JP5009496B2 - 発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、固体酸化物を利用する燃料電池によって発電する装置に関する。

固体酸化物を利用する燃料電池は効率が高く、数キロワットから数十キロワットの発電装置に適しているものと期待されている。

固体酸化物型燃料電池では、メタン、エタン、エチレン、プロパン、ブタン等の炭化水素を含む燃料ガスを利用する。これらの炭化水素系の燃料ガスを、改質することによって一酸化炭素と水素に分解する。固体酸化物型の燃料電池セルは、水素と一酸化炭素を含む改質ガスを有酸素ガスと反応させて発電する。

エタン、エチレン、プロパン、ブタン等の炭素数２以上の炭化水素系ガスを、いきなり改質すると、改質の過程で炭素が析出しやすい。炭素が析出すると、燃料ガスが通過するパイプの内壁に炭素が堆積し、燃料ガスの通過断面積が経時的に減少してしまう。
これを避けるために通常は予備改質器を利用する。予備改質器では、エタン、エチレン、プロパン、ブタン等の炭素数２以上の炭化水素系ガスを、炭素数が１のメタンと水素に改質する。次いで、メタンを本改質することによって、水素と一酸化炭素を含む改質ガスに改質する。
予備改質器と本改質器を分離すると、燃料ガスが通過するパイプの内壁に炭素が堆積することを防止できる。

燃料ガスの改質反応は吸熱反応であり、改質反応を持続させるには改質器を加熱し続ける必要がある。特許文献１に、本改質器と予備改質器を加熱し続ける非常に巧みな技術が紹介されている。ただし特許文献１はまだ公開されていないことに留意されたい。
図１は特許文献１の発電装置の要部を示している。セル群収容室４４内には、燃料電池セル群１４が５段に収容されている。図示１８は、本改質器であり、本改質器１８で得られた改質ガスは、燃料電池セル群１４の内部に送り込まれる。有酸素ガス（具体的には空気）は、通路５０から燃料電池セル群１４の各グループの下方に配置されている空気供給部材１６を通って、燃料電池セル群１４の各グループに向けて吹きだす。燃料電池セル群１４の内部に送りこまれた改質ガスと、燃料電池セル群１４の外面に吹付けられた有酸素ガスは反応し、電気と熱を作り出す。燃料電池セル群１４を通過した改質ガス（オフガス）は、燃料電池セル群１４から吹きだす時に燃焼し、燃焼熱を発生する。発電熱と燃焼熱によって、高温の排気ガスが生成する。高温の排気ガスは本改質器１８を加熱する。本改質器１８を加熱した排気ガスは排気通路５８に送り出される。
有酸素ガスをセル群収容室４４に送り込む通路３４と、排気通路５８の間には熱交換器が設けられている。熱交換器は、高温の排気ガスが通過する中間室４６（排気通路５８の一部）と、有酸素ガスが通過する外室４８と、両者間で熱交換するフィン５４、５６で構成されている。高温の排気ガスは、熱交換器によって、セル群収容室４４に送り込む有酸素ガスを予熱する。本改質器１８と、燃料電池セル群１４と、有酸素ガスの予熱用熱交換器は、断熱材料４２で覆われた断熱容器に収容されている。

