WO2012157735A1 - 燃料電池装置 - Google Patents

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WO2012157735A1
WO2012157735A1 PCT/JP2012/062742 JP2012062742W WO2012157735A1 WO 2012157735 A1 WO2012157735 A1 WO 2012157735A1 JP 2012062742 W JP2012062742 W JP 2012062742W WO 2012157735 A1 WO2012157735 A1 WO 2012157735A1
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WO
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power generation
fuel cell
generation unit
power
cell device
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PCT/JP2012/062742
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English (en)
French (fr)
Inventor
孝 小野
Original Assignee
京セラ株式会社
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    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
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    • 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
    • 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
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M2008/1293—Fuel cells with solid oxide electrolytes
    • 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
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    • 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 device with improved power generation efficiency.
  • solid oxide fuel cells are known to have particularly high power generation efficiency, but further improvement in power generation efficiency is required from the viewpoint of energy saving. .
  • an object of the present invention is to provide a fuel cell device with improved power generation efficiency.
  • a fuel cell device uses a first power generation unit including a solid oxide fuel cell that generates power using a fuel gas and an oxygen-containing gas, and generates heat using heat generated in the first power generation unit.
  • a second power generation unit that includes a thermoelectric conversion module that performs the power generation, and a power adjustment device that receives the power generated by the first power generation unit and the second power generation unit and outputs the power to the load.
  • a fuel cell device uses a first power generation unit including a solid oxide fuel cell that generates power using a fuel gas and an oxygen-containing gas, and generates heat using heat generated in the first power generation unit.
  • a second power generation unit including a thermoelectric conversion module for performing power, and a power adjustment device that receives power generated by the first power generation unit and the second power generation unit and outputs the power to a load.
  • FIG. 1 is an external perspective view showing a fuel cell module in which a part of an example of a fuel cell device is extracted and shown, and a first power generation unit is housed in a housing container. It is sectional drawing of the fuel cell module shown in FIG. It is an external appearance perspective view which extracts and shows a part of example of the fuel cell apparatus of this embodiment, and shows that the 2nd electric power generation part is provided on the outer surface of a storage container. It is sectional drawing of the fuel cell apparatus shown in FIG. An example of the 2nd electric power generation part in the fuel cell apparatus of this embodiment is shown, (a) is the external appearance perspective view which abbreviate
  • FIG. 1 It is an external appearance perspective view which extracts and shows a part of other example of the fuel cell apparatus of this embodiment, and shows that the 2nd electric power generation part is provided in the heat insulation member provided in the outer surface of a storage container.
  • a part of still another example of the fuel cell device of the present embodiment is extracted and shown, and an external perspective view showing that a part of the second power generation unit is embedded in a heat insulating member provided on the outer surface of the storage container.
  • FIG. 1 is an external perspective view showing a part of an example of a fuel cell device, and showing a fuel cell module 1 (hereinafter sometimes referred to as a module) in which a first power generation unit is housed in a housing container.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of FIG. In the following drawings, the same numbers are assigned to the same members. First, the basic configuration of the module 1 constituting the fuel cell device of the present embodiment will be described using the module 1 shown in FIGS. 1 and 2.
  • the fuel cell device of the present embodiment includes a solid oxide fuel cell that performs power generation with a fuel gas and an oxygen-containing gas as a first power generation unit.
  • a columnar solid oxide fuel cell 3 having a gas flow path (not shown) through which the first reaction gas flows inside the storage container 2.
  • a cell stack device 12 including two cell stacks 5 fixed to the gas tank 4 with an insulating bonding material (not shown) such as a sealing material is accommodated.
  • the cell stack device 12 is configured by including the above-described members. Although FIG. 1 shows the case where the cell stack device 12 includes two cell stacks 5, the number can be changed as appropriate. For example, even if only one cell stack 5 is provided. Good. Note that the cell stack device 12 may be the first power generation unit.
  • the fuel battery cell 3 is a hollow flat plate type having a gas flow path through which the first reaction gas (fuel gas) flows in the longitudinal direction, and is formed on the surface of the support having the gas flow path.
  • 1 illustrates a solid oxide fuel cell 3 in which a fuel electrode layer, a solid electrolyte layer, and an oxygen electrode layer are sequentially laminated.
  • the first reaction gas will be described as a fuel gas (hydrogen-containing gas) unless otherwise specified
  • the second reaction gas flowing outside the fuel cell 3 will be described as an oxygen-containing gas.
  • the fuel cell is not limited to the hollow flat plate type, and may be a flat plate type or a cylindrical type, for example, and the shape of the storage container 2 can be changed as appropriate.
  • the raw fuel such as natural gas or kerosene supplied through the raw fuel supply pipe 10 is reformed.
  • a reformer 6 for generating fuel gas is disposed above the cell stack 5.
  • the reformer 6 preferably has a structure capable of performing steam reforming, which is an efficient reforming reaction.
  • the reformer 6 reforms the raw fuel into fuel gas, and a vaporizer 7 for vaporizing water.
  • the fuel gas generated by the reformer 6 is supplied to the gas tank 4 via the fuel gas flow pipe 9 and is supplied from the gas tank 4 to the gas flow path provided inside the fuel cell 3.
  • the configuration of the cell stack device 12 can be changed as appropriate depending on the type and shape of the fuel cell 3.
  • the reformer 6 can be included in the cell stack device 12.
  • FIG. 1 shows a state in which a part (front and rear surfaces) of the storage container 2 is removed and the cell stack device 12 stored inside is taken out rearward.
  • the cell stack device 12 can be slid and stored in the storage container 2.
  • the storage container 2 is disposed between the cell stacks 5 juxtaposed in the gas tank 4, and the second reaction gas (oxygen-containing gas) moves from the lower end to the upper end of the fuel cell 3.
  • a reaction gas introduction member 11 is arranged so as to flow toward the inside, and a thermocouple 13 which is a temperature measurement means for measuring the temperature of the cell stack 5 is provided inside the reaction gas introduction member 11 from the upper part of the storage container. Inserted and placed.
  • the storage container 2 constituting the module 1 has a double structure having an inner wall 14 and an outer wall 15, and an outer frame of the storage container 2 is formed by the outer wall 15, and a cell stack is formed by the inner wall 14.
  • a power generation chamber 16 that houses the device 12 is formed.
  • a reaction gas flow path 21 through which the oxygen-containing gas introduced into the fuel cell 3 circulates between the inner wall 14 and the outer wall 15.
  • the storage container 2 is provided with an oxygen-containing gas inlet (not shown) for allowing oxygen-containing gas to flow into the upper end side from the upper portion of the storage container 2 and a flange portion 24, and a fuel at the lower end portion.
  • a reaction gas introduction member 11 provided with a reaction gas outlet 17 for introducing an oxygen-containing gas at the lower end of the battery cell 3 is inserted through the inner wall 14 and fixed.
  • a heat insulating member 18 is disposed between the flange portion 24 and the inner wall 14.
  • the reaction gas introduction member 11 is arranged so as to be positioned between two cell stacks 5 juxtaposed inside the storage container 2, but is arranged as appropriate depending on the number of cell stacks 5. be able to. For example, when only one cell stack 5 is stored in the storage container 2, two reaction gas introduction members 11 can be provided and disposed so as to sandwich the cell stack 5 from both side surfaces.
  • the temperature in the module 1 is maintained at a high temperature so that the heat in the module 1 is extremely dissipated and the temperature of the fuel cell 3 (cell stack 5) is lowered and the power generation amount is not reduced.
  • a heat insulating member 18 is provided as appropriate.
  • the heat insulating member 18 is preferably disposed in the vicinity of the cell stack 5.
  • the heat insulating member 18 is disposed on the side surface side of the cell stack 5 along the arrangement direction of the fuel cell 3, and the fuel cell unit on the side surface of the cell stack 5. It is preferable to arrange the heat insulating member 18 having a width equal to or greater than the width along the three arrangement directions. In addition, it is preferable to arrange the heat insulating members 18 on both side surfaces of the cell stack 5. Thereby, it can suppress effectively that the temperature of the cell stack 5 falls.
  • the oxygen-containing gas introduced from the reaction gas introduction member 11 can be suppressed from being discharged from the side surface side of the cell stack 5, and the flow of the oxygen-containing gas between the fuel cells 3 constituting the cell stack 5 can be reduced. Can be promoted.
  • the flow of the oxygen-containing gas supplied to the fuel cell 3 is adjusted, and the longitudinal direction of the cell stack 5 and the stacking direction of the fuel cell 3 are adjusted.
  • An opening 19 is provided to reduce the temperature distribution at.
  • an exhaust gas inner wall 20 is provided on the inner side of the inner wall 14 along the arrangement direction of the fuel cells 3, and the exhaust gas in the power generation chamber 16 extends from above between the inner wall 14 and the exhaust gas inner wall 20.
  • the exhaust gas flow path 22 flows downward.
  • the exhaust gas passage 22 communicates with an exhaust hole 25 provided at the bottom of the storage container 2.
  • a heat insulating member 18 is also provided on the cell stack 5 side of the exhaust gas inner wall 20.
  • the exhaust hole 25 may be formed by cutting out a part of the bottom of the storage container 2, or may be formed by providing a tubular member.
  • thermocouple 13 that is a temperature measuring means for measuring the temperature in the vicinity of the cell stack 5 is provided, and the temperature measuring unit 23 is at the center in the longitudinal direction of the fuel cell 3. And it arrange
  • the module 1 having the above-described configuration, excess fuel gas and oxygen-containing gas discharged from the gas flow path of the fuel battery cell 3 are transferred between the upper end side of the fuel battery cell 3 and the reformer 6.
  • the temperature of the fuel cell 3 can be raised and maintained.
  • the reformer 6 disposed above the fuel cell 3 (cell stack 5) can be warmed, and the reformer 6 can efficiently perform the reforming reaction.
  • the temperature in the module 1 becomes about 500 to 800 ° C. with the combustion and power generation of the fuel cell 3.
  • the overall efficiency of the fuel cell device can be improved by effectively using the heat generated in the first power generation unit
  • the storage container, the first power generation unit, the second power generation unit including the thermoelectric conversion module that generates power using the heat generated in the first power generation unit the first The power generation efficiency of the fuel cell device can be improved by including the power adjustment device that receives the power generated by the power generation unit and the second power generation unit and outputs the power to the load.
  • the storage container 2 since the second power generation unit generates power by effectively using the heat generated in the first power generation unit, the storage container 2, the first power generation unit, the second power generation unit, and the power adjustment device are stored. It is preferably provided between the outer case and the storage container 2, and in particular, provided on at least one of the exhaust gas lines on the outer surface of the storage container and between the outer case and the storage container, which will be described later. Preferably it is.
  • FIG. 3 shows an example of a part of the fuel cell device according to the present embodiment, and shows that the second power generation unit 26 is provided on the outer surface of the storage container 2 constituting the first power generation unit.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of FIG. 3.
  • thermoelectric conversion module As the second power generation unit 26, since the fuel cell is a solid oxide fuel cell, the storage container 2 side is particularly hot and the opposite side is low, resulting in a temperature difference. Can be generated, thereby generating electricity.
  • the electricity generated by the first power generation unit and the electricity generated by the second power generation unit 26 are combined and supplied to an external load, thereby improving the power generation efficiency of the fuel cell device. can do.
  • the 2nd electric power generation part 26 can be suitably provided according to the magnitude
  • the power generation efficiency means the ratio of the total power generation amount of the first power generation unit and the second power generation unit to the amount of fuel gas supplied to the fuel cell device. This means the sum of the power generation efficiency and the exhaust heat recovery efficiency from the fuel cell.
  • FIG. 5 shows an example of a thermoelectric conversion module 28 constituting the second power generation unit 26, (a) is an external perspective view showing a part of the description omitted, and (b) is a sectional view.
  • thermoelectric conversion module 28 shown in FIG. 5 has first and second wiring conductors 31a and 31b formed on the surfaces of a lower support base 29a and an upper support base 29b, respectively, and a p-type thermoelectric conversion element 30a and an n-type.
