(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池モジュール本体内に設けられ、両面に空気極と燃料極とを設けた発電膜からなるセルを複層した燃料電池スタックと、上記燃料電池スタックの周囲に配されてなり、該燃料電池スタックに予熱された燃料及び空気を燃料供給ライン及び空気供給ラインを介して供給する燃料室及び空気室とを具備してなる固体電解質型燃料電池において、
前記燃料供給ラインに設けられ、少量の空気により前記予熱された燃料の一部を燃焼して当該予熱された燃料の温度を上昇させる部分燃焼手段を備え、
前記燃料電池スタックが前記発電膜を所定量列設してなるサブスタックを集電部材を介して複数連結したものであり、
前記燃料供給ラインが、主燃料供給ラインと、前記主燃料供給ラインに接続するとともに、前記サブスタック毎に分岐し当該サブスタックに接続する分枝ラインとで構成され、
前記部分燃焼手段が、前記主燃料供給ラインに接続し、前記少量の空気を供給する空気供給管、又は前記分枝ラインに接続し、前記少量の空気を供給する空気供給管で構成される
ことを特徴とする固体電解質型燃料電池。
【請求項２】
燃料電池モジュール本体内に設けられ、両面に空気極と燃料極とを設けた発電膜からなるセルを複層した燃料電池スタックと、上記燃料電池スタックの周囲に配されてなり、該燃料電池スタックに予熱された燃料及び空気を燃料供給ライン及び空気供給ラインを介して供給する燃料室及び空気室とを具備してなる固体電解質型燃料電池において、
前記空気供給ラインに設けられ、少量の燃料により前記予熱された空気の一部を燃焼して当該予熱された空気の温度を上昇させる部分燃焼手段を備え、
前記燃料電池スタックが前記発電膜を所定量列設してなるサブスタックを集電部材を介して複数連結したものであり、
前記空気供給ラインが、主空気供給ラインと、前記主空気供給ラインに接続するとともに、前記サブスタック毎に分岐し当該サブスタックに接続する分枝ラインとで構成され、
前記部分燃焼手段が、前記主空気供給ラインに接続し、前記少量の燃料を供給する燃料供給管、又は前記分枝ラインに接続し、前記少量の燃料を供給する燃料供給管で構成される
ことを特徴とする固体電解質型燃料電池。
【請求項３】
燃料電池モジュール本体内に設けられ、両面に空気極と燃料極とを設けた発電膜からなるセルを複層した燃料電池スタックと、上記燃料電池スタックの周囲に配されてなり、該燃料電池スタックに予熱された燃料及び空気を燃料供給ライン及び空気供給ラインを介して供給する燃料室及び空気室とを具備してなる固体電解質型燃料電池において、
前記燃料供給ラインに設けられ、少量の空気により前記予熱された燃料の一部を燃焼して当該予熱された燃料の温度を上昇させる部分燃焼手段を備えるとともに、
前記空気供給ラインに設けられ、少量の燃料により前記予熱された空気の一部を燃焼して当該予熱された空気の温度を上昇させる部分燃焼手段を備え、
前記燃料電池スタックが前記発電膜を所定量列設してなるサブスタックを集電部材を介して複数連結したものであり、
前記燃料供給ラインが、主燃料供給ラインと、前記主燃料供給ラインに接続するとともに、前記サブスタック毎に分岐し当該サブスタックに接続する分枝ラインとで構成され、
前記空気供給ラインが、主空気供給ラインと、前記主空気供給ラインに接続するとともに、前記サブスタック毎に分岐し当該サブスタックに接続する分枝ラインとで構成され、
前記燃料供給ラインに設けられた前記部分燃焼手段が、前記主燃料供給ラインに接続し、前記少量の空気を供給する空気供給管、又は前記分枝ラインに接続し、前記少量の空気を供給する空気供給管で構成され、
前記空気供給ラインに設けられた前記部分燃焼手段が、前記主空気供給ラインに接続し、前記少量の燃料を供給する燃料供給管、又は前記分枝ラインに接続し、前記少量の燃料を供給する燃料供給管で構成される
ことを特徴とする固体電解質型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、効率的な運転を図ることができる固体電解質燃料電池に関する。
【０００２】
【背景技術】
従来より固体電解質燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cells：以下「燃料電池」という。）が種々提案されている。
図５は従来の燃料電池の概略図である。
