(57)【要約】      （修正有）【課題】燃料利用率（Ｕｆ）を上げて高効率で高温動作型燃料電池システムを運転する場合でも、従来よりも良好な運転状態を維持する高温動作型燃料電池システムを提供する。【解決手段】ＳＯＦＣシステム１００は、アノードから排出されるアノードオフガスが流通するアノードオフガス流路４と、カソードから排出されるカソードオフガスが流通するカソードオフガス流路５と、アノードオフガス流路およびカソードオフガス流路に連通し、アノードオフガスとカソードオフガスとが燃焼する燃焼空間３と、燃焼空間から排出された燃焼排ガスが流通する燃焼排ガス流路１１と、燃焼空間とカソードとの間のカソードオフガス流路に設けられ、カソードオフガスの一部がカソードオフガス流路から分流するためのカソードオフガス分流部２１と、酸化剤ガスと燃焼排ガスおよびカソードオフガス分流部を通過したカソードオフガスとが熱交換する第１熱交換器１３と、を備える。【選択図】図１
2017212204.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードとカソードとを備え、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電する燃料電池と、
前記燃料ガスが流通する燃料ガス流路と、
前記酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス流路と、
前記アノードから排出されるアノードオフガスが流通するアノードオフガス流路と、
前記カソードから排出されるカソードオフガスが流通するカソードオフガス流路と、
前記アノードオフガス流路および前記カソードオフガス流路に連通し、前記アノードオフガスと前記カソードオフガスとが燃焼する燃焼空間と、
前記燃焼空間から排出された燃焼排ガスが流通する燃焼排ガス流路と、前記燃焼空間と前記カソードとの間の前記カソードオフガス流路に設けられ、前記カソードオフガスの一部が、前記カソードオフガス流路から分流するためのカソードオフガス分流部と、
前記酸化剤ガスと前記燃焼排ガスおよび前記カソードオフガス分流部を通過したカソードオフガスとが熱交換する第１熱交換器と、を備える高温動作型燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃焼排ガス流路に設けられ、前記カソードオフガス分流部を通過したカソードオフガスと前記燃焼排ガスとが合流する合流部を備える請求項１に記載の高温動作型燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料電池に供給する前記燃料ガスとして、原料ガスから水素含有の改質ガスを生成する改質器と、
前記改質器と前記燃焼排ガスとが熱交換する第２熱交換器と、を備え、
前記カソードオフガス分流部を通過したカソードオフガスは、前記燃焼排ガスとともに前記第２熱交換器の加熱流体として用いられている請求項１に記載の高温動作型燃料電池システム。
【請求項４】
前記アノードオフガス流路の一部を構成し、前記アノードオフガスが前記燃焼空間へ噴出するアノードオフガス噴出部と、前記カソードオフガス流路の一部を構成し、前記カソードオフガスが集合するカソードオフガス集合部と、を備え、
前記カソードオフガス集合部の流路部材は、前記アノードオフガス噴出部を囲むように配置された筒状の外周壁と、前記外周壁の内側で、前記カソードオフガスが前記燃焼空間に噴出するためのカソードオフガス噴出孔が形成された拡散板と、を備え、
前記カソードオフガス分流部は、前記外周壁に設けられている請求項１から３のいずれかに記載の高温動作型燃料電池システム。
【請求項５】
前記カソードオフガス分流部は、前記カソードオフガス流路から分岐する分岐路である請求項１から４のいずれかに記載の高温動作型燃料電池システム。
【請求項６】
前記カソードオフガス分流部は、前記カソードオフガス流路に設けられた開口である請求項１から４のいずれかに記載の高温動作型燃料電池システム。
【請求項７】
前記燃焼空間を形成する燃焼筒および燃焼室を備え、
前記カソードオフガス分流部を通過したカソードオフガスと前記燃焼排ガス流路を流通する燃焼排ガスとが、前記燃焼空間の外部で合流している請求項１に記載の高温動作型燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は高温動作型燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、小型でも高い発電効率が得られ、発電時に発生する熱を利用することで総合効率が高くできるので、分散型発電システムの発電部として用いられている。特に、固体酸化物を電解質として高温で作動する固体酸化物型燃料電池（以下、ＳＯＦＣ）は、高い発電効率を重視する分散型発電システムとして開発が進められている。
【０００３】
燃料電池システムでは、ＳＯＦＣに燃料ガス（一般的に、改質ガス）および酸化剤ガス（一般的に、空気）をそれぞれ供給して発電が行われる。燃料電池システムの発電時にアノードに供給した燃料ガスのうち、発電に利用されなかったガスが、アノードオフガスとしてＳＯＦＣから排出される。
【０００４】
