燃料電池モジュール
【課題】小型でありつつ、安定的に発電を行うことができる固体酸化物形燃料電池モジュールを提供する。
【解決手段】複数の発電ユニット２ａ、２ｂは、一の燃料電池２０ａと、当該一の燃料電池２０ａに隣接する他の燃料電池２０ｂに接続された酸化剤ガス予熱部１７ｂとが隣り合うように配されている。固体酸化物形燃料電池モジュール１は、区画部材２２を備えている。区画部材２２は、燃焼室１１の一の燃料電池２０ａが配された領域と、他の燃料電池２０ｂが配された領域とを区画すると共に、一の燃料電池２０ａが配された領域と、他の燃料電池２０ｂに接続された酸化剤ガス予熱部１７ｂが配された領域とを区画している。
【解決手段】複数の発電ユニット２ａ、２ｂは、一の燃料電池２０ａと、当該一の燃料電池２０ａに隣接する他の燃料電池２０ｂに接続された酸化剤ガス予熱部１７ｂとが隣り合うように配されている。固体酸化物形燃料電池モジュール１は、区画部材２２を備えている。区画部材２２は、燃焼室１１の一の燃料電池２０ａが配された領域と、他の燃料電池２０ｂが配された領域とを区画すると共に、一の燃料電池２０ａが配された領域と、他の燃料電池２０ｂに接続された酸化剤ガス予熱部１７ｂが配された領域とを区画している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池モジュールに関する。特に、本発明は、固体酸化物形燃料電池モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、新たなエネルギー源として、燃料電池モジュールに対する注目が大きくなってきている。燃料電池モジュールには、例えば下記の特許文献１に記載のような固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）モジュール、溶融塩燃料電池モジュール、リン酸型燃料電池モジュール、高分子固体電解質燃料電池モジュール等がある。これらの燃料電池モジュールの中でも、固体酸化物形燃料電池モジュールでは、液体の構成要素を用いる必要が必ずしもなく、炭化水素燃料を用いるときにも外部に改質器を設ける必要がない。このため、固体酸化物形燃料電池モジュールに対する研究開発が盛んに行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−２１２０３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
固体酸化物形燃料電池モジュールには、燃料電池の温度むらを小さくし、固体酸化物形燃料電池モジュールを安定的に動作させたいという要望がある。また、固体酸化物形燃料電池モジュールには、小型化したいという要望もある。
【０００５】
本発明は、斯かる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、小型でありつつ、安定的に発電を行うことができる固体酸化物形燃料電池モジュールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る燃料電池モジュールは、燃焼室と、複数の発電ユニットとを備えている。複数の発電ユニットのそれぞれは、燃料電池と、燃料ガス流路と、酸化剤ガス流路と、酸化剤ガス予熱部とを有する。燃料電池は、燃焼室内に配置されている。燃料電池は、燃料ガスと酸化剤ガスとが供給されることにより発電する。燃料ガス流路は、燃料電池に燃料ガスを供給する。酸化剤ガス流路は、燃料電池に酸化剤ガスを供給する。酸化剤ガス予熱部は、燃焼室内において、酸化剤ガス流路中に設けられている。酸化剤ガス予熱部は、酸化剤ガスを予熱する。複数の発電ユニットは、一の燃料電池と、当該一の燃料電池に隣接する他の燃料電池に接続された酸化剤ガス予熱部とが隣り合うように配されている。本発明に係る燃料電池モジュールは、区画部材をさらに備える。区画部材は、燃焼室の一の燃料電池が配された領域と、他の燃料電池が配された領域とを区画すると共に、一の燃料電池が配された領域と、他の燃料電池に接続された酸化剤ガス予熱部が配された領域とを区画している。
【０００７】
本発明に係る燃料電池モジュールのある特定の局面では、複数の発電ユニットは、第１及び第２の発電ユニットにより構成されている。第１の発電ユニットの燃料電池は、第２の発電ユニットの燃料電池よりも第１の方向の一方側に位置している。第１の発電ユニットの燃料電池と第２の発電ユニットの酸化剤ガス予熱部とは第１の方向に対して垂直な第２の方向において隣り合っている。第２の発電ユニットの燃料電池と第１の発電ユニットの酸化剤ガス予熱部とは第２の方向において隣り合っている。
【０００８】
本発明に係る燃料電池モジュールの他の特定の局面では、第１の方向から視た際に、第１及び第２の燃料電池は、第１の発電ユニットの燃料電池と第２の発電ユニットの燃料電池とが重なるように配されている。
【０００９】
本発明に係る燃料電池モジュールの別の特定の局面では、区画部材は、断熱材により構成されている。
【００１０】
本発明に係る燃料電池モジュールのさらに他の特定の局面では、燃料電池は、第１の排気口と、第２の排気口とを有する。第１の排気口は、発電に使用済みの酸化剤ガスである空気極側排気ガスを排気する。第２の排気口は、発電に使用済みの燃料ガスである燃料極側排気ガスを排気する。燃焼室は、排出口と、排出流路とを有する。排出口は、燃料電池から排気された排気ガスを燃焼室外に排出する。排出流路は、第１及び第２の排気口と排出口とを接続している。排出流路は、酸化剤ガス予熱部の少なくとも一部が、排出流路上に位置するか、または排出流路に面するように設けられている。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、小型でありつつ、安定的に発電を行うことができる固体酸化物形燃料電池モジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明を実施した一実施形態に係る固体酸化物形燃料電池モジュールの略図的ブロック図である。
【図２】本発明を実施した一実施形態に係る固体酸化物形燃料電池モジュールの模式的平面図である。
【図３】本発明を実施した一実施形態における燃料電池の発電セルの略図的分解斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明を実施した好ましい形態の一例について説明する。但し、下記の実施形態は、単なる例示である。本発明は、下記の実施形態に何ら限定されない。
【００１４】
また、実施形態等において参照する各図面において、実質的に同一の機能を有する部材は同一の符号で参照することとする。また、実施形態等において参照する図面は、模式的に記載されたものであり、図面に描画された物体の寸法の比率などは、現実の物体の寸法の比率などとは異なる場合がある。図面相互間においても、物体の寸法比率等が異なる場合がある。具体的な物体の寸法比率等は、以下の説明を参酌して判断されるべきである。
【００１５】
（固体酸化物形燃料電池モジュール１の構成）
図１は、本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池モジュールの略図的ブロック図である。図２は、本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池モジュールの模式的平面図である。
【００１６】
固体酸化物形燃料電池モジュール（ホットモジュールともいう。）１は、断熱材１０により包囲された燃焼室１１を備えている。燃焼室１１内には、図示しないヒーターが配されている。このヒーターにより燃焼室１１内の昇温が可能となっている。なお、ヒーターは電気ヒーター、ガスバーナーのどちらでもよい。
【００１７】
固体酸化物形燃料電池モジュール１は、複数の発電ユニットをさらに備えている。本実施形態では、固体酸化物形燃料電池モジュール１が、第１及び第２の発電ユニット２ａ、２ｂを備える例について説明する。
【００１８】
第１及び第２の発電ユニット２ａ、２ｂのそれぞれは、燃料電池２０ａ、２０ｂ、燃料ガス流路１２ａ、１２ｂ、酸化剤ガス流路１３ａ、１３ｂ、酸化剤ガス予熱部１７ａ、１７ｂを備えている。燃料電池２０ａ、２０ｂは、燃焼室１１内に配されている。燃料電池２０ａ、２０ｂは、燃料ガスと酸化剤ガスとが供給されることにより発電する。
【００１９】
燃料電池２０ａ、２０ｂには、燃料ガス流路１２ａ、１２ｂと、酸化剤ガス流路１３ａ、１３ｂとが接続されている。燃料ガス流路１２ａ、１２ｂは、燃料電池２０ａ、２０ｂに燃料ガスを供給するためのものである。燃料ガス流路１２ａ、１２ｂの少なくとも一部は、燃焼室１１内に配置されている。酸化剤ガス流路１３ａ、１３ｂは、燃料電池２０ａ、２０ｂに酸化剤ガスを供給するためのものである。酸化剤ガス流路１３ａ、１３ｂの少なくとも一部は、燃焼室１１内に配置されている。
