(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の固体酸化物型燃料電池セルスタックを利用する発電装置であって、
燃料ガスを受入れて改質する複数の改質器と、
各々の改質器からの改質ガスを対応する各々の固体酸化物型燃料電池セルスタックに供給する複数の供給路と、を備えており、
各々の改質器の内部が、燃料ガス受入れ部と、改質触媒が充填された経路と、改質ガス送出し部と、に区画されており、
各々の改質器の燃料ガス受入れ部が第１の配管によって互いに連通しており、
各々の改質器の改質ガス送出し部が第２の配管によって互いに連通していることを特徴とする発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物を用いる燃料電池セルを利用して発電する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体酸化物を用いる燃料電池セルは効率が高く、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。固体酸化物型燃料電池セルを利用して発電するシステムの一例が、特許文献１に記載されている。
【特許文献１】特開２００３−２２９１６４号公報
【０００３】
固体酸化物型燃料電池セルでは、水素や一酸化炭素を酸素と反応させて発電する。その水素や一酸化炭素は、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から得る。これらの燃料ガスに含まれている炭化水素ガスを、水素や一酸化炭素に改質して利用する。
燃料ガスの改質には、改質効率が高い水蒸気改質方式が採用される。水蒸気改質方式では、燃料ガスに水蒸気を混合し、水蒸気が混合した燃料ガスを改質触媒が充填された高温の改質器に通過させることによって、燃料ガスを水素や一酸化炭素に改質する。
【０００４】
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する必要がある。
燃料電池セルは、セルに送込まれた改質ガスの全量を酸素と反応させて発電に利用することができず、一部の改質ガスは酸素と反応しないで燃料電池セルを通過する。通常は、燃料電池セルを通過した改質ガスを再度燃料電池セルに送込む。特許文献１の技術では、燃料電池セルを通過した改質ガスを再度燃料電池セルに送込むのに代えて、燃料電池セルを通過した改質ガスを燃焼させて高温の燃焼ガスを得る。得られた高温の燃焼ガスを利用して改質器を加熱する。
特許文献１の技術は熱効率が高く、燃料電池セルに送込むことが必要な改質ガスを送込むことによって、発電装置が熱的に自立できるものと期待されている。即ち、発電に必要な改質ガスとは別に、改質器を高温に維持して改質反応を持続させるのに必要な加熱用のガスを必要としないシステムが実現できるものと期待されている。
特許文献１の技術では、燃料電池セルを通過した改質ガスを燃焼させ、それによって得られる高温の燃焼ガスを利用して改質器を加熱する。熱効率を高く維持するために、改質器は、燃料電池セルスタック群に隣接して配置されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記の改質器を２以上に分割する方が有利であることがわかってきた。
発電効率を高く保つためには、燃料電池セルスタック群を収容する室を高温に維持する必要がある。セルスタック群収容室内の温度差が大きい場合、室内の低温部を発電効率が高い温度にすると、高温部が熱くなりすぎてしまう。そこで、セルスタック群収容室内の温度差を小さく抑えるのが有利である。温度差を小さく抑えるには、吸熱反応を実行する改質器を２以上に分割して分散配置するのが有利である。改質器を２以上に分割して分散配置することによって発電装置の小型化が促進される利点も得られる。また大型の改質器を１台利用するよりも、２以上に分割された小型の改質器を利用すると、改質触媒の温度ムラを抑えて改質触媒を均一温度に維持するのにも有利である。これらの理由から、改質器を２以上に分割して配置する方が有利であることがわかってきた。
【０００６】
改質器を複数個に分割する場合、燃料ガスが改質器を通過するときの圧力損失が、改質器毎にばらつき易い。改質器による圧力損失は、改質触媒の充填量や改質触媒の充填状態によって異なるが、全ての改質器でそれらを同等とすることは困難である。
改質器によって圧力損失が相違すると、燃料電池セルスタックに送られる改質ガスの量が、燃料電池セルスタックによって異なることになる。圧力損失が小さな改質器から改質ガスが送込まれる燃料電池セルスタックには多量の改質ガスが送込まれ、圧力損失が大きい改質器から改質ガスが送込まれる燃料電池セルスタックには少量の改質ガスが送込まれる。改質ガス量が過剰な燃料電池セルスタックでは、発電に利用されないまま排出される残余燃料が増加して発電効率の低下を招いてしまう。改質ガス量が不足する燃料電池セルスタックでは、発電量が少なくなってしまう。発電装置の発電効率を向上するためには、各燃料電池セルスタックに改質ガスを均等に送込む技術が必要とされる。
【０００７】
