(57)【要約】【課題】大量の空気を供給することなく必要最小限の空気量の供給で電池部の温度を所定温度に保持するための余剰反応熱の除去が行える固体電解質燃料電池とする。【解決手段】（１）電池室３９に空気が供給される空気加熱管を設け、空気加熱管を通して空気を供給することで発電の反応熱を回収し空気を加熱して供給するようにし、空気加熱管３９を流通する空気を加熱することで余剰の電池反応熱を吸収し、入口の空気温度を下げて供給空気量を減少し、排空気および排ガスの保有熱を減少して排ガス損失を減少する。（２）空気排出管４９と空気供給管５０の間に再循環管５１と再循環排空気混入装置（例えばエジェクター５２）を設け、排空気を供給空気に混入することにより供給空気温度を上げるようにして、入口の空気温度を下げて供給空気量を減少し、排空気及び排ガスの保有熱を減少して排ガス損失を減少する。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
管内もしくは管外のいずれか一方に供給される燃料と燃料が供給されない管外もしくは管内のいずれか一方に供給される空気中の酸素とを電解質を介して電池反応させて発電する燃料電池管を複数備え、空気が供給される部位に空気加熱管を設け、空気加熱管を通して空気を供給することで発電の反応熱を回収することで空気を加熱して供給することを特徴とする固体電解質燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の固体電解質燃料電池において、
反応を終えた排空気の一部を空気加熱管の入口側に再循環させる再循環系を備え、空気加熱管に供給される空気に排空気を混入して空気の温度を高めることを特徴とする固体電解質燃料電池。
【請求項３】
請求項１もしくは請求項２のいずれか一項に記載の固体電解質燃料電池において、
空気加熱管は複数設けられ、空気加熱管に送給される空気の圧力を均一に維持する均一維持機構を備えたことを特徴とする固体電解質燃料電池。
【請求項４】
管内もしくは管外のいずれか一方に供給される燃料と燃料が供給されない管外もしくは管内のいずれか一方に供給される空気中の酸素とを電解質を介して電池反応させて発電する燃料電池管を複数備え、反応を終えた排空気の一部を空気供給部に再循環させる再循環系を備え、供給される空気に排空気を混入して供給される空気の温度を高めることを特徴とする固体電解質燃料電池。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の固体電解質燃料電池において、
管の壁面に燃料を改質する改質触媒を設け、燃料改質反応による吸熱により発電の反応熱の一部を回収すると共に空気加熱管を通して空気を供給することで発電の残りの反応熱により空気を加熱して供給することを特徴とする固体電解質燃料電池。
【請求項６】
請求項５に記載の固体電解質燃料電池において、
改質触媒は燃料極であることを特徴とする固体電解質燃料電池。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の固体電解質燃料電池において、
管内に燃料が供給され、管の外壁に燃料極及び電解質及び空気極が設けられていることを特徴とする固体電解質燃料電池。
【請求項８】
容器上部の内部に設けられる燃料室と、
燃料室の下部に設けられ燃料室管板により仕切られる排ガス室と、
排ガス室の下部に設けられ排ガス室管板により仕切られる電池室と、
電池室の下部に排空気室管板により仕切られて設けられる排空気室と、
排空気室の下部に設けられ空気室管板により仕切られる空気室と、
両端が開放され上端部が燃料室に開口して配されると共に下端部が電池室に配される燃料内管と、
下端が閉じられると共に上端が開放されて燃料内管の外側に配され下端部が燃料内管の開口を覆うと共に上端部が排ガス室に開口して配される多孔質状の燃料外管と、
排空気室管板に設けられる多数の排空気排出孔と、
両端が開放され上端部が電池室の上方に配され下端部が空気室に開口する空気加熱管と、
燃料外管の外周に配される電池セルとを備え、
燃料室に燃料が供給されることにより燃料内管を通って下端部から燃料外管に燃料が送られると共に空気室に空気が供給されることにより空気加熱管を流通して電池室に空気が送られ、
多孔質状の燃料外管の壁部を通過した燃料と空気中の酸素とが電解質を介して電池反応されて発電され、
燃料外管内の未燃燃料を含む排ガスが燃料外管を流通して排ガス室に送られると共に電池室の排空気が排空気排出孔を通過して排空気室に送られ、
空気加熱管を流通する空気が発電の反応熱により加熱される
ことを特徴とする固体電解質燃料電池。
【請求項９】
請求項８に記載の固体電解質燃料電池において、
空気加熱管は複数設けられ、複数の空気加熱管に供給される空気量が均一になるように空気加熱管の入口部にオリフィスを設けたことを特徴とする固体電解質燃料電池。
【請求項１０】
請求項８もしくは請求項９に記載の固体電解質燃料電池において、
排空気室から排出される排空気の一部を空気室に再循環させる再循環系を備え、空気室に供給される空気に排空気を混入して空気の温度を高めることを特徴とする固体電解質燃料電池。
【請求項１１】
請求項１０に記載の固体電解質燃料電池において、
燃料外管の外壁には燃料極及び電解質及び空気極が設けられ、
燃料極が燃料を改質する改質触媒となり、