【００２０】
燃料ガス流路１２ａ、１２ｂ中には、改質器１４ａ、１４ｂが設けられている。改質器１４ａ、１４ｂは、燃焼室１１内に配置されている。図２に示すように、第１の発電ユニット２ａの改質器１４ａは、燃料電池２０ａのｘ２側に配されている。第２の発電ユニット２ｂの改質器１４ｂは、燃料電池２０ｂのｘ１側に配されている。
【００２１】
燃料ガス流路１２ａ、１２ｂの改質器１４ａ、１４ｂよりも上流側（燃料ガスの流れる方向において燃料電池２０ａ、２０ｂとは反対側）の部分には、改質用水を供給するための改質用水流路１５ａ、１５ｂが接続されている。改質用水流路１５ａ、１５ｂの少なくとも一部は、燃焼室１１内に配されている。
【００２２】
燃焼室１１内において、燃料ガス流路１２ａ、１２ｂの改質器１４ａ、１４ｂよりも下流側（燃料ガスの流れる方向において燃料電池２０ａ、２０ｂ側）の部分には、燃料ガス予熱部１６ａ、１６ｂが設けられている。図２に示すように、第１の発電ユニット２ａの燃料ガス予熱部１６ａは、燃料電池２０ａのｘ２側に配されている。燃料ガス予熱部１６ａは、ｘ方向において、燃料電池２０ａと改質器１４ａとの間に配されている。第２の発電ユニット２ｂの燃料ガス予熱部１６ｂは、燃料電池２０ｂのｘ１側に配されている。燃料ガス予熱部１６ｂは、ｘ方向において、燃料電池２０ｂと改質器１４ｂとの間に配されている。
【００２３】
燃焼室１１内において、酸化剤ガス流路１３ａ、１３ｂ中には、酸化剤ガス予熱部１７ａ、１７ｂが設けられている。酸化剤ガス予熱部１７ａ、１７ｂは、燃料電池２０ａ、２０ｂに供給される酸化剤ガスを予熱する。
【００２４】
本実施形態では、燃焼室１１は、区画部材２２により、第１の燃焼室１１ａ１と第２の燃焼室１１ａ２とに区画されている。第１の発電ユニット２ａは、第１の燃焼室１１ａ１に配置されている。第２の発電ユニット２ｂは、第２の燃焼室１１ａ２に配置されている。このため、燃焼室１１の第１の発電ユニット２ａが設けられている領域と、燃焼室１１の第２の発電ユニット２ｂが設けられている領域とは、区画部材２２により区画されている。
【００２５】
なお、区画部材２２は、断熱材により構成されていることが好ましい。好ましく用いられる断熱材の具体例としては、例えば、セラミックファイバー系断熱材、アルミナファイバー系断熱材、ジルコニア系の熱伝導率の低いセラミックスやレンガ、断熱性能に優れたマイクロポーラス系断熱材をレンガやセラミック板で狭持したものなど、ある程度以上の強度を有するものが挙げられる。
【００２６】
（燃料電池２０ａ、２０ｂ）
図３は、本実施形態における燃料電池の発電セルの略図的分解斜視図である。次に、図３を参照しながら、燃料電池２０ａ、２０ｂの構成について説明する。
【００２７】
燃料電池２０ａ、２０ｂは、１または複数の発電セル２１を有する。発電セル２１は、第１のセパレータ５０と、発電要素４６と、第２のセパレータ４０とを有する。発電セル２１では、第１のセパレータ５０と、発電要素４６と、第２のセパレータ４０とがこの順番で積層されている。各セパレータには発生した電気を引き出すためのビアホール電極５１ａが設けられている。また、最上部のセパレータの上および最下部のセパレータの下には、電気を集めて引き出すための集電棒(図示省略)が設けられている。
【００２８】
発電セル２１は、酸化剤ガス流路１３ａ、１３ｂに接続されている酸化剤ガス用マニホールド４５と、燃料ガス流路１２ａ、１２ｂに接続されている燃料ガス用マニホールド４４とを有する。
【００２９】
（発電要素４６）
発電要素４６は、酸化剤ガス流路１３ａ、１３ｂを経由して酸化剤ガス用マニホールド４５から供給される酸化剤ガスと、燃料ガス流路１２ａ、１２ｂを経由して燃料ガス用マニホールド４４から供給される燃料とが反応し、発電が行われる部分である。
【００３０】
（固体酸化物電解質層４７）
発電要素４６は、固体酸化物電解質層４７を備えている。固体酸化物電解質層４７は、イオン導電性が高いものであることが好ましい。固体酸化物電解質層４７は、例えば、安定化ジルコニアや、部分安定化ジルコニアなどにより形成することができる。安定化ジルコニアの具体例としは、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、スカンジア安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ）等が挙げられる。部分安定化ジルコニアの具体例としは、イットリア部分安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、スカンジア部分安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ）等が挙げられる。また、固体酸化物電解質層４７は、例えば、ＳｍやＧｄ等がドープされたセリア系酸化物や、ＬａＧａＯ３を母体とし、ＬａとＧａとの一部をそれぞれＳｒ及びＭｇで置換したＬａ０．８Ｓｒ０．２Ｇａ０．８Ｍｇ０．２Ｏ（３−δ）などのペロブスカイト型酸化物などにより形成することもできる。
【００３１】
固体酸化物電解質層４７は、空気極層４９と燃料極層４８とにより挟持されている。すなわち、固体酸化物電解質層４７の一主面の上に空気極層４９が形成されており、他主面の上に燃料極層４８が形成されている。
【００３２】
（空気極層４９）
空気極層４９は、空気極４９ａを有する。空気極４９ａは、カソードである。空気極４９ａにおいては、酸素が電子を取り込んで、酸素イオンが形成される。空気極４９ａは、多孔質で、電子伝導率が高く、かつ、高温において固体酸化物電解質層４７等と固体間反応を起こしにくいものであることが好ましい。空気極４９ａは、例えば、スカンジア安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ）、Ｓｎをドープした酸化インジウム、ＰｒＣｏＯ３系酸化物、ＬａＣｏＯ３系酸化物、ＬａＭｎＯ３系酸化物などにより形成することができる。ＬａＭｎＯ３系酸化物の具体例としては、例えば、Ｌａ０．８Ｓｒ０．２ＭｎＯ３（通称：ＬＳＭ）や、Ｌａ０．６Ｃａ０．４ＭｎＯ３（通称：ＬＣＭ）等が挙げられる。空気極４９ａは、上記材料の２種以上を混合した混合材料により構成されていてもよい。
【００３３】
（燃料極層４８）
燃料極層４８は、燃料極４８ａを有する。燃料極４８ａは、アノードである。燃料極４８ａにおいては、酸素イオンと燃料とが反応して電子を放出する。燃料極４８ａは、多孔質で、イオン伝導性が高く、かつ、高温において固体酸化物電解質層４７等と固体間反応を起こしにくいものであることが好ましい。燃料極４８ａは、例えば、ＮｉＯ、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）・ニッケル金属の多孔質サーメットや、スカンジア安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ）・ニッケル金属の多孔質サーメット等により構成することができる。燃料極層４８は、上記材料の２種以上を混合した混合材料により構成されていてもよい。
【００３４】
（第１のセパレータ５０）
発電要素４６の空気極層４９の下には、第１のセパレータ本体５１と、第１の流路形成部材５２とにより構成されている第１のセパレータ５０が配置されている。第１のセパレータ５０には、空気極４９ａに空気を供給するための酸化剤ガス供給路５３が形成されている。図３に示すとおり、この酸化剤ガス供給路５３は、酸化剤ガス用マニホールド４５からｘ方向のｘ１側からｘ２側に向かって延びている。酸化剤ガス供給路５３の開口は、発電に使用済みの酸化剤ガスである空気極側排気ガスを排出する複数の第１の排気口５３ａを構成している。図２に示すように、第１の排気口５３ａは、燃料電池２０ａ、２０ｂのｙ２側の側壁に設けられている。よって、空気極側排気ガスは、燃料電池２０ａ、２０ｂからｙ２側に向かって排出される。
【００３５】
第１のセパレータ５０の構成材料は、特に限定されない。第１のセパレータ５０は、例えば、イットリア安定化ジルコニアなどの安定化ジルコニアや、部分安定化ジルコニア等により形成することができる。
【００３６】
（第２のセパレータ４０）
発電要素４６の燃料極層４８の上には、第２のセパレータ本体４１と、第２の流路形成部材４２とにより構成されている第２のセパレータ４０が配置されている。第２のセパレータ４０には、燃料極４８ａに燃料を供給するための燃料ガス供給路４３が形成されている。図３に示すように、この燃料ガス供給路４３は、燃料ガス用マニホールド４４からｙ方向のｙ１側からｙ２側に向かって延びている。燃料ガス供給路４３の開口は、発電に使用済みの燃料ガスである燃料極側排気ガスを排出する複数の第２の排気口４３ａを構成している。図２に示すように、第２の排気口４３ａは、燃料電池２０ａ、２０ｂのｘ２側の側壁に設けられている。よって、燃料極側排気ガスは、燃料電池２０ａ、２０ｂからｘ２側に向かって排出される。なお、本実施形態では、空気極側排気ガスの排出方向に対し９０°正回転した方向を燃料極側排気ガスの排出方向としている。
