JP2015018622A - 燃料電池ユニット、燃料電池システム及びハイブリッド発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料改質手段を持つ高温作動型燃料電池において、電気化学反応に伴う温度不均一による熱応力を低減し、燃料電池の信頼性を向上する。【解決手段】燃料を改質して得た改質ガスと酸素との電気化学反応により発電を行う複数の単セルの集合体である燃料電池モジュールと、燃料から改質ガスを生成する触媒を有する改質器と、これらを内蔵した格納容器とを備えた燃料電池ユニットにおいて、燃料電池モジュールと改質器とが接触した構成とし、燃料電池モジュールにおける改質ガスの入口側であって電気化学反応による発熱が大きい発熱領域と、改質器に燃料を導入する吸熱領域とが隣り合うように配置する。【選択図】図９Ｂ

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池を用いた燃料電池ユニット並びに当該燃料電池ユニットを用いた燃料電池システム及びハイブリッド発電システムに関する。

燃料電池は、電解質を挟むようにアノード（燃料極）及びカソード（空気極）を備え、アノード側には燃料を、カソード側には酸化剤を供給し、電解質を介して燃料と酸化剤を電気化学的に反応させることにより発電する発電装置である。燃料電池の種類の一つである固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は、電解質にイットリア（Ｙ_２Ｏ_３）や酸化ネオジム（Ｎｄ_２Ｏ_３）のような酸化物イオン伝導性を備えた固体酸化物材料を用い、燃料極にはＬａ（Ｓｒ）ＭｎＯやＬａ（Ｓｒ）ＣｏＯなどのペロブスカイト構造の酸化物材料を、空気極にはＮｉと電解質材の多孔性サーメットを用いて構成される。また、ＳＯＦＣは、６００〜１０００℃の高温で作動する燃料電池であるため、排熱を利用して、ガスタービンなどとのハイブリッド化が可能であり、高い発電効率が期待できる。また、高温作動から燃料の改質処理が容易なため、燃料の多様化が図れ、他の燃料電池に比べコスト低減のポテンシャルを持つという特徴がある。

ところで、電極における電気化学反応は下記反応式（１）で表される発熱反応であるため、冷却が必要になる。一方、燃料に天然ガスを用いた場合、その主成分であるメタンの改質反応は、下記反応式（２）で表されるように反応が速い吸熱反応であり、熱エネルギーを必要とする。

Ｈ_２ ＋ １／２Ｏ_２ → Ｈ_２Ｏ −２４２ｋＪ／ｍｏｌ （１）
ＣＨ_４ ＋ ２Ｈ_２Ｏ → ４Ｈ_２ ＋ ２ＣＯ_２ ＋１６５ｋＪ／ｍｏｌ （２）
特許文献１には、外側から順に空気極、電解質、燃料極、改質反応触媒材及び燃料供給兼導電管を同心に配置した固体酸化物型燃料電池セルにおいて、複数のマイクロヒートパイプ又は二重パイプ構造のヒートパイプを設けることにより、改質反応による温度分布の不均一を緩和し、熱歪みを抑制する技術が開示されている。

また、特許文献２には、複数の改質器と改質器の制御装置とを備えた燃料電池発電システムにおいて、モジュール内の複数の領域のうち温度が高くなりすぎた領域に送られる改質ガスの炭化水素濃度を、ガス温度又はガス流量を制御することにより、モジュール内の温度分布を均一化する技術が開示されている。

特開平１０−２１９４１号公報 特開２００７−１２２９６４号公報

しかしながら、特許文献１のようにヒートパイプの働きにより温度分布を一様化するには、ヒートパイプが温度の高い領域から熱を吸収し、温度の低い領域に熱を放出しなければならず、温度一様化の作用には時間がかかる。発電セルは、運転条件により電極における電気化学反応の領域が変化し、発熱分布が変化する。したがって、ヒートパイプの働きにより温度分布を一様化する手法は、運転条件に適切に対応でない危惧がある。また、ヒートパイプ自身の熱膨張により接触による破損などの不具合が生じる可能性がある。さらに、ヒートパイプの設置にはコストがかかるばかりか、発電システムの重量を増大させてしまう。

一方、特許文献２のように温度の上昇しやすい発電セルとそれ以外の発電セルとに異なる燃料を供給し、発電セル内部で発生する改質反応の吸熱作用により、モジュールの温度分布を均一化する手法は、改質反応が速いため、発電セルの燃料供給の入口付近で吸熱作用による冷却が実施され、長い燃料流路をもつ発電セルにおいて、モジュールの温度分布を均一化するのは困難である。

本発明の目的は、燃料改質手段を持つ高温作動型燃料電池において、電気化学反応に伴う温度不均一による熱応力を低減し、運転状況に応じて適切に温度分布を一様化することにより、燃料電池の信頼性を向上することにある。

本発明は、燃料を改質して得た改質ガスと酸素との電気化学反応により発電を行う複数の単セルの集合体である燃料電池モジュールと、燃料から改質ガスを生成する触媒を有する改質器とを備えた燃料電池ユニットにおいて、燃料電池モジュールと改質器とが接触した構成とし、燃料電池モジュールにおける改質ガスの入口側であって電気化学反応による発熱が大きい発熱領域と、改質器に燃料を導入する部位である吸熱領域とが隣り合うように配置する。

本発明によれば、燃料電池モジュールにおける発熱領域と改質器における吸熱領域とが隣り合うように配置しているため、これらの領域の温度差を利用して冷却を促進し、燃料電池モジュールの温度上昇を抑制することができる。これにより、燃料電池モジュールを構成する単セルの熱応力を緩和し、信頼性を向上することができる。