燃料改質反応による吸熱により発電の反応熱の一部を回収すると共に発電の反応熱の残りで空気加熱管を流通する空気を加熱して発電の反応熱を全て回収除去することを特徴とする固体電解質燃料電池。
【請求項１２】
請求項１乃至請求項１１のいずれかに記載の固体電解質燃料電池と、
固体電解質燃料電池に燃料を供給する燃料供給系と、
固体電解質燃料電池の排空気及び排ガスが混合されて燃焼される混合手段と、
混合手段で燃焼された燃焼ガスが送られると共に空気供給手段から送られる空気と熱交換を行って空気を加熱する空気加熱手段と、
空気加熱手段で加熱された空気を固体電解質燃料電池に供給する空気供給系と、空気加熱手段で熱交換された燃焼ガスが送られる排熱回収ボイラと
を備えたことを特徴とする固体電解質燃料電池発電設備。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は固体電解質燃料電池（ＳＯＦＣ）及び固体電解質燃料電池発電設備に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５、図６に基づいて従来の固体電解質燃料電池（ＳＯＦＣ）の構成を説明する。図５には従来のＳＯＦＣの概略構成を表す斜視状況、図６には従来のＳＯＦＣの概略断面を示してある。
【０００３】
ＳＯＦＣ１は高温｛電解質がＹＳＺ（Ｙｔｔｒｉａ　Ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ　Ｚｉｒｃｏｎｉａ）の場合は９００〜１０００℃｝で作動する燃料電池であり、断熱・保温材で内貼りされた容器（ケーシング）２に収納される。ケーシング２の内部は、上部より、燃料室管板３、排ガス室管板４、空気室管板５及び排空気室管板６で仕切られ、燃料室７、排ガス室８、電池室９、空気室１０及び排空気室１１が形成されている。空気室管板５には電池室９と空気室１０とを連通する多数の分散孔５ａが設けられている。
【０００４】
電池室９の内部には電池管１２が配設され、電池管１２は外管１３と内管１４の２重管構造で構成されている。電池管１２の外管１３の表面には燃料極、電解質、空気極を備えた電池が形成されている。２重管構造の電池管１２の内管１４及び外管１３はそれぞれ燃料室管板３及び排ガス室管板４で支持されている。内管１４は両端部が開放状態にされ、外管１３は下端部が閉じられて上端部のみが開放状態にされている。
【０００５】
電池室９の内部には両端が開口状態とされた排空気管２０が配設され、排空気管２０の下端は排空気室１１に開口した状態で排空気室管板６に支持され、空気室１０を貫通して電池室９に上端部が伸びて上端が電池室９に開口している。
【０００６】
燃料室７には燃料供給管１５が接続され、排ガス室８には排ガス排出管１６が接続されている。また、空気室１０には空気供給管１７が接続され、排空気室１１には空気排出管１８が接続されている。
【０００７】
燃料供給管１５から燃料室７に供給された燃料は燃料室７から内管１４に送られ、内管１４の下端部で反転し内管１４と外管１３の間のアンニュラー部を上昇して排ガス室８に送られる。空気供給管１７から空気室１０に供給された空気は分散孔５ａから電池室９に供給される。外管１３の表面の電池で電池反応をした排空気は上端から排空気管２０に送られ、排空気管２０の下端から排空気室１１に送られる。
【０００８】
上述したＳＯＦＣ１では、供給された燃料の保有する化学エネルギーの４０〜５０％が空気に直接変換され、４０〜５０％が反応熱（電池反応には、束縛エネルギーの変化および内部抵抗（ジュール熱等）による熱発生が伴い、これを反応熱と総称する）が発生し、残りが未反応成分となる。
【０００９】
一方、ＳＯＦＣ１は９００〜１０００℃で動作するので、電池室９の全域を所定の適正温度（Ｔｏｐ）に一様保持することが必要である。即ち、連続して安定な発電を継続するためには、所定量の燃料及び反応空気を前記温度レベルの保持に適した温度に昇温して電池部に供給し、反応生成物および未反応物の連続排出と余剰の反応熱の連続的排出を行って、電池作動条件を一定に保持することが必要である。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
反応熱除去と電池室内部温度の均一化に関し、電池部の温度を所定温度に保持するための余剰反応熱排出の方法には下記の４方法が考えられている。
【００１１】
ａ．燃料の内部改質（吸熱反応）による反応熱の吸収
ＳＯＦＣ１における電池反応に有効な燃料成分はＨ２　及びＣＯであるので、例えば、燃料がメタン（ＣＨ４　）であれば改質して、ＣＯとＨ２　にすることが必要である。この反応は下記の通り吸熱反応であるので、この改質反応を電池部近傍で行わせる（内部改質）ことにより、反応熱の一部を燃料に回収することができる。
ＣＨ４　＋Ｈ２　Ｏ　→　ＣＯ＋３Ｈ２　−２０６．３　ｋＪ／ｍｏｌ
しかし、メタンの低位発熱量は８０１ｋＪ／ｍｏｌであり、その約５０％が反応熱になるとすれば反応熱量は約４００ｋＪ／ｍｏｌであるので、内部改質だけで温度制御（反応熱除去）することはできない。
【００１２】
ｂ．燃料及び反応空気の供給温度の低下
内部改質だけでは必要な熱除去ができないので、燃料Ｗｆ（ｋｇ）および空気Ｗａ（ｋｇ）を所定の電池動作温度（Ｔｏｐ）以下の温度（それぞれＴｆｉ、Ｔａｉ）で供給することが必要である。空気および燃料による吸熱量は次式で表すことができる。
