JP6846711B2 - 高温動作型燃料電池システム - Google Patents

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Description

本開示は高温動作型燃料電池システムに関する。
特許文献１および特許文献２では、装置の中心部に燃焼器を配置することで燃焼器の火炎形成側に燃焼空間が確保されるとともに、燃焼器および燃焼空間を囲うように、改質器が配置される高温動作型燃料電池システムが開示されている。本高温動作型燃料電池システムでは、燃焼器の燃焼排ガスが改質器外周を通過することで改質器が加熱される。さらに、改質器の外周に配置されている空気熱交換器により燃料電池のカソードに送るための空気が加熱される。
特許文献３では、複数の円筒型セルチューブの集合体である燃料電池の上部が燃焼空間として機能する高温動作型燃料電池システムが開示されている。本高温動作型燃料電池システムでは、円筒型セルチューブ内を通過したアノードオフガスと、円筒型セルチューブ外を通過したカソードオフガスとが、燃焼空間で混合し燃焼する。改質器および水蒸発器は、燃焼空間の上方に配置されている。よって、燃焼空間からの燃焼排ガスで改質器および水蒸発器を加熱することで水蒸気改質反応が行われる。空気熱交換器は、発電室の容器の外殻を覆うように配置されて、空気熱交換器を流通する空気は、発電室の容器の下部の側方から燃料電池へと供給されている。
特開２０１５−１８７９５２号公報 特開２０１４−０７８３４８号公報 特開２０１４−０２２２３０号公報
しかし、従来例は、装置全体の小型化、装置の製造コストの低減、燃焼器の良好な燃焼状態の維持などについては十分に検討されていない。
本開示の一態様(aspect)は、このような事情に鑑みてなされたものであり、装置全体の設置面積および装置の製造コストを従来よりも低減し得る高温動作型燃料電池システムを提供する。また、本開示の一態様は、従来に比べ、燃焼器の燃焼性を良好に維持し得る高温動作型燃料電池システムを提供する。
上記課題を解決するため、本開示の一態様の高温動作型燃料電池システムは、炭化水素系の原燃料を改質することで水素含有の改質ガスを生成する改質器と、前記改質ガスおよび酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池と、前記改質器を加熱する燃焼器と、を備え、前記燃焼器は、前記燃料電池のアノードから排出されたアノードオフガスが集合するとともに、アノードオフガス噴出孔が設けられているアノードオフガス集合部を備え、前記アノードオフガス集合部は、前記燃料電池のカソードから排出されたカソードオフガスが通過する第１カソードオフガス通過領域を囲むように形成され、前記アノードオフガス噴出孔は、前記アノードオフガス噴出孔から上方へ噴出するアノードオフガスが、前記第１カソードオフガス通過領域を下から上へ通過する前記カソードオフガスに対して接近するように設けられており、前記アノードオフガス噴出孔から噴出したアノードオフガスと第１カソードオフガス通過領域を通過したカソードオフガスとが燃焼する。
本開示の一態様の高温動作型燃料電池システムは、装置全体の設置面積および装置の製造コストを従来よりも低減し得る。また、本開示の一態様の高温動作型燃料電池システムは、従来に比べ、燃焼器の燃焼性を良好に維持し得る。
図１は、実施形態の高温動作型燃料電池システムの一例を示す図である。 図２は、実施形態の第１変形例の高温動作型燃料電池システムの一例を示す図である。 図３は、実施形態の第２変形例の高温動作型燃料電池システムの一例を示す図である。 図４は、実施形態の第２変形例の高温動作型燃料電池システムの一例を示す図である。 図５は、実施形態の第３変形例の高温動作型燃料電池システムの一例を示す図である。
高温動作型燃料電池システム（以下、燃料電池システムと略す場合がある）の小型化、製造コストの低減、燃焼器の良好な燃焼状態の維持などについて鋭意検討が行われ、以下の知見が得られた。
燃料電池システムを適宜の場所に設置する場合、燃料電池システムの投影面積によって設置できる立地に制約が発生する可能性がある。例えば、燃料電池システムを家庭に設置する場合、家屋の壁沿いに置くことが多いので、燃料電池システムの奥行き方向には立地上の制約が生じやすい。この場合、燃料電池システムの薄型化（小型化）が必要となる。燃料電池システムを小型化する場合、燃料電池システム内に収容される大容量の部品である改質器、燃焼器、熱交換器、燃料電池（ホットモジュール）等の更なる小型化（具体的には、装置の奥行きの寸法低減）が避けて通れない。
しかし、従来例では、燃焼器の小型化が十分とは言えない。例えば、燃焼器による適切な火炎保持、燃焼器の構造体の過昇温抑制、改質器等への適切な加熱のための空間確保等の必要性から、特に、製造原価低減（コスト低減）のために、燃料電池システムの容器を円筒体で構成した場合、この円筒体の直径の低減、すなわち、設置面積の低減（奥行の寸法の低減）には限界があった。また、燃焼器の構成を複雑化させずにアノードオフガスとカソードオフガスの十分な混合促進を行うにも限界があった。
例えば、特許文献１、２に記載の円筒型の燃料電池システムでは、燃焼器の外側に改質器および空気熱交換器が配置されている。よって、装置全体の直径は、燃焼器の直径に、燃焼空間、改質器および空気熱交換器のそれぞれの配置厚み分が付加された寸法となっている。よって、装置の奥行きの寸法低減には限界があり、燃料電池システムの更なる小型化は困難であると考えられる。
特許文献３に記載の矩形型の燃料電池システムでは、奥行き方向の長さと幅方向の長さとを、ある程度、自由に設定できるので、奥行き方向の長さのみを短くすることは可能である。しかし、燃料電池システムの容器の溶接長が、円筒型の燃料電池システムに比べ長いので、製造原価低減に限界がある。また、矩形型の燃料電池システムは、円筒型の燃料電池システムに比べ応力破壊に弱く、長期的な信頼性を考慮する場合に不利であると考えられる。さらに、アノードオフガスおよびカソードオフガスの流れが、燃焼空間において並行流になるので、両流体の混合が不十分になり得る可能性がある。よって、燃焼器の燃焼性を良好に維持できない場合がある。
つまり、発明者らは、特許文献１−３に記載された発明は、燃料電池システムの小型化、低コスト化および燃焼器の良好な燃焼性の確保の点で未だ改善の余地があることを見出し、以下の本開示の一態様に想到した。