断熱容器の外部に、予備改質器１１８と、昇温蒸発混合器１３０が配設されている。排気ガス通路５８を通過した排気ガスは予備改質器１１８の中心と周囲を通過し、予備改質に必要な熱を供給する。予備改質器１１８を通過した後の排気ガスは、昇温蒸発混合器１３０において燃料ガスと水蒸気を予熱する。
昇温蒸発混合器１３０には、燃料ガス供給器１３２から燃料ガスが供給され、水供給器１３４から水が供給される。昇温蒸発混合器１３０に供給された水は蒸発して水蒸気となり、燃料ガスと混合される。燃料ガスと水蒸気の混合ガスは、昇温蒸発混合器１３０を通過する間に予熱される。
予熱された混合ガスは、混合ガス供給管１２６から、予備改質器１１８に供給される。予備改質器１１８で予備改質された予備改質ガスは、予備改質ガス供給管２６から、本改質器１８へ供給される。
特許文献１の発電装置は、発電反応に伴う発電熱とオフガスの燃焼熱を、本改質器１８を加熱し、セル群収容室４４に送込む有酸素ガスを加熱し、予備改質器１１８を加熱し、昇温蒸発混合器１３０を加熱することに利用する。発電熱と燃焼熱を利用することによって、セル群収容室４４を発電適温に維持し、本改質器１８を本改質反応に適した温度に維持し、予備改質器１１８を予備改質反応に適した温度に維持することに成功している。特許文献１の発電装置は、熱効率が高く、熱自立することに成功している。
発電反応に伴って発生する発電熱と、ゼロにはすることができないオフガスの燃焼熱だけで、セル群収容室４４を発電適温に維持し、本改質器１８を本改質に適した温度に維持し、予備改質器１１８を予備改質に適した温度に維持することができ、加熱のためだけの燃料を必要としないことを熱自立するということにする。

特願２００４−０８８０１４号

特許文献１に記載の発電装置は、熱効率が高く、熱自立を可能とする。しかしながら、本改質器が過熱されやすく、予備改質器が温度不足となりやすい傾向にあることがわかってきた。本改質器の加熱過多を防止し、予備改質器の加熱不足を是正しようとすると、発電装置の設計条件が厳しいものとなる。
そこで本発明では、改質器の加熱条件を緩和することができる技術を提供する。

本発明者が研究を続けたところ、炭素数２以上の炭化水素系ガスをいきなり改質しても、温度条件さえ適当であれば、燃料ガス通路の内壁に炭素が堆積しないことを確認した。この結果、予備改質器と本改質器に分離する必要がないことを見出した。予備改質器と本改質器に分離しなければ、本改質器では加熱過多となりやすく、予備改質器では加熱不足となりやすいという問題を解決することができる。
本発明の固体酸化物型の燃料電池を用いる発電装置は、上記の知見によって得られたものであり、燃料ガスと水を予熱して混合する昇温蒸発混合器と、予熱した燃料ガスと水蒸気の混合ガスを改質ガスに改質する改質器と、改質ガスを有酸素ガスと反応させて発電する固体酸化物型の燃料電池セルと、燃料電池セルに供給する有酸素ガスを予熱する有酸素ガス予熱器を備えている。改質器は、予備改質器と本改質器に分離されていない。本発明の発電装置では、燃料電池セルの発電熱と燃料電池セルを通過したオフガスを燃焼した燃焼熱で加熱された排気ガスが、最初に改質器を加熱し、次いで有酸素ガス予熱器を加熱し、次いで昇温蒸発混合器を加熱する。
この発電装置によると、本改質器では加熱過多となりやすく、予備改質器では加熱不足となりやすいという問題が解決され、発電装置の設計条件が大幅に緩和される。

また、本発明の発電装置では、昇温蒸発混合器と改質器と燃料電池セルと有酸素ガス予熱器の全部が一つの断熱容器内に収容されている。
このような構成とすると、熱効率が高く、発電量が小さいために発電熱と燃焼熱が小さい状態でも、熱自立することを可能とする。

さらに、本発明の発電装置では、断熱容器が、内室と、その周囲を取囲む中間室と、その中間室を取囲む外室を備えている３層構造を備えており、改質器と燃料電池セルを内室に収容し、排気ガスが通過する中間室と有酸素ガスが通過する外室の間に熱交換器を設けることによって有酸素ガスの予熱器を構成し、昇温蒸発混合器を中間室に収容している。
このような構成とすると、熱効率が極めて高く、発電熱と燃焼熱だけで、セル群収容室を発電適温に維持し、改質器を改質適温に維持しやすく、熱自立しやすい。