本発明では上記の課題を解決する。本発明では、複数の改質器を並列に配置して使用するにも係わらず、各燃料電池セルスタックに均等量の改質ガスを送込むことができる発電装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の発電装置は、複数の固体酸化物型燃料電池セルスタックを利用して発電する。この発電装置は、燃料ガスを受入れて改質する複数の改質器と、各々の改質器からの改質ガスを対応する各々の固体酸化物型燃料電池セルスタックに供給する複数の供給路と、を備えている。この発電装置は、各々の改質器の内部が、燃料ガス受入れ部と、改質触媒が充填された経路と、改質ガス送出し部と、に区画されており、各々の改質器の燃料ガス受入れ部が第１の配管によって互いに連通しており、各々の改質器の改質ガス送出し部が第２の配管によって互いに連通していることを特徴とする。
上記の発電装置によると、第１の配管によって各々の改質器の燃料ガス受入れ部が連通しているので、各々の改質器に流入する燃料ガスの圧力が均等化される。さらに、第２の配管によって各々の改質器の改質ガス送出し部が連通しているので、各々の改質器から対応するセルスタックに送出される改質ガスの圧力が均等化される。従って、複数の固体酸化物型燃料電池セルスタックに均等圧力の改質ガスを安定して送り込むことができる。
セルスタックの数と改質器の数は一致してもよいし、異なっていてもよい。セルスタックの数と改質器の数が一致していれば、セルスタックと改質器が１対１に対応する。セルスタックの数よりも改質器の数が少なければ、一つの改質器に複数のセルスタックが対応する。セルスタックの数よりも改質器の数が多ければ、複数の改質器に一つのセルスタックが対応する。いずれの場合も、複数の固体酸化物型燃料電池セルスタックに均等圧力の改質ガスが送込まれ、セルスタックに送込まれる改質ガスの量が均等化される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の発電装置によると、複数の改質器を使用するにも係わらず、燃料電池セルスタックに供給される改質ガスは均等化され、各々のセルスタックの発電量が均一に調節されて高い発電効率に保たれる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の好適な実施形態を説明する。
（形態１）固体酸化物型の燃料電池セルスタックを用いる発電装置であり、各々の燃料電池セルスタックは水平面内を伸びる。複数のセルスタックが垂直方向に多段に積重ねられている。多段に積重ねられているセルスタック群の両サイドに一対の改質器が配置されている。一対の改質器の燃料ガス受入れ部同士は第１配管で接続され、一対の改質器が燃料ガス通路に対して並列に接続された接続関係が実現される。一対の改質器の各々は改質触媒を収容しており、各々に送込まれた燃料ガスを改質する。一対の改質器の改質ガス送出し部同士は第２配管で接続され、一対の改質器が送出す改質ガスの圧力が等しくされている。一対の改質器の改質ガス送出し部とそれを接続する第２配管は、一対の改質器で改質された改質ガスを共通に受入れる改質ガス受入れ室ということができる。
（形態２）一対の改質器の一方から、積重ねられたセルスタックの偶数段のセルスタック群に改質ガスを送る。他方の改質器から、奇数段のセルスタック群に改質ガスを送る。
（形態３）一方の改質器には、偶数段のセルスタック群に改質ガスを分配するマニホールドが取付けられており、他方の改質器には、奇数段のセルスタック群に改質ガスを分配するマニホールドが取付けられている。
（形態４）一方の改質器は、奇数段のセルスタック群を通過したオフガスを燃焼する燃焼部に隣接して配置され、他方の改質器は、偶数段のセルスタック群を通過したオフガスを燃焼する燃焼部に隣接して配置されている。
【実施例】
【００１３】
（実施例）
本発明の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１０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線断面図であり、図４は図２の部分断面拡大図である。
図１から図３に示すように、発電装置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。
発電装置１０の中心部の第１室４４内には、燃料電池セル１２の複数個が配列されて構成されているセルスタック１４と、酸素を含む空気をセルスタック１４に供給する空気供給部材１６と、予備改質ガス内に含まれるメタンを燃料となる水素や一酸化炭素等に改質する改質器１８と、改質された燃料ガスをセルスタック１４に供給するマニホールド２４等が配設されている。予備改質ガスは、発電装置１０の外部で炭素数２以上のエタン、プロパン等のガスを主にメタンや水素や一酸化炭素等に予備改質したガスである。
【００１４】
図２に明瞭に示されるように、燃料電池セル１２の断面は楕円形状であり、複数の燃料電池セル１２（図２では図の明瞭化のために６本となっているが、実際にはもっと多い）が平行に配置されている。燃料電池セル１２は、水平方向に長く伸びている。
