(57)【要約】【課題】燃料電池および改質器を複数備える燃料電池装置において、水供給系の簡素化を図りつつ、燃料電池と改質器との間の熱量バランスの悪化を抑制可能とする。【解決手段】燃料電池１０および改質器４４を複数備える燃料電池装置において、複数の燃料電池１０および改質器４４それぞれが、改質器４４→燃料電池１０の順序で交互に直列に連結され、前段の燃料電池１０のオフガス中に含まれる水蒸気が後段の改質器４４へ流入するようになっている。そして、直列に連結された改質器４４および燃料電池１０を一つの連結体としたとき、複数の改質器４４は、後段側の連結体を構成する改質器ＳＲ２が、前段側の連結体を構成する燃料電池ＦＣ１に対して熱的に接触するように構成され、前段側の連結体を構成する改質器ＳＲ１が、後段側の連結体を構成する燃料電池ＦＣ２に対して熱的に接触するように構成されている。【選択図】図２
2014229438.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水蒸気を用いて炭化水素系の燃料を改質して燃料ガスを生成する複数の改質器（４４）と、
前記燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により電気エネルギを出力する複数の燃料電池（１０）と、を備え、
前記複数の改質器および前記複数の燃料電池は、前記改質器→前記燃料電池の順序で交互に直列に連結され、前段の前記燃料電池のオフガス中に含まれる水蒸気が後段の前記改質器へ流入するようになっており、
直列に連結された前記改質器および前記燃料電池を一つの連結体としたとき、
前記複数の改質器は、
後段側の前記連結体を構成する前記改質器（ＳＲ２）が、前段側の前記連結体を構成する前記燃料電池（ＦＣ１）に対して熱的に接触するように構成され、
前段側の前記連結体を構成する前記改質器（ＳＲ１）が、後段側の前記連結体を構成する前記燃料電池（ＦＣ２）に対して熱的に接触するように構成されていることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項２】
前記複数の改質器は、最も後段側に位置する前記連結体を構成する前記改質器から順に、前段側に位置する前記連結体を構成する前記燃料電池に対して、熱的に接触し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。
【請求項３】
前記複数の改質器は、
前記燃料電池からの放射熱により加熱されるように、
後段側の前記連結体を構成する前記改質器が、前段側の前記連結体を構成する前記燃料電池に対面配置され、
前段側の前記連結体を構成する前記改質器が、後段側の前記連結体を構成する前記燃料電池に対面配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池装置。
【請求項４】
前記燃料電池に供給される前の前記酸化剤ガスを加熱する複数の酸化剤ガス予熱器（３３）を備え、
前記複数の酸化剤ガス予熱器それぞれは、前記燃料電池に対して熱的に接触するように構成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の燃料電池装置。
【請求項５】
前記複数の酸化剤ガス予熱器は、前記燃料電池からの放射熱により加熱されるように、前記燃料電池に対面配置されていることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池装置。
【請求項６】
前記燃料電池に供給される前の前記酸化剤ガスを加熱する複数の酸化剤ガス予熱器（３３）を備え、
前記複数の酸化剤ガス予熱器それぞれは、前記燃料電池からの放射熱により加熱されるように、前記燃料電池における前記改質器と対向する面の反対側に対面配置さ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。
【請求項７】
前記複数の改質器へ前記燃料を供給する単一の燃料ポンプ（４２）と、
前記燃料ポンプから供給される前記燃料を前記複数の改質器に対して分配する燃料分配部（４５）と、
前記燃料分配部に設けられ、前記複数の改質器へ分配する前記燃料の分配量を調整する流量調整手段（４５ａ）と、
