JP2020136228A - 燃料電池モジュール及び発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】セルスタックの温度調節を可能にしながら、圧力容器外への熱放出を抑制し、かつセルスタックを収納する容器の変形又は損傷を防止する。【解決手段】一実施形態に係る燃料電池モジュールは、燃料ガス及び酸化性ガスが供給されて発電する複数の燃料電池セルを備える少なくとも一つのセルスタックと、前記少なくとも一つのセルスタックが収納されて内部に発電室を形成したシール性を有する筐体と、該筐体を収容する圧力容器と、前記セルスタックに酸化性ガスを供給する酸化性ガス供給管と、を備え、前記筐体に前記筐体の内外を連通させるための少なくとも一つの均圧開口が形成され、前記少なくとも一つの均圧開口は、１個の均圧開口のみ、又は、前記筐体の高さがＨであるとき、最も高所にある均圧開口と最も低所にある均圧開口との間隔が０．１Ｈ以内の範囲に設けられた複数の均圧開口を含む。【選択図】図１

Description

本開示は、燃料電池モジュール及び発電システムに関する。

次世代エネルギとして、燃料側電極、電解質及び酸素側電極で構成される燃料電池セルを最小単位とし、燃料側電極に供給される燃料ガスと酸素側電極に供給される酸化性ガスとを化学反応させて発電する燃料電池が知られている。
このうち、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）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、都市ガス、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。このようなＳＯＦＣは、イオン伝導率を高めるために作動温度が約７００〜１０００℃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。ＳＯＦＣは、例えばガスタービンやマイクロガスタービン及びターボチャージャ等の回転機器と組み合わせ、運転圧力を高めることでより高効率の発電が可能となる。このような加圧発電システムにおいて、圧縮機から吐出される圧縮空気を酸化性ガスとしてＳＯＦＣの酸素側電極に供給すると共に、ＳＯＦＣから排出される高温の排燃料ガスを、ガスタービンなどの回転機器入口の燃焼器に供給して燃焼させ、燃焼器で発生した高温の燃焼ガスで回転機器を回転させることで、動力の回収を図ることができる。

燃料電池モジュールは、例えば、複数の燃料電池セルでセルスタックを形成し、容器内に収納された複数のセルスタックで発電室を形成するように構成される。燃料電池セルは、内部に燃料ガス通路と酸化性ガス通路を有し、該燃料ガス通路に燃料ガス供給管から燃料ガスを供給し、該酸化性ガス通路に酸化性ガス供給管から酸化性ガス（例えば空気）を供給する。

特許文献１及び２には、セルスタックを収納した容器を圧力容器の内部に収納し、燃料電池セルに加圧された燃料ガス及び酸化性ガスを供給することで、発電効率を向上させるようにした加圧システムが開示されている。

特開２０１６−９１９６８号公報 特開２０１８−１３９１９３号公報

セルスタックは発電により発熱し昇温するが、作動温度により発電性能が変動するため、温度を調節する必要がある。温度調節手段として、特許文献１に開示された加圧システムは、圧力容器の内部で、セルスタックを収納した容器の隔壁に形成した流路を介して、容器の内外に循環する対流を形成し、対流の流量を調整することで、セルスタックの温度調整を行っている。この温度調整手段は、対流気体が容器の内外を循環するため、収納容器内から収納容器外への放熱量が多くなり、従って、必然的に圧力容器外への放熱量も多くなるため、熱損失が増加するという問題がある。

特許文献２に開示された加圧システムでは、圧力容器外への放熱量を抑制するため、セルスタックの収納容器にシール性を付与している。この場合、収納容器内が密閉されるため収納容器内が昇圧しやすく、過度に昇圧すると収納容器の変形又は損傷が発生するおそれがある。

本開示に係る一実施形態は、特許文献１及び２に記載された加圧発電システムの問題点を解消することを目的とする。即ち、セルスタックの温度調節を可能にしながら、圧力容器外への熱放出を抑制し、かつセルスタックを収納する容器の変形又は損傷を防止することを目的とする。

