(57)【要約】      （修正有）【課題】外部への放熱量を抑制できるとともに、発電用空気ならびに各部の温度制御を容易とする燃料電池装置を提供する。【解決手段】改質ガスのオフガスおよび発電用空気のオフガスを共に燃焼させる燃焼器１３と、燃焼排ガス経路１６および発電用空気が流通する第１空気供給経路７を有し、燃焼排ガスと発電用空気との間で熱交換させる第１空気熱交換器１８と、燃料電池９を収納するとともに、燃料電池から排出された発電用空気のオフガスが流通する燃料電池収納部１０と、第１空気供給経路を流通した発電用空気を燃料電池に供給する第２空気供給経路８を有し、燃料電池収納部内を流通する発電用空気のオフガスと、第２空気供給経路を流通する発電用空気との間で熱交換させる第２空気熱交換器１９と、各部材を収容する筐体３０と、を備える。第１空気供給経路および第２空気供給経が、筐体の内部に収容される部材全体を覆うように配置されている。【選択図】図３
2017199658.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電用原料を改質し改質ガスを生成する改質器と、
発電用空気と前記改質ガスとを利用して発電する燃料電池と、
前記燃料電池から排出された、前記改質ガスのオフガスおよび前記発電用空気のオフガスを共に燃焼させ、前記改質器の加熱源となる燃焼排ガスを生成する燃焼器と、
前記燃焼排ガスが流通する燃焼排ガス経路、および前記発電用空気が流通する第１空気供給経路を有し、該燃焼排ガスと該発電用空気との熱交換により該発電用空気を加熱させる第１空気熱交換器と、
前記燃料電池を収納するとともに、該燃料電池から排出され前記燃焼器に向かう前記発電用空気のオフガスが流通する燃料電池収納部と、
前記第１空気供給経路を流通した発電用空気を前記燃料電池に供給する第２空気供給経路を有し、該燃料電池収納部内を流通する発電用空気のオフガスと、該第２空気供給経路を流通する発電用空気との熱交換により該発電用空気を加熱させる第２空気熱交換器と、
前記改質器、前記燃料電池、前記燃焼器、前記第１空気熱交換器、前記燃料電池収納部、および前記第２空気熱交換器を収容する筐体と、を備え、
前記第１空気供給経路および前記第２空気供給経が、前記筐体の内部に収容される部材全体を覆うように配置されている燃料電池装置。
【請求項２】
前記改質器は、水蒸気改質により前記発電用原料から前記改質ガスを生成しており、
前記水蒸気改質で利用する改質水を気化させて得られた水蒸気を前記改質器に供給する蒸発器を前記筐体の内部に備え、
前記燃焼排ガスは、前記改質器および前記蒸発器の加熱源となる請求項１に記載の燃料電池装置。
【請求項３】
前記燃焼排ガス経路は、前記改質器および前記蒸発器それぞれの側部を囲むように配置され、
前記第１空気供給経路は、前記燃焼排ガス経路の外周を囲むように配置され、
前記第２空気供給経路は、前記燃料電池収納部の外周に沿って配置されている請求項２に記載の燃料電池装置。
【請求項４】
前記改質器および前記蒸発器は前記燃焼器の上方に設けられた燃焼空間内に、前記燃料電池は該燃焼器の下方に設けられた前記燃料電池収納部内にそれぞれ配置されている、請求項３に記載の燃料電池装置。
【請求項５】
前記第１空気熱交換器は、前記改質器および前記蒸発器それぞれの側部を囲む筒形状の内周壁と、該内周壁を囲むようにこの内周壁の外側に配置され、前記燃焼排ガス経路と前記第１空気供給経路との境界を成す筒形状の境界壁と、該境界壁を囲むようにこの境界壁の外側に配置された筒形状の外周壁と、を備え、
前記内周壁と前記境界壁との間隙に前記燃焼排ガス経路が形成され、前記境界壁と前記外周壁との間隙に前記第１空気供給経路が形成されている請求項３または４に記載の燃料電池装置。
【請求項６】
前記第１空気熱交換器は、前記境界壁の少なくとも一部に凹凸部が形成されている、請求項５に記載の燃料電池装置。
【請求項７】
前記凹凸部は、筒形状の境界壁の外周において、該境界壁の径方向に突出した凸部が螺旋状に配されている請求項６に記載の燃料電池装置。
【請求項８】
前記凹凸部は、筒形状の境界壁の周方向に全周に渡って形成された、該境界壁の径方向に突出した凸部が所定間隔で複数、配されている請求項６に記載の燃料電池装置。
【請求項９】
前記改質器は、前記燃焼器の燃焼空間内において、前記蒸発器よりも下方に位置しており、
前記燃焼排ガス経路は、前記蒸発器と前記第１空気供給経路との間ならびに前記改質器と前記第１空気供給経路との間に設けられており、
前記燃焼器の燃焼熱により前記改質器が加熱されるとともに、該燃焼器で生成された燃焼排ガスの有する熱で該改質器、該蒸発器の順に加熱され、かつ第１空気熱交換器において発電用空気が加熱される請求項２から８のいずれか１項に記載の燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電用原料を改質して生成された改質ガスと発電用空気とを利用して発電を行う燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
高温の排熱が利用可能であり、発電効率が高い燃料電池として、例えば、固体酸化物形燃料電池の開発が進められている。高温の排熱を利用した構成として、排出する燃焼ガス（排気ガス）と、発電用の酸化剤ガスとの間で熱交換を行うことができる燃料電池装置の構成が提案されている（例えば、特許文献１、２）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−１４９２１号公報
【特許文献２】特開２０１４−７２０５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は一例として、外部への放熱量を抑制できるとともに、発電用空気ならびに燃料電池装置が備える各部の温度制御を容易とする燃料電池装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明に係る燃料電池装置の一態様（aspect）は、上記した課題を解決するために、発電用原料を改質し改質ガスを生成する改質器と、発電用空気と前記改質ガスとを利用して発電する燃料電池と、前記燃料電池から排出された、前記改質ガスのオフガスおよび前記発電用空気のオフガスを共に燃焼させ、前記改質器の加熱源となる燃焼排ガスを生成する燃焼器と、前記燃焼排ガスが流通する燃焼排ガス経路、および前記発電用空気が流通する第１空気供給経路を有し、該燃焼排ガスと該発電用空気との熱交換により該発電用空気を加熱させる第１空気熱交換器と、前記燃料電池を収納するとともに、該燃料電池から排出され前記燃焼器に向かう前記発電用空気のオフガスが流通する燃料電池収納部と、前記第１空気供給経路を流通した発電用空気を前記燃料電池に供給する第２空気供給経路を有し、該燃料電池収納部内を流通する発電用空気のオフガスと、該第２空気供給経路を流通する発電用空気との熱交換により該発電用空気を加熱させる第２空気熱交換器と、前記改質器、前記燃料電池、前記燃焼器、前記第１空気熱交換器、前記燃料電池収納部、および前記第２空気熱交換器を収容する筐体と、を備え、前記第１空気供給経路および前記第２空気供給経が、前記筐体の内部に収容される部材全体を覆うように配置されている。
【発明の効果】
【０００６】
本発明に係る燃料電池装置は、以上に説明したように構成され、外部への放熱量を抑制できるとともに、発電用空気ならびに燃料電池装置が備える各部の温度制御を容易とする効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】実施の形態に係る燃料電池システムの要部構成の一例を示した模式図である。
【図２】図１に示す燃料電池装置のI−I線の断面図である。
【図３】実施の形態の実施例に係る燃料電池システムが備える燃料電池装置の要部構成の一例を示した模式図である。
