WO2012165467A1 - 燃料電池モジュール - Google Patents

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WO2012165467A1
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fuel
power generation
oxidant gas
gas
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陽介 朝重
公博 水上
稲岡　正人
吉田　英樹
伸二 天羽
小笠原　慶
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Murata Manufacturing Co Ltd
Tokyo Gas Co Ltd
Original Assignee
Murata Manufacturing Co Ltd
Tokyo Gas Co Ltd
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    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
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    • H—ELECTRICITY
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    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell module.
  • the present invention relates to a solid oxide fuel cell module.
  • the fuel cell module examples include a solid oxide fuel cell (SOFC) module, a molten salt fuel cell module, a phosphoric acid fuel cell module, and a polymer solid electrolyte as described in Patent Document 1 below.
  • SOFC solid oxide fuel cell
  • molten salt fuel cell module a molten salt fuel cell module
  • phosphoric acid fuel cell module a polymer solid electrolyte as described in Patent Document 1 below.
  • Patent Document 1 There are fuel cell modules.
  • the solid oxide fuel cell module does not necessarily require the use of liquid components, and it is not necessary to provide an external reformer when using hydrocarbon fuel. For this reason, research and development on solid oxide fuel cell modules has been actively conducted.
  • the present invention has been made in view of such a point, and an object of the present invention is to provide a solid oxide fuel cell module capable of stably generating power while being small in size.
  • the fuel cell module includes a combustion chamber and a plurality of power generation units.
  • Each of the plurality of power generation units includes a fuel cell, a fuel gas channel, an oxidant gas channel, and an oxidant gas preheating unit.
  • the fuel cell is disposed in the combustion chamber.
  • the fuel cell generates power by being supplied with fuel gas and oxidant gas.
  • the fuel gas channel supplies fuel gas to the fuel cell.
  • the oxidant gas channel supplies oxidant gas to the fuel cell.
  • the oxidant gas preheating part is provided in the oxidant gas flow path in the combustion chamber.
  • the oxidant gas preheating unit preheats the oxidant gas.
  • the plurality of power generation units are arranged so that one fuel cell and an oxidant gas preheating unit connected to another fuel cell adjacent to the one fuel cell are adjacent to each other.
  • the fuel cell module according to the present invention further includes a partition member.
  • the partition member divides a region where one fuel cell of the combustion chamber is disposed and a region where another fuel cell is disposed, and is connected to the region where one fuel cell is disposed and another fuel cell.
  • the region where the oxidant gas preheating portion is disposed is partitioned.
  • the plurality of power generation units are constituted by first and second power generation units.
  • the fuel cell of the first power generation unit is located on one side in the first direction with respect to the fuel cell of the second power generation unit.
  • the fuel cell of the first power generation unit and the oxidant gas preheating part of the second power generation unit are adjacent to each other in the second direction perpendicular to the first direction.
  • the fuel cell of the second power generation unit and the oxidant gas preheating portion of the first power generation unit are adjacent to each other in the second direction.
  • the first and second fuel cells when viewed from the first direction, include the fuel cell of the first power generation unit and the second power generation unit.
  • the fuel cell is arranged so as to overlap.
  • the partition member is made of a heat insulating material.
  • the fuel cell has a first exhaust port and a second exhaust port.
  • the first exhaust port exhausts the air electrode side exhaust gas which is an oxidant gas used for power generation.
  • the second exhaust port exhausts the fuel electrode side exhaust gas which is the fuel gas used for power generation.
  • the combustion chamber has a discharge port and a discharge flow path.
  • the exhaust port exhausts the exhaust gas exhausted from the fuel cell to the outside of the combustion chamber.
  • the discharge flow path connects the first and second exhaust ports and the discharge port.
  • the discharge flow path is provided so that at least a part of the oxidant gas preheating portion is located on the discharge flow path or faces the discharge flow path.
  • FIG. 1 is a schematic block diagram of a solid oxide fuel cell module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic plan view of a solid oxide fuel cell module according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a schematic exploded perspective view of a power generation cell of a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic block diagram of a solid oxide fuel cell module according to this embodiment.
  • FIG. 2 is a schematic plan view of the solid oxide fuel cell module according to the present embodiment.
  • a solid oxide fuel cell module (also referred to as a hot module) 1 includes a combustion chamber 11 surrounded by a heat insulating material 10.
  • a heater (not shown) is disposed in the combustion chamber 11. This heater can raise the temperature in the combustion chamber 11.
  • the heater may be either an electric heater or a gas burner.
  • the solid oxide fuel cell module 1 further includes a plurality of power generation units.
  • a plurality of power generation units In the present embodiment, an example in which the solid oxide fuel cell module 1 includes first and second power generation units 2a and 2b will be described.
  • Each of the first and second power generation units 2a and 2b includes fuel cells 20a and 20b, fuel gas passages 12a and 12b, oxidant gas passages 13a and 13b, and oxidant gas preheating portions 17a and 17b. .
  • the fuel cells 20 a and 20 b are arranged in the combustion chamber 11.
  • the fuel cells 20a and 20b generate power by supplying fuel gas and oxidant gas.
  • the fuel cells 20a and 20b are connected with fuel gas passages 12a and 12b and oxidant gas passages 13a and 13b.
  • the fuel gas passages 12a and 12b are for supplying fuel gas to the fuel cells 20a and 20b. At least a part of the fuel gas passages 12 a and 12 b is disposed in the combustion chamber 11.
  • the oxidant gas channels 13a and 13b are for supplying oxidant gas to the fuel cells 20a and 20b. At least a part of the oxidant gas flow paths 13 a and 13 b is disposed in the combustion chamber 11.
  • Reformers 14a and 14b are provided in the fuel gas passages 12a and 12b.
  • the reformers 14 a and 14 b are disposed in the combustion chamber 11.
  • the reformer 14a of the first power generation unit 2a is disposed on the x2 side of the fuel cell 20a.
  • the reformer 14b of the second power generation unit 2b is disposed on the x1 side of the fuel cell 20b.
  • Reformation for supplying reforming water to a portion upstream of the reformers 14a, 14b of the fuel gas flow paths 12a, 12b (on the side opposite to the fuel cells 20a, 20b in the flow direction of the fuel gas).
  • the water flow paths 15a and 15b are connected. At least a part of the reforming water channels 15 a and 15 b is disposed in the combustion chamber 11.
  • fuel gas preheating parts 16 a, 16 b are disposed on the downstream side of the reformers 14 a, 14 b of the fuel gas passages 12 a, 12 b (on the fuel cells 20 a, 20 b side in the fuel gas flow direction). Is provided.
  • the fuel gas preheating portion 16a of the first power generation unit 2a is disposed on the x2 side of the fuel cell 20a.
  • the fuel gas preheating unit 16a is disposed between the fuel cell 20a and the reformer 14a in the x direction.
  • the fuel gas preheating unit 16b of the second power generation unit 2b is disposed on the x1 side of the fuel cell 20b.
  • the fuel gas preheating unit 16b is disposed between the fuel cell 20b and the reformer 14b in the x direction.
  • oxidant gas preheating portions 17a and 17b are provided in the oxidant gas flow paths 13a and 13b.
  • the oxidant gas preheating units 17a and 17b preheat the oxidant gas supplied to the fuel cells 20a and 20b.
  • the combustion chamber 11 is divided into a first combustion chamber 11a1 and a second combustion chamber 11a2 by a partition member 22.
  • the first power generation unit 2a is disposed in the first combustion chamber 11a1.
  • the second power generation unit 2b is disposed in the second combustion chamber 11a2. For this reason, the region where the first power generation unit 2 a of the combustion chamber 11 is provided and the region where the second power generation unit 2 b of the combustion chamber 11 is provided are partitioned by the partition member 22.