（１）一実施形態に係る燃料電池モジュールは、
燃料ガス及び酸化性ガスが供給されて発電する複数の燃料電池セルを備える少なくとも一つのセルスタックと、
前記少なくとも一つのセルスタックが収納されて内部に発電室を形成したシール性を有する筐体と、
該筐体を収容する圧力容器と、
前記セルスタックに酸化性ガスを供給する酸化性ガス供給管と、
を備え、
前記筐体に前記筐体の内外を連通させるための少なくとも一つの均圧開口が形成され、
前記少なくとも一つの均圧開口は、
１個の均圧開口のみ、
又は、
前記筐体の高さがＨであるとき、最も高所にある均圧開口と最も低所にある均圧開口との間隔が０．１Ｈ以内の範囲に設けられた複数の均圧開口を含む。

上記（１）の構成によれば、上記均圧開口を介して上記筐体の内側空間と外側空間とが連通していることから、筐体内から筐体外への限定された放熱が可能となるため、筐体内の異常昇温を回避できる。また、均圧開口によって筐体内外の差圧は発生しないため、筐体内が過度に昇圧するのを防止できる。そのため、筐体の変形や損傷を防止できる。該均圧開口は筐体に１個又は複数個設けられるが、複数個設けられる場合でも筐体の高さ方向で０．１Ｈ以内の近接位置に設けられるため、筐体の内外に跨る気体の対流は発生しない。従って、筐体内から筐体外への熱放出及び圧力容器外への熱放出を抑制できるため、熱損失による燃料電池モジュールの発電効率の低下を抑制できる。

なお、上記筐体の隔壁に設けられる均圧開口は、製作上不可避的に筐体の隔壁に発生する隙間であって、気体の流通が可能であるが、筐体内外に跨る対流を形成しない隙間を含む。

（２）一実施形態に係る燃料電池モジュールは、
燃料ガス及び酸化性ガスが供給されて発電する複数の燃料電池セルを備える少なくとも一つのセルスタックと、
前記少なくとも一つのセルスタックが収容されて内部に発電室を形成したシール性を有する筐体と、
該筐体を収容する圧力容器と、
前記セルスタックに酸化性ガスを供給する酸化性ガス供給管と、
を備え、
前記圧力容器内の前記酸化性ガス供給管又は前記筐体に前記筐体の内外を連通させるための少なくとも一つの均圧開口が形成され、
前記少なくとも一つの均圧開口は、
１個の均圧開口のみ、
又は、
前記筐体に設けられた第１均圧開口、及び、前記酸化性ガス供給管に設けられた第２均圧開口
を含む。

酸化性ガスとは、酸素を略１５％〜３０％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が使用できる。

上記（２）の構成によれば、筐体又は酸化性ガス供給管に設けられた少なくとも一つの均圧開口によって、上記（１）の構成と同様に、筐体内の異常昇温を回避できると共に、筐体の変形や損傷を防止できる。また、均圧開口が筐体又は酸化性ガス供給管に１個のみ設けられる場合、筐体の内外を跨る対流は発生しない。筐体に第１均圧開口が設けられ、酸化性ガス供給管に第２均圧開口が設けられた場合、筐体の内外に圧力差はないため、第１均圧開口を通るガス流は発生せず、また、酸化性ガス供給管内の圧力は筐体外の圧力より高いため、筐体外から酸化性ガス供給管に流入するガス流は発生しない。従って、筐体内外に跨る対流は発生しないことから、筐体内から筐体外への熱放出及び圧力容器外への熱放出を抑制できるため、熱損失による燃料電池モジュールの発電効率の低下を抑制できる。

（３）一実施形態では、前記（１）又は（２）の構成において、
前記均圧開口は前記筐体の上部隔壁に設けられ、
前記酸化性ガス供給管は前記筐体の下部から前記筐体の内部に導設される。
上記（３）の構成によれば、均圧開口と酸化性ガス供給管とは高さ方向で離れた位置に設けられるため、酸化性ガス供給管から筐体内に供給された酸化性ガスが燃料電池セルで化学反応しないまま均圧開口からバイパスして排出されるのを抑制できる。

