JP2011113934A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】熱交換効率を従来よりも高めることができる燃料電池システムを提供すること。
【解決手段】燃料電池システム１では、燃料ガスと酸化剤ガスとの供給を受けて発電を行う燃料電池３は、７００℃程度の高温にて稼働されるために、断熱容器５に収納されている。この断熱容器５内には、燃料電池３に加え、燃料電池３から（発電後に）排出される排ガスを断熱容器５外に排出する排ガス流路７と、排ガス流路７に沿って設けられた酸化剤熱交換器９と、排ガス流路７に沿って（酸化剤熱交換器９より下流側に）設けられた気化器１１と、燃料電池３等の始動時に加熱を行うバーナ１３などを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池から排出される排ガスと燃料電池に供給される酸化剤ガスや燃料ガス等との熱交換を行うことができる燃料電池システムに関する。

従来より、例えば固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は、固体電解質層の両面に電極を配した燃料電池セルの両面に、酸化剤ガス（通常空気）と燃料ガス（Ｈ₂、メタン、メタノール等）を供給して、発電を行うようになっている。このような燃料電池は、一個の燃料電池セルで得られる電力量は小さいので、セルを複数個使用して燃料電池スタックを構成して大きな電力になるよう設計されている。

この種の燃料電池については、燃料電池スタックを断熱容器内に収容し、断熱容器内にて、燃料電池から排出される排ガスを利用して、気化器にて燃料を気化したり、空気予熱器にて（燃料電池に供給する）空気を予熱する手法が開示されている（特許文献１参照）。

特開２００６−３５１２９３号公報

ところが、上述した従来技術では、燃料電池スタックからの排ガスが断熱容器内全体に開放されてしまうため、熱効率を高めるためには、断熱容器をかなり重厚なものにしなければならない。

また、燃料電池スタックからの排ガスが断熱容器内全体に開放されてしまうことから、エネルギー密度として固定された条件下での熱交換となるため、空気予熱や燃料気化等の熱交換特性に関して適しているとは考えにくい。

更に、燃料電池スタックの出力変動時には、排ガス出力も変動するため、熱交換効率が低下することが考えられる。
本発明は、こうした問題に鑑みなされたもので、熱交換効率を従来よりも高めることができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

（１）かかる問題を解決するためになされた請求項１の発明は、酸化剤ガスと燃料ガスとを用いて発電する燃料電池と、前記燃料電池から排出される排ガスと前記酸化剤ガスとの間で熱交換を行う酸化剤熱交換器と、前記燃料電池から排出される排ガスと前記燃料ガス又は前記燃料ガスとなる原料との間で熱交換を行う燃料熱交換器と、前記燃料電池と前記酸化剤熱交換器と前記燃料熱交換器とを収容する断熱容器と、を備えた燃料電池システムであって、前記燃料電池から排出される排ガスを前記断熱容器外に排出する排ガス流路を備えるとともに、前記排ガス流路は、前記酸化剤熱交換器の酸化剤流路に隣り合う第１排ガス流路と、前記燃料熱交換器の燃料流路に隣り合う第２排ガス流路とを備え、前記排ガスの上流側より、前記第１排ガス流路、前記第２排ガス流路の順に配置したことを特徴とする。

本発明では、排ガスの上流側より、酸化剤熱交換器の第１排ガス流路、燃料熱交換器の第２排ガス流路の順に配置している。よって、まず、燃料電池から排出される排ガスを第１排ガス流路に供給することによって、酸化剤熱交換器にて排ガスと酸化剤ガスとの熱交換を行い（従って酸化剤ガスを予熱し）、その後、酸化剤熱交換器から排出される排ガスを第２排ガス流路に供給することによって、燃料熱交換器にて排ガスと燃料ガスや原料との熱交換を行うこと（従って燃料ガスや原料の加熱（予熱）を行うこと）ができる。

この様に、本発明では、排ガスのカスケード利用によって、酸化剤熱交換器や燃料熱交換器の熱交換特性に適した排ガス利用が可能となる。つまり、燃料電池では、燃料ガスや原料（水蒸気や炭化水素ガス等）の流量に比べて、酸化剤ガス（空気等）の流量が多いが、本発明では、まず、上流側にて高温の排ガスによって酸化剤ガスの熱交換を行うので、多量の酸化剤ガスでも酸化剤熱交換器にて効率良く予熱することができる。