  • a thermoelectric conversion element 30b (hereinafter also referred to as thermoelectric conversion element 30 or thermoelectric conversion elements 30a and 30b) is disposed between support bases 29a and 29b (hereinafter also referred to as support base 29), and the thermoelectric conversion element 30 is sandwiched between support bases 29a and 29b. Both end surfaces of the thermoelectric conversion elements 30a and 30b are joined to the lower and upper first and second wiring conductors 31a and 31b (hereinafter also referred to as the wiring conductor 31) by solder 34.
  • the support bases 29a and 29b are made of one or more ceramics selected from alumina, aluminum nitride, silicon nitride, silicon carbide, and beryllia, and are composed of ceramic particles and grain boundaries between the ceramic particles. . Thereby, module intensity
  • the support base 29 can be constituted by other than ceramics.
  • a metal such as copper or aluminum can be used.
  • the wiring conductors 31a and 31b are for electrically connecting the thermoelectric conversion elements 30 in series.
  • the wiring conductors 31a and 31b are made of Zn, Al, Au, Ag, W, Ti, Fe, Cu, Ni, Pt, and Pd.
  • a metal containing at least one selected element is preferable because it has low electrical resistance and high thermal conductivity, thereby suppressing heat generation and being excellent in heat dissipation.
  • at least one element selected from Cu, Ag, Al, Ni, Pt and Pd is preferably used for the wiring conductors 31a and 31b from the viewpoint of electrical resistance, thermal conductivity, and cost.
  • the wiring conductors 31a and 31b by appropriately adopting one or more methods selected from a plating method, a metallizing method, a DBC (Direct-bonding Copper) method, a chip bonding method, and a baking method, wiring pattern accuracy, current value and The optimal wiring conductor 31 can be manufactured according to the cost.
  • a plating method a metallizing method, a DBC (Direct-bonding Copper) method, a chip bonding method, and a baking method.
  • the thermoelectric conversion element 30 includes two types, a p-type thermoelectric conversion element 30a and an n-type thermoelectric conversion element 30b, and is arranged vertically and horizontally on one main surface of the lower support base 29a.
  • the p-type thermoelectric conversion element 30a and the n-type thermoelectric conversion element 30b are formed by the first and second wiring conductors 31a and 31b so as to be alternately and electrically in series with the p-type, n-type, p-type, and n-type. Connected to form one electric circuit.
  • thermoelectric conversion element 30 a known element can be used, and it is preferable that the thermoelectric conversion element 30 is made of a material having excellent thermoelectric conversion performance particularly at high temperatures.
  • thermoelectric conversion elements 30a and 30b have wiring electrodes 31a and 31b on the side of the wiring conductors 31a and 31b.
  • External connection terminals 32 are connected to both ends of one electric circuit, and are electrically connected to the thermoelectric conversion element 30.
  • Lead wires 35 are connected to these external connection terminals 32 by solder 34, and the electricity generated by the thermoelectric conversion elements can be drawn to the outside.
  • the second power generation unit 26 is provided on the outer surfaces of the two side surfaces of the storage container 2 facing each other.
  • the second power generation unit 26 is provided directly on the storage container 2 having a very high temperature of about 500 to 800 ° C. on one side, a temperature difference from the other side can be easily generated. Electricity can be generated more efficiently.
  • a fuel cell device with improved power generation efficiency by combining the electricity generated by the power generation of both the first power generation unit and the thermoelectric conversion module 28 constituting the second power generation unit 26 and supplying it to an external load. can do.
  • thermoelectric conversion module 28 constituting the second power generation unit 26 may be disposed in a place where the heat generated in the first power generation unit can be used.
  • FIGS. In the case of being provided on the outer surface of the container 2, it can be appropriately provided according to the structure of the storage container 2.
  • FIG. 4 shows an example in which the storage container 2 is provided on two side surfaces, but it may be provided on at least one surface of the storage container 2.
  • the storage container 2 may be provided on the entire surface.
  • FIGS. 6 and 7 are external perspective views showing that a heat insulating member is provided on the outer surface (outer periphery) of the storage container 2 shown in FIGS. 3 and 4.
  • thermoelectric conversion is performed on the outer surface of the heat insulating member 37.
  • the second power generation unit 26 that is the module 28 is provided
  • FIG. 7 shows that the second power generation unit 26 that is the thermoelectric conversion module 28 is provided on the inner surface of the heat insulating member 37.
  • the heat insulating member 37 is provided on the outer surface of the storage container 2. Thereby, it can suppress that the temperature of the module 1 falls, and the power generation efficiency of the module 1 can be maintained high.
  • the second power generation unit 26 is provided on the outer surface of the heat insulating member 37.
  • the heat insulation member 37 side becomes high temperature
  • the heat of the module 1 is transferred through the heat insulation member 37, and the opposite side becomes low temperature, thereby generating a temperature difference and generating electricity.
  • the power generated by the first power generation unit and the power generated by the second power generation unit 26 are combined and supplied to an external load while maintaining the temperature of the module 1 at a high temperature.
  • An improved fuel cell device can be obtained.
  • a recess is provided on the outer surface side of the heat insulating member 37.
  • the second power generation unit 26 can be disposed in the recess.
  • a recess 38 is provided on the inner surface side of the heat insulating member 37, and the second power generation unit 26 is disposed in the recess 38.
  • the storage container 2 side becomes particularly high temperature, and the opposite side becomes low temperature, causing a temperature difference, and electricity can be generated.
  • the power generated by the first power generation unit and the power generated by the second power generation unit 26 are combined and supplied to an external load while maintaining the temperature of the module 1 at a high temperature.
  • An improved fuel cell device can be obtained.
  • the recess may be a through hole, or a refrigerant flow path may be provided between the recess and the second power generation unit 26.
  • the refrigerant flow path will be described later.
  • FIG. 8 is an external perspective view showing another example in which a heat insulating member is provided on the outer surface of the storage container 2 shown in FIGS. 3 and 4, and the second power generation unit 26 is provided on the outer surface of the heat insulating member 37. An example is shown.
  • a through hole 39 is provided in a part of the heat insulating member 37, and a rod-like embedded portion 40 inserted into the through hole 39 on the storage container 2 side of the second power generation unit 26.
  • the rod-like embedded portion is disposed so as to be in contact with the outer surface of the storage container 2.
  • the embedded portion 40 can be provided with the same material as the support base 29 that constitutes the thermoelectric conversion module 28.
  • the heat insulating member 37 When the heat insulating member 37 is provided on the outer surface of the storage container 2, depending on the thickness of the heat insulating member 37, the amount of heat transferred from the module 1 is reduced, and the temperature difference in the second power generation unit 26 is reduced. The amount of power generated by the power generation unit 26 may be reduced.
  • the heat on the module 1 side is efficiently transmitted to the second power generation unit 26. Therefore, the temperature difference between the high temperature side and the low temperature side in the second power generation unit 26 can be ensured. As a result, the power generated by the first power generation unit and the power generated by the second power generation unit 26 are combined and supplied to an external load while maintaining the temperature of the module 1 at a high temperature. An improved fuel cell device can be obtained.
  • the through-hole 39 was provided in a part of heat insulation member 37
  • the embedded part 40 inserted in the through-hole 39 showed the example arrange
  • a recessed portion that does not penetrate the heat insulating member 37 may be provided in a part of the heat insulating member 37, and the rod-shaped embedded portion 40 may be inserted and disposed in the recessed portion.
  • size of the hollow part in this case can be suitably set according to the amount of heat transfer from the module 1, etc.
  • FIG. 8 although the example which provided the rod-shaped embedding part 40 in the 2nd electric power generation part 26 was shown, it can change suitably according to the thickness and heat transfer amount of the heat insulation member 37, for example, multiple It is also possible to embed the whole of the second power generation unit 26 on the side of the storage container 2 as an embedded portion in the heat insulating member 37.
  • the second power generation unit 26 only needs to be able to generate power using the heat generated in the first power generation unit.
  • the second power generation unit 26 is provided on the outer surface of the storage container 2 and discharged from the module 1. It is also possible to provide power generation using the heat of exhaust gas. That is, the exhaust gas discharged from the module 1 can be provided in an exhaust gas line for discharging the exhaust gas to the outside of the outer case.
  • FIG. 9 is a conceptual diagram showing that the second power generation unit 26 and the heat exchanger 42 are sequentially connected to the exhaust hole 25 of the module 1.
  • the module 1 in which the solid oxide fuel cell 3 is stored in the storage container 2 has a high temperature of about 500 to 800 ° C. during the power generation. The temperature of the exhaust gas discharged further becomes high.
  • an oxygen-containing gas supply pipe 41 for supplying oxygen-containing gas into the module 1 is connected to the bottom of the module 1 and exhaust gas in the module 1 is discharged.
  • a second heat generator 26 and a heat exchanger 42 for generating hot water by exchanging heat between the exhaust gas discharged from the module 1 and water are connected to the exhaust hole 25 in this order.
  • the heat exchanger 42 is provided with an inlet 44 to which water having a low temperature is supplied on the lower side, and an outlet 43 for feeding water generated in the heat exchanger 42 on the upper side. ing.
  • the second power generation unit 26 constitutes a part of the exhaust gas line that exhausts the exhaust gas discharged from the module 1 to the outside of the outer case, and the exhaust gas line is connected to the second power generation unit 26 and the heat.
  • An exchange 41 is provided.
  • the exhaust gas discharged from the module 1 is configured to flow inside the second power generation unit. Can be suppressed from affecting the temperature of the first power generation unit, and the power generation efficiency of the first power generation unit can be maintained high.
  • the second power generation unit 26 may not be directly connected to the module 1 as long as it constitutes a part of the exhaust gas line for exhaust gas discharged from the module 1 to be discharged outside the exterior case. Although it is good, in order to increase the efficiency, it is preferable that the module 1 is directly connected.
  • the second power generation unit 26 when the second power generation unit 26 is connected to the exhaust hole 25 of the module 1, the second power generation unit 26 is arranged so that the high-temperature exhaust gas can efficiently flow inside the second power generation unit. It is preferable to use a cylindrical body constituting a part of the exhaust gas line.
  • the high temperature exhaust gas efficiently flows inside the second power generation unit 26 on the high temperature side, so that the temperature difference between both surfaces of the thermoelectric conversion module 28 constituting the second power generation unit 26 can be increased.
  • the power generation amount of the second power generation unit 26 can be increased.
  • the 2nd electric power generation part 26 is made into the cylindrical body as a whole, as shown in FIG. 9, and is comprised so that the waste gas discharged
  • the exhaust gas discharged from the exhaust gas line only needs to be disposed so as to flow inside the second power generation unit 26, and may be provided on the outer surface of the cylindrical body constituting a part of the exhaust gas line. .
  • thermoelectric conversion modules 28 are combined or one thermoelectric conversion module 28 so that, for example, the second power generation unit 26 forms a cylindrical body with a part of the thermoelectric conversion module 28 described above.
  • the thermoelectric conversion module 28 described above may be provided on the outer surface of the cylindrical body made of metal or the like. Thereby, the heat of the high-temperature exhaust gas flowing inside the cylindrical body is efficiently transmitted to the thermoelectric conversion module 28, so that the temperature difference between the high temperature and the low temperature in the second power generation unit 26 becomes large, and the second power generation The power generation amount of the unit 26 can be increased.
  • FIG. 9 the example which provided the thermoelectric change module 28 in the outer surface of the cylindrical body produced with the metal is shown.
  • FIG. 10 is an exploded perspective view schematically showing an example of the fuel cell device 45 of the present embodiment
  • FIG. 11 is a side view schematically showing a part of the outer case of the fuel cell device 45 removed. 10 and 11, a part of the configuration is omitted.
  • a fuel cell device 45 shown in FIGS. 10 and 11 divides the inside of an outer case made up of a column 46 and an outer plate 47 into upper and lower portions by a partition plate 48, and an upper side of the module storage chamber stores the module 1 described above. 49, and the lower side is configured as an auxiliary equipment storage chamber 50 for storing auxiliary equipment for operating the module 1.
  • the auxiliary equipment is a general term for equipment (for example, various pumps and various sensors) necessary for operating the module 1.