Ｑａｆ＝Ｗａ×Ｃａ×（Ｔｏｐ−Ｔａｉ）＋Ｗｆ×Ｃｆ×（Ｔｏｐ−Ｔｆｉ）
ここで、Ｃａ及びＣｆはそれぞれ空気および燃料の比熱である。
【００１３】
内部改質を行い、燃料および空気の低温供給により反応熱吸収（温度制御）を行う場合の必要空気温度は、例えば、理論燃空比の空気量を供給する場合では、約３００℃の低温で供給することが必要になる。このような低い温度の空気および燃料をＳＯＦＣ１に供給すると、導入部は電池動作温度より温度が低下し電池機能が著しく低下する。この結果電池効率が低下した発電量が減少するので（電池面積当りの発電量減少）電池の大型化を要する。即ち、電池部供給温度を適正温度以下に低下することは合理的な手段にならない。
【００１４】
ｃ．空気量の増加
上記ｂ．項のように供給空気温度の低下は電池機能の観点から制限されるので、供給空気の温度Ｔａｉと電池動作温度Ｔｏｐとの差を少なくし、供給空気量Ｗａの増加により余剰反応熱の吸熱量を増加する方法がある。即ち、電池からの排空気および排ガスの保有熱を利用して、外部熱交換器により供給空気の温度を電池作動温度近傍の適正温度に上げ、供給空気量の増加により余剰熱を吸収除去し電池温度を適正温度Ｔｏｐに保持する方法である。
【００１５】
この方法においては、排空気量増加による外部に排出される熱量（排ガス保有熱）の増加に伴う熱損失の増加およびファン動力の増加により効率低下と、熱交換器の大型化の問題が付随する。
【００１６】
ｄ．冷却媒体による熱除去
電池内部に第三の熱除去媒体を用いた熱交換器を設置し熱除去する方法や、蒸気の注入方法の適用も可能であるが、何れにおいても、上記ｂ．項に類似した温度低下やｃ．項の電池部から外部への排出熱量増加や補機動力増加による発電効率の低下が伴う。
【００１７】
上記構成のＳＯＦＣ１は、通風機により空気が供給され、排空気と排ガスとが混合されて燃焼された燃焼ガスとの間で空気が空気加熱器で加熱される。そして、熱交換された燃焼ガスは排熱回収ボイラで熱回収されて煙突から大気開放される。排熱回収ボイラでは、燃焼ガスの熱により給水が飽和水とされたり蒸気とされ、生成された飽和水や蒸気は必要機器に供給される。
【００１８】
このようなＳＯＦＣ１を適用したプラントにおいては、供給空気の温度をＳＯＦＣ１の機能温度以上に上げ（但し、十分に高いということではない）、空気量の増加により余剰反応熱の吸収による除熱を行う方法が採られている。
【００１９】
このため、排ガス量が増加して排ガス保有熱量が増加し、電池の発電効率低下および通風機の動力増加によるプラント性能低下の問題が生じる。また、燃焼ガスにより空気を加熱する空気加熱器が大型化し、空気を高温にするために燃焼ガス（排ガス）の保有熱が損失する問題があった。
【００２０】
即ち、ＳＯＦＣ１は空気加熱器が電池室９の内部に設置されていない（内部加熱ではない）ので、電池反応による発生熱は電池内部における空気の内部加熱に利用されない。従って、電池室外部に設置した空気加熱器（外部空気加熱器）により予め電池作動温度に近い温度に加熱した空気を電池に供給することが必要となる。
【００２１】
このため、単位流量当りの空気の反応熱吸収量（吸熱効果）は小さいので、反応余剰熱排出のために空気量増加（空気比＞２．５）が必要となる。空気量の増加は、即ち、排ガス量の増加と排ガス保有熱の増加となり、外部熱交換器の大型化や補機動力の増大を伴い電池の送電端発電量の減少、即ち、効率低下となる。また、排熱ボイラの熱損失も増大しプラント熱効率が低下する。
【００２２】
以上のように、ＳＯＦＣ１を適用したプラントでは、電池室内部における反応熱の吸熱除去（空気の内部加熱）が少ない場合は、空気量の増加が必要になり、排ガス保有熱損失の増大、外部熱交換器及び通風機等の補器の大型化、消費電力の増加により発電効率およびプラント熱効率の低下が生じる。
【００２３】
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、大量の空気を供給することなく必要最小限の空気量の供給で電池部の温度を所定温度に保持するための余剰反応熱の除去が行える固体電解質燃料電池を提供することを目的とする。
【００２４】
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、大量の空気を供給することなく必要最小限の空気量の供給で電池部の温度を所定温度に保持するための余剰反応熱の除去が行える固体電解質燃料電池を備えた固体電解質燃料電池発電設備を提供することを目的とする。
【００２５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明の固体電解質燃料電池は、管内もしくは管外のいずれか一方に供給される燃料と燃料が供給されない管外もしくは管内のいずれか一方に供給される空気中の酸素とを電解質を介して電池反応させて発電する燃料電池管を複数備え、空気が供給される部位に空気加熱管を設け、空気加熱管を通して空気を供給することで発電の反応熱を回収することで空気を加熱して供給することを特徴とする。
【００２６】
そして、請求項１に記載の固体電解質燃料電池において、
反応を終えた排空気の一部を空気加熱管の入口側に再循環させる再循環系を備え、空気加熱管に供給される空気に排空気を混入して空気の温度を高めることを特徴とする。
【００２７】
