JP5481181B2 - 発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、固体酸化物型の燃料電池セルによって発電する装置に関する。

特許文献１に記載されるように、固体酸化物を利用する燃料電池セルを用いた発電装置が知られている。この発電装置では、燃料電池セルにおいて、改質ガスと酸素含有ガスとを反応させて発電するようにしている。

固体酸化物を利用する燃料電池セルは、８００℃程度の高温環境下で効率よく発電する。そこで、この発電装置では、燃料電池セルで発生する熱で酸素含有ガスを予め加熱してから、その酸素含有ガスを燃料電池セルに供給するようにしている。具体的には、この発電装置では、柱状に伸びている燃料電池セルと燃料電池セルの間に、酸素含有ガスを供給するためのガス供給部材が配置されている。これにより、ガス供給部材を流れる酸素含有ガスが、周囲に配置されている燃料電池セルからの輻射と熱伝導によって加熱され、加熱された酸素含有ガスが燃料電池セルに供給されるようにしている。

特開２００６−１９０８４号公報

本願明細書の発明者らは、発電装置のコンパクト化を図るべく、図４に例示する発電装置を試案した。図４は、発電装置のケーシング内部の発電ユニット１１０を示している。この発電ユニット１１０では、複数本の燃料電池セル１２２が並列に立設されている燃料電池ユニット１２０の上に、水蒸気と燃料ガスとを改質ガスに改質する改質器１４０と、水蒸気を発生させる気化器１５０とが順に載置されている。

燃料電池ユニット１２０では、複数本の燃料電池セル１２２が並列に立設されており、隣接する燃料電池セル１２２の間隔を従来よりも狭めて互いに近接した状態に配置するようにしている。また、この発電装置では、隣接する燃料電池セル１２２の間に、ガス供給部材を設けるスペースを設けていないため、燃料電池ユニット１２０の側方に、複数本の燃料電池セル１２２に対して酸素含有ガスを供給する共通ガス供給部材１６０を配置している。この発電装置では、隣接する燃料電池セル１２２を近接した状態で配置することと、各々の燃料電池セル１２２に対して個別のガス供給部材を設けるのではなく、複数本の燃料電池セル１２２が共有する共通ガス供給部材１６０を設けることとによって、発電装置のコンパクト化を図るようにしている。

共通ガス供給部材１６０は、中空の平板状に形成されている。共通ガス供給部材１６０の上端は閉塞している。共通ガス供給部材１６０の下半分には、分流用の閉塞溝１６５が水平方向に断続的に形成されている。共通ガス供給部材１６０の下端には、下方に向けて開口する開口部１６６と、分流用の閉塞溝１６５で閉塞されている部位とが、水平方向に交互に形成されている。共通ガス供給部材１６０の側面の上部には、中空の内部に連通する２つのガス導入管１６１が接続されている。酸素含有ガスは、ガス導入管１６１を通じて共通ガス供給部材１６０の内部に流入した後に下方に流れ、分流用の閉塞溝１６５により各燃料電池セル１２２に均一に供給されるように分流され、共通ガス供給部材１６０の下端に設けられている開口部１６６から噴出して各々の燃料電池セル１２２に供給される。酸素含有ガスは、共通ガス供給部材１６０の内部を下方に流れるうちに、燃料電池セル１２２からの輻射熱と伝導熱によって加熱される。

共通ガス供給部材１６０を利用すると、燃料電池ユニット１２０の外形寸法を小型化することができる。しかしながら、共通ガス供給部材１６０の一方の面のみが燃料電池セル１２２に対面することとなる。そのため、この発電装置では、ガス供給部材の周囲に燃料電池セルが配置されている従来の構成に比して、酸素含有ガスが燃料電池セル１２２からの熱を十分に授受することができず、酸素含有ガスの加熱が不十分となる。そのため、燃料電池セル１２２に供給される酸素含有ガスの加熱を適切に行うことができず、燃料電池セル１２２における発電効率が低下する可能性があることが判明した。

本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料電池ユニットのコンパクト化を図ることができ、しかも酸素含有ガスを適切に加熱して発電効率の低下を抑制することができる固体酸化物型の発電装置を提供することにある。

