JP2018526768A - 熱効率が向上した固体酸化物燃料電池システム及び高温ガスによって加熱される固体酸化物燃料電池システム - Google Patents

Abstract

本発明熱効率が向上した固体酸化物燃料電池システムに関する。これによれば、高温ボックスに常温で供給される燃料、空気又は水を高温ボックスの内部の熱交換器によって加熱して使用し、高温ボックスの外部に排出される熱を最小化できる熱効率が向上した固体酸化物燃料電池システムを提供できる。【選択図】図２

Description

本発明の第１実施形態は、熱効率が向上した固体酸化物燃料電池システムに関し、本発明の第２実施形態は、高温ガスによって加熱される固体酸化物燃料電池システムに関する。

我らが現再使っている電気エネルギは、主に火力発電及び原子力発電によって得られており、その他に少量の電気エネルギが水力及びその他発電によって得られている。

火力発電は、石炭などの化石燃料を燃焼させるものであるため、火力発電による場合、多量の二酸化炭素が必然的に発生し、その以外に一酸化炭素、硫酸貨物又は窒素酸化物などの公害物質が大気中に排出される。

また、原子力の発電の場合も原子力の使用後に生成される放射能廃棄物を、安全に貯蔵又は処理しなければならず、このために多くの費用と手間が必要であるため、環境汚染の側面から火力発電の場合と大きく変わらない状況である。

このような状況で、環境汚染又は地球温暖化などの問題を解決するため、多様な新再生エネルギ（Ｒｅｎｅｗａｂｌｅ Ｅｎｅｒｇｙ）を活用したＣＯ_２節減及びエネルギ効率向上の技術開発による環境保護が汎国家的に推進されている実情である。

特に、２０１２年から施行された新再生エネルギの供給義務化制度（ＲＰＳ）は、一定規模以上の発電事業者に総発電量のうち一定量以上を新再生エネルギ電力で供給するように義務化する制度として、燃料電池発電システムに高い加重値を与えて普及の活性化が推進されている。

燃料電池とは、燃料が有している化学的エネルギを電気的エネルギに変換する装置であって、一般に天然ガス、メタノール、ガソリンなどの燃料を改質して得られた改質ガス中の水素と空気中の酸素をスタック（ｓｔａｃｋ）の燃料極（ａｎｏｄｅ）とカソード（ｃａｔｈｏｄｅ）で電気化学反応させて電気を生産する発電システムをいう。

この時、各極における反応式と総反応式は、次のとおりである。
燃料極（ａｎｏｄｅ）：２Ｈ_２＋２Ｏ^２−→２Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻
カソード（ｃａｔｈｏｄｅ）：Ｏ_２＋４ｅ⁻→２Ｏ^２−
総反応式：２Ｈ_２＋Ｏ_２→２Ｈ_２Ｏ

つまり、窮極的に燃料電池は、水素を燃料として使用し、水以外の他の副産物がないので、非常に環境にやさしいという長所がある。

また、燃料電池は、比較的に単純なエネルギ変換の過程によって化学エネルギから電気エネルギが得られるので、非常に高効率的な発電方法であるという長所を有する。

燃料電池には電解質及び電極の種類によって高分子電解質燃料電池（ＰＥＭＦＣ）、直接メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）、リン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩燃料電池（ＭＣＦＣ）、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）、アルカリ形燃料電池（ＡＦＣ）などがあり、最近は相対的に改質器の部分が単純化され得、一酸化炭素に対する被毒などの問題がないため、多様な燃料が使用され得、高温で運転されるため、高価の触媒依存度が他の燃料電池に比べて低い固体酸化物燃料電池が注目されている。

一方、固体酸化物燃料電池の場合、前記したように非常に高温で運転され、特に固体酸化物燃料電池の高温ボックス（ｈｏｔ ｂｏｘ）は、発電のために非常に高い温度で加熱しなければならない。

これに、従来には運転に必要な温度を維持するためにバーナーに使って残ったエネルギを改質又は蒸気発生に用い、固体酸化物燃料電池システムにおいて、高温で運転される高温ボックス（ｈｏｔ ｂｏｘ）の昇温及び温度維持のための熱源以外に燃料電池に供給される燃料、空気又は水（水蒸気）の予熱のための熱源を別途設けたので、システムの効率を高めることができない問題があった。

また、従来には高温ボックスの温度をシステムの作動温度まで上昇させたり、その作動温度を維持するため、高温ボックスの内部全体を加熱する方法が一般に用いられてきたが、高温ボックスの内部全体を加熱する場合、加熱時多くの熱が必要であるだけでなく、加熱時高温ボックスの温度上昇速度が遅く、その結果、システム全体の効率が落ちる問題があった。

したがって、本発明の第１実施形態と関連して解決しようとする課題は、高温ボックスに常温で供給される燃料、空気又は水を高温ボックスの内部の熱交換器によって加熱して使用し、高温ボックスの外部に排出される熱を最小化できる熱効率が向上した固体酸化物燃料電池システムを提供することにある。

本発明の第２実施形態と関連して解決しようとする課題は、高温ガスによって固体酸化物燃料電池システムの高温ボックスの内部全体でない高温ボックスの内部の部品を加熱することによって、高温ボックスの加熱体積が減少し、システムの熱効率が増加する高温ガスによって加熱される固体酸化物燃料電池システムを提供することにある。

前記課題を解決するための本発明の第１実施形態による熱効率が向上した固体酸化物燃料電池システムは、高温ボックスと、前記高温ボックスの内部の熱交換器及びスタックと、前記熱交換器に熱を供給する熱源と、を含み、前記高温ボックスに常温で供給される燃料及び空気は、前記熱交換器を介して加熱して運転されることを特徴とする。

前記高温ボックスに常温で供給される水が、前記熱交換器を介して加熱され得る。

前記熱交換器は、前記高温ボックスに供給される燃料を加熱及び改質して前記スタックに供給する熱交換型改質器と、前記高温ボックスに供給される空気を加熱して前記スタックに供給する空気予熱器と、を含み、前記熱源の熱は、前記熱交換型改質器及び前記空気予熱器に順次に供給されるものであり得る。