実施例の燃料電池ユニットを示す概略斜視図である。 図１Ａの燃料電池ユニットの格納容器を示す概略斜視図である。 図１Ａの燃料電池ユニットを示す分解斜視図である。 燃料電池ユニットを構成する単セル（固体酸化物型燃料電池）を示す上面図である。 図２Ａの単セルのＡ−Ａ断面図である。 実施例の固体酸化物型燃料電池モジュールを示す斜視図である。 図３Ａの固体酸化物型燃料電池モジュールの詳細を示す部分断面図である。 ガスのシール部材を組み込んだ燃料電池モジュールを示す斜視図である。 燃料電池モジュールにおけるガスのシール部材の配置を示す分解斜視図である。 燃料シール部材を示す上面図及び部分拡大図である。 酸化剤シール部材を示す上面図及び部分拡大図である。 燃料電池ユニットの内部の構成並びに燃料及び酸化剤の流れを示す縦断面図である。 改質用燃料を供給するための複数の供給口を備えた改質用燃料供給器を示す側面図である。 図８Ａの改質用燃料供給器を示す斜視図及び上面図である。 燃料電池ユニットを示す側面図である。 燃料電池ユニットにおける燃料の流れを示す縦断面図である。 燃料電池ユニットに設置した単セルについて数値シミュレーションを行うための構造モデルを示す上面図である。 図１０Ａの単セルについて行った数値シミュレーションの結果である温度特性を示すグラフである。 本発明の一実施形態に係る燃料電池システム及びその排熱を利用したハイブリッド発電システムの概要を示す構成図である。 改質器を示す斜視図である。 図１２Ａの改質器の内部構造を示す横断面図である。 改質器の内部構造の変形例を示す横断面図である。 改質器の内部構造の変形例を示す横断面図である。 単セルに用いる絶縁部材を示す上面図である。 本発明の効果である燃料電池モジュールの温度分布を示すグラフである。 従来の改質器を示す概略構成図である。 他の実施例の燃料電池ユニットを示す上面図及び断面図である。 図１６Ａの燃料電池ユニットに用いた単セルの集合体を示す斜視図である。

図１５は、ＳＯＦＣを用いた従来の発電システムを示したものである。

本図の発電システム１６００は、燃料電池モジュール１６０１と外部改質器１６０２とを、ダクト１６０３により接続した構成を有する。

発電システム１６００は、酸化剤として空気１６１２を、燃料として天然ガスと水蒸気とを含む混合ガス１６１１を用いる。水蒸気は、天然ガスの改質反応に必要である。

燃料電池モジュール１６０１は、水素と空気中の酸素とから電気エネルギーを生成する単セル（固体酸化物形燃料電池）を積層した構成を有する。

一方、外部改質器１６０２は、燃料電池モジュール１６０１から発生する排ガス１６１５によって加熱されるように配置してある。外部改質器１６０２は、天然ガスを改質処理し、燃料電池モジュール１６０１における電気化学反応に用いる水素を生成する機能を有する。よって、改質処理に必要な熱エネルギーは、排ガス１６１５から得る。

混合ガス１６１１は、外部改質器１６０２にて改質されて改質ガス１６１３となり、燃料電池モジュール１６０１の上流側に導入されるようになっている。一方、空気１６１２は、燃料電池モジュール１６０１の下流側に導入され、改質ガス１６１３と対向するように流れ、燃料電池モジュール１６０１の上流側から一旦燃料電池モジュール１６０１の外部の配管を流れ（空気１６１４）、燃料電池モジュール１６０１の下流側に導入され、燃料電池モジュール１６０１の下流側から流出する改質ガス１６１３の未燃分と混合されるようになっている。よって、当該未燃分は、空気１６１４と反応して燃料電池モジュール１６０１の排ガス１６１５となる。

この構成においては、燃料電池モジュール１６０１内で生じる電気化学反応（発熱反応）による熱エネルギーを、排ガス１６１５を介して外部改質器１６０２に伝えるため、外部改質器１６０２の吸熱反応は、燃料電池モジュール１６０１の冷却に直接利用されるようになっていない。改質ガス１６１３は、当該吸熱反応の分だけ低い温度となり、燃料電池モジュール１６０１に供給されることにより、間接的に燃料電池モジュール１６０１の冷却に利用されるものと考えられる。

よって、この構成においては、当該吸熱反応は、燃料電池モジュール１６０１の内部の最も温度が高い部位を冷却するために利用されるようにはならないため、燃料電池モジュール１６０１の内部の温度分布を抑制する効果は得られない。

本発明の一実施形態に係る燃料電池ユニットは、複数の固体酸化物形燃料電池（単セル）と、改質触媒を有する改質器とを備え、単セルは、改質器を中心とした周囲に配置し、単セルと改質器が接するように構成する。これにより、排ガスやヒートパイプなどの媒介を用いず、単セルと改質器とで、電極における電気化学反応の反応熱を、改質反応時の吸熱作用で直接的に素早く冷却することができ、電気化学反応熱によるセル温度上昇を迅速に抑制し、セル温度の均一化を図ることができる。

また、改質器に改質用燃料を供給する改質用燃料供給器を設け、改質用燃料供給器に複数の燃料供給口（供給口）を設けることが望ましい。改質器の吸熱領域が複数生じるようにするためである。単セルは、発熱分布をもつため、発熱分布に沿うように、各供給口から供給される改質用燃料の流量を設定すれば、接している単セルの発熱分布に対応するように、発熱位置と吸熱の作用位置とをマッチングさせることができ、セル温度の均一化を適切に実施することができる。