  • the partition member 22 is comprised with the heat insulating material.
  • the heat insulating material preferably used include, for example, ceramic fiber heat insulating material, alumina fiber heat insulating material, zirconia-based ceramics and bricks having low thermal conductivity, and microporous heat insulating material having excellent heat insulating performance. Examples include those having a certain degree of strength, such as those sandwiched by ceramic plates.
  • FIG. 3 is a schematic exploded perspective view of the power generation cell of the fuel cell in the present embodiment. Next, the configuration of the fuel cells 20a and 20b will be described with reference to FIG.
  • the fuel cells 20 a and 20 b have one or a plurality of power generation cells 21.
  • the power generation cell 21 includes a first separator 50, a power generation element 46, and a second separator 40.
  • the first separator 50, the power generation element 46, and the second separator 40 are stacked in this order.
  • Each separator is provided with a via hole electrode 51a for extracting generated electricity.
  • a current collecting rod (not shown) for collecting and drawing electricity is provided above the uppermost separator and below the lowermost separator.
  • the power generation cell 21 includes an oxidant gas manifold 45 connected to the oxidant gas flow paths 13a and 13b, and a fuel gas manifold 44 connected to the fuel gas flow paths 12a and 12b.
  • the power generation element 46 is supplied from the oxidant gas manifold 45 via the oxidant gas flow paths 13a and 13b and supplied from the fuel gas manifold 44 via the fuel gas flow paths 12a and 12b. This is the part where the generated fuel reacts to generate electricity.
  • the power generation element 46 includes a solid oxide electrolyte layer 47. It is preferable that the solid oxide electrolyte layer 47 has high ionic conductivity.
  • the solid oxide electrolyte layer 47 can be formed of, for example, stabilized zirconia or partially stabilized zirconia. Specific examples of the stabilized zirconia include yttria stabilized zirconia (YSZ), scandia stabilized zirconia (ScSZ), and the like. Specific examples of the partially stabilized zirconia include yttria partially stabilized zirconia (YSZ), scandia partially stabilized zirconia (ScSZ), and the like.
  • the solid oxide electrolyte layer 47 is, for example, Sm and Gd or the like ceria oxides doped, a LaGaO 3 as a host, La 0 the part of the La and Ga was substituted with Sr and Mg, respectively. It can also be formed of a perovskite oxide such as 8 Sr 0.2 Ga 0.8 Mg 0.2 O (3- ⁇ ) .
  • the solid oxide electrolyte layer 47 is sandwiched between the air electrode layer 49 and the fuel electrode layer 48. That is, the air electrode layer 49 is formed on one main surface of the solid oxide electrolyte layer 47, and the fuel electrode layer 48 is formed on the other main surface.
  • the air electrode layer 49 has an air electrode 49a.
  • the air electrode 49a is a cathode. In the air electrode 49a, oxygen takes in electrons and oxygen ions are formed.
  • the air electrode 49a is preferably porous, has high electron conductivity, and does not easily cause a solid-solid reaction with the solid oxide electrolyte layer 47 and the like at a high temperature.
  • the air electrode 49a can be formed of, for example, scandia-stabilized zirconia (ScSZ), indium oxide doped with Sn, PrCoO 3 oxide, LaCoO 3 oxide, LaMnO 3 oxide, or the like.
  • LaMnO 3 -based oxide examples include La 0.8 Sr 0.2 MnO 3 (common name: LSM), La 0.6 Ca 0.4 MnO 3 (common name: LCM), and the like.
  • the air electrode 49a may be made of a mixed material in which two or more of the above materials are mixed.
  • the fuel electrode layer 48 has a fuel electrode 48a.
  • the fuel electrode 48a is an anode. In the fuel electrode 48a, oxygen ions and the fuel react to emit electrons.
  • the fuel electrode 48a is preferably porous, has high ionic conductivity, and does not easily cause a solid-solid reaction with the solid oxide electrolyte layer 47 and the like at a high temperature.
  • the fuel electrode 48a can be composed of, for example, NiO, yttria-stabilized zirconia (YSZ) / nickel metal porous cermet, scandia-stabilized zirconia (ScSZ) / nickel metal porous cermet, or the like.
  • the fuel electrode layer 48 may be made of a mixed material obtained by mixing two or more of the above materials.
  • first separator 50 Below the air electrode layer 49 of the power generation element 46, a first separator 50 configured by a first separator body 51 and a first flow path forming member 52 is disposed.
  • the first separator 50 is formed with an oxidant gas supply path 53 for supplying air to the air electrode 49a.
  • the oxidant gas supply path 53 extends from the oxidant gas manifold 45 toward the x2 side from the x1 side in the x direction.
  • the opening of the oxidant gas supply path 53 constitutes a plurality of first exhaust ports 53a through which the air electrode side exhaust gas, which is an oxidant gas used for power generation, is discharged.
  • the first exhaust port 53a is provided on the side wall on the y2 side of the fuel cells 20a, 20b. Therefore, the air electrode side exhaust gas is discharged from the fuel cells 20a and 20b toward the y2 side.
  • the constituent material of the first separator 50 is not particularly limited.
  • the first separator 50 can be formed of, for example, stabilized zirconia such as yttria stabilized zirconia, partially stabilized zirconia, or the like.
  • the second separator 40 On the fuel electrode layer 48 of the power generation element 46, the second separator 40 constituted by the second separator body 41 and the second flow path forming member 42 is disposed.
  • the second separator 40 is formed with a fuel gas supply passage 43 for supplying fuel to the fuel electrode 48a.
  • the fuel gas supply path 43 extends from the fuel gas manifold 44 toward the y2 side from the y1 side in the y direction.
  • the opening of the fuel gas supply path 43 constitutes a plurality of second exhaust ports 43a through which fuel electrode side exhaust gas, which is fuel gas used for power generation, is discharged.
  • the second exhaust port 43a is provided on the side wall on the x2 side of the fuel cells 20a, 20b.
  • the fuel electrode side exhaust gas is discharged from the fuel cells 20a and 20b toward the x2 side.
  • the direction rotated forward by 90 ° with respect to the discharge direction of the air electrode side exhaust gas is set as the discharge direction of the fuel electrode side exhaust gas.
  • the constituent material of the second separator 40 is not particularly limited.
  • the second separator 40 can be formed of, for example, stabilized zirconia, partially stabilized zirconia, or the like.
  • the combustion chamber 11 includes discharge ports 11 c 1 and 11 c 2. Specifically, the discharge port 11c1 is provided in the first combustion chamber 11a1.
  • the exhaust port 11c1 is for exhausting the exhaust gas including the air electrode side exhaust gas and the fuel electrode side exhaust gas discharged from the fuel cell 20a to the outside of the first combustion chamber 11a1.
  • the exhaust gas discharged from the discharge port 11c1 is discharged out of the solid oxide fuel cell module 1 via the combustion chamber external heat exchanger 54a provided outside the combustion chamber 11.
  • the discharge port 11c1 is formed on the inner surface on the x1 side of the first combustion chamber 11a1.
  • the discharge port 11c1 is directed toward the opposite side (x1 side) of the exhaust gas discharge direction of the second exhaust port 43a of the fuel cell 20a. It is open.
  • the discharge port 11c2 is provided in the second combustion chamber 11a2.
  • the discharge port 11c2 is for discharging the exhaust gas containing the air electrode side exhaust gas and the fuel electrode side exhaust gas discharged from the fuel cell 20b to the outside of the second combustion chamber 11a2.
  • the exhaust gas discharged from the discharge port 11c2 is discharged out of the solid oxide fuel cell module 1 via the combustion chamber external heat exchanger 54b provided outside the combustion chamber 11.
  • the discharge port 11c2 is formed on the inner surface on the x2 side of the second combustion chamber 11a2.
