JP2007087756A - 固体酸化物型燃料電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】円筒形燃料電池セル1と、円筒形燃料電池セルを複数配置した発電室8と、発電室へ分散状態で燃料を供給する燃料分散室11とを備える固体酸化物型燃料電池において、前記燃料分散室に温度分布を備える調整部25を備える。前記調整部は冷却のための熱交換部24を有している。熱交換器送られる冷媒として空気、または水を用いる。
【選択図】図1
Description
従来の代表的な円筒形固体酸化物型燃料電池の一例を図11に示す。金属壁4の内部に複数の円筒形の燃料電池セル1を、封止端を下側に向けて収納し、最外周に位置する燃料電池セル1と金属壁4の間に絶縁壁3を配している。これら複数の燃料電池セル1は集電材2により電気的に接続され所定の電気容量を発揮する。燃料電池セル1の開口部付近には仕切り板7が取付けられおり、この仕切り板7より燃料電池セル1の封止端側を発電室8、燃料電池セル1開口側を燃焼室9としている。燃料供給管14により供給された燃料ガスは燃料電池セル1の下方に位置する燃料分散室11で効果的に分散されて燃料分散板16から発電室8に入り、上方の仕切り板7に向かって流れながら各燃料電池セル1の外表面に接触する。一方、空気は空気供給管15から空気分配器6に供給され、ここで効果的に分散され、燃料電池セル1の内側に挿入された導入管5を通じて空気が導入され燃料電池セル1の内表面に接触する。このように構成された固体酸化物型燃料電池を作動温度約700℃から1000℃まで昇温すると、燃料電池セル1の内側の空気極側から燃料電池セル1の外側の燃料極側にO2-イオンが移動して電気化学的反応が起こり、発電が行われる。発電の際に生成された水蒸気および未反応燃料ガスはある適正な圧力損失と通気機能を持った仕切り板7を通り抜けて燃焼室9に入り、ここで燃料電池セル1の内側で未反応の残空気と混合され、着火燃焼後排ガスダクト10から排出される。仕切り板7は適正な圧力損失を持つため、燃焼室9内のガスが発電室8に逆流するのを防いでいる。金属壁4の外周には断熱材17が配置され、発電室8内の温度を高温に維持できるようにするとともに、放熱によるエネルギーロスを防いでいる。
電圧が低下している状態は、燃料電池セル1に負担を掛けている状態であり、一般に燃料電池セルの劣化が進行しつつあることを表す。
よって固体酸化物型燃料電池では、燃料は全ての燃料電池セル1に同じ質量流量が供給されていることが望ましい。しかし実際は発電室8の外周に位置する金属壁4からの放熱による発電室8内の温度分布やセルの発熱量の個体差による温度分布が発生し、温度の高い所では熱膨張により燃料の密度が低下しており、相対的に温度の低いところよりも燃料の質量流量が少なくなる。また、構造上または施工上のバラツキに起因する燃料分散の偏りが起こりえる。そうなると供給される燃料の質量流量が少ない部分の燃料電池セル1の電圧が相対的に低下することとなり、その燃料電池セル1では劣化が早まり、最悪の場合は破損となる。一般に固体酸化物型燃料電池を運転する際は、燃料電池セル1の急激な劣化や破損を回避するため、最も電圧の低い燃料電池セル1に応じて全体の発電出力または発電効率を落とさざるを得ない。
この手段によれば、構造上または施工上のバラツキの多くを排除し、燃料分散室11の底面などから供給した燃料を効果的に分散させ、上方の燃料電池セル1に体積流量としてはほぼ均一に供給することができる。
しかしながら、燃料分散室11の外周面からの放熱のため、燃料分散室11内に温度分布が生じ、温度の高い所では熱膨張により燃料の密度が低下しており、体積流量としてはほぼ均一に燃料を分散させていても、温度の高い所では相対的に温度の低いところよりも燃料の質量流量が少なくなる。とりわけセルの発熱量の個体差、施工上のバラツキのように運転中の発電性能を確認することにより発見されるバラツキに対しては、発電状況に応じて柔軟に対応することができず、燃料の質量流量の偏りは解消されない。よって燃料の質量流量の少ない燃料電池セル1では、濃度過電圧が強まり電圧を低下させ、劣化が進行する。