さらに、燃料電池に電流計測装置を設け、燃料電池で生じる電流を計測し、電流値に従い、改質用燃料供給器の各供給口の流量を設定することが望ましい。単セルの発熱分布は、運転条件により変化し、運転条件が決まれば予め単セルの発熱分布を知ることができる。したがって、電流値を計測し運転条件を把握することで、単セルの発熱分布を検知し、あらかじめ電流値と対応する各供給口の流量をデータベース化しておいた値に設定することで、発熱位置と吸熱の作用位置とをマッチングさせることが可能となる。

一方、燃料電池に温度計測装置を備え、温度計測装置で計測した温度分布に従い、改質用燃料供給器の各供給口の流量を設定する。単セルの温度分布を温度計測装置で計測し、あらかじめ温度分布と対応付けられた各供給口の流量を設定することで、発熱位置と吸熱の作用位置をマッチングさせることが可能となる。

以下、図面を参照して実施例について説明する。

図１Ａ〜１Ｃは、本発明に関する実施形態の燃料電池ユニットを示したものである。

図１Ａは、燃料電池ユニットを組み立てた状態を示す概略斜視図である。

本図において、燃料電池ユニット１００は、格納容器１０４の内部に燃料電池モジュール１０３及び改質用燃料供給器１０１を内蔵した構成を有する。本図においては、格納容器１０４の内部が透けて見えるように表現している。

図１Ｂには、図１Ａの燃料電池ユニット１００の格納容器１０４を示している。

図１Ｃは、図１Ａの燃料電池ユニットを示す分解斜視図である。

本図において、燃料電池ユニットは、改質用燃料供給器１０１、改質器１０２及び燃料電池モジュール１０３を有する。改質器１０２は、空洞となっている燃料電池モジュール１０３の中心に挿入されるようになっている。また、改質用燃料供給器１０１は、空洞となっている改質器１０２の中心に挿入されるようになっている。これらは、共通の中心軸を有する形で配置されている。

改質用燃料供給器１０１は、改質用燃料を供給するための複数の供給口を備えている。改質器１０２は、その壁面に改質触媒を付設したものである。これにより、改質器１０２には、複数の吸熱領域が生じるようになる。

燃料電池モジュール１０３は、後述のように、複数の平板状の固体酸化物形燃料電池の単セルが放射状に配置された構成を有する。単セルの端部は、改質器１０２に接触している。改質器１０２には、改質器１０２の内側に配置された改質用燃料供給器１０１によって改質用燃料が供給されるようになっている。改質器１０２においては、供給された改質用燃料の改質反応が行われる。ここで、燃料電池モジュール１０３の形状は、改質器１０２を囲うような形状であれば良く、三角柱や四角柱などの多角形であってもよい。

本図に示す燃料電池モジュール１０３は、改質器１０２を中心とし、個々の単セルが改質器１０２と接触する構造を有するため、単セルで発生する電気化学反応に伴う反応熱を、排ガスやヒートパイプなどの媒介を用いず、改質器１０２における改質反応の吸熱作用により直接冷却することができる。このため、単セルを素早くかつ効率よく冷却することができ、電気化学反応の熱によるセル温度の上昇を抑制し、単セルの温度を均一化することができる。

図２Ａは、図１の燃料電池モジュール１０３を構成する単セルを示す平面図である。

図２Ｂは、図２Ａの単セルのＡ−Ａ断面図である。

ここで、単セルの形状は、特に限定されるものではなく、平板形状、円筒形状、扁平円筒形状、楕円形状、直方体形状又は立方体形状であってもよい。

図２Ａにおいては、単セル２００は、扁平円筒形（平板状）の燃料電池である。発電部分２０１は、長さ２５０ｍｍ、幅５７ｍｍであり、発電部分２０１の両端部には、内側のガス流路の延長部分である長さ２５ｍｍ、幅５５ｍｍの補助流路部２０２及び２０３を設けてある。

また、図２Ｂに示すように、単セル２００は、円筒状の固体電解質２０５の内側にアノード２０６を設け、固体電解質２０５の外側にカソード２０４を設けてある。言い換えると、固体電解質２０５は、アノード２０６とカソード２０４との間に挟まれた構造を有する。

固体電解質２０５及びカソード２０４には、窓２２０が設けてある。窓２２０は、９つ設けてある。窓２２０には、インターコネクタ２１０が設けてあり、内側のアノード２０６が外部と電気的に接続することができるようになっている。すなわち、インターコネクタ２１０は、アノード２０６の電流を取り出すための接続子である。

一方、インターコネクタ２１０とカソード２０４とが電気的に接続しないように、窓２２０の隙間には絶縁材２１１が設置してある。また、単セル２００を積層したときに、単セル２００同士が接触して電気的に短絡することを防止するため、絶縁シート２１２が設置してある。

図１３は、絶縁シート２１２の外観を示したものである。図１３は、絶縁シート２１２における窓２２０の配置を明瞭に示すものである。

図２Ｂにおいて、絶縁シート２１２は、発電部分２０１のインターコネクタ２１０を設けた面に付設してある。インターコネクタ２１０を設けた部分には、窓２２０が設けてある。

アノード２０６の内側には燃料流路２０７が、カソード２０４の外側には空気流路２０８が設置されている。燃料は、燃料流路２０７中を通り、固体電解質２０５内側のアノード２０６に沿って流れる。空気などの酸化剤は、空気流路２０８中を通り、固体電解質２０５の外側のカソード２０４に沿って流れる。空気中の酸素は、カソード２０４で酸素イオンとなり、酸素イオンは固体電解質２０５を通り抜け、アノード２０６で燃料である水素と反応し、電力が生成される。アノード２０６で生成された電力は、接続するインターコネクタ２１０を通じて外界に流れ、仕事をすることができる。

