JP2020119854A - 固体酸化物形燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】セルスタックの周囲を断熱しつつ、セルスタックでの発熱増に対応してセルスタック周囲からの熱除去の促進を行うことができる固体酸化物形燃料電池システムの提供。【解決手段】収納筐体１の内部空間Ｓに、改質器１１と、固体酸化物形燃料電池セルを複数積層したセルスタックＣＳと、セルスタックＣＳの内部から排出された排出燃料ガスを燃焼する燃焼部１４とを備える固体酸化物形燃料電池システムであって、内部空間Ｓにおいて、セルスタックＣＳの上方に改質器１１と燃焼部１４とが設けられ、電気化学反応で用いられた後にセルスタックＣＳの内部から排出された排出酸化剤ガスは、セルスタックＣＳの下部側でセルスタックＣＳの周囲の内部空間Ｓに流出し、セルスタックＣＳの周囲をセルスタックＣＳの下部側から上部側へ向かって流れた後、燃焼部１４において排出燃料ガスを燃焼させるために利用されるように構成されている。【選択図】図３

Description

本発明は、収納筐体の内部空間に、原燃料を水蒸気改質して燃料ガスを生成する改質器と、前記燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する平板形状の固体酸化物形燃料電池セルを複数積層したセルスタックと、前記電気化学反応で用いられた後に前記セルスタックの内部から排出された排出燃料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システムに関する。

家庭用システムとしても適した固体酸化物形燃料電池システムとして、原燃料ガスを水蒸気改質するための改質器と、改質器での原燃料ガスの改質により生成された燃料ガス及び酸化剤ガスの酸化及び還元によって発電を行うセルスタックと、セルスタックの酸素極（空気極）側に酸化剤ガスとしての空気を供給するための空気供給手段と、改質器に原燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段とを備え、セルスタック及び改質器が高温状態に保たれる高温空間に収容されているものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。そして、改質器で生成された燃料ガスがセルスタックの燃料極側に送給され、空気供給手段からの空気がセルスタックの空気極側に送給され、このセルスタックにおける電気化学反応により発電が行われる。

特許文献１に記載の固体酸化物形燃料電池システムでは、セルスタックの上側の空間に燃焼域が設定され、この燃焼域の上方に改質器が配設されている。セルスタックの上側の燃焼域には、セルスタックの燃料極から排出燃料ガス（即ち、アノードオフガス）が排出され、空気極側から排出酸化剤ガス（即ち、カソードオフガス）が排出され、燃焼域で燃焼される。そして、この燃焼熱を利用して高温空間が高温状態に保たれるとともに、改質器などが加熱される。

特許文献２には、セルスタックの上側に燃焼域を設けることに代えて、専用の燃焼器（排ガス燃焼器１８）を備えた固体酸化物形燃料電池システムが記載されている。このセルスタックは、平板型と呼ばれるタイプであり、直方体形状のセルスタックの６面の内、５面には、断熱ボードや顆粒状断熱材が密着するように配置されている。そして、セルスタックの残りの１面には、改質器が相対して配置され、燃料ガス及び酸化剤ガスがセルスタックに供給される。

特許文献２に記載の固体酸化物形燃料電池システムでは、セルスタックの燃料極側からの排出燃料ガスが排出燃料ガス送給流路を通して燃焼器に送給され、セルスタックの空気極側からの排出酸化剤ガスが排出酸化剤ガス送給流路を通して燃焼器に送給される。そして、この燃焼器において排出燃料ガスが排出酸化剤ガスにより燃焼され、この燃焼熱を利用して、断熱ボードや顆粒状断熱材で囲まれた高温空間が高温状態に保たれるとともに、改質器などが加熱される。

特開２００５−２８５３４０号公報 特開２０１６−２０７３４２号公報

定置用の固体酸化物形燃料電池システムのセルスタックは一般的に定格発電の条件で１０年間で１０〜２０％程度の電圧低下が起こる可能性がある。そのため、セルスタックの抵抗発熱が初期に比べ３割程度増大することになるので、セルスタック内の温度分布を初期状態より大きく乱すことなく、冷却する方法が求められている。

尚、特許文献２に記載のような平板型のセルスタックの場合、セルスタックの周囲には、改質器と相対している面以外の５面は断熱ボードや顆粒状断熱材が密着しており、それら５面の部分ではセルスタックからの放熱量を調節することは困難である。そのため、改質器と相対している面で、セルスタックに供給する燃料ガス（燃料ガスの顕熱及びセルスタック内でも起こる改質反応（吸熱）分）と空気（空気の顕熱分）とを用いて、セルスタックからの放熱量を調節する必要がある。

つまり、特許文献２のように、セルスタックの６面の内、５面を断熱施工した構造では、経年劣化後の発熱増に対応させることが容易ではなく、セルスタック劣化後には例えば最大発電出力値の相当割合を抑制する必要があると考えられる。

