JP5368057B2

JP5368057B2 - 改質器および発電装置

Info

Publication number: JP5368057B2
Application number: JP2008279989A
Authority: JP
Inventors: 務祖父江; 尚優杉本; 立樹渡會; 伸二天羽; 雄広勢山
Original assignee: Kyocera Corp; Tokyo Gas Co Ltd; Rinnai Corp
Current assignee: Kyocera Corp; Tokyo Gas Co Ltd; Rinnai Corp
Priority date: 2008-10-30
Filing date: 2008-10-30
Publication date: 2013-12-18
Anticipated expiration: 2028-10-30
Also published as: JP2010105855A

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おいて用いられる改質器およびそれを具備する発電装置に関する。

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。固体酸化物を利用する燃料電池は、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（例えば空気）と反応させて発電する。

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。改質器は内部に改質触媒が充填された容器であり、燃料ガスに水蒸気を混合した混合ガスが改質器の内部を通過することによって、改質ガスが得られる。改質器全体が改質反応に適した温度で維持されると、改質効率は最大となる。

改質器の表面をバーナ等の燃焼ガスで加熱する場合、改質器の裏面は燃焼ガスによって直接的には加熱されない。燃焼ガスによって加熱される表面側と加熱されない裏面側の温度差が小さくなるように、改質器の表面と裏面の間隔は小さく設定されている。改質器は、扁平箱状に形成されており、広い加熱面と扁平性を利用して、燃焼ガスによって加熱される表面側と加熱されない裏面側の温度差が小さくなるように設計されている。しかしながら、それでも、燃焼ガスによって加熱される表面側と加熱されない裏面側の温度差を十分に小さくすることが難しい。表面側を改質適温に調整すると裏面側では温度不足となって改質効率が低下し、裏面側を改質適温に調整すると表面側では過熱状態となって改質効率が低下する。

特許文献１には、燃料電池からのオフガスを燃焼した燃焼ガスによって加熱される改質器が開示されている。この改質器には、表面と裏面を貫通する燃焼ガス通路が形成されている。この改質器によれば、表面側から供給される燃焼ガスが裏面側にも回り込み、表面側と裏面側の双方から改質器が加熱される。改質器の表面と裏面の温度差を十分に小さくすることができ、改質器の温度分布を平準化することができる。改質器の改質効率を向上することができる。

特開２００６−１１４３９４号公報

特許文献１の技術では、改質器の表面と裏面を貫通する燃焼ガス通路によって、混合ガスの通路である改質器の内部が、複数の通路に区画される。改質器の内部に供給された混合ガスは、それぞれの通路に分岐して流れ、それぞれの通路で改質反応を起こしながら流れていく。それぞれの通路を流れる混合ガスの流量は、それぞれの通路の圧力損失に応じて異なったものとなる。混合ガスの改質反応においては、混合ガスの流量に応じて吸熱量が変化するので、混合ガスの流量が通路毎に異なると、通路毎に温度のばらつきが生じてしまう。特許文献１の技術には、改質器の温度分布にいまだばらつきが存在しており、さらなる改善の余地が残されている。

改質器における温度分布のばらつきを抑制し、改質器の全体を改質反応に適した温度に維持することができれば、改質器における改質効率をより向上することができる。

本発明は上記課題を解決する。本発明は、改質器における温度のばらつきを抑制し、改質効率をより向上する技術を提供する。

本発明は、炭化水素系の燃料ガスと水蒸気とを混合した混合ガスを水素を含む改質ガスに改質する改質器として具現化される。その改質器は、表面と裏面とを備える扁平形状をしている。その改質器は、表面および裏面に沿って燃焼ガスが流れることによって、内部を流れる混合ガスを加熱して改質ガスに改質する。その改質器では、表面から裏面に貫通する燃焼ガス通路が縦方向及び横方向に複数配置されている。

上記の改質器では、改質器の表面または裏面に燃焼ガスが供給されると、表面から裏面に貫通する複数の燃焼ガス通路を通過して、改質器の反対側の面にも燃焼ガスが回り込む。改質器の表面と裏面の両側から加熱することで、改質器の表面と裏面の温度差を十分に小さくすることができ、改質器の温度分布を平準化することができる。

