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JP7016024B2 - 高温動作型燃料電池システム - Google Patents

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Description

本発明は、高温で作動する高温動作型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、また発電時に発生する熱、もしくは燃料電池から排出されたオフガスを燃焼させて得た排ガスの熱などを利用することができるため、総合的な発電効率を高めることができる。例えば、固体酸化物型燃料電池の発電反応を安定化させるとともに効率の向上を図った燃料電池システムが提案されている(例えば、特許文献1、2)。
特許文献1に係る燃料電池システムでは、コア真空断熱缶と断熱材の配置により、燃料電池セルアセンブリおよび熱交換器ユニットなどを収容する断熱容器の断熱性を高める構成が示されている。この構成により特許文献1に係る固体酸化物形燃料電池システムは、断熱容器外部への熱の散逸を低減させることができる。
また特許文献2に係る燃料電池システムでは、SOFCから排出される排燃料を燃焼器で完全燃焼させ、燃焼器から排出された排ガスと、第1の空気予熱器、第2の空気予熱器、および蒸発器それぞれとの間で熱交換する構成が示されている。この構成により、特許文献2に係る燃料電池システムでは、第1の空気予熱器および第2の空気予熱器等で回収した熱を利用して外部から送り込まれた空気を予熱することができ、燃料電池システムの効率を高めることができる。
特開2009-170170号公報 特許第3913008号公報
本発明は、一例として、外部への放熱量を減少させ、発電効率を高めることができる高温動作型燃料電池システムを提供することを課題とする。
本発明に係る高温動作型燃料電池システムの一態様(aspect)は、カソードに供給される酸化剤ガスとアノードに供給される改質ガスとの電気化学的反応により発電する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックの前記カソードから排出されたカソードオフガスと、前記アノードから排出されたアノードオフガスとを燃焼させる燃焼部と、前記燃焼部により生成された排ガスの有する熱を利用して改質反応を行い、供給された原料から前記改質ガスを生成する改質器と、第1予熱部と、前記改質器の改質反応により熱の一部が利用された前記排ガスと酸化剤ガスとの熱交換により該酸化剤ガスを予熱させ、前記燃料電池スタックの前記カソードへ供給する第2予熱部と、前記燃料電池スタック、前記燃焼部、前記改質器、および前記第2予熱部を収容する筐体部と、前記筐体部の外周の少なくとも一部を覆う第1断熱部と、を備え、前記第1予熱部は、前記第1断熱部の外周側を覆うとともに、前記筐体部内から該第1断熱部を介して伝達された熱により、前記第2予熱部へ供給する前の酸化剤ガスを予熱する。
本発明の一態様に係る高温動作型燃料電池システムは、外部への放熱量を減少させ、発電効率を高めることができるという効果を奏する。
本発明の実施の形態1に係る高温動作型燃料電池システムの概略構成の一例を示す側面図である。 図1に示す高温動作型燃料電池システムが第1予熱部を備えない構成の場合における温度分布の一例を示す図である。 図1に示す高温動作型燃料電池システムが第1予熱部を備える構成の場合における温度分布の一例を示す図である。 実施の形態1の変形例1に係る高温動作型燃料電池システムの概略構成の一例を示す側面図である。 実施の形態1の変形例2に係る高温動作型燃料電池システムの概略構成の一例を示す側面図である。 本発明の実施の形態2に係る高温動作型燃料電池システムの概略構成の一例を示す側面図である。
(本発明の一形態を得るに至った経緯)
本発明者らは、排熱を有効に利用できる高温動作型燃料電池の一例として固体酸化物形燃料電池システム(以下、SOFCシステム)に関して鋭意検討を行った。その結果、以下の知見を得た。
まず、上述した特許文献1に係るSOFCシステムは、断熱容器本体の外壁材の内周に沿ってコア真空断熱缶と断熱材とを配置する構成である。しかしながら、この構成では依然として外壁材温度が高温となり断熱性能が十分ではないという問題を見出した。そのため、特許文献1に係るSOFCシステムにおいて外部への放熱量を十分に低減させるためには断熱材の厚みを大きくする必要がありSOFCシステムの小型化を図ることが困難であることが分かった。また、SOFCシステムの作動に伴い、真空断熱容器そのものの表面温度が、例えば500℃以上まで上昇してしまうと、コア真空断熱缶を例えばSUSなどの金属で構成している場合、コア真空断熱缶は十分な耐久性を確保できないという問題も見出した。
一方、特許文献2に係るSOFCシステムでは、排ガスの保有する熱の回収という点でSOFCシステムにおける発電効率の向上を図ることができる。しかしながら、特許文献2に係るSOFCシステムは、SOFCシステムの内部から外部へ散逸する熱量を十分に低減させることができないという点で、発電効率の大幅な向上を図ることができないという問題を見出した。
そこで、本発明者はこれら従来の問題に関し、検討を重ねた結果、以下の知見を得た。すなわち、SOFCシステムにおいて断熱材の厚みをできるだけ薄くして小型化を図るとともに、SOFCシステムの内部から外部へ散逸する熱量を抑制し、発電効率の向上を達成させるためには、SOFCシステム内において、断熱材とは別に、断熱性能を大幅に向上させるための機構が必要であることに気が付いた。具体的には、SOFCシステム内の熱を効率よく回収してSOFCに予熱された空気を供給させることができる予熱部と、断熱材とを組み合わせ、適切にそれぞれを配置することにより断熱性能の大幅な向上を実現できる構成を見出した。また、この構成により断熱材の表面温度を低く抑え、断熱材の寿命を確保することができるため、放熱性能の向上と小型化に加え、さらにシステムの信頼性を高めることができることを見出した。また、この構成では、SOFCに供給する酸化剤ガス(空気)の流量を調整することにより、熱回収性能と断熱性能とを調整することができることも見出した。より具体的には、本発明では以下に示す態様を提供する。
