(57)【要約】【課題】液体燃料と混合する前に液体燃料を気化するための水蒸気を発生させる構成を備え、燃焼ガスの放熱による損失を抑えて、コンパクトな固体酸化物型の燃料電池装置を提供する。【解決手段】燃料電池装置100は、水蒸気と混合して気化された液体燃料から改質ガスに改質する改質装置170A，170Bと、改質ガスおよび空気から発電し、残留する改質ガスが燃焼した燃焼ガスで改質装置170A，170Bを加熱する発電装置140A，140Bとを収容する燃焼室150を内部に区画形成し、燃焼室150の外周側に隣接し、燃焼室150との熱交換により水から水蒸気を生成させる水流路部111B，111Cと、水流路部111B，111Cに隣接し、水流路部111B，111Cを流通する水および水蒸気との熱交換により流通する燃焼ガスを冷却させる燃焼ガス流路部112A，112Bと、燃焼ガス流路部112A，112Bに隣接し、燃焼ガス流路部112A，112Bを流通する燃焼ガスとの熱交換により流通する空気を加熱する空気流路部113C，113Dとを備えた。【選択図】図２
2009076365.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水蒸気が混合されて気化された液体燃料から水素を主成分とする改質ガスに改質する改質装置と、前記改質ガスおよび空気を反応させて発電させるとともに残留する前記改質ガスの水素を燃焼させて前記改質装置を加熱する固体酸化物型の燃料電池本体を収容する発電室とを内部に区画形成する筐体を有した燃料電池装置であって、
前記筐体内の前記発電室の外側に隣接して前記筐体の外部から供給される水を流通可能に配設され、前記残留する改質ガスの水素の燃焼にて加熱する前記発電室との熱交換により前記水から前記水蒸気を生成させて前記改質装置へ供給する水流路部と、
前記筐体内に前記水流路部の前記水の流通方向と反対方向に略沿って前記残留する改質ガスの水素の燃焼による燃焼ガスを流通可能に前記水流路部に隣接して配設され、前記水流路部を流通する前記水および前記水蒸気との熱交換により前記燃焼ガスを冷却させて前記筐体外へ排気させる燃焼ガス流路部と、
前記筐体内に前記燃焼ガス流路部の前記燃焼ガスの流通方向と反対方向に略沿って前記筐体の外部から供給される前記空気を流通可能に前記燃焼ガス流路部に隣接して配設され、前記燃焼ガス流路部を流通する前記燃焼ガスとの熱交換により前記燃焼ガスを冷却させるとともに前記流通する空気を加熱して前記燃料電池本体へ供給する空気流路部と、
を具備したことを特徴とした燃料電池装置。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池装置であって、
前記燃焼ガス流路部、前記水流路部、および前記空気流路部は、それぞれ内部に流路が形成され、それぞれの前記流路の流通方向に沿った側面が互いに略平行で、かつ前記発電室の外面に略沿って配設された
ことを特徴とした燃料電池装置。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池装置であって、
前記水流路部は、前記水の流通方向の一端に前記水が流入される流入口が前記改質装置よりも下方に位置して前記筐体の外面に臨んで開口形成され、他端が前記改質装置に連結された
ことを特徴とした燃料電池装置。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池装置であって、
前記水流路部の内部には、凹凸が鉛直方向に交互に形成された波状の仕切板を有し、前記仕切板により流通する前記水を前記発電室の外面に略沿って蛇行する状態に流通させる前記流路が区画形成された
ことを特徴とした燃料電池装置。
【請求項５】
請求項３に記載の燃料電池装置であって、
前記水流路部は、鉛直方向で折り返される状態に配設された管部材にて形成された
ことを特徴とした燃料電池装置。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の燃料電池装置であって、
前記燃料電池本体は、前記改質装置の鉛直方向の下方に位置して設けられた
ことを特徴とした燃料電池装置。
【請求項７】
請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の燃料電池装置であって、
前記改質装置は、前記燃料電池本体の水平方向に位置して設けられ、
前記筐体は、軸方向が鉛直方向に略沿って設けられ内周面側に前記発電室を区画形成する筒状体Ａと、この筒状体Ａより径大で前記筒状体Ａの外周面側に略同軸上に設けられ前記筒状体Ａとの間に前記水流路部を区画形成する筒状体Ｂと、この筒状体Ｂより径大で前記筒状体Ｂの外周面側に略同軸上に設けられ前記筒状体Ｂとの間に前記燃焼ガス流路部を区画形成する筒状体Ｃと、この筒状体Ｃより径大で前記筒状体Ｃの外周面側に略同軸上に設けられ前記筒状体Ｃとの間に前記空気流路部を区画形成する筒状体Ｄとを有したことを特徴とした燃料電池装置。
【請求項８】
請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の燃料電池装置であって、
前記筐体内に前記空気流路部の前記加熱された空気の流通方向と略同方向に沿って前記筐体外から供給される水を流通可能に前記空気流路部に隣接して配設され、前記空気流路部を流通する前記加熱された空気との熱交換により前記流通する水を加熱して前記筐体外へ温水として供給させる第二水流路部を具備した
ことを特徴とした燃料電池装置。
【請求項９】
請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の燃料電池装置であって、
前記筐体は、前記発電室の少なくとも側面および底面を区画する断熱材を有し、前記発電室の側面を区画する断熱材の外面側に前記水流路部が配設された
