JP5866546B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料および酸化ガスの反応（以下、「発電反応」という）を介して発電する燃料電池システムに関する。

燃料電池は、小型でも高い発電効率を有するため、近年、燃料電池分散型発電システムの発電部として利用することが促進されている。分散型発電システムの発電部として燃料電池を機能させるためには、燃料が安定的に供給されることを必要とする。一般的な燃料電池では、天然ガス、都市ガス、液化石油ガス、ガソリン、または灯油のような燃料が供給され、摂氏６００度〜摂氏７００度の温度下でＲｕ触媒またはＮｉ触媒を用いて燃料および水蒸気の改質反応を介して水素を含有する改質ガスが生成される。改質ガスが燃料電池の燃料として利用される。この改質反応のために必要な反応熱は、例えば、燃料電池のアノードで利用されなかったアノードオフガスを燃焼させて得られ得る。

燃料電池システムの発電効率を向上させるためには、燃料の利用効率を改善し、かつ燃料電池の発電時に排出される排熱を無駄なく利用することが必要とされる。固体酸化物燃料電池は、摂氏６５０度〜摂氏９００度の高温下で作動するスタックを具備している。固体酸化物燃料電池の発電効率を改善するために、燃料電池の動作時に発生する排熱を有効に利用することが重要となる。図８に示されるように、特許文献１は、気化器９０３、脱硫器９０２、改質器９０４、燃料電池セル部９０６、および燃焼器９０７を断熱槽９０１の内部に具備する固体酸化物燃料電池システムを開示している。断熱槽１の内部に含まれる内部筐体９１６は、気化器９０３、改質器９０４、燃料電池セル部９０６、および燃焼器９０７を含んでいる。特許文献１に開示された固体酸化物燃料電池システムでは、燃焼器９０７においてアノード排ガスが燃焼し、このようにして得られた燃焼熱を用いて気化器９０３および改質器９０４を加熱する。燃焼熱は、内部筐体９１６の外部に設けられた脱硫器９０２に伝播し、脱硫器９０２が加熱される。

特開２０１１−２１６３０８号公報

特許文献１に開示された固体酸化物燃料電池システムでは、燃焼器９０７において発生する燃焼熱が、気化器９０３の熱源として用いられ、気化器９０３を加熱する。続いて、燃焼熱は内部筐体９１６を通って脱硫器９０２を加熱する。脱硫器９０２は、気化器９０３よりも高い温度下で動作する。そのため、脱硫器９０２の動作温度を所望の動作温度に設定するように脱硫器９０２が燃焼熱を用いて加熱される場合には、気化器９０３は、脱硫器９０２のために適した動作温度よりもずっと低い動作温度で動作するにも拘わらず、気化器９０３のために適した動作温度よりもずっと高い温度で加熱される。言い換えれば、気化器９０３に必要以上の高い温度を有する燃焼熱が供給される。

本発明の目的は、気化器および脱硫器のために燃焼熱を有効に利用する燃料電池システムを提供することにある。

本発明は、燃料電池システムであって、以下を具備する：
燃料に含有されるガスおよび酸素およびの混合物が燃焼する燃焼器、
前記燃焼器において発生した燃焼排ガスを熱源として利用し、供給された燃料から改質反応により前記燃料となる改質ガスを生成する改質器、
前記改質ガスおよび酸化ガスの反応により発電する燃料電池、
前記改質器を加熱した後の前記燃焼排ガスを熱源として利用し、前記燃料電池に供給する酸化ガスを加熱する第１カソード空気加熱部、
前記第１カソード空気加熱部を加熱した後の前記燃焼排ガスを熱源として利用し、前記改質器へ供給される燃料に含有される硫黄成分を除去する脱硫器、および
前記脱硫器を加熱した後の前記燃焼排ガスを熱源として利用し、供給された水を気化することによって、かつ前記改質器へ供給される水蒸気を発生させる蒸発器。

本発明は、気化器および脱硫器のために燃焼熱を有効に利用する燃料電池システムを提供する。

図１は、実施形態による燃料電池システムの模式図を示す。 図２は、実施形態の第１変形例による燃料電池システムの模式図を示す。 図３は、実施形態の第２変形例による燃料電池システムの模式図を示す。 図４は、実施形態の第３変形例による燃料電池システムの模式図を示す。 図５は、図４に示される燃料電池システムにおける燃焼排ガスの流通経路の一例を示す。 図６は、実施形態の第４変形例による燃料電池システムの模式図を示す。 図７は、実施形態の第５変形例による燃料電池システムの模式図を示す。 図８は、特許文献１に開示された燃料電池システムの模式図を示す。

以下、本発明の実施形態が、図面を参照しながら説明される。

（燃料電池システム７の構成）
まず、図１を参照しながら、本発明の実施形態による燃料電池システム７の構成が説明される。図１は、実施形態による燃料電池システム７の模式図を示す。

図１に示されるように、燃料電池システム７は、燃料電池６、燃焼器１４、改質器４、第１カソード空気加熱部１３、脱硫器２、および蒸発器９を具備する。これらは、筺体８の内部に配置されている。言い換えれば、筺体８は、燃料電池６、燃焼器１４、改質器４、第１カソード空気加熱部１３、脱硫器２、および蒸発器９を内部に有する。望ましくは、筺体８は断熱性である。

改質ガスが、改質ガス供給流路５を通じて改質器４から燃料電池６に燃料として供給される。空気が、燃料電池６の外部からカソード空気供給流路１２を通って燃料電池６に酸化ガスとして供給される。燃料電池６は、このようにして供給された改質ガスおよび酸化ガスの反応を介して発電する。カソードに供給される空気は、カソード空気または発電用空気と呼ばれ得る。燃料電池６は、複数の単セル（electric cell）を具備している。各単セルは、改質ガスが供給される燃料極およびカソード空気が供給される空気極を具備している。燃料極および空気極は、それぞれ、アノードおよびカソードと呼ばれる。これらの複数の単セルを直列に接続することによって、燃料電池６においてセルスタックが形成されている。