  • the discharge port 11c2 faces toward the opposite side (x2 side) to the exhaust gas discharge direction of the second exhaust port 43a of the fuel cell 20b. It is open.
  • the first combustion chamber 11a1 is formed with a discharge passage 11b1 that communicates the first exhaust port 53a and the second exhaust port 43a of the fuel cell 20a with the first discharge port 11c1.
  • the exhaust passage 11b1 is configured such that a part of the space of the first combustion chamber 11a1 serves as a passage.
  • the discharge channel 11b1 is provided such that at least a part of the oxidant gas preheating portion 17a is located on the discharge channel 11b1 or faces the discharge channel 11b1.
  • the discharge channel 11b1 is provided so that at least a part of the oxidant gas preheating portion 17a is located on the discharge channel 11b1.
  • a discharge passage 11b2 is formed which communicates the first exhaust port 53a and the second exhaust port 43a of the fuel cell 20b with the second exhaust port 11c2.
  • the exhaust passage 11b2 is configured such that a part of the second combustion chamber 11a2 is a passage.
  • the discharge channel 11b2 is provided such that at least a part of the oxidant gas preheating portion 17b is located on the discharge channel 11b2 or faces the discharge channel 11b2.
  • the discharge channel 11b2 is provided so that at least a part of the oxidant gas preheating portion 17b is located on the discharge channel 11b2.
  • the first and second power generation units 2a and 2b are arranged such that the fuel cell 20a and the oxidant gas preheating unit 17a are adjacent to each other, and the fuel cell 20b and the oxidant gas preheating unit 17b are adjacent to each other.
  • the fuel cell 20a and the fuel cell 20b are arranged so that the fuel cell 20a and the fuel cell 20b overlap when viewed from the x direction.
  • the fuel cell 20a of the first power generation unit 2a is located closer to the x2 side in the x direction (first direction) than the fuel cell 20b of the second power generation unit 2b.
  • the oxidant gas preheating part 17a connected to the fuel cell 20a is drawn out of the combustion chamber 11a1 via the combustion chamber located on the y1 side in the y direction of the fuel cell 20b. For this reason, the oxidant gas preheating portion 17a and the fuel cell 20b are adjacent to each other in the y direction (second direction) perpendicular to the x direction.
  • the oxidant gas preheating part 17b connected to the fuel cell 20b is drawn out of the combustion chamber 11a2 via the combustion chamber located on the y2 side in the y direction of the fuel cell 20b. Therefore, the oxidant gas preheating unit 17b and the fuel cell 20a are adjacent to each other in the y direction (second direction) perpendicular to the x direction.
  • the region of the combustion chamber 11 where the fuel cell 20 a is disposed and the region of the combustion chamber 11 where the fuel cell 20 b is disposed are partitioned by a partition member 22. Further, the region in which the fuel cell 20 a of the combustion chamber 11 is disposed and the region in which the oxidant gas preheating portion 17 b connected to the fuel cell 20 b of the combustion chamber 11 is disposed are partitioned by the partition member 22. The region of the combustion chamber 11 where the fuel cell 20 b is disposed and the region of the combustion chamber 11 where the oxidant gas preheating portion 17 a connected to the fuel cell 20 a is disposed are partitioned by the partition member 22.
  • the partition member 22 is located between the fuel cell 20a and the fuel cell 20b, between the fuel cell 20a and the oxidant gas preheating portion 17b, and between the fuel cell 20b and the oxidant gas preheating portion 17a. At least provided in between.
  • raw fuel gas before reforming is supplied to the fuel gas passages 12a and 12b.
  • reforming water is supplied to the reforming water channels 15a and 15b.
  • the reforming water is vaporized by the vaporizers 55a and 55b located in the combustion chambers 11a1 and 11a2 of the reforming water flow paths 15a and 15b, and becomes steam.
  • This steam and raw fuel gas are supplied to the reformers 14a and 14b.
  • the raw fuel gas is reformed by the steam to generate the reformed fuel gas.
  • the reformed fuel gas is further heated by the fuel gas preheating units 16a and 16b.
  • the heated reformed fuel gas is supplied to the fuel cells 20a and 20b.
  • fuel gas is a general term for raw fuel gas and reformed fuel gas. That is, the fuel gas includes raw fuel gas and reformed fuel gas.
  • Oxidant gases such as oxygen and air are supplied to the oxidant gas flow paths 13a and 13b.
  • the oxidant gas is heated in the combustion chamber external heat exchangers 54a and 54b and the oxidant gas preheating sections 17a and 17b, and then supplied to the fuel cells 20a and 20b.
  • the fuel cells 20a and 20b perform power generation using the supplied reformed fuel gas and oxidant gas.
  • the fuel electrode side exhaust gas which is the reformed fuel gas used for power generation in the fuel cells 20a, 20b, is exhausted outside the fuel cells 20a, 20b from the second exhaust ports 43a of the fuel cells 20a, 20b.
  • the air electrode side exhaust gas which is the oxidant gas used for power generation in the fuel cells 20a, 20b, is exhausted outside the fuel cells 20a, 20b from the first exhaust ports 53a of the fuel cells 20a, 20b. .
  • the fuel electrode side exhaust gas and the air electrode side exhaust gas are discharged to the outside of the combustion chambers 11a1 and 11a2 via the discharge passages 11b1 and 11b2, and are further solid-oxidized via the combustion chamber external heat exchangers 54a and 54b. It is discharged out of the physical fuel cell module 1.
  • the fuel electrode side exhaust gas contains carbon monoxide and the like. Further, the air electrode side exhaust gas contains oxygen. For this reason, when the fuel electrode side exhaust gas and the air electrode side exhaust gas are mixed in the combustion chambers 11a1 and 11a2 at high temperatures, the fuel electrode side exhaust gas is completely burned. Thereby, combustion gas is generated. Therefore, the exhaust gas discharged to the outside of the combustion chambers 11a1 and 11a2 via the discharge passages 11b1 and 11b2 includes the combustion gas and a portion that is not used for generating the combustion gas of the air electrode side exhaust gas.
  • exhaust gas includes fuel electrode side exhaust gas, air electrode side exhaust gas, and combustion gas.
  • the first and second power generation units 2a and 2b are configured such that the fuel cell 20a and the oxidant gas preheating unit 17b connected to the fuel cell 20b are adjacent in the y direction, and the fuel cell 20b.
  • the oxidant gas preheating part 17a connected to the fuel cell 20a is arranged adjacent to each other in the y direction. For this reason, for example, the fuel cell module 1 can be reduced in size compared with the case where large fuel cells are arranged adjacent to each other in the y direction.
  • the fuel cell 20a and the fuel cell 20b are arranged at different positions in the x direction, and are arranged so as to overlap when viewed from the x direction. Therefore, the solid oxide fuel cell module 1 can be further downsized.
  • the fuel cell 20a and the oxidant gas preheating part 17b through which the low-temperature oxidant gas flows are adjacent to each other.
  • the fuel cell 20b and the oxidant gas preheating portion 17a through which the low-temperature oxidant gas flows are adjacent to each other.
  • the fuel cells 20a and 20b are cooled by the oxidant gas preheating portions 17b and 17a, respectively, and the temperature of the fuel cells 20a and 20b tends to be lowered.
  • the portions near the oxidant gas preheating portions 17b and 17a of the fuel cells 20a and 20b have a lower temperature than the other portions, and temperature unevenness is likely to occur in the fuel cells 20a and 20b. Therefore, the power generation of the fuel cells 20a and 20b may become unstable.
  • the partition member 22 oxidizes gas preheating portions 17a and 17b connected to the region where one of the fuel cells 20a and 20b of the combustion chamber 11 is disposed and the other of the fuel cells 20a and 20b.