上記の改質器では、燃焼ガス通路が縦方向及び横方向に複数配置されている。この燃焼ガス通路は、改質器の内部を流れる混合ガスから見ると、流れを乱す障害物の役割を果たす。改質器の内部に供給された混合ガスは、縦方向及び横方向に複数配置された燃焼ガス通路によって、分岐と合流を繰り返す。これによって、改質器の内部における混合ガスの流れが拡散されて、混合ガスの改質反応が平準化される。改質器の改質効率を高めることができる。

さらに、上記の改質器では、燃焼ガスを供給する燃焼ガス供給源に対向して配置される表面または裏面の対向領域に、燃焼ガス通路の流入口が対向領域以外の領域よりも密に配置されている。

上記の改質器によれば、燃焼ガスを供給する燃焼ガス供給源に対向して配置される表面または裏面の対向領域に、燃焼ガス通路の流入口が対向領域以外の領域よりも密に配置されているので、改質器の表面から裏面、または裏面から表面への燃焼ガスの回り込みがより促進される。改質器の温度分布を十分に平準化することができる。

上記の改質器では、燃焼ガス通路が部分的に三角格子状に配置されていることが好ましい。

上記の改質器によれば、燃焼ガス通路が正方格子状に配置されている場合に比べて、改質器の内部が低圧損でありながら、改質器の内部を流れる混合ガスの流れがより拡散される。改質器における混合ガスの改質反応を十分に平準化することができる。

本発明は発電装置としても具現化される。本発明の発電装置は、上記のうち何れかの改質器と、改質器から供給される改質ガスを用いて発電しオフガスを排出する燃料電池セルおよび燃料電池セルが排出したオフガスを燃焼して燃焼ガスを供給する燃焼器を備える燃焼ガス供給源とを具備する。

上記の改質器を用いて、オフガスを改質反応の熱源として活用する発電装置とすることができる。

本発明によれば、改質器における温度のばらつきが抑制され、高い改質効率を実現することができる。

以下、本発明の好適な実施形態を説明する。
（形態１）改質器の内部には球状の改質触媒が充填されている。

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１は、本実施例に係る発電装置の縦断面図であり、図２は図１のＡ−Ａ線の断面図であり、図３は図１のＢ−Ｂ線の断面図であり、図４は第１室４４内の配管系を模式的に示す図である。図１〜図３に示すように、発電装置はユニット化されている。

図１〜図４に示すように、発電ユニット１０は、内側から外側に向かって、第１室４４、第２室４６、第３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とを仕切る内仕切壁３６、第２室４６とその外側の第３室４８とを仕切る外仕切壁３８および第３室４８と外部とを仕切る外壁４０を有している。外壁４０は断熱部材４２で覆われている。

発電ユニット１０の中心部の第１室４４内には、複数個の燃料電池セル１２が直線状に整列することによって構成されているセルスタック１４が収容されている。各セルスタック１４は略水平面に沿って配列されており、７本のセルスタック１４が同一水平面に沿って配列されており、それらが垂直方向に５段設けられている。７本で１グループのセルスタック群１４を上段から順に、添字ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅをつけて表すことにする。図３から明らかなように、合計３５本のセルスタック１４が、水平方向に７本で垂直方向に５本の行列状に配置されている。図１と２から明らかなように、合計３５本のセルスタック１４が、左右一対となっており、合計７０本のセルスタック１４が第１室４４内に収容されている。左側の３５本のセルスタック群を１４Ｌといい、右側の３５本のセルスタック群を１４Ｒということにする。

以下では左側の部材には添字Ｌをつけて表し、右側の部材には添字Ｒをつけて表し、上段から順に、添字ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅをつけて表すことにする。共通の事象については、添字を省略して共通に説明する。

第１室４４の左側の半分には、行列状に配置された３５本の左側のセルスタック群１４Ｌと、燃料ガスを水素や一酸化炭素等に改質する左側の改質器１８Ｌと、改質された燃料ガスを３５本の左側のセルスタック群１４Ｌに分配する垂直マニホールド２９Ｌ及び水平マニホールド２４Ｌと、３５本の左側のセルスタック群１４Ｌの外表面に空気（有酸素ガスの一例）を供給する空気供給系５０Ｌａ，５０Ｌｂ，１６Ｌａ，１６Ｌｂ，１６Ｌｃ，１６Ｌｄ，１６Ｌｅ等が収容されている。