図４は、図２に示すセルスタック１４の断面の拡大図である。図４に示すように、燃料極１２ａは楕円柱形状に形成され、その周面の半分強が固体電解質層１２ｂで覆われ、固体電解質層１２ｂの更に外側を酸素極１２ｃが覆っている。燃料極１２ａの周面の酸素極１２ｃと反対側はインターコネクタ１２ｄで覆われている。燃料極１２ａの内部には長手方向に貫通する５本の燃料ガス通路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の一方の酸素極１２ｃと他方の燃料電池セル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。一方の燃料電池セル１２の酸素極１２ｃは、集電部材２２とインターコネクタ１２ｄを介して、他方の燃料電池セル１２の燃料極１２ａに電気的に接続されている。多数本の燃料電池セル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４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。
【００１５】
セルスタック１４は、燃料電池セル１２の燃料ガス通路２０が略水平面内を伸びるように配列されており、複数本の燃料電池セル１２の燃料ガス通路２０が略水平面内を伸びている。燃料ガス通路が同一水平面内を伸びるセルスタック１４が、垂直方向に５段に配列されている。セルスタック１４を上段から順に、１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅということにする。
【００１６】
図１と図３に示すように、セルスタック１４ａの上流側（図１の右側）は、マニホールド２４ａを介して、改質器１８ａに接続されている。改質器１８ａとマニホールド２４ａは配管３０ａによって接続されている。セルスタック１４ｃと１４ｅも同様にして改質器１８ａに接続されている。セルスタック１４ｂの上流側（図１の左側）は、マニホールド２４ｂを介して、改質器１８ｂに接続されている。改質器１８ｂとマニホールド２４ｂは配管３０ｂによって接続されている。セルスタック１４ｄも同様にして改質器１８ｂに接続されている。
セルスタック１４ａ、１４ｃ、１４ｅの燃料ガス通路２０には、改質器１８ａで改質された燃料ガスが送り込まれる。セルスタック１４ａ、１４ｃ、１４ｅの改質器１８ａから遠い方の端部では燃料ガス通路２０が開放されており、発電のために消費されなかった燃料ガスが放出される。セルスタック１４ｂ、１４ｄの燃料ガス通路２０には、改質器１８ｂで改質された燃料ガスが送り込まれる。セルスタック１４ｂ、１４ｄの改質器１８ｂから遠い方の端部では燃料ガス通路２０が開放されており、発電のために消費されなかった燃料ガスが放出される。セルスタック１４ａ、１４ｃ、１４ｅは、マニホールド２４ａ、２４ｃ、２４ｅによって片持ち状に支持され、セルスタック１４ｂ、１４ｄは、マニホールド２４ｂ、２４ｄによって片持ち状に支持されている。
セルスタック１４ａ、１４ｃ、１４ｅと、セルスタック１４ｂ、１４ｄは、反対方向に伸びている。上下方向に多段に配列されているセルスタック１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅは、上下方向において、交互に反対向きに配列されている。
【００１７】
一対の改質器１８ａ、１８ｂは、基本的に同一構成を備えている。以下では添字を省略して共通に説明する。改質器１８は、金属製の薄い箱形状のケーシングと、その内で蛇行する経路（図示省略）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。改質器１８に導入される予備改質ガスは、燃料ガス受入れ部から、改質触媒が充填された経路を通過して、改質ガス送出し部から導出される。図１に示すように、一対の改質器１８ａ、１８ｂは、セルスタック１４群を挟んで、平行に配設されている。一対の改質器１８ａ、１８ｂは、上部の２箇所の角部で２本の渡り配管２８ａ（第１連通部に相当する）、２８ｂ（第２連通部に相当する）によって接続されている。燃料ガス導入管２６から送られた予備改質ガスは一方の改質器１８ａの燃料ガス受入れ部に導入され、渡り配管２８ａを経て、他方の改質器１８ｂの燃料ガス受入れ部にも導入される。改質器１８ａ、１８ｂ内に導入された予備改質ガス中のメタンは、改質触媒によって、改質器１８内を通過する間に主に水素や一酸化炭素からなる燃料ガスに改質される。
渡り配管２８ｂは、２つの改質器１８ａ、１８ｂの出口圧力の均衡を調整するために配設されており、改質器１８ａの改質ガス送出し部と改質器１８ｂの改質ガス送出し部とを接続している。配管３０ａ、３０ｃ、３０ｅ（供給路に相当する）は、改質器１８ａの改質ガス送出し部を介して連通し、配管３０ｂ、３０ｄ（供給路に相当する）は、改質器１８ｂの改質ガス送出し部を介して連通している。改質器１８ａの改質ガス送出し部と、改質器１８ｂの改質ガス送出し部と、渡り配管２８ｂによって、改質ガス受入れ室が形成される。該改質ガス受入れ室には改質器１８ａで改質された燃料ガスと、改質器１８ｂで改質された燃料ガスが流入し、混合され、略均等な圧力となって配管３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅ（分配路に相当する）へ送出される。