  • the partition plate 48 is provided with an air circulation port 51 for allowing the air in the auxiliary machine storage chamber 50 to flow toward the module storage chamber 49, and a module is provided in a part of the exterior plate 47 constituting the module storage chamber 49.
  • An exhaust port 52 for exhausting the air in the storage chamber 49 is provided.
  • the raw fuel supply means 54 for supplying raw fuel to the module 1 and the oxygen-containing gas supply for supplying oxygen-containing gas to the module 1 are provided in the auxiliary machine storage chamber 50.
  • the power generated by the means 55, the first power generation unit and the second power generation unit 26 is input, and the power conditioner 56 which is a power adjustment device that outputs to the load, and the control device 57 for controlling these operations.
  • emitted from the module 1 to the exterior of an exterior case is shown.
  • the fuel cell system shown in FIGS. 12 to 16 includes a power generation unit composed of a fuel cell device, a hot water storage unit for storing hot water after heat exchange, and a circulation pipe for circulating water between these units. ing. First, common items in the systems shown in FIGS. 12 to 16 will be described.
  • the fuel cell system shown in FIGS. 12 to 16 includes a cell stack 5, a raw fuel supply means 54 for supplying raw fuel such as natural gas, and an oxygen-containing gas for supplying fuel cells 3 constituting the cell stack 5.
  • An oxygen-containing gas supply means 55 and a reformer 6 that performs steam reforming with raw fuel and steam are provided.
  • the module 1 includes the cell stack 5 and the reformer 6. In FIGS. 12 to 16, the module 1 is surrounded by a two-dot chain line.
  • the fuel cell system shown in FIGS. 12 and 13 shows an example including the fuel cell module having the configuration shown in FIGS. 3 and 4, and the second power generation unit 26 is connected to the cell stack 5 for the convenience of the drawings. However, as described above, it is provided on the outer surface of the module 1 (storage container).
  • the heat exchanger performs heat exchange between the exhaust gas (exhaust heat) generated by the power generation of the fuel cell 3 constituting the cell stack 5 and the water flowing through the circulation pipe 61. 42, a condensed water treatment device 65 for treating the condensed water generated in the heat exchanger 42 into pure water, a water tank 59 for storing water (pure water) treated by the condensed water treatment device 65, and The water tank 59 and the heat exchanger 42 are connected by a condensed water supply pipe 64. Note that, depending on the quality of the condensed water generated by heat exchange in the heat exchanger 42, the condensate treatment device 65 may be omitted. Moreover, when the condensed water processing apparatus 65 has the function to store water, it can also be set as the structure which does not provide the water tank 59. FIG.
  • Water stored in the water tank 59 is supplied to the reformer 6 by a water pump 58 provided in a water supply pipe 66 that connects the water tank 59 and the reformer 6.
  • the power generation unit shown in FIGS. 12 to 16 converts a DC power generated by the first power generation unit into an AC power, and adjusts the supply amount of the converted electricity to the external load (
  • a control device 57 is provided.
  • the power generation unit is configured together with a circulation pump 62 that circulates water in the circulation pipe 61.
  • each apparatus which comprises these electric power generation units can be set as a fuel cell apparatus with easy installation, carrying, etc. by accommodating in an exterior case.
  • the hot water storage unit includes a hot water storage tank 62 for storing hot water after heat exchange.
  • control device 57 controls the operation of the oxygen-containing gas supply means 55 so as to supply the oxygen-containing gas necessary for the amount of power generated by the cell stack 5, and in addition,
  • reformer 6 controls the operation of the raw fuel supply means 54 so as to generate the necessary fuel gas corresponding to the power generation amount of the cell stack 5 (steam reforming), and the water pump 58. To control the operation.
  • control device 57 supplies the external load by combining the electricity generated in the first power generation unit (cell stack 5) and the electricity generated in the second power generation unit 26 in response to a request for the external load.
  • the cell stack 5 and the second power generation unit 26 are each connected to a power conditioner 56. Therefore, the control device 57 performs control so that the power generated by the second power generation unit 26 is supplied to the external load and auxiliary equipment until the temperature of the module 1 becomes possible to start the power generation of the cell stack 5. After the temperature of the module 1 rises and the cell stack 5 can start generating electricity, the electricity generated by the cell stack 5 and the electricity generated by the second power generation unit 26 are combined to provide an external load or auxiliary equipment. Control to feed Thereby, a fuel cell device with improved power generation efficiency can be obtained.
  • the fuel cell system shown in FIG. 13 is provided so that the circulation pipe 61 connected to the circulation pump 63 flows outside the second power generation unit 26 on the low temperature side.
  • the low temperature water stored in the hot water storage tank 62 flows outside the second power generation unit 26 by the circulation pump 63, thereby increasing the temperature difference between the high temperature and the low temperature in the second power generation unit 26.
  • this temperature difference can be maintained.
  • the electric power generation amount of the 2nd electric power generation part 26 can be enlarged.
  • a part of the circulation pipe 61 is configured as a refrigerant flow path.
  • the water flowing inside the circulation pipe 61 located outside the second power generation unit 26 is subsequently supplied to the heat exchanger 42, and is heated by the exhaust gas discharged from the module 1 and the water flowing through the heat exchanger 42. Exchanged.
  • the amount of power generated in the second power generation unit 26 can be increased, and condensed water and hot water can be generated in the heat exchanger 42. Therefore, a fuel cell device (fuel cell) with improved overall efficiency can be obtained. System).
  • the fuel cell system shown in FIGS. 14 to 16 is exhaust gas until the second power generation unit 26 exhausts the exhaust gas discharged from the module 1 to the outside of the outer case. It is provided between the module 1 that is part of the line and the heat exchanger 42.
  • the module 1 since the exhaust gas discharged from the module 1 is configured to flow inside the second power generation unit 26, the module 1 relates to power generation in the second power generation unit 26. It is possible to suppress the influence of the temperature on the inside, and the power generation efficiency of the first power generation unit can be maintained high.
  • the basic operation is the same as that of the fuel cell system shown in FIG.
  • the circulation pipe 61 connected to the circulation pump 63 is provided so as to flow outside the second power generation unit 26 on the low temperature side.
  • the low temperature water stored in the hot water storage tank 62 is supplied to the outside of the second power generation unit 26 by the circulation pump 63, so that the temperature difference between the high temperature and the low temperature in the second power generation unit 26 is increased.
  • the power generation amount of the second power generation unit 26 can be increased.
  • a part of the circulation pipe 61 is configured as a refrigerant flow path.
  • the water that flows through the circulation pipe 61 located outside the second power generation unit 26 is then supplied to the heat exchanger 42, and heat is exchanged between the exhaust gas discharged from the module 1 and the water flowing through the heat exchanger 42.
  • the electric power generation amount in the 2nd electric power generation part 26 can be enlarged, it can be set as the fuel cell apparatus which further improved total efficiency.
  • a purification device 67 including a combustion catalyst for purifying exhaust gas discharged from the module 1 is provided between the module 1 and the second power generation unit 26.
  • the exhaust gas discharged from the module 1 includes fuel gas that has not been used for power generation of the fuel battery cell 3 and, in the case of the module 1 configured to burn the fuel gas, unburned fuel gas (hereinafter collectively unburned). May be included). Therefore, the unburned fuel gas can be purified by providing the purification device 67 including the combustion catalyst.
  • the temperature difference between the high temperature and the low temperature in the second power generation unit 26 increases, and the power generation amount of the second power generation unit 26 increases. Can be increased.
  • the purification device 67 may be a purification device having a particulate combustion catalyst, a honeycomb purification device, or may be disposed in the exhaust hole 25 of the module 1.
  • the second power generation unit 26 (thermoelectric conversion module 28) can be provided on the outer surface of the purification device 67.
  • the temperature discharged from the module 1 is further increased by burning the unburned fuel gas in the purification device 67, so that the temperature on the high temperature side of the second power generation unit 26 can be increased. Therefore, the temperature difference between the high temperature and the low temperature in the second power generation unit 26 is increased, and the power generation amount of the second power generation unit 26 can be increased.
  • the purification device 67 and the second power generation unit 26 the number of parts constituting the fuel cell device can be reduced.
  • the control device 57 uses the power generated by the module 1, which is the first power generation unit, the power generated by the second power generation unit 26, and the power supplied from the system power source. In combination, it is preferable to control the power supplied to the accessories.
  • the temperature of the fuel cell 3 can be raised efficiently.
  • the fuel cell system 3 can also be stopped after power generation is stopped. It is preferable to operate the raw fuel supply means 54 and the oxygen-containing gas supply means 55 to supply the fuel gas and the oxygen-containing gas. Note that “after power generation is stopped” refers to after power supply from the module 1 to the external load is stopped.
  • the raw power supply means 54 and the oxygen-containing gas supply are combined by combining the system power supply, the first power generation unit including the fuel cell 3 and the second power generation unit 26. It is preferable that power is supplied to auxiliary equipment such as the means 55.
  • FIG. 17 is a flowchart showing an example of a control flow when the fuel cell device according to this embodiment is started. Below, an example of the control at the time of starting of the fuel cell apparatus of this embodiment is demonstrated using the flowchart shown in FIG.
  • step S1 the system power supply and the auxiliary machine are connected (step S2). Thereby, the operation of the auxiliary machine is started.
  • step S2 it is detected whether the electric power generated by the second power generation unit 26 has reached the electric power for operating the auxiliary machine.
  • the electric power generated by the second power generation unit 26 does not reach the electric power for operating the auxiliary machine, the electric power is continuously supplied from the system power source to the auxiliary machine.
  • step S3 when the power generated by the second power generation unit 26 reaches the power for operating the auxiliary machine, the second power generation unit 26 and the auxiliary machine are connected (step S3), At the same time as power is supplied from the power generation unit 26 to the auxiliary machine, the system power supply and the auxiliary machine are disconnected (step S4). Thereafter, since no power is required from the system power supply, the operation efficiency of the fuel cell device is improved.
  • step S5 it is detected whether or not the electric power generated by the first power generation unit reaches the electric power for operating the auxiliary machine (step S5).
  • the electric power generated by the first power generation unit does not reach the electric power for operating the auxiliary machine, the electric power is continuously supplied from the second power generation unit 26 to the auxiliary machine.
  • step S6 when the electric power generated by the first power generation unit reaches the power for operating the auxiliary machine, the first power generation unit and the auxiliary machine are connected (step S6), and the first power generation unit At the same time as power is supplied to the auxiliary machine, the second power generation unit 26 and the auxiliary machine are disconnected (step S7).
  • the operation efficiency of the fuel cell device is further improved by supplying the auxiliary machine with the electric power of the module 1 that is the first power generation unit having higher power generation efficiency than the second power generation unit.
  • auxiliary equipment means raw fuel supply means 54 and oxygen-containing gas supply means 55, and other auxiliary equipment can be set as appropriate.
  • step S8 sweeping from the fuel cell 3 is stopped (connection to an external load is disconnected). Thereby, the power generation of the fuel battery cell 3 is stopped.
  • step S9 it is detected whether the electric power of the 2nd electric power generation part 26 is less than the electric power for operating an auxiliary machine.
  • the electric power of the 2nd electric power generation part 26 is less than the electric power for operating an auxiliary machine, it will progress to C1 mentioned later.
  • step S10 when the electric power of the second power generation unit 26 is not less than the electric power for operating the auxiliary machine, the second power generation unit 26 and the auxiliary machine are connected (step S10). In this case, since it is not necessary to immediately connect the system power source and the auxiliary machine, the operating efficiency of the fuel cell device is improved.
  • the first predetermined temperature may be a temperature at which the oxidation of the fuel battery cell 3 can be suppressed, and can be appropriately set within a range of 300 to 400 ° C., for example.
  • the process returns to step S9, and the electric power of the second power generation unit 26 operates the auxiliary machine again. Detect whether it is less than power.
  • the oxidation of the fuel battery cell 3 can be suppressed.
  • the raw fuel supply means 54 is disconnected (step S12). In this case, the connection between the second power generation unit 26 and the oxygen-containing gas supply means 55 is continued (step S13), and the temperature in the module 1 is lowered.
