JP5814108B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、水素ガスの含有量が多い燃料ガスと、酸化ガスとを反応させて発電を行う燃料電池に関する。

前記燃料電池の中の一つに、固体酸化物形燃料電池がある。この固体酸化物形燃料電池は、固体電解質層の両側にアノード電極層（燃料極層）とカソード電極層（空気極層）とを形成した構造の電池セルを備えており、電池セルのアノード電極層側に燃料ガスを供給し、カソード電極層側に酸化ガスを供給して、電気化学反応を生じさせることで発電を行うように構成されている。

このような固体酸化物形燃料電池においては、前記燃料ガスとして、炭化水素系ガスを改質して、水素ガスの含有量を多くした改質燃料ガスが用いられており、この改質燃料ガスは、固体酸化物形燃料電池に設けられる改質器によって生成されるようになっている。また、このような固体酸化物形燃料電池は、電気化学反応が進行する温度、即ち、発電温度（通常、７００〜８００℃）まで電池セルを予め加熱するための予熱装置を備えている。

この固体酸化物形燃料電池の一つとして、従来、特開２００８−２１８２７７号公報に開示された燃料電池が知られている。

かかる従来の燃料電池は、気密状態に保たれた発電反応室が内部に形成された内部缶体と、当該内部缶体の４つの外側面に設けられた起動用の予熱バーナと、前記発電反応室内に立設された複数の燃料電池スタック（複数の前記電池セルを積層したもの）と、同じく前記発電反応室内に設けられた、燃料ガスを加熱する燃料熱交換器、空気を加熱する空気熱交換器、並びに燃料ガスを改質する燃料改質器と、前記内部缶体の下方に設けられた水蒸気発生器とから構成されている。

前記燃料電池スタックは、相互の側面間に所定の間隔を有するように、平面視縦横２列に配設され、この前記側面間に前記燃料改質器が配設されている。

また、前記予熱バーナは、前記内部缶体の側面を挟んで、燃料電池スタックと対向する位置に配設され、この燃料電池スタックと内部缶体の側面との間には、当該燃料電池スタックが予熱バーナからの輻射熱を直接受熱するのを防止するための遮熱板が設けられている。また、前記燃料熱交換器及び空気熱交換器についても同様に、これらが前記予熱バーナからの輻射熱を直接受熱しない位置に配設されている。

斯くして、この燃料電池では、前記予熱バーナによって発電反応室内の内部雰囲気が昇温され、当該発電反応室内に配設された燃料電池スタック、燃料熱交換器及び空気熱交換器が、昇温した内部雰囲気によって加熱される。また、燃料電池スタック間に配設された改質器は、当該燃料電池スタック及び前記内部雰囲気によって加熱される。このように、燃料電池スタック、燃料熱交換器、改質器及び空気熱交換器は、それぞれ予熱バーナによって間接的に加熱される。

以上の構成を備えた従来の燃料電池では、運転を開始するその起動時に、まず、予熱バーナを作動させて発電反応室内を昇温させるとともに、水を水蒸気発生器に供給し、燃料ガスを、水蒸気発生器によって生成される水蒸気と混合して燃料熱交換器に供給し、空気を空気熱交換器に供給する。

燃料ガスは、水蒸気発生器から供給される高温水蒸気との混合によって昇温され、ついで、燃料熱交換器、改質器に順次導入されることによって更に昇温され、このようにして、昇温された改質燃料ガスが燃料電池スタックに供給される。一方、空気も同様に、空気熱交換器に導入されることによって昇温され、昇温された空気が燃料電池スタックに供給される。

斯くして、起動時には、予熱バーナによって燃料電池スタックが間接的に加熱されるとともに、昇温した改質燃料ガス及び空気が供給されることによっても当該燃料電池スタックが加熱される。

そして、このような予熱により、燃料電池スタックが前記発電温度に達すると、以後、効率的な発電が行なわれる通常運転状態となる。

特開２００８−２１８２７７号公報

ところが、上述した従来の燃料電池では、予熱バーナによって燃料電池スタックを間接的、即ち、発電反応室内の内部雰囲気を介して加熱するようにしているので、熱効率が極めて悪いという問題があり、また、内部雰囲気の昇温に長時間を要するため、エネルギー効率的にも不効率であるという問題があった。

また、前記改質器によって良質な改質燃料ガス（水素リッチな燃料ガス）を得るには、改質器を十分に加熱する必要があるが（通常、７００℃程度）、上記従来の燃料電池では、燃料電池スタックからの熱伝導及び／又は輻射熱によって改質器を加熱するようにしているので、上記と同様の理由から、その昇温に長時間を要し、この面からもエネルギー効率的に不効率であった。

また、従来の固体酸化物形燃料電池では、運転開始期及び運転停止期に、アノード電極層が酸化するという問題が知られており、このような問題を解決するために、従来、上記水蒸気による改質器とは別に、例えば、電気ヒータなどを加熱装置として燃料ガスを部分酸化して還元ガスを含むガスに改質する部分酸化改質器を設け、運転開始期及び運転停止期に、この部分酸化改質器により燃料ガスを改質して、生成された還元ガスをアノード電極層に供給するようにしているが、このような部分酸化改質のために、別途、予熱バーナ以外に加熱装置を必要とするという問題もあった。

