JP2018120653A - 燃料電池装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の燃料電池セル又は複数の燃料電池セルスタックが互いに離間した状態で配置された電池部を有する場合でも、電池部の温度分布を改善することが可能な燃料電池装置を提供する。【解決手段】燃料電池装置ＦＣは、互いに離間した状態で配置された複数の燃料電池セルＣ又は複数の燃料電池セルスタックＣＳを備える電池部１と、電池部１を囲むように配置されており、酸化剤ガスを通す外側ガス流路２と、電池部１によって囲まれるように配置されており、酸化剤ガスを通す内側ガス流路３と、外側ガス流路２と電池部１とを隔てており、電池部１を外側から輻射冷却するための外側隔壁１２、１２０と、内側ガス流路３と電池部１とを隔てており、電池部１を内側から輻射冷却するための内側隔壁１１、１１０とを有している。内側ガス流路３は、外側ガス流路２及び電池部１と連通しており、外側ガス流路２を通った酸化剤ガスを通すものである。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池装置に関する。

従来、平板形の燃料電池セルを積層した燃料電池セルスタックを有する燃料電池装置が知られている。特許文献１には、スタック積層方向の温度分布を抑制するため、燃料電池セルスタックの外周を囲むように加熱流路を配置し、加熱流路の他端側における酸化剤ガスの熱を加熱流路の一端側における酸化剤ガスに戻す熱戻し部を設けた燃料電池装置が記載されている。

特開２０１６−４６２４７号公報

従来技術には、次の課題がある。燃料電池装置の高出力化を図ろうとする場合、装置平面視で、複数の燃料電池セルまたは複数の燃料電池セルスタックを互いに離間した状態で配置し、各燃料電池セルまたは各燃料電池セルスタックを電気的に接続して電池部を構成することがある。この場合、装置内部では、燃料電池セルまたは燃料電池セルスタックの発熱面同士が向かい合い、局所的な高温部が発生しやすくなる。そのため、外側から電池部を冷却するだけでは、電池部の内側を十分に冷却することができず、電池部の温度分布を改善することが困難である。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、複数の燃料電池セルまたは複数の燃料電池セルスタックが互いに離間した状態で配置された電池部を有する場合でも、電池部の温度分布を改善することが可能な燃料電池装置を提供しようとするものである。

本発明の一態様は、互いに離間した状態で配置された複数の燃料電池セル（Ｃ）または複数の燃料電池セルスタック（ＣＳ）を備える電池部（１）と、
上記電池部を囲むように配置されており、酸化剤ガスを通す外側ガス流路（２）と、
上記電池部によって囲まれるように配置されており、酸化剤ガスを通す内側ガス流路（３）と、
上記外側ガス流路と上記電池部とを隔てており、上記電池部を外側から輻射冷却するための外側隔壁（１２、１２０）と、
上記内側ガス流路と上記電池部とを隔てており、上記電池部を内側から輻射冷却するための内側隔壁（１１、１１０）と、
を有しており、
上記内側ガス流路は、上記外側ガス流路および上記電池部と連通しており、上記外側ガス流路を通った酸化剤ガスを通すものである、または、
上記外側ガス流路は、上記内側ガス流路および上記電池部と連通しており、上記内側ガス流路を通った酸化剤ガスを通すものである、燃料電池装置（ＦＣ）にある。

上記燃料電池装置は、上記構成を有している。上記燃料電池装置において、内側ガス流路が、外側ガス流路および上記電池部と連通しており、外側ガス流路を通った酸化剤ガスを通すものである場合には、上記燃料電池装置の発電時に、酸化剤ガスは、電池部を囲むように配置された外側ガス流路を通る。そして、外側ガス流路と電池部とを隔てる外側隔壁により電池部が外側から輻射冷却されるとともに、外側ガス流路を通る酸化剤ガスが昇温される。外側ガス流路を通って昇温された酸化剤ガスは、電池部によって囲まれるように配置された内側ガス流路に流入する。そして、内側ガス流路と電池部とを隔てる内側隔壁により電池部が内側から輻射冷却されるとともに、内側ガス流路を通る酸化剤ガスが昇温される。昇温された酸化剤ガスは、内側ガス流路から電池部へ供給される。
一方、上記燃料電池装置において、外側ガス流路が、内側ガス流路および電池部と連通しており、内側ガス流路を通った酸化剤ガスを通すものである場合には、上記燃料電池装置の発電時に、酸化剤ガスは、電池部によって囲まれるように配置された内側ガス流路を通る。そして、内側ガス流路と電池部とを隔てる内側隔壁により電池部が内側から輻射冷却されるとともに、内側ガス流路を通る酸化剤ガスが昇温される。内側ガス流路を通って昇温された酸化剤ガスは、電池部を囲むように配置された外側ガス流路に流入する。そして、外側ガス流路と電池部とを隔てる外側隔壁により電池部が外側から輻射冷却されるとともに、外側ガス流路を通る酸化剤ガスが昇温される。昇温された酸化剤ガスは、外側ガス流路から電池部へ供給される。
したがって、上記燃料電池装置によれば、外側からの電池部の冷却に加え、電池部に生じる局所的な高温部を内側から冷却することが可能となり、電池部の温度分布を改善することが可能となる。

なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

実施形態１の燃料電池装置の内部構造を模式的に示す断面図である。 実施形態１（実施形態２、実施形態３、実施形態４）の燃料電池装置におけるＩＩ−ＩＩ線断面図である。 実施形態２の燃料電池装置の内部構造を模式的に示す断面図である。 実施形態３の燃料電池装置の内部構造を模式的に示す断面図である。 実施形態４の燃料電池装置の内部構造を模式的に示す断面図である。 各実施形態の燃料電池装置に適用可能な変形例である。 各実施形態の燃料電池装置に適用可能な他の変形例である。

