JP2013157274A - 燃料電池装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料利用率をより高くしても、燃焼部での燃焼について、発熱量の低下及び燃焼性の悪化を防止することができる燃料電池装置の提供。
【解決手段】燃料電池部２の反応後の空気とは別の空気である新気を燃焼部３に供給する新気供給部１７を備え、燃焼部３は、改質ガスに混合させる酸化剤として、新気供給部１７にて供給される新気、又は、新気供給部１７にて供給される新気と燃料電池部２の反応後の空気の一部との混合気を用いる。
【選択図】図１

Description

本発明は、収納容器内に、原燃料を改質する改質器と、前記改質器にて改質された改質ガスと空気とを反応させて発電する固体酸化物型の燃料電池部と、その燃料電池部に隣接して配設されて前記燃料電池部での反応後に残存する改質ガスに酸化剤を混合させて燃焼させる燃焼部とが備えられ、前記燃焼部での燃焼により得られる熱を用いて前記改質器での改質を行う燃料電池装置に関する。

上記のような燃料電池装置として、従来、燃料電池部が、改質ガスが供給されるアノードと空気が供給されるカソードとを有するセルを並列状態で複数並べて構成されているものがある（例えば、特許文献１、２参照。）。この特許文献１、２に記載の装置では、燃焼部が燃料電池部の上方に隣接する空間にて構成されており、その燃焼部では、アノードを通過した改質ガス（アノードオフガス）とカソードを通過した空気（カソードオフガス）とを混合して燃焼させている。
このように、特許文献１、２に記載の装置では、燃料電池部における反応にて消費し切れなかった改質ガス（アノードオフガス）を燃焼させて、その燃焼によって得られる熱を改質器での改質に用いている。そして、燃料電池部における反応にて消費し切れなかった改質ガス（アノードオフガス）を燃焼させる際の酸化剤には、カソードを通過した空気（カソードオフガス）を用いている。

特開２０１０−２２５４５４号公報 特開２０１０−６７５４７号公報

上述の如く、従来の燃料電池装置では、原燃料を、燃料電池部にて発電に使用するだけでなく、燃焼部での燃焼にも使用している。そして、例えば、供給される原燃料の全体量に対して燃料電池部にて発電に使用する原燃料は、７０〜７５％（以下、この割合を燃料利用率と呼称する）としており、残りの２５〜３０％の原燃料を燃焼部での燃焼に使用している。

最近、電力需要の高まりもあり、発電効率を更に向上させるために、燃料利用率をより高くすることが求められている。しかしながら、燃料利用率をより高くする場合には、燃料電池部にて発電に使用される原燃料の量が増加するので、その増加に伴って燃焼部での燃焼に使用される原燃料の量が減少することになる。したがって、上記特許文献１、２に記載の燃料電池装置の如く、燃焼部にて改質ガス（アノードオフガス）を燃焼させる際の酸化剤として、カソードを通過した空気（カソードオフガス）を用いている場合には、燃焼部での燃焼において、その空気（カソードオフガス）の供給量が変化することなく、燃料ガス成分の絶対量が減少して発熱量の低下を招くとともに、燃料ガス成分の濃度減少（混合気の空気比が、例えば１０以上）による燃焼性の悪化を招くことになる。発熱量の低下によって、収納容器の断熱性能及び熱回収性能を高める必要性が生じ、コストアップ及び構成の複雑化を招くことになるばかりでなく、燃焼部での燃焼により十分な熱を得られなくなる可能性もある。また、燃焼性の悪化によっても、十分な熱を得られなくなる可能性があり、更に、排ガス中に多量の未燃成分が残存して、その未燃成分の除去等を行うための排ガス処理触媒への負担が増大するものとなる。

また、燃料利用率をより高くする場合には、別の問題も生じることになる。以下、この別の問題点について説明する。
例えば、天然ガス等の炭化水素を原燃料として用いる場合、原燃料に水蒸気を混合させて、下記の〔化学式１〕の如く、ＣＯとＨ₂に改質させてから燃料電池部にて反応されている。このときのＨ₂Ｏは、改質反応に必要なことから改質水と呼ばれている。この改質水は、水道水等から供給すると不純物が多く含まれているため、燃料電池装置の排気を冷却して得られる凝縮水を用いるのが主となっている。改質水の必要量に対して回収した凝縮水が不足する場合には、水道水から水浄化装置を介して補充することが可能である。しかしながら、凝縮水のみで改質水の必要量を賄うことができれば水浄化装置が不要となり、装置構成の簡略化が図ることができる。そこで、凝縮水のみで改質水の必要量を賄う、いわゆる「水自立」を成立させることが求められている。しかしながら、上記特許文献１、２に記載の燃料電池装置の如く、燃焼部にて改質ガス（アノードオフガス）を燃焼させる際の酸化剤として、カソードを通過した空気（カソードオフガス）を用いている場合には、燃料利用率をより高くすると、水自立を成立させる条件が厳しいものとなり、水自立を行うことができなくなる可能性がある。

〔化学式１〕
ＣＨ₄＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ₂（原燃料をメタンとした場合）

上記の〔化学式１〕の反応の場合は、メタン１モルに対して水１モルが量論混合比となるが、原燃料が天然ガスの場合、エタン・プロパン等、分子数の大きな炭化水素との混合気であるため、原燃料ガス１モルに対して、水は約１．２モル必要である。また、改質器に水蒸気量が必要量しか供給されない場合、固体の炭素を析出しやすいので、これを避けるために、改質器に供給する水蒸気量を必要量の約２倍（以下、この量をＳ／Ｃと略称する）を供給している。