本発明は、以上の実情に鑑みなされたもので、従来に比べて短時間で電池セルを発電温度まで昇温させることができ、また、部分酸化改質器のためだけに特別な加熱装置を要しない燃料電池の提供をその目的とする。

上記課題を解決するための本発明は、
燃焼部を備え、該燃焼部で発生した燃焼熱により、燃料用ガスを水蒸気改質する水蒸気改質装置と、
カソード及びアノードを有し、カソードに供給される酸化ガスとアノードに供給される前記水蒸気改質装置からの改質燃料ガスとの電気化学反応によって発電を行う電池セルを具備した電池スタック（複数の前記電池セルを積層して一つの構造体としたもので、これをカバー缶体内に収納したものも含む）とを備えた燃料電池において、
燃料用ガスを燃焼させるバーナ、及び該バーナに連設されるラジアントチューブから構成されるラジアントチューブバーナを、前記電池スタックと前記水蒸気改質装置との間に配設した燃料電池に係る。

本発明に係る燃料電池によれば、これを起動する際に、まず、バーナによって燃料用ガスを燃焼させ、これにより生じた燃焼ガスによってラジアントチューブを加熱し、当該ラジアントチューブから照射される輻射熱によって、電池スタック及び水蒸気改質装置を予熱する。その際、ラジアントチューブを電池スタックと水蒸気改質装置との間に配設していることから、これら電池スタック及び水蒸気改質装置はそれぞれ直接加熱される。

そして、電池スタック内の電池セル、及び水蒸気改質装置が効率的な発電を行うことができる温度に達するまで十分に加熱されると、ラジアントチューブによる加熱を停止し、燃料電池は通常の運転モードに移行する。

斯くして、本発明によれば、水蒸気改質装置及び電池スタックをそれぞれ直接加熱することができるので、その昇温時間を従来に比べて短縮することができ、エネルギー効率を高めることができる。

尚、本発明では、前記ラジアントチューブは、少なくともその一部が、渦巻状、蛇行状、鉤状又はＵ字状に、屈曲又は湾曲していても良い。

このようにすれば、ラジアントチューブの表面積が大きくなり、当該ラジアントチューブから照射される輻射熱の量が増加するため、水蒸気改質装置及び電池スタックを効率良く加熱することができる。これにより、昇温に要する時間の更なる短縮化を図ることができる。また、ラジアントチューブが占める平面的な領域が広くなり、水蒸気改質装置及び電池スタックを広範囲に加熱することができ、水蒸気改質装置及び電池スタック内部の各電池セルをムラ無く、均一に昇温させることができる。

或いは、前記ラジアントチューブは、全体的に略環状に屈曲又は湾曲しても良い。このように、環状に屈曲又は湾曲させることで、ラジアントチューブが占める平面的な領域がより広くなり、水蒸気改質装置及び電池スタックをより広範囲に加熱することができ、水蒸気改質装置及び電池スタック内部の各電池セルをよりムラ無く、均一に昇温させることができる。

また、ラジアントチューブを環状にすることで、環内部に空間が形成されるので、燃焼部により高温に加熱される水蒸気改質装置から、当該空間を介して、電池スタックに輻射熱が照射され、燃料電池の通常運転時にラジアントチューブバーナを停止しても、電池スタック内部の各電池セルの温度を適正な発電温度に維持することができる。

また、本発明では、前記ラジアントチューブの排気側が、水蒸気改質装置の燃焼部に接続され、ラジアントチューブの燃焼ガスが前記燃焼部に供給されるように構成されていても良い。

このようにすれば、高温の燃焼ガスが水蒸気改質装置の燃焼部に供給されるため、ラジアントチューブから照射される輻射熱とラジアントチューブの排気側から供給される高温の燃焼ガスとによって、水蒸気改質装置をより効率良く加熱し昇温させることができる。

更に、本発明に係る燃料電池は、燃料用ガスを部分酸化改質して、電池セルのアノードに供給する部分酸化改質装置を、ラジアントチューブに付設した構成としても良い。

上述したように、燃料電池では、運転開始期及び運転停止期に、アノードの酸化を防止するために、部分酸化改質装置により燃料用ガスを部分酸化改質し、改質によって得られる還元ガスをアノードに供給するようにしているが、この部分酸化改質装置をラジアントチューブに付設することで、ラジアントチューブからの熱伝導及び輻射熱によって、燃料用ガスを改質することができる。したがって、部分酸化改質装置に別途加熱装置を設けることなく、燃料用ガスを部分酸化改質することができ、エネルギー効率を高めることができる。また、燃料電池の小型化や簡素化を図ることができる。

前記部分酸化改質装置は、
前記ラジアントチューブの径方向外方に間隔を隔て、且つ該ラジアントチューブの軸線に沿って周設された筒体と、
前記ラジアントチューブが表裏に貫通した状態で前記筒体の両端にそれぞれ固設される２つの蓋部材とからなり、
前記筒体の一方端又は該一方端に固設された蓋部材には、前記ラジアントチューブ、筒体及び２つの蓋部材に囲まれた反応室に前記燃料用ガスが供給される供給口が形成され、
前記筒体の他方端又は該他方端に固設された蓋部材には、前記反応室内で部分酸化改質された燃料用ガスが排出される排出口が形成された構成とすることができる。