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、セルスタックの周囲を断熱しつつ、セルスタックでの発熱増に対応してセルスタック周囲からの熱除去の促進を行うことができる固体酸化物形燃料電池システム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システムの特徴構成は、収納筐体の内部空間に、原燃料を水蒸気改質して燃料ガスを生成する改質器と、前記燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する平板形状の固体酸化物形燃料電池セルを複数積層したセルスタックと、前記電気化学反応で用いられた後に前記セルスタックの内部から排出された排出燃料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システムであって、
前記内部空間において、前記セルスタックの上方に前記改質器と前記燃焼部とが設けられ、
前記電気化学反応で用いられた後に前記セルスタックの内部から排出された排出酸化剤ガスは、前記セルスタックの下部側で前記セルスタックの周囲の前記内部空間に流出し、前記セルスタックの周囲を前記セルスタックの下部側から上部側へ向かって流れた後、前記燃焼部において前記排出燃料ガスを燃焼させるために利用さ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、セルスタックの内部から排出された排出酸化剤ガスは、セルスタックの下部側でセルスタックの周囲に流出した後、セルスタックの周囲をセルスタックの下部側から上部側へ向かって流れるように構成されている。つまり、セルスタックの内部から排出される排出酸化剤ガスの単位時間当たりの流量を変化させれば、セルスタックの周囲を流れる排出酸化剤ガスの流量も変化する。その結果、セルスタックからの放熱量を調節する運転が可能になる。
従って、セルスタックの周囲を断熱しつつ、セルスタックでの発熱増に対応してセルスタック周囲からの熱除去の促進を行うことができる固体酸化物形燃料電池システムを提供できる。

本発明に係る固体酸化物形燃料電池システムの別の特徴構成は、前記収納筐体の前記内部空間に設置され、前記酸化剤ガスを前記セルスタックの内部に導く導入酸化剤ガス流通管と、
前記収納筐体の前記内部空間に設置され、前記セルスタックの内部から排出された前記排出酸化剤ガスを前記セルスタックの周囲の下部側へと導く排出酸化剤ガス流通管と、
前記導入酸化剤ガス流通管を流れる前記酸化剤ガスと、前記排出酸化剤ガス流通管を流れる前記排出酸化剤ガスとが熱交換するように構成される熱交換部とを備え、
前記熱交換部で熱交換した後の前記酸化剤ガスは前記セルスタックの内部に供給され、
前記熱交換部で熱交換した後の前記排出酸化剤ガスは、前記セルスタックの下部側で前記セルスタックの周囲の前記内部空間に流出する点にある。

上記特徴構成によれば、熱交換部では、セルスタックに供給される前の酸化剤ガスと、セルスタックの内部から排出された排出酸化剤ガスとの熱交換が行われる。つまり、熱交換部での熱交換により、セルスタックの内部に供給される酸化剤ガスの温度が、セルスタックの内部の温度（排出酸化剤ガスの温度）に近く、それよりも低い温度になる。その結果、セルスタックの内部に供給する酸化剤ガスにより、セルスタックの内部から熱を持ち出すことができる。

また、セルスタックに供給される酸化剤ガスの温度が低過ぎると、セルスタックの酸化剤ガスの入口付近の温度が低下して内部抵抗が高くなる。そして、セルスタックの酸化剤ガスの入口付近では発電が進まないのに対して、内部抵抗の低い部位では発電が活発になる。このように、セルスタックにおいて発電が活発に行われている部位とそうでない部位とが発生することで、セルスタックで有効に発電に使用されている面積が減少し、電流密度に偏りが生じることやセル電圧の低下が生じることにつながる。また、発電反応が行われている部分での燃料電池セルの温度が特に上がるため、耐久性の面でも不利となる。
ところが本特徴構成では、熱交換部での熱交換により、セルスタックの内部に供給される酸化剤ガスの温度が、セルスタックの内部の温度（排出酸化剤ガスの温度）に近くなるため、そのような問題の発生を回避できる。

本発明に係る固体酸化物形燃料電池システムの更に別の特徴構成は、前記セルスタックは、直方体形状になっており、
前記熱交換部は、前記収納筐体の前記内部空間に設置された前記セルスタックの４つの側方のうち、水平方向の長さが短い一つの側面に相対して設けられ、
前記熱交換部では、前記酸化剤ガス及び前記排出酸化剤ガスは上方から下方に向かって流れる点にある。

上記特徴構成によれば、収納筐体の内部空間でセルスタックと熱交換部とが組み合わされて設置された構造を考えると、熱交換部は、セルスタックの４つの側方のうち、水平方向の長さが短い一つの側面に相対して、即ち、水平方向の長さが長い方向に沿ってセルスタックと隣接して設けられる。つまり、収納筐体の内部空間でセルスタックと熱交換部とが組み合わされて設置された構造の最も薄い部分はセルスタックの最も薄い部分と同等になる。その結果、セルスタック及び熱交換部を収納する収納筐体を薄型化することが可能になる。

