JP2012252801A - 固体酸化物形燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】発電室内部における冷却を促進することができる固体酸化物形燃料電池を提供する。
【解決手段】筒状のセルチューブ１０２の内部に第１ガスである燃料ガス１２１を供給すると共に、前記セルチューブ１０２の外面に設けられた燃料電池セルに第２ガスである空気１２２を供給することにより、前記燃料電池セルにおいて前記第１ガスと前記第２ガスとを電気化学的に反応させて発電する固体酸化物形燃料電池であって、固体酸化物形燃料電池の熱交換用中子１４がセルチューブ１０２の内部の全体に亙って挿入されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱交換補助具としての中子を備えた固体酸化物形燃料電池に関する。

燃料電池は、電気化学反応を利用した発電装置であり、優れた発電効率及び環境対応等の特性を有する。このため、２１世紀を担う都市型のエネルギー供給システムとして、実用化に向けた研究開発が進んでいる。

従来の燃料電池の一例としてワンスルータイプの燃料電池が提案されている。このワンスルータイプの燃料電池は、例えば、燃料ガスを、セルチューブの一端（例えば上端）から供給し、セルチューブの他端（例えば下端）から排出するタイプの燃料電池である。また、酸化剤ガスは、セルチューブの外周面に供給される。

また、発電を行うためには、燃料電池モジュール内が約８００℃から１０００℃となるような高温環境における化学反応を利用するため、外部から燃料ガス及び酸化剤ガスを供給する際に、ガスを予熱しておく必要がある。これは、供給するガスの予熱を行わないと、燃料電池セルの温度を低下させる結果、発電効率の低下及び発電自体の不安定化を招く危険性があるからである。

この予熱は、効率の面から高温の排出ガスを利用して行われる。すなわち、排出室から排出された高温の排出燃料ガスと燃料電池に供給される酸化剤ガス（空気）とを熱交換し、酸化剤ガスを予熱する。また、高温の排出酸化剤ガスと燃料電池に供給される燃料ガスとを熱交換し、燃料ガスを予熱する。このため、排出ガスの排出経路内には、熱交換を効率的に行うための補助機器として中子が設置されている（例えば、特許文献１及び２参照）。

特開２００２−６３９１６号公報 特開２００４−１２７６４０号公報

ところで、発電室内部の温度は供給空気量の調整により、管理値温度以下に保持しているが、今後、低コスト化のために高出力密度化、コンパクト化を行う場合、単位体積当たりの発熱密度が増加するため、発電室内部の冷却を促進する必要がある。

しかしながら、燃料電池に供給する空気流量を増加させると、空気を供給するために必要な動力も増え、システム全体の効率が低下してしまう。また、例えばガスタービンとのコンバインドシステム等の場合、ガスタービン側の定格運転の関係から燃料電池側への供給空気流量に制限がある場合が多い。

本発明は、前記問題に鑑み、発電室内部における冷却を促進することができる固体酸化物形燃料電池を提供することを課題とする。

上述した課題を解決するための本発明の第１の発明は、筒状のセルチューブの内部に第１ガスを供給すると共に、前記セルチューブの外面に設けられた燃料電池セルに第２ガスを供給することにより、前記燃料電池セルにおいて前記第１ガスと前記第２ガスとを電気化学的に反応させて発電する固体酸化物形燃料電池であって、固体酸化物形燃料電池の熱交換用中子がセルチューブの内部の全体に亙って挿入されていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池にある。

第２の発明は、第１の発明において、前記熱交換用中子が、前記セルチューブの径と同一径の支持部材を有し、前記セルチューブの上端開口部に接着支持されていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池にある。

第３の発明は、第１又は２の発明において、前記セルチューブの一端から前記第１ガスが供給されると共に、前記セルチューブの他端から前記第１ガスが排出されるワンスルータイプの燃料電池であることを特徴とする固体酸化物形燃料電池にある。

第４の発明は、第１乃至３のいずれか一つの発明において、前記第１ガスは燃料ガスであり、前記第２ガスは酸化剤ガスであることを特徴とする固体酸化物形燃料電池にある。

第５の発明は、第１乃至３のいずれか一つの発明において、前記第１ガスは酸化剤ガスであり、前記第２ガスは燃料ガスであることを特徴とする固体酸化物形燃料電池にある。

第６の発明は、第１乃至５のいずれか一つの発明において、前記セルチューブが燃料電池モジュール内に複数配設されており、前記燃料電池モジュールが、断熱材からなるケーシングと、ケーシング内に設けられ、前記セルチューブの両端を支持する上管板及び下管板と、上下の管板間に配置された上断熱体及び下断熱体と、上下の断熱体に挟まれた空間に形成される発電室とからなることを特徴とする固体酸化物形燃料電池にある。

