JP6932515B2 - 燃料電池および複合発電システムならびにその運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば固体酸化物形燃料電池とされた燃料電池およびこれを備えた複合発電システムならびに燃料電池の運転方法に関するものである。

燃料ガスと酸化性ガスとを化学反応させることにより発電する燃料電池が知られている。このうち、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）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、都市ガス、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。このような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、用途の広い高効率な高温型燃料電池として知られている。このようなＳＯＦＣは、例えばマイクロガスタービン（以下「ＭＧＴ」という。）等の内燃機関と組み合わせて複合発電システムを構成することができる。複合発電システムは、圧縮機から吐出される圧縮空気をＳＯＦＣの空気極に供給するとともに、ＳＯＦＣから排出される高温の排燃料ガスを、ブロワを介してＭＧＴの燃焼器に供給して燃焼させ、燃焼器で発生した燃焼ガスでタービンを回転させることで、発電効率の高い発電が可能とされている。

ＳＯＦＣの発電時には、燃料電池膜が形成された発電部が発熱する。発電部は、発電効率や耐久性等の観点に基づいて、予め設定された温度範囲で発電を行うのが好ましい。このため、例えば特許文献１には、カートリッジを収容する圧力容器内で、ＳＯＦＣの発電部を有するカートリッジの内部空間とカートリッジの外部空間とを接続する流路と、この流路を通る酸化性ガス（空気）の流量を調整する流量調整装置と、を備える構成が開示されている。この構成により、カートリッジの温度に応じて、カートリッジの内部空間から外部空間に流出させる酸化性ガスの流量を調整し、カートリッジの温度を適切な温度範囲内に維持している。

特開２０１６−９１９６８号公報

カートリッジは、内部流路を有する基体管の外周に燃料電池膜が形成された複数のセルスタックが並列配置されたセルスタック群を備えている。セルスタック群の発熱密度が高いため、セルスタック群の外周では外部に対して放熱する一方で、セルスタック群の内部では酸化性ガスによる冷却が十分ではなく、セルスタック温度が上昇する可能性がある。そのため、特許文献１のようにカートリッジの外周側に流れる酸化性ガスの流量を調整したとしても、セルスタック群が最高温度を示す中央近傍に酸化性ガスが十分に到達しないため冷却されず、セルスタック群の面内方向もしくは高さ方向の温度分布が拡大する可能性がある。温度分布が拡大すると、セルスタックごとに発電出力が異なるため、燃料電池全体としての発電性能が低下するという問題がある。
また、セルスタック群の内部まで酸化性ガスが十分に到達しない場合には、酸素欠乏による燃料電池膜の破損というリスクもある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、複数のセルスタックを有するセルスタック群の温度分布を均一化することができる燃料電池およびこれを備えた複合発電システムならびに燃料電池の運転方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の燃料電池およびこれを備えた複合発電システムならびに燃料電池の運転方法は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかる燃料電池は、内部流路を有する基体管の外周に燃料電池膜が形成された複数のセルスタックが並列配置されたセルスタック群と、前記内部流路に燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、各前記セルスタックの外周に沿って該セルスタックの長手方向に酸化性ガスを供給する第１酸化性ガス供給部と、前記セルスタック群の側方から前記長手方向に対して交差する方向に酸化性ガスを供給して該セルスタック群の内部まで該酸化性ガスを到達させる第２酸化性ガス供給部とを備え、前記第２酸化性ガス供給部は、前記第１酸化性ガス供給部に酸化性ガスを導く共通の酸化性ガス供給管に接続された第２酸化性ガス供給配管から酸化性ガスが供給される。

外周に燃料電池膜が形成された基体管の内部に燃料ガス供給部から燃料ガスを供給するとともに、各セルスタックの外周に沿ってセルスタックの長手方向に第１酸化性ガス供給部から酸化性ガスを供給することにより発電が行われる。複数のセルスタックが並列配置されたセルスタック群とされているので、セルスタック群の外周は外部に対して放熱する一方で、セルスタック群の内部は冷却が十分ではなく、セルスタック温度が高温化する可能性がある。そこで、第２酸化性ガス供給部によって、セルスタック群の側方から長手方向に対して交差する方向に酸化性ガスを供給することとした。これにより、側方から供給した酸化性ガスをセルスタック群の内部にまで到達させることができ、内部の冷却を促進させてセルスタック群の温度分布を均一化することができる。
なお、セルスタックの長手方向とは、セルスタックがパイプ状である場合にはセルスタックの軸方向を示す。

さらに、本発明の燃料電池によれば、前記第２酸化性ガス供給部は、前記長手方向における中央領域に向けて酸化性ガスを供給する。

セルスタックの長手方向における中央領域に向けて酸化性ガスを供給することにより、燃料電池の発熱反応によって温度が上昇する可能性のあるセルスタック群の内部にまで酸化性ガスを到達させ冷却することができる。これにより、セルスタック群の面内方向もしくは高さ方向の温度分布を均一化することができる。
なお、中央領域とは、例えば、セルスタックの発電領域の長手方向において３割から７割程度の最高温度を示す領域を意味する。
また、セルスタックの長手方向における複数箇所から酸化性ガスを供給するようにしてもよい。

