(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体酸化物型燃料電池を用いて発電するシステムであり、共通の前処理装置と複数の後処理ユニットが組合されて構築されており、
前処理装置は、
（１）燃料ガスを予熱する装置と、
（２）水を供給して蒸発させる蒸発装置と、
（３）燃料ガスと水蒸気を混合する混合装置を備えており、
各々の後処理ユニットは、
（４）水蒸気と混合した燃料ガスを改質する改質装置と、
（５）改質された燃料ガスを酸素と反応させて発電する固体酸化物型燃料電池セルと、
（６）改質された燃料ガスを燃料電池セルに供給する供給装置と、
（７）有酸素ガスを燃料電池セルに供給する供給装置と、
（８）燃料電池セルを通過した燃料ガスを燃焼する装置を備えており、
前処理装置の（３）で得られた水蒸気と混合した燃料ガスが、各々の後処理ユニットの（４）に分配され、各々の後処理ユニットの（８）で得られた燃焼ガスが、前処理装置の（１）と（２）を加熱することを特徴とする発電システム。
【請求項２】
各々の後処理ユニットは、１〜３ｋＷの発電能力に選定されていることを特徴とする請求項１の発電システム。
【請求項３】
各々の後処理ユニットは、（５）〜（８）を収容する略立方体のケースと、そのケースから下方に突出する予備改質装置を備えており、下方に突出する予備改質装置が前処理装置のケース内に収容された状態で組合されていることを特徴とする請求項１の発電システム。
【請求項４】
前処理装置の（１）と（３）は、複数個の後処理ユニットの下方を横断するように伸びていることを特徴とする請求項１の発電システム。
【請求項５】
前記前処理装置が、各々の後処理ユニットの（８）から放出される燃焼ガスを受入れて放出するケースと、水蒸気と混合して加熱された燃料ガスを、各々の後処理ユニットの（４）に分配する装置をさらに備えており、
前記前処理装置の（１）が、前記ケース内で伸びており、通過する燃料ガスを燃焼ガスで加熱する第１伝熱管を備えており、
前記前処理装置の（２）が、第1伝熱管の下流に位置しており、水を滴下させる装置を備えており、
前記前処理装置の（３）が、前記ケース内で伸びており、加熱された燃料ガスと水蒸気を混合しながら、燃焼ガスでさらに加熱する第２伝熱管を備えていることを特徴とする請求項１の発電システム。
【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システムに関する。
【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ｋＷから数十ｋＷの発電システム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を用い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】
固体酸化物を利用する燃料電池は、数ｋＷから数十ｋＷの発電システムに適しているものと期待されているが、必要な発電容量は様々である。４ｋＷの発電能力が必要とされることもあれば、６ｋＷの発電能力が必要とされることもある。電力需要に応じた発電能力を持つ発電システムを提供することが必要である。
【０００４】
各種の発電能力を持つ発電システムを提供するためには、単位となる発電ユニットを規格化しておき、発電ユニット数を増減することによって必要とされる発電能力を持つ発電システムを構築する手法が一般的であろう。この手法によると、要求される発電能力を持つ発電システムをシステム毎に設計する必要がなくなる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
単位となる発電ユニットの発電能力は小さいことが好ましい。単位となる発電能力が小さいほど、ユニット数を増減することで調整される発電能力の段階幅を細かくでき、多様な電力需要に対してきめ細かく対応することができる。
【０００６】
しかしながら、固体酸化物型の燃料電池では、単位となる発電ユニットを小型化することが難しい。固体酸化物型の燃料電池では、都市ガスやＬＰガスなどを燃料に利用する。都市ガスやＬＰガスなどの燃料には、エタン、プロパン、ブタンなどが含まれており、そのままでは燃料電池の燃料とすることができない。これらの炭化水素ガスを、一酸化炭素や水素に改質して、燃料電池で利用する。燃料ガスの改質には、通常、排熱利用効率が高くて耐久性に優れている水蒸気改質方式が採用される。水蒸気改質方式では、燃料に水蒸気を混合し、高温の改質触媒が充填された改質器を通過させることで、燃料を改質する。
水蒸気改質方式では、燃料に混合する水量を精度良く管理することが極めて重要である。改質する燃料量に対して水量が少ないと、改質反応を十分に進行することができず、余剰の炭化水素から炭素が析出する。反対に水量が多いと、水が蒸発しきれずに配管内に貯まり配管を閉塞する恐れがある。
燃料ガスの改質に必要とされる水量は非常に小さい。例えば、出力４ｋｗの燃料電池を運転する場合、３５ｃｃ／分程度の水量が必要とされる。わずかしか必要とされない水量を精度良く管理することは実質上極めて困難である。
固体酸化物型の燃料電池式発電システムを規格化してユニット化する場合、制御可能な水量の最小値の制約から、４ｋＷ程度の規模が最小限度であり、これよりも小さい発電能力のユニットを製造しようとしても、あまりに水量が少なくなり、無理なく制御できるユニットを製造することが甚だ困難となる。
【０００７】
しかしながら、単位となる発電ユニットの発電能力が４ｋＷ以上であると、多様な電力需要にきめ細かく対応することができない。４ｋＷの発電ユニットで実現できる出力は、４ｋＷ、８ｋＷ、１２ｋＷ、・・・である。例えば５ｋＷの電力が要望される場合には、
８ｋＷの発電システムで応えることになり、３ｋＷだけ不必要に大きな発電システムとなってしまう。無駄であるだけでなく、過大に大きくなって設置予定スペースに設置できない事態が発生する。
【０００８】