かかる構成の部分酸化改質装置によれば、燃料用ガスは、筒体の一方端又は当該一方端に固設された蓋部材に形成された供給口から供給され、反応室内にてラジアントチューブからの熱伝導及び輻射熱によって部分酸化改質された後、筒体の他方端又は当該他方端に固設された蓋部材に形成された排出口から排出される。

その際、前記反応室は、ラジアントチューブが中心に配置された円筒状の空間となっているので、反応室に供給された燃料用ガスは、ラジアントチューブの全周から熱伝導及び輻射熱を受け、効率良く改質される。

また、供給口と排出口とを、反応室の相対する端部に形成しているので、供給口に供給された燃料用ガスが排出口に至る行程を十分に長くとることができ、この意味においても、燃料用ガスを十分に改質することができる。

また、前記部分酸化改質装置は、その前記反応室内が、該反応室内に配設される仕切り板によって二つの空間に二分されるとともに、一方の空間には前記供給口が接続され、他方の空間には前記排出口が接続され、
前記仕切り板に、前記供給口側の空間と前記排出口側の空間とを連通せしめる連通孔が穿設された構成とすることができる。

この構成によれば、供給口から供給された燃料用ガスは、供給口側の空間内を流通し、仕切り板に穿設された連通孔を通って、排出口側の空間へ移動した後、排出口から排出される。このように、連通孔を介して燃料用ガスを移動させることで、二分された各反応室内における燃料用ガスの滞留時間を長くとることができ、燃料用ガスをより効率的に改質することができる。

更に、前記部分酸化改質装置は、その前記反応室内が、該反応室内に配設される一又は複数の仕切り板によって、前記ラジアントチューブの軸方向に沿って二又は三以上の複数の環状の空間に分割されるとともに、前記軸方向において、その両端の空間の一方には前記供給口が接続され、他方には前記排出口が接続され、
前記仕切り板に、隣接する空間同士を連通せしめる連通孔が穿設された構成としても良い。

このような構成によっても、燃料用ガスの移動が連通孔を介したものとなるので、各反応室内における燃料用ガスの滞留時間を長くとることができ、燃料用ガスをより効率的に改質することができる。尚、反応室を三以上の空間に分割すれば、燃料用ガスの反応室内への滞留時間を更に長くとることができ、更に効率的に改質することができる。

更に、前記反応室内の各環状の空間内に、その周方向の連通状態を遮断する隔壁を設け、
前記各隔壁を、前記ラジアントチューブの軸方向に沿って一列に整列した状態で配設し、
前記供給口、連通孔及び排出口を、前記隔壁に近接した位置に配設されるとともに、該隔壁を挟んで、前記ラジアントチューブの軸方向に沿って、千鳥状となる位置に順次配設した構成としても良い。

このようにすれば、前記一方端側の空間に供給された燃料用ガスは、各反応室内において、隔壁を避けるように前記ラジアントチューブの周りを迂回するように流通し、最終的に排出口から排出される。したがって、燃料用ガスが供給口から排出口に至るまでの行程をより長くとることができ、燃料用ガスが反応室内に滞留する時間をより長くすることができ、これにより、当該燃料用ガスをより効率的に改質することができる。

また、本発明に係る燃料電池は、断熱部材に囲まれて、外部と熱的に遮断された空間を有し、
該空間内に、前記水蒸気改質装置、前記電池スタック及び前記ラジアントチューブを配設し、
前記部分酸化改質装置の一方端が前記空間内に露出し、他方端が前記断熱部材内に埋設した構成とすることができる。

水蒸気改質装置、電池スタック及びラジアントチューブを前記空間内に配設することで、ラジアントチューブから照射される輻射熱によって水蒸気改質装置及び電池スタックを効率的に昇温させることができる。

そして、このように水蒸気改質装置、電池スタック及びラジアントチューブを前記空間内に配設する場合には、熱効率の面から、部分酸化改質装置の少なくとも一部を部分的に前記空間内に露出させるのが好ましい。

これにより、ラジアントチューブバーナを停止させた通常運転時に、前記空間内に露出された部分酸化改質装置が、水蒸気改質装置から照射される輻射熱によって加熱されて、部分酸化改質するために必要な温度（通常６００℃）に維持させることができる。

斯くして、運転停止期においては、ラジアントチューブバーナを燃焼せずとも、燃料用ガスを部分酸化改質装置に供給することで速やかに改質ガスを得ることができる。したがって、水蒸気改質装置への燃料用ガスの供給を停止させて、速やかに停止モードに移行することができる。

尚、部分酸化改質装置の一部を部分的に露出させるようにしたのは、部分酸化改質装置の全部を露出させると、水蒸気改質装置から照射される輻射熱が当該部分酸化改質装置によって遮られ、電池スタックの効率的な加熱が妨げられるからであり、また、この場合には、部分酸化改質装置が必要以上に加熱され、かかる熱量が、部分酸化改質装置に外部から接続する他の部材を介して外部に放熱され、熱エネルギーに無駄を生じるからである。

