JP6379789B2 - 燃料電池装置 - Google Patents

Description

本発明は燃料電池装置に関する。

燃料電池装置は、燃料及び酸化剤が持つ化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する発電装置である。その発電効率は非常に高く、また排出されるガスも比較的クリーンであることから、次世代の発電装置として注目されている。

燃料電池装置の動作中においては、燃料電池スタック（セルスタック）の温度は発電に適した温度に維持される。例えば、固体酸化物型の燃料電池装置の場合、燃料電池スタックは約７００度の高温に維持される。

また、燃料電池スタックでは発電に伴って熱が生じる。このため、発電量が比較的大きな定常運転時においては、当該熱によって燃料電池スタックの温度は上昇する傾向にある。従って、燃料電池スタックは冷却されることによって発電に適した温度に維持される。具体的には、酸化剤が、予め燃料電池スタックとの熱交換が行われるような流路を通過した後に燃料電池スタックに供給される。つまり、酸化剤によって燃料電池スタックの冷却が行われる。

一方、燃料電池装置の起動時においては、燃料電池スタックの温度を発電に適した温度まで短時間で上昇させる必要がある。しかし、起動時には発電が行われていない（もしくは発電量が非常に小さい）ため、燃料電池スタックの温度は発電に伴う熱によっては上昇し難い。このため、起動時においては、燃料電池スタックは定常運転時のように冷却されるのではなく、むしろ加熱される必要がある。

下記特許文献１に記載の燃料電池装置では、酸化剤（空気）が通る流路内にバーナーが配置されている。起動時においては、当該バーナーによって加熱された高温の空気を燃料電池スタックに供給することにより、短時間で燃料電池スタックの温度を上昇させる構成となっている。

特開２００５−３１７２３２号公報

しかしながら、起動時における酸化剤（及び燃料電池スタック）の加熱を目的としてバーナーを追加することは、燃料電池装置の構造を複雑化させ、コストの上昇につながってしまう。また、バーナーが内部に追加配置されることによって燃料電池装置全体のサイズが大型化してしまうという問題も生じ得る。更に、燃料電池装置の起動が完了して定常運転状態となった後は、上記のように燃料電池スタックは加熱されるのではなく冷却される必要があるので、バーナーは停止することとなる。つまり、追加されるバーナーは起動時にしか用いられないので、この点に鑑みても無駄が大きい。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、起動時専用のバーナーを追加して設けることなく、起動時において燃料電池スタックの温度を迅速に上昇させることのできる燃料電池装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る燃料電池装置は、原燃料を改質して改質燃料を生成する改質器（３０２）と、改質燃料と酸化剤との供給を受けて発電する燃料電池スタック（ＣＳ）と、燃料電池スタックから排出された改質燃料を燃焼させることにより、改質器を加熱する燃焼器（２０）と、酸化剤を、燃料電池スタックと熱交換させた後に燃料電池スタックに供給する第１供給手段（４０）と、を備えている。また、酸化剤を、燃焼器における燃焼により生じた燃焼熱により加熱して、燃料電池スタックと熱交換させることなく燃料電池スタックに供給する第２供給手段（５０）を更に備えている。また、上記の燃料電池装置には、燃焼器の熱膨張に伴って第２供給手段が変形してしまうことを抑制する変形抑制手段（ＧＰ）が設けられている。

本発明に係る燃料電池装置では、酸化剤を燃料電池セルスタックに供給する手段として、単一ではなく二つの供給手段（第１供給手段、第２供給手段）を備えている。燃料電池装置の起動が完了して発電が定常的に行われるようになった状態においては、第１供給手段から酸化剤を燃料電池スタックに供給することで、燃料電池スタックを酸化剤により冷却して適温に保つことができる。また、燃料電池装置の起動時においては、第２供給手段から高温の酸化剤を燃料電池スタックに供給することで、燃料電池スタックの温度を迅速に上昇させ、短期間で起動を完了させることができる。

第２供給手段から燃料電池スタックに供給される酸化剤は、改質器を加熱するために設けられた既存の燃焼器によって加熱されて高温となる。つまり、本発明によれば、起動時専用のバーナーを追加して設けることなく、起動時において高温の空気を燃料電池スタックに供給することができる。

ところで、起動時において、酸化剤を途中で燃料電池スタックと熱交換させるような経路で燃料電池スタックに供給した場合には、燃料電池スタックの温度上昇が酸化剤によって妨げられてしまうことも起こりうる。例えば、燃料電池スタックの温度がある程度上昇した後（起動ステップの終盤）においては、複雑な流路を通って温度が低下した酸化剤の方が燃料電池スタックよりも低温となってしまうことがある。この場合、輻射等の伝熱によって燃料電池スタックの熱が酸化剤に奪われてしまい（つまり、酸化剤との熱交換によって燃料電池スタックが冷却され）、燃料電池スタックの温度上昇が妨げられてしまうこととなる。

これに対し、本発明における第２供給手段は、酸化剤ガスを燃料電池スタックと熱交換させることなく燃料電池スタックに供給するように構成されている。酸化剤は、燃焼器における燃焼により生じた燃焼熱により加熱された後、複雑な流路を通ることなく直ちに燃料電池スタックに供給される。酸化剤により燃料電池スタックの熱が奪われてしまうことが抑制される結果、起動時における燃料電池スタックの温度上昇が更に迅速に行われる。

本発明によれば、起動時専用のバーナーを追加して設けることなく、起動時において燃料電池スタックの温度を迅速に上昇させることのできる燃料電池装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係る燃料電池装置の内部構造を示す模式図である。 図１に示される燃料電池装置における、熱及び空気の流れを示すブロック図である。 図１に示される燃料電池装置における、熱及び空気の流れを示すブロック図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。

図１に示されるように、燃料電池装置ＦＣは、燃料電池スタックＣＳ（セルスタック）と、ケーシング１０と、燃焼器２０と、改質ユニット３０と、を備えている。

燃料電池スタックＣＳは、複数の燃料電池セル（不図示）の集合体である。各燃料電池セルは、固体酸化物形の燃料電池セル（Solid Oxide Fuel Cell：ＳＯＦＣ）であって、平板状の固体電解質の一方側の面に燃料極（アノード）が形成され、他方側の面に空気極（カソード）が形成された構成となっている。これら燃料極及び空気極は、いずれも導電性のセラミックスで形成された多孔質体である。

