JP7316575B2 - 燃料電池モジュールおよび燃料電池システム。 - Google Patents

Description

本開示は高温動作形燃料電池および燃料電池システムに関する。

燃料電池システムでは、発電部の本体である燃料電池スタックに、燃料ガスおよび空気が供給され、燃料ガス中の水素と空気中の酸素との電気化学反応が進行する。これにより、燃料電池で生じる化学的なエネルギーを電気的なエネルギーとして取り出すことができる。このため、高効率発電とともに、発電運転の際に発生する熱エネルギーを簡単に利用できるので、エネルギー利用効率が高い分散型の発電システムとして開発および商品化が進められている。

例えば、特許文献１には、ガス供給流路が設けられた媒体供給プレートの上部に、燃料電池スタックを直接積層する構成が開示されている。また、特許文献２には、熱交換器と改質器と燃料電池スタックとを収容するハウジングが、燃焼排ガスを排出する排気孔を備え、この排気孔が、燃料電池スタックの下側に設けられる構成が開示されている。

特許第５３２２９５０号公報 特開２０１５－９５３００号公報

しかし、従来例は、燃料電池スタックに送る空気の予熱特性の観点、および、装置の小型化の観点から未だ改善の余地がある。

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、燃料電池スタックに送る空気を従来よりも効率的に予熱し得る高温動作形燃料電池および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、装置の小型化を図り得る高温動作形燃料電池および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形燃料電池は、平板状に積層された複数のセルを備え、燃料ガスおよび空気を用いて発電する燃料電池スタックと、側面と天面と底面とを備え、前記燃料電池スタックを囲うように設置された内壁と、側面と天面と底面とを備え、前記内壁を囲うように設置された外壁と、前記内壁の天面と前記外壁の天面との間に形成された第１空気経路と、前記内壁の側面と前記外壁の側面との間に形成された第２空気経路と、前記内壁の底面と前記外壁の底面との間に形成された第３空気経路と、前記第１空気経路と接続されている空気流入経路と、前記３空気経路から前記燃料電池スタックへ前記空気を供給するための空気供給口と、前記燃料電池スタックへ前記燃料ガスを供給するための燃料ガス供給経路と、を備え、前記空気は、前記空気流入経路、前記第１空気経路、前記第２空気経路、前記第３空気経路および前記空気供給口をこの順に通過し、前記内壁の底面と前記燃料電池スタックとが面接触している。

また、上記課題を解決するため、本開示の一態様の燃料電池システムは、
上記記載の高温動作形燃料電池と、
前記燃料ガスとして、原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、前記改質器に供給する水蒸気を生成する蒸発器と、前記燃料電池スタックから排出されたアノードオフガスおよびカソードオフガスが拡散燃焼する燃焼器と、前記燃焼器で生成された燃焼排ガスと前記空気とが熱交換する空気熱交換器と、を備える水素生成装置と、
を備え、
前記水素生成装置は、前記高温動作形燃料電池の上方に配置され、前記空気熱交換器で熱交換が行われた空気が前記第１空気経路へ送られ、前記高温動作形燃料電池の水平断面の面積は、前記水素生成装置の水平断面の面積よりも大きい。

本開示の一態様の高温動作形燃料電池および燃料電池システムは、燃料電池スタックに送る空気を従来よりも効率的に予熱し得るという効果を奏する。また、本開示の一態様の高温動作形燃料電池および燃料電池システムは、従来に比べ、装置の小型化を図り得るという効果を奏する。

図１は、第１実施形態の高温動作形燃料電池の一例を示す図である。 図２Ａは、第１実施形態の第１変形例の高温動作形燃料電池の一例を示す図である。 図２Ｂは、第１実施形態の第１変形例の高温動作形燃料電池の一例を示す図である。 図２Ｃは、第１実施形態の第１変形例の高温動作形燃料電池の一例を示す図である。 図３は、第１実施形態の第２変形例の高温動作形燃料電池の一例を示す図である。 図４は、第１実施形態の第３変形例の高温動作形燃料電池の一例を示す図である。 図５は、第２実施形態の高温動作形燃料電池の一例を示す図である。 図６は、第３実施形態の燃料電池システムの一例を示す図である。

燃料電池スタックに送る空気の予熱特性、および、装置の小型化について鋭意検討が行われ、以下の知見が得られた。

特許文献１の燃料電池システムの如く、ガス供給流路が設けられた媒体供給プレートの上部に、固体酸化物形燃料電池を設置して、固体酸化物形燃料電池の側面を経由して媒体供給プレートから空気を燃料電池に供給する場合、固体酸化物形燃料電池には、高温状態の空気を供給する必要がある。よって、媒体供給プレートに空気を供給する前に、このような空気を予熱するための別体の熱交換器を設ける場合が多い。しかし、固体酸化物形燃料電池と熱交換器との配置関係、媒体供給プレートへのガス配管の引き回しの方法などによって、燃料電池システムの小型化が困難となる可能性がある。逆に、このような熱交換器を設けない場合は、空気の予熱が不十分となる可能性がある。

特許文献２では、上記のとおり、熱交換器と改質器と燃料電池スタックとを収容するハウジングが、燃焼排ガスを排出する排気孔を備え、排気孔が燃料電池スタックの下側に設けられている。このような燃料電池システムでは、燃料電池に供給される空気を予熱するために、排気孔から排出された燃焼排ガスの熱を空気の加熱に用いる別体の熱交換器を設ける場合が多い。しかし、ハウジングと熱交換器との配置関係、ハウジングへのガス配管の引き回し方法などによって、燃料電池システムの小型化が困難となる可能性がある。逆に、このような熱交換器を設けない場合は、空気の予熱が不十分となる可能性がある。