アノードオフガスが燃焼器で燃焼すると、高温の燃焼排ガスが生成する。よって、燃焼器の燃焼排ガスを、改質ガスを生成させる改質器の加熱に利用する構成が多い。また、ＳＯＦＣは、例えば、６００℃以上の高温で動作し、高温のカソードオフガスも排出される。
【０００５】
そこで、排熱を有効活用するため、ＳＯＦＣを空気熱交換器との一体の構成の中に収めることが有効である。例えば、ＳＯＦＣを中心に置き、ＳＯＦＣの周囲を囲うように空気熱交換器を周囲に配置することで、ＳＯＦＣのカソードに送るための空気を予熱する構成がすでに提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１３−１７１６３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、従来例は、燃料利用率（Ｕｆ）を上げて高効率で高温動作型燃料電池システムを運転する場合の問題については十分に検討されていない。本開示の一態様(aspect)は、このような事情に鑑みてなされたものであり、燃料利用率（Ｕｆ）を上げて高効率で高温動作型燃料電池システムを運転する場合でも、従来よりも良好な運転状態が維持され得る高温動作型燃料電池システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため、本開示の一態様の高温動作型燃料電池システムは、アノードとカソードとを備え、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電する燃料電池と、前記燃料ガスが流通する燃料ガス流路と、前記酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス流路と、前記アノードから排出されるアノードオフガスが流通するアノードオフガス流路と、前記カソードから排出されるカソードオフガスが流通するカソードオフガス流路と、前記アノードオフガス流路および前記カソードオフガス流路に連通し、前記アノードオフガスと前記カソードオフガスとが燃焼する燃焼空間と、前記燃焼空間から排出された燃焼排ガスが流通する燃焼排ガス流路と、前記燃焼空間と前記カソードとの間の前記カソードオフガス流路に設けられ、前記カソードオフガスの一部が前記カソードオフガス流路から分流するためのカソードオフガス分流部と、前記酸化剤ガスと前記燃焼排ガスおよび前記カソードオフガス分流部を通過したカソードオフガスとが熱交換する第１熱交換器と、を備える。
【発明の効果】
【０００９】
本開示の一態様の高温動作型燃料電池システムは、燃料利用率（Ｕｆ）を上げて高効率で高温動作型燃料電池システムを運転する場合でも、従来よりも良好な運転状態が維持され得る。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、第１実施形態の高温動作型燃料電池システムの一例を示す図である。
【図２】図２は、第１実施形態の第１実施例の高温動作型燃料電池システムの一例を示す図である。
【図３】図３は、第１実施形態の第１実施例の高温動作型燃料電池システムの一例を示す図である。
【図４】図４は、第１実施形態の第２実施例の高温動作型燃料電池システムの一例を示す図である。
【図５】図５は、第１実施形態の第２実施例の高温動作型燃料電池システムの一例を示す図である。
【図６】図６は、第２実施形態の高温動作型燃料電池システムの一例を示す図である。
【図７】図７は、第３実施形態の高温動作型燃料電池システムの一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
発明者らは、燃料利用率（Ｕｆ）を上げて高効率で高温動作型燃料電池システムを運転する場合の問題について鋭意検討し、以下の知見を得た。
【００１２】
高温動作型燃料電池システムの燃料利用率（Ｕｆ）を上げて高効率に運転するほど、燃焼空間に供給される燃料であるアノードオフガスの量が少なくなり、アノードオフガスの割合がカソードオフガスに対して減少する。すると、燃焼空間で燃料が希薄な燃焼が行われ、燃焼反応の空気比が過剰な状態に陥る。これにより、燃焼空間の火炎の失火、燃焼排ガス中の一酸化炭素濃度増加等の問題が発生する可能性がある。
【００１３】
そこで、発明者らは、このような可能性を低減すべく、カソードオフガスを燃焼空間に送る前にカソードオフガスの一部を分流させるという着想に到達した。
【００１４】
すなわち、本開示の第１の態様の高温動作型燃料電池システムは、アノードとカソードとを備え、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電する燃料電池と、燃料ガスが流通する燃料ガス流路と、酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス流路と、アノードから排出されるアノードオフガスが流通するアノードオフガス流路と、カソードから排出されるカソードオフガスが流通するカソードオフガス流路と、アノードオフガス流路およびカソードオフガス流路に連通し、アノードオフガスとカソードオフガスとが燃焼する燃焼空間と、燃焼空間から排出された燃焼排ガスが流通する燃焼排ガス流路と、燃焼空間とカソードとの間のカソードオフガス流路に設けられ、カソードオフガスの一部がカソードオフガス流路から分流するためのカソードオフガス分流部と、酸化剤ガスと燃焼排ガスおよびカソードオフガス分流部を通過したカソードオフガスとが熱交換する第１熱交換器と、を備える。