燃料電池スタックＣＳでは、全ての燃料電池セルが上下方向に積層されており、これらが電気的に直列接続された状態となっている。燃料電池スタックＣＳは、スタックアダプタＡＤを介してベースプレートＢＰの上面側に立設されている。

スタックアダプタＡＤは、内部に複数のガス流路（不図示）が形成された板状の部材である。後に説明するように、燃料電池スタックＣＳに対する燃料ガスの供給は、スタックアダプタＡＤを介して行われる。また、燃料電池スタックＣＳからのガスの排出（発電に供しなかった残余の燃料ガス及び空気の排出）も、スタックアダプタＡＤを介して行われる。ベースプレートＢＰは、ケーシング１０の内部に水平に配置された円形の金属板である。ベースプレートＢＰにより、ケーシング１０の内部空間は概ね上下２室に分けられている。

ケーシング１０は、燃料電池スタックＣＳ、燃焼器２０、改質ユニット３０等を内部に収容する略円柱形状の筐体である。ケーシング１０は、その側面及び上面の全体を断熱材（不図示）により覆われている。ケーシング１０は、第１筒状体１１０と、第２筒状体１２０と、第３筒状体１３０と、第４筒状体１４０と、第５筒状体１５０と、第６筒状体１６０とを有している。第１筒状体１１０、第２筒状体１２０、第３筒状体１３０、第４筒状体１４０、第５筒状体１５０、及び第６筒状体１６０は、いずれも金属製で中心軸周りに略円筒状に形成されており、それぞれの中心軸が同軸となるように配置されている。

第１筒状体１１０は、ケーシング１０のうち最も内側に配置された筒状体であって、燃料電池スタックＣＳ及びスタックアダプタＡＤをその内部に収容している。第１筒状体１１０の上端は水平な天板１８１によって塞がれている。また、第１筒状体１１０の下端はベースプレートＢＰの上面に当接した状態で固定されている。第１筒状体１１０の下端から上端までの高さは、スタックアダプタＡＤの下端から燃料電池スタックＣＳの上端までの高さよりも高くなっている。このため、天板１８１と燃料電池スタックＣＳの上端とは離間している。第１筒状体１１０の下部には、貫通孔である吹出口１１１が複数形成されている。これら複数の吹出口１１１は、同じ高さにおいて等間隔に並ぶよう形成されている。吹出口１１１は、燃料電池スタックＣＳに向けて供給される発電用の空気（酸化剤ガス）が通る孔である。

第２筒状体１２０は、第１筒状体１１０を外側から囲むように配置された筒状体である。第２筒状体１２０の内側面と第１筒状体１１０の外側面との間には、全周に亘って一定の隙間が形成されている。第２筒状体１２０と第１筒状体１１０との間に形成された空間は、発電用の空気が加熱されながら通る流路（空気流路４０３）となっている。

第２筒状体１２０の内径は、ベースプレートＢＰの外径と略等しい。第２筒状体１２０の下端部近傍における内側面は、全周に亘ってベースプレートＢＰの側面に当接している。当該当接部分において、第２筒状体１２０がベースプレートＢＰに対して固定されている。このような構成により、ベースプレートＢＰよりも下方側の空間と空気流路４０３との間を気体が出入りすることはできなくなっている。

第３筒状体１３０は、第２筒状体１２０を外側から囲むように配置された筒状体である。第３筒状体１３０の内側面と第２筒状体１２０の外側面との間には、全周に亘って一定の隙間が形成されている。第３筒状体１３０と第２筒状体１２０との間に形成された空間は、燃焼器２０における燃焼により生じた高温の燃焼排ガスが通る流路（燃焼排ガス流路４１１）となっている。第３筒状体１３０の上端は、第２筒状体１２０の上端よりも低い位置に配置されている。第３筒状体１３０はベースプレートＢＰの下端よりも更に下方側まで延びている。

第４筒状体１４０は、第３筒状体１３０を外側から囲むように配置された筒状体である。第４筒状体１４０の内側面と第３筒状体１３０の外側面との間には、全周に亘って一定の隙間が形成されている。第４筒状体１４０と第３筒状体１３０との間に形成された空間は、燃焼器２０における燃焼により生じた高温の燃焼排ガスが通る流路（燃焼排ガス流路４１２）となっている。

第２筒状体１２０の上端と第４筒状体１４０の上端とは、その高さ方向の位置が同一となっている。両者は、水平に配置されたドーナツ状の円板である天板１８２により繋がれている。つまり、第２筒状体１２０の上端が天板１８２の内周端に繋れており、第４筒状体１４０の上端が天板１８２の外周端に繋れている。第３筒状体１３０の上端と天板１８２との間には隙間が形成されている。このため、燃焼排ガス流路４１１と燃焼排ガス流路４１２とは、それぞれの上端部において互いに繋がっている。

第３筒状体１３０の下端と第４筒状体１４０の内側面とは、水平に配置されたドーナツ状の円板である底板１８３により繋がれている。つまり、燃焼排ガス流路４１２の下端が底板１８３により塞がれている。

第４筒状体１４０の下部（底板１８３よりも僅かに上方側）には、ガス排出管１９１が接続されている。ガス排出管１９１の内部空間は燃焼排ガス流路４１２に通じている。ガス排出管１９１は、燃焼排ガス流路４１２を通った燃焼排ガスをケーシング１０の外部に排出するための配管である。

第４筒状体１４０は、第３筒状体１３０の下端よりも更に下方側まで延びている。第４筒状体１４０の下端には、当該下端から外側に向かって延びる水平なフランジ部１４１が形成されている。フランジ部１４１は、燃料電池装置ＦＣが設置される際においてケーシング１０の固定に利用されるフランジである。

第４筒状体１４０の下端部近傍には、水平な円板である底板１８４が配置されている。底板１８４の外径は第４筒状体１４０の内径と略等しい。底板１８４は、その外側面全体を第４筒状体１４０の内側面に当接させた状態で固定されている。底板１８４の下方側の空間には断熱材ＴＩが配置されている。

