(57)【要約】      （修正有）【課題】放熱量を減少させ発電効率を高めるとともに、信頼性の高い高温動作型燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池スタック１と、燃料電池オフガスとを燃焼させる燃焼部７と、燃料電池スタック１及び燃焼部７の外周の少なくとも一部を覆う断熱部２１と、その外周を覆うとともに断熱部２１を介して伝達された熱により燃料電池スタック１へ供給する酸化剤ガスを予熱する第１予熱部１２と、第１予熱部１２に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給器２５と、第１予熱部１２の外周の少なくとも一部を覆う真空断熱部２２と、燃料電池スタック１の発電動作の停止を示す情報を検出する検出部４０と、制御部２７とを備える。制御部２７は、検出部４０の検出結果に基づき、燃料電池スタックの発電動作が停止したと判断した場合、真空断熱部２２が所定温度以下となるように酸化剤ガス供給器２５を制御して第１予熱部１２に酸化剤ガスを供給させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソードに供給される酸化剤ガスとアノードに供給される改質ガスとの電気化学的反応により発電する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックの前記カソードから排出されたカソードオフガスと、前記アノードから排出されたアノードオフガスとを燃焼させる燃焼部と、
前記燃料電池スタックおよび前記燃焼部の外周の少なくとも一部を覆う断熱部と、
前記断熱部の外周の少なくとも一部を覆うとともに前記断熱部を介して伝達された熱により前記燃料電池スタックへ供給する前記酸化剤ガスを予熱する第１予熱部と、
前記第１予熱部に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給器と、
前記第１予熱部の外周の少なくとも一部を覆う真空断熱部と、
前記燃料電池スタックの発電動作の停止を示す情報を検出する検出部と、
制御部と、を備え、
前記制御部は、前記検出部の検出結果に基づき、前記燃料電池スタックの発電動作が停止したと判断した場合、前記真空断熱部が所定温度以下となるように前記酸化剤ガス供給器を制御して前記第１予熱部に前記酸化剤ガスを供給させる高温動作型燃料電池システム。
【請求項２】
前記検出部は、火炎検知器であり、
前記制御部は、前記検出部の検出結果から前記燃焼部の燃焼動作の停止を検出した場合、前記燃料電池スタックの発電動作が停止したと判断する請求項１に記載の高温動作型燃料電池システム。
【請求項３】
前記検出部は、流量計であり、
前記制御部は、前記検出部の検出結果から前記改質ガスの供給停止を検出した場合、前記燃料電池スタックの発電動作が停止したと判断する請求項１に記載の高温動作型燃料電池システム。
【請求項４】
前記酸化剤ガス供給器により前記第１予熱部に前記酸化剤ガスを供給させる際、該酸化剤ガス供給器への電力供給が停止させられていると判断した場合、前記制御部は、前記燃料電池スタックにより発電された電力、または外部に備えられた補助電源からの電力により、前記酸化剤ガス供給器を稼働させる請求項１または２に記載の高温動作型燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃焼部の燃焼により生成された排ガスの有する熱を利用して改質反応を行い、供給された発電原料から前記改質ガスを生成する改質器と、
前記改質器の改質反応により熱の一部が利用された前記排ガスとの熱交換により前記酸化剤ガスを予熱させ前記燃料電池スタックへ供給する第２予熱部と、
前記燃料電池スタック、前記燃焼部、前記改質器、および前記第２予熱部を収容する筐体部と、をさらに備え、
前記断熱部は、前記筐体部の内周または外周に位置し、前記燃料電池スタック、前記燃焼部、前記改質器、および前記第２予熱部の外周の少なくとも一部を覆う請求項１〜４のいずれか１項に記載の高温動作型燃料電池システム。
【請求項６】
前記制御部は、前記検出部の検出結果に基づき、前記燃料電池スタックの発電動作が停止したと判断した場合、前記酸化剤ガス供給器を制御して前記第１予熱部に前記酸化剤ガスを所定時間または前記真空断熱部の温度が所定の温度以下になったと判断するまで供給させる請求項１〜５のいずれか１項に記載の高温動作型燃料電池システム。
【請求項７】
前記燃焼部の上方に前記改質器が配置され、前記燃焼部の下方に前記燃料電池スタックが配置されており、
前記燃料電池スタックを収容する収容空間を有するとともに、該燃料電池スタックの前記カソードから排出された前記カソードオフガスを、該収容空間内を流通させて前記燃焼部に導く燃料電池スタック容器と、
前記燃料電池スタックの外周を取り巻くように前記燃料電池スタック容器の側面に設けられ、前記収容空間内を流通する前記カソードオフガスの有する熱により前記第２予熱部によって予熱された前記酸化剤ガスをさらに予熱する第３予熱部と、を備え、
前記断熱部は、前記第３予熱部、前記燃焼部、および前記改質器それぞれの外周の少なくとも一部を覆うように配置されている請求項５に記載の高温動作型燃料電池システム。
【請求項８】
前記第１予熱部は、前記第３予熱部、前記燃焼部、および前記改質器それぞれの外周の少なくとも一部を覆う複数の部分予熱部と、分離して配置された該部分予熱部の間を酸化剤ガスが流通するように連結する連結部とから構成されている請求項７に記載の高温動作型燃料電池システム。
【請求項９】
前記酸化剤ガスは、前記第１予熱部、前記第２予熱部、および前記第３予熱部の順に流通して前記燃料電池スタックに供給されており、
前記第１予熱部は、前記断熱部を介して伝達した熱によって外部から供給された前記酸化剤ガスを予熱し、
前記第２予熱部は、前記第１予熱部により予熱された前記酸化剤ガスを前記排ガスの有する熱によって予熱し、
前記第３予熱部は、前記第２予熱部によって予熱された前記酸化剤ガスを、前記燃料電池スタック容器の前記収容空間内を流通する前記カソードオフガスの熱により予熱する請求項７または８に記載の高温動作型燃料電池システム。
【請求項１０】
前記真空断熱部は、前記高温動作型燃料電池システムを構成する各部を分解することなく交換できるよう着脱可能に設けられている請求項１〜９のいずれか１項に記載の高温動作型燃料電池システム。
【請求項１１】
前記真空断熱部の温度変化に対応する温度を検出する温度検知部と、
報知機と、を備え、
前記制御部は、前記温度検知部によって検出された温度履歴を記録する記憶部を有しており、該記憶部に記録された温度履歴に基づき、前記真空断熱部の交換の要否を判断し、
この判断した結果を前記報知機に報知させるように制御する請求項１０に記載の高温動作型燃料電池システム。
【請求項１２】
前記温度検知部は、前記燃料電池スタックの発電動作の停止を示す情報を検出する検出部である、請求項１１に記載の高温動作型燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温で作動する高温動作型燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、小型でも発電効率が高く、また発電時に発生する熱、もしくは燃料電池から排出されたオフガスを燃焼させて得た排ガスの熱などを利用することができるため、総合効率を高めることができる。そこで、排熱を有効に利用できる燃料電池システムの開発が進められている。例えば、固体酸化物型燃料電池の発電反応を安定化させるとともに総合効率の向上を図った燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献１、２）。
【０００３】
特許文献１に係る燃料電池システムでは、コア真空断熱缶（真空断熱部）と断熱部（断熱材）とを配置して、燃料電池セルアセンブリおよび熱交換器ユニットなどを収容する断熱容器の断熱性を高める構成が示されている。この構成により特許文献１に係る固体酸化物形燃料電池システムは、断熱容器から外部への熱の散逸を低減させることができる。
【０００４】
また特許文献２に係る燃料電池システムでは、ＳＯＦＣから排出される排燃料を燃焼器で完全燃焼させ、燃焼器から排出された排ガスと、第１の空気予熱器、第２の空気予熱器、および蒸発器それぞれとの間で熱交換する構成が示されている。この構成により、特許文献２に係る燃料電池システムでは、第１の空気予熱器および第２の空気予熱器等で回収した熱を利用して外部から送り込まれた空気を予熱することができ、燃料電池システムの効率を高めることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−１７０１７０号公報
【特許文献２】特許第３９１３００８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、一例として、外部への放熱量を減少させ、発電効率を高めるとともに、信頼性の高い高温動作型燃料電池システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る高温動作型燃料電池システムの一態様（ａｓｐｅｃｔ）は、カソードに供給される酸化剤ガスとアノードに供給される改質ガスとの電気化学的反応により発電する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックの前記カソードから排出されたカソードオフガスと、前記アノードから排出されたアノードオフガスとを燃焼させる燃焼部と、前記燃料電池スタックおよび前記燃焼部の外周の少なくとも一部を覆う断熱部と、前記断熱部の外周の少なくとも一部を覆うとともに前記断熱部を介して伝達された熱により前記燃料電池スタックへ供給する酸化剤ガスを予熱する第１予熱部と、前記第１予熱部に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給器と、前記第１予熱部の外周の少なくとも一部を覆う真空断熱部と、前記燃料電池スタックの発電動作の停止を示す情報を検出する検出部と、制御部と、を備え、前記制御部は、前記検出部の検出結果に基づき、前記燃料電池スタックの発電動作が停止したと判断した場合、前記真空断熱部が所定温度以下となるように前記酸化剤ガス供給器を制御して前記第１予熱部に前記酸化剤ガスを供給させる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明は、以上に説明したように構成され、外部への放熱量を減少させ、発電効率を高めるとともに、信頼性を高めることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施の形態１に係る高温動作型燃料電池システムの要部構成の一例を示す模式図である。
