JP4917295B2 - 固体酸化物形燃料電池発電システム - Google Patents

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池よりなるセルを複数個集合してモジュール構造にした固体酸化物形燃料電池発電システムに係り、特にアノードガスに炭化水素系燃料を用いる発電システムに関する。

燃料電池は電解質を挟んで一方の側にアノードを備え、他方の側にカソードを備え、アノード側には燃料ガスを、カソード側には酸化剤ガス（主として空気）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は、作動温度が７００〜１０００℃程度と高く、発電効率が高いこと、また排熱も利用しやすいことから研究が進められている。

通常、燃料電池は、電気出力を得るために、数十から数百程度のセルを積層させて集合体（モジュール）にしている。発電時には、ジュール熱によってセルが発熱し、熱的に自立して運転できる。セルにとっては、運転温度が低すぎると性能が発揮できず、逆に運転温度が高すぎると材料劣化を招き寿命が悪化するため、最適な温度範囲に保持されることが望まれる。ここで、実際の発電状態においては、モジュールに温度分布が発生するため、この温度分布を均一化することが必要である。

セルの温度制御に関して記載された先行技術としては、例えば特許文献１がある。特許文献１には、セルに隣接して内部改質器を配置した固体電解質形燃料電池において、セルと内部改質器との間の熱伝導量を調整する手段を設けて、セルと内部改質器に温度差が生ずるのを防止することが記載されている。これにより、セルの表面温度に温度分布が生じることを抑制できることが記載されている。しかし、特許文献１にはモジュールの温度分布の均一化については記載されていない。

特開２００３−１１５３０７号公報

本発明の目的は、セルを複数個集合したモジュール構造を有し、アノードガスとして炭化水素系燃料を用いる固体酸化物形燃料電池発電システムにおいて、モジュールの温度分布の均一化を図ることにある。

本発明は、固体酸化物形燃料電池よりなるセルが複数個集合されたモジュール構造を有し、アノードガスとして炭化水素系燃料が用いられる固体酸化物形燃料電池発電システムにおいて、モジュールの温度が上昇しやすい部分とそれ以外の部分とで異なるアノードガスを供給して、モジュールの温度分布が均一化されるようにしたものである。

また、本発明は、複数個のセルが集合されたモジュール構造を有し、アノードガスとして炭化水素系燃料を改質器で改質したガスが供給されるようにした固体酸化物形燃料電池発電システムにおいて、改質器を複数個備えて炭化水素濃度と温度および流量の少なくとも１つが異なる改質ガスが生成されるようにし、モジュールの温度が上昇しやすい部分とそれ以外の部分とで異なるアノードガスを供給し、モジュールの温度分布が均一化されるようにしたものである。

また、本発明は、複数個のセルが集合されたモジュール構造を有し、アノードガスとして炭化水素系燃料を改質器で改質したガスが供給されるようにした固体酸化物形燃料電池発電システムにおいて、モジュールを温度上昇に応じて複数の区域に分け、それぞれの区域専用の改質器と区域内の温度を検知する温度センサおよび温度センサからの信号により改質器の運転条件を制御する制御装置を備え、温度センサからの信号をもとに改質器の運転条件を制御してモジュールの温度分布が均一化されるようにしたものである。

本発明では、モジュールの内部を温度上昇度合いに応じて複数の区域に仕切ること、例えば仕切り板を用いて仕切ることが望ましい。そして、温度が上昇しやすい部分には、それ以外の部分に比べて、炭化水素濃度が高いガスまたはガス温度が低いガスをアノードガスとして供給するか、或いは同じガス組成、ガス温度の場合にはガス流量を多くすることが望ましい。

本発明の固体酸化物形燃料電池発電システムでは、炭化水素濃度或いはガス温度或いはガス流量が異なる２種類以上のアノードガスを用いて、モジュールの温度上昇しやすい中央部には、それ以外の周囲部に比べて、炭化水素濃度が高い又は温度が低いガスを供給するか、あるいはガス流量を多くする。これにより、モジュール全体として、温度分布の均一化を図ることが出来る。

まず、従来の一般的な固体酸化物形燃料電池発電システムについて、図３及び図４を用いて説明する。

図３（ａ）は固体酸化物形燃料電池発電システムの構成を示した断面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図４は固体酸化物形燃料電池の単セルの断面図である。一般的な固体酸化物形燃料電池は、図４に示すように、セル８０が円筒形の固体酸化物電解質８０ｅを介して、その外側にアノード８０ａが配置され、内側にカソード８０ｃが配置された構造となっている。アノードとカソードの配置が反対の場合もある。図３（ｂ）では便宜上、３６本のセルを図示したが、通常は数十から数百程度のセルが、直列もしくは並列に積層集合されて発電が行われる。この集合体をモジュール３０と称する。

