(57)【要約】【課題】モジュール内の温度分布をより均一にする。【解決手段】内側容器１０７の内部において、下側（大地側）に燃料電池セルスタック１０１が配置され、この上方に、バーナー１０６，改質器１０２，燃料予熱器１０５，水蒸気発生器１０４，及び空気予熱器１０３が配置されている。また、防炎壁１０９に仕切られた内側容器１０７の下側には、燃料電池セルスタック１０１が配置され、上側には、バーナー１０６，改質器１０２，燃料予熱器１０５，水蒸気発生器１０４，及び空気予熱器１０３が配置されている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気極，電解質，及び燃料極を備えた複数の単セルよりなる燃料電池セルスタックと、
前記燃料電池セルスタックに供給されるガスを予熱する予熱器と、
前記燃料電池セルスタック及び前記予熱器を収容する容器と
を少なくとも備え、
前記容器の内部において、前記燃料電池セルスタックの上方に前記予熱器が配置されている
ことを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池モジュールにおいて、
前記燃料電池セルスタックが配置された前記容器の下部領域と前記予熱器が配置された前記容器の上部領域との間に配置されて複数の開口部を備えた仕切り
を備えることを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項３】
請求項１又は２載の燃料電池モジュールにおいて、
前記燃料電池セルスタックと前記予熱器との間に配置され、前記空気極から排出される空気極排ガスと前記燃料極から排出される燃料極排ガスとを燃焼させて前記改質器を加熱するバーナーと、
前記バーナーの上方に配置されて前記燃料極に対して供給される燃料ガスを改質する改質器と、
前記バーナーの上方に配置されて前記改質器に水蒸気を供給する水蒸気発生器と
を備えることを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池モジュールにおいて、
前記予熱器は、
前記空気極に供給する空気を予熱する空気予熱器及び前記燃料極に供給する燃料を予熱する空気予熱器である
ことを特徴とする燃料電池モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに搭載されて発電を行う燃料電池モジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、規模の大小にかかわらず高い効率が得られることから、次世代のコジェネレーションシステムに用いられる発電手段として、燃料電池が注目されている（非特許文献１参照）。燃料電池は、酸素などの酸化剤ガスと水素などの燃料ガスとの化学反応を利用した電池であり、空気極と呼ばれる陽極及び燃料極と呼ばれる陰極で電解質の層を挾んだ単セルを、複数重ね合わせたセルスタックとして用いている。
【０００３】
このような燃料電池システムでは、高い発電効率を実現するために、燃料電池のセルスタックから発生した熱や燃料極排ガスの燃焼熱などを効率的に管理することが可能な燃料電池モジュールの構成が必要となる。特に、固体酸化物形燃料電池などの高温型の燃料電池の場合には、断熱や保温に関する要求条件が厳しく、効率的な燃料電池モジュールの実現が強く求められている。
【０００４】
ここで、従来よりあるよく知られた燃料電池モジュールの構成について簡単に説明する。図３は、このような燃料電池モジュールの概略的な構成を示す構成図である。この燃料電池モジュールは、燃料電池セルスタック３０１，改質器３０２，空気予熱器３０３，水蒸気発生器３０４，燃料予熱器３０５，バーナー３０６などを備えている。
【０００５】
以下、燃料電池モジュールの動作について説明する。まず、燃料電池セルスタック３０１による発電に必要な空気は、本モジュールが含まれている燃料電池システム内の他の装置（図示せず）により、フィルタリング，加圧，及び低温予熱などの工程を経て空気予熱器３０３に供給される。このようにして空気予熱器３０３に供給された空気は、空気予熱器３０３により発電に適した温度に昇温されて燃料電池セルスタック３０１に供給される。なお、発電に適した温度としては、例えば、リン酸型燃料電池では１５０℃〜２００℃，溶融炭酸塩型燃料電池では５５０℃〜６５０℃である。
【０００６】