上記の発電装置では、昇温蒸発混合器の燃料ガスの流入口は排気ガスが３００℃以下に冷却されている位置に配置されており、昇温蒸発混合器の混合ガスの流出口から改質器の混合ガスの流入口の間は排気ガスが４００℃以下に冷却されている位置に配置されていることが好ましい。
この場合、燃料ガスの通路、昇温蒸発混合器内の通路、混合ガスの通路に炭素が析出することが防止される。

以下、本発明の好適な実施形態を説明する。
（形態１）セル群収容室が発電ユニットの中心に配置されており、その外側を排気ガス通過室が取り囲んでいる。
（形態２）セル群収容室と排気ガス通過室の外形はほぼ六面体であり、側方の４面のみならず、上面と底面についても、排気ガス通過室がセル群収容室を取り囲んでいる。
（形態３）排気ガス通過室のさらに外側を有酸素ガス通過室が取り囲んでおり、排気ガス通過室と有酸素ガス通過室を仕切る仕切壁の内側と外側に熱交換用フィンが形成されている。
（形態４）側方の４面のみならず、上面と底面についても有酸素ガス通過室が排気ガス通過室を取り囲んでいる。
（形態５）セル群収容室下方の排気ガス通過室に、昇温蒸発混合器が配置されている。

本発明を具現化した発電装置の実施例を、図面を参照しながら説明する。図２は、本実施例の発電装置２の断面図である。発電装置２は、断熱容器１０内に収容されており、ユニット化されている。
図２に示すように、発電ユニット２は、内側から外側に向かって、第１室（内室）４４、第２室（中間室）４６、第３室（外室）４８からなる３重構造となっており、中心部の第１室４４とその外側の第２室４６を仕切る内仕切壁３６と、第２室４６とその外側の第３室４８を仕切る外仕切壁３８と、第３室４８と外部を仕切る外壁４０を有している。外壁４０は断熱部材４２で覆われている。外壁４０と断熱部材４２で断熱容器１０が構成され、発電ユニット２は断熱容器１０に収容されている。
発電ユニット２の中心部の第１室４４内には、複数個の燃料電池セル１２が直線状に配列されて構成されているセルスタック１４の群と、酸素を含む空気をセルスタック１４に供給する空気供給部材１６と、混合ガスを水素や一酸化炭素等に改質する改質器１８等が配設されている。

図３に明瞭に示されるように、燃料電池セル１２の断面は楕円形状であり、複数の燃料電池セル１２が紙面垂直方向に積み重ねられることによって、セルスタック１４が構成されている。セルスタック１４は、水平方向に長く伸びている。図３に示すように、燃料極１２ａは楕円柱形状に形成され、その周面の半分強が固体電解質層１２ｂで覆われ、固体電解質層１２ｂの更に外側を酸素極１２ｃが覆っている。燃料極１２ａの周面の酸素極１２ｃと反対側はインターコネクタ１２ｄで覆われている。燃料極１２ａの内部には長手方向に貫通する５本の改質ガス通路２０が並列に形成されている。
燃料極１２ａは多孔質であり、ニッケル（Ｎｉ）を主成分とするニッケル／ＹＳＺサーメット（混合焼結体）からなる。固体電解質層１２ｂは緻密質であり、ジルコニア（ＺｒＯ２）にイットリア（Ｙ２Ｏ３）を加えた混合物からなる。酸素極１２ｃは多孔質であり、ペロブスカイト型酸化物であるＬＳＭ（Ｌａ１−ｘＳｒｘＭｎＯ３）からなる。インターコネクタ１２ｄは導電性セラミックからなる。
隣り合う燃料電池セル１２の一方のセル１２の酸素極１２ｃと他方のセル１２のインターコネクタ１２ｄとの間に、集電部材２２が介装されている。集電部材２２は、蛇腹状に折畳まれた導電性金属部材である。一方の燃料電池セル１２の酸素極１２ｃは、集電部材２２とインターコネクタ１２ｄを介して、他方の燃料電池セル１２の燃料極１２ａに電気的に接続されている。多数本の燃料電池セル１２が直列に接続されてセルスタック１４が形成されている。蛇腹状の集電部材２２は、図３における上下方向および紙面の垂直方向に空気が通過することを禁止しない。