（実施形態１）
実施形態１の燃料電池装置について、図１、図２を用いて説明する。図１、図２に例示されるように、燃料電池装置ＦＣは、互いに離間した状態で配置された複数の燃料電池セルＣまたは複数の燃料電池セルスタックＣＳを備える電池部１と、電池部１を囲むように配置されており、酸化剤ガスを通す外側ガス流路２と、電池部１によって囲まれるように配置されており、酸化剤ガスを通す内側ガス流路３と、外側ガス流路２と電池部１とを隔てており、電池部１を外側から輻射冷却するための外側隔壁１２と、内側ガス流路３と電池部１とを隔てており、電池部１を内側から輻射冷却するための内側隔壁１１と、を有している。本実施形態では、内側ガス流路３は、外側ガス流路２および電池部１と連通しており、外側ガス流路２を通った酸化剤ガスを通すものである。以下、これを詳述する。なお、以下では、燃料電池装置ＦＣを設置する際の設置面側を下とし、反対側を上として説明する。また、「燃料電池セルＣ」を「セルＣ」、「燃料電池セルスタックＣＳ」を「セルスタックＣＳ」と省略することがある。

先ず、本実施形態の燃料電池装置ＦＣの構成について説明する。

燃料電池装置ＦＣにいう燃料電池は、固体電解質形燃料電池とすることができ、具体的には、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）とすることができる。セルＣは、具体的には、アノードと固体電解質層とカソードとをこの順に備えている。セルスタックＣＳは、複数のセルＣの集合体である。

本実施形態において、燃料電池装置ＦＣは、具体的には、電池部１と、ケーシング１０と、燃焼器２０と、改質ユニット３０とを備えている。

電池部１は、互いに離間した状態で配置された複数のセルＣを備える構成とすることができる。この場合、電池部１は、複数のセルＣが互いに離間した状態で配置されて構成された１つのセルスタックＣＳを備えているともいえる。なお、互いに離間した状態で配置された複数のセルＣは、電気的に接続される。一方、電池部１は、互いに離間した状態で配置された複数のセルスタックＣＳを備える構成とすることもできる。なお、互いに離間した状態で配置された複数のセルスタックＣＳは、電気的に接続される。いずれの場合も、セルＣの形状は、平板形、円筒形のいずれの形状とすることもできる。電池部１が、互いに離間した状態で配置された複数のセルＣを備えている場合、例えば、セルＣの形状は円筒形とすることができる（後述の図６参照）。この場合、電池部１には、装置上下方向に円筒軸を合わせて円筒形のセルＣを配置することができる。複数の円筒形のセルＣは、各セルＣの外周面が対向するように配置することができる。図１、図２では、電池部１が、互いに離間した状態で配置された複数のセルスタックＣＳを備える例が示されている。なお、ここでは、セルスタックＣＳは、装置上下方向に複数の平板形のセルＣが積層されたものより構成されている。複数のセルスタックＣＳは、各セルスタックＣＳの側面部が対向するように配置することができる。

ケーシング１０は、電池部１、燃焼器２０、改質ユニット３０等を内部に収容する筐体である。なお、本実施形態では、ケーシング１０が、外側ガス流路２と、内側ガス流路３と、外側隔壁１２と、内側隔壁１１とを含んでいる。

本実施形態において、ケーシング１０は、略円柱状の形状を呈している。ケーシング１０は、少なくとも、第１筒状体１１０と、第２筒状体１２０と、第３筒状体１３０とを有している。本実施形態では、ケーシング１０は、具体的には、第１筒状体１１０と、第２筒状体１２０と、第３筒状体１３０と、第４筒状体１４０と、第５筒状体１５０と、第６筒状体１６０と、第７筒状体１７０とを有している。第１筒状体１１０、第２筒状体１２０、第３筒状体１３０、第４筒状体１４０、第５筒状体１５０、第６筒状体１６０、および第７筒状体１７０は、いずれもステンレス鋼等の金属製で中心軸周りに略円筒状に形成されており、それぞれの中心軸が同軸となるように配置されている。ケーシング１０の内部には、水平に配置された円形の金属板より構成されるベースプレートＢＰが配置されている。ケーシング１０の内部空間は、ベースプレートＢＰによって概ね上下２室に分けられている。

第１筒状体１１０は、ケーシング１０のうち最も内側に配置された筒状体である。第２筒状体１２０は、第１筒状体１１０を外側から囲むように配置された筒状体である。第１筒状体１１０の下端および第２筒状体１２０の下端は、環状の底板１２１によって塞がれている。第２筒状体１２０の上端は、水平な天板１８０によって塞がれている。第２筒状体１２０の下端から上端までの高さは、第１筒状体１１０の下端から上端までの高さよりも高くなっている。そのため、本実施形態では、第１筒状体１１０の上端と天板１８０とが離間しており、隙間が形成されている。また、環状の底板１２１とベースプレートＢＰとは離間しており、隙間が形成されている。

第１筒状体１１０の外側面と第２筒状体１２０の内側面との間には、全周に亘って環状空間１２２が形成されている。本実施形態では、この環状空間１２２に電池部１が収容されている。また、電池部１の上方には、上部空間１２３が形成されている。

