JP6261989B2 - 燃料電池及び燃料電池の冷却方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池及び燃料電池の冷却方法に関する。

燃料電池は、電気化学反応による発電方式を利用した発電装置であり、燃料側の電極である燃料極と、空気（酸化剤）側の電極である空気極と、これらの間にありイオンのみを通す電解質とにより構成されており、電解質の種類によって様々な形式が開発されている。

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ック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７００〜１０００℃程度と高く、高効率な高温型燃料電池として知られている。

従来の燃料電池としては、たとえば下記の特許文献１に開示されているように、真空断熱容器により燃料電池本体の少なくとも一部を覆うことで、熱的に自立し、排熱が利用可能で、エネルギー交換効率を下げることのない小規模の高温型燃料電池が知られている。
また、下記の特許文献２には、断熱構造の内側から順に、マイクロポーラス断熱材層、真空断熱層、無機繊維系断熱材層からなり、断熱構造全体の厚みを薄くして燃料電池用断熱システムをコンパクト化することが開示されている。

特開平８−１３８７２１号公報 特開２００９−１４０９１７号公報

ところで、ＳＯＦＣのような燃料電池を運転する際には、熱自立のため発電室を厳重に保温しなければならず、例えば断熱構造の圧力容器内に複数のＳＯＦＣカートリッジを収納するＳＯＦＣモジュール構造が採用されている。
しかし、ＳＯＦＣモジュールの厳重な保温は、ＳＯＦＣの運転（発電）停止時や緊急時において、圧力容器の内部にある発電室温度を低下させる障害となるので、迅速な停止操作を実施できないという問題が指摘されている。すなわち、ＳＯＦＣが厳重に保温されていると、熱容量の大きいＳＯＦＣモジュールは放熱に時間を要することとなり、この結果、発電室が停止可能な温度まで低下するには多くの時間を必要とする。

このため、燃料電池においては、運転時には要求される高断熱を保ち、停止時もしくは緊急時においては断熱性能を低くして、迅速な停止操作を可能にすることが望まれる。
本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、運転時に必要な高断熱を保つことができ、しかも、停止時や緊急時には断熱性能を低くして迅速な停止操作を可能にする燃料電池及び燃料電池の冷却方法を提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明の第１態様に係る燃料電池は、圧力容器の内部に収納し、燃料ガス及び酸化性ガスを供給して発電する燃料電池において、前記圧力容器を内部シェル及び外部シェルよりなる二重構造圧力容器とし、前記内部シェル及び前記外部シェルの間に運転時の真空断熱を行う真空室を形成するとともに、前記真空室が前記内部シェルと前記外部シェルとの間を連結する断熱材の補強スペーサと、を備え、前記真空室が、運転時に前記真空室を真空にする真空断熱モードと、運転停止時及び緊急時に前記真空室に気体を供給して真空解除する冷却モードと、を備えていることを特徴とするものである。

このような第１態様の燃料電池によれば、圧力容器を内部シェル及び外部シェルよりなる二重構造圧力容器とし、内部シェル及び外部シェルの間に運転時の真空断熱を行う真空室を形成するとともに、真空室が内部シェルと外部シェルとの間を連結する断熱材の補強スペーサを備えているので、二重構造圧力容器の内外は、従来の断熱材による保温と比較して小型化が容易な真空断熱により確実に断熱することができる。このため、内部シェルの内部に収納されている燃料電池カートリッジは、発電室内を所望の高温に維持して発電することができる。
また、断熱材の補強スペーサを備えているので、真空室内外の温度差によるシェルの熱変形を抑制することができる。このような熱変形は、特に運転停止等による温度低下時に生じやすい。このような補強スペーサは、外部シェルへ熱伝達する熱量を最小限に抑えた断熱材であり、例えば外部シェルとの接触面積を最小限に抑えるため、複数に分割した板材やピン等が好適である。

上述した第１態様の燃料電池においては、前記真空室が、運転時時に前記真空室を真空にする真空断熱モードと、運転停止時及び緊急時に前記真空室に気体を供給して真空解除する冷却モードと、を備えていることが好ましい。

このような燃料電池によれば、燃料電池の運転時において、真空断熱により内部シェルの内部に収納されている燃料電池カートリッジは、発電室内を所望の高温に維持して発電でき、燃料電池の運転停止時及び緊急時において、真空室内の真空状態を解除することで発電室内からの放熱量を増大させて降温速度を速めることができる。
この場合、前記冷却モード時に、前記外部シェルの外表面から冷却媒体に吸熱して冷却する冷却装置を設けることが好ましく、これにより、運転停止時及び緊急時に冷却装置を作動させることで、降温速度をより一層速めることができる。

