JP2012124070A - 固体酸化物型燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】補機類の動力を最小限に抑制して発電効率の向上を図るとともに、発電セルへの熱応力を低減できる固体酸化物型燃料電池を提供する。
【解決手段】熱交換器２３に、燃料ガスを流通させ燃焼ガスと熱交換する燃料ガス熱交換路４４、及び酸化剤ガスを流通させ燃焼ガスと熱交換する酸化剤ガス熱交換路４５を設置し、熱交換器２３の下流側に、燃料ガス熱交換路４４を通過した燃料ガス、及び酸化剤ガス熱交換路４５を通過した酸化剤ガスを、燃料電池１２のセル５６に導入する燃料ガス導入流路４６、及び酸化剤ガス導入流路５４を設置し、燃料電池１２の上方に、セル５６で発電に供された酸化剤排ガスが流通する酸化剤排ガス流路６１を設置したことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体酸化物型燃料電池に関するものである。

従来から、燃料電池の電解質にセラミックス系の平板型固体電解質膜を用い、この電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟んでセル（発電セル）を形成した固体酸化物型燃料電池（以下、ＳＯＦＣという）が知られている。このＳＯＦＣは、ダイレクト・メタノール型燃料電池等の固体高分子型燃料電池に比べ発電効率が高く、また燃料ガスとして水素ガス以外に一酸化炭素やメタン等、炭化水素系燃料全般をそのまま利用できる。さらに、作動温度が高いため、反応にＰｔ（白金）のように高価な触媒を利用せずに済む、等のメリットがある。

上述したＳＯＦＣは、隣接するセル間に中間部材を挟んだ状態で積層されることで、燃料電池スタックを構成している。中間部材は、セルのアノード及びカソード上に配置された集電材と、集電材を取り囲むように収容するガスケットと、集電材を介してセルで発電された電力を取り出すとともに、セルのアノードに燃料ガス、カソードに酸化剤ガスをそれぞれ分配するインターコネクタと、を備えている。

ここで、特許文献１には、燃料電池スタックの下方に酸化剤ガスの供給口を設ける一方、上方にセルで発電に供された酸化剤排ガスの排出口を設け、高温雰囲気中の自然対流を利用して供給口より酸化剤ガスを供給するとともに、排出口から酸化剤排ガスを排出する構成が記載されている。この構成によれば、酸化剤ガスを供給するためのコンプレッサー等の高出力の補機類が不要となるので、燃料電池の負荷が軽減でき、発電効率を向上できるとされている。

特開２００４−５５１９６号公報

ところで、上述した特許文献１の構成では、排出口から排出された酸化剤排ガスと、アノード側から排出される過剰燃料ガス（未反応ガス）と、を反応させて燃料電池スタックの周囲で燃焼させている。そして、燃焼で発生する高温排気ガスの熱により、供給口から供給される酸化剤ガスを予熱している。

しかしながら、特許文献１の構成では、燃料ガスの予熱については開示されていない。仮に燃料ガスと酸化剤ガスとの予熱をそれぞれ別々に行う場合には、燃料ガスと酸化剤ガスの温度調整が難しく、燃料ガスと酸化剤ガスとの温度差が大きい場合には、セルに作用する熱応力が大きくなりセルの割れ等に起因する虞がある。

そこで、本発明は、このような事情に考慮してなされたもので、その目的は、補機類の動力を最小限に抑制して発電効率の向上を図るとともに、燃料電池スタックに供給される燃料ガスと酸化剤ガスとの温度差を低減して発電セルへの熱応力を低減できる固体酸化物型燃料電池を提供するものである。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、電解質の両面に燃料極及び酸化剤極を配置して構成した発電セル（例えば、実施形態におけるセル５６）と、前記発電セルを複数積層して構成した燃料電池スタック（例えば、実施形態における燃料電池１２）と、前記燃料電池スタックを設置する筐体（例えば、実施形態における筐体１５）と、を備えた燃料電池モジュール（例えば、実施形態における発電機１１）を有し、前記燃料電池モジュールは、前記燃料電池スタックの下方に設置した熱交換器（例えば、実施形態における熱交換器２３）と、前記熱交換器に高温媒体を供給する加熱器（例えば、実施形態における燃焼器２２）と、を有し、前記熱交換器に、燃料ガスを流通させ前記高温媒体と熱交換する燃料ガス熱交換路（例えば、実施形態における燃料ガス熱交換路４４）、及び酸化剤ガスを流通させ前記高温媒体と熱交換する酸化剤ガス熱交換路（例えば、実施形態における酸化剤ガス熱交換路４５）を設置し、前記熱交換器の下流側に、前記燃料ガス熱交換路を通過した前記燃料ガス、及び前記酸化剤ガス熱交換路を通過した前記酸化剤ガスを、前記燃料電池スタックの前記発電セルに導入する燃料ガス導入流路（例えば、実施形態における燃料ガス導入流路４６）、及び酸化剤ガス導入流路（例えば、実施形態における酸化剤ガス導入流路５４）を設置し、前記燃料電池スタックの上方に、前記発電セルで発電に供された酸化剤排ガスが流通する酸化剤排ガス流路（例えば、実施形態における６１）を設置したことを特徴とする。

