JP2013171675A - 固体酸化物形燃料電池及び複合発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】断熱材と燃料電池セルとが接触する可能性を低減でき、しかも、リード貫通孔部での十分な熱交換を期待できる固体酸化物形燃料電池を提供する。
【解決手段】燃料ガスと酸化剤とを電気化学的に反応させて発電する固体酸化物形燃料電池において、上下両端部付近を管板により支持された燃料電池セルは、発電室の上下面を区画する断熱材５０にリード貫通孔部を形成するよう穿設された貫通孔の円形穴６０，長穴７０を通り、断熱材５０は、常温時におけるセルチューブの軸線と一致する位置で長手方向を複数に分割され、かつ、分割位置で長手方向の長穴７０とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池及び固体酸化物形燃料電池から排出される排燃料ガスと排酸化剤とを燃焼させてガスタービンを駆動させる複合発電システムに関する。

燃料電池は、電気化学反応による発電方式を利用した発電装置であり、優れた発電効率及び環境対応等の特性を有している。このため、２１世紀を担う都市型のエネルギー供給システムとして、実用化に向けた研究開発が進んでいる。
このような燃料電池は、燃料側の電極である燃料極と、空気（酸化剤）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ック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型燃料電池として知られている。

このようなＳＯＦＣにおいては、たとえば下記の特許文献１に開示されているように、ＳＯＦＣモジュールを構成するケーシングの内部に、上下を断熱材で仕切られた発電室が設けられている。
そして、ＳＯＦＣモジュールのケーシング内には、発電素子が形成されているセルチューブ（燃料電池セル）が多数配設されている。各セルチューブは、発電室を形成する上下の断熱材を貫通し、上下の両端部近傍を金属製の上管板及び下管板により支持された構成となっている。

特開２００７−１０９５９８号公報

近年、ＳＯＦＣモジュールは、よりコンパクトで高性能化を実現するために、セルチューブを複数本束ねるカートリッジにおいて、セルスタックを高密度化する傾向にある。
図５に示すように、断熱材１に設けたセルチューブ３の貫通孔２は、断熱材１とセルチューブ３間に空気の流通が可能な空隙を形成するため、セルチューブ３の外径（ｄ）より大きな直径（Ｄ）を有している（ｄ＜Ｄ）。一方、図示しない上管板及び下管板は、セルチューブ３の上下両端部を支持する金属製の部材であるため、セルチューブ３を通す孔にはクリアランスがない状態となっている。

高密度化されたＳＯＦＣモジュールは、小型化等の目的からセルチューブ間のピッチを狭めると、発電時の高温によって素材の異なる断熱材と金属製管板との熱伸び差が大きくなる。
このため、たとえば図５に示す断熱材１では、発電時における管板の熱伸びで断熱材１とセルチューブ３とが接触し、断熱材１を損傷させることが懸念される。この場合、常温時には、図中に実線で示す貫通孔２と同心位置にある破線表示としたセルチューブ３の位置が、高温の発電時には、管板の熱膨張により二点鎖線で示す位置まで移動する。なお、発電時のセルチューブ３が断熱材１の貫通孔２を越えて移動することは、実際には断熱材１に対する押圧力が作用することを意味している。

また、断熱材１とセルチューブ３との間には、空気の流通を可能にする空隙を形成するため、外径（ｄ）及び直径（Ｄ）の差によるクリアランスを設けている。このクリアランスは、常温において周方向に一定幅のリング状となる。しかし、セルチューブ３が管板とともに移動すると、クリアランスの幅が周方向において不均一になる。このようなクリアランスの不均一は、空隙を流れる空気を偏流させる原因になるので、セルチューブ３の内外を流れるガスがセルチューブ３のリード部で十分に熱交換できない領域が生じることも懸念される。

