JP2010238454A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の発電停止後であっても、寒冷地や冬季などにおいて、改質水供給配管に改質水が残留しているとき、残留している改質水が凍結するおそれを低減させるのに有利な燃料電池システムを提供する。
【解決手段】システムは、蒸発部２０と、改質部２２と、燃料電池１と、蒸発部２０に改質水を供給する改質水供給通路４１を形成する改質水供給配管４１０と、燃料原料を改質部２２に供給する燃料原料供給通路５１を形成する燃料原料供給配管５１０と、断熱材料で形成された断熱壁３０とを有する。断熱壁３０の内側表面３１および外側表面３３に改質水供給配管４１０が並走されつつ断熱壁３０に埋設されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池および改質部を断熱のため覆う断熱材料で形成された断熱壁を有する燃料電池システムに関する。

燃料電池システムは、燃焼火炎で加熱され改質水を水蒸気化させる蒸発部と、蒸発部で生成された水蒸気により燃料原料を水蒸気改質させる改質部と、改質部で生成されたアノードガスとカソードガスとで発電する燃料電池と、蒸発部に改質水を供給する改質水供給配管と、水蒸気改質される燃料原料を蒸発部を介して改質部に供給する燃料原料供給配管と、燃料電池および改質部の外側を断熱のため覆う断熱材料で形成された断熱壁とを有する（特許文献１）。

特開２００８−５３２０９号公報

しかしながら上記したシステムといえども、寒冷地や冬季などにおいては、燃料電池の発電停止後において改質水供給配管に改質水が残留している場合、残留している改質水が凍結するおそれがある。この場合、燃料電池の次回の起動に支障をきたすおそれがある。

本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、寒冷地や冬季などにおいて、改質水供給配管に改質水が残留しているとき、残留している改質水が凍結するおそれを低減させるのに有利な燃料電池システムを提供することを課題とする。

本発明に係る燃料電池システムは、（ｉ）燃焼火炎で加熱され改質水を水蒸気化させる蒸発部と、（ｉｉ）蒸発部に連通するように且つ燃焼火炎で加熱されるように設けられ、蒸発部で生成された水蒸気により燃料原料を改質させてアノードガスを生成させる改質部と、（ｉｉｉ）改質部で生成されたアノードガスとカソードガスとで発電する燃料電池と、（ｉｖ）蒸発部に改質水を供給する改質水供給配管と、（ｖ）水蒸気改質される燃料原料を改質部に供給する燃料原料供給配管と、（ｖｉ）少なくとも燃料電池および改質部の外側を断熱のため覆う断熱材料で形成され内側表面および内側表面に背向する外側表面を有する断熱壁とを具備しており、（ｖｉｉ）断熱壁は、断熱壁の内側表面および外側表面に改質水供給配管を並走させつつ断熱壁の内部に埋設しており且つ発電運転停止時において断熱壁の余熱により改質水供給配管を保温する。

蒸発部は、水蒸気を発生できる温度に燃焼火炎で加熱される。改質部は、燃焼火炎で加熱されるように設けられており、蒸発部で生成された水蒸気により燃料原料を水蒸気改質させてアノードガスを生成させる。改質部を加熱させる燃焼火炎の燃焼元は、蒸発部を加熱する燃焼火炎と同じであっても良いし、異なっていても良い。燃焼火炎は改質部および蒸発部を加熱させる加熱要素として機能できる。改質部で生成された改質水供給配管は、蒸発部に改質水を供給する改質水供給通路を形成する。燃料原料供給配管は、水蒸気改質される燃料原料を改質部に直接または間接的に供給する燃料原料供給通路を形成する。

さて、燃料電池が発電運転しているときには、燃料電池および改質部の温度は外気に対して高温である。断熱壁は、燃料電池および改質部の温度を外気などに対して断熱状態を維持している。ここで、燃料電池の発電運転が停止されたときには、燃料電池の発電運転時の温度から次第に低下する。しかし、断熱壁は高い断熱性を有するため、燃料電池および改質部の温度を長時間にわたり維持することができる。この場合、断熱壁の温度も発電運転時の温度から次第に低下するものの、断熱壁の温度は外気温度よりも高い状態が長い間維持される。

ここで、改質水供給配管は、断熱壁の内側表面および外側表面に並走されつつ、断熱壁の内部に埋設されている。このため、燃料電池の発電停止後であったとしても、断熱壁の余熱により改質水供給配管を凍結開始温度以上に長時間にわたり維持することができる。よって、寒冷地または冬季等においても改質水供給配管の過剰凍結を抑制することができる。並走とは、断熱壁の内側表面および外側表面の面が延びている方向に沿って改質水供給配管が配置されつつ、断熱壁の内部に埋設されていることをいう。好ましくは、断熱壁の内側表面および外側表面の面が延びている方向に沿って改質水供給配管がほぼ平行に配置されつつ、断熱壁の内部に埋設されていることをいう。

本発明によれば、燃料電池の発電停止後であったとしても、断熱壁の余熱により改質水供給配管を凍結開始温度以上に維持することができる。このため改質水供給配管の凍結さらには過剰凍結を抑制することができる。従って、燃料電池の再起動を良好に実施することができる。

実施形態１に係り、燃料電池システムの概念を模式的に示す図である。 実施形態１に係り、断熱壁で包囲されている燃料電池モジュールの概念を示す断面図である。 実施形態１に係り、燃料電池モジュールの燃料電池および改質部付近を示す断面図である。 実施形態２に係り、断熱壁で包囲されている燃料電池モジュールの概念を示す断面図である。 実施形態３に係り、断熱壁の内部に埋設されている配管の状態を示す断面図である。 実施形態４に係り、断熱壁の内部に埋設されている配管の状態を示す断面図である。 実施形態５に係り、断熱壁で包囲されている燃料電池モジュールの概念を示す断面図である。 実施形態６に係り、断熱壁で包囲されている燃料電池モジュールの概念を示す断面図である。 実施形態７に係り、燃料電池システムの概念を模式的に示す図である。 実施形態８に係り、断熱壁で包囲されている燃料電池モジュールの概念を示す断面図である。 実施形態９に係り、燃料電池システムの概念を模式的に示す図である。