さらに、本発明の燃料電池によれば、前記第２酸化性ガス供給部は、前記セルスタック群を挟んで対向するように酸化性ガスを供給する。

セルスタック群を挟んで対向するように酸化性ガスを供給することにより、セルスタック群の内部で対向する両方向から供給された酸化性ガスが衝突して旋回する流れを生じさせることができる。これにより、酸化性ガスの流れがセルスタック群の全体に及び、均一に冷却することで、より温度分布を均一化することができる。

さらに、本発明の燃料電池によれば、前記第２酸化性ガス供給部は、前記長手方向に対して直交する面内で、両側部よりも中央部の方が高流速となるように酸化性ガスを供給する。

セルスタックの長手方向に対して略直交する面内で、両側部よりも中央部の方が高流速となるように酸化性ガスを供給することにより、燃料電池の発熱反応によって温度が上昇するセルスタック群の中央近傍まで効果的に酸化性ガスを到達させ冷却することができる。

さらに、本発明の燃料電池によれば、前記第２酸化性ガス供給部は、前記長手方向に対して直交するように面内方向に前記セルスタック群の中心に対してオフセットさせた方向に酸化性ガスを供給する。

セルスタックの長手方向に対して直交する面内のセルスタック群の中心に対してオフセットさせた方向に酸化性ガスを供給することにより、酸化性ガスの流れを同面内で旋回させることができる。これにより、酸化性ガスの流れが同面内の全体に及び、より温度分布を均一化することができる。

さらに、本発明の燃料電池によれば、前記第２酸化性ガス供給部は、前記長手方向に対して傾斜する方向に向けて酸化性ガスを供給する。

セルスタックの長手方向に対して傾斜する方向に向けて酸化性ガスを供給することにより、酸化性ガスの流れをセルスタックに直交する方向だけでなく長手方向にわたって形成することができる。これにより、酸化性ガスの流れがセルスタックの長手方向にも及び、より温度分布を均一化することができる。

さらに、本発明の燃料電池は、前記セルスタック群の内部の温度を計測する温度センサと、該温度センサから得られた計測値に基づいて、前記第２酸化性ガス供給部から供給される酸化性ガスの流量を制御する制御部とを備えている。

セルスタック群の内部の温度に基づいて酸化性ガスの流量を調整することによって、温度分布を均一化し、カートリッジ出力を向上することができる。

さらに、本発明の燃料電池によれば、前記セルスタック群の側周囲を覆う断熱側壁部を備え、前記第２酸化性ガス供給部は、前記断熱側壁部から酸化性ガスを供給する。

断熱側壁部によってセルスタック群の側周囲が覆われることによって、酸化性ガスは断熱側壁部で覆われた内部を流通する。そして、断熱壁部から酸化性ガスを供給することで、セルスタック群を側方から冷却することができる。

また、本発明の複合発電システムは、上記のいずれかに記載の燃料電池と、前記燃料電池から排気される排燃料ガスと排酸化性ガスとを用いて回転動力を生成するガスタービンと、該ガスタービンの回転動力によって駆動されて発電する発電機とを備えている。

また、本発明の燃料電池の運転方法は、内部流路を有する基体管の外周に燃料電池膜が形成された複数のセルスタックが並列配置されたセルスタック群を備えた燃料電池の運転方法であって、前記内部流路に燃料ガスを供給する燃料ガス供給工程と、各前記セルスタックの外周に沿って該セルスタックの長手方向に酸化性ガスを供給する第１酸化性ガス供給工程と、前記セルスタック群の側方から前記長手方向に対して交差する方向に酸化性ガスを供給して該セルスタック群の内部まで該酸化性ガスを到達させる第２酸化性ガス供給工程とを有し、前記第２酸化性ガス供給工程では、前記第１酸化性ガス供給工程で用いる酸化性ガスを導く共通の酸化性ガス供給管から導かれた酸化性ガスを供給する。

セルスタック群の側方から酸化性ガスを供給し、セルスタックが高温となる領域に直接低温の酸化性ガスを供給するため、セルスタック群の温度分布を均一化することができる。

本発明の一実施形態に係るセルスタックを部分拡大して示した縦断面図である。 本発明の一実施形態に係るＳＯＦＣモジュールを示した斜視図である。 本発明の一実施形態に係るＳＯＦＣカートリッジを示した縦断面図である。 セルスタック群への酸化性ガスの供給方法を示した概略縦断面図である。 断熱側壁部に噴出ダクトを設置した状態を示した要部拡大縦断面図である。 噴出ダクトを示した斜視図である。 セルスタック群に酸化性ガスを供給する様子を示した横断面図である。 図７の変形例を示した水平方向の断面図である。 図５の変形例を示した高さ方向の断面図である。 図９の変形例としての噴出ダクトを示した高さ方向の断面図である。

