JP2021015674A - 燃料電池システム - Google Patents

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Abstract

【課題】燃料電池システムの小型化を実現する。【解決手段】燃料電池システム１は、改質器２２と、複数のセルスタック２３と、排ガス燃焼器２４とを備える。改質器２２は、軸方向に延びる筒状であり、原燃料を改質して燃料ガスを生成する。複数のセルスタック２３は、燃料ガスおよび酸化剤ガスを用いて発電を行う。複数のセルスタック２３は、改質器２２の径方向外側において周方向に並べて配置されて、改質器２２と径方向に対向する。排ガス燃焼器２４は、複数のセルスタック２３からの排ガスに含まれる未利用の燃料ガスを燃焼させる。排ガス燃焼器２４は、改質器２２の径方向内側に配置されて、改質器２２と径方向に対向する。複数のセルスタック２３はそれぞれ、径方向に積層される複数の平板状のセルを備える。これにより、燃料電池システム１の小型化を実現することができる。【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。
従来、燃料電池を利用して発電を行う様々な燃料電池システムが提案されている。例えば、特許文献１の固体酸化物形燃料電池システムでは、環状に配置された複数のセルスタックがコンテナに収容されており、燃料ガスを生成する改質器はコンテナの外部に配置される。特許文献２の高温燃料電池装置では、複数の高温燃料電池スタックが円筒状に配置され、改質器は、当該複数の高温燃料電池スタックの径方向内側の空間に配置される。改質器にて生成された燃料ガスのうち、高温燃料電池スタックにおいて消費されなかった燃料ガス（すなわち、負極排ガス）は、高温燃料電池装置の外部へと排出されて燃焼される。特許文献３の固体酸化物形燃料電池発電システムでは、複数のシングルスタックと複数の改質器とが環状に交互に配置されている。
特表平８−５０６６９１号公報 特許第６２５８０３７号公報 特許第６１３８３５６号公報
ところで、特許文献１では、改質器における燃料ガスの生成は吸熱反応であるため、コンテナの外部において改質器を加熱するための加熱装置が必要になる。特許文献２では、複数の高温燃料電池スタックからの排熱により改質器が加熱されるが、高温燃料電池装置における排熱の利用が不十分である。特許文献３についても同様である。また、特許文献３の固体酸化物形燃料電池発電システムでは、改質器の数が多くなり、接続配管も増えるため、発電システムの構造が複雑化し、発電システムが大型化するおそれがある。
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、燃料電池システムの小型化を実現することを目的としている。
請求項１に記載の発明は、燃料電池システムであって、軸方向に延びる筒状であり、原燃料を改質して燃料ガスを生成する改質器と、前記改質器の径方向外側において周方向に並べて配置されて前記改質器と径方向に対向し、前記燃料ガスおよび酸化剤ガスを用いて発電を行う複数のセルスタックと、前記改質器の径方向内側に配置されて前記改質器と径方向に対向し、前記複数のセルスタックからの排ガスに含まれる未利用の前記燃料ガスを燃焼させる排ガス燃焼器とを備え、前記複数のセルスタックはそれぞれ、径方向に積層される複数の平板状のセルを備える。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池システムであって、前記排ガス燃焼器は、前記改質器のうち前記原燃料が供給される供給ポート近傍の部位と径方向に対向する。
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の燃料電池システムであって、前記複数のセルスタックは、前記軸方向に３段以上に亘って配列される複数段のセルスタック群を備え、前記複数段のセルスタック群のうち前記軸方向の両端を除く少なくとも１段のセルスタック群が、前記改質器のうち前記原燃料が供給される供給ポート近傍の部位と径方向に対向する。
請求項４に記載の発明は、請求項１ないし３のいずれか１つに記載の燃料電池システムであって、前記排ガス燃焼器から排出された燃焼ガスを、前記改質器の内部を通過させる燃焼ガス流路をさらに備える。
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の燃料電池システムであって、前記燃焼ガス流路は、前記改質器内において前記軸方向に延びるＵ字状である。
請求項６に記載の発明は、請求項４または５に記載の燃料電池システムであって、前記燃焼ガス流路内における前記燃焼ガスの流れ方向は、前記改質器内におけるガスの流れ方向と反対向きである。
請求項７に記載の発明は、請求項１ないし６のいずれか１つに記載の燃料電池システムであって、前記改質器、前記複数のセルスタックおよび前記排ガス燃焼器を、密閉された内部空間に収容する圧力容器をさらに備え、前記複数のセルスタックはそれぞれ、正極排ガスを前記圧力容器の前記内部空間へと排出する正極排出口を備える。
請求項８に記載の発明は、請求項１ないし７のいずれか１つに記載の燃料電池システムであって、前記改質器、前記複数のセルスタックおよび前記排ガス燃焼器を、密閉された内部空間に収容する圧力容器と、前記圧力容器の周囲に配置されて前記圧力容器と対向するとともに前記複数のセルスタックに供給される前記酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路とをさらに備える。
請求項９に記載の発明は、請求項８に記載の燃料電池システムであって、前記酸化剤ガス流路に隣接して配置され、前記圧力容器から排出された正極排ガスまたは前記排ガス燃焼器から排出された燃焼ガスが流れる排ガス流路をさらに備える。
