JP2005235526A - 発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 加熱のための燃料を必要としないで、燃料電池セル群を発電適温に維持できる、固体酸化物型の燃料電池を利用した発電装置に関する技術を提供する。
【解決手段】発電装置は、燃料電池セル群を収容する燃料電池セル群収容室44が中心に配置されており、その外側を燃焼排ガス通過室46が取り囲んでいること。燃焼排ガス通過室46が燃料電池セル群収容室44を取り囲んでいるために、オフガスの燃焼熱と発電熱を燃料電池セル群収容室44を発電適温に維持するのに利用することができる。オフガスの燃焼熱は９００℃程度であり、それを利用することによって、燃料電池セル群収容室44を発電適温に維持することが可能となる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、固体酸化物を利用する燃料電池によって発電する装置に関する。

固体酸化物を利用する燃料電池は効率が高く、数キロワットから数十キロワットの発電装置に適しているものと期待されている。
固体酸化物を利用する燃料電池は、８００℃程度の高温環境下で効率よく発電することから、燃料電池セル群を収容する室内の温度を８００℃程度の高温に維持しやすい構造が重要である。燃料電池セル群収容室の温度が維持しにくければ、それを高温に維持するための燃料が必要となり、効率が落ちてしまう。
燃料電池セル群収容室には、燃料ガスと有酸素ガスが送り込まれる。それらのガス温度が低ければ、燃料電池セル群収容室の温度が低下してしまう。無駄な燃料を使わないで、燃料料電池セル群収容室に送り込む燃料ガスと有酸素ガスを予熱する構造が重要である。
燃料電池セル群収容室に送り込まれた燃料ガスと有酸素ガスは、反応することによって発電する。その反応は発熱反応であり、その発熱を有効に利用する技術が必要とされている。燃料電池セルは、その特性上、送り込まれた燃料ガスの全部を消費することができず、燃料電池セルを通過してしまう燃料ガス（オフガス）の量をゼロにはできない。オフガスの燃焼熱と発電に伴って発生する発電熱だけで、燃料ガスと有酸素ガスを予熱し、燃料電池セル群収容室を発電に適した高温に維持する技術を必要とする。オフガスの燃焼熱と発電熱だけで、すなわち、加熱のための燃料を必要としないで、燃料ガスと有酸素ガスを予熱し、燃料電池セル群収容室を発電適温に維持できることをここでは「熱自立」という。熱自立できる固体酸化物型の燃料電池を利用する発電装置の実現が必要とされている。
さらに、発電量が小さく内部発熱が少ない場合でも、熱自立することが望まれている。

特許文献１に、固体酸化物型の燃料電池を利用して発電する装置のレイアウトが記載されている。これを図７に示す。発電装置１００の下部に燃料電池セル群収容室１１８が配置され、中間高さに燃焼室１２２が配置され、上部に熱交換室１２４が配置されている。
図示１０８は燃料ガスの受入れ口であり、受入れられた燃料ガスは、分配管１１２で燃料ガス通路１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃ、１１４ｄに分配される。燃料ガス通路１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃ、１１４ｄは、燃料電池セル１１６ａ、１１６ｂ、１１６ｃ、１１６ｄを貫通しており、筒状の燃料電池セル１１６ａ、１１６ｂ、１１６ｃ、１１６ｄの内側に形成されている燃料極に燃料ガスを供給する。燃料ガス通路１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃ、１１４ｄは、垂直方向上方に伸びている。
筒状の燃料電池セル１１６ａ、１１６ｂ、１１６ｃ、１１６ｄの外側に酸素極が配置されており、その酸素極に有酸素ガス（この場合は空気）を供給する有酸素ガス通路１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃが、燃料電池セル１１６ａ、１１６ｂ、１１６ｃ、１１６ｄの間隙に挿入されている。有酸素ガス通路１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃはパイプ状であり、垂直方向に伸びており、下端から有酸素ガスを噴出す。有酸素ガスを噴出す様子が矢印１１０で図示されている。有酸素ガス受け入れ口１０４から、加圧された有酸素ガスが受け入れられる。
筒状の燃料電池セル１１６ａ、１１６ｂ、１１６ｃ、１１６ｄの外側に形成されている酸素極に送り込まれた酸素は、イオン化した状態で、筒状の燃料電池セル１１６ａ、１１６ｂ、１１６ｃ、１１６ｄの中間に形成されている固体電解質を通過し、筒状の燃料電池セル１１６ａ、１１６ｂ、１１６ｃ、１１６ｄの内側に形成されている燃料極に移動し、そこで燃料ガスと反応して、酸素極と燃料極の間に電位差を発生させる。
筒状の燃料電池セル１１６ａ、１１６ｂ、１１６ｃ、１１６ｄの内側に送り込まれた燃料ガスの一部は、酸素と反応することなく筒状の燃料電池セル１１６ａ、１１６ｂ、１１６ｃ、１１６ｄを通過する。有酸素ガス通路１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃから送り込まれた有酸素ガスの一部も消費されないで、燃料電池セル群収容室１１８から上方に戻っていく。発電に利用されなかった燃料ガスと有酸素ガスは燃焼室１２２で燃焼し、高温の燃焼排ガスを生成する。高温の燃焼排ガスは、熱交換室１２４に送り込まれ、有酸素ガス受け入れ口１０４から送り込まれた有酸素ガスを加熱し、自らは冷却されて排気口１０２から排気される。

燃料電池セル１１６（以下では共通事象を説明するために添字を省略する）は、その特性上、送り込まれた燃料ガスの全部を消費することができず、燃料電池セル１１６を通過する燃料ガスをゼロにはできない。図７に示した構造は、この通過燃料ガスをたくみに利用し、熱交換室１２４に送り込まれる有酸素ガスを予熱する。
予熱された有酸素ガスを燃料電池セル群収容室１１８に送り込むと、燃料ガスと有酸素ガスが反応するときに生じる発熱と相俟って、燃料電池セル群収容室１１８を発電に適した高温に維持することができる。
特開２００３−２３４１２２号公報