発電ユニットをユニット化することによって、多様な電力需要にきめ細かく対応するためには、水量が少なくなりすぎて無理なく制御できるユニットを製造することが甚だ困難となるという限界を打ち破り、小発電能力にまで発電ユニットを小型化しなければならない。
本発明では上記課題を解決する。本発明では、水量が少なくなりすぎて無理なく制御できるユニットを製造することが甚だ困難となるまで発電ユニットを小型化し、それによって多様な電力需要にきめ細かく対応することができる固体酸化物型の燃料電池式発電システムを提案する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明では、水量が少なくなりすぎて無理なく制御できるユニットを製造することが甚だ困難となるまで発電ユニットを小型化するために、製造困難なものを無理に製造する手法を採用しない。
本発明では、発電システムに必要とされる装置類を研究した結果、ユニットを小型化すると水量が少なくなりすぎて無理なく制御できるユニットを製造することが困難となる装置類と、ユニットを小型化しても製造が困難とならず、むしろ小型化したほうが製造しやすい装置類があることに着目する。そこで、後者の装置類については、多様な電力需要にきめ細かく対応することができるだけの小容量でユニット化する。前者の装置類については、前者のユニット化に対応して小型化すると、水量が少なくなりすぎて無理なく制御できる装置を製造することが甚だ困難となる。そこで、前者の装置類については、後者の複数のユニットに対して共通に利用する単一装置で対応する。すると制御する水量が実用的な量にまで増大し、無理なく製造することが可能となる。
発電システムを、細かくユニット化する装置類と、共通装置で対応する装置類に分けて構築する場合、システム内をガスが流れることから、ユニットの切分けには工夫がいる。ガスの流れが合理的なものに維持され、熱が無駄なく利用できる制約を満たしながら切分けなければならない。また複数ユニットに対応する共通装置については、単位ユニットに規格化することによって安価に多様な需要に応えるユニット化の利点が得られない。前者のユニット化だけで意味あるユニット化になっていなければユニット化の意味がない。
本発明では、上記の問題意識を持って発電システムのユニット化を検討し、ついに上記の課題を克服することに成功した。
【００１０】
本発明で得られた発電システムは、固体酸化物型燃料電池を用いて発電するシステムであり、共通に用いる前処理装置と複数の後処理ユニットが組合されて構築されている。
前処理装置は、複数の後処理ユニットに共通に利用され、
（１）燃料ガスを予熱する装置と、
（２）水を供給して蒸発させる蒸発装置と、
（３）燃料ガスと水蒸気を混合する混合装置を備えている。
各々の後処理ユニットは、
（４）水蒸気と混合した燃料ガスを改質する改質装置と、
（５）改質された燃料ガスを酸素と反応させて発電する固体酸化物型燃料電池セルと、
（６）改質された燃料ガスを燃料電池セルに供給する供給装置と、
（７）有酸素ガスを燃料電池セルに供給する供給装置と、
（８）燃料電池セルを通過した燃料ガスを燃焼する装置を備えている。
前処理装置の（３）で得られた水蒸気と混合した燃料ガスは、各々の後処理ユニットの（４）に分配され、各々の後処理ユニットの（８）で得られた燃焼ガスは、前処理装置の（１）と（２）を加熱する。
後処理ユニットが有する改質装置は、予備改質装置と本改質装置で構成されることがある。固体酸化物型燃料電池セルが本改質装置を兼用する場合があり、この場合には予備改質装置だけで改質装置となる。予備改質装置と本改質装置が一つの改質装置に一体化されている場合もある。有酸素ガスの典型例は空気であるが、酸素ガス自体を用いてもよい。
【００１１】
（４）〜（８）の装置は、問題なく小型化することができ、むしろ小型化した方が製造しやすい。（２）の装置は、小型化すると水量が少なくなりすぎて無理なく制御できる装置を製造することが甚だ困難となる。（２）については、ユニットに分割せず、単一の装置で対応する。（１）と（３）については、問題なく小型化することができるが、それをユニット化して後処理ユニットに含めると、前処理装置と後処理ユニットの間でガスが何度も往復することになり、配管が複雑化する。配管の単純化のために、（１）と（３）については（２）とともに、共通装置側に切分ける。以上のように切り分けると、結果的には、前処理部分と後処理部分で切分けられ、前処理装置と後処理ユニット間の配管が単純化され、熱の有効利用も促進される。
様々な電力需要量に対して個々に設計して個々に製造すると製造コストが高価になってしまう。規格化しておいた単位ユニットを活用する利点が顕著に得られるのは、（４）から（８）の装置類である。（１）〜（３）の装置類については、例えば配管長を変えることで能力を調整することができ、それぞれの需要量に対応して個々に設計して個々に製造してもあまり製造コストを押し上げない。
本発明の発電システムは、上記の構成を採用したことから、
（Ａ）発電能力に直結する後処理ユニットについては、十分に小型化して多様な電力需要にきめ細かく対応することができ、
（Ｂ）微小な水分量を管理する必要がある装置については、複数の後処理ユニットに対して共通に対応する前処理装置に組み込むことから、水量が少なくなりすぎて無理なく制御できる装置を製造することが甚だ困難となるという問題が克服され、
（Ｃ）前記（１）〜（３）と（４）〜（８）に切分けると、（１）〜（３）で前処理をし、（４）〜（８）で後処理をすることになり、前処理装置と後処理ユニットの間の配管が単純化されて熱の有効活用が促進され、
（Ｄ）（１）〜（３）についてはユニット数で調整する対応が取れなくても、（４）〜（８）がユニット化されることによって規格化しておいた単位ユニットの台数で調整するメリットが十分に得られる。後処理ユニットの装置類については高い耐熱性が要求されるために高価で成形しづらい耐熱材料を用いることが多い。ユニット化して部品の共通化を図るメリットが高い。
【００１２】
燃料の改質には、予備改質と本改質がある。本明細書では、燃料ガスに含まれる炭素数２以上の炭化水素を水蒸気改質法によってメタンや水素や一酸化炭素に分解することを予備改質といい、燃料ガスに含まれるメタンを水蒸気改質法によって水素や一酸化炭素に分解することを本改質という。