請求項１０に記載の発明は、請求項１ないし９のいずれか１つに記載の燃料電池システムであって、前記複数のセルスタックはそれぞれ、固体酸化物形の燃料電池である。
本発明では、燃料電池システムの小型化を実現することができる。
一の実施の形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。 ホットモジュールの縦断面図である。 ホットモジュールの横断面図である。 ホットモジュールの横断面図である。 ホットモジュールの縦断面図である。 ホットモジュールの縦断面図である。 ホットモジュールの横断面図である。
図１は、本発明の一の実施の形態に係る燃料電池システム１の構成を示す図である。燃料電池システム１は、燃料電池を用いて発電を行う発電システムである。燃料電池システム１は、ホットモジュール２と、原燃料供給部４と、ブロワ５１とを備える。
図２は、ホットモジュール２を示す縦断面図である。図３および図４はそれぞれ、図２中のＩＩＩ−ＩＩＩおよびＩＶ−ＩＶの位置にてホットモジュール２を切断した横断面図である。ホットモジュール２は、ハウジング２１と、改質器２２と、複数のセルスタック２３と、排ガス燃焼器２４と、圧力容器２５とを備える。図２では、構成の一部を側面にて描いている。また、図２では、ハウジング２１を破線にて描き、図３および図４では、ハウジング２１の図示を省略している。
圧力容器２５は、例えば、ステンレス鋼等の金属により形成された中空の容器である。圧力容器２５は、例えば、中心軸Ｊ１を中心とする有蓋有底の略円筒状容器である。以下の説明では、中心軸Ｊ１が延びる方向を「軸方向」と呼ぶ。図２に示す例では、当該軸方向は上下方向に略平行である。圧力容器２５の密閉された内部空間２５０には、改質器２２、複数のセルスタック２３および排ガス燃焼器２４が収容される。圧力容器２５の内部には、燃料電池システム１の起動運転時等に改質器２２および複数のセルスタック２３を加熱するバーナー等の熱供給部（図示省略）も収容されてよい。
燃料電池システム１の出力が約２０ｋＷである場合、圧力容器２５の直径および高さはそれぞれ、例えば、６５ｃｍ〜１００ｃｍ、および、１００ｃｍ〜２００ｃｍである。燃料電池システム１がオフィスビルの屋上等に設置される場合、圧力容器２５は、エレベータ等で屋上に搬入可能なサイズとされることが好ましい。なお、燃料電池システム１の出力、および、圧力容器２５の大きさ等は、様々に変更可能である。
圧力容器２５は、ハウジング２１の内部空間に収容される。ハウジング２１は、例えば、略直方体状の筐体である。ハウジング２１の内面は、断熱性が比較的高い断熱材料（例えば、ロックウール）により形成される。ハウジング２１としては、例えば、金属製のコンテナの内面全体を断熱材料により覆ったものが利用される。
改質器２２は、圧力容器２５内において、中心軸Ｊ１を中心とする径方向（以下、単に「径方向」とも呼ぶ。）の中央部に配置される。改質器２２は、原燃料を改質して燃料ガスを含む改質ガスを生成する。原燃料は、例えば、炭化水素系燃料である。原燃料は、炭化水素系燃料以外の様々な燃料であってもよい。原燃料としては、例えば、ＬＰガス、都市ガス、天然ガス、灯油、バイオガスまたはバイオエタノール等が利用される。改質器２２では、例えば、水蒸気改質法、部分酸化改質法、または、これらの組み合わせである自己熱改質法等により原燃料の改質が行われる。改質器２２における原燃料の改質は、全体としては吸熱反応である。
改質器２２は、中心軸Ｊ１を中心として軸方向に延びる略筒状の部材である。図２ないし図４に示す例では、改質器２２は、第１改質流路２２１と、第２改質流路２２２とを備える。第１改質流路２２１および第２改質流路２２２の内部には、平行斜線を付して示すように、原燃料の改質に利用される改質触媒２２３が収容されている。第１改質流路２２１は、中心軸Ｊ１を中心とする略円筒状の流路である。第２改質流路２２２は、第１改質流路２２１の径方向内側にて、第１改質流路２２１と径方向に隣接して配置される。第２改質流路２２２は、中心軸Ｊ１を中心とする略円柱状の流路である。第２改質流路２２２の軸方向の長さは、第１改質流路２２１の軸方向の長さよりも短く、第２改質流路２２２は、第１改質流路２２１の上部と径方向に対向する。したがって、改質器２２の下部は略円筒状であり、改質器２２の上部は略円柱状である。
第１改質流路２２１の下端部には、中心軸Ｊ１を中心とする略円環状のバッファ流路２２４が設けられる。バッファ流路２２４には、供給ポート２２５が設けられる。供給ポート２２５は、図１に示す原燃料供給管２９１を介して、ハウジング２１の外部に配置される原燃料供給部４に接続される。
原燃料供給部４は、改質器２２（図２参照）に原燃料および水蒸気を供給する。原燃料供給部４は、原燃料供給源４１と、不純物除去部４２と、水蒸気供給部３とを備える。不純物除去部４２は、原燃料供給管２９１上に配置され、原燃料供給源４１から改質器２２へと供給される原燃料から不純物（例えば、硫黄系不純物）を除去する。
水蒸気供給部３は、水供給部３１と、水蒸気生成部３２と、凝縮部３３とを備える。水供給部３１は、水蒸気生成部３２に水を供給する。具体的には、水供給部３１は、水貯溜部３１１と、ポンプ３１２と、水供給管３１３とを備える。水貯溜部３１１は、水（例えば、純水）を貯溜するタンクである。水貯溜部３１１は、水供給管３１３を介して、水蒸気生成部３２に接続される。ポンプ３１２は、水供給管３１３上に設けられ、水貯溜部３１１に貯溜されている水を水蒸気生成部３２へと供給する。