本発明によれば、熱交換用中子を用いて、セルチューブの全体に亙って挿入させることで、熱交換部のみならず、発電室内部での熱交換を良好とすることができ、発電室内部での冷却を促進することができる。

図１は、固体酸化物形燃料電池モジュールを表す概略構成図である。 図２は、固体酸化物形燃料電池の熱交換用中子の斜視図である。 図３は、固体酸化物形燃料電池の熱交換用中子の他の斜視図である。 図４−１は、熱交換用中子と支持部材との支持構造の概略図である。 図４−２は、熱交換用中子と支持部材との支持構造の概略図である。

以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施例における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。

本発明による実施例に係る熱交換補助具としての中子を備えた固体酸化物形燃料電池について、図面を参照して説明する。図１は、固体酸化物形燃料電池モジュールを表す概略構成図である。

本実施例の固体酸化物形燃料電池モジュール（以下「燃料電池モジュール」ともいう）１００は、図１に示すように、断熱材であるケーシング１０１と、略円筒状に形成された複数のセルチューブ１０２と、セルチューブ１０２の両端を支持する上下の管板（第１仕切り部材）１０３ａ、１０３ｂと、これら上下の管板１０３ａ、１０３ｂの間に配置された上下の断熱体１０４ａ、１０４ｂとから構成されている。

上下の断熱体１０４ａ、１０４ｂに挟まれた空間には、発電室１０５が形成されている。ケーシング１０１と上管板１０３ａとの間には、燃料供給室１０６が形成されている。ケーシング１０１と下管板１０３ｂとの間には、燃料排出室１０７が形成されている。下管板１０３ｂと下断熱体１０４ｂとの間には、空気供給室１０８が形成されている。上管板１０３ａと上断熱体１０４ａとの間には、空気排出室１０９が形成されている。

上管板１０３ａは、ケーシング１０１の長手方向（図１の上下方向）の一方（上側）に配置された板状の部材であり、下管板１０３ｂは、ケーシング１０１の長手方向の他方（下側）に配置された板状の部材である。セルチューブ１０２は、多孔質セラミックスから形成された略円筒状の管であり、長手方向（図１の上下方向）における中央部に発電を行なう複数の燃料電池セル１１０が設けられている。本実施例においてこの燃料電池セル１１０は燃料極と固体電解質と空気極とがこの順に積層され形成されている。セルチューブ１０２は、一方の開口端が燃料供給室１０６に開口し、他方の開口端が燃料排出室１０７に開口するように、上下の管板１０３ａ、１０３ｂに支持されている。また、セルチューブ１０２は、燃料電池セル（発電素子）１１０が発電室１０５内にのみ位置するように配置されている。

上断熱体１０４ａは、ケーシング１０１の長手方向の一方（上側）に配置され、断熱材料を用いてブランケット状あるいはボード状などに形成された部材である。下断熱材１０４ｂは、ケーシング１０１の長手方向の他方（下側）に配置され、断熱材料を用いてブランケット状あるいはボード状などに形成された部材である。各断熱体１０４ａ、１０４ｂには、セルチューブ１０２が挿通される孔１１１ａ，１１１ｂが形成され、孔１１１ａ，１１１ｂの直径はセルチューブ１０２の直径よりも大きく形成されている。

なお、孔１１１ａ，１１１ｂの内周面は、略円筒状に形成されていてもよいし、螺旋状または直線状の凹部（溝）または凸部（畝状突起）が形成されていてもよく、特に限定するものではない。このような構成にすることで、セルチューブ１０２と孔１１１ｂとの間を通って発電室１０５に流入する空気に、排出燃焼ガス１２１ａ及び下断熱体１０４ｂの熱が伝達されやすくなり、発電室１０５の温度を高温に保ちやすくすることができる。同様に、セルチューブ１０２と孔１１１ａとの間を通って発電室１０５から排出される排出空気１２２ａの熱を伝達することでセルチューブ１０２に導入される燃料ガス１２１を高温とすることができる。

