JP2014022230A - 固体酸化物形燃料電池装置 - Google Patents

Abstract

【課題】部分酸化改質反応による過昇温を抑制することで改質器の保護を図ることができる固体酸化物形燃料電池装置を提供すること。
【解決手段】この固体酸化物型燃料電池を構成する燃料電池モジュール２は、燃料電池セルスタック１４を通過したオフガス燃料をオフガス燃焼セルバーナー方式によって燃焼させて発生した燃焼ガスにより改質器２０を加熱する燃焼室１８と、発電用酸化剤ガスを加熱するために燃焼ガスと熱交換を行う熱交換器２２と、燃料と酸化剤ガスを化学反応させることにより燃料を部分酸化改質する改質反応及び燃料と水蒸気を化学反応させることにより水蒸気改質反応の双方によって水素を生成可能な改質器２０と、を備え、熱交換器２２と改質器２０との間に、燃焼ガスが熱交換器２２に流入する前に熱交換器２２へ熱伝導することを抑制するように断熱層８１が配置されている。
【選択図】図６

Description

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとにより発電を行う固体酸化物形燃料電池装置に関する。

固体酸化物形燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell：以下「ＳＯＦＣ」ともいう）は、電解質として酸化物イオン導電性固体電解質を用い、その両側に電極を取り付け、一方の側に燃料ガスを供給し、他方の側に酸化剤ガス（空気、酸素等）を供給して、比較的高温で発電反応を生じさせて発電を行う燃料電池装置である。

具体的には、ＳＯＦＣは、一般に、内側電極層である燃料極層と外側電極層である空気極層との間に固体電解質層が挟持されてなる管状の燃料電池セルを複数有する燃料電池セル集合体（燃料電池セルスタック）を備えており、燃料ガスと酸化剤ガス（空気、酸素等）とが、その燃料電池セルの一端側から他端側へと流れることによって作動する。ＳＯＦＣの外部からは、原料ガスである被改質ガス（都市ガス等）が供給され、その被改質ガスを改質触媒が収められた改質器に導入し、水素リッチな燃料ガスに改質した後に、それが燃料電池セル集合体へ供給されるように構成されている。

また、ＳＯＦＣは、起動工程において、燃料ガスを改質器において改質する複数の工程、すなわち、部分酸化改質（Partial Oxidation Reforming：ＰＯＸ）反応工程（以下、ＰＯＸ反応工程ともいう）、オートサーマル改質（Auto Thermal Reforming：ＡＴＲ）反応工程（以下、ＡＴＲ反応工程ともいう）、及び、水蒸気改質（Steam Reforming：ＳＲ）反応工程（以下、ＳＲ反応工程ともいう）を経て、発電工程へ移行するように構成されている。ＳＯＦＣでは、これらの工程を順に実行することにより、改質器や燃料電池セルスタック等を動作温度まで昇温させることができる。

かかるＳＯＦＣにおいて、起動時に部分酸化改質反応工程を行うことが一般的である。例えば、特許文献１には、改質器の起動時改質反応を変えることで、改質器の起動を円滑に行うことができる改質器の起動運転方法が記載されている。

特開２００４−１０４１１号公報

しかし、ＰＯＸ反応工程は発熱反応であり、投入空気量などがばらつくと状況によっては急激な発熱反応を起こし、これによって過昇温を伴うため改質器の寿命に重大な影響を与えるおそれがあった。特許文献１はＰＯＸ反応を利用した起動制御の一般的な技術を開示しているに過ぎず、積極的に改質器の過昇温の発生を抑制するような技術思想の開示及び示唆はない。

ここで、ＰＯＸ反応工程を実行する目的の一つが発熱反応を利用した改質器の昇温にあることに鑑みれば、ＰＯＸ反応工程による発熱反応を過剰にせずとも、何らかの手段で改質器の温度を速やかに高めて早期にＳＲ反応工程に移行することが可能となれば、ＰＯＸ反応に伴う過昇温を抑制することが可能となる。

そこで、本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、改質器における部分酸化改質反応を抑えても、早期にＳＲ反応工程に移行でき、これによって過昇温も抑制できる固体酸化物形燃料電池装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る固体酸化物形燃料電池装置は、表面がカソード電極で、内部がアノード電極となるよう、内部に燃料ガス通路が形成された燃料電池セルと、その燃料電池セルを内部に収納する燃料電池モジュールと、前記燃料電池モジュール内に配置され、被改質ガスと酸化剤ガスを化学反応させることにより被改質ガスを部分酸化改質する改質反応及び、被改質ガスと水蒸気を化学反応させる水蒸気改質反応の双方によって水素を含む燃料ガスを生成可能な改質器と、前記燃料電池モジュール内に配置され、前記燃料電池セルを通過した残余の燃料ガスを燃焼させて発生した燃焼ガスにより、前記改質器を加熱する燃焼室と、前記改質器に被改質ガスを供給することにより、前記改質器で改質された燃料ガスを前記燃料電池セルに送り込む燃料ガス供給手段と、前記改質器に改質用の酸化剤ガスを供給する改質用酸化剤ガス供給手段と、前記改質器に改質用の水を供給する水供給手段と、前記燃料電池セルに発電用の酸化剤ガスを供給する発電用酸化剤ガス供給手段と、前記改質器と隔てて配置されるとともに、前記発電用酸化剤ガスを加熱するために前記燃焼ガスと熱交換を行う熱交換器と、前記燃料電池モジュール内の温度を取得する温度取得手段と、前記温度取得手段が取得した前記燃料電池モジュール内の温度に基づいて、前記燃料供給手段、前記改質用酸化剤ガス供給手段、前記水供給手段、及び前記発電用酸化剤ガス供給手段を制御し、前記燃料電池モジュール内の温度上昇に伴い、予め決定された温度帯域において、前記改質器内で行う改質反応を変更し、前記燃料電池セルスタックを発電可能な温度まで昇温させる起動制御を実行する制御手段と、を備え、更に、前記熱交換器と改質器との間に、前記燃焼室で発生した燃焼ガスから前記熱交換器への熱伝導を抑制する断熱層を設けていることを特徴とするものである。

