JP6394191B2 - 固体酸化物形燃料電池スタック、固体酸化物形燃料電池モジュールおよび固体酸化物形燃料電池システム - Google Patents
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Description
図1に示すように、固体酸化物形燃料電池システム1は、発電ユニット10および貯湯槽21を備えている。また、発電ユニット10は、固体酸化物形燃料電池モジュール11、熱交換器12、電力変換装置13、水タンク14および制御装置15を備えている。
図2に示すように、固体酸化物形燃料電池モジュール11は、固体酸化物形燃料電池スタック30、蒸発部40、改質部50および燃焼部60を備えている。
図2に示すように、固体酸化物形燃料電池スタック30は、セルバンドル群36、第一マニホールド37および第二マニホールド38を備えている。セルバンドル群36は、複数(本実施形態では、5つ)のセルバンドル35が直線状に並設されている。また、複数(5つ)のセルバンドル35の各々は、セル集合体32、第一ホルダ33および第二ホルダ34を備えている。さらに、図3に示すように、セル集合体32は、複数(本実施形態では、3つ)の固体酸化物形燃料電池筒状セル31,31,31が直線状に並設されている。以下、固体酸化物形燃料電池筒状セル31の構成から順に説明する。
蒸発部40は、固体酸化物形燃料電池スタック30の燃焼ガスにより加熱され、供給された改質水を蒸発させて水蒸気を生成するとともに供給された改質用原料を予熱する。蒸発部40は、生成された水蒸気と予熱された改質用原料を混合して改質部50に供給する。改質用原料としては天然ガス、LPガスなどの改質用気体原料、灯油、ガソリン、メタノールなどの改質用液体原料があり、本実施形態では、改質用原料は、天然ガスを用いている。
改質部50は、上述した燃焼ガスにより加熱されて水蒸気改質反応に必要な熱が供給されることで、蒸発部40から供給された水蒸気と改質用原料の混合ガスとから燃料である改質ガスを生成する。改質部50内には、触媒(例えば、RuまたはNi系の触媒)が充填されており、混合ガスが触媒によって反応し改質されて水素と一酸化炭素などを含んだガスが生成されている(いわゆる水蒸気改質反応)。
燃焼部60は、第二マニホールド38と、蒸発部40および改質部50との間に設けられている。燃焼部60は、セルバンドル群36からのアノードオフガス(燃料オフガス)とカソードオフガス(酸化剤オフガス)とが燃焼されて蒸発部40および改質部50を加熱する。
本発明は、上記し且つ図面に示した実施形態のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施することができる。例えば、セル集合体32を構成する固体酸化物形燃料電池筒状セル31の本数、セルバンドル群36を構成するセルバンドル35の数は、適宜、変更することができる。また、固体酸化物形燃料電池スタック30は、複数のセルバンドル群36を備えることもできる。
10:発電ユニット、
11:固体酸化物形燃料電池モジュール、12:熱交換器、13:電力変換装置、
14:水タンク、15:制御装置、16a:系統電源、16b:電源ライン、
21:貯湯槽、
30:固体酸化物形燃料電池スタック、
31:固体酸化物形燃料電池筒状セル、
31a:燃料極層、31a1:燃料極層被接続部、31b:電解質層、
31c:酸化剤ガス極層、31c1:酸化剤ガス極層被接続部、
31d:燃料流路、
32:セル集合体、32a:第一導電性ペースト、32b:第二導電性ペースト、
33:第一ホルダ、33a:第一本体部、33a1:底壁、
33a3:第一接触面、
33b:第一連通口部、33c:第一位置決め部材、33c1:第一貫通穴、
33d:第一緩衝部材、
34:第二ホルダ、34a:第二本体部、34a1:底壁、
34a3:第二接触面、
34b:第二連通口部、34c:第二位置決め部材、34c1:第二貫通穴、
34d:第二緩衝部材、
35:セルバンドル、
36:セルバンドル群、36a:導電性接着剤、36b:絶縁性接着剤、
37:第一マニホールド、37a:第一隔壁、37c:第一絶縁部材、
37d:第一シール部材、
38:第二マニホールド、38a:第二隔壁、38c:第二絶縁部材、
38d:第二シール部材、
40:蒸発部、
50:改質部、
60:燃焼部。
Claims (7)
- (1)(i)(a)筒状に形成され燃料が一端側から他端側に向けて流通する燃料極層と、前記燃料極層の外側に積層され酸化剤ガス雰囲気中に設けられる酸化剤ガス極層と、前記燃料極層と前記酸化剤ガス極層との間に形成された電解質層とを備え、(b)前記燃料極層の一方の端部側が露出するとともに前記燃料極層の他方の端部側が前記酸化剤ガス極層により覆われており、(c)前記燃料極層の前記他方の端部および前記燃料極層の前記他方の内壁面が前記電解質層と同じ材質で製膜されており、(d)前記燃料極層の前記一方の端部側の露出部に燃料極層被接続部が形成されるとともに前記酸化剤ガス極層の前記他方の端部側に酸化剤ガス極層被接続部が形成されている複数の固体酸化物形燃料電池筒状セルが直線状に並設されて電気的に並列接続されたセル集合体と、
(ii)有底筒状に形成され前記セル集合体の前記一方の端部側を覆うように収容して各前記燃料極層被接続部と電気的に接続された第一本体部と、前記第一本体部に設けられ各前記燃料極層内に形成された燃料流路の前記一方の端部側に連通する一つまたは複数の第一連通口部とを備えた第一ホルダと、