つまり、発明者らは、以上のような従来例に関する改善すべき事項を見出し、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の態様の高温動作形燃料電池は、平板状に積層された複数のセルを備え、燃料ガスおよび空気を用いて発電する燃料電池スタックと、側面と天面と底面とを備え、燃料電池スタックを囲うように設置された内壁と、側面と天面と底面とを備え、内壁を囲うように設置された外壁と、内壁の天面と外壁の天面との間に形成された第１空気経路と、内壁の側面と外壁の側面との間に形成された第２空気経路と、内壁の底面と外壁の底面との間に形成された第３空気経路と、第１空気経路と接続されている空気流入経路と、燃料電池スタックの底面から燃料電池スタックへ空気を供給するための空気供給口と、燃料電池スタックへ燃料ガスを供給するための燃料ガス供給経路と、を備え、空気は、空気流入経路、第１空気経路、第２空気経路、第３空気経路および空気供給口をこの順に通過し、内壁の底面と燃料電池スタックとが面接触している。

かかる構成によると、本態様の高温動作形燃料電池は、燃料電池スタックに送る空気を従来よりも効率的に予熱し得る。また、本態様の高温動作形燃料電池は、従来に比べ小型化を図り得る。

具体的には、燃料電池スタックを囲うように設置された内壁の天面、側面および底面のいずれもが、燃料電池スタックに送る空気の加熱が行われる伝熱面として機能する。つまり、高温動作形燃料電池の発電に伴う発熱により、燃料電池スタックからの輻射熱を利用して、燃料電池スタックの周囲に設置された内壁を介して、空気を適温にまで加熱できる。

特に、燃料電池スタックに流入する直前の空気が流れる第３空気経路に対応する内壁の底面と高温状態の燃料電池スタックとが面接触しているので、第３空気経路を流れる空気を、燃料電池スタックの伝熱により効率的に加熱することができる。

また、燃料電池スタックに供給する空気経路を配管などで構成する場合、配管を引き回すための領域が必要であるので、高温動作形燃料電池の小型化が困難となる可能性がある。

これに対して、本態様の高温動作形燃料電池では、上記のとおり、内壁の底面と燃料電池スタックとが面接触している。よって、このような配管の引き回しを減らすことができるので、上記の可能性を低減できる。

本開示の第２の態様の高温動作形燃料電池は、第１の態様の高温動作形燃料電池において、内壁の底面は、底面から上方へ突出する段差部を備え、段差部と燃料電池スタックとが面接触している。

かかる構成によると、本態様の高温動作形燃料電池は、燃料電池スタックの底面から下方に突出する突起物が存在する場合でも、第３空気経路を流れる空気を効率的に加熱することができる。これは以下の理由による。

燃料電池スタックの底面には、燃料電池スタックの構成によっては、例えば、複数のセルを締結する締結ボルト、電力取り出し部などの突起物を設ける場合がある。

そこで、本態様の高温動作形燃料電池は、上記の段差部を設けることにより、このような突起物が存在する場合でも、突起物が内壁の底面に当接せずに、段差部と燃料電池スタックとを適切に面接触させるように構成できる。よって、第３空気経路を流れる空気を、燃料電池スタックの伝熱により効率的に加熱することができる。

本開示の第３の態様の高温動作形燃料電池は、第１の態様または第２の態様の高温動作形燃料電池において、燃料電池スタックから排出されたアノードオフガスが集約するアノードオフガス排出経路と、燃料電池スタックから排出されたカソードオフガスが集約するカソードオフガス排出経路と、を備え、アノードオフガス排出経路およびカソードオフガス排出経路は、拡散燃焼が行われる燃焼器へと上方に延伸している。

かかる構成によると、アノードオフガス排出経路およびカソードオフガス排出経路のそれぞれが燃焼器に接続される。これにより、燃焼器で拡散燃焼が行われる。この際に、これらのアノードオフガス排出経路およびカソードオフガス排出経路を高温動作形燃料電池の側方へ引き回す必要がないので、ガス配管の構成が簡素化する。また、アノードオフガス排出経路およびカソードオフガス排出経路を高温動作形燃料電池の側方へ引き回す場合、高温動作形燃料電池の設置面積が増加する可能性があるが、上記の構成により、このような可能性を低減できる。

本開示の第４の態様の燃料電池システムは、
第１の態様の高温動作形燃料電池と、
燃料ガスとして、原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、改質器に供給する水蒸気を生成する蒸発器と、燃料電池スタックから排出されたアノードオフガスおよびカソードオフガスが拡散燃焼する燃焼器と、燃焼器で生成された燃焼排ガスと空気とが熱交換する空気熱交換器と、を備える水素生成装置と、
を備え、
水素生成装置は、高温動作形燃料電池の上方に配置され、空気熱交換器で熱交換が行われた空気が第１空気経路へ送られ、高温動作形燃料電池の水平断面の面積は、水素生成装置の水平断面の面積よりも大きい。

かかる構成によると、本態様の燃料電池システムは、燃料電池スタックに送る空気を従来よりも効率的に予熱し得る。また、本態様の燃料電池システムは、従来に比べ小型化を図り得る。

