(57)【要約】【課題】モジュール内に収容された複数の燃料電池セルの温度分布のばらつきを抑制する。【解決手段】一実施形態に係る燃料電池モジュールは、燃料側電極、電解質及び酸素側電極を夫々含む複数の燃料電池セルと、前記燃料側電極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給管と、第１ライン、及び、前記第１ラインの下流端に位置する分岐点から分岐して１以上の前記燃料電池セルに夫々接続される複数の第２ラインを含み、前記複数の燃料電池セルの前記酸素側電極に酸化性ガスを供給する酸化性ガス供給管と、前記分岐点より下流側の前記第２ラインに接続された少なくとも１本の昇温用燃料ガス供給管と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料側電極、電解質及び酸素側電極を夫々含む複数の燃料電池セルと、
前記燃料側電極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給管と、
第１ライン、及び、前記第１ラインの下流端に位置する分岐点から分岐して１以上の前記燃料電池セルに夫々接続される複数の第２ラインを含み、前記複数の燃料電池セルの前記酸素側電極に酸化性ガスを供給する酸化性ガス供給管と、
前記分岐点より下流側の前記第２ラインに接続された少なくとも１本の昇温用燃料ガス供給管と、
を備えることを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項２】
前記昇温用燃料ガス供給管に設けられたバルブを備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池モジュール。
【請求項３】
前記燃料電池セルの温度を検出するための１個以上の温度センサを備えることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池モジュール。
【請求項４】
前記複数の燃料電池セルを収容する圧力容器を備え、
前記昇温用燃料ガス供給管は、前記圧力容器を貫通して設けられ、前記圧力容器の外部に位置する外部配管部と、前記圧力容器内部の内部に位置する内部配管部と、を含むことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の燃料電池モジュール。
【請求項５】
前記昇温用燃料ガス供給管に設けられたバルブを備え、
前記バルブは前記圧力容器の外部に設けられることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池モジュール。
【請求項６】
前記燃料電池セルから排燃料ガスを排出する排燃料ガス排出管を備え、
前記昇温用燃料ガス供給管の上流端は前記排燃料ガス排出管に接続され、前記排燃料ガス排出管に排出された前記排燃料ガスの少なくとも一部は前記昇温用燃料ガス供給管及び前記第２ラインを介して前記燃料電池セルに供給されるように構成されることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の燃料電池モジュール。
【請求項７】
２以上の前記燃料電池セルが各々に収容された１以上のカートリッジを備え、
各々の前記第２ラインは、前記１以上のカートリッジに接続されることを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載の燃料電池モジュール。
【請求項８】
複数の前記カートリッジが列状に配置され、
前記第２ラインは、前記複数のカートリッジの配列方向に沿って配置された少なくとも１本の分岐管と、該分岐管から分岐して前記複数のカートリッジの各々に接続される枝管と、を含み、
前記少なくとも１本の昇温用燃料ガス供給管は、前記複数のカートリッジの配列方向中央部に設けられた前記１本の分岐管に接続された昇温用燃料ガス供給管を含むことを特徴とする請求項７に記載の燃料電池モジュール。
【請求項９】
複数の前記カートリッジが列状に配置され、
前記第２ラインは、前記複数のカートリッジの配列方向に沿って配置された少なくとも１本の分岐管と、該分岐管から分岐して前記複数のカートリッジの各々に接続される枝管と、を含み、
前記少なくとも１本の昇温用燃料ガス供給管は、前記複数のカートリッジの配列方向両端の少なくとも一方側に設けられた前記カートリッジに接続される前記枝管に接続される昇温用燃料ガス供給管を含むことを特徴とする請求項７又は８に記載の燃料電池モジュール。
【請求項１０】
各々の前記第２ラインが、カートリッジ列の側方に位置する直線配管部を含み、前記複数の第２ラインの各々の前記直線配管部が前記カートリッジ列を挟んで前記カートリッジ列の両側に位置することを特徴とする請求項８又は９に記載の燃料電池モジュール。
【請求項１１】
請求項１乃至１０の何れか一項に記載の燃料電池モジュールと、
前記燃料電池モジュールから排気される排燃料ガスと排酸化性ガスとを用いて回転動力を発生させる回転機器と、
を備え、
前記燃料電池モジュールには、前記回転動力を用いて圧縮された前記酸化性ガスが供給され、前記燃料電池モジュールは、前記燃料ガスと前記圧縮された酸化性ガスを用いて発電することを特徴とする発電システム。
【請求項１２】
前記回転機器は、ガスタービン又はターボチャージャで構成されることを特徴とする請求項１１に記載の発電システム。
【請求項１３】
請求項１乃至１０の何れか一項に記載の燃料電池モジュールの運転方法であって、
前記少なくとも１本の昇温用燃料ガス供給管から前記第２ラインを流れる前記酸化性ガスに前記燃料ガスを添加し、前記酸化性ガスを昇温させる昇温ステップを備えることを特徴とする燃料電池モジュールの運転方法。
【請求項１４】
前記昇温ステップにおいて、