を備えることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池および改質器を複数備える燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、固体酸化物型燃料電池の如く、作動温度が高温（５００℃〜１０００℃）となる高温型の燃料電池を備える燃料電池装置として、燃料電池の発電時に生ずる熱を、改質器における改質反応の促進等に利用するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
この特許文献１では、燃料電池に対して水蒸気改質を行う改質器を対面配置することで、燃料電池で生ずる熱を改質器に供給して、改質器における改質反応の促進を図っている。なお、特許文献１には、燃料電池および改質器を対面配置してなるモジュールを複数設置する構成も開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−２３８３６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、燃料電池および改質器を対面配置してなるモジュールを複数設置する構成において、各改質器それぞれに水蒸気を供給する水供給系を設けると、水供給系の構成機器が著しく増加してしまう。
【０００６】
ここで、燃料電池では、改質器にて生成された燃料ガスの例えば８０％〜９０％が、酸素との電気化学反応に利用され、残りの未反応の燃料ガスおよび内部で生成された水（水蒸気）等がオフガスとして排出される。
【０００７】
この点に着眼し、本発明者らは、燃料電池および改質器を複数備える燃料電池装置において、改質器と燃料電池とを交互に直列に連結することで、前段側の燃料電池から排出されるオフガス中の水蒸気を後段側の改質器の改質反応に利用する構成を案出した。
【０００８】
図８は、本発明者らが案出した燃料電池装置の一例（以下、案出例と呼ぶ。）である。この案出例では、図８に示すように、燃料電池の熱が改質器に供給されるように、前段側で直列に連結された改質器ＳＲ１と燃料電池ＦＣ１とを対面配置すると共に、後段側で直列に接続された改質器ＳＲ２と燃料電池ＦＣ２とを対面配置する構成としている。
【０００９】
これによれば、燃料電池ＦＣ１、ＦＣ２で生ずる熱が改質器ＳＲ１、ＳＲ２に供給されると共に、前段側の燃料電池ＦＣ１のオフガス中に含まれる水蒸気が後段側の改質器ＳＲ２へ供給される。このため、各改質器ＳＲ１、ＳＲ２における改質反応の促進を図りつつ、水供給系の簡素化を図ることが可能となる。なお、前段とは、直列に連結された改質器および燃料電池における水蒸気の流れ方向における上流側を意味し、後段とは、直列に連結された改質器および燃料電池における水蒸気の流れ方向における下流側を意味する。
【００１０】
ところが、本発明者らが更に調査研究を進めたところ、図８の如く燃料電池装置を構成すると、改質器と燃料電池と間の熱量バランスが悪いことが判明した。この点について、以下に説明する。
【００１１】
後段側の改質器ＳＲ２には、高温のオフガスが流入することから、改質時に必要とされる吸熱量が少なくなる。一方、改質器ＳＲ２に対面配置された燃料電池ＦＣ２は、その内部で水蒸気や二酸化炭素等の不活性ガスの濃度が高くなり、発電効率が低下して発電ロスによる発熱量が増加してしまう。
【００１２】
このため、後段側の燃料電池ＦＣ２に改質器ＳＲ２を対面配置すると、燃料電池ＦＣ２の熱を改質器ＳＲ２で吸熱できず、燃料電池ＦＣ２の温度が過度に上昇してしまう虞がある。このことは、後段側の燃料電池ＦＣ２に後段側の改質器ＳＲ２を対面配置する場合に限らず、燃料電池ＦＣ２の熱が改質器ＳＲ２へ供給される構成において生ずる。
【００１３】
また、前段側の改質器ＳＲ１には、燃料電池ＦＣ１のオフガスよりも低温となる燃料および水蒸気が流入することから、改質時に必要とされる吸熱量が多くなる。一方、改質器ＳＲ１に対面配置された燃料電池ＦＣ１は、その内部における燃料ガスの濃度が高く、発電効率が良いことから発電ロスによる発熱量が少ない。
【００１４】
このため、前段側の燃料電池ＦＣ１に改質器ＳＲ１を対面配置すると、燃料電池ＦＣ１から改質器ＳＲ１へ供給される熱量が不足し、改質器ＳＲ１における改質反応を適切に促進できなくなってしまう虞がある。このことは、前段側の燃料電池ＦＣ１に前段側の改質器ＳＲ１を対面配置する場合に限らず、燃料電池ＦＣ１の熱が改質器ＳＲ１へ供給される構成において生ずる。
