(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部から燃料導入流路を介して供給された炭化水素燃料を水蒸気と反応させて水素と一酸化炭素に改質する水蒸気改質触媒を、固体電解質が配置されて水素と酸素から発電反応を行う発電室の内部および／または発電室に隣接する位置に配置して、発電反応により前記発電室内で発生した熱エネルギーを、直接に前記水蒸気改質触媒に伝達させて改質反応に使用されるように構成するにあたって、
前記燃料導入流路が、前記発電室を内包する容器の下部外側より挿入され前記発電室の内部及び／又は前記発電室に隣接する位置を貫通して前記発電室上方に画成された燃料供給室に連通されている
ことを特徴とする固体電解質型燃料電池モジュール。
【請求項２】
前記水蒸気改質触媒を前記燃料導入流路の内部に充填した
ことを特徴とする請求項１に記載の固体電解質型燃料電池モジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体電解質型燃料電池発電装置の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
メタンを主成分とする天然ガス等の炭化水素燃料と水蒸気を直接供給して、固体電解質型燃料電池の燃料極で、メタンの水蒸気改質反応を生じさせ、また、固体電解質型燃料電池の発電反応で発生する熱の一部をこの水蒸気改質反応の吸熱反応熱として利用するようにした技術を内部改質技術という。
【０００３】
しかし、この内部改質技術は、固体電解質型燃料電池においては、作動温度が８００℃から１０００℃と高く、水蒸気と天然ガス中のＣ（炭素）のモル比であるＳ／Ｃが３以上でも、燃料極でカーボンの発生が見られ、この内部改質技術を固体電解質型燃料電池に適用するには不具合が生じる。このため、従来の固体電解質型燃料電池システムでは、固体電解質型燃料電池モジュールへ供給する前に、改質装置を設け、天然ガスに部分的に水蒸気改質反応をおこさせ、燃料ガスにした後、固体電解質型燃料電池モジュールに供給するようにして、不具合を解消している。
【０００４】
図５は、このような、従来の固体電解質型燃料電池モジュールの断面を示す図である。図において、外周が断熱材８で被包された容器１６の内部には、発電室１が、その上部を下部管板１４で区画され、形成されている。この発電室１には、電解質を介装して内部に燃料極、外部に空気極を配置した固体電解質型燃料電池を複数直列に接続してなり、下端を閉塞した円筒型にされた固体電解質型燃料電池スタック２（以下単にスタックという）が多数鉛直状態に配置されている。
【０００５】
また、容器１６の発電室１の上方には、下部管板１４および下部管板１４と間隔を設けて、その上方に設けられた上部管板１３で区画された燃料排出室５が、さらに、その上方の容器１６内の上端に、上部管板１３で下方が区画された燃料供給室３が、それぞれ画成されている。さらに、スタック２の円筒型の軸心部には燃料供給管４が設置され、その上端は、燃料供給室３に連通するとともに、下端は、下端が閉塞されたスタック２の下端部に連通されている。また、図示しない輻射変換体等により区画された容器１６内部の発電室１に下方には、輻射変換体１７と間隔を設けて空気熱交換器６が設けられている。
【０００６】
また、燃料供給室３には、外部から燃料ガスＳＦを供給するための燃料導入管９が連結されており、この燃料導入管９の途中には、天然ガスの部分的な改質反応をするための改質装置１５が設けられている。すなわち、外部から燃料導入管９で供給された天然ガスと水蒸気の混合ガスＮＧ／ＳＴは、改質装置１５に入り、ここで天然ガスＮＧの主成分である、メタンの一部が、天然ガスとともに改質装置１５に移送された水蒸気と反応し、水素と一酸化炭素の燃料ガスＳＦに分解され改質される。この燃料ガスＳＦは、さらに、燃料導入管９を通って燃料供給室３に供給される。
【０００７】
燃料供給室３に供給された燃料ガスＳＦは、燃料供給室３から燃料供給管4内を通りスタック２の下端部に供給され、燃料供給管４の外周上とスタック2の内面との間を上昇する際に、スタック２の内側に設けた燃料極における発電反応に使用された後、排燃料ＥＦとなって、スタック２の上端を開口させた下部管板１４を通過して、燃料排出室５に集められ、燃料排出室５に設けた燃料排出管１０によって容器１６内から排出される。
【０００８】
