JP7016024B2 - 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、総合的な発電効率を高めることができる。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、コア真空断熱缶と断熱材の配置により、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、発電効率を高めることができる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、前記燃焼部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、供給された原料から前記改質ガスを生成する改質器と、第１予熱部と、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酸化剤ガスとの熱交換により該酸化剤ガスを予熱させ、前記燃料電池スタックの前記カソードへ供給する第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、前記筐体部の外周の少なくとも一部を覆う第１断熱部と、を備え、前記第１予熱部は、前記第１断熱部の外周側を覆うとともに、前記筐体部内から該第１断熱部を介して伝達された熱により、前記第２予熱部へ供給する前の酸化剤ガスを予熱する。
本発明の一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概略構成の一例を示す側面図である。 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概略構成の一例を示す側面図である。 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概略構成の一例を示す側面図である。 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概略構成の一例を示す側面図である。
（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材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材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材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、断熱材とは別に、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ＳＯＦＣに予熱された空気を供給させることができる予熱部と、断熱材とを組み合わせ、適切にそれぞれを配置することにより断熱性能の大幅な向上を実現できる構成を見出した。また、この構成により断熱材の表面温度を低く抑え、断熱材の寿命を確保することができるため、放熱性能の向上と小型化に加え、さらにシステムの信頼性を高めることができることを見出した。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とも見出した。より具体的には、本発明で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、前記燃焼部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、供給された原料から前記改質ガスを生成する改質器と、第１予熱部と、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酸化剤ガスとの熱交換により該酸化剤ガスを予熱させ、前記燃料電池スタックの前記カソードへ供給する第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、前記筐体部の外周の少なくとも一部を覆う第１断熱部と、を備え、前記第１予熱部は、前記第１断熱部の外周側を覆うとともに、前記筐体部内から該第１断熱部を介して伝達された熱により、前記第２予熱部へ供給する前の酸化剤ガスを予熱する。
上記構成によると、第１断熱部および第１予熱部を備えているため、筐体部内から外部への放熱量を抑制することができる。また、筐体部内から第１断熱部を介して伝達された熱を、第１予熱部において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。また、燃焼部で生成された排ガスの熱を第２予熱部において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。
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、発電効率を高めることができるという効果を奏する。
また、第１予熱部を備えるため、第１予熱部を備えない構成と比較して第１断熱部の温度を低下させることができる。このため、第１断熱部の厚さをより薄くすることができ、結果的に高温動作型燃料電池システム全体の寸法を小型化することもできる。
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、前記第１予熱部の外周側を覆う第２断熱部をさらに備える構成であってもよい。
上記構成によると、第２断熱部をさらに備えるため、筐体部内から外部への放熱量をさらに抑制することができる。したがって、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、さらに一層、発電効率を高めることができる。
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または第２の態様において、前記燃料電池スタックを収容するとともに、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が内部を流通し前記燃焼部に導かれる燃料電池スタック容器と、前記燃料電池スタック容器の内壁に設けられ、該燃料電池スタック容器内を流通するカソードオフガスと前記燃料電池スタックに供給する前であって前記第２予熱部によって予熱された酸化剤ガスをさらに予熱する第３予熱部とを備える構成であってもよい。
上記構成によると、燃料電池スタック容器内に第３予熱部をさらに備えるため、カソードオフガスの熱を第３予熱部において酸化剤ガスにより回収し、該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。このため、発電効率をより一層、高めることができる。
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３の態様において、前記燃焼部は前記燃料電池スタック容器の上面に設けられており、前記第１予熱部は、少なくとも前記燃料電池スタック容器および前記燃焼部の側部を覆うように配置されていてもよい。
また、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３または第４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、前記筐体部内から前記第１断熱部を通じて伝達した熱によって外部から供給された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酸化剤ガスを、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酸化剤ガスを、前記燃料電池スタック容器内を流通する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、筐体部内から第１断熱部を介して伝達された熱を、第１予熱部を流通する酸化剤ガスによって回収することができる。また、燃焼部で生成された排ガスの熱を、第２予熱部を流通する酸化剤ガスによって回収することができる。さらに、カソードオフガスの熱を、第３予熱部を流通する酸化剤ガスにより回収することができる。このため、発電効率をより一層、高めることができる。また、第１予熱部、第２予熱部、および第３予熱部により酸化剤ガスが予熱されることで、外気温程度の温度だった酸化剤ガスを燃料電池スタックの温度に近くまで昇温させることができ、燃料電池スタック温度を安定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は、安定した発電を継続することができる。