【図２】図１に示す高温動作型燃料電池システムが第１予熱部を備えない構成の場合における温度分布の一例を示す図である。
【図３】図１に示す高温動作型燃料電池システムが第１予熱部を備える構成の場合における温度分布の一例を示す図である。
【図４】実施の形態１の変形例１に係る高温動作型燃料電池システムの要部構成の一例を示す模式図である。
【図５】実施の形態１の変形例２に係る高温動作型燃料電池システムの要部構成の一例を示す模式図である。
【図６】本発明の実施の形態２に係る高温動作型燃料電池システムの要部構成の一例を示す模式図である。
【図７】本発明の実施の形態３に係る高温動作型燃料電池システムの外観形状の一例を示す斜視図である。
【図８】図７に示す高温動作型燃料電池システムの要部構成の一例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
（本発明の一形態を得るに至った経緯）
本発明者らは、排熱を有効に利用できる高温動作型燃料電池の一例として固体酸化物形燃料電池システム（以下、ＳＯＦＣシステム）に関して鋭意検討を行った。その結果、以下の知見を得た。
【００１１】
まず、上述した特許文献１に係るＳＯＦＣシステムは、断熱容器本体の外壁材の内周に沿ってコア真空断熱缶と断熱部とを配置する構成である。しかしながら、この構成では依然として外壁材温度が高温となり断熱性能が十分ではないという問題を見出した。そのため、特許文献１に係るＳＯＦＣシステムにおいて外部への放熱量を十分に低減させるためには断熱部の厚みを大きくする必要がありＳＯＦＣシステムの小型化を図ることが困難であることが分かった。また、ＳＯＦＣシステムの作動に伴い、真空断熱容器そのものの表面温度が、例えば５００℃以上まで上昇してしまうと、コア真空断熱缶を例えばＳＵＳなどの金属で構成している場合、コア真空断熱缶は十分な耐久性を確保できないという問題も見出した。
【００１２】
一方、特許文献２に係るＳＯＦＣシステムでは、排ガスの保有する熱の回収という点でＳＯＦＣシステムにおける発電効率の向上を図ることができる。しかしながら、特許文献２に係るＳＯＦＣシステムは、ＳＯＦＣシステムの内部から外部へ散逸する熱量を十分に低減させることができないという点で、発電効率の大幅な向上を図ることができないという問題を見出した。
【００１３】
そこで、本発明者はこれら従来の問題に関し、検討を重ねた結果、以下の知見を得た。すなわち、ＳＯＦＣシステムにおいて断熱部の厚みをできるだけ薄くして小型化を図るとともに、ＳＯＦＣシステムの内部から外部へ散逸する熱量を抑制し、発電効率の向上を達成させるためには、ＳＯＦＣシステム内において、断熱部とは別に、断熱性能を大幅に向上させるための機構が必要であることに気が付いた。
【００１４】
具体的には、ＳＯＦＣシステム内の熱を効率よく回収して固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）に供給する酸化剤ガスを予熱する予熱部と、断熱部と、真空断熱部と、を組み合わせ、適切にそれぞれを配置した。つまり、燃料電池スタックおよび燃焼部等を収容する筐体の外周を断熱部、予熱部、真空断熱部の順に覆う構成とすることで断熱性能の大幅な向上を実現できることを見出した。
【００１５】
この構成では、筐体の外壁に沿って配置される断熱部の厚みを抑えることができるため、ＳＯＦＣシステムの小型化を図ることができる。また、この構成により、筐体の外壁等に沿って配置される断熱部の表面温度を低く抑え、断熱部の寿命を確保することができるため、システムの信頼性を高めることができる。また、この構成では、ＳＯＦＣに供給する酸化剤ガス（空気）の流量を調整することにより、熱回収性能と断熱性能とを調整することができる。
【００１６】
このように、本発明者らが見出した上記の構成は、高温動作型燃料電池システムの発電時は、放熱を抑制することができるため、発電効率を大幅に向上させることが可能となる。しかしながら、高温動作型燃料電池システム内部の温度が高い状態で該高温動作型燃料電池の発電動作が停止してしまった場合、真空断熱部は熱伝導率が低いため、この真空断熱部の内側の温度が急激に上昇してしまう。そして、内側の温度が真空断熱部の許容温度を超えると、真空断熱部が劣化し、断熱性能が低下する場合があることを見出した。
【００１７】
そこで、本発明者らは、上記の構成を有する高温動作型燃料電池システムにおける停止動作を鋭意検討した結果、高温動作型燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給器を適切に制御することで、真空断熱部の劣化を防ぐことができることを見出し、本発明に至った。
【００１８】
具体的には、高温動作型燃料電池の発電動作の停止時において、燃料電池スタックおよび燃焼部等を収容する筐体の内部の温度が高い場合は真空断熱部の内側に位置する予熱部に酸化剤ガスを一定時間流すように酸化剤ガス供給器を制御する。このように酸化剤ガス供給器を制御することで、真空断熱部の内側の急激な温度上昇を防ぎ、真空断熱部の性能および信頼性を維持することができるという知見を得た。
【００１９】
上記した本発明者らの知見は、これまで明らかにされていなかったものであり、顕著な作用効果を奏する新規な技術的特徴を有するものである。そこで、本発明では具体的には以下に示す態様を提供する。
【００２０】
本発明の第１の態様に係る高温動作型燃料電池システムは、上記した課題を解決するために、カソードに供給される前記酸化剤ガスとアノードに供給される改質ガスとの電気化学的反応により発電する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックの前記カソードから排出されたカソードオフガスと、前記アノードから排出されたアノードオフガスとを燃焼させる燃焼部と、前記燃料電池スタックおよび前記燃焼部の外周の少なくとも一部を覆う断熱部と、前記断熱部の外周の少なくとも一部を覆うとともに前記断熱部を介して伝達された熱により前記燃料電池スタックへ供給する前記酸化剤ガスを予熱する第１予熱部と、前記第１予熱部に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給器と、前記第１予熱部の外周の少なくとも一部を覆う真空断熱部と、前記燃料電池スタックの発電動作の停止を示す情報を検出する検出部と、制御部と、を備え、前記制御部は、前記検出部の検出結果に基づき、前記燃料電池スタックの発電動作が停止したと判断した場合、前記真空断熱部が所定温度以下となるように前記酸化剤ガス供給器を制御して前記第１予熱部に前記酸化剤ガスを供給させる。
【００２１】
上記構成によると、断熱部、第１予熱部および真空断熱部を備えているため、真空断熱部の表面から外部への放熱量を抑制することができる。また、断熱部を介して第１予熱部に伝達された熱を、第１予熱部の内部を流通し燃料電池スタックに供給する酸化剤ガスによって回収することができる。このように、高温動作型燃料電池システムにおける排熱を酸化剤ガスにより効率的に回収でき、回収した熱により予熱された酸化剤ガスを燃料電池スタックに供給することができるため、発電効率を高めることができる。
【００２２】
さらに、制御部が、燃料電池スタックの発電動作を停止したと判断した場合、酸化剤ガス供給器を制御して前記第１予熱部に前記酸化剤ガスを供給させることができるため、真空断熱部の温度を許容温度範囲内に維持し、真空断熱部の劣化を防ぐことができる。
【００２３】
したがって、本発明の第１の態様に係る高温動作型燃料電池システムは、外部への放熱量を減少させ、発電効率を高めるとともに、信頼性の高めることができるという効果を奏する。
【００２４】
また、本発明の第２の態様に係る高温動作型燃料電池システムは、上記した第１の態様において、前記検出部は、火炎検知器であり、前記制御部は、前記検出部の検出結果から前記燃焼部の燃焼動作の停止を検出した場合、前記燃料電池スタックの発電動作が停止したと判断する構成であってもよい。
【００２５】
また、本発明の第３の態様に係る高温動作型燃料電池システムは、上記した第１の態様において、前記検出部は、流量計であり、前記制御部は、前記検出部の検出結果から前記改質ガスの供給停止を検出した場合、前記燃料電池スタックの発電動作が停止したと判断する構成であってもよい。
【００２６】
上記構成によると、失火などによる燃焼動作の不具合、または改質ガスの供給停止により燃料電池スタックの発電動作を停止に至る場合であっても、真空断熱部の温度を許容温度範囲内に維持し、真空断熱部の劣化を防ぐことができる。
【００２７】
また、本発明の第４の態様に係る高温動作型燃料電池システムは、上記した第１から第３の態様のいずれか１つの態様において、前記酸化剤ガス供給器により前記第１予熱部に前記酸化剤ガスを供給させる際、該酸化剤ガス供給器への電力供給が停止させられていると判断した場合、前記制御部は、前記燃料電池スタックにより発電された電力、または外部に備えられた補助電源からの電力により、前記酸化剤ガス供給器を稼働させる構成であってもよい。
【００２８】
上記構成によると、酸化剤ガス供給器への電力供給が停止させられていると判断した場合、燃料電池スタックにより発電された電力、または補助電源からの電力により、酸化剤ガス供給器を稼働させることができる。このように、酸化剤ガス供給器への電力供給が停止したとしても、稼働させることができるため、酸化剤ガス供給器が稼働せず真空断熱部の温度を許容温度範囲内に維持できなくなる事態を防止することができる。
【００２９】
よって、高温動作型燃料電池システムの信頼性を高めることができる。
【００３０】