本明細書に記載の発電装置は、複数本の燃料電池セルが並列に立設しているとともに各々の燃料電池セルの上端でその燃料電池セルを通過したオフガスが燃焼する燃料電池ユニットと、複数本の燃料電池セルに対して酸素含有ガスを供給する共通ガス供給部材と、水を気化させて水蒸気を発生させる気化器と、その水蒸気と燃料ガスとを改質ガスに改質する改質器とを備えている。この発電装置では、共通ガス供給部材が、燃料電池ユニットの側方に配置されている側面部と、その側面部の上端から燃料電池ユニットの上方に張り出している張り出し部とを備えており、酸素含有ガスは、張り出し部と側面部とを流れた後に燃料電池セルに供給される。また、この発電装置では、気化器と改質器の双方が、燃料電池ユニットの上端と共通ガス供給部材の張り出し部との間に配置されている。気化器と、改質器と、燃料電池セルは、下から燃料電池セル、改質器、気化器の順に重ねて設けられ、改質器には上下に貫通する排ガス孔が形成されている。さらに、気化器の上方であって、張り出し部の張り出し方向先端側に、排ガスを上方に向けて排出させる間隙が設けられている。

上記構成では、燃料電池ユニットの側方と上方とに共通ガス供給部材を配置しているため、従来の個別供給方式とは異なり、隣接する燃料電池セルと燃料電池セルの間にガス供給部材を設ける必要がない。上記構成によると、隣接する燃料電池セルと燃料電池セルの間を間隔を狭めることができ、燃料電池ユニットをコンパクト化することができる。さらに、複数本の燃料電池セルが共有する共通ガス供給部材を設けているため、各々の燃料電池セルに対して個別にガス供給部材を設ける場合に比して、発電装置全体をコンパクト化することもできる。

また上記構成によると、酸素含有ガスが共通ガス供給部材の張り出し部を流れる際に、燃料電池セルを通過したオフガスが燃焼している部位の上方を流れるために、オフガスの燃焼により発生した排ガスと熱交換することにより加熱される。酸素含有ガスは、その後に側面部を流れる際に、燃料電池セルからの輻射熱や伝導熱によってさらに加熱される。このように、上記構成では、酸素含有ガスを、燃料電池ユニットの上端で燃焼するオフガスの燃焼熱と、燃料電池セルからの輻射熱と伝導熱とにより加熱することができるため、酸素含有ガスを適切に加熱することができる。したがって、加熱不足によって燃料電池ユニットの発電効率が低下することを抑制することができる。
また、上記構成によると、気化器と改質器の双方が、燃料電池ユニットの上端と共通ガス供給部材の張り出し部との間に配置される。このような態様を採用するため、オフガスの燃焼熱を、気化器において水蒸気を発生させるための熱源と、改質器において改質ガスを発生させるための熱源と、共通ガス供給部材の張り出し部を流れる酸素含有ガスを加熱する熱源に利用することができる。したがって、オフガスの燃焼熱をより有効に利用することができる。

また、本明細書に記載の発明では、張り出し部に、上下に重なる複数の通路が形成されており、酸素含有ガスが、その複数の通路を上から順に流れた後に側面部を流れることが好ましい。

上記構成では、酸素含有ガスが、張り出し部の複数の通路を流れるため、張り出し部に一つの通路のみが形成されている場合に比して、オフガスが燃焼している部位の上方を長時間流れることとなり、オフガスの燃焼熱をより多く授受することができる。

本明細書に記載の発電装置によると、コンパクト化を図ることができ、しかも酸素含有ガスを適切に加熱して発電効率の低下を抑制することができる。

実施例１の発電装置の発電ユニットを示す斜視図。 図１のII−II線における断面構造を模式的に示す端面図。 実施例２の発電装置の図２に対応する断面構造を模式的に示す端面図。 本願発明者らが試案した発電ユニットを示す斜視図。

以下に説明する実施例の技術的特徴を列記する。
（特徴１）共通ガス供給部材は、金属製である。これにより、酸素含有ガスが燃料電池セルからの熱によって効率よく加熱される。
（特徴２）共通ガス供給部材の側面部が燃料電池ユニットの上端部よりも上方まで延びており、側面部の上部を流れる酸素含有ガスは、オフガスの燃焼により生じた排ガスと熱交換するように構成されている。これにより、酸素含有ガスは、張り出し部と側面部の上部とを流れる際に排ガスと熱交換して加熱される。
（特徴３）共通ガス供給部材には、複数の分流用の閉塞溝が複数本の燃料電池セルと並列に設けられている。これにより、共通ガス供給部材を流れる酸素含有ガスを、燃料電池セルのそれぞれに対して均等に供給することができる。