前記熱交換器は、前記スタックの燃料極から排出される排出ガスの熱を、高温ボックスに供給される空気に伝達する燃料極排出ガス冷却器をさらに含み得る。

前記高温ボックスに常温で供給される空気は、順次に前記燃料極排出ガス冷却器及び前記空気予熱器を経て加熱されるものであり得る。

前記熱源は、前記高温ボックスの内部に配置されて高温の燃焼ガスを発生させるバーナーであり得る。

前記バーナーは、前記スタックでの排出ガスの他に燃焼用燃料及び燃焼用空気の供給を受けて燃焼ガスを発生させるものであり得る。

前記熱源は、前記高温ボックスの外部に配置されて前記バーナーに高温の空気を供給する電気ヒーターをさらに含むものであり得る。

また、前記課題を解決するための本発明の第２実施形態による高温ガスによって加熱される固体酸化物燃料電池システムは、高温ボックスと、前記高温ボックスの内部に配置される部品で構成される部品部と、前記部品のうち発電のために高温を必要とする部品で構成される高温部と、前記高温ボックスの内部空間のうち前記部品部が占める空間以外の空間である空間部と、前記高温部を含む前記部品部に高温ガスを供給する熱源と、を含み、前記高温ガスは、部品部を介して前記高温部を加熱し、前記加熱によって温度が作動温度まで上昇するか、又は作動温度が維持されることを特徴とする。

前記熱源は、前記高温ボックスの内部に配置されるバーナーであり、前記高温ガスは、前記バーナーの燃焼ガスであり得る。

前記熱源は、前記高温ボックスの外部に配置される電気ヒーターであり、前記高温ガスは、前記電気ヒーターによる高温の空気であり得る。

前記空間部には断熱材が配置され、前記断熱材によって前記部品部と前記高温ボックスとの間が断熱されるものであり得る。

前記断熱材は、前記部品部の形状に対応するように加工された断熱材又は粉末形態の断熱材であり得る。

前記高温部は、熱交換型改質器を含み、前記熱交換型改質器は、前記高温ガスによって加熱されるものであり得る。

前記高温部は、スタックを含み、前記スタックに供給される燃料又は水蒸気は、前記部品部で前記高温ガスとの熱交換によって加熱され、前記スタックは、前記熱交換した燃料又は水蒸気によって加熱されるものであり得る。

前記部品部は、熱交換型改質器を含み、前記高温ガスは、前記熱交換型改質器に供給され、前記燃料又は水蒸気は、前記熱交換型改質器によって加熱されるものであり得る。

前記高温部は、スタックを含み、前記スタックに供給される空気は、前記部品部で前記高温ガスとの熱交換によって加熱され、前記スタックは、前記熱交換した空気によって加熱されるものであり得る。

前記部品部は、空気予熱器を含み得る。

前記部品部は、前記スタックの燃料極排出ガス冷却器をさらに含み、前記空気は順次に前記燃料極排出ガス冷却器及び前記空気予熱器を経て加熱されるものであり得る。

本発明の第１実施形態によれば、高温ボックスに常温で供給される燃料、空気又は水を、高温ボックスの内部の熱交換器によって加熱して使用し、高温ボックスの外部に排出される熱を最少化できる。

本発明の第２実施形態によれば、高温ガスによって固体酸化物燃料電池システムの高温ボックスの内部全体でない高温ボックスの内部の部品を加熱されることによって、高温ボックスの加熱体積が減少し、システムの熱効率が増加できる。

本発明の第１実施形態による熱効率が向上した固体酸化物燃料電池システムの概念図である。 本発明の第１実施形態による熱効率が向上した固体酸化物燃料電池システムの高温ボックス内での熱伝達状態を示す図面である。 本発明の一実施形態による高温ガスによって加熱される固体酸化物燃料電池システムの概念図である。 本発明の一実施形態による高温ガスによって加熱される固体酸化物燃料電池システムの高温ボックス内での熱伝達状態を示す図面である。

前記したような本発明の特徴に対する理解を深めるため、以下、添付図面を参照して本発明の第１及び第２実施形態についてより詳細に説明する。

以下、説明する実施形態は、本発明の技術的な特徴の理解を深めるための最も適した実施形態に基づいて説明し、実施形態によって本発明の技術的な特徴が制限されるものではないく、以下、説明される実施形態のように本発明が具現され得ることを例示するものである。したがって、本発明は、以下説明された実施形態によって本発明の技術範囲内で多様な変形実施が可能であり、このような変形実施形態は、本発明の技術範囲内に属するといえる。そして、以下、説明する実施形態の理解を深めるために添付した図面に記載された符号において、各実施形態で同一の作用をする構成要素のうち関連する構成要素は、同一又は延長線上の数字で表記した。

図１は本発明の第１実施形態による熱効率が向上した固体酸化物燃料電池システムの概念図である。

図１を参照すると、本発明の第１実施形態による熱効率が向上した固体酸化物燃料電池システムは、高温ボックス１００、熱交換器２００、スタック４００及び熱源３００を含む。

前記高温ボックス１００は、一般に燃料電池システムに適用される部品のうち高温で運転される部品の作動温度の維持のための断熱を提供し、熱損失を最少化してシステム効率を向上させる。

前記高温ボックス１００の内部には熱交換器２００及びスタック４００が配置される。

前記スタック４００は、供給される燃料による水素と大気中の空気を用いて直流電源を発生させる。前記スタック４００に供給される燃料は、改質器によって水素に変換されるが、図示を省略した。

本発明の第１実施形態による熱効率が向上した固体酸化物燃料電池システムは、熱交換型改質器を含むので、前記改質器は、前記熱交換器２００に含まれるものであり得、これについては後述する。

前記熱交換器２００は、高温ボックス１００の外部で常温で供給される燃料及び空気を、前記スタック４００に供給するのに適した温度で加熱する。前記熱交換器２００を介して加熱された燃料及び空気は、前記スタック４００に供給される。

前記スタック４００に供給される燃料及び空気によって発電が行われ、前記スタック４００での排出ガスは、前記熱交換器２００又は前記熱源３００に供給される。前記熱交換器２００に供給される前記排出ガスの熱は、前記熱交換器２００によって回収されて前記燃料及び空気の加熱に用いられる。