燃料電池６の例は、固体酸化物燃料電池（以下、「ＳＯＦＣ」という）、または溶融炭酸塩形燃料電池（以下、「ＭＣＦＣ」という）である。燃料電池６は、動作時に摂氏５５０度〜摂氏１０００度に加熱される。燃焼熱のような排熱を効率的に利用するという観点から、燃料電池６は、大きな熱量の排熱を生成する中高温動作形燃料電池であることが望ましい。

燃焼器１４の例は、燃料電池６で利用されなかった未反応の改質ガス（以下、「アノードオフガス」という）を、燃料電池６で利用されなかった未反応の空気（以下、「カソードオフガス」）で燃焼させるために用いられるバーナである。燃料電池６のアノードオフガス排出口（不図示）に直接火炎が形成されるように、このバーナはアノードオフガスおよびカソードオフガスの混合ガスを燃焼させるように構成されていてもよい。燃焼器１４には、アノードオフガスに代えて、またはアノードオフガスと共に、後述される燃料が供給され得る。同様に、カソードオフガスに代えて、空気が、燃料電池６を経由せずに燃料電池６の外部から供給され得る。燃料電池６を経由せずに燃料電池６の外部から供給された空気およびカソードオフガスの混合ガスが、燃焼器１４に供給され得る。

脱硫器２は、脱硫剤を具備する。脱硫剤は、燃料電池システム７の外部から燃料ガス供給流路１を通じて供給される燃料に含有される硫黄成分を除去する。このような脱硫器２として、例えば、燃料に含まれる硫黄成分を水添脱硫法により除去する水添脱硫器が採用され得る。脱硫器２で硫黄成分が除去された燃料は、脱硫済燃料ガス流路３を通じて、改質器４に供給される。

脱硫器２のために用いられる脱硫剤の例は、Ｃｏ−Ｍｏ系触媒および酸化亜鉛の混合物であり得る。水添脱硫法により燃料が脱硫される限り、脱硫剤は、特に限定されない。

水添脱硫法は、水素を必要とする。このため、図１では図示されていないが、改質器４で生成した改質ガスの一部が脱硫器２の上流側に導かれ、脱硫器２に供給する燃料に改質ガスの一部が添加される。

脱硫剤は活性温度域を有している。水添脱硫法での活性温度域は、例えば、およそ摂氏３５０度以上摂氏４００度以下である。このため、安定的に硫黄成分を除去するために、脱硫器２の温度がこの活性温度域となるように、脱硫器２が加熱されることを必要とする。本発明の実施形態による燃料電池システム７では、上述した燃焼器１４において発生した燃焼排ガスが熱源として用いられ、脱硫器２を加熱する。言い換えれば、この燃焼排ガスが有する熱エネルギーを利用して脱硫器２が加熱される。燃焼排ガスに含まれる熱エネルギーは、燃焼器１４において得られる熱エネルギーだけでなく、燃料電池６における発電反応を介して発生した熱エネルギーも含む。

蒸発器９は、水供給流路１０を通じて供給された水を蒸発させる水蒸気発生装置である。上述した燃焼器１４において発生した燃焼排ガスが熱源として用いられて蒸発器９を加熱する。その結果、蒸発器９において水が蒸発する。言い換えれば、燃焼排ガスに含まれる熱エネルギーを利用して蒸発器９は加熱され、水を蒸発させる。蒸発器９において発生した水蒸気は、水蒸気流路１１を通じて脱硫済燃料ガス流路３を流れる脱硫された燃料に添加される。このようにして水蒸気が添加された脱硫後の燃料は、改質器４に供給される。

改質器４は、内部に改質触媒を備える。改質器４では、脱硫済の燃料および水蒸気の改質反応を介して、水素を含む改質ガスが生成される。改質器４において生じる改質反応は、吸熱反応である。そのため、この改質反応を進行させるために、改質器４の温度を所定の温度に維持するように改質器４は加熱されることを必要とする。本実施形態では、上述した燃焼器１４において発生した燃焼排ガスが熱源として用いられ、改質器４が加熱される。このようにして、改質ガスが生成される。言い換えれば、この燃焼排ガスに含まれる熱エネルギーを利用して改質器４が加熱され、改質ガスを生成する。改質器４で生成された改質ガスは、改質ガス供給流路５を通じて、燃料電池６のアノードに供給される。

改質器４には、空気供給流路１５を通じて空気が供給される。燃料電池システム７の起動時には、改質器４は、吸熱反応である水蒸気改質反応のために十分な熱エネルギーを有していない。そのため、燃料電池システム７の起動時には、水供給流路１０を通じて蒸発器９に水を供給させずに、空気供給流路１５を通じて改質器４に供給した空気が利用され、部分酸化改質反応を介して改質ガスを生成する。

第１カソード空気加熱部１３は、カソード空気供給流路１２を通じて燃料電池６のカソードに供給する空気（以下、「カソード空気」という）を加熱する。言い換えれば、カソード空気供給流路１２を通じて第１カソード空気加熱部１３に供給された空気は、第１カソード空気加熱部１３において加熱される。第１カソード空気加熱部１３では、上述した燃焼器１４において発生した燃焼排ガスおよびカソード空気の間で熱が交換される。このように、第１カソード空気加熱部１３は、カソード空気を加熱することができる熱交換器である。

上記したように、燃料ガス供給流路１を通じて燃料が燃料電池システム７に供給される。水供給流路１０を通じて水が燃料電池システム７に供給される。カソード空気供給流路１２を通じて燃料電池システム７にカソード空気が供給される。さらに、燃料電池システム７の起動時には、空気供給流路１５を通じて空気が供給される。

燃料、水、およびカソード空気を含む空気は、不図示の燃料供給部、水供給部、および空気供給部によって供給される。燃料供給部および空気供給部の例は、ブロアのような送風機である。水供給部の例は、水ポンプである。

燃料電池システム７では、燃料として都市ガスが用いられ得る。燃料は都市ガスに限定されず、プロパンガスのような炭化水素を主成分として含有するガスも用いられ得る。燃料は液体または気体であり得るが、気体であることが望ましい。カソード空気とは、カソードに供給される酸化ガスを意味する。カソード空気の例は、空気のような、酸素を含有するガスである。

