JP2015109226A

JP2015109226A - 燃料電池装置

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Publication number: JP2015109226A
Application number: JP2013251986A
Authority: JP
Inventors: 康俊土肥; Yasutoshi Doi; 厚早坂; Atsushi Hayasaka; 康弘長田; Yasuhiro Osada
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2013-12-05
Filing date: 2013-12-05
Publication date: 2015-06-11
Anticipated expiration: 2033-12-05
Also published as: JP6187209B2

Abstract

【課題】燃料電池スタックにおける温度ばらつきを抑制しつつ燃料電池スタックからの熱回収を実現可能な燃料電池装置を提供する。【解決手段】第２空気予熱器３４を燃料電池スタック１０に対向するように配置すると共に、第２空気予熱器３４の空気流路３４５に、空気流れ上流側から下流側に向かって密となるようにインナーフィン３４６を配設する。同様に、燃料改質器４４を燃料電池スタック１０に対向するように配置すると共に、燃料改質器４４の燃料流路に、燃料ガス流れ上流側から下流側に向かって密となるようにインナーフィンを配設する。【選択図】図４

Description

本発明は、高温型の燃料電池スタックを当該燃料電池スタックに供給される前の反応ガスと熱交換させる燃料電池装置に関する。

従来、高温（例えば、５００℃以上）で作動する高温型の燃料電池スタックとして、固体酸化物型燃料電池（SOFC：Solid Oxide Fuel Cell）や溶融炭酸塩型燃料電池（MCFC：Molten Carbonate Fuel Cell）が存在する。

この種の高温型の燃料電池スタックは、発電時に発熱反応を伴い、発電時の作動温度が高い程、酸素イオンの導電性が高く発電効率の観点から有利となる。

しかし、燃料電池スタックを構成する構成材料等の耐熱性の面から作動温度を所定温度（例えば、１０００℃）以下に維持することが要求されており、燃料電池スタックが必要以上に発熱しないように不要な熱を除去する必要がある。

また、燃料電池装置には、都市ガス等の燃料ガス（原燃料）を水素リッチな燃料ガスに改質する燃料改質器が設けられている。この燃料改質器としては、水蒸気と原燃料ガスとを混合させた後、高温の雰囲気下にて、水蒸気と原燃料ガスの炭化水素とを改質反応（水蒸気改質）させて、水素リッチな燃料ガスを生成するものがある。水蒸気と原燃料ガスの炭化水素との改質反応は、吸熱反応であるため、燃料改質器を高温にする必要がある。

そこで、高温型の燃料電池スタックを収容する発電室内に、燃料電池スタックで生ずる反応熱を放射熱として受熱し、発電に利用される燃料ガスまたは空気を予熱する放射型熱交換器を設ける構成が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平９−７６２４号公報

ところで、特許文献１にて放射型熱交換器として用いる熱交換器は、温度分布が大きくなり易い構成となっている。具体的には、特許文献１では、空気を下方側から上方側へと一方向に流通させる熱交換器を放射型熱交換器として採用しており、熱交換器における空気流れ上流側の下方部位が低温、空気流れ下流側の上方部位が高温となり易い。

このため、燃料電池スタックにおける熱交換器の下方部位に対向する部位が冷え易く、上方部位に対向する部位が冷え難くなり、燃料電池スタックからの放射熱の熱流束に偏ることで、燃料電池スタックの温度に大きなばらつきが生じてしまう。燃料電池スタックの温度にばらつきが生ずると、燃料電池スタックの低温となる部位の発電効率が低下したり、燃料電池スタックの高温となる部位に生ずる熱応力に起因して破損したりする虞がある。

本発明は上記点に鑑みて、燃料電池スタックにおける温度ばらつきを抑制しつつ燃料電池スタックからの熱回収を実現可能な燃料電池装置を提供することを目的とする。

本発明は、燃料ガスおよび酸化剤ガスの電気化学反応により電気エネルギを出力する燃料電池スタック（１０）と、燃料電池スタックと対向するように配置され、燃料電池スタックからの放射熱を熱交換媒体と熱交換させる熱交換手段（３４、４４）と、を備える燃料電池装置を対象としている。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、熱交換媒体は、燃料電池スタックに供給される前の燃料ガスおよび酸化剤ガスのいずれかであり、熱交換手段は、燃料電池スタックに対向するスタック対向面（３４ａ、４４ａ）と熱交換媒体との熱交換を促進する熱交換促進部材（３４６）を有し、熱交換促進部材は、スタック対向面と熱交換媒体との間の熱抵抗が、熱交換媒体が流通する媒体流路（３４５）の熱交換媒体流れ上流側から下流側に向かって小さくなるように構成されていることを特徴としている。

