JP2010174686A

JP2010174686A - 複合発電装置

Info

Publication number: JP2010174686A
Application number: JP2009016530A
Authority: JP
Inventors: Takashi Ono; 孝小野
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2009-01-28
Filing date: 2009-01-28
Publication date: 2010-08-12
Anticipated expiration: 2029-01-28
Also published as: JP5127733B2

Abstract

【課題】燃料電池装置とスターリングエンジン発電機とを組み合わせた複合発電装置において、発電効率の向上した複合発電装置を提供する。
【解決手段】本発明の複合発電装置は、内部にピストンを備え、該ピストンを挟んで膨張空間側２６と圧縮空間側２７とが形成されるとともに、ピストンを作動させるための作動ガスが充填されたピストン容器１３を備えるスターリングエンジン発電機の膨張空間側２６を、複数個の固体酸化物形燃料電池セル３をそれぞれ電気的に直列に接続してなるセルスタック５を収納してなる燃料電池モジュール１の発電室１６内に配置することにより、膨張空間側２７を効率よく高温とすることができ、作動ガスを効率よく加熱することができる。それにより、スターリングエンジン発電機を効率よく駆動させることができ、発電効率が向上した複合発電装置とすることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池とスターリングエンジン発電機とを組み合わせてなる複合発電装置に関する。

近年、次世代エネルギーとして、水素含有ガス（燃料ガス）と酸素含有ガス（空気等）とを用いて電力を得ることができる燃料電池セルを複数個立設し電気的に直列に接続してなるセルスタックと、セルスタックを構成する燃料電池セルを固定するとともに、燃料電池セルに燃料ガスを供給するマニホールドとを有するセルスタック装置を、収納容器内に収納してなる燃料電池モジュールや燃料電池モジュールを収納してなる燃料電池装置が種々提案されている。

また、発電効率を向上させる目的で、燃料電池装置を他の発電装置と組み合わせた複合発電装置が提案されており、例えば燃料電池装置とガスタービンやスターリングエンジン発電機を組み合わせた複合発電装置が提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。

特開２００７−２０４０７号公報特開２００８−１８０１３１号公報

このような複合発電装置においては、固体酸化物形燃料電池から排出されるオフガスを用いてスターリングエンジン発電機を駆動させることが概念的に提案されているが、固体酸化物形燃料電池より排出される排ガスの温度が低下している場合があり、スターリングエンジン発電機を効率的に駆動させることが難しい場合があった。

また、スターリングエンジン発電機を駆動させるにあたり、ヒーター等の熱源を別途設ける場合には、発電効率が低下する場合があった。

それゆえ、本発明においては、効率よくスターリングエンジン発電機を駆動させることができ、発電効率が向上した複合発電装置を提供することを目的とする。

本発明の複合発電装置は、複数個の固体酸化物形燃料電池セルをそれぞれ電気的に直列に接続してなるセルスタックを収納容器内に設けられた発電室内に収納してなる燃料電池モジュールを備える燃料電池装置と、内部にピストンを備え、該ピストンを挟んで膨張空間側と圧縮空間側とが形成されるとともに、前記ピストンを作動させるための作動ガスが充填されたピストン容器と、前記ピストンの動作に伴って発電を行なう発電部とを備えるスターリングエンジン発電機とを組み合わせてなる複合発電装置であって、前記ピストン容器の膨張空間側が前記発電室内に配置されていることを特徴とする。

燃料電池セル装置を構成する固体酸化物形燃料電池セルは６００〜１０００℃という高温で発電する。それゆえ、複数個の固体酸化物形燃料電池セルをそれぞれ電気的に直列に接続してなるセルスタックを収納する発電室内は、非常に高温となる。そこで、燃料電池装置とスターリングエンジン発電機とを組み合わせてなる複合発電装置において、スターリングエンジン発電機を構成するピストン容器の膨張空間側を発電室内に配置することにより、別途ヒーター等の加熱手段を設けることなく膨張空間側を効率よく高温とすることができる。それにより、ピストン容器内に充填されたピストンを作動させるための作動ガスを効率よく加熱することができる。それにより、ピストンを効率よく動作させることができることから、スターリングエンジン発電機を効率よく駆動させることができ、発電効率が向上した複合発電装置とすることができる。

また、本発明の複合発電装置は、前記ピストン容器の圧縮空間側が前記燃料電池モジュールの前記収納容器の外部に配置されていることが好ましい。

このような複合発電装置においては、ピストン容器の圧縮空間側が燃料電池モジュールの収納容器の外部に配置されていることから、ピストン容器の圧縮空間側は高温の熱に曝されないため、膨張空間側に比べて低温となる。それにより、ピストン容器内に充填されたピストンを作動させるための作動ガスを、別途クーラー等の冷却手段を設けることなく効率よく冷却することができる。それにより、ピストンを効率よく動作させることができることから、スターリングエンジン発電機を効率よく駆動させることができ、発電効率が向上した複合発電装置とすることができる。

