JP6311876B2 - 燃料電池モジュール - Google Patents
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Description
図1は、本発明の一実施形態による燃料電池モジュールを備えた固体酸化物型燃料電池装置(SOFC)を示す全体構成図である。この図1に示すように、固体酸化物型燃料電池装置(SOFC)1は、本発明の一実施形態による燃料電池モジュール2と、補機ユニット4を備えている。
さらに、燃料電池モジュール2には、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が接続されている。
図2に示すように、燃料電池セル収容容器8内の空間には、複数の燃料電池セル16が同心円状に配列され、その周囲を取り囲むように燃料ガス通路である燃料ガス供給流路20、排気ガス通路である排ガス排出流路21、酸化剤ガス供給流路22が順に同心円状に形成されている。
燃焼触媒器60は、排気ガス横断通路23aよりも上方に、外側円筒部材66の外周面と内側円筒容器68の内周面の間の円環状の空間に充填された触媒である。排ガス排出流路21を下降した排気ガスは、燃焼触媒器60を通過することにより一酸化炭素が除去され、排気ガス横断通路23aを通って排気ガス室23に流入する。
シースヒーター61は、燃焼触媒器60の下方の、外側円筒部材66の外周面を取り囲むように取り付けられた電気ヒーターである。固体酸化物型燃料電池装置1の起動時において、シースヒーター61に通電することにより、その近傍に配置されている燃焼触媒器60が活性温度まで加熱される。
図4は排気集約室の部分を拡大して示す断面図であり、図5は、図2におけるV−V断面である。
図4に示すように、排気集約室18は、各燃料電池セル16の上端部に取り付けられたドーナツ型断面のチャンバーであり、この排気集約室18の中央には、酸化剤ガス噴射用パイプ74が貫通して延びている。
集約室下部材18bは、上方が開放された円形皿状の部材であり、その中央には、酸化剤ガス噴射用パイプ74を貫通させるための円筒部が設けられている。
集約室上部材18aは、下方が開放された段付き円形カップ状の部材であり、その中央には、酸化剤ガス噴射用パイプ74を貫通させるための開口部が設けられている。集約室上部材18aの下部は、集約室下部材18bの上方に開口したドーナツ型断面の領域に嵌め込まれる形状に構成されている。
図6に示すように、脱硫器36は円環状の断面を有する容器であり、内部に脱硫触媒が充填されている。この脱硫器36中央の空洞部には、分散室底部材72の挿通管72a、及びその中に延びているバスバー80が受け入れられている(図2)。この構成により、排気ガス室23内に流入した排気ガスは、脱硫器36の外周面に接触し、脱硫器36を加熱する。また、脱硫器36と断熱材板状部73aとの間には隙間が設けられているため(図2)、この隙間にも排気ガスが流入し、脱硫器36は上端面からも加熱される。これにより、脱硫器36は、燃料電池モジュールの起動後、早期に脱硫可能な温度まで加熱される。
まず、内側円筒部材64と外側円筒部材66の間の空間で構成されている燃料ガス供給流路20の下部には、水蒸気改質用の水蒸気を生成するための蒸発部86が設けられている。蒸発部86は、外側円筒部材66の下部内周に取り付けられたリング状の傾斜板86a及び水供給パイプ88から構成されている。また、蒸発部86は、排ガス排出流路21内に配置されたシースヒーター61と、排気ガス室23内に配置された断熱材板状部73aとの間に配置されている。傾斜板86aは、リング状に形成された金属の薄板であり、その外周縁が外側円筒部材66の内壁面に取り付けられる。一方、傾斜板86aの内周縁は外周縁よりも上方に位置し、傾斜板86aの内周縁と、内側円筒部材64の外壁面との間には隙間が設けられている。
CmHn+xH2O → aCO2+bCO+cH2 (1)
図2に示すように、燃料ガス分散室76には、水素取出管92が接続されている。この水素取出管92は、燃料ガス分散室76の内部と連通し、断熱材板状部73aを貫通し、さらに排気ガス室23を貫通して燃料電池モジュール2の外部まで延びている。図1に示すように、水素取出管92は、補機ユニット4に内蔵された凝縮器33に接続されている。燃料ガス分散室76内の燃料ガスは、水素ガスと共に多くの水蒸気を含んでいる。凝縮器33においては、燃料ガスに含まれている水蒸気が凝縮され、水素ガスと分離される。水蒸気を分離された水素ガスは、オリフィス34及び電磁弁35を介して、燃料供給源30から供給された原燃料ガスに、燃料ブロア38の上流側で混合される。水素ガスが添加された原燃料ガスは、燃料ブロア38により脱硫器36に送り込まれる。