ことを特徴とした燃料電池装置。
【請求項１０】
請求項１ないし請求項９のいずれかに記載の燃料電池装置であって、
前記液体燃料は、灯油である
ことを特徴とした燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物型の燃料電池本体を有する燃料電池装置に関する。特に、液体燃料を用いる燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
液体燃料を用いる固体酸化物型の燃料電池装置では、液体燃料を改質して水素、一酸化炭素、メタンを含有するガスを発生させる必要がある。そのためには部分酸化による方法やスチームリフォーミングによる方法などがあるが、効率を考えるとスチームリフォーミングによる方法が良い。スチームリフォーミングは、気化した燃料とスチームの混合物を作り、触媒と接触させることにより行う。気化した燃料は、高温のスチームと混合することにより得られ、このような高温スチームを得るための方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１の固体高分子型の燃料電池システムでは、灯油燃料ガスを、水素を主成分とする改質ガスに改質する際に、高温の燃焼ガスが発生するため、この発生した高温の燃焼ガスを用いて水から水蒸気を発生させ、水蒸気の熱を利用して灯油燃料ガスを気化させる。
【０００３】
一方、固体酸化物型の燃料電池装置において、水を加熱する構成が知られている（例えば、特許文献２参照）。
特許文献２に記載の燃料電池組立体では、熱交換器と、セルスタックとを備える。熱交換器は、セルスタックに近接する側から外側に向かって流路が３層に形成されており、内側からセルスタックに供給するための酸素含有ガスが流通する第一の流路と、セルスタックから排出される燃焼ガスが流通する第二の流路と、コジェネ用の水が流通する第三の流路とを有する。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−０５３３０５号公報
【特許文献２】特開２００５−１００９４２号公報
【発明の開示】
【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に記載の方法では、固体高分子型の燃料電池システムであるため、固体酸化物型の燃料電池装置に適用可能な水蒸気を発生させる構成が必要となる。
また、特許文献２に記載の熱交換器では、第三の流路に流れる水を加熱するがコジェネ用の水加熱であり、改質用のスチームを発生させることはできない。仮に出来たとしても液体燃料を気化させるために充分な温度のスチームは得られない。
液体燃料を燃料とする際には、液体燃料と混合する前に水を気化させる必要があるので、例えば、スチームを発生させるための水気化器を別部品とすると構成も考えられる。しかし、このような構成では、燃焼ガスの放熱による損失が多くなり、また、小型化することもできない。
【０００６】
本発明の目的は、上述のような問題などに鑑み、液体燃料と混合する前に液体燃料を気化するための水蒸気を発生させる構成を備え、燃焼ガスの放熱による損失を抑えて、コンパクトな固体酸化物型の燃料電池装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の固体酸化物型の燃料電池装置は、水蒸気が混合されて気化された液体燃料から水素を主成分とする改質ガスに改質する改質装置と、前記改質ガスおよび空気を反応させて発電させるとともに残留する前記改質ガスの水素を燃焼させて前記改質装置を加熱する固体酸化物型の燃料電池本体を収容する発電室とを内部に区画形成する筐体を有した燃料電池装置であって、前記筐体内の前記発電室の外側に隣接して前記筐体の外部から供給される水を流通可能に配設され、前記残留する改質ガスの水素の燃焼にて加熱する前記発電室との熱交換により前記水から前記水蒸気を生成させて前記改質装置へ供給する水流路部と、前記筐体内に前記水流路部の前記水の流通方向と反対方向に略沿って前記残留する改質ガスの水素の燃焼による燃焼ガスを流通可能に前記水流路部に隣接して配設され、前記水流路部を流通する前記水および前記水蒸気との熱交換により前記燃焼ガスを冷却させて前記筐体外へ排気させる燃焼ガス流路部と、前記筐体内に前記燃焼ガス流路部の前記燃焼ガスの流通方向と反対方向に略沿って前記筐体の外部から供給される前記空気を流通可能に前記燃焼ガス流路部に隣接して配設され、前記燃焼ガス流路部を流通する前記燃焼ガスとの熱交換により前記燃焼ガスを冷却させるとともに前記流通する空気を加熱して前記燃料電池本体へ供給する空気流路部と、を具備したことを特徴とする。
このため、水流路部は、発電室の外周側に隣接するとともに、燃焼ガス流路部に隣接して設けられており、また、水流路部を流通する水が、燃焼ガス流路部を流通する燃焼ガスの流通方向と反対方向に略沿う状態に設けられているので、発電室および燃焼ガス流路部との熱交換効率が高くなり、高温の水蒸気を生成させることができる。よって、燃焼ガスの放熱による損失を抑えることができる。
そして、水流路部が発電室の外周側に隣接して発電室から発生する熱を吸収するので、外部に放出される熱の量が少なくなり、熱損失を抑制できる。また、水流路部で得られた高温の水蒸気は、液体燃料を十分に気化でき、安定した改質処理が得られる。
また、水流路部、燃焼ガス流路部、および空気流路部は互いに隣接しているので、効率的な熱交換が得られ、熱損失を抑制できるとともに、燃料電池装置をコンパクトにできる。
そして、燃焼ガス流路部を流通する燃焼ガスは、水流路部を流れる水から液体燃料を十分に気化できる高温の水蒸気を生成するための熱のみならず、残留する熱利用は、改質のための空気の加熱に利用され、効率的な熱交換による優れた熱効率が得られるとともに、燃焼ガスを十分に冷却させて排気させることができる。