以上説明したように、本発明に係る燃料電池によれば、ラジアントチューブバーナを水蒸気改質装置と電池スタックとの間に配設したことにより、ラジアントチューブから照射される輻射熱によって、水蒸気改質装置及び電池スタックをそれぞれ直接加熱することができ、その昇温に要する時間を短縮することができる。更に、部分酸化改質装置をラジアントチューブに付設したことで、部分酸化改質装置に別途加熱装置を設けることなく、燃料用ガスを改質することができ、エネルギー効率の向上や、燃料電池の小型化、簡素化を図ることができる。更に、部分酸化改質装置の少なくとも一部を水蒸気改質装置からの輻射熱が照射される空間に露出させることで、通常運転時以降は常に部分酸化改質装置が改質ガスを生成できる温度に維持させることができ、停止モードへの速やかな移行が可能となる。

本発明の一実施形態に係る燃料電池の概略構成を示す斜視図である。 本発明の一実施形態に係る燃料電池の概略構成を示す配管図である。 部分酸化改質装置の構成を示す部分断面図である。 図３におけるＡ−Ａ間の断面図である。 図４におけるＣ−Ｃ間の断面図である。 図４におけるＤ−Ｄ間の断面図である。 図４におけるＥ−Ｅ間の断面図である。

以下、本発明の具体的な実施形態に係る燃料電池について、図１乃至図７を参照しつつ説明する。

図１及び図２に示すように、本例の燃料電池１は、内部に空間３が形成された筐体２と、前記空間３内に配設された水蒸気発生装置４と、同じく前記空間３内で、前記水蒸気発生装置４の上方に配設された熱交換器５と、前記水蒸気発生装置４及び前記熱交換器５の側方に隣接するように前記空間３内に配設された水蒸気改質装置１０と、バーナ２１及びラジアントチューブ２２からなり、前記ラジアントチューブ２２が、同空間３内で、前記水蒸気改質装置１０を挟んで前記水蒸気発生装置４及び前記熱交換器５と対峙する位置に配設されたラジアントチューブバーナ２０と、同空間３内に、前記ラジアントチューブ２２を挟んで前記水蒸気改質装置１０と対峙する位置に配設された円筒形状の電池スタック３０（複数の電池セルを積層して一つの構造体としたもので、本例では、これをカバー缶体内に収納している）と、前記ラジアントチューブに付設された部分酸化改質装置４０とから構成されている。

前記筐体２は、断熱性を有する材料から構成されており、前記空間３は、外部と熱的に遮断された空間となっている。

前記水蒸気発生装置４は、純水及びアノード用燃料ガスが、適宜配管を介して外部から供給されるようになっており、供給された純水から水蒸気を発生させる装置である。また、発生させた水蒸気は、アノード用燃料ガスと混合され、適宜配管を介して前記水蒸気改質装置１０に供給される。

前記熱交換器５は、適宜配管を介して外部から供給されるカソード用空気を予熱する装置であり、予熱されたカソード用空気は、適宜配管を介して電池セルの後述するカソード電極層側空間３２に供給される。

前記水蒸気改質装置１０は、水蒸気改質を行う改質部１１と、水蒸気改質に必要な熱を発生させるための燃焼部１２とを備えている。前記改質部１１は、水蒸気発生装置４から前記混合ガスとして供給されたアノード用燃料ガスを水蒸気によって水蒸気改質して、水蒸気改質燃料ガスとする。そして、水蒸気改質燃料ガスは、適宜配管を介して電池セルの後述するアノード電極層側空間３１に供給される。

尚、前記燃焼部１２は、適宜配管などにより熱交換器５と接続されており、当該燃焼部１２から熱交換器５へと排気ガスが供給され、更に、熱交換器５へ供給された排気ガスは、適宜配管を介して水蒸気発生装置４に供給されるようになっている。

斯くして、前記水蒸気発生装置４は、排気ガスを純水と熱交換して水蒸気を発生させ、前記熱交換器５は、排気ガスをカソード用空気と熱交換して、当該カソード用空気を予熱する。尚、水蒸気発生装置４及び熱交換器５は、加熱された水蒸気改質装置１０から照射される輻射熱によっても加熱されるようになっている。

前記ラジアントチューブバーナ２０は、上述したように、バーナ２１及びラジアントチューブ２２から構成される。バーナ２１は、前記筐体２の底部に埋設されており、適宜配管を介してバーナ用燃料ガス及びバーナ用空気が外部から供給されるようになっている。また、前記ラジアントチューブ２２は、Ｕ字状に成形された管材であり、湾曲部を上にし、その一方端部が前記筐体２の底部に埋没した状態で前記空間３内に配設され、更に、当該一方端部が前記バーナ２１の先端部に接続され、他方端部が前記水蒸気改質装置１０の燃焼部１２に接続されている。尚、前記水蒸気改質装置１０と電池スタック３０とは、ラジアントチューブ２２の間の空間２２ａを介して連通している。

斯くして、前記バーナ２１によってバーナ用燃料ガスを燃焼させることで、高温の排気ガスがラジアントチューブ２２内を流通した後、水蒸気改質装置１０の燃焼部１２に排出される。尚、前記バーナ２１の一つとして、パイロットバーナを例示することができる。

