(57)【要約】    【課題】  酸化剤供給部材７から燃料電池スタック１（１Ａ、１Ｂ）へ供給する酸化剤の高温化を図る。    【解決手段】  伝熱部材２１は、板状の受熱部２１ａと、支持部２１ｂとを有する。受熱部２１ａは、燃料電池スタック１（１Ａ、１Ｂ）と燃料改質器５（５Ａ、５Ｂ）との間に、オフガス燃焼部３（３Ａ、３Ｂ）の一部を覆うように配置される。支持部２１ｂは、受熱部２１ａを支持し、酸化剤供給部材７へ熱を伝達する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤とを反応させて発電する複数の燃料電池セルの集合体である燃料電池スタックと、
この燃料電池スタックの上端部から排出されるオフガスを燃焼させるオフガス燃焼部と、
このオフガス燃焼部の上方に配置され、原燃料を改質して、前記燃料電池スタックに供給する燃料ガスを生成する燃料改質器と、
前記燃料電池スタック、オフガス燃焼部及び燃料改質器を取り囲む筐体と、
前記筐体の上面に取付けられて、下方へ延び、前記燃料電池スタックに酸化剤を供給する、扁平容器形状の酸化剤供給部材と、
を含んで構成される、燃料電池装置であって、
前記燃料電池スタックと前記燃料改質器との間に前記オフガス燃焼部の一部を覆うように配置される板状の受熱部と、この受熱部を支持し前記酸化剤供給部材へ熱を伝達する支持部とを有する、伝熱部材を設けたことを特徴とする、燃料電池装置。
【請求項２】
前記支持部は、前記酸化剤供給部材に取付けられて支持されることを特徴とする、請求項１記載の燃料電池装置。
【請求項３】
前記支持部は、前記筐体に取付けられて支持され、前記筐体を介して前記酸化剤供給部材に伝熱することを特徴とする、請求項１記載の燃料電池装置。
【請求項４】
前記受熱部の先端に、オフガス燃焼部に向かって折り曲げられた曲げ部を有することを特徴とする、請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の燃料電池装置。
【請求項５】
前記伝熱部材は、前記燃料電池スタックの長手方向に、略全長に亘って連続的に設けられることを特徴とする、請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の燃料電池装置。
【請求項６】
前記伝熱部材は、前記燃料電池スタックの長手方向に、断続的に設けられることを特徴とする、請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の燃料電池装置。
【請求項７】
前記伝熱部材は、前記燃料電池スタックの長手方向の一部に設けられることを特徴とする、請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の燃料電池装置。
【請求項８】
前記燃料電池スタックは、複数のセルグループに分割されており、前記酸化剤供給部材は、セルグループ間に配置されることを特徴とする、請求項１〜請求項７のいずれか１つに記載の燃料電池装置。
【請求項９】
前記酸化剤供給部材は、前記燃料電池スタックを挟むように、複数配置されることを特徴とする、請求項１〜請求項７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、燃料電池装置に関し、特に固体酸化物形の燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池装置は、燃料電池システムの中核をなすもので、燃料ガスと酸化剤（一般に空気）とを反応させて発電を行う複数の燃料電池セルの集合体である燃料電池スタックと、この燃料電池スタックの上端部から排出されるオフガスを燃焼させるオフガス燃焼部と、このオフガス燃焼部の上方に配置され、原燃料を改質して、燃料電池スタックに供給する燃料ガスを生成する燃料改質器と、燃料電池スタック、オフガス燃焼部及び燃料改質器を取り囲む筐体と、を含んで構成される。
【０００３】
