JP7002054B2 - 高温動作型燃料電池システム - Google Patents

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Description

本発明は、高温で作動する高温動作型燃料電池システムに関する。
燃料電池は、小型でも発電効率が高く、また発電時に発生する熱、もしくは燃料電池から排出されたオフガスを燃焼させて得た排ガスの熱などを利用することができるため、総合効率を高めることができる。そこで、排熱を有効に利用できる燃料電池システムの開発が進められている。例えば、固体酸化物型燃料電池の発電反応を安定化させるとともに総合効率の向上を図った燃料電池システムが提案されている(例えば、特許文献1、2)。
特許文献1に係る燃料電池システムでは、コア真空断熱缶(真空断熱部)と断熱部(断熱材)とを配置して、燃料電池セルアセンブリおよび熱交換器ユニットなどを収容する断熱容器の断熱性を高める構成が示されている。この構成により特許文献1に係る固体酸化物形燃料電池システムは、断熱容器から外部への熱の散逸を低減させることができる。
また特許文献2に係る燃料電池システムでは、SOFCから排出される排燃料を燃焼器で完全燃焼させ、燃焼器から排出された排ガスと、第1の空気予熱器、第2の空気予熱器、および蒸発器それぞれとの間で熱交換する構成が示されている。この構成により、特許文献2に係る燃料電池システムでは、第1の空気予熱器および第2の空気予熱器等で回収した熱を利用して外部から送り込まれた空気を予熱することができ、燃料電池システムの効率を高めることができる。
特開2009-170170号公報 特許第3913008号公報
本発明は、一例として、外部への放熱量を減少させ、発電効率を高めるとともに、信頼性の高い高温動作型燃料電池システムを提供することを課題とする。
本発明に係る高温動作型燃料電池システムの一態様(aspect)は、カソードに供給される酸化剤ガスとアノードに供給される改質ガスとの電気化学的反応により発電する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックの前記カソードから排出されたカソードオフガスと、前記アノードから排出されたアノードオフガスとを燃焼させる燃焼部と、前記燃料電池スタックおよび前記燃焼部の外周の少なくとも一部を覆う断熱部と、前記断熱部の外周の少なくとも一部を覆うとともに前記断熱部を介して伝達された熱により前記燃料電池スタックへ供給する酸化剤ガスを予熱する第1予熱部と、前記第1予熱部に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給器と、前記第1予熱部の外周の少なくとも一部を覆う真空断熱部と、前記燃料電池スタックの発電動作の停止を示す情報を検出する検出部と、制御部と、を備え、前記制御部は、前記検出部の検出結果に基づき、前記燃料電池スタックの発電動作が停止したと判断した場合、前記真空断熱部が所定温度以下となるように前記酸化剤ガス供給器を制御して前記第1予熱部に前記酸化剤ガスを供給させる。
本発明は、以上に説明したように構成され、外部への放熱量を減少させ、発電効率を高めるとともに、信頼性を高めることができるという効果を奏する。
本発明の実施の形態1に係る高温動作型燃料電池システムの要部構成の一例を示す模式図である。 図1に示す高温動作型燃料電池システムが第1予熱部を備えない構成の場合における温度分布の一例を示す図である。 図1に示す高温動作型燃料電池システムが第1予熱部を備える構成の場合における温度分布の一例を示す図である。 実施の形態1の変形例1に係る高温動作型燃料電池システムの要部構成の一例を示す模式図である。 実施の形態1の変形例2に係る高温動作型燃料電池システムの要部構成の一例を示す模式図である。 本発明の実施の形態2に係る高温動作型燃料電池システムの要部構成の一例を示す模式図である。 本発明の実施の形態3に係る高温動作型燃料電池システムの外観形状の一例を示す斜視図である。 図7に示す高温動作型燃料電池システムの要部構成の一例を示す模式図である。
(本発明の一形態を得るに至った経緯)
本発明者らは、排熱を有効に利用できる高温動作型燃料電池の一例として固体酸化物形燃料電池システム(以下、SOFCシステム)に関して鋭意検討を行った。その結果、以下の知見を得た。
まず、上述した特許文献1に係るSOFCシステムは、断熱容器本体の外壁材の内周に沿ってコア真空断熱缶と断熱部とを配置する構成である。しかしながら、この構成では依然として外壁材温度が高温となり断熱性能が十分ではないという問題を見出した。そのため、特許文献1に係るSOFCシステムにおいて外部への放熱量を十分に低減させるためには断熱部の厚みを大きくする必要がありSOFCシステムの小型化を図ることが困難であることが分かった。また、SOFCシステムの作動に伴い、真空断熱容器そのものの表面温度が、例えば500℃以上まで上昇してしまうと、コア真空断熱缶を例えばSUSなどの金属で構成している場合、コア真空断熱缶は十分な耐久性を確保できないという問題も見出した。
一方、特許文献2に係るSOFCシステムでは、排ガスの保有する熱の回収という点でSOFCシステムにおける発電効率の向上を図ることができる。しかしながら、特許文献2に係るSOFCシステムは、SOFCシステムの内部から外部へ散逸する熱量を十分に低減させることができないという点で、発電効率の大幅な向上を図ることができないという問題を見出した。
そこで、本発明者はこれら従来の問題に関し、検討を重ねた結果、以下の知見を得た。すなわち、SOFCシステムにおいて断熱部の厚みをできるだけ薄くして小型化を図るとともに、SOFCシステムの内部から外部へ散逸する熱量を抑制し、発電効率の向上を達成させるためには、SOFCシステム内において、断熱部とは別に、断熱性能を大幅に向上させるための機構が必要であることに気が付いた。
具体的には、SOFCシステム内の熱を効率よく回収して固体酸化物形燃料電池(SOFC)に供給する酸化剤ガスを予熱する予熱部と、断熱部と、真空断熱部と、を組み合わせ、適切にそれぞれを配置した。つまり、燃料電池スタックおよび燃焼部等を収容する筐体の外周を断熱部、予熱部、真空断熱部の順に覆う構成とすることで断熱性能の大幅な向上を実現できることを見出した。
この構成では、筐体の外壁に沿って配置される断熱部の厚みを抑えることができるため、SOFCシステムの小型化を図ることができる。また、この構成により、筐体の外壁等に沿って配置される断熱部の表面温度を低く抑え、断熱部の寿命を確保することができるため、システムの信頼性を高めることができる。また、この構成では、SOFCに供給する酸化剤ガス(空気)の流量を調整することにより、熱回収性能と断熱性能とを調整することができる。
このように、本発明者らが見出した上記の構成は、高温動作型燃料電池システムの発電時は、放熱を抑制することができるため、発電効率を大幅に向上させることが可能となる。しかしながら、高温動作型燃料電池システム内部の温度が高い状態で該高温動作型燃料電池の発電動作が停止してしまった場合、真空断熱部は熱伝導率が低いため、この真空断熱部の内側の温度が急激に上昇してしまう。そして、内側の温度が真空断熱部の許容温度を超えると、真空断熱部が劣化し、断熱性能が低下する場合があることを見出した。
そこで、本発明者らは、上記の構成を有する高温動作型燃料電池システムにおける停止動作を鋭意検討した結果、高温動作型燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給器を適切に制御することで、真空断熱部の劣化を防ぐことができることを見出し、本発明に至った。
具体的には、高温動作型燃料電池の発電動作の停止時において、燃料電池スタックおよび燃焼部等を収容する筐体の内部の温度が高い場合は真空断熱部の内側に位置する予熱部に酸化剤ガスを一定時間流すように酸化剤ガス供給器を制御する。このように酸化剤ガス供給器を制御することで、真空断熱部の内側の急激な温度上昇を防ぎ、真空断熱部の性能および信頼性を維持することができるという知見を得た。
上記した本発明者らの知見は、これまで明らかにされていなかったものであり、顕著な作用効果を奏する新規な技術的特徴を有するものである。そこで、本発明では具体的には以下に示す態様を提供する。
本発明の第1の態様に係る高温動作型燃料電池システムは、上記した課題を解決するために、カソードに供給される前記酸化剤ガスとアノードに供給される改質ガスとの電気化学的反応により発電する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックの前記カソードから排出されたカソードオフガスと、前記アノードから排出されたアノードオフガスとを燃焼させる燃焼部と、前記燃料電池スタックおよび前記燃焼部の外周の少なくとも一部を覆う断熱部と、前記断熱部の外周の少なくとも一部を覆うとともに前記断熱部を介して伝達された熱により前記燃料電池スタックへ供給する前記酸化剤ガスを予熱する第1予熱部と、前記第1予熱部に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給器と、前記第1予熱部の外周の少なくとも一部を覆う真空断熱部と、前記燃料電池スタックの発電動作の停止を示す情報を検出する検出部と、制御部と、を備え、前記制御部は、前記検出部の検出結果に基づき、前記燃料電池スタックの発電動作が停止したと判断した場合、前記真空断熱部が所定温度以下となるように前記酸化剤ガス供給器を制御して前記第1予熱部に前記酸化剤ガスを供給させる。
