JP2009070730A - 燃料電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】発電室内部に生じる空気流れの不均一を解消し、発電室内部の空気流れ及び温度分布を均一にして効率よく発電することができる燃料電池モジュールを提供すること。
【解決手段】発電室１２内に並列に設置された複数のカートリッジ２０が燃料及び空気の供給を受けて発電する固体酸化物形の燃料電池モジュール１０Ａにおいて、発電室１２内でカートリッジ２０の上端部近傍となる位置に、空気の流れを整流する整流板２７を設けた。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池の燃料電池モジュールに関する。

従来、燃料の化学エネルギを直接電気エネルギに変換して発電を行う燃料電池が知られている。この燃料電池は、燃料側の電極である燃料極と、空気側の電極である空気極と、これらの間にありイオンのみを通す電解質とにより構成されており、電解質の種類によって様々な形式が開発されている。
このうち、固体酸化物形燃料電池（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：以下「ＳＯＦＣ」と呼ぶ）は、電解質としてジルコニアセラミクッスなどのセラミックスが用いられ、天然ガス，石油，メタノール，石炭ガス化ガスなどを燃料として運転される燃料電池である。このＳＯＦＣは、イオン伝導率を高めるために作動温度が約９００〜１０００℃程度と高く、用途の広い高効率な高温形燃料電池として知られている

図３に示す従来の燃料電池モジュール１０は、中空の容器１１と、容器１１に形成された内部空間の発電室１２に設置された複数のカートリッジ２０と、容器１１の壁面を形成する肉厚部１３に収納設置されたリフォーマ３０及び空気予熱器４０とを具備して構成される。
容器１１には、後述するリフォーマ３０に燃料を供給する燃料入口１４と、未燃の燃料を排出する燃料出口１５と、空気予熱器４０に空気を供給する空気入口１６と、発電室１２を通過して温度上昇した空気を排出する空気出口１７とが設けられている。

カートリッジ２０は、略円筒形に形成されたセルチューブ（燃料電池セル筒）２１を複数本集め、各セルチューブ２１の上下両端を燃料供給ヘッダ２２及び燃料排出ヘッダ２５内に開口した状態で、燃料供給ヘッダ２２、燃料排出ヘッダ２５及び空気供給ヘッダ２３により支持した構成とされる。なお、図中の符号２４は、燃料供給ヘッダ２２内部のセルチューブ２１中央側の面及び空気供給ヘッダ２３の内部のセルチューブ２１中央側の面に配設された断熱材である。
また、カートリッジ２０は、空気供給ヘッダ２３の下方に配設された燃料排出ヘッダ２５及び空気分配ヘッダ２６を備えている。

このように構成された燃料電池モジュール１０では、温度等の諸条件が満たされることにより、外部から燃料及び空気の供給を受けたセルチューブ２１に形成された燃料電池セル（不図示）が発電室１２内で発電する。
発電中の燃料電池モジュール１０において、燃料は、燃料入口１４からリフォーマ３０に供給されて改質された後、燃料供給ヘッダ２２により各セルチューブ２１へ分配され、空気は、空気入口１６から空気予熱器４０に供給されて加熱された後、空気分配ヘッダ２６により各カートリッジ２０へ分配される。

上述した燃料電池モジュールの関連技術としては、燃料電池セル管と管板とを結合する部分のシール性を向上させたものが提案されている。（たとえば、特許文献１参照）
また、円筒縦縞形の固体電解質燃料電池セルと円筒形セラミックチューブとを用いてずれ方向に強い集合体とし、集合体の製作及び設置を容易にした固体電解質燃料電池セルの集合体が提案されている。（たとえば、特許文献２参照）
また、反応容器内に燃料室仕切板と燃料ガス室仕切板とを設けることにより、燃料室、反応室及び燃料ガス室を形成した固体電解質形燃料電池が開示されている。（たとえば、特許文献３参照）
特開２００６−１９６３１５号公報（図１及び図１３参照） 特開平５−２９９１１２号公報（図１及び図２参照） 特開２００１−４３８８７号公報（図１参照）