セルスタック１４は、燃料電池セル１２の改質ガス通路２０が略水平面内を伸びるように配列されており、同一水平面内を伸びるセルスタック１４が、垂直方向に５段に配列されている。セルスタック１４のグループを上段から順に、１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅということにする。
図２に示すように、セルスタック１４ａの上流側（図２の右側）は、マニホールド２４ａを介して、改質器１８ａに接続されている。改質器１８ａとマニホールド２４ａは配管３０ａによって接続されている。セルスタック１４ｃと１４ｅも同様にして改質器１８ａに接続されている。セルスタック１４ｂの上流側（図２の左側）は、マニホールド２４ｂを介して、改質器１８ｂに接続されている。改質器１８ｂとマニホールド２４ｂは配管３０ｂによって接続されている。セルスタック１４ｄも同様にして改質器１８ｂに接続されている。

セルスタック１４ａ、１４ｃ、１４ｅの改質ガス通路２０には、改質器１８ａで改質された燃料ガスが送り込まれる。セルスタック１４ａ、１４ｃ、１４ｅの改質器１８ａから遠い方の端部では改質ガス通路２０が開放されており、発電のために消費されなかった改質ガスが放出される。セルスタック１４ｂ、１４ｄの改質ガス通路２０には、改質器１８ｂで改質された改質ガスが送り込まれる。セルスタック１４ｂ、１４ｄの改質器１８ｂから遠い方の端部では改質ガス通路２０が開放されており、発電のために消費されなかった改質ガスが放出される。セルスタック１４ａ、１４ｃ、１４ｅは、マニホールド２４ａ、２４ｃ、２４ｅによって片持ち状に支持され、セルスタック１４ｂ、１４ｄは、マニホールド２４ｂ、２４ｄによって片持ち状に支持されている。
セルスタック１４ａ、１４ｃ、１４ｅと、セルスタック１４ｂ、１４ｄは、反対方向に伸びている。上下方向に多段に配列されているセルスタック１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅは、上下方向において、交互に反対向きに配列されている。

一対の改質器１８ａ、１８ｂは、基本的に同一構成を備えている。以下では添字を省略して共通に説明する。改質器１８は、金属製の薄い箱形状のケーシングと、その内で蛇行する経路（図示省略）が形成されており、この経路内に改質触媒が充填されている。図２に示すように、一対の改質器１８ａ、１８ｂは、セルスタック１４群を挟んで、平行に配設されている。改質器１８ａ、１８ｂ内に導入された混合ガスは、改質触媒によって、改質器１８内を通過する間に、主に水素や一酸化炭素からなる改質ガスに改質される。なお渡り配管２８ｂが、２つの改質器１８ａ、１８ｂの出口圧力の均衡を調整するために、改質器１８a、１８ｂを接続している。

