JP2009266588A - 燃料電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】多大な付帯設備を設けることなく、サブモジュール温度の偏差を抑制して、サブモジュールによる発電量の均一化を図ることができる燃料電池モジュールを提供する。
【解決手段】外部から供給された燃料ガスおよび酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池セルを少なくとも有するサブモジュール２と、サブモジュール２から流出した燃料ガスの一部を、サブモジュールにおける酸化剤ガスの流入口に導入する補助加熱部６と、が設けられていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池モジュール、特に固体酸化物形燃料電池システムに用いて好適な燃料電池モジュールに関する。

従来の筒型構造を有する燃料電池システム、例えば、固体酸化物形燃料電池（以下、「ＳＯＦＣ」と表記する。）システムの燃料電池モジュールでは、２０ｋＷから５０ｋＷの単位で電流を取り出す複数のサブモジュールを備える構成となっている。

上述のサブモジュールには並列に空気が供給されており、供給される空気の流量調節は複数のサブモジュールに対して一括して行われている、言い換えると、供給される空気の流量はサブモジュールごとに調節されていない。
サブモジュールに供給される空気は、酸化剤ガスとして発電に用いられるとともに、発電反応によって発生した熱を持ち去る、サブモジュールの冷却にも用いられている（例えば、特許文献１参照。）。

一方で、ＳＯＦＣシステムの燃料電池モジュールやサブモジュールは、動作温度が約１０００℃と高温であるため、起動時に、燃料電池モジュールの温度を昇温させる設備を燃料電池モジュールに付帯させることも知られている（例えば、特許文献２参照。）。
特開平０９−２９３５２５号公報 特開２００６−２７８０７４号公報

上述のようにサブモジュール等は動作温度が高温であり、かつ、動作温度が変動するとサブモジュール等の発電量も変動するという問題があった。特に、燃料電池モジュールにおける部分負荷運転時や、一部のサブモジュールの性能が低下した場合には、各サブモジュールの発熱量に偏差が生じていた。

このような各サブモジュールにおける発熱量の偏差は、酸化剤ガスの予熱を行う特許文献１に記載の技術や、起動時に燃料電池モジュールの温度を昇温させる特許文献２に記載の技術では対応できない、言い換えると、発熱量の偏差を抑制できないという問題があった。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、多大な付帯設備を設けることなく、サブモジュール温度の偏差を抑制して、サブモジュールによる発電量の均一化を図ることができる燃料電池モジュールを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明の燃料電池モジュールは、外部から供給された燃料ガスおよび酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池セルを少なくとも有するサブモジュールと、前記サブモジュールから排出した前記燃料ガスの一部を、前記サブモジュールにおける前記酸化剤ガスの流入口に導入する補助加熱部と、が設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、サブモジュールから排出された燃料ガスの一部を、補助加熱部により酸化剤ガスの流入口に供給して燃焼させることにより、サブモジュールの温度を昇温させ、各サブモジュールの間の温度偏差を抑制することができる。
サブモジュールから排出された燃料ガスには、燃料電池セルにおける発電に用いられなかった燃料ガス（未燃成分）が含まれているため、流入口において導入された燃料ガスの未燃成分が燃焼する。そのため、サブモジュールの温度を昇温させ、各サブモジュールの間の温度偏差を抑制することができる。

さらに、燃料ガスとして、自己着火温度がＳＯＦＣモジュールの動作温度よりも低い水素ガスを用いることにより、着火装置などを用いることなく流入口に導入した燃料ガスを燃焼させることができる。
そのため、サブモジュールにおける発電量の偏差を抑制する付帯設備の簡略化が図られる。

上記発明においては、前記サブモジュールの温度、または、前記サブモジュールの発電電圧に基づいて、前記流入口に導入される前記燃料ガスの流量を調節する制御部が設けられてことが望ましい。

本発明によれば、サブモジュールの温度、または、サブモジュール温度の影響を受ける発電電圧に基づいて流入口に導入される燃料ガスの流量を調節することにより、サブモジュール単位で温度制御することができ、各サブモジュールの間の温度偏差を抑制することができる。

本発明の燃料電池モジュールによれば、サブモジュールから排出された燃料ガスの一部を補助加熱部により酸化剤ガスの流入口に供給して燃焼させるため、多大な付帯設備を設けることなく、サブモジュール温度の偏差を抑制して、サブモジュールによる発電量の均一化を図ることができるという効果を奏する。

