JPH03283360A - 発電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、石炭ガス、水素ガスや天然ガス等の燃料ガス
を使用する甲板型固体電解質燃料電池による発電装置に
関する。

［従来の技術及び課題］ 従来、円筒型固体電解質燃料電池を発電源とする発電装
置は公知であるが平板型固体電解質燃料電池を発電源と
する発電装置については、あまり知られていない。これ
は、以下に列挙する種々の解決すべき課題があることに
起因する。

■高温（１０００℃）の燃料電池平面における燃料ガス
と酸化ガス、燃料本体と燃料ダクト部のシールに対する
困難性を克服する必要があること。

■熱システムとして自立可能であること。

■装置全体としても各ガス間の漏洩量を少なくできるこ
と。

■発電能力を大きくしても装置全体が大きくならないこ
と。

このように１０００℃の高温で燃料ガスと酸化ガスの気
密を保つ必要があることから、従来、各異種材料のセラ
ミックスを接着することでシールを保っていた。しかし
ながら、かかるシール構造では発電装置を構成する各部
材間の線膨脹係数の差による熱膨伽、熱収縮に伴なう、
破損、クラックのう 発生によＶシールの破壊、燃料ガスと酸化ガスの混合に
よる局所的過熱、シールの破壊等の問題をを防ぐことが
困難である。

本発明は、上記従来の問題を解決するためになされたも
ので、シール性が良好で自立可能な電池性能を白゛する
小型の発電装置を提供しようとするものである。

［課題を解決するだめの手段］ 本発明に係わる平板型固体電解質燃料電池による発電装
置は、排ガス室と燃料電池収納室、該収納室下部の燃料
ダクトと残存酸化ガスダクトを気密隔壁で区画し、前記
燃料ダクト内に収納した複数の燃料電池の上部に（：ｊ
　＊手段を配置し、前記排ガス室と前記燃料ダクトの間
に、残存燃料ガスと残存酸化ガスとを再燃焼させるアフ
ターバーナを設け、前記排ガス室に酸化ガスを予熱する
酸化ガス予熱用熱交換器を設け、更に前記燃料電池に酸
化ガスを導入するための酸化ガス導管に立上げ用の起動
バーナを設けたことを特徴とするものである。

また、本発明に係わる別の平板型固体電解質燃料電池は
前記構成の発電装置において、排ガス室に酸化ガス予熱
用熱交換器と燃料ガスを予熱する燃料ガス予熱用熱交換
器を設け、かつ前記酸化ガス導管に起動バーナを設ける
代わりに燃料電池に燃料ガスを導入するだめの燃料ガス
導管に立上げ用の起動バーナを設けたことを特徴とする
ものである。

［作用］ 本発明によれば、排ガス室と燃料電池収納室、該収納室
下部の燃料ダクトと残存酸化ガスダクトを気密隔壁で区
画することによって、燃料電池収納室のウール状断熱材
及び断熱材内部に溜った燃料ガスが排ガス室及び残存酸
化ダクト内に漏れるのを防１トできるため、燃料ガスの
損失を防ぎ、発熱に利用することができる。

また、燃料電池上部に荷重を配置することによって、燃
料電池のシール用ガスケットに面圧を加えることができ
るため、燃料電池を構成する異種材料からなる部材の高
温下での線膨張率の差による熱伸縮を自由にできる。そ
の結果、燃料電池への熱応力の発生を抑え、シール用ガ
スケットによる良好なシール性を保持できる。しかも、
燃料電池上部に荷重を配置することによって、該燃料電
池とこの電池を収納する燃料ダクト周囲とのシール性を
良好に保持できる。

史に、燃料電池の固体電解質としてはセラミックスを使
用しており、１０００℃という高温の反応温度が必要で
あるが、酸化ガス導管（又は燃料ガス導管）に設けた起
動用バーナを使用することにより起動時の反応温度を確
保することができる。この場合、燃料ダクト及び残存酸
化ダクトを経て排ガス室に流入した残存燃料ガスと残存
酸化ガスはアフターバーナによって再燃焼させ、その際
発生する熱を利用して後流の排ガス室に配置された酸化
ガス予熱用熱交換器（又は該熱交換器と燃料ガス予熱用
熱交換器の双方）を加熱し、予熱された酸化ガス（又は
酸化ガスと燃料ガス）を酸化ガス導管（又は酸化ガス導
管と燃料ガス導管）を通して前記燃料電池に供給するこ
とによって、該燃料電池の反応速度を促進し、起動時間
の短縮化を図ることができる。