前記燃料電池セルから排出される前記燃料ガスの少なくとも一部を前記第２ラインを流れる前記酸化性ガスに添加することを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池モジュールの運転方法。
【請求項１５】
前記昇温ステップを前記燃料電池モジュールの起動時、定格発電時又は部分負荷時に行うことを特徴とする請求項１３又は１４に記載の燃料電池モジュールの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、燃料電池モジュール、該燃料電池モジュールを備えた発電システム及び該燃料電池モジュールの運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料側電極、電解質及び酸素側電極で構成される燃料電池セルを最小単位とし、燃料側電極に供給される燃料ガスと酸素側電極に供給される酸化性ガスとを化学反応させて発電する燃料電池が知られている。このうち、固体酸化物形燃料電池（Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｉｄｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ（ＳＯＦＣ））は、電解質としてセラミックスなどの固体酸化物が用いられ、燃料ガスとして、例えば、都市ガス、天然ガス等が用いられ、酸化性ガスとして、例えば、酸素を含む空気などが用いられる。このようなＳＯＦＣは、イオン伝導率を高めるために作動温度が約７００〜１０００℃程度と高く、用途の広い高効率な高温型燃料電池として知られている。ＳＯＦＣは、例えばガスタービンやマイクロガスタービンおよびターボチャージャ等の回転機器と組み合わせ運転圧力を高めることでより高効率の発電が可能となる。また、このような加圧発電システムにおいては圧縮機から吐出される圧縮空気を酸化性ガスとしてＳＯＦＣの酸素側電極に供給すると共に、ＳＯＦＣから排出される高温の排燃料ガスを、ガスタービンなどの回転機器入口の燃焼器に供給して燃焼させ、燃焼器で発生した高温の燃焼ガスで回転機器を回転させることで、動力の回収を図ることができる。
通常、燃料電池は複数の燃料電池セルが収容されたカートリッジやセルスタックを複数備える燃料電池モジュールとして構成される。
【０００３】
ＳＯＦＣは、起動時に燃料電池セルを高温まで昇温させる必要がある。この昇温手段として、特許文献１〜３には、酸素側電極に酸化触媒を担持させて触媒機能を付加し、酸素側電極が触媒燃焼可能な温度の時、酸化性ガスに可燃限界濃度以下の燃料ガスを添加して触媒燃焼させ、燃料電池セルを昇温させる手段が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第５６０１９４５号公報
【特許文献２】特開２０１８−６００４号公報
【特許文献３】米国特許第９８７４１５８号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
最近、大容量化の傾向のため、モジュール内のカートリッジやセルスタックの数が増加しつつある。従って、カートリッジやセルスタック間で温度のバラツキが増大する懸念がある。温度のばらつきが起ると、一部の燃料電池セルで発電量が低下するため、この温度バラツキを改善する必要がある。特許文献１〜３に開示された燃料電池セルの昇温手段では、燃料電池モジュールの外部で燃料電池モジュールに酸化性ガスを供給する上流側に設けられた元管に燃料ガスを添加している。従って、モジュール内に設けられた複数のカートリッジ毎に燃料ガスの流量や濃度の調整はできない。従って、カートリッジ毎の温度調整はできない。
【０００６】
本開示に係る一実施形態は、モジュール内に収容された複数の燃料電池セルの温度分布のばらつきを抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（１）一実施形態に係る燃料電池モジュールは、
燃料側電極、電解質及び酸素側電極を夫々含む複数の燃料電池セルと、
前記燃料側電極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給管と、
第１ライン、及び、前記第１ラインの下流端に位置する分岐点から分岐して１以上の前記燃料電池セルに夫々接続される複数の第２ラインを含み、前記複数の燃料電池セルの前記酸素側電極に酸化性ガスを供給する酸化性ガス供給管と、
前記分岐点より下流側の前記第２ラインに接続された少なくとも１本の昇温用燃料ガス供給管と、
を備える。
ここで、「下流端」とは酸化性ガスの流れ方向下流端を意味し、「下流側」とは酸化性ガスの流れ方向下流側を意味する。また、酸化性ガスとは、酸素を略１５％〜３０％含むガスであり、代表的には空気が好適であるが、空気以外にも燃焼排ガスと空気の混合ガスや、酸素と空気の混合ガスなどが使用できる。
【０００８】
上記（１）の構成において、運転中に上記昇温用燃料ガス供給管から第２ラインに燃料ガスを添加し、モジュール内に設けられた燃料電池セルの酸素側電極に燃料ガスを導入し、燃料ガスの燃焼により燃料電池セルを昇温させる。複数の第２ラインは夫々１以上の燃料電池セルに夫々接続されるため、昇温用燃料ガスは複数の燃料電池セルにバランス良く供給される。これによって、モジュール内に設けられた複数の燃料電池セルの温度分布のばらつきを抑制できる。従って、複数の燃料電池セルの発電性能のばらつきを抑制して発電性能を向上できる。  
【０００９】
（２）一実施形態では、前記（１）の構成において、
前記昇温用燃料ガス供給管に設けられたバルブを備える。
上記（２）の構成によれば、上記バルブによって昇温用燃料ガス供給管から第２ラインに供給される燃料ガスの流量を制御できるので、モジュール内の燃料電池セルの温度分布のばらつきをさらに抑制できる。