また、本発明の複合発電装置は、前記スターリングエンジン発電機は、前記作動ガスが前記ピストン容器の膨張空間側と圧縮空間側との間を往復する構成のスターリングエンジン発電機であって、前記ピストン容器の膨張空間側と圧縮空間側とが、前記作動ガスを加熱するための加熱部と前記作動ガスを冷却するための冷却部とを備える接続部により接続されるとともに、前記加熱部が前記発電室内に配置され、前記冷却部が前記燃料電池モジュールの前記収納容器の外部に配置されていることが好ましい。

このような複合発電装置においては、ピストン容器内の作動ガスがピストン容器の膨張空間側と圧縮空間側とを往復する構成のスターリングエンジン発電機を用いる場合に、作動ガスを加熱するための加熱部が発電室内に配置され、作動ガスを冷却するための冷却部が燃料電池モジュールの収納容器の外部に配置されていることから、別途ヒーターやクーラー等の加熱・冷却手段を設けることなく作動ガスを効率よく加熱・冷却することができる。それにより、ピストンを効率よく動作させることができることから、スターリングエンジン発電機を効率よく駆動させることができ、発電効率が向上した複合発電装置とすることができる。

また、本発明の複合発電装置は、前記ピストン容器の圧縮空間側または前記冷却部の周囲に、酸素含有ガスを流すための酸素含有ガス供給配管が設けられており、該酸素含有ガス供給管を流れた酸素含有ガスが、前記燃料電池モジュールの前記収納容器内に供給されるように構成されていることが好ましい。

このような複合発電装置においては、ピストン容器の圧縮空間側または冷却部の周囲に、酸素含有ガス供給配管が設けられており、この酸素含有ガス供給配管に低温の酸素含有ガス（空気等）を流すことにより、作動ガスと酸素含有ガスとで熱交換することとなる。それにより、作動ガスを効率よく冷却することができることから、効率よくスターリングエンジン発電機を駆動させることができ、発電効率を向上することができる。

あわせて、作動ガスと熱交換され温められた酸素含有ガスを燃料電池モジュールの収納容器内に供給することにより、燃料電池モジュール（燃料電池装置）の発電効率を向上することができる。

それにより、燃料電池装置およびスターリングエンジン発電機の発電効率を向上することができることから、発電効率の向上した複合発電装置とすることができる。

また、本発明の複合発電装置は、前記収納容器内に、前記燃料電池セルに供給する燃料ガスを生成するための改質器を備えるとともに、前記ピストン容器の圧縮空間側または前記冷却部の周囲に、酸素含有ガスを流すための酸素含有ガス供給配管が設けられており、該酸素含有ガス供給管を流れた酸素含有ガスが、前記改質器内に供給されるように構成されていることが好ましい。

あわせて、作動ガスと熱交換され温められた酸素含有ガスを、固体酸化物形燃料電池セルに供給する燃料ガスを生成するための改質器に供給することから、改質器で部分酸化改質やオートサーマル改質を行なう場合に、改質効率を向上することができ、燃料電池モジュール（燃料電池装置）の発電効率を向上することができる。

また、本発明の複合発電装置は、前記収納容器内に、前記燃料電池セルに供給する燃料ガスを水蒸気改質にて生成するための気化部を備える改質器が配置されているとともに、前記ピストン容器の圧縮空間側または前記冷却部の周囲に、前記気化部に水を供給するための配管が配置されていることが好ましい。

このような複合発電装置においては、ピストン容器の圧縮空間側または冷却部の周囲に、気化部を備える改質器の気化部に水を供給するための配管が配置されていることから、この配管に温度の低い水を流すことにより、作動ガスと温度の低い水とで熱交換することとなる。それにより、作動ガスを効率よく冷却することができることから、効率よくスターリングエンジン発電機を駆動させることができ、発電効率を向上することができる。

あわせて、配管を流れる水は作動ガスと熱交換されて温められる、あるいは気化するため、気化部に直接温度の低い水を供給する場合に比べて、気化部での水の気化に伴う吸熱反応が少なくなり、セルスタックが高温を維持しやすくなる。それにより、燃料電池モジュール（燃料電池装置）の発電効率を向上することができる。

また、本発明の複合発電装置は、前記燃料電池装置が、前記燃料電池モジュールより排出される排ガスと水とで熱交換するための熱交換器を備えるとともに、前記ピストン容器の圧縮空間側または前記冷却部の周囲に、前記熱交換器に水を供給するための配管が配置されていることが好ましい。

このような複合発電装置においては、ピストン容器の圧縮空間側または冷却部の周囲に、熱交換器に水を供給するための配管が配置されていることから、この配管に低温の水を流すことにより、作動ガスと水とで熱交換することとなる。それにより、作動ガスを効率よく冷却することができることから、効率よくスターリングエンジン発電機を駆動させることができ、発電効率を向上することができる。