［実施例］ 以下、本発明を実施例を示す図面に基いて具体的に説明
する。

第１図は本発明の実施例に係る発電装置の概略断面図、
第２図は第１図のｔｔ−ｎ線に沿う断面図、第３図は第
１図の■−■線に沿う断面図、第４図は平板型固体電解
質燃料電池の斜視図、第５図は第４図のｖ−ｖ線に沿う
断面図である。図中の１は、上下の断熱部材２及び側部
の耐火材３で区画された排ガス室である。この排ガス室
１には、燃料電池収納室４が気密隔壁５を介して配置さ
れている。前記燃料電池収納室４の底部には、板状耐火
材６が配置され、かつ該板状耐火材６の中間には気密隔
壁７が介装されている。前記板状耐火材６と前記断熱部
材２の下壁の間には、残存酸化ガスダクト　８が形成さ
れていると共に、長手方向にガス流通穴９を自するスペ
ーサ１０が介装されている。

前記燃料電池収納室４内の前記排ガス室ｌ側の板状耐火
材６土には、アフターバーナ１１が、該アフターバーナ
１１と反対側の耐火材６上には燃料ガス導管１２を挿着
したスペーサ１３がそれぞれ設置されている。前記燃料
電池収納質４内の前記アフターバーナ１１及びスペーサ
１３上には、重し挿入穴を開口したブロック状耐火材１
４が設置されている。

前記ブロック状耐火材１４の重し挿入穴の下方の前記板
状耐火材６上には、第２図に示すように複数の後述する
平板型固体電解質燃料電池１５が設置されている。これ
ら燃料電池１５上には、前記ブロック状耐火材１４の挿
入穴から挿入されたシールガスケット用重し１６が載置
されている。これら重し１６上には、燃料電池収納室４
内の上下方向の熱伸縮を吸収するためのウール状断熱板
１７がそれぞれ配置されている。これらウール状断熱板
１７を含む前記プロ・・り状耐火材動１．には、断熱材
１８が充填されている。なお、図中の１９は前記板状耐
火材６、アフターバーナ１１　　スペーサ１３及びブロ
ック状耐火材１４て囲まれた燃料ダクトである。前記シ
ールガスケット用重し１６には、前記燃料電池１５に酸
化ガスを供給するための非導電性セラミックス製の複数
の酸化ガス分岐管２０がそれぞれ挿着されている。前記
各燃料電池１５に対応する板状耐火材６及びその間の気
密隔壁７には、前記残存ガスダクト８に達する残存酸化
ガス導管２１がそれぞれ貫通されている。前記残存ガス
ダクト　８の内側面には、第２図に示すように温度調整
用ヒータ２２が配置され、かつ該ヒータ２２には電流リ
ード線２３が接続されている。

前記排ガス室１内には蛇行した酸化ガス予熱用熱交換器
２４が配置されている。この熱交換器２４の一端側は、
第３図に示すように前記バーナ１１と対向し、かつ前記
耐火材３の外部から挿入された酸化ガス導入管２５が連
結されている。前記熱交換器２４とバーナ１１の間には
、残存酸化ガスガイドブロック２６が設けられている。

前記熱交換器２４の他端は、前記断熱材２の上壁から外
部に延出され、非導電性セラミックス製の酸化ガス導入
主配管２７に一体的に連結されている。この主配管２７
の他端付近には、前記複数の酸化ガス分岐管２０が連結
されいる。これらの酸化ガス導入主配管２７及び複数の
酸化ガス分岐管２０により酸化ガス導管を構成している
。前記〆主配管２７の他端には起動用バーナ２８が連結
されている。なお、前記分岐管２０、主配管２７及び起
動用バーナ２８の周囲は断熱材２９で覆われている。前
記起動用バーナ２８には、点火装置３０、燃料ガス供給
管３１及び酸化ガス供給管３２が付設されている。前記
初ガス室１を区画する断熱材２の左壁には、煙突に繋が
る排ガス管３３が設けられている。

前記平板型固体電解質燃料電池１５は、第４図及び第５
図に示すように上面通路壁であるインクコネクタ３４と
上面通路壁である電圧発生部支持枠３５の間に形成され
た燃焼ガス通路３６を有する。図中の３７は、酸化ガス
通路であり、上面壁である電圧発生部支持枠３５と、下
面通路壁であるインタコネクタ３４の間に形成されてい
る。前記インクコネク酸化ガス導管２１を固着した継ぎ
フランジ３８が取付けられている。前記電圧定生部支持
枠８５、インクコネクタ３４及び継ぎフランジ８８間は
、シール用ガスケット３９によって遮蔽されている。な
お、前記酸化ガス分岐管２０と酸化ガス通路３７の間に
は酸化ガスを各酸化ガス通路３７に分配するための酸化
ガス用マニホールド４０が、前記酸化ガス通路３７と残
存酸化ガス導ｆ否間には、分配された電池反応後の残存
酸化ガスを集めるための酸化ガス用マニホールド４１が
、それぞれ形成されている。

