JP5403352B2 - 燃料電池 - Google Patents

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Description

本発明は、反応ガス(発電用ガス)により作動する複数の燃料電池セルを備えた燃料電池に関する。
従来から、燃料電池の一種として、反応ガスにより作動する複数の燃料電池セルを備えた固体電解質形燃料電池(以下、「SOFC」ともいう)がある。このSOFCは、通常、発電室内に配設された複数の燃料電池セルを備え、当該発電室内に供給された酸化剤ガスとしての空気を当該燃料電池セルのカソード電極に供給し、当該燃料電池セルのアノード電極には、ガスマニホールドを介して供給される燃料ガスとしての水素ガスを供給することで、発電反応を起こすことができるように構成されている。
このようなSOFCとして、例えば、ガス分散室と、当該ガス分散室の上部に配設され且つ内部に複数の燃料電池セルが立設された発電室と、前記ガス分散室と発電室との間に配設され且つ当該ガス分散室に供給された燃料ガスを前記発電室に流通させる通気孔が形成された下部隔壁を備え、前記ガス分散室に供給された燃料ガスを、当該通気孔を介して前記燃料電池セルのアノード電極に供給するものが紹介されている。(例えば、特許文献1参照)。
ところで、SOFCでは、燃料電池セルに対する燃料枯れや発熱温度ムラが生じると、当該燃料電池セルの寿命の低下や、破損に繋がる虞があり、これらを解消するためには、複数の燃料電池セルの全てに対し反応ガス(発電用ガス)を均等に供給することが重要であることが知られている。また、SOFCでは、発電に要するエネルギーをできるだけ削減することが要求されており、この要求には、前記燃料電池セルに必要最低限の反応ガスを供給することで対処している。したがって、ガス分散室(ガスマニホールド)内の反応ガスの供給量を多くする、あるいは反応ガスの供給圧力を高くすることができず、ガス分散室(ガスマニホールド)内に反応ガスを均等に分散(拡散)させることがより困難となっている。
そこで、複数の燃料電池セルがガスマニホールド上に配設されてなり、当該ガスマニホールドに燃料ガスを供給するガス供給管を当該ガスマニホールドの天板(上面)に接続した構成を備え、前記ガス供給管から供給された燃料ガスを前記ガスマニホールドの内側底面に吹き付けることで、当該燃料ガスを前記ガスマニホールド内に分散させ、前記燃料電池セルのアノード電極に前記燃料ガスをほぼ均等に供給するようにした燃料電池も紹介されている。(例えば、特許文献2参照)。
特開2006−66387号公報 特開2008−66127号公報
しかしながら、特許文献1に記載された燃料電池は、前記ガス分散室に対し、当該ガス分散室の底面の略中央部に連通された1つの燃料ガス供給管から燃料ガスを供給する構造を有しているため、当該燃料ガスは、前記燃料ガス供給管からの到達位置が遠くなる程、流速が遅くなり、当該ガス分散室の隅々まで十分に燃料ガスを到達させることが困難である。したがって、前記ガス分散室と発電室との間に配設された下部隔壁に形成されている通気孔のうち、前記ガス分散室の中央部付近に形成されている通気孔から供給される燃料ガスによって発電を行う燃料電池セルに対しては、十分な燃料ガスを供給することが可能であるが、前記ガス分散室の中央部から遠い位置に形成されている通気孔から供給される燃料ガスによって発電を行う燃料電池セルに対しては、十分な燃料ガスを供給することが困難である。このため、全ての燃料電池セルに対して燃料ガスを均等に供給することができなくなる虞がある。
また、特許文献2に記載された燃料電池は、前記ガス供給管が前記ガスマニホールドの天板の一端に接続されているため、当該燃料ガスは、当該ガスマニホールドの内側底面の燃料ガス吹き付け位置からの到達位置が遠くなる程、流速が遅くなり、当該ガスマニホールド全体にわたって燃料ガスを均等に到達させることが困難である。したがって、前記燃料ガス吹き付け位置から近い位置に配設されている燃料電池セルに対しては、十分な燃料ガスを供給することが可能であるが、前記燃料ガス吹き付け位置から遠い位置に配設されている燃料電池セルに対しては、十分な燃料ガスを供給することが困難である。このため、全ての燃料電池セルに対して燃料ガスを均等に供給することができなくなる虞がある。
本発明は、このような事情に鑑みなされたものであり、ガスマニホールド全体にわたって反応ガスを均等に到達させることができ、全ての燃料電池セルに対し、前記反応ガスを均等に供給することが可能な燃料電池を提供することを目的とする。