このような背景から、固体酸化物形燃料電池に適用される燃料電池カートリッジにおいては、発電中に断熱材とセルチューブとが接触する可能性を低減できるとともに、リード部における酸化剤の偏流を防止または抑制して、発電中の十分な熱交換を継続できるようにすることが望まれる。なお、断熱材に穿設する貫通孔を単純に大きくすれば、セルチューブとの干渉は回避できるようになるが、セルチューブのピッチ幅を狭めることの障害となるだけでなく、リード部における熱交換の不均一さや製造上の問題も生じてくる。
本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、断熱材と燃料電池セル（セルチューブ）とが接触する可能性を低減でき、しかも、リード部での十分な熱交換を期待できる固体酸化物形燃料電池及び複合発電システム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。
本発明に係る固体酸化物形燃料電池は、燃料電池セルの内側に燃料供給室から燃料ガスを導入して燃料排出室へ排出するとともに、酸化剤供給室から発電室内に酸化剤を導入して前記燃料電池セルの外側を酸化剤排出室へ向けて下方から上方へ流し、前記燃料ガスと前記酸化剤とを電気化学的に反応させて発電する固体酸化物形燃料電池であって、容器の内部を上下方向に区画して上から順に形成された前記燃料供給室、前記酸化剤排出室、前記発電室、前記酸化剤供給室及び前記燃料排出室を備え、前記燃料電池セルは、上下両端部付近を管板により支持されて複数本設置され、前記容器内で前記発電室の上下面を区画する断熱材に穿設された貫通孔を通って上下方向に貫通して上端を前記燃料供給室に開口するとともに下端を前記燃料排出室に開口し、前記断熱材は、長手方向を複数に分割され、かつ、分割位置における貫通孔を長穴としたことを特徴とするものである。

このような固体酸化物形燃料電池によれば、容器の内部を上下方向に区画して上から順に形成された燃料供給室、酸化剤排出室、発電室、酸化剤供給室及び燃料排出室を備え、燃料電池セル筒は、上下両端部付近を管板により支持されて複数本設置され、容器内で発電室の上下面を区画する断熱材に穿設された貫通孔を通って上下方向に貫通して上端を燃料供給室に開口するとともに下端を燃料排出室に開口し、断熱材は、長手方向を複数に分割され、かつ、分割位置における貫通孔を長穴としたので、発電時の高温になっても、加工しやすい分割位置の長穴が燃料電池セル筒の移動を吸収する。このため、断熱材と燃料電池セル筒とが接触する可能性を低減し、リード部を通過して流れる酸化剤の偏流を防止または抑制することができる。

上記の発明において、前記断熱材の前記貫通孔は、長手方向両端部側の少なくとも１列を長手方向または長手方向から傾斜した方向の長穴とすることが好ましく、これにより、燃料電池セル筒の移動量が最も大きくなって断熱材と接触しやすい両端部においても、長穴により燃料電池セル筒の移動を吸収することができる。この場合、両端部側の長穴については、端から１〜３列程度設ければよい。

また、上記の発明において、前記断熱材は、上下の複数層で分割位置をずらすことが好ましく、これにより、分割部が酸化剤のバイパス流路となることを防止できる。
また、上記の発明において、前記断熱材は、長手方向の中央部を最も幅広に分割することが好ましく、これにより、燃料電池セル筒の移動量が最も大きくなって断熱材と接触しやすい両端部側に効率よく長穴を配置できる。

本発明に係る複合発電システムは、酸化剤と燃料ガスとを電気化学的に反応させて発電する固体酸化物形燃料電池から排出される排燃料ガスと排酸化剤を燃焼させてガスタービンを駆動させる複合発電システムであって、前記固体酸化物形燃料電池は、燃料電池セルと、燃料供給室と、燃料排出室と、酸化剤供給室と、酸化剤排出室とを有し、前記発電室は、断熱材を介して前記酸化剤供給室及び前記酸化剤排出室と隣接して配置され、前記燃料電池セルは、複数の前記断熱材の貫通孔を貫通して設置され、前記断熱材は、長手方向で複数に分割され、かつ、前記断熱材の分割位置に設けられる貫通孔を長手方向の長穴を有し、前記酸化剤供給室は、前記ガスタービンと同軸に設置された圧縮機により圧縮された前記酸化剤を前記発電室に供給することを特徴とするものである。