本発明の第1の態様に係る高温動作型燃料電池システムは、上記した課題を解決するために、カソードに供給される酸化剤ガスとアノードに供給される改質ガスとの電気化学的反応により発電する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックの前記カソードから排出されたカソードオフガスと、前記アノードから排出されたアノードオフガスとを燃焼させる燃焼部と、前記燃焼部により生成された排ガスの有する熱を利用して改質反応を行い、供給された原料から前記改質ガスを生成する改質器と、第1予熱部と、前記改質器の改質反応により熱の一部が利用された前記排ガスと酸化剤ガスとの熱交換により該酸化剤ガスを予熱させ、前記燃料電池スタックの前記カソードへ供給する第2予熱部と、前記燃料電池スタック、前記燃焼部、前記改質器、および前記第2予熱部を収容する筐体部と、前記筐体部の外周の少なくとも一部を覆う第1断熱部と、を備え、前記第1予熱部は、前記第1断熱部の外周側を覆うとともに、前記筐体部内から該第1断熱部を介して伝達された熱により、前記第2予熱部へ供給する前の酸化剤ガスを予熱する。
上記構成によると、第1断熱部および第1予熱部を備えているため、筐体部内から外部への放熱量を抑制することができる。また、筐体部内から第1断熱部を介して伝達された熱を、第1予熱部において燃料電池スタックに供給する酸化剤ガスによって回収することができる。また、燃焼部で生成された排ガスの熱を第2予熱部において燃料電池スタックに供給する酸化剤ガスによって回収することができる。このように、高温動作型燃料電池システムにおける排熱を酸化剤ガスにより効率的に回収でき、回収した熱により予熱された酸化剤ガスを燃料電池スタックに供給することができるため、発電効率を高めることができる。
したがって、本発明の第1の態様に係る高温動作型燃料電池システムは、外部への放熱量を減少させ、発電効率を高めることができるという効果を奏する。
また、第1予熱部を備えるため、第1予熱部を備えない構成と比較して第1断熱部の温度を低下させることができる。このため、第1断熱部の厚さをより薄くすることができ、結果的に高温動作型燃料電池システム全体の寸法を小型化することもできる。
また、本発明の第2の態様に係る高温動作型燃料電池システムは、上記した第1の態様において、前記第1予熱部の外周側を覆う第2断熱部をさらに備える構成であってもよい。
上記構成によると、第2断熱部をさらに備えるため、筐体部内から外部への放熱量をさらに抑制することができる。したがって、本発明の第2の態様に係る高温動作型燃料電池システムは、さらに一層、発電効率を高めることができる。
また、本発明の第3の態様に係る高温動作型燃料電池システムは、上記した第1または第2の態様において、前記燃料電池スタックを収容するとともに、該燃料電池スタックの前記カソードから排出された前記カソードオフガスが内部を流通し前記燃焼部に導かれる燃料電池スタック容器と、前記燃料電池スタック容器の内壁に設けられ、該燃料電池スタック容器内を流通するカソードオフガスと前記燃料電池スタックに供給する前であって前記第2予熱部によって予熱された酸化剤ガスをさらに予熱する第3予熱部とを備える構成であってもよい。
上記構成によると、燃料電池スタック容器内に第3予熱部をさらに備えるため、カソードオフガスの熱を第3予熱部において酸化剤ガスにより回収し、該酸化剤ガスを燃料電池スタックに供給することができる。このため、発電効率をより一層、高めることができる。
本発明の第4の態様に係る高温動作型燃料電池システムは、上記した第3の態様において、前記燃焼部は前記燃料電池スタック容器の上面に設けられており、前記第1予熱部は、少なくとも前記燃料電池スタック容器および前記燃焼部の側部を覆うように配置されていてもよい。
また、本発明の第5の態様に係る高温動作型燃料電池システムは、上記した第3または第4の態様において、前記酸化剤ガスは、前記第1予熱部、前記第2予熱部、および前記第3予熱部の順に流通して前記燃料電池スタックに供給されており、前記第1予熱部は、前記筐体部内から前記第1断熱部を通じて伝達した熱によって外部から供給された酸化剤ガスを予熱し、前記第2予熱部は、前記第1予熱部により予熱された酸化剤ガスを、前記改質器の改質反応により熱の一部が利用された前記排ガスの有する熱によって予熱し、前記第3予熱部は、前記第2予熱部によって予熱された酸化剤ガスを、前記燃料電池スタック容器内を流通するカソードオフガスの熱により予熱する構成であってもよい。
上記構成によると、筐体部内から第1断熱部を介して伝達された熱を、第1予熱部を流通する酸化剤ガスによって回収することができる。また、燃焼部で生成された排ガスの熱を、第2予熱部を流通する酸化剤ガスによって回収することができる。さらに、カソードオフガスの熱を、第3予熱部を流通する酸化剤ガスにより回収することができる。このため、発電効率をより一層、高めることができる。また、第1予熱部、第2予熱部、および第3予熱部により酸化剤ガスが予熱されることで、外気温程度の温度だった酸化剤ガスを燃料電池スタックの温度に近くまで昇温させることができ、燃料電池スタック温度を安定させることができる。このため、高温動作型燃料電池システムは、安定した発電を継続することができる。
本発明の第6の態様に係る高温動作型燃料電池システムは、上記した第5の態様において、前記改質器は、前記燃焼部の上方に配置され、該燃焼部の下方に前記燃料電池スタックが配置されており、前記筐体部は、前記第2予熱部と前記第3予熱部との間に設けられ、該第2予熱部から該第3予熱部へと前記酸化剤ガスを流通させる第1酸化剤ガス経路と、前記燃焼部において生成された排ガスが流通し、該排ガスを外部に導く排ガス経路と、をさらに収容しており、前記改質器、前記燃焼部、前記燃料電池スタック、および前記排ガス経路が、前記第2予熱部、前記第1酸化剤ガス経路、および前記第3予熱部によって囲まれた構成であってもよい。
上記した構成によると、筐体の内部に収容される改質器、燃焼部、燃料電池スタック、および排ガス経路といった部材全体を、第2予熱部、第1酸化剤ガス経路、および第3予熱部によって囲んでいる。
ここで、第2予熱部、第1酸化剤ガス経路、および第3予熱部によって、酸化剤ガスが流通する流通路を形成しており、酸化剤ガスが空気の場合、これらの部材によって空気層を形成しているとみなすことができる。したがって、筐体部内の改質器、燃焼部、燃料電池スタック、および排ガス経路といった高温になる部材全体が空気層により囲まれることとなり外部への放熱量を大幅に低減させることができる。
このため、筐体の外周を覆う第1断熱部および第2断熱部の厚み、ならびに第1予熱部の厚みをそれぞれ薄くすることができ、小型化および低コスト化を図ることができる。
本発明の第7の態様に係る高温動作型燃料電池システムは、上記した第2の態様において、前記第2断熱部は、真空断熱材から構成されていてもよい。第2断熱部を真空断熱材から構成した場合、例えばグラスウール等の汎用的な断熱材により構成した場合よりも断熱性能を向上させることができる。
なお、真空断熱材としては、例えば金属ラミネートフィルムなどからなる外被材と、グラスウールなどの多孔質構造材からなる芯材とから構成され、内部を減圧して封止した断熱材が利用できる。