あわせて、燃料電池モジュールより排出される排ガスと、配管を流れる水とで熱交換するための熱交換器を備えていることから、燃料電池装置の排熱回収効率を向上させることができ、総合エネルギー効率を向上することができる。それにより、総合エネルギー効率の向上した複合発電装置とすることができる。

本発明の複合発電装置は、複数個の固体酸化物形燃料電池セルをそれぞれ電気的に直列に接続してなるセルスタックを収納容器内に設けられた発電室内に収納してなる燃料電池モジュールを備える燃料電池装置と、内部にピストンを備え、該ピストンを挟んで膨張空間側と圧縮空間側とが形成されるとともに、前記ピストンを作動させるための作動ガスが充填されたピストン容器と、前記ピストンの動作に伴って発電を行なう発電部とを備えるスターリングエンジン発電機とを組み合わせてなる複合発電装置であって、前記ピストン容器の膨張空間側が前記発電室内に配置されていることから、スターリングエンジン発電機を効率よく駆動させることができ、発電効率が向上した複合発電装置とすることができる。

本発明の複合発電装置の一例を、一部を抜粋して示す外観斜視図である。図１で示す複合発電装置の断面図である。本発明の複合発電装置の一例の構成を簡略的に示す構成図である。本発明の複合発電装置の他の一例の構成を簡略的に示す構成図である。本発明の複合発電装置のさらに他の一例の構成を簡略的に示す構成図である。本発明の複合発電装置のさらに他の一例の構成を簡略的に示す構成図である。本発明の複合発電装置のさらに他の一例の構成を簡略的に示す構成図である。本発明の複合発電装置を備える複合発電システムの一部を抜粋して、その構成の一例を示した構成図である。

図１は、複合発電装置のうち燃料電池装置を構成する燃料電池モジュール１（以下、モジュールと略す）と、スターリングエンジン発電機を構成するピストン容器１３とを抜粋して示す外観斜視図である（スターリングエンジン発電機を構成するパワーピストンを備えるパワーピストン装置、発電機等は省略して示している。）。なお、図１においては、スターリングエンジン発電機として、ディスプレーサ型スターリングエンジン発電機を用いる場合を示しており、ピストン容器１３は、内部にディスプレーサピストン（図示せず）を有するディスプレーサ装置の役割を果たしている。なお、ピストン容器１３内は、ピストンを作動させるための作動ガスが充填されている。作動ガスとしては、温度により膨張や収縮するガスを用いることができ、例えば空気や、ヘリウムガス等を用いることができる。

以下、図１を用いて本発明の複合発電装置のうち燃料電池装置を構成するモジュール１について説明する。なお、以降の図において同一の部材については同一の番号を付するものとする。

図１に示すモジュール１においては、収納容器２の内部に、内部を第１の反応ガスが流通するガス流路（図示せず）を有する柱状の固体酸化物形燃料電池セル３（以下、燃料電池セルと略す。）を立設させた状態で配列し、隣接する燃料電池セル３間に集電部材（図１においては図示せず）を介して電気的に直列に接続してなるセルスタック５を収納して構成されている。なお、セルスタック５は、各燃料電池セル３の下端をガラスシール材等の絶縁性接合材（図示せず）でマニホールド４に固定している。また、セルスタック５の両端部には、セルスタック４（燃料電池セル３）の発電により生じた電流を集電して外部に引き出すための、電流引き出し部を有する導電部材が配置されている（図示せず）。このような構成により、セルスタック装置１２が構成される。

なお、図１においては、燃料電池セル３として、内部を第１の反応ガス（水素含有ガス）が長手方向に流通するガス流路を有する中空平板型で、ガス流路を有する支持体の表面に、燃料側電極層、固体電解質層および酸素側電極層を順に積層してなる固体酸化物形燃料電池セル３を例示している。以降の説明の説明において、特に断りのない限り第１の反応ガスを燃料ガス（水素含有ガス）とし、後述する第２の反応ガスを酸素含有ガスとして説明する。

さらに図１においては、燃料電池セル３の発電で使用する燃料ガスを得るために、原燃料供給管１０を介して供給される天然ガスや灯油等の原燃料を改質して燃料ガスを生成するための改質器６をセルスタック５（燃料電池セル３）の上方に配置している。なお、改質器６は、効率のよい改質反応である水蒸気改質を行うことができる構造とすることが好ましく、水を気化させるための気化部７と、原燃料を燃料ガスに改質するための改質触媒（図示せず）が配置された改質部８とを備えている。そして、改質器６で生成された燃料ガスは、燃料ガス流通管９を介してマニホールド４に供給され、マニホールド４より燃料電池セル３の内部に設けられたガス流路に供給される。なお、セルスタック装置１２の構成は、燃料電池セル３の種類や形状により、適宜変更することができ、例えばセルスタック装置１２に改質器６を含むこともできる。