本発明に係る固体酸化物形燃料電池システムの更に別の特徴構成は、前記収納筐体の前記内部空間を上側内部空間と下側内部空間とに仕切る仕切板を備え、
前記仕切板は、前記上側内部空間と前記下側内部空間との間で気体の流通を可能にする通気孔を有し、
前記下側内部空間に前記セルスタック及び前記熱交換部が設けられ、
前記上側内部空間に前記改質器及び前記燃焼部が設けられる点にある。

上記特徴構成によれば、収納筐体の内部の下側内部空間では、セルスタックの下部側でセルスタックの周囲に流出した排出酸化剤ガスが、セルスタックの周囲をセルスタックの下部側から上部側へ向かって流れることで、セルスタックからの放熱量が調節される。加えて、収納筐体の内部の上側内部空間では、仕切板に設けられた通気孔を通って下側内部空間から上側内部空間へと流入した排出酸化剤ガスを用いて、燃焼部での排出燃料ガスの燃焼が行われることで、上側内部空間の温度を高めることができる。

本発明に係る固体酸化物形燃料電池システムの更に別の特徴構成は、前記導入酸化剤ガス流通管は、前記収納筐体の天面側を構成する天面板状部材に固定されて鉛直下方に延びる点にある。

上記特徴構成によれば、セルスタックは、収納筐体の天面板状部材に固定される導入酸化剤ガス流通管及び熱交換部を介して、収納筐体の天面板状部材から吊り下げられた形態で設置される。つまり、収納筐体の内部でセルスタックを支えるための支柱などの構造体を特別に設ける必要性が低くなる点で好ましい。

本発明に係る固体酸化物形燃料電池システムの更に別の特徴構成は、前記セルスタックは、直方体形状になっており、複数の前記固体酸化物形燃料電池セルの積層方向が水平方向に沿う状態で前記収納筐体の前記内部空間に設置される点にある。

上記特徴構成によれば、固体酸化物形燃料電池セルの積層数に応じて、水平方向でのセルスタックの長さ（厚さ）が決まる。つまり、セルスタックを薄型化して、それを収納する収納筐体も薄型化することが可能になる。

本発明に係る固体酸化物形燃料電池システムの更に別の特徴構成は、前記収納筐体の前記内部空間に設置され、前記改質器で生成された前記燃料ガスを前記セルスタックの内部に導く導入燃料ガス流通管と、
前記収納筐体の前記内部空間に設置され、前記セルスタックの内部から排出された前記排出燃料ガスを前記燃焼部に導く排出燃料ガス流通管とを備える点にある。

上記特徴構成によれば、導入燃料ガス流通管を通して、改質器で生成された燃料ガスをセルスタックの内部に供給でき、排出燃料ガス流通管を通して、セルスタックの内部から排出された排出燃料ガスを燃焼部に導くことができる。

固体酸化物形燃料電池システムの外観を示す図である。 収納筐体の内部空間に設置される複数の機器を示す図である。 固体酸化物形燃料電池システムの縦断面を示す図である。 固体酸化物形燃料電池システムの縦断面を示す図である。 収納筐体の内部空間での排出酸化剤ガスの流れ方を示す図である。

以下に図面を参照して本発明の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池システムについて説明する。
図１は、固体酸化物形燃料電池システムの外観を示す図である。図２は、収納筐体１の内部空間Ｓに設置される複数の機器を示す図である。図３は、固体酸化物形燃料電池システムの縦断面を示す図である。図４は、固体酸化物形燃料電池システムの縦断面を示す図である。図５は、収納筐体１の内部空間Ｓでの排出酸化剤ガスの流れ方を示す図である。

本実施形態の固体酸化物形燃料電池システムは、直方体形状の収納筐体１を備える。収納筐体１は、正面構造体２と、背面構造体３と、右側構造体４と、左側構造体５と、天面構造体６と、底面構造体７とで構成される。図１に示す例では、正面構造体２及び背面構造体３はＺ軸方向に対面している。右側構造体４及び左側構造体５はＸ軸方向に対面している。天面構造体６及び底面構造体７はＹ軸方向に対面している。

固体酸化物形燃料電池システムは、収納筐体１の内部空間Ｓに、原燃料を水蒸気改質して燃料ガスを生成する改質器１１と、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する平板形状の固体酸化物形燃料電池セルを複数積層したセルスタックＣＳと、電気化学反応で用いられた後にセルスタックＣＳの内部から排出された排出燃料ガスを燃焼する燃焼部１４とを備える。内部空間Ｓにおいて、セルスタックＣＳの上方に改質器１１と燃焼部１４とが設けられる。セルスタックＣＳには電流取出部２０が接続され、電流取出部２０は収納筐体１の底面構造体７の部分から収納筐体１の外部に引き出される。

