JPH08287939A - 固体電解質燃料電池モジュール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 下部管板１１と下方の発電室１との間に、多
孔体の輻射変換体１０１を設置し、下部管板１１で上方
が、輻射変換体１０１で下方がそれぞれ区画される空気
供給室１０２を、燃料排出室５と発電室１の間に設け、
この空気供給室１０２と発電室１からの排空気ＥＡを使
って供給空気ＳＡを予熱する空気熱交換器１０３とを連
結する空気供給管１０４を設け、この空気供給管１０４
で空気供給室１０２に供給空気ＳＡを供給し、空気供給
室１０２から輻射変換体１０１内を通化させ、加熱し
て、発電室１へ供給するようにした、固体電解質燃料モ
ジュール。 【効果】 下部管板１１に発生していた不具合が解消で
きるとともに、空気熱交換器１０１の容量を低減でき
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高温の作動温度になる
発電室上方に設置される燃料排出室を画成する下部管板
を高温から保護するとともに、発電室からの放射熱を効
果的に利用できるようにした固体電解質燃料電池モジュ
ールに関する。

【０００２】

【従来の技術】固体電解質燃料電池モジュールは、作動
温度が８００℃から１０００℃と高く、円筒状の電解質
の内側に燃料極を設けるとともに、外側に空気極を配置
した固体電解質燃料電池を複数個直列に接続し、一端が
閉鎖された円筒状の固体電解質燃料電池スタック（以下
単にスタックという）を鉛直に配設して、供給された燃
料と空気を使って発電を行う発電室を高温に維持する必
要がある。このため、発電室を、その内部に区画して設
ける容器の外周は、断熱材で被包されるとともに、空気
熱交換器を用いて発電室から排出される排空気との間で
再生熱交換を行い、供給空気を予熱するとともに、容器
内の発電室下方に輻射変換体を設けて、高温のスタック
から放射される熱により加熱された輻射変換体で、空気
熱交換器で予熱され、発電室に導入される途中の供給空
気を加熱するようにしている。

【０００３】図２は、このような、従来の固体電解質燃
料電池モジュールを示す断面図である。図において、外
周が断熱材９で被包された容器１２の内部には発電室１
が、上部を下部管板１１で、下部を輻射変換体０７で区
画されて形成されている。この発電室１には、内側に燃
料極、外側に電解質を介装して空気極を配置した固体電
解質燃料電池を複数直列に接続してなり、下端を閉鎖し
た円筒型のスタック２が多数鉛直状態に配置されてい
る。また、下部管板１１で上部が区画された発電室１の
上方の容器１２の内部には、下部管板１１および下部管
板１１と間隔を設けて、その上方に設けられた上部管板
１０で区画された燃料排出室５が、さらに、上部管板１
０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。また、輻射変換体７で下部が区画された発電
室１の下方の容器１２の内部には、輻射変換体７と間隔
を設けて空気熱交換器６が設けられている。

【０００４】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１３が連結されており、こ
の燃料導入管１３によって、燃料ガスＳＦは、容器１２
の上端に設けられた燃料供給室３に供給される。また、
円筒型のスタック２の軸心部には、燃料供給管４が設置
され、その上端が燃料供給室３に連通するとともに、下
端はスタック２の端部が閉鎖された下端部に連通させて
いる。燃料ガスＳＦは、燃料供給室３から燃料供給管４
内を通ってスタック２の下端部に供給され、スタック２
の軸心部に設置された燃料供給管４の外周面に沿って上
昇するとき、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の上端に開口を設けた下部管板１０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１４によって、容器１２内から排気される。

【０００５】また、燃料ガスＳＦとともに、スタック２
における発電に使用される供給空気ＳＡは、空気導入管
１５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Ｅ
Ａを容器１２へ排出するため、発電室１から垂下された
空気排出管８が連結されている。空気導入管１５で供給
された供給空気ＳＡは、空気排出管８で発電室１から排
出された排空気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０７の下方に供給される。輻射変換体０７は、ス
タック２から放射される熱を受熱し高温となっており、
その内部を下方から上方へ通過する予熱された供給空気
ＳＡをさらに加熱する。

