JP5757328B2 - 燃料電池モジュール - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池モジュールに関する。特に、本発明は、固体酸化物形燃料電池モジュールに関する。
近年、新たなエネルギー源として、燃料電池モジュールに対する注目が大きくなってきている。燃料電池モジュールには、例えば下記の特許文献１に記載のような固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）モジュール、溶融塩燃料電池モジュール、リン酸型燃料電池モジュール、高分子固体電解質燃料電池モジュール等がある。これらの燃料電池モジュールの中でも、固体酸化物形燃料電池モジュールでは、液体の構成要素を用いる必要が必ずしもなく、炭化水素燃料を用いるときにも外部に改質器を設ける必要がない。このため、固体酸化物形燃料電池モジュールに対する研究開発が盛んに行われている。
固体酸化物形燃料電池モジュールには、燃料電池の温度むらを小さくし、固体酸化物形燃料電池モジュールを安定的に動作させたいという要望がある。
本発明は、斯かる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、安定的に発電を行うことができる固体酸化物形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、燃焼室と、複数の発電ユニットとを備えている。複数の発電ユニットのそれぞれは、燃料電池と、燃料ガス流路と、酸化剤ガス流路と、酸化剤ガス予熱部と、燃料ガス予熱部とを有する。燃料電池は、燃焼室内に配置されている。燃料電池は、燃料ガスと酸化剤ガスとが供給されることにより発電する。燃料電池は、第１の排気口と第２の排気口とを有する。第１の排気口は、発電に使用済みの酸化剤ガスである空気極側排気ガスを排気する。第２の排気口は、使用済みの燃料ガスである燃料極側排気ガスを排気する。燃料ガス流路は、燃料電池に燃料ガスを供給する。酸化剤ガス流路は、燃料電池に酸化剤ガスを供給する。酸化剤ガス予熱部は、燃焼室内において、酸化剤ガス流路中に設けられている。酸化剤ガス予熱部は、酸化剤ガスを予熱する。燃料ガス予熱部は、燃焼室内において、燃料ガス流路中に設けられている。燃料ガス予熱部は、燃料ガスを予熱する。複数の発電ユニットは、平面視において、複数の燃料電池が点対称軸を有するように配置されている。
本発明に係る燃料電池モジュールのある特定の局面では、複数の発電ユニットのそれぞれは、排出口と、排出流路とを有する。排出口は、燃料電池から排気された排気ガスを燃焼室外に排出する。排出流路は、第１及び第２の排気口と排出口とを接続している。複数の発電ユニットは、平面視において、複数の発電ユニットのそれぞれの排出口が点対称軸を有するように配置されている。
本発明に係る燃料電池モジュールの他の特定の局面では、複数の発電ユニットは、平面視において、複数の発電ユニットのそれぞれの燃料ガス流路、酸化剤ガス流路、酸化剤ガス予熱部及び燃料ガス予熱部が点対称軸を有するように配置されている。
本発明に係る燃料電池モジュールの別の特定の局面では、複数の発電ユニットのそれぞれは、改質器をさらに有する。改質器は、燃焼室内において、燃料ガス流路中に設けられている。改質器は、燃料ガスを改質する。複数の発電ユニットは、平面視において、複数の発電ユニットのそれぞれの改質器が点対称軸を有するように配置されている。
本発明によれば、安定的に発電を行うことができる固体酸化物形燃料電池モジュールを提供することができる。
以下、本発明を実施した好ましい形態の一例について説明する。但し、下記の実施形態は、単なる例示である。本発明は、下記の実施形態に何ら限定されない。
また、実施形態等において参照する各図面において、実質的に同一の機能を有する部材は同一の符号で参照することとする。また、実施形態等において参照する図面は、模式的に記載されたものであり、図面に描画された物体の寸法の比率などは、現実の物体の寸法の比率などとは異なる場合がある。図面相互間においても、物体の寸法比率等が異なる場合がある。具体的な物体の寸法比率等は、以下の説明を参酌して判断されるべきである。
《第１の実施形態》
（固体酸化物形燃料電池モジュール１の構成）