これによれば、燃料電池スタックに対して対向配置した熱交換手段により燃料電池スタックからの放射熱を熱交換媒体と熱交換させることで、燃料電池スタックにおける余剰の熱を回収することができる。

さらに、媒体流路の熱交換媒体流れ上流側から下流側に向かって熱交換媒体とスタック対向面との熱抵抗が小さくなるので、スタック対向面における熱交換媒体流れ下流側の熱流速を熱交換媒体流れ上流側の熱流速に近づけることができる。

従って、熱交換手段におけるスタック対向面の熱流速分布に起因する燃料電池スタックの温度ばらつきを抑制しつつ、燃料電池スタックにおける余剰の熱を回収することができる。

また、請求項２に記載の発明では、熱交換促進部材は、熱交換媒体とスタック対向面との伝熱面積を拡大するインナーフィン（３４６）で構成され、熱交換手段には、媒体流路の熱交換媒体流れ上流側から下流側に向かって密となるようにインナーフィンが配設されていることを特徴としている。

これよれば、媒体流路の熱交換媒体流れ上流側から下流側に向かって熱交換媒体とスタック対向面との伝熱面積が大きくなるので、スタック対向面における熱交換媒体流れ下流側の熱流速を熱交換媒体流れ上流側の熱流速に近づけることができる。この結果、熱交換手段におけるスタック対向面の熱流速分布に起因する燃料電池スタックの温度ばらつきを効果的に抑制することができる。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係の一例を示すものである。

第１実施形態に係る燃料電池システムの全体構成図である。第１実施形態に係る燃料電池装置の側面図である。第１実施形態に係る燃料電池装置の上面図である。図２のIV−IV断面図である。図４のV−V断面図である。第２実施形態に係る燃料電池装置の側面図である。第２実施形態に係る燃料電池装置の上面図である。他の実施形態（１）に係る燃料電池装置の側面図である。他の実施形態（１）に係る燃料電池装置の上面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の各実施形態において、先行する実施形態で説明した事項と同一もしくは均等である部分には、同一の参照符号を付し、その説明を省略する場合がある。また、各実施形態において、構成要素の一部だけを説明している場合、構成要素の他の部分に関しては、先行する実施形態において説明した構成要素を適用することができる。

（第１実施形態）
本実施形態では、図１に示す燃料電池システムに本発明の燃料電池装置１を適用している。本実施形態の燃料電池装置１は、断熱性を有するハウジング２、ハウジング２の内部に収容された燃料電池スタック１０、後述する第２空気予熱器３４および燃料改質器４４にて構成されている。なお、燃料電池装置１のハウジング２の内部における具体的な形態については後述する。

燃料電池スタック１０は、燃料ガスと酸化剤ガス（本実施形態では空気）との電気化学反応により電気エネルギを出力する複数の発電セル１００を、燃料ガスおよび酸化剤ガスの流路が形成されたセパレータ１４、１５を介して積層した積層体である。

本実施形態の燃料電池スタック１０は、作動温度が高温（例えば、５００℃〜１０００℃）となる固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）で構成されている。なお、説明の便宜上、図１では、燃料電池スタック１０を単一の発電セル１００として図示している。

本実施形態の発電セル１００は、固体電解質体１１、空気極（カソード）１２、燃料極（アノード）１３で構成されている。なお、本実施形態の発電セル１００は、炭化水素系の原料であるメタンガス（ＣＨ_４）を改質した改質ガス（Ｈ_２、ＣＯ）を燃料ガスとしている。

セパレータ１４、１５は、各発電セル１００を電気的に接続すると共に、燃料ガスおよび酸化剤ガスといった反応ガスを各発電セル１００へ供給する機能を有する。なお、セパレータ１４、１５には、燃料ガスを各発電セル１００へ供給する燃料ガス通路（図示略）、および空気を各発電セル１００へ供給する空気通路（図示略）が形成されている。

本実施形態の燃料電池スタック１０は、各発電セル１００からの排出空気および排出燃料が、図示しないマニホールドを介して、後述する空気排出経路６ａ、燃料排出経路６ｂに排出される。

各発電セル１００では、以下の反応式［Ｆ１］、［Ｆ２］に示す水素および酸素の電気化学反応により、電気エネルギが出力される。
（燃料極）２Ｈ_２＋２Ｏ^２−→２Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻…［Ｆ１］
（空気極）Ｏ_２＋４ｅ⁻→２Ｏ^２−…［Ｆ２］
また、各発電セル１００では、以下の反応式［Ｆ３］、［Ｆ４］に示す一酸化炭素（ＣＯ）および酸素の電気化学反応により、電気エネルギが出力される。
（燃料極）２ＣＯ＋２Ｏ^２−→２ＣＯ_２＋４ｅ⁻…［Ｆ３］
（空気極）Ｏ_２＋４ｅ⁻→２Ｏ^２−…［Ｆ４］
燃料電池スタック１０の空気の入口側には、空気の供給経路である空気供給経路３が接続されている。この空気供給経路３には、空気流れ上流側から順に、塵や埃等を除去する空気フィルタ３１、燃料電池スタック１０へと空気を圧送する空気用ブロワ３２、第１空気予熱器３３、および第２空気予熱器３４が設けられている。

