次に、添付図面を参照して、本発明の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)を説明する。
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。
燃料電池モジュール2は、ハウジング6を備え、このハウジング6内部には、外側断熱材7を介して燃料電池セル収容容器8が配置されている。この燃料電池セル収容容器8内の内部には発電室10が構成され、この発電室10の中には複数の燃料電池セル16が同心円状に配置されており、これらの燃料電池セル16により、燃料ガスと酸化剤ガスである空気の発電反応が行われる。
各燃料電池セル16の上端部には、排気集約室18が取り付けられている。各燃料電池セル16において発電反応に使用されずに残った残余の燃料(オフガス)は、上端部に取り付けられた排気集約室18に集められ、この排気集約室18の上部に設けられた複数の噴出口から流出される。流出した燃料は、発電室10内で発電に使用されずに残った空気により燃焼され、排気ガスが生成されるようになっている。
次に、補機ユニット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、この純水タンクから供給される水の流量を調整する水供給装置である水流量調整ユニット28(モータで駆動される「水ポンプ」等)を備えている。また、補機ユニット4は、都市ガス等の燃料供給源30から供給された炭化水素系の原燃料ガスの流量を調整する燃料供給装置である燃料ブロア38(モータで駆動される「燃料ポンプ」等)を備えている。
なお、燃料ブロア38を通過した原燃料ガスは、燃料電池モジュール2内に配置された脱硫器36を介して燃料ガス供給流路20(図2)に供給される。また、脱硫器36においては、原燃料ガスに水素ガスを添加しておくことにより、原燃料ガス中の硫黄成分を除去することができる。このため、補機ユニット4には、原燃料ガスに水素ガスを添加するための凝縮器33、オリフィス34及び電磁弁35が内蔵されている。
また、補機ユニット4は、空気供給源40から供給される空気の流量を調整する酸化剤ガス供給装置である空気流量調整ユニット45(モータで駆動される「空気ブロア」等)と、燃料ガス流路をパージするための空気流量調整ユニット46(同じく「空気ブロア」等)とを備えている。
さらに、補機ユニット4には、燃料電池モジュール2からの排気ガスの熱を回収するための温水製造装置50が備えられている。この温水製造装置50には、水道水が供給され、この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。
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。
次に、図2及び図3により、本発明の実施形態による燃料電池モジュール2に内蔵された燃料電池セル収容容器の内部構造を説明する。図2は燃料電池モジュール2の断面図であり、図3は燃料電池セル収容容器の主な部材を分解して示した断面図である。
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。
まず、図2に示すように、燃料電池セル収容容器8は、概ね円筒状の密閉容器であり、その側面には、発電用の空気を供給する酸化剤ガス流入口である酸化剤ガス導入パイプ56が接続され、底面には、排気ガスを排出する排ガス排出パイプ58が接続されている。
図2及び図3に示すように、燃料電池セル収容容器8の内部には、燃料電池セル16の周囲を取り囲むように、内側から順に、発電室構成部材である内側円筒部材64、外側円筒部材66、内側円筒容器68、外側円筒容器70が配置されている。上述した燃料ガス供給流路20、排ガス排出流路21、及び酸化剤ガス供給流路22は、これらの円筒部材及び円筒容器の間に夫々構成される流路であり、隣り合う流路の間で熱交換が行われる。即ち、燃料ガス供給流路20は発電室10を取り囲むように配置され、排ガス排出流路21は燃料ガス供給流路20を取り囲むように配置され、酸化剤ガス供給流路22は排ガス排出流路21を取り囲むように配置されている。また、燃料電池セル収容容器8の下端側の空間には、排ガス排出流路21によって導かれた排気ガスが流入する排気ガス室23が設けられている。
内側円筒部材64は、概ね円筒状の中空体であり、その上端及び下端は開放されている。また、内側円筒部材64の内壁面には、分散室形成板である円形の第1固定部材63が気密的に溶接されている。この第1固定部材63の下面と、内側円筒部材64の内壁面と、分散室底部材72の上面により、燃料ガス分散室76が画定される。また、第1固定部材63には、各々燃料電池セル16を挿通させる複数の挿通穴63aが形成されており、各燃料電池セル16は、各挿通穴63aに挿通された状態で、セラミック接着剤により第1固定部材63に接着されている。このように、本実施形態の固体酸化物型燃料電池装置1においては、燃料電池モジュール2を構成する部材間相互の接合部には、セラミック接着剤が充填され、硬化されることにより、各部材が相互に気密的に接合されている。
外側円筒部材66は、内側円筒部材64の周囲に配置される円筒状の管であり、内側円筒部材64との間に円環状の流路が形成されるように、内側円筒部材64と概ね相似形に形成されている。さらに、内側円筒部材64と外側円筒部材66の間には中間円筒部材65が配置されている。中間円筒部材65は、内側円筒部材64と外側円筒部材66の間に配置された円筒状の管である。内側円筒部材64の外側円筒部材66の間の空間上部には改質部94が構成されている。また、中間円筒部材65の外周面と、外側円筒部材66の内周面の間の円環状の空間は、燃料ガス供給流路20として機能する。このため、改質部94及び燃料ガス供給流路20は、燃料電池セル16における発熱及び排気集約室18上端における残余燃料の燃焼により熱を受ける。また、内側円筒部材64の上端部と外側円筒部材66の上端部は溶接により気密的に接合されており、燃料ガス供給流路20の上端は閉鎖されている。さらに、中間円筒部材65の下端と、内側円筒部材64の外周面は、溶接により気密的に接合されている。
内側円筒容器68は、外側円筒部材66の周囲に配置される円形断面のカップ状の部材であり、外側円筒部材66との間にほぼ一定幅の円環状の流路が形成されるように、側面が外側円筒部材66と概ね相似形に形成されている。この内側円筒容器68は、内側円筒部材64の上端の開放部を覆うように配置される。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は、排ガス排出流路21(図2)として機能する。この排ガス排出流路21は、内側円筒部材64の上端部に設けられた複数の小穴64aを介して内側円筒部材64の内側の空間と連通している。また、外側円筒部材66の下部内周面と、内側円筒部材64の下部外周面を接続するように、排気ガス横断通路23aが設けられている。この排気ガス横断通路23aにより、燃料ガス供給流路20を横断して、排ガス排出流路21と排気ガス室23が連通される。
排ガス排出流路21の下部には、燃焼触媒器60及びこれを加熱するためのヒーターであるシースヒーター61が配置されている。
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。
