(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと空気とを反応させて発電する燃料電池セルスタックと、
金属製部材で囲まれた燃焼空間が内部に形成され、前記燃料電池セルスタックから排出されたオフガスを前記燃焼空間へ導入する導入口を有し、前記燃焼空間で前記オフガスを燃焼させる燃焼器と、
原料ガスを前記燃料電池セルスタックへ供給する燃料ガスに改質する改質器と、
前記燃焼器から排出された燃焼排ガスと前記燃料電池セルスタック及び前記改質器の少なくとも一方へ供給される気体との間で熱交換を行う熱交換部と、
前記燃料電池セルスタック、前記燃焼器、及び前記改質器を有する高温部を覆い、前記熱交換部と前記高温部との間を断熱する断熱体と、
前記高温部と前記熱交換部を内部に収容し、内部を保温する筐体と、
を備えた燃料電池システム。
【請求項２】
前記改質器は、前記燃焼器と前記燃料電池セルスタックとの間に前記燃料電池セルスタック及び前記燃焼器と熱交換が可能に配置されている、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料電池セルスタック、前記改質器、前記燃焼器の順に下から上へ積層されている、ことを特徴とする、請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃焼器、前記改質器、前記燃料電池セルスタックの順に下から上へ積層されている、ことを特徴とする、請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃焼器は、前記改質器と前記燃料電池セルスタックとの間に前記改質器及び前記燃料電池セルスタックと熱交換が可能に配置されている、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃料電池セルスタック、前記燃焼器、前記改質器の順に下から上へ積層されている、ことを特徴とする、請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記改質器、前記燃焼器、前記燃料電池セルスタックの順に下から上へ積層されている、ことを特徴とする、請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記燃料電池セルスタックは、前記改質器と前記燃焼器との間に前記改質器及び前記燃焼器と熱交換が可能に配置されている、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記燃焼器、前記燃料電池セルスタック、前記改質器の順に下から上へ積層されている、ことを特徴とする、請求項８に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記改質器、前記燃料電池セルスタック、前記燃焼器の順に下から上へ積層されている、ことを特徴とする、請求項８に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記熱交換部は、前記改質器へ供給する水を気化させる気化器、及び前記燃焼排ガスと前記燃料電池セルスタックへ供給される気体との間で熱交換を行う熱交換器、を含み、
前記熱交換器は前記高温部に隣接配置され、前記気化器は前記熱交換器に対して前記高温部と反対側に隣接配置されている、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の燃料電池システム。 
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムにおいて、エネルギー利用効率を向上させるための構成として、種々の提案がなされている。燃料電池システムの中でも、燃料電池セルスタックが高温で稼働するものについては、燃料電池セルスタックで生成される熱を、燃料電池システム内で利用することにより、燃料電池システムの効率向上が見込める。
【０００３】
上記に関連して特許文献１には、固体酸化物形燃料電池(SOFC：Solid Oxide Fuel Cell)について、燃料電池セルスタックの発電時に発生する熱を吸熱する位置に改質器を配置する構成が開示されている。特許文献１では、SOFCについて、燃料電池セルスタック、一部の改質器を断熱部材に覆われた装置本体内に配置している。また、特許文献２では、円柱形状の中心にＳＯＦＣスタックを配置し、その外側に燃焼器を配置する構成が開示されている。また、特許文献３では、燃料電池セルスタック、改質器、燃焼部を燃料電池ハウジング内に配置し、気化器や他の熱交換部と隔離して燃料電池ハウジング内を高温に維持している。
【０００４】
しかしながら、特許文献１には、燃料電池セルスタックから排出される未使用燃料を含むオフガスを燃焼させること、及びオフガス燃焼位置についての記載はない。また、特許文献２には、改質器の外側における断熱等の構成についての記載はない。また、特許文献３には、燃料電池セルスタック、改質器、燃焼部を燃料電池ハウジング内に配置する記載はあるが、燃焼部は燃料電池セルスタックの上部に限定され、さらに燃焼点が広範囲に拡散されるため、必要な熱量を効率よく供給することが難しい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−７３３５７号公報
【特許文献２】特開２００５−２６８１７１号公報