一方、燃料電池スタックに酸化剤を供給するための酸化剤供給部材は、筐体の上面に取付けられて、下方へ延びる扁平容器からなり、扁平容器の上端部側に酸化剤導入口を有し、下端部側に酸化剤噴出口を有している。
【０００４】
また、特許文献１には、オフガスの燃焼熱を燃料電池スタックの下方へ効率良く伝導して、燃料電池スタックの温度分布を抑制することを目的として、燃料電池スタックと燃料改質器との間にオフガス燃焼部の全域を覆うように配置される、保炎用の孔を有する板状の保炎部材と、この保炎部材に連なって、燃料電池スタックの側部、及び、燃料電池スタック下端部側のマニホールドと接触する高熱伝導部材と、を設けることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−１２９２８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上記のような燃料電池スタックでは、燃料電池スタックの上端側でオフガスを燃焼させる構成に加え、酸化剤供給部材によって燃料電池スタックの下端部側に酸化剤を供給する構成のため、燃料電池スタックの上端部側の温度が高く、下端部側の温度が低いという上下方向の温度差を生じる。
【０００７】
特許文献１に記載の技術では、オフガスの燃焼熱を燃料電池スタックの下端部側へ伝達することで、オフガス燃焼部の位置に起因する燃料電池スタックの上下方向の温度差については、ある程度抑制できる。しかし、酸化剤供給部材から比較的低温の酸化剤が供給されることによる燃料電池スタックの上下方向の温度差については抑制できない。
【０００８】
そこで、本発明は、酸化剤供給部材から低温の酸化剤が供給されることによる燃料電池スタックの上下方向の温度差を抑制できる構造を有する燃料電池装置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】
【０００９】
上記の課題を解決するために、本発明は、燃料電池スタックと燃料改質器との間にオフガス燃焼部の一部を覆うように配置される板状の受熱部と、この受熱部に支持し前記酸化剤供給部材へ熱を伝達する支持部とを有する、伝熱部材を設ける構成とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、オフガスの燃焼熱を板状の受熱部により受熱し、この熱を支持部を介して酸化剤供給部材へ伝え、酸化剤供給部材内を流れる酸化剤を加熱することができる。従って、燃料電池スタックの下端部側へ供給される酸化剤を高温化することができ、燃料電池スタックの上下方向の温度差を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１実施形態を示す燃料電池装置の概略正面図
【図２】第１実施形態の燃料電池装置の概略平面図
【図３】第１実施形態の燃料電池装置の概略側面図
【図４】第１実施形態の変形例１を示す燃料電池装置の概略側面図
【図５】第１実施形態の変形例２を示す燃料電池装置の概略側面図
【図６】本発明の第２実施形態を示す燃料電池装置の概略正面図
【図７】本発明の第３実施形態を示す燃料電池装置の概略正面図
【図８】本発明の第４実施形態を示す燃料電池装置の概略正面図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
図１は本発明の第１実施形態を示す燃料電池装置の概略正面図、図２は同上の燃料電池装置の概略平面図、図３は同上の燃料電池装置の概略側面図である。
【００１３】
本実施形態の燃料電池装置は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）方式であり、筐体（１１、１２、１３）内に、複数の燃料電池セルの集合体である燃料電池スタック１、オフガス燃焼部３、燃料改質器５、及び、酸化剤供給部材７を備える。
【００１４】
筐体としては、最内側の燃焼室区画部材１１と中間の排気流路区画部材１２と最外側の酸化剤流路区画部材１３とが設けられる。