また、セルチューブ１０２の内部に、セルチューブ１０２の長手方向全域（セルチューブの上端部からか端部まで）に亙って、熱交換用中子１４が挿入されている。例えば、内径が２２ｍｍのセルチューブの場合には、１９ｍｍの熱交換用中子としているが、本発明はこれに限定されるものではない。
この熱交換用中子１４の外周壁とセルチューブ１０２内壁との隘路間に燃料ガス１２１を供給させることで、セルチューブ１０２の外周を流れる酸化剤ガスである空気１２２との熱交換を良好としている。
すなわち、上断熱体１０４ａ領域が上部熱交換部１２３ａを形成し、下断熱体１０４ｂ領域が下部熱交換部１２３ｂを形成している。そして、上部熱交換部１２３ａでは導入される燃料ガス１２１と排出される排出空気１２２ａとの熱交換がなされ、下部熱交換部１２３ｂでは、導入される空気１２２と排出燃料ガス１２１ａとの熱交換がなされる。

さらに、本実施例では、セルチューブ１０２の内部において、セルチューブ１０２の長手方向の中央部分にも熱交換用中子１４が存在しているので、セルチューブ１０２の発電室１０５に対応する領域においても発電室内部における冷却を促進することができる。

このように、従来の冷却機構は発電室両端部の冷却部品として、セルのリード部に中子を挿入していたが（上下それぞれ２箇所）、セルチューブ内部の全体に亙って熱交換用中子１４を挿入することで、発電室１０５内部についても燃料側からの冷却を促進することができることとなる。

この結果、高出力密度化、コンパクト化によって、単位体積当たりの発熱密度が増加する場合であっても、発電室内部の冷却が可能となるだけでなく、部品点数の減少による低コスト化も図ることができる。

また、発電室内部の冷却について、例えばガスタービンコンバインドシステム等を適用する場合、ガスタービン側の定格運転の関係から燃料電池への供給空気流量に制限がある場合であっても、熱交換用中子を全体に亙って挿入することで冷却対応が可能となる。

ここで、熱交換用中子の材質としては、高温部での耐熱の観点からセラミックス製とすることが好ましい。

図２は、固体酸化物形燃料電池の熱交換用中子の斜視図である。図３は、固体酸化物形燃料電池の熱交換用中子の他の斜視図である。
図２に示すように、本実施例のセルチューブ（燃料電池）１０２に挿入される熱交換用中子１４は、セルチューブ１０２の上端開口に支持される鍔１１ａを有する支持部材１１Ａをその頂部に有している。
鍔１１ａは少なくとも３方向に支持部材から伸びるように設け、セルチューブ１０２の上端開口に載せるようにしている。なお、燃料ガス１２１は鍔１１ａで覆われていない隙間から内部に流入するようにしている。

また、図３に示すように、フランジ形式の支持部材１１Ｂを有して、セルチューブ１０２の上端開口に支持されるようにしてもよい。
この支持部材１１Ｂの場合には、セラミック発泡体とし、接着剤により接着されている。
このセラミック発泡体は、例えばコージュライトとアルミナとの混合物からなり、連続気孔の三次元骨格構造であり、空孔率が高く、燃料ガス１２１の流入が容易としている。

図４−１及び図４−２は、熱交換用中子と支持部材との支持構造の概略図である。
図４−１は、鍔１１ａを有する支持部材１１Ａを用いた場合の支持構造であり、図４−２は、支持部材１１Ｂを用いた場合の支持構造である。

ここで、図４−１では、鍔１１ａを４方向とし、支持部材１１Ａの径と両端の２つの鍔１１ａを併せた直径ｄ₁が、セルチューブの直径ｄ₂と同一となるようにし、両端の鍔１１ａを接着剤１５で接合するようにしている。
この結果、予め支持部材１１Ａに設ける鍔１１ａは全て同じ長さとしている場合には、熱交換用中子１４がセルチューブの中心位置となるように容易に芯出しすることが可能となる。

また、図４−２に示すように、支持部材１１Ｂの場合には、支持部材１１Ｂの直径ｄ₃とセルチューブ１０２の直径ｄ₂とが同一に形成されることで、セルチューブ１０２の上端面に支持部材１１Ｂを載置する際に、芯出しを容易に行うことができる。
この結果、熱交換用中子１４の外周面等に、芯出しのための芯出し部材を余分に設ける必要がなく、熱交換用中子１４に余分な機械加工を要しない構造とすることができ、簡易な構造で芯出しを確実に行うことができる。

また本実施例では、熱交換用中子１４は、支持部材１１Ａ又は支持部材１１Ｂをセルチューブ１０２の上端面に設けることで支持するようにしているが、例えば、中子の下端面を燃料排出室１０７の下管板１０３ｂとは反対側の壁、すなわちケーシング１０１の壁に載せる構造とすることもできる。この場合、熱交換用中子１４は別途も受ける芯出し部材により、セルチューブの中心に位置するように配置される必要がある。