次に、水は、本モジュールが含まれている燃料電池システム内の他の装置（図示せず）により、フィルタリング及び低温予熱などの工程を経て水蒸気発生器３０４に供給される。このようにして水蒸気発生器３０４に供給された水が、水蒸気発生器３０４により、都市ガスなどの燃料の改質に必要な水蒸気とされる。
【０００７】
また、燃料としての都市ガスは、本モジュールが含まれている燃料電池システム内の他の装置（図示せず）により、加圧，低温予熱，脱硫などの処理の後、低温予熱により水蒸気の凝縮温度以上に昇温されてから燃料予熱器３０５に供給される。この後、燃料予熱器３０５で、改質器３０２の動作に適した温度に昇温され、水蒸気発生器３０４からの水蒸気が混合され、改質器３０２に供給される。
【０００８】
また、バーナー３０６には、燃料電池セルスタック３０１から供給される燃料極排ガス及び空気極排ガスが供給され、これらガスが燃焼される。この燃焼による熱が改質器３０２に供給される。改質器３０２では、バーナー３０６から供給される熱により、水蒸気と混合されてい供給された燃料の改質が行われ、水素が主成分の改質ガスを生成し、生成した改質ガスを燃料電池セルスタック３０１に供給している。
【０００９】
また、燃料電池セルスタック３０１では、空気予熱器３０３から供給される空気と改質器３０２から供給される改質ガスとにより発電を行い、直流の電力を発生（生成）している。このようにして生成している直流電力は、図示していないインバータなどの燃料電池システムに搭載されている電力変換装置により、所望の電圧の電力に変換されて負荷に供給される。このように、従来の燃料電池モジュールにより、燃料電池システムの他の搭載機器と組み合わせることにより、所望の発電動作が行える。
【００１０】
【非特許文献１】「燃料電池発電」、電気学会  燃料電池運転性調査専門委員会  編、株式会社  コロナ社、ｐｐ．２１６−２２３、１９９４年。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、上述したような燃料電池モジュールは、多くの機器から構成され、機器間の熱のやりとりが複雑である。このため、従来の燃料電池モジュールでは、機器の配置の最適化がなされていない場合、局所的な温度上昇や温度低下がモジュール内で生じ、正常な動作に支障を来すという問題があった。
【００１２】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、モジュール内の温度分布をより均一にすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明に係る燃料電池モジュールは、空気極，電解質，及び燃料極を備えた複数の単セルよりなる燃料電池セルスタックと、燃料電池セルスタックに供給されるガスを予熱する予熱器と、燃料電池セルスタック及び予熱器を収容する容器とを少なくとも備え、容器の内部において、燃料電池セルスタックの上方に予熱器が配置されているようにしたものである。燃料電池セルスタックから発生して上昇する熱により、予熱器が加熱されるようになる。
【００１４】
上記燃料電池モジュールにおいて、燃料電池セルスタックが配置された容器の下部領域と予熱器が配置された容器の上部領域との間に配置されて複数の開口部を備えた仕切りを備えるようにしてもよい。
【００１５】
上記燃料電池モジュールにおいて、燃料電池セルスタックと予熱器との間に配置され、空気極から排出される空気極排ガスと燃料極から排出される燃料極排ガスとを燃焼させて改質器を加熱するバーナーと、バーナーの上方に配置されて燃料極に対して供給される燃料ガスを改質する改質器と、バーナーの上方に配置されて改質器に水蒸気を供給する水蒸気発生器とを備える。また、予熱器は、空気極に供給する空気を予熱する空気予熱器及び燃料極に供給する燃料を予熱する空気予熱器である。
【発明の効果】
【００１６】
以上説明したように、本発明によれば、容器の内部において、燃料電池セルスタックの上方に予熱器が配置されているようにし、燃料電池セルスタックから発生して上昇する熱により、予熱器が加熱されるようにしたので、モジュール内の温度分布がより均一になるという優れた効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について図１及び図２を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態における燃料電池モジュールの構成を示す構成図である。図１では、断面を模式的に示している。また、図２（ａ）は、燃料電池モジュールの内部を示す斜視図、図２（ｂ）は、内部に配置される各機器の構成を示す斜視図である。