本発明の第５の態様に係る高温動作型燃料電池システムは、上記した第１から４の態様のいずれか１つの態様において、前記燃焼部の燃焼により生成された排ガスの有する熱を利用して改質反応を行い、供給された発電原料から前記改質ガスを生成する改質器と、前記改質器の改質反応により熱の一部が利用された前記排ガスとの熱交換により前記酸化剤ガスを予熱させ前記燃料電池スタックへ供給する第２予熱部と、前記燃料電池スタック、前記燃焼部、前記改質器、および前記第２予熱部を収容する筐体部と、をさらに備え、前記断熱部は、前記筐体部の内周または外周に位置し、前記燃料電池スタック、前記燃焼部、前記改質器、および前記第２予熱部の外周の少なくとも一部を覆う構成であってもよい。
【００３１】
上記構成によると、改質器を備えるため、発電原料から改質ガスを生成し燃料電池スタックへ供給することができる。このため、高温動作型燃料電池システムにおいて使用する発電原料の選択肢を増やすことができる。
【００３２】
また、また第２予熱部を備えるため、燃料電池スタックに供給する酸化剤ガスを排ガスで予熱することができる。このため、排ガスの温度を十分に低下させ外部に排出させることができるとともに、酸化剤ガスの温度を上昇させることができる。
【００３３】
それゆえ、第５の態様に係る高温動作型燃料電池システムは、発電効率をより一層、向上させることができる。
【００３４】
また、本発明の第６の態様に係る高温動作型燃料電池システムは、上記した第１から第５の態様のいずれか１つの態様において、前記制御部は、前記検出部の検出結果に基づき、前記燃料電池スタックの発電動作が停止したと判断した場合、前記酸化剤ガス供給器を制御して前記第１予熱部に前記酸化剤ガスを所定時間または前記真空断熱部の温度が所定の温度以下になったと判断するまで供給させる構成であってもよい。
【００３５】
上記構成によると、制御部は、燃料電池スタックの発電動作が停止したと判断した場合、第１予熱部に酸化剤ガスを、所定時間または真空断熱部の温度が所定の温度以下になったと判断するまで供給させる。このため、制御部は、確実に真空断熱部の温度が許容温度内となるように、酸化剤ガス供給器を制御して酸化剤ガスを第１予熱部に供給させることができるため、高温動作型燃料電池システムの信頼性をより一層、向上させることができる。
【００３６】
本発明の第７の態様に係る高温動作型燃料電池システムは、上記した第５の態様において、前記燃焼部の上方に前記改質器が配置され、前記燃焼部の下方に前記燃料電池スタックが配置されており、前記燃料電池スタックを収容する収容空間を有するとともに、該燃料電池スタックの前記カソードから排出された前記カソードオフガスを、該収容空間内を流通させて前記燃焼部に導く燃料電池スタック容器と、前記燃料電池スタックの外周を取り巻くように前記燃料電池スタック容器の側面に設けられ、前記収容空間内を流通する前記カソードオフガスの有する熱により前記第２予熱部によって予熱された前記酸化剤ガスをさらに予熱する第３予熱部と、を備え、前記断熱部は、前記第３予熱部、前記燃焼部、および前記改質器それぞれの外周の少なくとも一部を覆うように配置された構成であってもよい。
【００３７】
上記構成によると、第３予熱部、前記燃焼部、および前記改質器それぞれの外周の少なくとも一部を覆うように断熱部が配置されているため、断熱部をさらに覆う第１予熱部および真空断熱部によって、熱回収性能および断熱性能をより一層、向上させることができる。
【００３８】
本発明の第８の態様に係る高温動作型燃料電池システムは、上記した第７の態様において、前記第１予熱部は、前記第３予熱部、前記燃焼部、および前記改質器それぞれの外周の少なくとも一部を覆う複数の部分予熱部と、分離して配置された該部分予熱部の間を酸化剤ガスが流通するように連結する連結部とから構成されていてもよい。
【００３９】
上記構成によると、第１予熱部が複数の部分予熱部と連結部とから構成されている。このように第１予熱部を複数の部分予熱部から構成するため、適切な形状の部分予熱部を適正な位置に配置させることができる。さらには、部分予熱部を覆う真空断熱部も部分予熱部の形状および位置に合わせて、適切な形状で適切な位置に配置させることができる。
【００４０】
このため、高温動作型燃料電池システムの断熱性能の大小、および熱回収能力の大小を自在に調整することができる。
【００４１】
本発明の第９の態様に係る高温動作型燃料電池システムは、上記した第７または８の態様において、前記酸化剤ガスは、前記第１予熱部、前記第２予熱部、および前記第３予熱部の順に流通して前記燃料電池スタックに供給されており、前記第１予熱部は、前記断熱部を介して伝達した熱によって外部から供給された前記酸化剤ガスを予熱し、前記第２予熱部は、前記第１予熱部により予熱された前記酸化剤ガスを前記排ガスの有する熱によって予熱し、前記第３予熱部は、前記第２予熱部によって予熱された前記酸化剤ガスを、前記燃料電池スタック容器の前記収容空間内を流通する前記カソードオフガスの熱により予熱する構成であってもよい。
【００４２】
上記構成によると、第１〜第３予熱部により外部に散逸する熱を有効に利用し、酸化剤ガスの温度を確実に上昇させることができる。このため、高温動作型燃料電池システムの発電効率をさらに向上させることが可能となる。
【００４３】
本発明の第１０の態様に係る高温動作型燃料電池システムは、上記した第１から第９の態様のいずれか１つの態様において、前記真空断熱部は、前記高温動作型燃料電池システムを構成する各部を分解することなく交換できるよう着脱可能に設けられている構成であってもよい。
【００４４】
ここで、高温動作型燃料電池システムを構成する各部を分解することなく交換できるとは、該高温動作型燃料電池システムを構成する例えば、配管または筐体部等を分解したり、配置位置を移動させたりすることなく、真空断熱部を交換できるということである。
【００４５】
上記構成によると、真空断熱部は、高温動作型燃料電池システムを構成する各部を分解することなく交換できるよう着脱可能に設けられている。
【００４６】
このため、燃料電池スタックの発電の停止にともなう筐体内の温度上昇に起因して、あるいは真空断熱部の寿命により、該真空断熱部の性能が悪化したとき、短時間でかつ低コストで真空断熱部の取り替えを行うことができる。
【００４７】
本発明の第１１の態様に係る高温動作型燃料電池システムは、上記した第１０の態様において、前記真空断熱部の温度変化に対応する温度を検出する温度検知部と、報知機と、を備え、前記制御部は、前記温度検知部によって検出された温度履歴を記録する記憶部を有しており、該記憶部に記録された温度履歴に基づき、前記真空断熱部の交換の要否を判断し、この判断した結果を前記報知機に報知させるように制御する構成であってもよい。
【００４８】
本発明の第１２の態様に係る高温動作型燃料電池システムは、上記した第１１の態様において、前記温度検知部は、前記燃料電池スタックの発電動作の停止を示す情報を検出する検出部であってもよい。
【００４９】
上記構成によると、高温動作型燃料電池システムでは、真空断熱部を適切なタイミングで取り替えることができ、部品コストおよび作業コストの大幅な低減を図ることができる。
【００５０】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。本発明の実施の形態では、高温動作型燃料電池システム１００として発電部に固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）を有するＳＯＦＣシステムを例に挙げて説明するがこれに限定されるものではない。例えば、高温動作型燃料電池システム１００は、発電部に溶融炭酸形燃料電池（ＭＣＦＣ）を有するＭＣＦＣシステムなどであってもよく、高温な排熱を有効活用できる燃料電池システムであればよい。
【００５１】
［実施の形態１］
（高温動作型燃料電池システムの構成）
まず、図１を参照して、実施の形態１に係る高温動作型燃料電池システム１００の構成について説明する。図１は、本発明の実施の形態１に係る高温動作型燃料電池システム１００の要部構成の一例を示す模式図である。図１では、高温動作型燃料電池システム１００を側面側から見たときの要部構成を示しており、高温動作型燃料電池システム１００は、紙面における下方を底面、上方を上面とした円柱形状または直方体形状とすることができる。なお、本明細書では、発電原料供給経路８を通じて外部から供給されるガスを発電原料と称し、改質器５において改質反応により改質された発電原料を改質ガスと称する。
【００５２】
高温動作型燃料電池システム１００は、外部から供給された、例えば空気などの酸化剤ガスと、外部から供給された例えば天然ガス等の発電原料を改質して得られた改質ガスとの電気化学的な反応により発電する。高温動作型燃料電池システム１００は、図１に示すように、燃料電池スタック１、燃料電池スタック容器２、筐体部３、蒸発器４、改質器５、噴出部６、燃焼部７、発電原料供給経路８、改質ガス経路９、アノードオフガス経路１０、酸化剤ガス供給経路１１、第１予熱部１２、酸化剤ガス筐体部供給経路１３、第２予熱部１４、第１酸化剤ガス経路１５、第３予熱部１６、第２酸化剤ガス経路１７、排ガス経路１９、断熱部２１、真空断熱部２２、酸化剤ガス供給器２５、発電原料供給器２６、検出部４０、および制御部２７を備えてなる構成である。
【００５３】
高温動作型燃料電池システム１００では、筐体部３の外周の少なくとも一部が断熱部２１によって覆われている。図１に示すように、断熱部２１は、筐体部３の側部の外周の少なくとも一部を覆う構成であってもよい。そして、断熱部２１の外周の少なくとも一部が第１予熱部１２によって覆われ、第１予熱部１２の外周の少なくとも一部が真空断熱部２２によって覆われている。なお、図１では、断熱部２１が配される範囲と第１予熱部１２が配される範囲とが同じとなっているが、必ずしも両者が同じ範囲である必要はない。また、図１では、第１予熱部１２が配される範囲と真空断熱部２２が配される範囲とも同じ範囲となっているが、必ずしも両者が同じ範囲である必要はない。すなわち、真空断熱部２２の内周側全体が、第１予熱部１２と接するように配置される構成であればよく、第１予熱部１２全体を全て覆う構成とする必要はない。信頼性の観点から、真空断熱部２２の内周側に第１予熱部１２が必ず存在する構成が望ましい。
【００５４】
また、筐体部３内には、燃料電池スタック１、燃料電池スタック容器２、蒸発器４、改質器５、噴出部６、燃焼部７、改質ガス経路９、アノードオフガス経路１０、第２予熱部１４、第１酸化剤ガス経路１５、第２酸化剤ガス経路１７、および排ガス経路１９が収容されている。