【図４】実施の形態の実施例に係る燃料電池システムが備える燃料電池装置の要部構成の一例を示した模式図である。
【図５】実施の形態の実施例に係る燃料電池システムが備える燃料電池装置の要部構成の一例を示した模式図である。
【図６】図３に示す燃料電池装置のIII−III線の断面図である。
【図７】図３に示す燃料電池装置が備える第１空気供給経路を流通する発電用空気の流れを示す図である。
【図８】図３に示す燃料電池装置の第１空気供給経路と燃焼排ガス経路との間の境界壁の形状の一例を示す断面図であり、同図（ａ）は、凹凸部を有さない境界壁の形状を示し、同図（ｂ）は、蒸発器および改質器それぞれの外周に対応する範囲に凹凸部が形成された境界壁の形状を示し、同図（ｃ）は、蒸発器の外周に対応する範囲のみに凹凸部が形成された境界壁の形状を示し、同図（ｄ）は、改質器の外周に対応する範囲のみに凹凸部が形成された境界壁の形状を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
（本発明の一形態を得るに至った経緯）
本発明者は「背景技術」にて記載した従来の燃料電池装置に関して鋭意研究したところ以下の問題を見出した。
【０００９】
まず、特許文献１に開示された燃料電池装置は、燃焼排ガスの熱により酸化剤ガス（発電用空気）を加熱する熱交換器が、燃料電池セルの上面および右側の短辺側面に沿って設けられた構成となっている。すなわち、ハウジング（筐体）内に形成された密閉空間内の下方部分に燃料電池セル集合体（セルスタック）が配置され、その上方には燃焼室が、燃焼室の上方には改質器がそれぞれ配置されている。そして、セルスタック、燃焼室、および改質器が設けられた筐体内の上面と短辺側面に熱交換器が配置された構成となっている。
【００１０】
また、特許文献２の燃料電池装置では、燃料電池セル収容容器（筐体）の内部において、セルスタックの周囲を囲むように燃料ガス供給流路、排ガス排出流路、および酸化剤ガス供給流路が配置された構成が開示されている。特許文献２の燃料電池装置は、セルスタックおよび燃焼部から熱を受けるように燃料ガス供給流路が設けられ、燃焼排ガスと酸化剤ガスとが熱交換可能となるように排ガス排出流路と酸化剤ガス供給流路とがそれぞれ設けられている。
【００１１】
つまり、特許文献１、２では、セルスタック、燃焼室、改質器など燃料電池装置を構成する各部を同一の収容空間内に配置し、これら各部の周囲に燃焼排ガスと発電用空気との熱交換部が設けられた構成となっている。このように同一の収容空間内に燃料電池装置を構成する各部を配置し、その周囲で燃焼排ガスと発電用空気との熱交換を行う構成では、燃焼排ガスの有する熱量を適切に改質器またはセルスタックなどの各部に分配できず、運転条件によっては、例えば、改質器またはセルスタックの温度が上昇しすぎたり、低下したりする場合があることを見出した。特に、発電部として固体酸化物形燃料電池を備える燃料電池装置では、発電時の負荷の変化に伴い発電用空気または発電用原料の温度ならびにこれらの供給量が変化した場合、燃料電池装置内の熱バランスが大幅に変化してしまう。このような場合、特許文献１、２の燃料電池装置では、各部を適切な温度で加熱することが困難となる。
【００１２】
また、特許文献１、２では、セルスタックの周囲に燃焼排ガスと発電用空気との熱交換部を設けた構成となっている。特に特許文献２では、伝導による伝熱が小さく温度の低い発電用空気がセルスタック周囲の最外周を流通する構成となっているため、セルスタック周囲から外部への放熱を抑制できるものと考えられる。しかしながら、特許文献１、２の燃料電池装置では、高温領域となるセルスタックの底部は、発電用空気によって覆われた構成とはなっていない。このため、温度が高いセルスタックの底部から外部への放熱が大きくなり、その結果、発電効率が低下するという問題点が生じることを見出した。
【００１３】
そこで、本発明者はこの問題点に関し、鋭意検討を重ねた結果、以下の知見を得た。すなわち、燃料電池装置を構成する各部を収容する筐体内部を機能別に２つの空間領域に分離し、それぞれの空間領域ごとに発電用空気と熱交換を行う熱交換器を設けた構成とした。この構成により、発電用空気と熱交換する媒体をそれぞれ空間領域ごとに分離することができ、発電用空気ならびに各部の温度制御を容易とすることを見出した。さらに、燃料電池装置の各部の外周を、発電用空気が流通する流路により覆う構成とすることで、外部への放熱量を抑制することができることを見出し、本発明に至った。そして、本発明では以下に示す態様を提供する。
【００１４】
本発明の第１の態様に係る燃料電池装置は、発電用原料を改質し改質ガスを生成する改質器と、発電用空気と前記改質ガスとを利用して発電する燃料電池と、前記燃料電池から排出された、前記改質ガスのオフガスおよび前記発電用空気のオフガスを共に燃焼させ、前記改質器の加熱源となる燃焼排ガスを生成する燃焼器と、前記燃焼排ガスが流通する燃焼排ガス経路、および前記発電用空気が流通する第１空気供給経路を有し、該燃焼排ガスと該発電用空気との熱交換により該発電用空気を加熱させる第１空気熱交換器と、前記燃料電池を収納するとともに、該燃料電池から排出され前記燃焼器に向かう前記発電用空気のオフガスが流通する燃料電池収納部と、前記第１空気供給経路を流通した発電用空気を前記燃料電池に供給する第２空気供給経路を有し、該燃料電池収納部内を流通する発電用空気のオフガスと、該第２空気供給経路を流通する発電用空気との熱交換により該発電用空気を加熱させる第２空気熱交換器と、前記改質器、前記燃料電池、前記燃焼器、前記第１空気熱交換器、前記燃料電池収納部、および前記第２空気熱交換器を収容する筐体と、を備え、前記第１空気供給経路および前記第２空気供給経が、前記筐体の内部に収容される部材全体を覆うように配置されている。
【００１５】
上記した構成によると、筐体の内部に収容される部材全体を第１空気供給経路および第２空気供給経路で覆うことにより、筐体内部から外部への放熱量を大幅に低減することができる。このため、例えば、燃料電池装置の筐体の外周を断熱部によって覆うように構成する場合、この断熱部の層厚を薄くすることができ、燃料電池装置の小型化および低コスト化を図ることができる。
【００１６】
また、筐体内の空間領域を、燃料電池を収納する燃料電池収納部とそれ以外の領域とに分離した構成となっており、前者の領域には第２空気熱交換器を備え、後者の領域には第１空気熱交換器を備えている。このため発電用空気と熱交換する媒体をそれぞれ空間領域ごとに分離させることができ、燃料電池に供給する発電用空気の温度を、燃料電池の温度に近い温度となるように精度よく調整することができる。
【００１７】
また、燃焼排ガス経路を流通する燃焼排ガスと第１空気供給経路を流通する発電用空気との間で熱交換を行う構成である。また、燃焼排ガスは改質器の加熱源でもある。すなわち、燃焼排ガスが有する熱を、第１空気供給経路を流通する発電用空気と改質器との加熱のみに利用できる。それゆえ、燃料電池装置が備える各部（改質器）を適切な温度範囲となるように温度制御を容易に行うことができる。
【００１８】
したがって、第１の態様に係る燃料電池装置は、外部への放熱量を抑制できるとともに、発電用空気ならびに燃料電池装置が備える各部の温度制御を容易とする効果を奏する。
【００１９】
本発明の第２の態様に係る燃料電池装置は、上記した第１の態様において、前記改質器は、水蒸気改質により前記発電用原料から前記改質ガスを生成しており、前記水蒸気改質で利用する改質水を気化させて得られた水蒸気を前記改質器に供給する蒸発器を前記筐体内部に備え、前記燃焼排ガスは、前記改質器および前記蒸発器の加熱源となる構成であってもよい。
【００２０】
上記構成によると、蒸発器を備え、改質器は水蒸気改質により発電用原料を改質することができるため、効率よく改質ガスを生成することができる。
【００２１】