【００１８】
配管３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅは、絞り径を調整可能なオリフィス３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄ、３２ｅを備えている。オリフィス３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄ、３２ｅの絞り径は、配管３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅの配管抵抗が互いに等しくなるように増減調整されている。
以下添字を略して共通に説明する。配管３０（分岐路に相当する）のオリフィス３２の配管抵抗は、マニホールド２４とセルスタック１４の配管抵抗を無視できる程度に大きい。改質された燃料ガスが、配管３０、マニホールド２４およびセルスタック１４を通過する際の圧力損失は、改質された燃料ガスが配管３０のみを通過する際の圧力損失とほぼ同程度である。上記は配管３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅに共通している。
配管３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅの入口圧力は、改質器１８ａ、１８ｂおよび渡り配管２８ｂによって、略均等化されている。配管３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅへ流入した燃料ガスが、対応するセルスタック１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅの端部から放出されるまでの圧力損失は、略均等である。さらにセルスタック１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅの端部は、第１室４４内で開放されており、その出口圧力は略均等である。
上記の構成とすることにより、改質器１８ａ、１８ｂで改質された燃料ガスは、配管３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅへ略均等な流量で分配される。
【００１９】
図１〜図３に示すように、空気供給部材１６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１６の両側面には略水平に伸びる邪魔板５２ａ、５２ｂが形成されている。邪魔板５２ａは、上段の燃料電池セル１２の上流側に向けて取付けられており、水平に伸びている。邪魔板５２ｂは、上段の燃料電池セル１２の下流側に向けて取付けられており、端部が若干上向きに取付けられている。空気供給部材１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅは、セルスタック１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅのそれぞれの下方に配設されており、５つの空気供給部材１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅが上下方向に５段に配設されている。各空気供給部材１６の両端部は夫々空気供給管５０に連通している。空気供給管５０は金属製であり、図１と図２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５０、５０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１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅは、両端が空気供給管５０によって支持されており、強度が高い。
図３に示すように、セルスタック１４の燃料ガス通路２０は紙面の左右方向に伸びており、空気供給部材１６は紙面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１４は、両持ち状の空気供給部材１６に対してパッキン６２を介して載置されており、片持ち状のセルスタック１４は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。
【００２０】
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１から図３に示すフィン５４が取付けられている。特に図３に示すように、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〜図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２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１から図３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。