【００５５】
まず、筐体部３内の構成について説明する。燃料電池スタック１は、外部から供給された酸化剤ガスと改質器５における改質反応により生成された改質ガスとの電気化学的反応により発電する複数の燃料電池の単セルを積層して形成される。燃料電池スタック１では、例えば、積層された単セルを直列に接続した構成であってもよい。燃料電池スタック１は、複数の平板形の燃料電池セルを積層して形成されていてもよいし、複数の円筒形の燃料電池セルを積層して形成してもよい。実施の形態１に係る高温動作型燃料電池システム１００では、燃料電池スタック１は、６００℃近傍以上の高温で作動する。なお、燃料電池スタック１には、特に図示しないが該燃料電池スタック１の動作温度を検出する温度検出部、および該燃料電池スタック１において発電した電流を取り出す電極などが設けられていてもよい。
【００５６】
燃料電池スタック１を構成する単セルとしては、例えばイットリアをドープしたジルコニア（ＹＳＺ）、イットリビウムやスカンジウムをドープしたジルコニア、あるいはランタンガレート系の固体電解質からなる燃料電池単セルを用いることができる。例えば、燃料電池の単セルがＹＳＺの場合、厚みにもよるが、約６００〜９００℃の温度範囲にて、発電反応が行われる。
【００５７】
燃料電池スタック容器２は、燃料電池スタック１を収容する容器である。燃料電池スタック容器２は、例えば、６００℃〜９００℃の温度範囲に耐性を示す耐熱性金属により構成される。燃料電池スタック容器２の少なくとも側面は筐体部３を介して断熱部２１によって覆われており、断熱部２１の外周には第１予熱部１２が該断熱部２１を覆うように設けられている。さらに、第１予熱部１２の外周には真空断熱部２２が該第１予熱部１２を覆うように設けられている。
【００５８】
なお、断熱部２１、第１予熱部１２、真空断熱部２２が設けられる範囲は、図１に示すように、少なくとも上記した燃料電池スタック容器２および燃焼部７の側面を囲む範囲に相当する筐体部３の側面を覆うように設けられている。さらには、断熱部２１、第１予熱部１２、真空断熱部２２は、蒸発器４、改質器５、および第２予熱部１４の側面を囲む範囲に相当する筐体部３の側面の範囲を覆う構成であってもよい。少なくとも筐体部３の外周において高温の状態で熱が伝達される範囲を覆うように断熱部２１、第１予熱部１２、真空断熱部２２が設けられている。また、実施の形態１に係る高温動作型燃料電池システム１００では、断熱部２１を、筐体部３の外周側に配置した構成となっているが、筐体部３の内周側に配置されても良いし、筐体部３を挟むように、筐体部３の内周側および外周側にそれぞれ配置してもよい。筐体部３を断熱部２１で挟みこむ構成の場合は、筐体部３の内周側と外周側とで断熱部２１を構成する材料を変えてもよい。
【００５９】
第１予熱部１２は、断熱部２１を囲む金属製の内管とこの内管の外周を囲む金属製の外管とから構成されており、内管と外管との間に形成される空間を酸化剤ガスが流通する構成としてもよい。また、断熱部２１および真空断熱部２２の詳細については後述する。
【００６０】
また、図１に示すように、燃料電池スタック容器２内では、燃料電池スタック１の収容空間内を該燃料電池スタック１のカソードから排出されたカソードオフガスが流通する構成となっている。そして、燃料電池スタック容器２内において、燃料電池スタック１のカソード側に供給する酸化剤ガスと、燃料電池スタック１から排出されたカソードオフガスとの間で熱交換させ、酸化剤ガスを予熱させることができる第３予熱部１６が設けられている。第３予熱部１６は、燃料電池スタック容器２の側面の内壁に沿って設けられている。換言すると、第３予熱部１６は、燃料電池スタック容器２内において燃料電池スタック１の側面の外周を囲むように設けられている。第３予熱部１６も第１予熱部１２と同様に、金属製の内管が燃料電池スタック１の側面を囲み、この内管の外周を金属製の外管が囲み、内管と外管との間に形成される空間を酸化剤ガスが流通する構成であってもよい。なお、第３予熱部１６を構成する外管は燃料電池スタック容器２の側壁と共用されていてもよい。
【００６１】
噴出部６は、アノードオフガスを噴出するためのものであり、燃料電池スタック容器２の上面における中心部分に設けられている。燃料電池スタック１のアノードから排出されたアノードオフガスはアノードオフガス経路１０を流通し、噴出部６に供給される。
【００６２】
図１に示すように、燃料電池スタック容器２の上面の中央部分は、上面から底面に向かって先細りとなったテーパ形状となるように窪んでいる。そして、この窪みによってアノードオフガスとカソードオフガスとの燃焼空間である燃焼部７を形成した構成であってもよい。窪みの底部における中心に、燃料電池スタック容器２の上面に対して垂直方向でかつ上向きに突出するよう噴出部６が設けられている。噴出部６は、例えば、円筒形状をしており、その側面にアノードオフガスを噴出するための複数のアノードオフガス噴出孔が設けられた構成であってもよい。
【００６３】
このように、高温動作型燃料電池システム１００では、作動時（発電時）に、燃焼部７において発電反応に利用されなかったアノードオフガスとカソードオフガスとを燃焼させ、高温の排ガスを生成し、詳細は後述するが、排ガスが有する熱を有効に利用するように構成されている。さらにまた、詳細は後述するが、断熱部２１、真空断熱部２２、第１予熱部１２、第２予熱部１４、第３予熱部１６を適切に配置することで高温動作型燃料電池システム１００の筐体部３内から外部への放熱を可能な限り遮断するように構成されている。
【００６４】
図１に示すように高温動作型燃料電池システム１００では、燃料電池スタック１は燃焼部７の下方に配置されており、燃焼部７の上方には第２予熱部１４、蒸発器４、および改質器５が設けられている。そして、燃焼部７で生成された排ガスの有する熱を利用して、改質器５の改質反応に必要な熱を賄ったり、蒸発器４で水を気化させるために必要な熱を賄ったり、第２予熱部１４で酸化剤ガスを予熱するために必要な熱を賄ったりする構成となっている。
【００６５】
第２予熱部１４は、改質器５の改質反応により熱の一部が利用された排ガスと酸化剤ガスとの熱交換により該酸化剤ガスを予熱させ、予熱させた酸化剤ガスを燃料電池スタック１に向かって供給する。なお、第２予熱部１４は、径寸法および軸方向の長さが異なる、底面側が開口した２つの金属製の筒状部材を組み合わせて構成してもよい。そして、内側に配される筒状部材と外側に配される筒状部材との間に形成される空間を酸化剤ガスが流通する構成であってもよい。
【００６６】
改質器５は、部分酸化改質反応により発電原料から改質ガスを生成するものであってもよい。また、改質器５は、部分酸化改質反応だけではなく水蒸気改質反応により発電原料から改質ガスを生成できる構成となっていることが有利である。なお、改質器５が部分酸化改質反応により発電原料から改質ガスを生成する構成の場合は、蒸発器４を必ずしも備える必要はない。
【００６７】
改質器５が水蒸気改質反応により発電原料から改質ガスを生成する場合、改質器５の上流側に設けられた蒸発器４により気化された水と発電原料とを混合させ改質器５に供給する。改質器５に充填される改質触媒としてはアルミナ担持ニッケル（Ｎｉ/Ａｌ２Ｏ３）触媒、またはアルミナ担持ルテニウム触媒（Ｒｕ/Ａｌ２Ｏ３）などを適宜用いることができる。
【００６８】
ところで、改質器５に供給される発電原料には付臭剤として、または原料由来のものとして硫黄成分が含まれている場合がある。そこで、改質器５および蒸発器４の上流側に脱硫器が設けられ、該脱硫器によって脱硫された後の発電原料が改質器５および蒸発器４に供給される構成となっていてもよい。
【００６９】
脱硫器の一例としては、水添脱硫方式により発電原料に含まれる硫黄成分を除去する方式がある。脱硫器に充填する脱硫剤としては、例えば、銅および亜鉛を含む脱硫剤が挙げられる。なお、脱硫剤は、水添脱硫を行うことができればこの脱硫剤に限定されるものではなく、Ｎｉ−Ｍｏ系又はＣｏ−Ｍｏ系触媒と酸化亜鉛との組み合わせであってもよい。Ｎｉ−Ｍｏ系又はＣｏ−Ｍｏ系触媒と酸化亜鉛とを組み合わせた脱硫剤の場合、脱硫器は３５０〜４００℃の温度範囲にて、発電原料中の有機硫黄を水添分解する。そして、脱硫器は、生成したＨ２Ｓを、３５０〜４００℃の温度範囲にてＺｎＯに吸着させて除去する。例えば、発電原料が都市ガスの場合、付臭剤として硫黄化合物であるジメチルスルフィド（dimethl sulfide ;Ｃ２Ｈ６Ｓ，ＤＭＳ）が含有されている。このＤＭＳは、脱硫器において、以下の反応式（１）、（２）によるＺｎＳの形、または物理吸着の形で脱硫剤によって除去される。
Ｃ２Ｈ６Ｓ＋２Ｈ２→２ＣＨ４＋Ｈ２Ｓ      ・・・（１）
Ｈ２Ｓ＋ＺｎＯ→Ｈ２Ｏ＋ＺｎＳ            ・・・（２）
なお、発電原料に含まれる付臭剤は、上述したＤＭＳの他に、ＴＢＭ（Ｃ４Ｈ１０Ｓ）またはＴＨＴ（Ｃ４Ｈ８Ｓ）等の硫黄化合物の場合もある。
【００７０】
また、充填する脱硫剤が銅および亜鉛を含む場合、脱硫器は、１０〜４００℃程度、好ましくは１５０〜３００℃程度の温度範囲で脱硫を行う。この銅亜鉛系脱硫剤は、水添脱硫能力に加えて物理吸着能力もあり、低温では主に物理吸着、高温では化学吸着（Ｈ２Ｓ＋ＺｎＯ→Ｈ２Ｏ＋ＺｎＳ）を行うことができる。この場合、脱硫後の発電原料に含まれる硫黄含有量は、１ｖｏｌ  ｐｐｂ（parts per billion）以下、通常は０．１ｖｏｌ  ｐｐｂ以下となる。
【００７１】
このように、脱硫器において、Ｎｉ−Ｍｏ系又はＣｏ−Ｍｏ系触媒、あるいは銅および亜鉛のいずれかを含む脱硫剤が充填されている場合、単位体積あたりの硫黄成分除去量が大きくなる。それゆえ、上述した脱硫剤を用いる場合、所望の硫黄濃度まで硫黄を除去するために必要となる脱硫剤の量を低減させることができる。
【００７２】
（断熱部および真空断熱部）
以下において高温動作型燃料電池システム１００が備える断熱部２１および真空断熱部２２について詳細に説明する。
【００７３】
まず、断熱部２１を構成する断熱材は、６００℃以上の高温に耐える断熱材が望ましく、耐熱性のあるものであれば汎用的な断熱材を用いることができる。例えば、断熱部２１を構成する断熱材としては、グラスウール、スーパーウール、ロックウール、セラミックファイバー、ミネラルウール、ケイ酸カルシウム、硬質ウレタンフォームなどが例示できる。あるいは、フュームドシリカを主成分とし、無機繊維状物質と赤外線遮断材とを配合した特殊耐熱断熱材であってもよい。