図７に示したレイアウトは極めて優れたものであり、オフガスの燃焼熱と発電熱を効果的に利用して有酸素ガスを予熱し、燃料電池セル群収容室を発電適温に維持しようとしている。
しかしながら、改良の余地を残している。図7の構造では、燃料電池セル群収容室１１８を断熱材１０６によって保温している。しかしながら、８００℃程度の高温を維持できるように断熱するには、厚い断熱材１０６が必要となり、発電装置１００の大型化が免れない。さらに、図７の構造では、容器の周辺に近い燃料電池セル１１６ａ、１１６ｄが、中央の燃料電池セル１１６ｂ、１１６ｃよりも温度が低下することが懸念される。
燃料電池セル群収容室１１８を保温するのにさらに適した構造が必要とされている。

図７の構造では、オフガスの燃焼熱と発電熱が、燃料電池セル群収容室を発電適温に維持するのに有効に利用しきれていない。断熱材１０６だけで保温しようとしている。これでは熱自立が難しい。本発明は、オフガスの燃焼熱と発電熱を、燃料電池セル群収容室を発電適温に維持するのに利用することを着想したことから完成できた。
本発明の発電装置は、固体酸化物型の燃料電池を用いる発電装置に関する。この発電装置は、燃料電池セル群を収容する燃料電池セル群収容室が中心に配置されており、その外側を燃焼排ガス通過室が取り囲んでいることを特徴とする。
燃焼排ガス通過室が燃料電池セル群収容室を取り囲んでいるために、オフガスの燃焼熱と発電熱を燃料電池セル群収容室を発電適温に維持するのに利用することができる。オフガスの燃焼熱は約９００℃以上であり、それを利用することによって、燃料電池セル群収容室を発電適温に維持することが可能となる。

燃料電池セル群収容室と燃焼排ガス通過室の外形をほぼ六面体にすると、作りやすく、設置しやすい。この場合、側方の４面のみならず、上面と底面についても、燃焼排ガス通過室が燃料電池セル群収容室を取り囲んでいる構造とすることが好ましい。
燃料電池セル群収容室を６面の全部を燃焼排ガス通過室で取り囲むと、燃料電池セル群収容室を発電適温に維持することが容易となる。

オフガスの燃焼熱と発電熱を、燃料電池セル群収容室を発電適温に維持するのと、有酸素ガスの予熱に利用することが好ましい。
このためには、燃焼排ガス通過室のさらに外側を有酸素ガス通過室が取り囲んでいる構造が好ましい。
燃焼排ガス通過室を流れる高温の燃焼排ガスは、内側では燃料電池セル群収容室を発電適温に維持し、外側では有酸素ガスを予熱する。この場合、発電装置の最外部は有酸素ガス通過室となり、予熱されているとはいえ燃料電池セル群収容室よりも低温であり、外界から断熱しやすい。
特に、燃焼排ガス通過室を６面の全部を有酸素ガス通過室で取り囲むと、燃焼排ガスの熱を有酸素ガスの予熱へ効率良く利用することができる。

燃焼排ガス通過室と有酸素ガス通過室を仕切る外仕切壁の内側および／または外側にフィンが形成されていることが好ましい。
この場合、燃焼排ガスと有酸素ガスはフィンとの接触によって熱交換することで、より多くの熱を交換することが可能となり、発電装置の熱利用の度合はさらに向上する。

外仕切壁の外側に形成されているフィンが外壁に接触して外仕切壁と外壁の間隔を規定することが好ましい。
この場合、外壁を取り付ける際にフィンを位置決めの基準として用いることができる。外壁の組み付けを容易に行うことが可能となり、かつ有酸素ガス通過室の寸法を精度良く管理することができる。

外仕切壁の内側に形成されているフィンが燃料電池セル群収容室と燃焼排ガス通過室を仕切る内仕切壁と外仕切壁の間隔を規定することが好ましい。
この場合、外仕切壁を取り付ける際にフィンを位置決めの基準として用いることができる。外仕切壁の組み付けを容易に行うことが可能となり、かつ燃焼排ガス通過室および有酸素ガス通過室の寸法を精度良く管理することができる。

固体酸化物型の燃料電池を用いる発電装置の場合、燃料電池セル群を収容する燃料電池セル群収容室が中心に配置されており、その外側を燃焼排ガス通過室が取り囲んでおり、
さらにその外側を有酸素ガス通過室が取り囲んでいる構造が好ましい。
さらに、燃料電池セル群収容室と燃焼排ガス通過室と有酸素ガス通過室のそれぞれの外形がほぼ立方体であることが好ましい。
内側から、燃料電池セル群収容室、燃焼排ガス通過室、有酸素ガス通過室が順に配置されていると、高温部を中温部で取り囲み、中温部を低温部で取り囲む３層構造が得られ、高温部を高温に維持しやすい。
しかも、立方体は製造しやすく、同一容積を最小表面積で収容することから、燃料電池セル群収容室をさらに保温しやすい。
この発電装置は、少ない熱量で燃料電池セル群収容室を発電適温に維持することを可能とする。

以下、本発明の好適な実施形態を説明する。
（形態１） 燃料電池セル群収容室の下方を燃焼排ガスが通過する。
（形態２） 燃焼排ガス通過室の下方を空気が通過する。

本発明を具現化した発電装置の第１実施例を、図面を参照しながら説明する。図１は、本実施例に係る発電装置の縦断面図であり、図２は図１のII−II線縦断面図であり、図３は図１のIII−III線横断面図であり、図４は図２の部分断面拡大図である。
図１から図３に示すように、発電ユニット１０は、内側から外側に向かって第１室４４、第２室４６、第３室４８からなる３重構造となっており、中心部の第１室４４とその外側の第２室４６を仕切る内仕切壁３６と、第２室４６とその外側の第３室４８を仕切る外仕切壁３８と、第３室４８と外部を仕切る外壁４０を有している。外壁４０は断熱部材４２で覆われている。
発電ユニット１０の中心部の第１室４４内には、燃料電池セル１２の複数個が配列されて構成されているセルスタック１４と、酸素を含む空気をセルスタック１４に供給する空気供給部材１６と、予備改質ガス内に含まれるメタンを燃料となる水素や一酸化炭素等に改質する改質器１８と、改質された燃料ガスをセルスタック１４に供給するマニホールド２４等が配設されている。予備改質ガスは、発電ユニット１０の外部に配置された予備改質器（図示省略）によって、炭素数２以上のプロパン等のガスを主にメタンや水素や一酸化炭素等に改質したガスである。