以下に、本発明にかかる一実施形態について、図面を参照して説明する。
以下においては、説明の便宜上、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。

［セルスタックの構造］
図１に示されているように、セルスタック１０１は、円筒形状の基体管１０３と、基体管１０３の外周面に複数形成された燃料電池セル１０５と、隣り合う燃料電池セル１０５の間に形成されたインターコネクタ１０７とを有する。燃料電池セル１０５は、燃料極１０９と固体電解質１１１と空気極１１３とが積層して形成されている。また、セルスタック１０１は、基体管１０３の外周面に形成された複数の燃料電池セル１０５の内、基体管１０３の軸方向において最も端に形成された燃料電池セル１０５の空気極１１３に、インターコネクタ１０７を介して電気的に接続されたリード膜１１５を有する。

基体管１０３は、多孔質材料からなり、例えば、ＣａＯ安定化ＺｒＯ_２（ＣＳＺ）、又はＹ_２Ｏ_３安定化ＺｒＯ₂（ＹＳＺ）、又はＭｇＡｌ_２Ｏ_４とされる。この基体管１０３は、燃料電池セル１０５とインターコネクタ１０７とリード膜１１５とを支持すると共に、基体管１０３の内周面に供給される燃料ガスを基体管１０３の細孔を介して基体管１０３の外周面に形成される燃料極１０９に拡散させるものである。

燃料極１０９は、Ｎｉとジルコニア系電解質材料との複合材の酸化物で構成され、例えば、Ｎｉ／ＹＳＺが用いられる。この場合、燃料極１０９は、燃料極１０９の成分であるＮｉが燃料ガスに対して触媒作用を有する。この触媒作用は、基体管１０３を介して供給された燃料ガス、例えば、メタン（ＣＨ_４）と水蒸気との混合ガスを反応させ、水素（Ｈ_２）と一酸化炭素（ＣＯ）に改質するものである。また、燃料極１０９は、改質により得られる水素（Ｈ_２）及び一酸化炭素（ＣＯ）と、固体電解質１１１を介して供給される酸素イオン（Ｏ^２−）とを固体電解質１１１との界面付近において電気化学的に反応させて水（Ｈ_２Ｏ）及び二酸化炭素（ＣＯ_２）を生成するものである。なお、燃料電池セル１０５は、この時、酸素イオンから放出される電子によって発電する。

固体電解質１１１は、ガスを通しにくい気密性と、高温で高い酸素イオン導電性とを有するＹＳＺが主として用いられる。この固体電解質１１１は、空気極で生成される酸素イオン（Ｏ^２−）を燃料極に移動させるものである。

空気極１１３は、例えば、ＬａＳｒＭｎＯ_３系酸化物、又はＬａＣｏＯ_３系酸化物で構成される。この空気極１１３は、固体電解質１１１との界面付近において、供給される空気等の酸化性ガス中の酸素を解離させて酸素イオン（Ｏ^２−）を生成するものである。

インターコネクタ１０７は、ＳｒＴｉＯ_３系などのＭ_１−ｘＬ_ｘＴｉＯ_３（Ｍはアルカリ土類金属元素、Ｌはランタノイド元素）で表される導電性ペロブスカイト型酸化物から構成され、燃料ガスと酸化性ガスとが混合しないように緻密な膜となっている。また、インターコネクタ１０７は、酸化雰囲気と還元雰囲気との両雰囲気下で安定した電気導電性を有する。このインターコネクタ１０７は、隣り合う燃料電池セル１０５において、一方の燃料電池セル１０５の空気極１１３と他方の燃料電池セル１０５の燃料極１０９とを電気的に接続し、隣り合う燃料電池セル１０５同士を直列に接続するものである。リード膜１１５は、電子伝導性を有すること、及びセルスタック１０１を構成する他の材料との熱膨張係数が近いことが必要であることから、Ｎｉ／ＹＳＺ等のＮｉとジルコニア系電解質材料との複合材で構成されている。このリード膜１１５は、インターコネクタにより直列に接続される複数の燃料電池セル１０５で発電された直流電力をセルスタック１０１の端部付近まで導出するものである。

［ＳＯＦＣモジュールの構成］
図２と図３とを用いて、ＳＯＦＣモジュール及びＳＯＦＣカートリッジについて説明する。図２には、ＳＯＦＣモジュールが示されており、図３には、ＳＯＦＣカートリッジが示されている。

