JP2013168303A - 固体酸化物形燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池セルや燃焼部の性能低下を抑制し、且つ、排熱回収性能を高めることができる固体酸化物形燃料電池を提供する。
【解決手段】改質器３と、改質器３で生成された燃料ガスを用いて発電する複数の燃料電池セル１４を有するセルスタック９と、セルスタック９からのオフガスを燃焼する燃焼部１０とを容器１の内部に備え、容器１の内部から外部へ排出される排ガスが有する熱を用いて、燃料電池セル１４に供給する酸素、及び、改質器３に供給する原燃料、及び、改質器３に供給する水のうちの少なくとも何れか一つを加熱する加熱装置２を、容器１の内部の熱が伝達される容器１の一つの外面１ｅに相対した状態で容器１と一体に備え、加熱装置２では、排ガス、並びに、加熱対象としている酸素及び原燃料及び水のうちの少なくとも何れか一つが、外面１ｅと相対する面に沿う方向に流れるように構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、原燃料を水蒸気改質して燃料ガスを生成する改質器と、改質器で生成された燃料ガスを用いて発電する複数の燃料電池セルを有するセルスタックと、セルスタックからのオフガスを燃焼する燃焼部とを備える固体酸化物形燃料電池に関する。

固体酸化物形燃料電池は、他のタイプの燃料電池に比べて高温（例えば、６５０℃〜８００℃）で運転される燃料電池であるので、燃料電池からの排熱も高温となる。そのため、高温の熱が必要な熱利用機器や低温の熱で構わない熱利用機器など、幅広い機器にその高温の排熱を利用できる。

特許文献１には、筐体（５００）の内部に、改質用水の気化を行う気化部及び原燃料の水蒸気改質を行って燃料ガスを生成する改質部を有する改質器（２００）と、改質器で生成された燃料ガスを用いて発電する複数の燃料電池セル（１２０）を有するセルスタック（１００、１１０）と、セルスタックからのオフガスを燃焼する燃焼部とを備える固体酸化物形燃料電池（１０００）が記載されている。
加えて、特許文献１に記載の固体酸化物形燃料電池（１０００）において、筐体（５００）の内部は、その上面部、側面部、底面部の各壁面を板で仕切って多重構造とし、そこに、外部から導入する空気を流すための流路や、燃焼部での燃焼後のガスを含む高温の排ガスを流すための流路を隣り合わせて設けている。筐体の内部をこのような多重構造にすることで、高温の排ガスと空気との間で熱交換が行われ、その排ガスからの排熱回収が行われるようにしている。

特開２０１０−２２５４５４号公報

特許文献１に記載の固体酸化物形燃料電池では、上述したような筐体内部の多重構造による熱交換を行っているが、その熱交換が行われている部位は単に筐体の内部が板で仕切られた部位である。つまり、専用の熱交換器で熱交換を行うのではないため、排熱回収が充分に行われないという問題がある。
尚、筐体からの排ガスの出口に新たに専用の熱交換器を設け、その熱交換器で排ガスの熱を回収することも可能である。しかし、そのような専用の熱交換器を設けた場合、装置が大幅に大型化するという問題がある。更に、排ガスを筐体の外部に引き出して熱交換器へと導入するまでの配管部分での放熱が大きく、即ち、排ガスの熱が伝達された構成部材からの放熱が充分に抑制されておらず或いは他の構成部材への熱伝達が調整されていないので、排熱回収量が充分に得られないという問題もある。

更に、特許文献１では、改質器での水蒸気改質に用いる水を蒸発させるための気化器の下方に、燃焼器やその燃焼器で燃焼されるアノード排ガスを排出する燃料電池セルを設けている。そのため、気化器によって大きな熱が奪われると、局所的に温度が低下したコールドスポットが発生してその近傍での燃料電池セルの性能低下や燃焼器での失火が発生する可能性がある。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料電池セルや燃焼部の性能低下を抑制し、且つ、排熱回収性能を高めることができる固体酸化物形燃料電池を提供する点にある。

上記目的を達成するための本発明に係る固体酸化物形燃料電池の特徴構成は、原燃料を水蒸気改質して燃料ガスを生成する改質器と、前記改質器で生成された燃料ガスを用いて発電する複数の燃料電池セルを有するセルスタックと、前記セルスタックからのオフガスを燃焼する燃焼部とを容器の内部に備え、
前記容器の内部から外部へ排出される排ガスが有する熱を用いて、前記燃料電池セルに供給する酸素、及び、前記改質器に供給する原燃料、及び、前記改質器に供給する水のうちの少なくとも何れか一つを加熱する加熱装置を、前記容器の内部の熱が伝達される前記容器の一つの外面と相対した状態で前記容器と一体に備え、
前記加熱装置では、前記排ガス、並びに、加熱対象としている前記酸素及び前記原燃料及び前記水のうちの少なくとも何れか一つが、前記一つの外面と相対する面に沿う方向に流れるように構成されている点にある。