図２に明瞭に示されるように、燃料電池セル１２の断面は楕円形状であり、複数の燃料電池セル１２（図２では図の明瞭化のために６本となっているが、実際にはもっと多い）が平行に配置されている。燃料電池セル１２は、水平方向に長く伸びている。
図４は、図２に示すセルスタック１４の断面の拡大図である。図４に示すように、燃料極１２ａは楕円柱形状に形成され、その周面の半分強が固体電解質層１２ｂで覆われ、固体電解質層１２ｂの更に外側を酸素極１２ｃが覆っている。燃料極１２ａの周面の酸素極１２ｃと反対側はインターコネクタ１２ｄで覆われている。燃料極１２ａの内部には長手方向に貫通する５本の燃料ガス通路２０が並列に形成されている。
燃料極１２ａは多孔質であり、ニッケル（Ｎｉ）を主成分とするニッケル／ＹＳＺサーメット（混合焼結体）からなる。固体電解質層１２ｂは緻密質であり、ジルコニア（ＺｒＯ２）にイットリア（Ｙ２Ｏ３）を加えた混合物からなる。酸素極１２ｃは多孔質であり、ペロブスカイト型酸化物であるＬＳＭ（Ｌａ１−ｘＳｒｘＭｎＯ３）からなる。インターコネクタ１２ｄは導電性セラミックからなる。
隣合う燃料電池セル１２の一方の酸素極１２ｃと他方の燃料電池セル１２のインターコネクタ１２ｄとの間に、集電部材２２が介装されている。集電部材２２は、蛇腹状に折畳まれた導電性金属部材である。一方の燃料電池セル１２の酸素極１２ｃは、集電部材２２とインターコネクタ１２ｄを介して、他方の燃料電池セル１２の燃料極１２ａに電気的に接続されている。多数本の燃料電池セル１２が直列に接続されてセルスタック１４が形成されている。蛇腹状の集電部材２２は、空気が通過することを禁止しない。

セルスタック１４は、燃料電池セル１２の燃料ガス通路２０が略水平面内を伸びるように配列されており、複数本の燃料電池セル１２の燃料ガス通路２０が略水平面内を伸びている。燃料ガス通路が同一水平面内を伸びるセルスタック１４が、垂直方向に５段に配列されている。セルスタック１４を上段から順に、１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅということにする。

図１と図３に示すように、セルスタック１４ａの上流側（図１の右側）は、マニホールド２４ａを介して、改質器１８ａに接続されている。改質器１８ａとマニホールド２４ａは配管３０ａによって接続されている。セルスタック１４ｃと１４ｅも同様にして改質器１８ａに接続されている。セルスタック１４ｂの上流側（図１の左側）は、マニホールド２４ｂを介して、改質器１８ｂに接続されている。改質器１８ｂとマニホールド２４ｂは配管３０ｂによって接続されている。セルスタック１４ｄも同様にして改質器１８ｂに接続されている。
セルスタック１４ａ、１４ｃ、１４ｅの燃料ガス通路２０には、改質器１８ａで改質された燃料ガスが送り込まれる。セルスタック１４ａ、１４ｃ、１４ｅの改質器１８ａから遠い方の端部では燃料ガス通路２０が開放されており、発電のために消費されなかった燃料ガスが放出される。セルスタック１４ｂ、１４ｄの燃料ガス通路２０には、改質器１８ｂで改質された燃料ガスが送り込まれる。セルスタック１４ｂ、１４ｄの改質器１８ｂから遠い方の端部では燃料ガス通路２０が開放されており、発電のために消費されなかった燃料ガスが放出される。セルスタック１４ａ、１４ｃ、１４ｅは、マニホールド２４ａ、２４ｃ、２４ｅによって片持ち状に支持され、セルスタック１４ｂ、１４ｄは、マニホールド２４ｂ、２４ｄによって片持ち状に支持されている。
セルスタック１４ａ、１４ｃ、１４ｅと、セルスタック１４ｂ、１４ｄは、反対方向に伸びている。上下方向に多段に配列されているセルスタック１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅは、上下方向において、交互に反対向きに配列されている。

一対の改質器１８ａ、１８ｂは、基本的に同一構成を備えている。以下では添字を省略して共通に説明する。改質器１８は、金属製の薄い箱形状のケーシングと、その内で蛇行する経路（図示省略）が形成されており、この経路内に改質触媒が充填されている。図１に示すように、一対の改質器１８ａ、１８ｂは、セルスタック１４群を挟んで、平行に配設されている。一対の改質器１８ａ、１８ｂは、上部の２箇所の角部で２本の渡り配管２８ａ、２８ｂによって接続されている。燃料ガス導入管２６から送られた予備改質ガスは一方の改質器１８ａに導入され、渡り配管２８ａを経て、他方の改質器１８ｂにも導入される。改質器１８ａ、１８ｂ内に導入された予備改質ガス中のメタンは、改質触媒によって、改質器１８内を通過する間に主に水素や一酸化炭素からなる燃料ガスに改質される。なお、渡り配管２８ｂは、２つの改質器１８ａ、１８ｂの出口圧力の均衡を調整するために配設されている。