図２に示すように、ＳＯＦＣモジュール（燃料電池）２０１は、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３と、これら複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３を収納する圧力容器２０５とを有する。また、ＳＯＦＣモジュール２０１は、燃料ガス供給管２０７と複数の燃料ガス供給枝管２０７ａとを有する。またＳＯＦＣモジュール２０１は、燃料ガス排出管２０９と複数の燃料ガス排出枝管２０９ａとを有する。また、ＳＯＦＣモジュール２０１は、酸化性ガス供給管（不図示）と酸化性ガス供給枝管（不図示）とを有する。また、ＳＯＦＣモジュール２０１は、酸化性ガス排出管（不図示）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２０７は、圧力容器２０５の外部に設けられ、ＳＯＦＣモジュール２０１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燃料ガス供給部に接続されると共に、複数の燃料ガス供給枝管２０７ａに接続されている。この燃料ガス供給管２０７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２０７ａに分岐して導くものである。また、燃料ガス供給枝管２０７ａは、燃料ガス供給管２０７に接続されると共に、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３に接続されている。この燃料ガス供給枝管２０７ａは、燃料ガス供給管２０７から供給される燃料ガスを複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３に略均等の流量で導き、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３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２０９ａは、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３に接続されると共に、燃料ガス排出管２０９に接続されている。この燃料ガス排出枝管２０９ａは、ＳＯＦＣカートリッジ２０３から排出される排燃料ガスを燃料ガス排出管２０９に導くものである。また、燃料ガス排出管２０９は、複数の燃料ガス排出枝管２０９ａに接続されると共に、一部が圧力容器２０５の外部に配置されている。この燃料ガス排出管２０９は、燃料ガス排出枝管２０９ａから略均等の流量で導出される排燃料ガスを圧力容器２０５の外部に導くものである。

圧力容器２０５は、内部の圧力が０．１ＭＰａ〜約１ＭＰa、内部の温度が大気温度〜約５５０℃で運用されるので、耐力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。例えばＳＵＳ３０４などのステンレス系材が好適である。

ここで、本実施形態においては、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３が集合化されて圧力容器２０５に収納される形態について説明しているが、これに限られず例えば、ＳＯＦＣカートリッジ２０３が集合化されずに圧力容器２０５内に収納される形態とすることもできる。

ＳＯＦＣカートリッジ２０３は、図３に示すように、複数のセルスタック１０１と、発電室２１５と、燃料ガス供給室２１７と、燃料ガス排出室２１９と、酸化性ガス供給室（第１酸化性ガス供給部）２２１と、酸化性ガス排出室２２３とを有する。また、ＳＯＦＣカートリッジ２０３は、上部管板２２５ａと、下部管板２２５ｂと、上部断熱体２２７ａと、下部断熱体２２７ｂとを有する。なお、本実施形態においては、ＳＯＦＣカートリッジ２０３は、燃料ガス供給室２１７と燃料ガス排出室２１９と酸化性ガス供給室２２１と酸化性ガス排出室２２３とが図３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１０１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ようにしても良い。

発電室２１５は、上部断熱体２２７ａと下部断熱体２２７ｂとの間に形成された領域である。この発電室２１５は、セルスタック１０１の燃料電池セル１０５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２１５のセルスタック１０１長手方向の中央部付近での温度は、ＳＯＦＣモジュール２０１の定常運転時に、およそ７００℃〜１１００℃の高温雰囲気となる。

燃料ガス供給室２１７は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の上部ケーシング２２９ａと上部管板２２５ａとに囲まれた領域である。また、燃料ガス供給室２１７は、上部ケーシング２２９ａに備えられた燃料ガス供給孔２３１ａによって、燃料ガス供給枝管２０７ａと連通されている。また、燃料ガス供給室２１７には、セルスタック１０１の一方の端部が、セルスタック１０１の基体管１０３の内部が燃料ガス排出室２１９に対して開放して配置されている。この燃料ガス供給室２１７は、燃料ガス供給枝管２０７ａから燃料ガス供給孔２３１ａを介して供給される燃料ガスを、複数のセルスタック１０１の基体管１０３の内部に略均一流量で導き、複数のセルスタック１０１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２１９は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の下部ケーシング２２９ｂと下部管板２２５ｂとに囲まれた領域である。また、燃料ガス排出室２１９は、下部ケーシング２２９ｂに備えられた燃料ガス排出孔２３１ｂによって、燃料ガス排出枝管２０９ａと連通されている。また、燃料ガス排出室２１９には、セルスタック１０１の他方の端部が、セルスタック１０１の基体管１０３の内部が燃料ガス排出室２１９に対して開放して配置されている。この燃料ガス排出室２１９は、複数のセルスタック１０１の基体管１０３の内部を通過して燃料ガス排出室２１９に供給される排燃料ガスを集約して、燃料ガス排出孔２３１ｂを介して燃料ガス排出枝管２０９ａに導くものである。