具体的には、燃料電池スタックに送る空気は、空気熱交換器の熱交換、および燃料電池スタックを囲うように設置された内壁の天面、側面および底面における輻射熱を利用して、
従来に比べ、燃料電池スタックに送る空気を効率的に予熱することができる。

また、燃料電池システムは、水素生成装置が高温動作形燃料電池の上方に配置されるとともに、高温動作形燃料電池の水平断面が水素生成装置の水平断面よりも大面積で構成されている。よって、高温動作形燃料電池に供給される空気を予熱するための空気熱交換器を設ける構成であっても、燃料電池システムの設置面積の増加を抑制できる。

また、高温動作形燃料電池の水平断面の面積を大きくすることで、セル１枚あたりの電極面積を増加させ得るので、高温動作形燃料電池の高出力化を図ることもできる。

以下、添付図面を参照しつつ、本開示の第１実施形態、第１実施形態の第１～第３変形例、第２実施形態および第３実施形態について説明する。なお、以下で説明する第１実施形態、第１実施形態の第１～第３変形例、第２実施形態および第３実施形態は、いずれも本開示の一具体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、形状および寸法比等については正確な表示ではない場合がある。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態の高温動作形燃料電池の一例を示す図である。

以下、高温動作形燃料電池の具体例として、発電部に固体酸化物形燃料電池スタック１（以下、ＳＯＦＣスタック１）を備える固体酸化物形燃料電池１００（以下、ＳＯＦＣ１００）を挙げて説明するが、これに限定されない。高温動作形燃料電池は、高温（例えば、６００℃以上）で動作する燃料電池であれば、どのような構成であっても構わない。

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。また、重力が作用する上下方向（鉛直方向という場合もある）に垂直な方向を水平方向といい、この水平方向を含む面を水平面というものとする。

図１に示す例では、ＳＯＦＣ１００は、ＳＯＦＣスタック１と、内壁２と、外壁３と、第１空気経路５と、第２空気経路６と、第３空気経路７と、空気供給口８と、燃料ガス供給経路９と、空気流入経路４と、を備える。

ＳＯＦＣ１００の内壁２は、側面２Ｓと天面２Ｕと底面２Ｄとを備え、ＳＯＦＣスタック１を囲うように設置されている。つまり、内壁２は、ＳＯＦＣスタック１の上面全域を上方から覆う天面２ＵとＳＯＦＣスタック１の下面全域を下方から覆う底面２Ｄと、天面２Ｕの端部と底面２Ｄの端部とを接続するように鉛直方向に立設している側面２Ｓと、を備える。

ＳＯＦＣ１００の外壁３は、側面３Ｓと天面３Ｕと底面３Ｄとを備え、内壁２を囲うように設置されている。つまり、外壁３は、内壁２の天面２Ｕの全域を上方から覆う天面３Ｕと内壁２の底面２Ｄの全域を下方から覆う底面３Ｄと、天面３Ｕの端部と底面３Ｄの端部とを接続するように鉛直方向に立設している側面３Ｓと、を備える。

外壁３の側面３Ｓは、内壁２の側面２Ｓに対して、所定の隙間を隔てて同軸状の外側に配置されている。外壁３の天面３Ｕは、内壁２の天面２Ｕに対して、所定の隙間を隔てて上方に配置されている。外壁３の底面３Ｄは、内壁２の底面２Ｄに対して、所定の隙間を隔てて下方に配置されている。

そして、以上の隙間のそれぞれが、ＳＯＦＣスタック１に供給する空気が通過する空間となっている。

具体的には、第１空気経路５は、内壁２の天面２Ｕと外壁３の天面３Ｕとの間に形成されている。第２空気経路６は、内壁２の側面２Ｓと外壁３の側面３Ｓとの間に形成されている。第３空気経路７は、内壁２の底面２Ｄと外壁３の底面３Ｄとの間に形成されている。

ここで、本実施形態のＳＯＦＣ１００では、空気流入経路４が、第１空気経路５と接続されている。具体的には、空気流入経路４が、外壁３の天面３Ｕに対して鉛直方向に延伸しており、空気流入経路４の下流端に相当する開口が天面３Ｕに形成されている。

また、内壁２の底面２ＤとＳＯＦＣスタック１とが面接触しており、空気供給口８が、第３空気経路７からＳＯＦＣスタック１へ空気を供給するための開口である。よって、ここでは、空気供給口８は、内壁２の底面２Ｄの中心部付近に形成されている。

以上により、ＳＯＦＣスタック１の発電用の空気は、空気流入経路４、第１空気経路５、第２空気経路６、第３空気経路７および空気供給口８をこの順に通過する。具体的には、空気流入経路４からの空気は、空気流入経路４の下流端から第１空気経路５を水平方向の外向きに流れる。そして、空気は、第１空気経路５の下流端で直角に向きを変えて、第２空気経路６を鉛直の下方向に流れる。その後、空気は、第２空気経路６の下流端で再び、直角に向きを変えて、第３空気経路７を水平方向の内向きに流れ、空気供給口８からＳＯＦＣスタック１内へ流入する。