このように本発明では、熱交換器と改質器との間に熱伝導を抑制する断熱層を設けたことにより、燃焼室で改質器を加熱した燃焼ガスが熱交換器のケースに対して多くの熱を奪われることを抑制できるため、まずは改質器に対する熱交換量が増えて改質器の温度を速やかに昇温させることが可能となった。また、熱交換器のケースではなく、熱交換器の内部から昇温が促進されるように熱伝導を抑制する断熱層が作用するため、燃焼ガスとの熱交換量が増え、燃焼ガスによる改質器やモジュール内部の温度昇温を速やかに行うことが可能となる。これにより、ＰＯＸ反応を過剰にすることなく、改質器の温度を早期に水蒸気改質の可能な温度にまで昇温させることができる。その結果、ＰＯＸ反応を抑えることが可能となって、ＰＯＸ反応に伴う発熱量も抑えることが可能となり、改質器の過昇温影響を抑制して改質器の保護を図ることが可能となる。

また、本発明に係る固体酸化物形燃料電池装置では、熱交換器と改質器との間に設けられた断熱層は、熱伝導性が小さい断熱材であることを特徴とする。

この好ましい形態では、積極的に熱交換器のケースに対する熱交換量を抑制する断熱材を設けたことによって断熱性能を向上させることができる。従って、燃焼ガスをより高温の状態で熱交換器内部に供給することができ、より発電用酸化剤ガスの熱交換効率を高めモジュール内部を速やかに高温にすることが可能となる。

また、本発明に係る固体酸化物形燃料電池装置では、更に前記断熱材と前記改質器との間に、前記断熱材に沿って前記燃焼ガスを排出させる排気通路を設けると共に、発電用酸化剤ガスを前記熱交換器内へ供給する発電用酸化剤ガス流入口を設け、前記排気通路には、前記発電用酸化剤ガス流入口に対応する領域に、前記燃焼ガスが滞留する空気層からなる断熱層が更に構成されていることを特徴とする。

この好ましい形態では、断熱材と改質器との間に、発電用酸化剤ガス流入口に対応する領域に燃焼ガスが滞留する空気層からなる断熱層を更に排気通路に設けたことによって、発電用酸化剤ガス流入口より流入する低温の酸化剤ガスと、燃焼ガスとの熱交換が抑制されるため燃焼ガスの温度を高温に維持した状態で熱交換器へ確実に供給することが可能となる。これにより、燃焼ガスと発電用酸化剤ガスの熱交換効率を高め、高温の発電用酸化剤ガスを供給して改質器を加熱できるので、ＰＯＸ反応に起因する過昇温を一層抑制することが可能となる。

本発明によれば、燃焼ガスと熱交換器のケースとの熱交換を抑制し、熱交換器内部に確実に高温の燃焼ガスを供給することが可能となるため、低温の酸化剤ガスに対する熱交換効率を向上させることができる。この熱交換効率の向上によって、高温の発電用酸化剤ガスをモジュール内がまだ低温の起動工程期に供給できるため、改質器の昇温を早めることが可能となり早期にＳＲ改質工程に移行することができる。よって、ＰＯＸ反応を抑えることも可能となり過昇温に伴う改質器劣化をも抑制することができる。

本発明の実施形態における燃料電池モジュールの外観を示す斜視図である。 図１の中央近傍における断面図であって、図１のＡ方向から見た断面を示す断面図である。 図１の中央近傍における断面図であって、図１のＢ方向から見た断面を示す断面図である。 図１のケーシングから一部の外板を取り除いた状態を示す斜視図である。 図２に相当する模式図であって、発電用空気及び燃焼ガスの流れを示す模式図である。 図３に相当する模式図であって、発電用空気及び燃焼ガスの流れを示す模式図である。 本実施形態に用いられる燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。 本実施形態における燃料電池セルスタックの構成を示す斜視図である。 図６の熱交換器を示す模式図である。 図１に示す燃料電池モジュール内部の断熱材及び熱溜部を示す平面図である。 変形例における燃料電池モジュール内部の熱溜部を示す平面図である。 変形例における発電用空気及び燃焼ガスの流れを示す模式図である。 図１に示す燃料電池モジュールを含む固体電解質形燃料電池装置を示す全体構成図である。 図１３に示す固体電解質形燃料電池装置の制御的な構成を示すブロック構成図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。