  • step S14 it is detected whether or not the electric power by the second power generation unit 26 is less than the electric power for operating the oxygen-containing gas supply means 55 (step S14). If the power generated by the second power generation unit 26 is less than the power required to operate the oxygen-containing gas supply means 55, the second power generation unit 26 and the oxygen-containing gas supply means 55 are disconnected (step S15). Thus, the process proceeds to C2 described later.
  • the temperature of the fuel cell 3 is subsequently measured by the thermocouple 13 which is a temperature measuring means. Then, it is determined whether or not the temperature of the fuel cell 3 is lower than the second predetermined temperature (step S16).
  • the second predetermined temperature may be a temperature at which safety can be ensured when disassembling the fuel cell device, and can be appropriately set within a range of 0 to 400 ° C., for example. Needless to say, it can be set as appropriate so as to satisfy the relationship of the first predetermined temperature> the second predetermined temperature.
  • step S16 when the temperature of the fuel cell 3 is equal to or higher than the second predetermined temperature, the process returns to step S14, and the electric power of the second power generation unit 26 changes the oxygen-containing gas supply means 55. Detects whether the power is less than the power to operate.
  • step S16 if the temperature of the fuel battery cell 3 is lower than the second predetermined temperature in step S16, the second power generation unit 26 and the oxygen-containing gas supply means 55 are disconnected (step S17), and the fuel cell. End the operation of the device.
  • the usage time of the system power supply can be greatly reduced, so that a fuel cell device with improved operating efficiency can be obtained.
  • step S9 when the electric power of the second power generation unit 26 is less than the electric power for operating the auxiliary machine in step S9, the system power supply and the auxiliary machine are subsequently connected (step S18).
  • step S19 it is determined whether or not the temperature of the fuel cell 3 measured by the thermocouple 13 that is a temperature measuring means is lower than a first predetermined temperature.
  • the first predetermined temperature can be appropriately set in the range of 300 to 400 ° C., for example, as described above.
  • the temperature of the fuel battery cell 3 measured by the thermocouple 13 is equal to or higher than the first predetermined temperature, the temperature of the fuel battery cell 3 is less than the first predetermined temperature, for example, after a predetermined time elapses. It is determined again whether or not there is (step S19).
  • step S20 when the temperature of the fuel cell 3 measured by the thermocouple 13 is lower than the first predetermined temperature, the oxidation of the fuel cell 3 can be suppressed. 54 are disconnected (step S20). In this case, the connection between the system power supply and the oxygen-containing gas supply means 55 is continued (step S21), and the temperature in the module 1 is lowered.
  • the temperature of the fuel cell 3 is measured by the thermocouple 13 which is a temperature measuring means, and it is determined whether or not the temperature of the fuel cell 3 is lower than a second predetermined temperature (step S22).
  • the second predetermined temperature can be set as appropriate within a range of 0 to 400 ° C., for example, as described above.
  • step S22 when the temperature of the fuel battery cell 3 is equal to or higher than the second predetermined temperature, the temperature of the fuel battery cell 3 is lower than the second predetermined temperature, for example, after a predetermined time elapses. It is determined again whether or not there is (step S22).
  • step S22 if the temperature of the fuel cell 3 is lower than the second predetermined temperature in step S22, the system power supply and the oxygen-containing gas supply means 55 are disconnected (step S23), and the operation of the fuel cell device is performed. finish.
  • step S14 when the power from the second power generation unit 26 is less than the power for operating the oxygen-containing gas supply unit 55, the second power generation unit 26 and the oxygen-containing gas supply unit 55 are disconnected.
  • the system power supply and the oxygen-containing gas supply means 55 are connected in a row (step S15) (step S24).
  • the temperature of the fuel cell 3 is measured by the thermocouple 13 which is a temperature measuring means, and it is determined whether or not the temperature of the fuel cell 3 is lower than a second predetermined temperature (step S25).
  • the second predetermined temperature can be set as appropriate within a range of 0 to 400 ° C., for example, as described above.
  • step S25 when the temperature of the fuel cell 3 is equal to or higher than the second predetermined temperature, the temperature of the fuel cell 3 is less than the second predetermined temperature, for example, after a predetermined time elapses. It is determined again whether or not there is (step S25).
  • step S25 when the temperature of the fuel cell 3 is lower than the second predetermined temperature in step S25, the system power supply and the oxygen-containing gas supply means 55 are disconnected (step S26), and the operation of the fuel cell device is performed. finish.
  • 21 and 22 are flowcharts showing another example of the control flow during the stop operation of the fuel cell device of the present embodiment, and the steps up to step S11 are the same as those shown in FIG.
  • thermocouple 13 serving as the temperature measuring means when the temperature of the fuel cell 3 measured by the thermocouple 13 serving as the temperature measuring means is lower than the first predetermined temperature, The auxiliary machine is disconnected (step S27), and the operation of the fuel cell device is terminated.
  • step S9 when the electric power of the second power generation unit 26 is less than the electric power for operating the auxiliary machine in step S9, the system power supply and the auxiliary machine are connected (step S28).
  • step S29 it is determined whether or not the temperature of the fuel cell 3 measured by the thermocouple 13 as temperature measuring means is lower than a first predetermined temperature.