この目的を達成するため本発明は、内部に反応ガス流路が形成されてなる複数の燃料電池セルと、内部に前記反応ガスを収容するガスマニホールドと、前記ガスマニホールドの上部に水平に配設され、前記複数の燃料電池セルの前記反応ガス流路方向一端を支持する共に、当該ガスマニホールド内に収容された反応ガスを前記各々の反応ガス流路に供給する貫通孔が形成された支持板と、前記ガスマニホールドの内部に配設され、且つ前記反応ガスを噴出する複数の噴出孔が形成されてなり、当該各々の噴出孔から噴出される反応ガスを当該ガスマニホールドの内部に供給する内部ガス供給配管と、前記内部ガス供給配管の熱変形を防止する熱変形防止手段と、を備え、前記内部ガス供給配管は、その軸芯が前記支持板の燃料電池セル支持面に沿って配設されると共に、前記ガスマニホールドの前記支持板と対向する底面と間隔をおいて配置されてなる燃料電池を提供するものである。
この構成を備えた燃料電池は、複数の噴出孔が形成された内部ガス供給配管を、ガスマニホールドの内部に配設し、当該内部ガス供給配管の軸芯が前記支持板の燃料電池セル支持面に沿うように配設したため、当該ガスマニホールドの内壁と、前記内部ガス供給配管との距離を短くすることができると共に、当該噴出孔を当該ガスマニホールド内の任意の位置に配設することができる。したがって、前記ガスマニホールド内の任意の位置に噴出孔を位置させることができるので、当該ガスマニホールド内に反応ガスを行き渡らせるために適切な位置に噴出孔を設けることができ、前記反応ガスを前記ガスマニホールド全体にわたって均等に分散させることができる。また、前記内部ガス供給配管は、前記ガスマニホールドの底面と間隔をおいて配置されているため、前記反応ガスは、当該内部ガス供給配管に邪魔されることなく、前記底面に沿って分散することができる。そしてまた、前記内部ガス供給配管を流通する反応ガスの熱が前記底面に奪われることを抑制することもできる。
前記支持板は、前記マニホールドと一体的に形成されていてもよく、当該マニホールドとは別体に形成されていてもよい。
ところで、燃料電池の発電時には、前記ガスマニホールド内が高温(例えば、500℃〜600℃程度)になることが知られており、前記内部ガス供給配管を介して、このガスマニホールドの内部に供給される反応ガスの温度も高温(例えば、500℃〜600℃程度)であり、したがって、当該内部ガス供給配管自身の温度も高温(例えば、500℃〜600℃程度)となる。ここで、本発明に係る燃料電池は、前記内部ガス供給配管の熱変形を防止する熱変形防止手段を有しているため、前記内部ガス供給配管が高温となっても、当該内部ガス供給配管が自重により熱変形することを防止することができる。したがって、前記反応ガスを前記ガスマニホールド全体にわたって、より確実に均等に分散させることができ、各々の燃料電池セルに反応ガスを均等に供給することが可能となる。
さらにまた、前記熱変形防止手段は、前記ガスマニホールドの壁面に固定され且つ前記内部ガス供給配管を支持する支持部材を有することができる。この構成を有する熱変形防止手段は、支持部材により、前記内部ガス供給配管の軸芯方向の任意の位置を直接支持することができるため、当該内部ガス供給配管の熱変形をさらに確実に防止することができる。
また、この構成の場合、前記支持部材は、前記内部ガス供給配管の熱膨張を許容するよう当該内部ガス供給配管を移動可能に支持することができる。即ち、前記内部ガス供給配管は、前記支持部材に固定されていないため、前記内部ガス供給配管が高温になり、熱膨張したとしても、前記支持部材から当該内部ガス供給配管に応力がかけられることが殆どない。したがって、前記内部ガス供給配管が熱変形することをさらに確実に防止することができる。
そしてまた、本発明に係る燃料電池は、前記反応ガスが前記内部ガス供給配管の一端側から当該内部ガス供給配管の内部に供給されてなり、前記熱変形防止手段は、前記内部ガス供給配管の他端を前記ガスマニホールドの壁面に固定した構造を有することができる。このように構成することで、前記内部ガス供給配管の一端側は、前記反応ガスを当該内部ガス供給配管に供給するための反応ガス供給管に接続され、他端側は、前記ガスマニホールドの壁面に固定されるため、当該内部ガス供給配管の他端側が熱変形によって下方に向けて傾くことを抑制することができる。したがって、前記内部ガス供給配管が熱変形することをさらに確実に防止することができる。
