(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体酸化物型の燃料電池を用いる発電装置であり、
燃料に含まれる炭素数２以上の炭化水素を炭素数１以下に分解する予備改質器と、
予備改質された燃料に含まれる炭化水素を分解する本改質器と、
本改質された燃料ガスを空気と反応させて発電する固体酸化物型の燃料電池セルと、
燃料電池セルを通過した燃料ガスを燃焼する燃焼手段と、
燃焼手段で発生した高温の燃焼ガスで、最初に本改質器を加熱し、次いで燃料電池セルへ供給する空気を加熱することによって燃焼ガスを冷却する冷却手段と、
その冷却手段で冷却された燃焼ガスで予備改質器を加熱する予備改質器加熱手段と、
を備え、
本改質器と、燃料電池セルと、燃焼手段と、冷却手段とは、一体に備えられて発電ユニットを形成し、予備改質器及び予備改質器加熱手段が前記発電ユニットの外部に配設されていることを特徴とする発電装置。
【請求項２】
前記予備改質器加熱手段は、予備改質器の内側を燃焼ガスが通過することによって予備改質器を内側から加熱することを特徴とする請求項１の発電装置。
【請求項３】
前記予備改質器加熱手段は、予備改質器の内側を通過した燃焼ガスが予備改質器の外側を通過することによって予備改質器を内外から加熱することを特徴とする請求項２の発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物を利用する燃料電池によって発電する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体酸化物を利用する燃料電池は効率が高く、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。
【０００３】
固体酸化物型燃料電池では、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を利用する。最初に予備改質器で予備改質することによって、燃料に含まれている炭素数２以上の炭化水素を炭素数１以下に分解する。ここでは、炭素数２以上の炭化水素を炭素数１のメタンと水素に改質する。次いで、本改質することによって、炭化水素をさらに分解する。本改質では、炭素数１のメタンを一酸化炭素と水素に分解する。固体酸化物型の燃料電池セルは、炭素数１のメタンを一酸化炭素と水素に分解する触媒能力を持っており、固体酸化物型の燃料電池セルが本改質器を兼用することができる。固体酸化物型の燃料電池セルでは、本改質された燃料ガスに含まれる水素と一酸化炭素を空気と反応させて発電する。
【０００４】
燃料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。特許文献１に改質器を加熱する非常に巧みな技術が紹介されている。
燃料電池セルは、セルに送込まれた燃料ガスの全量を空気と反応させて発電に利用することができず、一部の燃料ガスは空気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燃料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燃料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ところで燃焼させて高温の燃焼ガスを得るのに利用する。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】特開２００３−２２９１６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載の技術では、燃料電池セルを通過した燃料ガスを燃焼させることによって得られる燃焼ガスを利用して改質器を改質温度に維持する。極めて合理的な技術であり、熱効率が高いものと期待される。
特許文献１の技術では、燃料電池セルから独立した本改質器を備えておらず、燃料電池セルが本改質器を兼用している。特許文献１の技術では、燃料電池セルを通過した燃料ガスを燃焼させて得られた燃焼ガスを直接に予備改質器に導いて予備改質器を加熱する。
【０００６】
しかしながらその後の研究によって、燃焼ガスを直接に予備改質器に導いて予備改質器を加熱すると、予備改質器が高温となり、予備改質器内の予備改質触媒が劣化し、予備改質できないという耐久性の問題がわかってきた。特に８００℃以上になると予備改質触媒の劣化が著しい。あるいは、予備改質触媒入口温度が高い場合、予備改質触媒の表面に炭素が析出して予備改質能力を低下させてしまうことがわかってきた。
【０００７】
そこで、予備改質器の過熱を防ぐ技術が必要とされる。本発明は、燃料電池セルを通過した燃料ガスを燃焼させることによって必要な熱を確保することができ、しかも予備改質器が過熱されるのを防止することができる発電装置を提供するために開発された。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の発電装置は、固体酸化物型の燃料電池を用いて発電する。本発明の発電装置は、燃料に含まれる炭素数２以上の炭化水素を炭素数１以下に分解する予備改質器と、予備改質された燃料に含まれる炭化水素を分解する本改質器と、本改質された燃料ガスを空気と反応させて発電する固体酸化物型の燃料電池セルと、燃料電池セルを通過した燃料ガスを燃焼する燃焼手段と、燃焼手段で発生した高温の燃焼ガスで、最初に本改質器を加熱し、次いで燃料電池セルへ供給する空気を加熱することによって燃焼ガスを冷却する冷却手段と、その冷却手段で冷却された燃焼ガスで予備改質器を加熱する予備改質器加熱手段とを備えている。本改質器と、燃料電池セルと、燃焼手段と、冷却手段とは、一体に備えられて発電ユニットを形成し、予備改質器及び予備改質器加熱手段が発電ユニットの外部に配設されている。