【００１８】
本実施の形態における燃料電池モジュールは、まず、複数の燃料電池セルスタック１０１，改質器１０２，空気予熱器１０３，水蒸気発生器１０４，燃料予熱器１０５，バーナー１０６を備えている。また、本燃料電池モジュールは、上記各構成を収容する内側容器１０７を備え、また、内側容器１０７を収容する断熱容器１０８を備えている。このように構成された内側容器１０７と断熱容器１０８との間には、所定の間隔を開けることによる空間で排ガス流通層１１０が形成されて二重構造となっている。また、断熱容器１０８の底部には、断熱容器排気口１８１が設けられ、ここに排気管１１１が接続されている。
【００１９】
内側容器１０７は、側部及び底部の内側容器隔壁１７１と上部の内側容器排気隔壁１７２とから構成され、内側容器排気隔壁１７２には、複数の内側容器排気口１７２ａが設けられている。内側容器排気壁１７２は、例えば、メッシュ状の構造体であっても良い。従って、内部容器１０７の内側は、内側容器排気口１７２ａにより排ガス流通層１１０に連通している。また、排ガス流通層１１０は、断熱容器排気口１８１及び排気管１１１により外部に連通している。従って、内部容器１０７の内側は、内側容器排気口１７２ａ，排ガス流通層１１０，断熱容器排気口１８１，及び排気管１１１を介して外部に連通している。
【００２０】
また、内側容器１０７には、内部を下側（大地側）と上側とに分ける仕切りとなる防炎壁（仕切り）１０９が設けられている。防炎壁１０９は、複数の開口部を備え、例えばメッシュ状の構造体であればよい。内側容器１０７の内部では、防炎壁１０９の上記開口部により下側と上側とが連通している。防炎壁１０９は、例えばステンレス鋼などの高い熱伝導性を備え、また７００〜１０００℃の高温に耐えられる高い耐熱性を備える材料から構成されている。
【００２１】
内側容器１０７の内部において、下側（大地側）に燃料電池セルスタック１０１が配置され、この上方に、バーナー１０６，改質器１０２，燃料予熱器１０５，水蒸気発生器１０４，及び空気予熱器１０３が配置されている。従って、内側容器１０７の内部において、燃料電池セルスタック１０１の上方に各予熱器が配置されていることになる。また、燃料電池セルスタック１０１と各予熱器との間にバーナー１０６が配置され、バーナー１０６の上方に改質器１０２及び水蒸気発生器１０５が配置されていることになる。
【００２２】
また、防炎壁１０９に仕切られた内側容器１０７の下側に、燃料電池セルスタック１０１が配置され、上側に、バーナー１０６，改質器１０２，燃料予熱器１０５，水蒸気発生器１０４，及び空気予熱器１０３が配置されていることになる。ここで、固体酸化物形燃料電池の動作温度は７００〜１０００℃と高温であり、燃料電池セルスタック１０１からの熱の伝達は、対流よりも輻射によるものが主となる。この燃料電池セルスタック１０１が配置されている側からの輻射熱は、防炎壁１０９を加熱することになり、加熱された防炎壁１０９からの輻射熱は、より均一な状態となる。このように、防炎壁１０９を設けることで、下部領域に配置された燃料電池セルスタック１０１からの熱が、より均一な状態で、上部領域の各機器に伝播されるようになる。
【００２３】
なお、内側容器１０７は、例えばステンレス鋼などの高い熱伝導性を備え、また７００〜１０００℃の高温に耐えられる高い耐熱性を備える材料から構成されている。断熱容器１０８は、アルミナやムライトなどのセラミックス系の材料やこれらの多孔質体などの耐熱断熱材から構成されている。
【００２４】
次に、上述した構成の燃料電池モジュールの動作について説明する。まず、燃料電池セルスタック１０１による発電に必要な空気は、本モジュールが含まれている燃料電池システム内の他の装置（図示せず）により、フィルタリング，加圧，及び低温予熱などの工程を経て、空気供給経路１１２により空気予熱器１０３に供給される。このようにして空気予熱器１０３に供給された空気は、空気予熱器１０３により発電に適した温度に昇温されて燃料電池セルスタック１０１に供給される。なお、発電に適した温度としては、例えば、リン酸型燃料電池では１５０℃〜２００℃，溶融炭酸塩型燃料電池では５５０℃〜６５０℃である。