【００１０】
（３）一実施形態では、前記（２）の構成において、
前記燃料電池セルの温度を検出するための１個以上の温度センサを備える。
上記（３）の構成によれば、上記温度センサの検出値に基づいてオペレータが上記バルブの開度を調整することで、モジュール内の燃料電池セルの温度分布のばらつきをさらに抑制できる。なお、温度センサの検出値に基づいてバルブの開度を自動調整することもできる。
【００１１】
（４）一実施形態では、前記（１）〜（３）の何れかの構成において、
前記複数の燃料電池セルを収容する圧力容器を備え、
前記昇温用燃料ガス供給管は、前記圧力容器を貫通して設けられ、前記圧力容器の外部に位置する外部配管部と、前記圧力容器内部の内部に位置する内部配管部と、を含む。
上記（４）の構成によれば、昇温用燃料ガス供給管の一部を圧力容器の外部に配置することで、圧力容器を小型化できる。
【００１２】
（５）一実施形態では、前記（４）の構成において、
前記昇温用燃料ガス供給管に設けられたバルブを備え、
前記バルブは前記圧力容器の外部に設けられる。
上記（５）の構成によれば、圧力容器を備える場合でも、上記バルブを圧力容器の外部に設けることで、オペレータがバルブを直接操作できる。
【００１３】
（６）一実施形態では、前記（１）〜（５）の何れかの構成において、
前記燃料電池セルから排燃料ガスを排出する排燃料ガス排出管を備え、
前記昇温用燃料ガス供給管の上流端は前記排燃料ガス排出管に接続され、前記排燃料ガス排出管に排出された前記排燃料ガスの少なくとも一部は前記昇温用燃料ガス供給管及び前記第２ラインを介して前記燃料電池セルに供給されるように構成される。
上記（６）の構成によれば、排燃料ガス排出管から排出された未燃燃料ガスを燃料電池セルに供給することで、燃料電池セルから一旦排出された未燃燃料ガスを再利用できる。また、希釈された未燃燃料ガスを昇温用燃料ガス供給管に供給させることで、各場所に配置された複数の昇温用燃料ガス供給管内の燃料ガスの濃度を調整できる。
【００１４】
（７）一実施形態では、前記（１）〜（６）の何れかの構成において、
２以上の前記燃料電池セルが各々に収容された１以上のカートリッジを備え、
各々の前記第２ラインは、前記１以上のカートリッジに接続される。
上記（７）の構成によれば、１個のカートリッジに収容された複数の燃料電池セルに対しては、第２ラインを構成する１本又は少数の配管から酸化性ガスを供給可能に構成することで、第２ラインを簡素化できる。
【００１５】
（８）一実施形態では、前記（７）の構成において、
複数の前記カートリッジが列状に配置され、
前記第２ラインは、前記複数のカートリッジの配列方向に沿って配置された少なくとも１本の分岐管と、該分岐管から分岐して前記複数のカートリッジの各々に接続される枝管と、を含み、
前記少なくとも１本の昇温用燃料ガス供給管は、前記複数のカートリッジの配列方向中央部に設けられた前記１本の分岐管に接続された昇温用燃料ガス供給管を含む。
上記（８）の構成によれば、カートリッジ配列方向中央部に設けられた上記１本の分岐管に昇温用燃料ガスが供給されるため、下流側の複数のカートリッジに昇温用燃料ガスをバランス良く分配できる。
【００１６】
（９）一実施形態では、前記（７）又は（８）の構成において、
複数の前記カートリッジが列状に配置され、
前記第２ラインは、前記複数のカートリッジの配列方向に沿って配置された少なくとも１本の分岐管と、該分岐管から分岐して前記複数のカートリッジの各々に接続される枝管と、を含み、
前記少なくとも１本の昇温用燃料ガス供給管は、前記複数のカートリッジの配列方向両端の少なくとも一方側に設けられた前記カートリッジに接続される前記枝管に接続される昇温用燃料ガス供給管を含む。
列状に配置された複数のカートリッジに１本又は少数本の第２ラインから酸化性ガスを供給する場合、配列方向端側のカートリッジの温度は低くなりがちである。これに対し、上記（９）の構成によれば、配列方向端側の個別カートリッジに直接昇温用燃料ガスを不足なく供給できる。
【００１７】
（１０）一実施形態では、前記（８）又は（９）の構成において、
各々の前記第２ラインが、カートリッジ列の側方に配置された直線配管部を含み、前記複数の第２ラインの各々の前記直線配管部が前記カートリッジ列を挟んで前記カートリッジ列の両側に位置する。
上記（１０）の構成によれば、列状に配置された複数のカートリッジの両側に第２ラインの直線配管部が配置されるため、第２ラインをコンパクト化できる。また、１個のカートリッジに収容された複数の燃料電池セルに対して共通の酸化性ガス流路が形成される場合、各カートリッジの両側から昇温用燃料ガスを供給できるため、各カートリッジに収容された複数の燃料電池セルに供給される昇温用燃料ガスの流量を調整できる。
【００１８】
（１１）一実施形態に係る発電システムは、
前記（１）〜（１０）の何れかの構成を有する燃料電池モジュールと、
前記燃料電池モジュールから排気される排燃料ガスと排酸化性ガスとを用いて回転動力を発生させる回転機器と、
を備え、
前記燃料電池モジュールには、前記回転動力を用いて圧縮された前記酸化性ガスが供給され、前記燃料電池モジュールは、前記燃料ガスと前記圧縮された酸化性ガスを用いて発電する。
上記（１１）の構成によれば、本開示に係る上記目的を達成しつつ、燃料電池モジュールに圧縮された酸化性ガスを供給できるので、発電効率を向上できると共に、燃料電池モジュールから排気される排燃料ガスと排酸化性ガスとを用いて回転動力を発生させるため、発電効率を向上できると共に、発電システムの所要動力を低減できる。
【００１９】
（１２）一実施形態では、前記（１１）の構成において、
前記回転機器は、ガスタービン又はターボチャージャで構成される。