第１室４４の右側の半分には、行列状に配置された３５本の右側のセルスタック群１４Ｒと、燃料ガスを水素や一酸化炭素等に改質する右側の改質器１８Ｒと、改質された燃料ガスを３５本の右側のセルスタック群１４Ｒに分配する垂直マニホールド２９Ｒ及び水平マニホールド２４Ｒと、３５本の右側のセルスタック群１４Ｒの外表面に空気を供給する空気供給系５０Ｒａ，５０Ｒｂ，１６Ｒａ，１６Ｒｂ，１６Ｒｃ，１６Ｒｄ，１６Ｒｅ等が収容されている。

図５に示すように、燃料電池セル１２の断面は楕円形状であり、楕円柱形状に形成された燃料極１２ａの周面の半分強が固体電解質層１２ｂで覆われ、残りの周面がインターコネクタ１２ｄで覆われ、固体電解質層１２ｂの外側を酸素極１２ｃが覆っている。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とＹＳＺ（イットリア部分安定化ジルコニアを含む）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（ＺｒＯ_２）にイットリア（Ｙ_２Ｏ_３）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（Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＭｎＯ_３）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の一方の燃料電池セル１２の酸素極１２ｃと他方の燃料電池セル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、蛇腹状に折り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。多数個の燃料電池セル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規制しない。

図１に示すように、第１室４４の左端部には、左改質器１８Ｌが収容されている。図１と図２に示すように、左側のセルスタック１４Ｌと右側のセルスタック１４Ｒの間隙に、左右一対の垂直マニホールド２９Ｌ，２９Ｒと、水平マニホールド２４Ｌ，２４Ｒが伸びている。図４に示すように、左側の改質器１８Ｌと左側の垂直マニホールド２９Ｌは、左側の改質ガス供給管２５Ｌを介して接続されている。左側の垂直マニホールド２９Ｌからは、５本の左側の水平マニホールド２４Ｌａ，２４Ｌｂ，２４Ｌｃ，２４Ｌｄ，２４Ｌｅが伸びている。水平マニホールド２４Ｌａは、セルスタック群１４Ｌａに改質ガスを分配する。他の水平マニホールド２４Ｌｂ，２４Ｌｃ，２４Ｌｄ，２４Ｌｅについても同様である。また図４では、図示の明瞭化のために、セルスタック群１４Ｌａの一部のみを示し、他を省略している。

図１に示すように、第１室４４の右端部には、右改質器１８Ｒが収容されている。図４に示すように、右側の改質器１８Ｒと右側の垂直マニホールド２９Ｒは、右側の改質ガス供給管２５Ｒを介して接続されている。右側の垂直マニホールド２９Ｒからは、５本の右側の水平マニホールド２４Ｒａ，２４Ｒｂ，２４Ｒｃ，２４Ｒｄ，２４Ｒｅが伸びている。水平マニホールド２４Ｒａは、セルスタック群１４Ｒａに改質ガスを分配する。他の水平マニホールド２４Ｒｂ，２４Ｒｃ，２４Ｒｄ，２４Ｒｅについても同様である。また図４では、図示の明瞭化のために、右側の水平マニホールド２４Ｒと右側のセルスタック群１４Ｒの図示を省略している。

右側のセルスタック群１４Ｒの下方には、昇温蒸発混合器１３０が配置されている。昇温蒸発混合器１３０には、燃料ガス供給管１３２から燃料ガスが供給され、水供給管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、左側の混合ガス供給管２７Ｌから、左側の改質器１８Ｌに供給され、右側の混合ガス供給管２７Ｒから、右側の改質器１８Ｒに供給される。昇温蒸発混合器１３０は、高温の排気ガスが通過する第２室４６に収容されている（図１参照）。

左側の改質器１８Ｌで改質された改質ガスは、左側の水平マニホールド２４Ｌを経由して、左側のセルスタック群１４Ｌに送り込まれる。左側の各セルスタック１４Ｌ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(オフガス)が放出される。各セルスタック１４Ｌの端部から放出されたオフガスはそこで燃焼する。左側のセルスタック１４Ｌのそれぞれの端部には、燃焼器１７Ｌが設けられている。左側の燃焼器群１７Ｌは、左側の改質器１８Ｌの表面１８Ｌｓに対向している。

