(57)【要約】【課題】空気流量を増大させることなく、固体酸化物形燃料電池システムの温度分布の均一化を図り、過度の温度分布に起因した熱応力による固体酸化物形燃料電池の破壊や活性化過電圧及び電気抵抗の増大などの諸問題を解決する。【解決手段】水素ガスと空気との反応を通じて発電を生ぜしめる複数の固体酸化物形燃料電池１１を、空気の流れ方向ＦＡに配置する。次いで、炭化水素燃料ガスを前記水素ガス及び一酸化炭素ガスに改質するための複数の改質器１２を、空気の流れ方向ＦＡに配置する。これによって、固体酸化物形燃料電池１１間での前記空気の温度上昇を抑制し、固体酸化物形燃料電池１１及び改質器１２を含む固体酸化物形燃料電池システム１０内の温度分布を一様化する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素燃料ガスを水素ガス及び一酸化炭素ガスに改質するための複数の改質器と、
前記水素ガスと空気との反応を通じて発電を生ぜしめる複数の固体酸化物形燃料電池とを具え、
前記複数の改質器と前記複数の固体酸化物形燃料電池とは、前記空気の流れ方向において配列されたことを特徴とする、固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項２】
前記固体酸化物形燃料電池と前記改質器とから構成される等温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形燃料電池システム。
【請求項３】
前記空気の入り口側において、前記固体酸化物形燃料電池から構成される昇温部を有することを特徴とする、請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項４】
前記等温部において、前記固体酸化物形燃料電池と前記改質器とは、前記空気の流れ方向において交互に配列されたことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項５】
前記改質器の長さを、前記改質器の入り口部で生じる水蒸気改質反応領域の長さと実質的に等しくすることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項６】
前記改質器と前記固体酸化物形燃料電池とは互いに略直角となるようにして配置したことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項７】
前記改質器は管状の改質器であって、前記炭化水素燃料ガスが前記改質器内を流れることによって、前記炭化水素燃料ガスが前記水素ガス及び前記一酸化炭素ガスに転換せしめるように構成されたことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項８】
前記固体酸化物形燃料電池は管状の固体酸化物形燃料電池であって、前記水素ガス及び前記一酸化炭素ガスが前記固体酸化物形燃料電池内を流れ、前記空気が前記固体酸化物形燃料電池の外周部を流れることにより、前記固体酸化物形燃料電池において、前記水素ガス及び前記一酸化炭素ガスと前記空気との反応を通じて発電を生ぜしめることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項９】
前記複数の改質器及び前記複数の固体酸化物形燃料電池は、それぞれマニホールド板に固定され、前記マニホールド板に形成された開口部を通じて互いに連結されたことを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項１０】
水素ガスと空気との反応を通じて発電を生ぜしめる複数の固体酸化物形燃料電池を、前記空気の流れ方向に配置する工程と、
炭化水素燃料ガスを前記水素ガス及び一酸化炭素ガスに改質するための複数の改質器を、前記空気の流れ方向に配置する工程とを具え、
前記固体酸化物形燃料電池間での前記空気の温度上昇を抑制し、前記固体酸化物形燃料電池及び前記改質器を含む固体酸化物形燃料電池システム内の温度分布を一様化することを特徴とする、固体酸化物形燃料電池システムの駆動方法。
【請求項１１】
前記固体酸化物形燃料電池システムの前記温度分布の一様化に起因した、前記固体酸化物形燃料電池と前記改質器とから構成される等温部を形成することを特徴とする、請求項１０に記載の固体酸化物形燃料電池システムの駆動方法。
【請求項１２】
前記空気の入り口側において、前記固体酸化物形燃料電池から構成される昇温部を形成することを特徴とする、請求項１１に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項１３】