（燃料電池システム７の動作）
次に、燃料電池システム７の動作が説明される。

まず、都市ガスのような燃料が、燃料ガス供給流路１を通じて脱硫器２に供給される。よく知られているように、都市ガスは付臭剤を含有し得る。上述したように、改質器４で生成された改質ガスの一部がこの都市ガスに添加されている。脱硫器２は、水添脱硫反応を介してこのような燃料を脱硫し、付臭剤である硫黄化合物または燃料由来の硫黄化合物を除去する。

ここで、燃料が付臭剤としてジメチルスルフィド（dimethl sulfide ;Ｃ₂Ｈ₆Ｓ）を含有する場合を例に挙げて(by an example)、水添脱硫反応が説明される。ジメチルスルフィドは、脱硫器２において、以下の反応式（Ｉ）および（ＩＩ）に表される反応を介して、化学式ＺｎＳにより表される硫化亜鉛に化学的に変化する。
Ｃ₂Ｈ₆Ｓ＋２Ｈ₂→２ＣＨ₄＋Ｈ₂Ｓ ・・・（Ｉ）
Ｈ₂Ｓ＋ＺｎＯ→Ｈ₂Ｏ＋ＺｎＳ ・・・（ＩＩ）
上記の水添脱硫反応は、摂氏３５０度以上摂氏４００度以下の温度範囲下で進行する。脱硫された燃料に含有される硫黄含有量は、１ｖｏｌ ｐｐｂ（parts per billion）以下である。通常は、０．１ｖｏｌ ｐｐｂ以下である。これに代えて、ジメチルスルフィドは、物理吸着によりゼオライトのような脱硫剤で除去され得る。脱硫された燃料は、脱硫済燃料ガス流路３を通じて脱硫器２から改質器４に供給される。

脱硫器２で燃料が脱硫される際、摂氏１００度以上に加熱された蒸発器９において、水供給流路１０を通じて供給された水が気化され、水蒸気を生成する。このように生成された水蒸気は、蒸発器９から脱硫済燃料ガス流路３に流れる。脱硫済燃料ガス流路３において、脱硫された燃料および水蒸気が混合され、そしてこの混合物は改質器４に供給される。燃料中の炭素数に対する供給される水蒸気の比率、すなわちスチーム／カーボン比（S／C）の目安(target value)は、２．５である。

改質器４は、その内部に設けられた改質触媒の温度が摂氏６００度以上になるように加熱されている。改質器４に供給された水蒸気および燃料から、水蒸気改質反応を介して、改質器４は改質ガスを生成する。生成された改質ガスは、改質ガス供給流路５を通じて燃料電池６に供給される。

第１カソード空気加熱部１３は、カソード空気供給流路１２を通じて外部から供給されたカソード空気を摂氏４００度〜摂氏６５０度まで加熱する。このように加熱されたカソード空気は、燃料電池６へ供給される。

燃料電池６は、改質器４から供給された改質ガスおよび第１カソード空気加熱部１３から供給されたカソード空気の反応を介して発電する。本実施形態では、燃料電池６は固体酸化物燃料電池であるため、固体酸化物燃料電池は、動作中は、およそ摂氏６００度以上摂氏９００度以下の温度範囲下に維持される。燃料電池６で用いられなかった未反応のアノードガスは、燃料電池６で用いられなかった未反応のカソード空気と共に燃焼器１４において燃焼され、燃焼排ガスを発生する。未反応のアノードガスおよび未反応のカソード空気は、それぞれ、以下、アノードオフガスおよびカソードオフガスという。

本実施形態による燃料電池システム７は、燃焼器１４で発生させた燃焼排ガスを熱源として用いて、改質器４、第１カソード空気加熱部１３、脱硫器２、および蒸発器９をこの順で加熱するように構成されている。本実施形態による燃料電池システム７は、改質器４、第１カソード空気加熱部１３、脱硫器２、および蒸発器９の配置に特徴づけられる。この配置によって、これら４つの装置が効果的に加熱される。
具体的には、燃焼排ガスが、燃料電池６の動作時において、より高い動作温度で動作する装置から、より低い動作温度で動作する装置に流れるように、改質器４、第１カソード空気加熱部１３、脱硫器２、および蒸発器９が、この順で燃焼器１４からの燃焼排ガスの熱伝達方向２１に沿って配置されている。言い換えれば、燃料電池システム７の下部から上部に向けて、燃料電池６、燃焼器１４、改質器４、第１カソード空気加熱部１３、脱硫器２、および蒸発器９が、この順で配置されている。このようにして、燃焼器１４で生成された燃焼排ガスの熱エネルギーがカスケード的に利用される。この特徴が、以下、さらに詳細に説明される。

（燃料電池システム７に含まれる４つの装置の配置）
改質器４は、およそ摂氏５５０度以上およそ摂氏６５０度以下の温度下で動作する。第１カソード空気加熱部１３は、およそ摂氏４００度以上およそ摂氏６５０度以下に加熱される。脱硫器２は、およそ摂氏３５０度以上およそ摂氏４００度以下の温度下で動作する。蒸発器９は、およそ摂氏１００度以上およそ摂氏３５０度以下の温度に加熱される。一方、燃焼器４で生成された燃焼排ガスは、およそ摂氏６５０度以上およそ摂氏８２０度以下の温度を有する。

本実施形態による燃料電池システム７は、燃焼排ガスの熱伝達方向２１によって示されるように、筺体８の内部において、動作温度が高温から低温となる順に(in the order of the operation temperature from highest to lowest)、４つの装置に燃焼排ガスの熱エネルギーを与えるように構成されている。言い換えれば、改質器４、第１カソード空気加熱部１３、脱硫器２、および蒸発器９が、この順で、熱伝達方向２１に沿って筺体８の内部において配置されている。燃焼排ガスの熱伝達方向２１とは、図１に示されるように、筺体８の内部における最下部に配置された燃料電池６から上方に向かう方向を意味する。

具体的には、燃焼器１４は、燃料電池６および改質器４の間に挟まれている。改質器４は、燃焼器１４の上に位置している。第１空間８０２が、燃焼器１４および改質器４の間に形成されている。燃焼器１４で発生させた燃焼排ガスは、第１空間８０２および改質器４の側面を通過して改質器４を加熱する。燃焼排ガスおよび改質器４の間で熱が交換され、改質器４を加熱する。そのため、燃焼排ガスの温度は、若干、低下する。燃焼排ガスから改質器４に与えられた熱を利用して、改質器４は燃料を改質して、改質ガスを生成する。燃焼排ガスは、改質器４の側面を通って第１カソード空気加熱部１３に向かう。

