WO2012132635A1 - 燃料電池モジュール - Google Patents

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WO2012132635A1
WO2012132635A1 PCT/JP2012/054075 JP2012054075W WO2012132635A1 WO 2012132635 A1 WO2012132635 A1 WO 2012132635A1 JP 2012054075 W JP2012054075 W JP 2012054075W WO 2012132635 A1 WO2012132635 A1 WO 2012132635A1
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WO
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gas
fuel
fuel cell
combustion chamber
exhaust
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Application number
PCT/JP2012/054075
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English (en)
French (fr)
Inventor
陽介 朝重
公博 水上
稲岡　正人
Original Assignee
株式会社村田製作所
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04067—Heat exchange or temperature measuring elements, thermal insulation, e.g. heat pipes, heat pumps, fins
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0612—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
    • H01M8/0618—Reforming processes, e.g. autothermal, partial oxidation or steam reforming
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell module.
  • the present invention relates to a solid oxide fuel cell module.
  • the fuel cell module examples include a solid oxide fuel cell (SOFC) module, a molten salt fuel cell module, a phosphoric acid fuel cell module, and a polymer solid electrolyte fuel cell module.
  • SOFC solid oxide fuel cell
  • the solid oxide fuel cell module does not necessarily require the use of liquid components, and it is not necessary to provide an external reformer when using hydrocarbon fuel. For this reason, research and development on solid oxide fuel cell modules has been actively conducted.
  • Patent Document 1 describes an example of a solid oxide fuel cell module.
  • an exhaust gas pipe is connected to the fuel cell.
  • the exhaust gas from the fuel cell is discharged out of the solid oxide fuel cell module via the exhaust gas pipe.
  • the present invention has been made in view of such a point, and an object thereof is to provide a fuel cell module having high energy efficiency.
  • a fuel cell module includes a combustion chamber, a fuel cell, a fuel gas channel, an aerobic gas channel, a reformer, a fuel gas preheating unit, and an aerobic gas preheating unit. Yes.
  • the fuel cell is disposed in the combustion chamber.
  • the fuel cell generates power by being supplied with fuel gas and aerobic gas.
  • the fuel cell has a first exhaust port and a second exhaust port.
  • the first exhaust port exhausts the fuel electrode side exhaust gas which is the fuel gas used for power generation.
  • the second exhaust port exhausts the air electrode side exhaust gas which is an aerobic gas used for power generation.
  • the fuel gas channel supplies fuel gas to the fuel cell.
  • the aerobic gas channel supplies aerobic gas to the fuel cell.
  • the reformer is provided in the fuel gas flow path in the combustion chamber. The reformer reforms the fuel gas.
  • the fuel gas preheating part is provided in the fuel gas flow path in the combustion chamber.
  • the fuel gas preheating unit is for preheating the fuel gas.
  • the aerobic gas preheating part is provided in the aerobic gas flow path in the combustion chamber.
  • the aerobic gas preheating unit is for preheating the aerobic gas.
  • the combustion chamber has a discharge port and a discharge flow path.
  • the exhaust port exhausts the exhaust gas exhausted from the fuel cell to the outside of the combustion chamber.
  • the discharge flow path connects the first and second exhaust ports and the discharge port.
  • the discharge channel is such that at least one or at least part of the reformer, the fuel gas preheating unit, and the aerobic gas preheating unit is located on or faces the discharge channel. Is provided.
  • the exhaust flow path includes at least a part of the reformer, at least a part of the fuel gas preheating unit, and an aerobic gas from the first and second exhaust ports It is provided so as to reach the discharge port via at least a part of the gas preheating part.
  • the base end portion of the discharge channel is located on the opposite side of the fuel quality discharge port.
  • At least one of the first and second exhaust ports opens toward the reformer, the fuel gas preheating unit, or the aerobic gas preheating unit. Yes.
  • the fuel cell module further includes a vaporizer that generates water vapor to be mixed with the fuel gas before reforming in the combustion chamber.
  • the vaporizer is located on the discharge channel or is provided to face the discharge channel.
  • a fuel cell module with high energy efficiency can be provided.
  • FIG. 1 is a schematic plan view of the solid oxide fuel cell module according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a schematic block diagram of the solid oxide fuel cell module according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a schematic exploded perspective view of the power generation cell of the fuel cell according to the first embodiment.
  • FIG. 4 is a schematic plan view of the solid oxide fuel cell module according to the second embodiment.
  • FIG. 5 is a schematic side view for explaining the arrangement of the aerobic gas preheater in the solid oxide fuel cell module according to the second embodiment.
  • FIG. 6 is a schematic side view for explaining the arrangement of the reformer in the solid oxide fuel cell module according to the second embodiment.
  • FIG. 7 is a schematic plan view for explaining the flow of fuel gas in the solid oxide fuel cell module according to the second embodiment.
  • FIG. 8 is a schematic plan view for explaining the flow of aerobic gas in the solid oxide fuel cell module according to the second embodiment.
  • FIG. 9 is a schematic plan view for explaining the flow of exhaust gas in the solid oxide fuel cell module according to the second embodiment.
  • FIG. 10 is a schematic plan view of a solid oxide fuel cell module according to the third embodiment.
  • FIG. 11 is a schematic plan view of a solid oxide fuel cell module according to the fourth embodiment.
  • FIG. 1 is a schematic plan view of the solid oxide fuel cell module according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a schematic block diagram of the solid oxide fuel cell module according to the first embodiment.
  • a solid oxide fuel cell module (also referred to as a hot module) 1 has a combustion chamber 11 surrounded by a heat insulating material 10.
  • a heat insulating material 10 In FIG. 1 and FIGS. 4 to 11 described later, hatching is given to the portion where the heat insulating material 10 is provided. In FIG. 9, the discharge flow path 11b is also hatched.
  • heaters 18 a and 18 b are arranged in the combustion chamber 11.
  • the heater 18a, 18b can raise the temperature in the combustion chamber 11.
  • a fuel cell 20 is disposed in the combustion chamber 11.
  • a fuel gas channel 12 and an aerobic gas channel 13 are connected to the fuel cell 20.
  • the fuel gas channel 12 is for supplying fuel gas to the fuel cell 20.
  • a part of the fuel gas channel 12 is disposed in the combustion chamber 11.
  • the aerobic gas channel 13 is for supplying an aerobic gas to the fuel cell 20.
  • a part of the aerobic gas channel 13 is disposed in the combustion chamber 11.
  • a reformer 14 is provided in the fuel gas passage 12.
  • the reformer 14 is disposed in the combustion chamber 11. As shown in FIG. 1, the reformer 14 is disposed on the x2 side of the fuel cell 20 in the x direction.
  • reforming for supplying reforming water to a portion upstream of the reformer 14 in the fuel gas passage 12 (on the side opposite to the fuel cell 20 in the fuel gas flow direction).
  • a water flow path 15 is connected.
  • the reforming water flow path 15 is disposed in the combustion chamber 11.
  • a fuel gas preheating portion 16 is provided in a portion downstream of the reformer 14 in the fuel gas flow path 12 (on the fuel cell 20 side in the fuel gas flow direction).
  • the aerobic gas flow path 13 is provided with an aerobic gas preheating part 17. As shown in FIG. 1, the aerobic gas preheating unit 17 is disposed on the y1 side of the fuel cell 20 in the y direction.
  • FIG. 3 is a schematic exploded perspective view of the power generation cell of the fuel cell according to the first embodiment. Next, the configuration of the fuel cell 20 will be described with reference to FIG.
  • the fuel cell 20 has one or a plurality of power generation cells 20a.
  • the power generation cell 20 a includes a first separator 50, a power generation element 46, and a second separator 40.
  • the first separator 50, the power generation element 46, and the second separator 40 are stacked in this order.
  • Each separator is provided with a via hole electrode 51a for extracting generated electricity.
  • a current collecting rod (not shown) for collecting and drawing electricity is provided above the uppermost separator and below the lowermost separator.
  • the power generation cell 20 a has an aerobic gas manifold 45 connected to the aerobic gas passage 13 and a fuel gas manifold 44 connected to the fuel gas passage 12.
  • the power generation element 46 includes an aerobic gas supplied from the aerobic gas manifold 45 via the aerobic gas flow path 13 and a fuel supplied from the fuel gas manifold 44 via the fuel gas flow path 12. This is the part where power is generated.