また図１においては、収納容器２の一部（前後面）を取り外し、内部に収納されるセルスタック装置１２を後方に取り出した状態を示している。ここで、図１に示したモジュール１においては、セルスタック装置１２を、収納容器２内にスライドして収納することが可能である。

なお、収納容器２の内部には、マニホールド４に並置されたセルスタック５の間に配置され、第２の反応ガス（酸素含有ガス）が燃料電池セル３の側方を下端部から上端部に向けて流れるように、反応ガス導入部材１１が配置されている。

また、このような構成のセルスタック装置１２においては、燃料電池セル３のガス流路より排出される余剰な燃料ガスと酸素含有ガスとを燃料電池セル３の上端部側で燃焼させることにより、燃料電池セル３の温度を上昇させることができ、セルスタック装置１２の起動を早めることができる。あわせて、燃料電池セル３（セルスタック５）の上方に配置された改質器６を温めることができ、改質器６で効率よく改質反応を行なうことができる。

また、図１においては収納容器２内に、スターリングエンジン発電機を構成するピストン容器１３の一部が挿入して配置されている。

図２は、図１で示すモジュール１およびモジュール１に収納されたスターリングエンジン発電機を構成するピストン容器１３の断面図である。モジュール１を構成する収納容器２は、内壁１４と外壁１５とを有する二重構造で、外壁１５により収納容器２の外枠が形成されるとともに、内壁１４によりセルスタック５（セルスタック装置１２）を収納する発電室１６が形成されている。さらにモジュール１（収納容器２）においては、内壁１４と外壁１５との間を、燃料電池セル３に導入する酸素含有ガスが流通する反応ガス流路としている。

ここで内壁１４には、内壁１４の上面よりセルスタック５の側面側にまで延び、内壁１４と外壁１５とで形成される反応ガス流路に通じて、セルスタック５に酸素含有ガスを導入するための反応ガス導入部材１１が備えられている。また、反応ガス導入部材１１の下端に、燃料電池セル３の下端部に第２の反応ガスを導入するための反応ガス導入口１７が設けられている。

図２においては、反応ガス導入部材１１が、収納容器２の内部に横並びに並置された２つのセルスタック５間に位置するように配置されているが、セルスタック５の数により、例えば反応ガス導入部材１１をセルスタック５の両側面側から挟み込むように配置してもよい。具体的には、セルスタック５（セルスタック装置１２）を１つだけ収納する場合には、反応ガス導入部材１１を２つ設け、セルスタック５を両側面側から挟み込むように配置することができる。

また発電室１６内には、モジュール１内の熱が極端に放散され、燃料電池セル３（セルスタック５）の温度が低下して発電量が低減しないよう、モジュール１内の温度を高温に維持するための断熱材１８が適宜設けられている。

断熱材１８は、セルスタック５の近傍に配置することが好ましく、特には、燃料電池セル３の配列方向に沿ってセルスタック５の側面側に配置するとともに、セルスタック５の側面の外形と同等またはそれ以上の大きさを有する断熱材１７を配置することが好ましい。なお、図２においては示していないが、好ましくは、断熱材１８はセルスタック５の両側面側に配置することが好ましい。それにより、セルスタック５の温度が低下することを効果的に抑制できる。さらには、反応ガス導入部材１１より導入される酸素含有ガスが、セルスタック５の側面側より排出されることを抑制でき、セルスタック５を構成する燃料電池セル３間の酸素含有ガスの流れを促進することができる。

また、燃料電池セル３の配列方向に沿った内壁１４の内側には、排ガス用内壁１９が設けられており、内壁１４と排ガス用内壁１９との間が、発電室１６内の排ガスが上方から下方に向けて流れる排ガス流路とされている。なお、排ガス流路は、収納容器２の底部に設けられた排気孔２０と通じている。

それにより、モジュール１の稼動（起動処理時、発電時、停止処理時）に伴って生じる排ガスは、排ガス流路を流れた後、排気孔２０より排気される構成となっている。なお、排気孔２０は収納容器２の底部の一部を切り欠くようにして形成してもよく、また管状の部材を設けることにより形成してもよい。

ところで、上述したモジュール１内に収納する燃料電池セル３として固体酸化物形燃料電池セルを用いる場合、固体酸化物燃料電池セルは６００〜１０００℃という高温で発電するため、燃料電池装置を稼動するにあたって、発電室１６内も６００〜１０００℃程度の高温に保持される。

それゆえ、燃料電池装置とスターリングエンジン発電機とを組み合わせた複合発電装置において、スターリングエンジン発電機を構成する内部にピストンを備えるピストン容器１３の膨張空間側を発電室内に配置することにより、別途ヒーター等の加熱手段を設けることなく膨張空間側を効率よく高温とすることができる。