前記等温部において、前記固体酸化物形燃料電池と前記改質器とは、前記空気の流れ方向において交互に配列することを特徴とする、請求項１０〜１２のいずれか一に記載の固体酸化物形燃料電池システムの駆動方法。
【請求項１４】
前記改質器の長さを、前記改質器の入り口部で生じる水蒸気改質反応領域の長さと実質的に等しくすることを特徴とする、請求項１０〜１３のいずれか一に記載の固体酸化物形燃料電池システムの駆動方法。
【請求項１５】
前記改質器と前記固体酸化物形燃料電池とは互いに略直角となるようにして配置することを特徴とする、請求項１０〜１４のいずれか一に記載の固体酸化物形燃料電池システムの駆動方法。
【請求項１６】
前記改質器は管状の改質器であって、前記炭化水素燃料ガスが前記改質器内を流れることによって、前記炭化水素燃料ガスが前記水素ガス及び前記一酸化炭素ガスに転換せしめるように構成することを特徴とする、請求項１０〜１５のいずれか一に記載の固体酸化物形燃料電池システムの駆動方法。
【請求項１７】
前記固体酸化物形燃料電池は管状の固体酸化物形燃料電池であって、前記水素ガス及び前記一酸化炭素ガスが前記固体酸化物形燃料電池内を流れ、前記空気が前記固体酸化物形燃料電池の外周部を流れることにより、前記固体酸化物形燃料電池において、前記水素ガス及び前記一酸化炭素ガスと前記空気との反応を通じて発電を生ぜしめることを特徴とする、請求項１０〜１６のいずれか一に記載の固体酸化物形燃料電池システムの駆動方法。
【請求項１８】
前記複数の改質器及び前記複数の固体酸化物形燃料電池は、それぞれマニホールド板に固定し、前記マニホールド板に形成された開口部を通じて互いに連結することを特徴とする、請求項１０〜１７のいずれか一に記載の固体酸化物形燃料電池システムの駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物形燃料電池システム、及び固体酸化物形燃料電池システムの駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体酸化物燃料電池は１０００℃程度の高温で作動するため、発電と同時に発生する高温排熱からさらに熱機関等を用いて動力を回収することが可能である。また、吸熱反応である炭化水素燃料ガスの水蒸気改質反応にその排熱を利用することができることから、極めて高効率なシステムを構築できる。
【０００３】
固体酸化物形燃料電池スタックは、酸素イオンを透過する固体電解質を空気側電極と燃料側電極で挟んだ電池部と、その両側を燃料及び空気が流れる流路部、発生した電気を集める集電部およびその流路に燃料、空気および排気ガスを供給・排出するマニホールド部から構成される。通常は、炭化水素燃料を改質する改質器、燃料空気供給部等を含めて固体酸化物形燃料電池システムが構成される。
【０００４】
固体酸化物形燃料電池は高温作動のため、一般にはセラミック材料が用いられる。このため、電池内に過度の温度分布が発生すると、熱応力による破壊の発生や、活性化過電圧及び電気抵抗の増大などといった問題が発生する。通常の場合、酸化剤とともに冷却も兼ねる空気の流量を増大させて温度分布の均一化を図っている。
【０００５】
しかしながら、固体酸化物形燃料電池の基本部材はセラミックであるため、過度の温度分布が発生すると熱応力による破壊や、ホットスポットでの材料間の反応といった信頼性の問題が発生する。また、低温部では電極での活性化過電圧の増大や、電解質のイオン導電性が低下するため固体酸化物形燃料電池の効率低下の原因となる。さらに、通常は温度分布と同時に電流密度にも分布が発生し、理論起電力の大きな領域で過度のオーム損失が発生するため効率が低下するといった課題がある。
【０００６】
また、空気の流量を増大させて温度分布の均一化を図ろうとすると、空気流量の増大のために余計な送風動力が必要になること、排熱の温度が下がるためシステム全体での効率が下がること、そのために補器類や配管が大形、高価になるといった課題がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、空気流量を増大させることなく、固体酸化物形燃料電池システムの温度分布の均一化を図り、過度の温度分布に起因した熱応力による固体酸化物形燃料電池の破壊や活性化過電圧及び電気抵抗の増大などの諸問題を解決することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成すべく、本発明は、
炭化水素燃料ガスを水素ガス及び一酸化炭素ガスに改質するための複数の改質器と、
