JP5552379B2 - 発電装置 - Google Patents

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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。
特許文献1には、固体酸化物を利用する燃料電池を用いた発電装置の例が開示されている。特許文献1の発電装置は、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、その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電池セルを備える。上記の改質器が行う改質反応は吸熱を伴うため、改質反応を持続させるためには、改質器を高温(例えば400℃以上)に維持する必要がある。
そのため、特許文献1の発電装置では、燃料電池セルに、発電に使用されなかった余剰の改質ガス(オフガス)を燃焼させる燃焼部を備えるとともに、改質器を上記の燃焼部と対向させて配置し、改質器がオフガスの燃焼熱によって加熱されて高温に維持されるようにしている。
特開2006−092833号公報
特許文献1の発電装置では、改質器内には、改質反応を行うための改質触媒が全域に亘って均一に充填されている。そのため、改質器内に供給される混合ガスの改質反応が、改質器内の途中の位置で全て終了してしまう場合がある。その場合、改質器の入口から改質反応が全て終了する位置(以下では「改質終了位置」と呼ぶ)までの間は、改質反応に伴う吸熱のために低温となるが、改質終了位置から改質器の出口までの間は、吸熱が行われずに加熱され続けるため高温となる。即ち、改質器の入口側と出口側の温度差が大きくなる事態が発生する。
特許文献1の発電装置では、改質器と燃料電池セルは同じ収容室に収容されているため、改質器の入口側と出口側の温度差が大きくなると、収容室内の場所による温度差も大きくなる。その結果、燃料電池セルの温度分布のバラツキも大きくなる。燃料電池セルの温度分布のバラツキが大きくなることにより、場所毎の燃料電池セルの発電性能の差が大きくなり、発電装置全体の発電効率が低下するおそれがある。本明細書では、発電効率の低下が抑制された発電装置を実現するための技術を開示する。
本明細書では、固体酸化物形の燃料電池を用いる発電装置を開示する。発電装置は、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形の燃料電池セルを備える。燃料電池セルは、オフガスを燃焼する燃焼部を備える。改質器は、燃焼部と対向する面に沿って配置される。また、改質器は、改質触媒を含む少なくとも2個の改質部と、各改質部の間に設けられる改質触媒を含まない中間空間部を備える。
上記の発電装置では、改質器は、少なくとも2個の、改質触媒を含む改質部と、各改質部の間に設けられる改質触媒を含まない中間空間部を備える。改質部は、改質触媒によって改質反応が行われるため低温となる。一方、中間空間部は、改質反応が行われないため、オフガス燃焼熱によって加熱されて温度が上昇する。この構成を備えるため、改質触媒が改質器内の全域に亘って均一に充填されている従来の改質器に比べて、改質終了位置がより下流側となり、改質器の出口側の温度が従来に比べて低くなる。改質器の温度分布のバラツキを従来に比べて小さくすることができる。改質器の温度分布のバラツキが小さくなるため、燃料電池セルの温度分布のバラツキも小さくすることができ、場所毎の燃料電池セルの発電効率の差も小さくすることができる。結果として、発電装置全体の発電効率の低下を抑制することができる。
また、改質器の中間空間部には、ガス(混合ガス又は改質ガス)の通過の妨げとなる部材(例えば改質触媒)が存在しない。そのため、改質触媒が改質器内の全域に亘って均一に充填されている従来の改質器に比べて、改質器内を通過するガスの圧損を小さくすることができる。改質器内を通過するガスの圧損が小さく済むため、ガスを加圧するための昇圧装置を備える必要もない。
また、改質触媒は改質部にのみ含まれ、中間空間部には含まれない。そのため、上記の従来の改質器に比べて、改質触媒のコストが小さく済む。
改質器は、筐体をさらに備え、当該筐体は、燃焼部と対向する面に沿って配置され、筐体内には、少なくとも改質部と中間空間部が備えられ、筐体内において、改質部と中間空間部とは仕切り板で区画され、その仕切り板には、混合ガスが通過可能であって改質触媒が通過不可能な通気孔が形成されている。この構成によると、2以上の改質部と中間空間部を一つの筐体内に備えるため、2つの改質部を個別に設ける構造の改質器に比べて改質器の構造を簡易にすることができる。従って、改質器を製造する際の作業負担が少なく済む。