ここで、本発明の複合発電装置においては、ピストン容器１３の膨張空間側をモジュール１の発電室１６内に配置して構成される。

それにより、ピストン容器１３内に充填されたピストンを作動させるための作動ガスを効率よく加熱することができ、ピストンを効率よく作動させることができる。それにより、スターリングエンジン発電機を効率よく駆動させることができ、発電効率が向上した複合発電装置とすることができる。

なお、図１および図２において、ピストン容器１３の膨張空間側をセルスタック５の側方に位置するように配置した例を示しているが、ピストン容器１３の膨張空間側が発電室１６内に位置するように配置すればよく、その配置位置は特に限定されるものではない。例えば、燃料電池セル３の上端部側で余剰の燃料ガスを燃焼させる構成のモジュール１においては、発電室１６内において上方側が特に高温となるため、ピストン容器１３の膨張空間側を発電室１６内の上方側に配置することもできる。

また、図１に示しているように、ピストン容器１３の圧縮空間側はモジュール１の収納容器２の外部に配置されていることが好ましい。

モジュール１の外部は、発電室１６内に比べて低温となる。それゆえ、ピストン容器１３の圧縮空間側をモジュール１の収納容器２の外部に配置することにより、ピストン容器１３内に充填された作動ガスを、別途ヒーター等の冷却手段を設けることなく効率よく冷却することができ、ピストンを効率よく作動させることができる。それにより、スターリングエンジン発電機を効率よく駆動させることができ、発電効率が向上した複合発電装置とすることができる。

なお、ピストン容器１３の圧縮空間側をさらに効率よく冷却する目的で、ピストン容器１３の圧縮空間側をフィン形状等とすることや、放熱部材を設けることもできる。

ところで、スターリングエンジン発電機として、ピストン容器１３内の作動ガスを膨張空間側と圧縮空間側との間を往復するように構成されたスターリングエンジン発電機も知られている。このようなスターリングエンジン発電機においては、膨張空間側と圧縮空間側とを接続する接続部に、作動ガスを加熱するための加熱部と、作動ガスを冷却するための冷却部が備えられている。なお、加熱部と冷却部との間に再生器を設けることもでき、この接続部に加熱部（ヒーター）、再生器、冷却部（ヒーター）からなる熱交換器が設けられているスターリングエンジン発電機が知られている。

ここで、燃料電池装置と上述のようなスターリングエンジン発電機とを組み合わせてなる複合発電装置においては、加熱部を発電室１６内に配置するとともに、冷却部をモジュール１の外部に配置することにより、ピストン容器１３内の作動ガスを効率よく加熱・冷却することができる。それにより、ピストンを効率よく動作させることができることから、スターリングエンジン発電機を効率よく駆動させることができ、発電効率が向上した複合発電装置とすることができる。

さらに、加熱部を高温の発電室１６内に配置することで、作動ガスを加熱するためのヒーター等の加熱手段を設けなくとも作動ガスを効率よく加熱することができることから、複合発電装置の発電効率を向上することができる。

図３および図４は、上述の複合発電装置の構成の一例を簡略的に示す構成図である。図３および図４において、燃料電池装置を構成する各装置を二点鎖線にて囲って示している。また、図３および図４において太線で囲っている部分がモジュール１を示す。

図３に示す複合発電装置２１を構成する燃料電池装置においては、収納容器２内に配置された改質器６に原燃料を供給するための原燃料供給手段２２、改質器６に酸素含有ガスを供給するための改質器用酸素含有ガス供給手段２３、改質器６に水を供給するための水供給手段２４を備えている。

それにより、改質器６で部分酸化改質を行う場合には、原燃料供給手段２２より原燃料が供給されるとともに、改質器用酸素含有ガス供給手段２３より酸素含有ガスが供給され、改質器６でオートサーマル改質を行う場合には、さらに水供給手段２４より改質用の水が供給され、改質器６で水蒸気改質を行う場合には、原燃料供給手段２２より原燃料が供給されるとともに、水供給手段２４より改質用の水が供給される。そして改質器６で改質されて生成された燃料ガスがセルスタック装置１２に供給され、また、モジュール用酸素含有ガス供給手段２５により、モジュール１の収納容器２内（セルスタック装置１２）に酸素含有ガスが供給され、セルスタック装置１２（燃料電池セル３）の発電が行なわれる。なお、改質器用酸素含有ガス供給手段２３と、モジュール用酸素含有ガス供給手段２５とを併用することもできる。

なお、上述したピストン容器１３のうち、膨張側空間２６が発電室１６（収納容器２）内に配置され、圧縮側空間２７がモジュール１の外部に配置されている。そして、ピストン容器１３内に収納されるピストンの動力が、パワーピストン（図示せず）に伝送され、パワーピストンの動力により、発電機２８で発電が行なわれる。

