(57)【要約】【課題】燃料電池スタックにおける温度ばらつきを抑制しつつ燃料電池スタックからの熱回収を実現可能な燃料電池装置を提供する。【解決手段】燃料ガスおよび空気（酸素）の電気化学反応により電気エネルギを出力する燃料電池スタック１０と、燃料電池スタック１０と対向するように配置され、燃料電池スタック１０からの放射熱を熱交換媒体と熱交換させる熱交換手段として機能する第２空気予熱器３４、および燃料改質器４４と、を備え、第２空気予熱器３４、および燃料改質器４４それぞれは、燃料電池スタック１０に対向する対向面の温度分布が均一となるように、空気が流通する空気流路３４５、燃料ガスが流通する燃料流路が設定されている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスおよび酸化剤ガスの電気化学反応により電気エネルギを出力する燃料電池スタック（１０）と、
前記燃料電池スタックと対向するように配置され、前記燃料電池スタックからの放射熱を熱交換媒体と熱交換させる熱交換手段（３４、４４）と、を備え、
前記熱交換媒体は、前記燃料電池スタックに供給される前の前記燃料ガスおよび前記酸化剤ガスのいずれかであり、
前記熱交換手段は、前記燃料電池スタックに対向する対向面の温度分布が均一となるように、前記熱交換媒体の流路（３４５）が設定されていることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項２】
前記熱交換手段における前記熱交換媒体の流路は、少なくとも一部において前記熱交換媒体の流れの上流側と前記熱交換媒体の流れの下流側とが隣り合っ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】
前記熱交換手段は、前記熱交換媒体の流路として複数の熱媒体流路（３４５ａ、３４５ｂ）を有しており、
前記複数の熱媒体流路のうち、少なくとも一部の隣り合う熱媒体流路は、一方の熱媒体流路（３４５ａ）における前記熱交換媒体の流入部が、他方の熱媒体流路（３４５ｂ）における前記熱交換媒体の流出部と隣り合い、前記他方の熱媒体流路における前記熱交換媒体の流入部が、前記一方の熱媒体流路における前記熱交換媒体の流出部と隣り合っ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】
前記熱交換手段は、前記熱交換媒体の流路として複数の熱媒体流路（３４５）を有しており、
前記熱媒体流路は、前記熱媒体流路を流れる前記熱交換媒体の流れ方向を反転させる反転部（３４５ｅ）が設けられ、前記反転部の上流側の流路（３４５ｃ）が前記反転部の下流側の流路（３４５ｄ）と隣り合っ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５】
前記熱交換手段は、前記燃料電池スタックからの放射熱を利用して前記酸化剤ガスを加熱する酸化剤ガス予熱器（３４）を含んで構成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の燃料電池装置。
【請求項６】
前記熱交換手段は、前記燃料電池スタックからの放射熱を利用して前記燃料ガスを改質する燃料改質器（４４）を含んで構成されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の燃料電池装置。
【請求項７】
前記熱交換手段は、前記燃料電池スタックとの対向方向から見たとき、前記熱交換手段における前記燃料電池スタックと対向する対向面が、前記燃料電池スタックの少なくとも一面の全域と重なり合ってい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、高温型の燃料電池スタックを当該燃料電池スタックに供給される前の反応ガスと熱交換させる燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、高温（例えば、５００℃以上）で作動する高温型の燃料電池スタックとして、固体酸化物型燃料電池（SOFC：Solid Oxide Fuel Cell）や溶融炭酸塩型燃料電池（MCFC：Molten Carbonate Fuel Cell）が存在する。
【０００３】
この種の高温型の燃料電池スタックは、発電時に発熱反応を伴い、発電時の作動温度が高い程、酸素イオンの導電性が高く発電効率の観点から有利となる。
【０００４】
しかし、燃料電池スタックを構成する構成材料等の耐熱性の面から作動温度を所定温度（例えば、１０００℃）に維持することが要求されており、燃料電池スタックが必要以上に発熱しないように不要な熱を除去する必要がある。
【０００５】
