JP5926138B2

JP5926138B2 - 燃料電池システム

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Publication number: JP5926138B2
Application number: JP2012147090A
Authority: JP
Inventors: 谷口　英二; 英二谷口
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2012-06-29
Filing date: 2012-06-29
Publication date: 2016-05-25
Anticipated expiration: 2032-06-29
Also published as: JP2014011037A

Description

本発明は、排ガスと貯湯タンクの湯水とを熱交換するための熱交換器を有する燃料電池システムに関する。

近年、次世代エネルギーとして、燃料ガス（水素含有ガス）と酸素含有ガス（空気等）とを用いて、例えば、６００〜１０００℃の高温下で発電する固体酸化物形の燃料電池セルが知られている。そして、この燃料電池セルに加熱された酸素含有ガスまたは燃料ガスを供給するための加熱ガス供給手段と、加熱されていない低温の酸素含有ガスまたは燃料ガスを供給するための低温ガス供給手段とを備えた燃料電池装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。燃料電池セルはハウジング内に収納され、燃料電池組立体が構成されている。

この特許文献１では、燃料電池セルの温度が上昇した際には、例えば、排ガスと熱交換して加熱された酸素含有ガスに低温の酸素含有ガスが混合されて、燃料電池セルに供給されるため、燃料電池セルおよびその近傍の温度上昇を抑制でき、発電室内の温度をコントロールすることができる。

特開２００５−１５８５２６号公報

従来の燃料電池システムでは給湯装置を具備しており、高温の排ガスと低温の酸素含有ガスとを第１熱交換器で熱交換させた後、燃料電池組立体からの排ガスと貯湯タンク内の水とを第２熱交換器で熱交換させ、温水を生成し貯湯タンクに貯湯している。第１熱交換器で酸素含有ガスが昇温されて燃料電池セルに導入されるため、燃料電池セルが高温になり、発電性能が向上する。しかしながら相対的に温水を生成するための排ガスの熱量が減少することで、温水の生成量が減少する。これにより給湯需要を満足できない場合があった。

本発明は、貯湯タンク内の湯水減少に対応して、貯湯タンク内の湯水を迅速に増加できる燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明の燃料電池システムは、ハウジングと、該ハウジング内に収納された燃料電池と、該燃料電池に前記ハウジング外から酸素含有ガスを導入するための酸素含有ガス導入装置と、前記燃料電池に前記ハウジング外から燃料ガスを導入するための燃料ガス導入装置と、前記ハウジング内の排ガスを排出するための排ガス導出装置と、前記酸素含有ガス導入装置を流れる酸素含有ガスと前記排ガス導出装置を流れる排ガスとを熱交換するための第1熱交換器と、貯湯タンクと、該貯湯タンク内の貯湯量を測定する貯湯量センサと、前
記第１熱交換器から排出された排ガスと前記貯湯タンクの湯水とを熱交換するための第２熱交換器と、前記酸素含有ガスを、前記第1熱交換器を介さずに前記ハウジング内の前記
燃料電池に供給する酸素含有ガスバイパス装置と、前記貯湯量センサで求められた前記貯湯タンク内の貯湯量が所定値以下に低下した場合に、前記第1熱交換器を通過していた前
記酸素含有ガス量の一部または全部を、前記酸素含有ガスバイパス装置を介して前記燃料電池に供給するように前記酸素含有ガスバイパス装置を制御する制御装置とを具備しており、前記制御装置は、前記第1熱交換器を通過していた前記酸素含有ガス量の一部または
全部を、前記酸素含有ガスバイパス装置を介して前記燃料電池に供給するように前記酸素含有ガスバイパス装置を制御している最中に、前記第２熱交換器に導入される排ガスの温度が所定温度以上になった場合には、前記制御装置は、前記酸素含有ガスバイパス装置を介して前記燃料電池に供給する酸素含有ガス量を減少させるように前記酸素含有ガスバイパス装置を制御することを特徴とする。

本発明の燃料電池システムによれば、貯湯タンク内の貯湯量が所定値以下に低下した場合には、第1熱交換器を通過していた酸素含有ガス量の一部または全部を、酸素含有ガス
バイパス装置を介して燃料電池に供給するため、第２熱交換器には温度が高い排ガスが導入され、貯湯タンク内の湯水と熱交換するため、貯湯タンク内の湯水温度を上昇させ、貯湯量を増加でき、貯湯タンク内の湯水減少に対応して、貯湯タンク内の貯湯量を迅速に増加できる。

燃料電池システムの概略構成を示す図である。ハウジング外に第１熱交換器を具備する燃料電池システムの概略構成を示す図である。フローチャートを示す図である。ハウジング内に第１熱交換器を具備する燃料電池組立体の断面図である。図４の平面図である。図４の燃料電池組立体に使用されている発電ユニット集合体を示す斜面図である。図６の発電ユニットを示す斜視図である。図６のセルスタックを示す横断面図である。図４に示す燃料電池組立体を外装ケース内に収納してなる燃料電池装置を示す斜視図である。