上記構成によると、断熱部、第1予熱部および真空断熱部を備えているため、真空断熱部の表面から外部への放熱量を抑制することができる。また、断熱部を介して第1予熱部に伝達された熱を、第1予熱部の内部を流通し燃料電池スタックに供給する酸化剤ガスによって回収することができる。このように、高温動作型燃料電池システムにおける排熱を酸化剤ガスにより効率的に回収でき、回収した熱により予熱された酸化剤ガスを燃料電池スタックに供給することができるため、発電効率を高めることができる。
さらに、制御部が、燃料電池スタックの発電動作を停止したと判断した場合、酸化剤ガス供給器を制御して前記第1予熱部に前記酸化剤ガスを供給させることができるため、真空断熱部の温度を許容温度範囲内に維持し、真空断熱部の劣化を防ぐことができる。
したがって、本発明の第1の態様に係る高温動作型燃料電池システムは、外部への放熱量を減少させ、発電効率を高めるとともに、信頼性の高めることができるという効果を奏する。
また、本発明の第2の態様に係る高温動作型燃料電池システムは、上記した第1の態様において、前記検出部は、火炎検知器であり、前記制御部は、前記検出部の検出結果から前記燃焼部の燃焼動作の停止を検出した場合、前記燃料電池スタックの発電動作が停止したと判断する構成であってもよい。
また、本発明の第3の態様に係る高温動作型燃料電池システムは、上記した第1の態様において、前記検出部は、流量計であり、前記制御部は、前記検出部の検出結果から前記改質ガスの供給停止を検出した場合、前記燃料電池スタックの発電動作が停止したと判断する構成であってもよい。
上記構成によると、失火などによる燃焼動作の不具合、または改質ガスの供給停止により燃料電池スタックの発電動作を停止に至る場合であっても、真空断熱部の温度を許容温度範囲内に維持し、真空断熱部の劣化を防ぐことができる。
また、本発明の第4の態様に係る高温動作型燃料電池システムは、上記した第1から第3の態様のいずれか1つの態様において、前記酸化剤ガス供給器により前記第1予熱部に前記酸化剤ガスを供給させる際、該酸化剤ガス供給器への電力供給が停止させられていると判断した場合、前記制御部は、前記燃料電池スタックにより発電された電力、または外部に備えられた補助電源からの電力により、前記酸化剤ガス供給器を稼働させる構成であってもよい。
上記構成によると、酸化剤ガス供給器への電力供給が停止させられていると判断した場合、燃料電池スタックにより発電された電力、または補助電源からの電力により、酸化剤ガス供給器を稼働させることができる。このように、酸化剤ガス供給器への電力供給が停止したとしても、稼働させることができるため、酸化剤ガス供給器が稼働せず真空断熱部の温度を許容温度範囲内に維持できなくなる事態を防止することができる。
よって、高温動作型燃料電池システムの信頼性を高めることができる。
本発明の第5の態様に係る高温動作型燃料電池システムは、上記した第1から4の態様のいずれか1つの態様において、前記燃焼部の燃焼により生成された排ガスの有する熱を利用して改質反応を行い、供給された発電原料から前記改質ガスを生成する改質器と、前記改質器の改質反応により熱の一部が利用された前記排ガスとの熱交換により前記酸化剤ガスを予熱させ前記燃料電池スタックへ供給する第2予熱部と、前記燃料電池スタック、前記燃焼部、前記改質器、および前記第2予熱部を収容する筐体部と、をさらに備え、前記断熱部は、前記筐体部の内周または外周に位置し、前記燃料電池スタック、前記燃焼部、前記改質器、および前記第2予熱部の外周の少なくとも一部を覆う構成であってもよい。
上記構成によると、改質器を備えるため、発電原料から改質ガスを生成し燃料電池スタックへ供給することができる。このため、高温動作型燃料電池システムにおいて使用する発電原料の選択肢を増やすことができる。
また、また第2予熱部を備えるため、燃料電池スタックに供給する酸化剤ガスを排ガスで予熱することができる。このため、排ガスの温度を十分に低下させ外部に排出させることができるとともに、酸化剤ガスの温度を上昇させることができる。
それゆえ、第5の態様に係る高温動作型燃料電池システムは、発電効率をより一層、向上させることができる。
また、本発明の第6の態様に係る高温動作型燃料電池システムは、上記した第1から第5の態様のいずれか1つの態様において、前記制御部は、前記検出部の検出結果に基づき、前記燃料電池スタックの発電動作が停止したと判断した場合、前記酸化剤ガス供給器を制御して前記第1予熱部に前記酸化剤ガスを所定時間または前記真空断熱部の温度が所定の温度以下になったと判断するまで供給させる構成であってもよい。
上記構成によると、制御部は、燃料電池スタックの発電動作が停止したと判断した場合、第1予熱部に酸化剤ガスを、所定時間または真空断熱部の温度が所定の温度以下になったと判断するまで供給させる。このため、制御部は、確実に真空断熱部の温度が許容温度内となるように、酸化剤ガス供給器を制御して酸化剤ガスを第1予熱部に供給させることができるため、高温動作型燃料電池システムの信頼性をより一層、向上させることができる。
本発明の第7の態様に係る高温動作型燃料電池システムは、上記した第5の態様において、前記燃焼部の上方に前記改質器が配置され、前記燃焼部の下方に前記燃料電池スタックが配置されており、前記燃料電池スタックを収容する収容空間を有するとともに、該燃料電池スタックの前記カソードから排出された前記カソードオフガスを、該収容空間内を流通させて前記燃焼部に導く燃料電池スタック容器と、前記燃料電池スタックの外周を取り巻くように前記燃料電池スタック容器の側面に設けられ、前記収容空間内を流通する前記カソードオフガスの有する熱により前記第2予熱部によって予熱された前記酸化剤ガスをさらに予熱する第3予熱部と、を備え、前記断熱部は、前記第3予熱部、前記燃焼部、および前記改質器それぞれの外周の少なくとも一部を覆うように配置された構成であってもよい。
上記構成によると、第3予熱部、前記燃焼部、および前記改質器それぞれの外周の少なくとも一部を覆うように断熱部が配置されているため、断熱部をさらに覆う第1予熱部および真空断熱部によって、熱回収性能および断熱性能をより一層、向上させることができる。
本発明の第8の態様に係る高温動作型燃料電池システムは、上記した第7の態様において、前記第1予熱部は、前記第3予熱部、前記燃焼部、および前記改質器それぞれの外周の少なくとも一部を覆う複数の部分予熱部と、分離して配置された該部分予熱部の間を酸化剤ガスが流通するように連結する連結部とから構成されていてもよい。
上記構成によると、第1予熱部が複数の部分予熱部と連結部とから構成されている。このように第1予熱部を複数の部分予熱部から構成するため、適切な形状の部分予熱部を適正な位置に配置させることができる。さらには、部分予熱部を覆う真空断熱部も部分予熱部の形状および位置に合わせて、適切な形状で適切な位置に配置させることができる。
このため、高温動作型燃料電池システムの断熱性能の大小、および熱回収能力の大小を自在に調整することができる。
本発明の第9の態様に係る高温動作型燃料電池システムは、上記した第7または8の態様において、前記酸化剤ガスは、前記第1予熱部、前記第2予熱部、および前記第3予熱部の順に流通して前記燃料電池スタックに供給されており、前記第1予熱部は、前記断熱部を介して伝達した熱によって外部から供給された前記酸化剤ガスを予熱し、前記第2予熱部は、前記第1予熱部により予熱された前記酸化剤ガスを前記排ガスの有する熱によって予熱し、前記第3予熱部は、前記第2予熱部によって予熱された前記酸化剤ガスを、前記燃料電池スタック容器の前記収容空間内を流通する前記カソードオフガスの熱により予熱する構成であってもよい。
上記構成によると、第1~第3予熱部により外部に散逸する熱を有効に利用し、酸化剤ガスの温度を確実に上昇させることができる。このため、高温動作型燃料電池システムの発電効率をさらに向上させることが可能となる。
本発明の第10の態様に係る高温動作型燃料電池システムは、上記した第1から第9の態様のいずれか1つの態様において、前記真空断熱部は、前記高温動作型燃料電池システムを構成する各部を分解することなく交換できるよう着脱可能に設けられている構成であってもよい。
ここで、高温動作型燃料電池システムを構成する各部を分解することなく交換できるとは、該高温動作型燃料電池システムを構成する例えば、配管または筐体部等を分解したり、配置位置を移動させたりすることなく、真空断熱部を交換できるということである。
上記構成によると、真空断熱部は、高温動作型燃料電池システムを構成する各部を分解することなく交換できるよう着脱可能に設けられている。
このため、燃料電池スタックの発電の停止にともなう筐体内の温度上昇に起因して、あるいは真空断熱部の寿命により、該真空断熱部の性能が悪化したとき、短時間でかつ低コストで真空断熱部の取り替えを行うことができる。
本発明の第11の態様に係る高温動作型燃料電池システムは、上記した第10の態様において、前記真空断熱部の温度変化に対応する温度を検出する温度検知部と、報知機と、を備え、前記制御部は、前記温度検知部によって検出された温度履歴を記録する記憶部を有しており、該記憶部に記録された温度履歴に基づき、前記真空断熱部の交換の要否を判断し、この判断した結果を前記報知機に報知させるように制御する構成であってもよい。
本発明の第12の態様に係る高温動作型燃料電池システムは、上記した第11の態様において、前記温度検知部は、前記燃料電池スタックの発電動作の停止を示す情報を検出する検出部であってもよい。
上記構成によると、高温動作型燃料電池システムでは、真空断熱部を適切なタイミングで取り替えることができ、部品コストおよび作業コストの大幅な低減を図ることができる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。本発明の実施の形態では、高温動作型燃料電池システム100として発電部に固体酸化物形燃料電池(SOFC)を有するSOFCシステムを例に挙げて説明するがこれに限定されるものではない。例えば、高温動作型燃料電池システム100は、発電部に溶融炭酸形燃料電池(MCFC)を有するMCFCシステムなどであってもよく、高温な排熱を有効活用できる燃料電池システムであればよい。