本発明によれば、ガスマニホールド全体にわたって反応ガスを均等に到達させることができ、全ての燃料電池セルに対し、前記反応ガスを均等に供給することが可能であり、発電を効率よく行うことができ、寿命が長く、信頼性の高い燃料電池を提供することができる。
図1は、本発明の実施形態に係る燃料電池を含む燃料電池システムを示す全体構成図である。 図2は、図1に示す燃料電池の燃料電池モジュールを示す正面断面図である。 図3は、図2に示すIII−III線に沿った断面図である。 図4は、図2に示す燃料電池の構成要素である燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。 図5は、図4に示す複数の燃料電池セルユニットから構成された燃料電池セルスタックを示す斜視図である。 図6は、図2に示す燃料電池の構成要素であるガスマニホールドを示す斜視図である。 図7は、図2に示す燃料電池モジュールの構成要素である内部ガス供給配管付近を模式的に示す図である。 図8は、本発明の他の実施形態に係る燃料電池モジュールの構成要素である内部ガス供給配管の断面図である。 図9は、図8に示す内部ガス供給配管をガスマニホールドに配設した状態を模式的に示す図である。 図10は、本発明の他の実施形態に係る燃料電池モジュールの構成要素である内部ガス供給配管の断面図である。 図11は、本発明の他の実施形態に係る燃料電池モジュールの構成要素である内部ガス供給配管付近を模式的に示す図である。 図12は、図11に示すXII−XIIに沿った断面図である。
次に、本発明の実施形態に係る燃料電池について図面を参照して説明する。なお、以下に記載される実施形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をこれらの実施形態にのみ限定するものではない。したがって、本発明は、その要旨を逸脱しない限り、様々な形態で実施することができる。
図1は、本発明の実施形態に係る燃料電池を含む燃料電池システムを示す全体構成図、図2は、図1に示す燃料電池の燃料電池モジュールを示す正面断面図、図3は、図2に示すIII−III線に沿った断面図、図4は、図2に示す燃料電池の構成要素である燃料電池セルユニットを示す部分断面図、図5は、図4に示す複数の燃料電池セルユニットから構成された燃料電池セルスタックを示す斜視図、図6は、図2に示す燃料電池の構成要素であるガスマニホールドを示す斜視図、図7は、図2に示す燃料電池モジュールの構成要素である内部ガス供給配管付近を模式的に示す図である。なお、前記各図では、説明を判り易くするため、各部材の厚さやサイズ、拡大・縮小率等は、実際のものとは一致させずに記載した。
図1に示す燃料電池システムFCSは、燃料電池1と、補助ユニット4とを備えて構成されている。
燃料電池1は、燃料電池モジュール2と、燃料電池モジュール2に接続され且つ燃料電池モジュール2から排出された排気ガスが供給される温水製造装置50と、温水製造装置50に接続され且つ温水製造装置50に水道水を供給する水供給源24と、燃料電池モジュール2に配設され、燃料電池モジュール2に供給される燃料ガスの供給量等を制御するための制御ボックス52と、燃料電池モジュール2に接続され且つ燃料電池モジュール2により発電された電力を外部に供給するための電力取出部(電力変換部)であるインバータ54とを備えている。なお、温水製造装置50では、水供給源24から供給された水道水が排気ガスの熱により温水となり、図示しない外部の給湯器の貯湯タンクへ供給されるようになっている。
補助ユニット4は、水道等の水供給源24からの水を貯水してフィルターにより純水とする純水タンク26と、この純水タンク26から供給される水の流量を調整する水流量調整ユニット28と、都市ガス等の燃料ガス(被改質ガス)を供給する燃料供給源30と、燃料供給源30から供給された燃料ガスを遮断するガス遮断弁32と、前記燃料ガスから硫黄を除去するための脱硫器36と、前記燃料ガスの流量を調整する燃料流量調整ユニット38と、酸化剤である空気を供給する空気供給源40と、空気供給源40から供給される空気を遮断する電磁弁42と、前記空気の流量を調整する改質用空気流量調整ユニット44及び発電用空気流量調整ユニット45と、燃料流量調整ユニット38から供給された燃料ガスと改質用空気流量調整ユニット44から供給された改質用空気とを混合する混合部46とを備えている。