凝縮部３３は、燃料電池システム１の定常運転時に排ガス中の水蒸気を凝縮して水を生成し、水供給部３１を介して水蒸気生成部３２に供給する。上述の定常運転とは、燃料電池システム１が所定の出力にて定常的に発電を行っている運転状態を意味する。当該所定の出力は、燃料電池システム１の定格出力、または、定格出力未満の一定の出力である。また、既述の起動運転とは、起動時から当該定常運転に至るまで（すなわち、セルスタック２３の出力が定常運転出力に到達して安定するまで）の燃料電池システム１の運転状態を意味する。
水蒸気生成部３２は、水供給部３１から供給される水を加熱して水蒸気を生成する蒸発器である。水蒸気生成部３２は、水蒸気供給管３２１を介して原燃料供給管２９１に接続される。水蒸気供給管３２１は、原燃料供給管２９１上に設けられた熱交換器７１よりも上流において（具体的には、熱交換器７１と不純物除去部４２との間において）、原燃料供給管２９１に接続される。水蒸気生成部３２からの水蒸気は、不純物除去部４２を通過した原燃料と共に、熱交換器７１を通過して、図２ないし図４に示す改質器２２の供給ポート２２５へと供給される。
複数のセルスタック２３は、改質器２２の径方向外側において、中心軸Ｊ１を中心とする周方向（以下、単に「周方向」とも呼ぶ。）に並べて配置される。複数のセルスタック２３は、改質器２２と径方向に対向する。図２ないし図４に示す例では、燃料電池システム１は、２４個のセルスタック２３を備える。当該２４個のセルスタック２３は、改質器２２の周囲を囲んで略六角筒状に配置された６枚の支持板２３９の外側面に取り付けられる。各支持板２３９には、軸方向に略等間隔にて配列された４つのセルスタック２３が取り付けられる。
軸方向の位置が略同じである６つのセルスタック２３をまとめて「セルスタック群２３１」と呼ぶと、複数のセルスタック２３は、軸方向に配列される４段のセルスタック群２３１を備える。各セルスタック群２３１では、６つのセルスタック２３は、周方向において略等角度間隔にて配列される。各セルスタック群２３１に含まれるセルスタック２３の数および配置等は様々に変更されてよい。また、セルスタック群２３１の段数も様々に変更されてよい。なお、セルスタック群２３１の段数は、３段以上であることが好ましい。
複数のセルスタック２３はそれぞれ、複数の平板状のセル（単電池）が径方向に積層された固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cell）である。各セルスタック２３の形状は、例えば、略直方体状である。各セルスタック２３の径方向（すなわち、水平方向）の厚さは、縦および横の長さよりも小さい。換言すれば、各セルスタック２３は、主面の法線方向が径方向に略平行な略平板状である。
各セルスタック２３の負極（アノード）には、改質器２２にて生成された燃料ガスが供給される。各セルスタック２３の正極（カソード）は、図１に示す酸化剤ガス供給管２９３を介して、ハウジング２１の外部に配置されるブロワ５１に接続される。ブロワ５１により、酸化剤ガスである酸素を含む空気が、各セルスタック２３の正極に供給される。すなわち、ブロワ５１は、セルスタック２３に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部である。
各セルスタック２３では、ブロワ５１からの酸化剤ガスと、改質器２２からの燃料ガスとを利用して電気化学反応が生じ、発電が行われる。換言すれば、各セルスタック２３は、燃料ガスおよび酸化剤ガスを用いて発電を行う。セルスタック２３における電気化学反応（すなわち、発電）は発熱反応である。セルスタック２３による発電は、例えば６００℃〜１０００℃の高温下にて行われる。上述の燃料ガスは、例えば水素ガスである。酸化剤ガスは、例えば酸素である。燃料ガスは、水素ガス以外の様々なガスであってよく、酸化剤ガスも、酸素以外の様々なガスであってよい。各セルスタック２３における発電後の排ガスは、図２ないし図４に示す排ガス燃焼器２４へと導かれる。
排ガス燃焼器２４は、改質器２２の径方向内側に配置される。具体的には、排ガス燃焼器２４は、改質器２２の略円筒状の下部の径方向内側に位置し、改質器２２の当該下部と径方向に対向する。排ガス燃焼器２４は、例えば、中心軸Ｊ１を中心とする略円柱状の部位である。排ガス燃焼器２４は、複数のセルスタック２３から排出される排ガスを燃焼させる。排ガス燃焼器２４の内部には、平行斜線を付して示すように、排ガスの燃焼に利用される燃焼触媒２４１が収容されている。排ガス燃焼器２４では、各セルスタック２３の正極および負極からそれぞれ排出される正極排ガスおよび負極排ガスが、燃焼触媒２４１を通過することにより燃焼される。これにより、負極排ガスに含まれる未利用の燃料ガス（すなわち、セルスタック２３における発電で消費されなかった余剰の燃料ガスであり、以下、「未利用燃料ガス」とも呼ぶ。）が燃焼される。排ガス燃焼器２４における排ガスの燃焼は発熱反応である。
排ガス燃焼器２４から排出された燃焼済みの排ガス（以下、「燃焼ガス」とも呼ぶ。）は、排ガス燃焼器２４の上端部に接続された複数（例えば、２０本）の燃焼ガス流路２４２により、改質器２２の内部を通過する。具体的には、各燃焼ガス流路２４２は、改質器２２内において、排ガス燃焼器２４の上端部から第２改質流路２２２内を軸方向（すなわち、上方）に延び、第２改質流路２２２の上方にて略１８０°折り返されて第１改質流路２２１内を軸方向（すなわち、下方）に延びる管路である。換言すれば、各燃焼ガス流路２４２は、改質器２２内において軸方向に延びる略Ｕ字状の管路である。第１改質流路２２１内では、複数の燃焼ガス流路２４２は、例えば略等角度間隔にて周方向に配列される。燃焼ガス流路２４２の本数は、様々に変更されてよい。燃焼ガス流路２４２の本数は、例えば、１本であってもよく、２本以上であってもよい。