上記特徴構成によれば、改質器及びセルスタック及び燃焼部が設けられる容器からの排ガスが有する熱によって、酸素及び原燃料及び水のうちの少なくとも何れか一つを加熱する加熱装置が、容器の外部に設けられているので、即ち、加熱装置は容器の外部で熱消費を行うように構成されているので、容器の内部での温度低下を抑制できる。その結果、容器の内部において、燃料電池セルの性能低下や燃焼部での失火といった問題の発生を抑制できる。更に、加熱装置が容器と一体に備えられているので、容器の内部から外部へ排出される排ガスからの放熱を抑制して、排熱回収性能を高めることができる。
加えて、加熱装置が、容器の内部の熱が伝達される容器の一つの外面と相対した状態で容器と一体に設けられるので、容器の一つの外面を構成する部材から外部へ熱が放出されるとしても、その放出される熱は、ほとんど消散することなく、その一つの外面と相対する状態で容器と一体に設けられる加熱装置側へ伝達されるようになる。更に、加熱装置では、排ガス、並びに、加熱対象としている酸素及び原燃料及び水のうちの少なくとも何れか一つが、容器の一つの外面と相対する面に沿う方向に流れるように構成されているので、排ガス、並びに、加熱対象としている酸素及び原燃料及び水のうちの少なくとも何れか一つは、容器の一つの外面と相対する面に沿う方向に流れている間に、その容器の一つの外面と相対する面に与えられた熱を直接的又は間接的に充分に受けることができる。
従って、燃料電池セルや燃焼部の性能低下を抑制し、且つ、排熱回収性能を高めることができる固体酸化物形燃料電池を提供できる。

本発明に係る固体酸化物形燃料電池の更に別の特徴構成は、前記加熱装置は、前記一つの外面の全体に相対した状態で設けられる点にある。

上記特徴構成によれば、加熱装置が、容器の一つの外面の全体に相対した状態で設けられるので、容器の一つの外面から放出される熱の全体を加熱装置で受けることができる。

本発明に係る固体酸化物形燃料電池の更に別の特徴構成は、前記容器と前記加熱装置とは、それらの間に伝熱量調整部材を挟んで隣接して配置される点にある。

上記特徴構成によれば、伝熱量調整部材を設けることで、容器を構成する部材から加熱装置を構成する部材への熱伝達を調整或いは制限することができる。つまり、伝熱量調整部材として、容器を構成する部材から加熱装置を構成する部材への熱伝達を制限するような構成を採用すれば、容器から加熱装置への熱伝達を、主に排ガスを媒体とした熱伝達によって行うことができる。或いは、伝熱量調整部材として、容器を構成する部材から加熱装置を構成する部材への熱伝達を促進するような構成を採用すれば、容器から加熱装置への熱伝達を、排ガスを媒体とした熱伝達と、容器を構成する部材から加熱装置を構成する部材への熱伝達とによって行うことができる。その結果、加熱装置において、容器からの排熱の有効利用を図ることができる。

本発明に係る固体酸化物形燃料電池の更に別の特徴構成は、前記加熱装置は、前記改質器に供給する原燃料と前記改質器に供給する水とを前記排ガスの熱を用いて加熱するとともに混合することで、前記改質器に供給する前記原燃料と水蒸気との混合気体を生成する第１加熱器と、前記改質器に供給する原燃料と前記改質器に供給する水との加熱に用いられた後の前記排ガスの熱を用いて前記燃料電池セルに供給する酸素を加熱する第２加熱器とを有し、前記第１加熱器と前記第２加熱器とは、それらの間に伝熱量調整部材を挟んで隣接して配置される点にある。

上記特徴構成によれば、改質器に供給する原燃料と水蒸気との混合気体が第１加熱器で生成された上で容器の内部に供給される。つまり、改質器に供給する原燃料と水とは容器の外部で第１加熱器によって加熱されて混合気体とされた上で容器の内部に導入されるので、容器の内部で水に気化熱が奪われることもない。その結果、容器の内部において原燃料と水との加熱のために奪われる熱を小さくできるので、容器の内部での温度低下を抑制できる。加えて、高温の排ガスは、先ず、第１加熱器において、改質器に供給する原燃料と水との加熱に用いられ、その後、相対的に温度が下がった排ガスが、第２加熱器において、燃料電池セルに供給する酸素の加熱に用いられる。つまり、高温の排ガスと、温度が下がった排ガスとを複数の用途に応じて供給することで、排ガスが有する熱の有効利用を図ることができる。以上のように、排ガスが、先ず相対的に高温の熱を必要とする第１加熱器において原燃料と水とを加熱するために利用され、その後、排ガスが保有する相対的に低温の熱を用いて第２加熱器において酸素が加熱されるので、排ガスが保有する熱を高温側から低温側へと段階的に回収して、熱の有効利用を図ることができる。

更に、第１加熱器と前記第２加熱器とを、それらの間に伝熱量調整部材を挟んで隣接して配置することで、第１加熱器を構成する部材から第２加熱器を構成する部材への熱伝達が調整或いは制限することができる。つまり、伝熱量調整部材として、第１加熱器を構成する部材から第２加熱器を構成する部材への熱伝達を制限するような構成を採用すれば、第１加熱器から第２加熱器への熱伝達を、主に排ガスを媒体とした熱伝達によって行うことができる。或いは、伝熱量調整部材として、第１加熱器を構成する部材から第２加熱器を構成する部材への熱伝達を促進するような構成を採用すれば、第１加熱器から第２加熱器への熱伝達を、排ガスを媒体とした熱伝達と、第１加熱器を構成する部材から第２加熱器を構成する部材への熱伝達とによって行うことができる。その結果、排ガスの供給を受ける第２加熱器において、第１加熱器から供給される排ガスの熱の有効利用を図ることができる。