また、燃料電池装置には、都市ガス等の燃料ガス（原燃料）を水素リッチな燃料ガスに改質する燃料改質器が設けられている。この燃料改質器としては、水蒸気と原燃料ガスとを混合させた後、高温の雰囲気下にて、水蒸気と原燃料ガスの炭化水素とを改質反応（水蒸気改質）させて、水素リッチな燃料ガスを生成するものがある。水蒸気と原燃料ガスの炭化水素との改質反応は、吸熱反応であるため、燃料改質器を高温にする必要がある。
【０００６】
そこで、高温型の燃料電池スタックを収容する発電室内に、燃料電池スタックで生ずる反応熱を放射熱として受熱し、発電に利用される燃料ガスまたは空気を予熱する放射型熱交換器を設ける構成が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平９−７６２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、特許文献１にて放射型熱交換器として用いる熱交換器は、温度分布が大きくなり易い構成となっている。具体的には、特許文献１では、空気を下方側から上方側へと一方向に流通させる熱交換器を放射型熱交換器として採用しており、熱交換器における空気流れ上流側の下方部位が低温、空気流れ下流側の上方部位が高温となり易い。
【０００９】
このため、燃料電池スタックにおける熱交換器の下方部位に対向する部位が冷え易く、上方部位に対向する部位が冷え難くなり、燃料電池スタックからの放射熱の熱流束に偏ることで、燃料電池スタックの温度に大きなばらつきが生じてしまう。燃料電池スタックの温度にばらつきが生ずると、燃料電池スタックの低温となる部位の発電効率が低下したり、燃料電池スタックの高温となる部位に生ずる熱応力に起因して破損したりする虞がある。
【００１０】
本発明は上記点に鑑みて、燃料電池スタックにおける温度ばらつきを抑制しつつ燃料電池スタックからの熱回収を実現可能な燃料電池装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、燃料ガスおよび酸化剤ガスの電気化学反応により電気エネルギを出力する燃料電池スタック（１０）と、燃料電池スタックと対向するように配置され、燃料電池スタックからの放射熱を熱交換媒体と熱交換させる熱交換手段（３４、４４）と、を備え、熱交換媒体は、燃料電池スタックに供給される前の燃料ガスおよび酸化剤ガスのいずれかであり、熱交換手段は、燃料電池スタックに対向する対向面の温度分布が均一となるように、熱交換媒体の流路（３４５）が設定されていることを特徴としている。
【００１２】
これによれば、燃料ガスまたは酸化剤ガスが流入する熱交換手段の流路を燃料電池スタックに対向する対向面の温度分布が均一となるように設定しているので、燃料電池スタックの温度ばらつきを抑制しつつ、燃料電池スタックにおける余剰の熱を回収することができる。
【００１３】
具体的には、請求項２に記載の発明の如く、請求項１に記載の燃料電池装置において、熱交換手段における熱交換媒体の流路は、少なくとも一部において熱交換媒体の流れの上流側と熱交換媒体の流れの下流側とが隣り合っていることを特徴としている。
【００１４】
これによれば、高温の熱交換媒体が流通する下流側と、低温の熱交換媒体が流通する上流側とが隣り合うので、熱交換手段における燃料電池スタック１０に対向する対向面の温度分布を緩和することができる。
【００１５】
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】
【００１６】
【図１】第１実施形態に係る燃料電池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模式的な構成図である。
【図３】図２のIII−III断面図である。
【図４】図３のIV−IV断面図である。
【図５】図３のV−V断面図である。
【図６】図３のVI−VI断面図である。
【図７】第１実施形態の変形例を説明するための断面図である。
【図８】図７のVIII−VIII断面図である。
【図９】第２実施形態に係る燃料電池装置の模式的な構成図である。
【図１０】図９のX−X断面図である。
【図１１】図１０のXI−XI断面図である。
【図１２】第３実施形態に係る燃料電池装置の模式的な構成図である。
【図１３】第３実施形態に係る燃料電池装置の変形例を説明するための構成図である。
【図１４】空気流路の変形例を説明するための断面図である。
【図１５】空気流路の変形例を説明するための断面図である。
【図１６】空気流路の変形例を説明するための断面図である。
【図１７】空気流路の変形例を説明するための断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
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。
【００１８】
（第１実施形態）
まず、第１実施形態について説明する。本実施形態では、図１に示す燃料電池システムに本発明の燃料電池装置１を適用している。