燃料流路２０７は、多孔質層であっても良く、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、ジルコニア（ＺｒＯ_２）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、ムライト（３Ａｌ_２Ｏ_３・ＳｉＯ_２）、コーディエライト（２ＭｇＯ・２Ａｌ_２Ｏ_３・５ＳｉＯ_２）等の耐熱衝撃性に優れたファインセラミックス製の多孔質材または多孔質サーメット材が挙げられる。燃料流路２０７は、気孔率が３０％〜９５％のもので、支持体としての強度を持つものが望ましい。

本実施例では、燃料流路２０７に支持基板を持たせるため、窒化ケイ素セラミックス多孔体を用いた。窒化ケイ素セラミックス多孔体は、窒化ケイ素セラミックス粉末に焼結助剤を添加・混合し、焼却可能な短繊維の気孔形成材の粉体を加え、水系泥しょう鋳込みにより成型体を作製し、不活性ガス下で加熱し、分散した短繊維を焼却除去することにより、窒化ケイ素セラミックス多孔体を得た。この窒化ケイ素セラミックス多孔体は、繊維状の貫通気孔を有し、所望の強度を有するものであり、気孔率は８５％である。

固体電解質２０５には、例えば、イットリウム安定化ジルコニア（ＹＳＺ）を用い、厚さ１０μｍの層を形成した。アノード２０６にはニッケルとＹＳＺからなる厚さ４５０μｍの多孔質サーメット、カソード２０５には厚さ４５０μｍのランタンマンガネイト、インターコネクタ２１０にはランタンクロマイドを用いた。絶縁材２１１及び絶縁シート２１２には、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化ケイ素セラミックス、コーディエライト（２ＭｇＯ・２Ａｌ_２Ｏ_３・５ＳｉＯ_２）等の耐熱性を兼ね備えた絶縁性セラミックスを用いた。

図３Ａは、図２Ａ及び２Ｂに示す単セルを複数用い、放射状に配置して作製した燃料電池モジュールを示したものである。

図３Ｂは、図３Ａの固体酸化物型燃料電池モジュールを部分的に示したものである。

図３Ａに示す燃料電池モジュール３２０は、４０個の単セル３０１を用いている。端子３２３及び３２４は、発生する電気エネルギーを外部に取り出すためのものである。

図３Ｂに示すように、単セル３０１には、円弧状の３種類の導電性接続子３０２、３０３、３０４が設けてある。これらは、曲率半径が異なり、かつ、円弧としての中心角が等しいものである。インターコネクタは、図２Ａに示すように１個の単セルに９個設けられている。このため、導電性接続子３０２、３０３、３０４はそれぞれ、３個ずつ長軸方向には設けられ、それぞれのインターコネクタに接続されている。

また、単セル３０１と単セル３０６とは、それぞれの中心線３１１と中心線３１２とが９°の角度で接続するように設置されている。

また、単セル３０５と単セル３０６との間には、３種類の絶縁性支持部材３１５、３１６、３１７が設けてある。そして、単セル３０５には集電板３２３を、単セル３０６には集電板３２４を接続することにより、４０個の単セルが直列に接続された状態の電気エネルギーを取り出せるようにしてある。

導電性接続子３０２、３０３、３０４や集電板３２３、３２４には、ランタンクロマイドや導電性ジルコニアセラミックを用い、絶縁性接続子３１５、３１６、３１７には、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化ケイ素セラミックス、コーディエライト（２ＭｇＯ・２Ａｌ_２Ｏ_３・５ＳｉＯ_２）等の耐熱性を兼ね備えた絶縁性セラミックスを用いた。

図４Ａは、図１の燃料電池モジュールにガスのシール部材を付設した状態を示す斜視図である。

符号４０６は、シール部材設置済み燃料電池モジュールを指している。

図４Ｂは、図４Ａの燃料電池モジュールにおけるガスのシール部材の順序を示す分解斜視図である。

図４Ｂにおいて、燃料電池モジュール４０３を構成する単セルの燃料流路および空気流路には、それぞれ、燃料および空気等の酸化剤が供給されるが、燃料または空気等が漏れ出さないように、燃料電池モジュール４０３の外側から順に、燃料シール部材４０１および４０５、酸化剤シール部材４０２および４０４が設置してある。燃料および空気のシール性は、シール部材設置済み燃料電池モジュール４０６を格納容器に設置したことで確保される。このことについては、後に図７を用いて説明する。

図５は、燃料シール部材を示す上面図及び部分拡大図である。

図５において、燃料シール部材５０１は、燃料電池モジュールの両端に重なる寸法を有するドーナツ状の円板である。部分拡大図に示すように、燃料シール部材５０１には、スリット５０３が設けられている。スリット５０３は、図２Ａ及び２Ｂに示す単セルの燃料流路の延長部分である長さ２５ｍｍ、幅５５ｍｍの補助流路部２０２および２０３を通すためのスリットであり、単セルの数だけ設けられている。

図６は、酸化剤シール部材を示す上面図及び部分拡大図である。

図６において、酸化剤シール部材６０１は、燃料電池モジュールの両端に重なる寸法を有するドーナツ状の円板である。部分拡大図に示すように、酸化剤シール部材６０１には、スリット６０３が設けられている。スリット６０３は、図２Ａ及び２Ｂに示す単セルの空気流路を通すためのスリットであり、単セルの数だけ設けられている。このように、燃料シール部材および酸化剤シール部材のスリットを用いて、単セルを固定し、円筒状の燃料電池モジュールを作製する。

燃料シール部材および酸化剤シール部材は、シリカ粒子とシリケートガラス前駆体とを複合化して作製した。ヒートサイクルの耐久性に優れたガスシール材を用いた。

図７は、図４のシール部材設置済み燃料電池モジュールの内部に改質器を設置し、これらを格納容器に入れた状態を示した断面図であり、燃料電池ユニットにおける燃料及び酸化剤の流れを説明するためのものである。