ＳＯＦＣモジュール２０１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２０３へ供給する。酸化性ガス供給室２２１は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の下部ケーシング２２９ｂと下部管板２２５ｂと下部断熱体２２７ｂとに囲まれた領域である。また、酸化性ガス供給室２２１は、下部ケーシング２２９ｂに備えられた酸化性ガス供給孔２３３ａ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２２１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２３３ａ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（第１酸化性ガス供給部）２３５ａを介して発電室２１５に導くものである。このように、酸化性ガスは、各セルスタック１０１の外周に沿って長手方向（図２において上下方向）に供給されることになる。

酸化性ガス排出室２２３は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の上部ケーシング２２９ａと上部管板２２５ａと上部断熱体２２７ａとに囲まれた領域である。また、酸化性ガス排出室２２３は、上部ケーシング２２９ａに備えられた酸化性ガス排出孔２３３ｂ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２２３は、発電室２１５から、後述する酸化性ガス排出隙間２３５ｂを介して酸化性ガス排出室２２３に供給される排酸化性ガスを、酸化性ガス排出孔２３３ｂ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２２５ａは、上部ケーシング２２９ａの天板と上部断熱体２２７ａとの間に、上部管板２２５ａと上部ケーシング２２９ａの天板と上部断熱体２２７ａとが略平行になるように、上部ケーシング２２９ａの側板に固定されている。また上部管板２２５ａは、ＳＯＦＣカートリッジ２０３に備えられるセルスタック１０１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１０１がそれぞれ挿入されている。この上部管板２２５ａは、複数のセルスタック１０１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２１７と酸化性ガス排出室２２３とを隔離するものである。

下部管板２２５ｂは、下部ケーシング２２９ｂの底板と下部断熱体２２７ｂとの間に、下部管板２２５ｂと下部ケーシング２２９ｂの底板と下部断熱体２２７ｂとが略平行になるように下部ケーシング２２９ｂの側板に固定されている。また下部管板２２５ｂは、ＳＯＦＣカートリッジ２０３に備えられるセルスタック１０１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１０１がそれぞれ挿入されている。この下部管板２２５ｂは、複数のセルスタック１０１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２１９と酸化性ガス供給室２２１とを隔離するものである。

上部断熱体２２７ａは、上部ケーシング２２９ａの下端部に、上部断熱体２２７ａと上部ケーシング２２９ａの天板と上部管板２２５ａとが略平行になるように配置され、上部ケーシング２２９ａの側板に固定されている。また、上部断熱体２２７ａには、ＳＯＦＣカートリッジ２０３に備えられるセルスタック１０１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１０１の外径よりも大きく設定されている。上部断熱体２２７ａは、この孔の内面と、上部断熱体２２７ａに挿通されたセルスタック１０１の外面との間に形成された酸化性ガス排出隙間２３５ｂを有する。

この上部断熱体２２７ａは、発電室２１５と酸化性ガス排出室２２３とを仕切るものであり、上部管板２２５ａ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２２５ａ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２２５ａ等が発電室２１５内の高温に晒されて上部管板２２５ａ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２２７ａは、発電室２１５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２３５ｂを通過させて酸化性ガス排出室２２３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２０３の構造により、燃料ガスと酸化性ガスとがセルスタック１０１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１０３の内部を通って発電室２１５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２２５ａ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２２３に供給される。また、燃料ガスは、発電室２１５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２１５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２１５に供給することができる。

下部断熱体２２７ｂは、下部ケーシング２２９ｂの上端部に、下部断熱体２２７ｂと下部ケーシング２２９ｂの底板と下部管板２２５ｂとが略平行になるように配置され、下部ケーシング２２９ｂの側板に固定されている。また、下部断熱体２２７ｂには、ＳＯＦＣカートリッジ２０３に備えられるセルスタック１０１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１０１の外径よりも大きく設定されている。下部断熱体２２７ｂは、この孔の内面と、下部断熱体２２７ｂに挿通されたセルスタック１０１の外面との間に形成された酸化性ガス供給隙間２３５ａを有する。

この下部断熱体２２７ｂは、発電室２１５と酸化性ガス供給室２２１とを仕切るものであり、下部管板２２５ｂ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２２５ｂ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２２５ｂ等が高温に晒されて下部管板２２５ｂ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２２７ｂは、酸化性ガス供給室２２１に供給される酸化性ガスを、酸化性ガス供給隙間２３５ａを通過させて発電室２１５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２０３の構造により、燃料ガスと酸化性ガスとがセルスタック１０１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、基体管１０３の内部を通って発電室２１５を通過した排燃料ガスは、発電室２１５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２２５ｂ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２１９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２１５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２１５に供給することができる。

発電室２１５で発電された直流電力は、複数の燃料電池セル１０５に設けたＮｉ／ＹＳＺ等からなるリード膜１１５によりセルスタック１０１の端部付近まで導出した後に、ＳＯＦＣカートリッジ２０３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２０３の外部へと取り出される。前記集電棒によってＳＯＦＣカートリッジ２０３の外部に導出された電力は、各ＳＯＦＣカートリッジ２０３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２０１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。