本発明の実施形態である固体電解質形燃料電池装置に用いられる燃料電池モジュールについて、図１を参照しながら説明する。図１に示す燃料電池モジュール２は、固体電解質形燃料電池装置の一部を構成するものである。固体電解質形燃料電池装置は、燃料電池モジュール２と、補機ユニットとを備える。固体電解質形燃料電池装置及び補機ユニットについては、詳細を後述する。

図１においては、燃料電池モジュール２の高さ方向をｙ軸方向としている。このｙ軸に直交する平面に沿ってｘ軸及びｚ軸を定義し、燃料電池モジュール２の短手方向に沿った方向をｘ軸方向とし、燃料電池モジュール２の長手方向に沿った方向をｚ軸方向としている。図２以降において図中に記載しているｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸は、図１におけるｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸を基準としている。また、ｚ軸の負方向に沿った方向をＡ方向とし、ｘ軸の正方向に沿った方向をＢ方向としている。

燃料電池モジュール２は、燃料電池セル（詳細は後述する）を収容するケーシング５６を備えている。ケーシング５６の上部に、熱交換器２２が設けられている。ケーシング５６の内部は密封空間となっている。ケーシング５６には、被改質ガス供給管６０と、水供給管６２とが繋げられている。一方、熱交換器２２には、発電用空気導入管７４と、燃焼ガス排出管８２とが繋げられている。

被改質ガス供給管６０は、ケーシング５６の内部に都市ガスといった改質用の被改質ガスを供給する管路である。水供給管６２は、被改質ガスを水蒸気改質する際に用いられる水を供給する管路である。発電用空気導入管７４は、改質後の燃料ガスと発電反応を起こさせるための発電用空気（酸化剤ガス）を供給する管路である。燃焼ガス排出管８２は、発電反応後の燃料ガスを燃焼した結果生じる燃焼ガスを排出する管路である。

続いて、図２〜図４を参照しながら、燃料電池モジュール２の内部について説明する。図２は、燃料電池モジュール２をその中央近傍において図１のＡ方向から見た断面図である。図３は、燃料電池モジュール２をその中央近傍において図２のＢ方向から見た断面図である。図４は、図１に示す燃料電池モジュール２から燃料電池セル集合体を覆うケーシング５６の一部を取り外した状態を示す斜視図である。

図２〜図４に示すように、燃料電池モジュール２の燃料電池セル集合体１２は、ケーシング５６により、全体が覆われている。図４に示すように、燃料電池セル集合体１２は、全体としてＢ方向よりＡ方向の方が長いほぼ直方体形状であり、改質器２０側の上面、燃料ガスタンク６８側の下面、図４のＡ方向に沿って延びる長辺側面と、図４のＢ方向に沿って延びる短辺側面と、を備えている。

図６に示すように、水供給管６２から供給される水を蒸発させるための蒸発混合器２３は、改質器２０の内部に設けられている。蒸発混合器２３は、燃焼ガスにより加熱され、水を水蒸気にすると共に、この水蒸気と被改質ガスである燃料ガス（都市ガス）と空気とを混合するためのものである。

被改質ガス供給管６０及び水供給管６２は、ケーシング５６の内部に導かれた後、共に改質器２０に繋がれている。より具体的には、図３に示すように、改質器２０の上流端である図中右側の端部に繋がれている。

改質器２０は、燃料電池セル集合体１２の上方に形成された燃焼室１８の更に上方に配置されている。したがって、改質器２０は、発電反応後の残余の燃料ガス及び空気による燃焼熱によって熱せられ、蒸発混合器２３としての役割と、燃料ガスと酸化剤ガスを化学反応させることにより燃料を部分酸化改質する改質反応及び、燃料と水蒸気を化学反応させることにより水蒸気改質反応の双方によって水素を生成可能な改質器としての役割とを果たすように構成されている。

改質器２０の下流端（図３の左端）には、燃料供給管６６の上端が接続されている。この燃料供給管６６の下端側６６ａは、燃料ガスタンク６８内に入り込むように配置されている。

図２〜図４に示すように、燃料ガスタンク６８は、燃料電池セル集合体１２の真下に設けられている。また、燃料ガスタンク６８内に挿入された燃料供給管６６の下端側６６ａの外周には、長手方向（Ａ方向）に沿って複数の小穴（図示せず）が形成されている。改質器２０で改質された燃料ガスは、これら複数の小穴（図示せず）によって燃料ガスタンク６８内に長手方向に均一に供給されるようになっている。燃料ガスタンク６８に供給された燃料ガスは、燃料電池セル集合体１２を構成する各燃料電池セルユニット１６の内側にある燃料ガス流路（詳細は後述する）内に供給され、燃料電池セルユニット１６内を上昇して、燃焼室１８に至るようになっている。