第５筒状体１５０は、ケーシング１０のうち最も外側に配置された筒状体であり、第４筒状体１４０の上部を外側から囲むように配置されている。第５筒状体１５０の内側面と第４筒状体１４０の外側面との間には、全周に亘って一定の隙間が形成されている。第５筒状体１５０と第４筒状体１４０との間に形成された空間は、発電用の空気が加熱されながら通る流路（空気流路４０１）となっている。

第５筒状体１５０は、第１筒状体１１０、第２筒状体１２０、第３筒状体１３０、及び第４筒状体１４０のいずれの上端よりも更に上方側まで延びている。第５筒状体１５０の上端は水平な天板１８５によって塞がれている。天板１８５と天板１８２との間には隙間４０２が形成されている。空気流路４０１の上端部と空気流路４０３の上端部とは、隙間４０２を介して互いに繋がっている。

第５筒状体１５０の下端と第４筒状体１４０の外側面とは、水平に配置されたドーナツ状の円板である底板１８６により繋がれている。つまり、空気流路４０１の下端が底板１８６により塞がれている。

第５筒状体１５０の下部（底板１８６よりも僅かに上方側）には、第１空気導入管１９２の一端が接続されている。第１空気導入管１９２の内部空間は空気流路４０１に通じている。第１空気導入管１９２は、発電用の空気をケーシング１０の内部に導入するための配管である。第１空気導入管１９２の他端は、ケーシング１０の外部に配置された第１ブロアＢＬ１に接続されている。第１ブロアＢＬ１は、空気供給源（本実施形態では大気）からの空気を、第１空気導入管１９２に送り込むための送風機である。

第６筒状体１６０は、第３筒状体１３０の内側であり且つベースプレートＢＰの下方側となる位置に配置された筒状体である。第６筒状体１６０は、上方側の部分である上円筒部１６１と、下方側の部分である下円筒部１６２とを有している。上円筒部１６１の径は下円筒部１６２の径に比べて小さい。上円筒部１６１の下端と下円筒部１６２の上端とは、水平に配置されたドーナツ状の円板である中間部１６３で繋がれている。上円筒部１６１の上端はベースプレートＢＰの下面に当接している。下円筒部１６２の下端は底板１８４の上面に当接している。

下円筒部１６２の径は第３筒状体１３０の径よりも小さい。このため、第３筒状体１３０と第６筒状体１６０との間には全周に亘って隙間が形成されている。また、当該隙間には改質ユニット３０が配置されているが、改質ユニット３０と第６筒状体１６０との間にも全周に亘って隙間が形成されている。以下の説明においては、第６筒状体１６０の内側に形成された空間を「内側空間６０１」とも称する。また、第６筒状体１６０の下円筒部１６２と、改質ユニット３０の内側円筒３２０との間に形成された空間を、「外側空間６０２」とも称する。

下円筒部１６２のうち、改質ユニット３０の下端部よりも低い位置には、貫通孔である流出口１６５が複数形成されている。これら複数の流出口１６５は、同じ高さにおいて等間隔に並ぶよう形成されている。これら流出口１６５により、内側空間６０１と外側空間６０２とが連通されている。流出口１６５は、燃焼器２０における燃焼により生じた高温の燃焼排ガスが通る孔である。

燃焼器２０は、発電に供しなかった残余の燃料ガス（以下、「残余燃料」とも称する）及び発電に供しなかった残余の空気（以下、「残余空気」とも称する）を混合して燃焼させることにより、改質ユニット３０を加熱するためのバーナーである。燃焼器２０はステンレス鋼により形成されている。燃焼器２０は、全体が略円柱形状に形成されており、ベースプレートＢＰの下面のうち中央から下方に向けて突出するように配置されている。また、上面視において、燃焼器２０はケーシング１０の中央となる位置（上円筒部１６１の中心軸に沿った位置）に配置されている。

燃料電池スタックＣＳから排出された残余燃料及び残余空気は、いずれもスタックアダプタＡＤ内に形成された流路（不図示）及びベースプレートＢＰ内に形成された流路（不図示）を通じて、燃焼器２０の上端部へと供給される。その後、残余燃料及び残余空気は、燃焼器２０内に形成された流路（不図示）を通って燃焼器２０の下端部に到達し、下端部において混合されながら下方に向けて噴出される。燃焼器２０の下端部では、噴出された残余燃料及び残余空気が燃焼し、高温の燃焼排ガスが生じる。また、当該燃焼の熱により燃焼器２０自体も高温となる。

燃焼器２０の下方側には着火器ＩＧが配置されている。着火器ＩＧは、燃焼器２０から噴出された残余燃料及び残余空気の混合気体に着火させて、燃焼を開始させるための装置である。着火器ＩＧは、底板１８４及び断熱材ＴＩを上下に貫いており、火花放電が生じる上端部を燃焼器２０の下端に近接させた状態で配置されている。着火器ＩＧによる着火は、燃料電池装置ＦＣの起動時において行われる。

内側空間６０１には第２空気導入管５１０の一部が配置されている。第２空気導入管５１０は、ステンレス鋼によって形成された断面が円形の配管であって、底板１８４及び断熱材ＴＩを上下に貫いた状態で配置されている。第２空気導入管５１０の一端（上端）はベースプレートＢＰの下面に接続されている。第２空気導入管５１０の他端は、ケーシング１０の外部に配置された第２ブロアＢＬ２に接続されている。第２ブロアＢＬ２は、空気供給源（本実施形態では大気）からの空気を、第２空気導入管５１０に送り込むための送風機である。

また、第１筒状体１１０の内部空間（燃料電池スタックＣＳが収納されている空間）には空気噴出管５２０が配置されている。空気噴出管５２０は、ステンレス鋼によって形成された断面が円形の配管であって、その下端がスタックアダプタＡＤの上面に接続されており、その上端が開放されている。空気噴出管５２０は燃料電池スタックＣＳの側方側に配置されており、その開放端（上端）は、第１筒状体１１０に形成された吹出口１１１の近傍に位置している。