第１カソード空気加熱部１３は、改質器４および脱硫器２の間に挟まれている。第１カソード空気加熱部は、改質器４の上に位置している。第２空間８０４が、改質器４および第１カソード空気加熱部１３の間に形成されている。その一部の熱を改質器４に与えた燃焼排ガスは、第２空間８０４および第１カソード空気加熱部１３の側面を通過して第１カソード空気加熱部１３を加熱する。燃焼排ガスおよび第１カソード空気加熱部１３の間で熱が交換され、第１カソード空気加熱部１３を加熱する。そのため、燃焼排ガスの温度は、若干、低下する。燃焼排ガスから第１カソード空気加熱部１３に与えられた熱を利用して、第１カソード空気加熱部１３においてカソード空気が加熱される。燃焼排ガスは、第１カソード空気加熱部１３の側面を通って脱硫器２に向かう。

脱硫器２は、第１カソード空気加熱部１３および蒸発器９の間に挟まれている。脱硫器２は、第１カソード空気加熱部１３の上に位置している。第３空間８０６が、第１カソード空気加熱部１３および脱硫器２の間に形成されている。その一部の熱を改質器４および第１カソード空気加熱部１３に与えた燃焼排ガスは、第３空間８０６および脱硫器２の側面を通過して脱硫器２を加熱する。この燃焼排ガスおよび脱硫器２の間で熱が交換され、脱硫器２を加熱する。そのため、燃焼排ガスの温度は、若干、低下する。燃焼排ガスから脱硫器２に与えられた熱を利用して、脱硫器２は燃料を脱硫する。燃焼排ガスは、脱硫器２の側面を通って蒸発器９に向かう。

蒸発器９は、脱硫器２および筺体８の上部の間に挟まれている。蒸発器９は、脱硫器２の上に位置している。第４空間８０８が、脱硫器２および蒸発器９の間に形成されている。その一部の熱を改質器４、第１カソード空気加熱部１３、および脱硫器２に与えた燃焼排ガスは、第４空間８０８および蒸発器９の側面を通過して蒸発器９を加熱する。この燃焼排ガスおよび蒸発器９の間で熱が交換され、蒸発器９を加熱する。そのため、燃焼排ガスの温度は、若干、低下する。燃焼排ガスから蒸発器９に与えられた熱を利用して、蒸発器９は水を加熱して水蒸気を生成する。第１空間８０２〜第４空間８０８は、空気層である。

このようにして、燃焼排ガスを熱源として用いて、改質器４、第１カソード空気加熱部１３、脱硫器２、および蒸発器９の順で、これら４つの装置が加熱される。燃焼排ガスの熱エネルギーがカスケード的に利用される。このように、燃料排ガスの熱エネルギーがカスケード的に利用されるので、燃焼排ガスの熱エネルギーが有効に活用される。言い換えれば、本実施形態による燃料電池システム７では、燃焼排ガスの燃焼熱、すなわち、排熱が有効に利用される。その結果、燃料の消費量が抑制され、発電効率が向上する。

燃料電池６は発電反応と同時に水を生成する。このように生成された水は、気化した状態でアノードオフガスに含有されている。このため、アノードオフガスを燃焼させることによって得られた燃焼排ガスは、水蒸気を含有する。燃焼排ガスに含有される水蒸気を改質器４に供給される水として利用するために、本実施形態による燃料電池システム７は、燃焼排ガスを露点程度の所定温度以下に冷却することによって、水蒸気の凝縮を介して水を回収するように構成されている。

具体的には、蒸発器９に到達した燃焼排ガスは、凝縮器（不図示）に導かれる。燃焼排ガスに含有される水蒸気は、凝縮器において凝縮され、水を回収する。凝縮器の例は、燃焼排ガスおよび空気の間の熱交換を介して燃焼排ガスの温度を低下させる放熱器である。

このように、燃料電池システム７では、燃焼排ガスの熱エネルギーがカスケード的に利用される。カスケード的に利用された燃焼排ガスに含有される水蒸気は、凝縮された後に、蒸発器９に供される。蒸発器９に到達した燃焼排ガスは、燃焼器１４で生成された燃焼排ガスよりもずっと低い温度を有する。それゆえ、燃焼排ガスの熱エネルギーがカスケード的に利用されない場合と比較して、凝縮器を用いて水を回収するために必要とされる空冷に用いられる空気の量が低減される。

（第１変形例）
次に、本実施形態による燃料電池システム７の第１変形例が、図２を参照しながら説明される。図２は、本実施形態の第１変形例による燃料電池システム７の一例を示す。第１変形例による燃料電池システム７は、上述した本実施形態による燃料電池システム７の構成に、燃焼器１４および改質器４の間に設けられた輻射部２３が追加された構成を有する。第１変形例による燃料電池システム７は、金属板のような輻射部２３がさらに設けられた点を除けば、上述した実施形態による燃料電池システム７と同様の構成を有する。

輻射部２３は、燃焼器１４および改質器４の間に配置され、燃焼器１４が形成する火炎により加熱される。輻射部２３は、この火炎の熱を輻射熱として燃焼器１４の上方に配置された改質器４に与える。輻射部２３および改質器４の間には第５空間８１０が形成されている。第５空間８１０は空気層である。第５空間８１０を、燃焼器１４において発生された燃焼排ガスが流れる。言い換えれば、輻射部２３および改質器４の間に形成された第５空間８１０が、燃焼排ガスを流通させる排ガス流路として機能している。改質器４をムラなく加熱するために、金属板から形成される輻射部２３の平面形状は、金属板と対向する改質器４の部分の面の形状と同様であることが望ましい。

第１変形例による燃料電池システム７は輻射部２３を備えるため、燃焼器１４が形成する火炎が、直接的に改質器４に接触することが防がれる。言い換えれば、改質器４は、輻射部２３からの輻射熱および、輻射部２３を回り込むようにして第５空間８１０を流通する燃焼排ガスにより加熱される。