【００１５】
本発明は上記点に鑑みて、燃料電池および改質器を複数備える燃料電池装置において、水供給系の簡素化を図りつつ、燃料電池と改質器との間の熱量バランスの悪化を抑制可能とすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、水蒸気を用いて炭化水素系の燃料を改質して燃料ガスを生成する複数の改質器（４４）と、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により電気エネルギを出力する複数の燃料電池（１０）と、を備え、複数の改質器および複数の燃料電池は、改質器→燃料電池の順序で交互に直列に連結され、前段の燃料電池のオフガス中に含まれる水蒸気が後段の改質器へ流入するようになっており、直列に連結された改質器および燃料電池を一つの連結体としたとき、複数の改質器は、後段側の連結体を構成する改質器（ＳＲ２）が、前段側の連結体を構成する燃料電池（ＦＣ１）に対して熱的に接触するように構成され、前段側の連結体を構成する改質器（ＳＲ１）が、後段側の連結体を構成する燃料電池（ＦＣ２）に対して熱的に接触するように構成されていることを特徴としている。
【００１７】
これによれば、前段側の燃料電池のオフガス中に含まれる水蒸気が後段側の改質器へ供給されるので、各改質器に対して個別に水供給系を設置する必要がない。
【００１８】
加えて、発熱量が少ない前段側の燃料電池に対して吸熱量が少ない後段側の改質器を熱的に接触させる構成とすることで、燃料電池の熱を改質器にて適切に吸熱させることができるので、燃料電池の温度が過度に上昇してしまうことを抑制できる。
【００１９】
また、発熱量が多い後段側の燃料電池に対して吸熱量が多い前段側の改質器を熱的に接触させる構成とすることで、燃料電池から改質器へ熱量を充分に供給することができるので、改質器における改質反応を適切に促進させることができる。
【００２０】
このように、本発明によれば、水供給系の簡素化を図りつつ、改質器と燃料電池と間の熱量バランスの悪化を効果的に抑制することが可能となる。
【００２１】
ここで、請求項に記載の「熱的に接触する」とは、熱伝達が可能なように部材同士が直接的に接触している状態だけでなく、仮に部材間が離間したとしても、部材間の空間を介して部材同士の熱伝達が可能となっている状態を含む意味である。このことは、後述の「発明を実施するための形態」においても同様である。
【００２２】
なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係の一例を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】第１実施形態に係る燃料電池装置を含むシステムの全体構成図である。
【図２】第１実施形態に係る燃料電池装置の概略構成図である。
【図３】第１実施形態に係る燃料電池装置の変形例を示す概略構成図である。
【図４】第２実施形態に係る燃料電池装置の概略構成図である。
【図５】第２実施形態に係る燃料電池装置の配置形態を示す模式図である。
【図６】第２実施形態に係る燃料電池装置の配置形態の変形例を示す模式図である。
【図７】第２実施形態に係る燃料電池装置の配置形態の変形例を示す模式図である。
【図８】本発明者らが案出した燃料電池装置の一例を示す概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。
【００２５】
（第１実施形態）
第１実施形態について説明すると、図１、図２に示すように、本実施形態の燃料電池システムは、作動温度が高温（５００℃〜１０００℃）となる固体酸化物型の燃料電池１０、および改質器４４を複数備える燃料電池装置１を含んで構成されている。
【００２６】
まず、燃料電池装置１における主要な構成機器の概略を説明し、燃料電池装置１における具体的な内部構造については後述する。
【００２７】
燃料電池１０は、燃料ガスおよび酸化剤ガス（本実施形態では空気）の電気化学反応により電気エネルギを出力する発電セル（図示略）を積層したスタック構造となっている。なお、発電セルのセル形状は、平板型および円筒型のいずれで構成されていてもよい。