本発明によれば、燃料電池の作動温度は７０℃以上、または、２００℃以上が好ましい。殊に、５００℃以上が好ましい。燃料電池としては固体酸化物形、リン酸形、溶融炭酸塩形、固体高分子形が挙げられる。作動温度の上限は１２００℃、１０００℃、９００℃が例示される。作動温度とは、燃料電池が定格発電運転するときにおける電解質の温度をいう。好ましい形態によれば、断熱壁は、断熱壁の内側表面および外側表面に燃料原料供給配管を並走させつつ断熱壁の内部に埋設している。燃料原料供給配管に水分が付着しているときであっても、断熱壁の余熱が長時間にわたり維持されるため、燃料原料供給配管の凍結も抑制される。

好ましい形態によれば、燃料電池の起動時において燃料原料を酸化させて酸化熱を生成させる空気を燃料電池に供給する空気配管が設けられている。断熱壁は、断熱壁の内側表面および外側表面に空気配管を並走させつつ断熱壁に埋設している。空気配管に水分が付着しているときであっても、断熱壁の余熱により、空気配管の凍結も抑制される。好ましい形態によれば、燃料電池、蒸発部改質部および断熱壁を収容する外箱が設けられている。この場合、外箱は、燃料電池、蒸発部および改質部を収容すると共に燃料電池、蒸発部および改質部からの放熱を受ける第１室と、燃料電池の発電運転に関連する補機を収容すると共に発電運転停止時において第１室よりも温度が低くなる第２室と、第１室および第２室を仕切る仕切壁とを有する。第１室は第２室よりも高温となりがちであり、第２室は第１室よりも低温となりがちである。このため寒冷地または冬季などでは、燃料電池が発電停止状態である場合、第２室における補機は凍結するおそれがある。

そこで好ましい形態によれば、断熱壁は、第１室から第２室に進入して第２室に露出すると共に余熱を第２室に放出させる進入断熱壁を有する。進入断熱壁は第２室に露出しており、熱を第２室に放出させる。この場合、燃料電池の発電運転が停止しているときであっても、第２室の温度を高め、第２室における補機の凍結を抑制させるのに有利となる。進入断熱壁は改質水供給配管を埋設していることが好ましい。この場合、改質水供給配管の凍結抑制に一層有利である。

（実施形態１）
図１〜図３は実施形態１を示す。本実施形態に係る燃料電池システムは、（ｉ）改質水を水蒸気化させる蒸発部２０と、（ｉｉ）蒸発部２０に連通するように設けられ、蒸発部２０で生成された水蒸気により燃料原料を水蒸気改質させてアノードガスを生成させる改質部２２と、（ｉｉｉ）改質部２２で生成されたアノードガスとカソードガスとで発電する固体酸化物形の燃料電池で形成されたスタック１と、（ｉｖ）蒸発部２０に改質水を供給する改質水供給通路４１を形成する改質水供給配管４１０と、（ｖ）水蒸気改質される燃料原料を蒸発部２０を介して改質部２２に供給する燃料原料供給通路５１を形成する燃料原料供給配管５１０と、（ｖｉ）スタック１、および蒸発部２０の外側を断熱のため覆う断熱材料で形成された断熱壁３０とを有する。図１は、便宜上、改質水供給通路４１を形成する改質水供給配管４１０を示すものの、他の配管を示さない。

断熱壁３０、スタック１、改質部２２および蒸発部２０は、一体的に組み付けられており、ユニット化されており、燃料電池モジュールとも呼ばれる。改質部２２は、改質触媒を担持するセラミックス担体で形成されている。断熱壁３０は、断面で、断熱材料で形成されている壁部３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄを有しており、図示されない他面にも壁部をもつ。断熱壁３０の壁部３０ａは、スタック１、蒸発部２０および改質部２２に対向する内側表面３１と、内側表面３１に背向する外側表面３３とを有する。内側表面３１は、スタック１を収容する収容室３４を有形成する。断熱材料は石綿、セラミックス等の耐火材料で形成されている。耐火材料は煉瓦であっても良い。

ここで、改質水供給配管４１０の外径サイズをＤとすると、改質水供給配管４１０の外周面と燃料原料供給配管５１０の外周面との間の距離ＬＭが寸法３×Ｄ以内または２×Ｄ以内となるように、改質水供給配管４１０および燃料原料供給配管５１０は、断熱壁３０の内部において並走していることが好ましい。この場合、改質水供給配管４１０および燃料原料供給配管５１０は、互いに接近して熱交換可能に維持されることが好ましい。但し、これに限定されず、改質水供給配管４１０および燃料原料供給配管５１０は、互いに実質的に熱交換しないように互いに離間されていても良い。

スタック１、蒸発部２０、改質部２２および断熱壁３０を収容する外箱２００が設けられている。外箱２００は、（ｉ）スタック１、蒸発部２０、改質部２２および断熱壁３０を収容すると共にスタック１、蒸発部２０、改質部２２および断熱壁３０からの放熱を受ける上室として機能する第１室２０１と、（ｉｉ）スタック１の発電運転に関連する補機を収容すると共に発電運転停止時において第１室２０１よりも温度が低くなる下室として機能する第２室２０２と、第１室２０１および第２室２０２を仕切る仕切壁２０３とを有する。なお、断熱壁３０は仕切壁２０３に脚３０ｋを介して載せられている。補機は、スタック１の発電運転において必要されるスタック１以外の部品であり、スタック１の発電運転時において一般的には１００℃以下に保持されている部品である。補機としては、例えば、ポンプ４２，５５、バルブ類、水精製器４０、タンク４４等が挙げられる。