なお、図４においてはスターリングエンジン発電機として、ピストン容器１３内の作動ガスを膨張空間側２６と圧縮空間側２７との間を往復するように構成されたスターリングエンジン発電機を用いる場合を示しており、膨張空間側２６と圧縮空間側２７を接続する接続部に設けられた加熱部２９を発電室１６（収納容器２）内に配置し、作動ガスを冷却するための冷却部３０をモジュール１の収納容器２の外部に配置している例を示している。なお、図には示していないが、加熱部２９と冷却部３０との間に再生器を設けることもできる。

このような複合発電装置において、図３に示した構成の複合発電装置においては圧縮空間側２７、図４に示した複合発電装置においては冷却部３０をさらに効率よく冷却する（作動ガスを効率よく冷却する）ことにより、ピストン容器１３内のピストンが効率よく作動し、効率よくスターリングエンジン発電機を駆動させることができ、発電効率を向上することができる。

ここで、図５に示した複合発電装置においては、モジュール用酸素含有ガス供給手段２５とモジュール１内（セルスタック装置１２）とを接続するモジュール用酸素含有ガス供給配管３１の一部を、ピストン容器１３の圧縮空間側２７の周囲に配置している例を示している。なお、モジュール用酸素含有ガス供給配管３１は、ピストン容器１３の圧縮空間２７側の周囲を取り囲むように配置してもよく、また、ピストン容器１３の圧縮空間２７側の外面を蛇行するように配置してもよい。

それにより、作動ガスと、外部より供給されモジュール用酸素含有ガス供給配管３１を流れる温度の低い酸素含有ガスとで熱交換することにより、作動ガスを効率よく冷却することができることから、効率よくスターリングエンジン発電機を駆動させることができ、発電効率を向上することができる。

あわせて、作動ガスとの熱交換により温められた酸素含有ガスが、モジュール１内（セルスタック装置１２）に供給されることから、モジュール１の発電効率を向上することもできる。

なお、改質器用酸素含有ガス供給手段２３により、改質器６およびモジュール１内（セルスタック装置１２）に酸素含有ガスを供給する構成とする場合においては、改質器用酸素含有ガス供給手段２３とモジュール１内（セルスタック装置１２）とを接続する配管の一部を、圧縮空間側２７の周囲に配置することもできる。

また、図４に示した構成の複合発電装置の場合においては、モジュール用酸素含有ガス供給手段２５とモジュール１内（セルスタック装置１２）とを接続するモジュール用酸素含有ガス供給配管３１の一部、または改質器用酸素含有ガス供給手段２３とモジュール１内（セルスタック装置１２）とを接続する配管の一部を、冷却部３０の周囲に配置することにより、作動ガスを効率よく冷却することができ、発電効率を向上することができる。

また、図６に示した複合発電装置においては、改質器用酸素含有ガス供給手段２３と改質器６とを接続する改質器用酸素含有ガス供給配管３２の一部を、ピストン容器１３の圧縮空間側２７の周囲に配置している例を示している。

それにより、作動ガスと、外部より供給され改質器用酸素含有ガス供給配管３２を流れる温度の低い酸素含有ガスとで熱交換することにより、作動ガスを効率よく冷却することができることから、効率よくスターリングエンジン発電機を駆動させることができ、発電効率を向上することができる。

あわせて、作動ガスとの熱交換により温められた酸素含有ガスが、改質器６に供給されることから、改質器６で部分酸化改質やオートサーマル改質を行う場合に、改質効率を向上することができ、モジュール１の発電効率を向上することもできる。

なお、上述と同様に、モジュール用酸素含有ガス供給手段２５により、改質器６およびモジュール１内（セルスタック装置１２）に酸素含有ガスを供給する構成とする場合においては、モジュール用酸素含有ガス供給手段２５と改質器６とを接続する配管の一部を、圧縮空間側２７の周囲に配置することもできる。

さらに、上述と同様に、図４に示した構成の複合発電装置の場合においては、改質器用酸素含有ガス供給手段２３と改質器６とを接続する改質器用酸素含有ガス供給配管３２の一部、またはモジュール用酸素含有ガス供給手段２５と改質器６とを接続する配管の一部を、冷却部３０の周囲に配置することにより、作動ガスを効率よく冷却することができ、発電効率を向上することができる。

ところで、上述においては、ピストン容器１３の圧縮空間側２７または冷却部３０の周囲に、温度の低い酸素含有ガスを流すことにより、作動ガスの温度を低下させる構成の例について説明したが、作動ガスの温度を低下させることができればよく、例えばピストン容器１３の圧縮空間側２７または冷却部３０の周囲に温度の低い水を流して、作動ガスの温度を低下させる構成とすることもできる。