なお、前述した発電装置の断熱部材、耐火材等は全てセ
ラミックスから形成されて１０００℃以上の高温に耐え
られるようになっており、かつ燃料電池の固体電解質も
セラミックスから形成されれている。

次に、前述した構成の発電装置の作用を説明する。

■、起動運転時 燃料ガス導入管１２より導入された燃料ガス４２は、（
Ｈ２ガスや天然ガス）を燃料ダクト１９を通って各・［
シ板型固体電解質燃料電池１５に供給される。

方、排ガス室１の耐火材３に種石された酸化ガス導入管
２５より供給された酸化ガス４３（空気）は、酸化ガス
ｒ熱用熱交換器２４、酸化ガス導入主配管２７及び複数
の酸化ガス分岐管２０を通して各燃料電池１５に供給さ
れ、後述する作用により発電がなされる。

発電後、酸化ガス４３は残存酸化ガス４４となって残存
酸化ガス導管２１、残存酸化ガスダクト　８を通って前
記排ガス室ｌに流入し、残存酸化ガスガイドブロック２
６によって上方に案内される。一方、残存燃料ガス４５
は前記燃料ダクト１９を通って前記排ガス室ｌに流入す
る。ここで、残存燃料ガス４５と残存酸化ガス４４をア
フタバーナ１１により再燃焼させることにより、前記排
ガス室ｌに配置された蛇行する酸化ガス予熱用熱交換器
２４を加熱することにより該熱交換器２４内を通る酸化
ガスを予熱する。再燃焼したガスは、排ガス管３３を通
って煙突より杖−出される。

上述した発電装置の起動時には、１０００℃という高温
の反応温度に到達するには時間を要する。このため、起
動用バーナ２８により複数の酸化ガス分岐管２０に供給
する酸化ガス４３を加熱し、これと燃料ガス４２を反応
させることにより、前記各平板型固体電解質燃料電池１
５を定格温度に到達させる。

この際、前述したように残存燃料ガス４５と残存酸化ガ
ス４４をアフタバーナ１１により再燃焼させることによ
り、前記排ガス室ｌに配置された蛇行する酸化ガ８予熱
□熱交換器２４）加熱？ｉうそやオ→該熱交換器２４内
を通る酸化ガスをｒ熱し、該ｌ熱酸化ガスを酸化ガス導
入主配管２７及び複数の酸化ガス分岐管２０を通して各
燃料電池１５に供給することによって、燃料電池Ｉ５の
反応速度を促進し、起動時間の短縮化を図ることができ
る。

■、定常運転時 反応温度が定ｔＨ温度に達すると、起動用バーナ２８を
停＋ｔ、ｔ　Ｌ、、、その後は酸化ガス及び燃料ガスを
供給することにより、自立した発電装置として作動する
。必要があれば温度調整用ヒータ２２を作動させて、前
記上記定格温度を達成することも可能である。

発電の原理を、第４図及び第５図に基づいて簡単に説明
する。

燃料ダクト１９を通して導入された燃料ガス４２は、燃
料ガス通路３６に供給され、電圧定生部支持枠３５の上
面を流れる。一方、酸化ガス分岐管２０から導入された
酸化ガス４３は酸化ガス用内部マニホールド４０にて各
々の酸化ガス通路３７に分配され、電圧定生部支持枠３
５の下面を流れ、この時電流が流れる。この電流を上下
の継ぎフランジ３８に接続された電流リードから取り出
す。

なお、上記実施例では酸化ガス４３を予熱する酸化ガス
予熱用熱交換器２４及び酸化ガス導管（酸化ガス導入主
配管２７）に起動用バーナ２８を設けた例を説明したが
、排ガス室１に酸化ガス予熱用熱交換器２４と燃料ガス
を予熱する燃料ガス予熱用熱交換器を設け、かつ前記酸
化ガス導管に起動バーナ２８を設ける代わりに燃料ガス
導管１２に立上げ用の起動バーナを設けた場合も作用は
同じである。また、酸化ガス及び燃料ガスの予熱用熱交
換器はフイン付管としてもよい。