右側の改質器１８Ｒで改質された改質ガスは、右側の水平マニホールド２４Ｒを経由して、右側のセルスタック群１４Ｒに送り込まれる。右側の各セルスタック１４Ｒ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(オフガス)が放出される。各セルスタック１４Ｒの端部から放出されたオフガスはそこで燃焼する。右側のセルスタック１４Ｒのそれぞれの端部には、燃焼器１７Ｒが設けられている。右側の燃焼器群１７Ｒは、右側の改質器１８Ｒの表面１８Ｒｓに対向している。

一対の改質器１８Ｌ、１８Ｒは、基本的に同一構成を備えている。以下では図４および図６を参照しながら、右側の改質器１８Ｒについて説明し、左側の改質器１８Ｌについては説明を省略する。

図４に示すように、改質器１８Ｒは金属製の扁平な箱形状のケーシングである。改質器１８Ｒには、表面１８Ｒｓから裏面１８Ｒｔに貫通する多数の燃焼ガス通路８０Ｒが形成されている。それぞれの燃焼ガス通路８０Ｒは、改質器１８Ｒに円柱状に形成された貫通孔であって、セルスタック１４Ｒから放出されたオフガスを燃焼させた燃焼ガスが、改質器１８Ｒの表面１８Ｒｓから裏面１８Ｒｔに通過する経路となっている。それぞれの燃焼ガス通路８０Ｒは、通過する燃焼ガスが改質器１８Ｒの内部に入り込まないように、周囲を金属製の管で覆われている。

燃焼ガス通路８０Ｒは、各セルスタック１４Ｒの端部と対向する箇所（すなわち、オフガスが放出される部位と対向する箇所）に、三角格子状に縦方向及び横方向に配置されている。オフガスを燃焼させた燃焼ガスの一部は、燃焼ガス通路８０Ｒを通過して改質器１８Ｒの裏面１８Ｒｔに回り込み、改質器１８Ｒの裏面１８Ｒｔに沿って上昇しながら、改質器１８Ｒの裏面１８Ｒｔを加熱する。残余の燃焼ガスは、改質器１８Ｒの表面１８Ｒｓに沿って上昇しながら、改質器１８Ｒの表面１８Ｒｓを加熱する。なお、三角格子状とは、改質器１８Ｒの燃焼ガス供給源（燃料電池セル１２と燃焼器１７Ｒとを備える）との対向領域に設けられた燃焼ガス通路８０Ｒと、その対向領域と近接して配置される燃焼ガス通路８０Ｒとを直線で結んだ場合に三角形状となる形態を意味する。

改質器１８Ｒの内部には、改質触媒として球状の白金・ルテニウム合金触媒が充填されている。昇温蒸発混合器１３０から送り出された燃料ガスと水蒸気の混合ガスは、混合ガス供給管２７Ｒから改質器１８Ｒの下部に入り、改質器１８Ｒの内部を下方から上方へ流れて、改質器１８Ｒの上部から改質ガス供給管２５Ｒへ出て行く。その過程で、燃焼ガスの燃焼熱を混合ガスが吸熱して、水素と一酸化炭素からなる改質ガスに改質される。混合ガスが改質器１８Ｒの内部を流れる際には、改質器１８Ｒを貫通する複数の燃焼ガス通路８０Ｒが障害物となって、混合ガスが分岐と合流を繰り返して、混合ガスの流れが拡散される。これによって、改質器１８Ｒの内部における混合ガスの改質反応が均一化される。改質器１８Ｒから改質ガス供給管２５Ｒへ供給された改質ガスは、垂直マニホールド２９Ｒ、水平マニホールド２４Ｒを経て、セルスタック群１４Ｒの改質ガス通路２０に送り込まれる。

図６に示すように、燃焼ガス通路８０Ｒは、燃料電池セル１２と対向する部位、すなわち、燃焼器１７Ｒに対向する部位に、密に配置されている。このような配置とすることによって、燃焼ガスの表面１８Ｒｓから裏面１８Ｒｔへの回り込みが促進され、改質器１８Ｒの温度分布を均一化することができる。さらに燃焼ガス通路８０Ｒは、部分的に三角格子状に配置されている。燃焼ガス通路８０Ｒを正方格子状に配置する場合に比べて、改質器１８Ｒの内部を流れる混合ガスの流れが拡散されやすく、改質器１８Ｒにおける改質反応を十分に均一化することができる。なお、正方格子状とは、改質器１８Ｒの燃焼ガス供給源（燃料電池セル１２と燃焼器１７Ｒを備える）との対向領域に設けられた燃焼ガス通路８０Ｒと、その対向領域と近接して配置される燃焼ガス通路８０Ｒとを直線で結んだ場合に正方形状となる形態を意味する。