実施例１に係る発電装置について、図１及び図２を参照して説明する。
図１は本実施例に係る発電装置において、発電装置内部に収容されている発電ユニット１０を示す斜視図である。なお、以下の説明においては、便宜上、図１の矢印Ａで示す方向を横方向という。

発電ユニット１０は、図示しない断熱剤で形成されているケーシング内に収容されている。このケーシングの内部には、発電ユニット１０で生じた排ガスをケーシング外へ排出するための排ガス通路や、ケーシング外部の酸素含有ガスを共通ガス供給部材６０に供給するための酸素含有ガス通路などが適宜形成されている。

発電ユニット１０は、燃料電池ユニット２０と改質器４０と気化器５０と２つの共通ガス供給部材６０とを備えている。この発電ユニット１０では、燃料電池ユニット２０の上に改質器４０及び気化器５０が積層されるように下から順に配置されており、各共通ガス供給部材６０は、これら３つの部材２０，４０，５０が積層された状態でその両側方及び上方を覆うようにして対向して配置される。なお、図１においては、２つの共通ガス供給部材６０のうち紙面手前側の一方について、その構成を詳細に示すとともに、内部のガスの流れを矢印で示している。

気化器５０は、水を気化させて水蒸気を発生させるものであり、上下に屈曲する金属製のプレート式熱交換器で構成されている。この気化器５０は、図１に示すように、燃料電池ユニット２０の横方向の両端部における幅の長さ及び中央部の幅の長さが改質器４０の幅の長さと略同じであるものの、両端側よりも少し内側の部位の幅は改質器４０の幅よりも短くなっている。この気化器５０には、図示を省略するが、内部に水又は水蒸気が流れる水路が形成されている。この気化器５０には、一端側の外側に位置する側面に水供給管５１が接続され、他端側の内側に位置する側面に２つの水蒸気供給管５２が接続されている。

気化器５０において水を気化させるための熱源としては、燃料電池セルのオフガスの燃焼熱が利用される。すなわち、気化器５０には、後述するように、燃料電池ユニット２０においてオフガスの燃焼により生じた排ガスが供給される。したがって、水供給管５１を通じて気化器５０の水路に流入した水は、気化器５０の周囲を流れる排ガスと熱交換することにより加熱されて水蒸気となり、この水蒸気が水蒸気供給管５２から流出して改質器４０に供給される。

改質器４０は、燃料電池セル２２における発電反応に使用する改質ガスを発生させるものである。改質器４０は、金属製の容器の内部に蛇行する経路が形成されてなり、その経路内には、改質触媒が充填されている。改質器４０は、その平面視が燃料電池ユニット２０の平面視と同じ矩形状に形成されて燃料電池ユニット２０の上方にこの燃料電池ユニット２０と隣接するようにして配置されている。

改質器４０は、全体的には扁平な形状をしており、一端側のみが突出して段差状となっている。改質器４０において、突出している一端側の外側に位置する側面には燃料ガスを供給するための燃料ガス供給管４５が接続されている。なお、本実施例では、燃料ガスには例えばメタンを主成分とするガスを使用する。このようなガスとしては例えば都市ガスが挙げられる。

改質器４０において、突出する一端側の内側に位置する側面には、燃料ガス供給管４５と対向するように２本の水蒸気供給管５２の下流端が接続されている。これにより、気化器５０で発生した水蒸気が水蒸気供給管５２を通じて改質器４０に供給される。

改質器４０に流入した燃料ガスと水蒸気とは、改質器４０の内部を流れる際に改質触媒によって水素と一酸化炭素からなる改質ガスに改質される。また、図２に示すように、改質器４０には、上下に貫通する排ガス孔４８が形成されている。排ガス孔４８は、燃料電池ユニット２０のオフガスの燃焼により生じる高温の排ガスを燃料電池ユニット２０側から気化器５０側に通過させるためのものである。

