WO2016013166A1 - 燃料電池装置 - Google Patents

Abstract

　燃料電池装置（ＦＣ）では、改質器（３０２）及び燃焼器（２０）が、燃料電池スタック（ＣＳ）からの輻射熱が直接到達しない位置に配置されている。よって、燃料電池装置の全体をコンパクトな構成としながらも、燃焼器が早期に劣化してしまうことを抑制することができる。

Description

燃料電池装置 関連出願の相互参照

　本出願は、２０１４年７月２２日に出願された日本出願番号２０１４－１４９１７２号に基づくもので、ここにその記載内容を援用する。

　本開示は燃料電池装置に関する。

　燃料電池装置は、燃料及び酸化剤が持つ化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する発電装置である。その発電効率は非常に高く、また排出されるガスも比較的クリーンであることから、次世代の発電装置として注目されている。

　燃料としては水素が用いられるのであるが、現状では水素インフラが十分に整備されていない。このため、燃料電池装置は、既存インフラから得られる原燃料（都市ガス、ＬＰＧ等）を改質して水素を生成する改質器を備えるのが一般的となっている。改質器の内部には改質触媒が配置されている。改質器では、供給された原燃料及び水蒸気が高温の改質触媒に触れることで改質反応が生じ、水素が生成される。当該水素を含有するガスが、燃料として改質器から燃料電池スタック（セルスタック）へと供給される。

　改質反応を安定的に生じさせるためには、改質器内部の改質触媒及び原燃料が高温に保たれている必要がある。そこで、改質器の近傍には、改質器を外側から加熱するための燃焼器が配置されている。燃焼器は、例えば燃料電池スタックから排出された残余の燃料を燃焼させて、生じた燃焼熱により改質器を加熱する。

　特許文献１に記載の燃料電池装置では、改質器及び燃焼器が燃料電池スタックの近傍に配置されている。また、燃料電池スタックに供給される空気（酸化剤）を予め加熱する空気予熱器も、燃料電池スタックの近傍に配置されている。

　発電が行われている際には、燃料電池スタックは反応熱により高温となっている。このため、特許文献１に記載の燃料電池装置では、高温の燃料電池スタックからの輻射熱が、改質器、燃焼器、及び空気予熱器のそれぞれに対して直接到達する。空気が、燃焼器のみならず燃料電池スタックからの輻射熱によっても加熱されるため、燃料電池装置におけるエネルギー利用効率が更に高いものとなっている。また、燃料電池スタックが収容されたケースと同一のケース内に改質器及び燃焼器が配置されているため、全体がコンパクトな構成となっている。

　しかしながら、特許文献１に記載の燃料電池装置では、燃焼器に隣接している改質器に対しても燃料電池スタックからの輻射熱が直接到達するため、燃焼器から改質器への伝熱が減少し、燃焼器が更に加熱されてしまう。その結果、高温となり過ぎた構成部品の酸化が促進されることにより、燃焼器が早期に劣化してしまう可能性がある。

特開２０１１－２３８３６３号公報

　本開示は、全体をコンパクトな構成としながらも、燃焼器が早期に劣化してしまうことを抑制することのできる燃料電池装置を提供することにある。

　本開示の一態様によれば、燃料電池装置は、原燃料を改質して改質燃料を生成する改質器と、改質燃料と酸化剤との供給を受けて発電する燃料電池スタックと、燃料電池スタックから排出された改質燃料を燃焼させることにより、改質器を加熱する燃焼器と、燃料電池スタック、改質器、及び燃焼器を内部に収容するケースと、を備えている。また、改質器及び燃焼器は、燃料電池スタックからの輻射熱が直接到達しない位置に配置されている。

　この燃料電池装置では、燃料電池スタック、改質器、及び燃焼器が単一のケース内に配置されており、全体の構成がコンパクトなものとなっている。また、このような構成であっても、燃料電池スタックからの輻射熱が、改質器及び燃焼器に直接到達することが無い。輻射熱によって改質器が直接加熱されず、改質器の温度が上昇し過ぎることがないため、燃焼器から改質器への伝熱が減少して燃焼器の温度が上昇し過ぎてしまうこともない。その結果、燃焼器が過昇温により早期に劣化してしまうことを抑制することができる。

　本開示によれば、全体をコンパクトな構成としながらも、燃焼器が早期に劣化してしまうことを抑制することのできる燃料電池装置を提供することができる。

図１は、本開示の実施形態に係る燃料電池装置の内部構造を示す模式図である。 図２は、改質ユニットの外観を示す斜視図である。 図３は、燃料電池装置におけるガス及び水の流れを説明するためのブロック図である。 図４は、燃料電池装置の内部における輻射を説明するための模式図である。

　以下、添付図面を参照しながら本開示の実施の形態について説明する。

　図１に示されるように、燃料電池装置ＦＣは、燃料電池スタックＣＳ（セルスタック）と、ケーシング１０と、燃焼器２０と、改質ユニット３０とを備えている。

　燃料電池スタックＣＳは、複数の燃料電池セル（図示せず）の集合体である。各燃料電池セルは、固体酸化物形の燃料電池セル（Solid Oxide Fuel Cell：ＳＯＦＣ）であって、平板状の固体電解質の一方側の面に燃料極（アノード）が形成され、他方側の面に空気極（カソード）が形成された構成となっている。これら燃料極及び空気極は、いずれも導電性のセラミックスで形成された多孔質体である。

　燃料電池スタックＣＳでは、全ての燃料電池セルが上下方向に積層されており、これらが電気的に直列接続された状態となっている。燃料電池スタックＣＳは、スタックアダプタＡＤを介してベースプレートＢＰの上面側に立設されている。