【００３７】
第２のセパレータ４０の構成材料は、特に限定されない。第２のセパレータ４０は、例えば、安定化ジルコニアや、部分安定化ジルコニア等により形成することができる。
【００３８】
（排気経路）
図１に示すように、燃焼室１１は、排出口１１ｃ１，１１ｃ２を備えている。具体的には、排出口１１ｃ１は、第１の燃焼室１１ａ１に設けられている。
【００３９】
排出口１１ｃ１は、燃料電池２０ａから排出された空気極側排気ガス及び燃料極側排気ガスを含む排気ガスを第１の燃焼室１１ａ１外に排出するためのものである。排出口１１ｃ１から排出された排気ガスは、燃焼室１１の外部に設けられた燃焼室外部熱交換器５４ａを経由して固体酸化物形燃料電池モジュール１外に排出される。
【００４０】
図２に示すように排出口１１ｃ１は、第１の燃焼室１１ａ１のｘ１側の内側面に形成されている。排出口１１ｃ１は、燃料電池２０ａを平面視したときに（ｚ方向から視たときに）、燃料電池２０ａの第２の排気口４３ａの排気ガスの排出方向と反対側（ｘ１側）に向かって開口している。
【００４１】
排出口１１ｃ２は、第２の燃焼室１１ａ２に設けられている。排出口１１ｃ２は、燃料電池２０ｂから排出された空気極側排気ガス及び燃料極側排気ガスを含む排気ガスを第２の燃焼室１１ａ２外に排出するためのものである。排出口１１ｃ２から排出された排気ガスは、燃焼室１１の外部に設けられた燃焼室外部熱交換器５４ｂを経由して固体酸化物形燃料電池モジュール１外に排出される。
【００４２】
図２に示すように排出口１１ｃ２は、第２の燃焼室１１ａ２のｘ２側の内側面に形成されている。排出口１１ｃ２は、燃料電池２０ｂを平面視したときに（ｚ方向から視たときに）、燃料電池２０ｂの第２の排気口４３ａの排気ガスの排出方向と反対側（ｘ２側）に向かって開口している。
【００４３】
第１の燃焼室１１ａ１には、燃料電池２０ａの第１の排気口５３ａ及び第２の排気口４３ａと、第１の排出口１１ｃ１とを連通している排出流路１１ｂ１が形成されている。排出流路１１ｂ１は、第１の燃焼室１１ａ１の一部の空間が通路となって構成されている。
【００４４】
排出流路１１ｂ１は、酸化剤ガス予熱部１７ａの少なくとも一部が、排出流路１１ｂ１上に位置するか、または排出流路１１ｂ１に面するように設けられている。本実施形態では、具体的には、排出流路１１ｂ１は、酸化剤ガス予熱部１７ａの少なくとも一部が、排出流路１１ｂ１上に位置するように設けられている。
【００４５】
第２の燃焼室１１ａ２には、燃料電池２０ｂの第１の排気口５３ａ及び第２の排気口４３ａと、第２の排出口１１ｃ２とを連通している排出流路１１ｂ２が形成されている。排出流路１１ｂ２は、第２の燃焼室１１ａ２の一部の空間が通路となって構成されている。
【００４６】
排出流路１１ｂ２は、酸化剤ガス予熱部１７ｂの少なくとも一部が、排出流路１１ｂ２上に位置するか、または排出流路１１ｂ２に面するように設けられている。本実施形態では、具体的には、排出流路１１ｂ２は、酸化剤ガス予熱部１７ｂの少なくとも一部が、排出流路１１ｂ２上に位置するように設けられている。
【００４７】
（第１及び第２の発電ユニット２ａ、２ｂの配置）
次に、図２を主として参照しながら、第１及び第２の発電ユニット２ａ、２ｂの配置について説明する。
【００４８】
第１及び第２の発電ユニット２ａ、２ｂは、燃料電池２０ａと酸化剤ガス予熱部１７ａとが隣り合うと共に、燃料電池２０ｂと酸化剤ガス予熱部１７ｂとが隣り合うように配されている。
【００４９】
具体的には、まず、燃料電池２０ａと燃料電池２０ｂとは、ｘ方向から視た際に燃料電池２０ａと燃料電池２０ｂとが重なるように配されている。第１の発電ユニット２ａの燃料電池２０ａは、第２の発電ユニット２ｂの燃料電池２０ｂよりもｘ方向（第１の方向）のｘ２側に位置している。
【００５０】
燃料電池２０ａに接続されている酸化剤ガス予熱部１７ａは、燃料電池２０ｂのｙ方向のｙ１側に位置する燃焼室内を経由して燃焼室１１ａ１外にまで引き出されている。このため、酸化剤ガス予熱部１７ａと燃料電池２０ｂとは、ｘ方向に対して垂直なｙ方向（第２の方向）において隣り合っている。
【００５１】
燃料電池２０ｂに接続されている酸化剤ガス予熱部１７ｂは、燃料電池２０ｂのｙ方向のｙ２側に位置する燃焼室内を経由して燃焼室１１ａ２外にまで引き出されている。このため、酸化剤ガス予熱部１７ｂと燃料電池２０ａとは、ｘ方向に対して垂直なｙ方向（第２の方向）において隣り合っている。
【００５２】
燃焼室１１の燃料電池２０ａが配された領域と、燃焼室１１の燃料電池２０ｂが配された領域とは、区画部材２２によって区画されている。また、燃焼室１１の燃料電池２０ａが配された領域と、燃焼室１１の燃料電池２０ｂに接続されている酸化剤ガス予熱部１７ｂが配された領域とも、区画部材２２によって区画されている。燃焼室１１の燃料電池２０ｂが配された領域と、燃焼室１１の燃料電池２０ａに接続されている酸化剤ガス予熱部１７ａが配された領域とも、区画部材２２によって区画されている。
【００５３】
すなわち、区画部材２２は、燃焼室１１において、燃料電池２０ａと燃料電池２０ｂとの間、燃料電池２０ａと酸化剤ガス予熱部１７ｂとの間、及び燃料電池２０ｂと酸化剤ガス予熱部１７ａとの間に少なくとも設けられている。
【００５４】
（固体酸化物形燃料電池モジュール１における発電の態様）
次に、本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池モジュール１における発電の態様について説明する。
【００５５】
図１に示すように、燃料ガス流路１２ａ、１２ｂには、改質前の原燃料ガスが供給される。一方、改質用水流路１５ａ、１５ｂには、改質用の水が供給される。改質用の水は、改質用水流路１５ａ、１５ｂの燃焼室１１ａ１，１１ａ２内に位置している気化器５５ａ、５５ｂで気化し、水蒸気となる。この水蒸気と、原燃料ガスとが改質器１４ａ、１４ｂに供給される。
【００５６】
改質器１４ａ、１４ｂでは、水蒸気により原燃料ガスが改質され改質燃料ガスが生成される。改質燃料ガスはさらに、燃料ガス予熱部１６ａ、１６ｂにより加熱される。加熱された改質燃料ガスは、燃料電池２０ａ、２０ｂに供給される。
【００５７】
なお、本発明においては、「燃料ガス」は、原燃料ガス、改質燃料ガスの総称である。すなわち、燃料ガスには、原燃料ガスと改質燃料ガスとが含まれる。
【００５８】
酸化剤ガス流路１３ａ、１３ｂには、酸素や空気などの酸化剤ガスが供給される。酸化剤ガスは、燃焼室外部熱交換器５４ａ、５４ｂ、酸化剤ガス予熱部１７ａ、１７ｂにおいて加熱された後に、燃料電池２０ａ、２０ｂに供給される。
【００５９】
燃料電池２０ａ、２０ｂは、これら供給された改質燃料ガスと酸化剤ガスとにより発電を行う。燃料電池２０ａ、２０ｂにおいて発電に使用された改質燃料ガスである燃料極側排気ガスは、燃料電池２０ａ、２０ｂのそれぞれの第２の排気口４３ａから燃料電池２０ａ、２０ｂ外に排気される。一方、燃料電池２０ａ、２０ｂにおいて発電に使用された酸化剤ガスである空気極側排気ガスは、燃料電池２０ａ、２０ｂのそれぞれの第１の排気口５３ａから燃料電池２０ａ、２０ｂ外に排気される。
【００６０】
これら燃料極側排気ガス及び空気極側排気ガスは、排出流路１１ｂ１，１１ｂ２を経由して燃焼室１１ａ１，１１ａ２外に排出され、さらに燃焼室外部熱交換器５４ａ、５４ｂを経由して固体酸化物形燃料電池モジュール１外に排出される。
【００６１】
ここで、燃料極側排気ガスには、一酸化炭素等が含まれている。また、空気極側排気ガスには、酸素が含まれている。このため、燃料極側排気ガスと空気極側排気ガスとが、高温である燃焼室１１ａ１，１１ａ２内においてそれぞれ混合されると、燃料極側排気ガスが完全燃焼する。これにより燃焼ガスがそれぞれ生じる。よって、排出流路１１ｂ１，１１ｂ２を経由して燃焼室１１ａ１，１１ａ２外に排出される排出ガスは、燃焼ガスと、空気極側排気ガスの燃焼ガスの生成に用いられなかった部分とを含む。
【００６２】
なお、「排気ガス」は、燃料極側排気ガスと空気極側排気ガスと燃焼ガスを含むものとする。
【００６３】
本実施形態では、第１及び第２の発電ユニット２ａ、２ｂは、燃料電池２０ａと、燃料電池２０ｂに接続された酸化剤ガス予熱部１７ｂとがｙ方向において隣り合うと共に、燃料電池２０ｂと、燃料電池２０ａに接続された酸化剤ガス予熱部１７ａとがｙ方向において隣り合うように配されている。このため、例えば、大きな燃料電池同士がｙ方向において隣り合うように配されている場合よりも燃料電池モジュール１を小型化することができる。