上記（１２）の構成によれば、発電効率の向上及び発電システムの所要動力低減に加えて、回転機器がガスタービンであるため、燃料電池モジュールとガスタービンとで複合発電が可能になる。
【００２０】
（１３）一実施形態に係る燃料電池モジュールの運転方法は、
前記（１）〜（１０）の何れかの構成を備える燃料電池モジュールの運転方法であって、
前記少なくとも１本の昇温用燃料ガス供給管から前記第２ラインを流れる前記酸化性ガスに前記燃料ガスを添加し、前記酸化性ガスを昇温させる昇温ステップを備える。
上記（１３）の方法によれば、第２ラインは１以上の燃料電池セルに夫々接続されるため、上記昇温ステップを行うことで、モジュール内に設けられた複数の燃料電池セルの温度分布のばらつきを抑制できる。これによって、燃料電池セルの発電性能のばらつきを抑制して発電性能を向上できる。  
【００２１】
（１４）一実施形態では、前記（１３）の方法において、
前記昇温ステップにおいて、
前記燃料電池セルから排出される前記燃料ガスの少なくとも一部を前記第２ラインを流れる前記酸化性ガスに添加する。
上記（１４）の方法によれば、燃料電池セルから排出される排燃料ガスを昇温用燃料ガスとして再利用できると共に、希釈された排燃料ガスを昇温用燃料ガス供給管に供給することで、各場所に配置された複数の昇温用燃料ガス供給管内の燃料ガスの濃度を調整できる。
【００２２】
（１５）一実施形態では、前記（１３）又は（１４）の方法において、
前記昇温ステップを前記燃料電池モジュールの起動時、定格発電時又は部分負荷時に行う。
上記（１５）の方法によれば、上記昇温ステップを燃料電池モジュールの起動時、定格発電時又は部分負荷時に行うことで、モジュール内の複数の燃料電池セルにおける温度分布のばらつきを抑制できる。
【発明の効果】
【００２３】
幾つかの実施形態によれば、運転中に燃料電池モジュール内の複数の燃料電池セルの温度分布のばらつきを抑制でき、これによって、複数の燃料電池セルの発電性能のばらつきを抑制して発電性能を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】一実施形態に係る燃料電池モジュールの概略構成を示した概略構成図である。
【図２】一実施形態に係る燃料電池モジュールの斜視図である。
【図３】一実施形態に係る燃料電池モジュールの概略構成を示す概略構成図である。
【図４】一実施形態に係る燃料電池モジュールの斜視図である。
【図５】一実施形態に係る燃料電池モジュールの横断面図である。
【図６】一実施形態に係るセルスタックの縦断面図である。
【図７】一実施形態に係る燃料電池モジュールの酸化性ガス供給管の模式図である。
【図８】一実施形態に係る燃料電池モジュールの酸化性ガス供給管の模式図である。
【図９】一実施形態に係る燃料電池モジュールの酸化性ガス供給管の模式図である。
【図１０】一実施形態に係る燃料電池モジュールの運転方法の工程図である。
【図１１】一実施形態に係る燃料電池モジュールの運転方法の工程図である。
【図１２】一実施形態に係る発電システムの系統図である。
【図１３】一実施形態に係る発電システムの系統図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、添付図面を参照して、本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、これらの実施形態に記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状及びその相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一つの構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
【００２６】
図１〜図４は、幾つかの実施形態に係る燃料電池モジュール１０（１０Ａ、１０Ｂ）及びその構成部品を示す。図１〜図４において、モジュール１０（１０Ａ、１０Ｂ）の内部には、燃料側電極、電解質及び酸素側電極等を夫々含む複数の燃料電池セルが収容されている。モジュール１０の発電容量が大きい場合、燃料電池セルの数は膨大となるので、膨大な数の燃料電池セルは１個以上のカートリッジ１１に収容される。あるいは、複数の燃料電池セルを有するセルスタックを形成させ、複数のセルスタックを１個以上のカートリッジ１１に夫々収容する。また、燃料ガス供給管３０から燃料電池セルを構成する燃料側電極に燃料ガスｆが供給され、酸化性ガス供給系統２０から酸素側電極に酸化性ガスａが供給される。これによって、複数の燃料電池セルで発電が起る。
【００２７】
本実施形態では、酸化性ガス供給系統２０は、酸化性ガスａの流れ方向上流側に設けられた酸化性ガス供給主管２１（第１ライン）及び酸化性ガス供給主管２１の下流端に位置する分岐点２２から分岐して複数のカートリッジ１１毎に夫々接続される複数の酸化性ガス供給分岐管２３（２３ａ、２３ｂ）及び酸化性ガス供給分岐枝管２４（２４ａ、２４ｂ）（第２ライン）を含む。そして、酸化性ガス供給分岐管２３又は酸化性ガス供給分岐枝管２４に少なくとも１本の昇温用燃料ガス供給管４２（４２ａ、４２ｂ）又は４３（４３ａ、４３ｂ）が接続される。
【００２８】
上記構成において、モジュール１０の起動時などの運転中において、昇温用燃料ガス供給管４２又は４３から酸化性ガス供給分岐管２３又は酸化性ガス供給分岐枝管２４に燃料ガスｆを添加する。添加された燃料ガスｆは燃料電池セルの酸素側電極で燃焼して燃料電池セルを昇温するため、起動時間を短縮することができる。燃料ガスｆを燃焼させる手段として、例えば、酸素側電極に酸化触媒を担持させ、酸化性ガスが触媒燃焼可能な温度（例えば４００℃以上）になったとき、酸素側電極の触媒作用によって燃料ガスｆを燃焼させるようにする。複数の酸化性ガス供給分岐管２３又は酸化性ガス供給分岐枝管２４は夫々１個以上のカートリッジ１１に接続されるため、昇温用燃料ガスｆは複数のカートリッジ１１にバランス良く供給される。これによって、モジュール１０内に設けられた複数のカートリッジ１１の温度分布のばらつきを抑制できるため、複数の燃料電池セルの発電性能のばらつきを抑制して発電性能を向上できる。