【０００８】
また、前記燃焼ガス流路部、前記水流路部、および前記空気流路部は、それぞれ内部に流路が形成され、それぞれの前記流路の流通方向に沿った側面が互いに略平行で、かつ前記発電室の外面に略沿って配設されたことが好ましい。
このため、水流路部の平面が発電室の外面に沿って配設されているので、発電室から発生する熱を側面から効率的に吸収できる。
また、燃焼ガス流路部、水流路部、および空気流路部をそれぞれ略矩形状とすれば、最適設計が容易になる。例えば、水流路部の体積や、燃焼ガス流路部との当接面積を所定の大きさに設計すれば、所定の温度の水蒸気を得ることができるようになる。
さらに、燃焼ガス流路部のそれぞれの側面が水流路部の側面および空気流路部の側面に当接する場合では、さらに燃焼ガスの放熱による損失を抑えることができる。
また、燃焼ガス流路部の側面には、伝熱フィンが設けられ、この伝熱フィンが水流路部の側面、および空気流路部の側面に連続する構成でもよい。この場合、燃焼ガスの熱が伝熱フィンを介して水流路部および空気流路部に効率的に伝達する。
【０００９】
そして、前記水流路部は、前記水の流通方向の一端に前記水が流入される流入口が前記改質装置よりも下方に位置して前記筐体の外面に臨んで開口形成され、他端が前記改質装置に連結されたことが好ましい。
このため、水流路部を流れる水は、燃焼ガス流路部を流れる燃焼ガスにより加熱されて水蒸気となり、水蒸気は改質装置と略同等の高さ位置に設けられた流出口に向かって流れる。このため、水蒸気が流出口を介して改質装置に流入しやすくなり、効率的に水蒸気を供給できるようになる。
【００１０】
さらに、前記水流路部の内部には、凹凸が鉛直方向に交互に形成された波状の仕切板を有し、前記仕切板により流通する前記水を前記発電室の外面に略沿って蛇行する状態に流通させる前記流路が区画形成されたことが好ましい。
このため、水流路部を流通する水の流路が蛇行しているので、流路が長くなり、発電室および燃焼ガス流路部と良好に熱交換できる。また、燃焼ガス流路部を流通する燃焼ガスも蛇行して流れるので、水流路部を流通する水および水蒸気と熱交換されて、良好に冷却される。そして、空気流路部を流通する空気も蛇行して流れるので、燃焼ガス流路部を流通する燃焼ガスと熱交換され、良好に加熱される。また、仕切板を波状に形成することにより、蛇行した流路が得られるので、簡単な構成で容易に水流路部が得られる。
【００１１】
さらに、前記水流路部は、鉛直方向に折り返される状態に配設された管部材にて形成されたことが好ましい。
このため、水流路部が折り返されているので、水流路部の流路長が長くなり、発電室と良好に熱交換できる。
【００１２】
また、前記燃料電池本体は、前記改質装置の鉛直方向の下方に位置して設けられたことが好ましい。
このため、燃料電池本体の燃焼ガスは、上方に位置する改質器を効率よく加熱し、改質のための高温の燃料ガスが発電室の外側の水流路部で熱交換されるので、燃焼ガスの改質に利用した後の排熱分により効率よく高温の水蒸気を生成させることができる。さらに改質装置の熱量不足などの不都合も生じず、液体燃料から効率よく電気エネルギに変換できる。
【００１３】
また、前記改質装置は、前記燃料電池本体の水平方向に位置して設けられ、前記筐体は、軸方向が鉛直方向に略沿って設けられ内周面側に前記発電室を区画形成する筒状体Ａと、この筒状体Ａより径大で前記筒状体Ａの外周面側に略同軸上に設けられ前記筒状体Ａとの間に前記水流路部を区画形成する筒状体Ｂと、この筒状体Ｂより径大で前記筒状体Ｂの外周面側に略同軸上に設けられ前記筒状体Ｂとの間に前記燃焼ガス流路部を区画形成する筒状体Ｃと、この筒状体Ｃより径大で前記筒状体Ｃの外周面側に略同軸上に設けられ前記筒状体Ｃとの間に前記空気流路部を区画形成する筒状体Ｄとを有したことが好ましい。
従来、直方体形状以外に円形平板積層型の燃料電池本体が知られている。このため、筒状体Ａが筒状なので、筒状体Ａの内部に円形平板積層型の燃料電池本体を設けることができ、また、円筒型セルを束ねて直方体形状に接続したもの、いわゆるバンドルと呼ばれる燃料電池本体を設けることもできる。
なお、軸方向が鉛直方向に略沿って設けられ内周面側に前記発電室を区画形成する筒状体Ａとは、筒状体Ａの内周面側に発電室が存在すればよく、発電室と筒状体Ａの間に、断熱材や、1以上の筒状体を設けても良い。
また、例えば、筒状体Ｂと筒状体Ａの間に１以上の筒状体を設け、その筒状体の外周面と筒状体Ｂの内周面で水流路部が形成されてもよい。つまり、筒状体Ｂは、筒状体Ａの外周面側に略同軸上に設けられ、筒状体Ａとの間に水流路部を区画形成することになる。燃焼ガス流路部についても同様に、筒状体Ｃと筒状体Ｂの間に１以上の筒状体を設け、その筒状体の外周面と筒状体Ｃの内周面で燃焼ガス流路部が形成されてもよい。つまり、筒状体Ｃは、筒状体Ｂの外周面側に略同軸上に設けられ、筒状体Ｂとの間に燃焼ガス流路部を区画形成することになる。空気流路部についても同様に、筒状体Ｄと筒状体Ｃの間に１以上の筒状体を設け、その筒状体の外周面と筒状体Ｄの内周面で空気流路部が形成されてもよい。つまり、筒状体Ｄは、筒状体Ｃの外周面側に略同軸上に設けられ、筒状体Ｃとの間に空気流路部を区画形成することになる。
【００１４】
そして、前記筐体内に前記空気流路部の前記加熱された空気の流通方向と略同方向に沿って前記筐体外から供給される水を流通可能に前記空気流路部に隣接して配設され、前記空気流路部を流通する前記加熱された空気との熱交換により前記流通する水を加熱して前記筐体外へ温水として供給させる第二水流路部を具備したことが好ましい。