【特許文献３】特開２０１５−１０３４７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は上記事実を考慮して成されたもので、燃料電池システムの発電効率を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１記載の発明に係る燃料電池システムは、燃料ガスと空気とを反応させて発電する燃料電池セルスタックと、金属製部材で囲まれた燃焼空間が内部に形成され、前記燃料電池セルスタックから排出されたオフガスを前記燃焼空間へ導入する導入口を有し、前記燃焼空間で前記オフガスを燃焼させる燃焼器と、原料ガスを前記燃料電池セルスタックへ供給する燃料ガスに改質する改質器と、前記燃焼器から排出された燃焼排ガスと前記燃料電池セルスタック及び前記改質器の少なくとも一方へ供給される気体との間で熱交換を行う熱交換部と、前記燃料電池セルスタック、前記燃焼器、及び前記改質器を有する高温部を覆い、前記熱交換器と前記高温部との間を断熱する断熱体と、前記高温部と前記熱交換部を内部に収容し、内部を保温する筐体と、を備えている。
【０００８】
請求項１に係る燃料電池システムは、燃料電池セルスタック、燃焼器、及び改質器を有する高熱部、及び、熱交換部を備えている。熱交換部は、燃焼器から排出された燃焼排ガスと燃料電池セルスタック及び改質器の少なくとも一方へ供給される気体との間で熱交換を行うが、高温部とは断熱体で断熱されている。したがって、発電効率の高い燃料電池システムにおいても、外部への放熱を抑制して高温部内を高温に維持し、燃料電池システムにおける発電効率を向上させることができる。
【０００９】
また、燃焼器は、金属製部材で囲まれた燃焼空間が内部に形成され、燃料電池セルスタックから排出されたオフガスを燃焼空間へ導入する導入口を有し、燃焼空間でオフガスを燃焼させるように構成されているので、燃焼点を限定して効率的に熱を供給することができる。
【００１０】
請求項２記載の発明に係る燃料電池システムは、前記改質器は、前記燃焼器と前記燃料電池セルスタックとの間に前記燃料電池セルスタック及び前記燃焼器と熱交換が可能に配置されている、ことを特徴とする。
【００１１】
請求項２に記載の燃料電池システムでは、改質器は、燃料電池セルスタックと燃焼器の間に配置されている。すなわち、改質器の一方側に燃料電池セルスタックが配置され、他方側に燃焼器が配置されている。そして、改質器は、燃料電池セルスタック及び燃焼器と熱交換が可能とされている。したがって、改質器での改質反応に必要な熱を燃料電池セルスタック及び燃焼器の両方のから受けることができると共に、改質器からの熱の放散を抑制することができる。これにより、効率的に改質器を加熱して、燃料電池システムにおける熱効率を向上せることができる。
【００１２】
請求項３記載の発明に係る燃料電池システムは、前記燃料電池セルスタック、前記改質器、前記燃焼器の順に下から上へ積層されている、ことを特徴とする。
【００１３】
請求項３記載の発明に係る燃料電池システムによれば、燃料電池セルスタックの温度が燃焼器の温度よりも高温の場合に、高温部内において燃料電池セルスタックからの熱が上昇し、高温部内の熱を対流させることができる。また、相対的に質量が大きい燃料電池セルスタックを下部に配置するので、安定した積層構造とすることができる。さらに、燃焼器や改質器の耐荷重性を軽減することができる。
【００１４】
請求項４記載の発明に係る燃料電池システムは、前記燃焼器、前記改質器、前記燃料電池セルスタックの順に下から上へ積層されている、ことを特徴とする。
【００１５】
請求項４記載の発明に係る燃料電池システムによれば、燃焼器の温度が燃料電池セルスタックの温度よりも高温の場合に、高温部内において燃焼器からの熱が上昇し、高温部内の熱を対流させて効率的に熱の供給を行うことができる。
【００１６】
請求項５記載の発明に係る燃料電池システムは、前記燃焼器は、前記改質器と前記燃料電池セルスタックとの間に前記改質器及び前記燃料電池セルスタックと熱交換が可能に配置されている、ことを特徴とする。
【００１７】
請求項５記載の発明に係る燃料電池システムによれば、改質器及び燃料電池セルスタックの両方が燃焼器と熱交換可能に配置されている。したがって、改質器及び燃料電池セルスタックを、効率的に加熱することができる。
【００１８】
請求項６記載の発明に係る燃料電池システムは、前記燃料電池セルスタック、前記燃焼器、前記改質器の順に下から上へ積層されている、ことを特徴とする。
【００１９】
請求項６記載の発明に係る燃料電池システムによれば、燃焼器からの熱の対流を利用して改質器を効果的に加熱することができる。また、相対的に質量が大きい燃料電池セルスタックを下部に配置するので、安定した積層構造とすることができる。また、燃焼器や改質器の耐荷重性を軽減することができる。
【００２０】
請求項７記載の発明に係る燃料電池システムは、前記改質器、前記燃焼器、前記燃料電池セルスタックの順に下から上へ積層されている、ことを特徴とする。
【００２１】
請求項７記載の発明に係る燃料電池システムによれば、燃焼器が燃料電池セルスタックと隣接された下側に配置されているので、燃料電池セルスタックと燃焼器との間で効果的に熱交換を行うことができる。
【００２２】
請求項８記載の発明に係る燃料電池システムは、前記燃料電池セルスタックは、前記改質器と前記燃焼器との間に前記改質器及び前記燃焼器と熱交換が可能に配置されていることを特徴とする。