本発明の第8の態様に係る高温動作型燃料電池システムは、上記した第1から7の態様のいずれか1つの態様において、前記第1予熱部に供給する前記酸化剤ガスの流量を制御する酸化剤ガス流量制御部をさらに備え、前記酸化剤ガス流量制御部は、前記酸化剤ガスの流量を制御することにより、前記筐体部内から外部に放出される熱量を調整するように構成されていてもよい。
上記構成によると酸化剤ガス流量制御部を備えているため燃料電池スタックに供給する酸化剤ガスの流量を調整することができる。ここで、供給する酸化剤ガスの流量が大きくなるように調整する場合、第1予熱部、第2予熱部、および第3予熱部を流通する酸化剤ガスによる熱回収能力がより大きくなる。したがって、断熱性能が向上し筐体部内から外部への放熱量をより多く抑制することができる。一方、供給する酸化剤ガスの流量が小さくなるように調整する場合、第1予熱部、第2予熱部、および第3予熱部を流通する酸化剤ガスによる熱回収能力がより小さくなる。したがって、断熱性能が低下し筐体部内から外部への放熱量をより多くすることができる。
このように、本発明の第8の態様に係る高温動作型燃料電池システムは、断熱性能を調整することができるため、高温動作型燃料電池システムの運転状況に応じて筐体部内から外部への放熱量が所望の熱量となるように調整することができる。
本発明の第9の態様に係る高温動作型燃料電池システムは、上記した第2の態様において、前記第1予熱部に供給する前記酸化剤ガスの流量を制御する酸化剤ガス流量制御部をさらに備え、前記酸化剤ガス流量制御部は、前記第2断熱部の内周側の温度が200℃以下となるように、前記酸化剤ガスの流量を調整するように構成されていてもよい。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。本発明の実施の形態では、高温動作型燃料電池システム100として発電部に固体酸化物形燃料電池(SOFC)を有するSOFCシステムを例に挙げて説明するがこれに限定されるものではない。例えば、高温動作型燃料電池システム100は、発電部に溶融炭酸形燃料電池(MCFC)を有するMCFCシステムなどであってもよく、高温な排熱を有効活用できる燃料電池システムであればよい。
[実施の形態1]
(高温動作型燃料電池システムの構成)
まず、図1を参照して、実施の形態1に係る高温動作型燃料電池システム100の構成について説明する。図1は、本発明の実施の形態1に係る高温動作型燃料電池システム100の概略構成の一例を示す側面図である。図1では、高温動作型燃料電池システム100を側面側から見たときの要部構成を示しており、高温動作型燃料電池システム100は、紙面における下方を底面、上方を上面とした円柱形状または直方体形状とすることができる。なお、本明細書では、発電原料供給経路8を通じて外部から供給される原料ガスを発電原料と称し、改質器5において改質反応により改質された発電原料を改質ガスと称する。
高温動作型燃料電池システム100は、外部から供給された、例えば空気などの酸化剤ガスと、外部から供給された例えば天然ガス等の発電原料を改質して得られた改質ガスとの電気化学的な反応により発電する。高温動作型燃料電池システム100は、図1に示すように、燃料電池スタック1、燃料電池スタック容器2、蒸発器4、改質器5、噴出部6、燃焼部7、発電原料供給経路8、改質ガス経路9、アノードオフガス経路10、酸化剤ガス供給経路11、第1予熱部12、酸化剤ガス筐体部供給経路13、第2予熱部14、第1酸化剤ガス経路15、第3予熱部16、第2酸化剤ガス経路17、排ガス経路19、酸化剤ガス供給器25、発電原料供給器26、および制御部27を備えてなる構成である。
つまり、図1に示すように、高温動作型燃料電池システム100は、筐体部3と、筐体部3の外周の少なくとも一部を覆う第1断熱部21と、第1断熱部21の外周を覆う第1予熱部12と、第1予熱部12の外周を覆う第2断熱部22とを備えている。
そして、筐体部3は、燃料電池スタック1、燃料電池スタック容器2、蒸発器4、改質器5、噴出部6、燃焼部7、改質ガス経路9、アノードオフガス経路10、第2予熱部14、第1酸化剤ガス経路15、第2酸化剤ガス経路17、および排ガス経路19を収容している。
まず、筐体部3内の構成について説明する。燃料電池スタック1は、外部から供給された酸化剤ガスと改質器5における改質反応により生成された改質ガスとの電気化学的反応により発電する複数の燃料電池の単セルを積層して形成される。燃料電池スタック1では、例えば、積層された単セルを直列に接続した構成であってもよい。燃料電池スタック1は、複数の平板形の燃料電池セルを積層して形成されていてもよいし、複数の円筒形の燃料電池セルを積層して形成してもよい。実施の形態1に係る高温動作型燃料電池システム100では、燃料電池スタック1は、600℃近傍以上の高温で作動する。なお、燃料電池スタック1には、特に図示しないが該燃料電池スタック1の動作温度を検出する温度検出器、および該燃料電池スタック1において発電した電流を取り出す電極などが設けられていてもよい。
燃料電池スタック1を構成する単セルとしては、例えばイットリアをドープしたジルコニア(YSZ)、イットリビウムや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燃料電池単セルを用いることができる。例えば、燃料電池単セルが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。
燃料電池スタック容器2は、燃料電池スタック1を収容する容器である。燃料電池スタック容器2は、例えば、600℃~900℃の温度範囲に耐性を示す耐熱性金属により構成される。燃料電池スタック容器2の少なくとも側面は第1断熱部21に覆われ、第1断熱部21の外周には第1予熱部12が該第1断熱部21を覆うように設けられている。さらに、第1予熱部12の外周には第2断熱部22が該第1予熱部12を覆うように設けられている。なお、第1断熱部21、第1予熱部12、第2断熱部22が設けられる範囲は、図1に示すように上記した燃料電池スタック容器2の側面に対応する範囲に加えて、燃焼部7、蒸発器4、改質器5、および第2予熱部14を囲む範囲、換言すると筐体部3の側面を覆うように設けられていてもよい。少なくとも筐体部3の外周において高温の状態で熱が伝達される範囲を覆うように第1断熱部21、第1予熱部12、第2断熱部22が設けられている。
なお、第1予熱部12は、第1断熱部21を囲む金属製の内管とこの内管の外周を囲む金属製の外管とから構成されており、内管と外管との間に形成される空間を酸化剤ガスが流通する構成としてもよい。また、第1断熱部21および第2断熱部22の詳細については後述する。