図２に示すように、空気供給部材１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅは浅い箱形状の部材であり、上面に複数の空気供給口１６ｆが形成されている。空気供給部材１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅの両側面（改質器１８a、１８ｂ側の側面）には、略水平に伸びる邪魔板５２ａ、５２ｂが形成されている。邪魔板５２ａは、上段の燃料電池セル１２の上流側に向けて取付けられており、水平に伸びている。邪魔板５２ｂは、上段の燃料電池セル１２の下流側に向けて取付けられており、端部が若干上向きに取付けられている。空気供給部材１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅは、セルスタック１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅのそれぞれの下方に配設されており、５つの空気供給部材１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅが上下方向に５段に配設されている。各空気供給部材１６の両端部は、紙面の奥側と手前側に配置されている一対の空気供給管５０に連通している。一対の空気供給管５０は金属製であり、図２に示すように、上下方向に伸びており、上端は第３室４８に開口している。第３室４８の下方は、空気導入管３４と連通しており、空気導入管３４によって外部から導入された空気は、第３室４８を通過して一対の空気供給管５０のいずれかに流入し、上下５段の空気供給部材１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅのいずれかの上面から、直近上部のセルスタック１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅに空気を供給する。
上下５段の空気供給部材１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅは、両端が空気供給管５０によって支持されており、強度が高い。
図２に示すように、セルスタック１４の改質ガス通路２０は左右方向に伸びており、空気供給部材１６は紙面垂直方向に伸びている。両持ち状の空気供給部材１６と、片持ち状のセルスタック１４が交差する位置関係におかれている。
片持ち状のセルスタック１４は、両持ち状の空気供給部材１６に対してパッキン６２を介して載置されており、片持ち状のセルスタック１４は水平に伸びる姿勢で安定的に支持されている。片持ち状のセルスタック１４が不用意に傾くことはない。

第３室４８と第２室４６を仕切る外仕切壁３８の４つの外周面には、図２に示すフィン５４が取付けられている。フィン５４は横方向に長尺な金属製板部材を略蛇腹形状に折畳んで形成されている。外側は外壁４０の内面に接触しており、内側は外仕切壁３８の外面に接触している（図２ではフィン５４の形状を明瞭にするため、フィン５４と外壁４０を離して示している）。なお、放熱を防止するために、フィン５４と外壁４０の内面が、断熱材を介して接触する構成であってもよい。図２に示すように、外仕切壁３８の４つの外周面には、複数のフィン５４が上下方向に取付けられて外周面を覆っている。図示はしていないが、上下のフィン５４は、ピッチを半分ずらして取付けられている。このようにフィン５４が取付けられているため、外仕切壁３８とフィン５４と外壁４０によって、外仕切壁３８の４つの外周面と外壁４０の内面との間の全体に亘って、上下方向に伸びる細い角柱形状の通路が複数本形成される。
図２に示すように、外仕切壁３８の４つの内周面にも、フィン５４と同様にフィン５６が取付けられている。フィン５６の形状もフィン５４と同様である。このようにフィン５６が取付けられているため、外仕切壁３８とフィン５６と内仕切壁３６によって、外仕切壁３８の４つの内周面と内仕切壁３６の外面との間の全体に亘って、上下方向に伸びる細い角柱形状の通路が複数本形成される。フィン５４は第３室４８のサイズを規定し、フィン５６は第２室４６のサイズを規定する。

図２に示すように、外仕切壁３８は、第２室４６の底板４６ｂよりも下方に伸びる固定用壁３８ａによって外壁４０の底板に固定されている。固定用壁３８ａには複数個の穴３８ｂが形成されており、空気の流通が自在となっている。内仕切壁３６も、第１室の底板４４ｂの下端から下方に伸びる固定用壁３６ａによって、第２室４６の底板４６ｂに固定されている。第１室４４の底板４４ｂは、第２室４６の底板４６ｂから持ち上げられている。両底板４４ｂ、４６ｂの間隙は、第２室４６の一部を構成する。固定用壁３６ａにも複数個の穴３６ｂが形成されており、排気ガスの流通が自在となっている。第２室４６の底板４６ｂと第１室４４の底板４４ｂの間（第２室４６の一部）には、昇温蒸発混合器１３０が配設されている。第１室４４の底板４４ｂと第２室４６の底板４６ｂの間は、第２室４６の一部であり、そこに排気ガス導出管５８が連通している。
外壁４０の底板４０ｂと第２室４６の底板４６ｂの間は、第３室４８の一部であり、そこに空気導入管３４が連通している。昇温蒸発混合器１３０の下側に第３室４８が位置している。