  • the area where the is placed is partitioned. For this reason, heat exchange between the fuel cells 20a, 20b and the oxidant gas preheating portions 17b, 17a arranged adjacent to each other can be suppressed. Accordingly, it is possible to suppress the temperature decrease and the temperature unevenness of the fuel cells 20a and 20b. As a result, power generation by the fuel cells 20a and 20b can be stabilized.
  • the heat insulating function of the partition member 22 is high. Therefore, it is preferable that the partition member 22 is comprised with the heat insulating material.
  • the discharge flow paths 11b1 and 11b2 are such that part of the oxidant gas preheating portions 17a and 17b are located on the discharge flow paths 11b1 and 11b2 or face the discharge flow paths 11b1 and 11b2. It is provided as follows. Further, the discharge passages 11b1 and 11b2 are configured such that at least a part of the reformers 14a and 14b and at least a part of the fuel gas preheating parts 16a and 16b are located on the discharge passages 11b1 and 11b2. It is provided so as to face the flow paths 11b1 and 11b2.
  • the units 14a and 14b and the fuel gas preheating parts 16a and 16b are heated. Therefore, the heat of exhaust gas can be used effectively. As a result, high energy efficiency can be realized.
  • the temperature of the oxidant gas preheating units 17a and 17b, the reformers 14a and 14b, and the fuel gas preheating units 16a and 16b can be increased, the oxidant gas preheating units 17a and 17b, the reformers 14a and 14b, and the fuel gas.
  • the fuel cells 20a and 20b are hardly cooled by the preheating parts 16a and 16b. Therefore, the power generation by the fuel cells 20a and 20b can be further stabilized.
  • both the fuel electrode side exhaust gas and the air electrode side exhaust gas are exhausted to the combustion chambers 11a1 and 11a2, mixed in the middle of the discharge passages 11b1 and 11b2, and burned. For this reason, the temperature of the exhaust gas flowing through the discharge passages 11b1 and 11b2 is high. Therefore, the reformers 14a and 14b, the fuel gas preheating units 16a and 16b, and the oxidant gas preheating units 17a and 17b can be more efficiently heated using the exhaust gas. Therefore, higher energy efficiency can be realized.
  • the fuel electrode side exhaust gas and the air electrode side exhaust gas can be reliably mixed and combusted in the discharge passages 11b1 and 11b2. Thereby, it can suppress more effectively that carbon monoxide is discharged
  • the air electrode side exhaust gas can be mixed with the fuel electrode side exhaust gas at an arbitrary position after flowing along the partition member 22.
  • a combustion position can be set in the vicinity of the reformer or preheater to which much heat is to be applied, and the heat utilization rate by the exhaust gas can be improved.
  • the solid oxide fuel cell module 1 including the two power generation units 2a and 2b has been described.
  • the number of power generation units included in the solid oxide fuel cell module is not particularly limited as long as it is plural.
  • the solid oxide fuel cell module according to the present invention may include three or more, for example, four power generation units.

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Abstract

　小型でありつつ、安定的に発電を行うことができる固体酸化物形燃料電池モジュールを提供する。　複数の発電ユニット２ａ、２ｂは、一の燃料電池２０ａと、当該一の燃料電池２０ａに隣接する他の燃料電池２０ｂに接続された酸化剤ガス予熱部１７ｂとが隣り合うように配されている。固体酸化物形燃料電池モジュール１は、区画部材２２を備えている。区画部材２２は、燃焼室１１の一の燃料電池２０ａが配された領域と、他の燃料電池２０ｂが配された領域とを区画すると共に、一の燃料電池２０ａが配された領域と、他の燃料電池２０ｂに接続された酸化剤ガス予熱部１７ｂが配された領域とを区画している。