なお、本実施形態に係る燃料電池システムでは、改質器20に供給される改質用空気や発電室10に供給される発電用空気を加熱して起動時の昇温を効率よく行うためのヒータ等の加熱手段や、改質器20を別途加熱する加熱手段は設けられていない。
次に、燃料電池モジュール2の内部構造について説明する。燃料電池モジュール2は、図1〜図3に示すように、ハウジング6を備え、このハウジング6の内部は、密封空間8となっている。この密封空間8の下方部分である発電室10には、燃料ガス(改質ガス)と酸化ガス(空気)とにより発電反応を行う燃料電池セル集合体12が配置されている。また、密封空間8の発電室10の上方には、燃焼室18が形成され、この燃焼室18では、発電反応に使用されなかった残余の燃料ガスと残余の空気とが燃焼し、排気ガスを生成するようになっている。この燃焼室18の上方には、燃料ガス(被改質ガス)を改質する改質器20が配置され、前記残余ガスの燃焼熱によって改質器20を改質反応が可能な温度となるように加熱している。さらに、この改質器20の上方には、燃焼熱を受けて空気を加熱するための空気用熱交換器22が配置されている。また、密封空間8の発電室10の下方には、ガスマニホールド66が形成されている。
燃料電池セル集合体12は、10個の燃料電池セルスタック14を備えている。この燃料電池セルスタック14は、図5に示すように、16本の燃料電池セルユニット16を備えており、この構成により、燃料電池セル集合体12は、160本の燃料電池セルユニット16を有することになる。また、燃料電池セルユニット16の下端側及び上端側は、セラミック製の支持板68及び100により各々支持されている。これらの支持板68及び100には、後述する内側電極端子86が貫通可能な貫通孔68a及び100aが各々形成されている。
燃料電池セルユニット16は、燃料電池セル84と、この燃料電池セル84の上下方向端部に各々接続された内側電極端子86とを備えている。燃料電池セル84は、上下方向に延びる管状構造体であり、内部に燃料ガス流路88を形成する円筒形の内側電極層90と、円筒形の外側電極層92と、内側電極層90と外側電極層92との間にある電解質層94とを備えている。内側電極層90は、燃料ガスが通過する燃料極(アノード極)であり、外側電極層92は、空気と接触する空気極(カソード極)となっている。内側電極端子86の上部90aは、電解質層94と外側電極層92に対して露出された外周面90bと上端面90cとを有している。この内側電極端子86は、導電性のシール材96を介して外周面90bと接続され、上端面90cとは直接接触することにより、内側電極層90と電気的に接続されている。また、内側電極端子86の中心部には、内側電極層90の燃料ガス流路88と連通する燃料ガス流路98が形成されている。
また、各々の燃料電池セルユニット16には、集電体102及び外部端子104が取り付けられている。この集電体102は、内側電極端子86と電気的に接続される燃料極用接続部102aと、外側電極層92の外周面全体と電気的に接続される空気極用接続部102bとにより一体的に形成されている。外部端子104は、隣接する燃料電池セルスタック14の端にある燃料電池セルユニット16の外部端子104(図示せず)に接続され、160本の燃料電池セルユニット16の全てが直列接続されるようになっている。
改質器20には、その上流端側に純水を導入するための純水導入管60と、改質される燃料ガスと改質用空気を導入するための被改質ガス導入管62が取り付けられている。改質器20の内部には、上流側から順に、蒸発部20a、改質部20bが形成されており、改質部20bには、改質触媒が充填されている。この改質器20に導入された水蒸気(純水)が混合された燃料ガス及び空気は、改質器20内に充填された改質触媒により改質される。改質触媒としては、アルミナの球体表面にニッケルを付与したものや、アルミナの球体表面にルテニウムを付与したものが適宜用いられる。また、この改質器20の下流端側には、下方に延びる燃料ガス供給管64が接続されている。
空気用熱交換器22は、上流側に空気集約室70、下流側に2つの空気分配室72を備え、これらの空気集約室70と空気分配室72は、6個の空気流路管74により接続されている。ここで、図3に示すように、3個の空気流路管74が一組(74a、74b、74c、74d、74e、74f)となっており、空気集約室70内の空気が各組の空気流路管74からそれぞれの空気分配室72へ流入する。この空気用熱交換器22の6個の空気流路管74内を流れる空気は、燃焼室18で燃焼して上昇する排気ガスにより予熱される。空気分配室72の各々には、空気導入管76が接続され、この空気導入管76は、下方に延び、その下端側が、発電室10の下方空間に連通し、発電室10に余熱された空気を導入する。
