JPH09306525A - 固体電解質型燃料電池発電モジュールの構造 - Google Patents
固体電解質型燃料電池発電モジュールの構造Info
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- JPH09306525A JPH09306525A JP8121394A JP12139496A JPH09306525A JP H09306525 A JPH09306525 A JP H09306525A JP 8121394 A JP8121394 A JP 8121394A JP 12139496 A JP12139496 A JP 12139496A JP H09306525 A JPH09306525 A JP H09306525A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 外側から順に空気極、電解質、燃料極とされ
たセルを備えている従来の発電モジュールにおいては、
燃料利用率が低下すると発電モジュール内の温度が異常
上昇して危険なため、燃料利用率を低くして運転するこ
とができなかった。 【解決手段】 外側から順に空気極、電解質、燃料極と
されたセルを備えている発電モジュールにおいて、空気
の排出路と燃料の排出路とが分離されていることを特徴
とする固体電解質型燃料電池発電モジュール。
たセルを備えている従来の発電モジュールにおいては、
燃料利用率が低下すると発電モジュール内の温度が異常
上昇して危険なため、燃料利用率を低くして運転するこ
とができなかった。 【解決手段】 外側から順に空気極、電解質、燃料極と
されたセルを備えている発電モジュールにおいて、空気
の排出路と燃料の排出路とが分離されていることを特徴
とする固体電解質型燃料電池発電モジュール。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は固体電解質型燃料電
池（以下 SOFC ともいう。）の発電モジュールの構造に
関する。
池（以下 SOFC ともいう。）の発電モジュールの構造に
関する。
【０００２】
【従来の技術】固体電解質型燃料電池のセル構造には、
円筒方式及び平板方式のものがあり、円筒形方式のもの
としては、例えば、特開平７−２６３００１号公報に記
載されているものが知られている。これは図７及び図８
に示されているように、外側から順に空気極５２、電解
質５３、燃料極５１が設けられた円筒形のセルであり、
燃料極５１の内側は燃料供給用の導電性チューブ５４と
なっている。導電性チューブ５４と燃料極５１との間に
は導電性フェルト５５が詰められており、燃料極５１と
燃料供給用導電性チューブ５４とを電気的に接続してい
る。そして、燃料電池セルの陽極には空気極５２、セル
の陰極には導電性チューブ５４が用いられる。
円筒方式及び平板方式のものがあり、円筒形方式のもの
としては、例えば、特開平７−２６３００１号公報に記
載されているものが知られている。これは図７及び図８
に示されているように、外側から順に空気極５２、電解
質５３、燃料極５１が設けられた円筒形のセルであり、
燃料極５１の内側は燃料供給用の導電性チューブ５４と
なっている。導電性チューブ５４と燃料極５１との間に
は導電性フェルト５５が詰められており、燃料極５１と
燃料供給用導電性チューブ５４とを電気的に接続してい
る。そして、燃料電池セルの陽極には空気極５２、セル
の陰極には導電性チューブ５４が用いられる。
【０００３】燃料供給用導電性チューブ５４には多数の
細孔が設けられており、該チューブから供給された天然
ガス（メタンガスを主成分とする）と水蒸気は、チュー
ブ上の孔から導電性フェルト内に入り以下のように反応
する。
細孔が設けられており、該チューブから供給された天然
ガス（メタンガスを主成分とする）と水蒸気は、チュー
ブ上の孔から導電性フェルト内に入り以下のように反応
する。
【０００４】 ＣＨ4 ＋ Ｈ2Ｏ → ３Ｈ2 ＋ ＣＯ （反応式Ａ） ＣＯ ＋ Ｈ2Ｏ → Ｈ2 ＋ ＣＯ2 （反応式Ｂ） 従って、改質反応は全体的には次のように表すことがで
きる。
きる。
【０００５】 ＣＨ4 ＋ ２Ｈ2Ｏ → ４Ｈ2 ＋ ＣＯ2 （反応式Ｃ） 実際の改質反応においては、化学平衡論的に反応式Ａが
大半であり、反応式Ｂの反応はそれほど多くはないた
め、改質ガス中には水素の他に一酸化炭素も含まれるこ
ととなる。
大半であり、反応式Ｂの反応はそれほど多くはないた
め、改質ガス中には水素の他に一酸化炭素も含まれるこ
ととなる。
【０００６】一方、セルの外側には空気６４が供給され
ており、空気中の酸素は空気極５２で電子を受け取り、
以下のようにイオン化する。
ており、空気中の酸素は空気極５２で電子を受け取り、
以下のようにイオン化する。
【０００７】 （１／２）Ｏ2 ＋ ２ｅ- → Ｏ2- （反応式Ｄ） 電解質５３には運転温度において酸素イオンを透過させ
る固体材料、例えばイットリア安定化ジルコニア等が使
用され、空気極５２で発生した酸素イオンは、電解質５
３中を通って燃料極５１に到達する。燃料極５１におい
ては、電解質５３中を通って供給される酸素イオンと改
質により生成された水素及び一酸化炭素が以下のように
反応して電子を放出する。
る固体材料、例えばイットリア安定化ジルコニア等が使
用され、空気極５２で発生した酸素イオンは、電解質５
３中を通って燃料極５１に到達する。燃料極５１におい
ては、電解質５３中を通って供給される酸素イオンと改
質により生成された水素及び一酸化炭素が以下のように
反応して電子を放出する。
【０００８】 Ｈ2 ＋ Ｏ2- → Ｈ2Ｏ ＋ ２ｅ- （反応式Ｅ） ＣＯ ＋ Ｏ2- → ＣＯ2 ＋ ２ｅ- （反応式Ｆ） Ｈ2の電池反応（反応式Ｅ）により燃料極５１で発生し
たＨ2Ｏ（水蒸気）と、改質（反応式Ｂ）及びＣＯの電
