JP6405900B2 - 燃料電池装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料及び酸化剤によって発電する燃料電池装置に関する。

この種の燃料電池装置としては、特許文献１に記載の装置がある。特許文献１に記載の燃料電池装置は、直方体状のセルスタックの周囲を囲むように空気流路、改質器、燃焼器、及び排気流路を有している。空気流路は、酸化剤としての空気をセルスタックに供給するための流路である。排気流路は、燃焼器にて生成される高温の燃焼排ガスを外部に排出するための流路である。このような構成によれば、燃料電池スタックからの輻射熱、及び排気流路内の燃焼排ガスの有する熱エネルギが改質器や空気流路に伝達される。よって、改質器における改質反応を促進したり、空気流路内の空気を効率的に予熱することができるため、発電効率を向上させることができる。

特開２０１１−２３８３６３号公報

ところで、特許文献１に記載の燃料電池装置では、燃焼器から排出された燃焼排ガスの温度は、燃焼器から離間するほど低下する。これは、燃焼排ガスと空気との間の熱交換により、燃焼排ガスの有する熱エネルギが徐々に低下していくためである。燃焼排ガスの温度変化に応じて、空気流路と排気流路とを仕切る隔壁の温度も変化する。すなわち、隔壁の温度は、燃焼器から離間するほど低下する。このような温度差が隔壁に熱ひずみを発生させ、亀裂や割れ等の損傷を隔壁に生じさせる要因となる。

なお、このような課題は、空気流路と排気流路とを隔てる隔壁に限らず、隔壁を介して仕切られた２つの流路を有するとともに、それらの流路に温度の異なる流体がそれぞれ流れる燃料電池装置に共通する課題である。

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、温度の異なる流体が流れる２つの流路を仕切る隔壁に発生する熱ひずみに起因する損傷を抑制することのできる燃料電池装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、燃料及び酸化剤によって発電する燃料電池装置は、燃料及び酸化剤の供給に基づき発電する単セルが積層されたセルスタック（ＣＳ）と、セルスタックの周囲に配置される第１流路（４０１）と、第１流路の周囲に第１隔壁（１２０）を隔てて配置される第２流路（４０２）と、第２流路の周囲に第２隔壁（１４０）を隔てて配置される第３流路（４０３）と、単セル積層方向において第１隔壁の一端部及び第２隔壁の一端部を繋ぐ連結部材（１８２）と、を備える。また、第１隔壁および第２第隔壁の他の端部はそれぞれ異なる部材に連結されている。第１流路及び第３流路には、第３流路から第１流路に向かって第１流体が流れる。第２流路には、第１流体よりも高温の第２流体が流れる。第２隔壁の単セル積層方向の長さは、第１隔壁の前記単セル積層方向の長さよりも長くなっている。第２隔壁において積層方向に第１隔壁よりも長く形成された部分は、第２流体の熱を利用して熱交換を行う少なくとも１つの熱交換部（３０１，３０２）を内部に収容している。

この構成によれば、第１流体は、第３流路から第１流路へと流れる間に、第２流路を流れる第２流体と熱交換を行うことにより、その温度が上昇する。よって、第３流路を流れる第１流体の温度と、第１流路を流れる第１流体の温度とを比較すると、前者の方が低くなる。そのため、第１流路と第２流路を隔てる第１隔壁よりも、第２流路と第３流路とを隔てる第２隔壁の方が低温になり易い。

また、第１隔壁よりも第２隔壁の方がセルスタックから離間しているため、第２隔壁の方がセルスタックの輻射熱を受け難い。これも第１隔壁よりも第２隔壁の方が低温になり易い要因となる。

この点、上記構成のように、第１隔壁の長さに対して、より低温になり易い第２隔壁の長さを長くすれば、熱膨張に起因する各隔壁の伸び量の偏差を小さくすることができる。これにより、第１隔壁の一端部及び第２隔壁の一端部が連結部材により拘束されている構造であっても、第１隔壁と第２隔壁との間に熱ひずみが生じ難くなるため、熱ひずみに起因する損傷を抑制することができる。

本発明によれば、温度の異なる流体が流れる２つの流路を仕切る隔壁に発生する熱ひずみに起因する損傷を抑制することができる。

本発明の第１実施形態に係る燃料電池装置の内部構造を示す模式図である。 図１に示される燃料電池装置における流体の流れを説明するためのブロック図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。