このため、空気流路部を流れる空気は、燃焼ガス流路部を流れる燃焼ガスにより加熱され、第二水流路部を流れる水は、空気流路部を流れる加熱された空気により加熱される。したがって、燃焼ガスの熱をさらに有効利用できる。
また、第二水流路部を流れる水は、空気流路部を介して加熱され、水流路部を流れる水よりも比較的低温の状態となる。従って、第二水流路部を流れる水は、例えば湯として利用できる。
【００１５】
さらに、前記筐体は、前記発電室の少なくとも側面および底面を区画する断熱材を有し、前記発電室の側面を区画する断熱材の外面側に前記水流路部が配設されたことが好ましい。
このため、水流路部を断熱材の外面側に設けることにより、発電室が発生する熱によって、水流路の水が過剰に加熱されることを抑えることができる。そして、改質装置に過剰な温度の水蒸気が導入されて、改質装置内部の触媒が損傷するという不都合を防止できる。
【００１６】
また、前記液体燃料は、灯油であることが好ましい。
このため、固体酸化物型の燃料電池装置の燃料として灯油を利用できる。また、灯油以外にも、軽油やナフサなどの各種液体燃料を用いることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の固体酸化物型の燃料電池装置（以下「燃料電池装置」と略記する場合がある）に係る第一実施の形態について説明する。
なお、本実施の形態では、液体燃料として灯油を利用する燃料電池装置の構成を例示するが、例えば灯油に限らず、軽油やナフサなどの各種液体燃料も対象とする各種燃料電池装置に利用できる。
図１は、第一実施形態における燃料電池装置の概略構成を示すブロック図である。
【００１８】
〔第一実施形態〕
図１に示すように、燃料電池装置１００は、水、排ガス、および空気が流れる熱交換器１１０と、熱交換器１１０により発生した水蒸気および液体燃料が混合される混合器１２０と、混合器１２０により気化された燃料が改質ガスに改質される改質器１３０と、改質ガスおよび熱交換器１１０により加熱された空気で発電する燃料電池本体としての発電装置１４０と、発電装置１４０から流出した改質ガスの水素が燃焼することにより燃焼ガスを発生させ、改質器１３０および発電装置１４０を収容する発電室としての燃焼室１５０とを備える。
熱交換器１１０は、流路が３層に形成されており、外部から流入された水が流れる水流路部１１１と、発電装置１４０から燃焼室１５０を介して流出される燃焼ガスが流通する燃焼ガス流路部１１２と、外部から流入された空気が流れる空気流路部１１３とを有する。
水流路部１１１を流れる水は、燃焼室１５０で燃焼する燃焼ガスの熱および燃焼ガス流路部１１２を流れる燃焼ガスの熱により加熱されて水蒸気となる。水蒸気は、水蒸気流路部１１１Ａを介して混合器１２０に流入する。また、混合器１２０には、液体燃料が供給されて、液体燃料と水蒸気とで混合ガスが得られる。
そして、この混合ガスは、混合ガス流路部１２０Ａを介して改質器１３０に流入する。さらに、改質器１３０により混合ガスを改質して発生した改質ガスは、改質ガス流路部１３０Ａを介して発電装置１４０に流入される。また、空気流路部１１３を流れる空気は、燃焼ガス流路部１１２により加熱され、加熱された空気は、加熱空気流路部１１３Ａを介して発電装置１４０に流入する。
そして、発電装置１４０から流出される改質ガスは、燃焼ガスとして燃焼室１５０を通って、改質器１３０を加熱しながら熱交換器１１０の燃焼ガス流路部１１２に流入する。
【００１９】
次に、燃料電池装置１００の構成を示す。
図２は、第一実施形態における燃料電池装置を示す正面断面図である。図３は、第一実施形態における燃料電池装置を示す側面断面図である。図４は、第一実施形態における熱交換器を示す正面断面図である。図５は、第一実施形態における熱交換器を示す斜視図である。
図２、３に示すように、燃料電池装置１００は、略直方体形状の筐体１６０を有し、筐体１６０の鉛直方向における上面を閉塞する上断熱壁１６１と、筐体１６０における鉛直方向の下面を閉塞する下断熱壁１６２と、下断熱壁１６２の端部から鉛直方向に立ち上がって形成され、側面を閉塞する側断熱壁１６３、前断熱壁１６４、及び後断熱壁１６５とを有する。また、筐体１６０は、上断熱壁１６１と、下断熱壁１６２と、側断熱壁１６３と、前断熱壁１６４と、後断熱壁１６５とにより区画形成された、発電室としての燃焼室１５０を有する。また、上断熱壁１６１には、開閉可能な上蓋（図示しない）が設けられていてもよい。この上蓋を開くことにより、燃料電池装置１００の内部のメンテナンスが容易になる。
側断熱壁１６３、前断熱壁１６４、及び後断熱壁１６５の燃焼室１５０側には、それぞれ断熱内壁１６６Ａ，１６６Ｂ，１６６Ｃ、１６６Ｄが設けられている。
燃焼室１５０は、略中央に設けられ略直方体形状の発電装置１４０Ａ、１４０Ｂと、発電装置１４０Ａ，１４０Ｂの上方に位置して設けられ、図１に示す混合器１２０と改質器１３０とが一体に形成された改質装置１７０Ａ、１７０Ｂと、発電装置１４０Ａと断熱内壁１６６Ａとの間に位置し、断熱内壁１６６Ａに略沿って設けられた矩形状の熱交換器１１０Ａと、発電装置１４０Ｂと断熱内壁１６６Ｂとの間に位置し、断熱内壁１６６Ｂに略沿って設けられた矩形状の熱交換器１１０Ｂとを有する。
発電装置１４０Ａ、１４０Ｂは、それぞれ鉛直方向に細長く延びる円筒状または円筒平板型のセルを複数個連結したものである。円筒状、または円筒平板型のセル内部には1個または複数個のガス孔が形成されている。
【００２０】
図３に示すように、改質装置１７０Ａ，１７０Ｂは、前断熱壁１６４と後断熱壁１６５とが対向する方向に細長く延びる直方体形状であり、内部には液体燃料としての改質された灯油（以下「灯油」と略記する場合がある）を水素リッチな改質ガスに改質するための触媒が収容されている。