セル８０のカソード側には、カソードガス９０として酸化剤ガス（通常は空気）を供給する。この酸化剤ガスは、各セルへガスを均等分配するためのヘッダ９１を通り、空気導入管９２を通ってカソード８０ｃに到達する。一方、アノード側には、通常、都市ガスやＬＮＧ、ＬＰＧなどの炭化水素系燃料と水蒸気を混合したガスを改質器２００で一部あるいは全て水蒸気改質させてからアノードガス１００として供給する。

このようにして供給されたカソードガス９０およびアノードガス１００が電気化学反応を生じることで、電気と熱が発生する。この時に発生する熱で、セル８０は、運転温度である７００〜１０００℃に維持される。また、モジュール３０を取り囲む断熱材１によって、放熱を抑制する。

しかしながら、アノードガス１００を同一のガス組成及び同一のガス温度及び同一のガス流量で供給すると、発電時のモジュール周囲部３０Ｌは、放熱分だけモジュール中央部３０Ｈよりもセル温度が低くなる傾向がある。また、モジュールを大型化するためにセルの本数を多くすると、モジュール中央部３０Ｈの温度が上がりすぎ、最適な運転温度範囲を超えるおそれがある。すなわち、モジュール３０の温度分布が不均一となる。本発明は、このモジュールの温度分布不均一の問題を解決するものである。

図１は本発明の実施例を示したものであり、（ａ）は全体構成を示した断面図、（ｂ）はＡ−Ａ断面図である。本実施例では、２種類の異なるアノードガスを用いて、モジュール中央部３０Ｈにはアノードガス１００Ａを流し、モジュール周囲部３０Ｌにはアノードガス１００Ｂを流している。図１では、アノードガス１００Ａとアノードガス１００Ｂを確実に分離して流すために仕切り板２０を設け、モジュール中央部３０Ｈとモジュール周囲部３０Ｌとを切り分けている。

ここで、アノードガス１００Ａとアノードガス１００Ｂは、次の（１）〜（３）のいずれかの条件を満たすガスが好ましい。
（１）アノードガス１００Ａはアノードガス１００Ｂと比べて炭化水素濃度が高い
（２）アノードガス１００Ａはアノードガス１００Ｂと比べてガス温度が低い
（３）アノードガス１００Ａはアノードガス１００Ｂと比べてガス流量が多い
アノードガス中の炭化水素濃度が高いことは、セルのアノードにおいて、より多く水蒸気改質を行わせることになる、すなわち、内部改質による吸熱量が多くなることから、より多く冷却されることになる。また、アノードガス温度が低いことは、モジュールを冷却することになる。また、同一組成においてガス流量が多いことは内部改質による吸熱量が多くなることから、より多く冷却されることになる。

つまり、上記（１）〜（３）の少なくとも１つを満足するアノードガスを、モジュールの各部に供給することにより、特にモジュール中央部３０Ｈを効果的に冷却でき、温度分布の均一化が達成できることになる。

図５は本発明の他の実施例であり、（ａ）は全体構成を示した断面図、（ｂ）はＡ−Ａ断面図である。本実施例では、改質器２００Ａと改質器２００Ｂを設けて、改質器２００Ａで生成された改質ガス１００Ａをモジュール中央部３０Ｈに流し、改質器２００Ｂで生成された改質ガス１００Ｂをモジュール周囲部３０Ｌに流すようにした。改質器２００Ａでは改質器２００Ｂに比べて改質率の低いガス（吸熱量の多いガス）を生成し、改質器２００Ｂでは改質器２００Ａに比べて改質率の高いガス（吸熱量の少ないガス）を生成する。改質率を変えることにより炭化水素濃度を変えることができ、かつ、ガス温度も変えることができる。具体的には、改質率を高くすると、炭化水素濃度が低く吸熱量の少ないガスになり、ガス温度は高くなる。

図２は、水蒸気改質器の改質温度Ｔと改質ガス中の炭化水素濃度の関係を模式的に示したものである。図２に示すように、改質温度を変えることにより、改質ガス中の炭化水素濃度を変化させることができる。したがって、図５に示すように改質器を２種類以上設置して、アノードガス１００Ａと１００Ｂに相当する改質温度にそれぞれ設定してアノードに供給することにより、モジュール高温部を効果的に冷却できて、実施例１と同様にモジュールの温度分布均一化が達成できる。

図６は、複数の改質器と、改質器の制御装置とを備えた発電システムの実施例を示している。モジュール中央部３０Ｈには温度センサ２Ａが設置され、モジュール周囲部３０Ｌには温度センサ２Ｂが設置されている。これらの温度センサによりモジュールの温度を検知し、検知信号２Ｓとして制御装置３００に送信して制御を行う。制御装置３００から制御信号２００ＡＳを改質器２００Ａに送信し、制御信号２００ＢＳを改質器２００Ｂに送信し、それぞれの改質器から出る改質ガスの炭化水素濃度またはガス温度またはガス流量を制御する。例えば、温度センサ２Ａによってモジュール中央部３０Ｈの温度が高くなりすぎたと検知した場合には、モジュール中央部３０Ｈを冷却するように、改質器２００Ａから出る改質ガス１００Ａの吸熱量を増加させる。この制御により安定した燃料電池運転が可能となる。