Description

燃料電池モジュール
　本発明は、燃料電池モジュールに関する。特に、本発明は、固体酸化物形燃料電池モジュールに関する。
　近年、新たなエネルギー源として、燃料電池モジュールに対する注目が大きくなってきている。燃料電池モジュールには、例えば下記の特許文献１に記載のような固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Ｓｏｌｉｄ　Ｏｘｉｄｅ　Ｆｕｅｌ　Ｃｅｌｌ）モジュール、溶融塩燃料電池モジュール、リン酸型燃料電池モジュール、高分子固体電解質燃料電池モジュール等がある。これらの燃料電池モジュールの中でも、固体酸化物形燃料電池モジュールでは、液体の構成要素を用いる必要が必ずしもなく、炭化水素燃料を用いるときにも外部に改質器を設ける必要がない。このため、固体酸化物形燃料電池モジュールに対する研究開発が盛んに行われている。
特開２０１０－２１２０３８号公報
　固体酸化物形燃料電池モジュールには、燃料電池の温度むらを小さくし、固体酸化物形燃料電池モジュールを安定的に動作させたいという要望がある。また、固体酸化物形燃料電池モジュールには、小型化したいという要望もある。
　本発明は、斯かる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、小型でありつつ、安定的に発電を行うことができる固体酸化物形燃料電池モジュールを提供することにある。
　本発明に係る燃料電池モジュールは、燃焼室と、複数の発電ユニットとを備えている。複数の発電ユニットのそれぞれは、燃料電池と、燃料ガス流路と、酸化剤ガス流路と、酸化剤ガス予熱部とを有する。燃料電池は、燃焼室内に配置されている。燃料電池は、燃料ガスと酸化剤ガスとが供給されることにより発電する。燃料ガス流路は、燃料電池に燃料ガスを供給する。酸化剤ガス流路は、燃料電池に酸化剤ガスを供給する。酸化剤ガス予熱部は、燃焼室内において、酸化剤ガス流路中に設けられている。酸化剤ガス予熱部は、酸化剤ガスを予熱する。複数の発電ユニットは、一の燃料電池と、当該一の燃料電池に隣接する他の燃料電池に接続された酸化剤ガス予熱部とが隣り合うように配されている。本発明に係る燃料電池モジュールは、区画部材をさらに備える。区画部材は、燃焼室の一の燃料電池が配された領域と、他の燃料電池が配された領域とを区画すると共に、一の燃料電池が配された領域と、他の燃料電池に接続された酸化剤ガス予熱部が配された領域とを区画している。
　本発明に係る燃料電池モジュールのある特定の局面では、複数の発電ユニットは、第１及び第２の発電ユニットにより構成されている。第１の発電ユニットの燃料電池は、第２の発電ユニットの燃料電池よりも第１の方向の一方側に位置している。第１の発電ユニットの燃料電池と第２の発電ユニットの酸化剤ガス予熱部とは第１の方向に対して垂直な第２の方向において隣り合っている。第２の発電ユニットの燃料電池と第１の発電ユニットの酸化剤ガス予熱部とは第２の方向において隣り合っている。
　本発明に係る燃料電池モジュールの他の特定の局面では、第１の方向から視た際に、第１及び第２の燃料電池は、第１の発電ユニットの燃料電池と第２の発電ユニットの燃料電池とが重なるように配されている。
　本発明に係る燃料電池モジュールの別の特定の局面では、区画部材は、断熱材により構成されている。
　本発明に係る燃料電池モジュールのさらに他の特定の局面では、燃料電池は、第１の排気口と、第２の排気口とを有する。第１の排気口は、発電に使用済みの酸化剤ガスである空気極側排気ガスを排気する。第２の排気口は、発電に使用済みの燃料ガスである燃料極側排気ガスを排気する。燃焼室は、排出口と、排出流路とを有する。排出口は、燃料電池から排気された排気ガスを燃焼室外に排出する。排出流路は、第１及び第２の排気口と排出口とを接続している。排出流路は、酸化剤ガス予熱部の少なくとも一部が、排出流路上に位置するか、または排出流路に面するように設けられている。
　本発明によれば、小型でありつつ、安定的に発電を行うことができる固体酸化物形燃料電池モジュールを提供することができる。
図１は、本発明を実施した一実施形態に係る固体酸化物形燃料電池モジュールの略図的ブロック図である。 図２は、本発明を実施した一実施形態に係る固体酸化物形燃料電池モジュールの模式的平面図である。 図３は、本発明を実施した一実施形態における燃料電池の発電セルの略図的分解斜視図である。
　以下、本発明を実施した好ましい形態の一例について説明する。但し、下記の実施形態は、単なる例示である。本発明は、下記の実施形態に何ら限定されない。
　また、実施形態等において参照する各図面において、実質的に同一の機能を有する部材は同一の符号で参照することとする。また、実施形態等において参照する図面は、模式的に記載されたものであり、図面に描画された物体の寸法の比率などは、現実の物体の寸法の比率などとは異なる場合がある。図面相互間においても、物体の寸法比率等が異なる場合がある。具体的な物体の寸法比率等は、以下の説明を参酌して判断されるべきである。
　（固体酸化物形燃料電池モジュール１の構成）
　図１は、本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池モジュールの略図的ブロック図である。図２は、本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池モジュールの模式的平面図である。
　固体酸化物形燃料電池モジュール（ホットモジュールともいう。）１は、断熱材１０により包囲された燃焼室１１を備えている。燃焼室１１内には、図示しないヒーターが配されている。このヒーターにより燃焼室１１内の昇温が可能となっている。なお、ヒーターは電気ヒーター、ガスバーナーのどちらでもよい。
　固体酸化物形燃料電池モジュール１は、複数の発電ユニットをさらに備えている。本実施形態では、固体酸化物形燃料電池モジュール１が、第１及び第２の発電ユニット２ａ、２ｂを備える例について説明する。
　第１及び第２の発電ユニット２ａ、２ｂのそれぞれは、燃料電池２０ａ、２０ｂ、燃料ガス流路１２ａ、１２ｂ、酸化剤ガス流路１３ａ、１３ｂ、酸化剤ガス予熱部１７ａ、１７ｂを備えている。燃料電池２０ａ、２０ｂは、燃焼室１１内に配されている。燃料電池２０ａ、２０ｂは、燃料ガスと酸化剤ガスとが供給されることにより発電する。
　燃料電池２０ａ、２０ｂには、燃料ガス流路１２ａ、１２ｂと、酸化剤ガス流路１３ａ、１３ｂとが接続されている。燃料ガス流路１２ａ、１２ｂは、燃料電池２０ａ、２０ｂに燃料ガスを供給するためのものである。燃料ガス流路１２ａ、１２ｂの少なくとも一部は、燃焼室１１内に配置されている。酸化剤ガス流路１３ａ、１３ｂは、燃料電池２０ａ、２０ｂに酸化剤ガスを供給するためのものである。酸化剤ガス流路１３ａ、１３ｂの少なくとも一部は、燃焼室１１内に配置されている。
　燃料ガス流路１２ａ、１２ｂ中には、改質器１４ａ、１４ｂが設けられている。改質器１４ａ、１４ｂは、燃焼室１１内に配置されている。図２に示すように、第１の発電ユニット２ａの改質器１４ａは、燃料電池２０ａのｘ２側に配されている。第２の発電ユニット２ｂの改質器１４ｂは、燃料電池２０ｂのｘ１側に配されている。
　燃料ガス流路１２ａ、１２ｂの改質器１４ａ、１４ｂよりも上流側（燃料ガスの流れる方向において燃料電池２０ａ、２０ｂとは反対側）の部分には、改質用水を供給するための改質用水流路１５ａ、１５ｂが接続されている。改質用水流路１５ａ、１５ｂの少なくとも一部は、燃焼室１１内に配されている。
　燃焼室１１内において、燃料ガス流路１２ａ、１２ｂの改質器１４ａ、１４ｂよりも下流側（燃料ガスの流れる方向において燃料電池２０ａ、２０ｂ側）の部分には、燃料ガス予熱部１６ａ、１６ｂが設けられている。図２に示すように、第１の発電ユニット２ａの燃料ガス予熱部１６ａは、燃料電池２０ａのｘ２側に配されている。燃料ガス予熱部１６ａは、ｘ方向において、燃料電池２０ａと改質器１４ａとの間に配されている。第２の発電ユニット２ｂの燃料ガス予熱部１６ｂは、燃料電池２０ｂのｘ１側に配されている。燃料ガス予熱部１６ｂは、ｘ方向において、燃料電池２０ｂと改質器１４ｂとの間に配されている。