図１は、本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池モジュールの略図的ブロック図である。図２は、本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池モジュールの模式的平面図である。
（固体酸化物形燃料電池モジュール１の構成）
図１は、本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池モジュールの略図的ブロック図である。図２は、本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池モジュールの模式的平面図である。
固体酸化物形燃料電池モジュール（ホットモジュールともいう。）１は、断熱材１０により包囲された燃焼室１１を備えている。燃焼室１１内には、図示しないヒーターが配されている。このヒーターにより燃焼室１１内の昇温が可能となっている。なお、ヒーターは電気ヒーター、ガスバーナーのどちらでもよい。
固体酸化物形燃料電池モジュール１は、複数の発電ユニットをさらに備えている。本実施形態では、固体酸化物形燃料電池モジュール１が、第１及び第２の発電ユニット２ａ、２ｂを備える例について説明する。
本実施形態では、第１の発電ユニット２ａと第２の発電ユニット２ｂとは、実質的に同様の構成を有する。
発電ユニット２ａ、２ｂは、燃料電池２０、燃料ガス流路１２、酸化剤ガス流路１３、酸化剤ガス予熱部１７を備えている。燃料電池２０は、燃焼室１１内に配されている。燃料電池２０は、燃料ガスと酸化剤ガスとが供給されることにより発電する。
燃料電池２０には、燃料ガス流路１２と、酸化剤ガス流路１３とが接続されている。燃料ガス流路１２は、燃料電池２０に燃料ガスを供給するためのものである。燃料ガス流路１２の少なくとも一部は、燃焼室１１内に配置されている。酸化剤ガス流路１３は、燃料電池２０に酸化剤ガスを供給するためのものである。酸化剤ガス流路１３の少なくとも一部は、燃焼室１１内に配置されている。
燃料ガス流路１２中には、燃料ガスを改質する改質器１４が設けられている。改質器１４は、燃焼室１１内に配置されている。
燃料ガス流路１２の改質器１４よりも上流側（燃料ガスの流れる方向において燃料電池２０とは反対側）の部分には、改質用水を供給するための改質用水流路１５が接続されている。改質用水流路１５の少なくとも一部は、燃焼室１１内に配されている。
燃焼室１１内において、燃料ガス流路１２の改質器１４よりも下流側（燃料ガスの流れる方向において燃料電池２０側）の部分には、燃料ガス予熱部１６が設けられている。燃料ガス予熱部１６は、燃料ガスを予熱する。
燃焼室１１内において、酸化剤ガス流路１３中には、酸化剤ガス予熱部１７が設けられている。酸化剤ガス予熱部１７は、燃料電池２０に供給される酸化剤ガスを予熱する。
本実施形態では、燃焼室１１は、区画部材２２により、第１の燃焼室１１ａ１と第２の燃焼室１１ａ２とに区画されている。第１の発電ユニット２ａは、第１の燃焼室１１ａ１に配置されている。第２の発電ユニット２ｂは、第２の燃焼室１１ａ２に配置されている。このため、燃焼室１１の第１の発電ユニット２ａが設けられている領域と、燃焼室１１の第２の発電ユニット２ｂが設けられている領域とは、区画部材２２により区画されている。
なお、区画部材２２は、断熱材により構成されていることが好ましい。好ましく用いられる断熱材の具体例としては、例えば、セラミックファイバー系断熱材、アルミナファイバー系断熱材、ジルコニア系の熱伝導率の低いセラミックスやレンガ、断熱性能に優れたマイクロポーラス系断熱材をレンガやセラミック板で狭持したものなど、ある程度以上の強度を有するものが挙げられる。
（燃料電池２０）
図３は、本実施形態における燃料電池の発電セルの略図的分解斜視図である。次に、図３を参照しながら、燃料電池２０の構成について説明する。
図３は、本実施形態における燃料電池の発電セルの略図的分解斜視図である。次に、図３を参照しながら、燃料電池２０の構成について説明する。
燃料電池２０は、１または複数の発電セル２１を有する。発電セル２１は、第１のセパレータ５０と、発電要素４６と、第２のセパレータ４０とを有する。発電セル２１では、第１のセパレータ５０と、発電要素４６と、第２のセパレータ４０とがこの順番で積層されている。各セパレータには発生した電気を引き出すためのビアホール電極５１ａが設けられている。また、最上部のセパレータの上および最下部のセパレータの下には、電気を集めて引き出すための集電棒(図示省略)が設けられている。