（４）一実施形態では、前記（１）〜（３）の何れかの構成において、
前記筐体の隔壁は、通気性を有する第１断熱材層と、前記第１断熱材層を部分的に外側から覆うように設けられたシール性を有する外装板と、を含み、
前記外装板に覆われず前記筐体の外側領域に露出した前記第１断熱材層が前記均圧開口として機能する。
上記（４）の構成によれば、外装板に覆われない第１断熱材層の部位で構成される筐体の隔壁が均圧開口として機能するため、均圧開口の形成及びその設置位置の選択が容易になる。

（５）一実施形態では、前記（１）〜（４）の何れかの構成において、
前記セルスタックに燃料ガスを供給する燃料ガス供給管と、
前記セルスタックから排酸化性ガスを排出する排酸化性ガス排出管と、
を備え、
前記セルスタックから排出される排燃料ガスは前記排酸化性ガス排出管から排出されるように構成される。
上記（５）の構成によれば、セルスタックから排出される排酸化性ガス及び排燃料ガスを１本の排酸化性ガス排出管で筐体外へ排出できるので、化学反応後の排燃料ガス及び排酸化性ガスの排出機構をコンパクト化できる。

（６）一実施形態では、前記（１）〜（５）の何れかの構成において、
前記均圧開口は前記筐体の上部隔壁に設けられ、
前記圧力容器の内側上部空間の未反応燃料ガスの濃度を検出するためのガス濃度センサを備える。
セルスタックに異常や故障が起きて燃料電池セルで化学反応が起きないとき、Ｈ_２、ＣＯを主体とする未反応燃料ガスが均圧開口を通して圧力容器の内側上部空間に溜まる。上記（６）の構成によれば、圧力容器の内側上部空間に溜まった未燃燃料ガスを上記ガス濃度センサで検知することで、セルスタックの異常や故障の発生を早期に発見できる。

（７）一実施形態では、前記（１）〜（６）の何れかの構成において、
前記圧力容器の内面に設けられた第２断熱材層を備える。
上記（７）の構成によれば、圧力容器の内面に上記第１断熱材層を備えることで、圧力容器外への熱放出をさらに抑制できる。

（８）一実施形態では、前記（１）〜（７）の何れかの構成において、
前記酸化性ガス供給管は、
加熱器が設けられた第１管路と、
前記加熱器をバイパスする第２管路と、
を備え、
前記均圧開口は、前記圧力容器の内部において前記第１管路又は前記第２管路のどちらか一方に設けられる。
上記（８）の構成によれば、上記第１管路は酸化性ガスが圧力損失を起しやすい加熱器を備えるため、燃料電池モジュールの起動時には、第２管路を通して酸化性ガスを筐体内のセルスタックに供給する。これによって、セルスタック内の酸化性ガスの急速昇圧が可能になる。また、セルスタックに昇温した酸化性ガスを供給したいときは、第１管路を介してセルスタックに酸化性ガスを供給すればよい。

（９）一実施形態に係る発電システムは、
前記（１）〜（８）の何れかの構成を有する燃料電池モジュールと、
前記燃料電池モジュールから排気される排燃料ガスと排酸化性ガスとを用いて回転動力を発生させる回転機器と、
を備え、
前記燃料電池モジュールには、前記回転動力を用いて圧縮された前記酸化性ガスが供給され、前記燃料電池モジュールは、前記燃料ガスと前記圧縮された酸化性ガスを用いて発電する。
上記（９）の構成によれば、本開示に係る上記目的を達成しつつ、燃料電池モジュールに圧縮された酸化性ガスを供給できるので、発電効率を向上できると共に、燃料電池モジュールから排気される排燃料ガスと排酸化性ガスとを用いて回転動力を発生させるため、発電システムの所要動力を低減できる。

（１０）一実施形態では、前記（９）の構成において、
前記回転機器は、ガスタービン又はターボチャージャで構成される。
上記（１０）の構成によれば、発電効率の向上及び発電システムの所要動力低減に加えて、回転機器がガスタービンであるため、燃料電池モジュールとガスタービンとで複合発電が可能になる。

幾つかの実施形態によれば、セルスタックの温度調節を可能にしながら、熱損失を抑制することで、発電効率を向上でき、かつセルスタックを収納する容器内の過度の昇圧を抑制して該収納容器の変形又は損傷を防止できる。