改質反応は吸熱を伴うものであるため、改質器４０は好適な温度に加熱される必要がある。なお、メタンを主成分とする燃料ガスの好適な改質温度は６００℃以上であるため、本実施例では、改質器４０が６００℃以上となるように加熱されることが好ましい。この点、この改質器４０は、燃料電池ユニット２０の上方に配置され、後述するように、燃料電池ユニット２０においてオフガスが燃焼している部位側に配置されている。したがって、改質器４０は、オフガスの燃焼によりその下方が直接加熱されるとともに、排ガス孔４８を流れる排ガスと熱交換することにより加熱され、燃料電池ユニット２０のオフガスの燃焼熱が改質器４０における改質反応に利用される。

図１に示すように、改質器４０の段差がない側の側面の両側には、２つの改質ガス供給管３１が接続されている。これにより、改質器４０で改質された高温の改質ガスが、改質ガス供給管３１を流れ、マニホールド３０へと送り込まれる。

燃料電池ユニット２０は、図１に示すように、複数本の燃料電池セル２２を備えている。各々の燃料電池セル２２は、複数個の単位燃料電池セルを積層したものであり、柱状に伸びている。複数本の燃料電池セル２２は、燃料電池ユニット２０の下方に配置されているマニホールド３０上において、互いに近接した状態で並列して立設されている。複数本の燃料電池セル２２は、発電ユニット１０の横方向に、多数列となるように配列され、発電ユニット１０の横方向と直交する方向に２列となるように配置される。本実施例では、燃料電池セル２２を密集して配置することにより、発電装置のコンパクト化が図られる。

図２に示すように、燃料電池セル２２の燃料極の内部には、燃料電池セル２２が延びる方向、すなわち上下方向に貫通する複数の改質ガス通路２３が並列に形成されている。燃料電池セル２２は、この改質ガス通路２３に改質ガスが供給されることにより、改質ガス通路２３に供給された改質ガスを燃料電池セル２２の周囲に存在している酸素含有ガスと反応させて発電する。なお、本実施例では、改質ガスが水素と一酸化炭素とからなり、酸素含有ガスとしては空気が用いられる。発電反応によって水蒸気と二酸化炭素からなる排ガスが生じる。この発電反応は発熱を伴うため、発生する排ガスは高温となる。

個々の燃料電池セル２２は、図示を省略するが、燃料極の周面の半分強が固体電解質層を介して酸素極で覆われており、残りの周面がインターコネクタで覆われている。燃料電池セル２２は、隣接する燃料電池セルの酸素極と燃料極とが、インターコネクタと集電部材を介して電気的に接続されることにより、複数本の燃料電池セル２２が直列に接続される関係におかれている。

なお、燃料電池セルにおいて、燃料極は多孔質であり、ニッケル（Ｎｉ）を一成分とするニッケル／ＹＳＺサーメット（混合焼結体）からなる。固体電解質層は緻密質であり、ジルコニア（ＺｒＯ_２）にイットリア（Ｙ_２Ｏ_３）を加えた混合物からなる。また、酸素極は多孔質であり、ペロブスカイト型酸化物であるＬＳＭ（Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＭｎＯ_３）からなる。インターコネクタは導電性セラミックからなる。

各々の燃料電池セル２２の上端部では、改質ガス通路２３が開放されており、発電のために消費されなかった余剰の改質ガス、いわゆるオフガスが放出される。各々の燃料電池セル２２の上端近傍には、図示しないスパーク電極が配設されており、スパーク電極が火花放電することによって、図１及び図２に示すように、各々の燃料電池セル２２の先端から流出するオフガスが周囲の酸素含有ガスと反応して燃焼する。すなわち、本実施例では複数本の燃料電池セル２２の上端が、その燃料電池セル２２を通過したオフガスの燃焼域となる。

マニホールド３０は、図示を省略するが、内部に改質ガス流路を備え、上面にマニホールド３０内部を流れる改質ガスを複数本の燃料電池セル２２の複数本の改質ガス通路２３に供給するための細孔が複数開口されている。このマニホールド３０は、図１に示すように、改質器４０と２本の改質ガス供給管３１により接続されている。したがって、改質器４０で発生した改質ガスは、改質ガス供給管３１を通じてマニホールド３０に供給され、図２に示すように、マニホールド３０を通じて各燃料電池セル２２の改質ガス通路２３に均等に供給される。

