(57)【要約】【課題】  オフガス燃焼器群に向い合わせて改質器を配置すると、改質器の加熱効率が上がり、熱自立させることができる。しかしながら、改質器の温度分布が均一になりにくい。【解決手段】  オフガスの燃焼熱で加熱される改質器１８の表面１８ｓと加熱されない裏面１８ｔの間を貫通する燃焼ガス通路８０を形成する。  燃焼ガスが改質器の裏面側に回り込んで裏面側からも改質器を加熱する。表面側と裏面側の温度差を十分に小さくすることができ、改質器の温度分布を均質化することができる。改質器の全体を改質適温に維持することが可能となる。【選択図】  図２
2006114394.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体酸化物型の燃料電池を用いる発電装置であり、
改質器と複数本のセルスタックを備えており、
各々のセルスタックの先端に形成されているオフガス燃焼器群がほぼ同一平面内に位置するように、複数本のセルスタックが相互に間隔をおいて略平行に配置されており、
改質器は、オフガス燃焼器群が位置する平面と略平行に配置されており、
改質器には、オフガス燃焼器群に対向する面からその反対側の面に貫通する、燃焼ガス通路が形成されている、
ことを特徴とする発電装置。
【請求項２】
各セルスタックは水平に伸びるように配置されており、
複数本のセルスタックが、水平方向と垂直方向に間隔をおいて行列状に配置されており、
改質器には、垂直方向に伸びる燃焼ガス通路が形成されている、
ことを特徴とする請求項１の発電装置。
【請求項３】
扁平箱状の改質器であり、扁平表面から扁平裏面に貫通する燃焼ガス通路が形成されていることを特徴とする改質器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物を利用する燃料電池によって発電する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体酸化物を利用する燃料電池は効率が高く、数キロワットから数十キロワットの発電装置に適しているものと期待されている。
固体酸化物を利用する燃料電池は、８００℃程度の高温環境下で効率よく発電することから、燃料電池セル群を収容する室内の温度を８００℃程度の高温に維持することが重要である。セル群収容室の温度が低下すると発電効率が落ちてしまう。
固体酸化物を利用する燃料電池は、メタン、エタン、エチレン、プロパン、ブタン等の炭化水素を含む燃料ガスを利用する。これらの炭化水素系の燃料ガスを、改質することによって、一酸化炭素と水素に分解する。固体酸化物型の燃料電池セルは、水素と一酸化炭素を含む改質ガスを有酸素ガス（例えば空気）と反応させて発電する。燃料ガスの改質反応は吸熱反応であり、改質反応を持続させるには改質器を加熱し続ける必要がある。
燃料電池セル群を８００℃程度の発電適温に維持し、改質器を同程度に高温の改質適温に維持するために、燃料電池セル群と改質器を同じ室に収容する技術が提案されており、特許文献１に開示されている。ただし特許文献１はまだ公開されていない。
【０００３】
セル群収容室に送り込まれた改質ガスと有酸素ガスは、反応することによって発電する。その反応は発熱反応であり、その発熱を利用することによって、燃料電池セル群と改質器を加熱することができる。
燃料電池セルは、その特性上、送り込まれた改質ガスの全部を消費することができず、燃料電池セルを通過してしまう改質ガス（オフガス）の量をゼロにはできない。ゼロにはできないオフガスを燃焼させれば燃焼熱を得ることができ、その燃焼熱を利用することによって、燃料電池セル群と改質器を加熱することができる。
【０００４】
特許文献１の技術では、複数個の燃料電池セルを直線状に整列することによってセルスタックを構成する。特許文献１の技術では、複数本のセルスタックを利用する。各セルスタックの先端から、ゼロにはできないオフガスが吹出るようになっており、そこにオフガス燃焼器が形成されている。複数本のセルスタックは、相互に間隔をおいて略平行に配置されている。このとき、セルスタックの先端に設けられているオフガス燃焼器群がほぼ同一平面内に位置するように配置されている。