前記熱源３００に供給される前記排出ガスは、前記熱源３００が高温のガスを発生させるのに用いられる。前記熱源３００で発生される前記高温のガスは、前記熱交換器２００に供給され、前記高温のガスが有する熱は、常温で高温ボックス１００に供給される燃料及び空気の加熱に用いられる。前記高温のガスは、前記熱交換器２００によって熱が回収された後に、前記高温ボックス１００の外部に排出される。

前記過程により、高温ボックス１００内に常温で供給される燃料及び空気は、スタック４００に供給するのに適した温度で加熱される。

前記高温ボックス１００の内部に供給される燃料は、水を含み得、前記水も前記熱交換器２００を介して加熱され、前記スタック４００に供給されるのに適した温度で加熱され得る。前記水は、常温の状態で前記高温ボックス１００内に供給され、前記高温ボックス１００の内部では加熱されて水蒸気の状態で存在する。

図２は本発明の第１実施形態による熱効率が向上した固体酸化物燃料電池システムの高温ボックス内での熱伝達状態を示す図面である。

本発明の第１実施形態による熱交換器２００は、熱交換型改質器２１０又は空気予熱器２２０を含み得る。前記熱交換型改質器２１０は、高温ボックス１００に供給される燃料を加熱及び改質してスタック４００に供給し、前記燃料は、水を含み得る。前記空気予熱器２２０は、前記高温ボックス１００に供給される空気を加熱してスタック４００に供給する。

前記したとおり、前記燃料、空気又は水は、前記高温ボックス１００に常温の状態で供給され、前記水は、前記高温ボックス１００の内部では加熱され、水蒸気の状態で存在する。

一方、本明細書で「常温」とは、本発明の熱効率が向上した固体酸化物燃料電池システムの外部温度であって、加熱又は冷却など温度と関連するいかなる処理もなされていない温度であると定義する。

本発明の第１実施形態による熱源３００は、バーナー３１０であり得、前記バーナー３１０は、高温ボックス１００の内部に配置され得る。前記バーナー３１０は、スタック４００での排出ガスの供給を受けて高温の燃焼ガスを発生させる。前記燃焼ガスは、第１燃焼ガス配管ｃｐ１に沿って前記熱交換型改質器２１０に最初に供給され得る。

前記熱交換型改質器２１０に供給された前記燃焼ガスは、前記高温ボックス１００の内部で最も高温の状態である。前記熱交換型改質器２１０に供給された前記燃焼ガスは、スタック４００に供給される燃料又は水と熱交換される。熱交換型改質器２１０での前記熱交換によって、前記燃料又は水は加熱され、前記燃焼ガスの温度はより低くなる。前記熱交換型改質器２１０で熱交換した前記燃焼ガスは、第２燃焼ガス配管ｃｐ２に沿って前記空気予熱器２２０に供給され得る。

前記空気予熱器２２０に供給された前記燃焼ガスは、スタック４００に供給される空気と熱交換される。空気予熱器２２０での前記熱交換によって、前記空気は加熱され、前記燃焼ガスの温度はより低くなる。前記空気予熱器２２０で熱交換した前記燃焼ガスは、第３燃焼ガス配管ｃｐ３に沿って前記高温ボックス１００の外部に排出され得る。

つまり、本発明の第１実施形態によるバーナー３１０の燃焼ガスは、前記熱交換型改質器２１０及び前記空気予熱器２２０に順次に供給され得る。

前記燃焼ガスの供給によって、燃料、空気又は水に熱が伝達され、窮極的に前記熱交換型改質器２１０又は前記スタック４００に熱が伝達される。前記熱伝達によって、前記熱交換型改質器２１０での改質又は前記スタック４００での発電が可能になる。前記燃焼ガスの温度は、前記熱交換型改質器２１０及び前記空気予熱器２２０を経て徐々に低くなる。

一方、スタック４００での発電に用いられる燃料は、常温の状態で前記高温ボックス１００内に供給される。前記燃料は、天然ガス（ＮＧ）、液化天然ガス（ＬＮＧ）、液化石油ガス（ＬＰＧ）又はディーゼルなど水素又は炭化水素系の多様な燃料であり得る。前記高温ボックス１００内に供給される燃料は、別途の供給装置（図示せず）によって水を含み得る。

前記高温ボックス１００内に供給される燃料は、第１燃料／水配管ｆｗｐ１に沿って前記熱交換型改質器２１０に供給され得る。

前記熱交換型改質器２１０に供給された燃料は、前記熱交換型改質器２１０で前記バーナー３１０の燃焼ガスと熱交換することによって加熱される。この時、燃料に含まれた水は、水蒸気に相変化する。また、前記熱交換型改質器２１０は、加熱された前記燃料を改質して水素ガスを発生させる。前記水素ガスは、第２燃料／水配管ｆｗｐ２に沿って前記スタック４００の燃料極４１１に供給され得る。

前記スタック４００は、一般に直列又は並列連結される多数の単電池（Ｓｉｎｇｌｅ Ｃｅｌｌ）からなり、前記単電池は、多孔性の燃料極４１１及びカソード４１３とその間に配置される緻密な構造の電解質４１２で構成される。

前記スタック４００の燃料極４１１に供給される水素ガスに含まれる水素（Ｈ_２）は、前記カソード４１３からイオン伝導体である前記電解質４１２を介して伝導された酸素イオン（Ｏ^２−）と反応する。前記反応によって電子、水（Ｈ_２Ｏ）及び熱が放出され、前記電子は、外部回路（図示せず）を介して正極に移動する過程で電気的な仕事を実行する。

前記反応後前記燃料極４１１から排出されるガス、つまり、燃料極排出ガスは、第１及び第２燃料極排出ガス配管ａｏｐ１、ａｏｐ２に沿ってバーナー３１０に供給され、前記バーナー３１０の燃焼のための燃料として用いられ得る。