図７は、本発明の複合発電装置の他の一例を簡略的に示す構成図であり、水供給手段２４より改質器６（気化部７、図示せず）に水を供給するための配管３３の一部を、ピストン容器１３の圧縮空間側２７の周囲に配置している例を示している。なお、配管３３は、ピストン容器１３の圧縮空間２７側の周囲を取り囲むように配置してもよく、また、ピストン容器１３の圧縮空間２７側の外面を蛇行するように配置してもよい。

ここで、配管３３に温度の低い水を流すことにより、作動ガスと温度の低い水とで熱交換し、作動ガスを効率よく冷却することができることから、効率よくスターリングエンジン発電機を駆動させることができ、発電効率を向上することができる。

あわせて、配管３３を流れる水は作動ガスと熱交換されて温められる、あるいは気化するため、気化部７に直接温度の低い水を供給する場合に比べて、気化部７での水の気化に伴う吸熱反応が少なくなり、セルスタック５が高温を維持しやすくなる。それにより、モジュール１の発電効率を向上することもできる。

また、図４に示した構成の複合発電装置の場合においては、配管３３の一部を、冷却部３０の周囲に配置することにより、作動ガスを効率よく冷却することができ、発電効率を向上することができる。

図８は、本発明の複合発電装置を構成する燃料電池装置を具備する燃料電池システムと、スターリングエンジン発電機のピストン容器１３とを抜粋して、その構成を示した複合発電システムの構成図である。本発明の複合発電装置を構成する燃料電池装置は、図８においては発電を行なう発電ユニットに相当し、熱交換後の湯水を貯湯する貯湯ユニット、これらのユニット間を水が循環するための循環配管４６とあわせて、燃料電池システムが構成されている。

図８に示す燃料電池装置（発電ユニット）は、燃料電池セル１、天然ガス等の原燃料を供給する原燃料供給手段２２、酸素含有ガスを改質器６等に供給するための改質器用酸素含有ガス供給手段２３、原燃料と水蒸気により水蒸気改質する改質器６を具備している。なお、図８に示す複合発電システム（燃料電池装置）においては、改質器用酸素含有ガス供給手段２３とモジュール用酸素含有ガス供給手段２５とを併用している場合を示している。

また、図８に示す複合発電システム（燃料電池装置）においては、燃料電池セル３の複数個と改質器６とが収納容器２内に収納されてモジュール１が構成されており、図７においては二点鎖線にて示している。なお、上述したようにピストン容器１３の膨張空間側２６がモジュール１（発電室１６）内に配置されている。

また、図８に示す燃料電池装置（発電ユニット）においては、燃料電池セル１の発電により生じた排ガス（排熱）と水とで熱交換を行なう熱交換器４２、熱交換により生成された凝縮水を純水に処理するための凝縮水処理装置４８、熱交換器４２で生成された凝縮水を凝縮水処理装置４８に供給するための凝縮水供給管５０が設けられており、凝縮水処理装置４８にて処理された凝縮水は、水タンク３９に貯水された後、水ポンプ４０により改質器６に供給される。

一方、凝縮水処理装置４８に供給される凝縮水の量が少ない場合や凝縮水処理手段で処理された後の凝縮水の純度が低い場合においては、外部より供給される水（水道水等）を純水に処理して改質器６に供給することもでき、図８においては外部から供給される水を純水に処理する手段として各外部水処理装置を具備している。

ここで、外部より供給される水を改質器６に供給するための各外部水処理装置としては、水を浄化するための活性炭フィルタ装置３６、逆浸透膜装置３７および浄化された水を純水にするためのイオン交換樹脂装置３８の各装置のうち、少なくともイオン交換樹脂装置３８（好ましくは全ての装置）を具備する。そして、イオン交換樹脂装置３８にて生成された純水は水タンク３９に貯水される。なお、図８に示す燃料電池装置（発電ユニット）おいては、外部より供給される水の量を調整するための給水弁３５が設けられている。また、凝縮水処理装置４８と水タンク３９とがタンク連結管４９にて連結されている。なお、凝縮水のみを改質器６に供給する場合には、凝縮水処理装置４８と改質器６とを水ポンプ４０を介して接続することも可能である。

また、改質器６に供給する水を処理するための各外部水処理装置および凝縮水処理装置を一点鎖線により囲って示している。なお、改質器６と各水処理装置とを接続する給水管３４（図７における配管３３に相当する）、タンク連結管４９、凝縮水供給管５０も含めて水供給手段２４として示している。