【００７４】
一方、第１予熱部１２の外周側に設けられる真空断熱部２２は、金属または樹脂で構成されたラミネートフィルムなどからなる外被材と、グラスウールなどの多孔質構造材からなる芯材とから構成され、内部を減圧して封止したいわゆる真空断熱材（ＶＩＰ:Vacuum Insulation Panel）で構成されている。
【００７５】
真空断熱部２２を第１予熱部１２の外周、すなわち高温動作型燃料電池システム１００の最外周に配置することで、大幅に断熱性能を向上させることが可能となる。例えば、第１予熱部１２の外周にグラスウール等の汎用的な断熱材からなる断熱部を配置した場合よりも、この真空断熱部２２を配置した場合の方が、熱伝導率が約１／１０〜１／２０となる。なお、筐体部３の最も外側に位置する部分を高温動作型燃料電池システム１００の最外周と称する。例えば、筐体部３が断熱部２１、第１予熱部１２、および真空断熱部２２の順に覆われている部分については、真空断熱部２２が位置する部分が最外周となる。
【００７６】
このため、第１予熱部１２の外周に真空断熱部２２を配置した場合の方が、汎用的な断熱材を配置した場合よりも薄型化を図ることができ、高温動作型燃料電池システム１００の小型化を実現することができる。
【００７７】
より具体的には、真空断熱部２２の厚さは、高温動作型燃料電池システム１００において必要な発電効率に基づき算出される許容放熱量と真空断熱部２２の熱伝導率から算出することができる。例えば、１００℃〜２００℃付近の熱伝導率の参考値としては、グラスウールなどの汎用的な断熱材で約０．１Ｗ／ｍｋ、フュームドシリカを用いた特殊耐熱断熱材で約０．０２４Ｗ／ｍｋ、真空断熱材で約０．００１２Ｗ／ｍｋとなる。この結果からも、高温動作型燃料電池システム１００の最外周に真空断熱部２２を配置する構成とすることにより、汎用的な断熱材から構成される断熱部を配置する構成よりも例えば２０倍以上の薄型化を図ることができることが分かる。
【００７８】
また、真空断熱部２２を構成する真空断熱材は、金属または樹脂で構成されたラミネートフィルムなどからなる外被材の素材および接着剤の仕様により、許容温度範囲が異なる。特に高温側は１００℃〜２００℃程度が許容最大温度となる場合が多い。このため、真空断熱部２２は、使用温度が低いほど寿命が延びることとなる。
【００７９】
実施の形態１に係る高温動作型燃料電池システム１００では、第１予熱部１２にて断熱部２１を介して燃料電池スタック１および燃焼部７等から伝わる熱を回収することができる構成となっている。そのため、高温動作型燃料電池システム１００の発電動作時には、第１予熱部１２の外周側の表面温度は、例えば、５０℃〜２００℃程度の温度となる。それ故、真空断熱部２２の使用温度が高くならないようにすることができ、真空断熱部２２の長寿命化を図ることができる。
【００８０】
つまり、高温動作型燃料電池システム１００では、筐体部３の外周側の表面温度が６００℃〜８００℃と高温となる場合であっても、断熱部２１の厚さを調整したり、供給する酸化剤ガスの流量を制御し、第１予熱部１２における熱交換量を調整したりすることで、真空断熱部２２の内周側表面の温度を２００℃以下とすることができる。このため、真空断熱部２２が２００℃を超える高温に曝されることがなく。その寿命を大幅に延ばすことができる。
【００８１】
また、高温動作型燃料電池システム１００では、真空断熱部２２を高温動作型燃料電池システムの最外周に配置する構成である。このため、金属製の第１予熱部１２を高温動作型燃料電池システム１００の最外周に配置した構成と比較して、両者の外周側の表面温度が例え同じであったとしても、構成する材料の熱伝導率の違いから体感温度を低下させることができる。
【００８２】
なお、第１予熱部１２によって高温動作型燃料電池システム１００の最外周に当たる部分の温度を所望する温度まで十分に低下させることができ、かつ外部に放熱される熱量が許容範囲となる場合は、第１予熱部１２の外周側に必ずしも真空断熱部２２を備える必要はない。この場合は、高温動作型燃料電池システム１００は、筐体の外周の少なくとも一部を断熱部２１で覆い、断熱部２１の外周側を第１予熱部１２により覆う構成となる。
【００８３】
また、高温動作型燃料電池システム１００において外部から供給される、発電原料は、例えば天然ガスとしているが、これに限定されるものではない。例えば、発電原料は、例えば改質ガスなどの純水素であってもよい。なお、発電原料として外部から純水素を高温動作型燃料電池システム１００に供給する構成の場合、蒸発器４および改質器５を備える必要はない。
【００８４】
このように、高温動作型燃料電池システム１００では、少なくとも、燃料電池スタック１、燃料電池スタック容器２、蒸発器４、改質器５、噴出部６、燃焼部７、発電原料供給経路８、改質ガス経路９、アノードオフガス経路１０、第２予熱部１４、第１酸化剤ガス経路１５、第３予熱部１６、第２酸化剤ガス経路１７、および排ガス経路１９を収容する筐体部３の側面を第１予熱部１２、断熱部２１、および真空断熱部２２によって囲まれる構成となっている。
【００８５】
また、高温動作型燃料電池システム１００は、図１に示すように、筐体部３内において第２予熱部１４、第１酸化剤ガス経路１５、および第３予熱部１６によって、蒸発器４、改質器５、燃焼部７、燃料電池スタック１、改質ガス経路９、アノードオフガス経路１０、排ガス経路１９等の外周を囲むように構成されている。この構成により、筐体部３内の熱が外部に散逸することを防ぎ、内部を高温に保つことができる。また、第１予熱部１２を備えるため、断熱部２１および真空断熱部２２の厚さを薄くすることができ、高温動作型燃料電池システム１００のサイズを小型化することができる。
【００８６】
（発電動作停止シーケンスにおける制御）
次に、制御部２７による発電動作停止シーケンスにおける制御について説明する。まず、制御部２７は、高温動作型燃料電池システム１００が備える各部の各種制御を行うものであり、制御機能を有するものであれば特に限定されない。制御部２７は、例えば、マイクロコントローラ、ＭＰＵ、ＰＬＣ(Programmable Logic Controller)、論理回路等で実現できる。また、制御部２７は集中制御を行う単独の制御部によって構成されてもよく、互いに協働して分散制御する複数の制御部で構成されてもよい。制御部２７は、例えば、後述する真空断熱部２２の温度履歴等を記録する記憶部（不図示）を備え、各種指示や情報等を報知するための報知機４１と接続されている。
【００８７】
ところで高温動作型燃料電池システム１００では、発電動作が停止したと判断すると、制御部２７は、酸化剤ガス供給器２５を制御し、第１予熱部１２に対して酸化剤ガスを供給させるように構成されている。すなわち、制御部２７は、検出部４０による検出結果に応じて、発電動作の停止の有無を判断する。そして、発電動作が停止させられたと判断した場合、制御部２７は、真空断熱部２２が所定温度以下となるように、酸化剤ガス供給器２５を制御して酸化剤ガスの供給を行う。このため、発電動作の停止時において、筐体部３内が高温状態であったとしても、真空断熱部２２を所定温度以下（例えば１００℃以下）に保つことができる。
【００８８】
なお、高温動作型燃料電池システム１００において発電動作の停止とは、例えば、発電動作の停止シーケンスにおいて、操作者等の指示に応じて停止する通常時の発電動作の停止が挙げられる。また、例えば、地震等の発生による緊急事態に応じて停止する緊急時の発電動作の停止が挙げられる。緊急時の発電動作の停止には、例えば、燃焼部７の燃焼動作停止にともなう発電動作の停止、発電原料供給器２６の故障等により改質ガスの供給が止まったことにともなう発電動作の停止等も含まれる。
【００８９】
また、検出部４０は、燃料電池スタックの発電動作の停止を示す情報を検出するものである。検出部４０は、発電動作の停止に至る要因を検出できるものであればよい。つまり、発電動作の停止に至る原因に応じて、検出部４０により検出される検出対象が異なっていてもよい。なお、図１では、説明の便宜上、検出部４０を真空断熱部２２の内周面側に設けられた温度センサとして図示しているが、検出部４０の配置および種類はこれに限定されない。
【００９０】
例えば、通常の発電動作の停止では、検出部４０を、真空断熱部２２の温度を検出する温度センサとしてもよい。この検出部４０（温度センサ）は、真空断熱部２２の内周面に設けられた温度センサであってもよいし、筐体部３において、真空断熱部２２の内周面の温度と相関のある温度を検出することができる任意の部位に設けられた温度センサであってもよい。なお、検出部４０（温度センサ）を真空断熱部２２の内周面に設けない場合は、制御部２７は、検出部４０（温度センサ）により検出された温度と真空断熱部２２の内周面の温度との対応関係を示すテーブルを予め記憶部（不図示）に記憶させておく。そして、この記憶部に記憶されたテーブルを参照して、制御部２７は、真空断熱部２２の内周面の温度を把握する構成であってもよい。
【００９１】
例えば、検出部４０が温度センサの場合、制御部２７は、検出部４０の検出結果に基づき発電動作が停止したと判断すると、酸化剤ガス供給器２５を以下のように制御する。すなわち、制御部２７は、検出部４０（温度センサ）によって検出された温度が所定温度以上であると判断した場合、酸化剤ガス供給器２５を制御して、所定時間、酸化剤ガスを供給させる。なお、この所定温度は、真空断熱部２２の許容温度もしくは該許容温度より少し低い温度とすることができる。また、所定時間は、真空断熱部２２の温度が許容温度以下となるようにするために酸化剤ガスを供給し続ける必要のある時間であり、予めシミュレーションまたは実験等により求めておき、例えば、所定時間に関する情報を記憶部に予め記憶させておく構成であってもよい。あるいは、制御部２７は、酸化剤ガス供給器２５を制御して、真空断熱部２２の温度が所定温度以下になったと判断するまで、酸化剤ガスを供給させる構成であってもよい。
【００９２】
また、燃焼部７の燃焼動作の停止にともない発電動作の停止に至る場合では、検出部４０を、例えば、燃焼部７における失火を検知するための火炎検知器としてもよい。