請求項２に記載した発明では、前記酸化剤ガス熱交換路に供給される前記酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス供給流路（例えば、実施形態における酸化剤ガス供給流路５２）を、前記酸化剤排ガス流路の近傍に設置し、前記酸化剤ガス供給流路を流通する酸化剤ガスと、前記酸化剤排ガス流路を流通する前記酸化剤排ガスと、を熱交換可能とすることを特徴とする。

請求項３に記載した発明では、前記燃料電池スタックは、隣接する前記発電セルの前記燃料極同士及び前記酸化剤極同士をそれぞれ対向配置するとともに、前記燃料極同士の間に燃料ガス流路（例えば、実施形態における燃料ガス流路５８）を形成する一方、前記酸化剤極同士の間に酸化剤ガス流路（例えば、実施形態における酸化剤ガス流路５７）を形成することを特徴とする。

請求項４に記載した発明では、前記燃料電池スタックにおける前記燃料ガス流路の下流側に、前記発電セルで発電に供された燃料排ガスを前記加熱器に向けて案内する燃料排ガス流路（例えば、実施形態における燃料排ガス流路６２）を設置し、前記熱交換器には、圧力を付与した状態の前記燃料排ガスを導入することを特徴とする。

請求項５に記載した発明では、前記熱交換器は、軸方向下方から上方に向けて径方向に沿って凹凸部（例えば、実施形態における凹部３２ａ及び凸部３２ｂ）を有する筒部（例えば、実施形態における内筒３２）を備え、前記筒部の内側及び外側のうち、何れか一方側には前記高温媒体を流通させる高温媒体流路（例えば、実施形態における高温媒体流路３６）を構成し、他方側には前記高温媒体と熱交換を行う低温媒体を流通させる低温媒体流路（例えば、実施形態における低温媒体流路３５）を構成し、前記低温媒体流路及び前記高温媒体流路を、前記凹凸部の形状に倣って形成し、前記低温媒体流路を、周方向に沿って前記燃料ガス熱交換路及び前記酸化剤ガス熱交換路に区画したことを特徴とする。

請求項１に記載した発明によれば、酸化剤ガス熱交換路内に存在する酸化剤ガスは、熱交換器で加熱されることで、比重が小さくなる。そのため、酸化剤ガスは、自然対流（熱浮力）により酸化剤ガス熱交換路内を上方へ向けて流通する。そして、酸化剤ガス熱交換路内を流通して暖められた酸化剤ガスは、熱交換器から酸化剤ガス導入流路内に流入し、燃料電池スタックに供給されることになる。その後、燃料電池スタックで発電に供された酸化剤排ガスは、燃料電池スタックの上部に設置された酸化剤排ガス流路から排出される。
したがって、燃料電池モジュール内において、自然対流を効率的に利用して酸化剤ガスを流通させることができるため、補機類の動力を最小限に抑制、または補機類を設ける必要がなく、燃料電池モジュールを作動させることができる。これにより、燃料電池スタックの発電効率の向上を図ることができる。
また、燃料ガス及び酸化剤ガスを、同一の熱交換器内に設置された燃料ガス熱交換路及び酸化剤ガス熱交換路で加熱することで、燃料電池スタックに供給される反応ガスの温度差を低減できる。そのため、反応ガスの温度差により発電セルに作用する熱応力を低減できる。

請求項２に記載した発明によれば、酸化剤排ガスの廃熱エネルギーを有効に回収して、熱交換器の前段で酸化剤ガスを加熱できるため、熱交換器及び加熱器の小型化を図るとともに、省エネ化を図ることができる。

請求項３に記載した発明によれば、隣り合う発電セルにおいて、同極を対向させた状態で積層することで、これ発電セル間で囲まれた領域を反応ガスの流路とすることができる。そのため、異なる電極を対向させた状態で発電セルを積層させる場合と異なり、電極間を区画する必要がないので、各流路を拡大できる。そのため、自然対流を効果的に発生させることができる。さらに、反応ガスの流路の両面で発電を行うことができるので、通路断面積に対する反応面積を増加させることができる。これにより、燃料利用率を向上させ、高効率な燃料電池スタックを提供できる。

請求項４に記載した発明によれば、燃料ガスを、圧力を付与した状態で導入することで、燃料電池スタックで発電に供された燃料排ガスを、燃料排ガス流路内で滞留させることなく燃料電池スタックの下方に配置された加熱器に供給できる。

請求項５に記載した発明によれば、反応ガス（低温媒体）及び高温媒体が凹凸部に倣って径方向に折り返されながら軸方向上方に向かって流通することで、熱交換器の流路長を維持した上で、軸長を短縮できる。したがって、小型で高効率な熱交換器を提供できる。また、反応ガス（低温媒体）及び高温媒体がともに凹凸部の形状に倣って流通するため、伝熱面積の向上を図り、さらなる高効率化を図ることができる。
さらに、燃料ガス及び酸化剤ガスを周方向で区画された同一の熱交換器で加熱することで、燃料電池スタックに供給される反応ガスの温度差を低減できる。そのため、反応ガスの温度差により発電セルに発生する熱応力を低減できる。