上述のＳＯＦＣモジュール２０１は、ガスタービンと、ガスタービンの回転動力によって駆動されて発電する発電機と組み合わせることによって、複合発電システムを構成することができる。この場合、ＳＯＦＣモジュール２０１から排気される排燃料ガスと排酸化性ガスとを用いてガスタービンは動作することになる。

［発電室における酸化性ガスの供給方法］
次に、発電室における酸化性ガスの供給方法について説明する。
図４には、図２に示したＳＯＦＣモジュール（燃料電池）２０１の高さ方向断面が模式的に示されている。圧力容器２０５の内部には、複数のセルスタック１０１が並列配置されたセルスタック群１０２が設けられている。なお、図４では、図２及び図３で示した燃料ガス供給室２１７と、燃料ガス排出室２１９と、酸化性ガス供給室２２１と、酸化性ガス排出室２２３ととが簡略化されて示されているが、図２及び図３と同様の構成となっている。
セルスタック群１０２の中央に示された領域は、セルスタック群１０２の内部に温度分布が生じて高温になりやすい高温領域Ｈである。

セルスタック群１０２を外周から囲うように断熱側壁部１０が設けられている。断熱側壁部１０によってセルスタック群１０２を囲うことで内部に発電室２１５が形成される。断熱側壁部１０には、上側酸化性ガス供給配管（第２酸化性ガス供給部）１２ａ及び下側酸化性ガス供給配管（第２酸化性ガス供給部）１２ｂが接続されている。上側酸化性ガス供給配管１２ａには上側流量制御弁１２ａ１が設けられ、下側酸化性ガス供給配管１２ｂには下側流量制御弁１２ｂ１が設けられている。各流量制御弁１２ａ１，１２ｂ１は、それぞれ、制御部１４によって開度を調整して、流量を制御する。上側流量制御弁１２ａ１及び下側流量制御弁１２ｂ１は、上流側にて共通の酸化性ガス供給管１６に接続されている。酸化性ガス供給管１６から導かれる酸化性ガスは、図３に示した酸化性ガス供給室２２１にも供給される。つまり、酸化性ガス供給管１６から、酸化性ガス供給室２２１（図３参照）、上側酸化性ガス供給配管１２ａ及び下側酸化性ガス供給配管１２ｂに酸化性ガスが分配されるようになっている。

上側酸化性ガス供給配管１２ａの下流側先端は上側噴出ダクト（第２酸化性ガス供給部）１７に接続され、下側酸化性ガス供給配管１２ｂの下流側先端は下側噴出ダクト（第２酸化性ガス供給部）１８に接続されている。各噴出ダクト１７，１８は、セルスタック１０１の長手方向の略中央領域に設けられ、例えば、セルスタック１０１の発電領域の長手方向（図４において鉛直上下方向）において３割から７割程度の領域に設けられている。

上側噴出ダクト１７は、セルスタック群１０２を挟んで対向する位置にそれぞれ設置されており、下側噴出ダクト１８は、セルスタック群１０２を挟んで対向する位置にそれぞれ設置されている。これにより、図４に太実線矢印で示すように、セルスタック群１０２の内部で対向する両方向から供給された酸化性ガスが衝突して上下方向に旋回する流れを生じさせるようになっている。
なお、図４に示された太破線矢印は、セルスタック群の下方の酸化性ガス供給室２２１から鉛直上方向に向かって供給される酸化性ガスの流れを示している。

上側噴出ダクト１７及び下側噴出ダクト１８は、図５に示すように、断熱側壁部１０に対して挿入された状態で設置されている。これにより、各噴出ダクト１７，１８の先端から酸化性ガスがセルスタック群１０２の側部に向かって噴出される。なお、図５において符号２１５は発電室を示し、符号１０２はセルスタック群を示している。

図６に示すように、各噴出ダクト１７，１８は、セルスタック群１０２の幅に対応する幅を有した偏平形状とされており、流路が幅方向に分割されている。中央の流路２０ａの高さが、両側方の流路２０ｂの高さよりも小さくされている。これにより、中央の流路２０ａから噴出される酸化性ガスの流速が、両側の側方の流路２０ｂから噴出される流速よりも大きくなる。したがって、図７に示すように、セルスタック群１０２の側方から供給される酸化性ガスの流速は、側方よりも中央が大きくされた速度分布となる。
なお、噴出ダクト１７，１８の流路の分割数は３つに限定されるものではない。

図４に示すように、セルスタック群１０２の中央の高温領域Ｈには、熱電対等の温度センサ２２が設けられている。温度センサ２２の出力は、制御部１４へと送信される。温度センサ２２の設置位置は、セルスタック群１０２が最高温度を示す位置、例えば長手方向の中央でかつ、長手方向に直交する面内（水平面内）の中央に設けることが好ましい。
制御部１４は、温度センサ２２から得た温度データを用いて、温度を計測している高温領域Ｈの温度が周囲温度まで低下して、セルスタック群１０２の温度分布が均一化するように、酸化性ガスの各流量制御弁１２ａ１，１２ｂ１の開度制御を行う。