第１筒状体１１０における筒内空間の外周は、電池部１によって囲まれている。第１筒状体１１０の筒内空間は、第１筒状体１１０の下端において環状の底板１２１とベースプレートＢＰとの間にある隙間と連通している。また、第１筒状体１１０の筒内空間は、第１筒状体１１０の上端において、第１筒状体１１０の上端と天板１８０との間にある隙間を介して環状空間１２２の上方と連通している。本実施形態では、第１筒状体１１０の筒内空間が、空気等の酸化剤ガスを通す内側ガス流路３となっている。また、第１筒状体１１０は、内側ガス流路３と電池部１とを隔てており、電池部１を内側から輻射冷却するための内側隔壁１１となっている。なお、内側ガス流路３は、内側隔壁１１に接している。また、内側ガス流路３の上端部は、電池部１の上方空間１２３に連通している。

第３筒状体１３０は、第２筒状体１２０を外側から囲むように配置された筒状体である。第３筒状体１３０の内側面と第２筒状体１２０の外側面との間には、全周に亘って隙間が形成されている。第３筒状体１３０と第２筒状体１２０との間の隙間は、電池部１を囲むように配置されている。本実施形態では、第３筒状体１３０と第２筒状体１２０との間の隙間が、内側ガス流路３へ送る酸化剤ガスを通す外側ガス流路２となっている。また、第２筒状体１２０は、外側ガス流路２と電池部１とを隔てており、電池部１を外側から輻射冷却するための外側隔壁１２となっている。なお、外側ガス流路２は、外側隔壁１２に接している。また、外側ガス流路２と内側ガス流路３とは、環状の底板１２１とベースプレートＢＰとの間にある隙間を介して連通している。本実施形態では、環状の底板１２１とベースプレートＢＰとの間の隙間が、外側ガス流路２と内側ガス流路３とを連通させる接続流路２３となっている。

第３筒状体１３０の内径は、ベースプレートＢＰの外径と略等しくされている。第３筒状体１３０の下端における内側面は、全周に亘ってベースプレートＢＰの側面に当接している。当該当接部において、第３筒状体１３０がベースプレートＢＰに対して固定されている。このような構成により、ベースプレートＢＰよりも下方側の空間と、内側ガス流路３、外側ガス流路２、および接続流路２３との間で気体が出入りすることができなくなっている。

第４筒状体１４０は、第３筒状体１３０を外側から囲むように配置された筒状体である。第４筒状体１４０の内側面と第３筒状体１３０の外側面との間には、全周に亘って隙間が形成されている。本実施形態では、第４筒状体１４０と第３筒状体１３０との間に形成された隙間は、燃焼器２０における燃焼によって生じた高温の燃焼排ガスが通る排ガス流路４１１となっている。第４筒状体１４０の上端は、第３筒状体１３０の上端よりも低い位置に配置されている。第４筒状体１４０は、ベースプレートＢＰの水平位置よりもさらに下方まで延びている。

第５筒状体１５０は、第４筒状体１４０を外側から囲むように配置された筒状体である。第５筒状体１５０の内側面と第４筒状体１４０の外側面との間には、全周に亘って隙間が形成されている。第５筒状体１５０と第４筒状体１４０との間に形成された隙間は、燃焼器２０における燃焼により生じた高温の燃焼ガスが通る排ガス流路４１２となっている。排ガス流路４１２の下端部は、改質ユニット３０の側方まで延びている。

第３筒状体１３０の上端と第５筒状体１５０の上端とは、その高さ方向の位置が同一となっている。第３筒状体１３０の上端および第５筒状体１５０の上端は、水平に配置された環状の天板１８２によって塞がれている。そのため、排ガス流路４１１と排ガス流路４１２とは、それぞれの上端において連通している。

第４筒状体１４０の下端は、円板状の底板１８４によって塞がれている。第５筒状体１５０は、第４筒状体１４０の下端よりもさらに下方まで延びている。円板状の底板１８４の側面は、第５筒状体１５０の下端部における内側面に繋がっている。つまり、排ガス流路４１２の下端は、円板状の底板１８４により塞がれている。第５筒状体１５０の下端には、第５筒状体１５０の外側から外方に突出するフランジ部１５１が形成されている。フランジ部１５１は、燃料電池装置ＦＣが設置される際にケーシング１０の固定に利用されるものである。円板状の底板１８４の下方にある空間には、断熱材ＴＩが配置されている。

第５筒状体１５０の下端部には、ガス排出管１９１が接続されている。ガス排出管１９１の内部空間は、排ガス流路４１２に連通している。ガス排出管１９１は、排ガス流路４１２を通った燃焼排ガスをケーシング１０の外部に排出し、排熱回収器（不図示）等に供給するための配管である。

第６筒状体１６０は、ケーシング１０のうち最も外側に配置された筒状体であり、第５筒状体１５０を外側から囲むように配置されている。第６筒状体１６０の内側面と第５筒状体１５０の外側面との間には、全周に亘って隙間が形成されている。本実施形態では、第６筒状体１６０と第５筒状体１５０との間の隙間は、装置外部から供給される酸化剤ガスが燃焼排ガスとの熱交換によって予熱されながら通る予熱流路２１となっている。第６筒状体１６０の上端は、第３筒状部１３０の上端および第５筒状部１５０の上端の高さよりも高くされている。また、第６筒状体１６０の上端と第２筒状体１２０の上端とは、その高さ方向の位置が同一となっている。第６筒状体１６０の上端は、天板１８０によって塞がれている。天板１８０と天板１８２との間には、隙間２２が形成されている。本実施形態では、天板１８０と天板１８２との間の隙間２２を介して、予熱流路２１と外側ガス流路２とが連通している。

第６筒状体１６０の下端と第５筒状体１５０の外側面とは、環状の円板である底板１８６により繋がれている。つまり、予熱流路２１の下端が底板１８６により塞がれている。

第６筒状体１６０の下端部には、酸化剤ガス導入管１９２が接続されている。酸化剤ガス導入管１９２の内部空間は、予熱流路２１に連通している。酸化剤ガス導入管１９２は、発電用の酸化剤ガスをケーシング１０の内部に導入するための配管である。