図１は、燃料電池システムの一形態を示す構成図である。このような燃料電池システムは、本実施形態の発電を行なう燃料電池装置、熱交換後の湯水を貯湯する貯湯ユニットとから構成されており、これらの間は水を循環させるための循環配管で連結されている。

図１に示す燃料電池システムは、天然ガス等の原燃料（被改質ガスに相当）を供給する燃料ガス供給装置２、被改質ガスを改質するための改質触媒を内部に有する改質部と、改質部に供給する水蒸気を生成するための気化部とを有する改質器４、燃料電池セル（燃料電池）１に酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス供給装置３とを具備している。なお、改質部には、部分酸化改質、オートサーマル改質および水蒸気改質の少なくとも１種の改質方法を行なうことができる改質触媒が配置されている。

燃料ガス供給装置２は、天然ガス等の原燃料を改質器４に供給するためのポンプ５および燃料ガス供給管６を具備しており、酸素含有ガス供給装置３は、空気等の酸素含有ガスを燃料電池セル１に供給するためのブロア７および酸素含有ガス供給管８を具備している。

ここで図１に示す燃料電池システムにおいては、改質器４で水蒸気改質を行う場合に必要な水の供給元として、燃料電池１より排気される排ガスと水との熱交換により生じる凝縮水を主に用いることができる。

すなわち、図１に示す燃料電池システムにおいては、燃料電池セル１の発電により生じた排ガス（排熱）と酸素含有ガスとで熱交換を行なう第１熱交換器９、この第１熱交換器９の排ガス下流側に設けられ、排ガス（排熱）と水とで熱交換を行なう第２熱交換器１３、熱交換により生成された凝縮水を貯水する凝縮水タンク（図示せず）が設けられており
、凝縮水タンクに貯水された水（凝縮水）が、水ポンプにより改質器４（気化部）に供給されるように構成されている。

なお、図１に示す燃料電池システムにおいては、凝縮水タンクに貯水される水の量が少ない場合に、外部から改質器４（気化部）に水（水道水等）を供給することができるよう、水処理装置Ｘを具備する水供給装置１１が併設されている。ここで、水処理装置Ｘは、水を浄化するための活性炭フィルタ装置、逆浸透膜装置および浄化された水を純水にするためのイオン交換樹脂装置等の各装置から構成されている。

また、改質器４は、燃料電池セル１とともにハウジング１０内に収納され、かつ燃料電池セル１の一端側の上方に配置されている。それにより、燃料電池セル１に供給される燃料ガス（改質ガス）または改質器４（改質部）で未反応のガス（被改質ガス）を、燃料電池セル１の一方の端部側で燃焼させることにより、排ガスが燃焼排ガスとなり、改質器４（改質部および気化部）の温度をさらに上昇させることができ、ハウジング１０内を高温に維持でき、燃料電池セル１の発電温度を高温に維持できるとともに、排ガスが高温となるため、酸素含有ガス、湯水との熱交換効率を向上できる。

燃料電池セル１の上端と改質器４との間が、燃焼部Ｆとされている。ハウジング１０内に燃料電池セル１、改質器４等を収納して燃料電池組立体１２が構成されている。

さらに、図１に示す燃料電池システムは、燃料電池セル１にて発電された直流電力を交流電力に切り替え外部負荷に供給するためのパワーコンディショナ（図示せず）が設けられており、このパワーコンディショナを系統電源（負荷）と接続することで、燃料電池セル１の発電が開始されるとともに、負荷追従運転が開始されることとなる。

そして、図１に示す燃料電池システムは、パワーコンディショナ等を制御する制御装置１４が設けられている。なお、各制御については後述するものとし、制御装置１４は後述する外装ケース内に収納する、もしくは外装ケース外に別個に設けることができる。

さらに、図１においては、第２熱交換器１３の出口側に設けられ第２熱交換器１３の出口を流れる水（循環水流）の水温を測定するための出口水温センサ１５、および第２熱交換器１３の入口側に設けられ第２熱交換器１３の入口を流れる水（循環水流）の水温を測定するための入口水温センサ１６が設けられており、上述した各装置および後述する循環ポンプ１７を外装ケース内に収納することにより、燃料電池装置が構成されている。

また貯湯ユニットは、第２熱交換器１３での熱交換後の湯水を貯湯するための貯湯タンク１８を具備して構成され、さらに、第２熱交換器１３と貯湯タンク１８との間で水を循環させるための循環配管１９が設けられている。貯湯タンク１８内には、貯湯量センサ２０が設けられており、所定温度以上の貯湯量が測定され、そのデータが制御装置１４に送られるようになっている。

この貯湯量センサ２０は、貯湯タンク１８内において所定温度以上の湯水がどの程度貯湯されているかを検出することができる。

また、燃料電池セル１としては、各種燃料電池セルが知られているが、燃料電池を小型化する上で、固体酸化物形燃料電池セルとすることができる。それにより、燃料電池のほか、燃料電池の動作に必要な補機類を小型化することができ、燃料電池装置を小型化することができる。またあわせて、家庭用燃料電池で求められる変動する負荷に追従する負荷追従運転を行なうことができる。