本発明の主眼は、燃料ガスの予備改質および本改質のために混合する水分量の調整を、単一の前処理装置で一括して実施する点にある。
上記（４）の改質装置は、通常は予備改質装置と本改質装置を備えるが、改質装置の構成はこれに限定されるものではない。
例えば固体酸化物型燃料電池では、燃料電池セルが高温となるため、その電極上でメタンを水素や一酸化炭素に改質することもできる。このため後処理ユニットにおいて、本改質装置を用いることなく、予備改質した燃料ガスを直接燃料電池セルへ送出してもよい。あるいは、一つの改質装置で燃料ガスの予備改質と本改質を実施してもよい。
【００１３】
各々の後処理ユニットが、１〜３ｋＷの発電能力に選定されていることが好ましい。後処置ユニットと前処理装置に切分けないでユニット化すると、前記したように４ｋＷ以下に小型化することが難しい。本発明によると、後処置ユニットでは水分を管理する必要がないことから４ｋＷ以下に小型化することに対する制約がない。
各々の後処理ユニット発電能力が１〜３ｋＷに選定されていると、多様な電力需要にきめ細かく対応することができる。３ｋＷ単位で調整できれば、過大サイズになって設置予定場所に設置できないという事態が減少する。２ｋＷ単位で調整できれば、多様な電力需要に対してほぼ過不足なく対応することができる。
特に、２ｋＷ程度の後処理ユニットと、３ｋＷ程度の後処理ユニットの2種類を用意しておくことが極めて好ましい。上記２種類の後処理ユニットと、前処理装置を組み合わせることで、４ｋＷ（２ｋＷの後処理ユニットを２つ接続する）、５ｋＷ（２ｋＷの後処理ユニットと３ｋＷの後処理ユニットを接続する）、６ｋＷ（３ｋＷの後処理ユニットを２つ接続するか、あるいは２ｋＷの後処理ユニットを３つ接続する）、・・・と、さまざまな出力の発電システムを実現することができる。
【００１４】
各々の後処理ユニットは、（５）〜（８）を収容する略立方体のケースと、そのケースから下方に突出する予備改質器を備えていることが好ましい。この場合、下方に突出する予備改質装置が前処理装置のケース内に収容された状態で組合される。
後処理ユニットは、（５）〜（８）を収容する略立方体のケースと予備改質装置が別々に出荷され、設置場所で後処理ユニットが完成してもよい。この場合、予備改質装置を前処理装置のケース内に収容した状態で出荷してもよい。
この形状を採用すると、熱の有効利用が促進される。
【００１５】
前処理装置の（１）と（３）は、複数個の後処理ユニットの下方を横断するように伸びていることが好ましい。
この場合、複数個の後処理ユニットから放出される燃焼ガスを有効に利用して前処理装置が必要とする加熱処理に利用することが可能となる。
【００１６】
前記前処理装置が、各々の後処理ユニットの（８）から放出される燃焼ガスを受入れて放出するケースと、水蒸気と混合して加熱された燃料ガスを、各々の後処理ユニットの（４）に分配する装置をさらに備えており、前記前処理装置の（１）が、前記ケース内で伸びており、通過する燃料ガスを燃焼ガスで加熱する第1伝熱管を備えており、前記前処理装置の（２）が、第1伝熱管の下流に位置しており、水を滴下させる装置を備えており、前記前処理装置の（３）が、前記ケース内で伸びており、加熱された燃料ガスと水蒸気を混合しながらさらに加熱する第２伝熱管を備えていることが好ましい。
上記のように前処理装置を構成すると、前処理装置へ流入する燃焼ガスは、ケース内を流れて、第１伝熱管、蒸発装置、第２伝熱管を加熱した後に、装置外へ排出される。燃焼ガスを熱源として、燃料ガスの加熱と、水の蒸発と、水蒸気と混合した燃料ガスの加熱を行うことができる。上記の前処理装置を備える発電システムでは、簡易な装置構成で、燃焼ガスの熱を有効に利用することできる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の固体酸化物型の燃料電池式発電システムによれば、水量を制御する共通の前処理装置と複数の発電ユニット（後処理ユニット）が組み合わせて利用されるため、発電ユニットを無理なく小型化することができ、それによって多様な電力需要にきめ細かく対応することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
（形態１）前処理装置は、燃料ガスを予熱する装置と、水を供給して水蒸気を発生させる蒸発装置と、燃料ガスと水蒸気を混合しながらさらに予熱する混合装置を備えている。水蒸気と混合する前の燃料ガスを予熱しておくと、水が蒸発し易い。
（形態２）蒸発装置は、予熱された燃料ガスの通路であり、上部から滴下する水を予熱された燃料ガス及び燃焼ガスの熱で蒸発させる。蒸発装置の内部には蓄熱材が堆積されており、蒸発しないで滴下した水を蒸発させる。
（形態３）後処理ユニットから放出された燃焼ガスが、燃料ガスを予熱する。後処理ユニットから排出される燃焼ガスは高温であり、その熱を利用して燃料ガスを予熱することで発電効率は向上する。
（形態４）燃料ガスを予熱する装置は、燃焼ガス流路を横断する伝熱管を備えており、その伝熱管を燃料ガスが通過する間に燃料ガスが燃焼ガスで予熱される。
燃料ガスの予熱装置の構成が簡易なものとなり、発電システムの製造が容易となる。
(形態５）前記伝熱管は、管の長さの異なる他の伝熱管と取替可能である。
燃料ガスに供給する水分量は、改質器に供給する燃料量に比例する。燃料量は、発電システムの出力に比例し、後処理ユニットのユニット数に応じて変化する。従って、前処理装置の蒸発装置で蒸発させる水分量と、前処理装置の燃料ガス予熱装置で予熱する燃料量も変化する。水分量が多いほど、水を蒸発させるに要する熱量は大きい。また、燃料量が多いほど、燃料を予熱するために要する熱量は大きい。
従って後処理ユニットの個数が多いほど、前処理装置で必要とされる余熱量は多く必要になる。
本発明の発電システムでは、伝熱管の長さを変えることによって、余熱量を調整する。後処理ユニットの数を増やして、発電システムの出力を増加させる場合、伝熱管を長いものに変えるだけで対応することができる。