第７筒状体１７０は、第４筒状体１４０の内側、かつベースプレートＢＰの下方に配置された筒状体である。第７筒状体１７０は、上方側の部分である上筒部１７１と、下方側の部分である下筒部１７２とを有している。上筒部１７１の径は、下筒部１７２の径に比べて小さい。上筒部１７１の下端と下筒部１７２の上端とは、環状の円板である中間部１７３で繋がれている。上筒部１７１の上端は、ベースプレートＢＰの下面に当接している。下筒部１７２の下端は、底板１８４の上面に当接している。

下筒部１７２の径は、第４筒状体１４０の径よりも小さい。このため、第４筒状体１４０の内側面と第７筒状体１７０の外側面との間には、全周に亘って隙間が形成されている。当該隙間には、改質ユニット３０が配置されており、改質ユニット３０と第７筒状体１７０との間にも全周に亘って隙間が形成されている。なお、第７筒状体１７０の内側に形成された空間を「内側空間６０１」と称する場合がある。また、第７筒状体１７０と改質ユニット３０との間に形成された空間を「外側空間６０２」と称する場合がある。

第７筒状体１７０における下筒部１７２の下端部には、貫通孔である流出口１７５が複数形成されている。これら複数の流出口１７５は、同じ高さにおいて等間隔に並ぶように形成されている。これら流出口１７５により、内側空間６０１と外側空間６０２とが連通されている。流出口１７５は、燃焼器２０における燃焼により生じた高温の燃焼排ガスが通る孔である。

燃焼器２０は、発電に供しなかった残余の燃料ガス（以下、「残余燃料」ということがある。）および発電に供しなかった残余の酸化剤ガス（以下、「残余酸化剤」ということがある。）を混合して燃焼させるためのバーナーである。燃焼器２０は、ステンレス鋼等の金属材料より形成されている。燃焼器２０は、全体が略円柱形状に形成されており、ベースプレートＢＰの下面のうち中央から下方に向けて突出するように配置されている。また、装置平面視で（装置上方から見て）、燃焼器２０は、ケーシング１０の中央となる位置（上筒部１７１の中心軸に沿った位置）に配置されている。

電池部１から排出された残余燃料および残余酸化剤は、いずれも燃焼器２０の上端部へと供給される。なお、電池部１から排出された残余燃料および残余酸化剤は、例えば、電池部アダプタ（不図示）内に形成された流路、およびベースプレートＢＰ内に形成された流路等を通じて燃焼器２０の上端部へ供給することができる。なお、電池部アダプタは、例えば、ベースプレートＢＰと電池部１との間に介在して、電池部１から排出された残余燃料および残余酸化剤を燃焼器２０へ供給可能に構成することができる。また他にも、電池部アダプタは、電池部１へ燃料ガスを供給可能に構成したり、外側ガス流路２と内側ガス流路３とを接続する接続流路２３を含む構成としたりすることもできる。このような電池部アダプタは、具体的には、例えば、内部に複数のガス流路が形成された板状の部材などより構成することができる。燃焼器２０へ供給された残余燃料および残余酸化剤は、燃焼器２０内に形成された流路を通って燃焼器２０の下端部に到達し、下端部において混合されながら下方に向けて噴出される。燃焼器２０の下端部では、噴出された残余燃料および残余酸化剤が燃焼し、高温の燃焼排ガスが生じる。

燃焼器２０の下方には、着火器ＩＧが配置されている。着火器ＩＧは、燃焼器２０から噴出された残余燃料および残余酸化剤の混合気体に着火させて、燃焼を開始させるための装置である。着火器ＩＧは、底板１８４および断熱材ＴＩを上下に貫いており、火花放電が生じる先端部を燃焼器２０の下端に近接させた状態で配置されている。着火器ＩＧによる着火は、燃料電池装置ＦＣの起動時に行われる。

改質ユニット３０は、都市ガス等の原料ガスから燃料ガス（水素含有ガス）を生成する改質器３２と、水蒸気を発生させて改質器３２に供給する蒸発器３１とが一体となったものである。改質ユニット３０の改質器３２および蒸発器３１は、ケーシング１０の中心軸周りに略円筒形状に区画された空間に収容されている。改質ユニット３０は、第４筒状体１４０の内側面に接している。

改質ユニット３０は、内部に第１仕切板３２１および第２仕切板３２２を有している。第１仕切板３２１および第２仕切板３２２は、いずれも改質ユニット３０の内部空間に配置された筒状体であり、これらの中心軸は、いずれもケーシング１０の中心軸と一致している。第１仕切板３２１の外径は、第２仕切板３２２の内容よりも小さい。そのため、改質ユニット３０の外側区画壁となる第４筒状体１４０の下端部と第１仕切板３２１との間、第１仕切板３２１と第２仕切板３との間、第７筒状体１７０に対向する改質ユニット３０の内側区画壁と第２仕切板３２２との間には、それぞれ全周に亘って隙間が形成されている。また、第１仕切板３２１の下端は、改質ユニット３０の下側区画壁となる底板１８４の一部に当接している。第１仕切板３２１の上端は、ベースプレートＢＰに対向する改質ユニット３０の上側区画壁には当接していない。また、第２仕切板３２２の上端は、改質ユニット３０の上側区画壁に当接している。第２仕切板３２２の下端は、改質ユニット３０の下側区画壁となる底板１８４の一部には当接していない。そのため、上述した改質ユニット３０内に形成された各隙間は、互いに連通している。