次に、図１および図５を参照しつつ、燃料電池システム１による発電の詳細について説明する。図５は、圧力容器２５の内部におけるガスの流れを説明するための図である。図５では、図の理解を容易にするために、燃料電池システム１の構成の一部を破線にて描き、一部の構成の図示を省略している。また、図５では、複数のセルスタック２３のうち、１つのセルスタック２３に関するガスの流れのみを矢印にて示す。
燃料電池システム１では、原燃料供給源４１から供給された原燃料（例えば、都市ガス）、および、水蒸気生成部３２から供給された水蒸気が、原燃料供給管２９１および供給ポート２２５を介して、改質器２２のバッファ流路２２４へと供給される。原燃料および水蒸気は、バッファ流路２２４において周方向に略均等に広がり、第１改質流路２２１内を改質触媒２２３に接触しつつ上方へと流れる。第１改質流路２２１内では、水蒸気改質法により原燃料が水蒸気を利用して高温下にて改質され、燃料ガスである水素ガスを含む改質ガスが生成される。
第１改質流路２２１を通過した改質ガスは、第１改質流路２２１の上方にて下方へと折り返し、第２改質流路２２２内を改質触媒２２３に接触しつつ下方へと流れる。第２改質流路２２２内においても、第１改質流路２２１内と同様に、改質ガスに含まれる原燃料が、水蒸気を利用して水蒸気改質法により高温下にて改質され、燃料ガスが生成される。改質器２２の第１改質流路２２１および第２改質流路２２２における改質ガスの生成は、上述のように吸熱反応である。当該吸熱反応は、ガス中の原燃料の含有率が高い供給ポート２２５近傍の部位（例えば、第１改質流路２２１の下半分の部位）において、特に強く発生する。換言すれば、改質器２２において、供給ポート２２５近傍の部位における吸熱量は、他の部位における吸熱量よりも大きい。第２改質流路２２２の下端部から送出された改質ガスは、配管２８１を介して各セルスタック２３の負極へと供給される。
一方、各セルスタック２３の正極には、上述のように、ブロワ５１からの酸化剤ガス（正確には、酸化剤ガスである酸素を含む空気）が、酸化剤ガス供給管２９３を介して供給される。各セルスタック２３では、上述のように、負極に供給された燃料ガスと、正極に供給された酸化剤ガスとを利用して発電が行われる。セルスタック２３における発電は、上述のように発熱反応である。複数のセルスタック２３にて発生した熱は、複数のセルスタック２３と径方向に対向する改質器２２に付与され、吸熱反応である原燃料の改質に利用される。
上述のように、複数のセルスタック２３は、４段のセルスタック群２３１を備えている。軸方向の両端に位置するセルスタック群２３１（すなわち、最上段および最下段のセルスタック群２３１）では、軸方向の一方側にセルスタック群２３１が存在しないため、他のセルスタック群２３１に比べて熱が、ある程度逃げやすい。一方、軸方向の両端を除くセルスタック群２３１では、軸方向の双方で他のセルスタック群２３１と隣接するため、熱が逃げにくく、発電中に高温になる傾向がある。
図５に示す例では、改質器２２において吸熱量が大きい供給ポート２２５近傍の部位（例えば、第１改質流路２２１の下半分の部位）と、複数段のセルスタック群２３１のうち比較的高温な軸方向中央の２段のセルスタック群２３１とが、径方向に対向している。これにより、複数のセルスタック２３から改質器２２に効率良く熱を付与することができる。その結果、改質器２２における原燃料の改質が効率良く行われる。
また、セルスタック２３では、発電時の温度が増大すると、発電効率は増大する一方で電池寿命が短くなる。上述のように、軸方向の両端に比べて高温になる中央のセルスタック群２３１を、改質器２２の吸熱反応が大きい部位と対向させることにより、当該中央のセルスタック群２３１の温度を低減することができる。これにより、発電時における複数のセルスタック２３の温度均一性を向上することができ、複数のセルスタック２３の寿命の均一性を向上することができる。なお、改質器２２の供給ポート２２５近傍の部位と対向するセルスタック群２３１は、必ずしも中央の２段のセルスタック群２３１には限定されず、複数段のセルスタック群２３１のうち、軸方向の両端を除く少なくとも１段のセルスタック群２３１であればよい。
各セルスタック２３では、圧力容器２５の内部空間２５０に向かって開口する正極排出口（図示省略）が、正極に設けられている。各セルスタック２３の正極から正極排出口を介して圧力容器２５の内部空間２５０に直接的に排出されたガス（すなわち、正極排ガス）は、内部空間２５０の略全体に亘って拡散する。したがって、セルスタック２３の内部の圧力と、圧力容器２５の内部空間２５０の圧力とが略同じになる。これにより、セルスタック２３の内部からガス（たとえば、正極に供給されて正極排出口に到達する前の酸化剤ガス）が漏出することを抑制することができる。また、セルスタック２３と配管との接続部、および、圧力容器２５内における配管同士の接続部等からのガスの漏出も抑制することができる。圧力容器２５の内部空間２５０に拡散した正極排ガスは、一端が内部空間２５０に向けて開口している配管２８３により、排ガス燃焼器２４の下端部へと供給される。
また、各セルスタック２３では、負極から排出されたガス（すなわち、負極排ガス）は、配管２８２を介して排ガス燃焼器２４の下端部へと供給される。負極排ガスには、燃料ガスである水素ガスがセルスタック２３における発電に使用されることにより生成される水蒸気、および、セルスタック２３における発電に利用されなかった上述の未利用燃料ガス等が含まれる。
