(57)【要約】【課題】  十分なコンパクト化を達成し、しかも効果的な熱回収を達成する。【解決手段】  燃料電池スタック１と、この燃料電池スタック１を収納する収納容器２と、この収納容器２を包囲する熱回収熱交換器３と、熱回収熱交換器３を包囲する熱回収通路４と、燃料ガスを改質する改質器５と、発電モジュール、熱回収熱交換器３、および熱回収通路４を包囲する断熱材６とを有している。【選択図】  図１
2006310214.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸素含有ガスとから発電を行う電池スタック（１）およびこの電池スタック（１）からの残余の燃料ガスと酸素含有ガスとを接触させて燃焼させる燃焼部とを内包する発電モジュールの周囲に、発電モジュールからの損失熱を回収する熱回収通路（４）を有する固体電解質型燃料電池において、
前記発電モジュールと前記熱回収通路（４）との間に、前記発電モジュールを包囲する１層以上の熱回収熱交換器（３）を含むことを特徴とする固体電解質型燃料電池。
【請求項２】
前記発電モジュールと前記熱回収熱交換器（３）との間、前記熱回収熱交換器（３）と前記熱回収通路（４）との間の少なくとも一方に断熱層をさらに含む請求項１に記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項３】
前記熱回収熱交換器（３）は、対向流型熱交換器である請求項１または請求項２に記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項４】
前記熱回収熱交換器（３）はらせん状に発電モジュールを取り巻く構造を有するものである請求項１から請求項３に記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項５】
前記熱回収通路（４）はらせん状に発電モジュールを取り巻く構造を有するものである請求項１から請求項３に記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項６】
前記熱回収熱交換器（３）は同心状に発電モジュールを取り巻く構造を有するものである請求項１から請求項３に記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項７】
前記熱回収通路（４）は同心状に発電モジュールを取り巻く構造を有するものである請求項１から請求項３に記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項８】
２層以上の熱回収熱交換器を含み、熱回収熱交換器の層間に断熱層を設けている請求項１から請求項７の何れかに記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項９】
前記熱回収通路（４）の流体を前記熱回収熱交換器（３）の熱回収側流体通路（３ｂ）に導いている請求項１から請求項８の何れかに記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項１０】
前記熱回収通路（４）と前記熱回収熱交換器（３）の熱回収側流体通路（３ｂ）とは連続する一体の通路である請求項１から請求項８の何れかに記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項１１】
前記発電モジュールの、前記熱回収熱交換器（３）に覆われない面の少なくとも一方に、電池スタックに供給される燃料ガスまたは酸素含有ガスによる熱回収を行う熱回収通路（１４）をさらに含む請求項１から請求項１０の何れかに記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項１２】
前記熱回収熱交換器（３）からの排ガスを燃料改質用の水の気化器（１０）に導く排ガス案内路をさらに含む請求項１から請求項１１の何れかに記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項１３】
前記電池スタック（１）への酸素含有ガスを分岐させて、前記熱回収通路（４）へ酸素含有ガスを供給する分岐流量調整手段（１２）をさらに含む請求項１から請求項１２の何れかに記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項１４】
燃料電池スタック（１）の周囲の少なくとも１面以上に熱回収通路（４）を配置してあるとともに、残余の面の少なくとも１面に、燃料電池スタック（１）を基準として、再循環燃料ガス用熱回収熱交換器（１８）、および再循環燃料ガス冷却器（１９）をこの順に配置してある請求項１から請求項１３の何れかに記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項１５】