また、請求項１もしくは請求項２のいずれか一項に記載の固体電解質燃料電池において、
空気加熱管は複数設けられ、空気加熱管に送給される空気の圧力を均一に維持する均一維持機構を備えたことを特徴とする。
【００２８】
上記目的を達成するための本発明の固体電解質燃料電池は、管内もしくは管外のいずれか一方に供給される燃料と燃料が供給されない管外もしくは管内のいずれか一方に供給される空気中の酸素とを電解質を介して電池反応させて発電する燃料電池管を複数備え、反応を終えた排空気の一部を空気供給部に再循環させる再循環系を備え、供給される空気に排空気を混入して供給される空気の温度を高めることを特徴とする。
【００２９】
また、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の固体電解質燃料電池において、
管の壁面に燃料を改質する改質触媒を設け、燃料改質反応による吸熱により発電の反応熱の一部を回収すると共に空気加熱管を通して空気を供給することで発電の残りの反応熱により空気を加熱して供給することを特徴とする。
【００３０】
また、請求項５に記載の固体電解質燃料電池において、
改質触媒は燃料極であることを特徴とする。
【００３１】
また、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の固体電解質燃料電池において、
管内に燃料が供給され、管の外壁に燃料極及び電解質及び空気極が設けられていることを特徴とする。
【００３２】
上記目的を達成するための本発明の固体電解質燃料電池は、
容器上部の内部に設けられる燃料室と、
燃料室の下部に設けられ燃料室管板により仕切られる排ガス室と、
排ガス室の下部に設けられ排ガス室管板により仕切られる電池室と、
電池室の下部に排空気室管板により仕切られて設けられる排空気室と、
排空気室の下部に設けられ空気室管板により仕切られる空気室と、
両端が開放され上端部が燃料室に開口して配されると共に下端部が電池室に配される燃料内管と、
下端が閉じられると共に上端が開放されて燃料内管の外側に配され下端部が燃料内管の開口を覆うと共に上端部が排ガス室に開口して配される多孔質状の燃料外管と、
排空気室管板に設けられる多数の排空気排出孔と、
両端が開放され上端部が電池室の上方に配され下端部が空気室に開口する空気加熱管と、
燃料外管の外周に配される電池セルとを備え、
燃料室に燃料が供給されることにより燃料内管を通って下端部から燃料外管に燃料が送られると共に空気室に空気が供給されることにより空気加熱管を流通して電池室に空気が送られ、
多孔質状の燃料外管の壁部を通過した燃料と空気中の酸素とが電解質を介して電池反応されて発電され、
燃料外管内の未燃燃料を含む排ガスが燃料外管を流通して排ガス室に送られると共に電池室の排空気が排空気排出孔を通過して排空気室に送られ、
空気加熱管を流通する空気が発電の反応熱により加熱される
ことを特徴とする。
【００３３】
そして、請求項８に記載の固体電解質燃料電池において、
空気加熱管は複数設けられ、複数の空気加熱管に供給される空気量が均一になるように空気加熱管の入口部にオリフィスを設けたことを特徴とする。
【００３４】
また、請求項８もしくは請求項９に記載の固体電解質燃料電池において、
排空気室から排出される排空気の一部を空気室に再循環させる再循環系を備え、空気室に供給される空気に排空気を混入して空気の温度を高めることを特徴とする。
【００３５】
また、請求項１０に記載の固体電解質燃料電池において、
燃料外管の外壁には燃料極及び電解質及び空気極が設けられ、
燃料極が燃料を改質する改質触媒となり、
燃料改質反応による吸熱により発電の反応熱の一部を回収すると共に発電の反応熱の残りで空気加熱管を流通する空気を加熱して発電の反応熱を全て回収除去することを特徴とする。
【００３６】
上記目的を達成するための本発明の固体電解質燃料電池発電設備は、
請求項１乃至請求項１１のいずれかに記載の固体電解質燃料電池と、
固体電解質燃料電池に燃料を供給する燃料供給系と、
固体電解質燃料電池の排空気及び排ガスが混合されて燃焼される混合手段と、
混合手段で燃焼された燃焼ガスが送られると共に空気供給手段から送られる空気と熱交換を行って空気を加熱する空気加熱手段と、
空気加熱手段で加熱された空気を固体電解質燃料電池に供給する空気供給系と、空気加熱手段で熱交換された燃焼ガスが送られる排熱回収ボイラと
を備えたことを特徴とする。
【００３７】
【発明の実施の形態】
図１乃至図３に基づいて本発明の固体電解質燃料電池（ＳＯＦＣ）の構成を説明する。図１には本発明の一実施形態例に係るＳＯＦＣの概略構成を表す斜視状況、図２には本発明の一実施形態例に係るＳＯＦＣの概略断面、図３には電池管の詳細を表す断面を示してある。
【００３８】
図１、図２に示すように、ＳＯＦＣ３１は高温｛電解質がＹＳＺ（Ｙｔｔｒｉａ　Ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ　Ｚｉｒｃｏｎｉａ）の場合は９００〜１０００℃｝で作動する燃料電池であり、断熱・保温材で内貼りされた容器（ケーシング）３２に収納される。ケーシング３２の内部は、上部より、燃料室管板３３、排ガス室管板３４、排空気室管板３５及び空気室管板３６で仕切られ、燃料室３７、排ガス室３８、電池室３９、排空気室４０及び空気室４１が形成されている。排空気室管板３５には電池室３９と排空気室４０とを連通する多数の排空気排出孔３５ａが設けられている。