一方、前記したように、前記反応は、熱を放出させる発熱反応であるため、前記燃料極排出ガスは、前記燃料極４１１に供給される水素ガスより多少高い温度で排出される。

また、前記反応は水（Ｈ_２Ｏ）を放出させる反応であるため、前記燃料極排出ガスには多量の水蒸気が含まれる。前記多量の水蒸気は、前記燃料極排出ガスが、前記バーナー３１０の燃料として用いられるのに適しなくてもよい。その理由は、前記水蒸気によって前記バーナー３１０の燃焼による温度増加が限定的であり得、特に前記バーナー３１０が触媒バーナーである場合、前記水蒸気が触媒に深刻な損傷を与えるからである。したがって、前記水蒸気を除去した後に前記燃料極排出ガスを前記バーナー３１０の燃焼のための燃料として用いることが好ましい。前記水蒸気は、多様な方法によって除去され得るが、熱の回収による熱の利用の側面から前記燃料極排出ガスの温度を低くし、前記水蒸気を凝縮除去することが好ましい。

前記したとおり、燃料極排出ガスの熱を回収して利用し、前記燃料極排出ガスの温度を低くするため、本発明の第１実施形態による熱交換器３００は、燃料極排出ガスの熱を高温ボックス１００に供給される空気に伝達する燃料極排出ガス冷却器２５０をさらに含み得る。

燃料極排出ガス冷却器２５０をさらに含む場合、前記燃料極排出ガスは、第１燃料極排出ガス配管ａｏｐ１に沿って前記燃料極排出ガス冷却器２５０に供給され得る。前記高温ボックス１００に供給される空気は常温状態であるため、前記燃料極排出ガス冷却器２５０に供給される前記燃料極排出ガスは、前記空気と熱交換することによって温度がより低くなる。

前記燃料極排出ガス冷却器２５０に供給された前記燃料極排出ガスは、第２燃料極排出ガス配管ａｏｐ２に沿って前記バーナー３１０に移動しつつ高温ボックス１００の外部に配置される熱交換器（図示せず）を経る。

高温ボックス１００の外部に配置される前記熱交換器（図示せず）によって前記燃料極排出ガスはさらに冷却され得、前記熱交換器（図示せず）によって回収された前記燃料極排出ガスの熱は、暖房又は温水供給などに用いられ得る。

前記高温ボックス１００の外部を通過する前記第２燃料極排出ガス配管ａｏｐ２には凝縮器（図示せず）が配置され得、温度低下によって凝縮された水は、前記凝縮器（図示せず）で前記燃料極排出ガスから分離排出され得る。これにより、前記燃料極排出ガスに含まれる多量の水蒸気は除去され得、前記燃料極排出ガスは、より効果的に前記バーナー３１０の燃焼のための燃料として用いられ得る。

一方、スタック４００での発電に用いられる空気は、常温の状態で前記高温ボックス１００内に供給される。前記高温ボックス１００内に供給される空気は、空気配管ａｐ１、ａｐ２、ａｐ３に沿って前記スタック４００のカソード４１３に供給される。

前記カソード４１３に供給される空気に含まれた酸素は、前記カソード４１３と燃料極４１１の電気化学反応によって酸素イオン（Ｏ^２−）に還元され、前記酸素イオン（Ｏ^２−）は、イオン伝導体である電解質４１２を介して前記燃料極４１１に伝導される。前記カソード４１３に供給される空気は、所定の温度で加熱されなければならないが、前記したように、前記空気は、空気予熱器２２０を介して加熱され得る。つまり、前記空気は、空気予熱器２２０でバーナー３１０の燃焼ガスと熱交換することによって加熱され得る。

より効率的な熱管理のため、本発明の第１実施形態による熱交換器２００は、前記したように燃料極排出ガス冷却器２５０をさらに含み得る。前記燃料極排出ガス冷却器２５０をさらに含む場合、前記空気は、前記燃料極排出ガス冷却器２５０で燃料極排出ガスと熱交換することによって、より効率的に加熱され得る。この時、前記燃料極排出ガス冷却器２５０での加熱は、前記空気予熱器２２０での加熱に対して補助的であり得る。

実験的に、前記空気予熱器２２０での燃焼ガスの温度が、前記燃料極排出ガス冷却器２５０での燃料極排出ガスの温度より高く測定される。したがって、前記空気は、順次に燃料極排出ガス冷却器２５０及び空気予熱器２２０を通過することが好ましい。

以下、空気の供給に係る本発明の好ましい第１実施形態を図２を参照して説明する。

高温ボックス１００に常温で供給される空気は、第１空気配管ａｐ１に沿って前記燃料極排出ガス冷却器２５０に供給され得る。前記燃料極排出ガス冷却器２５０に供給された空気は、前記燃料極排出ガス冷却器２５０で燃料極排出ガスと熱交換することによって１次的に加熱され得る。１次的に加熱された空気は、第２空気配管ａｐ２に沿って前記空気予熱器２２０に供給され得る。

前記空気予熱器２２０に供給された空気は、前記空気予熱器２２０で燃焼ガスと熱交換することによって２次的に加熱され得る。前記２次的に加熱された空気は、第３空気配管ａｐ３に沿って前記スタック４００のカソード４１３に供給され得る。

前記カソード４１３に供給された空気は、前記スタック４００での発電に用いられ、前記カソード４１３で排出されるカソード排出ガスは、カソード排出ガス配管ｃｏｐ１に沿ってバーナー３１０に供給されてバーナーの燃焼に用いられ得る。

一方、本発明の第１実施形態によるバーナー３１０は、前記スタック４００の前記燃料極４１１及び前記カソード４１３での排出ガス、つまり、前記スタック４００での排出ガスの他に別途の燃焼用燃料及び燃焼用空気の供給を受けて燃焼ガスを発生させるものであり得る。

季節、昼と夜又は地域などにより本発明の熱効率が向上した固体酸化物燃料電池システムの外部温度は、変化し、外部温度に応じて高温ボックス１００に供給される常温の燃料、空気又は水の温度が変化し得る。特に、外部温度が、きわめて低温である場合、本発明の熱効率が向上した固体酸化物燃料電池システムは、前記バーナー３１０による燃焼ガスをさらに多く必要とするか、さらに高温の燃焼ガスを必要とし得る。

前記した必要に応じて、本発明の熱効率が向上した固体酸化物燃料電池システムは、前記燃焼用燃料及び前記燃焼用空気の供給によってさらに多量又は高温の燃焼ガスを発生させるものであり得る。