【００９３】
例えば、検出部４０が火炎検知器の場合、制御部２７は火炎検知器により検知された火炎の状態から発電動作の停止を判断する。そして、制御部２７は、失火に伴い発電動作が停止したと判断すると、酸化剤ガス供給器２５を制御して、所定時間、酸化剤ガスを供給させる。あるいは、制御部２７は、酸化剤ガス供給器２５を制御して、真空断熱部２２の温度が所定温度以下になったと判断するまで、酸化剤ガスを供給させる構成であってもよい。
【００９４】
また、改質ガスの供給停止にともない発電動作の停止に至る場合では、検出部４０を、例えば、発電原料供給器２６の稼働の有無を検知する検知センサ、または発電原料供給経路８内に設けられた流量計としてもよい。
【００９５】
例えば、検出部４０が発電原料供給器２６の稼働の有無を検知する検知センサまたは流量計の場合、制御部２７は、検知センサの検知結果または流量計の計測結果に基づき、発電原料供給器２６の稼働の有無を確認する。そして、制御部２７は、確認した発電原料供給器２６の稼働の有無に基づき、発電動作の停止の有無を判断する。そして、制御部２７は、発電動作が停止したと判断すると、酸化剤ガス供給器２５を制御して、所定時間、酸化剤ガスを供給させる。あるいは、制御部２７は、酸化剤ガス供給器２５を制御して、真空断熱部２２の温度が所定温度以下になったと判断するまで、酸化剤ガスを供給させる構成であってもよい。
【００９６】
また、制御部２７が、燃料電池スタック１の発電動作が停止したと判断し、酸化剤ガス供給器２５により第１予熱部１２に酸化剤ガスを供給させる際、酸化剤ガス供給器２５への電力供給が停止されている場合がある。この場合は、制御部２７は、燃料電池スタック１により発電された電力、または外部に備えられた補助電源（不図示）からの電力により、酸化剤ガス供給器２５を稼働させるように制御する。
【００９７】
なお、酸化剤ガス供給器２５への電力供給の停止の要因としては、高温動作型燃料電池システム１００において停電が発生した場合、あるいはなんらかの要因により酸化剤ガス供給器２５へ電力が供給できない状態が想定される。例えば、停電に伴い酸化剤ガス供給器２５へ電力が供給されない場合、高温動作型燃料電池システム１００の停電時発電継続機能（自家発電機能）を実施させて燃料電池スタック１の発電を継続させ、この発電により得られた電力を酸化剤ガス供給器２５へ供給させることができる。
【００９８】
また、検出部４０が、図１に示すように、真空断熱部２２に設けられた温度センサ（温度検知部）である場合、つまり検出部４０が発電動作の停止を示す情報を検出する機能と、真空断熱部２２の温度を検知する機能とを兼ねる場合、もしくは、検出部４０とは別に、温度センサ（温度検知部）を備える場合とがある。いずれの場合であっても、制御部２７は、温度センサ(温度検知部)により検知された温度に基づき、高温動作型燃料電池システム１００の停止シーケンスにおける真空断熱部２２の温度変化の履歴情報を記憶部（不図示）に記録させる構成であってもよい。この構成の場合、制御部２７は、記憶部に記録された履歴情報に基づき、真空断熱部２２の交換の要否を判断し、判断した結果を、報知機４１に報知させるように制御する構成であってもよい。
【００９９】
例えば、履歴情報から真空断熱部２２の温度が許容温度を越えた総時間が所定時間以上になった場合、または許容温度を越えた回数が所定回数以上になった場合、制御部２７は、真空断熱部２２の交換が必要であると判断することができる。
【０１００】
また、報知機４１は、例えば、真空断熱部２２の交換の要否の判断結果を表示させて報知させる場合は、表示装置であってもよい。また、真空断熱部２２の交換の要否の判断結果を音声により報知させる場合は、報知機４１はスピーカーであってもよい。また、真空断熱部２２の交換の要否の判断結果を印字により報知させる場合は、報知機４１は印刷装置であってもよい。また、報知機４１は、真空断熱部２２の交換の要否の判断結果を点灯の態様の変化により報知可能とするランプであってもよい。また、報知機４１は、高温動作型燃料電池システム１００を管理する管理施設等に真空断熱部２２の交換の要否の判断結果を通知する通信機であってもよい。通信機は無線用通信機であってもよいし有線用通信機であってもよい。
【０１０１】
この構成により、高温動作型燃料電池システム１００をメンテナンスする作業者等は、真空断熱部２２を適切なタイミングで取り替えることができるため、部品コストおよび作業コストの大幅な低減を図ることができる。
【０１０２】
報知機４１により真空断熱部２２の交換が必要である旨の情報が報知されると、真空断熱部２２の交換が行われる。なお、真空断熱部２２は、高温動作型燃料電池システム１００を構成する各部を分解することなく交換できるよう着脱可能に設けられていることが好適である。
【０１０３】
ここで、高温動作型燃料電池システム１００を構成する各部を分解することなく交換できるとは、該高温動作型燃料電池システム１００を構成する、例えば、配管または筐体部３等を分解したり、それらの配置位置を移動させたりすることなく、真空断熱部２２を交換できるということである。
【０１０４】
例えば、真空断熱部２２は、第１予熱部１２を覆うようにその外周側に巻き付けるようにして設けられていてもよい。または、高温動作型燃料電池システム１００において真空断熱部２２を収容する収容空間が形成されている場合、収容空間内にアクセスするための蓋等を取り外し、そのまま真空断熱部２２を取り出し交換可能とするように構成されていてもよい。
【０１０５】
この構成によると、燃料電池スタック１の発電の停止にともなう筐体部３内の温度上昇に起因して、あるいは真空断熱部２２の寿命により、該真空断熱部２２の性能が悪化したとき、短時間でかつ低コストで真空断熱部２２の取り替えを行うことができる。
【０１０６】
（高温動作型燃料電池システムにおける流体の流れ）
ここで、高温動作型燃料電池システム１００における流体（酸化剤ガス、カソードオフガス、改質ガス、およびアノードオフガス）の流れについて説明する。
【０１０７】
高温動作型燃料電池システム１００では、制御部２７からの制御信号に応じて、発電原料供給器２６が所定流量の発電原料と水とを発電原料供給経路８を通じて蒸発器４および改質器５に供給する。なお、ここでは説明の便宜上、発電原料供給器２６が所定流量の発電原料と水とを供給する構成となっているが、発電原料供給器２６とは別に水供給器を備え、発電原料供給経路８とは別の経路である改質水経路を通じて水が蒸発器４に供給される構成であってもよい。
【０１０８】
供給された水は、排ガス経路１９を流通する排ガスの有する熱により、蒸発器４で水蒸気となり、原料と混合された混合ガスの状態で改質器５に供給される。そして、供給された混合ガスを利用して改質器５で改質反応を進行させて改質ガス（アノードガス）を生成する。改質器５で生成された改質ガスは改質ガス経路９を介して燃料電池スタック容器２内に収容されている燃料電池スタック１に供給される。なお、改質器５における改質反応で必要となる熱、ならびに蒸発器４において水を気化させるための熱は、燃焼部７における燃焼熱および排ガス経路１９を流通する排ガスの有する熱により賄う構成となっている。
【０１０９】
つまり、実施の形態１に係る高温動作型燃料電池システム１００では、改質器５が蒸発器４の下部に配置され、蒸発器４および改質器５は燃焼部７の上方、または燃焼部７の外周でかつその上方に配置された構成となっている。そして、改質器５は燃焼部７の燃焼熱および排ガスの有する熱により加熱され、改質器５の上部に位置する蒸発器４は排ガスの有する熱により加熱される。排ガス経路１９は蒸発器４および改質器５と第２予熱部１４との間に設けられており、排ガス経路１９を流通する排ガスは、改質器５および蒸発器４を加熱することで保有する熱の一部を失い、さらに第２予熱部１４を流通する酸化剤ガスとの熱交換により熱が奪われ、外部へと排出される。
【０１１０】
また、高温動作型燃料電池システム１００では、制御部２７からの制御信号に応じて、酸化剤ガス供給器２５が所定流量の酸化剤ガス（空気）を、酸化剤ガス供給経路１１を通じて第１予熱部１２に供給する。第１予熱部１２に供給された酸化剤ガスは、該第１予熱部１２内の流通路を流通する際、筐体部３から、断熱部２１を通じて第１予熱部１２に伝達した熱により予熱される。換言すると第１予熱部１２を流通する酸化剤ガスによって筐体部３から外部に散逸する熱を回収することができる。第１予熱部１２を流通する酸化剤ガスと筐体部３から伝達された熱との熱交換により、酸化剤ガスの温度は外気温から１００℃程度まで上昇する。
【０１１１】
このように、第１予熱部１２を流通する酸化剤ガスにより筐体部３から外部に散逸する熱を回収することができるため、第１予熱部１２の内周側と接する断熱部２１の表面温度を２００℃〜４００℃程度に抑制することができる。また、第１予熱部１２の外周側と接する真空断熱部２２の表面温度を２００℃以下に抑制することができる。
【０１１２】
第１予熱部１２において予熱された酸化剤ガスは、酸化剤ガス筐体部供給経路１３を通じて第２予熱部１４に供給される。第２予熱部１４では、酸化剤ガスは、改質器５の改質反応および蒸発器４における水の気化によって熱の一部が利用された排ガスとの熱交換によりさらに予熱される。一方、第２予熱部１４における酸化剤ガスとの熱交換によりさらに保有する熱の一部を失った排ガスは、排ガス経路１９を通じて外部へと排出される。
【０１１３】
このように予熱された酸化剤ガスが第２予熱部１４に流入することにより、高温動作型燃料電池システム１００の筐体部３内を流通する排ガスからの熱回収が可能となる。
【０１１４】
一方、第２予熱部１４において予熱された酸化剤ガスは、第１酸化剤ガス経路１５を介して燃料電池スタック容器２内に流入して第３予熱部１６に送られる。第３予熱部１６では、第１予熱部１２および第２予熱部１４において予熱された酸化剤ガスと燃料電池スタック１から排出されたカソードオフガスとの間で熱交換される。そして、この第３予熱部１６における熱交換によって酸化剤ガスはさらに予熱される。さらに予熱された酸化剤ガスは、第２酸化剤ガス経路１７を通して燃料電池スタック１に送られる。このように、第２予熱部１４で予熱された酸化剤ガスが第３予熱部１６に流入することにより、カソードオフガスからの熱回収が可能となる。そして、燃料電池スタック１に対して所望の温度の酸化剤ガスを供給することができる。これにより安定した熱自立を実現することができるとともに高温動作型燃料電池システム１００の発電効率を大幅に向上させることが可能となる。