また、燃焼排ガス経路を流通する燃焼排ガスと第１空気供給経路を流通する発電用空気との間で熱交換を行う構成である。また、燃焼排ガスは改質器および蒸発器の加熱源でもある。すなわち、燃焼排ガスが有する熱を、第１空気供給経路を流通する発電用空気の加熱と、改質器および蒸発器の加熱のみに利用できる。それゆえ、燃料電池装置が備える各部として改質器および蒸発器を適切な温度範囲となるように温度制御を容易に行うことができる。
【００２２】
本発明の第３の態様に係る燃料電池装置は、上記した第２の態様において、前記燃焼排ガス経路は、前記改質器および前記蒸発器それぞれの側部を囲むように配置され、前記第１空気供給経路は、前記燃焼排ガス経路の外周を囲むように配置され、前記第２空気供給経路は、前記燃料電池収納部の外周に沿って配置されている構成であってもよい。
【００２３】
上記構成によると燃焼排ガス経路が改質器および蒸発器それぞれの側部を囲むように配置されているため、燃焼排ガス経路を流通する燃焼排ガスの有する熱により改質器および蒸発器それぞれを効率よく均一に加熱させることができる。また、燃焼排ガス経路の外周を囲むように第１空気供給経路が配置されているため、燃焼排ガスと発電用空気との熱交換を効率よく行うことができる。また、燃料電池収納部の外周に沿って第２空気供給経路が配置されているため、燃料電池収納部内の発電用空気のオフガスと発電用空気との熱交換を効率よく行うことができる。
【００２４】
本発明の第４の態様に係る燃料電池装置は、上記した第３の態様において、前記改質器および前記蒸発器は前記燃焼器の上方に設けられた燃焼空間内に、前記燃料電池は該燃焼器の下方に設けられた前記燃料電池収納部内にそれぞれ配置された構成であってもよい。
【００２５】
上記構成によると燃焼器によって生じた燃焼熱および燃焼排ガスの有する熱により加熱される部材（改質器、蒸発器）を燃焼空間に配置し、それ以外の部材（燃料電池）と配置する空間を分けた構成となっている。このため、各部の温度管理を精度よく行うことができる。
【００２６】
本発明の第５の態様に係る燃料電池装置は、上記した第３の態様または第４の態様において、前記第１空気熱交換器は、前記改質器および前記蒸発器それぞれの側部を囲む筒形状の内周壁と、該内周壁を囲むようにこの内周壁の外側に配置され、前記燃焼排ガス経路と前記第１空気供給経路との境界を成す筒形状の境界壁と、該境界壁を囲むようにこの境界壁の外側に配置された筒形状の外周壁と、を備え、前記内周壁と前記境界壁との間隙に前記燃焼排ガス経路が形成され、前記境界壁と前記外周壁との間隙に前記第１空気供給経路が形成された構成であってもよい。
【００２７】
上記構成によると筒形状の内周壁と、境界壁と、外周壁とによって第１空気熱交換器を構成することができるため、筐体の表面積を小さくでき燃料電池装置の小型化を図ることができるとともに、筐体内から外部への放熱を抑制することができる。また、筒形状の部材は作成が容易であるため、第１空気熱交換器を容易に製造することができる。
【００２８】
本発明の第６の態様に係る燃料電池装置は、上記した第５の態様において、前記第１空気熱交換器は、前記境界壁の少なくとも一部に凹凸部が形成された構成であってもよい。
【００２９】
上記構成によると境界壁の少なくとも一部に凹凸部が形成されているため、第１空気熱交換器において、第１空気供給経路と燃焼排ガス経路との熱交換面積を増加させることができる。また、発電用空気および燃焼排ガスそれぞれにおいて乱流を発生させることができ、熱伝達係数を増加させることが可能となる。
【００３０】
したがって、この凹凸部が形成されている部分では燃焼排ガスと発電用空気との熱交換量を大きくすることができる。逆にいうと、境界壁において凹凸部が形成されている部分が改質器または蒸発器の外周に対応する位置である場合、改質器または蒸発器に対して燃焼排ガスから与えられる熱量が小さくなる。したがって、凹凸部を形成する位置によって改質器、蒸発器、および発電用空気それぞれに燃焼排ガスから与えられる熱量を調整することができる。
【００３１】
また、凹凸部を形成する位置を考慮することによって燃焼排ガスが有する熱を効率よく発電用空気、改質器、および蒸発器それぞれに分配させることができ燃焼排ガスが有する熱を有効に活用することができる。それ故、筐体から外部に排出された時の燃焼排ガスが有する熱量を大幅に低下させることができ、燃料電池装置における発電効率の向上を図ることができる。
【００３２】
本発明の第７の態様に係る燃料電池装置は、上記した第６の態様において、前記凹凸部は、筒形状の境界壁の外周において、該境界壁の径方向に突出した凸部が螺旋状に配された構成であってもよい。
【００３３】
上記構成によると凹凸部は、その凸部が境界壁の外周において螺旋状に配されているため、第１空気供給経路と燃焼排ガス経路との熱交換面積を増加させることができる。また、凹凸部により燃焼排ガス経路および第１空気供給経路それぞれの流路幅を狭め、圧力損失を大きくさせるように構成した場合、第１空気熱交換器における熱交換性能をさらに向上させることができる。
【００３４】
本発明の第８の態様に係る燃料電池装置は、上記した第６の態様において、前記凹凸部は、筒形状の境界壁の周方向に全周に渡って形成された、該境界壁の径方向に突出した凸部が所定間隔で複数、配されている構成であってもよい。
【００３５】
上記構成によると、凹凸部では、境界壁の周方向に全周に渡って形成された凸部が所定間隔で複数、配されている。このため、凹凸部の作製が容易となり安価に第１空気熱交換器を製造することができる。
【００３６】
本発明の第９の態様に係る燃料電池装置は、上記した第２の態様から第８の態様のいずれか１つの態様において、前記改質器は、前記燃焼器の燃焼空間内において、前記蒸発器よりも下方に位置しており、前記燃焼排ガス経路は、前記蒸発器と前記第１空気供給経路との間ならびに前記改質器と前記第１空気供給経路との間に設けられており、前記燃焼器の燃焼熱により前記改質器が加熱されるとともに、該燃焼器で生成された燃焼排ガスの有する熱で該改質器、該蒸発器の順に加熱され、かつ第１空気熱交換器において発電用空気が加熱されるように構成されていてもよい。
【００３７】
上記構成によると、燃焼排ガスの有する熱によって、発電用空気を加熱させるとともに、改質器、蒸発器の順にこれらを加熱させることができ、それぞれを適切な温度範囲とすることができる。このため、過昇温または温度上昇不足を防ぐことができ、発電効率の向上および改質性能の維持、蒸発性能の維持を実現することができる。
【００３８】
より具体的には、改質性能を維持するためには、改質器に充填される改質触媒を適切な温度範囲とする必要がある。また、蒸発器を過昇温とならないようにする必要もある。つまり、蒸発器が過昇温となった場合、突沸などの現象が生じ、燃料電池装置内において圧力変動が起こる。そして、この圧力変動によって発電用空気または燃焼排ガスの脈動が発生し、燃料電池装置の発電量が変動するという問題が生じる。
【００３９】
しかしながら、本発明の第９の態様に係る燃料電池装置は、燃焼排ガスの有する熱によって、改質器および蒸発器それぞれを適切な温度範囲とすることができる。このため、改質器は安定して発電用原料を改質できるとともに、蒸発器における突沸を防ぎ、該突沸に起因する発電量の変動を抑制して、安定した発電を実現できる。
【００４０】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、以下では全ての図を通じて同一又は対応する構成部材には同一の参照符号を付して、その説明については省略する。
【００４１】
（実施の形態）
図１および図２を参照して実施の形態に係る燃料電池システム１００について説明する。図１は、実施の形態に係る燃料電池システム１００の要部構成の一例を示した模式図である。図１では、実施の形態に係る燃料電池システム１００が備える燃料電池装置５０を側部から見たときの構成を模式的に示している。図２は、図１に示す燃料電池装置５０のI−I線の断面図である。
