JP5716235B2 - 固体酸化物形燃料電池の熱交換用上部又は下部中子、及び固体酸化物形燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池の熱交換用上部又は下部中子及びそれを備えた固体酸化物形燃料電池に関する。

燃料電池は、電気化学反応による発電方式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とは、燃料ガスの流動方法について、セルチューブの一端（例えば上端）から供給された燃料ガスがセルチューブの他端（例えば下端）から排出されるタイプの燃料電池である。また、酸化剤ガスは燃料ガスとは、対向流となるよう異なる端部から供給・排出されている。

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

しかしながら、特許文献２の提案の中子では、中子本体にセンタリング機能を設ける際、周囲からセンタリング部を溶接する又は突起を形成するので、その設置に工数や手間がかかる、という問題がある。

よって、簡易な構成の中子の出現が切望されている。

本発明は、前記問題に鑑み、簡易な構成の固体酸化物形燃料電池の熱交換用上部中子又は下部中子、及びそれを備えた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、固体酸化物形燃料電池のセルチューブの熱交換部に設けられ、隘路を形成する固体酸化物形燃料電池の熱交換用上部中子であって、前記セルチューブの上端開口に支持される支持部材と、前記支持部材から垂下される支持棒と、前記支持棒の下端部に設けた前記セルチューブの内周面の複数の箇所で支持される芯出し部材と、前記芯出し部材から垂下される第１の中子本体とを具備することを特徴とする固体酸化物形燃料電池の熱交換用上部中子にある。

第２の発明は、第１の発明において、前記第１の中子本体は、一端又は両端が閉塞された中空円筒体であると共に、第１の中子本体体の下端部に芯出し部材を有することを特徴とする固体酸化物形燃料電池の熱交換用上部中子にある。

第３の発明は、第１又は２の発明において、前記芯出し部材が、三角形又は多角形であることを特徴とする固体酸化物形燃料電池の熱交換用上部中子にある。

第４の発明は、固体酸化物形燃料電池のセルチューブの熱交換部に設けられ、隘路を形成する固体酸化物形燃料電池の熱交換用下部中子であって、略円筒状の燃料電池のセルチューブの下端開口から挿入される第２の中子本体と、前記第２の中子本体の上端に設けた前記セルチューブの内周面の複数の箇所で支持される芯出し部材とを具備することを特徴とする固体酸化物形燃料電池の熱交換用下部中子にある。

第５の発明は、第４の発明において、前記芯出し部材が、三角形又は多角形であることを特徴とする固体酸化物形燃料電池の熱交換用下部中子にある。

第６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、第１乃至３のいずれか一つの固体酸化物形燃料電池の熱交換用上部中子がセルチューブの上部側に設けられると共に、第４又は５の固体酸化物形燃料電池の熱交換用下部中子がセルチューブの下部側に設けられることを特徴とする固体酸化物形燃料電池にある。

第７の発明は、第６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８の発明は、第６又は７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９の発明は、第６又は７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。

本発明によれば、簡易な構成の固体酸化物形燃料電池の熱交換用上部中子及び下部中子を用いて、セルチューブの熱交換部での熱交換を良好とすると共に、固体酸化物形燃料電池への当該上下中子の設置が簡易となり、作業効率が向上する。

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。 図２は、固体酸化物形燃料電池の熱交換用上部中子の斜視図である。 図３は、セルチューブ内に熱交換用上部中子を設置した状態図である。 図４は、固体酸化物形燃料電池の熱交換用下部部中子の斜視図である。 図５は、セルチューブ内に熱交換用下部中子を設置した状態図である。 図６−１は、底絶縁板に設けた位置決め部材の概略図である。 図６−２は、底絶縁板に設けた位置決め部材の概略図である。

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固体酸化物形燃料電池の熱交換用上部中子又は下部中子、及びそれ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。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の上端開口部及び下端開口部には熱交換用上部中子１０、下部中子２０が挿入されており、これら上部又は下部中子１０、２０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を供給させて、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。