図１〜図３に示すように、空気供給部材１６は浅い箱形状の部材であり、上面に複数の空気供給口１６ｆが形成されている。空気供給部材１６の両側面には略水平に伸びる邪魔板５２ａ、５２ｂが形成されている。邪魔板５２ａは、上段の燃料電池セル１２の上流側に向けて取付けられており、水平に伸びている。邪魔板５２ｂは、上段の燃料電池セル１２の下流側に向けて取付けられており、端部が若干上向きに取付けられている。空気供給部材１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅは、セルスタック１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅのそれぞれの下方に配設されており、５つの空気供給部材１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅが上下方向に５段に配設されている。各空気供給部材１６の両端部は夫々空気供給管５０に連通している。空気供給管５０は金属製であり、図１と図２に示すように、上下方向に伸びており、上端は第３室４８に開口している。第３室４８の下方は、空気導入管３４と連通しており、空気導入管３４によって外部から導入された空気は、第３室４８を通過して一対の空気供給管５０、５０のいずれかに流入し、上下５段の空気供給部材１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅのいずれかの上面から、直近上部のセルスタック１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅに空気を供給する。
上下５段の空気供給部材１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅは、両端が空気供給管５０によって支持されており、強度が高い。
図１〜図３に示すように、セルスタック１４の燃料ガス通路２０は左右方向に伸びており、空気供給部材１６は、上下方向に伸びている。両持ち状の空気供給部材１６と、片持ち状のセルスタック１４が交差する位置関係におかれている。

片持ち状のセルスタック１４は、両持ち状の空気供給部材１６に対してパッキン６２を介して載置されており、片持ち状のセルスタック１４は水平に伸びる姿勢で安定的に支持されている。片持ち状のセルスタック１４が不用意に傾くことはない。

第３室４８と第２室４６を仕切る外仕切壁３８の４つの外周面には、図１から図３に示すフィン５４が取付けられている。特に図３に示すように、フィン５４は横方向に長尺な金属製板部材を略蛇腹形状に折畳んで形成されている。外側は外壁４０の内面に接触しており、内側は外仕切壁３８の外面に接触している（図１〜図３ではフィン５４の形状を明瞭にするため、フィン５４と壁面を離して示している）。なお、放熱を防止するために、フィン５４と外壁４０の内面が、断熱材を介して接触する構成であってもよい。図１と図２に示すように、外仕切壁３８の４つの外周面には、複数のフィン５４が上下方向に取付けられて外周面を覆っている。図示はしていないが、上下のフィン５４は、ピッチを半分ずらして取付けられている。このようにフィン５４が取付けられているため、外仕切壁３８とフィン５４と外壁４０によって、外仕切壁３８の４つの外周面と外壁４０の内面との間の全体に亘って、上下方向に伸びる細い角柱形状の通路が複数本形成される。
図１から図３に示すように、外仕切壁３８の４つの内周面にも、フィン５４と同様にフィン５６が取付けられている。フィン５６の形状もフィン５４と同様である。このようにフィン５６が取付けられているため、外仕切壁３８とフィン５６と内仕切壁３６によって、外仕切壁３８の４つの内周面と内仕切壁３６の外面との間の全体に亘って、上下方向に伸びる細い角柱形状の通路が複数本形成される。フィン５４は第３室４８のサイズを規定し、フィン５６は第２室４６のサイズを規定する。

図１と図２に示すように、外仕切壁３８は、側壁の下端から下方に伸びる固定用壁３８ａによって外壁４０の底板に固定されている。第２室４６の底板は第３室４８の底板から持ち上げられている。両底板の間隙は第３室４８の一部を構成する。固定用壁３８ａには複数個の穴３８ｂが形成されており、空気の流通が自在となっている。内仕切壁３６も、側壁の下端から下方に伸びる固定用壁３６ａによって外仕切壁３８の底板に固定されている。第１室４４の底板は第２室４６の底板から持ち上げられている。両底板の間隙は第２室４６の一部を構成する。固定用壁３６ａにも複数個の穴３６ｂが形成されており、空気の流通が自在となっている。
外壁４０の底板と外仕切壁３８の底板の間は、第３室４８の一部であり、そこに空気導入管３４が連通している。外仕切壁３８の底板と内仕切壁３６の底板の間は、第２室４６の一部であり、そこに燃焼排ガス導出管５８が連通している。

第３室４８は、発電ユニット１０の６面（４側面と上面と底面）において、第２室４６を取り囲んでおり、第２室４６は、発電ユニット１０の６面（４側面と上面と底面）において、第１室４４を取り囲んでいる。
第３室４８は、外部から取り込まれた空気が通過する。第２室４６は、第１室４４で生成された燃焼排ガスが通過する。第１室４４は燃料電池セル群収容室として利用される。
空気は第３室４８を下方から上方に移動する。燃焼排ガスは第２室４６を上方から下方に通過する。通過方向が逆であり、両者の間で活発な熱交換が行われる。
第１室４４の外形はほぼ立方体である。第２室４６の外形もほぼ立方体である。第３室４８の外形もほぼ立方体である。発電ユニット１０は、最小表面積で最大容積を収容する６面体であり、放熱量が少ない。
後記するように、第１室４４は最も高温であり、第２室４６は２番目に高温であり、第３室４８が３番目に高温である。最も高温な第１室４４を、２番目に高温な第２室４６で取り囲み、その外側を３番目に高温な第３室４８で取り囲む構造となっている。最も高温に維持する必要がある第１室４４を最も内側に配置することによって、燃料電池セルを収納する第１室４４を最も高温に維持しやすい最適な構造となっている。

発電ユニット１０内の動作を説明する。
燃料ガス導入管２６から改質器１８ａ、１８ｂに送られた予備改質ガスは、改質器１８ａ、１８ｂ内で、水素と一酸化炭素を含む燃料ガスに改質され、各マニホールド２４に送られる。改質された燃料ガスは、各マニホールド２４から各燃料電池セル１２へ送られ、各燃料電池セル１２内の燃料ガス通路２０に流入する。
空気導入管３４から第３室４８に送られた空気は、フィン５４の間をすり抜けて上部に達し、外壁４０の上面に沿って流れ、第３室４８に開口している空気供給管５０内に流入する。空気は、空気供給管５０を下方に移動しながら、５つの空気供給部材１６に流入し、全ての空気供給口１６ｆから流出する。流出する空気は、上方向、若しくは斜め上方向に上昇し、すぐ上のセルスタック１４の下側全体に分散される。
酸素は、イオン化して固体電解質を通過して燃料極に至り、水素または一酸化炭素と反応し、酸素極と燃料極の間に電位差を発生させる。すなわち、発電する。