また、温度分布に関しては、相対的に高温となる燃料電池セルの近傍に空気または燃料の流路を配置し、高温部の冷却および温度調整を可能とする提案がある。(例えば、特許文献2参照)
この手段によれば、相対的に高温となる燃料電池セル1を冷却し、発電室8全体として均一な温度状態を作ることができる。
しかしながら、燃料電池セル1間に冷却用の流路を設けることは、燃料電池セル1間ピッチを広げることとなり、固体酸化物型燃料電池の設置面積を広げることになる。
図1は本発明の第一の実施例を略示する円筒形固体酸化物型燃料電池の側面断面図であり、 図2は同例の燃料分散室部分の立体図である。
ここで燃料の質量流量が少なくなっている場所の真下に位置する調整部25により燃料分散室11内の熱を部分的に奪うこととする。つまり、図1の例では分散室熱交換ボックス18に、冷媒駆動部23から冷媒管22に冷媒となる流体を流し、冷媒が熱交換部24である分散室熱交換ボックス18を介して効果的に燃料分散室11内の熱を部分的に奪う。そうすることで、燃料分散室11内の冷却された部分では燃料の密度が相対的に大きくなるため、そこから上方に流れる燃料の質量流量を意図的に多くすることができ、そこに位置する燃料電池セル1の電位を上昇させることができる。
熱交換部24に流す流体として、水を使うことも有効である。水は体積当りの熱容量が大きいため、非常に少ない流量で冷却効果を得ることが出来る。これにより、熱交換部24をより小型化することができ、冷媒管22の配管径も小さくすることが出来る。また固体酸化物型燃料電池が燃料として都市ガスのような炭化水素系燃料を使用するシステムの場合は、改質用の水蒸気が必要となり、多くの場合水を気化させるために蒸気発生器を備えている。そこで、改質用水蒸気に用いる水を熱交換部24に送られる冷媒として利用後、予熱された状態で蒸気発生器に供給すれば、燃料分散室11から回収した熱を有効に活用でき、固体酸化物型燃料電池の総合効率を高めることができる。
尚ここで言う総合効率とは、投入した燃料熱量に対する、発電電力と利用される熱エネルギーの合計値の比率である。
発電室8または燃料分散室11の構造に起因する燃料の分散の偏りが生じる場合はその状況に応じて最適な位置に熱交換部24は配置される。
施工上のバラツキに起因するような予め予測できない燃料分散の偏りに対応する場合は燃料分散室11の複数箇所に熱交換部24を設けてかつ、燃料分散の偏りを検出する手段を設け、燃料分散の偏りの検出結果に応じて必要箇所の熱交換部24に冷媒を流すことで効果を得ることが出来る。
より精度良く燃料電池セル1に供給する燃料の質量流量を最適に制御する方法としては、燃料の質量流量が少なくなっている部分の燃料電池セル1は電圧が低下することを利用し、燃料電池セル1の電圧低下を観測し、その場所・電圧値に応じて冷媒の供給位置・流量を制御する方法がある。例えば、予め複数ある燃料電池セル1のうち部分的な電位を計測できるよう電圧測定線13を設置しておき、固体酸化物型燃料電池の運転中の観測された電圧値に応じて該当する箇所の熱交換部24に供給する冷媒の流量をフィードバック制御し、常に燃料電池セル1の電圧分布を均一にすることができる。フィードバック制御においては、予め電圧閾値を設定しておき、燃料電池セル1の電圧が閾値を下回った場合に、冷媒の供給流量を一定量増加させる方法や、予め電圧閾値を複数段階的に設定しておき、燃料電池セル1の電圧がこれら閾値を下回った場合に、冷媒の供給流量を電圧閾値の段階に応じた一定量を増加させる方法や、燃料電池セル1の電圧が予め設定された電圧閾値を下回った時は、電圧閾値からの電圧値の低下幅に応じて予め設定した関数式に従い冷媒の流量を増加させる方法が使える。
電圧測定線13の設置に関しては、放熱に起因する燃料の質量流量の分布のように燃料電池セル1の電圧低下の予測が立てられる箇所、例えば発電室8を平面的に見た時の中央部には電圧測定線13を設置する必要がある。この予め燃料電池セル1の電圧低下の予測が立てられる箇所にのみ電圧測定線13を設置することとすれば、燃料電池セル1に供給する燃料の質量流量を最適にすることが低コストで効果的に実現できる。あるいは予め複数ある燃料電池セル1の数本単位で分割して各所の電圧が計測できるよう電圧測定線13を設置しておけば、固体酸化物燃料電池全体を漏れなく観測することができ、放熱に起因する燃料の質量流量の分布のように予測の立てられる要因に対してだけでなく、燃料電池セル1の個体差や施工上のバラつきのように予測の立てられない要因に対しても、燃料電池セル1の電圧低下を観測でき、該当する箇所の熱交換部24に供給する冷媒の流量を制御することで燃料電池セル1に供給する燃料の質量流量を最適にすることができ、燃料電池セル1の劣化を防ぐとともに電圧の低下した前記燃料電池セルに応じて燃料電池全体の性能を低下させる必要がなく、常に高い性能を維持することができる。