【００３９】
電池室３９の内部には電池管４２が多数配設され、電池管４２は燃料外管４３と燃料内管４４の２重管構造で構成されている。２重管構造の電池管１２の内管１４及び外管１３はそれぞれ燃料室管板３３及び排ガス室管板３４で支持されている。
【００４０】
燃料内管４４は両端部が開放状態にされ、燃料外管１３は下端部が閉じられて上端部のみが開放状態にされている。燃料内管１４は両端が開放され上端部が燃料室３７に開口して配されると共に下端部が電池室３９に配されている。燃料外管１３は燃料内管１４の外側に配置され、下端部が燃料内管１４の開口を覆い上端部が排ガス室３８に開口している。燃料外管１３は多孔質状の材料で形成されている。
【００４１】
電池室３９の内部には両端が開口状態とされた空気加熱管４５が多数配設され、空気加熱管４５は排ガス室３８、排空気室管板３５及び空気室管板３６を貫通して下端が空気室４１に開口した状態で空気室管板３６に支持されている。空気加熱管４５の入口部にはそれぞれ絞り４６が設けられ、空気室４１からそれぞれの空気加熱管４５に供給される空気の圧力が均一に維持されるようになっている（均一維持機構）。
【００４２】
尚、均一維持機構としては、空気室４１の流路面積を変化させてそれぞれの空気加熱管４５に供給される空気の圧力を均一に維持する機構を採用することも可能である。
【００４３】
燃料室３７には燃料供給管４７が接続され、排ガス室３８には排ガス排出管４８が接続されている。また、排空気室４０には空気排出管４９が接続され、空気室４１には空気供給管５０が接続されている。
【００４４】
図２に示すように、空気排出管４９と空気供給管５０との間には反応を終えた高温の排空気の一部を再循環させる再循環管５１が設けられ、高温の排空気の一部が空気室４１（空気加熱管４５の入口側）に混入されて空気加熱管４５に供給される空気の温度が高められる。
【００４５】
再循環管５１の合流部位における空気供給管５０には空気供給管５０内の圧力を高くするエジェクター５２が設けられ、エジェクター５２により空気排出管４９と空気供給管５０に圧力差が形成される。エジェクター５２により形成される圧力差により空気排出管４９の排空気の一部が再循環管５１に導かれて空気供給管５０に送られる。
【００４６】
尚、エジェクター５２に代えて空気供給管５０に昇圧通風機等を設けることも可能である。
【００４７】
図１、図２に示すように、電池管４２の燃料外管４３の表面には燃料極、電解質、空気極を備えた電池５３が形成されている。そして、燃料極が燃料を改質する触媒となっており、電池管４２に送られた燃料が内部改質（吸熱反応）されるようになっている。
【００４８】
即ち、図３に示すように、電池管４２の燃料外管４３の表面には燃料極５５、電解質５６及び空気極５７を備えた電池５３が形成されている。燃料極５５は、例えば、ニッケルサーメットで構成され、燃料極５５自身が燃料を改質する触媒となっている。メタン等の燃料は多孔質状の燃料外管４３を通過して燃料極５５で改質されて水素が使用可能となる。空気中の酸素は電子を受けて酸素イオンとなり、電解質５６を燃料側に移動し、燃料極５５で電子を放出してＨ２　Ｏ及びＣＯとなり、発電が行われる。
【００４９】
尚、図３に点線で示したように、電池管４２の燃料内管４４の外側表面に改質用の触媒５９を設け、改質を促進することも可能である。
【００５０】
燃料供給管４７から燃料室３７に供給された燃料は燃料室３７から電池管４２の燃料内管４４に送られ、燃料内管４４の下端部で反転し燃料内管４４と燃料外管４３の間のアンニュラー部を上昇して排ガス室３８に送られる。燃料が燃料内管４４を下降する過程で電池反応による反応熱を吸収し、アンニュラー部の入口では電池反応に必要な温度に上昇すると共に一部改質が行われ電池反応熱を吸収する。アンニュラー部では改質反応と電池反応が行われる。
【００５１】
空気供給管５０から空気室４１に供給された空気は空気加熱管４５に送られて空気加熱管４５内を上昇する。空気供給管５０には空気排出管４９から分岐した排空気の一部が再循環管５１を経由して混入され、空気室４１の空気を昇温させる。空気は空気加熱管４５内を上昇する過程で電池反応熱を吸収し電池反応に必要な温度に加熱されて電池室３９に放出される。
【００５２】
放出された空気は、電池反応を行いながら電池室３９を下降し、排空気室管板３５の空気加熱管４５の貫通部周囲の間隙及び排空気排出孔３５ａを通って排空気室４０に送られる。
【００５３】
上記構成のＳＯＦＣ３１は、２重管構造の電池管４２を燃料が流れるようになっており、燃料内管４４を下降する過程で反応熱を下降して反応熱を吸熱し（加熱され）、アンニュラー部を上昇する過程では改質反応により吸熱する構造となっている。また、空気は空気加熱管４５を上昇する過程で反応熱を吸熱する機能を有する構造となっている。このため、燃料は最大の内部吸熱機能を有する構造である。
【００５４】
上述したＳＯＦＣ３１では、空気および燃料は必要な内部吸熱機能を有するので、空気室４１に供給する空気温度及び燃料室３７に供給する燃料温度をその分低下することができ、供給空気量を減少することができる。しかも、空気加熱管４５から電池室３９に放出される空気は適正温度レベルである。
【００５５】