このような本発明の複合発電システムによれば、燃料電池セルが貫通する固体酸化物形燃料電池の断熱材は、長手方向で複数に分割され、かつ、断熱材の分割位置に設けられる貫通孔を長手方向の長穴を有し、酸化剤供給室は、ガスタービンと同軸に設置された圧縮機により圧縮された酸化剤を前記発電室に供給するので、発電時の高温になっても、加工しやすい分割位置の長穴が燃料電池セル筒の移動を吸収する。このため、断熱材と燃料電池セル筒とが接触する可能性を低減し、リード部を通過して流れる酸化剤の偏流を防止または抑制することができる。すなわち、運転時でもリード部におけるガスの熱交換面積を確保し、固体酸化物形燃料電池からの排出ガス温度及び発電室内の温度を安定させることが可能となる。

上述した本発明によれば、高温となる発電時に管板の熱伸びに伴う燃料電池セルの移動が生じても、断熱材の貫通孔を長穴とすることで、断熱材と燃料電池セルとが接触する可能性を低減し、断熱材と燃料電池セルとの間の空隙を通過して流れる酸化剤の偏流を防止または抑制することができる。この結果、燃料電池セルの移動によって断熱材を損傷させることを防止でき、しかも、リード貫通孔部においては、酸化剤の偏流が抑制されて設計時に期待した良好な熱交換を継続できる。

本発明に係る固体酸化物形燃料電池の一実施形態を示す図で、（ａ）は上段に配置した断熱材の平面図、（ｂ）は二段重ねとした断熱材の側面図、（ｃ）は下段に配置した断熱材の平面図である。 断熱材の分割例を示す縦断面図である。 断熱材に設けたセルチューブの貫通孔に対し、常温及び運転時（６００℃）のセルチューブ位置変化を示す図である。 本発明に係る固体酸化物形燃料電池の構成を示す断面図である。 従来の断熱材に設けたセルチューブの貫通孔に対し、常温及び運転時（６００℃）のセルチューブ位置変化を示す図である。 本発明に係る複合発電システムの概略構成図である。

以下、本発明に係る固体酸化物形燃料電池及び複合発電システムの一実施形態を図面に基づいて説明する。
酸化剤とは酸素を略１５％〜２１％含むガスであり、代表的には空気が好適であるが、空気以外にも燃焼排ガスと空気の混合ガスや、酸素と空気の混合ガスなど、空気に限定されるものではない。なお、以下の説明においては、酸化剤の一例として空気が使用されている。

また、以下の説明においては、説明の便宜上、紙面を基準として「上」及び「下」の表現を用いて各構成要素の位置関係を特定するが、鉛直方向に対して必ずしもこの限りである必要はなく、たとえば上下が逆転したもの、鉛直方向に直交する水平方向や、水平方向から傾斜したものでもよい。

図４に示す燃料電池カートリッジ１０は、固体酸化物形燃料電池（以下、「ＳＯＦＣ」と呼ぶ）に適用されるものである。一般的なＳＯＦＣは、発電を行なう複数のセルチューブ１２を束ねるセルスタックにより構成される燃料電池カートリッジ１０と、複数のカートリッジ１０を組み合わせたサブモジュール、複数のサブモジュールを組み合わせたモジュールにより構成されている。

また、本実施形態におけるＳＯＦＣは、適用先として限定されるものではない。たとえば、ＳＯＦＣとガスタービンまたはマイクロガスタービンなどと組み合わせて複合的に発電する複合発電システムに利用してもよいし、あるいは、ＳＯＦＣ単体による発電システムに利用してもよい。

燃料電池カートリッジ１０は、たとえば図４に示すように、断熱材のケーシング（容器）１１と、複数のセルチューブ（燃料電池セル）１２と、セルチューブ１２の両端を支持する上下の管板１３，１４と、これら上下の管板１３，１４の間に配置された上下の断熱体１５，１６と、ケーシング１１の下部に設けられ、燃料排出ヘッダ２０を収納して空気流路４０を形成する二重容器構造の支持架台３０と、から概略構成されている。
また、上断熱体１５は、後述する空気排出ヘッダ２３を形成するため、第１上断熱体１５Ａと第２上断熱体１５Ｂとに二分割されている。すなわち、空気排出ヘッダ２３は、第１上断熱体１５Ａと第２上断熱体１５Ｂとの間に形成されている。
空気排出ヘッダ２３は、上断熱材１５Ａを介して発電室に隣接して配置され、上断熱材１５Ａに形成された燃料電池セル１２の貫通孔１５ａを通して発電室１７の酸化剤を燃料電池カートリッジ１０の外部に排出している。