ガスマニホールド66は、特に図6に示すように、底面67が長方形状を呈する略直方体形状を有しており、このガスマニホールド66の上部には、燃料電池セルスタック14を支持するための板状の支持板68が配設されている。この支持板68には、ガスマニホールド66に収容された燃料ガスを各々の燃料電池セル84の燃料ガス流路88に供給するための貫通孔69が形成されている。なお、支持板68は、底面67に対向して配設されており、これにより底面67は、支持板68に対向配置された対向壁となっている。
また、ガスマニホールド66の内部には、ガスマニホールド66内に燃料ガスを供給するための内部ガス供給配管63が、底面67及び支持板68の各々と所定の間隔をおいて配設されている。この内部ガス供給配管63は、軸芯方向に垂直な断面外形が円形である中空円筒形を有し、支持板68の燃料電池セル載置面に沿って水平に、且つガスマニホールド66の底面67の長辺方向に延びている。また、内部ガス供給配管63の一端63Aは、図2に示すように、改質器20の下流端側に接続された燃料ガス供給管64に連通し且つ固定されており、内部ガス供給配管63には、改質器20から燃料ガス供給管64を介して燃料ガスが供給されるようになっている。一方、内部ガス供給配管63の他端63Bは、図2、図6及び図7に示すように、ガスマニホールド66の内壁(図2及び図7でいう右側の内壁)に固定されている。
このように、内部ガス供給配管63の一端63Aを燃料ガス供給管64に固定し、他端63Bをガスマニホールド66の内壁に固定したため、内部ガス供給配管63の一端63A及び他端63Bが、熱変形によって下方に向けて傾くことを阻止することができ、内部ガス供給配管63が熱変形することを確実に防止することができる。なお、本実施形態では、内部ガス供給配管63の両端を固定したことによって、内部ガス供給配管63が熱変形することを防止しており、この構成が熱変形防止手段となっている。
さらにまた、内部ガス供給配管63には、内部ガス供給配管63内に供給された燃料ガス(改質された燃料ガス)を底面67に向けて垂直に噴出するための複数の噴出孔65が形成されている。これらの噴出孔65は、図2、図3及び図7に示すように、内部ガス供給配管63の下面に、互いに間隔をおいて内部ガス供給配管63の軸芯方向に沿って一直線上に形成されている。
なお、このガスマニホールド66の下方には、排気ガス室78が形成されており、ハウジング6の長手方向に沿った面である前面6aと後面6bの内側には、上下方向に延びる排気ガス通路80(図3参照)が形成されている。この排気ガス通路80の上端側は、空気用熱交換器22が配置された空間と連通し、下端側は、排気ガス室78と連通している。また、排気ガス室78の下面のほぼ中央には、排気ガス排出管82が接続され、この排気ガス排出管82の下流端は、温水製造装置50に接続されている。そしてまた、燃焼室18には、燃料ガスと空気との燃焼を開始するための点火装置83が設けられている。
本実施形態における燃料電池システムFCSの起動モードにおいては、燃焼運転と、部分酸化改質反応(POX)と、第1オートサーマル改質反応(ATR1)と、第2オートサーマル改質反応(ATR2)と、水蒸気改質反応(SR)とを順次切り替えながら改質反応を進行している。
部分酸化改質反応(POX)は、改質器20に被改質ガスと空気とを供給して行う改質反応であって、化学反応式(1)に示す反応が進行する。
mn+xO2 → aCO2+bCO+cH2 (1)
この部分酸化改質反応(POX)は発熱反応であるので起動性が高く、燃料電池システムFCSの起動当初において好適な改質反応である。但し、部分酸化改質反応(POX)は、水素収率が理論上少なく、発熱反応を制御するのも難しいことから、燃料電池モジュール2へ熱供給が必要な起動当初においてのみ利用されるのが好ましい改質反応である。
水蒸気改質反応(SR)は、改質器20に被改質ガスと水蒸気とを供給して行う改質反応であって、化学反応式(2)に示す反応が進行する。
mn+xH2O → aCO2+bCO+cH2 (2)
水蒸気改質反応(SR)は、水素収率が最も高く、高効率な反応である。ただし、水蒸気改質反応(SR)は、吸熱反応であるので熱源が必要であり、燃料電池システムFCSの起動当初よりはある程度温度が上昇した段階において好適な改質反応である。