改質装置１７０Ｂにおける前断熱壁１６４側の側端部には、外部に設けられた図示しない脱硫器から灯油が供給される燃料供給管１７１Ｂが接続されている。なお、図示しないが、改質装置１７０Ａにも同様に燃料供給管が接続されている。
【００２１】
改質装置１７０Ａ，１７０Ｂの上方には、断熱内壁１６６Ａの上端部と、断熱内壁１６６Ｂの上端部とに掛け渡される状態で、略矩形状の加熱空気流路部１１３Ａが配設されている。加熱空気流路部１１３Ａには、先端部が発電装置１４０Ａ，１４０Ｂの下端部付近に位置した加熱空気案内管１１３Ｂ１、１１３Ｂ２、１１３Ｂ３がそれぞれ設けられている。
加熱空気案内管１１３Ｂ１は、発電装置１４０Ａの側面に沿って複数設けられ、加熱空気案内管１１３Ｂ２は、発電装置１４０Ａの側面および発電装置１４０Ｂの側面に沿って複数設けられ、加熱空気案内管１１３Ｂ３は、発電装置１４０Ｂの側面に沿って複数設けられている。
そして、加熱空気案内管１１３Ｂ１と熱交換器１１０Ａとの間には、断熱材１６７Ａが設けられ、加熱空気案内管１１３Ｂ３と熱交換器１１０Ｂとの間には、断熱材１６７Ｂが設けられている。そして、発電装置１４０Ａ、１４０Ｂのそれぞれの前側の側面に当接する状態で断熱材１６７Ｃが設けられている。また、発電装置１４０Ａ、１４０Ｂのそれぞれの後側の側面に当接する状態で断熱材１６７Ｄが設けられている。そして、発電装置１４０Ａ、１４０Ｂの下端部と下断熱壁１６２との間には、上述した発電装置１４０Ａ、１４０Ｂのそれぞれのガス孔と、改質装置１７０Ａ，１７０Ｂとに連通した改質ガス流路部１３０Ａが設けられている。
【００２２】
熱交換器１１０Ａ，１１０Ｂは、図２に示すように、発電装置１４０Ａ，１４０Ｂ側から離隔するにしたがって、互いに隣接した状態で水流路部１１１Ｂ，１１１Ｃ、燃焼ガス流路部１１２Ａ，１１２Ｂ、空気流路部１１３Ｃ，１１３Ｄが設けられている。燃焼ガス流路部１１２Ａ，１１２Ｂ、水流路部１１１Ｂ，１１１Ｃ、および空気流路部１１３Ａ，１１３Ｂは、それぞれ中空矩形状であり、燃焼ガス流路部１１２Ａ，１１２Ｂ、水流路部１１１Ｂ，１１１Ｃ、および空気流路部１１３Ｃ，１１３Ｄの平面が略平行し、断熱材１６７Ａ，１６７Ｂの側面に沿って設けられている。
水流路部１１１Ｃの下端部には、図４、５に示すように、外部から水が流入される流入口１１１Ｄ１が形成され、上端部には、排ガス流路部１１２Ｂにより加熱されて発生した水蒸気が流出する水蒸気流出口１１１Ｄ２が形成されている。水流路部１１１Ｃは水蒸気流出口１１１Ｄ２を介して改質装置１７０Ｂに連通する。
また、水流路部１１１Ｃは、略矩形状であり、上端部が燃焼ガス流路部１１２Ｂの上縁よりも幾分下方に位置している。また、水流路部１１１Ｃの下端部は、燃焼ガス流路部１１２Ｂの下端縁よりも幾分上方に位置している。水流路部１１１Ｃの下端縁から上端縁までの長さはｈであり、燃焼ガス流路部１１２Ｂの下端縁から水流路部１１１Ｃの下端縁までの長さはｈ’である。
さらに、水流路部１１１Ｃ燃焼ガス流路部１１２Ｂとの間には、伝熱セメント１１４が充填されている。
【００２３】
燃焼ガス流路部１１２Ｂは、上端部、かつ発電装置１４０Ｂに対向する側部に流入口１１２Ｃ１を有し、流入口１１２Ｃ１は燃焼室１５０に開口する。また、燃焼ガス流路部１１２Ｂの下端部には燃焼ガスが流出される流出口１１２Ｃ２が形成されており、筐体１６０の外部に連通している。
空気流路部１１３Ｄは、下端部において、外部から空気が流入される流入口１１３Ｅ１が形成され、上端部には、排ガス流路部１１２Ｂにより加熱された空気が流入する加熱空気流路部１１３Ａが連通されている。
【００２４】
水流路部１１１Ｃの構造は、図５に示すように、上下方向に間隔をおいて水平方向に延びる３枚の仕切板１１１Ｅが設けられている。これにより、水流路部１１１Ｃの内部は、全体として、水がジグザグ状に蛇行して流れるように形成されている。
排ガス流路部１１２Ｂの構造も同様に、上下方向に間隔をおいて水平方向に延びる６枚の仕切板１１２Ｄが設けられている。これにより、燃焼ガス流路部１１２Ｂの内部は、全体として、燃焼ガスがジグザグ状に流れるように形成されている。
空気流路部１１３Ｄの構造も同様に、上下方向に間隔をおいて水平方向に延びる５枚の仕切板１１３Ｆが設けられている。これにより、空気ガス流路部１１３Ｄの内部は、全体として、空気がジグザグ状に蛇行して流れるように形成されている。
なお、熱交換器１１０Ａの水流路部１１１Ｂ、燃焼ガス流路部１１２Ａ、および空気流路部１１３Ｃの構造については図示しないが、熱交換器１１０Ｂの水流路部１１１Ｃ、燃焼ガス流路部１１２Ｂ、空気流路部１１３Ｄと同様に形成されている。
【００２５】
〔第一実施形態の動作〕
〔燃料電池装置の駆動動作〕
燃料電池装置１００を駆動する際に、まず、図示しない水素導入管により、水素を改質装置１７０Ａ、１７０Ｂに導入する。この水素は改質装置１７０Ａ、１７０Ｂおよび発電装置１４０Ａ、１４０Ｂを素通りし燃焼室１５０にて燃焼する。この状態で、改質装置１７０Ａ、１７０Ｂが改質可能な温度に達し、かつ水流路部１１１Ｂ，１１１Ｃが水蒸気を発生可能な温度に達した段階で水と液体燃料を供給し改質反応を始めるとともに水素の供給を停止する。また、燃焼室１５０の内部の温度が発電可能な温度になった段階で発電を開始する。
水流路部１１１Ｃを水が流れる際、燃焼ガスが燃焼ガス流路部１１２Ｃを流れるので、燃焼ガスと水との間で熱交換が行われる。水流路部１１１Ｃは、図５に示すように、ジグザグ状であるので、流路長が長くなり燃焼ガスと水との間で十分に熱交換が行なわれる。そして、水は加熱されて水蒸気となり、改質装置１７０Ｂに送られる。
改質装置１７０Ｂでは、灯油が水蒸気と混合されて気化する。そして、気化した灯油と水蒸気との混合ガスは、改質された後、発電装置１４０Ｂに供給される。