また、排ガスのカスケード利用によって、燃料電池の出力変動にも動じにくいシステムを構築することができる。つまり、燃料電池の出力変動が生じた場合でも、高温の排ガスにより流量が多い酸化剤ガスの予熱を効率良く行うことができるので、熱交換特性が出力変動に影響され難いという利点がある。

更に、本発明では、排ガスの熱交換を断熱容器内で行うことにより、熱の外部への排出を抑制することができるので、エネルギー密度の高い状態での熱交換が可能である。また、熱の外部への排出を抑制できる分、断熱容器内の温度維持に必要な投入エネルギーを少なくすることができるので、発電効率（投入したエネルギーに対する発電量の割合）が向上する。しかも、排ガスの熱交換を断熱容器内で行うシステムに比べて、断熱容器を簡易なものにすることができる。

ここで、燃料ガスとしては、例えば水素（Ｈ₂）ガスが挙げられる、また、燃料ガスの原料としては、例えばメタン（ＣＨ₄）等の炭化水素系原料や水が挙げられ、原料の形態としては液体又は気体が挙げられる。なお、液体水素などを原料とすることも可能である。

更に、排ガスとしては、燃料電池にて発電に使用された後の残余の酸化剤ガスや燃料ガスが挙げられるが、更に（例えば燃焼器にて）残余の酸化剤ガスや燃料ガスを燃焼させた排ガスを用いてもよい。

（２）請求項２の発明は、前記燃料熱交換器は、前記燃料ガスとなる原料を前記燃料ガスに生成するための燃料ガス生成部を備え、前記燃料ガス生成部に前記燃料ガスとなる原料を供給して予熱を行うことを特徴とする。

本発明は、燃料熱交換器の構成を例示したものである。この燃料ガス生成部としては、気化器や改質器の構成が挙げられる。
つまり、燃料熱交換器は、排ガスと燃料ガスや原料との熱交換を行う構成を備えているが、更に、液体の原料（水や液体の炭化水素系原料等）を気化させる気化器や、気体状態の原料（原料ガス）ガスを改質する改質器、即ち原料ガスを燃料電池にて発電に使用できる燃料ガスに改質する改質器を含んでいてもよい。

（３）請求項３の発明は、前記燃料ガス生成部は、気化器を備えており、前記気化器に前記燃料ガスとなる液体の原料を供給して気化させることを特徴とする。
本発明では、気化器を備えているので、原料としては、液体の原料（即ち水若しくは各種の液体の炭化水素系原料など）を用いることができる。

特に、本発明では、気化器の上流側に酸化剤熱交換器を備えているので、排ガスのカスケード利用により、酸化剤熱交換器や気化器の特性に合った（優先的な）熱交換が可能である。

つまり、酸化剤熱交換器と気化器とにおける排ガスの熱流束を考えた場合、より高温が必要となるのは、熱交換絶対熱量を最も多く必要とする酸化剤熱交換器側であり、続いて、気化器側である。一方、気化器においては、熱源温度が高すぎた場合（即ち、熱量が多すぎた場合）は、水の急激な気化により、管内圧力の異常変動もあり得る。このため、気化器よりも上流側に、優先的に酸化剤熱交換器を配置することにより、酸化剤熱交換器や気化器それぞれの特性に合った熱交換が可能となる。

（４）請求項４の発明は、前記燃料ガス生成部は、更に原料を改質する改質器を備えることを特徴とする。
本発明では、改質器を備えているので、原料（燃料ガスとなる原料）の改質、詳しくは例えばメタンガス等の原料ガスを水素リッチ等の燃料ガスに改質することができる。よって、原料として各種の材料を用いることができる。

（５）請求項５の発明は、前記第１排ガス流路及び前記酸化剤流路の両流路と、前記第２排ガス流路及び前記燃料流路の両流路と、の少なくとも一方において、前記両流路を熱伝導が可能なように隣接して配置したことを特徴とする。

本発明では、酸化剤熱交換器において酸化剤流路に隣接して第１排ガス流路を設けたり、燃料熱交換器において燃料流路に隣接して第２排ガス流路を設けるので、酸化剤ガスや原料ガス（又は燃料ガス）を効率良く予熱することができる。

（６）請求項６の発明は、前記第１排ガス流路及び前記酸化剤流路の両流路と、前記第２排ガス流路及び前記燃料流路の両流路と、の少なくとも一方において、前記両流路のうち前記第１排ガス流路及び/又は第２排ガス流路を前記酸化剤流路及び/又は燃料流路それぞれに対して下方に配置したことを特徴とする。