本発明の実施形態におけるポータブル発電機の概略構成図（断面図）である。 第１実施形態における熱交換器の斜視図である。 第１実施形態における熱交換器の平面図である。 第１実施形態における熱交換器の斜視断面図である。 燃焼器の概略構成図である。 発電機のブロック図であり、発電機の作動時におけるガス流れを説明するための説明図である。 第２実施形態における熱交換器の概略構成図である。

（第１実施形態）
次に、本発明の第１実施形態を図面に基づいて説明する。なお、本実施形態では、本発明の固体酸化物型燃料電池を、燃料ガス（例えば、ブタンやプロパン等のＨＣガス燃料）が充填されたカセットボンベ１０を用いて発電を行うポータブル発電機１１（燃料電池モジュール）について説明する。
（発電機）
図１は実施形態におけるポータブル発電機（以下、発電機という）の概略構成図（断面図）である。なお、図中上下方向は重力方向に一致させている。
図１に示すように、本実施形態の発電機１１は、燃料電池スタック（以下、燃料電池という）１２により発電を行う発電室１３と、カセットボンベ１０をセットするためのボンベ室１４と、が筐体１５内に設置されて構成されている。また、発電室１３とボンベ室１４とは、防火壁１６によって区画されている。

発電室１３は、燃料電池１２と、燃料電池１２の上方に配置された酸化剤ガス予熱器２１と、燃料電池１２の下方に配置された燃焼器２２、及び熱交換器２３と、を備えている。なお、これら各構成品の周囲には、断熱材２４が設置されている。

ボンベ室１４は、燃料ガスが充填された筒状のカセットボンベ１０がセット可能に構成されている。具体的に、カセットボンベ１０は、軸方向一端側の供給口１０ａを上方に向けた状態で、軸方向と上下方向とを一致させてボンベ室１４内にセットされている。そして、カセットボンベ１０の供給口１０ａには、Ｏリング２５を介して接続具２６が装着されている。

接続具２６と熱交換器２３との間には、カセットボンベ１０に充填された燃料ガスを熱交換器２３に向けて流通させる燃料供給配管２７が接続されている。燃料供給配管２７は、上流端が接続具２６に接続され、接続具２６からボンベ室１４内を下方に向けて延在し、ボンベ室１４の下部で防火壁１６を通して発電室１３内に引き出されている。そして、燃料供給配管２７の下流端は、発電室１３内で熱交換器２３の下部に接続されている。燃料供給配管２７の上流側には、カセットボンベ１０から供給される燃料ガスの流量を制御する燃料ガスバルブ３１が設けられている。

（熱交換器）
図２は、熱交換器の斜視図であり、図３は平面図である。また、図４は熱交換器の斜視断面図である。
図１〜図４に示すように、熱交換器２３は、筒状に形成され、その軸方向を上下方向に一致させた状態で発電室１３の下部に設置されている。具体的に、熱交換器２３は、周方向から見た断面が凹形状に形成された複数のリング部材３７が、軸方向に沿って上下互い違いに積層されて構成されている。この場合、各リング部材３７のうち、開口側同士は開口を閉塞するように配置された第１仕切部材４１を間に挟んで連結される一方、エンド部同士はリング部材３７の径方向内側で第２仕切部材４２を間に挟んで連結されている。

第１仕切部材４１の内周側には、軸方向に沿って貫通する複数の貫通孔４１ａが周方向に沿って間隔を空けて形成されている。
また、各リング部材３７のエンド部には、軸方向に沿って貫通する複数の貫通孔４８が周方向に沿って間隔を空けて形成されている。

これにより、熱交換器２３は、内筒３２と外筒３３からなる二重管構造に形成されている。この場合、内筒３２及び外筒３３で囲まれた領域が低温媒体である反応ガス（燃料ガス及び酸化剤ガス）が流通する低温媒体流路３５として構成される一方、内筒３２の内側の領域が高温媒体である燃焼器２２で燃焼された燃焼ガスが流通する高温媒体流路３６として構成されている。なお、本実施形態のように、リング部材３７を軸方向に沿って積層することで、二重管構造の熱交換器２３を間単に形成することができる。

外筒３３は軸方向に沿ってほぼ一様な径をなしている一方で、内筒３２は径方向外側に向けて窪んだ凹部３２ａと、径方向内側に向けて突出する凸部３２ｂと、が軸方向に沿って連続的に形成された凹凸形状をなしている。これら凹部３２ａ及び凸部３２ｂは、周方向全周に亘って形成されている。すなわち、低温媒体流路３５を流通する反応ガスは、内筒３２及び外筒３３の間において第１仕切部材４１の貫通孔４１ａを通過することで、第１仕切部材４１を径方向内側から迂回するとともに、貫通孔４１ａを通過した反応ガスがリング部材３７の貫通孔４８を通過することで、凹部３２ａを径方向外側から迂回する。これにより、低温媒体流路３５を流通する反応ガスは、蛇行しながら軸方向上方に向けて流通する。