【００６４】
特に、本実施形態では、燃料電池２０ａと燃料電池２０ｂとは、ｘ方向において異なる位置に配されており、ｘ方向から視た際に重なるように配されている。従って、固体酸化物形燃料電池モジュール１をより小型化することができる。
【００６５】
しかしながら、これだけの配置構成では、燃料電池２０ａと低温酸化剤ガスの流れる酸化剤ガス予熱部１７ｂとが隣り合う。また、燃料電池２０ｂと低温酸化剤ガスの流れる酸化剤ガス予熱部１７ａとが隣り合う。このため、燃料電池２０ａ、２０ｂがそれぞれ酸化剤ガス予熱部１７ｂ、１７ａにより冷却され、燃料電池２０ａ、２０ｂの温度が低くなりがちである。また、燃料電池２０ａ、２０ｂの酸化剤ガス予熱部１７ｂ、１７ａに近い部分が、他の部分よりも低温になり、燃料電池２０ａ、２０ｂに温度むらが生じやすくなる。従って燃料電池２０ａ、２０ｂの発電が不安定になることがある。
【００６６】
ここで、本実施形態では、区画部材２２により、燃焼室１１の燃料電池２０ａ、２０ｂの一方が配された領域と、燃料電池２０ａ、２０ｂの他方に接続された酸化剤ガス予熱部１７ａ、１７ｂが配された領域とが区画されている。このため、燃料電池２０ａ、２０ｂと、隣接して配された酸化剤ガス予熱部１７ｂ、１７ａとの間の熱交換を抑制することができる。従って、燃料電池２０ａ、２０ｂの温度低下、及び温度むらの発生を抑制することができる。その結果、燃料電池２０ａ、２０ｂによる発電を安定化させることができる。
【００６７】
つまり、本実施形態では、固体酸化物形燃料電池モジュール１の小型化と発電の安定化との両立を図ることができる。
【００６８】
燃料電池２０ａ、２０ｂによる発電をより安定化する観点からは、区画部材２２の断熱機能が高いことが好ましい。従って、区画部材２２は、断熱材により構成されていることが好ましい。
【００６９】
また、本実施形態では、排出流路１１ｂ１，１１ｂ２は、酸化剤ガス予熱部１７ａ、１７ｂの一部が、排出流路１１ｂ１，１１ｂ２上に位置するか、または排出流路１１ｂ１，１１ｂ２に面するように設けられている。また、排出流路１１ｂ１，１１ｂ２は、改質器１４ａ、１４ｂの少なくとも一部と、燃料ガス予熱部１６ａ、１６ｂの少なくとも一部とが、排出流路１１ｂ１，１１ｂ２上に位置するか、または排出流路１１ｂ１，１１ｂ２に面するように設けられている。発電に用いられ、かつ燃焼することにより高温となった排気ガスが区画部材２２によって排出流路１１ｂ１、１１ｂ２をそれぞれ回流することになり、酸化剤ガス予熱部１７ａ、１７ｂの少なくとも一部、改質器１４ａ、１４ｂ並びに燃料ガス予熱部１６ａ、１６ｂが加熱される。よって、排気ガスの熱を有効利用することができる。その結果、高いエネルギー効率を実現することができる。
【００７０】
また、酸化剤ガス予熱部１７ａ、１７ｂ、改質器１４ａ、１４ｂ並びに燃料ガス予熱部１６ａ、１６ｂの温度を高くできるため、酸化剤ガス予熱部１７ａ、１７ｂ、改質器１４ａ、１４ｂ並びに燃料ガス予熱部１６ａ、１６ｂにより、燃料電池２０ａ、２０ｂが冷却されにくい。従って、燃料電池２０ａ、２０ｂによる発電をさらに安定化することができる。
【００７１】
また、本実施形態では、燃料極側排気ガスと空気極側排気ガスとの両方が燃焼室１１ａ１，１１ａ２に排気され、排出流路１１ｂ１，１１ｂ２の途中において混合され、燃焼する。このため、排出流路１１ｂ１，１１ｂ２を流れる排気ガスの温度が高い。従って、排気ガスを用いて、改質器１４ａ、１４ｂ、燃料ガス予熱部１６ａ、１６ｂ及び酸化剤ガス予熱部１７ａ、１７ｂをより効率的に加熱することができる。よって、より高いエネルギー効率を実現することができる。
【００７２】
また、区画部材２２により排気ガスの流れを規制するので、燃料極側排気ガスと空気極側排気ガスを排出流路１１ｂ１，１１ｂ２において確実に混合燃焼させることができる。これにより、一酸化炭素が固体酸化物形燃料電池モジュール１から排出されることをより効果的に抑制することができる。
【００７３】
また、区画部材２２を設けることにより、空気極側排気ガスを区画部材２２に沿って流してから任意の位置で燃料極側排気ガスと混合させることができる。これにより、多くの熱を付与したい改質器や予熱器の付近に燃焼位置を設定し、排気ガスによる熱利用率を向上させることができる。
【００７４】
なお、上記実施形態では、２つの発電ユニット２ａ、２ｂを備える固体酸化物形燃料電池モジュール１について説明した。但し、本発明において、固体酸化物形燃料電池モジュールが備える発電ユニットの数量は複数である限りにおいて特に限定されない。本発明に係る固体酸化物形燃料電池モジュールは、３つ以上、例えば４つの発電ユニットを備えていてもよい。
【符号の説明】
【００７５】
１…固体酸化物形燃料電池モジュール
２ａ…第１の発電ユニット
２ｂ…第２の発電ユニット
１０…断熱材
１１…燃焼室
１１ａ１…第１の燃焼室
１１ａ２…第２の燃焼室
１１ｃ１…第１の排出口
１１ｃ２…第２の排出口
１１ｂ１、１１ｂ２…排出流路
１２ａ、１２ｂ…燃料ガス流路
１３ａ、１３ｂ…酸化剤ガス流路
１４ａ、１４ｂ…改質器
１５ａ、１５ｂ…改質用水流路
１６ａ、１６ｂ…燃料ガス予熱部
１７ａ、１７ｂ…酸化剤ガス予熱部
２０ａ、２０ｂ、…燃料電池
２１…発電セル
２２…区画部材
４０…第２のセパレータ
４１…第２のセパレータ本体
４２…第２の流路形成部材
４３…燃料ガス供給路
４３ａ…第２の排気口
４４…燃料ガス用マニホールド
４５…酸化剤ガス用マニホールド
４６…発電要素
４７…固体酸化物電解質層
４８…燃料極層
４８ａ…燃料極
４９…空気極層
４９ａ…空気極
５０…第１のセパレータ
５１…第１のセパレータ本体
５１ａ…ビアホール電極
５２…第１の流路形成部材
５３…酸化剤ガス供給路
５３ａ…第１の排気口
５４ａ、５４ｂ…燃焼室外部熱交換器
５５ａ、５５ｂ…気化器
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池モジュールに関する。特に、本発明は、固体酸化物形燃料電池モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、新たなエネルギー源として、燃料電池モジュールに対する注目が大きくなってきている。燃料電池モジュールには、例えば下記の特許文献１に記載のような固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）モジュール、溶融塩燃料電池モジュール、リン酸型燃料電池モジュール、高分子固体電解質燃料電池モジュール等がある。これらの燃料電池モジュールの中でも、固体酸化物形燃料電池モジュールでは、液体の構成要素を用いる必要が必ずしもなく、炭化水素燃料を用いるときにも外部に改質器を設ける必要がない。このため、固体酸化物形燃料電池モジュールに対する研究開発が盛んに行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−２１２０３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
固体酸化物形燃料電池モジュールには、燃料電池の温度むらを小さくし、固体酸化物形燃料電池モジュールを安定的に動作させたいという要望がある。また、固体酸化物形燃料電池モジュールには、小型化したいという要望もある。
【０００５】
本発明は、斯かる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、小型でありつつ、安定的に発電を行うことができる固体酸化物形燃料電池モジュールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る燃料電池モジュールは、燃焼室と、複数の発電ユニットとを備えている。複数の発電ユニットのそれぞれは、燃料電池と、燃料ガス流路と、酸化剤ガス流路と、酸化剤ガス予熱部とを有する。燃料電池は、燃焼室内に配置されている。燃料電池は、燃料ガスと酸化剤ガスとが供給されることにより発電する。燃料ガス流路は、燃料電池に燃料ガスを供給する。酸化剤ガス流路は、燃料電池に酸化剤ガスを供給する。酸化剤ガス予熱部は、燃焼室内において、酸化剤ガス流路中に設けられている。酸化剤ガス予熱部は、酸化剤ガスを予熱する。複数の発電ユニットは、一の燃料電池と、当該一の燃料電池に隣接する他の燃料電池に接続された酸化剤ガス予熱部とが隣り合うように配されている。本発明に係る燃料電池モジュールは、区画部材をさらに備える。区画部材は、燃焼室の一の燃料電池が配された領域と、他の燃料電池が配された領域とを区画すると共に、一の燃料電池が配された領域と、他の燃料電池に接続された酸化剤ガス予熱部が配された領域とを区画している。