第1オートサーマル改質反応(ATR1)と第2オートサーマル改質反応(ATR2)とからなるオートサーマル改質反応(ATR)は、部分酸化改質反応(POX)と水蒸気改質反応(SR)とが併用された改質反応であって、改質器20に被改質ガスと空気と水蒸気とを供給して行われる改質反応であり、化学反応式(3)に示す反応が進行する。
mn+xO2+yH2O → aCO2+bCO+cH2 (3)
オートサーマル改質反応(ATR)は、水素収率が部分酸化改質反応(POX)と水蒸気改質反応(SR)との併用であり、反応熱のバランスが取り易く、部分酸化改質反応(POX)と水蒸気改質反応(SR)とを繋ぐ反応として好適な改質反応である。なお、本実施形態では、水を少なく供給して部分酸化改質反応(POX)により近い第1オートサーマル改質反応(ATR1)を先に行い、温度が上昇した後に水を増やすように供給して水蒸気改質反応(SR)により近い第2オートサーマル改質反応(ATR2)を後に行っている。
次に、燃料電池システムFCSの起動モードについて説明する。先ず、改質用空気を増やすように発電用空気流量調整ユニット45、電磁弁42及び混合部46を制御し、改質器20に空気を供給する。また、発電室10には、前述したように、空気導入管76から発電用の空気が供給される。そしてまた、燃料ガスの供給を増やすように燃料流量調整ユニット38、及び混合部46を制御し、改質器20に被改質ガスを供給し、改質器20へ送り込まれた被改質ガス及び改質用空気は、改質器20、燃料ガス供給管64、内部ガス供給配管63、ガスマニホールド66を介して、各々の貫通孔69から各燃料電池セルユニット16内に送り込まれる。各燃料電池セルユニット16内に送り込まれた被改質ガス及び改質用空気は、各燃料電池セルユニット16の下端に形成されている燃料ガス流路98から燃料ガス流路88を通過し、上端に形成されている燃料ガス流路98から夫々流出する。その後、点火装置83によって、燃料ガス流路98上端から流出した被改質ガスに着火して燃焼運転を実行する。これにより、燃焼室18内で被改質ガスが燃焼され、上述した部分酸化改質反応(POX)が発生する。
その後、改質器20の温度が約600℃以上になり、且つ燃料電池セル集合体12の温度が約250℃を超えたことを条件として、前述した第1オートサーマル改質反応(ATR1)へと移行させ、燃料電池セル集合体12の温度が約400℃を超えたことを条件として、第2オートサーマル改質反応(ATR2)へと移行させる。この時、水流量調整ユニット28、燃料流量調整ユニット38及び改質用空気流量調整ユニット44により、被改質ガスと改質用空気と水蒸気とを予め混合したガスを改質器20に供給する。次いで、改質器20の温度が650℃以上となり、且つ燃料電池セル集合体12の温度が約600℃を超えたことを条件として、水蒸気改質反応(SR)へと移行させる。
上述したように着火から燃焼工程の進行に合わせて改質工程を切り替えていくことで、発電室10内の温度が徐々に上昇する。発電室10の温度が、燃料電池モジュール2を安定的に作動させる定格温度(約700℃)よりも低い所定の発電温度に達したら、燃料電池モジュール2を含む電気回路を閉じる。それにより、燃料電池モジュール2は発電を開始し、回路に電流が流れて外部に電力を供給することができる。燃料電池セル84の発電により、燃料電池セル84自体も発熱し、燃料電池セル84の温度が上昇するため、燃料電池モジュール2を作動させる定格温度、例えば700〜800℃になる。
この着火から燃焼工程において、燃料ガス供給管64を介して、内部ガス供給配管63に供給された被改質ガス及び改質ガス(燃料ガス)は、各々の噴出孔65からガスマニホールド66内に噴出される。この時、内部ガス供給配管63は、ガスマニホールド66の内部に配設されており、ガスマニホールド66内は、外部よりも高温となっているため、ガス供給配管をガスマニホールドの外部に配設した場合に比べ、燃料ガスの放熱を低下させることができる。したがって、当該ガスマニホールドへの反応ガス供給時における当該反応ガスの放熱を低下させることができる。このため、燃料電池セル84に高温の燃料ガスを供給することができ、燃料電池セル84の温度上昇を促進させる、あるいは、温度低下を抑制させることができるため、発電を効率よく行わせることができる。
