JPH08273686A - 固体電解質型燃料電池モジュール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 外部へ放散される熱を低減して発電効率を向
上させた固体電解質型燃料モジュール。 【構成】 従来から使用されている内部構造１内に設置
され、供給空気の加熱を行う多孔体で形成された、上部
輻射変換体４の下方に、間隔を設けて下部輻射変換体５
を新たに設置し、その下方に、第１のヘッダ８を介装し
て空気予熱用多孔体７を設け、外部から下部輻射変換体
５の下方に導入された供給空気を、上方の内部構造１内
の高温で加熱された下部輻射変換体５、および空気予熱
用多孔体７を通過させて、新たに加熱するようにし、さ
らに、空気予熱用多孔体７の下方に設けた、第２のヘッ
ダ９で空気側再生熱交換器１２に導入し、排気空気でさ
らに加熱して、発電部が形成された内部構造１内に供給
するようにした、固体電解質型燃料電池モジュール。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、内部構造内に積層され
たセル内の発電層、すなわち発電部に供給された供給燃
料、および供給空気の電気化学的反応により、発電を行
っているときに、これらの発電部に発生する熱で、電気
化学的反応に必要な作動温度を維持できるようにした固
体電解質型燃料電池（以下ＳＯＦＣという）モジュール
に関する。

【０００２】

【従来の技術】図２は、従来のＳＯＦＣモジュールの基
本構成を示す模式図である。図において、０１は発電部
を収容する内部構造、０２は発電部で発生する熱の放散
を防止するため、内部構造０１を包囲して設けた断熱
材、０３は断熱材０２を保持するとともに、ＳＯＦＣモ
ジュールの外構を形成するモジュール外壁、０４はモジ
ュール外壁０３とともに断熱材を保持し、ＳＯＦＣモジ
ュールの内構を形成するモジュール内壁、０６は空気側
再生熱交換器、０７は燃料側再生熱交換器、０８は輻射
変換体である。

【０００３】このような、ＳＯＦＣモジュールにおい
て、発電に必要とする作動温度が約１０００℃と高温で
あり、内部構造０１内の発電部は、この高温に維持する
必要がある。このため、自立型ＳＯＦＣモジュールと称
するＳＯＦＣモジュールでは、発電時の発電部に発生す
る自己発熱により、内部構造０１内に必要な高温の作動
温度を発生させ、保持するようにしている。

【０００４】すなわち、電気化学的反応によって発電を
行わせるため、常温の供給燃料ＳＦ、および供給空気Ｓ
Ａを内部構造０１内に供給した場合、これらの供給ガス
ＳＦ、ＳＡにより内部構造０１内が冷却され、作動温度
を維持できなくなることがある。このため、内部構造０
１の上部のモジュール内壁４内に、燃料側再生熱交換器
０７を設置して、この燃料側再生熱交換器０７内に外部
から導入した常温の供給燃料ＳＦを、発電に使用され高
温になった排気燃料ＥＦで８００℃程度まで加熱すると
ともに、モジュール内壁０４の下端部に、空気側再生熱
交換器０６を設置して、空気側再生熱交換器０６内に外
部から導入した常温の供給空気ＳＡを、発電部における
発電、若しくは内部構造０１内の冷却に使用され、高温
になった排気空気ＥＡで、同様に８００℃程度まで加熱
して、これらの加熱された供給ガスＳＡ、ＳＦを内部構
造０１内に供給するようにしている。

【０００５】さらに、前述したように、モジュール外壁
０３とモジュール内壁０４の間に断熱材０２を配置し、
モジュール内壁０４の内部に画成された内部構造０１を
断熱材０２で包囲することにより、内部構造内０１内か
らの熱の流出を防止して、内部構造０１内の保温を行う
ようにしている。