【００１９】
本実施形態の燃料電池装置１は、断熱性を有するハウジング２、ハウジング２の内部に収容された燃料電池スタック１０、後述する第２空気予熱器３４および燃料改質器４４にて構成されている。なお、燃料電池装置１の内部における具体的な形態については後述する。
【００２０】
燃料電池スタック１０は、燃料ガスと酸化剤ガス（本実施形態では空気）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発電セル１０ａを、燃料ガスおよび酸化剤ガスの流路が形成されたセパレータ１４、１５を介して積層した積層体である。
【００２１】
本実施形態の燃料電池スタック１０は、作動温度が高温（例えば、５００℃〜１０００℃）となる固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）で構成されている。なお、説明の便宜上、図１では、燃料電池スタック１０を単一の発電セル１０ａとして図示している。
【００２２】
本実施形態の発電セル１０ａは、固体電解質体１１、空気極（カソード）１２、燃料極（アノード）１３で構成されている。なお、本実施形態の発電セル１０ａは、炭化水素系の原料であるメタンガス（ＣＨ４）を改質した改質ガス（Ｈ２、ＣＯ）を燃料としている。
【００２３】
セパレータ１４、１５は、各発電セル１０ａを電気的に接続すると共に、燃料ガスおよび酸化剤ガスといった反応ガスを各発電セル１０ａへ供給する機能を有する。なお、セパレータ１４、１５には、燃料ガスを各発電セル１０ａへ供給する燃料ガス通路（図示略）、および空気を各発電セル１０ａへ供給する空気通路（図示略）が形成されている。
【００２４】
本実施形態の燃料電池スタック１０は、発電セル１０ａの外周部にガス漏れ防止シール（図示略）が設けられたシール構造となっており、各発電セル１０ａからのオフガスが、図示しないマニホールドを介して、後述する空気排出経路６ａ、燃料排出経路６ｂに排出される。なお、燃料電池スタック１０の構造の簡素化を図るために、燃料電池スタック１０を発電セル１０ａの排出側の外周部にガス漏れ防止シールを設けないシールレス構造としてもよい。
【００２５】
各発電セル１０ａでは、以下の反応式Ｆ１、Ｆ２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−…Ｆ１
（空気極）Ｏ２＋４ｅ−→２Ｏ２−…Ｆ２
また、各発電セル１０ａでは、以下の反応式Ｆ３、Ｆ４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−…Ｆ３
（空気極）Ｏ２＋４ｅ−→２Ｏ２−…Ｆ４
燃料電池スタック１０の空気の入口側には、空気の供給経路である空気供給経路３が接続されている。この空気供給経路３には、空気流れ上流側から順に、塵や埃等を除去する空気フィルタ３１、燃料電池スタック１０へと空気を圧送する空気用ブロワ３２、第１空気予熱器３３、および第２空気予熱器３４が設けられている。
【００２６】
各空気予熱器３３、３４それぞれは、燃料電池スタック１０の空気極１２に供給する空気と燃料極１３に供給する高温の燃料ガスとの温度差を縮小して、各発電セル１０ａにおける発電効率の向上を図るために設けられている。
【００２７】
第１空気予熱器３３は、空気用ブロワ３２から圧送された空気を、後述するオフガス燃焼器６１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。第１空気予熱器３３では、空気用ブロワ３２から圧送された空気と、発電時における燃料電池スタック１０の温度（例えば、７００℃〜８００℃）よりも低い温度の燃焼ガスとを熱交換させる低温の予熱器である。
【００２８】
なお、第１空気予熱器３３は、その内部における空気が、後述する燃料改質器４４に流入する燃料ガスと同等の温度に昇温するように構成することが望ましい。これによれば、後述の燃料電池スタック１０の周囲に配置される第２空気予熱器３４および燃料改質器４４に流入する熱交換媒体の温度が同等となり、各機器３４、４４の温度域を同程度することができ、燃料電池スタック１０の温度ばらつきの抑制を図ることができる。
【００２９】
第２空気予熱器３４は、第１空気予熱器３３にて昇温した空気を、第１空気予熱器３３を流通する燃焼ガスよりも高温の燃焼ガスと熱交換させる高温の予熱器（酸化剤ガス予熱器）である。
【００３０】
本実施形態の第２空気予熱器３４は、燃料電池スタック１０と共にハウジング２の内部に収容されており、燃料電池スタック１０の発電時に生ずる放射熱を吸熱して、内部を流通する空気を加熱する放射熱型の熱交換器で構成されている。本実施形態の第２空気予熱器３４は、第１空気予熱器３３にて昇温した空気を熱交換媒体として、燃料電池スタック１０の発電時に生ずる放射熱と熱交換させる熱交換手段を構成している。なお、第２空気予熱器３４には、発電時における燃料電池スタック１０の温度よりも低い空気が流入する。