すなわち、本開示の第１の態様の高温動作型燃料電池システムは、炭化水素系の原燃料を改質することで水素含有の改質ガスを生成する改質器と、改質ガスおよび酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池と、改質器を加熱する燃焼器と、を備え、燃焼器は、燃料電池のアノードから排出されたアノードオフガスが集合するとともに、アノードオフガス噴出孔が設けられているアノードオフガス集合部を備え、アノードオフガス集合部は、燃料電池のカソードから排出されたカソードオフガスが通過する第１カソードオフガス通過領域を囲むように形成され、アノードオフガス噴出孔は、アノードオフガス噴出孔から上方へ噴出するアノードオフガスが、第１カソードオフガス通過領域を下から上へ通過するカソードオフガスに対して接近するように設けられており、アノードオフガス噴出孔から噴出したアノードオフガスと第１カソードオフガス通過領域を通過したカソードオフガスとが燃焼する。
かかる構成によると、本態様の高温動作型燃料電池システムは、装置全体の設置面積および装置の製造コストを従来よりも低減し得る。また、本態様の高温動作型燃料電池システムは、従来に比べ、燃焼器の燃焼性を良好に維持し得る。
具体的には、アノードオフガス噴出孔から上方へ噴出するアノードオフガスが、第１カソードオフガス通過領域を下から上へ通過するカソードオフガスに対して接近するので、アノードオフガス噴出孔で火炎が、第１カソードオフガス通過領域に接近する内向きに形成される。よって、例えば、火炎を第１カソードオフガス通過領域から遠ざける外向に形成する場合に比べ、平面視における小投影面積内に火炎を形成することができる。これにより、高温動作型燃料電池システムの設置面積を従来よりも低減できる。なお、かかる内向きの火炎の形成により、例えば、火炎を鉛直に形成する場合に比べ、火炎高さを低くできるので、高温動作型燃料電池システムを低床化し得るという効果も奏する。
また、アノードオフガス噴出孔から上方へ噴出するアノードオフガスが、第１カソードオフガス通過領域を下から上へ通過するカソードオフガスに対して接近するので、アノードオフガスの流れとカソードオフガスの流れとを衝突させることができる。すると、燃焼空間におけるカソードオフガスとアノードオフガスとの混合性を改善することができる。これにより、従来に比べ、燃焼器の燃焼性を良好に維持し得る。
さらに、アノードオフガスがアノードオフガス集合部で集合するので、アノードオフガス噴出孔から噴出するアノードオフガスの分散性を、このようなアノードオフガス集合部を備えない場合よりも向上させ得る。つまり、燃料電池の単セル毎に、単セルから排出されるアノードオフガス中の水素濃度のバラツキが生じる場合でも、アノードオフガス集合部において水素濃度のバラツキを均一化できる。
本開示の第２の態様の高温動作型燃料電池システムは、第１の態様の高温動作型燃料電池システムにおいて、アノードオフガス集合部は、中空構造の円環体で形成され、円環体の内側の空間が、第１カソードオフガス通過領域を構成する。
かかる構成によると、カソードオフガスを燃焼空間へ送るための第１カソードオフガス通過領域を簡易に形成することができる。
また、上記の構成により、アノードオフガス集合部を、例えば、矩形環体で構成する場合に比べ、製造時の溶接長さおよび箇所を削減できるので、アノードオフガス集合部の製造コストが低減する。また、ガス圧力への耐性、熱応力への耐性が向上し、円環体の薄板化が可能となる。以上により、高温動作型燃料電池システムの低コスト化が図れる。
本開示の第３の態様の高温動作型燃料電池システムは、第１の態様または第２の態様の高温動作型燃料電池システムにおいて、アノードオフガス集合部は、第１カソードオフガス通過領域に向かって下方に傾斜するテーパ面を備え、このテーパ面に、アノードオフガス噴出孔が形成されている。
かかる構成によると、上記のテーパ面上の適所に簡易なアノードオフガス噴出孔を形成するだけで、アノードオフガス噴出孔から上方へ噴出するアノードオフガスを、第１カソードオフガス通過領域を下から上へ通過するカソードオフガスに対して接近させることができる。
本開示の第４の態様の高温動作型燃料電池システムは、第１の態様、第２の態様および第３の態様のいずれかの高温動作型燃料電池システムにおいて、改質ガスが流通する改質ガス供給経路を備え、改質器は、燃焼器の上方に配置されており、改質ガス供給経路は、改質器から第１カソードオフガス通過領域を通って燃料電池に至るように延伸している。
かかる構成によると、アノードオフガス噴出孔で火炎が、改質ガス供給経路に接近する内向きに形成される。よって、改質ガス供給経路を流れる改質ガスの放熱を適切に抑制し得る。
また、内向きの火炎が改質ガス供給経路を直接に炙ることで改質ガス供給経路が過昇温に陥る可能性があるが、本態様の高温動作型燃料電池システムでは、改質ガス供給経路の周囲の第１カソードオフガス通過領域にカソードオフガスが通過しているので、このような可能性を低減できる。
さらに、第１カソードオフガス通過領域に改質ガス供給経路を通さない場合は、改質ガス供給経路をアノードオフガス集合部の側方へ引き回す必要がある。すると、高温動作型燃料電池システムの設置面積が大きくなる可能性があるが、本態様の高温動作型燃料電池システムでは、第１カソードオフガス通過領域に改質ガス供給経路を通しているので、このような可能性を低減できる。
以下、添付図面を参照しつつ、本開示の実施形態、実施形態の第１変形例、実施形態の第２変形例および実施形態の第３変形例について説明する。
なお、以下で説明する実施形態および変形例は、いずれも本開示の一態様の包括的または具体的な例を示すものである。つまり、以下に示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置および接続形態はいずれも一例であり、本開示を限定するものではない。また、以下に示される構成要素のうち、本開示の最上位概念を規定する独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。また、図面において、同じ符号が付いたものは、説明を省略する場合がある。また、図面は理解しやすくするために、それぞれの構成要素を模式的に示したもので、形状および寸法比などについては正確な表示ではない場合がある。
（実施形態）
［装置構成］
図１は、実施形態の高温動作型燃料電池システムの一例を示す図である。