各空気予熱器３３、３４それぞれは、燃料電池スタック１０の空気極１２に供給する空気と燃料極１３に供給する高温の燃料ガスとの温度差を縮小して、各発電セル１００における発電効率の向上を図るために設けられている。

第１空気予熱器３３は、空気用ブロワ３２から圧送された空気を、後述するオフガス燃焼器６１で生成した燃焼ガスと熱交換させて加熱するものである。第１空気予熱器３３では、空気用ブロワ３２から圧送された空気と、発電時における燃料電池スタック１０の温度（例えば、７００℃〜８００℃）よりも低い温度の燃焼ガスとを熱交換させる低温の予熱器である。

なお、第１空気予熱器３３は、その内部における空気が、後述する燃料改質器４４に流入する燃料ガスと同等の温度に昇温するように構成することが望ましい。これによれば、後述の燃料電池スタック１０の周囲に配置される第２空気予熱器３４および燃料改質器４４に流入する熱交換媒体の温度が同等となり、各機器３４、４４の温度域を同程度することができ、燃料電池スタック１０の温度ばらつきの抑制を図ることができる。

第２空気予熱器３４は、第１空気予熱器３３にて昇温した空気を、第１空気予熱器３３を流通する燃焼ガスよりも高温の燃焼ガスと熱交換させる高温の予熱器（酸化剤ガス予熱器）である。

本実施形態の第２空気予熱器３４は、燃料電池スタック１０と共にハウジング２の内部に収容されており、燃料電池スタック１０の発電時に生ずる放射熱を吸熱して、内部を流通する空気を加熱する放射熱型の熱交換器で構成されている。本実施形態の第２空気予熱器３４は、第１空気予熱器３３にて昇温した空気を熱交換媒体として、燃料電池スタック１０の発電時に生ずる放射熱と熱交換させる「熱交換手段」を構成している。なお、第２空気予熱器３４には、発電時における燃料電池スタック１０の温度よりも低い空気が流入する。

一方、燃料電池スタック１０の燃料ガスの入口側には、燃料ガスの供給経路である燃料供給経路４が接続されている。この燃料供給経路４には、燃料ガス流れ上流側から順に、燃料ガスに含まれる硫黄成分を除去する脱硫器４１、燃料電池スタック１０へと燃料ガスを圧送する燃料用ブロワ４２、燃料予熱器４３、燃料改質器４４が設けられている。

燃料予熱器４３は、燃料用ブロワ４２から圧送された燃料ガスを後述するオフガス燃焼器６１で生成した燃焼ガスと熱交換させて加熱するものである。この燃料予熱器４３は、水供給経路５にも接続されており、純水器５１を介して水ポンプ５２から供給される水を燃焼ガスと熱交換させて蒸発させる水蒸気生成器としての機能も果たしている。なお、燃料予熱器４３では、燃料用ブロワ４２から圧送された燃料ガスと燃料電池スタック１０よりも低い温度の燃焼ガスとを熱交換させる低温の予熱器である。

燃料改質器４４は、燃料予熱器４３にて加熱された燃料ガス、および水蒸気を混合した混合ガスを燃焼ガスと熱交換させて加熱すると共に、水蒸気改質により水素および一酸化炭素を含む燃料ガスを生成する燃料ガス生成器である。

本実施形態の燃料改質器４４は、燃料電池スタック１０や第２空気予熱器３４と共にハウジング２の内部に収容されており、燃料電池スタック１０の発電時に生ずる放射熱を吸熱して、内部を流通する燃料ガスを加熱する放射熱型の熱交換器で構成されている。本実施形態の燃料改質器４４は、燃料予熱器４３にて昇温した燃料ガスを熱交換媒体として、燃料電池スタック１０の発電時に生ずる放射熱と熱交換させる熱交換手段を構成している。なお、燃料改質器４４には、発電時における燃料電池スタック１０の温度（例えば、７００℃〜８００℃）よりも低い燃料ガスが流入する。

ここで、水蒸気改質は、吸熱反応であり、本実施形態の如く、燃料電池スタック１０の発電時に生ずる放射熱を吸熱可能な高温の条件下で行うことで、より高転化率の改質反応を実現することができる。但し、燃料電池スタック１０の起動時等には、燃料改質器４４にて部分酸化改質を行うようにしてもよい。