図７において、燃料電池モジュール７０１は、上端部に燃料シール部材７０２及び酸化剤シール部材７０３を、下端部に燃料シール部材７０５及び酸化剤シール部材７０４を有している。燃料電池モジュール７０１は、格納容器７０６に内蔵されている。

図７においては明瞭に示されていないが、燃料電池モジュール７０１の内側には、改質器が設置されており、燃料電池モジュール７０１の内側におけるシール性は確保されている。格納容器７０６には、耐熱性および耐熱衝撃性に優れ、特にクリープ特性が良好なセラミックス、例えばムライト（３Ａｌ_２Ｏ_３・ＳｉＯ_２）やコーディエライト（２ＭｇＯ・２Ａｌ_２Ｏ_３・５ＳｉＯ_２）を用いた。

図７において、改質用燃料は、燃料電池モジュール７０１の上方の流路７０７から流入する。そして、改質用燃料は、燃料電池モジュール７０１の内部に設置されている改質器（図７には示されていない）の内部を通過し、改質されて改質ガスとなる。改質ガスは、改質器下部７１２に達すると、格納容器７０６の底面と燃料シール部材７０５とで形成される領域７０８で流れの向きを変え、各単セルの燃料流路を通り、発電に供され、格納容器７０６の壁面と燃料シール部材７０２とで形成される領域７０９を経て格納容器７０６から流出する。

一方、酸化剤は、格納容器７０６の壁面および燃料シール部材７０２と酸化剤シール部材７０３とで形成される領域７２１から流入し、各単セルの空気流路を通り、格納容器７０６の壁面と酸化剤シール部材７０４と燃料シール部材７０５とで形成される領域７２２を経て格納容器７０６から流出する。

図８Ａは、改質用燃料を供給するための複数の供給口を備えた改質用燃料供給器を示す側面図である。

図８Ｂは、図８Ａの改質用燃料供給器を示す斜視図及び上面図である。

図８Ａにおいて、改質用燃料供給器８００は、直径の異なる３本の円筒８２１、８２２、８２３と、円錐形状の流路出口部材８０４と、円錐台形状の流路出口部材８０５、８０６とを備えている。流路出口部材８０５、８０６の中心部分は、円筒８２１、８２２が貫通している。３本の円筒８２１、８２２、８２３によって形成される流路８０１、８０２、８０３は、改質用燃料を分流して供給するようになっている。

改質用燃料供給器８００から流路出口部材８０４、８０５、８０６を介して改質器に供給された改質用燃料は、速やかに反応し、改質されるため、吸熱作用による冷却は、流路出口部材８０４、８０５、８０６（流路出口）の付近で行われる。

このように複数の流路出口を有することにより、改質器における複数の領域を冷却することができる。また、それぞれの流路出口から供給する改質用燃料の流量を調整することにより、改質器の領域ごとにおける吸熱量を調整することができ、冷却量を調整することができる。

改質用燃料供給器８００には、耐熱性および耐熱衝撃性に優れ、特にクリープ特性が良好なセラミックス、例えば炭化ケイ素（ＳｉＣ）、ムライト（３Ａｌ_２Ｏ_３・ＳｉＯ_２）、コーディエライト（２ＭｇＯ・２Ａｌ_２Ｏ_３・５ＳｉＯ_２）を用いた。

図１２Ａは、改質器の概要を示す斜視図である。

図１２Ｂは、図１２Ａの改質器を示す断面図である。

図１２Ｃ及び１２Ｄは、改質器の変形例を示す断面図である。

図１２Ａに示すように、改質器１３００は、円筒形状であり、燃料電池モジュールの内部に設置されるものである。

図１２Ｂにおいて、改質器１３００は、改質反応層１３１１（内壁）と、接続部１３３１（外壁）とで構成されている。改質反応層１３１１の内側は、空洞であり、改質用燃料供給器を挿入することができるようになっている。また、改質反応層１３１１の内側には、改質用燃料供給器を設置するための領域と、改質用燃料および改質後の燃料が流れるための領域とが形成される。

改質反応は、改質反応層１３１１で起こる。一方、接続部１３３１は、燃料電池モジュールと接する。接続部１３３１は、ガスシール性及び伝熱性を有する金属材料又はセラミックス材で構成してある。

これにより、接続部１３３１は、燃料電池モジュールの単セルで生成される反応熱による温度上昇と、改質器１３００における温度降下とで生じる温度差を利用して直接単セルを冷却するとともに、改質器１３００に流れる改質用燃料および改質後の燃料が燃料電池モジュール側に漏れ出すことを防止することができる。

図１２Ｂにおいては、改質反応層１３１１の内側の断面形状は、円形である。

一方、図１２Ｃにおいては、改質反応層１３１１の内側の断面形状は、山及び谷を有する多角形である。改質反応層１３１１の断面形状をこのような多角形状にすることにより、反応面積を拡大することができる。

また、図１２Ｄにおいては、改質反応層１３１１の内側の断面形状は、ひだ状であり、接続部１３３１内側にも溝を有する。改質反応層１３１１をひだ状にすることにより、反応面積を拡大するとともに、吸熱作用による改質器１３００に生じる熱応力ひずみを吸収し、改質器１３００の機械的な損傷を防止することができる。

改質反応層１３１１は、気孔率が３０％〜９５％であり、層の厚さが５０μｍ以上であることが望ましく、水蒸気改質触媒を含む多孔質材料で構成されている。水蒸気改質触媒としては、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、バナジウム、ニッケルなど、又はこれらの合金が好適に用いられる。