【０００６】このように、発電室１内の発熱を利用し
て、輻射変換体７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。また、輻射変換体７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８に集められ、空気熱交換器６に排出され、供給空
気ＳＡの予熱に使用された後、空気排出管１６によって
容器１２外へ排気される。

【０００７】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１２の外周を被包する断熱材９により保温するこ
とにより、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１０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１０とともに燃料排出室５を区画
し、容器１２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１１は、スタック２の軸心部に垂下さ
せた燃料供給管４を支持すると共に、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Ｅ
Ｆとの混合を防止している。

【０００８】このような、従来の固体電解質燃料電池モ
ジュールでは、上述したように発電室１内はスタック２
における発電のために必要な作動温度８００〜１０００
℃を維持する必要がある一方、スタック２を発電室１内
で支持する下部管板１１は、発電室１の上方に隣接して
設けられているため、発電室１内の高温にさらされるこ
とになる。このため、特に、下部管板１１の温度が高温
となり、強度が低下し、多数のスタック２を支持するた
めには、厚肉化や高級材料の使用が必要となるなどの不
具合がある。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上述した従
来の固体電解質燃料電池モジュールの不具合を解消する
ため、下部管板の高温化を低減するとともに、発電室か
らの放射熱を発電室に供給される供給空気の加熱に、よ
り効果的に利用できるようにして熱効率を高めた固体電
解質燃料電池モジュールを提供することを課題とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】このため、本発明の固体
電解質燃料電池モジュールは次の手段とした。

【００１１】断熱材で被包された容器内部に画成された
発電室、発電室に垂設され、電解質を介して内側に燃料
極、外側に空気極を配置した固体電解質燃料電池を複数
個直列に接続し、下端を閉鎖した円筒状にされたスタッ
ク、容器内部の発電室上方に画成された燃料供給室、発
電室と燃料供給室の間に区画され、スタックの上端を開
口させた燃料排出室、一端を燃料供給室に開口させ、他
端をスタックの下端内部に開口させて、スタックの内部
に挿通された燃料供給管、および容器内部の発電室下方
に設置され、発電室に供給する供給空気を予熱する空気
熱交換器からなる固体電解質燃料電池モジュールにおい
て、 （１）発電室の上方に形成される燃料排出室の下方を区
画する下部管板で上方が区画される空気供給室の下方を
区画し、発電室と燃料排出室との間に空気供給室を形成
する、多孔質の素材で成形された輻射変換体を発電室上
方の容器内に設けた。

【００１２】（２）発電室下方の容器内部に設置された
空気熱交換と空気供給室とを連結し、空気熱交換で予熱
された供給空気を、輻射変換体の上方から下方に通過さ
せて、さらに加熱するため、空気供給室に移送する空気
供給管を発電室内に設けた。

【００１３】

【作用】本発明の固体電解質燃料電池モジュールは、上
述した（１），（２）の手段により、発電室内の温度に
比べて低い予熱後の供給空気を、下部管板の直下に供給
でき、下部管板の温度を低下させる。これにより、下部
管板の応力低下を低減でき、下部管板の厚肉化、若しく
は高温による応力低下の少ない高級材料の使用が回避で
き、低コストにできるとともに、軽量化によるコンパク
ト化が図れる。また、輻射変換体を下部管板と発電室と
の間に設置し、空気供給室に供給された予熱後の供給空
気を、輻射変換体の内部を通過させ、加熱して発電室に
供給することにより、発電室への供給空気の温度を上げ
ることができ、若しくは空気熱交換器の容量を低減し小
型化することができる。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の固体電解質燃料電池モジュー
ルの実施例を、図面にもとづき説明する。図１は、本発
明の固体電解質燃料電池モジュールの一実施例を示す側
断面図である。なお、図２に示す部材と同一の部材に
は、同一符番を行って、詳細説明は省略した。

