JP2009170307A - 燃料電池モジュール及び燃料電池モジュールの運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池スタックの冷却に必要となるエネルギーの低減を可能にする燃料電池モジュールを提供する
【解決手段】ＳＯＦＣスタック５と、ＳＯＦＣスタック５を収容するモジュール容器１１と、モジュール容器１１内に配置されると共に、水の蒸発熱を利用してＳＯＦＣスタック５を冷却する冷却器９と、を備える。蒸発熱を利用してＳＯＦＣスタック５を冷却できるため、顕熱などを利用して冷却する場合に比べてＳＯＦＣスタック５の冷却に必要となるエネルギーの低減が可能になる。
【選択図】図２

Description

本発明は、水素リッチの改質ガスを利用して発電を行う燃料電池スタックを備えた燃料電池モジュール及び燃料電池モジュールの運転方法に関する。

固体酸化物電解質形燃料電池（Solid Oxide FuelCell：SOFC）モジュールは、通常、灯油や都市ガスなどの燃料を改質して得られる水素含有ガス（改質ガス）を発生させるための改質器と、改質ガス及び空気を電気化学的に発電反応させるためのセルスタックと、を備えている。セルスタックは、固体電解質を挟んで配置されたアノード電極層とカソード電極層とを備える。アノード電極層に改質ガスを流通させ、カソード電極層に空気を流通させて、セルスタックから電流を取り出すことにより発電反応が起きる。

この種の燃料電池モジュールでは、セルスタックの作動温度が５５０°Ｃ〜１０００°Ｃと非常に高く、燃料電池モジュールの運転停止時には、セルスタックを早期に室温程度まで冷却することが望ましい。そこで、一般には、例えば、セルスタックのカソード電極層に大量の空気を供給するなどして冷却時間の短縮化を図っていた。

また、セルスタックの温度が低下する際、アノード電極層の温度が酸化劣化点以上の状態で酸化性ガス雰囲気下におかれるとアノード電極層が酸化劣化する場合がある。そのため、特許文献１の停止方法では、アノード電極層の酸化劣化を防止できるように、改質ガスをアノード電極層に供給し続けたり、アノード電極層を不活性ガスでパージしたりしている。

また、内部改質型の燃料電池モジュールを起動する場合には、セルスタックに供給する改質ガスを生成するために改質器を加熱する必要があり、改質器の加熱によって間接的にセルスタックも加熱される。セルスタックの昇温に伴い、酸化性ガス雰囲気下でアノード電極層の温度が酸化劣化点以上になると、上記同様にアノード電極層が酸化劣化する場合がある。そのため、特許文献２に記載の起動方法では、発電用の改質ガスとは別に還元性ガスや不活性ガスをアノード電極層に供給している。
特開２００６−２９４５０８号公報 特開２００５−２９３９５１号公報

しかしながら、カソード電極層への大量の空気を供給してセルスタックを冷却する場合、カソード電極層までの空気流路および空気流路周囲の熱容量が大きく、カソード電極層に到達するまでに空気が加熱されるため、冷却に長時間を要する。そのため、ブロアなどの空気の昇圧装置の消費電力が大きく、セルスタックの冷却に必要なエネルギーが大きいという問題があった。

さらに、停止時に、セルスタックの冷却に長時間を要するため、アノード酸化劣化防止のために供給する改質ガス供給量が多く、セルスタックの冷却に必要なエネルギーが大きいという問題があった。また、起動時に、改質器を加熱し、改質ガスを供給するまでの間、アノード電極層の酸化劣化防止のために供給する不活性ガスや還元性ガスの供給エネルギーが大きいという問題があった。

本発明は、以上の課題を解決することを目的としており、燃料電池スタックの冷却に必要となるエネルギーの低減を可能にする燃料電池モジュール及び燃料電池モジュールの運転方法を提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池モジュールは、燃料電池スタックと、燃料電池スタックの周囲に配置されると共に、冷却媒体の蒸発熱を利用して燃料電池スタックを冷却する冷却器と、を備えることを特徴とする。

本発明では、蒸発熱を利用して燃料電池スタックを冷却できるため、例えば、顕熱を利用した冷却に必要なブロワの消費電力に比べて少ない消費電力で燃料電池スタックを冷却でき、燃料電池スタックの冷却に必要となるエネルギーを低減できる。

冷却器は、燃料電池スタックとの間に隙間を空けて配置されると共に、燃料電池スタックの輻射熱を受熱する受熱部を有すると好適である。冷却器と燃料電池スタックとの間に隙間が空いているため、燃料電池スタックから冷却器への漏電の虞を考慮する必要性が少なく、さらに、輻射熱を受熱する受熱部を有するため、顕熱を利用した冷却に比べて燃料電池スタックの冷却に必要となるエネルギーを低減できる。

さらに、筐体内に配置されると共に、燃料電池スタックの発電に利用される改質ガスを生成する改質器を備え、燃料電池スタックは、改質器に対向する受熱領域と、受熱領域以外の放熱領域とを有し、冷却器は、放熱領域に沿って配置されていると好適である。燃料電池スタックの受熱領域ではなく、放熱領域に沿って冷却器を配置するため、筐体内の改質器の冷却を抑えながら、燃料電池スタックを選択的に冷却できる。