池反応（反応式Ｆ）によりできたＣＯ2と、未反応のま
ま残ったＨ2は、セルの外に排出される。尚、改質によ
りできた燃料ＣＯは、ほぼ全部が電池反応（反応式Ｆ）
に寄与するため、排気中にはほとんど含まれない。
たＨ2Ｏ（水蒸気）と、改質（反応式Ｂ）及びＣＯの電
池反応（反応式Ｆ）によりできたＣＯ2と、未反応のま
ま残ったＨ2は、セルの外に排出される。尚、改質によ
りできた燃料ＣＯは、ほぼ全部が電池反応（反応式Ｆ）
に寄与するため、排気中にはほとんど含まれない。
【０００９】燃料電池モジュールの運転は１０００℃前
後の高温で行われるため、排気中に含まれる水素はセル
から放出されるとセルの周りに流れている空気中の酸素
と容易に反応して燃焼する（図９参照）。
後の高温で行われるため、排気中に含まれる水素はセル
から放出されるとセルの周りに流れている空気中の酸素
と容易に反応して燃焼する（図９参照）。
【００１０】このような単セル３が組み合わせられて発
電モジュールが構成される。図９はその一例を示してお
り、円筒形の空気極５２が陽極５６として使用され、複
数の単セル３の陽極５６が並列に接続されている。
電モジュールが構成される。図９はその一例を示してお
り、円筒形の空気極５２が陽極５６として使用され、複
数の単セル３の陽極５６が並列に接続されている。
【００１１】また、図１０に示されているように、陰極
５７は、燃料分配器４から延びた導電性チューブ５４に
よって形成され相互に並列に接続されている。並列に接
続された陽極及び陰極を有する複数のセルが１組とな
り、必要に応じて複数組が直列に接続される。水蒸気及
び燃料の供給路には、燃料の供給路を通じて電気が漏洩
するのを防止するために絶縁ジョイント５８が施され
る。絶縁ジョイント５８は、セラミックスやテフロンな
どの絶縁性材料で構成された中空のパイプ状のものであ
り、耐熱性を有するものが望ましく、ネジやフランジ接
続によって燃料の供給路と繋がっている。
５７は、燃料分配器４から延びた導電性チューブ５４に
よって形成され相互に並列に接続されている。並列に接
続された陽極及び陰極を有する複数のセルが１組とな
り、必要に応じて複数組が直列に接続される。水蒸気及
び燃料の供給路には、燃料の供給路を通じて電気が漏洩
するのを防止するために絶縁ジョイント５８が施され
る。絶縁ジョイント５８は、セラミックスやテフロンな
どの絶縁性材料で構成された中空のパイプ状のものであ
り、耐熱性を有するものが望ましく、ネジやフランジ接
続によって燃料の供給路と繋がっている。
【００１２】空気の供給路５９内の空気６４はセルの上
方の燃焼ゾーン６０を通過して予熱された後、セル下方
付近の仕切板１１の空気吹出口から上方へ吹き出され
る。一方、水蒸気の混合された燃料は、供給路６１を通
じて燃料分配器４に達すると、各セルへと分岐路を経て
供給される。燃料はセル内で改質されて水素と二酸化炭
素及び一酸化炭素が生成され、上述の反応を経て、水蒸
気、未燃の水素、及び二酸化炭素が燃焼ゾーンに排出さ
れる。燃焼ゾーンでは水素が吹出口から上がってきた空
気中の酸素と反応して水蒸気となり、大量の水蒸気と僅
かな二酸化炭素が燃料電池発電モジュールから排出され
る。
方の燃焼ゾーン６０を通過して予熱された後、セル下方
付近の仕切板１１の空気吹出口から上方へ吹き出され
る。一方、水蒸気の混合された燃料は、供給路６１を通
じて燃料分配器４に達すると、各セルへと分岐路を経て
供給される。燃料はセル内で改質されて水素と二酸化炭
素及び一酸化炭素が生成され、上述の反応を経て、水蒸
気、未燃の水素、及び二酸化炭素が燃焼ゾーンに排出さ
れる。燃焼ゾーンでは水素が吹出口から上がってきた空
気中の酸素と反応して水蒸気となり、大量の水蒸気と僅
かな二酸化炭素が燃料電池発電モジュールから排出され
る。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】この形式の発電モジュ
ールは、導電性フェルト、燃料極、燃料供給用導電性チ
ューブ等に触媒作用の高いニッケル等を用いれば完全内
部改質も可能となる点で、他の形式の固体電解質型燃料
電池発電モジュール（例えば、外側から順に燃料極、電
解質、空気極とされたセルを用いた固体電解質型燃料電
池発電モジュール）に比べて有利である。また、燃料供
給用の導電性チューブ自体を陰極としているため、イン
ターコネクタが不要であり円筒形燃料電池発電セルとし
ては最強の強度を有する。しかしながら、この形式の固
体電解質型燃料電池発電モジュールには、以下のような
問題点があった。
ールは、導電性フェルト、燃料極、燃料供給用導電性チ
ューブ等に触媒作用の高いニッケル等を用いれば完全内
部改質も可能となる点で、他の形式の固体電解質型燃料
電池発電モジュール（例えば、外側から順に燃料極、電
解質、空気極とされたセルを用いた固体電解質型燃料電
池発電モジュール）に比べて有利である。また、燃料供
給用の導電性チューブ自体を陰極としているため、イン
ターコネクタが不要であり円筒形燃料電池発電セルとし
ては最強の強度を有する。しかしながら、この形式の固
体電解質型燃料電池発電モジュールには、以下のような
問題点があった。
【００１４】（１）従来の固体電解質型燃料電池発電モ
ジュールにおいては、電池反応に寄与しなかった余剰燃
料を燃焼ゾーンで燃焼させていた。
ジュールにおいては、電池反応に寄与しなかった余剰燃
料を燃焼ゾーンで燃焼させていた。
【００１５】一方、負荷の変動等種々の要因により、発
電モジュールの端子電圧を高くしたい場合には、取り出
す電流を小さくする必要がある。このためには発電モジ
ュールの燃料利用率を低くして運転しなければならな
い。これは、セル内の電解質の導電率が１０００℃前後
の運転温度においても十分でないため、負荷電流が大き
いほど端子電圧が低いという関係があるからである。し