続いて、発電用空気を燃料電池モジュール２の内部へ供給するための構造を、図２〜図６を参照しながら説明する。図５は、図２に対応する模式図であって、発電用空気及び燃焼ガスの流れを示す図である。図６は、図３に対応する模式図であって、同様に発電用空気及び燃焼ガスの流れを示す図である。これらの図に示すように、改質器２０の上方に熱交換器２２が設けられ、改質器２０と熱交換器２２の間には断熱層８１が設けられている。この断熱層８１とは別に、ケーシング５６は断熱材８０で覆われている。熱交換器２２には、複数の燃焼ガス配管７０と、この燃焼ガス配管７０の周囲に形成された発電用空気流路７２とが設けられている。

熱交換器２２の上面における一端側（図３における右端）には、発電用空気導入管７４が取り付けられている。この発電用空気導入管７４により、発電用空気流量調整ユニット（詳細は後述する）から、発電用空気が、熱交換器２２内に導入されるようになっている。

熱交換器２２の上側の他端側（図３における左端）には、図２に示すように、発電用空気流路７２の出口ポート７６ａが一対形成されている。この出口ポート７６ａは、一対の連絡流路７６につながっている。さらに、燃料電池モジュール２のケーシング５６の幅方向（Ｂ方向：短辺側面方向）の両側の外側には、発電用空気供給路７７が形成されている。

したがって、発電用空気供給路７７には、発電用空気流路７２の出口ポート７６ａ及び連絡流路７６から、発電用空気が供給されるようになっている。この発電用空気供給路７７は、燃料電池セル集合体１２の長手方向に沿って形成されている。さらに、その下方側であり且つ燃料電池セル集合体１２の下方側に対応する位置に、発電室１０内の燃料電池セル集合体１２の各燃料電池セルユニット１６に向けて発電用空気を吹き出すための複数の吹出口７８ａ，７８ｂが形成されている。これらの吹出口７８ａ，７８ｂから吹き出された発電用空気は、各燃料電池セルユニット１６の外側に沿って、下方から上方へ流れるようになっている。

熱交換器２２と改質器２０の間には、図６に示すように、断熱層８１が形成されている。断熱層８１は、熱交換器底面２２ｂに沿って、熱交換器２２に燃焼ガスが流入する燃焼ガス流入口２２aの下端から燃焼ガスを排出するための燃焼ガス排出管８２の下端まで形成され、燃焼室１８内で発生した燃焼ガスから熱交換器２２への熱伝達を抑制するように構成されている。断熱層８１は、燃焼ガスの熱が熱交換器２２の外表面から伝熱されて熱交換器２２の内部に至るのを抑制する機能を有すればよく、その態様は燃焼ガスの温度や熱交換器２２の外側を形成する部材の材質や厚みによって様々なものが選択されうる。従って、断熱層８１は、金属板によって囲われた空間内に空気のみを充填した空気層として形成してもよく、金属板によって囲われた空間内に断熱部材を配置してもよい。

続いて、燃料ガスと発電用空気とが燃焼して生成される燃焼ガスを排出するための構造を説明する。燃料電池セルユニット１６の上方にある燃焼室１８では、発電反応に使用されなかった燃料ガスと発電用空気とが燃焼することで、燃焼ガスが発生する。この燃焼ガスは、燃焼室１８内を上昇し整流板２１に至る。整流板２１には、図６に示すように、開口２１aが設けられており、開口２１a内に燃焼ガスが導かれる。この開口２１aを通った燃焼ガスは、断熱層８１の下方領域に設けられた排気通路２００を通って熱交換器２２の燃焼ガス流入口２２aに至る。排気通路２００内には、発電用空気導入管７４の対応する領域に、燃焼ガスが淀むように熱溜部２０５が形成されている。熱交換器２２内には、燃焼ガスを排出するための複数の燃焼ガス配管７０（燃焼ガス流路）が設けられている。これらの燃焼ガス配管７０の下流端側には、燃焼ガス排出管８２が接続され、燃焼ガスが外部に排出されるようになっている。

このように熱交換器２２と改質器２０との間に断熱層８１を設けたことにより、燃焼ガスが熱交換器２２の燃焼ガス流入口２２aに流入するまでに、熱交換器２２への熱伝達を抑制することができる。その結果、燃焼ガスを高温の状態で熱交換器２２へ流入させることができ、発電用空気と燃焼ガスとの熱交換効率を向上させることができる。これにより、発電用空気を高温の状態でモジュール室内に供給することができるので、改質器２０を早期に水蒸気改質の可能な温度に上昇させ、部分酸化改質反応に起因する改質器の過昇温を抑制することができる。

さらに、断熱層８１は、空気の対流を防止する断熱材により形成しても良い。具体的に、空気の対流を防止する断熱材としては、例えば真空断熱層やシリカ系材料の断熱材を用いることができる。このように構成することにより、断熱層８１を空気の断熱層で設けたものよりも、断熱性能を向上させることができるので、燃焼ガスをより高温の状態で熱交換器に供給することができ、発電用酸化剤ガスとの熱交換効率を高めることができる。