また、燃料電池スタック容器2では、燃料電池スタック1の収容空間内を該燃料電池スタック1のカソードから排出されたカソードオフガスが流通する構成となっている。また、燃料電池スタック容器2内には、燃料電池スタック1のカソード側に供給する酸化剤ガスと、燃料電池スタック1から排出されたカソードオフガスとの間で熱交換させ、酸化剤ガスを予熱させることができる第3予熱部16が設けられている。第3予熱部16は、燃料電池スタック容器2の側面の内壁に沿って設けられている。換言すると、第3予熱部16は、燃料電池スタック容器2内において燃料電池スタック1の側面を囲むように設けられている。第3予熱部16も第1予熱部12と同様に、金属製の内管が燃料電池スタック1の側面を囲み、この内管の外周を金属製の外管が囲み、内管と外管との間に形成される空間を酸化剤ガスが流通する構成であってもよい。なお、第3予熱部16を構成する外管は燃料電池スタック容器2の側壁と共用されていてもよい。
噴出部6は、アノードオフガスを噴出するためのものであり、燃料電池スタック容器2の上面における中心部分に設けられている。燃料電池スタック1のアノードから排出されたアノードオフガスはアノードオフガス経路10を流通し、噴出部6に供給される。
図1に示すように、燃料電池スタック容器2の上面の中央部分は、上面から底面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である燃焼部7を形成した構成であってもよい。窪みの底部における中心に、燃料電池スタック容器2の上面に対して垂直方向でかつ上向に突出するよう噴出部6が設けられている。噴出部6は、例えば、円筒形状をしており、その側面にアノードオフガスを噴出するための複数のアノードオフガス噴出孔が設けられた構成であってもよい。
このように、高温動作型燃料電池システム100では、作動時(発電時)に、燃焼部7において発電反応に利用されなかったアノードオフガスとカソードオフガスとを燃焼させ、高温の排ガスを生成し、詳細は後述するが、排ガスが有する熱を有効に利用するように構成されている。さらにまた、詳細は後述するが、第1断熱部21、第2断熱部22、第1予熱部12、第2予熱部14、第3予熱部16を適切に配置することで高温動作型燃料電池システム100の筐体部3内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。
図1に示すように高温動作型燃料電池システム100では、燃料電池スタック1は燃焼部7の下方に配置されており、燃焼部7の上方には第2予熱部14および改質器5が設けられている。そして、燃焼部7で生成された排ガスの有する熱を利用して、改質器5の改質反応で必要な熱を賄ったり、酸化剤ガスを予熱したりする構成となっている。
第2予熱部14は、改質器5の改質反応により熱の一部が利用された排ガスと酸化剤ガスとの熱交換により該酸化剤ガスを予熱させ、燃料電池スタックへ供給する。なお、第2予熱部14は、同軸状に延伸した、径寸法の異なる、底面側が開口した2つの金属製の筒状部材を組み合わせた構造としてもよい。そして、内側に配される筒状部材と外側に配される筒状部材との間に形成される空間を酸化剤ガスが流通する構成であってもよい。
改質器5は、部分酸化改質反応により発電原料から改質ガスを生成するものであってもよい。また、改質器5は、部分酸化改質反応だけではなく水蒸気改質反応により発電原料から改質ガスを生成できる構成となっていることが有利である。なお、改質器5が部分酸化改質反応により発電原料から改質ガスを生成する構成の場合は、蒸発器4を必ずしも備える必要はない。
改質器5が水蒸気改質反応により発電原料から改質ガスを生成する場合、改質器5の上流側に設けられた蒸発器4により気化された水と発電原料とを混合させ改質器5に供給する。改質器5に充填される改質触媒としてはアルミナ担持ニッケル(Ni/Al)触媒、またはアルミナ担持ルテニウム触媒(Ru/Al)などを適宜用いることができる。
ところで、改質器5に供給される発電原料には付臭剤として、または原料由来のものとして硫黄成分が含まれている場合がある。そこで、改質器5および蒸発器4の上流側に脱硫器が設けられ、該脱硫器によって脱硫された後の発電原料が改質器5および蒸発器4に供給される構成となっていてもよい。
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、発電原料中の有機硫黄を水添分解する。そして、脱硫器は、生成したHSを、350~400℃の温度範囲にてZnOに吸着させて除去する。例えば、発電原料が都市ガスの場合、付臭剤として硫黄化合物であるジメチルスルフィド(dimethl sulfide ;CS,DMS)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(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。
S+2H→2CH+HS ・・・(1)
S+ZnO→HO+ZnS ・・・(2)
なお、発電原料に含まれる付臭剤は、上述したDMSの他に、TBM(C10S)またはTHT(CS)等の硫黄化合物の場合もある。
また、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(HS+ZnO→HO+ZnS)を行うことができる。この場合、脱硫後の発電原料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。
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。
(第1断熱部および第2断熱部)
以下において高温動作型燃料電池システム100が備える第1断熱部21および第2断熱部22について詳細に説明する。
まず、第1断熱部21を構成する断熱材は、600℃以上の高温に耐える断熱材が望ましく、耐熱性のあるものであれば汎用的な断熱材を用いることができる。例えば、第1断熱部21を構成する断熱材としては、グラスウール、スーパーウール、ロックウール、セラミックファイバー、ミネラルウール、ケイ酸カルシウム、硬質ウレタンフォームなどが例示できる。あるいは、フュームドシリカを主成分とし、無機繊維状物質と赤外線遮断材とを配合した特殊耐熱断熱材であってもよい。
一方、第1予熱部12の外周側に設けられる第2断熱部22には汎用的な断熱材を用いることができる。つまり、第1予熱部12の外周側の表面温度は、例えば200℃以下と低温となるため利用可能な断熱材の制限が小さい。汎用的な断熱材の例としては、グラスウール、ロックウール、セラミックファイバー、ミネラルウール、ケイ酸カルシウムなどが挙げられる。あるいは、フュームドシリカを主成分とし、これに補強のために無機繊維状物質と赤外線遮断材を配合した特殊耐熱断熱材でもよい。さらには、例えば金属ラミネートフィルムなどからなる外被材と、グラスウールなどの多孔質構造材からなる芯材とから構成され、内部を減圧して封止した真空断熱材であってもよい。