一方、燃焼部の排ガスを含めた燃料電池装置の排気には、改質水として供給された水と、炭化水素の燃料電池反応・燃焼反応による生成される水とが含まれている。そこで、燃焼部の排ガス中に含まれている水のうち、改質水として供給された量と同量の水が回収できれば、水自立が成立する。
例えば、燃料利用率７０％、空気利用率３５％（供給される空気の全体量に対して燃料電池部にて使用される空気量の割合、以下、この割合を空気利用率と呼称する）、Ｓ／Ｃ２．５として運転された燃料電池装置では、その燃焼部の排ガスに、１９．９％の水蒸気が含まれており、その内訳は、改質水由来のもの１１．５％、燃料由来のものが８．５％である。すなわち、改質水由来分は回収しなければならないので、排気とともに装置から排出しても良いのは燃料由来分の８．５％までとなる。図１１は、飽和水蒸気の分率を温度基準で示したグラフであり、装置排気中の水蒸気を８．５％まで減らすためには、約４３℃まで冷却する必要がある。したがって、水自立を成立させるためには、燃焼部の排ガスを冷却させて凝縮水を生成する凝縮温度を約４３℃以下とするという凝縮温度の条件を満たさなければならない。

このように、従来のように、燃料利用率を７０％とする場合には、凝縮温度を約４３℃以下とすることで、水自立を成立させることができる。
ここで、燃料利用率をより高くする場合には、空気利用率が変化しなければ、供給される空気量は変化せず、燃焼部に供給される燃料ガス量と改質水量が燃料利用率に反比例して小さくなる。そのため、図１２に示すように、燃料利用率が高くなるほど燃焼部の排ガス中に含まれる水蒸気分率が小さくなるとともに、図１３に示すように、燃料電池装置の排気中の水蒸気分率は低くなり、水自立を成立させるための凝縮温度が低くなる。したがって、例えば、夏場等の高温環境下において、仮に雰囲気４２℃で燃焼部の排ガスを冷却したとしても、燃料利用率は約７４％までしか高くすることができない。
よって、燃料利用率をより高くする場合には、水自立を成立させるための凝縮温度の条件が厳しくなり、水自立を行うことができなくなり、その結果、水道水等により改質水を補充するために水浄化装置を備えなければならず、装置構成の簡略化を図ることができない。

本発明は、かかる点に着目してなされたものであり、その目的は、供給される原燃料の全体量に対して燃料電池部にて発電に使用する原燃料の割合である燃料利用率をより高くしても、燃焼部での燃焼について、発熱量の低下及び燃焼性の悪化を防止することができ、更に、燃料利用率を高くしても、水自立を成立させることができる燃料電池装置を提供する点にある。

この目的を達成するために、本発明に係る燃料電池装置の特徴構成は、収納容器内に、原燃料を改質する改質器と、前記改質器にて改質された改質ガスと空気とを反応させて発電する固体酸化物型の燃料電池部と、その燃料電池部に隣接して配設されて前記燃料電池部での反応後に残存する改質ガスに酸化剤を混合させて燃焼させる燃焼部とが備えられ、前記燃焼部での燃焼により得られる熱を用いて前記改質器での改質を行う燃料電池装置において、
前記燃料電池部の反応後の空気とは別の空気である新気を前記燃焼部に供給する新気供給部を備え、前記燃焼部は、前記改質ガスに混合させる前記酸化剤として、前記新気供給部にて供給される新気、又は、前記新気供給部にて供給される新気と前記燃料電池部の反応後の空気の一部との混合気を用いる点にある。

燃料利用率をより高くする場合には、燃料電池部にて発電に使用される原燃料の量が増加するので、燃料電池部での反応後に残存する改質ガスの量が減少することになる。そこで、本特徴構成によれば、新気供給部を備えて、燃焼部において、燃料電池部での反応後に残存する改質ガスに新気供給部にて供給される新気を混合させて燃焼させる、又は、燃料電池部での反応後に残存する改質ガスに新気供給部にて供給される新気と燃料電池部の反応後の空気の一部との混合気を混合させて燃焼させている。これにより、新気供給部にて燃焼部への供給量を調整した状態で新気を供給することができるので、燃料利用率をより高くする場合に、燃料電池部での反応後に残存する改質ガスの量が減少しても、その改質ガスと新気との混合気の空気比が所望の範囲（例えば、１．２〜１．３）となるように、減少した改質ガスに適した供給量の新気を供給することができる。その結果、燃料利用率をより高くしても、燃焼部での燃焼について、発熱量の低下及び燃焼性の悪化を防止することができる。

本発明に係る燃料電池装置の更なる特徴構成は、前記新気供給部は、前記燃焼部での燃焼により得られる熱により新気を予熱して前記燃焼部に供給するように構成されている点にある。

本特徴構成によれば、新気供給部は、新気を予熱して燃焼部に供給するので、燃焼部での燃焼について良好な燃焼性を確保することができる。

本発明に係る燃料電池装置の更なる特徴構成は、前記収納容器内に空気を通流させて前記燃料電池部に空気を供給する空気供給路を備え、前記新気供給部は、前記空気供給路を通流する空気の一部を分岐させ、その分岐させた空気を前記新気として前記燃焼部に供給するように構成されている点にある。

本特徴構成によれば、収納容器には、燃料電池部に空気を供給するために空気供給路が備えられていることから、その空気供給路の空気の一部を分岐させるという簡易な構成を備えるだけで、新気供給部を適切に構成することができ、構成の簡素化を図ることができる。

本発明に係る燃料電池装置の更なる特徴構成は、前記収納容器に、前記収納容器内に空気を通流させて空気噴出口から前記燃料電池部に空気を供給する空気供給路と、前記燃料電池部の反応後の空気の前記燃焼部への流入を阻止する流入阻止部とを備え、前記新気供給部は、前記空気供給路の途中部位に備えられて、その空気供給路を通流する空気の一部を前記新気として前記燃焼部に噴出させる新気噴出口にて構成されている点にある。