排ガス燃焼器２４では、配管２８３，２８２により供給された正極排ガスおよび負極排ガスが、排ガス燃焼器２４内を燃焼触媒２４１に接触しつつ上方へと流れる。排ガス燃焼器２４内では、上述のように、負極排ガスに含まれる未利用燃料ガス（例えば、水素ガス）が燃焼され、水蒸気が生成される。排ガス燃焼器２４において燃焼した高温のガス（以下、「燃焼ガス」とも呼ぶ。）は、排ガス燃焼器２４の上端部から送出され、複数の燃焼ガス流路２４２へと導かれる。ただし、図５では、図の理解を容易とするために、１本の燃焼ガス流路２４２のみを描いており、他の燃焼ガス流路２４２の図示を省略している。燃焼ガスは、改質器２２の内部を通過する各燃焼ガス流路２４２内を上方へと流れた後、下方へと流れる。
改質器２２の内部では、各燃焼ガス流路２４２内を流れる高温の燃焼ガスから周囲（すなわち、改質触媒２２３および改質器２２内を流れるガス）に熱が付与される。これにより、改質器２２における原燃料の改質が効率良く行われる。燃焼ガス流路２４２から送出された燃焼ガス（すなわち、改質器２２を通過した後の燃焼ガス）は、配管２８５を介して圧力容器２５の外部へと導かれ、ハウジング２１の外部へと排出される。
排ガス燃焼器２４における未利用燃料ガス等の燃焼は、上述のように発熱反応である。排ガス燃焼器２４にて発生した熱は、排ガス燃焼器２４と径方向に対向する改質器２２に付与され、吸熱反応である原燃料の改質に利用される。図５に示す例では、改質器２２において吸熱量が大きい供給ポート２２５近傍の部位（例えば、第１改質流路２２１の下半分の部位）と、排ガス燃焼器２４の燃焼触媒２４１が設けられている部位とが、径方向に対向している。これにより、排ガス燃焼器２４から改質器２２に効率良く熱を付与することができる。その結果、改質器２２における原燃料の改質がさらに効率良く行われる。
配管２８５により圧力容器２５から排出された燃焼ガスは、ハウジング２１外において、燃焼ガス管２９２により図１に示す熱交換器７１へと導かれる。熱交換器７１は、上述のように、原燃料供給管２９１上に配置されている。熱交換器７１では、燃焼ガス管２９２を流れる高温の燃焼ガスを利用して、原燃料供給源４１および水蒸気生成部３２から改質器２２に供給される原燃料および水蒸気が予備加熱される。すなわち、熱交換器７１は、原燃料を予備加熱する原燃料予熱器である。
熱交換器７１を通過した燃焼ガスは、燃焼ガス管２９２により上述の凝縮部３３へと導かれる。凝縮部３３では、燃焼ガス中の水蒸気が凝縮されて水が生成される。凝縮部３３により生成された水は、水供給管３３１を介して水供給部３１の水貯溜部３１１に送られ、水貯溜部３１１内の水がポンプ３１２により水蒸気生成部３２へと供給される。凝縮部３３を通過した燃焼ガスは、燃焼ガス管２９４を介して系外（すなわち、燃料電池システム１の外部）へと排出される。
燃料電池システム１では、上述のように、複数のセルスタック２３および排ガス燃焼器２４にて発生する熱が改質器２２に付与され、原燃料の改質に利用される。また、燃焼ガスを利用して、改質器２２に供給される原燃料および水蒸気の予備加熱が行われる。これらの熱の利用により、燃料電池システム１では、定常運転時にシステム内にて必要とされる熱を、システム内にて生成しつつ定常運転を行うことが可能となる。換言すれば、定常運転時の燃料電池システム１では、熱自立運転が可能である。
燃料電池システム１では、燃焼ガスに含まれる水蒸気を、改質器２２において行われる水蒸気改質に利用することにより、定常運転時にシステム内にて必要とされる水蒸気を、システム内にて生成しつつ定常運転を行うことも可能となる。換言すれば、定常運転時の燃料電池システム１では、水自立運転も可能である。
以上に説明したように、燃料電池システム１は、改質器２２と、複数のセルスタック２３と、排ガス燃焼器２４とを備える。改質器２２は、軸方向に延びる筒状であり、原燃料を改質して燃料ガスを生成する。複数のセルスタック２３は、燃料ガスおよび酸化剤ガスを用いて発電を行う。複数のセルスタック２３は、改質器２２の径方向外側において周方向に並べて配置されて、改質器２２と径方向に対向する。排ガス燃焼器２４は、複数のセルスタック２３からの排ガスに含まれる未利用の燃料ガスを燃焼させる。排ガス燃焼器２４は、改質器２２の径方向内側に配置されて、改質器２２と径方向に対向する。複数のセルスタック２３はそれぞれ、径方向に積層される複数の平板状のセルを備える。
燃料電池システム１では、吸熱反応が生じる改質器２２を、発熱反応が生じる複数のセルスタック２３および排ガス燃焼器２４によって径方向にて挟むことにより、改質器２２と複数のセルスタック２３および排ガス燃焼器２４との間で効率良く熱交換を行うことができる。その結果、燃料電池システム１の発電効率を向上することができる。また、各セルスタック２３を、複数のセルが径方向に積層されるように配置することにより、軸方向に垂直な方向における燃料電池システム１の小型化を実現することができる。換言すれば、燃料電池システム１を径方向に小型化して、燃料電池システム１のフットプリントを小型化することができる。さらに、燃料電池システム１の小型化により、燃料電池システム１から周囲への放熱を低減することができるため、燃料電池システム１の発電効率をさらに向上することもできる。
上述のように、燃料電池システム１では、改質器２２と複数のセルスタック２３および排ガス燃焼器２４との間で効率良く熱交換を行うことができるため、燃料電池システム１の構造は、複数のセルスタック２３がそれぞれ固体酸化物形の燃料電池であり、高温下で発電が行われる燃料電池システムに特に適している。
上述のように、排ガス燃焼器２４は、改質器２２のうち、原燃料が供給される供給ポート２２５近傍の部位と径方向に対向することが好ましい。このように、改質器２２のうち吸熱反応が大きい部位を排ガス燃焼器２４と対向させることにより、改質器２２と排ガス燃焼器２４との間の熱交換を効率良く行うことができる。