【００１５】
また、本開示の第２の態様の高温動作型燃料電池システムは、第１の態様の高温動作型燃料電池システムにおいて、燃焼排ガス流路に設けられ、カソードオフガス分流部を通過したカソードオフガスと燃焼排ガスとが合流する合流部を備える。
【００１６】
かかる構成によると、燃料利用率（Ｕｆ）を上げて高効率で高温動作型燃料電池システムを運転する場合でも、従来よりも良好な運転状態が維持され得る。
【００１７】
具体的には、燃料利用率（Ｕｆ）を上げて高効率で高温動作型燃料電池システムを運転する場合でも、カソードオフガス分流部でカソードオフガスの一部がカソードオフガス流路の外部へと分流するので、燃焼空間における燃焼反応の空気比が、従来に比べ過剰になることを抑制できる。よって、燃焼空間の火炎が失火する可能性、燃焼空間での高濃度の一酸化炭素が発生する可能性を従来よりも低減させることができるので、燃焼空間の良好な燃焼状態が維持され得る。
【００１８】
また、カソードオフガス分流部を通過した高温のカソードオフガスを第１熱交換器の加熱流体として、燃料電池のカソードに送るための酸化剤ガスの予熱に有効に利用することができる。
【００１９】
以下、添付図面を参照しつつ、本開示の第１実施形態、第１実施形態の第１実施例および第２実施例、第２実施形態および第３実施形態について説明する。以下の具体例で示される構成要素、構成要素の配置位置および接続形態などは一例であり、本開示を限定するものではない。また、以下の具体例における構成要素のうち、本開示の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。また、図面において、同じ符号が付いた構成要素は、説明を省略する場合がある。また、図面は理解しやすくするために、それぞれの構成要素を模式的に示したもので、形状および寸法比などについては正確な図示ではない場合がある。
【００２０】
（第１実施形態）
［装置構成］
図１は、第１実施形態の高温動作型燃料電池システムの一例を示す図である。
【００２１】
以下、高温動作型燃料電池システムとし、発電部に固体酸化物型燃料電池（以下、ＳＯＦＣ１）を備える固体酸化物型燃料電池システム（以下、ＳＯＦＣシステム１００）を例に挙げて説明するが、これに限定されない。高温動作型燃料電池システムは、高温（例えば、６００℃以上）で動作する燃料電池システムであれば、どのような構成であっても構わない。例えば、高温動作型燃料電池システムは、以下に述べるＳＯＦＣシステム１００の他、発電部に溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ）備える溶融炭酸塩型燃料電池システムなどであってもよい。
【００２２】
なお、図１（他の図面も同じ）において、便宜上、ＳＯＦＣシステム１００の「上」および「下」を同図に示す如く取っており、重力が、「上」から「下」に作用するものとする。
【００２３】
図１に示す例では、ＳＯＦＣシステム１００は、ＳＯＦＣ１と、燃焼筒２と、燃焼空間３と、燃焼室３Ａと、アノードオフガス流路４と、カソードオフガス流路５と、燃料ガス流路７と、酸化剤ガス流路８と、燃焼排ガスガイド２０と、第１燃焼排ガス流路１１と、第２燃焼排ガス流路１２と、第１熱交換器１３と、カソードオフガス分流部２１と、酸化剤ガス供給口３３と、燃焼排ガス排出口３４と、燃料ガス供給口３６と、を備える。
【００２４】
なお、本実施形態のＳＯＦＣシステム１００では、ＳＯＦＣシステム１００の内壁５４の内部を燃焼室３Ａなどが収容される上部領域５０Ａと、ＳＯＦＣ１などが収容される下部領域５０Ｂとに仕切る隔壁部５１が設けられている。
【００２５】
ＳＯＦＣ１は、アノードとカソードとを備え、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電する。具体的には、ＳＯＦＣ１では、外部から供給された酸化剤ガスおよび燃料ガスを利用して発電するＳＯＦＣ１の単セルを、例えば、複数個積層し、直列に接続して形成されている。ＳＯＦＣ１は、複数の平板形の単セルを積層して形成されていてもよいし、複数の円筒形の単セルを集合させて形成してもよい。本実施形態のＳＯＦＣシステム１００では、ＳＯＦＣ１は、平板形の単セル及びインターコネクタなどの部材を積層した平板形スタックで構成されている。なお、ＳＯＦＣシステム１００には、ＳＯＦＣ１の動作温度（例えば、６００℃以上）を検出する温度検知器（図示せず）、ＳＯＦＣ１の発電電流を取り出すための電極（図示せず）などが設けられている。ＳＯＦＣ１の構成は、一般的なＳＯＦＣと同様であるので詳細な構成の説明は省略する。
【００２６】
燃料ガス流路７は、燃料ガスが流通する流路である。具体的には、燃料ガス供給口３６からの燃料ガスが、燃料ガス流路７を通過した後、ＳＯＦＣ１へと送られる。燃料ガス流路７は、ＳＯＦＣシステム１００の上壁５２から上部領域５０Ａおよび隔壁部５１を通過し、ＳＯＦＣ１へと延伸している。
