材からなる断熱部を示す。この断熱部２１で囲まれた領域は、下部管板２２，上部管板２３により、下側から順に発電室２４，燃料排出室２５，燃料供給室２６に分離されている。ここで、前記下部管板２２は後述する高温固体電解質燃料電池スタック２７を支持すると同時に、燃料排ガス４０と発電室２４内の空気４５が混合燃焼するのを防止している。前記上部管板２３は、後述する燃料供給管を支持すると共に、燃料供給室２６と燃料排出室２５の隔壁となっている。前記発電室２４には、内側に図示していない燃料極、外側に空気極を配置した固体電解質燃料電池を複数直列に接続してなる円筒型の高温固体電解質燃料電池スタック２７が配置されている。前記発電室２４の下方には、多孔質熱電材料を用いた輻射変換体２８が配置されている。

前記固体電解質燃料電池スタック２７内には、一端（上端）が前記燃料供給室２６に連通された燃料供給管２９が配置されている。前記発電室２４には空気排出管３０が設けられ、この空気排出管３０の下部には空気熱交換器３１が連通されている。燃料ガスは前記燃料供給室２６に供給される。燃料ガスは、燃料供給室２６から燃料供給管２９を通って固体電解質燃料電池スタック２７に供給され、発電に使用された後、燃料排出室２５に集められ排気される。空気は前記空気熱交換器３１により排空気との間で再生熱交換を行い予熱される。前記輻射変換体２８は、高温固体電解質燃料電池スタック２７から放射される熱を受熱し予熱された空気をさらに加熱する。発電室２４内の発熱を利用して輻射変換体２８内で空気の加熱を行うことで、発電室２４内部での空気の温度上昇幅を抑え、発電室24内の上部と下部との温度差を小さくしている。

前記空気４５は前記輻射変換体２８から発電室２４に供給され、発電室２４内で発電を行い、９００〜１０００℃に加熱された後、空気排出管３０に集められ、空気熱交換器３１に送られ、排空気４６として排気される。発電室２４内は９００〜１０００℃の高温に保つ必要があり、モジュール全体は前記断熱部２１により保温される（特許文献１）。

特開平０９−２８９０３０号公報

ところで、前記断熱部２１はその断熱効果を高めるために、モジュールに占める断熱材容積は大きいが、モジュールの小型化を促進するという観点からは、断熱材の薄肉化を達成するのが望ましい。

しかしながら、単なる断熱材の薄肉化は、モジュール内の雰囲気温度の上昇による集電部品等の耐熱の問題や放熱量増大によるシステム効率の低下を招いてしまう、という問題がある。
また、一方、放熱を低く抑えるような高性能断熱材を使用すれば、断熱部２１の一定の薄肉化は可能であるが、高性能断熱材の使用は製造コストの増大となる、という問題がある。

本発明は、前記問題に鑑み、モジュールの小型化を図ることができる固体電解質燃料電池モジュール及び固体電解質燃料電池の空気供給方法を提供することを課題とする。

上述した課題を解決するための本発明の第１の発明は、発電室と、前記発電室に設けられ、内側に燃料極を外側に空気極を配置した固体電解質燃料電池を複数接続してなる円筒型のスタックと、前記スタックへ燃料を供給する燃料供給室と、前記固体電解質燃料電池で反応した燃料側排ガスを外部へ排出する燃料排出室と、前記発電室の周囲を断熱すると共に、該発電室内に空気を供給する空気供給配管を少なくとも一面の内部に配設してなり、前記発電室からの放熱により供給される空気を加熱する断熱炉壁部とを具備する固体電解質燃料電池モジュールにある。

第２の発明は、第１の発明において、前記発電室中央部分に配設される空気供給配管が熱放出部を有してなることを特徴とする固体電解質燃料電池モジュールにある。

第３の発明は、固体電解質燃料電池を複数直列に接続してなる円筒型のスタックを配する発電室からの放熱を用い、発電室周囲を断熱する断熱炉壁部内で、発電室内に供給する空気を加熱することを特徴とする固体電解質燃料電池の空気供給方法にある。