(形態６）前処理装置の混合装置は、燃焼ガス流路を横断する伝熱管を備えており、その伝熱管を燃料ガスと水分が通過する間に両者を混合して燃焼ガスで予熱する。後処理ユニットから排出される燃焼ガスが有効に活用され、発電効率が向上する。
（形態７）混合装置の伝熱管は、内部に螺旋状の攪拌壁を備えており、燃料ガスと水分が通過する間に両者を混合する。
（形態８）混合装置の伝熱管は、管の長さの異なる他の伝熱管と取替可能であることが望ましい。後処理ユニットの数を増やして、発電システムの出力を増加させる場合に、伝熱管を長いものに変えるだけで対応することができる。
（形態９）予備改質装置は、水蒸気と混合された燃料ガスを導入する導入口と、導入された燃料ガスの一部を導出する導出口を備え、その導出口から他の予備改質装置へ燃料ガスを供給可能であることが望ましい。
複数の後処理ユニットは、それぞれに予備改質装置を備えており、各予備改質装置に燃料ガスを分配する必要がある。予備改質装置に、改質しないで燃料ガスを導出する導出口を設けることで、その予備改質装置で改質する燃料ガスと、改質することなく他の予備改質装置に送出する燃料ガスとを分配することが可能となり、予備改質装置の外部で燃料ガスを供給する配管を分岐させる必要がなくなる。前処理装置内に形成される燃料ガス供給配管の構成を簡素化することができ、前処理装置の製造が容易となる。
【実施例】
【００１９】
本発明を具現化した発電システムの実施例を、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システムの縦断面図であり、図２は図１のII−II線断面図であり、図３は図１のIII−III線断面図である。また図４は、本実施例に係る発電ユニット１０の縦断面図であり、図５は図４のV−V線断面図であり、図６は図４のVI−VI線断面図であり、図７は図５の部分断面拡大図である。
【００２０】
図１〜図３に示すように、本実施例の発電システム２は、共通に利用する１つの供給ユニット（前処理装置）１１０と、３つの発電ユニット（後処理ユニット）１０ａ、１０ｂ、１０ｃを備えている。
発電ユニット１０ａ、１０ｂ、１０ｃは共通構成であり、以下では発電ユニット１０として、図４から図７を用いて後に共通に説明する。
供給ユニット１１０は、略直方体形状の金属性の箱であり、その内部に水蒸気混合部１１２と、予備改質器１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃと、空気供給管１１６を備えている。
供給ユニット１１０の上部には、発電ユニット１０ａ、１０ｂ、１０ｃが配置されている。発電ユニット１０ａ、１０ｂ、１０ｃのそれぞれには、供給ユニット１１０から予備改質された燃料および空気が供給され、燃焼ガスを供給ユニット１１０に送出する。
なお本実施例中では、発電ユニット１０ａ、１０ｂ、１０ｃと各発電ユニットに対応する予備改質器１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃとの組が、後処理ユニットに相当する。また、供給ユニット１１０から予備改質器１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃを除いた部分が、前処理装置に相当する。
【００２１】
水蒸気混合部１１２は供給ユニット１１０内の前方に配置されており、その後ろにブラケット１３６及び発電ユニット１０ａ、１０ｂ、１０ｃによって保持された予備改質器１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃが配置され、その後ろに空気供給管１１６が配置され、その後ろに燃焼ガス排出口１５０が設けられている。
水蒸気混合部１１２は、供給される燃料ガスに、水を気化して混合し、生成される水蒸気混合燃料ガスを予備改質器１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃへ送出する。水蒸気混合部１１２は、燃料導入管１２０、水導入管１２２、燃料昇温室１２４、燃料昇温管１２６、水蒸発室１２８、水蒸気混合燃料昇温管１３０、水蒸気混合燃料混合室１３２、水蒸気混合燃料供給管１３４を備えている。
燃料昇温室１２４は、直方体形状の金属性の箱であり、燃料導入管１２０が接続している。都市ガスやＬＰガスといった燃料が、発電システム２の外部で脱硫された後、燃料導入管１２０を経由して燃料昇温室１２４へ供給される。燃料昇温室１２４の外部には、高温の燃焼ガスが下方から上方に向けて流れており、燃料昇温室１２４へ供給された燃料ガスは、燃焼ガスとの熱交換によって昇温され、燃料昇温管１２６へ送出される。
燃料昇温管１２６は、ベローズ管を略Ｕ字状に折り曲げた形状をしており、一方の端部が燃料昇温室１２４に接続され、他方の端部を水蒸発室１２８に接続されている。燃料昇温室１２４から流入する燃料ガスは、燃料昇温管１２６を通り、水蒸発室１２８へ流入する。燃料昇温管１２６の外部には、高温の燃焼ガスが下方から上方に向けて流れており、燃料昇温管１２６内を通過する燃料ガスは、燃焼ガスとの熱交換によって昇温され、水蒸発室１２８へ流入する。燃料昇温管１２６は、３台の発電ユニット１０ａ、１０ｂ、１０ｃの下方を横断するように伸びており、３台の発電ユニット１０ａ、１０ｂ、１０ｃから放出される燃焼ガスで加熱される。
水蒸発室１２８は、直方体形状の金属性の箱であり、内部には蓄熱材が堆積している。水蒸発室１２８の外部には、高温の燃焼ガスが下方から上方に向けて流れており、水蒸発室１２８の側壁と燃焼ガスとの熱交換によって、水蒸発室１２８は加熱される。水蒸発室１２８の上部には、水導入管１２２が連通しており、水導入管１２２から脱イオン水が供給される。供給された脱イオン水は、図示されない給水ポンプで燃料ガスに対して過不足のない量に制御され、水蒸発室１２８内へ滴下する。水蒸発室１２８内へ滴下した水は、燃料昇温管１２６から流入する高温の燃料ガスと混合して気化する。水蒸発室１２８で気化した水が混合した燃料ガスは、水蒸気混合燃料昇温管１３０へ流入する。