上述のように、複数のセルスタック２３は、軸方向に３段以上に亘って配置される複数段のセルスタック群２３１を備えることが好ましい。また、複数段のセルスタック群２３１のうち、軸方向の両端を除く少なくとも１段のセルスタック群２３１が、改質器２２のうち、原燃料が供給される供給ポート２２５近傍の部位と径方向に対向することが好ましい。このように、改質器２２のうち吸熱反応が大きい部位を、複数段のセルスタック群２３１のうち比較的高温なセルスタック群２３１と対向させることにより、改質器２２と複数のセルスタック２３との間の熱交換を効率良く行うことができる。また、上述のように、複数のセルスタック群２３１の温度均一性を向上することができるため、複数のセルスタック２３の寿命の均一性を向上することもできる。
上述のように、燃料電池システム１は、排ガス燃焼器２４から排出された燃焼ガスを、改質器２２の内部を通過させる燃焼ガス流路２４２をさらに備えることが好ましい。これにより、燃焼ガス流路２４２を流れる燃焼ガスの熱を、改質器２２に効率良く付与することができる。その結果、改質器２２における原燃料の改質効率を向上することができる。
上述のように、燃焼ガス流路２４２は、改質器２２内において軸方向に延びるＵ字状であることが好ましい。これにより、改質器２２内における燃焼ガス流路２４２の長さを増大することができ、燃焼ガスの熱を改質器２２にさらに効率良く付与することができる。さらに、Ｕ字状の管路を用いることにより、燃焼ガス流路２４２の両端部に生じる熱応力を緩和することもできる。その結果、改質器２２における原燃料の改質効率を、簡素な構造によってさらに向上することができる。
上述のように、燃焼ガス流路２４２内における燃焼ガスの流れ方向は、改質器２２内におけるガスの流れ方向と反対向きであることが好ましい。換言すれば、燃焼ガス流路２４２内の燃焼ガスの流れ、および、改質器２２内のガスの流れにより対向流が形成されることが好ましい。燃料電池システム１では、改質器２２内の上流側におけるガスの温度は、下流側におけるガスの温度よりも低い。一方、燃焼ガス流路２４２の上流側（すなわち、改質器２２の下流側）における燃焼ガスの温度は、燃焼ガス流路２４２の下流側（すなわち、改質器２２の上流側）における燃焼ガスの温度よりも高い。したがって、燃焼ガスおよび改質器２２内のガスの流れ方向を反対向きにすることにより、改質器２２の上流側における改質器２２と燃焼ガスとの温度差を、改質器２２の下流側における改質器２２と燃焼ガスとの温度差に近づけることができる。換言すれば、改質器２２の略全長に亘って、改質器２２と燃焼ガスとの温度差を略一定とすることができる。これにより、燃焼ガスの熱を改質器２２にさらに効率良く付与することができる。その結果、改質器２２における原燃料の改質効率をさらに向上することができる。
上述のように、燃料電池システム１は、改質器２２、複数のセルスタック２３および排ガス燃焼器２４を、密閉された内部空間２５０に収容する圧力容器２５をさらに備えることが好ましい。また、複数のセルスタック２３はそれぞれ、正極排ガスを圧力容器２５の内部空間２５０へと排出する正極排出口を備えることが好ましい。これにより、セルスタック２３の内部圧力と、圧力容器２５内におけるセルスタック２３の周囲の圧力との差を小さくすることができる。その結果、セルスタック２３からのガスの漏出を抑制することができる。また、セルスタック２３と配管との接続部、および、圧力容器２５内における配管同士の接続部等からのガスの漏出も抑制することができる。
燃料電池システム１では、図６および図７に示すように、圧力容器２５の周囲に配置される酸化剤ガス予熱器７３が設けられてもよい。酸化剤ガス予熱器７３は、例えば、中心軸Ｊ１を中心とする略円筒状の中空部材であり、圧力容器２５の外側面に接触（または近接）して取り付けられ、圧力容器２５と径方向に対向する。図７では、図示の都合上、圧力容器２５内の一部の構成の図示を省略している。
酸化剤ガス予熱器７３は、予熱器本体７３１と、酸化剤ガス流路７３２と、排ガス流路７３３とを備える。図７では、図の理解を容易にするために、酸化剤ガス流路７３２に平行斜線を付す。予熱器本体７３１は、酸化剤ガス予熱器７３の筐体であり、上述のように、中心軸Ｊ１を中心とする略円筒状である。予熱器本体７３１の内部は、略円弧状の隔壁７３４により、内周部と外周部とに区画されている。予熱器本体７３１では、内周部と外周部とは、周方向の一部において連通している。また、予熱器本体７３１の内部は、隔壁により周方向において約半分に分割されている。
酸化剤ガス流路７３２は、予熱器本体７３１の内部に配置される配管である。酸化剤ガス流路７３２は、予熱器本体７３１の周方向の約半分の領域に亘って設けられる。具体的には、酸化剤ガス流路７３２は、予熱器本体７３１の外周部において約１８０°に亘って延び、予熱器本体７３１の内周部へと折り返され、当該内周部において約１８０°に亘って延びる。酸化剤ガス流路７３２の一方の端部は、予熱器本体７３１の外側面において酸化剤ガス供給管２９３に接続される。また、酸化剤ガス流路７３２の他方の端部は、予熱器本体７３１の内側面を貫通してセルスタック２３の正極に接続される。
酸化剤ガス流路７３２には、ブロワ５１（図１参照）から複数のセルスタック２３に供給される途上の酸化剤ガス（すなわち、複数のセルスタック２３に供給される前の酸化剤ガス）が流れる。酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路７３２の外周部から内周部へと流れ、酸化剤ガス予熱器７３から圧力容器２５内へと導かれる。酸化剤ガス流路７３２は、圧力容器２５の周囲に配置されて圧力容器２５と対向しているため、圧力容器２５から外部へと放出される熱により、酸化剤ガス流路７３２内を流れる酸化剤ガスが予備加熱される。