【００２８】
発電セルは、固体酸化物電解質、空気極（カソード）、燃料極（アノード）で構成されている。本実施形態の発電セルは、炭化水素系の燃料であるメタン（ＣＨ４）を改質して生成される水素（Ｈ２）、および一酸化炭素（ＣＯ）を燃料ガスとしている。なお、使用する燃料は、炭化水素系の燃料であればメタン以外を採用してもよい。
【００２９】
各発電セルでは、以下の反応式［化１］、［化２］に示す水素および酸素の電気化学反応により、電気エネルギが出力される。
（燃料極）２Ｈ２＋２Ｏ２−→２Ｈ２Ｏ＋４ｅ−・・・［化１］
（空気極）Ｏ２＋４ｅ−→２Ｏ２−・・・［化２］
また、各発電セルでは、以下の反応式［化３］、［化４］に示す一酸化炭素（ＣＯ）および酸素の電気化学反応により、電気エネルギが出力される。
（燃料極）２ＣＯ＋２Ｏ２−→２ＣＯ２＋４ｅ−・・・［化３］
（空気極）Ｏ２＋４ｅ−→２Ｏ２−・・・［化４］
なお、燃料電池１０にて発電に利用される水素および一酸化炭素は、それぞれ水蒸気および二酸化炭素になる。このため、燃料電池１０から排出されるオフガスには、未反応の燃料ガス（水素および一酸化炭素）の他、水蒸気および二酸化炭素が含まれている。
【００３０】
また、改質器４４は、燃料電池１０の外部において、水蒸気を用いて炭化水素系の燃料を改質して燃料ガスを生成する燃料ガス生成器である。改質器４４では、以下の反応式［化５］に示す改質反応、および反応式［化６］に示すシフト反応により燃料ガス（水素、一酸化炭素）が生成される。
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋Ｈ２・・・［化５］
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２・・・［化６］
なお、改質器４４における改質反応は、吸熱反応であり、高温の条件下で行うことで、高転化率の改質反応を実現することができる。
【００３１】
続いて、燃料電池装置１における空気、燃料、水蒸気の各供給系について説明する。本実施形態の燃料電池装置１には、空気を供給する空気供給経路３、燃料を供給する燃料供給経路４、および水蒸気を供給する水供給経路５が接続されている。
【００３２】
空気供給経路３には、上流側から順に、塵や埃等を除去する空気フィルタ３１、空気を圧送する空気用ブロワ３２、空気予熱器３３が設けられている。空気予熱器３３は、空気用ブロワ３２から圧送された空気を、後述する燃焼器７１で生成した燃焼ガスと熱交換させて加熱し、加熱した空気を燃料電池装置１へと供給する酸化剤ガス予熱器である。
【００３３】
燃料供給経路４には、上流側から順に、燃料に含まれる硫黄成分を除去する脱硫器４１、燃料を圧送する燃料ポンプ４２、燃料予熱器４３が設けられている。燃料予熱器４３は、燃料電池装置１の各改質器４４における改質反応の促進するために、燃料ポンプ４２から圧送された燃料を後述する燃焼器７１で生成した燃焼ガスと熱交換させて加熱するものである。
【００３４】
水供給経路５には、上流側から順に、純水器５１、水ポンプ５２、気化器５３が設けられている。水ポンプ５２は、気化器５３を介して水蒸気を燃料電池装置１へ供給するものであり、気化器５３は、純水器５１を介して水ポンプ５２から供給される水を、後述する燃焼器７１で精製した燃焼ガスと燃焼ガスと熱交換させて蒸発させる蒸発器である。
【００３５】
続いて、燃料電池装置１からのオフガスの排出系について説明する。本実施形態の燃料電池装置１には、燃料電池１０の空気極側のオフガスを外部に排出する空気排出経路７ａ、および燃料電池１０の燃料極側のオフガスを外部に排出する燃料排出経路７ｂが接続されている。各排出経路７ａ、７ｂは、燃焼器７１に接続されている。
【００３６】
燃焼器７１は、各オフガスを混合した混合ガスを可燃ガスとして燃焼させることで、燃料電池装置１へ供給する空気や燃料の予熱等の熱源として利用される高温の燃焼ガスを生成するものである。なお、燃焼器７１は、バーナによる燃焼形式、および燃焼触媒による燃焼形式のいずれで構成されていてもよい。
【００３７】
この燃焼器７１には、高温の燃焼ガスを排出する燃焼ガス経路７が接続されている。燃焼ガス経路７は、内部を流れる燃焼ガスの熱を有効利用するために、上流側から順に空気予熱器３３、燃料予熱器４３、気化器５３といった機器に接続されている。なお、各機器３３、４３、５３への燃焼ガスを流す順序は、各機器３３、４３、５３にて必要とされる熱量に応じて変更してもよい。