そして、本実施形態では、酸素含有ガス供給装置３の酸素含有ガス供給管８には、第１熱交換器９が設けられており、ハウジング１０からの排ガスと熱交換するように構成されている。排ガスは、ハウジング１０から排ガス導出装置２７を介して導出され、排ガス導出装置２７は排ガス導出管２８を具備している。また、酸素含有ガス供給管８には、第１熱交換器９を迂回するようにバイバス管２１が配置されており、酸素含有ガス供給管８とバイバス管２１との上流側の分岐する位置には、分流器２２が設けられている。

この分流器２２よりも酸素含有ガス下流側の酸素含有ガス供給管８には、酸素含有ガス温度を測定するための温度計２３が設けられ、酸素含有ガス供給管８とバイバス管２１との合流地点よりも下流側には、熱交換された酸素含有ガスの温度、もしくは熱交換された酸素含有ガスと熱交換されない酸素含有ガスとの混合ガスの温度を測定するための温度計２４が設けられている。分流器２２とバイバス管２１とを具備して酸素含有ガスバイパス装置２５が構成されている。

また、第１熱交換器９と第２熱交換器１３との間の排ガス導出管２８には、排ガス温度を測定する温度計２６が設けられている。

制御装置１４は、貯湯量センサ２０からのデータを基に、貯湯タンク１８内の貯湯量が所定値以下に減少した場合（湯水需要が増加した場合）には、排ガスと第1熱交換器９で
熱交換していた酸素含有ガスの一部または全部を、第1熱交換器９を通過することなく迂
回させ、酸素含有ガスバイパス装置２５を介して燃料電池セル１に供給するように、分流器２２を制御する。

貯湯タンク１８内の貯湯量が所定値以下に減少した場合とは、貯湯量センサ２０の測定データから、所定温度以上の湯水が所定量以上減少した場合（第1熱交換器９で酸素含有
ガスを加熱していた場合には間に合わない場合）をいう。例えば、７０℃以上の湯水が１００リットル以下となった場合をいう。

酸素含有ガスの一部を第1熱交換器９で熱交換し、その他を、酸素含有ガスバイパス装
置２５を介して燃料電池セル１に供給する場合、酸素含有ガスバイパス装置２５を介して燃料電池セル１に供給する酸素含有ガスの割合は、貯湯量の低下状態で変更することができる。例えば、所定量から少し低下した場合には全体の５０％、かなり低下した場合には、全量、酸素含有ガスバイパス装置２５を介して燃料電池セル１に供給することができる。

制御装置１４は、第1熱交換器９を通過していた酸素含有ガスの一部または全部を、酸
素含有ガスバイパス装置２５を介して燃料電池セル１に供給するように酸素含有ガスバイパス装置２５の分流器２２を制御する際に、燃料電池セル１に供給する燃料ガスを増加するように燃料ガス導入装置２を制御することが望ましい。

酸素含有ガスの一部または全部が第1熱交換器９で予熱されないため、酸素含有ガスは
低温となり、ハウジング１０内が低温となりやすいが、燃料電池セル１に供給する燃料ガスを増加し、燃焼ガスからなる排ガス量が増加することで、ハウジング１０内を高温に維持でき、燃料電池セル１の発電温度を維持できるとともに、排ガスがさらに高温となるため、酸素含有ガス、湯水との熱交換効率をさらに向上できる。

ここで、燃料ガスを増加する量は、制御装置１４は、酸素含有ガスが第1熱交換器９で
加熱された熱量に相当する燃焼熱量を生成する増加量またはそれ以上の増加量となるように、燃料ガス供給装置２のポンプ５を制御することが望ましい。これにより、酸素含有ガスが第1熱交換器９で加熱される分だけ燃料ガスが増加され、燃焼されるため、本来燃料
電池セル１が加熱される予定であった温度に、燃料ガス増量で対応することができ、ハウジング１０内の温度を安定に保つことができる。

酸素含有ガスが第1熱交換器９で加熱された熱量は、第1熱交換器９の前後における酸素含有ガスの温度を測定する温度計２３、２４の温度差と、第1熱交換器９を通過する酸素
含有ガス量を用いて算出することができる。なお、この際、第1熱交換器９で加熱する前
の酸素含有ガスの温度は、温度計２３で測定された温度を用いることなく、例えば、酸素含有ガスのブロア７吸込み部の周辺の空気温度を計測しても良いし、固定した基準温度を用いても良く、カレンダー・時計より推測した推定値でも良い。

また、燃料ガスを増加する場合には、制御装置１４は、改質器４に供給される水量も増加させるようにポンプ(図示せず)を制御することが望ましい。これにより改質器４での炭素析出を抑制できる。また、燃料ガスを増加する場合には、制御装置１４は、燃料電池セル１に供給される酸素含有ガス量も増加させるように、酸素含有ガス供給装置３のブロア７を制御することが望ましい。これにより、燃料電池セル１に供給され、発電反応に用いられなかった燃料ガスの燃焼性を向上できる。

