JP6617925B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は燃料電池システムに関する。

燃料電池は、小型でも発電効率が高く、発電で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形燃料電池（以下、ＳＯＦＣと略す場合がある）は、発電効率が高く、発電を重視する分散型発電システム用の機器としての開発が進められている。

分散型発電システムとして機能させるには、発電時の燃料ガスを安定的に供給する必要がある。一般的に、燃料電池は、既存のインフラストラクチャーから供給される、メタンガスを主成分とする天然ガス、ＬＰＧ、ガソリン、灯油等を原料に用い、原料を改質することで水素含有の改質ガスを燃料として用いて、発電する。改質部の反応は、吸熱反応であり、５５０℃−７５０℃程度の温度範囲で進行させる必要がある。改質部に必要な熱は、一般的に、ＳＯＦＣの発電で未使用の改質ガスを燃焼させることで賄われている。また、ＳＯＦＣスタックは、改質反応と同等の高温で動作されており、発電時に発生する熱も利用できる。よって、この熱エネルギーを発電に関わる反応にも有効利用し、発電効率の高い発電が行われる。特に、燃料電池システムの効率向上には、改質部での改質反応及び発電に使用する空気の予熱を効率的に行うことが重要となる。

そこで、燃料電池システムにおける熱の有効活用のため、ＳＯＦＣスタック、改質部及び空気熱交換部を一体に収容する構造が知られている。例えば、ＳＯＦＣスタックを中心部に配置してスタック出口が燃焼部として構成されて、ＳＯＦＣスタックの周囲を囲む改質部、空気熱交換部をこの順に配置することで、燃焼排ガスとの熱交換が行われる構成が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、ＳＯＦＣスタックの出口を燃焼部とし、改質部の上壁に向けて可燃性ガス又は燃焼排ガスを案内させる案内部を設け、改質部の上壁と可燃性ガス又は燃焼排ガスとの熱交換性を高め、改質部の上壁からの受熱性を向上させる構成が提案されている（例えば、特許文献２参照）。これにより、改質部の温度を良好に維持させて、改質反応に必要な熱を適切に改質部に伝達し得る。

特開２０１３−１８２６９６号公報 特開２０１３−１９１３１３号公報

しかし、従来例は、燃料電池システムを構成する高温の改質部からの放熱を抑制すること、空気熱交換部での発電用空気の加熱と、改質部での改質反応を確保するための加熱と、の両立を考慮し、燃焼部で発生する熱を有効活用することについては十分に検討されていない。

本発明の一態様（aspect）は、このような事情に鑑みてなされたものであり、従来に比べ、改質部の放熱を抑え、空気熱交換部と改質部の加熱において、燃焼部で発生する熱を有効に活用し得る、燃料電池システムを提供する。

上記課題を解決するため、本発明の一態様の燃料電池システムは、円筒内壁と、円筒外壁と、前記円筒内壁と前記円筒外壁との間に設けられた改質触媒とを備え、原料を改質することで水素含有ガスを生成する改質部と、筒状内壁と、筒状外壁と、前記筒状内壁と前記筒状外壁との間に設けられた空気経路とを備え、前記改質部を囲み、かつ前記改質部と同軸状に配置されている空気熱交換部と、前記改質部で生成された水素含有ガス及び前記空気熱交換部を通過した空気を用いて発電する固体酸化物形燃料電池と、前記固体酸化物形燃料電池から排出されたアノードオフガスが燃焼する燃焼部と、前記燃焼部の炎口部が形成されている面に当接する円筒状の火炎ガイドと、を備え、前記円筒内壁は、前記燃焼部により形成される火炎の燃焼空間の周囲に配置され、前記燃焼部の燃焼排ガス経路は、前記改質部の下方端と前記燃焼部との間の第１空間と、前記円筒外壁と前記筒状内壁との間の第２空間とによって形成され、前記火炎ガイドは、前記炎口部の上方の前記燃焼空間を囲み、前記円筒内壁の内側で前記改質部と同軸状に配置され、当該火炎ガイドの内部空間と前記第１空間を連通する連通孔を備える。

本発明の一態様の燃料電池システムは、従来に比べ、燃焼部で発生する熱を有効活用して、高温の改質部からの放熱を抑制しつつ、空気熱交換部での発電用空気の加熱と、改質部での改質反応に必要な加熱と、を両立できるので、高効率運転が可能な構成が提供できるという効果を奏する。

図１は、実施の形態１の燃料電池システムの一例を示す模式図である。 図２は、図１に示す燃料電池システムにおける火炎ガイドの一例を示す斜視図である。 図３は、実施の形態２の燃料電池システムの一例を示す模式図である。 図４は、実施の形態３の燃料電池システムの一例を示す模式図である。