【００２１】
図１と図２に示すように、外仕切壁３８は、側壁の下端から下方に伸びる固定用壁３８ａによって外壁４０の底板に固定されている。第２室４６の底板は第３室４８の底板から持ち上げられている。両底板の間隙は第３室４８の一部を構成する。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、側壁の下端から下方に伸びる固定用壁３６ａによって外仕切壁３８の底板に固定されている。第１室４４の底板は第２室４６の底板から持ち上げられている。両底板の間隙は第２室４６の一部を構成する。固定用壁３６ａにも複数個の穴３６ｂが形成されており、空気の流通が自在となっている。
外壁４０の底板と外仕切壁３８の底板の間は、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。外仕切壁３８の底板と内仕切壁３６の底板の間は、第２室４６の一部であり、そこに燃焼ガス導出管５８が連通している。
【００２２】
第３室４８は、発電装置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、発電装置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で生成された燃焼ガスが通過する。第１室４４は燃料電池セル群収容室として利用される。
空気は第３室４８を下方から上方に移動する。燃焼ガスは第２室４６を上方から下方に通過する。通過方向が逆であり、両者の間で活発な熱交換が行われる。
第１室４４の外形はほぼ立方体である。第２室４６の外形もほぼ立方体である。第３室４８の外形もほぼ立方体である。発電装置１０は、最小表面積で最大容積を収容する６面体であり、放熱量が少ない。
後記するように、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、燃料電池セルを収納する第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。
【００２３】
発電装置１０内の動作を説明する。
燃料ガス導入管２６から改質器１８ａ、１８ｂに送られた予備改質ガスは、改質器１８ａ、１８ｂ内で、水素と一酸化炭素を含む燃料ガスに改質され、配管３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅに均等な流量で分配される。改質された燃料ガスは、配管３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅから各マニホールド２４を経由して各燃料電池セル１２へ送られ、各燃料電池セル１２内の燃料ガス通路２０に流入する。
空気導入管３４から第３室４８に送られた空気は、フィン５４の間をすり抜けて上部に達し、外壁４０の上面に沿って流れ、第３室４８に開口している空気供給管５０内に流入する。空気は、空気供給管５０を下方に移動しながら、５つの空気供給部材１６に流入し、全ての空気供給口１６ｆから流出する。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層１２ｂを通過して燃料極１２ａに至り、水素または一酸化炭素と反応し、酸素極１２ｃと燃料極１２ａの間に電位差を発生させる。すなわち、発電する。
【００２４】
本実施例では、配管３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅから、セルスタック１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅへ均等に分配された燃料ガスが供給される。各燃料電池セル１２に好適な量の燃料ガスが供給され、燃料ガス量の不足による発電量の低下や、燃料ガス量の過多による余剰燃料ガスの排出が防止される。
【００２５】
発電時、燃料ガスは上流から下流へ向かってセルスタック１４内を水平に流れる。燃料ガスは上流から下流へ流れる間に発電熱によって徐々に加熱されていく。
本実施例の燃料電池では、燃料電池セル１２が水平方向に伸びているのに対し、空気が上方に移動する関係が得られ、燃料電池セル１２の温度勾配に交差する有酸素ガスの流れが生み出される。燃料電池セル１２を冷却する空気に燃料電池を冷却した熱が累積していくことが抑制され、第１室４４内の温度差が減少する。
【００２６】
本実施例では、セルスタック１４の下方に配置されている空気供給部材１６の広い範囲に空気供給口が分散配置されており、セルスタック１４の下側全体に空気が分散して供給される。
本実施例では、加熱されやすいセルスタック１４の下流側に多量の空気が供給され、加熱されにくいセルスタック１４の上流側に少量の空気が供給されるように、空気供給口１６ｆの密度と開口面積が調整されている。
【００２７】
本実施例では、セルスタック１４の直下に熱伝導性の高い金属で形成された空気供給部材１６が配置されている。空気供給部材１６は熱伝導性が高く、加熱されやすいセルスタック１４の下流側から加熱されにくいセルスタック１４の上流側に伝熱する。