２つの共通ガス供給部材６０は、図１及び図２に示すように、酸素含有ガスであるところの空気を、複数本の燃料電池セル２２に対して共通して供給するものである。この発電装置では、複数の燃料電池セル２２に対して共通に用いられる共通ガス供給部材６０を備えることにより、各々の燃料電池セル２２に対して個別にガス供給部材を設ける場合に比して、コンパクト化が図られる。

各々の共通ガス供給部材６０は、側面視が略逆「Ｌ」字状の中空の板状に形成されており、側面部６３と張り出し部６２とを備えている。なお、共通ガス供給部材６０は、高熱伝導性の材料で形成することが好ましく、本実施例では金属により形成されるが、その材料は特に限定されない。発電ユニット１０では、上述したように、燃料電池ユニット２０の上に改質器４０及び気化器５０が積層されており、その両側方が側面部６３により覆われ、その上方を張り出し部６２により覆われている。すなわち、共通ガス供給部材６０の側面部６３が燃料電池ユニット２０の側方に配置され、共通ガス供給部材６０の張り出し部６２が側面部６３の上端から燃料電池ユニット２０の上方に張り出している。また、一対の張り出し部６２の間には、所定の長さの間隙Ｋが形成されており、この間隙Ｋからオフガスの燃焼により生じた排ガスが排出される。

図２に示すように、共通ガス供給部材６０の側面部６３は、その上端から下端までに達する主通路６３ａと、主通路６３ａの上部に設けられている流入通路６３ｂとを備えている。また、張り出し部６２は、上下に重なる上側通路６２ａと下側通路６２ｂとを備えている。図１に示すように、共通ガス供給部材６０においては、側面部６３の上部における横方向の両側にガス導入管６１が接続されており、このガス導入管６１は、図２に示すように流入通路６３ｂに連通している。流入通路６３ｂは下端が閉塞するとともに上端が上側通路６２ａの上流端に連通している。また、上側通路６２ａの下流端と下側通路６２ｂの上流端とは、張り出し部６２の先端側の端部近傍において連通しており、下側通路６２ｂの下流端は主通路６３ａの上流端において連通している。これにより、ガス導入管６１を通じて共通ガス供給部材６０内に流入した酸素含有ガスは、側面部６３の流入通路６３ｂと、張り出し部６２の上側通路６２ａと下側通路６２ｂと、側面部６３の主通路６３ａとをこの順に流れ、主通路６３ａの下端の開口部６６から流出して燃料電池ユニット２０の各燃料電池セル２２に供給される。

また、図１に示すように、各共通ガス供給部材６０の側面部６３には、２つのガス導入管６１が接続される部位の間に横方向に長い貫通孔６８が形成されている。さらに、各共通ガス供給部材６０の側面部６３には、主通路６３ａを流れる酸素含有ガスの流れを制御するための２つの合流スリット６４及び４つの分流用閉塞溝６５が設けられている。なお、図１においては、紙面奥側の共通ガス供給部材６０における合流スリット６４と分流用閉塞溝６５は図示を省略しており、図２では、各共通ガス供給部材６０の合流スリット６４と分流用閉塞溝６５の図示は省略している。図１に示すように、これらの合流スリット６４と分流用閉塞溝６５は、主通路６３ａを形成する内側及び外側の板において、内側の板が外側に窪んで外側の板と接触することにより形成されている。これにより合流スリット６４と分流用閉塞溝６５が設けられる部位には酸素含有ガスが流れる通路が形成されないため、酸素含有ガスの流れが制御される。２つの合流スリット６４は、側面部６３の主通路６３ａにおいて、貫通孔６８が設けられる部位よりも下側の部位の両側に横方向に伸びるように設けられており、２つの合流スリット６４の間には酸素含有ガスを流通させるためのある程度大きな幅の通路が確保されている。４つの分流用閉塞溝６５は、主通路６３ａの上下方向の中央部から下端に伸びるように、横方向に断続的に配置されている。主通路６３ａの下端においては、この分流用閉塞溝６５が設けられていない部位で開口している。主通路６３ａに貫通孔６８と合流スリット６４と分流用閉塞溝６５とが設けられることにより、酸素含有ガスが、貫通孔６８の両側を流れた後に合流スリット６４によって中央部に寄せられて合流し、分流用閉塞溝６５によって分流して各燃料電池セルに２２に均等に供給されるようにしている。