ケーシング１１と上下の断熱体１５，１６との間には、具体的には第１断熱体１５Ａと下断熱体１６との間には、発電室１７が形成されている。ケーシング１１と上管板１３との間には、燃料供給ヘッダ（燃料供給室）１８が形成され、上面に燃料供給管１９が接続されている。下管板１４の下側には、燃料排出ヘッダ２０の空間が形成されている。
そして、下管板１４と下断熱体１６との間には、空気供給ヘッダ２２が形成され、上管板１３と上断熱体１５との間には、空気排出ヘッダ２３が形成されている。なお、図中の符号２４は、空気排出ヘッダ２３に接続された空気排出管（排出配管）である。

上管板１３は、長方形の水平断面形状を有する角柱状のケーシング１１において、長手方向の上側（図４の上方）に配置された板状の部材であり、燃料供給ヘッダ１８の下面部材でとなる。
また、下管板１４は、同じく長手方向の下側（図４の下方）に配置された板状の部材であり、燃料排出ヘッダ２０の上面部材とともに空気供給ヘッダ２２の下面部材となる。この下管板１４は、空気流路４０の上端部を封止する部材でもあり、空気供給ヘッダ２２と空気流路４０との間は、図示しない連通孔により空気の流通が可能となっている。
なお、この場合の長手方向については、角柱形状となるケーシング１１の上下方向と読み替えることも可能である。

セルチューブ１２は、多孔質セラミックスから形成された円筒状の管であり、長手方向における中央部には発電を行なう複数の発電素子（不図示）が設けられている。
セルチューブ１２は、一方の開口端が燃料供給ヘッダ１８に開口するとともに、他方の開口端が燃料排出ヘッダ２０内に開口するように、上下の管板１３，１４に穿設した貫通孔よって支持されている。また、セルチューブ１２は、発電素子が発電室１７内にのみ位置するように配置されている。
セルチューブ１２は、発電素子部が設けられた中央部の両端部側であって、長手方向における両端部に設けられたリード部（不図示）を備えている。このリード部は、発電素子部で発電した電気をセルチューブの端部に設けた集電部（不図示）まで導通させる機能を有するとともに、セルチューブ１２が断熱体１５及び１６を貫通するリード貫通孔部（１５ｃ及び１６ｄ）で、セルチューブ１２を介して、燃料ガスと酸化剤とを熱交換させる機能を有している。

上断熱体１５は、ケーシング１１の長手方向の上側（図４の上方）に配置され、断熱材料を用いてブランケット状あるいはボード状などに形成された部材である。下断熱材１６は、ケーシング１１の長手方向の下側（図４の下方）に配置され、断熱材料を用いてブランケット状あるいはボード状などに形成された部材であり、空気供給ヘッダ２２の上面部材ともなる。
空気供給ヘッダ２２は、下断熱材１５により発電室に隣接して配置され、下断熱材に形成された燃料電池セルの貫通孔を通して発電室に酸化剤を供給している。
上断熱体１５及び下断熱体１６には、セルチューブ１２を挿通させる貫通孔１５ａ，１６ａが形成され、貫通孔１５ａ，１６ａの直径は、空気の流通を可能にするためセルチューブ１２の直径よりも大きく形成されている。

また、貫通孔１５ａ，１６ａの内周面は、円筒状に形成されていてもよいし、あるいは、螺旋状または、直線状の凹部（溝）または凸部（畝状突起）が形成されてもよく、特に限定されることはない。
このような構成にすることで、セルチューブ１２と貫通孔１５ａ，１６ａとの間を通って発電室１７を流れる空気と、セルチューブ１２の内側を流れる燃料との熱交換が効率よく行われるので、発電室１７の温度を高温に保ちやすくなる。