第２空気導入管５１０の内部と空気噴出管５２０の内部とは、ベースプレートＢＰ内に形成された空気流路（不図示）及びスタックアダプタＡＤ内に形成された空気流路（不図示）を介して接続されている。つまり、第２ブロアＢＬ２から第２空気導入管５１０に空気が送られると、当該空気は空気噴出管５２０の上端から噴出されて燃料電池スタックＣＳに供給される。

第２空気導入管５１０は、その上端近傍の部分（符号５１１が付された部分）が螺旋状となっており、当該部分が燃焼器２０の周囲を取り囲んでいる。このため、第２空気導入管５１０を流れる空気は、燃焼器２０の中心軸の周りを周回しながら流れることとなる。この螺旋状に形成された部分を、以下では螺旋部５１１と表記する。螺旋部５１１のうち最も内周側の部分と、燃焼器２０の外周面との間は離間しており、隙間ＧＰが形成されている。つまり、第２空気導入管５１０は、その一部たりとも燃焼器２０とは繋がっておらず、燃焼器２０とは別体の構造物となっている。

螺旋部５１１は、主に燃焼器２０からの輻射熱を受けて高温となる。このため、第２空気導入管５１０の内部を上方に向かって流れる空気は、螺旋部５１１において加熱され高温となった状態で空気噴出管５２０に到達し、燃料電池スタックＣＳの周囲に噴出される。

また、燃焼器２０は、第２空気導入管５１０及びこれを流れる空気に輻射熱を奪われるため（輻射により冷却されるため）、その温度上昇が抑制される。このように、第２空気導入管５１０は、燃料電池スタックＣＳに供給される空気の温度を上昇させる機能と、燃焼器２０の温度が上昇し過ぎてしまうことを防止する機能と、を兼ね備えたものということができる。

改質ユニット３０の構成について説明する。改質ユニット３０は、改質反応によって都市ガス（原燃料）から燃料ガス（改質燃料：水素含有ガス）を生成する改質器３０２と、水蒸気を発生させて改質器３０２に供給する蒸発器３０１とが一体となったものである。改質ユニット３０は、その全体が略円筒形状となっており、ケーシング１０の内部のうち第３筒状体１３０と第６筒状体１６０との間の空間に配置されている。改質ユニット３０は、外側円筒３１０と、内側円筒３２０と、天板３３０と、第１底板３４０と、第２底板３５０と、第１仕切板３６０と、第２仕切板３７０とを有している。

外側円筒３１０は、改質ユニット３０の外側面を形成する筒状体である。外側円筒３１０の中心軸は第３筒状体１３０の中心軸と一致している。外側円筒３１０の外径は第３筒状体１３０の内径に略等しい。外側円筒３１０は、その外側面の略全体が第３筒状体１３０の内側面に当接している。外側円筒３１０は、底板１８３よりも更に下方側まで延びている。

内側円筒３２０は、改質ユニット３０の内側面を形成する筒状体である。内側円筒３２０の中心軸は第３筒状体１３０の中心軸と一致している。内側円筒３２０の外径は、外側円筒３１０の内径よりも小さい。このため、外側円筒３１０と内側円筒３２０と間には空間が形成されている。後に説明するように、当該空間の一部が、水が水蒸気となって流れる空間となっている。また、当該空間の他の一部が、改質反応が生じて燃料ガスが生成される空間となっている。

内側円筒３２０の内径は、第３筒状体１３０の下円筒部１６２の外径よりも大きい。このため、既に説明したように、改質ユニット３０と第６筒状体１６０との間には全周に亘って隙間が形成されている。内側円筒３２０の上端の高さは、外側円筒３１０の上端の高さと同一となっている。一方、内側円筒３２０の下端の高さは、外側円筒３１０の下端の高さよりも高くなっており、底板１８３の下端の高さと同一となっている。

天板３３０は、水平に配置されたドーナツ状の円板である。天板３３０の外側面は、外側円筒３１０の内側面のうち上端部に繋がっている。また、天板３３０の内側面は、内側円筒３２０の外側面のうち上端部に繋がっている。このように、天板３３０によって外側円筒３１０の上端と内側円筒３２０の上端とが繋がれている。

第１底板３４０は、水平に配置されたドーナツ状の円板である。第１底板３４０は底板１８３と同一の高さとなる位置に配置されている。第１底板３４０の外側面は、後述の第１仕切板３６０の内側面に繋がっている。また、第１底板３４０の内側面は、内側円筒３２０の内側面のうち下端部に繋がっている。

第２底板３５０は、水平に配置されたドーナツ状の円板である。第２底板３５０の外側面は、外側円筒３１０の内側面のうち下端部に繋がっている。また、第２底板３５０の内側面は、後述の第１仕切板３６０の外側面のうち下端部に繋がっている。このため、第２底板３５０は第１底板３４０よりも低い位置に配置されている。

第１仕切板３６０は、その一部が改質ユニット３０の内部に配置された筒状体である。第１仕切板３６０の中心軸は、外側円筒３１０の中心軸及び内側円筒３２０の中心軸と一致している。第１仕切板３６０の外径は、外側円筒３１０の内径よりも小さい。このため、外側円筒３１０と第１仕切板３６０と間には、全周に亘って一定の隙間が形成されている。

第１仕切板３６０の上端の高さは、外側円筒３１０の上端の高さよりも低くなっている。このため、第１仕切板３６０の上端と天板３３０の下面との間には隙間が空いている。第１仕切板３６０の下端の高さは、外側円筒３１０の下端の高さと同一となっている。既に述べたように、第１仕切板３６０の下端部には外側から第２底板３５０が繋がっている。また、第１仕切板３６０には内側から第１底板３４０が繋がっている。

第２仕切板３７０は、その全体が改質ユニット３０の内部に配置された筒状体である。第２仕切板３７０の中心軸は、外側円筒３１０の中心軸及び内側円筒３２０の中心軸と一致している。第２仕切板３７０の外径は、第１仕切板３６０の内径よりも小さい。このため、第２仕切板３７０と第１仕切板３６０と間には、全周に亘って一定の隙間が形成されている。また、第２仕切板３７０の内径は、内側円筒３２０の外径よりも大きい。このため、第２仕切板３７０と内側円筒３２０と間にも、全周に亘って一定の隙間が形成されている。