前記電池セルは、アノード電極層及びカソード電極層が形成された固体電解質板がインターコネクタの各間に挟まれた構造を有するもので、これを複数積層したものが上述した電池スタックである。また、当該電池セルは、アノード電極層側空間３１に水蒸気改質燃料ガスが供給され、カソード電極側空間３２にカソード用空気が供給されるようになっており、アノード電極層とカソード電極層との間の電気化学反応によって発電を行う。

尚、アノード電極層側空間３１及びカソード電極層側空間３２から排出される排気ガス（反応後の水蒸気改質燃料ガス、未反応の水蒸気改質燃料ガス及びカソード用空気）は、適宜配管を介して水蒸気改質装置１０の燃焼部１２に供給され、燃焼される。

前記部分酸化改質装置４０は、空気を用いて燃料ガスを部分酸化改質（還元ガスを含むように改質）して、部分酸化改質燃料ガスとする装置であり、図３乃至図７に示すように、前記ラジアントチューブ２２の径方向外方に間隔を隔て、且つラジアントチューブ２２の軸方向に沿って周設された筒体４１と、それぞれラジアントチューブ２２が表裏に貫通した状態で、前記筒体４１の一方端部に固設された下側蓋部材４２、前記筒体４１の他方端部に固設された上側蓋部材４３、及び前記筒体４１の中間部に固設された仕切り板４４とから構成されている。

尚、下側蓋部材４２、上側蓋部材４３及び仕切り板４４には、その中心部に表裏を貫通する挿通孔４２ａ，４３ａ，４４ａがそれぞれ穿設され、当該３つの挿通孔４２ａ，４３ａ，４４ａに、前記ラジアントチューブ２２が挿通されることで、上述した如く、下側蓋部材４２、上側蓋部材４３及び仕切り板４４がそれぞれラジアントチューブ２２によって貫通された状態となっている。

斯くして、この部分酸化改質装置４０では、ラジアントチューブ２２、筒体４１、下側蓋部材４２及び仕切り板４４に囲まれた第１反応室４５ａと、ラジアントチューブ２２、筒体４１、上側蓋部材４３及び仕切り板４４に囲まれた第２反応室４５ｂを有する。尚、第１反応室４５ａと第２反応室４５ｂとは、前記仕切り板４４に穿設された連通孔４４ｂを介して連通されている。

また、前記下側蓋部材４２の縁部には、改質用燃料ガス及び改質用空気が供給される供給口４２ｂが表裏を貫通して穿設されており、適宜配管を介して、この供給口４２ｂに、外部から改質用燃料ガスが供給される。

また、前記筒体４１の他方端部には、部分酸化改質された燃料ガスが排出される排出口４１ａが表裏を貫通して穿設されており、この排出口４１ａは、適宜配管を介して、電池セルのアノード電極層側空間３１に接続されている。また、前記筒体４１の他方端部には、表裏に貫通する挿入孔４１ｂが穿設されており、当該挿入孔４１ｂには、適宜熱電対が挿入される。

前記第１反応室４５ａ内には、前記ラジアントチューブ２２の軸方向に沿って隔壁４６ａが設けられており、第１反応室４５ａは、この隔壁４６ａによってその周方向の連通状態が遮断されている。

同様に、第２反応室４５ｂ内には、前記ラジアントチューブ２２の軸方向に沿って、前記隔壁４６ａと同一直線上となるように、隔壁４６ｂが設けられており、この隔壁４６ｂによって、第２反応室４５ｂにおける周方向の連通状態が遮断されている。

また、前記下側蓋部材４２の供給口４２ｂ、仕切り板４４の連通孔４４ｂ及び筒体４１の排出口４１ａは、前記隔壁４６ａ，４６ｂを挟んで千鳥状、即ち互い違いに位置するように穿設されている。

尚、前記第１反応室４５ａ及び第２反応室４５ｂ内には、部分酸化改質反応を促進させるための触媒が充填されている。

また、この部分酸化改質装置４０は、図１及び図２に示すように、その一方端側が前記空間３内に露出し、他方端側が筐体２の底部に埋設されている。

次に、以上の構成を備えた燃料電池１における発電方法について説明する。

本例の燃料電池１では、まず、これを起動する起動時に、電池セルを発電温度（通常７００〜８００℃）まで昇温させる予熱モードが実行されるとともに、この予熱モードが実行される間、部分酸化改質装置４０からアノード電極層側空間３１に還元ガスを含む部分酸化改質燃料ガスが供給され、このガスによってアノード電極層の酸化が防止される。

前記予熱モードは、バーナ２１にバーナ用燃料ガス及びバーナ用空気を供給して燃焼させ、高温の燃焼ガスをラジアントチューブ２２内に供給して、当該ラジアントチューブ２２を燃焼ガスにより加熱することによって行なわれる。

即ち、ラジアントチューブ２２が加熱されると、このラジアントチューブ２２から周囲に向けて輻射熱が照射され、この輻射熱によって、当該ラジアントチューブ２２の両側に配設された水蒸気改質装置１０及び電池スタック３０がそれぞれ直接加熱され、昇温される。

