(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードに供給される燃料ガスとカソードに供給される空気を用いて発電を行う燃料電池を複数積層したセルスタックと、
前記セルスタックの前記アノードから排出される燃料ガスを燃焼させる燃焼器と、
前記燃焼器において前記燃料ガスが燃焼されて生成した燃焼ガスを流通させる燃焼ガス流路と、
空気熱交換器と、を有するホットモジュールにおいて、
前記空気熱交換器は、
前記カソードに空気を供給するマニホールド部と、
前記マニホールド部に空気を供給する空気流路を備えるとともに、前記燃焼ガス流路を引き込まれ、前記空気流路を流れる空気と前記燃焼ガス流路を流れる前記燃焼ガスとの間で熱交換を行う熱交換部と、を一体に有し、
前記セルスタックに接触して配置されており、
前記空気流路は、前記ホットモジュールの外部の空間に連通する空気入口と、前記空気入口から分岐した複数の被加熱流路とを有し、
前記被加熱流路は、基端側で前記空気入口に連通し、先端側で前記マニホールド部に連通しており、
前記被加熱流路の前記基端側と前記先端側を結ぶ方向をｘ方向、前記燃料電池の積層方向をｚ方向、前記ｘ方向および前記ｚ方向と直交する方向をｙ方向として、前記被加熱流路は、前記ｚ方向および前記ｙ方向に複数が並べて配置されており、
前記空気流路を流れる空気は、前記被加熱流路において、前記燃焼ガス流路を流れる前記燃焼ガスとの間で熱交換を受けることを特徴とする燃料電池ホットモジュール。
【請求項２】
前記熱交換部において、前記被加熱流路を流れる空気は、前記空気入口側から前記マニホールド部に向かって下流側へと流れるほど、前記燃焼ガス流路の上流側を流れる燃焼ガスとの間で熱交換を受けることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池ホットモジュール。
【請求項３】
前記熱交換部において、前記燃焼ガス流路は、前記被加熱流路と交差する流路である交差路を複数有し、前記複数の交差路は、前記マニホールド部に近い位置から遠い位置まで並んで配置されており、前記燃焼ガスは、前記マニホールド部に近い交差路から、前記マニホールド部から遠い交差路へと順に流れながら、前記被加熱流路を流れる空気との間で熱交換を行うことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池ホットモジュール。
【請求項４】
アノードに供給される燃料ガスとカソードに供給される空気を用いて発電を行う燃料電池を複数積層したセルスタックと、
前記セルスタックの前記アノードから排出される燃料ガスを燃焼させる燃焼器と、
前記燃焼器において前記燃料ガスが燃焼されて生成した燃焼ガスを流通させる燃焼ガス流路と、
空気熱交換器と、を有し、
前記空気熱交換器は、
前記カソードに空気を供給するマニホールド部と、
前記マニホールド部に空気を供給する空気流路を備えるとともに、前記燃焼ガス流路を引き込まれ、前記空気流路を流れる空気と前記燃焼ガス流路を流れる前記燃焼ガスとの間で熱交換を行う熱交換部と、を一体に有し、
前記セルスタックに接触して配置されており、
前記熱交換部において、前記燃焼ガス流路は、前記空気流路と交差する流路である交差路を複数有し、前記複数の交差路は、前記マニホールド部に近い位置から遠い位置まで並んで配置されており、前記燃焼ガスは、前記マニホールド部に近い交差路から、前記マニホールド部から遠い交差路へと順に流れながら、前記空気流路を流れる空気との間で熱交換を行い、
前記空気流路を流れる空気は、前記マニホールド部に向かって下流側へと流れるほど、前記燃焼ガス流路の上流側を流れる燃焼ガスとの間で熱交換を受けることを特徴とする燃料電池ホットモジュール。
【請求項５】
前記空気熱交換器は、前記マニホールド部が設けられた部位において、前記セルスタックに接触していることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の燃料電池ホットモジュール。
【請求項６】
