JP5285253B2 - 燃料電池モジュール - Google Patents
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Description
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クッ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形燃料電池として知られている
容器11には、後述するリフォーマ30に燃料を供給する燃料入口14と、未燃の燃料を排出する燃料出口15と、空気予熱器40に空気を供給する空気入口16と、発電室12を通過して温度上昇した空気を排出する空気出口17とが設けられている。
また、カートリッジ20は、空気供給ヘッダ23の下方に配設された燃料排出ヘッダ25及び空気分配ヘッダ26を備えている。
発電中の燃料電池モジュール10において、燃料は、燃料入口14からリフォーマ30に供給されて改質された後、燃料供給ヘッダ22により各セルチューブ21へ分配され、空気は、空気入口16から空気予熱器40に供給されて加熱された後、空気分配ヘッダ26により各カートリッジ20へ分配される。
また、円筒縦縞形の固体電解質燃料電池セルと円筒形セラミックチューブとを用いてずれ方向に強い集合体とし、集合体の製作及び設置を容易にした固体電解質燃料電池セルの集合体が提案されている。(たとえば、特許文献2参照)
また、反応容器内に燃料室仕切板と燃料ガス室仕切板とを設けることにより、燃料室、反応室及び燃料ガス室を形成した固体電解質形燃料電池が開示されている。(たとえば、特許文献3参照)
空気分配ヘッダ26から各カートリッジ20毎の空気供給ヘッダ23に分配された空気は、発電室12内でセルチューブ21の周囲を上昇し、発電室12の上部壁面に開口している空気出口開口18からリフォーマ30へ流出する。このとき、空気出口開口18が側壁上面に配置されているため、空気の流れは不均一になる。すなわち、図示の発電室12内を流れる空気は、図中に矢印19で示すように、流れが上昇するにつれて空気出口開口18側へ向きを変えるため、特に、発電室12の上部中央付近においては、周囲の空気出口開口18に向けて逃げるため十分に行き渡らなくなる。このため、発電室12の上部中央付近は空気不足になりやすく、このような空気不足を生じた領域は、十分な温度上昇が得られなくなる。従って、発電室12内の温度分布が不均一になり、高温で発電する燃料電池モジュールの発電効率に悪影響を及ぼすこととなる。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、発電室内部に生じる空気流れの不均一を解消し、発電室内部の空気流れ及び温度分布を均一にして効率よく発電することができる燃料電池モジュールを提供することにある。
本発明に係る燃料電池モジュールは、発電室内に並列に設置された複数のカートリッジが燃料及び空気の供給を受けて発電する固体酸化物形の燃料電池モジュールにおいて、前記カートリッジは燃料供給ヘッダ及び燃料排出ヘッダを有し、前記発電室内で前記カートリッジの上端部側となる位置に、隣接するセルチューブの間を、1または複数本毎に仕切るように設けた断熱材よりなる格子状の板と、前記格子状の板の上面と前記燃料供給ヘッダの下面との間に設けた上部開口とを備え、前記セルチューブの両端部は、燃料供給ヘッダ及び燃料排出ヘッダ内に開口した状態で支持され、前記セルチューブは、前記格子状の板と接触することなく貫通していることを特徴とするものである。
また、このような燃料電池モジュールによれば、発電室内でカートリッジの上端部側となる位置に一層だけ板を設置するので、発電室内に空気の流れを整流する板を複数設置して発電室内の空気流れを均一化する方法に比べ、燃料電池モジュールの部品点数を低減可能となり、工数とコストの低減が可能となる。
また、このような燃料電池モジュールによれば、カートリッジ毎に周囲に仕切壁及び整流板を設置して組立実施し、その後燃料電池モジュール全体の組立が出来るので、組立工程の簡素化が図れる。
更に、燃料電池モジュール全体の組立工程の簡素化が図れる。
図1に示す第1の実施形態では、燃料電池モジュール10Aは、発電室12内に並列に設置された複数のカートリッジ20が燃料(天然ガス、石油、メタノール、石炭ガス化ガス等)及び空気の供給を受けて発電する固体酸化物形燃料電池(SOFC)であり、発電室12内でカートリッジ20の上端部近傍となる位置には、空気の流れを整流する整流板27が設けられている。この整流板27は、発電室12内に供給されてカートリッジ20の下方から上昇する空気がカートリッジ20の上端部付近までカートリッジ20に沿って流れるように整流して空気流れを均一化する機能を有している。
なお、図示の例では、発電室12内の紙面左右方向へ一列に配置した4つのカートリッジ20を設けてあるが、この数や配列に限定されることはなく、たとえば紙面の前後・左右両方向にそれぞれ複数列を配置してもよい。
カートリッジ20は、略円筒形に形成されたセルチューブ21を複数本集めたもので、各セルチューブ21の上下両端部は燃料供給ヘッダ22及び燃料排出ヘッダ25により支持されている。セルチューブ21は、セラミックから形成された略円筒状の管であり、長手方向における中央部には発電を行う燃料電池セル(不図示)が設けられている。すなわち、この燃料電池セルは、セルチューブ21が発電室12内に位置する部分にのみ配置されている。