発電セル２１は、酸化剤ガス流路１３に接続されている酸化剤ガス用マニホールド４５と、燃料ガス流路１２に接続されている燃料ガス用マニホールド４４とを有する。
（発電要素４６）
発電要素４６は、酸化剤ガス流路１３を経由して酸化剤ガス用マニホールド４５から供給される酸化剤ガスと、燃料ガス流路１２を経由して燃料ガス用マニホールド４４から供給される燃料とが反応し、発電が行われる部分である。
発電要素４６は、酸化剤ガス流路１３を経由して酸化剤ガス用マニホールド４５から供給される酸化剤ガスと、燃料ガス流路１２を経由して燃料ガス用マニホールド４４から供給される燃料とが反応し、発電が行われる部分である。
（固体酸化物電解質層４７）
発電要素４６は、固体酸化物電解質層４７を備えている。固体酸化物電解質層４７は、イオン導電性が高いものであることが好ましい。固体酸化物電解質層４７は、例えば、安定化ジルコニアや、部分安定化ジルコニアなどにより形成することができる。安定化ジルコニアの具体例としは、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、スカンジア安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ）等が挙げられる。部分安定化ジルコニアの具体例としは、イットリア部分安定化ジルコニア（ＹＰＳＺ）、スカンジア部分安定化ジルコニア（ＳｃＰＳＺ）等が挙げられる。また、固体酸化物電解質層４７は、例えば、ＳｍやＧｄ等がドープされたセリア系酸化物や、ＬａＧａＯ３を母体とし、ＬａとＧａとの一部をそれぞれＳｒ及びＭｇで置換したＬａ０．８Ｓｒ０．２Ｇａ０．８Ｍｇ０．２Ｏ（３−δ）などのペロブスカイト型酸化物などにより形成することもできる。
発電要素４６は、固体酸化物電解質層４７を備えている。固体酸化物電解質層４７は、イオン導電性が高いものであることが好ましい。固体酸化物電解質層４７は、例えば、安定化ジルコニアや、部分安定化ジルコニアなどにより形成することができる。安定化ジルコニアの具体例としは、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、スカンジア安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ）等が挙げられる。部分安定化ジルコニアの具体例としは、イットリア部分安定化ジルコニア（ＹＰＳＺ）、スカンジア部分安定化ジルコニア（ＳｃＰＳＺ）等が挙げられる。また、固体酸化物電解質層４７は、例えば、ＳｍやＧｄ等がドープされたセリア系酸化物や、ＬａＧａＯ３を母体とし、ＬａとＧａとの一部をそれぞれＳｒ及びＭｇで置換したＬａ０．８Ｓｒ０．２Ｇａ０．８Ｍｇ０．２Ｏ（３−δ）などのペロブスカイト型酸化物などにより形成することもできる。
固体酸化物電解質層４７は、空気極層４９と燃料極層４８とにより挟持されている。すなわち、固体酸化物電解質層４７の一主面の上に空気極層４９が形成されており、他主面の上に燃料極層４８が形成されている。
（空気極層４９）
空気極層４９は、空気極４９ａを有する。空気極４９ａは、カソードである。空気極４９ａにおいては、酸素が電子を取り込んで、酸素イオンが形成される。空気極４９ａは、多孔質で、電子伝導率が高く、かつ、高温において固体酸化物電解質層４７等と固体間反応を起こしにくいものであることが好ましい。空気極４９ａは、例えば、スカンジア安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ）、Ｓｎをドープした酸化インジウム、ＰｒＣｏＯ３系酸化物、ＬａＣｏＯ３系酸化物、ＬａＭｎＯ３系酸化物などにより形成することができる。ＬａＭｎＯ３系酸化物の具体例としては、例えば、Ｌａ０．８Ｓｒ０．２ＭｎＯ３（通称：ＬＳＭ）や、Ｌａ０．６Ｃａ０．４ＭｎＯ３（通称：ＬＣＭ）等が挙げられる。空気極４９ａは、上記材料の２種以上を混合した混合材料により構成されていてもよい。