熱伝導性の空気供給部材１６とセルスタック１４の間には、パッキン６２が介在しており、直接には接触していない。それでも、熱伝導性の空気供給部材１６は、セルスタック１４の上流側と下流側の温度差を小さく抑える。加熱されやすいセルスタック１４の下流流側では、輻射が活発に起こって熱伝導性の空気供給部材１６に熱を伝える。セルスタック１４の下流側の温度は低下する。輻射によって加熱された熱伝導性の空気供給部材１６は、熱伝導によって低温部を加熱する。加熱された空気供給部材１６は、相対的に低温なセルスタック１４の上流側に向けて輻射し、セルスタック１４の上流部を加熱する。熱伝導性の空気供給部材１６がセルスタック１４に直接には接触していなくても、近接して位置しているために、熱伝導性の空気供給部材１６は、セルスタック１４の高温部から低温部に伝えられる熱エネルギーの移動を促進する。
【００２８】
本実施例では、セルスタック１４が垂直方向に５段に配列されている。上下方向に隣接するセルスタック１４の間は、空気供給部材１６と邪魔板５２ａ、５２ｂによって仕切られており、下段のセルスタック１４を冷却することによって自らは加熱された空気で上段のセルスタック１４を冷却するものではない。各段のセルスタック１４毎に、冷却兼発電用の空気が送られてくる。熱環境が等しいセルスタック１４が上下方向に５段に配列されるだけであり、第１室４４内の上下方向の温度差が抑制される。
【００２９】
本実施例では、空気供給部材１６がガス流遮断板を兼用している。余分な部材を利用しないで、空気供給部材１６がガス流遮断板を形成することができる。空気供給部材１６がガス流遮断板を兼用するほど広く広がっているために、空気供給部材１６から供給される空気がセルスタック１４の全体を加熱前の空気で一様によく冷却する。
【００３０】
燃料電池セル１２に供給される燃料ガスの例えば８０％が発電に利用される場合、発電に利用されなかった２０％の燃料ガス（オフガス）は、燃料ガス通路２０を通過して先端から流出する。また、燃料電池セル１２に供給される空気の例えば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に沿って燃料電池セル１２の下流側へ誘導される。
各燃料電池セル１２の先端近傍には夫々スパーク電極６０が配設されている。スパーク電極６０が火花放電することによって、燃料電池セル１２の先端から流出する燃料ガスのオフガスと、燃料電池セル１２の下流側へ誘導される空気のオフガスが燃焼する。改質器１８は燃料電池セル１２の先端に近接していることから、燃料ガスのオフガスと空気のオフガスとの燃焼によって発生する燃焼熱を改質反応の吸熱反応に効率よく利用することができる。
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は材質が限られ、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、燃焼ガスの熱は吸熱され改質に利用される。燃焼熱でまず改質器１８を加熱するために、燃焼ガスの温度は低下する。このために、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。
【００３１】
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、供給する空気の温度を予加熱しておく必要がある。
上昇した燃焼ガスは、第１室４４の上面に沿って第２室４６に流入する。第２室４６内に流入した燃焼ガスは、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、燃焼ガス導出管５８から発電装置１０の外部に導出される。
このとき、空気導入管３４から導入された予加熱された空気（約２００℃）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している。従って、第２室４６を通過する燃焼ガスと、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、空気を約６５０℃まで予加熱しておくことができる。なお、約５００℃まで温度低下した燃焼ガスは、発電ユニット１０の外部で実施する燃料ガスの予備改質（吸熱反応）の加熱源として利用することができ、さらには空気の予熱に利用することもできる。
【００３２】
本実施例では、燃料と空気のオフガスが燃焼する位置が、上下方向において、交互に反対側に位置する関係に設定されている。このために、燃料電池セル群を収納する第１室４４内の温度分布は、水平方向にも上下方向にも均一化されている。最大温度差でも５０℃程度であり、第１室４４内の温度は８００〜８５０℃の範囲に抑えられる。
【００３３】
また、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、燃料と空気のオフガスの燃焼熱だけで、燃料電池セル群を収容する第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。すなわち、熱自立することができる。
【００３４】