しかしながら、上述した従来構造の燃料電池モジュールにおいては、次のような問題が指摘されている。
空気分配ヘッダ２６から各カートリッジ２０毎の空気供給ヘッダ２３に分配された空気は、発電室１２内でセルチューブ２１の周囲を上昇し、発電室１２の上部壁面に開口している空気出口開口１８からリフォーマ３０へ流出する。このとき、空気出口開口１８が側壁上面に配置されているため、空気の流れは不均一になる。すなわち、図示の発電室１２内を流れる空気は、図中に矢印１９で示すように、流れが上昇するにつれて空気出口開口１８側へ向きを変えるため、特に、発電室１２の上部中央付近においては、周囲の空気出口開口１８に向けて逃げるため十分に行き渡らなくなる。このため、発電室１２の上部中央付近は空気不足になりやすく、このような空気不足を生じた領域は、十分な温度上昇が得られなくなる。従って、発電室１２内の温度分布が不均一になり、高温で発電する燃料電池モジュールの発電効率に悪影響を及ぼすこととなる。

このような背景から、燃料電池モジュールにおいては、発電室内部に生じる空気流れの不均一により空気不足となる領域が形成されることを防止し、発電室内部の空気流れ及び温度分布を均一にして効率よく発電することが望まれる。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、発電室内部に生じる空気流れの不均一を解消し、発電室内部の空気流れ及び温度分布を均一にして効率よく発電することができる燃料電池モジュールを提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明に係る燃料電池モジュールは、発電室内に並列に設置された複数のカートリッジが燃料及び空気の供給を受けて発電する固体酸化物形の燃料電池モジュールにおいて、前記発電室内で前記カートリッジの上端部近傍となる位置に、隣接するセルチューブの間を、１または複数本毎に仕切るように、断熱材よりなる板を設けたことを特徴とするものである。

このような燃料電池モジュールによれば、発電室内でカートリッジの上端部近傍となる位置に、隣接するセルチューブの間を、１または複数本毎に仕切るように、断熱材よりなる板を設けたので、発電室内に供給されてカートリッジの下方から上昇する空気流れを整流し、発電室内における空気流れを均一化することができる。
また、このような燃料電池モジュールによれば、発電室内でカートリッジの上端部近傍となる位置に一層だけ板を設置するので、発電室内に空気の流れを整流する板を複数設置して発電室内の空気流れを均一化する方法に比べ、燃料電池モジュールの部品点数を低減可能となり、工数とコストの低減が可能となる。

上記の発明においては、前記板の下方に前記カートリッジの周囲の少なくとも一部分を囲むようにして前記カードリッジ内に設置されているセルチューブと略平行な方向に仕切壁を設けることが好ましく、これにより、発電室内に供給されてカートリッジの下方から上昇する空気流れをより確実に整流して均一化することができる。
また、このような燃料電池モジュールによれば、カートリッジ毎に周囲に仕切壁及び整流板を設置して組立実施し、その後燃料電池モジュール全体の組立が出来るので、組立工程の簡素化が図れる。

上述した本発明の燃料電池モジュールによれば、発電室内に供給されてカートリッジの下方から上昇する空気流れの不均一を解消し、発電室内部の空気流れ及び温度分布を均一にして効率よく発電することができる。
更に、燃料電池モジュール全体の組立工程の簡素化が図れる。

以下、本発明に係る燃料電池モジュールの一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１に示す第１の実施形態では、燃料電池モジュール１０Ａは、発電室１２内に並列に設置された複数のカートリッジ２０が燃料（天然ガス、石油、メタノール、石炭ガス化ガス等）及び空気の供給を受けて発電する固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）であり、発電室１２内でカートリッジ２０の上端部近傍となる位置には、空気の流れを整流する整流板２７が設けられている。この整流板２７は、発電室１２内に供給されてカートリッジ２０の下方から上昇する空気がカートリッジ２０の上端部付近までカートリッジ２０に沿って流れるように整流して空気流れを均一化する機能を有している。