【００３８】
次に、本実施形態の燃料電池装置１の内部構造について図２を用いて詳述する。本実施形態の燃料電池装置１は、２つの燃料電池１０、および燃料電池１０と同数の改質器４４を備えている。
【００３９】
各燃料電池１０および各改質器４４は、改質器４４→燃料電池１０の順序で交互に直列に連結され、前段（水蒸気流れ上流側）の燃料電池１０のオフガス中に含まれる水蒸気が後段（水蒸気流れ下流側）の改質器４４へ流入するようになっている。言い換えると、改質器４４→燃料電池１０の順序で直列に連結された改質器４４、燃料電池１０を一つの連結体としたとき、後段側の連結体を構成する第２改質器ＳＲ２が、前段側の連結体を構成する第１燃料電池ＦＣ１の出口側に接続されている。
【００４０】
具体的には、各改質器４４のうち、前段側の連結体を構成する第１改質器ＳＲ１は、燃料分配部４５を介して燃料供給経路４に接続されると共に、水供給経路５に接続されている。
【００４１】
また、各燃料電池１０のうち、前段側の連結体を構成する第１燃料電池ＦＣ１は、空気分配部３５を介して空気供給経路３に接続されると共に、燃料ガス流路６１を介して第１改質器ＳＲ１の出口側に接続されている。なお、燃料ガス流路６１は、改質器４４にて生成された燃料ガスを燃料電池１０へ導く流路である。
【００４２】
一方、各改質器４４のうち、後段側の連結体を構成する第２改質器ＳＲ２は、第１燃料電池１の燃料極側のオフガスが流れる燃料オフガス流路６２に接続されると共に、燃料分配部４５を介して燃料供給経路４に接続されている。
【００４３】
また、各燃料電池１０のうち、後段側の連結体を構成する第２燃料電池ＦＣ２は、空気分配部３５を介して空気供給経路３に接続されると共に、燃料ガス流路６１を介して第２改質器ＳＲ２の出口側に接続されている。
【００４４】
なお、各燃料電池１０は、空気側のオフガスが流れる空気オフガス流路３６を介して空気排出経路７ａに接続されている。また、後段側の連結体を構成する第２燃料電池ＦＣ２は、第２燃料電池ＦＣ２の燃料極側のオフガスが流れる燃料オフガス流路６２を介して燃料排出経路７ｂに接続されている。
【００４５】
また、前述の燃料分配部４５は、燃料ポンプ４２から供給される燃料を各改質器４４に対して分配するための流路であり、各改質器４４に接続されている。燃料分配部４５には、各改質器４４への燃料の分配量を調整する流量調整手段として流量調整弁４５ａが設けられている。
【００４６】
ここで、第２改質器ＳＲには、燃料分配部４５を介して流入する燃料に加えて、第１燃料電池ＦＣ１から未反応燃料が流入する。このため、流量調整弁４５ａは、燃料分配部４５を介して第２改質器ＳＲ２に流入する燃料の流入量が燃料分配部４５を介して第１改質器ＳＲ１に流入する燃料の流入量よりも少なくなるように構成されている。
【００４７】
流量調整弁４５ａとしては、例えば、燃料分配部４５における第２改質器ＳＲ２へ至る流路の通路開度を絞る固定絞りで構成することができる。なお、流量調整弁４５ａは、固定絞りに限定されず、通路開度を変更可能な可変絞りで構成してもよい。
【００４８】
また、本実施形態では、各燃料電池１０の発電時に放出される熱（放射熱）を各改質器４４における改質反応に有効利用するために、燃料電池１０に対して改質器４４を熱的に接触させる構成を採用している。
【００４９】
前述の［発明が解決しようとする課題］で説明したように、直列に連結された改質器４４および燃料電池１０を単純に熱的に接触させる構成とすると、改質器４４と燃料電池１０との間の熱量バランスが悪化する虞がある。
【００５０】
そこで、本実施形態では、後段側の連結体を構成する第２改質器ＳＲ２を、前段側の第１燃料電池ＦＣ１に対して熱的に接触するように構成し、前段側の連結体を構成する第１改質器ＳＲ１を後段側の第２燃料電池ＦＣ２に対して熱的に接触するように構成している。
【００５１】
具体的には、前段側の連結体を構成する第１燃料電池ＦＣ１の放射熱が後段側の連結体を構成する第２改質器ＳＲ２へ供給されるように、第１燃料電池ＦＣ１および第２改質器ＳＲ２を同一の断熱ケーシング１１内に収容している。さらに、本実施形態では、第１燃料電池ＦＣ１の放射熱により第２改質器ＳＲ２が充分に加熱されるように、第１燃料電池ＦＣ１に対して第２改質器ＳＲ２を対面配置している。