一対の改質器１８Ｌ、１８Ｒは、互いの上部が渡り配管２８によって接続されている。これによって、改質器１８Ｌ、１８Ｒの出口圧力の均衡が確保されている。

図１〜図３に示すように、空気供給部材１６（左側のセルスタック群１４のために上下方向に５枚が存在し、右側にも上下方向に５枚が存在するが、全て共通しているため、左右を示す添字Ｌ，Ｒと段数を示す添字ａ〜ｅを省略して説明することがある）は、浅い箱形状の部材であり、上面に複数の空気供給口１５が形成されている。空気供給部材１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅは、セルスタック群１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅのそれぞれの下方に配設されている。空気供給部材１６の水平マニホールド２４側の側面には略水平に伸びる邪魔板５２ａが形成されている。邪魔板５２ａは、上段のセルスタック１４の上流側（マニホールド側）に向けて水平に取付けられており、左右の空気供給部材１６を連結している。空気供給部材１６の改質器１８側の側面には、略水平に伸びる邪魔板５２ｂが形成されている。邪魔板５２ｂは、上段のセルスタック１４の下流側（改質器側）に向けて取付けられており、改質器１８の近くまで伸びている。各空気供給部材１６の両端部は、図２と図３に示されているように、空気供給管５０ａ、５０bに連通している。空気供給管５０は、金属製であり、図１と３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５０ａ、５０b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１６は、両端が空気供給管５０ａ、５０ｂによって支持されており、強度が高い。

図２に示すように、各セルスタック１４は左右方向に伸びており、空気供給部材１６は図示の上下方向に伸びている。両持ち状の空気供給部材１６と、片持ち状のセルスタック群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群１４は、両持ち状の空気供給部材１６に対してパッキンを介して載置されており、片持ち状のセルスタック１４が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り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１〜３ではフィン５４の形状を明瞭にするため、フィン５４と壁面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１と図３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（図２の紙面垂直方向）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１と図３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４０ｂ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４４の底板の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に固定されている。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１室４４の底板４４ｂと第２室４６の底板４６ｂの間隙は第２室４６の一部を構成する。第１室４４の底板４４ｂと第２室４６の底板４６ｂの間隙（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。昇温蒸発混合器１３０には燃料ガス供給管１３２から燃料ガスが供給され、改質用の水供給管１３４から水が供給される。昇温蒸発混合器１３０は高温の排気ガスによって加熱され、燃料ガスと水蒸気を混合して加熱する。加熱された混合ガスが、混合ガス供給管２７から改質器１８に供給される。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、そこに排気ガス通路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の下側には第３室４８が位置している。

第３室４８は、発電ユニット１０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１０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はセルスタック群１４と改質器１８の収容室として利用される。

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、セルスタック群１４と改質器１８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。

以下では発電ユニット１０の動作を説明する。共通の事象については、左右を示す添字Ｌ，Ｒと段数を示す添字ａ〜ｅを省略して説明する。

水供給管１３４から送り込まれた水は昇温蒸発混合器１３０内で予熱され、水蒸気となる。燃料ガス供給管１３２から送り込まれた燃料ガスは昇温蒸発混合器１３０内で水蒸気と混合されて予熱され、混合ガス供給管２７から改質器１８に送られる。改質器１８に送られた混合ガスは、改質器１８内で、水素と一酸化炭素を含む改質ガスに改質され、垂直マニホールド２９、水平マニホールド２４を経て、各セルスタック１４の改質ガス通路２０に送られる。

空気導入管３４から送り込まれた空気は、第３室４８に送られ、フィン５４の間をすり抜けて上部に達し、外壁４０の上面の下側を流れた後に、第３室４８に開口している空気供給管５０ａ、５０b内に流入する。空気は、この間に、高温の排気ガスによって予熱される。空気供給管５０へ流入した予熱空気は下方へ移動し、空気供給部材１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅのそれぞれに送られる。空気供給部材１６へ送られた空気は、上面の空気供給口１５から、直近上部のセルスタック１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅの外周面に吹き付けられる。