さらに、冷却器は、冷却媒体の液相と気相とが形成される冷却用通路と、メタネーション反応を促進するメタネーション触媒が収容されたメタン生成通路とを有し、メタン生成通路は、改質器からの改質ガスが供給される改質ガス流入部と、メタネーション反応によって改質ガスから生成されたメタン含有ガスを燃料電池スタックに供給するメタン流出部とを有すると好適である。メタネーション触媒でのメタネーション反応は、温度の低下に伴って促進される。冷却器で燃料電池スタックを冷却する際には、メタネーション触媒も冷却され、メタネーション反応の促進によってメタンリッチなガスが燃料電池スタックに供給される。その結果、燃料電池スタックのアノード電極層上では吸熱反応である改質反応が生じ、燃料電池スタックを冷却できる。特に、アノード電極層上での改質反応を利用して燃料電池スタック内部から冷却することで、燃料電池スタック全体をより均一に冷却することができる。

さらに、冷却器は、冷却媒体の液相と気相とが形成される冷却用通路と、燃料電池スタックに供給される酸素含有ガスを加熱する予熱通路とを有すると好適である。冷却器で燃料電池スタックを冷却する際には予熱通路を通過する酸素含有ガスも冷却される。その結果、カソード電極層をより効果的に冷却できる。

また、本発明に係る燃料電池モジュールの運転方法は、燃料電池スタックと、冷却媒体の蒸発熱を利用して燃料電池スタックを冷却する冷却器と、を備えた燃料電池モジュールにおいて、燃料電池スタックを停止するときに、液体状の冷却媒体を冷却器へ供給すると共に、冷却器内で冷却媒体が液相と気相との二相を形成するように冷却媒体の供給量を制御することを特徴とする。

本発明によれば、燃料電池スタックを停止するときに、冷却器内では冷却媒体が液相と気相との二相を形成するように維持されるため、冷却媒体の蒸発熱を利用して燃料電池スタックの冷却を行うことができる。その結果、例えば、顕熱を利用した冷却に必要なブロワの消費電力に比べて少ない消費電力で燃料電池スタックを冷却でき、燃料電池スタックの冷却に必要となるエネルギーを低減できる。

また、本発明に係る燃料電池モジュールの運転方法は、燃料電池スタックと、燃料電池スタックに供給される改質ガスを生成する改質器と、冷却媒体の蒸発熱を利用して燃料電池スタックを冷却する冷却器と、を備えた燃料電池モジュールにおいて、燃料電池スタックを起動するときに、改質器を加熱すると共に、液体状の冷却媒体を冷却器へ供給し、改質器で水素リッチな改質ガスが生成され、生成された改質ガスが燃料電池スタックに供給されると、冷却器への冷却媒体の供給を停止することを特徴とする。

改質ガスを生成するために改質器を加熱しても、燃料電池スタックは、冷却器内の冷却媒体の蒸発熱を利用して冷却されているため、例えば、顕熱を利用した冷却に比べて、消費電力を抑えながら燃料電池スタックの温度が酸化劣化点以上になるのを防止することができる。その結果、アノード電極層の酸化劣化防止のために供給する不活性ガスや還元性ガスの供給エネルギーを低減することができる。

本発明によれば、燃料電池スタックの冷却に必要となるエネルギーの低減を可能にする。

以下、本発明に係る燃料電池モジュールの好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池モジュールを備えるコジェネレーションシステムの一部を示す図である。図２は、燃料電池モジュールを示す図である。なお、図２では、鉛直方向を左右で示しており、図面の左側が上、右側が下になる。図２に示されるように、燃料電池モジュール３Ａは、改質ガスと空気とを用いて発電を行う固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）スタック５と、ＳＯＦＣスタック５に供給するために、原燃料ガスから水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスを生成する改質器７と、ＳＯＦＣスタック５を冷却するための冷却器９とを備えており、ＳＯＦＣスタック５、改質器７及び冷却器９はモジュール容器（筐体）１１に収容されている。モジュール容器１１は、ステンレス鋼（ＳＵＳ）等の金属からなり、例えば周囲に断熱材が配置されている。

ＳＯＦＣスタック５は、平板型の単セルスタックが複数積層されて柱体状を形成し、単セルスタックの積層体が１対のエンドプレートに挟まれて固定されている。単セルスタックは、アノード電極層（燃料極）と、カソード電極層（空気極）と、アノード電極層とカソード電極層との間に配置されたイットリア安定化ジルコニアなどからなる固体電解質と、アノード電極層及びカソード電極層の外側にそれぞれ配置されたセパレータとを有している。アノード電極層には、改質器７からの改質ガスが導入され、カソード電極層には、空気が導入される。ＳＯＦＣスタック５より電流を取り出すことにより、各単セルスタックにおいて電気化学的な発電反応が行われることになる。ＳＯＦＣスタック５の作動温度は、５５０°Ｃ〜１０００°Ｃである。

改質器７は、気化した灯油や都市ガスなどの原燃料ガスと水蒸気とを改質触媒で水蒸気改質反応させて、水素及び一酸化炭素を含有する改質ガスを生成する。水蒸気改質反応は非常に大きな吸熱反応であり、反応温度が５５０〜７５０℃程度と比較的高いため、高温の熱源が必要となる。このため、改質器７は、熱源であるＳＯＦＣスタック５近傍に配置されたり、電気ヒータやバーナなどの熱源が設けられたりしている。改質器７には、ＳＯＦＣスタック５に接続された改質ガス供給配管が接続されている。