本特徴構成によれば、収納容器には、燃料電池部に空気を供給するために空気供給路が備えられていることから、その空気供給路の途中部位に新気噴出口を備えるという簡易な構成により、新気供給部を適切に構成することができ、構成の簡素化を図ることができる。しかも、収納容器に流入阻止部が備えられているので、燃料電池部の反応後の空気の燃焼部への流入が阻止されているので、燃料電池部の反応後の空気が燃焼部に流入することによって燃焼部での燃焼に悪影響を与えることを適切に防止することができる。

本発明に係る燃料電池装置の更なる特徴構成は、前記収納容器に、前記収納容器内に空気を通流させて空気噴出口から前記燃料電池部に空気を供給する空気供給路と、前記燃料電池部の反応後の空気の前記燃焼部への流入を阻止する流入阻止部とを備え、前記新気供給部は、前記空気噴出口から噴出される空気の一部を前記燃焼部に案内通流させる案内通流部にて構成されている点にある。

本特徴構成によれば、収納容器内に空気を通流させて空気噴出口から空気を噴出させるという空気供給路の構成をそのまま活用して構成の簡素を図りながら、案内通流部にて空気噴出口から噴出される空気の一部を新気として燃焼部に案内通流させて、燃焼部に新気を適切に供給することができる。しかも、収納容器に流入阻止部が備えられているので、燃料電池部の反応後の空気の燃焼部への流入が阻止されているので、燃料電池部の反応後の空気が燃焼部に流入することによって燃焼部での燃焼に悪影響を与えることを適切に防止することができる。

本発明に係る燃料電池装置の更なる特徴構成は、前記燃焼部の排ガスを凝縮水回収熱交換器に供給させてその排ガスを凝縮させて凝縮水を回収する凝縮水回収手段と、その凝縮水回収手段にて回収した凝縮水を改質水として前記改質器に供給自在な改質水供給手段と、前記燃料電池部の反応後の空気を前記燃焼部の排ガスとは別に通流させて排気するカソードオフガス排気手段とを備え、前記改質器は、前記改質水供給手段にて供給される改質水を用いて原燃料を改質するように構成されている点にある。

固体酸化物形の燃料電池部では、酸素イオンが固体酸化物電解質中を移動して、カソードからアノードに移動する反応である。そのため、アノード側に水が生成される。また、改質反応で消費されなかった余剰改質水も、改質器を通過した後にアノードに供給されるので、アノードを通過した改質ガスには、発電反応により生成される水だけでなく、余剰改質水も含まれる。アノードを通過した改質ガスは、燃焼部にて燃焼されることから、燃焼部の排ガスには、その燃焼により生成される水も含まれることになる。上述の特徴構成で述べた如く、燃焼部の燃焼に用いられる酸化剤は、カソードを通過した空気ではなく、新気供給部にて供給される新気又はその新気とカソードを通過した空気の一部との混合気であるので、カソードを通過した空気のみを用いる場合よりも、アノードを通過した改質ガスに混合される空気量をかなり少なくすることができる。したがって、燃料利用率をより高くする場合でも、燃焼部の排ガス中に含まれる水蒸気分率は非常に高くなる。

そこで、本特徴構成によれば、凝縮水回収手段が、燃焼部の排ガスのみを凝縮水回収熱交換器に供給しており、燃料電池部の反応後の空気については、凝縮水回収手段とは別のカソードオフガス排気手段にて排気させている。これにより、水蒸気分率が非常に高い排ガスのみを凝縮水回収熱交換器にて凝縮させて凝縮水を生成することができるので、凝縮温度を低い温度にしなくても、十分な量の凝縮水を回収することができる。そして、改質水供給手段は、その凝縮水回収手段にて回収した凝縮水を改質水として改質器に供給しているので、回収した凝縮水のみで改質水の必要量を賄う、いわゆる「水自立」を成立させるための条件として、凝縮温度を低い温度にしなくてもよく、その条件を緩和することができる。したがって、水自立を成立させるための条件が厳しくならず、燃料利用率を高くしても、水自立を成立させることができ、その結果、水道水等により改質水を補充するために水浄化装置を備えなくてもよく、装置構成の簡略化を図ることができる。

第１実施形態における燃料電池装置の概略構成を示すブロック図 第１実施形態における燃料電池装置の収納容器内の概略構成を示す断面図 第１実施形態における燃料電池装置の収納容器内の要部を示す斜視図 第２実施形態における燃料電池装置の収容容器内の概略構成を示す断面図 第３実施形態における燃料電池装置の収容容器内の概略構成を示す断面図 第３実施形態における燃料電池装置の収容容器内の概略構成を示す斜視図 第４実施形態における燃料電池装置の概略構成を示すブロック図 第４実施形態における燃料電池装置の収納容器内の概略構成を示す断面図 第５実施形態における燃料電池装置の収容容器内の概略構成を示す断面図 第５実施形態における燃料電池装置の収容容器内の概略構成を示す斜視図 飽和水蒸気の分率を温度基準で示したグラフ 燃焼部の排ガス中に含まれる水蒸気分率と燃料利用率との関係を示すグラフ 燃料電池装置の排気中の水蒸気分率に対する凝縮温度と燃料利用率との関係を示すグラフ

本発明に係る燃料電池装置の実施形態について図面に基づいて説明する。
〔第１実施形態〕
この第１実施形態における燃料電池装置１００は、図１及び図２に示すように、改質水Ｍ１を用いて原燃料Ｇ１を改質する改質器１と、改質器１にて改質された改質ガスＧ２と空気Ａとを反応させて発電する固体酸化物型の燃料電池部２（セルスタック）と、その燃料電池部２の上方側に隣接して配設されて燃料電池部２での反応後に残存する改質ガスに酸化剤を混合させて燃焼させる燃焼部３と、燃焼部３の排ガスＣを凝縮させて凝縮水Ｍ２を回収する凝縮水回収熱交換器４とを備えている。ここで、図１は、第１実施形態における燃料電池装置１００の概略構成を示すブロック図であり、図２は、第１実施形態における燃料電池装置１００の収納容器８内の概略構成を示す断面図である。