このように、改質器４が過度に加熱されることが防がれ、改質器４が均一に加熱される。第１変形例による燃料電池システム７では、改質器４が均等に加熱され、改質器４の温度が一定に維持されるため、改質器４の改質性能のムラが低減され、改質器４が劣化することを抑制できる。

（第２変形例）
次に、本実施形態による燃料電池システム７の第２変形例が、図３を参照しながら説明される。図３は本実施形態の第２変形例による燃料電池システム７の一例を示す。第２変形例による燃料電池システム７に含まれるカソード空気供給流路１２は、燃料電池６の底面および側面の少なくとも一方に配置される。カソード空気供給流路１２は、第１カソード空気供給流路部１２ａおよび第２カソード空気供給流路部１２ｂから構成される。第１カソード空気供給流路部１２ａは、第１カソード空気加熱部１３よりも上流側に設けられている。第２カソード空気供給流路部１２ｂは、第１カソード空気加熱部１３よりも下流側に設けられている。空気は、燃料電池システム７の外部から、第１カソード空気供給流路部１２ａを通って第１カソード空気加熱部１３に供給される。第１カソード空気加熱部１３において加熱された空気は、第２カソード空気供給流路部１２ｂを通って燃料電池６に供給される。

カソード空気は、改質ガスよりも大きな流量を有している。そのため、カソード空気の温度を常温から所望される温度に高めるために、大きな熱量が必要とされる。この大きな熱量は、カソード空気を所望の温度に高めるために必要な熱量をカソード空気に与えた燃焼排ガスは、脱硫器２および蒸発器９に熱エネルギーを与えるために十分な熱量を有さないという問題を引き起こし得る。

この問題を解決するために、第２変形例による燃料電池システム７では、図３に示されるように、第１カソード空気加熱部１３により加熱されたカソード空気を直接的に燃料電池６に供給せずに、第１カソード空気加熱部１３により加熱されたカソード空気が、燃料電池６の底面および側面の少なくとも一方を通って燃料電池６に供給される。カソード空気は、燃料電池６の底面および側面の少なくとも一方を通る際に、燃料電池６からの熱（望ましくは、輻射熱）により加熱される。言い換えれば、第２変形例による燃料電池システム７では、燃料電池６の底面および側面の少なくとも一方に配置された第２カソード空気供給流路１２ｂの一部が第２カソード空気加熱部１７として機能する。図３では、第２カソード空気加熱部１７は燃料電池６の底面に設けられている。

このように、第２カソード空気供給流路部１２ｂの一部が第２カソード空気加熱部１７として機能する。カソード空気が燃料電池６からの熱により加熱されるので、第１カソード空気加熱部１３のために必要とされる熱量が低減される。これにより、脱硫器２および蒸発器９に与えられることになる燃焼排ガスの熱量の不足が避けられる。燃料電池６の輻射熱がカソード空気を加熱するために用いられるため、排熱の利用効率がさらに向上する。

（第３変形例）
図４は、本実施形態の第３変形例による燃料電池システム７の一例を示す。図３では、第２カソード空気供給部１２ｂが、燃料電池６の底面に配置され、第２カソード空気加熱部１７として機能する。しかし、図４に示されるように、第１カソード空気供給流路部１２ａの一部が、燃料電池６の底面および側面の少なくとも一方に配置され、第２カソード空気加熱部１７として機能し得る。

図４では、カソード空気が第１カソード空気加熱部１３に供給される前に、カソード空気は燃料電池６の熱（望ましくは、輻射熱）で所定温度まで加熱される。図３に示される第２変形例の場合と同様、燃料電池６の輻射熱でカソード空気が加熱されるため、排熱の利用効率がさらに向上する。さらに、脱硫器２および蒸発器９に燃料排ガスから与えられる熱量の不足も避けられる。

図１〜図４に示される燃料電池システム７では、第１空間８０２が燃焼器１４および改質器４の間に設けられている。第２空間８０４が、改質器４および第１カソード空気加熱部１３の間に設けられている。第３空間８０６が、第１カソード空気加熱部１３および脱硫器２の間に設けられている。第４空間８０８が、脱硫器２および蒸発器９の間に設けられている。

しかし、第２空間８０４、第３空間８０６、および第４空間８０８は、形成される必要はない。言い換えれば、改質器４、第１カソード空気加熱部１３、脱硫器２、および蒸発器９は、隣接して配置され得る。これらの４つの装置が隣接して配置されている場合は、燃焼排ガスの熱エネルギーが燃焼排ガスの熱伝達方向２１に沿って、これらの４つの装置を伝達する。

第２空間８０４、第３空間８０６、および第４空間８０８から選択される少なくとも１つの空間が、燃料電池システム７に形成され得る。選択された空間は、燃焼排ガスが流通する流路として機能する。

第２空間８０４、第３空間８０６、および第４空間８０８が、燃料電池システム７に形成される。第２空間８０４、第３空間８０６、および第４空間８０８から選択される少なくとも１つの空間が、燃焼排ガスが流通する流路として機能する。

第２空間８０４、第３空間８０６、および第４空間８０８が、燃料電池システム７に形成される。これらの３つの空間が、燃焼排ガスが流通する流路として機能する。

図５に示されるように、第２空間８０４を流れる燃料排ガスが流れる方向が、第３空間８０６を流れる燃料排ガスが流れる方向とは反対になることが望ましい。この場合、鉛直方向を含む面に沿って燃料電池システム７を切断する際に現れる燃料電池システム７の断面視において、第１カソード空気加熱部１３の下面の一端には、改質器４の側面を流れる燃焼排ガスを第２空間８０４に導く第１排ガス導入ガイド７０２が具備される。第１排ガス導入ガイド７０２の例は、下方に傾斜した板、下方に伸び出た管、または下方に伸び出る溝を有する基板である。第１排ガス導入ガイド７０２は、第１カソード空気加熱部１３の下面の一端から下方向に傾斜または伸び出ている。一方、燃料電池システム７の断面視において、脱硫器２の下面の他端には、第１排ガス導入ガイド７０２と同様の第２排ガス導入ガイド７０４が設けられている。燃料電池システム７の断面視において、第１カソード空気加熱部１３は、第１排ガス導入ガイド７０２および第２排ガス導入ガイド７０４の間に挟まれている。