(iii)有底筒状に形成され前記セル集合体の前記他方の端部側を覆うように収容して各前記酸化剤ガス極層被接続部と電気的に接続された第二本体部と、前記第二本体部に設けられ各前記燃料流路の前記他方の端部側に連通する一つまたは複数の第二連通口部とを備えた第二ホルダと、
を備えた複数のセルバンドルの長手方向の取り付け向きが互いに同じ方向または逆方向となるように直線状に並設され、隣接する前記セルバンドルの各前記第一ホルダおよび各前記第二ホルダが導電性接着剤または絶縁性接着剤で固定されて、前記複数のセルバンドルを構成する複数の固体酸化物形燃料電池筒状セルが直列接続および並列接続のうちの少なくとも並列接続により電気的に接続されたセルバンドル群と、
(2)前記セルバンドル群の前記一端側に設けられ、前記一端側の各前記第一連通口部および各前記第二連通口部のうちの少なくとも各前記第一連通口部が電気的な絶縁性を備える第一絶縁部材を貫通しており、前記第一絶縁部材を貫通している各前記連通口部を介して前記セル集合体に前記燃料を供給する第一マニホールドと、
(3)前記セルバンドル群の前記他端側に設けられ、前記他端側の各前記第一連通口部および各前記第二連通口部のうちの少なくとも各前記第二連通口部が電気的な絶縁性を備える第二絶縁部材を貫通しており、前記第二絶縁部材を貫通している各前記連通口部を介して前記セルバンドル群から排出された燃料オフガスを回収し、前記燃料オフガスと酸化剤オフガスとを燃焼部に導出する第二マニホールドと、
を備え、
各前記セル集合体を構成する前記複数の固体酸化物形燃料電池筒状セルは、隣接する前記燃料極層同士が導電性を備える第一導電性ペーストによって固定されるとともに電気的に接続され、隣接する前記酸化剤ガス極層同士が前記第一導電性ペーストと比べて多孔質な第二導電性ペーストによって固定されるとともに電気的に接続されている固体酸化物形燃料電池スタック。 - 前記第一ホルダは、平板状に形成され前記セル集合体の前記一方の端部側をまとめて貫通可能な長穴状に形成された第一貫通穴を備え、前記第一本体部内において前記セル集合体の前記一方の端部側を位置決めする第一位置決め部材をさらに備え、
前記第二ホルダは、平板状に形成され前記セル集合体の前記他方の端部側をまとめて貫通可能な長穴状に形成された第二貫通穴を備え、前記第二本体部内において前記セル集合体の前記他方の端部側を位置決めする第二位置決め部材をさらに備えている請求項1に記載の固体酸化物形燃料電池スタック。 - 前記第一ホルダは、前記セル集合体の前記一方の端部と、前記第一本体部の底壁との間に介在して、前記セル集合体の前記一方の端部側に生じる熱応力を緩和する第一緩衝部材をさらに備え、
前記第二ホルダは、前記セル集合体の前記他方の端部と、前記第二本体部の底壁との間に介在して、前記セル集合体の前記他方の端部側に生じる熱応力を緩和する第二緩衝部材をさらに備えている請求項1または2に記載の固体酸化物形燃料電池スタック。 - 各前記第一本体部は、隣接する他の前記セルバンドルの前記第二本体部または前記第一本体部と面接触可能で、かつ、互いに平行に形成された一対の第一接触面を備え、
各前記第二本体部は、隣接する他の前記セルバンドルの前記第一本体部または前記第二本体部と面接触可能で、かつ、互いに平行に形成された一対の第二接触面を備えている請求項1〜3のいずれか一項に記載の固体酸化物形燃料電池スタック。 - 前記第一絶縁部材は、ガラス系の第一シール部材によって挟まれており、前記第一マニホールドと前記セルバンドル群との間を電気的に絶縁し、
前記第一シール部材は、前記第一絶縁部材を貫通している各前記連通口部と、前記第一絶縁部材との間に介在して、前記第一絶縁部材を貫通している各前記連通口部と前記第一絶縁部材との間を通って前記燃料が前記セルバンドル群側へ流出することを抑制し、
前記第二絶縁部材は、ガラス系の第二シール部材によって挟まれており、前記第二マニホールドと前記セルバンドル群との間を電気的に絶縁し、
前記第二シール部材は、前記第二絶縁部材を貫通している各前記連通口部と、前記第二絶縁部材との間に介在して、前記第二絶縁部材を貫通している各前記連通口部と前記第二絶縁部材との間を通って前記燃料オフガスが前記セルバンドル群側へ逆流することを抑制する請求項1〜4のいずれか一項に記載の固体酸化物形燃料電池スタック。 - 請求項1〜5のいずれか一項に記載の固体酸化物形燃料電池スタックと、
前記固体酸化物形燃料電池スタックの燃焼ガスにより加熱され、供給された改質水を蒸発させて水蒸気を生成するとともに供給された改質用原料を予熱する蒸発部と、
前記蒸発部から供給された前記水蒸気と前記改質用原料の混合ガスとから前記燃料である改質ガスを生成する改質部と、
を備えている固体酸化物形燃料電池モジュール。 - 発電ユニットと、
貯湯水を貯湯する貯湯槽と、
を備えている固体酸化物形燃料電池システムであって、
前記発電ユニットは、
請求項6に記載の固体酸化物形燃料電池モジュールと、
前記固体酸化物形燃料電池モジュールから排気される燃焼排ガスと前記貯湯槽から供給される前記貯湯水との間で熱交換を行い、前記燃焼排ガスを凝縮して凝縮水を排出する熱交換器と、
前記熱交換器から排出される前記凝縮水を純水化する水タンクと、
補機を駆動して前記固体酸化物形燃料電池システムの運転を制御する制御装置と、
少なくとも前記固体酸化物形燃料電池モジュールから出力される直流電力を交流電力に変換して交流の系統電源に接続されている電源ラインに出力する電力変換装置と、
を備えている固体酸化物形燃料電池システム。
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