収納筐体１の内部には、内部空間Ｓを上側内部空間Ｓ１と下側内部空間Ｓ２とに仕切る仕切板８が設けられる。仕切板８は、上側内部空間Ｓ１と下側内部空間Ｓ２との間で気体の流通を可能にする通気孔８ａを有する。下側内部空間Ｓ２にはセルスタックＣＳ及び熱交換部１６が設けられる。上側内部空間Ｓ１には改質器１１及び燃焼部１４が設けられる。

右側構造体４は、収納筐体１の外側から内側に向かって順に第１右側部材４ａと第２右側部材４ｂと第３右側部材４ｃとを有する。第１右側部材４ａと第２右側部材４ｂと第３右側部材４ｃとは何れも板状の部材であり、互いに間隔を空けて配置される。後述するように、第１右側部材４ａと第２右側部材４ｂとの間の空間には酸化剤ガスが流れ、第２右側部材４ｂと第３右側部材４ｃとの間の空間には燃焼排ガスが流れる。

左側構造体５は、収納筐体１の外側から内側に向かって順に第１左側部材５ａと第２左側部材５ｂと第３左側部材５ｃとを有する。第１左側部材５ａと第２左側部材５ｂと第３左側部材５ｃとは何れも板状の部材であり、互いに間隔を空けて配置される。後述するように、第１左側部材５ａと第２左側部材５ｂとの間の空間には酸化剤ガスが流れ、第２左側部材５ｂと第３左側部材５ｃとの間の空間には燃焼排ガスが流れる。

正面構造体２は、収納筐体１の外側から内側に向かって順に第１正面部材２ａと第２正面部材２ｂと第３正面部材２ｃとを有する。第１正面部材２ａと第２正面部材２ｂと第３正面部材２ｃとは何れも板状の部材であり、互いに間隔を空けて配置される。後述するように、第１正面部材２ａと第２正面部材２ｂとの間の空間には酸化剤ガスが流れ、第２正面部材２ｂと第３正面部材２ｃとの間の空間には燃焼排ガスが流れる。

背面構造体３は、収納筐体１の外側から内側に向かって順に第１背面部材３ａと第２背面部材３ｂと第３背面部材３ｃとを有する。第１背面部材３ａと第２背面部材３ｂと第３背面部材３ｃとは何れも板状の部材であり、互いに間隔を空けて配置される。後述するように、第１背面部材３ａと第２背面部材３ｂとの間の空間には酸化剤ガスが流れ、第２背面部材３ｂと第３背面部材３ｃとの間の空間には燃焼排ガスが流れる。

天面構造体６は、収納筐体１の外側から内側に向かって順に第１天面部材６ａと第２天面部材６ｂとを有する。第１天面部材６ａと第２天面部材６ｂとは何れも板状の部材であり、互いに間隔を空けて配置される。後述するように、第１天面部材６ａと第２天面部材６ｂとの間の空間には酸化剤ガスが流れる。

底面構造体７は、収納筐体１の外側から内側に向かって順に第１底面部材７ａと第２底面部材７ｂと第３底面部材７ｃとを有する。第１底面部材７ａと第２底面部材７ｂと第３底面部材７ｃとは何れも板状の部材であり、互いに間隔を空けて配置される。後述するように、第１底面部材７ａと第２底面部材７ｂとの間の空間には酸化剤ガスが流れ、第２底面部材７ｂと第３底面部材７ｃとの間の空間には燃焼排ガスが流れる。

仕切板８よりも上方の上側内部空間Ｓ１には、上部断熱材Ｈ５が設けられる。そして、上部断熱材Ｈ５で囲われた空間に、改質器１１と燃焼部１４とが設置される。
仕切板８よりも下方の下側内部空間Ｓ２には、正面断熱材Ｈ１と背面断熱材Ｈ２と右側断熱材Ｈ３と左側断熱材Ｈ４と底面断熱材Ｈ６とが設けられる。そして、正面断熱材Ｈ１と背面断熱材Ｈ２と右側断熱材Ｈ３と左側断熱材Ｈ４と底面断熱材Ｈ６とで囲われる空間に、セルスタックＣＳなどが設置される。

収納筐体１の底面構造体７には、給気管１８と排気管１９とが接続されている。
給気管１８を通って収納筐体１の内部に導入される酸化剤ガス（空気）は、先ず第１底面部材７ａと第２底面部材７ｂとの間の空間に至る。本実施形態の収納筐体１では、第１底面部材７ａと第２底面部材７ｂとの間の空間は、第１正面部材２ａと第２正面部材２ｂとの間の空間、及び、第１背面部材３ａと第２背面部材３ｂとの間の空間、及び、第１右側部材４ａと第２右側部材４ｂとの間の空間、及び、第１左側部材５ａと第２左側部材５ｂとの間の空間の全てに繋がっている。また、第１天面部材６ａと第２天面部材６ｂとの間の空間も、第１正面部材２ａと第２正面部材２ｂとの間の空間、及び、第１背面部材３ａと第２背面部材３ｂとの間の空間、及び、第１右側部材４ａと第２右側部材４ｂとの間の空間、及び、第１左側部材５ａと第２左側部材５ｂとの間の空間の全てに繋がっている。