本発明者等は、燃料電池システムを構成する高温の改質部の放熱、及び改質部の伝熱面積等を考慮した燃焼部で発生する熱の有効活用について鋭意検討し、以下の知見を得た。

特許文献１及び特許文献２に記載の燃料電池システムの如く、ＳＯＦＣスタック、改質部及び空気熱交換部を一体に構成する場合、例えば、ＳＯＦＣスタックと改質部とを離隔させて構成する場合に比べ、改質部の径は大きくなる。この場合、改質部からの放熱量が増えて、システムの効率低下を引き起こす可能性がある。また、改質部の改質触媒の量が一定であると、改質部の径が大きくなるに連れて、改質部の径方向に直交する縦方向の寸法が短くなるので、燃焼部で発生する熱が伝わる伝熱面積を十分に確保することが困難となる。つまり、特許文献１及び特許文献２に記載の燃料電池システムでは、空気熱交換部との熱の分配を含め、改質部の放熱を抑え、燃焼部で発生する熱を有効活用する構成について未だ改善の余地があると考えられる。

また、本発明者等は、空気熱交換部での発電用空気の加熱と、改質部の加熱についても鋭意検討し、以下の知見を得た。

特許文献１及び特許文献２に記載の燃料電池システムの如く、燃焼部の直近に改質部を設置しつつ、空気熱交換部をその近傍に設置する場合、空気熱交換部、改質部と燃焼部との位置関係が適切でない場合、改質部、空気熱交換部のどちらかが加熱され高温化し、改質部での改質反応性が低い、空気熱交換部出口での空気温度が低温度化する等、燃料電池システムの運転に支障となる可能性がある。つまり、特許文献１及び特許文献２に記載の燃料電池システムでは、改質部の改質触媒を有効活用する構成について未だ改善の余地があると考えられる。

そこで、本発明者は、以下の本発明の一態様に想到した。

すなわち、本発明の第１の態様の燃料電池システムは、円筒内壁と、円筒外壁と、円筒内壁と円筒外壁との間に設けられた改質触媒と、を備え、原料を改質することで水素含有ガスを生成する改質部と、筒状内壁と、筒状外壁と、筒状内壁と筒状外壁との間に設けられた空気経路と、を備え、改質部を囲み、かつ改質部と同軸状に配置されている空気熱交換部と、記改質部で生成された水素含有ガス及び空気熱交換部を通過した空気を用いて発電する固体酸化物形燃料電池と、固体酸化物形燃料電池から排出されたアノードオフガスが燃焼する燃焼部と、燃焼部の炎口部が形成されている面に当接する円筒状の火炎ガイドと、を備え、円筒内壁は、燃焼部により形成される火炎の燃焼空間の周囲に配置され、燃焼部の燃焼排ガス経路は、改質部の下端と燃焼部との間の第１空間と、円筒外壁と筒状内壁との間の第２空間とによって形成され、火炎ガイドは、炎口部の上方の燃焼空間を囲み、円筒内壁の内側で改質部と同軸状に配置され、当該火炎ガイドの内部空間と第１空間を連通する連通孔を備える。

かかる構成によると、本態様の燃料電池システムは、従来に比べ、改質部の放熱を抑え、燃焼部で発生する熱を有効に活用し得る。具体的には、改質部の外側に、改質部と比較して低温となる空気熱交換部を設けることで、改質部からの放熱を有効に活用できる（つまり、燃料電池システムから外部への放熱を適切に抑制できる）。

また、本態様の燃料電池システムは、従来に比べ、空気熱交換部での発電用空気の加熱と、改質部での改質反応に必要な加熱と、を両立でき得る。具体的には、火炎ガイドに、その内部空間と第１空間とを連通する連通孔を設けることで、燃焼部で発生させた高温の燃焼排ガスは、火炎ガイドにおける上端の開口と連通孔に分かれて、排出される。

これにより、火炎ガイドの上端開口から排出された燃焼排ガスが、主として、改質部の改質触媒を加熱し、火炎ガイドの連通孔から排出された燃焼排ガスは、高温状態を保ったまま、第２空間に供給される。このため、例えば、組み合わせる固体酸化物形燃料電池の動作条件により、空気熱交換部出口の必要温度は相違するが、簡便に空気熱交換部に与える熱量を設定することができる。

また、本発明の第２の態様の燃料電池システムは、第１の態様の燃料電池システムにおいて、連通孔が、火炎ガイドの周面下部に設けられている。

また、本発明の第３の態様の燃料電池システムは、第１又は第２の態様の燃料電池システムにおいて、連通孔が、火炎ガイドの径方向から見て、第１空間と対向するように設けられている。

また、本発明の第４の態様の燃料電池システムは、第１〜第３の態様の燃料電池システムにおいて、連通孔は、その総開口面積が、火炎ガイドにおける上端の開口面積よりも小さくなるように、複数個設けられている。

また、本発明の第５の態様の燃料電池システムは、第１〜第４の態様の燃料電池システムにおいて、火炎ガイドは、その上端が改質触媒の充填領域の上端よりも低くなるように形成されている。