[実施の形態1]
(高温動作型燃料電池システムの構成)
まず、図1を参照して、実施の形態1に係る高温動作型燃料電池システム100の構成について説明する。図1は、本発明の実施の形態1に係る高温動作型燃料電池システム100の要部構成の一例を示す模式図である。図1では、高温動作型燃料電池システム100を側面側から見たときの要部構成を示しており、高温動作型燃料電池システム100は、紙面における下方を底面、上方を上面とした円柱形状または直方体形状とすることができる。なお、本明細書では、発電原料供給経路8を通じて外部から供給されるガスを発電原料と称し、改質器5において改質反応により改質された発電原料を改質ガスと称する。
高温動作型燃料電池システム100は、外部から供給された、例えば空気などの酸化剤ガスと、外部から供給された例えば天然ガス等の発電原料を改質して得られた改質ガスとの電気化学的な反応により発電する。高温動作型燃料電池システム100は、図1に示すように、燃料電池スタック1、燃料電池スタック容器2、筐体部3、蒸発器4、改質器5、噴出部6、燃焼部7、発電原料供給経路8、改質ガス経路9、アノードオフガス経路10、酸化剤ガス供給経路11、第1予熱部12、酸化剤ガス筐体部供給経路13、第2予熱部14、第1酸化剤ガス経路15、第3予熱部16、第2酸化剤ガス経路17、排ガス経路19、断熱部21、真空断熱部22、酸化剤ガス供給器25、発電原料供給器26、検出部40、および制御部27を備えてなる構成である。
高温動作型燃料電池システム100では、筐体部3の外周の少なくとも一部が断熱部21によって覆われている。図1に示すように、断熱部21は、筐体部3の側部の外周の少なくとも一部を覆う構成であってもよい。そして、断熱部21の外周の少なくとも一部が第1予熱部12によって覆われ、第1予熱部12の外周の少なくとも一部が真空断熱部22によって覆われている。なお、図1では、断熱部21が配される範囲と第1予熱部12が配される範囲とが同じとなっているが、必ずしも両者が同じ範囲である必要はない。また、図1では、第1予熱部12が配される範囲と真空断熱部22が配される範囲とも同じ範囲となっているが、必ずしも両者が同じ範囲である必要はない。すなわち、真空断熱部22の内周側全体が、第1予熱部12と接するように配置される構成であればよく、第1予熱部12全体を全て覆う構成とする必要はない。信頼性の観点から、真空断熱部22の内周側に第1予熱部12が必ず存在する構成が望ましい。
また、筐体部3内には、燃料電池スタック1、燃料電池スタック容器2、蒸発器4、改質器5、噴出部6、燃焼部7、改質ガス経路9、アノードオフガス経路10、第2予熱部14、第1酸化剤ガス経路15、第2酸化剤ガス経路17、および排ガス経路19が収容されている。
まず、筐体部3内の構成について説明する。燃料電池スタック1は、外部から供給された酸化剤ガスと改質器5における改質反応により生成された改質ガスとの電気化学的反応により発電する複数の燃料電池の単セルを積層して形成される。燃料電池スタック1では、例えば、積層された単セルを直列に接続した構成であってもよい。燃料電池スタック1は、複数の平板形の燃料電池セルを積層して形成されていてもよいし、複数の円筒形の燃料電池セルを積層して形成してもよい。実施の形態1に係る高温動作型燃料電池システム100では、燃料電池スタック1は、600℃近傍以上の高温で作動する。なお、燃料電池スタック1には、特に図示しないが該燃料電池スタック1の動作温度を検出する温度検出部、および該燃料電池スタック1において発電した電流を取り出す電極などが設けられていてもよい。
燃料電池スタック1を構成する単セルとしては、例えばイットリアをドープしたジルコニア(YSZ)、イットリビウムやスカンジウムをドープしたジルコニア、あるいはランタンガレート系の固体電解質からなる燃料電池単セルを用いることができる。例えば、燃料電池の単セルがYSZの場合、厚みにもよるが、約600~900℃の温度範囲にて、発電反応が行われる。
燃料電池スタック容器2は、燃料電池スタック1を収容する容器である。燃料電池スタック容器2は、例えば、600℃~900℃の温度範囲に耐性を示す耐熱性金属により構成される。燃料電池スタック容器2の少なくとも側面は筐体部3を介して断熱部21によって覆われており、断熱部21の外周には第1予熱部12が該断熱部21を覆うように設けられている。さらに、第1予熱部12の外周には真空断熱部22が該第1予熱部12を覆うように設けられている。
なお、断熱部21、第1予熱部12、真空断熱部22が設けられる範囲は、図1に示すように、少なくとも上記した燃料電池スタック容器2および燃焼部7の側面を囲む範囲に相当する筐体部3の側面を覆うように設けられている。さらには、断熱部21、第1予熱部12、真空断熱部22は、蒸発器4、改質器5、および第2予熱部14の側面を囲む範囲に相当する筐体部3の側面の範囲を覆う構成であってもよい。少なくとも筐体部3の外周において高温の状態で熱が伝達される範囲を覆うように断熱部21、第1予熱部12、真空断熱部22が設けられている。また、実施の形態1に係る高温動作型燃料電池システム100では、断熱部21を、筐体部3の外周側に配置した構成となっているが、筐体部3の内周側に配置されても良いし、筐体部3を挟むように、筐体部3の内周側および外周側にそれぞれ配置してもよい。筐体部3を断熱部21で挟みこむ構成の場合は、筐体部3の内周側と外周側とで断熱部21を構成する材料を変えてもよい。
第1予熱部12は、断熱部21を囲む金属製の内管とこの内管の外周を囲む金属製の外管とから構成されており、内管と外管との間に形成される空間を酸化剤ガスが流通する構成としてもよい。また、断熱部21および真空断熱部22の詳細については後述する。
また、図1に示すように、燃料電池スタック容器2内では、燃料電池スタック1の収容空間内を該燃料電池スタック1のカソードから排出されたカソードオフガスが流通する構成となっている。そして、燃料電池スタック容器2内において、燃料電池スタック1のカソード側に供給する酸化剤ガスと、燃料電池スタック1から排出されたカソードオフガスとの間で熱交換させ、酸化剤ガスを予熱させることができる第3予熱部16が設けられている。第3予熱部16は、燃料電池スタック容器2の側面の内壁に沿って設けられている。換言すると、第3予熱部16は、燃料電池スタック容器2内において燃料電池スタック1の側面の外周を囲むように設けられている。第3予熱部16も第1予熱部12と同様に、金属製の内管が燃料電池スタック1の側面を囲み、この内管の外周を金属製の外管が囲み、内管と外管との間に形成される空間を酸化剤ガスが流通する構成であってもよい。なお、第3予熱部16を構成する外管は燃料電池スタック容器2の側壁と共用されていてもよい。
噴出部6は、アノードオフガスを噴出するためのものであり、燃料電池スタック容器2の上面における中心部分に設けられている。燃料電池スタック1のアノードから排出されたアノードオフガスはアノードオフガス経路10を流通し、噴出部6に供給される。
図1に示すように、燃料電池スタック容器2の上面の中央部分は、上面から底面に向かって先細りとなったテーパ形状となるように窪んでいる。そして、この窪みによってアノードオフガスとカソードオフガスとの燃焼空間である燃焼部7を形成した構成であってもよい。窪みの底部における中心に、燃料電池スタック容器2の上面に対して垂直方向でかつ上向きに突出するよう噴出部6が設けられている。噴出部6は、例えば、円筒形状をしており、その側面にアノードオフガスを噴出するための複数のアノードオフガス噴出孔が設けられた構成であってもよい。
このように、高温動作型燃料電池システム100では、作動時(発電時)に、燃焼部7において発電反応に利用されなかったアノードオフガスとカソードオフガスとを燃焼させ、高温の排ガスを生成し、詳細は後述するが、排ガスが有する熱を有効に利用するように構成されている。さらにまた、詳細は後述するが、断熱部21、真空断熱部22、第1予熱部12、第2予熱部14、第3予熱部16を適切に配置することで高温動作型燃料電池システム100の筐体部3内から外部への放熱を可能な限り遮断するように構成されている。
図1に示すように高温動作型燃料電池システム100では、燃料電池スタック1は燃焼部7の下方に配置されており、燃焼部7の上方には第2予熱部14、蒸発器4、および改質器5が設けられている。そして、燃焼部7で生成された排ガスの有する熱を利用して、改質器5の改質反応に必要な熱を賄ったり、蒸発器4で水を気化させるために必要な熱を賄ったり、第2予熱部14で酸化剤ガスを予熱するために必要な熱を賄ったりする構成となっている。
第2予熱部14は、改質器5の改質反応により熱の一部が利用された排ガスと酸化剤ガスとの熱交換により該酸化剤ガスを予熱させ、予熱させた酸化剤ガスを燃料電池スタック1に向かって供給する。なお、第2予熱部14は、径寸法および軸方向の長さが異なる、底面側が開口した2つの金属製の筒状部材を組み合わせて構成してもよい。そして、内側に配される筒状部材と外側に配される筒状部材との間に形成される空間を酸化剤ガスが流通する構成であってもよい。
改質器5は、部分酸化改質反応により発電原料から改質ガスを生成するものであってもよい。また、改質器5は、部分酸化改質反応だけではなく水蒸気改質反応により発電原料から改質ガスを生成できる構成となっていることが有利である。なお、改質器5が部分酸化改質反応により発電原料から改質ガスを生成する構成の場合は、蒸発器4を必ずしも備える必要はない。