つまり、改質ユニット３０の内部には、外側区画壁と第１仕切板３２１との間に形成された空間である第１空間３８１と、第１仕切板３２１と第２仕切板３２２との間に形成された空間である第２空間３８２と、第２仕切板３２２と内側区画壁との間に形成された空間である第３空間３８３とが形成されている。第１仕切板３２１の上方において第１空間３８１と第２空間３８２とが連通しており、第２仕切板３２２の下方において第２空間３２２と第３空間３８３とが連通している。

第１空間３８１には、水供給管３９１の一端が下方から接続されている。水供給管３９１は、第１空間３８１に水を供給するための配管である。水供給管３９１の他端は、ケーシング１０の外部に配置された水供給ポンプ（不図示）に接続されている。

水供給管３９１から第１空間３８１内に供給された水は、排ガス流路４１２を通る高温の燃焼排ガスによって加熱されて水蒸気となる。水蒸気は、第１空間３８１、第２空間３８２を通って、第３空間３８３の入口に到達する。このように、改質ユニット３０のうち、第１空間３８１、第２空間３８２、およびこれらを区画する壁面は、外部からの水の供給を受けて水蒸気を発生させる蒸発器３１に該当する部分となっている。なお、第１空間３８１には、外側区画壁から水への伝熱を促進するため、セラミックボール等の伝熱促進部材ＣＢが充填されている。

下側区画壁には、原料ガス供給配管３９２の一端が下方から接続されている。原料ガス供給配管３９２は、第３空間３８３の入口部分に原料ガスを供給するための配管である。原料ガス供給配管３９２の他端は、脱硫器（不図示）に接続されている。

第３空間３８３には、改質触媒ＲＣが充填されている。改質触媒ＲＣとしては、例えば、セラミックボールの表面にニッケル等の触媒金属を担持させたもの等を用いることができる。

原料ガス供給配管３９２から改質ユニット３０の内部に供給された原料ガスは、第３空間３８３の入口部分において水蒸気と混合された後、第３空間３８３を上方に向かって流れる。この際、原料ガスと水蒸気とが改質触媒ＲＣに触れることによって水蒸気改質反応が生じ、燃料ガス（水素含有ガス）が生成される。このように、改質ユニット３０のうち、第３空間３８３およびこれを区画する壁面は、蒸発器３１からの水蒸気の供給、および外部からの原料ガスの供給を受けて水蒸気改質反応が生じる改質器３２に該当する部分となっている。

改質ユニット３０の上端部には、第３空間３８３に連通する燃料ガス供給配管３９３の一端が接続されている。燃料ガス供給配管３９３は、改質ユニット３０の改質器３２において生成された燃料ガスを電池部１へ供給するための配管である。燃料ガス供給配管３９３の他端は、ベースプレートＢＰを貫通し、電池部１に接続されている。なお、燃料電池装置ＦＣは、燃料ガス供給配管３９３の他端をベースプレートＢＰの下面に接続し、上述した電池部アダプタ（不図示）を介して電池部１に燃料ガスを供給するように構成することもできる。

次に、本実施形態の燃料電池装置ＦＣの動作中におけるガス（酸化剤ガス、原料ガス、燃料ガス、および燃料排ガス）の流れについて説明する。

先ず、酸化剤ガスの流れについて説明する。酸化剤ガスは、ケーシング１０の外部に配置されたブロア（不図示）から、酸化剤ガス導入管１９２を通じてケーシング１０の内部に供給される。酸化剤ガス導入管１９２を通じて供給された酸化剤ガスは、予熱流路２１を上方に向かって流れる。その後、酸化剤ガスは、電池部１の外周を囲むように配置された外側ガス流路２に流入する。外側ガス流路２に流入した酸化剤ガスは、外側ガス流路２を下方に向かって流れる。

予熱流路２１と外側ガス流路２との間には、排ガス流路４１１および排ガス流路４１２が形成されている。これら排ガス流路４１１および排ガス流路４１２の内部には、高温の燃焼排ガスが通っている。そのため、ケーシング１０内に導入された酸化剤ガスは、予熱流路２１および外側ガス流路２を通る間に燃焼排ガスによって加熱され、昇温される。つまり、酸化剤ガスと燃焼排ガスとの間で熱交換が行われる。

また、発電により高温となった電池部１は、外側ガス流路２と電池部１とを隔てる外側隔壁１２としての第２筒状体１２０により、外側から輻射冷却される。一方、外側隔壁１２としての第２筒状体１２０は、発電により高温となった電池部１からの輻射熱によって高温となっている。そのため、酸化剤ガスは、外側ガス流路２を通る際に第２筒状体１２０に触れることによってさらに昇温される。したがって、外側ガス流路２と、外側ガス流路２のさらに外側に配置されている予熱流路２１とは、酸化剤ガスを多段階で予熱する予熱器に該当するものということができる。

外側ガス流路２の下部まで到達した酸化剤ガスは、接続流路２３を通じて装置中央方向へ流れ、電池部１によってその外周が囲まれるように配置された内側ガス流路３に下方から流入する。内側ガス流路３に流入した酸化剤ガスは、内側ガス流路３を上方に向かって流れる。

この際、発電により高温となった電池部１は、内側ガス流路３と電池部１とを隔てる内側隔壁１１としての第１筒状体１１０により、内側から輻射冷却される。つまり、装置内部では、セルＣまたはセルスタックＣＳの発熱面同士が向かい合い、局所的な高温部が発生しやすい電池部１の内側から内側隔壁１１を通じて輻射冷却される。一方、内側隔壁１１としての第１筒状体１１０は、発電により高温となった電池部１からの輻射熱によって高温となっている。そのため、酸化剤ガスは、内側ガス流路３を通る際に第１筒状体１１０に触れることによってさらに昇温される。そして、内側ガス流路３で昇温された酸化剤ガスは、内側ガス流路３の上端部から電池部１の上部空間１２３に流入する。環状空間１２２に流入した酸化剤ガスは、セルＣのカソードに到達し、発電に供される。