  • the power generation element 46 includes a solid oxide electrolyte layer 47. It is preferable that the solid oxide electrolyte layer 47 has high ionic conductivity.
  • the solid oxide electrolyte layer 47 can be formed of, for example, stabilized zirconia or partially stabilized zirconia. Specific examples of the stabilized zirconia include yttria stabilized zirconia (YSZ), scandia stabilized zirconia (ScSZ), and the like. Specific examples of the partially stabilized zirconia include yttria partially stabilized zirconia (YSZ), scandia partially stabilized zirconia (ScSZ), and the like.
  • the solid oxide electrolyte layer 47 is, for example, Sm and Gd or the like ceria oxides doped, a LaGaO 3 as a host, La 0 the part of the La and Ga was substituted with Sr and Mg, respectively. It can also be formed of a perovskite oxide such as 8 Sr 0.2 Ga 0.8 Mg 0.2 O (3- ⁇ ) .
  • the solid oxide electrolyte layer 47 is sandwiched between the air electrode layer 49 and the fuel electrode layer 48. That is, the air electrode layer 49 is formed on one main surface of the solid oxide electrolyte layer 47, and the fuel electrode layer 48 is formed on the other main surface.
  • the air electrode layer 49 has an air electrode 49a.
  • the air electrode 49a is a cathode. In the air electrode 49a, oxygen takes in electrons and oxygen ions are formed.
  • the air electrode 49a is preferably porous, has high electron conductivity, and does not easily cause a solid-solid reaction with the solid oxide electrolyte layer 47 and the like at a high temperature.
  • the air electrode 49a can be formed of, for example, scandia-stabilized zirconia (ScSZ), indium oxide doped with Sn, PrCoO 3 oxide, LaCoO 3 oxide, LaMnO 3 oxide, or the like.
  • LaMnO 3 -based oxide examples include La 0.8 Sr 0.2 MnO 3 (common name: LSM), La 0.6 Ca 0.4 MnO 3 (common name: LCM), and the like.
  • the air electrode 49a may be made of a mixed material in which two or more of the above materials are mixed.
  • the fuel electrode layer 48 has a fuel electrode 48a.
  • the fuel electrode 48a is an anode. In the fuel electrode 48a, oxygen ions and the fuel react to emit electrons.
  • the fuel electrode 48a is preferably porous, has high ionic conductivity, and does not easily cause a solid-solid reaction with the solid oxide electrolyte layer 47 and the like at a high temperature.
  • the fuel electrode 48a can be composed of, for example, NiO, yttria-stabilized zirconia (YSZ) / nickel metal porous cermet, scandia-stabilized zirconia (ScSZ) / nickel metal porous cermet, or the like.
  • the fuel electrode layer 48 may be made of a mixed material obtained by mixing two or more of the above materials.
  • first separator 50 Below the air electrode layer 49 of the power generation element 46, a first separator 50 configured by a first separator body 51 and a first flow path forming member 52 is disposed.
  • the first separator 50 is formed with an aerobic gas supply path 53 for supplying air to the air electrode 49a.
  • the aerobic gas supply path 53 extends from the aerobic gas manifold 45 toward the y2 side from the y1 side in the y direction.
  • the opening of the aerobic gas supply path 53 constitutes a plurality of first exhaust ports 53a for discharging the air electrode side exhaust gas that is an aerobic gas used for power generation.
  • the first exhaust port 53 a is provided on the side wall on the y2 side of the fuel cell 20. Therefore, the air electrode side exhaust gas is discharged from the fuel cell 20 toward the y2 side.
  • the constituent material of the first separator 50 is not particularly limited.
  • the first separator 50 can be formed of, for example, stabilized zirconia such as yttria stabilized zirconia, partially stabilized zirconia, or the like.
  • the second separator 40 On the fuel electrode layer 48 of the power generation element 46, the second separator 40 constituted by the second separator body 41 and the second flow path forming member 42 is disposed.
  • the second separator 40 is formed with a fuel gas supply passage 43 for supplying fuel to the fuel electrode 48a.
  • the fuel gas supply path 43 extends from the fuel gas manifold 44 toward the x2 side from the x1 side in the x direction.
  • the opening of the fuel gas supply path 43 constitutes a plurality of second exhaust ports 43a through which fuel electrode side exhaust gas, which is fuel gas used for power generation, is discharged.
  • the second exhaust port 43 a is provided on the side wall on the x2 side of the fuel cell 20.
  • the fuel electrode side exhaust gas is discharged from the fuel cell 20 toward the x2 side.
  • the direction rotated forward by 90 ° with respect to the discharge direction of the air electrode side exhaust gas is set as the discharge direction of the fuel electrode side exhaust gas.
  • the constituent material of the second separator 40 is not particularly limited.
  • the second separator 40 can be formed of, for example, stabilized zirconia, partially stabilized zirconia, or the like.
  • the combustion chamber 11 includes a discharge port 11a.
  • the exhaust port 11 a is for exhausting the exhaust gas including the air electrode side exhaust gas and the fuel electrode side exhaust gas discharged from the fuel cell 20 to the outside of the combustion chamber 11.
  • the exhaust port 11a is formed on the inner surface of the combustion chamber 11 on the x1 side, and is formed on the opposite side to the exhaust gas discharge direction of the second exhaust port 43a when the fuel cell 20 is viewed in plan. .
  • the combustion chamber 11 is formed with a discharge passage 11b that communicates the first and second exhaust ports 53a, 43a of the fuel cell 20 with the discharge port 11a.
  • the exhaust passage 11b is configured such that a part of the space of the combustion chamber 11 serves as a passage.
  • the discharge channel 11b is configured such that at least one or at least one of the reformer 14, the fuel gas preheating unit 16, and the aerobic gas preheating unit 17 is located on the discharge channel 11b or the exhaust flow. It is provided so as to face the path 11b.
  • the discharge channel 11b is provided so that the reformer 14, the fuel gas preheating unit 16, and the aerobic gas preheating unit 17 are located on the discharge channel 11b. That is, the exhaust passage 11b extends from the first exhaust port 53a and the second exhaust port 43a to the exhaust port 11a via the reformer 14, the fuel gas preheating unit 16, and the aerobic gas preheating unit 17. Is provided.
  • the exhaust gas After the exhaust gas reaches the exhaust port 11a, as shown in FIG. 2, the exhaust gas passes through the flow path 19 provided in the solid oxide fuel cell module 1 and is provided outside the combustion chamber 11 in the combustion chamber external heat exchanger. It is discharged out of the solid oxide fuel cell module 1 via 54.
  • the raw fuel gas before reforming is supplied to the fuel gas passage 12.
  • the reforming water channel 15 is supplied with reforming water.
  • the reforming water is vaporized by the vaporizer 55 located in the combustion chamber 11 of the reforming water flow path 15 and becomes steam.
  • the steam and raw fuel gas are supplied to the reformer 14.
  • the raw fuel gas is reformed by the steam and the reformed fuel gas is generated.
  • the reformed fuel gas is further heated by the fuel gas preheating unit 16.
  • the heated reformed fuel gas is supplied to the fuel cell 20.
  • fuel gas is a general term for raw fuel gas and reformed fuel gas. That is, the fuel gas includes raw fuel gas and reformed fuel gas.
  • An aerobic gas such as oxygen or air is supplied to the aerobic gas channel 13.
  • the aerobic gas is supplied to the fuel cell 20 after being heated in the combustion chamber external heat exchanger 54 and the aerobic gas preheating unit 17.
  • the fuel cell 20 generates power using the supplied reformed fuel gas and aerobic gas.
  • the fuel electrode side exhaust gas that is the reformed fuel gas used for power generation in the fuel cell 20 is exhausted out of the fuel cell 20 through the second exhaust port 43a.
  • the air electrode side exhaust gas, which is an aerobic gas used for power generation in the fuel cell 20 is exhausted out of the fuel cell 20 through the first exhaust port 53a.
  • the fuel electrode side exhaust gas and the air electrode side exhaust gas are discharged out of the combustion chamber 11 through the discharge flow path 11b, and further discharged out of the solid oxide fuel cell module 1 through the flow path 19.