改質器5が水蒸気改質反応により発電原料から改質ガスを生成する場合、改質器5の上流側に設けられた蒸発器4により気化された水と発電原料とを混合させ改質器5に供給する。改質器5に充填される改質触媒としてはアルミナ担持ニッケル(Ni/Al)触媒、またはアルミナ担持ルテニウム触媒(Ru/Al)などを適宜用いることができる。
ところで、改質器5に供給される発電原料には付臭剤として、または原料由来のものとして硫黄成分が含まれている場合がある。そこで、改質器5および蒸発器4の上流側に脱硫器が設けられ、該脱硫器によって脱硫された後の発電原料が改質器5および蒸発器4に供給される構成となっていてもよい。
脱硫器の一例としては、水添脱硫方式により発電原料に含まれる硫黄成分を除去する方式がある。脱硫器に充填する脱硫剤としては、例えば、銅および亜鉛を含む脱硫剤が挙げられる。なお、脱硫剤は、水添脱硫を行うことができればこの脱硫剤に限定されるものではなく、Ni-Mo系又はCo-Mo系触媒と酸化亜鉛との組み合わせであってもよい。Ni-Mo系又はCo-Mo系触媒と酸化亜鉛とを組み合わせた脱硫剤の場合、脱硫器は350~400℃の温度範囲にて、発電原料中の有機硫黄を水添分解する。そして、脱硫器は、生成したHSを、350~400℃の温度範囲にてZnOに吸着させて除去する。例えば、発電原料が都市ガスの場合、付臭剤として硫黄化合物であるジメチルスルフィド(dimethl sulfide ;CS,DMS)が含有されている。このDMSは、脱硫器において、以下の反応式(1)、(2)によるZnSの形、または物理吸着の形で脱硫剤によって除去される。
S+2H→2CH+HS ・・・(1)
S+ZnO→HO+ZnS ・・・(2)
なお、発電原料に含まれる付臭剤は、上述したDMSの他に、TBM(C10S)またはTHT(CS)等の硫黄化合物の場合もある。
また、充填する脱硫剤が銅および亜鉛を含む場合、脱硫器は、10~400℃程度、好ましくは150~300℃程度の温度範囲で脱硫を行う。この銅亜鉛系脱硫剤は、水添脱硫能力に加えて物理吸着能力もあり、低温では主に物理吸着、高温では化学吸着(HS+ZnO→HO+ZnS)を行うことができる。この場合、脱硫後の発電原料に含まれる硫黄含有量は、1vol ppb(parts per billion)以下、通常は0.1vol ppb以下となる。
このように、脱硫器において、Ni-Mo系又はCo-Mo系触媒、あるいは銅および亜鉛のいずれかを含む脱硫剤が充填されている場合、単位体積あたりの硫黄成分除去量が大きくなる。それゆえ、上述した脱硫剤を用いる場合、所望の硫黄濃度まで硫黄を除去するために必要となる脱硫剤の量を低減させることができる。
(断熱部および真空断熱部)
以下において高温動作型燃料電池システム100が備える断熱部21および真空断熱部22について詳細に説明する。
まず、断熱部21を構成する断熱材は、600℃以上の高温に耐える断熱材が望ましく、耐熱性のあるものであれば汎用的な断熱材を用いることができる。例えば、断熱部21を構成する断熱材としては、グラスウール、スーパーウール、ロックウール、セラミックファイバー、ミネラルウール、ケイ酸カルシウム、硬質ウレタンフォームなどが例示できる。あるいは、フュームドシリカを主成分とし、無機繊維状物質と赤外線遮断材とを配合した特殊耐熱断熱材であってもよい。
一方、第1予熱部12の外周側に設けられる真空断熱部22は、金属または樹脂で構成されたラミネートフィルムなどからなる外被材と、グラスウールなどの多孔質構造材からなる芯材とから構成され、内部を減圧して封止したいわゆる真空断熱材(VIP:Vacuum Insulation Panel)で構成されている。
真空断熱部22を第1予熱部12の外周、すなわち高温動作型燃料電池システム100の最外周に配置することで、大幅に断熱性能を向上させることが可能となる。例えば、第1予熱部12の外周にグラスウール等の汎用的な断熱材からなる断熱部を配置した場合よりも、この真空断熱部22を配置した場合の方が、熱伝導率が約1/10~1/20となる。なお、筐体部3の最も外側に位置する部分を高温動作型燃料電池システム100の最外周と称する。例えば、筐体部3が断熱部21、第1予熱部12、および真空断熱部22の順に覆われている部分については、真空断熱部22が位置する部分が最外周となる。
このため、第1予熱部12の外周に真空断熱部22を配置した場合の方が、汎用的な断熱材を配置した場合よりも薄型化を図ることができ、高温動作型燃料電池システム100の小型化を実現することができる。
より具体的には、真空断熱部22の厚さは、高温動作型燃料電池システム100において必要な発電効率に基づき算出される許容放熱量と真空断熱部22の熱伝導率から算出することができる。例えば、100℃~200℃付近の熱伝導率の参考値としては、グラスウールなどの汎用的な断熱材で約0.1W/mk、フュームドシリカを用いた特殊耐熱断熱材で約0.024W/mk、真空断熱材で約0.0012W/mkとなる。この結果からも、高温動作型燃料電池システム100の最外周に真空断熱部22を配置する構成とすることにより、汎用的な断熱材から構成される断熱部を配置する構成よりも例えば20倍以上の薄型化を図ることができることが分かる。
また、真空断熱部22を構成する真空断熱材は、金属または樹脂で構成されたラミネートフィルムなどからなる外被材の素材および接着剤の仕様により、許容温度範囲が異なる。特に高温側は100℃~200℃程度が許容最大温度となる場合が多い。このため、真空断熱部22は、使用温度が低いほど寿命が延びることとなる。
実施の形態1に係る高温動作型燃料電池システム100では、第1予熱部12にて断熱部21を介して燃料電池スタック1および燃焼部7等から伝わる熱を回収することができる構成となっている。そのため、高温動作型燃料電池システム100の発電動作時には、第1予熱部12の外周側の表面温度は、例えば、50℃~200℃程度の温度となる。それ故、真空断熱部22の使用温度が高くならないようにすることができ、真空断熱部22の長寿命化を図ることができる。
つまり、高温動作型燃料電池システム100では、筐体部3の外周側の表面温度が600℃~800℃と高温となる場合であっても、断熱部21の厚さを調整したり、供給する酸化剤ガスの流量を制御し、第1予熱部12における熱交換量を調整したりすることで、真空断熱部22の内周側表面の温度を200℃以下とすることができる。このため、真空断熱部22が200℃を超える高温に曝されることがなく。その寿命を大幅に延ばすことができる。
また、高温動作型燃料電池システム100では、真空断熱部22を高温動作型燃料電池システムの最外周に配置する構成である。このため、金属製の第1予熱部12を高温動作型燃料電池システム100の最外周に配置した構成と比較して、両者の外周側の表面温度が例え同じであったとしても、構成する材料の熱伝導率の違いから体感温度を低下させることができる。
なお、第1予熱部12によって高温動作型燃料電池システム100の最外周に当たる部分の温度を所望する温度まで十分に低下させることができ、かつ外部に放熱される熱量が許容範囲となる場合は、第1予熱部12の外周側に必ずしも真空断熱部22を備える必要はない。この場合は、高温動作型燃料電池システム100は、筐体の外周の少なくとも一部を断熱部21で覆い、断熱部21の外周側を第1予熱部12により覆う構成となる。
また、高温動作型燃料電池システム100において外部から供給される、発電原料は、例えば天然ガスとしているが、これに限定されるものではない。例えば、発電原料は、例えば改質ガスなどの純水素であってもよい。なお、発電原料として外部から純水素を高温動作型燃料電池システム100に供給する構成の場合、蒸発器4および改質器5を備える必要はない。
このように、高温動作型燃料電池システム100では、少なくとも、燃料電池スタック1、燃料電池スタック容器2、蒸発器4、改質器5、噴出部6、燃焼部7、発電原料供給経路8、改質ガス経路9、アノードオフガス経路10、第2予熱部14、第1酸化剤ガス経路15、第3予熱部16、第2酸化剤ガス経路17、および排ガス経路19を収容する筐体部3の側面を第1予熱部12、断熱部21、および真空断熱部22によって囲まれる構成となっている。
また、高温動作型燃料電池システム100は、図1に示すように、筐体部3内において第2予熱部14、第1酸化剤ガス経路15、および第3予熱部16によって、蒸発器4、改質器5、燃焼部7、燃料電池スタック1、改質ガス経路9、アノードオフガス経路10、排ガス経路19等の外周を囲むように構成されている。この構成により、筐体部3内の熱が外部に散逸することを防ぎ、内部を高温に保つことができる。また、第1予熱部12を備えるため、断熱部21および真空断熱部22の厚さを薄くすることができ、高温動作型燃料電池システム100のサイズを小型化することができる。
(発電動作停止シーケンスにおける制御)
次に、制御部27による発電動作停止シーケンスにおける制御について説明する。まず、制御部27は、高温動作型燃料電池システム100が備える各部の各種制御を行うものであり、制御機能を有するものであれば特に限定されない。制御部27は、例えば、マイクロコントローラ、MPU、PLC(Programmable Logic Controller)、論理回路等で実現できる。また、制御部27は集中制御を行う単独の制御部によって構成されてもよく、互いに協働して分散制御する複数の制御部で構成されてもよい。制御部27は、例えば、後述する真空断熱部22の温度履歴等を記録する記憶部(不図示)を備え、各種指示や情報等を報知するための報知機41と接続されている。