【００５２】
また、後段側の連結体を構成する第２燃料電池ＦＣ２の放射熱が前段側の連結体を構成する第１改質器ＳＲ１へ供給されるように、第２燃料電池ＦＣ２および第１改質器ＳＲ１を同一の断熱ケーシング１１内に収容している。さらに、本実施形態では、第２燃料電池ＦＣ２の放射熱により第１改質器ＳＲ１が充分に加熱されるように、第２燃料電池ＦＣ２に対して第１改質器ＳＲ１を対面配置している。
【００５３】
次に、上記構成に係る燃料電池システムの作動について説明する。図示しないコントローラからの制御指令により、燃料電池システムの運転が開始されると、空気用ブロワ３２、燃料ポンプ４２、水ポンプ５２等が作動する。
【００５４】
空気供給経路３では、空気用ブロワ３２にて圧送された空気が空気予熱器３３にて所望の温度となるまで加熱された後、燃料電池装置１へ供給され、空気分配部３５を介して各燃料電池１０へ分配される。
【００５５】
燃料供給経路４では、燃料ポンプ４２にて圧送された燃料が、燃料予熱器４３にて所望の温度まで加熱された後、燃料電池装置１へ供給され、燃料分配部４５を介して各改質器４４へ分配される。
【００５６】
また、水供給経路５では、水ポンプ５２にて圧送された水が、気化器５３にて水蒸気となるまで加熱された後、燃料電池装置１へ供給され、各改質器４４のうち、前段側の連結体を構成する第１改質器ＳＲ１へ流入する。
【００５７】
燃料電池装置１では、前段側の連結体を構成する第１改質器ＳＲ１にて燃料および水蒸気の改質反応により水素リッチな燃料ガスが生成される。そして、第１改質器ＳＲ１にて生成された燃料ガスが第１燃料電池ＦＣ１へ流入する。
【００５８】
第１燃料電池ＦＣ１では、燃料ガスおよび空気が供給されると、水素および一酸化炭素を燃料として前述の反応式［化１］〜［化４］に示す電気化学反応により、電気エネルギを出力する。
【００５９】
その後、第１燃料電池ＦＣ１における燃料極側のオフガスは、新規な燃料と共に後段側の連結体を構成する第２改質器ＳＲ２へ流入する。なお、第２改質器ＳＲ２に流入するオフガスには、第１燃料電池ＦＣ１における未反応の燃料ガスや第１燃料電池ＦＣ１で生成された水蒸気が含まれている。
【００６０】
第２改質器ＳＲ２では、前段側の連結体を構成する第１燃料電池ＦＣ１のオフガスに含まれる水蒸気および燃料の改質反応により水素リッチな燃料ガスが生成される。そして、第２改質器ＳＲ２にて生成された燃料ガスが第２燃料電池ＦＣ２へ流入する。
【００６１】
第２燃料電池ＦＣ２では、燃料ガスおよび空気が供給されると、水素および一酸化炭素を燃料として前述の反応式［化１］〜［化４］に示す電気化学反応により、電気エネルギを出力する。
【００６２】
その後、第２燃料電池ＦＣ２から排出された各オフガスは、燃料電池装置１の外部に設置された燃焼器７１にて燃焼される。そして、燃焼器７１にて生ずる高温の燃焼ガスは、燃焼ガス経路７を介して空気予熱器３３、燃料予熱器４３、気化器５３に流れ、各機器における熱源として利用された後に排出される。
【００６３】
以上説明した本実施形態の燃料電池装置１では、後段側の第２改質器ＳＲ２を前段側の第１燃料電池ＦＣ１に対して熱的に接触するように構成し、前段側の第１改質器ＳＲ１を後段側の第２燃料電池ＦＣ２に対して熱的に接触するように構成している。
【００６４】
これによれば、前段側の第１燃料電池ＦＣ１のオフガス中に含まれる水蒸気が後段側の第２改質器ＳＲ２へ供給されるので、各改質器４４に対して個別に水ポンプ５２や気化器５３等の水供給系を設置する必要がない。
【００６５】
加えて、発熱量が少ない前段側の第１燃料電池ＦＣ１に対して吸熱量が少ない後段側の第２改質器ＳＲ２を同一の断熱ケーシング１１内に収容し、前段側の第１燃料電池ＦＣ１に対して後段側の第２改質器ＳＲ２を熱的に接触させる構成としている。
【００６６】
これによれば、同一の断熱ケーシング１１内に収容された燃料電池１０の熱を改質器４４にて適切に吸熱することができるので、燃料電池１０の温度が過度に上昇してしまうことを抑制できる。
【００６７】
また、発熱量が多い後段側の第２燃料電池ＦＣ２に対して吸熱量が多い前段側の第１改質器ＳＲ１を同一の断熱ケーシング１１内に収容し、後段側の第２燃料電池ＦＣ２に対して前段側の第１改質器ＳＲ１を熱的に接触させる構成としている。