【００２７】
なお、燃料ガスとして、例えば、水素ガス、改質ガスなどを例示できる。燃料ガスが改質ガスである場合のＳＯＦＣシステム１００の詳細は第２実施形態で説明する。
【００２８】
酸化剤ガス流路８は、酸化剤ガスが流通する流路である。具体的には、酸化剤ガス供給口３３からの酸化剤ガスが、酸化剤ガス流路８を通過した後、ＳＯＦＣ１へと送られる。酸化剤ガスとして、例えば、空気などを例示できる。
【００２９】
酸化剤ガス流路８は、ＳＯＦＣシステム１００の外壁５３と内壁５４との間に形成され、これらの外壁５３および内壁５４は、上壁５２からＳＯＦＣ１の下方へ延伸し、ＳＯＦＣ１の底部を覆っている。ＳＯＦＣシステム１００の運転温度が、高温（例えば、６００℃以上）となるので、ＳＯＦＣシステム１００の周囲を断熱材４１で覆い、外部への放熱を抑える構成を取ることが多い。
【００３０】
アノードオフガス流路４は、ＳＯＦＣ１のアノードから排出されるアノードオフガスが流通する流路である。具体的には、ＳＯＦＣ１の発電に使用しなかった燃料ガス（アノードオフガス）が、アノードオフガス流路４に流入し、このアノードオフガス流路４を通過した後、燃焼室３Ａの燃焼空間３へと送られる。
【００３１】
カソードオフガス流路５は、ＳＯＦＣ１のカソードから排出されるカソードオフガスが流通する流路である。具体的には、ＳＯＦＣ１の発電に使用しなかった酸化剤ガス（カソードオフオフガス）が、カソードオフガス流路５に流入し、このカソードオフガス流路５を通過した後、燃焼室３Ａの燃焼空間３へと送られる。
【００３２】
燃焼空間３は、アノードオフガス流路４およびカソードオフガス流路５に連通し、アノードオフガスとカソードオフガスとが燃焼する領域である。具体的には、アノードオフガス流路４およびカソードオフガス流路５はそれぞれ、ＳＯＦＣ１が収容される下部領域５０Ｂから隔壁部５１を通過し、上部領域５０Ａの燃焼室３Ａに接続されている。
【００３３】
これにより、燃焼空間３には、高温の燃焼排ガスが発生する。なお、着火器および燃焼検知器等が、燃焼室３Ａに設けられているが、これらは、一般的なＳＯＦＣシステムの燃焼室の構成と同様であるので詳細な説明および図示は省略する。
【００３４】
第１燃焼排ガス流路１１および第２燃焼排ガス流路１２は、燃焼空間３から排出された燃焼排ガスが流通する流路である。燃焼筒２は、燃焼空間３を内側に囲うように配置されている。具体的には、筒状（例えば、円筒状）の燃焼筒２が燃焼空間３を囲み、燃焼室３Ａから上方へと鉛直に燃焼空間３の周囲へ向かうように延伸している。
【００３５】
このようにして、燃焼筒２および燃焼室３Ａが、アノードオフガスおよびカソードオフガスの拡散燃焼が行われる燃焼空間３を形成している。
【００３６】
また、燃焼筒２の外側で、燃焼筒２と同軸状に筒状（例えば、円筒状）の燃焼排ガスガイド２０が設けられている。本実施形態のＳＯＦＣシステム１００では、燃焼排ガスガイド２０は、上壁５２から下方へと鉛直に燃焼筒２の周囲へ向かうように延伸している。なお、燃焼排ガスガイド２０の下方端は、第１燃焼排ガス流路１１における燃焼排ガスの流れを阻害しない位置であって、燃焼筒２の上方端よりも下方に位置している。
【００３７】
以上により、第１燃焼排ガス流路１１は、燃焼筒２と燃焼排ガスガイド２０との間の空間で形成され、第２燃焼排ガス流路１２は、燃焼排ガスガイド２０と内壁５４との間の空間で形成されている。そして、上壁５２に設けられた燃焼排ガス排出口３４は、第２燃焼排ガス流路１２に連通している。よって、燃焼空間３内の燃焼排ガスは、燃焼筒２に沿って上方へと導かれ、その後、燃焼筒２の上方端で折り返して、第１燃焼排ガス流路１１へと導かれる。第１燃焼排ガス流路１１を流通する燃焼排ガスは、燃焼排ガスガイド２０に沿って下方へと導かれ、その後、燃焼排ガスガイド２０の下方端で再び折り返し、第２燃焼排ガス流路１２へと導かれる。
【００３８】
第１熱交換器１３は、酸化剤ガス流路８を流通している酸化剤ガスと第２燃焼排ガス流路１２を流通している燃焼排ガスとが熱交換する。つまり、第１熱交換器１３では、第２燃焼排ガス流路１２を流通する燃焼排ガスで曝される内壁５４の部分が伝熱面として機能する。これにより、第１熱交換器１３の受熱流体である常温の酸化剤ガスは加熱され、加熱流体である高温の燃焼排ガスは冷却され、燃焼排ガス排出口３４からＳＯＦＣシステム１００外へ排出される。ＳＯＦＣシステム１００外へ排出された燃焼排ガスは、例えば、給湯用の温水を生成するための図示しない熱交換器などへと送られる。
【００３９】
カソードオフガス分流部２１は、燃焼空間３とＳＯＦＣ１のカソードとの間のカソードオフガス流路５に設けられ、カソードオフガスの一部がカソードオフガス流路５の外部へ分流する。また、カソードオフガス分流部２１を通過したカソードオフガスは、燃焼排ガスとともに第１熱交換器１３の加熱流体として用いられている。すなわち、第１熱交換器１３において、酸化剤ガス流路８を流通している酸化剤ガスと、燃焼排ガス流路１２を流通する燃焼排ガスとカソードオフガス分流部２１を通過したカソードオフガスとを合わせたガスとが熱交換する。具体的には、例えば、カソードオフガス分流部２１を通過したカソードオフガスは、燃焼空間３における燃焼反応に寄与せずに、燃焼排ガスガイド２０の下方端近傍で燃焼排ガスと合流するとよい。つまり、カソードオフガス分流部２１を通過したカソードオフガスは、燃焼排ガスの流通方向において、第２燃焼排ガス流路１２よりも上流で、燃焼排ガスと合流している。言い換えれば、カソードオフガス分流部２１を通過したカソードオフガスと燃焼排ガスとが合流する合流部が、第２燃焼排ガス流路１２よりも上流に設けられている。ここで、カソードオフガス分流部２１を通過したカソードオフガスは、第１燃焼排ガス流路１１において燃焼排ガスと合流してもよいし、第２燃焼排ガス流路１２において燃焼排ガスと合流してもよい。