さらに、燃料ガスを増加する場合に、改質器４に供給される水量、燃料電池セル１に供給される酸素含有ガス量を増加させる場合には、燃料ガス、水、酸素含有ガスによる増加熱量が加味されることが望ましい。

また、制御装置１４は、第1熱交換器９を通過していた酸素含有ガスの一部または全部
を、酸素含有ガスバイパス装置２５を介して燃料電池セル１に供給するように酸素含有ガスバイパス装置２５の分流器２２を制御する際に、燃料電池セル１に供給する燃料ガスを段階的に増加もしくは漸次増加するように燃料ガス導入装置２のポンプ５を制御することが望ましい。これにより、燃料電池セル１の温度が急激に低下することを抑制でき、燃料電池セル１の劣化を抑制できる。また、第２熱交換器１３に流入する排ガス温度が一挙に高くなることを防止し、第２熱交換器１３を流れる湯水の沸騰を防止できる。

さらに、制御装置１４は、第1熱交換器９を通過していた酸素含有ガスの一部または全
部を、酸素含有ガスバイパス装置２５を介して燃料電池セル１に供給するように酸素含有ガスバイパス装置２５の分流器２２を制御している最中に、第２熱交換器１３に流入する排ガスの温度（温度計２６の温度）が所定温度以上になった場合には、制御装置１４は、燃料電池セル１に供給していた酸素含有ガス量のうち、酸素含有ガスバイパス装置２５を介して燃料電池セル１に供給する酸素含有ガス量を減少させるように酸素含有ガスバイパス装置２５を制御することが望ましい。

これにより、第２熱交換器１３に流入する排ガス温度が一挙に高くなることを防止し、第２熱交換器１３を流れる湯水の沸騰を防止できる。

第２熱交換器１３に流入する排ガスの温度を基準に、酸素含有ガスバイパス装置２５を流れる酸素含有ガス量を制御したが、例えば、排ガスの温度（温度計２６の温度）と、酸素含有ガス供給装置３を流れる酸素含有ガス量との積で表わされる熱量を算出して、この熱量が所定値以上となった場合に、制御装置１４は、酸素含有ガスバイパス装置２５を介して燃料電池セル１に供給する酸素含有ガス量を減少させるように酸素含有ガスバイパス装置２５を制御することができる。

なお、制御装置１４は、第1熱交換器９を通過していた酸素含有ガスの一部または全部
を、酸素含有ガスバイパス装置２５を介して燃料電池セル１に供給するように酸素含有ガスバイパス装置２５の分流器２２を制御している最中に、ハウジング１０内の温度が所定
温度以上になった場合には、制御装置１４は、燃料電池セル１に供給している酸素含有ガス量のうち、酸素含有ガスバイパス装置２５を介して燃料電池セル１に供給する酸素含有ガス量を増加させるように酸素含有ガスバイパス装置２５を制御することができる。この場合には、ハウジング１０内の温度を最適温度に制御できる。

図２は、燃料電池組立体１２の下面に第１熱交換器９を具備する例を示すもので、燃料電池組立体１２は、直方体状のハウジング１０の内部に、複数の燃料電池セル１を並設して電気的に直列に接続してなるセルスタックを収納して構成されており、ハウジング１０の下面に第１熱交換器９が配置されている。

図３は、本形態の燃料電池システムの運転方法を示すフローチャートである。通常は、貯湯タンク１８内の貯湯量が所定量以上であり、酸素含有ガスは、第1熱交換器９内を通
過し、排ガスと熱交換し、加熱されてハウジング１０内に供給されている。

そして、給湯需要が増加した場合、すなわち、貯湯量センサ２０で求められた貯湯量が所定値以下に低下した場合（第1熱交換器９で酸素含有ガスを加熱していた場合には間に
合わない場合）、制御装置１４は、排ガスと第1熱交換器９で熱交換していた酸素含有ガ
スの一部または全部を、酸素含有ガスバイパス装置２５を介して燃料電池セル１に供給するように制御する。

貯湯量が満蓄になった場合は、さらに給湯需要の増加に備える必要がある場合に、第２熱交換器１３の出口温度（Ｔｈ４）の制御温度を上げ、回収している温水の温度を上げる。

制御装置１４は、充分に給湯需要に備えることができたと判断した場合には、酸素含有ガスを酸素含有ガスバイパス装置２５を介して燃料電池セル１に供給する制御を停止し、第1熱交換器９を介して供給するように制御する。

このような燃料電池システムでは、貯湯タンク１８内に、給湯需要に対応できる湯水が蓄えられているときは、ハウジング１０内に導入される酸素含有ガスの予熱（第1熱交換
器９での排ガスによる加熱）でハウジング１０内を高温状態に安定に保持でき、発電性能を向上できる。