発電時、燃料ガスは上流から下流へ向かってセルスタック１４内を水平に流れる。燃料ガスは上流から下流へ流れる間に発電熱によって徐々に加熱されていく。従来のように、セルスタック１４を縦に配設して燃料ガスを下方から上方へ流し、空気も下方から上方へ流して発電を行うと、燃料ガスも空気も下方から上方へ流れる間に発電熱で加熱され、セルスタック１４の上部と下部の温度差が例えば１５０℃近く生じてしまう。発電効率を考慮すると、下方の低温側の作動温度が、最適作動温度である例えば８００℃になるように調整しなければならない。すると、上方の高温側の動作温度が９５０℃にまで上昇してしまう。この高温に対する熱耐久性を確保するためには、燃料電池セル１２の近傍に配設される部材の熱耐久性を確保しなければならず、コストアップは避けられない。熱耐久性を重視すれば、上方の高温側の作動温度が、最適作動温度である８００℃になるように調整しなければならない。すると、下方の低温側の動作温度が６５０℃にまで低下してしまい、発電効率の低下は否めない。
本実施例の燃料電池では、燃料電池セルが水平方向に伸びているのに対し、空気が上方に移動する関係が得られ、燃料電池セルの温度勾配に交差する有酸素ガスの流れが生み出される。燃料電池セルを冷却する空気に燃料電池を冷却した熱が累積していくことが抑制され、第１室４４内の温度差が減少する。

本実施例では、セルスタック１４の下方に配置されている空気供給部材１６の広い範囲に空気供給口が分散配置されており、セルスタック１４の下側全体に空気が分散して供給される。これもまた、セルスタック１４の上流から下流に至るまで一様温度に冷却するのに有利である。
本実施例では、加熱されやすいセルスタック１４の下流側に多量の空気が供給され、加熱されにくいセルスタック１４の上流側に少量の空気が供給されるように、空気供給口１６ｆの密度と開口面積が調整されている。これもまた、セルスタック１４の温度分布を一様化するのに寄与している。

本実施例では、セルスタック１４の直下に熱伝導性の高い金属で形成された空気供給部材１６が配置されている。空気供給部材１６は熱伝導性が高く、加熱されやすいセルスタック１４の下流側から加熱されにくいセルスタック１４の上流側に伝熱する。セルスタック１４の近傍に伝熱部材を配置することもまた、セルスタック１４の温度分布を一様化するのに寄与している。
熱伝導性の空気供給部材１６とセルスタック１４の間には、パッキン６２が介在しており、直接には接触していない。それでも、熱伝導性の空気供給部材１６は、セルスタック１４の上流側と下流側の温度差を小さく抑える。加熱されやすいセルスタック１４の下流流側では、輻射が活発に起こって熱伝導性の空気供給部材１６に熱を伝える。セルスタック１４の下流側の温度は低下する。輻射によって加熱された熱伝導性の空気供給部材１６は、熱伝導によって低温部を加熱する。加熱された空気供給部材１６は、相対的に低温なセルスタック１４の上流側に向けて輻射し、セルスタック１４の上流部を加熱する。熱伝導性の空気供給部材１６がセルスタック１４に直接には接触していなくても、近接して位置しているために、熱伝導性の空気供給部材１６は、セルスタック１４の高温部から低温部に伝えられる熱エネルギーの移動を促進する。

本実施例では、セルスタック１４が垂直方向に５段に配列されている。上下方向に隣接するセルスタック１４の間は、空気供給部材１６と邪魔板５２ａ、５２ｂによって仕切られており、下段のセルスタック１４を冷却することによって自らは加熱された空気で上段のセルスタック１４を冷却するものではない。各段のセルスタック１４毎に、冷却兼発電用の空気が送られてくる。熱環境が等しいセルスタック１４が上下方向に５段に配列されるだけであり、第１室４４内の上下方向の温度差も抑制される。

本実施例では、空気供給部材１６がガス流遮断板を兼用している。余分な部材を利用しないで、空気供給部材１６がガス流遮断板を形成することができる。空気供給部材１６がガス流遮断板を兼用するほど広く広がっているために、空気供給部材１６から供給される空気がセルスタック１４の全体を加熱前の空気で一様によく冷却する。

燃料電池セル１２に供給される燃料ガスの例えば８０％が発電に利用される場合、発電に利用されなかった２０％の燃料ガス（オフガス）は、燃料ガス通路２０を通過して先端から流出する。また、燃料電池セル１２に供給される空気の例えば２０％が発電に利用される場合、発電に利用されなかった８０％の空気は、セルスタック１４の集電部材２２の隙間をすり抜ける。この空気は邪魔板５２ｂに沿って燃料電池セル１２の下流側へ誘導される。
各燃料電池セル１２の先端近傍には夫々スパーク電極６０が配設されている。スパーク電極６０が火花放電することによって、燃料電池セル１２の先端から流出する燃料ガスのオフガスと、燃料電池セル１２の下流側へ誘導される空気のオフガスが燃焼する。改質器１８は燃料電池セル１２の先端に近接していることから、燃料ガスのオフガスと空気のオフガスとの燃焼によって発生する燃焼熱を改質反応の吸熱反応に効率よく利用することができる。
燃焼排ガスは極めて高温であり、そのままでは熱交換器に投入しがたい。それほどの高温に耐えられる熱交換器は材質が限られ、高価である。本実施例では、燃焼熱でまず改質器１８を加熱する。改質反応は吸熱反応であり、燃焼排ガスの熱は吸熱に利用される。燃焼熱でまず改質器１８を加熱するために、燃焼排ガスの温度は低下する。このために、第２室４６を流れる燃焼排ガスの温度は適度に冷却されており、仕切り壁３６、３８に特別の材料を使わなくてもすむ。