本発明では、酸化剤熱交換器において酸化剤流路の下方に第１排ガス流路を配置したり、燃料熱交換器において燃料流路の下方に第２排ガス流路を配置するので、熱対流運動によって上方に位置する酸化剤ガスや原料ガス（又は燃料ガス）を効率良く予熱することができる。

（７）請求項７の発明は、前記酸化剤流路及び前記燃料流路の少なくとも一方を、前記排ガス流路と前記燃料電池との間に配置したことを特徴とする。
本発明では、酸化剤流路や燃料流路を、排ガス流路と燃料電池との間に配置したので、排ガスの熱及び燃料電池からの伝熱を両方利用でき、酸化剤ガスや原料ガス（又は燃料ガス）を効率よく予熱することができる。

なお、燃料電池からの伝熱の熱源としては、燃料電池が発電時に生じるジュール熱以外に、燃料電池に取り付けられた燃焼器などにより発生する熱を含んでいてもよい。また、燃料電池からの伝熱は、熱輻射、熱伝導の形で酸化剤ガスや原料ガス（又は燃料ガス）を予熱することができる。

（８）請求項８の発明では、前記第１排ガス流路と前記第２排ガス流路とを、連結部を介して接続したことを特徴とする。
本発明は、第１排ガス流路と第２排ガス流路とを有する排ガス流路の構成を例示したものである。なお、連結部としては、例えば第１排ガス流路や第２排ガス流路よりも細径の（即ち流路の断面積が小さな）チューブ等を採用できる。

連結部を採用することにより、装置のメンテナンスや部品交換などがより簡単に行えると共に、燃料電池システムの設計自由度が向上する。
（９）請求項９の発明は、前記第１排ガス流路と前記第２排ガス流路とを、一体に形成したことを特徴とする。

本発明は、第１排ガス流路と第２排ガス流路とを有する排ガス流路の構成を例示したものである。
一体形成を採用することにより、装置の部品点数や工数が減り、製造コストを軽減することができる。

（１０）請求項１０の発明では、前記酸化剤熱交換器及び前記燃料熱交換器の近傍に、起動時に前記燃料電池を加熱するバーナを備えたことを特徴とする。
本発明では、起動時にバーナによって燃料電池を加熱することにより、速やかに燃料電池を加熱することができる。これにより、システムの起動時間を短縮することができる。

（１１）請求項１１の発明は、前記酸化剤流路と前記燃料流路との少なくとも一方に、前記燃料電池からの伝熱を利用可能なように、内部に前記各ガスの流路を有するフィンを設けたことを特徴とする。

本発明により、比較的排ガス温度の低い始動時（昇温時）にも、酸化剤ガスや原料ガス（燃料ガス）の温度を効率よく上昇させることができる。
また、フィンを燃料電池の側壁に沿って近接するとともに、バーナによって燃料電池を加熱する場合には、バーナの排ガスをフィンと燃料電池の側壁の間に導くことができる。よって、バーナの排ガスによってフィン及び燃料電池を一層効率良く昇温させることができる。なお、バーナの排ガスは断熱容器内に留まるので、昇温時のエネルギー効率が向上する。

なお、上述した発明においては、下記(1)〜(5)に示す様に、各種の燃料ガス又は（燃料ガスとなる）原料を用いることができる。
(1)水素ガス（気体）：この場合は、気化器や改質器は不要である。

つまり、排ガスの流れに沿って、酸化剤ガス、水気化用気化器、炭化水素系原料、改質器の順に、排ガスの熱で予熱することができる。
(2)炭化水素系原料（気体）＋水（液体）：この場合は、気化器と改質器を用いる。

つまり、排ガスの流れに沿って、酸化剤ガス、水素ガスの順に、排ガスの熱で予熱することができる。なお、水気化用気化器と炭化水素系原料とを同時に予熱することも可能である。

(3)炭化水素系原料（気体）＋水蒸気（気体）：この場合は、改質器を用いる。
つまり、排ガスの流れに沿って、酸化剤ガス、原料気体（炭化水素系気体原料／水蒸気）、改質器の順に、排ガスの熱で予熱することができる。なお、炭化水素系気体原料と水蒸気の予熱の順番は、熱容量の高い順（予熱時の熱使用量の大きい順）に設定できるが、同時に予熱することも可能である。

(4)炭化水素系原料（液体）＋水（液体）：この場合は、気化器と改質器を用いる。
つまり、排ガスの流れに沿って、酸化剤ガス、原料液体（炭化水素系液体原料／液体水）、改質器の順に、排ガスの熱で予熱することができる。なお、炭化水素系液体原料と液体水の予熱の順番は、気化熱及び熱容量の高い順（予熱時の熱使用量の大きい順）に設定できるが、同時に予熱することも可能である。