燃焼室区画部材１１は、正面視で、左右一対の側板１１ａ、１１ｂと底板１１ｃとを有し、上部開放の溝形（チャンネル形）に形成されている。この燃焼室区画部材１１には断熱材１８が内張され、その中に燃料電池スタック１、オフガス燃焼部３、燃料改質器５、及び、酸化剤供給部材７が配置される。
排気流路区画部材１２は、正面視で、左右一対の側板１２ａ、１２ｂと底板１２ｃと天板１２ｄとを有し、箱状に形成されている。
酸化剤流路区画部材１３は、正面視で、左右一対の側板１３ａ、１３ｂと底板１３ｃと天板１３ｄとを有し、箱状に形成されている。
【００１５】
燃料電池スタック１は、複数の固体酸化物形燃料電池セルを集合し電気的に直列（及び並列）に接続してなる集合体であり、燃焼室区画部材１１内の底部に配置される台座２上に立設されている。
各燃料電池セルは、扁平な断面を有して上下方向に延びるセル支持体の表面に、アノード（燃料極）、固体酸化物からなる電解質、カソード（酸化剤極）を積層してなる。セル支持体は、その延在方向に沿って内部に複数の燃料通路が形成されると共に、多孔質である。よって、アノードにはセル支持体内部から燃料ガスが供給される。カソードには外部から酸化剤（一般に空気）が供給される。
【００１６】
電解質は、高温下で酸化物イオンを伝導する。アノードは、酸化物イオンと燃料中の水素とを反応させて、電子及び水を発生させる。カソードは、酸化剤中の酸素と電子とを反応させて、酸化物イオンを発生させる。
従って、各燃料電池セルのカソードにて、下記（１）式の電極反応が生起され、アノードにて、下記（２）式の電極反応が生起されて、発電がなされる。
カソード：  １／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｏ２−（電解質）    ・・・（１）
アノード：  Ｏ２−（電解質）＋Ｈ２→Ｈ２Ｏ＋２ｅ−   ・・・（２）
【００１７】
燃料電池装置には上記のような燃料電池セルが多数備えられ、これらは電気的に直列（及び並列）に接続されて、燃料電池セルの集合体である燃料電池スタック１を構成している。本実施形態では、燃料電池スタック１を構成する多数の燃料電池セルは、２つのグループ、すなわち第１セルグループ１Ａと第２セルグループ１Ｂとに分けられている。
【００１８】
ここで、燃料電池スタック１への燃料ガスの供給は、台座２側（燃料電池スタック１の下端部側）からなされ、台座２はマニホールドとしての機能（燃料分配機能）を有している。燃料ガスとしては、燃料改質器５から改質ガスが供給される。
燃料電池スタック１への酸化剤（一般に空気）の供給は、後に詳述する酸化剤供給部材７を介してなされる。本実施形態では、酸化剤供給部材７は、燃料電池スタック１内、すなわち第１及び第２セルグループ１Ａ、１Ｂ間に臨んでいる。言い換えれば、燃料電池スタック１は、酸化剤供給部材７によって、第１セルグループ１Ａと第２セルグループ１Ｂとに分割されている。
【００１９】
オフガス燃焼部３は、燃料電池スタック１での余剰の燃料ガス（発電未反応ガスとして排出されるオフガス）を余剰の酸化剤の存在下で燃焼させ、燃料電池スタック１及び燃料改質器５を高温状態に維持する。ここで、燃料電池スタック１の上端部が燃料電池スタック１からのオフガスの排出部となり、このオフガスは着火デバイス（図示せず）により着火されて燃焼する。従って、燃料電池スタック１の上端部側がオフガス燃焼部３となる。但し、本実施形態では、燃料電池スタック１は２つのセルグループ１Ａ、１Ｂに分かれているので、オフガス燃焼部３も各セルグループ１Ａ、１Ｂの上端部の第１オフガス燃焼部３Ａと第２オフガス燃焼部３Ｂとに分かれている。
【００２０】
オフガス燃焼部３での燃焼熱により燃料電池スタック１は発電可能な高温状態に維持される。燃焼によって生成された高温の排気ガスは燃焼室区画部材１１上部の開放部から燃焼室区画部材１１の側板１１ａ、１１ｂと排気流路区画部材１２の側板１２ａ、１２ｂとの間に形成される排気流路１４を経て排気出口１５より筐体外に排出される。その廃熱は適宜熱利用される。