かしながら、燃料利用率を小さくすることは同時に、余
剰燃料を多くすることでもあるため燃焼ゾーンでの燃焼
が激しくなり発電モジュール内の温度が異常に上昇して
しまうおそれがあり危険であった。
電モジュールの端子電圧を高くしたい場合には、取り出
す電流を小さくする必要がある。このためには発電モジ
ュールの燃料利用率を低くして運転しなければならな
い。これは、セル内の電解質の導電率が１０００℃前後
の運転温度においても十分でないため、負荷電流が大き
いほど端子電圧が低いという関係があるからである。し
かしながら、燃料利用率を小さくすることは同時に、余
剰燃料を多くすることでもあるため燃焼ゾーンでの燃焼
が激しくなり発電モジュール内の温度が異常に上昇して
しまうおそれがあり危険であった。
【００１６】（２）燃料利用率を低くして運転すること
は上記のように危険であるため、ある程度燃料利用率を
高くして運転する必要があるが、固体電解質型燃料電池
発電モジュールの排気の燃焼熱を利用して排気タービン
や蒸気タービン等のボトミングサイクルでさらに発電す
るようなコンバインドサイクルを形成した場合には、ボ
トミングサイクルとの整合性が悪くなるおそれがあっ
た。
は上記のように危険であるため、ある程度燃料利用率を
高くして運転する必要があるが、固体電解質型燃料電池
発電モジュールの排気の燃焼熱を利用して排気タービン
や蒸気タービン等のボトミングサイクルでさらに発電す
るようなコンバインドサイクルを形成した場合には、ボ
トミングサイクルとの整合性が悪くなるおそれがあっ
た。
【００１７】例えば、ガスタービンと組み合わせてコン
バインドサイクルを構成した場合、負荷の変動に応じて
運転状態が変わり、ボトミングサイクル発電効率を良好
に保つことができなくなり、また、ガスタービン側の熱
量が不足したときに、ガスタービンへ燃料を補充する別
個の燃料供給装置を設けなければならない場合もあり、
この場合は、発電システムが複雑となった。
バインドサイクルを構成した場合、負荷の変動に応じて
運転状態が変わり、ボトミングサイクル発電効率を良好
に保つことができなくなり、また、ガスタービン側の熱
量が不足したときに、ガスタービンへ燃料を補充する別
個の燃料供給装置を設けなければならない場合もあり、
この場合は、発電システムが複雑となった。
【００１８】本発明は、上記問題点を解決乃至緩和し、
発電モジュール内の燃焼による異常な温度上昇をなくし
燃料利用率調整の自由度を拡げ、ボトミングサイクルと
の燃料供給割合の整合性をよくし得る固体電解質型燃料
電池発電モジュールを提供することを目的とする。
発電モジュール内の燃焼による異常な温度上昇をなくし
燃料利用率調整の自由度を拡げ、ボトミングサイクルと
の燃料供給割合の整合性をよくし得る固体電解質型燃料
電池発電モジュールを提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】本発明の前記目的は、外
側から順に空気極、固体電解質、燃料極が配置された円
筒形セルをケーシング内に複数備え、前記燃料極及び空
気極に各々燃料及び空気を供給し、高温下で空気中の酸
素をイオン化し固体電解質を経て燃料と反応させること
により起電力を得る固体電解質型燃料電池発電モジュー
ルにおいて、前記ケーシングは、ケーシング外から各セ
ルの一端側の燃料極及び空気極に各々通じる燃料供給部
及び空気供給部と、前記セルの他端側において各セル間
及びセルとケーシングとの間に延びた隔壁と、前記隔壁
によって仕切られ、未反応燃料及び空気を前記セルの他
端側において別個にケーシング外へ排出するように設け
られた燃料排出部及び空気排出部とを備えていることを
特徴とする固体電解質型燃料電池発電モジュールにより
達成される。
側から順に空気極、固体電解質、燃料極が配置された円
筒形セルをケーシング内に複数備え、前記燃料極及び空
気極に各々燃料及び空気を供給し、高温下で空気中の酸
素をイオン化し固体電解質を経て燃料と反応させること
により起電力を得る固体電解質型燃料電池発電モジュー
ルにおいて、前記ケーシングは、ケーシング外から各セ
ルの一端側の燃料極及び空気極に各々通じる燃料供給部
及び空気供給部と、前記セルの他端側において各セル間
及びセルとケーシングとの間に延びた隔壁と、前記隔壁
によって仕切られ、未反応燃料及び空気を前記セルの他
端側において別個にケーシング外へ排出するように設け
られた燃料排出部及び空気排出部とを備えていることを
特徴とする固体電解質型燃料電池発電モジュールにより
達成される。
【００２０】また、本発明にかかる固体電解質型燃料電
池発電モジュールは、前記固体電解質型燃料電池発電モ
ジュールの前記燃料排出部からの排気の一部を前記セル
の燃料供給路に再循環させるために前記燃料排出部及び
前記燃料供給路に繋がっている再循環路を備えてもよ
い。
池発電モジュールは、前記固体電解質型燃料電池発電モ
ジュールの前記燃料排出部からの排気の一部を前記セル
の燃料供給路に再循環させるために前記燃料排出部及び
前記燃料供給路に繋がっている再循環路を備えてもよ
い。
【００２１】
【発明の実施の形態】以下添付図面を参照しつつ本発明
の好適な実施形態について説明する。図１は本発明にか
かる固体電解質型燃料電池発電モジュールの一例を示し
たものである。発電モジュール１の内部には図１に記載
されている複数のセル３が並べられている。各セル３そ
のものの構造は従来のものと同じであり、例えば図７に
示したような外側から順に空気極、電解質５３、燃料極
５１を備えたものとすることができる。
の好適な実施形態について説明する。図１は本発明にか
かる固体電解質型燃料電池発電モジュールの一例を示し
たものである。発電モジュール１の内部には図１に記載
されている複数のセル３が並べられている。各セル３そ