さらに、貯湯タンク１８内の湯水需要が増加した場合には、排ガスと第1熱交換器９で
熱交換していた酸素含有ガスの一部または全部を、第1熱交換器９を通過することなく迂
回して、酸素含有ガスバイパス装置２５を介して燃料電池セル１に供給するため、より高温の排ガスが第２熱交換器１３に導入され、貯湯タンク１８内の湯水と熱交換するため、貯湯タンク１８内の湯水温度を上昇させ、お湯生成量を増加でき、貯湯タンク１８内の湯水減少に対応して、貯湯タンク１８内の貯湯量を迅速に増加できる。

上記形態では、燃料電池組立体１２とは別個に第1熱交換器９を有する場合について説
明したが、図４に示すように、燃料電池組立体のハウジング内に第1熱交換器を有する場
合であっても良い。

すなわち、図４、５及び図６を参照して説明すると、図示の燃料電池組立体は略直方体形状のハウジング１０を具備している。このハウジング１０の６個の壁面には適宜の断熱材料から形成された断熱壁、即ち上断熱壁４４、下断熱壁４６、右側断熱壁４８、左側断熱壁４９、前断熱壁５０及び後断熱壁５１が配設されている。ハウジング１０内には燃焼部Ｆが規定されている。

前断熱壁及び／又は後断熱壁は着脱自在或いは開閉自在に装着されており、前断熱壁５０及び／又は後断熱壁５１を離脱或いは開動せしめることによって燃焼部Ｆ内にアクセスすることができる。所望ならば、各断熱壁の外面に金属板製でよい外壁を配設することができる。

ハウジング１０内の上端部には空気室（ガス室）５６が配設されている。空気室５６は上下方向寸法が比較的小さい直方体形状のケース５７内に規定されている。空気室５６には、燃焼部Ｆに向かって空気（酸素含有ガス）を送り込むための空気導入管（ガス供給手段）６２が連通している。空気導入管６２は複数本あり、その形状は円筒や中空板構造などが考えられる。空気導入管６２は後述するセルスタック間に配置されており、セルの下端部において開口し、この開口部から空気が噴出する構造となっている。空気導入管６２はセラミックスなどの耐熱性の高い材料で作製するのが好適である。

そして、本発明の燃料電池組立体では、空気室５６に、低温ガス供給管５８からなる低温ガス供給手段が設けられており、この低温ガス供給管５８は、上断熱壁４４を貫通し、外部に延設されている。

この低温ガス供給管５８は、空気室５６内に供給されるガスと同一種、即ち、低温の空気を空気室５６内に供給するものであり、低温ガス供給管５８により供給される空気は、予熱された空気の温度よりも低温である必要がある。特には、室温程度が望ましい。

低温ガス供給管５８は、図５に示すように、発電ユニット９６ａ、９６ｂ、９６ｃ及び９６ｄ、即ち、燃料電池セル集合体の中央部を冷却するような空気室５６の位置に接続されている。言い換えれば、発電ユニット９６ａ、９６ｂ、９６ｃ及び９６ｄ間に配設された空気導入管６２のケース５７側板への開口部集合体中央に対して、対向するケース５７側板の位置に開口するように低温ガス供給管５８が設けられている。

ハウジング１０の両側部、更に詳しくは右側断熱壁４８の内側及び左側断熱壁４９の内側には、全体として平板形状である第１熱交換器６４が配設されている。第1熱交換器６
４の各々は実質上鉛直に延在する中空平板形態のケース６６から構成されている。

かかるケース６６内にはその横方向中間に位置する仕切板６８が配設されており、ケース６６内は内側に位置する排出路７０と外側に位置する流入路７２とに区画されている。排出路７０内には上下方向に間隔をおいて３枚の仕切壁が配置されており、燃焼ガス排出路７０はジグザグ形態にせしめられている。なお、上下方向に間隔をおいて３枚の仕切壁を形成する必要はなく、ジグザグ形態の流路以外の形態でも良い。

同様に、流入路７２内にも上下方向に間隔をおいて３枚の仕切壁が配置されており、かくして流入路７２もジグザグ形態にせしめられている。なお、上下方向に間隔をおいて３枚の仕切壁を形成する必要はなく、ジグザグ形態の流路以外の形態でも良い。

ケース６６の内側壁の上端部には排出開口８２が形成されており、排出路７０は排出開口８２を介して発電・燃焼室５２と連通せしめられている。図示の実施形態においては、熱交換器６４の各々と発電・燃焼室５２との間には断熱部材８４が配設されているが、かかる断熱部材８４の上端は排出開口８２の下縁と実質上同高乃至これより幾分下方に位置せしめられており、排出開口８２は断熱部材８４の上方に残留せしめられている空間を通して発電・燃焼室５２に連通せしめられている。