本発明の第２態様に係る燃料電池の冷却方法は、圧力容器の内部に収納し、燃料ガス及び酸化性ガスを供給して発電する燃料電池の冷却方法において、前記圧力容器を内部シェル及び外部シェルよりなる二重構造圧力容器とし、前記内部シェル及び前記外部シェルの間に形成されて運転時に真空断熱を行うための真空室が、運転停止時及び緊急時に気体の供給を受けて、真空断熱状態が解除されることを特徴とするものである。

このような燃料電池の冷却方法によれば、圧力容器を内部シェル及び外部シェルよりなる二重構造圧力容器とし、内部シェル及び外部シェルの間に形成されて運転時に真空断熱を行うための真空室が、運転停止時及び緊急時に気体の供給を受けて、真空断熱状態が解除されるようにすることで、発電室内からの放熱量増大により降温速度を速め、冷却に要する時間を短縮することができる。

上述した本発明によれば、燃料電池の運転時には、真空断熱により発電室内を保温することで要求される高断熱を保ち、燃料電池の停止時もしくは緊急時には、真空断熱を解除して断熱性能を低下させることにより、迅速な停止操作が可能になる。

本発明に係る燃料電池及び燃料電池の冷却方法の一実施形態を示すＳＯＦＣ複合発電システムの系統図である。 図１に示したＳＯＦＣモジュールから蓋部を取り除いた概略構成に冷却装置を設けた状態を示す斜視図である。 ＳＯＦＣモジュールの停止時・緊急時において、冷却開始後のシェル間圧力（真空室の内部圧力）、内部シェルの温度及び空気温度（排酸化性ガス排出管の出口温度）の変化を示した説明図である。 （ａ）はＳＯＦＣカートリッジの概要を示す斜視図、（ｂ）は複数のＳＯＦＣカートリッジを組み合わせたサブモジュールの一例を示す斜視図である。 ＳＯＦＣカートリッジの概要を示す正面図である。 ＳＯＦＣ複合発電システムの構成例を示す系統図である。

以下、本発明に係る燃料電池及び燃料電池の冷却方法の一実施形態を図面に基づいて説明する。なお、本実施形態では、燃料電池の一例として、固体酸化物型燃料電池（以下、「ＳＯＦＣ」と呼ぶ）について説明するが、特に限定されることはない。
図６は、燃料ガス及び酸化性ガスの供給を受ける１または複数（図示の構成例では４）のＳＯＦＣモジュール１による発電と、例えばマイクロガスタービン（ＭＧＴ）のようなガスタービン６０により発電機を駆動する発電と、を組み合わせたＳＯＦＣ複合発電システム７０の構成例を示している。図示のガスタービン６０は、燃焼器６１と、圧縮機６２と、タービン６３と、を具備して構成され、燃焼器６１で燃料ガスを燃焼させて得られる高温高圧の燃焼ガスをタービン６３に供給して軸出力を得る。この軸出力は、圧縮機６２及び図示しない発電機の駆動に用いられる。

このＳＯＦＣ複合発電システム７０においては、燃焼器６１の燃料として、未使用の燃料ガス及び発電後にＳＯＦＣモジュール１から排出される排燃料ガスが使用される。すなわち、発電後にＳＯＦＣモジュール１から排出される排燃料ガスは、排燃料ガス流路７１、制御弁７２Ａ及び燃料圧縮機７３を介して燃料ガス流路７４を流れる燃料ガスに合流させることで、ＳＯＦＣモジュール１及びガスタービン６０の燃料ガスとして再利用される。
燃焼器６１へ供給するガス燃料の流量は、燃料ガス流路７４に設けた制御弁７２Ｂによって調整される。さらに、燃焼器６１は、必要に応じて専用の燃料ガス供給ライン７５から供給されるガス燃料も使用する。

また、この実施形態では、ＳＯＦＣモジュール１で使用する酸化性ガスとして、ガスタービン６０の圧縮機６２で圧縮した空気が使用されている。この酸化性ガス（圧縮空気）は、酸化性ガス流路７６を介してＳＯＦＣモジュール１に供給される。そして、発電後にＳＯＦＣモジュール１から排出される排酸化性ガスは、排酸化性ガス流路７７を通って燃焼器６１に供給され、燃焼器６１に供給される燃料ガスの燃焼に使用される。
なお、燃焼器６１から供給される燃焼ガスは、タービン６３で仕事をした後に燃焼排ガスとして排出されるが、この燃焼排ガスは、例えば排熱回収ボイラで蒸気を生成する熱源として再利用することも可能である。