  • the temperature of the fuel battery cell 3 measured by the thermocouple 13 is equal to or higher than the first predetermined temperature, the temperature of the fuel battery cell 3 is less than the first predetermined temperature, for example, after a predetermined time elapses. It is determined again whether or not there is (step S29).
  • step S29 when the temperature of the fuel cell 3 is lower than the first predetermined temperature, the system power supply and the auxiliary machine are disconnected (step S30), and the operation of the fuel cell device is terminated.
  • the second power generation unit 26 is provided separately for the outer surface of the storage container 2 and the exhaust gas line has been described. However, it can also be provided for both the outer surface of the storage container 2 and the exhaust gas line. .
  • FIGS. 13 and 15 an example in which a part of the circulation pipe 61 is used as the refrigerant flow path is shown.
  • a pipe for flowing water as the refrigerant flow path to the second power generation unit 26 is shown. It is also possible to provide it independently and connect the pipe to the inlet side of the heat exchanger 42 of the circulation pipe 61.
  • the circulation pipe 61 connected to the outlet side of the heat exchanger 42 is arranged so as to flow outside the second power generation unit 26 on the low temperature side, and is configured to be connected to the hot water storage tank 62. You can also. Even in this case, a sufficient temperature difference between the high temperature and the low temperature in the second power generation unit can be secured, and the power generation amount of the second power generation unit 26 can be increased.
  • a pipe through which the refrigerant flows may be separately provided, and a bag filled with the refrigerant may be provided on the low temperature side of the second power generation unit 26.
  • the refrigerant is not limited to water, and for example, a known refrigerant such as methanol, ethanol, ethylene glycol, or the like can be used.
  • water is supplied to the reformer 6 when the fuel cell apparatus is started or stopped. It is preferable to control the operation of the water pump 58.
  • the operation of the water pump 58 may be controlled simultaneously with the raw fuel supply means. Therefore, for example, in the flowcharts shown in FIGS. 18 to 22, the raw fuel supply means is replaced with the raw fuel supply means and the water pump, whereby a fuel cell device with improved operating efficiency can be obtained.
  • Fuel cell module 2 Storage container 3: Fuel cell 13: Thermocouple 18, 37: Thermal insulation member 26: Second power generation unit 42: Heat exchanger 53: Exhaust gas line 56: Power conditioner 57: Controller 61 : Circulation piping

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Abstract

　【課題】　発電効率の向上した燃料電池装置を提供する。　【解決手段】　燃料ガスと酸素含有ガスとで発電を行なう固体酸化物形の燃料電池セル３を含む第１の発電部と、該第１の発電部で生じる熱を利用して発電を行なう熱電変換モジュールを含む第２の発電部２６と、前記第１の発電部および第２の発電部２６により発電された電力が入力されて、負荷に出力する電力調整装置と、を備えることで、第１の発電部および第２の発電部２６により発電された電気を組み合わせて、外部負荷に供給することにより、発電効率の向上した燃料電池装置とすることができる。

Description

燃料電池装置
　本発明は、発電効率の向上した燃料電池装置に関する。
　近年、次世代エネルギーとして、燃料ガス（水素含有ガス）と酸素含有ガス（空気）とを用いて電力を得ることができる燃料電池セルを収納容器内に収納してなる燃料電池モジュール（例えば、特許文献１参照。）や、燃料電池モジュールを外装ケース内に収納してなる燃料電池装置が種々提案されている。
特開２００７－５９３７７号公報
　ところで次世代エネルギーとして期待される燃料電池のうち、固体酸化物形燃料電池は特に高い発電効率を有することが知られているが、省エネルギーの観点から、更なる発電効率の向上が求められている。
　それゆえ、本発明は、発電効率の向上した燃料電池装置を提供することを目的とする。
　本発明の燃料電池装置は、燃料ガスと酸素含有ガスとで発電を行なう固体酸化物形の燃料電池セルを含む第１の発電部と、該第１の発電部で生じる熱を利用して発電を行なう熱電変換モジュールを含む第２の発電部と、前記第１の発電部および前記第２の発電部により発電された電力が入力されて、負荷に出力する電力調整装置と、を備えることを特徴とする。
　本発明の燃料電池装置は、燃料ガスと酸素含有ガスとで発電を行なう固体酸化物形の燃料電池セルを含む第１の発電部と、該第１の発電部で生じる熱を利用して発電を行なう熱電変換モジュールを含む第２の発電部と、前記第１の発電部および前記第２の発電部により発電された電力が入力されて、負荷に出力する電力調整装置と、を備えることから、第１の発電部および第２の発電部により発電された電気を組み合わせて外部負荷に供給することで、発電効率の向上した燃料電池装置とすることができる。
燃料電池装置の一例の一部を抜粋して示し、収納容器内に第１の発電部を収納してなる燃料電池モジュールを示す外観斜視図である。 図１に示す燃料電池モジュールの断面図である。 本実施形態の燃料電池装置の一例の一部を抜粋して示し、収納容器の外面上に、第２の発電部が設けられていることを示す外観斜視図である。 図３に示す燃料電池装置の断面図である。 本実施形態の燃料電池装置における第２の発電部の一例を示し、（ａ）は一部の記載を省略した外観斜視図、（ｂ）は断面図である。 本実施形態の燃料電池装置の他の一例の一部を抜粋して示し、収納容器の外面に設けられる断熱部材に、第２の発電部が設けられていることを示す外観斜視図である。 本実施形態の燃料電池装置のさらに他の一例の一部を抜粋して示し、収納容器の外面に設けられる断熱部材の内面に、第２の発電部が設けられていることを示す外観斜視図である。 本実施形態の燃料電池装置のさらに他の一例の一部を抜粋して示し、収納容器の外面に設けられる断熱部材に、第２の発電部の一部が埋設されていることを示す外観斜視図である。 本実施形態の燃料電池装置のさらに他の例の一部を抜粋して示し、収納容器に、第２の発電部と熱交換器が順に接続されていること示す概念図である。 本実施形態の燃料電池装置の一例を概略的に示す分解斜視図である。 図１０に示す本実施形態の燃料電池装置の一例を概略的に示す側面図である。 本実施形態の燃料電池装置を備える燃料電池システムの構成の一例を示す構成図である。 本実施形態の燃料電池装置を備える燃料電池システムの構成の他の一例を示す構成図である。 本実施形態の燃料電池装置を備える燃料電池システムの構成のさらに他の一例を示す構成図である。 本実施形態の燃料電池装置を備える燃料電池システムの構成のさらに他の一例を示す構成図である。 本実施形態の燃料電池装置を備える燃料電池システムの構成のさらに他の一例を示す構成図である。 本実施形態の燃料電池装置の制御の流れの一例を示すフローチャートである。 本実施形態の燃料電池装置の制御の流れの他の一例を示すフローチャートである。 図１８に示すＣ１以降の制御の流れを示すフローチャートである。 図１８に示すＣ２以降の制御の流れを示すフローチャートである。 本実施形態の燃料電池装置の制御の流れのさらに他の一例を示すフローチャートである。 図２１に示すＣ３以降の制御の流れを示すフローチャートである。
　図１は、燃料電池装置の一例の一部を抜粋して示し、第１の発電部を収納容器に収納してなる燃料電池モジュール１（以下、モジュールという場合がある。）を示す外観斜視図であり、図２は図１の断面図である。なお、以降の図において同一の部材については同一の番号を付するものとする。まず、図１および図２に示すモジュール１を用いて、本実施形態の燃料電池装置を構成するモジュール１の基本的構成を説明する。
　本実施形態の燃料電池装置は、第１の発電部として燃料ガスと酸素含有ガスとで発電を行なう固体酸化物形の燃料電池セルを含んでなる。ここで、図１に示すモジュール１においては、収納容器２の内部に、内部を第１の反応ガスが流通するガス流路（図示せず）を有する柱状の固体酸化物形の燃料電池セル３を立設させた状態で一列に配列し、隣接する燃料電池セル３間が集電部材（図示せず）を介して電気的に直列に接続されているとともに、燃料電池セル３の下端をガラスシール材等の絶縁性接合材（図示せず）でガスタンク４に固定してなるセルスタック５を２つ備えるセルスタック装置１２を収納して構成されている。なお、セルスタック５の両端部には、セルスタック５（燃料電池セル３）の発電により生じた電気を集電して外部に引き出すための、電気引き出し部を有する導電部材が配置されている（図示せず）。上述の各部材を備えることで、セルスタック装置１２が構成される。なお、図１においては、セルスタック装置１２が２つのセルスタック５を備えている場合を示しているが、適宜その個数は変更することができ、例えばセルスタック５を１つだけ備えていてもよい。なお、セルスタック装置１２を第１の発電部とすることもできる。
　また、図１においては、燃料電池セル３として、内部を第１の反応ガス（燃料ガス）が長手方向に流通するガス流路を有する中空平板型で、ガス流路を有する支持体の表面に、燃料極層、固体電解質層および酸素極層を順に積層してなる固体酸化物形の燃料電池セル３を例示している。以降の説明の説明において、特に断りのない限り第１の反応ガスを燃料ガス（水素含有ガス）とし、燃料電池セル３の外側を流れる第２の反応ガスを酸素含有ガスとして説明する。
　なお、以降の説明において、燃料電池セルは中空平板型に限られるものではなく、例えば平板型や円筒型とすることもでき、あわせて収納容器２の形状も適宜変更することができる。
　また、図１に示すモジュール１においては、燃料電池セル３の発電で使用する燃料ガスを得るために、原燃料供給管１０を介して供給される天然ガスや灯油等の原燃料を改質して燃料ガスを生成するための改質器６をセルスタック５の上方に配置している。なお、改質器６は、効率のよい改質反応である水蒸気改質を行うことができる構造とすることが好ましく、水を気化させるための気化部７と、原燃料を燃料ガスに改質するための改質触媒（図示せず）が配置された改質部８とを備えている。そして、改質器６で生成された燃料ガスは、燃料ガス流通管９を介してガスタンク４に供給され、ガスタンク４より燃料電池セル３の内部に設けられたガス流路に供給される。なお、セルスタック装置１２の構成は、燃料電池セル３の種類や形状により、適宜変更することができ、例えばセルスタック装置１２に改質器６を含むこともできる。
　また図１においては、収納容器２の一部（前後面）を取り外し、内部に収納されるセルスタック装置１２を後方に取り出した状態を示している。ここで、図１に示したモジュール１においては、セルスタック装置１２を、収納容器２内にスライドして収納することが可能である。
　なお、収納容器２の内部には、ガスタンク４に並置されたセルスタック５の間に配置され、第２の反応ガス（酸素含有ガス）が燃料電池セル３の側方を下端部から上端部に向けて流れるように、反応ガス導入部材１１が配置されており、反応ガス導入部材１１の内部に、セルスタック５の温度を測定するための温度計測手段である熱電対１３が収納容器の上部より挿入して配置されている。
　図２に示すように、モジュール１を構成する収納容器２は、内壁１４と外壁１５とを有する二重構造で、外壁１５により収納容器２の外枠が形成されるとともに、内壁１４によりセルスタック装置１２を収納する発電室１６が形成されている。さらに収納容器２においては、内壁１４と外壁１５との間を、燃料電池セル３に導入する酸素含有ガスが流通する反応ガス流路２１としている。