ここで第2断熱部22の断熱材を真空断熱材とした場合、大幅に断熱性能を向上させることが可能となる。例えば、第2断熱部22の断熱材をグラスウール等の汎用的な断熱材から真空断熱材に変えることで、熱伝導率が約1/10~1/20となり、第2断熱部22の大幅な小型化(薄型化)が可能となる。また、第2断熱部22の温度が低いほど真空断熱材の寿命が延びることとなる。
第1予熱部12の外周側に第2断熱部22が設けられることにより、高温動作型燃料電池システム100は、より一層の断熱性能を向上させることができ、筐体部3内から外部への放熱量を低減させることができる。また、第2断熱部22が高温動作型燃料電池システム100の最外周に配置される構成である。このため、金属製の第1予熱部12を高温動作型燃料電池システム100の最外周に配置した構成と比較して、両者の外周側の表面温度が同じであったとしても、構成する材料の熱伝導率の違いから体感温度を低下させることができる。
なお、第2断熱部22の厚さは高温動作型燃料電池システム100において必要な発電効率に基づき算出される許容放熱量と第2断熱部22の熱伝導率から算出することができる。例えば、100℃~200℃付近の熱伝導率の参考値としては、グラスウールなどの汎用的な断熱材で約0.1W/mk、フュームドシリカを用いた特殊耐熱断熱材で約0.024W/mk、真空断熱材で約0.0012W/mkとなる。この結果から、第2断熱部22を構成する断熱材として真空断熱材を用いることにより、20倍以上、第2断熱部の薄型化を図ることができ好適である。
また、高温動作型燃料電池システム100では、筐体部3の外周側の表面温度が600℃~800℃と高温となる場合であっても、第1断熱部21の厚さを調整したり、供給する酸化剤ガスの流量を調整し第1予熱部12における熱交換量を調整したりすることで、第2断熱部22の内周側表面の温度を200℃以下とすることができる。このため、第2断熱部22を真空断熱材により構成する場合であっても200℃を超える高温に曝されることがないため寿命を大幅に延ばすことができる。
なお、高温動作型燃料電池システム100は、第1予熱部12により最外周の温度を所望する温度まで十分に低下させ、外部に放熱される熱量が許容範囲となる場合、必ずしも第2断熱部22を備える必要はない。この場合は、高温動作型燃料電池システム100は、筐体の外周の少なくとも一部を第1断熱部21で覆い、第1断熱部21の外周側を第1予熱部12により覆う構成となる。
以上のように、高温動作型燃料電池システム100は、燃料電池スタック1、燃料電池スタック容器2、蒸発器4、改質器5、噴出部6、燃焼部7、発電原料供給経路8、改質ガス経路9、アノードオフガス経路10、第2予熱部14、第1酸化剤ガス経路15、第3予熱部16、第2酸化剤ガス経路17、および排ガス経路19を収容する筐体部3の側面を第1予熱部12、第1断熱部21、および第2断熱部22によって囲む構成となっている。また、高温動作型燃料電池システム100は、図1に示すように、筐体部3内において第2予熱部14、第1酸化剤ガス経路15、および第3予熱部16によって、蒸発器4、改質器5、燃焼部7、燃料電池スタック1、改質ガス経路9、アノードオフガス経路10、排ガス経路19等の外周を囲むように構成されている。この構成により、筐体部3内の熱が外部に散逸することを防ぎ、内部を高温に保つことができる。また、第1予熱部12を備えるため、第1断熱部21および第2断熱部22の厚さを薄くすることができ、高温動作型燃料電池システム100のサイズを小型化することができる。
(高温動作型燃料電池システムにおける流体の流れ)
ここで、高温動作型燃料電池システム100における流体(酸化剤ガス、カソードオフガス、改質ガス、およびアノードオフガス)の流れについて説明する。
高温動作型燃料電池システム100では、制御部27からの制御信号に応じて、発電原料供給器26が所定流量の発電原料と水とを発電原料供給経路8を通じて蒸発器4および改質器5に供給する。なお、ここでは説明の便宜上、発電原料供給器26が所定流量の発電原料と水とを供給する構成となっているが、発電原料供給器26とは別に水供給器を備え、発電原料供給経路8とは別の経路である改質水経路を通じて水が蒸発器4に供給される構成であってもよい。
供給された水は、排ガス経路19を流通する排ガスの有する熱により、蒸発器4で水蒸気となり、原料と混合された混合ガスの状態で改質器5に供給される。そして、供給された混合ガスを利用して改質器5で改質反応を進行させて改質ガス(アノードガス)を生成する。改質器5で生成された改質ガスは改質ガス経路9を介して燃料電池スタック容器2内に収容されている燃料電池スタック1に供給される。なお、改質器5における改質反応で必要となる熱、ならびに蒸発器4において水を気化させるための熱は、燃焼部7における燃焼熱および排ガス経路19を流通する排ガスの有する熱により賄う構成となっている。
つまり、実施の形態1に係る高温動作型燃料電池システム100では、改質器5が蒸発器4の下部に配置され、蒸発器4および改質器5は燃焼部7の上方、または燃焼部7の外周でかつその上方に配置された構成となっている。そして、改質器5は燃焼部7の燃焼熱および排ガスの有する熱により加熱され、改質器5の上部に位置する蒸発器4は排ガスの有する熱により加熱される。排ガス経路19は蒸発器4および改質器5と第2予熱部14との間に設けられており、排ガス経路19を流通する排ガスは、改質器5および蒸発器4を加熱することで保有する熱の一部を失い、さらに第2予熱部14を流通する酸化剤ガスとの熱交換により熱が奪われ、外部へと排出される。
また、高温動作型燃料電池システム100では、制御部27からの制御信号に応じて、酸化剤ガス供給器25が所定流量の酸化剤ガス(空気)を、酸化剤ガス供給経路11を通じて第1予熱部12に供給する。第1予熱部12に供給された酸化剤ガスは、該第1予熱部12内の流通路を流通する際、筐体部3から、第1断熱部21を通じて第1予熱部12に伝達した熱により予熱される。換言すると第1予熱部12を流通する酸化剤ガスによって筐体部3から外部に散逸する熱を回収することができる。第1予熱部12を流通する酸化剤ガスと筐体部3から伝達された熱との熱交換により、酸化剤ガスの温度は外気温から100℃程度まで上昇する一方、第1予熱部12の内周側と接する第1断熱部21の表面温度を200℃~400℃程度に抑制することができる。
第1予熱部12において予熱された酸化剤ガスは、酸化剤ガス筐体部供給経路13を通じて第2予熱部14に供給される。第2予熱部14では、酸化剤ガスは、改質器5の改質反応および蒸発器4における水の気化によって熱の一部が利用された排ガスとの熱交換によりさらに予熱される。一方、第2予熱部14における酸化剤ガスとの熱交換によりさらに保有する熱の一部を失った排ガスは、排ガス経路19を通じて外部へと排出される。
このように予熱された酸化剤ガスが第2予熱部14に流入することにより、高温動作型燃料電池システム100の筐体部3内を流通する排ガスからの熱回収が可能となる。