以下、高温動作型燃料電池システムの具体例として、発電部に固体酸化物型燃料電池（以下、ＳＯＦＣ６）を備える固体酸化物型燃料電池システム（以下、ＳＯＦＣシステム１００）を挙げて説明するが、これに限定されない。高温動作型燃料電池システムは、高温（例えば、６００℃以上）で動作する燃料電池システムであれば、どのような構成であっても構わない。例えば、高温動作型燃料電池システムは、以下に述べるＳＯＦＣシステム１００の他、発電部に溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ）備える溶融炭酸塩型燃料電池システムなどであってもよい。
なお、図１において（他の図面も同じ）、便宜上、同図のように「上」および「下」が取られ、重力は上から下に作用するものとする。
図１に示す例では、ＳＯＦＣシステム１００は、改質器２と、蒸発器４と、酸化剤ガス供給経路５と、ＳＯＦＣ６と、酸化剤ガス熱交換器７と、アノードオフガス排出経路１１と、改質ガス供給経路１３と、混合ガス供給経路１４と、燃焼器２０と、第１カソードオフガス通過領域２３と、を備える。
なお、本実施形態のＳＯＦＣシステム１００では、ＳＯＦＣシステム１００の内部を改質器２、蒸発器４および燃焼器２０などが収容される上部領域５０Ａと、ＳＯＦＣ６などが収容される下部領域５０Ｂとに仕切る隔壁部５１が設けられている。
改質器２は、炭化水素系の原燃料を改質することで水素含有の改質ガスを生成する。本実施形態では、改質器２は、燃焼器２０の上方に配置されており、内壁２Ａと外壁２Ｂとで形成されている側壁部を備えるが、必ずしも、改質器２内を空間とする側壁部を備えなくても構わない。
但し、改質器２が側壁部を備え、側壁部の厚みが適切に設定されることで、改質器２の側壁部の改質触媒２Ｅの全体に対して燃焼排ガスからの伝熱が伝わりやすくなる。
具体的には、改質器２の側壁部に改質触媒２Ｅを設けることで、改質触媒２Ｅの量を適量、確保したうえで、燃焼排ガスの伝熱が改質触媒２Ｅの全体に十分に伝わるようにＳＯＦＣシステム１００を構成できる。本実施形態のＳＯＦＣシステム１００では、例えば、改質器２に改質触媒の量を必要量（例えば、約２００g程度）、確保したうえで、燃焼排
ガスから改質触媒２Ｅの全体への伝熱が十分に伝わるように、内壁２Ａと外壁２Ｂとの間の間隔（つまり、側壁部の厚み）が、約１０ｍｍ程度に設定されている。なお、このような改質器２の具体例は例示であって、本例に限定されない。
ここで、本実施形態のＳＯＦＣシステム１００では、改質器２の内壁２Ａおよび外壁２Ｂは、円筒体であるであるが、これに限らない。これらの内壁２Ａおよび外壁２Ｂは、例えば、矩形筒体でもよい。
但し、本実施形態のＳＯＦＣシステム１００の如く、改質器２の内壁２Ａおよび外壁２Ｂを円筒体で構成することにより、これらを矩形筒体で構成する場合に比べ、製造時の溶接長さおよび箇所を削減できるので、改質器２の製造コストが低減する。また、ガス圧力への耐性、熱応力への耐性が向上し、円筒体の薄板化が可能となる。以上により、ＳＯＦＣシステム１００の低コスト化が図れる。
また、本実施形態のＳＯＦＣシステム１００では、改質器２の側壁部の上端領域は上板部材２Ｕで覆われ、側壁部の下端領域は下板部材２Ｄで覆われている。なお、上板部材２Ｕの周辺部は、改質触媒２Ｅへ送るためのガスが通過する複数の開口部（図示せず）が形成されている。
図１に示すように、高温の燃焼排ガスが、改質器２の外壁２ＢとＳＯＦＣシステム１００の容器の内壁５４との間の空間を通過する。これにより、改質器２の改質触媒２Ｅが燃焼排ガスの熱で加熱されている。なお、このような燃焼排ガスを発生する燃焼器２０の詳細は後述する。
改質器２の内壁２Ａの下端部近傍には、折り返し部１６が設けられている。折り返し部１６は、内壁２Ａの周囲に沿って設けられた複数の開口部（図示せず）を備える。なお、この開口部は、改質触媒の触媒粒子の通過を阻止し、改質ガスの通気を許すような大きさ（例えば、直径１−３ｍｍ程度の丸穴）で内壁２Ａに形成されている。
また、改質ガス供給経路１３が、下板部材２Ｄを気密状態で貫通し、改質器２内の空間を鉛直上方に伸びている。なお、改質ガス供給経路１３の上端部は、改質器２内の空間から改質ガス供給経路１３への改質ガスの流入を阻害しない位置であって、上板部材２Ｕよりも下方に位置している。改質ガス供給経路１３の下端部は、ＳＯＦＣ６に接続されている。
改質器２の改質反応は、いずれの形態であってもよい。改質反応として、例えば、水蒸気改質反応、オートサーマル反応および部分酸化反応などを挙げることができる。なお、改質触媒の触媒金属には、一般的に、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｒｈなどの貴金属系触媒およびＮｉからなる群の中から選択される少なくとも１種を用いることができる。図１には示されていないが、上記の改質反応において必要となる機器は適宜設けられる。例えば、改質反応が水蒸気改質反応であれば、蒸発器４に水を供給する水供給器（例えば、ポンプ）などが設けられる。改質反応がオートサーマル反応であれば、ＳＯＦＣシステム１００には、さらに、改質器２に空気を供給する空気供給器（例えば、ブロア）などが設けられる。
なお、改質器２に送る原燃料としては、メタンを主成分とする都市ガス、天然ガス、ＬＰＧ等の少なくとも炭素および水素から構成される有機化合物を含む炭化水素系の燃料ガスを用いてもよいし、アルコール、バイオ燃料、軽油などの炭化水素系の液体燃料を用いてもよい。
本実施形態のＳＯＦＣシステム１００では、改質器２の改質反応として、水蒸気改質反応が行われている。そこで、改質器２の上板部材２Ｕの直上に、蒸発器４が設けられている。
蒸発器４は、内壁４Ａと外壁４Ｂとで形成されている側壁部と、改質器２の上板部材２Ｕと下板部材４Ｄとで形成されている底部４Ｅとを備える。蒸発器４の側壁部の上端領域は、ＳＯＦＣシステム１００の容器の上壁５２で覆われ、側壁部の下端領域は下板部材４Ｄで覆われている。よって、蒸発器４の側壁部および底部４Ｅの内部はいずれも空間となっている。そして、この側壁部内に、らせん状の流路を構成する流路部材４Ｃ（例えば、ワイヤー）が巻き付けられている。
なお、蒸発器４の外壁４Ｂと改質器２の外壁２Ｂは、同一筒体で構成されている。これにより、ＳＯＦＣシステム１００の部品点数を削減できる。
ここで、本実施形態のＳＯＦＣシステム１００では、蒸発器４の内壁４Ａおよび外壁４Ｂは、円筒体であるが、これに限らない。これらの内壁４Ａおよび外壁４Ｂは、例えば、矩形筒体でもよい。