第２仕切板３７０は、その上端を天板３３０の底面に当接させた状態で、天板３３０に対して固定されている。第２仕切板３７０の下端の高さは、内側円筒３２０の下端の高さよりも高くなっている。このため、第２仕切板３７０の下端と第１底板３４０の上面との間には隙間が空いている。

以上のような構成により、改質ユニット３０の内部には、外側円筒３１０と第１仕切板３６０と間に形成された空間である第１空間３８１と、第１仕切板３６０と第２仕切板３７０と間に形成された空間である第２空間３８２と、第２仕切板３７０と内側円筒３２０と間に形成された空間である第３空間３８３とが形成されている。第１仕切板３６０の上方において第１空間３８１と第２空間３８２とが繋がっており、第２仕切板３７０の下方において第２空間３８２と第３空間３８３とが繋がっている。

第２底板３５０には、水供給配管３９１の一端が下方から接続されている。水供給配管３９１は、第１空間３８１に水を供給するための配管である。水供給配管３９１の他端は、ケーシング１０の外部に配置された水供給ポンプ（不図示）に接続されている。

後に詳しく説明するように、水供給配管３９１から第１空間３８１内に供給された水は、燃焼排ガス流路４１２を通る高温の燃焼排ガスによって加熱されて水蒸気となる。水蒸気は、第１空間３８１、第２空間３８２を順に通って、第３空間３８３の入口に到達する。このように、改質ユニット３０のうち、第１空間３８１、第２空間３８２、及びこれらを区画する壁面は、外部から水の供給を受けて水蒸気を発生させる部分、すなわち蒸発器３０１に該当する部分となっている。

第１空間３８１には支持板３５２が配置されている。支持板３５２は、第１空間３８１を上下に仕切るように水平に配置されたドーナツ状の板である。支持板３５２は、第１底板３４０と同一の高さとなる位置において、外側円筒３１０及び第１仕切板３６０に対して固定されている。支持板３５２には複数の貫通孔（不図示）が形成されており、支持板３５２を水が通過し得るようになっている。第１空間３８１のうち支持板３５２よりも上方側には、外側円筒３１０から水への伝熱を促進するための伝熱促進部材ＣＢが充填されている。伝熱促進部材ＣＢは複数のアルミナの球体（セラミックボール）である。

第１底板３４０には、都市ガス供給配管３９２の一端が下方から接続されている。都市ガス供給配管３９２は、第３空間３８３の入口部分に都市ガスを供給するための配管である。都市ガス供給配管３９２の他端は、都市ガス供給源（不図示）に接続されている。都市ガス供給源とは、例えばガスメータである。

第３空間３８３には改質触媒ＲＣが充填されている。改質触媒ＲＣは、アルミナの球体表面にニッケル等の触媒金属を担持させたものである。第３空間３８３のうち、第２仕切板３７０の下端より僅かに高い位置には、水平に配置された金属網が固定されている。当該金属網によって改質触媒ＲＣが下方から支えられている。

後に詳しく説明するように、都市ガス供給配管３９２から改質ユニット３０の内部に供給された都市ガスは、第３空間３８３の入口部分において水蒸気と混合された後、第３空間３８３を上方に向かって流れる。この時、都市ガスと水蒸気が改質触媒ＲＣに触れることによって水蒸気改質反応が生じ、燃料ガス（水素含有ガス）が生成される。このように、改質ユニット３０のうち、第３空間３８３及びこれを区画する壁面は、蒸発器３０１からの水蒸気の供給、及び外部から都市ガスの供給を受けて水蒸気改質反応が生じる部分、すなわち改質器３０２に該当する部分となっている。改質触媒ＲＣは、第３空間３８３の周方向全体に亘って充填されている。このため、蒸発器３０１から供給された水蒸気が、改質触媒ＲＣに触れることなく第３空間３８３を通過してしまうことはない。

内側円筒３２０のうち上端部の近傍には、燃料ガス供給配管３９３の一端が接続されている。燃料ガス供給配管３９３は、改質ユニット３０（改質器３０２）において生成された燃料ガスを燃料電池スタックＣＳへ供給するための配管である。燃料ガス供給配管３９３の他端はベースプレートＢＰの下面に接続されている。燃料ガスは、第３空間３８３の上部から燃料ガス供給配管３９３を通ってベースプレートＢＰに到達する。その後、ベースプレートＢＰ内に形成された流路（不図示）及びスタックアダプタＡＤ内に形成された流路（不図示）を通って、燃料電池スタックＣＳに供給される。

改質ユニット３０は、耐熱性の部材からなる円筒型のシールブロックＳＢにより下方から支持されている。シールブロックＳＢは、その上端が改質ユニット３０の下面（第１底板３４０）に当接しており、その下端が底板１８４の上面に当接している。シールブロックＳＢの内径は改質ユニット３０の内径に等しい。また、シールブロックＳＢの径方向の寸法（厚さ）は、改質ユニット３０の径方向の寸法（厚さ）よりも小さくなっている。このため、図１に示されるように、シールブロックＳＢの外側（改質ユニット３０の下方側）には空間ＳＰが形成されている。

第６筒状体１６０の外側の空間と空間ＳＰとは、改質ユニット３０及びシールブロックＳＢによって分離されており、両者の間をガスが通過することができなくなっている。高温の燃焼排ガスが空間ＳＰ内に流入しないため、空間ＳＰ内の気温は比較的低温に保たれている。

続いて、燃料電池装置ＦＣの定常運転中、すなわち、起動が完了して定格電力又はそれに近い電力が出力されているときにおける、ガス（空気、都市ガス、燃料ガス、及び燃焼排ガス）の流れについて説明する。

まず、燃料電池スタックＣＳに供給される発電用の空気（酸化剤ガス）の流れについて説明する。空気は、ケーシング１０の外部に配置された第１ブロアＢＬ１から、第１空気導入管１９２を通じてケーシング１０の内部に供給される。

第１空気導入管１９２を通じてケーシング１０に供給された空気は、空気流路４０１を上方に向かって流れる。その後、隙間４０２を経由して空気流路４０３に流入し、空気流路４０３を下方に向かって流れる。