昇温蒸発混合器１３０には燃料ガス供給管１３２と水供給管１３４が接続されている。水供給管１３４から供給される水は排気ガスの熱で加熱されて蒸発し、蒸発した水蒸気は燃料ガス供給管１３２から供給される燃料ガスを混合する。水蒸気と燃料ガスの混合ガスは排気ガスの熱で加熱されて昇温する。昇温した混合ガスは、混合ガス導入管２６a、２６ｂによって、改質器１８ａ，１８ｂに送られる。
燃料ガス供給管１３２は、比較的に高い位置に開口し、昇温蒸発混合器１３０内で水分が結露しても、燃料ガス供給管１３２に液体の水が浸入することがない。発電装置の運転を中止しても、燃料ガス供給管１３２には液体の水が浸入することがない。

第３室４８は、発電ユニット２の６面（４側面と上面と底面）において、第２室４６を取り囲んでおり、第２室４６は、発電ユニット２の６面（４側面と上面と底面）において、第１室４４を取り囲んでいる。
第１室４４の外形はほぼ立方体である。第２室４６の外形もほぼ立方体である。第３室４８の外形もほぼ立方体である。発電ユニット２は、最小表面積で最大容積を収容する６面体であり、放熱量が少ない。
第３室４８は、外部から取り込まれた空気が通過する。第２室４６は、第１室４４で生成された排気ガスが通過する。第１室４４は燃料電池セル群収容室として利用される。
空気は第３室４８を下方から上方に移動する。排気ガスは第２室４６を上方から下方に通過する。通過方向が逆であり、両者の間で活発な熱交換が行われる。
第１室４４は最も高温であり、第２室４６は２番目に高温であり、第３室４８が３番目に高温である。最も高温な第１室４４を、２番目に高温な第２室４６で取り囲み、その外側を３番目に高温な第３室４８で取り囲む構造となっている。最も高温に維持する必要がある第１室４４を最も内側に配置することによって、燃料電池セルを収納する第１室４４を最も高温に維持しやすい最適な構造となっている。

発電ユニット２内の動作を説明する。水供給器１３４から送り込まれた水は、昇温蒸発混合器１３０内で加熱され、水蒸気となる。この水蒸気と、燃料ガス供給装置１３２から昇温蒸発混合器１３０に供給された都市ガスまたはＬＰガスが混合して混合ガスとなる。混合ガスは、昇温蒸発混合器１３０内で予熱され、混合ガス導入管２６a、２６ｂから改質器１８a、１８ｂへ送られる。混合ガス導入管２６a、２６ｂから本改質器１８ａ、１８ｂに送られた混合ガスは、改質器１８ａ、１８ｂ内で、水素と一酸化炭素を含む混合ガスに改質され、各マニホールド２４に送られる。改質ガスは、各マニホールド２４から各燃料電池セル１２へ送られ、各燃料電池セル１２内の改質ガス通路２０に流入する。
空気導入管３４から第３室４８に送られた空気は、第２室を通過する高温の排気ガスと熱交換しながらフィン５４の間をすり抜けて上部に達し、外壁４０の上面に沿って流れ、第３室４８に開口している空気供給管５０内に流入する。空気は、空気供給管５０を下方に移動しながら、５つの空気供給部材１６a、１６b、１６c、１６d、１６eに流入し、全ての空気供給口１６ｆから流出する。流出する空気は、上方向、若しくは斜め上方向に上昇し、すぐ上のセルスタック１４の下側全体に分散される。
酸素は、イオン化して固体電解質層１２ｂを通過して燃料極１２ａに至り、水素または一酸化炭素と反応し、酸素極１２ｃと燃料極１２ａの間に電位差を発生させる。即ち、発電する。