次に、発電装置の発電ユニット１０の発電動作及び発電動作時における流体の流れについて説明する。
水が水供給管５１を通じて気化器５０に供給されると、この水は気化器５０において燃料電池セルを通過したオフガスの燃焼熱によって気化されて水蒸気となる。改質器４０には、こうして発生した水蒸気が水蒸気供給管５２を通じて供給されるとともに、燃料ガス供給管４５を通じて燃料ガスが供給される。改質器４０では水蒸気と燃料ガスが混合され、その混合ガスが改質されて改質ガスとなり、この改質ガスは改質ガス供給管３１を通じてマニホールド３０に送られる。マニホールド３０に送られた改質ガスは、図２の破線矢印で示すように、各々の燃料電池セル２２の改質ガス通路２３へと送られる。

一方、酸素含有ガスは、図２の実線の細線矢印に示すように流れる。酸素含有ガスは、ガス導入管６１を通じて共通ガス供給部材６０の流入通路６３ｂに流入し、流入通路６３ｂを下から上へと流れて張り出し部６２の上側通路６２ａに達する。その後、酸素含有ガスは、張り出し部６２の上側通路６２ａを先端側（中心側）の端部に向かって流れ、下側通路６２ｂに流入する。酸素含有ガスは、下側通路６２ｂを側面部６３に向かって流れる。なお、酸素含有ガスは、上側通路６２ａ及び下側通路６２ｂにおいては、発電ユニット１０の横方向全体に拡散して流れる。そして、酸素含有ガスは、下側通路６２ｂから側面部６３の主通路６３ａを上から下へと流れる。なお、酸素含有ガスは、この主通路６３ａにおいては、図１に示すように、貫通孔６８が形成されていることにより横方向の両側に分流した後に、合流スリット６４により中央部に合流する。そして、酸素含有ガスは、分流用閉塞溝６５により再び分流して開口部６６から流出し、燃料電池ユニット２０における各々の燃料電池セル２２に均等に供給される。

図２に示すように、燃料電池ユニット２０では、改質ガスが、改質ガス通路２３を燃料電池セル２２の下方から上方に向かって流れる。一方、酸素含有ガスが、燃料電池セル２２の外側の側方を下方から上方に向かって流れ、燃料電池の酸素極へと供給される。燃料電池セル２２は、内側を流れる改質ガスを周囲を流れる酸素含有ガスと反応させて発電する。また、この発電は上述したように発熱反応であるため、燃料電池セル２２は高温となる。これにより、図２の鎖線矢印に示すように、酸素含有ガスは、共通ガス供給部材６０の側面部６３の主通路６３ａにおいて下寄りの略半分の領域を流れる際に、燃料電池セル２２からの輻射熱と伝導熱により加熱される。

燃料電池セル２２の上端部では、燃料電池セル２２を通過したオフガスがスパーク電極の火花放電により周囲の酸素含有ガスと反応して燃焼する。改質器４０は、このオフガスの燃焼熱によりその下部が直接加熱されるとともに、この燃焼により生じた熱が排ガス孔４８を流れることにより加熱される。さらに、オフガスの燃焼により発生した高温の排ガスは、図２の実線の太線矢印に示すように、改質器４０の排ガス孔４８を通じて改質器４０の上側に配置される気化器５０に送られ、気化器５０における水の加熱に利用される。このようにして、本実施例では、オフガスの燃焼熱が改質器４０における改質反応と、気化器５０における水の気化との双方の熱源として利用される。

排ガスは、さらに気化器５０と２つの共通ガス供給部材６０の側面部６３との間を流れる。これにより、側面部６３の主通路６３ａの上部を流れる酸素含有ガスが、排ガスと熱交換することにより加熱される。なお、図１に示すように、酸素含有ガスは、側面部６３の主通路６３ａの上部では、貫通孔６８の両側に分流して流れる。一方、気化器５０では、横方向の両端部近傍の部位が他の部位よりも幅が狭くなっているため、改質器４０の排ガス孔４８を通じて上方に流れた排ガスは、気化器５０の側方におけるこの両端部近傍の部位において多く流れる。したがって、主通路６３ａの上部において酸素含有ガスが流れる部位の近傍に多量の排ガスが流れることとなるため、酸素含有ガスと排ガスとの熱交換が効率よく行われる。