次に、原料ガス、燃料ガスの流れについて説明する。原料ガスは、ケーシング１０の外部から原料ガス供給配管３９２を通じて改質ユニット３０内に供給される。改質ユニット３０内に供給された原料ガスは、第３空間３８３の入口部分において水蒸気と混合される。その後、原料ガスおよび水蒸気の混合ガスは、改質触媒ＲＣが充填された第３空間３８３を上方に向かって流れる。

第７筒状体１７０と改質ユニット３０との間の外側空間６０２には、高温の燃焼排ガスが通っている。また、改質ユニット３０には、高温となった第７筒状体１７０からの輻射熱も到達する。このため、原料ガスおよび水蒸気の混合ガスは、第３空間３８３を通る間に燃焼排ガスおよび輻射熱によって加熱され、昇温される。また、昇温された上記混合ガスが改質触媒ＲＣに触れることで水蒸気改質反応が生じる。その結果、上記混合ガスから水素を含有する燃料ガスが生成される。

改質器３２において生成された燃料ガスは、燃料ガス供給配管３９３を介して電池部１へ供給される。電池部１へ供給された燃料ガスは、セルＣのアノードに到達し、発電に供される。

次に、燃焼排ガスの流れについて説明する。電池部１から排出された残余燃料および残余空気は、燃焼器２０に供給され、燃焼器２０の下端部において燃焼する。当該燃焼の結果、第７筒状体１７０の内側空間６０１では、高温の燃焼排ガスが生じる。燃焼排ガスは、流出口１７５を通って第７筒状体１７０の外側空間６０２へ流出する。その後、燃焼排ガスは、第７筒状体１７０に沿って外側空間６０２を上方に向かって流れる。

外側空間６０２を通って排ガス流路４１１の下端に流入した燃焼排ガスは、外側ガス流路２を流れる酸化剤ガスとの間で熱交換しながら、排ガス流路４１１を上方に向かって流れる。続いて、燃焼排ガスは、予熱流路２１を流れる酸化剤ガスとの間で熱交換しながら、排ガス流路４１２を下方に向かって流れる。その後、燃焼排ガスは、ガス排出管１９１より排出される。

次に、本実施形態の燃料電池装置ＦＣの作用効果について説明する。

本実施形態の燃料電池装置ＦＣは、上記構成を有している。そのため、燃料電池装置ＦＣの発電時に、酸化剤ガスは、電池部１を囲むように配置された外側ガス流路２を通る。そして、外側ガス流路２と電池部１とを隔てる外側隔壁１２により電池部１が外側から輻射冷却されるとともに、外側ガス流路２を通る酸化剤ガスが昇温される。外側ガス流路２を通って昇温された酸化剤ガスは、電池部１によって囲まれるように配置された内側ガス流路３に流入する。そして、内側ガス流路３と電池部１とを隔てる内側隔壁１１により電池部１が内側から輻射冷却されるとともに、内側ガス流路３を通る酸化剤ガスが昇温される。昇温された酸化剤ガスは、内側ガス流路３から電池部１へ供給される。

したがって、本実施形態の燃料電池装置ＦＣによれば、外側からの電池部１の冷却に加え、電池部１に生じる局所的な高温部を内側から冷却することが可能となり、電池部１の温度分布を改善することが可能となる。

また、本実施形態では、外側隔壁１２および内側隔壁１１が、セルＣまたはセルスタックＣＳとは別部品で構成されている。なお、上記にいう別部品とは、外側隔壁１２および内側隔壁１１がセルＣまたはセルスタックＣＳの一部を構成する部品ではないことを意味する。この構成によれば、セルＣまたはセルスタックＣＳの構造を簡素化することができる。また、セルＣまたはセルスタックＣＳの外形にほとんど依存することなく外側隔壁１２および内側隔壁１１を筒状体等の簡素な形状より構成しやすくなり、燃料電池装置ＦＣの製造性を向上させることが可能になる。また、外側隔壁１２および内側隔壁１１と、セルＣまたはセルスタックＣＳとを離間させた状態で、外側隔壁１２および内側隔壁１１によって電池部１を輻射冷却することができる。

また、本実施形態では、内側ガス流路３は、装置下部から装置上部に向かって酸化剤ガスが流れるように構成されている。この構成によれば、内部ガス流路３を流れる酸化剤ガスは、装置上部に行くにほど、内側隔壁１１による電池部１の輻射冷却によって昇温される。電池部１の上部は、装置表面からの放熱により、局所的に温度が低下しやすい部位である。上記構成によれば、高温化した酸化剤ガスを電池部１の上部に供給しやすくなるため、電池部１の上部の温度低下を抑制しやすくなり、電池部１の温度分布の改善を図りやすい燃料電池装置が得られる。

（実施形態２）
実施形態２の燃料電池装置について、図３を用いて説明する。なお、実施形態２以降において用いられる符号のうち、既出の実施形態において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、既出の実施形態におけるものと同様の構成要素等を表す。

図３に例示されるように、本実施形態の燃料電池装置ＦＣにおいて、内側隔壁１１は、電池部１のセルＣまたはセルスタックＣＳに酸化剤ガスを供給するための供給口１１１を有している。