  • the fuel electrode side exhaust gas contains carbon monoxide and the like. Further, the air electrode side exhaust gas contains oxygen. For this reason, when the fuel electrode side exhaust gas and the air electrode side exhaust gas are mixed in the combustion chamber 11 at a high temperature, the fuel electrode side exhaust gas is completely combusted. This produces combustion gas. Therefore, the exhaust gas discharged to the outside of the combustion chamber 11 via the discharge flow path 11b includes the combustion gas and a portion not used for generating the combustion gas of the air electrode side exhaust gas.
  • exhaust gas includes fuel electrode side exhaust gas, air electrode side exhaust gas, and combustion gas.
  • the exhaust passage 11b includes at least one or at least a part of the reformer 14, the fuel gas preheating unit 16, and the aerobic gas preheating unit 17 on the exhaust passage 11b. Or is provided so as to face the discharge channel 11b.
  • at least one or at least a part of the reformer 14, the fuel gas preheating unit 16, and the aerobic gas preheating unit 17 is used by the exhaust gas that is used for power generation and becomes high temperature by combustion. Is heated, and heat exchange is performed with the exhaust gas. Therefore, the heat of exhaust gas can be used effectively. As a result, high energy efficiency can be realized.
  • both the fuel electrode side exhaust gas and the air electrode side exhaust gas are exhausted into the space of the combustion chamber 11, mixed in the middle of the exhaust passage 11b, and combusted. For this reason, the temperature of the exhaust gas flowing through the discharge passage 11b is high. Therefore, the reformer 14, the fuel gas preheating part 16, and the aerobic gas preheating part 17 can be heated more efficiently using the exhaust gas. Therefore, higher energy efficiency can be realized.
  • the discharge channel 11b is provided so that the reformer 14, the fuel gas preheating unit 16, and the aerobic gas preheating unit 17 are located on the discharge channel 11b. That is, the exhaust passage 11b extends from the first exhaust port 53a and the second exhaust port 43a to the exhaust port 11a via the reformer 14, the fuel gas preheating unit 16, and the aerobic gas preheating unit 17. Is provided. Accordingly, higher energy efficiency can be realized.
  • the base end portion of the discharge channel 11 b that is the exhaust port of the fuel cell 20 is located on the opposite side of the discharge port 11 a of the combustion chamber 11. Therefore, the flow path length in the combustion chamber 11 of the discharge flow path 11b is long. Therefore, the fuel electrode side exhaust gas and the air electrode side exhaust gas are sufficiently mixed and combusted and sufficiently heat exchanged with the reformer 14, the fuel gas preheating unit 16, and the aerobic gas preheating unit 17 in the discharge path 11b. Thus, higher energy efficiency can be realized.
  • the second exhaust port 43a opens toward the reformer 14. Therefore, the reformer 14 can be more effectively heated by the exhaust gas. Accordingly, higher energy efficiency can be realized.
  • the exhaust gas reaches the discharge port 11a, it is discharged out of the solid oxide fuel cell module 1 through the combustion chamber external heat exchanger 54 provided outside the combustion chamber 11. Therefore, before entering the combustion chamber 11, heat exchange with the exhaust gas can be performed in advance to increase the temperature of the aerobic gas before entering the combustion chamber 11. Thereby, the local temperature fall in the combustion chamber 11 can be prevented, and high energy efficiency can be realized.
  • FIG. 4 is a schematic plan view of the solid oxide fuel cell module according to the second embodiment.
  • FIG. 5 is a schematic side view for explaining the arrangement of the aerobic gas preheater in the solid oxide fuel cell module according to the second embodiment.
  • FIG. 6 is a schematic side view for explaining the arrangement of the reformer in the solid oxide fuel cell module according to the second embodiment.
  • a schematic block diagram of a solid oxide fuel cell module according to the second embodiment is the same as FIG.
  • the solid oxide fuel cell module (also referred to as a hot module) 2 has a combustion chamber 11 surrounded by a heat insulating material 10.
  • heaters 18 a and 18 b are arranged in the combustion chamber 11.
  • the heater 18a, 18b can raise the temperature in the combustion chamber 11.
  • a fuel cell 20 is disposed in the combustion chamber 11.
  • a fuel gas channel 12 and an aerobic gas channel 13 are connected to the fuel cell 20.
  • the fuel gas channel 12 is for supplying fuel gas to the fuel cell 20.
  • a part of the fuel gas channel 12 is disposed in the combustion chamber 11.
  • the aerobic gas channel 13 is for supplying an aerobic gas to the fuel cell 20.
  • a part of the aerobic gas channel 13 is disposed in the combustion chamber 11.
  • a reformer 14 is provided in the fuel gas passage 12.
  • the reformer 14 is disposed in the combustion chamber 11.
  • the reformer 14 includes a first reforming unit 14a and a second reforming unit 14b.
  • the first reforming portion 14 a is disposed on the x1 side of the fuel cell 20 in the x direction.
  • the second reforming part 14b is arranged on the y2 side of the fuel cell 20 in the y direction.
  • the second reforming unit 14b is disposed downstream of the first reforming unit 14a (on the fuel cell 20 side in the fuel gas flow direction), and is connected to the first reforming unit 14a by a pipe. Yes.
  • a reforming water channel 15 for supplying reforming water is connected to a portion of the fuel gas channel 12 upstream of the reformer 14 (on the side opposite to the fuel cell 20 in the fuel gas flow direction).
  • a part of the reforming water flow path 15 is arranged in the combustion chamber 11, and has a function as a carburetor 55 from when it enters the fuel chamber 11 until it is connected to the fuel gas flow path 12. ing.
  • the reforming water channel 15 is disposed above the combustion chamber 11 in order to efficiently convert the reforming water into steam.
  • a fuel gas preheating unit 16 is provided in a portion of the fuel gas flow path 12 downstream of the reformer 14.
  • the aerobic gas flow path 13 is provided with an aerobic gas preheating portion 17 having a flat plate heat exchanger structure.
  • the aerobic gas preheating unit 17 includes a first preheating unit 17a, a second preheating unit 17b, and a third preheating unit 17c, which are sequentially connected by piping.
  • the aerobic gas preheating part in the combustion chamber 11 has three stages.
  • the first and second preheating portions 17a and 17b are disposed on the x2 side of the fuel cell 20 in the x direction.
  • the third preheating part 17c is arranged on the y1 side of the fuel cell 20 in the y direction.
  • a blocking plate 10 a for blocking the flow of exhaust gas is inserted between the third preheating portion 17 c and the fuel cell 20.
  • FIG. 3 is a schematic exploded perspective view of the power generation cell of the fuel cell according to the second embodiment. Since the configuration of the fuel cell 20 is the same as that of the first embodiment, the description thereof is omitted.
  • the first exhaust port 53 a is provided on the side wall on the x1 side of the fuel cell 20. Therefore, the air electrode side exhaust gas is discharged from the fuel cell 20 toward the x1 side.
  • the second exhaust port 43a is provided on the side wall on the y2 side of the fuel cell 20. Therefore, the fuel electrode side exhaust gas is discharged from the fuel cell 20 toward the y2 side.
  • the combustion chamber 11 includes a discharge port 11 a.
  • the exhaust port 11 a is for exhausting the exhaust gas including the air electrode side exhaust gas and the fuel electrode side exhaust gas discharged from the fuel cell 20 to the outside of the combustion chamber 11.
  • the discharge port 11a is formed on the inner surface of the combustion chamber 11 on the x2 side, and is formed on the side opposite to the exhaust gas discharge direction of the first exhaust port 53a when the fuel cell 20 is viewed in plan. .
  • the combustion chamber 11 is formed with a discharge passage 11b that has a first exhaust port 53a and a second exhaust port 43a of the fuel cell 20 and an exhaust port 11a.
  • the exhaust passage 11b is configured such that a part of the space of the combustion chamber 11 serves as a passage.
  • the discharge channel 11b is configured such that at least one or at least one of the reformer 14, the fuel gas preheating unit 16, and the aerobic gas preheating unit 17 is located on the discharge channel 11b or the exhaust flow. It is provided so as to face the path 11b.
  • the discharge channel 11b is provided so that the reformer 14, the fuel gas preheating unit 16, and a part of the aerobic gas preheating unit 17 are located on the discharge channel 11b.