空気供給口１５から流出する空気は、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。すなわち、発電する。

セルスタック１４に供給された改質ガスの例えば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、セルスタック１４に供給された空気の例えば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に沿ってセルスタック１４の先端側に誘導される。

各セルスタック１４の先端近傍には夫々スパーク電極が配設されている。スパーク電極が火花放電することによって、各セルスタック１４の先端から流出するオフガスが、各セルスタック１４の先端側に誘導される空気によって燃焼する。言い換えると、各セルスタック１４の先端には、燃焼器１７が形成されている。３５本の左側のセルスタック１４Ｌに対応して３５個の燃焼器群１７Ｌが形成されており、３５本の右側のセルスタック１４Ｒに対応して３５個の燃焼器群１７Ｒが形成されている。３５個の燃焼器群１７Ｌは略同一平面内に位置しており、その平面と改質器１８Ｌの表面１８Ｌｓは近接して平行となっている。３５個の燃焼器群１７Ｒは略同一平面内に位置しており、その平面と改質器１８Ｒの表面１８Ｒｓは近接して平行となっている。燃焼器群１７と改質器１８が近接していることから、オフガスの燃焼熱によって効率よく改質反応に伴う吸熱を補償することができる。

燃焼器１７でオフガスが燃焼した燃焼ガスは、改質器１８を加熱する。改質器１８には複数の燃焼ガス通路８０が設けてあるため、燃焼ガスは改質器１８の表面１８ｓ側だけでなく、裏面１８ｔ側にも回り込み、表面１８ｓと裏面１８ｔの両面から加熱する。改質器１８の表裏に沿って流れる燃焼ガスによって、改質器１８は一様に温められ、改質器１８内の温度むらを抑制できる。

燃焼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の材質が限られ、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、燃焼熱が改質反応に伴う吸熱を補償するために利用される。燃焼熱で改質反応の吸熱を補償するために、燃焼ガスの温度は低下する。第２室４６を流れる燃焼ガスの温度は適度に冷却されており、仕切壁３６、３８に特別の材料を使わなくてもすむ。

燃料電池セル１２の電気化学反応が効率よく進行する環境温度は約８００℃の高温である。この環境温度が低下すれば、発電効率は低下する。従って、約８００℃の環境温度が得られるようにセルスタック群１４に供給する空気を予熱しておく必要がある。

第１室４４内を上昇した排気ガスは、第１室４４の上面に沿って流れて第２室４６に流入する。第２室４６内に流入した排気ガスは、上下方向に伸びる複数の細い角柱形状の通路を下方向に通過して第２室４６の下部に流入し、排気ガス通路５８から外部に導出される。

このとき、空気導入管３４から導入された空気は第３室４８内に流入し、上下方向に伸びる複数の細い角柱形状の通路を上方向に通過する。第２室４６を通過する排気ガスと、第３室４８を通過する空気との間で熱交換が行われる。外仕切壁３８の両面に取付けられたフィン５４、５６によって、熱交換率は更に高められる。この熱交換によって、セルスタック群１４に供給する空気を約６５０℃まで予熱しておくことができる。約６５０℃まで予熱した空気をセルスタック群１４に供給することができるために、セルスタック群１４を発電適温に維持することができる。

空気を予熱することによって排気ガスは冷却される。昇温蒸発混合器１３０の周囲を通過するときの排気ガスは、４００℃弱になっている。この温度の排気ガスは、燃料ガスと水蒸気の混合ガスを予熱するには十分であり、燃料ガスから炭素を析出させる程には高温でない。改質器１８に予熱された混合ガスを供給すること、改質器１８の近傍でオフガスを燃焼させること、改質器１８に燃焼ガス通路８０を形成することによって改質器１８の裏面１８ｔにも燃焼ガスを回り込むようにしていることによって、改質器１８の全体が改質適温に維持することができる。本実施例の発電ユニットは、熱自立することができている。