上述したＳＯＦＣモジュール１は、図１から５に示すように、１または複数のＳＯＦＣカートリッジ１０と、これら１または複数のＳＯＦＣカートリッジ１０を収納する二重構造圧力容器２とを有する。
二重構造圧力容器２は、耐圧部の内部シェル（内筒）３と外部シェル（外筒）４とを同心に配置し、内部シェル３の外壁面と外部シェル４の内壁面との間に、真空室５となる空間部を形成したものである。真空室５の内部には、円周方向へ等ピッチに配置した複数の補強スペーサ６を介在させている。

この補強スペーサ６は、放射状に配置されて内部シェル３の外壁面と外部シェル４の内壁面との間を連結するリブ状の補強部材であるが、後述する熱伝導の観点から、内部シェル３及び外部シェル４と接触する面の面積を最小限にした板状部材やピン等が望ましい。すなわち、必要な補強強度を確保できる範囲内において、接触面積を最小限にすることが必要であり、例えば板材を使用する場合には、真空室５の長手方向（二重構造圧力容器２の軸方向）を複数に分割して接触面積を最小限とすることで、接触面積を最小限にした断熱性を有する断面形状とする。また、接触面積の小さいピンのように、シェル間の断熱性を有する断面形状とした補強スペーサ６を採用してもよい。
なお、図示の構成例では、補強スペーサ６の板材が円周方向へ４５度ピッチに８枚用いられているが、特に限定されるものではない。

また、ＳＯＦＣモジュール１は、図６に示すように、燃料ガス流路７４から分岐する燃料ガス供給管７４ａと複数の燃料ガス供給枝管（不図示）とを有する。さらに、ＳＯＦＣモジュール１は、排燃料ガス流路７１に合流する燃料ガス排出管７１ａと複数の燃料ガス排出枝管（不図示）とを有する。
また、ＳＯＦＣモジュール１は、酸化性ガス流路７６から分岐する酸化性ガス供給管７６ａと酸化性ガス供給枝管（不図示）とを有する。さらに、ＳＯＦＣモジュール１は、排酸化性ガス流路７７に合流する排酸化性ガス排出管７７ａと複数の酸化性ガス排出枝管（不図示）とを有する。

燃料ガス供給管７４ａは、二重構造圧力容器２の外部において、一端がＳＯＦＣモジュール１の発電量に対応して所定ガス組成と所定流量の燃料ガスを供給する図示しない燃料ガス供給部（燃料ガス供給源）と、燃料ガス流路７４を介して接続されている。また、燃料ガス供給管７４ａの他端は、二重構造圧力容器２の内部において、燃料ガス供給枝管に接続されている。この燃料ガス供給管７４ａは、上述の燃料ガス供給部から供給される所定流量の燃料ガスを、複数の燃料ガス供給枝管に分岐してＳＯＦＣカートリッジ１０に導くものである。この燃料ガス供給枝管は、燃料ガス供給管７４ａから供給される燃料ガスを複数のＳＯＦＣカートリッジ１０に略均等の流量で導き、複数のＳＯＦＣカートリッジ１０の発電性能を略均一化させるものである。

燃料ガス排出枝管は、一端が複数のＳＯＦＣカートリッジ１０に接続されるとともに、他端が燃料ガス排出管７１ａに接続されている。この燃料ガス排出枝管は、ＳＯＦＣカートリッジ１０から排出される排燃料ガスを燃料ガス排出管７１ａに導くものである。
また、排酸化性ガス排出管７７ａは、複数の燃料ガス排出枝管に接続されるとともに、一部が二重構造圧力容器２の外部で排酸化性ガス流路７７に接続されている。この排酸化性ガス排出管７７ａは、燃料ガス排出枝管から導出される排燃料ガスを二重構造圧力容器２の外部に導くものである。

ＳＯＦＣモジュール１は、内部シェル３の内部に断熱材で囲まれた空間が形成され、この空間内には、図４（ｂ）に示すようにユニット化された１または複数のＳＯＦＣカートリッジ１０が収納されている。なお、ＳＯＦＣモジュール１の内部に収納されるＳＯＦＣカートリッジ１０の数については、特に限定されるものではない。
ところで、以下の説明においては、便宜上紙面を基準として「上」及び「下」の表現を用いて各構成要素の位置関係を特定するが、鉛直方向に対して必ずしもこの限りである必要はない。例えば、紙面における上方向が鉛直方向における下方向に対応してもよい。また、紙面における上下方向が鉛直方向に直行する水平方向に対応してもよい。