【００４２】
（燃料電池システムの構成）
図１に示すように、燃料電池システム１００は、燃料電池装置５０および制御器４０を備えている。燃料電池システム１００は、図１において特に図示しないが、燃料電池装置５０に発電用空気、発電用原料、改質水、改質用空気等を供給するための供給用ポンプ等をさらに備えていてもよい。なお、本実施の形態では、発電部に固体酸化物形燃料電池を用いた燃料電池装置５０を例示して説明する。
【００４３】
燃料電池装置５０は、原料供給経路１、改質水供給経路２、蒸発器３、改質器４、改質ガス経路５、発電用空気供給経路６、第１空気供給経路７、第２空気供給経路８、燃料電池９、燃料電池収納部１０、改質ガスオフガス経路１１、発電用空気オフガス経路１２、燃焼器１３、着火器１４、改質用空気供給経路１５、燃焼排ガス経路１６、燃焼排ガス排出経路１７、第１空気熱交換器１８、第２空気熱交換器１９、断熱部２０、温度センサ２１、および筐体３０を備えている。
【００４４】
燃料電池装置５０では、筐体３０の外部から供給された発電用原料を改質器４で改質し、改質された改質ガスと外部から供給された発電用空気とを利用して燃料電池９が水素と酸素との電気化学反応により発電するように構成されている。
【００４５】
なお、本明細書では、原料供給経路１を通じて外部から供給されるガスを発電用原料と称し、改質器４において改質反応により発電用原料が改質されて生成されたガスを改質ガスと称するものとする。発電用原料としては、例えば、都市ガスまたはプロパンガスなどの炭化水素を主成分とするガスを例示できる。
【００４６】
燃料電池システム１００では、発電用原料が原料供給経路１を、改質水が改質水供給経路２を、発電用空気が発電用空気供給経路６をそれぞれ通じて燃料電池装置５０に適切なタイミングで供給される。発電用原料、改質水、発電用空気それぞれは、例えば、供給用ポンプ（不図示）などによって加圧されて供給される構成であってもよい。また、詳細は後述するが、燃料電池システム１００の起動時においては、改質器４において部分酸化法によっても発電用原料を改質することができる構成となっている。このため、燃料電池システム１００の起動時においては、改質用空気供給経路１５を通じて改質器４に改質用空気が供給される。
【００４７】
また、図１および図２では特に図示していないが、原料供給経路１には、発電用原料に含まれる硫黄成分を除去するための脱硫器（不図示）が設けられていてもよい。脱硫器の一例としては、水添脱硫方式により発電用原料に含まれる硫黄成分を除去する方式がある。脱硫器に充填する脱硫剤としては、例えば、銅および亜鉛を含む脱硫剤が挙げられる。なお、脱硫剤は、水添脱硫を行うことができればこの脱硫剤に限定されるものではなく、Ni−Mo系又はCo−Mo系触媒と酸化亜鉛との組み合わせであってもよい。Ni−Mo系又はCo−Mo系触媒と酸化亜鉛とを組み合わせた脱硫剤の場合、脱硫器は３５０〜４００℃の温度範囲にて、燃料ガス中の有機硫黄を水添分解する。そして、脱硫器は、生成したＨ２Ｓを、３５０〜４００℃の温度範囲にてZnOに吸着させて除去する。
【００４８】
例えば、燃料ガスが都市ガスの場合、付臭剤として硫黄化合物であるジメチルスルフィド（dimethyl sulfide ;C2H6S，以下、DMSと称する）が含有されている。このDMSは、脱硫器において、以下の反応式（式（１）、（２））によるZnSの形、または物理吸着の形で脱硫剤によって除去される。
C2H6S+2H2→2CH4+H2S      ・・・（１）
H2S+ZnO→H2O+ZnS          ・・・（２）
なお、付臭剤は、上述したＤＭＳに限定されるものではなく、TBM（C4H10S）またはTHT（C4H8S）等の他の硫黄化合物であってもよい。
【００４９】
充填する脱硫剤が銅および亜鉛を含む場合、脱硫器は、１０〜４００℃程度、好ましくは１５０〜３００℃程度の温度範囲で脱硫を行う。この銅亜鉛系脱硫剤は、水添脱硫能力に加えて物理吸着能力もあり、低温では主に物理吸着、高温では化学吸着（H2S+ZnO→H2O+ZnS）を行うことができる。この場合、脱硫後の燃料ガスに含まれる硫黄含有量は、１vol ppb（parts per billion）以下、通常は０．１vol ppb以下となる。
【００５０】
このように、脱硫器において、Ni−Mo系又はCo−Mo系触媒、あるいは銅および亜鉛のいずれかを含む脱硫剤が充填されている場合、単位体積あたりの硫黄成分除去量が大きくなる。それゆえ、上述した脱硫剤を用いる場合、所望の硫黄濃度まで硫黄を除去するために必要となる脱硫剤の量を低減させることができる。以上のようにして脱硫器によって脱硫された脱硫後の発電用原料が、蒸発器３で気化された改質用水とともに改質器４へ供給される構成であってもよい。
【００５１】
蒸発器３は、原料供給経路１と改質水供給経路２とに接続されており、外部から供給された改質水を、燃焼排ガスの有する熱により加熱させ、気化させる。そして、蒸発器３は、改質水を気化させて得られた水蒸気を、外部から供給された発電用原料とともに改質器４に供給する。
【００５２】
改質器４は、蒸発器３から発電用原料と水蒸気とが供給されると、水蒸気改質により発電用原料を改質し、水素含有ガスである改質ガスを生成する。改質器４により生成された改質ガスは、改質ガス経路５を通じて改質器４から燃料電池９へ供給される。なお、改質器４に充填される改質触媒としては、Al2O3（アルミナ）の球体表面にNiを含浸し、担持したものや、Al2O3の球体表面にルテニウムを付与したものを適宜用いることができる。
【００５３】
改質器４は水蒸気改質により原料ガスを改質して改質ガスを生成する構成であるが、水蒸気改質だけではなく部分酸化法によっても発電用原料を改質する構成となっている。つまり、燃料電池システム１００の起動時は、改質器４において吸熱反応である水蒸気改質を行うために必要となる熱エネルギーが不足している。そこで、燃料電池システム１００の起動時は、蒸発器３への改質水の供給を停止させておき、改質用空気供給経路１５を通じて改質器４に改質用空気を供給する構成とする。そして、改質器４は、以下の式（３）で表される部分酸化法により発電用原料の改質を行い、水素ガスおよび一酸化炭素を生成する。
CnHm+(n/2)O2→n・CO+(m/2)H2（n，mは任意の自然数）        ・・・（３）
そして、これらの水素ガスおよび一酸化炭素（水素含有ガス）を、改質ガス経路５を通じて燃料電池９に供給する。そして、燃料電池９は、改質器４から供給された水素含有ガスと、第２空気供給経路８を通じて供給された発電用空気とを利用して発電反応を行う。
【００５４】
また、燃料電池システム１００において燃料電池装置５０の運転が進むにつれ、改質器４の温度は上昇していく。つまり、上記の式（３）で表される部分酸化法は発熱反応であり、更に、燃焼器１３の燃焼に伴う輻射熱、またはこの燃焼時に生成された燃焼排ガスの有する熱などにより、改質器４の温度は上昇する。そして、改質器４の温度が、例えば、４００℃以上になれば以下の式（４）で表される水蒸気改質反応を並行して行うことが可能となる。
CnHm+n・H2O→n・CO+(m/2+n)H2（n,mは任意の自然数）        ・・・（４）
上述した式（４）で示される水蒸気改質反応は、式（３）で示される部分酸化法と比較すると、同じ量の炭化水素（CnHm）から生成できる水素量がより多くなり、その結果、燃料電池９における発電反応に利用可能な水素量が多くなる。換言すると、水蒸気改質反応により発電用原料を改質することで効率よく改質ガスを生成することができる。
【００５５】