【００４０】
このようにして、カソードオフガス分流部２１を通過したカソードオフガスと、第１燃焼排ガス流路１１または第２燃焼排ガス流路１２を流通する燃焼排ガスとが、燃焼空間３の外部で合流している。
【００４１】
なお、カソードオフガス分流部２１の具体例は第１実施例および第２実施例で説明する。
【００４２】
以上により、本実施形態のＳＯＦＣシステム１００は、燃料利用率（Ｕｆ）を上げて高効率でＳＯＦＣシステム１００を運転する場合でも、従来よりも良好な運転状態が維持され得る。
【００４３】
具体的には、燃料利用率（Ｕｆ）を上げて高効率でＳＯＦＣシステム１００を運転する場合でも、カソードオフガス分流部２１でカソードオフガスの一部がカソードオフガス流路５の外部へと分流するので、燃焼空間３における燃焼反応の空気比が、従来に比べ過剰になることを抑制できる。よって、燃焼空間３の火炎が失火する可能性、燃焼空間３での高濃度の一酸化炭素が発生する可能性を従来よりも低減させることができるので、燃焼空間３の良好な燃焼状態が維持され得る。
【００４４】
また、本実施形態のＳＯＦＣシステム１００は、カソードオフガス分流部２１を通過した高温のカソードオフガスを第１熱交換器１３の加熱流体として、ＳＯＦＣ１のカソードに送るための酸化剤ガスの予熱に有効に利用することができる。
【００４５】
（第１実施例）
図２および図３は、第１実施形態の第１実施例の高温動作型燃料電池システムの一例を示す図である。図３には、本実施例のカソードオフガス流路５を構成するカソードオフガス配管５Ａおよびカソードオフガス配管５Ａと接続する分岐配管２１Ａの斜視図が示されている。
【００４６】
第１実施形態の第１実施例のＳＯＦＣシステム１００は、第１実施形態のＳＯＦＣシステム１００において、カソードオフガス分流部２１は、カソードオフガス流路５から分岐する分岐路である。
【００４７】
具体的には、上記の分岐路として、カソードオフガス配管５Ａの適所に、カソードオフガス配管５Ａの内部と連通する分岐配管２１Ａが設けられている。カソードオフガス配管５Ａは、図２に示すように、燃焼室３Ａに接続する。よって、カソードオフガス配管５Ａを通過したカソードオフガスは、燃焼空間３における燃焼反応に寄与する。分岐配管２１Ａは、燃焼室３Ａに接続せずに、燃焼筒２より外側の第１燃焼排ガス流路１１へ延伸する。よって、分岐配管２１Ａを通過したカソードオフガスは、図２に示すように、燃焼空間３における燃焼反応に寄与せずに、燃焼排ガスと合流する。
【００４８】
なお、分岐配管２１Ａを通過するカソードオフガスの流量は、燃料利用率（Ｕｆ）を上げて高効率でＳＯＦＣシステム１００を運転する場合でも、燃焼空間３における燃焼反応の空気比が過剰になることが適切に抑制できるような量に設定されている。かかるカソードオフガスの流量は、分岐配管２１Ａの配管長、配管径などにより調整することができる。
【００４９】
本実施例では、１つの分岐配管２１Ａをカソードオフガス配管５Ａに設けているが、このような分岐配管をカソードオフガス配管５Ａに複数本、設けても構わない。
【００５０】
以上により、カソードオフガス配管５Ａを流通するカソードオフガスの一部を分岐配管２１Ａからカソードオフガス配管５Ａの外部に容易に分流することができる。
【００５１】
本実施例のＳＯＦＣシステム１００は、上記特徴以外は、第１実施形態のＳＯＦＣシステム１００と同様に構成してもよい。
【００５２】
（第２実施例）
図４および図５は、第１実施形態の第２実施例の高温動作型燃料電池システムの一例を示す図である。図５には、本実施例のカソードオフガス流路５を構成するカソードオフガス配管５Ａおよびカソードオフガス配管５Ａに形成された貫通孔２１Ｂの斜視図が示されている。
【００５３】
第１実施形態の第２実施例のＳＯＦＣシステム１００は、第１実施形態のＳＯＦＣシステム１００において、カソードオフガス分流部２１は、カソードオフガス流路５に設けられた開口である。
【００５４】
具体的には、上記の開口として、カソードオフガス配管５Ａの適所に貫通孔２１Ｂが設けられている。カソードオフガス配管５Ａは、図４に示すように、燃焼室３Ａに接続する。よって、カソードオフガス配管５Ａを通過したカソードオフガスは、燃焼空間３における燃焼反応に寄与する。燃焼筒２よりも外側の貫通孔２１Ｂを通過したカソードオフガスは、図４に示すように、燃焼空間３における燃焼反応に寄与せずに、燃焼排ガスと合流する。
【００５５】