この燃料電池装置１００は、上述の改質器１や燃料電池部２等の機器に加えて、凝縮水回収熱交換器４にて回収した凝縮水Ｍ２を改質水Ｍ１として貯留させる改質水タンク５と、改質水ポンプ６により改質水タンク５から供給される改質水Ｍ１を用いて水蒸気を生成する蒸発器７とを備えている。そして、図外の脱硫器にて脱硫された原燃料Ｇ１と改質水Ｍ１とを混合させて蒸発器７に供給している。また、図示は省略するが、蒸発器７と改質器１とは連通接続されており、その連通接続により蒸発器７にて生成された水蒸気及び原燃料Ｇ１が改質器１に供給されている。改質器１は、蒸発器７にて生成された水蒸気を用いて、図外の脱硫器にて脱硫された原燃料Ｇ１を水蒸気改質するように構成されている。

燃料電池装置１００は、収納容器８を備えており、その収納容器８内に、蒸発器７、改質器１、燃料電池部２、燃焼部３が備えられている。燃料電池部２は、収納容器８の左右方向（図２中Ｘ方向）に間隔を隔てて一対配設されており、それら一対の燃料電池部２の夫々に対して上方側に隣接する空間が燃焼部３として構成されている。そして、改質器１は、燃焼部３の上方側に隣接して配置されており、燃焼部３での燃焼により発熱される熱にて改質器１を加熱することで燃焼部３での燃焼により得られる熱を用いて改質器１での水蒸気改質を行うように構成されている。また、燃焼部３での燃焼により得られる熱については、改質器１での水蒸気改質だけでなく、燃焼部３の上方側に隣接して配置された蒸発器７での水蒸気の生成、及び、空気供給路１６にて燃料電池部２に供給する空気Ａの予熱にも用いられている。ちなみに、燃料電池部２での反応によって発熱されるので、その熱も、改質器１での水蒸気改質、蒸発器７での水蒸気の生成及び燃料電池部２に供給する空気Ａの予熱に用いられている。

燃料電池部２（セルスタック）は、改質ガスＧ２が供給されるアノード９と空気Ａが供給されるカソード１０とを有するセル１２の複数から構成されている（図１では、１つのセル１２のみ示している）。セル１２は、アノード９とカソード１０との間にイットリアをドープしたジルコニア等で構成される固体酸化物電解質１１が備えられている。燃料電池部２は、図２及び図３に示すように、ガスマニホールド１３の上方側に中空平板状のセル１２を収納容器８の前後方向（図３中Ｙ方向）に並列状態で複数並べて構成されており、ガスマニホールド１３から複数のセル１２の夫々におけるアノード９に改質ガスＧ２を供給している。ガスマニホールド１３は、改質器１から改質ガス供給路１４を通して供給される改質ガスＧ２を受け入れるように構成されており、その受け入れた改質ガスＧ２を下方側から上方側に通流させて複数のセル１２の夫々におけるアノード９に供給している。

燃料電池部２に空気Ａを供給するために、図２に示すように、収納容器８内に空気Ａを通流させて空気噴出口１５から燃料電池部２に空気Ａを供給する空気供給路１６が備えられている。この空気供給路１６は、第１空気流路部位１６ａと第２空気流路部位１６ｂと第３空気流路部位１６ｃとから構成されており、第３空気流路部位１６ｃの下端部位に空気噴出口１５が備えられている。第１空気流路部位１６ａは、収納容器８の左右方向の一端部（図２中Ｘ方向の右端部）にて収納容器８の外部から空気Ａを受け入れて収納容器８の上端部まで通流させたのち、その空気Ａを収納容器８の左右方向（図２中Ｘ方向）に沿ってその中央部に向けて通流させる。第２空気流路部位１６ｂは、収納容器８の左右方向の他端部（図２中Ｘ方向の左端部）にて収納容器８の外部から空気Ａを受け入れて収納容器８の上端部まで通流させたのち、その空気Ａを収納容器８の左右方向（図２中Ｘ方向）に沿ってその中央部に向けて通流させる。第３空気流路部位１６ｃは、収納容器８の左右方向の中央部において第１空気流路部位１６ａの空気Ａと第２空気流路部位１６ｂの空気Ａとを合流させて上方側から下方側に向けて通流させる。このように、収納容器８内に備えられた第１〜第３空気流路部位１６ａ〜１６ｃを空気Ａが通流することで、燃焼部３での燃焼により得られる熱や燃料電池部２での反応によって発熱される熱によって、燃料電池部２に供給される空気Ａの予熱が行われている。そして、第３空気流路部位１６ｃの空気噴出口１５から収納容器８の左右方向に向けて噴出される空気Ａは、セル１２の横側方から複数のセル１２の夫々に流入して下方側から上方側に向けて通流させて複数のセル１２の夫々におけるカソード１０に供給されている。