燃料電池モジュール１０Ａは、中空の容器１１に形成された内部空間が発電室１２とされ、この発電室１２には、複数のカートリッジ２０が軸線を上下方向にして設置されている。発電室１２内に設置された各カートリッジ２０は、互いに略平行となるように所定の隙間を設けて配置されている。
なお、図示の例では、発電室１２内の紙面左右方向へ一列に配置した４つのカートリッジ２０を設けてあるが、この数や配列に限定されることはなく、たとえば紙面の前後・左右両方向にそれぞれ複数列を配置してもよい。

容器１１には、発電に必要な燃料及び空気の供給・排出用配管を接続するため、燃料入口１４、燃料出口１５、空気入口１６及び空気出口１７が設けられている。また、容器１１の側壁面を形成する肉厚部１３には、リフォーマ３０及び空気予熱器４０が収納設置されている。
カートリッジ２０は、略円筒形に形成されたセルチューブ２１を複数本集めたもので、各セルチューブ２１の上下両端部は燃料供給ヘッダ２２及び燃料排出ヘッダ２５により支持されている。セルチューブ２１は、セラミックから形成された略円筒状の管であり、長手方向における中央部には発電を行う燃料電池セル（不図示）が設けられている。すなわち、この燃料電池セルは、セルチューブ２１が発電室１２内に位置する部分にのみ配置されている。

このように構成されたセルチューブ２１は、上下両端部が燃料供給ヘッダ２２及び燃料排出ヘッダ２５内に開口した状態で、燃料供給ヘッダ２２、燃料排出ヘッダ２５に開口した状態で支持されている。そして、セルチューブ２１の端部を支持する燃料供給ヘッダ２２の内部のセルチューブ２１中央側の底面及び空気供給ヘッダ２３の内部のセルチューブ２１中央側の上面には、断熱材２４が取り付けられている。

燃料供給ヘッダ２２及び空気供給ヘッダ２３は、上述した燃料入口１４及び空気入口１６に連通する空間である。
一方の燃料供給ヘッダ２２は、各セルチューブ２１の上端部から改質された燃料を分配して供給する。セルチューブ２１の上端部からチューブ内に供給された燃料は、チューブ内を流下して燃料電池セルで発電を行った後、発電に使用された排ガス及び未燃の燃料が空気供給ヘッダ２３の下方に設けられた燃料排出ヘッダ２５に排出されて集められる。こうして燃料排出ヘッダ２５に集められた未燃の燃料は、燃料出口１５から容器１１の外部へ排出される。

空気供給ヘッダ２３は、空気予熱器４０で加熱された高温の空気を発電室１２内に供給する。空気予熱器４０で加熱された高温の空気は、空気分配ヘッダ２６を介して各カートリッジ毎の空気供給ヘッダ２３に分配された後、各空気供給ヘッダ２３から発電室１２内に流出して上昇する。このとき、高温の空気は、カートリッジ２０間に形成された隙間及びセルチューブ２１間の隙間を通って発電室１２内を上昇し、発電室１２の上部壁面に開口する空気出口開口１８を通って外部へ流出する。
発電室１２を通過することでさらに温度上昇した高温の空気は、空気出口開口１８からリフォーマ３０及び空気予熱器４０の順に通過して流れた後、空気出口１７から容器１１の外部へ流出する。

リフォーマ３０は、燃料入口１４から供給される天然ガス等の燃料を改質する装置である。リフォーマ３０での改質反応は本来吸熱反応であるので、リフォーマ３０は、発電室１２から導入した高温の空気がリフォーマ３０の外管を通過するように構成されており、これを熱源として燃料を加熱し、燃料が改質されるようになっている。なお、リフォーマ３０による燃料の改質とは、たとえば高温空気により加熱された燃料ガスが水素及び一酸化炭素を生成することを意味している。
空気予熱器４０は、リフォーマ３０で燃料の改質に使用された高温の空気を導入し、空気入口１６から供給される空気を予熱して温度上昇させる熱交換器である。