一方の燃料供給ヘッダ22は、各セルチューブ21の上端部から改質された燃料を分配して供給する。セルチューブ21の上端部からチューブ内に供給された燃料は、チューブ内を流下して燃料電池セルで発電を行った後、発電に使用された排ガス及び未燃の燃料が空気供給ヘッダ23の下方に設けられた燃料排出ヘッダ25に排出されて集められる。こうして燃料排出ヘッダ25に集められた未燃の燃料は、燃料出口15から容器11の外部へ排出される。
発電室12を通過することでさらに温度上昇した高温の空気は、空気出口開口18からリフォーマ30及び空気予熱器40の順に通過して流れた後、空気出口17から容器11の外部へ流出する。
空気予熱器40は、リフォーマ30で燃料の改質に使用された高温の空気を導入し、空気入口16から供給される空気を予熱して温度上昇させる熱交換器である。
通常、SOFCの起動時においては、セルチューブ21内の燃料電池セルが高温空気により自己発電可能な温度(たとえば600℃程度)に上昇まで起動準備運転が行われる。そして、燃料電池セルが高温空気により自己発電可能な温度まで加熱されると、燃料入口14から導入した燃料がリフォーマ30を介して燃料供給ヘッダ22へ供給され、燃料電池セルによる発電が開始される。燃料電池セルは発電するとともに発熱(自己発電発熱)し、燃料電池セルは、高温空気の熱と自己発熱とにより加熱される。
一方、セルチューブ21から燃料排出ヘッダ25に流入した燃料(以下、「排出燃料」と呼ぶ)の中には、燃料電池セルにおいて発電に用いられた排ガスとともに、発電に用いられなかった未燃の燃料が含まれている。そのため、排出燃料は燃料排出ヘッダ25から燃料出口15を通って容器11の外部へ排出され、たとえば空気予熱器40において空気を予熱した後の高温排出空気と混合されて燃焼される。
この実施形態では、燃料電池モジュール10Bが、上述した整流板27に加えて、カートリッジ20の周囲を囲むようにして、カートリッジ20間の隙間Sに設けた、カードリッジ内に設置されているセルチューブ21と略平行な上下方向に仕切壁29を備えている。この仕切壁29は、燃料排出ヘッダ25の上面から燃料供給ヘッダ22の下面付近に配設された整流板27に連結または接触される位置まで設けられた断熱材の壁であり、空気供給ヘッダ23から発電室12内に流出した空気は、カートリッジ20毎に分割されて独立した空間を上昇した後、整流板27により整流される。なお、整流板27を通過した空気は、上部開口28を通って空気出口開口18へ導かれる。
またカートリッジ20毎の隙間Sの空間はカートリッジ20内のセルチューブ21間の間隔よりも広くなるが、この広くなった空間を仕切壁29で埋めることによりカートリッジ20の外周部のセルチューブ21付近の空気流れとカートリッジ20中央部のセルチューブ21付近の空気流れを略同一とすることができるので、カートリッジ20内のセルチューブ21全体での空気流れをより整流化できる。
このように、仕切壁29により空気流路をカートリッジ20毎に区画した構成により、仕切壁29及び整流板27がともに空気の流れを略まっすぐ上昇させる整流機能を発揮し、またカートリッジ20毎の隙間Sの空間を埋めることができるので、発電室12内に生じる空気流れの不均一が解消され、発電室12内の空気量を均一化することで温度分布も均一化される。
また、カートリッジ毎に周囲に仕切壁及び整流板を設置して組立実施し、その後燃料電池モジュール全体の組立が出来るので、組立工程の簡素化が図れる。
また、本発明の燃料電池モジュール10Aによれば、発電室内でカートリッジの上端部近傍となる位置に一層だけ整流板を設置するので、発電室内に前記空気の流れを整流する板を複数設置して発電室内の空気流れを均一化する方法に比べ、燃料電池モジュールの部品点数を低減可能となり、工数とコストの低減が可能となる。
また、本発明の燃料電池モジュール10Bによれば、カートリッジ毎に周囲に仕切壁及び整流板を設置して組立実施し、その後燃料電池モジュール全体の組立が出来るので、組立工程の簡素化が図れる。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明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。
11 容器
12 発電室(内部空間)
13 肉厚部
14 燃料入口
15 燃料出口
16 空気入口
17 空気出口
18 空気出口開口
20 カートリッジ
21 セルチューブ
22 燃料供給ヘッダ
23 空気供給ヘッダ
24 断熱材
25 燃料排出ヘッダ
26 空気分配ヘッダ
27 整流板
28 上部開口
29 仕切壁
30 リフォーマ(改質器)
40 空気予熱器
S 隙間
Claims (2)
- 発電室内に並列に設置された複数のカートリッジが燃料及び空気の供給を受けて発電する固体酸化物形の燃料電池モジュールにおいて、
前記カートリッジは燃料供給ヘッダ及び燃料排出ヘッダを有し、
前記発電室内で前記カートリッジの上端部側となる位置に、隣接するセルチューブの間を、1または複数本毎に仕切るように設けた断熱材よりなる格子状の板と、前記格子状の板の上面と前記燃料供給ヘッダの下面との間に設けた上部開口とを備え、
前記セルチューブの両端部は、燃料供給ヘッダ及び燃料排出ヘッダ内に開口した状態で支持され、
前記セルチューブは、前記格子状の板と接触することなく貫通していることを特徴とする燃料電池モジュール。 - 前記板の下方に前記カートリッジの周囲の少なくとも一部分を囲むようにして前記カードリッジ内に設置されているセルチューブと平行な方向の仕切壁を設けたことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池モジュール。
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