ここで、以下、燃料電池部２におけるアノード９を通過したガスを「アノードオフガスＧ３」と呼称し、燃料電池部２での反応後の空気Ａ１（燃料電池部２におけるカソード１０を通過した空気）を「カソードオフガスＡ１」と呼称して説明する。
アノードオフガスＧ３には、燃料電池部２での反応後の改質ガスＧ２が残存しており、燃焼部３では、燃料ガスとして、アノードオフガスＧ３を用いて、そのアノードオフガスＧ３に酸化剤を混合させて燃焼させている。このように、改質ガスＧ２を、燃料電池部２にて発電に使用するだけでなく、燃焼部３での燃焼にも使用している。これにより、供給される改質ガスＧ２の全体量に対して燃料電池部２にて発電に使用する改質ガスＧ２の割合である燃料利用率をより高くする場合に、発電電流が一定ならば燃料電池部２にて発電に使用される改質ガスＧ２の量は増減することなく、アノードオフガスＧ３に残存する改質ガスＧ２の量が減少することになる。そこで、本実施形態では、カソードオフガスＡ１とは別の空気Ａである新気Ａ２を燃焼部３に供給する新気供給部１７を備えており、燃焼部３にてアノードオフガスＧ３に混合させる酸化剤として、カソードオフガスＡ１を用いるのではなく、新気Ａ２を用いるようにしている。これにより、新気供給部１７にて燃焼部３への供給量を調整した状態で新気Ａ２を供給することができるので、燃料利用率をより高くする場合に、アノードオフガスＧ３に残存する改質ガスＧ２の量が減少しても、そのアノードオフガスＧ３と新気Ａ２との混合気の空気比が所望の範囲（例えば、１．２〜１．３）となるように、減少した改質ガスＧ２に適した供給量の新気Ａ２を供給することができる。その結果、燃料利用率をより高くしても、燃焼部３での燃焼について、発熱量の低下及び燃焼性の悪化を防止することができる。

新気供給部１７は、図１に示すように、カソード１０に空気Ａを供給する空気供給路１６を通流する空気Ａの一部を分岐させ、その分岐させた空気Ａを新気Ａ２として燃焼部３に供給するように構成されている。そして、新気供給部１７は、空気供給路１６を通流する空気Ａが予熱される部位よりも空気Ａの通流方向の下流側から分岐しており、燃焼部３での燃焼により得られる熱により新気Ａ２を予熱して燃焼部３に供給するように構成されている。新気供給部１７は、図２に示すように、第３空気流路部位１６ｃの途中部位（空気供給路１６の途中部位）に備えられて、その空気供給路１６を通流する空気Ａの一部を新気Ａ２として燃焼部３に噴出させる新気噴出口１８にて構成されている。これにより、新気噴出口１８を形成するだけで、空気供給路１６をそのまま利用しながら、空気Ａの予熱も行うことができる新気供給部１７を適切に構成することができ、構成の簡素化を図ることができる。ここで、燃焼部３でのアノードオフガスＧ３と新気Ａ２との混合気の空気比が所望の範囲（例えば、１．２〜１．３）となるように、新気噴出口１８の数や開口面積等が調整されている。

収納容器８には、新気供給部１７である新気噴出口１８に加えて、カソードオフガスＡ１の燃焼部３への流入を阻止する流入阻止部１９が備えられている。流入阻止部１９は、図３に示すように、複数のセル１２の夫々が貫通する貫通孔２０を備えた平板状に形成されており、複数のセル１２の発電反応に寄与しない非発電反応部位のみが流入阻止部１９よりも上方側に突出するように配設されている。この流入阻止部１９は、一対の燃料電池部２の夫々に対して備えられている。流入阻止部１９は、複数のセル１２の夫々におけるカソードオフガスＡ１の上方側への流通を阻止することで、カソードオフガスＡ１の燃焼部３への流入を阻止しており、排ガス排気路２１にカソードオフガスＡ１を通流させている。

収納容器８には、燃焼部３での燃焼による排ガスＣを収納容器８の外部に排気させる排ガス排気路２１が備えられている。排ガス排気路２１は、第１排気流路部位２１ａと第２排気路流路部位２１ｂと第３排気流路部位２１ｃとから構成されている。第１排気流路部位２１ａは、収納容器８の左右方向の一端部（図２中Ｘ方向の右端部）において燃焼部３からの排ガスＣを受け入れており、その排ガスＣに対して、流入阻止部１９にて燃焼部３への流入が阻止されたカソードオフガスＡ１を混合させる状態で排ガスＣとカソードオフガスＡ１との混合気を受けている。そして、第１排気流路部位２１ａは、その排ガスＣとカソードオフガスＡ１との混合気を収納容器８の下端部まで通流させたのち、その混合気を収納容器８の左右方向に沿ってその中央部に通流させている。第２排気流路部位２１ｂも、第１排気流路部位２１ａと同様に、収納容器８の左右方向の他端部（図２中Ｘ方向の左端部）において排ガスＣとカソードオフガスＡ１との混合気を受けており、その混合気を収納容器８の下端部まで通流させたのち、その混合気を収納容器８の左右方向に沿ってその中央部に通流させている。第３排気流路部位２１ｃは、収納容器８の左右方向の中央部において第１排気流路部位２１ａの混合気と第２排気流路部位２１ｂの混合気とを合流させて、収納容器８の外部に排気させている。そして、第３排気流路部位２１ｃにて収納容器８の外部に排気される排ガスＣとカソードオフガスＡ１との混合気は、凝縮水回収熱交換器４に供給されている。

凝縮水回収熱交換器４では、供給される排ガスＣとカソードオフガスＡ１との混合気を凝縮させて凝縮水Ｍ２を生成し、その生成された凝縮水Ｍ２を改質水Ｍ１として改質水タンク５に供給している。おり、凝縮水回収熱交換器４にて回収した凝縮水Ｍ２を改質水Ｍ１として用いている。そして、改質水ポンプ６により改質水タンク５に貯留されている改質水Ｍ１（凝縮水Ｍ２）を蒸発器７に供給しており、改質水タンク５と改質水ポンプ６とから改質水供給手段が構成されている。

〔第２実施形態〕
この第２実施形態は、上記第１実施形態における新気供給部１７の別実施形態を示すものであり、その他の構成については、上記第１実施形態と同様である。以下、この第２実施形態における新気供給部１７について、第１実施形態における新気供給部１７と異なる点を中心に説明する。