(5)炭化水素系原料（液体）＋水蒸気（気体）：この場合は、気化器と改質器を用いる。
つまり、排ガスの流れに沿って、酸化剤ガス、炭化水素系液体原料用気化器、水蒸気、改質器の順に、排ガスの熱で予熱することができる。なお、予熱の順番は、炭化水素系液体原料の気化熱及び熱容量と、水蒸気の熱容量とに基づき、予熱時の熱使用量を事前に算出し、予熱時の熱使用量の大きい順に設定できるが、同時に予熱することも可能である。

実施例１の固体酸化物形燃料電池システムを模式的に示す説明図である。 実施例１の燃料電池の概略構成を示す説明図である。 （ａ）実施例１の固体酸化物形燃料電池システムの主要部を示す正面図、（ｂ）酸化剤熱交換器と気化器とバーナの配置を示す平面図、（ｃ）流路部材を示す斜視図である。 実施例２の固体酸化物形燃料電池システムに用いられる流路部材を示す斜視図である。 実施例３の固体酸化物形燃料電池システムの主要部を示す正面図である。 実施例４の固体酸化物形燃料電池システムを模式的に示す説明図である。 実施例５の固体酸化物形燃料電池システムを模式的に示す説明図である。 実施例６の固体酸化物形燃料電池システムを模式的に示す説明図である。

以下、本発明が適用された燃料電池システムの実施例について図面を用いて説明する。

ａ）まず、本実施例の固体酸化物形燃料電池システム（以下単に燃料電池システムと記す）に用いられる固体酸化物形燃料電池（以下単に燃料電池と記す）ついて説明する。
図１に模式的に示す様に、本実施例の燃料電池システム１では、燃料ガスと酸化剤ガスとの供給を受けて発電を行う燃料電池３は、例えば７００℃程度の高温にて稼働されるために、断熱容器５に収納されている。

この断熱容器５内には、燃料電池３に加え、燃料電池３から（発電後に）排出される排ガスを断熱容器５外に排出する排ガス流路７と、排ガス流路７に沿って設けられた酸化剤熱交換器９と、排ガス流路７に沿って（酸化剤熱交換器９より下流側に）設けられた気化器１１と、燃料電池３等の始動時に加熱を行うバーナ１３などを備えている。

以下、各構成について説明する。
図２に示す様に、前記燃料電池３は、発電単位である板状の固体酸化物形燃料電池セル（以下単に燃料電池セルと記す）１５が複数個積層されたスタック部分（燃料電池スタック）１７と、その燃料電池スタック１７の積層方向の一方の側（図２下方）に配置された改質器１９と、他方の側に配置された排ガス燃焼器２１とを備えている。

このうち、燃料電池セル１５は、いわゆる燃料極支持膜形タイプの燃料電池セルであり、周知の燃料極２３、固体電解質体２５、空気極２７を備えている。
また、改質器１９は、燃料電池３に供給される原料ガスを水素リッチの燃料ガスに改質する層状の装置であり、排ガス燃焼器２１は、発電後の残余の燃料ガスと残余の酸素とを反応させて燃焼させる層状の装置である。なお、この排ガス燃焼器２１を省略して、発電後の残余の各ガスをそのまま排ガス流路７に排出するようにしてもよい。

図３に示す様に、酸化剤熱交換器９は、酸化剤ガスである空気（詳しくは酸素）と主に排ガスとの熱交換を行う装置（即ち空気の予熱を行う装置）である。
また、気化器１１は、主に排ガスから得られた熱により、燃料ガスの原料の一部としての水を気化させて水蒸気にする装置であり、この気化器１１に、燃料ガスの原料の一部である気体のメタンが供給される。

なお、酸化剤熱交換器９と気化器１１とでは、高温の燃料電池３に近接しているため、燃料電池３からの伝熱（輻射熱と熱伝導）を受けて、空気の予熱、あるいは燃料ガスの原料の一部である水の気化が起こることもある。

前記酸化剤熱交換器９と気化器１１とは同様なＬ字状の部材であり、酸化剤熱交換器９と気化器１１とは、Ｌ字に曲がった先端部で一体化されて左右対称のコ字状の流路部材２９を構成している。この流路部材２９は、バーナ１３の側方の外周を囲む様に配置されており、流路部材２９とバーナ１３とは燃料電池３の下方に配置されている。