【００１５】図において、１０１は発電室１の上方の容
器１２内部に設けられた輻射変換体で、発電室１の上方
に形成される燃料排出室５の下方を区画する下部管板１
１とともに、発電室１と燃料排出室５との間に、空気供
給室１０２を区画、形成する。輻射変換体１０１は、セ
ラミック等の多孔質の素材で形成されている。１０３は
空気熱交換器で、図２に示す空気熱交換器０６と略同一
構造をしているが、本実施例による空気熱交換器１０３
では、予熱した供給空気ＳＡを直接発電室１へ放出せ
ず、発電室１内に立設された空気供給管１０４で空気供
給室１０２へ移送するとともに、発電室１内を下降する
排空気ＥＡを直接内部へ取入れるようにして、供給空気
ＳＡを予熱するようにしている。

【００１６】以上、本実施例について、図２に示す従来
の固体電解質燃料電池モジュールとの相異する構成につ
いてのみ説明した。本実施例は、上述のように構成され
ているので、燃料導入管１３を通って外部から燃料供給
室３へ供給された燃料ガスＳＦは、燃料供給室３と燃料
排出室５とを仕切る上部管板１０に上端が支持された燃
料供給管４を通って、内側に燃料極、外側に空気極を配
置した固体電解質燃料電池を複数直列に接続して、燃料
排出室５と空気供給室１０２を仕切る下部管板１１に上
端が支持され、発電室１内に吊下された円筒型のスタッ
ク２の下端部に導入される。

【００１７】円筒型のスタック２の下端は、閉鎖されて
おり、下端部に導入された燃料ガスＳＦは、スタック２
の内側に設けられた燃料極における発電反応に使用され
つつ上昇し、排燃料ＥＦとなって、スタッフ２の上端が
開口する燃料排出室５に流入する。そして、燃料排出管
５に設けられた燃料排出管１４によって、容器１２の外
部へ排出される。この燃料ガスＳＦ、および排燃料ＥＦ
については、図２で示した従来例と全く同様にして、容
器１２へ導入され、発電反応を行い、容器１２から排出
される。

【００１８】次に、供給空気ＳＡは、空気導入管１５に
よって、容器１２の下端に設けられた空気熱交換器１０
３へ供給される。空気熱交換器１０３では、発電室１内
を下降して空気熱交換器１０３に流入する排空気ＥＡ、
すなわち、空気極における発電反応、又は発電室１内の
冷却に使用され、高温にされた排空気ＥＡと供給空気Ｓ
Ａの間で熱交換を行う。空気熱交換器１０３により排空
気ＥＡとの間で再生熱交換を行い、予熱された供給空気
ＳＡは、発電室１を貫通して設けられた空気供給管１０
４を通じて、下部管板１１の下方に設置された空気供給
室１０へ供給される。

【００１９】空気供給室１０へ供給された供給空気ＳＡ
は、下部管板１１と輻射変換体１２間との間を流れる
間、下部管板１１を下面から冷却した後、発電室１から
の放射熱で加熱された輻射変換体１２内を通過すると
き、さらに加熱され、発電室１の上方へ供給される。ま
た、上方から発電室１へ供給された供給空気ＳＡは、ス
タック２の外周に沿って下降するとき、スタック２の外
側に設けられた空気極と発電反応し、発電を行い、９０
０〜１０００℃に加熱された排空気ＥＡとなって、発電
室１下方に設けられた空気熱交換器１０３に流入する。
また、供給空気ＳＡは、前述した発電反応に使用される
ほか、スタック２の発電に伴い発生する高温で加熱され
る容器２内部、例えば、前述した下部管板１１、発電室
１を冷却にも使用される。空気熱交換器１０３に流入し
た排空気ＥＡは、前述したように、供給空気ＳＡと熱交
換して空気排出管１６によって、容器１２の外へ排出さ
れる。