ところで高温動作型燃料電池システム100では、発電動作が停止したと判断すると、制御部27は、酸化剤ガス供給器25を制御し、第1予熱部12に対して酸化剤ガスを供給させるように構成されている。すなわち、制御部27は、検出部40による検出結果に応じて、発電動作の停止の有無を判断する。そして、発電動作が停止させられたと判断した場合、制御部27は、真空断熱部22が所定温度以下となるように、酸化剤ガス供給器25を制御して酸化剤ガスの供給を行う。このため、発電動作の停止時において、筐体部3内が高温状態であったとしても、真空断熱部22を所定温度以下(例えば100℃以下)に保つことができる。
なお、高温動作型燃料電池システム100において発電動作の停止とは、例えば、発電動作の停止シーケンスにおいて、操作者等の指示に応じて停止する通常時の発電動作の停止が挙げられる。また、例えば、地震等の発生による緊急事態に応じて停止する緊急時の発電動作の停止が挙げられる。緊急時の発電動作の停止には、例えば、燃焼部7の燃焼動作停止にともなう発電動作の停止、発電原料供給器26の故障等により改質ガスの供給が止まったことにともなう発電動作の停止等も含まれる。
また、検出部40は、燃料電池スタックの発電動作の停止を示す情報を検出するものである。検出部40は、発電動作の停止に至る要因を検出できるものであればよい。つまり、発電動作の停止に至る原因に応じて、検出部40により検出される検出対象が異なっていてもよい。なお、図1では、説明の便宜上、検出部40を真空断熱部22の内周面側に設けられた温度センサとして図示しているが、検出部40の配置および種類はこれに限定されない。
例えば、通常の発電動作の停止では、検出部40を、真空断熱部22の温度を検出する温度センサとしてもよい。この検出部40(温度センサ)は、真空断熱部22の内周面に設けられた温度センサであってもよいし、筐体部3において、真空断熱部22の内周面の温度と相関のある温度を検出することができる任意の部位に設けられた温度センサであってもよい。なお、検出部40(温度センサ)を真空断熱部22の内周面に設けない場合は、制御部27は、検出部40(温度センサ)により検出された温度と真空断熱部22の内周面の温度との対応関係を示すテーブルを予め記憶部(不図示)に記憶させておく。そして、この記憶部に記憶されたテーブルを参照して、制御部27は、真空断熱部22の内周面の温度を把握する構成であってもよい。
例えば、検出部40が温度センサの場合、制御部27は、検出部40の検出結果に基づき発電動作が停止したと判断すると、酸化剤ガス供給器25を以下のように制御する。すなわち、制御部27は、検出部40(温度センサ)によって検出された温度が所定温度以上であると判断した場合、酸化剤ガス供給器25を制御して、所定時間、酸化剤ガスを供給させる。なお、この所定温度は、真空断熱部22の許容温度もしくは該許容温度より少し低い温度とすることができる。また、所定時間は、真空断熱部22の温度が許容温度以下となるようにするために酸化剤ガスを供給し続ける必要のある時間であり、予めシミュレーションまたは実験等により求めておき、例えば、所定時間に関する情報を記憶部に予め記憶させておく構成であってもよい。あるいは、制御部27は、酸化剤ガス供給器25を制御して、真空断熱部22の温度が所定温度以下になったと判断するまで、酸化剤ガスを供給させる構成であってもよい。
また、燃焼部7の燃焼動作の停止にともない発電動作の停止に至る場合では、検出部40を、例えば、燃焼部7における失火を検知するための火炎検知器としてもよい。
例えば、検出部40が火炎検知器の場合、制御部27は火炎検知器により検知された火炎の状態から発電動作の停止を判断する。そして、制御部27は、失火に伴い発電動作が停止したと判断すると、酸化剤ガス供給器25を制御して、所定時間、酸化剤ガスを供給させる。あるいは、制御部27は、酸化剤ガス供給器25を制御して、真空断熱部22の温度が所定温度以下になったと判断するまで、酸化剤ガスを供給させる構成であってもよい。
また、改質ガスの供給停止にともない発電動作の停止に至る場合では、検出部40を、例えば、発電原料供給器26の稼働の有無を検知する検知センサ、または発電原料供給経路8内に設けられた流量計としてもよい。
例えば、検出部40が発電原料供給器26の稼働の有無を検知する検知センサまたは流量計の場合、制御部27は、検知センサの検知結果または流量計の計測結果に基づき、発電原料供給器26の稼働の有無を確認する。そして、制御部27は、確認した発電原料供給器26の稼働の有無に基づき、発電動作の停止の有無を判断する。そして、制御部27は、発電動作が停止したと判断すると、酸化剤ガス供給器25を制御して、所定時間、酸化剤ガスを供給させる。あるいは、制御部27は、酸化剤ガス供給器25を制御して、真空断熱部22の温度が所定温度以下になったと判断するまで、酸化剤ガスを供給させる構成であってもよい。
また、制御部27が、燃料電池スタック1の発電動作が停止したと判断し、酸化剤ガス供給器25により第1予熱部12に酸化剤ガスを供給させる際、酸化剤ガス供給器25への電力供給が停止されている場合がある。この場合は、制御部27は、燃料電池スタック1により発電された電力、または外部に備えられた補助電源(不図示)からの電力により、酸化剤ガス供給器25を稼働させるように制御する。
なお、酸化剤ガス供給器25への電力供給の停止の要因としては、高温動作型燃料電池システム100において停電が発生した場合、あるいはなんらかの要因により酸化剤ガス供給器25へ電力が供給できない状態が想定される。例えば、停電に伴い酸化剤ガス供給器25へ電力が供給されない場合、高温動作型燃料電池システム100の停電時発電継続機能(自家発電機能)を実施させて燃料電池スタック1の発電を継続させ、この発電により得られた電力を酸化剤ガス供給器25へ供給させることができる。
また、検出部40が、図1に示すように、真空断熱部22に設けられた温度センサ(温度検知部)である場合、つまり検出部40が発電動作の停止を示す情報を検出する機能と、真空断熱部22の温度を検知する機能とを兼ねる場合、もしくは、検出部40とは別に、温度センサ(温度検知部)を備える場合とがある。いずれの場合であっても、制御部27は、温度センサ(温度検知部)により検知された温度に基づき、高温動作型燃料電池システム100の停止シーケンスにおける真空断熱部22の温度変化の履歴情報を記憶部(不図示)に記録させる構成であってもよい。この構成の場合、制御部27は、記憶部に記録された履歴情報に基づき、真空断熱部22の交換の要否を判断し、判断した結果を、報知機41に報知させるように制御する構成であってもよい。
例えば、履歴情報から真空断熱部22の温度が許容温度を越えた総時間が所定時間以上になった場合、または許容温度を越えた回数が所定回数以上になった場合、制御部27は、真空断熱部22の交換が必要であると判断することができる。
また、報知機41は、例えば、真空断熱部22の交換の要否の判断結果を表示させて報知させる場合は、表示装置であってもよい。また、真空断熱部22の交換の要否の判断結果を音声により報知させる場合は、報知機41はスピーカーであってもよい。また、真空断熱部22の交換の要否の判断結果を印字により報知させる場合は、報知機41は印刷装置であってもよい。また、報知機41は、真空断熱部22の交換の要否の判断結果を点灯の態様の変化により報知可能とするランプであってもよい。また、報知機41は、高温動作型燃料電池システム100を管理する管理施設等に真空断熱部22の交換の要否の判断結果を通知する通信機であってもよい。通信機は無線用通信機であってもよいし有線用通信機であってもよい。
この構成により、高温動作型燃料電池システム100をメンテナンスする作業者等は、真空断熱部22を適切なタイミングで取り替えることができるため、部品コストおよび作業コストの大幅な低減を図ることができる。
報知機41により真空断熱部22の交換が必要である旨の情報が報知されると、真空断熱部22の交換が行われる。なお、真空断熱部22は、高温動作型燃料電池システム100を構成する各部を分解することなく交換できるよう着脱可能に設けられていることが好適である。
ここで、高温動作型燃料電池システム100を構成する各部を分解することなく交換できるとは、該高温動作型燃料電池システム100を構成する、例えば、配管または筐体部3等を分解したり、それらの配置位置を移動させたりすることなく、真空断熱部22を交換できるということである。
例えば、真空断熱部22は、第1予熱部12を覆うようにその外周側に巻き付けるようにして設けられていてもよい。または、高温動作型燃料電池システム100において真空断熱部22を収容する収容空間が形成されている場合、収容空間内にアクセスするための蓋等を取り外し、そのまま真空断熱部22を取り出し交換可能とするように構成されていてもよい。
この構成によると、燃料電池スタック1の発電の停止にともなう筐体部3内の温度上昇に起因して、あるいは真空断熱部22の寿命により、該真空断熱部22の性能が悪化したとき、短時間でかつ低コストで真空断熱部22の取り替えを行うことができる。
(高温動作型燃料電池システムにおける流体の流れ)
ここで、高温動作型燃料電池システム100における流体(酸化剤ガス、カソードオフガス、改質ガス、およびアノードオフガス)の流れについて説明する。
高温動作型燃料電池システム100では、制御部27からの制御信号に応じて、発電原料供給器26が所定流量の発電原料と水とを発電原料供給経路8を通じて蒸発器4および改質器5に供給する。なお、ここでは説明の便宜上、発電原料供給器26が所定流量の発電原料と水とを供給する構成となっているが、発電原料供給器26とは別に水供給器を備え、発電原料供給経路8とは別の経路である改質水経路を通じて水が蒸発器4に供給される構成であってもよい。