斯くして、本例の燃料電池１では、水蒸気改質装置１０及び電池スタック３０を、ラジアントチューブ２２からの輻射熱によって、それぞれ直接加熱するようにしているので、従来に比べて、その昇温時間を短縮することができ、エネルギー効率を高めることができる。

また、前記ラジアントチューブ２２をＵ字状に湾曲させた構造としているので、ラジアントチューブ２２が占める平面的な領域が広く、このため、水蒸気改質装置１０及び電池スタック３０を広範囲に亘って加熱することができ、水蒸気改質装置１０及び電池スタック３０内部の各電池セルをムラ無く、均一に昇温させることができる。

また、水蒸気改質装置１０は、ラジアントチューブ２２からの燃焼ガスがその燃焼部１２に供給されるようになっており、この燃焼ガスを熱源としても加熱されるため、より効率良く加熱され、昇温される。

一方、前記予熱モードの間、部分酸化改質装置４０には、その供給口４２ｂに、改質用燃料ガスと改質用空気との混合ガスが供給される。供給口４２ｂに供給された混合ガスは、当該供給口４２ｂから第１反応室４５ａ内に移動し、ラジアントチューブ２２の周りを迂回するように第１反応室４５ａ内を流通した後、仕切り板４４に穿設された連通孔４４ｂを通って第２反応室４５ｂ内に移動し、同様に、第２反応室４５ｂ内で、ラジアントチューブ２２の周りを迂回するように流通する。そして、このように、第１反応室４５ａ及び第２反応室４５ｂ内を流通する過程で、改質用燃料ガスは、ラジアントチューブ２２からの熱伝導及び輻射熱を受けて改質用空気により部分酸化改質され、還元ガス（水素ガス）を含む部分酸化改質燃料ガスとして排出口４１ａから排出される。そして、排出口４１ａから排出された部分酸化改質燃料ガスは、上述したように、アノード電極層側空間３１に供給され、かかる部分酸化改質燃料ガスによってアノード電極層の酸化が防止される。尚、このような混合ガスの流れを図３に示している。図中の矢印Ｂは、供給口４２ｂから供給された混合ガスが排出口４１ａに至るまでの行程を示したものである。

斯くして、本例の部分酸化改質装置４０によれば、予熱用のラジアントチューブ２２からの熱伝導及び輻射熱によって、改質用燃料ガスを改質するようにしており、当該改質のために専用の加熱装置を用いていないので、燃料電池１全体のエネルギー効率を高めることができ、また、燃料電池１の小型化や簡素化を図ることができる。

また、改質反応を行なうための前記第１反応室４５ａ及び第２反応室４５ｂは、ラジアントチューブ２２が中心に配置された円筒状の空間となっているので、当該反応室４５ａ及び４５ｂに供給された混合ガスは、ラジアントチューブの全周から熱伝導及び輻射熱を受けることができ、これが効率良く改質される。

また、供給口４２ｂと排出口４１ａとを、前記第１反応室４５ａ及び第２反応室４５ｂから構成される反応室の相対する端部に形成し、且つ混合ガスが第１反応室４５ａ及び第２反応室４５ｂ内で迂回する流路をとるように構成して、混合ガスの流動行程がより長くなるように設定するとともに、混合ガスが連通孔４４ｂを介して第１反応室４５ａから第２反応室４５ｂに流入し、排出口４１ａから外部に排出されるように構成しているので、当該混合ガスを、第１反応室４５ａ及び第２反応室４５ｂ内に十分な時間滞留させることができ、改質用燃料ガスをより効率的に改質することができる。

以上の予熱モードの実行により、電池セルの温度が発電温度に達すると、バーナ２１へのバーナ用燃料ガス及びバーナ用空気の供給を停止して、予熱モードを終了するとともに、部分酸化改質装置４０への改質用燃料ガス及び改質用空気の供給を停止して、次に、通常運転モードへと移行する。

即ち、水蒸気発生装置４によって発生された水蒸気とアノード用燃料ガスとの混合ガスを水蒸気改質装置１０に供給して、アノード用燃料ガスを水蒸気改質し、改質したアノード用燃料ガスをアノード電極層側空間３１に供給するとともに、熱交換器５によって予熱したカソード用空気をカソード電極層側空間３２に供給する。これにより、電池セルは、アノード電極層とカソード電極層との間の電気化学反応によって発電を開始する。

尚、アノード用燃料ガスを水蒸気改質するためには、６５０℃以上、好ましくは７００℃以上の温度が必要であるが、前記水蒸気改質装置１０は、予熱モードにおいて、電池スタック３０と同様に、ラジアントチューブ２２から照射される輻射熱によって加熱され、電池スタック３０と同程度の温度（７００℃程度）にまで昇温されており、当該水蒸気改質装置１０では、予熱モード終了時点までに、十分に効率的な水蒸気改質が行なわれる。

また、予熱モードを終了することで、ラジアントチューブバーナ２０による電池スタック３０の加熱が停止されるが、水蒸気改質装置１０では、水蒸気改質の熱源を得るために燃焼部１２において燃焼が行われ、この燃焼によって水蒸気改質装置１０が高温に維持されているため、水蒸気改質装置１０からの輻射熱が、Ｕ字状に湾曲したラジアントチューブ２２間の空間２２ａを通して電池スタック３０に照射され、電池スタック３０は、かかる輻射熱によって、発電温度以上の高温に維持される。