改質器４の側面を上方向に流れる燃料排ガスは、第１カソード空気加熱部１３の下面の一端に設けられた第１排ガス導入ガイド７０２によって第２空間８０４に導かれる。第２空間８０４に導かれた燃料排ガスは、第１カソード空気加熱部１３の下面の下を一端から他端に流れ、第２空間８０４から排出される。図５では、燃料排ガスは、第２空間８０４において左側から右側に流れる。第２空間８０４から排出された燃料排ガスは、脱硫器２の他端に設けられた第２排ガス導入ガイド７０４によって第３空間８０６に導かれる。第３空間８０６に導かれた燃料排ガスは、第１カソード空気加熱部１３の上面の上で他端から一端に流れ、第３空間８０６から排出される。図５では、燃料排ガスは、第３空間８０６において右側から左側に流れる。このようにして、第２空間８０４を流れる燃料排ガスが流れる方向が、第３空間８０６を流れる燃料排ガスが流れる方向とは反対になる。その結果、熱交換の効率が向上する。以下、熱交換の効率が向上する理由が説明される。

温度差の増加に伴い、熱交換の効率が増加する。本パラグラフでは、第２空間８０４および第３空間８０６のいずれにおいても、第１カソード空気加熱部１３の一端側から他端側に燃料排ガスが流れると仮定する。言い換えれば、第２空間８０４を流れる燃料排ガスが流れる方向が、第３空間８０６を流れる燃料排ガスが流れる方向と同一であると仮定する。第２空間８０４を流れる燃料排ガスおよび第１カソード空気加熱部１３の間で熱が交換されるため、第２空間８０４を流れる燃料排ガスは、第２空間８０４の他端側よりも一端側でより高い温度を有する。同様に、第３空間８０６を流れる燃料排ガスも、第３空間８０６の他端側よりも一端側でより高い温度を有する。このように、第２空間８０４および第３空間８０６のいずれにおいても、燃料排ガスは、他端側よりも一端側でより高い温度を有する。一端側でも、他端側でも、第２空間８０４を流れる燃料排ガスおよび第３空間８０６を流れる燃料排ガスの間の温度差はあまり大きくない。従って、熱交換の効率はそれほど高くない。

一方、本パラグラフでは、第２空間８０４では、第１カソード空気加熱部１３の一端側から他端側に燃料排ガスが流れるが、第３空間８０６では、第１カソード空気加熱部１３の他端側から一端側に燃料排ガスが流れると仮定する。言い換えれば、第２空間８０４を流れる燃料排ガスが流れる方向が、第３空間８０６を流れる燃料排ガスが流れる方向と反対であると仮定する。第２空間８０４では、燃料排ガスは、一端側でより高い温度を有し、他端側でより低い温度を有する。一方、第３空間８０６では、燃料排ガスは、一端側よりも他端側でより高い温度を有する。そのため、一端側では、第２空間８０４を流れる燃料排ガス（より高い温度を有する）および第３空間８０６を流れる燃料排ガス（より低い温度を有する）の間の温度差が大きい。他端側においても、第２空間８０４を流れる燃料排ガス（より低い温度を有する）および第３空間８０６を流れる燃料排ガス（より高い温度を有する）の間の温度差が大きい。従って、熱交換の効率は高い。

この記載から明らかなように、第２空間８０４を流れる燃料排ガスが流れる方向が、第３空間８０６を流れる燃料排ガスが流れる方向と同一である場合と比較して、第２空間８０４を流れる燃料排ガスが流れる方向が、第３空間８０６を流れる燃料排ガスが流れる方向とは反対である場合、熱交換の効率が向上する。

図５では、第１排ガス導入ガイド７０２は、第１カソード空気加熱部１３の下面の一端に設けられているが、第１排ガス導入ガイド７０２は、脱硫器２の下面の一端に設けられ得る。この場合、脱硫器２が第１排ガス導入ガイド７０２および第２排ガス導入ガイド７０４の間に挟まれるように、第２排ガス導入ガイド７０４は、蒸発器９の下面の他端に設けられる。

この場合、第３空間８０６を流れる燃料排ガスが流れる方向が、第４空間８０８を流れる燃料排ガスが流れる方向と反対になり得る。このような場合でも、熱交換の効率が向上する。

改質器４の上面の他端には、第２空間８０４から排出された燃焼排ガスを上方向に導く第１排ガスリードアウト部７５２が設けられていることが望ましい。第１排ガスリードアウト部７５２の例は、上方に傾斜した板、上方に伸び出た管、または上方に伸び出る溝を有する基板である。第１排ガスリードアウト部７５２は、改質器４の上面の他端から上方向に傾斜または伸び出ている。第１排ガスリードアウト部７５２によって、第２空間８０４を流れる燃料排ガスが流れる方向を、第３空間８０６を流れる燃料排ガスが流れる方向とはより容易に反対にすることができる。一方、燃料電池システム７の断面視において、第１カソード空気加熱部１３の上面の他端には、第１排ガスリードアウト部７５２と同様の第２排ガスリードアウト部７５４が設けられ得る。第２排ガスリードアウト部７５４は、第３空間８０６から排出された燃焼排ガスを上方向に導く。

第１排ガス導入ガイド７０２は、脱硫器２の下面の一端に設けられ得る。この場合、脱硫器２が第１排ガス導入ガイド７０２および第２排ガス導入ガイド７０４の間に挟まれるように、蒸発器９の下面の他端に、第２排ガス導入ガイド７０４が設けられ得る。同様に、第１排ガス導入ガイド７０２および第１排ガスリードアウト部７５２の間に第３空間８０６が挟まれるように、第１排ガスリードアウト部７５２は、第１カソード空気加熱部１３の上面の他端に設けられ得る。この場合、第２排ガスリードアウト部７５４は、脱硫器２の上面の一端に設けられ得る。

（第４変形例）
図６は、本実施形態の第４変形例による燃料電池システム７の一例を示す。図１〜図５では、筺体８は、燃料電池６、燃焼器１４、改質器４、第１カソード空気加熱部１３、脱硫器２、および蒸発器９を内部に有する。しかし、図６に示されるように、筺体８は、２つ以上の筺体部に分割され得る。図６では、筺体８は、第１筺体部８ａおよび第２筺体部８ｂに分割されている。言い換えれば、筺体８は、第１筺体部８ａおよび第２筺体部８ｂから構成される。