この発明の一実施形態に係る燃料電池モジュールについて、図１から図４を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係る燃料電池モジュールの構成を説明する模式図である。
本実施形態では、本願発明の燃料電池モジュールを、プロセス燃料（燃料ガス）として水素ガスを使用するＳＯＦＣモジュールに適用して説明する。
燃料電池モジュール１には、発電を行う複数のサブモジュール２と、複数のサブモジュール２を内部に収納する圧力容器３と、サブモジュール２にプロセス燃料を供給する燃料系統４およびプロセス空気（酸化剤ガス）を供給する空気系統５と、複数のサブモジュール２における温度を制御する補助加熱部６および制御部７と、が設けられている。

図２は、図１のサブモジュールの構成を説明する模式図である。
サブモジュール２は、プロセス燃料およびプロセス空気の供給を受けて発電を行うものであって、燃料電池モジュール１に複数設けられたものである。
サブモジュール２には、図２に示すように、複数の燃料電池セル管２１と、空気室としてのプロセス空気供給室２２と、燃料ガスを燃料電池セル管２１に供給する供給室２３と、燃料電池セル管２１から排出された燃料ガスが流入する排出室２４と、断熱体２５Ａ，２５Ｂとが設けられている。

燃料電池セル管２１は、図２に示すように、多孔質セラミックスから形成された円筒型の基体管であって、外周面に複数の燃料電池セルが形成されたものである。
さらに、燃料電池セル管２１の一方の端部は供給室２３に、他方の端部は排出室２４締り嵌めされ、かつ、燃料電池セル管２１の内部および供給室２３の内部と、燃料電池セル管２１の内部および排出室２４の内部とが連通されている。
なお、燃料電池セル管２１に用いられる多孔室セラミックスとしては安定化ジルコニアを例示することができる。

供給室２３は、図２に示すように、燃料系統４から供給された燃料ガスを燃料電池セル管２１に分配供給するとともに、燃料電池セル管２１を支持するものである。供給室２３の内部には、燃料ガスの流れを整える整流板のような機構が設けられていてもよいし、設けられていなくてもよく、特に限定するものではない。

排出室２４は、図２に示すように、燃料電池セル管２１から排出された燃料ガスが流入するとともに、燃料電池セル管２１を支持するものである。排出室２４の内部には、燃料ガスの流れを整える整流板のような機構が設けられていてもよいし、設けられていなくてもよく、特に限定するものではない。

プロセス空気供給室２２は、図２に示すように、供給室２３と排出室２４との間に配置され、内部に燃料電池セル管２１が収納される室である。さらに、プロセス空気供給室２２は、供給室２３および排出室２４から隔離され、燃料電池セル管２１の周囲にプロセス空気を供給する室でもある。
なお、図２に示した構成では、集電に関する構成を省略している。

断熱体２５Ａ及び断熱体２５Ｂは、燃料電池セル管２１において発生した熱の伝達を遮蔽して、供給室２３や排出室２４などを、上述の熱から保護するものである。
断熱体２５Ｂと燃料電池セル管２１との間には、プロセス空気の流路が形成され、当該流路によりプロセス空気の流量が制限されている。
断熱体２５Ａや断熱体２５Ｂを構成する材料としては、多孔質シリカ、多孔質アルミナ、シリカ、アルミナ、マグネシアなどを主成分とする断熱材を例示することができる。

圧力容器３は、図１に示すように、複数のサブモジュール２が収納される耐圧性を有する容器であって、燃料系統４および空気系統５が貫通して配置されたものである。

燃料系統４は、図１に示すように、サブモジュール２にプロセス燃料を供給するとともに、発電に用いられた後のプロセス燃料をサブモジュール２から排出させる系統である。
燃料電池モジュール１において、燃料系統４はサブモジュール２におけるプロセス燃料の流入側および流出側、言い換えると、供給室２３および排出室２４からそれぞれ延びて、供給側で一本配管にまとめられ、排出側で一本の配管にまとめられている。

燃料系統４における圧力容器３の外部には、排出側の燃料系統４と、供給側の燃料系統４とを接続する循環流路４１と、排出側の燃料系統４におけるプロセス燃料の圧力を昇圧する昇圧ブロア４２と、が設けられている。
このように循環流路４１および昇圧ブロア４２を設けることにより、排出側の燃料系統４におけるプロセス燃料の圧力を昇圧してプロセス燃料の一部を供給側の燃料系統４に循環させることができる。