【００３１】
一方、燃料電池スタック１０の燃料ガスの入口側には、燃料ガスの供給経路である燃料供給経路４が接続されている。この燃料供給経路４には、燃料ガス流れ上流側から順に、燃料ガスに含まれる硫黄成分を除去する脱硫器４１、燃料電池スタック１０へと燃料ガスを圧送する燃料用ブロワ４２、燃料予熱器４３、燃料改質器４４が設けられている。
【００３２】
燃料予熱器４３は、燃料用ブロワ４２から圧送された燃料ガスを後述するオフガス燃焼器６１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。この燃料予熱器４３は、水供給経路５にも接続されており、純水器５１を介して水ポンプ５２から供給される水を燃焼ガスと熱交換させて蒸発させる水蒸気生成器としての機能も果たしている。なお、燃料予熱器４３では、燃料用ブロワ４２から圧送された燃料ガスと燃料電池スタック１０よりも低い温度の燃焼ガスとを熱交換させる低温の予熱器である。
【００３３】
燃料改質器４４は、燃料予熱器４３にて加熱された燃料ガス、および水蒸気を混合した混合ガスを燃焼ガスと熱交換させて加熱すると共に、水蒸気改質により水素および一酸化炭素を含む燃料ガスを生成する燃料ガス生成器である。
【００３４】
本実施形態の燃料改質器４４は、燃料電池スタック１０や第２空気予熱器３４と共にハウジング２の内部に収容されており、燃料電池スタック１０の発電時に生ずる放射熱を吸熱して、内部を流通する燃料ガスを加熱する放射熱型の熱交換器で構成されている。本実施形態の燃料改質器４４は、燃料予熱器４３にて昇温した燃料ガスを熱交換媒体として、燃料電池スタック１０の発電時に生ずる放射熱と熱交換させる熱交換手段を構成している。なお、燃料改質器４４には、発電時における燃料電池スタック１０の温度（例えば、７００℃〜８００℃）よりも低い燃料ガスが流入する。
【００３５】
ここで、水蒸気改質は、吸熱反応であり、本実施形態の如く、燃料電池スタック１０の発電時に生ずる放射熱を吸熱可能な高温の条件下で行うことで、より高転化率の改質反応を実現することができる。但し、燃料電池スタック１０の起動時等には、燃料改質器４４にて部分酸化改質を行うようにしてもよい。
【００３６】
なお、図示しないが、空気供給経路３および燃料供給経路４それぞれには、燃料電池スタック１０に供給する燃料ガスの供給量を調整する調整弁や、燃料電池スタック１０に供給する空気の供給量を調整する調整弁等が設けられている。
【００３７】
燃料電池スタック１０の空気の出口側には、燃料電池スタック１０からの排出空気（酸化剤ガスのオフガス）が流れる空気排出経路６ａが接続され、燃料電池スタック１０の燃料ガスの出口側には、排出燃料（燃料ガスのオフガス）が流れる燃料排出経路６ｂが接続されている。各排出経路６ａ、６ｂは、オフガス燃焼器６１に接続されている。
【００３８】
オフガス燃焼器６１は、排出燃料と排出空気とを混合して燃焼させることで、燃料電池スタック１０に供給する空気や燃料ガスの予熱等の熱源として利用される高温（例えば、９００℃〜１０００℃）の燃焼ガスを生成するものである。
【００３９】
このオフガス燃焼器６１には、高温の燃焼ガスを排出する燃焼ガス経路６が接続されている。この燃焼ガス経路６は、内部を流れる燃焼ガスの熱を有効利用すべく、上流側から順に燃料改質器４４、第２空気予熱器３４、燃料予熱器４３、第１空気予熱器３３といった機器に接続されている。なお、図示しないが、燃焼ガス経路６における第１空気予熱器３３の下流側には、給湯水を加熱する熱交換器を設けられており、燃料ガスが有する熱にて、給湯水等を加熱するようになっている。
【００４０】
続いて、本実施形態の燃料電池装置１の内部における具体的な形態について、図２〜図６を用いて説明する。なお、図６の第１空気流路３４５ａ内の「×」印は、空気の流通方向が、紙面手前側から奥側となることを示す記号であり、図６の第２空気流路３４５ｂ内の「・」印は、空気の流通方向が、紙面奥側から手前側となることを示す記号である。このことは、他の図面においても同様である。
【００４１】
図２に示すように、本実施形態の燃料電池スタック１０は、天地方向が発電セル１０ａの積層方向と一致するように、ハウジング２の中央部に配置されている。
【００４２】
本実施形態の燃料電池スタック１０は、内部に空気を導入する第１、第２空気導入部１４１ａ、１４１ｂが後述する第２空気予熱器３４の第１、第２空気出口部３４２ａ、３４２ｂに接続され、内部から空気を排出する第１、第２空気排出部１４２が空気排出経路６ａに接続されている。
【００４３】
また、燃料電池スタック１０は、内部に燃料ガスを導入する第１、第２燃料導入部１５１ａ、１５１ｂが後述する燃料改質器４４の第１、第２燃料出口部４４２ａ、４４２ｂに接続され、内部から燃料ガスを排出する燃料排出部１５２が燃料排出経路６ｂに接続されている。