以上の実施例では、筒状の燃料極を燃料ガス通路が貫通している燃料電池セルの例を説明したが、燃料極と燃料ガス通路の関係はそれに限らない。例えば、ポーラスの物質の中に燃料ガス通路を設け、その表面に、内側から、燃料極、固体電解質、酸素極の順に積層された積層構造を付着したような燃料電池セルであってもよい。要は、燃料極と固体電解質と酸素極の積層体の燃料極側に燃料ガスが供給され、酸素極側に有酸素ガスが供給されるものであり、かつ、燃料電池セルの外側に供給される有酸素ガスが、前記積層体を通して燃料電池セル側に用意されている燃料ガス通路に侵入するものであれば足りる。
【００３５】
以上の実施例では、複数の改質器が並列に配置された場合について、改質された燃料ガスの流量を均等化する例を説明した。発電装置内に複数の予備改質器を設けて、発電装置内で燃料ガスの予備改質と通常の改質の双方を行う場合には、予備改質器の下流に共通の予備改質ガス受入れ室を設けることで、予備改質ガスを均等に分配することができる。
【００３６】
（参考例）
本発明の参考例を図５に示す。発電装置１００の下部に燃料電池セル群収容室１１８が配置され、中間高さに燃焼室１２２が配置され、上部に熱交換室１２４が配置されている。
図示されない燃料ガス供給路から受入れられた燃料ガスは、改質器１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ、１０８ｄに分配される。
改質器１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ、１０８ｄは、内部に改質触媒が充填された筒状部材であり、その内部を通過する燃料ガスを改質する。
改質器１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ、１０８ｄは、図示されない燃料ガス配管によってタンク１１２（改質ガス受入れ室）へ連通しており、改質された燃料ガスを、タンク１１２へ送出する。
タンク１１２は、改質器１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ、１０８ｄから流入する燃料ガスを受け入れ、燃料ガスの圧力を均等化する。タンク１１２で圧力を均等化された燃料ガスは、配管１２６ａ、１２６ｂ、１２６ｃ、１２６ｄ（分配路に相当する）に分配される。
【００３７】
配管１２６ａ、１２６ｂ、１２６ｃ、１２６ｄは、絞り径が固定されたオリフィス１２８ａ、１２８ｂ、１２８ｃ、１２８ｄを備えている。オリフィス１２８ａ、１２８ｂ、１２８ｃ、１２８ｄの絞り径は、配管１２６ａ、１２６ｂ、１２６ｃ、１２６ｄの配管抵抗が互いに等しくなるように選定されている。
以下添字を略して共通に説明する。配管１２６（分岐路に相当する）のオリフィス１２８の配管抵抗は、燃料ガス通路１１４の配管抵抗を無視できる程度に大きい。改質された燃料ガスが、配管１２６、燃料ガス通路１１４を通過する際の圧力損失は、改質された燃料ガスが配管１２６のみを通過する際の圧力損失と略同程度である。上記は配管１２６ａ、１２６ｂ、１２６ｃ、１２６ｄに共通している。
配管１２６ａ、１２６ｂ、１２６ｃ、１２６ｄの入口圧力は、タンク１１２によって、均等化されている。配管１２６ａ、１２６ｂ、１２６ｃ、１２６ｄへ流入した燃料ガスが、対応する燃料ガス通路１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃ、１１４ｄの端部から放出されるまでの圧力損失は、略均等である。さらに燃料ガス通路１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃ、１１４ｄの端部は、燃焼室１２２内で開放されており、その出口圧力は略均等である。
上記の構成とすることにより、改質器１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ、１０８ｄで改質された燃料ガスは、配管１２６ａ、１２６ｂ、１２６ｃ、１２６ｄを経由して、燃料ガス通路１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃ、１１４ｄに略均等な流量で分配される。
【００３８】
燃料ガス通路１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃ、１１４ｄは、燃料電池セル１１６ａ、１１６ｂ、１１６ｃ、１１６ｄを貫通しており、筒状の燃料電池セル１１６ａ、１１６ｂ、１１６ｃ、１１６ｄの内側に形成されている燃料極に燃料ガスを供給する。燃料ガス通路１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃ、１１４ｄは、垂直方向上方に伸びている。
筒状の燃料電池セル１１６ａ、１１６ｂ、１１６ｃ、１１６ｄの外側に酸素極が配置されており、その酸素極に有酸素ガス（この場合は空気）を供給する有酸素ガス通路１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃが、燃料電池セル１１６ａ、１１６ｂ、１１６ｃ、１１６ｄの間隙に挿入されている。有酸素ガス通路１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃはパイプ状であり、垂直方向に伸びており、下端から有酸素ガスを噴出す。有酸素ガスを噴出す様子が矢印１１０で図示されている。有酸素ガス受け入れ口１０４から、加圧された有酸素ガスが受け入れられる。