その結果、第１底面部材７ａと第２底面部材７ｂとの間の空間に導入された酸化剤ガスは、第１正面部材２ａと第２正面部材２ｂとの間の空間を経由して、第１天面部材６ａと第２天面部材６ｂとの間の空間に至る。第１底面部材７ａと第２底面部材７ｂとの間の空間に導入された酸化剤ガスは、第１背面部材３ａと第２背面部材３ｂとの間の空間を経由して、第１天面部材６ａと第２天面部材６ｂとの間の空間に至る。第１底面部材７ａと第２底面部材７ｂとの間の空間に導入された酸化剤ガスは、第１右側部材４ａと第２右側部材４ｂとの間の空間を経由して、第１天面部材６ａと第２天面部材６ｂとの間の空間に至る。第１底面部材７ａと第２底面部材７ｂとの間の空間に導入された酸化剤ガスは、第１左側部材５ａと第２左側部材５ｂとの間の空間を経由して、第１天面部材６ａと第２天面部材６ｂとの間の空間に至る。

第２天面部材６ｂには、導入酸化剤ガス流通管１５が接続され、第１天面部材６ａと第２天面部材６ｂとの間の空間を流れる酸化剤ガスが、導入酸化剤ガス流通管１５に流れ込むように構成されている。そして、導入酸化剤ガス流通管１５は、収納筐体１の内部空間Ｓに設置され、酸化剤ガスをセルスタックＣＳの内部に導くように機能する。つまり、導入酸化剤ガス流通管１５は、第１天面部材６ａと第２天面部材６ｂとの間の空間を流れる酸化剤ガスを、収納筐体１の内部空間Ｓに設置されたセルスタックＣＳへと導く。

収納筐体１には給水管９及び原燃料ガス供給管１０が接続される。給水管９及び原燃料ガス供給管１０は上側内部空間Ｓ１に設置される改質器１１に接続されて、改質器１１へ水及び原燃料ガスを供給する。改質器１１では、給水管９から供給される水の気化と原燃料ガスの水蒸気改質とが行われ、水素を主成分とする燃料ガスが生成される。後述するように、改質器１１には、その下方にある燃焼部１４で発生した燃焼熱が伝達される。

導入燃料ガス流通管１２は、収納筐体１の内部空間Ｓに設置され、改質器１１で生成された燃料ガスをセルスタックＣＳの内部に導く。セルスタックＣＳが有する複数の固体酸化物形燃料電池セルでは、供給される燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電が行われる。その電気化学反応で用いられた後の燃料ガスである排出燃料ガスはセルスタックＣＳの内部から排出され、収納筐体１の内部空間Ｓに設置される排出燃料ガス流通管１３を通って燃焼部１４に導かれる。また、その電気化学反応で用いられた後の酸化剤ガスである排出酸化剤ガスは、セルスタックＣＳの内部から排出された後、収納筐体１の内部空間Ｓに設置される排出酸化剤ガス流通管１７を流れる。

固体酸化物形燃料電池システムは、導入酸化剤ガス流通管１５を流れる酸化剤ガスと、排出酸化剤ガス流通管１７を流れる排出酸化剤ガスとが熱交換するように構成される熱交換部１６とを備える。熱交換部１６で熱交換した後の酸化剤ガスはセルスタックＣＳの内部に供給されて電気化学反応のために用いられる。

熱交換部１６では、酸化剤ガス及び排出酸化剤ガスは上方から下方に向かって流れ、導入酸化剤ガス流通管１５を流れる酸化剤ガスと、排出酸化剤ガス流通管１７を流れる排出酸化剤ガスとが熱交換する。このように、熱交換部１６での熱交換により、セルスタックＣＳの内部に供給される酸化剤ガスの温度が、セルスタックＣＳの内部の温度（排出酸化剤ガスの温度）に近く、それよりも低い温度になる。その結果、セルスタックＣＳの内部に供給する酸化剤ガスにより、セルスタックＣＳの内部から熱を持ち出すことができる。