ここで、上記構成からなる燃料電池モジュール１００の動作の概要を説明する。

燃料電池モジュール１００の空気供給室１０８には空気１２２が流入する。該空気１２２は下断熱材１０４ｂの孔１１１ｂとセルチューブ１０２との隙間を通って、発電室１０５内に供給される。
一方、燃料供給室１０６には燃料ガス１２１が流入する。該燃料ガス１２１はセルチューブ１０２の基体管の内部を通って発電室１０５内に供給される。空気１２２と燃料ガス１２１とは、燃料電池セル１１０において発電に利用される。その後排出空気１２２ａは空気排出室１０９に流入し、排出燃料ガス１２１ａは燃料排出室１０７に流入し、それぞれ燃料電池モジュール１００の外部に排出口１０１ａ、１０１ｂからそれぞれ排出される。

この時、空気１２２と燃料ガス１２１とは、セルチューブ１０２の内面または外面を互いに逆向きに流れている。このことにより、発電に利用され高温となった燃料ガスおよび空気が、発電に利用される前の空気および燃料ガスとそれぞれ熱交換される。すなわち、セルチューブ１０２の軸方向両端部であって燃料電池セル１１０が形成されていない上部熱交換部１２３ａ、下部熱交換部１２３ｂの熱交換領域において、燃料ガス１２１と空気１２２とが熱交換される。

上述したように燃料電池モジュール１００では、反応に利用されて高温となった排出燃料ガス１２１ａおよび排出空気１２２ａが熱交換により冷却された後、燃料排出室１０７および空気排出室１０９に供給される。このことにより、金属部材を有する上管板１０３ａと下管板１０３ｂとが高温雰囲気に晒されることを抑制することができる。その結果、燃料電池モジュール１００では、燃料電池セル１１０における運転温度を高温化、例えば８００℃から９５０℃にすることを可能にしている。

本実施例では、第１ガスとして燃料ガス、第２ガスとして酸化剤ガス（空気）を例示したが、本発明はこれに限定されず、セル構造を逆として、第１ガスとして酸化剤ガス（空気）、第２ガスとして燃料ガスを供給するようにしてもよい。

このように、本発明によれば、熱交換用中子１４を用いて、セルチューブ１０２の全体に亙って挿入させることで、熱交換部１２３ａ、１２３ｂのみならず、発電室１０５内部での熱交換を良好とすることができ、発電室内部での冷却を促進することとなり、極力９５０℃程度を保持することができ、供給する空気流量を抑えることができるため、システム効率が向上する。

１１Ａ、１１Ｂ 支持部材
１４ 熱交換用中子
１０２ セルチューブ
１２１ 燃料ガス
１２２ 空気

Claims (6)

1. 筒状のセルチューブの内部に第１ガスを供給すると共に、前記セルチューブの外面に設けられた燃料電池セルに第２ガスを供給することにより、前記燃料電池セルにおいて前記第１ガスと前記第２ガスとを電気化学的に反応させて発電する固体酸化物形燃料電池であって、
   固体酸化物形燃料電池の熱交換用中子がセルチューブの内部の全体に亙って挿入されていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
2. 請求項１において、
   前記熱交換用中子が、前記セルチューブの径と同一径の支持部材を有し、前記セルチューブの上端開口部に接着支持されていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
3. 請求項１又は２において、
   前記セルチューブの一端から前記第１ガスが供給されると共に、前記セルチューブの他端から前記第１ガスが排出されるワンスルータイプの燃料電池であることを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
4. 請求項１乃至３のいずれか一つにおいて、
   前記第１ガスは燃料ガスであり、前記第２ガスは酸化剤ガスであることを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
5. 請求項１乃至３のいずれか一つにおいて、
   前記第１ガスは酸化剤ガスであり、前記第２ガスは燃料ガスであることを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
6. 請求項１乃至５のいずれか一つにおいて、
   前記セルチューブが燃料電池モジュール内に複数配設されており、
   前記燃料電池モジュールが、
   断熱材からなるケーシングと、
   ケーシング内に設けられ、
   前記セルチューブの両端を支持する上管板及び下管板と、
   上下の管板間に配置された上断熱体及び下断熱体と、
   上下の断熱体に挟まれた空間に形成される発電室とからなることを特徴とする固体酸化物形燃料電池。

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