一実施形態に係る燃料電池モジュールの断面図である。 一実施形態に係る燃料電池モジュールの断面図である。 一実施形態に係る燃料電池モジュールの断面図である。 一実施形態に係る燃料電池モジュールの断面図である。 一実施形態に係るセルスタックの断面図である。 一実施形態に係る発電システムの系統図である。 一実施形態に係る発電システムの系統図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、これらの実施形態に記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状及びその相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一つの構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

図１〜図４は、幾つかの実施形態に係る燃料電池モジュール１０（１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ）を示す。燃料電池モジュール１０は、内部をシール可能な筐体１２（１２ａ、１２ｂ）の内部に少なくとも一つのセルスタック１４（１４ａ、１４ｂ）を備える。セルスタック１４は複数の燃料電池セルを含んで構成される。複数の燃料電池セルには燃料ガス及び酸化性ガスが供給され、これらのガスを原料とした化学反応により発電が起り、筐体１２の内部に発電室Ｇが形成される。筐体１２は密閉構造を有する圧力容器１６の内部に収容される。複数の燃料電池セルに燃料ガスｆを供給する燃料ガス供給管１８、及び複数の燃料電池セルに酸化性ガスａを供給する酸化性ガス供給管２０が、圧力容器１６の外側から圧力容器１６の隔壁を貫通して筐体１２に接続される。燃料電池セルで化学反応した後の排燃料ガスｆ’は、排燃料ガス排出管２２を通って圧力容器１６の外側へ排出され、燃料電池セルで化学反応した後の排酸化性ガスａ’は排酸化性ガス排出管２４を通って圧力容器１６の外側へ排出される。

幾つかの実施形態では、筐体１２の隔壁又は酸化性ガス供給管２０のどちらか少なくとも一方に少なくとも１個の均圧開口２６が設けられる。
図１に示す実施形態では、筐体１２の隔壁に１個のみの均圧開口２６（２６ａ）が設けられる。図２に示す実施形態では、筐体１２の隔壁に複数の均圧開口２６（２６ｂ、２６ｃ）が設けられる。この実施形態では、筐体１２の高さがＨであるとき、最も高所にある均圧開口２６（２６ｂ）と最も低所にある均圧開口２６（２６ｃ）との間隔Ｈ_１がＨ_１≦０．１Ｈの範囲に設けられる。図３に示す実施形態では、酸化性ガス供給管２０に１個のみの均圧開口２６（２６ｄ）が設けられ、図４に示す実施形態では、筐体１２に１個の均圧開口２６（２６ａ）（第１均圧開口）が設けられ、酸化性ガス供給管２０に１個の均圧開口２６（２６ｅ）（第２均圧開口）が設けられる。

上記各実施形態によれば、均圧開口２６を介して筐体１２の内側空間ｓ１と外側空間ｓ２とが連通しているため、筐体内から筐体外への限定された放熱が可能になる。そのため、筐体内の異常昇温を回避できる。また、均圧開口２６があるため筐体内外の差圧は発生しない。従って、筐体１２内が過度に昇圧するのを防止でき、これによって、筐体１２の変形や損傷を防止できる。また、均圧開口２６が１個のみ設けられる場合、筐体１２の内外に跨る気体の対流は発生しない。均圧開口２６が複数設けられる場合、例えば、図２に示すように、筐体１２の高さＨに対して最も高所にある均圧開口２６（２６ｂ）と最も低所にある均圧開口２６（２６ｃ）との間隔Ｈ_１がＨ_１≦０．１Ｈの範囲に設けられた場合、筐体１２の内外に跨る気体の対流は発生しない。また、図４に示すように、筐体１２の隔壁及び酸化性ガス供給管２０に夫々均圧開口２６（２６ａ、２６ｅ）が設けられる場合でも、酸化性ガス供給管２０の内部は筐体１２の外側空間ｓ２より高圧であるため、外側空間ｓ２から酸化性ガス供給管２０に流入する気体流は起こらない。従って、筐体１２内外に跨る対流は起こらない。従って、筐体１２内から筐体１２外への熱放出及び圧力容器１６外への熱放出を抑制でき、燃料電池モジュール１０の熱損失を抑制できるため、発電効率の低下を抑制できる。