ケース６６の上壁における外側部には流入開口８８が形成されており、流入路７２はかかる流入開口８８を介して空気室５６に連通せしめられている。熱交換器６４、流入開口
８８は、加熱ガス供給手段を構成している。熱交換器６４の各々の後方には上下方向に細長く延びる二重筒体９０（図４にその上端部のみを図示している）が配設されており、かかる二重筒体９０は外側筒部材９２と内側筒部材９４とから構成されている。排出路７０の下端部は外側筒部材９２と内側筒部材９４との間に規定されている排出路の下端部に接続されており、流入路７２の下端部は内側筒部材９４内に規定されている流入路に接続されている。

而して、図示の燃料電池組立体における上述したとおりの構成は、本出願人の出願にかかる特許文献１（特開２００５−１５８５２６号公報）に開示されている燃料電池組立体と実質上同一である。

上述した燃焼部Ｆの下部には４個の発電ユニット９６ａ、９６ｂ、９６ｃ及び９６ｄが配置されている。発電ユニット９６ａ、９６ｂ、９６ｃ及び９６ｄは、夫々、上述した空気導入管６２間に位置せしめられている。言い換えれば、発電ユニット９６ａ、９６ｂ、９６ｃ及び９６ｄ間に、空気導入管６２が配設されている。図４、５と共に、図６、７を参照して説明を続けると、発電ユニット９６ａは前後方向（図１において紙面に垂直な方向）に細長く延びる直方体形状の燃料ガスケース９８ａを具備している。

燃料ガス室を規定している燃料ガスケース９８ａの上面上にはセルスタック１００ａが装着されている。セルスタック１００ａは上下方向に細長く延びる燃料電池セル１を燃料ガスケース９８ａの長手方向（即ち前後方向）に複数個縦列配置して構成されている。図８に明確に図示する如く、燃料電池セル１の各々は電極支持基板１０４、内側電極層である燃料極層１０６、固体電解質層１０８、外側電極層である酸素極層１１０、及びインターコネクタ１１２から構成されている。

電極支持基板１０４は上下方向に細長く延びる板状片であり、平坦な両面と半円形状の両側面を有する。電極支持基板１０４にはこれを鉛直方向に貫通する複数個（図示の場合は６個）の燃料ガス通路１１４が形成されている。燃料電池セル１の各々は燃料ガスケース９８ａの上壁上に、例えば耐熱性に優れたセラミック接着剤によって接合される。

燃料ガスケース９８ａの上壁には開口部（図示していない）が形成されており、この開口部に燃料電池セル１の下端部、支持部材５の下端部等が挿入され、セラミック接着剤で接合され、電極支持基板１０４の各々に形成されている燃料ガス通路１１４が燃料ガス室に連通せしめられる。

インターコネクタ１１２は電極支持基板１０４の片面（図８のセルスタック１００ａにおいて上面）上に配設されている。燃料極層１０６は電極支持基板１０４の他面（図８のセルスタック１００ａにおいて下面）及び両側面に配設されており、その両端はインターコネクタ１１２の両端に接合せしめられている。固体電解質層１０８は燃料極層１０６の全体を覆うように配設され、その両端はインターコネクタ１１２の両端に接合せしめられている。酸素極層１１０は、固体電解質層１０８の主部上、即ち電極支持基板１０４の他面を覆う部分上に配置され、電極支持基板板１０４を挟んでインターコネクタ１１２に対向して位置せしめられている。

セルスタック１００ａにおける隣接する燃料電池セル１間には集電部材１１６が配設されており、一方の燃料電池セル１のインターコネクタ１１２と他方の燃料電池セル１の酸素極層１１０とを接続している。セルスタック１００ａの両端、即ち図８において上端及び下端に位置する燃料電池セル１の片面及び他面にも集電部材１１６が配設されている。セルスタック１００ａの両端に位置する集電部材１１６には電力取出手段（図示していない）が接続されており、かかる電力取出手段はハウジング１０の前断熱壁５０及び／又は
後断熱壁５１、または、下断熱壁４６を通してハウジング１０外に延在せしめられている。所望ならば、セルスタック１００ａ、１００ｂ、１００ｃ及び１００ｄの各々に電力取出手段を配設することに代えて、適宜の接続手段によってセルスタック１００ａ、１００ｂ、１００ｃ及び１００ｄを相互に直列接続し、４個のセルスタック１００ａ、１００ｂ、１００ｃ及び１００ｄに関して共通の電力取出手段を配設することもできる。

燃料電池セル１について更に詳述すると、電極支持基板１０４は燃料ガスを燃料極層１０６まで透過させるためにガス透過性であること、そしてまたインターコネクタ１１２を介して集電するために導電性であることが要求され、かかる要求を満足する多孔質の導電性セラミック（若しくはサーメット）から形成することができる。

燃料極層１０６は多孔質の導電性セラミック、例えば希土類元素が固溶しているＺｒＯ_２（安定化ジルコニアを称されている）とＮｉ及び／又はＮｉＯとから形成することができる。