【００２０】このように、本実施例の固体電解質燃料電
池モジュールは、発電室１内の温度に比べて、低い予熱
後の供給空気ＳＡを下部管板１１の直下に供給し、下部
管板１１の温度を低下させることにより、高温により応
力が低下する下部管板１１の応力低下を低減でき、下部
管板１１の厚肉化、若しくは高温による応力低下の少な
い高級材料の使用が回避でき、低コストにできるととも
に、下部管板１１を軽量にできる。

【００２１】また、輻射変換体１０１を下部管板１１と
発電室１との間に設置し、空気供給室１０２に供給され
た予熱後の供給空気を、輻射変換体１０１の内部を通過
させて、加熱して発電室１に供給するようにしたことに
より、発電室１への供給空気ＳＡの温度を上げることが
できる。このことは、逆に言えば、所定温度の供給空気
ＳＡを発電室１へ供給するために必要としていた容量の
大きい空気熱交換器１０３の容量が、低減できることを
意味しており、前記した下部管板１１の軽量化と相俟っ
て、固体電解質燃料電池モジュールを小型化することが
できる。

【００２２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の固体電解
質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。

【００２３】（１）空気熱交換器により予熱された供給
空気は、発電室内の温度に比べて低く、この供給空気に
より下部管板の冷却を行うため、高温による応力低下に
対応するため、厚肉化や高級材料の使用を必要としてい
た、下部管板を軽量にできるとともに、低コストにでき
る。

【００２４】（２）発電室と下部管板との間に設置した
輻射変換体により、発電室からの放射熱を回収し、供給
空気の加熱を行うため、発電室への供給温度を高くで
き、若しくは所定温度の供給空気を予熱して、発電室へ
するための空気熱交換器を小型化することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の固体電解質燃料電池モジュールの一実
施例を示す側断面図。

【図２】従来の固体電解質燃料電池モジュールの一例を
示す側断面図である。

【符号の説明】

１ 発電室 ２ スタック ３ 燃料供給室 ４ 燃料供給管 ５ 燃料排出室 ８ 空気排出管 ９ 断熱材 １０ 上部管板 １１ 下部管板 １２ 容器 １３ 燃料導入管 １４ 燃料排出管 １５ 空気導入管 １６ 空気排出管 １０１ 輻射変換体 １０２ 空気供給室 １０３ 空気熱交換器 １０４ 空気供給管 ０６ 空気熱交換器 ０７ 輻射変換体 ＳＡ 供給空気 ＥＡ 排空気 ＳＦ 燃料ガス ＥＦ 排燃料

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 永田 勝己 長崎市飽の浦町１番１号 三菱重工業株式 会社長崎造船所内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 断熱材で被包された容器内部に画成され
   た発電室、前記発電室に垂設され、電解質を介して内側
   に燃料極、外側に空気極を配置した固体電解質燃料電池
   を複数個直列に接続し、下端を閉鎖した円筒状にされた
   スタック、前記容器内の前記発電室上方に画成された燃
   料供給室、前記発電室と前記燃料供給室の間に区画さ
   れ、前記スタックの上端を開口させた燃料排出室、一端
   を前記燃料供給室に開口させ、他端を前記スタックの下
   端内部に開口させて、前記スタックの内部に挿通された
   燃料供給管、および前記容器内の前記発電室下方に設置
   され、前記発電室に供給する供給空気を予熱する空気熱
   交換器を具える固体電解質燃料電池モジュールにおい
   て、前記発電室の上方に設置され、前記燃料排出室との
   間に空気供給室を形成する多孔体の輻射変換体と、前記
   空気熱交換器で予熱された供給空気を前記空気供給室に
   移送する空気供給管を設けたことを特徴とする固体電解
   質燃料電池モジュール。