【００４４】
本実施形態の第２空気予熱器３４および燃料改質器４４は、燃料電池スタック１０の周囲に配置されている。また、本実施形態の第２空気予熱器３４および燃料改質器４４は、燃料電池スタック１０からの充分な熱伝達、および放射熱（輻射熱）が得られるように、燃料電池スタック１０における積層面に対向する位置に燃料電池スタック１０から適切に離間して配置されている。なお、本実施形態では、第２空気予熱器３４および燃料改質器４４を、第２空気予熱器３４および燃料改質器４４のうち、一方の熱交換手段と燃料電池スタック１０との間に、他方の熱交換手段が介在しないように、燃料電池スタック１０の周囲に配置している。
【００４５】
第２空気予熱器３４は、第１空気予熱器３３にて昇温された空気を流入させる第１、第２空気入口部３４１ａ、３４１ｂ、および各空気入口部３４１ａ、３４１ｂから流入した空気を燃料電池スタック１０へ導入する第１、第２空気出口部３４２ａ、３４２ｂが設けられている。
【００４６】
より具体的には、第２空気予熱器３４は、図３〜図６に示すように、第１空気入口部３４１ａからの空気が流入する第１空気流入タンク３４３ａ（図４参照）、第１空気流入タンク３４３ａに流入した空気が流通する複数の第１空気流路３４５ａ、各第１空気流路３４５ａからの空気を集合させて第１空気出口部３４２ａへ導く第１空気流出タンク３４４ａ（図５参照）を有する。
【００４７】
また、第２空気予熱器３４は、第２空気入口部３４１ｂからの空気が流入する第２空気流入タンク３４３ｂ（図５参照）、第２空気流入タンク３４３ｂに流入した空気が流通する複数の第２空気流路３４５ｂ、各第２空気流路３４５ｂからの空気を集合させて第２空気出口部３４２ｂへ導く第２空気流出タンク３４４ｂ（図４参照）を有する。
【００４８】
本実施形態の第２空気予熱器３４は、燃料電池スタック１０に対向する対向面の温度分布が均一となるように、第１、第２空気流路３４５ａ、３４５ｂが設定されている。なお、本実施形態の第１、第２空気流路３４５ａ、３４５ｂは、燃料電池スタック１０の積層方向に延びるように設定されている。
【００４９】
具体的には、本実施形態の第２空気予熱器３４には、第１、第２空気流路３４５ａ、３４５ｂにおける空気流れの上流側と下流側とが隣り合うように各空気流路３４５ａ、３４５ｂが交互に設定されている。すなわち、第１、第２空気流路３４５ａ、３４５ｂは、一方の空気流路における流入部が、他方の空気流路における流出部と隣り合うように設定されている。
【００５０】
これによれば、第１空気流路３４５における低温の空気が流通する空気流れ上流側と、第２空気流路３４５ｂにおける高温の空気が流通する空気流れ下流側とが隣り合う。また、第１空気流路３４５における高温の空気が流通する空気流れ下流側と、第２空気流路３４５ｂにおける低温の空気が流通する空気流れ上流側とが隣り合う。これにより、第２空気予熱器３４は、燃料電池スタック１０に対向する対向面の温度分布が緩和される。
【００５１】
図２に戻り、燃料改質器４４は、燃料予熱器４３にて昇温された燃料ガスを流入させる第１、第２燃料入口部４４１ａ、４４１ｂ、および各燃料入口部４４１ａ、４４１ｂから流入した燃料ガスを燃料電池スタック１０へ導入する第１、第２燃料出口部４４２ａ、４４２ｂが設けられている。
【００５２】
ここで、図示しないが、本実施形態の燃料改質器４４は、第１燃料入口部４４１ａからの燃料ガスが流通する第１燃料流路、第２燃料入口部４４１ｂからの燃料ガスが流通する第２燃料流路を有している。そして、燃料改質器４４では、第２空気予熱器３４と同様に、燃料電池スタック１０に対向する対向面の温度分布が均一となるように、第１、第２燃料流路における燃料ガス流れ上流側と下流側とが隣り合うように、各燃料流路が交互に設定されている。本実施形態の各燃料流路は、燃料電池スタック１０の積層方向に延びるように設定されている。なお、本実施形態では、第２空気予熱器３４における第１、第２空気流路３４５ａ、３４５ｂ、および燃料改質器４４における第１、第２燃料流路が、熱交換媒体が流通する熱媒体流路を構成している。
【００５３】
また、本実施形態の第２空気予熱器３４および燃料改質器４４それぞれは、燃料電池スタック１０に対向する対向面が、燃料電池スタック１０の積層面の大きさよりも大きくなっており、燃料電池スタック１０からの距離が互いに等しくなるように配置されている。これにより、本実施形態の第２空気予熱器３４および燃料改質器４４それぞれは、燃料電池スタック１０との対向方向から見たとき、燃料電池スタック１０と対向する対向面が、燃料電池スタック１０の少なくとも一面の全域と重なり合っている。
【００５４】