【０００７】
本発明に係る燃料電池モジュールのある特定の局面では、複数の発電ユニットは、第１及び第２の発電ユニットにより構成されている。第１の発電ユニットの燃料電池は、第２の発電ユニットの燃料電池よりも第１の方向の一方側に位置している。第１の発電ユニットの燃料電池と第２の発電ユニットの酸化剤ガス予熱部とは第１の方向に対して垂直な第２の方向において隣り合っている。第２の発電ユニットの燃料電池と第１の発電ユニットの酸化剤ガス予熱部とは第２の方向において隣り合っている。
【０００８】
本発明に係る燃料電池モジュールの他の特定の局面では、第１の方向から視た際に、第１及び第２の燃料電池は、第１の発電ユニットの燃料電池と第２の発電ユニットの燃料電池とが重なるように配されている。
【０００９】
本発明に係る燃料電池モジュールの別の特定の局面では、区画部材は、断熱材により構成されている。
【００１０】
本発明に係る燃料電池モジュールのさらに他の特定の局面では、燃料電池は、第１の排気口と、第２の排気口とを有する。第１の排気口は、発電に使用済みの酸化剤ガスである空気極側排気ガスを排気する。第２の排気口は、発電に使用済みの燃料ガスである燃料極側排気ガスを排気する。燃焼室は、排出口と、排出流路とを有する。排出口は、燃料電池から排気された排気ガスを燃焼室外に排出する。排出流路は、第１及び第２の排気口と排出口とを接続している。排出流路は、酸化剤ガス予熱部の少なくとも一部が、排出流路上に位置するか、または排出流路に面するように設けられている。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、小型でありつつ、安定的に発電を行うことができる固体酸化物形燃料電池モジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明を実施した一実施形態に係る固体酸化物形燃料電池モジュールの略図的ブロック図である。
【図２】本発明を実施した一実施形態に係る固体酸化物形燃料電池モジュールの模式的平面図である。
【図３】本発明を実施した一実施形態における燃料電池の発電セルの略図的分解斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明を実施した好ましい形態の一例について説明する。但し、下記の実施形態は、単なる例示である。本発明は、下記の実施形態に何ら限定されない。
【００１４】
また、実施形態等において参照する各図面において、実質的に同一の機能を有する部材は同一の符号で参照することとする。また、実施形態等において参照する図面は、模式的に記載されたものであり、図面に描画された物体の寸法の比率などは、現実の物体の寸法の比率などとは異なる場合がある。図面相互間においても、物体の寸法比率等が異なる場合がある。具体的な物体の寸法比率等は、以下の説明を参酌して判断されるべきである。
【００１５】
（固体酸化物形燃料電池モジュール１の構成）
図１は、本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池モジュールの略図的ブロック図である。図２は、本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池モジュールの模式的平面図である。
【００１６】
固体酸化物形燃料電池モジュール（ホットモジュールともいう。）１は、断熱材１０により包囲された燃焼室１１を備えている。燃焼室１１内には、図示しないヒーターが配されている。このヒーターにより燃焼室１１内の昇温が可能となっている。なお、ヒーターは電気ヒーター、ガスバーナーのどちらでもよい。
【００１７】
固体酸化物形燃料電池モジュール１は、複数の発電ユニットをさらに備えている。本実施形態では、固体酸化物形燃料電池モジュール１が、第１及び第２の発電ユニット２ａ、２ｂを備える例について説明する。
【００１８】
第１及び第２の発電ユニット２ａ、２ｂのそれぞれは、燃料電池２０ａ、２０ｂ、燃料ガス流路１２ａ、１２ｂ、酸化剤ガス流路１３ａ、１３ｂ、酸化剤ガス予熱部１７ａ、１７ｂを備えている。燃料電池２０ａ、２０ｂは、燃焼室１１内に配されている。燃料電池２０ａ、２０ｂは、燃料ガスと酸化剤ガスとが供給されることにより発電する。
【００１９】
燃料電池２０ａ、２０ｂには、燃料ガス流路１２ａ、１２ｂと、酸化剤ガス流路１３ａ、１３ｂとが接続されている。燃料ガス流路１２ａ、１２ｂは、燃料電池２０ａ、２０ｂに燃料ガスを供給するためのものである。燃料ガス流路１２ａ、１２ｂの少なくとも一部は、燃焼室１１内に配置されている。酸化剤ガス流路１３ａ、１３ｂは、燃料電池２０ａ、２０ｂに酸化剤ガスを供給するためのものである。酸化剤ガス流路１３ａ、１３ｂの少なくとも一部は、燃焼室１１内に配置されている。
【００２０】
燃料ガス流路１２ａ、１２ｂ中には、改質器１４ａ、１４ｂが設けられている。改質器１４ａ、１４ｂは、燃焼室１１内に配置されている。図２に示すように、第１の発電ユニット２ａの改質器１４ａは、燃料電池２０ａのｘ２側に配されている。第２の発電ユニット２ｂの改質器１４ｂは、燃料電池２０ｂのｘ１側に配されている。
【００２１】
燃料ガス流路１２ａ、１２ｂの改質器１４ａ、１４ｂよりも上流側（燃料ガスの流れる方向において燃料電池２０ａ、２０ｂとは反対側）の部分には、改質用水を供給するための改質用水流路１５ａ、１５ｂが接続されている。改質用水流路１５ａ、１５ｂの少なくとも一部は、燃焼室１１内に配されている。
【００２２】
燃焼室１１内において、燃料ガス流路１２ａ、１２ｂの改質器１４ａ、１４ｂよりも下流側（燃料ガスの流れる方向において燃料電池２０ａ、２０ｂ側）の部分には、燃料ガス予熱部１６ａ、１６ｂが設けられている。図２に示すように、第１の発電ユニット２ａの燃料ガス予熱部１６ａは、燃料電池２０ａのｘ２側に配されている。燃料ガス予熱部１６ａは、ｘ方向において、燃料電池２０ａと改質器１４ａとの間に配されている。第２の発電ユニット２ｂの燃料ガス予熱部１６ｂは、燃料電池２０ｂのｘ１側に配されている。燃料ガス予熱部１６ｂは、ｘ方向において、燃料電池２０ｂと改質器１４ｂとの間に配されている。
【００２３】
燃焼室１１内において、酸化剤ガス流路１３ａ、１３ｂ中には、酸化剤ガス予熱部１７ａ、１７ｂが設けられている。酸化剤ガス予熱部１７ａ、１７ｂは、燃料電池２０ａ、２０ｂに供給される酸化剤ガスを予熱する。
【００２４】
本実施形態では、燃焼室１１は、区画部材２２により、第１の燃焼室１１ａ１と第２の燃焼室１１ａ２とに区画されている。第１の発電ユニット２ａは、第１の燃焼室１１ａ１に配置されている。第２の発電ユニット２ｂは、第２の燃焼室１１ａ２に配置されている。このため、燃焼室１１の第１の発電ユニット２ａが設けられている領域と、燃焼室１１の第２の発電ユニット２ｂが設けられている領域とは、区画部材２２により区画されている。
【００２５】
なお、区画部材２２は、断熱材により構成されていることが好ましい。好ましく用いられる断熱材の具体例としては、例えば、セラミックファイバー系断熱材、アルミナファイバー系断熱材、ジルコニア系の熱伝導率の低いセラミックスやレンガ、断熱性能に優れたマイクロポーラス系断熱材をレンガやセラミック板で狭持したものなど、ある程度以上の強度を有するものが挙げられる。
【００２６】
（燃料電池２０ａ、２０ｂ）
図３は、本実施形態における燃料電池の発電セルの略図的分解斜視図である。次に、図３を参照しながら、燃料電池２０ａ、２０ｂの構成について説明する。
【００２７】
燃料電池２０ａ、２０ｂは、１または複数の発電セル２１を有する。発電セル２１は、第１のセパレータ５０と、発電要素４６と、第２のセパレータ４０とを有する。発電セル２１では、第１のセパレータ５０と、発電要素４６と、第２のセパレータ４０とがこの順番で積層されている。各セパレータには発生した電気を引き出すためのビアホール電極５１ａが設けられている。また、最上部のセパレータの上および最下部のセパレータの下には、電気を集めて引き出すための集電棒(図示省略)が設けられている。
【００２８】
発電セル２１は、酸化剤ガス流路１３ａ、１３ｂに接続されている酸化剤ガス用マニホールド４５と、燃料ガス流路１２ａ、１２ｂに接続されている燃料ガス用マニホールド４４とを有する。
【００２９】
（発電要素４６）
発電要素４６は、酸化剤ガス流路１３ａ、１３ｂを経由して酸化剤ガス用マニホールド４５から供給される酸化剤ガスと、燃料ガス流路１２ａ、１２ｂを経由して燃料ガス用マニホールド４４から供給される燃料とが反応し、発電が行われる部分である。
【００３０】
（固体酸化物電解質層４７）