また、内部ガス供給配管63は、ガスマニホールド66の長手方向に沿って、底面67と水平に延びているため、噴出孔65からガスマニホールド66の内壁までの距離を短くすることができ、燃料ガスをガスマニホールド66の隅々まで到達させることができる。また、内部ガス供給配管63と底面67とが離間しているため、内部ガス供給配管63に邪魔されることなく燃料ガスを底面67に沿って分散させることができると共に、内部ガス供給配管63を流通する燃料ガスの熱が底面67に奪われることを抑制することもできる。さらにまた、図7に示すように、燃料ガスは、底面67に向けて垂直に噴出される(即ち、底面67に向かう速度成分を持って噴出される)ため、噴出孔65から噴出された燃料ガスは、先ず、底面67に向けて下方に噴出された後、分散しながら支持板68に向けて流れることになる。したがって、燃料ガスをガスマニホールド66全体にわたって、さらに均等に分散させることができる。
また、内部ガス供給配管63は、500℃〜600℃程度に達するが、内部ガス供給配管63の一端63Aが燃料ガス供給管64に固定されており、他端63Bがガスマニホールド66の内壁に固定されているため、内部ガス供給配管63が自重により下方に向けて熱変形しようとしても、この熱変形が阻止され、内部ガス供給配管63の形状が維持される。したがって、内部ガス供給配管63の内部に供給された燃料ガスを、各々の噴出孔65から均一に噴出させることができるため、燃料ガスをガスマニホールド66の全体にわたって、確実に均等に分散させることができる。また、各々の噴出孔65は、比較的小さな孔であり、燃料ガスを噴出孔65から噴出させることで、オリフィス効果により、ガスマニホールド66内に燃料ガスによる気流を発生させることができ、燃料ガスをガスマニホールド66全体にわたって効率よく分散させることができる。そして、この燃料ガスは、支持板68に形成されている各々の貫通孔69から各々の燃料電池セル84の燃料ガス流路88に均等に供給される。したがって、全ての燃料電池セル84に対し、燃料枯れや発熱温度ムラが生じることを抑制することができ、燃料電池セル84の寿命を向上することができる。
また、燃料電池モジュール2の運転停止を行う場合には、燃料ガス及び水蒸気の改質器20への供給量を減少させると同時に、改質用空気流量調整ユニット44による発電用空気の燃料電池モジュール2内への供給量を増大させて、燃料電池セル集合体12及び改質器20を空気により冷却し、これらの温度を低下させる。その後、発電室の温度が所定温度、例えば、400℃まで低下した時、燃料ガス及び水蒸気の改質器20への供給を停止し、改質器20の水蒸気改質反応(SR)を終了する。この発電用空気の供給は、改質器20の温度が所定温度、例えば、200℃まで低下するまで継続し、この所定温度となったとき、発電用空気流量調整ユニット45からの発電用空気の供給を停止する。
なお、本実施形態では、熱変形防止手段として、内部ガス供給配管63の一端63Aを燃料ガス供給管64に固定し、他端63Bをガスマニホールド66の内壁に固定した場合について説明したが、これに限らず、熱変形防止手段は、内部ガス供給配管63の熱変形方向に対する剛性を強化する剛性強化手段であってもよい。この剛性強化手段としては、例えば、図8に示すように、内部ガス供給配管63の鉛直方向上部に、内部ガス供給配管63の軸芯方向に沿ってリブ163を設けてもよい。このように剛性強化手段を配設することにより、内部ガス供給配管63の自重により、内部ガス供給配管63に下方に向けて熱変形しようとする力がかかっても、内部ガス供給配管63の熱変形方向(この場合は、鉛直方向)に対する剛性が高いため、内部ガス供給配管63が熱変形することを、内部ガス供給配管63の軸芯方向全体にわたって抑制することができる。また、図9に示すように、この構成の場合、内部ガス供給配管63の他端63Bは、ガスマニホールド66の内壁に固定しなくてもよいが、固定してもよい。
また、前記剛性強化手段としては、例えば、内部ガス供給配管63の軸芯方向に垂直な断面形状が、水平方向よりも上下方向に長い形状となる構造を挙げることができる。具体的には、例えば図10に示すように、内部ガス供給配管63の軸芯方向に垂直な断面の外形を楕円(楕円の短径が水平方向であり、長径が上下(鉛直)方向)にすることが挙げられる。この構成の場合、内部ガス供給配管63に、例えばリブ163の剛性強化手段を別途設けることなく、内部ガス供給配管63の剛性を簡単に強化することができる。また、内部ガス供給配管63の中空部分を燃料ガスの流路として無駄なく有効に活用することができる。したがって、ガスマニホールド66の内部に燃料ガスをより効率よく均一に噴出させることができる。さらにまた、この構成の場合、内部ガス供給配管63の他端63Bは、ガスマニホールド66の内壁に固定しなくてもよいが、固定してもよい。