外側円筒容器70は、内側円筒容器68の周囲に配置される円形断面のカップ状の部材であり、内側円筒容器68との間にほぼ一定幅の円環状の流路が形成されるように、側面が内側円筒容器68と概ね相似形に形成されている。内側円筒容器68の外周面と、外側円筒容器70の内周面の間の円環状の空間は、酸化剤ガス供給流路22として機能する。また、外側円筒容器70の下部側面には、酸化剤ガス導入パイプ56が接続されており、酸化剤ガス供給流路22が酸化剤ガス導入パイプ56に連通される。
分散室底部材72は、概ね円形の皿状の部材であり、内側円筒部材64の内壁面にセラミック接着剤により気密的に固定される。これにより、第1固定部材63と分散室底部材72の間に、燃料ガス分散室76が構成される。また、分散室底部材72の中央には、バスバー80(図2)を挿通させるためのバスバー通路である挿通管72aが設けられている。各燃料電池セル16に電気的に接続されたバスバー80は、この挿通管72aを通して燃料電池セル収容容器8の外部に引き出される。また、挿通管72aには、セラミック接着剤が充填されることにより、バスバー80が固定され、燃料ガス分散室76の気密性が確保されている。また、セラミック接着剤は断熱性が高いため、燃料ガス分散室76から、挿通管72aを介した熱の流失も抑制することができる。
さらに、内側円筒部材64の内周面、分散室底部材72の底面、及び挿通管72aの外周面によって画定される円環状の空間は、排気ガス室23として利用される。即ち、排気ガス室23は、円環状の排ガス排出流路21及び燃料ガス供給流路20の内側で、燃料ガス分散室76に対して発電室10の反対側に位置するように設けられている。なお、本明細書において、「排ガス排出流路21の内側」とは、円環状の排ガス排出流路21を軸線方向に投影した投影面の中に排気ガス室23の少なくとも一部が存在することを意味する。「燃料ガス供給流路20の内側」についても同様である。この排気ガス室23には、その側面上部に排気ガス横断通路23aが接続され、排気ガスが導入される。また、排気ガス室23の底面には、排ガス排出パイプ58が接続され、この排ガス排出パイプ58を通して排気ガスが燃料電池モジュール2の外部へ排出される。
図2に示すように、内側円筒部材64の内周面、分散室底部材72の底面、及び挿通管72aの外周面によって画定される円環状の空間内には断熱材が配置されている。この断熱材は、燃料ガス分散室76(分散室底部材72の底面)に沿って配置された断熱材板状部73aと、この断熱材板状部73aから挿通管72aの周囲を取り囲むように延びる断熱材突出部73bから構成されている。このため、上記の円環状の空間のうち、断熱材板状部73a及び断熱材突出部73bによって占められた空間を除いた空間が排気ガス室23として機能する。これらの断熱材板状部73a及び断熱材突出部73bは、燃料ガス分散室76と排気ガス室23との間を断熱するように配置されている。なお、分散室底部材72は金属製であるため、その全体が燃料ガス分散室76内の温度と同程度まで温度上昇するが、挿通管72aの周囲にも断熱材突出部73bが配置されているため、分散室底部材72を介した排気ガス室23への熱の流出も抑制される。
また、排気ガス室23内には、断熱材突出部73bを取り囲むように、水添脱硫器である脱硫器36が配置されている。この脱硫器36は、排気ガス室23に導入される排気ガスにより、触媒作用が可能な温度に加熱される。
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。
燃料ガス分散室76内の圧力は燃料ブロア38の上流側の圧力よりも高いため、この圧力差により、改質された燃料ガスが燃料ガス分散室76から取り出される。オリフィス34は、燃料ガス分散室76から燃料ブロア38の上流側へ戻る流路に適度な流路抵抗を与え、適量の水素ガスが原燃料ガスに添加されるように調整されている。また、原燃料ガスへの水素の添加を行わないときは、電磁弁35が閉弁される。なお、燃料ガス分散室76から水素取出管92によって取り出される燃料ガス(水素ガス)には水蒸気が混入しているが、水素取出管92は比較的温度が高い排気ガス室23を通って引き出されているため、取り出された水蒸気が凝縮器33に到達する前に、管路内で凝縮されることはない。このため、燃料ガス分散室76から安定して水素ガスを取り出すことができる。
なお、図2に示すように、水素取出管92は、燃料ガス分散室76の底部で、即ち、断熱材板状部73aに近い側で、燃料ガス分散室76に連通されている。また、各燃料電池セル16は、燃料ガス分散室76の天井面で、即ち、発電室10に近い側で、燃料ガス分散室76に連通されている。このように、水素取出管92は各燃料電池セル16から十分に離れた位置に連通されているため、水素取出管92による燃料ガスの取り出しが、各燃料電池セル16への燃料ガスの流入に悪影響を与えることはない。従って、水素取出管92による燃料ガスの取り出しを行っても、各燃料電池セル16には均等に燃料ガスが流入し、燃料の供給ムラが発生することはない。
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。
脱硫器36の内部は、2枚のドーナツ型の仕切板によって、分散層、触媒層、及び集約層の3層に区切られている。上側の仕切板の上方の空間である分散層には、脱硫器流入管36cが接続されており、燃料ブロア38(図1)によって、脱硫器流入管36cを介して原燃料ガスが送り込まれる。
脱硫器流入管36cを介して導入された原燃料ガスは、分散層内で全周に分散され、仕切板に設けられた多数の小孔を通って触媒層に流入する。触媒層に流入した原燃料ガスは、そこに充填されている脱硫触媒に接触し、原燃料ガスに混入されている硫黄成分が除去される。このように、本実施形態においては、脱硫器36を円環状に形成することにより、原燃料ガスが脱硫触媒に接触して流れる流路を長くしている。これにより、硫黄成分の除去効率を向上させると共に、円環状の内側の空間もデッドスペースとせず、挿通管72aを挿入する空間として有効活用している。また、本実施形態において、脱硫器36は、原燃料ガス中の硫黄成分を触媒により水素と反応させる水素化脱硫方式による水添脱硫器である。
触媒層において硫黄成分が除去された原燃料ガスは、仕切板に設けられた多数の小孔を通って集約層に流入する。集約層に流入した原燃料ガスは、集約層に接続された脱硫器流出管36dを通って脱硫器36から流出する。脱硫器流出管36dは燃料ガス供給パイプ90に接続されており(図2)、脱硫器36を通過した原燃料ガスは、燃料ガス供給パイプ90を通って燃料ガス供給流路20に導入される。
一方、内側円筒容器68の天井面から垂下するように、発電用の空気を噴射するための、円形断面の酸化剤ガス噴射用パイプ74が取り付けられている。この酸化剤ガス噴射用パイプ74は、内側円筒容器68の中心軸線上を鉛直方向に延び、その周囲の同心円上に各燃料電池セル16が配置される。酸化剤ガス噴射用パイプ74の上端が内側円筒容器68の天井面に取り付けられることにより、内側円筒容器68と外側円筒容器70の間に形成されている酸化剤ガス供給流路22と酸化剤ガス噴射用パイプ74が連通される。酸化剤ガス供給流路22を介して供給された空気は、酸化剤ガス噴射用パイプ74の先端から下方に噴射され、第1固定部材63の上面に当たって、発電室10内全体に広がる。
燃料ガス分散室76は、第1固定部材63と分散室底部材72の間に構成される円筒形の気密性のあるチャンバーであり、その上面に各燃料電池セル16が林立されている。第1固定部材63の上面に取り付けられた各燃料電池セル16は、その内側の燃料極が、燃料ガス分散室76の内部と連通されている。各燃料電池セル16の下端部は、第1固定部材63の挿通穴63aを貫通して燃料ガス分散室76の内部に突出し、各燃料電池セル16は第1固定部材63に、接着により固定されている。