発電要素４６は、固体酸化物電解質層４７を備えている。固体酸化物電解質層４７は、イオン導電性が高いものであることが好ましい。固体酸化物電解質層４７は、例えば、安定化ジルコニアや、部分安定化ジルコニアなどにより形成することができる。安定化ジルコニアの具体例としは、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、スカンジア安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ）等が挙げられる。部分安定化ジルコニアの具体例としは、イットリア部分安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、スカンジア部分安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ）等が挙げられる。また、固体酸化物電解質層４７は、例えば、ＳｍやＧｄ等がドープされたセリア系酸化物や、ＬａＧａＯ３を母体とし、ＬａとＧａとの一部をそれぞれＳｒ及びＭｇで置換したＬａ０．８Ｓｒ０．２Ｇａ０．８Ｍｇ０．２Ｏ（３−δ）などのペロブスカイト型酸化物などにより形成することもできる。
【００３１】
固体酸化物電解質層４７は、空気極層４９と燃料極層４８とにより挟持されている。すなわち、固体酸化物電解質層４７の一主面の上に空気極層４９が形成されており、他主面の上に燃料極層４８が形成されている。
【００３２】
（空気極層４９）
空気極層４９は、空気極４９ａを有する。空気極４９ａは、カソードである。空気極４９ａにおいては、酸素が電子を取り込んで、酸素イオンが形成される。空気極４９ａは、多孔質で、電子伝導率が高く、かつ、高温において固体酸化物電解質層４７等と固体間反応を起こしにくいものであることが好ましい。空気極４９ａは、例えば、スカンジア安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ）、Ｓｎをドープした酸化インジウム、ＰｒＣｏＯ３系酸化物、ＬａＣｏＯ３系酸化物、ＬａＭｎＯ３系酸化物などにより形成することができる。ＬａＭｎＯ３系酸化物の具体例としては、例えば、Ｌａ０．８Ｓｒ０．２ＭｎＯ３（通称：ＬＳＭ）や、Ｌａ０．６Ｃａ０．４ＭｎＯ３（通称：ＬＣＭ）等が挙げられる。空気極４９ａは、上記材料の２種以上を混合した混合材料により構成されていてもよい。
【００３３】
（燃料極層４８）
燃料極層４８は、燃料極４８ａを有する。燃料極４８ａは、アノードである。燃料極４８ａにおいては、酸素イオンと燃料とが反応して電子を放出する。燃料極４８ａは、多孔質で、イオン伝導性が高く、かつ、高温において固体酸化物電解質層４７等と固体間反応を起こしにくいものであることが好ましい。燃料極４８ａは、例えば、ＮｉＯ、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）・ニッケル金属の多孔質サーメットや、スカンジア安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ）・ニッケル金属の多孔質サーメット等により構成することができる。燃料極層４８は、上記材料の２種以上を混合した混合材料により構成されていてもよい。
【００３４】
（第１のセパレータ５０）
発電要素４６の空気極層４９の下には、第１のセパレータ本体５１と、第１の流路形成部材５２とにより構成されている第１のセパレータ５０が配置されている。第１のセパレータ５０には、空気極４９ａに空気を供給するための酸化剤ガス供給路５３が形成されている。図３に示すとおり、この酸化剤ガス供給路５３は、酸化剤ガス用マニホールド４５からｘ方向のｘ１側からｘ２側に向かって延びている。酸化剤ガス供給路５３の開口は、発電に使用済みの酸化剤ガスである空気極側排気ガスを排出する複数の第１の排気口５３ａを構成している。図２に示すように、第１の排気口５３ａは、燃料電池２０ａ、２０ｂのｙ２側の側壁に設けられている。よって、空気極側排気ガスは、燃料電池２０ａ、２０ｂからｙ２側に向かって排出される。
【００３５】
第１のセパレータ５０の構成材料は、特に限定されない。第１のセパレータ５０は、例えば、イットリア安定化ジルコニアなどの安定化ジルコニアや、部分安定化ジルコニア等により形成することができる。
【００３６】
（第２のセパレータ４０）
発電要素４６の燃料極層４８の上には、第２のセパレータ本体４１と、第２の流路形成部材４２とにより構成されている第２のセパレータ４０が配置されている。第２のセパレータ４０には、燃料極４８ａに燃料を供給するための燃料ガス供給路４３が形成されている。図３に示すように、この燃料ガス供給路４３は、燃料ガス用マニホールド４４からｙ方向のｙ１側からｙ２側に向かって延びている。燃料ガス供給路４３の開口は、発電に使用済みの燃料ガスである燃料極側排気ガスを排出する複数の第２の排気口４３ａを構成している。図２に示すように、第２の排気口４３ａは、燃料電池２０ａ、２０ｂのｘ２側の側壁に設けられている。よって、燃料極側排気ガスは、燃料電池２０ａ、２０ｂからｘ２側に向かって排出される。なお、本実施形態では、空気極側排気ガスの排出方向に対し９０°正回転した方向を燃料極側排気ガスの排出方向としている。
【００３７】
第２のセパレータ４０の構成材料は、特に限定されない。第２のセパレータ４０は、例えば、安定化ジルコニアや、部分安定化ジルコニア等により形成することができる。
【００３８】
（排気経路）
図１に示すように、燃焼室１１は、排出口１１ｃ１，１１ｃ２を備えている。具体的には、排出口１１ｃ１は、第１の燃焼室１１ａ１に設けられている。
【００３９】
排出口１１ｃ１は、燃料電池２０ａから排出された空気極側排気ガス及び燃料極側排気ガスを含む排気ガスを第１の燃焼室１１ａ１外に排出するためのものである。排出口１１ｃ１から排出された排気ガスは、燃焼室１１の外部に設けられた燃焼室外部熱交換器５４ａを経由して固体酸化物形燃料電池モジュール１外に排出される。
【００４０】
図２に示すように排出口１１ｃ１は、第１の燃焼室１１ａ１のｘ１側の内側面に形成されている。排出口１１ｃ１は、燃料電池２０ａを平面視したときに（ｚ方向から視たときに）、燃料電池２０ａの第２の排気口４３ａの排気ガスの排出方向と反対側（ｘ１側）に向かって開口している。
【００４１】
排出口１１ｃ２は、第２の燃焼室１１ａ２に設けられている。排出口１１ｃ２は、燃料電池２０ｂから排出された空気極側排気ガス及び燃料極側排気ガスを含む排気ガスを第２の燃焼室１１ａ２外に排出するためのものである。排出口１１ｃ２から排出された排気ガスは、燃焼室１１の外部に設けられた燃焼室外部熱交換器５４ｂを経由して固体酸化物形燃料電池モジュール１外に排出される。
【００４２】
図２に示すように排出口１１ｃ２は、第２の燃焼室１１ａ２のｘ２側の内側面に形成されている。排出口１１ｃ２は、燃料電池２０ｂを平面視したときに（ｚ方向から視たときに）、燃料電池２０ｂの第２の排気口４３ａの排気ガスの排出方向と反対側（ｘ２側）に向かって開口している。
【００４３】
第１の燃焼室１１ａ１には、燃料電池２０ａの第１の排気口５３ａ及び第２の排気口４３ａと、第１の排出口１１ｃ１とを連通している排出流路１１ｂ１が形成されている。排出流路１１ｂ１は、第１の燃焼室１１ａ１の一部の空間が通路となって構成されている。
【００４４】
排出流路１１ｂ１は、酸化剤ガス予熱部１７ａの少なくとも一部が、排出流路１１ｂ１上に位置するか、または排出流路１１ｂ１に面するように設けられている。本実施形態では、具体的には、排出流路１１ｂ１は、酸化剤ガス予熱部１７ａの少なくとも一部が、排出流路１１ｂ１上に位置するように設けられている。
【００４５】
第２の燃焼室１１ａ２には、燃料電池２０ｂの第１の排気口５３ａ及び第２の排気口４３ａと、第２の排出口１１ｃ２とを連通している排出流路１１ｂ２が形成されている。排出流路１１ｂ２は、第２の燃焼室１１ａ２の一部の空間が通路となって構成されている。
【００４６】
排出流路１１ｂ２は、酸化剤ガス予熱部１７ｂの少なくとも一部が、排出流路１１ｂ２上に位置するか、または排出流路１１ｂ２に面するように設けられている。本実施形態では、具体的には、排出流路１１ｂ２は、酸化剤ガス予熱部１７ｂの少なくとも一部が、排出流路１１ｂ２上に位置するように設けられている。
【００４７】
（第１及び第２の発電ユニット２ａ、２ｂの配置）
次に、図２を主として参照しながら、第１及び第２の発電ユニット２ａ、２ｂの配置について説明する。
【００４８】
第１及び第２の発電ユニット２ａ、２ｂは、燃料電池２０ａと酸化剤ガス予熱部１７ａとが隣り合うと共に、燃料電池２０ｂと酸化剤ガス予熱部１７ｂとが隣り合うように配されている。
【００４９】