空気流路４０１と空気流路４０３との間には、燃焼排ガス流路４１１及び燃焼排ガス流路４１２が形成されている。これら燃焼排ガス流路４１１及び燃焼排ガス流路４１２の内部では、高温の燃焼排ガスが通っている。このため、ケーシング１０内に導入された空気は、空気流路４０１及び空気流路４０３を通る間に燃焼排ガスによって加熱され、その温度を上昇させる。つまり、空気と燃焼排ガスとの間で熱交換が行われる。

また、発電中において燃料電池スタックＣＳは高温となっており、燃料電池スタックＣＳからの輻射熱によって第１筒状体１１０も高温となっている。このため、空気は、空気流路４０３を通る際において第１筒状体１１０に触れることにより更に加熱される。

このように、空気流路４０１及び空気流路４０３は、燃焼排ガスの熱及び燃料電池スタックＣＳからの輻射熱によって空気が加熱されながら流れる流路となっている。このため、以下の説明においては、空気流路４０１と空気流路４０３とをまとめて「第１空気加熱流路４０」とも表記する。第１空気加熱流路４０は、燃料電池スタックＣＳを側方から取り囲むように配置されている。第１空気加熱流路４０は、燃焼器２０における燃焼により生じた燃焼排ガスと、燃料電池スタックＣＳに供給される空気と、の間で熱交換を行う「予熱器」に該当するものである。

空気流路４０３の下部まで到達した空気は、第１筒状体１１０に形成された吹出口１１１から燃料電池スタックＣＳに向けて噴出される。その後、空気はそれぞれの燃料電池セルの空気極に到達し、発電に供される。

燃料電池スタックＣＳは、第１筒状体１１０及びその外側（空気流路４０３）を流れる空気に輻射熱を奪われて（輻射により冷却されて）、その温度上昇が抑制される。燃料電池スタックＣＳは、上記のように輻射伝熱によって熱を奪われることに加えて、空気流路４０３を通り吹出口１１１から噴出された空気に直接触れることによっても熱を奪われる。このように奪われる熱と、発電に伴って生じる熱とのバランスが保たれることにより、燃料電池スタックＣＳの温度は適切な温度（約７００度）に保たれる。

このため、第１空気加熱流路４０は、燃料電池スタックＣＳに発電用の空気を供給する機能と、燃料電池スタックＣＳを冷却してその温度を発電に適した温度（約７００度）に保つ機能と、を兼ね備えたものということができる。

ところで、既に説明したように、燃料電池装置ＦＣでは空気噴出管５２０からも燃料電池スタックＣＳに空気を供給することが可能となっている。つまり、第１空気加熱流路４０とは別の流路からも空気を供給することが可能となっている。このため、第２ブロアＢＬ２、第２空気導入管５１０、及び空気噴出管５２０を順に通る空気の流路のことを、以下では第２空気加熱流路５０とも表記する。尚、燃料電池装置ＦＣの定常運転中においては、第２ブロアＢＬ２は停止している。このため、燃料電池スタックＣＳには第１空気加熱流路４０からのみ空気が供給される。

燃料電池スタックＣＳに供給される燃料ガスの流れ、及び燃料ガスの原料である都市ガスの流れについて説明する。都市ガスは、ケーシング１０の外部（都市ガス供給源）から都市ガス供給配管３９２を通じて改質ユニット３０内に供給される。都市ガスの供給源と都市ガス供給配管３９２との間には脱硫器（不図示）が配置されている。脱硫器は、都市ガスに含まれる硫黄成分を除去するための装置である。都市ガスは、燃料電池セルの性能に悪影響を及ぼす硫黄成分が脱硫器によって除去された後、改質ユニット３０内に供給される。

都市ガス供給配管３９２から改質ユニット３０の内部に供給された都市ガスは、第３空間３８３の入口部分において水蒸気と混合される。その後、改質触媒ＲＣが充填された第３空間３８３を上方に向かって流れる。

第６筒状体１６０の下円筒部１６２と、改質ユニット３０の内側円筒３２０との間に形成された空間には、高温の燃焼排ガスが通っている。このため、都市ガス及び水蒸気は、第３空間３８３を通る間に燃焼排ガスによって加熱され、その温度を上昇させる。つまり、都市ガス及び水蒸気と燃焼排ガスとの間で熱交換が行われる。また、第３空間３８３に充填されている改質触媒ＲＣも、内側円筒３２０を通じた伝熱によって高温となっている。

燃焼器２０を取り囲む第６筒状体１６０は、燃焼排ガスによって加熱されていることに加え、燃焼器２０からの輻射熱によっても加熱されているため、非常に高温となっている。その結果、改質ユニット３０の内側円筒３２０には、高温となった第６筒状体１６０からの輻射熱（燃焼器２０から第６筒状体１６０を経由して到達した輻射熱ともいえる）が到達している。つまり、内側円筒３２０を含む改質器３０２は、燃焼排ガスによって加熱されるだけではなく、燃焼器２０からの輻射熱によっても加熱されている。

このような状態において、都市ガスと水蒸気の混合ガスが改質触媒ＲＣに触れると、第３空間３８３（改質器３０２）では水蒸気改質反応が生じる。その結果、上記混合ガスから燃料ガスが生成される。尚、水蒸気改質反応は吸熱反応であるため、反応を安定して維持させるためには熱の供給が必要となる。本実施形態においては、内側円筒３２０を通じて加えられる燃焼排ガスからの熱、及び燃焼器２０からの輻射熱の両方が、水蒸気改質反応を維持するための熱として用いられる。

改質器３０２において生成された燃料ガスは、燃料ガス供給配管３９３及びスタックアダプタＡＤ内の流路を通って燃料電池スタックＣＳに供給される。燃料ガスは、それぞれの燃料電池セルの燃料極に到達し、発電に供される。

燃焼排ガスの流れについて説明する。既に説明したように、燃料電池スタックＣＳから排出された残余燃料及び残余空気は燃焼器２０に供給され、燃焼器２０の下端部において燃焼する。当該燃焼の結果、第６筒状体１６０の内部（内側空間６０１）では高温の燃焼排ガスが生じる。燃焼排ガスは、流出口１６５を通って第６筒状体１６０の外側（外側空間６０２）へ流出する。