前記熱交換部において、前記空気流路と前記燃焼ガス流路は、直交流型のプレートフィン構造をとっていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の燃料電池ホットモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池ホットモジュールに関し、さらに詳しくは、空気熱交換器で空気を予熱したうえで、外部マニホールドを介して燃料電池に供給する燃料電池ホットモジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
図４に示すように、燃料電池を複数積層したセルスタック１１０のカソード部に空気を供給するのに、外部マニホールド１５０，１５５が用いられる場合がある。外部マニホールド構造を用いる場合には、内部マニホールド構造を用いる場合に比べてカソード圧損が小さく、補機損失を低減することができる。
【０００３】
また、外部マニホールド１５０を介してセルスタック１１０に供給する空気Ａは、発電に必要な温度に近づけておくために、予熱されることが多い。この空気Ａの予熱は、空気熱交換器１４０によって行われる。セルスタック１１０のアノード部から排出される燃料ガスＦを燃焼器１３０で燃焼させて、高温の燃焼ガスＣとして空気熱交換器１４０に導入し、空気Ａとの間で熱交換を行うことで、空気Ａを予熱する。燃料電池システムにおいて、セルスタック１１０、外部マニホールド１５０，１５５、燃焼器１３０、空気熱交換器１４０、そして燃料改質器１２０等、発電時に高温になる機器は、共通のケースに収容され、ホットモジュール１００を構成する。
【０００４】
従来一般の燃料電池システムにおいて、空気熱交換器１４０は、ホットモジュール１００内で、セルスタック１１０等、他の機器とは独立した装置として据え置かれる。例えば、特許文献１の各図に、カソード空気熱交換器（４４）が、他の装置と独立して設けられる構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第２０１４／１６７７６４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記のように、セルスタック１１０のカソード部への空気Ａの供給を外部マニホールド１５０，１５５によって行う場合に、補機損失の低減によって燃料電池システムの運転効率の向上を図ることができるが、外部マニホールド１５０，１５５を設けることで、セルスタック１１０および外部マニホールド１５０，１５５を含むモジュールが大きな体積を占めることになる。また、外部マニホールド１５０に供給する空気を予熱する空気熱交換器１４０を、ホットモジュール１００内の他の機器と独立して設ける場合に、ホットモジュール１００全体が大型化してしまう。ホットモジュール１００の大型化は、ホットモジュール１００の運転効率の低下やコスト増にもつながる。
【０００７】
本発明が解決しようとする課題は、空気熱交換器によって予熱した空気を、外部マニホールドを介してセルスタックに供給する形式の燃料電池ホットモジュールにおいて、従来よりも全体を小型化することができる燃料電池ホットモジュールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明にかかる燃料電池ホットモジュールは、アノードに供給される燃料ガスとカソードに供給される空気を用いて発電を行う燃料電池を複数積層したセルスタックと、前記セルスタックの前記アノードから排出される燃料ガスを燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器において前記燃料ガスが燃焼されて生成した燃焼ガスを流通させる燃焼ガス流路と、空気熱交換器と、を有し、前記空気熱交換器は、前記カソードに空気を供給するマニホールド部と、前記マニホールド部に空気を供給する空気流路を備えるとともに、前記燃焼ガス流路を引き込まれ、前記空気流路を流れる空気と前記燃焼ガス流路を流れる前記燃焼ガスとの間で熱交換を行う熱交換部と、を一体に有し、前記セルスタックに接触して配置されているものである。
【０００９】
ここで、前記空気熱交換器は、前記マニホールド部が設けられた部位において、前記セルスタックに接触しているとよい。
【００１０】
また、前記熱交換部において、前記空気流路を流れる空気は、前記マニホールド部に向かって下流側へと流れるほど、前記燃焼ガス流路の上流側を流れる燃焼ガスとの間で熱交換を受けるものであるとよい。