また、空気排出管４９から分岐した排空気の一部を再循環管５１を経由して空気供給管５０に混入しているので、供給空気の電池室３９の入口温度が上昇し、電池室３９内の温度分布をより均一化することができる。
【００５６】
尚、再循環管５１及びエジェクター５２を省略して排空気の一部を空気供給管５０に混入しない構造とすることも可能である。排空気の一部を混入しない場合であっても、供給される空気は空気加熱管４５を通過する過程で反応熱を吸熱して温度を高めることができる。
【００５７】
また、空気加熱管４５を省略して排空気の一部を空気供給管５０に混入することだけで空気の温度を高める構造とすることも可能である。この場合、電池室３９の簡素化を図ることができる。
【００５８】
また、上述したＳＯＦＣ３１では、電池管４２に燃料を通し電池室３９に空気を供給する構成としたが、電池管４２に空気を通し電池室３９に燃料を供給する構成とすることも可能である。この場合、空気加熱管４５は反応熱を吸熱できる適宜部位に設けられる。
【００５９】
上述した本実施形態例のＳＯＦＣ３１は、ＳＯＦＣ３１の内部空気加熱手段（空気加熱管４５）で余剰の電池反応熱を吸収して空気加熱を行うので、ＳＯＦＣ３１の入口空気温度を下げることができる。このため、供給空気量を減少することができる。空気加熱管４５を適正に分布させることにより、熱吸収の均等化が得られると共に、空気加熱管４５の数の適正化により電池室３９に放出される空気の温度は、電池反応に適正なレベルの温度が得られる。
【００６０】
このように、内部空気加熱方式により反応余剰熱を吸収して空気を加熱するので、ＳＯＦＣ３１への供給空気の温度を低下させることが可能になり、ＳＯＦＣ３１の冷却（反応熱除去）の観点から必要とする空気量を低減することにより、電池内部温度を制御し排空気および排ガスの保有熱を減少し排ガス損失を減少することができる。
【００６１】
また、排空気の再循環により、ＳＯＦＣ３１の入口空気温度を上げることができるので、電池室３９の内部の温度をより均一化することができる。特に、電池室３９に空気加熱管４５を設置しない場合において、電池室３９の入口空気を適正温度レベルに上げることができる。
【００６２】
また、電池管４２を二重管として燃料内管４４に燃料加熱機能を持たせたことにより、燃料加熱器を経ない低温の燃料を供給しても、電池反応熱を吸熱して電池反応部（燃料内管４４の下端部）に燃料が到達する前に電池反応に適正な温度レベルに昇温させることができる。
【００６３】
従って電池性能の低下を伴うことなく反応熱の吸熱除去（温度制御）が可能になり、反応熱排出のための空気量増加が減少し効率低下を避けることができる。
【００６４】
また、燃料極５５に改質機能を有する触媒材料を使用したので、燃料極５５で改質機能を持たせることができる。また、例えば、燃料内管４４の外面に改質触媒機能を有する材料（触媒５９）を塗布または混合することにより、内部改質機能を向上させることができ、改質し難い広範な燃料に対しても内部改質が可能となる。
【００６５】
図４に基づいてＳＯＦＣ３１が適用される発電設備を説明する。図４には本発明の一実施形態例に係る固体電解質燃料電池発電設備の概略系統を示してある。
【００６６】
本実施形態例の固体電解質燃料電池発電設備は、図１乃至図３に示したＳＯＦＣ３１と、空気加熱手段としての外部空気加熱器６１及び排熱回収ボイラ６２を設置したＳＯＦＣ熱併給プラントのシステムとなっている。そして、ＳＯＦＣ３１が２台併設されたプラントとなっている。
【００６７】
尚、図中の符号で７１はＳＯＦＣ３１で得られる電力を直流から交流に変換する直交変換器である。
【００６８】
未反応分を含有する排ガスは、排ガス排出管４８を経て混合手段としての排ガス排空気混合器６３に供給される。また、未反応酸素を含有する排空気は、空気排出管４９を経て排ガス排空気混合器６３に供給される。排ガス排空気混合器６３では、未反応分を含有する排ガスと未反応酸素を含有する排空気とが混合され、未反応燃料が燃焼する。
【００６９】
排ガス排空気混合器６３には燃料分岐路６９が接続され、排熱回収ボイラ６２の発生蒸気または温水の増量に応じ、制御弁７０の開閉制御により必要な燃料が投入される。
【００７０】
未反応燃料の燃焼により高温になった燃焼ガス（排ガス）は外部空気加熱器６１に導入され、外部空気加熱器６１でＳＯＦＣ３１への供給空気と熱交換される。排ガスの保有熱により外部空気加熱器６１の出口における供給空気を必要温度に加熱してＳＯＦＣ３１に供給する。
【００７１】
外部空気加熱器６１で熱交換した排ガスは排ガス管６４を経て排熱回収ボイラ６２に送られ、排熱回収ボイラ６２では排ガスの熱が回収されて給水から蒸気等を発生させる。熱エネルギーがほとんど回収されて所定の温度となった排ガスは、煙突７３から大気へ放出される。
【００７２】
一方、ＳＯＦＣ３１へ供給される空気は通風機６５で昇圧され、外部空気加熱器６１に送られる。外部空気加熱器６１で加熱された空気は空気供給管５０からＳＯＦＣ３１に供給される（空気供給系）。空気供給管５０には起動時に低温空気を加熱する起動用燃焼器６６が設置され、起動用燃焼器６６には燃料分岐路６７から燃料が投入される。尚、図中６８は起動時に燃料分岐路６７を開く制御弁である。
【００７３】
燃料は脱硫装置７２で硫黄分が除去された後、燃料供給管４７から通常運転時はＳＯＦＣ３１に供給される（燃料供給系）。起動時は制御弁６８を開いて燃料分岐路６７から起動用燃焼器６６に燃料が供給される。