図2に示すように、内側円筒部材64には、第1固定部材63よりも下方に複数の小穴64bが設けられている。内側円筒部材64の外周と中間円筒部材65の内周の間の空間は、複数の小穴64bを介して燃料ガス分散室76内に連通されている。供給された燃料は、外側円筒部材66の内周と中間円筒部材65の外周の間の空間を一旦上昇した後、内側円筒部材64の外周と中間円筒部材65の内周の間の空間を下降し、複数の小穴64bを通って燃料ガス分散室76内に流入する。燃料ガス分散室76に流入した燃料は、燃料ガス分散室76の天井面(第1固定部材63)に取り付けられた各燃料電池セル16の燃料極に分配される。
さらに、燃料ガス分散室76内に突出している各燃料電池セル16の下端部は、燃料ガス分散室76内でバスバー80に電気的に接続され、挿通管72aを通して電力が外部に引き出される。バスバー80は、各燃料電池セル16により生成された電力を、燃料電池セル収容容器8の外部へ取り出すための細長い金属導体であり、碍子78を介して分散室底部材72の挿通管72aに固定されている。バスバー80は、燃料ガス分散室76の内部において、各燃料電池セル16に取り付けられた集電体82と電気的に接続されている。また、バスバー80は、燃料電池セル収容容器8の外部において、インバータ54(図1)に接続される。なお、集電体82は、排気集約室18内に突出している各燃料電池セル16の上端部にも取り付けられている(図4)。これら上端部及び下端部の集電体82により、複数の燃料電池セル16が電気的に並列に接続されると共に、並列に接続された複数組の燃料電池セル16が電気的に直列に接続され、この直列接続の両端が夫々バスバー80に接続される。
集電体82は、導電性金属(例えば、ニッケル,チタン等)からなる略円形の金属プレートであり、各燃料電池セル16の配置位置に対応して貫通孔が形成されている。各燃料電池セル16は、この貫通孔に挿入させることにより、集電体82に取り付けることができる。
次に、図4及び図5を参照して、排気集約室の構成を説明する。
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。
図5に示すように、内側円筒部材64の内壁面には、排気集約室18支持用の3つのステー64cが等間隔に取り付けられている。図4に示すように、各ステー64cは金属製の薄板を折り曲げた小片であり、排気集約室18を各ステー64cの上に載置することにより、排気集約室18は内側円筒部材64と同心円上に位置決めされる。これにより、排気集約室18の外周面と内側円筒部材64の内周面の間の隙間、及び排気集約室18の内周面と酸化剤ガス噴射用パイプ74の外周面との間の隙間は、全周で均一になる(図5)。
排気集約室18は、集約室上部材18a及び集約室下部材18bが気密的に接合されることにより構成されている。
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。
集約室下部材18bの周囲の壁の内周面と集約室上部材18aの外周面の間の隙間にはセラミック接着剤が充填され、硬化されており、この接合部の気密性が確保されている。また、この接合部に充填されたセラミック接着剤により形成されたセラミック接着剤層の上には、大径シールリング19aが配置され、セラミック接着剤層を覆っている。大径シールリング19aは円環状の薄板であり、セラミック接着剤の充填後、充填されたセラミック接着剤を覆うように配置され、接着剤の硬化により排気集約室18に固定される。
一方、集約室下部材18b中央の円筒部の外周面と、集約室上部材18a中央の開口部の縁の間にもセラミック接着剤が充填され、硬化されており、この接合部の気密性が確保されている。また、この接合部に充填されたセラミック接着剤により形成されたセラミック接着剤層の上には、小径シールリング19bが配置され、セラミック接着剤層を覆っている。小径シールリング19bは円環状の薄板であり、セラミック接着剤の充填後、充填されたセラミック接着剤を覆うように配置され、接着剤の硬化により排気集約室18に固定される。
集約室下部材18bの底面には複数の円形の挿通穴18cが設けられている。各挿通穴18cには燃料電池セル16の上端部が夫々挿通され、各燃料電池セル16は各挿通穴18cを貫通して延びている。各燃料電池セル16が貫通している集約室下部材18bの底面上にはセラミック接着剤が流し込まれ、これが硬化されることにより、各燃料電池セル16の外周と各挿通穴18cの間の隙間が気密的に充填されると共に、各燃料電池セル16が集約室下部材18bに固定されている。
さらに、集約室下部材18bの底面上に流し込まれたセラミック接着剤の上には、円形薄板状のカバー部材19cが配置され、セラミック接着剤の硬化により集約室下部材18bに固定されている。カバー部材19cには、集約室下部材18bの各挿通穴18cと同様の位置に複数の挿通穴が設けられており、各燃料電池セル16の上端部はセラミック接着剤の層及びカバー部材19cを貫通して延びている。
一方、集約室上部材18a上段の側面には、排気集約室18内に集約された燃料ガスを噴出させるための複数の噴出口18dが設けられている(図4)。各噴出口18dは、集約室上部材18a上段の側面に、等間隔に配置されている。図4に矢印で示すように、発電に使用されずに残った燃料は、各燃料電池セル16の上端から排気集約室18内に流出し、排気集約室18内で集約された燃料は各噴出口18dから流出し、そこで燃焼される。
また、集約室下部材18bの底面には、略円形の上面部(天板)120aの周縁部から下方に円筒状の側面部120bが延びる形状の、下方が開口したカップ状の包囲部材120が取り付けられている。包囲部材120の下方開口の周縁部は、集約室下部材18bの底面に溶接やセラミック接着剤等により、気密的に連結されている。上面部120aには、中央に略円形の貫通孔120cが形成されており、この貫通孔120cに集約室下部材18bの円筒部が挿入され、この円筒部に貫通孔120cが気密的に連結されている。さらに、包囲部材120の下方開口の周縁部には、周方向に数か所(本実施形態では4箇所)に、切欠き状の連通口120dが形成されている。
このような構成により、排気集約室18内は、包囲部材120と集約室下部材18bの底面との間のサブタンク室18Aと、サブタンク室18Aの外部空間であって噴出口18dに連通する連通空間18Bとに区画されている。サブタンク室18Aと連通空間18Bとは、連通口120dにより連通されている。したがって、燃料電池セル16の上端から流出した燃料オフガスは、一旦、サブタンク室18A内に貯留され、その後、サブタンク室18Aの下端部にある連通口120dを通って連通空間18B内へ押し出された後、上方へ移動して噴出口18dから流出する。
なお、連通口120dは、サブタンク室18Aの最下部に形成されているが、これに限らず、包囲部材120の側面部120b或いは上面部120aに貫通孔を設けて連通口を形成してもよい。しかしながら、連通口120dは、燃料電池セル16の上端の開口、更には集電体82より鉛直下方に位置することが好ましい。
また、複数の連通口120dは、その流路抵抗が、複数の噴出口18dの流路抵抗よりも大きくなるように寸法設計されており、よって、連通口120dによる圧力損失が噴出口18dによる圧力損失よりも大きくなっている。したがって、連通空間18Bから噴出口18dを通って発電室10内へのガスの移動よりも、サブタンク室18Aから連通口120dを通って連通空間18Bへのガスの移動の方が、移動又は流出し難くなっている(逆方向においても同じである)。