一方、第2予熱部14において予熱された酸化剤ガスは、第1酸化剤ガス経路15を介して燃料電池スタック容器2内に流入して第3予熱部16に送られる。第3予熱部16では、第1予熱部12および第2予熱部14において予熱された酸化剤ガスと燃料電池スタック1から排出されたカソードオフガスとの間で熱交換される。そして、この第3予熱部16における熱交換によって酸化剤ガスはさらに予熱される。さらに予熱された酸化剤ガスは、第2酸化剤ガス経路17を通して燃料電池スタック1に送られる。このように、第2予熱部14で予熱された酸化剤ガスが第3予熱部16に流入することにより、カソードオフガスからの熱回収が可能となる。そして、燃料電池スタック1に対して所望の温度の酸化剤ガスを供給することができる。これにより安定した熱自立を実現することができるとともに高温動作型燃料電池システム100の発電効率を大幅に向上させることが可能となる。
燃料電池スタック1では、供給された改質ガスと酸化剤ガスとの電気化学的な反応により発電する。燃料電池スタック1からは、発電に未利用の酸化剤ガスを含むカソードオフガスおよび発電に未利用の改質ガスを含むアノードオフガスが排出される。カソードオフガスは燃料電池スタック1から燃料電池スタック容器2内に排出され、上記したように第3予熱部16を流通する酸化剤ガスと熱交換をし、その後、燃焼部7に導かれる。
一方、燃料電池スタック1から排出されたアノードオフガスは、アノードオフガス経路10を通じて噴出部6に供給され、噴出部6から燃焼部7に噴出される。そして、燃焼部7において不図示の着火部によってアノードオフガスに着火し、カソードオフガスとともに燃焼させられる。
(排ガスの流量および温度の調整)
実施の形態1に係る高温動作型燃料電池システム100では、蒸発器4、改質器5、および第2予熱部14が燃焼部7の上方に設置されている。このため、高温の排ガスによって、蒸発器4、改質器5、および第2予熱部14を流通する酸化剤ガスを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。
燃焼部7で生成される排ガスの流量および温度については、制御部27からの制御信号に基づき、燃料電池スタック1における燃料利用率を調整することにより、制御することが可能である。なお、燃料利用率とは、発電反応により、燃料電池スタック1で消費される燃料(改質ガス)の割合である。つまり、制御部27の制御信号に基づき、酸化剤ガスの供給量を酸化剤ガス供給器25が調整するとともに、発電原料と水との供給量を発電原料供給器26が調整することで燃焼部7における燃焼で得られる排ガスの流量および温度を調整することができる。なお、実施の形態1に係る高温動作型燃料電池システム100の作動時では、例えば、燃焼部7における燃焼による熱ならびに輻射熱によって燃料電池スタック1が約600~900℃の温度範囲となるように燃料利用率は設定される。なお、制御部27と酸化剤ガス供給器25とによって本発明の酸化剤ガス流量制御部を構成する。
また、燃焼部7において生成された排ガスの有する熱により、蒸発器4および改質器5を加熱する。これにより排ガスの有する熱の一部が消費される。熱の一部が消費された排ガスは、第2予熱部14を流れる酸化剤ガスとの熱交換によって、熱がさらに奪われ、外部に放出するのに適切な温度まで低下させられる。つまり、燃焼部7において生成された排ガスの温度は、例えば約600℃~900℃と高温であるが、蒸発器4および改質器5の加熱、さらには、第2予熱部14を流通する酸化剤ガスの加熱に排ガスの有する熱が利用されると、排ガス経路19の排出口に至るまでに排ガスの温度は十分に低下したものとなる。
特に、燃料電池スタック1において、例えば1kWの発電を行う場合、50L/min以上の酸化剤ガスを外部から供給する必要がある。また、酸化剤ガスが燃料電池スタック1に供給されるまでに、第1予熱部12、第2予熱部14、および第3予熱部16を通じて酸化剤ガスの温度を外気温から約400~800℃程度まで昇温させる必要がある。このように、酸化剤ガスを適温まで予熱するためには、大量の熱量が必要となる。このため、排ガス経路19を流通する排ガスの温度は、第2予熱部14における酸化剤ガスとの熱交換により、排ガス経路19の排出口に至るまでに十分に低下したものとなる。
以上のように、排ガスの温度は、蒸発器4および改質器5において吸熱される熱量、ならびに第2予熱部14において吸熱される熱量などを考慮して、排ガス経路19の排出口から所望の温度で排出されるように制御されている。なお、高温動作型燃料電池システム100から排出された排ガスと水との間で熱交換を行って、湯を生成して貯湯タンクに貯めるように構成されていてもよい。このように構成されている場合、高温動作型燃料電池システム100で生じる熱をさらに有効利用することができる。排ガスと水との熱交換により湯を生成する構成の場合、排ガス経路19を通じて外部に排出される排ガス温度は150℃~200℃の範囲となることが望ましい。
また、高温動作型燃料電池システム100では、酸化剤ガスの供給量を変化させることで、第1予熱部12、第2予熱部14、第3予熱部16における熱回収性能を可変とすることができる。また、それぞれの予熱部における熱回収能力を可変とすることで、結果的には高温動作型燃料電池システム100の断熱性能も可変とすることができる。
このため、高温動作型燃料電池システム100では、運転状況に応じて第1予熱部12~第3予熱部16それぞれにおける熱回収性能を調整し、最適な運転状況を維持することができる。例えば、高温動作型燃料電池システム100の発電効率を上げたいときは、第1予熱部12、第2予熱部14、第3予熱部16による熱回収能力を向上させるために、酸化剤ガスの供給量を大きくする。また例えば、改質器5、蒸発器4、燃料電池スタック1などが過昇温の場合は、高温動作型燃料電池システム100の内部から外部への放熱量を上げるために、酸化剤ガスの供給量を減らして各予熱部における熱回収能力を低下させる。
(第1予熱部を備える構成の効果)
次に、第1断熱部21と第2断熱部22との間に第1予熱部12を設ける場合と、設けない場合とを比較して、第1予熱部12を備えることの効果を説明する。
ここで、第2断熱部22を断熱性能の高い真空断熱材から構成し、第1予熱部12を間に挟まず直接、グラスウールなど汎用的な断熱材から構成される第1断熱部21を覆う構成が考えられる。この構成の場合、真空断熱材から構成された第2断熱部22の熱伝導率が小さすぎるため、第2断熱部22の内周側の温度が上昇しすぎ、真空断熱材の許容温度を超える場合がある。そこで、第2断熱部22の内周側の温度を真空断熱材の許容温度域以内にするためには、第1断熱部21の厚みを大きくして第1断熱部21の断熱性能を向上させる必要がある。この場合、第1断熱部21の厚みが、高温動作型燃料電池システム100のサイズおよびコストともに設計仕様を超えた値となってしまう場合がある。