供給された水は、排ガス経路19を流通する排ガスの有する熱により、蒸発器4で水蒸気となり、原料と混合された混合ガスの状態で改質器5に供給される。そして、供給された混合ガスを利用して改質器5で改質反応を進行させて改質ガス(アノードガス)を生成する。改質器5で生成された改質ガスは改質ガス経路9を介して燃料電池スタック容器2内に収容されている燃料電池スタック1に供給される。なお、改質器5における改質反応で必要となる熱、ならびに蒸発器4において水を気化させるための熱は、燃焼部7における燃焼熱および排ガス経路19を流通する排ガスの有する熱により賄う構成となっている。
つまり、実施の形態1に係る高温動作型燃料電池システム100では、改質器5が蒸発器4の下部に配置され、蒸発器4および改質器5は燃焼部7の上方、または燃焼部7の外周でかつその上方に配置された構成となっている。そして、改質器5は燃焼部7の燃焼熱および排ガスの有する熱により加熱され、改質器5の上部に位置する蒸発器4は排ガスの有する熱により加熱される。排ガス経路19は蒸発器4および改質器5と第2予熱部14との間に設けられており、排ガス経路19を流通する排ガスは、改質器5および蒸発器4を加熱することで保有する熱の一部を失い、さらに第2予熱部14を流通する酸化剤ガスとの熱交換により熱が奪われ、外部へと排出される。
また、高温動作型燃料電池システム100では、制御部27からの制御信号に応じて、酸化剤ガス供給器25が所定流量の酸化剤ガス(空気)を、酸化剤ガス供給経路11を通じて第1予熱部12に供給する。第1予熱部12に供給された酸化剤ガスは、該第1予熱部12内の流通路を流通する際、筐体部3から、断熱部21を通じて第1予熱部12に伝達した熱により予熱される。換言すると第1予熱部12を流通する酸化剤ガスによって筐体部3から外部に散逸する熱を回収することができる。第1予熱部12を流通する酸化剤ガスと筐体部3から伝達された熱との熱交換により、酸化剤ガスの温度は外気温から100℃程度まで上昇する。
このように、第1予熱部12を流通する酸化剤ガスにより筐体部3から外部に散逸する熱を回収することができるため、第1予熱部12の内周側と接する断熱部21の表面温度を200℃~400℃程度に抑制することができる。また、第1予熱部12の外周側と接する真空断熱部22の表面温度を200℃以下に抑制することができる。
第1予熱部12において予熱された酸化剤ガスは、酸化剤ガス筐体部供給経路13を通じて第2予熱部14に供給される。第2予熱部14では、酸化剤ガスは、改質器5の改質反応および蒸発器4における水の気化によって熱の一部が利用された排ガスとの熱交換によりさらに予熱される。一方、第2予熱部14における酸化剤ガスとの熱交換によりさらに保有する熱の一部を失った排ガスは、排ガス経路19を通じて外部へと排出される。
このように予熱された酸化剤ガスが第2予熱部14に流入することにより、高温動作型燃料電池システム100の筐体部3内を流通する排ガスからの熱回収が可能となる。
一方、第2予熱部14において予熱された酸化剤ガスは、第1酸化剤ガス経路15を介して燃料電池スタック容器2内に流入して第3予熱部16に送られる。第3予熱部16では、第1予熱部12および第2予熱部14において予熱された酸化剤ガスと燃料電池スタック1から排出されたカソードオフガスとの間で熱交換される。そして、この第3予熱部16における熱交換によって酸化剤ガスはさらに予熱される。さらに予熱された酸化剤ガスは、第2酸化剤ガス経路17を通して燃料電池スタック1に送られる。このように、第2予熱部14で予熱された酸化剤ガスが第3予熱部16に流入することにより、カソードオフガスからの熱回収が可能となる。そして、燃料電池スタック1に対して所望の温度の酸化剤ガスを供給することができる。これにより安定した熱自立を実現することができるとともに高温動作型燃料電池システム100の発電効率を大幅に向上させることが可能となる。
燃料電池スタック1では、供給された改質ガスと酸化剤ガスとの電気化学的な反応により発電する。燃料電池スタック1からは、発電に未利用の酸化剤ガスを含むカソードオフガスおよび発電に未利用の改質ガスを含むアノードオフガスが排出される。カソードオフガスは燃料電池スタック1から燃料電池スタック容器2内に排出され、上記したように第3予熱部16を流通する酸化剤ガスと熱交換をし、その後、燃焼部7に導かれる。
一方、燃料電池スタック1から排出されたアノードオフガスは、アノードオフガス経路10を通じて噴出部6に供給され、噴出部6から燃焼部7に噴出される。そして、燃焼部7において着火器(不図示)よってアノードオフガスに着火し、カソードオフガスとともに燃焼させられる。
(発電時における排ガスの流量および温度の調整)
実施の形態1に係る高温動作型燃料電池システム100では、蒸発器4、改質器5、および第2予熱部14が燃焼部7の上方に設置されている。このため、高温の排ガスによって、蒸発器4、改質器5、および第2予熱部14を流通する酸化剤ガスをそれぞれの機能に適した温度まで加熱することができる構成である。
燃焼部7で生成される排ガスの流量および温度については、制御部27が、燃料電池スタック1における燃料利用率に基づき、発電原料供給器26および酸化剤ガス供給器25等を制御することにより調整することができる。なお、燃料利用率とは、発電反応により、燃料電池スタック1で消費される燃料(改質ガス)の割合である。つまり、制御部27の制御信号に応じて、酸化剤ガスの供給量を酸化剤ガス供給器25が調整するとともに、発電原料と水との供給量を発電原料供給器26が調整することで燃焼部7における燃焼で得られる排ガスの流量および温度を調整することができる。なお、実施の形態1に係る高温動作型燃料電池システム100の発電時では、例えば、燃焼部7における燃焼による熱ならびに輻射熱によって燃料電池スタック1が約600~900℃の温度範囲となるように燃料利用率は設定されている。
また、燃焼部7において生成された排ガスの有する熱により、蒸発器4および改質器5を加熱する。これにより排ガスの有する熱の一部が消費される。熱の一部が消費された排ガスは、第2予熱部14を流れる酸化剤ガスとの熱交換によって、熱がさらに奪われ、外部に放出するのに適切な温度まで低下させられる。つまり、燃焼部7において生成された排ガスの温度は、例えば約600℃~900℃と高温であるが、蒸発器4および改質器5の加熱、さらには、第2予熱部14を流通する酸化剤ガスの加熱に排ガスの有する熱が利用されると、排ガス経路19の排出口に至るまでに排ガスの温度は十分に低下したものとなる。
特に、燃料電池スタック1において、例えば、1kWの発電を行う場合、50L/min以上の酸化剤ガスを外部から供給する必要がある。また、酸化剤ガスが燃料電池スタック1に供給されるまでに、第1予熱部12、第2予熱部14、および第3予熱部16を通じて酸化剤ガスの温度を外気温から約400~800℃程度まで昇温させる必要がある。このように、酸化剤ガスを適温まで予熱するためには、大量の熱量が必要となる。このため、排ガス経路19を流通する排ガスの温度は、第2予熱部14における酸化剤ガスとの熱交換により、排ガス経路19の排出口に至るまでに十分に低下したものとなる。
以上のように、排ガスの温度は、蒸発器4および改質器5において吸熱される熱量、ならびに第2予熱部14において吸熱される熱量などを考慮して、排ガス経路19の排出口から所望の温度で排出されるように制御されている。なお、高温動作型燃料電池システム100から排出された排ガスと水との間で熱交換を行って、湯を生成して貯湯タンクに貯めるように構成されていてもよい。このように構成されている場合、高温動作型燃料電池システム100で生じる熱をさらに有効利用することができる。排ガスと水との熱交換により湯を生成する構成の場合、排ガス経路19を通じて外部に排出される排ガス温度は150℃~200℃の範囲となることが望ましい。
また、高温動作型燃料電池システム100では、酸化剤ガスの供給量を変化させることで、第1予熱部12、第2予熱部14、第3予熱部16における熱回収性能を可変とすることができる。また、それぞれの予熱部における熱回収能力を可変とすることで、結果的には高温動作型燃料電池システム100の断熱性能も可変とすることができる。
このため、高温動作型燃料電池システム100では、運転状況に応じて第1予熱部12~第3予熱部16それぞれにおける熱回収性能を調整し、最適な運転状況を維持することができる。例えば、高温動作型燃料電池システム100の発電効率を上げたいときは、第1予熱部12、第2予熱部14、第3予熱部16による熱回収能力を向上させるために、酸化剤ガスの供給量を大きくする。また例えば、改質器5、蒸発器4、燃料電池スタック1などが過昇温の場合は、高温動作型燃料電池システム100の内部から外部への放熱量を上げるために、酸化剤ガスの供給量を減らして各予熱部における熱回収能力を低下させる。
(第1予熱部を備える構成の効果)
次に、断熱部21と真空断熱部22との間に第1予熱部12を設ける場合と、設けない場合とを比較して、第1予熱部12を備えることの効果を説明する。
ここで、真空断熱部22を、断熱性能の高い、いわゆるVIPから構成し、第1予熱部12を間に挟まず直接、グラスウールなど汎用的な断熱材または特殊耐熱断熱材から構成される断熱部21を覆う構成が考えられる。この構成の場合、真空断熱部22の熱伝導率が小さすぎるため、真空断熱部22の内周側の温度が上昇しすぎ、真空断熱部22の許容温度を超える場合がある。そこで、真空断熱部22の内周側の温度を真空断熱部22の許容温度域以内にするためには、断熱部21の厚みを大きくして断熱部21の断熱性能を向上させる必要がある。この場合、断熱部21の厚みが、高温動作型燃料電池システム100のサイズおよびコストともに設計仕様を大幅に超えた値となってしまう場合がある。一般的には、熱伝導率が20倍違うと、同じ温度分布にするためには、20倍の厚さの断熱材が必要となる。