第２仕切部材４２は、高温媒体流路３６を軸方向に沿って閉塞するように配置された円板状の部材であり、その外周側には、軸方向に沿って貫通する複数の貫通孔４２ａが周方向に沿って間隔を空けて形成されている。すなわち、高温媒体流路３６を流通する燃焼ガスは、内筒３２の内側において貫通孔４２ａを通過することで、第２仕切部材４２を径方向外側から迂回するとともに、貫通孔４２ａを通過した反応ガスが凸部３２ｂを径方向内側から迂回することで、蛇行しながら軸方向上方に向けて流通する。

ここで、低温媒体流路３５には、低温媒体流路３５内を周方向に沿って分割する第３仕切部材４３（図２，図３参照）が設けられ、この第３仕切部材４３により仕切られた流路のうち、一方側は燃料ガスが流通する燃料ガス熱交換路４４を構成し、他方側は酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス熱交換路４５を構成している。低温媒体流路３５において、燃料ガス熱交換路４４の周方向における領域は、酸化剤ガス熱交換路４５の領域よりも小さく形成されている。そして、上述した燃料供給配管２７は、熱交換器２３における軸方向下端に接続され、カセットボンベ１０から供給される燃料ガスが燃料ガス熱交換路４４内に流入するように構成されている。
また、熱交換器２３における軸方向上端には、燃料ガス熱交換路４４を流通した燃料ガスを燃料電池１２に向けて導く燃料ガス導入流路４６が接続されている。

一方、発電室１３の上面には、燃料電池１２で発電に利用する発電用ガスである酸化剤ガス（例えば、空気）を取り込む取込口５１が形成されている。取込口５１には、酸化剤ガス供給流路５２が接続されている。酸化剤ガス供給流路５２は、発電室１３内を下方に向けて延在し、熱交換器２３における軸方向下端に接続され、酸化剤ガス熱交換路４５に連通している。また、酸化剤ガス供給流路５２における下流側には、酸化剤ガス供給流路５２から酸化剤ガス熱交換路４５内に流入する酸化剤ガスの流量を調整する酸化剤ガスバルブ５３が設けられている。
そして、熱交換器２３における軸方向上端には、酸化剤ガス熱交換路４５を流通した酸化剤ガスを燃料電池１２に向けて導く酸化剤ガス導入流路５４が接続されている。

（燃料電池）
図１に示すように、燃料電池１２は、セラミックス系の平板型固体電解質膜（以下、電解質膜という）をアノードとカソードとで両側から挟み込んで形成されたセル５６と、隣り合うセル５６の間に配置される中間部材５５（カソード中間部材５５ａ及びアノード中間部材５５ｂ）と、を備えている。具体的に、セル５６のカソード側にカソード中間部材５５ａが配置される一方、アノード側にアノード中間部材５５ｂが配置されている。そして、これら中間部材５５を間に挟んで、カソード同士、アノード同士がそれぞれ対向するようにセル５６を積層することで、本実施形態の燃料電池１２が構成されている。なお、セル５６の電解質膜は、例えばＹＳＺ（Ｙｔｔｒｉａ Ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ Ｚｉｒｃｏｎｉａ）等の材料で構成されている。アノードは例えばニッケルとＹＳＺとの焼結体で構成され、カソードは例えばランタン、ストロンチウム、マンガンの焼結体で構成されている。

各中間部材５５は、それぞれ同一の構成からなり、セパレータ（不図示）と、セパレータを厚さ方向両側から挟み込み、セル５６及びセパレータの間をシールする一対のガスケット（不図示）と、を備えている。セパレータは、矩形平板状の部材であり、面内方向中央部に形成されたメッシュ状の集電部材（不図示）と、集電部材の外側を取り囲み、ガスケットに挟み込まれるシール面を有する金属部材（不図示）と、金属部材の外周縁に形成された端子部（不図示）と、を備えている。これにより、セル５６で発電された電力は、集電部材を介して金属部材に集電され、端子部から電流として取り出される。また、各カソード中間部材５５ａにおけるセパレータの端子部同士、アノード中間部材５５ｂにおけるセパレータの端子部同士が、それぞれ配線（不図示）により並列接続され、燃料電池１２で出力される電力を取り出している。なお、取り出した後の電力は、図示しないＤＣ−ＤＣコンバータにより昇圧して使用する。

また、隣接するセル５６のカソード同士と、カソード中間部材５５ａと、で囲まれた空間には、酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス流路５７が構成され、隣接するセルのアノード同士と、アノード中間部材５５ｂと、で囲まれた空間には、燃料ガスが流通する燃料ガス流路５８が構成されている。