上述した整流板２７は、空気の上昇流路を、たとえばカートリッジ２０内のセルチューブ２１毎に、あるいは、隣接する複数本のセルチューブ２１毎に区画する格子状の部材である。すなわち、所定の間隔で隣接するセルチューブ２１の間を、１または複数本毎に仕切るように、断熱材よりなる格子状の整流板２７を発電室１２の上端部近傍に取り付けることにより、整流板２７の上面と燃料供給ヘッダ２２の下面との間には、発電後の高温空気を空気出口開口１８に導く上端出口開口２８が形成されている。なお、セルチューブ２１は、外周面が整流板２７と接触することなく上下に貫通している。

次に、上述した構成の燃料電池モジュール１０Ａの作用（発電）について、燃料及び空気の流れを中心に説明する。
通常、ＳＯＦＣの起動時においては、セルチューブ２１内の燃料電池セルが高温空気により自己発電可能な温度（たとえば６００℃程度）に上昇まで起動準備運転が行われる。そして、燃料電池セルが高温空気により自己発電可能な温度まで加熱されると、燃料入口１４から導入した燃料がリフォーマ３０を介して燃料供給ヘッダ２２へ供給され、燃料電池セルによる発電が開始される。燃料電池セルは発電するとともに発熱（自己発電発熱）し、燃料電池セルは、高温空気の熱と自己発熱とにより加熱される。

燃料電池セルによる発電の開始後に燃料供給ヘッダ２２に供給される燃料は、リフォーマ３０において、発電室１２から排出された高温ガスまたは高温空気の熱により、水素及び一酸化炭素に改質される。こうして燃料供給ヘッダ２２に供給された燃料は、燃料供給ヘッダ２２から開口端を通じてセルチューブ２１の内側に流入して燃料電池セルに供給される。

また、空気供給ヘッダ２３に供給される空気は、空気予熱器４０において、発電室１２から排出されてリフォーマ３０で改質に利用した後の高温ガスまたは高温の排出空気の熱により予熱される。加熱された空気は空気供給ヘッダ２３発電室１２に流入して、各カートリッジ２０間に形成された隙間及びセルチューブ２１間の隙間を上昇して燃料電池セルにおける発電に用いられる。

このとき、発電室１２の内部には整流板２７が設けられているので、整流板２７を通って上昇する空気の流れが整流されて略均一化される。すなわち、整流板２７を通って上昇する空気の流れは、その整流効果により流れ方向をほとんど変えることなく略真っ直ぐに上昇していくので、発電室１２内の空気量が偏ることなく略均一化される。換言すれば、発電室１２内でカートリッジ２０の上端部近傍となる位置に整流板２７を設けたことにより、発電室１２内に生じる空気流れの不均一を解消し、発電室１２内の空気量が均一化することで温度分布も均一化される。

こうして発電が行われた後の空気は、整流板２７を通って燃料供給ヘッダ２２の下面付近まで上昇し、上端出口開口２８で流れ方向を横向きに変えて発電室１２を形成する側壁面の空気出口開口１８からリフォーマ３０へ向けて流出する。
一方、セルチューブ２１から燃料排出ヘッダ２５に流入した燃料（以下、「排出燃料」と呼ぶ）の中には、燃料電池セルにおいて発電に用いられた排ガスとともに、発電に用いられなかった未燃の燃料が含まれている。そのため、排出燃料は燃料排出ヘッダ２５から燃料出口１５を通って容器１１の外部へ排出され、たとえば空気予熱器４０において空気を予熱した後の高温排出空気と混合されて燃焼される。

続いて、本発明に係る燃料電池モジュールについて、他の実施形態を図２に基づいて説明する。なお、上述した実施形態と同様の部分には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
この実施形態では、燃料電池モジュール１０Ｂが、上述した整流板２７に加えて、カートリッジ２０の周囲を囲むようにして、カートリッジ２０間の隙間Ｓに設けた、カードリッジ内に設置されているセルチューブ２１と略平行な上下方向に仕切壁２９を備えている。この仕切壁２９は、燃料排出ヘッダ２５の上面から燃料供給ヘッダ２２の下面付近に配設された整流板２７に連結または接触される位置まで設けられた断熱材の壁であり、空気供給ヘッダ２３から発電室１２内に流出した空気は、カートリッジ２０毎に分割されて独立した空間を上昇した後、整流板２７により整流される。なお、整流板２７を通過した空気は、上部開口２８を通って空気出口開口１８へ導かれる。