水蒸発室１２８の内部には、アルミナの球体が蓄熱材として堆積しており、その蓄熱材は水蒸発室１２８内の温度が高い場合には吸熱し、水蒸発室１２８内の温度が低い場合には放熱する。従って、水蒸発室１２８内は高温で略一定の温度に安定する。
水蒸気混合燃料昇温管１３０は、ベローズ管を略Ｕ字状に折り曲げた形状をしており、一方の端部が水蒸発室１２８に接続され、他方の端部を水蒸気混合燃料混合室１３２に接続されている。水蒸発室１２８から流入する水蒸気混合燃料ガスは、水蒸気混合燃料昇温管１３０を通り、水蒸気混合燃料混合室１３２へ流入する。水蒸気混合燃料昇温管１３０の外部には、高温の燃焼ガスが下方から上方に向けて流れており、水蒸気混合燃料昇温管１３０内を通過する水蒸気混合燃料ガスは、燃焼ガスとの熱交換によって昇温される。また、管の内面の突起により、管内を通過する水蒸気混合燃料ガスに乱流が発生し、水蒸気混合燃料ガスは攪拌されて、水蒸気と燃料の混合比が均一化する。水蒸気混合燃料昇温管１３０内を通過した水蒸気混合燃料ガスは、水蒸気混合燃料混合室１３２へ流入する。
水蒸気混合燃料混合室１３２は、直方体形状の金属性の箱である。上部には水蒸気混合燃料昇温管１３０が接続しており、下部には水蒸気混合燃料供給管１３４が接続している。水蒸気混合燃料混合室１３２の外部には、高温の燃焼ガスが下方から上方に向けて流れており、水蒸気混合燃料混合室１３２内を通過する水蒸気混合燃料ガスは、燃焼ガスとの熱交換によって昇温される。水蒸気混合燃料混合室１３２の大きさは、水蒸気混合燃料昇温管１３０の管径にくらべ十分に大きく、水蒸気混合燃料昇温管１３０から流入する水蒸気混合燃料ガスは、水蒸気混合燃料混合室１３２で整流され、水蒸気混合燃料供給管１３４に供給される。
水蒸気混合燃料供給管１３４は、管の内面に螺旋状の攪拌壁を備えており、燃料ガスと水分が通過する間に両者を混合する。水蒸気混合燃料供給管１３４は、一方の端部が水蒸気混合燃料混合室１３２に接続し、ブラケット１３６を貫通して、他方の端部が予備改質器１１４ｃへ接続している。
【００２２】
予備改質器１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃはそれぞれ発電ユニット１０ａ、１０ｂ、１０ｃの下部に配置され、ブラケット１３６及び発電ユニット１０ａ、１０ｂ、１０ｃによって保持されている。
以下では添字を省略して共通に説明する。予備改質器１１４は、発電ユニット１０から下向きに延びる燃焼ガス導出管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形成するように外側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。予備改質器１１４の上部は、燃料ガス導入管２６と連通しており、予備改質器１１４の下部には、水蒸気混合燃料導入口１３８と、水蒸気混合燃料導出口１４０が設けられている。水蒸気混合燃料導入口１３８からは、水を気化して燃料に混合した水蒸気混合燃料ガスが流入する。
予備改質器１１４内には、図示しない予備改質触媒が充填されている。水蒸気混合燃料導入口１３８から供給された水蒸気混合燃料ガスは、予備改質触媒によって炭素数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予備改質され、燃料ガス導入管２６から送出される。燃料ガス導入管２６から送出される予備改質ガスは、発電ユニット１０の本改質器１８へ供給される。
水蒸気混合燃料導入口１３８から流入する水蒸気混合燃料ガスのうち、余剰に供給される分の水蒸気混合燃料ガスは、予備改質触媒を通過することなく、水蒸気混合燃料導出口１４０から送出される。
【００２３】
予備改質器１１４ｃの水蒸気混合燃料導入口１３８ｃは、水蒸気混合燃料供給管１３４を経由して、水蒸気混合燃料混合室１３２に接続されている。予備改質器１１４ｂの水蒸気混合燃料導入口１３８ｂは、水蒸気混合燃料分配管１４２ｂを経由して、予備改質器１１４ｃの水蒸気混合燃料導出口１４０ｃに接続されている。予備改質器１１４ａの水蒸気混合燃料導入口１３８ａは、水蒸気混合燃料分配管１４２ａを経由して、予備改質器１１４ｂの水蒸気混合燃料導出口１４０ｂに接続されている。予備改質器１１４ａの水蒸気混合燃料導出口１４０ａは、栓によって封止されている。
ブラケット１３６は、供給ユニット１１０内を長手方向（図１における紙面に垂直な方向、図２および図３における左右方向）に延び、予備改質器１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃの下部を保持する下面板１３６ａと、下面板１３６ａの水蒸気混合部１１２に近い側の側端から上方に向けて伸びる上側面板１３６ｂと、下面板１３６ａの水蒸気混合部１１２に遠い側の側端から下方に向けて伸び、供給ユニット１１０内の床面に達する下側面板１３６ｃから構成されている。
ブラケット１３６によって、供給ユニット１１０内は、水蒸気混合部１１２を収容する空間と、予備改質器１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃおよび空気供給管１１６を収容する空間とに仕切られている。
燃焼ガス導出管５８ａ、５８ｂ、５８ｃの下端部は、ブラケット１３６によって仕切られる、水蒸気混合部１１２を収容する空間に連通している。燃焼ガス導出管５８ａ、５８ｂ、５８ｃから送出される燃焼ガスは、水蒸気混合部１１２を収容する空間へ流入し、ブラケット１３６によって流れの方向を規制され、水蒸気混合部１１２に向かって流れる。
上側面板１３６ｂの上端、すなわちブラケット１３６の上端と、供給ユニット１１０内の上面は、間隙を挟んで対向しており、水蒸気混合部１１２を通過した燃焼ガスは、その間隙を通過して、予備改質器１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃおよび空気供給管１１６を収容する空間へ流入する。
【００２４】