  • the exhaust passage 11b is connected to the exhaust port 11a from the first exhaust port 53a and the second exhaust port 43a via a part of the reformer 14, the fuel gas preheating unit 16, and the aerobic gas preheating unit 17. It is provided to reach.
  • a reforming water flow path 15 having a function as a vaporizer 55 is provided in the middle of the discharge flow path 11 b and above the combustion chamber 11.
  • the exhaust gas passes through the flow path 19 provided in the solid oxide fuel cell module 2, and is provided outside the combustion chamber 11 in the combustion chamber external heat exchanger. It is discharged out of the solid oxide fuel cell module 2 via 54.
  • the flow path 19 and the part 13a located outside the combustion chamber 11 of the aerobic gas flow path 13 are provided adjacent to each other. For this reason, heat exchange is performed between the flow path 19 and the portion 13 a of the aerobic gas flow path 13 located outside the combustion chamber 11.
  • FIG. 7 is a schematic plan view for explaining the flow of fuel gas in the solid oxide fuel cell module according to the second embodiment.
  • FIG. 8 is a schematic plan view for explaining the flow of aerobic gas in the solid oxide fuel cell module according to the second embodiment.
  • FIG. 9 is a schematic plan view for explaining the flow of exhaust gas in the solid oxide fuel cell module according to the second embodiment.
  • the direction in which the fuel gas is supplied is indicated by a solid line arrow, and the direction in which the reforming water is supplied is indicated by a broken line arrow.
  • the raw fuel gas before reforming is supplied to the fuel gas passage 12.
  • the reforming water channel 15 is supplied with reforming water.
  • the reforming water is vaporized by the vaporizer 55 located in the combustion chamber 11 of the reforming water flow path 15 and becomes steam.
  • the steam and raw fuel gas are supplied to the reformer 14.
  • the raw fuel gas is reformed by the steam and the reformed fuel gas is generated.
  • the reformed fuel gas is further heated by the fuel gas preheating unit 16.
  • the heated reformed fuel gas is supplied to the fuel cell 20.
  • fuel gas is a general term for raw fuel gas and reformed fuel gas. That is, the fuel gas includes raw fuel gas and reformed fuel gas.
  • FIG. 8 the direction in which the aerobic gas is supplied is indicated by a solid line arrow.
  • An aerobic gas such as oxygen or air is supplied to the aerobic gas channel 13.
  • the aerobic gas is supplied to the fuel cell 20 after being heated in the combustion chamber external heat exchanger 54 and the aerobic gas preheating unit 17.
  • the fuel cell 20 generates power using the supplied reformed fuel gas and aerobic gas.
  • the fuel electrode side exhaust gas which is the reformed fuel gas used for power generation in the fuel cell 20
  • the air electrode side exhaust gas which is an aerobic gas used for power generation in the fuel cell 20
  • the first exhaust port 53a is exhausted out of the fuel cell 20 through the first exhaust port 53a.
  • the fuel electrode side exhaust gas contains carbon monoxide and the like. Further, the air electrode side exhaust gas contains oxygen. For this reason, when the fuel electrode side exhaust gas and the air electrode side exhaust gas are mixed in the combustion chamber 11 at a high temperature, the fuel electrode side exhaust gas is completely combusted. This produces combustion gas. Therefore, the exhaust gas discharged to the outside of the combustion chamber 11 via the discharge flow path 11b includes the combustion gas and a portion not used for generating the combustion gas of the air electrode side exhaust gas.
  • exhaust gas includes fuel electrode side exhaust gas, air electrode side exhaust gas, and combustion gas.
  • the fuel electrode side exhaust gas and the air electrode side exhaust gas are mixed and combusted in the vicinity of the exhaust port 43a on the fuel electrode side. Therefore, by directing the exhaust port 43a to the second reforming part 14b, the vicinity of the outlet of the reformer 14 is kept at a high temperature, and the reformed gas having an equilibrium composition having a higher reforming rate at the outlet of the reformer 14. Can be obtained.