次に、図2および図3を参照して高温動作型燃料電池システム100において、第1断熱部21の厚さを同じとし、第1予熱部12を備えている場合と備えていない場合とにおける温度分布の相違を説明する。図2は、図1に示す高温動作型燃料電池システム100が第1予熱部12を備えない構成の場合における温度分布の一例を示す図である。また、図3は、図1に示す高温動作型燃料電池システム100が第1予熱部12を備える構成の場合における温度分布の一例を示す図である。図2、3に示す温度分布は、熱流体解析(CFD)を利用して求めた。なお、第2断熱部を構成する断熱材料は真空断熱材とした。
図2、3に示すように第2断熱部22の内周側の温度は、第1予熱部12を備えない場合は450℃を超える温度となってしまう。一方、第1予熱部12を備える場合は、第2断熱部22の内周側の温度は、160℃以下まで低下することが分かった。以上の結果から、高温動作型燃料電池システム100が第1予熱部12を備える構成の場合、第2断熱部22の断熱材として真空断熱材を採用した場合であっても、真空断熱材の許容温度範囲とすることができることが分かった。また、第1予熱部12を備えることにより、発電量が700W程度となる高温動作型燃料電池システム100において約70W程度の放熱量を低減させることができる。
(高温動作型燃料電池システムの外観形状について)
高温動作型燃料電池システム100では、筐体3内において第2予熱部14により燃焼部7の上方の内部を、第3予熱部16により燃焼部7の下方の内部を覆う構成であった。そして、第2予熱部14と第3予熱部16とはそれぞれ別体として設けられた構成であった。しかしながらこの構成に限定されるものではなく、第2予熱部14と第3予熱部16とを一体に形成してもよい。
また、高温動作型燃料電池システム100の筐体3は、全体として垂直方向に延伸した円柱形状であってもよいし直方体形状であってもよい。あるいは、燃焼部7の上方部分と下方部分とにおいて断面寸法を異ならせてもよいし、上方部分を円柱形状とし下方部分を直方体形状としてもよい。また、上方部分を直方体形状とし下方部分を円柱形状としてもよい。また、高温動作型燃料電池システム100の筐体3の形状を円柱形状としたときの上面および底面の形状は円であってもよいし楕円またはトラック形状であってもよい。
高温動作型燃料電池システム100の筐体3の形状を円柱形状とした場合、直方体形状とした場合と比較して、最外周における表面積を低減させるとこができるため、小型を図ることができるとともに外部への放熱量を低減させることができるため有利である。また、円柱形状とした場合、その側面は、板材を曲げて一辺で溶接するだけで構成できるため、溶接箇所を低減させることができ低コスト化を図ることができる。
(変形例)
さらに、高温動作型燃料電池システム100では、第1予熱部12、第1断熱部21、および第2断熱部22は、高温動作型燃料電池システム100の筐体3の側面に配置された構成であった。しかしながらこれに限定されるものではなく、図4に示すように筐体3の底面および上面を覆う構成としても良いし、底面または上面のいずれか一方だけを覆う構成としてもよい。図4は、実施の形態1の変形例1に係る高温動作型燃料電池システム100の概略構成の一例を示す側面図である。図4では、実施の形態1の変形例1に係る高温動作型燃料電池システム100を側面側から見たときの要部構成を示しており、紙面における下方を底面、上方を上面とした円柱形状または直方体形状とすることができる。なお、実施の形態1の変形例1に係る高温動作型燃料電池システム100は、その筐体部3の側面に加えて上面および底面もさらに、第1予熱部12、第1断熱部21、および第2断熱部22によって囲っている点を除けば、実施の形態1に係る高温動作型燃料電池システム100と同様の構成であるため、同じ部材には同じ符号を付し、構成の説明については省略する。
また、図5に示すように、第1予熱部12による熱回収能力を高めるために第1予熱部12における酸化剤ガスの流通経路中に分散板30を設ける構成としてもよい。図5は、実施の形態1の変形例2に係る高温動作型燃料電池システム100の概略構成の一例を示す側面図である。図5では、実施の形態1の変形例2に係る高温動作型燃料電池システム100を側面側から見たときの要部構成を示しており、紙面における下方を底面、上方を上面とした円柱形状または直方体形状とすることができる。
なお、実施の形態1の変形例2に係る高温動作型燃料電池システム100は、第1予熱部12において分散板30をさらに設ける点を除けば実施の形態1に係る高温動作型燃料電池システム100と同様の構成である。このため、同じ部材には同じ符号を付し、その説明については省略する。
分散板30は、第1予熱部12内を流通する酸化剤ガスに乱流を生じさせるための板部材である。第1予熱部12の流通経路中に分散板30を設けることで第1予熱部12を流通する酸化剤ガスにおける熱伝導率を向上させ、熱回収能力を高めることができる。
[実施の形態2]
図6を参照して実施の形態2に係る高温動作型燃料電池システム200について説明する。図6は、本発明の実施の形態2に係る高温動作型燃料電池システム200の概略構成の一例を示す側面図である。図6では、高温動作型燃料電池システム200を側面側から見たときの要部構成を示しており、紙面における下方を底面、上方を上面とした円柱形状または直方体形状とすることができる。
実施の形態2に係る高温動作型燃料電池システム200は、以下の点で実施の形態1に係る高温動作型燃料電池システム100と構成が異なる。それ以外の点については同様であるため、同様の部材には同じ符号を付しその説明は省略する。
すなわち、実施の形態1に係る高温動作型燃料電池システム100の筐体部3内では、燃料電池スタック1が燃料電池スタック容器2内に収容されており、燃料電池スタック容器2を形成する側壁の内周に第3予熱部16が設けられていた。そして、燃料電池スタック容器2の外部に蒸発器4、改質器5、および第2予熱部14が設けられた構成であった。そして、筐体部3の側部の外周を第1断熱部21、第1予熱部12、および第2断熱部
22によって覆う構成であった。
これに対して、実施の形態2に係る高温動作型燃料電池システム200は、燃料電池スタック容器2および第3予熱部16を備えていない点で異なる。つまり、実施の形態2に係る高温動作型燃料電池システム200の筐体部3内は、燃料電池スタック1が、蒸発器4、改質器5、燃焼部7、および第2予熱部14等と同じ空間に配置された比較的単純な構成となっている。そして、筐体部3の外周を第1断熱部21、第1予熱部12、および第2断熱部22によって覆う構成である。
実施の形態2に係る高温動作型燃料電池システム200では、筐体部3内から外部に放熱される熱量を抑制するために、筐体部3の外周に設けられた第1予熱部12を流通する酸化剤ガスにより、筐体部3から伝達した熱を回収するとともに、酸化剤ガスを予熱する構成となっている。