空気供給管１１６は、装置外から供給される空気を、発電ユニット１０ａ、１０ｂ、１０ｃに分配して供給する。空気供給管１１６は、供給ユニット１１０内を貫通しており、空気供給管１１６内を通過する空気は、供給ユニット１１０内を流れる燃焼ガスによって予熱された後、発電ユニット１０ａ、１０ｂ、１０ｃへ供給される。
燃焼ガス排出口１５０は、発電ユニット１０ａ、１０ｂ、１０ｃから送出され、供給ユニット１１０内を循環した燃焼ガスを、装置外へ排出する。
【００２５】
燃焼ガス導出管５８ａ、５８ｂ、５８ｃから供給ユニット１１０へ排出される燃焼ガスは、水蒸気混合部１１２を収容する空間へ流入する。燃焼ガスは、水蒸気混合部１１２との熱交換によって冷却され、ブラケット１３６の上端と供給ユニット１１０内の上面との間隙を通過して予備改質器１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃおよび空気供給管１１６を収容する空間へ流入する。その後、燃焼ガスは、予備改質器１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃおよび空気供給管１１６との熱交換によって冷却され、燃焼ガス排出口１５０から排出される。燃焼ガス排出口１５０から排出され燃焼ガスは依然高温であり、給湯または暖房に利用する水を加熱するために利用される。
【００２６】
図４から図７を用いて、発電ユニット１０ａ、１０ｂ、１０ｃについて説明する。発電ユニット１０ａ、１０ｂ、１０ｃは、いずれも構成が同一であるため、以下では添字を略し共通に説明する。
図４から図６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、予備改質器１１４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。
【００２７】
図５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５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７は、図５に示すセルスタック１４の断面の拡大図である。図７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７において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。
【００２８】
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。
【００２９】
図４と図６に示すように、セルスタック１４ａの上流側（図４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４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。
【００３０】
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。図４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、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改質器１８ａに導入され、渡り配管２８ａを経て、他方の改質器１８ｂ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。なお、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いる。
【００３１】
図４〜図６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４と図５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６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。
【００３２】
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。
【００３３】
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４から図６に示すフィン５４が取付けられている。特に図６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４〜図６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４と図５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４から図６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。
【００３４】
図４と図５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。
【００３５】
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、空気供給管１１６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。
【００３６】
発電システム２の動作を説明する。
燃料導入管１２０から燃料昇温室１２４に送られた燃料ガスは、燃料昇温室１２４で整流され、加熱されて燃料昇温管１２６へ送られる。燃料昇温管１２６へ送られた燃料ガスは、燃料昇温管１２６の外部を上方向に向けて流れる高温の燃焼ガスとの熱交換によって加熱され、水蒸発室１２８に流入する。水導入管１２２から供給される水は、水蒸発室１２８内に滴下し、流入した燃料ガスと混合する。燃料に混合した水は、燃料昇温室１２４および燃料昇温管１２６で予加熱された燃料ガスの熱と、水蒸発室１２８の外部を上方向に向けて流れる高温の燃焼ガスとの熱交換による熱と、水蒸発室１２８内の蓄熱材が発する熱によって気化する。気化した水と燃料が混合した水蒸気混合燃料ガスは、水蒸気混合燃料昇温管１３０へ送られる。
【００３７】