この構成によれば、内側隔壁１１の供給口１１１からセルＣまたはセルスタックＣＳに向かって酸化剤ガスを吹き出すことが可能となる。つまり、この構成によれば、内側ガス流路３内を流れる酸化剤ガスは、途中で、内側隔壁１１の供給口１１１を介してセルＣまたはセルスタックＣＳへ分配される。そのため、この構成によれば、内側ガス流路３の下流側に行くほど、内側ガス流路３内を流れる酸化剤ガスの流量が減少し、ガス温度がより上昇する。それ故、この構成によれば、より高温化した酸化剤ガスを電池部１の上部に供給できるので、電池部１の上部の温度低下を抑制しやすくなり、電池部１の温度分布の改善を図りやすい燃料電池装置ＦＣが得られる。また、この構成によれば、内側隔壁１１を用いて、電池部１のセルＣまたはセルスタックＣＳに供給する酸化剤ガス量を内側ガス流路３の各位置にて調整することも可能となる。

燃料電池装置ＦＣにおいて、供給口１１１は、１つまたは複数の開口１１１ａより構成することができる。本実施形態では、供給口１１１は、複数の開口１１１ａより構成されている。複数の開口１１１ａは、酸化剤ガスの流れ方向下流側に行くほど（内側ガス流路３の一端部側から他端部側に向かうほど）、開口面積が小さくされている。

この構成によれば、酸化剤ガスの流れ方向下流側に行くほど、酸化剤ガスが開口１１１ａを通過する際の流体抵抗が高くなる。そのため、この構成によれば、内側ガス流路３の下流側に行くほど開口１１１ａから噴出する酸化剤ガスの流量が減少し、酸化剤ガスの対流伝熱による冷却量が減少する。そのため、この構成によれば、電池部１の上部に供給される酸化剤ガスの対流伝熱による冷却を抑制することが可能となり、電池部１の上部の温度低下を抑制しやすくなり、電池部１の温度分布の改善を図りやすい燃料電池装置ＦＣが得られる。

本実施形態では、複数の開口１１１ａは、具体的には、図３に例示されるように、酸化剤ガスの流れ方向で互いに離間した状態で配置されている。また、複数の開口１１１ａは、内側隔壁１１としての第１筒状体１１０の周方向に互いに離間した状態で配置されている。

なお、本実施形態では、第１筒状体１１０の上端は、天板１８０に当接している。供給口１１１を構成する複数の開口１１１ａのうち、少なくとも１つは、電池部１の上部の冷却を抑制するため、電池部１の上部に酸化剤ガスを供給可能な位置に配置することができる。内側ガス流路３は、内側隔壁１１の供給口１１１だけを介して電池部１と連通していてもよいし、内側隔壁１１に形成された供給口１１１だけではなく、実施形態１に示されるように、内側ガス流路３と天板１８０との隙間等、供給口１１１以外の他の部位にて電池部１と連通していてもよい。

また、本実施形態では、内側ガス流路３から電池部１へ流入した酸化剤ガスは、電池部１の内側から外側（電池部１の内側ガス流路３側から外側ガス流路２側）に向かって流れるように構成されている。

この構成によれば、電池部１を内側から輻射冷却できるだけでなく、電池部１の内側から外側に向かって流れる酸化剤ガスによる対流によっても電池部１を冷却することができる。したがって、本実施形態によれば、局所的な高温部が発生しやすい電池部１の内側から、電池部１の内側に比べて温度の低くなりやすい電池部１の外側へ向かって酸化剤ガスが流れることで、電池部１の温度分布の改善を図りやすい燃料電池装置ＦＣが得られる。

その他の構成、作用効果は、実施形態１と同様である。

（実施形態３）
実施形態３の燃料電池装置について、図４を用いて説明する。

図４に例示されるように、本実施形態の燃料電池装置ＦＣは、内側ガス流路３と外部とを連通させるバイパス流路５１を有している。

この構成によれば、外側ガス流路２を介することなく、バイパス流路５１を介して内側ガス流路３に酸化剤ガスを供給することが可能になる。そのため、上記構成によれば、外側ガス流路２、内側ガス流路３を流れる主の酸化剤ガスの流量と、バイパス流路４を流れる酸化剤ガスの流量とを調節することで、内側からの電池部１の冷却量を調整しやすい燃料電池装置ＦＣが得られる。

なお、本実施形態では、第１筒状体１１０の上方に位置する天板１８０に、バイパス流路５１としての配管が接続されている。そのため、内側ガス流路３の上端部に、バイパス流路５１を通じて外部から酸化剤ガスを供給することができるようになっている。

その他の構成、作用効果は、実施形態２と同様である。

（実施形態４）
実施形態４の燃料電池装置について、図５を用いて説明する。

図５に例示されるように、本実施形態の燃料電池装置ＦＣにおいて、外側ガス流路２は、内側ガス流路３および電池部１と連通しており、内側ガス流路３を通った酸化剤ガスを通すものである。つまり、本実施形態の燃料電池装置ＦＣは、図５の実線で示される酸化剤ガスの流れとなるように、実施形態１、実施形態２の燃料電池装置ＦＣを改変したものである。

具体的には、第１筒状体１１０、第２筒状体１２０、第３筒状体１３０、および、第５筒状体１５０の上端は、同じ高さに構成され、各上端は、第１筒状体１１０の上端を開口させた状態で、環状の内天板９１によって塞がれている。また、第６筒状体１６０の上端は、第５筒状体１５０の上端よりも高く構成され、円板状の外天板９２によって塞がれている。また、外側隔壁１２としての第２筒状体１２０は、電池部１のセルスタックＣＳに酸化剤ガスを供給するための供給口１１２を有している。本実施形態では、供給口１１２は、複数の開口１１２ａより構成されている。なお、供給口１１２を構成する複数の開口１１２ａのうち、少なくとも１つは、電池部１の上部に酸化剤ガスを供給可能な位置に配置することができる。また、複数の開口１１２ａは、具体的には、酸化剤ガスの流れ方向で互いに離間した状態で配置されている。また、複数の開口１１２ａは、外側隔壁１２としての第２筒状体１２０の周方向に互いに離間した状態で配置することができる。