固体電解質層１０８は、電極間の電子の橋渡しをする電解質としての機能を有していると同時に、燃料ガスと空気とのリークを防止するためにガス遮断性を有するものであることが必要であり、通常、３〜１５モル％の希土類元素が固溶したＺｒＯ_２から形成されている。

酸素極層１１０は所謂ＡＢＯ_３型のペロブスカイト型酸化物からなる導電セラミックから形成することができる。酸素極層１１０はガス透過性を有していることが必要であり、開気孔率が２０％以上、特に３０〜５０％の範囲にあることが好ましい。

インターコネクタ１１２は導電性セラミックから形成することができるが、水素ガスでよい燃料ガス及び空気と接触するため、耐還元性及び耐酸化性を有することが必要であり、このためにランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物（ＬａＣｒＯ_３系酸化物）が好適に使用される。インターコネクタ１１２は電極支持基板１０４に形成された燃料ガス通路１１４を通る燃料ガス及び電極支持基板１０４の外側を流動する空気のリークを防止するために緻密質でなければならず、９３％以上、特に９５％以上の相対密度を有していることが望まれる。

集電部材１１６は弾性を有する金属又は合金から形成された適宜の形状の部材或いは金属繊維又は合金繊維から成るフェルトに所要表面処理を加えた部材から構成することができる。

図７を参照して説明を続けると、発電ユニット９６ａは、セルスタック１００ａの上方を前後方向に細長く延びる長方体形状（或いは円筒形状）であるのが好都合である改質ケース１１８ａも具備している。改質ケース１１８ａの前面には燃料ガス送給管１２０ａの一端即ち上端が接続されている。

燃料ガス送給管１２０ａは下方に延び、次いで湾曲して後方に延び、燃料ガス送給管１２０ａの他端は上記燃料ガスケース９８ａの前面に接続されている。改質ケース１１８ａの後面には被改質ガス供給管１２２ａの一端が接続されている。被改質ガス供給管１２２ａは改質ケースから下方に延び、ハウジング１０の下を通ってハウジング１０外に延出している。

被改質ガス供給管１２２ａは都市ガス等の炭化水素ガスでよい被改質ガス供給源（図示していない）に接続されており、被改質ガス供給管１２２ａを介して改質ケース１１８ａに被改質ガスが供給される。改質ケース１１８ａ内には燃料ガスを水素リッチな燃料ガス
に改質するための適宜の改質触媒が収容されている。

図示の実施形態においては、改質ケース１１８ａは燃料ガス送給管１２０ａを介して燃料ガスケース９８ａに接続され、これによって所要位置に保持されているが、所要ならば、図７に二点鎖線で図示する如く、例えば上記被改質ガス供給管１２２ａの下面と燃料ガスケース９８ａの後端部下面或いは後面との間に適宜の支持部材１２４ａを付設することもできる。

図６において説明すると、発電ユニット９６ｃは上述した発電ユニット９６ａと実質上同一であり、発電ユニット９６ｂ及び９６ｄは、発電ユニット９６ａ及び９６ｃに対して前後方向が逆に配置されていること、従って改質ケース１１８ｂ及び１１８ｄと燃料ガスケース９８ｂ及び９８ｄとを接続する燃料ガス送給管（図示していない）が後側に配置され、被改質ガス供給管１２２ｂ及び１２２ｄが改質ケースから下方に延び、ハウジング１０の下を通ってハウジング１０外に延出している。

上述したとおりの燃料電池組立体においては、被改質ガスが被改質ガス供給管１２２ａ、１２２ｂ、１２２ｃ、１２２ｄを介して改質ケース１１８ａ、１１８ｂ、１１８ｃ及び１１８ｄに供給され、改質ケース１１８ａ、１１８ｂ、１１８ｃ及び１１８ｄ内において水素リッチな燃料ガスに改質された後に、燃料ガス送給管１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ、１２０ｄを通して燃料ガスケース９８ａ、９８ｂ、９８ｃ及び９８ｄ内に規定されている燃料ガス室に供給され、次いでセルスタック１００ａ、１００ｂ、１００ｃ及び１００ｄに供給される。

セルスタック１００ａ、１００ｂ、１００ｃ及び１００ｄの各々においては、酸素極において、
１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２−（固体電解質）
の電極反応が生成され、燃料極において、
Ｏ^２−（固体電解質）＋Ｈ_２→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻
の電極反応が生成されて発電される。

発電に使用されることなくセルスタック１００ａ、１００ｂ、１００ｃ及び１００ｄから上方に流動した燃料ガス及び空気は、起動時に発電・燃焼室１２内に配設されている点火手段（図示していない）によって点火されて燃焼される。周知の如く、セルスタック１００ａ、１００ｂ、１００ｃ及び１００ｄにおける発電に起因して、そしてまた燃料ガスと空気との燃焼に起因して発電・燃焼室１２内は例えば１０００℃程度の高温になる。改質ケース１１８ａ、１１８ｂ、１１８ｃ及び１１８ｄは燃焼部Ｆ内に配設され、セルスタック１００ａ、１００ｂ、１００ｃ及び１００ｄの直ぐ上方に位置せしめられており、燃焼炎によって直接的にも加熱され、かくして燃焼部Ｆ内に生成される高温が被改質ガスの改質に効果的に利用される。