さらに、本発明の第６の態様の燃料電池システムは、第１〜第５の態様の燃料電池システムにおいて、改質部は、改質触媒の上方に、円筒内壁及び円筒外壁によって形成される水蒸発部を備え、水蒸発部を通過した原料及び水が、改質触媒へと供給される。

以下、添付図面を参照しつつ、実施の形態の具体例について説明する。

以下で説明する具体例は、いずれも上記の各態様の一例を示すものである。よって、以下で示される形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態等は、請求項に記載されていない限り、上記の各態様を限定するものではない。また、以下の構成要素のうち、本態様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、同じ符号が付いたものは、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、形状及び寸法比等については正確な表示ではない場合がある。

［装置構成］
図１は、実施の形態１の燃料電池システムの一例を示す模式図である。図２は、図１に示す燃料電池システムの
図１に示すように、燃料電池システム１００は、燃料電池スタックとなる固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）１と、燃焼部２と、改質部４と、空気熱交換部７と、を備える。なお、図１（他の図面も同じ）において、便宜上、燃料電池システム１００の「上」及び「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。

改質部４は、円筒内壁４Ａと、円筒外壁４Ｂと、円筒内壁４Ａと円筒外壁４Ｂとの間に設けられた改質触媒４Ｃとを備え、原料を改質することで水素含有ガスを生成する。つまり、改質部４の容器は、円筒内壁４Ａと円筒外壁４Ｂとで構成する２重円筒形状になっている。これにより、高温化する改質部４の容器の熱応力への耐性が適切に確保できる。

改質部４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４Ｃには、一般的に、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｒｈ等の貴金属系触媒及び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。本実施形態の燃料電池システム１００では、改質部４の改質反応として、水蒸気改質反応が用いられ、改質部４の改質触媒４Ｃとして、Ｒｕを含む触媒が用いられている。

改質部４は、改質触媒４Ｃの上方に、円筒内壁４Ａ及び円筒外壁４Ｂによって形成される水蒸発部４Ｄを備える。つまり、改質部４の容器内の下方部分には、改質触媒４Ｃが充填されており、上方部分には水蒸発部４Ｄが形成されている。これにより、改質部４が水蒸発部を備えない場合に比べ、改質触媒４Ｃへ供給する水蒸気を生成するための水蒸発部４Ｄを簡易に構成できる。そして、水蒸発部４Ｄを通過した原料及び水が、改質触媒４Ｃへと供給される。

なお、水蒸発部４Ｄは、水蒸発部４Ｄ内を流れる水を途中で一時的に溜める水受け部（図示せず）を備えてもいいし、螺旋流路を形成する流路部材を備えてもいい。かかる水受け部又は流路部材により、水蒸発部４Ｄ内の水を重力が作用する方向に落下させる場合でも、水蒸発部４Ｄの途中で水を適切に蒸発させることができる。

図１には示されていないが、改質反応において必要となる機器は適宜設けられる。例えば、改質反応が水蒸気改質反応であれば、蒸発器に水を供給する水供給器等が設けられる。改質反応がオートサーマル反応であれば、燃料電池システム１００には、さらに、改質部４に空気を供給する空気供給器等が設けられる。原料は、メタンを主成分とする、天然ガス、ＬＰＧ等の少なくとも炭素及び水素から構成される有機化合物を含む炭化水素燃料である。

空気熱交換部７は、筒状内壁７Ａと、筒状外壁７Ｂと、筒状内壁７Ａと筒状外壁７Ｂとの間に設けられた空気経路７Ｃと、を備え、改質部４を囲み、かつ改質部４と同軸状に配置されている。つまり、空気熱交換部７の容器は、筒状内壁７Ａと筒状外壁７Ｂとで構成する２重筒形状になっており、容器の内部空間が、空気熱交換部７における受熱流体としての空気の経路となっている。

なお、筒状内壁７Ａ及び筒状外壁７Ｂの形状は、円筒形状であってもいいし、矩形筒形状であってもいい。筒状内壁７Ａ及び筒状外壁７Ｂを円筒形状で構成する場合、矩形筒形状で構成する場合に比べ、熱応力への耐性に優れるという利点がある。筒状内壁７Ａ及び筒状外壁７Ｂを矩形筒形状で構成する場合、円筒形状で構成する場合に比べ、空気熱交換部７を断熱材で覆いやすくなるという利点がある。なお、空気熱交換部７における加熱流体としての燃焼排ガスの経路については後述する。

固体酸化物形燃料電池１は、改質部４で生成された水素含有ガス及び空気熱交換部７を通過した空気を用いて発電する。固体酸化物形燃料電池１は、例えば、平板型セル及びインターコネクタ等の部材を積層した平板型スタックで構成されているが、これに限定されない。