図７は、アノードガスの供給を水平方向としたモジュールの場合に本発明を適用する実施例を示したものである。この場合、モジュール３０は、上下方向の両端部が放熱により温度が低いモジュール周囲部３０Ｌとなり、上下方向の中央部が温度の高いモジュール中央部３０Ｈとなる。したがって、このような配置においては、改質ガス１００Ａと１００Ｂをそれぞれ図７のように流すことによって、温度分布の均一化が図れる。

なお、本発明の骨子は、ガス組成またはガス温度またはガス流量の少なくとも一つを変えた２種類以上のアノードガスを、モジュールのアノードに供給することでモジュールの温度分布均一化を図ることにある。そのため、セルの形は図４に示した円筒形に限られない。平板形或いはその他の形をした固体酸化物形燃料電池の場合にも適用できる。

また、以上述べた実施例では改質器を断熱材１の外側に配置した構成となっているが、改質器の配置はこれに限定されるものではなく、例えば断熱材の内側に改質器を備えることも出来る。

本発明の実施例を示したものであり、（ａ）は全体構成図、（ｂ）はＡ−Ａ断面図である。 改質温度と改質ガス中の炭化水素濃度との関係を示した特性図である。 一般的な固体酸化物形燃料電池発電システムを示したもので、（ａ）は全体構成図、（ｂ）はＡ−Ａ断面図である。 単セルの構成を示した断面図である。 本発明の他の実施例であり、（ａ）は全体構成図、（ｂ）はＡ−Ａ断面図である。 本発明の他の実施例を示す発電システムの構成図である。 本発明の別の実施例を示した概略図である。

符号の説明

１…断熱材、２Ａ…温度センサ、２Ｂ…温度センサ、２Ｓ…検知信号、２０…仕切り板、３０…モジュール、３０Ｌ…モジュール周囲部、３０Ｈ…モジュール中央部、８０…セル、８０ａ…アノード、８０ｃ…カソード、８０ｅ…固体電解質、９０…カソードガス、９１…ヘッダ、９２…空気導入管、１００…アノードガス、１００Ａ…アノードガス、１００Ｂ…アノードガス、２００…改質器、２００Ａ…改質器、２００Ｂ…改質器、２００ＡＳ…制御信号、２００ＢＳ…制御信号、３００…制御装置。

Claims (7)

1. 固体酸化物形燃料電池よりなるセルを複数個集合して構成したモジュールと、前記モジュールに改質ガスを供給する複数の改質器と、それぞれの改質器からモジュールの所定の領域に改質ガスを供給する手段と、前記モジュールの中央部には、その外側部に供給される改質ガスの改質率よりも低い改質率の改質ガスを供給する手段を有することを特徴とする固体酸化物形燃料電池発電システム。
2. 請求項１において、前記モジュールの温度を検知する複数の温度センサを有することを特徴とする固体酸化物形燃料電池発電システム。
3. 請求項２において、前記温度センサの信号により複数の改質器の運転条件を制御して、その改質器の改質ガスの改質率を制御し、または改質率及び改質ガスの流量を制御し、もって前記モジュールに供給される改質ガスの改質率を制御し、または改質率及び改質ガスの流量を制御する制御装置を有することを特徴とする固体酸化物形燃料電池発電システム。
4. 固体酸化物形燃料電池よりなるセルを複数個集合して構成したモジュールと、前記モジュールに改質ガスを供給する複数の改質器と、それぞれの改質器からモジュールの所定の領域に改質ガスを供給する手段と、前記モジュールの温度を検知する複数の温度センサと、前記温度センサの信号により複数の改質器の運転条件を制御して、その改質器の改質ガスの改質率を制御し、または改質率及び改質ガスの流量を制御し、もって前記モジュールに供給される改質ガスの改質率を制御し、または改質率及び改質ガスの流量を制御する制御装置を有し、前記モジュールの中央部には、その外側部に供給される改質ガスの改質率よりも低い改質率の改質ガスを供給することを特徴とする固体酸化物形燃料電池発電システム。
5. 請求項１又は４において、前記モジュールの内部を温度上昇のしやすい中央部分と、それ以外の周囲部とに仕切るための仕切り板を有することを特徴とする固体酸化物形燃料電池発電システム。
6. 請求項１又は４において、前記アノードガスのガス流量がモジュールの温度上昇しやすい部分とそれ以外の部分とで異なるようにし、温度上昇しやすい部分に供給されるアノードガスのガス流量を多くしたことを特徴とする固体酸化物形燃料電池発電システム。
7. 請求項１〜６のいずれかにおいて、前記モジュールを構成するセルは、円筒形固体酸化物電解質の外側にアノード、内側にカソードを配置したもの、あるいは逆に、外側にカソード、内側にアノードを配置したものであることを特徴とする固体酸化物形燃料電池発電システム。

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