【００２３】
請求項８記載の発明に係る燃料電池システムでは、燃料電池セルスタックの一方側に改質器が配置され、他方側に燃焼器が配置されている。したがって、燃料電池セルスタックからの熱の放散を抑制することができ、燃料電池セルスタックの温度を安定させることができる。
【００２４】
請求項９記載の発明に係る燃料電池システムは、前記燃焼器、前記燃料電池セルスタック、前記改質器の順に下から上へ積層されている、ことを特徴とする。
【００２５】
請求項９記載の発明に係る燃料電池システムによれば、燃焼器の温度が燃料電池セルスタックの温度よりも高温の場合に、高温部内において燃焼器からの熱が上昇し、高温部内の熱を対流させて効率的に熱の供給を行うことができる。
【００２６】
請求項１０記載の発明に係る燃料電池システムは、前記改質器、前記燃料電池セルスタック、前記燃焼器の順に下から上へ積層されている、ことを特徴とする。
【００２７】
請求項１０記載の発明に係る燃料電池システムによれば、燃焼器が燃料電池セルスタックの上側に配置されているので、燃焼器の耐荷重性を軽減することができる。
【００２８】
請求項１１記載の発明に係る燃料電池システムは、前記熱交換部は、前記改質器へ供給する水を気化させる気化器、及び前記燃焼排ガスと前記燃料電池セルスタックへ供給される気体との間で熱交換を行う熱交換器、を含み、前記熱交換器は前記高温部に隣接配置され、前記気化器は前記熱交換器に対して前記高温部と反対側に隣接配置されている。
【００２９】
請求項１１記載の発明に係る燃料電池システムによれば、高温部に隣接して熱交換器が配置されているので、燃焼排ガスやアノードオフガスの温度を維持しつつ当該熱交換器へ導入することができる。これにより、熱のロスを抑制しつつ、他のガスとの間で効率的に熱交換を行うことができる。また、改質器へ供給する水を気化する気化器が、熱交換器に隣接して配置されている。したがって、熱交換器を高温部と気化器の間に配置して、熱交換器からの放熱を抑制することができる。
【発明の効果】
【００３０】
本発明に係る燃料電池システムによれば、燃料電池システムにおける発電効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】第１実施形態に係る燃料電池システムの主要部の配置図である。
【図２】第１実施形態に係る燃料電池システムの接続関係を示す説明図である。
【図３】第１実施形態の変形例に係る燃料電池システムの主要部の配置図である。
【図４】第１実施形態の他の変形例に係る燃料電池システムの主要部の配置図である。
【図５】第２実施形態に係る燃料電池システムの主要部の配置図である。
【図６】第３実施形態に係る燃料電池システムの主要部の配置図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
［第１実施形態］
以下、図面を参照して本発明の実施形態の一例を詳細に説明する。
【００３３】
図１には、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１０Ａの主要構成の概略配置が示されている。本発明の実施形態に係る燃料電池システム１０Ａは、発電効率が５０％以上、好ましくは５５％以上のモノジェネレーションシステムであり、コジェネレーションシステム（熱併給発電）と区別される。図１では、鉛直方向の上方を矢印ＵＰで示している。燃料電池システム１０Ａは、主要な構成として、気化器１２、改質器１４、第１−１燃料電池セルスタック１６、第１−２燃料電池セルスタック１７、第２燃料電池セルスタック１８、熱交換部３０、燃焼器４０を備えている。
【００３４】
第１−１燃料電池セルスタック１６、第１−２燃料電池セルスタック１７、及び第２燃料電池セルスタック１８は、固体酸化物形の燃料電池セルスタックであり(SOFC：Solid Oxide Fuel Cell)、積層された複数の燃料電池セルを有している。第１−１燃料電池セルスタック１６、第１−２燃料電池セルスタック１７、及び第２燃料電池セルスタック１８は、作動温度がＴ１とされている。例えば、作動温度Ｔ１は、６００℃〜１０００℃程度に設定できる。第１−１燃料電池セルスタック１６、第１−２燃料電池セルスタック１７、及び第２燃料電池セルスタック１８は、上下方向に重なり合わないように、改質器１４の下側に配置されている。
【００３５】
本実施形態の燃料電池システム１０Ａは、第１−１燃料電池セルスタック１６及び第１−２燃料電池セルスタック１７を経た燃料が不図示の燃料再生装置によって再生され、燃料ガスとして第２燃料電池セルスタック１８で再利用される多段式の燃料電池システムとなっている。なお、燃料再生装置としては、水や二酸化炭素を除去する分離膜や吸着剤を用いることができる。
【００３６】
第１−１燃料電池セルスタック１６の個々の燃料電池セルは、電解質層と、当該電解質層の表裏面にそれぞれ積層されたアノード（燃料極）１６Ａ、及びカソード（空気極）１６Ｂと、を有している。
【００３７】
なお、第１−１燃料電池セルスタック１６、第１−２燃料電池セルスタック１７、及び第２燃料電池セルスタック１８は、同様の基本構成を有しており、アノード１６Ａに対応するアノード１７Ａ、１８Ａ、及びカソード１６Ｂに対応するカソード１７Ｂ、１８Ｂを、各々有している。ここでは、第１−１燃料電池セルスタック１６の構成についてのみ説明する。