【００２９】
図５は、モジュール１０の横断面図であり、カートリッジ１１の内部に複数のセルスタック１２が収容され、発電室５５を形成する。複数のセルスタック１２によって形成された発電室５５を囲うように断熱材５６、５７、５８及び５９が設けられ、これら断熱材によって発電室５５をその外側に対して断熱し、発電室５５で発生する熱を外側へ逃がさないようにしている。
図６は、カートリッジ１１の内部に収容されたセルスタック１２の縦断面図であり、セルスタック１２は複数の燃料電池セル１４を含む。燃料電池セル１４は、燃料側電極１５、電解質１６及び酸素側電極１７を含んで構成される。セルスタック１２は基体上に複数の燃料電池セル１４が形成され、これら複数の燃料電池セル１４によって発電が行われる。以下において、円筒形のセルスタック１２を例として説明するが、円筒形以外に、例えば扁平円筒型や平板形のセルスタックとしてもよい。
【００３０】
図６に示すように、セルスタック１２は、円筒形状の基体管１３と、基体管１３の外周面に形成された複数の燃料電池セル１４と、隣り合う燃料電池セル１４の間に形成されたインタコネクタ１８と、を含んで構成される。燃料電池セル１４は、燃料側電極１５と電解質１６と酸素側電極１７とが積層して形成されている。また、複数の燃料電池セル１４のうち基体管１３の軸方向一端に形成された燃料電池セル１４の酸素側電極１７に、インタコネクタ１８を介して電気的に接続されたリード膜１９と、基体管１３の軸方向他端に形成された燃料電池セル１４の燃料側電極１５に電気的に接続されたリード膜（不図示）と、を備える。
【００３１】
インタコネクタ１８は導電性を有し、隣り合う燃料側電極１５の間で一方の燃料電池セル１４の酸素側電極１７と他方の燃料電池セル１４の燃料側電極１５とを電気的に接続し、隣り合う燃料電池セル同士を直列に接続する。リード膜１９は導電性を有し、インタコネクタ１８によって直列に接続された複数の燃料電池セル１４で発電された直流電力をセルスタック１２の端部付近まで導出する。
【００３２】
一実施形態では、図５に示すように、燃料ガス供給管３０は、複数のカートリッジ１１の上方に導設され、複数の燃料ガス供給枝管３１を介して各カートリッジ１１に接続される。燃料ガスｆは、各カートリッジ１１において燃料ガス供給管３０から断熱材５７の内側に設けられた燃料ガス供給室３２に供給される。燃料ガス供給室３２に供給された燃料ガスｆは、セルスタック１２を構成する基体管１３の内部を通り、燃料電池セル１４の発電に供される。発電に供された後の排燃料ガスｆ’は発電室５５の下方に形成された排燃料ガス排出室３３に流入し、排燃料ガス排出室３３から排燃料ガス排出枝管３４及び排燃料ガス排出管３５を介してモジュール１０外へ排出される。  
【００３３】
一実施形態では、カートリッジ１１の内部で発電室５５の下方に酸化性ガス供給室２５が設けられ、酸化性ガスａは酸化性ガス供給分岐管２３（２３ａ、２３ｂ）及び酸化性ガス供給分岐枝管２４（２４ａ、２４ｂ）を介して酸化性ガス供給室２５に供給される。酸化性ガス供給室２５に供給された酸化性ガスａは、セルスタック１２と断熱材５６との間に形成された隙間（不図示）から発電室５５に流入し、燃料電池セル１４の発電に供される。発電に用いられた後の排酸化性ガスａ’は該隙間から発電室５５の上方に形成された排酸化性ガス排出室２６に流入し、さらに排酸化性ガス排出室２６から排酸化性ガス排出枝管２７を経て排酸化性ガス排出管２８に排出される。
なお、図２及び図４には、排酸化性ガスａ’の排出系統の図示は省略されている。  
【００３４】
一実施形態では、図１〜図４に示すように、燃料ガス供給管３０と酸化性ガス供給主管２１との間に接続管４０が接続される。接続管４０にはバルブ５０が設けられ、燃料ガス供給管３０を流れる燃料ガスｆの一部は、所望の時に昇温用燃料ガスｆとして酸化性ガス供給主管２１、酸化性ガス供給分岐管２３及び酸化性ガス供給分岐枝管２４を介してカートリッジ１１に供給される。しかし、この供給系統を用いて昇温用燃料ガスをカートリッジ１１に供給する場合、カートリッジ１１毎に供給する燃料ガスｆの流量や濃度を調整できない。従って、カートリッジ１１毎の温度調整はできない。
そこで、図１及び図２に示す実施形態では、接続管４０と昇温用燃料ガス供給管４２（４２ａ、４２ｂ）又は４３（４３ａ、４３ｂ）とを接続する昇温用燃料ガス供給主管４１を設け、昇温用燃料ガスｆを接続管４０から昇温用燃料ガス供給主管４１を介して昇温用燃料ガス供給管４２又は４３に供給するようにする。これによって、昇温用燃料ガスを複数のカートリッジ１１にバランス良く供給でき、複数のカートリッジ１１の温度分布のばらつきを抑制できる。
【００３５】
一実施形態では、図１〜図４に示すように、１個以上のカートリッジ１１を備え、各カートリッジ１１には複数の燃料電池セル１４が収容されている。例えば、図５及び図６に示すように、複数の燃料電池セル１４はセルスタック１２として収容される。酸化性ガス供給分岐管２３は酸化性ガス供給分岐枝管２４を介して夫々１個以上のカートリッジ１１に接続される。従って、１個のカートリッジ１１に収容された複数の燃料電池セル１４に対して、酸化性ガス供給分岐管２３及び酸化性ガス供給分岐枝管２４を構成する１本又は少数の配管から酸化性ガスａを供給可能に構成することで、酸化性ガス供給分岐管２３及び酸化性ガス供給分岐枝管２４の本数を低減でき、これら配管を簡素化できる。
【００３６】