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、燃料用ブロワ４２、水ポンプ５２等が作動する。
【００５５】
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第１空気予熱器３３にて所望の温度となるまで加熱された後、さらに第２空気予熱器３４にて加熱されて燃料電池スタック１０に供給される。
【００５６】
一方、燃料供給経路４では、燃料用ブロワ４２にて圧送された燃料ガス、および水ポンプ５２にて圧送された水が、燃料予熱器４３にて所望の温度まで加熱された後、燃料改質器４４にてリッチな燃料ガスに改質されて燃料電池スタック１０に供給される。
【００５７】
燃料電池スタック１０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Ｆ１〜Ｆ４に示す電気化学反応により、電気エネルギを出力する。
【００５８】
燃料電池スタック１０から排出された各オフガスは、オフガス燃焼器６１にて燃焼される。そして、オフガス燃焼器６１にて生ずる高温の燃焼ガスは、燃焼ガス経路６を介して燃料改質器４４、第２空気予熱器３４、燃料予熱器４３、第１空気予熱器３３の順に流れ、各機器における熱源として利用された後に外部へ排出される。
【００５９】
以上説明した本実施形態の燃料電池装置１では、第２空気予熱器３４および燃料改質器４４それぞれが、燃料電池スタック１０に対向する対向面の温度分布が均一となるように、各空気流路３４５ａ、３４５ｂ、および各燃料流路が設定されている。
【００６０】
具体的には、第２空気予熱器３４および燃料改質器４４は、各空気流路３４５ａ、３４５ｂ、および各燃料流路それぞれが、ガス流れ下流側と上流側とが隣り合うように設定されている。
【００６１】
これによれば、各空気流路３４５ａ、３４５ｂ、および各燃料流路における高温の流体が流通するガス流れ下流側と、低温の空気が流通するガス流れ上流側とが隣り合うので、燃料電池スタック１０に対向する対向面の温度分布が緩和される。従って、本実施形態の燃料電池装置１によれば、燃料電池スタック１０の温度ばらつきを抑制しつつ、燃料電池スタック１０における余剰の熱を回収することができる。
【００６２】
また、本実施形態の燃料電池装置１では、比較的作動温度の近い構成機器である第２空気予熱器３４および燃料改質器４４を燃料電池スタックの周囲に配置する構成としている。これによれば、燃料電池スタック１０からの放射熱を燃料ガスの改質、および酸化剤ガスである空気の加熱に有効利用することができる。
【００６３】
また、本実施形態の燃料電池装置１では、第２空気予熱器３４および燃料改質器４４それぞれを、燃料電池スタック１０との対向方向から見たとき、燃料電池スタック１０と対向する対向面が、燃料電池スタック１０の少なくとも一面の全域と重なり合う形状としている。すなわち、第２空気予熱器３４および燃料改質器４４それぞれにおける燃料電池スタック１０に対向する対向面の大きさを、燃料電池スタック１０の積層面の大きさよりも大きくしている。
【００６４】
これによれば、燃料電池スタック１０における少なくとも一面からの放射熱の熱流束を均一化させることができ、燃料電池スタック１０における温度ばらつきを効果的に抑制することができる。
【００６５】
なお、上述の如く、第２空気予熱器３４および燃料改質器４４それぞれにおける燃料電池スタック１０に対向する対向面の大きさは、燃料電池スタック１０の積層面の大きさよりも大きくすることが望ましいが、これに限定されない。
【００６６】
例えば、第２空気予熱器３４および燃料改質器４４それぞれにおける燃料電池スタック１０に対向する対向面を、燃料電池スタック１０の積層面の大きさと同程度、または小さくするようにしてもよい。
【００６７】
また、本実施形態では、第２空気予熱器３４の各空気流路３４５ａ、３４５ｂ、および燃料改質器４４の各燃料流路を、燃料電池スタック１０の積層方向に延びるように設定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、図８に示すように、第２空気予熱器３４の各空気流路３４５ａ、３４５ｂ、および燃料改質器４４の各燃料流路を、燃料電池スタック１０の積層方向に直交する方向に延びるように設定してもよい。
【００６８】
（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、第１実施形態に対して、第２空気予熱器３４および燃料改質器４４の構造を変更した例について説明する。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。
【００６９】
本実施形態の燃料電池スタック１０は、図９に示すように、内部に空気を導入する空気導入部１４１が第２空気予熱器３４の空気出口部３４２に接続されると共に、内部に燃料ガスを導入する燃料導入部１５１が燃料改質器４４の燃料出口部４４２に接続されている。