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５の態様において、前記改質器は、前記燃焼部の上方に配置され、該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、前記筐体部は、前記第２予熱部と前記第３予熱部との間に設けられ、該第２予熱部から該第３予熱部へと前記酸化剤ガスを流通させる第１酸化剤ガス経路と、前記燃焼部において生成された排ガスが流通し、該排ガスを外部に導く排ガス経路と、をさらに収容しており、前記改質器、前記燃焼部、前記燃料電池スタック、および前記排ガス経路が、前記第２予熱部、前記第１酸化剤ガス経路、および前記第３予熱部によって囲まれた構成であってもよい。
上記した構成によると、筐体の内部に収容される改質器、燃焼部、燃料電池スタック、および排ガス経路といった部材全体を、第２予熱部、第１酸化剤ガス経路、および第３予熱部によって囲んでいる。
ここで、第２予熱部、第１酸化剤ガス経路、および第３予熱部によって、酸化剤ガスが流通する流通路を形成しており、酸化剤ガスが空気の場合、これらの部材によって空気層を形成しているとみなすことができる。したがって、筐体部内の改質器、燃焼部、燃料電池スタック、および排ガス経路といった高温になる部材全体が空気層により囲まれることとなり外部への放熱量を大幅に低減させることができる。
このため、筐体の外周を覆う第１断熱部および第２断熱部の厚み、ならびに第１予熱部の厚みをそれぞれ薄くすることができ、小型化および低コスト化を図ることができる。
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２の態様において、前記第２断熱部は、真空断熱材から構成されていてもよい。第２断熱部を真空断熱材から構成した場合、例えばグラスウール等の汎用的な断熱材により構成した場合よりも断熱性能を向上させることができる。
なお、真空断熱材としては、例えば金属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断熱材が利用できる。
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１から７の態様のいずれか１つの態様において、前記第１予熱部に供給する前記酸化剤ガスの流量を制御する酸化剤ガス流量制御部をさらに備え、前記酸化剤ガス流量制御部は、前記酸化剤ガスの流量を制御することにより、前記筐体部内から外部に放出される熱量を調整するように構成されていてもよい。
上記構成によると酸化剤ガス流量制御部を備えているため燃料電池スタックに供給する酸化剤ガスの流量を調整することができる。ここで、供給する酸化剤ガスの流量が大きくなるように調整する場合、第１予熱部、第２予熱部、および第３予熱部を流通する酸化剤ガスによる熱回収能力がより大きくなる。したがって、断熱性能が向上し筐体部内から外部への放熱量をより多く抑制することができる。一方、供給する酸化剤ガスの流量が小さくなるように調整する場合、第１予熱部、第２予熱部、および第３予熱部を流通する酸化剤ガスによる熱回収能力がより小さくなる。したがって、断熱性能が低下し筐体部内から外部への放熱量をより多くすることができる。
このように、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、断熱性能を調整することができるため、高温動作型燃料電池システムの運転状況に応じて筐体部内から外部への放熱量が所望の熱量となるよう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２の態様において、前記第１予熱部に供給する前記酸化剤ガスの流量を制御する酸化剤ガス流量制御部をさらに備え、前記酸化剤ガス流量制御部は、前記第２断熱部の内周側の温度が２００℃以下となるように、前記酸化剤ガスの流量を調整するように構成されていてもよい。
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の概略構成の一例を示す側面図である。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原料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、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、酸化剤ガス供給器２５、発電原料供給器２６、および制御部２７を備えてなる構成である。
つまり、図１に示すように、高温動作型燃料電池システム１００は、筐体部３と、筐体部３の外周の少なくとも一部を覆う第１断熱部２１と、第１断熱部２１の外周を覆う第１予熱部１２と、第１予熱部１２の外周を覆う第２断熱部２２とを備えている。
そして、筐体部３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を収容している。
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器、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第１断熱部２１に覆われ、第１断熱部２１の外周には第１予熱部１２が該第１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の外周には第２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、第１断熱部２１、第１予熱部１２、第２断熱部２２が設けられる範囲は、図１に示すように上記した燃料電池スタック容器２の側面に対応する範囲に加えて、燃焼部７、蒸発器４、改質器５、および第２予熱部１４を囲む範囲、換言すると筐体部３の側面を覆うように設けられていてもよい。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第１断熱部２１、第１予熱部１２、第２断熱部２２が設けられている。
なお、第１予熱部１２は、第１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、第１断熱部２１および第２断熱部２２の詳細については後述する。
また、燃料電池スタック容器２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。また、燃料電池スタック容器２内には、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、第１断熱部２１、第２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の改質反応で必要な熱を賄ったり、酸化剤ガスを予熱し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、燃料電池スタックへ供給する。なお、第２予熱部１４は、同軸状に延伸した、径寸法の異なる、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た構造としてもよい。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/Ａｌ２Ｏ３）触媒、またはアルミナ担持ルテニウム触媒（Ｒｕ/Ａｌ２Ｏ３）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Ｈ２Ｓ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 ;Ｃ２Ｈ６Ｓ，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。