図２を参照すると、燃焼用燃料配管ｃｆｐ１に沿って前記燃焼用燃焼が、前記バーナー３１０に供給され得る。また、燃焼用空気配管ｃａｐ１に沿って前記燃焼用空気が、前記バーナー３１０に供給され得る。前記燃焼用燃料及び燃焼用空気の供給によって前記バーナー３１０は、さらに多量又は高温の燃焼ガスを発生させ得る。

一方、本発明の第１実施形態による熱源３００は、高温ボックス１００の外部に配置され、バーナー３１０に高温の空気を供給する電気ヒーター（図示せず）をさらに含み得る。前記電気ヒーター（図示せず）は、高温の空気を前記バーナー３１０に供給して前記バーナー３１０の温度を上昇させる。これにより、前記電気ヒーター（図示せず）は、前記燃焼用燃料又は前記燃焼用空気によるさらに多量又は高温の燃焼ガスの発生と同一又は類似の効果を提供し得る。

図３は、本発明の第２実施形態による高温ガスによって加熱される固体酸化物燃料電池システムの概念図である。

図３を参照すると、本発明の一実施形態による高温ガスによって加熱される固体酸化物燃料電池システムは、高温ボックス５００、部品部６００、高温部６１０、空間部５１０及び熱源７００を含む。

前記高温ボックス５００は、一般に燃料電池システムに適用される部品のうち高温で運転される部品の作動温度の維持のための断熱を提供し、熱損失を最少化してシステム効率を向上させる。

前記部品部６００は、高温ボックスの内部に配置される部品で構成される。

前記高温部６１０は、前記部品部の部品のうち発電のために高温を必要とする部品で構成される。

前記空間部５１０は、前記高温ボックス１００の内部空間のうち前記部品部６００が占める空間以外の空間を意味する。

前記熱源７００は、前記高温部６１０を含む前記部品部６００に高温ガスを供給する。前記熱源７００は、前記高温部６１０を含む前記部品部６００にのみ高温ガスを供給し、前記空間部５１０には前記高温ガスが供給されない。

前記高温ガスの供給によって、発電のために高温を必要とする前記高温部６１０が加熱され得る。また、前記加熱によって、本発明に係る高温ガスによって加熱される固体酸化物燃料電池システムの温度が、作動温度まで上昇するか、又は作動温度が維持され得る。

本発明の第２実施形態による前記熱源７００は、前記高温ボックス５００の内部に配置されるバーナーであり得、前記高温ガスは、前記バーナーの燃焼ガスであり得る。また、前記熱源７００は、前記高温ボックス５００の外部に配置される電気ヒーターであり得、前記高温ガスは、前記電気ヒーターによる高温の空気であり得る。

本発明の第２実施形態による高温ガスによって加熱される固体酸化物燃料電池システムによれば、前記高温ガスは、前記部品部６００にのみ供給され、前記部品部６００への供給により前記高温部６１０のみを直接又は間接的に加熱する。つまり、前記高温ガスは、前記高温ボックス５００の内部全体又は前記空間部５１０を直接又は間接的に加熱するのではなく、前記高温部６１０のみを直接又は間接的に加熱する。

前記直接加熱とは、前記高温部が前記高温ガスと直接熱交換して加熱されることを意味し、前記間接加熱とは、前記高温部が前記高温ガスと熱交換した熱媒体によって加熱されることを意味する。前記熱媒体は、意図された熱媒体に限り、前記意図された熱媒体は、発電のためにスタック２２０に供給される燃料、水蒸気又は空気であり得、これについては後述する。

前記空間部５１０には断熱材（図示せず）が配置され、前記断熱材（図示せず）によって前記部品部６００と前記高温ボックス５００が断熱され得る。前記断熱材（図示せず）は、前記部品部６００の形状に対応するように加工される断熱材であり得る。つまり、前記断熱材（図示せず）は、前記部品部６００の外面及び前記高温ボックス５００の内面と当接する形状で加工され、前記空間部５１０を埋めるものであり得る。また、前記断熱材（図示せず）は、粉末形態の断熱材であり得、前記空間部５１０は、前記粉末形態の断熱材によって埋められるものであり得る。

前記高温部６１０を直接又は間接的に加熱する場合は、前記高温ボックス５００の内部全体を加熱する場合に比べ、高温ガスによる加熱体積が減少して燃料電池システムの熱効率が増加し得る。

また、前記空間部５１０に断熱材が配置される場合は、前記部品部６００の各部品が部品別に独立した温度分布を有する場合において、各部品別の温度制御が容易であるという効果があり、熱輻射などによって前記部品部６００の外部、つまり前記空間部５１０への熱の放出が防止されて熱効率が増加し得る。

図４は本発明の第２実施形態による高温ガスによって加熱される固体酸化物燃料電池システムの高温ボックス内での熱伝達状態を示す図面である。

図２を参照すると、本発明の第２実施形態による部品部６００は、スタック６２０、熱交換型改質器６３０又は各種熱交換器を含み得る。また、前記部品部６００は、前記スタック６２０、熱交換型改質器６３０又は各種熱交換器に供給される気体の移動通路である各種配管を含み得る。

前記熱交換器は、熱交換型改質器６３０、空気予熱器６４０又は燃料極排出ガス冷却器６７０を含み得る。前記配管は、燃焼ガス配管ｃｐ、燃料／水蒸気配管ｆｓｐ、空気配管ａｐ、燃料極排出ガス配管ａｏｐ、カソード排出ガス配管ｃｏｐ、燃焼用燃料配管ｃｆｐ又は燃焼用空気配管ｃａｐを含み得る。

本発明の第２実施形態による高温部６１０は、前記スタック６２０を含み得、前記スタック６２０に供給されるための水素を改質する場合において、前記熱交換型改質器６３０を含み得る。

以下、高温ガスによる前記熱交換型改質器６３０の加熱及び前記スタック６２０を加熱するための熱媒体（燃料、空気又は水蒸気）の加熱について説明する。前記高温部６１０の温度が、本発明によるシステムの所定の作動温度に到達する前の前記熱媒体は、前記スタック６２０の温度を上昇させるためのものに該当するが、前記作動温度に到達した後の前記熱媒体は、前記スタック６２０の温度維持及び前記スタック６２０での発電に用いられるものであることを明らかにしておく。