燃料電池１２は、厚さ方向を上下方向に一致させた状態で、発電室１３内における熱交換器２３の上方に設置されている。このように、燃料電池１２の積層方向を上下方向に一致させた状態で配置することで、積層方向を水平方向に一致させた状態で配置する場合に比べて重力による燃料電池１２の撓みを抑制できる。
そして、上述した酸化剤ガス導入流路５４は、燃料電池１２に接続され、酸化剤ガス熱交換路４５を流通した酸化剤ガスを酸化剤ガス流路５７内に供給しうるように構成されている。また、燃料電池１２の上端部（下流側）には、燃料電池１２で発電に供された酸化剤排ガスが流通する酸化剤排ガス流路６１が接続され、また燃料電池１２を間に挟んで燃料ガス導入流路４６の反対側（下流側）には、燃料電池１２で発電に供された燃料排ガスが流通する燃料排ガス流路６２が接続されている。

酸化剤排ガス流路６１は、上方に向けて引き回され、発電室１３の上面に形成された排出口６３に接続されている。酸化剤排ガス流路６１の下流側及び酸化剤ガス供給流路５２の上流側は、上述した酸化剤ガス予熱器２１に接続されている。酸化剤ガス予熱器２１は、燃料電池１２から排出される酸化剤排ガスと、酸化剤ガスの取込口５１から取り込まれる酸化剤ガスと、の間で熱交換を行い、酸化剤ガスが熱交換器２３に供給される前段で予備加熱するようになっている。

一方、燃料排ガス流路６２は、下方に向けて引き回された後、熱交換器２３の下方において上方に向けて折り返され、熱交換器２３の高温媒体流路３６内（内筒３２の内側）に向けて開口している。そして、燃料排ガス流路６２の下流端には、燃焼器２２が接続されている。また、燃料排ガス流路６２における下流側には、燃焼器２２に供給される燃料排ガスの流量を調整する燃料排ガスバルブ６５が設けられている。

（燃焼器）
図５は燃焼器の概略構成図である。
図１，図５に示すように、燃焼器２２は、燃料電池１２で発電に供された燃料排ガスを燃焼させて燃焼ガスを生成するものであって、熱交換器２３における高温媒体流路３６内（内筒３２の内側）を下側から臨むように配置されている。具体的に、燃焼器２２は、上述した燃料排ガス流路６２の下流端に装着されたノズル７１と、ノズル７１を覆うように燃料排ガス流路６２の下流端に装着されたバーナーヘッド７２と、を備えている。

ノズル７１は、燃料排ガス流路６２を流通する燃料排ガスを上方（バーナーヘッド７２内）に向けて噴射する。すなわち、燃料排ガス流路６２は、燃料排ガスを燃焼器２２に供給するための供給流路としての機能も有している。
バーナーヘッド７２は、軸方向を上下方向に一致させた状態で延在する筒状の部材であり、上端面には高温媒体流路３６内に向けて炎を噴射する炎孔７３が形成されている。また、バーナーヘッド７２の側面には、発電室１３の下面に形成された空気取込口（不図示）から発電室１３内に流入した空気を、燃焼用空気としてバーナーヘッド７２内に取り込むための複数の空気孔７４が形成されている。燃焼器２２では、ノズル７１から噴射される燃料排ガスの噴射圧力により、各空気孔７４を通ってバーナーヘッド７２内に燃焼用空気が流入するように構成されている。また、空気孔７４には、空気孔７４の開口径を調整可能なシャッターバルブ等の空気量調整手段７５が設けられている。これにより、バーナーヘッド７２内に流入する空気量を調整できる。なお、空気量調整手段７５は、シャッターバルブに限らず、ダンパー等であってもよい。

（作用）
次に、上述した発電機の動作方法について説明する。図６は、発電機のブロック図であり、発電機の作動時におけるガス流れを説明するための説明図である。なお、図６では、各ガスの流れを矢印で示しており、実線が酸化剤ガス（酸化剤排ガス）Ｆ１、破線が燃料ガス(燃料排ガス)Ｆ２、一点鎖線が燃焼用空気Ｆ３、二点鎖線が燃焼ガスＦ４を示している。
（始動時）
まず、図１，図６に示すように、ボンベ室１４にカセットボンベ１０をセットし、カセットボンベ１０の供給口１０ａに接続具２６を装着する。そして、燃料ガスバルブ３１を開くと、カセットボンベ１０から燃料供給配管２７内に燃料ガスＦ２が流入する。この際、燃料ガスＦ２は、カセットボンベ１０から圧力をもって送出されるため、燃料供給配管２７内で滞留することなく、下流側に向けて連続的に流通する。

燃料供給配管２７を流通する燃料ガスＦ２は、まず熱交換器２３に供給され、熱交換器２３の燃料ガス熱交換路４４内を上方に向けて流通する。この際、燃料ガスＦ２は、内筒３２の凹部３２ａ及び凸部３２ｂに倣って蛇行するように流通する。その後、燃料ガスＦ２は燃料ガス導入流路４６、燃料電池１２の燃料ガス流路５８、燃料排ガス流路６２を流通する。そして、燃料排ガス流路６２の燃料排ガスバルブ６５を開くと、燃料排ガスＦ２が燃焼器２２に供給される。