一方、空気は、空気流路部１１３Ｄを通って、発電装置１４０Ｂに供給される。空気が空気流路部１１３Ｄを流れる際、燃焼ガスが燃焼ガス流路部１１２Ｂを流れるので、燃焼ガスと空気との間で熱交換が行われる。空気流路部１１３Ｄは、ジグザグ状であるので、流路長が長くなり燃焼ガスと水との間で十分に熱交換が行なわれる。そして、空気は加熱されて高温の空気となり、発電装置１４０Ｂに送られる。
【００２６】
発電された電力は適宜の取出ラインを通して取り出される。発電装置１４０Ａ、１４０Ｂにおける発電に起因して、そしてまた改質ガスと空気との燃焼に起因して燃焼室１５０内は高温になる。改質装置１７０Ａ，１７０Ｂは燃焼室１５０内に配設されており、従って燃焼室１５０内に生成される高温が気化された燃料の改質に効果的に利用される。
【００２７】
〔第一実施形態の効果〕
本発明の固体酸化物型の燃料電池装置１００は、水蒸気が混合されて気化された液体燃料から水素を主成分とする改質ガスに改質する改質装置１７０Ａ，１７０Ｂと、改質ガスおよび空気を反応させて発電させるとともに残留する改質ガスの水素を燃焼させて改質装置１７０Ａ，１７０Ｂを加熱する固体酸化物型の発電装置１４０Ａ，１４０Ｂとを収容する燃焼室１５０を内部に区画形成する筐体１６０を有し、燃焼室１５０の外側に隣接して筐体１６０の外部から供給される水を流通可能に配設され、残留する改質ガスの水素の燃焼にて加熱する燃焼室１５０との熱交換により水から水蒸気を生成させて改質装置１７０Ａ，１７０Ｂへ供給する水流路部１１１Ｂ，１１１Ｃと、筐体１６０内に水流路部１１１Ｂ，１１１Ｃの水の流通方向と反対方向に略沿って残留する改質ガスの水素の燃焼による燃焼ガスを流通可能に水流路部１１１Ｂ，１１１Ｃに隣接して配設され、水流路部１１１Ｂ，１１１Ｃを流通する水および水蒸気との熱交換により燃焼ガスを冷却させて筐体１６０外へ排気させる燃焼ガス流路部１１２Ａ，１１２Ｂと、筐体１６０内に燃焼ガス流路部１１２Ａ，１１２Ｂの燃焼ガスの流通方向と反対方向に略沿って筐体１６０の外部から供給される空気を流通可能に燃焼ガス流路部１１２Ａ，１１２Ｂに隣接して配設され、燃焼ガス流路部１１２Ａ，１１２Ｂを流通する燃焼ガスとの熱交換により燃焼ガスを冷却させるとともに流通する空気を加熱して発電装置１４０Ａ，１４０Ｂへ供給する空気流路部１１３Ｃ，１１３Ｄと、を備える。
このため、水流路部１１１Ｂ，１１１Ｃは、燃焼室１５０の外周側に隣接するとともに、燃焼ガス流路部１１２Ａ，１１２Ｂに隣接して設けられており、また、水流路部１１１Ｂ，１１１Ｃを流通する水が、燃焼ガス流路部１１２Ａ，１１２Ｂを流通する燃焼ガスの流通方向と反対方向に略沿う状態に設けられているので、燃焼室１５０および燃焼ガス流路部との熱交換効率が高くなり、高温の水蒸気を生成させることができる。よって、燃焼ガスの放熱による損失を抑えることができる。
そして、水流路部１１１Ｂ，１１１Ｃが燃焼室１５０の外周側に隣接して燃焼室１５０から発生する熱を吸収するので、外部に放出される熱の量が少なくなり、熱損失を抑制できる。また、水流路部１１１Ｂ，１１１Ｃで得られた高温水蒸気は、液体燃料を十分に気化でき、安定した改質処理が得られる。
また、水流路部１１１Ｂ，１１１Ｃ、燃焼ガス流路部１１２Ａ，１１２Ｂ、および空気流路部１１３Ｃ，１１３Ｄは互いに隣接しているので、効率的な熱交換が得られ、熱損失を抑制できるとともに、燃料電池装置１００をコンパクトにできる。
そして、燃焼ガス流路部１１２Ａ，１１２Ｂを流通する燃焼ガスは、水流路部１１１Ｂ，１１１Ｃを流れる水から液体燃料を十分に気化できる高温の水蒸気を生成するための熱のみならず、残留する熱は、空気の加熱に利用され、効率的な熱交換による優れた熱効率が得られるとともに、燃焼ガスを十分に冷却させて排気させることができると空気流路部１１３Ｃ，１１３Ｄを流れる空気とに吸収されるので、燃焼ガスを十分に冷却させて排気させることができる。
さらに、発電装置１４０Ａ，１４０Ｂの燃焼ガスは、上方に位置する改質装置１７０Ａ，１７０Ｂを効率よく加熱し、改質のあとの高温の燃料ガスが燃焼室１５０の外側の水流路部１１１Ｂ，１１１Ｃで熱交換されるので、燃焼ガスの改質に利用した後の排熱分により効率よく高温の水蒸気を生成させるので、改質装置１７０Ａ，１７０Ｂの熱量不足などの不都合も生じず、液体燃料から効率よく電気エネルギに変換できる。
【００２８】
また、水流路部１１１Ｂ，１１１Ｃ、燃焼ガス流路部１１２Ａ，１１２Ｂ、および空気流路部１１３Ｃ，１１３Ｄは、それぞれ内部に流路が形成された略矩形状に形成され、それぞれの流路の流通方向に沿った平面が互いに略平行で、かつ前記発電室の外面に沿って配設されている。
このため、水流路部１１１Ｂ、１１１Ｃの平面が燃焼室１５０の外面に沿って配設されているので、燃焼室１５０から発生する熱を平面から効率的に吸収できる。そして、燃焼ガス流路部１１２Ａ，１１２Ｂ、水流路部１１１Ｂ、１１１Ｃ、および空気流路部１１３Ｃ，１１３Ｄは、それぞれ略矩形状であるため、発電装置１４０Ａ、１４０Ｂの外壁として利用できる。
さらに、燃焼ガス流路部１１２Ａ，１１２Ｂのそれぞれの平面が水流路部１１１Ｂ、１１１Ｃの平面および空気流路部１１３Ｃ，１１３Ｄのそれぞれの平面に当接する場合では、さらに燃焼ガスの放熱による損失を抑えることができる。
【００２９】
また、燃焼ガス流路部１１２Ａ，１１２Ｂ、水流路部１１１Ｂ、１１１Ｃ、および空気流路部１１３Ｃ，１１３Ｄは、それぞれ略矩形状であるため、最適設計が容易になる。例えば、水流路部１１１Ｂ、１１１Ｃの体積や、燃焼ガス流路部１１２Ａ，１１２Ｂとの当接面積を所定の大きさに設計すれば、所定の温度の水蒸気を得ることができるようになる。例えば、水流路部１１１Ｃの下端縁から上端縁までの長さはｈであり、燃焼ガス流路部１１２Ｂの下端縁から水流路部１１１Ｃの下端縁までの長さはｈ’である。