その後、燃焼排ガスは、内側円筒３２０に沿って外側空間６０２を上方に向かって流れる。このとき、既に述べたように、燃焼排ガスの熱は内側円筒３２０を通じて第３空間３８３に伝達され、水蒸気改質反応を維持するための熱の一部として用いられる。

外側空間６０２を通過した燃焼排ガスは、空気流路４０３を流れる空気との間で熱交換しながら、燃焼排ガス流路４１１を上方に向かって流れる。続いて、空気流路４０１を流れる空気との間で熱交換しながら、燃焼排ガス流路４１２を下方に向かって流れる。

改質ユニット３０の外側円筒３１０は、支持板３５２よりも上方側の部分において第３筒状体１３０の内側面に当接している。このため、燃焼排ガス流路４１２を通る燃焼排ガスによって外側円筒３１０は高温となっている。

水供給配管３９１から第１空間３８１内に供給された水は、外側円筒３１０からの伝熱（燃焼排ガスの熱）により加熱されて水蒸気となる。つまり、水と燃焼排ガスとの間で熱交換が行われ、これにより第１空間３８１内で水蒸気が生成される。

燃焼排ガス流路４１２の下端部まで到達した燃焼排ガスは、ガス排出管１９１を通って排熱回収器（不図示）に供給される。排熱回収器は、燃焼排ガスと水と熱交換させることにより湯を生成するものである。このように、燃料電池装置ＦＣは発電を行うことに加えて湯を生成することも可能となっており、高い効率でエネルギーを利用するコジェネレーションシステムとなっている。

続いて、水及び水蒸気の流れについて説明する。改質ユニット３０（蒸発器３０１）には、ケーシング１０の外部に配置された水供給ポンプ（不図示）から水供給配管３９１を通じて水が供給される。水供給ポンプは、水供給源（不図示）からの水を水供給配管３９１に送り込むためのポンプである。水供給配管３９１は第２底板３５０に対して下方から接続されている。このため、供給された水は、まず第１空間３８１の下部に形成された空間に溜まることとなる。具体的には、第１空間３８１のうち支持板３５２よりも下方側の空間である貯水部ＷＳＴに溜まることとなる。

貯水部ＷＳＴは、外側円筒３１０のうち底板１８３よりも下方側の部分（以下、当該部分を「区画壁３１１」とも表記する）と、第２底板３５０と、第１仕切板３６０のうち第１底板３４０よりも下方側の部分（以下、当該部分を「区画壁３６１」とも表記する）とによって区画された空間となっている。

貯水部ＷＳＴを区画する区画壁３１１、第２底板３５０、及び区画壁３６１は、改質ユニット３０の底面の一部を下方に向けて延ばしたような形状となっている。これらは、いずれも空間ＳＰ内に配置されている。つまり、高温の燃焼排ガスが到達せず、比較的低温となっている空間内に配置されている。

また、燃焼排ガス流路４１２を通る燃焼排ガスによって外側円筒３１０は加熱されるのであるが、区画壁３１１は底板１８３よりも下方側に配置されているため、燃焼排ガスによって直接は加熱されない。このため、貯水部ＷＳＴ内において水が沸騰することはなく、貯水部ＷＳＴ内は全体が水（液体）で満たされている。

水供給ポンプから水が供給されることにより、第１空間３８１内の水面の高さは、支持板３５２の上面よりも僅かに高い位置に維持される。このため、支持板３５２の上方側に充填された伝熱促進部材ＣＢ（アルミナの球体）は、一部が水没した状態となっている。

第１空間３８１内においては、燃焼排ガスによって高温となった外側円筒３１０からの伝熱により、伝熱促進部材ＣＢも高温となっている。支持板３５２よりも上方側に存在する水は、高温の伝熱促進部材ＣＢに触れることにより沸騰し、水蒸気となる。

このように、第１空間３８１内において水は水蒸気となり、上方側に向かって流れる。その後、水蒸気は第２空間３８２を下方に向かって流れて、第３空間３８３（改質器３０２）に供給される。

燃料電池装置ＦＣの定常運転時においては、燃料電池スタックＣＳは、第１空気加熱流路４０を流れる空気により奪われる熱と、発電により生じた熱とがバランスすることによって、適切な温度（約７００度）に保たれている。その結果、燃料電池スタックＣＳにおける発電が安定して行われる。

一方、燃料電池装置ＦＣの起動時においては、発電が行われる状態に早期に移行するために、燃料電池スタックＣＳの温度を発電に適した温度まで短時間で上昇させる必要がある。しかしながら、起動時には発電が行われていない（もしくは発電量が非常に小さい）ため、燃料電池スタックＣＳの温度は発電に伴う熱によっては上昇し難い。このため、起動時においては、燃料電池スタックＣＳは定常運転時のように冷却されるのではなく、むしろ加熱される必要がある。

燃料電池スタックＣＳを加熱するための方法としては、例えば、燃焼器２０において生じる燃焼熱を増加させることにより、第１空気加熱流路４０の近傍（燃焼排ガス流路４１１）を通る燃焼排ガスの温度をより高温とすることが考えられる。つまり、燃焼排ガスの温度を高温とすることにより、第１空気加熱流路４０から燃料電池スタックＣＳに供給される空気の温度を上昇させ、燃料電池スタックＣＳを加熱することができる。図２には、このような場合において第１空気加熱流路４０から燃料電池スタックＣＳに供給される空気の流れ（矢印Ａ１１、Ａ１２）と、燃焼器２０からの燃焼熱の流れ（矢印Ａ２１、Ａ２２、Ａ２３）とが模式的に示されている。

しかしながら、燃焼器２０から生じた燃焼排ガスが第１空気加熱流路４０の近傍（燃焼排ガス流路４１１）に到達する経路の途中には、改質器３０２が配置されている。このため、燃焼排ガスは、改質器３０２で生じている水蒸気改質反応（吸熱反応）によって熱の一部を奪われた後に、第１空気加熱流路４０の近傍を通ることになる。