スタック１の発電運転時には、燃料原料ポンプ５５が駆動し、燃料原料が燃料原料供給通路５１を介して改質器２の蒸発部２０に供給され、蒸発部２０を介して改質部２２に供給される。また改質水ポンプ４２が駆動し、貯水タンク４４の改質水が改質水通路４１を介して蒸発部２０に供給される。ここで、蒸発部２０は改質水を水蒸気化させる。水蒸気は改質部２２に供給される。改質部２２は燃料原料を水蒸気改質させ、アノードガスを生成させる。生成されたアノードガスは、アノードガス通路１４およびアノードガスマニホルド１３を介して、スタック１を構成する燃料電池１ｃのアノード１１に供給されて発電に使用される。またカソードガスポンプ６２が駆動しているため、カソードガスとしてカソードガス供給通路６０を介してスタック１のカソード１２に供給される。これによりスタック１は発電する。図１および図２ではスタック１は模式化されて図示されている。図３に示すように、スタック１は、複数の燃料電池１ｃを通路１ｘを介して並設して形成されている。カソードガスは通路１ｘに沿って流れて燃料電池１ｃのカソードに供給される。燃料電池１ｃ同士は図略の集電部材により電気的に接続されている。

発電反応後のアノードオフガスおよびカソードオフガスは、スタック１の上方の燃焼部２３に排出され、燃焼火炎２４を燃焼部２３において形成する。燃焼した後のアノードオフガスおよびカソードオフガスは、燃焼排気ガスとなり、図略の熱交換器を経て排気通路から外部に放出される。燃焼排気ガスに含まれる水分が凝縮した凝縮水は、熱交換器から導出される凝縮水通路（図略）から水精製器４０に供給され、水精製器４０で精製される。精製された水は、貯水タンク４４に改質水として貯留される。

断熱壁３０の壁部３０ａは、互いに実質的に平行な延設されている内側表面３１および外側表面３３を有する。断熱壁３０としては、繊維状、面状またはブロック状の断熱材料を被覆させて形成しても良く、要するに断熱性を有すれば良い。断熱壁３０の壁部３０ａにおいて、内側表面３１および外側表面３３にほぼ平行に沿うように、改質水供給配管４１０が並走されている。この結果、図１から理解できるように、改質水供給配管４１０は、断熱壁３０の下面部３０ｕから壁部３０ａに直状に進入しつつ、壁部３０ａの上部において蒸発部２０に向けて曲成配管４１０ｐとして曲成されている。なお、改質水供給配管４１０のうち、断熱壁３０の内側表面３１および外側表面３３に沿って並走されている並走部分を並走配管４１０ｍとして示す。燃料原料配管供給配管５１０のうち、内側表面３１および外側表面３３に沿って並走されている並走部分を並走配管５１０ｍとして示す。空気配管２９のうち、内側表面３１および外側表面３３に沿って並走されている並走部分を並走配管２９ｍとして示す。並走配管２９ｍ，４１０ｍ，５１０ｍは断熱壁３０の内部において互いに並走されている。

スタック１が発電運転を停止したとき、スタック１および改質部２２の温度は、発電運転時の高温状態（例えば５００〜９００℃の範囲内）から次第に低下する。しかし断熱壁３０は高い断熱性を有するため、スタック１および改質部２２の温度を発電運転時の温度よりも低下するものの、高温状態（例えば凍結開始温度以上）に長時間（システムの種類によるが、例えば、１時間〜２４０時間の範囲内、３時間〜１００時間の範囲内、３時間〜１０時間の範囲内）にわたり維持することができる。この場合、スタック１の発電運転が停止されているときにおいて、断熱壁３０の温度も発電運転時の温度から次第に低下するものの、断熱壁３０の温度は外気温度よりも高い状態が長い間維持される。ここで、前述したように、改質水供給配管４１０（殊に改質水供給配管４１０のうち蒸発部２０に近い側の第１室２０１に存在する配管部分）は、基本的には、断熱壁３０の内側表面３１および外側表面３３に並走されつつ、断熱壁３０の壁部３０ａの内部に埋設されている。

このため、スタック１の発電停止から長時間経過したとしても、断熱壁３０は余熱を有する。この余熱により、断熱壁３０に埋設されている改質水供給配管４１０を凍結開始温度以上に長時間にわたり維持することができる。例えば、夜間においてスタック１の発電運転を停止させたときであっても、翌朝の次回の起動時まで、断熱壁３０の余熱により、改質水供給配管４１０を凍結開始温度以上に長時間にわたり保温することができる。このため改質水供給配管４１０に改質水が残留する場合においても、寒冷地または冬季などにおいて、改質水供給配管４１０に残留する改質水の凍結を長時間にわたり抑制することができ、スタック１の次回の起動を良好に実施できる。更に本実施形態によれば、図１に示されるように、断熱壁３０の内側表面３１および外側表面３３に燃料原料供給配管５１０が並走されつつ、燃料原料供給配管５１０が断熱壁３０の内部に埋設されている。燃料原料供給配管５１０は、断熱壁３０の下面部３０ｕから壁部３０ａに直状に進入しつつ、壁部３０ａの上部において蒸発部２０に向けられている。このため、燃料原料供給配管５１０の内壁面または外壁面に水分が付着しているときであっても、断熱壁３０の余熱により、燃料原料供給配管５１０の凍結も抑制される。

ところでスタック１が発電運転するときには、燃料原料供給配管５１０を介して燃料原料が改質部２２に供給されている。同様に、スタック１が発電運転するときには、改質水供給配管４１０を介して改質水が蒸発部２０に供給されている。スタック１の発電条件や外部環境の条件などの如何によっては、スタック１の温度や燃焼火炎２４の熱影響を受け、改質水供給配管４１０を流れる改質水が過剰に加熱されるおそれがある。この場合、改質水供給配管４１０を流れる改質水が改質水供給配管４１０において過剰に沸騰するおそれがあり、好ましくない。この点本実施形態によれば、図２に示されるように、断熱壁３０の内部において、断熱壁３０の厚み方向である矢印ｔａ方向において、改質水供給配管４１０は、燃料原料供給配管５１０および空気配管２９よりも外側表面３３の側に寄せて設けられている。