なお、貫通孔２１Ｂを通過するカソードオフガスの流量は、燃料利用率（Ｕｆ）を上げて高効率でＳＯＦＣシステム１００を運転する場合でも、燃焼空間３における燃焼反応の空気比が過剰になることが適切に抑制できるような量に設定されている。かかるカソードオフガスの流量は、貫通孔２１Ｂの径などにより調整することができる。
【００５６】
本実施例では、１つの貫通孔２１Ｂをカソードオフガス配管５Ａに設けているが、このような貫通孔をカソードオフガス配管５Ａに複数個、設けても構わない。
【００５７】
以上により、カソードオフガス配管５Ａを流通するカソードオフガスの一部を貫通孔２１Ｂからカソードオフガス配管５Ａの外部へ容易に分流することができる。
【００５８】
また、貫通孔２１Ｂは、例えば、カソードオフガス配管５Ａに分岐路を設ける場合に比べ簡便に形成し得る。
【００５９】
本実施例のＳＯＦＣシステム１００は、上記特徴以外は、第１実施形態のＳＯＦＣシステム１００と同様に構成してもよい。
【００６０】
（第２実施形態）
図６は、第２実施形態の高温動作型燃料電池システムの一例を示す図である。
【００６１】
図６に示す例では、ＳＯＦＣシステム１００は、ＳＯＦＣ１と、燃焼筒２と、燃焼空間３と、燃焼室３Ａと、アノードオフガス流路４と、カソードオフガス流路５と、酸化剤ガス流路８と、改質ガス流路９と、改質器２２と、第１燃焼排ガス流路１１と、第２燃焼排ガス流路１２と、第１熱交換器１３と、第２熱交換器１４と、カソードオフガス分流部２１と、水供給口３２と、原料ガス供給口３１と、酸化剤ガス供給口３３と、燃焼排ガス排出口３４と、を備える。
【００６２】
ＳＯＦＣ１、燃焼筒２、燃焼空間３、燃焼室３Ａ、アノードオフガス流路４、カソードオフガス流路５、酸化剤ガス流路８、第１熱交換器１３、カソードオフガス分流部２１、酸化剤ガス供給口３３および燃焼排ガス排出口３４については第１実施形態と同様であるので詳細な説明は省略する。
【００６３】
改質器２２は、ＳＯＦＣ１に供給する燃料ガスとして、原料ガスから水素含有の改質ガスを生成する。改質器２２で生成された改質ガスは、改質ガス流路９を流通し、ＳＯＦＣ１に送られる。
【００６４】
具体的には、改質器２２は、燃焼筒２と同軸状に囲むように配置された内側筒体２２Ａ（例えば、円筒体）と、内側筒体２２Ａを同軸状に囲むように配置された外側筒体２２Ｂ（例えば、円筒体）と、これらの内側筒体２２Ａおよび外側筒体２２Ｂの間に設けられた改質触媒２２Ｃとを備え、改質触媒２２Ｃを用いて原料ガスを改質することで改質ガスを生成する。つまり、改質器２２の外殻は、内側筒体２２Ａと外側筒体２２Ｂとを備える有底の２重筒形状になっており、改質器２２の底部の適所に改質ガス流路９が接続されている。改質ガス流路９は、改質器２２の底部から上部領域５０Ａおよび隔壁部５１を通過し、ＳＯＦＣ１へと延伸している。
【００６５】
本実施形態のＳＯＦＣシステム１００では、内側筒体２２Ａおよび外側筒体２２Ｂは、上壁５２から下方へと鉛直に燃焼筒２の周囲へ向かうように延伸している。なお、改質器２２の底部は、第１燃焼排ガス流路１１における燃焼排ガスの流れを阻害しない位置であって、燃焼筒２の上方端よりも下方に位置している。
【００６６】
以上により、第１燃焼排ガス流路１１は、燃焼筒２と内側筒体２２Ａとの間の空間で形成され、第２燃焼排ガス流路１２は、外側筒体２２Ｂと内壁５４との間の空間で形成されている。そして、上壁５２に設けられた燃焼排ガス排出口３４は、第２燃焼排ガス流路１２に連通している。よって、燃焼空間３内の燃焼排ガスは、燃焼筒２に沿って上方へと導かれ、その後、燃焼筒２の上方端で折り返して、第１燃焼排ガス流路１１へと導かれる。第１燃焼排ガス流路１１を流通する燃焼排ガスは、内側筒体２２Ａに沿って下方へと導かれ、その後、改質器２２の底部で再び折り返し、第２燃焼排ガス流路１２へと導かれる。
【００６７】
改質器２２の改質反応は、いずれの形態であってもよい。改質反応として、例えば、水蒸気改質反応、オートサーマル反応等を挙げることができる。なお、改質触媒２２Ｃには、一般的に、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｒｈ等の貴金属系触媒およびＮｉからなる群の中から選択される少なくとも１種を用いることができる。
【００６８】
本実施形態のＳＯＦＣシステム１００では、改質器２２の改質反応として、水蒸気改質反応が行われている。そこで、改質器２２は、改質触媒２２Ｃの上方に、内側筒体２２Ａおよび外側筒体２２Ｂによって形成される水蒸発部２２Ｄを備える。つまり、改質器２２内の下方部分には、改質触媒２２Ｃが充填されており、上方部分には水蒸発部２２Ｄが形成されている。そして、水供給口３２からの水が水蒸発部２２Ｄで蒸発し、原料ガス供給口３１からの原料ガスおよび水蒸気が水蒸発部２２Ｄで混合され、この混合ガスが改質触媒２２Ｃに送られる。
【００６９】
なお、原料ガスは、メタンを主成分とする都市ガス、天然ガス、ＬＰＧ等の少なくとも炭素および水素から構成される有機化合物を含むガスである。
【００７０】
第２熱交換器１４は、改質器２２と燃焼排ガスとが熱交換する。つまり、第２熱交換器１４では、燃焼排ガスで曝され、改質触媒２２Ｃが存在する改質器２２の外殻部分が伝熱面として機能する。これにより、改質器２２内の改質触媒２２Ｃは、約６００℃程度まで加熱される。なお、燃焼排ガスは、第２燃焼排ガス流路１２を流通する間に、上記のとおり、第１熱交換器１３の加熱流体として、酸化剤ガス流路８を流通している酸化剤ガスを加熱する。同時に、この燃焼排ガスは、外側筒体２２Ｂを介して改質器２２内の水蒸発部２２Ｄも加熱する。