【００６８】
これによれば、同一の断熱ケーシング１１内に収容された燃料電池１０から改質器４４へ熱量を充分に供給することができるので、改質器４４における改質反応を適切に促進させることができる。
【００６９】
このように、本実施形態の燃料電池装置１によれば、水供給系の簡素化を図りつつ、改質器４４と燃料電池１０と間の熱量バランスの悪化を効果的に抑制することが可能となる。
【００７０】
特に、本実施形態の燃料電池装置１では、前段側の第１燃料電池ＦＣ１に対して後段側の第２改質器ＳＲ２を対面配置すると共に、後段側の第２燃料電池ＦＣ２に対して前段側の第１改質器ＳＲ１を対面配置する構成としている。これによれば、燃料電池１０の発電時の放射熱を改質器４４へ充分に供給することが可能となる。
【００７１】
また、本実施形態の燃料電池装置１では、燃料分配部４５により単一の燃料ポンプ４２から供給された燃料を各改質器４４へ分配する構成としているので、水供給系に加えて、燃料供給系の簡素化も図ることができる。また、燃料分配部４５に流量調整弁４５ａを設けているので、各改質器４４への燃料の分配量を適切に調整することができる。
【００７２】
ここで、本実施形態では、改質器４４および燃料電池１０の連結体を２段備える燃料電池装置１について説明したが、これに限定されない。
【００７３】
例えば、燃料電池装置１を改質器４４および燃料電池１０の連結体を多段備える構成としてもよい。この場合、図３に示すように、各改質器４４のうち、最も後段の連結体を構成する改質器４４から順に、前段側に位置する連結体を構成する燃料電池１０に対して熱的に接触するように構成すればよい。
【００７４】
具体的には、改質器４４および燃料電池１０の連結体をｎ段備える燃料電池装置１では、「ｎ」段目の改質器ＳＲｎを「１」段目の燃料電池ＦＣ１に対して熱的に接触させ、「ｎ−１」段目の改質器ＳＲｎ−１を「２」段目の燃料電池ＦＣ１に対して熱的に接触させる。つまり、「ｉ」段目（ｉ：２〜ｎ）の連結体を構成する改質器ＳＲｉを「ｎ−ｉ＋１」番目の連結体を構成する燃料電池ＦＣｎ−ｉ＋１に対して熱的に接触させる構成とすればよい。
【００７５】
（第２実施形態）
次に、第２実施形態について説明する。本実施形態では、燃料電池装置１の構成要素を変更している点が第１実施形態と相違している。本実施形態では、第１実施形態と同様または均等な部分についての説明を省略、または簡略化して説明する。
【００７６】
本実施形態では、図４に示すように、空気予熱器３３を複数に分割し、各空気予熱器３３が各燃料電池１０に対して熱的に接触するように、燃料電池１０と同一の断熱ケーシング１１内に収容している。なお、本実施形態では、複数に分割された各空気予熱器３３が燃料電池装置１の構成要素となる。
【００７７】
本実施形態の空気予熱器３３は、断熱ケーシング１１内において、燃料電池１０からの放射熱により加熱されるように、燃料電池１０に対面配置されている。この際、改質器４４と空気予熱器３３との熱交換を抑制するために、各空気予熱器３３を、燃料電池１０における改質器４４と対向する面の反対側に対面配置することが望ましい。
【００７８】
その他の構成は、第１実施形態と同様である。本実施形態の構成によれば、第１実施形態で説明した効果に加えて、次の効果を奏する。すなわち、本実施形態では、燃料電池１０と空気予熱器３３を同一の断熱ケーシング１１内に収容しているので、燃料電池１０からの放射熱を空気予熱器３３における空気の加熱に有効利用することができる。
【００７９】
特に、本実施形態では、各燃料電池１０に対して空気予熱器３３を対面配置する構成としているので、燃料電池１０の発電時の放射熱を空気予熱器３３へ充分に供給することが可能となる。この際、燃料電池１０における改質器４４と対向する面の反対側に空気予熱器３３を対面配置しているので、改質器４４と空気予熱器３３との間の熱交換を抑制することができる。
【００８０】
ここで、本実施形態では、燃焼器７１を燃料電池装置１の外部に設ける構成としているが、これに限定されない。すなわち、燃焼器７１を複数に分割して、各断熱ケーシング１１の内部に個別に収容するようにしてもよい。この点については、空気予熱器３３を備えない第１実施形態の燃料電池装置１においても同様である。
