(57)【要約】【課題】燃料電池スタックにおける燃料の流れ方向の温度分布を確実に平坦化して発電効率を向上させるとともに寿命の低下を防止することができる燃料電池装置を提供すること。【解決手段】燃料電池スタック３における燃料流れ方向Ｄの温度分布を検出する温度検出部１１〜１３と、燃料電池スタック３の側面周囲に設けられた温度調整機構５〜７と、前記温度分布をもとに温度調整機構５〜７を制御して前記温度分布を平坦化させる制御部Ｃと、を備える。温度調整機構５〜７は、冷却機構であり、温度調整機構６のみを設けて中央部のみを冷却してもよい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料が供給される燃料極と空気が供給される空気極とを有した燃料電池スタックを備えた燃料電池装置であって、
前記燃料電池スタックにおける燃料流れ方向の温度分布を検出する温度検出部と、
前記燃料電池スタックの側面周囲に設けられた温度調整機構と、
前記温度分布をもとに前記温度調整機構を制御して前記温度分布を平坦化させる制御部と、
を備えたことを特徴とする燃料電池装置。
【請求項２】
前記温度調整機構は、少なくとも前記燃料流れ方向の中央部に設けられた冷却機構であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
【請求項３】
前記温度調整機構は、前記燃料流れ方向に沿って設けられた複数の冷却機構であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
【請求項４】
前記温度調整機構は、前記燃料流れ方向に沿って設けられた複数の温度調整機構であり、前記燃料流れ方向の中央部の温度調整機構は、冷却機構であり、前記燃料流れ方向の流入側および流出側の温度調整機構は、ヒータであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタックにおける燃料の流れ方向の温度分布を確実に平坦化して発電効率を向上させるとともに寿命の低下を防止することができる燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池スタックでは、温度が偏在した温度分布であると燃焼が局所化して発電効率が低下する。このため、特許文献１では、偏在した温度部分を冷却ファンによって冷却して温度分布を平坦化するものが記載されている。
【０００３】
また、特許文献２では、燃料電池スタックを冷却するため、内部改質の吸熱作用を用いている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−３２３９９３号公報
【特許文献２】特開２０１３−８４５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、固体酸化物形燃料電池等の高温型燃料電池は運転温度が６００℃〜１０００℃程度の高温である。そして、燃料電池スタックの中央部分では、燃料の流れ方向の端部に比して燃焼部分に囲まれて熱がこもるために高温化する。この燃料の流れ方向における温度分布が不均一であると、燃焼の局所化による発電効率の低下が生じるとともに、燃料電池スタック内の部材に応力集中が発生し、金属疲労等によって寿命が低下することになる。
【０００６】
ここで、特許文献１に記載された冷却ファンによる冷却手段では、運転温度が６００℃〜１０００℃程度に高温となる燃料電池スタックの高温部分を迅速に冷却することはできない。一方、特許文献２に記載された内部改質の吸熱作用による冷却では、所望の高温部分を冷却することができない。
【０００７】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、運転温度が６００℃〜１０００℃程度の高温になる燃料電池スタックにおける燃料の流れ方向の温度分布を確実に平坦化して発電効率を向上させるとともに寿命の低下を防止することができる燃料電池装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる燃料電池装置は、燃料が供給される燃料極と空気が供給される空気極とを有した燃料電池スタックを備えた燃料電池装置であって、前記燃料電池スタックにおける燃料流れ方向の温度分布を検出する温度検出部と、前記燃料電池スタックの側面周囲に設けられた温度調整機構と、前記温度分布をもとに前記温度調整機構を制御して前記温度分布を平坦化させる制御部と、を備えたことを特徴とする。
【０００９】