すなわち、改質水供給配管４１０は、発電運転において高温となるスタック１および燃焼火炎２４に対して、燃料原料供給配管５１０および空気配管２９よりも遠ざけられている。従って、スタック１および燃焼火炎２４の熱に対して、改質水供給配管４１０は燃料原料供給配管５１０および空気配管２９よりも遠ざけられている。従って、スタック１の発電運転中において、改質水供給配管４１０を流れる改質水が蒸発部２０に流入する前において過剰に沸騰されることは、抑制される。なお、空気配管２９は起動時において燃料原料を空気の酸素で部分酸化改質により酸化させて酸化熱を利用するための空気を供給するものである。このため、スタック１の起動形態によっては、空気配管２９を廃止させることもできる（以下の実施形態でも同様）。部分酸化改質は次の反応式により示され、反応発熱を利用して起動時間を早めることができる。ＣＨ_４＋１／２Ｏ_２→２Ｈ_２＋ＣＯ
このように生成された水素は燃焼部２３で燃焼される。未反応の酸素は燃焼部２３に供給されて支燃ガスとして使用される。本実施形態によれば、改質水供給配管４１０および燃料原料供給配管５１０は、断熱壁３０の内部において互いに熱交換可能に接近しつつ並走していることが好ましい。この場合、スタック１の発電運転中において、改質水供給配管４１０を流れる改質水の温度が高いときには、燃料原料供給配管５１０を流れるガス状の燃料原料と改質水供給配管４１０の改質水との熱交換を期待することができる。故に、改質水供給配管４１０を流れる改質水が蒸発部２０に流れる前に、改質水供給配管４１０において過剰に沸騰することを抑制させるのに有利である。

更に図２に示されるように、スタック１の起動時において燃料原料を酸化させて酸化熱を生成させる空気をスタック１に供給する空気配管２９が設けられている。空気配管２９は、断熱壁３０の下面部３０ｕから壁部３０ａに直状に進入しつつ、壁部３０ａの上部において蒸発部２０に向けられている。ここで、スタック１の起動時のみ空気配管２９には空気が供給される。スタック１が通常に発電運転しているときには、空気配管２９には空気が供給されない。ここで、図１に示されるように、断熱壁３０の内側表面３１および外側表面３３に保浦平行に空気配管２９が並走されるように、空気配管２９が断熱壁３０の内部に埋設されている。このため発電停止後においても、空気配管２９の温度も長時間にわたり凍結可能温度以上に維持される。故に、空気配管２９に水分が付着しているときであっても、断熱壁３０の余熱により空気配管２９の凍結も抑制される。なお本実施形態によれば、空気配管２９，改質水供給配管４１０および燃料原料供給配管５１０の合流領域ＸＰは、断熱壁３０の壁部３０ａの内部とされている。但し、これに限らず、場合によっては、空気配管２９，改質水供給配管４１０および燃料原料供給配管５１０は壁部３０ａで合流せずに、蒸発部２０において合流する方式としても良い。場合によっては、改質水供給配管４１０および燃料原料供給配管５１０は、断熱壁３０の内部において互いに熱交換可能に接近せずに、所定距離離間していても良い。

（実施形態２）
図４は実施形態２を示す。本実施形態は前記した実施形態と共通する構成および共通する作用効果を有する。並走配管２９ｍ，４１０ｍ，５１０ｍは断熱壁３０の内部において互いに並走されている。断熱壁３０の厚み方向（矢印ｔａ方向）において、内側表面３１から外側表面３３に向けて、燃料原料供給配管５１０の並走配管５１０ｍ、改質水供給配管４１０の並走配管４１０ｍ、空気配管２９の並走配管２９ｍの順に配置されている。この場合、改質水供給配管４１０の並走配管４１０ｍは実施形態１の場合よりも内側表面３１に近づいている。このため、スタック１の発電運転が停止されたときであっても、スタック１から受熱し、改質水供給配管４１０の保温性が確保され、寒冷地または冬季などにおいても、改質水供給配管４１０における凍結が抑制されている。このため、スタック１の発電停止から長時間経過したとしても、断熱壁３０の余熱により、改質水供給配管４１０を凍結開始温度以上に長時間にわたり保温することができる。例えば、夜間においてスタック１の発電運転を停止させたときであっても、翌朝の次回の起動時まで、断熱壁３０の余熱により、改質水供給配管４１０を凍結開始温度以上に長時間にわたり保温することができる。このため改質水供給配管４１０に改質水が残留する場合においても、寒冷地または冬季などにおいて、改質水供給配管４１０に残留する改質水の凍結を長時間にわたり抑制することができ、スタック１の次回の起動を良好に実施できる。

さらに図４に示されるように、断熱壁３０の厚み方向（矢印ｔａ方向）において、改質水供給配管４１０は、断熱壁３０の内部において燃料原料供給配管５１０および空気配管２９に隣設されている。すなわち、改質水供給配管４１０および燃料原料供給配管５１０は、断熱壁３０の内部において互いに熱交換可能に接近しつつ、互いに並走している。このため、スタック１の発電運転において、改質水供給配管４１０を流れる改質水の温度が高いときには、燃料原料供給配管５１０を流れるガス状の燃料原料と改質水供給配管４１０を流れる改質水との熱交換を期待できる。故に、スタック１の発電運転において、改質水供給配管４１０を流れる改質水が蒸発部２０に流れる前に、改質水供給配管４１０において過剰に沸騰することを抑制させるのに有利である。

（実施形態３）
図５は実施形態３を示す。本実施形態は前記した実施形態と共通する構成および共通する作用効果を有する。並走配管２９ｍ，４１０ｍ，５１０ｍは断熱壁３０の内部において互いに並走されている。改質水供給配管４１０は断熱壁３０の内部において、改質水供給配管４１０の並走配管４１０ｍは、金属等の伝熱材料で形成されている伝熱部材３５０を介して燃料原料供給配管５１０の並走配管５１０ｍおよび空気配管２９の並走配管２９ｍに隣設されている。伝熱材料としては、伝熱性が良好な金属またはセラミックス（例えば窒化アルミニウム，炭化珪素、アルミナ）が好ましい。伝熱部材３５０は、断熱壁３０の内部において改質水供給配管４１０の並走方向に沿って延設されている。この場合、改質水供給配管４１０、燃料原料供給配管５１０および空気配管２９の熱伝達面積が確保される。燃焼火炎３４の火力が強いときであっても、改質水供給配管４１０における改質水の沸騰を抑制するのに有利である。この場合、スタック１の発電運転中において、燃料原料供給配管５１０にガス状の燃料原料が流れると、改質水供給配管４１０を流れる改質水と熱交換できる。故に、スタック１の発電運転中において、燃料原料供給配管５１０を流れるガス状の燃料原料を蒸発部２０の上流において予熱できるばかりか、改質水供給配管４１０を流れる改質水が蒸発部２０に流れる前に改質水供給配管４１０において過剰に沸騰することを抑制させるのに有利である。