酸化剤熱交換器９には、水平に伸びる隔壁３１により上下二層に分離されたガス流路が形成されている。つまり、上層には空気が流れる酸化剤流路３３が形成されるとともに、その下層には、上流側の排ガス流路７を構成する第１排ガス流路３５が形成されている。

同様に、気化器１１には、水平に伸びる隔壁３７により上下二層に分離されたガス流路が形成されている。つまり、上層には水（気化した場合には水蒸気）とメタンガスが流れる燃料流路３９が形成されるとともに、その下層には、（第１排ガス流路３５より）下流側の排ガス流路７を構成する第２排ガス流路４１が形成されている。

なお、酸化剤流路３３と燃料流路３９とは垂直の隔壁４３により分離されているが、第１排ガス流路３５と第２排ガス流路４１とは連通している。
ｂ）次に、本実施例の燃料電池システム１の動作ついて説明する。

前記図３（ａ）に示す様に、燃料電池３から排出された排ガスは、排ガス流路７に供給され、酸化剤熱交換器９の第１排ガス流路３５から、気化器１１の第２排ガス流路４１を経由して断熱容器５外に排出される。

このとき、図３（ｃ）に示す様に、酸化剤熱交換器９では、その酸化剤流路３３に空気が供給されるので、酸化剤流路３３を流れる空気と第１排ガス流路３５を流れる排ガスとの間で隔壁３１を介して熱交換が行われる。従って、酸化剤熱交換器９にて予熱された空気は、燃料電池３の各燃料電池セル１５の空気極２７側に供給される。

一方、気化器１１では、その燃料流路３９に水及びメタンガスが供給される。よって、燃料流路３９から供給される水は、第２排ガス流路４１を流れる排ガスからの熱によって気化し水蒸気となる。それとともに、燃料流路３９を流れる水蒸気及びメタンガスと第２排ガス流路４１を流れる排ガスとの間で隔壁３７を介して熱交換が行われる。従って、気化器１１にて予熱された水蒸気及びメタンガスからなる原料ガスは、改質器１９に供給される。

改質器１９に供給された原料ガスは、水素リッチの燃料ガスに改質され、燃料電池３の各燃料電池セル１５の燃料極２３側に供給される。
そして、空気極２７側に供給された空気と燃料極２３側に供給された燃料ガスによって発電された後に、各燃料電池セル１５から排出された残余の酸素及び燃料ガスは、排ガス燃焼器２１にて燃料されて排ガスとなり、この排ガスが燃料電池３から排ガス流路７に排出される。

ｃ）上述した構成によって、本実施例の燃料電池システム１は、下記の効果を奏する。
・本実施例では、排ガスのカスケード利用によって、酸化剤熱交換器９や気化器１１における熱交換特性に適した排ガス利用が可能となり、燃料電池３の出力変動にも動じにくい熱交換特性を実現することができる。

・本実施例では、排ガスの熱交換を断熱容器５内で行うことにより、熱の外部への排出を抑制することができるので、エネルギー密度の高い状態での熱交換が可能である。
・本実施例では、酸化剤流路３３に隣接して下方に第１排ガス流路３５を設けるとともに、燃料流路３９に隣接して下方に第２排ガス流路４１を設けているので、空気や原料ガスを効率良く予熱することができる。

・本実施例では、酸化剤流路３３を燃料電池３と第１排ガス流路３５との間に配置するとともに、燃料流路３９を燃料電池３と第２排ガス流路４１との間に配置したので、排ガスの熱や燃料電池３からの伝熱（輻射熱と熱伝導）を利用して、空気や原料ガスを効率よく予熱することができる。

・本実施例では、第１排ガス流路３５と第２排ガス流路４１とを、流路部材２９内にて一体に形成したので、排ガスによる熱交換を効率よく行うことができる。
なお、本実施例では、原料として水とメタンガスを用いたが、それ以外に、原料として、「水（液体）＋例えば灯油等の炭素水素原料（液体）」、「水蒸気（気体）＋例えば灯油等の炭素水素原料（液体）」を採用することができる。

また、メタンガスの予熱を必要としない場合には、気化器１１の下流側にメタンガスを供給してもよい。
また、気化された水蒸気とメタンガスとを混合して、気化器１１の下流側に位置する改質器に導入することができる。また、排ガスの熱を利用して改質器を予熱することもできる。この場合、排ガスの流れに沿って、酸化剤熱交換器、気化器、改質器の順に、排ガスの熱を利用することもできる。