但し、本実施形態のＳＯＦＣシステム１００の如く、蒸発器４の内壁４Ａおよび外壁４Ｂを円筒体で構成することにより、これらを矩形筒体で構成する場合に比べ、製造時の溶接長さおよび箇所を削減できるので、蒸発器４の製造コストが低減する。また、ガス圧力への耐性、熱応力への耐性が向上し、円筒体の薄板化が可能となる。以上により、ＳＯＦＣシステム１００の低コスト化が図れる。
図１に示すように、高温の燃焼排ガスは、蒸発器４の外壁４ＢとＳＯＦＣシステム１００の容器の内壁５４との間の空間を通過する。これにより、蒸発器４の側壁部内が燃焼排ガスの熱で加熱されている。
蒸発器４の内壁４Ａの下端部近傍には、折り返し部１７が設けられている。折り返し部１７は、内壁４Ａの周囲に沿って設けられた複数の開口部（図示せず）を備える。また、原燃料および水蒸気の混合ガスが流通する混合ガス供給経路１４が、下板部材４Ｄを気密状態で貫通し、蒸発器４内の空間を鉛直上方に伸びている。なお、混合ガス供給経路１４の上端部は、蒸発器４内の空間から混合ガス供給経路１４への混合ガスの流入を阻害しない位置であって、上壁５２よりも下方に位置している。混合ガス供給経路１４の下端部は、蒸発器４の底部４Ｅ内の空間から改質触媒２Ｅへの混合ガスの流入を阻害しない位置であって、上板部材２Ｕよりも上方に位置している。
なお、蒸発器４は、改質器２と接触して配置されていれば、どのような構成であっても構わない。例えば、本実施形態のＳＯＦＣシステム１００の如く、蒸発器４と改質器２とが、上から下に向かう方向においてこの順に並んでおり、蒸発器４の側壁部と改質器２の側壁部とが、蒸発器４の底部４Ｅを介して接触する構成でもよいし、蒸発器の側壁部と改質器の側壁部とが、図示しない鉛直部材を用いて上下方向に所望の間隔をあけて接合されることで両者が接触してもよい。
以上により、蒸発器４を改質器２と接触して配置させることで、ＳＯＦＣシステム１００の構成が簡素化する。つまり、蒸発器４および改質器２を上下方向において並ぶように一体的に配置することで、例えば、蒸発器と改質器とを別体に設ける場合に比べ、ＳＯＦＣシステム１００を簡素に構成できる。
ＳＯＦＣ６は、改質ガスと酸化剤ガスとを用いて発電する。ＳＯＦＣ６のカソードには、酸化剤ガス供給経路５を通じて酸化剤ガスが供給され、ＳＯＦＣ６のアノードには、改質ガス供給経路１３を通じて改質ガスが供給されている。ＳＯＦＣ６では、ＳＯＦＣ６の単セル（図示せず）を、例えば、複数個集合し、直列に接続している。ＳＯＦＣ６は、複数の平板形の単セルを積層して形成されていてもよいし、複数の円筒形の単セルを集合して形成されていてもよい。本実施形態では、ＳＯＦＣ６は、平板型の単セルおよびインターコネクタなどの部材を積層した平板型スタックで構成されている。なお、ＳＯＦＣシステム１００には、ＳＯＦＣ６の動作温度（例えば、６００℃以上）を検出する温度検知器（図示せず）、ＳＯＦＣ６の発電電流を取り出すための電極（図示せず）などが設けられている。ＳＯＦＣ６の構成は、一般的なＳＯＦＣと同様であるので詳細な構成の説明は省略する。
酸化剤ガス供給経路５は、ＳＯＦＣ６のカソードに送るための酸化剤ガスが流通する流路である。具体的には、図示しない酸化剤ガス供給器（例えば、ブロアなど）により酸化剤ガスが、酸化剤ガス供給経路５を供給された後、ＳＯＦＣ６へと送られる。酸化剤ガスとして、例えば、空気などを例示できる。
酸化剤ガス供給経路５は、ＳＯＦＣシステム１００の容器の内壁５４と外壁５３との間に形成され、内壁５４は、ＳＯＦＣシステム１００の容器の上壁５２からＳＯＦＣ６の下方へ延伸し、ＳＯＦＣ６の底部を覆っている。ＳＯＦＣシステム１００の運転温度が、高温（例えば、６００℃以上）となるので、ＳＯＦＣシステム１００の容器の周囲を、図示しない断熱材で覆い、外部への放熱を抑える構成を取ることが多い。
アノードオフガス排出経路１１は、ＳＯＦＣ６のアノードから排出されるアノードオフガスが流通する流路である。具体的には、ＳＯＦＣ６の発電に使用しなかった改質ガス（アノードオフガス）が、アノードオフガス排出経路１１に流入し、このアノードオフガス排出経路１１を通過した後、燃焼器２０へと送られる。本実施形態のＳＯＦＣシステム１００では、アノードオフガス排出経路１１は、ＳＯＦＣ６のアノードから下部領域５０Ｂおよび隔壁部５１を通過して燃焼器２０のアノードオフガス集合部２２（詳細は後述）へ至るように延伸している。なお、ここでは、アノードオフガス排出経路１１の本数は、２本であるが、これに限らない。
カソードオフガス排出経路は、ＳＯＦＣ６のカソードから排出されるカソードオフガスが流通する流路である。具体的には、ＳＯＦＣ６の発電に使用しなかった酸化剤ガス（カソードオフガス）が、このカソードオフガス排出経路を通過した後、燃焼空間２５へと送られる。本実施形態のＳＯＦＣシステム１００では、カソードオフガス排出経路は、ＳＯＦＣ６の外殻と内壁５４との間の空間と、ＳＯＦＣ６の外殻と隔壁部５１との間の空間と、第１カソードオフガス通過領域２３（詳細は後述）とで形成されている。また、上記の改質ガス供給経路１３は、改質器２から、この第１カソードオフガス通過領域２３を通ってＳＯＦＣ６に至るように延伸している。
酸化剤ガス熱交換器７は、酸化剤ガス供給経路５を流れる酸化剤ガスと内壁５４内を流れる燃焼排ガスとが熱交換する。つまり、酸化剤ガス熱交換器７では、燃焼排ガスで曝される内壁５４の部分が伝熱面として機能する。これにより、常温の酸化剤ガス（空気）は、酸化剤ガス供給経路５を上から下へと流れるとき、内壁５４内を下から上へと流れる燃焼排ガスとの熱交換で、高温（例えば、約６００℃−７００℃程度）まで加熱される。さらに、酸化剤ガスは、ＳＯＦＣ６の内部改質の反応熱を利用し、ＳＯＦＣ６の発電反応に必要な温度まで加熱され、ＳＯＦＣ６を収容する容器の下部からＳＯＦＣ６のカソードに供給される。なお、燃焼排ガスは、適温（例えば、約１００℃〜２００℃程度）まで冷却された後、ＳＯＦＣシステム１００外へ排出され、例えば、給湯用の温水を生成するための図示しない熱交換器へと送られる。
燃焼器２０は、改質器２を加熱する。燃焼器２０は、ＳＯＦＣ６のアノードから排出されたアノードオフガスが集合するとともに、アノードオフガス噴出孔２１（例えば、丸孔）が設けられているアノードオフガス集合部２２を備える。アノードオフガス集合部２２は、ＳＯＦＣ６のカソードから排出されたカソードオフガスが通過する第１カソードオフガス通過領域２３を囲むように形成されている。本実施形態のＳＯＦＣシステム１００では、アノードオフガス集合部２２は、中空構造の円環体で形成されている。よって、この円環体の内側の空間に対向する隔壁部５１には、開口部が形成されており、この開口部を含む円環体の内側の空間が、第１カソードオフガス通過領域２３を構成する。