本発明に係る固体酸化物形燃料電池の更に別の特徴構成は、前記第１加熱器は、前記第２加熱器よりも前記容器に近い位置に配置される点にある。

上記特徴構成によれば、容器を構成する部材から放出される熱が、第１加熱器に対して優先的に伝達されるようにできる。

本発明に係る固体酸化物形燃料電池の更に別の特徴構成は、前記第１加熱器は、前記排ガスが流れる第１流路と、前記改質器に供給する原燃料と前記改質器に供給する水とが流れる第２流路とを有し、
前記第１加熱器は平面視で矩形であり、前記第１流路は前記排ガスを矩形の長手方向に向けて直線状に流すように構成され、前記第２流路は前記改質器に供給する原燃料と前記改質器に供給する水とを矩形の短手方向に蛇行させながら長手方向に向けて流すように構成されている点にある。

上記特徴構成によれば、第１加熱器において、排ガスは原燃料や水に比べて流量が大きいので、矩形の長手方向に向けて直線状に流すことにより排ガスの圧損を相対的に小さく抑えている。排ガスと、原燃料及び水との温度差は充分にあるため、原燃料及び水が蛇行しながら長手方向に向けて流れている間に充分に加熱される。

本発明に係る固体酸化物形燃料電池の更に別の特徴構成は、前記第２加熱器は、前記排ガスが流れる第３流路と、前記燃料電池セルに供給する酸素が流れる第４流路とを有し、
前記第２加熱器は平面視で矩形であり、前記第３流路は前記排ガスを矩形の短手方向に蛇行させながら長手方向に向けて流すように構成され、前記第４流路は前記燃料電池セルに供給する酸素を矩形の短手方向に蛇行させながら長手方向に向けて流すように構成されている点にある。

上記特徴構成によれば、排ガス及び酸素は共に矩形の短手方向に蛇行しながら長手方向に流れるので、偏流を防ぐことができ、有効な伝熱面積を大きくできる。つまり、排ガスと酸素との熱交換が充分に行われるようにできる。

固体酸化物形燃料電池の容器及び加熱装置の概略的な構成を示す図である。 固体酸化物形燃料電池の容器に収容される機器の構成を示す斜視図である。 固体酸化物形燃料電池の加熱装置の全体構成を説明する図である。 加熱装置の全体構成を説明する分解斜視図である。 加熱装置のＡ層の構成を説明する図である。 加熱装置のＢ層の構成を説明する図である。 加熱装置のＣ層の構成を説明する図である。 加熱装置のＤ層の構成を説明する図である。

以下に図面を参照して本発明に係る固体酸化物形燃料電池について説明する。
図１は、固体酸化物形燃料電池ＦＣの容器１及び加熱装置２の概略的な構成を示す図である。図２は、固体酸化物形燃料電池ＦＣの容器１に収容される機器の構成を示す斜視図である。
固体酸化物形燃料電池ＦＣは、容器１の内部に、原燃料を水蒸気改質して燃料ガスを生成する改質器３と、改質器３で生成された燃料ガスを用いて発電する複数の燃料電池セル１４を有するセルスタック（燃料電池部９）と、セルスタックからのオフガスを燃焼する燃焼部１０とを備える。また、固体酸化物形燃料電池ＦＣは、容器１の内部から外部へ排出される排ガスが有する熱を用いて、燃料電池セル１４に供給する酸素（後述する「空気」）、及び、改質器３に供給する原燃料、及び、改質器３に供給する水のうちの少なくとも何れか一つを加熱する加熱装置２を、容器１の外部に、容器１と一体に備える。本実施形態では、外装ケース４が、容器１と加熱装置２とを収容している。

〔容器〕
容器１は、４つの側壁１ｂ及び上壁１ｃ及び下壁１ｅで囲まれて構成される。容器１は、平面視で、即ち横断面が矩形である。各図において、この矩形の短手方向を「Ｘ」と表記し、それに直交する長手方向を「Ｙ」と表記する。更に、容器１の内部は、Ｘ方向で対面する２つの側壁１ｂよりも内側でそのＸ方向に対面し且つ下壁１ｅよりも内側でそれら対面部分を連結するように設けられた内部隔壁１ａで区画されている。尚、内部隔壁１ａはＹ方向で対面する部位には設けられていない。つまり、容器１の内側では、Ｘ方向では内部隔壁１ａ同士が対面し、Ｙ方向では側壁１ｂ同士が対面している。更に、Ｘ方向で対面し且つ下壁１ｅよりも内側でそれら対面部分を連結している内部隔壁１ａ及びＹ方向で対面している側壁１ｂの内側には断熱材３７を設けてあり、その断熱材３７よりも更に内側には改質器３及び燃料電池部９及びガスマニホールド１５を設けてある。また、内部隔壁１ａよりも外側の、側壁１ｂ及び下壁１ｅとの間の空間には、後述するように、容器１の内部からの排ガスが流れるようになっている。