　燃焼室１１内において、酸化剤ガス流路１３ａ、１３ｂ中には、酸化剤ガス予熱部１７ａ、１７ｂが設けられている。酸化剤ガス予熱部１７ａ、１７ｂは、燃料電池２０ａ、２０ｂに供給される酸化剤ガスを予熱する。
　本実施形態では、燃焼室１１は、区画部材２２により、第１の燃焼室１１ａ１と第２の燃焼室１１ａ２とに区画されている。第１の発電ユニット２ａは、第１の燃焼室１１ａ１に配置されている。第２の発電ユニット２ｂは、第２の燃焼室１１ａ２に配置されている。このため、燃焼室１１の第１の発電ユニット２ａが設けられている領域と、燃焼室１１の第２の発電ユニット２ｂが設けられている領域とは、区画部材２２により区画されている。
　なお、区画部材２２は、断熱材により構成されていることが好ましい。好ましく用いられる断熱材の具体例としては、例えば、セラミックファイバー系断熱材、アルミナファイバー系断熱材、ジルコニア系の熱伝導率の低いセラミックスやレンガ、断熱性能に優れたマイクロポーラス系断熱材をレンガやセラミック板で狭持したものなど、ある程度以上の強度を有するものが挙げられる。
　（燃料電池２０ａ、２０ｂ）
　図３は、本実施形態における燃料電池の発電セルの略図的分解斜視図である。次に、図３を参照しながら、燃料電池２０ａ、２０ｂの構成について説明する。
　燃料電池２０ａ、２０ｂは、１または複数の発電セル２１を有する。発電セル２１は、第１のセパレータ５０と、発電要素４６と、第２のセパレータ４０とを有する。発電セル２１では、第１のセパレータ５０と、発電要素４６と、第２のセパレータ４０とがこの順番で積層されている。各セパレータには発生した電気を引き出すためのビアホール電極５１ａが設けられている。また、最上部のセパレータの上および最下部のセパレータの下には、電気を集めて引き出すための集電棒(図示省略)が設けられている。
　発電セル２１は、酸化剤ガス流路１３ａ、１３ｂに接続されている酸化剤ガス用マニホールド４５と、燃料ガス流路１２ａ、１２ｂに接続されている燃料ガス用マニホールド４４とを有する。
　（発電要素４６）
　発電要素４６は、酸化剤ガス流路１３ａ、１３ｂを経由して酸化剤ガス用マニホールド４５から供給される酸化剤ガスと、燃料ガス流路１２ａ、１２ｂを経由して燃料ガス用マニホールド４４から供給される燃料とが反応し、発電が行われる部分である。
　（固体酸化物電解質層４７）
　発電要素４６は、固体酸化物電解質層４７を備えている。固体酸化物電解質層４７は、イオン導電性が高いものであることが好ましい。固体酸化物電解質層４７は、例えば、安定化ジルコニアや、部分安定化ジルコニアなどにより形成することができる。安定化ジルコニアの具体例としは、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、スカンジア安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ）等が挙げられる。部分安定化ジルコニアの具体例としは、イットリア部分安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、スカンジア部分安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ）等が挙げられる。また、固体酸化物電解質層４７は、例えば、ＳｍやＧｄ等がドープされたセリア系酸化物や、ＬａＧａＯ３を母体とし、ＬａとＧａとの一部をそれぞれＳｒ及びＭｇで置換したＬａ０．８Ｓｒ０．２Ｇａ０．８Ｍｇ０．２Ｏ（３－δ）などのペロブスカイト型酸化物などにより形成することもできる。
　固体酸化物電解質層４７は、空気極層４９と燃料極層４８とにより挟持されている。すなわち、固体酸化物電解質層４７の一主面の上に空気極層４９が形成されており、他主面の上に燃料極層４８が形成されている。
　（空気極層４９）
　空気極層４９は、空気極４９ａを有する。空気極４９ａは、カソードである。空気極４９ａにおいては、酸素が電子を取り込んで、酸素イオンが形成される。空気極４９ａは、多孔質で、電子伝導率が高く、かつ、高温において固体酸化物電解質層４７等と固体間反応を起こしにくいものであることが好ましい。空気極４９ａは、例えば、スカンジア安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ）、Ｓｎをドープした酸化インジウム、ＰｒＣｏＯ３系酸化物、ＬａＣｏＯ３系酸化物、ＬａＭｎＯ３系酸化物などにより形成することができる。ＬａＭｎＯ３系酸化物の具体例としては、例えば、Ｌａ０．８Ｓｒ０．２ＭｎＯ３（通称：ＬＳＭ）や、Ｌａ０．６Ｃａ０．４ＭｎＯ３（通称：ＬＣＭ）等が挙げられる。空気極４９ａは、上記材料の２種以上を混合した混合材料により構成されていてもよい。
　（燃料極層４８）
　燃料極層４８は、燃料極４８ａを有する。燃料極４８ａは、アノードである。燃料極４８ａにおいては、酸素イオンと燃料とが反応して電子を放出する。燃料極４８ａは、多孔質で、イオン伝導性が高く、かつ、高温において固体酸化物電解質層４７等と固体間反応を起こしにくいものであることが好ましい。燃料極４８ａは、例えば、ＮｉＯ、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）・ニッケル金属の多孔質サーメットや、スカンジア安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ）・ニッケル金属の多孔質サーメット等により構成することができる。燃料極層４８は、上記材料の２種以上を混合した混合材料により構成されていてもよい。
　（第１のセパレータ５０）
　発電要素４６の空気極層４９の下には、第１のセパレータ本体５１と、第１の流路形成部材５２とにより構成されている第１のセパレータ５０が配置されている。第１のセパレータ５０には、空気極４９ａに空気を供給するための酸化剤ガス供給路５３が形成されている。図３に示すとおり、この酸化剤ガス供給路５３は、酸化剤ガス用マニホールド４５からｘ方向のｘ１側からｘ２側に向かって延びている。酸化剤ガス供給路５３の開口は、発電に使用済みの酸化剤ガスである空気極側排気ガスを排出する複数の第１の排気口５３ａを構成している。図２に示すように、第１の排気口５３ａは、燃料電池２０ａ、２０ｂのｙ２側の側壁に設けられている。よって、空気極側排気ガスは、燃料電池２０ａ、２０ｂからｙ２側に向かって排出される。
　第１のセパレータ５０の構成材料は、特に限定されない。第１のセパレータ５０は、例えば、イットリア安定化ジルコニアなどの安定化ジルコニアや、部分安定化ジルコニア等により形成することができる。
　（第２のセパレータ４０）
　発電要素４６の燃料極層４８の上には、第２のセパレータ本体４１と、第２の流路形成部材４２とにより構成されている第２のセパレータ４０が配置されている。第２のセパレータ４０には、燃料極４８ａに燃料を供給するための燃料ガス供給路４３が形成されている。図３に示すように、この燃料ガス供給路４３は、燃料ガス用マニホールド４４からｙ方向のｙ１側からｙ２側に向かって延びている。燃料ガス供給路４３の開口は、発電に使用済みの燃料ガスである燃料極側排気ガスを排出する複数の第２の排気口４３ａを構成している。図２に示すように、第２の排気口４３ａは、燃料電池２０ａ、２０ｂのｘ２側の側壁に設けられている。よって、燃料極側排気ガスは、燃料電池２０ａ、２０ｂからｘ２側に向かって排出される。なお、本実施形態では、空気極側排気ガスの排出方向に対し９０°正回転した方向を燃料極側排気ガスの排出方向としている。
　第２のセパレータ４０の構成材料は、特に限定されない。第２のセパレータ４０は、例えば、安定化ジルコニアや、部分安定化ジルコニア等により形成することができる。
　（排気経路）
　図１に示すように、燃焼室１１は、排出口１１ｃ１，１１ｃ２を備えている。具体的には、排出口１１ｃ１は、第１の燃焼室１１ａ１に設けられている。