具体的には、まず、燃料電池２０ａと燃料電池２０ｂとは、ｘ方向から視た際に燃料電池２０ａと燃料電池２０ｂとが重なるように配されている。第１の発電ユニット２ａの燃料電池２０ａは、第２の発電ユニット２ｂの燃料電池２０ｂよりもｘ方向（第１の方向）のｘ２側に位置している。
【００５０】
燃料電池２０ａに接続されている酸化剤ガス予熱部１７ａは、燃料電池２０ｂのｙ方向のｙ１側に位置する燃焼室内を経由して燃焼室１１ａ１外にまで引き出されている。このため、酸化剤ガス予熱部１７ａと燃料電池２０ｂとは、ｘ方向に対して垂直なｙ方向（第２の方向）において隣り合っている。
【００５１】
燃料電池２０ｂに接続されている酸化剤ガス予熱部１７ｂは、燃料電池２０ｂのｙ方向のｙ２側に位置する燃焼室内を経由して燃焼室１１ａ２外にまで引き出されている。このため、酸化剤ガス予熱部１７ｂと燃料電池２０ａとは、ｘ方向に対して垂直なｙ方向（第２の方向）において隣り合っている。
【００５２】
燃焼室１１の燃料電池２０ａが配された領域と、燃焼室１１の燃料電池２０ｂが配された領域とは、区画部材２２によって区画されている。また、燃焼室１１の燃料電池２０ａが配された領域と、燃焼室１１の燃料電池２０ｂに接続されている酸化剤ガス予熱部１７ｂが配された領域とも、区画部材２２によって区画されている。燃焼室１１の燃料電池２０ｂが配された領域と、燃焼室１１の燃料電池２０ａに接続されている酸化剤ガス予熱部１７ａが配された領域とも、区画部材２２によって区画されている。
【００５３】
すなわち、区画部材２２は、燃焼室１１において、燃料電池２０ａと燃料電池２０ｂとの間、燃料電池２０ａと酸化剤ガス予熱部１７ｂとの間、及び燃料電池２０ｂと酸化剤ガス予熱部１７ａとの間に少なくとも設けられている。
【００５４】
（固体酸化物形燃料電池モジュール１における発電の態様）
次に、本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池モジュール１における発電の態様について説明する。
【００５５】
図１に示すように、燃料ガス流路１２ａ、１２ｂには、改質前の原燃料ガスが供給される。一方、改質用水流路１５ａ、１５ｂには、改質用の水が供給される。改質用の水は、改質用水流路１５ａ、１５ｂの燃焼室１１ａ１，１１ａ２内に位置している気化器５５ａ、５５ｂで気化し、水蒸気となる。この水蒸気と、原燃料ガスとが改質器１４ａ、１４ｂに供給される。
【００５６】
改質器１４ａ、１４ｂでは、水蒸気により原燃料ガスが改質され改質燃料ガスが生成される。改質燃料ガスはさらに、燃料ガス予熱部１６ａ、１６ｂにより加熱される。加熱された改質燃料ガスは、燃料電池２０ａ、２０ｂに供給される。
【００５７】
なお、本発明においては、「燃料ガス」は、原燃料ガス、改質燃料ガスの総称である。すなわち、燃料ガスには、原燃料ガスと改質燃料ガスとが含まれる。
【００５８】
酸化剤ガス流路１３ａ、１３ｂには、酸素や空気などの酸化剤ガスが供給される。酸化剤ガスは、燃焼室外部熱交換器５４ａ、５４ｂ、酸化剤ガス予熱部１７ａ、１７ｂにおいて加熱された後に、燃料電池２０ａ、２０ｂに供給される。
【００５９】
燃料電池２０ａ、２０ｂは、これら供給された改質燃料ガスと酸化剤ガスとにより発電を行う。燃料電池２０ａ、２０ｂにおいて発電に使用された改質燃料ガスである燃料極側排気ガスは、燃料電池２０ａ、２０ｂのそれぞれの第２の排気口４３ａから燃料電池２０ａ、２０ｂ外に排気される。一方、燃料電池２０ａ、２０ｂにおいて発電に使用された酸化剤ガスである空気極側排気ガスは、燃料電池２０ａ、２０ｂのそれぞれの第１の排気口５３ａから燃料電池２０ａ、２０ｂ外に排気される。
【００６０】
これら燃料極側排気ガス及び空気極側排気ガスは、排出流路１１ｂ１，１１ｂ２を経由して燃焼室１１ａ１，１１ａ２外に排出され、さらに燃焼室外部熱交換器５４ａ、５４ｂを経由して固体酸化物形燃料電池モジュール１外に排出される。
【００６１】
ここで、燃料極側排気ガスには、一酸化炭素等が含まれている。また、空気極側排気ガスには、酸素が含まれている。このため、燃料極側排気ガスと空気極側排気ガスとが、高温である燃焼室１１ａ１，１１ａ２内においてそれぞれ混合されると、燃料極側排気ガスが完全燃焼する。これにより燃焼ガスがそれぞれ生じる。よって、排出流路１１ｂ１，１１ｂ２を経由して燃焼室１１ａ１，１１ａ２外に排出される排出ガスは、燃焼ガスと、空気極側排気ガスの燃焼ガスの生成に用いられなかった部分とを含む。
【００６２】
なお、「排気ガス」は、燃料極側排気ガスと空気極側排気ガスと燃焼ガスを含むものとする。
【００６３】
本実施形態では、第１及び第２の発電ユニット２ａ、２ｂは、燃料電池２０ａと、燃料電池２０ｂに接続された酸化剤ガス予熱部１７ｂとがｙ方向において隣り合うと共に、燃料電池２０ｂと、燃料電池２０ａに接続された酸化剤ガス予熱部１７ａとがｙ方向において隣り合うように配されている。このため、例えば、大きな燃料電池同士がｙ方向において隣り合うように配されている場合よりも燃料電池モジュール１を小型化することができる。
【００６４】
特に、本実施形態では、燃料電池２０ａと燃料電池２０ｂとは、ｘ方向において異なる位置に配されており、ｘ方向から視た際に重なるように配されている。従って、固体酸化物形燃料電池モジュール１をより小型化することができる。
【００６５】
しかしながら、これだけの配置構成では、燃料電池２０ａと低温酸化剤ガスの流れる酸化剤ガス予熱部１７ｂとが隣り合う。また、燃料電池２０ｂと低温酸化剤ガスの流れる酸化剤ガス予熱部１７ａとが隣り合う。このため、燃料電池２０ａ、２０ｂがそれぞれ酸化剤ガス予熱部１７ｂ、１７ａにより冷却され、燃料電池２０ａ、２０ｂの温度が低くなりがちである。また、燃料電池２０ａ、２０ｂの酸化剤ガス予熱部１７ｂ、１７ａに近い部分が、他の部分よりも低温になり、燃料電池２０ａ、２０ｂに温度むらが生じやすくなる。従って燃料電池２０ａ、２０ｂの発電が不安定になることがある。
【００６６】
ここで、本実施形態では、区画部材２２により、燃焼室１１の燃料電池２０ａ、２０ｂの一方が配された領域と、燃料電池２０ａ、２０ｂの他方に接続された酸化剤ガス予熱部１７ａ、１７ｂが配された領域とが区画されている。このため、燃料電池２０ａ、２０ｂと、隣接して配された酸化剤ガス予熱部１７ｂ、１７ａとの間の熱交換を抑制することができる。従って、燃料電池２０ａ、２０ｂの温度低下、及び温度むらの発生を抑制することができる。その結果、燃料電池２０ａ、２０ｂによる発電を安定化させることができる。
【００６７】
つまり、本実施形態では、固体酸化物形燃料電池モジュール１の小型化と発電の安定化との両立を図ることができる。
【００６８】
燃料電池２０ａ、２０ｂによる発電をより安定化する観点からは、区画部材２２の断熱機能が高いことが好ましい。従って、区画部材２２は、断熱材により構成されていることが好ましい。
【００６９】
また、本実施形態では、排出流路１１ｂ１，１１ｂ２は、酸化剤ガス予熱部１７ａ、１７ｂの一部が、排出流路１１ｂ１，１１ｂ２上に位置するか、または排出流路１１ｂ１，１１ｂ２に面するように設けられている。また、排出流路１１ｂ１，１１ｂ２は、改質器１４ａ、１４ｂの少なくとも一部と、燃料ガス予熱部１６ａ、１６ｂの少なくとも一部とが、排出流路１１ｂ１，１１ｂ２上に位置するか、または排出流路１１ｂ１，１１ｂ２に面するように設けられている。発電に用いられ、かつ燃焼することにより高温となった排気ガスが区画部材２２によって排出流路１１ｂ１、１１ｂ２をそれぞれ回流することになり、酸化剤ガス予熱部１７ａ、１７ｂの少なくとも一部、改質器１４ａ、１４ｂ並びに燃料ガス予熱部１６ａ、１６ｂが加熱される。よって、排気ガスの熱を有効利用することができる。その結果、高いエネルギー効率を実現することができる。
【００７０】
また、酸化剤ガス予熱部１７ａ、１７ｂ、改質器１４ａ、１４ｂ並びに燃料ガス予熱部１６ａ、１６ｂの温度を高くできるため、酸化剤ガス予熱部１７ａ、１７ｂ、改質器１４ａ、１４ｂ並びに燃料ガス予熱部１６ａ、１６ｂにより、燃料電池２０ａ、２０ｂが冷却されにくい。従って、燃料電池２０ａ、２０ｂによる発電をさらに安定化することができる。
【００７１】
また、本実施形態では、燃料極側排気ガスと空気極側排気ガスとの両方が燃焼室１１ａ１，１１ａ２に排気され、排出流路１１ｂ１，１１ｂ２の途中において混合され、燃焼する。このため、排出流路１１ｂ１，１１ｂ２を流れる排気ガスの温度が高い。従って、排気ガスを用いて、改質器１４ａ、１４ｂ、燃料ガス予熱部１６ａ、１６ｂ及び酸化剤ガス予熱部１７ａ、１７ｂをより効率的に加熱することができる。よって、より高いエネルギー効率を実現することができる。
【００７２】
また、区画部材２２により排気ガスの流れを規制するので、燃料極側排気ガスと空気極側排気ガスを排出流路１１ｂ１，１１ｂ２において確実に混合燃焼させることができる。これにより、一酸化炭素が固体酸化物形燃料電池モジュール１から排出されることをより効果的に抑制することができる。