容器１の内部の上記断熱材３７よりも内側に設けられる燃料電池部９は、改質器３で生成された燃料ガスが通流する燃料通流部（図示せず）と空気（即ち、酸素）が通流する空気通流部（図示せず）とを備えた複数の固体酸化物形の燃料電池セル１４を電気的に直列接続した状態で備えたセルスタックにて構成されている。図示は省略するが、燃料電池セル１４は、燃料極と空気極との間に固体電解質層を備えた固体酸化物形に構成される。各燃料電池セル１４では、燃料通流部を燃料ガスが上向きに通流することで燃料極の全体に燃料ガスが供給され、空気通流部を上向きに空気が通流することで空気極の全体に空気が供給される。つまり、各燃料電池セル１４は、燃料通流部における燃料ガスの排出口及び空気通流部における排出口が上向きになる姿勢で横方向に並ぶ状態で、容器１の内部に設置されている。

加えて、改質器３から燃料ガス供給路１１を通して供給される燃料ガスを受け入れるガスマニホールド１５が設けられる。複数の燃料電池セル１４は、ガスマニホールド１５の上方側に上述のように並ぶ状態で配置され、ガスマニホールド１５と複数の燃料電池セル１４における燃料通流部の下端のガス導入口とが連通接続されている。そして、ガスマニホールド１５に供給された燃料ガスが複数の燃料電池セル１４夫々の燃料通流部に対して下端のガス導入口から供給されて、各燃料通流部を下方側から上方側に通流して発電反応に供される。発電反応に供された後の排燃料ガスは、上端の排出口から排出される。

断熱材３７よりも内側の空間には、後述する空気導入路８及び下方向誘導路１ｄを介して空気が供給される。複数の燃料電池セル１４夫々における空気通流部の下端部近傍には、断熱材３７よりも内側の空間と空気通流部の内部とを連通する空気供給孔（図示せず）が設けられている。複数の燃料電池セル１４夫々の空気通流部には断熱材３７よりも内側の空間の空気がこの空気供給孔を通して供給されて、各空気通流部を下方側から上方側に通流して発電反応に供される。発電反応に供された後の排空気は、上端の排出口から排出される。

燃料電池部９の上方には、各燃料電池セル１４の燃料通流部から排出される排燃料ガスと空気通流部から排出される排空気（即ち、酸素）とを燃焼させる燃焼空間（即ち、燃焼部１０）が形成される。つまり、燃料電池部９により燃焼部１０が実現される。加えて、改質器３が、燃焼部１０として機能する燃料電池部９の上方の燃焼空間に隣接して設けられている。その結果、燃焼部１０で発生する燃焼熱によって、改質器３が加熱される。改質器３には混合ガス供給路７を介して原燃料ガスと水蒸気との混合ガスが供給され、改質器３において原燃料ガスの水蒸気改質が行われる。図示は省略するが、改質器３の内部には改質触媒が充填されており、この改質触媒の触媒作用によって原燃料ガスが改質処理される。

容器１の内部からの排ガスは、内部隔壁１ａよりも外側の、側壁１ｂ及び下壁１ｅとの間の空間を通って容器１の外部に排出される。本実施形態では、断熱材３７よりも内側の空間で発生した排ガスが、内部隔壁１ａと側壁１ｂとの間の空間を下方に向けて流れ、内部隔壁１ａと下壁１ｅとの間の空間に至る。内部隔壁１ａと下壁１ｅとの間には、排ガス中の一酸化炭素を除去するための燃焼触媒３６が設けられており、排ガスはこの燃焼触媒３６と接触した後で容器１の外部に排出されるように構成されている。

〔加熱装置〕
図１に示すように、加熱装置２は、改質器３に供給する原燃料と改質器３に供給する水とを、容器１から排出される排ガスの熱を用いて加熱するとともに混合する第１加熱器２Ａと、改質器３に供給する原燃料と改質器３に供給する水との加熱に用いられた後の排ガスの熱を用いて燃料電池セル１４に供給する酸素（空気）を加熱する第２加熱器２Ｂとを有する。本実施形態では、第１加熱器２Ａは、第２加熱器２Ｂよりも容器１に近い位置に配置され、容器１との間に伝熱量調整部材５を備える。本実施形態では、伝熱量調整部材５は、上述した下壁１ｅを兼ねる。

本実施形態の加熱装置２は多層構造になっている。具体的には、第１加熱器２Ａは、Ａ層１７Ａ及びＢ層１７Ｂの２層構造であり、第２加熱器２Ｂは、Ｃ層１７Ｃ及びＤ層１７Ｄ及びＥ層１７Ｅ及びＦ層１７Ｆ及びＧ層１７Ｇの５層構造である。また、加熱装置２は、平面視で、即ち横断面が矩形に構成されている。特に本実施形態では、容器１の平面視での矩形形状と加熱装置２の平面視での矩形形状とはほぼ同一形状に形成してある。その結果、容器１及び加熱装置２は、加熱装置２を下方に配置して積み重ねられた状態で一体化されている。つまり、加熱装置２は、容器１の内部の熱が伝達される容器１の一つの外面である下壁１ｅに相対した状態で容器１と一体に設けられる。従って、容器１の下壁１ｅから外部へ熱が放出されるとしても、その放出される熱は、ほとんど消散することなく、その下壁１ｅと相対する状態で容器１と一体に設けられる加熱装置２側へ伝達されるようになる。特に、本実施形態の加熱装置２は、容器１の一つの外面である下壁１ｅの全体に相対した状態で設けられるので、容器１の下壁１ｅから放出される熱の全体を受けることができる。