改質器は、オフガス燃焼器群が位置する平面と略平行となるように、配置されている。
【０００５】
特許文献１の技術によると、ゼロにはすることができないオフガスの燃焼熱を、改質器の加熱に効率的に利用することができる。また、発電反応に伴って発生する発電熱とオフガスの燃焼熱を、セルスタック群の加熱に効率的に利用することができる。
発電反応に伴う発電熱とゼロにはすることができないオフガスの燃焼熱だけで、セルスタック群を発電適温に加熱し、改質器を改質適温に加熱することができ、加熱のためだけの燃料を必要としないことを「熱自立」するという。特許文献１の発電装置では、発電反応に伴う発電熱とオフガスの燃焼熱を効率的に利用することによって、熱自立することに成功している。
【０００６】
【特許文献１】特願２００４−４１９３７号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１の発電装置は、熱効率が高く、熱自立することに成功している。しかしながら、改質器の温度分布が均一になりにくいという問題があることがわかってきた。
改質器は、オフガス燃焼器群に向い合う表面を備えている。その表面が、オフガスの燃焼熱で加熱される。加熱される表面側と加熱されない裏面側の温度差が小さくなるように、表面と裏面の間隔は小さく設定されている。改質器は、扁平箱状に形成されており、広い加熱面と扁平性を利用して、加熱される表面側と加熱されない裏面側の温度差が小さくなるように設計されている。
しかしながら、それでも、加熱される表面側と加熱されない裏面側の温度差を十分に小さくすることが難しい。表面側を改質適温に調整すると裏面側では温度不足となって改質効率が低下し、裏面側を改質適温に調整すると表面側では過熱状態となって改質効率が低下する。
本発明は、オフガス燃焼器群に向い合う改質器の温度分布を均質化することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の発電装置は固体酸化物型の燃料電池を利用して発電する。本発明では、１個の燃料電池セルを直線状に形成するか、複数個の燃料電池セルを直線状に整列することによって、セルスタックを構成する。各セルスタックの先端には、オフガス燃焼器が形成されている。そのセルスタックの複数本を利用する。複数本のセルスタックは、相互に間隔をおいて略平行に配置されている。このとき、各セルスタックの先端に設けられているオフガス燃焼器群が、ほぼ同一平面内に位置するように配置する。改質器は、オフガス燃焼器群が位置する平面と略平行に配置されており、オフガス燃焼器群によって加熱される。燃焼ガスが改質器の裏面側に回り込んで裏面側からも加熱されるように、改質器には、オフガス燃焼器群に対向する面からその反対側の面（即ち裏面）に貫通する、燃焼ガス通路が形成されている。
オフガス燃焼器群に対向する表面から裏面に貫通する燃焼ガス通路が形成されていると、オフガスの燃焼ガスが改質器の裏面側に回り込んで裏面側からも改質器を加熱する。表面側と裏面側の温度差を十分に小さくすることができ、改質器の温度分布を均質化することができる。改質器の全体を改質適温に維持することが可能となる。
【０００９】
各セルスタックが水平に伸びるように配置されている場合、長手方向から見たときに、複数本のセルスタックが、水平方向と垂直方向に間隔をおいた行列状に配置することが有利である。
その場合、改質器に、垂直方向に伸びる燃焼ガス通路を形成することが好ましい。
温度分布が均質化されるのみならず、加熱効率も向上する。
【００１０】
本発明の改質器は、扁平箱状の改質器であり、扁平表面から扁平裏面に貫通する燃焼ガス通路が形成されていることを特徴とする。
この改質器は、オフガス燃焼器群に対向させて用いるときに、燃焼ガスが裏面に回りこんで裏面からも加熱され、温度分布を均質化しやすい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の好適な実施形態を説明する。
（形態１）改質器は、上下に隔てて水平に伸びる上管と下管と、両者を連通する複数本の縦管で構成されている。