また、サブタンク室18A内において、各燃料電池セル16の上端部には集電体82が取り付けられている。集電体82は、燃料電池セル16の電極層に電気的に接続されており、本実施形態では、この電極層は燃料電池セル16を構成する管状の多孔質支持体の表面に順に積層された燃料極層,電解質層,空気極層のうち、最下層の燃料極層と同じ材料で形成されている。さらに、各燃料電池セル16の上端部には、複数の酸素吸着材130aが取り付けられている。酸素吸着材130aは、高温状態で酸化雰囲気において酸化し(即ち、空気中の酸素を吸着し)、還元雰囲気において水素により還元される(即ち、水素と反応して酸素を放出する)ものであり、集電体82と同じ部材とすることができる(例えば、ニッケル、チタン)。ただし、酸素吸着材130aは、燃料電池セル16の上端部において、空気極層を取り除いて露出した電解質層に取り付けられている。
さらに、連通空間18B内において、集約室上部材18aの側壁の内側面,包囲部材120の側面部120bの外側面に、それぞれ円筒状の酸素吸着材130b,130cが取り付けられている。また、包囲部材120の上面部120aの上面には、中央に貫通孔が形成された略円環形状の酸素吸着材130dが配置されている。この酸素吸着材130dは、周方向に配置された噴出口18dの近傍に沿って、これら噴出口18dに包囲されるように配置されている。これら酸素吸着材130b,130c,130dも、酸素吸着材130aと同様の材料で形成されている。
なお、サブタンク室18A及び連通空間18B内において、酸素吸着材をさらに別の位置に配置してもよい。また、酸素吸着材として、金属プレートの形状ではなく、粉体形状、多孔質形状等としてもよい。この場合、側壁等にセラミック接着剤等により固定することができる。
次に、図2を参照して、燃料供給源30から供給される原燃料ガスを改質するための構成について説明する。
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。
水供給パイプ88は内側円筒部材64の下端から燃料ガス供給流路20内に鉛直方向に延びるパイプであり、水流量調整ユニット28から供給された水蒸気改質用の水が、水供給パイプ88を介して蒸発部86に供給される。水供給パイプ88の上端は、傾斜板86aを貫通して傾斜板86aの上面側まで延び、傾斜板86aの上面側に供給された水は、傾斜板86aの上面と外側円筒部材66の内壁面の間に留まる。傾斜板86aの上面側に供給された水は、そこで蒸発され水蒸気が生成される。
また、蒸発部86の下方には、原燃料ガスを燃料ガス供給流路20内に導入するための燃料ガス導入部が設けられている。燃料ブロア38から送られた原燃料ガスは、脱硫器36及び燃料ガス供給パイプ90を介して燃料ガス供給流路20に導入される。燃料ガス供給パイプ90は内側円筒部材64の下端から燃料ガス供給流路20内に鉛直方向に延びるパイプである。また、燃料ガス供給パイプ90の上端は、傾斜板86aよりも下方に位置している。燃料ガス供給パイプ90から流出した原燃料ガスは、傾斜板86aの下側に導入され、傾斜板86aの傾斜により流路を絞られながら傾斜板86aの上側へ上昇する。傾斜板86aの上側へ上昇した原燃料ガスは、蒸発部86で生成された水蒸気と共に上昇しながら、十分に混合される。
さらに、中間円筒部材65の上部、内周側及び外周側の円環状の空間には、改質部94が設けられている。改質部94は、各燃料電池セル16の上部と、その上方の排気集約室18の周囲を取り囲むように配置されている。改質部94は、内側円筒部材64の外壁面及び中間円筒部材65の外壁面に取り付けられた触媒保持板(図示せず)と、これにより保持された改質触媒96によって構成されている。
原燃料ガスと水蒸気の混合ガスは、中間円筒部材65の外周と外側円筒部材66の内周の間の流路を上方に流れた後、折り返して、内側円筒部材64の外周と中間円筒部材65の内周の間の流路を下方に流れる。改質部94内に充填された改質触媒96に、混合された原燃料ガス及び水蒸気が接触すると、改質部94内においては、式(1)に示す水蒸気改質反応SRが進行する。
CmHn+xH2O → aCO2+bCO+cH2 (1)
この水蒸気改質反応SRにより、原燃料ガスは、水素が豊富に含まれる燃料ガスに改質される。改質部94において改質された燃料ガスは、中間円筒部材65の内周と内側円筒部材64の外周の間の空間を下方に流れ、燃料ガス分散室76に流入して、各燃料電池セル16に供給される。水蒸気改質反応SRは吸熱反応であるが、反応に要する熱は、排気集約室18から流出するオフガスの燃焼熱、及び各燃料電池セル16において発生する発電熱により供給される。
次に、図6を参照して、燃料電池セル16について説明する。
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。
図6(a)は、下端がカソードにされている燃料電池セル16の下端部を拡大して示す断面図であり、図6(b)は、下端がアノードにされている燃料電池セル16の下端部を拡大して示す断面図である。
図6に示すように、燃料電池セル16は、細長い円筒状の多孔質支持体97と、この多孔質支持体97の外側に横縞状に形成された複数の層から形成されている。多孔質支持体97の周囲には、内側から順に、燃料極層98、反応抑制層99、固体電解質層100、空気極層101が夫々横縞状に形成されている。このため、燃料ガス分散室76を介して供給された燃料ガスは、各燃料電池セル16の多孔質支持体97の内部を流れ、酸化剤ガス噴射用パイプ74から噴射された空気は、空気極層101の外側を流れる。燃料電池セル16上に形成された各単セル16aは、一組の燃料極層98、反応抑制層99、固体電解質層100、及び空気極層101から構成されている。1つの単セル16aの燃料極層98は、インターコネクタ層102を介して、隣接する単セル16aの空気極層101に電気的に接続されている。これにより、1本の燃料電池セル16上に形成された複数の単セル16aが、電気的に直列に接続される。
図6(a)に示すように、燃料電池セル16のカソード側端部には、多孔質支持体97の外周に電極層103aが形成され、この電極層103aの外側にリード膜層104aが形成されている。カソード側端部においては、端部に位置する単セル16aの空気極層101と電極層103aが、インターコネクタ層102により電気的に接続されている。これらの電極層103a及びリード膜層104aは、燃料電池セル16端部において第1固定部材63を貫通し、第1固定部材63よりも下方に突出するように形成されている。電極層103aは、リード膜層104aよりも下方まで形成されており、外部に露出された電極層103aに集電体82が電気的に接続されている。これにより、端部に位置する単セル16aの空気極層101がインターコネクタ層102、電極層103aを介して集電体82に接続され、図中の矢印のように電流が流れる。また、第1固定部材63の挿通穴63aの縁とリード膜層104aの間の隙間には、セラミック接着剤が充填されており、燃料電池セル16は、リード膜層104aの外周で第1固定部材63に固定される。