制御部は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、及びコンピュータ読み取り可能な記憶媒体等から構成されている。そして、各種機能を実現するための一連の処理は、一例として、プログラムの形式で記憶媒体等に記憶されており、このプログラムをＣＰＵがＲＡＭ等に読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、各種機能が実現される。なお、プログラムは、ＲＯＭやその他の記憶媒体に予めインストールしておく形態や、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体に記憶された状態で提供される形態、有線又は無線による通信手段を介して配信される形態等が適用されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記憶媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、半導体メモリ等である。

上記構成により、本実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
セルスタック群１０２の長手方向に酸化性ガスを供給することに加えて、断熱側壁部１０に設けた各噴出ダクト１７，１８によって、セルスタック群１０２の側方から長手方向に対して交差する方向（具体的には直交方向）に酸化性ガスを供給することとした。これにより、側方から供給した酸化性ガスをセルスタック群１０２の内部の高温領域Ｈまで到達させることができ、高温領域Ｈの冷却を促進させてセルスタック群１０２の水平方向断面内の温度分布を均一化することができる。
このように温度分布を均一化することで、セルスタック１０１の発電出力を均一化させて、燃料電池全体としての発電性能を向上させることができる。
また、セルスタック群１０２の内部まで酸化性ガスを十分に到達させることができるので、酸素欠乏による燃料電池膜の破損というリスクを回避し、燃料電池の信頼性を向上することができる。

セルスタック群１０２の長手方向における中央領域に設けた各噴出ダクト１７，１８によって、セルスタック群１０２の長手方向における高温領域、例えば中央領域に向けて酸化性ガスを供給することにより、高温領域Ｈまで酸化性ガスを到達させ冷却することができる。これにより、セルスタック群１０２の高さ方向断面内の温度分布を均一化することができる。
なお、噴出ダクト１７，１８の長手方向における設置数は、本実施形態のように２つに限定されるものではない。

セルスタック群１０２の両側に設置した噴出ダクト１７，１８からセルスタック群１０２を挟んで対向するように酸化性ガスを供給することとしたので、セルスタック群１０２の内部で対向する両方向から供給された酸化性ガスが衝突して旋回する流れを生じさせることができる（図４の太実線矢印参照）。これにより、酸化性ガスの流れがセルスタック群１０２の全体に及び、より温度分布を均一化することができる。
なお、本実施形態では、セルスタック群１０２の両側に設置した噴出ダクト１７，１８から酸化性ガスを両方向から対向するように供給することとしたが、これに限定されるものでなく、片側からのみ供給しても良い。

図６に示したように噴出ダクト１７，１８の流路を分割して各流路２０ａ，２０ｂの流路断面積を変更することによって、セルスタック群１０２の水平面内で、両側部よりも中央部の方が大きい流速分布で酸化性ガスを吹き出すこととしたので、中央の高温領域Ｈまで効果的に酸化性ガスを到達させ、セルスタック群１０２を冷却することができる。

なお、本実施形態は以下のように変形することができる。
図８に示すように、各噴出ダクト１７，１８から酸化性ガスを供給する際に、セルスタック群１０２の水平面内の中心の高温領域Ｈに対してオフセットさせた方向に酸化性ガスを供給するようにしてもよい。これにより、酸化性ガスの流れを水平面内で旋回させることができ、酸化性ガスの流れが水平面内の全体に及び、より温度分布を均一化することができる。

また、図９に示すように、各噴出ダクト１７，１８から酸化性ガスを供給する際に、セルスタック群１０２の長手方向に対して傾斜する方向に向けて酸化性ガスを供給するようにしても良い。これにより、酸化性ガスの流れをセルスタック群１０２に直交する方向だけでなく長手方向にわたって形成することができ、酸化性ガスの流れがセルスタック群１０２の長手方向にも及び、より温度分布を均一化することができる。または、図９に示した噴出ダクト１７，１８に代えて、図１０に示すように、噴出ダクト１７、１８の先端に、上下の斜め方向にそれぞれ向けて設けられたノズル２４を設けてもよい。

なお、上述した実施形態では、セルスタック１０１として円筒形を例として説明したが、必ずしもこれに限定されるものではない。例えば、偏平形状の基体管に複数の内部流路を並べて形成したセルスタックや、平板形のセルスタックであってもよい。