のものの構造は従来のものと同じであり、例えば図７に
示したような外側から順に空気極、電解質５３、燃料極
５１を備えたものとすることができる。
【００２２】セル３はケーシング９内に収納されてい
る。ケーシング９の上端付近には、セル３の上方の余剰
燃料放出ゾーン６と、セルの下端付近から上端付近まで
にわたってセルの周りに存在する電池反応ゾーン７とを
分離する隔壁２が設けられている。隔壁２には図２に示
されているように孔８が設けられており、該孔８にセル
３の上部が嵌合している。セルの上端は、図２に示され
ているように隔壁２の上方に突出していてもよく、ま
た、隔壁の上面と下面との間で終端するようにしてもよ
い。
る。ケーシング９の上端付近には、セル３の上方の余剰
燃料放出ゾーン６と、セルの下端付近から上端付近まで
にわたってセルの周りに存在する電池反応ゾーン７とを
分離する隔壁２が設けられている。隔壁２には図２に示
されているように孔８が設けられており、該孔８にセル
３の上部が嵌合している。セルの上端は、図２に示され
ているように隔壁２の上方に突出していてもよく、ま
た、隔壁の上面と下面との間で終端するようにしてもよ
い。
【００２３】図１に示されているように、ケーシング９
の上部には燃料極側排気口１３が設けられており、さら
にケーシング９の側壁にはセル３の直ぐ下方の高さに、
空気供給口１０、隔壁２の直ぐ下方に空気極側排気口１
２が設けられている。
の上部には燃料極側排気口１３が設けられており、さら
にケーシング９の側壁にはセル３の直ぐ下方の高さに、
空気供給口１０、隔壁２の直ぐ下方に空気極側排気口１
２が設けられている。
【００２４】空気供給口１０から入った空気は仕切板１
１の空気吹出口から上方に向けて吹き出される。空気中
の酸素は電池反応ゾーン７で電池反応に寄与して消費さ
れ、残った酸素は空気中の他の成分と共に空気極側排気
口１２から発電モジュール１の外に排出される。
１の空気吹出口から上方に向けて吹き出される。空気中
の酸素は電池反応ゾーン７で電池反応に寄与して消費さ
れ、残った酸素は空気中の他の成分と共に空気極側排気
口１２から発電モジュール１の外に排出される。
【００２５】一方、燃料供給路６１から供給された天然
ガス及び水蒸気６３は、燃料分配器４によって各セル３
に分配され、各セル３内で改質された後電池反応に寄与
する。その後、電池反応に寄与しなかった水素、電池反
応によりできた水蒸気、及び改質によりできた二酸化炭
素は、セル３の上端から余剰燃料放出ゾーン６に入り燃
料極側排気口１３からケーシング９の外に排出される。
ガス及び水蒸気６３は、燃料分配器４によって各セル３
に分配され、各セル３内で改質された後電池反応に寄与
する。その後、電池反応に寄与しなかった水素、電池反
応によりできた水蒸気、及び改質によりできた二酸化炭
素は、セル３の上端から余剰燃料放出ゾーン６に入り燃
料極側排気口１３からケーシング９の外に排出される。
【００２６】このように、本発明にかかる発電モジュー
ルでは酸素と水素が混ざることがないため、電池反応に
寄与しなかった水素は反応せずにそのまま発電モジュー
ルの外に排出されることとなる。
ルでは酸素と水素が混ざることがないため、電池反応に
寄与しなかった水素は反応せずにそのまま発電モジュー
ルの外に排出されることとなる。
【００２７】ケーシング９本体及び隔壁２は、種々の材
料で製造することができ、例えば、ケーシングには内側
の高温部分をカオウールやセラミックスなどの耐熱性断
熱材で構成し、その外側をインコネルやＳＵＳ３０４等
の耐熱性金属で覆ったものを使用することができ、隔壁
にはジルコニアやアルミナなどの耐熱性セラミックプレ
ートなどを使用することができる。隔壁をケーシング側
壁に固定するにはケーシングの内側に溝を切り、隔壁板
を嵌め込んだり（図２参照）、ケーシングの内側に桟を
設けてその上に隔壁板を固定するなどの構造を採用する
ことができる。
料で製造することができ、例えば、ケーシングには内側
の高温部分をカオウールやセラミックスなどの耐熱性断
熱材で構成し、その外側をインコネルやＳＵＳ３０４等
の耐熱性金属で覆ったものを使用することができ、隔壁
にはジルコニアやアルミナなどの耐熱性セラミックプレ
ートなどを使用することができる。隔壁をケーシング側
壁に固定するにはケーシングの内側に溝を切り、隔壁板
を嵌め込んだり（図２参照）、ケーシングの内側に桟を
設けてその上に隔壁板を固定するなどの構造を採用する
ことができる。
【００２８】図３から図５は、本発明にかかる固体電解
質型燃料電池発電モジュールの他の実施形態を示すもの
である。この実施形態においてはセル３として図３及び
図４に示されているものを使用している。これは、電池
反応域の基端から先端側へ一部の範囲について、チュー
ブ内を断面十字形の燃料供給室４１とその残部の水蒸気
供給室４０とに仕切り、その先端側はチューブ断面全体
を燃料供給とした一部二重構造のセルである。この例で
は、二重構造部分を電池反応域の基端から先端側へ約３
分の１の範囲としている。
質型燃料電池発電モジュールの他の実施形態を示すもの
である。この実施形態においてはセル３として図３及び
図４に示されているものを使用している。これは、電池
反応域の基端から先端側へ一部の範囲について、チュー
ブ内を断面十字形の燃料供給室４１とその残部の水蒸気
供給室４０とに仕切り、その先端側はチューブ断面全体
を燃料供給とした一部二重構造のセルである。この例で
は、二重構造部分を電池反応域の基端から先端側へ約３
分の１の範囲としている。
【００２９】チューブの基端側には、燃料供給室４１と
水蒸気供給室４０が設けられており、燃料は燃料供給室
４１の径方向外側の面に設けられた孔から導電性フェル
ト５５内に導入され、水蒸気は水蒸気供給室４０の径方
向外側の面に設けられた孔から導電性フェルト内に導入