ケーシング１１の下端部側（下部構造）は、支持架台３０の内部に燃料排出ヘッダ２０を収納して空気流路を形成する二重箱（二重壁）構造となっている。
燃料排出ヘッダ２０は、上面に下管板１４を備えた中空箱形（略直方体形状）の部材であり、略同形状にして上面を開口させた支持架台３０の内部空間（略直方体形状）に収納設置されている。

また、支持架台３０の底面には空気供給口３１が設けられ、下方へ向けた空気供給ノズル３２が接続されている。空気供給ノズル３２の側面には、空気供給管３３が接続されている。さらに、上述した燃料排出ヘッダ２０の燃料排出管２１は、空気供給口３１及び空気供給ノズル３２の内部を通り、空気供給ノズル３２の底部３２ａを下方へ貫通して図示しない外部機器に接続されている。

空気供給口３１及び空気供給ノズル３２は、燃料排出管２１より大径とされる。このため、燃料排出管２１の外周面と空気供給ノズル３２の内周面との間には、空気供給管３３から供給された空気を空気供給ヘッダ２２へ導くリング状断面形状の空気導入空間部３４が形成されている。この空気導入空間部３４は、支持架台３０の内周面と燃料排出ヘッダ２０の外周面との間に形成された空気流路４０の間隙部と空気供給口３１を介して連通している。従って、空気供給管３３から供給された空気は、空気導入空間部３４から、燃料排出ヘッダ２０の外周（底面及び側面）に形成された空気流路４０へ流入し、さらに、図示しない連通孔を通って空気供給ヘッダ２２に供給される。

以下では、上述した上断熱材１５及び下断熱材１６に採用する断熱材構造ついて、図１から図３を参照して説明する。
図示の断熱材５０は、上層断熱材５０Ａ及び下層断熱材５０Ｂの上下２段重ね（二層構造）とされ、上層断熱材５０Ａ及び下層断熱材５０Ｂは、常温時におけるセルチューブ１２の軸線と一致する位置で長手方向（長方形の長辺方向）を複数に分割されている。この場合の分割数は、運転時の温度等を考慮して増加させる方向で決定される。

また、上層断熱材５０Ａ及び下層断熱材５０Ｂには、セルチューブ１２を通すための貫通孔１５ａ，１６ａとして、円形穴６０と長手方向の長穴７０とが穿設されている。この長穴７０は、少なくとも分割位置に設けられていればよいが、たとえば運転温度等の諸条件によっては、熱影響を受けてセルチューブ１２の移動量が大きくなる長手方向両端部側の１列または複数列（両端からそれぞれ３列程度）についても、同様の長穴７０とすることが好ましい。図示の構成例では、長辺方向の一列に合計３０個の円形穴６０及び長穴７０を設けるとともに、この列を短辺方向に７列並べているので、合計２１０本のセルチューブ１２を配列可能となるが、このセルチューブ数に限定されることはない。
なお、図１においては、円形穴６０が白抜きで図示され、長穴７０が黒塗りで図示されている。

図１に示す構成例では、上層断熱材５０Ａ及び下層断熱材５０Ｂがいずれも長手方向を５分割された断熱材要素５１ａ〜５１ｅ，５２ａ〜５２ｅの組み合わせとなっている。この場合、上層断熱材５０Ａ及び下層断熱材５０Ｂの分割位置をずらし、２段重ねの状態で分割線Ｌが上下に連続しないようになっている。さらに、図２に示すような３層構造の断熱材５０′においても、各層の分割位置をずらすことで分割線Ｌが上下に連続しないようになっている。
上層断熱材５０Ａ及び下層断熱材５０Ｂは、長穴７０を効率よく配置できるように、いずれも長手方向の中央部（断熱材要素５１ｃ，５２ｃ）が最も幅広となるように分割されている。

また、常温において、貫通孔１５ａ，１６ａがセルチューブ１２の軸中心位置と一致するように穿設されているので、常温（停止時）における円形穴６０及び長穴７０の中心はセルチューブ１２の軸中心と大方一致するように設けられている。このため、図示の長穴７０は、いずれも分割線Ｌにより長手方向が二分割されたものとなる。
そして、長穴７０の形状は、図３に示すように、短辺方向（縦方向）の寸法が円形穴６０の直径Ｄと同様のＤとされ、長辺方向の寸法が直径Ｄより大きい値のＤａ（Ｄａ＞Ｄ）に設定されている。