筒状の燃料電池セル１１６ａ、１１６ｂ、１１６ｃ、１１６ｄの外側に形成されている酸素極に送り込まれた酸素は、イオン化した状態で、筒状の燃料電池セル１１６ａ、１１６ｂ、１１６ｃ、１１６ｄの中間に形成されている固体電解質を通過し、筒状の燃料電池セル１１６ａ、１１６ｂ、１１６ｃ、１１６ｄの内側に形成されている燃料極に移動し、そこで燃料ガスと反応して、酸素極と燃料極の間に電位差を発生させる。
筒状の燃料電池セル１１６ａ、１１６ｂ、１１６ｃ、１１６ｄの内側に送り込まれた燃料ガスの一部は、酸素と反応することなく筒状の燃料電池セル１１６ａ、１１６ｂ、１１６ｃ、１１６ｄを通過する。有酸素ガス通路１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃから送り込まれた有酸素ガスの一部も消費されないで、燃料電池セル群収容室１１８から上方に戻っていく。発電に利用されなかった燃料ガスと有酸素ガスは燃焼室１２２で燃焼し、高温の燃焼ガスを生成する。
【００３９】
高温の燃焼ガスは、改質器１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ、１０８ｄを加熱した後、熱交換室１２４に送り込まれる。改質器１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ、１０８ｄは、燃焼ガスからの加熱によって、改質反応を維持する。高温の燃焼ガスは、熱交換室１２４に送り込まれ、有酸素ガス受け入れ口１０４から送り込まれた有酸素ガスを加熱し、自らは冷却されて排気口１０２から排気される。
【００４０】
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。
また、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】
【００４１】
【図１】実施例の発電装置１０の縦断面を示す図。
【図２】実施例の発電装置１０の横断面を示す図。
【図３】実施例の発電装置１０の横断面を示す図。
【図４】図２の断面を部分的に拡大して示す図。
【図５】参考例の発電装置１００の縦断面を示す図。
【符号の説明】
【００４２】
１０・・・発電装置
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
１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅ・・・セルスタック
１６・・・空気供給部材
１６ｆ・・・空気供給口
１８・・・改質器
１８ａ、１８ｂ・・・改質器
２０・・・燃料ガス通路
２２・・・集電部材
２４・・・マニホールド
２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ、１４ｅ・・・マニホールド
２６・・・燃料ガス導入管
２８ａ、２８ｂ・・・渡り配管
３０・・・配管
３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅ・・・配管
３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄ、３２ｅ・・・オリフィス
３４・・・空気導入管
３６・・・内仕切壁
３６ａ・・・固定用壁
３６ｂ・・・穴
３８・・・外仕切壁
３８ａ・・・固定用壁
３８ｂ・・・穴
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、５２ｂ・・・邪魔板
５４、５６・・・フィン
５８・・・燃焼ガス導出管
６０・・・スパーク電極
６２・・・パッキン
１００・・・発電装置
１０２・・・排気口
１０４・・・有酸素ガス受け入れ口
１０６・・・断熱材
１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ、１０８ｄ・・・改質器
１１０・・・矢印
１１２・・・タンク
１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃ、１１４ｄ・・・燃料ガス通路
１１６・・・燃料電池セル
１１６ａ、１１６ｂ、１１６ｃ、１１６ｄ・・・燃料電池セル
１１８・・・燃料電池セル群収容室
１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ・・・有酸素ガス通路
１２２・・・燃焼室
１２４・・・熱交換室
１２６ａ、１２６ｂ、１２６ｃ、１２６ｄ・・・配管
１２８ａ、１２８ｂ、１２８ｃ、１２８ｄ・・・オリフィス
【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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