本発明の実施形態による燃料電池モジュール2においては、燃料電池セル16として、固体酸化物を用いた円筒横縞型セルが採用されている。各燃料電池セル16上には、複数の単セル16aが横縞状に形成されており、これらが電気的に直列に接続されることにより1本の燃料電池セル16が構成されている。各燃料電池セル16は、その一端がアノード(陽極)、他端がカソード(陰極)となるように構成され、複数の燃料電池セル16のうちの半数は上端がアノード、下端がカソードとなるように配置され、残りの半数は上端がカソード、下端がアノードとなるように配置されている。
多孔質支持体97は、本実施形態においては、フォルステライト粉末、及びバインダーの混合物を押し出し成形し、焼結することにより形成されている。
燃料極層98は、本実施形態においては、NiO粉末及び10YSZ(10mol%Y2O3−90mol%ZrO2)粉末の混合物により構成された導電性の薄膜である。
固体電解質層100は、本実施形態においては、La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O3の組成のLSGM粉末により構成された薄膜である。この固体電解質層100を介して酸化物イオンと水素又は一酸化炭素が反応することにより電気エネルギーが生成される。
インターコネクタ層102は、本実施形態においては、SLT(ランタンドープストロンチウムチタネート)により構成された導電性の薄膜である。燃料電池セル16上の隣接する単セル16aはインターコネクタ層102を介して接続される。
電極層103a、103bは、本実施形態においては、燃料極層98と同一の材料で形成されている。
リード膜層104a、104bは、本実施形態においては、固体電解質層100と同一の材料で形成されている。
まず、固体酸化物型燃料電池装置1の起動工程において、燃料ブロア38が起動され、燃料の供給が開始されると共に、シースヒーター61への通電が開始される。シースヒーター61への通電が開始されることにより、その上方に配置された燃焼触媒器60が加熱されると共に、内側に配置された蒸発部86も加熱される。燃料ブロア38により供給された燃料は、脱硫器36を介して、燃料ガス供給パイプ90から燃料ガス供給流路20に流入する。流入した燃料は、燃料ガス供給流路20内を上昇して改質部94に至り、次いで改質部94内を下降し、内側円筒部材64の下部に設けられた多数の小穴64bを通って燃料ガス分散室76に流入する。なお、固体酸化物型燃料電池装置1の起動直後においては、改質部94内の改質触媒96の温度が十分に上昇していないため、燃料の改質は行われない。
なお、蒸発部86は、シースヒーター61に隣接して配置されているため、起動後早期に温度が上昇し、水蒸気を生成できる状態となる。また、蒸発部86は、シースヒーター61と断熱材板状部73aの間に配置されているため、シースヒーター61の熱が逃げにくく、早期に温度上昇する。さらに、蒸発部86の下方、近傍には排気ガス横断通路23aが設けられているため、蒸発部86は排気ガス横断通路23a内を流れる排気ガスの熱によっても加熱される。
2 燃料電池モジュール
4 補機ユニット
7 外側断熱材
8 燃料電池セル収容容器
10 発電室
16 燃料電池セル(固体酸化物型燃料電池セル)
16a 単セル
18 排気集約室
18a 集約室上部材
18b 集約室下部材(第2固定部材)
18c 挿通穴
18d 噴出口
18e 接着剤充填枠
19a 大径シールリング
19b 小径シールリング
19c カバー部材
20 燃料ガス供給流路(燃料ガス通路)
21 排ガス排出流路(排気ガス通路)
22 酸化剤ガス供給流路
23 排気ガス室
23a 排気ガス横断通路
24 水供給源
26 純水タンク
28 水流量調整ユニット(水供給装置)
30 燃料供給源
33 凝縮器
34 オリフィス
35 電磁弁
36 脱硫器(水添脱硫器)
36a、36b 仕切板
36c 脱硫器流入管
36d 脱硫器流出管
37a 分散層
37b 触媒層
37c 集約層