第４の発明は、第３の発明において、供給する空気量を絞りつつ空気を供給し熱交換し、システムの発電効率を向上することを特徴とする固体電解質燃料電池の空気供給方法にある。

本発明によれば、断熱炉壁内部に発電室内に空気を供給する空気供給配管を配設するので、発電室からの放熱により空気を加熱することができ、外部への放熱の熱量を少なくすることで、断熱炉壁を薄くすることができる。

以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施例における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。

本発明による実施例に係るについて、図面を参照して説明する。
図１は、実施例に係る固体電解質燃料電池モジュールを示す概念図である。図２はその内部を省略した斜視概略図である。
図１及び図２に示すように、本実施例に係る固体電解質燃料電池モジュール１０Ａは、発電室２４と、前記発電室２４に設けられ、内側に燃料極を外側に空気極を配置した固体電解質燃料電池を複数直列に接続してなる円筒型のスタック２７と、前記スタック２７へ燃料４１を供給する燃料供給室２６と、前記固体電解質燃料電池で反応した燃料側排ガス４１を外部へ排出する燃料排出室２５と、一端が前記燃料供給室２６に連通し、他端が前記スタック２７の先端まで延出する燃料供給管２９と、前記発電室２４の周囲を断熱すると共に、該発電室２４内に空気４５を供給する空気供給配管１１を少なくとも一面に有してなり、前記発電室２４からの放熱により供給される空気４５を加熱する断熱炉壁部１２とを具備するものである。なお、円筒型のスタック２７の接続には、前記直列複数接続以外に、例えば並列複数接続としてもよい。

ここで、本実施例では、円筒型のスタック２７を支持する構造として、図１に示すような片端支持構造としているが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば図５に示すような両端で円筒型のスタック２７を支持するような固体電解質燃料電池モジュール１０Ａ等の他の構造のものであってもよい。

本発明では、図３−１に示すように、発電室２４側壁の断熱構造部に、供給空気（約４００℃）４５ａを通気できる空気供給管１１を設け、発電室２４からの放熱量を供給空気４５で積極的に受熱し、発電室２４内に熱交換空気（約５００℃）を導入することができると共に、その熱交換により断熱炉壁部１２を冷却することで、必要な断熱材の薄肉化を図ることができる。
なお、空気供給管１１の配設は、発電室２４の周囲を覆う断熱炉壁部１２の少なくとも一側面で足りるが、対向する炉壁或いは炉壁の周囲全てに亙って空気供給管１１を配設するようにしてもよい。また、モジュールを複数連結するような場合には、その周囲を覆う炉壁部に同様に空気供給管を配設するようにすればよい。

具体的な構造としては、図２に示すような、発電室２４側壁の断熱材自体に加工を施し、空気供給ラインを配設するような構造や、断熱材内に小径の配管を埋め込み空気ラインとする構造などにより放熱による熱交換を図るようにしている。なお、空気供給配管は直列接続に限定されるものではない。

本発明によれば、上述のとおり、積極的に発電室内の放熱を外部へ逃がすようにしているので、断熱材を薄肉化でき、その結果モジュールの小型化を促進することとなる。

また、従来構造では、図３−２に示すように、供給空気（約４００℃）４５ａの加熱はモジュールからの排空気４６を用いた空気熱交換器３１の熱交換によっていたが、本実施例では、炉壁部からの放熱を利用して加熱するため、従来用いていた熱交換器３１が不要となる。

また、従来構造での、円筒型のスタック２７のセルの温度分布は、概略、図４−２のように鉛直軸方向に亙って弓なりの温度分布を持つので、セルの出力を上げるには、供給空気４５を絞り、セル全体の温度を上げるのが有効であるが、セルの一部のみ（特に中央部）が、耐熱温度（約９３０℃近傍）に触れるため、供給空気を絞れず（システム効率を上げられず）、結果として出力も上げられない状態であった。

一方、本実施例では、発電室内壁面からの放熱量を従来に比べ大きく確保できる（図３−１）ので、円筒型のスタック２７のセルの温度分布はフラット化できることとなる（図４−１の点線）。この結果、供給空気流量を従来流量より絞って、セル全体の温度を上げることができ、システム効率の向上を図ることができる。