なお、本実施形態において、断熱層８１は、燃焼ガス流入口２２aの下端から燃焼ガス排出管８２の下端まで形成されているが、熱交換器２２ｂの下方領域の少なくとも一部に断熱材を形成するように構成しても良い。例えば、発電用空気導入管７４に対応する領域にのみ、断熱材を形成してもよい。

このように発電用空気導入管７４に対応する領域に断熱層８１を構成することにより、発電用空気導入管７４より流入する低温の発電用酸化剤ガスが、高温の燃焼室内に熱伝達することを防ぐことができるので、モジュール室内を高温に維持することができ、改質器の温度を上昇させることができる。その結果、改質器における部分酸化改質反応を抑え、過昇温を抑制することができる。

続いて、図７を参照しながら燃料電池セルユニット１６について説明する。図７は、本実施形態の燃料電池セルユニット１６を示す部分断面図である。

図７に示すように、燃料電池セルユニット１６は、燃料電池セル８４と、この燃料電池セル８４の上下方向端部にそれぞれ接続された内側電極端子８６とを備えている。

燃料電池セル８４は、上下方向に延びる管状構造体であり、内部に燃料ガス流路８８を形成する円筒形の内側電極層９０と、円筒形の外側電極層９２と、内側電極層９０と外側電極層９２との間にある電解質層９４とを備えている。この内側電極層９０は、燃料ガスが通過する燃料極であり、（−）極となり、一方、外側電極層９２は、空気と接触する空気極であり、（＋）極となっている。

燃料電池セルユニット１６の上端側と下端側に取り付けられた内側電極端子８６は、同一構造であるため、ここでは、上端側に取り付けられた内側電極端子８６について具体的に説明する。内側電極層９０の上部９０ａは、電解質層９４と外側電極層９２に対して露出された外周面９０ｂと上端面９０ｃとを備えている。内側電極端子８６は、導電性のシール材９６を介して内側電極層９０の外周面９０ｂと接続され、さらに、内側電極層９０の上端面９０ｃとは直接接触することにより、内側電極層９０と電気的に接続されている。内側電極端子８６の中心部には、内側電極層９０の燃料ガス流路８８と連通する燃料ガス流路９８が形成されている。

内側電極層９０は、例えば、Ｎｉと、ＣａやＹ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニアとの混合体、Ｎｉと、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリアとの混合体、Ｎｉと、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｕから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレードとの混合体、の少なくとも一種から形成される。

電解質層９４は、例えば、Ｙ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニア、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリア、Ｓｒ、Ｍｇから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレート、の少なくとも一種から形成される。

外側電極層９２は、例えば、Ｓｒ、Ｃａから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンマンガナイト、Ｓｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンフェライト、Ｓｒ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンコバルタイト、銀、などの少なくとも一種から形成される。

続いて、図８を参照しながら燃料電池セルスタック１４について説明する。図８は、本発実施形態の燃料電池セルスタック１４を示す斜視図である。

図８に示すように、燃料電池セルスタック１４は、１６本の燃料電池セルユニット１６を備え、これらの燃料電池セルユニット１６の下端側及び上端側が、それぞれ、セラミック製の燃料ガスタンク上板６８ａ及び上支持板１００により支持されている。これらの燃料ガスタンク上板６８ａ及び上支持板１００には、内側電極端子８６が貫通可能な貫通穴がそれぞれ形成されている。

さらに、燃料電池セルユニット１６には、集電体１０２及び外部端子１０４が取り付けられている。この集電体１０２は、燃料極である内側電極層９０に取り付けられた内側電極端子８６と、隣接する燃料電池セルユニット１６の空気極である外側電極層９２の外周面とを電気的に接続するものである。

さらに、燃料電池セルスタック１４の端に位置する２個の燃料電池セルユニット１６の上側端及び下側端の内側電極端子８６には、それぞれ外部端子１０４が接続されている。これらの外部端子１０４は、隣接する燃料電池セルスタック１４の端にある燃料電池セルユニット１６の外部端子１０４に接続され、１６０本の燃料電池セルユニット１６の全てが直列接続されるようになっている。

続いて、図９を参照して熱交換器２２についてさらに説明する。図９は、図６に示す熱交換器２２を模式的に示した図である。

上述したように、熱交換器２２は、燃料電池セル集合体１２での発電反応に使用されなかった燃料ガスと発電用空気とが燃焼することで発生する燃焼ガスの熱を利用して、発電反応に使用する発電用空気を加熱するものである。本実施形態における熱交換器２２は、燃焼ガス配管７０内に乱流生成部材７１を備える点に特徴がある。つまり、燃焼ガス配管７０内に乱流生成部材７１を備えることで、低温時の熱交換効率を向上させ、高温時の運転効率を向上させることを可能とした。以下に、乱流生成部材７１について詳細に説明する。