される。水蒸気供給室４０の外側の面に設けられている
孔は、セルの基端側ほど多く、先端側ほど少なくなって
いる。水蒸気供給室４０と燃料供給室４１はガスの流れ
を妨げないようなスペーサー１６によって固定されてい
る。
水蒸気供給室４０が設けられており、燃料は燃料供給室
４１の径方向外側の面に設けられた孔から導電性フェル
ト５５内に導入され、水蒸気は水蒸気供給室４０の径方
向外側の面に設けられた孔から導電性フェルト内に導入
される。水蒸気供給室４０の外側の面に設けられている
孔は、セルの基端側ほど多く、先端側ほど少なくなって
いる。水蒸気供給室４０と燃料供給室４１はガスの流れ
を妨げないようなスペーサー１６によって固定されてい
る。
【００３０】セルの大きさは例えば、 長さ ： ３０cm から ２００cm 直径 ： １０mm から ３０mm とすることができ、用途や出力に応じて適宜の寸法とさ
れる。また、空気極の厚さは例えば約２ mm から約４ m
m 程度とされる。一方、電解質は数十ミクロン、燃料極
は数百ミクロンの厚さで製造される。
れる。また、空気極の厚さは例えば約２ mm から約４ m
m 程度とされる。一方、電解質は数十ミクロン、燃料極
は数百ミクロンの厚さで製造される。
【００３１】セルの先端側では電池反応（反応式Ａ及び
Ｂ）によって生じた水蒸気が再び改質反応に寄与するた
め、セルの基端側から先端側まで均一に水蒸気を供給す
ると、先端側では過剰となり、基端側では不足すること
となる。従って、このようにチューブ内を二重構造とす
ることにより、セルの基端側により多くの水蒸気を供給
することができるため、燃料濃度を均一にして電池性能
を高めることができる。図５は、このセルを使用して構
成されている本発明にかかる固体電解質型燃料電池発電
モジュールを示している。空気は空気供給口１０から発
電モジュール１内に入り仕切板１１の空気吹出口から上
方に向かって流れ、電池反応ゾーン７で電池反応に寄与
した後空気極側排気口１２から排出される。
Ｂ）によって生じた水蒸気が再び改質反応に寄与するた
め、セルの基端側から先端側まで均一に水蒸気を供給す
ると、先端側では過剰となり、基端側では不足すること
となる。従って、このようにチューブ内を二重構造とす
ることにより、セルの基端側により多くの水蒸気を供給
することができるため、燃料濃度を均一にして電池性能
を高めることができる。図５は、このセルを使用して構
成されている本発明にかかる固体電解質型燃料電池発電
モジュールを示している。空気は空気供給口１０から発
電モジュール１内に入り仕切板１１の空気吹出口から上
方に向かって流れ、電池反応ゾーン７で電池反応に寄与
した後空気極側排気口１２から排出される。
【００３２】この実施形態では、別々に供給された天然
ガス６９及び水蒸気６８がそれぞれ燃料分配器４によっ
て各セル３に分配され、改質及び電池反応を経て余剰燃
料放出ゾーン６に入り、燃料極側排気口１３からケーシ
ング９の外に排出される。排気の一部は、ポンプ１６及
び流量調整器１７を介して水蒸気供給路１４に再循環さ
れる。
ガス６９及び水蒸気６８がそれぞれ燃料分配器４によっ
て各セル３に分配され、改質及び電池反応を経て余剰燃
料放出ゾーン６に入り、燃料極側排気口１３からケーシ
ング９の外に排出される。排気の一部は、ポンプ１６及
び流量調整器１７を介して水蒸気供給路１４に再循環さ
れる。
【００３３】ここで、燃料極側排気口１３から排出され
るガスの成分量を考えてみる。燃料の改質は、反応式Ａ
から明らかなように、メタンガス１mol につき水素４mo
l 、二酸化炭素１mol の割合で行われる。電池反応は全
体としては、 Ｈ2 ＋ （１／２）Ｏ2 → Ｈ2Ｏ （反応式Ｇ） という反応であるから、改質により生成された水素の８
０パーセントが電池反応に寄与すれば、3.2 mol の水及
び 0.8 mol の水素が燃料極側の排気に含まれることと
なる。即ち、燃料極側の排気中には水、水素、及び二酸
化炭素がそれぞれ、3.2 : 0.8 : 1 の割合で含まれる。
また、セル上部においてその一部が再び改質に使用され
ることを考慮しても、燃料極側排気には多量の純粋な水
蒸気が含まれており、不要な二酸化炭素は排気全体から
見ると少量であることが分かる。
るガスの成分量を考えてみる。燃料の改質は、反応式Ａ
から明らかなように、メタンガス１mol につき水素４mo
l 、二酸化炭素１mol の割合で行われる。電池反応は全
体としては、 Ｈ2 ＋ （１／２）Ｏ2 → Ｈ2Ｏ （反応式Ｇ） という反応であるから、改質により生成された水素の８
０パーセントが電池反応に寄与すれば、3.2 mol の水及
び 0.8 mol の水素が燃料極側の排気に含まれることと
なる。即ち、燃料極側の排気中には水、水素、及び二酸
化炭素がそれぞれ、3.2 : 0.8 : 1 の割合で含まれる。
また、セル上部においてその一部が再び改質に使用され
ることを考慮しても、燃料極側排気には多量の純粋な水
蒸気が含まれており、不要な二酸化炭素は排気全体から
見ると少量であることが分かる。
【００３４】従って、図５に示されているように、燃料
極側排気の一部をそのまま水蒸気供給路１４に戻すこと
により、燃料極側の排気を燃料改質に必要な水蒸気とし
て有効に使用することができ、コストのかかる純水の水
蒸気を別個に供給源から供給し続ける必要性をなくし、
或いは低減することができる。
極側排気の一部をそのまま水蒸気供給路１４に戻すこと
により、燃料極側の排気を燃料改質に必要な水蒸気とし
て有効に使用することができ、コストのかかる純水の水
蒸気を別個に供給源から供給し続ける必要性をなくし、
或いは低減することができる。
【００３５】図６は、本発明にかかる固体電解質型燃料
電池発電モジュールを用いて構成できるコンバインドサ
イクルの一例を示している。起動時は、空気圧縮機２１