空気極層４９は、空気極４９ａを有する。空気極４９ａは、カソードである。空気極４９ａにおいては、酸素が電子を取り込んで、酸素イオンが形成される。空気極４９ａは、多孔質で、電子伝導率が高く、かつ、高温において固体酸化物電解質層４７等と固体間反応を起こしにくいものであることが好ましい。空気極４９ａは、例えば、スカンジア安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ）、Ｓｎをドープした酸化インジウム、ＰｒＣｏＯ３系酸化物、ＬａＣｏＯ３系酸化物、ＬａＭｎＯ３系酸化物などにより形成することができる。ＬａＭｎＯ３系酸化物の具体例としては、例えば、Ｌａ０．８Ｓｒ０．２ＭｎＯ３（通称：ＬＳＭ）や、Ｌａ０．６Ｃａ０．４ＭｎＯ３（通称：ＬＣＭ）等が挙げられる。空気極４９ａは、上記材料の２種以上を混合した混合材料により構成されていてもよい。
（燃料極層４８）
燃料極層４８は、燃料極４８ａを有する。燃料極４８ａは、アノードである。燃料極４８ａにおいては、酸素イオンと燃料とが反応して電子を放出する。燃料極４８ａは、多孔質で、イオン伝導性が高く、かつ、高温において固体酸化物電解質層４７等と固体間反応を起こしにくいものであることが好ましい。燃料極４８ａは、例えば、ＮｉＯ、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）・ニッケル金属の多孔質サーメットや、スカンジア安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ）・ニッケル金属の多孔質サーメット等により構成することができる。燃料極層４８は、上記材料の２種以上を混合した混合材料により構成されていてもよい。
燃料極層４８は、燃料極４８ａを有する。燃料極４８ａは、アノードである。燃料極４８ａにおいては、酸素イオンと燃料とが反応して電子を放出する。燃料極４８ａは、多孔質で、イオン伝導性が高く、かつ、高温において固体酸化物電解質層４７等と固体間反応を起こしにくいものであることが好ましい。燃料極４８ａは、例えば、ＮｉＯ、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）・ニッケル金属の多孔質サーメットや、スカンジア安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ）・ニッケル金属の多孔質サーメット等により構成することができる。燃料極層４８は、上記材料の２種以上を混合した混合材料により構成されていてもよい。
（第１のセパレータ５０）
発電要素４６の空気極層４９の下には、第１のセパレータ本体５１と、第１の流路形成部材５２とにより構成されている第１のセパレータ５０が配置されている。第１のセパレータ５０には、空気極４９ａに空気を供給するための酸化剤ガス供給路５３が形成されている。図３に示すとおり、この酸化剤ガス供給路５３は、酸化剤ガス用マニホールド４５からｙ方向のｙ１側からｙ２側に向かって延びている。酸化剤ガス供給路５３の開口は、発電に使用済みの酸化剤ガスである空気極側排気ガスを排出する複数の第１の排気口５３ａを構成している。図２に示すように、第１の排気口５３ａは、燃料電池２０ａのｙ２側の側壁に設けられている。よって、空気極側排気ガスは、燃料電池２０ａからｙ２側に向かって排出される。
発電要素４６の空気極層４９の下には、第１のセパレータ本体５１と、第１の流路形成部材５２とにより構成されている第１のセパレータ５０が配置されている。第１のセパレータ５０には、空気極４９ａに空気を供給するための酸化剤ガス供給路５３が形成されている。図３に示すとおり、この酸化剤ガス供給路５３は、酸化剤ガス用マニホールド４５からｙ方向のｙ１側からｙ２側に向かって延びている。酸化剤ガス供給路５３の開口は、発電に使用済みの酸化剤ガスである空気極側排気ガスを排出する複数の第１の排気口５３ａを構成している。図２に示すように、第１の排気口５３ａは、燃料電池２０ａのｙ２側の側壁に設けられている。よって、空気極側排気ガスは、燃料電池２０ａからｙ２側に向かって排出される。
第１のセパレータ５０の構成材料は、特に限定されない。第１のセパレータ５０は、例えば、イットリア安定化ジルコニアなどの安定化ジルコニアや、部分安定化ジルコニア等により形成することができる。
（第２のセパレータ４０）