【００１１】
この場合に、前記熱交換部において、前記燃焼ガス流路は、前記空気流路と交差する流路である交差路を複数有し、前記複数の交差路は、前記マニホールド部に近い位置から遠い位置まで並んで配置されており、前記燃焼ガスは、前記マニホールドに近い交差路から、前記マニホールドから遠い交差路へと順に流れながら、前記空気流路を流れる空気との間で熱交換を行うものであるとよい。
【００１２】
また、前記熱交換部において、前記空気流路と前記燃焼ガス流路は、直交流型のプレートフィン構造をとっているとよい。
【発明の効果】
【００１３】
上記発明にかかる燃料電池ホットモジュールにおいては、セルスタックを構成する燃料電池のカソードに空気を供給するマニホールド部（空気マニホールド）と、マニホールド部に供給する空気を加熱する熱交換部とが、一体として構成された空気熱交換器を有している。さらに、その空気熱交換器が、セルスタックと分離して据え置かれるのではなく、セルスタックに接触して配置されている。これらの効果により、空気マニホールドを独立した部材として構成し、空気熱交換器をセルスタックから独立して据え置いていた従来一般の燃料電池ホットモジュールに比べて、ホットモジュール全体を小型化することが可能となる。
【００１４】
加えて、空気熱交換器がセルスタックに接触して配置されることで、セルスタックからの輻射および熱伝導を、燃焼ガスとの熱交換に加えて、空気熱交換器での空気の加熱に利用することができる。ホットモジュールの小型化の効果と、セルスタックからの熱の利用の効果により、ホットモジュールにおける熱効率が高められる。その結果、ホットモジュールの運転効率の向上を図ることができる。
【００１５】
ここで、空気熱交換器が、マニホールド部が設けられた部位において、セルスタックに接触している場合には、熱交換部において、燃焼ガスとの熱交換によって既にある程度高温まで加熱された状態でマニホールド部に到達した空気を、マニホールド部において、セルスタックからの輻射および熱伝導によって加熱することになる。これにより、セルスタックからの熱を、空気の加熱に効率的に利用することができる。
【００１６】
また、熱交換部において、空気流路を流れる空気が、マニホールド部に向かって下流側へと流れるほど、燃焼ガス流路の上流側を流れる燃焼ガスとの間で熱交換を受けるものである場合には、空気流路の上流側で、既にある程度の高温まで加熱された状態で下流側に達した空気を、燃焼ガス流路の上流側を流れる高温の燃焼ガスで加熱することになる。よって、空気流路の下流側のまだ高温になっていない空気を燃焼ガス流路の上流側を流れる高温の燃焼ガスで加熱する場合と比較して、燃焼ガスの熱を、空気の加熱に効率的に利用することができる。
【００１７】
この場合に、熱交換部において、燃焼ガス流路が、空気流路と交差する流路である交差路を複数有し、複数の交差路は、マニホールド部に近い位置から遠い位置まで並んで配置されており、燃焼ガスが、マニホールドに近い交差路から、マニホールドから遠い交差路へと順に流れながら、空気流路を流れる空気との間で熱交換を行うものである構成によれば、簡素な構成により、空気流路の下流側を流れる空気を、燃焼ガス流路の上流側を流れる高温の燃焼ガスで加熱するように、燃焼ガス流路を構築することができる。
【００１８】
また、熱交換部において、空気流路と燃焼ガス流路が、直交流型のプレートフィン構造をとっている場合には、簡素な構成により、空気流路を流れる空気と燃焼ガス流路を流れる燃焼ガスとの間の効率的な熱交換を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態にかかる燃料電池ホットモジュールの構成を示す概略図である。
【図２】空気熱交換器を示す図であり、（ａ）は外観斜視図、（ｂ），（ｃ）はそれぞれ、（ａ）中のＡ−Ａ断面図およびＢ−Ｂ断面図である。
【図３】上記空気熱交換器における熱源流路の構成を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ），（ｃ）はそれぞれ、（ａ）中のＣ−Ｃ断面図およびＤ−Ｄ断面図である。
