JP2006147517A - 発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池セルを用いて発電する発電装置において、燃料電池セル群の温度分布を均一化することが可能な技術を提供する。
【解決手段】 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であり、燃料ガスと有酸素ガスとを反応させて発電する複数の燃料電池セルと、前記燃料電池セル群を収容する燃料電池セル群収容室と、燃料電池セル群収容室の外側を取り囲む燃焼ガス通過室と、燃料電池セル群収容室へ有酸素ガスを供給する有酸素ガス通過室と、燃焼ガスと有酸素ガスとを熱交換する熱交換部とを備える発電装置であって、前記燃料電池セル群収容室と前記燃焼ガス通過室との間に断熱部材が配設されていることを特徴とする。
【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分布が極めて重要である。そこには、下記のような事象に対処しなければならない。
多数用いられている燃料電池セルの中の最低温度のものでも、効率よく発電する温度に維持しなければならない。その温度は８００℃程度の高温であり、その温度に耐えられる材質が限られてくる。燃料電池セル群の温度差が大きいと、最高温部の温度はさらに高くなるために、その高温に耐えられる材質がさらに限られてしまう。
そこで、燃料電池セル群の温度差ができるだけ小さく抑えられる構造設計が極めて重要となる。

特許文献１に、燃料電池セル群の温度差を小さく抑える技術が紹介されている。ただし特許文献１は本願出願の時点でまだ公開されていないことに留意されたい。
特許文献１には、燃料ガス通路が略同一水平面内を伸びる姿勢に置かれている燃料電池セル群が、垂直方向に多段に配列されており、垂直方向に隣接する燃料電池セル群の間に、有酸素ガス通路を備える発電装置が開示されている。
その発電装置では、改質器から送出された改質ガスが燃料電池セル群の内部に送り込まれる。有酸素ガスは、燃料電池セル群の間に配設された有酸素ガス通路から、燃料電池セル群に向けて吹出す。燃料電池セル群の内部に送り込まれた改質ガスと、燃料電池セル群の外面に吹付けられた有酸素ガスは反応し、電気と熱を作り出す。燃料電池セル群を通過した改質ガス（オフガス）は、燃料電池セル群から吹出すときに燃焼し、燃焼熱を発生する。発電熱と燃焼熱によって、高温の燃焼ガスが生成する。高温の燃焼ガスは、改質器を加熱し、ついで燃焼ガス通過室に送り出される。
燃焼ガス通過室は、燃料電池セル群収容室を覆うように形成されており、その外側を覆うように有酸素ガス通過室が形成されている。燃焼ガス通過室と有酸素ガス通過室との間には、熱交換部が設けられている。燃焼ガス通過室を流れる高温の燃焼ガスによって、燃料電池セル群収容室へ送り込まれる有酸素ガスは予熱される。また、燃焼ガス通過室を流れる高温の燃焼ガスによって、燃料電池セル群収容室からの放熱が防止され、燃料電池セル群収容室が高温に保たれる。
特許文献１の発電装置は、熱効率が高く、熱自立することに成功している。発電反応に伴って発生する発電熱と、ゼロにすることができないオフガスの燃焼熱だけによって、燃料電池セル群収容室を発電適温に維持している。本明細書では、燃料電池を用いた発電装置において、加熱のためだけの燃料を必要としないことを熱自立するということにする。

特願２００４−０４１９３８号

特許文献１に記載の発電装置は、運用中に最も高温となる燃料電池セル群収容室を、次に高温となる燃焼ガス通過室で取り囲むことによって、燃料電池セル群収容室からの放熱を抑制することに成功している。
しかしながら、上記の発電装置はさらなる改善の余地を残している。
特許文献１に記載の発電装置では、燃焼ガス通路を流れる高温の燃焼ガスの熱を無駄に廃棄することなく、発電装置の内部で再利用することによって、発電装置の熱自立を実現している。特許文献１に記載の発電装置では、燃焼ガスの熱を、燃料ガスの改質や有酸素ガスの予熱に利用している。その結果、燃焼ガスは冷却されて温度は低下する。従って、燃焼ガス通過室を流れる燃焼ガスの温度は、高温ではあるが燃料電池セル群収容室の温度に比べると低いものとなる。燃料電池セル群収容室と、燃焼ガス通過室との間の温度差をなくすことができないため、燃料電池セル群収容室からの放熱をなくすことはできない。
燃料電池セル群収容室からの放熱に起因して、燃料電池セル群の外周部に位置する燃料電池セルの温度は低下する。一方で、燃料電池セル群の中央部に位置する燃料電池セルは、周囲に高温の燃料電池セルが存在するため、あまり温度は低下しない。従って、燃料電池セル群収容室からの放熱によって、燃料電池セル群に温度差が生じてしまう。