ＳＯＦＣカートリッジ１０は、図５に示すように、複数のセルスタック（円筒セル）４０と、発電室１１と、燃料ガス供給室１２と、燃料ガス排出室１３と、酸化性ガス供給室１４と、酸化性ガス排出室１５とを有する。また、ＳＯＦＣカートリッジ１０は、上部管板１６ａと、下部管板１６ｂと、上部断熱体１７ａと、下部断熱体１７ｂとを有する。
なお、本実施形態において、ＳＯＦＣカートリッジ１０は、燃料ガス供給室１２と、燃料ガス排出室１３と、酸化性ガス供給室１４と、酸化性ガス排出室１５とが図示のように配置されることで、燃料ガスと酸化性ガスとがセルスタック４０の内側と外側とを対向して流れる構造となっているが、必ずしもこの必要はなく、例えば、セルスタックの内側と外側とを平行して流れる構造、または、酸化性ガスがセルスタックの長手方向と直交する方向へ流れる構造としてもよい。

発電室１１は、上部断熱体１７ａと下部断熱体１７ｂとの間に形成された領域である。この発電室１１は、セルスタック４０の燃料電池セル４１が配置され、燃料ガスと酸化性ガスとを電気化学的に反応させて発電を行う領域である。また、この発電室１１は、セルスタック４０の長手方向中央部付近の温度が、ＳＯＦＣモジュール１の定常運転時に高温雰囲気（例えば７００℃〜１１００℃程度）となる。

燃料ガス供給室１２は、ＳＯＦＣカートリッジ１０の上部ケーシング１８ａと上部管板１６ａとに囲まれた領域である。また、燃料ガス供給室１２は、上部ケーシング１８ａに備えられた燃料ガス供給孔１９ａによって、図示しない燃料ガス供給枝管と連通されている。また、燃料ガス供給室１２には、セルスタック４０の一方の端部が、セルスタック４０の基体管４２の内部が燃料ガス供給室１２に対して開放して配置されている。この燃料ガス供給室１２は、図示しない燃料ガス供給枝管から燃料ガス供給孔１９ａを介して供給される所定ガス組成と所定流量の燃料ガスを、複数のセルスタック４０の基体管４２の内部に略均一流量で導き、複数のセルスタック４０の発電性能を略均一化させるものである。

燃料ガス排出室１３は、ＳＯＦＣカートリッジ４０の下部ケーシング１８ｂと下部管板１６ｂとに囲まれた領域である。また、燃料ガス排出室１３は、下部ケーシング１８ｂに備えられた燃料ガス排出孔１９ｂによって、図示しない燃料ガス排出枝管と連通されている。また、燃料ガス排出室１３には、セルスタック４０の他方の端部が、セルスタック４０の基体管４２の内部が燃料ガス排出室１３に対して開放して配置されている。この燃料ガス排出室１３は、複数のセルスタック４０の基体管４２の内部を通過して燃料ガス排出室１３に供給される排燃料ガスを集約して、燃料ガス排出孔１９ｂを介して図示しない燃料ガス排出枝管に導くものである。

ＳＯＦＣモジュール１の発電量に対応して所定ガス組成と所定流量の酸化性ガスを酸化性ガス供給枝管へと分岐して、複数のＳＯＦＣカートリッジ１０へ供給する。酸化性ガス供給室１４は、ＳＯＦＣカートリッジ１０の下部ケーシング１８ｂと下部管板１６ｂと下部断熱体１７ｂとに囲まれた領域である。
また、酸化性ガス供給室１４は、下部ケーシング１８ｂに備えられた酸化性ガス供給孔２０ａによって、図示しない酸化性ガス供給枝管と連通されている。この酸化性ガス供給室１４は、図示しない酸化性ガス供給枝管から酸化性ガス供給孔２０ａを介して供給される所定流量の酸化性ガスを、後述する酸化性ガス供給隙間２１ａを介して発電室１１に導くものである。

酸化性ガス排出室１５は、ＳＯＦＣカートリッジ１０の上部ケーシング１８ａと上部管板１６ａと上部断熱体１７ａとに囲まれた領域である。また、酸化性ガス排出室１５は、上部ケーシング１８ａに備えられた酸化性ガス排出孔２０ｂによって、図示しない酸化性ガス排出枝管と連通されている。この酸化性ガス排出室１５は、発電室１１から、後述する酸化性ガス排出隙間２１ｂを介して燃料ガス排出室１５に供給される排酸化性ガスを、酸化性ガス排出孔２０ｂを介して図示しない酸化性ガス排出枝管に導くものである。

上部管板１６ａは、上部ケーシング１８ａの天板と上部断熱体１７ａとの間に、上部管板１６ａと上部ケーシング１８ａの天板と上部断熱体１７ａとが略平行になるように、上部ケーシング１８ａの側板に固定されている。
また、上部管板１６ａは、ＳＯＦＣカートリッジ１０に備えられるセルスタック４０の本数に対応した複数の孔を有し、該孔にはセルスタック４０がそれぞれ挿入されている。この上部管板１６ａは、複数のセルスタック４０の一方の端部をシール部材及び接着部材のいずれか一方又は両方を介して気密に支持すると共に、燃料ガス供給室１２と酸化性ガス排出室１５とを隔離するものである。