によって圧縮され補助空気回路１８を経た補助空気と燃
料圧縮機２２によって圧縮され補助燃料回路１９を経た
補助燃料とが燃焼機２０に供給される。一方、空気圧縮
機２１から直接燃焼機２０に供給された空気は、補助空
気と補助燃料との燃焼により、燃焼機２０内で予熱され
て加熱空気２３となり、発電モジュール１に供給され発
電モジュール１の内部を運転温度まで昇温する。
電池発電モジュールを用いて構成できるコンバインドサ
イクルの一例を示している。起動時は、空気圧縮機２１
によって圧縮され補助空気回路１８を経た補助空気と燃
料圧縮機２２によって圧縮され補助燃料回路１９を経た
補助燃料とが燃焼機２０に供給される。一方、空気圧縮
機２１から直接燃焼機２０に供給された空気は、補助空
気と補助燃料との燃焼により、燃焼機２０内で予熱され
て加熱空気２３となり、発電モジュール１に供給され発
電モジュール１の内部を運転温度まで昇温する。
【００３６】プラントの起動時に発電モジュール１に必
要な水蒸気は、SOFC 起動用水蒸気回路２４から供給さ
れるが、発電モジュール１が発電を開始すると供給が停
止され、燃料極側の排気の一部が改質用水蒸気として水
蒸気供給路に戻されて使用される。燃料圧縮機２２から
供給される燃料及び循環水蒸気２５は発電モジュール１
内で改質及び電池反応を経た後燃料極側排気回路２６を
経てモジュール１の外に排出され、燃焼機２０内に導入
される。一方、燃焼機２０で加熱された空気２３は、発
電モジュール１内で電池反応に寄与した後空気極側排気
回路２７を経て発電モジュール１の外に排出され、再び
燃焼機２０内に導入される。燃焼機２０から燃料極側排
気回路２６及び空気極側排気回路２７を経て各々導入さ
れた燃料及び空気は、燃焼機２０内で燃焼し、高温の燃
焼ガスは排気タービン２８に送られる。
要な水蒸気は、SOFC 起動用水蒸気回路２４から供給さ
れるが、発電モジュール１が発電を開始すると供給が停
止され、燃料極側の排気の一部が改質用水蒸気として水
蒸気供給路に戻されて使用される。燃料圧縮機２２から
供給される燃料及び循環水蒸気２５は発電モジュール１
内で改質及び電池反応を経た後燃料極側排気回路２６を
経てモジュール１の外に排出され、燃焼機２０内に導入
される。一方、燃焼機２０で加熱された空気２３は、発
電モジュール１内で電池反応に寄与した後空気極側排気
回路２７を経て発電モジュール１の外に排出され、再び
燃焼機２０内に導入される。燃焼機２０から燃料極側排
気回路２６及び空気極側排気回路２７を経て各々導入さ
れた燃料及び空気は、燃焼機２０内で燃焼し、高温の燃
焼ガスは排気タービン２８に送られる。
【００３７】燃焼機２０から出た燃焼ガスは排気回路２
９を経て排気タービンで発電に使用された後排気ボイラ
３０に送られる。燃焼機２０から出た燃焼ガスは排気タ
ービン２８を経た後でも、かなりの熱量を有し、排気ボ
イラ３０内で水３１を加熱して蒸気３２に変えた後、排
気回路７２を経て最終的に放出される。排気ボイラ３０
から出た蒸気３２は、蒸気タービン３３を作動させて交
流を発電した後復水器３４により水３１に戻される。
９を経て排気タービンで発電に使用された後排気ボイラ
３０に送られる。燃焼機２０から出た燃焼ガスは排気タ
ービン２８を経た後でも、かなりの熱量を有し、排気ボ
イラ３０内で水３１を加熱して蒸気３２に変えた後、排
気回路７２を経て最終的に放出される。排気ボイラ３０
から出た蒸気３２は、蒸気タービン３３を作動させて交
流を発電した後復水器３４により水３１に戻される。
【００３８】発電モジュール１により発電された直流電
力は、インバータ３５によって交流電力に変換された後
負荷に供給される。定常運転時においても、補助空気回
路１８及び補助燃料回路１９の流量を調整すれば、排気
タービン２８及び蒸気タービン３３の出力を適切に制御
することができ、プラント全体の効率を高めることがで
きる。
力は、インバータ３５によって交流電力に変換された後
負荷に供給される。定常運転時においても、補助空気回
路１８及び補助燃料回路１９の流量を調整すれば、排気
タービン２８及び蒸気タービン３３の出力を適切に制御
することができ、プラント全体の効率を高めることがで
きる。
【００３９】空気圧縮機２１と発電モジュール１との間
には、燃焼機２０を通らずに発電モジュール１に供給さ
れるバイパス空気回路３６が設けられている。このバイ
パス空気回路３６は加熱されずに発電モジュール１に供
給される冷たい空気であり、このバイパス空気３６の量
を調節することにより発電モジュール内の温度を制御す
ることができる。また、プラントの停止作業時にはバイ
パス空気３６を発電モジュール１内に供給することによ
り、発電モジュール１内の温度を下げることができる。
には、燃焼機２０を通らずに発電モジュール１に供給さ
れるバイパス空気回路３６が設けられている。このバイ
パス空気回路３６は加熱されずに発電モジュール１に供
給される冷たい空気であり、このバイパス空気３６の量
を調節することにより発電モジュール内の温度を制御す
ることができる。また、プラントの停止作業時にはバイ
パス空気３６を発電モジュール１内に供給することによ
り、発電モジュール１内の温度を下げることができる。
【００４０】
【発明の効果】本発明にかかる固体電解質型燃料電池発
電モジュールは、余剰燃料放出ゾーンと電池反応ゾーン
との間に隔壁が設けられているため、セル内から排出さ
れる余剰燃料中の水素と空気極周辺の酸素が混合されて
燃焼することがない。従って、燃料利用率を低くするこ
とによって余剰燃料の量が増加しても発電モジュール内
の温度が危険なほどに異常上昇することがない。このた
め、発電モジュールでの燃料利用率を自由に変えること
ができる。
電モジュールは、余剰燃料放出ゾーンと電池反応ゾーン
との間に隔壁が設けられているため、セル内から排出さ