燃料電池スタック（１）が、平板型燃料電池を積層したスタックで構成されており、スタック外周で発電後の燃料ガスと発電後の酸化剤を含むガスとを混合して燃焼させる燃焼室（２２）を有し、排ガスから熱を回収する熱回収熱交換器（３）が、この燃焼室（２２）を取り囲むように配置されている請求項１から請求項１４の何れかに記載の固体電解質型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、固体電解質型燃料電池スタックを収納容器内に収納してなる固体電解質型燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、燃料ガスと酸素含有ガスとから発電を行う電池スタックおよびこの電池スタックからの残余の燃料ガスと酸素含有ガスとを接触させて燃焼させる燃焼部とを内包する電池モジュールの周囲に電池モジュールからの損失熱を回収する熱回収通路を設けてなる燃料電池が提案されている（特許文献１参照）。
【０００３】
特許文献１に記載された固体電解質型燃料電池は、枠体と断熱材との間に配管を有する収納容器の内部に、複数の燃料電池セルからなるセルスタックを収納し、燃料ガス供給管を通して燃料ガスを供給し、酸素含有ガス管、および前記配管を通して酸素含有ガスを供給するよう構成されている。
【特許文献１】特開２００３−２４９２５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
固体電解質型燃料電池は、約７００〜１０００℃の高温で作動するのであるから、発電を行う電池スタックの温度を適正に維持し、熱の損失を防ぎ高効率で発電を行い、更に外面を許容される温度以下に保つために、電池スタックを内包する電池モジュールを厚い断熱材で覆う必要があり、周囲の断熱層も含めた電池モジュールのコンパクト化が妨げられていた。
【０００５】
また、燃焼排ガスからの熱回収を行う熱回収熱交換器と発電モジュールとが併置されそれを熱回収通路で包囲する構成であるために十分なコンパクト化が図れず高温部の放熱面積が大きくなっていた。
【０００６】
この発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、十分なコンパクト化を達成し、しかも効果的な熱回収を達成することができる固体電解質型燃料電池を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１の固体電解質型燃料電池は、燃料ガスと酸素含有ガスとから発電を行う電池スタックおよびこの電池スタックからの残余の燃料ガスと酸素含有ガスとを接触させて燃焼させる燃焼部とを内包する発電モジュールの周囲に、発電モジュールからの損失熱を回収する熱回収通路を有する固体電解質型燃料電池において、前記発電モジュールと前記熱回収通路との間に、前記電池モジュールを包囲する１層以上の熱回収熱交換器を含むものである。
【０００８】
この場合には、温度勾配を緩やかにすることができ、この結果、効果的な熱回収を達成することができ、しかも、厚い断熱材を不要にして、全体としてのコンパクト化を達成することができる。
【０００９】
請求項２の固体電解質型燃料電池は、前記発電モジュールと前記熱回収熱交換器との間、前記熱回収熱交換器と前記熱回収通路との間の少なくとも一方に断熱層をさらに含むものである。
【００１０】
この場合には、より効果的な熱回収を達成することができる。
【００１１】
請求項３の固体電解質型燃料電池は、前記熱回収熱交換器として、対向流型熱交換器を採用するものである。
【００１２】
この場合には、より効果的な熱回収を達成することができる。
請求項４の固体電解質型燃料電池は、前記熱回収熱交換器として、らせん状に発電モジュールを取り巻く構造を有するものを採用するものである。
【００１３】
この場合には、熱回収構造を簡単化することができる。
【００１４】
請求項５の固体電解質型燃料電池は、前記熱回収通路として、らせん状に発電モジュールを取り巻く構造を有するものを採用するものである。
【００１５】
この場合には、熱回収構造を簡単化することができる。
【００１６】
請求項６の固体電解質型燃料電池は、前記熱回収熱交換器として、同心状に発電モジュールを取り巻く構造を有するものを採用するものである。
【００１７】
この場合には、熱回収構造を簡単化することができる。
【００１８】
請求項７の固体電解質型燃料電池は、前記熱回収通路として、同心状に発電モジュールを取り巻く構造を有するものを採用するものである。
【００１９】
この場合には、熱回収構造を簡単化することができる。
【００２０】
請求項８の固体電解質型燃料電池は、２層以上の熱回収熱交換器を含み、熱回収熱交換器の層間に断熱層を設けているものである。
【００２１】