なお、燃料電池システム１では、複数のセルスタック２３にそれぞれ対応する複数の酸化剤ガス流路７３２が、予熱器本体７３１の内部に配置される。図６では、１つの酸化剤ガス流路７３２を実線で描き、他の酸化剤ガス流路７３２を破線にて描いている。
排ガス流路７３３は、予熱器本体７３１の内部空間のうち、複数の酸化剤ガス流路７３２を除く領域である。換言すれば、排ガス流路７３３は、予熱器本体７３１内において酸化剤ガス流路７３２に隣接して配置される。排ガス流路７３３も、酸化剤ガス流路７３２と同様に、予熱器本体７３１の外周部において約１８０°に亘って延び、予熱器本体７３１の内周部へと折り返され、当該内周部において約１８０°に亘って延びる。排ガス流路７３３は、予熱器本体７３１の内側面において配管２８５に接続され、燃焼ガス流路２４２を介して排ガス燃焼器２４に接続される。排ガス流路７３３には、排ガス燃焼器２４から燃焼ガス流路２４２を介して圧力容器２５外へと排出された高温の燃焼ガスが流れる。燃焼ガスは、排ガス流路７３３の内周部から外周部へと流れ、酸化剤ガス予熱器７３から外部へと排出されて燃焼ガス管２９２を流れる。燃焼ガスの熱は、排ガス流路７３３を通過する酸化剤ガス流路７３２内の酸化剤ガスに付与される。これにより、ブロワ５１からセルスタック２３に供給される酸化剤ガスが予備加熱される。
以上に説明したように、図６および図７に示す例では、燃料電池システム１は、上述の改質器２２、複数のセルスタック２３および排ガス燃焼器２４に加えて、圧力容器２５と、酸化剤ガス流路７３２とをさらに備える。圧力容器２５は、改質器２２、複数のセルスタック２３および排ガス燃焼器２４を、密閉された内部空間２５０に収容する。酸化剤ガス流路７３２は、圧力容器２５の周囲に配置されて圧力容器２５と対向する。酸化剤ガス流路７３２には、複数のセルスタック２３に供給される酸化剤ガスが流れる。これにより、圧力容器２５から外部に放出される熱を酸化剤ガスに付与して酸化剤ガスを予備加熱することができる。その結果、燃料電池システム１の発電効率を向上することができる。
上述のように、燃料電池システム１は、酸化剤ガス流路７３２に隣接して配置される排ガス流路７３３をさらに備え、排ガス流路７３３には、排ガス燃焼器２４から排出された燃焼ガスが流れることが好ましい。これにより、燃焼ガスの熱も酸化剤ガスに付与して酸化剤ガスを予備加熱することができる。その結果、燃料電池システム１の発電効率をさらいに向上することができる。
上述のように、酸化剤ガス流路７３２内における酸化剤ガスの流れ方向は、排ガス流路７３３内におけるガスの流れ方向と反対向きであることが好ましい。換言すれば、酸化剤ガス流路７３２内の酸化剤ガスの流れ、および、排ガス流路７３３内の燃焼ガスの流れにより対向流が形成されることが好ましい。燃料電池システム１では、酸化剤ガス流路７３２内の上流側における酸化剤ガスの温度は、下流側における酸化剤ガスの温度よりも低い。一方、排ガス流路７３３の上流側（すなわち、酸化剤ガス流路７３２の下流側）における燃焼ガスの温度は、排ガス流路７３３の下流側（すなわち、酸化剤ガス流路７３２の上流側）における燃焼ガスの温度よりも高い。したがって、酸化剤ガスおよび燃焼ガスの流れ方向を反対向きにすることにより、酸化剤ガス流路７３２の上流側における酸化剤ガスと燃焼ガスとの温度差を、酸化剤ガス流路７３２の下流側における酸化剤ガスと燃焼ガスとの温度差に近づけることができる。換言すれば、酸化剤ガス流路７３２の略全長に亘って、酸化剤ガスと燃焼ガスとの温度差を略一定とすることができる。これにより、燃焼ガスの熱を酸化剤ガスにさらに効率良く付与して、酸化剤ガスをさらに効率良く予備加熱することができる。
酸化剤ガス予熱器７３では、排ガス流路７３３を流れるガスは必ずしも排ガス燃焼器２４からの燃焼ガスである必要はなく、圧力容器２５から外部へと排出された正極排ガスであってもよい。この場合であっても、上記と略同様に、正極排ガスの熱を酸化剤ガスに付与して酸化剤ガスを予備加熱することができる。その結果、燃料電池システム１の発電効率をさらに向上することができる。排ガス流路７３３を通過した正極排ガスは、圧力容器２５内へと戻されて排ガス燃焼器２４へと供給される。正極排ガスは、上述のように、酸化剤ガス予熱器７３における酸化剤ガスとの熱交換により降温しているため、排ガス燃焼器２４に上限温度が存在する場合、正極排ガスの温度が当該上限温度を超過することを好適に防止または抑制することができる。
上述の燃料電池システム１は、様々な変更が可能である。
例えば、酸化剤ガス予熱器７３では、酸化剤ガス流路７３２内における酸化剤ガスの流れ方向と、排ガス流路７３３内におけるガスの流れ方向とは、必ずしも反対向きである必要はなく、例えば同じ向きであってもよい。また、排ガス流路７３３は、酸化剤ガス流路７３２に隣接して配置される配管であってもよい。なお、酸化剤ガス予熱器７３では、予熱器本体７３１および排ガス流路７３３は省略されてもよい。
セルスタック２３からの正極排ガスは、必ずしも圧力容器２５の内部空間２５０に排出される必要はなく、セルスタック２３に接続された配管等を介して、圧力容器２５およびハウジング２１の外部へと排出されてもよい。燃料電池システム１では、圧力容器２５は省略されてもよい。
燃焼ガス流路２４２内における燃焼ガスの流れ方向と改質器２２内におけるガスの流れ方向とは、必ずしも反対向きである必要はなく、例えば同じ向きであってもよい。燃焼ガス流路２４２の形状は、必ずしも軸方向に延びるＵ字状である必要はなく、様々な形状（例えば、直線状または螺旋状）に変更されてよい。燃焼ガス流路２４２は、必ずしも改質器２２の内部を通過する必要はなく、改質器２２近傍を通過してもよい。この場合であっても、燃焼ガス流路２４２を流れる燃焼ガスから改質器２２への熱付与が行われる。なお、燃焼ガス流路２４２は省略されてもよい。