【０００６】一方、発電部に発生する自己発熱は、内部
構造０１内を流れる供給空気ＳＡ、および供給燃料ＳＦ
の加熱、さらには、輻射変換体０８への輻射熱を介し
て、空気側再生熱交換器０６から流出し、内部構造０１
へ流入する空気の予熱、上述した燃料側再生熱交換器０
７、および空気側再生熱交換器０６で、供給燃料ＳＦお
よび供給空気ＳＡの予熱に用いられ、ＳＯＦＣモジュー
ルの熱効率を高めるために直接使用されるほか、モジュ
ール外壁０３と、燃料側再生熱交換器０７および空気側
再生熱交換器０６から流出する排気燃料ＥＳおよび排気
空気ＥＡによって外部へ放散される。このうち、燃料側
再生熱交換器０７および空気側再生熱交換器０６で回収
されず排気燃料ＥＦおよび排気空気ＥＡに含まれ、外部
へ放散される熱の一部は、図示省略した、ＳＯＦＣモジ
ュールを構成する外部の機器によって回収するようにし
ている。

【０００７】しかし、ＳＯＦＣモジュール熱効率の改善
に間接的にも使用されず、モジュール外壁０３から外部
へ放散される熱は、発電に使用された燃料発熱量全体の
２０％に相当し、特に、内部構造０１下部に位置するモ
ジュール外壁０３、および下面からの放散熱量は、全体
の放散熱量に対し約半分を占め、ＳＯＦＣモジュールの
熱効率に著しく影響し、燃料発熱量全体の電気量に変換
される割合、すなわち、特徴となっている、ＳＯＦＣモ
ジュールの発電効率の向上を阻害する原因となってい
る。

【０００８】また、ＳＯＦＣモジュールの熱効率を上げ
るため、このモジュール外壁０３からの放散熱を少なく
するため断熱を強化した場合、内部構造０１での空気の
温度上昇が大きくなり、内部構造０１内の温度上昇が生
じ、発電部を適切な作動温度範囲に制御することが困難
となる、新たな不具合が生じる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上述した従
来のＳＯＦＣモジュールの不具合を解消するため、内部
構造内の温度上昇を大きくすることなく、発電部を適切
な作動温度範囲に制御することができるとともに、モジ
ュール外壁、特に内部構造の下部に位置するモジュール
外壁から外部へ放散される熱量を低減して、ＳＯＦＣモ
ジュールの発電効率を向上させることのできる、固体電
解質型燃料電池モジュールを提供することを課題とす
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】このため、本発明の固体
電解質型燃料電池は、次の手段とした。

【００１１】（１）モジュール内壁内に画成された内部
構造の下方に設置された上部輻射変換体と、上部輻射変
換体の下方に間隔を設けて配置され、外部からモジュー
ル内壁内に供給空気を導入する配管の開口を下面に設け
られた下部輻射変換体とからなり、外周縁がモジュール
内壁に挿着されて、支持された多孔質材からなる輻射変
換体を設けた。

【００１２】（２）下部輻射変換体の下方に、下部輻射
変換体の下面から流入する供給空気の流れを均一にする
第１のヘッダを介装し、モジュール内壁に外周縁が挿着
され、支持された、空気予熱器用多孔体を設けた。

【００１３】（３）空気予熱器用多孔体との間に、空気
予熱用多孔体を通過して流入する供給空気を均一にする
第２のヘッダを介装し、第２のヘッダで均一に導入され
た供給空気を、内部構造内の発電、若しくは冷却に使用
されて加熱された排気空気で作動温度に近い温度に加熱
し、内部構造内に供給する空気側再生熱交換器をモジュ
ール内壁の下端に設けた。

【００１４】

【作用】本発明の固体電解質型燃料電池モジュールは、
上述した手段により、モジュール内壁の下方に配管で導
入された、常温に近い供給空気は、上方の内部構造内の
高温で加熱された下部輻射変換体の下方に導入される。
そして、下部輻射変換体の下方に導入された供給空気の
一部は、セラミック材等で多孔質材にされた下部輻射変
換体、および同様に上方の内部構造の高温で加熱された
上記輻射変換体の内部を加熱されながら通過し、高温と
なって内部構造内に流入する。

【００１５】さらに、下部輻射変換体の下方に導入され
た供給空気の大部分は、第１のヘッダで均一の流れにさ
れて、同様に、上方の内部構造の高温で加熱された空気
予熱器用多孔体内を加熱されながら流れ、空気予熱器用
多孔体の下方の第２のヘッダに流入する。第２のヘッダ
に流入した供給空気は、第２のヘッダで空気予熱器用多
孔体の出口から均一に集積され、第２のヘッダの下方、
すなわち、モジュール内壁の下端に設けられた空気側再
生熱交換器内に導入される。空気側再生熱交換器に導入
された供給空気は、内部構造内の発電に使用され、若し
くは内部構造内の冷却に使用され、高温になり外部へ排
出される途中排気空気で加熱され、高温となって内部構
造内に供給される。