第１筺体部８ａは、少なくとも燃料電池６および燃焼器１４を内部に有する。第２筺体部８ｂは、少なくとも蒸発器９を内部に有する。第１筺体部８ａまたは第２筺体部８ｂのどちらかが改質器４を内部に有する。第２筺体部８ｂが改質器４を内部に有する場合、第２筺体部８ｂは、第１カソード空気加熱部１３および脱硫器２も内部に有する。第２筺体部８ｂが第１カソード空気加熱部１３を内部に有する場合、第２筺体部８ｂは脱硫器２を内部に有するが、第１筺体部８ａが改質器４を内部に有する。第１筺体部８ａが脱硫器２を内部に有する場合、第１筺体部８ａは、改質器４および第１カソード空気加熱部１３も内部に有する。

図６では、第１筺体部８ａが燃料電池６、燃焼器１４、および改質器４を内部に有する。第２筺体部８ｂが、第１カソード空気加熱部１３、脱硫器２、および蒸発器９を内部に有する。第１燃焼排ガス流路７８２ａが第１筺体部８ａの上部を第２筺体部８ｂの下部に接続している。改質器４を加熱した燃焼排ガスは、第１燃焼排ガス流路７８２ａを通って第１筺体部８ａの上部から第２筺体部８ｂの下部に流れる。

（第５変形例）
図７は、本実施形態の第４変形例による燃料電池システム７の一例を示す。図７に示されるように、筺体８は、５つの筺体部８ａ〜８ｅに分割され得る。この場合、第１筺体部８ａが燃料電池６および燃焼器１４を内部に有する。第２筺体部８ｂ、第３筺体部８ｃ、第４筺体部８ｄ、および第５筺体部８ｅは、それぞれ、蒸発器９、改質器４、第１カソード空気加熱部１３、および脱硫器２を内部に有する。燃焼排ガスは、第１〜第４排ガス流路７８２ａ〜７８２ｄをこの順で通って流れる。第４変形例および第５変形例において、第１筺体８ａ〜第５筺体８ｅは、断熱性であることが望ましい。

本発明における燃料電池システムでは、気化器および脱硫器のために燃焼熱が有効に利用され、燃料の消費が抑制される。その結果、従来の燃料電池システムと比較して、発電効率が向上する。

１ 燃料ガス供給流路
２ 脱硫器
３ 脱硫後燃料ガス流路
４ 改質器
５ 改質ガス供給流路
６ 燃料電池
７ 燃料電池システム
８ 筺体
８ａ 第１筺体
８ｂ 第２筺体
８ｃ〜８ｅ 第３〜第５筺体
９ 蒸発器
１０ 水供給流路
１１ 水蒸気流路
１２ カソード空気供給流路
１３ 第１カソード空気加熱部
１４ 燃焼器
１５ 空気供給流路
１７ 第２カソード空気加熱部
２１ 燃焼排ガスの熱伝達方向
２３ 輻射部
２４ 燃焼排ガス流路

７０２ 第１排ガス導入ガイド
７０４ 第２排ガス導入ガイド

７５２ 第１排ガスリードアウト部
７５４ 第２排ガスリードアウト部

７８２ａ 第１燃焼排ガス流路
７８２ｂ 第２燃焼排ガス流路
７８２ｃ 第３燃焼排ガス流路
７８２ｄ 第４燃焼排ガス流路
７８２ｅ 第５燃焼排ガス流路

８０２ 第１空間
８０４ 第２空間
８０６ 第３空間
８０８ 第４空間

Claims (19)