　スタックアダプタＡＤは、内部に複数のガス流路（図示せず）が形成された板状の部材である。後に説明するように、燃料電池スタックＣＳに対する燃料ガスの供給は、スタックアダプタＡＤを介して行われる。また、燃料電池スタックＣＳからのガスの排出（発電に供しなかった残余の燃料ガス及び空気の排出）も、スタックアダプタＡＤを介して行われる。ベースプレートＢＰは、ケーシング１０の内部に水平に配置された円形の金属板である。ベースプレートＢＰにより、ケーシング１０の内部空間は概ね上下２室に分けられている。

　ケーシング１０は、燃料電池スタックＣＳ、燃焼器２０、改質ユニット３０等を内部に収容する略円柱形状の筐体である。ケーシング１０は、その側面及び上面の全体を断熱材（図示せず）により覆われている。ケーシング１０は、第１筒状体１１０と、第２筒状体１２０と、第３筒状体１３０と、第４筒状体１４０と、第５筒状体１５０と、第６筒状体１６０とを有している。第１筒状体１１０、第２筒状体１２０、第３筒状体１３０、第４筒状体１４０、第５筒状体１５０、及び第６筒状体１６０は、いずれも金属製で中心軸周りに略円筒状に形成されており、それぞれの中心軸が同軸となるように配置されている。図１は、当該中心軸に沿う平面を断面とする燃料電池装置ＦＣの模式的な断面図である。

　第１筒状体１１０は、ケーシング１０のうち最も内側に配置された筒状体であって、燃料電池スタックＣＳ及びスタックアダプタＡＤをその内部に収容している。第１筒状体１１０の上端は水平な天板１８１によって塞がれている。また、第１筒状体１１０の下端はベースプレートＢＰの上面に当接した状態で固定されている。第１筒状体１１０の下端から上端までの高さは、スタックアダプタＡＤの下端から燃料電池スタックＣＳの上端までの高さよりも高くなっている。このため、天板１８１と燃料電池スタックＣＳの上端とは離間している。第１筒状体１１０の下部には、貫通孔である吹出口１１１が複数形成されている。これら複数の吹出口１１１は、同じ高さにおいて等間隔に並ぶよう形成されている。吹出口１１１は、燃料電池スタックＣＳに向けて供給される発電用の空気（酸化剤ガス）が通る孔である。

　第２筒状体１２０は、第１筒状体１１０を外側から囲むように配置された筒状体である。第２筒状体１２０の内側面と第１筒状体１１０の外側面との間には、全周に亘って一定の隙間が形成されている。第２筒状体１２０と第１筒状体１１０との間に形成された空間は、発電用の空気が加熱されながら通る流路（空気流路４０３）となっている。

　第２筒状体１２０の内径は、ベースプレートＢＰの外径と略等しい。第２筒状体１２０の下端部近傍における内側面は、全周に亘ってベースプレートＢＰの側面に当接している。当該当接部分において、第２筒状体１２０がベースプレートＢＰに対して固定されている。このような構成により、ベースプレートＢＰよりも下方側の空間と空気流路４０３との間を気体が出入りすることはできなくなっている。

　第３筒状体１３０は、第２筒状体１２０を外側から囲むように配置された筒状体である。第３筒状体１３０の内側面と第２筒状体１２０の外側面との間には、全周に亘って一定の隙間が形成されている。第３筒状体１３０と第２筒状体１２０との間に形成された空間は、燃焼器２０における燃焼により生じた高温の燃焼排ガスが通る流路（燃焼排ガス流路４１１）となっている。第３筒状体１３０の上端は、第２筒状体１２０の上端よりも低い位置に配置されている。第３筒状体１３０はベースプレートＢＰの下端よりも更に下方側まで延びている。

　第４筒状体１４０は、第３筒状体１３０を外側から囲むように配置された筒状体である。第４筒状体１４０の内側面と第３筒状体１３０の外側面との間には、全周に亘って一定の隙間が形成されている。第４筒状体１４０と第３筒状体１３０との間に形成された空間は、燃焼器２０における燃焼により生じた高温の燃焼排ガスが通る流路（燃焼排ガス流路４１２）となっている。

　第２筒状体１２０の上端と第４筒状体１４０の上端とは、その高さ方向の位置が同一となっている。両者は、水平に配置されたドーナツ状の円板である天板１８２により繋がれている。つまり、第２筒状体１２０の上端が天板１８２の内周端に繋れており、第４筒状体１４０の上端が天板１８２の外周端に繋れている。第３筒状体１３０の上端と天板１８２との間には隙間が形成されている。このため、燃焼排ガス流路４１１と燃焼排ガス流路４１２とは、それぞれの上端部において互いに繋がっている。

　第３筒状体１３０の下端と第４筒状体１４０の内側面とは、水平に配置されたドーナツ状の円板である底板１８３により繋がれている。つまり、燃焼排ガス流路４１２の下端が底板１８３により塞がれている。

　第４筒状体１４０の下部（底板１８３よりも僅かに上方側）には、ガス排出管１９１が接続されている。ガス排出管１９１の内部空間は燃焼排ガス流路４１２に通じている。ガス排出管１９１は、燃焼排ガス流路４１２を通った燃焼排ガスをケーシング１０の外部に排出し、後述の排熱回収器６２に供給するための配管である。

　第４筒状体１４０は、第３筒状体１３０の下端よりも更に下方側まで延びている。第４筒状体１４０の下端には、当該下端から外側に向かって延びる水平なフランジ部１４１が形成されている。フランジ部１４１は、燃料電池装置ＦＣが設置される際においてケーシング１０の固定に利用されるフランジである。