乱流生成部材７１は、燃焼ガス配管７０を流れる燃焼ガスに乱流を生じさせる部材である。乱流生成部材７１は、棒状の部材を螺旋状にねじることで形成する。このような螺旋状の乱流生成部材７１を燃焼ガス配管７０内に配置することで、燃焼ガス配管７０内を流れる燃焼ガスに乱流を生じさせて拡散することができる。これにより、燃焼ガス配管７０内における燃焼ガスの流動距離や流動時間を延長することができるため、燃焼ガスから発電用空気への熱交換効率を向上させることができる。

乱流生成部材７１は、温度に応じて、乱流生成部材７１の長手方向に伸縮する部材により形成される。つまり、温度が上昇すると、乱流生成部材７１の長さが長くなり、上昇した温度が下降すると、乱流生成部材７１の長さは短くなる。

乱流生成部材７１を螺旋状にねじって形成することで、乱流生成部材７１と同一の材料かつ同一の長さで形成した直線状の部材と比較すると、熱膨張したときの長さを長くすることができる。つまり、乱流生成部材７１は、その長手方向において、円筒状の燃焼ガス配管７０よりも大きな膨張率を有することになる。なお、乱流生成部材７１は、燃焼ガス配管７０と同一の材料で形成することには限定されず、燃焼ガス配管７０よりも熱膨張し易い材料で形成してもよい。熱膨張し易い材料で形成することで、後述する高温時の乱流低減効果をより高めることができる。

図９に示すように、乱流生成部材７１は、例えば０℃等の低温時に、燃焼ガス配管７０の配管長と同じ長さになるように形成する。乱流生成部材７１は、燃焼ガス配管７０内に配置する際に、燃焼ガス配管７０の上流側に位置する端部７１ａを燃焼ガス配管７０に固定し、燃焼ガス配管７０の下流側に位置する端部７１ｂを燃焼ガス配管７０に固定しないで配置する。

このように乱流生成部材７１を配置することで、例えば発電時等の高温時には、乱流生成部材７１が熱膨張により伸長し、燃焼ガス配管７０の下流側開口部から乱流生成部材７１の端部７１ｂ側が突出する。

図１１及び図１２は、変形例としての燃料電池モジュールを示す図である。図１１は、変形例における燃料電池モジュール内部の熱溜部を示す平面図である。図１２は、発電用空気及び燃焼ガスの流れを示す模式図である。

図１２に示すように、熱交換器２２と改質器２０との間に排気通路２００ａが設けられている。図１１及び図１２に示すように、排気通路２００ａ内には、発電用空気導入管７４に対応する領域に、開口２１aを通過した燃焼ガスが淀むように熱溜部２０５ａが形成されている。具体的には、排気通路２００ａに燃焼ガスを導入する開口２１ａを、熱交換器２２に燃焼ガスを送り込む入口側に配置している。従って、熱溜部２０５ａは、開口２１ａから熱交換器２２に流れる燃焼ガスの流れよりも遠くまで形成されることになり、より確実に燃焼ガスの流れを滞留させることができ、燃焼ガスの流動速度が小さくすることができる。

このように構成することにより、熱溜部２０５ａにおける燃焼ガスの流動速度が、開口２１aから燃焼ガス流入口２２aへ通過する燃焼ガスの流動速度よりも確実に小さくすることができるので、燃焼ガスの流れを滞留させることができる。この結果、発電用空気導入管７４より低温の酸化剤ガスが流入した場合でも、熱溜部２０５ａにより燃焼室１８内への熱伝達を妨げることで、モジュール室内を高温に維持することができる。これにより、改質器２０の温度を上昇させることができ、部分酸化改質反応による過昇温の発生を抑制することができる。

続いて、上述した燃料電池モジュール２を含む固体電解質形燃料電池装置について、図１３及び図１４を参照しながら説明する。図１３は、燃料電池モジュール２を含む固体電解質形燃料電池装置を示す全体構成図である。図１４は、図１３に示す固体電解質形燃料電池装置の制御的な構成を示すブロック構成図である。図１３に示すように、固体電解質形燃料電池１は、燃料電池モジュール２と、補機ユニット４を備えている。

燃料電池モジュール２は、ハウジング６を備えている。このハウジング６内部には、断熱材３０（図５参照）に囲まれて密封空間８が形成されている。この密封空間８の下方部分である発電室１０には、燃料ガスと酸化剤ガス（空気）とにより発電反応を行う燃料電池セル集合体１２が配置されている。

この燃料電池セル集合体１２は、１０個の燃料電池セルスタック１４を備えている。この燃料電池セルスタック１４は、１６本の燃料電池セルユニット１６（単セル、図７参照）から構成されている。燃料電池セル集合体１２は、１６０本の燃料電池セルユニット１６を有し、これらの燃料電池セルユニット１６の全てが直列接続されている。

燃料電池モジュール２の密封空間８の上述した発電室１０の上方には、燃焼室１８が形成されている。この燃焼室１８で、発電反応に使用されなかった残余の燃料ガスと残余の酸化剤ガス（空気）とが燃焼し、燃焼ガス（排気ガス）を生成するようになっている。

この燃焼室１８の上方には、被改質ガスを改質して燃料ガスを生成する改質器２０が配置されている。上述した燃焼ガスの燃焼熱によって、改質器２０を改質反応が可能な温度となるように加熱している。さらに、この改質器２０の上方には、燃焼ガスの熱により外部から導入される酸化剤ガス（発電用空気）を加熱する熱交換器２２が配置されている。