【００２５】
次に、水は、本モジュールが含まれている燃料電池システム内の他の装置（図示せず）により、フィルタリング及び低温予熱などの工程を経て、水供給経路１１３により水蒸気発生器１０４に供給される。このようにして水蒸気発生器１０４に供給された水が、水蒸気発生器１０４により、都市ガスなどの燃料の改質に必要な水蒸気とされる。
【００２６】
また、燃料としての都市ガスは、本モジュールが含まれている燃料電池システム内の他の装置（図示せず）により、加圧，低温予熱，脱硫などの処理の後、低温予熱により水蒸気の凝縮温度以上に昇温されてから、燃料供給経路１１４により燃料予熱器１０５に供給される。この後、燃料予熱器１０５で、改質器１０２の動作に適した温度に昇温され、水蒸気発生器１０４からの水蒸気が混合され、改質器１０２に供給される。
【００２７】
改質器１０２では、主にバーナー１０６から供給される熱により、水蒸気と混合されてい供給される燃料の改質が行われ、水素が主成分の改質ガスを生成し、生成した改質ガスを燃料電池セルスタック１０１に供給している。
【００２８】
燃料電池セルスタック１０１では、空気予熱器１０３から供給される空気と改質器１０２から供給される改質ガスとにより発電を行い、直流の電力を発生（生成）している。このようにして生成している直流電力は、図示していないインバータなどの燃料電池システムに搭載されている電力変換装置により、所望の電圧の電力に変換されて負荷に供給される。
【００２９】
また、燃料電池セルスタック１０１からは、発電の結果、燃料極排ガス及び空気極排ガスが排出される。これらの排ガスの中で、燃料極排ガスの一部は、改質器１０２に再循環されて再利用される。また、燃料極排ガスの他の一部（残り）と空気極排ガスとは、バーナー１０６に供給されて燃焼する。空気極排ガスは、内側容器１０７の内部に直接排出され、防炎壁１０９の開口部を通して内側容器１０７の上側のバーナー１０６の所に供給される。一方、燃料極排ガスは、所定の配管による燃料極排ガスリサイクル経路１１５により改質器１０２及びバーナー１０６に供給される。
【００３０】
上述したような発電動作により、内側容器１０７の内部においては、まずこの下側で、燃料電池セルスタック１０１から熱及び高温の空気極排ガスが発生し、これらが、防炎壁１０９を介して上側に供給されている。また、内側容器１０７の内部の上側では、バーナー１０６により熱が発生している。上述した燃料電池セルスタック１０１から排出される空気極排ガスは、この一部がバーナー１０６で消費された後、発生している各熱により加熱され高温となる。また、燃料電池セルスタック１０１及びバーナー１０６からの熱により、改質器１０２や空気予熱器１０３，水蒸気発生器１０４，及び燃料予熱器１０５などの燃料電池セルスタック１０１に供給されるガスを予熱する予熱器が加熱される。
【００３１】
以上のようにして、空気極排ガスを含む内側容器１０７内のガス（排ガス）は、燃料電池セルスタック１０１及びバーナー１０６により加熱されて内側容器１０７の内部を上昇し、内側容器排気隔壁１７２の内側容器排気口１７２ａより、排ガス流通層１１０に排出される。排ガス流通層１１０に排出された高温の排ガスは、排ガス流通層１１０内を内側容器１０７の周囲を包み込むようにして下方に流れ、断熱容器排気口１８１より排気管１１１に排出され、燃料電池システムに搭載される図示しない低温予熱器や熱回収装置へ供給される。
【００３２】
上述した本実施の形態における燃料電池モジュールによれば、内側容器１０７の内部においては、改質器１０２，空気予熱器１０３，水蒸気発生器１０４，及び燃料予熱器１０５に対し、発熱源となる燃料電池セルスタック１０１が下方に配置された状態となっている。燃料電池セルスタック１０１から発生した熱により加熱される内側容器１０７の内部のガスは、内側容器１０７の内部を上昇することになるが、この方向に、改質器１０２，空気予熱器１０３，水蒸気発生器１０４，及び燃料予熱器１０５が配置されていることになる。
【００３３】
このため、本燃料電池モジュールによれば、燃料電池セルスタック１０１より発生した熱を効率よく改質器１０２，空気予熱器１０３，水蒸気発生器１０４，及び燃料予熱器１０５の加熱に用いることができるようになる。バーナー１０６より発生した熱についても同様である。また、燃料電池セルスタック１０１を、内側容器１０７の底部に配置することで、モジュール（内側容器１０７）内に、局所的な温度勾配が形成されることが抑制できるようになる。これらの効果は、システム（モジュール）の複雑化や部品点数の大きな増加などをすることなく得られる。