また、本実施例では、排ガスの熱により、メタンガスの予熱と水の気化／予熱とは同時に（同じ熱交換器内にて）行われていたが、水の気化／予熱（気化器）、メタンガスの予熱の順に、排ガスの熱を利用（熱交換）することができる。つまり、予熱時に使用される熱量の大きい順に、予熱の順番を設定することができる。なお、この場合、水（水蒸気）とメタンガスとを混合せず、別々の空間にて予熱する必要がある。また、更に排ガスの熱で改質器を予熱する場合は、水の気化／予熱（気化器）、メタンガス、改質器の順に、排ガスの熱を利用することができる。

次に、実施例２について説明するが、前記実施例１と同様な内容の説明は省略する。
本実施例の燃料電池システムは、前記実施例１とは、酸化剤熱交換器と気化器とからなる流路部材の構成が異なるので、異なる点について説明する。

図４に示す様に、本実施例の燃料電池システムに使用される流路部材５１は、Ｌ字状の酸化剤熱交換器５３と同様なＬ字状の気化器５５とが線対称に配置され、酸化剤熱交換器５３の端部と気化器５５の端部とが、チューブ状の連結部５７により連結されたものである。

つまり、酸化剤熱交換器５３は、上側に酸化剤流路５９を備えるとともに下側に第１排ガス流路６１を備え、一方、気化器５５にも、上側に燃料流路６３を備えるとともに下側に第２排ガス流路６５を備えている。そして、第１排ガス流路６１と第２排ガス流路６５とが、排ガスの流通が可能な様に、連結部５７により接続されている。

本実施例によっても、前記第１実施例と同様な効果を奏するとともに、別体に形成した酸化剤熱交換器５３と気化器５５とを、チューブ状の連結部５７で接続すれば良いので、設計の自由度が向上するという利点がある。

次に、実施例３について説明するが、前記実施例１と同様な内容の説明は省略する。
本実施例の燃料電池システムは、前記実施例１とは、酸化剤熱交換器及び気化器の構成が異なるので、異なる点について説明する。

図５に示す様に、本実施例の燃料電池システム７１では、前記実施例１と同様に、燃料電池７３の下方にバーナ７５が配置されるとともに、バーナ７５の側方の周囲を囲む様に、酸化剤熱交換器７７及び気化器７９からなるコ字状の流路部材８１が配置されている。

特に本実施例では、酸化剤熱交換器７７の（上側の）酸化剤流路８３には、燃料電池７３の側方に沿って近接して上方に伸び、内部に酸化剤流路８３と連通するガス流路８５を有するフィン８７が形成されている。

同様に、気化器７９の（上側の）燃料流路８９には、燃料電池７３の側方に沿って近接して上方に伸び、内部に燃料流路８９と連通するガス流路９１を有するフィン９３が形成されている。

本実施例によっても、前記第１実施例と同様な効果を奏するとともに、酸化剤熱交換器７７の酸化剤流路８３と気化器７９の燃料流路８９とには、それぞれフィン８７、９３が形成されているので、各フィン８７、９３中のガスは、燃料電池７３からの伝熱（輻射熱と熱伝導）を効率良く受けることができる。これにより、より効率的に燃料電池７３からの伝熱を利用することができ、急激な電力の出力変動による各ガス流量の変動があった場合に対しても、断熱容器内の温度をより安定した状態に保つことができ、燃料電池７３の熱自立性を高めることができる。よって、一層熱交換効率が向上するという効果がある。

次に、実施例４について説明するが、前記実施例１と同様な内容の説明は省略する。
本実施例の燃料電池システムは、前記実施例１とは、使用する原料が異なり、よって、気化器及び改質器を使用しないので、主に異なる点について説明する。

図６に模式的に示す様に、本実施例の燃料電池システム１０１では、燃料ガスとして水素ガスを使用する。
この燃料電池システム１０１では、実施例１と同様に、断熱容器１０３内に、燃料電池１０５と、排ガス流路１０７と、排ガス流路１０７の上流側に配置された（実施例１と同様な構造の）酸化剤熱交換器１０９と、排ガス流路１０７の下流側に配置された燃料熱交換器１１１と、バーナ１１３などを備えている。

なお、ここでは、燃料電池１０５に改質器を備えていない。また、燃料熱交換器１１１の第２ガス流路は前記気化器の第２排ガス流路と同様であるが、その内部に液体を気化させるための構造（セラミック粒子等）は不要である。

従って、本実施例の燃料電池システム１０１では、燃料電池１０５から排出された排ガスは、排ガス流路１０７に供給され、酸化剤熱交換器１０９の第１排ガス流路（図示せず）から、燃料熱交換器１１１の第２排ガス流路（図示せず）を経由して断熱容器１０３外に排出される。