【０１１５】
燃料電池スタック１では、供給された改質ガスと酸化剤ガスとの電気化学的な反応により発電する。燃料電池スタック１からは、発電に未利用の酸化剤ガスを含むカソードオフガスおよび発電に未利用の改質ガスを含むアノードオフガスが排出される。カソードオフガスは燃料電池スタック１から燃料電池スタック容器２内に排出され、上記したように第３予熱部１６を流通する酸化剤ガスと熱交換をし、その後、燃焼部７に導かれる。
【０１１６】
一方、燃料電池スタック１から排出されたアノードオフガスは、アノードオフガス経路１０を通じて噴出部６に供給され、噴出部６から燃焼部７に噴出される。そして、燃焼部７において着火器(不図示)よってアノードオフガスに着火し、カソードオフガスとともに燃焼させられる。
【０１１７】
（発電時における排ガスの流量および温度の調整）
実施の形態１に係る高温動作型燃料電池システム１００では、蒸発器４、改質器５、および第２予熱部１４が燃焼部７の上方に設置されている。このため、高温の排ガスによって、蒸発器４、改質器５、および第２予熱部１４を流通する酸化剤ガスをそれぞれの機能に適した温度まで加熱することができる構成である。
【０１１８】
燃焼部７で生成される排ガスの流量および温度については、制御部２７が、燃料電池スタック１における燃料利用率に基づき、発電原料供給器２６および酸化剤ガス供給器２５等を制御することにより調整することができる。なお、燃料利用率とは、発電反応により、燃料電池スタック１で消費される燃料（改質ガス）の割合である。つまり、制御部２７の制御信号に応じて、酸化剤ガスの供給量を酸化剤ガス供給器２５が調整するとともに、発電原料と水との供給量を発電原料供給器２６が調整することで燃焼部７における燃焼で得られる排ガスの流量および温度を調整することができる。なお、実施の形態１に係る高温動作型燃料電池システム１００の発電時では、例えば、燃焼部７における燃焼による熱ならびに輻射熱によって燃料電池スタック１が約６００〜９００℃の温度範囲となるように燃料利用率は設定されている。
【０１１９】
また、燃焼部７において生成された排ガスの有する熱により、蒸発器４および改質器５を加熱する。これにより排ガスの有する熱の一部が消費される。熱の一部が消費された排ガスは、第２予熱部１４を流れる酸化剤ガスとの熱交換によって、熱がさらに奪われ、外部に放出するのに適切な温度まで低下させられる。つまり、燃焼部７において生成された排ガスの温度は、例えば約６００℃〜９００℃と高温であるが、蒸発器４および改質器５の加熱、さらには、第２予熱部１４を流通する酸化剤ガスの加熱に排ガスの有する熱が利用されると、排ガス経路１９の排出口に至るまでに排ガスの温度は十分に低下したものとなる。
【０１２０】
特に、燃料電池スタック１において、例えば、１ｋＷの発電を行う場合、５０Ｌ／ｍｉｎ以上の酸化剤ガスを外部から供給する必要がある。また、酸化剤ガスが燃料電池スタック１に供給されるまでに、第１予熱部１２、第２予熱部１４、および第３予熱部１６を通じて酸化剤ガスの温度を外気温から約４００〜８００℃程度まで昇温させる必要がある。このように、酸化剤ガスを適温まで予熱するためには、大量の熱量が必要となる。このため、排ガス経路１９を流通する排ガスの温度は、第２予熱部１４における酸化剤ガスとの熱交換により、排ガス経路１９の排出口に至るまでに十分に低下したものとなる。
【０１２１】
以上のように、排ガスの温度は、蒸発器４および改質器５において吸熱される熱量、ならびに第２予熱部１４において吸熱される熱量などを考慮して、排ガス経路１９の排出口から所望の温度で排出されるように制御されている。なお、高温動作型燃料電池システム１００から排出された排ガスと水との間で熱交換を行って、湯を生成して貯湯タンクに貯めるように構成されていてもよい。このように構成されている場合、高温動作型燃料電池システム１００で生じる熱をさらに有効利用することができる。排ガスと水との熱交換により湯を生成する構成の場合、排ガス経路１９を通じて外部に排出される排ガス温度は１５０℃〜２００℃の範囲となることが望ましい。
【０１２２】
また、高温動作型燃料電池システム１００では、酸化剤ガスの供給量を変化させることで、第１予熱部１２、第２予熱部１４、第３予熱部１６における熱回収性能を可変とすることができる。また、それぞれの予熱部における熱回収能力を可変とすることで、結果的には高温動作型燃料電池システム１００の断熱性能も可変とすることができる。
【０１２３】
このため、高温動作型燃料電池システム１００では、運転状況に応じて第１予熱部１２〜第３予熱部１６それぞれにおける熱回収性能を調整し、最適な運転状況を維持することができる。例えば、高温動作型燃料電池システム１００の発電効率を上げたいときは、第１予熱部１２、第２予熱部１４、第３予熱部１６による熱回収能力を向上させるために、酸化剤ガスの供給量を大きくする。また例えば、改質器５、蒸発器４、燃料電池スタック１などが過昇温の場合は、高温動作型燃料電池システム１００の内部から外部への放熱量を上げるために、酸化剤ガスの供給量を減らして各予熱部における熱回収能力を低下させる。
【０１２４】
（第１予熱部を備える構成の効果）
次に、断熱部２１と真空断熱部２２との間に第１予熱部１２を設ける場合と、設けない場合とを比較して、第１予熱部１２を備えることの効果を説明する。
【０１２５】
ここで、真空断熱部２２を、断熱性能の高い、いわゆるＶＩＰから構成し、第１予熱部１２を間に挟まず直接、グラスウールなど汎用的な断熱材または特殊耐熱断熱材から構成される断熱部２１を覆う構成が考えられる。この構成の場合、真空断熱部２２の熱伝導率が小さすぎるため、真空断熱部２２の内周側の温度が上昇しすぎ、真空断熱部２２の許容温度を超える場合がある。そこで、真空断熱部２２の内周側の温度を真空断熱部２２の許容温度域以内にするためには、断熱部２１の厚みを大きくして断熱部２１の断熱性能を向上させる必要がある。この場合、断熱部２１の厚みが、高温動作型燃料電池システム１００のサイズおよびコストともに設計仕様を大幅に超えた値となってしまう場合がある。一般的には、熱伝導率が２０倍違うと、同じ温度分布にするためには、２０倍の厚さの断熱材が必要となる。
【０１２６】
次に、図２および図３を参照して高温動作型燃料電池システム１００において、断熱部２１の厚さを同じとし、第１予熱部１２を備えている場合と備えていない場合とにおける温度分布の相違を説明する。図２は、図１に示す高温動作型燃料電池システム１００が第１予熱部１２を備えない構成の場合における温度分布の一例を示す図である。また、図３は、図１に示す高温動作型燃料電池システム１００が第１予熱部１２を備える構成の場合における温度分布の一例を示す図である。図２、３に示す温度分布は、熱流体解析（ＣＦＤ）を利用して求めた。この際、真空断熱部２２の熱伝導率は０．００１２Ｗ／ｍｋとしている。
【０１２７】
図２、３に示すように真空断熱部２２の内周側の温度は、第１予熱部１２を備えない場合は４５０℃を超える温度となってしまう。一方、第１予熱部１２を備える場合は、真空断熱部２２の内周側の温度は、１６０℃以下まで低下した。以上の結果から、高温動作型燃料電池システム１００が第１予熱部１２を備える構成の場合、真空断熱部２２の許容温度範囲とすることができる。また、第１予熱部１２を備えることにより、発電量が７００Ｗ程度となる高温動作型燃料電池システム１００において約７０Ｗ程度の放熱量を低減させることができる。
【０１２８】
（高温動作型燃料電池システムの外観形状について）
高温動作型燃料電池システム１００では、筐体部３内において第２予熱部１４により燃焼部７の上方の内部を、第３予熱部１６により燃焼部７の下方の内部を覆う構成であった。そして、第２予熱部１４と第３予熱部１６とはそれぞれ別体として設けられた構成であった。しかしながらこの構成に限定されるものではなく、第２予熱部１４と第３予熱部１６とを一体に形成してもよい。なお、第２予熱部１４と第３予熱部１６とを一体に形成する場合、第３予熱部１６は、燃料電池スタック容器２の側部における内壁ではなく外壁側に設けられる構成となる。
【０１２９】
また、第１予熱部１２によって十分に酸化剤ガスを所望温度まで予熱できる場合は、第２予熱部１４および第３予熱部１６のいずれか一方だけを備える構成としてもよいし、いずれも備えない構成としてもよい。
【０１３０】
また、高温動作型燃料電池システム１００の筐体部３は、全体として垂直方向に延伸した円柱形状であってもよいし直方体形状であってもよい。あるいは、燃焼部７の上方部分と下方部分とにおいて断面寸法を異ならせてもよいし、上方部分を円柱形状とし下方部分を直方体形状としてもよい。また、上方部分を直方体形状とし下方部分を円柱形状としてもよい。また、高温動作型燃料電池システム１００の筐体部３の形状を円柱形状としたときの上面および底面の形状は円であってもよいし楕円またはトラック形状であってもよい。
【０１３１】
高温動作型燃料電池システム１００の筐体部３の形状を円柱形状とした場合、直方体形状とした場合と比較して、最外周における表面積を低減させるとこができるため、小型化を図ることができるとともに外部への放熱量を低減させることができるため有利である。また、円柱形状とした場合、その側面は、板材を曲げて一辺で溶接するだけで構成できるため、溶接箇所を低減させることができ低コスト化を図ることもできる。
【０１３２】
（変形例）
さらに、高温動作型燃料電池システム１００では、第１予熱部１２、断熱部２１、および真空断熱部２２は、高温動作型燃料電池システム１００の筐体部３の側面に配置された構成であった。しかしながらこれに限定されるものではなく、図４に示すように、筐体部３の側面だけではなく底面および上面もさらに覆う構成としても良いし、側面と底面または上面のいずれか一方だけを覆う構成としてもよい。図４は、実施の形態１の変形例１に係る高温動作型燃料電池システム１００の要部構成の一例を示す模式図である。図４では、実施の形態１の変形例１に係る高温動作型燃料電池システム１００を側面側から見たときの要部構成を示しており、紙面における下方を底面、上方を上面とした円柱形状または直方体形状とすることができる。なお、実施の形態１の変形例１に係る高温動作型燃料電池システム１００は、その筐体部３の側面に加えて上面および底面もさらに、第１予熱部１２、断熱部２１、および真空断熱部２２によって囲っている点を除けば、実施の形態１に係る高温動作型燃料電池システム１００と同様の構成であるため、同じ部材には同じ符号を付し、構成の説明については省略する。
