(57)【要約】【課題】従来に比べて、より優れた発電効率に有する燃料電池を提供する。【解決手段】平面視で縦横２列に配列して４つの燃料電池スタック１１１にて構成したスタックユニット１１０と、改質器１２１及び燃焼器１２２を一体的に構成した燃焼器一体型改質器１２０と、スタックユニットを載置する板形状のスタックアダプタ１３０と、を有し、スタックユニットは、４つの上記燃料電池スタック間には機器を設けることなく４つの燃料電池スタックを互いに直接に対向して配置し、燃焼器一体型改質器は、スタックユニットの外周における４側面のうち、対向する２側面に沿って配置する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料と空気とを反応させて発電する発電セルが複数積層された構成を有する燃料電池スタックを、平面視で縦横２列に配列した４つの上記燃料電池スタックにて構成したスタックユニットと、
上記燃料を水蒸気改質した改質燃料を、上記燃料電池スタックへ供給する改質器と、
上記燃料電池スタックが排出した排燃料の少なくとも一部と排空気とを燃焼し、かつ発生した熱を上記改質器へ供給する燃焼器と、
上記スタックユニットを載置する板状体であり、かつ各燃料電池スタック及び上記改質器と連通した、上記改質燃料及び上記空気が通過する流路を有するスタックアダプタと、
を備え、
上記スタックユニットは、４つの上記燃料電池スタックの間には機器を設けることなく４つの上記燃料電池スタックを互いに直接に対向して位置し、
上記改質器は、スタックユニットの外周に位置する４側面のうち、対向する２つの第１側面に沿って位置する、
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
外部から導入した空気の、上記スタックユニットで発生した熱による加熱、及び、加熱した空気の上記燃料電池スタックへの供給を行う空気予熱器をさらに備え、
この空気予熱器は、スタックユニットの外周に位置する４側面のうち、上記改質器が位置する２側面以外の対向する２つの第２側面に沿って位置し、かつ、上記スタックアダプタに接続され、加熱した空気を、スタックアダプタを介して燃料電池スタックへ供給する、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
上記改質器及び上記燃焼器は、一体的に構成した燃焼器一体型改質器である、請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
上記燃料電池スタックは、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）を形成するものである、請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項５】
燃料と空気とを反応させて発電する発電セルが複数積層された構成を有する燃料電池スタックと、
上記燃料を水蒸気改質した改質燃料を、上記燃料電池スタックへ供給する改質器と、
上記燃料電池スタックが排出した排燃料の少なくとも一部と排空気とを燃焼し、かつ発生した熱を上記改質器へ供給する燃焼器と、
外部から導入した空気の、上記燃焼器で発生した熱による加熱、及び、加熱した空気の上記燃料電池スタックへの供給を行う熱交換器と、
上記燃料電池スタック、上記改質器、及び上記燃焼器を内部に配置した高温容器を保温する断熱部材と、
を備え、
上記熱交換器は、伝熱体としてセラミック製の球状体を内部に有し、かつ上記断熱部材に埋設されている、
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項６】
上記燃焼器は、上記燃料電池スタック及び上記改質器を内部に配置した上記高温容器であり、該高温容器は、内部の高温室へ上記燃料電池スタックが排出した上記排燃料の少なくとも一部と上記排空気とを燃焼する、請求項５に記載の燃料電池。
【請求項７】