なお、図示しないが、空気供給経路３および燃料供給経路４それぞれには、燃料電池スタック１０に供給する燃料ガスの供給量を調整する調整弁や、燃料電池スタック１０に供給する空気の供給量を調整する調整弁等が設けられている。

燃料電池スタック１０の空気の出口側には、燃料電池スタック１０からの排出空気が流れる空気排出経路６ａが接続され、燃料電池スタック１０の燃料ガスの出口側には、排出燃料が流れる燃料排出経路６ｂが接続されている。各排出経路６ａ、６ｂは、オフガス燃焼器６１に接続されている。

オフガス燃焼器６１は、排出燃料と排出空気とを混合して燃焼させることで、燃料電池スタック１０に供給する空気や燃料ガスの予熱等の熱源として利用される高温（例えば、９００℃〜１０００℃）の燃焼ガスを生成するものである。

このオフガス燃焼器６１には、高温の燃焼ガスを排出する燃焼ガス経路６が接続されている。この燃焼ガス経路６は、内部を流れる燃焼ガスの熱を有効利用すべく、上流側から順に燃料改質器４４、第２空気予熱器３４、燃料予熱器４３、第１空気予熱器３３といった機器に接続されている。なお、図示しないが、燃焼ガス経路６における第１空気予熱器３３の下流側には、給湯水を加熱する熱交換器が設けられており、燃焼ガスが有する熱にて、給湯水等を加熱するようになっている。

続いて、本実施形態の燃料電池装置１の内部における具体的な形態について、図２、図３を用いて説明する。なお、図２に示す上下方向は、燃料電池装置１の搭載状態における天地方向を示している。このことは、他の図面においても同様である。

図２に示すように、燃料電池スタック１０は、上下方向が発電セル１００の積層方向と一致するように配置されている。本実施形態の燃料電池スタック１０は、積層方向に延在する積層面１０ａ、積層方向の上方側の上端面１０ｂ、および下方側の下端面１０ｃを有する。

燃料電池スタック１０は、内部に空気を導入する空気導入部１４１が後述する第２空気予熱器３４の空気出口部３４２に接続され、内部から空気を排出する空気排出部１４２が空気排出経路６ａに接続されている。

また、燃料電池スタック１０は、内部に燃料ガスを導入する燃料導入部１５１が後述する燃料改質器４４の燃料出口部４４２に接続され、内部から燃料ガスを排出する燃料排出部１５２が燃料排出経路６ｂに接続されている。

続いて、第２空気予熱器３４および燃料改質器４４は、図２および図３に示すように、燃料電池スタック１０の周囲に配置されている。本実施形態の第２空気予熱器３４および燃料改質器４４は、燃料電池スタック１０からの充分な熱伝達、および放射熱（輻射熱）が得られるように、燃料電池スタック１０から離間して配置されている。なお、本実施形態では、第２空気予熱器３４および燃料改質器４４を、第２空気予熱器３４および燃料改質器４４のうち、一方の熱交換手段と燃料電池スタック１０との間に、他方の熱交換手段が介在しないように、燃料電池スタック１０の周囲に配置している。

ここで、燃料電池スタック１０は、積層方向の各端面１０ｂ、１０ｃよりも積層面１０ａにおける温度が高くなる傾向がある。このため、本実施形態の第２空気予熱器３４および燃料改質器４４は、燃料電池スタック１０からの充分な放射熱が得られるように、積層方向に延びる積層面１０ａに対向するように配置されている。

また、第２空気予熱器３４は、そのスタック対向面３４ａが、燃料電池スタック１０の積層面１０ａのうち、第２空気予熱器３４に対向する電池側対向面と同じ面積となるように構成されている。つまり、本実施形態の第２空気予熱器３４は、燃料電池スタック１０における電池側対向面と高さＨ１および幅Ｄ１と同一寸法となっている。

そして、第２空気予熱器３４は、そのスタック対向面３４ａと電池側対向面との対向方向において、電池側対向面の全域を覆うように配置されている。つまり、第２空気予熱器３４は、スタック対向面３４ａと電池側対向面との対向方向から見たときに、電池側対向面の全域と重なり合うように配置されている。なお、第２空気予熱器３４のスタック対向面３４ａは、第２空気予熱器３４の外面３４ａ〜３４ｄのうち、燃料電池スタック１０に対向する対向面である。

また、第２空気予熱器３４は、下方側に第１空気予熱器３３にて昇温された空気を流入させる空気入口部３４１が設けられ、上方側に空気を燃料電池スタック１０へ導入する空気出口部３４２が設けられている。