ＳＯＦＣスタック５は柱体状である。改質器７は、ＳＯＦＣスタック５の一方の端面５ａに隣接して配置されている。ＳＯＦＣスタック５の端面５ａは、改質器７に対向しており、改質器７からの熱を受熱する受熱領域１３を形成する。改質器７からの輻射熱によってＳＯＦＣスタック５は加熱される。ＳＯＦＣスタック５の端面５ａ以外の領域、すなわち、ＳＯＦＣスタック５の側面５ｂ及び他方の端面５ｃは、放熱領域１５を形成する。

図３は、冷却器９の側断面図である。なお、図３では、左側が上、右側が下になるように示している。図３に示されるように、冷却器９は、ＳＯＦＣスタック５の側面５ｂに隙間Ｓ１を空けて隣接し、側面５ｂに沿って延在するケーシング部１７を備える。ケーシング部１７は、ステンレス鋼（ＳＵＳ）などの金属からなり、左右端が閉じている断面矩形の筒状体である。ケーシング部１７の左端下部には、冷却媒体となる水が供給される流入部１９が設けられ、右端上部には、ケーシング部１７内で気化した水蒸気が流出する流出部２１が設けられている。流入部１９は、ＳＯＦＣスタック５から遠い側の縁に設けられており、流出部２１は、ＳＯＦＣスタック５に近い側の縁に設けられている。

ケーシング部１７は冷却用通路を構成し、内部には、水の蛇行流路２４を形成するために、通路壁２３が左右に設けられている。流入部１９から流入した水は、通路壁２３に沿って左右に蛇行しながら移動する。ケーシング部１７は、外周面（受熱部）１８でＳＯＦＣスタック５の輻射熱を受熱するが、その外周面１８のうち、ＳＯＦＣスタック５に対向する側の周面１８ａで最も多くの輻射熱を受熱する。ケーシング部１７内に形成される水の蛇行流路２４のうち、流出部２１に連絡する最下流領域２４ａは、周面１８ａを形成する外壁に接している。流入部１９から流入した水の状態は、上流側から順に液単相ＤＰ、気液混相（蒸気が発生している状態）、気単相ＧＰを形成しており、最下流領域２４ａの水蒸気は、流出部２１に接続された水蒸気用配管２２から排出される。冷却器９は、ケーシング部１７内に供給された水の蒸発熱を利用してＳＯＦＣスタック５を冷却する。なお、蒸発熱を利用した冷却を行うためには、ケーシング部１７内に気液混相、すなわち蒸気が発生している状態を形成していれば足りるため、気液混相状態の水が水蒸気用配管２２から排出されるようにしてもよい。

ケーシング部１７内の流出部２１付近の温度はＳＯＦＣスタック５に近いために高く、他方、流入部１９付近の温度はＳＯＦＣスタック５から遠いために比較的低温である。したがって、流入部１９に供給された水の急激な加熱による突沸を抑え、蒸発振動を抑制することができる。

ＳＯＦＣスタック５には第１の温度センサ２５（図２参照）が設けられており、冷却器９の流出部２１の近傍には、第２の温度センサ２７が設けられている。また、冷却器９の流入部１９には、水を供給するための水供給用配管２９が接続されており、水供給用配管２９上には、水を昇圧するポンプ３１が設けられている。第１の温度センサ２５、第２の温度センサ２７及びポンプ３１は、信号が送受信できるよう制御ユニット３３に接続されている。

制御ユニット３３は、具体的にはＰＬＣ（Programmable LogicController）等が相当し、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やメモリ等のハードウェアによって構成される。制御ユニット３３は、第１の温度センサ２５や第２の温度センサ２７によって検出された温度に基づいてポンプ３１の駆動を制御し、冷却器９へ供給する水の流量制御を行う。さらに、制御ユニット３３は、ＳＯＦＣスタック５から取り出す出力電流を監視しており、適宜、ＳＯＦＣスタック５からの出力電流を制御する。さらに、制御ユニット３３は、改質器７へ供給する原燃料ガスの流量制御や、ＳＯＦＣスタックのカソード電極層へ供給する酸素含有ガスの流量制御を行う。

図１に示されるように、燃料電池モジュール３Ａは、コジェネレーションシステム１に組み込まれている。コジェネレーションシステム１は、燃料電池モジュール３Ａから出力されたＤＣ電力をＡＣ電力に変換するインバータ３５を備える。また、コジェネレーションシステム１は、燃料電池モジュール３Ａの冷却器９に接続された貯湯槽３７を備える。

貯湯槽３７は、冷却器９に水を供給するための水供給用配管２９及び冷却器９からの水蒸気が通過する水蒸気用配管２２に接続されている。水蒸気用配管２２を通過する水蒸気は、燃料電池モジュール３Ａ外部で冷却されて液体となり、そのまま熱湯として貯湯槽３７に流入する。貯湯槽３７には、図示しない給湯器などが接続されており、冷却器９で回収された熱が貯湯槽３７を介して有効利用される。