【００７４】
上述した固体電解質燃料電池発電設備では、ＳＯＦＣ３１は、少ない空気量で余熱除去が可能であり、しかも、低い温度で供給されても反応温度に近い温度まで昇温されて電池室に供給されるので、小さな外部空気加熱器６１を用いても所望の温度の空気を得ることができる。
【００７５】
また、少ない空気量であるため、昇圧のための通風機６５の消費動力が減少し、送電端発電効率を向上させることができる。
【００７６】
更に、排熱回収ボイラ６２の入口への排ガスの温度が高く維持され排熱回収ボイラ６２での熱回収を行って出口ガスの保有熱を減少させるので、排熱回収ボイラ６２の効率を高めてプラントの熱効率を向上させることができる。
【００７７】
【発明の効果】
本発明の固体電解質燃料電池は、管内もしくは管外のいずれか一方に供給される燃料と燃料が供給されない管外もしくは管内のいずれか一方に供給される空気中の酸素とを電解質を介して電池反応させて発電する燃料電池管を複数備え、空気が供給される部位に空気加熱管を設け、空気加熱管を通して空気を供給することで発電の反応熱を回収し空気を加熱して供給するようにしたので、空気加熱管を流通する空気を加熱することで余剰の電池反応熱を吸収することができ、入口の空気温度を下げて供給空気量を減少することができる。
【００７８】
従って、供給空気の温度を低下させることが可能になり、固体電解質燃料電池の冷却（反応熱除去）の観点から必要とする空気量を低減することにより、電池内部温度を制御し排空気および排ガスの保有熱を減少し排ガス損失を減少することができる。
【００７９】
この結果、大量の空気を供給することなく必要最小限の空気量の供給で電池部の温度を所定温度に保持するための余剰反応熱の除去が行える固体電解質燃料電池とすることが可能になる。
【００８０】
そして、請求項１に記載の固体電解質燃料電池において、
反応を終えた排空気の一部を空気加熱管の入口側に再循環させる再循環系を備え、空気加熱管に供給される空気に排空気を混入して空気の温度を高めるようにしたので、排空気の再循環により、入口の空気温度を上げることができ、電池室の内部の温度をより均一化することができる。
【００８１】
また、請求項１もしくは請求項２のいずれか一項に記載の固体電解質燃料電池において、
空気加熱管は複数設けられ、空気加熱管に送給される空気の圧力を均一に維持する均一維持機構を備えたので、
入口の空気の加熱を均一にすることができる。
【００８２】
本発明の固体電解質燃料電池は、管内もしくは管外のいずれか一方に供給される燃料と燃料が供給されない管外もしくは管内のいずれか一方に供給される空気中の酸素とを電解質を介して電池反応させて発電する燃料電池管を複数備え、反応を終えた排空気の一部を空気供給部に再循環させる再循環系を備え、供給される空気に排空気を混入して供給される空気の温度を高めるようにしたので、排空気の再循環により、簡単な構成で入口の空気温度を上げることができ、電池室の内部の温度を均一化することができる。
【００８３】
この結果、大量の空気を供給することなく必要最小限の空気量の供給で電池部の温度を所定温度に保持するための余剰反応熱の除去が行える固体電解質燃料電池とすることが可能になる。
【００８４】
また、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の固体電解質燃料電池において、
管の壁面に燃料を改質する改質触媒を設け、燃料改質反応による吸熱により発電の反応熱の一部を回収すると共に空気加熱管を通して空気を供給することで発電の残りの反応熱により空気を加熱して供給するようにしたので、燃料加熱器を経ない低温の燃料を供給しても、電池反応熱を吸熱して電池反応部に燃料が到達する前に電池反応に適正な温度レベルに昇温させることができ、電池性能の低下を伴うことなく反応熱の吸熱除去（温度制御）が可能になり、反応熱排出のための空気量増加が減少し効率低下を避けることができる。
【００８５】
また、請求項５に記載の固体電解質燃料電池において、
改質触媒は燃料極であるので、燃料極で燃料を改質することが可能になる。
【００８６】
また、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の固体電解質燃料電池において、
管内に燃料が供給され、管の外壁に燃料極及び電解質及び空気極が設けられているので、燃料は最大の内部吸熱機能が得られる。
【００８７】
本発明の固体電解質燃料電池は、
容器上部の内部に設けられる燃料室と、
燃料室の下部に設けられ燃料室管板により仕切られる排ガス室と、
排ガス室の下部に設けられ排ガス室管板により仕切られる電池室と、
電池室の下部に排空気室管板により仕切られて設けられる排空気室と、
排空気室の下部に設けられ空気室管板により仕切られる空気室と、
両端が開放され上端部が燃料室に開口して配されると共に下端部が電池室に配される燃料内管と、
下端が閉じられると共に上端が開放されて燃料内管の外側に配され下端部が燃料内管の開口を覆うと共に上端部が排ガス室に開口して配される多孔質状の燃料外管と、
排空気室管板に設けられる多数の排空気排出孔と、
両端が開放され上端部が電池室の上方に配され下端部が空気室に開口する空気加熱管と、
燃料外管の外周に配される電池セルとを備え、