　排出口１１ｃ１は、燃料電池２０ａから排出された空気極側排気ガス及び燃料極側排気ガスを含む排気ガスを第１の燃焼室１１ａ１外に排出するためのものである。排出口１１ｃ１から排出された排気ガスは、燃焼室１１の外部に設けられた燃焼室外部熱交換器５４ａを経由して固体酸化物形燃料電池モジュール１外に排出される。
　図２に示すように排出口１１ｃ１は、第１の燃焼室１１ａ１のｘ１側の内側面に形成されている。排出口１１ｃ１は、燃料電池２０ａを平面視したときに（ｚ方向から視たときに）、燃料電池２０ａの第２の排気口４３ａの排気ガスの排出方向と反対側（ｘ１側）に向かって開口している。
　排出口１１ｃ２は、第２の燃焼室１１ａ２に設けられている。排出口１１ｃ２は、燃料電池２０ｂから排出された空気極側排気ガス及び燃料極側排気ガスを含む排気ガスを第２の燃焼室１１ａ２外に排出するためのものである。排出口１１ｃ２から排出された排気ガスは、燃焼室１１の外部に設けられた燃焼室外部熱交換器５４ｂを経由して固体酸化物形燃料電池モジュール１外に排出される。
　図２に示すように排出口１１ｃ２は、第２の燃焼室１１ａ２のｘ２側の内側面に形成されている。排出口１１ｃ２は、燃料電池２０ｂを平面視したときに（ｚ方向から視たときに）、燃料電池２０ｂの第２の排気口４３ａの排気ガスの排出方向と反対側（ｘ２側）に向かって開口している。
　第１の燃焼室１１ａ１には、燃料電池２０ａの第１の排気口５３ａ及び第２の排気口４３ａと、第１の排出口１１ｃ１とを連通している排出流路１１ｂ１が形成されている。排出流路１１ｂ１は、第１の燃焼室１１ａ１の一部の空間が通路となって構成されている。
　排出流路１１ｂ１は、酸化剤ガス予熱部１７ａの少なくとも一部が、排出流路１１ｂ１上に位置するか、または排出流路１１ｂ１に面するように設けられている。本実施形態では、具体的には、排出流路１１ｂ１は、酸化剤ガス予熱部１７ａの少なくとも一部が、排出流路１１ｂ１上に位置するように設けられている。
　第２の燃焼室１１ａ２には、燃料電池２０ｂの第１の排気口５３ａ及び第２の排気口４３ａと、第２の排出口１１ｃ２とを連通している排出流路１１ｂ２が形成されている。排出流路１１ｂ２は、第２の燃焼室１１ａ２の一部の空間が通路となって構成されている。
　排出流路１１ｂ２は、酸化剤ガス予熱部１７ｂの少なくとも一部が、排出流路１１ｂ２上に位置するか、または排出流路１１ｂ２に面するように設けられている。本実施形態では、具体的には、排出流路１１ｂ２は、酸化剤ガス予熱部１７ｂの少なくとも一部が、排出流路１１ｂ２上に位置するように設けられている。
　（第１及び第２の発電ユニット２ａ、２ｂの配置）
　次に、図２を主として参照しながら、第１及び第２の発電ユニット２ａ、２ｂの配置について説明する。
　第１及び第２の発電ユニット２ａ、２ｂは、燃料電池２０ａと酸化剤ガス予熱部１７ａとが隣り合うと共に、燃料電池２０ｂと酸化剤ガス予熱部１７ｂとが隣り合うように配されている。
　具体的には、まず、燃料電池２０ａと燃料電池２０ｂとは、ｘ方向から視た際に燃料電池２０ａと燃料電池２０ｂとが重なるように配されている。第１の発電ユニット２ａの燃料電池２０ａは、第２の発電ユニット２ｂの燃料電池２０ｂよりもｘ方向（第１の方向）のｘ２側に位置している。
　燃料電池２０ａに接続されている酸化剤ガス予熱部１７ａは、燃料電池２０ｂのｙ方向のｙ１側に位置する燃焼室内を経由して燃焼室１１ａ１外にまで引き出されている。このため、酸化剤ガス予熱部１７ａと燃料電池２０ｂとは、ｘ方向に対して垂直なｙ方向（第２の方向）において隣り合っている。
　燃料電池２０ｂに接続されている酸化剤ガス予熱部１７ｂは、燃料電池２０ｂのｙ方向のｙ２側に位置する燃焼室内を経由して燃焼室１１ａ２外にまで引き出されている。このため、酸化剤ガス予熱部１７ｂと燃料電池２０ａとは、ｘ方向に対して垂直なｙ方向（第２の方向）において隣り合っている。
　燃焼室１１の燃料電池２０ａが配された領域と、燃焼室１１の燃料電池２０ｂが配された領域とは、区画部材２２によって区画されている。また、燃焼室１１の燃料電池２０ａが配された領域と、燃焼室１１の燃料電池２０ｂに接続されている酸化剤ガス予熱部１７ｂが配された領域とも、区画部材２２によって区画されている。燃焼室１１の燃料電池２０ｂが配された領域と、燃焼室１１の燃料電池２０ａに接続されている酸化剤ガス予熱部１７ａが配された領域とも、区画部材２２によって区画されている。
　すなわち、区画部材２２は、燃焼室１１において、燃料電池２０ａと燃料電池２０ｂとの間、燃料電池２０ａと酸化剤ガス予熱部１７ｂとの間、及び燃料電池２０ｂと酸化剤ガス予熱部１７ａとの間に少なくとも設けられている。
　（固体酸化物形燃料電池モジュール１における発電の態様）
　次に、本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池モジュール１における発電の態様について説明する。
　図１に示すように、燃料ガス流路１２ａ、１２ｂには、改質前の原燃料ガスが供給される。一方、改質用水流路１５ａ、１５ｂには、改質用の水が供給される。改質用の水は、改質用水流路１５ａ、１５ｂの燃焼室１１ａ１，１１ａ２内に位置している気化器５５ａ、５５ｂで気化し、水蒸気となる。この水蒸気と、原燃料ガスとが改質器１４ａ、１４ｂに供給される。
　改質器１４ａ、１４ｂでは、水蒸気により原燃料ガスが改質され改質燃料ガスが生成される。改質燃料ガスはさらに、燃料ガス予熱部１６ａ、１６ｂにより加熱される。加熱された改質燃料ガスは、燃料電池２０ａ、２０ｂに供給される。
　なお、本発明においては、「燃料ガス」は、原燃料ガス、改質燃料ガスの総称である。すなわち、燃料ガスには、原燃料ガスと改質燃料ガスとが含まれる。
　酸化剤ガス流路１３ａ、１３ｂには、酸素や空気などの酸化剤ガスが供給される。酸化剤ガスは、燃焼室外部熱交換器５４ａ、５４ｂ、酸化剤ガス予熱部１７ａ、１７ｂにおいて加熱された後に、燃料電池２０ａ、２０ｂに供給される。
　燃料電池２０ａ、２０ｂは、これら供給された改質燃料ガスと酸化剤ガスとにより発電を行う。燃料電池２０ａ、２０ｂにおいて発電に使用された改質燃料ガスである燃料極側排気ガスは、燃料電池２０ａ、２０ｂのそれぞれの第２の排気口４３ａから燃料電池２０ａ、２０ｂ外に排気される。一方、燃料電池２０ａ、２０ｂにおいて発電に使用された酸化剤ガスである空気極側排気ガスは、燃料電池２０ａ、２０ｂのそれぞれの第１の排気口５３ａから燃料電池２０ａ、２０ｂ外に排気される。
　これら燃料極側排気ガス及び空気極側排気ガスは、排出流路１１ｂ１，１１ｂ２を経由して燃焼室１１ａ１，１１ａ２外に排出され、さらに燃焼室外部熱交換器５４ａ、５４ｂを経由して固体酸化物形燃料電池モジュール１外に排出される。
　ここで、燃料極側排気ガスには、一酸化炭素等が含まれている。また、空気極側排気ガスには、酸素が含まれている。このため、燃料極側排気ガスと空気極側排気ガスとが、高温である燃焼室１１ａ１，１１ａ２内においてそれぞれ混合されると、燃料極側排気ガスが完全燃焼する。これにより燃焼ガスがそれぞれ生じる。よって、排出流路１１ｂ１，１１ｂ２を経由して燃焼室１１ａ１，１１ａ２外に排出される排出ガスは、燃焼ガスと、空気極側排気ガスの燃焼ガスの生成に用いられなかった部分とを含む。
　なお、「排気ガス」は、燃料極側排気ガスと空気極側排気ガスと燃焼ガスを含むものとする。
　本実施形態では、第１及び第２の発電ユニット２ａ、２ｂは、燃料電池２０ａと、燃料電池２０ｂに接続された酸化剤ガス予熱部１７ｂとがｙ方向において隣り合うと共に、燃料電池２０ｂと、燃料電池２０ａに接続された酸化剤ガス予熱部１７ａとがｙ方向において隣り合うように配されている。このため、例えば、大きな燃料電池同士がｙ方向において隣り合うように配されている場合よりも燃料電池モジュール１を小型化することができる。
　特に、本実施形態では、燃料電池２０ａと燃料電池２０ｂとは、ｘ方向において異なる位置に配されており、ｘ方向から視た際に重なるように配されている。従って、固体酸化物形燃料電池モジュール１をより小型化することができる。
