JP2005317232A - 発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 起動時間を効果的に短縮することができる燃料電池式発電装置を提供する。
【解決手段】 起動時に、空気導入管３４内に起動用バーナ６４が配置されている。起動用バーナ６４にバーナ用燃料ガス導入管６６から燃料ガスを導入して燃焼させることによって空気導入管３４を通過する空気を予加熱する。燃料ガスを燃焼させると燃焼ガスが発生し、この燃焼ガスは燃料電池セル１２の酸素極まで到達するが、この燃焼は空気過剰（空気過剰率１．６以上）で行われるため、酸素極において還元反応が起こって酸素極を破壊してしまうおそれはない。また、起動バーナ６４は、燃料電池セル群収容室４４内ではなく、発電ユニット１０外の空気導入管３４内に配置されるため、起動用バーナ６４を配置しても燃料電池セル群収容室４４を大型化する必要がない。
【選択図】 図１

Description

本発明は、固体酸化物を利用する燃料電池セルによって発電する装置に関する。

固体酸化物型燃料電池セルは、８００℃程度の高温環境下で効率よく発電する。従って発電装置の起動時に、発電効率が高い温度にまで燃料電池セルを短時間で昇温させることによって、発電装置の起動時間を短縮することが望まれている。
特許文献１に記載の発電装置では、燃料電池セル間にバーナを配置し、起動時にバーナを燃焼させて燃料電池セルの昇温速度を早めることによって、起動時間の短縮を図っている。
特開２００３−２８２１２９号公報

しかしながら特許文献１の燃料電池式発電装置では、燃料電池セル間に起動用バーナを配置するために、燃料電池セル間の距離を大きくせざるを得ない。この結果、燃料電池セルの収容室が大型化する。燃料電池セルの収容室が大型化すると、熱容量が大きくなり、起動時間の短縮に逆行してしまう。特許文献１の燃料電池式発電装置では、起動時間を短縮するためにバーナを利用して燃料電池セルを加熱するにもかかわらず、起動時間を期待したほどには短縮することができない。
本発明では、起動時間を効果的に短縮することができる燃料電池式発電装置を提供することを目的とする。

本発明は、固体酸化物型燃料電池セルを用いる発電装置に関する。この発電装置は、燃料電池セルの収容室内へ有酸素ガスを導入する有酸素ガス導入経路を備えており、有酸素ガス導入経路内に加熱手段が配置されていることを特徴としている。
本発明の発電装置では、燃料電池セルの収容室へ有酸素ガスを導入する有酸素ガス導入経路内に加熱手段を配置している。この構成によれば、発電装置の起動時には、加熱手段を運転することによって加熱手段で加熱した有酸素ガスを燃料電池セルに供給することができる。発電装置の起動時に、加熱手段で加熱した有酸素ガスを燃料電池セルに供給することによって、発電効率が高い温度にまで燃料電池セルを短時間で昇温させることができる。加熱手段を燃料電池セルの収容室内に収容するのでなく、有酸素ガスを導入する経路内に配置するため、燃料電池セルの収容室が大型化することはなく、熱容量が大きくなることもない。
本発明によると、燃料電池式発電装置の起動時間を効果的に短縮することができる。

本発明の発電装置に備えられる加熱手段は、空気過剰状態で燃焼するバーナであることが好ましい。
燃料電池セルの酸素極の多くは、ＬＳＭ（ランタンストロンチウム酸化物）等の酸化セラミックから構成されている。酸化セラミックは、還元雰囲気にさらされると破壊してしまうことがある。
本発明では、有酸素ガス導入経路内に配置されたバーナで燃焼させる。この燃焼によって燃焼ガスが発生し、発生した燃焼ガスは有酸素ガスとともに燃料電池セルの収容室内へ導入される。一般に燃焼ガス中の酸素濃度は低く、酸素濃度の低いガスが燃料電池セルの酸素極に供給されると、酸素極が還元されて破壊されてしまうことがある。
本発明では、空気過剰状態でバーナを燃焼させるので、燃焼ガス中の酸素濃度が高く、燃焼ガスにさらされた酸素極が還元されてしまう事態の発生を防止することができる。

以下、本発明の好適な実施形態を説明する。
（形態１） 有酸素ガスは、空気である。
（形態２） 起動バーナは、燃料ガスを燃焼する。
（形態３） 起動バーナは、空気過剰率が１．６以上の状態で燃焼する。
（形態４） 起動バーナは、起動時のみ燃焼する。
（形態５） 起動バーナは、燃料電池セルの温度が発電可能な温度にまで上昇したら消火する。