補機ユニット４は、水道等の水供給源２４からの水を貯水してフィルターにより純水とする純水タンク２６と、この貯水タンクから供給される水の流量を調整する水流量調整ユニット２８（本発明の水供給手段に相当する。モータで駆動される「水ポンプ」等を含む。）を備えている。また、補機ユニット４は、都市ガス等の燃料供給源３０から供給された燃料ガスを遮断するガス遮断弁３２と、燃料ガスから硫黄を除去するための脱硫器３６と、燃料ガスの流量を調整する燃料流量調整ユニット３８（本発明の燃料ガス供給手段に相当する。モータで駆動される「燃料ポンプ」等を含む。）を備えている。

さらに、補機ユニット４は、空気供給源４０から供給される酸化剤ガスである空気を遮断する電磁弁４２と、空気の流量を調整する改質用空気流量調整ユニット４４（本発明の改質用酸化剤ガス供給手段に相当する。モータで駆動される「空気ブロア」等を含む。）及び発電用空気流量調整ユニット４５（本発明の発電用酸化剤ガス供給手段に相当する。モータで駆動される「空気ブロア」等を含む。）と、改質器２０に供給される改質用空気を加熱する第１ヒーター４６と、発電室に供給される発電用空気を加熱する第２ヒーター４８とを備えている。これらの第１ヒーター４６と第２ヒーター４８は、起動時の昇温を効率よく行うために設けられているが、省略しても良い。

燃料電池モジュール２には、排気ガスが供給される温水製造装置５０が接続されている。この温水製造装置５０には、水供給源２４から水道水が供給され、この水道水が排気ガスの熱により温水となり、図示しない外部の給湯器の貯湯タンクへ供給されるようになっている。燃料電池モジュール２には、燃料ガスの供給量等を制御するための制御ボックス５２が取り付けられている。燃料電池モジュール２には、燃料電池モジュールにより発電された電力を外部に供給するための電力取出部（電力変換部）であるインバーター５４が接続されている。

図１４に示すように、固体電解質形燃料電池１は、制御部１１０（本発明の制御手段に相当する）を備えている。この制御部１１０には、使用者が操作するための「ＯＮ」や「ＯＦＦ」等の操作ボタンを備えた操作装置１１２、発電出力値（ワット数）等の種々のデータを表示するための表示装置１１４、及び、異常状態のとき等に警報（ワーニング）を発する報知装置１１６が接続されている。なお、この報知装置１１６は、遠隔地にある管理センタに接続され、この管理センタに異常状態を通知するようなものであっても良い。

制御部１１０には、以下に説明する種々のセンサーからの信号が入力されるようになっている。可燃ガス検出センサー１２０は、ガス漏れを検知するためのもので、燃料電池モジュール２及び補機ユニット４に取り付けられている。ＣＯ検出センサー１２２は、本来燃焼ガス排出室８０等を経て外部に排出される排気ガス中のＣＯが、燃料電池モジュール２及び補機ユニット４を覆う外部ハウジング（図示せず）へ漏れたかどうかを検知するためのものである。貯湯状態検出センサー１２４は、図示しない給湯器におけるお湯の温度や水量を検知するためのものである。

電力状態検出センサー１２６は、インバーター５４及び分電盤（図示せず）の電流及び電圧等を検知するためのものである。電力状態検出センサー１２６は、開回路電圧も検出できるように構成されている。発電用空気流量検出センサー１２８は、発電室１０に供給される発電用空気の流量を検出するためのものである。改質用空気流量センサー１３０は、改質器２０に供給される改質用空気の流量を検出するためのものである。燃料流量センサー１３２は、改質器２０に供給される燃料ガスの流量を検出するためのものである。

水流量センサー１３４は、改質器２０に供給される純水（水蒸気）の流量を検出するためのものである。水位センサー１３６は、純水タンク２６の水位を検出するためのものである。圧力センサー１３８は、改質器２０の外部の上流側の圧力を検出するためのものである。排気温度センサー１４０は、温水製造装置５０に流入する排気ガスの温度を検出するためのものである。

発電室温度センサー１４２（本発明の温度取得手段に相当する）は、燃料電池セル集合体１２の近傍の前面側と背面側に設けられ、燃料電池セルスタック１４の近傍の温度を検出して、燃料電池セルスタック１４（即ち燃料電池セル８４自体）の温度を推定するためのものである。

燃焼室温度センサー１４４（本発明の温度取得手段に相当する）は、燃焼室１８の温度を検出するためのものである。燃焼室温度センサー１４４は、燃料電池セル集合体１２と点火装置８３との間に設けられている。燃焼室温度センサー１４４は、燃料電池セル８４に点火されたか否かを判断するための点火確認用の温度センサーとしても機能している。排気ガス室温度センサー１４６は、燃焼ガス排出室の排気ガスの温度を検出するためのものである。