（形態２）複数本のセルスタックが間隔をおいて水平面内に配置されている。改質器には縦方向に伸びる燃焼ガス通路が複数本形成されている。複数本のセルスタックのうちの一部のオフガス燃焼器は燃焼ガス通路に対向し、残部のオフガス燃焼器は改質器に対向している。
【実施例】
【００１２】
本発明を具現化した発電装置の実施例を、図面を参照しながら説明する。図１は、本実施例に係る発電装置の縦断面図であり、図２は図１のII−II線断面図であり、図３は図１のIII−III断面図であり、図４は第１室４４内の配管系を模式的に示す図である。図１〜図３に示すように、発電装置はユニット化されている。
図１〜図４に示すように、発電ユニット１０は、内側から外側に向かって、第１室４４、第２室４６、第３室４８からなる３重構造となっており、中心部の第１室４４とその外側の第２室４６を仕切る内仕切壁３６と、第２室４６とその外側の第３室４８を仕切る外仕切壁３８と、第３室４８と外部を仕切る外壁４０を有している。外壁４０は断熱部材４２で覆われている。
発電ユニット１０の中心部の第１室４４内には、複数個の燃料電池セル１２が直線状に整列することによって構成されているセルスタック１４が収容されている。各セルスタック１４は、略水平面内を伸びるように配列されており、７本のセルスタック１４が同一水平面内を伸びており、それが垂直方向に５段に設けられている。７本で１グループのセルスタック群１４を上段から順に、添字ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅをつけて現すことにする。図３から明らかに、合計３５本のセルスタック１４が、水平方向に７本で垂直方向に５本の行列状に配置されている。図１と２から明らかなように、合計３５本のセルスタック１４が、左右一対となっており、合計７０本のセルスタック１４が第１室４４内に収容されている。左側の３５本のセルスタック群を１４Ｌといい、右側の３５本のセルスタック群を１４Ｒということにする。
以下では左側の部材には添字Ｌをつけて現し、右側の部材には添字Ｒをつけて現し、上段から順に、添字ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅをつけて現すことにする。共通の事象については、添字を省略して共通に説明する。
第１室４４の左側の半分には、行列状に配置された３５本の左側のセルスタック群１４Ｌと、燃料ガスを水素や一酸化炭素等に改質する左側の改質器１８Ｌと、改質された燃料ガスを３５本の左側のセルスタック群１４Ｌに分配するマニホールド２４Ｌと、３５本の左側のセルスタック群１４Ｌの外表面に空気（有酸素ガスの一例）を供給する空気供給系５０Ｌａ，５０Ｌｂ，１６Ｌａ，１６Ｌｂ，１６Ｌｃ，１６Ｌｄ，１６Ｌｅ等が収容されている。
第１室４４の右側の半分には、行列状に配置された３５本の右側のセルスタック群１４Ｒと、燃料ガスを水素や一酸化炭素等に改質する右側の改質器１８Ｒと、改質された燃料ガスを３５本の右側のセルスタック群１４Ｒに分配するマニホールド２４Ｒと、３５本の右側のセルスタック群１４Ｒの外表面に空気を供給する空気供給系５０Ｒａ，５０Ｒｂ，１６Ｒａ，１６Ｒｂ，１６Ｒｃ，１６Ｒｄ，１６Ｒｅ等が収容されている。
【００１３】
図５に示すように、燃料電池セル１２の断面は楕円形状であり、楕円柱形状に形成された燃料極１２ａの周面の半分強が固体電解質層１２ｂで覆われ、残りの周面がインターコネクタ１２ｄで覆われ、固体電解質層１２ｂの外側を酸素極１２ｃが覆っている。燃料極１２ａの内部には長手方向に貫通する５本の改質ガス通路２０が並列に形成されている。
燃料極１２ａは多孔質であり、ニッケル（Ｎｉ）を主成分とするニッケル／ＹＳＺサーメット（混合焼結体）からなる。固体電解質層１２ｂは緻密質であり、ジルコニア（ＺｒＯ２）にイットリア（Ｙ２Ｏ３）を加えた混合物からなる。酸素極１２ｃは多孔質であり、ペロブスカイト型酸化物であるＬＳＭ（Ｌａ１−ｘＳｒｘＭｎＯ３）からなる。インターコネクタ１２ｄは導電性セラミックからなる。
隣り合う燃料電池セル１２の一方のセル１２の酸素極１２ｃと他方のセル１２のインターコネクタ１２ｄとの間に、集電部材２２が介装されている。集電部材２２は、蛇腹状に折畳まれた導電性金属部材である。一方のセル１２の酸素極は、集電部材２２とインターコネクタを介して、他方のセル１２の燃料極に電気的に接続されている。多数個のセル１２が直列に接続されてセルスタック１４が形成されている。蛇腹状の集電部材２２は、図３における上下方向および紙面の垂直方向に空気が通過することを禁止しない。