分散室熱交換ボックス18への空気供給流量が80NL/minの時、図7に示すように燃料分散室11の端部よりも中央部の温度が8℃高く、この時図8に示すように端部に位置する燃料電池セル1の電圧より中央に位置する燃料電池セル1の電圧が55mV低かった。よって、中央部に位置する燃料電池セル1は端部に位置する燃料電池セル1よりも劣化の進行が早まっていると考えられる。そこで、分散室熱交換ボックス18への空気供給量を100NL/minに増加させると、図9に示すように燃料分散室11の温度を逆に端部よりも中央部の温度が4℃低くすることができ、これにより図10に示すように端部に位置する燃料電池セル1の電圧より中央に位置する燃料電池セル1の電圧が23mV低い状態にまで差を縮めることができ、中央に位置する燃料電池セル1の劣化を抑えることができた。
図4に示すように、熱交換部24は分散室熱交換ボックス18と燃料分散室11の内部に設置された熱交換フィン19で構成することができる。こうすることにより、分散室熱交換ボックス18の燃料分散室11底面への単位貼付け面積当りの伝熱面積が飛躍的に増加するため、少ない流量の冷媒で効率よく燃料分散室11内の温度を調整することができる。
図5に示すように、熱交換部24は、冷媒管22を直接燃料分散室11内に貫流させ熱交換パイプ19とすることができる。こうすることにより、燃料分散室11内の燃料の分散流路をほとんど妨げずに、直接燃料分散室11の内部まで熱交換することができるため、少ない流量の冷媒で効率よく燃料分散室11内の温度を調整することができる。
図6では、発電室8の対面に位置する燃料分散室11壁面である底面に冷却ファン21を設けている。こうすることにより、冷媒となる流体を供給する配管が不要となり、コンパクトにすることができる。
2…集電材
3…絶縁壁
4…金属壁
5…導入管
6…空気分配器
7…仕切り板
8…発電室
9…燃焼室
10…排ガスダクト
11…燃料分散室
12…燃料分散材
13…電圧計測線
14…燃料供給管
15…空気供給管
16…燃料分散板
17…断熱材
18…分散室熱交換ボックス
19…熱交換フィン
20…分散室熱交換パイプ
21…冷却ファン
22…冷媒管
23…冷媒駆動部
24…熱交換部
25…調整部
26…燃料分散室中央部
27…燃料分散室周囲部
Claims (7)
- 円筒形燃料電池セルと、前記円筒形燃料電池セルを複数配置した発電室と、前記発電室へ分散状態で燃料を供給する燃料分散室と、を備える固体酸化物型燃料電池において、前記燃料分散室に前記燃料分散室内の温度分布を調整する調整部を備えることを特徴とする固体酸化物型燃料電池。
- 前記調整部が冷却のための熱交換部を有することを特徴とする請求項1に記載の固体酸化物型燃料電池。
- 前記熱交換部へ送られる冷媒と、前記冷媒を前記熱交換部に送る駆動部とを備えることを特徴とする請求項2に記載の固体酸化物型燃料電池。
- 前記冷媒が空気であることを特徴とする請求項3に記載の固体酸化物型燃料電池。
- 前記冷媒が水であることを特徴とする請求項3に記載の固体酸化物型燃料電池。
- 前記熱交換部が前記発電室の対面にある前記燃料分散室の壁面に位置することを特徴とする請求項2乃至5のいずれか1項に記載の固体酸化物型燃料電池。
- 前記円筒形燃料電池セルの電圧を測定する測定部と、前記測定部での測定値と閾値を比較して前記調整部の運転を制御する制御部を備えていることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の固体酸化物型燃料電池。
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