このとき、酸化剤熱交換器１０９では、実施例１と同様に、空気と排ガスとの間で熱交換が行われ、空気が予熱される。
一方、燃料熱交換器１１１の燃料流路（図示せず）には、燃料ガスである水素ガスが供給されるので、水素ガスと排ガスとの間で熱交換が行われ、水素ガスが予熱される。

本実施例は、前記実施例１と同様な効果を奏するとともに、特に、燃料ガスとして水素ガスが供給されるので、気化器や改質器が不要であり、燃料電池システム１０１の構成を簡易化できるという利点がある。

次に、実施例５について説明するが、前記実施例１と同様な内容の説明は省略する。
本実施例の燃料電池システムは、前記実施例１とは、使用する原料が異なり、よって、気化器を使用しないので、主に異なる点について説明する。

図７に模式的に示す様に、本実施例の燃料電池システム１２１では、燃料ガスの原料としてメタンガスを使用する。
この燃料電池システム１２１では、実施例１と同様に、断熱容器１２３内に、燃料電池１２５と、排ガス流路１２７と、排ガス流路１２７の上流側に配置された（実施例１と同様な構造の）酸化剤熱交換器１２９と、排ガス流路１２７の下流側に配置された（実施例４と同様な構造の）燃料熱交換器１３１と、バーナ１３３などを備えている。なお、ここでは、燃料熱交換器１３１には気化させる構成は不要であるが、燃料電池１２５には改質器１３５を備えている。

従って、本実施例の燃料電池システム１２１では、燃料電池１２５から排出された排ガスは、排ガス流路１２７に供給され、酸化剤熱交換器１２９の第１排ガス流路（図示せず）から、燃料熱交換器１３１の第２排ガス流路（図示せず）を経由して断熱容器１２３外に排出される。

このとき、酸化剤熱交換器１２９では、実施例１と同様に、空気と排ガスとの間で熱交換が行われ、空気が予熱される。
一方、燃料熱交換器１３１の燃料流路（図示せず）には、燃料ガスであるメタンガスが供給されるので、メタンガスと排ガスとの間で熱交換が行われ、メタンガスが予熱される。そして、予熱されたメタンガスは改質器１３５に供給されて改質され、燃料ガスとして各燃料電池セル（図示せず）に供給される。

本実施例は、前記実施例１と同様な効果を奏するとともに、特に、燃料ガスとしてメタンガスが供給されるので、液体を気化させるための内部構造が不要であり、燃料電池システム１２１の構成を簡易化できるという利点がある。

なお、改質器１３５で使用される改質反応のための水蒸気は、別経路（図示せず）で予熱して改質器１３５に導入できる。
また、本実施例の変形例として、改質器１３５を、燃料電池１２５（スタック）と一体に形成せず、別体で形成して、排ガスの熱を利用して予熱することもできる。この場合、メタンガス（熱交換器）の下流側に、別体に形成された改質器（図示せず）が設けられ、排ガスの熱によって予熱される。つまり、排ガスの熱利用を、酸化剤熱交換器、メンタンガス（熱交換器）、改質器の順にすることができる。

次に、実施例６について説明するが、前記実施例１と同様な内容の説明は省略する。
本実施例の燃料電池システムは、前記実施例１とは、改質器の配置が異なるので、主に異なる点について説明する。

図８に模式的に示す様に、本実施例の燃料電池システム１４１では、燃料ガスの原料として水（液体）とメタンガスを使用する。
この燃料電池システム１４１では、実施例１と同様に、断熱容器１４３内に、燃料電池１４５と、排ガス流路１４７と、排ガス流路１４７の上流側に配置された（実施例１と同様な構造の）酸化剤熱交換器１４９と、排ガス流路１４７の下流側に配置された（実施例１と同様な）気化器１５１と、バーナ１５３などを備えている。

特に、ここでは、燃料電池１４５と別体に改質器１５５を備えている。なお、改質器１５５は、気化器１５１と一体でも別体でもよい。
従って、本実施例の燃料電池システム１４１では、燃料電池１４５から排出された排ガスは、排ガス流路１４７に供給され、酸化剤熱交換器１４９の第１排ガス流路（図示せず）から、気化器１５１の第２排ガス流路（図示せず）を経由して断熱容器１４３外に排出される。