【００１４】
図４に模式的に示すように、第１室４４の左端部には、左改質器１８Ｌが収容されている。図１と図２に示すように、左側のセルスタック１４Ｌと右側のセルスタック１４Ｒの間隙に、左右一対のマニホールド２４Ｌ，２４Ｒが伸びている。正確には、図４に示すように、左右一対の垂直マニホールド２９Ｌ，２９Ｒが配置されている。左側の改質器１８Ｌと左側の垂直マニホールド２９Ｌは、左側の改質ガス供給管２５Ｌで接続されている。左側の垂直マニホールドからは、５本の左側の水平マニホールド２４Ｌａ，２４Ｌｂ，２４Ｌｃ，２４Ｌｄ，２４Ｌｅが伸びている。水平マニホールド２４Ｌａは、セルスタック群１４Ｌａに改質ガスを分配する。以下添え字ｂからｅについても同様である。図４では、図示の明瞭化のために、セルスタック群１４Ｌａの一部のみを示し、他を省略している。
第１室の右端部には、右改質器１８Ｒが収容されている。右側の改質器１８Ｒと右側の垂直マニホールド２９Ｒは、右側の改質ガス供給管２５Ｒで接続されている。右側の垂直マニホールド２９Ｒからは、５本の右側の水平マニホールド２４Ｒａ，２４Ｒｂ，２４Ｒｃ，２４Ｒｄ，２４Ｒｅが伸びている。水平マニホールド２４Ｒａは、セルスタック群１４Ｒａに改質ガスを分配する。以下添え字ｂからｅについても同様である。図４では、図示の明瞭化のために、右側の水平マニホールドと右側のセルスタック群の図示を省略している。
右側のセルスタック群１４Ｒの下方には、昇温蒸発混合器１３０が配置されている。昇温蒸発混合器１３０には、燃料ガス供給器１３２から燃料ガスが供給され、水供給器１３４から水が供給される。昇温蒸発混合器１３０に供給された水は蒸発して水蒸気となり、燃料ガスと混合される。燃料ガスと水蒸気の混合ガスは、昇温蒸発混合器１３０を通過する間に予熱される。予熱された混合ガスは、左側の混合ガス供給管２７Ｌから、左側の改質器１８Ｌに供給され、右側の混合ガス供給管２７Ｒから、右側の改質器１８Ｌに供給される。昇温蒸発混合器１３０は、高温の排気ガスが通過する第２室４６に収容されている（図１参照）。
【００１５】
左側のセルスタック１４Ｌの右側端部から、左側の改質器１８Ｌで改質された改質ガスが送り込まれる。左側の各セルスタック１４Ｌの左側の端部では、改質ガス通路２０が開放されており、発電のために消費されなかった改質ガス(オフガス)が放出される。各セルスタック１４Ｌの左側端部から放出されたオフガスはそこで燃焼する。左側のセルスタック１４Ｌのそれぞれの左側端部には、燃焼器１７Ｌが設けられている。左側の燃焼器群１７Ｌは、左側の改質器１８Ｌの表面１８Ｌｓに対向している。
右側のセルスタック１４Ｒの左側端部から、右側の改質器１８Ｒで改質された改質ガスが送り込まれる。右側の各セルスタック１４Ｒの右側の端部では、改質ガス通路２０が開放されており、発電のために消費されなかった改質ガス(オフガス)が放出される。各セルスタック１４Ｒの右側端部から放出されたオフガスはそこで燃焼する。右側のセルスタック１４Ｒのそれぞれの右側端部には、燃焼器１７Ｒが設けられている。左側の燃焼器群１７Ｒは、右側の改質器１８Ｒの表面１８Ｒｓに対向している。
【００１６】
一対の改質器１８Ｌ、１８Ｒは、基本的に同一構成を備えている。添字Ｌ，Ｒを省略して共通に説明する。改質器１８は、金属製の扁平な箱形状のケーシングに、上下方向に伸びるスリット状の燃焼ガス通路８０a、８０b、８０c、８０dが形成されている。図４によく示されているように、高い位置を水平に伸びる上管１８ｍ（図４では左右の別を示すために１８Ｒｍで示されている。以下同じ）と、低い位置を水平に伸びる下管１８ｎと、両者１８ｍ、１８ｎを連通する複数本の縦管１８ａ,１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ，１８ｅで構成されている。改質器１８は、全体としては扁平箱状であり、扁平表面１８ｓから扁平裏面１８ｔに貫通する燃焼ガス経路８０a、８０b、８０c、８０dが形成されている。