【図４】従来一般の燃料電池ホットモジュールの構成を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下に、本発明の一実施形態にかかる燃料電池ホットモジュールについて、図面を参照しながら説明する。
【００２１】
［燃料電池ホットモジュールの構成］
図１に、本発明の一実施形態にかかる燃料電池ホットモジュール(以下、単に「ホットモジュール」と称する場合がある）１の概略を示す。
【００２２】
ホットモジュール１は、セルスタック１０と、改質器２０と、燃焼器３０と、空気熱交換器４０と、出口マニホールド５０と、を有している。これら各機器１０〜５０は、共通のケース（不図示）に収容され、ホットモジュール１として、燃料電池システムの中で区画されている。
【００２３】
セルスタック１０は、複数の燃料電池単セルが積層されてなっている。燃料電池単セルは、固体酸化物よりなる電解質にアノード（燃料極）およびカソード（空気極）を接合した固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）として構成されている。この燃料電池単セルを、セパレータ等を介して複数積層することで、セルスタック１０が構成されている。
【００２４】
セルスタック１０を構成する各燃料電池単セルのアノードには、内部マニホールド方式により、燃料ガスＦが供給される。一方、各燃料電池単セルのカソードには、外部マニホールド方式により、空気Ａが供給される。つまり、後に詳しく説明する空気熱交換器４０に含まれるマニホールド部４１から、各燃料電池単セルのカソードに空気Ａが供給され、余剰の空気Ａが出口マニホールド５０に回収される。セルスタック１０内において、燃料ガスＦが流れる燃料流路Ｌｆ、そして、空気熱交換器４０のマニホールド部４８と出口マニホールド５０とを結び、空気Ａが流れる空気流路Ｌａは、燃料電池単セルの面に平行、つまり燃料電池単セルの積層方向に垂直に配置されている。
【００２５】
以降、本明細書および各図において、燃料電池単セルの積層方向をｚ方向とする。また、セルスタック１０内で燃料流路Ｌｆおよび空気流路Ｌａが走っている方向、つまり空気熱交換器４０のマニホールド部４８と出口マニホールド５０を結ぶ方向を、ｘ方向とする。ここで、出口マニホールド５０側を＋ｘ側、マニホールド部４８側を−ｘ側とする。そして、ｘ方向およびｚ方向と直交する方向をｙ方向とする。また、各図中では、燃料流路Ｌｆを細線、空気流路Ｌａを斜線、次に説明する燃焼ガスＣが流れる燃焼ガス流路Ｌｃを太線で表示している。
【００２６】
改質器２０としては、燃料電池ホットモジュールに設けられる燃料改質器として公知のものを用いることができる。改質器２０は、炭化水素ガスから水素ガスを生成する改質触媒を備えており、都市ガスやＬＰガス等の原料ガスを、水素を含んだ燃料ガスＦへと改質する。改質器２０に導入される原料ガスは、燃焼器３０において予熱される。
【００２７】
改質器２０は、一方向（＋ｚ方向）において、セルスタック１０および空気熱交換器４０に接触しており、他方向（−ｚ方向）において、燃焼器３０に接触している。改質器２０は、燃焼器３０に接触していることで、燃焼器３０において発生した熱を、輻射および熱伝導によって伝達され、改質触媒による反応に利用することができる。
【００２８】
燃焼器３０は、セルスタック１０において発電に用いられなかった余剰の燃料ガスＦを燃焼させるものである。具体的には、セルスタック１０内を通った燃料流路Ｌｆと、出口マニホールド５０から延長された空気流路Ｌａとが、燃焼器３０内で合流されている。そして、燃料流路Ｌｆを流れてきた余剰の燃料ガスＦと、空気流路Ｌａを流れてきた余剰の空気Ａとの間で、燃焼が行われる。燃焼器３０内で合流した燃料流路Ｌｆと空気流路Ｌａは、燃焼ガス流路Ｌｃとなり、燃焼によって生成された燃焼ガスＣが、燃焼ガス流路Ｌｃを流れる。燃焼ガスＣは、二酸化炭素、水蒸気、空気等の混合ガスよりなっており、燃焼により、非常に高温になっている。なお、図中では、燃焼器３０内の燃料流路Ｌｆおよび空気流路Ｌａと、燃焼ガス流路Ｌｃとを、区画して示しているが、これは便宜上の表示であり、実際には、燃料流路Ｌｆと燃焼ガス流路Ｌｃは明確に区別されるものではなく、一体に連続しており、燃焼ガス流路Ｌｃの上流側から下流側に向かって、徐々に燃焼ガスＣの濃度が高くなる。
【００２９】