　しかしながら、これだけの配置構成では、燃料電池２０ａと低温酸化剤ガスの流れる酸化剤ガス予熱部１７ｂとが隣り合う。また、燃料電池２０ｂと低温酸化剤ガスの流れる酸化剤ガス予熱部１７ａとが隣り合う。このため、燃料電池２０ａ、２０ｂがそれぞれ酸化剤ガス予熱部１７ｂ、１７ａにより冷却され、燃料電池２０ａ、２０ｂの温度が低くなりがちである。また、燃料電池２０ａ、２０ｂの酸化剤ガス予熱部１７ｂ、１７ａに近い部分が、他の部分よりも低温になり、燃料電池２０ａ、２０ｂに温度むらが生じやすくなる。従って燃料電池２０ａ、２０ｂの発電が不安定になることがある。
　ここで、本実施形態では、区画部材２２により、燃焼室１１の燃料電池２０ａ、２０ｂの一方が配された領域と、燃料電池２０ａ、２０ｂの他方に接続された酸化剤ガス予熱部１７ａ、１７ｂが配された領域とが区画されている。このため、燃料電池２０ａ、２０ｂと、隣接して配された酸化剤ガス予熱部１７ｂ、１７ａとの間の熱交換を抑制することができる。従って、燃料電池２０ａ、２０ｂの温度低下、及び温度むらの発生を抑制することができる。その結果、燃料電池２０ａ、２０ｂによる発電を安定化させることができる。
　つまり、本実施形態では、固体酸化物形燃料電池モジュール１の小型化と発電の安定化との両立を図ることができる。
　燃料電池２０ａ、２０ｂによる発電をより安定化する観点からは、区画部材２２の断熱機能が高いことが好ましい。従って、区画部材２２は、断熱材により構成されていることが好ましい。
　また、本実施形態では、排出流路１１ｂ１，１１ｂ２は、酸化剤ガス予熱部１７ａ、１７ｂの一部が、排出流路１１ｂ１，１１ｂ２上に位置するか、または排出流路１１ｂ１，１１ｂ２に面するように設けられている。また、排出流路１１ｂ１，１１ｂ２は、改質器１４ａ、１４ｂの少なくとも一部と、燃料ガス予熱部１６ａ、１６ｂの少なくとも一部とが、排出流路１１ｂ１，１１ｂ２上に位置するか、または排出流路１１ｂ１，１１ｂ２に面するように設けられている。発電に用いられ、かつ燃焼することにより高温となった排気ガスが区画部材２２によって排出流路１１ｂ１、１１ｂ２をそれぞれ回流することになり、酸化剤ガス予熱部１７ａ、１７ｂの少なくとも一部、改質器１４ａ、１４ｂ並びに燃料ガス予熱部１６ａ、１６ｂが加熱される。よって、排気ガスの熱を有効利用することができる。その結果、高いエネルギー効率を実現することができる。
　また、酸化剤ガス予熱部１７ａ、１７ｂ、改質器１４ａ、１４ｂ並びに燃料ガス予熱部１６ａ、１６ｂの温度を高くできるため、酸化剤ガス予熱部１７ａ、１７ｂ、改質器１４ａ、１４ｂ並びに燃料ガス予熱部１６ａ、１６ｂにより、燃料電池２０ａ、２０ｂが冷却されにくい。従って、燃料電池２０ａ、２０ｂによる発電をさらに安定化することができる。
　また、本実施形態では、燃料極側排気ガスと空気極側排気ガスとの両方が燃焼室１１ａ１，１１ａ２に排気され、排出流路１１ｂ１，１１ｂ２の途中において混合され、燃焼する。このため、排出流路１１ｂ１，１１ｂ２を流れる排気ガスの温度が高い。従って、排気ガスを用いて、改質器１４ａ、１４ｂ、燃料ガス予熱部１６ａ、１６ｂ及び酸化剤ガス予熱部１７ａ、１７ｂをより効率的に加熱することができる。よって、より高いエネルギー効率を実現することができる。
　また、区画部材２２により排気ガスの流れを規制するので、燃料極側排気ガスと空気極側排気ガスを排出流路１１ｂ１，１１ｂ２において確実に混合燃焼させることができる。これにより、一酸化炭素が固体酸化物形燃料電池モジュール１から排出されることをより効果的に抑制することができる。
　また、区画部材２２を設けることにより、空気極側排気ガスを区画部材２２に沿って流してから任意の位置で燃料極側排気ガスと混合させることができる。これにより、多くの熱を付与したい改質器や予熱器の付近に燃焼位置を設定し、排気ガスによる熱利用率を向上させることができる。
　なお、上記実施形態では、２つの発電ユニット２ａ、２ｂを備える固体酸化物形燃料電池モジュール１について説明した。但し、本発明において、固体酸化物形燃料電池モジュールが備える発電ユニットの数量は複数である限りにおいて特に限定されない。本発明に係る固体酸化物形燃料電池モジュールは、３つ以上、例えば４つの発電ユニットを備えていてもよい。
１…固体酸化物形燃料電池モジュール
２ａ…第１の発電ユニット
２ｂ…第２の発電ユニット
１０…断熱材
１１…燃焼室
１１ａ１…第１の燃焼室
１１ａ２…第２の燃焼室
１１ｃ１…第１の排出口
１１ｃ２…第２の排出口
１１ｂ１、１１ｂ２…排出流路
１２ａ、１２ｂ…燃料ガス流路
１３ａ、１３ｂ…酸化剤ガス流路
１４ａ、１４ｂ…改質器
１５ａ、１５ｂ…改質用水流路
１６ａ、１６ｂ…燃料ガス予熱部
１７ａ、１７ｂ…酸化剤ガス予熱部
２０ａ、２０ｂ、…燃料電池
２１…発電セル
２２…区画部材
４０…第２のセパレータ
４１…第２のセパレータ本体
４２…第２の流路形成部材
４３…燃料ガス供給路
４３ａ…第２の排気口
４４…燃料ガス用マニホールド
４５…酸化剤ガス用マニホールド
４６…発電要素
４７…固体酸化物電解質層
４８…燃料極層
４８ａ…燃料極
４９…空気極層
４９ａ…空気極
５０…第１のセパレータ
５１…第１のセパレータ本体
５１ａ…ビアホール電極
５２…第１の流路形成部材
５３…酸化剤ガス供給路
５３ａ…第１の排気口
５４ａ、５４ｂ…燃焼室外部熱交換器
５５ａ、５５ｂ…気化器

Claims (5)

  1. 　燃焼室と、
    　複数の発電ユニットと、
    を備え、
    　前記複数の発電ユニットのそれぞれは、
    　前記燃焼室内に配置されており、燃料ガスと酸化剤ガスとが供給されることにより発電する燃料電池と、
    　前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、
    　前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路と、
    　前記燃焼室内において、前記酸化剤ガス流路中に設けられており、前記酸化剤ガスを予熱する酸化剤ガス予熱部と、
    を有し、
    　前記複数の発電ユニットは、一の前記燃料電池と、当該一の燃料電池に隣接する他の燃料電池に接続された酸化剤ガス予熱部とが隣り合うように配されており、
    　前記燃焼室の前記一の燃料電池が配された領域と、前記他の燃料電池が配された領域とを区画すると共に、前記一の燃料電池が配された領域と、前記他の燃料電池に接続された酸化剤ガス予熱部が配された領域とを区画する区画部材をさらに備える、燃料電池モジュール。
  2. 　前記複数の発電ユニットは、第１及び第２の発電ユニットにより構成されており、
    　前記第１の発電ユニットの燃料電池は、前記第２の発電ユニットの燃料電池よりも第１の方向の一方側に位置し、
    　前記第１の発電ユニットの燃料電池と前記第２の発電ユニットの酸化剤ガス予熱部とは前記第１の方向に対して垂直な第２の方向において隣り合っており、
    　前記第２の発電ユニットの燃料電池と前記第１の発電ユニットの酸化剤ガス予熱部とは前記第２の方向の方向において隣り合っている、請求項１に記載の燃料電池モジュール。
  3. 　前記第１の方向から視た際に、前記第１及び第２の燃料電池は、前記第１の発電ユニットの燃料電池と前記第２の発電ユニットの燃料電池とが重なるように配されている、請求項２に記載の燃料電池モジュール。
  4. 　前記区画部材は、断熱材により構成されている、請求項１～３のいずれか一項に記載の燃料電池モジュール。
  5. 　前記燃料電池は、発電に使用済みの酸化剤ガスである空気極側排気ガスを排気する第１の排気口と、発電に使用済みの燃料ガスである燃料極側排気ガスを排気する第２の排気口と、を有し、
    　前記燃焼室は、
    　前記燃料電池から排気された排気ガスを前記燃焼室外に排出する排出口と、
    　前記第１及び第２の排気口と前記排出口とを接続している排出流路と、
    を有し、
    　前記排出流路は、前記酸化剤ガス予熱部の少なくとも一部が、前記排出流路上に位置するか、または前記排出流路に面するように設けられている、請求項１～４のいずれか一項に記載の燃料電池モジュール。
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