図３は、固体酸化物形燃料電池ＦＣの加熱装置２の全体構成を説明する図である。図４は、加熱装置２の全体構成を説明する分解斜視図である。図５〜図８は、加熱装置２の各層の構成を説明する図である。特に、図５は加熱装置２のＡ層１７Ａの構成を説明する図であり、図６は加熱装置２のＢ層１７Ｂの構成を説明する図であり、図７は加熱装置２のＣ層１７Ｃの構成を説明する図であり、図８は加熱装置２のＤ層１７Ｄの構成を説明する図である。これらの図においても、図１及び図２と同様に、加熱装置２の矩形の短手方向を「Ｘ」と表記し、それに直交する長手方向を「Ｙ」と表記する。このＸ方向及びＹ方向は、容器１の一つの外面である下壁１ｅと相対する面内にある。

図３及び図４に示すように、容器１からの排ガスは燃焼触媒３６と接触した後で、下壁１ｅに設けられるスリット１２を介して容器１の外部に排出される（即ち、第１加熱器２Ａの内部に供給される）ように構成されている。第１加熱器２Ａと第２加熱器２Ｂとは、それらの間に板状の伝熱量調整部材６を挟んで隣接して配置される。

上述した伝熱量調整部材５、６を設けることで、伝熱量調整部材５、６を挟んだ一方側から他方側への熱伝達を調整或いは制限することができる。つまり、伝熱量調整部材５、６として、熱伝達を制限するような構成を採用すれば、容器１から加熱装置２への熱伝達及び第１加熱器２Ａから第２加熱器２Ｂへの熱伝達を、主に排ガスを媒体とした熱伝達によって行うことができる。或いは、伝熱量調整部材５、６として、熱伝達を促進するような構成を採用すれば、容器１から加熱装置２への熱伝達及び第１加熱器２Ａから第２加熱器２Ｂへの熱伝達を、排ガスを媒体とした熱伝達と、伝熱量調整部材５、６を介した熱伝達とによって行うことができる。

例えば、伝熱量調整部材５、６によって容器１を構成する部材から加熱装置２を構成する部材への熱伝達を制限するような場合、断熱材料を板状又はシート状に形成した構成や、断熱シートを袋状に形成し、その袋状の断熱シートの内部に粒状の断熱材料を充填した構成や、直接の接触を極力排した空間層の構成や、真空断熱層の構成などを伝熱量調整部材５、６として採用できる。或いは、伝熱量調整部材５、６によって容器１を構成する部材から加熱装置２を構成する部材への熱伝達を促進するような場合、板状に構成した金属材料などを伝熱量調整部材５、６として採用できる。

〔Ａ層〕
図１及び図３〜図５に示すように、第１加熱器２ＡのＡ層１７Ａには、容器１から排出された排ガスが供給される。そして、排ガスは長手方向Ｙに沿って直線的に通流する。図１、図３及び図４に示すＡ層１７Ａの上方に設けられる上述した容器１の下壁１ｅは、Ａ層１７Ａにとっての蓋部材の役割を果たしている。加えて、この下壁１ｅは、容器１から加熱装置２への伝熱量を調整する伝熱量調整部材５としての役割も果たしている。Ａ層１７Ａには、長手方向Ｙに沿って直線状に延びる谷部分と山部分とが短手方向Ｘに向かって交互に配列されることで波型に形成された波型プレート１９が設けられている。つまり、排ガスは短手方向Ｘに向かって通流することがその波型部分によって制限される。

具体的には、排ガスは、Ａ層１７Ａの長手方向Ｙの一端部に対してＡ層１７Ａの上方から供給され、波型プレート１９によって短手方向Ｘへの通流が制限された状態で長手方向Ｙの一端部から他端部まで直線的に通流する。そして、Ａ層１７Ａを通流した排ガスは、Ａ層１７Ａの他端部に設けられたスリット１８及び後述するＢ層１７Ｂに設けられたスリット２５及び伝熱量調整部材６に設けられたスリット１３を介して、第１加熱器２Ａよりも下方に設けられる空間（排ガス溜２０）に流入する。この排ガス溜２０は、第２加熱器２Ｂの短手部分の側面に設けられている。このように、第１加熱器２ＡのＡ層１７Ａでは、波型プレート１９によって、排ガスと波型プレート１９との接触面積が大きくなることで、排ガスが保有する熱が波型プレート１９に、即ち、Ａ層１７Ａを構成する部材自体に伝達され易くなる。そして、Ａ層１７Ａを構成する部材に伝達された熱は、Ａ層１７Ａの下方に設けられるＢ層１７Ｂに対して更に伝達される。