上記第１実施形態では、図２に示すように、新気供給部１７を、空気供給路１６の途中部位に形成された新気噴出口１８にて構成している。それに対して、この第２実施形態では、図４に示すように、新気噴出口１８を備えずに、空気噴出口１５から噴出される空気Ａの一部を燃焼部３に案内通流させる案内通流部２２を備えており、この案内通流部２２にて新気供給部１７を構成している。案内通流部２２は、その上端部が流入阻止部１９に連結されて下方側に延びる板状体にて構成されており、複数のセル１２の横側方を囲む状態で配設されている。案内通流部２２には、上下方向に間隔を隔てて複数の孔部２３が備えられており、空気噴出口１５から噴出される空気Ａの一部をそれら複数の孔部２３を通して、複数のセル１２の夫々におけるカソード１０に供給している。ここで、案内通流部２２は、多孔体等にて構成することもできる。案内通流部２２は、空気噴出口１５から噴出される空気Ａが複数のセル１２の夫々におけるカソード１０側へ通過するときの流速を大きくして、複数のセル１２の夫々におけるカソード１０側から空気噴出口１５側への低酸素の空気Ａの逆流を防止している。そして、空気噴出口１５から噴出される空気Ａの残りの一部が、案内通流部２２にてそのまま上方側に案内通流されて、燃焼部３に直接通流されている。これにより、案内通流部２２を備えるだけで、空気供給路１６をそのまま利用しながら、空気Ａの予熱も行うことができる新気供給部１７を適切に構成することができ、構成の簡素化を図ることができる。ここで、複数のセル１２の夫々におけるカソード１０に対する空気Ａの供給量を適切な量に確保しながら、燃焼部３でのアノードオフガスＧ３と新気Ａ２との混合気の空気比が所望の範囲（例えば、１．２〜１．３）となるように、孔部２３の数や開口面積等が調整されている。

〔第３実施形態〕
この第３実施形態は、上記第１実施形態における収納容器８内に備えられるセル１２の形状や空気供給路１６の構成等についての別実施形態である。以下、この第３実施形態における燃料電池装置１００について、上記第１実施形態と異なる点を中心に説明する。

上記第１実施形態では、図３に示すように、セル１２の形状が中空平板状に形成されているが、この第３実施形態では、図５及び図６に示すように、セル１２の形状が円筒状に形成されており、燃料電池部２は、その円筒状のセル１２をガスマニホールド１３の上方側において収納容器８の左右方向（図６中Ｘ方向）及び前後方向（図６中Ｙ方向）に並列状態で複数並べて構成されている。この第３実施形態では、改質器１及び蒸発器７も収納容器８内に備えられているが、図５及び図６では、改質器１及び蒸発器７は省略して図示している。

第３実施形態では、空気供給路１６が、収納容器８の左右方向（図５及び図６中Ｘ方向）の両端部の夫々に設けられており、その空気供給路１６は、収納容器８の外部から空気Ａを受け入れる収納容器８の上下方向の全長に亘る空間にて構成されている。空気噴出口１５は、空気供給路１６の夫々における下方側部位に備えられており、空気噴出口１５から噴出される空気Ａは、セル１２の横側方から複数のセル１２の夫々に流入して下方側から上方側に向けて通流させて複数のセル１２の夫々におけるカソード１０に供給している。

燃料電池部２の上方側には、燃料電池部２に隣接して閉空間が形成されており、この閉空間が燃焼部３として構成されている。燃焼部３には、セル１２のアノード９を通過したアノードオフガスＧ３が供給されている。また、空気供給路１６において燃焼部３の配設位置に相当する部位に、新気供給部１７としての新気噴出口１８が備えられており、その新気噴出口１８から噴出される新気Ａ２が、燃焼部３に供給されている。これにより、燃焼部３では、上記第１実施形態と同様に、燃焼部３にてアノードオフガスＧ３に混合させる酸化剤として、カソードオフガスＡ１を用いるのではなく、新気Ａ２を用いるようにしている。これにより、新気供給部１７にて燃焼部３への供給量を調整した状態で新気Ａ２を供給することができるので、燃料利用率をより高くする場合に、アノードオフガスＧ３に残存する改質ガスＧ２の量が減少しても、そのアノードオフガスＧ３と新気Ａ２との混合気の空気比が所望の範囲（例えば、１．２〜１．３）となるように、減少した改質ガスＧ２に適した供給量の新気Ａ２を供給することができる。その結果、燃料利用率をより高くしても、燃焼部３での燃焼について、発熱量の低下及び燃焼性の悪化を防止することができる。

収納容器８には、燃焼部３の上方側に排気空間２４が形成されており、この排気空間２４と燃焼部３とを連通する複数の連通孔２５を通して、燃焼部３での排ガスＣが排気空間２４に供給されている。そして、排気空間２４は、燃料電池部２が配設されている空間とも連通空間２９により連通自在に構成されており、セル１２のカソード１０を通過したカソードオフガスＡ１も排気空間２４に供給されている。これにより、排気空間２４では、燃焼部３での排ガスＣとカソードオフガスＡ１との混合気が収納容器８の外部に排気されており、その排気された混合気は、凝縮水回収熱交換器４に供給されている。

〔第４実施形態〕
この第４実施形態は、図１及び図２に示す第１実施形態において、新たな構成を追加している。以下、図７及び図８に基づいて、第４実施形態における燃料電池装置１００について、追加する新たな構成を中心に説明する。

上記第１実施形態では、排ガス排気路２１が、燃焼部３での排ガスＣに対して、流入阻止部１９にて燃焼部３への流入が阻止されたカソードオフガスＡ１を混合させており、その排ガスＣとカソードオフガスＡ１との混合気を凝縮水回収熱交換器４に供給している。
それに対して、この第４実施形態では、図７及び図８に示すように、排ガス排気路２１（凝縮水回収手段に相当する）が、燃焼部３の排ガスＣのみを収納容器８の外部に排気させて凝縮水回収熱交換器４に供給している。そして、カソードオフガスＡ１を燃焼部３の排ガスＣとは別に通流させて収納容器８の外部に排気させるカソードオフガス排気路２７（カソードオフガス排気手段に相当する）が備えられている。