前記水素ガスと空気との反応を通じて発電を生ぜしめる複数の固体酸化物形燃料電池とを具え、
前記複数の改質器と前記複数の固体酸化物形燃料電池とは、前記空気の流れ方向において配列されたことを特徴とする、固体酸化物形燃料電池システムに関する。
【０００９】
また、本発明は、
水素ガスと空気との反応を通じて発電を生ぜしめる複数の固体酸化物形燃料電池を、前記空気の流れ方向に配置する工程と、
炭化水素燃料ガスを前記水素ガス及び一酸化炭素ガスに改質するための複数の改質器を、前記空気の流れ方向に配置する工程とを具え、
前記固体酸化物形燃料電池間での前記空気の温度上昇を抑制し、前記固体酸化物形燃料電池及び前記改質器を含む固体酸化物形燃料電池システム内の温度分布を一様化することを特徴とする、固体酸化物形燃料電池システムの駆動方法に関する。
【００１０】
本発明によれば、単一の固体酸化物形燃料電池からではなく複数の固体酸化物形燃料電池から固体酸化物形燃料電池システムを構成し、前記複数の固体酸化物形燃料電池を発電に供給する空気の流れ方向において配列するように構成している。各固体酸化物形燃料電池は、従来の単一の固体酸化物形燃料電池と比較して十分に小型化されているので、物体内部の熱伝導が物体表面からの熱伝導よりも支配的になり、いわゆる内部熱抵抗と対流熱抵抗との比であるビオー数が小さくなる。この結果、前記複数の固体酸化物形燃料電池を配列させて固体酸化物形燃料電池システムを構成することにより、前記固体酸化物形燃料電池間での温度上昇幅が小さくなり、前記固体酸化物形燃料電池システムの温度分布を均一化させることができる。
【００１１】
したがって、空気流量を増大させることなく、固体酸化物形燃料電池システムの温度分布の均一化を図り、過度の温度分布に起因した熱応力による固体酸化物形燃料電池の破壊や活性化過電圧及び電気抵抗の増大などの諸問題を解決することができるようになる。
【００１２】
また、前記改質器は、炭化水素燃料ガスを水素ガス及び一酸化炭素ガスに改質し、これら改質ガスを前記固体酸化物形燃料電池に供給するために設けているものである。
【００１３】
なお、前記改質器は、その入り口部において吸熱反応である水蒸気改質反応が生じる。したがって、前記改質器及び前記固体酸化物形燃料電池を、交互に均一に配列させることによって、前記固体酸化物形燃料電池による発熱を前記改質器による吸熱で相殺することができるようになる。この結果、前記固体酸化物形燃料電池システムは、前記改質器及び前記固体酸化物形燃料電池からなる等温部を有することができる。
【００１４】
一方、発電に供する空気は冷却ガスとしても機能するので、前記空気が前記等温部に直接導入されると、前記等温部は前記空気による冷却によって、その温度を均一に保持することができなくなる。したがって、前記等温部の前方、すなわち、前記固体酸化物形燃料電池システムの入り口側で前記空気を十分に加熱し、前記等温部への影響を排除するように昇温部を設ける。前記固体酸化物形燃料電池からは、発電に伴った発熱が生じるので、前記昇温部は、例えば前記固体酸化物形燃料電池から構成することができる。しかしながら、その他の方法で前記昇温部を構成することもできる。
【００１５】
なお、特に前記等温部においては、その温度分布の均一化を促進するために、前記固体酸化物形燃料電池と前記改質器とは、前記空気の流れ方向において、交互に配列することが好ましい。
【００１６】
また、前記改質器の長さを、前記改質器の入り口部で生じる水蒸気改質反応領域の長さと実質的に等しくすることができる。この場合、前記改質器の全体が前記水蒸気改質反応の吸熱の作用を受け、十分に冷却されるようになるので、特に、前記等温部における前記固体酸化物形燃料電池の発熱を十分に相殺し、その温度分布をより均一に保持することができるようになる。しかしながら、実際の固体酸化物形燃料電池システムにおいては、全体の設計デザインを考慮して前記改質器の長さを決定する。
【００１７】
なお、「実質的に等しくする」とは、上述のような作用効果が得られる許容範囲内において、前記改質器の長さと前記水蒸気改質反応領域の長さが実質的に等しくなることを意味し、例えば、前記改質器の長さをＬ１とし、前記水蒸気改質反応領域の長さをＬ２とした場合において、８０％≦Ｌ１／Ｌ２≦１２０％の関係が成立する場合を言う。
【００１８】
さらに、前記改質器と前記固体酸化物形燃料電池とは互いに略直角となるようにして配置することができる。この場合、前記改質器及び前記固体酸化物形燃料電池は、互いの垂直方向において、互いに任意の数だけ配置することができるようになるので、その数を適宜に制御して、固体酸化物形燃料電池システム全体の温度分布を均一にすることができ、例えば前記等温部を簡易に実現することができるようになる。