　第４筒状体１４０の下端部近傍には、水平な円板である底板１８４が配置されている。底板１８４の外径は第４筒状体１４０の内径と略等しい。底板１８４は、その外側面全体を第４筒状体１４０の内側面に当接させた状態で固定されている。底板１８４の下方側の空間には断熱材ＴＩが配置されている。

　第５筒状体１５０は、ケーシング１０のうち最も外側に配置された筒状体であり、第４筒状体１４０の上部を外側から囲むように配置されている。第５筒状体１５０の内側面と第４筒状体１４０の外側面との間には、全周に亘って一定の隙間が形成されている。第５筒状体１５０と第４筒状体１４０との間に形成された空間は、発電用の空気が加熱されながら通る流路（空気流路４０１）となっている。

　第５筒状体１５０は、第１筒状体１１０、第２筒状体１２０、第３筒状体１３０、及び第４筒状体１４０のいずれの上端よりも更に上方側まで延びている。第５筒状体１５０の上端は水平な天板１８５によって塞がれている。天板１８５と天板１８２との間には隙間４０２が形成されている。空気流路４０１の上端部と空気流路４０３の上端部とは、隙間４０２を介して互いに繋がっている。

　第５筒状体１５０の下端と第４筒状体１４０の外側面とは、水平に配置されたドーナツ状の円板である底板１８６により繋がれている。つまり、空気流路４０１の下端が底板１８６により塞がれている。

　第５筒状体１５０の下部（底板１８６よりも僅かに上方側）には、空気導入管１９２が接続されている。空気導入管１９２の内部空間は空気流路４０１に通じている。空気導入管１９２は、発電用の空気をケーシング１０の内部に導入するための配管である。

　第６筒状体１６０は、第３筒状体１３０の内側であり且つベースプレートＢＰの下方側となる位置に配置された筒状体である。第６筒状体１６０は、上方側の部分である上円筒部１６１と、下方側の部分である下円筒部１６２とを有している。上円筒部１６１の径は下円筒部１６２の径に比べて小さい。上円筒部１６１の下端と下円筒部１６２の上端とは、水平に配置されたドーナツ状の円板である中間部１６３で繋がれている。上円筒部１６１の上端はベースプレートＢＰの下面に当接している。下円筒部１６２の下端は底板１８４の上面に当接している。

　下円筒部１６２の径は第３筒状体１３０の径よりも小さい。このため、第３筒状体１３０と第６筒状体１６０との間には全周に亘って隙間が形成されている。また、当該隙間には改質ユニット３０が配置されているが、改質ユニット３０と第６筒状体１６０との間にも全周に亘って隙間が形成されている。以下の説明においては、第６筒状体１６０の内側に形成された空間を「内側空間６０１」とも称する。また、第６筒状体１６０の下円筒部１６２と、改質ユニット３０の内側円筒３２０との間に形成された空間を、「外側空間６０２」とも称する。

　下円筒部１６２のうち、改質ユニット３０の下端部よりも低い位置には、貫通孔である流出口１６５が複数形成されている。これら複数の流出口１６５は、同じ高さにおいて等間隔に並ぶよう形成されている。これら流出口１６５により、内側空間６０１と外側空間６０２とが連通されている。流出口１６５は、燃焼器２０における燃焼により生じた高温の燃焼排ガスが通る孔である。

　燃焼器２０は、発電に供しなかった残余の燃料ガス（以下、「残余燃料」とも称する）及び発電に供しなかった残余の空気（以下、「残余空気」とも称する）を混合して燃焼させるためのバーナーである。燃焼器２０はステンレス鋼により形成されている。燃焼器２０は、全体が略円柱形状に形成されており、ベースプレートＢＰの下面のうち中央から下方に向けて突出するように配置されている。また、上面視において、燃焼器２０はケーシング１０の中央となる位置（上円筒部１６１の中心軸に沿った位置）に配置されている。

　燃料電池スタックＣＳから排出された残余燃料及び残余空気は、いずれもスタックアダプタＡＤ内に形成された流路（図示せず）及びベースプレートＢＰ内に形成された流路（図示せず）を通じて、燃焼器２０の上端部へと供給される。その後、残余燃料及び残余空気は、燃焼器２０内に形成された流路（図示せず）を通って燃焼器２０の下端部に到達し、下端部において混合されながら下方に向けて噴出される。燃焼器２０の下端部では、噴出された残余燃料及び残余空気が燃焼し、高温の燃焼排ガスが生じる。また、当該燃焼の熱により燃焼器２０自体も高温となる。

　燃焼器２０の下方側には着火器ＩＧが配置されている。着火器ＩＧは、燃焼器２０から噴出された残余燃料及び残余空気の混合気体に着火させて、燃焼を開始させるための装置である。着火器ＩＧは、底板１８４及び断熱材ＴＩを上下に貫いており、火花放電が生じる上端部を燃焼器２０の下端に近接させた状態で配置されている。着火器ＩＧによる着火は、燃料電池装置ＦＣの起動時において行われる。

　図１及び図２を参照しながら、改質ユニット３０の構成について説明する。改質ユニット３０は、改質反応によって都市ガス（原燃料）から燃料ガス（改質燃料：水素含有ガス）を生成する改質器３０２と、水蒸気を発生させて改質器３０２に供給する蒸発器３０１とが一体となったものである。改質ユニット３０は、その全体が略円筒形状となっており（図２参照）、ケーシング１０の内部のうち第３筒状体１３０と第６筒状体１６０との間の空間に配置されている。改質ユニット３０は、外側円筒３１０と、内側円筒３２０と、天板３３０と、第１底板３４０と、第２底板３５０と、第１仕切板３６０と、第２仕切板３７０とを有している。このうち、外側円筒３１０、内側円筒３２０、天板３３０、第１底板３４０、第２底板３５０、及び第１仕切板３６０のうち第１底板３４０よりも下方側の部分は、改質ユニット３０の外形を区画している。