（実施形態４）
図６は実施形態４を示す。本実施形態は前記した実施形態と共通する構成および共通する作用効果を有する。改質水供給配管４１０は断熱壁３０の内部において、断熱壁３０の厚み方向（矢印ｔａ方向）と交差する方向（矢印ｔｃ方向，内側表面３１および外側表面３３と平行な方向）において、改質水供給配管４１０は燃料原料供給配管５１０および空気配管２９に隣設されている。この場合、図６から理解できるように、断熱壁３０の厚みを抑制させるのに有利である。ここで、燃料原料供給配管５１０と改質水供給配管４１０とは互いに熱交換可能となるように隣設しつつ接近している。このため、燃料原料供給配管５１０にガス状の燃料原料が流れると、改質水供給配管４１０を流れる改質水と熱交換できる。故に、スタック１の発電運転において、改質水供給配管４１０を流れる改質水が蒸発部２０に流れる前に改質水供給配管４１０において過剰に沸騰することを抑制させるのに有利である。

図６に示すように、断熱壁３０の壁部３０ａは厚み方向（矢印ｔａ方向）に２分割されており、内側表面３１をもつ内側層３０ｆと、外側表面３３をもつ外側層３０ｓとを接合して形成されている。内側層３０ｆは、配管４１０，５１０，２９等を嵌合させる断面半円形状をなす溝３００ｘをもつことができる。外側層３０ｓは、配管４１０，５１０等を嵌合させる断面半円形状をなす溝３００ｘをもつことができる。但しこれに限らず、断熱壁３０の壁部３０ａは一体構造でも良い。なお、図６においては図示しないものの、改質水供給配管４１０は断熱壁３０の内部において、改質水供給配管４１０は、金属等の伝熱材料で形成されている伝熱部材を介して互いに熱交換可能に燃料原料供給配管５１０および空気配管２９に隣設されていても良い。

（実施形態５）
図７は実施形態５を示す。本実施形態は前記した実施形態と共通する構成および共通する作用効果を有する。断熱壁３０の厚み方向（矢印ｔａ方向）において、内側表面３１から外側表面３３に向けて、改質水供給配管４１０、燃料原料供給配管５１０、空気配管２９の順に配置されている。この場合、改質水供給配管４１０は断熱壁３０の内側表面３１に近づいている。このため、スタック１の発電運転が停止されたときであっても、改質水供給配管４１０は高温状態のスタック１および燃焼部２３からの放熱を受ける。故に、寒冷地や冬季等においても、スタック１の発電運転が停止されている場合であっても、改質水供給配管４１０の温度および保温性が長時間にわたり確保され、故に、改質水供給配管４１０に残留する改質水の凍結抑制に貢献できる。この場合においても、スタック１の発電運転中において、燃料原料供給配管５１０にガス状の燃料原料が流れると、改質水供給配管４１０を流れる改質水との熱交換を期待できる。故に、スタック１の発電運転において、改質水供給配管４１０を流れる改質水が蒸発部２０に流れる前に改質水供給配管４１０において過剰に沸騰することを抑制させるのに有利である。

（実施形態６）
図８は実施形態６を示す。本実施形態は前記した実施形態と共通する構成および共通する作用効果を有する。断熱壁３０の厚み方向（矢印ｔａ方向）において、内側表面３１から外側表面３３に向けて、燃料原料供給配管５１０、改質水供給配管４１０、空気配管２９の順に配置されている。この場合、実施形態１の場合に比較して、改質水供給配管４１０は断熱壁３０の内側表面３１に近づいている。このため、スタック１の発電運転が停止されたときであっても、改質水供給配管４１０はスタック１および燃焼部２３からの放熱を受けることができる。故に、改質水供給配管４１０の保温性が長時間にわたり確保され、改質水供給配管４１０に残留する改質水の凍結抑制に貢献できる。

この場合においても、スタック１の発電運転中において燃料原料供給配管５１０にガス状の燃料原料が流れると、改質水供給配管４１０を流れる改質水との熱交換を期待できる。故に、スタック１の発電運転において、改質水供給配管４１０を流れる改質水が蒸発部２０に流れる前に改質水供給配管４１０において過剰に沸騰することを抑制させるのに有利である。殊に図８に示すように、断熱壁３０の壁部３０ａにおいて、改質水供給配管４１０の内側には燃料原料供給配管５１０が配置されているため 、燃料原料供給配管５１０が遮熱作用を果たす。故に改質水供給配管４１０の過剰昇温化を抑制できる。

（実施形態７）
図９は実施形態７を示す。本実施形態は前記した実施形態と共通する構成および共通する作用効果を有する。スタック１、蒸発部２０、改質部および断熱壁３０を収容する外箱２００が設けられている。外箱２００は、（ｉ）スタック１、蒸発部２０、改質部２２および断熱壁３０を収容すると共にスタック１、蒸発部２０、改質部２２および断熱壁３０からの放熱を受ける上室として機能する第１室２０１と、（ｉｉ）スタック１の発電運転に関連する補機（例えば水精製器４０およびタンク４４）を収容すると共に発電運転停止時において第１室２０１よりも温度が低くなる下室として機能する第２室２０２と、（ｉｉｉ）第１室２０１および第２室２０２を仕切る仕切壁２０３とを有する。

スタック１の発電運転時およびスタック１の発電運転の停止時において、スタック１が収容されている第１室２０１は、第２室２０２よりも高温となりがちである。第２室２０２は第１室２０１よりも低温となりがちである。このため寒冷地または冬季などでは、スタック１の発電が停止されている状態である場合、第２室２０２における補機（例えば水精製器４０およびタンク４４）は凍結するおそれがある。そこで本実施形態によれば、図９に示されるように、断熱壁３０は進入断熱壁３００を有する。進入断熱壁３００は、断熱壁３０に繋がるため、断熱壁３０から受熱する。進入断熱壁３００は、第１室２０１から第２室２０２に進入して第２室２０２に露出すると共に、断熱壁３０および進入断熱壁３００の余熱を第２室２０２に放出させることができる。ここで、進入断熱壁３００は、断熱壁３０の下部から重力方向の下方に延設されるように、断熱壁３０の下面部３０ｕに隣設されており、第２室２０２に向けて露出している。