発電要素４６の燃料極層４８の上には、第２のセパレータ本体４１と、第２の流路形成部材４２とにより構成されている第２のセパレータ４０が配置されている。第２のセパレータ４０には、燃料極４８ａに燃料を供給するための燃料ガス供給路４３が形成されている。図３に示すように、この燃料ガス供給路４３は、燃料ガス用マニホールド４４からｙ方向のｙ１側からｙ２側に向かって延びている。燃料ガス供給路４３の開口は、発電に使用済みの燃料ガスである燃料極側排気ガスを排出する複数の第２の排気口４３ａを構成している。図２に示すように、第２の排気口４３ａは、燃料電池２０ａのｘ２側の側壁に設けられている。よって、燃料極側排気ガスは、燃料電池２０ａからｘ２側に向かって排出される。なお、本実施形態では、空気極側排気ガスの排出方向に対し９０°正回転した方向を燃料極側排気ガスの排出方向としている。
発電要素４６の燃料極層４８の上には、第２のセパレータ本体４１と、第２の流路形成部材４２とにより構成されている第２のセパレータ４０が配置されている。第２のセパレータ４０には、燃料極４８ａに燃料を供給するための燃料ガス供給路４３が形成されている。図３に示すように、この燃料ガス供給路４３は、燃料ガス用マニホールド４４からｙ方向のｙ１側からｙ２側に向かって延びている。燃料ガス供給路４３の開口は、発電に使用済みの燃料ガスである燃料極側排気ガスを排出する複数の第２の排気口４３ａを構成している。図２に示すように、第２の排気口４３ａは、燃料電池２０ａのｘ２側の側壁に設けられている。よって、燃料極側排気ガスは、燃料電池２０ａからｘ２側に向かって排出される。なお、本実施形態では、空気極側排気ガスの排出方向に対し９０°正回転した方向を燃料極側排気ガスの排出方向としている。
第２のセパレータ４０の構成材料は、特に限定されない。第２のセパレータ４０は、例えば、安定化ジルコニアや、部分安定化ジルコニア等により形成することができる。
（排気経路）
図１に示すように、第１及び第２の発電ユニット２ａ、２ｂのそれぞれは、燃焼室１１ａ１，１１ａ２に設けられた排出口１１ｃを備えている。この排出口１１ｃは、燃料電池２０から排出された空気極側排気ガス及び燃料極側排気ガスを含む排気ガスを燃焼室１１ａ１，１１ａ２外に排出するためのものである。排出口１１ｃから排出された排気ガスは、燃焼室１１ａ１，１１ａ２の外部に設けられた燃焼室外部熱交換器５４を経由して固体酸化物形燃料電池モジュール１外に排出される。
図１に示すように、第１及び第２の発電ユニット２ａ、２ｂのそれぞれは、燃焼室１１ａ１，１１ａ２に設けられた排出口１１ｃを備えている。この排出口１１ｃは、燃料電池２０から排出された空気極側排気ガス及び燃料極側排気ガスを含む排気ガスを燃焼室１１ａ１，１１ａ２外に排出するためのものである。排出口１１ｃから排出された排気ガスは、燃焼室１１ａ１，１１ａ２の外部に設けられた燃焼室外部熱交換器５４を経由して固体酸化物形燃料電池モジュール１外に排出される。
図２に示すように、第１及び第２の発電ユニット２ａ、２ｂのそれぞれにおいて、排出口１１ｃ１，１１ｃ２は、燃料電池２０ａ，２０ｂを平面視したときに（ｚ方向から視たときに）、燃料電池２０ａ，２０ｂの第２の排気口４３ａの排気ガスの排出方向と反対側（ｘ１側）に向かって開口している。
燃焼室１１ａ１，１１ａ２には、燃料電池２０の第１の排気口５３ａ及び第２の排気口４３ａと、排出口１１ｃを連通している排出流路１１ｂが形成されている。排出流路１１ｂは、第１の燃焼室１１ａ１，１１ａ２の一部の空間が通路となって構成されている。
排出流路１１ｂは、酸化剤ガス予熱部１７の少なくとも一部が、排出流路１１ｂ上に位置するか、または排出流路１１ｂに面するように設けられている。本実施形態では、具体的には、排出流路１１ｂは、酸化剤ガス予熱部１７の少なくとも一部が、排出流路１１ｂ上に位置するように設けられている。
（第１及び第２の発電ユニット２ａ、２ｂの配置）
次に、図２を主として参照しながら、第１及び第２の発電ユニット２ａ、２ｂの配置について説明する。
次に、図２を主として参照しながら、第１及び第２の発電ユニット２ａ、２ｂの配置について説明する。
第１及び第２の発電ユニット２ａ、２ｂは、平面視において（ｚ方向から視た際に）、複数の燃料電池２０ａ，２０ｂがｚ方向に延びる点対称軸Ａを有するように配置されている。すなわち、第１の発電ユニット２ａの燃料電池２０ａと、第２の発電ユニット２ｂの燃料電池２０ｂとは、点対称軸Ａを中心として点対称である。第１の発電ユニット２ａの燃料電池２０ａの第１及び第２の排気口５３ａ、４３ａと、第２の発電ユニット２ｂの燃料電池２０ｂの第１及び第２の排気口５３ａ、４３ａとも、点対称軸Ａを中心として点対称である。