特許文献１に記載の発電装置では、特に燃料電池セル群の最上部に位置する燃料電池セルと最下部に位置する燃料電池セルの温度低下が問題となる。
上記の発電装置では、燃料電池セル群の最上部が燃料電池セル群収容室内で開放されている。そのため、最上部に位置する燃料電池セルの発電熱が輻射および対流によって燃料電池セル群収容室の上方へ放散してしまい、燃料電池セルの温度は低下する。一方で他の燃料電池セル群は、直上に燃料電池セルあるいは有酸素ガス通路が配置されており、燃料電池セルの発電熱が放散することがなく、燃料電池セルの温度は発電適温に維持される。
また上記の発電装置では、他の燃料電池セルの発電熱によっても、燃料電池セルは加熱されている。周囲に存在する燃料電池セル群からの輻射に加えて、下方に配置された燃料電池セル群の発電熱による対流によっても加熱され、燃料電池セルは発電適温に維持される。しかしながら、最下部に位置する燃料電池セルは、直上に配置された燃料電池セル群からの輻射によってしか加熱されないため、他の燃料電池セル群にくらべて低い温度となってしまう。
従って、最上部に位置する燃料電池セルと、最下部に位置する燃料電池セルは、他の燃料電池セル群に比べて低い温度となり、燃料電池セル群に温度差が生じてしまう。

本発明者らが特許文献１の発電装置を試作したところ、最も温度が高い燃料電池セルと、最も温度が低い燃料電池セルとで、５０℃程度の温度差が確認されている。その温度差をさらに小さくすることが好ましい。

本発明では、上記の課題を解決する。
本発明は、燃料電池セルを用いて発電する発電装置において、燃料電池セル群収容室内の燃料電池セル群の温度差を抑制して、燃料電池セル群の温度分布を均一化することが可能な技術を提供する。

本発明で具現化される発電装置は、固体酸化物型の燃料電池を用いる発電装置である。その発電装置は、燃料ガスと有酸素ガスとを反応させて発電する複数個の燃料電池セルと、前記燃料電池セル群を収容する燃料電池セル群収容室と、燃料電池セル群収容室の外側を取り囲む燃焼ガス通過室と、燃料電池セル群収容室へ有酸素ガスを供給する有酸素ガス通過室と、燃焼ガス通過室を流れる燃焼ガスと、有酸素ガス通過室を流れる有酸素ガスとを熱交換する熱交換部とを備えている。その発電装置は、前記燃料電池セル群収容室と前記燃焼ガス通過室との間に断熱部材が配設されていることを特徴とする。

上記のように断熱部材を配設することによって、燃料電池セル群収容室から燃焼ガス通過室への放熱が低減し、燃料電池セル群の外周部に位置する燃料電池セルの温度低下が抑制される。従って、燃料電池セル群の温度差は抑制され、燃料電池セル群の温度分布を均一に保つことが可能となる。
上記の断熱部材としては、例えばシリカベースのガラスウールといったガラス系セラミックや、セラミックファイバー等を用いることができる。

前記断熱部材は、前記燃料電池セル群収容室と、前記熱交換部より下流の前記燃焼ガス通過室との間に配設されていることが好ましい。

上記した断熱部材は高価であり、大量に使用すると発電装置も高価なものとなってしまう。従って、断熱部材は必要な部位にのみ配設することが好ましい。
上記の発電装置においては、燃焼ガス通過室を流れる燃焼ガスは、有酸素ガス通過室との熱交換部において冷却される。従って、熱交換部より下流の燃焼ガス通過室には、相対的に低温の燃焼ガスが流れており、燃料電池セル群収容室からの放熱も大きい。
上記のように、燃料電池セル群収容室と熱交換部より下流の燃焼ガス通過室との間に断熱部材を配設することによって、少ない断熱部材を用いて、燃料電池セル群の温度差を効果的に抑制することができる。

本発明で具現化される他の一つの発電装置は、固体酸化物型の燃料電池を用いる発電装置であり、燃料極と固体電解質と酸素極と燃料ガス通路を有する複数個の燃料電池セルを備えており、燃料電池セル群は、燃料ガス通路が略水平面内を伸びる姿勢で、垂直方向に多段に配列されており、最上部の燃料電池セルの直上に遮蔽板が形成されていることを特徴とする。