一実施形態では、図１及び図２に示すように、昇温用燃料ガス供給管４２又は４３にバルブ５１が設けられる。バルブ５１によって昇温用燃料ガス供給管４２及び４３から酸化性ガス供給分岐管２３及び酸化性ガス供給分岐枝管２４に供給される燃料ガスｆの流量を調整できるので、モジュール１０の複数の燃料電池セル１４の温度分布のばらつきをさらに抑制できる。
なお、バルブ５１は開閉動作のみが可能な開閉弁であってもよく、あるいは流量が調整可能な流量調整弁で構成されていてもよい。
【００３７】
一実施形態では、図２及び図４に示すように、燃料電池セル１４の温度を検出するための温度センサ５３を備える。この実施形態によれば、温度センサ５３の検出値に基づいてオペレータがバルブ５１の開閉を操作することで、モジュール１０内の複数の燃料電池セル１４の温度分布のばらつきをさらに抑制できる。
この実施形態において、カートリッジ１１毎に複数の温度センサ５３を設けてもよい。また、温度センサ５３の検出値に基づいてバルブ５１の開度を自動調整するように構成してもよい。
【００３８】
一実施形態では、図１〜図４に示すように、圧力容器５４を設け、圧力容器５４の内部に複数の燃料電池セル１４を収容するようにする。他方、バルブ５１は圧力容器５４の外部に配置される。この実施形態によれば、バルブ５１を圧力容器５４の外部に設けることで、オペレータが直接バルブ５１を操作できる。また、圧力容器５４の内部に燃料電池セル１４を収容することで、燃料電池セル１４に加圧した燃料ガスｆ及び酸化性ガスａを供給しても安全であり、加圧した燃料ガスｆ及び酸化性ガスａを供給することで、モジュール１０の発電性能を向上できる。
図５に示す実施形態では、圧力容器５４の内面に断熱材６０が設けられる。これによって、圧力容器５４内の熱が圧力容器５４外に逃げるのを抑制できる。
【００３９】
一実施形態では、図１〜図５に示すように、昇温用燃料ガス供給管４２及び４３は圧力容器５４を貫通して設けられ、圧力容器５４の外部に位置する外部配管部４４ａと、圧力容器５４の内部に位置する内部配管部４４ｂと、で構成される。この実施形態によれば、昇温用燃料ガス供給管４２及び４３の一部を圧力容器５４の外部に配置することで、圧力容器５４を小型化できる。
【００４０】
一実施形態では、図３及び図４に示すように、排燃料ガス排出管３５から分岐して燃料ガス供給管３０に接続される再循環管４５が設けられる。燃料電池セル１４の発電に供された後排燃料ガス排出管３５に排出された排燃料ガスｆ’の少なくとも一部が再循環管４５に設けられた再循環ブロワ５２によって、再度燃料電池セル１４に供給されるように構成される。
【００４１】
一実施形態では、図３及び図４に示すように、昇温用燃料ガス供給主管４１（４１ａ、４１ｂ）の上流端は再循環管４５に接続される。排燃料ガスｆ’の少なくとも一部は、昇温用燃料ガス供給管４２（４２ａ、４２ｂ）又は４３（４３ａ、４３ｂ）を介して酸化性ガス供給分岐管２３（２３ａ、２３ｂ）及び酸化性ガス供給分岐枝管２４（２４ａ、２４ｂ）に添加され、燃料電池セル１４の空気側に供給されるように構成される。これによって、燃料電池セル１４から一旦排出された排燃料ガスｆ’を昇温用燃料ガスｆとして再利用できると共に、希釈された排燃料ガスｆ’を昇温用燃料ガス供給管４２又は４３に供給することで、各場所に配置された複数の昇温用燃料ガス供給管内の燃料ガスｆの濃度を調整できる。
【００４２】
一実施形態では、複数のカートリッジ１１は列状に配置される。図１〜図４に示す実施形態では一列に配置されている。そして、酸化性ガス供給分岐管２３及び酸化性ガス供給分岐枝管２４は、複数のカートリッジ１１の配列方向に沿って配置された少なくとも１本の分岐管２３（２３ａ、２３ｂ）と、分岐管２３から分岐して各カートリッジ１１に接続される分岐枝管２４（２４ａ、２４ｂ）と、を含んで構成される。また、１本又は複数本の昇温用燃料ガス供給管４２は、カートリッジ配列方向中央部に設けられた分岐管２３に接続される。
この実施形態によれば、カートリッジ配列方向中央部に設けられた分岐管２３（２３ａ、２３ｂ）に昇温用燃料ガスｆが供給されるため、下流側の複数のカートリッジ１１に昇温用燃料ガスｆをバランス良く供給できる。
【００４３】
一実施形態では、図１及び図２に示すように、複数のカートリッジ１１は列状に配置される。酸化性ガス供給分岐管２３は、複数のカートリッジ１１の配列方向に沿って配置された少なくとも１本の分岐管２３と、分岐管２３から分岐して各カートリッジ１１に接続される分岐枝管２４と、を含んで構成される。また、１本又は複数本の個別カートリッジ昇温用燃料ガス供給管４３（４３ａ、４３ｂ）は、カートリッジ配列方向両端の少なくとも一方側に設けられた１本又は複数本の分岐枝管２４に接続される。
列状に配置された複数のカートリッジ１１に１本又は少数本の管路から酸化性ガスａを供給する場合、配列方向端側のカートリッジ１１の温度は低くなりがちである。これに対し、この実施形態によれば、配列方向端側の個別カートリッジ１１に直接昇温用燃料ガスｆを不足なく供給できる。
【００４４】
一実施形態では、図２及び図４に示すように、複数の酸化性ガス供給分岐管２３（２３ａ、２３ｂ）が分岐点２２で酸化性ガス供給主管２１から分岐し、各酸化性ガス供給分岐管２３（２３ａ、２３ｂ）はカートリッジ列の側方に配置された直線配管部を含む。この直線配管部はカートリッジ列を挟みカートリッジ列の両側にカートリッジ列に沿って位置する。この実施形態によれば、列状に配置された複数のカートリッジ１１の両側に上記直線配管部が配置されるため、酸化性ガス供給分岐管２３及び酸化性ガス供給分岐枝管２４をコンパクト化できる。また、１個のカートリッジ１１に収容された複数の燃料電池セル１４に対して共通の酸化性ガス流路が形成される場合、各カートリッジ１１の両側から昇温用燃料ガスｆを供給できるため、各カートリッジ１１に収容された複数の燃料電池セル１４に供給される昇温用燃料ガスｆの流量をカートリッジの配列方向に対し左右方向の調整ができる。