予備改質器で炭素数２以上の炭化水素を炭素数１以下に分解するという場合、炭素数２以上の炭化水素を炭素数１のメタンと水素に改質する。本改質器で炭化水素を分解するという場合、主としてメタンを一酸化炭素と水素に分解することをいうが、予備改質されなかった炭素数２以上の炭化水素が微量に含まれている場合には、それを一酸化炭素と水素に分解することを含む。
燃焼手段で発生した高温の燃焼ガスで加熱される被加熱体は、予備改質器以外で加熱する必要があるものを意味する。後記する本改質器や、空気予熱器や、給湯暖房用の水等の加熱器等が例示される。
【０００９】
本発電装置では、特許文献１の技術と同様に、燃料電池セルを通過した燃料ガスを燃焼させて高温の燃焼ガスを得る。この燃焼ガスは予備改質器を加熱するには高温すぎる。燃料電池式発電装置は、予備改質器以外にも加熱を必要とする対象が存在する。例えば本改質も吸熱反応であり、本改質反応を維持するには本改質器を加熱しなければならない。燃料電池セルで燃料ガスと反応させる空気も予熱しておく必要がある。燃料電池を利用する発電装置は、発電に伴って発生する熱で水等を加熱して給湯暖房に供することが期待されており、水等を加熱する必要もある。
本発電装置では、予備改質器を加熱するには高温すぎる燃焼ガスで、予備改質器以外の被加熱体を加熱する。この結果燃焼ガスは冷却され、予備改質器を加熱するのに適した温度まで冷却される。本発電装置では、予備改質器を加熱するのに適した温度まで冷却された燃焼ガスを予備改質器へ供給することで、予備改質器が過熱するのを防止することができる。
【００１０】
燃焼ガスを冷却する冷却手段は、本改質器を加熱することによって燃焼ガスを冷却する。
本改質器を燃料電池セルから別に設けると、燃料電池セル内で吸熱反応が生じることがなく、燃料電池セルの温度分布を均一化するのに有利である。そこで、燃料電池セルから独立した本改質器を設け、燃焼ガスで本改質器を加熱するようにすると、燃料電池セルの温度分布を均一化しながら、本改質に必要な熱を持続的に得ることができる。本発明者らの研究によって、高温の燃焼ガスで加熱しても本改質器が過熱されることはないことが検証されている。
【００１１】
燃焼ガスを冷却する冷却手段は、燃料電池セルへ供給する空気を加熱することによって燃焼ガスを冷却する。
燃料電池セルへ供給する空気に含まれる酸素は、燃料電池セルを通過して燃料ガスと反応する。燃料電池セルへ供給する空気の温度が低いと、空気と接触する燃料電池セルの温度が低下し、燃料電池セルの発電効率が低下する。燃焼ガスで燃料電池セルへ供給する空気を加熱すると、燃料電池セルへ供給する空気を予熱しておくことができる。燃料電池セルへ供給する空気が予熱されていると、燃料電池セルが発電適温に維持され、発電効率の低下が防止される。
【００１２】
燃焼ガスを冷却する冷却手段は、最初に本改質器を加熱し、次いで燃料電池セルへ供給する空気を加熱することによって燃焼ガスを冷却する。
本改質に好適な温度は例えば９００℃程度であり、極めて高温である。好ましい空気の予熱温度は例えば６５０℃程度であり、本改質に好適な温度にくらべて低い。従って、高温の燃焼ガスでまず本改質器を加熱し、次に燃料電池セルに供給する空気を予熱するのが極めて合理的である。
【００１３】
燃焼ガスで最初に改質器を加熱し、次いで燃料電池セルに供給する空気を予熱し、その後に予備改質器を加熱するのが合理的である。
予備改質器を加熱するためには、予備改質器の内側を燃焼ガスが通過することによって予備改質器を内側から加熱することが好ましい。
また、予備改質器の内側を通過した燃焼ガスが次いで予備改質器の外側を通過することによって予備改質器を内外から加熱することが好ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の好適な実施形態を説明する。
（形態１）燃料電池セル群を収容する燃料電池セル群収容室が発電ユニットの中心に配置されており、その外側を燃焼ガス通過室が取り囲んでいる。
（形態２）燃料電池セル群収容室と燃焼ガス通過室の外形はほぼ六面体であり、側方の４面のみならず上面と底面についても、燃焼ガス通過室が燃料電池セル群収容室を取り囲んでいる。
（形態３）燃焼ガス通過室のさらに外側を有酸素ガス通過室が取り囲んでおり、燃焼ガス通過室と有酸素ガス通過室を仕切る仕切壁の内側および外側に熱交換用フィンが形成されている。
（形態４）燃料極と固体酸化物電解質と酸素極と燃料ガス通路を有する燃料電池セルを複数個備えており、本改質器が燃料電池セル群に隣接して配列されている。
（形態５）筒状に形成されている予備改質器の内側を燃焼ガスが通過することによって予備改質器を内側から加熱する。
【実施例】
【００１５】
本発明を具現化した発電装置の第１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２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２に示すように、発電装置２は発電ユニット１０と予備改質器１１０で構成されている。
図１から図３に示すように、発電ユニット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。