（停止処理）
次に、燃料電池モジュール３Ａの運転方法におけるＳＯＦＣスタック５の停止処理について説明する。図４は、ＳＯＦＣスタック５の停止処理の動作手順を示すフローチャートである。

ＳＯＦＣスタック５の停止処理を開始すると、制御ユニット３３はＳＯＦＣスタック５から取り出す出力電流を低下させ（ステップＳ１）、改質器７に供給する原燃料ガスの供給量を減少させる（ステップＳ２）。

ＳＯＦＣスタック５は、５５０°Ｃ〜１０００°Ｃという非常に高い温度で作動しており、停止する際には、できるだけ早く室温程度まで下げる必要がある。そこで、制御ユニット３３は、ＳＯＦＣスタック５から取り出される出力電流を監視しており（ステップＳ３）、出力電流が“０”になると、ポンプ３１の駆動を開始し、冷却媒体としての水を貯湯槽３７から冷却器９へ供給する（ステップＳ４）。

冷却器９に供給された水が例えば１００°Ｃで蒸発する場合には、蒸発熱として４０．８ｋＪ／ｍｏｌの熱量を奪って気化する。冷却器９内で気化した水は、水蒸気用配管２２を通って排出され、貯湯槽３７に戻される。その結果、水の蒸発熱を利用したＳＯＦＣスタック５の冷却が可能になり、ＳＯＦＣスタック５から回収した熱の有効利用が可能になる。

制御ユニット３３は、継続的な冷却を可能にするために、冷却器９内に液相と気相の二相が形成されるようにポンプ３１の駆動を制御する。例えば、制御ユニット３３は、第２の温度センサ２７によって検出された温度を監視している。第２の温度センサ２７は冷却器９の流出部２１近傍に配置されており、第２の温度センサ２７での検出温度が、１００°Ｃ未満であれば、冷却器９から液相の冷却媒体が排出されることになる。この場合、制御ユニット３３は、ポンプ３１による水の供給量が少なくなるようにポンプ３１の駆動制御を行い、第２の温度センサ２７での検出温度が、１００°Ｃ以上となり、気相の冷却媒体が排出されるようにする。

制御ユニット３３は、ＳＯＦＣスタック５に配置された第１の温度センサ２５も監視している。そして、アノード電極層の酸化劣化点が例えば４００°Ｃである場合、第１の温度センサ２５での検出温度が、例えば“３９０°Ｃ”まで低下した場合（ステップＳ５）には、原燃料ガスの供給を停止する（ステップＳ６）。その後、第１の温度センサ２５での検出温度が、例えば、“１１０°Ｃ”まで低下した場合（ステップＳ７）には、ポンプ３１の駆動を停止させ（ステップＳ８）、貯湯槽３７から冷却器９への水の供給を停止して停止処理を終了する。

（起動処理）
次に、燃料電池モジュール３Ａの運転方法におけるＳＯＦＣスタック５の起動処理について説明する。図５は、ＳＯＦＣスタック５の起動処理の動作手順を示すフローチャートである。

燃料電池モジュール３Ａを起動する際、制御ユニット３３は、ポンプ３１を駆動させ、冷却媒体としての水を貯湯槽３７から冷却器９へ供給する（ステップＳ１１）。さらに、制御ユニット３３は、改質器７の加熱を開始する（ステップＳ１２）。改質器７の温度が上昇すると、改質器７からの輻射熱によってＳＯＦＣスタック５も加熱される。

ＳＯＦＣスタック５の温度が上昇し、アノード電極層の温度が酸化劣化点以上に上昇し、さらに、アノード電極層が例えば空気や水蒸気などの酸化性ガス雰囲気下にあった場合には、アノードが酸化劣化する場合がある。しかしながら、ＳＯＦＣスタック５は冷却器９によって冷却されているため、ＳＯＦＣスタック５の温度を酸化劣化点以上になるのを防止することができる。

特に、冷却器９は、改質器７と対向しないよう、ＳＯＦＣスタック５の放熱領域１５に沿って配置されているため、改質器７の冷却を抑えながらＳＯＦＣスタック５を選択的に冷却できる。

制御ユニット３３は、改質器７の温度を監視しており（ステップＳ１３）、改質器７が水蒸気改質可能な温度に到達すると、原燃料ガスを改質器７に供給する（ステップＳ１４）。すると、改質器７から改質ガスが生成され、その改質ガスがＳＯＦＣスタック５のアノード電極層に供給される。すると、改質ガスの還元作用によってアノード電極層の酸化劣化が防止されるため、制御ユニット３３は、ポンプ３１の駆動を停止させ（ステップＳ１５）、貯湯槽３７から冷却器９への水の供給を停止して起動処理を終了する。

以上、本実施形態に係る燃料電池モジュール３Ａでは、水の蒸発熱を利用してＳＯＦＣスタック５を冷却する。すなわち、冷却器９内での水の蒸発部は沸点に保持され、ＳＯＦＣスタック５との間に大きな温度差が得られ、素早くＳＯＦＣスタック５から熱を奪うことができる。水の蒸発熱を利用した冷却に必要なポンプ３１の消費電力は、例えば、顕熱を利用した冷却に必要なブロワの消費電力に比べて少ない。従って、顕熱を利用した冷却に比べて、ＳＯＦＣスタック５の冷却に必要となるエネルギーの低減が可能になる。さらに、冷却器９は、例えば、ＳＯＦＣスタック５を構成する単セルスタック同士の間に挟まれるように配置されているのではなく、ＳＯＦＣスタック５の周囲に配置されている。冷却器９を単セルスタック同士の間に配置すると、ＳＯＦＣスタック５内の温度差が大きくなり、熱応力によりセルが破損する虞があるが、冷却器９をＳＯＦＣスタック５の周囲に配置することで、熱応力による破損の虞を低減できる。