以上により、カソードオフガスを燃焼空間２５へ送るための第１カソードオフガス通過領域２３を簡易に形成することができる。
また、アノードオフガス噴出孔２１は、アノードオフガス噴出孔２１から上方へ噴出するアノードオフガスが、第１カソードオフガス通過領域２３を下から上へ通過するカソードオフガスに対して接近するように設けられている。つまり、アノードオフガス集合部２２は、第１カソードオフガス通過領域２３に向かって下方に傾斜するテーパ面２２Ｔを備え、テーパ面２２Ｔに、アノードオフガス噴出孔２１が形成されている。
このようにして、アノードオフガス噴出孔２１から噴出したアノードオフガスと第１カソードオフガス通過領域２３を通過したカソードオフガスとが燃焼する。
なお、本実施形態のＳＯＦＣシステム１００では、アノードオフガス集合部２２を円環体で構成しているが、これに限らない。アノードオフガス集合部２２を、例えば、矩形環体で構成してもよい。
但し、本実施形態のＳＯＦＣシステム１００の如く、アノードオフガス集合部２２を円環体で構成することにより、アノードオフガス集合部２２を、例えば、矩形環体で構成する場合に比べ、製造時の溶接長さおよび箇所を削減できるので、アノードオフガス集合部２２の製造コストが低減する。また、ガス圧力への耐性、熱応力への耐性が向上し、円環体の薄板化が可能となる。以上により、ＳＯＦＣシステム１００の低コスト化が図れる。
以下、燃焼器２０の構成について図面を参照しながらさらに詳しく説明する。
図１に示すように、アノードオフガス集合部２２は、上面２２Ｕから第１カソードオフガス通過領域２３に向かって先細りのテーパ形状に窪んでおり、窪み部の中央の改質ガス供給経路１３が通る部分以外の開口領域が、第１カソードオフガス通過領域２３を構成している。つまり、この窪み部は、平面視において円環状となっている。そして、窪み部の直上部分に、アノードオフガスとカソードオフガスとが燃焼する燃焼空間２５が形成されている。また、窪み部の傾斜面が、テーパ面２２Ｔを構成し、複数のアノードオフガス噴出孔２１は、テーパ面２２Ｔの所定の位置に形成されている。これにより、テーパ面２２Ｔ上の適所に簡易なアノードオフガス噴出孔２１を形成するだけで、アノードオフガス噴出孔２１から上方へ噴出するアノードオフガスを、燃焼空間２５に向かって第１カソードオフガス通過領域２３を下から上へ通過するカソードオフガスに対して接近させることができる。
アノードオフガス噴出孔２１は、テーパ面２２Ｔ上の適所に形成された開口であれば、どのような構成であっても構わない。例えば、約５個〜４０個程度のアノードオフガス噴出孔２１（例えば、直径が約２ｍｍ程度の丸孔）が、上面２２Ｕとのなす角が約４５°で傾斜するテーパ面２２Ｔの幅方向の中央部で、その周方向に等間隔に形成されていてもよい。これにより、アノードオフガス集合部２２のアノードオフガスが、アノードオフガス噴出孔２１のそれぞれで均等に分配されて斜め上方に噴出される。なお、このようなアノードオフガス噴出孔２１の具体例は例示であって、本例に限定されない。
以上により、アノードオフガス噴出孔２１で火炎Ｆが、改質ガス供給経路１３（第１カソードオフガス通過領域２３）に接近する内向きに形成される。つまり、改質ガス供給経路１３を構成する配管（直管）の中心軸を中心とする、アノードオフガス噴出孔２１が含まれる仮想の円筒体を想定する場合、火炎Ｆは、この仮想の円筒体の内側に形成されている。
また、火炎Ｆは、改質器２の下板部材２Ｄを加熱しているので、改質触媒２Ｅのガス出口を最も高温（例えば、約６００℃−７００℃程度）に制御しやすい。改質触媒２Ｅの改質反応の転化率は温度依存性を持ち、改質触媒２Ｅのガス出口温度を最も高温に制御することは、吸熱反応である改質反応が効果的に進行し、改質触媒２Ｅの改質効率向上の点で好適である。
［動作］
以下、本実施形態のＳＯＦＣシステム１００の動作の一例について図１を参照しながら説明する。
まず、図示しない水供給器からの水、および図示しない原燃料供給器からの原燃料がそれぞれ、蒸発器４の側壁部に供給される。原燃料および水は、蒸発器４の側壁部内の流路部材４Ｃで形成されたらせん状の流路に沿って、らせん状に下降しながら流れる。このとき、蒸発器４の側壁部の外表面は、水の沸点よりも高温（例えば、約１００℃〜３００℃程度）の燃焼排ガスで曝されているので、水が、この燃焼排ガスの熱で高温化し蒸発するとともに、水蒸気および原燃の適切な混合が行われる。
混合ガスは、蒸発器４の内壁４Ａに設けられた折り返し部１７を通過した後、蒸発器４内の空間を下から上へと流れる。その後、混合ガスは、混合ガス供給経路１４の上端部において再び折り返すように集められ、この上端部から混合ガス供給経路１４の内部を蒸発器４の底部４Ｅの方向（下方）へ流れる。
以上の混合ガスの折り返し構造によって、水蒸気および原燃料の混合性を向上できる。また、高温の混合ガスが折り返し部１７で折り返して上昇する途中で、蒸発器４の内側が、混合ガスの熱で加熱される。これにより、蒸発器４の外側が、燃焼排ガスの熱で加熱される構成と相俟って、蒸発器４の加熱ムラ発生を適切に抑制できる。
蒸発器４の底部４Ｅ内の混合ガスは、改質器２の上板部材２Ｕの周辺部に設けられた開口部（図示せず）から改質器２の側壁部内の改質触媒２Ｅへ送られる。これにより、改質器２で原燃料の水蒸気改質を行うことができる。
このとき、改質器２の外壁２Ｂと接する部分における改質器２内（本実施形態では、側壁部内）のガスの流れが、改質器２の外壁２Ｂと接する部分における燃焼排ガスの流れと対向する。これにより、改質器２内のガスは、燃焼排ガスの熱で加熱される。また、改質触媒２Ｅは改質反応の適温にまで昇温する。すると、改質触媒２Ｅによる原燃料の改質で、水素含有の改質ガスが生成される。特に、本実施形態では、改質器２内のガスの流れが、燃焼排ガスの流れと対向しているので、両ガス間の熱交換効率が、並行流熱交換器および直交流熱交換器の場合に比べ向上する。
なお、ＳＯＦＣ６において、単セル自体で内部改質反応が行われるので、改質器２では改質反応を完全に終了させる必要は無い。改質器２では、一般的に、約５０〜９０％程度の転化率があればよい。