１０ 断熱側壁部
１２ａ 上側酸化性ガス供給配管（第２酸化性ガス供給部）
１２ａ１ 上側流量制御弁
１２ｂ 下側酸化性ガス供給配管（第２酸化性ガス供給部）
１２ｂ１ 下側流量制御弁
１４ 制御部
１６ 酸化性ガス供給管
１７ 上側噴出ダクト（第２酸化性ガス供給部）
１８ 下側噴出ダクト（第２酸化性ガス供給部）
２０ａ 中央の流路
２０ｂ 側方の流路
２２ 温度センサ
２４ ノズル
１０１ セルスタック
１０２ セルスタック群
１０３ 基体管
１０５ 燃料電池セル
１０７ インターコネクタ
１０９ 燃料極
１１１ 固体電解質
１１３ 空気極
１１５ リード膜
２０１ ＳＯＦＣモジュール（燃料電池）
２０３ ＳＯＦＣカートリッジ
２０５ 圧力容器
２０７ 燃料ガス供給管
２０７ａ 燃料ガス供給枝管
２０９ 燃料ガス排出管
２０９ａ 燃料ガス排出枝管
２１５ 発電室
２１７ 燃料ガス供給室
２１９ 燃料ガス排出室
２２１ 酸化性ガス供給室（第１酸化性ガス供給部）
２２３ 酸化性ガス排出室
２２５ａ 上部管板
２２５ｂ 下部管板
２２７ａ 上部断熱体
２２７ｂ 下部断熱体
２２９ａ 上部ケーシング
２２９ｂ 下部ケーシング
２３１ａ 燃料ガス供給孔
２３１ｂ 燃料ガス排出孔
２３３ａ 酸化性ガス供給孔
２３３ｂ 酸化性ガス排出孔
２３５ａ 酸化性ガス供給隙間（第１酸化性ガス供給部）
２３５ｂ 酸化性ガス排出隙間
Ｈ 高温領域

Claims (10)

1. 内部流路を有する基体管の外周に燃料電池膜が形成された複数のセルスタックが並列配置されたセルスタック群と、
   前記内部流路に燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、
   各前記セルスタックの外周に沿って該セルスタックの長手方向に酸化性ガスを供給する第１酸化性ガス供給部と、
   前記セルスタック群の側方から前記長手方向に対して交差する方向に酸化性ガスを供給して該セルスタック群の内部まで該酸化性ガスを到達させる第２酸化性ガス供給部と、
   を備え、
   前記第２酸化性ガス供給部は、前記第１酸化性ガス供給部に酸化性ガスを導く共通の酸化性ガス供給管に接続された第２酸化性ガス供給配管から酸化性ガスが供給される燃料電池。
2. 前記第２酸化性ガス供給部は、前記長手方向における中央領域に向けて酸化性ガスを供給する請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記第２酸化性ガス供給部は、前記セルスタック群を挟んで対向するように酸化性ガスを供給する請求項１又は２に記載の燃料電池。
4. 前記第２酸化性ガス供給部は、前記長手方向に対して直交する面内で、両側部よりも中央部の方が大きい流速で酸化性ガスを吹き出す請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池。
5. 前記第２酸化性ガス供給部は、前記長手方向に対して直交する面内における前記セルスタック群の中心に対してオフセットさせた方向に酸化性ガスを供給する請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池。
6. 前記第２酸化性ガス供給部は、前記長手方向に対して傾斜する方向に向けて酸化性ガスを供給する請求項１から５のいずれかに記載の燃料電池。
7. 前記セルスタック群の内部の温度を計測する温度センサと、
   該温度センサから得られた計測値に基づいて、前記第２酸化性ガス供給部から供給される酸化性ガスの流量を制御する制御部と、
   を備えている請求項１から６のいずれかに記載の燃料電池。
8. 前記セルスタック群の側周囲を覆う断熱側壁部を備え、
   前記第２酸化性ガス供給部は、前記断熱側壁部から酸化性ガスを供給する請求項１から７のいずれかに記載の燃料電池。
9. 請求項１から請求項８のいずれかに記載の燃料電池と、
   前記燃料電池から排気される排燃料ガスと排酸化性ガスとを用いて回転動力を生成するガスタービンと、
   該ガスタービンの回転動力によって駆動されて発電する発電機と、
   を備えている複合発電システム。
10. 内部流路を有する基体管の外周に燃料電池膜が形成された複数のセルスタックが並列配置されたセルスタック群を備えた燃料電池の運転方法であって、
    前記内部流路に燃料ガスを供給する燃料ガス供給工程と、
    各前記セルスタックの外周に沿って該セルスタックの長手方向に酸化性ガスを供給する第１酸化性ガス供給工程と、
    前記セルスタック群の側方から前記長手方向に対して交差する方向に酸化性ガスを供給して該セルスタック群の内部まで該酸化性ガスを到達させる第２酸化性ガス供給工程と、
    を有し、
    前記第２酸化性ガス供給工程では、前記第１酸化性ガス供給工程で用いる酸化性ガスを導く共通の酸化性ガス供給管から導かれた酸化性ガスを供給する燃料電池の運転方法。

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