発電時、改質ガスは上流から下流へ向かってセルスタック１４内を水平に流れる。改質ガスは上流から下流へ流れる間に発電熱によって徐々に加熱されていく。
熱伝導性の空気供給部材１６とセルスタック１４の間には、パッキン６２が介在しており、直接には接触していない。熱伝導性の空気供給部材１６は、セルスタック１４の上流側と下流側の温度差を小さく抑える。加熱されやすいセルスタック１４の下流側では、輻射が活発に起こって熱伝導性の空気供給部材１６に熱を伝える。セルスタック１４の下流側の温度は低下する。輻射によって加熱された熱伝導性の空気供給部材１６は、熱伝導によって低温部を加熱する。加熱された空気供給部材１６は、相対的に低温なセルスタック１４の上流側に向けて輻射し、セルスタック１４の上流部を加熱する。熱伝導性の空気供給部材１６がセルスタック１４に直接には接触していなくても、近接して位置しているために、熱伝導性の空気供給部材１６は、セルスタック１４の高温部から低温部に伝えられる熱エネルギーの移動を促進する。

燃料電池セル１２に供給される改質ガスの例えば８０％が発電に利用される場合、発電に利用されなかった２０％の改質ガス（オフガス）は、改質ガス通路２０を通過して先端から流出する。また、燃料電池セル１２に供給される空気の例えば２０％が発電に利用される場合、発電に利用されなかった８０％の空気は、セルスタック１４の集電部材２２の隙間をすり抜ける。この空気は邪魔板５２ｂに沿って燃料電池セル１２の下流側へ誘導される。
セルスタック１４の先端近傍には夫々スパーク電極６０が配設されている。スパーク電極６０が火花放電することによって、セルスタック１４の先端から流出するオフガスが、燃料電池セル１２の下流側へ誘導される空気によって燃焼する。改質器１８はセルスタック１４の先端に近接していることから、オフガスの燃焼によって発生する燃焼熱を改質反応の吸熱反応に効率よく利用することができる。
排気ガスは極めて高温であり、そのままでは熱交換器に投入しがたい。それほどの高温に耐えられる熱交換器は材質が限られ、高価である。本実施例では、燃焼熱でまず改質器１８を加熱する。改質反応は吸熱反応であり、排気ガスの熱は吸熱され、改質反応に利用される。燃焼熱でまず改質器１８を加熱するために、排気ガスの温度は低下する。このために、第２室４６を流れる排気ガスの温度は適度に冷却されており、仕切り壁３６、３８に特別の材料を使わなくてもすむ。

燃料ガスや混合ガスは高温にさらされると、炭素を析出してガスの通過する管を閉塞するために、燃料ガス供給管１３２や混合ガス導入管２６a、２６ｂは、炭素が析出しない適度な温度領域に配置する必要がある。本実施例では、昇温蒸発混合器１３０の上流側の燃料ガス供給管１３２を３００℃以下の温度環境領域に配置し、昇温蒸発混合器１３０と改質器１８a、１８ｂを接続する混合ガス導入管２６a、２６ｂを４００℃以下の温度環境領域に配置している。上記のような温度領域に燃料ガス供給管１３２と混合ガス導入管２６a、２６ｂを配置することにより、燃料ガス供給管１３２と混合ガス導入管２６a、２６ｂの内壁に炭素が堆積することない。燃料ガスと水蒸気は、スムーズに昇温蒸発混合器１３０と改質器１８を通過し、第１室４４内のセルスタック１４に改質ガスを供給する。
本実施例では、第３室４８を通過する空気との熱交換によって約４００℃まで冷却された排気ガスで昇温蒸発混合器１３０を加熱する。昇温蒸発混合器１３０内を通過する間に燃料ガスと水蒸気は予熱されて混合する。昇温蒸発混合器１３０を加熱することによって排気ガスは３００℃程度に冷却される。燃料ガス供給管１３２は、３００℃以上に加熱されることがない。