上記のように最上部の燃料電池セルの直上に遮蔽板を形成することによって、輻射および対流に起因する燃料電池セルからの放熱を防止することができる。燃料電池セルの最上部からの放熱が防止され、最上部に位置するセルの温度低下が抑制される。その結果、燃料電池セル群の温度分布は均一化される。
上記の遮蔽板としては、熱の輻射に対する透過性が低く、ガス流を遮蔽することが可能なものであれば、どのようなものを使用してもよい。例えば金属製の板材を用いてもよいし、各燃料電池セルへ有酸素ガスを供給する有酸素ガス通路と同一の部品をそのまま用いてもよい。

本発明で具現化される他の一つの発電装置は、固体酸化物型の燃料電池を用いる発電装置であり、燃料極と固体電解質と酸素極と燃料ガス通路を有する複数個の燃料電池セルと、燃料ガス通路を通過した燃料ガスを燃焼するオフガス燃焼部とを備えており、燃料電池セル群は、燃料ガス通路が略水平面内を伸びる姿勢で、垂直方向に多段に配列されており、オフガス燃焼部から最下部の燃料電池セルの下方に伸びる伝熱板が形成されていることを特徴とする。

オフガス燃焼部を備える発電装置の場合、上記のようにオフガス燃焼部から最下部の燃料電池セルの下方に伸びる伝熱板を形成することによって、オフガスの燃焼熱を利用して最下部の燃料電池セルを加熱することができる。最下部の燃料電池セルは、直上に位置する燃料電池セル群からの輻射に加えて、伝熱板からの放熱によっても加熱されて、温度低下が抑制される。その結果、燃料電池セル群の温度分布は均一化される。
上記の伝熱板としては、熱伝導性が高く、オフガス燃焼部で吸熱可能であり、最下部の燃料電池セルの下方で放熱可能なものであれば、どのようなものを使用してもよい。

上記の発電装置によれば、運用中の燃料電池セル群の温度差を抑制し、燃料電池セル群の温度分布を均一化することができる。すべての燃料電池セルについて、発電に好適な温度に維持することが容易となり、発電装置の発電効率を向上することができる。

以下、本発明の好適な実施形態を説明する。
（形態１）固体酸化物型の燃料電池を用いる発電装置であり、
燃料ガスと有酸素ガスとを反応させて発電する複数個の燃料電池セルと、
前記燃料電池セル群を収容する燃料電池セル群収容室と、
燃料電池セル群収容室の上部と連通し、燃料電池セル群収容室の外側を取り囲む燃焼ガス通過室と、
燃料電池セル群収容室へ有酸素ガスを供給する有酸素ガス通過室と、
燃焼ガス通過室を流れる燃焼ガスと、有酸素ガス通過室を流れる有酸素ガスとを熱交換する熱交換部と
を備える発電装置であって、
前記燃料電池セル群収容室の床面に断熱部材が配設されていることを特徴とする発電装置。

（第１実施例）
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２の縦断面図である。図１に示すように、発電装置２は発電ユニット１０で構成されている。
図１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（内室）４４、第２室（中間室）４６、第３室（外室）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。外壁４０と断熱部材４２で断熱容器が構成され、発電ユニット１０は断熱容器に収容されている。
発電ユニット１０の中心部の第１室４４内には、複数個の燃料電池セル１２が配列されて構成されているセルスタック１４の群と、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１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅと、混合ガスを燃料となる水素や一酸化炭素等に改質する改質器１８ａ、１８ｂ等が配設されている。

図３に示すように、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が紙面垂直方向に積み重ねられることによってセルスタック１４が構成されている。セルスタック１４は、図１に示すように水平方向に長く伸びている。
図３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本の改質ガス通路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群１４が形成されている。蛇腹状の集電部材２２は、図１における上下方向に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の改質ガス通路２０が略水平面内を伸びるように配列されており、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のグループを上段から順に、１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅということにする。
図１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の改質ガス通路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改質ガス通路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。セルスタック１４ｂ、１４ｄの改質ガス通路２０には、改質器１８ｂで改質された改質ガスが送り込まれる。セルスタック１４ｂ、１４ｄの改質器１８ｂから遠い方の端部では改質ガス通路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。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。改質器１８ａ、１８ｂ内に導入された混合ガスは、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２８が、２つの改質器１８ａ、１８ｂの出口圧力の均衡を調整するために、２つの改質器１８a、１８ｂを接続している。