【００２１】
燃料改質器５は、改質触媒を用いた改質反応により、原燃料（水素含有燃料）を改質して、水素リッチな燃料ガス（改質ガス）を生成する。このため、燃料改質器５には筐体外の燃料ポンプ（図示せず）により原燃料が供給される。
【００２２】
原燃料（水素含有燃料）としては、一般に炭化水素系燃料が用いられる。ここでいう炭化水素系燃料とは、分子中に炭素と水素とを含む化合物（酸素等、他の元素を含んでいてもよい）若しくはそれらの混合物をいい、例えば、炭化水素類、アルコール類、エーテル類、バイオ燃料が挙げられる。具体的には、炭化水素類として、メタン、エタン、プロパン、ブタン、天然ガス、ＬＰＧ（液化石油ガス）、都市ガス、ガソリン、ナフサ、灯油、軽油が挙げられる。アルコール類として、メタノール、エタノールが挙げられる。エーテル類として、ジメチルエーテルが挙げられる。バイオ燃料として、バイオガス、バイオエタノール、バイオディーゼル、バイオジェットが挙げられる。
【００２３】
燃料改質器５での改質方式は、特に限定されず、例えば、水蒸気改質（ＳＲ）、部分酸化改質（ＰＯＸ）、自己熱改質（ＡＴＲ）、その他の改質方式を採用できる。水蒸気改質を用いる場合は、燃料改質器５内の入口側（又はこれとは別）に水気化部を設け、筐体外から供給される水を気化して、水蒸気を生成する。
【００２４】
燃料改質器５は、また、オフガス燃焼部３での燃焼熱によって加熱されるように、燃焼室区画部材１１内で燃料電池スタック１の上方に配置される。
また、本実施形態の燃料改質器５は、酸化剤供給部材７のレイアウトのため、間隔をあけて平行に配置される２つの筒形燃料改質器５Ａ、５Ｂにより構成される。この場合、２つの筒形燃料改質器５Ａ、５Ｂは燃料が並列に流れるように接続してもよいし、折り返して直列に流れるように接続してもよい。
燃料改質器５の出口側からは、生成された改質ガスの供給管６が導出され、燃料電池スタック１の台座（燃料分配部）２に接続されている。
【００２５】
酸化剤供給部材７は、燃料電池スタック１に酸化剤を供給するため、燃料電池スタック１を構成する第１及び第２セルグループ１Ａ、１Ｂ間に、これらの側面部に沿って配置される扁平容器を主体として構成される。この扁平容器は、上面が開口し、両側面が扁平面をなして各セルグループ１Ａ、１Ｂの側面部に相対する矩形の容器である。
【００２６】
酸化剤供給部材７は、排気流路区画部材１２の天板１２ｄに予め形成されたスリットより燃焼室区画部材１１内に挿入され、上端部側の開口部は酸化剤導入口８として酸化剤流路区画部材１３内（排気流路区画部材１２と酸化剤流路区画部材１３との間）に開口している。
排気流路区画部材１２と酸化剤流路区画部材１３との間には、筐体外の酸化剤ポンプ（図示せず）により、酸化剤流路区画部材１３の底板１３ｃに設けた酸化剤入口１６を介して、酸化剤が供給される。酸化剤は、排気流路区画部材１２の側板１２ａ、１２ｂと酸化剤流路区画部材１３の側板１３ａ、１３ｂとの間に形成される酸化剤流路１７を下から上へ流れて、酸化剤供給部材７内に流入する。
【００２７】
酸化剤供給部材７の下端部側には、酸化剤供給部材７を構成する扁平容器の底部近傍の両側面に、複数の酸化剤噴出口９が形成され、両側面の酸化剤噴出口９より各セルグループ１Ａ、１Ｂに酸化剤を供給するように構成されている。
従って、酸化剤供給部材７は、扁平容器の上端部側に酸化剤導入口８を有し、下端部側に酸化剤噴出口９を有する。酸化剤は、酸化剤供給部材７の酸化剤導入口８より流入して、扁平容器内を上から下へ流れ、酸化剤噴出口９から噴出して、各セルグループ１Ａ、１Ｂのカソードに供給される。
【００２８】
次にオフガス燃焼部３からの伝熱構造について説明する。
燃料電池スタック１を構成する各セルグループ１Ａ、１Ｂの上端部に設けられる各オフガス燃焼部３Ａ、３Ｂの上方には、燃料改質器５を構成する各筒形燃料改質器５Ａ、５Ｂが設けられる。
【００２９】