なお、内壁２および外壁３はいずれも、例えば、耐蝕性が高いステンレススチールなどの金属で構成されていてもよい。

本実施形態のＳＯＦＣ１００では、平面視において、内壁２の側面２Ｓおよび外壁３の側面３Ｓはいずれも円筒状に構成され、内壁２の天面２Ｕおよび底面２Ｄ、ならびに、外壁３の天面３Ｕおよび底面３Ｄはいずれも円盤状に構成されている。しかし、内壁２および外壁３の形状は、これに限らない。例えば、内壁２の側面２Ｓおよび外壁３の側面２Ｓは、矩形体であってもよいし、円筒体の一部と矩形体の一部とを組み合わせたような形状（例えば、一対の半円部と一対の直線部とを備えるオーバル形状）の筒体であってもよい。

但し、内壁２の側面２Ｓおよび外壁３の側面２Ｓを円筒状またはオーバル状に構成する方が、矩形状に構成する場合に比べ放熱を抑制できる点で有利である。

また、ＳＯＦＣ１００の運転温度が、高温（例えば、６００℃以上）となるので、ＳＯＦＣ１００の外壁３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。

燃料ガス供給経路９は、ＳＯＦＣスタック１へ燃料ガスを供給するための流路である。具体的には、燃料ガス供給経路９は、ＳＯＦＣ１００外から外壁３の天面３Ｕおよび内壁２の天面２Ｕを鉛直方向に気密に貫通し、ＳＯＦＣスタック１に接続するように延伸している。燃料ガスとして、例えば、改質ガス、水素ガスなどを例示できる。なお、燃料ガスが、改質ガスである場合、燃料ガス供給経路９の上流端は、適宜の改質器に接続される。また、ＳＯＦＣスタック１の発電に使用しなかった改質ガス（アノードオフガス）は、燃焼器で燃焼される。改質器および燃焼器の詳細は後述する。

ＳＯＦＣスタック１は、平板状に積層された複数のセル（図示せず）を備え、燃料ガスおよび空気を用いて発電する。つまり、ＳＯＦＣスタック１は、平板形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形スタックで構成され、ＳＯＦＣスタック１のカソードには、上記の空気供給口８からの空気が供給され、ＳＯＦＣスタック１のアノードには、燃料ガス供給経路９からの燃料ガスが供給され、空気中の酸素と燃料ガス中の水素とを用いて発電が行われる。

なお、ＳＯＦＣ１００には、ＳＯＦＣスタック１の動作温度（例えば、６００℃以上）を検知する温度検知器（図示せず）、ＳＯＦＣスタック１の電力を取り出すための電力取り出し部（図示せず）などが設けられている。なお、ＳＯＦＣスタック１の内部の構成は、一般的な平板形のＳＯＦＣスタックと同様であるので詳細な構成の説明および図示は省略する。

以上により、本実施形態のＳＯＦＣ１００は、ＳＯＦＣスタック１に送るための空気を従来よりも効率的に予熱し得る。また、本実施形態のＳＯＦＣ１００は、従来に比べ小型化を図り得る。

具体的には、ＳＯＦＣスタック１を囲うように設置された内壁２の天面２Ｕ、側面２Ｓおよび底面２Ｄのいずれもが、ＳＯＦＣスタック１に送る空気の加熱が行われる伝熱面として機能する。つまり、ＳＯＦＣ１００の発電に伴う発熱により、ＳＯＦＣスタック１からの輻射熱を利用して、ＳＯＦＣスタック１の周囲に設置された内壁２を介して空気を適温にまで加熱できる。

特に、ＳＯＦＣスタック１に流入する直前の空気が流れる第３空気経路７に対応する内壁２の底面２Ｄと高温状態のＳＯＦＣスタック１とが面接触しているので、第３空気経路７を流れる空気を、ＳＯＦＣスタック１の伝熱により効率的に加熱することができる。

また、ＳＯＦＣスタック１に供給する空気経路を配管などで構成する場合、配管を引き回すための領域が必要であるので、ＳＯＦＣ１００の小型化が困難となる可能性がある。

これに対して、本実施形態のＳＯＦＣ１００では、上記のとおり、内壁２の底面２ＤとＳＯＦＣスタック１とが面接触している。よって、このような配管の引き回しを減らすことができるので、上記の可能性を低減できる。

（第１変形例）
第１実施形態のＳＯＦＣ１００では、第１空気経路５を構成する内壁２の天面２Ｕが、ＳＯＦＣスタック１の上面全域を上方から覆う水平面で構成されている例を説明したが、これに限らない。

例えば、図２Ａに示すように、第１空気経路５を構成する内壁２の天面２Ｕが、ＳＯＦＣスタック１の上面の端部のみを上方から覆う水平面であってもよい。これにより、ＳＯＦＣスタック１の上面の端部のみと対向する水平面が、ＳＯＦＣスタック１に送る空気の加熱が行われる伝熱面として機能する。

また、図２Ｂに示すように、第１空気経路５を構成する内壁２の天面２Ｕが、ＳＯＦＣスタック１の上面の端部のみを上方から覆う傾斜面であってもよい。これにより、ＳＯＦＣスタック１の上面の端部のみと対向する傾斜面が、ＳＯＦＣスタック１に送る空気の加熱が行われる伝熱面として機能する。

さらに、図２Ｃに示すように、第１空気経路５を構成する内壁２の天面２Ｕが、ＳＯＦＣスタック１の上面の端部のみを上方から覆い、図２Ａの水平面および図２Ｂの傾斜面を組合せたような複数の折れ線を備える屈曲面であってもよい。これにより、ＳＯＦＣスタック１の上面の端部のみと対向する屈曲面が、ＳＯＦＣスタック１に送る空気の加熱が行われる伝熱面として機能する。