改質器１８内部には、縦管１８ａ,１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ，１８ｅに分流する経路が形成されており、この経路内に改質触媒が充填されている。昇温蒸発混合器１３０から送り出された燃料ガスと水蒸気の混合ガスは、下管１８ｎに入り、縦管１８ａ,１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ，１８ｅのいづれかを経由して上管１８ｍに入り、その過程で水素と一酸化炭素からなる改質ガスに改質される。改質された改質ガスは、改質ガス供給管２５からマニホールド２４を経て、セルスタック群１４の改質ガス通路２０に送り込まれる。一対の改質器１８Ｌ、１８Ｒは、上部の渡り配管２８によって接続されており、渡り配管２８によって左右の出口圧力の均衡が確保されている。
【００１７】
図１〜図３に示すように、空気供給部材１６（左側のセルスタック群１４のために上下方向に５枚が存在し、右側にも上下方向に５枚が存在するが、全部共通するために、左右を示す添字Ｌ，Ｒと段数を示す添字ａ〜ｅを省略して説明することがある）は、浅い箱形状の部材であり、上面に複数の空気供給口１６ｆが形成されている。空気供給部材１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅは、セルスタック群１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅのそれぞれの下方に配設されている。空気供給部材１６のマニホールド２４側の側面には略水平に伸びる邪魔板５２ａが形成されている。邪魔板５２ａは、上段のセルスタック１４の上流側（マニホールド側）に向けて水平に取付けられており、左右の空気供給部材１６を連結している。空気供給部材１６の改質器１８側の側面には、略水平に伸びる邪魔板５２ｂが形成されている。邪魔板５２ｂは、上段のセルスタック１４の下流側（改質器側）に向けて取付けられており、改質器１８の近くまで伸びている。各空気供給部材１６の両端部は、図２と図３に示されているように、空気供給管５０a、５０bに連通している。空気供給管５０は、金属製であり、図１と３に示すように、上下方向に伸びており、上端は第３室４８に開口している。第３室４８の下方は、空気導入管３４と連通しており、空気導入管３４によって外部から導入された空気は、第３室４８を通過して一対の空気供給管５０a、５０bのいずれかに流入し、上下５段の空気供給部材１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅのいずれかの上面から、直近上部のセルスタック１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅに空気を供給する。
上下５段の空気供給部材１６は、両端が空気供給管５０ａ、５０ｂによって支持されており、強度が高い。
図２に示すように、各セルスタック１４は左右方向に伸びており、空気供給部材１６は図示の上下方向に伸びている。両持ち状の空気供給部材１６と、片持ち状のセルスタック群１４が交差する位置関係におかれている。
片持ち状のセルスタック群１４は、両持ち状の空気供給部材１６に対してパッキンを介して載置されており、片持ち状のセルスタック１４が水平に伸びる姿勢で安定的に支持されている。片持ち状のセルスタック１４が不用意に傾くことはない。
【００１８】
第３室４８と第２室４６を仕切る外仕切壁３８の４つの外周面には、図２に示すフィン５４が取付けられている。フィン５４は横方向に長尺な金属製板部材を略蛇腹形状に折畳んで形成されている。外側は外壁４０の内面に接触しており、内側は外仕切壁３８の外面に接触している（図１〜３ではフィン５４の形状を明瞭にするため、フィン５４と壁面を離して示している）。なお、放熱を防止するために、フィン５４と外壁４０の内面が、断熱材を介して接触する構成であってもよい。図１と図３に示すように、外仕切壁３８の４つの外周面には、複数のフィン５４が上下方向に取付けられて外周面を覆っている。図示はしていないが、上下のフィン５４は、ピッチを半分ずらして取付けられている。このようにフィン５４が取付けられているため、外仕切壁３８とフィン５４と外壁４０によって、外仕切壁３８の４つの外周面と外壁４０の内面との間の全体に亘って、上下方向に伸びる細い角柱形状の通路が複数本形成される。