燃料電池セル１２の電気化学反応が効率よく進行する環境温度は約８００℃の高温である。この環境温度が低下すれば、発電効率は低下する。従って、供給する空気の温度を予加熱しておく必要がある。
上昇した燃焼排ガスは、第１室４４の上面に沿って第２室４６に流入する。第２室４６内に流入した燃焼排ガスは、上下方向に伸びる複数の細い角柱形状の通路を下方向に通過して第２室４６の下部に流入し、燃焼排ガス導出管５８から外部に導出される。
このとき、空気導入管３４から導入された予加熱された空気（約２００℃）は第３室４８内に流入し、上下方向に伸びる複数の細い角柱形状の通路を上方向に通過している。従って、第２室４６を通過する燃焼排ガスと、第３室４８を通過する空気との間で熱交換が行われる。外仕切板３８の両面に取付けられたフィン５４、５６によって、熱交換率は更に高められる。この熱交換によって、空気を約６５０℃まで予加熱しておくことができる。なお、約５００℃まで温度低下した燃焼排ガスは、発電ユニット１０の外部に配設された、図示しない予備改質器の加熱に利用することができ、さらには空気の予熱に利用することもできる。

本実施例では、燃料と空気のオフガスが燃焼する位置が、上下方向において、交互に反対側に位置する関係に設定されている。このために、燃料電池セル群を収納する第１室４４内の温度分布は、水平方向にも上下方向にも均質化されている。最大温度差でも５０℃程度であり、第１室４４内の温度は８００〜８５０℃の範囲に抑えられる。

また、最も高温な第１室４４を２番目に高温な第２室４６で取り囲み、その外側を３番目に高温な第３室４８で取り囲む構造となっているために、第１室４４を高温に維持しやすい。そのために、発電に伴って発生する熱と、燃料と空気のオフガスの燃焼熱だけで、燃料電池セル群を収容する第１室４４内の温度を発電適温である８００〜８５０℃に維持することができる。すなわち、熱自立することができる。

以上の実施例では、筒状の燃料極を燃料ガス通路が貫通している燃料電池セルの例を説明したが、燃料極と燃料ガス通路の関係はそれに限らない。例えば、ポーラスの物質の中に燃料ガス通路を設け、その表面に、内側から、燃料極、固体電解質、酸素極の順に積層された積層構造を付着したような燃料電池セルであってもよい。要は、燃料極と固体電解質と酸素極の積層体の燃料極側に燃料ガスが供給され、酸素極側に有酸素ガスが供給されるものであり、かつ、燃料電池セルの外側に供給される有酸素ガスが、前記積層体を通して燃料電池セル側に用意されている燃料ガス通路に侵入するものであれば足りる。

本発明を具現化した発電装置の第２実施例を、図面を参照しながら説明する。なお第１実施例と重複する説明は繰り返さない。
図５は、第２実施例に係る発電装置の縦断面図であり、図６はIV−IV線横断面図である。
図５と図６に示すように、発電ユニット２１０は、内側から外側に向かって第１室４４、第２室４６、第３室４８からなる３重構造となっており、中心部の第１室４４とその外側の第２室４６を仕切る内仕切壁３６と、第２室４６とその外側の第３室４８を仕切る外仕切壁３８と、第３室４８と外部を仕切る外壁４０を有している。外壁４０は断熱部材４２で覆われている。
発電ユニット２１０の中心部の第１室４４内には、燃料電池セル１２の複数個が配列されて構成されているセルスタック２１４ａ、２１４ｂ、２１４ｃ、２１４ｄと、酸素を含む空気をセルスタック２１４ａ、２１４ｂ、２１４ｃ、２１４ｄに供給する空気供給管２１６と、燃料となる水素や一酸化炭素等の燃料ガスをセルスタック２１４ａ、２１４ｂ、２１４ｃ、２１４ｄに供給するマニホールド２２４ａ、２２４ｂ、２２４ｃ、２２４ｄ等が配設されている。燃料ガスは発電ユニット２１０の外部に配置された予備改質器（図示省略）および改質器（図示省略）によって、プロパンやメタンを水素や一酸化炭素に改質したガスである。

図６に明瞭に示されるように、燃料電池セル１２の断面は楕円形状であり、複数の燃料電池セル１２（図６では図の明瞭化のために９本となっているが、実際にはもっと多い）が平行に配置されている。燃料電池セル１２は、垂直方向に長く伸びている。
隣り合う燃料電池セル１２の一方の酸素極１２ｃと他方の燃料電池セル１２のインターコネクタ１２ｄとの間に、集電部材２２が介装されている。集電部材２２は、蛇腹状に折畳まれた導電性金属部材である。一方の燃料電池セル１２の酸素極１２ｃは、集電部材２２とインターコネクタ１２ｄを介して、他方の燃料電池セル１２の燃料極１２ａに電気的に接続されている。多数本の燃料電池セル１２が直列に接続されてセルスタック２１４ａ、２１４ｂ、２１４ｃ、２１４ｄが形成されている。蛇腹状の集電部材２２は、空気が通過することを禁止しない。

セルスタック２１４ａ、２１４ｂ、２１４ｃ、２１４ｄは、燃料電池セル１２の燃料ガス通路２０が略垂直平面内を伸びるように配列されており、複数本の燃料電池セル１２の燃料ガス通路２０が同一垂直平面内を伸びている。燃料ガス通路が同一垂直平面内を伸びるセルスタック２１４ａ、２１４ｂ、２１４ｃ、２１４ｄが、水平方向に４列に配列されている。