前記したように、本発明による熱源７００は、高温部６１０を含む部品部６００に高温ガスを供給し、前記高温ガスは、前記部品部６００を介して前記高温部６１０を加熱する。

本発明の第２実施形態による熱源７００は、バーナー７１０又は電気ヒーター（図示せず）であり得、前記バーナー７１０又は前記電気ヒーター（図示せず）は、それぞれ高温ボックス５００の内部又は外部に配置され得る。

前記熱源７００がバーナー７１０である場合、前記バーナー７１０は、スタック６２０での排出ガス又は別途の燃焼用燃料及び燃焼用空気の供給を受けて燃焼ガスを発生させるものであり得る。前記熱源が電気ヒーター（図示せず）である場合、前記電気ヒーター（図示せず）は、高温の空気を発生させるものであり得る。

以下、前記熱源が前記バーナー３１０である実施形態について説明する。ただし、前記バーナー７１０での燃焼に係る内容を除いては、前記バーナー７１０の燃焼ガスは、電気ヒーター（図示せず）の高温の空気も含むものとする。

発生した前記燃焼ガスは、第１燃焼ガス配管ｃｐ１１に沿って前記熱交換型改質器６３０に最初に供給され得る。

前記熱交換型改質器６３０に供給された前記燃焼ガスは、前記高温ボックス５００の内部で最も高温の状態にある。前記熱交換型改質器６３０に供給された前記燃焼ガスは、前記熱交換型改質器６３０を加熱する。また、前記熱交換型改質器６３０で前記燃焼ガスは、前記スタック６２０を加熱するための熱媒体である燃料又は水蒸気と熱交換する。

熱交換型改質器６３０での前記熱交換によって、前記燃料又は水蒸気は、加熱され、前記燃焼ガスの温度はより低くなる。前記熱交換型改質器６３０で熱交換した前記燃焼ガスは、第２燃焼ガス配管ｃｐ１２に沿って前記空気予熱器６４０に供給され得る。

前記空気予熱器６４０に供給された前記燃焼ガスは、スタック６２０を加熱するための熱媒体である空気と熱交換する。空気予熱６４０での前記熱交換により、前記空気は加熱され、前記燃焼ガスの温度はより低くなる。前記空気予熱器６４０で熱交換した前記燃焼ガスは、第３燃焼ガス配管ｃｐ１３に沿って前記高温ボックス５００の外部に排出され得る。

したがって、前記バーナー７１０の燃焼ガスは、前記熱交換型改質器６３０及び前記空気予熱器６４０に順次に供給され得る。前記燃焼ガスの供給によって、前記熱交換型改質器６３０が加熱され、前記スタック６２０を加熱するための熱媒体である燃料、空気又は水蒸気が加熱される。前記燃焼ガスの温度は、前記熱交換型改質器６３０及び前記空気予熱器６４０を経て徐々に低くなる。

以下、前記スタック６２０、特に前記スタック６２０の燃料極６２２の加熱について説明する。

前記スタック６２０は、前記燃焼ガスと熱交換した熱媒体である燃料又は水蒸気によって加熱され得る。前記燃料は、天然ガス（ＮＧ）、液化天然ガス（ＬＮＧ）、液化石油ガス（ＬＰＧ）又はディーゼルなど水素又は炭化水素系の多様な燃料であり得る。

前記高温ボックス５００内に供給される燃料は、別途の供給装置（図示せず）によって水蒸気を含み得、前記高温ボックス５００に供給される燃料に含まれる前記水蒸気は水の状態であり得る。前記高温ボックス１００内に供給される燃料は、第１燃料／水蒸気配管ｆｓｐ１１に沿って前記熱交換型改質器６３０に供給され得る。

前記熱交換型改質器６３０に供給された燃料は、前記熱交換型改質器６３０で前記バーナーの燃焼ガスと熱交換することによって加熱される。前記水蒸気が水の状態である場合、前記水は、前記加熱によって前記水蒸気に相変化され得る。前記加熱された燃料は、第２燃料／水蒸気配管ｆｓｐ１２に沿って前記スタック６２０の燃料極６２２に供給され得る。前記加熱された燃料の供給によって前記スタック６２０、特に前記スタック６２０の燃料極６２２が加熱され得る。

一方、前記高温部６１０の温度が、本発明によるシステムの所定の作動温度に到達した場合は、熱交換型改質器６３０に供給された燃料は、前記燃焼ガスと熱交換することによって加熱されること以外に、前記熱交換型改質器６３０によって水素ガスに改質され、前記水素ガスは高温の状態で存在する。前記水素ガスは、第２燃料／水蒸気配管ｆｓｐ１２に沿って前記スタック６２０の燃料極６２２に供給され得る。

前記水素ガスの供給によって前記スタック６２０、特に前記スタック６２０の燃料極６２２は、本発明によるシステムの作動温度を維持し得る。また、前記水素ガスは前記スタック６２０での発電にも用いられる。

前記スタック６２０は、一般に直列又は並列連結される複数の単電池（Ｓｉｎｇｌｅ Ｃｅｌｌ）からなり、前記単電池は多孔性の燃料極６２２及びカソード６２４とその間に配置される緻密な構造の電解質６２３で構成される。

前記スタック６２０の燃料極６２２に供給される水素ガスに含まれる水素（Ｈ_２）は、前記カソード６２４からイオン伝導体である前記電解質６２３を介して伝導された酸素イオン（Ｏ^２−）と反応する。前記反応によって電子、水（Ｈ_２Ｏ）及び熱が放出され、前記電子は外部回路（図示せず）を介して正極に移動する過程で電気的な仕事を実行する。前記反応は、熱を放出させる発熱反応であるため、前記スタック６２０、特に前記スタック６２０の燃料極６２２は、さらに容易に前記作動温度を維持し得る。

前記反応後の前記燃料極６２２から排出されるガス、つまり、燃料極排出ガスは、第１及び第２燃料極排出ガス配管ａｏｐ１１、ａｏｐ１２に沿ってバーナー７１０に供給されて前記バーナー７１０の燃焼のための燃料として用いられ得る。