燃料昇温管１２６から水蒸発室１２８へ流入する燃料ガスは予め加熱されており、水蒸発室１２８の外部には高温の燃焼ガスが上方向に向けて流れているため、水蒸発室１２８内は高温に保たれている。さらに、水蒸発室１２８内に堆積した蓄熱材が水蒸発室１２８内の温度の変動を抑止するため、水蒸発室１２８内は高温で略一定の温度に保たれている。また、燃料昇温管１２６から流入する燃料ガスは、燃料昇温室１２４で整流されているため、安定した流速で水蒸発室１２８へ流入する。さらに、水導入管１２２から滴下する水の量は、図示しない給水ポンプによって制御されている。従って、水導入管１２２から滴下する水は、安定した流速の燃料ガスに、安定した温度条件で混合されるため、燃料に対して略一定の割合で混合され続ける。
【００３８】
水蒸気混合燃料昇温管１３０に送られた水蒸気混合燃料ガスは、水蒸気混合燃料昇温管１２６の外部を上方向に向けて流れる高温の燃焼ガスとの熱交換によって加熱され、水蒸気混合燃料混合室１３２に流入する。水蒸気混合燃料ガスは、水蒸気混合燃料混合室１３２で整流され、昇温されて、水蒸気混合燃料供給管１３４へ送出される。
水蒸気混合燃料供給管１３４へ流入した水蒸気混合燃料ガスは、水蒸気混合燃料供給管１３４の管内面の突起によって乱流を形成し、乱流によって水蒸気と燃料が攪拌され、均一な混合比の水蒸気混合燃料ガスとなって、予備改質器１１４ｃへ供給される。
予備改質器１１４ｃに供給された水蒸気混合燃料ガスは、水蒸気混合燃料分配管１４２ｂを経て、予備改質器１１４ｂにも供給され、水蒸気混合燃料分配管１４２ａを経て、予備改質器１１４ａにも供給される。
予備改質器１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃに供給された水蒸気混合燃料ガスは、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され、燃料ガス導入管２６ａ、２６ｂ、２６ｃから、発電ユニット１０ａ、１０ｂ、１０ｃへ供給される。
【００３９】
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、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。
【００４０】
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。従来のように、セルスタック１４を縦に配設して燃料ガスを下方から上方へ流し、空気も下方から上方へ流して発電を行うと、燃料ガスも空気も下方から上方へ流れる間に発電熱で加熱され、セルスタック１４の上部と下部の温度差が例えば１５０℃近く生じてしまう。発電効率を考慮すると、下方の低温側の作動温度が、最適作動温度である例えば８００℃になるように調整しなければならない。すると、上方の高温側の動作温度が９５０℃にまで上昇してしまう。この高温に対する熱耐久性を確保するためには、燃料電池セル１２の近傍に配設される部材の熱耐久性を確保しなければならず、コストアップは避けられない。熱耐久性を重視すれば、上方の高温側の作動温度が、最適作動温度である８００℃になるように調整しなければならない。すると、下方の低温側の動作温度が６５０℃にまで低下してしまい、発電効率の低下は否めない。
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。
【００４１】
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。これもまた、セルスタック１４の上流から下流に至るまで一様温度に冷却するのに有利である。
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。これもまた、セルスタック１４の温度分布を一様化するのに寄与している。
【００４２】
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。セルスタック１４の近傍に伝熱部材を配置することもまた、セルスタック１４の温度分布を一様化するのに寄与している。
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。
【００４３】
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も抑制される。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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から供給ユニット１１０内に導出される。
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、供給ユニット１１０内へ排出される。
【００４７】
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質化されている。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。
【００４８】
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。
【００４９】
発電ユニット１０から排出された燃焼ガスは、燃焼ガス導出管５８を下方向へ流れ、供給ユニット１１０内の空間に導出される。このとき、燃焼ガス導出管５８の外側を包囲する予備改質器１１４内では、水蒸気混合燃料供給管１３４から供給された水蒸気混合燃料ガスが上方向に流れ、図示しない予備改質触媒によって、予備改質反応を起こしている。従って、燃焼ガス導出管５８を通過する燃焼ガスと、予備改質器との間で熱交換が行われ、燃焼ガスは冷却される。約４００℃まで温度低下した燃焼ガスは、燃焼ガス導出管５８の下端部から、供給ユニット１１０内の水蒸気混合部１１２を収容する空間へ流入する。
【００５０】