本発明に係わる発電装置は、前述した第１図に示す構造
に限定されない。例えば、第６図に示すように外側をす
べて耐火材３°で覆い、燃料電池収納室４の上下及び排
気ガス室側に気密隔壁４６ａ〜４６ｃをそれぞれ配置し
、これら気密隔壁４６ａ〜４６ｃの外側又は両側に空冷
管（又は水冷管）４７を配置し、前記耐火材３°内に酸
化ガス導管としての酸化ガス流通路４８を形成し、更に
前記耐火材３′の側壁外面に前記酸化ガス流通路４Ｂと
連通ずる起動用バターナ２８を取り付けて構成してもよ
い。なお、第６図において、前述した第１図同様な部材
は同符号を付して説明を省略する。ががる第６図に示す
構成によれば、前記空冷管（又は水冷管）４７により熱
回収を図ることができると共に、酸化ガス導管を含む各
部材を耐火材３′に配置することによって前述した第１
図に示す発電装置に比べてより一層コンパクト化が図ら
れた発電装置を得ることができる。

［発明の効果］ 以上詳述した如く、本発明に係わる発電装置によれば以
下に列挙する種々の効果を奏するものである。

（１）反応温度か１０００℃という高温下のもとての、
燃料電池及び各燃料電池とそれを収縮する燃料ダクトと
のシール性を保持することができる。

（２）起動用バーナを付設し、かつ熱回収のためのアフ
タバーナを設けると共に排ガス室に酸化ガス（又は同酸
化ガスと燃料ガスの予熱用熱交換器）を配置することに
より、反応速度を促進し、起動時間の短縮を図ることが
できると共に安定した自立型の発電装置を大曳できる。

（３）装置全体として、酸化ガス、燃料ガス間の漏れを
防止てきる。

（４）小型の複数個の燃料電池を共通の燃料ダクト内に
収納することにより、発電能力を増しても、装置全体と
して小型とすることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る発電装置を示す概略断
面図、第２図は第１図の■−■線に沿う断面図、第３図
は第１図の■−■線に沿う断面図、第４図は平板型固体
電解質燃料電池の斜視図、第５図は第４図のｖ−ｖ線に
沿う断面図、第６図は本発明の他の実施例に係る発電装
置を示す概略断面図である。 １・・・排ガス室、４・・・燃料電池収納室、５．７．
４６ａ〜４６ｃ・・・気密隔壁、８・・・酸化ガスダク
ト、１１・・・アフターバーナ、１２・・・燃料ガス導
管、１５・・・平板型固体電解質燃料電池、１６・・・
シールガスケット用重し、・１８・・・燃料ダクト、２
ｏ・・・酸化ガス分岐管、２１・・・残存酸化ガス導入
管、２４・・・酸化ガス予熱用熱交換器、２７・・・酸
化ガス導入主配管、２８・・・起動用バーナ、３４・・
・インタコネクタ、３５・・・電圧発生部支持枠、３６
・・・燃料ガス通路、３７・・・酸化ガス詐、４０．４
１・・・酸化ガス用マニホールド、４２・・・燃料ガス
、４３・・・酸化ガス、４４・・・・・・残存酸化ガス
、４５・・・残存燃料ガス、４７・・・空冷管（又は水
冷管）、４８・・・酸化ガス流通路。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）平板型固体電解質燃料電池による発電装置におい
   て、 排ガス室と燃料電池収納室、該収納室下部の燃料ダクト
   と残存酸化ガスダクトを気密隔壁で区画し、 前記燃料ダクト内に収納した複数の燃料電池の上部に荷
   重手段を配置し、 前記排ガス室と前記燃料ダクトの間に、残存燃料ガスと
   残存酸化ガスとを再燃焼させるアフターバーナを設け、 前記排ガス室に酸化ガスを予熱する酸化ガス予熱用熱交
   換器を設け、 前記燃料電池に酸化ガスを導入するための酸化ガス導管
   に立上げ用の起動バーナを設けたことを特徴とする発電
   装置。
2. （２）平板型固体電解質燃料電池による発電装置におい
   て、 排ガス室と燃料電池収納室、該収納室下部の燃料ダクト
   と残存酸化ガスダクトを気密隔壁で区画し、 前記燃料ダクト内に収納した複数の燃料電池の上部に荷
   重手段を配置し、 前記排ガス室と前記燃料ダクトの間に、残存燃料ガスと
   残存酸化ガスとを再燃焼させるアフターバーナを設け、 前記排ガス室に酸化ガスを予熱する酸化ガス予熱用熱交
   換器燃料と燃料ガスを予熱する燃料ガス予熱用熱交換器
   を設け、 前記燃料電池に燃料ガスを導入するための燃料ガス導管
   に立上げ用の起動バーナを設けたことを特徴とする発電
   装置。