改質器温度センサー１４８は、改質器２０の温度を検出するためのものであり、改質器２０の入口温度と出口温度から改質器２０の温度を算出する。改質器温度センサー１４８は、図３及び図４に示すように、改質器２０の入口側と出口側とのそれぞれの近傍に設けられている。外気温度センサー１５０は、固体電解質形燃料電池（ＳＯＦＣ）が屋外に配置された場合、外気の温度を検出するためのものである。また、外気の湿度等を測定するセンサーを設けるようにしても良い。

これらのセンサー類からの信号は、制御部１１０に送られる。制御部１１０は、これらの信号によるデータに基づき、水流量調整ユニット２８、燃料流量調整ユニット３８、改質用空気流量調整ユニット４４、発電用空気流量調整ユニット４５に、制御信号を送り、これらのユニットにおける各流量を制御するようになっている。また、制御部１１０は、インバーター５４に、制御信号を送り、電力供給量を制御するようになっている。

以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、前述した各具体例が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、前述した各実施の形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。

２ 燃料電池モジュール
１０ 発電室
１２ 燃料電池セル集合体
１４ 燃料電池セルスタック
１６ 燃料電池セルユニット
１８ 燃焼室
２０ 改質器
２１ 整流板
２１a 開口
２２ 熱交換器
２２a 燃焼ガス流入口
２２b 熱交換器底面
２３ 蒸発混合器
８０ 断熱材
８１ 断熱層
２００ 排気通路
２０５ 熱溜部
５６ ケーシング
６０ 被改質ガス供給管
６２ 水供給管
６６ 燃料供給管
６６ａ 下端側
６８ 燃料ガスタンク
６８ａ 燃料ガスタンク上板
７０ 燃焼ガス配管
７１ 乱流生成部材
７１ａ 端部
７１ｂ 端部
７２ 発電用空気流路
７４ 発電用空気導入管
７６ 連絡流路
７６ａ 出口ポート
７７ 発電用空気供給路
７８ａ，７８ｂ 吹出口
８２ 燃焼ガス排出管
８４ 燃料電池セル
８６ 内側電極端子
８８ 燃料ガス流路
９０ 内側電極層
９０ａ 上部
９０ｂ 外周面
９０ｃ 上端面
９２ 外側電極層
９４ 電解質層
９６ シール材
９８ 燃料ガス流路
１００ 上支持板
１０２ 集電体
１０４ 外部端子

Claims (3)

1. 固体酸化物型燃料電池装置において、
   表面がカソード電極で、内部がアノード電極となるよう、内部に燃料ガス通路が形成された燃料電池セルと、その燃料電池セルを内部に収納する燃料電池モジュールと、
   前記燃料電池モジュール内に配置され、被改質ガスと酸化剤ガスを化学反応させることにより被改質ガスを部分酸化改質する改質反応及び、被改質ガスと水蒸気を化学反応させる水蒸気改質反応の双方によって水素を含む燃料ガスを生成可能な改質器と、
   前記燃料電池モジュール内に配置され、前記燃料電池セルを通過した残余の燃料ガスを燃焼させて発生した燃焼ガスにより、前記改質器を加熱する燃焼室と、
   前記改質器に被改質ガスを供給することにより、前記改質器で改質された燃料ガスを前記燃料電池セルに送り込む燃料ガス供給手段と、
   前記改質器に改質用の酸化剤ガスを供給する改質用酸化剤ガス供給手段と、
   前記改質器に改質用の水を供給する水供給手段と、
   前記燃料電池セルに発電用の酸化剤ガスを供給する発電用酸化剤ガス供給手段と、
   前記改質器と隔てて配置されるとともに、前記発電用酸化剤ガスを加熱するために前記燃焼ガスと熱交換を行う熱交換器と、
   前記燃料電池モジュール内の温度を取得する温度取得手段と、
   前記温度取得手段が取得した前記燃料電池モジュール内の温度に基づいて、前記燃料供給手段、前記改質用酸化剤ガス供給手段、前記水供給手段、及び前記発電用酸化剤ガス供給手段を制御し、前記燃料電池モジュール内の温度上昇に伴い、予め決定された温度帯域において、前記改質器内で行う改質反応を変更し、前記燃料電池セルスタックを発電可能な温度まで昇温させる起動制御を実行する制御手段と、を備え、
   前記熱交換器と改質器との間に、前記燃焼室で発生した燃焼ガスから前記熱交換器への熱伝導を抑制する断熱層を設けることを特徴とする固体酸化物型燃料電池装置。
2. 前記熱交換器と前記改質器との間に設けられた断熱層は、熱伝導性が小さい断熱材であることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物型燃料電池装置。
3. 前記断熱材と前記改質器との間に、前記断熱材に沿って前記燃焼ガスを排出させる排気通路を設けると共に、
   発電用酸化剤ガスを前記熱交換器内へ供給する発電用酸化剤ガス流入口を設け、
   前記排気通路には、前記発電用酸化剤ガス流入口に対応する領域に、前記燃焼ガスが滞留する空気層からなる断熱層が更に構成されていることを特徴とする請求項２に記載の固体酸化物型燃料電池装置。

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