図6(b)に示すように、燃料電池セル16のアノード側端部においては、端部に位置する単セル16aの燃料極層98が延長されており、燃料極層98の延長部が電極層103bとして機能する。電極層103bの外側にはリード膜層104bが形成されている。これらの電極層103b及びリード膜層104bは、燃料電池セル16端部において第1固定部材63を貫通し、第1固定部材63よりも下方に突出するように形成されている。電極層103bは、リード膜層104bよりも下方まで形成されており、外部に露出された電極層103bに集電体82が電気的に接続されている。これにより、端部に位置する単セル16aの燃料極層98が、一体的に形成された電極層103bを介して集電体82に接続され、図中の矢印のように電流が流れる。また、第1固定部材63の挿通穴63aの縁とリード膜層104bの間の隙間には、セラミック接着剤が充填されており、燃料電池セル16は、リード膜層104bの外周で第1固定部材63に固定される。
図6(a)(b)においては、各燃料電池セル16の下端部の構成を説明したが、各燃料電池セル16の上端部における構成も同様である。なお、上端部においては、各燃料電池セル16は、排気集約室18の集約室下部材18bに固定されているが、固定部分の構成は下端部における第1固定部材63に対する固定と同様である。
次に、多孔質支持体97及び各層の構成を説明する。
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。
反応抑制層99は、本実施形態においては、セリウム系複合酸化物(LDC40。すなわち、40mol%のLa2O3−60mol%のCeO2)等により構成された薄膜であり、これにより、燃料極層98と固体電解質層100の間の化学反応を抑制している。
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。
空気極層101は、本実施形態においては、La0.6Sr0.4Co0.8Fe0.2O3の組成の粉末により構成された導電性の薄膜である。
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。
次に、図1及び図2を参照して、固体酸化物型燃料電池装置1の作用を説明する。
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。
燃料ガス分散室76に流入した燃料ガスは、燃料ガス分散室76の第1固定部材63に取り付けられた各燃料電池セル16の内側(燃料極側)を通って排気集約室18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、各燃料電池セル16の温度が十分に上昇しておらず、また、インバータ54への電力の取り出しも行われていないため、発電反応は発生しない。
排気集約室18に流入した燃料は、排気集約室18の噴出口18dから噴出される。噴出口18dから噴出された燃料は、点火ヒーター(図示せず)により点火され、そこで燃焼される。この燃焼により、排気集約室18の周囲に配置された改質部94が加熱される。また、燃焼により生成された排気ガスは、内側円筒部材64の上部に設けられた小穴64aを通って排ガス排出流路21に流入する。高温の排気ガスは、排ガス排出流路21内を下降し、その内側に設けられた燃料ガス供給流路20を流れる燃料、外側に設けられた酸化剤ガス供給流路22内を流れる発電用の空気を加熱する。さらに、排気ガスは、排ガス排出流路21内に配置された燃焼触媒器60を通ることにより一酸化炭素が除去される。一酸化炭素が除去された排気ガスは、排気ガス横断通路23aを通って半径方向内方に流れ、排気ガス室23に流入する。排気ガス室23に流入した排気ガスは、排気ガス室23内に配置された脱硫器36を加熱し、排ガス排出パイプ58を通って燃料電池モジュールから排出される。
排気ガス及びシースヒーター61により蒸発部86が加熱されると、蒸発部86に供給された水蒸気改質用の水が蒸発され、水蒸気が生成される。水蒸気改質用の水は、水流量調整ユニット28により、水供給パイプ88を介して燃料電池セル収容容器8内の蒸発部86に供給される。蒸発部86で生成された水蒸気と、燃料ガス供給パイプ90を介して供給された原燃料ガスは、燃料ガス供給流路20内で十分に混合される。
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。
混合された原燃料ガス及び水蒸気は、燃料ガス供給流路20内を上昇し、改質部94に流入する。改質部94の改質触媒96が改質可能な温度まで上昇している状態においては、原燃料ガス及び水蒸気の混合気が改質部94を通過する際、水蒸気改質反応が発生し、混合気が水素を多く含む燃料ガスに改質される。改質された燃料ガスは、小穴64bを通って燃料ガス分散室76に流入する。燃料ガス分散室76に流入した水素を豊富に含む燃料ガスは、各燃料電池セル16に流入する一方、一部が水素取出管92を通って燃料電池モジュール2の外へ取り出される。
取り出された燃料ガス(水素)は、補機ユニット4の凝縮器33に導入され、ここで、混合されている水蒸気が除去される。水蒸気が除去された燃料ガス(水素)は、オリフィス34、及び電磁弁35を通って、燃料ブロア38の上流側で原燃料ガスに添加される。水素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。排気ガス室23内の脱硫器36が排気ガスにより所定温度まで加熱された状態においては、原燃料ガス中の硫黄成分が、添加された水素と脱硫触媒により反応され、除去される。なお、本実施形態においては、脱硫器36内の脱硫触媒は、約200〜300℃に加熱された状態において触媒作用する。脱硫器36において硫黄成分を除去された原燃料ガスは、上述したように、燃料ガス供給パイプ90を通って燃料ガス供給流路20に流入する。
一方、燃料ガス分散室76から各燃料電池セル16に流入した改質された燃料ガスは、各燃料電池セル16の内部(燃料極側)を上昇する。なお、燃料ガス分散室76の小穴64bは、その周囲に多数設けられ、燃料ガス分散室76として十分な容積が確保されているため、改質された燃料は、燃料ガス分散室76内に突出している各燃料電池セル16に均等に流入する。
一方、空気流量調整ユニット45により供給された酸化剤ガスである空気は、酸化剤ガス導入パイプ56を介して酸化剤ガス供給流路22に流入する。酸化剤ガス供給流路22に流入した空気は、内側を流れる排気ガスにより加熱されながら酸化剤ガス供給流路22内を上昇する。酸化剤ガス供給流路22内を上昇した空気は、燃料電池セル収容容器8内の上端部で中央に集められ、酸化剤ガス供給流路22に連通された酸化剤ガス噴射用パイプ74に流入する。酸化剤ガス噴射用パイプ74に流入した空気は下端から発電室10内に噴射され、噴射された空気は第1固定部材63の上面に当たって発電室10内全体に広がる。発電室10内に流入した空気は、排気集約室18の外周壁と内側円筒部材64の内周壁の間の隙間、及び排気集約室18の内周壁と酸化剤ガス噴射用パイプ74の外周面の間の隙間を通って上昇する。
この際、各燃料電池セル16の外側(空気極側)を通って流れる空気の一部は発電反応に利用される。また、排気集約室18の上方に上昇した空気の一部は、排気集約室18の噴出口18dから噴出する燃料の燃焼に利用される。燃焼により生成された排気ガス、及び発電、燃焼に利用されずに残った空気は、小穴64aを通って排ガス排出流路21に流入する。排ガス排出流路21に流入した排気ガス及び空気は、燃焼触媒器60により一酸化炭素が除去された後、排出される。