下部管板１６ｂは、下部ケーシング１８ｂの底板と下部断熱体１７ｂとの間に、下部管板１６ｂと下部ケーシング１８ｂの底板と下部断熱体１７ｂとが略平行になるように下部ケーシング１８ｂの側板に固定されている。また、下部管板１６ｂは、ＳＯＦＣカートリッジ１０に備えられるセルスタック４０の本数に対応した複数の孔を有し、該孔にはセルスタック４０がそれぞれ挿入されている。この下部管板１６ｂは、複数のセルスタック４０の他方の端部をシール部材及び接着部材のいずれか一方又は両方を介して気密に支持すると共に、燃料ガス排出室１３と酸化性ガス供給室１４とを隔離するものである。

上部断熱体１７ａは、上部ケーシング１８ａの下端部に、上部断熱体１７ａと上部ケーシング１８ａの天板と上部管板１６ａとが略平行になるように配置され、上部ケーシング１８ａの側板に固定されている。また、上部断熱体１７ａには、ＳＯＦＣカートリッジ１０に備えられるセルスタック４０の本数に対応して、複数の孔が設けられている。この孔の直径は、セルスタック４０の外径よりも大きく設定されている。上部断熱体１７ａは、この孔の内面と、上部断熱体１７ａに挿通されたセルスタック４０の外面との間に形成された酸化性ガス排出隙間２１ｂを有する。

この上部断熱体１７ａは、発電室１１と酸化性ガス排出室１５とを仕切るものであり、上部管板１６ａの周囲の雰囲気が高温化し強度低下や酸化性ガス中に含まれる酸化剤による腐食が増加することを抑制する。上部管板１６ａ等はインコネルなどの高温耐久性のある金属材料から成るが、上部管板１６ａ等が発電室１１内の高温に晒されて、上部管板１６ａ等内の温度差が大きくなることで熱変形することを防ぐものである。また、上部断熱体１７ａは、発電室１１を通過して高温に晒された排酸化性ガスを、酸化性ガス排出隙間２１ｂを通過させて酸化性ガス排出室１５に導くものである。

本実施形態によれば、上述したＳＯＦＣカートリッジ１０の構造により、燃料ガスと酸化性ガスとがセルスタック４０の内側と外側とを対向して流れるものとなっている。このことにより、排酸化性ガスは、基体管４２の内部を通って発電室１１に供給される燃料ガスとの間で熱交換がなされ、金属材料から成る上部管板１６ａ等が座屈などの変形をしない温度に冷却されて酸化性ガス排出室１５に供給される。また、燃料ガスは、発電室１１から排出される排酸化性ガスとの熱交換により昇温され、発電室１１に供給される。その結果、ヒーター等を用いることなく、発電に適した温度に予熱昇温された燃料ガスを発電室１１に供給することができる。

下部断熱体１７ｂは、下部ケーシング１８ｂの上端部に、下部断熱体１７ｂと下部ケーシング１８ｂの底板と下部管板１６ｂとが略平行になるように配置され、下部ケーシング１８ａの側板に固定されている。また、下部断熱体１７ｂには、ＳＯＦＣカートリッジ１０に備えられるセルスタック４０の本数に対応して、複数の孔が設けられている。この孔の直径はセルスタック４０の外径よりも大きく設定されている。下部断熱体１７ｂは、この孔の内面と、下部断熱体１７ｂに挿通されたセルスタック４０の外面との間に形成された酸化性ガス供給隙間２１ａを有する。

この下部断熱体１７ｂは、発電室１１と酸化性ガス供給室１４とを仕切るものであり、下部管板１６ｂの周囲の雰囲気が高温化し強度低下や酸化性ガス中に含まれる酸化剤による腐食が増加することを抑制する。下部管板１６ｂ等はインコネルなどの高温耐久性のある金属材料から成るが、下部管板１６ｂ等が高温に晒されて下部管板１６ｂ等内の温度差が大きくなることで熱変形することを防ぐものである。また、下部断熱体１７ｂは、酸化性ガス供給室１４に供給される酸化性ガスを、酸化性ガス供給隙間２１ａを通過させて発電室１１に導くものである。