38 燃料ブロア(燃料供給装置)
40 空気供給源
45 空気流量調整ユニット(酸化剤ガス供給装置、空気ブロア)
50 温水製造装置
54 インバータ
56 酸化剤ガス導入パイプ(酸化剤ガス流入口)
58 排ガス排出パイプ(排ガス流出口)
60 燃焼触媒器
61 シースヒーター(ヒーター)
63 第1固定部材(分散室形成板)
63a 挿通穴
63b 接着剤充填枠
64 内側円筒部材(発電室構成部材)
64a 小穴
64b 小穴
64c ステー(位置決め部材)
64d 棚部材
65 中間円筒部材
66 外側円筒部材
66a 棚部材
67 カバー部材
68 内側円筒容器(排気通路構成部材)
70 外側円筒容器(供給通路構成部材)
72 分散室底部材
72a 挿通管(バスバー通路)
72b フランジ部
73a 断熱材板状部
73b 断熱材突出部
74 酸化剤ガス噴射用パイプ
76 燃料ガス分散室
78 碍子
80 バスバー
82 集電体
86 蒸発部
86a 傾斜板
88 水供給パイプ
90 燃料ガス供給パイプ
92 水素取出管
94 改質部
96 改質触媒
97 多孔質支持体
98 燃料極層
99 反応抑制層
100 固体電解質層
101 空気極層
102 インターコネクタ層
103a 電極層
103b 電極層
104a リード膜層
104b リード膜層
Claims (7)
- 燃料ガスと酸化剤ガスを反応させることにより発電する燃料電池モジュールであって、
燃料ガスと酸化剤ガスを反応させる複数の固体酸化物型燃料電池セルと、
これら複数の固体酸化物型燃料電池セルを収容した発電室と、
上記発電室の一方の側に配置され、上記各固体酸化物型燃料電池セルに燃料ガスを分配する燃料ガス分散室と、
上記発電室を取り囲むように設けられ、上記燃料ガス分散室に燃料ガスを導く環状の燃料ガス通路と、
この燃料ガス通路を取り囲むように設けられ、上記発電室から排出される排気ガスを導く環状の排気ガス通路と、
この排気ガス通路の内側、且つ、上記燃料ガス分散室に対して上記発電室の反対側に位置するように設けられ、上記排気ガス通路によって導かれた排気ガスを流入させ、上記燃料電池モジュール外へ排出する排気ガス室と、
この排気ガス室と上記燃料ガス分散室との間を断熱する断熱材と、
上記排気ガス室内に配置されることにより、排気ガスによって加熱され、供給された原燃料ガス中の硫黄成分を除去して上記燃料ガス通路に流入させる脱硫器と、
を有することを特徴とする燃料電池モジュール。 - 上記断熱材は、上記燃料ガス分散室に沿って延びる断熱材板状部と、この断熱材板状部から上記排気ガス室内に延びる断熱材突出部と、を有し、上記脱硫器は、上記排気ガス室内で上記断熱材突出部を取り囲むように配置されると共に、上記断熱材板状部から離間して配置されている請求項1記載の燃料電池モジュール。
- さらに、上記複数の固体酸化物型燃料電池セルに接続され、上記燃料ガス分散室を通って上記排気ガス室側へ電力を導くバスバーを有し、
上記脱硫器は環状であり、上記バスバーを取り囲む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。 - さらに、上記排気ガス室を貫通するように、上記バスバーを通すためのバスバー通路が設けられ、このバスバー通路にはセラミック系の接着剤が充填されることにより上記バスバーが固定され、上記脱硫器は、上記バスバー通路を取り囲むように配置されている請求項3記載の燃料電池モジュール。
- 上記脱硫器は水添脱硫器であり、
この水添脱硫器に供給するための水素ガスを含む燃料ガスを上記燃料ガス分散室から取り出すように、上記断熱材を貫通して延び、上記燃料ガス分散室に連通する水素取出管と、を有することを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の燃料電池モジュール。 - 上記水素取出管は、上記断熱材を貫通した後、上記排気ガス室を貫通して上記燃料電池モジュール外へ延びている請求項5記載の燃料電池モジュール。
- 上記各固体酸化物型燃料電池セルは、上記燃料ガス分散室の、上記発電室に近い側で上記燃料ガス分散室に連通され、上記水素取出管は、上記燃料ガス分散室の、上記断熱材に近い側で上記燃料ガス分散室に連通されている請求項5または6に記載の燃料電池モジュール。
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