このため、ｈおよびｈ’を任意の値に設定することで、必要な水蒸気の熱を得る熱交換器１１０Ｂの設計が容易になる。また、熱交換器１１０Ａの水流路部１１１Ｂにおいても同様にして設計することができる。
【００３０】
水流路部１１１Ｂ、１１１Ｃは、水の流通方向の一端に水が流入される流入口１１１Ｄ１が改質装置１７０Ａ、１７０Ｂよりも下方に位置して筐体１６０の外面に臨んで開口形成され、他端が改質装置１７０Ａ、１７０Ｂに連結されている。
このため、水流路部１１１Ｂ、１１１Ｃを流れる水は、燃焼ガス流路部１１２Ａ，１１２Ｂを流れる燃焼ガスにより加熱されて水蒸気となり、水蒸気は改質装置１７０Ａ，１７０Ｂと略同等の高さ位置に設けられた流出口１１１Ｄ２に向かって流れる。このため、水蒸気が流出口１１１Ｄ２を介して改質装置１７０Ａ，１７０Ｂに流入しやすくなり、効率的に水蒸気を改質装置１７０Ａ，１７０Ｂに供給できるようになる。
【００３１】
また発電装置１４０Ａ，１４０Ｂは、改質装置１７０Ａ，１７０Ｂの鉛直方向の下方に位置して設けられている。
このため、発電装置１４０Ａ，１４０Ｂの燃焼ガスは、上方に位置する改質装置１７０Ａ，１７０Ｂを効率よく加熱し、改質のための高温の燃料ガスが燃焼室１５０の外側の水流路部１１１Ｂ、１１１Ｃで熱交換されるので、燃焼ガスの改質に利用した後の排熱分により効率よく高温の水蒸気を生成させることができる。さらに改質装置１７０Ａ，１７０Ｂの熱量不足などの不都合も生じず、液体燃料から効率よく電気エネルギに変換できる。
【００３２】
そして、筐体１６０は、燃焼室１５０の側面を区画する断熱材１６７Ａ，１６７Ｂ，１６７Ｃ，および１６７Ｄを有し、前記発電室の側面を区画する断熱材の外面側に前記水流路部が配設されている。
このため、水流路部１１１Ｂ、１１１Ｃを断熱材１６７Ａ、１６７Ｂの外面側に設けることにより、燃焼室１５０が発生する熱によって、水流路部１１１Ｂ、１１１Ｃの水が過剰に加熱されることを抑えることができる。そして、改質装置１７０Ａ，１７０Ｂに過剰な温度の水蒸気が導入されて、改質装置１７０Ａ，１７０Ｂの内部の触媒が損傷するという不都合を防止できる。また、燃焼室１５０の温度低下による発電性能低下を防止することができる。
【００３３】
さらに、液体燃料は、灯油である。また、灯油以外にも、軽油やナフサなどの各種液体燃料を用いることもできる。
【００３４】
〔第一実施形態の変形例〕
なお、以上に説明した態様は、本発明の一態様を示したものであって、本発明は、前記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的および効果を達成できる範囲内での変形や改良が、本発明の内容に含まれるものであることはいうまでもない。また、本発明を実施する際における具体的な構造および形状などは、本発明の目的および効果を達成できる範囲内において、他の構造や形状などとしても問題はない。
図６は、他の実施形態における燃料電池装置の熱交換器の概略構成を示す斜視図である。図７は、他の実施形態における燃料電池装置の熱交換器の概略構成を示す断面図である
【００３５】
第一実施形態では、熱交換器１１０Ｂは、水流路部１１１Ｃ、燃焼ガス流路部１１２Ｂ、および空気流路部１１３Ｄを有する３層に形成された構成を示したがこれに限られない。たとえば、図６に示すように、筐体１６０内に空気流路部１１３Ｄの加熱された空気の流通方向と略同方向に沿って筐体１６０外から供給される水を流通可能に空気流路部１１３Ｄに隣接して配設される第二水流路部４１４を備えていても良い。
第二水流路部４１４は、空気流路部１１３Ｄを流通する加熱された空気との熱交換により流通する水を加熱して筐体１６０外へ温水として供給する。
第二水流路部４１４の下端部には、水が流入する図示しない流入開口が設けられ、上端部には水が流出する図示しない流出口が設けられている。
この場合、空気流路部１１３Ｄを流れる空気は、燃焼ガス流路部１１２Ｂを流れる燃焼ガスにより加熱され、第二水流路部４１４を流れる水は、空気流路部を流れる加熱された空気により加熱される。したがって、燃焼ガスの熱をさらに有効利用できる。
また、第二水流路部４１４を流れる水は、水流路部１１１Ｃを流れる水よりも比較的低温の状態に加熱されるので、例えば、湯として利用できる。この場合、熱交換器１１０Ｂは、給湯器として利用することもできる。
さらに、水流路部１１１Ｃは、鉛直方向に上下方向で折り返される状態に配設された管部材にて形成されている。
このため、水流路部１１１Ｃが折り返されているので、水流路部１１１Ｃの流路長が長くなり、燃焼室１５０と良好に熱交換できる。
【００３６】
また、第一実施形態の水流路部１１１Ｃ、燃焼ガス流路部１１２Ｂ、および空気流路部１１３Ｄでは、複数の仕切板が設けられた構成を示したが、これに限られない。例えば、図７に示すように、水流路部１１１Ｃ、燃焼ガス流路部１１２Ｂ、および空気流路部１１３Ｄの内部には凹凸が鉛直方向に交互に形成された波状の仕切板２１１がそれぞれ設けられた構成でもよい。水流路部１１１Ｃでは、この仕切板２１１により流通する水を燃焼室１５０の外面に略沿ってジグザグ状に蛇行して流れるようになっている。また、燃焼ガス流路部１１２Ｂにおいても同様に燃焼ガスがジグザグ状に蛇行して流れるようになっており、空気流路部１１３Ｃにおいても同様に空気がジグザグ状に蛇行して流れるようになっている。
この場合、水流路部１１１Ｃを流通する水の流路が蛇行しているので、流路が長くなり、燃焼室１５０および燃焼ガス流路部１１２Ｂと良好に熱交換できる。また、燃焼ガス流路部１１２Ｂを流通する燃焼ガスも蛇行して流れるので、水流路部１１１Ｃを流通する水および水蒸気と熱交換され、良好に冷却される。そして、空気流路部１１３Ｃを流通する空気も蛇行して流れるので、燃焼ガス流路部１１２Ｂを流通する燃焼ガスと熱交換され、良好に加熱される。