燃料電池システム１００の運転が進み、改質器４の温度が例えば、６００℃以上になれば、式（４）の水蒸気改質反応に必要となる熱エネルギーを燃焼排ガスの有する熱および燃焼器１３の燃焼熱、燃焼に伴う輻射熱だけで補うことが可能となる。そこで、制御器４０は、温度センサ２１による検知結果に基づき改質器４の温度が例えば、６００℃以上まで上昇したと判断すると、改質用空気の供給を停止させ、水蒸気改質反応のみの運転に切り替える。
【００５６】
発電用空気供給経路６は、燃料電池９での発電に用いる発電用空気（酸化剤ガス）を供給する経路であり、第１空気供給経路７と連通するように結合されている。また、第１空気供給経路７は発電用空気供給経路６を通じて外部から供給された発電用空気が流通する経路である。第１空気供給経路７は発電用空気供給経路６と結合されている側とは反対側の端部で、第２空気供給経路８とは連通するように結合されている。
【００５７】
第２空気供給経路８は、第１空気供給経路７を流通してきた発電用空気が流通する経路であり、燃料電池９と連通するように結合されている。このため、発電用空気供給経路６から流入する発電用空気は、第１空気供給経路７、第２空気供給経路８を通じて燃料電池９に供給される。
【００５８】
第１空気供給経路７は、図２に示すように、直方体形状をした改質器４等の側部の外周を囲うように角型形状に配置された燃焼排ガス経路１６の外側に沿って配置されている。そして、この第１空気供給経路７と燃焼排ガス経路１６とによって第１空気熱交換器１８を構成する。第１空気熱交換器１８では、第１空気供給経路７を流通する発電用空気と燃焼排ガス経路１６を流通する燃焼排ガスとの間で熱交換を行い、発電用空気を加熱する。図１では、燃焼排ガスは下方から上方に向かって流通し、発電用空気は上方から下方に向って流通しており、両者は対向流となっている。このため、両者は効率よく熱交換を行うことができる。また、この熱交換により燃焼排ガスは上方に向かうほど保有する熱量が小さくなり温度が低下していく。一方、発電用空気は上方から下方に向うほど温度がより高い燃焼排ガスと熱交換をすることとなるため、高温となる。
【００５９】
一方、第２空気供給経路８は、図１に示すように直方体形状の燃料電池収納部１０の外周（図１の例では側面および底面）に沿って配置されており、第１空気供給経路７を流通した発電用空気を、燃料電池９へ供給させる。第２空気熱交換器１９は、この第２空気供給経路８を有し、燃料電池収納部１０内の発電用空気オフガスと第２空気供給経路８を流れる発電用空気との間で熱交換を行い、発電用空気を加熱する。例えば、第１空気熱交換器１８および第２空気熱交換器１９を流通した後の発電用空気は４００〜８００℃まで加熱される。そして、この加熱された発電用空気が燃料電池９へと供給される。このように、燃料電池９へ供給される発電用空気を燃料電池９の温度と同程度まで昇温させ、燃料電池９に供給することができる。
【００６０】
燃料電池９は、供給された改質ガスおよび発電用空気を利用して、水素と酸素との電気化学反応により発電する。つまり、燃料電池９は、改質ガスが供給される燃料極および発電用空気が供給される空気極を有し、該燃料極と該空気極との間で発電する単セルを複数枚、直列に接続したセルスタックとして構成されている。なお、燃料電池９は、直列接続したセルスタックをさらに並列に接続させた構成としてもよい。単セルとしては、例えばイットリアをドープしたジルコニア（YSZ）、イッテルビウムまたはスカンジウムをドープしたジルコニア、あるいはランタンガレート系の固体電解質からなる単セルを用いることができる。例えば、単セルがＹＳＺの場合、厚みにもよるが、約６００〜９００℃の温度範囲にて、発電反応が行われる。
【００６１】
燃料電池９から排出された、発電に未利用の水素を含む改質ガス（改質ガスのオフガス）は、改質ガスオフガス経路１１を通じて燃焼器１３に供給される。発電に未利用の酸素を含む発電用空気（発電用空気のオフガス）は、燃料電池９から燃料電池収納部１０内に排出され、該燃料電池収納部１０内を流通して燃焼器１３に供給される。
【００６２】
燃焼器１３は、改質ガスのオフガスと発電用空気のオフガスとを燃焼させ、その燃焼熱により、燃焼器１３の燃焼空間２２内に設けられた改質器４を加熱する。また、燃焼器１３では改質ガスのオフガスと発電用空気のオフガスとの燃焼により、蒸発器３および改質器４の加熱源となる燃焼排ガスを生成する。そして、この燃焼排ガスは、蒸発器３および改質器４それぞれの側部を囲むように配置された燃焼排ガス経路１６を流通する。
【００６３】
燃焼排ガスは、燃焼排ガス経路１６を流通する際に、燃焼排ガス経路１６の外周と接するように設けられた第１空気供給経路７を流通する発電用空気と熱交換しながら、筐体３０の上面から燃焼排ガス排出経路１７を介して外部に排出される。また、燃焼排ガスは、燃焼排ガス経路１６の内周側に配置された改質器４および蒸発器３も加熱する。つまり、高温の熱により加熱する必要がある改質器４は燃焼器１３の燃焼熱および燃焼熱の輻射熱と、燃焼排ガスの有する熱とによって加熱される。一方、改質器４よりも高温の熱により加熱する必要がない蒸発器３は、発電用空気との熱交換により保有する熱の一部が奪われた燃焼排ガスの熱により加熱することができる。このため、燃焼排ガスと発電用空気との間での熱交換量を調整することで改質器４と蒸発器３とをそれぞれ適切な温度に加熱させることができる。
【００６４】
このように、本実施の形態に係る燃料電池装置５０では、燃料電池９の発電時に、燃焼器１３にて、改質ガスのオフガスと発電用空気のオフガスとを燃焼させ、高温の燃焼排ガスを生成し、その熱エネルギーを有効に利用することで高効率な発電運転を実現する構成となっている。
【００６５】
また、本実施の形態に係る燃料電池装置５０では、改質器４に温度センサ２１を設け、改質器４の温度を監視できる構成であるが、温度センサ２１の設ける場所はこの場所に限定されない。例えば、温度センサ２１を燃焼器１３の近傍に設けてもよいし、燃料電池９のスタックに設けてもよい。温度センサ２１を改質器４に設けた場合、改質器４に充填されている改質触媒の活性温度に至るまで該改質器４の温度が上昇しているか否か把握することができる。また、温度センサ２１を燃焼器１３の近傍に設けた場合、燃焼器１３における燃焼状態を把握することができる。また、温度センサ２１を燃料電池９のスタックに設けた場合、燃料電池９において正常な状態で発電が行われているか否か把握することができる。なお、燃料電池装置５０において設けられる温度センサ２１の個数は１つに限定されるものではなく任意である。
【００６６】
本実施の形態に係る燃料電池システム１００では、温度センサ２１による検知結果を制御器４０に送出する構成となっている。制御器４０は、受信した温度センサ２１の検知結果に基づき、蒸発器３、改質器４、燃料電池９などが所定の温度範囲となるように、さらには、燃焼器１３の燃焼温度が所定の温度範囲となるように、発電用空気および発電用原料の供給量、燃料電池９における発電量等を調整するように制御する。なお、発電用空気および発電用原料の供給量の調整は、制御器４０が、原料供給経路１および発電用空気供給経路６それぞれに設けられた流量調整弁（不図示）の開閉を制御することで実現できる。制御器４０は、例えば、ＭＰＵ、ＣＰＵなどで例示できる演算処理部と、メモリなどで例示できる記憶部とを備え、ＣＰＵ等がメモリに記憶されたプログラムを読み出し、実行することで各種制御を実行することができる。
【００６７】
また、燃料電池装置５０では、筐体３０の外側には、筐体３０を覆うように断熱部２０が備えられており、燃料電池装置５０の筐体３０内部から外部への放熱を可能な限り遮断するように構成されている。
【００６８】
（各部の配置関係）
次に、燃料電池装置５０が備える各部の配置関係について説明する。
【００６９】
図１に示すように、燃料電池装置５０の筐体３０内において、燃焼器１３の燃焼空間２２内に改質器４が、改質器４の上方に蒸発器３がそれぞれ配置されている。一方、燃焼器１３の下方には燃料電池収納部１０が配置されており、燃料電池収納部１０内に燃料電池９が設けられている。つまり、燃焼器１３を境に、蒸発器３および改質器４が設けられる空間と燃料電池９が設けられる空間とに分離されている。