また、セルスタックＣＳに供給される酸化剤ガスの温度が低過ぎると、セルスタックＣＳの酸化剤ガスの入口付近の温度が低下して内部抵抗が高くなる。そして、セルスタックＣＳの酸化剤ガスの入口付近では発電が進まないのに対して、内部抵抗の低い部位では発電が活発になる。このように、セルスタックＣＳにおいて発電が活発に行われている部位とそうでない部位とが発生することで、セルスタックＣＳで有効に発電に使用されている面積が減少し、電流密度に偏りが生じることやセル電圧の低下が生じることにつながる。また、発電反応が行われている部分での燃料電池セルの温度が特に上がるため、耐久性の面でも不利となる。
ところが本実施形態の固体酸化物形燃料電池システムでは、熱交換部１６での熱交換により、セルスタックＣＳの内部に供給される酸化剤ガスの温度が、セルスタックＣＳの内部の温度（排出酸化剤ガスの温度）に近くなるため、そのような問題の発生を回避できる。

熱交換部１６で熱交換した後の排出酸化剤ガスは、セルスタックＣＳの下部側でセルスタックＣＳの周囲の内部空間Ｓに流出する。例えば、図示は省略するが、熱交換部１６の下端付近で排出酸化剤ガス流通管１７が内部空間Ｓに開放され、そこから内部空間Ｓへ向かって排出酸化剤ガスが放出される。つまり、排出酸化剤ガス流通管１７は、セルスタックＣＳの内部から排出された排出酸化剤ガスをセルスタックの周囲の下部側へと導くように構成されている。その結果、電気化学反応で用いられた後にセルスタックＣＳの内部から排出された排出酸化剤ガスは、セルスタックＣＳの下部側でセルスタックＣＳの周囲の内部空間Ｓに放出され、セルスタックＣＳの周囲をセルスタックＣＳの下部側から上部側へ向かって流れた後、燃焼部１４において排出燃料ガスを燃焼させるために利用されるようになる。

セルスタックＣＳは、直方体形状になっており、複数の固体酸化物形燃料電池セルの積層方向が水平方向に沿う状態で収納筐体１の内部空間Ｓに設置される。具体的に説明すると、セルスタックＣＳは、複数の固体酸化物形燃料電池システムがＺ軸方向に積層されて構成される。そして、セルスタックＣＳは、Ｚ軸方向の長さが、Ｘ軸方向の長さ及びＹ軸方向の長さよりも短い直方体形状になっている。また、収納筐体１も、Ｚ軸方向の長さが、Ｘ軸方向の長さ及びＹ軸方向の長さよりも短い直方体形状になっている。このような構成を採用することで、固体酸化物形燃料電池セルの積層数に応じて、水平方向でのセルスタックＣＳの長さ（厚さ）が決まる。つまり、セルスタックＣＳを薄型化して、それを収納する収納筐体１も薄型化することが可能になる。

熱交換部１６は、収納筐体１の内部空間Ｓに設置されたセルスタックＣＳの４つの側方のうち、水平方向の長さが短い一つの側面に相対して設けられる。収納筐体１の内部空間ＳでセルスタックＣＳと熱交換部１６とが組み合わされて設置された構造を考えると、熱交換部１６は、セルスタックＣＳの４つの側方のうち、水平方向の長さが短い一つの側面に相対して、即ち、水平方向の長さが長い方向に沿ってセルスタックＣＳと隣接して設けられる。図示する例では、熱交換部１６は、Ｘ軸方向に沿ってセルスタックＣＳと並ぶ状態で設置される。つまり、収納筐体１の内部空間ＳでセルスタックＣＳと熱交換部１６とが組み合わされて設置された構造の最も薄い部分はセルスタックＣＳの最も薄い部分と同等になる。その結果、セルスタックＣＳ及び熱交換部１６を収納する収納筐体１を薄型化することが可能になる。

熱交換部１６とセルスタックＣＳとは間隔を空けて配置されている。そして、熱交換部１６とセルスタックＣＳとの間の空間には、放出された排出酸化剤ガスが流れることができる。

導入酸化剤ガス流通管１５は、収納筐体１の天面側を構成する天面板状部材としての第２天面部材６ｂに固定されて鉛直下方に延びる。そして、導入酸化剤ガス流通管１５は、途中に熱交換部１６を介してセルスタックＣＳに接続される。つまり、セルスタックＣＳは、収納筐体１の第２天面部材６ｂに固定される導入酸化剤ガス流通管１５及び熱交換部１６を介して、収納筐体１の第２天面部材６ｂから吊り下げられた形態で設置される。つまり、収納筐体１の内部でセルスタックＣＳを支えるための支柱などの構造体を特別に設ける必要性が低くなる点で好ましい。

収納筐体１の下側内部空間Ｓ２では、正面断熱材Ｈ１が第３正面部材２ｃに相対して接した状態で設けられ、背面断熱材Ｈ２が第３背面部材３ｃに相対して接した状態で設けられ、右側断熱材Ｈ３が第３右側部材４ｃに相対して接した状態で設けられ、左側断熱材Ｈ４が第３左側部材５ｃに相対して接した状態で設けられ、底面断熱材Ｈ６が第３底面部材７ｃに相対して接した状態で設けられる。そして、下側内部空間Ｓ２で、正面断熱材Ｈ１と背面断熱材Ｈ２と右側断熱材Ｈ３と左側断熱材Ｈ４と底面断熱材Ｈ６とに囲まれた空間に、セルスタックＣＳと熱交換部１６と導入酸化剤ガス流通管１５と排出酸化剤ガス流通管１７と導入燃料ガス流通管１２と排出燃料ガス流通管１３とが配置される。このような構成を採用することで、セルスタックＣＳの温度を所望の温度に維持し易くなる