本変形例のＳＯＦＣ１００は、上記特徴以外は、第１実施形態のＳＯＦＣ１００と同様に構成されてもよい。

（第２変形例）
第１実施形態のＳＯＦＣ１００では、内壁２の天面２Ｕ、側面２Ｓおよび底面２Ｄの全域が、ＳＯＦＣスタック１に送る空気の加熱が行われる伝熱面として機能する例を説明したが、これに限らない。内壁２の天面２Ｕ、側面２Ｓおよび底面２Ｄの一部が、このような伝熱面の機能を果たさなくても構わない。

例えば、ＳＯＦＣスタック１の温度を検知するための温度検知器のセンシング部、ＳＯＦＣスタック１の電力を取り出すためのバスパーなどをＳＯＦＣ１００の収容容器内に挿入するには、これらの配線２０が内壁２および外壁３を気密に貫通する構成を取る必要がある。このとき、配線２０と内壁２および外壁３との溶接個所は、図３に示すように、内壁２および外壁３同士を部分的に接合する絞り構造を用いることが多い。この場合、絞り構造に対応する内壁２は、伝熱面の機能を果たさない。

また、図示を省略するが、例えば、内壁２と外壁３との間の隙間が一定の寸法に維持されるように、内壁２と外壁３との間に棒部材を挟み込む場合、内壁２または外壁３から突起部を形成する場合などがある。これらの場合、棒部材および突起部に対応する内壁２は、伝熱面の機能を果たさない。

さらに、図示を省略するが、例えば、内壁２と外壁３との間の隙間に、空気流れが周方向に均一化し得るように、通気孔が周方向に均等に形成された環状の整流板を設ける場合がある。この場合、整流板に対応する内壁２は、伝熱面の機能を果たさない。

本変形例のＳＯＦＣ１００は、上記特徴以外は、第１実施形態のＳＯＦＣ１００と同様に構成されてもよい。

（第３変形例）
図４は、第１実施形態の第３変形例の高温動作形燃料電池の一例を示す図である。

図４に示す例では、ＳＯＦＣ１００は、ＳＯＦＣスタック１と、内壁１２と、外壁３と、第１空気経路５と、第２空気経路６と、第３空気経路７と、空気供給口８と、燃料ガス供給経路９と、空気流入経路４と、を備える。

ＳＯＦＣスタック１、外壁３、第１空気経路５、第２空気経路６、第３空気経路７、空気供給口８、燃料ガス供給経路９および空気流入経路４については第１実施形態と同様であるので説明を省略する。

本変形例のＳＯＦＣ１００では、内壁１２の底面１２Ｄは、底面１２Ｄから上方へ突出する段差部１２Ｅを備える。そして、段差部１２ＥとＳＯＦＣスタック１とが面接触している。

ＳＯＦＣスタック１の底面には、ＳＯＦＣスタック１の構成によっては、例えば、複数のセルを締結する締結ボルト、電力取り出し部などの突起物を設ける場合がある。

ここでは、ＳＯＦＣスタック１の底面の隅部から下方に突出する複数の突起物３０が図示されている。

そこで、本変形例のＳＯＦＣ１００では、段差部１２Ｅは、段差部１２Ｅの水平方向の寸法（幅寸法）が突起物３０の水平方向の間隔よりも短く、かつ、段差部１２Ｅの上下方向の寸法（高さ）が突起物３０の上下方向の寸法よりも長くなるように、内壁１２の底面１２Ｄから鉛直方向に立設している。

以上により、ＳＯＦＣスタック１の底面から下方に突出する突起物３０が存在する場合でも、突起物３０が内壁１２の底面１２Ｄに当接せずに、段差部１２Ｅの表面と高温状態のＳＯＦＣスタック１とを適切に面接触させることができる。よって、第３空気経路７を流れる空気を、ＳＯＦＣスタック１の伝熱により効率的に加熱することができる。

本変形例のＳＯＦＣ１００は、上記特徴以外は、第１実施形態のＳＯＦＣ１００と同様に構成されてもよい。

（第２実施形態）
図５は、第１実施形態の高温動作形燃料電池の一例を示す図である。

図５に示す例では、ＳＯＦＣ１００は、ＳＯＦＣスタック１と、内壁２と、外壁３と、第１空気経路５と、第２空気経路６と、第３空気経路７と、空気供給口８と、燃料ガス供給経路９と、空気流入経路４と、アノードオフガス排出経路１０と、カソードオフガス排出経路１１Ａ、１１Ｂと、を備える。

ＳＯＦＣスタック１、内壁２、外壁３、第１空気経路５、第２空気経路６、第３空気経路７、空気供給口８、燃料ガス供給経路９および空気流入経路４については第１実施形態と同様であるので説明を省略する。

アノードオフガス排出経路１０は、ＳＯＦＣスタック１から排出されたアノードオフガスが集約する流路である。アノードオフガス排出経路１０は、図５では図示しない燃焼器へと上方に延伸している。

具体的には、ＳＯＦＣスタック１の発電に使用しなかった燃料ガス（アノードオフガス）が、アノードオフガス排出経路１０に流入し、このアノードオフガス排出経路１０を通過した後、燃焼器へと送られる。本実施形態のＳＯＦＣ１００では、アノードオフガス排出経路１０は、ＳＯＦＣスタック１のアノードから内壁２の天面２Ｕおよび外壁３の天面３Ｕを気密に貫通して燃焼器の燃料空間に連通するように上方へ延伸している。なお、ここでは、アノードオフガス排出経路１０の本数は１本であるが、２本以上でも構わない。