なお、筐体１２の隔壁に複数の均圧開口が設けられる場合、均圧開口２６を介した筐体内外に跨る対流が起らないための条件として、一実施形態では、上記のように、均圧開口２６の高さ方向の位置条件を設定している。これは、対流が筐体内外の高さ方向の温度差に起因して発生し、高さ方向に沿った流れとなることを想定しているためである。他方、複数の均圧開口が同一高さにあっても平面視で離れた位置にある場合には、対流が発生する可能性がある。従って、平面視でも互いに近い位置に形成することが望ましい。そのため、平面視において複数の均圧開口が最も離れた間隔をＷとしたとき、Ｗ≦０．１Ｈとするのが望ましい。

図５は、一実施形態に係るセルスタック１４の断面図である。図５において、セルスタック１４は、基体３０、基体３０の表面に形成された複数の燃料電池セル３２と、隣り合う燃料電池セル３２の間に形成されたインタコネクタ４０と、を含んでいる。燃料電池セル３２は、基体３０の表面に燃料側電極３４と電解質３６と酸素側電極３８とが順に積層して形成される。インタコネクタ４０は導電性を有し、隣り合う燃料電池セル３２の燃料側電極３４と酸素側電極３８とを電気的に接続し、隣り合う燃料電池セル同士を直列に接続する。こうして、直列に配置された複数の燃料電池セル３２で発電された直流電力は、インタコネクタ４０によって基体３０の端部まで取り出される。

セルスタック１４は、基体３０の形状によって円筒型と平板型とがある。円筒型セルスタックは、基体３０が内部に燃料ガスｆが流れる円筒形の基体管で構成され、平板型セルスタックは、基体３０が平板形状に構成される。図１、図２及び図４に示す実施形態は、円筒型セルスタック１４（１４ａ）を備え、図３に示す実施形態は平板型セルスタック１４（１４ｂ）を備える。

一実施形態では、図１に示すように、均圧開口２６（２６ａ）は、筐体１２の上部隔壁に設けられ、他方、酸化性ガス供給管２０は筐体１２の下部から筐体１２の内部に導設される。この実施形態によれば、均圧開口２６（２６ａ）と酸化性ガス供給管２０とは互いに離れた位置にあるため、酸化性ガス供給管２０から筐体１２内に供給された酸化性ガスａが燃料電池セル３２で化学反応せずに、均圧開口２６（２６ａ）から筐体１２の外部へバイパスしてしまうのを抑制できる。

幾つかの実施形態では、図１、図２及び図４に示すように、筐体１２の隔壁は、通気性を有する断熱材層４２（第１断熱材層）と、断熱材層４２を部分的に外側から覆うように設けられたシール性を有する外装板４４と、を含んで構成される。そして、均圧開口２６（２６ａ〜２６ｃ）は、外装板４４に覆われずに、圧力容器１６の内部空間のうち筐体１２の外側領域に露出した断熱材層４２が均圧開口として機能する。断熱材層４２は、通気性がある断熱性材料で構成される。この実施形態によれば、均圧開口２６は、断熱材層４２と外装板４４とで構成された筐体１２の隔壁から外装板４４を取り除くだけで構成できるので、均圧開口２６の形成及びその設置位置の選択が容易になる。

一実施形態では、図１及び図２に示すように、排燃料ガス排出管２２をなくし、セルスタック１４（１４ａ）から排出される排燃料ガスｆ’は排酸化性ガス排出管２４から排出されるように構成される。この実施形態によれば、セルスタック１４から排出される排酸化性ガスａ’及び排燃料ガスｆ’を１本の排酸化性ガス排出管２４で筐体１２及び圧力容器１６の外部へ排出できるので、排燃料ガスｆ’及び排酸化性ガスａ’の排出機構をコンパクト化できる。