具体的には、図４に示すように、導入酸化剤ガス流通管１５及び排出酸化剤ガス流通管１７及び導入燃料ガス流通管１２及び排出燃料ガス流通管１３はセルスタックＣＳの正面側に接続されている。また、図４に示すように、正面断熱材Ｈ１には第１凹部Ｈ１ａと第２凹部Ｈ１ｂとが形成されている。そして、第１凹部Ｈ１ａの部分で、排出燃料ガス流通管１３はセルスタックＣＳの正面側に接続され、且つ、排出酸化剤ガス流通管１７はセルスタックＣＳの正面側に接続される。また、第２凹部Ｈ１ｂの部分で、導入燃料ガス流通管１２はセルスタックＣＳの正面側に接続され、且つ、導入酸化剤ガス流通管１５はセルスタックＣＳの正面側に接続される。

収納筐体１の上側内部空間Ｓ１では、上部断熱材Ｈ５が設けられる。上部断熱材Ｈ５は、改質器１１及び燃焼部１４の上部と側部（正面側の側部と背面側の側部）とを覆うように設けられている。また、上側内部空間Ｓ１では、第２正面部材２ｂには正面排気口２ｄが設けられ、第２背面部材３ｂには背面排気口３ｄが設けられ、第３右側部材４ｃには右側排気口４ｄが設けられ、第３左側部材５ｃには左側排気口５ｄが設けられている。

燃焼部１４では、排出燃料ガス流通管１３を通って供給される排出燃料ガスに含まれる燃料成分が、仕切板８に形成される通気孔８ａを介して上側内部空間Ｓ１に流入し、燃焼部１４の通気部１４ａを通って供給された排出酸化剤ガスに含まれる酸素を用いて燃焼される。

燃焼部１４で発生した燃焼排ガスは、第３右側部材４ｃに形成される右側排気口４ｄを通って第２右側部材４ｂと第３右側部材４ｃとの間の空間へと流出し、第３左側部材５ｃに形成される左側排気口５ｄを通って第２左側部材５ｂと第３左側部材５ｃとの間の空間へと流出する。また、燃焼部１４で発生した燃焼排ガスは、上部断熱材Ｈ５と第２天面部材６ｂとの間の空間に流れ込み、その空間から、第３正面部材２ｃに形成される正面排気口２ｄを通って第２正面部材２ｂと第３正面部材２ｃとの間の空間へと流出し、第３背面部材３ｃに形成される背面排気口３ｄを通って第２背面部材３ｂと第３背面部材３ｃとの間の空間へと流出する。

そして、第２正面部材２ｂと第３正面部材２ｃとの間の空間を下方へ流れる燃焼排ガス、第２背面部材３ｂと第３背面部材３ｃとの間の空間を下方へ流れる燃焼排ガス、第２右側部材４ｂと第３右側部材４ｃとの間の空間を下方へ流れる燃焼排ガス、第２左側部材５ｂと第３左側部材５ｃとの間の空間を下方へ流れる燃焼排ガスは、第２底面部材７ｂと第３底面部材７ｃとの間の空間を経由して排気管１９に至り、収納筐体１から排出される。このように、収納筐体１では、内部空間Ｓへと導入される酸化剤ガスが、内部空間Ｓから排出される燃焼排ガスと熱交換する、即ち、内部空間Ｓへと導入される酸化剤ガスの予熱が行われるように構成されている。

以上のように、本実施形態の固体酸化物形燃料電池システムでは、セルスタックＣＳの内部から排出された排出酸化剤ガスは、セルスタックＣＳの下部側でセルスタックＣＳの周囲に流出した後、セルスタックＣＳの周囲をセルスタックＣＳの下部側から上部側へ向かって流れるように構成されている。つまり、セルスタックＣＳでの空気利用率を変化させるなどしてセルスタックＣＳの内部から排出される排出酸化剤ガスの単位時間当たりの流量を変化させれば、セルスタックＣＳの周囲を流れる排出酸化剤ガスの流量も変化する。その結果、セルスタックＣＳからの放熱量を調節する運転が可能になる。従って、セルスタックＣＳの周囲を断熱しつつ、必要に応じて外部からセルスタックＣＳの温度調節を行うことができる固体酸化物形燃料電池システムを提供できる。