次に、図2および図3を参照して高温動作型燃料電池システム100において、断熱部21の厚さを同じとし、第1予熱部12を備えている場合と備えていない場合とにおける温度分布の相違を説明する。図2は、図1に示す高温動作型燃料電池システム100が第1予熱部12を備えない構成の場合における温度分布の一例を示す図である。また、図3は、図1に示す高温動作型燃料電池システム100が第1予熱部12を備える構成の場合における温度分布の一例を示す図である。図2、3に示す温度分布は、熱流体解析(CFD)を利用して求めた。この際、真空断熱部22の熱伝導率は0.0012W/mkとしている。
図2、3に示すように真空断熱部22の内周側の温度は、第1予熱部12を備えない場合は450℃を超える温度となってしまう。一方、第1予熱部12を備える場合は、真空断熱部22の内周側の温度は、160℃以下まで低下した。以上の結果から、高温動作型燃料電池システム100が第1予熱部12を備える構成の場合、真空断熱部22の許容温度範囲とすることができる。また、第1予熱部12を備えることにより、発電量が700W程度となる高温動作型燃料電池システム100において約70W程度の放熱量を低減させることができる。
(高温動作型燃料電池システムの外観形状について)
高温動作型燃料電池システム100では、筐体部3内において第2予熱部14により燃焼部7の上方の内部を、第3予熱部16により燃焼部7の下方の内部を覆う構成であった。そして、第2予熱部14と第3予熱部16とはそれぞれ別体として設けられた構成であった。しかしながらこの構成に限定されるものではなく、第2予熱部14と第3予熱部16とを一体に形成してもよい。なお、第2予熱部14と第3予熱部16とを一体に形成する場合、第3予熱部16は、燃料電池スタック容器2の側部における内壁ではなく外壁側に設けられる構成となる。
また、第1予熱部12によって十分に酸化剤ガスを所望温度まで予熱できる場合は、第2予熱部14および第3予熱部16のいずれか一方だけを備える構成としてもよいし、いずれも備えない構成としてもよい。
また、高温動作型燃料電池システム100の筐体部3は、全体として垂直方向に延伸した円柱形状であってもよいし直方体形状であってもよい。あるいは、燃焼部7の上方部分と下方部分とにおいて断面寸法を異ならせてもよいし、上方部分を円柱形状とし下方部分を直方体形状としてもよい。また、上方部分を直方体形状とし下方部分を円柱形状としてもよい。また、高温動作型燃料電池システム100の筐体部3の形状を円柱形状としたときの上面および底面の形状は円であってもよいし楕円またはトラック形状であってもよい。
高温動作型燃料電池システム100の筐体部3の形状を円柱形状とした場合、直方体形状とした場合と比較して、最外周における表面積を低減させるとこができるため、小型化を図ることができるとともに外部への放熱量を低減させることができるため有利である。また、円柱形状とした場合、その側面は、板材を曲げて一辺で溶接するだけで構成できるため、溶接箇所を低減させることができ低コスト化を図ることもできる。
(変形例)
さらに、高温動作型燃料電池システム100では、第1予熱部12、断熱部21、および真空断熱部22は、高温動作型燃料電池システム100の筐体部3の側面に配置された構成であった。しかしながらこれに限定されるものではなく、図4に示すように、筐体部3の側面だけではなく底面および上面もさらに覆う構成としても良いし、側面と底面または上面のいずれか一方だけを覆う構成としてもよい。図4は、実施の形態1の変形例1に係る高温動作型燃料電池システム100の要部構成の一例を示す模式図である。図4では、実施の形態1の変形例1に係る高温動作型燃料電池システム100を側面側から見たときの要部構成を示しており、紙面における下方を底面、上方を上面とした円柱形状または直方体形状とすることができる。なお、実施の形態1の変形例1に係る高温動作型燃料電池システム100は、その筐体部3の側面に加えて上面および底面もさらに、第1予熱部12、断熱部21、および真空断熱部22によって囲っている点を除けば、実施の形態1に係る高温動作型燃料電池システム100と同様の構成であるため、同じ部材には同じ符号を付し、構成の説明については省略する。
また、図5に示すように、第1予熱部12による熱回収能力を高めるために、実施の形態1に係る高温動作型燃料電池システム100の構成において、第1予熱部12における酸化剤ガスの流通経路中に複数の分散板30を設けた構成としてもよい。図5は、実施の形態1の変形例2に係る高温動作型燃料電池システム100の要部構成の一例を示す模式図である。図5では、実施の形態1の変形例2に係る高温動作型燃料電池システム100を側面側から見たときの要部構成を示しており、紙面における下方を底面、上方を上面とした円柱形状または直方体形状とすることができる。
なお、実施の形態1の変形例2に係る高温動作型燃料電池システム100は、第1予熱部12において複数の分散板30をさらに設けた点を除けば実施の形態1に係る高温動作型燃料電池システム100と同様の構成である。このため、同じ部材には同じ符号を付し、その説明については省略する。
分散板30は、第1予熱部12内を流通する酸化剤ガスに乱流を生じさせるための板部材である。分散板30の個数およびその形状は、第1予熱部12内を流通する酸化剤ガスにおいて適切な乱流を生じさせるために必要な個数および形状であれば特に限定されない。第1予熱部12の流通経路中に分散板30を設けることで第1予熱部12を流通する酸化剤ガスにおける熱伝導率を向上させ、熱回収能力を高めることができる。
[実施の形態2]
図6を参照して実施の形態2に係る高温動作型燃料電池システム200について説明する。図6は、本発明の実施の形態2に係る高温動作型燃料電池システム200の要部構成の一例を示す模式図である。図6では、高温動作型燃料電池システム200を側面側から見たときの要部構成を示しており、紙面における下方を底面、上方を上面とした円柱形状または直方体形状とすることができる。
実施の形態2に係る高温動作型燃料電池システム200は、以下の点で実施の形態1に係る高温動作型燃料電池システム100と構成が異なる。それ以外の点については同様であるため、同様の部材には同じ符号を付しその説明は省略する。
すなわち、実施の形態1に係る高温動作型燃料電池システム100の筐体部3内では、燃料電池スタック1が燃料電池スタック容器2内に収容されており、燃料電池スタック容器2を形成する側壁の内周に第3予熱部16が設けられていた。そして、燃料電池スタック容器2の外部に蒸発器4、改質器5、および第2予熱部14が設けられた構成であった。そして、筐体部3の側部の外周を断熱部21、第1予熱部12、および真空断熱部22によって覆う構成であった。
これに対して、実施の形態2に係る高温動作型燃料電池システム200は、燃料電池スタック容器2および第3予熱部16を備えていない点で異なる。つまり、実施の形態2に係る高温動作型燃料電池システム200の筐体部3内は、燃料電池スタック1が、蒸発器4、改質器5、燃焼部7、および第2予熱部14等と同じ空間に配置された比較的単純な構成となっている。そして、筐体部3の外周は、断熱部21、第1予熱部12、および真空断熱部22の順に、これら各部によって覆われる構成である。なお、実施の形態1と同様に、断熱部21を、筐体部3の外周側に配置する代わりに、内周側に配置する構成であってもよい。あるいは、筐体部3を挟み込むように、断熱部21が筐体部3の内周側と外周側とのそれぞれに配置された構成であってもよい。
実施の形態2に係る高温動作型燃料電池システム200では、筐体部3内から外部に放熱される熱量を抑制するために、筐体部3の外周に設けられた第1予熱部12を流通する酸化剤ガスにより、筐体部3から伝達した熱を回収するとともに、酸化剤ガスを予熱する構成となっている。
第1予熱部12で予熱された酸化剤ガスは、酸化剤ガス筐体部供給経路13を通じて第2予熱部14に供給される。第2予熱部14では、酸化剤ガス筐体部供給経路13を通じて供給された酸化剤ガスと、燃焼部7で生じた排ガスとの間での熱交換により、酸化剤ガスがさらに予熱されて約400~800℃近傍まで昇温させられる。さらに予熱された酸化剤ガスは燃料電池スタック1に供給され、発電に利用される。
このように、第1予熱部12および第2予熱部14を通じて、燃料電池スタック1に供給される酸化剤ガスの温度を適切な温度まで上昇させることができるため、作動中における燃料電池スタック1の温度の安定性を増すことができる。さらには、第1予熱部12および第2予熱部14における酸化剤ガスとの熱交換により、筐体部3内の熱を有効に回収できるため、発電効率を向上させることができる。
以上のように、実施の形態2に係る高温動作型燃料電池システム200は、筐体部3内において、蒸発器4、改質器5、燃焼部7、第2予熱部14、および燃料電池スタック1等を同一の収容空間内に収容する構成とすることができる。また、このような構成において、筐体部3の外周に断熱部21、第1予熱部12、および真空断熱部22を設けることで、高温動作型燃料電池システム200の小型化、発電効率の向上、ならびに信頼性の向上を実現することができる。
なお、実施の形態2に係る高温動作型燃料電池システム200では、筐体部3の外周全体を断熱部21、第1予熱部12、および真空断熱部22により覆う構成であったがこれに限定されない。例えば、断熱部21、第1予熱部12および真空断熱部22は、筐体部3の側面の外周のみを覆う構成であってもよいし、底面の外周のみを覆う構成であってもよい。あるいは側面および底面の外周を覆う構成であってもよい。
[実施の形態3]