改質器２２のうち供給ポート２２５近傍の部位は、複数段のセルスタック群２３１のうち、必ずしも軸方向の両端を除くセルスタック群２３１と対向する必要はなく、軸方向端部のセルスタック群２３１と径方向に対向してもよい。
排ガス燃焼器２４は、必ずしも触媒燃焼器である必要はなく、様々な種類の燃焼器（例えば、バーナー等）であってもよい。排ガス燃焼器２４は、改質器２２のうち供給ポート２２５近傍の部位と必ずしも対向する必要はなく、改質器２２の他の部位と径方向に対向してもよい。
燃料電池システム１では、燃焼ガス中に含まれる水蒸気を、凝縮部３３にて水として取り出した上で、水供給部３１を介して水蒸気生成部３２に供給しているが、水蒸気を含む当該燃焼ガスの一部が、ガス状のまま改質器２２へと供給されてもよい。あるいは、セルスタック２３から排出された負極排ガスは、排ガス燃焼器２４に導かれる前に一旦圧力容器２５外に導出され、熱交換器７１および凝縮部３３等を経由した後に、排ガス燃焼器２４へと導かれてもよい。
燃料電池システム１では、定常運転の際に、必ずしも熱自立運転が行われる必要はなく、バーナー等によりハウジング２１内の加熱が継続的に行われてもよい。また、燃料電池システム１では、定常運転の際に、必ずしも水自立運転は行われる必要はなく、例えば、凝縮部３３から水貯溜部３１１へと送られる水に加えて、装置外部から水貯溜部３１１へと供給される水が、水蒸気生成部３２に継続的に供給されてもよい。
上述のセルスタック２３は、必ずしも固体酸化物形の燃料電池である必要はなく、他の種類の燃料電池であってもよい。
上記実施の形態および各変形例における構成は、相互に矛盾しない限り適宜組み合わされてよい。
１ 燃料電池システム
２２ 改質器
２３ セルスタック
２４ 排ガス燃焼器
２５ 圧力容器
２２５ 供給ポート
２３１ セルスタック群
２４２ 燃焼ガス流路
２５０ （圧力容器の）内部空間
７３２ 酸化剤ガス流路
７３３ 排ガス流路
Ｊ１ 中心軸

Claims (10)

  1. 燃料電池システムであって、
    軸方向に延びる筒状であり、原燃料を改質して燃料ガスを生成する改質器と、
    前記改質器の径方向外側において周方向に並べて配置されて前記改質器と径方向に対向し、前記燃料ガスおよび酸化剤ガスを用いて発電を行う複数のセルスタックと、
    前記改質器の径方向内側に配置されて前記改質器と径方向に対向し、前記複数のセルスタックからの排ガスに含まれる未利用の前記燃料ガスを燃焼させる排ガス燃焼器と、
    を備え、
    前記複数のセルスタックはそれぞれ、径方向に積層される複数の平板状のセルを備えることを特徴とする燃料電池システム。
  2. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
    前記排ガス燃焼器は、前記改質器のうち前記原燃料が供給される供給ポート近傍の部位と径方向に対向することを特徴とする燃料電池システム。
  3. 請求項１または２に記載の燃料電池システムであって、
    前記複数のセルスタックは、前記軸方向に３段以上に亘って配列される複数段のセルスタック群を備え、
    前記複数段のセルスタック群のうち前記軸方向の両端を除く少なくとも１段のセルスタック群が、前記改質器のうち前記原燃料が供給される供給ポート近傍の部位と径方向に対向することを特徴とする燃料電池システム。
  4. 請求項１ないし３のいずれか１つに記載の燃料電池システムであって、
    前記排ガス燃焼器から排出された燃焼ガスを、前記改質器の内部を通過させる燃焼ガス流路をさらに備えることを特徴とする燃料電池システム。
  5. 請求項４に記載の燃料電池システムであって、
    前記燃焼ガス流路は、前記改質器内において前記軸方向に延びるＵ字状であることを特徴とする燃料電池システム。
  6. 請求項４または５に記載の燃料電池システムであって、
    前記燃焼ガス流路内における前記燃焼ガスの流れ方向は、前記改質器内におけるガスの流れ方向と反対向きであることを特徴とする燃料電池システム。
  7. 請求項１ないし６のいずれか１つに記載の燃料電池システムであって、
    前記改質器、前記複数のセルスタックおよび前記排ガス燃焼器を、密閉された内部空間に収容する圧力容器をさらに備え、
    前記複数のセルスタックはそれぞれ、正極排ガスを前記圧力容器の前記内部空間へと排出する正極排出口を備えることを特徴とする燃料電池システム。
  8. 請求項１ないし７のいずれか１つに記載の燃料電池システムであって、
    前記改質器、前記複数のセルスタックおよび前記排ガス燃焼器を、密閉された内部空間に収容する圧力容器と、
    前記圧力容器の周囲に配置されて前記圧力容器と対向するとともに前記複数のセルスタックに供給される前記酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路と、
    をさらに備えることを特徴とする燃料電池システム。
  9. 請求項８に記載の燃料電池システムであって、
    前記酸化剤ガス流路に隣接して配置され、前記圧力容器から排出された正極排ガスまたは前記排ガス燃焼器から排出された燃焼ガスが流れる排ガス流路をさらに備えることを特徴とする燃料電池システム。
  10. 請求項１ないし９のいずれか１つに記載の燃料電池システムであって、
    前記複数のセルスタックはそれぞれ、固体酸化物形の燃料電池であることを特徴とする燃料電池システム。
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