〔Ｂ層〕
図１、図３、図４及び図６に示すように、第１加熱器２ＡのＢ層１７Ｂは、仕切り部材２９によって第１空間Ｂａ〜第４空間Ｂｄまでの４つの空間に仕切られている。尚、図示を省略しているが、各空間Ｂａ〜Ｂｄにはセラミック球等が収容されている。このＢ層１７Ｂでは、先ず、第１空間Ｂａに対して、原燃料が原燃料供給管２３及び原燃料通路２４を介して供給され、及び、水が水供給管２２を介して供給される。Ｂ層１７ＢにはＡ層１７Ａを構成する部材が保有する熱が伝達されるので、Ｂ層１７Ｂの第１空間Ｂａに供給された原燃料と水とは加熱されて水は気化され、原燃料と水蒸気との混合ガスが生成される。Ｂ層１７Ｂでは、上記セラミック球によって、Ｂ層１７Ｂの内部における熱の伝達が均等に行われ、及び、各空間Ｂａ〜Ｂｄ内での気体の流れが偏ることが防止され、及び、原燃料と水蒸気との混合が良好に行われるようになる。

Ｂ層１７Ｂでは、第１空間Ｂａ〜第４空間Ｂｄの夫々において、混合ガスは短手方向Ｘに向かって通流する。更に、第１空間Ｂａ〜第４空間Ｂｄは長手方向Ｙに沿って並んでおり、仕切り部材２９によって形成された隙間を通って第１空間Ｂａから第４空間Ｂｄへと長手方向Ｙに向かって順に混合ガスが通流する。従って、Ｂ層１７Ｂ全体で見ると、第１空間Ｂａで生成された混合ガスは、第１空間Ｂａ〜第４空間Ｂｄの各空間において短手方向Ｘに蛇行しながら第１空間Ｂａから第４空間Ｂｄへと長手方向Ｙに流れ、Ａ層１７Ａを構成する部材から伝達される熱によって加熱される。その後、第４空間Ｂｄを出た混合ガスは、混合ガス供給路７を通って容器１の内部の改質器３へと供給される。このように気体の流れを折り返すように蛇行させることで、気体の混合が確実に行われる。

〔Ｃ層〕
図１、図３、図４及び図７に示すように、第２加熱器２ＢのＣ層１７Ｃは、仕切り部材３２によって第１空間Ｃａ〜第５空間Ｃｅまでの５つの空間に仕切られている。Ｃ層１７Ｃでは、先ず、第２加熱器２Ｂの短手部分の側面に設けられた排ガス溜２０から第１空間Ｃａへ排ガスが流入する。排ガスは、第１空間Ｃａから、第２空間Ｃｂ、第３空間Ｃｃ、第４空間Ｃｄ、第５空間Ｃｅへと長手方向Ｙに向かって順に流れ、最終的に排ガス溜２６に排出される。そして、排ガス溜２６から排気管２７を介して排気が行われる。各空間には、短手方向Ｘに沿って直線状に延びる谷部分と山部分とが長手方向Ｙに向かって交互に配列されることで波型に形成された波型プレート３１ａ〜３１ｅが設けられている。つまり、各空間において、排ガスは、長手方向Ｙに向かって通流することがその波型部分によって制限される。

具体的には、排ガスは、一つの空間内では、波型プレート３１ａ〜３１ｅによって長手方向Ｙへの通流が制限された状態で短手方向Ｘへと流れる。その結果、排ガスは、各空間Ｃａ〜Ｃｅにおいて短手方向Ｘに流れながら、次に長手方向Ｙに隣接する空間に流入し、その空間内でも、波型プレート３１ａ〜３１ｅによって長手方向Ｙへの通流が制限された状態で短手方向Ｘへ流れる。つまり、Ｃ層１７Ｃ全体で見ると、第１空間Ｃａから第５空間Ｃｅの各空間において短手方向Ｘに蛇行しながら第１空間Ｃａから第５空間Ｃｅへと長手方向Ｙに流れる。このように、第２加熱器２ＢのＣ層１７Ｃでは、波型プレート３１ａ〜３１ｅによって、排ガスと波型プレート３１ａ〜３１ｅとの接触面積が大きくなることで、排ガスが保有する熱が波型プレート３１ａ〜３１ｅに、即ち、Ｃ層１７Ｃを構成する部材自体に伝達され易くなる。そして、Ｃ層１７Ｃを構成する部材に伝達された熱は、Ｃ層１７Ｃの下方に設けられるＤ層１７Ｄに対して更に伝達される。また、本実施形態では、第１加熱器２ＡのＢ層１７ＢとこのＣ層１７Ｃとの間には板状の伝熱量調整部材６が配置され、その結果、Ｃ層１７Ｃの熱が上方のＢ層１７Ｂにも伝達されている。
本実施形態では説明を省略するが、第２加熱器２ＢのＥ層１７Ｅ及びＧ層１７Ｇの構成もＣ層１７Ｃと同様である。

〔Ｄ層〕
図１、図３及び図８に示すように、第２加熱器２ＢのＤ層１７Ｄは、仕切り部材３５によって第１空間Ｄａ〜第５空間Ｄｅまでの５つの空間に仕切られている。第２加熱器２Ｂの長手部分の側面には、空気（即ち、酸素）の供給が行われる空気供給部２８が設けられている。そして、空気供給部２８から第１空間Ｄａへ空気が流入する。Ｄ層１７Ｄにおいて、空気は、第１空間Ｄａから、第２空間Ｄｂ、第３空間Ｄｃ、第４空間Ｄｄ、第５空間Ｄｅへと順に流れ、最終的に空気導入路８へと流出する。そして、空気導入路８を介して容器１の内部へ空気の供給が行われる。各空間には、短手方向Ｘに沿って直線状に延びる谷部分と山部分とが長手方向Ｙに向かって交互に配列されることで波型に形成された波型プレート３４ａ〜３４ｅが設けられている。つまり、空気は、長手方向Ｙに向かって通流することがその波型部分によって制限される。