スタック１が運転停止されているときであっても、断熱壁３０は高温状態に維持されており、ひいては進入断熱壁３００の熱を第２室２０２にゆっくりと放出させることができる。故に、進入断熱壁３０が第２室２０２に進入していない場合に比較して、第２室２０２の温度を高め、第２室２０２における補機（例えば水精製器４０およびタンク４４）の凍結を抑制させるのに有利となる。本実施形態によれば、進入断熱壁３０には改質水供給配管４１０が埋設されているため、寒冷地や冬季などにおいてスタック１の発電運転が停止されているとしても、改質水供給配管４１０の温度を凍結開始温度以上に維持でき、改質水供給配管４１０の凍結を抑制させることができる。

（実施形態８）
図１０は実施形態８を示す。本実施形態は前記した実施形態と共通する構成および共通する作用効果を有する。図１０に示されるように、改質水供給配管４１０および燃料原料供給配管５１０は二重巻二重管構造とされている。二重巻二重管構造において、改質水供給配管４１０は内側に同心的に配置されており、燃料原料供給配管５１０は外側に同心的に配置されている。このためスタック１の発電運転において、燃料原料供給配管５１０にガス状の燃料原料が流れると、改質水供給配管４１０を流れる改質水と効率よく熱交換することができる。故に、スタック１が発電運転しているとき、改質水供給配管４１０を流れる改質水が蒸発部２０に流れる前に改質水供給配管４１０において過剰に沸騰することを抑制させるのに有利である。更に燃料原料供給配管５１０を流れるガス状の燃料原料を予熱させることも期待できる。

（実施形態９）
図１１は実施形態９を示す。本実施形態は、固体酸化物形の燃料電池システムに適用している。図１１は固体酸化物形の燃料電池システムの概念を示す。本実施形態は、空気配管（図示せず），改質水供給配管４１０および燃料原料供給配管５１０は壁部３０ａで合流せずに、蒸発部２０において合流する方式を採用している。燃料電池システムは、図１１に示すように、基本的には、固体酸化物形のスタック１と、改質器２と、制御部１００と、筐体９とを有する。更に、燃料電池システムは、筐体９の内部において、改質水系４と、燃料原料供給系５、カソードガス供給糸６、貯湯系７とを有する。

図１１に示すように、スタック１は、アノードガスが供給される燃料極として機能するアノードと、カソードガスが供給される酸化剤極として機能するカソードと、アノードおよびカソードで挟まれた固体酸化物を母材とする電解質膜（図略）とを有する。固体酸化物は、酸素イオン（Ｏ^２−）を伝導させる性質性をもつものであり、ＹＳＺ等のジルコニア系、ランタンガレート系が例示される。アノードは、ニッケル−セリア系サーメットが例示される。カソードは、サマリウムコバルタイト、ランタンマンガナイトが例示される。材質は上記に限定されるものではない。なお、スタック１の下部には、アノードガスをスタック１の入口に案内するアノードガスマニホルド１３が配置されている。なお、スタック１の温度を検知する第１温度センサ１０１の信号は制御部１００に入力される。

図１１に示すように、改質器２は、蒸発部２０と、燃料原料が供給される改質部２２とを備えている。蒸発部２０は、改質水系４から蒸発部２０に供給される液相状の改質水を水蒸気化させる。改質部２２は蒸発部２０の下流に設けられており、蒸発部２０で生成された水蒸気で燃料原料を水蒸気改質させてアノードガスを生成させる。アノードガスは水素ガスまたは水素含有ガスである。外箱として機能する筐体９は、収容室９１と、収容室９１と外気とを連通させる外気取込口９２をもつ
燃料電池モジュール３は、外箱として機能する筐体９の内部に収容されており、断熱材で形成された容器状の断熱壁３０を有しており、断熱壁３０の内部にスタック１および改質器２を燃焼部２３を介して収容して形成されている。断熱壁３０は殻状をなしており、壁部３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄを有する。断熱壁３０としては、繊維状、面状またはブロック状の断熱材料を被覆させて形成しても良く、要するに断熱性を有すれば良い。

燃料電池モジュール３では、スタック１の上側には改質器２（改質部２２および蒸発部２０）が配置されている。燃料電池モジュール３では、スタック１と改質器２（改質部２２および蒸発部２０）との間には、燃焼部２３が形成されている。殊に、スタック１の上部と改質器２（改質部２２および蒸発部２０）の下部との間には、燃焼部２３が形成されている。スタック１のアノード１１から発電反応後のアノードオフガスが燃焼部２３に排出される。スタック１のカソード１２から発電反応後のカソードオフガスが燃焼部２３に排出される。アノードオフガスはアノードガスを発電させた後のガスであり、未反応の水素（可燃成分）を含有して燃焼可能である。カソードオフガスはカソードガスを発電させた後のガスであり、未反応の酸素を含有している。燃焼部２３に排出されたアノードオフガスは、カソードオフガス（燃焼用空気に相当）により燃焼され、燃焼火炎２４を燃焼部２３において形成する。燃焼部２３において燃焼火炎２４を形成したアノードオフガスおよびカソードオフガスは、燃焼排気ガスとなる。燃焼部２３における燃焼火炎２４は改質部２２および蒸発部２０の双方を加熱させ、改質部２２の温度を改質反応温度領域に維持させる。

図１１に示すように、改質水系４は、改質部２２における水蒸気改質において水蒸気として消費される改質水を改質部２２に供給するものであり、水精製器４０と改質器２とを結ぶ改質水通路４１と、改質水ポンプ４２（改質水搬送源）と、給水バルブ４３とを有する。水精製器４０は、水を浄化させ得るイオン交換樹脂等の水精製材４０ａを有する。改質水通路４１には、貯水タンク４４、改質水ポンプ４２、給水バルブ４３が設けられている。