【００３８】
第１燃料電池セルスタック１６のカソード１６Ｂには、酸化ガス（空気）が供給される。カソード１６Ｂでは、下記（１）式に示すように、酸化ガス中の酸素と電子とが反応して酸素イオンが生成される。生成された酸素イオンは電解質層を通って第１燃料電池セルスタック１６のアノード１６Ａに到達する。
【００３９】
（空気極反応）
１／２Ｏ２＋２ｅ− →Ｏ２−  …（１）
【００４０】
また、カソード１６Ｂからは、カソードオフガスが排出される。
【００４１】
一方、第１燃料電池セルスタック１６のアノード１６Ａでは、下記（２）式及び（３）式に示すように、電解質層を通ってきた酸素イオンが燃料ガス中の水素及び一酸化炭素と反応し、水(水蒸気)及び二酸化炭素と電子が生成される。アノード１６Ａで生成された電子がアノード１６Ａから外部回路を通ってカソード１６Ｂに移動することで、各燃料電池セルにおいて発電される。また、各燃料電池セルは、発電時に発熱する。
【００４２】
（燃料極反応）
Ｈ２ ＋Ｏ２− →Ｈ２Ｏ＋２ｅ−  …(２)
ＣＯ＋Ｏ２− →ＣＯ２＋２ｅ−  …(３)
【００４３】
第１燃料電池セルスタック１６のアノード１６Ａからは、アノードオフガスが排出される。アノードオフガスには、未反応の水素、未反応の一酸化炭素、二酸化炭素及び水蒸気等が含まれている。
【００４４】
なお、本発明の燃料電池としては、固体酸化物形の燃料電池(SOFC)に限られるものではなく、高温で作動する他の燃料電池、例えば溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)であってもよい。
【００４５】
第１−１燃料電池セルスタック１６、第１−２燃料電池セルスタック１７、及び第２燃料電池セルスタック１８の上には、改質器１４が配置され、両者の間で熱交換が可能とされている。ここでの熱交換は、伝熱材の配置による伝熱や、輻射により行うことができる。改質器１４では、メタンを改質し、水素を含む燃料ガスが生成される。改質器１４は、第１−１燃料電池セルスタック１６、第１−２燃料電池セルスタック１７、及び第２燃料電池セルスタック１８と熱交換可能とされている。改質器１４での改質温度をＴ２とする。改質温度をＴ２は、例えば、６００℃〜７００℃程度に設定できる。
【００４６】
改質器１４の上には、燃焼器４０が配置されている。燃焼器４０は、金属製とされ、金属正部材で囲まれた燃焼空間Ｒが内部に形成されている。また、燃焼器４０は、アノードオフガスを燃焼空間Ｒへ導く導入口４０Ａ、及びカソードオフガスを燃焼空間Ｒへ導く導入口４０Ｂを有している。燃焼器４０の下面は改質器１４の上面に沿って配置され、両者の間で熱交換が可能とされている。ここでの熱交換も、伝熱材の配置による伝熱や、輻射により行うことができる。改質器１４は、第１−１燃料電池セルスタック１６、第１−２燃料電池セルスタック１７、及び第２燃料電池セルスタック１８と燃焼器４０との間に配置される。燃焼器４０では、第２燃料電池セルスタック１８のアノード１８Ａから排出されたアノードオフガスが燃焼される。燃焼器４０の温度をＴ３とする。Ｔ３は、例えば、６００℃〜９００℃程度に設定できる。定常運転では、燃焼器温度Ｔ３（出口温度）は、温度Ｔ１と同程度に設定されている。
【００４７】
第１−１燃料電池セルスタック１６、第１−２燃料電池セルスタック１７、第２燃料電池セルスタック１８、改質器１４、及び燃焼器４０は、断熱体２６Ａによって覆われている。断熱体２６Ａとしては、市販の断熱材、例えば、ロスリムボード（ロスリム：登録商標）やマイクロサーム（登録商標）等を用いることができる。なお、断熱体２６Ａの他に、金属板などでさらに高温部２６を覆ってもよい。第１−１燃料電池セルスタック１６、第１−２燃料電池セルスタック１７、第２燃料電池セルスタック１８、改質器１４、及び燃焼器４０で、高温部２６が構成されている。高温部２６の内部温度を、Ｔ０とする。温度Ｔ０は、例えば、６００℃〜７００℃程度となる。
【００４８】
燃焼器４０の上で、断熱体２６Ａの外側には、熱交換部３０が配置されている。熱交換部３０は、後述する熱交換器３５及び気化器１２を含んで構成されている。熱交換器３５は、カソード１６Ｂ、１７Ｂへ供給する空気と燃焼排ガスとの間で熱交換を行う。熱交換器３５の雰囲気温度をＴ４とする。Ｔ４はＴ０よりも低温となっている。温度Ｔ４は、例えば、２００℃〜６００℃程度に設定できる。
【００４９】
熱交換器３５は、断熱体２６Ａの上に配置され、気化器１２は、熱交換器３５の上に配置されている。気化器１２には、メタン及び水が供給され、気化器１２内で水（液相）が気化される。なお、本実施形態では、原料ガスとしてメタンを用いるが、改質が可能なガスであれば特に限定されず、炭化水素燃料を用いることができる。炭化水素燃料としては、天然ガス、ＬＰガス（液化石油ガス）、石炭改質ガス、低級炭化水素ガスなどが例示される。低級炭化水素ガスとしては、メタン、エタン、エチレン、プロパン、ブタン等の炭素数４以下の低級炭化水素が挙げられる。気化器１２内の温度をＴ５とすると、温度Ｔ５は温度Ｔ４よりも低温となっている。温度Ｔ５は、例えば、７０℃〜２５０℃程度に設定できる。
【００５０】
高温部２６、熱交換器３５、及び気化器１２は、筐体２４内に収納されている。筐体２４は、断熱材で構成されており、筐体２４内は、筐体２４の外部よりも高温に保持されている。筐体２４によって、燃料電池システム１０Ａにおいて高温となる燃料電池ハウジング、所謂ホットモジュールが構成されている。なお、筐体２４は、金属板で構成してもよく、金属板の材料は輻射率の高い金属を使用してもよい。