空気熱交換器４０は、改質器２０と、セルスタック１０とに接触して設けられている。空気熱交換器４０の構成については、次に説明するが、ホットモジュール１の外部から空気流路Ｌａに取り込んだ空気Ａを、燃焼器３０から引き込まれた燃焼ガス流路Ｌｃを流れる燃焼ガスＣとの熱交換によって加熱した状態で、セルスタック１０を構成する各燃料電池単セルのカソードに供給するものである。
【００３０】
［空気熱交換器の構成］
空気熱交換器４０は、マニホールド部４８と、熱交換部４１とを、一体に有している。熱交換部４１で予熱された空気Ａが、マニホールド部４８を介して、セルスタック１０を構成する各燃料電池単セルのカソードに供給される。
【００３１】
マニホールド部４８は、熱交換部４１内の空気流路Ｌａ（被加熱流路４２）に連通されている以外は、公知の空気供給用の外部マニホールドと同様の構成を有している。つまり、空気Ａを流通可能な空間を有し、その空間が、各燃料電池単セルのカソードとセパレータの間の空間として構成されたセルスタック１０内の空気流路Ｌａに連通されている。これにより、マニホールド部４８から各燃料電池単セルのカソードに空気Ａが供給される。
【００３２】
マニホールド部４８のセルスタック１０側に面した壁面は、空気熱交換器４０全体の外壁面となっている。そして、空気熱交換器４０は、その外壁面において、セルスタック１０の端面と密着している。
【００３３】
熱交換部４１内には、空気流路Ｌａが設けられている。空気流路Ｌａは、ホットモジュール１の外部の空間に連通する空気入口４３と、空気入口４３から分岐した多数の被加熱流路４２とを有している。また、熱交換部４１内には、燃焼器３０を出た燃焼ガス流路Ｌｃが引き込まれており、熱源流路４４を構成している。被加熱流路４２と熱源流路４４は、相互に連通することなく接触して交差しており、交差部において、熱源流路４４を流れる燃焼ガスＣと、被加熱流路４２を流れる空気Ａとの間で、熱交換が起こる。熱源流路４４を流れる燃焼ガスＣは、燃焼器３０において高温に加熱されており、被加熱流路４２を流れる空気Ａが、熱交換によって加熱されることになる。
【００３４】
実際の空気熱交換器４０においては、被加熱流路４２と熱源流路４４は、直交型のプレートフィン構造をとっている。しかし、各図においては、熱交換部４１内における被加熱流路４２および熱源流路４４の配置パターンを分かりやすく示すために、それぞれ、等価な流体経路を有するパイプ状の配管として示している。配管の交差部において、熱交換が行われる。
【００３５】
図１および図２に示すように、被加熱流路４２は、ｘ方向に平行に走る空気流路Ｌａとして構成されており、ｚ方向およびｙ方向に多数が並べて配置されている。図２で示した例では、ｙ方向に４列、ｚ方向に１０段の被加熱流路４２が配置されている。それら全ての被加熱流路４２が、基端側（−ｘ側）で空気入口４３に連通しており、先端側（＋ｘ側）で、マニホールド部４８に連通している。
【００３６】
後に説明するように、熱源流路４４は、熱交換部４１内で、燃焼ガス流路Ｌｃが３次元的に配置された構造を有しているが、図１では、熱源流路４４を燃焼ガスＣが流れる経路を、概念的に示している。つまり、燃焼器３０から供給された高温の燃焼ガスＣは、熱交換部４１の最もマニホールド部４８側の位置に設けられた燃焼ガス入口４５から、熱交換部４１に入る。そして、熱交換部４１の中で、マニホールド部４８に近い位置を上流とし、マニホールド部４８から遠い空気入口４３側の位置を下流として配置された熱源流路４４を流れ、空気入口４３側に設けられた燃焼ガス出口４６から脱出する。図２（ｂ）のＡ−Ａ断面図で説明すると、燃焼ガスＣは、熱源流路４４を、ｃ１列→ｃ２列→ｃ３列→ｃ４列のように、マニホールド部４８に近い側（＋ｘ側）から、マニホールド部４８から遠い側（−ｘ側）へと、順次流れる。
【００３７】
つまり、空気Ａは、空気入口４３側を上流、マニホールド部４８側を下流として、被加熱流路４２を流れるのに対し、燃焼ガスＣは、マニホールド部４８側を上流、空気入口４３側を下流として熱源流路４４を流れる。上記のように、被加熱流路４２と熱源流路４４は、それぞれ上流から下流へと向かう経路の途中の多数の箇所で相互に交差し、熱交換を行う。そのため、被加熱流路４２の上流を流れる空気Ａが、熱源流路４４の下流を流れる燃焼ガスＣとの間で熱交換を受け、被加熱流路４２の下流を流れる空気Ａが、熱源流路４４の上流を流れる燃焼ガスＣとの間で熱交換を受ける。換言すると、被加熱流路４２を流れる空気Ａが下流側へと流れるほど、熱源流路４４の上流側を流れる燃焼ガスＣとの間で熱交換を受ける。