空気系統５は、図１に示すように、サブモジュール２にプロセス空気を供給するとともに、発電に用いられた後のプロセス空気をサブモジュールから排出させる系統である。
燃料電池モジュール１において、空気系統５はサブモジュール２におけるプロセス空気の流入側および流出側、言い換えると、プロセス空気供給室２２の流入側および流出側からそれぞれ延びて、供給側で一本配管にまとめられ、排出側で一本の配管にまとめられている。

補助加熱部６は、図１に示すように、燃料系統４における排出側と、サブモジュール２におけるプロセス空気の流入口、言い換えると、空気系統５におけるサブモジュール２への流入部との間を接続する流路である。
具体的には、補助加熱部６における一方の端部は、燃料系統４における昇圧ブロア４２よりも下流側に接続されている。補助加熱部６における他方の端部は、各サブモジュール２と対応して分岐して、サブモジュール２におけるプロセス空気の流入口に接続されている。

図３は、図１の補助加熱部の構成を説明する部分拡大図である。
補助加熱部６における他方の端部には、図１および図３に示すように、プロセス燃料の流れを制御する流量調節弁（制御部）６１および逆止弁６２と、プロセス燃料をプロセス空気中に噴出させる噴出部６３が設けられている。

流量調節弁６１は、図１に示すように、後述する制御部７により弁開度が調節されることにより、補助加熱部６を流れるプロセス燃料の流量を調節するものである。逆止弁６２は、補助加熱部６におけるプロセス燃料の逆流、つまり、サブモジュール２側から燃料系統４側へプロセス燃料が流れることを防止するものである。
噴出部６３は、図３に示すように、空気系統５の外側から内側に向かって延び、空気系統５の内部で曲がり、プロセス空気の流れの下流側に向かって延びる管状の部材である。

図４は、図１の制御部を説明するブロック図である。
制御部７は、図４に示すように、流量調節弁６１とともに補助加熱部６を流れるプロセス燃料の流量を調節することにより、サブモジュール２における温度、または、発電電圧の偏差を抑制するものである。
制御部７における詳細な制御方法については後述する。

次に、上記の構成からなる燃料電池モジュール１における発電について説明する。
燃料電池モジュール１による発電は、図１および図２に示すように、サブモジュール２の供給室２３にプロセス燃料を供給し、プロセス空気供給室２２にプロセス空気を供給することにより行われる。

具体的には、プロセス燃料は燃料系統４から供給室２３に供給され、その後、燃料電池セル管２１の内部に流入する。供給室２３に供給される際に、プロセス燃料は、例えば、２５０℃程度に予熱されている。

プロセス燃料は、燃料電池セル管２１の燃料電池セルに供給され、発電に用いられる。燃料電池セルは発電の際に熱を発生するため、その温度は約９００℃から約１０００℃に保持される。
発電に用いられなかったプロセス燃料、および、発電により生成された水蒸気は、燃料電池セル管２１から排出室２４へ送出される。使用済みのプロセス燃料は燃料系統４へ排出される。

燃料系統４に排出されたプロセス燃料は昇圧ブロア４２により昇圧され、その一部は、循環流路４１および燃料系統４を介して、再び供給室２３に供給される。

プロセス空気は、空気系統５からプロセス空気供給室２２に流入し、断熱体２５Ｂと排出室２４との間の空間を、排出室２４に沿って移動する。その後、プロセス空気は、断熱体２５Ｂと燃料電池セル管２１の外周部との間の空間を燃料電池セル管２１の外周部に沿って流れ、プロセス空気供給室２２内に流入する。
プロセス空気は、プロセス空気供給室２２内において、燃料電池セル管２１の燃料電池セルに供給され、発電に用いられる。発電の際に燃料電池セルから発生した熱の一部は、プロセス空気により奪い去られ、燃料電池セルの温度は約９００℃から約１０００℃に保持される。

その後、プロセス空気は供給室２３側に向かって流れ、燃料電池セルから吸収した熱を、燃料電池セル管２１内を排出室２４側に向かって流れるプロセス燃料に放出し、プロセス燃料の温度を昇温させる。つまり、発電に用いられる前のプロセス燃料の温度を昇温させる。
プロセス燃料の温度を昇温させたプロセス空気は、プロセス空気供給室２２のから空気系統５へ排出される。