【００７０】
また、第１空気熱交換器１８が有する第１空気供給経路７と第２空気熱交換器１９が有する第２空気供給経路８とによって、改質ガス経路５、燃焼排ガス経路１６、蒸発器３、改質器４、燃焼器１３、および燃料電池収納部１０の周りを全体的に覆う構成となっている。すなわち、第１空気供給経路７と第２空気供給経路８が、筐体３０の内部に収容された部材全体を覆うように配置されている。
【００７１】
なお、燃料電池装置５０の筐体３０の上面部において、原料供給経路１、改質水供給経路２、改質用空気供給経路１５、および燃焼排ガス排出経路１７等と接続される構成となっており、構成上、物理的に第１空気供給経路７および第２空気供給経路８を配置できない部分が生じる場合がある。しかしながら、このような構成の場合であっても、筐体３０の上部における中空部分に空気層が形成されるため、筐体３０の内部に収容されている部材全体が燃料電池９に供給する発電用空気と空気層とによって完全に覆われているといえる。
【００７２】
（燃料電池システムにおける温度制御）
次に、燃料電池装置５０における各部の温度制御について説明する。燃料電池装置５０では、蒸発器３、改質器４を第１空気熱交換器１８の近傍に設置することにより、高温の燃焼排ガスの有する熱を利用して、蒸発器３および改質器４それぞれの機能に適した温度まで加熱することができる構成である。また、第１空気熱交換器１８および第２空気熱交換器１９を発電用空気が通過し、燃焼排ガスと熱交換することで発電用空気を適切な温度まで昇温させる構成である。ここで、まず、燃焼器１３で生成された燃焼排ガスの流れについて説明する。
【００７３】
燃焼器１３で生成する燃焼排ガスの流量およびその温度については、燃料電池９の燃料利用率（発電反応により、燃料として燃料電池９で消費される改質ガスの割合）を調整することにより、制御することが可能である。本実施の形態では、例えば、燃焼器１３の燃焼時の温度範囲を、約６００〜９００℃になるように燃料利用率を設定する。
【００７４】
このように温度範囲が設定された燃焼器１３において生成された燃焼排ガスは、改質器４および蒸発器３を加熱することにより自身が保有する熱の一部が消費される。また、第１空気熱交換器１８における、発電用空気との熱交換によって、燃焼排ガスが有する熱がさらに奪われ、燃焼排ガス排出経路１７を通じて外部に放出するのに適切な温度まで低下させられる。例えば、燃焼器１３で生成された時点での燃焼排ガスの温度は、約６００〜９００℃と高温である。しかし、改質器４および蒸発器３を加熱し、更に、第１空気熱交換器１８における発電用空気との熱交換によって、外部に排出されるまでに、燃焼排ガスの温度は十分に低下させられる。
【００７５】
例えば、燃料電池９において１kWの発電を行う場合、５０L/min以上の発電用空気が燃料電池９に供給される。このため、第１空気熱交換器１８および第２空気熱交換器１９によって、５０L/min以上の発電用空気を外気温から約４００〜８００℃まで昇温させる必要がある。このため、第１空気熱交換器１８における燃焼排ガスと発電用空気との熱交換には大きな熱量が必要となり、燃焼排ガスの温度は十分に低下させられる。
【００７６】
そこで、本実施の形態に係る燃料電池システム１００では、燃料電池装置５０から外部に排出される燃焼排ガスの温度を、燃焼器１３で生成される燃焼排ガスの流量および温度、改質器４および蒸発器３に吸熱される熱量、ならびに第１空気熱交換器１８において吸熱される熱量などを考慮して所望の値となるように制御している。なお、燃焼排ガスは、燃料電池装置５０から排出され後、例えば、水との熱交換によりお湯を生成してもよい。このように排出された燃焼排ガスの有する熱を利用してお湯を生成し、該お湯を貯湯タンクに貯留することで、燃料電池装置５０の排熱を有効活用することができる。燃焼排ガスと水との間での熱交換によりお湯を生成する場合、燃料電池装置５０から排出される燃焼排ガスの温度は、約１５０〜２００℃の範囲とする。
【００７７】
以上のように、実施の形態に係る燃料電池システム１００では、燃料電池装置５０において燃焼排ガスが有する熱を、改質器４および蒸発器３の加熱、ならびに発電用空気の昇温に、有効に利用し、改質器４および蒸発器３それぞれの温度を適切な範囲とすることができる。つまり、改質器４および蒸発器３それぞれの過昇温または温度不足を防ぐことができ、発電効率の向上、改質性能の維持、蒸発性能の維持などを実現できる。
【００７８】
特に、改質性能の維持には、改質触媒を適切な温度範囲とする必要がある。また、突沸などの現象を抑制するためには蒸発器３の温度が上昇しすぎないようにする必要がある。蒸発器３が過昇温となった場合、突沸などの現象が生じ、燃料電池装置５０内において圧力変動が起こる。そして、この圧力変動によって発電用空気または燃焼排ガスの脈動が発生し、その結果、燃料電池装置５０の発電量が変動するという問題が生じる。
【００７９】
しかしながら、燃料電池装置５０は、燃焼排ガスの有する熱によって、改質器および蒸発器それぞれを適切な温度範囲とすることができる。このため、改質器は安定して発電用原料を改質できるとともに、蒸発器における突沸を防ぎ、該突沸に起因する発電量の変動を抑制して、安定した発電を実現できる。
【００８０】
さらにまた、燃料電池装置５０は、蒸発器３、改質器４、燃焼器１３、燃料電池９、燃焼排ガス経路１６、および改質ガス経路５等を、第１空気供給経路および第２空気供給経路で覆う構成である。つまり、筐体３０に収容されている各部を、伝導による伝熱が小さく温度の低い発電用空気で覆う構成である。このため、高温部分が外部に曝された状態とならず、筐体３０内から外部への放熱量を低減することができる。また、筐体３０の表面温度を下げることができるため、筐体３０を覆う断熱部２０の層厚を薄くすることができ、小型化および低コスト化が可能となる。
【００８１】
また、燃焼排ガスが有する熱を、蒸発器３、改質器４、および発電用空気の加熱のみに使用できるため、蒸発器３、改質器４、および発電用空気の高精度な温度管理を容易とする。また、第１空気熱交換器１８および第２空気熱交換器１９を備えるため、燃料電池９に流入する発電用空気の温度と燃料電池９の温度とを近づけることができる。このため、発電時の燃料電池９のスタック温度を所望の温度範囲に維持することができる。したがって、燃料電池システム１００では、燃料電池装置５０の長期耐久性を確保できる。
【００８２】
なお、燃料電池装置５０では、蒸発器３および改質器４を直方体形状としているが形状はこれに限定されるものではなく、例えば、円柱形または円筒形状であってもよい。蒸発器および改質器４を円筒形状とする場合、内部の中空部分は空気層となっていてもよい。
【００８３】
また燃焼排ガス経路１６の形状は、直方体形状の蒸発器３および改質器４の側面側を囲うように内部が中空となった、断面形状が角型となる筒形状であった。さらに、第１空気供給経路７の形状は、この燃焼排ガス経路１６の外側面に沿って接するように、断面形状が角型となる筒形状であった。しかしながら、燃焼排ガス経路１６および第１空気供給経路７の形状は、蒸発器３および改質器４の側面側を囲うように内部が中空となった、円筒形状であってもよい。蒸発器３および改質器４を円柱形状とし、第１空気供給経路７および燃焼排ガス経路１６を円筒形状とする場合、これらすべての中心軸が一致するように各部が配置された構成であってもよい。
【００８４】
また、燃料電池装置５０では、図１に示すように、燃料電池９および燃料電池収納部１０は、直方体形状をしていたが、例えば、円柱形状であってもよい。この場合、第２空気供給経路８の形状を、円柱形状の燃料電池収納部１０の周面および底面に接して覆う、有底の円筒形状とすることができる。燃料電池９および燃料電池収納部１０を円柱形状とし、第２空気供給経路８を有底の円筒形状とする場合、これらすべての中心軸が一致するように各部が配置された構成であってもよい。