より具体的には、第２空気予熱器３４は、図４に示すように、空気流入タンク３４３、空気流出タンク３４４、空気流路３４５、およびインナーフィン３４６を有する。

空気流入タンク３４３は、第２空気予熱器３４における下方側に設けられ、空気入口部３４１から流入した空気を空気流路３４５へ均等に分配する部位である。また、空気流出タンク３４４は、第２空気予熱器３４における上方側に設けられ、空気流路３４５からの空気を集合させて空気出口部３４２へ導く部位である。

空気流路３４５は、熱交換媒体である空気が流通する「媒体流路」である。本実施形態の空気流路３４５は、燃料電池スタック１０の積層方向に延びるように設定されている。なお、本実施形態では、空気流入タンク３４３が空気流出タンク３４４の下方側に設ける構成としているので、熱交換媒体である空気は、空気流路３４５の下方側から上方側に向かって流れる。

インナーフィン３４６は、空気流路３４５を流れる空気とスタック対向面３４ａとの伝熱面積を拡大し、空気流路３４５を流れる空気とスタック対向面３４ａとの間の熱交換を促進する熱交換促進部材である。

ここで、空気流路３４５を流れる空気の温度は、空気流れ下流側が空気流れ上流側よりも高くなる傾向があり、これに伴ってスタック対向面３４ａにおける空気流れ下流側の温度が空気流れ上流側の温度よりも高くなる。スタック対向面３４ａの温度分布は、燃料電池スタック１０からの放射熱の熱流速に分布を生じさせる要因となることから好ましくない。なお、本実施形態では、燃料電池スタック１０との温度差の大きい空気流れ上流側のスタック対向面３４ａの熱流速が大きく、温度差の小さい空気流れ下流側のスタック対向面３４ａの熱流速が小さくなる。

そこで、本実施形態の第２空気予熱器３４は、空気流路３４５を流れる空気とスタック対向面３４ａとの間の熱抵抗が空気流れ上流側から下流側に向かって小さくなるように、インナーフィン３４６が配設されている。

具体的には、本実施形態では、空気流路３４５の空気流れ下流側におけるインナーフィン３４６の枚数を空気流れ上流側よりも増やすことで、空気流路３４５の空気流れ上流側から下流側に向かってインナーフィン３４６を密に配設している。

ここで、インナーフィン３４６が、第２空気予熱器３４における外面３４ａ〜３４ｄのうち、スタック対向面３４ａ以外の外面３４ｂ〜３４ｄに接していると、空気流路３４５を流れる空気とスタック対向面３４ａ以外の外面３４ｂ〜３４ｄとが熱交換してしまう。

このため、本実施形態では、図５に示すように、第２空気予熱器３４における外面３４ａ〜３４ｄのうち、スタック対向面３４ａにだけ接するようにインナーフィン３４６を配設している。

図２および図３に戻り、燃料改質器４４は、下方側に燃料予熱器４３にて昇温された燃料ガスを流入させる燃料入口部４４１が設けられ、上方側に燃料ガスを燃料電池スタック１０へ導入する燃料出口部４４２が設けられている。

また、燃料改質器４４は、そのスタック対向面４４ａが、燃料電池スタック１０の積層面１０ａのうち、燃料改質器４４に対向する電池側対向面と同じ面積となるように構成されている。つまり、本実施形態の燃料改質器４４は、燃料電池スタック１０における電池側対向面と高さＨ１および幅Ｄ１と同一寸法となっている。

そして、燃料改質器４４は、そのスタック対向面４４ａと電池側対向面との対向方向において、電池側対向面の全域を覆うように配置されている。つまり、燃料改質器４４は、スタック対向面４４ａと電池側対向面との対向方向から見たときに、電池側対向面の全域と重なり合うように配置されている。なお、燃料改質器４４のスタック対向面４４ａは、燃料改質器４４の外面４４ａ〜４４ｄのうち、燃料電池スタック１０に対向する対向面である。

また、本実施形態の燃料改質器４４は、図示しないが、その内部に形成された燃料流路を流れる燃料ガスとスタック対向面４４ａとの間の熱抵抗が燃料ガス流れ上流側から下流側に向かって小さくなるように、インナーフィンが配設されている。

具体的には、燃料改質器４４には、燃料流路の燃料ガス流れ下流側におけるインナーフィンの枚数を空気流れ上流側よりも増やすことで、燃料流路の空気流れ上流側から下流側に向かってインナーフィンが密に配設されている。このインナーフィンは、燃料改質器４４における外面４４ａ〜４４ｄのうち、スタック対向面４４ａにだけ接するように配接されている。

次に、上記構成に係る燃料電池システムの作動について説明する。図示しないコントローラからの制御指令により、燃料電池システムの運転が開始されると、空気用ブロワ３２、燃料用ブロワ４２、水ポンプ５２等が作動する。