図２に示すように、外仕切壁３８の４つの内周面にも、フィン５４と同様にフィン５６が取付けられている。フィン５６の形状もフィン５４と同様である。このようにフィン５６が取付けられているため、外仕切壁３８とフィン５６と内仕切壁３６によって、外仕切壁３８の４つの内周面と内仕切壁３６の外面との間の全体に亘って、上下方向（図２の紙面垂直方向）に伸びる細い角柱形状の通路が複数本形成される。フィン５４は第３室４８のサイズを規定し、フィン５６は第２室４６のサイズを規定する。
【００１９】
図１と図３に示すように、外仕切壁３８は、第２室４６の底板４６ｂよりも下方に伸びる固定用壁３８ａによって外壁４０の底板４０ｂに固定されている。固定用壁３８ａには複数個の穴３８ｂが形成されており、空気の流通が自在となっている。内仕切壁３６も、第１室の底板の４４ｂ下端から下方に伸びる固定用壁３６ａによって、第２室４６の底板４６ｂから持ち上げられている。第１室４４の底板４４ｂは第２室４６の底板４６ｂから持ち上げられている。固定用壁３６ａにも複数個の穴３６ｂが形成されており、排気ガスの流通が自在となっている。第１室４４の底板４４ｂと第２室４６の底板４６ｂの間隙は第２室４６の一部を構成する。第１室４４の底板４４ｂと第２室４６の底板４６ｂの間隙（第２室４６の一部）には昇温蒸発混合器１３０が配設されている。昇温蒸発混合器１３０には燃料ガス供給装置１３２から燃料ガスが供給され、改質用水供給装置１３４から水が供給される。昇温蒸発混合器１３０は高温の排気ガスによって加熱され、燃料ガスと水蒸気を混合して加熱する。加熱された混合ガスが、混合ガス供給管２７から改質器１８に供給される。第１室４４の底板４４ｂと第２室４６の底板４６ｂの間は、第２室４６の一部であり、そこに排気通路５８が連通している。
外壁４０の底板４０ｂと第２室４６の底板４６ｂの間は、第３室４８の一部であり、そこに空気導入管３４が連通している。昇温蒸発混合器１３０の下側には第３室４８が位置している。
【００２０】
第３室４８は、発電ユニット１０の６面（４側面と上面と底面）において、第２室４６を取り囲んでおり、第２室４６は、発電ユニット１０の６面（４側面と上面と底面）において、第１室４４を取り囲んでいる。
第３室４８は、外部から取り込まれた空気が通過する。第２室４６は、第１室４４で生成された排気ガスが通過する。第１室４４は燃料電池セル群１４と改質器１８の収容室として利用される。
第１室４４は最も高温であり、第２室４６は２番目に高温であり、第３室４８が３番目に高温である。最も高温な第１室４４を、２番目に高温な第２室４６で取り囲み、その外側を３番目に高温な第３室４８で取り囲む構造となっている。最も高温に維持する必要がある第１室４４を最も内側に配置することによって、セルスタック群１４と改質器１８を収納する第１室４４を最も高温に維持しやすい最適な構造となっている。
【００２１】
発電ユニット１０内の動作を説明する。共通の事象については、左右を示す添字Ｌ，Ｒと段数を示す添字ａ〜ｅを省略して説明する。
水供給装置１３４から送り込まれた水は昇温蒸発混合器１３０内で予熱され、水蒸気となる。燃料ガス供給装置１３２から送り込まれた燃料ガスと水蒸気は、昇温蒸発混合器１３０内で混合されて予熱され、混合ガス供給管２７から改質器１８に送られる。改質器１８に送られた混合ガスは、改質器１８内で、水素と一酸化炭素を含む改質ガスに改質され、各マニホールド２４から、各セルスタック１４の改質ガス通路２０に送られる。
空気導入管３４から送り込まれた空気は、第３室４８に送られ、フィン５４の間をすり抜けて上部に達し、外壁４０の上面の下側を流れた後に、第３室４８に開口している空気供給管５０a、５０b内に流入する。空気は、この間に、高温の排気ガスによって予熱される。空気供給管５０へ流入した予熱空気は下方へ移動し、空気供給部材１６a、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６eのいずれかに送られる。空気供給部材１６へ送られた空気は、上面の空気供給口１６ｆからから、直近上部のセルスタック１４a、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４eの外周面に吹き付けられる。