また、固体酸化物形燃料電池１は、改質部４の中心軸５０に沿って、改質部４及び燃焼部２のいずれとも離隔した位置に設けられている。また、改質部４は、改質部４の中心軸５０に沿って、燃焼部２と離隔した位置に設けられている。そして、改質部４の円筒内壁４Ａは、燃焼部２により形成される火炎の燃焼空間８の周囲に配置されている。つまり、改質部４（燃焼空間８）、燃焼部２及び固体酸化物形燃料電池１がそれぞれ、重力が作用する上方から下方へとこの順に、適宜の離隔距離を設けて配置されている。

なお、改質部４からの水素含有ガス（改質ガス）の供給経路１３、空気熱交換部７からの空気供給経路１４、発電に使用しなかった改質ガス（アノードオフガス）の排出経路１５、及び、発電に使用しなかった空気（カソードオフガス）の排出経路１６等が、固体酸化物形燃料電池１に接続されている。また、カソードオフガスの熱を回収するための熱交換部、スタックの動作温度を検出するためのスタック温度検出部、及び、電力を取り出すための電極等が、燃料電池システム１００の適所に設けられている。しかし、これらは、一般的な燃料電池システムと同様であるので、詳細な説明は省略する。

燃焼部２は、固体酸化物形燃料電池１から排出されたアノードオフガスが燃焼する。具体的には、固体酸化物形燃料電池１から排出されるアノードオフガス及びカソードオフガスがそれぞれ、排出経路１５及び排出経路１６のそれぞれを介して燃焼部２に送られ、これらのガスが燃焼部２で燃焼される。また、燃焼部２が取付けられている、筒状外壁７Ｂの下端を閉鎖する蓋部材１７には、燃焼部２で発生する火炎を燃焼空間８に形成させるための炎口部２Ａが設けられている。

これにより、燃焼空間８には、高温の燃焼排ガスが発生する。つまり、本実施形態の燃料電池システム１００では、燃焼部２は、固体酸化物形燃料電池１の外部に設けられており、固体酸化物形燃料電池１から延伸する排出経路１５及び排出経路１６がそれぞれ、燃焼部２の適所に接続されている。

なお、着火器及び燃焼検知器等が、燃焼部２に設けられているが、これらは、一般的な燃料電池システムの燃焼部の構成と同様であるので、詳細な説明及び図示は省略する。

また、蓋部材１７の上面には、円筒状の火炎ガイド１８が、炎口部２Ａの上方の燃焼空間８を囲み、円筒内壁４Ａの内側で改質部４と同軸状に配置されている。より詳細には、火炎ガイド１８は、上方へと鉛直に燃焼空間８の周囲へ向かうように立設されている。

ここで、図１及び図２を参照しながら、火炎ガイド１８の構成について、詳細に説明する。

図１及び図２に示すように、火炎ガイド１８には、燃焼部２で発生させた燃焼排ガスを、上部に設けられる開口部から排出する燃焼排ガス出口３０が設けられている。また、火炎ガイド１８の側面には、燃焼排ガス出口３０以外に燃焼排ガスの出口となる連通孔１９が設けられている。より詳細には、連通孔１９は、火炎ガイド１８の内部空間と、後述する第１空間２０と、を連通するように設けられている。具体的には、連通孔１９は、火炎ガイド１８の周面下部に設けられていて、火炎ガイド１８の径方向から見て、第１空間２０と対向するように配置されている。

なお、連通孔１９は、複数個設けられていてもよい。また、火炎ガイド１８に設ける連通孔１９の数、及び連通孔１９の開口面積により、燃焼排ガス出口３０から排出される燃焼排ガス量と、連通孔１９から排出される燃焼排ガス量を設定することができる。例えば、空気熱交換部７側に直接多く燃焼排ガスを排出する場合、連通孔１９の数及び連通孔１９の開口面積を大きくすることで対応することができる。

また、連通孔１９は、火炎ガイド１８の強度を適切に保ち、改質触媒４Ｃを適切な温度に加熱する観点から、複数の連通孔１９における総開口面積は、燃焼排ガス出口３０の開口面積よりも小さくなるように形成されていてもよい。

また、火炎ガイド１８の上端は、改質触媒４Ｃの加熱性、連通孔１９からの燃焼排ガスの排出性（後述）を考慮して、適宜設定すればよい。具体的には、火炎ガイド１８の上端は、燃焼部２での燃焼を安定化させる観点から、燃料電池システム１００の想定している運転条件での燃焼部２で形成される火炎の上端よりも上方に位置するように設定してもよい。また、火炎ガイド１８の上端は、燃焼空間８を通流する燃焼排ガスの圧力損失を小さくし、空気供給に関する補機動力等を増加させない観点から、改質触媒４Ｃの充填領域の上端よりも下方に位置するように設定してもよい。

これにより、例えば、燃料電池システム１００外の燃焼排ガス排出経路上でのガス圧力変動（例えば、図示しない水凝縮タンクの凝縮割合の変化等による圧力変動）が生じても、燃焼部２の燃焼を安定にすることができる。