  • the aerobic gas can be supplied to the fuel cell 20 after sufficiently heating the aerobic gas. Further, by installing the preheating portions 17b and 17c in the vicinity of the fuel cell 20 on the side wall side opposite to the exhaust port, not only the heat conduction in the discharge passage 11b but also the radiant heat from the fuel cell 20 Can also get heat.
  • the preheating parts 17a, 17b, and 17c have a flat plate heat exchanger structure, and by surrounding the combustion chamber 11 without a gap, the amount of heat released to the outside of the combustion chamber 11 can be reduced, and higher energy efficiency can be realized.
  • FIG. 10 is a schematic plan view of a solid oxide fuel cell module according to the third embodiment.
  • FIG. 11 is a schematic plan view of a solid oxide fuel cell module according to the fourth embodiment.
  • the discharge flow path is such that at least one or at least one of the reformer, the fuel gas preheating part, and the aerobic gas preheating part is located on the discharge flow path, or What is necessary is just to be provided so that it may face.
  • a discharge channel 11b may be provided.
  • the aerobic gas preheating part 17 can be heated from both sides in the discharge flow path.

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Abstract

　エネルギー効率が高い燃料電池モジュールを提供する。　燃焼室１１は、排出口１１ａと、排出流路１１ｂとを有する。排出口１１ａは、燃料電池２０から排気された排気ガスを燃焼室１１外に排出する。排出流路１１ｂは、第１の排気口５３ａ及び第２の排気口４３ａと排出口１１ａとを接続している。排出流路１１ｂは、改質器１４と、燃料ガス予熱部１６と、有酸素ガス予熱部１７のうちの少なくともひとつあるいは少なくとも一部とが、排出流路１１ｂ上に位置するか、または排出流路１１ｂに面するように設けられている。

Description

燃料電池モジュール
　本発明は、燃料電池モジュールに関する。特に、本発明は、固体酸化物形燃料電池モジュールに関する。
　近年、新たなエネルギー源として、燃料電池モジュールに対する注目が大きくなってきている。燃料電池モジュールには、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Ｓｏｌｉｄ　Ｏｘｉｄｅ　Ｆｕｅｌ　Ｃｅｌｌ）モジュール、溶融塩燃料電池モジュール、リン酸型燃料電池モジュール、高分子固体電解質燃料電池モジュール等がある。これらの燃料電池モジュールの中でも、固体酸化物形燃料電池モジュールでは、液体の構成要素を用いる必要が必ずしもなく、炭化水素燃料を用いるときにも外部に改質器を設ける必要がない。このため、固体酸化物形燃料電池モジュールに対する研究開発が盛んに行われている。
　例えば下記の特許文献１には、固体酸化物形燃料電池モジュールの一例が記載されている。特許文献１に記載の固体酸化物形燃料電池モジュールでは、燃料電池に排気ガス管が接続されている。この排気ガス管を経由して、燃料電池からの排気ガスが固体酸化物形燃料電池モジュール外に排出される。
特開２００９－１７０１７０号公報
　しかしながら、特許文献１に記載の固体酸化物形燃料電池モジュールでは、エネルギー効率が低いという問題がある。
　本発明は、斯かる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、エネルギー効率が高い燃料電池モジュールを提供することにある。
　本発明に係る燃料電池モジュールは、燃焼室と、燃料電池と、燃料ガス流路と、有酸素ガス流路と、改質器と、燃料ガス予熱部と、有酸素ガス予熱部とを備えている。燃料電池は、燃焼室内に配置されている。燃料電池は、燃料ガスと有酸素ガスとが供給されることにより発電する。燃料電池は、第１の排気口と、第２の排気口とを有する。第１の排気口は、発電に使用済みの燃料ガスである燃料極側排気ガスを排気する。第２の排気口は、発電に使用済みの有酸素ガスである空気極側排気ガスを排気する。燃料ガス流路は、燃料電池に燃料ガスを供給する。有酸素ガス流路は、燃料電池に有酸素ガスを供給する。改質器は、燃焼室内において、燃料ガス流路中に設けられている。改質器は、燃料ガスを改質する。燃料ガス予熱部は、燃焼室内において、燃料ガス流路中に設けられている。燃料ガス予熱部は、燃料ガスを予熱するためのものである。有酸素ガス予熱部は、燃焼室内において、有酸素ガス流路中に設けられている。有酸素ガス予熱部は、有酸素ガスを予熱するためのものである。燃焼室は、排出口と、排出流路とを有する。排出口は、燃料電池から排気された排気ガスを燃焼室外に排出する。排出流路は、第１及び第２の排気口と排出口とを接続している。排出流路は、改質器と、燃料ガス予熱部と、有酸素ガス予熱部のうちの少なくともひとつあるいは少なくとも一部とが、排出流路上に位置するか、または排出流路に面するように設けられている。
　本発明に係る燃料電池モジュールのある特定の局面では、排出流路は、第１及び第２の排気口から、改質器の少なくとも一部と、燃料ガス予熱部の少なくとも一部と、有酸素ガス予熱部の少なくとも一部とを経由して排出口に至るように設けられている。
　本発明に係る燃料電池モジュールの他の特定の局面では、排出流路の基端部は、燃料質の排出口とは反対側の部分に位置している。
　本発明に係る燃料電池モジュールの別の特定の局面では、第１及び第２の排気口のうちの少なくとも一方は、改質器、燃料ガス予熱部または有酸素ガス予熱部に向かって開口している。
　本発明に係る燃料電池モジュールのさらに他の特定の局面では、燃料電池モジュールは、燃焼室内において、改質前の燃料ガスと混合させるための水蒸気を生成する気化器をさらに備える。気化器は排出流路上に位置するか、または排出流路に面するように設けられている。
　本発明によれば、エネルギー効率が高い燃料電池モジュールを提供することができる。
図１は、第１の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池モジュールの模式的平面図である。 図２は、第１の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池モジュールの略図的ブロック図である。 図３は、第１の実施形態における燃料電池の発電セルの略図的分解斜視図である。 図４は、第２の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池モジュールの模式的平面図である。 図５は、第２の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池モジュールにおける有酸素ガス予熱器の配置を説明するための模式的側面図である。 図６は、第２の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池モジュールにおける改質器の配置を説明するための模式的側面図である。 図７は、第２の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池モジュールにおける燃料ガスの流れを説明するための模式的平面図である。 図８は、第２の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池モジュールにおける有酸素ガスの流れを説明するための模式的平面図である。 図９は、第２の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池モジュールにおける排気ガスの流れを説明するための模式的平面図である。 図１０は、第３の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池モジュールの模式的平面図である。 図１１は、第４の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池モジュールの模式的平面図である。
　以下、本発明を実施した好ましい形態の一例について説明する。但し、下記の実施形態は、単なる例示である。本発明は、下記の実施形態に何ら限定されない。
　また、実施形態等において参照する各図面において、実質的に同一の機能を有する部材は同一の符号で参照することとする。また、実施形態等において参照する図面は、模式的に記載されたものであり、図面に描画された物体の寸法の比率などは、現実の物体の寸法の比率などとは異なる場合がある。図面相互間においても、物体の寸法比率等が異なる場合がある。具体的な物体の寸法比率等は、以下の説明を参酌して判断されるべきである。
　《第１の実施形態》
　（固体酸化物形燃料電池モジュール１の構成）