一実施形態では、図１及び図４に示すように、均圧開口２６（２６ａ）が筐体１２の上部隔壁に設けられ、ガス濃度センサ４６が圧力容器１６の上部内面に設けられる。ガス濃度センサ４６は、圧力容器１６の内側上部空間に溜まった未反応燃料ガスｆの濃度を検出可能に構成されている。セルスタック１４に異常や故障が発生し、燃料電池セル３２に化学反応が起きないとき、Ｈ_２、ＣＯを主体とする未反応燃料ガスｆが均圧開口２６（２６ａ）を通して圧力容器１６の内側上部空間に溜まる。該内側上部空間に溜まった未反応燃料ガスｆをガス濃度センサ４６で検知し、未反応燃料ガスｆの濃度が閾値を越えたとき、セルスタック１４に異常や故障が発生したと判断する。これによって、セルスタック１４（１４ａ）の異常や故障の発生を早期に発見できる。

幾つかの実施形態では、図１〜図４に示すように、圧力容器１６の内面に断熱材層４８（第２断熱材層）を備える。この実施形態によれば、圧力容器１６の内面に断熱材層４２を備えることで、圧力容器外への熱放出をさらに抑制できる。従って、燃料電池モジュール１０の熱損失をさらに抑制できるため、燃料電池モジュール１０の発電効率の低下を抑制できる。

一実施形態では、図３に示すように、酸化性ガス供給管２０は、加熱器５４が設けられた管路５０（第１管路）と、管路５０に設けられた加熱器５４をバイパスする管路５２（第２管路）と、を備える。均圧開口２６（２６ｄ）は、圧力容器１６の内部において管路５０又は管路５２のどちらか一方に設けられる。この実施形態によれば、管路５０は酸化性ガスａが蛇行する内部配管を流れる間に圧力損失を起しやすい加熱器５４を備えるため、燃料電池モジュール１０（１０Ｃ）の起動時には、管路５２を通して酸化性ガスａを筐体１２内のセルスタック１４（１４ｂ）に供給する。これによって、セルスタック１４（１４ｂ）内の酸化性ガスａの急速昇圧が可能になり、これによって、急速起動が可能になる。また、セルスタック１４（１４ｂ）に昇温した酸化性ガスａを供給したいときは、酸化性ガスａを管路５０を介して加熱器５４に送り、加熱器５４で加熱するようにする。

図３に示す実施形態において、管路５２にバルブ５６が設けられ、バルブ５６の開閉を操作することで、酸化性ガス供給管２０の流路を、酸化性ガスａをすべて管路５０からセルスタック１４（１４ｂ）に供給するか、あるいは酸化性ガスａの一部を管路５２を通すかを選択できる。また、管路５０は管寄せ５８を備える。管路５０を通る酸化性ガスａは加熱器５４を通った後下流側で乱流となるので、乱流となった酸化性ガスａを管寄せ５８で一時貯留して乱流状態を解消できる。

図３に示す実施形態において、筐体１２（１２ｂ）に収納されたセルスタック１４（１４ｂ）は平板形状を有する。筐体１２（１２ｂ）は、他の実施形態で用いられる外装板４４はなく、代わりに、断熱材層４２の内側に位置するシールライン６０で筐体１２（１２ｂ）の内部をシールする密閉構造を有する。別な実施形態では、筐体１２（１２ｂ）に収納された複数のセルスタック１４（１４ｂ）は、１個毎に密閉構造を有するか、あるいは密閉構造を有する筐体を備えるようにしてもよい。

ＳＯＦＣを備える燃料電池モジュールは、ＧＴＣＣ（Ｇａｓ ＴｕｒｂｉｎｅＣｏｍｂｉｎｅｄ Ｃｙｃｌｅ：ガスタービンコンバインドサイクル発電）、ＭＧＴ（Ｍｉｃｒｏ Ｇａｓ Ｔｕｒｂｉｎｅ：マイクロガスタービン）、又はターボチャージャと組み合わされて利用される複合発電システムに適用されることがある。