さらに、本実施形態では、冷却器９は、ＳＯＦＣスタック５との間に隙間Ｓ１を空けて配置されるため、ＳＯＦＣ電池スタック５から冷却器９への漏電の虞を考慮する必要性が少ない。さらに、冷却器９は、ＳＯＦＣスタック５の輻射熱を受熱する外側面（受熱部）１８を有するため、顕熱を利用した冷却に比べて高温のＳＯＦＣスタック５の冷却に要するエネルギーの低減が可能になる。

また、本実施形態に係る燃料電池モジュールの運転方法では、ＳＯＦＣスタック５を停止するときに、液体状の水を冷却器９へ供給すると共に、冷却器９内で水が液相と気相との二相を形成するように水の供給量が制御されている。ＳＯＦＣスタック５を停止するときに、冷却器９内の水を液相と気相との二相を形成するよう維持することで、水の蒸発熱を利用した冷却が可能となる。水の蒸発熱を利用した冷却に必要なポンプ３１の消費電力は、例えば、顕熱を利用した冷却に必要なブロワの消費電力に比べて少ない電力で足り、エネルギーの低減が可能になる。また、水の蒸発熱を利用した冷却によって冷却時間の短縮が可能になる。冷却時間を短縮できれば、アノード電極層の酸化劣化防止のための改質ガスの供給量を低減できる。その結果、燃料電池スタックの冷却に必要となるエネルギーの低減が可能になる。

また、本実施形態に係る燃料電池モジュールの運転方法では、ＳＯＦＣスタック５を起動するときに、改質器７を加熱すると共に、液体状の水を冷却器９へ供給し、改質器７から水素リッチな改質ガスが生成されると冷却器９への水の供給を停止している。

改質ガスを生成するために改質器７を加熱しても、ＳＯＦＣスタック５は、冷却器９内の水の蒸発熱によって熱を奪われるため、例えば、顕熱を利用した冷却に比べて、消費電力を抑えながら燃料電池スタックの温度が酸化劣化点以上になるのを防止することができる。その結果、アノード電極層の酸化劣化防止のために供給する不活性ガスや還元性ガスの供給エネルギーを低減することができる。

（第２実施形態）
図６を参照して第２実施形態に係る燃料電池モジュール３Ｂについて説明する。図６は、第２実施形態に係る燃料電池モジュールを示す図である。燃料電池モジュール３Ｂは、第１実施形態に係る燃料電池システム３Ａとの相違点を中心に説明し、同一または同等の要素や部材については図面中で燃料電池システム３Ａと同一の符号を記して説明を省略する。

冷却器４１は、ＳＯＦＣスタック５の側面５ｂに沿って、側面５ｂを螺旋状に巻くように配置された螺旋配管部（冷却用通路）４３を備える。螺旋配管部４３と側面５ｂとの間には隙間Ｓ２が空いており、ＳＯＦＣスタック５からの輻射熱は、螺旋配管部４３の表面４３ａで受熱される。螺旋配管部４３の下端は水供給用配管２９に接続され、螺旋配管部４３の上端は水蒸気用配管２２に接続されている。第１の温度センサ４５は、ＳＯＦＣスタック５に配置されており、第２の温度センサ４７は、螺旋配管部４３の上端近傍に配置されている。

制御ユニット３３は、第１の温度センサ４５及び第２の温度センサ４７の検出温度を監視しており、ＳＯＦＣスタック５の停止時や起動時にＳＯＦＣスタック５を冷却する際には、螺旋配管部４３内で水の液相と気相との二相が形成されるように、ポンプ３１を駆動制御する。

本実施形態に係る燃料電池モジュール３Ｂによれば、燃料電池モジュール３Ａと同様に、水の蒸発熱を利用してＳＯＦＣスタック５を冷却できるため、顕熱などを利用して冷却する場合に比べてＳＯＦＣスタック５の冷却に必要となるエネルギーの低減が可能になる。

（第３実施形態）
図７を参照して第３実施形態に係る燃料電池モジュールについて説明する。図７は、第３実施形態に係る燃料電池モジュールを示す図である。燃料電池モジュール３Ｃは、第１実施形態に係る燃料電池システム３Ａとの相違点を中心に説明し、同一または同等の要素や部材については図面中で燃料電池システム３Ａと同一の符号を記して説明を省略する。

冷却器５１は、第１のチャンバ５３と第２のチャンバ５５とを有するケーシング部５７を備えている。ケーシング部５７は、例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ）などの金属からなる。ケーシング部５７は、隙間Ｓ１を空けてＳＯＦＣスタック５の側面５ｂに沿って配置されている。