改質ガスは、改質器２の内壁２Ａに設けられた折り返し部１６を通過した後、改質器２内の空間を下から上へと流れる。その後、改質ガスは、改質ガス供給経路１３の上端部において再び折り返すように集められ、この上端部から改質ガス供給経路１３の内部を燃焼器２０の方向（下方）へ流れる。高温（例えば、約６００℃−７００℃程度）の改質ガスが折り返し部１６で折り返して上昇する途中で、改質触媒２Ｅの内側が、改質ガスの熱で加熱される。これにより、改質触媒２Ｅの外側が、燃焼排ガスの熱で加熱される構成と相俟って、改質触媒２Ｅの温度ムラ発生を適切に抑制できる。
ＳＯＦＣ６のアノードに改質ガス供給経路１３を通じて改質ガスが供給され、ＳＯＦＣ６のカソードに酸化剤ガス供給経路５を通じて酸化剤ガスが供給される。すると、ＳＯＦＣ６は、改質ガスおよび酸化剤ガスを用いて発電する。つまり、改質ガス中の水素と酸化剤ガス中の酸素とによってＳＯＦＣ６の内部で発電反応が行われ、ＳＯＦＣ６から電流が取り出される。このとき、ＳＯＦＣ６のアノードに供給される改質ガスは、改質ガス供給経路１３を介して燃焼器２０の火炎Ｆにより加熱され、ＳＯＦＣ６のカソードに供給される酸化剤ガスは、酸化剤ガス熱交換器７で燃焼排ガスの熱により加熱される。
燃焼器２０では、ＳＯＦＣ６での発電反応に寄与しなかったアノードオフガス（改質ガス）およびカソードオフガス（酸化剤ガス）が燃焼する。具体的には、図１に示すように、燃焼器２０のアノードオフガス集合部２２のアノードオフガス噴出孔２１から噴出したアノードオフガスに、第１カソードオフガス通過領域２３を通過するカソードオフガスが混合することで、混合ガスが燃焼する。すると、図１に示すように、アノードオフガス噴出孔２１で火炎Ｆが、改質ガス供給経路１３に接近するような内向きに形成される。
混合ガスの燃焼で発生した燃焼排ガスは、改質器２の外壁２ＢとＳＯＦＣシステム１００の容器の内壁５４との間の空間および蒸発器４の外壁４ＢとＳＯＦＣシステム１００の容器の内壁５４との間の空間をこの順に下から上へと通過する。燃焼排ガスは、その後、ＳＯＦＣシステム１００の容器の上方端近傍に設けられた燃焼排ガス排出口（図示せず）から外部へ排出される。改質反応の適温および水蒸発の適温はこの順に低くなるので、燃焼排ガスを上記の順番に流すことで、燃焼器２０で発生する燃焼排ガスの熱を有効に利用できる。
以上により、本実施形態のＳＯＦＣシステム１００は、装置全体の設置面積および装置の製造コストを従来よりも低減し得る。また、本実施形態のＳＯＦＣシステム１００は、従来に比べ、燃焼器２０の燃焼性を良好に維持し得る。
具体的には、アノードオフガス噴出孔２１から上方へ噴出するアノードオフガスが、第１カソードオフガス通過領域２３を下から上へ通過するカソードオフガスに対して接近するので、アノードオフガス噴出孔２１で火炎Ｆが、改質ガス供給経路１３（第１カソードオフガス通過領域２３）に接近する内向きに形成される。よって、例えば、火炎Ｆを改質ガス供給経路１３（第１カソードオフガス通過領域２３）から遠ざける外向に形成する場合に比べ、平面視における小投影面積内に火炎Ｆを形成することができる。これにより、ＳＯＦＣシステム１００の設置面積を従来よりも低減できる。なお、かかる内向きの火炎Ｆの形成により、例えば、火炎Ｆを鉛直に形成する場合に比べ、火炎Ｆの高さを低くできるので、ＳＯＦＣシステム１００を低床化し得るという効果も奏する。
また、アノードオフガス噴出孔２１から上方へ噴出するアノードオフガスが、第１カソードオフガス通過領域２３を下から上へ通過するカソードオフガスに対して接近するので、アノードオフガスの流れとカソードオフガスの流れとを衝突させることができる。すると、燃焼空間２５におけるカソードオフガスとアノードオフガスとの混合性を改善することができる。これにより、従来に比べ、燃焼器２０の燃焼性を良好に維持し得る。
さらに、アノードオフガスがアノードオフガス集合部２２で集合するので、アノードオフガス噴出孔２１から噴出するアノードオフガスの分散性を、このようなアノードオフガス集合部を備えない場合よりも向上させ得る。つまり、ＳＯＦＣ６の単セル毎に、単セルから排出されるアノードオフガス中の水素濃度のバラツキが生じる場合でも、アノードオフガス集合部２２において水素濃度のバラツキを均一化できる。
特に、アノードオフガスの成分構成（体積比率）は、ＳＯＦＣシステム１００の燃料利用率（Ｕｆ）に依存するが、直流電流で約８００Ｗの発電、Ｕｆが７５％程度の運転が行われる場合、水分が約６５％と最も多く、二酸化炭素および水素がそれぞれ、約１５％、一酸化炭素が約４％となっている。このため、カソードオフガスおよびアノードオフガスからなる混合ガス中の水素濃度は約４％程度しかなく、一般的な文献に記載の水素可燃範囲の下限値である約３％に対して余裕がない。例えば、特許文献３の如く、数百本からなる単セルのそれぞれから噴出したアノードオフガスを燃焼させる場合、単セル毎の発電バラツキ、偏流の発生により、単セルから排出されるアノードオフガス中の水素濃度のバラツキが生じる場合、火炎が失火する可能性がある。これに対して、本実施形態のＳＯＦＣシステム１００では、アノードオフガス集合部２２において水素濃度のバラツキを均一化できるので、このような可能性を低減できる。
また、アノードオフガス噴出孔２１で火炎Ｆが、改質ガス供給経路１３に接近する内向きに形成されるので、改質ガス供給経路１３を流れる改質ガスの放熱を適切に抑制し得る。さらに、内向きの火炎Ｆの先端が、改質器２の下板部材２Ｄに向いているので、最も熱量の必要な改質触媒２Ｅのガス出口を加熱することができる。
以上により、例えば、火炎Ｆを含む燃焼空間２５の全体が、ＳＯＦＣシステム１００の起動時に、例えば、７００〜８００℃程度の高温になり得ることから、上部領域５０Ａにおける酸化剤ガスの出口付近を約６８０℃程度まで昇温できるので、ＳＯＦＣ６およびその収容容器を短時間で昇温させることができる。ＳＯＦＣシステム１００の発電時においても、改質触媒２Ｅのガス出口温度およびＳＯＦＣ６に送る前の酸化剤ガスの温度をそれぞれ、例えば、約６３０℃程度、約６５０℃程度に維持できる。
また、内向きの火炎Ｆが改質ガス供給経路１３を直接に炙ることで改質ガス供給経路１３が過昇温に陥る可能性があるが、本実施形態のＳＯＦＣシステム１００では、改質ガス供給経路１３の周囲の第１カソードオフガス通過領域２３にカソードオフガスが通過しているので、このような可能性を低減できる。