図２に示すように、排ガスは、気化器５０と側面部６３との間を流れた後に共通ガス供給部材６０の張り出し部６２の下面に達し、張り出し部６２の下面に沿って流れる。これにより、酸素含有ガスは張り出し部６２を流れる際に、この排ガスと熱交換することにより加熱される。また、張り出し部６２においては、酸素含有ガスが上下に重なる上側通路６２ａと下側通路６２ｂとを順に流れる。したがって、張り出し部の通路が１つの通路である場合に比して、酸素含有ガスが燃料電池セル２２のオフガスが燃焼している部位の上方を長時間流れることになり、オフガスの燃焼熱をより多く授受することができる。その後、排ガスは、対向する共通ガス供給部材６０の張り出し部６２の間に形成される間隙Ｋを通じて発電装置のケーシングに形成された排ガス通路を流れ、外部へ排出される。

以上のようにして、酸素含有ガスは、張り出し部６２を流れてオフガスの燃焼熱により発生した排ガスにより加熱され、さらに側面部６３の主通路６３ａの上部を流れる際にもこの排ガスにより加熱され、主通路６３ａの下寄りの略半分の領域を流れる際には燃料電池セル２２からの輻射熱及び伝導熱により加熱される。したがって、本実施例では、酸素含有ガスを適切に加熱することができ、燃料電池ユニット２０における発電効率が低下することを抑制することができる。

表１に、本実施例における発電装置と本願発明者らが試案した図４に示す例とにおいて、燃料電池セル及び燃料電池セルのオフガスの燃焼により生じた排ガスと共通ガス供給部材を流れる酸素含有ガスとの熱交換量のシミュレーション結果を示す。

表１に示すように、張り出し部６２を有する本実施例では熱交換量が１３６Ｗであり、図４に示す張り出し部を設けない構成では熱交換量が１０８Ｗである。このように本実施例では、共通ガス供給部材６０に張り出し部６２を設けることにより、張り出し部を設けない構成よりも、熱交換量が３割程度も向上しており、張り出し部６２を設けることによって共通ガス供給部材６０を流れる酸素含有ガスを適切に加熱することができる。

実施例２に係る発電装置について、図３を参照して説明する。図３に示すように、実施例２は、実施例１と共通ガス供給部材７０の構成が異なる。なお、その他の構成は、実施例１と同じであるため、同じ符号を用いて示し、その説明は省略する。

図３に示すように、本実施例の発電ユニット１１において、燃料電池セルに酸素含有ガスを供給するための共通ガス供給部材７０は、燃料電池ユニット２０の側方に配置される側面部７３と側面部７３の上端から燃料電池ユニット２０の上方に張り出す張り出し部７２とを備えている。そして、この張り出し部７２は、内部に１つの通路のみが形成されており、上下に重なる複数の通路が形成される実施例１の態様を採用してない。この共通ガス供給部材７０では、張り出し部７２の先端側（中心側）の端部の近傍に、ガス導入管７１が接続されている。また、共通ガス供給部材７０の側面部７３にも１つの通路のみが形成されている。これにより、酸素含有ガスは、ガス導入管７１を通じて張り出し部７２の内部に流入した後、側面部７３に向かって流れ、さらに側面部７３の内部を上方から下方へ向かって流れる。そして、酸素含有ガスは、側面部７３の下端の開口部７６から流出して燃料電池ユニット２０の各々の燃料電池セル２２に供給される。

本実施例においても、酸素含有ガスは、張り出し部７２を流れてオフガスの燃焼熱により発生した排ガスにより加熱され、さらに側面部７３の上部を流れる際にこの排ガスにより加熱され、側面部７３の下寄りの略半分の領域を流れる際には燃料電池セル２２からの輻射熱及び伝導熱により加熱される。これにより、本実施例においても、酸素含有ガスを適切に加熱することができ、燃料電池ユニット２０における発電効率が低下することを抑制することができる。なお、その他の作用及び効果については実施例１と同じである。

（その他の実施例）
上記各実施例では、燃料電池ユニットの上に改質器と気化器とがこの順に配置されている。しかしながら、燃料電池ユニットの上に気化器と改質器とがこの順に配置されるようにしてもよい。また、上記各実施例では、燃料電池ユニットの上端と共通ガス供給部材の張り出し部との間に気化器と改質器とが配置されるようにしているが、燃料電池ユニットの上端と共通ガス供給部材の張り出し部との間に気化器と改質器との一方が配置されるようにしてもよい。このような場合であっても、オフガスの燃焼熱を、気化器において水蒸気を発生させるための熱源と、改質器において改質ガスを発生させるための熱源との何れか一方として利用することができるとともに、共通ガス供給部材の張り出し部を流れる酸素含有ガスを加熱するために利用することができるため、燃料電池セルを通過したオフガスの燃焼熱を有効に利用することができる。