また、第１の発電ユニット２ａの燃料電池２０ａの空気極側排気ガスおよび燃料極側排気ガスの排出方向と、第２の発電ユニット２ｂの燃料電池２０ｂの空気極側排気ガスおよび燃料極側排気ガスの排出方向とは、点対称軸Ａを中心として点対称である。
第１及び第２の発電ユニット２ａ、２ｂは、平面視において、第１の発電ユニット２ａの排出口１１ｃ１と、第２の発電ユニット２ｂの排出口１１ｃ２とも、点対称軸Ａを中心として点対称である。
第１及び第２の発電ユニット２ａ、２ｂは、平面視において、第１の発電ユニット２ａの燃料ガス流路１２ａ、酸化剤ガス流路１３ａ、酸化剤ガス予熱部１７ａ及び燃料ガス予熱部１６ａと、第２の発電ユニット２ｂの燃料ガス流路１２ｂ、酸化剤ガス流路１３ｂ、酸化剤ガス予熱部１７ｂ及び燃料ガス予熱部１６ｂとも、点対称軸Ａを中心として点対称である。
第１及び第２の発電ユニット２ａ、２ｂは、平面視において、第１の発電ユニット２ａの改質器１４ａと、第２の発電ユニット２ｂの改質器１４ｂとも、点対称軸Ａを中心として点対称である。
区画部材２２は、点対称軸Ａを中心に点対称形状に設けられている。
（固体酸化物形燃料電池モジュール１における発電の態様）
次に、本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池モジュール１における発電の態様について説明する。
次に、本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池モジュール１における発電の態様について説明する。
図１に示すように、燃料ガス流路１２には、改質前の原燃料ガスが供給される。一方、改質用水流路１５には、改質用の水が供給される。改質用の水は、改質用水流路１５の燃焼室１１ａ１，１１ａ２内に位置している気化器５５で気化し、水蒸気となる。この水蒸気と、原燃料ガスとが改質器１４に供給される。
改質器１４では、水蒸気により原燃料ガスが改質され改質燃料ガスが生成される。改質燃料ガスはさらに、燃料ガス予熱部１６により加熱される。加熱された改質燃料ガスは、燃料電池２０に供給される。
なお、本発明においては、「燃料ガス」は、原燃料ガス、改質燃料ガスの総称である。すなわち、燃料ガスには、原燃料ガスと改質燃料ガスとが含まれる。
酸化剤ガス流路１３には、酸素や空気などの酸化剤ガスが供給される。酸化剤ガスは、燃焼室外部熱交換器５４、酸化剤ガス予熱部１７において加熱された後に、燃料電池２０に供給される。
燃料電池２０は、これら供給された改質燃料ガスと酸化剤ガスとにより発電を行う。燃料電池２０において発電に使用された改質燃料ガスである燃料極側排気ガスは、燃料電池２０のそれぞれの第２の排気口４３ａから燃料電池２０外に排気される。一方、燃料電池２０において発電に使用された酸化剤ガスである空気極側排気ガスは、燃料電池２０のそれぞれの第１の排気口５３ａから燃料電池２０外に排気される。
これら燃料極側排気ガス及び空気極側排気ガスは、排出流路１１ｂを経由して燃焼室１１ａ１，１１ａ２外に排出され、さらに燃焼室外部熱交換器５４を経由して固体酸化物形燃料電池モジュール１外に排出される。
ここで、燃料極側排気ガスには、一酸化炭素等が含まれている。また、空気極側排気ガスには、酸素が含まれている。このため、燃料極側排気ガスと空気極側排気ガスとが、高温である燃焼室１１ａ１，１１ａ２内においてそれぞれ混合されると、燃料極側排気ガスが完全燃焼する。これによりそれぞれ燃焼ガスが生じる。よって、排出流路１１ｂを経由して燃焼室１１ａ１，１１ａ２外に排出される排出ガスは、燃焼ガスと、空気極側排気ガスの燃焼ガスの生成に用いられなかった部分とを含む。
なお、「排気ガス」は、燃料極側排気ガスと空気極側排気ガスと燃焼ガスを含むものとする。
以上説明したように、本実施形態の固体酸化物形燃料電池モジュール１では、第１及び第２の発電ユニット２ａ、２ｂは、平面視において（ｚ方向から視た際に）、複数の燃料電池２０がｚ方向に延びる点対称軸Ａを有するように配置されている。このため、高温の燃料電池２０が点対称に配置されると共に、高温の排気ガスの流路も点対称に近くすることができる。よって、固体酸化物形燃料電池モジュール１内に温度むらが発生することを抑制することができる。従って、固体酸化物形燃料電池モジュール１は、安定的に発電を行うことができる。