　外側円筒３１０は、改質ユニット３０の外側面を形成する筒状体である。外側円筒３１０の中心軸は第３筒状体１３０の中心軸と一致している。外側円筒３１０の外径は第３筒状体１３０の内径に略等しい。外側円筒３１０は、その外側面の略全体が第３筒状体１３０の内側面に当接している。外側円筒３１０は、底板１８３よりも更に下方側まで延びている。

　内側円筒３２０は、改質ユニット３０の内側面を形成する筒状体である。内側円筒３２０の中心軸は第３筒状体１３０の中心軸と一致している。内側円筒３２０の外径は、外側円筒３１０の内径よりも小さい。このため、外側円筒３１０と内側円筒３２０と間には空間が形成されている。後に説明するように、当該空間の一部が、水が水蒸気となって流れる空間となっている。また、当該空間の他の一部が、改質反応が生じて燃料ガスが生成される空間となっている。

　内側円筒３２０の内径は、第３筒状体１３０の下円筒部１６２の外径よりも大きい。このため、既に説明したように、改質ユニット３０と第６筒状体１６０との間には全周に亘って隙間が形成されている。内側円筒３２０の上端の高さは、外側円筒３１０の上端の高さと同一となっている。一方、内側円筒３２０の下端の高さは、外側円筒３１０の下端の高さよりも高くなっており、底板１８３の下端の高さと同一となっている。

　天板３３０は、水平に配置されたドーナツ状の円板である。天板３３０の外側面は、外側円筒３１０の内側面のうち上端部に繋がっている。また、天板３３０の内側面は、内側円筒３２０の外側面のうち上端部に繋がっている。このように、天板３３０によって外側円筒３１０の上端と内側円筒３２０の上端とが繋がれている。

　第１底板３４０は、水平に配置されたドーナツ状の円板である。第１底板３４０は底板１８３と同一の高さとなる位置に配置されている。第１底板３４０の外側面は、後述の第１仕切板３６０の内側面に繋がっている。また、第１底板３４０の内側面は、内側円筒３２０の内側面のうち下端部に繋がっている。

　第２底板３５０は、水平に配置されたドーナツ状の円板である。第２底板３５０の外側面は、外側円筒３１０の内側面のうち下端部に繋がっている。また、第２底板３５０の内側面は、後述の第１仕切板３６０の外側面のうち下端部に繋がっている。このため、第２底板３５０は第１底板３４０よりも低い位置に配置されている。

　第１仕切板３６０は、その一部が改質ユニット３０の内部に配置された筒状体である。第１仕切板３６０の中心軸は、外側円筒３１０の中心軸及び内側円筒３２０の中心軸と一致している。第１仕切板３６０の外径は、外側円筒３１０の内径よりも小さい。このため、外側円筒３１０と第１仕切板３６０と間には、全周に亘って一定の隙間が形成されている。

　第１仕切板３６０の上端の高さは、外側円筒３１０の上端の高さよりも低くなっている。このため、第１仕切板３６０の上端と天板３３０の下面との間には隙間が空いている。第１仕切板３６０の下端の高さは、外側円筒３１０の下端の高さと同一となっている。既に述べたように、第１仕切板３６０の下端部には外側から第２底板３５０が繋がっている。また、第１仕切板３６０には内側から第１底板３４０が繋がっている。

　第２仕切板３７０は、その全体が改質ユニット３０の内部に配置された筒状体である。第２仕切板３７０の中心軸は、外側円筒３１０の中心軸及び内側円筒３２０の中心軸と一致している。第２仕切板３７０の外径は、第１仕切板３６０の内径よりも小さい。このため、第２仕切板３７０と第１仕切板３６０と間には、全周に亘って一定の隙間が形成されている。また、第２仕切板３７０の内径は、内側円筒３２０の外径よりも大きい。このため、第２仕切板３７０と内側円筒３２０と間にも、全周に亘って一定の隙間が形成されている。

　第２仕切板３７０は、その上端を天板３３０の底面に当接させた状態で、天板３３０に対して固定されている。第２仕切板３７０の下端の高さは、内側円筒３２０の下端の高さよりも高くなっている。このため、第２仕切板３７０の下端と第１底板３４０の上面との間には隙間が空いている。

　以上のような構成により、改質ユニット３０の内部には、外側円筒３１０と第１仕切板３６０と間に形成された空間である第１空間３８１と、第１仕切板３６０と第２仕切板３７０と間に形成された空間である第２空間３８２と、第２仕切板３７０と内側円筒３２０と間に形成された空間である第３空間３８３とが形成されている。第１仕切板３６０の上方において第１空間３８１と第２空間３８２とが繋がっており、第２仕切板３７０の下方において第２空間３８２と第３空間３８３とが繋がっている。

　第２底板３５０には、水供給配管３９１の一端が下方から接続されている。水供給配管３９１は、第１空間３８１に水を供給するための配管である。水供給配管３９１の他端は、ケーシング１０の外部に配置された水供給ポンプ（図示せず）に接続されている。

　後に詳しく説明するように、水供給配管３９１から第１空間３８１内に供給された水は、燃焼排ガス流路４１２を通る高温の燃焼排ガスによって加熱されて水蒸気となる。水蒸気は、第１空間３８１、第２空間３８２を順に通って、第３空間３８３の入口に到達する。このように、改質ユニット３０のうち、第１空間３８１、第２空間３８２、及びこれらを区画する壁面は、外部から水の供給を受けて水蒸気を発生させる部分、すなわち蒸発器３０１に該当する部分となっている。