また、燃料ガスＳＦとともに、スタック２の発電に使用される供給空気ＳＡは、空気熱交換器６に連結されている空気導入管１１によって、外部から空気熱交換器６に供給される。空気熱交換器６には、発電室１内で加熱された排空気ＥＡを容器１６外へ排出するため、発電室１内に垂設された空気排出管７の下端が連結されている。空気導入管１１で空気熱交換器６に供給された供給空気ＳＡは、同様に空気排出管７で供給された排空気ＥＡとの間で再生熱交換を行い予熱される。空気熱交換器６で予熱された供給空気ＳＡは、発電室1の下部を区画する多孔体の素材で形成された輻射変換体１７の下方に供給される。輻射変換体１７は、スタック２から放射される熱により高温となった発電室１からの熱を受熱し、高温となっており、その内部を通過する予熱された供給空気ＳＡは、さらに加熱された後、スタック２の外周面に供給されて発電反応に使用される。使用後の排空気ＥＡは前述の空気排出管７に集められ、空気熱交換器６を経て空気排出管１２より排気される
【０００９】
このように、発電室１内の発熱を利用して、輻射変換体１７内で、空気熱交換器６で予熱された供給空気ＳＡを、さらに加熱することで、発電室１内部での空気の温度上昇幅を抑え、発電室１内部の温度差を小さくすることができる。輻射変換体１７を通過して発電室１内に供給された供給空気ＳＡは、発電室１内に鉛直状態に配設されている、スタック２の外周面に沿って上昇するとき、スタック２の外側に設けた空気極における発電反応に使用されるとともに、発電室１内の冷却を行う。また、発電室１内での発電等に使用され、９００〜１０００℃に加熱された排空気ＥＦは、前述の空気排出管７に集められ、前述したように、空気熱交換器６に導入され、供給空気ＳＡの予熱に使用された後、空気排出管１２によって容器１６外へ排気される。
【００１０】
このように、発電室１内は、スタック２における発電のために、９００〜１０００℃の高温に保つ必要があり、前述したように、発電室１を内部に収容する容器１６の外周を被包する断熱材８により保温されて、高温を保持するようにしている。また、発電室１の上部を区画する下部管板１４は、発電室１内に鉛直状態に配置されているスタック２を支持すると同時に、燃料排出室５内の排燃料ＥＦと発電室１内の供給空気ＳＡ、又は排空気ＥＡとが混合燃焼するのを防止している。さらに、下部管板１４とともに、燃料排出室５を区画し、容器１６の上端に設置される燃料供給室３の下部を区画する上部管板１３は、スタック２の軸心部に垂下させた燃料供給管４を支持するとともに、燃料供給室３と燃料排出室５との隔壁となって燃料ガスＳＦと排燃料ＥＦとの混合を防止している。
【００１１】
しかしながら、このような、従来の固体電解質型燃料電池モジュールに使用する燃料ガスを得るために、天然ガスの水蒸気改質反応に使用する改質装置１５では、固体電解質型燃料電池モジュールと別体の装置を必要とするほか、次のような不具合がある。
【００１２】
（１）水蒸気改質反応が吸熱反応であり、発電室１からの排燃料ＥＡや燃料ガスＳＦの一部を燃焼するなどして改質装置１５を加熱する必要があり、システムの効率が低下する。
【００１３】
（２）発電室１の温度は、９００〜１０００℃であり、スタック２および燃料供給管４を支持する、下部管板１４および上部管板１３の温度が高温となるため、厚肉化や高級材料の使用が必要である。
【００１４】
（３）高温の、下部管板１４部および上部管板１３部から容器１２外への放熱が多くなり、発電室１から回収できる熱量が減少し、システムの効率が低下する。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述した従来の固体電解質型燃料電池モジュールの不具合を解消するため、別体の改質装置の設置を不要にできるとともに、水蒸気改質反応に必要な加熱に、燃料や排燃料による燃焼ガスを供給する必要がなく、また、下部管板および上部管板の過熱を防止でき軽量化、低コスト化できるとともに外部への放熱を少くして熱効率を向上できる燃料電池モジュールを提供することを課題とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、従来の固体電解質型燃料電池モジュールにおいて解決が望まれる前述の課題を解決するために、以下の手段を提供するものである。
【００１７】
（１）外部から燃料導入流路を介して供給された炭化水素燃料を水蒸気と反応させて水素と一酸化炭素に改質する水蒸気改質触媒を、固体電解質が配置されて水素と酸素から発電反応を行う発電室の内部および／または発電室に隣接する位置に配置して、発電反応により前記発電室内で発生した熱エネルギーを、直接に前記水蒸気改質触媒に伝達させて改質反応に使用されるように構成するにあたって、