【００１６】このように、内部構造内の発電部で発生し
た熱で、新たにモジュール内壁の下部に設置した下部輻
射変換体と空気予熱用多孔体とを加熱し、高温にし、こ
れを通過する供給空気を、余分に加熱し、モジュール外
壁に伝達される熱量を減らすようにしたので、その分、
モジュール外壁の下部部分から外部への放熱を低減する
ことができる。

【００１７】これにより、ＳＯＦＣモジュールの熱効率
が著しく向上し、発電効率を上げることができる。ま
た、内部構造の断熱構造は従来通りであり、モジュール
外壁下部および下面からの放散していた熱が、新設した
下部輻射変換体、および空気予熱用多孔体で吸収される
供給空気の加熱に使用されるだけであるため、内部構造
内の温度上昇が生じることもなく、発電部の適切な作動
温度範囲の制御を困難にすることはない。さらに、常温
の供給空気を作動温度近くまで加熱していた、空気側再
生熱交換器の負荷を、下部輻射変換体および空気予熱用
多孔体の加熱により小さくすることができ、コンパクト
化が図れる。

【００１８】

【実施例】以下本発明の固体電解質型燃料電池モジュー
ルの実施例を、図面にもとづき説明する。図１は、本発
明の固体電解質型燃料電池モジュールの一実施例の基本
構成を示す模式図である。

【００１９】図において、１は、モジュール内壁１０内
に画成され発電部を収容する内部構造、２は、モジュー
ル外壁３とモジュール内壁１０の間に充填され、内部構
造内で発生する熱の外部への放散を防止する断熱材、４
は、外周縁がモジュール内壁１０の内面に挿着され支持
された上部輻射変換体で、図２に示す輻射変換体０８と
同様に内部構造１の底面に、上面を接して配置してい
る。５は、同様に外周縁をモジュール内壁１０の内面に
挿着し支持された、下部輻射変換体で、上部輻射変換体
４と間隔を設けて、その下方に配置されている。この上
部輻射体４と下部輻射体５で輻射変換体６が形成され、
内部構造１の高温により加熱されて供給空気ＳＡを加熱
するようにしている。また、輻射変換体６はセラミック
多孔体からなり、その内部を供給空気ＳＡ等の気体が通
過できる構造にされている。

【００２０】７は、輻射変換体６と同様に、外周縁がモ
ジュール内壁１０の内面に挿着され、下部輻射変換体５
の下方に間隔を設けて設置された空気予熱用多孔体で、
同様に、内部を気体が通過できる素材で形成されてい
る。８は、下部輻射変換体５と空気予熱用多孔体７の間
に設けられた第１のヘッダで、配管１１で外部から下部
輻射変換体５の下方に導入される供給空気ＳＡを、均一
に空気予熱用多孔体７に流入させる。９は、空気予熱用
多孔体７の下方に設けられた第２のヘッダで、空気予熱
用多孔体を通過する供給空気を均等に集め、均一の流れ
にする。

【００２１】１２は、モジュール内壁１０内部の下端に
配置された空気側再生熱交換器で、第２のヘッダ９で集
積された供給空気ＳＡを内部に導入する空気取入口、内
部構造１内の発電、若しくは冷却を行い加熱された排気
空気ＥＡを輻射変換体６、および空気予熱用多孔体７を
貫通して設けた排気管１３を通じて導入する排気導入口
を具え、導入した供給空気を排気空気ＥＡで高温に加熱
するようにしている。また、空気側再生熱交換器１２に
は、加熱した供給空気ＳＡを、上部輻射変換体４と下部
輻射変換体５の間に排出する空気排出管１４、第２のヘ
ッダ９内に排出する空気排出管１５、および供給空気Ｓ
Ａの加熱を行った排気空気ＥＡを外へ排出する排気排出
管１６が設けられている。