Ｃ２Ｈ６Ｓ＋２Ｈ２→２ＣＨ４＋Ｈ２Ｓ ・・・（１）
Ｈ２Ｓ＋ＺｎＯ→Ｈ２Ｏ＋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（Ｃ４Ｈ１０Ｓ）またはＴＨＴ（Ｃ４Ｈ８Ｓ）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（Ｈ２Ｓ＋ＺｎＯ→Ｈ２Ｏ＋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。
（第１断熱部および第２断熱部）
以下において高温動作型燃料電池システム１００が備える第１断熱部２１および第２断熱部２２について詳細に説明する。
まず、第１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、第１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第２断熱部２２には汎用的な断熱材を用いることができる。つまり、第１予熱部１２の外周側の表面温度は、例えば２００℃以下と低温となるため利用可能な断熱材の制限が小さい。汎用的な断熱材の例としては、グラスウール、ロックウール、セラミックファイバー、ミネラルウール、ケイ酸カルシウムなどが挙げられる。あるいは、フュームドシリカを主成分とし、これに補強のために無機繊維状物質と赤外線遮断材を配合した特殊耐熱断熱材でもよい。さらには、例えば金属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真空断熱材であってもよい。
ここで第２断熱部２２の断熱材を真空断熱材とした場合、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２断熱部２２の断熱材をグラスウール等の汎用的な断熱材から真空断熱材に変えることで、熱伝導率が約１／１０～１／２０となり、第２断熱部２２の大幅な小型化（薄型化）が可能となる。また、第２断熱部２２の温度が低いほど真空断熱材の寿命が延びることとなる。
第１予熱部１２の外周側に第２断熱部２２が設けられることにより、高温動作型燃料電池システム１００は、より一層の断熱性能を向上させることができ、筐体部３内から外部への放熱量を低減させることができる。また、第２断熱部２２が高温動作型燃料電池システム１００の最外周に配置される構成である。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２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第２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、第２断熱部２２を構成する断熱材として真空断熱材を用いることにより、２０倍以上、第２断熱部の薄型化を図ることができ好適である。
また、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、第１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調整し第１予熱部１２における熱交換量を調整したりすることで、第２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、第２断熱部２２を真空断熱材により構成する場合であっても２００℃を超える高温に曝されることがないため寿命を大幅に延ばすことができる。
なお、高温動作型燃料電池システム１００は、第１予熱部１２により最外周の温度を所望する温度まで十分に低下させ、外部に放熱される熱量が許容範囲となる場合、必ずしも第２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第１断熱部２１で覆い、第１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。
以上のように、高温動作型燃料電池システム１００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、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、第１断熱部２１、および第２断熱部２２によって囲む構成となっている。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、第１断熱部２１および第２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。
（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、第１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℃程度まで上昇する一方、第１予熱部１２の内周側と接する第１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。
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において不図示の着火部に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。
（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からの制御信号に基づき、燃料電池スタック１における燃料利用率を調整することにより、制御することが可能である。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の制御信号に基づき、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の作動時では、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る。なお、制御部２７と酸化剤ガス供給器２５とによって本発明の酸化剤ガス流量制御部を構成する。
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、第１断熱部２１と第２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、第２断熱部２２を断熱性能の高い真空断熱材から構成し、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から構成される第１断熱部２１を覆う構成が考えられる。この構成の場合、真空断熱材から構成された第２断熱部２２の熱伝導率が小さすぎるため、第２断熱部２２の内周側の温度が上昇しすぎ、真空断熱材の許容温度を超える場合がある。そこで、第２断熱部２２の内周側の温度を真空断熱材の許容温度域以内にするためには、第１断熱部２１の厚みを大きくして第１断熱部２１の断熱性能を向上させる必要がある。この場合、第１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超えた値となってしまう場合がある。
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、第１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。なお、第２断熱部を構成する断熱材料は真空断熱材とした。
図２、３に示すように第２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、第２断熱部２２の内周側の温度は、１６０℃以下まで低下することが分かった。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、第２断熱部２２の断熱材として真空断熱材を採用した場合であっても、真空断熱材の許容温度範囲とすることができることが分かった。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。