図１１に示すように、燃料原料供給系５は、炭化水素系の燃料原料を改質器２に供給させるために燃料源５０に繋がる燃料原料供給通路５１と、入口バルブ５２と、流量計５３、脱硫器５４と、燃料原料ポンプ５５（燃料原料搬送源）とを有する。燃料原料供給通路５１には、入口バルブ５２、流量計５３、脱硫器５４および燃料原料ポンプ５５が設けられている。カソードガス供給糸６は、空気であるカソードガスをスタック１のカソード１２に供給するカソードガス供給通路６０と、除塵フィルタ６１と、カソードガスポンプ６２（カソードガス搬送源）と、流量計６３とを有する。カソードガス供給通路６０には、除塵フィルタ６１、カソードガスポンプ６２および流量計６３が配置されている。除塵フィルタ６１は、筐体９の収容室９１に配置されている。

カソードガスポンプ６２が駆動すると、外気は外気取込口９２から収容室９１に流入し、除塵フィルタ６１およびカソードガス供給通路６０を介してカソードガスとしてスタック１の入口からカソード１２に供給される。外気取込口９２から取り込まれる外気（カソードガス）の温度を検知する第２温度センサ１０２が、筐体９の外気取込口９２付近において設けられている。第２温度センサ１０２は、スタック１のカソード１２に供給される前のカソードガスの温度を検知しており、実質的には筐体９の外部の外気温度を検知する。第２温度センサ１０２の信号は制御部１００に入力される。

図１１に示すように、貯湯系７は、熱交換器７４および貯湯タンク７０を循環する循環通路７１と、循環通路７１に設けられた貯湯ポンプ７２（貯湯用水の搬送源）とを有する。貯湯ポンプ７２が作動すると、貯湯タンク７２の水は、循環通路７１から熱交換器７４に供給され、熱交換器６４における燃焼排気ガスとの熱交換により加熱される。加熱された水は貯湯タンク７０に戻る。これにより貯湯タンク７０は温水を貯留させる。燃料電池モジュール３の近傍には熱交換器６４が設けられている。熱交換器７４は、燃料電池モジュール３から排出される燃焼排気ガスが通過するガス通路７４ｇと、貯湯系７の循環通路７１の水が通過する水通路７４ｗとをもつ。そして、熱交換器７４を流れる燃焼排気ガスの熱は、貯湯系７の循環通路７１の水に伝達される。熱交換器７４のガス通路７４ｇから排気通路７５が筐体９の排気口７６に向けて延設されており、燃焼排気ガスは排気通路７５を介して排気口７６から排出される。熱交換器７４のガス通路７４ｇから凝縮水通路７７が水精製器４０に向けて延設されている。従って燃焼排気ガスに含まれている気相状の水分は、熱交換器７４において冷却されて凝縮水を生成する。凝縮水は凝縮水通路７７から水精製器４０に供給される。

さて、スタック１の発電運転の開始前には、燃料原料ポンプ５５が駆動し、燃料原料が脱硫器５４、燃料原料供給通路５１、蒸発部２０および改質部２２を経てスタック１に供給され、スタック１を介して燃焼部２３に供給される。またカソードガスポンプ６２が駆動するため、カソードガス（空気）がスタック１のカソード１２を介して燃焼部２３に供給される。これにより可燃性の燃料原料が燃焼部２３においてカソードガス（空気）により燃焼され、燃焼火炎２４を燃焼部２３において形成する。燃焼火炎２４は改質部２２および蒸発部２０を高温に加熱させ、改質反応可能とさせる。

次に、スタック１の発電運転時には、燃料原料ポンプ５５が駆動し、燃料原料が燃料原料供給通路５１を介して改質器２の蒸発部２０に供給される。また改質水ポンプ４２が駆動し、貯水タンク４４の改質水が改質水通路４１を介して蒸発部２０に供給される。ここで、蒸発部２０は加熱されているため、蒸発部２０は改質水を水蒸気化させる。水蒸気は改質部２２に供給される。改質部２２は燃料原料を水蒸気改質させ、アノードガスを生成させる。燃料原料がメタン系である場合には、水蒸気改質ではアノードガスの生成は、次の（１）式に基づくと考えられている。固体酸化物形のスタック１では、Ｈ_２他にＣＯも燃料となりうる。

（１）…ＣＨ_４＋２Ｈ_２Ｏ→４Ｈ_２＋ＣＯ_２
ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ→３Ｈ_２＋ＣＯ
生成されたアノードガスは、アノードガス通路１４およびアノードガスマニホルド１３を介して、スタック１のアノード１１の入口に供給されて発電に使用される。またカソードガスポンプ６２が駆動しているため、筐体９の外部の外気がカソードガスとして除塵フィルタ６１およびカソードガス供給通路６０を介してスタック１のカソード１２の入口に供給される。これによりスタック１は発電する。

発電反応においては、水素含有ガスで供給されるアノード１１では基本的には（２）の反応が発生すると考えられている。酸素が供給されるカソード１２では基本的には（３）の反応が発生すると考えられている。カソード１２において発生した酸素イオン（Ｏ^２−）がカソード１２からアノード１１に向けて電解質を伝導する。

（２）…Ｈ_２＋Ｏ^２−→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻
ＣＯが含まれている場合には、ＣＯ＋Ｏ^２−→ＣＯ_２＋２ｅ⁻
（３）…１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２−
発電反応後のアノードオフガスおよびカソードオフガスは、スタック１の上方の燃焼部２３に排出され、燃焼火炎２４を燃焼部２３において形成する。燃焼した後のアノードオフガスおよびカソードオフガスは、燃焼排気ガスとなり、熱交換器７４および逃がし弁７８を経て排気通路７５の先端の排気口７６から筐体９の外部に放出される。燃焼排気ガスに含まれる水分が凝縮した凝縮水は、熱交換器７４から導出される凝縮水通路７７から水精製器４０に供給され、水精製器４０で精製される。精製された水は、貯水タンク４４に改質水４４ｗとして貯留される。