また、第１及び第２の発電ユニット２ａ、２ｂは、平面視において、発電ユニット２ａ、２ｂのそれぞれの排出口１１ｃが点対称軸Ａを有するように配置されている。このため、固体酸化物形燃料電池モジュール１内の温度分布をより均一化することができる。従って、固体酸化物形燃料電池モジュール１の発電のさらなる安定化を図ることができる。
また、第１及び第２の発電ユニット２ａ、２ｂは、平面視において、発電ユニット２ａ、２ｂのそれぞれの第１の発電ユニット２ａの燃料ガス流路１２、酸化剤ガス流路１３、酸化剤ガス予熱部１７及び燃料ガス予熱部１６が点対称軸Ａを有するように配置されている。このため、固体酸化物形燃料電池モジュール１内の温度分布をより均一化することができる。従って、固体酸化物形燃料電池モジュール１の発電のさらなる安定化を図ることができる。
また、第１及び第２の発電ユニット２ａ、２ｂは、平面視において、発電ユニット２ａ、２ｂのそれぞれの改質器１４が点対称軸Ａを有するように配置されている。このため、固体酸化物形燃料電池モジュール１内の温度分布をより均一化することができる。従って、固体酸化物形燃料電池モジュール１の発電のさらなる安定化を図ることができる。
また、第１の発電ユニット２ａの燃料電池２０の空気極側排気ガスおよび燃料極側排気ガスの排出方向と、第２の発電ユニット２ｂの燃料電池２０の空気極側排気ガスおよび燃料極側排気ガスの排出方向とは、点対称軸Ａを中心として点対称である。排気ガスの排出が全周方向でなく偏りのある方向を持つ燃料電池であっても、本実施形態のように排出方向が点対称となる配置とすることにより、固体酸化物形燃料電池モジュール１内に温度むらが発生することを抑制することができる。
以下、本発明を実施した好ましい形態の他の例について説明する。以下の説明において、第１の実施形態と実質的に共通の機能を有する部材を共通の符号で参照し、説明を省略する。
（第２の実施形態）
図４は、第２の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池モジュールの模式的平面図である。
図４は、第２の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池モジュールの模式的平面図である。
図４に示すように、本実施形態では、発電ユニットが４つ設けられている。すなわち、本実施形態の固体酸化物形燃料電池モジュールは、第１〜第４の発電ユニット２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄを備えている。第１〜第４の発電ユニット２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄは、すべて実質的に同様の構成を有する。第１〜第４の発電ユニット２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄは、点対称軸Ａを中心に点対称に設けられている。具体的には、本実施形態においても、第１〜第４の発電ユニット２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄは、平面視において、複数の燃料電池２０がｚ方向に延びる点対称軸Ａを有するように配置されている。
第１〜第４の発電ユニット２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄは、平面視において、発電ユニット２ａ、２ｂのそれぞれの排出口１１ｃが点対称軸Ａを有するように配置されている。
第１〜第４の発電ユニット２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄは、平面視において、発電ユニット２ａ、２ｂのそれぞれの第１の発電ユニット２ａの燃料ガス流路１２、酸化剤ガス流路１３、酸化剤ガス予熱部１７及び燃料ガス予熱部１６が点対称軸Ａを有するように配置されている。
第１〜第４の発電ユニット２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄは、平面視において、発電ユニット２ａ、２ｂのそれぞれの改質器１４が点対称軸Ａを有するように配置されている。
区画部材２２は、平面視において点対称軸Ａを有する形状に設けられている。
従って、本実施形態の固体酸化物形燃料電池モジュールも、第１の実施形態の固体酸化物形燃料電池モジュール１と同様に、安定して発電を行うことができるものである。