空気供給口１６ｆから流出する空気は、上方向、若しくは斜め上方向に上昇し、すぐ上のセルスタック１４の下側全体に分散される。酸素は、イオン化して固体電解質を通過して燃料極に至り、水素または一酸化炭素と反応し、酸素極と燃料極の間に電位差を発生させる。すなわち、発電する。
【００２２】
セルスタック１４に供給された改質ガスの例えば８０％が発電に利用される場合、発電に利用されなかった２０％の改質ガス（オフガス）は、改質ガス通路２０を通過して先端から流出する。また、セルスタック１４に供給された空気の例えば２０％が発電に利用される場合、発電に利用されなかった８０％の空気は、セルスタック１４の集電部材２２の隙間をすり抜ける。この空気は邪魔板５２ｂに沿ってセルスタック１４の先端側に誘導される。
各セルスタック１４の先端近傍には夫々スパーク電極が配設されている。スパーク電極が火花放電することによって、各セルスタック１４の先端から流出するオフガスが、各セルスタック１４の先端側に誘導される空気によって燃焼する。
各セルスタック１４の先端には、燃焼器１７が形成されている。３５本の左側のセルスタック１４に対応して３５個の燃焼器群１７Ｌが形成されており、３５本の右側のセルスタック１４に対応して３５個の燃焼器群１７Ｒが形成されている。３５個の燃焼器群１７Ｌは略同一平面内に位置しており、その平面と改質器１８Ｌの表面１８Ｌｓは近接して平行となっている。３５個の燃焼器群１７Ｒは略同一平面内に位置しており、その平面と改質器１８Ｒの表面１８Ｒｓは近接して平行となっている。燃焼器群１７と改質器１８が近接していることから、オフガスの燃焼熱によって効率よく改質反応に伴う吸熱を補償するができる。
【００２３】
燃焼器１７でオフガスが燃焼した燃焼ガスは、改質器１８を加熱する。本実施例では、改質器１８にスリット状の燃焼ガス通路８０を設けてあるため、燃焼ガスは改質器１８の裏面１８ｔ側にも回り込み、表面１８ｓと裏面１８ｔの両面から加熱する。改質器１８の表裏を通過する燃焼ガスによって、改質器１８は一様に温められ、改質器１８内の温度むらを抑制できる。
図２に明瞭に示されているように、燃焼器１７ａは縦管１８ａの表面を直接加熱する。燃焼器１７ｂと１７ｃは縦管１８ｂの側面を専ら加熱する。燃焼器１７ｄは縦管１８ｃの表面を直接加熱する。燃焼器１７ｅと１７ｆは縦管１８ｄの側面を専ら加熱する。燃焼器１７ｇは縦管１８ｅの表面を直接加熱する。即ち、縦管１８ａは表面が直接加熱され、縦管１８ｂは側面から加熱され、縦管１８ｃは表面が直接加熱され、縦管１８ｄは側面から加熱され、縦管１８ｅは表面が直接加熱される。表面を直接加熱する縦管と、側面を加熱する縦管を交互に配置すると、改質器１８の表面側を流れる燃焼ガスと、改質器１８の裏面側を流れる燃焼ガスのバランスが確保され、改質器１８の表面側と裏面側の温度が均質化される。
【００２４】
燃焼ガスは極めて高温であり、そのままでは熱交換器に投入しがたい。それほどの高温に耐えられる熱交換器の材質が限られ、高価である。本実施例では、燃焼熱でまず改質器１８を加熱する。改質反応は吸熱反応であり、燃焼熱が改質反応に伴う吸熱を補償するために利用される。燃焼熱で改質反応の吸熱を補償するために、燃焼ガスの温度は低下する。第２室４６を流れる燃焼ガスの温度は適度に冷却されており、仕切り壁３６、３８に特別の材料を使わなくてもすむ。
【００２５】
燃料電池セル１２の電気化学反応が効率よく進行する環境温度は約８００℃の高温である。この環境温度が低下すれば、発電効率は低下する。従って、約８００℃の環境温度が得られるようにセルスタック群１４に供給する空気を予熱しておく必要がある。
第１室４４内を上昇した排気ガスは、第１室４４の上面に沿って流れて第２室４６に流入する。第２室４６内に流入した排気ガスは、上下方向に伸びる複数の細い角柱形状の通路を下方向に通過して第２室４６の下部に流入し、排気ガス通路５８から外部に導出される。