　第１空間３８１には支持板３５２が配置されている。支持板３５２は、第１空間３８１を上下に仕切るように水平に配置されたドーナツ状の板である。支持板３５２は、第１底板３４０と同一の高さとなる位置において、外側円筒３１０及び第１仕切板３６０に対して固定されている。支持板３５２には複数の貫通孔（図示せず）が形成されており、支持板３５２を水が通過し得るようになっている。第１空間３８１のうち支持板３５２よりも上方側には、外側円筒３１０から水への伝熱を促進するための伝熱促進部材ＣＢが充填されている。伝熱促進部材ＣＢは複数のアルミナの球体（セラミックボール）である。

　第１底板３４０には、都市ガス供給配管３９２の一端が下方から接続されている。都市ガス供給配管３９２は、第３空間３８３の入口部分に都市ガスを供給するための配管である。都市ガス供給配管３９２の他端は脱硫器６１（図３参照）に接続されている。

　第３空間３８３には改質触媒ＲＣが充填されている。改質触媒ＲＣは、アルミナの球体表面にニッケル等の触媒金属を担持させたものである。第３空間３８３のうち、第２仕切板３７０の下端より僅かに高い位置には、水平に配置された金属網（図示せず）が固定されており、当該金属網によって改質触媒ＲＣが下方から支えられている。

　後に詳しく説明するように、都市ガス供給配管３９２から改質ユニット３０の内部に供給された都市ガスは、第３空間３８３の入口部分において水蒸気と混合された後、第３空間３８３を上方に向かって流れる。この時、都市ガスと水蒸気が改質触媒ＲＣに触れることによって水蒸気改質反応が生じ、燃料ガス（水素含有ガス）が生成される。このように、改質ユニット３０のうち、第３空間３８３及びこれを区画する壁面は、蒸発器３０１からの水蒸気の供給、及び外部から都市ガスの供給を受けて水蒸気改質反応が生じる部分、すなわち改質器３０２に該当する部分となっている。改質触媒ＲＣは、第３空間３８３の周方向全体に亘って充填されている。このため、蒸発器３０１から供給された水蒸気が、改質触媒ＲＣに触れることなく第３空間３８３を通過してしまうことはない。

　内側円筒３２０のうち上端部の近傍には、燃料ガス供給配管３９３の一端が接続されている。燃料ガス供給配管３９３は、改質ユニット３０（改質器３０２）において生成された燃料ガスを燃料電池スタックＣＳへ供給するための配管である。燃料ガス供給配管３９３の他端はベースプレートＢＰの下面に接続されている。燃料ガスは、第３空間３８３の上部から燃料ガス供給配管３９３を通ってベースプレートＢＰに到達する。その後、ベースプレートＢＰ内に形成された流路（図示せず）及びスタックアダプタＡＤ内に形成された流路（図示せず）を通って、燃料電池スタックＣＳに供給される。

　燃料ガス供給配管３９３は、上流側から順に、水平部３９３ａ、湾曲部３９３ｂ、鉛直部３９３ｃを有している（図２参照）。水平部３９３ａは、内側円筒３２０の中心軸に向かって内側円筒３２０から水平に延びる配管である。湾曲部３９３ｂは、水平部３９３ａの下流側端部から内側円筒３２０の中心軸の周りに円弧状に延びる配管である。鉛直部３９３ｃは、湾曲部３９３ｂの下流側端部から鉛直上方に向かって延びる配管である。

　燃料ガス供給配管３９３はこのような形状に形成されているため、全体が撓みやすくなっており、燃料電池装置ＦＣの動作中に高温となり熱膨張しても大きな熱応力が生じてしまうことがない。その結果、改質ユニット３０、ベースプレートＢＰ、及び燃料ガス供給配管３９３自体が熱応力により破損してしまうことが防止される。

　改質ユニット３０は、耐熱性の材質からなる円筒型のシールブロックＳＢにより下方から支持されている。シールブロックＳＢは、その上端が改質ユニット３０の下面（第１底板３４０）に当接しており、その下端が底板１８４の上面に当接している。シールブロックＳＢの内径は改質ユニット３０の内径に等しい。また、シールブロックＳＢの径方向の寸法（厚さ）は、改質ユニット３０の径方向の寸法（厚さ）よりも小さくなっている。このため、図１に示されるように、シールブロックＳＢの外側（改質ユニット３０の下方側）には空間ＳＰが形成されている。

　第６筒状体１６０の外側の空間と空間ＳＰとは、改質ユニット３０及びシールブロックＳＢによって分離されており、両者の間をガスが通過することができなくなっている。高温の燃焼排ガスが空間ＳＰ内に流入しないため、空間ＳＰ内の気温は比較的低温に保たれている。

　続いて、図１及び図３を主に参照しながら、燃料電池装置ＦＣの動作中におけるガス（空気、都市ガス、燃料ガス、及び燃焼排ガス）の流れについて説明する。

　まず、燃料電池スタックＣＳに供給される発電用の空気（酸化剤ガス）の流れについて説明する。空気は、ケーシング１０の外部に配置されたブロア（図示せず）から、空気導入管１９２を通じてケーシング１０の内部に供給される。

　空気導入管１９２を通じて供給された空気は、空気流路４０１を上方に向かって流れる。その後、隙間４０２を経由して空気流路４０３に流入し、空気流路４０３を下方に向かって流れる。

　空気流路４０１と空気流路４０３との間には、燃焼排ガス流路４１１及び燃焼排ガス流路４１２が形成されている。これら燃焼排ガス流路４１１及び燃焼排ガス流路４１２の内部では、高温の燃焼排ガスが通っている。このため、ケーシング１０内に導入された空気は、空気流路４０１及び空気流路４０３を通る間に燃焼排ガスによって加熱され、その温度を上昇させる。つまり、空気と燃焼排ガスとの間で熱交換が行われる。