空気供給経路３では、空気用ブロワ３２にて圧送された空気が第１空気予熱器３３にて所望の温度となるまで加熱された後、さらに第２空気予熱器３４にて加熱されて燃料電池スタック１０に供給される。

一方、燃料供給経路４では、燃料用ブロワ４２にて圧送された燃料ガス、および水ポンプ５２にて圧送された水が、燃料予熱器４３にて所望の温度まで加熱された後、燃料改質器４４にてリッチな燃料ガスに改質されて燃料電池スタック１０に供給される。

燃料電池スタック１０は、燃料ガスおよび空気が供給されると、水素および一酸化炭素を燃料として前述の反応式［Ｆ１］〜［Ｆ４］に示す電気化学反応により、電気エネルギを出力する。

燃料電池スタック１０から排出された排出燃料および排出空気は、オフガス燃焼器６１にて燃焼される。そして、オフガス燃焼器６１にて生ずる高温の燃焼ガスは、燃焼ガス経路６を介して燃料改質器４４、第２空気予熱器３４、燃料予熱器４３、第１空気予熱器３３の順に流れ、各機器における熱源として利用された後に外部へ排出される。

以上説明した本実施形態の燃料電池装置１では、第２空気予熱器３４および燃料改質器４４それぞれを燃料電池スタック１０に対向するように配置している。これによれば、第２空気予熱器３４および燃料改質器４４にて燃料電池スタック１０からの放射熱を第２空気予熱器３４および燃料改質器４４内部を流通する空気および燃料ガスと熱交換させることで、燃料電池スタック１０における余剰の熱を回収できる。

さらに、本実施形態では、第２空気予熱器３４の空気流路３４５の空気流れ上流側から下流側に向かって密となるようにインナーフィン３４６を配設して、空気流れ上流側から下流側に向かって空気とスタック対向面３４ａとの熱抵抗を小さくしている。

これによれば、第２空気予熱器３４のスタック対向面３４ａにおける空気流れ下流側の熱流速を上流側の熱流速に近づけることができるので、第２空気予熱器３４のスタック対向面３４ａの熱流速分布に起因する燃料電池スタック１０の温度ばらつきを抑制できる。

特に、本実施形態では、第２空気予熱器３４の外面３４ａ〜３４ｄのうち、スタック対向面３４ａにだけ接するようにインナーフィン３４６を配設している。このため、第２空気予熱器３４のスタック対向面３４ａ以外の外面３４ｂ〜３４ｄと空気との不必要な熱交換を抑制し、スタック対向面３４ａと空気との熱交換を一層促進させることができる。この結果、第２空気予熱器３４のスタック対向面３４ａの熱流速分布に起因する燃料電池スタック１０の温度ばらつきを効果的に抑制することができる。

同様に、本実施形態では、燃料改質器４４の燃料流路の燃料ガス流れ上流側から下流側に向かって密となるようにインナーフィンを配設して、燃料ガス流れ上流側から下流側に向かって燃料ガスとスタック対向面４４ａとの熱抵抗を小さくしている。

これによれば、燃料改質器４４のスタック対向面４４ａにおける燃料ガス流れ下流側の熱流速を上流側の熱流速に近づけることができるので、燃料改質器４４のスタック対向面４４ａの熱流速分布に起因する燃料電池スタック１０の温度ばらつきを抑制できる。

特に、本実施形態では、燃料改質器４４の外面４４ａ〜４４ｄのうち、スタック対向面４４ａにだけ接するようにインナーフィンを配設している。このため、燃料改質器４４におけるスタック対向面４４ａ以外の外面４４ｂ〜４４ｄと燃料ガスとの不必要な熱交換を抑制し、スタック対向面４４ａと燃料ガスとの熱交換を一層促進させることができる。この結果、燃料改質器４４のスタック対向面４４ａの熱流速分布に起因する燃料電池スタック１０の温度ばらつきを効果的に抑制することができる。

このように、本実施形態の燃料電池装置１によれば、第２空気予熱器３４および燃料改質器４４のスタック対向面３４ａ、４４ａの熱流速分布に起因する燃料電池スタック１０の温度ばらつきを抑制しつつ、燃料電池スタック１０の余剰の熱を回収することができる。

また、本実施形態の燃料電池装置１では、比較的作動温度の近い構成機器である第２空気予熱器３４および燃料改質器４４を燃料電池スタックの周囲に配置する構成としている。これによれば、燃料電池スタック１０からの放射熱を燃料ガスの改質、および酸化剤ガスである空気の加熱に有効利用することができる。