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。

次に、上述した燃料電池システムの燃料電池モジュール１００に使用されるセルチューブ（燃料電池）１０２の熱交換部に用いる熱交換用上部中子１０又は下部中子２０について詳細に説明する。

図２は、固体酸化物形燃料電池の熱交換用上部中子の斜視図である。図３は、セルチューブ内に熱交換用上部中子を設置した状態図である。なお、図３中、（Ａ）〜（Ｃ）図示はセルチューブの軸方向から中子の設置状況をみた概略図である。
図２及び図３に示すように、本実施例のセルチューブ（燃料電池）１０２の上部熱交換部１２３ａに用いる熱交換用上部中子１０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１１と、上部支持部材１１から垂下される支持棒１２と、支持棒１２の下端部に設けた芯出し部材である三角プレート１３と、三角プレート１３から垂下される第１の中子本体１４とからなるものである。
第１の中子本体１４は、両端が閉塞された中空円筒体である。

本実施例では第１の中子本体１４の両端に芯出し部材である三角プレート１３を設けているが、芯出しが良好に行われる場合には、いずれか一方のみで足りる。
この三角プレート１３を設けることにより、中子本体１４の中心軸とセルチューブ１０２の中心軸とが重なるように上部中子１０をセンタリングし、セルチューブ１０２の内周面と中子本体１４との間に等間隔の隙間が形成され、均一な熱交換が実現できる。

芯出し部材であるプレートの形状は、三角形に限定されるものではなく、セルチューブ内の芯出しが可能であればいずれの形状であってもよく、複数の箇所で支持される形状、例えば多角形（５角形、６角形等）の星型としてもよい。

また、プレート以外に、中実や中空の棒を三角形や多角形の星型として、芯出し部材を構成するようにしてもよい。さらに、芯出し部材とセルチューブ１０２内周面との接触は点に限定されず、線又は面（曲面）で支持する構造としてもよい。

ここで、従来のセンタリング部は、中子本体の外周壁に少なくとも３方向から複数のセンタリング部材を溶接して設けるので、その溶接作業に手間がかかっていたが、本実施例の熱交換用上部中子１０とすることで、簡易な構成となり、作業効率が向上する。また、芯出し部材であるプレートは溶接の場合に比べ取り付け・取り外しが容易なため、運転条件に応じた中子径の選択も容易になり、中子の汎用性が向上する。

また、セルチューブの上端開口から支持棒１２を介して垂下し、この支持棒の下端部に第１の中子本体１４を設けることで、熱交換部１２３ａの必要領域のみに中子を設置でき、中子の部材をコンパクト化させることができる。

図４は、固体酸化物形燃料電池の熱交換用下部中子の斜視図である。図５は、セルチューブ内に熱交換用下部中子を設置した状態図である。図５中、（Ａ）図示はセルチューブの軸方向から中子の設置状況をみた概略図である。
図４及び図５に示すように、本実施例のセルチューブ（燃料電池）１０２の下部熱交換部１２３ｂに用いる熱交換用下部中子２０は、上端部が閉塞すると共に下端が開放の第２の中子本体２１と、第２の中子本体２１の上端部に設けられた芯出し部材である三角プレート１３とからなるものである。

第２の中子本体２１の下端はケーシング１０１に設けた底絶縁板３０に対して自重で当接されている。
芯出し部材は上述したものと同様である。
また、第２の中子本体２１の下端に位置決めを確実にするために、位置決め部材３２を設けるようにしてもよい。
図６−１及び図６−２は、底絶縁板に設けた位置決め部材の概略図である。
図６−１においては、底絶縁板３０の上に位置決め部材３２を三箇所設け、第２の中子本体２１の端部の位置決めを確実としている。