燃焼部Ｆ内に生成された燃焼ガスは第1熱交換器６４に形成されている排出開口８２か
ら排出路７０に流入し、ジグザグ状に延在する排出路７０を流動した後に二重筒体９０の外側筒部材９２と内側筒部材９４との間に規定されている排出路を通して排出される。燃焼ガスが二重筒体９０における排出路を流動する際には、二重筒体９０における流入路を空気が流動し、燃焼ガスと空気との間で熱交換が行われる。

そしてまた、燃焼ガスが第1熱交換器６４の排出路７０をジグザグ状に流動せしめられ
る際には、空気が第1熱交換器６４の流入路７２をジグザグ状に流動せしめられる。かく
して燃焼ガスと空気との間で効果的に熱交換されて空気が予熱される。

このような第1熱交換器６４をハウジング１０内に収容してなる燃料電池組立体１２も
、本実施形態の燃料電池システムに適用できる。

次に、燃料電池組立体１２と、燃料電池組立体１２を作動させるための補機（図示せず）とを外装ケースに収納してなる燃料電池装置について図９を用いて説明する。

図９に示す燃料電池装置は、支柱１２６と外装板１２７から構成される外装ケース内を仕切板１２８により上下に区画し、その上方側を上述した燃料電池組立体１２を収納する燃料電池組立体収納室１２９とし、下方側を燃料電池組立体１２を作動させるための補機を収納する補機収納室１３０として構成されている。なお、補機収納室１３０に収納する補機を省略して示している。

また、仕切板１２８には、補機収納室１３０の空気をモジュール収納室１２９側に流すための空気流通口１３１が設けられており、モジュール収納室１２９を構成する外装板１２７の一部に、モジュール収納室１２９内の空気を排気するための排気口１３２が設けられている。

以上、本発明について詳細に説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。

１：燃料電池セル（燃料電池）
２：燃料ガス導入装置
３：酸素含有ガス導入装置
９、６４：第1熱交換器
１０：ハウジング
１３：第２熱交換器
１４：制御装置
１８：貯湯タンク
２０：貯湯量センサ
２５：酸素含有ガスバイパス装置
２７：排ガス導出装置

Claims

ハウジングと、該ハウジング内に収納された燃料電池と、該燃料電池に前記ハウジング外から酸素含有ガスを導入するための酸素含有ガス導入装置と、前記燃料電池に前記ハウジング外から燃料ガスを導入するための燃料ガス導入装置と、前記ハウジング内の排ガスを排出するための排ガス導出装置と、前記酸素含有ガス導入装置を流れる酸素含有ガスと前記排ガス導出装置を流れる排ガスとを熱交換するための第1熱交換器と、貯湯タンクと
、該貯湯タンク内の貯湯量を測定する貯湯量センサと、前記第１熱交換器から排出された排ガスと前記貯湯タンクの湯水とを熱交換するための第２熱交換器と、前記酸素含有ガスを、前記第1熱交換器を介さずに前記ハウジング内の前記燃料電池に供給する酸素含有ガ
スバイパス装置と、前記貯湯量センサで求められた前記貯湯タンク内の貯湯量が所定値以下に低下した場合に、前記第1熱交換器を通過していた前記酸素含有ガス量の一部または
全部を、前記酸素含有ガスバイパス装置を介して前記燃料電池に供給するように前記酸素含有ガスバイパス装置を制御する制御装置とを具備しており、
前記制御装置は、前記第1熱交換器を通過していた前記酸素含有ガス量の一部または全
部を、前記酸素含有ガスバイパス装置を介して前記燃料電池に供給するように前記酸素含有ガスバイパス装置を制御している最中に、前記第２熱交換器に導入される排ガスの温度が所定温度以上になった場合には、前記制御装置は、前記酸素含有ガスバイパス装置を介して前記燃料電池に供給する酸素含有ガス量を減少させるように前記酸素含有ガスバイパス装置を制御することを特徴とする燃料電池システム。
前記燃料電池に供給され、発電に用いられなかった前記燃料ガスが燃焼することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
前記制御装置は、前記第1熱交換器を通過していた前記酸素含有ガス量の一部または全
部を、前記酸素含有ガスバイパス装置を介して前記燃料電池に供給するように前記酸素含有ガスバイパス装置を制御する際に、前記燃料電池に供給する燃料ガスを増加するように前記燃料ガス導入装置を制御することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
前記制御装置は、前記第1熱交換器を通過していた前記酸素含有ガス量の一部または全
部を、前記酸素含有ガスバイパス装置を介して前記燃料電池に供給するように前記酸素含有ガスバイパス装置を制御する際に、前記燃料電池に供給する燃料ガスを段階的に増加もしくは漸次増加するように前記燃料ガス導入装置を制御することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。