前記燃料導入流路が、前記発電室を内包する容器の下部外側より挿入され前記発電室の内部及び／又は前記発電室に隣接する位置を貫通して前記発電室上方に画成された燃料供給室に連通されている
ことを特徴とする燃料電池モジュール。
（２）前記水蒸気改質触媒を前記燃料導入流路の内部に充填した
ことを特徴とする前記（１）項に記載の燃料電池モジュール。
【００１８】
【作用】
本発明の固体電解質型燃料電池モジュールでは、前述の課題を解決するための手段により、発電室内の燃料導入流路内および／または発電室に隣接する位置の燃料導入流路内で、水蒸気改質反応が起き、供給された炭化水素燃料が水蒸気と反応し、一部水素と一酸化炭素に変化した燃料ガスに改質される。このときの水蒸気改質反応は、吸熱反応であるが、この反応熱は、発電室内の発電反応で発生した熱の伝達による直接加熱で賄われる。
【００１９】
これにより、水蒸気改質反応を行わせるための別体の改質装置の設置が不要となるとともに、改質装置を加熱するために必要となっていた、発電室から容器の外に設けられた改質装置へ移送され燃焼させる排燃料を供給しまたは燃料を使用することが不要となり、システムとしての効率を向上できる。
【００２０】
また、発電室内の燃料導入流路内および／または発電室に隣接する位置の燃料導入流路内での水蒸気改質反応による吸熱により、発電室からの放熱により加熱される上部管板、および下部管板が冷却され、高温化が防止できる。これにより、これらの管板の厚肉化、若しくは高級材料の使用が不要となり、軽量化、および低コスト化が達成できる。また、これらの管板の高温化を防止することにより、これらの部分から、断熱材を通って容器の外へ放出される熱量を少くでき、発電室で発生する熱量の回収を多くでき、システムのほかの熱源として使用できるようになり、これにより、熱効率が改善されシステム効率を向上できる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図１〜図４に示す。
図１および図２は、発電室１内の燃料導入管９内および発電室１の外周部に配置された燃料導入管９内に水蒸気改質触媒１００が設置された固体電解質型燃料電池モジュールの断面図である。図１と図２では、燃料供給室３と燃料排出室５の上下関係が互いに逆になっている。また、図３および図４は、発電室１の下部に配置された輻射変換体１７の下方に隣接して水蒸気改質触媒１００が設置された固体電解質型燃料電池モジュールの断面図である。図３と図４では、空気導入管１１と空気排出管１２の位置関係が互いに逆になっている。
以下に図１に示す実施例に基づいて説明する。ただし、この実施例に記載されている構成部品の形状、その相対的位置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明にすぎない。なお図５の従来例と同一部材については同一符号を使用する。
【００２２】
図１は、本発明の固体電解質型燃料電池モジュールの一例を示す断面図である。断熱材を内包した容器１６に被包された発電室１には、内側に燃料極、外側に空気極を配置した固体電解質型燃料電池を複数直列に接続してなる円筒型のスタック２が鉛直状態で配置されている。前記発電室１の上方には、燃料供給室３、燃料排出室５が順次設置されている。なお、スタック２の上端は燃料供給室３に開口しており下端は閉鎖され発電室１とは遮断されている。前記スタック２内には、下端が前記スタック下部に開口し上端が前記燃料排出質に連通する排燃料回収管４が挿入されている。燃料を燃料供給室３に供給する燃料導入管９が、容器１６外部下方より挿入され、発電室１、下部管板１４を貫通して燃料供給室３に連通するとともに、発電室１の外周部を貫通して燃料供給室３に連通している。図においては、発電室内には、複数のスタックが稠密に垂設されており、発電室１内を貫通する燃料導入管９は、かかるスタックの間隙を通って上部の燃料供給室へスムースに連通させるために、容器１６の下部より発電室内へ挿入している。また、図において容器１６外部下方より容器内に導入した燃料導入管９は、発電室１内を貫通する配管と発電室１の外周部を貫通する配管に分岐させているが、このように燃料導入管９を分岐させずに前記のそれぞれの配管を容器１６外部から別々に挿入してもよい。
【００２３】
燃料導入管９より供給された天然ガスと水蒸気の混合ガスＮＧ／ＳＴは、燃料導入管９内に設置された水蒸気改質触媒１００により一部が水素と一酸化炭素に改質され燃料ガスＳＦとなり、燃料供給室３に供給される。水蒸気改質触媒１００としては、ニッケル系触媒が適する、が、これだけに限定されるものではない。燃料ガスＳＦは、燃料供給室３からスタック２内に流入し排燃料回収管１９の外周面とスタック２の内面との間をスタック下端まで下降する際に、スタック２の内側に設けた燃料極における発電反応に使用された後、排燃料ＥＦとなって排燃料回収管１９内を通過して燃料排出室５に集められてから燃料排出管１０より排気される。