　ここで、収納容器２内には、収納容器２の上部より、上端側に酸素含有ガスが流入するための酸素含有ガス流入口（図示せず）とフランジ部２４とを備え、下端部に燃料電池セル３の下端部に酸素含有ガスを導入するための反応ガス流出口１７が設けられてなる反応ガス導入部材１１が、内壁１４を貫通して挿入されて固定されている。なお、フランジ部２４と内壁１４との間には断熱部材１８が配置されている。
　なお、図２においては、反応ガス導入部材１１が、収納容器２の内部に並置された２つのセルスタック５間に位置するように配置されているが、セルスタック５の数により、適宜配置することができる。例えば、収納容器２内にセルスタック５を１つだけ収納する場合には、反応ガス導入部材１１を２つ設け、セルスタック５を両側面側から挟み込むように配置することができる。
　また発電室１６内には、モジュール１内の熱が極端に放散され、燃料電池セル３（セルスタック５）の温度が低下して発電量が低減しないよう、モジュール１内の温度を高温に維持するための断熱部材１８が適宜設けられている。
　断熱部材１８は、セルスタック５の近傍に配置することが好ましく、特には、燃料電池セル３の配列方向に沿ってセルスタック５の側面側に配置するとともに、セルスタック５の側面における燃料電池セル３の配列方向に沿った幅と同等またはそれ以上の幅を有する断熱部材１８を配置することが好ましい。なお、セルスタック５の両側面側に断熱部材１８を配置することが好ましい。それにより、セルスタック５の温度が低下することを効果的に抑制できる。さらには、反応ガス導入部材１１より導入される酸素含有ガスが、セルスタック５の側面側より排出されることを抑制でき、セルスタック５を構成する燃料電池セル３間の酸素含有ガスの流れを促進することができる。なお、セルスタック５の両側面側に配置された断熱部材１８においては、燃料電池セル３に供給される酸素含有ガスの流れを調整し、セルスタック５の長手方向および燃料電池セル３の積層方向における温度分布を低減するための開口部１９が設けられている。
　また、燃料電池セル３の配列方向に沿った内壁１４の内側には、排ガス用内壁２０が設けられており、内壁１４と排ガス用内壁２０との間が、発電室１６内の排ガスが上方から下方に向けて流れる排ガス流路２２とされている。なお、排ガス流路２２は、収納容器２の底部に設けられた排気孔２５と通じている。また、排ガス用内壁２０のセルスタック５側にも断熱部材１８が設けられている。
　それにより、モジュール１の稼動（起動処理時、発電時、停止処理時）に伴って生じる排ガスは、排ガス流路２２を流れた後、排気孔２５より排気される構成となっている。なお、排気孔２５は収納容器２の底部の一部を切り欠くようにして形成してもよく、また管状の部材を設けることにより形成してもよい。
　なお、反応ガス導入部材１１の内部には、セルスタック５近傍の温度を測定するための温度計測手段である熱電対１３が、その測温部２３が燃料電池セル３の長手方向の中央部でかつ燃料電池セル３の配列方向における中央部に位置するように配置されている。
　また、上述の構成のモジュール１においては、燃料電池セル３のガス流路より排出される余剰な燃料ガスと酸素含有ガスとを燃料電池セル３の上端部側と改質器６との間で燃焼させることにより、燃料電池セル３の温度を上昇・維持させることができる。あわせて、燃料電池セル３（セルスタック５）の上方に配置された改質器６を温めることができ、改質器６で効率よく改質反応を行なうことができる。なお、通常発電時においては、上記燃焼や燃料電池セル３の発電に伴い、モジュール１内の温度は５００～８００℃程度となる。
　すなわち、第１の発電部を含むモジュール１の温度が非常に高温となることから、第１の発電部で生じる熱を有効利用することで、燃料電池装置の総合効率を向上することができ、本実施形態の燃料電池装置では、収納容器と、第１の発電部と、第１の発電部で生じる熱を利用して発電を行なう熱電変換モジュールを有する第２の発電部と、第１の発電部および第２の発電部により発電された電力が入力されて、負荷に出力する電力調整装置とを備えることで、燃料電池装置の発電効率を向上することができる。
　特にこの第２の発電部は、第１の発電部で生じる熱を有効利用することで発電を行なうことから、収納容器２、第１の発電部、第２の発電部および電力調整装置を収納するための外装ケースと、収納容器２との間に設けることが好ましく、特には、収納容器の外面上および後述する外装ケースと収納容器との間にある排ガスラインのうち少なくとも一方に設けられていることが好ましい。
　図３は、本実施形態の燃料電池装置の一例を一部抜粋して示し、第１の発電部を構成する収納容器２の外面上に、第２の発電部２６が設けられていることを示す外観斜視図であり、図４は図３の断面図である。
　第２の発電部２６として熱電変換モジュールを用いることで、特に燃料電池セルが固体酸化物形の燃料電池セルであることから、収納容器２側が特に高温となり、反対側が低温となって温度差が生じ、それにより電気を生じることができる。本実施形態の燃料電池装置では、第１の発電部で発電した電気と、第２の発電部２６で発電した電気とを組み合わせて外部負荷に供給することで、燃料電池装置の発電効率を向上することができる。また、第２の発電部２６はその大きさに応じて、適宜設けることができ、例えば収納容器２の１つの外面に複数個の第２の発電部２６を設けることもできる。
　なお、本明細書において発電効率とは、燃料電池装置に供給した燃料ガス量に対して、第１の発電部および第２の発電部の合計の発電量の割合を意味し、総合効率とは、この発電効率と、燃料電池からの排熱回収効率とを合算したものを意味する。
　図５は、第２の発電部２６を構成する熱電変換モジュール２８の一例を示し、（ａ）は一部の記載を省略して示す外観斜視図、（ｂ）は断面図である。
　図５に示す熱電変換モジュール２８は、下部の支持基体２９ａ、上部の支持基体２９ｂの表面に、それぞれ第１、第２配線導体３１ａ、３１ｂが形成され、さらにｐ型熱電変換素子３０ａおよびｎ型熱電変換素子３０ｂ（以下、熱電変換素子３０または熱電変換素子３０ａ、３０ｂということがある）が、支持基体２９ａ、２９ｂ（以下、支持基体２９ということがある）の間に配置され、熱電変換素子３０が支持基体２９ａ、２９ｂで挟持されている。熱電変換素子３０ａ、３０ｂの両端面は、下部および上部の第１、第２配線導体３１ａ、３１ｂ（以下、配線導体３１ということがある）に半田３４で接合されている。
　支持基体２９ａ、２９ｂは、アルミナ、窒化アルミ、窒化珪素、炭化珪素、ベリリアから選ばれる１種以上のセラミックスからなるもので、セラミック粒子と、このセラミック粒子の間の粒界とから構成されている。これにより、熱電変換モジュールとして必要な、モジュール強度と熱伝導を確保することができる。なお、支持基体２９として耐熱性が高いものであれば、セラミックス以外により構成することもできる。例えば、銅やアルミニウム等の金属を用いることもできる。なお、支持基体２９として金属を用いる場合には、以下に述べる配線導体３１との絶縁性を確保すべく、支持基体２９の表面に絶縁性のコーティングを施すことが好ましい。
　配線導体３１ａ、３１ｂは、熱電変換素子３０同士を電気的に直列に接続するためのものであり、例えば、Ｚｎ、Ａｌ、Ａｕ、Ａｇ、Ｗ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｎｉ、ＰｔおよびＰｄから選ばれる少なくとも１種の元素を含む金属であることが、電気抵抗が低く、また熱伝導率が高いために発熱を抑制し、さらに熱放散性に優れるために好ましい。配線導体３１ａ、３１ｂには、電気抵抗、熱伝導率、コストの観点から、特にＣｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｎｉ、ＰｔおよびＰｄから選ばれる少なくとも１種の元素が好適に使用される。
　配線導体３１ａ、３１ｂは、メッキ法、メタライズ法、ＤＢＣ（Ｄｉｒｅｃｔ－ｂｏｎｄｉｎｇ　Ｃｏｐｐｅｒ）法、チップ接合法、焼付け法から選ばれる１種以上の方法を適宜採用することで、配線パターン精度、電流値およびコストに合わせ最適な配線導体３１を作製することができる。
　熱電変換素子３０はｐ型熱電変換素子３０ａおよびｎ型熱電変換素子３０ｂの２種からなり、下部の支持基体２９ａの一方の主面上に縦横に配列されている。ｐ型熱電変換素子３０ａおよびｎ型熱電変換素子３０ｂは、ｐ型、ｎ型、ｐ型、ｎ型と交互に、かつ電気的に直列になるように第１、第２配線導体３１ａ、３１ｂで接続し、一つの電気回路を形成している。
　熱電変換素子３０は、公知のものを使用することができ、特に高温で優れた熱電変換性能を有している材料から構成することが好ましい。
　熱電変換素子３０ａ、３０ｂの配線導体３１ａ、３１ｂ側には、半田３４との濡れ性が良好なＮｉ等の電極３６、Ａｕ等の被覆層３５を有している。
　一つの電気回路の両端には外部接続端子３２が接続され、熱電変換素子３０と電気的に接続されている。これらの外部接続端子３２には、半田３４によってリード線３５が接続されており、熱電変換素子で発電された電気を外部に引き出すことができる。
　そして、図３および図４に示すモジュール１においては、収納容器２の互いに対向する２つの側面の外面上に、第２の発電部２６が設けられている。ここで、第２の発電部２６は一方側が、内部が５００～８００℃程度と非常に高温の収納容器２に直接設けられていることから、他方側との温度差を生じやすくさせることができ、より効率よく電気を生じることができる。また、第１の発電部と第２の発電部２６を構成する熱電変換モジュール２８との両方の発電で生じた電気を組み合わせて外部負荷に供給することで、発電効率の向上した燃料電池装置とすることができる。
　なお、第２の発電部２６を構成する熱電変換モジュール２８は、第１の発電部で生じる熱を利用することができる場所に配置すればよく、例えば図３および図４に示すように、収納容器２の外面上に設ける場合においては、収納容器２の構造にあわせて適宜設けることができる。例えば、図４においては、収納容器の２つの側面に設けた例を示しているが、収納容器２の少なくとも１つの面に設ければよく、例えば、収納容器２の全面に設けることもできる。
　図６および図７は、図３および図４に示した収納容器２の外面（外周）に断熱部材を設けることを示す外観斜視図であり、図６においては、断熱部材３７の外面に熱電変換モジュール２８である第２の発電部２６が設けられており、図７においては、断熱部材３７の内面に熱電変換モジュール２８である第２の発電部２６が設けられていることを示している。
　ここで、固体酸化物形燃料電池においては、効率よく発電するにあたり、モジュール１を高温に維持する必要がある。それゆえ、図６および図７においては、収納容器２の外面に断熱部材３７を設けている。それにより、モジュール１の温度が低下することを抑制することができ、モジュール１の発電効率を高く維持することができる。
　ここで、図６に示すモジュール１においては、断熱部材３７の外面に第２の発電部２６が設けられている。それにより、断熱部材３７側が高温となり、断熱部材３７を通じてモジュール１の熱が伝熱されるとともに、反対側が低温となることで温度差が生じ、電気を生じることができる。それにより、モジュール１の温度を高温に維持しつつ、第１の発電部で発電した電気と、第２の発電部２６で発電した電気とを組み合わせて外部負荷に供給することで、発電効率の向上した燃料電池装置とすることができる。なお、第２の発電部２６での発電量を大きくするにあたり、高温側の熱を大きくするとともに、モジュール１の温度を高温に維持することを目的として、断熱部材３７の外面側に凹部を設け、該凹部に第２の発電部２６を配置することもできる。
　図７に示すモジュール１においては、断熱部材３７の内面側に凹部３８が設けられており、凹部３８内に第２の発電部２６が配置されている。それにより、収納容器２側が特に高温となり、反対側が低温となって温度差が生じ、電気を生じることができる。それにより、モジュール１の温度を高温に維持しつつ、第１の発電部で発電した電気と、第２の発電部２６で発電した電気とを組み合わせて外部負荷に供給することで、発電効率の向上した燃料電池装置とすることができる。
　なお、収納容器２と反対側を低温とするにあたり、例えば凹部を貫通孔とすることや、凹部と第２の発電部２６との間に冷媒流路を設けることもできる。なお冷媒流路については後述する。
　図８は、図３および図４に示した収納容器２の外面に断熱部材を設ける他の例を示す外観斜視図であり、断熱部材３７の外面に第２の発電部２６が設けられている例を示している。
　ここで、図８においては、断熱部材３７の一部に貫通孔３９が設けられているとともに、第２の発電部２６の収納容器２側に、貫通孔３９に挿入される棒状の埋設部４０が設けられている。ここで、図８に示す構成においては、棒状の埋設部は収納容器２の外面と接するように配置されている。なお、埋設部４０は、熱電変換モジュール２８を構成する支持基体２９と同じ材料にて設けることができる。
　収納容器２の外面に断熱部材３７を設ける場合に、断熱部材３７の厚みによっては、モジュール１からの熱の伝熱量が少なくなり、第２の発電部２６における温度差が小さくなり、第２の発電部２６での発電量が少なくなる場合がある。
　それゆえ、断熱部材３７の厚みや伝熱量に応じて、第２の発電部２６の少なくとも一部を、断熱部材３７に埋設することで、モジュール１側の熱を第２の発電部２６に効率よく伝えることができ、第２の発電部２６における高温側と低温側との温度差を確保することができる。それにより、モジュール１の温度を高温に維持しつつ、第１の発電部で発電した電気と、第２の発電部２６で発電した電気とを組み合わせて外部負荷に供給することで、発電効率の向上した燃料電池装置とすることができる。
　なお、図８においては、断熱部材３７の一部に貫通孔３９を設けて、貫通孔３９に挿入した埋設部４０が収納容器２の外面に接するように配置されている例を示したが、例えば断熱部材３７の一部に、断熱部材３７を貫通しない窪み部を設け、該窪み部に棒状の埋設部４０を挿入配置してもよい。なお、この場合の窪み部の大きさは、モジュール１からの伝熱量等に応じて適宜設定することができる。
　また、図８においては、第２の発電部２６に棒状の埋設部４０を１つ設けた例を示したが、断熱部材３７の厚みや伝熱量に応じて適宜変更することができ、例えば複数の棒状の埋設部４０を設けるほか、第２の発電部２６の収納容器２側全体を埋設部として断熱部材３７に埋設することもできる。
　一方、第２の発電部２６は、第１の発電部で生じた熱を利用して発電することができればよく、上記に示したように収納容器２の外面に設けるほか、モジュール１より排出される排ガスの熱を利用して発電するように設けることもできる。すなわち、モジュール１より排出される排ガスを外装ケースの外部に排出する排ガスラインに設けることもできる。
　図９は、モジュール１の排気孔２５に、第２の発電部２６と熱交換器４２が順に接続されていること示す概念図である。
　上述したように、収納容器２内に固体酸化物形の燃料電池セル３を収納してなるモジュール１は、発電中においてモジュール１内の温度が５００～８００℃程度と高温となり、あわせてモジュール１より排出される排ガスの温度も高温となる。