【００７１】
ここで、本実施形態のＳＯＦＣシステム１００では、カソードオフガス分流部２１を通過したカソードオフガスは、燃焼排ガスとともに第２熱交換器１４の加熱流体として用いられている。具体的には、カソードオフガス分流部２１を通過したカソードオフガスは、燃焼空間３における燃焼反応に寄与せずに、改質器２２の底部近傍で燃焼排ガスと合流する。つまり、このカソードオフガスは、燃焼排ガスの流通方向において、第２燃焼排ガス流路１２よりも上流で、燃焼排ガスと合流している。なお、本実施形態のカソードオフガス分流部２１の具体例は、第１実施形態の第１実施例の分岐配管２１Ａでもよいし、第１実施形態の第２実施例の貫通孔２１Ｂでもよい。よって、カソードオフガス分流部２１の具体例の詳細な説明は省略する。
【００７２】
以上により、本実施形態のＳＯＦＣシステム１００は、カソードオフガス分流部２１を通過した高温のカソードオフガスを第２熱交換器１４の加熱流体として、改質器２２の加熱に有効に利用することができる。
【００７３】
また、第１実施形態のＳＯＦＣシステム１００と同様に、燃料利用率（Ｕｆ）を上げて高効率でＳＯＦＣシステム１００を運転する場合でも、カソードオフガス分流部２１でカソードオフガスの一部がカソードオフガス流路５の外部へと分流するので、燃焼空間３における燃焼反応の空気比が、従来に比べ過剰になることを抑制できる。よって、燃焼空間３の火炎が失火する可能性、燃焼空間３での高濃度の一酸化炭素が発生する可能性を従来よりも低減させることができるので、燃焼空間３の良好な燃焼状態が維持され得る。さらに、カソードオフガス分流部２１を通過した高温のカソードオフガスを第１熱交換器１３の加熱流体として、ＳＯＦＣ１のカソードに送るための酸化剤ガスの予熱に有効に利用することができる。
【００７４】
なお、本実施形態のＳＯＦＣシステム１００は、上記特徴以外は、第１実施形態のＳＯＦＣシステム１００と同様に構成してもよい。
【００７５】
（第３実施形態）
図７は、第３実施形態の高温動作型燃料電池システムの一例を示す図である。
【００７６】
図７に示す例では、ＳＯＦＣシステム１００は、ＳＯＦＣ１と、燃焼筒２と、燃焼空間３と、燃焼室３Ａと、酸化剤ガス流路８と、改質ガス流路９と、改質器２２と、第１燃焼排ガス流路１１と、第２燃焼排ガス流路１２と、第１熱交換器１３と、第２熱交換器１４と、カソードオフガス分流部２１と、水供給口３２と、原料ガス供給口３１と、酸化剤ガス供給口３３と、燃焼排ガス排出口３４と、アノードオフガス噴出部４Ａと、カソードオフガス集合部５Ｂと、を備える。
【００７７】
ＳＯＦＣ１、燃焼筒２、燃焼空間３、酸化剤ガス流路８、改質ガス流路９、改質器２２、第１燃焼排ガス流路１１、第２燃焼排ガス流路１２、第１熱交換器１３、第２熱交換器１４、水供給口３２、原料ガス供給口３１、酸化剤ガス供給口３３および燃焼排ガス排出口３４については第２実施形態と同様であるので詳細な説明は省略する。
【００７８】
アノードオフガス噴出部４Ａは、アノードオフガス流路の一部を構成し、アノードオフガスが燃焼空間３へ噴出する。つまり、アノードオフガス噴出部４Ａの底部に、ＳＯＦＣ１から延伸する流路４Ｂが接続されており、ＳＯＦＣ１のアノードから排出されたアノードオフガスは、流路４Ｂを通じてアノードオフガス噴出部４Ａに供給される。
【００７９】
カソードオフガス集合部５Ｂは、カソードオフガス流路の一部に構成し、カソードオフガスが集合する。つまり、カソードオフガス流路は、ＳＯＦＣ１の外殻と隔壁部５１との間の空間５Ｃとカソードオフガス集合部５Ｂとで形成され、隔壁部５１に設けられた連通口５１Ａを介して、カソードオフガス集合部５Ｂと上記の空間５Ｃとが連通している。
【００８０】
また、カソードオフガス集合部５Ｂの流路部材は、アノードオフガス噴出部４Ａを囲むように配置された筒状（例えば、円筒状）の外周壁６１Ｂと、外周壁６１Ｂの内側で、カソードオフガスが燃焼空間３に噴出するためのカソードオフガス噴出孔が形成された拡散板６１Ａと、を備える。つまり、カソードオフガス集合部５Ｂは、アノードオフガス噴出部４Ａを囲むように設けられている。
【００８１】
具体的には、図７に示すように、燃焼室３Ａは、燃焼筒２から隔壁部５１に向かって先細りとなったテーパ形状となるように窪んでいる。そして、この窪みによってアノードオフガスとカソードオフガスとの燃焼空間３が形成されている。窪みの底部における中心には、上記のアノードオフガス噴出部４Ａが隔壁部５１に対して鉛直方向で、上方に突出するように設けられている。アノードオフガス噴出部４Ａは、有蓋および有底の円筒形状をなしており、アノードオフガス噴出部４Ａの側面の所定の位置に複数のアノードオフガス噴出孔が設けられている。そして、アノードオフガス噴出部４Ａは、アノードオフガス噴出孔からアノードオフガスを燃焼空間３に向かって噴出できる。また、アノードオフガス噴出部４Ａの中心軸周りに、アノードオフガス噴出部４Ａを取り囲むように、カソードオフガスを噴出させる拡散板６１Ａが設けられている。拡散板６１Ａによってテーパ形状の窪みの傾斜面が形成されている。なお、カソードオフガス噴出孔は、アノードオフガス噴出孔と略対向する位置に設けられている。