【発明の効果】
【００１９】
以上説明したように、本発明によれば、空気流量を増大させることなく、固体酸化物形燃料電池システムの温度分布の均一化を図り、過度の温度分布に起因した熱応力による固体酸化物形燃料電池の破壊や活性化過電圧及び電気抵抗の増大などの諸問題を解決することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の詳細、並びにその他の特徴及び利点について、最良の形態に基づいて詳細に説明する。
【００２１】
図１は、本発明の固体酸化物形燃料電池システムの好ましい一例を示す構成図である。図１に示す固体酸化物形燃料電池システム１０は、複数の管状の固体酸化物形燃料電池１１と、複数の管状の改質器１２とを具えている。固体酸化物形燃料電池１１は、それぞれが直立して空気の流れ方向ＦＡにおいて配列されるとともに、改質器１２は、それぞれが固体酸化物形燃料電池１１と略直角になり、一定の間隔で鉛直方向に積層された状態で、空気の流れ方向ＦＡの後方において配列されている。
【００２２】
改質器１２には、炭化水素燃料ガスが、例えば水蒸気などとともに矢印ＦＣで示す方向から導入され、水素ガス及び一酸化炭素ガスに改質される。得られた改質ガス（水素ガス及び一酸化炭素ガス）は、改質器１２を出た後、矢印ＦＭで示されるように固体酸化物形燃料電池１１内に導入される。固体酸化物形燃料電池１１は、酸素イオン及び水素イオンを透過する固体電解質１１１と、これを挟むようにして設けられた電極部１１２とを有している。
【００２３】
したがって、固体酸化物形燃料電池１１では、内部に導入された前記水素ガス及び前記一酸化炭素ガスと、その外周部を流れる空気中の酸素との化学反応を通じて発電が生じる。したがって、図示しない焦電部から前記発電によって生じた電気を取り出すことにより、図１に示す固体酸化物形燃料電池システム１０を電池システムとして実用に供することができるようになる。
【００２４】
上述した発電反応においては、前記空気及び前記水素ガスによる反応の総てが発電に寄与するものではなく、相当程度の割合で発熱にも寄与する。しかしながら、図１に示す固体酸化物形燃料電池１１は、従来の単一の固体酸化物形燃料電池と比較して十分に小型化されているので、物体内部の熱伝導が物体表面からの熱伝導よりも支配的になり、いわゆる内部熱抵抗と対流熱抵抗との比であるビオー数が小さくなる。この結果、固体酸化物形燃料電池１１間での温度上昇幅が小さくなり、固体酸化物形燃料電池システム１０の温度分布を均一化させることができる。
【００２５】
したがって、空気流量を増大させることなく、固体酸化物形燃料電池システムの温度分布の均一化を図り、従来の、過度の温度分布に起因した熱応力による固体酸化物形燃料電池の破壊や活性化過電圧及び電気抵抗の増大などの諸問題を解決することができる。
【００２６】
なお、図１に示す固体酸化物形燃料電池システム１０においては、各固体酸化物形燃料電池１１の大きさは、円筒形の場合、直径５０ｍｍ以下とすることができ、扁平管の場合、その扁平部分の直径を１ｍｍ〜５０ｍｍとすることができる。また、いずれの形状の場合においても、その長さは５０ｍｍ以上とすることができる。
【００２７】
図１に示す固体酸化物形燃料電池システム１０では、空気の流れ方向ＦＡの上流側、すなわち、前記空気の入り口側において、固体酸化物形燃料電池１１のみが配列されている。上述したように、固体酸化物形燃料電池１１からは、発電とともに発熱が生じるので、かかる領域は前記空気を昇温する昇温部２０を構成する。
【００２８】
一方、空気の流れ方向ＦＡの下流側、すなわち、前記空気の出口側においては、固体酸化物形燃料電池１１と改質器１２とが互いに略直角で交互に配列されている。改質器１２では、その入り口部において吸熱反応である水蒸気改質反応が生じるので、かかる領域では、固体酸化物形燃料電池１１における発熱と、改質器１２における吸熱とを釣合わせ、互いに相殺し合うようにすることができる。したがって、前記領域では温度変化がなくなり、等温部３０を構成するようになる。
【００２９】
図１に示す固体酸化物形燃料電池システム１０が等温部３０を有することにより、システム全体としての温度分布を極めて均一化することができるようになる。
【００３０】