また、電池セルのアノード電極層側空間３１及びカソード電極層側空間３２から排出される排気ガス（反応後の水蒸気改質燃料ガス、未反応の水蒸気改質燃料ガス及びカソード用空気）は、水蒸気改質装置１０の燃焼部１２に供給され、同燃焼部１２で燃焼される。このようにすることで、燃料電池１のエネルギー効率を高めることができる。

そして、通常運転を停止させる停止モードでは、アノード用燃料ガス、純水及びカソード用空気の供給を停止し、水蒸気改質装置１０の燃焼部１２への燃料の供給を停止するとともに、部分酸化改質装置４０に改質用燃料ガス及び改質用空気を供給して、アノード電極層側空間３１に還元ガスを含む部分酸化改質燃料ガスを供給する。

尚、部分酸化改質装置４０は、上述したように、その一方端側が前記空間３内に露出されているため、通常運転モードにおいては、水蒸気改質装置１０から輻射熱を受けており、これにより、部分酸化改質するために必要な温度（通常６００℃）に維持されている。したがって、改質用燃料ガス及び改質用空気を部分酸化改質装置４０に供給すると、改質用燃料ガスが部分酸化改質され、改質された部分酸化改質燃料ガスがアノード電極層側空間３１に供給される。

以上詳述したように、本実施形態に係る燃料電池１によれば、水蒸気改質装置１０と電池スタック３０との間にＵ字状のラジアントチューブ２２を配設しているので、予熱モードにおいて、ラジアントチューブ２２から照射される輻射熱により、水蒸気改質装置１０及び電池スタック３０内部の各電池セルを効率的に加熱し、昇温させることができる。また、通常運転モードにおいては、水蒸気改質装置１０から照射される輻射熱によって電池スタック３０を加熱し、その温度を維持することができる。更に、部分酸化改質装置４０の熱源として予熱用のラジアントチューブ２２の熱伝導及び輻射熱を利用しているので、燃料電池１全体のエネルギー効率を高めることができ、また、燃料電池１の小型化や簡素化を図ることができる。更に、部分酸化改質装置４０においては、混合ガスが第１及び第２反応室４５ａ，４５ｂ内に長時間滞留するようにしているので、改質用燃料ガスを効率的に部分酸化改質することができる。更に、部分酸化改質装置４０の少なくとも一部を水蒸気改質装置１０からの輻射熱が照射される空間３に露出させることで、通常運転モードでは常に部分酸化改質装置４０が改質ガスを生成できる温度に維持させることができ、停止モードへの速やかな移行が可能となる。

尚、本例では、部分酸化改質装置４０の一部を部分的に空間３内に露出させた構成としているが、これは、部分酸化改質装置４０の全部を露出させると、水蒸気改質装置１０から照射される輻射熱が当該部分酸化改質装置４０によって遮られ、電池スタック３０の効率的な加熱が妨げられるからであり、また、この場合には、部分酸化改質装置４０が必要以上に加熱され、かかる熱量が、部分酸化改質装置４０に外部から接続する他の部材を介して外部に放熱され、熱エネルギーに無駄を生じるからである。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明の採り得る具体的な態様は何らこれに限定されるものではない。

例えば、前記ラジアントチューブ２２の形状は、Ｕ字状の他に、渦巻状、蛇行状及び鉤状を例示することができる。

このようにしても、ラジアントチューブ２２の表面積を大きくでき、ラジアントチューブ２２から照射される輻射熱の量を増加させることができるため、水蒸気改質装置１０及び電池スタック３０を効率良く加熱することができ、昇温時間の短縮化を図ることができる。また、ラジアントチューブ２２が占める平面的な領域が広くなるため、水蒸気改質装置１０及び電池スタック３０を広範囲に加熱でき、水蒸気改質装置１０及び電池スタック３０内部の各電池セルをムラ無く、均一に昇温させることができる。

更に、前記ラジアントチューブ２２の形状を、全体的に略環状に屈曲又は湾曲した形状にすることで、ラジアントチューブ２２が占める平面的な領域がより広くなるため、水蒸気改質装置１０及び電池スタック３０をより広範囲に加熱することができ、水蒸気改質装置１０及び電池スタック３０内部の各電池セルをよりムラ無く、均一に昇温させることができる。

また、本例においては、部分酸化改質装置４０に第１及び第２反応室４５ａ，４５ｂが形成された態様を示したが、これに限られるものではない。

例えば、前記ラジアントチューブ２２、筒体４１、下側蓋部材４２及び上側蓋部材４３に囲まれた空間を、前記供給口４２ｂ側の空間と前記排出口４１ａ側の空間とに二分するように仕切り板を設け、この仕切り板に２つの空間を連通する連通孔を穿設した構成としても良い。尚、仕切り板は、供給口４２ｂ側の空間と排出口４１ａ側の空間とを二分しさえすれば良い。