上記したようにスタック１のアノード１１の上部からアノードオフガスが燃焼部２３に吐出され、カソード１２から吐出されたカソードオフガスが燃焼部２３に吐出され、アノードオフガスがカソードオフガスにより燃焼されて燃焼火炎２４を形成し、改質部２２および蒸発部２０を加熱させる。

従って、アノードガス（燃料原料）の流量としては、スタック１のアノード１１における発電反応で使用される流量と、燃焼部２３においてアノードオフガスが燃焼火炎２４を形成する流量とを加算した流量が設定されている。カソードガスの流量の流量としては、スタック１のカソード１２における発電反応で使用される流量と、燃焼部２３においてカソードオフガスが燃焼用空気として燃焼火炎２４を形成する流量と、余裕流量とを加算した流量が設定されている。

なお、固体酸化物形のスタック１を搭載するシステムによれば、定格運転におけるスタック１の作動温度は４００〜１１００℃の範囲内、５００〜８００℃の範囲内である。

本実施形態においても、スタック１の発電停止から長時間経過したとしても、断熱壁３０の余熱により、改質水供給配管４１０を凍結開始温度以上に長時間にわたり保温することができる。例えば、夜間においてスタック１の発電運転を停止させたときであっても、翌朝の次回の起動時まで、断熱壁３０の余熱により、改質水供給配管４１０を凍結開始温度以上に長時間にわたり保温することができる。このため改質水供給配管４１０に改質水が残留する場合においても、寒冷地または冬季などにおいて、改質水供給配管４１０に残留する改質水の凍結を長時間にわたり抑制することができ、スタック１の次回の起動を良好に実施できる。

（その他）
本発明は上記し且つ図面に示した実施形態のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できる。スタック１は平板のアノード、カソードを組み付けて形成された平板積層構造であるが、これに限らず、チューブ型でも良い。燃料電池の電解質は固体酸化物形に限定されず、リン酸形、溶融炭酸塩形でも良い。上記した記載から次の技術的思想を把握できる。

［付記項１］加熱要素で加熱され改質水を水蒸気化させる蒸発部と、蒸発部に連通するように且つ加熱要素で加熱されるように設けられ、蒸発部で生成された水蒸気により前記燃料原料を水蒸気改質させてアノードガスを生成させる改質部と、改質部で生成されたアノードガスとカソードガスとで発電する燃料電池と、蒸発部に改質水を供給する改質水供給配管と、水蒸気改質される燃料原料を改質部に供給する燃料原料供給配管と、少なくとも燃料電池および改質部の外側を断熱のため覆う断熱材料で形成され内側表面および内側表面に背向する外側表面を有する断熱壁とを具備する燃料電池システム。燃料電池からの放熱が抑制される。

本発明は例えば定置用、車両用、電子機器用、電気機器用の燃料電池システムに利用することができる。

１はスタック、２は改質器、２０は蒸発部、２２は改質部、２３は燃焼部、２４は燃焼火炎、２９は空気配管、３は燃料電池モジュール、３０は断熱壁、３１は内側表面、３３は外側表面、４は改質水系、４０は水精製器（補機）、４１は改質水供給通路、４１０は改質水供給配管、４１０ｍは並走配管、４２は改質水ポンプ、４４は給水タンク（補機）、５は燃料原料供給系、５１は燃料原料供給通路、５１０は燃料原料供給配管、５５は燃料原料ポンプ、６はカソードガス供給系、６０はカソードガス供給通路、６２はカソードガスポンプ、７は貯湯系、７０は貯湯タンク、７１は循環通路、７２は貯湯ポンプ、７４は熱交換器、７５は排気通路、７６は排気口、９２は外気取込口、１００は制御部、２００は外箱、２０１は第１室、２０２は第２室、２０３は仕切壁、３００は進入断熱壁を示す。

Claims (5)

1. 燃焼火炎で加熱され改質水を水蒸気化させる蒸発部と、
   前記蒸発部に連通するように且つ燃焼火炎で加熱されるように設けられ、前記蒸発部で生成された水蒸気により前記燃料原料を改質させてアノードガスを生成させる改質部と、
   前記改質部で生成されたアノードガスとカソードガスとで発電する燃料電池と、
   前記蒸発部に改質水を供給する改質水供給配管と、
   水蒸気改質される前記燃料原料を前記改質部に供給する燃料原料供給配管と、
   少なくとも前記燃料電池および前記改質部の外側を断熱のため覆う断熱材料で形成され内側表面および前記内側表面に背向する外側表面を有する断熱壁とを具備しており、
   前記断熱壁は、前記断熱壁の前記内側表面および前記外側表面に前記改質水供給配管を並走させつつ前記断熱壁の内部に埋設しており且つ発電運転停止時において前記断熱壁の余熱により前記改質水供給配管を保温する燃料電池システム。
2. 請求項１において、前記断熱壁は、前記断熱壁の前記内側表面および前記外側表面に前記燃料原料供給配管を並走させつつ前記断熱壁の内部に埋設している燃料電池システム。
3. 請求項１または２において、前記燃料電池の起動時において燃料原料を酸化させて酸化熱を生成させる空気を前記燃料電池に供給する空気配管が設けられており、
   前記断熱壁は、前記断熱壁の前記内側表面および前記外側表面に前記空気配管を並走させつつ前記断熱壁に埋設している燃料電池システム。
4. 請求項１〜３のうちの一項において、前記燃料電池、前記蒸発部、前記改質部および前記断熱壁を収容する外箱が設けられており、
   前記外箱は、前記燃料電池、前記蒸発部、前記改質部および前記断熱壁を収容すると共に前記燃料電池、前記蒸発部、前記改質部および前記断熱壁からの放熱を受ける第１室と、前記燃料電池の発電運転に関連する補機を収容すると共に発電運転停止時において前記第１室よりも温度が低くなる第２室と、前記第１室および前記第２室を仕切る仕切壁とを有しており、
   前記断熱壁は、前記第１室から前記第２室に進入して前記第２室に露出すると共に余熱を前記第２室に放出させる進入断熱壁を有する燃料電池システム。
5. 請求項４のうちの一項において、前記進入断熱壁は前記改質水供給配管を埋設している燃料電池システム。

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