また、仕切板２１１を波状に形成することにより、蛇行した流路が得られるので、簡単な構成で容易に燃焼ガス流路部１１２Ｂ，水流路部１１１Ｃ、空気流路部１１３Ｃが得られる。
【００３７】
〔第二実施形態〕
次に本発明の第二実施形態の燃料電池装置について図面に基づいて説明する。
図８は、第二実施形態の燃料電池装置の概略を示す平面図である。図９は、第二実施形態の燃料電池装置の概略を示す正面側から見た断面図である。
なお、第二実施の形態において、第一実施の形態と略同様の構成については、同符号を付し、その説明を簡略もしくは省略する。
第二実施形態の燃料電池装置５００は、第一実施の形態の燃料電池装置１００と略同様の構成を備えており、第一実施の形態の熱交換器１１０の形状を直方体状から円筒状に変形したものである。
【００３８】
図８、９に示すように、燃料電池装置５００は軸方向が鉛直方向に略沿って同軸上に設けられた６個の筒状体、およびこれら筒状体を囲む筺体５０８を備える。
第一筒状体５０２、第二筒状体５０３、本発明における筒状体Ａとしての第三筒状体５０４、本発明における筒状体Ｂとしての第四筒状体５０５、本発明における筒状体Ｃとしての第五筒状体５０６、本発明における筒状体Ｄとしての第六筒状体５０７、及び筐体５０８は全て円筒形状である。第一筒状体５０２は第一筒状体５０２より径大で前記第一筒状体の外周面側に略同軸上に設けられた第二筒状体５０３によって囲まれ、第二筒状体５０３は第二筒状体５０３より径大で前記第二筒状体の外周面側に略同軸上に設けられた第三筒状体５０４によって囲まれ、第三筒状体５０４は第三筒状体５０４より径大で前記第一筒状体の外周面側に略同軸上に設けられた第四筒状体５０５によって囲まれ、第四筒状体５０５は第四筒状体５０５より径大で前記第一筒状体の外周面側に略同軸上に設けられた第五筒状体５０６によって囲まれ、第五筒状体５０６は第五筒状体５０６より径大で前記第一筒状体の外周面側に略同軸上に設けられた第六筒状体５０７によって囲まれ、第六筒状体５０７は第六筒状体５０７より径大で前記第一筒状体の外周面側に略同軸上に設けられた筐体５０８によって囲まれている。
【００３９】
円板積層型スタック５０１は発電装置５４０を形成している。円板積層型スタック５０１と第一筒状体５０２との間には燃焼室５５０が区画形成されている。第一筒状体５０２と第二筒状体５０３との間には改質触媒が充填されている改質触媒層５７０が区画形成されている。第二筒状体５０３と第三筒状体５０４との間には断熱材５６７が区画形成されている。第三筒状体５０４と第四筒状体５０５との間には、改質触媒層５７０に連通し、下方から上方に向かって流れる水流路部５１１が区画形成されている。第四筒状体５０５と第五筒状体５０６との間には、燃焼室５５０に連通し、上方から下方に向かって流れる燃焼ガス流路部５１２が区画形成されている。第五筒状体５０６と第六筒状体５０７との間には発電装置５４０に空気を供給し、空気が下方から上方に向かって流れる空気流路部５１３が区画形成されている。第六筒状体５０７と筐体５０８との間にはコジェネ用の水が流れるコジェネ水流路部５１４が区画形成されている。
【００４０】
〔第二実施形態の効果〕
このような構成によれば、円板積層型スタック５０１が筒状なので、円板積層型スタック５０１の内部に円形平板積層型の発電装置５４０を設けることができる。
また、円筒型セルを束ねて直方体形状に接続したもの、いわゆるバンドルと呼ばれる発電装置を設けることもできる。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明は、灯油などの液体燃料や液化石油ガスなどの炭化水素原料を用いて発電させる燃料電池装置における熱交換器に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】第一実施形態における燃料電池装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２】第一実施形態における燃料電池燃料装置を示す正面断面図である。
【図３】第一実施の形態における燃料電池装置を示す側面断面図である。
【図４】第一実施形態における熱交換器を示す正面断面図である。
【図５】第一実施形態における熱交換器を示す斜視図である。
【図６】他の実施形態における燃料電池装置の熱交換器の概略構成を示す斜視図である。
【図７】他の実施形態における燃料電池装置の熱交換器の概略構成を示す断面図である
【図８】第二実施形態の燃料電池装置の概略を示す平面図である。
【図９】第二実施形態の燃料電池装置の概略を示す正面側から見た断面図である。
【符号の説明】
【００４３】
１００……燃料電池装置
１１０、１１０Ａ、１１０Ｂ……熱交換器
１１１、１１１Ｂ，１１１Ｃ，５１１……水流路部
１１２、１１２Ａ，１１２Ｂ，５１２……燃焼ガス流路部
１１３、１１３Ｃ，１１３Ｄ，５１３……空気流路部
１４０Ａ，１４０Ｂ……固体酸化物型の燃料電池本体としての発電装置
１５０、５５０……発電室としての燃焼室
１６０，５０８……筐体
１７０Ａ，１７０Ｂ……改質装置
５０１……固体酸化物型の燃料電池本体としての円板積層型スタック
５０２……第一筒状体
５７０……改質触媒層
５０３……第二筒状体
５６７……断熱材
５０４……筒状体Ａとしての第三筒状体
５０５……筒状体Ｂとしての第四筒状体
５０６……筒状体Ｃとしての第五筒状体
５０７……筒状体Ｄとしての第六筒状体
５１４……コジェネ水流路
【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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【図９】
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