【００７０】
本実施形態の第２空気予熱器３４は、第１空気予熱器３３にて昇温された空気を流入させる単一の空気入口部３４１、および空気入口部３４１から流入した空気を燃料電池スタック１０へ導入する単一の空気出口部３４２が設けられている。
【００７１】
より具体的には、第２空気予熱器３４は、図１０、図１１に示すように、空気流入タンク３４３、空気が流通する複数の空気流路３４５、各空気流路３４５の途中で空気の流れを１８０°反転させる反転部３４５ｅ、空気流出タンク（図示略）を有する。
【００７２】
本実施形態の空気流路３４５は、途中に設けられた反転部３４５ｅにより、低温の空気が流通する反転部３４５ｅの上流側の流路３４５ｃと、高温の空気が流通する反転部３４５ｅの下流側の流路３４５ｄとが隣り合うように設定されている。これにより、第２空気予熱器３４では、燃料電池スタック１０に対向する対向面の温度分布が緩和される。
【００７３】
また、燃料改質器４４は、燃料予熱器４３にて昇温された燃料ガスを流入させる単一の燃料入口部４４１、および燃料入口部４４１から流入した燃料ガスを燃料電池スタック１０へ導入する単一の燃料出口部４４２が設けられている。
【００７４】
図示しないが、燃料改質器４４は、燃料流入タンク、燃料ガスが流通する複数の燃料流路、各燃料流路の途中で燃料ガスの流れを１８０°反転させる反転部、燃料流出タンクを有する。
【００７５】
本実施形態の燃料流路は、途中に設けられた反転部により、低温の燃料ガスが流通する反転部の上流側の流路と、高温の燃料ガスが流通する反転部の下流側の流路とが隣り合うように設定されている。これにより、燃料改質器４４では、燃料電池スタック１０に対向する対向面の温度分布が緩和される。
【００７６】
その他の構成および作動は、第１実施形態と同様である。本実施形態の燃料電池装置１では、第２空気予熱器３４の空気流路３４５の途中に反転部３４５ｅを設けると共に、燃料改質器４４の燃料流路の途中に反転部を設ける構成としている。
【００７７】
これによれば、空気流路３４５における反転部３４５ｅの上流側の流路３４５ｃと反転部３４５ｅの下流側の流路３４５ｄとが隣り合うことで、第２空気予熱器３４における燃料電池スタック１０に対向する対向面の温度分布が緩和される。
【００７８】
また、燃料流路における反転部の上流側の流路と反転部の下流側の流路とが隣り合うことで、燃料改質器４４における燃料電池スタック１０に対向する対向面の温度分布が緩和される。
【００７９】
従って、本実施形態の構成によれば、第１実施形態と同様に、燃料電池スタック１０における温度ばらつきを効果的に抑制しつつ、燃料電池スタック１０における余剰の熱を回収することができる。
【００８０】
（第３実施形態）
次に、第３実施形態について説明する。本実施形態では、第１実施形態に対して、燃料電池装置１の内部構造を変更した例について説明する。本実施形態では、第１、第２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。
【００８１】
本実施形態の燃料電池装置１は、図１２に示すように、燃料電池スタック１０および第２空気予熱器３４をハウジング２に収容し、燃料改質器４４については、ハウジング２の外部に配置する構成としている。
【００８２】
その他の構成および作動は、第１実施形態と同様である。本実施形態の燃料電池装置１においても、第２空気予熱器３４内部の各空気流路３４５ａ、３４５ｂにおける高温の空気が流通する空気流れ下流側と、低温の空気が流通する空気流れ上流側とが隣り合うので、燃料電池スタック１０に対向する対向面の温度分布が緩和される。従って、本実施形態の燃料電池装置１においても、燃料電池スタック１０の温度ばらつきを抑制しつつ、燃料電池スタック１０における余剰の熱を回収することができる。
【００８３】
ここで、第２実施形態の燃料電池装置１を、図１３に示すように、燃料電池スタック１０および第２空気予熱器３４をハウジング２に収容し、燃料改質器４４については、ハウジング２の外部に配置する構成としてもよい。
【００８４】
なお、本実施形態では、燃料電池スタック１０および第２空気予熱器３４をハウジング２に収容し、燃料改質器４４をハウジング２の外部に配置する例について説明したが、これに限定されない。
【００８５】
例えば、燃料電池スタック１０および燃料改質器４４をハウジング２に収容し、第２空気予熱器３４をハウジング２の外部に配置するようにしてもよい。この場合、燃料改質器４４内部の各燃料流路における高温の燃料ガスが流通する燃料ガス流れ下流側と、低温の空気が流通する燃料ガス流れ上流側とが隣り合うので、燃料電池スタック１０に対向する対向面の温度分布が緩和されることとなる。
【００８６】