セルスタック２１４ａ、２１４ｂ、２１４ｃ、２１４ｄの燃料通路２０には、それぞれマニホールド２２４ａ、２２４ｂ、２２４ｃ、２２４ｄから燃料ガスが送り込まれる。セルスタック２１４ａ、２１４ｂ、２１４ｃ、２１４ｄの上方の端部では燃料通路２０が開放されており、発電のために消費されなかった燃料ガスが放出される。
マニホールド２２４ａ、２２４ｂ、２２４ｃ、２２４ｄは、その内部に図示されない燃料ガス流路を備える支持部材であり、その燃料ガス流路は燃料ガス導入管２６へ接続されている。発電ユニット２１０へ供給される燃料ガスは、燃料ガス導入管２６から、マニホールド２２４ａ、２２４ｂ、２２４ｃ、２２４ｄ内の燃料ガス流路を経由して、セルスタック２１４ａ、２１４ｂ、２１４ｃ、２１４ｄそれぞれの燃料電池セル１２の燃料流路２０へ流入する。

空気供給管２１６は細長い円筒状の部材であり、上端部は第３室４８の上部に連通し、下端部は第１室４４内のセルスタック２１４ａ、２１４ｂ、２１４ｃ、２１４ｄの下端部付近まで伸びている。空気供給管２１６の下端部には空気供給口２１６ｆが形成されている。図６に示すように、空気供給管２１６は隣接するセルスタックの間に配列される。空気導入管３４によって外部から導入された空気は、外仕切壁３８とフィン５４と外壁４０によって形成される細い角柱形状の通路を通り、第３室４８の上部から空気供給管２１６の上端へ流入する。空気は空気供給管２１６を通って空気供給口２１６ｆからセルスタック２１４ａ、２１４ｂ、２１４ｃ、２１４ｄへ供給される。

発電ユニット２１０内の動作を説明する。
水素と一酸化炭素を含む燃料ガスは、燃料ガス導入管２６からマニホールド２２４ａ、２２４ｂ、２２４ｃ、２２４ｄへ供給され、マニホールド２２４ａ、２２４ｂ、２２４ｃ、２２４ｄから各燃料電池セル１２へ送られ、各燃料電池セル１２内の燃料ガス通路２０に流入する。
空気導入管３４から第３室４８に送られた空気は、フィン５４の間をすり抜けて上部に達し、外壁４０の上面に沿って流れ、空気供給管２１６へ流入する。空気は、空気供給管２１６内を上端部から下端部へ向かって移動し、空気供給口２１６ｆから流出する。流出する空気は、フィン５４、第３室４８、空気供給管２１６で、燃焼排ガスとの熱交換によって予め加熱され、高温となっている。空気供給口２１６ｆから噴出した空気は、対流によって斜め上方向に上昇し、空気供給管２１６に近接するセルスタック２１４ａ、２１４ｂ、２１４ｃ、２１４ｄと接触しながら、燃料電池セル１２の下端から上端、すなわち燃料ガス通路２０の上流側から下流側へ分散される。
空気中の酸素は、イオン化して固体電解質を通過して燃料極に至り、水素または一酸化炭素と反応し、酸素極と燃料極の間に電位差を発生させる。すなわち、発電する。

発電時、燃料ガスは燃料電池セルの下端部から上端部へ向かって垂直に流れる。燃料ガスは燃料電池セルの下端部から上端部へ流れる間に発電熱によって徐々に加熱されていく。

燃料電池セル１２に供給される燃料ガスの大部分は発電に利用されるが、発電に利用されなかった燃料ガス（オフガス）は、燃料ガス通路２０を通過して先端から流出する。また、燃料電池セル１２に供給される空気の一部は発電に利用されるが、発電に利用されなかった残りの空気は、セルスタック２１４ａ、２１４ｂ、２１４ｃ、２１４ｄの集電部材２２の隙間をすり抜ける。この空気は対流によって燃料電池セル１２の上端部へ誘導される。
各燃料電池セル１２の先端近傍にはそれぞれ図示されないスパーク電極が配設されている。スパーク電極が火花放電することによって、燃料電池セル１２の先端から流出する燃料ガスのオフガスと、燃料電池セル１２の上端側へ誘導される空気のオフガスが燃焼する。第３室４８の上部と空気供給管２１６は、燃料電池セル１２の先端に近接していることから、燃料ガスのオフガスと空気のオフガスとの燃焼によって発生する燃焼熱を空気の予加熱に利用することができる。

燃料電池セル１２の電気化学反応が効率よく進行する環境温度は約８００℃の高温である。この環境温度が低下すれば、発電効率は低下する。従って、燃料電池セルへ供給する空気の温度を予加熱しておく必要がある。
発電ユニット２１０へ供給される空気は、装置外部の図示されない空気予熱手段によって、約２００℃まで予熱されている。これによって、高温の空気を酸素極に供給することができる。
燃料ガスのオフガスと空気のオフガスとの燃焼によって発生する高温（約９００℃以上）の燃焼排ガスは、第１室４４の上面に沿って第２室４６に流入する。第２室４６内に流入した燃焼排ガスは、上下方向に伸びる複数の細い角柱形状の通路を下方向に通過して第２室４６の下部に流入し、燃焼排ガス導出管５８から外部に導出される。
空気導入管３４から導入された予加熱された空気（約２００℃）は第３室４８内に流入し、上下方向に伸びる複数の細い角柱形状の通路を上方向に通過している。従って、第２室４６を通過する燃焼排ガスと、第３室４８を通過する空気との間で熱交換が行われる。外仕切板３８の両面に取付けられたフィン５４、５６によって、熱交換率は更に高められる。この熱交換によって、空気を約６５０℃まで予加熱しておくことができる。
加熱された空気は、第３室４８の上部から空気供給管２１６へ流入し、空気供給口２１６ｆから燃料電池セル１２へ供給される。第３室４８の上部および空気供給管２１６の上部は、燃料電池セル１２の先端に近接していることから、燃料ガスのオフガスと空気のオフガスとの燃焼によって発生する燃焼熱を空気の予加熱に利用することができ、さらに高温の空気を酸素極に供給することができる。
なお、約５００℃まで温度低下した燃焼排ガスは、発電ユニット２１０の外部に配設された、図示しない予備改質器および改質器の加熱に利用することができ、さらには装置外での空気の予熱に利用することもできる。