本発明を具現化した発電装置の実施例を、図面を参照しながら説明する。図１は発電ユニットの縦断面図であり、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燃料電池セル群収容室４４、燃焼ガス通過室４６、空気通過室４８からなる３重構造となっており、中心部の燃料電池セル群収容室４４とその外側の燃焼ガス通過室４６を仕切る内仕切壁３６と、燃焼ガス通過室４６とその外側の空気通過室４８を仕切る外仕切壁３８と、空気通過室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の中心部の燃料電池セル群収容室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燃料電池セル群１４と、酸素を含む空気を燃料電池セル群１４に供給する空気供給部材１６と、発電ユニット１０外で生成された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、改質された改質ガスを燃料電池セル群１４に供給するマニホールド２４等が配置されている。

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に示す燃料電池セル群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（ＺｒＯ_２）にイットリア（Ｙ_２Ｏ_３）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（Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＭｎＯ_３）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燃料電池セル群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。

燃料電池セル群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２０が同一水平面内を伸びる燃料電池セル群１４が、垂直方向に５段に配列されている。燃料電池セル群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、燃料電池セル群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。燃料電池セル群１４ｃと１４ｅも同様にして改質器１８ａに接続されている。燃料電池セル群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。燃料電池セル群１４ｄも同様にして改質器１８ｂに接続されている。
燃料電池セル群１４ａ、１４ｃ，１４ｅの燃料ガス通路２０には、改質器１８ａで改質された改質ガスが送り込まれる。燃料電池セル群１４ａ、１４ｃ，１４ｅの改質器１８ａから遠い方（下流側）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改質ガスが放出される。燃料電池セル群１４ｂ，１４ｄの燃料ガス通路２０には、改質器１８ｂで改質された改質ガスが送り込まれる。燃料電池セル群１４ｂ，１４ｄの改質器１８ｂから遠い方（下流側）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改質ガスが放出される。燃料電池セル群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、燃料電池セル群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。
燃料電池セル群１４ａ、１４ｃ，１４ｅと、燃料電池セル群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燃料電池セル群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、共通の事象を説明する場合は添字を省略する。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、燃料電池セル群１４群を挟んで、平行に配置されている。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。予備改質ガス導入管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改質ガスに改質される。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置されている。

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、燃料電池セル群１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅのそれぞれの下方に配置されており、５つの空気供給部材１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄ，１６ｅが上下方向に５段に配置されている。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、上端は空気通過室４８に開口している。空気通過室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、空気通過室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、直近上部の燃料電池セル群１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅに空気を供給する。

図１と図２に示すように、空気導入管３４内には、起動用バーナ６４が配置されている。起動用バーナ６４は、起動時のみ燃焼させるものであり、図１に示すバーナ用燃料ガス導入管６６から導入される燃料ガスを燃料とする。起動用バーナ６４の動作については後述する。
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と図３に示すように、燃料電池セル群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、片持ち状の燃料電池セル群１４が交差する位置関係におかれている。

片持ち状の燃料電池セル群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、片持ち状の燃料電池セル群１４は水平に伸びる姿勢で安定的に支持されている。片持ち状の燃料電池セル群１４が不用意に傾くことはない。

空気通過室４８と燃焼ガス通過室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は空気通過室４８のサイズを規定し、フィン５６は燃焼ガス通過室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。燃焼ガス通過室４６の底板は空気通過室４８の底板から持ち上げられている。両底板の間隙は空気通過室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。燃料電池セル群収容室４４の底板は燃焼ガス通過室４６の底板から持ち上げられている。両底板の間隙は燃焼ガス通過室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、空気通過室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、燃焼ガス通過室４６の一部であり、そこに燃焼ガス導出管５８が連通している。