上記燃焼器及び上記熱交換器は、一体構成した燃焼器一体型熱交換器である、請求項５に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関し、特には、燃料電池スタックを縦横２列に配置した燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する燃料電池が、高効率でクリーンな発電装置として注目されており、特に、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）は、発電効率に優れることから、種々の用途への展開が期待されている。
【０００３】
ＳＯＦＣは、他のタイプの燃料電池よりも作動温度が高いことから、発電時の排熱を、改質器における改質反応の促進、さらには発電反応に用いられる空気の予熱等に利用して、発電効率を向上させることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に開示された燃料電池では、４つの燃料電池スタックを縦横２列に配置し、これら燃料電池スタック間に十字形の改質器を、また、燃料電池スタックの側部に熱交換器類を配置している。該構成によって特許文献１の燃料電池は、主として燃料電池スタックからの輻射熱によって、改質器、及び熱交換器類が加熱されるように構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１５７４７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の燃料電池では、縦横２列に配置した燃料電池スタックのユニットを鉛直方向に４段に、架台を介在させながら積み重ねた形態で構成している。一方、上記十字形の改質器は、最上段の燃料電池スタックユニットから最下段の燃料電池スタックユニットまで、連続に延在して配置されている。また、上述のように、熱交換器類も、４段に積み重ねた燃料電池スタックの上部領域で燃料電池スタックの周囲に沿って鉛直方向に配置されている。
【０００６】
また特許文献１の燃料電池では、改質器の上部側から燃料が供給されることから、鉛直方向に延在している改質器は、上部側の温度が下部側に比べて低く、鉛直方向に温度分布を有する。また、燃料電池スタックの側部に配置された空気熱交換器も下部側から空気を供給することから、鉛直方向に延在している空気予熱器は、下部側の温度が上部側に比べて低く、鉛直方向に温度分布を有する。よって、このような鉛直方向に温度分布を有する改質器、空気熱交換器に面する、積み重ねた各段の燃料電池スタックにおいても温度に相違が生じることになる。
【０００７】
一方、各燃料電池スタックは、複数の発電セルを積層した構造である。一般的に、発電セルは、発電するためには、ある一定温度以上に発電セルを維持する必要がある。また、その温度が高いほど発電セルの出力電圧は上昇するが、発電セルの寿命に影響を与えるという特性を有する。
したがって発電効率の観点から、一つの燃料電池スタックにあっても温度均一性が要求される。ましてや特許文献１の燃料電池のように、燃料電池スタックのユニットを複数段に積層した構成において、各段における燃料電池スタック温度に相違が生じることは、燃料電池全体の電圧制御を困難にし、ひいては燃料電池全体の発電効率を低下させることになる。
【０００８】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたもので、従来に比べて高効率な発電が可能な燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、本発明は以下のように構成する。
即ち、本発明の第１態様における燃料電池は、燃料と空気とを反応させて発電する発電セルが複数積層された構成を有する燃料電池スタックを、平面視で縦横２列に配列した４つの上記燃料電池スタックにて構成したスタックユニットと、
上記燃料を水蒸気改質した改質燃料を、上記燃料電池スタックへ供給する改質器と、
上記燃料電池スタックが排出した排燃料の少なくとも一部と排空気とを燃焼し、かつ発生した熱を上記改質器へ供給する燃焼器と、