【００４５】
図７〜図９は酸化性ガス供給系統２０の他の幾つかの実施形態を示す。図７に示す燃料電池モジュールは、複数の燃料電池セル１４を収容する１個のカートリッジ１１を備える。酸化性ガス供給系統２０は、酸化性ガスａの流れ方向上流側に設けられた１本の酸化性ガス供給主管２１と、酸化性ガス供給主管２１の下流端に位置する分岐点２２で酸化性ガス供給主管２１から分岐した２本の酸化性ガス供給分岐管２３（２３ａ、２３ｂ）で構成される。２本の酸化性ガス供給分岐管２３はカートリッジ１１の両端側に接続され、カートリッジ１１の両端側からカートリッジ１１に収容された複数の燃料電池セル１４に酸化性ガスａが供給される。
【００４６】
図８に示す燃料電池モジュールは、一列に配置された複数のカートリッジ１１を備える。酸化性ガス供給系統２０は、酸化性ガスａの流れ方向上流側に設けられた１本の酸化性ガス供給主管２１と、分岐点２２で分岐する酸化性ガス供給分岐管２３（２３ａ）と、分岐点２２より下流側で酸化性ガス供給分岐管２３（２３ａ）から分岐する酸化性ガス供給分岐枝管２４（２４ａ）と、で構成される。酸化性ガス供給分岐枝管２４（２４ａ）は各カートリッジ１１の一端側に接続され、各カートリッジ１１に酸化性ガスａを供給する枝管で構成される。
【００４７】
図９に示す燃料電池モジュールは、一列に配置された複数のカートリッジ１１を備える。酸化性ガス供給系統２０は、酸化性ガスａの流れ方向上流側に設けられた１本の酸化性ガス供給主管２１と、分岐点２２及び分岐点２２の下流側で分岐する酸化性ガス供給分岐管２３（２３ａ）及び酸化性ガス供給分岐枝管２４（２４ａ、２４ｂ）と、で構成される。酸化性ガス供給分岐枝管２４（２４ａ、２４ｂ）は各カートリッジ１１において酸化性ガス供給分岐管２３（２３ａ）から分岐する枝管で構成される。酸化性ガス供給分岐枝管２４（２４ａ、２４ｂ）は各カートリッジ１１の両端側に接続され、各カートリッジ１１に酸化性ガスａを供給する。
【００４８】
一実施形態に係る燃料電池モジュール１０の運転方法は、モジュール１０の起動時に行う。図１０に示すように、少なくとも１本の昇温用燃料ガス供給管４２又は４３から酸化性ガス供給分岐管２３及び酸化性ガス供給分岐枝管２４を流れる酸化性ガスａに燃料ガスｆを添加する（ステップＳ１０）。この燃料ガスｆが酸素側電極１７で燃焼して燃料電池セル１４を昇温させる（昇温ステップＳ１２）。燃料ガスｆの燃焼手段として、例えば、酸素側電極１７に担持された酸化触媒によって、酸素側電極１７が触媒燃焼可能な温度（例えば４００℃以上）のとき、燃料ガスｆが可燃限界濃度以下でも燃料ガスｆを燃焼できる。ステップＳ１０では、燃料電池モジュール１０内に設けられた複数の領域のカートリッジ１１に酸化性ガスａに昇温用燃料ガスｆを添加できるので、モジュール１０の設けられた複数の燃料電池セル１４を所望の温度分布に調整できる。これによって、モジュール１０の燃料電池セル１４の温度分布のばらつきを抑制できる（ステップＳ１４）。また、添加された燃料ガスｆは燃料電池セル１４の酸素側電極１７で燃焼して燃料電池セル１４を昇温するため、起動時間を短縮できる。
【００４９】
一実施形態では、ステップＳ１０において、複数の燃料電池セル１４から排出される燃料ガスｆの少なくとも一部を酸化性ガス供給分岐管２３を流れる酸化性ガスａに添加する（再利用ステップＳ１０ａ）。この実施形態によれば、燃料電池セル１４から排出される排燃料ガスｆ’を昇温用燃料ガスｆとして再利用できると共に、希釈された排燃料ガスｆ’を複数の昇温用燃料ガス供給管４２又は４３内に供給することで、各場所に配置された複数の昇温用燃料ガス供給管４２又は４３内の燃料ガスｆの濃度の調整が容易になる。
【００５０】
一実施形態に係る燃料電池モジュール１０の運転方法は、定格発電時又は部分負荷時に行う。図１１に示すように、少なくとも１本の昇温用燃料ガス供給管４２又は４３から酸化性ガス供給分岐管２３及び酸化性ガス供給分岐枝管２４を流れる酸化性ガスａに燃料ガスｆを添加する（ステップＳ２０）。この燃料ガスｆが酸素側電極１７で燃焼して燃料電池セル１４を昇温させる（温度均一ステップＳ２２）。これによって、モジュール１０の発電時又は部分負荷時において、モジュール１０内の複数のカートリッジ１１における温度分布のばらつきを抑制できる（ステップＳ２４）。例えば、定格発電時には複数のカートリッジ１１の温度の不均一を緩和することができ、発電性能を高めることができる。部分負荷時には、燃料電池セル１４の温度が設定温度より下がり過ぎる傾向にあるが、ステップＳ２０及び温度均一ステップＳ２２によって、発電による温度維持が困難なカートリッジを加熱することで部分負荷の運用範囲を拡大することができる。
【００５１】
一実施形態では、ステップＳ２０において、複数の燃料電池セル１４から排出される燃料ガスｆの少なくとも一部を酸化性ガス供給分岐管２３を流れる酸化性ガスａに添加する（再利用ステップＳ２０ａ）。
なお、上記幾つかの実施形態に係る運転方法は、モジュール１０の起動時又は定格発電時、部分負荷時以外の運転時、例えば負荷変動時にも適用できる。
【００５２】
一実施形態では、燃料電池セル１４が高温となる、例えば、ＳＯＦＣ、及び溶融炭酸形燃料電池（ＭＣＦＣ）（Ｍｏｌｔｅｎ  Ｃａｒｂｏｎａｔｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）等に好適である。これらの燃料電池は運転可能な高温まで燃料電池セルを加熱する必要があり、発電開始までの時間が長いという問題があったが、上記実施形態を適用することで、発電開始までの時間を短縮できる。  
【００５３】
燃料電池モジュール１０は、ＧＴＣＣ（Ｇａｓ  Ｔｕｒｂｉｎｅ  Ｃｏｍｂｉｎｅｄ  Ｃｙｃｌｅ：ガスタービンコンバインドサイクル発電）、ＭＧＴ（Ｍｉｃｒｏ  Ｇａｓ  Ｔｕｒｂｉｎｅ：マイクロガスタービン）、又はターボチャージャと組み合わされて利用される複合発電システムに適用されることがある。