このように、本実施形態の上層断熱材５０Ａ及び下層断熱材５０Ｂは、常温時におけるセルチューブ１２の軸線（複数の軸中心を短辺方向に結んだ線）と一致する位置において長手方向が分割線Ｌで複数に分割され、かつ、セルチューブ１２を通すための貫通孔１５ａ，１６ａを分割位置で長手方向の長穴７０としたので、燃料電池カートリッジ１０が発電時の高温になっても、長穴７０でセルチューブ１２の移動量を吸収することができる。

具体的に説明すると、図３に示すように、常温において、円形穴６０や長穴７０の中心位置にある破線表示のセルチューブ１２は、運転時の高温（たとえば６００℃）になることで金属製の管板１３，１４が断熱材５０より大きく熱膨張するので、管板１３，１４とともに長手方向の左右両端側へ向けて移動する。このとき、分割部や両端部に長穴７０が設けられており、しかも、熱膨張に伴う移動量等を考慮して分割数を増しているので、熱膨張によるセルチューブ１２の移動は、図中に二点鎖線で示すように、長穴７０の範囲内で吸収することが可能になる。

このため、断熱材５０とセルチューブ１２とが接触する可能性を低減し、さらに、リード貫通孔部となる円形穴６０及び長穴７０の内周面とセルチューブ１２の外周面とのクリアランスを通過して流れ空気の偏流を防止または抑制することができる。
なお、管板１３，１４の熱膨張が大きいと、断熱材５０の長手方向両端部側におけるセルチューブ１２の移動量が大きくなるので、断熱材５０の両端部に長穴７０を設けることは、セルチューブ１２の高密度化や高温運転対策として有効である。

ところで、上述した長穴７０を分割部に設けるのは、他の部分より加工が容易になるためである。
また、上述した断熱材５０は、上下の複数層で分割位置をずらしているので、分割部の分割線Ｌが空気のバイパス流路となることを防止できる。

また、上述した断熱材５０は、長手方向の中央部を最も幅広に分割しているので、セルチューブ１２の移動量が最も大きくなって断熱材５０と接触しやすい両端部側に効率よく長穴７０を配置できる。換言すれば、長手方向の中央部を最も幅広に分割することで、断熱材５０の分割線Ｌが、同じ分割数でも長手方向の両端部側に多く配置されるので、長穴７０による移動吸収の効率が向上する。

上述したように、本実施形態の燃料電池カートリッジ１０は、常温におけるセルチューブの軸線と一致させた位置で断熱材５０の長手方向を複数に分割するとともに、分割位置にある貫通孔を長手方向の長穴７０とするように設計される。
また、分割位置を工夫することにより、たとえば図示の構成例における断熱材要素５１ｂ，５１ｄ，５２ｂ，５２ｄについては部品の共用化が可能になる。

このような断熱材設計方法は、発電時の高温になっても、加工しやすい分割位置の長穴７０にセルチューブ１２の移動を吸収させるので、断熱材５０とセルチューブ１２とが接触する可能性を低減した設計や、リード貫通孔部を通過して流れる空気の偏流を防止または抑制した設計が可能になる。また、断熱材５０の分割数を適宜増すことにより、加工しやすい分割部５０の長穴７０を増し、セルチューブ１２の移動を効率よく吸収できる。

このように、上述した本実施形態によれば、高温となる発電時においても、管板１３，１４の熱伸びに伴うセルチューブ１２の移動を長穴７０が吸収するので、断熱材５０とセルチューブ１２とが接触する可能性を低減し、リード貫通孔部を通過して流れる酸化剤の偏流を防止または抑制することができる。この結果、運転中にセルチューブ１２が移動して断熱材５０を損傷させることを防止でき、しかも、リード貫通孔部においては、空気の偏流が抑制されて設計時に期待した良好な熱交換を継続できる。