図１及び図２を参照しながら本発明の第１実施形態に係る燃料電池装置ＦＣについて説明する。図１に示されるように、燃料電池装置ＦＣは、セルスタックＣＳと、ケーシング１０と、燃焼器２０と、改質ユニット３０とを備えている。

セルスタックＣＳは、複数の単セルの集合体である。各単セルは、固体酸化物形の燃料電池（ Solid Oxide Fuel Cell：ＳＯＦＣ）であって、平板状の固体電解質の一方側の面に燃料極（アノード）が形成され、他方側の面に空気極（カソード）が形成された構成となっている。これら燃料極及び空気極は、いずれも導電性のセラミックスで形成された多孔質体である。単セルは、燃料極に供給される燃料と、空気極に供給される酸化剤との化学反応に基づき発電する。本実施形態では、酸化剤として空気が用いられている。

セルスタックＣＳでは、全ての単セルが上下方向（矢印ａで示す方向）に積層されており、これらが電気的に直列接続された状態となっている。セルスタックＣＳは、スタックアダプタＡＤを介してベースプレートＢＰの上面側に立設されている。

スタックアダプタＡＤは、内部に複数の流路が形成された板状の部材である。セルスタックＣＳに対する燃料の供給は、スタックアダプタＡＤを介して行われる。また、セルスタックＣＳからのガスの排出（発電に供しなかった残余の燃料及び空気の排出）も、スタックアダプタＡＤを介して行われる。ベースプレートＢＰは、ケーシング１０の内部に水平に配置された円形の金属板である。ベースプレートＢＰにより、ケーシング１０の内部空間は概ね上下２室に分けられている。

ケーシング１０は、セルスタックＣＳ、燃焼器２０、改質ユニット３０等を内部に収容する略円柱形状の筐体である。ケーシング１０は、その側面及び上面の全体を断熱材により覆われている。ケーシング１０は、第１筒状体１１０と、第２筒状体１２０と、第３筒状体１３０と、第４筒状体１４０と、第５筒状体１５０と、第６筒状体１６０とを有している。第１筒状体１１０、第２筒状体１２０、第３筒状体１３０、第４筒状体１４０、第５筒状体１５０、及び第６筒状体１６０は、いずれも金属製で中心軸周りに略円筒状に形成されており、それぞれの中心軸が同軸となるように配置されている。図１は、当該中心軸に沿う平面を断面とする燃料電池装置ＦＣの模式的な断面図である。

第１筒状体１１０は、ケーシング１０のうち最も内側に配置された筒状体であって、セルスタックＣＳ及びスタックアダプタＡＤをその内部に収容している。第１筒状体１１０の上端は水平な天板１８１によって塞がれている。また、第１筒状体１１０の下端はベースプレートＢＰの上面に当接した状態で固定されている。第１筒状体１１０の下端から上端までの高さは、スタックアダプタＡＤの下端からセルスタックＣＳの上端までの高さよりも高くなっている。このため、天板１８１とセルスタックＣＳの上端とは離間している。第１筒状体１１０の下部には、貫通孔である吹出口１１１が複数形成されている。これら複数の吹出口１１１は、同じ高さにおいて等間隔に並ぶよう形成されている。吹出口１１１は、セルスタックＣＳに向けて供給される発電用の空気が通る孔である。発電用の空気は、本願発明の第１流体に相当する。

第２筒状体１２０は、第１筒状体１１０を外側から囲むようにセルスタックＣＳの周囲に配置された筒状体である。第２筒状体１２０の内側面と第１筒状体１１０の外側面との間には、全周に亘って一定の隙間が形成されている。第２筒状体１２０と第１筒状体１１０との間に形成された空間は、発電用の空気が加熱されながら通る第１流路４０１となっている。

第２筒状体１２０の内径は、ベースプレートＢＰの外径と略等しい。第２筒状体１２０の下端部近傍における内側面は、全周に亘ってベースプレートＢＰの側面に当接している。当該当接部分において、第２筒状体１２０がベースプレートＢＰに対して固定されている。このような構成により、ベースプレートＢＰよりも下方側の空間と第１流路４０１との間を気体が出入りすることはできなくなっている。

第３筒状体１３０は、第２筒状体１２０を外側から囲むように配置された筒状体である。第３筒状体１３０の内側面と第２筒状体１２０の外側面との間には、全周に亘って一定の隙間が形成されている。第３筒状体１３０と第２筒状体１２０との間に形成された空間は、燃焼器２０における燃焼により生じた高温の燃焼排ガスが通る第１流路部分４０２ａとなっている。燃焼排ガスは、本願発明の第２流体に相当する。第３筒状体１３０の上端は、第２筒状体１２０の上端よりも低い位置に配置されている。第３筒状体１３０はベースプレートＢＰの下端よりも更に下方側まで延びている。