【００５１】
次に、燃料電池システム１０Ａの各部の接続、及びガスの流路構成について説明する。
【００５２】
図２に示されるように、気化器１２には、原料ガス管Ｐ１の一端が接続されており、原料ガス管Ｐ１の他端は図示しないガス源に接続されている。ガス源からは、ブロアＢ１によりメタンが気化器１２へ送出される。また、不図示のポンプにより、水（液相）が気化器１２へ送出される。気化器１２には、燃焼器４０から燃焼排ガスを排出する燃焼排ガス管Ｐ１０が熱交換のために導入されている。気化器１２では水（液相）が気化される。
【００５３】
メタン及び水蒸気は、気化器１２から配管Ｐ３を介して改質器１４へ送出される。改質器１４は、第１−１燃料電池セルスタック１６（アノード１６Ａ）、及び、第１−２燃料電池セルスタック１７（アノード１７Ａ）、と接続されている。第１−１燃料電池セルスタック１６（アノード１６Ａ）と第１−２燃料電池セルスタック１７（アノード１７Ａ）は、並列に配置されている。改質器１４で生成された燃料ガスは、燃料ガス管Ｐ４を介して第１燃料電池セルスタック１６（アノード１６Ａ）、及び、第１−２燃料電池セルスタック１７（アノード１７Ａ）に供給される。
【００５４】
第１燃料電池セルスタック１６（アノード１６Ａ）、及び、第１−２燃料電池セルスタック１７（アノード１７Ａ）には、アノードオフガスを排出する第１アノードオフガス管Ｐ７−１が接続されている。第１アノードオフガス管Ｐ７−１の他端は、不図示の燃料再生装置を介して第２燃料電池セルスタック１８（アノード１８Ａ）と接続されている。第１アノードオフガス管Ｐ７−１を通って、アノードオフガスからＣＯ２や水が分離された再生燃料ガスが、第２燃料電池セルスタック１８（アノード１８Ａ）へ供給される。
【００５５】
第２燃料電池セルスタック１８（アノード１８Ａ）には、第２アノードオフガス管Ｐ７−２の一端が接続されている。第２アノードオフガス管Ｐ７−２の他端は、燃焼器４０と接続されている。第２アノードオフガス管Ｐ７−２により、第２燃料電池セルスタック１８からのアノードオフガスが燃焼器４０へ送出される。
【００５６】
一方、第１−１燃料電池セルスタック１６（カソード１６Ｂ）及び第１−２燃料電池セルスタック１７（カソード１７Ｂ）には、酸化ガス管Ｐ５の一端が接続され、酸化ガス管Ｐ５の他端には、ブロアＢ２が接続されている。酸化ガス管Ｐ５は、熱交換器３５を経て、第１−１燃料電池セルスタック１６（カソード１６Ｂ）及び第１−２燃料電池セルスタック１７（カソード１７Ｂ）と接続されている。第１−１燃料電池セルスタック１６（カソード１６Ｂ）と第１−２燃料電池セルスタック１７（カソード１７Ｂ）は、並列に配置されている。ブロアＢ２から送出された空気は、酸化ガス管Ｐ５によって、第１−１燃料電池セルスタック１６（カソード１６Ｂ）及び第１−２燃料電池セルスタック１７（カソード１７Ｂ）へ供給される。
【００５７】
第１−１燃料電池セルスタック１６（カソード１６Ｂ）、及び、第１−２燃料電池セルスタック１７（カソード１７Ｂ）には、カソードオフガスを排出する第１カソードオフガス管Ｐ９−１が接続されている。第１カソードオフガス管Ｐ９−１の他端は、第２燃料電池セルスタック１８（カソード１８Ｂ）と接続されている。第１カソードオフガス管Ｐ９−１により、カソードオフガスが、第２燃料電池セルスタック１８（カソード１８Ｂ）へ供給される。
【００５８】
第２燃料電池セルスタック１８（カソード１８Ｂ）には、第２カソードオフガス管Ｐ９−２の一端が接続されている。第２カソードオフガス管Ｐ９−２の他端は、燃焼器４０と接続されている。第２カソードオフガス管Ｐ９−２により、第２燃料電池セルスタック１８からのカソードオフガスが燃焼器４０へ送出される。
【００５９】
燃焼器４０の出口側には、燃焼排ガス管Ｐ１０の一端が接続されている。燃焼排ガス管Ｐ１０は、熱交換器３５、気化器１２を経て、外部に排出されている。熱交換器３５は、熱交換部３０内に収納されている。熱交換器３５では、酸化ガス管Ｐ５を流れる酸化ガスと、燃焼排ガスとの間での熱交換が行われ、酸化ガスが加熱され、燃焼排ガスが冷却される。
【００６０】
次に、本実施形態の燃料電池システム１０Ａの動作について説明する。
【００６１】
燃料電池システム１０Ａにおいては、まず、ガス源からの燃料であるメタン及び水タンクからの水が、気化器１２へ供給される。気化器１２では、供給されたメタン及び水が混合されると共に、燃焼排ガス管Ｐ１０を流通する燃焼排ガスから熱を得て加熱され、水が気化され水蒸気となる。
【００６２】
メタン及び水蒸気は、気化器１２から配管Ｐ３を介して改質器１４へ送出される。改質器１４では、改質反応により、水素を含む６００℃程度の燃料ガスが生成される。燃料ガスは、燃料ガス管Ｐ４を介して第１−１燃料電池セルスタック１６のアノード１６Ａ、及び、第１−２燃料電池セルスタック１７のアノード１７Ａに供給される。
【００６３】
第１−１燃料電池セルスタック１６のカソード１６Ｂ、及び、第１−２燃料電池セルスタック１７のカソード１７Ｂには、酸化ガス管Ｐ５を経て酸化ガスが供給される。この酸化ガスは、ブロアＢ２で送出された空気が、熱交換器３５で加熱されて供給される。
【００６４】