【００５４】
図１２は、一実施形態に係る発電システム７０（７０Ａ）を示す系統図である。図１２において、発電システム７０（７０Ａ）は、上記構成の幾つかの実施形態に係る燃料電池モジュール１０と、ガスタービン７２（回転機器）とを備える。ガスタービン７２を構成する圧縮機７４に酸化性ガスａが供給され、酸化性ガスａは圧縮機７４で圧縮された後、酸化性ガス供給系統２０を介して燃料電池モジュール１０に供給される。燃料電池モジュール１０で発電のための化学反応に用いられた後の排酸化性ガスａ’及び排燃料ガスｆ’は、排酸化性ガス排出管２８及び排燃料ガス排出管３５を介してガスタービン７２を構成する燃焼器７８に送られ、燃焼器７８で高温の燃焼ガスを生成する。この燃焼ガスをタービン７６で断熱膨張させることにより発生する回転動力により、発電機８０で電力が生成されると共に、圧縮機７４を駆動することで、圧縮ガスが発生する。この圧縮ガスを酸化性ガスａとして燃料電池モジュール１０の酸化性ガス供給系統２０に供給する。燃料電池モジュール１０は、圧縮された酸化性ガスａと燃料ガスｆを用いて発電する。
【００５５】
上記構成によれば、上記幾つかの実施形態に係る燃料電池モジュール１０を備えることで、モジュール１０内に設けられた複数の燃料電池セル１４の温度分布のばらつきを抑制でき、これによって、複数の燃料電池セル１４の発電性能のばらつきを抑制して発電性能を向上できる。また、燃料電池モジュール１０に圧縮された酸化性ガスａを供給できるので、発電効率を向上できる。また、燃料電池モジュール１０から排気される排酸化性ガスａ’と排燃料ガスｆ’で燃焼器７８を駆動させて回転動力を発生させるため、発電システム７０（７０Ａ）の所要動力を低減できる。さらに、燃料電池モジュール１０とガスタービン７２の両方で複合的に発電できるので、発電量を増加できる。
【００５６】
図１３は、一実施形態に係る発電システム７０（７０Ｂ）を示す系統図である。発電システム７０（７０Ｂ）は、回転機器としてターボチャージャ８２が用いられる。図１３において、ターボチャージャ８２を構成する圧縮機８４に酸化性ガスａを供給して圧縮し、圧縮された酸化性ガスａを燃料電池モジュール１０に供給する。燃料電池モジュール１０で発電のための化学反応に用いられた後の排酸化性ガスａ’及び排燃料ガスｆ’は、排酸化性ガス排出管２８及び排燃料ガス排出管３５を介してターボチャージャ８２を構成するタービン８６に送られ、タービン８６を回転させて回転動力が発生する。この回転動力で圧縮機８４を駆動することで、圧縮ガスが発生する。
この実施形態によれば、モジュール１０内に設けられた複数の燃料電池セル１４の温度分布のばらつきを抑制でき、これによって、複数の燃料電池セル１４の発電性能のばらつきを抑制して発電性能を向上できる。従って、発電システム７０（７０Ｂ）の発電効率を向上でき、かつ所要動力を低減できる。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
幾つかの実施形態によれば、燃料電池モジュールに収容された複数のカートリッジ及び発電セルの温度分布を所望の温度分布に調整でき、これによって、モジュールの発電性能を向上できる。
【符号の説明】
【００５８】
１０    燃料電池モジュール
１１    カートリッジ
１２    セルスタック
１３    基体管
１４    燃料電池セル
１５    燃料側電極
１６    電解質
１７    酸素側電極
１８    インタコネクタ
１９    リード膜
２０    酸化性ガス供給系統
２１    酸化性ガス供給主管（第１ライン）
２２    分岐点
２３（２３ａ、２３ｂ）    酸化性ガス供給分岐管（第２ライン）
２４（２４ａ、２４ｂ）    酸化性ガス供給分岐枝管（第２ライン）
２５    酸化性ガス供給室
２６    排酸化性ガス排出室
２７    排酸化性ガス排出枝管
２８    排酸化性ガス排出管
３０    燃料ガス供給管
３１    燃料ガス供給枝管
３２    燃料ガス供給室
３３    排燃料ガス排出室
３４    排燃料ガス排出枝管
３５    排燃料ガス排出管
４０    接続管
４１（４１ａ、４１ｂ）    昇温用燃料ガス供給主管
４２（４２ａ、４２ｂ）    昇温用燃料ガス供給管
４３（４３ａ、４３ｂ）    個別カートリッジ昇温用燃料ガス供給管
４４ａ  外部配管部
４４ｂ  内部配管部
４５    再循環管
５０、５１    バルブ
５２    再循環ブロワ
５３    温度センサ
５４    圧力容器
５５    発電室
５６、５７、５８、５９、６０    断熱材
７０（７０Ａ、７０Ｂ）    発電システム
７２    ガスタービン
７４、８４    圧縮機
７６、８６    タービン
８２    ターボチャージャ
７８    燃焼器
８０    発電機
ａ      酸化性ガス
ａ’    排酸化性ガス
ｆ      燃料ガス
ｆ’    排燃料ガス
【図１】
2020136229.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2020136229.tif 000009
【図８】
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【図９】
2020136229.tif 000011
【図１０】
2020136229.tif 000012
【図１１】
2020136229.tif 000013
【図１２】
2020136229.tif 000014
【図１３】
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