図５に示すように、一般に燃料電池は、両面に空気極と燃料極とを設けた発電膜からなるセルを複層した燃料電池スタック（以下「スタック」という。）０１と該スタック０１の周囲に設けた燃料室０２及び空気室０３とが、モジュール本体０４のスタック室０５内に設けられており、燃料０６及び空気０７は共にガス供給ライン０８，０９に介装された燃料予熱器０１０及び空気予熱器０１１より各々発電温度まで達するように熱交換されている。
【０００３】
しかしながら、従来の燃料電池では、供給ガスの温度を燃料電池作動温度の高温（約１０００℃前後）とするために、熱交換器である燃料予熱器０１０又は空気予熱器０１１を大容量のものを使用しているものの、予熱器の使用条件等により予熱器の性能が十分に発揮できない場合、供給ガス温度が必要温度に達しない場合がある。
これを解消するには、熱交換容量が更に大型のものを使用する必要があるが、大容量化ではスペースが必要となり、燃料電池のコンパクト化には逆行する。
よって、燃料電池のコンパクト化を図りつつ供給ガス温度を高温で供給し、燃料電池の効率向上を図ることが望まれている。
【０００４】
本発明は上記問題に鑑み、燃料電池の効率的な運転を図ることができる燃料電池を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前述した課題を解決する［請求項１］の発明は、
燃料電池モジュール本体内に設けられ、両面に空気極と燃料極とを設けた発電膜からなるセルを複層した燃料電池スタックと、上記燃料電池スタックの周囲に配されてなり、該燃料電池スタックに予熱された燃料及び空気を燃料供給ライン及び空気供給ラインを介して供給する燃料室及び空気室とを具備してなる固体電解質型燃料電池において、
前記燃料供給ラインに設けられ、少量の空気により前記予熱された燃料の一部を燃焼して当該予熱された燃料の温度を上昇させる部分燃焼手段を備え、
前記燃料電池スタックが前記発電膜を所定量列設してなるサブスタックを集電部材を介して複数連結したものであり、
前記燃料供給ラインが、主燃料供給ラインと、前記主燃料供給ラインに接続するとともに、前記サブスタック毎に分岐し当該サブスタックに接続する分枝ラインとで構成され、
前記部分燃焼手段が、前記主燃料供給ラインに接続し、前記少量の空気を供給する空気供給管、又は前記分枝ラインに接続し、前記少量の空気を供給する空気供給管で構成される
ことを特徴とする。
【０００７】
［請求項２］の発明は、
燃料電池モジュール本体内に設けられ、両面に空気極と燃料極とを設けた発電膜からなるセルを複層した燃料電池スタックと、上記燃料電池スタックの周囲に配されてなり、該燃料電池スタックに予熱された燃料及び空気を燃料供給ライン及び空気供給ラインを介して供給する燃料室及び空気室とを具備してなる固体電解質型燃料電池において、
前記空気供給ラインに設けられ、少量の燃料により前記予熱された空気の一部を燃焼して当該予熱された空気の温度を上昇させる部分燃焼手段を備え、
前記燃料電池スタックが前記発電膜を所定量列設してなるサブスタックを集電部材を介して複数連結したものであり、
前記空気供給ラインが、主空気供給ラインと、前記主空気供給ラインに接続するとともに、前記サブスタック毎に分岐し当該サブスタックに接続する分枝ラインとで構成され、
前記部分燃焼手段が、前記主空気供給ラインに接続し、前記少量の燃料を供給する燃料供給管、又は前記分枝ラインに接続し、前記少量の燃料を供給する燃料供給管で構成される
ことを特徴とする。
【０００８】
［請求項３］の発明は、
燃料電池モジュール本体内に設けられ、両面に空気極と燃料極とを設けた発電膜からなるセルを複層した燃料電池スタックと、上記燃料電池スタックの周囲に配されてなり、該燃料電池スタックに予熱された燃料及び空気を燃料供給ライン及び空気供給ラインを介して供給する燃料室及び空気室とを具備してなる固体電解質型燃料電池において、
前記燃料供給ラインに設けられ、少量の空気により前記予熱された燃料の一部を燃焼して当該予熱された燃料の温度を上昇させる部分燃焼手段を備えるとともに、
前記空気供給ラインに設けられ、少量の燃料により前記予熱された空気の一部を燃焼して当該予熱された空気の温度を上昇させる部分燃焼手段を備え、
前記燃料電池スタックが前記発電膜を所定量列設してなるサブスタックを集電部材を介して複数連結したものであり、
前記燃料供給ラインが、主燃料供給ラインと、前記主燃料供給ラインに接続するとともに、前記サブスタック毎に分岐し当該サブスタックに接続する分枝ラインとで構成され、
前記空気供給ラインが、主空気供給ラインと、前記主空気供給ラインに接続するとともに、前記サブスタック毎に分岐し当該サブスタックに接続する分枝ラインとで構成され、