【００８２】
また、カソードオフガス分流部２１は、この外周壁６１Ｂに設けられている。
【００８３】
なお、本実施形態のカソードオフガス分流部２１の具体例は、第１実施形態の第１実施例の分岐配管２１Ａでもよいし、第１実施形態の第２実施例の貫通孔２１Ｂでもよい。よって、カソードオフガス分流部２１の具体例の詳細な説明は省略する。
【００８４】
以上により、本実施形態のＳＯＦＣシステム１００では、燃料利用率（Ｕｆ）を上げて高効率でＳＯＦＣシステム１００を運転する場合でも、カソードオフガスがカソードオフガス集合部５Ｂで集合するので、拡散板６１Ａから噴出するカソードオフガスの分散性を向上させ得る。また、ソードオフガス噴出孔とアノードオフガス噴出孔とを略対向する位置に設けているので、アノードオフガス噴出孔から噴出されたアノードオフガスとカソードオフガス噴出孔から噴出されたカソードオフガスの噴流とが衝突する。すると、燃焼空間３におけるカソードオフガスとアノードオフガスとの混合性を改善することができる。
【００８５】
さらに、第１実施形態のＳＯＦＣシステム１００と同様に、燃料利用率（Ｕｆ）を上げて高効率でＳＯＦＣシステム１００を運転する場合でも、カソードオフガス分流部２１でカソードオフガスの一部がカソードオフガス集合部５Ｂの外部へと分流するので、燃焼空間３における燃焼反応の空気比が、従来に比べ過剰になることを抑制できる。よって、燃焼空間３の火炎が失火する可能性、燃焼空間３での高濃度の一酸化炭素が発生する可能性を従来よりも低減させることができるので、燃焼空間３の良好な燃焼状態が維持され得る。
【００８６】
また、第２実施形態のＳＯＦＣシステム１００と同様に、カソードオフガス分流部２１を通過した高温のカソードオフガスを第１熱交換器１３および第２熱交換器１４の加熱流体として、ＳＯＦＣ１のカソードに送るための酸化剤ガスの予熱および改質器２２の加熱に有効に利用することができる。
【００８７】
なお、本実施形態のＳＯＦＣシステム１００は、上記特徴以外は、第２実施形態のＳＯＦＣシステム１００と同様に構成してもよい。
【００８８】
第１実施形態、第１実施形態の第１実施例、第１実施形態の第２実施例、第２実施形態および第３実施形態は、互いに相手を排除しない限り、互いに組み合わせても構わない。例えば、第３実施形態のＳＯＦＣシステム１００では、第２実施形態のＳＯＦＣシステム１００の燃焼室３Ａが、アノードオフガス噴出部４Ａおよびカソードオフガス集合部５Ｂ等を備える例を説明したが、第１実施形態のＳＯＦＣシステム１００が、アノードオフガス噴出部４Ａおよびカソードオフガス集合部５Ｂ等を備えても構わない。
【００８９】
上記説明から、当業者にとっては、本開示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、本開示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。本開示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】
【００９０】
本開示の一態様の高温動作型燃料電池システムは、燃料利用率（Ｕｆ）を上げて高効率で高温動作型燃料電池システムを運転する場合でも、従来よりも良好な運転状態が維持され得る。よって、本開示の一態様は、ＳＯＦＣシステムなどの高温動作型燃料電池システムに利用できる。
【符号の説明】
【００９１】
１      ：ＳＯＦＣ
２      ：燃焼筒
３      ：燃焼空間
３Ａ    ：燃焼室
４      ：アノードオフガス流路
４Ａ    ：アノードオフガス噴出部
４Ｂ    ：流路
５      ：カソードオフガス流路
５Ａ    ：カソードオフガス配管
５Ｂ    ：カソードオフガス集合部
５Ｃ    ：空間
７      ：燃料ガス流路
８      ：酸化剤ガス流路
９      ：改質ガス流路
１１    ：第１燃焼排ガス流路
１２    ：第２燃焼排ガス流路
１３    ：第１熱交換器
１４    ：第２熱交換器
２０    ：燃焼排ガスガイド
２１    ：カソードオフガス分流部
２１Ａ  ：分岐配管
２１Ｂ  ：貫通孔
２２    ：改質器
２２Ａ  ：内側筒体
２２Ｂ  ：外側筒体
２２Ｃ  ：改質触媒
２２Ｄ  ：水蒸発部
３１    ：原料ガス供給口
３２    ：水供給口
３３    ：酸化剤ガス供給口
３４    ：燃焼排ガス排出口
３６    ：燃料ガス供給口
４１    ：断熱材
５０Ａ  ：上部領域
５０Ｂ  ：下部領域
５１    ：隔壁部
５１Ａ  ：連通口
５２    ：上壁
５３    ：外壁
５４    ：内壁
６１Ａ  ：拡散板
６１Ｂ  ：外周壁
１００  ：ＳＯＦＣ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】
2017212204.tif 000007
【図６】
2017212204.tif 000008
【図７】
2017212204.tif 000009