第１のチャンバ５３は、ＳＯＦＣスタック５に近い内側に配置されており、第２のチャンバ５５はＳＯＦＣスタック５から遠い外側に配置されている。第１のチャンバ（冷却用通路）５３の一方端には、冷却媒体としての水が供給される流入部５３ａが形成されており、他方端には、水蒸気が流出する流出部５３ｂが形成されている。流入部５３ａは、水供給用配管２９に接続されており、流出部５３ｂは水蒸気用配管２２に接続されている。ケーシング部５７の外周面（受熱部）５７ａでＳＯＦＣスタック５からの輻射熱を受熱しており、その熱を第１のチャンバ５３内に供給された水の蒸発熱で奪い、ＳＯＦＣスタック５を冷却している。

第２のチャンバ（メタン生成通路）５５には、メタネーション反応を促進するメタネーション触媒Ｃａが収容されている。メタネーション触媒Ｃａとしては、水蒸気改質触媒と同様の触媒を用いることができ、ルテニウム、ニッケル、コバルト、鉄、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、白金などのＶＩＩ属金属を用いることができる。また、第２のチャンバ５５の一方端には、改質器７からの改質ガスが供給される改質ガス流入部５５ａが形成されており、他方端には、メタネーション反応によってメタンリッチな組成に変化した改質ガス（メタン含有ガス）をＳＯＦＣスタック５のアノード電極層に供給するガス流出部（メタン流出部）５５ｂが形成されている。以下、メタネーション反応を含む改質反応について説明する。

原燃料である灯油が水蒸気改質されると、水素を含む改質ガスが得られる。改質原料をＣ_ｎＨ_２ｎ＋２（ｎは自然数）とすれば、水蒸気改質反応は式（Ｉ）で表される。なお、改質反応が部分酸化改質反応であれば式（ＩＩ）で表される。

改質に触媒を用いる場合、改質に際して式（ＩＩＩ）で表されるシフト反応も起こり得る。シフト反応は逆方向にも進み得る平衡反応である。

また、改質に触媒を用いる場合、改質に際してメタネーション反応も起こり得る。メタネーション反応は、水素と一酸化炭素もしくは二酸化炭素とから、メタンを生成する反応であり、式（ＩＶ）または式（Ｖ）で表される。式（ＩＶ）および式（Ｖ）のいずれの反応も発熱反応であり、温度が低い方が、メタンが多くなる。また、いずれの反応も、逆方向にも進みうる平衡反応である。なお例えば、スチーム／カーボン比が３．０で、改質温度（改質触媒層出口温度）が７００℃以上で反応圧力がおおよそ大気圧であれば、触媒出口ウェットでの改質ガス中のメタン濃度は０．３モル％以下程度と低い。メタネーション反応温度は、セル内部におけるメタン改質によってどの程度の冷却を行うかによって調節する。例えば、メタネーション反応温度（メタネーション触媒層出口温度）を５００℃程度とすれば、圧力がおおよそ大気圧の場合、メタンが増加した改質ガス中のメタン濃度は１０モル％程度とすることができる。

Ｃ_ｎＨ_２ｎ＋２＋ｎＨ_２Ｏ→ＣＯ＋（２ｎ＋１）Ｈ_２…（Ｉ）
Ｃ_ｎＨ_２ｎ＋２＋（ｎ／２）Ｏ_２→ｎＣＯ＋（ｎ＋１）Ｈ_２…（ＩＩ）
ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋Ｈ_２…（ＩＩＩ）
ＣＯ＋３Ｈ_２→ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ…（ＩＶ）
ＣＯ_２＋４Ｈ_２→ＣＨ_４＋２Ｈ_２Ｏ…（Ｖ）

ＳＯＦＣスタック５の作動時には、改質器７で生成された改質ガスは改質ガス流入部５５ａから第２のチャンバ５５内に供給される。この場合、第１のチャンバ５３内に水は供給されておらず、ＳＯＦＣスタック５からの輻射熱によって冷却器５１全体は高温に維持されている。そのため、第２のチャンバ５５に改質ガスが供給されても、メタネーション反応は促進されず、水素リッチな状態のままで改質ガスがＳＯＦＣスタック５に供給される。

一方で、ＳＯＦＣスタック５を冷却するために、第１のチャンバ５３内に水を供給すると、水の蒸発熱によって第２のチャンバ５５の熱が奪われ、メタネーション触媒Ｃａが冷却される。すると、メタネーション反応が促進され、メタンリッチな改質ガス（メタン含有ガス）がＳＯＦＣスタック５のアノード電極層に供給されるようになる。すると、アノード電極層では、吸熱反応である改質反応が生じ、ＳＯＦＣスタック５の冷却に寄与する。

本実施形態では、冷却器５１でＳＯＦＣスタック５を冷却する際には、メタネーション触媒Ｃａも冷却され、メタネーション反応の促進によってメタンリッチな改質ガスがＳＯＦＣスタック５に供給される。その結果、ＳＯＦＣスタック５のアノード電極層上では吸熱反応である改質反応が生じ、ＳＯＦＣスタック５を冷却できる。特に、アノード電極層上での改質反応を利用してＳＯＦＣスタック５内部から冷却することで、ＳＯＦＣスタック５全体をより均一に冷却することができる。

（第４実施形態）
図８を参照して第４実施形態に係る燃料電池モジュールについて説明する。図８は、第４実施形態に係る燃料電池モジュールを示す図である。燃料電池モジュール３Ｄは、第１実施形態に係る燃料電池システム３Ａとの相違点を中心に説明し、同一または同等の要素や部材については図面中で燃料電池システム３Ａと同一の符号を記して説明を省略する。