　ここで、図９においては、モジュール１の底部に、モジュール１内に酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス供給管４１が接続されているとともに、モジュール１内の排気ガスを排出するための排気孔２５に、第２の発電部２６と、モジュール１より排出される排ガスと水とで熱交換を行なってお湯を生成するための熱交換器４２とがこの順に接続されている。なお、熱交換器４２は、下方側に温度の低い水が供給される入口４４が設けられており、上方側に熱交換器４２内で生成された水を送水するための出口４３が設けられている。
　言い換えれば、第２の発電部２６は、モジュール１より排出される排ガスを外装ケースの外部に排出する排ガスラインの一部を構成しており、排ガスラインは、第２の発電部２６と、熱交換器４１を備えている。
　このような構成の燃料電池装置においては、モジュール１より排出された排ガスが、第２の発電部の内側を流れる構成となっていることから、第２の発電部での発電に関し、モジュール１内の温度に影響を与えることを抑制でき、第１の発電部の発電効率を高く維持することができる。
　なお、第２の発電部２６は、モジュール１から排出される排ガスが外装ケースの外部に排出されるための排ガスラインの一部を構成していれば、モジュール１に直接接続されていなくてもよいが、より効率を高めるためには、モジュール１に直接接続されていることが好ましい。
　ここで、第２の発電部２６をモジュール１の排気孔２５に接続する場合には、第２の発電部の内側を高温の排ガスが効率よく流れることができるよう、第２の発電部２６を排ガスラインの一部を構成する筒状体とすることが好ましい。
　それにより、第２の発電部２６の高温側である内側を高温の排ガスが効率よく流れることから、第２の発電部２６を構成する熱電変換モジュール２８の両面における温度差を大きくすることができ、第２の発電部２６の発電量を大きくすることができる。
　なお、第２の発電部２６は、図９に示すように全体として筒状体とされ、内部をモジュール１より排出された排ガスが流れるように構成されていることが好ましい。なお、排ガスラインより排出された排ガスが、第２の発電部２６の内側を流れるように配置されていればよく、排ガスラインの一部を構成する筒状体の外面に設けられていてもよい。
　それゆえ、例えば、第２の発電部２６を、上述の熱電変換モジュール２８の一部が、は筒状体を構成するように、例えば熱電変換モジュール２８を複数個組み合わせるまたは１つの熱電変換モジュール２８によって筒状体を構成することができるほか、例えば金属等で作製した筒状体の外面に上述の熱電変換モジュール２８を設けた構成とすることもできる。それにより、筒状体の内部を流れる高温の排ガスの熱が、熱電変換モジュール２８に効率よく伝わることで、第２の発電部２６における高温と低温との温度差が大きくなり、第２の発電部２６の発電量を大きくすることができる。なお、図９においては、金属で作製した筒状体の外面に熱電変化モジュール２８を設けた例を示している。
　図１０は、本実施形態の燃料電池装置４５の一例を概略的に示す分解斜視図であり、図１１は、燃料電池装置４５の外装ケースを一部取り外して概略的に示す側面図である。なお、図１０および図１１においては、一部構成を省略して示している。
　図１０、図１１に示す燃料電池装置４５は、支柱４６と外装板４７から構成される外装ケース内を仕切板４８により上下に区画し、その上方側を上述したモジュール１を収納するモジュール収納室４９とし、下方側を、モジュール１を動作させるための補機類を収納する補機収納室５０として構成されている。なお、補機類とはモジュール１を稼働するにあたり必要な機器（例えば、各種ポンプや各種センサ等）を総称したものである。
　また、仕切板４８は、補機収納室５０の空気をモジュール収納室４９側に流すための空気流通口５１が設けられており、モジュール収納室４９を構成する外装板４７の一部に、モジュール収納室４９内の空気を排気するための排気口５２が設けられている。
　なお、図１１においては、補機収納室５０に、補機類として、モジュール１に原燃料を供給するための原燃料供給手段５４、モジュール１に酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス供給手段５５、第１の発電部および第２の発電部２６により発電された電力が入力されて、負荷に出力する電力調整装置であるパワーコンディショナ５６、これらの動作を制御するための制御装置５７が収納されている例を示している。なお、モジュール１より排出された排ガスを外装ケースの外部に排出するための排ガスライン５３に熱交換器４２を備えている例を示している。
　つづいて、上述した燃料電池装置を備える燃料電池システムについて説明する。
　図１２～図１６に示す燃料電池システムは、燃料電池装置からなる発電ユニットと、熱交換後の湯水を貯湯する貯湯ユニットと、これらのユニット間を水が循環するための循環配管とから構成されている。まず、図１２～図１６に示すシステムにおいて、共通する事項について説明する。
　図１２～図１６に示す燃料電池システムは、セルスタック５、天然ガス等の原燃料を供給する原燃料供給手段５４、セルスタック５を構成する燃料電池セル３に酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス供給手段５５、原燃料と水蒸気により水蒸気改質する改質器６を具備している。なお、上述のように、モジュール１は、セルスタック５と改質器６を備えており、図１２～図１６においては、二点鎖線により囲って示している。
　なお、図１２、図１３に示す燃料電池システムは、図３および図４に示す構成の燃料電池モジュールを備える例を示しており、第２の発電部２６を、図面の都合上、セルスタック５に設けているように示しているが、モジュール１（収納容器）の外面に設けていることを意味していることは上述の通りである。
　また、図１２～図１６に示す発電ユニットにおいては、セルスタック５を構成する燃料電池セル３の発電により生じた排ガス（排熱）と循環配管６１を流れる水とで熱交換を行なう熱交換器４２、熱交換器４２で生成された凝縮水を純水に処理するための凝縮水処理装置６５、凝縮水処理装置６５にて処理された水（純水）を貯水するための水タンク５９とが設けられており、水タンク５９と熱交換器４２との間が凝縮水供給管６４により接続されている。なお、熱交換器４２での熱交換により生成される凝縮水の水質によっては、凝縮水処理装置６５を設けない構成とすることもできる。また、凝縮水処理装置６５が水を貯水する機能を有する場合には、水タンク５９を設けない構成とすることもできる。
　水タンク５９に貯水された水は、水タンク５９と改質器６とを接続する水供給管６６に備えられた水ポンプ５８により改質器６に供給される。
　さらに図１２～１６に示す発電ユニットは、第１の発電部にて発電された直流電力を交流電力に変換し、変換された電気の外部負荷への供給量を調整するための電力調整装置（パワーコンディショナ）５６、熱交換器４２の出口に設けられ熱交換器４２の出口を流れる水（循環水流）の水温を測定するための出口水温センサ６０のほか、制御装置５７が設けられており、循環配管６１内で水を循環させる循環ポンプ６２とあわせて発電ユニットが構成されている。そして、これら発電ユニットを構成する各装置を、外装ケース内に収納することで、設置や持ち運び等が容易な燃料電池装置とすることができる。なお、貯湯ユニットは、熱交換後の湯水を貯湯するための貯湯タンク６２を具備して構成されている。
　ここで、燃料電池システムの定格運転時の運転方法について説明する。燃料電池セル３の発電に用いられる燃料ガスを生成するために水蒸気改質を行なうにあたり、改質器６で使用される水は、熱交換器４２においてセルスタック５の運転に伴って生じた排ガスと循環配管６１を流れる水との熱交換により生成される凝縮水が用いられる。熱交換器４２にて生成された凝縮水は、凝縮水処理装置６５により純水とされて水タンク５９に供給される。水タンク５９に貯水された水は、水ポンプ５８により改質器６に供給され、原燃料供給手段５４より供給される原燃料とで水蒸気改質が行われ、生成された燃料ガスが燃料電池セルに供給される。燃料電池セルにおいては、燃料ガスと酸素含有ガス供給手段５５より供給される酸素含有ガスとを用いて発電が行われる。このように凝縮水を有効に利用することにより、水自立運転を行なうことができる。
　上述のような燃料電池装置においては、制御装置５７は、セルスタック５の発電量に対応して必要となる酸素含有ガスを供給するように酸素含有ガス供給手段５５の動作を制御し、あわせて、改質器６にて、セルスタック５の発電量に対応して必要となる燃料ガスを生成する（水蒸気改質する）ように、原燃料供給手段５４の動作を制御するとともに、水ポンプ５８の動作を制御する。
　また、制御装置５７は、外部負荷の要求に応じて、第１の発電部（セルスタック５）で生じた電気と第２の発電部２６とで生じた電気を組み合わせて外部負荷に供給する。なお、セルスタック５および第２の発電部２６は、それぞれパワーコンディショナ５６に接続されている。それゆえ、制御装置５７は、モジュール１の温度がセルスタック５の発電開始可能となるまでの間は、第２の発電部２６で発電した電気を外部負荷や補機類に供給するように制御し、モジュール１の温度が上昇してセルスタック５が発電開始可能となった後は、セルスタック５で発電した電気と第２の発電部２６で発電した電気とを組み合わせて外部負荷や補機類に供給するように制御する。それにより、発電効率の向上した燃料電池装置とすることができる。
　図１３に示す燃料電池システムは、循環ポンプ６３に接続された循環配管６１が、第２の発電部２６の低温側である外側を流れるように設けられている。それにより、貯湯タンク６２に貯水された温度の低い水が、循環ポンプ６３により第２の発電部２６の外側を流れることで、第２の発電部２６における高温と低温との温度差が大きくなるとともに、この温度差を維持することができる。それにより、第２の発電部２６の発電量を大きくすることができる。なお、図１３に示す燃料電池システムにおいては、この循環配管６１の一部が冷媒流路として構成されている。第２の発電部２６の外側に位置する循環配管６１の内部を流れた水は、続いて熱交換器４２に供給され、モジュール１より排出される排ガスと熱交換器４２を流れる水とで熱交換される。
　これにより、第２の発電部２６における発電量を大きくすることができるとともに、熱交換器４２にて凝縮水やお湯を生成することができることから、さらに総合効率の向上した燃料電池装置（燃料電池システム）とすることができる。
　図１４～図１６に示す燃料電池システムは、図１２に示す燃料電池システムと比較して、第２の発電部２６が、モジュール１より排出される排ガスを外装ケースの外部に排出するまでの排ガスラインの一部であるモジュール１と熱交換器４２の間に設けられている。
　上述のような燃料電池システムにおいては、モジュール１より排出された排ガスが、第２の発電部２６の内側を流れる構成となっていることから、第２の発電部２６での発電に関し、モジュール１内の温度に影響を与えることを抑制でき、第１の発電部の発電効率を高く維持することができる。なお、基本的な運転は、図１２に示す燃料電池システムと同じである。
　図１５に示す燃料電池システムにおいては、循環ポンプ６３に接続された循環配管６１が、第２の発電部２６の低温側である外側を流れるように設けられている。それにより、貯湯タンク６２に貯水された温度の低い水が、循環ポンプ６３により第２の発電部２６の外側に供給されることで、第２の発電部２６における高温と低温との温度差が大きくなり、第２の発電部２６の発電量を大きくすることができる。なお、図１５に示す燃料電池システムにおいては、この循環配管６１の一部が冷媒流路として構成されている。第２の発電部２６の外側に位置する循環配管６１を流れた水は、続いて熱交換器４２に供給され、モジュール１より排出される排ガスと熱交換器４２を流れる水とで熱交換される。これにより、第２の発電部２６における発電量を大きくすることができることから、さらに総合効率の向上した燃料電池装置とすることができる。
　図１６に示す燃料電池システムにおいては、モジュール１と第２の発電部２６との間に、モジュール１より排出された排ガスを浄化するための燃焼触媒を備えた浄化装置６７が設けられている。
　モジュール１より排出される排ガスには、燃料電池セル３の発電に利用されなかった燃料ガスや、燃料ガスを燃焼させる構成のモジュール１の場合には、未燃焼の燃料ガス（以下まとめて未燃焼の燃料ガスという）が含まれる場合がある。それゆえ、燃焼触媒を備える浄化装置６７を設けることにより、これらの未燃焼の燃料ガスを浄化することができる。
　ここで、未燃焼の燃料ガスを燃焼触媒にて浄化するにあたり、浄化の過程で発熱を生じることから、モジュール１より排出される排ガスの温度がさらに高くなることとなる。それゆえ、モジュール１と第２の発電部２６との間に浄化装置を設けることで、第２の発電部２６における高温と低温との温度差が大きくなり、第２の発電部２６の発電量を大きくすることができる。
　なお、浄化装置６７としては、粒状の燃焼触媒を備える浄化装置のほか、ハニカム状の浄化装置とすることもでき、また、モジュール１の排気孔２５に配置することもできる。
　さらには、第２の発電部２６（熱電変換モジュール２８）を浄化装置６７の外面に設けることもできる。この場合には、浄化装置６７で未燃焼の燃料ガスを燃焼させることでモジュール１より排出される温度がさらに高くなることで、第２の発電部２６の高温側の温度を高くすることができることから、第２の発電部２６における高温と低温との温度差が大きくなり、第２の発電部２６の発電量を大きくすることができる。さらには、浄化装置６７と第２の発電部２６とを一体化することで、燃料電池装置を構成する部品数を低減することができる。
　ところで、上述の燃料電池装置において、制御装置５７は、第１の発電部であるモジュール１により生じた電力と、第２の発電部２６により生じた電力と、系統電源より供給される電力とを組み合わせて、補機類に供給する電力を制御することが好ましい。
　燃料電池システムの起動時において、燃料電池セル３の発電開始前において、原燃料供給手段５４や酸素含有ガス供給手段５５等を稼働させて、発電に使用されなかった燃料ガスを燃焼させることで、燃料電池セル３の温度を効率よく上昇させることができる。
　逆に、燃料電池システムの停止時において、燃料電池セル３の酸化による劣化を抑制することや、効率よく燃料電池セル３の温度を低下することを目的として、燃料電池セル３の発電停止後にも、原燃料供給手段５４や酸素含有ガス供給手段５５等を稼働させて、燃料ガスや酸素含有ガスを供給することが好ましい。なお、発電停止後とは、モジュール１から外部負荷への電力の供給を停止した後のことをいう。
　この場合において、燃料電池セル３の発電が停止していることから、原燃料供給手段５４や酸素含有ガス供給手段５５等の補機を稼働させるために、系統電源から電力を供給する必要があるため、運転効率が悪くなるおそれがある。
　そこで、本実施形態の燃料電池装置においては、系統電源と、燃料電池セル３を備える第１の発電部と、第２の発電部２６とを組み合わせて、原燃料供給手段５４や酸素含有ガス供給手段５５等の補機類に電力を供給するよう構成することが好ましい。