ここにおいて、燃料電池スタック１（１Ａ、１Ｂ）と燃料改質器５（５Ａ、５Ｂ）との間に、これらから離間して、オフガス燃焼部３の一部を覆うように、水平に配置される板状の受熱部２１ａが設けられる。また、受熱部２１ａに連なって、これを支持する支持部２１ｂが設けられる。
伝熱部材２１は、受熱部２１ａと、支持部２１ｂとを含んで構成される。支持部２１ｂは、受熱部２１ａから折れ曲がって上下方向に延び、酸化剤供給部材７の筐体に取付けられる。
【００３０】
従って、オフガス燃焼部３でのオフガスの燃焼熱を板状の受熱部２１ａにより受熱し、この熱を支持部２１ｂを介して酸化剤供給部材７へ伝え、酸化剤供給部材７内を流れる酸化剤を加熱することができる。従って、燃料電池スタック１の下端部側へ供給される酸化剤を高温化することができ、燃料電池スタック１の上下方向の温度差を抑制することができる。
特に本実施形態によれば、伝熱部材２１の支持部２１ｂが酸化剤供給部材７に取付けられて支持されるので、酸化剤供給部材７への伝熱を確実なものとすることができるという効果が得られる。
【００３１】
また、受熱部２１ａはオフガスの燃焼熱を受けて赤熱することで、火炎保持の熱源となることが可能である。すなわち、燃料電池装置では、負荷変動時に、燃料利用率に応じたオフガスのガス組成、ガス量の変化に起因して、オフガス燃焼部３での火炎が不安定となり、吹き飛び等を生じて、失火状態となることがあるが、このような場合にも、受熱部２１ａが火炎保持の熱源となり得るので、火炎の安定化を図ることができる。
【００３２】
尚、伝熱部材２１の受熱部２１ａは、オフガス燃焼部３（３Ａ、３Ｂ）の幅方向の一部、具体的には、約半分程度を覆うようにすると、オフガス燃焼部３（３Ａ、３Ｂ）での燃焼や、燃料改質器５（５Ａ、５Ｂ）への伝熱を妨げることなく、酸化剤供給部材７への伝熱効果を発揮させることができる。
【００３３】
次に本実施形態の変形例について説明する。
第１実施形態では、図３に示されているように、伝熱部材２１は、燃料電池スタック１（１Ａ、１Ｂ）の長手方向（セルの積層方向）に、略全長に亘って、連続的に設けられている。これにより、オフガス燃焼部３（３Ａ、３Ｂ）の長手方向の全域から、酸化剤供給部材７の長手方向の全域に熱を伝え、酸化剤供給部材７内を流れる酸化剤を均一かつ十分に加熱することができる。
【００３４】
これに対し、変形例１では、図４に示されるように、伝熱部材２１は、燃料電池スタック１（１Ａ、１Ｂ）の長手方向に、所定の間隔で、複数、断続的に設けられている。これにより、オフガス燃焼部３（３Ａ、３Ｂ）から燃料改質器５（５Ａ、５Ｂ）への伝熱と、酸化剤供給部材７への伝熱との調和を図ることができる。
尚、受熱部２１ａについては所定の間隔で複数設けるが、支持部２１ｂについては一体化して連続的なものとしてもよい。このようにすれば、酸化剤供給部材７の各部への伝熱を均一化することができる。
【００３５】
また、変形例２では、図５に示されるように、伝熱部材２１は、燃料電池スタック１（１Ａ、１Ｂ）の長手方向の一部に設けられている。ここでいう一部とは、例えば、燃料改質器５の入口側の水気化部に対応する部位とする。すなわち、酸化剤供給部材７において燃料改質器５の入口側の水気化部に近い部位は、水気化部に気化熱を奪われて、より低温になることから、この部位へ、伝熱することで、温度低下を抑制することができる。
【００３６】
次に本発明の第２実施形態について図６により説明する。
図６は本発明の第２実施形態を示す燃料電池装置の概略正面図である。
本実施形態では、伝熱部材２２は、受熱部２２ａと支持部２２ｂとを有する他、受熱部２２ａの先端に、オフガス燃焼部３（３Ａ、３Ｂ）に向かって折り曲げられた曲げ部（突き出し片）２２ｃを有している。
【００３７】
従って、本実施形態では、このような曲げ部２２ｃを有することで、受熱部２２ａと曲げ部２２ｃとの間に、オフガス燃焼ガスの淀み領域となる角部を形成することができる。
従って、受熱部２２ａと曲げ部２２ｃとの間の角部で、オフガス燃焼ガスを淀ませ、燃焼ガスを滞留させて、淀み領域を高温化することができる。従って、淀み領域が火炎保持の熱源となり、火炎が安定する。