仕切り板は、断面コの字形状の仕切り板であり、仕切り板によって筐体内が区画されることによって、各改質部同士を連通する改質触媒通路がさらに設けられ、改質触媒通路は改質触媒を通過可能な通路である。この構成によると、各改質部に改質触媒を充填する際、一箇所から改質触媒を充填すれば、改質触媒通路を介して各改質部に改質触媒を充填することができる。従って、改質器を製造する際の作業負担がより少なく済む。
上記の発電装置では、改質器は、混合ガスの通過方向の下流端に改質触媒を含まない下流端空間部をさらに備えることが好ましい。下流端空間部は、改質後の改質ガスを均質化するバッファとして機能する。そのため、燃料電池セルに均質化された改質ガスを供給することができる。また、下流端空間部にも、ガスの通過の妨げとなる部材が存在しないため、改質器内を通過するガスの圧損をより小さくすることができる。
上記の発電装置では、改質器は、3以上の改質部と、2以上の中間空間部を備えることが好ましい。この構成によると、改質部と中間空間部とを交互に小刻みに備えることによって、改質終了位置をより下流側とすることができる。そのため、改質器の温度分布のバラツキをより小さくすることができる。従って、燃料電池セルの温度分布のバラツキをもより小さくすることができ、場所毎の燃料電池セルの発電効率の差もより小さくすることができる。結果として、発電装置全体の発電効率の低下をより顕著に抑制することができる。
第1実施例の発電装置の発電ユニットを示す斜視図。 第1実施例の気化器及び改質器を示す斜視図。 第1実施例の改質器を示す側面断面図と、該改質器内を通過するガスの温度を示すグラフ。 第2実施例における改質器を示す側面断面図。 その他の実施例における改質器を示す側面断面図。
以下に説明する実施例の主要な特徴を列記する。
(形態1) 混合ガスの通過方向の上流端側に備えられる改質部は、混合ガスの予備改質を行う予備改質部である。予備改質部は、温度が約400℃以下に維持される。予備改質部は、オフガス燃焼部と対向しない位置に備えられる。
(形態2) 予備改質部を通過した後の混合ガスが導入される改質部は、混合ガスの本改質を行う本改質部である。本改質部は、温度が400℃以上に維持される。本改質部は、オフガス燃焼部と対向する位置に備えられる。
(形態3) 改質器の上方には、水を加熱して水蒸気にする気化器が備えられている。
(形態4) 改質器には、燃焼部に対向する面(下面)から反対側の面(上面)に貫通する排ガス孔が設けられている。
(第1実施例)
図面を参照して実施例を説明する。図1は本実施例に係る発電装置の内部に収容されている発電ユニット10を示す斜視図である。
図1に示す発電ユニット10は、図示しない断熱材で形成されたケーシング内に収容されている。このケーシングの内部には、発電ユニット10で生じた排ガスをケーシング外へ排出するための排ガス通路や、ケーシング外部の有酸素ガスを燃料電池セル22に供給するための有酸素ガス通路などが適宜形成されている。発電ユニット10は、図1に示すように、燃料電池ユニット20と改質器100と気化器60とが下から順に互いに隣接して配置されてなる。
燃料電池ユニット20は、図1に示すように、略直方体状に形成されており、複数のセルスタック21を備えている。このセルスタック21は、複数の燃料電池セル22を棒状に積層したものである。セルスタック21は燃料電池ユニット20の下方に配置されたマニホールド30上に立設している。
セルスタック21は、図示を省略するが、支持基板の周面が燃料極と固体電解質層と酸素極で覆われており、複数の燃料電池セル22で構成されている。セルスタック21は、隣接する燃料電池セル22の酸素極と燃料極とが、インターコネクタと集電部材を介して電気的に接続されることにより、燃料電池セル22が多数本直列に接続されて形成されている。
燃料電池セル22の燃料極の内部には、図示を省略するが、セルスタック21が延びる方向(図1の上下方向)に貫通する複数の改質ガス通路が並列に形成されている。燃料電池セル22は、この改質ガス通路に後述する改質ガスが供給されることにより、供給された改質ガスを周囲の有酸素ガスと反応させて発電する。なお、本実施例では、改質ガスが水素と一酸化炭素からなり、有酸素ガスとしては空気が用いられる。発電反応によって水蒸気と二酸化炭素からなる排ガスが生じる。この発電反応は発熱を伴うため、発生する排ガスは高温となる。
燃料電池セル22において、燃料極は多孔質であり、ニッケル(Ni)を一成分とするニッケル/YSZサーメット(混合焼結体)からなる。固体電解質層は緻密質であり、ジルコニア(ZrO)にイットリア(Y)を加えた混合物からなる。酸素極は多孔質であり、ペロブスカイト型酸化物であるLSM(La1−xSrMnO)からなる。インターコネクタは導電性セラミックからなる。