　また、発電中において燃料電池スタックＣＳは高温となっており、燃料電池スタックＣＳからの輻射熱によって第１筒状体１１０も高温となっている。このため、空気は、空気流路４０３を通る際において第１筒状体１１０に触れることにより更に加熱される。

　このように、空気流路４０１及び空気流路４０３は、燃焼排ガスの熱及び燃料電池スタックＣＳからの輻射熱によって空気が加熱されながら流れる流路となっている。このため、以下の説明においては、空気流路４０１と空気流路４０３とをまとめて「空気加熱流路４０」とも表記する。空気加熱流路４０は、燃料電池スタックＣＳを側方から取り囲むように配置されている。空気加熱流路４０は、燃焼器２０における燃焼により生じた燃焼排熱（燃焼排ガスの熱）と、燃料電池スタックＣＳに供給される空気と、の間で熱交換を行う「予熱器」に該当するものということができる。

　空気流路４０３の下部まで到達した空気は、第１筒状体１１０に形成された吹出口１１１から燃料電池スタックＣＳに向けて噴出される。その後、空気はそれぞれの燃料電池セルの空気極に到達し、発電に供される。

　燃料電池スタックＣＳに供給される燃料ガスの流れ、及び燃料ガスの原料である都市ガスの流れについて説明する。都市ガスは、ケーシング１０の外部から都市ガス供給配管３９２を通じて改質ユニット３０内に供給される。都市ガスの供給源と都市ガス供給配管３９２との間には脱硫器６１が配置されている。脱硫器６１は、都市ガスに含まれる硫黄成分を除去するための装置である。都市ガスは、燃料電池セルの性能に悪影響を及ぼす硫黄成分が脱硫器６１によって除去された後、改質ユニット３０内に供給される。

　都市ガス供給配管３９２から改質ユニット３０の内部に供給された都市ガスは、第３空間３８３の入口部分において水蒸気と混合される。その後、改質触媒ＲＣが充填された第３空間３８３を上方に向かって流れる。

　第６筒状体１６０の下円筒部１６２と、改質ユニット３０の内側円筒３２０との間に形成された空間には、高温の燃焼排ガスが通っている。このため、都市ガス及び水蒸気は、第３空間３８３を通る間に燃焼排ガスによって加熱され、その温度を上昇させる。つまり、都市ガス及び水蒸気と燃焼排ガスとの間で熱交換が行われる。また、第３空間３８３に充填されている改質触媒ＲＣも、内側円筒３２０を通じた伝熱によって高温となっている。

　燃焼器２０を取り囲む第６筒状体１６０は、燃焼排ガスによって加熱されていることに加え、燃焼器２０からの輻射熱によっても加熱されているため、非常に高温となっている。その結果、改質ユニット３０の内側円筒３２０には、高温となった第６筒状体１６０からの輻射熱（燃焼器２０から第６筒状体１６０を経由して到達した輻射熱ともいえる）が到達している。つまり、内側円筒３２０を含む改質器３０２は、燃焼排ガスによって加熱されるだけではなく、燃焼器２０からの輻射熱によっても加熱されている。

　このような状態において、都市ガスと水蒸気の混合ガスが改質触媒ＲＣに触れると、第３空間３８３（改質器３０２）では水蒸気改質反応が生じる。その結果、上記混合ガスから燃料ガスが生成される。尚、水蒸気改質反応は吸熱反応であるため、反応を安定して維持させるためには熱の供給が必要となる。本実施形態においては、内側円筒３２０を通じて加えられる燃焼排ガスからの熱、及び燃焼器２０からの輻射熱の両方が、水蒸気改質反応を維持するための熱として用いられる。

　改質器３０２において生成された燃料ガスは、燃料ガス供給配管３９３及びスタックアダプタＡＤ内の流路を通って燃料電池スタックＣＳに供給される。燃料ガスは、それぞれの燃料電池セルの燃料極に到達し、発電に供される。

　燃焼排ガスの流れについて説明する。既に説明したように、燃料電池スタックＣＳから排出された残余燃料及び残余空気は燃焼器２０に供給され、燃焼器２０の下端部において燃焼する。当該燃焼の結果、第６筒状体１６０の内部（内側空間６０１）では高温の燃焼排ガスが生じる。燃焼排ガスは、流出口１６５を通って第６筒状体１６０の外側（外側空間６０２）へ流出する。

　その後、燃焼排ガスは、内側円筒３２０に沿って外側空間６０２を上方に向かって流れる。このとき、既に述べたように、燃焼排ガスの熱は内側円筒３２０を通じて第３空間３８３に伝達され、水蒸気改質反応を維持するための熱の一部として用いられる。

　外側空間６０２を通過した燃焼排ガスは、空気流路４０３を流れる空気との間で熱交換しながら、燃焼排ガス流路４１１を上方に向かって流れる。続いて、空気流路４０１を流れる空気との間で熱交換しながら、燃焼排ガス流路４１２を下方に向かって流れる。

　改質ユニット３０の外側円筒３１０は、支持板３５２よりも上方側の部分において第３筒状体１３０の内側面に当接している。このため、燃焼排ガス流路４１２を通る燃焼排ガスによって外側円筒３１０は高温となっている。

　水供給配管３９１から第１空間３８１内に供給された水は、外側円筒３１０からの伝熱（燃焼排ガスの熱）により加熱されて水蒸気となる。つまり、水と燃焼排ガスとの間で熱交換が行われ、これにより第１空間３８１内で水蒸気が生成される。