このようにすれば、供給口４２ｂから供給された改質用燃料ガスと改質用空気との混合ガスが、供給口４２ｂ側の空間を流通し、連通孔を通って、排出口４１ａ側の空間に移動し、排出口４１ａから排出されるため、反応室内における混合ガスの滞留時間を長くとることができ、改質用燃料ガスを、改質用空気によって効率的に改質することができる。

また、仕切り板４４を更に設けて、３つ以上の反応室を形成し、供給口４２ｂから供給された改質用燃料ガスと改質用空気との混合ガスが、これら３つ以上の反応室を経由して排出口４１ａから排出されるようにしても良い。これにより、反応室内における混合ガスの滞留時間をより長くとることができ、改質用燃料ガスを、改質用空気によってより効率的に改質することができる。

１ 燃料電池
２ 筐体
３ 空間
４ 水蒸気発生装置
５ 熱交換器
１０ 水蒸気改質装置
２０ ラジアントチューブバーナ
２１ バーナ
２２ ラジアントチューブ
２２ａ 空間
３０ 電池スタック
３１ アノード電極層側空間
３２ カソード電極層側空間
４０ 部分酸化改質装置
４１ 筒体
４１ａ 排出口
４２ 下側蓋部材
４２ｂ 供給口
４３ 上側蓋部材
４４ 仕切り板
４４ｂ 連通孔
４５ａ 第１反応室
４５ｂ 第２反応室
４６ａ，４６ｂ 隔壁

Claims (10)

1. 燃焼部を備え、該燃焼部で発生した燃焼熱により、燃料用ガスを水蒸気改質する水蒸気改質装置と、
   カソード及びアノードを有し、カソードに供給される酸化ガスとアノードに供給される前記水蒸気改質装置からの改質燃料ガスとの電気化学反応によって発電を行う電池セルを具備した電池スタックとを備えた燃料電池において、
   燃料用ガスを燃焼させるバーナ、及び該バーナに連設されるラジアントチューブから構成されるラジアントチューブバーナを、前記電池スタックと前記水蒸気改質装置との間に配設したことを特徴とする燃料電池。
2. 前記ラジアントチューブは、少なくともその一部が、渦巻状、蛇行状、鉤状又はＵ字状に、屈曲又は湾曲していることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
3. 前記ラジアントチューブは、全体的に略環状に屈曲又は湾曲していることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
4. 前記ラジアントチューブは、その排気側が、前記水蒸気改質装置の燃焼部に接続され、前記ラジアントチューブバーナの燃焼ガスが前記燃焼部に供給されるように構成されていることを特徴とする請求項１乃至３記載のいずれかの燃料電池。
5. 燃料用ガスを部分酸化改質して、前記電池セルのアノードに供給する部分酸化改質装置を前記ラジアントチューブに付設したことを特徴とする請求項１乃至４記載のいずれかの燃料電池。
6. 前記部分酸化改質装置は、
   前記ラジアントチューブの径方向外方に間隔を隔て、且つ該ラジアントチューブの軸線に沿って周設された筒体と、
   前記ラジアントチューブが表裏に貫通した状態で前記筒体の両端にそれぞれ固設される２つの蓋部材とからなり、
   前記筒体の一方端又は該一方端に固設された蓋部材には、前記ラジアントチューブ、筒体及び２つの蓋部材に囲まれた反応室に前記燃料用ガスが供給される供給口が形成され、
   前記筒体の他方端又は該他方端に固設された蓋部材には、前記反応室内で部分酸化改質された燃料用ガスが排出される排出口が形成されていることを特徴とする請求項５記載の燃料電池。
7. 前記部分酸化改質装置は、その前記反応室内が、該反応室内に配設される仕切り板によって二つの空間に二分されるとともに、一方の空間には前記供給口が接続され、他方の空間には前記排出口が接続され、
   更に、前記仕切り板には、前記供給口側の空間と前記排出口側の空間とを連通せしめる連通孔が穿設されていること特徴とする請求項６記載の燃料電池。
8. 前記部分酸化改質装置は、その前記反応室内が、該反応室内に配設される一又は複数の仕切り板によって、前記ラジアントチューブの軸方向に沿って二又は三以上の複数の環状の空間に分割されるとともに、前記軸方向において、その両端の空間の一方には前記供給口が接続され、他方には前記排出口が接続され、
   更に、前記仕切り板には、隣接する空間同士を連通せしめる連通孔が穿設されていること特徴とする請求項６記載の燃料電池。
9. 前記反応室内の各環状の空間内には、その周方向の連通状態を遮断する隔壁が設けられ、
   前記各隔壁は、前記ラジアントチューブの軸方向に沿って一列に整列した状態で配設され、
   前記供給口、連通孔及び排出口は、前記隔壁に近接した位置に配設されるとともに、該隔壁を挟んで、前記ラジアントチューブの軸方向に沿って、千鳥状となる位置に順次配設されていること特徴とする請求項８記載の燃料電池。
10. 断熱部材に囲まれて、外部と熱的に遮断された空間を有し、
    該空間内に、前記水蒸気改質装置、前記電池スタック及び前記ラジアントチューブが配設され、
    前記部分酸化改質装置は、その一方端が前記空間内に露出され、他方端が前記空間外に配置されていることを特徴とする請求項５乃至９記載のいずれかの燃料電池。

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