冷却器６１は、第１のチャンバ６３と第２のチャンバ６５とを有するケーシング部６７を備えている。ケーシング部６７は、例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ）などの金属からなる。ケーシング部６７は、隙間Ｓ１を空けてＳＯＦＣスタック５の側面５ｂに沿って配置されている。

第１のチャンバ６３は、ＳＯＦＣスタック５に近い内側に配置されており、第２のチャンバ６５はＳＯＦＣスタック５から遠い外側に配置されている。第１のチャンバ（冷却用通路）６３の一方端には、冷却媒体としての水が供給される流入部６３ａが形成されており、他方端には、水蒸気が流出する流出部６３ｂが形成されている。流入部６３ａは、水供給用配管２９に接続されており、流出部６３ｂは水蒸気用配管２２に接続されている。ケーシング部６７の外周面（受熱部）６７ａでＳＯＦＣスタック５からの輻射熱を受熱しており、その熱を第１のチャンバ６３内に供給された水の蒸発熱で奪い、ＳＯＦＣスタック５を冷却している。

第１のチャンバ６３内には、熱伝導性の高い材料からなる粒子６９が充填されている。粒子６９の材質は、温度及び雰囲気に耐える材料から適宜選ぶことができ、例えば、アルミナやシリカなどのセラミックス、あるいはステンレスなどの金属を挙げることができる。また、粒子６９の形状としては、球、円柱、楔、直方体など、適宜の形状を採用することができる。

第１のチャンバ６３内に粒子６９を充填することにより、水が気化する際に生じ易い突沸の発生箇所は分散し、複数の突沸が同時に発生する確率も低減して突沸による蒸発振動を大幅に小さくできる。突沸が低減すると、第１のチャンバ６３内で液相と気相とを安定して形成でき、蒸発衝撃により冷却器や配管等が破損する可能性を低減することができる。

第２のチャンバ（予熱通路）６５の一方端には、ＳＯＦＣスタック５のカソード電極層に供給する空気が流入する空気流入部６５ａが形成されており、他方端には、第２のチャンバ６５で予熱された空気をＳＯＦＣスタック５のカソード電極層に供給する空気流出部６５ｂが形成されている。第２のチャンバ６５での空気の予熱は、ＳＯＦＣスタック５の輻射熱を受熱することで行われる。

本実施形態では、冷却器６１でＳＯＦＣスタック５を冷却する際には第２のチャンバ６５を通過する空気も冷却される。その結果、ＳＯＦＣスタック５のカソード電極層をより効果的に冷却できる。

（第５実施形態）
図９を参照して第５実施形態に係る燃料電池モジュールについて説明する。図９は、第４実施形態に係る燃料電池モジュールを示す図である。燃料電池モジュール３Ｅは、第１実施形態に係る燃料電池システム３Ａとの相違点を中心に説明し、同一または同等の要素や部材については図面中で燃料電池システム３Ａと同一の符号を記して説明を省略する。

冷却器７１は、第１のチャンバ７３と第２のチャンバ７５とを有するケーシング部７７を備えている。ケーシング部７７は、熱伝導性の高い金属、例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ）からなる。ケーシング部７７は、隙間Ｓ１を空けてＳＯＦＣスタック５の側面５ｂに沿って配置されている。

第１のチャンバ７３は、ＳＯＦＣスタック５に近い内側に配置されており、第２のチャンバ７５はＳＯＦＣスタック５から遠い外側に配置されている。第２のチャンバ（冷却用通路）７５の一方端には、冷却媒体としての水が供給される流入部７５ａが形成されており、他方端には、水蒸気が流出する流出部７５ｂが形成されている。流入部７５ａは、水供給用配管２９に接続されており、流出部７５ｂは水蒸気用配管２２に接続されている。ケーシング部７７の外周面（受熱部）７７ａでＳＯＦＣスタック５からの輻射熱を受熱しており、その熱を第２のチャンバ７５内に供給された水の蒸発熱で奪い、ＳＯＦＣスタック５を冷却している。

第１のチャンバ（予熱通路）７３の一方端には、ＳＯＦＣスタック５のカソード電極層に供給する空気が流入する空気流入部７３ａが形成されており、他方端には、第１のチャンバ７３で予熱された空気をＳＯＦＣスタック５のカソード電極層に供給する空気流出部７３ｂが形成されている。第１のチャンバ７３での空気の予熱は、ＳＯＦＣスタック５の輻射熱を受熱することで行われる。

第１のチャンバ７３内には、熱伝導性の高い材料からなる粒子８１が充填されている。粒子８１の材質は、温度及び雰囲気に耐える材料から適宜選ぶことができ、例えば、アルミナやシリカなどのセラミックス、あるいはステンレスなどの金属を挙げることができる。また、粒子８１の形状としては、球、円柱、楔、直方体など、適宜の形状を採用することができる。

第１のチャンバ７３内に粒子８１を充填することにより、空気への伝熱を促進することができる。さらに、粒子８１を介して第２のチャンバ７５に伝熱され易くなり、第２のチャンバ７５内の水の蒸発熱を利用したＳＯＦＣスタック５の冷却をより効果的に行うことができる。