発電ユニット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本改質器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、発電ユニット１０の外部に配置された予備改質器１１０によって、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改質したガスである。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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、本改質器１８ａに接続されている。本改質器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も同様にして本改質器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、本改質器１８ｂに接続されている。本改質器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も同様にして本改質器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、本改質器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の本改質器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、本改質器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の本改質器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。
【００１９】
一対の本改質器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。本改質器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。図１に示すように、一対の本改質器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。一対の本改質器１８ａ、１８ｂは、上部の２箇所の角部で２本の渡り配管２８ａ、２８ｂ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本改質器１８ａに導入され、渡り配管２８ａを経て、他方の本改質器１８ｂにも導入される。本改質器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、本改質器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。なお、渡り配管２８ｂは、２つの本改質器１８ａ、１８ｂの出口圧力の均衡を調整するために配設されている。
【００２０】
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は左右方向に伸びており、空気供給部材１６は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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
第３室４８は、発電ユニット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、発電ユニット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。発電ユニット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。
【００２４】
図１から図２に示すように、予備改質器１１０は、燃焼ガス導出管５８の外側を包囲する予備改質室１１８と、予備改質室１１８の外側を包囲する燃焼ガス流路１４６から構成されている。
予備改質室１１８は、燃焼ガス導出管５８の下側端部から上方に向けて、燃焼ガス導出管５８の外側を包囲する金属性の箱であり、燃焼ガス導出管５８に対して二重円筒を構成するように配置された円筒状の壁板と、底板と、天板から構成される。予備改質室１１８の上部は、燃料ガス導入管２６と連通しており、予備改質室１１８の下部は、燃料ガス供給管１２６と連通している。燃料となる都市ガスまたはＬＰガスは、装置外で脱硫された後に、燃料ガス供給管１２６から、予備改質室１１８内へ供給される。予備改質室１１８内には、予備改質触媒１２０が充填されており、燃料ガス供給管１２６から供給されたガスのうち、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改質する。予備改質室１１８で予備改質されたガスは、燃料ガス導入管２６を経て、本改質器１８へ供給される。
燃焼ガス流路１４６は、予備改質室１１８の外側を包囲する、円筒状の箱である。燃焼ガス流路１４６は、予備改質室１１８の側面だけでなく、上面および下面を包囲している。燃焼ガス流路１４６は、燃焼ガス導出管５８の下端と連通している。また燃焼ガス流路１４６の上部は、燃焼ガス排出管１５８と連通している。燃焼ガス導出管５８の下端から導出された燃焼ガスは、燃焼ガス流路１４６へ流入し、予備改質室１１８と燃焼ガス排出管１５８を仕切る壁の外面に沿って燃焼ガス流路１４６内を上方へ移動し、燃焼ガス排出管１５８から排出される。
【００２５】
発電ユニット１０内の動作を説明する。
燃料ガス供給管１２６から予備改質器１１０に供給された脱硫済みの都市ガスまたはＬＰガスは、予備改質室１１８内で、メタンと水素と一酸化炭素を含む予備改質ガスに改質され、燃料ガス導入管２６へ送られる。
燃料ガス導入管２６から本改質器１８ａ、１８ｂに送られた予備改質ガスは、本改質器１８ａ、１８ｂ内で、水素と一酸化炭素を含む燃料ガスに改質され、各マニホールド２４に送られる。改質された燃料ガスは、各マニホールド２４から各燃料電池セル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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。本改質器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、燃焼熱でまず本改質器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。燃焼熱でまず本改質器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。