図６は、一実施形態に係る発電システム７０（７０Ａ）を示す系統図である。図６において、発電システム７０（７０Ａ）は、上記構成の幾つかの実施形態に係る燃料電池モジュール１０と、ガスタービン７２（回転機器）とを備える。ガスタービン７２を構成する圧縮機７４に酸化性ガスａが供給され、酸化性ガスａは圧縮機７４で圧縮された後、酸化性ガス供給管２０を介して燃料電池モジュール１０に供給される。燃料電池モジュール１０で発電のための化学反応に用いられた後の排酸化性ガスａ’及び排燃料ガスｆ’は、排燃料ガス排出管２２及び排酸化性ガス排出管２４を介してガスタービン７２を構成する燃焼器７８に送られ、燃焼器７８で高温の燃焼ガスを生成する。この燃焼ガスをタービン７６で断熱膨張させることにより発生する回転動力により、発電機８０で電力が生成されると共に、圧縮機７４を駆動することで、圧縮ガスが発生する。この圧縮ガスを酸化性ガスａとして燃料電池モジュール１０の酸化性ガス供給管２０に供給する。燃料電池モジュール１０は、圧縮された酸化性ガスａと燃料ガスｆを用いて発電する。
この実施形態においては、例えば、図３及び図４に示す燃料電池モジュール１０（１０Ｃ、１０Ｄ）が用いられる。

上記構成によれば、上記幾つかの実施形態に係る燃料電池モジュール１０を備えることで、筐体１２内の過度の昇温及び昇圧を抑制しつつ、圧力容器１６外への放熱を抑制して発電効率の低下を抑制できる。また、燃料電池モジュール１０に圧縮された酸化性ガスａを供給できるので、発電効率を向上できる。また、燃料電池モジュール１０から排気される排酸化性ガスａ’と排燃料ガスｆ’で燃焼器７８を駆動させて回転動力を発生させるため、発電システム７０（７０Ａ）の所要動力を低減できる。さらに、燃料電池モジュール１０とガスタービン７２の両方で複合的に発電できるので、発電量を増加できる。

図７は、一実施形態に係る発電システム７０（７０Ｂ）を示す系統図である。発電システム７０（７０Ｂ）は、回転機器としてターボチャージャ８２が用いられる。図７において、ターボチャージャ８２を構成する圧縮機８４に酸化性ガスａを供給して圧縮し、圧縮された酸化性ガスａを燃料電池モジュール１０に供給する。燃料電池モジュール１０で発電のための化学反応に用いられた後の排酸化性ガスａ’及び排燃料ガスｆ’は、排燃料ガス排出管２２及び排酸化性ガス排出管２４を介してターボチャージャ８２を構成するタービン８６に送られ、タービン８６を回転させて回転動力が発生する。この回転動力で圧縮機８４を駆動することで、圧縮ガスが発生する。この実施形態においては、例えば、排酸化性ガス排出管２４が排燃料ガスｆ’及び排酸化性ガスａ’の排出を兼用する図１及び図２に示す燃料電池モジュール１０（１０Ａ、１０Ｂ）が用いられる。
この実施形態によれば、発電システム７０（７０Ｂ）の発電効率を向上でき、かつ所要動力を低減できる。

幾つかの実施形態によれば、セルスタックの温度調節を可能にしながら、圧力容器への熱放熱を抑制して発電効率の低下を抑制でき、かつセルスタックを収納する容器内の過度の昇圧を抑制して該容器の変形又は損傷を防止できる。

１０（１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ） 燃料電池モジュール
１２（１２ａ、１２ｂ） 筐体
１４（１４ａ、１４ｂ） セルスタック
１６ 圧力容器
１８ 燃料ガス供給管
２０ 酸化性ガス供給管
２２ 排燃料ガス排出管
２４ 排酸化性ガス排出管
２６（２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、２６ｄ、２６ｅ） 均圧開口
３０ 基体
３２ 燃料電池セル
３４ 燃料側電極
３６ 電解質
３８ 酸素側電極
４０ インタコネクタ
４２ 断熱材層（第１断熱材層）
４４ 外装板
４６ ガス濃度センサ
４８ 断熱材層（第２断熱材層）
５０ 管路（第１管路）
５２ 管路（第２管路）
５４ 加熱器
５６ バルブ
５８ 管寄せ
６０ シールライン
７０（７０Ａ、７０Ｂ） 発電システム
７２ ガスタービン
７４、８４ 圧縮機
７６、８６ タービン
８２ ターボチャージャ
７８ 燃焼器
８０ 発電機
Ｇ 発電室
ａ 酸化性ガス
ａ’ 排酸化性ガス
ｆ 燃料ガス
ｆ’ 排燃料ガス