これにより、第１−１燃料電池セルスタック１６、第１−２燃料電池セルスタック１７では、前述の反応により発電が行われる。上記反応により第１燃料電池セルスタック１６は発熱し、温度Ｔ１で発電が行われる。
【００６５】
この発電に伴い、第１−１燃料電池セルスタック１６のアノード１６Ａ、第１−２燃料電池セルスタック１７のアノード１７Ａからは、アノードオフガスが排出される。また、カソード１６Ｂ、１７Ｂからは、カソードオフガスが排出される。カソードオフガスは、カソードオフガス管Ｐ９−１を通って第２燃料電池セルスタック１８のカソード１８Ｂへ供給される。
【００６６】
アノード１６Ａ、１７Ａから排出されたアノードオフガスは、第１アノードオフガス管Ｐ７−１に導かれ、水、二酸化炭素が除去されて第２燃料電池セルスタック１８のアノード１８Ａへ供給される。
【００６７】
第２燃料電池セルスタック１８では、前述の反応により発電が行われる。この反応により第２燃料電池セルスタック１８は発熱し、温度Ｔ１程度の温度で発電が行われる。アノード１８Ａ、カソード１８Ｂでの使用済ガスは、第２アノードオフガス管Ｐ７−２、第２カソードオフガス管Ｐ９−２により各々燃焼器４０へ送出され、燃焼器４０で焼却に供される。
【００６８】
燃焼器４０からの燃焼排ガスは、燃焼排ガス管Ｐ１０により、熱交換器３５、及び気化器１２を経て、外部へ排出される。
【００６９】
本実施形態の燃料電池システム１０Ａは、第１−１燃料電池セルスタック１６及び第１−２燃料電池セルスタック１７から排出されたアノードオフガスを第２燃料電池セルスタック１８で再利用する多段式であるので、発電効率を高くすることができる。このように発電効率の高い燃料電池システムでは、燃焼に供されるアノードオフガスに含まれる未使用燃料が少ないため、改質反応や燃料電池セルスタックの温度維持のために必要な熱量を確保することが重要となる。本実施形態の燃料電池システム１０Ａでは、断熱された筐体２４内に燃料電池セルスタック（第１−１燃料電池セルスタック１６、第１−２燃料電池セルスタック１７、第２燃料電池セルスタック１８）、改質器１４、及び、燃焼部４０を配置している。したがって、外部への熱の放散が抑制され、筐体２４内で熱を効率的に供給することができる。
【００７０】
また、本実施形態の燃料電池システム１０Ａでは、改質器１４が、第１−１燃料電池セルスタック１６、第１−２燃料電池セルスタック１７、及び第２燃料電池セルスタック１８と、燃焼器４０との間に配置され、且つ熱交換可能とされている。したがって、改質器１４での改質反応に必要な熱を燃料電池セルスタック及び燃焼器４０の両側から受けることができる。また、改質器１４が燃料電池セルスタックと燃焼器４０に挟まれているので、改質器１４からの熱の放散を抑制することができる。これにより、効率的に改質器１４を加熱して、燃料電池システム１０Ａにおける熱効率を向上させ、アノードオフガス以外の燃料の使用を抑制して発電効率を向上させることができる。
【００７１】
また、本実施形態では、質量が大きい第１−１燃料電池セルスタック１６、第１−２燃料電池セルスタック１７、及び第２燃料電池セルスタック１８が下部に配置され、比較的軽量の改質器１４、燃焼器４０がその上に配置されている。したがって、安定した積層構造とすることができると共に、燃焼器４０や改質器１４の耐荷重性を軽減し、支持構造を軽量化することにより、高温部２６の熱容量を小さくすることができる。
【００７２】
また、本実施形態では、熱交換部３０が高温部２６に隣接して配置されているので、高温部２６からの燃焼排ガス管Ｐ１０や第１アノードオフガス管Ｐ７−１等の温度を維持しつつ各熱交換器への配管を行うことができる。したがって、熱のロスを抑制して、他のガスとの熱交換を効率的に行うことができる。
【００７３】
また、本実施形態では、熱交換部３０の上部に気化器１２が配置されており、熱勾配、温度Ｔ０（高温部２６）＞温度Ｔ４（熱交換器３５）＞温度Ｔ５（気化器１２）が、各部の配置順となっている。したがって、高温部２６、熱交換部３０、及び、気化器１２において、適切に熱を融通させることができる熱勾配とすることができる。
【００７４】
また、本実施形態では、第１−１燃料電池セルスタック１６、第１−２燃料電池セルスタック１７、及び第２燃料電池セルスタック１８、燃焼器４０、及び改質器１４で構成された高温部２６が、断熱体２６Ａに覆われているので、高温部２６からの放熱を抑制して、高温部２６内の温度Ｔ０を維持することができる。また、高温部２６と熱交換部３０を断熱することができる。
【００７５】
また、本実施形態では、第１−１燃料電池セルスタック１６と第２燃料電池セルスタック１８の間に第１−２燃料電池セルスタック１７を配置したが、第１−１燃料電池セルスタック１６、第１−２燃料電池セルスタック１７、第２燃料電池セルスタック１８の配置順は、この順序である必要はない。本実施形態のように、第１−１燃料電池セルスタック１６と第１−２燃料電池セルスタック１７を隣接させた場合、全体配管長を短縮することができ、熱の放散を抑制することが可能である。一方、第１−１燃料電池セルスタック１６と第１−２燃料電池セルスタック１７の間に挟んだ場合、第１−１燃料電池セルスタック１６及び第１−２燃料電池セルスタック１７の発電状況に影響を受けて温度が変動し温度低下する可能性が高い第２燃料電池セルスタック１８の保温を行うことができる。
【００７６】