【００３２】
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から発電ユニット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。
【００３３】
第３室４８を通過する空気との熱交換によって約５００℃まで冷却された燃焼ガスは、発電ユニット１０の外部に配設された、予備改質器１１０の加熱に利用することができる。
第２室４６の下部から流出した燃焼ガスは、燃焼ガス導出管５８内を下方に向けて流れ、燃焼ガス導出管５８の下端から燃焼ガス流路１４６の下部へ流入する。
このとき、燃料ガス供給管１２６から予備改質室１１８に供給された都市ガスまたはＬＰガスは、予備改質室１１８内の改質触媒１２０と接触し、炭素数２以上の炭化水素をメタンや水素や一酸化炭素に改質させている。
燃焼ガス導出管５８内を下方に向けて流れる燃焼ガスと、予備改質室１１８内を上方に向けて流れるガスとの熱交換により、予備改質室１１８内のガスおよび改質触媒１２０は加熱され、予備改質反応の吸熱反応に燃焼ガスの熱を効率よく利用することができる。
燃焼ガス導出管５８内を通過し、燃焼ガス導出管５８の下端から燃焼ガス流路１４６へ流入した燃焼ガスは、予備改質室１１８と燃焼ガス流路１４６を仕切る壁の外面に沿って、燃焼ガス流路１４６内を上方に向けて移動する。
このとき、燃焼ガス流路１４６内を上方に向けて流れる燃焼ガスと、予備改質室１１８内を上方に向けて流れるガスとの熱交換により、予備改質室１１８内のガスおよび改質触媒１２０は加熱され、予備改質反応の吸熱反応に燃焼ガスの熱を効率よく利用することができる。
上記したように、予備改質室１１８内のガスおよび改質触媒１２０は、燃焼ガス導出管５８内を下方へ向けて流れる燃焼ガスによって内側から加熱され、燃焼ガス流路１４８内を上方へ向けて流れる燃焼ガスによって外側から加熱される。これによって予備改質室１１８内の温度ムラが抑制され、改質触媒１２０は均一な温度分布となって、予備改質室１１８内での予備改質は、好適に行われる。
【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】
以上の実施例では燃焼ガスの冷却手段として、本改質器１８との熱交換と、燃料電池セルへ供給される空気との熱交換とを用いた例を説明したが、冷却手段はそれに限らない。
例えば、発電装置２内に燃焼ガス冷却用の冷媒を導入し、熱交換によって燃焼ガスを冷却してもよい。このような場合、燃焼ガスから冷媒に回収された熱は、冷媒とともに発電装置２の外部に排出される。
また、発電装置２から排出される燃焼ガスを、発電ユニット１０の外部に配置された熱交換器に送り、燃焼ガス冷却用の冷媒との熱交換によって冷却した後、予備改質器１１０へ送ってもよい。
本発電装置２がコージェネレーションシステムの一部として使用される場合、上記した冷却手段で燃焼ガスを冷却すると、冷媒によって回収された燃焼ガスの熱を蓄熱槽に蓄え、蓄えられた熱を給湯や暖房等に利用することができる。
予備改質器１１０の温度を好適に保つことが可能であるのみならず、燃焼ガスの排熱を再利用することが可能となり、コージェネレーションシステム全体での熱効率が向上する。
【００３６】
以上の実施例では、燃焼ガスの冷却手段として、本改質器１８との熱交換と、燃料電池セルへ供給される空気との熱交換との双方を用いた例を説明したが、いずれか一方の手段のみによって燃焼ガスを冷却してもよい。
例えば、炭素数２以上の炭化水素を含まない予備改質ガスを、直接燃料電池セルへ供給し、燃料電池セルの燃料極上で改質する場合、すなわち燃料電池セルが本改質器を兼ねる場合がある。このような場合、燃焼ガスを空気との熱交換によって冷却し、予備改質に適した温度まで温度低下した燃焼ガスを予備改質器に供給する。本改質器との熱交換と空気との熱交換の双方を行う場合にくらべ、空気によって回収することが可能な熱量が増加するため、発電装置２の装置外で空気を予熱する際の加熱量を低減することができる。
【００３７】
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】
【００３８】
【図１】発電装置２の縦断面を示す図。
【図２】発電装置２の横断面を示す図。
【図３】発電装置２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。
【符号の説明】
【００３９】
２・・・発電装置
１０・・・発電ユニット
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・・・本改質器
１８ａ、１８ｂ・・・本改質器
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
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
１１０・・・予備改質器
１１８・・・予備改質室
１２０・・・予備改質触媒
１２６・・・燃料ガス供給管
１４６・・・燃焼ガス流路
１５８・・・燃焼ガス排出管
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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