図１に示すように、空気供給部材１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅ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１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅの両側面（改質器１８a、１８ｂ側の側面）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、図１の紙面の奥側と手前側に配置されている一対の空気供給管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に示すように、セルスタック１４の改質ガス通路２０は左右方向に伸びており、空気供給部材１６は紙面垂直方向に伸びている。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。
セルスタック１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅのうちで、最上段に位置するセルスタック１４ａの上方には、厚みの薄い遮蔽板７０が配設されており、空気供給管５０ａ、５０ｂに支えられている。遮蔽板７０とセルスタック１４ａの間隔は、空気供給部材１６ａとセルスタック１４ｂ、空気供給部材１６ｂとセルスタック１４ｃ、空気供給部材１６ｃとセルスタック１４ｄ、空気供給部材１６ｄとセルスタック１４ｅの各間隔と等しい。

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に示すフィン５４が取付けられている。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。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。図示しないが、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に示すように、外仕切壁３８は、第２室４６の底板４６ｂよりも下方に伸びる固定用壁３８ａによって外壁４０の底板４０ｂに固定されている。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、第１室の底板４４ｂの下端から下方に伸びる固定用壁３６ａによって第２室４６の底板４６ｂに固定されている。
第１室４４の底板４４ｂは第２室４６の底板４６ｂ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、燃焼ガスの流通が自在となっている。第２室４６の底板４６ｂと第１室４４の底板４４ｂの間（第２室４６の一部）には昇温蒸発混合器１３０が配設されている。昇温蒸発混合器１３０の下側には第３室４８が位置している。
外壁４０の底板４０ｂと第２室４６底板４６ｂ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。第１室４４の底板４４ｂと第２室４６の底板４６ｂの間は、第２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。
第１室４４の最下部には、改質器１８ａ、１８ｂの通過する部分を除いて、断熱材７４が敷き詰められている。断熱材７４は、例えばシリカベースのガラスウールといったガラス系セラミックや、セラミックファイバー等を用いている。

第１室４４の下部には、伝熱板７８が配設されている。伝熱板７８は、Ｌ字型に屈曲した金属性の板状部材であって、燃料電池セル１４ｅの先端と改質器１８ｂとの間に伸びる吸熱板７８ａと、空気供給部材１６ｅと断熱材７４との間に伸びる放熱板７８ｂを備えている。伝熱板７８は、吸熱板７８ａで吸熱した熱を、吸熱板７８ａから放熱板７８ｂへ伝熱して、放熱板７８ｂで放熱する。

昇温蒸発混合器１３０には燃料ガス供給管１３２と水供給管１３４が接続されている。水供給管１３４から供給される水は燃焼排ガスの熱で加熱されて蒸発し、蒸発した水蒸気は燃料ガス供給管１３２から供給される燃料ガスを混合する。水蒸気と燃料ガスの混合ガスは燃焼排ガスの熱で加熱されて昇温する。昇温した混合ガスは、混合ガス導入管２６a、２６ｂによって、改質器１８ａ，１８ｂに送られる。
燃料ガス供給管１３２は、比較的に高い位置に開口し、昇温蒸発混合器１３０内で水分が結露しても、燃料ガス供給管１３２に液体の水が浸入することがない。発電装置の運転を中止しても、燃料ガス供給管１３２には液体の水が浸入することがない。

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。
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。燃焼ガスは第２室４６を上方から下方に通過する。空気と燃焼ガスは通過方向が逆であり、外仕切壁３８を介して両者の間で活発な熱交換が行われる。
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。水供給器１３４から送り込まれた水は、昇温混合蒸発機１３０内で加熱され、水蒸気となる。この水蒸気と、燃料ガス供給装置１３２から昇温蒸発混合器１３０に供給された都市ガスまたはＬＰガスが混合して混合ガスとなる。混合ガスは、昇温蒸発混合器１３０内で予熱され、混合ガス導入管２６ａ、２６ｂから改質器１８ａ、１８ｂへ送られる。混合ガス導入管２６から本改質器１８ａ、１８ｂに送られた混合ガスは、改質器１８ａ、１８ｂ内で、水素と一酸化炭素を含む混合ガスに改質され、各マニホールド２４に送られる。改質された混合ガスは、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内の混合ガス通路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、第２室を通過する高温の燃焼ガスと熱交換しながらフィン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１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅに流入し、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層１２ｂを通過して燃料極１２ａに至り、水素または一酸化炭素と反応し、酸素極１２ｃと燃料極１２ａの間に電位差を発生させる。すなわち、発電する。

発電時、改質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。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。
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。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。