各燃料電池セル22の上端部では、改質ガス通路が開放されており、発電のために消費されなかった余剰の改質ガス、いわゆるオフガスが放出される。各セルスタック21の上端近傍には、図示しないスパーク電極が配設されており、スパーク電極が火花放電することによって、図1に示すように、各セルスタック21の先端から流出するオフガスが周囲の有酸素ガスと反応して燃焼する。以下では、燃料電池ユニット20のセルスタック群の上端面を、オフガス燃焼面23と呼ぶ場合がある。
マニホールド30は、図示を省略するが、内部に改質ガス流路を備え、上面にマニホールド30内部を流れる改質ガスを燃料電池セル22の改質ガス通路内に供給するための細孔が複数開口されている。このマニホールド30は、改質器100と2本の改質ガス供給管31により接続されている。したがって、改質器100で発生した改質ガスは、改質ガス供給管31を通じてマニホールド30に供給され、マニホールド30を通じて各燃料電池セル22に均等に供給される。
改質器100は、燃料ガスと水蒸気の混合ガスを改質ガスに改質するための装置である。以下では、図1〜図3を参照して改質器100について詳しく説明する。なお、図2は、気化器60及び改質器100を分解して示す斜視図である。図3は、改質器100を示す側面断面図である。図3の側面断面図の下方には、改質器100内を通過するガスの温度を示すグラフが示されている。図3のグラフにおける実線は、本実施例の改質器100内を通過するガスの位置毎の温度を示す。一方、破線は、改質器内の全域に改質触媒が充填された従来の改質器内を通過するガスの位置毎の温度を示す。
図2及び図3に示すように、改質器100は、金属製の筐体110を備えている。図1に示すように、筐体110は、燃料電池ユニット20の上端側を覆うようにして燃料電池ユニット20の上方に配置されている。即ち、筐体110の下面は、燃料電池ユニット20のオフガス燃焼面23と対向する面に沿って配置されている。従って、前記各セルスタック21の先端で燃焼させるオフガスの燃焼熱によって改質器100を加熱し、オフガスの燃焼熱を改質に利用できるようにしてある。
図2に示すように、筐体110は、全体としては扁平な箱状に形成されている。ただし、筐体110の一方の端部112は上方に突出している。図3に示すように、筐体110の内部は、第1仕切り板120、第2仕切り板122、第3仕切り板124の3枚の仕切り板によって、5つの部分130、132、134、136、138に区画されている。5つの部分130、132、134、136、138は、上記混合ガスの通過方向(図3の矢印方向)の上流側から下流側に向けて、混合部130、予備改質部132、中間空間部134、本改質部136、下流端空間部138、の順に形成されている。なお、3枚の仕切り板120、122、124にはいずれも通気用のスリット(図示省略)が形成されている。該スリットは、気体は通過可能であるが、後述する改質触媒は通過できない幅に形成されている。そのため、混合ガスは、混合部130から下流端空間部138に向けて、各仕切り板120、122、124のスリットを通過しながら各部130、132、134、136、138を順に流れる。なお、以下では、改質器100内における混合ガスの通過方向の上流側と下流側を単に「上流側」と「下流側」と呼ぶ場合がある。
上記の3枚の仕切り板120、122、124について説明する。
図3に示すように、第1仕切り板120は、断面L字形状に形成されている。第1仕切り板120は、筐体110の上方に突出した端部112の内側に配置される。第1仕切り板120によって、端部112の内側は、混合部130と予備改質部132とに区画される。
第2仕切り板122は、断面コの字形状に形成されている。第2仕切り板122は、上記の第1仕切り板120の下流側に配置される。第2仕切り板122は、上流側壁122a、下流側壁122b、底部122cを備える。第2仕切り板122が配置されることによって、筐体110の内側は、予備改質部132と、中間空間部134と、本改質部136とに区画される。予備改質部132は、上流側壁122aの上流側に形成される。中間空間部134は、上流側壁122aと下流側壁122bと底部122cとで囲まれる部分に形成される。本改質部136は、下流側壁122bの下流側に形成される。なお、第2仕切り板122によって筐体110の内側が区画されることにより、中間空間部134の下方(底部122cの下方)には、予備改質部132と本改質部136とを連通する改質触媒通路140がさらに形成される。