＜別実施形態＞
＜１＞
上記実施形態では、固体酸化物形燃料電池システムの構成について具体例を挙げて説明したが、その構成については適宜変更可能である。
例えば、上記実施形態では、改質器１１で水の気化と原燃料ガスの水蒸気改質とが行われる例を説明したが、専用の気化器を改質器１１とは別に設けてもよい。
また、収納筐体１の形状や各断熱材Ｈ１〜Ｈ５の形状なども適宜変更可能である。

＜２＞
上記実施形態では、セルスタックＣＳの内部から排出された排出燃料ガスを排出燃料ガス流通管１３によって燃焼部１４に供給する例を説明したが、セルスタックＣＳから燃焼部１４への排出燃料ガスの経路は適宜変更可能である。例えば、セルスタックＣＳの内部から排出された排出燃料ガスを収納筐体１の外部に取り出し、冷却して水分を除去した後で燃焼部１４に供給するといった構成を採用してもよい。

＜３＞
上記実施形態（別実施形態を含む、以下同じ）で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用でき、また、本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変できる。

本発明は、セルスタックの周囲を断熱しつつ、セルスタックでの発熱増に対応してセルスタック周囲からの熱除去の促進を行うことができる固体酸化物形燃料電池システムに利用できる。

１ 収納筐体
８ 仕切板
８ａ 通気孔
１０ 原燃料ガス供給管
１１ 改質器
１２ 導入燃料ガス流通管
１３ 排出燃料ガス流通管
１４ 燃焼部
１５ 導入酸化剤ガス流通管
１６ 熱交換部
１７ 排出酸化剤ガス流通管
ＣＳ セルスタック
Ｓ 内部空間
Ｓ１ 上側内部空間
Ｓ２ 上側内部空間

Claims (7)

1. 収納筐体の内部空間に、原燃料を水蒸気改質して燃料ガスを生成する改質器と、前記燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する平板形状の固体酸化物形燃料電池セルを複数積層したセルスタックと、前記電気化学反応で用いられた後に前記セルスタックの内部から排出された排出燃料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システムであって、
   前記内部空間において、前記セルスタックの上方に前記改質器と前記燃焼部とが設けられ、
   前記電気化学反応で用いられた後に前記セルスタックの内部から排出された排出酸化剤ガスは、前記セルスタックの下部側で前記セルスタックの周囲の前記内部空間に流出し、前記セルスタックの周囲を前記セルスタックの下部側から上部側へ向かって流れた後、前記燃焼部において前記排出燃料ガスを燃焼させるために利用されるように構成されている固体酸化物形燃料電池システム。
2. 前記収納筐体の前記内部空間に設置され、前記酸化剤ガスを前記セルスタックの内部に導く導入酸化剤ガス流通管と、
   前記収納筐体の前記内部空間に設置され、前記セルスタックの内部から排出された前記排出酸化剤ガスを前記セルスタックの周囲の下部側へと導く排出酸化剤ガス流通管と、
   前記導入酸化剤ガス流通管を流れる前記酸化剤ガスと、前記排出酸化剤ガス流通管を流れる前記排出酸化剤ガスとが熱交換するように構成される熱交換部とを備え、
   前記熱交換部で熱交換した後の前記酸化剤ガスは前記セルスタックの内部に供給され、
   前記熱交換部で熱交換した後の前記排出酸化剤ガスは、前記セルスタックの下部側で前記セルスタックの周囲の前記内部空間に流出する請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
3. 前記セルスタックは、直方体形状になっており、
   前記熱交換部は、前記収納筐体の前記内部空間に設置された前記セルスタックの４つの側方のうち、水平方向の長さが短い一つの側面に相対して設けられ、
   前記熱交換部では、前記酸化剤ガス及び前記排出酸化剤ガスは上方から下方に向かって流れる請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
4. 前記収納筐体の前記内部空間を上側内部空間と下側内部空間とに仕切る仕切板を備え、
   前記仕切板は、前記上側内部空間と前記下側内部空間との間で気体の流通を可能にする通気孔を有し、
   前記下側内部空間に前記セルスタック及び前記熱交換部が設けられ、
   前記上側内部空間に前記改質器及び前記燃焼部が設けられる請求項２又は３に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
5. 前記導入酸化剤ガス流通管は、前記収納筐体の天面側を構成する天面板状部材に固定されて鉛直下方に延びる請求項２〜４の何れか一項に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
6. 前記セルスタックは、直方体形状になっており、複数の前記固体酸化物形燃料電池セルの積層方向が水平方向に沿う状態で前記収納筐体の前記内部空間に設置される請求項１〜５の何れか一項に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
7. 前記収納筐体の前記内部空間に設置され、前記改質器で生成された前記燃料ガスを前記セルスタックの内部に導く導入燃料ガス流通管と、
   前記収納筐体の前記内部空間に設置され、前記セルスタックの内部から排出された前記排出燃料ガスを前記燃焼部に導く排出燃料ガス流通管とを備える請求項１〜６の何れか一項に記載の固体酸化物形燃料電池システム。

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