また、高温動作型燃料電池システム１００の筐体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ができる。
（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、第１断熱部２１、および第２断熱部２２は、高温動作型燃料電池システム１００の筐体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３の底面および上面を覆う構成としても良いし、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の概略構成の一例を示す側面図である。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、第１断熱部２１、および第２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第１予熱部１２における酸化剤ガスの流通経路中に分散板３０を設ける構成としてもよい。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の概略構成の一例を示す側面図である。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において分散板３０をさらに設け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。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。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の概略構成の一例を示す側面図である。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の側部の外周を第１断熱部２１、第１予熱部１２、および第２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の外周を第１断熱部２１、第１予熱部１２、および第２断熱部２２によって覆う構成である。
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で生じた排ガスとが熱交換を行い、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、発電効率を増加させることができる。
以上のように、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である場合であっても、筐体部３の外周に第１断熱部２１、第１予熱部１２、および第２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は、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の外周全体を第１断熱部２１、第１予熱部１２、および第２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、第１断熱部２１、第１予熱部１２および第２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。
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
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 第１断熱部
２２ 第２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
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

Claims (8)

  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、
    前記燃焼部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、供給された原料から前記改質ガスを生成する改質器と、
    第１予熱部と、
    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酸化剤ガスとの熱交換により該酸化剤ガスを予熱させ、前記燃料電池スタックの前記カソードへ供給する第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、
    前記筐体部の外周の少なくとも一部を覆う第１断熱部と、を備え、
    前記第１予熱部は、前記第１断熱部の外周側を覆うとともに、前記筐体部内から該第１断熱部を介して伝達された熱により、前記第２予熱部へ供給する前の酸化剤ガスを予熱する高温動作型燃料電池システムであって、
    前記燃料電池スタックを収容するとともに、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が内部を流通し前記燃焼部に導かれる燃料電池スタック容器と、
    前記燃料電池スタック容器の内壁に設けられ、該燃料電池スタック容器内を流通するカソードオフガスと前記燃料電池スタックに供給する前であって前記第２予熱部によって予熱された酸化剤ガスをさらに予熱する第３予熱部とを備える高温動作型燃料電池システム。
  2. 前記第１予熱部の外周側を覆う第２断熱部をさらに備える、請求項１に記載の高温動作型燃料電池システム。
  3. 前記燃焼部は前記燃料電池スタック容器の上面に設けられており、
    前記第１予熱部は、少なくとも前記燃料電池スタック容器および前記燃焼部の側部を覆うように配置されている請求項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、前記筐体部内から前記第１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酸化剤ガスを、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酸化剤ガスを、前記燃料電池スタック容器内を流通するカソードオフガスの熱により予熱する請求項１または３に記載の高温動作型燃料電池システム。
  5. 前記改質器は、前記燃焼部の上方に配置され、該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、
    前記筐体部は、
    前記第２予熱部と前記第３予熱部との間に設けられ、該第２予熱部から該第３予熱部へと前記酸化剤ガスを流通させる第１酸化剤ガス経路と、
    前記燃焼部において生成された排ガスが流通し、該排ガスを外部に導く排ガス経路と、
    をさらに収容しており、
    前記改質器、前記燃焼部、前記燃料電池スタック、および前記排ガス経路が、前記第２予熱部、前記第１酸化剤ガス経路、および前記第３予熱部によって囲まれている請求項４に記載の高温動作型燃料電池システム。
  6. 前記第２断熱部は、真空断熱材から構成される請求項２に記載の高温動作型燃料電池システム。
  7. 前記第１予熱部に供給する前記酸化剤ガスの流量を制御する酸化剤ガス流量制御部をさらに備え、
    前記酸化剤ガス流量制御部は、
    前記酸化剤ガスの流量を制御することにより、前記筐体部内から外部に放出される熱量を調整する請求項１から６のいずれか１項に記載の高温動作型燃料電池システム。
  8. 前記第１予熱部に供給する前記酸化剤ガスの流量を制御する酸化剤ガス流量制御部をさらに備え、
    前記酸化剤ガス流量制御部は、
    前記第２断熱部の内周側の温度が２００℃以下となるように、前記酸化剤ガスの流量を調整する請求項２に記載の高温動作型燃料電池システム。
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