燃焼器２２に供給された燃料排ガスＦ２は、ノズル７１からバーナーヘッド７２内に噴射される。この際、ノズル７１から噴射される燃料排ガスＦ２の噴射圧力により、空気取込口から発電室１３内に流入した燃焼用空気Ｆ３が各空気孔７４を通ってバーナーヘッド７２内に流入する。そして、ノズル７１から噴射される燃料排ガスＦ２と、空気孔７４から流入する燃焼用空気Ｆ３とがバーナーヘッド７２内において混合され、バーナーヘッド７２の上面に形成された炎孔７３を通して高温媒体流路３６に向けて炎Ｈが発生する。なお、燃焼器２２から発生する炎の調整は、燃料排ガスバルブ６５や空気量調整手段７５により空気孔７４の開度を調整することで行う。また、燃料ガスＦ２に含まれる一酸化炭素等は、燃焼器２２で燃焼される。

燃焼器２２により燃焼された燃焼ガスＦ４は、熱交換器２３の高温媒体流路３６を上方に向けて流通する。具体的に、燃焼ガスＦ４は、貫通孔４２ａを通過して第２仕切部材４２を迂回することで、内筒３２の凹部３２ａ及び凸部３２ｂに倣って蛇行しながら流通する。
この際、高温媒体流路３６内を流通する燃焼ガスＦ４と、低温媒体流路３５の燃料ガス熱交換路４４を流通する燃料ガスＦ２と、の間で熱交換が行われ、燃料ガスＦ２が加熱される。なお、燃料ガスＦ２は、加熱されることで、炭素数の少ないメタンや水素に熱分解される。

一方、高温媒体流路３６内を流通する燃焼ガスＦ４は、低温媒体流路３５の酸化剤ガス熱交換路４５に存在する酸化剤ガスＦ１との間でも熱交換を行うことで、酸化剤ガスＦ１を加熱する。
ここで、酸化剤ガス熱交換路４５内に存在する酸化剤ガスＦ１は、熱交換器２３内で加熱されることで、比重が小さくなる。そのため、酸化剤ガスＦ１は、自然対流（熱浮力）により酸化剤ガス熱交換路４５内を上方へ向けて流通する。そして、酸化剤ガス熱交換路４５内を流通して暖められた酸化剤ガスＦ１は、熱交換器２３から酸化剤ガス導入流路５４内に流入し、燃料電池１２の酸化剤ガス流路５７内に供給される。なお、上述した説明では、酸化剤ガスＦ１の作用についてのみ説明したが、燃料ガスＦ２についても加熱により比重が小さくなり、燃料ガス熱交換路４４内に自然対流が発生する。

そして、熱交換器２３で加熱された反応ガス（酸化剤ガスＦ１及び燃料ガスＦ２）が燃料電池１２の流路５７，５８内を通過することで、燃料電池１２が加熱される。なお、酸化剤ガスに空気を利用する場合、空気中には酸素が約２０％程度しか存在しないため、必要酸素の５倍の気体（空気）を燃料電池１２の作動温度（７００℃程度）まで加熱する必要がある。そのため、燃料電池１２の自立運転のためには、カセットボンベ１０から供給される燃料ガスＦ２のうち、３０％程度が空気の加熱に消費されるが、このような場合であっても、ＳＯＦＣの燃料電池１２では５０％程度の発電効率を発揮できる。

（発電時）
燃料電池１２が反応ガスＦ１，Ｆ２により加熱されて、作動温度に達すると、燃料電池１２の発電が開始する。具体的には、酸化剤ガス流路５７内を流通する酸化剤ガスＦ１がカソードに到達すると、カソードにおいて触媒反応により酸化物イオンとなる。すると、カソードで発生した酸化物イオンが、電解質膜を透過してアノードまで移動する。
一方、燃料ガス流路５８内を流通する燃料ガスＦ２がアノードに到達すると、アノードに到達した燃料ガスと、アノードまで移動した酸化物イオンとが結合する。この反応過程において、電子を放出することで発電が行われる（Ｈ_２＋Ｏ^２−→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻）。

そして、酸化剤ガス流路５７内において発電に供された酸化剤排ガスＦ１は、酸化剤排ガス流路６１を流通して、発電室１３の上面に形成された排出口６３から外部に向けて排出される。
一方、燃料ガス流路５８内において発電に供された燃料排ガスＦ２は、燃料排ガス流路６２内を圧送されて、燃焼器２２に供給される。そして、燃料排ガスＦ２は、上述したように燃焼器２２で燃焼に利用されて、反応ガスＦ１，Ｆ２を加熱した後、燃焼ガスＦ４となって外部に排出される。このように、自然対流を用いて酸化剤ガスＦ１を循環させることで、発電が継続される。なお、発電開始後は、燃料ガスバルブ３１、燃料排ガスバルブ６５、及び空気孔７４の開度を調整して、燃料電池１２の温度を調整する。

また、発電停止時には、燃料ガスバルブ３１、燃料排ガスバルブ６５、及び空気孔７４を閉じる。この場合、燃料電池１２のアノード（燃料ガス流路５８内）が燃料ガスで満たされているが、発電停止後にはカソード（酸化剤ガス流路５７内）に存在する酸化物イオンは電解質膜を透過しないので、セル５６は還元状態が保たれる。これにより、酸化によるセル５６の劣化や破壊を防止できる。