水蒸気混合部１１２を収容する空間へ流入した燃焼ガスは、水蒸気混合燃料混合室１３２、水蒸気混合燃料昇温管１３０、水蒸発室１２８、燃料昇温管１２６、燃料昇温室１２４と接触しながら、供給ユニット１１０内を上方向に向けて流れる。燃焼ガスは、水蒸気混合燃料混合室１３２、水蒸気混合燃料昇温管１３０、水蒸発室１２８、燃料昇温管１２６、燃料昇温室１２４と順に熱交換をすることによって、約２５０℃まで冷却されて、ブラケット１３６の上端と供給ユニット１１０内の上面の間の間隙から、予備改質器１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃと空気供給管１１６を収容する空間へ流入する。
【００５１】
燃焼ガスは、予備改質器１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃおよび空気供給管１１６に接触しながら供給ユニット１１０内を流れる。予備改質器１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃおよび空気供給管１１６との熱交換によって、約２００℃まで冷却された燃焼ガスは、燃焼ガス排出口１５０から装置外へ排出される。
発電システム２がコージェネレーションシステムの一部として稼動する場合は、装置外へ排出された燃焼ガスの熱を用いて、例えば水道水を加熱して温水とし、給湯に利用してもよい。
【００５２】
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。
【００５３】
以上の実施例では、予備改質器が供給ユニット内に収容され、対応する発電ユニットの外部に配置されている場合を説明したが、予備改質器は対応する発電ユニットの内部に配置されていてもよい。
【００５４】
以上の実施例では、一つの供給ユニットに、３つの同一構成の発電ユニットが接続されている例を説明したが、一つの供給ユニットに接続される発電ユニットの数は、３つには限られない。４つの発電ユニットを接続してもよいし、２つの発電ユニットを接続してもよい。
接続する発電ユニットの数を変更する場合であっても、本発明の発電システムは大部分の部品を共通に使用ながら、異なる出力電力の発電システムを実現することができる。
本実施例では、供給ユニットに出力２ｋＷの発電ユニットを３つ接続して出力６ｋＷの発電システムを具現化しているが、出力２ｋＷの発電ユニットを４つ接続する場合、供給ユニットの容器のサイズを大型化し、燃料昇温管および水蒸気混合燃料昇温管をより長いベローズ管と交換し、互いに接続されている予備改質器を１つ追加し、空気供給管の分岐を増やすことで、出力８ｋＷの発電システムを具現化することができる。他の部品については、本実施例の発電システムと共通化することが可能であり、出力電力の異なる発電システムについても、製造設備をほとんど改修することなく、容易に製造することが可能である。
【００５５】
以上の実施例では、一つの供給ユニットに、同一の発電能力を備えた複数の発電ユニットが接続されている例を説明したが、一つの供給ユニットに接続される発電ユニットは、同一の発電能力のものではなく、異なる発電能力を備えた複数の発電ユニットでもよい。
接続する発電ユニットの出力を変更する場合であっても、本発明の発電システムは、大部分の部品を共通に使用して、異なる出力電力の発電システムを実現することができる。
本実施例では、供給ユニットに出力２ｋＷの発電ユニットを３つ接続して出力６ｋＷの発電システムを具現化しているが、出力２ｋＷの発電ユニット２つと、出力３ｋＷの発電ユニット１つを接続する場合、供給ユニットの容器のサイズを大型化し、燃料昇温管および水蒸気混合燃料昇温管をより長いベローズ管と交換し、出力３ｋＷの発電ユニットに対応する予備改質器を大型化して改質触媒の量を増加し、出力３ｋＷの発電ユニットと空気供給管との接合部の径を大型化することで、出力７ｋＷの発電システムを具現化することができる。他の部品については、本実施例の発電システムと共通化することが可能であり、出力の異なる発電システムについても、ほぼ同一の製造設備で容易に製造することが可能である。
【００５６】
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】
【００５７】
【図１】発電システム２の縦断面を示す図。
【図２】発電システム２の横断面を示す図。
【図３】発電システム２の横断面を示す図。
【図４】発電ユニット１０の縦断面を示す図。
【図５】発電ユニット１０の横断面を示す図。
【図６】発電ユニット１０の横断面を示す図。
【図７】図５の断面を部分的に拡大して示す図。
【符号の説明】
【００５８】
１０・・・発電ユニット
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ・・・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・・・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
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・・・供給ユニット
１１２・・・水蒸気混合部
１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃ・・・予備改質器
１１６・・・空気供給管
１２０・・・燃料導入管
１２２・・・水導入管
１２４・・・燃料昇温室
１２６・・・燃料昇温管
１２８・・・水蒸発室
１３０・・・水蒸気混合燃料昇温管
１３２・・・水蒸気混合燃料混合室
１３４・・・水蒸気混合燃料供給管
１３６・・・ブラケット
１３６ａ・・・下面板
１３６ｂ・・・上側面板
１３６ｃ・・・下側面板
１３８ａ、１３８ｂ、１３８ｃ・・・水蒸気混合燃料導入口
１４０ａ、１４０ｂ、１４０ｃ・・・水蒸気混合燃料導出口
１４２ａ、１４２ｂ・・・水蒸気混合燃料分配管
１５０・・・燃焼ガス排出口
【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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