【００８５】
（実施の形態の実施例）
図３〜図５を参照して実施の形態の実施例に係る燃料電池システム１０１が備える燃料電池装置５１について説明する。図３〜５は、実施の形態の実施例に係る燃料電池システム１０１が備える燃料電池装置５１の要部構成の一例を示した模式図である。図３は、実施例に係る燃料電池装置５１の側部の断面図（Ｙ方向を垂直に横切る断面；図４に示すIV-Y−IV-Y断面）である。図４は、実施例に係る燃料電池装置５１の上面図である。ただし、図４では、燃料電池装置５１の構成において断熱部２０を除いた筐体３０の上面図を示している。図５は、実施例に係る燃料電池装置５１の側部の断面図（Ｘ方向を垂直に横切る断面；図４に示すIV-X−IV-X断面）である。
【００８６】
実施例に係る燃料電池システム１０１が備える燃料電池装置５１は、実施の形態に係る燃料電池システム１００が備える燃料電池装置５０の構成と比較して、備えている部材は同じである。このため、実施例に係る燃料電池装置５１が備える各部には実施の形態に係る燃料電池装置５０が備える各部と同じ符号を付し、それぞれの説明については省略する。
【００８７】
実施例に係る燃料電池装置５１と実施の形態に係る燃料電池装置５０との相違点は、蒸発器３、改質器４、第１空気供給経路７、および燃焼排ガス経路１６の形状、およびこれら各部を収容する筐体３０部分の形状が異なる点である。より具体的には、実施例に係る燃料電池装置５１では、蒸発器３、改質器４、第１空気供給経路７、および燃焼排ガス経路１６が、それぞれ上下方向（Ｚ軸方向）に中心軸が延伸する円筒形状となっている。なお、これら各部の中心軸は一致しており、中心軸の延伸方向に対して垂直に横切る断面形状は、各部が同心円となるように配置されている。そして、図３、５に示すように、第１空気供給経路７により覆われている部分、つまり第１空気熱交換器１８部分を収容する筐体３０部分がＺ方向に延伸した円柱形状となっている。また、第１空気熱交換器１８の構成は以下のようになっている。すなわち、第１空気熱交換器１８は、蒸発器３および改質器４の側部を囲む円筒形状の内周壁１８ａと、該内周壁１８ａを囲むようにこの内周壁１８ａの外側に配置され、燃焼排ガス経路１６と第１空気供給経路７との境界を成す筒形状の境界壁１８ｂと、該境界壁１８ｂを囲むようにこの境界壁１８ｂの外側に配置された筒形状の外周壁１８ｃと、を備えている。そして、内周壁１８ａと境界壁１８ｂとの間隙に燃焼排ガス経路１６が形成され、境界壁１８ｂと外周壁１８ｃとの間隙に第１空気供給経路７が形成された構成となっている。なお、本実施例に係る燃料電池装置５１では、外周壁１８ｃが筐体３０の上部部分と兼用となっている。
【００８８】
このため、実施例に係る燃料電池装置５１は、第１空気熱交換器１８を収容する筐体３０部分が直方体形状となっていた実施の形態に係る燃料電池装置５０よりも、外部に曝される筐体３０の表面積を低減させることができ、小型化と、筐体３０内から外部への放熱量の低減とを実現できる。
【００８９】
なお、実施例に係る燃料電池装置５１では、上記した第１空気熱交換器１８だけではなく、第１空気熱交換器１８に囲まれる蒸発器３および改質器４も円筒形状となっている。各部材を筒形状として形成する場合、例えば薄い板材部材を円筒形状に曲げて一辺を溶接することで形成できるため、大幅に低コスト化を図ることができる。
【００９０】
なお、実施例に係る燃料電池装置５１では、第１空気熱交換器１８を収容する筐体３０部分についてのみ上記したように円柱形状としたが、これに限定されるものではない。例えば、筐体３０が、以下のような形状となる構成であってもよい。
【００９１】
すなわち、燃料電池９および燃料電池収納部１０をそれぞれ円柱形状とし、燃料電池収納部１０の外周を覆う第２空気供給経路８を有底の筒形状とする。なお、これら各部の中心軸は一致しており、中心軸の延伸方向に対して垂直に横切る断面形状は、各部が同心円となるように配置される。そして、第２空気供給経路８によって覆われる部分を収容する筐体３０部分が円柱形状となるように構成されていてもよい。つまり、第２空気供給経路８は、燃料電池収納部１０の外壁と該外壁を覆う外周壁１８ｄとからから構成され、燃料電池収納部１０の外壁と外周壁１８ｄとの間隙を発電用空気が流通する構成とすることができる。なお、このように構成される場合、燃料電池収納部１０の外壁を覆う外周壁１８ｄは、筐体３０の下方部分と兼用していてもよい。換言すると、第１空気供給経路７を構成する外周壁１８ｃと第２空気供給経路８を構成する外周壁１８ｄとによって筐体３０を形成する構成であってもよい。
【００９２】
また、実施例に係る燃料電池装置５１と実施の形態に係る燃料電池装置５０とでは以下の点でも相違する。すなわち、図３および図５に示すように、第１空気熱交換器１８において、第１空気供給経路７と燃焼排ガス経路１６との境界壁１８ｂに凹凸部２５を有する点である。凹凸部２５は、境界壁１８ｂの凸部が、該境界壁１８ｂにおいて螺旋状を描くように配されている。
【００９３】
なお、図３において、筒形状の境界壁１８ｂの径方向に、外側に突出している部分を凹凸部２５の凸部と称し、凸部よりも径方向において内側となる部分を凹凸部２５の凹部と称する。例えば、境界壁１８ｂにおいて凸部のみを形成した場合であっても凸部と凸部の間は、凸部よりも径方向において内側となるため凹部と称する。逆に、境界壁１８ｂにおいて凹部のみを形成した場合であっても、凹部と凹部との間は、凹部よりも径方向において外側となるため凸部と称する。すなわち、凹凸部２５は、境界壁１８ｂにおいて必ずしも凸部および凹部の両方が形成されたものに限定されず、凸部だけが形成されたもの、あるいは凹部だけが形成されたものも含む。
【００９４】
上記したように第１空気供給経路７と燃焼排ガス経路１６との境界壁１８ｂが凹凸部２５を有する構成とすることで、第１空気熱交換器１８における燃焼排ガスと発電用空気との熱交換量が大きくなるように調整することができる。また、燃焼排ガスと発電用空気との熱交換量が大きくなるように調整することができるため、燃焼排ガスが有する熱によって昇温させられる、改質器４および蒸発器３それぞれの温度を調整することができる。
【００９５】
つまり、第１空気熱交換器１８における第１空気供給経路７と燃焼排ガス経路１６との境界壁１８ｂが凹凸部２５を有する場合、燃焼排ガスと発電用空気との間における熱交換面積を大きくさせることができる。また、発電用空気および燃焼排ガスそれぞれにおいて乱流を発生させることができ、熱伝達係数を増加させることが可能となる。
【００９６】
したがって、実施例に係る燃料電池装置５１は、第１空気供給経路７と燃焼排ガス経路１６との境界壁１８ｂに凹凸部２５を有するため、第１空気熱交換器１８における熱交換性能を大幅に上昇させることができる。そのため、発電用空気の温度を効率的に上昇させるとともに、燃焼排ガスの温度を所定の温度（例えば、１５０℃〜２５０℃）まで低下させて外部に放出することができる。また、第１空気熱交換器１８における熱交換性能を大幅に上昇させることができるため、燃焼排ガスの形で外部に放出される熱エネルギーを大幅に低下させることが可能となり、燃料電池システム１０１における発電効率の大幅な向上を実現できる。
【００９７】