本実施形態では、冷却器７１でＳＯＦＣスタック５を冷却する際には第１のチャンバ７３を通過する空気も冷却される。その結果、ＳＯＦＣスタック５のカソード電極層をより効果的に冷却できる。

以上、第１〜第５実施形態に係る燃料電池モジュール３Ａ〜３Ｅを説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記の実施形態では、ＳＯＦＣスタック５を例に説明したが、例えば、溶融炭酸塩形（ＭＣＦＣ）スタックなどであってもよい。また、上記実施形態では、ＳＯＦＣスタック５を平板型構造としたが、円筒型のＳＯＦＣバンドル（スタック）を備えた燃料電池システムにも適用可能である。

また、冷却器は、断面が矩形、円形などの形状を適宜選択でき、筐体内に単数または複数設けてもよい。さらに、冷却器に形成される冷却用通路は単一あるいは複数設けることができる。また、上述の第３実施形態では、冷却器に冷却用通路とメタン生成通路とを形成した例を示し、第４または第５実施形態では、冷却器に冷却用通路と予熱通路とを形成した例を示したが、冷却器に冷却用通路、メタン生成通路及び予熱通路の総てを組み合わせるように形成してもよく、冷却用通路と予熱通路内に金属粒子などの熱伝導性の高い粒子を充填するようにしてもよい。

本発明の第１実施形態に係る燃料電池モジュールを備えるコジェネレーションシステムの一部を示す図である。 第１実施形態に係る燃料電池モジュールを示す図である。 冷却器の側断面図である。 ＳＯＦＣスタックの停止処理の動作手順を示すフローチャートである。 ＳＯＦＣスタックの起動処理の動作手順を示すフローチャートである。 第２実施形態に係る燃料電池モジュールを示す図である。 第３実施形態に係る燃料電池モジュールを示す図である。 第４実施形態に係る燃料電池モジュールを示す図である。 第５実施形態に係る燃料電池モジュールを示す図である。

符号の説明

３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄ，３Ｅ…燃料電池モジュール、５…ＳＯＦＣスタック（燃料電池スタック）、７…改質器、１１…モジュール容器（筐体）、１３…受熱領域、１５…放熱領域、１７…ケーシング部（冷却用通路）、１８，５７ａ，６７ａ，７７ａ…ケーシング部の外周面（受熱部）、４３…螺旋配管部（冷却用通路）、５３，６３…第１のチャンバ（冷却用通路）、５５…第２のチャンバ（メタン生成通路）、５５ａ…改質ガス流入部、５５ｂ…ガス流出部（メタン流出部）、６５…第２のチャンバ（予熱通路）、７３…第１のチャンバ（予熱通路）、７５…第２のチャンバ（冷却用通路）、Ｃａ…メタネーション触媒。

Claims (7)

1. 燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックの周囲に配置されると共に、冷却媒体の蒸発熱を利用して前記燃料電池スタックを冷却する冷却器と、を備えることを特徴とする燃料電池モジュール。
2. 前記冷却器は、前記燃料電池スタックとの間に隙間を空けて配置されると共に、前記燃料電池スタックの輻射熱を受熱する受熱部を有することを特徴とする請求項１記載の燃料電池モジュール。
3. 前記筐体内に配置されると共に、前記燃料電池スタックの発電に利用される改質ガスを生成する改質器を更に備え、
   前記燃料電池スタックは、前記改質器に対向する受熱領域と、前記受熱領域以外の放熱領域とを有し、
   前記冷却器は、前記放熱領域に沿って配置されていることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池モジュール。
4. 前記冷却器は、前記冷却媒体の液相と気相とが形成される冷却用通路と、メタネーション反応を促進するメタネーション触媒が収容されたメタン生成通路とを有し、
   前記メタン生成通路は、前記改質器からの前記改質ガスが供給される改質ガス流入部と、前記メタネーション反応によって前記改質ガスから生成されたメタン含有ガスを前記燃料電池スタックに供給するメタン流出部とを有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の燃料電池モジュール。
5. 前記冷却器は、前記冷却媒体の液相と気相とが形成される冷却用通路と、前記燃料電池スタックに供給される酸素含有ガスを加熱する予熱通路とを有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の燃料電池モジュール。
6. 燃料電池スタックと、冷却媒体の蒸発熱を利用して前記燃料電池スタックを冷却する冷却器と、を備えた燃料電池モジュールにおいて、
   前記燃料電池スタックを停止するときに、
   液体状の前記冷却媒体を前記冷却器へ供給すると共に、前記冷却器内で前記冷却媒体が液相と気相との二相を形成するように前記冷却媒体の供給量を制御することを特徴とする燃料電池モジュールの運転方法。
7. 筐体内に、燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに供給される改質ガスを生成する改質器と、冷却媒体の蒸発熱を利用して前記燃料電池スタックを冷却する冷却器と、を備えた燃料電池モジュールにおいて、
   前記燃料電池スタックを起動するときに、
   前記改質器を加熱すると共に、液体状の前記冷却媒体を前記冷却器へ供給し、前記改質器で水素リッチな改質ガスが生成され、生成された前記改質ガスが前記燃料電池スタックに供給されると、前記冷却器への前記冷却媒体の供給を停止することを特徴とする燃料電池モジュールの運転方法。

Images