　燃焼排ガス流路４１２の下端部まで到達した燃焼排ガスは、ガス排出管１９１を通って排熱回収器６２に供給される。排熱回収器６２は、燃焼排ガスと水と熱交換させることにより湯を生成するものである。このように、燃料電池装置ＦＣは発電を行うことに加えて湯を生成することも可能となっており、高い効率でエネルギーを利用するコジェネレーションシステムとなっている。

　続いて、水及び水蒸気の流れについて説明する。改質ユニット３０（蒸発器３０１）には、ケーシング１０の外部に配置された水供給ポンプ（図示せず）から水供給配管３９１を通じて水が供給される。水供給配管３９１は第２底板３５０に対して下方から接続されている。このため、供給された水は、まず第１空間３８１の下部に形成された空間に溜まることとなる。具体的には、第１空間３８１のうち支持板３５２よりも下方側の空間である貯水部ＷＳに溜まることとなる。

　貯水部ＷＳは、外側円筒３１０のうち底板１８３よりも下方側の部分（以下、当該部分を「区画壁３１１」とも表記する）と、第２底板３５０と、第１仕切板３６０のうち第１底板３４０よりも下方側の部分（以下、当該部分を「区画壁３６１」とも表記する）とによって区画された空間となっている。

　図２に示されるように、貯水部ＷＳを区画する区画壁３１１、第２底板３５０、及び区画壁３６１は、改質ユニット３０の底面の一部を下方に向けて延ばしたような形状となっている。これらは、いずれも空間ＳＰ内に配置されている（図１参照）。つまり、高温の燃焼排ガスが到達せず、比較的低温となっている空間内に配置されている。

　また、燃焼排ガス流路４１２を通る燃焼排ガスによって外側円筒３１０は加熱されるのであるが、区画壁３１１は底板１８３よりも下方側に配置されているため、燃焼排ガスによって直接は加熱されない。このため、貯水部ＷＳ内において水が沸騰することはなく、貯水部ＷＳ内は全体が水（液体）で満たされている。

　水供給ポンプから水が供給されることにより、第１空間３８１内の水面の高さは、支持板３５２の上面よりも僅かに高い位置に維持される。このため、支持板３５２の上方側に充填された伝熱促進部材ＣＢ（アルミナの球体）は、一部が水没した状態となっている。

　第１空間３８１内においては、燃焼排ガスによって高温となった外側円筒３１０からの伝熱により、伝熱促進部材ＣＢも高温となっている。支持板３５２よりも上方側に存在する水は、高温の伝熱促進部材ＣＢに触れることにより沸騰し、水蒸気となる。

　このように、第１空間３８１内において水は水蒸気となり、上方側に向かって流れる。その後、水蒸気は第２空間３８２を下方に向かって流れて、第３空間３８３（改質器３０２）に供給される。

　図４を参照しながら、燃料電池装置ＦＣの内部（ケーシング１０の内部）における輻射について説明する。既に説明したように、燃料電池装置ＦＣの動作中において燃料電池スタックＣＳは高温となっているため、その周囲に向けて燃料電池スタックＣＳからの輻射熱が放散されている。図４においては、燃料電池スタックＣＳから周囲に向けて放射される輻射熱が、符号ＲＤ１を付された矢印により示されている。以下では、燃料電池スタックＣＳから放射される輻射熱を「輻射熱ＲＤ１」とも表記する。

　空気流路４０１及び空気流路４０３からなる空気加熱流路４０は、その略全体が燃料電池スタックＣＳを側方から囲むように配置されている。また、燃料電池スタックＣＳと空気加熱流路４０との間には、燃料電池スタックＣＳからの輻射熱ＲＤ１を遮るような遮蔽物は存在していない。輻射熱ＲＤ１が空気加熱流路４０に直接到達するので、空気加熱流路４０における空気の加熱が効率的に行われる。

　空気加熱流路４０を流れる空気の温度は、燃料電池スタックＣＳの温度よりも低い。その結果、第１筒状体１１０の温度は燃料電池スタックＣＳの温度に比べれば低温となっている。このため、燃料電池スタックＣＳは低温の空気加熱流路４０（予熱器）によって周囲を囲まれており、輻射により冷却されているということもできる。このような構成により、燃料電池スタックＣＳを冷却することを目的として発電用の空気を過剰に供給する必要性は小さくなっている。本実施形態においては、空気加熱流路４０が燃料電池スタックＣＳの周囲に配置されていない場合に比べて、空気供給用のブロアの回転数を低減することが可能となっており、燃料電池装置ＦＣ全体の効率が高められている。

　このように、本実施形態に係る燃料電池装置ＦＣでは、改質器３０２及び燃焼器２０が単一のケース内に配置されたコンパクトな構成でありながらも、燃料電池スタックＣＳからの輻射熱に起因した燃焼器２０の劣化が抑制されている。

　尚、燃料電池スタックＣＳを輻射により冷却することのみに鑑みれば、燃料電池スタックＣＳの周囲全体が（空気加熱流路４０ではなく）改質器で囲まれているような構成とすることも考えられる。しかしながら、そのような構成では、燃料電池スタックＣＳの下端から上端までの広い範囲全体が改質器（改質触媒が充填された流路）で囲まれた構成とする必要があるため、改質器の流路抵抗が大きくなり過ぎてしまう可能性が高い。その結果、燃料供給ポンプの負荷が大きくなり過ぎて、燃料電池装置ＦＣ全体のエネルギー利用効率が低下してしまう可能性が高い。

　これに対し、本実施形態のように燃料電池スタックＣＳの周囲全体が空気加熱流路４０で囲まれているような構成であれば、燃料電池スタックＣＳの下端から上端までの広い範囲全体が空気加熱流路４０で囲まれた構成としても、空気加熱流路４０の流路抵抗が大きくなり過ぎてしまうことがない。