カソードオフガス排出経路１１Ａ、１１Ｂは、ＳＯＦＣスタック１から排出されたカソードオフガスが集約する流路である。カソードオフガス排出経路１１Ｂは、図５では図示しない燃焼器へと上方に延伸している。

具体的には、ＳＯＦＣスタック１の発電に使用しなかった空気（カソードオフガス）が、このカソードオフガス排出経路１１Ａ、１１Ｂを通過した後、燃焼器へと送られる。本実施形態のＳＯＦＣ１００では、カソードオフガス排出経路１１Ａは、ＳＯＦＣスタック１の外殻と内壁２の天面２Ｕおよび側面２Ｓとの間の空間で形成されている。カソードオフガス排出経路１１Ｂは、内壁２の天面２Ｕから外壁３の天面３Ｕを気密に貫通して燃焼器の燃料空間に連通するように上方へ延伸している。なお、ここでは、カソードオフガス排出経路１１Ｂの本数は１本であるが、２本以上でも構わない。また、ＳＯＦＣスタック１のカソードオフガスの排出口１１Ｃが、ＳＯＦＣスタック１の側面に形成されているが、このような排出口が、ＳＯＦＣスタック１の上面に形成されていてもよい。この場合は、カソードオフガス排出経路１１Ａは、ＳＯＦＣスタック１の外殻と内壁２の天面２Ｕとの間の空間で形成される。

以上により、アノードオフガス排出経路１０およびカソードオフガス排出経路１１Ｂのそれぞれが燃焼器に接続される。これにより、燃焼器で拡散燃焼が行われる。この際に、これらのアノードオフガス排出経路１０およびカソードオフガス排出経路１１ＢをＳＯＦＣ１００の側方へ引き回す必要がないので、ガス配管の構成が簡素化する。また、アノードオフガス排出経路１０およびカソードオフガス排出経路１１ＢをＳＯＦＣ１００の側方へ引き回す場合、ＳＯＦＣ１００の設置面積が増加する可能性があるが、上記の構成により、このような可能性を低減できる。

なお、本変形例のＳＯＦＣ１００は、アノードオフガス排出経路１０およびカソードオフガス排出経路１１Ｂを用いて、燃焼器がＳＯＦＣ１００と離間して配置されているが、燃焼器がＳＯＦＣ１００と近接することで、ＳＯＦＣ１００が燃焼器を備えても構わない。

本実施形態のＳＯＦＣ１００は、上記特徴以外は、第１実施形態のＳＯＦＣ１００と同様に構成されてもよい。

（第３実施形態）
図６は、第３実施形態の燃料電池システムの一例を示す図である。

図６に示す例では、燃料電池システム２００は、水素生成装置５０と、ＳＯＦＣ１００と、を備える。本実施形態のＳＯＦＣ１００は、第３実施形態のＳＯＦＣ１００と同様であるので説明を省略する。

図６に示すように、水素生成装置５０は、ＳＯＦＣ１００の上方に配置されており、蒸発器５１と、改質器５２と、燃焼器５３と、空気熱交換器５４と、を備える。

改質器５２は、上記の燃料ガスとして、原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５２の外殻は、例えば、改質触媒が充填されているステンレス製の円筒体で構成されていてもよい。改質器５２は、燃焼器５３の上方に配置されている。

図６に示すように、高温の燃焼排ガスが、改質器５２の壁部と水素生成装置５０の収容容器５５の内壁５５Ａとの間の空間を通過する。これにより、改質器５２の改質触媒が燃焼排ガスの熱で加熱され、改質器５２の温度が、改質反応に適した高温（例えば、６００℃以上）となる。なお、このような燃焼排ガスを発生する燃焼器５３の詳細は後述する。

また、燃料ガス供給経路９を形成する配管が、改質器５２からＳＯＦＣ１００の外壁３および内壁２を気密に貫通し、ＳＯＦＣスタック１まで延伸している。これにより、ＳＯＦＣスタック１のアノードに、燃料ガス供給経路９を通じて改質器５２からの改質ガスが供給される。

改質器５２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６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、改質反応がオートサーマル反応であれば、水素生成装置５０には、改質器５２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、改質反応用の原料としては、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。

本実施形態の水素生成装置５０では、改質器５２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５２の直上に、蒸発器５１が設けられている。

蒸発器５１は、改質器５２に供給する水蒸気を生成する。具体的には、例えば、図示しない水供給器（例えば、ポンプなど）に接続された水供給口６２から水が蒸発器５１に供給される。また、図示しない原料供給器（例えば、ポンプなど）に接続された原料供給口６３から原料が蒸発器５１に供給される。蒸発器５１では、水が蒸発して水蒸気が生成され、原料と水蒸気とが混合される。そして、混合ガスが改質器５２の改質触媒に送られる。

図６に示すように、高温の燃焼排ガスが、蒸発器５１の壁部と水素生成装置５０の収容容器５５の内壁５５Ａとの間の空間を通過する。このとき、蒸発器５１の壁部の外表面は、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。