　図１は、第１の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池モジュールの模式的平面図である。図２は、第１の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池モジュールの略図的ブロック図である。
　固体酸化物形燃料電池モジュール（ホットモジュールともいう。）１は、断熱材１０により包囲された燃焼室１１を有する。なお、図１及び後述の図４～図１１においては、断熱材１０が設けられている部分にハッチングを附している。また、図９においては、排出流路１１ｂにもハッチングを附している。
　図２に示すとおり、燃焼室１１内には、ヒーター１８ａ、１８ｂが配置されている。このヒーター１８ａ、１８ｂにより燃焼室１１内の昇温が可能となっている。また、燃焼室１１内には、燃料電池２０が配置されている。
　燃料電池２０には、燃料ガス流路１２と、有酸素ガス流路１３とが接続されている。燃料ガス流路１２は、燃料電池２０に燃料ガスを供給するためのものである。燃料ガス流路１２の一部は、燃焼室１１内に配置されている。有酸素ガス流路１３は、燃料電池２０に有酸素ガスを供給するためのものである。有酸素ガス流路１３の一部は、燃焼室１１内に配置されている。
　燃料ガス流路１２中には、改質器１４が設けられている。改質器１４は、燃焼室１１内に配置されている。図１に示すとおり、改質器１４は、燃料電池２０のｘ方向のｘ２側に配されている。
　図２に示すとおり、燃料ガス流路１２の改質器１４よりも上流側（燃料ガスの流れる方向において燃料電池２０とは反対側）の部分には、改質用水を供給するための改質用水流路１５が接続されている。改質用水流路１５は、燃焼室１１内に配されている。
　燃焼室１１内において、燃料ガス流路１２の改質器１４よりも下流側（燃料ガスの流れる方向において燃料電池２０側）の部分には、燃料ガス予熱部１６が設けられている。
　燃焼室１１内において、有酸素ガス流路１３には、有酸素ガス予熱部１７が設けられている。図１に示すとおり、有酸素ガス予熱部１７は、燃料電池２０のｙ方向のｙ１側に配置されている。
　図３は、第１の実施形態における燃料電池の発電セルの略図的分解斜視図である。次に、図３を参照しながら、燃料電池２０の構成について説明する。
　燃料電池２０は、１または複数の発電セル２０ａを有する。発電セル２０ａは、第１のセパレータ５０と、発電要素４６と、第２のセパレータ４０とを有する。発電セル２０ａでは、第１のセパレータ５０と、発電要素４６と、第２のセパレータ４０とがこの順番で積層されている。各セパレータには発生した電気を引き出すためのビアホール電極５１ａが設けられている。また、最上部のセパレータの上および最下部のセパレータの下には、電気を集めて引き出すための集電棒(図示省略)が設けられている。
　発電セル２０ａは、有酸素ガス流路１３に接続されている有酸素ガス用マニホールド４５と、燃料ガス流路１２に接続されている燃料ガス用マニホールド４４とを有する。
　（発電要素４６）
　発電要素４６は、有酸素ガス流路１３を経由して有酸素ガス用マニホールド４５から供給される有酸素ガスと、燃料ガス流路１２を経由して燃料ガス用マニホールド４４から供給される燃料とが反応し、発電が行われる部分である。
　（固体酸化物電解質層４７）
　発電要素４６は、固体酸化物電解質層４７を備えている。固体酸化物電解質層４７は、イオン導電性が高いものであることが好ましい。固体酸化物電解質層４７は、例えば、安定化ジルコニアや、部分安定化ジルコニアなどにより形成することができる。安定化ジルコニアの具体例としは、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、スカンジア安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ）等が挙げられる。部分安定化ジルコニアの具体例としは、イットリア部分安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、スカンジア部分安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ）等が挙げられる。また、固体酸化物電解質層４７は、例えば、ＳｍやＧｄ等がドープされたセリア系酸化物や、ＬａＧａＯ３を母体とし、ＬａとＧａとの一部をそれぞれＳｒ及びＭｇで置換したＬａ０．８Ｓｒ０．２Ｇａ０．８Ｍｇ０．２Ｏ（３－δ）などのペロブスカイト型酸化物などにより形成することもできる。
　固体酸化物電解質層４７は、空気極層４９と燃料極層４８とにより挟持されている。すなわち、固体酸化物電解質層４７の一主面の上に空気極層４９が形成されており、他主面の上に燃料極層４８が形成されている。
　（空気極層４９）
　空気極層４９は、空気極４９ａを有する。空気極４９ａは、カソードである。空気極４９ａにおいては、酸素が電子を取り込んで、酸素イオンが形成される。空気極４９ａは、多孔質で、電子伝導率が高く、かつ、高温において固体酸化物電解質層４７等と固体間反応を起こしにくいものであることが好ましい。空気極４９ａは、例えば、スカンジア安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ）、Ｓｎをドープした酸化インジウム、ＰｒＣｏＯ３系酸化物、ＬａＣｏＯ３系酸化物、ＬａＭｎＯ３系酸化物などにより形成することができる。ＬａＭｎＯ３系酸化物の具体例としては、例えば、Ｌａ０．８Ｓｒ０．２ＭｎＯ３（通称：ＬＳＭ）や、Ｌａ０．６Ｃａ０．４ＭｎＯ３（通称：ＬＣＭ）等が挙げられる。空気極４９ａは、上記材料の２種以上を混合した混合材料により構成されていてもよい。
　（燃料極層４８）
　燃料極層４８は、燃料極４８ａを有する。燃料極４８ａは、アノードである。燃料極４８ａにおいては、酸素イオンと燃料とが反応して電子を放出する。燃料極４８ａは、多孔質で、イオン伝導性が高く、かつ、高温において固体酸化物電解質層４７等と固体間反応を起こしにくいものであることが好ましい。燃料極４８ａは、例えば、ＮｉＯ、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）・ニッケル金属の多孔質サーメットや、スカンジア安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ）・ニッケル金属の多孔質サーメット等により構成することができる。燃料極層４８は、上記材料の２種以上を混合した混合材料により構成されていてもよい。
　（第１のセパレータ５０）
　発電要素４６の空気極層４９の下には、第１のセパレータ本体５１と、第１の流路形成部材５２とにより構成されている第１のセパレータ５０が配置されている。第１のセパレータ５０には、空気極４９ａに空気を供給するための有酸素ガス供給路５３が形成されている。図３に示すとおり、この有酸素ガス供給路５３は、有酸素ガス用マニホールド４５からｙ方向のｙ１側からｙ２側に向かって延びている。有酸素ガス供給路５３の開口は、発電に使用済みの有酸素ガスである空気極側排気ガスを排出する複数の第１の排気口５３ａを構成している。図１に示すように、第１の排気口５３ａは、燃料電池２０のｙ２側の側壁に設けられている。よって、空気極側排気ガスは、燃料電池２０からｙ２側に向かって排出される。
　第１のセパレータ５０の構成材料は、特に限定されない。第１のセパレータ５０は、例えば、イットリア安定化ジルコニアなどの安定化ジルコニアや、部分安定化ジルコニア等により形成することができる。
　（第２のセパレータ４０）
　発電要素４６の燃料極層４８の上には、第２のセパレータ本体４１と、第２の流路形成部材４２とにより構成されている第２のセパレータ４０が配置されている。第２のセパレータ４０には、燃料極４８ａに燃料を供給するための燃料ガス供給路４３が形成されている。図３に示すように、この燃料ガス供給路４３は、燃料ガス用マニホールド４４からｘ方向のｘ１側からｘ２側に向かって延びている。燃料ガス供給路４３の開口は、発電に使用済みの燃料ガスである燃料極側排気ガスを排出する複数の第２の排気口４３ａを構成している。図１に示すように、第２の排気口４３ａは、燃料電池２０のｘ２側の側壁に設けられている。よって、燃料極側排気ガスは、燃料電池２０からｘ２側に向かって排出される。なお、本実施形態では、空気極側排気ガスの排出方向に対し９０°正回転した方向を燃料極側排気ガスの排出方向としている。
　第２のセパレータ４０の構成材料は、特に限定されない。第２のセパレータ４０は、例えば、安定化ジルコニアや、部分安定化ジルコニア等により形成することができる。
　（排気経路）
　図１に示すように、燃焼室１１は、排出口１１ａを備えている。この排出口１１ａは、燃料電池２０から排出された空気極側排気ガス及び燃料極側排気ガスを含む排気ガスを燃焼室１１外に排出するためのものである。排出口１１ａは、燃焼室１１のｘ１側の内側面に形成されており、燃料電池２０を平面視したときに、第２の排気口４３ａの排気ガスの排出方向と反対側に形成されている。
　燃焼室１１には、燃料電池２０の第１の排気口５３ａ及び第２の排気口４３ａと、排出口１１ａとを連通している排出流路１１ｂが形成されている。排出流路１１ｂは、燃焼室１１の一部の空間が通路となって構成されている。
　排出流路１１ｂは、改質器１４と、燃料ガス予熱部１６と、有酸素ガス予熱部１７のうちの少なくともひとつあるいは少なくとも一部とが、排出流路１１ｂ上に位置するか、または排出流路１１ｂに面するように設けられている。具体的には、排出流路１１ｂは、改質器１４と、燃料ガス予熱部１６と、有酸素ガス予熱部１７とが、排出流路１１ｂ上に位置するように設けられている。すなわち、排出流路１１ｂは、第１の排気口５３ａ及び第２の排気口４３ａから、改質器１４、燃料ガス予熱部１６及び有酸素ガス予熱部１７を経由して排出口１１ａに至るように設けられている。
　排気ガスは排出口１１ａに至った後、図２に示すとおり、固体酸化物形燃料電池モジュール１に設けられた流路１９を通り、燃焼室１１の外部に設けられた燃焼室外部熱交換器５４を経由して固体酸化物形燃料電池モジュール１外に排出される。