　ケーシング１０の内部空間は、水平面に沿った板であるベースプレートＢＰによって概ね上下２室に分けられている。燃料電池スタックＣＳはベースプレートＢＰよりも上方の空間に配置され、燃焼器２０及び改質ユニット３０の両方はベースプレートＢＰよりも下方の空間に配置されている。その結果、燃料電池スタックＣＳからの輻射熱ＲＤ１は、ベースプレートＢＰによって遮られており、燃焼器２０及び改質ユニット３０には直接しない。換言すれば、改質ユニット３０（改質器３０２）及び燃焼器２０は、ケーシング１０の内部のうち、燃料電池スタックＣＳからの輻射熱ＲＤ１が直接到達しない位置に配置されている。このため、輻射熱ＲＤ１によって燃焼器２０が直接加熱されることはなく、温度が上昇し過ぎることによって燃焼器２０が劣化したり破損したりしてしまうことが抑制されている。

　また、輻射熱ＲＤ１によって改質ユニット３０が直接加熱されることもないため、これにより改質ユニット３０の温度が上昇し過ぎてしまうこともない。その結果、燃焼器２０から改質ユニット３０への伝熱が減少してしまうことが防止され、燃焼器２０の温度上昇は更に抑制される。ベースプレートＢＰは、本開示の「遮蔽板」に該当するものである。

　燃料電池装置ＦＣの動作中において、燃焼器２０は燃料電池スタックＣＳよりも更に高温となっている。このため、燃焼器２０からも周囲に向けて輻射熱が放散されている。図４においては、燃焼器２０から周囲に向けて放射される輻射熱が、符号ＲＤ２を付された矢印により示されている。以下では、燃焼器２０から放射される輻射熱を「輻射熱ＲＤ２」とも表記する。

　既に説明したように、改質器３０２を含む改質ユニット３０は、燃焼器２０を側方から囲むように配置されている。その結果、改質器３０２は輻射熱ＲＤ２により加熱されており、改質器３０２内においては水蒸気改質反応（吸熱反応）が安定して生じている。

　改質ユニット３０の温度は燃焼器２０の温度よりも低い。このため、燃焼器２０は低温の改質ユニット３０によって周囲を囲まれており、輻射により冷却されているということもできる。このような構成により、燃焼器２０が高温となり過ぎて劣化してしまうことを抑制している。

　また、燃焼器２０からの輻射熱ＲＤ２は、ベースプレートＢＰによって遮られており、燃料電池スタックＣＳに直接到達することはない。このため、燃料電池スタックＣＳが高温になり過ぎてしまう可能性は更に小さくなっている。

　本実施形態においては、燃料電池スタックＣＳの側方（周囲）には空気加熱流路４０のみが配置されており、燃焼器２０や改質器３０２は配置されていない。その結果、燃料電池スタックＣＳを側方から囲む複雑な流路を形成する必要がなく、ケーシング１０の内部が比較的シンプルな構成となっている。

　以上、本開示の実施形態について説明した。しかし、本開示は、これらの具体例に限定されるものではない。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本開示の特徴を備えている限り、本開示の範囲に包含される。例えば、前述した各具体例が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、前述した各実施形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本開示の特徴を含む限り本開示の範囲に包含される。

 

Claims (7)

1. 　原燃料を改質して改質燃料を生成する改質器（３０２）と、
   　前記改質燃料と酸化剤との供給を受けて発電する燃料電池スタック（ＣＳ）と、
   　前記燃料電池スタックから排出された前記改質燃料を燃焼させることにより、前記改質器を加熱する燃焼器（２０）と、
   　前記燃料電池スタック、前記改質器、及び前記燃焼器を内部に収容するケース（１０）と、を備え、
   　前記改質器及び前記燃焼器は、前記燃料電池スタックからの輻射熱が直接到達しない位置に配置されている燃料電池装置。
2. 　前記ケースの内部には水平面に沿って遮蔽板（ＢＰ）が配置されており、
   　前記燃料電池スタックは前記遮蔽板よりも上方に配置され、
   　前記改質器及び前記燃焼器は前記遮蔽板よりも下方に配置されている請求項１に記載の燃料電池装置。
3. 　上面視において、前記燃焼器は前記ケースの中央となる位置に配置されており、
   　前記改質器は、前記燃焼器を側方から囲むように配置されている請求項２に記載の燃料電池装置。
4. 　前記燃焼器における燃焼により生じた燃焼排熱と、前記燃料電池スタックに供給される前記酸化剤と、の間で熱交換を行う予熱器（４０）を更に備え、
   　前記予熱器は、前記燃料電池スタックを側方から囲むように配置されている請求項１乃至３のいずれか一項に記載の燃料電池装置。
5. 　前記改質器及び燃焼器と、前記燃料電池スタックとの間に当該燃料電池スタックの輻射熱が直接到達しないように遮蔽版が配置されている請求項１に記載の燃料電池装置。
6. 　前記遮蔽版は、前記燃料電池スタックに向けて供給される発電用の空気と、前記燃焼器による燃焼排ガスが互いに出入りしないように遮蔽する請求項１に記載の燃料電池装置。
7. 　前記ケース（１０）のうち最も内側に配置され、前記燃料電池スタックをその内部に収容する第１筐体（１１０）と、
   　当該第１筐体（１１０）を外側から囲むように配置される第２筐体（１２０）と、を備え、
   　前記第２筐体（１２０）と前記第１筐体（１１０）との間には、前記燃料電池スタックに向けて供給される発電用の空気が加熱されながら通る流路（４０３）となる空間が形成されており、
   　前記第２筐体（１２０）の下端部近傍における内側面は、全周に亘って前記遮蔽版の側面と当接されている請求項１に記載の燃料電池装置。
   
    

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