すなわち、図８に示すように、流入阻止部１９により収納容器８が上方側空間Ｋ１と下方側空間Ｋ２とに区画されており、燃焼部３、改質器１、及び、蒸発器７が上方側空間Ｋ１に備えられており、複数のセル１２の夫々において発電反応に関わる発電反応部位が下方側空間Ｋ２に備えられている。そして、排ガス排気路２１は、上方側空間Ｋ１に連通されており、燃焼部３の排ガスＣを収納容器８の外部に排気させて凝縮水回収熱交換器４に供給するように構成されている。また、カソードオフガス排気路２７は、下方側空間Ｋ２に連通されており、複数のセル１２の夫々におけるカソード１０を通過したカソードオフガスＡ１を収納容器８の外部に排気させて放熱熱交換器２８に供給するように構成されている。

ここで、改質器１に供給する改質水Ｍ１は、上記第１実施形態でも述べた如く、燃焼部３の排ガスＣを冷却して得られる凝縮水Ｍ２を用いている。そして、その凝縮水Ｍ２のみで改質水Ｍ１の必要量を賄う、いわゆる「水自立」を成立させる条件について説明する。

固体酸化物形の燃料電池部２では、酸素イオンが固体酸化物電解質１１中を移動して、カソード１０からアノード９に移動する反応である。そのため、アノード９側に水が生成される。また、改質反応で消費されなかった余剰改質水も、改質器１を通過した後にアノード９に供給されるので、アノード９を通過したアノードオフガスＧ３には、発電反応により生成される水だけでなく、余剰改質水も含まれる。アノードオフガスＧ３は、燃焼部３にて燃焼されることから、燃焼部３の排ガスＣには、その燃焼により生成される水も含まれることになる。そして、本実施形態では、燃焼部３の燃焼に用いられる酸化剤は、カソードオフガスＡ１ではなく、新気供給部１７にて供給される新気Ａ２であるので、カソードオフガスＡ１を用いる場合よりも、アノードオフガスＧ３に混合される空気量を少なくすることができる。したがって、燃焼部３の排ガスＣ中に含まれる水蒸気分率は非常に高くなる。例えば、燃料利用率を７０％とした場合、燃焼部３の排ガスＣ中に含まれる水蒸気分率が５３％となり、燃料利用率を８０％とした場合、燃焼部３の排ガスＣ中に含まれる水蒸気分率が６０％となる。

そして、この第４実施形態では、排ガス排気路２１が、燃焼部３の排ガスＣのみを収納容器８の外部に排気させて、凝縮水回収熱交換器４に供給しており、カソードオフガスＡ１については、排ガス排気路２１とは別のカソードオフガス排気路２７にて収納容器８の外部に排気させて、放熱熱交換器２８に供給している。これにより、水蒸気分率が非常に高い排ガスＣのみを凝縮水回収熱交換器４にて凝縮させて凝縮水Ｍ２を生成することができるので、凝縮温度を低い温度にしなくても、十分な量の凝縮水Ｍ２を回収することができる。したがって、水自立を成立させるための条件として、凝縮温度を低い温度にしなくてもよく、その条件を緩和することができる。例えば、燃料利用率を７０％とした場合、水自立を成立させるための凝縮温度が７２℃となり、燃料利用率を８０％とした場合、水自立を成立させるための凝縮温度が７６℃となる。その結果、燃料利用率を高くしても、水自立を成立させることができ、水道水等により改質水を補充するために水浄化装置を備えなくてもよく、装置構成の簡略化を図ることができる。

〔第５実施形態〕
この第５実施形態は、図５及び図６に示す第３実施形態において、新たな構成を追加している。以下、図９及び図１０に基づいて、第５実施形態における燃料電池装置１００について、この追加する新たな構成を中心に説明する。

上記第３実施形態では、排ガス排気路２１が、燃焼部３での排ガスＣに対して、燃焼部３への流入が阻止されたカソードオフガスＡ１を混合させる状態で排ガスＣとカソードオフガスＡ１との混合気を、収納容器８の外部に排気させて凝縮水回収熱交換器４に供給している。
それに対して、この第５実施形態では、図９及び図１０に示すように、排ガス排気路２１（凝縮水回収手段に相当する）が、燃焼部３の排ガスＣのみを収納容器８の外部に排気させて凝縮水回収熱交換器４に供給している。そして、カソードオフガスＡ１を燃焼部３の排ガスＣとは別に通流させて収納容器８の外部に排気させるカソードオフガス排気路２７（カソードオフガス排気手段に相当する）が備えられている。

図９及び図１０に示すように、燃料電池部２の上方側には、燃料電池部２に隣接して閉空間が形成されており、この閉空間が燃焼部３として構成されている。そして、排ガス排気路２１は、燃焼部３の排ガスＣのみを収納容器８の外部に排気させて凝縮水回収熱交換器４に供給している。そして、カソードオフガスＡ１を燃焼部３の排ガスＣとは別に通流させて収納容器８の外部に排気させるカソードオフガス排気路２７が備えられている。このカソードオフガス排気路２７は、排気空間２４と燃料電池部２が配設されている空間とを連通する連通空間２９と、排気空間２４とから構成されており、カソードオフガスＡ１を収納容器８の外部に排気させて放熱熱交換器２８に供給している。

この第５実施形態では、上記第４実施形態と同様に、排ガス排気路２１が、燃焼部３の排ガスＣのみを収納容器８の外部に排気させて、凝縮水回収熱交換器４に供給しており、カソードオフガスＡ１については、排ガス排気路２１とは別のカソードオフガス排気路２７にて収納容器８の外部に排気させて、放熱熱交換器２８に供給している。これにより、水蒸気分率が非常に高い排ガスＣのみを凝縮水回収熱交換器４を凝縮させて凝縮水Ｍ２を生成することができるので、凝縮温度を低い温度にしなくても、十分な量の凝縮水Ｍ２を回収することができる。したがって、水自立を成立させるための条件として、凝縮温度を低い温度にしなくてもよく、その条件を緩和することができる。その結果、燃料利用率を高くしても、水自立を成立させることができ、水道水等により改質水を補充するために水浄化装置を備えなくてもよく、装置構成の簡略化を図ることができる。