上記スタックユニットを載置する板状体であり、かつ各燃料電池スタック及び上記改質器と連通した、上記改質燃料及び上記空気が通過する流路を有するスタックアダプタと、
を備え、
上記スタックユニットは、４つの上記燃料電池スタックの間には機器を設けることなく４つの上記燃料電池スタックを互いに直接に対向して位置し、
上記改質器は、スタックユニットの外周に位置する４側面のうち、対向する２つの第１側面に沿って位置する、
ことを特徴とする。
【００１０】
本発明の第１態様における燃料電池では、縦横２列に燃料電池スタックを配置してなるスタックユニットは、４つの燃料電池スタック間に機器を設けることなく４つの燃料電池スタックを互いに直接に対向して配置した。この構成によって、燃料電池スタック相互間において輻射が直接に作用し合い、各燃料電池スタックを等温化し易い。さらに、スタックアダプタは、スタックユニットつまり４つの燃料電池スタックを載置する一つの板状体であることから、熱伝導によりそれぞれの燃料電池スタックの等温化に寄与する。さらにまた、改質器を、スタックユニットにおける外側の４側面のうち、対向する２側面に沿って配置した。これにより、例えば、４つの燃料電池スタックのいずれか一つが他のものに比して熱的分布が異なることは生じず、各燃料電池スタックの等温化を図ることができる。
このように本発明の第１態様における燃料電池によれば、それぞれの燃料電池スタックの等温化が行われることから、燃料電池全体における電圧制御が容易になり、従来に比べて高効率な発電が可能になる。
【００１１】
本発明の第２態様における熱交換器では、熱交換器は、その内部に伝熱体としてセラミック製の球状体を有することから、外部から導入される空気と燃焼器からの燃焼ガスとの熱交換効率を従来に比べて増すことができる。さらに熱交換器を断熱部材に埋設したことから、外部から熱交換器に対する温熱及び冷熱の作用を従来に比べて低減することができ、より一層の熱交換効率の増加を図ることができる。したがって、燃料電池スタックへ供給するカソード空気の温度が上昇するとともに、排ガスロスを低減して高効率な発電が可能となる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の第１態様における燃料電池、及び第２態様における熱交換器によれば、従来に比べて高効率な発電が可能な燃料電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施形態における燃料電池の概略構成を示す図である。
【図２】図１に示すスタックアダプタの平面図である。
【図３】図１に示す燃料電池の全体を水平方向に沿って切断した断面図である。
【図４】図１に示す燃料電池の全体を鉛直方向に沿って切断した断面図である。
【図５】図１に示す燃料電池スタックの概略構成を示す断面図である。
【図６】別の実施形態における燃料電池の概略構成を示す断面図であり、スタックアダプタの厚み方向における両側に燃料電池スタックを配置した形態を示している。
【図７】さらに別の実施形態における燃料電池の概略構成を示す図であり、改質器と燃焼器とが一体ではない形態を示し、（ａ）は燃料電池の全体を水平方向に沿って切断した断面図、（ｂ）は鉛直方向に沿って切断した断面図である。
【図８】さらに別の実施形態における燃料電池の概略構成を示す図であり、高温容器を燃焼器として構成する形態を示し、（ａ）は燃料電池の全体を水平方向に沿って切断した断面図、（ｂ）は鉛直方向に沿って切断した断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
実施形態である燃料電池について、図を参照しながら以下に説明する。尚、各図において、同一又は同様の構成部分については同じ符号を付している。また、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け当業者の理解を容易にするため、既によく知られた事項の詳細説明及び実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。また、以下の説明及び添付図面の内容は、特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。