また、本発明にかかる燃料電池装置は、上記の発明において、前記温度調整機構は、少なくとも前記燃料流れ方向の中央部に設けられた冷却機構であることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明にかかる燃料電池装置は、上記の発明において、前記温度調整機構は、前記燃料流れ方向に沿って設けられた複数の冷却機構であることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明にかかる燃料電池装置は、上記の発明において、前記温度調整機構は、前記燃料流れ方向に沿って設けられた複数の温度調整機構であり、前記燃料流れ方向の中央部の温度調整機構は、冷却機構であり、前記燃料流れ方向の流入側および流出側の温度調整機構は、ヒータであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、燃料電池スタックにおける燃料流れ方向の温度分布を検出する温度検出部と、前記燃料電池スタックの側面周囲に設けられた温度調整機構とを備え、制御部が前記温度分布をもとに前記温度調整機構を制御して前記温度分布を平坦化させるようにしている。この結果、運転温度が６００℃〜１０００℃程度の高温になる燃料電池スタックにおける燃料流れ方向の温度分布を確実に平坦化して発電効率を向上させるとともに寿命の低下を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、本発明の実施の形態である燃料電池装置の全体構成を示すブロック図である。
【図２】図２は、図１に示した燃料電池装置による燃料流れ方向の温度分布の平坦化を説明する説明図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態の変形例２である燃料電池装置の全体構成を示すブロック図である。
【図４】図４は、図３に示した燃料電池装置による燃料流れ方向の温度分布の平坦化を説明する説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、添付図面を参照してこの発明を実施するための形態について説明する。
【００１５】
（全体構成）
図１は、本発明の実施の形態である燃料電池装置１の全体構成を示すブロック図である。燃料電池装置１は、燃料電池モジュール２を有する。燃料電池モジュール２内には、燃料電池スタック３が設けられる。燃料電池モジュール２は、気密筐体であり、気密筐体と燃料電池スタック３との間に断熱材４が充填されている。
【００１６】
燃料電池スタック３には、ブロアＢ１を介して上部から燃料Ｆ１が供給され、ブロアＢ２を介して下部から空気Ａ１が供給される。燃料電池スタック３内には、燃料Ｆ１と空気Ａ１とを反応させて発電する発電セルが複数設けられている。燃料電池スタック３での反応後ガスおよび未反応ガスは燃料オフガスＦ２および空気オフガスＡ２として排出される。
【００１７】
燃料電池スタック３は、例えば円筒形の発電セルを複数本束ねた構成や矩形平板の発電セルを複数積層した構成等、公知の構成を用いることができる。本実施の形態の燃料電池スタック３は、円筒内部を燃料極（アノード）とし円筒外部を空気極（カソード）とし、燃料極と空気極との間に電解質としてイオン導電性セラミックスを介在させた円筒形の発電セルを有した固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）を用いている。
【００１８】
燃料Ｆ１は、原燃料（例えば、メタンガスや都市ガス等）を、図示しない脱硫器によって脱硫し、さらに図示しない改質器によって水素を含む改質燃料に改質されたものであってもよい。改質器が内蔵された燃料電池スタックの場合は、改質器は不要となる。
【００１９】
制御部Ｃは、ブロアＢ１、Ｂ２を制御して燃料および空気の流量を調整して燃料電池スタック３における燃焼を制御する。
【００２０】
（温度調整機構の配置）
図１に示すように、燃料電池スタック３の周囲には、燃料流れ方向Ｄに沿って複数の温度検出部１１〜１３が設けられる。温度検出部１１は、燃料流れ方向Ｄの燃料流入側に設けられる。温度検出部１２は、燃料流れ方向Ｄの中央部に設けられる。温度検出部１３は、燃料流れ方向Ｄの燃料流出側に設けられる。すなわち、温度検出部１１〜１３は、燃料電池スタック３の燃料流れ方向Ｄの温度分布を検出する。
【００２１】
燃料電池スタック３の側部周囲には、燃料流れ方向Ｄに沿って、複数の温度調整機構５〜７に接続される冷却機構５ａ、６ａ、７ａが設けられる。冷却機構５ａは、燃料電池スタック３の燃料流れ方向Ｄの燃料流入側の側部周囲に複数設けられる。冷却機構６ａは、燃料電池スタック３の燃料流れ方向Ｄの中央部の側部周囲に複数設けられる。冷却機構７ａは、燃料電池スタック３の燃料流れ方向Ｄの燃料流出側の側部周囲に複数設けられる。各冷却機構５ａは、冷却調整部５ｂを介した冷媒あるいは冷却水が配管によって接続される。各冷却機構６ａは、冷却調整部６ｂを介した冷媒あるいは冷却水が配管によって接続される。各冷却機構７ａは、冷却調整部７ｂを介した冷媒あるいは冷却水が配管によって接続される。冷媒は、冷凍サイクルを用いた強制冷却時に流れるものである。冷却水は、例えば常温水である。