燃料室に燃料が供給されることにより燃料内管を通って下端部から燃料外管に燃料が送られると共に空気室に空気が供給されることにより空気加熱管を流通して電池室に空気が送られ、
多孔質状の燃料外管の壁部を通過した燃料と空気中の酸素とが電解質を介して電池反応されて発電され、
燃料外管内の未燃燃料を含む排ガスが燃料外管を流通して排ガス室に送られると共に電池室の排空気が排空気排出孔を通過して排空気室に送られ、
空気加熱管を流通する空気が発電の反応熱により加熱されるので、
空気加熱管を流通する空気を加熱することで余剰の電池反応熱を吸収することができ、入口の空気温度を下げて供給空気量を減少することができる。
【００８８】
従って、供給空気の温度を低下させることが可能になり、固体電解質燃料電池の冷却（反応熱除去）の観点から必要とする空気量を低減することにより、電池内部温度を制御し排空気および排ガスの保有熱を減少し排ガス損失を減少することができる。
【００８９】
この結果、大量の空気を供給することなく必要最小限の空気量の供給で電池部の温度を所定温度に保持するための余剰反応熱の除去が行える固体電解質燃料電池とすることが可能になる。
【００９０】
そして、請求項８に記載の固体電解質燃料電池において、
空気加熱管は複数設けられ、複数の空気加熱管に供給される空気量が均一になるように空気加熱管の入口部にオリフィスを設けたので、
入口の空気の加熱を均一にすることができる。
【００９１】
また、請求項８もしくは請求項９に記載の固体電解質燃料電池において、
排空気室から排出される排空気の一部を空気室に再循環させる再循環系を備え、空気室に供給される空気に排空気を混入して空気の温度を高めるようにしたので、
排空気の再循環により、入口の空気温度を上げることができ、電池室の内部の温度をより均一化することができる。
【００９２】
また、請求項１０に記載の固体電解質燃料電池において、
燃料外管の外壁には燃料極及び電解質及び空気極が設けられ、
燃料極が燃料を改質する改質触媒となり、
燃料改質反応による吸熱により発電の反応熱の一部を回収すると共に発電の反応熱の残りで空気加熱管を流通する空気を加熱して発電の反応熱を全て回収除去するようにしたので
燃料加熱器を経ない低温の燃料を供給しても、電池反応熱を吸熱して電池反応部に燃料が到達する前に電池反応に適正な温度レベルに昇温させることができ、電池性能の低下を伴うことなく反応熱の吸熱除去（温度制御）が可能になり、反応熱排出のための空気量増加が減少し効率低下を避けることができる。
【００９３】
本発明の固体電解質燃料電池発電設備は、
請求項１乃至請求項１１のいずれかに記載の固体電解質燃料電池と、
固体電解質燃料電池に燃料を供給する燃料供給系と、
固体電解質燃料電池の排空気及び排ガスが混合されて燃焼される混合手段と、
混合手段で燃焼された燃焼ガスが送られると共に空気供給手段から送られる空気と熱交換を行って空気を加熱する空気加熱手段と、
空気加熱手段で加熱された空気を固体電解質燃料電池に供給する空気供給系と、空気加熱手段で熱交換された燃焼ガスが送られる排熱回収ボイラと
を備えたので、
固体電解質燃料電池は、少ない空気量で余熱除去が可能であり、しかも、低い温度で供給されても反応温度に近い温度まで昇温されて電池室に供給されるので、小さな空気加熱手段を用いても所望の温度の空気を得ることができ、また、少ない空気量であるため、昇圧のための空気供給系の動力の消費動力が減少し、送電端発電効率を向上させることができ、更に、排熱回収ボイラの入口への排ガスの温度が高く維持され排熱回収ボイラでの熱回収を行って出口ガスの保有熱を減少させるので、排熱回収ボイラの効率を高めてプラントの熱効率を向上させることができる。
【００９４】
この結果、大量の空気を供給することなく必要最小限の空気量の供給で電池部の温度を所定温度に保持するための余剰反応熱の除去が行える固体電解質燃料電池を備えた固体電解質燃料電池設備とすることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態例に係るＳＯＦＣの概略構成を表す斜視図。
【図２】本発明の一実施形態例に係るＳＯＦＣの概略断面図。
【図３】電池管の詳細を表す断面図。
【図４】本発明の一実施形態例に係る固体電解質燃料電池発電設備の概略系統図。
【図５】従来のＳＯＦＣの概略構成を表す斜視図。
【図６】従来のＳＯＦＣの概略断面図。
【符号の説明】
３１　固体電解質燃料電池（ＳＯＦＣ）
３２　容器（ケーシング）
３３　燃料室管板
３４　排ガス室管板
３５　排空気室管板
３５ａ　　排空気排出孔
３６　空気室管板
３７　燃料室
３８　排ガス室
３９　電池室
４０　排空気室
４１　空気室
４２　電池管
４３　燃料外管
４４　燃料内管
４５　空気加熱管
４６　絞り
４７　燃料供給管
４８　排ガス排出管
４９　空気排出管
５０　空気供給管
５１　再循環管
５２　エジェクター
５３　電池
５５　燃料極
５６　電解質
５７　空気極
５９　触媒
６１　外部空気加熱器
６２　排熱回収ボイラ
６３　排ガス排空気混合器
６４　排ガス管
６５　通風機
６６　起動用燃焼器
６７，６９　燃料分岐管
６８，７０　制御弁
７１，７２　直交変換器
７２　脱硫装置
７３　煙突
【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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