一方、前記反応は、熱を放出させる発熱反応であるため、前記燃料極排出ガスは、前記燃料極６２２に供給される水素ガスより多少高い温度で排出される。

また、前記反応は、水（Ｈ_２Ｏ）を放出させる反応であるため、前記燃料極排出ガスには多量の水蒸気が含まれる。前記多量の水蒸気は、前記燃料極排出ガスが、前記バーナー７１０の燃料として用いられるのに適しなくてもよい。その理由は、前記水蒸気によって前記バーナー７１０の燃焼による温度増加が限定的であり得、特に前記バーナー７１０が触媒バーナーである場合に前記水蒸気が触媒に深刻な損傷を与え得るからである。したがって、前記水蒸気を除去した後に前記燃料極排出ガスを前記バーナー７１０の燃焼のための燃料として用いることが好ましい。

前記水蒸気は、多様な方法によって除去され得るが、熱の回収による熱の利用の側面から前記燃料極排出ガスの温度を低くして前記水蒸気を凝縮除去することが好ましい。

前記したように、燃料極排出ガスの熱を回収して用い、前記燃料極排出ガスの温度を低くするため、本発明の一実施形態による部品部６００は、燃料極排出ガスの熱を高温ボックス５００に供給される空気に伝達する燃料極排出ガス冷却器６７０をさらに含み得る。燃料極排出ガス冷却器６７０をさらに含む場合、前記燃料極排出ガスは、第１燃料極排出ガス配管ａｏｐ１１に沿って前記燃料極排出ガス冷却器６７０に供給され得る。

前記燃料極排出ガス冷却器２７０に供給された前記燃料極排出ガスは、第１空気配管ａｐ１１に沿って高温ボックス５００に供給される空気と熱交換することによって温度がより低くなる。より冷却された前記燃料極排出ガスは、第２燃料極排出ガス配管ａｏｐ１２に沿って前記バーナー７１０に移動しつつ高温ボックス５００の外部に配置される熱交換器（図示せず）を経る。

高温ボックス１００の外部に配置される前記熱交換器（図示せず）によって、前記燃料極排出ガスはさらに冷却され得、前記熱交換器（図示せず）によって、回収された前記燃料極排出ガスの熱は、暖房又は温水供給などに用いられ得る。

前記高温ボックス５００の外部を通過する前記第２燃料極排出ガス配管ａｏｐ１２には凝縮器（図示せず）が配置され得、温度低下によって凝縮された水は、前記凝縮器（図示せず）で前記燃料極排出ガスから分離排出され得る。これにより、前記燃料極排出ガスに含まれる多量の水蒸気は除去され得、前記燃料極排出ガスは、より効果的に前記バーナー７１０の燃焼のための燃料として用いられ得る。

以下、前記スタック６２０、特に前記スタック６２０のカソード６２４の加熱について説明する。

前記スタック６２０は、前記燃焼ガスと熱交換した熱媒体である空気によって加熱され得る。前記空気は、空気配管ａｐ１１、ａｐａ１２、ａｐ１３に沿って前記スタック２２０に供給され得る。

本発明の一実施形態による部品部６００は、空気予熱器６４０を含み得る。前記空気予熱器６４０を含む場合、前記空気は、第１及び第２空気配管ａｐ１１、ａｐ１２に沿って前記空気予熱器６４０に供給され得る。前記空気予熱器６４０に供給された空気は、燃焼ガスと熱交換することによって加熱され得る。

前記空気のより効率的な加熱のため、本発明の一実施形態による部品部６００は、前記したように燃料極排出ガス冷却器６７０をさらに含み得る。前記燃料極排出ガス冷却器６７０をさらに含む場合、前記空気は、第１空気配管ａｐ１１に沿って前記燃料極排出ガス冷却器６７０に供給され得る。

前記燃料極排出ガス冷却器６７０に供給された空気は、前記燃料極排出ガスと熱交換することによって加熱され得る。前記燃料極排出ガスと熱交換した空気は、第２空気配管ａｐ１２に沿って前記空気予熱器６４０に供給され得、前記したように、前記空気予熱器６４０で前記燃焼ガスと熱交換することによってさらに加熱され得る。この時、前記燃料極排出ガス冷却器６７０での加熱は、前記空気予熱器６４０での加熱に対して補助的であり得る。

実験的に、前記空気予熱器６４０での燃焼ガスの温度が、前記燃料極排出ガス冷却器６７０での燃料極排出ガスの温度より高く測定される。したがって、前記空気は順次に燃料極排出ガス冷却器６７０及び空気予熱器６４０を通過することが好ましい。

前記空気予熱器６４０、又は前記燃料極排出ガス冷却器６７０及び前記空気予熱器６４０で加熱された空気は、第３空気配管ａｐ１３に沿って前記スタック６２０のカソード６２４に供給され得る。これにより、前記スタック６２０、特に前記スタック６２０のカソード６２４が加熱され得る。

一方、前記高温部６１０の温度が、本発明によるシステムの所定の作動温度に到達した場合には、前記スタック６２０のカソード６２４に供給された空気は、前記スタック６２０、特に前記スタック６２０のカソード６２４の作動温度の維持及び前記スタック６２０での発電に用いられる。

前記空気が発電に用いられる場合、前記カソード６２４に供給された空気内に含まれた酸素は、前記カソード６２４と前記燃料極６２２の電気化学反応によって酸素イオン（Ｏ^２−）に還元される。前記酸素イオン（Ｏ^２−）は、イオン伝導体である電解質６２３により前記燃料極６２２に伝導され、前記伝導された前記酸素イオン（Ｏ^２−）は、前記燃料極６２４の水素（Ｈ_２）と反応することによって発電が行われる。

一方、前記スタック６２０に供給され、前記カソード６２４の加熱又は前記スタック６２０での発電に用いられた空気は、カソード排出ガス配管ｃｏｐ１１に沿ってバーナー７１０に供給され、前記バーナーの燃焼に用いられ得る。

本発明に第２実施形態による熱源７００がバーナー７１０である場合、前記バーナー７１０は、前記スタック６２０の燃料極６２２及びカソード６２４での排出ガス、つまり、前記スタック６２０での排出ガスの他に別途の燃焼用燃料及び燃焼用空気の供給を受けて燃焼ガスを発生させるものであり得る。