第1予熱部12で予熱された酸化剤ガスは、酸化剤ガス筐体部供給経路13を通じて第2予熱部14に供給される。第2予熱部14では、酸化剤ガス筐体部供給経路13を通じて供給された酸化剤ガスと、燃焼部7で生じた排ガスとが熱交換を行い、酸化剤ガスがさらに予熱されて約400~800℃近傍まで昇温させられる。さらに予熱された酸化剤ガスは燃料電池スタック1に供給され、発電に利用される。
このように、第1予熱部12および第2予熱部14を通じて、燃料電池スタック1に供給される酸化剤ガスの温度を適切な温度まで上昇させることができるため、作動中における燃料電池スタック1の温度の安定性を増すことができる。さらには、第1予熱部12および第2予熱部14における酸化剤ガスとの熱交換により、筐体部3内の熱を有効に回収できるため、発電効率を増加させることができる。
以上のように、筐体部3内において、蒸発器4、改質器5、燃焼部7、第2予熱部14、および燃料電池スタック1等を同一の収容空間内に収容する構成である場合であっても、筐体部3の外周に第1断熱部21、第1予熱部12、および第2断熱部22を設けることで、高温動作型燃料電池システム200は、小型化、発電効率の向上、ならびに信頼性の向上を実現することができる。
なお、実施の形態2に係る高温動作型燃料電池システム200では、筐体部3の外周全体を第1断熱部21、第1予熱部12、および第2断熱部22により覆う構成であったがこれに限定されない。例えば、第1断熱部21、第1予熱部12および第2断熱部22は、筐体部3の側面の外周のみを覆う構成であってもよいし、底面の外周のみを覆う構成であってもよい。あるいは側面および底面の外周を覆う構成であってもよい。
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。
本発明は、高温の排熱を利用することができるSOFC、MCFC等の高温動作型燃料電池に広く利用することができる。
1 燃料電池スタック
2 燃料電池スタック容器
3 筐体部
4 蒸発器
5 改質器
6 噴出部
7 燃焼部
8 発電原料供給経路
9 改質ガス経路
10 アノードオフガス経路
11 酸化剤ガス供給経路
12 第1予熱部
13 酸化剤ガス筐体部供給経路
14 第2予熱部
15 第1酸化剤ガス経路
16 第3予熱部
17 第2酸化剤ガス経路
19 排ガス経路
21 第1断熱部
22 第2断熱部
25 酸化剤ガス供給器
26 発電原料供給器
27 制御部
30 分散板
100 高温動作型燃料電池システム
200 高温動作型燃料電池システム

Claims (8)

  1. カソードに供給される酸化剤ガスとアノードに供給される改質ガスとの電気化学的反応により発電する燃料電池スタックと、
    前記燃料電池スタックの前記カソードから排出されたカソードオフガスと、前記アノードから排出されたアノードオフガスとを燃焼させる燃焼部と、
    前記燃焼部により生成された排ガスの有する熱を利用して改質反応を行い、供給された原料から前記改質ガスを生成する改質器と、
    第1予熱部と、
    前記改質器の改質反応により熱の一部が利用された前記排ガスと酸化剤ガスとの熱交換により該酸化剤ガスを予熱させ、前記燃料電池スタックの前記カソードへ供給する第2予熱部と、
    前記燃料電池スタック、前記燃焼部、前記改質器、および前記第2予熱部を収容する筐体部と、
    前記筐体部の外周の少なくとも一部を覆う第1断熱部と、を備え、
    前記第1予熱部は、前記第1断熱部の外周側を覆うとともに、前記筐体部内から該第1断熱部を介して伝達された熱により、前記第2予熱部へ供給する前の酸化剤ガスを予熱する高温動作型燃料電池システムであって、
    前記燃料電池スタックを収容するとともに、該燃料電池スタックの前記カソードから排出された前記カソードオフガスが内部を流通し前記燃焼部に導かれる燃料電池スタック容器と、
    前記燃料電池スタック容器の内壁に設けられ、該燃料電池スタック容器内を流通するカソードオフガスと前記燃料電池スタックに供給する前であって前記第2予熱部によって予熱された酸化剤ガスをさらに予熱する第3予熱部とを備える高温動作型燃料電池システム
  2. 前記第1予熱部の外周側を覆う第2断熱部をさらに備える、請求項1に記載の高温動作型燃料電池システム。
  3. 前記燃焼部は前記燃料電池スタック容器の上面に設けられており、
    前記第1予熱部は、少なくとも前記燃料電池スタック容器および前記燃焼部の側部を覆うように配置されている請求項に記載の高温動作型燃料電池システム。
  4. 前記酸化剤ガスは、前記第1予熱部、前記第2予熱部、および前記第3予熱部の順に流通して前記燃料電池スタックに供給されており、
    前記第1予熱部は、前記筐体部内から前記第1断熱部を介して伝達した熱によって外部から供給された酸化剤ガスを予熱し、
    前記第2予熱部は、前記第1予熱部により予熱された酸化剤ガスを、前記改質器の改質反応により熱の一部が利用された前記排ガスの有する熱によって予熱し、
    前記第3予熱部は、前記第2予熱部によって予熱された酸化剤ガスを、前記燃料電池スタック容器内を流通するカソードオフガスの熱により予熱する請求項またはに記載の高温動作型燃料電池システム。
  5. 前記改質器は、前記燃焼部の上方に配置され、該燃焼部の下方に前記燃料電池スタックが配置されており、
    前記筐体部は、
    前記第2予熱部と前記第3予熱部との間に設けられ、該第2予熱部から該第3予熱部へと前記酸化剤ガスを流通させる第1酸化剤ガス経路と、
    前記燃焼部において生成された排ガスが流通し、該排ガスを外部に導く排ガス経路と、
    をさらに収容しており、
    前記改質器、前記燃焼部、前記燃料電池スタック、および前記排ガス経路が、前記第2予熱部、前記第1酸化剤ガス経路、および前記第3予熱部によって囲まれている請求項に記載の高温動作型燃料電池システム。
  6. 前記第2断熱部は、真空断熱材から構成される請求項2に記載の高温動作型燃料電池システム。
  7. 前記第1予熱部に供給する前記酸化剤ガスの流量を制御する酸化剤ガス流量制御部をさらに備え、
    前記酸化剤ガス流量制御部は、
    前記酸化剤ガスの流量を制御することにより、前記筐体部内から外部に放出される熱量を調整する請求項1からのいずれか1項に記載の高温動作型燃料電池システム。
  8. 前記第1予熱部に供給する前記酸化剤ガスの流量を制御する酸化剤ガス流量制御部をさらに備え、
    前記酸化剤ガス流量制御部は、
    前記第2断熱部の内周側の温度が200℃以下となるように、前記酸化剤ガスの流量を調整する請求項2に記載の高温動作型燃料電池システム。
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