このように、本実施形態では、燃料電池１２に対して下方に燃焼器２２及び熱交換器２３を設置し、燃料電池１２に対して上方に酸化剤排ガスを排出口６３に導く酸化剤排ガス流路６１を形成する構成とした。
この構成によれば、発電機１１において、自然対流を効率的に利用して酸化剤ガスＦ１を流通させることができるため、補機類の動力を最小限に抑制、または補機類を設ける必要がなく発電機１１を作動させることができる。これにより、燃料電池１２の発電効率の向上を図ることができる。
しかも、燃料電池１２で発電に供する酸化剤ガスＦ１とは別で燃焼用空気Ｆ３を取り込むことで、酸素濃度の高い空気を燃焼器２２に供給できる。

また、燃料電池１２から排出される酸化剤排ガスと、酸化剤ガスの取込口５１から取り込まれる酸化剤ガスと、の間で熱交換を行う酸化剤ガス予熱器２１を設置することで、酸化剤排ガスの廃熱エネルギーを有効に回収して、熱交換器２３の前段で酸化剤ガスを加熱できる。そのため、熱交換器２３及び燃焼器２２の小型化を図るとともに、省エネ化を図ることができる。
また、熱交換器２３の真上に燃料電池１２を配置することで、導入流路４６，５３の長さを短縮して、ヒートロスを低減できるとともに、構成の簡素化及び部品点数の削減を図ることができる。

さらに、燃料電池１２において、カソード同士、アノード同士がそれぞれ対向するように隣接するセル５６を厚さ方向に積層することで、これらセル５６間で囲まれた領域を反応ガスの流路５７，５８とすることができる。そのため、異なる電極を対向させた状態でセル５６を積層させる場合と異なり、電極間を区画する必要がないので、各流路を拡大できる。そのため、自然対流を効果的に発生させることができる。
また、反応ガスＦ１，Ｆ２の流路５７，５８の両面で発電を行うことができるので、通路断面積に対する反応面積を増加させることができる。これにより、燃料利用率を向上させ、高効率な燃料電池１２を提供できる。

さらに、燃料ガスを、圧力をもった状態で導入することで、燃料電池スタックで発電に供された燃料排ガスを、燃料供給配管２７内で滞留させることなく、燃料電池１２の下方に配置された燃焼器２２に供給できる。

また、本実施形態の熱交換器２３では、燃料ガス及び燃焼ガスが、内筒３２の凹部３２ａ及び凸部３２ｂに倣って上方に向かって径方向で蛇行しながら流通することで、熱交換器２３の流路長を維持した上で、軸長を短縮できる。したがって、小型で高効率な熱交換器２３を提供できる。この場合、内筒３２及び外筒３３に仕切部材４１，４２を配置することで、蛇行状の流路を構成できるため、仮にチューブ等を折り返して流路を構成する場合に比べて、熱交換器２３の軸長を短縮して小型化を図ることができる。
また、低温媒体流路３５とともに、高温媒体流路３６についても内筒３２の凹部３２ａ及び凸部３２ｂに倣って径方向に蛇行させることで、伝熱面積の向上を図り、さらなる高効率化を図ることができる。

さらに、酸化剤ガスＦ１及び燃料ガスＦ２を周方向で区画された同一の熱交換器２３で加熱することで、燃料電池１２に供給される反応ガスＦ１，Ｆ２の温度差を低減できる。そのため、反応ガスの温度差により燃料電池１２に発生する熱応力を低減できる。
しかも、熱交換路４４，４５がそれぞれ一方向に沿って単一の流路であるため、各熱交換路４４，４５内での反応ガスＦ１，Ｆ２の流れが均一になり、流路抵抗を低減できるので、熱交換器２３内での熱交換の効率を向上できる。

そして、上述したように小型高効率な燃料電池１２及び熱交換器２３を採用することで、小型高効率な発電機１１を提供することができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。図７は第２実施形態における熱交換器の概略構成図である。上述した第１実施形態では、内側に高温媒体流路３６を形成し、外側に低温媒体流路３５を形成した場合について説明したが、本実施形態では内側に低温媒体流路１３５を形成し、外側に高温媒体流路１３６を形成した点で、第１実施形態と相違している。
図７に示すように、本実施形態の熱交換器１２３は、軸方向を上下方向に一致させた状態で延在する筒部１３２を備えている。筒部１３２は、径方向内側に向けて窪んだ凹部１３２ａと、径方向外側に向けて突出する凸部１３２ｂと、が軸方向に沿って連続的に形成された凹凸形状をなしている。これら凹部１３２ａ及び凸部１３２ｂは、周方向全周に亘って形成されている。そして、筒部１３２の内側が低温媒体である反応ガス（燃料ガス及び酸化剤ガス）が流通する低温媒体流路１３５として構成される一方、筒部１３２の外側が高温媒体である燃焼器２２（図１参照）で燃焼された燃焼ガスが流通する高温媒体流路１３６として構成されている。