前記燃料供給ラインに設けられた前記部分燃焼手段が、前記主燃料供給ラインに接続し、前記少量の空気を供給する空気供給管、又は前記分枝ラインに接続し、前記少量の空気を供給する空気供給管で構成され、
前記空気供給ラインに設けられた前記部分燃焼手段が、前記主空気供給ラインに接続し、前記少量の燃料を供給する燃料供給管、又は前記分枝ラインに接続し、前記少量の燃料を供給する燃料供給管で構成される
ことを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明による燃料電池モジュールの実施の形態を以下に説明するが、本発明はこれらの実施の形態に限定されるものではない。
【００１３】
本発明の実施の形態を図１を用いて説明する。
図１は燃料電池モジュールの概略図である。
本実施の形態にかかる燃料電池は、モジュール本体１１のスタック室１２内に設けられ、両面に空気極と燃料極とを設けた発電膜からなるセルを複層した燃料電池スタック１３と、上記燃料電池スタック１３の周囲に配されてなり、該燃料電池スタック１３に燃料（水素又は炭化水素）１４及び空気１５を供給する燃料室１６及び空気室１７とを具備してなる固体電解質型燃料電池において、燃料電池スタック１３へ供給する予熱された燃料１４及び空気１５の温度をさらに上昇させる部分燃焼手段１８，１９と、燃料供給ライン２０及び空気供給ライン２１にガス温度を検出する各々熱電対２２，２３を備えてなるものである。
また、本実施の形態では、燃料電池スタック１３へ供給する燃料は、外部から導入される燃料１４に、上記燃料電池スタック１３から排出した燃料排ガス２４をエジェクタ２９による循環手段を用いて循環再利用するようにしている。
【００１４】
ここで、上記部分燃焼手段としては、例えば図１に示すように、予め熱交換器（図示せず）にて予熱された燃料を供給する燃料供給ライン２０に介装する部分燃焼手段１８であれば、空気供給管２５から空気１５を少量供給することにより、予熱された燃料１４の一部と供給された空気１５とを燃焼２６させて供給ガスの温度を上昇させることで、燃料自体を追い焚きするものである。一方、予め空気予熱器２８にて予熱された空気供給ライン２１に介装する部分燃焼手段１９であれば、図１の拡大図である図２に示すように、燃料供給管２７から燃料１４を少量供給することにより、予熱された空気１５の一部と供給された燃料１４とを燃焼２６させて供給ガスの温度を上昇させることで、空気自体を追い焚きするものである。部分燃焼手段は上述したものに限定されるものではなく、予熱されたガスに部分燃焼用のガスを導入して部分燃焼させる構成であれば、いずれの形式であってもよい。また、供給ライン２１には、外部から新規に供給される空気を予め高温に予熱する熱交換器である空気予熱器２８が設置されている。
【００１５】
本実施の形態によれば、本来であれば、ガス温度を３０℃上げるために、大型の電熱面積の熱交換器を備える必要があるが、該熱交換器を大型化することなく、温度を例えば９２０℃から燃料電池の効率的なガス温度である９５０℃まで容易に上昇させることができる。
【００１６】
すなわち、燃料電池の必要温度は９００〜１０００℃前後と高温であるので、熱交換器である燃料予熱器（図示せず）を通過した後のガスは燃料の自然着火温度以上（例えば９２０℃程度）となっており、燃焼のためのスパーク等が不要で燃料（Ｈ2）を空気（酸素）に投入するだけで、自然燃焼し、容易にガス温度を上昇させることができる。なお、投入するガス量は供給ラインのガス量に対して２％程度導入させて、燃焼させて、温度を向上させるようにしているが、本発明はこれに限定されるものではなく、適宜投入量を調整すればよい。
【００１７】
また、本実施の形態では、スタック室内において、循環手段としてエジェクタ２９を用いて燃料排ガス２４を再循環させており、高温の燃料排ガス２４が外部から供給される燃料１４とエジェクタ２９部で混合されているので、燃料供給ライン２０には、本発明による部分燃焼による温度向上手段により特別な予熱器を設ける必要がなくなる。
【００１８】
次に、図３及び図４を参照して、分枝部分の空気供給ラインに一括して又は各々に部分燃焼手段を設けた一例を次に示す。なお、燃料供給ラインに用いても同様であるので、説明は省略する。
【００１９】
図３に示すように、本実施の形態では、発電膜３１を起立した状態でインタコネクタ（図示せず）を交互に介して少量（例えば５段）列設してなるサブスタック３２を１組として集電部材３３を介して複数（例えば４列）連結して貨車状横置スタック３４としたものであり、ここでは空気供給ラインについて示す。