図６には、複合発電システム１０１の概略図を示す。複合発電システム１０１は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）１０２と、ガスタービン発電装置１０３から構成され、ＳＯＦＣ１０２による発電とガスタービン発電設備１０３による発電を組み合わせ、高い効率を得ることができる発電システムである。複合発電システム１０１に利用される燃料ガス、空気ガス及び不活性ガスの配管系統として、燃料ガス供給流路Ｌ１、燃料極側の不活性ガス供給流路Ｌ２、排燃料ガス流路Ｌ３、再循環ガス流路Ｌ４、燃焼器用の燃料ガス供給流路Ｌ５、酸化ガス供給流路Ｌ６、排気流路Ｌ７、空気極側の不活性ガス供給流路Ｌ８、排酸化ガス流路Ｌ９、酸化ガスバイパス流路Ｌ１０が設けられている。

燃料ガス供給流路Ｌ１は、燃料ガスの流量を調整する流量調整弁１０５を介して、燃料ガス供給源１０４とＳＯＦＣ１０２を接続している。また、燃料ガス供給流路Ｌ１には、起動または停止時に不活性ガスを供給する不活性ガス供給流路Ｌ２が接続されている。燃料極側の不活性ガス供給流路Ｌ２は、不活性ガスの流量を調整する流量調整弁１０７を介して、燃料極側の不活性ガス供給源１０６が接続されている。

ＳＯＦＣ１０２の発電に利用された燃料ガスは、排燃料ガス流路Ｌ３に排出される。排燃料ガス流路Ｌ３は、燃料ガスと排燃料ガスの熱交換器１０８、排燃料ガス再循環ブロワ１０９及び流量調整弁１１０を介して、ガスタービン発電装置１０３の燃焼器１１１に接続されている。
熱交換器１０８は、燃料ガス供給流路Ｌ１から供給される燃料ガスと、ＳＯＦＣ１０２から排燃料ガス流路Ｌ３に排出される発電に利用された高温の排燃料ガスとの熱交換を行い、ＳＯＦＣ１０２に供給される燃料ガスを予熱している。排燃料ガス再循環ブロワ１０９は、ＳＯＦＣ１０２より排燃料ガス流路に排出される排燃料ガスに含まれる未利用燃料を再循環ガス流路Ｌ４により燃料ガス供給流路Ｌ１に再循環させている。流量調整弁１１０は、ガスタービン発電設備１０３の燃焼器１１１に供給される排燃料ガス流路Ｌ３を流れる排燃料ガスのガス流量を制御している。

酸化ガス供給流路Ｌ６は、熱交換器１１２と、流量調整弁１１３を介して、ガスタービン発電設備１０３の圧縮機１１４とＳＯＦＣ１０２を接続している。また、酸化ガス供給流路Ｌ６には、起動または停止時に不活性ガスを供給する空気極側の不活性ガス供給流路Ｌ８が接続されている。空気極側の不活性ガス供給流路Ｌ８は、不活性ガス源１１７から供給される不活性ガスの流量を調整する流量調整弁１１８を介して、空気極側の不活性ガス供給源１１７が接続されている。熱交換器１１２は、圧縮機１１４により加圧された酸化剤ガスと、タービン１１５から排燃焼ガス流路Ｌ７に排出される排燃焼ガスとで熱交換を行い、ＳＯＦＣ１０２に供給される酸化ガスを昇温している。流量調整弁１１３は圧縮器１１４から供給される酸化ガスの流量を制御している。

ＳＯＦＣ１０２の発電に利用された酸化ガスは、排酸化ガス流路Ｌ９に排出される。排酸化ガス流路Ｌ９は、ガスタービン発電装置１０３の燃焼器１１１に接続されおり、排酸化ガスが燃焼器１１１に供給される。また、排酸化ガス流路Ｌ９には、酸化ガスバイパス流路Ｌ１０が接続されている。酸化ガスバイパス流路Ｌ１０は、複合発電システム１０１の起動停止時やガスタービン発電設備１０３の単独運転時において、酸化ガスがＳＯＦＣ１０２をバイパスして、燃焼器１１１に供給するための配管系統である。