第3仕切り板124は、平板状に形成されている。第3仕切り板124は、上記の第2仕切り板122の下流側に配置される。第3仕切り板124が配置されることによって、筐体110の下流付近は、本改質部136と下流端空間部138とに区画される。
続いて、各部130、132、134、136、138について説明する。
混合部130は、改質器100内における混合ガスの通過方向の上流端に形成されている。混合部130には、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給管150が接続されている。本実施例では、燃料ガスには例えばエタン、エチレン、プロパン等の炭化水素を含むガスが使用される。さらに、図1に示すように、混合部130には、水蒸気を供給するための上記の水蒸気供給管90が2本接続されている。水蒸気供給管90の上流端には気化器60が接続されている。混合部130には、燃料ガス供給管150から燃料ガスが供給されるとともに、水蒸気供給管90から水蒸気が供給される。混合部130内に供給された燃料ガスと水蒸気は混合されて混合ガスとなる。図3に示すように、混合部130で生成された混合ガスは、第1仕切り板120のスリットを通過して予備改質部132に導入される。
予備改質部132は、上記の混合部130の下流側に形成されている。図3に示すように、予備改質部132内には改質触媒170が充填されている。改質触媒170は、混合ガスを改質ガスに改質する改質反応を行う部材である。本実施例では、改質触媒170として、触媒を担持した直径3mmのセラミック製の粒状体が使用される。図3に示すように、本実施例の発電ユニット10では、混合部130及び予備改質部132の直下にはセルスタック21は配置されておらず、混合部130及び予備改質部132は、オフガス燃焼面23と直接対向していない。従って、予備改質部132は、オフガス燃焼熱によって直接加熱されない。そのため、予備改質部132の温度は、オフガス燃焼熱によって直接加熱される他の部分134〜140に比べて低温となる。本実施例では、予備改質部132の温度は、約400℃以下に保たれる。
約400℃以下の環境にある予備改質部132に混合ガスが導入される場合、混合ガスに含まれる、エタン、エチレン、プロパン等の炭素数2以上の炭化水素系ガス(燃料ガス)は、まず、炭素数が1のメタンと水素に改質される。この時点では、燃料ガスが水素と一酸化炭素を含む改質ガスに改質されることはない。以下では、この改質反応を予備改質反応と呼ぶ。炭素数2以上の炭化水素系ガスを、いきなり水素と一酸化炭素を含む改質ガスに改質しようとする場合、改質反応の過程で炭素が析出し易くなり、燃料電池セル22の改質ガス通路内等に炭素が堆積し易くなるという不都合がある。本実施例では、温度が400℃以下に保たれる予備改質部132で上記の予備改質を行い、その後、本改質部136において、メタンを一酸化炭素と水素に改質する本改質を行うため、かかる不都合を回避し易くなる。なお、予備改質反応は吸熱を伴うため、図3のグラフに示すように、予備改質部132を通過するガスの温度は、予備改質反応に伴う吸熱によって低下し、吸熱されるエネルギーと、予備改質部132に加えられる熱エネルギーが釣り合う温度で安定する。予備改質部132において予備改質反応が行われた後の混合ガス(以下では、「予備改質ガス」と呼ぶ場合がある)は、第2仕切り板122の上流側壁122aのスリットを通過して中間空間部134に導入される。
中間空間部134は、上記の予備改質部132の下流側のうち、第2の仕切り板122の各部122a、122b、122cに囲まれる部分に形成されている。中間空間部134の内部は空間であって、改質触媒170や他の部材は充填されていない。従って、中間空間部134内では改質反応は行われない。なお、図3に示すように、中間空間部134、本改質部136、下流端空間部138、改質触媒通路140の直下にはセルスタック21が配置されている。上記の各部134、136、138、140は、オフガス燃焼面23と直接対向している。そのため、中間空間部134内を通過する混合ガス(上記の予備改質ガス)は、オフガスの燃焼熱によって加熱され、その温度が上昇する(図3のグラフ参照)。中間空間部134を通過した混合ガスは、第2仕切り板122の下流側壁122bのスリットを通過して本改質部136に導入される。