このため、燃焼部２で形成される火炎が、直接、改質部４に接触することが抑制され、改質触媒４Ｃが部分的に高温化することを抑制できる。したがって、改質触媒４Ｃの部分的な高温化により、改質触媒４Ｃの耐久性が低下することを抑制することができる。

さらに、火炎ガイド１８における燃焼排ガス出口３０の開口面積、換言すると、火炎ガイド１８の周面（正確には、外周面）の直径も、任意に設定される。例えば、火炎ガイド１８における燃焼排ガス出口３０の開口面積、換言すると、火炎ガイド１８の周面（正確には、外周面）の直径を大きくすると、燃焼排ガス出口３０側の燃焼排ガスの圧力損失が大きくなり、連通孔１９から排出される燃焼排ガス量が多くなる。このため、空気熱交換部７側に、熱量を多く与えることができる。一方、火炎ガイド１８における燃焼排ガス出口３０の開口面積、換言すると、火炎ガイド１８の外周面の直径を小さくすると、燃焼排ガス出口３０側の燃焼排ガスの圧力損失が小さくなり、燃焼排ガス出口３０から排出される燃焼排ガス量が多くなる。このため、改質触媒４Ｃ側に、熱量を多く与えることができる。

また、図１に示すように、燃焼部２の燃焼排ガス経路９は、改質部４の下端と燃焼部２との間の第１空間２０と、改質部４の円筒外壁４Ｂと空気熱交換部７の筒状内壁７Ａとの間の第２空間２１と、によって形成されている。より詳細には、燃焼排ガス経路９は、円筒内壁４Ａの内部空間（燃焼空間８を含む空間）と、円筒外壁４Ｂと筒状内壁７Ａとの間に形成される筒状の第２空間２１と、円筒内壁４Ａの内部空間と第２空間２１とを連通する、改質部４の下端と蓋部材１７の上面との間に形成される筒状の第１空間２０と、から構成されている。これにより、燃焼排ガスは、改質部４の下端直下の第１空間２０を通過した後、第２空間２１内を上方に向かうように、燃焼排ガス経路９内を通流する。

なお、図示を省略するが、改質部４のガス出口付近の改質ガスの温度を検知する温度検知器を設けても構わない。これにより、図示しない制御器が、改質部４の検知温度に基づいて改質部４の温度が適温となるようにフィードバック制御できる。

以上により、本実施の形態１の燃料電池システム１００は、従来に比べ、改質部４の放熱を抑え、燃焼部２で発生する熱を有効に活用し得る。具体的には、固体酸化物形燃料電池１と改質部４及び空気熱交換部７とを離隔させて構成しているので、改質部４及び空気熱交換部７について固体酸化物形燃料電池１の形状によらない熱設計を行うことができる。例えば、改質部４の外形は、改質部４の放熱を適切に抑制し、燃焼部２で発生する熱が伝わる伝熱面積を適切に確保するように、固体酸化物形燃料電池１の形状によらずに所定の寸法に設定できる。また、改質部４の外側に、改質部４と比較して低温となる空気熱交換部７を設けることで、改質部４からの放熱を有効に活用できる（つまり、燃料電池システム１００から外部への放熱を抑制できる）。

また、本実施の形態１の燃料電池システム１００は、従来に比べ改質部４の改質触媒４Ｃを有効に活用し得る。具体的には、固体酸化物形燃料電池１と改質部４とを離隔させて構成しているので、改質部４について固体酸化物形燃料電池１の形状によらない原料の流体設計を行うことができる。例えば、改質部４の外形は、改質部４への周方向の原料供給が均一化するように、固体酸化物形燃料電池１の形状によらずに所定の寸法に設定できる。

さらに、本実施の形態１の燃料電池システム１００では、従来に比べ、空気熱交換部７での発電用空気の加熱と、改質部４での改質反応に必要な加熱と、を両立でき得る。具体的には、火炎ガイド１８に、その内部空間と第１空間２０とを連通する連通孔１９が設けられているので、燃焼部２で発生させた高温の燃焼排ガスが、火炎ガイド１８における燃焼排ガス出口３０と連通孔１９に分かれて、排出される。

これにより、火炎ガイド１８の燃焼排ガス出口３０から排出された燃焼排ガスが、主として、改質部４の改質触媒４Ｃを加熱する。また、火炎ガイド１８の連通孔１９から排出された燃焼排ガスは、高温状態を保ったまま、第２空間２１に供給され、当該第２空間２１を通流する間に、空気熱交換部７を加熱する。このため、従来に比べ、空気熱交換部７での発電用空気の加熱と、改質部４での改質反応に必要な加熱と、を両立でき得る。