【００３８】
図３に、空気熱交換器４０の熱交換部４１において燃焼ガスＣが流れる熱源流路４４の構成を３次元的に示す。熱源流路４４は、第一連結路ａ１〜ａ４と、第二連結路ｂ１〜ｂ４と、交差路ｃ１〜ｃ４よりなっている。第一連結路ａ１〜ａ４は、熱交換部４１の−ｙ側の位置に設けられた、ｚ方向に平行に走る流路である。ｘ方向に沿って中央に配置された２本の経路ａ２，ａ３が、直列に連結されている。また、第二連結路ｂ１〜ｂ４は、熱交換部４１の＋ｙ側の位置に設けられた、ｚ方向に平行に走る流路である。ｘ方向に沿って隣接する２本の経路であるｂ１，ｂ２間、またｂ３，ｂ４間が直列に連結されている。交差路ｃ１〜ｃ４はｙ方向に平行に走る複数の流路であり、ｘ方向およびｚ方向に多数並べて配置されている。各交差路ｃ１〜ｃ４は、対応する第一連結路ａ１〜ａ４と第二連結路ｂ１〜ｂ４の間を連通している。交差路ｃ１〜ｃ４は、ｃ１列，ｃ２列，ｃ３列，ｃ４列の順に、＋ｘ方向（マニホールド部４８に近い側）から、−ｘ方向（マニホールド部４８から遠い側）に、並んでおり、それぞれ、図２（ｂ）で断面を示した熱源流路４４の列ｃ１〜ｃ４に対応している。交差路ｃ１〜ｃ４のｚ方向の段数は、被加熱流路４２の段数と一致しており（ここでは１０段）、各段において、交差路ｃ１〜ｃ４が被加熱流路４２と交差している。そして、交差路ｃ１〜ｃ４と被加熱流路４２が交差する各交差部において、燃焼ガスＣと空気Ａの間の熱交換が行われる。
【００３９】
上記のような熱源流路４４において、燃焼ガス入口４５から導入された燃焼ガスＣは、次のような順で各部を流れて、燃焼ガス出口４６から排出される。つまり、燃焼ガスＣの経路は、ａ１→ｃ１→ｂ１→ｂ２→ｃ２→ａ２→ａ３→ｃ３→ｂ３→ｂ４→ｃ４→ａ４のようになっている。熱源流路４４がこのような経路を有することにより、熱源流路４４を流れる燃焼ガスＣは、＋ｘ側（マニホールド部４８に近い側）に設けられた交差路ｃ１から、−ｘ側（マニホールド部４８から遠い側）に設けられた交差路ｃ４へと順に流れながら、被加熱流路４２を流れる空気Ａとの間で熱交換を行うことになる。
【００４０】
［ホットモジュールにおける熱の流れ］
上記のように、本実施形態にかかるホットモジュール１においては、燃焼器３０での燃料ガスＦの燃焼によって発生した高温の燃焼ガスＣを、空気熱交換器４０の熱交換部４１に導入している。そして、ホットモジュール１の外部から取り込んだ低温の空気Ａと、高温の燃焼ガスＣの間で熱交換を起こさせることで、空気Ａを予熱している。そして、予熱した空気Ａを、マニホールド部４８を介して、セルスタック１０を構成する各燃料電池単セルのカソードに供給している。
【００４１】
ここで、熱交換部４１において、被加熱流路４２を流れる空気Ａが、被加熱流路４２を下流側へと流れるほど、熱源流路４４の上流側を流れる燃焼ガスＣとの間で熱交換を受けるように、被加熱流路４２および熱源流路４４を構築していることで、高効率で空気Ａの予熱を行えるようになっている。つまり、熱源流路４４を流れる燃焼ガスＣは、燃焼器３０を出た直後の上流側では非常に高温になっているが、下流に向かって流れる間に、空気Ａとの熱交換および放熱によって低温になる。熱源流路４４の上流側を流れる高温の燃焼ガスＣを、被加熱流路４２の上流側を流れるまだ加熱を受けていない低温の空気Ａの加熱に用いるよりも、被加熱流路４２の下流側を流れる、既に加熱を受けて、ある程度高温になった空気Ａの加熱に用いる方が、熱交換部４１全体として、空気Ａの加熱を高効率で行うことができる。
【００４２】
ここで、熱源流路４４として、図３に示すように、空気流路Ｌａと交差する複数の交差路ｃ１〜ｃ４を、空気流路Ｌａの下流側（＋ｘ側）から上流側（−ｘ側）に向かって複数列並べて配置し、空気流路Ｌａの下流側に配置された交差路から、上流側に配置された交差路へと順に（ｃ１→ｃ２→ｃ３→ｃ４）燃焼ガスＣが流れる形態を採用することで、簡素な構成で、上記のように、被加熱流路４２の下流側の空気Ａを熱源流路４４の上流側の燃焼ガスＣによって加熱する形式の熱交換部４１を構築することができる。このような熱源流路４４および被加熱流路４２は、直交流型のプレートフィン構造を利用して、実現することができる。