このように、各燃料電池セル16が発電可能な温度である650℃程度まで上昇し、各燃料電池セル16の内側(燃料極側)に改質された燃料が流れ、外側(空気極側)に空気が流れると、化学反応により起電力が発生する。この状態において、燃料電池セル収容容器8から引き出されているバスバー80にインバータ54が接続されると、各燃料電池セル16から電力が取り出され、発電が行われる。
次に、図7及び図8を参照して、固体酸化物型燃料電池装置1における停止処理を時系列に沿って説明する。
図7は本発明の実施形態による固体酸化物型燃料電池装置1において、シャットダウン停止が実行された場合の停止挙動の一例を模式的に時系列で表したタイムチャートである。図8は、図7のシャットダウン停止直後の状態を拡大して示すタイムチャートである。
図8に示すタイムチャートの例では、時刻t101において、使用者により停止スイッチが操作され、停止前制御が開始されている。固体酸化物型燃料電池装置1の制御部(停止前処理回路)が以下の停止前制御を実行する。停止前制御においては、まず、燃料電池モジュール2による外部への出力が停止される。これにより、図8に細い一点鎖線で示すように、燃料電池モジュール2から取り出される電流、電力が急速に低下する。なお、停止前制御においては、燃料電池モジュール2から外部への電流出力は停止されるが、固体酸化物型燃料電池装置1の補機ユニット4を作動させるための一定の微弱な電流(1A程度)の取り出しは、所定期間に亘って継続される。このため、時刻t101において発電電流が大幅に低下した後も、停止前制御中においては燃料電池モジュール2から微弱な電流が取り出される。また、図8に破線で示すように、燃料電池モジュール2の出力電圧は、取り出される電流の低下と共に上昇する。このように、停止前制御中において、電力の取り出し量を制限し、微弱な電流を取り出しながら所定電力の発電を継続することにより、供給された燃料の一部が発電に使用されるため、発電に使用されずに残る余剰燃料の著しい増加が回避され、燃料電池モジュール2内の温度が低下される。
さらに、停止前制御においては、時刻t101の後、図8に点線で示す燃料供給量、及び細い実線で示す改質用の水の供給量が直線的に低下される。一方、太い一点鎖線で示す発電用の空気供給量は直線的に増加される。従って、停止前制御中においては、燃料電池モジュール2から取り出される電力に対応した量よりも多くの空気が供給される。このように、空気供給量を増加させることにより、改質部94から熱を奪い、燃料電池モジュール2内の温度上昇を抑制している。続いて、図8に示す例では、時刻t101から約20秒後の時刻t102において、燃料供給量及び水供給量が、燃料電池モジュール2から取り出されている微弱な電流に対応した供給量まで低下され、その後、低下された供給量が維持される。このように、停止前制御として、燃料供給量及び水供給量を低下させておくことにより、燃料供給の完全停止時に大流量の燃料が急激に停止されることによる燃料電池モジュール2内の気流の乱れや、燃料供給の完全停止後における大量の燃料の改質部94、燃料ガス分散室76内への残留を防止している。なお、時刻t101の後、燃料供給量を減少させ、空気供給量を増加させることにより、図8に太い実線で示す燃料電池モジュール2内の空気極側の空気の温度は低下される。しかしながら、燃料電池モジュール2を取り囲む断熱材7等には依然として大量の熱量が蓄積されている。また、停止前制御中においては、外部への電流出力は停止されているものの、燃料及び水の供給が継続されているため、発電用の空気の供給を継続しても、排気集約室18を介して各燃料電池セル16内部の燃料極側へ空気が進入することはない。従って、安全に空気の供給を継続することができる。
図8に示す例では、停止前制御が開始された時刻t101から約2分後の時刻t103において、燃料供給量及び改質用の水供給量がゼロにされ、燃料電池モジュール2からの取り出し電流もゼロにされ、シャットダウン停止されている。
また、図8に示す例では、時刻t103におけるシャットダウン停止後も、温度降下制御として、発電用空気の供給(ただし、発電は完全に停止されている)が継続されている(排熱、排気送風制御)。これにより、燃料電池モジュール2内(燃料電池セル16の空気極側)の空気、及びシャットダウン停止後に排気集約室18から流出した燃料オフガスが排出されるので、温度降下制御は排気工程として機能する。
本実施形態においては、時刻t103において燃料供給が完全に停止された後、時刻t104までの所定期間、大量の発電用空気の供給が継続されている。また、本実施形態においては、発電用の空気供給量は、停止前制御中に最大の空気供給量まで増加され、その後もこの空気供給量が維持される。なお、温度降下制御が実施される期間においては、排気集約室18,燃料電池セル16の燃料極側及び改質部94内に燃料が残存しており、排気集約室18及び燃料極側(各燃料電池セル16の内部)は依然として圧力が十分に高い状態にある。従って、温度降下制御が実施される所定期間においては、燃料供給が停止された状態で発電用の空気を供給しても、排気集約室18及び燃料極側に空気が進入することはない。
次に、燃料電池モジュール2内の温度が約300℃(燃料極の雰囲気酸化による酸化下限温度)まで低下した時刻t105において、固体酸化物型燃料電池装置1の制御部(シャットダウン停止回路)は冷却運転制御を開始させる。従って、時刻t104から時刻t105の間は、燃料電池モジュール2は自然放置により冷却される。一方、冷却運転制御においては、空気流量調整ユニット45が大流量で連続的に作動される。この時点では、シャットダウン停止から数時間(5〜6時間程度)が経過しており、排気集約室18、及び、各燃料電池セル16の燃料極側、空気極側ともほぼ大気圧まで低下し、空気極側の空気が排気集約室18を介して燃料極側に拡散することが可能となる。冷却運転制御において、燃料電池モジュール2内に大量の空気を送り込むことにより、燃料電池セル16を急速に冷却する。燃料電池セル16を冷却することにより、各燃料電池セル16の電解質層の温度が低下される。電解質層が失活性状態となるまで冷却されると、酸素イオンは電解質層を透過しなくなり、燃料極の電気化学的酸化のリスクがなくなる。なお、燃料電池セル16の空気極側に連続的に大流量で空気を送り込むことにより、排気集約室18を介して燃料電池セル16の燃料極側への空気の進入が発生し得る。しかしながら、空気が進入すると、空気極側と燃料極側の酸素分圧がほぼ等しくなるため、燃料極の電気化学的酸化のリスクは大幅に低下される。
さらに、燃料電池モジュール2内の温度が約150℃まで低下した時刻t106において、制御部(シャットダウン停止回路)はパージ用の空気流量調整ユニット46を作動させる。空気流量調整ユニット46が作動されることにより、改質部94、燃料ガス分散室76を介して、燃料電池セル16の燃料極側(各燃料電池セル16の内側)及び排気集約室18に空気が直接供給される。また、空気流量調整ユニット45による空気の供給もそのまま継続される。パージ用の空気流量調整ユニット46を作動させ、燃料極側に空気を直接供給することにより、改質部94、燃料ガス分散室76、各燃料電池セル16の内側等に残留している燃料、水蒸気等が排出される。これにより、空気極側と燃料極側の酸素分圧は完全に等しくなるため、仮に燃料電池セル16が局所的に温度が高い状態であっても、燃料極の電気化学的酸化のリスクが実質的にゼロになると共に、安全性を確保することができる。なお、パージ用の空気流量調整ユニット46による燃料極側への空気の供給は、空気流量調整ユニット45による発電室10内の強制空冷と同様に、燃料電池モジュール2内の温度約300℃から開始しても良い。また、パージ用の空気流量調整ユニット46によるパージを停止工程中に実行することに加えて、又は、停止工程中には実行せずに、次の起動工程において、特にその初期段階又は開始時に実行するようにしてもよい。