【０１３３】
また、図５に示すように、第１予熱部１２による熱回収能力を高めるために、実施の形態１に係る高温動作型燃料電池システム１００の構成において、第１予熱部１２における酸化剤ガスの流通経路中に複数の分散板３０を設けた構成としてもよい。図５は、実施の形態１の変形例２に係る高温動作型燃料電池システム１００の要部構成の一例を示す模式図である。図５では、実施の形態１の変形例２に係る高温動作型燃料電池システム１００を側面側から見たときの要部構成を示しており、紙面における下方を底面、上方を上面とした円柱形状または直方体形状とすることができる。
【０１３４】
なお、実施の形態１の変形例２に係る高温動作型燃料電池システム１００は、第１予熱部１２において複数の分散板３０をさらに設けた点を除けば実施の形態１に係る高温動作型燃料電池システム１００と同様の構成である。このため、同じ部材には同じ符号を付し、その説明については省略する。
【０１３５】
分散板３０は、第１予熱部１２内を流通する酸化剤ガスに乱流を生じさせるための板部材である。分散板３０の個数およびその形状は、第１予熱部１２内を流通する酸化剤ガスにおいて適切な乱流を生じさせるために必要な個数および形状であれば特に限定されない。第１予熱部１２の流通経路中に分散板３０を設けることで第１予熱部１２を流通する酸化剤ガスにおける熱伝導率を向上させ、熱回収能力を高めることができる。
【０１３６】
［実施の形態２］
図６を参照して実施の形態２に係る高温動作型燃料電池システム２００について説明する。図６は、本発明の実施の形態２に係る高温動作型燃料電池システム２００の要部構成の一例を示す模式図である。図６では、高温動作型燃料電池システム２００を側面側から見たときの要部構成を示しており、紙面における下方を底面、上方を上面とした円柱形状または直方体形状とすることができる。
【０１３７】
実施の形態２に係る高温動作型燃料電池システム２００は、以下の点で実施の形態１に係る高温動作型燃料電池システム１００と構成が異なる。それ以外の点については同様であるため、同様の部材には同じ符号を付しその説明は省略する。
【０１３８】
すなわち、実施の形態１に係る高温動作型燃料電池システム１００の筐体部３内では、燃料電池スタック１が燃料電池スタック容器２内に収容されており、燃料電池スタック容器２を形成する側壁の内周に第３予熱部１６が設けられていた。そして、燃料電池スタック容器２の外部に蒸発器４、改質器５、および第２予熱部１４が設けられた構成であった。そして、筐体部３の側部の外周を断熱部２１、第１予熱部１２、および真空断熱部２２によって覆う構成であった。
【０１３９】
これに対して、実施の形態２に係る高温動作型燃料電池システム２００は、燃料電池スタック容器２および第３予熱部１６を備えていない点で異なる。つまり、実施の形態２に係る高温動作型燃料電池システム２００の筐体部３内は、燃料電池スタック１が、蒸発器４、改質器５、燃焼部７、および第２予熱部１４等と同じ空間に配置された比較的単純な構成となっている。そして、筐体部３の外周は、断熱部２１、第１予熱部１２、および真空断熱部２２の順に、これら各部によって覆われる構成である。なお、実施の形態１と同様に、断熱部２１を、筐体部３の外周側に配置する代わりに、内周側に配置する構成であってもよい。あるいは、筐体部３を挟み込むように、断熱部２１が筐体部３の内周側と外周側とのそれぞれに配置された構成であってもよい。
【０１４０】
実施の形態２に係る高温動作型燃料電池システム２００では、筐体部３内から外部に放熱される熱量を抑制するために、筐体部３の外周に設けられた第１予熱部１２を流通する酸化剤ガスにより、筐体部３から伝達した熱を回収するとともに、酸化剤ガスを予熱する構成となっている。
【０１４１】
第１予熱部１２で予熱された酸化剤ガスは、酸化剤ガス筐体部供給経路１３を通じて第２予熱部１４に供給される。第２予熱部１４では、酸化剤ガス筐体部供給経路１３を通じて供給された酸化剤ガスと、燃焼部７で生じた排ガスとの間での熱交換により、酸化剤ガスがさらに予熱されて約４００〜８００℃近傍まで昇温させられる。さらに予熱された酸化剤ガスは燃料電池スタック１に供給され、発電に利用される。
【０１４２】
このように、第１予熱部１２および第２予熱部１４を通じて、燃料電池スタック１に供給される酸化剤ガスの温度を適切な温度まで上昇させることができるため、作動中における燃料電池スタック１の温度の安定性を増すことができる。さらには、第１予熱部１２および第２予熱部１４における酸化剤ガスとの熱交換により、筐体部３内の熱を有効に回収できるため、発電効率を向上させることができる。
【０１４３】
以上のように、実施の形態２に係る高温動作型燃料電池システム２００は、筐体部３内において、蒸発器４、改質器５、燃焼部７、第２予熱部１４、および燃料電池スタック１等を同一の収容空間内に収容する構成とすることができる。また、このような構成において、筐体部３の外周に断熱部２１、第１予熱部１２、および真空断熱部２２を設けることで、高温動作型燃料電池システム２００の小型化、発電効率の向上、ならびに信頼性の向上を実現することができる。
【０１４４】
なお、実施の形態２に係る高温動作型燃料電池システム２００では、筐体部３の外周全体を断熱部２１、第１予熱部１２、および真空断熱部２２により覆う構成であったがこれに限定されない。例えば、断熱部２１、第１予熱部１２および真空断熱部２２は、筐体部３の側面の外周のみを覆う構成であってもよいし、底面の外周のみを覆う構成であってもよい。あるいは側面および底面の外周を覆う構成であってもよい。
【０１４５】
［実施の形態３］
図７、８を参照して実施の形態３に係る高温動作型燃料電池システム３００について説明する。図７は、本発明の実施の形態３に係る高温動作型燃料電池システム３００の外観形状の一例を示す斜視図である。図８は、図７に示す高温動作型燃料電池システム３００の要部構成の一例を示す模式図である。
【０１４６】
実施の形態３に係る高温動作型燃料電池システム３００は、実施の形態１に係る高温動作型燃料電池システム１００と比較して、以下の点でのみ異なる構成である。このため、同様な部材には同じ符号を付し、説明は省略する。なお、図８では、説明の便宜上、燃料電池スタック容器２、第３予熱部１６、制御部２７、および検出部４０については図示していない。
【０１４７】
すなわち、実施の形態３に係る高温動作型燃料電池システム３００は、実施の形態１に係る高温動作型燃料電池システム１００の構成において、第１予熱部１２および第１予熱部１２を覆う真空断熱部２２の構成が異なる。第１予熱部１２は、燃料電池スタック１の燃料電池スタック容器２の側部に設けられた第３予熱部１６、燃焼部７、改質器５、および蒸発器４それぞれの外周の少なくとも一部を覆う複数の部分予熱部１２ａと、分離して配置されたこれら部分予熱部１２ａの間を酸化剤ガスが流通するように連結する連結部３１とから構成されている。連結部３１は、部分予熱部１２ａ同士を結合させるとともに、酸化剤ガスが流通可能となった管である。
【０１４８】
図８に示すように、実施の形態３に係る高温動作型燃料電池システム３００では、複数の部分予熱部１２ａは、断熱部２１の外周面の少なくとも一部を覆うように配置されている。そして、複数の部分予熱部１２ａそれぞれが連結部３１によって結合されているため、酸化剤ガスを複数の部分予熱部１２ａそれぞれに流通させることができる。また、複数の部分予熱部１２ａの外周面の少なくとも一部をそれぞれ覆うように複数の真空断熱部２２が設けられている。
【０１４９】
このように、実施の形態３に係る高温動作型燃料電池システム３００は、異なるサイズおよび形状をした複数の部分予熱部１２ａからなる第１予熱部１２、および異なるサイズおよび形状をした複数の真空断熱部２２を備えた構成である。このため、複数の部分予熱部１２ａおよび真空断熱部２２を適切な形状により適切に配置することで、断熱性能の大小、および熱回収能力の大小を自在に調整することができる。このため、高温動作型燃料電池システム３００は、最適なコスト、サイズおよび性能となるようにバランスを取ることが可能となる。
【０１５０】
なお、図８に示すように、真空断熱部２２の一部に空間を形成し、酸化剤ガス供給経路１１などの配管を通すように構成することは設計上の問題はない。
【０１５１】
上記説明から、当業者にとって、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造および／または機能の詳細を実質的に変更できる。
【産業上の利用可能性】
【０１５２】
本発明は、高温の排熱を利用することができるＳＯＦＣ、ＭＣＦＣ等の高温動作型燃料電池を備えた燃料電池システムに広く利用することができる。
【符号の説明】
【０１５３】
１    燃料電池スタック
２    燃料電池スタック容器
３    筐体部
４    蒸発器
５    改質器
６    噴出部
７    燃焼部
８    発電原料供給経路
９    改質ガス経路
１０    アノードオフガス経路
１１    酸化剤ガス供給経路
１２    第１予熱部
１２ａ  部分予熱部
１３    酸化剤ガス筐体部供給経路
１４    第２予熱部
１５    第１酸化剤ガス経路
１６    第３予熱部
１７    第２酸化剤ガス経路
１９    排ガス経路
２１    断熱部
２２    真空断熱部
２５    酸化剤ガス供給器
２６    発電原料供給器
２７    制御部
３０    分散板
３１    連結部
４０    検出部
４１    報知機
１００    高温動作型燃料電池システム
２００    高温動作型燃料電池システム
３００    高温動作型燃料電池システム
【図１】
2018181835.tif 000003
【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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