空気供給経路５６は、ＳＯＦＣスタック１のカソードに送るための空気が流通する流路である。具体的には、図示しない空気供給器（例えば、ブロアなど）に接続された空気供給口６１からの空気が、水素生成装置５０の収容容器５５の内壁５５Ａと外壁５５Ｂとの間に形成された空気供給経路５６を流通する。

空気熱交換器５４は、燃焼器５３で生成された燃焼排ガスと空気とが熱交換する。具体的には、空気供給経路５６を流れる空気と収容容器５５の内壁５５Ａ内を流れる燃焼排ガスとが熱交換する。つまり、空気熱交換器５４では、燃焼排ガスで曝される内壁５５Ａの部分が伝熱面として機能する。これにより、常温の空気は、空気供給経路５６を上から下へと流れるとき、内壁５５Ａ内を下から上へと流れる燃焼排ガスとの熱交換により加熱される。

空気熱交換器５４で熱交換が行われた空気は、上記の空気流入経路４を通じて第１空気経路５へ送られる。つまり、空気熱交換器５４で熱交換が行われた空気は、空気流入経路４を通過した後、ＳＯＦＣスタック１からの輻射熱を利用して、ＳＯＦＣスタック１の発電反応に適した温度にまでさらに加熱される。

燃焼器５３は、ＳＯＦＣスタック１から排出されたアノードオフガスおよびカソードオフガスが拡散燃焼する。具体的には、アノードオフガス排出経路１０およびカソードオフガス排出経路１１Ｂのそれぞれと燃焼器５３とが接続する。そして、燃焼器５３の燃焼空間には、アノードオフガス排出経路１０を通じてアノードオフガスが供給され、カソードオフガス排出経路１１Ｂを通じてカソードオフガスが供給され、これらのガスが拡散燃焼される。これにより、燃焼空間において、高温の燃焼排ガスが発生する。

燃焼器５３で発生した燃焼排ガスは、上記のとおり、改質器５２の壁部と収容容器５５の内壁５５Ａとの間の空間および蒸発器５１の壁部と収容容器５５の内壁５５Ａとの間の空間をこの順に下から上へと通過する。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５３で発生する燃焼排ガスの熱を有効に利用できる。

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、燃焼排ガス排出口６４から燃料電池システム２００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。

ここで、本実施形態の燃料電池システム２００では、ＳＯＦＣ１００の水平断面の面積は、水素生成装置５０の水平断面の面積よりも大きい。なお、ＳＯＦＣ１００の水平断面の面積とは、ＳＯＦＣ１００の収容容器の水平方向の最外部材（本例では、外壁３の側面３Ｓ）で形成される水平面の面積を指す。水素生成装置５０の水平断面の面積とは、水素生成装置５０の収容容器５５の水平方向の最外部材（本例では、外壁５５Ｂ）で形成される水平面の面積を指す。

以上により、本実施形態の燃料電池システム２００は、ＳＯＦＣスタック１に送るための空気を従来よりも効率的に予熱し得る。また、本実施形態の燃料電池システム２００は、従来に比べ小型化を図り得る。

具体的には、燃料電池スタック１に送る空気が、空気熱交換器５４の熱交換および燃料電池スタック１を囲うように設置された内壁２の天面２Ｕ、側面２Ｓおよび底面２Ｄにおける輻射熱を利用して、従来に比べ効率的に予熱される。

また、水素生成装置５０がＳＯＦＣ１００の上方に配置されるとともに、ＳＯＦＣ１００の水平断面が水素生成装置５０の水平断面よりも大面積で構成されている。よって、ＳＯＦＣ１００に供給される空気を予熱するための空気熱交換器５４を設ける構成であっても、燃料電池システム２００の設置面積の増加を抑制できる。

また、ＳＯＦＣ１００の水平断面の面積を大きくすることで、セル１枚あたりの電極面積を増加させ得るので、ＳＯＦＣ１００の高出力化を図ることもできる。

つまり、平板形のＳＯＦＣ１００の高出力化には、セルの積層枚数を増やして発電時の電圧を上げる方法、発電時の電流密度を高める方法、セル１枚あたりの電極面積を増加させる方法などが挙げられる。

これらの方法の中で、セルの積層枚数を増やす方法は、運転時に積層方向に温度分布が生じやすくなるので、熱応力によりスタックが割れる可能性がある。

また、発電時の電流密度を高める方法は、電流密度が高い領域では、水素供給不足が発生しやすくなるので、セルスタックの構成に制約される可能性がある。

そこで、本実施形態の燃料電池システム２００では、セル１枚あたりの電極面積を増加させることで、ＳＯＦＣ１００の高出力化が行われている。つまり、ＳＯＦＣ１００においては、セルの電極面積が所望の面積で確保され得るように、ＳＯＦＣ１００の水平断面を大面積で構成している。また、蒸発器５１、改質器５２および燃焼器５３などを収容する収容容器５５を適切に小型化、低コスト化できるように、水素生成装置５０の水平断面を小面積で構成している。