【００３８】
次に本発明の第３実施形態について図７により説明する。
図７は本発明の第３実施形態を示す燃料電池装置の概略正面図である。
本実施形態では、伝熱部材２３は、受熱部２３ａと、支持部２３ｂと、受熱部２３ａ先端の曲げ部２３ｃとを有しているが、支持部２３ｂは、途中でＬ字状に折れ曲がって、排気流路区画部材１２の上面１２ｄに取付けられている。言い換えれば、伝熱部材２３は、排気流路区画部材１２の上面１２ｄから吊り下げられて、受熱部２３ａが燃料電池スタック１（１Ａ、１Ｂ）と燃料改質器５（５Ａ、５Ｂ）との間に配置されている。
【００３９】
従って、本実施形態では、伝熱部材２３の支持部２３ｂは、筐体（排気流路区画部材１２）に取付けられて支持され、筐体（排気流路区画部材１２）を介して酸化剤供給部材７へ伝熱する。
このため酸化剤供給部材７への伝熱は間接的となるが、レイアウトの関係で、酸化剤供給部材７への取付けができない場合に採用できる。
【００４０】
次に本発明の第４実施形態について図８により説明する。
図８は本発明の第４実施形態を示す燃料電池装置の概略正面図である。
本実施形態では、酸化剤供給部材７（７Ａ、７Ｂ）は、２つに分けて設けられ、複数の燃料電池セルの集合体である燃料電池スタック１を挟むように、その左右両方の側面図に沿って配置されている。
従って、燃料電池スタック１の上端部のオフガス燃焼部３も、その上方の燃料改質器５も、分かれることなく、１つずつ設けられている。
このような配置の場合も、例えば第１実施形態（図１）の受熱部２１ａ及び支持部２１ｂを有する伝熱部材２１と同様に、受熱部２４ａ及び支持部２４ｂを有する伝熱部材２４を、左右の酸化剤供給部材７に取付けて、燃料電池スタック１と燃料改質器５との間に配置することで、同様な効果を得ることができる。
【００４１】
以上では、燃料電池スタック１が２つに分けられる場合と１つの場合とについて説明したが、３つ以上に分けられる場合も、それぞれのオフガス燃焼部３と酸化剤供給部材７とに対し、本発明を適用することが可能である。
【００４２】
尚、第４実施形態（図８）は、第１実施形態（図１）と組み合わせたが、第２、第３実施形態（図６、図７）と組み合わせることも可能であることは言うまでもない。
また、第２〜第４実施形態で用いた伝熱部材２２〜２４についても、第１実施形態で用いた伝熱部材２１と同様、燃料電池スタック１の長手方向の長さは、図３、図４又は図５に示したような態様をとることが可能である。
【００４３】
図示の実施形態はあくまで本発明を例示するものであり、本発明は、説明した実施形態により直接的に示されるものに加え、特許請求の範囲内で当業者によりなされる各種の改良・変更を包含するものであることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００４４】
１  燃料電池スタック（複数の燃料電池セルの集合体）
１Ａ、１Ｂ  セルグループ
２  台座
３  オフガス燃焼部
５（５Ａ、５Ｂ）  燃料改質器
６  改質ガスの供給管
７（７Ａ、７Ｂ）  酸化剤供給部材
８  酸化剤導入口
９  酸化剤噴出口
１１  燃焼室区画部材
１２  排気流路区画部材
１３  酸化剤流路区画部材
１４  排気流路
１５  排気出口
１６  酸化剤入口
１７  酸化剤流路
１８  断熱材
２１〜２４  伝熱部材
２１ａ〜２４ａ  受熱部
２１ｂ〜２４ｂ  支持部
２２ｃ、２３ｃ  曲げ部
【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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【図７】
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【図８】
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