〔別実施形態〕
（１）上記第１〜第５実施形態では、カソードオフガスＡ１の燃焼部３への流入を阻止することにより、燃焼部３は、アノードオフガスＧ３に混合させる酸化剤として、新気供給部１７にて供給される新気Ａ２としている。これに代えて、燃焼部３は、アノードオフガスＧ３に混合させる酸化剤として、新気供給部１７にて供給される新気Ａ２と燃料電池部２の反応後の空気であるカソードオフガスＡ１の一部との混合気を用いることもできる。この場合には、燃焼部３でのアノードオフガスＧ３に対して新気Ａ２とカソードオフガスＡ１の一部との混合気を混合させた混合気の空気比が所望の範囲（例えば、１．２〜１．３）となるように、新気Ａ２とカソードオフガスＡ１の一部との混合比が調整されている。

（２）上記第１〜第５実施形態では、燃料電池部２の構成として、複数のセル１２を並列状態で複数並べて構成しているが、この構成に限らず、例えば、セル１２の形状やセル１２の並べ方等については適宜変更が可能である。

（３）上記第３実施形態において、上記第４及び第５実施形態と同様に、排ガス排気路２１（凝縮水回収手段に相当する）が、燃焼部３の排ガスＣのみを収納容器８の外部に排気させて凝縮水回収熱交換器４に供給し、カソードオフガスＡ１を燃焼部３の排ガスＣとは別に通流させて収納容器８の外部に排気させるカソードオフガス排気路（カソードオフガス排気手段に相当する）を備えることもできる。

本発明は、収納容器内に、原燃料を改質する改質器と、前記改質器にて改質された改質ガスと空気とを反応させて発電する固体酸化物型の燃料電池部と、その燃料電池部に隣接して配設されて前記燃料電池部での反応後に残存する改質ガスに酸化剤を混合させて燃焼させる燃焼部とが備えられ、前記燃焼部での燃焼により得られる熱を用いて前記改質器での改質を行い、供給される原燃料の全体量に対して燃料電池部にて発電に使用する原燃料の割合である燃料利用率をより高くしても、燃焼部での燃焼について、発熱量の低下及び燃焼性の悪化を防止することができ、更に、燃料利用率を高くしても、水自立を成立させることができる各種の燃料電池装置に適応可能である。

１ 改質器
２ 燃料電池部
３ 燃焼部
４ 凝縮水回収熱交換器
５ 改質水タンク（改質水供給手段）
６ 改質水ポンプ（改質水供給手段）
８ 収納容器
１５ 空気噴出口
１６ 空気供給路
１７ 新気供給部
１８ 新気噴出口
１９ 流入阻止部
２１ 排ガス排気路（凝縮水回収手段）
２２ 案内通流部
２７ カソードオフガス排気路（カソードオフガス排気手段）

Claims (6)

1. 収納容器内に、原燃料を改質する改質器と、前記改質器にて改質された改質ガスと空気とを反応させて発電する固体酸化物型の燃料電池部と、その燃料電池部に隣接して配設されて前記燃料電池部での反応後に残存する改質ガスに酸化剤を混合させて燃焼させる燃焼部とが備えられ、前記燃焼部での燃焼により得られる熱を用いて前記改質器での改質を行う燃料電池装置であって、
   前記燃料電池部の反応後の空気とは別の空気である新気を前記燃焼部に供給する新気供給部を備え、前記燃焼部は、前記改質ガスに混合させる前記酸化剤として、前記新気供給部にて供給される新気、又は、前記新気供給部にて供給される新気と前記燃料電池部の反応後の空気の一部との混合気を用いる燃料電池装置。
2. 前記新気供給部は、前記燃焼部での燃焼により得られる熱により新気を予熱して前記燃焼部に供給するように構成されている請求項１に記載の燃料電池装置。
3. 前記収納容器内に空気を通流させて前記燃料電池部に空気を供給する空気供給路を備え、前記新気供給部は、前記空気供給路を通流する空気の一部を分岐させ、その分岐させた空気を前記新気として前記燃焼部に供給するように構成されている請求項１又は２に記載の燃料電池装置。
4. 前記収納容器に、前記収納容器内に空気を通流させて空気噴出口から前記燃料電池部に空気を供給する空気供給路と、前記燃料電池部の反応後の空気の前記燃焼部への流入を阻止する流入阻止部とを備え、前記新気供給部は、前記空気供給路の途中部位に備えられて、その空気供給路を通流する空気の一部を前記新気として前記燃焼部に噴出させる新気噴出口にて構成されている請求項１〜３の何れか１項に記載の燃料電池装置。
5. 前記収納容器に、前記収納容器内に空気を通流させて空気噴出口から前記燃料電池部に空気を供給する空気供給路と、前記燃料電池部の反応後の空気の前記燃焼部への流入を阻止する流入阻止部とを備え、前記新気供給部は、前記空気噴出口から噴出される空気の一部を前記燃焼部に案内通流させる案内通流部にて構成されている請求項１〜３の何れか１項に記載の燃料電池装置。
6. 前記燃焼部の排ガスを凝縮水回収熱交換器に供給させてその排ガスを凝縮させて凝縮水を回収する凝縮水回収手段と、その凝縮水回収手段にて回収した凝縮水を改質水として前記改質器に供給自在な改質水供給手段と、前記燃料電池部の反応後の空気を前記燃焼部の排ガスとは別に通流させて排気するカソードオフガス排気手段とを備え、前記改質器は、前記改質水供給手段にて供給される改質水を用いて原燃料を改質するように構成されている請求項１〜５の何れか１項に記載の燃料電池装置。

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