このとき、酸化剤熱交換器１４９では、実施例１と同様に、空気と排ガスとの間で熱交換が行われ、空気が予熱される。
一方、気化器１５１には、水及びメタンガスが供給されるので、排ガスの熱を受けて水が気化して水蒸気となり、同時に水蒸気及びメタンガスと排ガスとの間で熱交換が行われ、原料ガスである水蒸気及びメタンガスが予熱される。そして、予熱された原料ガスは改質器１５５に供給されて改質される。この際、排ガスと改質器１５５中のガスとで熱交換を行ってもよい。その後、改質後の燃料ガスが燃料電池１４５の各燃料電池セル（図示せず）に供給される。

本実施例は、前記実施例１と同様な効果を奏する。
以上、本発明の実施例について説明したが、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、種々の態様を採ることができる。

例えば、本発明は、固体高分子形燃料電池、リン酸形燃料電池、炭酸溶融形燃料電池等、排ガスと、酸化剤ガス、燃料ガス、原料との間の熱交換手段を持つ全ての燃料電池に適用できる。

１、７１、１０１、１２１、１４１…固体酸化物形燃料電池システム（燃料電池システム）
３、７３、１０５、１２５、１４５…固体酸化物形燃料電池（燃料電池）
５、１０３、１２３、１４３…断熱容器
７、１０７、１２７、１４７…排ガス流路
９、５３、７７、１０９、１２９、１４９…酸化剤熱交換器
１１、５５、７９、１５１…気化器
１３、７５、１１３、１３３、１５３…バーナ
１９、１３５、１５５…改質器
２９、５１、８１…流路部材
３３、５９、８３…酸化剤流路
３５、６１…第１排ガス流路
３９、６３、８９…燃料流路
４１、６５…第２排ガス流路
５７…連結部
８７、９３…フィン
１１１、１３１…燃料熱交換器

Claims (11)

1. 酸化剤ガスと燃料ガスとを用いて発電する燃料電池と、
   前記燃料電池から排出される排ガスと前記酸化剤ガスとの間で熱交換を行う酸化剤熱交換器と、
   前記燃料電池から排出される排ガスと前記燃料ガス又は前記燃料ガスとなる原料との間で熱交換を行う燃料熱交換器と、
   前記燃料電池と前記酸化剤熱交換器と前記燃料熱交換器とを収容する断熱容器と、
   を備えた燃料電池システムであって、
   前記燃料電池から排出される排ガスを前記断熱容器外に排出する排ガス流路を備えるとともに、
   前記排ガス流路は、前記酸化剤熱交換器の酸化剤流路に隣り合う第１排ガス流路と、前記燃料熱交換器の燃料流路に隣り合う第２排ガス流路とを備え、前記排ガスの上流側より、前記第１排ガス流路、前記第２排ガス流路の順に配置したことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記燃料熱交換器は、前記燃料ガスとなる原料を前記燃料ガスに生成するための燃料ガス生成部を備え、前記燃料ガス生成部に前記燃料ガスとなる原料を供給して予熱を行うことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記燃料ガス生成部は、気化器を備えており、
   前記気化器に前記燃料ガスとなる液体の原料を供給して気化させることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記燃料ガス生成部は、更に原料を改質する改質器を備えることを特徴とする請求項２又は３に記載の燃料電池システム。
5. 前記第１排ガス流路及び前記酸化剤流路の両流路と、前記第２排ガス流路及び前記燃料流路の両流路と、の少なくとも一方において、前記両流路を熱伝導が可能なように隣接して配置したことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池システム。
6. 前記第１排ガス流路及び前記酸化剤流路の両流路と、前記第２排ガス流路及び前記燃料流路の両流路と、の少なくとも一方において、前記両流路のうち前記第１排ガス流路及び/又は第２排ガス流路を前記酸化剤流路及び/又は燃料流路それぞれに対して下方に配置したことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池システム。
7. 前記酸化剤流路及び前記燃料流路の少なくとも一方を、前記排ガス流路と前記燃料電池との間に配置したことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池システム。
8. 前記第１排ガス流路と前記第２排ガス流路とを、連結部を介して接続したことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の燃料電池システム。
9. 前記第１排ガス流路と前記第２排ガス流路とを、一体に形成したことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の燃料電池システム。
10. 前記酸化剤熱交換器及び前記燃料熱交換器の近傍に、起動時に前記燃料電池を加熱するバーナを備えたことを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の燃料電池システム。
11. 前記酸化剤流路と前記燃料流路との少なくとも一方に、前記燃料電池からの伝熱を利用可能なように、内部に前記各ガスの流路を有するフィンを設けたことを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の燃料電池システム。