本実施例では、左右の空気供給材１６Ｌ，１６Ｒの間に、邪魔板５２ａを配置し、左右の空気供給材１６Ｌ，１６Ｒを連結しており、下段のセルスタック１４で発生した発電熱が上段のセルスタック１４に伝達されないようにしている。邪魔板５２ｂは、改質器１８の近傍まで伸びており、燃焼ガスがすぐに上方へ流動しないようにしている。邪魔板５２ｂを改質器１８の近くまで伸ばすことによって、改質器１８の裏側に燃焼ガスを回すことに寄与している。

本実施例では、改質器１８の表面１８ｓと裏面１８ｔを貫通する燃焼ガス通路８０が、改質器１８の縦方向及び横方向に複数配置されている。これによって、改質器１８の内部を下方から上方に向けて流れる混合ガスの流れが拡散されて、改質器１８内での改質反応が均一化される。改質器１８の改質効率を高めることができる。

本実施例では、改質器１８において、燃焼器１７との対向領域に、複数の燃焼ガス通路８０が対向領域以外の領域よりも密に配置されている。このような構成とすることによって、燃焼ガスの表面１８ｓから裏面１８ｔへの回り込みが促進され、改質器１８の温度分布を均一化することができる。改質器１８の全体を改質適温に維持することができる。

本実施例では、改質器１８において、燃焼ガス通路８０が、部分的に三角格子状に配置されている。燃焼ガス通路８０を正方格子状に配置する場合に比べて、改質器１８の内部が低圧損でありながら、改質器１８を流れる混合ガスの流れが拡散されやすく、改質器１８における改質反応を十分に均一化することができる。

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。
例えば、上記の実施例では、セルスタック群１４を平積みにして、オフガスを放出する端部に対向するように改質器１８を縦置きで配置する構成について説明したが、これ以外にも、例えばオフガスを放出する端部が上方に位置するようにセルスタック群１４を立てた状態で並べて配置し、その上方に改質器１８を横置きで配置する構成としてもよい。
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。

図１は本発明の発電装置の一例を示す縦断面図である。図２は図１で示す発電装置のＡ−Ａ線の断面図である。図３は図１で示す発電装置のＢ−Ｂ線の断面図である。図４は第１室４４内の配管系を模式的に示す図である。図５は燃料電池セル１２の断面を模式的に示す図である。図６は右側の改質器１８Ｒを表面１８Ｒｓ側から見た図である。

符号の説明

１０・・・・発電ユニット
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・・・・セルスタックまたはセルスタック群
１５・・・・空気供給口
１６・・・・空気供給部材
１７・・・・燃焼器
１８・・・・改質器
２０・・・・改質ガス通路
２２・・・・集電部材
２４・・・・水平マニホールド
２５・・・・改質ガス供給管
２７・・・・混合ガス供給管
２８・・・・渡り配管
２９・・・・垂直マニホールド
３４・・・・空気導入管
３６・・・・内仕切壁
３８・・・・外仕切壁
４０・・・・外壁
４２・・・・断熱部材
４４・・・・第１室
４６・・・・第２室
４８・・・・第３室
５０・・・・空気供給管
５２ａ・・・邪魔板
５２ｂ・・・邪魔板
５４、５６・フィン
５８・・・・排気ガス通路
８０・・・・燃焼ガス通路
１３０・・・昇温蒸発混合器
１３２・・・燃料ガス供給管
１３４・・・水供給管

Claims

炭化水素系の燃料ガスと水蒸気とを混合した混合ガスを水素を含む改質ガスに改質する改質器であって、
表面と裏面とを備える扁平形状をしており、
前記表面および前記裏面に沿って燃焼ガスが流れることによって、内部を流れる混合ガスを加熱して改質ガスに改質するものであり、
前記表面から前記裏面に貫通する燃焼ガス通路が縦方向及び横方向に複数配置されており、
燃焼ガスを供給する燃焼ガス供給源に対向して配置される前記表面または前記裏面の対向領域に、前記複数の燃焼ガス通路の流入口が、前記対向領域以外の領域よりも密に配置されている改質器。
前記複数の燃焼ガス通路が、部分的に三角格子状に配置されている請求項１の改質器。
請求項１または２に記載の改質器と、
該改質器から供給される改質ガスを用いて発電しオフガスを排出する燃料電池セルおよび該燃料電池セルが排出したオフガスを燃焼して燃焼ガスを供給する燃焼器を備える前記燃焼ガス供給源と、
を具備することを特徴とする発電装置。