【００１５】
また、以下の実施形態では、燃料電池のタイプとして固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）を例に採るが、本実施形態による構成は、燃料電池スタックがＳＯＦＣタイプに限定されず、動作温度が約６５０℃以上となる燃料電池スタックを有する燃料電池にも適用可能である。
【００１６】
図１には本実施形態の燃料電池１０１の基本的構成を概念図にて示し、図４には、本実施形態の燃料電池１０１の全体を鉛直方向に沿って切断した断面図を示している。
本実施形態の燃料電池１０１は、図１に示すように基本的構成部分として、一つのスタックユニット１１０、一対の燃焼器一体型改質器１２０、及び、一つのスタックアダプタ１３０を備え、さらに一対の空気予熱器１４０を備えることもできる。ここで、一つのスタックユニット１１０は、４つの燃料電池スタック１１１から構成され、それぞれの燃焼器一体型改質器１２０は、改質器１２１及び燃焼器１２２を有しこれらが一体的に構成されている。
また、燃料電池１０１の全体装置構成としては、装置外周部を構成する断熱部材１６０にて覆われた高温容器１９１を有し、該高温容器１９１内の高温室１９０に、本実施形態では空気予熱器１４０も含めて、スタックユニット１１０、燃焼器一体型改質器１２０、及びスタックアダプタ１３０が気密状態に収容されている。
【００１７】
さらにまた本実施形態の燃料電池１０１では、詳細後述するが、断熱部材１６０中に埋設された一対の熱交換器１５０を備えている。
【００１８】
このような構成部分を備えた燃料電池１０１では、概略、以下のような動作が行われる。即ち、外部から導入された燃料ガスは、それぞれの燃焼器一体型改質器１２０における各改質器１２１にて水素リッチな改質燃料として生成される。ここで燃料ガスとしては、炭化水素、例えばメタンを主成分とするガス、例えば都市ガス、あるいはバイオガス等を用いる。生成された改質燃料は、スタックユニット１１０におけるそれぞれの燃料電池スタック１１１に供給される。
また、外部から導入された空気（「カソード空気」と記す場合もある）は、各熱交換器１５０及び各空気予熱器１４０にて加熱されて、スタックユニット１１０におけるそれぞれの燃料電池スタック１１１に供給される。各燃料電池スタック１１１は、供給された改質燃料及び加熱カソード空気にて、発電を行う。
【００１９】
上述の各構成部分について、以下に順次詳しく説明する。
スタックユニット１１０は、図１及び図３に示すように、平面視で縦横２列に配列した、計４つの燃料電池スタック１１１から構成される。それぞれの燃料電池スタック１１１は、ほぼ直方体形状であり、同一の構成を有する。即ち、図５に概略構成を示すように、燃料とカソード空気とを反応させて発電する扁平な矩形、あるいは円形の発電セル１１を、その主面と直交する方向Ｘに、セパレータ１２を介して複数積層して構成されている。各発電セル１１は、燃料極（アノード）と空気極（カソード）との間にイオン導電性セラミック製電解質を介在させた固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）として構成されている。
【００２０】
縦横２列に配列される４つの燃料電池スタック１１１は、互いに同寸法の隙間１１２（図３）を介して互いに直接に対向して配置されている。即ち、燃料電池１０１は、隙間１１２に、他の機器を設置する構成ではない。また各燃料電池スタック１１１は、平面視で正方形状であるので、スタックユニット１１０も平面視で正方形状である。
【００２１】
このように、４つの燃料電池スタック１１１間の隙間１１２には、他の機器を配置することなく４つの燃料電池スタック１１１を互いに直接に対向して配置したことで、各燃料電池スタック１１１からの輻射が直接に相互に作用し合い、燃料電池スタック１１１同士の等温化を容易に行うことができる。その結果、個々の燃料電池スタック１１１における発電効率の向上は勿論、当該燃料電池１０１全体の発電効率の向上に寄与することができる。