また、本実施形態では、燃焼器４０は、金属製部材で囲まれた燃焼空間Ｒを有し、アノードオフガスを導く導入口４０Ａ、カソードオフガスを導く導入口４０Ｂを有している。アノードオフガスは、燃焼器４０の内部で燃焼される。したがって、燃焼点を限定して、所望の位置に効率よく熱を供給することができる。また、燃焼器４０は、容易に所望の大きさ、形状、配置にすることができ、設計の自由度を高くすることができる。
【００７７】
なお、本実施形態では、改質器１４を挟んで、下側に第１−１燃料電池セルスタック１６、第１−２燃料電池セルスタック１７、及び第２燃料電池セルスタック１８を配置し、上側に燃焼器４０を配置したが、他の構成で改質器１４を加熱することもできる。例えば、図３に示されるように、改質器１４を挟んで、下側に燃焼器４０を配置し、上側に第１−１燃料電池セルスタック１６、第１−２燃料電池セルスタック１７、及び第２燃料電池セルスタック１８を配置した、燃料電池システム１０Ｂとしてもよい。
【００７８】
一般的に、第１−１燃料電池セルスタック１６、第１−２燃料電池セルスタック１７、及び第２燃料電池セルスタック１８の温度は、負荷変動により変化する。一方、燃焼器４０の温度は、可燃ガスを供給することにより、制御が容易である。そこで、燃焼器４０を改質器１４の下側に配置する上記の構成により、容易に改質器１４の温度を制御することができる。例えば、燃料電池システム１０Ａの起動時などで、第１−１燃料電池セルスタック１６、第１−２燃料電池セルスタック１７、及び第２燃料電池セルスタック１８の温度がＴ１よりも低い場合に、燃焼器４０への可燃ガスの供給量を調整することにより、燃焼熱を制御して、改質器１４を加熱することができる。また、燃焼器４０の温度が燃料電池セルスタックの温度よりも高温の場合に、高温部２６内において燃焼器４０からの熱が上昇し、高温部２６内の熱を対流させて効率的に熱の供給を行うことができる。
【００７９】
また、図４に示されるように、改質器１４を挟んで、左右に燃焼器４０と、第１−１燃料電池セルスタック１６、第１−２燃料電池セルスタック１７、及び第２燃料電池セルスタック１８とを配置した、燃料電池システム１０Ｃとすることもできる。
【００８０】
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態では、第１−１燃料電池セルスタック１６、第１−２燃料電池セルスタック１７、第２燃料電池セルスタック１８と、改質器１４と、燃焼器４０の位置が第１実施形態と異なり、その他の構成については第１実施形態と同様である。
【００８１】
本実施形態では、図５（Ａ）に示されるように、第１−１燃料電池セルスタック１６、第１−２燃料電池セルスタック１７、及び第２燃料電池セルスタック１８を挟んで、上側に燃焼器４０が配置され、下側に改質器１４が配置されている。第１−１燃料電池セルスタック１６、第１−２燃料電池セルスタック１７、及び第２燃料電池セルスタック１８と燃焼器４０との間では、熱交換が可能とされている。また、第１−１燃料電池セルスタック１６、第１−２燃料電池セルスタック１７、及び第２燃料電池セルスタック１８と改質器１４の間でも熱交換が可能とされている。ここでの熱交換は、伝熱材の配置による伝熱や、輻射により行うことができる。
【００８２】
本実施形態では、第１−１燃料電池セルスタック１６、第１−２燃料電池セルスタック１７、及び第２燃料電池セルスタック１８が、燃焼器４０と改質器１４に挟まれている。したがって、第１−１燃料電池セルスタック１６、第１−２燃料電池セルスタック１７、及び第２燃料電池セルスタック１８からの熱の放散を抑制することができ、第１−１燃料電池セルスタック１６、第１−２燃料電池セルスタック１７、及び第２燃料電池セルスタック１８の温度を安定させることができる。
【００８３】
また、本実施形態では、燃焼器４０が第１−１燃料電池セルスタック１６、第１−２燃料電池セルスタック１７、及び第２燃料電池セルスタック１８よりも上に配置されているので、燃焼器４０の耐荷重性を軽減することができる。
【００８４】
なお、本実施形態では、第１−１燃料電池セルスタック１６、第１−２燃料電池セルスタック１７、及び第２燃料電池セルスタック１８を挟んで、上側に燃焼器４０を配置し、下側に改質器１４を配置したが、図５（Ｂ）に示されるように、上側に改質器１４を配置し、下側に燃焼器４０を配置してもよい。このような配置にすることにより、燃焼器４０の温度が第１−１燃料電池セルスタック１６、第１−２燃料電池セルスタック１７、及び第２燃料電池セルスタック１８の温度よりも高温の場合に、高温部２６内において燃焼器４０からの熱が上昇し、高温部２６内の熱を効果的に対流させて効率的に熱の供給を行うことができる。また、第１−１燃料電池セルスタック１６、第１−２燃料電池セルスタック１７、及び第２燃料電池セルスタック１８を燃焼器４０の直下に配置することにより、燃料電池セルスタックの昇温速度が上がる。したがって、起動時に所定の起動温度に達するまでの時間が短縮されるので、起動に要する時間を短縮することができる。
【００８５】
［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態では、第１−１燃料電池セルスタック１６、第１−２燃料電池セルスタック１７、第２燃料電池セルスタック１８と、改質器１４と、燃焼器４０の位置が第１、２実施形態と異なり、その他の構成については第１、２実施形態と同様である。
【００８６】