なお、改質触媒通路140には、予備改質部132と同様に改質触媒170が充填されている。しかしながら、上記の予備改質部132を通過した予備改質ガスは、その一部のみが改質触媒通路140に導入され、大部分は中間空間部134に導入される。中間空間部134は、内部が空間であって、混合ガスの通過の妨げとなる部材が存在しないため、改質触媒170が充填されている改質触媒通路140に比べて混合ガスが導入されやすいためである。なお、改質触媒通路140に導入された一部の予備改質ガスに含まれるメタンは、改質触媒通路140内において改質され、一酸化炭素と水素を含む改質ガスに改質される(本改質反応)。
本改質部136は、中間空間部134の下流側に形成されている。本改質部136内には、上記の予備改質部132と同様に改質触媒170が充填されている。上述の通り、本改質部136は、オフガス燃焼熱によって加熱される。そのため本実施例では、本改質部136の温度は約400℃以上(より好ましくは600℃以上)に保たれる。約400℃以上の環境にある本改質部136に、上記の予備改質ガスが導入される場合、当該予備改質ガスに含まれるメタンは、本改質反応によって一酸化炭素と水素を含む改質ガスに改質される。なお、本改質反応は吸熱を伴うため、図3のグラフに示すように、本改質部136を通過するガスの温度は、本改質反応に伴う吸熱によって低下し、吸熱されるエネルギーと、オフガス燃焼熱等によって本改質部136に加えられる熱エネルギーが釣り合う温度で安定する。その後、混合ガス(予備改質ガス)の本改質反応がすべて終了すると(図3のグラフにおける「A」の位置)、それ以降は、改質ガスは加熱されて温度が上昇する。本改質部136を通過する改質ガスは、第3仕切り板124のスリットを通過して下流端空間部138に導入される。なお、図3のグラフの破線部に示すように、従来の改質器では、混合ガスの改質反応は、本実施例の改質反応終了位置よりも上流側の位置(図3の「B」の位置)で終了する。
下流端空間部138は、本改質部136の下流側に形成されている。下流端空間部138の内部は、上記の中間空間部134と同様に空間である。下流端空間部138内では、本改質部136において本改質された後の改質ガスが均質化される。具体的に言うと、改質ガスの圧力、温度、一酸化炭素と水素の分布等が均質化される。図1に示すように、下流端空間部138には、2本の改質ガス供給管31の上流端が接続されている。上述の通り、改質ガス供給管31の下流端はマニホールド30に接続されている。下流端空間部138において均質化されたガスは、改質ガス供給管31を通ってマニホールド30に供給される。
なお、図3のグラフに示すように、下流端空間部138においても改質ガスは加熱されて温度上昇する。本実施例の改質器100を用いる場合、改質ガスは、改質ガス供給管31に供給される位置(出口)で最高温度となる。改質器100における最高温度と最低温度の温度差は、TAで示される。一方、従来の改質器を用いる場合も、改質ガスは出口で最高温度となる。従来の改質器における最高温度と最低温度との温度差はTBで示される。図3のグラフより明らかなように、温度差TAが温度差TBより小さいことから、本実施例の改質器100を用いる場合、上記の従来の改質器を用いる場合に比べて温度分布のバラツキが小さい。
また、図2に示すように、筐体110の中間空間部134と、本改質部136と、改質触媒通路140に対応する領域には、筐体110の上下面に貫通する複数個の排ガス孔160が形成されている。排ガス孔160を備えることにより、発電及びオフガス燃焼によって生じる高温の排ガスを、燃料電池ユニット20側から、改質器100の上面側にも供給することができる。そのため、排ガスは、改質器100の下面を加熱するとともに、排ガス孔160を通って改質器100の上面に回りこみ、上面側からも改質器100を加熱する。改質器100の上面側と下面側の温度差を小さくすることができ、改質器100の上面側と下面側の温度分布のバラツキを小さくすることができる。さらに、排ガス孔160を通過した排ガスは、改質器100の上方に積層される気化器60をも加熱し、気化器60における水の気化処理を促進する。
気化器60は、図2に示すように、上下に屈曲するプレート式熱交換器で構成されており、水を気化させて水蒸気を発生させるものである。気化器60は、通過中の水を加熱して水蒸気を発生させるための屈曲路70を備える。屈曲路70内に供給された水は、改質器100の混合ガスや、上記の排ガス孔160を通過した排ガスと熱交換されて加熱される。さらに、気化器60には、屈曲路70に水を供給するための水供給管80と、屈曲路70で発生した水蒸気を上記の改質器100の混合部130に供給するための2本の水蒸気供給管90とが接続されている。
次に、発電装置の発電ユニット10の動作について説明する。