【００８１】
例えば、燃料電池１０および改質器４４の連結体を２段備える燃料電池装置１では、図５に示すように、２つに分割された燃焼器７１それぞれを改質器４４に隣接して配置すればよい。また、燃料電池１０および改質器４４を４段備える燃料電池装置１では、図６に示すように、４つに分割された燃焼器７１それぞれを改質器４４に隣接して配置すればよい。なお、各燃焼器７１は、燃焼器７１の熱の外部への放熱を抑制するため、燃料電池装置１の中心側に配置することが望ましい。
【００８２】
これによれば、燃料電池１０の放射熱および燃焼器７１の熱が改質器４４に供給されるので、改質器４４における改質反応を効果的に促進させることが可能となる。また、各燃焼器７１を燃料電池装置１の中心側に配置することで、燃焼器７１の熱が外部へ放熱されてしまうことを抑制することが可能となる。
【００８３】
また、本実施形態では、燃料電池１０および改質器４４の連結体それぞれを個別に断熱ケーシング１１内に収容する例について説明したが、これに限定されない。例えば、図７に示すように、燃料電池１０および改質器４４の連結体それぞれを単一の断熱ケーシング１１内に収容してもよい。この場合、空気予熱器３３および燃焼器７１は、燃料電池１０の数に合わせて分割することなく、各燃料電池１０に対して空気予熱器３３を対面配置し、各改質器４４に対して燃焼器７１を隣接して配置すればよい。
【００８４】
（他の実施形態）
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。例えば、以下のように種々変形可能である。
【００８５】
（１）上述の各実施形態では、燃料電池１０と改質器４４を同一の断熱ケーシング１１内に収容することで、改質器４４を燃料電池１０に対して熱的に接触させる例について説明したが、これに限定されない。燃料電池１０から改質器４４へ熱が供給される構成であれば、例えば、断熱ケーシング１１を廃し、燃料電池１０に対して改質器４４を対面配置する構成としてもよい。
【００８６】
（２）上述の第２実施形態では、燃料電池１０と空気予熱器３３を同一の断熱ケーシング１１内に収容することで、空気予熱器３３を燃料電池１０に対して熱的に接触させる例について説明したが、これに限定されない。燃料電池１０から空気予熱器３３へ熱が供給される構成であれば、例えば、断熱ケーシング１１を廃し、燃料電池１０に対して空気予熱器３３を対面配置する構成としてもよい。
【００８７】
（３）上述の各実施形態では、燃料電池装置１に燃料分配部４５を設け、単一の燃料ポンプ４２から各改質器４４へ燃料を分配させる構成とする例について説明したが、これに限定されない。例えば、燃料ポンプ４２を複数設け、各改質器４４に対して個別に燃料を供給するようにしてもよい。
【００８８】
（４）上述の各実施形態の如く、燃料分配部４５に流量調整弁４５ａを設けることが望ましいが、これに限定されず、流量調整弁４５ａを省略してもよい。
【００８９】
（５）上述の各実施形態では、燃料電池１０として高温で作動する固体酸化物型の燃料電池を用いる例について説明したが、これに限らず、例えば、燃料電池１０として高温で作動する溶融炭酸塩型の燃料電池を用いてもよい。
【００９０】
（６）上述の各実施形態は、互いに無関係なものではなく、組み合わせが明らかに不可な場合を除き、適宜組み合わせが可能である。
【００９１】
（７）上述の各実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。
【００９２】
（８）上述の各実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されない。
【００９３】
（９）上述の各実施形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その形状、位置関係等に限定されない。
【符号の説明】
【００９４】
１        燃料電池装置
１０      燃料電池（ＦＣ１、ＦＣ２）
４４      改質器（ＳＲ１、ＳＲ２）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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