空気通過室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、燃焼ガス通過室４６を取り囲んでおり、燃焼ガス通過室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、燃料電池セル群収容室４４を取り囲んでいる。
空気通過室４８は、外部から取り込まれた空気が通過する。燃焼ガス通過室４６は、燃料電池セル群収容室４４で生成された燃焼ガスが通過する。燃料電池セル群収容室４４内には燃料電池セル群１４が収容される。
空気は空気通過室４８を下方から上方に移動する。燃焼ガスは燃焼ガス通過室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。
ただし、起動時は、上記のような空気と燃焼ガスとの熱交換は期待できない。従って、空気の予加熱は、空気導入管３４内に配置されている起動用バーナ６４を燃焼させることによって行う。この燃焼は空気過剰状態で行われる。
燃料電池セル群収容室４４の外形はほぼ立方体である。燃焼ガス通過室４６の外形もほぼ立方体である。空気通過室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、燃料電池セル群収容室４４は最も高温であり、燃焼ガス通過室４６は２番目に高温であり、空気通過室４８が３番目に高温である。最も高温な燃料電池セル群収容室４４を、２番目に高温な燃焼ガス通過室４６で取り囲み、その外側を３番目に高温な空気通過室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燃料電池セル群収容室４４を最も内側に配置することによって、燃料電池セル群収容室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。
予備改質ガス導入管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改質ガスに改質され、各マニホールド２４に送られる。改質された改質ガスは、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から空気通過室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、空気通過室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、すぐ上の燃料電池セル群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（１２ｂ：図４参照）を通過して燃料極（１２ａ：図４参照）に至り、水素または一酸化炭素と反応し、酸素極（１２ｃ：図４参照）と燃料極の間に電位差を発生させる。すなわち、発電する。

起動時には、空気導入管３４内に配置された起動用バーナ６４に、バーナ用燃料ガス導入管６６から燃料ガスを導入して燃焼させ、空気導入管３４を通過する空気を予熱する。燃料ガスを燃焼させることによって、高温の燃焼ガスが発生する。高温の燃焼ガスが燃料電池セル１２に到達するために燃料電池セル１２が加熱される。燃焼ガスが燃料電池セル１２の酸素極に接触するが、起動用バーナ６４は空気過剰状態（空気過剰率１．６以上）で燃焼しているために、燃焼ガスの酸素分圧が高く、酸素極が還元されることはない。

発電時、改質ガスは上流から下流へ向かって燃料電池セル群１４内を水平に流れる。改質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、燃料電池セル群１４を縦に配置して改質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、改質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、燃料電池セル群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の近傍に配置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、燃料電池セルの上流端と下流端の温度差が小さくなる。さらに、燃料電池セル群は１段毎に燃料ガス通路の向きが交互になるように配列されている。即ち、燃料電池セルの低温な上流側と高温な下流側が垂直方向に交互に配置されている。従って、上下方向の温度差が相殺され、燃料電池セルの上流側と下流側の温度差がさらに小さくなり、燃料電池セル群収容室４４内の温度差が減少する。

本実施例では、燃料電池セル群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、燃料電池セル群１４の下側全体に空気が分散して供給される。これもまた、燃料電池セル群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、加熱されやすい燃料電池セル群１４の下流側に多量の空気が供給され、加熱されにくい燃料電池セル群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、燃料電池セル群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、燃料電池セル群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、加熱されやすい燃料電池セル群１４の下流側から加熱されにくい燃料電池セル群１４の上流側に伝熱する。燃料電池セル群１４の近傍に伝熱部材を配置することもまた、燃料電池セル群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と燃料電池セル群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、燃料電池セル群１４の上流側と下流側の温度差を小さく抑える。加熱されやすい燃料電池セル群１４の下流側では、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。燃料電池セル群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、相対的に低温な燃料電池セル群１４の上流側に向けて輻射し、燃料電池セル群１４の上流部を加熱する。熱伝導性の空気供給部材１６が燃料電池セル群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、燃料電池セル群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、燃料電池セル群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燃料電池セル群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、下段の燃料電池セル群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燃料電池セル群１４を冷却するものではない。各段の燃料電池セル群１４毎に、冷却兼発電用の空気が送られてくる。熱環境が等しい燃料電池セル群１４が上下方向に５段に配列されるだけであり、燃料電池セル群収容室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燃料電池セル群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に供給される改質ガスの例えば８０％が発電に利用される場合、発電に利用されなかった２０％の改質ガス（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、燃料電池セル群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が配置されている。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改質ガスのオフガスと、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、改質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、燃焼ガスの温度は低下する。このために、燃焼ガス通過室４６を流れる燃焼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。
本実施例では、改質器１８と各燃料電池セル１２との間にマニホールド２４が配置されている。燃焼ガスは改質器１８に向かって流れ、邪魔板５２ａ，５２ｂによって、燃焼ガスが燃料電池セル群１４間に進入することが阻まれ、改質器１８に沿って流れる。この作用によって、燃料電池セル１２が燃焼ガスによって過熱されることを防止し、燃焼ガスによって改質器１８を効果的に加熱して、改質反応を促進することができる。