れる余剰燃料中の水素と空気極周辺の酸素が混合されて
燃焼することがない。従って、燃料利用率を低くするこ
とによって余剰燃料の量が増加しても発電モジュール内
の温度が危険なほどに異常上昇することがない。このた
め、発電モジュールでの燃料利用率を自由に変えること
ができる。
【００４１】また、上記のように燃料利用率に自由度が
あるため、負荷変動や運転状態に応じて排気タービンや
蒸気タービン等のボドミングサイクルとの整合性を取る
ことができる。これにより、固体電解質型燃料電池発電
モジュールのコンバインドサイクル発電への適応性が高
まり、発電効率の向上を図ることができる。
あるため、負荷変動や運転状態に応じて排気タービンや
蒸気タービン等のボドミングサイクルとの整合性を取る
ことができる。これにより、固体電解質型燃料電池発電
モジュールのコンバインドサイクル発電への適応性が高
まり、発電効率の向上を図ることができる。
【００４２】さらに、本発明にかかる固体電解質型燃料
電池発電モジュールでは、余剰燃料と空気中の酸素が混
合することがないため、燃料極側排気中の水蒸気を再び
燃料供給路に戻せば改質用の水蒸気として使用すること
ができる。すなわち、従来の発電モジュールのように排
気中に酸素が混合されている場合には、排気を再び供給
路に戻すことは、電解質の両側に酸素が存在することに
なると共に、セル内で改質により生成された水素がセル
内で反応して燃焼することとなるため電池としての機能
が著しく低下するのに対して、本発明の発電のジュール
においてはそれが可能である。そのため、本発明にかか
る発電モジュールにおいては、改質用の水蒸気としてコ
ストの高い純水を別個の供給源から発電モジュールに供
給し続ける必要性をなくし、或いは低減することができ
る。
電池発電モジュールでは、余剰燃料と空気中の酸素が混
合することがないため、燃料極側排気中の水蒸気を再び
燃料供給路に戻せば改質用の水蒸気として使用すること
ができる。すなわち、従来の発電モジュールのように排
気中に酸素が混合されている場合には、排気を再び供給
路に戻すことは、電解質の両側に酸素が存在することに
なると共に、セル内で改質により生成された水素がセル
内で反応して燃焼することとなるため電池としての機能
が著しく低下するのに対して、本発明の発電のジュール
においてはそれが可能である。そのため、本発明にかか
る発電モジュールにおいては、改質用の水蒸気としてコ
ストの高い純水を別個の供給源から発電モジュールに供
給し続ける必要性をなくし、或いは低減することができ
る。
【図１】本発明にかかる発電モジュールの１例の構造を
概略的に示す縦断面図である。
概略的に示す縦断面図である。
【図２】図１に示されている発電モジュールおけるセル
上部を示す斜視図である。
上部を示す斜視図である。
【図３】従来の発電モジュール及び本発明にかかる発電
モジュールに使用されるセルの他の一例を示す縦断面図
である。
モジュールに使用されるセルの他の一例を示す縦断面図
である。
【図４】従来の発電モジュール及び本発明にかかる発電
モジュールに使用されるセルの他の一例を示す横断面図
である。
モジュールに使用されるセルの他の一例を示す横断面図
である。
【図５】本発明にかかる発電モジュールの他の１例の構
造を概略的に示す縦断面図である。
造を概略的に示す縦断面図である。
【図６】本発明にかかる固体電解質型燃料電池発電モジ
ュールを用いて構成できるコンバインドサイクルの一例
を示す回路図である。
ュールを用いて構成できるコンバインドサイクルの一例
を示す回路図である。
【図７】従来の発電モジュール及び本発明にかかる発電
モジュールに使用されるセルの一例を示す縦断面図であ
る。
モジュールに使用されるセルの一例を示す縦断面図であ
る。
【図８】従来の発電モジュール及び本発明にかかる発電
モジュールに使用されるセルの一例を示す横断面図であ
る。
モジュールに使用されるセルの一例を示す横断面図であ
る。
【図９】従来の発電モジュールにおけるセル上部を示す
斜視図である。
斜視図である。
【図１０】従来の発電モジュールの構造を概略的に示す
縦断面図である。
縦断面図である。
１ 発電モジュール ２ 隔壁 ３ セル ４ 燃料分配器 ６ 余剰燃料放出ゾーン ７ 電池反応ゾーン ８ 孔 ９ ケーシング １０ 空気供給口 １１ 仕切板 １２ 空気極側排気口 １３ 燃料極側排気口 １４ 水蒸気供給路 １５ 燃料供給路 ２０ 燃焼機 ２８ 排気タービン ３３ 蒸気タービン
Claims (2)
- 【請求項１】 外側から順に空気極、固体電解質、燃料
極が配置された円筒形セルをケーシング内に複数備え、
前記燃料極及び空気極に各々燃料及び空気を供給し、高
温下で空気中の酸素をイオン化し固体電解質を経て燃料
と反応させることにより起電力を得る固体電解質型燃料
電池発電モジュールにおいて、前記ケーシングは、 ケーシング外から各セルの一端側の燃料極及び空気極に
各々通じる燃料供給部及び空気供給部と、 前記セルの他端側において各セル間及びセルとケーシン
グとの間に延びた隔壁と、 前記隔壁によって仕切られ、未反応燃料及び空気を前記
セルの他端側において別個にケーシング外へ排出するよ
うに設けられた燃料排出部及び空気排出部とを備えてい
ることを特徴とする固体電解質型燃料電池発電モジュー
ル。 - 【請求項２】 前記固体電解質型燃料電池発電モジュー
ルの前記燃料排出部からの排気の一部を前記セルの燃料
供給路に再循環させるための循環路を備えていることを
特徴とする請求項１記載の固体電解質型燃料電池発電モ