図６−２は、底絶縁板３０の上にリング状の位置決め部材３３を設け、第２の中子本体２１の端部の位置決めを確実としている。

従来のセンタリング部は中子本体の外周壁に溶接をして設けるので、その手間がかかっていたが、本実施例の中子とすることで、簡易な構成となり、作業効率が向上する。

また、下部中子はセルチューブ１０２の下端部から挿入して設置するだけで良いので、その作業が簡易となる。また、中子を再利用する場合においても、抜出すだけでよいので、例えば接着剤や溶接等により中子を設置した場合と比べて、その取り外し作業が簡易となり、再利用におけるコスト低減、工程短縮に寄与することができる。

なお、本実施例では、燃料ガス１２１をセルチューブ１０２内部に供給すると共に、酸化剤ガスである空気１２２をセルチューブ１０２の外面に供給することとしたが、逆に、セルチューブ１０２内部に酸化剤ガスを供給し、セルチューブ１０２の外面に燃料ガスを供給してもよく、この場合には燃料電池セル１１０を構成する燃料極（図示せず）及び空気極（図示せず）の配置を逆にすればよい。

更に、燃料ガス１２１及び酸化剤ガスである空気１２２の流動方向を逆とし、燃料ガス１２１をセルチューブ１０２の下端部から供給し、酸化剤ガスである空気１２２を上部側から下部側へ流動させるようにしてもよい。この場合、セルチューブ１０２に設けられた上部中子１０、下部中子２０は、前述した熱交換とは逆の熱伝導に基づく熱交換を行うようにすればよい。

このように、本発明によれば、簡易な構成の固体酸化物形燃料電池の熱交換用上部中子１０及び下部中子２０を用いて、セルチューブ１０２の熱交換部１２３ａ、１２３ｂでの熱交換を良好とすると共に、固体酸化物形燃料電池への当該上下中子の設置が簡易となり、作業効率が向上する。

１０ 熱交換用上部中子
１１ａ 鍔
１１ 支持部材
１２ 支持棒
１３三角プレート
１４ 第１の中子本体
２０ 熱交換用下部中子
２１ 第２の中子本体
１０２ セルチューブ

Claims (9)

1. 固体酸化物形燃料電池のセルチューブの熱交換部に設けられ、隘路を形成する固体酸化物形燃料電池の熱交換用上部中子であって、
   前記セルチューブの上端開口に支持される支持部材と、
   前記支持部材から垂下される支持棒と、
   前記支持棒の下端部に設けた前記セルチューブの内周面の複数の箇所で支持される芯出し部材と、
   前記芯出し部材から垂下される第１の中子本体とを具備することを特徴とする固体酸化物形燃料電池の熱交換用上部中子。
2. 請求項１において、
   前記第１の中子本体は、一端又は両端が閉塞された中空円筒体であると共に、第１の中子本体の下端部に芯出し部材を有することを特徴とする固体酸化物形燃料電池の熱交換用上部中子。
3. 請求項１又は２において、
   前記芯出し部材が、三角形又は多角形であることを特徴とする固体酸化物形燃料電池の熱交換用上部中子。
4. 固体酸化物形燃料電池のセルチューブの熱交換部に設けられ、隘路を形成する固体酸化物形燃料電池の熱交換用下部中子であって、
   略円筒状の燃料電池のセルチューブの下端開口から挿入される第２の中子本体と、
   前記第２の中子本体の上端に設けた前記セルチューブの内周面の複数の箇所で支持される芯出し部材とを具備することを特徴とする固体酸化物形燃料電池の熱交換用下部中子。
5. 請求項４において、
   前記芯出し部材が、三角形又は多角形であることを特徴とする固体酸化物形燃料電池の熱交換用下部中子。
6. 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、
   請求項１乃至３のいずれか一つの固体酸化物形燃料電池の熱交換用上部中子がセルチューブの上部側に設けられると共に、
   請求項４又は５の固体酸化物形燃料電池の熱交換用下部中子がセルチューブの下部側に設けられることを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
7. 請求項６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。
8. 請求項６又は７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。
9. 請求項６又は７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。

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