1. 燃料電池システムであって、以下を具備する：
   燃料に含有されるガスおよび酸素の混合物が燃焼する燃焼器、
   前記燃焼器において発生した燃焼排ガスを熱源として利用し、供給された気体燃料から改質反応により前記燃料となる改質ガスを生成する改質器、
   前記改質ガスおよび酸化ガスの反応により発電する燃料電池、
   前記改質器を加熱した後の前記燃焼排ガスを熱源として利用し、前記燃料電池に供給する酸化ガスを加熱する第１カソード空気加熱部、
   前記第１カソード空気加熱部を加熱した後の前記燃焼排ガスを熱源として利用し、前記改質器へ供給される燃料に含有される硫黄成分を除去する脱硫器、および
   前記脱硫器を加熱した後の前記燃焼排ガスを熱源として利用し、供給された水を気化することによって、かつ前記改質器へ供給される水蒸気を発生させる蒸発器。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、さらに
   前記第１カソード空気加熱部を介して前記燃料電池に供給される前記酸化ガスが流れるカソード空気供給流路を備え、
   前記カソード空気供給流路は、当該カソード空気供給流路を流れる前記酸化ガスを前記燃料電池で生じる熱を用いて加熱する第２カソード空気加熱部を有する、燃料電池システム。
3. 請求項２に記載の燃料電池システムであって、ここで、
   前記第２カソード空気加熱部は、前記燃料電池の底面に配置され、
   前記カソード空気供給流路には、前記第１カソード空気加熱部よりも上流側に前記第２カソード空気加熱部が設けられている。
4. 請求項２に記載の燃料電池システムであって、ここで、
   前記第２カソード空気加熱部は、前記燃料電池の底面に配置され、
   前記カソード空気供給流路には、前記第１カソード空気加熱部よりも下流側に前記第２カソード空気加熱部が設けられている。
5. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、さらに
   前記燃焼器および前記改質器の間に配置された金属板を具備し、
   前記金属板および前記改質器の間に、前記燃焼器において発生した燃焼排ガスが通る空間が形成されている、燃料電池システム。
6. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、さらに
   前記燃焼器および前記改質器の間に第１空間が形成されており、
   前記改質器および前記第１カソード空気加熱部の間に第２空間が形成されており、
   前記第１カソード空気加熱部および脱硫器の間に第３空間が形成されており、
   前記脱硫器および前記蒸発器の間に第４空間が形成されており、
   第２空間、第３空間、および第４空間から選択される少なくとも１つの空間が、前記燃焼排ガスが流れる流路として機能する。
7. 請求項６に記載の燃料電池システムであって、
   前記第２空間、第３空間、および第４空間から選択される１つの空間において燃料排ガスが流れる方向が、少なくとも一つの他の空間において燃焼排ガスが流れる方向とは反対になっている。
8. 請求項７に記載の燃料電池システムであって、さらに
   前記燃焼排ガスを前記第２空間に導くための第１排ガス導入ガイド、および
   前記燃焼排ガスを前記第３空間に導くための第２排ガス導入ガイド
   を具備し、
   前記第１排ガス導入ガイドは、前記第１カソード空気加熱部の下面の一端に設けられ、
   前記第１排ガス導入ガイドは、前記第１カソード空気加熱部の下面の一端から下方向に傾斜または伸び出ており、
   前記第１カソード空気加熱部が前記第１排ガス導入ガイドおよび前記第２排ガス導入ガイドの間に挟まれるように、前記第２排ガス導入ガイドは、前記脱硫器の下面の他端に設けられ、
   前記第２排ガス導入ガイドは、前記脱硫器の下面の他端から下方向に傾斜または伸び出ており、かつ
   前記第２空間を流れる燃料排ガスが流れる方向が、第３空間を流れる燃焼排ガスが流れる方向とは反対になっている。
9. 請求項７に記載の燃料電池システムであって、さらに
   前記燃焼排ガスを前記第２空間に導くための第１排ガス導入ガイド、および
   前記燃焼排ガスを前記第４空間に導くための第２排ガス導入ガイド
   を具備し、
   前記第１排ガス導入ガイドは、前記第１カソード空気加熱部の下面の一端に設けられ、
   前記第１排ガス導入ガイドは、前記第１カソード空気加熱部の下面の一端から下方向に傾斜または伸び出ており、
   前記第１カソード空気加熱部および前記脱硫器が前記第１排ガス導入ガイドおよび前記第２排ガス導入ガイドの間に挟まれるように、前記第２排ガス導入ガイドは、前記蒸発器の下面の他端に設けられ、
   前記第２排ガス導入ガイドは、前記蒸発器の下面の他端から下方向に傾斜または伸び出ており、
   前記第２空間において燃料排ガスが流れる方向が、第４空間において燃焼排ガスが流れる方向とは反対になっている。
10. 請求項８に記載の燃料電池システムであって、さらに
    前記第２空間を流れた燃焼排ガスを上方向に導くための第１排ガスリードアウト部を具備し、
    前記改質器が前記第１排ガスリードアウト部および前記第１排ガス導入ガイドの間に挟まれるように、前記第１排ガスリードアウト部は、前記改質器の上面の他端に設けられ、かつ
    前記第１排ガスリードアウト部は、前記改質器の上面の他端から上方向に傾斜または伸び出ている。
11. 請求項７に記載の燃料電池システムであって、さらに
    前記燃焼排ガスを前記第３空間に導くための第１排ガス導入ガイド、および
    前記燃焼排ガスを前記第４空間に導くための第２排ガス導入ガイド
    を具備し、
    前記第１排ガス導入ガイドは、前記脱硫器の下面の一端に設けられ、
    前記第１排ガス導入ガイドは、前記脱硫器の下面の一端から下方向に傾斜または伸び出ており、
    前記脱硫器が前記第１排ガス導入ガイドおよび前記第２排ガス導入ガイドの間に挟まれるように、前記第２排ガス導入ガイドは、前記蒸発器の下面の他端に設けられ、
    前記第２排ガス導入ガイドは、前記蒸発器の下面の他端から下方向に傾斜または伸び出ており、かつ
    前記第３空間を流れる燃料排ガスが流れる方向が、第４空間を流れる燃焼排ガスが流れる方向とは反対になっている。
12. 請求項１１に記載の燃料電池システムであって、さらに
    前記第３空間を流れた燃焼排ガスを上方向に導くための第１排ガスリードアウト部を具備し、
    前記第１カソード空気加熱部が前記第１排ガスリードアウト部および前記第１排ガス導入ガイドの間に挟まれるように、前記第１排ガスリードアウト部は、前記第１カソード空気加熱部の上面の他端に設けられ、かつ
    前記第１排ガスリードアウト部は、前記第１カソード空気加熱部の上面の他端から上方向に傾斜または伸び出ている。
13. 請求項６に記載の燃料電池システムであって、さらに筺体を具備し、
    前記筺体が、前記燃料電池、前記燃焼器、前記改質器、前記第１カソード空気加熱部、前記脱硫器、および前記蒸発器を内部に有し、
    前記改質器が前記燃焼器の上に配置され、
    前記第１カソード空気加熱部が前記改質器の上に配置され、
    前記脱硫器が前記第１カソード空気加熱部の上に配置され、かつ
    前記蒸発器が、前記脱硫器の上に配置されている。
14. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、さらに第１筺体部、第２筺体部、および排ガス流路を具備し、
    前記第１筺体部は、前記燃料電池および前記燃焼器を内部に有し、
    前記第２筺体部は、前記蒸発器を内部に有し、かつ
    前記排ガス流路は、前記第１筺体部を前記第２筺体部に接続している。
15. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
    前記改質器は、およそ摂氏５５０度以上およそ摂氏６５０度以下の温度下で動作し、
    前記第１カソード空気加熱部は、およそ摂氏４００度以上およそ摂氏６５０度以下に加熱され、
    前記脱硫器は、およそ摂氏３５０度以上およそ摂氏４００度以下の温度下で動作し、かつ
    前記蒸発器は、およそ摂氏１００度以上およそ摂氏３５０度以下の温度に加熱される。
16. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
    前記燃料電池は、カソード、アノード、および電解質膜を具備し、かつ
    前記電解質膜が固体酸化物からなる。
17. 請求項１６に記載の燃料電池システムであって、
    前記混合物は、前記カソードにおいて未反応の酸素を含有する。
18. 請求項１６に記載の燃料電池システムであって、
    前記混合物は、前記アノードにおいて未反応の燃料を含有する。
19. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
    前記燃焼排ガスは、より高い動作温度で動作する装置から、より低い動作温度で動作する装置に流れるように、前記改質器、前記第１カソード空気加熱部、前記脱硫器、および前記蒸発器が、この順で前記燃焼器からの燃焼排ガスの熱伝達方向に沿って配置されている。

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