さらに、第１カソードオフガス通過領域２３に改質ガス供給経路１３を通さない場合は、改質ガス供給経路１３をアノードオフガス集合部２２の側方へ引き回す必要がある。すると、ＳＯＦＣシステム１００の設置面積が大きくなる可能性があるが、本実施形態のＳＯＦＣシステム１００では、第１カソードオフガス通過領域２３に改質ガス供給経路１３を通しているので、このような可能性を低減できる。
なお、以上のＳＯＦＣシステム１００における具体的な濃度および温度などは例示であって、本例に限定されない。
（第１変形例）
図２は、実施形態の第１変形例の高温動作型燃料電池システムの一例を示す図である。
図２に示す例では、ＳＯＦＣシステム１００は、改質器２と、蒸発器４と、酸化剤ガス供給経路５と、ＳＯＦＣ６と、酸化剤ガス熱交換器７と、アノードオフガス排出経路１１と、改質ガス供給経路１３と、混合ガス供給経路１４と、燃焼器２０と、第１カソードオフガス通過領域２３と、第２カソードオフガス通過領域３０と、を備える。
改質器２、蒸発器４、酸化剤ガス供給経路５、ＳＯＦＣ６、酸化剤ガス熱交換器７、アノードオフガス排出経路１１、改質ガス供給経路１３、混合ガス供給経路１４、燃焼器２０および第１カソードオフガス通過領域２３については実施形態のＳＯＦＣシステム１００と同様であるので説明を省略する。
本変形例のＳＯＦＣシステム１００は、本開示の第１の態様から第４の態様のいずれかのＳＯＦＣシステム１００において、ＳＯＦＣ６のカソードから排出されるカソードオフガスは、アノードオフガス集合部２２よりも外側の第２カソードオフガス通過領域３０を下から上へ通過し、アノードオフガス噴出孔２１から噴出したアノードオフガスと第２カソードオフガス通過領域３０を通過したカソードオフガスとが燃焼する。つまり、本変形例のＳＯＦＣシステム１００では、カソードオフガス排出経路は、ＳＯＦＣ６の外殻と内壁５４との間の空間と、ＳＯＦＣ６の外殻と隔壁部５１との間の空間と、第１カソードオフガス通過領域２３と、第２カソードオフガス通過領域３０とで形成されている。
具体的には、アノードオフガス集合部２２よりも外側であって内壁５４よりも内側の隔壁部５１に形成された開口部が、第２カソードオフガス通過領域３０を構成する。
第１カソードオフガス通過領域２３では、カソードオフガスはアノードオフガス集合部２２の内側を通過し、アノードオフガス噴出孔２１で火炎Ｆが改質ガス供給経路１３に接近する内向きに形成される。よって、火炎Ｆの外周にカソードオフガスを行き届かせることが困難な場合がある。
そこで、本変形例のＳＯＦＣシステム１００では、カソードオフガスが、アノードオフガス集合部２２よりも外側の第２カソードオフガス通過領域３０を通過することで、火炎Ｆの外周でもカソードオフガスとアノードオフガスとの混合性を改善させ、燃焼器２０の燃焼性をさらに向上できる。例えば、ＳＯＦＣ６のカソードから排出されるカソードオフガスのトータル量の半分程度を、第２カソードオフガス通過領域３０で通過させても構わない。
なお、本変形例のＳＯＦＣシステム１００は、上記特徴以外は、実施形態のＳＯＦＣシステム１００と同様に構成してもよい。
（第２変形例）
図３および図４は、実施形態の第２変形例の高温動作型燃料電池システムの一例を示す図である。図４には、調風装置４０が上下方向に半割にされた図が示されている。
図３に示す例では、ＳＯＦＣシステム１００は、改質器２と、蒸発器４と、酸化剤ガス供給経路５と、ＳＯＦＣ６と、酸化剤ガス熱交換器７と、アノードオフガス排出経路１１と、改質ガス供給経路１３と、混合ガス供給経路１４と、燃焼器２０と、第１カソードオフガス通過領域２３と、調風装置４０と、を備える。
改質器２、蒸発器４、酸化剤ガス供給経路５、ＳＯＦＣ６、酸化剤ガス熱交換器７、アノードオフガス排出経路１１、改質ガス供給経路１３、混合ガス供給経路１４、燃焼器２０および第１カソードオフガス通過領域２３については実施形態のＳＯＦＣシステム１００と同様であるので説明を省略する。
本変形例のＳＯＦＣシステム１００は、本開示の第１の態様から第４の態様および実施形態の第１変形例のいずれかのＳＯＦＣシステム１００において、第１カソードオフガス通過領域２３を上方から覆うように配置された調風装置４０（エアーレジスター）を備える。
図４に示すように、調風装置４０は、例えば、改質ガス供給経路１３を構成する改質ガス供給配管１３Ａとテーパ面２２Ｔとの間に設けられた底面を有しない円錐状（傘状）の調風部材により構成されている。調風部材の円錐面の適所には、複数の孔（例えば、丸孔）が形成されている。
このような調風部材に形成された孔の位置および大きさなどにより、燃焼空間２５に送られるカソードオフガス（空気）の方向などを最適化することができる。つまり、第１カソードオフガス通過領域２３を下から上へ通過するカソードオフガスの方向を、斜め上方で外向きに変更できる。これにより、かかる調風装置４０を設けない場合に比べ、カソードオフガスの燃焼空間２５における拡散性が向上し、アノードオフガスの流れとカソードオフガスの流れとを衝突させやすくすることができる。よって、燃焼空間２５におけるカソードオフガスとアノードオフガスとの混合性をさらに改善することができる。
また、調風部材は、改質ガス供給配管１３Ａへの火炎Ｆの放熱（輻射熱）をシールドする機能も備える。例えば、調風部材と改質ガス供給配管１３Ａとの接続部を適宜の箇所に設定することにより、改質ガス供給配管１３Ａへの火炎Ｆの放熱（輻射熱）を適切にシールドすることができる。
なお、本変形例のＳＯＦＣシステム１００は、上記特徴以外は、実施形態のＳＯＦＣシステム１００と同様に構成してもよい。
（第３変形例）
図５は、実施形態の第３変形例の高温動作型燃料電池システムの一例を示す図である。
図５に示す例では、ＳＯＦＣシステム１００は、改質器２と、蒸発器４と、酸化剤ガス供給経路５と、ＳＯＦＣ６と、酸化剤ガス熱交換器７と、アノードオフガス排出経路１１と、改質ガス供給経路１３と、混合ガス供給経路１４と、燃焼器２０と、第１カソードオフガス通過領域２３と、バッフルプレート６０と、を備える。
改質器２、蒸発器４、酸化剤ガス供給経路５、ＳＯＦＣ６、酸化剤ガス熱交換器７、アノードオフガス排出経路１１、改質ガス供給経路１３、混合ガス供給経路１４、燃焼器２０および第１カソードオフガス通過領域２３については実施形態のＳＯＦＣシステム１００と同様であるので説明を省略する。
本変形例のＳＯＦＣシステム１００は、本開示の第１の態様から第４の態様および実施形態の第１変形例のいずれかのＳＯＦＣシステム１００において、第１カソードオフガス通過領域２３を上方から覆うように配置されたバッフルプレート６０を備える。