具体的には、空気は、一つの空間内では、波型プレート３４ａ〜３４ｅによって長手方向Ｙへの通流が制限された状態で短手方向Ｘへと流れる。その結果、空気は、各空間Ｄａ〜Ｄｅにおいて短手方向Ｘに流れながら、次に長手方向Ｙに隣接する空間に流入し、その空間内でも、波型プレート３４ａ〜３４ｅによって長手方向Ｙへの通流が制限された状態で短手方向Ｘへ流れる。つまり、Ｄ層１７Ｄ全体で見ると、空気は、第１空間Ｄａから第５空間Ｄｅの各空間において短手方向Ｘに蛇行しながら第１空間Ｄａから第５空間Ｄｅへと長手方向Ｙに流れる。これらＤ層１７Ｄを構成する部材には、上述したようにＣ層１７Ｃから熱が伝達されている。その結果、第２加熱器２ＢのＤ層１７Ｄでは、波型プレート３４ａ〜３４ｅによって、空気と波型プレート３４ａ〜３４ｅとの接触面積が大きくなることで、Ｄ層１７Ｄを構成する部材が保有する熱が空気に伝達され易くなる。そして、このＤ層１７Ｄで加熱された空気が空気導入路８を介して容器１の内部に導入され、燃料電池部９での発電反応及び燃焼部１０での燃焼に利用される。つまり、空気導入路８は、本発明の酸素導入路に対応する。
本実施形態では説明を省略するが、第２加熱器２ＢのＦ層１７Ｆの構成もＤ層１７Ｄと同様である。

図１に示すように、Ｄ層１７Ｄで加熱された空気が通流する空気導入路８は、加熱装置２で加熱された空気（酸素）が容器１から熱の伝達を受けながら容器１の内部に導入されるように構成されている。具体的には、空気導入路８は、加熱装置２と外装ケース４との間の空間、及び、容器１と外装ケース４との間の空間に形成される。特に、容器１の最外郭を構成する側壁１ｂ及び上壁１ｃには高温の排ガスの熱が伝達されているため、空気導入路８を通流する空気がその側壁１ｂ及び上壁１ｃと接触することで、加熱装置２で加熱された後の空気が更に加熱されることになる。

以上のように、第１加熱器２Ａは、排ガスが流れる第１流路（Ａ層１７Ａの内部空間）と、改質器３に供給する原燃料と改質器３に供給する水とが流れる第２流路（Ｂ層１７Ｂの内部空間）とを有する。また、第１加熱器２Ａは平面視で容器１と実質的に同形状の矩形であり、上記第１流路は排ガスを矩形の長手方向Ｙに向けて直線状に流すように構成され、上記第２流路は改質器３に供給する原燃料と改質器３に供給する水とを矩形の短手方向Ｘに蛇行させながら長手方向Ｙに向けて流すように構成されている。このように、第１加熱器２Ａにおいて、排ガスは原燃料や水に比べて流量が大きいので、矩形の長手方向Ｙに向けて直線状に流すことにより排ガスの圧損を相対的に小さく抑えている。更に、図５及び図６にも示したように、第１加熱器２Ａでは、高温側の排ガスの流れ方向と低温側の原燃料及び水の流れ方向とを逆方向にした対向流式を採用している。そのため、両者の熱交換を効率的に行うことができる。

また、第２加熱器２Ｂは、排ガスが流れる第３流路（Ｃ層１７Ｃ及びＥ層１７Ｅ及びＧ層１７Ｇの各層の内部空間）と、燃料電池セル１４に供給する酸素（即ち、空気）が流れる第４流路（Ｄ層１７Ｄ及びＦ層１７Ｆの各層の内部空間）とを有する。また、第２加熱器２Ｂは平面視で容器１と実質的に同形状の矩形であり、上記第３流路は排ガスを矩形の短手方向Ｘに蛇行させながら長手方向Ｙに向けて流すように構成され、上記第４流路は燃料電池セル１４に供給する酸素を矩形の短手方向Ｘに蛇行させながら長手方向Ｙに向けて流すように構成されている。このように、排ガス及び酸素は共に矩形の短手方向Ｘに蛇行しながら長手方向Ｙに流れるので、偏流を防ぐことができ、有効な伝熱面積を大きくできる。つまり、排ガスと酸素との熱交換が充分に行われるようにできる。更に、図７及び図８にも示したように、第２加熱器２Ｂでも、高温側の排ガスの流れ方向と低温側の酸素（空気）の流れ方向とを逆方向にした対向流式を採用している。そのため、両者の熱交換を効率的に行うことができる。

更に、加熱装置２の各層では、排ガス、並びに、加熱対象としている酸素及び原燃料及び水が、容器１の一つの外面である下壁１ｅと相対する面に沿う方向（図示したＸ方向及びＹ方向）に流れるように構成されているので、排ガス、並びに、加熱対象としている酸素及び原燃料及び水は、容器１の下壁１ｅと相対する面に沿う方向に流れている間に、その容器１の下壁１ｅと相対する面に与えられた熱を直接的又は間接的に充分に受けることができる。