そしてまた、前記熱変形防止手段は、図11及び図12に示すように、ガスマニホールド66の壁面に両端が固定されており、上面に内部ガス供給配管63を載置して内部ガス供給配管63を支持する支持部材164であってもよい。これらの支持部材164は、特に図12に示すように、内部ガス供給配管63が載置される部分が下方に向けて突出する円弧面165となっており、内部ガス供給配管63は、円弧面165に固定されることなく直接支持される。したがって、内部ガス供給配管63が熱膨張したとしても、内部ガス供給配管に63に支持部材164から応力がかけられることが殆どないため、内部ガス供給配管63が熱変形することをさらに確実に防止することができる。また、この構成の場合、内部ガス供給配管63の軸芯方向の任意の位置を支持部材164によって直接支持することができる。このため、例えば、図11に示すように、内部ガス供給配管63の他端63Bが固定されておらず(片持ち状態で固定)、他端63B側が下方に向けて変形する懸念がある場合、他端63B側に配設される支持部材164の配設数を一端63A側よりも多くすることで、内部ガス供給配管63の熱変形をさらに確実に防止することができる。なお、支持部材164の配設位置、配設数は、所望により決定することができる。
さらにまた、本実施形態では、燃料ガスを底面67に向けて垂直に噴出する場合について説明したが、これに限らず、燃料ガスが、底面67に向かう速度成分に加え、底面67に平行な速度成分を持って噴出するよう(即ち、底面67に対し斜めに噴出されるよう)、内部ガス供給配管63に噴出孔65を形成してもよい。噴出孔65をこのように形成することで、各々の噴出孔65から噴出された燃料ガスがガスマニホールド66内を上昇する流れ(支持板68に沿って中央に向かう流れ)同士が衝突することを抑制することができる。したがって、内部ガス供給配管63上に燃料ガスが滞留することを抑制することができるため、燃料ガスをガスマニホールド66全体にわたって、さらに均等に分散させることができる。
また、本実施形態では、内側電極層90が燃料極(アノード極)であり、外側電極層92が空気極(カソード極)である燃料電池セル84を配設した場合について説明したが、これに限らず、所望により、内側電極層90が空気極(カソード極)であり、外側電極層92が燃料極(アノード極)である燃料電池セルを配設してもよい。そして、この場合は、内部ガス供給配管63に空気(酸化剤ガス)を供給すればよい。
1…燃料電池、 2…燃料電池モジュール、 10…発電室、 20…改質器、 63…内部ガス供給配管、 65…噴出孔、 66…ガスマニホールド、 67…底面、 68…支持板、 69…貫通孔、 88…燃料ガス流路、 163…リブ、 164…支持部材、 165…円弧面、 FCS…燃料電池システム

Claims (2)

  1. 内部に反応ガス流路が形成されてなる複数の燃料電池セルと、
    内部に反応ガスを収容するガスマニホールドと、
    前記ガスマニホールドの上部に水平に配設され、前記複数の燃料電池セルの前記反応ガス流路方向一端を支持する共に、当該ガスマニホールド内に収容された反応ガスを前記各々の反応ガス流路に供給する貫通孔が形成された支持板と、
    前記ガスマニホールドの内部に配設され、且つ前記反応ガスを噴出する複数の噴出孔が形成されてなり、当該各々の噴出孔から噴出される反応ガスを当該ガスマニホールドの内部に供給する内部ガス供給配管と、
    前記内部ガス供給配管の熱変形を防止する熱変形防止手段と、
    を備え、
    前記内部ガス供給配管は、その軸芯が前記支持板の燃料電池セル支持面に沿って配設されると共に、前記ガスマニホールドの前記支持板と対向する底面と間隔をおいて配置されてなり
    前記熱変形防止手段は、前記ガスマニホールドの壁面に固定され且つ前記内部ガス供給
    配管を支持する支持部材を有してなり、
    前記支持部材は、前記内部ガス供給配管の熱膨張を許容するよう当該内部ガス供給配管
    を移動可能に支持する燃料電池。
  2. 前記内部ガス供給配管は、その一端側から前記反応ガスが供給され、
    前記熱変形防止手段は、前記内部ガス供給配管の他端を前記ガスマニホールドの壁面に固定した構造を有してなる請求項1に記載の燃料電池。
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