この場合は、温度勾配をさらに緩やかにすることができ、この結果、効果的な熱回収を達成することができる。
【００２２】
請求項９の固体電解質型燃料電池は、前記熱回収通路の流体を前記熱回収熱交換器の熱回収側流体通路に導いているものである。
【００２３】
この場合には、より効果的な熱回収を達成することができる。
【００２４】
請求項１０の固体電解質型燃料電池は、前記熱回収通路と前記熱回収熱交換器の熱回収側流体通路とを連続する一体の通路としたものである。
【００２５】
この場合には、より効果的な熱回収を達成することができる。
【００２６】
請求項１１の固体電解質型燃料電池は、前記発電モジュールの、前記熱回収熱交換器に覆われない面の少なくとも一方に、電池スタックに供給される燃料ガスまたは酸素含有ガスによる熱回収を行う熱回収通路をさらに含むものである。
【００２７】
この場合には、より効果的な熱回収を達成することができる。
【００２８】
請求項１２の固体電解質型燃料電池は、前記熱回収熱交換器からの排ガスを燃料改質用の水の気化器に導く排ガス案内路をさらに含むものである。
【００２９】
この場合には、熱回収熱交換器からの排ガスの熱エネルギーを有効利用することができる。
【００３０】
請求項１３の固体電解質型燃料電池は、前記電池スタックへの酸素含有ガスを分岐させて、前記熱回収通路へ酸素含有ガスを供給する分岐流量調整手段をさらに含むものである。
【００３１】
この場合には、酸素含有ガスの分岐量を調整することにより、効果的な熱回収を達成することができる。
【００３２】
請求項１４の固体電解質型燃料電池は、燃料電池スタックの周囲の少なくとも１面以上に熱回収通路を配置してあるとともに、残余の面の少なくとも１面に、燃料電池スタックを基準として、再循環燃料ガス用熱回収熱交換器、および再循環燃料ガス冷却器をこの順に配置してあるものである。
【００３３】
この場合には、燃料電池スタック、燃焼器の高温部をモジュール中心に、その周囲に熱回収熱交換器、再循環燃料ガス用熱回収熱交換器、最外層に熱回収通路および再循環燃料ガス冷却器という順に、温度の低い要素を配置することにより、放熱ロスを可及的に低減することができる。
【００３４】
請求項１５の固体電解質型燃料電池は、固体燃料電池スタックが、平板型燃料電池を積層したスタックで構成されており、スタック外周で発電後の燃料ガスと発電後の酸化剤を含むガスとを混合して燃焼させる燃焼室を有し、排ガスから熱を回収する熱回収熱交換器が、この燃焼室を取り囲むように配置されているものである。
【００３５】
この場合には、高温の燃焼器を外周に置くことで、燃料電池の積層方向の温度むらを防止することができるとともに、隣接した熱回収熱交換器に効率的に熱を回収することができる。
【発明の効果】
【００３６】
請求項１の発明は、効果的な熱回収を達成することができ、しかも、厚い断熱材を不要にして、全体としてのコンパクト化を達成することができるという特有の効果を奏する。
【００３７】
請求項２の発明は、より効果的な熱回収を達成することができるという特有の効果を奏する。
【００３８】
請求項３の発明は、より効果的な熱回収を達成することができるという特有の効果を奏する。
【００３９】
請求項４の発明は、熱回収構造を簡単化することができるという特有の効果を奏する。
【００４０】
請求項５の発明は、熱回収構造を簡単化することができるという特有の効果を奏する。
【００４１】
請求項６の発明は、熱回収構造を簡単化することができるという特有の効果を奏する。
【００４２】
請求項７の発明は、熱回収構造を簡単化することができるという特有の効果を奏する。
【００４３】
請求項８の発明は、効果的な熱回収を達成することができるという特有の効果を奏する。
【００４４】
請求項９の発明は、より効果的な熱回収を達成することができるという特有の効果を奏する。
【００４５】
請求項１０の発明は、より効果的な熱回収を達成することができるという特有の効果を奏する。
【００４６】
請求項１１の発明は、より効果的な熱回収を達成することができるという特有の効果を奏する。
【００４７】
請求項１２の発明は、熱回収熱交換器からの排ガスの熱エネルギーを有効利用することができるという特有の効果を奏する。
【００４８】
請求項１３の発明は、効果的な熱回収を達成することができるという特有の効果を奏する。
【００４９】
請求項１４の発明は、放熱ロスを可及的に低減することができるという特有の効果を奏する。
【００５０】
請求項１５の発明は、高温の燃焼室を外周に置くことで、燃料電池の積層方向の温度むらを防止することができるとともに、隣接した熱回収熱交換器に効率的に熱を回収することができるという特有の効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５１】
以下、添付図面を参照して、この発明の固体電解質型燃料電池の実施の形態を詳細に説明する。