本実施形態によれば、上述したＳＯＦＣカートリッジ１０の構造により、燃料ガスと酸化性ガスとがセルスタック４０の内側と外側とを対向して流れるものとなっている。この結果、基体管４２の内部を通って発電室１１を通過した排燃料ガスは、発電室１１に供給される酸化性ガスとの間で熱交換がなされ、金属材料から成る下部管板１６ｂ等が座屈などの変形をしない温度に冷却されて燃料ガス排出室１３に供給される。また、酸化性ガスは、排燃料ガスとの熱交換により昇温され、発電室１１に供給される。その結果、ヒーター等を用いることなく、発電に必要な温度に昇温された酸化性ガスを発電室１１に供給することができる。

発電室１１で発電された直流電力は、複数の燃料電池セル４１に設けたＮｉ／ＹＳＺ等からなるリード膜によりセルスタック４０の端部付近まで導出した後に、ＳＯＦＣカートリッジ１０の集電棒（不図示）に集電板（不図示）を介して集電して、各ＳＯＦＣカートリッジ１０の外部へと取り出される。なお、集電棒によってＳＯＦＣカートリッジ１０の外部に導出された電力は、各ＳＯＦＣカートリッジ１０の発電電力を所定の直列数および並列数へと相互に接続され、ＳＯＦＣモジュール１の外部へと導出されて、図示しないインバータなどにより所定の交流電力へと変換されて、電力負荷へと供給される。

図１は、図６に示したＳＯＦＣ複合発電システム７０を簡略化して示すとともに、本実施形態の二重構造圧力容器２について、真空室５の圧力調整システム３０を加えたシステム構成図である。
図示の真空室５は、真空状態、大気圧及び加圧状態の選択切替を可能とする圧力調整システム３０を備えている。この圧力調整システム３０は、真空室５の内部状態について、ＳＯＦＣモジュール１の運転時時に真空室５を真空にする真空断熱モードと、運転停止時及び緊急時に真空室５に空気（気体）を供給して加圧する冷却モードとの選択切替を行うものである。

この圧力調整システム３０は、減圧用の真空ポンプ３１及び流路切替弁３２を備えた真空引きライン３３と、計装空気（例えば０．３５MPaA程度）３４のような昇圧用の空気を供給する空気供給源に接続されるとともに流路切替弁３５を備えた加圧ライン３６と、一端を大気開放にするとともに流路切替弁３７を備えた大気開放ライン３８とを備えている。真空引きライン３３、加圧ライン３６及び大気開放ライン３８は、何れも圧力調整流路３９を介して真空室５の内部と連通している。

上述した圧力調整システム３０は、真空断熱モードにおいて、ＳＯＦＣモジュール１の運転時に熱自立性を保つための保温として、真空断熱の利用を可能にする。
すなわち、ＳＯＦＣモジュール１を運転する際には、流路切替弁３２を開いて流路切替弁３５，３７を閉じた状態とし、真空ポンプ３１を運転する。この結果、真空室５内の空気は、真空引きライン３３を通って真空ポンプ３１に吸引される。このような真空引きは、真空室５内が所定の真空圧力（例えば０MPaA以下）になるまで継続され、所定の真空圧力まで到達した後に流路切替弁３２を閉じるとともに真空ポンプ３１の運転を停止する。

このようにして真空室５が所定の真空圧に維持されると、ＳＯＦＣカートリッジ１０が発熱する内部シェル３の内部は、真空室５を介して、外部シェル４の外部と真空断熱される。このため、熱自立のため発電室１１を厳重に保温する目的でＳＯＦＣカートリッジ１０の外周を囲うように設けている断熱材７については、この断熱材７を全てなくすか、あるいは、その厚さを大幅に低減することが可能になる。

このような断熱材７の省略または厚さ低減は、内部シェル３及び二重構造圧力容器２の小型化を可能にするので、この結果、ＳＯＦＣモジュール１の小型化は勿論のこと、このＳＯＦＣモジュール１を構成要素とするＳＯＦＣ複合発電システム７０の小型化も同様に可能となる。
また、断熱性の高い補強スペーサ６を備えているので、補強スペーサ６を介した熱伝導も最小限に抑えることができ、しかも、真空室５の内外温度差により内部シェル３及び外部シェル４の熱変形を抑制することができる。このような熱変形は、特に運転停止等による温度低下時に生じやすい。

さらに、断熱材７が省略されると二重構造圧力容器２の構造を簡素化できるため、ＳＯＦＣカートリッジ１０もしくは複数のＳＯＦＣカートリッジ１０を備えた二重構造圧力容器２を用意することにより、セル損傷が生じた場合に問題のあるＳＯＦＣカートリッジ１０のみを交換することができる。このようなＳＯＦＣカートリッジ１０の交換は、ＳＯＦＣ複合発電システム７０のシステム構成によっては、運転中でも可能になる。
従って、小型化された二重構造圧力容器２を複数に分散させることで、損傷発生時のＳＯＦＣカートリッジ１０の交換に伴う運転停止時間を大幅に削減することができる。