次に、図9を参照して、固体酸化物型燃料電池装置1における停止処理と燃料電池セル16の温度との関連について説明する。
本実施形態の固体酸化物型燃料電池装置1は、通常運転で発電を実行中には、燃料電池セル16が約650℃以上に保持されている。この状態で、停止スイッチが操作されると、停止前処理が行われた後、シャットダウン停止が実行される。
本実施形態では、燃料電池セル16の燃料極がニッケルを含んでおり、ニッケルの雰囲気酸化が発生し得る最低温度である酸化下限温度(300℃)に対して、これよりも高めにマージン分を含む酸化抑制温度Te(350℃)が設定されている。酸化抑制温度とは、燃料極が雰囲気酸化されるリスクが十分に低下される温度を意味している。燃料極が酸化されるリスクは、温度の低下と共に少しずつ減少して、やがてゼロになる。このため、燃料極の酸化下限温度よりも少し高い温度帯域の酸化抑制温度であっても、燃料極酸化のリスクを十分に低減することができる。
本実施形態では、燃料電池セル16の燃料極の触媒が活性状態となる下限温度である燃料極の活性下限温度Taは、酸化抑制温度Teよりも低い約290℃である。燃料極は、発電運転温度帯域から活性下限温度Taに低下するまでは、電解質層から酸素イオンを受け取って、受け取った酸素イオンを燃料(水素)と反応させて、水を生成すると共に、電子を放出することができる。しかしながら、燃料極は、活性下限温度Taよりも温度が低いときは、酸素イオンを受け取っても燃料と反応させて、発電反応を生じさせることはできない。
一方、電解質層が酸素イオンを空気極から燃料極へ透過可能な活性状態となる電解質の活性下限温度Tbは、燃料極の活性下限温度Taよりも低い約200℃である。電解質層は、発電運転温度帯域から活性下限温度Tbに低下するまでは、空気極から受け取った酸素イオンを燃料極へ透過可能である。しかしながら、電解質層は、活性下限温度Tbよりも温度が低くなると、空気極から酸素イオンを受け取っても、燃料極へ酸素イオンを透過させることはできない。
なお、空気極は、電解質層の活性下限温度Tb以上では、空気中の酸素を酸素イオンに変換可能な活性状態となっている。
図9に示すように、燃料極の活性下限温度Taと電解質の活性下限温度Tbの間の温度帯域Tcでは、電解質層は酸素イオンを燃料極へ透過可能な活性状態にあるが、燃料極は触媒活性が失われた失活状態にある。したがって、シャットダウン停止後、燃料電池セル16がこの温度帯域Tcにあるときは、燃料極には電解質層を通して酸素イオンが供給される。
温度帯域Tcでは、電解質層及び空気極は活性状態にあり、酸素イオンは空気極、電解質層を通して燃料極へ透過可能であるが、燃料極は触媒活性が失活状態にある。したがって燃料極は、供給された酸素イオンを燃料(水素)と反応させる通常の発電反応を生じさせることができない。
一方、燃料極はニッケルを含んでおり、ニッケルは酸化抑制温度Te(約350℃)以上の高温雰囲気では、空気中の酸素と反応して酸化ニッケルになり易いが、酸化抑制温度Teよりも低い温度帯域Tcでは、ニッケルは空気中の酸素とは反応しにくい状態にある。
しかしながら、温度帯域Tcにおいて、電解質層を通過した酸素イオンが燃料極に供給されると、燃料極中のニッケルは、電気化学的酸化反応により、酸素イオンと結びついて酸化ニッケルになり得る。この反応が生じると電子が放出される。したがって、上記の電気化学的酸化反応が起こると、通常の発電反応とは異なるメカニズムで電荷が生じる。
なお、燃料極が活性状態にある場合は、酸素イオンが燃料と結びつく通常の発電反応のみが起こり、酸素イオンがニッケルと結びつく非正常な反応は実質的に起きないと考えられる。
一方、シャットダウン停止後においては、燃料電池モジュール2からの電力の取り出しは停止されているため、電気化学的酸化反応により電荷が発生したとしても実質的に電流が流れることはないと考えられていた。しかしながら、本件発明者は、電力の取り出しが停止され、燃料極と空気極の間が電気的に非導通状態(開回路)とされていたとしても、局部的に微弱な電流が流れ得ることを見出した。
即ち、電気化学的酸化反応は、燃料極側と空気極側の酸素分圧の差に基づいて発生する。従って、燃料極側に多くの水素が残存している状態では、燃料極側の酸素分圧が低く、空気極側との酸素分圧の差が大きくなるため、電解質層を通して酸素イオンが流れやすくなる。従って、例えば、燃料電池セル16の上端部付近に空気が進入した場合、燃料電池セル16の上端部付近の酸素分圧の差は小さくなる。
このため、燃料電池セル16の下端部付近では多くの電気化学的酸化反応が発生することにより多量の電荷が生成され、上端部付近では相対的に生成される電荷が少なくなる。この結果、1本の燃料電池セル16の燃料極の中で電位差が生まれ、局部的な電荷の移動(微弱な電流)が発生する。このような局部電池現象による微弱な電流が流れると、ニッケルの電気化学的酸化反応が更に進行する。特に、燃料極側と空気極側の酸素分圧の差が大きい各燃料電池セル16の下端部付近に酸素イオンの流れが集中し、この部分で多くの電気化学的酸化反応が発生する。
電気化学的酸化反応により生成された酸化ニッケルは、発電運転中において燃料極側に供給される燃料(水素)により還元を受ける。このように、燃料極に含有されたニッケルが、停止及び起動とその後の運転により、電気化学的酸化・還元反応を生じると、燃料極は微構造及び体積に変化を生じる。
さらに、燃料電池モジュールの停止・起動が高頻度で繰り返されることに加え、停止及び起動工程において、特に長時間を要する停止工程において、ニッケルの電気化学的酸化反応が比較的長い時間起こる。
このように、燃料極の微構造及び体積の変化が生じると、電解質層に引張り応力がかかる。そして、長期的な使用により停止・起動が多数回繰り返され、電気化学的酸化・還元反応を受けるニッケルの累積量が増えていくと、局部電池現象による酸素イオンの流れが集中する各燃料電池セル16の下端部付近において、最終的に電解質層に微小なクラックが生じる。
このように、本発明者は、温度帯域Tcにおいて、燃料極が含有する特定の物質であるニッケルが電気化学的な酸化を受ける状態にあり、電気化学的に酸化し、その後の運転時に還元を受けると、燃料極の微構造及び体積に変化を生じ、電解質層に引張り応力を与え、最終的に電解質層に微小なクラックが生じて燃料電池セルを損傷させることを発見した。
本実施形態におけるシャットダウン停止では、温度降下制御の終了後において、燃料電池セル16又は発電室10の温度を測定する発電室温度センサの測定温度が、燃料極の酸化抑制温度Teよりも低い温度である300℃(燃料極の酸化下限温度)に低下するまで自然放置される。また、発電室10の温度が300℃に達すると、燃料極の雰囲気酸化のおそれがなくなるので、空気冷却を行うことが可能になる。そこで、空気流量調整ユニット45,46の作動による空気冷却を行うことにより、燃料電池モジュール2内の温度を急速に低下させることができる。この温度低下過程で、燃料電池セル16が、電解質の活性下限温度Tb未満へ急速冷却されるので、電気化学的酸化の発生が極めて抑制される。
次に、図10を参照して、固体酸化物型燃料電池装置1のシャットダウン停止後における排気集約室18の作用について説明する。