さらに図８に示す燃料電池装置は、燃料電池セル１にて発電された直流電力を交流電力に切り替え外部負荷に供給するためのパワーコンディショナ４１、熱交換器４２の出口に設けられ熱交換器４２の出口を流れる水（循環水流）の水温を測定するための出口水温センサ４４のほか、制御装置４３が設けられており、循環ポンプ４５とあわせて発電ユニットが構成されている。そして、これら発電ユニットを構成する各装置を、外装ケース内に収納することで、設置や持ち運び等が容易な燃料電池装置とすることができる（図示せず）。なお、貯湯ユニットは、熱交換後の湯水を貯湯するための貯湯タンク４７を具備して構成されている。

ここで、図８に示す燃料電池装置においては、熱交換器４２に水を供給するための循環配管４６（特には貯湯タンク４７と熱交換器４２とを接続する循環配管４６）の一部を、ピストン容器１３の圧縮空間側２７または冷却部３０の周囲に配置することにより、作動ガスを効率よく冷却することができ、発電効率を向上することができる。

あわせて、燃料電池装置が、モジュール１より排出される排ガスと、循環配管４６を流れる水とで熱交換するための熱交換器４２を備えることから、燃料電池装置の排熱回収効率を向上させることができ、総合エネルギー効率を向上することができる。それにより、総合エネルギー効率の向上した複合発電装置とすることができる。

以上、本発明について詳細に説明したが、本発明は上述の実施の形態の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。

例えば、上述の説明において、スターリングエンジン発電機として、ディスプレーサ型スターリングエンジン発電機を用いる例を示したが、それ以外にも、２ピストン形、小林形、機械リンク形、ダブルアクティング形等を適宜使用することもできる。

また固体酸化物形燃料電池セル３として、中空平板型の燃料電池セル３を用いて説明したが、例えば平板型や円筒型の固体酸化物形燃料電池セルを用いることもでき、また燃料電池セル３のガス流路に酸素含有ガスを流通させる構成の燃料電池セルを用いることもできる。

１：燃料電池モジュール
３：燃料電池セル
１２：セルスタック装置
１３：ピストン容器
２２：原燃料供給手段
２３：改質器用酸素含有ガス供給手段
２４：水供給手段
２５：モジュール用酸素含有ガス供給手段
２６：膨張空間側
２７：圧縮空間側
２９：加熱部
３０：冷却部
３１：モジュール用酸素含有ガス供給配管
３２：改質器用酸素含有ガス供給配管
３３：配管

Claims

複数個の固体酸化物形燃料電池セルをそれぞれ電気的に直列に接続してなるセルスタックを収納容器内に設けられた発電室内に収納してなる燃料電池モジュールを備える燃料電池装置と、内部にピストンを備え、該ピストンを挟んで膨張空間側と圧縮空間側とが形成されるとともに、前記ピストンを作動させるための作動ガスが充填されたピストン容器と、前記ピストンの動作に伴って発電を行なう発電部とを備えるスターリングエンジン発電機とを組み合わせてなる複合発電装置であって、前記ピストン容器の膨張空間側が前記発電室内に配置されていることを特徴とする複合発電装置。
前記ピストン容器の圧縮空間側が前記燃料電池モジュールの前記収納容器の外部に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の複合発電装置。
前記スターリングエンジン発電機は、前記作動ガスが前記ピストン容器の膨張空間側と圧縮空間側との間を往復する構成のスターリングエンジン発電機であって、前記ピストン容器の膨張空間側と圧縮空間側とが、前記作動ガスを加熱するための加熱部と前記作動ガスを冷却するための冷却部とを備える接続部により接続されるとともに、前記加熱部が前記発電室内に配置され、前記冷却部が前記燃料電池モジュールの前記収納容器の外部に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の複合発電装置。
前記ピストン容器の圧縮空間側または前記冷却部の周囲に、酸素含有ガスを流すための酸素含有ガス供給配管が設けられており、該酸素含有ガス供給管を流れた酸素含有ガスが、前記燃料電池モジュールの前記収納容器内に供給されるように構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のうちいずれかに記載の複合発電装置。
前記収納容器内に、前記燃料電池セルに供給する燃料ガスを生成するための改質器を備えるとともに、前記ピストン容器の圧縮空間側または前記冷却部の周囲に、酸素含有ガスを流すための酸素含有ガス供給配管が設けられており、該酸素含有ガス供給管を流れた酸素含有ガスが、前記改質器内に供給されるように構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のうちいずれかに記載の複合発電装置。
前記収納容器内に、前記燃料電池セルに供給する燃料ガスを水蒸気改質にて生成するための気化部を備える改質器が配置されているとともに、前記ピストン容器の圧縮空間側または前記冷却部の周囲に、前記気化部に水を供給するための配管が配置されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のうちいずれかに記載の複合発電装置。
前記燃料電池装置が、前記燃料電池モジュールより排出される排ガスと水とで熱交換するための熱交換器を備えるとともに、前記ピストン容器の圧縮空間側または前記冷却部の周囲に、前記熱交換器に水を供給するための配管が配置されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のうちいずれかに記載の複合発電装置。