前記燃焼用燃料及び前記燃焼用空気は、特に本発明の第２実施形態によるシステムの温度を作動温度まで上昇させる場合において、前記バーナー７１０の燃焼のための発火及び燃焼に用いられ得る。また、本発明によるシステムの温度が、作動温度まで上昇した以降にも、本発明の第２実施形態によるシステムは、前記燃焼用燃料及び前記燃焼用空気の供給によって、さらに多量又は高温の燃焼ガスを発生させるものであり得る。これは、季節、昼と夜又は地域などによって、本発明によるシステムの外部温度は変化し、外部温度に応じて高温ボックス５００に供給される熱媒体である燃料、空気又は水の温度が変化し得るからである。

前記燃焼用燃料及び燃焼用空気が前記バーナー７１０に供給される場合、燃焼用燃料配管ｃｆｐ１１及び燃焼用空気配管ｃａｐ１１に沿って各々前記燃焼用燃料及び燃焼用空気が、前記バーナー７１０に供給され得る。前記燃焼用燃料及び燃焼用空気の供給によって前記バーナー７１０は、さらに多量又は高温の燃焼ガスを発生させ得る。

Claims (19)

1. 高温ボックスと、
   前記高温ボックスの内部の熱交換器及びスタックと、
   前記熱交換器に熱を供給する熱源と、を含み、
   前記高温ボックスに常温で供給される燃料及び空気は、前記熱交換器を介して加熱して運転される熱効率が向上した固体酸化物燃料電池システム。
2. 前記高温ボックスに常温で供給される水は、前記熱交換器を介して加熱して運転される請求項１に記載の熱効率が向上した固体酸化物燃料電池システム。
3. 前記熱交換器は、
   前記高温ボックスに供給される燃料を加熱及び改質して前記スタックに供給する熱交換型改質器と、
   前記高温ボックスに供給される空気を加熱して前記スタックに供給する空気予熱器と、を含み、
   前記熱源の熱は、前記熱交換型改質器及び前記空気予熱器に順次に供給される請求項１項又は２に記載の熱効率が向上した固体酸化物燃料電池システム。
4. 前記熱交換器は、前記スタックの燃料極から排出される排出ガスの熱を高温ボックスに供給される空気に伝達する燃料極排出ガス冷却器をさらに含む請求項３に記載の熱効率が向上した固体酸化物燃料電池システム。
5. 前記高温ボックスに常温で供給される空気は、順次に前記燃料極排出ガス冷却器及び前記空気予熱器を経て加熱する請求項４に記載の熱効率が向上した固体酸化物燃料電池システム。
6. 前記熱源は、前記高温ボックスの内部に配置されて高温の燃焼ガスを発生させるバーナーである請求項１に記載の熱効率が向上した固体酸化物燃料電池システム。
7. 前記バーナーは、前記スタックでの排出ガスの他に燃焼用燃料及び燃焼用空気の供給を受けて燃焼ガスを発生させる請求項６に記載の熱効率が向上した固体酸化物燃料電池システム。
8. 前記熱源は、前記高温ボックスの外部に配置されて前記バーナーに高温の空気を供給する電気ヒーターをさらに含む請求項６に記載の熱効率が向上した固体酸化物燃料電池システム。
9. 高温ボックスと、
   前記高温ボックスの内部に配置される部品で構成される部品部と、
   前記部品のうち発電のために高温を必要とする部品で構成される高温部と、
   前記高温ボックスの内部空間のうち前記部品部が占める空間以外の空間である空間部と、
   前記高温部を含む前記部品部に高温ガスを供給する熱源と、を含み、
   前記高温ガスは、部品部を介して前記高温部を加熱し、
   前記加熱によって温度が作動温度まで上昇するか、作動温度が維持される高温ガスによって加熱される固体酸化物燃料電池システム。
10. 前記熱源は、前記高温ボックスの内部に配置されるバーナーであり、
    前記高温ガスは、前記バーナーの燃焼ガスである請求項９に記載の高温ガスによって加熱される固体酸化物燃料電池システム。
11. 前記熱源は、前記高温ボックスの外部に配置される電気ヒーターであり、
    前記高温ガスは、前記電気ヒーターによる高温の空気である請求項９に記載の高温ガスによって加熱される固体酸化物燃料電池システム。
12. 前記空間部には断熱材が配置され、
    前記断熱材によって前記部品部の部品と部品との間若しくは前記部品部と前記高温ボックスとの間、又は前記部品部の部品と部品との間及び前記部品部と前記高温ボックスとの間が断熱される請求項９に記載の高温ガスによって加熱される固体酸化物燃料電池システム。
13. 前記断熱材は、前記部品部の形状に対応するように加工された断熱材又は粉末形態の断熱材である請求項１２に記載の高温ガスによって加熱される固体酸化物燃料電池システム。
14. 前記高温部は、熱交換型改質器を含み、
    前記高温ガスによって前記熱交換型改質器が加熱される請求項９に記載の高温ガスによって加熱される固体酸化物燃料電池システム。
15. 前記高温部は、スタックを含み、
    前記スタックに供給される燃料又は水蒸気は、前記部品部で前記高温ガスとの熱交換によって加熱され、
    前記スタックは、前記熱交換した燃料又は水蒸気によって加熱される請求項９に記載の高温ガスによって加熱される固体酸化物燃料電池システム。
16. 前記部品部は、熱交換型改質器を含み、
    前記高温ガスは、前記熱交換型改質器に供給され、
    前記燃料又は水蒸気は、前記熱交換型改質器によって加熱される請求項１５に記載の高温ガスによって加熱される固体酸化物燃料電池システム。
17. 前記高温部はスタックを含み、
    前記スタックに供給される空気は、前記部品部で前記高温ガスとの熱交換によって加熱され、
    前記スタックは、前記熱交換した空気によって加熱される請求項９に記載の高温ガスによって加熱される固体酸化物燃料電池システム。
18. 前記部品部は、空気予熱器を含む請求項１７に記載の高温ガスによって加熱される固体酸化物燃料電池システム。
19. 前記部品部は、前記スタックの燃料極排出ガス冷却器をさらに含み、
    前記空気は、順次に前記燃料極排出ガス冷却器及び前記空気予熱器を経て加熱される請求項１８に記載の高温ガスによって加熱される固体酸化物燃料電池システム。

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