従って、第１空気加熱流路４０を通る空気を十分に加熱するためには、改質器３０２を通過する際に熱が奪われることを見越して、更に多くの燃焼熱を燃焼器２０において発生させなければならない。換言すれば、第１空気加熱流路４０を通る空気を燃焼排ガスによって十分に加熱しようとすると、燃焼器２０の温度が非常に高温になってしまう。その結果、燃焼器２０が劣化してしまったり、破損してしまったりする可能性がある。

そこで、本実施形態に係る燃料電池装置ＦＣでは、起動時における燃料電池スタックＣＳの加熱が、第１空気加熱流路４０から供給される空気によって行われるのではなく、第２空気加熱流路５０から供給される空気によって行われる。

具体的には、起動時においては、第１空気加熱流路４０からではなく第２空気加熱流路５０から、燃料電池スタックＣＳへの空気の供給が行われる。つまり、第１ブロアＢＬ１を停止させ、第２ブロアＢＬ２のみを動作させることにより、第２空気加熱流路５０のみから燃料電池スタックＣＳに空気が供給される。

図３には、起動時において第２空気加熱流路５０から燃料電池スタックＣＳに供給される空気の流れ（矢印Ａ３１、Ａ３２）と、燃焼器２０からの燃焼熱の流れ（矢印Ａ４１、Ａ４２）とが模式的に示されている。

第２ブロアＢＬ２から供給された空気は、第２空気加熱流路５０のうち螺旋部５１１を通る際に、燃焼器２０からの燃焼熱（主に輻射熱）によって加熱されて高温となる。その後、空気噴出管５２０から噴出されて、燃料電池スタックＣＳに直接供給される（矢印Ａ３２）。

図３に示されるように、燃焼器２０からの燃焼熱は、途中で改質器３０２によって奪われることなく、第２空気加熱流路５０において直接空気に伝達される。このため、燃料電池スタックＣＳに供給される空気の温度は十分に高温となる。また、改質器３０２において熱が奪われることを見越して燃焼熱を増加させる必要がないため、燃焼器２０の温度が非常に高温になってしまうことがない。更に、螺旋部５１１への輻射伝熱によって燃焼器２０の温度上昇が抑制されるため、燃焼器２０への負荷は更に低減される。

また、第２空気加熱流路５０を通る空気は、燃焼器２０からの熱のみによって加熱され、途中で燃料電池スタックＣＳとの熱交換が行われることなくそのまま燃料電池スタックＣＳへと供給される。つまり、第１空気加熱流路４０を通る空気とは異なり、途中で燃料電池スタックＣＳから輻射熱を奪うことなく、また、複雑な流路を通って温度が低下することなく、直ちに燃料電池スタックＣＳに供給される。このような構成により、空気により燃料電池スタックＣＳの熱が奪われてしまうことが抑制されるので、起動時における燃料電池スタックＣＳの温度上昇が更に迅速に行われる。

ところで、燃焼器２０は燃料電池装置ＦＣの中で最も高温となる部分であるから、熱膨張による変形も大きい。このため、空気を加熱するための配管を例えば燃焼器２０と一体に形成した場合には、燃焼器２０の熱膨張に伴って当該配管が変形し、熱応力によって破損してしまうことも考えられる。

しかしながら、本実施形態においては、第２空気導入管５１０は、その一部たりとも燃焼器２０とは繋がっておらず、燃焼器２０とは別体の構造物となっている。このため、燃焼器２０が熱膨張しても、これに伴って第２空気導入管５１０が変形してしまうことはない。本実施形態においては、螺旋部５１１と燃焼器２０との間に形成された隙間ＧＰが、第２空気導入管５１０の変形を防止するための変形抑制手段として機能している。

尚、変形抑制手段の態様としてはこのようなもの（隙間ＧＰ）に限られない。例えば、空気の流路を区画する管壁と燃焼器との間に、比較的軟質な部材を介在させることによっても、燃焼器の熱膨張に伴う管壁の変形を抑制することができる。

本実施形態では、燃焼器２０と第２空気導入管５１０との間が離間しているため、燃焼器２０の熱は主に輻射によって第２空気導入管５１０に伝達される。このため、固体を介した熱伝導が行われる場合に比べると、伝熱の効率は小さい。しかしながら、第２空気導入管５１０のうち燃焼器２０の近傍の部分（螺旋部５１１）は、燃焼器２０の周囲を螺旋状に取り囲むように配置されている。このため、輻射伝熱を受ける部分の流路長が比較的長くなっているので、輻射のみであっても十分な量の熱が空気に伝達される。

以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、前述した各具体例が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、前述した各実施の形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。

ＦＣ：燃料電池装置
ＣＳ：燃料電池スタック
２０：燃焼器
４０：第１空気加熱流路
５０：第２空気加熱流路
５１０：第２空気導入管５１０
５１１：螺旋部
３０：改質ユニット
３０２：改質器
ＧＰ：隙間

Claims (3)

1. 原燃料を改質して改質燃料を生成する改質器（３０２）と、
   前記改質燃料と酸化剤との供給を受けて発電する燃料電池スタック（ＣＳ）と、
   前記燃料電池スタックから排出された前記改質燃料を燃焼させることにより、前記改質器を加熱する燃焼器（２０）と、
   前記酸化剤を、前記燃料電池スタックと熱交換させた後に前記燃料電池スタックに供給する第１供給手段（４０）と、を備え、
   前記酸化剤を、前記燃焼器における燃焼により生じた燃焼熱により加熱して、前記燃料電池スタックと熱交換させることなく前記燃料電池スタックに供給する第２供給手段（５０）を更に備えており、
   前記燃焼器の熱膨張に伴って前記第２供給手段が変形してしまうことを抑制する変形抑制手段（ＧＰ）が設けられていることを特徴とする燃料電池装置。
2. 前記変形抑制手段は、前記第２供給手段と前記燃焼器との間に形成された隙間であることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池装置。
3. 前記第２供給手段は、前記燃焼器の周囲を螺旋状に取り囲むように配置された配管（５１１）であることを特徴とする、請求項２に記載の燃料電池装置。

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