発電装置が始動されると、水供給管80を通じて、発電装置に要求される発電量に応じた量の水が気化器60に供給される。気化器60に供給された水は、屈曲路70を流れる間に、発電又はオフガス燃焼により発生した排ガスと熱交換されて加熱され、蒸発して水蒸気となる。気化器60で発生した水蒸気は、水蒸気供給管90を通って改質器100の混合部130に供給される。
改質器100の混合部130には、燃料ガス供給管150を通じて燃料ガスが供給され、水蒸気供給管90から供給された水蒸気と混合されて混合ガスとなる。混合部130で生成された混合ガスは、予備改質部132に導入される。
予備改質部132に導入された混合ガスは、予備改質部132において予備改質され、混合ガスに含まれるエタン、エチレン、プロパン等の炭素数2以上の炭化水素系の燃料ガスは、まず、炭素数が1のメタンと水素(予備改質ガス)に改質される。予備改質部132において予備改質反応が行われた後の混合ガスの大部分は、中間空間部134に導入される。
中間空間部134内には改質触媒170は充填されていないため、改質反応は行われない。中間空間部134内を通過する混合ガス(予備改質ガス)は、オフガス燃焼熱によって加熱されて温度上昇する。中間空間部134を通過した予備改質ガスは、本改質部136に導入される。
本改質部136に導入される予備改質ガスは、本改質部136で本改質され、一酸化炭素と水素を含む改質ガスに改質される。その後、混合ガスの本改質反応がすべて終了すると(図3のグラフにおける「A」の位置)、それ以降は、改質ガスは加熱されて温度が上昇する。本改質部136を通過した改質ガスは、下流端空間部138に導入される。
下流端空間部138内では、本改質部136において改質された後の改質ガスが均質化される。下流端空間部138において均質化されたガスは、改質ガス供給管31を通ってマニホールド30に供給される。マニホールド30に供給された改質ガスは、各燃料電池セル22の改質ガス通路内に供給される。燃料電池セル22では、この改質ガスと周囲の有酸素ガスとが反応して発電が行われる。各燃料電池セル22の上端部では、余剰の改質ガスであるオフガスが燃焼する。オフガスの燃焼熱は、上述したように、気化器60における水の蒸発と、改質器100における混合ガスの改質とに利用される。
以上、本実施例の発電装置について説明した。本実施例では、図3に示すように、改質器100は、改質触媒170を含む予備改質部132及び本改質部136と、その予備改質部132と本改質部136との間に設けられる、改質触媒170を含まない中間空間部134を備える。そのため、改質触媒が改質器内の全域に亘って均一に充填されている従来の改質器に比べて、改質終了位置がより下流側(図3の「A」参照)となり、改質終了後の改質ガスの温度上昇が開始されるタイミングが遅くなる。そのため、改質器100の出口側の温度が従来に比べて低くなる。改質器100の温度分布のバラツキを従来に比べて小さくすることができる。改質器100の温度分布のバラツキが小さくなるため、燃料電池ユニット20の温度分布のバラツキも小さくすることができ、場所毎の燃料電池セル22の発電効率の差も小さくすることができる。結果として、発電装置全体の発電効率の低下を抑制することができる。
また、本実施例では、改質器100の中間空間部134の内部は空間であって、混合ガスの通過の妨げとなる部材(例えば改質触媒170等)が存在しない。そのため、従来の改質器に比べて、改質器100内を通過するガスの圧損を小さくすることができる。そのため、ガスを加圧するための昇圧装置を備える必要もない。また、本実施例では、改質触媒170は、予備改質部132、本改質部136、改質触媒通路140にのみ含まれ、中間空間部134には含まれない。そのため、上記の従来の改質器に比べて、改質触媒の量を減らすことができ、改質触媒のコストが小さく済む。
本実施例では、改質器100は、下流端空間部138を備える。この下流端空間部138は、改質後の改質ガスを均質化するバッファとして機能するため、各燃料電池セル22に均質化された改質ガスを供給することができる。また、下流端空間部138の内部も空間であって、ガスの通過の妨げとなる部材が存在しないため、改質器100内を通過するガスの圧損がより小さくなる。
上記の発電装置では、改質器100は、一つの筐体110内を3枚の仕切り板120〜124で区画することによって5つの部分130〜138を形成した簡易な構成を備える。従って、予備改質部、本改質部を個別に設ける場合に比べて、改質器100を製造する際の作業負担が少なく済む。また、第2仕切り板122が断面コの字形状であるため、第2仕切り板122を配置することにより、予備改質部132と本改質部136とを連通する改質触媒通路140が設けられる。そのため、改質器100の製造時において、予備改質部132と本改質部136とに改質触媒170を充填する際、一箇所から改質触媒170を充填すれば、改質触媒通路140を介して予備改質部132と本改質部136とに改質触媒170を充填することができる。従って、改質器100を製造する際の作業負担がより少なく済む。