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、改質ガス通路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。
セルスタック１４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、セルスタック１４の先端から流出するオフガスが、燃料電池セル１２の下流側へ誘導される空気によって燃焼する。改質器１８はセルスタック１４の先端に近接していることから、オフガス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。

セルスタック１４ｅの先端と改質器１８ｂとの間には伝熱板７８の吸熱板７８ａが伸びており、オフガスの燃焼によって発生する燃焼熱の一部は、吸熱板７８ａに吸熱される。吸熱板７８ａによって吸熱された熱は、吸熱板７８ａから放熱板７８ｂへ伝熱して、放熱板７８ｂから放熱される。放熱板７８ｂからの放熱によって、空気供給部材１６ｅとセルスタック１４ｅが加熱される。

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され、改質に利用される。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、第２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。

従来の技術では、垂直方向に積み重ねた燃料電池セル群は、発電時にセル発熱が上方に輻射及び対流によって放散してしまう。最上段のセル群はそれより下段のセル群に比べて熱の放散量が多いため、燃料電池セル群の温度がそれより下段の燃料電池セル群より低くなり、５０℃程度の温度差が生じてしまう。本実施例では、セルスタック１４aの上方に設けた遮蔽板７０によって、最上段の熱が放散されにくくなり、最上段のセル群の温度分布が他のセル群の温度分布と等しくなる。

従来の技術では、垂直方向に積み重ねた燃料電池セル群の場合、セル群の発電に伴うセル発熱が上方に輻射および対流によって伝熱し、直上のセル群を加熱する。最下段のセル群は他のセル群の発熱による加熱がされないため、燃料電池セル群の温度がそれより上段の燃料電池セル群より低いものとなってしまう。
また改質器１８による改質反応は、燃料ガス濃度が高いほど活発に行われる。従って燃料ガスの濃度が高い上流側、すなわち改質器１８の下部では、改質反応に伴う吸熱量が最も大きい。改質器１８による吸熱によって、第１室４４の底部のガスの温度が低下し、その結果最下段のセル群の温度は低下してしまう。最下段のセル群の温度はそれより上段の燃料電池セル群より低く、５０℃程度の温度差が生じてしまう。
本実施例では、伝熱板７８を設けたことによって、最下段のセル群の温度低下を抑止することに成功している。最下段の燃料電池セル群であるセル群１４ｅの先端から流出されたオフガスを燃焼した高温の燃焼ガスの熱は、その一部が吸熱板７８ａで吸熱されて、吸熱板７８ａから放熱板７８ｂへ伝熱し、放熱板７８ｂから放熱される。放熱板７８ｂからの放熱によって、燃料電池セル群１４ｅの周囲のガスが加熱され、対流によって燃料電池セル群１４ｅが加熱される。さらに放熱板７８ｂからの輻射によっても、燃料電池セル群１４ｅが加熱される。従って最下段のセル群の温度低下が抑止され、それより上段のセル群との温度差を緩和することができる。
なお吸熱板７８ａによる吸熱によって、燃焼ガスからの改質器１８の下部への加熱量は低下するが、改質器１８の下部で不足する熱量については、例えば改質器１８の上部からの伝熱といった、他の部位からの伝熱によって補われている。伝熱板７８を設けても、改質器１８の改質効率はほとんど低下しない。

さらに、有酸素ガスとの熱交換によって冷却された燃焼ガスは、第１室４４の底板４４ｂと第２室４６の底板４６ｂの間（第２室４６の一部）を通過する。最下段の燃料電池セル群の発熱は冷却された燃焼ガスに吸熱されるため、最下段の燃料電池セルの温度は低下しやすい。本実施例では、第１室４４の最下部に設けた断熱材７４によって、最下段の燃料電池セル群の発熱が第２室４６を通過する冷却された燃焼ガスに吸熱されず、最下段の燃料電池セル群の温度分布が他の燃料電池セル群の温度分布と等しくなる。
セルスタック１４ａの上方に設けた遮蔽板７０と、セルスタック１４ｅの下部に設けた伝熱板７８と、第１室４４の最下部に設けた断熱材７４により、燃料電池セル群の最上段と最下段における熱の損失を抑え、上下５段の燃料電池セル群の温度分布を一様にすることが可能となり、燃料電池セル群の温度を最適化できる。