また、本実施形態の燃料電池装置１では、第２空気予熱器３４および燃料改質器４４それぞれを、燃料電池スタック１０との対向方向から見たとき、スタック対向面３４ａ、４４ａが、燃料電池スタック１０の電池側対向面の全域と重なり合う形状としている。

これによれば、燃料電池スタック１０における電池側対向面からの放射熱の熱流束を均一化させることができ、燃料電池スタック１０における温度ばらつきを効果的に抑制することができる。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態について説明する。なお、本実施形態では、第１実施形態と同様または均等な部分についての説明を省略、または、簡略化して説明する。

図６および図７に示すように、本実施形態の第２空気予熱器３４は、そのスタック対向面３４ａが、燃料電池スタック１０の積層面１０ａのうち、第２空気予熱器３４に対向する電池側対向面よりも大きい面積となるように構成されている。つまり、第２空気予熱器３４は、その高さＨ２および幅Ｄ２が、燃料電池スタック１０における電池側対向面と高さＨ１および幅Ｄ１よりも大きくなっている。そして、第２空気予熱器３４は、そのスタック対向面３４ａと電池側対向面との対向方向において、電池側対向面の全域を覆うように配置されている。

同様に、本実施形態の燃料改質器４４は、そのスタック対向面４４ａが、燃料電池スタック１０の積層面１０ａのうち、燃料改質器４４に対向する電池側対向面よりも大きい面積となるように構成されている。つまり、燃料改質器４４は、その高さＨ２および幅Ｄ２が、燃料電池スタック１０における電池側対向面と高さＨ１および幅Ｄ１よりも大きくなっている。そして、第２空気予熱器３４は、そのスタック対向面３４ａと電池側対向面との対向方向において、電池側対向面の全域を覆うように配置されている。

その他の構成および作動は、第１実施形態と同様である。本実施形態では、第２空気予熱器３４および燃料改質器４４は、そのスタック対向面３４ａ、４４ａが電池側対向面の全域を覆うように、燃料電池スタック１０の電池側対向面よりも大きい面積としている。

これによれば、第２空気予熱器３４および燃料改質器４４における燃料電池スタック１０の電池側対向面からの放射熱を受熱する面積が拡大する。このため、燃料電池スタック１０の電池側対向面からの放射熱が第２空気予熱器３４および燃料改質器４４以外に拡散することを抑制し、燃料電池スタック１０における電池側対向面からの放射熱の熱流束を均一化させることができる。

（他の実施形態）
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。例えば、以下のように種々変形可能である。

（１）上述の各実施形態の如く、第２空気予熱器３４および燃料改質器４４は、そのスタック対向面３４ａ、４４ａが電池側対向面の全域を覆うように配置することが望ましいが、これに限定されない。

例えば、図８および図９に示すように、第２空気予熱器３４および燃料改質器４４は、そのスタック対向面３４ａ、４４ａが電池側対向面の一部を覆うように、燃料電池スタック１０の電池側対向面（積層面１０ａ）よりも小さい面積としてもよい。なお、図８および図９に示す第２空気予熱器３４および燃料改質器４４は、その高さＨ３および幅Ｄ３が、燃料電池スタック１０における電池側対向面と高さＨ１および幅Ｄ１よりも小さくなっている。

また、第２空気予熱器３４および燃料改質器４４のスタック対向面３４ａ、４４ａのうち、一方だけを、燃料電池スタック１０の電池側対向面（積層面１０ａ）と同程度、または、大きい面積となるようにしてもよい。

（２）上述の各実施形態では、空気流路３４５の空気流れ上流側から下流側に向かってインナーフィン３４６を密に配設することで、第２空気予熱器３４における熱抵抗を空気流れ上流側から下流側に向かって小さくする例について説明したが、これに限定されない。

例えば、スタック対向面３４ａの厚みを空気流れ上流側から下流側に向かって薄くすることで、熱交換媒体とスタック対向面３４ａとの間の熱抵抗を空気流れ上流側から下流側に向かって小さくするようにしてもよい。この場合は、スタック対向面３４ａの下流側における薄肉部位が熱交換促進部位を構成する。このことは、燃料改質器４４においても同様である。

（３）上述の各実施形態の如く、スタック対向面３４ａにだけ接するようにインナーフィン３４６を配設することが望ましいが、これに限定されない。インナーフィン３４６は、燃料電池スタック１０のスタック対向面３４ａ以外の外面３４ｂ〜３４ｄと接するように配設されていてもよい。このことは、燃料改質器４４においても同様である。

（４）上述の各実施形態の如く、第２空気予熱器３４および燃料改質器４４を、燃料電池スタック１０における積層方向に延びる積層面１０ａに対向配置することが望ましいが、これに限定されない。例えば、第２空気予熱器３４および燃料改質器４４を、燃料電池スタック１０における上端面１０ｂ、下端面１０ｃに対向配置してもよい。