次に、本実施形態の特徴であるサブモジュール２の間の温度偏差の抑制方法、または、発電電圧の偏差の抑制方法について、図１を参照しながら説明する。
サブモジュール２の間の温度偏差の抑制方法と、発電電圧の偏差の抑制方法とは、センサなどによりサブモジュール２の温度を検出するか、発電電圧を検出するかの違いがあるのみで、基本的な制御方法は同一である。そのため、ここでは、サブモジュール２の間の温度偏差の抑制方法について説明し、発電電圧の偏差の抑制方法についてはその説明を省略する。

サブモジュール２の間の温度偏差の抑制は、燃料電池モジュール１が定格運転されている場合、または、部分負荷状態で運転されている場合に行われる。
例えば、サブモジュール２の間に温度偏差が発生すると、サブモジュール２に配置されたセンサ等の計測値が入力された制御部７において温度偏差の発生が認識される。

制御部７は、入力された各サブモジュール２の温度に基づいて、温度が低いサブモジュール２を選出し、当該サブモジュール２に対応する流量調節弁６１を開く制御信号を出力する。制御信号としては、最も温度が高いサブモジュール２と、制御信号に係るサブモジュール２との温度差に応じて、流量調節弁６１の弁開度を制御する信号を例示することができる。

流量調節弁６１が開かれると、図１および図３に示すように、昇圧ブロア４２により昇圧されたプロセス燃料の一部が、補助加熱部６、流量調節弁６１、逆止弁６２および噴出部６３を介して、サブモジュール２に流入する空気系統５の内部に供給される。噴出部６３から噴出されたプロセス燃料は、周りを流れるプロセス空気により加熱されて自己着火する。つまり、噴出部６３の周囲を流れるプロセス空気の温度は約５００℃であり、それよりも低温のプロセス燃料は、プロセス空気により加熱される。さらに、プロセス燃料である水素ガスの自己着火温度は約５００℃であるため、プロセス燃料は、プロセス空気により約５００℃に加熱されると自己着火する。

噴出部６３から噴出されたプロセス燃料が燃焼すると、燃焼熱によりプロセス空気が加熱される。加熱されたプロセス空気がプロセス空気供給室２２に流入すると、サブモジュール２の温度が昇温される（図２参照。）。

上記の構成によれば、サブモジュール２から排出されたプロセス燃料の一部を、補助加熱部６により酸化剤ガスの流入口に供給して燃焼させることにより、サブモジュール２の温度を昇温させ、各サブモジュール２の間の温度偏差を抑制することができる。そのため、サブモジュール温度の偏差を抑制して、サブモジュールによる発電量の均一化を図ることができる。
サブモジュール２から排出されたプロセス燃料には、燃料電池セル管２１における発電に用いられなかった燃料ガス（未燃成分）が含まれているため、流入口において導入されたプロセス燃料の未燃成分が燃焼する。そのため、サブモジュール２の温度を昇温させ、各サブモジュール２の間の温度偏差を抑制することができる。

さらに、プロセス燃料として、自己着火温度が燃料電池モジュール１の動作温度よりも低い水素ガスを用いることにより、着火装置などを用いることなく流入口に導入したプロセス燃料を燃焼させることができる。
そのため、サブモジュール２における発電量の偏差を抑制する付帯設備の簡略化が図られる。

サブモジュール２の温度、または、サブモジュール２の温度の影響を受ける発電電圧に基づいて流入口に導入されるプロセス燃料の流量が調節されるため、サブモジュール単位で温度制御することができ、各サブモジュール２の間の温度偏差を抑制することができる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

本発明の一実施形態に係る燃料電池モジュールの構成を説明する模式図である。 図１のサブモジュールの構成を説明する模式図である。 図１の補助加熱部の構成を説明する部分拡大図である。 図１の制御部を説明するブロック図である。

符号の説明

１ 燃料電池モジュール
２ サブモジュール
６ 補助加熱部
７ 制御部
６１ 流量調節弁（制御部）

Claims (2)

1. 外部から供給された燃料ガスおよび酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池セルを少なくとも有するサブモジュールと、
   前記サブモジュールから排出した前記燃料ガスの一部を、前記サブモジュールにおける前記酸化剤ガスの流入口に導入する補助加熱部と、
   が設けられていることを特徴とする燃料電池モジュール。
2. 前記サブモジュールの温度、または、前記サブモジュールの発電電圧に基づいて、前記流入口に導入される前記燃料ガスの流量を調節する制御部が設けられてい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。

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