また、接続部１３３１の材料としては、耐熱性および耐熱衝撃性に優れ、特にクリープ特性が良好なセラミックス、例えばムライト（３Ａｌ_２Ｏ_３・ＳｉＯ_２）、コーディエライト（２ＭｇＯ・２Ａｌ_２Ｏ_３・５ＳｉＯ_２）、熱伝導率に優れた窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等が好適である。

つぎに、図９Ａ及び９Ｂを用いて、燃料電池ユニットにおける燃料の流れを説明する。

図９Ａは、燃料電池ユニットを示す側面図であり、部分的に内部が透視された状態を示したものである。

図９Ｂは、燃料電池ユニットにおける燃料の流れを示す縦断面図である。

図９Ｂにおいて、燃料電池ユニット９００は、燃料電池モジュール９０１、改質器９２１及び改質用燃料供給器９２２（単に「燃料供給器」ともいう。）並びにこれらを内蔵した格納容器９２３を備えている。改質用燃料供給器９２２は、同一の中心軸を有する流路９３１、９３２、９３３を有する。

改質用燃料は、改質器９２１で改質反応により改質済み燃料（改質ガス）になる。さらに、改質済み燃料は、燃料電池モジュール９０１の単セルで電気化学反応に用いられ、使用後燃料となる。このように、燃料電池ユニット９００内の部位によりガス組成は変化するが、ここでは、改質用燃料、改質済み燃料及び使用後燃料を「燃料」と総称し、燃料電池ユニット９００における燃料の流れを説明する。

図９Ｂにおいて、燃料は、格納容器９２３の上部に設けた配管９４１から供給される。改質用燃料供給器９２２の流路９３１、９３２、９３３を通って改質器９２１に供給される。ここで、流路９３１、９３２、９３３における燃料の流れはそれぞれ、矢印ａ、ｂ、ｃで表すとおりである。燃料は、流路出口９１４、９１５、９１６（燃料供給口）から改質器９２１に供給される。

一般に、改質反応は速いので、流路出口９１４、９１５、９１６付近で改質反応が急激に進行し、吸熱作用が得られる。このように、複数の流路出口９１４、９１５、９１６から改質用燃料を供給することにより、吸熱反応が生じる領域を複数設けることができる。また、各流路出口９１４、９１５、９１６の改質用燃料の供給流量を変化させることにより、当該領域それぞれの吸熱量を調整することができる。

燃料は、改質器９２１を通って改質された後、領域９０６で流れの向きを変え、燃料電池モジュール９０１の単セルの燃料流路９０２を通り、領域９０７を経て流路９４２から燃料電池ユニット９００の外へ流出する。

図１０Ａは、燃料電池ユニットに設置した単セルについて数値シミュレーションを行うための構造モデルを示す上面図である。

本図において、単セル１００１は、発電領域１００２と、補助流路１００３、１００４とを有する。

この構造モデルについて数値シミュレーションを用いた解析を行うことにより単セル１００１の温度特性を求めた。数値シミュレーションには、市販のシミュレータソフトであるＡＮＳＹＳ社の熱流体解析プログラムＦＬＵＥＮＴおよび燃料電池モジュールを用いた。

数値シミュレーションは、運転電流密度が０．２Ａ／ｃｍ^２、０．４Ａ／ｃｍ^２、０．６Ａ／ｃｍ^２、０．８Ａ／ｃｍ^２の４つのケースについて行った。ここで、燃料には水素と窒素との混合ガスを用い、酸化剤には空気を用い、燃料利用率を９０％、酸素利用率を２０％とし、燃料及び空気の入口温度をそれぞれ７００℃とした。燃料及び空気は、本図に示すように対向流とし、壁面は断熱とした。

なお、改質用燃料供給器の流路出口の位置については、後述の図１４において相対値で示したものと同様である。

図１０Ｂは、解析結果である温度特性（温度分布）を示すグラフである。横軸には、発電領域１００２の空気入口側の端面からの距離をとり、縦軸には、単セル１００１の各位置における温度をとっている。

本図の解析結果から、運転電流密度ごとに単セル１００１の温度分布が異なることが分かる。これは、燃料利用率、酸素利用率、燃料および空気の入口温度、運転電流密度などにより、単セル１００１の内部の場所により電気化学反応の反応速度が変化し、結果として反応熱の分布が変化し、単セル１００１の温度分布が異なるものとなったと考えられる。

ここで、単セル１００１の空気入口１００３からの距離（本図の横軸に示す距離）を単セル１００１の発電領域１００２の長さで割った値を相対距離として定義すると、本図の解析結果から、運転電流密度０．２Ａ／ｃｍ^２のとき、温度ピーク１００３において、相対距離０．７２の位置でセル温度が最大値となり、以下、運転電流密度０．４Ａ／ｃｍ^２のとき、温度ピーク１００４において、相対距離０．８４の位置でセル温度最大値、運転電流密度０．６Ａ／ｃｍ^２のとき、温度ピーク１００５において、相対距離０．９２の位置でセル温度最大値、運転電流密度０．８Ａ／ｃｍ^２のとき、温度ピーク１００６において、相対距離０．９６の位置でセル温度最大値をとる。

したがって、図８Ｂの改質用燃料供給器８００において、流路８０１、８０２、８０３における改質用燃料の流量を調整し、流路出口部材８０４、８０５、８０６の設置位置である各領域における改質反応に伴う吸熱量を変化させることにより、単セルにおける電気化学反応に伴う発熱位置と、改質器における改質反応に伴う吸熱位置とをマッチングさせることができ、単セルの温度を均一化することができる。