（５）上述の各実施形態では、第１空気予熱器３３および第２空気予熱器３４を独立した構成機器とすると共に、燃料予熱器４３および燃料改質器４４を独立した構成機器とする例について説明したが、これに限定されない。例えば、第１空気予熱器３３および第２空気予熱器３４を一体化すると共に、燃料予熱器４３および燃料改質器４４を一体化し、これらを燃料電池スタック１０の周囲に配置するようにしてもよい。

（６）上述の各実施形態では、第２空気予熱器３４および燃料改質器４４を燃料電池スタック１０の周囲に配置する例について説明したが、これに限定されない。例えば、第２空気予熱器３４を、互いに流入する空気の温度が同等となる２つ以上の予熱器で構成し、各予熱器同士が燃料電池スタック１０との間に介在しないように、燃料電池スタック１０の周囲に配置してもよい。また、燃料改質器４４を、互いに流入する燃料ガスの温度が同等となる２つ以上の改質器で構成し、各改質器同士が燃料電池スタック１０との間に介在しないように、燃料電池スタック１０の周囲に配置してもよい。

また、第２空気予熱器３４および燃料改質器４４の一方だけを熱交換手段として燃料電池スタック１０の周囲に配置してもよい。

（７）上述の各実施形態では、燃料電池スタック１０、第２空気予熱器３４、および燃料改質器４４をハウジング２内に収容する例について説明したが、これに限定されず、ハウジング２を省略してもよい。

（８）上述の各実施形態では、燃料電池スタック１０を高温で作動する固体酸化物型燃料電池とする例について説明したが、これに限定されず、例えば、燃料電池スタック１０を高温で作動する溶融炭酸塩型燃料電池としてもよい。

（９）上述の各実施形態において、燃料電池スタック１０の積層方向を上下方向と同じ方向となる配置形態について説明したが、これに限定されず、例えば、燃料電池スタック１０の積層方向が水平方向と同じ方向となる配置形態としてもよい。

（１０）上述の各実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。

（１１）上述の各実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されない。

（１２）上述の各実施形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その形状、位置関係等に限定されない。

１０燃料電池スタック
３４第２空気予熱器（熱交換手段）
３４ａスタック対向面
４４燃料改質器（熱交換手段）
４４ａスタック対向面
３４５空気流路（媒体流路）
３４６インナーフィン（熱交換促進部材）

Claims

燃料ガスおよび酸化剤ガスの電気化学反応により電気エネルギを出力する燃料電池スタック（１０）と、
前記燃料電池スタックと対向するように配置され、前記燃料電池スタックからの放射熱を熱交換媒体と熱交換させる熱交換手段（３４、４４）と、を備え、
前記熱交換媒体は、前記燃料電池スタックに供給される前の前記燃料ガスおよび前記酸化剤ガスのいずれかであり、
前記熱交換手段は、前記燃料電池スタックに対向するスタック対向面（３４ａ、４４ａ）と前記熱交換媒体との熱交換を促進する熱交換促進部材（３４６）を有し、
前記熱交換促進部材は、前記スタック対向面と前記熱交換媒体との間の熱抵抗が、前記熱交換媒体が流通する媒体流路（３４５）の前記熱交換媒体流れ上流側から下流側に向かって小さくなるように構成されていることを特徴とする燃料電池装置。
前記熱交換促進部材は、前記熱交換媒体と前記スタック対向面との伝熱面積を拡大するインナーフィン（３４６）で構成され、
前記熱交換手段には、前記媒体流路の前記熱交換媒体流れ上流側から下流側に向かって密となるように前記インナーフィンが配設されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
前記インナーフィンは、前記熱交換手段の外面（３４ａ〜３４ｄ、４４ａ〜４４ｄ）のうち、前記スタック対向面（３４ａ、４４ａ）にだけ接するように配設されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池装置。
前記熱交換手段は、前記燃料電池スタックからの放射熱を利用して前記酸化剤ガスを加熱する酸化剤ガス予熱器（３４）を含んで構成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の燃料電池装置。
前記熱交換手段は、前記燃料電池スタックからの放射熱を利用して前記燃料ガスを改質する燃料改質器（４４）を含んで構成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の燃料電池装置。
前記燃料電池における前記熱交換手段に対向する面を電池側対向面としたとき、
前記熱交換手段は、前記スタック対向面と前記電池側対向面との対向方向において、前記スタック対向面が前記電池側対向面の全域を覆うように配置されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の燃料電池装置。
前記電池側対向面は、前記燃料電池スタックの積層方向に延在する積層面（１０ａ）であることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池装置。