【００２２】
このような４つの燃料電池スタック１１１のそれぞれの底部は、一つのスタックアダプタ１３０に載置され取り付けられている。スタックアダプタ１３０は、耐高温材料を含む金属製、例えばＳＵＳ３１０Ｓのようなステンレス鋼、の板状の部材であり、図２に示すように、スタックアダプタ１３０内には、それぞれの燃料電池スタック１１１に連通する、燃料流路１３１、空気流路１３２、及び排燃料流路１３３が形成されている。尚、燃料流路１３１には、燃焼器一体型改質器１２０における改質器１２１が接続されて上記改質燃料が供給され、空気流路１３２には、空気予熱器１４０が接続されてカソード空気が供給され、燃料電池スタック１１１へ改質燃料とカソード空気とがそれぞれ供給される。また、排燃料流路１３３は、燃焼器一体型改質器１２０における燃焼器１２２に接続され、燃料電池スタック１１１からの排燃料の少なくとも一部が燃焼器１２２へ供給される。
【００２３】
このように一つのスタックアダプタ１３０に４つの燃料電池スタック１１１を載置したことで、スタックアダプタ１３０を介して各燃料電池スタック１１１間で熱が伝導し合う。よって、スタックアダプタ１３０は、さらに各燃料電池スタック１１１同士の等温化を図ることを可能とし、上述のように発電効率の向上に寄与する。
【００２４】
次に、燃焼器一体型改質器１２０について説明する。
燃焼器一体型改質器１２０は、改質器１２１と燃焼器１２２とを一体的に構成したもので、本燃料電池１０１では、図３に示すように、スタックユニット１１０の、外周に位置する４つの側面のうち、対向する２つの第１側面１１３に対して、この第１側面１１３に沿って対面しかつ隙間１２３を介して非接触にて、一対、配置される。ここで燃焼器一体型改質器１２０は、図１に示すように、改質器１２１と燃焼器１２２とを重ねた構造体であり、本実施形態では、第１側面１１３に改質器１２１を近接させて配置している。尚、上記「改質器１２１と燃焼器１２２とを一体的に構成」とは、単一のハウジングを共有していることをいう。
【００２５】
改質器１２１は、外部から、燃料導入路を形成する燃料導入管２０を介して導入された、水蒸気を含む燃料から、吸熱反応である水蒸気改質反応によって、改質燃料であるＨ２及びＣＯ等を生成する。この改質反応には、燃焼器１２２で発生した熱及びスタックユニット１１０つまり燃料電池スタック１１１からの輻射熱が利用される。生成した改質燃料は、燃料供給路を形成する燃料供給管を介して、上述したスタックアダプタ１３０の燃料流路１３１に供給された後、各燃料電池スタック１１１における発電セル１１の燃料極に供給される。本実施形態では、燃料として、上述のように例えば都市ガスを使用している。
改質器１２１内には、改質触媒２８として、ニッケル、ルテニウム等の金属粒子を担持したアルミナボールが充填されている。改質触媒２８としては、このほかに、水蒸気改質用触媒として一般的に用いられる各種の金属粒子を使用することができる。
【００２６】
燃焼器１２２について説明する。燃焼器１２２は、燃料電池スタック１１１からの排燃料を、燃料電池スタック１１１から高温室１９０へ排出された排空気と混合して燃焼触媒２９によって燃焼させる触媒燃焼器として構成されており、その内部には、燃焼触媒２９としてパラジウム、白金等を担持したアルミナボールが充填されている。また、燃焼器１２２の端部には、パンチングメタルを備える排空気導入部が設けられている。
ここで排燃料は、各燃料電池スタック１１１の燃料極から排出された排燃料の一部又は全部が、上述したスタックアダプタ１３０の排燃料流路１３３を介して燃焼器１２２に供給される。また排空気は、各燃料電池スタック１１１の空気極から高温室１９０へ排出された排空気が上記排空気導入部を介して燃焼器１２２に供給される。