【００２２】また、モジュール内壁１０内の上部には、
図２で示したものと同様の、常温の供給燃料ＳＦを導入
し、内部構造１内の発電で加熱された排気燃料ＥＦで、
８００℃程度まで加熱する燃料側再生熱交換器１７が設
置されている。

【００２３】本実施例は、上述のように構成され、外部
からの供給空気ＳＡは、新設の下部輻射変換体４の下方
に流入し、一部は、下部輻射変換体５を通過して、上部
輻射変換体４に流入する。この上昇時に、内部構造１か
らの放熱を吸収し、高温になるとともに、モジュール内
壁１０下方への伝熱を低減し、モジュール外壁３からの
外部への熱放散を低減する。

【００２４】また、残りの大部分は、下部輻射変換体４
の下に設けられた第１のヘッダ８で均一に分配され、更
に、空気予熱用多孔体７で予熱されたのち、空気側再生
熱交換器１２へ流入する。空気側再生熱交換器１２で、
さらに排気空気ＥＡで予熱された供給空気ＳＡは、既設
の上部輻射変換体４の下方に流入し、前述した下部輻射
体５を通過した供給空気ＳＡと共に、上部輻射変換体４
で加熱され、さらに高温となり、内部構造１へ入り発電
部で供給燃料ＳＦと反応し、発電を行い発熱を生ずる。
発電部の自己発熱は、内部構造１の発電部を高温に保持
するとともに、内部構造１内を流れる供給空気ＳＡの加
熱に効率良く利用され、その他はモジュール外壁３から
放散される。

【００２５】このように、供給空気ＳＡは、新設の下部
輻射変換体５、および空気予熱用多孔体７で予熱され、
従来装置より余分に供給空気ＳＡに加熱して熱を奪うこ
とにより、内部構造１の下部に位置するモジュール外壁
３からの放散熱を減少させ、モジュールの効率向上を図
ることができる。また、供給空気ＳＡの予熱に放散熱を
用いることにより、空気側再生熱交換器１２の容量を小
さくすることができ、コンパクト化を図ることができ
る。

【００２６】

【発明の効果】以上述べたように、本発明の固体電解質
型燃料電池モジュールによれば、特許請求の範囲に示す
構成により、発電を行う発電層が設けられた発電部を、
適切な作動温度範囲に制御することができるとともに、
モジュール外壁から外部へ放散され、固体電解質型燃料
電池の発電効率の向上に寄与しない放散熱量を低減する
ことができる。これにより、熱効率に秀れた固体電解質
型燃料電池モジュールとすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の固体電解質型燃料電池モジュールの一
実施例の基本構成を示す模式図、

【図２】従来の固体電解質型燃料電池モジュールの基本
構成を示す模式図である。

【符号の説明】

１ 内部構造 ２ 断熱材 ３ モジュール外壁 ４ 上部輻射変換体 ５ 下部輻射変換体 ６ 輻射変換体 ７ 空気予熱用多孔体 ８ 第１のヘッダ ９ 第２のヘッダ １０ モジュール内壁 １１ 配管 １２ 空気側再生熱交換器 １３ 排気管 １４，１５ 空気排出管 １６ 排気排出管 １７ 燃料側再生熱交換器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 永田 勝己 長崎市飽の浦町１番１号 三菱重工業株式 会社長崎造船所内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内部構造内に設けた発電部に供給される
   供給燃料と供給空気の電気化学的反応による発熱で、作
   動温度を維持するようにした固体電解質型燃料電池モジ
   ュールにおいて、前記内部構造を収容するモジュール内
   壁の下方に設置された上部輻射変換体、および前記上部
   輻射変換体の下方に間隔を設けて配置され、前記供給空
   気を外部から前記モジュール内壁内に移送する配管を下
   面に開口させた下部輻射変換体からなり、前記モジュー
   ル内壁に挿着された多孔質の輻射変換体と、前記下部輻
   射変換体の下方に第１のヘッダを介装して前記モジュー
   ル内壁に挿着された空気予熱器用多孔体と、前記空気予
   熱器用多孔体との間に第２のヘッダを介装して前記モジ
   ュール内壁の下端に設置され、前記供給空気を前記内部
   構造内で加熱された排気空気を導入して加熱し、前記内
   部構造内に供給する空気側再生熱交換器とを具えたこと
   を特徴とする固体電解質型燃料電池モジュール。