即ち、従来の断熱構造では、セルの温度分布が軸方向に１００℃程度以上あり、セルの出力増加を期待して、セル全体をより高くするために、供給空気量を絞るとすると、一部のセル温度（中央部）が耐熱温度に触れるため、低い空気利用率での運転を余儀なくされていた。

これに対し、本発明の断熱構造を適用する場合には、そのようなことが解消され、より高空気利用率での運転が可能となり、システム効率の向上を図ることができる。また、セルの温度分布をより高温でフラット化（図４−１中一点鎖線）することが期待されるためセル出力も更に向上することとなる。

一方、従来と同様に供給する空気４５が同じ供給量の場合には、点線となり、空気を絞ることにより、軸方向に亙って弓状となる。また、上下のバランスをよくすることで一点鎖線のようになり、システム効率の向上を図ることができる。

よって、本発明により、空気利用率の１０〜１５％の向上を図ることができ、出力の１５〜２０％以上の大幅な向上を図ることができる。

また、図６に示すように、前記発電室２４の中央部分１３に配設される空気供給配管１１に対して、伝熱を促進することができるような例えばフィン等の熱放出部を設け、発電室内部からの放熱を促進させ、さらなる熱交換効率を向上させるようにしてもよい。
または空気ラインの配管の配設密度を上げる構造とするようにしてもよい。

以上のように、本発明に係る固体電解質燃料電池モジュールによれば、高価な高性能の断熱材を用いることなく、内部から放熱する熱を供給する空気で熱交換する薄い断熱炉壁部を設けることにより、モジュールの小型化を図ることができる。

本実施例に係る固体電解質燃料電池モジュールを示す概念図である。 その内部を省略した斜視概略図である。 本実施例に係る炉壁断熱構造概念図である。 従来技術に係る炉壁断熱構造概念図である。 本実施例に係るセル軸方向の温度分布とセル高さ方向温度分布との関係を示す図である。 従来技術に係るセル軸方向の温度分布とセル高さ方向温度分布との関係を示す図である。 本実施例に係る固体電解質燃料電池モジュールを示す概念図である。 本実施例に係る他の固体電解質燃料電池モジュールを示す概念図である。 従来技術に係る体電解質燃料電池モジュールを示す概念図である。

符号の説明

１０、２０ 固体電解質燃料電池モジュール
１１ 空気供給配管
１２ 断熱炉壁部
２１ 断熱材
２２ 下部管板
２３ 上部管板
２４ 発電室
２５ 燃料排出室
２６ 燃料供給室
２７ 円筒型のスタック
２８ 輻射変換体
２９ 燃料供給管
３０ 空気排出管
３１ 空気熱交換器
４０ 燃料
４１ 排燃料
４５ 空気
４６ 排空気

Claims (4)

1. 発電室と、
   前記発電室に設けられ、内側に燃料極を外側に空気極を配置した固体電解質燃料電池を複数接続してなる円筒型のスタックと、
   前記スタックへ燃料を供給する燃料供給室と、
   前記固体電解質燃料電池で反応した燃料側排ガスを外部へ排出する燃料排出室と、
   前記発電室の周囲を断熱すると共に、該発電室内に空気を供給する空気供給配管を少なくとも一面の内部に配設してなり、前記発電室からの放熱により供給される空気を加熱する断熱炉壁部とを具備する固体電解質燃料電池モジュール。
2. 請求項１において、
   前記発電室中央部分に配設される空気供給配管が熱放出部を有してなることを特徴とする固体電解質燃料電池モジュール。
3. 固体電解質燃料電池を複数直列に接続してなる円筒型のスタックを配する発電室からの放熱を用い、発電室周囲を断熱する断熱炉壁部内で、発電室内に供給する空気を加熱することを特徴とする固体電解質燃料電池の空気供給方法。
4. 請求項３において、
   供給する空気量を絞りつつ空気を供給し熱交換し、システムの発電効率を向上することを特徴とする固体電解質燃料電池の空気供給方法。

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