このように供給された排燃料の燃焼により、燃焼器１２２は高温の燃焼ガスを生成する。この燃焼ガスは、燃焼器１２２の下流側端部に接続された燃焼ガス通路２１を通り熱交換器１５０を介して外部へ排ガスとして排出される。また、燃焼器１２２における燃焼によって発生する熱は、改質器１２１における改質反応、及び熱交換器１５０におけるカソード空気の加熱に利用される。
【００２７】
改質器１２１における上述の水蒸気改質反応は、以下の反応式で示される吸熱反応である。
ＣＨ４  ＋  Ｈ２Ｏ  ＝  ＣＯ  ＋  ３Ｈ２
ＣＯ  ＋  Ｈ２Ｏ  ＝  ＣＯ２  ＋  Ｈ２
上述のように、本燃料電池１０１では、改質器１２１と燃焼器１２２とは一体的に形成していることから、燃焼器１２２で発生した熱を、放熱損失を抑制しながら、吸熱反応である水蒸気改質反応を行う低温の改質器１２１に供給できるので、燃料電池１０１の発電効率が向上する。また、燃焼器１２２は、改質器１２１によって冷却されるため、燃焼器１２２の内部温度が過度に上昇せず、長期に渡って燃料電池１０１の高い発電効率が維持される。
【００２８】
また、燃焼器一体型改質器１２０では、上述したように、改質器１２１が燃料電池スタック１１１と燃焼器１２２との間に配置されている。この構成によれば、改質器１２１は、燃焼器１２２からの燃焼熱以外にも、燃料電池スタック１１１から受ける輻射熱も燃料の水蒸気改質反応に利用できるので、水素リッチな改質燃料の生成が可能になる。さらには、燃料電池スタック１１１と対面する改質器１２１の高さ寸法、あるいは燃料電池スタック１１１と改質器１２１との距離を調整することによって、燃料電池スタック１１１から受熱する輻射熱量を制御できることから、改質ガス温度の調整が容易になる。
また本実施形態では、燃焼器一体型改質器１２０は、各燃料電池スタック１１１の外周側の側面の、上記方向Ｘにおける中央部分６０％以上に燃焼器一体型改質器１２０が対向するように、配置される。よって、燃焼器一体型改質器１２０に対向する燃料電池スタック１１１の第１側面１１３を方向Ｘ（上下方向）においてほぼ同一温度に保持することができる。
【００２９】
尚、本実施形態では上述のように、改質器１２１及び燃焼器１２２は一体型であるが、別々に配置することもできる。
【００３０】
次に、熱交換器１５０について説明する。
熱交換器１５０は、図４に示すように、流体間に伝熱壁として隔壁１５１が存在する隔壁式であり、隔壁１５１を挟んで外部から空気導入路を形成する空気導入管を介して導入されたカソード空気を、燃焼器１２２で生成され供給される高温の燃焼ガスの熱によって加熱し、加熱されたカソード空気を、配管２２を通して空気予熱器１４０へ供給する。また、熱交換後の燃焼ガスは、熱交換器１５０から配管を通して外部へ排ガスとして排出される。
【００３１】
また熱交換器１５０の内部の少なくとも一部には、多数の伝熱体３０が充填されている。ここで伝熱体３０とは、例えばセラミック製の球状体である。具体的には、熱交換器１５０において、カソード空気通路と燃焼ガス通路のそれぞれに、伝熱体３０が充填されている。伝熱体３０は、カソード空気通路での使用時の温度域（２０〜６００℃）、及び燃料ガス通路での使用時の温度域（２５０〜８００℃）で少なくとも０．６以上の大きい輻射率（吸収率）を有しているものが好ましい。燃焼ガス通路内に充填された伝熱体３０は、燃焼器１２２から排出された高温の燃焼ガスによって加熱される。その際、燃焼ガスの持つ熱エネルギーの一部が伝熱体３０の表面から遠赤外線となって放射され、隔壁１５１及びカソード空気通路内の伝熱体３０に伝播されてカソード空気通路内を通過するカソード空気を加熱する。さらに、燃焼ガス通路内、カソード空気流路内に充填された伝熱体３０により、燃焼ガス及びカソード空気の撹拌が進行することで、熱交換器１５０の隔壁１５１を通しての燃焼ガス側からカソード空気側への伝熱も促進する。よって、燃焼ガスの排熱回収効率が向上し、カソード空気と、燃焼器１２２からの燃焼ガスとの熱交換効率を従来に比べて増すことができる。
【００３２】