【００２２】
（温度調整制御）
図１に示した制御部Ｃは、温度検出部１１が検出した温度Ｔ１、温度検出部１２が検出した温度Ｔ２、温度検出部１３が検出した温度Ｔ３をもとに、冷却調整部５ｂ、６ｂ、７ｂを介して冷却機構５ａ、６ａ、７ａの冷却調整制御を行って、燃料流れ方向Ｄの温度分布を平坦化する。
【００２３】
例えば、図２に示すように、制御部Ｃは、燃料電池スタック３の目標温度Ｔａ、例えば９００℃に比して、温度検出部１２が検出した温度Ｔ２が、例えば１０００℃である場合、冷却機構６ａによって燃料電池スタック３の中央部を冷却し、燃料電池スタック３の中央部の温度を目標温度Ｔａに近づける。なお、温度検出部１１、１３が検出した温度Ｔ１、Ｔ３が目標温度Ｔａを超える場合、冷却機構５ａ、７ａによって燃料電池スタック３の燃料流入側および燃料流出側を冷却する。ただし、燃料電池スタック３の燃料流入側および燃料流出側の温度は、中央部の温度に比して低いので、冷却機構５ａ、７ａに供給する冷媒あるいは冷却水の流量は、冷却機構６ａに供給する冷媒あるいは冷却水の流量に比して小さくなる。
【００２４】
この実施の形態では、燃料電池スタック３の燃料流れ方向Ｄに対し、燃料電池スタック３の側部周囲に冷却機構５ａ、６ａ、７ａを帯状に多段に設け、燃料電池スタック３の燃料流れ方向Ｄに対する温度分布を平坦化している。これにより、燃料電池スタック３の燃焼が平均化され、発電効率を高めることができる。
【００２５】
（変形例１）
上述した実施の形態では、燃料電池スタック３の燃料流れ方向Ｄに対して複数の冷却機構５ａ、６ａ、７ａを配置したが、燃料流れ方向Ｄの中央部の側部周囲のみに冷却機構６ａを設けるようにしてもよい。これは、燃料流れ方向Ｄの中央部の熱のこもりによって高温化することがわかっているため、この中央部の部分のみを冷却することによって燃料流れ方向Ｄの温度分布を平坦化することができるからである。
【００２６】
（変形例２）
また、上述した実施の形態では、燃料電池スタック３の燃料流れ方向Ｄに対して複数の冷却機構５ａ、６ａ、７ａを配置したが、図３に示すように、冷却機構５ａ、７ａに替えて加熱機構としてヒータ１５ａ、１７ａを設けるようにしてもよい。すなわち、温度調整機構５、７に替えて加熱機構としての温度調整機構１５、１７を設けるようにしてもよい。ヒータ１５ａ、１７ａは、加熱調整部１５ｂ、１７ｂによって調整される。
【００２７】
この変形例２では、図４に示すように、燃料流れ方向Ｄの燃料流入側および燃料流出側の温度Ｔ１、Ｔ３が目標温度Ｔａよりも低く、中央部の温度Ｔ２が目標温度Ｔａよりも高い場合、ヒータ１５ａ、１７ａの加熱によって燃料流れ方向Ｄの燃料流入側および燃料流出側の温度Ｔ１、Ｔ３を目標温度Ｔａに近づけ、冷却機構６ａの冷却によって燃料流れ方向Ｄの中央部の温度Ｔ２を目標温度Ｔａに近づける。これによって、燃料流れ方向Ｄの温度分布が目標温度Ｔａに平均化される。
【００２８】
この変形例２では、図４に示すように、燃焼による燃料流れ方向Ｄの温度分布全体を低くすることができる。これにより、燃料Ｆ１の供給量を小さくすることができる。また、中央部の温度Ｔ２を低くすることができるため、燃料電池モジュール２は、耐熱性の低い材質で構成することができる。
【００２９】
なお、上述した冷却機構５ａ、６ａ、７ａあるいはヒータ１５ａ、冷却機構６ａ、ヒータ１７ａは、３段構成としたが、それぞれ複数段として、きめの細かい温度制御を行うようにしてもよい。この際、温度検出部１１〜１３も複数段の冷却機構やヒータの配置に対応して複数設けることが好ましい。また、中央部の側部周囲にのみ冷却機構６ａを設ける場合も、複数段の冷却機構６ａとしてきめの細かい温度制御を行うことが好ましい。この場合も、複数段の冷却機構６ａに対応して複数の温度検出部１２を設けることが好ましい。
【００３０】
また、冷却機構５ａ、６ａ、７ａに用いる流体を冷媒あるいは冷却水としたが、空気などの気体を用いてもよい。
【００３１】
さらに、燃料電池装置１の起動用に、冷媒あるいは冷却水の替わりに熱媒を流し、冷却機構５ａ、６ａ、７ａとしてではなく、加熱機構として運転することも可能である。
【符号の説明】
【００３２】
１  燃料電池装置
２  燃料電池モジュール
３  燃料電池スタック
４  断熱材
５〜７、１５、１７  温度調整機構
５ａ、６ａ、７ａ  冷却機構
５ｂ、６ｂ、７ｂ  冷却調整部
１１〜１３  温度検出部
１５ａ、１７ａ  ヒータ
１５ｂ、１７ｂ  加熱調整部
Ａ１  空気
Ａ２  空気オフガス
Ｂ１、Ｂ２  ブロア
Ｃ  制御部
Ｄ  燃料流れ方向
Ｆ１  燃料
Ｆ２  燃料オフガス
Ｔ１〜Ｔ３  温度
Ｔａ  目標温度
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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