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、燃料電池セル群収容室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。燃料電池セル群収容室４４内の最大温度差でも５０℃程度であり、燃料電池セル群収容室４４内の温度は８００〜８５０℃の範囲に抑えられる。

また、最も高温な燃料電池セル群収容室４４を２番目に高温な燃焼ガス通過室４６で取り囲み、その外側を３番目に高温な空気通過室４８で取り囲む構造となっているために、燃料電池セル群収容室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、改質ガスと空気のオフガスの燃焼熱だけで、燃料電池セル群収容室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。

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１２に供給する空気の温度を予加熱しておく必要がある。
起動時で、発電があまり進行していない状態であると、空気通過室４８と燃焼ガス通過室４６との熱交換が活発に行われず、空気の予加熱が難しい。本実施例では、起動時は、空気通過室４８に導入される空気を空気導入管３４内の起動用バーナ６４によって予加熱する。このことによって、燃料電池セル１２の温度環境を発電に有利な状態にすばやく整えることができ、起動時間を効果的に短縮することができる。
燃料電池セル１２の酸素極は、還元雰囲気化において還元されやすい。酸素極が還元されれば燃料電池セル１２は破壊されてしまう。本実施例では、空気導入管３４内に起動用バーナ６４が配置されており、燃料電池セル１２の酸素極に空気を供給するための通路内で燃料ガスが燃焼する。空気導入管３４内で発生した燃焼ガスは空気とともに燃料電池セル群収容室４４内へ導入される。燃焼ガスが燃料電池セル１２の酸素極に接触するが、起動用バーナ６４は空気過剰状態（空気過剰率１．６以上）で燃焼しているために、燃焼ガスの酸素分圧が高く、酸素極が還元されることはない。
本実施例では、起動バーナ６４は、燃料電池セル群収容室４４内ではなく、燃料電池セル群収容室４４内へ空気を導入する空気導入管３４内に配置されるため、起動用バーナ６４を配置しても燃料電池セル群収容室４４を大型化する必要がない。

発電が進行すると燃料電池セル群収容室４４内で燃焼ガスが発生し、上昇した燃焼ガスは、燃料電池セル群収容室４４の上面に沿って燃焼ガス通過室４６に流入する。燃焼ガス通過室４６内に流入した燃焼ガスは、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燃焼ガス通過室４６の下部に流入し、燃焼ガス導出管５８から発電ユニット１０外に導出される。
本実施例では、空気導入管３４から導入された空気は空気通過室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、ある程度高温の燃焼ガスが発生したら、起動用バーナ６４を消火し、燃焼ガス通過室４６を通過する燃焼ガスと、空気通過室４８を通過する空気との間での熱交換によって空気の予加熱を行う。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。
この熱交換によって、燃焼ガスの温度は約５００℃まで低下する。この熱を、発電ユニット１０外に配置された予備改質器の加熱等に利用することができる。

以上の実施例では、燃料電池セルが水平に配置された発電装置の例を説明したが、燃料電池セルの配置についてはこれに限られない。本発明は、例えば特許文献１（特開２００３−２８２１２９号公報）の燃料電池のように、燃料電池セルが垂直に配置されている発電装置においても同様に良好な効果が得られる。

また、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改質ガスが供給され、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。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、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。
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。

本実施例に係る発電装置の縦断面図。 図１のII−II線縦断面図。 図１のIII−III線横断面図。 図２の部分断面拡大図。

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：燃料電池セル群
１６：空気供給部材、１６ｆ：空気供給口
１８：改質器、１８ａ、１８ｂ
２０：燃料ガス通路
２２：集電部材
２４：マニホールド
２６：予備改質ガス導入管
２８：渡り配管、２８ａ，２８ｂ
３０：配管
３２：配管
３４：空気導入管
３６：内仕切壁
３８：外仕切壁
４０：外壁
４２：断熱部材
４４：燃料電池セル群収容室
４６：燃焼ガス通過室
４８：空気通過室
５０：空気供給管
５２：邪魔板
５４：フィン
５６：フィン
５８：燃焼ガス導出管
６０：スパーク電極
６２：パッキン
６４：起動用バーナ
６６：バーナ用燃料ガス導入管

Claims (2)

1. 固体酸化物型燃料電池セルを用いる発電装置であり、
   燃料電池セルの収容室内へ有酸素ガスを導入する有酸素ガス導入経路を備えており、
   その有酸素ガス導入経路内に加熱手段が配置されていることを特徴とする発電装置。
2. 前記加熱手段は、空気過剰状態で燃焼するバーナであることを特徴とする請求項１の発電装置。

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