【００５２】
図１はこの発明の固体電解質型燃料電池の一実施形態を示す概略図である。
【００５３】
この固体電解質型燃料電池は、燃料電池スタック１と、この燃料電池スタック１を収納する収納容器２と、この収納容器２を包囲する熱回収熱交換器３と、熱回収熱交換器３を包囲する熱回収通路４と、燃料ガスを改質する改質器５と、発電モジュール、熱回収熱交換器３、および熱回収通路４を包囲する断熱材６とを有している。
【００５４】
なお、燃料電池スタック１と収納容器２とで発電モジュールを構成している。
また、改質器５は収納容器２の内部に配置され、燃料ガスを改質器５を通して燃料電池スタック１に供給するようにしている。
【００５５】
酸素含有ガス（例えば、空気）は、その一部が、熱回収通路４および熱回収熱交換器３をこの順に通って、残部が直接に、燃料電池スタック１に供給されるようにしている。
発電モジュールから排出される燃焼ガス（排ガス）は、熱回収熱交換器３を通って外部に排出されるようにしている。
【００５６】
上記の構成の固体電解質型燃料電池の作用は次のとおりである。
【００５７】
酸素含有ガスと改質器５により改質された燃料ガスとが燃料電池スタック１に供給されることにより、発電を行いさらに残余の燃料ガスを燃焼させ、排ガスを熱回収熱交換器３を通って外部に排出させる。
【００５８】
この排ガスは、熱回収熱交換器３を通りながら酸素含有ガスとの間で熱交換されるので、徐々に温度が低下し、最終的に外部に排出される。逆に、酸素含有ガスの一部は、熱回収通路４を通る間に、熱回収熱交換器３から外方向へ熱伝導等により流出する熱を回収して昇温し、次いで、熱回収熱交換器３を通る間に、より高温の排ガスとの間で熱交換を行ってさらに昇温する。そして、高温となった酸素含有ガスが燃料電池スタック１に供給される。
【００５９】
なお、約７００〜１０００℃の動作温度を維持して燃料ガスの燃焼を継続させる点は従来公知であるから、ここでは詳細な説明を省略する。
【００６０】
この実施形態では、熱回収熱交換器３により排ガスの温度を低下させ、さらに外部への流出熱量を熱回収通路４を通る酸素含有ガスにより回収するのであるから、断熱材６の厚みを大幅に低減して、全体としての大幅な小型化を達成することができる。
【００６１】
さらに説明する。
【００６２】
なお、図２は、熱回収熱交換器３と熱回収通路４とを設け、断熱材６を設けていない状態を示す概略図、図３は、熱回収熱交換器３と熱回収通路４と断熱材６とを設けた状態を示す概略図である。
【００６３】
熱回収熱交換器３は、排ガスからの熱回収に加え、発電モジュールから周囲への熱損失を回収する機能を、熱回収通路４は、内側の熱回収熱交換器から周囲への熱損失を回収する機能を、それぞれ担っている。
【００６４】
そして、各層間に断熱層を設けることにより、発電モジュールから外方向への熱の流出量（熱損失）を減らせることができるので、熱回収熱交換器３と熱回収通路４との熱回収負荷が減少し、熱回収熱交換器３および熱回収通路４を短くすることができる。この結果、熱回収熱交換器３や熱回収通路４の層数を減少させることができ、全体としての熱回収構造の厚みを薄くでき、断熱熱回収構造をも含めた固体電解質型燃料電池のコンパクト化を達成することができる。
【００６５】
また、流路長を短くすることができるので、送風動力を低減することもできる。
【００６６】
図４は、図１の固体電解質型燃料電池を含む燃料電池システムを示す概略図である。
このシステムは、図１の固体電解質型燃料電池に対して、燃料ガス供給源７と、燃料ガスを受け取って脱硫処理を行う脱硫器８と、脱硫器８からの出力（脱硫燃料ガス）に水を添加する水添加部９と、熱回収熱交換器３から排出された排ガスとの間で熱交換を行って、水が添加された脱硫燃料ガスを気化させる気化器１０と、空気供給源１１と、一部の空気を熱回収通路４に供給し、残部の空気を直接に燃料電池スタック１に供給し、しかも、両供給空気の量を調整する分岐流量調整部１２とを有している。
【００６７】
このシステムでは、分岐流量調整部１２によって、分岐される空気の流量を調整できるので、定格運転時、部分負荷運転時、待機運転時などのような運転状態に応じて分岐される空気の流量を適正量にすることができ、運転状態に拘らず良好な高効率運転を実現することができる。
【００６８】
前記熱回収熱交換器３は、排ガスが流れる排ガス流路３ａと酸素含有ガスが流れる酸素含有ガス流路３ｂとを良好な熱交換状態で互いに一体的に配置してなるものであり、図５に示すように、らせん状に構成されてもよいが、図６に示すように、同心状に構成されてもよい、ただし、構成の簡素化を重視する場合には、図５の構成を採用することが好ましい。なぜならば、同心状に構成する場合には、内層と外層とを連通する連通路３ｃが必要となるのに対し、らせん状に構成する場合には、連通路３ｃが不要であるからである。