なお、発電に供する前記空気は冷却ガスとしても機能するので、前記空気が等温部３０に直接導入されると、等温部３０は前記空気による冷却によって、その温度を均一に保持することができなくなる。したがって、等温部３０の前方、すなわち、固体酸化物形燃料電池システム１０の入り口側で昇温部２０を設けることにより、前記空気が等温部３０に導入される以前に十分に昇温されるようになるので、等温部３０の等温性を乱すような過度の冷却は生じなくなる。結果として、システム全体としての温度分布を極めて均一化することができる。
【００３１】
また、図１に示す固体酸化物形燃料電池システム１０においては、等温部３０において、固体酸化物形燃料電池１１及び改質器１２とを互いに交互に配列しているが、これにより、前述した固体酸化物形燃料電池１１による発熱と、改質器１２による吸熱とを効果的に相殺させることができ、等温部３０内の温度分布をより均一化することができる。
【００３２】
さらに、図１に示す固体酸化物形燃料電池システム１０においては、改質器１２を固体酸化物形燃料電池１１と略直角となるように配置しているので、改質器１２及び固体酸化物形燃料電池１１は、垂直方向において、互いに任意の数だけ配置することができるようになる。したがって、それらの数を適宜に制御することにより、固体酸化物形燃料電池システム全体の温度分布を均一にすることができ、例えば等温部３０を簡易に実現することができるようになる。
【００３３】
また、改質器１２の長さを、改質器１２の前記入り口部で生じる水蒸気改質反応領域の長さと実質的に等しくすることができる。この場合、改質器１２の全体が前記水蒸気改質反応の吸熱の作用を受け、十分に冷却されるようになるので、特に、等温部３０における固体酸化物形燃料電池１１の発熱を十分に相殺し、その温度分布をより均一に保持することができるようになる。なお、「実質的に等しくする」とは段落〔００１７〕で定義されるような内容である。
【００３４】
図２は、図１に示す固体酸化物形燃料電池システムの、実際の電池スタックの概略構成図である。図２に示す電池スタック４０は、複数のマニホールド板１５が積層されて構成されている。上方のマニホールド板１５には固体酸化物形燃料電池１１が組み込まれ、前述した昇温部２０を構成している。下方のマニホールド板１５には、交互に固体酸化物形燃料電池１１及び改質器１２が組み込まれ、前述した等温部３０を構成している。
【００３５】
昇温部２０及び等温部３０のいずれにおいても、隣接するマニホールド板１５に設けた固体酸化物形燃料電池１１間同士、又は固体酸化物形燃料電池１１及び改質器１２間は、マニホールド板１５に設けた開口部によって連結されている。
【００３６】
例えば、等温部３０において、ある一つのマニホールド板１５には、開口部１５Ａ〜１５Ｃが設けられ、これと隣接するマニホールド板１５には、開口部１５Ｄ〜１５Ｆが設けられている。矢印ＦＣで示すように、炭化水素燃料ガスは、開口部１５Ａを通じて改質器１２内に導入され、得られた改質ガスは開口部１５Ｂに向けて放出される。前記改質ガスは、下方のマニホールド板１５に設けられた、開口部１５Ｂと連結した開口部１５Ｄ及びこれと連結された開口部１５Ｅを介して固体酸化物形燃料電池１１内に導入される。
【００３７】
なお、発電に供する空気は、矢印ＦＡで示すように、例えばマニホールド板１５における開口部１５Ｃ及び１５Ｆなどが、電池スタック４０を通じて連結してなる貫通孔を通じて供給される。
【００３８】
また、固体酸化物形燃料電池１１の発電反応で生じた電気は、固体酸化物形燃料電池１１の長さ方向における両端部に設けた焦電部１６を通じて外部に取り出す。
【００３９】
以上、具体例を挙げながら発明の実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明してきたが、本発明は上記内容に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいてあらゆる変形や変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の固体酸化物形燃料電池システムの好ましい一例を示す構成図である。
【図２】図１に示す固体酸化物形燃料電池システムの、実際の電池スタックの概略構成図である。
【符号の説明】
【００４１】
１０  固体酸化物形燃料電池システム
１１  固体酸化物形燃料電池
１２  改質器
１５  マニホールド板
１６  焦電部
２０  昇温部
３０  等温部
ＦＡ  空気の流れ方向
ＦＣ  炭化水素燃料ガスの流れ方向
ＦＭ  改質ガス（水素ガス及び一酸化炭素ガス）の流れ方向
【図１】
2006019081.tif 000003
【図２】
2006019081.tif 000004