固体酸化物を利用する燃料電池は、燃料ガスを水素や一酸化炭素に改質することが必要である。従来の技術では、最初に予備改質器で燃料ガスを炭素数１以下の炭化水素ガスに改質し、次に本改質器で水素や一酸化炭素に改質し、そうして改質された水素や一酸化炭素を用いて発電していた。本実施例では、本改質器と予備改質器を分離せず、改質器１８において燃料ガスを水素や一酸化炭素に直接改質している。
予備改質器と本改質器を統合することにより、予備改質と本改質の夫々に必要な熱量を分け与えることが可能となる。そのために、本改質器では加熱過多となりやすく、予備改質器では加熱不足となりやすいという問題が解決できる。発電装置の設計条件が緩和される。また昇温蒸発混合器を断熱容器１０内にコンパクトに収めることが可能となり、発電装置が小型化される。

以上の実施例では、筒状の燃料極を改質ガス通路が貫通している燃料電池セルの例を説明したが、燃料極と改質ガス通路の関係はそれに限らない。例えば、ポーラスの物質の中に改質ガス通路を設け、その表面に、内側から、燃料極、固体電解質、酸素極の順に積層された積層構造を付着したような燃料電池セルであってもよい。要は、燃料極と固体電解質と酸素極の積層体の燃料極側に改質ガスが供給され、酸素極側に有酸素ガスが供給されるものであり、かつ、燃料電池セルの外側に供給される有酸素ガスが、前記積層体を通して燃料電池セル側に用意されている改質ガス通路に侵入するものであれば足りる。

以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数の目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

従来の発電装置の縦断面を示す図。 本実施例の発電装置の縦断面を示す図。 燃料電池セルの断面を部分的に拡大して示す図。

符号の説明

２・・・・・発電装置（発電ユニット）
１０・・・・断熱容器
１２・・・・燃料電池セル
１２ａ・・・燃料極
１２ｂ・・・固体電解質層
１２ｃ・・・酸素極
１２ｄ・・・インターコネクタ
１４・・・・セルスタック
１６・・・・空気供給部材
１８・・・・本改質器
５８・・・・排気通路
６０・・・・スパーク電極
１３０・・・昇温蒸発混合器
１３２・・・燃料ガス供給管
１３４・・・水供給管

Claims (2)

1. 固体酸化物型の燃料電池を用いる発電装置であり、
   燃料ガスと水を予熱して混合する昇温蒸発混合器と、
   予熱した燃料ガスと水蒸気の混合ガスを改質ガスに改質する改質器と、
   改質ガスを有酸素ガスと反応させて発電する固体酸化物型の燃料電池セルと、
   燃料電池セルに供給する有酸素ガスを予熱する有酸素ガス予熱器を備えており、
   燃料電池セルの発電熱と燃料電池セルを通過したオフガスを燃焼した燃焼熱で加熱された排気ガスが、最初に改質器を加熱し、次いで有酸素ガス予熱器を加熱し、次いで昇温蒸発混合器を加熱するように構成されており、
   昇温蒸発混合器と改質器と燃料電池セルと有酸素ガス予熱器の全部が一つの断熱容器内に収容されており、
   断熱容器が、内室と、その周囲を取囲む中間室と、その中間室を取囲む外室を備えており、
   改質器と燃料電池セルは、内室に収容されており、
   排気ガスが通過する中間室と、有酸素ガスが通過する外室との間に設けられている熱交換器によって有酸素ガス予熱器が構成されており、
   昇温蒸発混合器は、中間室に収容されていることを特徴とする発電装置。
2. 昇温蒸発混合器の燃料ガスの流入口は、排気ガスが３００℃以下に冷却されている位置に配置されており、
   昇温蒸発混合器の混合ガスの流出口から改質器の混合ガスの流入口の間は、排気ガスが４００℃以下に冷却されている位置に配置されていることを特徴とする請求項１の発電装置。

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