【００７３】
また、区画部材２２を設けることにより、空気極側排気ガスを区画部材２２に沿って流してから任意の位置で燃料極側排気ガスと混合させることができる。これにより、多くの熱を付与したい改質器や予熱器の付近に燃焼位置を設定し、排気ガスによる熱利用率を向上させることができる。
【００７４】
なお、上記実施形態では、２つの発電ユニット２ａ、２ｂを備える固体酸化物形燃料電池モジュール１について説明した。但し、本発明において、固体酸化物形燃料電池モジュールが備える発電ユニットの数量は複数である限りにおいて特に限定されない。本発明に係る固体酸化物形燃料電池モジュールは、３つ以上、例えば４つの発電ユニットを備えていてもよい。
【符号の説明】
【００７５】
１…固体酸化物形燃料電池モジュール
２ａ…第１の発電ユニット
２ｂ…第２の発電ユニット
１０…断熱材
１１…燃焼室
１１ａ１…第１の燃焼室
１１ａ２…第２の燃焼室
１１ｃ１…第１の排出口
１１ｃ２…第２の排出口
１１ｂ１、１１ｂ２…排出流路
１２ａ、１２ｂ…燃料ガス流路
１３ａ、１３ｂ…酸化剤ガス流路
１４ａ、１４ｂ…改質器
１５ａ、１５ｂ…改質用水流路
１６ａ、１６ｂ…燃料ガス予熱部
１７ａ、１７ｂ…酸化剤ガス予熱部
２０ａ、２０ｂ、…燃料電池
２１…発電セル
２２…区画部材
４０…第２のセパレータ
４１…第２のセパレータ本体
４２…第２の流路形成部材
４３…燃料ガス供給路
４３ａ…第２の排気口
４４…燃料ガス用マニホールド
４５…酸化剤ガス用マニホールド
４６…発電要素
４７…固体酸化物電解質層
４８…燃料極層
４８ａ…燃料極
４９…空気極層
４９ａ…空気極
５０…第１のセパレータ
５１…第１のセパレータ本体
５１ａ…ビアホール電極
５２…第１の流路形成部材
５３…酸化剤ガス供給路
５３ａ…第１の排気口
５４ａ、５４ｂ…燃焼室外部熱交換器
５５ａ、５５ｂ…気化器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室と、
複数の発電ユニットと、
を備え、
前記複数の発電ユニットのそれぞれは、
前記燃焼室内に配置されており、燃料ガスと酸化剤ガスとが供給されることにより発電する燃料電池と、
前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、
前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路と、
前記燃焼室内において、前記酸化剤ガス流路中に設けられており、前記酸化剤ガスを予熱する酸化剤ガス予熱部と、
を有し、
前記複数の発電ユニットは、一の前記燃料電池と、当該一の燃料電池に隣接する他の燃料電池に接続された酸化剤ガス予熱部とが隣り合うように配されており、
前記燃焼室の前記一の燃料電池が配された領域と、前記他の燃料電池が配された領域とを区画すると共に、前記一の燃料電池が配された領域と、前記他の燃料電池に接続された酸化剤ガス予熱部が配された領域とを区画する区画部材をさらに備える、燃料電池モジュール。
【請求項２】
前記複数の発電ユニットは、第１及び第２の発電ユニットにより構成されており、
前記第１の発電ユニットの燃料電池は、前記第２の発電ユニットの燃料電池よりも第１の方向の一方側に位置し、
前記第１の発電ユニットの燃料電池と前記第２の発電ユニットの酸化剤ガス予熱部とは前記第１の方向に対して垂直な第２の方向において隣り合っており、
前記第２の発電ユニットの燃料電池と前記第１の発電ユニットの酸化剤ガス予熱部とは前記第２の方向の方向において隣り合っている、請求項１に記載の燃料電池モジュール。
【請求項３】
前記第１の方向から視た際に、前記第１及び第２の燃料電池は、前記第１の発電ユニットの燃料電池と前記第２の発電ユニットの燃料電池とが重なるように配されている、請求項２に記載の燃料電池モジュール。
【請求項４】
前記区画部材は、断熱材により構成されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池モジュール。
【請求項５】
前記燃料電池は、発電に使用済みの酸化剤ガスである空気極側排気ガスを排気する第１の排気口と、発電に使用済みの燃料ガスである燃料極側排気ガスを排気する第２の排気口と、を有し、
前記燃焼室は、
前記燃料電池から排気された排気ガスを前記燃焼室外に排出する排出口と、
前記第１及び第２の排気口と前記排出口とを接続している排出流路と、
を有し、
前記排出流路は、前記酸化剤ガス予熱部の少なくとも一部が、前記排出流路上に位置するか、または前記排出流路に面するように設けられている、請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃料電池モジュール。
【請求項１】
燃焼室と、
複数の発電ユニットと、
を備え、
前記複数の発電ユニットのそれぞれは、
前記燃焼室内に配置されており、燃料ガスと酸化剤ガスとが供給されることにより発電する燃料電池と、
前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、
前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路と、
前記燃焼室内において、前記酸化剤ガス流路中に設けられており、前記酸化剤ガスを予熱する酸化剤ガス予熱部と、
を有し、
前記複数の発電ユニットは、一の前記燃料電池と、当該一の燃料電池に隣接する他の燃料電池に接続された酸化剤ガス予熱部とが隣り合うように配されており、
前記燃焼室の前記一の燃料電池が配された領域と、前記他の燃料電池が配された領域とを区画すると共に、前記一の燃料電池が配された領域と、前記他の燃料電池に接続された酸化剤ガス予熱部が配された領域とを区画する区画部材をさらに備える、燃料電池モジュール。
【請求項２】
前記複数の発電ユニットは、第１及び第２の発電ユニットにより構成されており、
前記第１の発電ユニットの燃料電池は、前記第２の発電ユニットの燃料電池よりも第１の方向の一方側に位置し、
前記第１の発電ユニットの燃料電池と前記第２の発電ユニットの酸化剤ガス予熱部とは前記第１の方向に対して垂直な第２の方向において隣り合っており、
前記第２の発電ユニットの燃料電池と前記第１の発電ユニットの酸化剤ガス予熱部とは前記第２の方向の方向において隣り合っている、請求項１に記載の燃料電池モジュール。
【請求項３】
前記第１の方向から視た際に、前記第１及び第２の燃料電池は、前記第１の発電ユニットの燃料電池と前記第２の発電ユニットの燃料電池とが重なるように配されている、請求項２に記載の燃料電池モジュール。
【請求項４】
前記区画部材は、断熱材により構成されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池モジュール。
【請求項５】
前記燃料電池は、発電に使用済みの酸化剤ガスである空気極側排気ガスを排気する第１の排気口と、発電に使用済みの燃料ガスである燃料極側排気ガスを排気する第２の排気口と、を有し、
前記燃焼室は、
前記燃料電池から排気された排気ガスを前記燃焼室外に排出する排出口と、
前記第１及び第２の排気口と前記排出口とを接続している排出流路と、
を有し、
前記排出流路は、前記酸化剤ガス予熱部の少なくとも一部が、前記排出流路上に位置するか、または前記排出流路に面するように設けられている、請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃料電池モジュール。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１２−２５２８９４（Ｐ２０１２−２５２８９４Ａ）
【公開日】平成２４年１２月２０日（２０１２．１２．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１２４９３０（Ｐ２０１１−１２４９３０）
【出願日】平成２３年６月３日（２０１１．６．３）
【出願人】（０００００６２３１）株式会社村田製作所 (3,635)
【出願人】（０００２２０２６２）東京瓦斯株式会社 (1,166)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月２０日（２０１２．１２．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月３日（２０１１．６．３）
【出願人】（０００００６２３１）株式会社村田製作所 (3,635)
【出願人】（０００２２０２６２）東京瓦斯株式会社 (1,166)
【Ｆターム（参考）】
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