なお、図８Ｂの流路８０１、８０２、８０３は、図９Ｂの流路９３１、９３２、９３３に対応する。

表１は、図１０Ｂの解析結果をまとめたものであり、運転電流密度と改質用燃料供給器における流量分率との関係を示したものである。

本表においては、図９Ｂの流路９３１、９３２、９３３の流量分率をそれぞれ、ａ、ｂ、ｃとし、運転電流密度ごとに固体酸化物型燃料電池セルの温度ピーク位置と、改質器における吸熱ピーク位置とが合うようにａ、ｂ、ｃの値を設定した。

図１１は、燃料電池システム及びこの燃料電池システムの排熱（排ガス）を利用してタービンを回転し発電を行うハイブリッド発電システムの概要を示したものである。

本図において、ハイブリッド発電システム１２００は、燃料電池ユニット１２０１と、タービン１２０４と、このタービン１２０４の回転により発電を行う発電機１２０５とを備えている。燃料電池ユニット１２０１からは、燃料排出管１２４１及び空気排出管１２４２に、燃料電池における電気化学反応により発生する使用後燃料と、空気とが流出するが、燃料排出管１２４１の使用後燃料の未燃分は、燃焼器１２０３にて空気排出管１２４２の空気と混合し、完全燃焼させて排ガスとする。この排ガスは、配管１２４０を介してタービン１２０４に送られる。タービン１２０４は、排ガスによって回転する。

燃料電池ユニット１２０１には、エアークリーナ１２１０、空気供給管１２４３、送風機１２１１及び空気供給管１２４４を介して空気が導入されるようになっている。エアークリーナ１２１０は、燃料電池ユニット１２０１で用いる空気を外部から取り入れ、不純物を取り除く。この空気は、送風機１２１１で加圧された後、燃料電池ユニット１２０１に送られる。

一方、燃料タンク１２０８、燃料供給管１２４５、ポンプ１２０９及び燃料供給管１２４６を介して導入されるようになっている。燃料は、ポンプ１２０９で加圧された後、燃料供給管１２４７、１２４８、１２４９に分配され、燃料電池ユニット１２０１内の３つの流路を有する改質用燃料供給器に送られるようになっている。燃料供給管１２４７、１２４８、１２４９には、それぞれ、電磁バルブ１２２０、１２２１、１２２２が設けてあり、制御部１２０２によってそれぞれの流量を調整できるようになっている。流量は、運転状態に応じて調整することもできる。燃料としては、天然ガスなどが用いられる。改質反応に必要な水蒸気は、加湿器１２１２により燃料供給管１２４６を通して燃料に加えられる。

燃料電池ユニット１２０１で作られた電気エネルギーは、送電線１２３４を介して変換器１２０７に送られる。変換器１２０７においては、直流を交流に変換する。変換器１２０７で変換された電気と、発電機１２０５で発生した電気は、送電線１２３０、１２３１を介して送電器１２０６に送られ、電力系統１２２５に送られる。

送電線１２３４には、電流計１２２４（電流検出部）が取り付けられており、電流計１２２４で計測された電流値は、信号線１２３３により制御部１２０２に伝えられる。制御部１２０２は、この電流値を、下記式で求められる燃料電池ユニット１２０１における総発電面積で割った値で運転電流密度を求め、表１に示す運転電流密度と燃料供給管ごとの流量分率とを反映した流量設定を、信号線１２３２を介してそれぞれの電磁バルブ１２２０、１２２１、１２２２に伝達する。

（燃料電池ユニットの総発電面積）＝（単セルの数）×（単セルの発電面積）
例として用いた燃料電池ユニットの総発電面積は、４０×２２０＝８８００（ｃｍ^２）である。

このように、運転電流密度ごとに燃料供給管１２４７、１２４８、１２４９の流量を変化させ、発熱ピーク位置に、改質反応の吸熱作用位置をマッチングさせるので、燃料電池ユニット１２０１の温度の均一化をスムーズに行うことができる。

燃料電池ユニット１２０１に温度計測部１２６０（温度検出部）を設置し、燃料電池ユニット１２０１の温度を計測し、信号線１２６１により燃料電池ユニット１２０１の温度が最高となる位置（空気入口からの相対距離）を制御部１２０２に送信してもよい。

図１４は、本発明の効果である燃料電池モジュールの温度分布を示すグラフである。

本図においては、グラフとともに燃料電池モジュール１５００及び改質用燃料供給器１５０１も示すことにより、温度分布を明瞭なものとした。

本図に示す燃料電池モジュール１５００は、４０個の単セルを放射状に配置したものである。端面１５２０から燃料が供給され、端面１５２１から使用済みの燃料が排出される。

縦軸には、燃料電池モジュール１５００の中心軸方向の相対位置（空気入口部１５２３からの相対距離であって発電領域の長さ２５０ｍｍを１．０としたもの）をとっている。横軸には、運転電流密度が０．２Ａ／ｃｍ^２及び０．８Ａ／ｃｍ^２の場合について、それぞれ、改質用燃料供給器１５０１を用いない場合における燃料電池モジュール１５００の最高温度を１．０とした場合の相対温度をとっている。

改質用燃料供給器１５０１は、改質用燃料を供給するための流路出口１５５１、１５５２、１５５３を有し、それぞれ、矢印ａ、ｂ、ｃで示すように改質用燃料を送り出す。流路出口１５５１、１５５２、１５５３が対応する縦軸の相対位置はそれぞれ、０．９、０．７、０．５である。

グラフにおいて、改質用燃料供給器１５０１を用いない場合の温度分布は破線で示している。一方、改質用燃料供給器１５０１を用いた場合の温度分布は実線で示している。改質用燃料供給器１５０１を用いた場合の条件は、表１に示すとおりである。