【００２０】
本実施の形態では、各分枝ライン４１−１〜４１−４に分枝する主空気供給ライン４２に、部分燃焼手段を構成する燃料供給管４３が設けられており、空気予熱器４４から高温に予熱された空気は、供給される燃料４３により適宜燃焼されて温度を向上させるようにして、サブスタック３２の空気室３５へ空気を一括して部分燃焼させた後供給している。
【００２１】
これにより、各供給ラインに個別に部分燃焼手段を設けることが不要となり、構成部材の削減を図ることができる。
【００２２】
この結果、燃料電池の大容量化を図った場合では、燃料電池の製造コストの低減を図ることができる。
【００２３】
図４に示す実施の形態では、サブスタック化した個々のスタックへ供給する空気を各供給ラインに部分燃焼手段を設けたものである。
本実施の形態では、空気予熱器４４から予熱された空気は、各分枝ライン４１−１〜４１−４に部分燃焼手段である燃料供給管４３−１〜４３−４が個別に設けられており、サブスタック３２の空気室３５へ供給する空気の温度を熱電対等の測定手段３６−１〜３６−４により個々に制御手段（図示せず）により判断して、供給空気の温度が低いような場合に、個別に調整しつつ供給するようにしたものである。
【００２４】
この結果、個々のサブスタックの供給ラインのガス供給に偏りがあった場合でも、本発明による部分燃焼手段を設けることにより、供給ライン毎の偏りを防止することができる。
【００２５】
【発明の効果】
以上述べたように、［請求項１］の発明によれば、燃料電池モジュール本体内に設けられ、両面に空気極と燃料極とを設けた発電膜からなるセルを複層した燃料電池スタックと、上記燃料電池スタックの周囲に配されてなり、該燃料電池スタックに燃料及び空気を供給する燃料室及び空気室とを具備してなる固体電解質型燃料電池において、燃料電池スタックへ供給する燃料を追い焚きする部分燃焼手段を備えたので、必要に応じて供給燃料の温度を上昇させることができる。追い焚きするガスを空気として、燃料を部分燃焼させることができる。供給するガス温度を自由に調整することができる。
【００２７】
［請求項２］の発明によれば、燃料電池モジュール本体内に設けられ、両面に空気極と燃料極とを設けた発電膜からなるセルを複層した燃料電池スタックと、上記燃料電池スタックの周囲に配されてなり、該燃料電池スタックに燃料及び空気を供給する燃料室及び空気室とを具備してなる固体電解質型燃料電池において、燃料電池スタックへ供給する空気を追い焚きする部分燃焼手段を備えたので、必要に応じて供給燃料の温度供給空気の温度を上昇させることができる。追い焚きするガスを水素又は炭化水素とすることで空気を部分燃焼させることができる。供給するガス温度を自由に調整することができる。
【００２８】
［請求項３］の発明によれば、燃料電池モジュール本体内に設けられ、両面に空気極と燃料極とを設けた発電膜からなるセルを複層した燃料電池スタックと、上記燃料電池スタックの周囲に配されてなり、該燃料電池スタックに燃料及び空気を供給する燃料室及び空気室とを具備してなる固体電解質型燃料電池において、燃料電池スタックへ供給する燃料を追い焚きする部分燃焼手段を備えるとともに、燃料電池スタックへ供給する空気を追い焚きする部分燃焼手段を備えたので、必要に応じて供給燃料の温度供給空気の温度を上昇させることができる。供給するガス温度を自由に調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態にかかる燃料電池の概略図である。
【図２】本実施の形態の部分燃焼手段の概略図である。
【図３】第２の実施の形態に燃料電池の概略図である。
【図４】第２の実施の形態に燃料電池の概略図である。
【図５】従来の燃料電池の概略図である。
【符号の説明】
１１  モジュール本体
１２  スタック室
１３  燃料電池スタック
１４  燃料
１５  空気
１６  燃料室
１７  空気室
１８，１９  部分燃焼手段
２０  燃料供給ライン
２１  空気供給ライン
２２，２３  熱電対
２４  燃料排ガス
２５  空気供給管
２６  燃焼
２７  燃料供給管
２８  空気予熱器
２９  エジェクタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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