なお、本発明の固体酸化物形燃料電池モジュールは、３つの発電ユニットを有するものであってもよいし、５つ以上の発電ユニットを有するものであってもよい。
１…固体酸化物形燃料電池モジュール
２ａ…第１の発電ユニット
２ｂ…第２の発電ユニット
１０…断熱材
１１…燃焼室
１１ａ１…第１の燃焼室
１１ａ２…第２の燃焼室
１１ｂ…排出流路
１１ｃ…排出口
１２…燃料ガス流路
１３…酸化剤ガス流路
１４…改質器
１５…改質用水流路
１６…燃料ガス予熱部
１７…酸化剤ガス予熱部
２０…燃料電池
２１…発電セル
２２…区画部材
４０…第２のセパレータ
４１…第２のセパレータ本体
４２…第２の流路形成部材
４３…燃料ガス供給路
４３ａ…第２の排気口
４４…燃料ガス用マニホールド
４５…酸化剤ガス用マニホールド
４６…発電要素
４７…固体酸化物電解質層
４８…燃料極層
４８ａ…燃料極
４９…空気極層
４９ａ…空気極
５０…第１のセパレータ
５１…第１のセパレータ本体
５１ａ…ビアホール電極
５２…第１の流路形成部材
５３…酸化剤ガス供給路
５３ａ…第１の排気口
５４…燃焼室外部熱交換器
５５…気化器
２ａ…第１の発電ユニット
２ｂ…第２の発電ユニット
１０…断熱材
１１…燃焼室
１１ａ１…第１の燃焼室
１１ａ２…第２の燃焼室
１１ｂ…排出流路
１１ｃ…排出口
１２…燃料ガス流路
１３…酸化剤ガス流路
１４…改質器
１５…改質用水流路
１６…燃料ガス予熱部
１７…酸化剤ガス予熱部
２０…燃料電池
２１…発電セル
２２…区画部材
４０…第２のセパレータ
４１…第２のセパレータ本体
４２…第２の流路形成部材
４３…燃料ガス供給路
４３ａ…第２の排気口
４４…燃料ガス用マニホールド
４５…酸化剤ガス用マニホールド
４６…発電要素
４７…固体酸化物電解質層
４８…燃料極層
４８ａ…燃料極
４９…空気極層
４９ａ…空気極
５０…第１のセパレータ
５１…第１のセパレータ本体
５１ａ…ビアホール電極
５２…第１の流路形成部材
５３…酸化剤ガス供給路
５３ａ…第１の排気口
５４…燃焼室外部熱交換器
５５…気化器
Claims (3)
- 燃焼室と、
複数の発電ユニットと、
を備え、
前記複数の発電ユニットのそれぞれは、
前記燃焼室内に配置されており、燃料ガスと酸化剤ガスとが供給されることにより発電し、発電に使用済みの酸化剤ガスである空気極側排気ガスを排気する第１の排気口と発電に使用済みの燃料ガスである燃料極側排気ガスを排気する第２の排気口とを有する燃料電池と、
前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、
前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路と、
前記燃焼室内において、前記酸化剤ガス流路中に設けられており、前記酸化剤ガスを予熱する酸化剤ガス予熱部と、
前記燃焼室内において、前記燃料ガス流路中に設けられており、前記燃料ガスを予熱する燃料ガス予熱部と、
を有し、
前記酸化剤ガス流路は、当該酸化剤ガス流路が酸化剤ガスを供給する燃料電池とは別の燃料電池の側方を通って、酸化剤ガスを供給する前記燃料電池に至っており、
前記複数の発電ユニットは、平面視において、前記複数の燃料電池が点対称軸を有するように配置されており、平面視において、前記複数の発電ユニットのそれぞれの前記燃料ガス流路、前記酸化剤ガス流路、前記酸化剤ガス予熱部及び前記燃料ガス予熱部が点対称軸を有するように配置されている、燃料電池モジュール。 - 前記複数の発電ユニットのそれぞれは、
前記燃料電池から排気された排気ガスを前記燃焼室外に排出する排出口と、
前記第１及び第２の排気口と前記排出口とを接続している排出流路と、
を有し、
前記複数の発電ユニットは、平面視において、前記複数の発電ユニットのそれぞれの前記排出口が点対称軸を有するように配置されている、請求項１に記載の燃料電池モジュール。 - 前記複数の発電ユニットのそれぞれは、
前記燃焼室内において、前記燃料ガス流路中に設けられており、前記燃料ガスを改質する改質器をさらに有し、
前記複数の発電ユニットは、平面視において、前記複数の発電ユニットのそれぞれの前記改質器が点対称軸を有するように配置されている、請求項１または２に記載の燃料電池モジュール。
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