具体的には、図５に示すように、燃焼空間２５における改質ガス供給経路１３の適所に円環状のバッフルプレート６０が取り付けられている。これにより、第１カソードオフガス通過領域２３を下から上へ通過するカソードオフガスの方向を外向きに変更できる。これにより、かかるバッフルプレート６０を設けない場合に比べ、アノードオフガスの流れとカソードオフガスの流れとを衝突させやすくすることができる。よって、燃焼空間２５におけるカソードオフガスとアノードオフガスとの混合性をさらに改善することができる。
なお、本変形例のＳＯＦＣシステム１００は、上記特徴以外は、実施形態のＳＯＦＣシステム１００と同様に構成してもよい。
実施形態、実施形態の第１変形例、実施形態の第２変形例および実施形態の第３変形例は、互いに相手を排除しない限り、互いに組み合わせても構わない。例えば、実施形態の第２変形例のＳＯＦＣシステム１００では、実施形態のＳＯＦＣシステム１００が、調風装置４０を備える例を説明したが、実施形態の第１変形例のＳＯＦＣシステム１００が、調風装置４０を備えても構わない。また、実施形態の第３変形例のＳＯＦＣシステム１００では、実施形態のＳＯＦＣシステム１００が、バッフルプレート６０を備える例を説明したが、実施形態の第１変形例のＳＯＦＣシステム１００が、バッフルプレート６０を備えても構わない。
上記説明から、当業者にとっては、本開示の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本開示を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本開示の精神を逸脱することなく、その構造および／または機能の詳細を実質的に変更できる。
例えば、実施形態、実施形態の第１変形例および実施形態の第２変形例のＳＯＦＣシステム１００では、改質器２が、燃焼器２０の上方に配置されているが、これに限らない。例えば、改質器は、燃焼器２０のアノードオフガス集合部２２の内側に配置されても構わない。
また、ＳＯＦＣシステム１００では、組み立て時においては、上部領域５０Ａを構成する容器と下部領域５０Ｂを構成する容器とが別体に構成されていてもよい。つまり、隔壁部５１において酸化剤ガス供給経路５、アノードオフガス排出経路１１および改質ガス供給経路１３をそれぞれ溶接等で接続することで、別体に構成された容器同士を最終的に組み立てても構わない。これにより、ＳＯＦＣ６の形状、大きさ等に依存せずに、酸化剤ガス供給経路５、アノードオフガス排出経路１１および改質ガス供給経路１３の接続部のみを合わせることで、ＳＯＦＣシステム１００の組み立てが可能となる。
本開示の一態様の高温動作型燃料電池システムは、装置全体の設置面積および装置の製造コストを従来よりも低減し得る。また、本開示の一態様の高温動作型燃料電池システムは、従来に比べ、燃焼器の燃焼性を良好に維持し得る。よって、本開示の一態様は、例えば、高温動作型燃料電池システムなどに利用できる。
２ ：改質器
２Ａ ：内壁
２Ｂ ：外壁
２Ｄ ：下板部材
２Ｅ ：改質触媒
２Ｕ ：上板部材
４ ：蒸発器
４Ａ ：内壁
４Ｂ ：外壁
４Ｃ ：流路部材
４Ｄ ：下板部材
４Ｅ ：底部
５ ：酸化剤ガス供給経路
７ ：酸化剤ガス熱交換器
１１ ：アノードオフガス排出経路
１３ ：改質ガス供給経路
１３Ａ ：改質ガス供給配管
１４ ：混合ガス供給経路
１６ ：折り返し部
１７ ：折り返し部
２０ ：燃焼器
２１ ：アノードオフガス噴出孔
２２ ：アノードオフガス集合部
２２Ｔ ：テーパ面
２２Ｕ ：上面
２３ ：第１カソードオフガス通過領域
２５ ：燃焼空間３０ ：第２カソードオフガス通過領域
４０ ：調風装置
５０Ａ ：上部領域
５０Ｂ ：下部領域
５１ ：隔壁部
５２ ：上壁
５３ ：外壁
５４ ：内壁
６０ ：バッフルプレート
１００ ：ＳＯＦＣシステム

Claims (5)

  1. 炭化水素系の原燃料を改質することで水素含有の改質ガスを生成する改質器と、
    前記改質ガスおよび酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池と、
    前記改質器を加熱する燃焼器と、
    前記改質ガスが流通する改質ガス供給経路と、を備え、
    前記燃焼器は、前記燃料電池のアノードから排出されたアノードオフガスが集合するとともに、アノードオフガス噴出孔が設けられているアノードオフガス集合部を備え、
    前記アノードオフガス集合部は、前記燃料電池のカソードから排出されたカソードオフガスが通過する第１カソードオフガス通過領域を囲むように形成され、
    前記アノードオフガス噴出孔は、前記アノードオフガス噴出孔から上方へ噴出するアノードオフガスが、前記第１カソードオフガス通過領域を下から上へ通過する前記カソードオフガスに対して接近するように設けられており、
    前記アノードオフガス噴出孔から噴出したアノードオフガスと第１カソードオフガス通過領域を通過したカソードオフガスとが燃焼しており、
    前記改質器は、前記燃焼器の上方に配置されており、
    前記改質ガス供給経路は、前記改質器から前記第１カソードオフガス通過領域を通って前記燃料電池に至るように延伸している高温動作型燃料電池システム。
  2. 前記アノードオフガス集合部は、中空構造の円環体で形成され、前記円環体の内側の空間が、第１カソードオフガス通過領域を構成する請求項１に記載の高温動作型燃料電池システム。
  3. 前記アノードオフガス集合部は、前記第１カソードオフガス通過領域に向かって下方に傾斜するテーパ面を備え、前記テーパ面に、前記アノードオフガス噴出孔が形成されている請求項１または２に記載の高温動作型燃料電池システム。
  4. 前記カソードオフガスは、前記アノードオフガス集合部よりも外側の第２カソードオフガス通過領域を下から上へ通過し、前記アノードオフガス噴出孔から噴出したアノードオフガスと前記第２カソードオフガス通過領域を通過したカソードオフガスとが燃焼する請求項１から３のいずれかに記載の高温動作型燃料電池システム。
  5. 前記第１カソードオフガス通過領域を上方から覆うように配置された調風装置またはバッフルプレートを備える請求項１から４のいずれかに記載の高温動作型燃料電池システム。
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