本実施形態の燃料電池装置ＦＣは、上記構成を有している。燃料電池装置ＦＣの発電時に、酸化剤ガスは、電池部１によって囲まれるように配置された内側ガス流路３を通る。そして、内側ガス流路３と電池部１とを隔てる内側隔壁１１により電池部１が内側から輻射冷却されるとともに、内側ガス流路３を通る酸化剤ガスが昇温される。内側ガス流路３を通って昇温された酸化剤ガスは、電池部１を囲むように配置された外側ガス流路２に流入する。そして、外側ガス流路２と電池部１とを隔てる外側隔壁１２により電池部１が外側から輻射冷却されるとともに、外側ガス流路２を通る酸化剤ガスが昇温される。昇温された酸化剤ガスは、外側ガス流路２から電池部１へ供給される。

したがって、本実施形態の燃料電池装置ＦＣによっても、外側からの電池部１の冷却に加え、電池部１に生じる局所的な高温部を内側から冷却することが可能となり、電池部１の温度分布を改善することが可能となる。なお、その他の構成については、基本的には、実施形態１、実施形態２と同様である。その他の作用効果については、基本的には、実施形態１、実施形態２と同様である。

本発明は、上記各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。また、各実施形態に示される各構成は、各実施形態中において、また、各実施形態間においてそれぞれ任意に組み合わせることができる。

また、実施形態１〜４では、図２に示されるように、装置平面視で見て、内側ガス流路３の外周方向に沿って複数のセルスタックＣＳを等間隔に配置した例を示した。電池部１における複数のセルＣまたは複数のセルスタックＣＳの配置は、図２に限定されない。他にも例えば、図６に例示するように、装置平面視で見て、内側ガス流路３を中心として径方向にもセルＣまたはセルスタックＣＳを複数配置することもできる。なお、図６では、内側ガス流路３の外周方向と、内側ガス流路３を中心とする径方向とに複数の円筒形のセルＣを配置した例が示されている。

また、実施形態１〜４では、図２に示されるように、１つの第１筒状体１１０、１つの第２筒状体１２０を用いた例を示した。第１筒状体１１０、第２筒状体１２０は、図７に示されるように、分割形成されていてもよい。なお、図７では、第１筒状体１１０、第２筒状体１２０は、いずれも２つの分割体から筒状に形成されている例が示されている。

また、実施形態４において、外側ガス流路と装置外部とを連通させるバイパス流路を設けることもできる。

ＦＣ 燃料電池装置
Ｃ 燃料電池セル
ＣＳ セルスタック
１ 電池部
２ 外側ガス流路
３ 内側ガス流路
１２ 外側隔壁
１１ 内側隔壁

Claims (5)

1. 互いに離間した状態で配置された複数の燃料電池セル（Ｃ）または複数の燃料電池セルスタック（ＣＳ）を備える電池部（１）と、
   上記電池部を囲むように配置されており、酸化剤ガスを通す外側ガス流路（２）と、
   上記電池部によって囲まれるように配置されており、酸化剤ガスを通す内側ガス流路（３）と、
   上記外側ガス流路と上記電池部とを隔てており、上記電池部を外側から輻射冷却するための外側隔壁（１２、１２０）と、
   上記内側ガス流路と上記電池部とを隔てており、上記電池部を内側から輻射冷却するための内側隔壁（１１、１１０）と、
   を有しており、
   上記内側ガス流路は、上記外側ガス流路および上記電池部と連通しており、上記外側ガス流路を通った酸化剤ガスを通すものである、または、
   上記外側ガス流路は、上記内側ガス流路および上記電池部と連通しており、上記内側ガス流路を通った酸化剤ガスを通すものである、燃料電池装置（ＦＣ）。
2. 上記外側隔壁および上記内側隔壁は、上記セルまたは上記セルスタックとは別部品で構成されている、請求項１に記載の燃料電池装置。
3. 上記外側ガス流路、上記内側ガス流路の順で酸化剤ガスを通す構成とされている場合、
   上記内側隔壁は、上記セルまたは上記セルスタックに上記酸化剤ガスを供給するための供給口（１１１）を有しており、
   上記内側ガス流路、上記外側ガス流路の順で酸化剤ガスを通す構成とされている場合、
   上記外側隔壁は、上記セルまたは上記セルスタックに上記酸化剤ガスを供給するための供給口（１１２）を有している、
   請求項１または２に記載の燃料電池装置。
4. 上記内側隔壁に形成された上記供給口は、複数の開口（１１１ａ）より構成されており、上記酸化剤ガスの流れ方向下流側に行くほど当該開口の開口面積が小さくなり、
   上記外側隔壁に形成された上記供給口は、複数の開口（１１２ａ）より構成されており、上記酸化剤ガスの流れ方向下流側に行くほど当該開口の開口面積が小さくなる、請求項３に記載の燃料電池装置。
5. 上記外側ガス流路、上記内側ガス流路の順で酸化剤ガスを通す構成とされている場合、
   上記内側ガス流路と装置外部とを連通させるバイパス流路（５１）を有しており、
   上記内側ガス流路、上記外側ガス流路の順で酸化剤ガスを通す構成とされている場合、
   上記外側ガス流路と装置外部とを連通させるバイパス流路を有している、
   請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池装置。

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