　（固体酸化物形燃料電池モジュール１における発電の態様）
　次に、図１～図３を参照しながら、本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池モジュール１における発電の態様について説明する。
　図２に示すとおり、燃料ガス流路１２には、改質前の原燃料ガスが供給される。一方、改質用水流路１５には、改質用の水が供給される。改質用の水は、改質用水流路１５の燃焼室１１内に位置している気化器５５で気化し、水蒸気となる。この水蒸気と、原燃料ガスとが改質器１４に供給される。
　改質器１４では、水蒸気により原燃料ガスが改質され改質燃料ガスが生成される。改質燃料ガスはさらに、燃料ガス予熱部１６により加熱される。加熱された改質燃料ガスは、燃料電池２０に供給される。
　なお、本発明においては、「燃料ガス」は、原燃料ガス、改質燃料ガスの総称である。すなわち、燃料ガスには、原燃料ガスと改質燃料ガスとが含まれる。
　有酸素ガス流路１３には、酸素や空気などの有酸素ガスが供給される。有酸素ガスは、燃焼室外部熱交換器５４、有酸素ガス予熱部１７において加熱された後に、燃料電池２０に供給される。
　燃料電池２０は、これら供給された改質燃料ガスと有酸素ガスとにより発電を行う。燃料電池２０において発電に使用された改質燃料ガスである燃料極側排気ガスは、第２の排気口４３ａから燃料電池２０外に排気される。一方、燃料電池２０において発電に使用された有酸素ガスである空気極側排気ガスは、第１の排気口５３ａから燃料電池２０外に排気される。
　これら燃料極側排気ガス及び空気極側排気ガスは、排出流路１１ｂを経由して燃焼室１１外に排出され、さらに流路１９を経由して固体酸化物形燃料電池モジュール１外に排出される。
　ここで、燃料極側排気ガスには、一酸化炭素等が含まれている。また、空気極側排気ガスには、酸素が含まれている。このため、燃料極側排気ガスと空気極側排気ガスとが、高温である燃焼室１１内において混合されると、燃料極側排気ガスが完全燃焼する。これにより燃焼ガスが生じる。よって、排出流路１１ｂを経由して燃焼室１１外に排出される排出ガスは、燃焼ガスと、空気極側排気ガスの燃焼ガスの生成に用いられなかった部分とを含む。
　なお、「排気ガス」は、燃料極側排気ガスと空気極側排気ガスと燃焼ガスを含むものとする。
　ここで、本実施形態では、排出流路１１ｂは、改質器１４と、燃料ガス予熱部１６と、有酸素ガス予熱部１７のうちの少なくともひとつあるいは少なくとも一部とが、排出流路１１ｂ上に位置するか、または排出流路１１ｂに面するように設けられている。このため、発電に用いられ、かつ燃焼することにより高温となった排気ガスによって、改質器１４と、燃料ガス予熱部１６と、有酸素ガス予熱部１７のうちの少なくともひとつあるいは少なくとも一部とが加熱され、排気ガスとの間で熱交換が行われる。よって、排気ガスの熱を有効利用することができる。その結果、高いエネルギー効率を実現することができる。また、本実施形態では、燃料極側排気ガスと空気極側排気ガスとの両方が燃焼室１１の空間に排気され、排出流路１１ｂの途中において混合され、燃焼する。このため、排出流路１１ｂを流れる排気ガスの温度が高い。従って、排気ガスを用いて、改質器１４及び燃料ガス予熱部１６と、有酸素ガス予熱部１７をより効率的に加熱することができる。よって、より高いエネルギー効率を実現することができる。
　また、燃料極側排気ガスと空気極側排気ガスが排出流路１１ｂにおいて混合され燃焼するので、一酸化炭素が固体酸化物形燃料電池モジュール１から排出されることをより効果的に抑制することができる。
　また、本実施形態では、排出流路１１ｂは、改質器１４、燃料ガス予熱部１６と、有酸素ガス予熱部１７とが、排出流路１１ｂ上に位置するように設けられている。すなわち、排出流路１１ｂは、第１の排気口５３ａ及び第２の排気口４３ａから、改質器１４、燃料ガス予熱部１６及び有酸素ガス予熱部１７を経由して排出口１１ａに至るように設けられている。従って、さらに高いエネルギー効率を実現することができる。
　また、燃料電池２０の排気口である排出流路１１ｂの基端部は、燃焼室１１の排出口１１ａとは反対側の部分に位置している。よって、排出流路１１ｂの燃焼室１１内における流路長が長い。従って、燃料極側排気ガスと空気極側排気ガスとが十分に混合燃焼されて排出経路１１ｂ中の改質器１４、燃料ガス予熱部１６、有酸素ガス予熱部１７と十分に熱交換されることにより、さらに高いエネルギー効率を実現することができる。
　また、第２の排気口４３ａは、改質器１４に向かって開口している。よって、排気ガスによって、改質器１４をより効果的に加熱することができる。従って、さらに高いエネルギー効率を実現することができる。
　また、排気ガスは排出口１１ａに至った後、燃焼室１１の外部に設けられた燃焼室外部熱交換器５４を経由して固体酸化物形燃料電池モジュール１外に排出されている。よって、燃焼室１１に入れる前に排気ガスとの熱交換を予め行って有酸素ガスの温度を高くしてから燃焼室１１に入れることができる。これにより、燃焼室１１内の局所的な温度低下を防止し、高いエネルギー効率を実現することができる。
　以下、本発明を実施した好ましい形態の他の例について説明する。以下の説明において第１の実施形態と実質的に共通の機能を有する部材を共通の符号で参照し、説明を省略する。
　《第２の実施形態》
　（固体酸化物形燃料電池モジュール２の構成）
　図４は、第２の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池モジュールの模式的平面図である。図５は、第２の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池モジュールにおける有酸素ガス予熱器の配置を説明するための模式的側面図である。図６は、第２の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池モジュールにおける改質器の配置を説明するための模式的側面図である。第２の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池モジュールの略図的ブロック図は図２と同様である。
　固体酸化物形燃料電池モジュール（ホットモジュールともいう。）２は、断熱材１０により包囲された燃焼室１１を有する。
　図４に示すように、燃焼室１１内には、ヒーター１８ａ、１８ｂが配置されている。このヒーター１８ａ、１８ｂにより燃焼室１１内の昇温が可能となっている。また、燃焼室１１内には、燃料電池２０が配置されている。
　燃料電池２０には、燃料ガス流路１２と、有酸素ガス流路１３とが接続されている。燃料ガス流路１２は、燃料電池２０に燃料ガスを供給するためのものである。燃料ガス流路１２の一部は、燃焼室１１内に配置されている。有酸素ガス流路１３は、燃料電池２０に有酸素ガスを供給するためのものである。有酸素ガス流路１３の一部は、燃焼室１１内に配置されている。
　燃料ガス流路１２中には、改質器１４が設けられている。改質器１４は、燃焼室１１内に配置されている。改質器１４は、第１の改質部１４ａと、第２の改質部１４ｂとを有する。第１の改質部１４ａは、燃料電池２０のｘ方向のｘ１側に配されている。第２の改質部１４ｂは、燃料電池２０のｙ方向のｙ２側に配されている。第２の改質部１４ｂは、第１の改質部１４ａよりも下流側（燃料ガスの流れる方向において燃料電池２０側）に配され、配管にて第1の改質部１４ａに接続されている。
　燃料ガス流路１２の改質器１４よりも上流側（燃料ガスの流れる方向において燃料電池２０とは反対側）の部分には、改質用水を供給するための改質用水流路１５が接続されている。改質用水流路１５の一部は、燃焼室１１内に配されており、燃料室１１内に入ってから燃料ガス流路１２と接続されるまでの間は気化器５５としての機能を持っている。図６に示すように、改質用水路１５は、改質用水を効率良く水蒸気に変えるために、燃焼室１１の上方に配されている。
　燃焼室１１内において、燃料ガス流路１２の改質器１４よりも下流側の部分には、燃料ガス予熱部１６が設けられている。
　図４に示すように、燃焼室１１内において、有酸素ガス流路１３には、平板型熱交換器構造の有酸素ガス予熱部１７が設けられている。有酸素ガス予熱部１７は、第１の予熱部１７ａ、第２の予熱部１７ｂ及び第３の予熱部１７ｃを有し、それぞれ順に配管にて接続されている。燃焼室１１内の有酸素ガス予熱部は３段階になっている。第１及び第２の予熱部１７ａ、１７ｂは、燃料電池２０のｘ方向のｘ２側に配置されている。一方、第３の予熱部１７ｃは、燃料電池２０のｙ方向のｙ１側に配置されている。第３の予熱部１７ｃと燃料電池２０の間には、排気ガスの流れを遮断するための遮断板１０ａが挿入されている。
　図３は、第２の実施形態における燃料電池の発電セルの略図的分解斜視図である。燃料電池２０の構成については第１の実施形態と同様なので説明を省略する。
　第２の実施形態においては図４に示すように、第１の排気口５３ａは、燃料電池２０のｘ１側の側壁に設けられている。よって、空気極側排気ガスは、燃料電池２０からｘ１側に向かって排出される。また、第２の排気口４３ａは、燃料電池２０のｙ２側の側壁に設けられている。よって、燃料極側排気ガスは、燃料電池２０からｙ２側に向かって排出される。
　（排気経路）
　図４に示すように、燃焼室１１は、排出口１１ａを備えている。この排出口１１ａは、燃料電池２０から排出された空気極側排気ガス及び燃料極側排気ガスを含む排気ガスを燃焼室１１外に排出するためのものである。排出口１１ａは、燃焼室１１のｘ２側の内側面に形成されており、燃料電池２０を平面視したときに、第１の排気口５３ａの排気ガスの排出方向と反対側に形成されている。
　燃焼室１１には、燃料電池２０の第１の排気口５３ａ及び第２の排気口４３ａと、排出口１１ａとをしている排出流路１１ｂが形成されている。排出流路１１ｂは、燃焼室１１の一部の空間が通路となって構成されている。