筒部１３２における軸方向沿って各凹部１３２ａの中間部に対応する位置には、径方向内側に向けてそれぞれ仕切部材１４２が設けられている。仕切部材１４２は、低温媒体流路１３５内を軸方向に沿って閉塞するように配置された円板状の部材であり、その外周側には軸方向に沿って貫通する貫通孔１４２ａが周方向に沿って間隔を空けて複数形成されている。すなわち、低温媒体流路１３５を流通する反応ガスは、筒部１３２の内側において貫通孔１４２ａを通過することで、仕切部材１４２を径方向外側から迂回するとともに、凹部１３２ａを径方向から迂回することで、蛇行しながら軸方向上方に向けて流通する。一方で、高温媒体流路１３６を流通する燃焼ガスは、筒部１３２の外側において筒部１３２の凹部１３２ａ及び凸部１３２ｂに倣って軸方向上方に向けて流通する。
したがって、本実施形態によれば、上述した第１実施形態と同様の効果を奏することができる。

なお、本発明の技術範囲は、上述した各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。すなわち、上述した実施形態で挙げた構成等はほんの一例に過ぎず、適宜変更が可能である。
例えば、燃焼器２２として白金等の燃焼触媒を備えた触媒燃焼器を採用する構成にしても構わない。
また、各バルブ３１，５３，６５の開閉制御は、手動でもよく、電子制御でもよい。
さらに、燃料ガス熱交換路４４と酸化剤ガス熱交換路４５とを仕切る第３仕切部材４３の位置は、燃料ガスと酸化剤ガスとの混合割合によって適宜調整可能である。

１１…発電機（燃料電池モジュール） １２…燃料電池スタック １５…筐体 ２２…燃焼器（加熱器） ２３…熱交換器 ４４…燃料ガス熱交換路 ４５…酸化剤ガス熱交換路 ４６…燃料ガス導入流路 ５４…酸化剤ガス導入流路 ５６…セル（発電セル） ５７…酸化剤ガス流路 ５８…燃料ガス流路 ６１…酸化剤排ガス流路 ６２…燃料排ガス流路

Claims (5)

1. 電解質の両面に燃料極及び酸化剤極を配置して構成した発電セルと、
   前記発電セルを複数積層して構成した燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックを設置する筐体と、を備えた燃料電池モジュールを有し、
   前記燃料電池モジュールは、
   前記燃料電池スタックの下方に設置した熱交換器と、
   前記熱交換器に高温媒体を供給する加熱器と、を有し、
   前記熱交換器に、燃料ガスを流通させ前記高温媒体と熱交換する燃料ガス熱交換路、及び酸化剤ガスを流通させ前記高温媒体と熱交換する酸化剤ガス熱交換路を設置し、
   前記熱交換器の下流側に、前記燃料ガス熱交換路を通過した前記燃料ガス、及び前記酸化剤ガス熱交換路を通過した前記酸化剤ガスを、前記燃料電池スタックの前記発電セルに導入する燃料ガス導入流路、及び酸化剤ガス導入流路を設置し、
   前記燃料電池スタックの上方に、前記発電セルで発電に供された酸化剤排ガスが流通する酸化剤排ガス流路を設置したことを特徴とする固体酸化物型燃料電池。
2. 前記酸化剤ガス熱交換路に供給される前記酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス供給流路を、前記酸化剤排ガス流路の近傍に設置し、前記酸化剤ガス供給流路を流通する酸化剤ガスと、前記酸化剤排ガス流路を流通する前記酸化剤排ガスと、を熱交換可能とすることを特徴とする請求項１記載の固体酸化物型燃料電池。
3. 前記燃料電池スタックは、隣接する前記発電セルの前記燃料極同士及び前記酸化剤極同士をそれぞれ対向配置するとともに、前記燃料極同士の間に燃料ガス流路を形成する一方、前記酸化剤極同士の間に酸化剤ガス流路を形成することを特徴とする請求項１または請求項２記載の固体酸化物型燃料電池。
4. 前記燃料電池スタックにおける前記燃料ガス流路の下流側に、前記発電セルで発電に供された燃料排ガスを前記加熱器に向けて案内する燃料排ガス流路を設置し、
   前記熱交換器には、圧力を付与した状態の前記燃料ガスを導入することを特徴とする請求項１ないし請求項３の何れか１項に記載の固体酸化物型燃料電池。
5. 前記熱交換器は、軸方向下方から上方に向けて径方向に沿って凹凸部を有する筒部を備え、
   前記筒部の内側及び外側のうち、何れか一方側には前記高温媒体を流通させる高温媒体流路を構成し、他方側には前記高温媒体と熱交換を行う低温媒体を流通させる低温媒体流路を構成し、
   前記低温媒体流路及び前記高温媒体流路を、前記凹凸部の形状に倣って形成し、
   前記低温媒体流路を、周方向に沿って前記燃料ガス熱交換路及び前記酸化剤ガス熱交換路に区画したことを特徴とする請求項１ないし請求項４の何れか１項に記載の固体酸化物型燃料電池。

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