本実施形態では、伝熱体３０としてアルミナボールを使用しているが、アルミナボール以外のセラミック製の球状体、例えばシリカボール、あるいはムライトボールを使用してもよい。さらに、伝熱体３０は、セラミック製の球状体に限らず、様々な材質、形状、大きさのものを使用してよく、空気通路と燃焼ガス通路とで充填する伝熱体３０の材質、形状、大きさを変えてもよい。また、伝熱体３０の形状としては、球状に限らず、例えば円柱状であってもよいが、熱交換器１５０内を通過するカソード空気及び燃焼ガスの圧力損失を低減するために、直径３〜１０ｍｍ程度の球状であることが好ましい。さらには、燃焼ガス通路に充填する伝熱体３０としては、燃焼器１２２に使用したものと同様の燃焼触媒２９を全部に使用する、あるいは、一部をセラミック球状体と併用したものが使用されてもよい。燃焼触媒２９を使用することで、燃焼器１２２で水素、一酸化炭素等が燃え残った場合、完全に燃焼させることができる。
【００３３】
また、伝熱体３０は、熱交換器１５０の少なくとも一部に充填されていればよいが、少なくとも、熱交換器１５０において最も低温となる部分であるカソード空気入口部の近傍に充填されていることが好ましい。
【００３４】
さらにまた、本燃料電池１０１では、熱交換器１５０は、高温容器１９１を保温する断熱部材１６０中に埋設している。これにより、外部からの熱交換器１５０に対する熱的影響を極力低減することができ、さらに熱交換効率の増加を図ることができる。
このように伝熱体３０及び埋設の効果によっても、燃料電池スタック１１１へ供給するカソード空気の温度の上昇を図ることができ、排ガスロスが低減して燃料電池の発電効率を従来に比べて高めることが可能となる。
【００３５】
断熱部材１６０は、本実施形態では、例えば、超微細なヒュームドシリカと赤外線吸収材と含む材料で形成されたもので、固体の伝熱、空気分子の移動、及び赤外線の透過という熱移動を抑制可能である。その結果、断熱部材１６０は、ケイ酸カルシウムあるいはセラミックファイバーという一般に適用されている高温断熱材に比べて数倍優れた断熱性を有する。
【００３６】
次に、空気予熱器１４０について説明する。
空気予熱器１４０は、本燃料電池１０１では熱交換器１５０から供給されるカソード空気を、燃料電池スタック１１１からの輻射熱によってさらに加熱する機器である。空気予熱器１４０でさらに加熱された高温のカソード空気は、配管を通りさらに上述したスタックアダプタ１３０における空気流路１３２を介して各燃料電池スタック１１１の空気極に供給される。
このような空気予熱器１４０は、図３に示すように、スタックユニット１１０の、外周に位置する４つの側面のうち、上述した一対の燃焼器一体型改質器１２０を配置した第１側面１１３を除いた、残りの対向する２つの第２側面１１４に対して、この第２側面１１４に沿って対面しかつ隙間１４３を介して非接触にて、一対、配置される。これにより、例えば、４つの燃料電池スタック１１１のいずれか一つが他のものに比して熱的分布が異なることは生じず、各燃料電池スタック１１１の等温化を図ることができる。
【００３７】
空気予熱器１４０においても、内部に上述の伝熱体３０を含ませてもよい。
また、本燃料電池１０１では、熱交換器１５０と空気予熱器１４０との両方を設けているが、熱交換器１５０にて５５０℃以上に十分にカソード空気の加熱が行える場合には、空気予熱器１４０の設置は、省略することもできる。
【００３８】
尚、ここでは特に説明を行わないが、ＳＯＦＣタイプにおいて一般的に設けられている構成、例えば、高温容器１９１内を加熱するための起動用バーナー、都市ガスなどの燃料ガスを改質するに必要な水蒸気を生成するための蒸発器等の構成は設けられている。また、本燃料電池１０１は、各燃料電池スタック１１１からの排燃料を燃料へ混合させるための再循環ファンを設けてもよい。
【００３９】