このようにして、本実施形態の燃料電池システム２００では、燃料電池システム２００の高出力化と小型化および低コスト化との両立が適切に行われている。

第１実施形態、第１実施形態の第１～第３変形例、第２実施形態および第３実施形態は、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、第２実施形態のＳＯＦＣ１００では、第１実施形態のＳＯＦＣ１００が、アノードオフガス排出経路１０と、カソードオフガス排出経路１１Ａ、１１Ｂとを備える例を説明したが、第１実施形態の第３変形例のＳＯＦＣ１００が、アノードオフガス排出経路１０と、カソードオフガス排出経路１１Ａ、１１Ｂと、を備えても構わない。また、例えば、第３実施形態の燃料電池システム２００が、第１実施形態のＳＯＦＣ１００を備える例を説明したが、第３実施形態の燃料電池システム２００が、第１実施形態の第３変形例のＳＯＦＣ１００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、燃料電池システム２００では、組み立て時においては、水素生成装置５０の収容容器５５とＳＯＦＣ１００の収容容器とが別体に構成されていてもよい。つまり、空気流入経路４、燃料ガス供給経路９、アノードオフガス排出経路１０およびカソードオフガス排出経路１１Ｂの適所において、これらの空気流入経路４、燃料ガス供給経路９、アノードオフガス排出経路１０およびカソードオフガス排出経路１１Ｂをそれぞれ溶接等で接続することで、別体に構成された収容容器同士を最終的に組み立てても構わない。これにより、ＳＯＦＣ１００の形状、大きさ等に依存せずに、空気流入経路４、燃料ガス供給経路９、アノードオフガス排出経路１０およびカソードオフガス排出経路１１Ｂの接続部のみを合わせることで、燃料電池システム２００の組み立てが可能となる。

本開示の一態様の高温動作形燃料電池および燃料電池システムは、燃料電池スタックに送る空気を従来よりも効率的に予熱し得る。また、本開示の一態様の高温動作形燃料電池および燃料電池システムは、従来に比べ、装置の小型化を図り得る。よって、本開示の一態様は、例えば、高温動作形燃料電池および燃料電池システムなどに利用できる。

１ ：固体酸化物形燃料電池スタック（ＳＯＦＣスタック）
２ ：内壁
２Ｄ ：底面
２Ｓ ：側面
２Ｕ ：天面
３ ：外壁
３Ｄ ：底面
３Ｓ ：側面
３Ｕ ：天面
４ ：空気流入経路
５ ：第１空気経路
６ ：第２空気経路
７ ：第３空気経路
８ ：空気供給口
９ ：燃料ガス供給経路
１０ ：アノードオフガス排出経路
１１Ａ ：カソードオフガス排出経路
１１Ｂ ：カソードオフガス排出経路
１１Ｃ ：排出口
１２ ：内壁
１２Ｄ ：底面
１２Ｅ ：段差部
２０ ：配線
３０ ：突起物
５０ ：水素生成装置
５１ ：蒸発器
５２ ：改質器
５３ ：燃焼器
５４ ：空気熱交換器
５５ ：収容容器
５５Ａ ：内壁
５５Ｂ ：外壁
５６ ：空気供給経路
６１ ：空気供給口
６２ ：水供給口
６３ ：原料供給口
６４ ：燃焼排ガス排出口
１００ ：固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）
２００ ：燃料電池システム

Claims (6)

1. 燃料ガスおよび空気を用いて発電する燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックを囲うように設置された内壁と、
   前記内壁を囲うように設置された外壁と、
   前記内壁の第１の面と前記外壁の第２の面との間に形成された第１空気経路と、
   前記内壁の第３の面と前記外壁の第４の面との間に形成された第２空気経路と、
   前記第１空気経路と接続されている空気流入経路と、
   前記燃料電池スタックの発電に使用しなかった空気が通過するカソードオフガス排出経路と、
   を備え、
   前記空気流入経路、前記第１空気経路、および前記第２空気経路をこの順に通過した空気が前記燃料電池スタックに供給され、前記カソードオフガス排出経路は、前記燃料電池スタックの外殻と前記内壁の第１の面および前記内壁の第３の面との間の空間で形成されており、前記カソードオフガス排出経路の壁面に、前記内壁の第１の面に最も近い前記燃料電池スタックの外殻の第５の面が含まれる、燃料電池モジュール。
2. 前記内壁の第１の面と前記燃料電池スタックの外殻の第５の面とが対向している、請求項１に記載の燃料電池モジュール。
3. 前記燃料電池スタックへ前記燃料ガスを供給するための燃料ガス供給経路を備え、前記燃料ガス供給経路は、前記外壁の第２の面および前記内壁の第１の面を貫通し、前記燃料電池スタックに接続するように延伸している請求項１に記載の燃料電池モジュール。
4. 前記燃料ガス供給経路は、前記燃料電池スタックの上面と接続されている請求項３に記載の燃料電池モジュール。
5. 前記燃料電池スタックから排出されたアノードオフガスが集約するアノードオフガス排出経路をさらに備え、
   前記アノードオフガス排出経路および前記カソードオフガス排出経路は、拡散燃焼が行われる燃焼器へと上方に延伸している請求項１に記載の燃料電池モジュール。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載の燃料電池モジュールと、
   前記燃料ガスとして、原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、前記改質器に供給する水蒸気を生成する蒸発器と、前記燃料電池スタックから排出されたアノードオフガスおよびカソードオフガスが拡散燃焼する燃焼器と、前記燃焼器で生成された燃焼排ガスと前記空気とが熱交換する空気熱交換器と、を備える水素生成装置と、
   を備え、
   前記水素生成装置は、前記燃料電池モジュールの上方に配置され、
   前記空気熱交換器で熱交換が行われた空気が前記第１空気経路へ送られ、
   前記燃料電池モジュールの水平断面の面積は、前記水素生成装置の水平断面の面積よりも大きい燃料電池システム。