本実施例では、最も高温な第１室４４を２番目に高温な第２室４６で取り囲み、その外側を３番目に高温な第３室４８で取り囲む構造となっているために、燃料電池セルが収納される第１室４４を高温に維持しやすい。そのために、発電に伴って発生する熱と、燃料と空気のオフガスの燃焼熱で、燃料電池セル群を収納する第１室４４内の温度は８００℃以上に維持することができる。すなわち、熱自立することができる。

以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
例えば外仕切壁３８の外面をフィン５４の外側と同様の形態とし、外仕切壁３８の内面をフィン５６の内側と同様の形態として、外仕切壁３８とフィン５４、５６を一体の部品としてもよい。一例として、外仕切壁３８が金属性板部材を略蛇腹形状に折畳み、その角部が直角となるように形成されていると、外仕切壁３８の外面はフィン５４の外側と同様の形態であり、内面はフィン５６の内側と同様の形態となる。この場合、第１室４４から排出される燃焼排ガスは、内仕切壁３６の外面と外仕切壁３８の内面で形成される複数の上下方向に伸びる細い角柱形状の通路を通過し、空気導入管３４から送られる空気は、外仕切壁３８の外面と外壁４０の内面で形成される複数の上下方向に伸びる細い角柱形状の通路を通過する。燃焼排ガスが通る通路と空気が通る通路は交互に隣接しており、かつ燃焼排ガスの流れに対向して空気が流れるため、燃焼排ガスと空気の十分な熱交換を行うことができ、燃焼排ガスに含まれる熱の再利用を効率良く行うことができる。また外仕切壁３８の内面側の凸部を内仕切壁３６に、外仕切壁３８の外面側の凸部を外壁４０に接触させることで、内仕切壁３６と外仕切壁３８の間隔および外仕切壁３８と外壁４０の間隔を規定することができ、前期の燃焼排ガスの通路および空気の通路の寸法を精度良く管理することができる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数の目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

発電ユニット１０の縦断面を示す図。 発電ユニット１０の横断面を示す図。 発電ユニット１０の横断面を示す図。 図２の断面を部分的に拡大して示す図。 他の一つの発電ユニット２１０の縦断面を示す図。 他の一つの発電ユニット２１０の横断面を示す図。 従来技術の発電装置のレイアウトを示す図。

符号の説明

１０・・・発電ユニット
１２・・・燃料電池セル
１２ａ・・・燃料極
１２ｂ・・・固体電解質層
１２ｃ・・・酸素極
１２ｄ・・・インターコネクタ
１４・・・セルスタック
１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅ・・・セルスタック
１６・・・空気供給部材
１６ｆ・・・空気供給口
１８・・・改質器
１８ａ、１８ｂ・・・改質器
２０・・・燃料ガス通路
２２・・・集電部材
２４・・・マニホールド
２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ、１４ｅ・・・マニホールド
２６・・・燃料ガス導入管
２８ａ、２８ｂ・・・渡り配管
３０・・・配管
３０ａ、３０ｂ・・・配管
３４・・・空気導入管
３６・・・内仕切壁
３６ａ・・・固定用壁
３６ｂ・・・穴
３８・・・外仕切壁
３８ａ・・・固定用壁
３８ｂ・・・穴
４０・・・外壁
４２・・・断熱部材
４４・・・第１室
４６・・・第２室
４８・・・第３室
５０・・・空気供給管
５２ａ、５２ｂ・・・邪魔板
５４、５６・・・フィン
５８・・・燃焼排ガス導出管
６０・・・スパーク電極
６２・・・パッキン
１００・・・発電装置
１０２・・・排気口
１０４・・・有酸素ガス受け入れ口
１０６・・・断熱材
１０８・・・燃料ガス受け入れ口
１１０・・・矢印
１１２・・・分配管
１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃ、１１４ｄ・・・燃料ガス通路
１１６・・・燃料電池セル
１１６ａ、１１６ｂ、１１６ｃ、１１６ｄ・・・燃料電池セル
１１８・・・燃料電池セル群収容室
１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ・・・有酸素ガス通路
１２２・・・燃焼室
１２４・・・熱交換室
２１０・・・発電ユニット
２１４ａ、２１４ｂ、２１４ｃ、２１４ｄ・・・セルスタック
２１６・・・空気供給管
２１６ｆ・・・空気供給口
２２４ａ、２２４ｂ、２２４ｃ、２２４ｄ・・・マニホールド

Claims (7)

1. 固体酸化物型の燃料電池を用いる発電装置であり、
   燃料電池セル群を収容する燃料電池セル群収容室が中心に配置されており、
   その外側を燃焼排ガス通過室が取り囲んでいることを特徴とする発電装置。
2. 燃料電池セル群収容室と燃焼排ガス通過室の外形はほぼ六面体であり、側方の４面のみならず上面と底面についても、燃焼排ガス通過室が燃料電池セル群収容室を取り囲んでいることを特徴とする請求項１の発電装置。
3. 燃焼排ガス通過室のさらに外側を有酸素ガス通過室が取り囲んでいることを特徴とする請求項１または２の発電装置。
4. 燃焼排ガス通過室と有酸素ガス通過室を仕切る外仕切壁の内側および／または外側にフィンが形成されていることを特徴とする請求項３の発電装置。
5. 外仕切壁の外側に形成されているフィンが外壁に接触して外仕切壁と外壁の間隔を規定することを特徴とする請求項４の発電装置。
6. 外仕切壁の内側に形成されているフィンが燃料電池セル群収容室と燃焼排ガス通過室を仕切る内仕切壁と外仕切壁の間隔を規定することを特徴とする請求項４の発電装置。
7. 固体酸化物型の燃料電池を用いる発電装置であり、
   燃料電池セル群を収容する燃料電池セル群収容室が中心に配置されており、
   その外側を燃焼排ガス通過室が取り囲んでおり、
   さらにその外側を有酸素ガス通過室が取り囲んでおり、
   燃料電池セル群収容室と燃焼排ガス通過室と有酸素ガス通過室のそれぞれの外形がほぼ立方体であることを特徴とする発電装置。

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