図7、8を参照して実施の形態3に係る高温動作型燃料電池システム300について説明する。図7は、本発明の実施の形態3に係る高温動作型燃料電池システム300の外観形状の一例を示す斜視図である。図8は、図7に示す高温動作型燃料電池システム300の要部構成の一例を示す模式図である。
実施の形態3に係る高温動作型燃料電池システム300は、実施の形態1に係る高温動作型燃料電池システム100と比較して、以下の点でのみ異なる構成である。このため、同様な部材には同じ符号を付し、説明は省略する。なお、図8では、説明の便宜上、燃料電池スタック容器2、第3予熱部16、制御部27、および検出部40については図示していない。
すなわち、実施の形態3に係る高温動作型燃料電池システム300は、実施の形態1に係る高温動作型燃料電池システム100の構成において、第1予熱部12および第1予熱部12を覆う真空断熱部22の構成が異なる。第1予熱部12は、燃料電池スタック1の燃料電池スタック容器2の側部に設けられた第3予熱部16、燃焼部7、改質器5、および蒸発器4それぞれの外周の少なくとも一部を覆う複数の部分予熱部12aと、分離して配置されたこれら部分予熱部12aの間を酸化剤ガスが流通するように連結する連結部31とから構成されている。連結部31は、部分予熱部12a同士を結合させるとともに、酸化剤ガスが流通可能となった管である。
図8に示すように、実施の形態3に係る高温動作型燃料電池システム300では、複数の部分予熱部12aは、断熱部21の外周面の少なくとも一部を覆うように配置されている。そして、複数の部分予熱部12aそれぞれが連結部31によって結合されているため、酸化剤ガスを複数の部分予熱部12aそれぞれに流通させることができる。また、複数の部分予熱部12aの外周面の少なくとも一部をそれぞれ覆うように複数の真空断熱部22が設けられている。
このように、実施の形態3に係る高温動作型燃料電池システム300は、異なるサイズおよび形状をした複数の部分予熱部12aからなる第1予熱部12、および異なるサイズおよび形状をした複数の真空断熱部22を備えた構成である。このため、複数の部分予熱部12aおよび真空断熱部22を適切な形状により適切に配置することで、断熱性能の大小、および熱回収能力の大小を自在に調整することができる。このため、高温動作型燃料電池システム300は、最適なコスト、サイズおよび性能となるようにバランスを取ることが可能となる。
なお、図8に示すように、真空断熱部22の一部に空間を形成し、酸化剤ガス供給経路11などの配管を通すように構成することは設計上の問題はない。
上記説明から、当業者にとって、本発明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、本発明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。本発明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。
本発明は、高温の排熱を利用することができるSOFC、MCFC等の高温動作型燃料電池を備えた燃料電池システムに広く利用することができる。
1 燃料電池スタック
2 燃料電池スタック容器
3 筐体部
4 蒸発器
5 改質器
6 噴出部
7 燃焼部
8 発電原料供給経路
9 改質ガス経路
10 アノードオフガス経路
11 酸化剤ガス供給経路
12 第1予熱部
12a 部分予熱部
13 酸化剤ガス筐体部供給経路
14 第2予熱部
15 第1酸化剤ガス経路
16 第3予熱部
17 第2酸化剤ガス経路
19 排ガス経路
21 断熱部
22 真空断熱部
25 酸化剤ガス供給器
26 発電原料供給器
27 制御部
30 分散板
31 連結部
40 検出部
41 報知機
100 高温動作型燃料電池システム
200 高温動作型燃料電池システム
300 高温動作型燃料電池システム

Claims (12)

  1. カソードに供給される酸化剤ガスとアノードに供給される改質ガスとの電気化学的反応により発電する燃料電池スタックと、
    前記燃料電池スタックの前記カソードから排出されたカソードオフガスと、前記アノードから排出されたアノードオフガスとを燃焼させる燃焼部と、
    前記燃料電池スタックおよび前記燃焼部の外周の少なくとも一部を覆う断熱部と、
    前記断熱部の外周の少なくとも一部を覆うとともに前記断熱部を介して伝達された熱により前記燃料電池スタックへ供給する前記酸化剤ガスを予熱する第1予熱部と、
    前記第1予熱部に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給器と、
    前記第1予熱部の外周の少なくとも一部を覆う真空断熱部と、
    前記燃料電池スタックの発電動作の停止を示す情報を検出する検出部と、
    制御部と、を備え、
    前記制御部は、前記検出部の検出結果に基づき、前記燃料電池スタックの発電動作が停止したと判断した場合、前記真空断熱部が所定温度以下となるように前記酸化剤ガス供給器を制御して前記第1予熱部に前記酸化剤ガスを供給させる高温動作型燃料電池システム。
  2. 前記検出部は、火炎検知器であり、
    前記制御部は、前記検出部の検出結果から前記燃焼部の燃焼動作の停止を検出した場合、前記燃料電池スタックの発電動作が停止したと判断する請求項1に記載の高温動作型燃料電池システム。
  3. 前記検出部は、流量計であり、
    前記制御部は、前記検出部の検出結果から前記改質ガスの供給停止を検出した場合、前記燃料電池スタックの発電動作が停止したと判断する請求項1に記載の高温動作型燃料電池システム。
  4. 前記酸化剤ガス供給器により前記第1予熱部に前記酸化剤ガスを供給させる際、該酸化剤ガス供給器への電力供給が停止させられていると判断した場合、前記制御部は、前記燃料電池スタックにより発電された電力、または外部に備えられた補助電源からの電力により、前記酸化剤ガス供給器を稼働させる請求項1または2に記載の高温動作型燃料電池システム。
  5. 前記燃焼部の燃焼により生成された排ガスの有する熱を利用して改質反応を行い、供給された発電原料から前記改質ガスを生成する改質器と、
    前記改質器の改質反応により熱の一部が利用された前記排ガスとの熱交換により前記酸化剤ガスを予熱させ前記燃料電池スタックへ供給する第2予熱部と、
    前記燃料電池スタック、前記燃焼部、前記改質器、および前記第2予熱部を収容する筐体部と、をさらに備え、
    前記断熱部は、前記筐体部の内周または外周に位置し、前記燃料電池スタック、前記燃焼部、前記改質器、および前記第2予熱部の外周の少なくとも一部を覆う請求項1~4のいずれか1項に記載の高温動作型燃料電池システム。
  6. 前記制御部は、前記検出部の検出結果に基づき、前記燃料電池スタックの発電動作が停止したと判断した場合、前記酸化剤ガス供給器を制御して前記第1予熱部に前記酸化剤ガスを所定時間または前記真空断熱部の温度が所定の温度以下になったと判断するまで供給させる請求項1~5のいずれか1項に記載の高温動作型燃料電池システム。
  7. 前記燃焼部の上方に前記改質器が配置され、前記燃焼部の下方に前記燃料電池スタックが配置されており、
    前記燃料電池スタックを収容する収容空間を有するとともに、該燃料電池スタックの前記カソードから排出された前記カソードオフガスを、該収容空間内を流通させて前記燃焼部に導く燃料電池スタック容器と、
    前記燃料電池スタックの外周を取り巻くように前記燃料電池スタック容器の側面に設けられ、前記収容空間内を流通する前記カソードオフガスの有する熱により前記第2予熱部によって予熱された前記酸化剤ガスをさらに予熱する第3予熱部と、を備え、
    前記断熱部は、前記第3予熱部、前記燃焼部、および前記改質器それぞれの外周の少なくとも一部を覆うように配置されている請求項5に記載の高温動作型燃料電池システム。
  8. 前記第1予熱部は、前記第3予熱部、前記燃焼部、および前記改質器それぞれの外周の少なくとも一部を覆う複数の部分予熱部と、分離して配置された該部分予熱部の間を酸化剤ガスが流通するように連結する連結部とから構成されている請求項7に記載の高温動作型燃料電池システム。
  9. 前記酸化剤ガスは、前記第1予熱部、前記第2予熱部、および前記第3予熱部の順に流通して前記燃料電池スタックに供給されており、
    前記第1予熱部は、前記断熱部を介して伝達した熱によって外部から供給された前記酸化剤ガスを予熱し、
    前記第2予熱部は、前記第1予熱部により予熱された前記酸化剤ガスを前記排ガスの有する熱によって予熱し、
    前記第3予熱部は、前記第2予熱部によって予熱された前記酸化剤ガスを、前記燃料電池スタック容器の前記収容空間内を流通する前記カソードオフガスの熱により予熱する請求項7または8に記載の高温動作型燃料電池システム。
  10. 前記真空断熱部は、前記高温動作型燃料電池システムを構成する各部を分解することなく交換できるよう着脱可能に設けられている請求項1~9のいずれか1項に記載の高温動作型燃料電池システム。
  11. 前記真空断熱部の温度変化に対応する温度を検出する温度検知部と、
    報知機と、を備え、
    前記制御部は、前記温度検知部によって検出された温度履歴を記録する記憶部を有しており、該記憶部に記録された温度履歴に基づき、前記真空断熱部の交換の要否を判断し、
    この判断した結果を前記報知機に報知させるように制御する請求項10に記載の高温動作型燃料電池システム。
  12. 前記温度検知部は、前記燃料電池スタックの発電動作の停止を示す情報を検出する検出部である、請求項11に記載の高温動作型燃料電池システム。
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