また、燃料電池ユニットの上端と共通ガス供給部材の張り出し部との間に、いずれの部材も介在させず、燃料電池ユニットの直ぐ上に共通ガス供給部材の張り出し部を配置するようにしてもよい。なお、この場合においても、排ガスの通路を適宜形成することにより、共通ガス供給部材の張り出し部を流れる酸素含有ガスの加熱に利用された排ガスを気化器及び改質器の少なくとも一方の加熱に利用するようにしてもよい。なお、発電装置は、燃料電池セルに改質ガスと酸素含有ガスが供給される構造であればよく、気化器及び改質器によって改質ガスを発生させる必要はなく、気化器及び改質器を有さないものであってもよい。また、酸素含有ガスは、酸素を含有していればよく空気でなくてもよい。

上記各実施例では、共通ガス供給部材の張り出し部の通路は上下に重なる２つの通路、または１つの通路のみを備えるようにしている。しかしながら、張り出し部には上下に重なる３つ以上の通路が形成されていてもよい。また、上記各実施例では、側面部に貫通孔やスリット、閉塞溝などを設けて、側面部を流れる酸素含有ガスの流れを制御するようにしているが、側面部に貫通孔やスリット、閉塞溝などを設けない簡素な構成としてもよい。また、上記各実施例では、側面部の上部を流れる酸素含有ガスが、オフガスの燃焼により発生した排ガスにより加熱されるようにしている。しかしながら、例えば気化器にも排ガス孔を形成して、排ガスが気化器の側方ではなく排ガス孔のみを通じて下方から上方へ流れるようにすることにより、側面部の上部を流れる酸素含有ガスと排ガスとの熱交換は行われず、張り出し部を流れる酸素含有ガスと排ガスとの熱交換のみが行われるようにしてもよい。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。

また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は、複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１０，１１，１１０：発電ユニット
２０，１２０：燃料電池ユニット
２２，１２２：燃料電池セル
３０：マニホールド
４０，１４０：改質器
４５：燃料ガス供給管
４８：排ガス孔
５０，１５０：気化器
５１：水供給管
５２：水蒸気供給管
６０，７０，１６０：共通ガス供給部材
６１，７１，１６１：ガス導入管
６２，７２：張り出し部
６２ａ：上側通路
６２ｂ：下側通路
６３，７３：側面部
６６，７６，１６６：開口部

Claims (2)

1. 複数本の燃料電池セルが並列に立設されているとともに、各々の燃料電池セルの上端でその燃料電池セルを通過したオフガスが燃焼する燃料電池ユニットと、
   前記複数本の燃料電池セルに対して酸素含有ガスを供給する共通ガス供給部材と、
   水を気化させて水蒸気を発生させる気化器と、
   その水蒸気と燃料ガスとを改質ガスに改質する改質器とを備えており、
   前記共通ガス供給部材は、前記燃料電池ユニットの側方に配置されている側面部と、前記側面部の上端から前記燃料電池ユニットの上方に張り出している張り出し部とを備えており、
   前記酸素含有ガスは、前記張り出し部と前記側面部とを流れた後に前記燃料電池セルに供給され、
   前記気化器と前記改質器の双方が、前記燃料電池ユニットの上端と前記共通ガス供給部材の張り出し部との間に配置されており、
   前記気化器と、前記改質器と、前記燃料電池セルは、下から前記燃料電池セル、前記改質器、前記気化器の順に重ねて設けられ、前記改質器には上下に貫通する排ガス孔が形成されており、
   さらに、前記気化器の上方であって、前記張り出し部の張り出し方向先端側に、排ガスを上方に向けて排出させる間隙が設けられていることを特徴とする発電装置。
2. 前記張り出し部には、上下に重なる複数の通路が形成されており、
   前記酸素含有ガスは、前記複数の通路を上から順に流れた後に前記側面部を流れることを特徴とする請求項１に記載の発電装置。

Images