特に、円筒形状となる境界壁１８ｂに凹凸部２５を付加する加工法としては、円筒形状となる境界壁１８ｂを形成後、この円筒の内部と外部とに圧力をかけて凹凸を成型する方法を採用できる。このため、円筒形状に凹凸を成型する場合、角型の筒形状に凹凸を成型する場合に比べて、比較的低コストで製造できる。また、第１空気熱交換器１８において、第１空気供給経路７内を発電用空気が螺旋状に流通するためには、以下の加工法を採用できる。まず、第１空気供給経路７と燃焼排ガス経路１６との境界壁１８ｂにおいて、回転しながら第１空気熱交換器１８の長手方向に延びる螺旋を描くように凹凸部２５を形成する。このとき、図６に示すように凹凸部２５の凸部が第１空気供給経路７を形成する外周側の壁と当接するように外側に突出させた形状とする。これによって凹凸部２５の凹部部分だけが流路となり、図７に示すように、発電用空気が明確な螺旋を描き第１空気供給経路７を流通することができる。図６は、図３に示す燃料電池装置５１のIII−III線の断面図である。図７は、図３に示す燃料電池装置５１が備える第１空気供給経路７を流通する発電用空気の流れを示す図である。図７ではシミュレーションにより第１空気供給経路７を流通する発電用原料の流れを解析した結果を示している。
【００９８】
このように、第１空気熱交換器１８を、第１空気供給経路７と燃焼排ガス経路１６との境界壁１８ｂに凹凸部２５を設け、筒形状の燃焼排ガス経路１６の外周に沿って螺旋状に第１空気供給経路７を設ける構成とすることで、第１空気熱交換器１８における熱交換性能を大幅に高めることが可能となる。但し、このように第１空気熱交換器１８を構成する場合、第１空気供給経路７を流通する発電用空気の圧損が大きくなる。
【００９９】
なお、図３に示す燃料電池装置５１では、境界壁１８ｂにおいて凹凸部２５が形成される範囲は、蒸発器３の外周および改質器４の外周に対応する範囲であった（後述する図８（ｂ）に示す範囲）。しかしながら境界壁１８ｂにおいて凹凸部２５が形成される範囲はこれに限定されるものではない。例えば、図８（ａ）に示すように、境界壁１８ｂに凹凸部２５が全く設けられない構成であってもよい。また、図８（ｃ）に示すように、境界壁１８ｂにおいて蒸発器３の外周に対応する範囲のみに凹凸部２５が設けられた構成であってもよい。あるいは、図８（ｄ）に示すように、境界壁１８ｂにおいて改質器４の外周に対応する範囲のみに凹凸部２５が設けられた構成であってもよい。
【０１００】
図８は、図３に示す燃料電池装置５１の第１空気供給経路７と燃焼排ガス経路１６との間の境界壁１８ｂの形状の一例を示す断面図であり、同図（ａ）は、凹凸部２５を有さない境界壁１８ｂの形状を示し、同図（ｂ）は、蒸発器３および改質器４それぞれの外周に対応する範囲に凹凸部２５が形成された境界壁１８ｂの形状を示し、同図（ｃ）は、蒸発器３の外周に対応する範囲のみに凹凸部２５が形成された境界壁１８ｂの形状を示し、同図（ｄ）は、改質器４の外周に対応する範囲のみに凹凸部２５が形成された境界壁１８ｂの形状を示す。なお、ここでは、蒸発器３の外周とは円筒形状の蒸発器３の側面を取り巻く外側を意味し、改質器４の外周とは円筒形状の改質器４の側面を取り巻く外側を意味する。
【０１０１】
このように、境界壁１８ｂにおいて凹凸部２５を形成する範囲を様々とすることができる。また凹凸部２５が形成される範囲の違いにより、燃焼排ガスの有する熱による蒸発器３および改質器４、ならびに発電用空気に対する加熱状況が以下に示すようになる。すなわち、図８（ａ）に示すように、第１空気熱交換器１８における第１空気供給経路７と燃焼排ガス経路１６との境界壁１８ｂに凹凸部２５が無い構成では、燃焼排ガスが有する熱量を、蒸発器３、改質器４、第１空気供給経路７を流れる発電用空気それぞれに比較的均等に配分することができる。実施例に係る燃料電池装置５１では、境界壁１８ｂに凹凸部２５が形成されていない構成のとき、燃焼排ガスから改質器４へ移動する熱量、ならびに燃焼排ガスから蒸発器３へ移動する熱量が大きくなる。このため、燃焼排ガスから、蒸発器３または改質器４へ移動する熱量を大きくしたい場合は、境界壁１８ｂにおいて凹凸部２５を設けない構成とする。
【０１０２】
また、図８（ｂ）に示すように、第１空気供給経路７と燃焼排ガス経路１６との境界壁１８ｂにおいて蒸発器３および改質器４それぞれの外周に対応する範囲に凹凸部２５が形成される構成では、凹凸部２５が形成されている範囲において燃焼排ガスから発電用空気へ移動する熱量が大きくなる。このため、燃焼排ガス経路１６の内周側に位置する蒸発器３および改質器４に対して、燃焼排ガスから移動する熱量は抑制されることとなる。
【０１０３】
そこで、例えば、改質器４の温度を必要以上にあげることが望まれない場合は、図８（ｄ）に示すように、境界壁１８ｂにおいて改質器４の外周に対応する部分に凹凸部２５を形成する。逆に、蒸発器３の温度を必要以上にあげることが望まれない場合は、図８（ｃ）に示すように、境界壁１８ｂにおいて蒸発器３の外周に対応する部分に凹凸部２５を形成する。
【０１０４】
以上のように、境界壁１８ｂにおいて凹凸部２５を形成する範囲を考慮することで、第１空気熱交換器１８における、燃焼排ガスと発電用空気との間での熱交換性能を調整することが可能となる。また、第１空気熱交換器１８において、燃焼排ガスと発電用空気との間での熱交換性能を最大限高めるために、境界壁１８ｂ全体に渡って凹凸部２５を設けた場合は、第１空気熱交換器１８の小型化が可能となる。
【０１０５】
さらには、境界壁１８ｂにおける凹凸部２５の形成により第１空気熱交換器１８において、燃焼排ガスと発電用空気との間での熱交換性能を調整することができるため、燃焼排ガスの有する熱により加熱される蒸発器３および改質器４の温度も調整可能となる。このため、境界壁１８ｂにおいて凹凸部２５を形成する範囲を考慮することで、蒸発器３および改質器４それぞれが最適な温度となるように調整することが可能となる。それゆえ、改質器４の内部に配置されている改質触媒の性能を維持することができる。また、燃焼排ガスから蒸発器３に移動する熱量を大きくする構成とした場合は、蒸発器３の小型化を図ることができる。
【０１０６】
なお、実施の形態の実施例に係る燃料電池装置５１では、境界壁１８ｂにおいて凹凸部２５の凸部を螺旋状に配する構成であったが、凹凸部２５の配置形状はこれに限定されるものではない。例えば、凹凸部２５は、筒形状の境界壁１８ｂの周方向に全周に渡って形成された凸部が所定間隔で複数、配されていてもよい。
【０１０７】
上記説明から、当業者にとって、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造および／または機能の詳細を実質的に変更できる。
【産業上の利用可能性】
【０１０８】
本発明は、筐体内部からの放熱の低減および燃焼排ガスと発電用空気との熱交換性能の向上を図ることができるため、高温の排熱を利用する例えば、固体酸化物燃料電池を備えた燃料電池装置に有用である。
【符号の説明】
【０１０９】
１    原料供給経路
２    改質水供給経路
３    蒸発器
４    改質器
５    改質ガス経路
６    発電用空気供給経路
７    第１空気供給経路
８    第２空気供給経路
９    燃料電池
１０    燃料電池収納部
１１    改質ガスオフガス経路
１２    発電用空気オフガス経路
１３    燃焼器
１４    着火器
１５    改質用空気供給経路
１６    燃焼排ガス経路
１７    燃焼排ガス排出経路
１８    第１空気熱交換器
１８ａ  内周壁
１８ｂ  境界壁
１８ｃ  外周壁
１８ｄ  外周壁
１９    第２空気熱交換器
２０    断熱部
２１    温度センサ
２２    燃焼空間
２５    凹凸部
３０    筐体
４０    制御器
５０    燃料電池装置
５１    燃料電池装置
１００    燃料電池システム
１０１    燃料電池システム
【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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【図８】
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