【００６９】
図７はこの発明の固体電解質型燃料電池の他の実施形態を示す概略図である。
【００７０】
この固体電解質型燃料電池が図１の固体電解質型燃料電池と異なる点は、発電モジュールの上方および下方にも熱回収通路１４を設けた点のみである。
【００７１】
ただし、この熱回収通路１４は、燃料ガスによって熱を回収するものであってもよいが、酸素含有ガスによって熱を回収するものであってもよい。
【００７２】
また、この熱回収通路１４は、発電モジュールの上方および下方に設けることが好ましいが、何れか一方のみに設けることも可能である。
【００７３】
図８はこの発明の固体電解質型燃料電池のさらに他の実施形態を示す概略図である。
【００７４】
この固体電解質型燃料電池は、燃料電池スタック１の外周面（筒状の場合には１面、四角柱状の場合には４面）に熱回収通路４を配置し、燃料電池スタック１の下面に再循環燃料ガス用熱回収熱交換器１８、再循環燃料ガス冷却器１９をこの順に配置し、燃料電池スタック１の上面に燃焼器２０、熱回収熱交換器３、熱回収通路１４をこの順に配置している。
【００７５】
この場合には、燃料電池スタック、燃焼器の高温部をモジュール中心に、その周囲に燃焼ガス熱回収熱交換器、再循環ガス熱回収熱交換器、最外層に熱回収通路および再循環燃料ガス冷却器という順に、温度の低い要素を配置することにより、放熱ロスを可及的に低減することができる。
【００７６】
図９はこの発明の固体電解質型燃料電池のさらに他の実施形態を示す概略図である。
【００７７】
この固体電解質型燃料電池は、燃料電池スタック１の外周面（筒状の場合には１面、四角柱状の場合には４面）に燃焼室２２、熱回収熱交換器３、熱回収通路４をこの順に配置し、燃料電池スタック１、燃焼室２２、熱回収熱交換器３の下面に再循環燃料ガス用熱回収熱交換器１８、再循環燃料ガス冷却器１９をこの順に配置し、燃料電池スタック１、燃焼室２２、熱回収熱交換器３の上面に熱回収通路１４を配置している。
【００７８】
この場合には、高温の燃焼器を外周に置くことで、燃料電池の積層方向の温度むらを防止することができるとともに、隣接した燃焼ガス熱回収器に効率的に熱を回収することができる。
【００７９】
図１０はこの発明の固体電解質型燃料電池のさらに他の実施形態を示す概略図である。
【００８０】
この固体電解質型燃料電池が図９の固体電解質型燃料電池と異なる点は、燃料電池スタック１の外周面に燃焼室２２、熱回収熱交換器３を介して配置された熱回収通路４の上端部および下端部を、最上部の熱回収通路１４の厚み分、再循環燃料ガス冷却器１９の厚み分だけ短くした点のみである。
【００８１】
この場合には、燃料電池スタック１の外周面に燃焼室２２、熱回収熱交換器３を介して配置された熱回収通路４の高さを短くすることができ、しかも、高温の燃焼器を外周に置くことで、燃料電池の積層方向の温度むらを防止することができるとともに、隣接した燃焼ガス熱回収器に効率的に熱を回収することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】この発明の固体電解質型燃料電池の一実施形態を示す概略図である。
【図２】熱回収熱交換器と熱回収通路とを設け、断熱材を設けていない状態を示す概略図である。
【図３】熱回収熱交換器と熱回収通路と断熱材とを設けた状態を示す概略図である。
【図４】図１の固体電解質型燃料電池を含む燃料電池システムを示す概略図である。
【図５】熱回収熱交換器および熱回収通路の構成の一例を示す概略斜視図である。
【図６】熱回収熱交換器および熱回収通路の構成の他の例を示す概略縦断面図である。
【図７】この発明の固体電解質型燃料電池の他の実施形態を示す概略図である。
【図８】この発明の固体電解質型燃料電池のさらに他の実施形態を示す概略図である。
【図９】この発明の固体電解質型燃料電池のさらに他の実施形態を示す概略図である。
【図１０】この発明の固体電解質型燃料電池のさらに他の実施形態を示す概略図である。
【符号の説明】
【００８３】
１    燃料電池スタック
３    熱回収熱交換器
４    熱回収通路
６    断熱材
１０    気化器
１２    分岐流量調整部
【図１】
2006310214.tif 000003
【図２】
2006310214.tif 000004
【図３】
2006310214.tif 000005
【図４】
2006310214.tif 000006
【図５】
2006310214.tif 000007
【図６】
2006310214.tif 000008
【図７】
2006310214.tif 000009
【図８】
2006310214.tif 000010
【図９】
2006310214.tif 000011
【図１０】
2006310214.tif 000012