［動作］
以下、本実施の形態１の燃料電池システム１００の動作の一例について、図１を参照しながら説明する。

本実施の形態１の燃料電池システム１００では、水蒸気改質反応が行われるので、改質水が、図示しない水供給器と連通する水供給経路１１から水蒸発部４Ｄへ供給される。水蒸発部４Ｄにおいては、後述するように、燃焼排ガスにより加熱されているため、水蒸気が生成される。また、水蒸発部４Ｄには、図示しない原料供給器と連通する原料供給経路１０から原料が供給され、当該原料と水蒸気とが混合される。このとき、原料は水蒸発部４Ｄで加熱される。混合ガスは、改質触媒４Ｃが配された空間へと送られ、改質触媒４Ｃにおいて、原料の水蒸気改質反応が進行し、水素含有ガス（改質ガス）が生成される。改質ガスは、供給経路１３を通じて、固体酸化物形燃料電池１へと供給される。

一方、図示しない空気供給器と連通する空気供給経路からの空気が、空気熱交換部７へと送られ、空気熱交換部７において、空気は、燃焼排ガス経路９を流れる燃焼排ガスとの熱交換により加熱される。そして、空気は、空気供給経路１４を通じて、固体酸化物形燃料電池１へと供給される。

固体酸化物形燃料電池１では、改質ガス及び空気を燃料に用いて発電が行われる。発電に使用されなかった改質ガス（アノードオフガス）及び空気（カソードオフガス）はそれぞれ、排出経路１５及び排出経路１６のそれぞれを通じて、燃焼部２へと送られる。

燃焼部２では、アノードオフガス及びカソードオフガスが燃焼し、燃焼空間８に向かう火炎が形成される。このとき発生した燃焼排ガスは、火炎ガイド１８の燃焼排ガス出口３０を通って排出され、火炎ガイド１８と改質部４の円筒内壁４Ａとの間に形成されている空間を通って、第１空間２０に流れる。

これにより、改質部４の改質触媒４Ｃは、燃焼排ガスの熱及び火炎ガイド１８からの輻射熱で適切に加熱できる。また、高温の燃焼排ガスで改質ガスの流れ方向の下流側の改質部４を加熱するので、改質触媒４Ｃのガス出口付近を高温にすることもできる。よって、吸熱反応である改質反応が効果的に進行し、水素量が多い改質ガスを生成できる。

また、燃焼排ガスの一部は火炎ガイド１８の連通孔１９を通して、第１空間２０に排出され、上述の火炎ガイド１８と改質部４の円筒内壁４Ａとの間に形成される空間を通った燃焼排ガスと合流する。火炎ガイド１８と改質部４の円筒内壁４Ａとの間に形成されている空間を通った燃焼排ガスは、改質部４を加熱することで保有する熱量が消費され、温度が低下する。

しかしながら、本実施の形態においては火炎ガイド１８の連通孔１９を通流する燃焼排ガスは、高温の状態で第１空間２０に排出される。このため、火炎ガイド１８に連通孔１９が無い場合と比較すると、改質部４の加熱に熱量が消費されない分、第１空間２０での燃焼排ガス温度は高い状態となる。

第１空間２０を通過した燃焼排ガスは、改質部４の円筒外壁４Ｂと空気熱交換部７の筒状内壁７Ａとの間に形成されている第２空間２１を流通する。これにより、改質部４の改質触媒４Ｃを円筒外壁４Ｂから燃焼排ガスの熱で適切に加熱できる。また、空気熱交換部７の下流部の空気を筒状内壁７Ａから燃焼排ガスの熱で適切に加熱（予熱）できる。

このとき、空気熱交換部７内の空気及び改質部４内の混合ガスの流れと、第２空間２１における燃焼排ガスの流れと、が対向しているので、両流体の流れが並行する場合及び直交する場合に比べ、熱交換の性能が高い。よって、これらの空気及び混合ガスを効率的に加熱できる。また、上述したように、燃焼排ガスの一部を火炎ガイド１８の連通孔１９から第１空間２０に排出しているので、連通孔１９が無い構成に比して、燃焼排ガス温度は高い状態となり、高温の燃焼排ガスが、空気熱交換部７のガス出口側の空気と熱交換することで、固体酸化物形燃料電池１に十分に高温化した空気を供給できる。

なお、本実施の形態１に示す構成のように、空気熱交換部７の円筒内壁面側に燃焼排ガスを排出するように設けることで、空気熱交換部７をより加熱することができる。特に、燃料電池システム１を、低温度の状態から発電に移行するまでの起動時には、空気熱交換部７を加熱して高温にする必要があり、本実施の形態１に示す構成では、空気熱交換部７により熱量を与えることができる構成となっており、発電までの移行時間を短縮させることができる。また、運転条件によっては、改質部４を加熱する燃焼排ガス流れのみでは、改質部４が高温化して、改質触媒や構造体が高温化する可能性があるが、本実施の形態１に示す構成では、改質部４の高温化も回避できる構成がとれる。