（第２実施例）
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２は、第２実施例に係る発電装置の縦断面図である。
第１室４４の内部にあるセルスタック１４ａの上方には、空気供給部材１６と同じ材質、形状の断熱材７６を設けており、断熱材７６の両端は空気供給管５０に支えられている。空気供給管５０内を流れる空気は断熱材７６へは流入しない。断熱材７６とセルスタック１４ａの間隔は、空気供給部材１６ａとセルスタック１４ｂ、空気供給部材１６ｂとセルスタック１４ｃ、空気供給部材１６ｃとセルスタック１４ｄ、空気供給部材１６ｄとセルスタック１４ｅの各間隔と等しい。発電装置内のその他の構造は第１実施例と同様である。

従来の技術では、垂直方向に積み重ねた燃料電池セル群は、発電時にセル発熱が上方に輻射及び対流によって放散してしまう。最上段のセル群はそれより下段のセル群に比べて熱の放散量が多いため、燃料電池セル群の温度がそれより下段の燃料電池セル群より低くなり、５０℃程度の温度差が生じてしまう。本実施例では、セルスタック１４ａの上方に設けた断熱材７６によって、最上段の熱が放散されにくくなり、最上段のセル群の温度分布が他のセル群の温度分布と等しくなると共に燃料電池セル群の温度を最適化することが可能である。本実施例では、断熱材７６は空気供給部材１６と同じ材質、形状であるので、空気供給管５０によって容易に支えることが可能である。また、セルスタック１４の下流側で燃焼された燃焼ガスは断熱材７６に遮られること無く、第２室４６の燃焼ガス通路へ送られることが可能である。

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。

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。
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。

第１実施例の発電装置の縦断面を示す図。 第２実施例の発電装置の縦断面を示す図。 燃料電池セル１２の縦断面を示す図。

符号の説明

２・・・発電装置
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
１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅ・・・空気供給部材
１６ｆ・・・空気供給口
１８・・・本改質器
１８ａ、１８ｂ・・・本改質器
２０・・・燃料ガス通路
２２・・・集電部材
２４・・・マニホールド
２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ、２４ｅ・・・マニホールド
２６・・・燃料ガス導入管
２８・・・渡り配管
３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅ・・・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・・・燃焼ガス導出管
６０・・・スパーク電極
６２・・・パッキン
７０・・・遮蔽板
７４・・・断熱材
７６・・・断熱材
７８・・・伝熱板
７８ａ・・・吸熱板
７８ｂ・・・放熱板
１１０・・・予備改質器
１１８・・・予備改質室
１２０・・・予備改質触媒
１２６・・・燃料ガス供給管
１３０・・・昇温蒸発混合器
１３２・・・燃料ガス供給管
１３４・・・改質用水供給管
１４６・・・燃焼ガス流路
１５８・・・燃焼ガス排出管

Claims (4)

1. 固体酸化物型の燃料電池を用いる発電装置であり、
   燃料ガスと有酸素ガスとを反応させて発電する複数個の燃料電池セルと、
   前記燃料電池セル群を収容する燃料電池セル群収容室と、
   燃料電池セル群収容室の外側を取り囲む燃焼ガス通過室と、
   燃料電池セル群収容室へ有酸素ガスを供給する有酸素ガス通過室と、
   燃焼ガス通過室を流れる燃焼ガスと、有酸素ガス通過室を流れる有酸素ガスとを熱交換する熱交換部と
   を備える発電装置であって、
   前記燃料電池セル群収容室と前記燃焼ガス通過室との間に断熱部材が配設されていることを特徴とする発電装置。
2. 前記断熱部材は、前記燃料電池セル群収容室と、前記熱交換部より下流の前記燃焼ガス通過室との間に配設されていることを特徴とする請求項１の発電装置。
3. 固体酸化物型の燃料電池を用いる発電装置であり、
   燃料極と固体電解質と酸素極と燃料ガス通路を有する複数個の燃料電池セルを備えており、
   燃料電池セル群は、燃料ガス通路が略水平面内を伸びる姿勢で、垂直方向に多段に配列されており、
   最上部の燃料電池セルの直上に遮蔽板が形成されていることを特徴とする発電装置。
4. 固体酸化物型の燃料電池を用いる発電装置であり、
   燃料極と固体電解質と酸素極と燃料ガス通路を有する複数個の燃料電池セルと、
   燃料ガス通路を通過した燃料ガスを燃焼するオフガス燃焼部と、
   を備えており、
   燃料電池セル群は、燃料ガス通路が略水平面内を伸びる姿勢で、垂直方向に多段に配列されており、
   オフガス燃焼部から最下部の燃料電池セルの下方に伸びる伝熱板が形成されていることを特徴とする発電装置。

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