(第2実施例)
図4に示すように、改質器100は、3つの改質部232、236、240と、2つの中間空間部234、238を備えるものであってもよい。この構成によると、改質部232、236、240と中間空間部234、238とを交互に小刻みに備えることによって、改質終了位置をより下流側とすることができる。その場合、改質終了後の温度上昇が開始されるタイミングがより遅くなるため、改質器100の温度分布のバラツキをより小さくすることができる。従って、燃料電池ユニット20の温度分布のバラツキをもより小さくすることができ、場所毎の燃料電池セル22の発電効率の差もより小さくすることができる。結果として、発電装置全体の発電効率の低下をより顕著に抑制することができる。なお、改質部の数は、3つには限られず、それ以上であってもよい。その場合、各改質部の間に設けられる中間空間部の数もそれに合わせた数とする。
(その他の実施例)
図5に示すように、第1実施例の改質器100において、予備改質部132と中間空間部134と本改質部136を区画する仕切り板を、断面コの字形状の第2仕切り板122(図3参照)に代えて、2枚の平板状の仕切り板300、302としてもよい。その場合、予備改質部132と、中間空間部134と、本改質部136は、それぞれ平板状の仕切り板300、302によって区画され、改質触媒通路140は設けられない。改質触媒通路140を設けないことにより、中間空間部134を大きくすることができる。改質器100を通過する混合ガスの圧損をより小さくすることができるとともに、改質触媒通路140に充填される改質触媒170が不要となるため、改質触媒170が少なく済む。また、上記の実施例では、改質触媒170として粒状体の触媒を使用したが、ハニカム触媒を使用してもよい。
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、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合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項記載の組合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。
10 発電ユニット
20 燃料電池ユニット
23 オフガス燃焼面
21 セルスタック
22 燃料電池セル
30 マニホールド
60 気化器
90 水蒸気供給管
100 改質器
110 筐体
120 第1仕切り板
122 第2仕切り板
124 第3仕切り板
130 混合部
132 予備改質部
134 中間空間部
136 本改質部
138 下流端空間部
140 改質触媒通路
150 燃料ガス供給管
160 排ガス孔
170 改質触媒

Claims (3)

  1. 固体酸化物形の燃料電池を用いる発電装置であり、
    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形の燃料電池セルを備え、
    前記燃料電池セルは、オフガスを燃焼する燃焼部を備え、
    前記改質器は、前記燃焼部と対向する面に沿って配置され、
    前記改質器は、改質触媒を含む少なくとも2以上の改質部と、各改質部の間に設けられる改質触媒を含まない中間空間部と、筐体を備え、
    前記筐体は、前記燃焼部と対向する面に沿って配置され、
    前記筐体内には、少なくとも前記改質部と前記中間空間部が備えられ、
    前記筐体内において、前記改質部と前記中間空間部とは仕切り板によって区画されており、
    前記仕切り板には、前記混合ガスが通過可能であって前記改質触媒が通過不可能な通気孔が形成されており、
    前記仕切り板は、断面コの字形状の仕切り板であり、
    前記仕切り板によって前記筐体内が区画されることによって、各改質部同士を連通する改質触媒通路がさらに設けられ、
    前記改質触媒通路は改質触媒を通過可能な通路であることを特徴とする発電装置。
  2. 前記改質器は、前記混合ガスの通過方向の下流端に改質触媒を含まない下流端空間部をさらに備えることを特徴とする請求項1の発電装置。
  3. 前記改質器は、3以上の前記改質部と、2以上の前記中間空間部を備えることを特徴とする請求項1又は2の発電装置。
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