ガスタービン発電設備１０３には、酸化ガスを圧縮する圧縮機１１４と、ガスタービンを駆動させるための燃焼ガスを生成する燃焼器１１１と、燃焼ガスを膨張させて回転するタービン１１５と、が備えられている。圧縮機１１４は、タービン１１５と同軸に連結されている。また、発電機１１６は、タービン１１５と同軸に連結されている。

燃焼器１１１は、ＳＯＦＣが排出される燃料ガスと酸化ガスとを燃焼させて高温高圧の燃焼ガスをタービン１１５に供給している。また、燃焼器５１には、排燃料ガス流路Ｌ３とは別に、直接燃料ガスを供給するための燃焼器用の燃料ガス供給流路Ｌ５が接続されている。燃焼器用の燃料ガス供給流路Ｌ５は、流量調整弁１２０を介して燃焼器１１１と燃料ガス源１１９とを接続している。

このような複合発電システム１０１に上述した断熱材構造を適用することにより、運転時でもリード部におけるガスの熱交換面積を確保し、ＳＯＦＣからの排出ガス温度及び発電室内の温度を安定させることが可能となる。これにより、複合発電システム１０１における制御性を向上させることができる。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、そ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。

１０ 燃料電池カートリッジ
１１ ケーシング（容器）
１２ セルチューブ（燃料電池セル）
１３ 上管板（仕切部材）
１４ 下管板（仕切部材）
１５ 上断熱体
１６ 下断熱体
１７ 発電室
１８ 燃料供給ヘッダ（燃料供給室）
２０ 燃料排出ヘッダ（燃料排出室）
２１ 燃料排出管
２２ 空気供給ヘッダ（空気供給室）
２３ 空気排出ヘッダ（空気排出室）
２４ 空気排出管（排出配管）
３０ 支持架台
４０ 空気流路
５０ 断熱材
５１ 内壁面
６０ 円形穴
７０ 長穴

Claims (5)

1. 燃料電池セルの内側に燃料供給室から燃料ガスを導入して燃料排出室へ排出するとともに、酸化剤供給室から発電室内に酸化剤を導入して前記燃料電池セルの外側を酸化剤排出室へ向けて下方から上方へ流し、前記燃料ガスと前記酸化剤とを電気化学的に反応させて発電する固体酸化物形燃料電池であって、
   容器の内部を上下方向に区画して上から順に形成された前記燃料供給室、前記酸化剤排出室、前記発電室、前記酸化剤供給室及び前記燃料排出室を備え、
   前記燃料電池セルは、上下両端部付近を管板により支持されて複数本設置され、前記容器内で前記発電室の上下面を区画する断熱材に穿設された貫通孔を通って上下方向に貫通して上端を前記燃料供給室に開口するとともに下端を前記燃料排出室に開口し、
   前記断熱材は、長手方向を複数に分割され、かつ、分割位置における貫通孔を長穴としたことを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
2. 前記断熱材の前記貫通孔は、長手方向両端部側の少なくとも１列を長手方向または長手方向から傾斜した方向の長穴としたことを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池。
3. 前記断熱材は、上下の複数層で分割位置をずらしたことを特徴とする請求項１または２に記載の固体酸化物形燃料電池。
4. 前記断熱材は、長手方向の中央部を最も幅広に分割したことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の固体酸化物形燃料電池。
5. 酸化剤と燃料ガスとを電気化学的に反応させて発電する固体酸化物形燃料電池から排出される排燃料ガスと排酸化剤を燃焼させてガスタービンを駆動させる複合発電システムであって、
   前記固体酸化物形燃料電池は、燃料電池セルと、燃料供給室と、燃料排出室と、酸化剤供給室と、酸化剤排出室とを有し、
   前記発電室は、断熱材を介して前記酸化剤供給室及び前記酸化剤排出室と隣接して配置され、
   前記燃料電池セルは、複数の前記断熱材の貫通孔を貫通して設置され、
   前記断熱材は、長手方向で複数に分割され、かつ、前記断熱材の分割位置に設けられる貫通孔を長手方向の長穴を有し、
   前記酸化剤供給室は、前記ガスタービンと同軸に設置された圧縮機により圧縮された前記酸化剤を前記発電室に供給することを特徴とする複合発電システム。
   

Images