本実施形態では、図６（Ａ）に示されるように、燃焼器４０を挟んで、上側に第１−１燃料電池セルスタック１６、第１−２燃料電池セルスタック１７、及び第２燃料電池セルスタック１８が配置され、下側に改質器１４が配置されている。第１−１燃料電池セルスタック１６、第１−２燃料電池セルスタック１７、及び第２燃料電池セルスタック１８と燃焼器４０との間では、熱交換が可能とされている。また、燃焼器４０と改質器１４の間でも熱交換が可能とされている。ここでの熱交換は、伝熱材の配置による伝熱や、輻射により行うことができる。
【００８７】
本実施形態では、燃焼器４０が、第１−１燃料電池セルスタック１６、第１−２燃料電池セルスタック１７、及び第２燃料電池セルスタック１８と改質器１４に挟まれている。したがって、改質器及び燃料電池セルスタックの両方が燃焼器４０と隣接して熱交換可能に配置されている。したがって、改質器１４、及び、第１−１燃料電池セルスタック１６、第１−２燃料電池セルスタック１７、第２燃料電池セルスタック１８を、効率的に加熱することができる。
【００８８】
また、本実施形態では、燃焼器４０が第１−１燃料電池セルスタック１６、第１−２燃料電池セルスタック１７、及び第２燃料電池セルスタック１８の直下に配置されているので、燃焼器４０と第１−１燃料電池セルスタック１６、第１−２燃料電池セルスタック１７、及び第２燃料電池セルスタック１８との間で、効果的に熱交換を行うことができ、燃料電池セルスタックの昇温速度が上がる。したがって、起動時に所定の起動温度に達するまでの時間が短縮されるので、起動に要する時間を短縮することができる。
【００８９】
なお、本実施形態では、燃焼器４０を挟んで、上側に第１−１燃料電池セルスタック１６、第１−２燃料電池セルスタック１７、及び第２燃料電池セルスタック１８を配置し、下側に改質器１４を配置したが、図６（Ｂ）に示されるように、上側に改質器１４を配置し、下側に第１−１燃料電池セルスタック１６、第１−２燃料電池セルスタック１７、及び第２燃料電池セルスタック１８を配置してもよい。このような配置にすることにより、燃焼器４０からの熱の対流を利用して改質器１４を効果的に加熱することができる。また、第１−１燃料電池セルスタック１６、第１−２燃料電池セルスタック１７、及び第２燃料電池セルスタック１８を燃焼器４０の直下に配置することにより、燃料電池セルスタックの昇温速度が上がる。したがって、起動時に所定の起動温度に達するまでの時間が短縮されるので、起動に要する時間を短縮することができる。さらに、相対的に質量が大きい第１−１燃料電池セルスタック１６、第１−２燃料電池セルスタック１７、及び第２燃料電池セルスタック１８を下部に配置するので、安定した積層構造とすることができる。また、燃焼器４０や改質器１４の耐荷重性を軽減することができる。
【００９０】
本発明の燃料電池セルスタックとしては、上記第１〜第３実施形態の燃料電池セルスタックに代えて、円筒状の燃料電池セルスタックを採用してもよい。その場合には、燃料電池セルスタックを中心として、外周に同心円状に円筒状の改質器、燃焼器を配置することができる。
【００９１】
また、本発明は、多段式の燃料電池システムに適用した例で説明したが、循環式など、他の燃料電池システムや、燃料を再利用しない１段の燃料電池システムに適用することもできる。また、多段式の燃料電池システムにおいて、ＣＯ２や水を分離しないシステムや、他の方法で分離するシステムに適用することもできる。
【００９２】
また、上記第１〜第３実施形態では、本発明をモノジェネレーションシステムの燃料電池システムに適用した例について説明したが、本発明はコジェネレーションシステムの燃料電池システムに適用することもできる。本発明を適用することにより、コジェネレーションシステムの燃料電池システムにおいても、効率的に改質器を加熱して、発電効率を向上させることができる。なお、上記第１〜第３実施形態に例示したモノジェネレーションシステムにおいて、発電効率の高い燃料電池システムでは、燃料利用率が高く、燃焼器で燃焼させる未反応燃料が少ないため、特に本発明が好適である。
【００９３】
さらに、本発明は、本発明の技術的思想内で、当業者によって、既知の装置を組み合わせて実施することができる。例えば、熱交換器の設置、組み合わせなどを、種々に設定することができる。
【符号の説明】
【００９４】
１０Ａ 燃料電池システム、  １２  気化器、  １４  改質器
１６   第１−１燃料電池セルスタック（燃料電池セルスタック）
１７   第１−２燃料電池セルスタック（燃料電池セルスタック）
１８   第２燃料電池セルスタック（燃料電池セルスタック）
２６  高温部、    ２６Ａ  断熱体
３０  熱交換部、  ４０  燃焼器、  ４０Ａ、４０Ｂ  導入口、  Ｒ  燃焼空間
【要約】
【課題】燃料電池システムにおける発電効率を向上させる。
【解決手段】改質器１４は、第１−１燃料電池セルスタック１６、第１−２燃料電池セルスタック１７、及び第２燃料電池セルスタック１８の上に配置されている。改質器１４の上には、燃焼器４０が配置されている。改質器１４は、第１−１燃料電池セルスタック１６、第１−２燃料電池セルスタック１７、第２燃料電池セルスタック１８、及び燃焼器４０と熱交換可能とされている。
【選択図】図１【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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