そして、上述した二重構造圧力容器２及び圧力調整システム３０は、ＳＯＦＣモジュール１の発電停止時及び緊急時に冷却モードを選択することにより、降温速度を速めることでセルスタック４０の燃料電池セル４１を保護する還元性ガスの供給量を減少させることができる。
具体的に説明すると、運転中のＳＯＦＣモジュール１を停止（発電停止）する場合や、何らかの事情で緊急停止が必要となった場合には、真空室５を加圧することにより発電室１１からの放熱を促進する。すなわち、ＳＯＦＣモジュール１を停止または緊急停止する場合には、真空ポンプ３１の運転を停止して流路切替弁３２を閉じるとともに、流路切替弁３５を開いて真空室５に計装空気３４を供給し、内部を所定圧力（例えば０．２MPa程度）まで昇圧する。このようにして真空室５が所定圧まで昇圧されると、流路切替弁３５を閉じて真空室５の加圧状態を維持する。

このような真空室５の加圧状態では、二重構造圧力容器２の放熱量が大幅に増大するので、発電室１１の温度低下も促進される。従って、発電室１１内の高温時に燃料電池セル４１を保護するために必要だった還元性ガスは、従来との比較において発電室１１内を短時間で温度低下させることができるため、時間短縮に応じた供給量の低減が可能になる。
このような降温速度の増大及び還元性ガス供給量の低減は、システム保護に必要な還元性ガスの保有量低減を実現し、あるいは、還元性ガス供給系統の設置を不要にするので、ＳＯＦＣモジュール１の運転に要するコストの低減やセルスタックが再酸化する温度域に晒される時間を短縮できるのでロバスト性の向上に有効である。

ところで、上述した大気開放系統３８及び流路切替弁３７は、加圧状態の真空室５を真空状態に切り替える場合や、真空状態の真空室５を加圧状態に切り替える場合において、流路切替弁３７を開いて真空室５を大気開放することで、切替に要する時間を短縮することが可能になる。
また、上述したＳＯＦＣモジュール１の停止時及び緊急時において、降温速度をより一層速めるため、例えば図２に示すように、外部シェル４を外側から冷却する冷却装置８０を設けてもよい。図示の冷却装置８０は、外部シェル４の外周面に沿って螺旋状に冷却媒体配管８１を配置し、冷却媒体配管８１内に水等の冷却媒体を流して外側から吸熱するようにすれば、大気に放熱する場合と比較して発電室１１の冷却速度はより一層向上する。なお、冷却媒体配管８１は、螺旋状の配置に限定されることはなく、また、冷却媒体についても水に限定されることはない。

このように、上述した本実施形態のＳＯＦＣモジュール１は、運転（発電）時に内部シェル３と外部シェル４との間に形成される真空室５を真空（例えば１〜１０Pa）に維持することで発電室１１の真空断熱を行い、停止時・緊急時に真空室５を加圧（例えば０．２MPa程度）することで、発電室１１からの放熱を促進する。
図３は、停止時・緊急時に真空室５の冷却を開始した場合について、時間経過を横軸にして圧力及び温度の変化を示したものであり、シェル間圧力（真空室５の内部圧力）、内部シェル３の温度（内部シェル温度）及び空気温度（排酸化性ガス排出管７７ａの出口温度）が示されている。

図３によれば、冷却開始とともに内部シェル間圧力が真空状態から加圧されて所定値の０．２MPa程度まで上昇し、二重構造圧力容器５の真空断熱状態が解除される。
この結果、内部シェル温度は運転中の高温（例えば７００℃）から、そして、空気温度は運転中の高温ｔａから５０℃程度まで短時間で温度低下する。なお、図３では、内部シェル温度及び空気温度の温度低下がほとんど認められなくなった時点で流路切替弁３７を開き、真空室５の内部を加圧状態から大気圧状態にしている。

このように、二重構造圧力容器２は、内部シェル３の内部圧力が０．１MPa〜約１MPa、内部温度が大気温度から約７００〜１１００℃で運用されるので、耐圧性と酸化性ガス中に含まれる酸素などの酸化剤に対する耐食性を保有する材質が利用される。なお、内部シェル３に好適な材料としては、例えばＳＵＳ３０４などのステンレス系材を例示できる。
しかし、外部シェル４については、二重構造圧力容器２の真空断熱構造を採用したことで温度条件等が緩和されるため、例えばＳＳ４００のような一般構造用圧延鋼材の使用が可能となる。