＜別実施形態＞
＜１＞
上記実施形態において、加熱装置２が備える第１加熱器２Ａ及び第２加熱器２Ｂの内部の構成について具体例を挙げて説明したが、第１加熱器２Ａ及び第２加熱器２Ｂの内部の構成は例示したものに限定されず、適宜変更してもよい。

＜２＞
上記実施形態において、容器１の内部への空気導入路８の構成について具体例を挙げて説明したが、空気導入路８の構成は例示したものに限定されず、適宜変更してもよい。同様に、空気導入路８を通流する空気と熱交換を行う相手方の容器１では、容器１の内部からの排ガスを、内部隔壁１ａよりも外側の、側壁１ｂ及び下壁１ｅとの間の空間に流すような内部構造例を説明したが、その容器１の内部構造についても適宜変更可能である。

＜３＞
上記実施形態において、容器１の平面視での形状と加熱装置２の平面視での形状とはほぼ同一形状に形成してある例、即ち、加熱装置２が、容器１の一つの外面である下壁１ｅの全体に相対した状態で設けられる例を説明したが、容器１及び加熱装置２の平面視での形状を互い異ならせてもよい。例えば、加熱装置２の平面視での形状を、容器１の平面視での形状よりも大きく又は小さく構成してもよい。

本発明は、燃料電池セルや燃焼部の性能低下を抑制し、且つ、排熱回収性能を高めることができる固体酸化物形燃料電池に利用できる。

１ 容器
１ｅ 下壁（外面）
２ 加熱装置
２Ａ 第１加熱器（加熱装置 ２）
２Ｂ 第２加熱器（加熱装置 ２）
３ 改質器
５ 伝熱量調整部材（加熱装置 ２）
６ 伝熱量調整部材（加熱装置 ２）
８ 空気導入路（酸素導入路）
９ 燃料電池部（セルスタック）
１０ 燃焼部
１４ 燃料電池セル
２８ 空気供給部
ＦＣ 固体酸化物形燃料電池

Claims (7)

1. 原燃料を水蒸気改質して燃料ガスを生成する改質器と、前記改質器で生成された燃料ガスを用いて発電する複数の燃料電池セルを有するセルスタックと、前記セルスタックからのオフガスを燃焼する燃焼部とを容器の内部に備え、
   前記容器の内部から外部へ排出される排ガスが有する熱を用いて、前記燃料電池セルに供給する酸素、及び、前記改質器に供給する原燃料、及び、前記改質器に供給する水のうちの少なくとも何れか一つを加熱する加熱装置を、前記容器の内部の熱が伝達される前記容器の一つの外面に相対した状態で前記容器と一体に備え、
   前記加熱装置では、前記排ガス、並びに、加熱対象としている前記酸素及び前記原燃料及び前記水のうちの少なくとも何れか一つが、前記一つの外面と相対する面に沿う方向に流れるように構成されている固体酸化物形燃料電池。
2. 前記加熱装置は、前記一つの外面の全体に相対した状態で設けられる請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池。
3. 前記容器と前記加熱装置とは、それらの間に伝熱量調整部材を挟んで隣接して配置される請求項１又は２に記載の固体酸化物形燃料電池。
4. 前記加熱装置は、
   前記改質器に供給する原燃料と前記改質器に供給する水とを前記排ガスの熱を用いて加熱するとともに混合することで、前記改質器に供給する前記原燃料と水蒸気との混合気体を生成する第１加熱器と、
   前記改質器に供給する原燃料と前記改質器に供給する水との加熱に用いられた後の前記排ガスの熱を用いて前記燃料電池セルに供給する酸素を加熱する第２加熱器とを有し、
   前記第１加熱器と前記第２加熱器とは、それらの間に伝熱量調整部材を挟んで隣接して配置される請求項１〜３の何れか一項に記載の固体酸化物形燃料電池。
5. 前記第１加熱器は、前記第２加熱器よりも前記容器に近い位置に配置される請求項４に記載の固体酸化物形燃料電池。
6. 前記第１加熱器は、前記排ガスが流れる第１流路と、前記改質器に供給する原燃料と前記改質器に供給する水とが流れる第２流路とを有し、
   前記第１加熱器は平面視で矩形であり、前記第１流路は前記排ガスを矩形の長手方向に向けて直線状に流すように構成され、前記第２流路は前記改質器に供給する原燃料と前記改質器に供給する水とを矩形の短手方向に蛇行させながら長手方向に向けて流すように構成されている請求項４又は５に記載の固体酸化物形燃料電池。
7. 前記第２加熱器は、前記排ガスが流れる第３流路と、前記燃料電池セルに供給する酸素が流れる第４流路とを有し、
   前記第２加熱器は平面視で矩形であり、前記第３流路は前記排ガスを矩形の短手方向に蛇行させながら長手方向に向けて流すように構成され、前記第４流路は前記燃料電池セルに供給する酸素を矩形の短手方向に蛇行させながら長手方向に向けて流すように構成されている請求項４〜６の何れか一項に記載の固体酸化物形燃料電池。

Images