Claims (10)

1. 燃料ガス及び酸化性ガスが供給されて発電する複数の燃料電池セルを備える少なくとも一つのセルスタックと、
   前記少なくとも一つのセルスタックが収納されて内部に発電室を形成したシール性を有する筐体と、
   該筐体を収容する圧力容器と、
   前記セルスタックに酸化性ガスを供給する酸化性ガス供給管と、
   を備え、
   前記筐体に前記筐体の内外を連通させるための少なくとも一つの均圧開口が形成され、
   前記少なくとも一つの均圧開口は、
   １個の均圧開口のみ、
   又は、
   前記筐体の高さがＨであるとき、最も高所にある均圧開口と最も低所にある均圧開口との間隔が０．１Ｈ以内の範囲に設けられた複数の均圧開口を含むことを特徴とする燃料電池モジュール。
2. 燃料ガス及び酸化性ガスが供給されて発電する複数の燃料電池セルを備える少なくとも一つのセルスタックと、
   前記少なくとも一つのセルスタックが収容されて内部に発電室を形成したシール性を有する筐体と、
   該筐体を収容する圧力容器と、
   前記セルスタックに酸化性ガスを供給する酸化性ガス供給管と、
   を備え、
   前記圧力容器内の前記酸化性ガス供給管又は前記筐体に前記筐体の内外を連通させるための少なくとも一つの均圧開口が形成され、
   前記少なくとも一つの均圧開口は、
   １個の均圧開口のみ、
   又は、
   前記筐体に設けられた第１均圧開口、及び、前記酸化性ガス供給管に設けられた第２均圧開口
   を含むことを特徴とする燃料電池モジュール。
3. 前記均圧開口は前記筐体の上部隔壁に設けられ、
   前記酸化性ガス供給管は前記筐体の下部から前記筐体の内部に導設されることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池モジュール。
4. 前記筐体の隔壁は、通気性を有する第１断熱材層と、前記第１断熱材層を部分的に外側から覆うように設けられたシール性を有する外装板と、を含み、
   前記外装板に覆われず前記筐体の外側領域に露出した前記第１断熱材層が前記均圧開口として機能する
   ことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の燃料電池モジュール。
5. 前記セルスタックに燃料ガスを供給する燃料ガス供給管と、
   前記セルスタックから排酸化性ガスを排出する排酸化性ガス排出管と、
   を備え、
   前記セルスタックから排出される排燃料ガスは前記排酸化性ガス排出管から排出されるように構成されることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の燃料電池モジュール。
6. 前記均圧開口は前記筐体の上部隔壁に設けられ、
   前記圧力容器の内側上部空間の未燃燃料ガスの濃度を検出するためのガス濃度センサを備えることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の燃料電池モジュール。
7. 前記圧力容器の内面に設けられた第２断熱層を備えることを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載の燃料電池モジュール。
8. 前記酸化性ガス供給管は、
   加熱器が設けられた第１管路と、
   前記加熱器をバイパスする第２管路と、
   を備え、
   前記均圧開口は、前記圧力容器の内部において前記第１管路又は前記第２管路のどちらか一方に設けられることを特徴とする請求項１乃至７の何れか一項に記載の燃料電池モジュール。
9. 請求項１乃至８の何れか一項に記載の燃料電池モジュールと、
   前記燃料電池モジュールから排気される排燃料ガスと排酸化性ガスとを用いて回転動力を発生させる回転機器と、
   を備え、
   前記燃料電池モジュールには、前記回転動力を用いて圧縮された前記酸化性ガスが供給され、前記燃料電池モジュールは、前記燃料ガスと前記圧縮された酸化性ガスを用いて発電することを特徴とする発電システム。
10. 前記回転機器は、ガスタービン又はターボチャージャで構成されることを特徴とする請求項９に記載の発電システム。

Images