ジュール。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8121394A JPH09306525A (ja) | 1996-05-16 | 1996-05-16 | 固体電解質型燃料電池発電モジュールの構造 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8121394A JPH09306525A (ja) | 1996-05-16 | 1996-05-16 | 固体電解質型燃料電池発電モジュールの構造 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09306525A true JPH09306525A (ja) | 1997-11-28 |
Family
ID=14810114
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8121394A Pending JPH09306525A (ja) | 1996-05-16 | 1996-05-16 | 固体電解質型燃料電池発電モジュールの構造 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH09306525A (ja) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2002015310A3 (en) * | 2000-08-10 | 2003-04-03 | Siemens Westinghouse Power | Segregated exhaust fuel solid fuel cell generator |
| JP2005518645A (ja) * | 2002-02-20 | 2005-06-23 | アキュメントリクス・コーポレーション | 燃料電池のスタッキングおよびシーリング |
| JP2005243642A (ja) * | 2004-02-26 | 2005-09-08 | Samsung Sdi Co Ltd | 燃料電池システムの改質器及びこれを備えた燃料電池システム |
| JP2005302684A (ja) * | 2004-03-19 | 2005-10-27 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 燃料電池発電システム及びその制御方法 |
| CN105957860A (zh) * | 2016-05-03 | 2016-09-21 | 扬州国扬电子有限公司 | 一种设有绝缘隔板的功率模块 |
| JP2018098081A (ja) * | 2016-12-14 | 2018-06-21 | Toto株式会社 | 固体酸化物形燃料電池スタック |
-
1996
- 1996-05-16 JP JP8121394A patent/JPH09306525A/ja active Pending
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2002015310A3 (en) * | 2000-08-10 | 2003-04-03 | Siemens Westinghouse Power | Segregated exhaust fuel solid fuel cell generator |
| JP2005518645A (ja) * | 2002-02-20 | 2005-06-23 | アキュメントリクス・コーポレーション | 燃料電池のスタッキングおよびシーリング |
| US8658327B2 (en) | 2002-02-20 | 2014-02-25 | Acumentrics Corporation | Fuel cell stacking and sealing |
| JP2005243642A (ja) * | 2004-02-26 | 2005-09-08 | Samsung Sdi Co Ltd | 燃料電池システムの改質器及びこれを備えた燃料電池システム |
| JP4674099B2 (ja) * | 2004-02-26 | 2011-04-20 | 三星エスディアイ株式会社 | 燃料電池システムの改質器及びこれを備えた燃料電池システム |
| US8486162B2 (en) | 2004-02-26 | 2013-07-16 | Samsung Sdi Co., Ltd. | Reformer for fuel cell system and fuel cell system having the same |
| JP2005302684A (ja) * | 2004-03-19 | 2005-10-27 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 燃料電池発電システム及びその制御方法 |
| JP4620399B2 (ja) * | 2004-03-19 | 2011-01-26 | 日本電信電話株式会社 | 燃料電池発電システムの制御方法 |
| CN105957860A (zh) * | 2016-05-03 | 2016-09-21 | 扬州国扬电子有限公司 | 一种设有绝缘隔板的功率模块 |
| JP2018098081A (ja) * | 2016-12-14 | 2018-06-21 | Toto株式会社 | 固体酸化物形燃料電池スタック |
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Legal Events
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|---|---|---|---|
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|
| A02 | Decision of refusal |
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