また、近年のＳＯＦＣモジュール１においては、ＳＯＦＣカートリッジ１０が長尺化する傾向にある。このため、二重構造圧力容器２は、側壁部の表面積がさらに増加して熱伝導に対する影響割合を増すが、シェルの上下（左右）に取り付けられる蓋部については逆に影響割合が低下する。このため、蓋部については、コストを優先して二重構造を採用しなくてもよい。

そして、上述した構造のＳＯＦＣモジュール１は、内部シェル３及び外部シェル４よりなる二重構造圧力容器２を採用し、内部シェル３及び外部シェル４の間に形成されて運転時に真空断熱を行うための真空室５を備えているので、運転停止時及び緊急時に空気を供給して真空断熱状態を解除すれば、発電室１１内からの放熱量が増大して降温速度を速めることができ、このような冷却方法は、ＳＯＦＣモジュール１の冷却に要する時間の短縮に有効である。

このように上述した本実施形態によれば、ＳＯＦＣモジュール１の運転時には、真空断熱により発電室１１内を保温することで要求される高断熱を保ち、停止時もしくは緊急時には、真空断熱を解除して断熱性能を低下させることにより、迅速な停止操作が可能になる。また、真空断熱構造の採用により、圧力容器内の断熱材を省略または小型化できるので、ＳＯＦＣモジュール１の小型化や、ＳＯＦＣモジュール１を小分け（多系列化）することで、損傷発生時のＳＯＦＣカートリッジ１０の交換に伴う運転停止時間を大幅に削減することも可能になる。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、たとえばＳＯＦＣ以外の燃料電池にも適用可能であるなど、そ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。

１ 固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣモジュール）
２ 二重構造圧力容器
３ 内部シェル（内筒）
４ 外部シェル（外筒）
５ 真空室
６ 補強スペーサ
１０ ＳＯＦＣカートリッジ
１１ 発電室
１２ 燃料ガス供給室
１３ 燃料ガス排出室
１４ 酸化性ガス供給室
１５ 酸化性ガス排出室
１６ａ 上部管板
１６ｂ 下部管板
１７ａ 上部断熱体
１７ｂ 下部断熱体
１８ａ 上部ケーシング
１８ｂ 下部ケーシング
１９ａ ガス燃料供給孔
１９ｂ 燃料ガス排出孔
２０ａ 酸化性ガス供給孔
２０ｂ 酸化性ガス排出孔
２１ａ 酸化性ガス供給隙間
２１ｂ 酸化性ガス排出隙間
３０ 圧力調整システム
３１ 真空ポンプ
３２，３５，３７ 流路切替弁
３３ 真空引きライン
３４ 計装空気
３６ 加圧ライン
３８ 大気開放ライン
３９ 圧力調整流路
４０ セルスタック（円筒セル）
４１ 燃料電池セル
４２ 基体管
６０ ガスタービン
６１ 燃焼器
６２ 圧縮機
６３ タービン
７０ ＳＯＦＣ複合発電システム
７１ 排燃料ガス流路
７１ａ 燃料ガス排出管
７２Ａ，７２Ｂ 制御弁
７３ 燃料圧縮機
７４ 燃料ガス流路
７４ａ 燃料ガス供給管
７５ 燃料ガス供給ライン
７６ 酸化性ガス流路
７６ａ 酸化性ガス供給管
７７ 排酸化性ガス流路
７７ａ 排酸化性ガス排出管
８０ 冷却装置
８１ 冷却媒体配管

Claims (3)

1. 圧力容器の内部に収納し、燃料ガス及び酸化性ガスを供給して発電する燃料電池において、
   前記圧力容器を内部シェル及び外部シェルよりなる二重構造圧力容器とし、前記内部シェル及び前記外部シェルの間に運転時の真空断熱を行う真空室を形成するとともに、
   前記真空室が前記内部シェルと前記外部シェルとの間を連結する断熱材の補強スペーサと、
   を備え、
   前記真空室が、運転時に前記真空室を真空にする真空断熱モードと、運転停止時及び緊急時に前記真空室に気体を供給して真空解除する冷却モードと、を備えていることを特徴とする燃料電池。
2. 前記冷却モード時に、前記外部シェルの外表面から冷却媒体に吸熱して冷却する冷却装置を設けたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. 圧力容器の内部に収納し、燃料ガス及び酸化性ガスを供給して発電する燃料電池の冷却方法において、
   前記圧力容器を内部シェル及び外部シェルよりなる二重構造圧力容器とし、前記内部シェル及び前記外部シェルの間に形成されて運転時に真空断熱を行うための真空室が、運転停止時及び緊急時に気体の供給を受けて、真空断熱状態が解除されることを特徴とする燃料電池の冷却方法。

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