【００３４】
また、上述した本実施の形態の燃料電池モジュールによれば、内側容器１０７から内側容器排気隔壁１７２を介して排出された排ガスは、外部に直接排出することなく、断熱容器１０８の内部において、排ガス流通層１１０を経由して断熱容器排気口１８１より外部に排出される。このため、燃料電池モジュール（内側容器１０７）の内部で発生した排ガスは、排ガス流通層１１０を介さずに直接外部に排出する場合に比較し、排ガスの排出流量を低下させることなく、より長い時間をかけて断熱容器１０８より外部に排出されることになる。なお、内側容器排気隔壁１７２を介して排出された排ガスは、断面積の狭くなっている排ガス流通層１１０を通過することになり、流速が早くなる。
【００３５】
このように、高温とされている排ガスが排ガス流通層１１０を流れるようになるので、内側容器１０７内の温度をより均一にすることができるようになり、モジュール（内側容器１０７）内に、局所的な温度勾配が形成されることが抑制できるようになり、モジュールの内部の保温効果を向上させることができる。例えば、内側容器隔壁１７１がなく排ガス流通層１１０が形成されていない場合、燃料電池セルスタック１０１から断熱容器１０８の内側面にかけての空間では、熱源の燃料電池セルスタック１０１から遠ざかるにつれて減少する温度勾配が形成される。これに対し、排ガス流通層１１０が形成されてここに高温の排ガスが流れていることにより、熱源から離れている断熱容器１０８の内側面近傍も高温の状態となり、上記温度勾配が緩慢になる。これらの効果は、システム（モジュール）の複雑化や部品点数の大きな増加などをすることなく得られる。
【００３６】
燃料電池モジュールは、多くの機器から構成され、機器間の熱のやりとりが複雑であるため、各機器の配置の最適化がなされていない場合、局所的な温度上昇や温度低下がモジュール内で生じ、正常な動作に支障を来すようになる。このような問題が、上述した本実施の形態における燃料電池モジュールによれば解消でき、モジュール内の温度分布をより均一にすることができる。
【００３７】
また、本実施の形態における燃料電池モジュールでは、燃料予熱器１０５に対して外部より供給される燃料としての都市ガスを、バーナー用燃料供給経路１１６により、バーナー１０６に供給可能としている。このため、例えば燃料電池の始動時に、空気供給経路１１２，空気予熱器１０３，及び燃料電池セルスタック１０１を介して内側容器１０７の内部に供給される空気と、バーナー用燃料供給経路１１６により供給される燃料とにより、バーナー１０６を燃焼動作させることが可能となる。これにより、燃料電池モジュール内の各部の昇温を行うことができる。
【００３８】
燃料電池モジュールの各構成部分が動作可能な状態となった後に、前述したように、燃料予熱器１０５への燃料ガス（都市ガス）の供給を開始し、また、水の供給を開始して改質器１０２の動作を開始し、発電動作を開始すればよい。このようにして発電動作が開始された後、燃料電池セルスタック１０１より燃料極排ガスが排出されたら、バーナー用燃料供給経路１１６による都市ガスの供給を停止し、定常運転動作に移行すればよい。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の実施の形態における燃料電池モジュールの構成を示す構成図である。
【図２】燃料電池モジュールの内部を示す斜視図（ａ）及び内部に配置される各機器の構成を示す斜視図（ｂ）である。
【図３】従来よりある燃料電池モジュールの概略的な構成を示す構成図である。
【符号の説明】
【００４０】
１０１…燃料電池セルスタック、１０２…改質器、１０３…空気予熱器、１０４…水蒸気発生器、１０５…燃料予熱器、１０６…バーナー、１０７…内側容器、１０８…断熱容器、１０９…防炎壁（仕切り）、１１０…排ガス流通層、１１１…排気管、１１２…空気供給経路、１１３…水供給経路、１１４…燃料供給経路、１１５…燃料極排ガスリサイクル経路、１１６…バーナー用燃料供給経路、１７１…内側容器隔壁、１７２…内側容器排気隔壁、１７２ａ…内側容器排気口。
【図１】
2009076275.tif 000003
【図３】
2009076275.tif 000004
【図２】
2009076275.tif 000005