第２空間２１を通過した燃焼排ガスは、水蒸発部４Ｄの周囲の空間２２を流通する。なお、ここでは、水蒸発部４Ｄの周囲の空間２２は、水蒸発部４Ｄを構成する円筒外壁４Ｂの部分と空気熱交換部７の上流部を構成する筒状内壁７Ａの部分との間の隙間に相当する。これにより、水蒸発部４Ｄを燃焼排ガスの熱で適切に加熱できる。また、空気熱交換部７の上流部の空気を筒状内壁７Ａから燃焼排ガスの熱で適切に加熱（予熱）できる。

特に、水蒸発部４Ｄ及び空気熱交換部７の入口付近は比較的低温である。よって、これらを流れるガスと第２空間２１を通過した燃焼排ガスとが熱交換されるので、燃焼排ガスの保有する熱を有効に利用できる。具体的には、第１空間２０で曝される改質部４のガス出口付近、第２空間２１で曝される空気熱交換部７のガス出口付近及び水蒸発部４Ｄのそれぞれの適温は、この順に低くなるので、上記の如く、燃焼排ガスを流すことで、燃焼排ガスの熱がカスケード的に利用される。その結果、原料の投入エネルギーに対して高効率な発電エネルギーが得られる燃料電池システム１００を実現できる。

なお、水蒸発部４Ｄの周囲の空間２２を通過した燃焼排ガスは、燃焼排ガス排出経路を通じて、燃料電池システム１００外へと排出される。

（実施の形態２）
図３は、実施の形態２の燃料電池システムの一例を示す模式図である。

図３に示すように、本実施の形態２の燃料電池システム１００は、実施の形態１の燃料電池システム１００において、第１空間２０の外方を覆うように空気熱交換部７の筒状内壁７Ａ及び筒状外壁７Ｂを下方向に伸長している。これにより、空気経路７Ｃの上流部が、火炎ガイド１８の径方向から見て、第１空間２０と対向するように形成される。また、火炎ガイド１８に設ける連通孔１９を、空気熱交換部７の筒状内壁７Ａに対向する位置に設けている。

第１空間２０の外側を覆うように空気熱交換部７の筒状内壁７Ａ及び筒状外壁７Ｂを下方向に伸長することで、第１空間２０からの熱ロスを空気熱交換部７に流通させる空気により回収させることができる。また、火炎ガイド１８に設ける連通孔１９を、空気熱交換部７の筒状内壁７Ａに対向する位置に設けることで、高温の燃焼排ガスを筒状内壁７Ａの近傍に排出させることができるので、空気熱交換部７に流通させる空気に、より多くの熱を与えることができる。

以上の構成により、熱回収性を向上させることができ、熱効率を向上させることができる。また、空気熱交換部７に流通させる空気により多くの熱を与えることができるので、空気熱交換部７後の空気により、効果的に固体酸化物形燃料電池１を加熱させることができるので、固体酸化物形燃料電池１の動作温度が高い場合を含め、固体酸化物形燃料電池１の動作を安定化させることができる。

なお、本実施の形態２の燃料電池システム１００は、上記特徴以外は、実施の形態１の燃料電池システム１００と同様であるので説明を省略する。

（実施の形態３）
図４は、実施の形態３の燃料電池システムの一例を示す模式図である。

図４に示すように、本実施の形態４の燃料電池システム１００は、実施の形態１、及び実施の形態２のいずれかの燃料電池システム１００において、改質部４の円筒内壁４Ａに燃焼部２を上方から覆う天板２４を備え、天板２４は、改質触媒４Ｃの充填領域の上方端を含む水平面上、又は、その近傍に配置されている。このような天板２４を設けることで、改質部４を効率的に加熱できる。

天板２４の上下方向の配置位置は、改質触媒４Ｃを効率的に加熱する観点から、火炎が天板２４に当たらない位置であって、改質触媒４Ｃの充填領域の上方端を含む平面上の位置、又は、この水平面と上下方向に近接する位置であってもよい。以下に、その理由を説明する。

天板２４を備える構成の場合、燃焼排ガス出口３０から排出された燃焼排ガスは、天板２４の配置位置よりも下側に位置する、改質触媒４Ｃを加熱する分、燃焼排ガス中の熱量は消費されるが、ある程度の高温状態を保ったまま、第１空間２０に送られる。

一方、天板２４を設けない構成では、高温の燃焼排ガスにより、水蒸発部４Ｄを構成する円筒内壁４Ａも加熱されることになり、水蒸発部４Ｄに熱量を与えた分、燃焼排ガス温度は低くなり、その状態で、改質触媒４Ｃを加熱することになる。その結果、第１空間２０を流通させる時点で、燃焼排ガス温度は相対的に低くなる。

すなわち、天板２４を備える構成の場合には、天板２４の配置位置よりも上側の改質部４では、燃焼排ガスによる加熱が適切に抑制される。これにより、水蒸発部４Ｄへの加熱が抑制されるので、第１空間２０及び第２空間２１を流れる燃焼排ガスの温度が、天板２４を上記の配置位置に設けない場合に比べ高くなる。よって、改質部４を効率的に加熱できるとともに、固体酸化物形燃料電池１に送る空気の温度を高くすることもできる。