　図１７は、本実施形態の燃料電池装置の起動時における制御の流れの一例を示すフローチャートである。以下に、図１７に示すフローチャートを用いて、本実施形態の燃料電池装置の起動時における制御の一例について説明する。
　燃料電池装置の起動時にける制御において、まず系統電源と補機とを接続する（ステップＳ１）。それにより補機の稼働が開始される。
　続いて、第２の発電部２６により生じた電力が補機を稼働させるための電力に達しているかどうかを検出する（ステップＳ２）。ここで、第２の発電部２６により生じた電力が、補機を稼働させるための電力に達していない場合には、引き続き系統電源より補機に電力を供給する。
　一方、第２の発電部２６により生じた電力が、補機を稼働させるための電力に達した場合には、第２の発電部２６と補機とを接続し（ステップＳ３）、第２の発電部２６より補機に電力を供給すると同時に、系統電源と補機とを解列する（ステップＳ４）。以降においては、系統電源からの電力を必要としないため、燃料電池装置の運転効率が向上することとなる。
　続いて、第１の発電部により生じた電力が補機を稼働させるための電力に達しているかどうかを検出する（ステップＳ５）。ここで、第１の発電部により生じた電力が、補機を稼働させるための電力に達していない場合には、引き続き第２の発電部２６より補機に電力を供給する。
　一方、第１の発電部により生じた電力が、補機を稼働させるための電力に達した場合には、第１の発電部と補機とを接続し（ステップＳ６）、第１の発電部より補機に電力を供給すると同時に、第２の発電部２６と補機とを解列する（ステップＳ７）。これにより、第２の発電部より発電効率の高い、第１の発電部であるモジュール１の電力を補機に供給することで、燃料電池装置の運転効率がさらに向上することとなる。
　図１８、図１９および図２０は、本実施形態の燃料電池装置の停止動作時における制御の流れの一例を示すフローチャートである。なお、このフローチャートにおいて補機とは、原燃料供給手段５４および酸素含有ガス供給手段５５を意味しており、他の補機については、適宜設定することができる。
　燃料電池装置の停止動作における制御において、図示していないが、まず、燃料電池セル３からの掃引を停止する（外部負荷との接続を解列する）。それにより、燃料電池セル３の発電が停止することとなる。次に、第１の発電部と補機とを解列する（ステップＳ８）。続いて、第２の発電部２６の電力が補機を稼働させるための電力未満かどうかを検出する（ステップＳ９）。ここで、第２の発電部２６の電力が補機を稼働させるための電力に満たない場合には、後述するＣ１に進むこととなる。
　一方、第２の発電部２６の電力が補機を稼働させるための電力未満でない場合には、第２の発電部２６と補機とを接続する（ステップＳ１０）。この場合、直ちに系統電源と補機とを接続する必要がないことから、燃料電池装置の運転効率が向上することとなる。
　続いて、温度計測手段である熱電対１３により測定された燃料電池セル３の温度が、第１の所定温度未満であるかどうかを判断する（ステップＳ１１）。なお、第１の所定温度とは、燃料電池セル３の酸化を抑制できる温度とすればよく、例えば３００～４００℃の範囲で適宜設定することができる。熱電対１３により測定された燃料電池セル３の温度が、第１の所定温度以上である場合には、ステップＳ９に戻って、再び第２の発電部２６の電力が補機を稼働させるための電力未満か否かを検出する。
　一方、熱電対１３により測定された燃料電池セル３の温度が、第１の所定温度未満である場合には、燃料電池セル３の酸化を抑制することができることから、第２の発電部２６と原燃料供給手段５４とを解列する（ステップＳ１２）。なお、この場合において、第２の発電部２６と酸素含有ガス供給手段５５との接続を継続し（ステップＳ１３）、モジュール１内の温度を低下させる。
　続いて、第２の発電部２６による電力が、酸素含有ガス供給手段５５を稼働させるための電力未満かどうかを検出する（ステップＳ１４）。第２の発電部２６による電力が、酸素含有ガス供給手段５５を稼働させるための電力未満の場合には、第２の発電部２６と酸素含有ガス供給手段５５とを解列（ステップＳ１５）して、後述するＣ２に進むこととなる。
　一方、第２の発電部２６による電力が、酸素含有ガス供給手段５５を稼働させるための電力以上の場合には、続いて温度計測手段である熱電対１３により燃料電池セル３の温度を測定し、燃料電池セル３の温度が、第２の所定温度未満であるかどうかを判断する（ステップＳ１６）。なお、第２の所定温度とは、燃料電池装置を分解する際に安全性が確保できる温度とすればよく、例えば０～４００℃の範囲で適宜設定することができる。なお、言うまでもないが第１の所定温度＞第２の所定温度の関係を満足するように適宜設定することができる。
　ここで、ステップＳ１６において、燃料電池セル３の温度が、第２の所定温度以上である場合には、ステップＳ１４に戻って、第２の発電部２６の電力が、酸素含有ガス供給手段５５を稼働させるための電力未満か否かを検出する。
　一方、ステップＳ１６において、燃料電池セル３の温度が第２の所定温度未満である場合には、第２の発電部２６と酸素含有ガス供給手段５５とを解列し（ステップＳ１７）、燃料電池装置の動作を終了する。
　上記のような制御により、系統電源の使用時間を大幅に減少することができることから、運転効率の向上した燃料電池装置とすることができる。
　一方、ステップＳ９において、第２の発電部２６の電力が補機を稼働させるための電力未満である場合には、続いて系統電源と補機とを接続する（ステップＳ１８）。
　続いて、温度計測手段である熱電対１３により測定された燃料電池セル３の温度が、第１の所定温度未満であるかどうかを判断する（ステップＳ１９）。なお、第１の所定温度とは、上述と同様、例えば３００～４００℃の範囲で適宜設定することができる。熱電対１３により測定された燃料電池セル３の温度が、第１の所定温度以上である場合には、例えば所定時間経過後等に、燃料電池セル３の温度が、第１の所定温度未満であるかどうかを再度判断する（ステップＳ１９）。
　一方、熱電対１３により測定された燃料電池セル３の温度が、第１の所定温度未満である場合には、燃料電池セル３の酸化を抑制することができることから、系統電源と原燃料供給手段５４とを解列する（ステップＳ２０）。なお、この場合において、系統電源と酸素含有ガス供給手段５５との接続を継続し（ステップＳ２１）、モジュール１内の温度を低下させる。
　続いて、温度計測手段である熱電対１３により燃料電池セル３の温度を測定し、燃料電池セル３の温度が、第２の所定温度未満であるかどうかを判断する（ステップＳ２２）。なお、第２の所定温度とは、上述と同様、例えば０～４００℃の範囲で適宜設定することができる。
　ここで、ステップＳ２２において、燃料電池セル３の温度が、第２の所定温度以上である場合には、例えば所定時間経過後等に、燃料電池セル３の温度が、第２の所定温度未満であるかどうかを再度判断する（ステップＳ２２）。
　一方、ステップＳ２２において、燃料電池セル３の温度が第２の所定温度未満である場合には、系統電源と酸素含有ガス供給手段５５とを解列し（ステップＳ２３）、燃料電池装置の動作を終了する。
　また、ステップＳ１４において、第２の発電部２６による電力が、酸素含有ガス供給手段５５を稼働させるための電力未満の場合には、第２の発電部２６と酸素含有ガス供給手段５５とを解列（ステップＳ１５）して、系統電源と酸素含有ガス供給手段５５とを接続する（ステップＳ２４）。
　続いて、温度計測手段である熱電対１３により燃料電池セル３の温度を測定し、燃料電池セル３の温度が、第２の所定温度未満であるかどうかを判断する（ステップＳ２５）。なお、第２の所定温度とは、上述と同様、例えば０～４００℃の範囲で適宜設定することができる。
　ここで、ステップＳ２５において、燃料電池セル３の温度が、第２の所定温度以上である場合には、例えば所定時間経過後等に、燃料電池セル３の温度が、第２の所定温度未満であるかどうかを再度判断する（ステップＳ２５）。
　一方、ステップＳ２５において、燃料電池セル３の温度が第２の所定温度未満である場合には、系統電源と酸素含有ガス供給手段５５とを解列し（ステップＳ２６）、燃料電池装置の動作を終了する。
　図２１、２２は、本実施形態の燃料電池装置の停止動作時における制御の流れの他の一例を示すフローチャートであり、ステップＳ１１までは図１８で示したフローチャートと同一である。
　燃料電池装置の停止動作において、燃料電池装置の分解等の処理を行なう必要がない場合がある。この場合に、酸素含有ガス供給手段５５の動作を直ちに停止させ、あえて燃料電池セル３の温度を低下させない方が、燃料電池装置の再起動時の効率が向上することとなる。
　それゆえ、図２１に示すフローチャートにおいては、温度計測手段である熱電対１３により測定された燃料電池セル３の温度が、第１の所定温度未満である場合には、第２の発電部２６と補機とを解列し（ステップＳ２７）、燃料電池装置の動作を終了する。
　一方で、ステップＳ９において、第２の発電部２６の電力が補機を稼働させるための電力未満である場合には、系統電源と補機とを接続する（ステップＳ２８）。
　続いて、温度計測手段である熱電対１３により測定された燃料電池セル３の温度が、第１の所定温度未満であるかどうかを判断する（ステップＳ２９）。熱電対１３により測定された燃料電池セル３の温度が、第１の所定温度以上である場合には、例えば所定時間経過後等に、燃料電池セル３の温度が、第１の所定温度未満であるかどうかを再度判断する（ステップＳ２９）。ステップＳ２９において、燃料電池セル３の温度が第１の所定温度未満である場合には、系統電源と補機とを解列し（ステップＳ３０）、燃料電池装置の動作を終了する。
　それにより、燃料電池セル３の温度が低下しないうちに燃料電池装置の動作を停止することで、燃料電池装置の再起動時の効率が向上することとなる。
　以上、本発明について詳細に説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。
　上述の説明において、第２の発電部２６は収納容器２の外面と、排ガスラインとのそれぞれ別個に設けた例を説明したが、収納容器２の外面と排ガスラインとの両方に設けることもできる。
　また、例えば、図１３、１５に示す燃料電池システムにおいては、冷媒流路として循環配管６１の一部を用いる例を示したが、第２の発電部２６に冷媒流路として水を流す配管を独立して設け、該配管を循環配管６１の熱交換器４２の入り口側に接続することもできる。
　また、熱交換器４２の出口側に接続されている循環配管６１を、第２の発電部２６の低温側である外側を流れるように配置して、貯湯タンク６２に接続するように構成することもできる。この場合であっても、第２の発電部における高温と低温との温度差が十分に確保することができ、第２の発電部２６の発電量を大きくすることができる。
　さらに、貯湯タンク６２を備えていない燃料電池装置においては、冷媒を流す配管を別途設けるほか、冷媒が内部に充填された袋を第２の発電部２６の低温側に設けてもよい。この場合、冷媒は水に限られるものではなく、例えば、メタノール、エタノール、エチレングリコール等の適宜公知の冷媒を用いることができる。
　また、燃料電池装置の運転時において、例えば、図１で示す改質器６において、水蒸気改質を行なう場合においては、燃料電池装置の起動や停止動作において、改質器６に水を供給するための水ポンプ５８の動作も制御することが好ましい。
　この場合において、水ポンプ５８の動作の制御は、原燃料供給手段と同時に行なえばよい。それゆえ、例えば図１８～図２２に示すフローチャートにおいては、原燃料供給手段を、原燃料供給手段および水ポンプと読み替えることで、運転効率の向上した燃料電池装置とすることができる。
１：燃料電池モジュール
２：収納容器
３：燃料電池セル
１３：熱電対
１８、３７：断熱部材
２６：第２の発電部
４２：熱交換器
５３：排ガスライン
５６：パワーコンディショナ
５７：制御装置
６１：循環配管
 
 

Claims (11)

  1. 　燃料ガスと酸素含有ガスとで発電を行なう固体酸化物形の燃料電池セルを含む第１の発電部と、
    該第１の発電部で生じる熱を利用して発電を行なう熱電変換モジュールを含む第２の発電部と、
    前記第１の発電部および前記第２の発電部により発電された電力が入力されて、負荷に出力する電力調整装置と、
    を備えることを特徴とする燃料電池装置。
  2. 　前記燃料電池セルを収納する収納容器と、前記第１の発電部、前記第２の発電部および前記電力調整装置を収納する外装ケースと、前記第１の発電部より排出される排ガスを前記外装ケースの外部に排出する排ガスラインとを備え、前記第２の発電部が、前記収納容器と前記外装ケースとの間に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
  3. 　前記第２の発電部が、前記収納容器と前記外装ケースとの間にある前記排ガスラインおよび前記収納容器の外面上のうち少なくとも一方に設けられている請求項２に記載の燃料電池装置。
  4. 　前記収納容器の外面に断熱部材が設けられているとともに、該断熱部材に前記第２の発電部が設けられていることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池装置。
  5. 　前記収納容器の外面に断熱部材が設けられているとともに、前記断熱部材に前記第２の発電部の少なくとも一部が埋設されていること特徴とする請求項３に記載の燃料電池装置。
  6. 　前記熱電変換モジュールの一部が、前記排ガスラインの一部を構成する筒状体の一部をなしていることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の燃料電池装置。
  7. 　前記熱電変換モジュールが、前記排ガスラインの一部を構成する筒状体の外面に設けられていることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の燃料電池装置。
  8. 　前記熱電変換モジュールの外側に、冷媒が流れる冷媒流路が設けられていることを特徴とする請求項２乃至７のうちいずれかに記載の燃料電池装置。
  9. 　前記排ガスラインに、水と熱交換するための熱交換器が設けられており、前記冷媒流路を流れた水が、前記熱交換器に供給されるように構成されていることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池装置。
  10. 　前記排ガスラインにおいて、前記第１の発電部と前記第２の発電部との間に、前記第１の発電部より排出された排ガスを浄化するための燃焼触媒を備えた浄化装置が設けられていることを特徴とする請求項６または請求項７に記載の燃料電池装置。
  11. 　前記筒状体の内側に、前記第１の発電部より排出された排ガスを浄化するための燃焼触媒が設けられていることを特徴とする請求項６または請求項７に記載の燃料電池装置。
     
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