シャットダウン停止直後は、排気集約室18及び各燃料電池セル内部の燃料極側の圧力が、燃料電池セル外部の空気極側の圧力よりも高い状態が保持される。このため、排気集約室18及び各燃料電池セル16内に存在していた燃料ガスは、これらの外部の空気極側との圧力差に基づいて、空気極側に徐々に噴出される。したがって、燃料ガスは、排気集約室18の噴出口18dを通して噴出される。
また、各燃料電池セル16の空気極側に存在していた空気(及び噴出口18dから噴出した燃料ガス)は、空気極側の圧力(発電室内の圧力)と大気圧との圧力差に基づいて、燃料電池モジュールの外部に排出される。従って、シャットダウン停止の後、各燃料電池セルの燃料極側及び空気極側の圧力並びに排気集約室18内の圧力は、自然に低下する。
しかしながら、排気集約室18は、所定の流路抵抗を有する複数の噴出口18d、及び、更に大きな流路抵抗を有する連通口120dを備えているので、燃料供給及び発電が停止された後の燃料極側の圧力低下が、空気極側の圧力低下よりも緩やかにされ、シャットダウン停止後も長時間に亘って燃料が残存するように構成されている。
さらに、本実施形態では、連通口120dによる圧力損失が噴出口18dによる圧力損失よりも大きく設定されているので、シャットダウン停止後において、排気集約室18内の連通空間18Bよりもサブタンク室18Aの方が、内圧が高く維持されるように構成されている。
これにより、本実施形態では、シャットダウン停止後の自然放置期間中に、燃料電池セル16が少なくとも酸化抑制温度以下に低下するまで燃料極側に燃料ガスを残存させることにより、燃料極において雰囲気酸化が生じるリスクが抑制されている。
そして、本実施形態では、燃料電池セル16の温度が300℃に達すると、空気流量調整ユニット45による空気冷却が開始されることにより、燃料電池セル16が強制冷却され燃料極の電気化学的酸化を抑制しつつ、いずれの酸化反応も生じない温度帯域である再起動可能温度まで低下させることができる。
しかしながら、停止工程中において、特に自然放置中において、排気集約室18の内圧よりも空気極側の内圧の方が高くなったり、双方の内圧が所定期間よりも早期に等圧になったりするおそれがある。例えば、外部の天候の変化により、気圧が高くなるような場合や、何らかの原因により燃料供給流路よりも発電室10内の方が温度が高めに維持される場合が想定される。この場合、空気極側の空気が、排気集約室18を介して燃料極側へ拡散等により進入し、雰囲気酸化が発生してしまうおそれがある。
このように、空気が空気極側から排気集約室18内へ進入する場合、本実施形態では、図10に示すように、空気は、先ず噴出口18dを通って連通空間18B内に進入し、連通空間18B内を下方へ移動し、包囲部材120の下端に設けられた連通口120dを通ってサブタンク室18A内へ進入し、サブタンク室18A内を上方へ移動して、燃料電池セル16の上端に到達する。
本実施形態では、包囲部材120を排気集約室18内に設けたことにより、噴出口18dから燃料電池セル16の上端部に至る空気の進入経路が、直線的でなく、迂回されている。これにより、空気の進入経路を長くして、噴出口18dから進入した空気が、燃料電池セル16の上端部に到達する時間を遅らせることができる。
また、本実施形態では、空気よりも比重の軽い燃料ガス(水素)により充満されたサブタンク室18A内に、連通口120dを通って空気が進入したとしても、その空気はサブタンク室18Aの底部に溜まり、上方への移動が規制される。そして、進入した空気量が多くなるに連れて、サブタンク室18A内の空気層が徐々に厚くなり、空気層と燃料ガス層の境界面が上昇することになる。したがって、本実施形態では、空気と燃料ガスの境界面が燃料電池セル16の上端開口に到達するまで、空気が燃料電池セル16内の燃料極側に進入することを時間的に延長することができる。
また、本実施形態では、連通口120dが集電体82よりも鉛直下方に配置されているので、進入してきた空気がニッケル等の酸化反応可能な物質を含む集電体82に接触する時期を遅らせることができる。さらに、本実施形態では、集電体82が取り付けられた燃料電池セル16の電極層も、ニッケル等の酸化反応可能な物質を含むため、露出した電極層に進入してきた空気が接触する時期も遅らせることができる。これにより、停止工程中の高温状態において、集電体82及び電極層が雰囲気酸化されることによる性能劣化を抑制することができる。さらに、電極層の雰囲気酸化防止のために、空気を遮断する保護コーティングを電極層に対して行う必要がなくなるので、製造コストを低減することができる。
また、本実施形態では、連通口120dが包囲部材120の下端に設けられているので、連通口120dを通って進入した空気をサブタンク室18A内の底部に溜め易くしている。これにより、サブタンク室18Aの容積を必要以上に大きくしなくても、燃料電池セル16の上端部への空気の到達時期を十分に遅らせることができるので、包囲部材120を比較的小さく、コンパクトにすることが可能であり、装置全体の小型化に寄与する。
また、本実施形態では、連通空間18B内には酸素吸着材130b−130dが配置され、サブタンク室18A内には酸素吸着材130aが配置されている。これにより、噴出口18dから進入した空気は、先ず包囲部材120の上面部120a上に配置された酸素吸着材130dによって吸着される。酸素吸着材130dは、複数の噴出口18dに沿って、これらの近傍に設けられているため、噴出口18dでの燃料オフガスの燃焼熱により、発電中において他の部位よりも更に高温状態に維持される。このため、酸素吸着材130dを雰囲気酸化可能な状態に長期間保持できるので、進入した空気が酸素吸着材130d近傍を通過する際に、酸素吸着材130dによって酸素を取り込み易くすることが可能である。
次に、進入した空気は、連通空間18B内において、酸素吸着材130aよりも上流側(燃料ガスの流れ方向に対して)に配置された酸素吸着材130b,130cに接触し、これらにより酸素が吸着される。さらに、連通口120dを通ってサブタンク室18A内に進入した空気は、集電体82よりも鉛直下方に配置された複数の金属円板状の酸素吸着材130aと接触し、これらにより酸素が吸着される。さらに、集電体82によっても酸素が吸着され得る。なお、酸素を吸着して酸化した酸素吸着材130a−130dは、停止工程後の起動後に、燃料ガスによる還元雰囲気によって還元され、酸素を放出する。
このように、本実施形態では、排気集約室18内にサブタンク室18Aを設けたことによって、噴出口18dから燃料電池セル16の上端(下流側端部)に至る空気の進入を時間的に遅らせることができる。これにより、停止工程において、燃料電池セル16の温度が、燃料極の酸化下限温度又は酸化抑制温度以下に低下するまで、さらには、電気化学的酸化反応が生じる温度帯域以下に低下するまで、空気が燃料電池セル16内に進入することを規制し、燃料極の酸化及びこれに関連した燃料電池セル16の破損を抑制することができる。
また、本実施形態では、噴出口18dから燃料電池セル16の上端に至る経路内に酸素吸着材130a−130dを配置したことによって、進入してきた空気から酸素を除去して、酸素が含まれない若しくは酸素濃度が低下した空気のみを燃料極側へ進入させることができる。これにより、仮に空気が燃料極に接触したとしても、燃料極の酸化する程度を大幅に低減することが可能となる。
本実施形態では、排気集約室18に、サブタンク室18A及び/又は酸素吸着材130a−130dという構造的な酸化防止対策を施したことにより、制御的な酸化防止対策を実行することなく、燃料極の酸化に起因する燃料電池セル16の破損のリスクを大幅に低減することができる。