以上のように、改質部４の改質触媒４Ｃの加熱は、天板２４を上記の配置位置に設けない場合に比べ促進される。よって、改質部４の改質反応を効果的に進めることができる。また、第１空間２０での燃焼排ガス温度を高温に保つことができるので、第１空間２０及び第２空間２１で、改質触媒４Ｃと空気熱交換部７を高温に加熱することができる。

また、天板２４の主面には、貫通孔が設けられていてもよい。当該貫通孔を設けることにより、火炎ガイド１８の燃焼排ガス出口３０から排出された燃焼排ガスの一部を天板２４よりも上方の空間に供給することができる。これにより、天板２４よりも上方の空間を加熱することができ、水蒸発部４Ｄを効率よく加熱することができる。また、燃料排ガスが、改質触媒４Ｃと水蒸発部４Ｄに与える熱量を分配させることができるため、当該貫通孔が設けられていない形態に比して、天板２４の配置位置を設定する自由度を向上させることができる。

なお、本実施の形態３の燃料電池システム１００は、上記特徴以外は、実施の形態１の燃料電池システム１００と同様であるので説明を省略する。

また、実施の形態１、実施の形態２、及び実施の形態３に記載の形態例は、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。

上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良及び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、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。

本発明の一態様は、従来に比べ、改質部の放熱を抑え、空気熱交換部と改質部を効果的に加熱でき、燃焼部で発生する熱を有効に活用し得る。よって、本発明の一態様は、例えば、固体酸化物形の燃料電池システムに利用できる。

１ 固体酸化物形燃料電池
２ 燃焼部
２Ａ 炎口部
４ 改質部
４Ａ 円筒内壁
４Ｂ 円筒外壁
４Ｃ 改質触媒
４Ｄ 水蒸発部
７ 空気熱交換部
７Ａ 筒状内壁
７Ｂ 筒状外壁
７Ｃ 空気経路
８ 燃焼空間
９ 燃焼排ガス経路
１０ 原料供給経路
１１ 水供給経路
１３ 供給経路
１４ 空気供給経路
１５ 排出経路
１６ 排出経路
１７ 蓋部材
１８ 火炎ガイド
１９ 連通孔
２０ 第１空間
２１ 第２空間
２２ 空間
２４ 天板
３０ 燃焼排ガス出口
５０ 中心軸
１００ 燃料電池システム

Claims (8)

1. 円筒内壁と、円筒外壁と、前記円筒内壁と前記円筒外壁との間に設けられた改質触媒とを備え、原料を改質することで水素含有ガスを生成する改質部と、
   筒状内壁と、筒状外壁と、前記筒状内壁と前記筒状外壁との間に設けられた空気経路とを備え、前記改質部を囲み、かつ前記改質部と同軸状に配置されている空気熱交換部と、
   前記改質部で生成された水素含有ガス及び前記空気熱交換部を通過した空気を用いて発電する固体酸化物形燃料電池と、
   前記固体酸化物形燃料電池から排出されたアノードオフガスが燃焼する燃焼部と、
   前記燃焼部の炎口部が形成されている面に当接する円筒状の火炎ガイドと、を備え、
   前記円筒内壁は、前記燃焼部により形成される火炎の燃焼空間の周囲に配置され、
   前記燃焼部の燃焼排ガス経路は、前記改質部の下端と前記燃焼部との間の第１空間と、前記円筒外壁と前記筒状内壁との間の第２空間とによって形成され、
   前記火炎ガイドは、前記炎口部の上方の前記燃焼空間を囲み、前記円筒内壁の内側で前記改質部と同軸状に配置され、当該火炎ガイドの内部空間と前記第１空間を連通する連通孔を備える、燃料電池システム。
2. 前記連通孔は、前記火炎ガイドの周面下部に設けられている、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記連通孔は、前記火炎ガイドの径方向から見て、前記第１空間と対向するように設けられている、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
4. 前記連通孔は、その総開口面積が、前記火炎ガイドにおける上端の開口面積よりも小さくなるように、複数個設けられている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
5. 前記火炎ガイドは、その上端が前記改質触媒の充填領域の上端よりも低くなるように形成されている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
6. 前記改質部は、前記改質触媒の上方に、前記円筒内壁及び前記円筒外壁によって形成される水蒸発部を備え、前記水蒸発部を通過した原料及び水が、前記改質触媒へと供給される、請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
7. 前記空気熱交換部の前記筒状内壁は、前記第１空間を囲むように設けられ、
   前記空気経路の上流部が、前記火炎ガイドの径方向から見て、前記第１空間と対向するように形成されている、請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
8. 前記燃焼部を上方から覆う天板を備え、
   前記天板は、前記改質部の円筒内壁であって、前記改質触媒の充填領域の上端を含む水平面上、又は、その近傍に配置されている、請求項１〜７のいずれかに記載の燃料電池システム。
   
   
   
   
   

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