（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。
【００８７】
（１）上述の各実施形態では、第２空気予熱器３４の各空気流路３４５ａ、３４５ｂ、および燃料改質器４４の各燃料流路を、燃料電池スタック１０の積層方向または積層方向に直交する方向に延びるように設定する例について説明したが、これに限定されない。
【００８８】
第２空気予熱器３４の各空気流路３４５ａ、３４５ｂ、および燃料改質器４４の各燃料流路は、流路における上流側と下流側とが隣り合うように設定されていれば、例えば、図１４に示すように、第２空気予熱器３４の空気流路３４５を渦巻き状の流路としてもよい。勿論、燃料改質器４４の燃料流路を渦巻き状の流路としてもよい。
【００８９】
（２）上述の各実施形態では、第２空気予熱器３４の各空気流路３４５ａ、３４５ｂ、および燃料改質器４４の各燃料流路を、隣り合う流路における熱交換媒体の流れ方向が平行となる例について説明したが、これに限定されない。例えば、図１５に示すように、第２空気予熱器３４における隣り合う空気流路３４５ａ、３４５ｂの空気の流れ方向が非平行となる流路としてもよい。勿論、燃料改質器４４における隣り合う燃料流路を燃料ガスの流れ方向が非平行となる流路としてもよい。
【００９０】
（３）上述の各実施形態では、第２空気予熱器３４の各空気流路３４５ａ、３４５ｂ、および燃料改質器４４の各燃料流路を交互に設定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１６に示すように、第２空気予熱器３４の各空気流路３４５ａ、３４５ｂの一部にて、隣り合う流路における空気の流れ方向が反転する流路構成としてもよい。勿論、燃料改質器４４における燃料流路の一部にて、隣り合う流路における燃料ガスの流れ方向が反転する流路構成としてもよい。
【００９１】
この際、図１７に示すように、空気の流れ方向が反転する流路同士の間隔を、空気の流れ方向が反転しない流路同士の間隔よりも大きくするようにしてもよい。これによれば、第２空気予熱器３４の各空気流路３４５ａ、３４５ｂを流れる空気同士の不必要な熱交換を抑制することができる。このことは、燃料改質器４４における燃料流路について同様である。
【００９２】
（４）上述の各実施形態では、第１空気予熱器３３および第２空気予熱器３４を独立した構成機器とすると共に、燃料予熱器４３および燃料改質器４４を独立した構成機器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、第１空気予熱器３３および第２空気予熱器３４を一体化すると共に、燃料予熱器４３および燃料改質器４４を一体化し、これらを燃料電池スタック１０の周囲に配置するようにしてもよい。
【００９３】
（５）上述の各実施形態では、第２空気予熱器３４および燃料改質器４４を燃料電池スタック１０の周囲に配置する例について説明したが、これに限定されない。
【００９４】
例えば、第２空気予熱器３４を、互いに流入する空気の温度が同等となる２つ以上の予熱器で構成し、各予熱器同士が燃料電池スタック１０との間に介在しないように、燃料電池スタック１０の周囲に配置してもよい。また、燃料改質器４４を、互いに流入する燃料ガスの温度が同等となる２つ以上の改質器で構成し、各改質器同士が燃料電池スタック１０との間に介在しないように、燃料電池スタック１０の周囲に配置してもよい。
【００９５】
（６）上述の各実施形態では、燃料電池スタック１０、第２空気予熱器３４、および燃料改質器４４をハウジング２内に収容する例について説明したが、これに限定されず、ハウジング２を省略してもよい。
【００９６】
（７）上述の各実施形態では、燃料電池スタック１０を高温で作動する固体酸化物型燃料電池とする例について説明したが、これに限定されず、例えば、燃料電池スタック１０を高温で作動する溶融炭酸塩型燃料電池としてもよい。
【００９７】
（８）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。また、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。
【符号の説明】
【００９８】
１        燃料電池装置
１０      燃料電池スタック
１０ａ    発電セル
３４      第２空気予熱器（熱交換手段）
３４５    空気流路
４４      燃料改質器（熱交換手段）
【図１】
2014137967.tif 000003
【図２】
2014137967.tif 000004
【図３】
2014137967.tif 000005
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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