運転電流密度が０．２Ａ／ｃｍ^２及び０．８Ａ／ｃｍ^２の場合にともに実線の方が破線に比べて最高温度が低くなり、かつ、温度ピークの位置が燃料電池モジュール１５００の中心軸方向の相対位置で中央部に近付いて、温度の均一化が達成されていることが分かる。

このように、本発明では、燃料電池ユニットに内蔵された単セルが改質器と接するように構成され、排ガスやヒートパイプなどの媒介を用いずに、単セルと改質器との間で熱を伝達することができる。これにより、単セルの電極における電気化学反応による発熱を、燃料改質反応における吸熱により直接的に素早く冷却することができ、電気化学反応熱によるセル温度の上昇を抑制し、セル温度の均一化を図ることができる。

以上のとおり、本発明によれば、複数の流路出口を有する改質用燃料供給器を配置し、各流路出口から供給される改質用燃料の流量を調整することができる。また、運転電流密度による発熱分布の変化に対応するように、各流路出口の流量を設定することができ、発熱する部位と吸熱する部位とをマッチングさせること可能となる。なお、運転電流密度と各流路出口の流量との関係は、あらかじめ算出してデータベース化しておくことが制御の迅速化の面から望ましい。

図１６Ａは、本発明の他の実施形態に係る燃料電池ユニットを示す上面図及び断面図である。

図１６Ｂは、図１６Ａの燃料電池ユニットに用いた４つの燃料電池モジュール（単セルの集合体）のうちの１つを示す斜視図である。

図１６Ａにおいて、燃料電池ユニット１７００は、４つの燃料電池モジュール１７０１、１７０２、１７０３、１７０４を合わせた構成を有する。それぞれの燃料電池モジュール１７０１、１７０２、１７０３、１７０４は、単セルを互いに平行に積層したものである。

図１６Ｂに示すように、１つの燃料電池モジュール１７９０は、図２Ａ及び２Ｂに示す単セルを１０個用意し、直列に積層したものである。

図１６Ａに示すように、燃料電池モジュール１７０１と１７０２とは、インターコネクタ１７０７を介して接続されている。また、燃料電池モジュール１７０３と１７０４とは、インターコネクタ１７０８を介して接続されている。これらは、集電板１７１０及び１７１１によって挟まれた構成になっている。

燃料電池ユニット１７００に設けた改質器１７２０は、図１３に示す改質器とは異なる形状を有するものである。また、改質器１７２１及び１７２２は、４つの燃料電池モジュール１７０１、１７０２、１７０３、１７０４を挟むように配置されている。図１６Ａには示されていないが、それぞれの改質器１７２０、１７２１、１７２２には、図８Ａ及び８Ｂに示すような流路出口を燃料電池モジュール１７０１、１７０２、１７０３、１７０４の長軸方向に複数設けた改質用燃料供給器が挿入してあり、セル温度を均一化するようになっている。

１００：燃料電池ユニット、１０１、８００：改質用燃料供給器、１０２：改質器、１０３、３２０：燃料電池モジュール、１０４：格納容器、２００：単セル、２０１：発電部分、２０２、２０３：補助流路部、２０４：カソード、２０５：固体電解質、２０６：アノード、２０７：燃料流路、２０８：空気流路、２１０：インターコネクタ、２１１：絶縁材、２１２：絶縁シート、２２０：窓、８０４、８０５、８０６：流路出口部材、８２１、８２２、８２３：円筒、９１４、９１５、９１６：流路出口、９３１、９３２、９３３：流路、１２００：ハイブリッド発電システム、１２０２：制御部、１２０４：タービン、１２０５：発電機、１２２４：電流計、１２６０：温度計測部。

Claims (9)

1. 燃料を改質して得た改質ガスと酸素との電気化学反応により発電を行う複数の単セルの集合体である燃料電池モジュールと、前記燃料から前記改質ガスを生成する触媒を有する改質器と、これらを内蔵した格納容器とを備え、前記燃料電池モジュールと前記改質器とが接触した構成を有し、前記燃料電池モジュールにおける前記改質ガスの入口側であって前記電気化学反応による発熱が大きい発熱領域と、前記改質器に前記燃料を導入する部位である吸熱領域とが隣り合うように配置されていることを特徴とする燃料電池ユニット。
2. 前記単セルは、平板状であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池ユニット。
3. 前記複数の単セルは、放射状に配置されていることを特徴とする請求項２記載の燃料電池ユニット。
4. 前記燃料電池モジュールは、前記複数の単セルを互いに平行に積層した構成を有することを特徴とする請求項２記載の燃料電池ユニット。
5. 前記改質器は、燃料供給器を内蔵し、前記燃料供給器は、複数の燃料供給口を有し、前記改質器の前記吸熱領域が複数生じるように構成したことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃料電池ユニット。
6. 請求項５記載の燃料電池ユニットと、制御部と、前記発電による電流量を計測する電流検出部とを備え、前記制御部は、前記電流量の値を用いて前記燃料供給口の流量を調整することを特徴とする燃料電池システム。
7. 請求項５記載の燃料電池ユニットと、制御部と、前記燃料電池ユニットの温度分布を計測する温度検出部とを備え、前記制御部は、前記温度分布に基いて前記燃料供給口の流量を調整することを特徴とする燃料電池システム。
8. 前記複数の燃料供給口は、それぞれの流量を調整可能としたことを特徴とする請求項６又は７に記載の燃料電池システム。
9. 請求項６〜８のいずれか一項に記載の燃料電池システムと、前記燃料電池システムから送られる排ガスによって回転するタービンと、前記タービンの回転により発電を行う発電機とを備えたことを特徴とするハイブリッド発電システム。

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