　排出流路１１ｂは、改質器１４と、燃料ガス予熱部１６と、有酸素ガス予熱部１７のうちの少なくともひとつあるいは少なくとも一部とが、排出流路１１ｂ上に位置するか、または排出流路１１ｂに面するように設けられている。具体的には、排出流路１１ｂは、改質器１４と、燃料ガス予熱部１６と、有酸素ガス予熱部１７の一部とが、排出流路１１ｂ上に位置するように設けられている。すなわち、排出流路１１ｂは、第１の排気口５３ａ及び第２の排気口４３ａから、改質器１４、燃料ガス予熱部１６及び有酸素ガス予熱部１７の一部を経由して排出口１１ａに至るように設けられている。また、排出流路１１ｂの途中であって燃焼室１１内の上方には気化器５５としての機能を有する改質用水流路１５が設けられている。
　排気ガスは排出口１１ａに至った後、図５に示すとおり、固体酸化物形燃料電池モジュール２に設けられた流路１９を通り、燃焼室１１の外部に設けられた燃焼室外部熱交換器５４を経由して固体酸化物形燃料電池モジュール２外に排出される。流路１９と有酸素ガス流路１３の燃焼室１１外部に位置している部分１３ａとは隣接して設けられている。このため、流路１９と有酸素ガス流路１３の燃焼室１１外部に位置している部分１３ａとの間で熱交換が行われるようになっている。
　（固体酸化物形燃料電池モジュール２における発電の態様）
　図７は、第２の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池モジュールにおける燃料ガスの流れを説明するための模式的平面図である。図８は、第２の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池モジュールにおける有酸素ガスの流れを説明するための模式的平面図である。図９は、第２の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池モジュールにおける排気ガスの流れを説明するための模式的平面図である。
　次に、図４～図９を参照しながら、本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池モジュール２における発電の態様について説明する。
　図７において、燃料ガスの供給される方向を実線矢印で示し、改質用水の供給される方向を破線矢印で示す。燃料ガス流路１２には、改質前の原燃料ガスが供給される。一方、改質用水流路１５には、改質用の水が供給される。改質用の水は、改質用水流路１５の燃焼室１１内に位置している気化器５５で気化し、水蒸気となる。この水蒸気と、原燃料ガスとが改質器１４に供給される。
　改質器１４では、水蒸気により原燃料ガスが改質され改質燃料ガスが生成される。改質燃料ガスはさらに、燃料ガス予熱部１６により加熱される。加熱された改質燃料ガスは、燃料電池２０に供給される。
　なお、本発明においては、「燃料ガス」は、原燃料ガス、改質燃料ガスの総称である。すなわち、燃料ガスには、原燃料ガスと改質燃料ガスとが含まれる。
　図８において、有酸素ガスの供給される方向を実線矢印で示す。有酸素ガス流路１３には、酸素や空気などの有酸素ガスが供給される。有酸素ガスは、燃焼室外部熱交換器５４、有酸素ガス予熱部１７において加熱された後に、燃料電池２０に供給される。
　燃料電池２０は、これら供給された改質燃料ガスと有酸素ガスとにより発電を行う。図９に示すように、燃料電池２０において発電に使用された改質燃料ガスである燃料極側排気ガスは、第２の排気口４３ａから燃料電池２０外に排気される。一方、燃料電池２０において発電に使用された有酸素ガスである空気極側排気ガスは、第１の排気口５３ａから燃料電池２０外に排気される。
　これら燃料極側排気ガス及び空気極側排気ガスは混合燃焼し、排出流路１１ｂを経由して燃焼室１１外に排出される。排出流路１１ｂの過程で、改質器１４、燃料ガス予熱部１６、有酸素ガス予熱部１７と熱交換を行い、排出口１１ａに至る。さらに流路１９を経由して有酸素ガスとの熱交換を行い、固体酸化物形燃料電池モジュール２外に排出される。
　ここで、燃料極側排気ガスには、一酸化炭素等が含まれている。また、空気極側排気ガスには、酸素が含まれている。このため、燃料極側排気ガスと空気極側排気ガスとが、高温である燃焼室１１内において混合されると、燃料極側排気ガスが完全燃焼する。これにより燃焼ガスが生じる。よって、排出流路１１ｂを経由して燃焼室１１外に排出される排出ガスは、燃焼ガスと、空気極側排気ガスの燃焼ガスの生成に用いられなかった部分とを含む。
　なお、「排気ガス」は、燃料極側排気ガスと空気極側排気ガスと燃焼ガスを含むものとする。
　本実施形態の主効果は第1の実施形態と共通するので省略する。以下に、本実施形態による別の効果を示す。
　本実施形態の場合、燃料極側排気ガスと空気極側排気ガスは燃料極側の排気口４３ａ付近で混合燃焼することが想定される。よって排気口４３ａを第２の改質部１４ｂに向けることで、改質器１４の出口付近を高温に保て、改質器１４の出口で、より改質率の高い平衡組成の改質ガスを得ることができる。
　有酸素ガスは、燃焼室外部熱交換器５４、予熱部１７ａ、１７ｂ、１７ｃの順に徐々にと予熱到達温度が高くなるので、有酸素ガスを十分に加熱した上で燃料電池２０に供給できる。また、予熱部１７ｂ、１７ｃを燃料電池２０の近傍であって、排気口と反対側の側壁側に設置することにより、排出流路１１ｂでの熱伝導だけでなく、燃料電池２０からの輻射熱によっても熱を得ることができる。
　また、予熱部１７ａ、１７ｂ、１７ｃを平板型熱交換器構造とし、燃焼室１１を隙間なく取り囲むことで燃焼室１１外部への放熱量を低減させ、さらに高いエネルギー効率を実現することができる。
　以下、本発明を実施した好ましい形態の他の例について説明する。以下の説明において第１の実施形態と実質的に共通の機能を有する部材を共通の符号で参照し、説明を省略する。
　《第３、第４の実施形態》
　図１０は、第３の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池モジュールの模式的平面図である。図１１は、第４の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池モジュールの模式的平面図である。
　本発明において、排出流路は、改質器と、燃料ガス予熱部と、有酸素ガス予熱部のうちの少なくともひとつあるいは少なくとも一部とが、排出流路上に位置するか、または排出流路に面するように設けられていればよい。このため、例えば、図１０に示すように、排出流路１１ｂを設けてもよい。図１０によれば、改質器１４と燃料電池２０の排気口の反対側の側壁が接近しているので、熱交換を十分に行うことができる。図１１によれば、排出流路において有酸素ガス予熱部１７を両側から加熱することができる。
１，２…固体酸化物形燃料電池モジュール
１０…断熱材
１０ａ…遮断板
１１…燃焼室
１１ａ…排出口
１１ｂ…排出流路
１２…燃料ガス流路
１３…有酸素ガス流路
１４…改質器
１４ａ…第１の改質部
１４ｂ…第２の改質部
１５…改質用水流路
１６…燃料ガス予熱部
１７…有酸素ガス予熱部
１７ａ…第１の予熱部
１７ｂ…第２の予熱部
１７ｃ…第３の予熱部
１８ａ、１８ｂ…ヒーター
１９…流路
２０…燃料電池
２０ａ…発電セル
４０…第２のセパレータ
４１…第２のセパレータ本体
４２…第２の流路形成部材
４３…燃料ガス供給路
４３ａ…第２の排気口
４４…燃料ガス用マニホールド
４５…有酸素ガス用マニホールド
４６…発電要素
４７…固体酸化物電解質層
４８…燃料極層
４８ａ…燃料極
４９…空気極層
４９ａ…空気極
５０…第１のセパレータ
５１…第１のセパレータ本体
５１ａ…ビアホール電極
５２…第１の流路形成部材
５３…有酸素ガス供給路
５３ａ…第１の排気口
５４…燃焼室外部熱交換器
５５…気化器

Claims (5)

  1. 　燃焼室と、
    　前記燃焼室内に配置されており、燃料ガスと有酸素ガスとが供給されることにより発電し、発電に使用済みの燃料ガスである燃料極側排気ガスを排気する第１の排気口と、発電に使用済みの有酸素ガスである空気極側排気ガスを排気する第２の排気口とを有する燃料電池と、
    　前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、
    　前記燃料電池に前記有酸素ガスを供給する有酸素ガス流路と、
    　前記燃焼室内において、前記燃料ガス流路中に設けられており、前記燃料ガスを改質する改質器と、
    　前記燃焼室内において、前記燃料ガス流路中に設けられており、前記燃料ガスを予熱するための燃料ガス予熱部と、
    　前記燃焼室内において、前記有酸素ガス流路中に設けられており、前記有酸素ガスを予熱するための有酸素ガス予熱部と、
    　を備え、
    　前記燃焼室は、
    　前記燃料電池から排気された排気ガスを前記燃焼室外に排出する排出口と、
    　前記第１及び第２の排気口と前記排出口とを接続している排出流路と、
    を有し、
    　前記排出流路は、前記改質器と、前記燃料ガス予熱部と、前記有酸素ガス予熱部のうちの少なくともひとつあるいは少なくとも一部とが、前記排出流路上に位置するか、または前記排出流路に面するように設けられている、燃料電池モジュール。
  2. 　前記排出流路は、前記第１及び第２の排気口から、前記改質器の少なくとも一部と、前記燃料ガス予熱部の少なくとも一部と、前記有酸素ガス予熱部の少なくとも一部とを経由して前記排出口に至るように設けられている、請求項１に記載の燃料電池モジュール。
  3. 　前記排出流路の基端部は、前記燃料質の前記排出口とは反対側の部分に位置している、請求項１または２に記載の燃料電池モジュール。
  4. 　前記第１及び第２の排気口のうちの少なくとも一方は、前記改質器、前記燃料ガス予熱部、前記有酸素ガス予熱部に向かって開口している、請求項１～３のいずれか一項に記載の燃料電池モジュール。
  5. 　前記燃焼室内において、改質前の前記燃料ガスと混合させるための水蒸気を生成する気化器をさらに備え、前記気化器は前記排出流路上に位置するか、または前記排出流路に面するように設けられている、請求項１～４のいずれか一項に記載の燃料電池モジュール。
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