【００２４】
また、発電に使用される供給空気ＳＡは、空気導入管１１から空気熱交換器６に供給され、そこで発電室１内で加熱された排空気ＥＡとの間で再生熱交換を行い予熱される。予熱された供給空気ＳＡは、発電室１の下方を区画する輻射変換体を通過して、さらに、加熱されて、発電室１に供給される。そして、発電室１内を上昇するとき、スタック２の外側に設けられた空気極と発電反応し、発電を行う。この発電反応により、９００〜１０００℃に加熱された排空気ＥＡは、空気排出管７に集められ、空気熱交換器６に送られ、前述の通り、供給空気ＳＡと熱交換をした後、空気排出管１２で外部へ排気される。
【００２５】
発電室内は９００〜１０００℃の高温に保つ必要があり、発電室１全体は、断熱材９により保温される。なお、下部管板１４は、スタック２を支持すると同時に、燃料ガスＳＦと発電室１内の供給空気ＳＡ若しくは排空気ＥＡが混合燃焼するのを防止している。また、上部管板１３は、排燃料回収管１９を支持すると共に、燃料供給室３と燃料排出室５との隔壁となっている。
【００２６】
このような構成の固体電解質型燃料電池モジュールにおいて、発電室１内の燃料導入管９内および発電室１の外周部の燃料導入管９内に設置された水蒸気改質触媒１００に外部から供給され導かれた、天然ガスと水蒸気の混合ガスＮＧ／ＳＴの水蒸気改質反応に伴う吸熱は、発電室１内の発電反応で発生した熱の伝達による直接加熱で賄われる。
【００２７】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の固体電解質型燃料電池モジュールによれば、特許請求の範囲に示す構成により、次の効果が得られる。
【００２８】
（１）高温の固体電解質燃料電池モジュールの発電室内部の燃料導入管内に水蒸気改質触媒が設置されているため、メタンを主成分とする天然ガス等の炭化水素燃料を、固体電解質燃料電池の燃料ガスに改質するために別体で設置される改質装置の設置が不要となり、装置全体のコンパクト化が図れる。
【００２９】
（２）高温の発電室内の発電反応による熱を直接利用して水蒸気改質反応をおこすことが可能で、改質用の燃料や排燃料の燃焼ガスによる加熱が不要となり、システムの熱効率を向上できる。
【００３０】
（３）水蒸気改質反応の吸熱を利用して、下部管板および上部管板を冷却することで、これらの管板の過熱を防止できる。この管板の温度が低下することにより、高温時において、管板の強度を維持するのに必要であった肉厚が低減でき、あるいは材料の低級化を図ることができる。
【００３１】
（４）管板の温度が低下するため、管板部から外部へ排出される熱量が少くなり、発電室で発生する熱をシステムで必要とする他の機器に、効果的に使用でき、システムの熱効率を向上させることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の固体電解質型燃料電池モジュールの実施形態の一例を示す断面図である。
【図２】本発明の固体電解質型燃料電池モジュールの実施形態の一例を示す断面図である。
【図３】本発明の固体電解質型燃料電池モジュールの実施形態の一例を示す断面図である。
【図４】本発明の固体電解質型燃料電池モジュールの実施形態の一例を示す側断面図である。
【図５】従来の固体電解質型燃料電池モジュールの実施形態の一例を示す側断面図である。
【符号の説明】
１     発電室
２     固体電解質型燃料電池スタック
３     燃料供給室
４     燃料供給管
５     燃料排出室
６     空気熱交換器
７     空気排出管
８     断熱材
９     燃料導入管
１０   燃料排出管
１１   空気導入管
１２   空気排出管
１３   上部管板
１４   下部管板
１５   改質装置
１６   容器
１７   輻射変換体
１８   熱交換器
１９   排燃料回収管
１００ 水蒸気改質触媒
ＳＡ   供給空気
ＥＡ   排空気
ＳＦ   燃料ガス
ＥＦ   排燃料
ＮＧ／ＳＴ    天然ガスと水蒸気の混合ガス
【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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