このとき、空気導入管３４から導入された空気は第３室４８内に流入し、上下方向に伸びる複数の細い角柱形状の通路を上方向に通過する。第２室４６を通過する排気ガスと、第３室４８を通過する空気との間で熱交換が行われる。外仕切板３８の両面に取付けられたフィン５４、５６によって、熱交換率は更に高められる。この熱交換によって、セルスタック群１４に供給する空気を約６５０℃まで予熱しておくことができる。約６５０℃まで予熱した空気をセルスタック群１４に供給することができるために、セルスタック群１４を発電適温に維持することができる。
空気を予熱することによって排気ガスは冷却される。昇温蒸発混合器１３０の周囲を通過するときの排気ガスは、４００℃弱になっている。この温度の排気ガスは、燃料ガスと水蒸気の混合ガスを予熱するには十分であり、燃料ガスから炭素を析出させる程には高温でない。改質器１８に予熱された混合ガスを供給すること、改質器１８の近傍でオフガスを燃焼させること、改質器１８に燃焼ガス通路８０を形成することによって改質器１８の裏面にも燃焼ガスを回りこむようにしていることによって、改質器１８の全体が改質適温に維持することができる。
本実施例の発電ユニットは、熱自立することができている。
【００２６】
本実施例では、左右の空気供給材１６Ｌ，１６Ｒの間に、邪魔板５２aを配置し、左右の空気供給材１６Ｌ，１６Ｒを連結しており、下段のセルスタックで発生した発電熱が上段のセルスタックに伝達されないようにしている。邪魔板５２ｂは、改質器１８の極近くまで伸びており、燃焼ガスがそのまま上方に流動しないようにしている。邪魔板５２ｂを改質器１８の近くまで伸ばすことによって、改質器１８の裏側に燃焼ガスを回すことに寄与している。
【００２７】
本実施例では、最も高温な第１室４４を２番目に高温な第２室４６で取り囲み、その外側を３番目に高温な第３室４８で取り囲む構造となっているために、第１室４４を高温に維持しやすい。そのために、発電に伴って発生する熱と、オフガスの燃焼熱だけで、燃料電池セル群１４と改質器１８を収容する第１室４４内の温度を、発電適温である８００〜８５０℃に維持することができる。熱自立することができる。
【００２８】
以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
例えば、改質器１８の縦管１８ａ〜１８ｅを、上管１８ｍと下管１８ｎとは別のパイプ材で形成することができる。パイプ材を隙間を置いて併設すれば、その隙間によって燃焼ガス通路を確保することができる。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また本明細書または図面に例示した技術は複数の目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】発電ユニット１０の縦断面を示す図。
【図２】発電ユニット１０の横断面を示す図。
【図３】発電ユニット１０の別の縦断面を示す図。
【図４】第１室４４内の配管系を模式的に示す図。
【図５】燃料電池セル１２の断面を模式的に示す図。
【符号の説明】
【００３０】
１０・・・・発電ユニット
１２・・・・燃料電池セル
１２ａ・・・燃料極
１２ｂ・・・固体電解質層
１２ｃ・・・酸素極
１２ｄ・・・インターコネクタ
１４・・・・セルスタックまたはセルスタック群
１６・・・・空気供給部材
１８・・・・改質器
２０・・・・改質ガス通路
２２・・・・集電部材
２４・・・・マニホールド
２５・・・・改質ガス供給管
２７・・・・混合ガス供給管
２９・・・・垂直マニホールド
３４・・・・空気導入管
３６・・・・内仕切壁
３８・・・・外仕切壁
４０・・・・外壁
４２・・・・断熱部材
４４・・・・第１室
４６・・・・第２室
４８・・・・第３室
５０・・・・空気供給管
５２ａ・・・邪魔板
５２ｂ・・・邪魔板
５４、５６・フィン
５８・・・・排気ガス通路
８０・・・・燃焼ガス通路
１３０・・・昇温蒸発混合器
１３２・・・燃料ガス供給装置
１３４・・・水供給器
【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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