【００４３】
さらに、本実施形態にかかるホットモジュール１においては、マニホールド部４８を有する空気熱交換器４０がセルスタック１０に接触している。このため、発電中に高温になるセルスタック１０から、空気熱交換器４０に熱が伝達され、空気熱交換器４０内の空気Ａの予熱にその熱を利用することができる。熱の伝達は、輻射と熱伝導によって進行する。特に、上記のように、マニホールド部４８が設けられた部位において、空気熱交換器４０がセルスタック１０と接触していることで、既に熱交換部４１において燃焼ガスＣとの熱交換で加熱され、ある程度高温の状態でマニホールド部４８に導入された空気Ａを、セルスタック１０からの熱によって加熱することになる。このため、まだ高温になっていない空気Ａをセルスタック１０からの熱によって加熱するよりも、セルスタック１０からの熱を空気Ａの予熱に効率的に利用することができる。とりわけ、上記のように、セルスタック１０に面したマニホールド部４８の壁面が、空気熱交換器４０全体の外壁面を構成するようにしておき、その外壁面において、空気熱交換器４０をセルスタック１０の端面に密着させて配置することで、セルスタック１０からの熱を、損失が少ない状態で、マニホールド内の空気Ａの予熱に利用することができる。
【００４４】
［ホットモジュールの小型化］
本実施形態にかかるホットモジュール１においては、セルスタック１０に空気Ａを導入する外部マニホールドである入口マニホールドを、独立した部材として設けるのではなく、マニホールド部４８が、熱交換部４１と一体となって、空気熱交換器４０の一部位として構成されている。そして、その空気熱交換器４０が、セルスタック１０等、ホットモジュール１を構成する他の機器から分離されて据え置かれるのではなく、セルスタック１０に接触して配置されている。これらの構成により、上記のように、セルスタック１０から発せられる熱を空気Ａの予熱に効率的に利用できるという効果に加え、ホットモジュール１を小型化できるという効果が得られる。つまり、空気熱交換器４０がセルスタック１０から独立しておらず、しかもマニホールド部４８を内包するものであることにより、ホットモジュール１全体が占める空間を従来よりも小さくすることができる。その結果、ホットモジュール１を囲むケースも小型化することができる。
【００４５】
ホットモジュール１を小型化することで、ホットモジュール１内を高温に維持するために必要な熱量を削減することができ、上記のように、空気Ａの予熱に燃焼ガスＣおよびセルスタック１０の熱を利用することの効果と合わせて、ホットモジュール１の運転の効率化を図ることができる。また、ホットモジュール１の製造に要するコストや、運転に要するコストを低減することができる。
【００４６】
本発明は上記実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。
【符号の説明】
【００４７】
１            （燃料電池）ホットモジュール
１０          セルスタック
２０          改質器
３０          燃焼器
４０          空気熱交換器
４１          熱交換部
４２          被加熱流路（空気流路）
４３          空気入口
４４          熱源流路（燃焼ガス流路）
４５          燃焼ガス入口
４６          燃焼ガス出口
４８          マニホールド部
５０          出口マニホールド
ａ１〜ａ４    第一連結路
ｂ１〜ｂ４    第二連結路
ｃ１〜ｃ４    交差路
Ａ            空気
Ｃ            燃焼ガス
Ｆ            燃料
Ｌａ          空気流路
Ｌｃ          燃焼ガス流路
Ｌｆ          燃料流路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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