上述した仕切壁２９は、発電室１２内を上昇する空気の流路をカートリッジ２０毎に区画して整流する機能を有している。このため、発電室１２内に供給されてカートリッジ２０の下方から上昇する空気流れは、カートリッジ２０毎に整流板２７を通過して上端出口開口２８まで略真っ直ぐに上昇する。このため、発電室１２内における空気の流れは、仕切壁２９及び整流板２７により確実に整流されて均一化したものとなる。
またカートリッジ２０毎の隙間Ｓの空間はカートリッジ２０内のセルチューブ２１間の間隔よりも広くなるが、この広くなった空間を仕切壁２９で埋めることによりカートリッジ２０の外周部のセルチューブ２１付近の空気流れとカートリッジ２０中央部のセルチューブ２１付近の空気流れを略同一とすることができるので、カートリッジ２０内のセルチューブ２１全体での空気流れをより整流化できる。
このように、仕切壁２９により空気流路をカートリッジ２０毎に区画した構成により、仕切壁２９及び整流板２７がともに空気の流れを略まっすぐ上昇させる整流機能を発揮し、またカートリッジ２０毎の隙間Ｓの空間を埋めることにができるので、発電室１２内に生じる空気流れの不均一が解消され、発電室１２内の空気量を均一化することで温度分布も均一化される。
また、カートリッジ毎に周囲に仕切壁及び整流板を設置して組立実施し、その後燃料電池モジュール全体の組立が出来るので、組立工程の簡素化が図れる。

以上説明したように、本発明の燃料電池モジュール１０Ａ、１０Ｂによれば、発電室１２内に供給されてカートリッジ２０の下方から上昇する空気流れの不均一が解消されるので、発電室１２の内部における空気流れ及び温度分布を均一にして効率よく発電することができる。
また、本発明の燃料電池モジュール１０Ａによれば、発電室内でカートリッジの上端部近傍となる位置に一層だけ整流板を設置するので、発電室内に前記空気の流れを整流する板を複数設置して発電室内の空気流れを均一化する方法に比べ、燃料電池モジュールの部品点数を低減可能となり、工数とコストの低減が可能となる。
また、本発明の燃料電池モジュール１０Ｂによれば、カートリッジ毎に周囲に仕切壁及び整流板を設置して組立実施し、その後燃料電池モジュール全体の組立が出来るので、組立工程の簡素化が図れる。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。

本発明に係る燃料電池モジュールの一実施形態を示す構成図である。 本発明に係る燃料電池モジュールの他の実施形態を示す構成図である。 従来の燃料電池モジュールを示す構成図である。

符号の説明

１０，１０Ａ，１０Ｂ 燃料電池モジュール
１１ 容器
１２ 発電室（内部空間）
１３ 肉厚部
１４ 燃料入口
１５ 燃料出口
１６ 空気入口
１７ 空気出口
１８ 空気出口開口
２０ カートリッジ
２１ セルチューブ
２２ 燃料供給ヘッダ
２３ 空気供給ヘッダ
２４ 断熱材
２５ 燃料排出ヘッダ
２６ 空気分配ヘッダ
２７ 整流板
２８ 上部開口
２９ 仕切壁
３０ リフォーマ（改質器）
４０ 空気予熱器
Ｓ 隙間

Claims (2)

1. 発電室内に並列に設置された複数のカートリッジが燃料及び空気の供給を受けて発電する固体酸化物形の燃料電池モジュールにおいて、
   前記発電室内で前記カートリッジの上端部近傍となる位置に、隣接するセルチューブの間を、１または複数本毎に仕切るように、断熱材よりなる板を設けたことを特徴とする燃料電池モジュール。
2. 前記板の下方に前記カートリッジの周囲の少なくとも一部分を囲むようにして前記カードリッジ内に設置されているセルチューブと略平行な方向の仕切壁を設けたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池モジュール。

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