以上説明したように、４つの燃料電池スタック１１１を縦横２列に配置し、これを一つのスタックユニット１１０とし、このスタックユニット１１０を一つのスタックアダプタ１３０に載置する。さらに、スタックユニット１１０の周囲に、一対の燃焼器一体型改質器１２０及び一対の空気予熱器１４０をそれぞれ対向させて配置したことで、４つの燃料電池スタック１１１は、ほぼ均等な温度にすることができる。したがって既に説明したように、燃料電池１０１における発電効率を従来よりも向上させることができる。尚、例えば、縦、横に配置する燃料電池スタック１１１の数を異ならせて配置した場合、あるいは縦横が同数であっても例えば３列ずつ計９個を配置した場合には、それぞれ、各燃料電池スタック１１１間において輻射には偏りが発生してしまう。よって、発電効率の向上は期待できない。
【００４０】
また、本実施形態の変形例としてより大きな電力を得るための装置構成として、スタックユニット１１０、スタックアダプタ１３０、一対の燃焼器一体型改質器１２０、及び一対の空気予熱器１４０を有する別の発電セットを、図６に示すように、一つの高温容器１９１内に配置することができる。図６では、スタックアダプタ１３０の厚み方向の両側に、スタックユニット１１０、一対の燃焼器一体型改質器１２０、及び一対の空気予熱器１４０の一式をそれぞれ配置した構成である。ここで、スタックアダプタ１３０の両側への配置は、鉛直方向及び水平方向のいずれであっても良い。
【００４１】
また上述の実施形態では、改質器１２１と燃焼器１２２とを一体的に構成した燃焼器一体型改質器１２０の形態を例に採ったが、図７に示すような構成を採ることもできる。即ち、図７の（ａ）に示すように、スタックユニット１１０に対向して一対の改質器１２１及び一対の空気予熱器１４０を配置するとともに、図７の（ｂ）に示すように、燃焼器１２２を一体的に構成した燃焼器一体型熱交換器１５５を断熱部材１６０内に埋設した構成を採ることもできる。ここで燃焼器一体型熱交換器１５５は、上述した、熱交換器１５０と燃焼器１２２との各機能を併せ持っており、流体間に伝熱壁として隔壁１５１が存在する隔壁式である。隔壁１５１を挟んで燃焼ガス通路内の少なくとも一部には燃焼触媒２９が充填されている。尚、燃焼ガス通路内の全部に燃焼触媒２９が充填されていてもよく、燃焼ガス通路内の上流側に燃焼触媒２９が充填され、下流側に伝熱体３０が充填されていてもよい。また、カソード空気通路内には伝熱体３０が含まれている。このような燃焼器一体型熱交換器１５５は、燃料電池スタック１１１からの排燃料を、燃料電池スタック１１１から高温室１９０へ排出された排空気と混合して燃焼触媒２９によって燃焼させ、外部から空気導入路を形成する空気導入管を介して導入されたカソード空気を加熱する。
【００４２】
さらにまた、燃焼器１２２は、上述の実施形態及び図７の形態で説明し図示するような別設した器具で構成しなくてもよく、図８に示すように、高温容器１９１を燃焼器１２２とすることもできる。即ち、上で説明したように、燃焼器１２２は、燃料電池スタック１１１からの排燃料を、燃料電池スタック１１１から高温室１９０へ排出された排空気と混合して燃焼させるものである。よって、燃料電池スタック１１１からの排燃料を直接、高温室１９０へ排出し、高温室１９０へ排出された排空気で燃焼させる構成を採ることで、高温容器１９１を燃焼器１２２として構成することも可能である。尚、この構成では、燃焼触媒は無くても良い。
【００４３】
また、上述の説明から当業者が想到可能な変形、改良、構成を採ることも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明は、燃料電池、特には燃料電池スタックを縦横２列に配置した燃料電池に適用可能である。
【符号の説明】
【００４５】
１１…発電セル、１０１…燃料電池、
１１０…スタックユニット、１１１…燃料電池スタック、
１１３…第１側面、１１４…第２側面、
１２０…燃焼器一体型改質器、１２１…改質器、１２２…燃焼器、
１３０…スタックアダプタ、１３１…燃料流路、１３２…空気流路、
１４０…空気予熱器、１５０…熱交換器、１５５…燃焼器一体型熱交換器、
１６０…断熱部材。
【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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