第４筒状体１４０は、第３筒状体１３０を外側から囲むように配置された筒状体である。第４筒状体１４０の内側面と第３筒状体１３０の外側面との間には、全周に亘って一定の隙間が形成されている。第４筒状体１４０と第３筒状体１３０との間に形成された空間は、燃焼器２０における燃焼により生じた高温の燃焼排ガスが通る第２流路部分４０２ｂとなっている。第２流路部分４０２ｂは、より下方に位置する排ガス流路４１３に繋がっている。排ガス流路４１３は、改質ユニット３０の側方まで燃焼排ガスを導く流路である。

第２筒状体１２０の上方側の一端部と第４筒状体１４０の上方側の一端部とは、その高さ方向の位置が同一となっている。両者は、水平に配置されたドーナツ状（略中央に略円形の穴が形成された状態、以下同じ）の円板である連結部材１８２により繋がれている。つまり、第２筒状体１２０の上端が連結部材１８２の内周端に繋れており、第４筒状体１４０の上端が連結部材１８２の外周端に繋れている。第３筒状体１３０の上端と連結部材１８２との間には隙間が形成されている。このため、第１流路部分４０２ａと第２流路部分４０２ｂとは、それぞれの上端部において互いに繋がっている。第１流路部分４０２ａ及び第２流路部分４０２ｂは第２流路４０２を構成する。なお、第２筒状体１２０及び第４筒状体１４０のそれぞれの下端部も、ベースプレートＢＰ、第６筒状体１６０、及び底板１８４等の各種部材を介して互いに連結されている。

第３筒状体１３０の下端と第４筒状体１４０の内側面とは、水平に配置されたドーナツ状の円板である底板１８３により繋がれている。つまり、第２流路４０２の第２流路部分４０２ｂの下端が底板１８３により塞がれている。

第４筒状体１４０の下部（底板１８３よりも僅かに上方側）には、排出管１９１が接続されている。排出管１９１の内部空間は排ガス流路４１３に通じている。排出管１９１は、排ガス流路４１３を通った燃焼排ガスをケーシング１０の外部に排出し、後述の排熱回収器６２に供給するための配管である。

第４筒状体１４０は、第３筒状体１３０の下端よりも更に下方側まで延びている。第４筒状体１４０の下端には、当該下端から外側に向かって延びる水平なフランジ部１４１が形成されている。フランジ部１４１は、燃料電池装置ＦＣが設置される際においてケーシング１０の固定に利用されるフランジである。

第４筒状体１４０の下端部近傍には、水平な円板である底板１８４が配置されている。底板１８４の外径は第４筒状体１４０の内径と略等しい。底板１８４は、その外側面全体を第４筒状体１４０の内側面に当接させた状態で固定されている。底板１８４の下方側の空間には断熱材ＴＩが配置されている。

第５筒状体１５０は、ケーシング１０のうち最も外側に配置された筒状体であり、第４筒状体１４０の上部を外側から囲むように配置されている。第５筒状体１５０の内側面と第４筒状体１４０の外側面との間には、全周に亘って一定の隙間が形成されている。第５筒状体１５０と第４筒状体１４０との間に形成された空間は、発電用の空気が加熱されながら通る第３流路４０３となっている。

第５筒状体１５０は、第１筒状体１１０、第２筒状体１２０、第３筒状体１３０、及び第４筒状体１４０のいずれの上端よりも更に上方側まで延びている。第５筒状体１５０の上端は水平な天板１８５によって塞がれている。天板１８５と連結部材１８２との間には隙間４０５が形成されている。第３流路４０３の上端部と第１流路４０１の上端部とは、隙間４０５を介して互いに繋がっている。

第５筒状体１５０の下端と第４筒状体１４０の外側面とは、水平に配置されたドーナツ状の円板である底板１８６により繋がれている。つまり、第３流路４０３の下端が底板１８６により塞がれている。

第５筒状体１５０の下部（底板１８６よりも僅かに上方側）には、空気導入管１９２が接続されている。空気導入管１９２の内部空間は第３流路４０３に通じている。空気導入管１９２は、発電用の空気をケーシング１０の内部に導入するための配管である。

以上のような構成により、第２筒状体１２０は、第１流路４０１と第２流路４０２の第１流路部分４０２ａとを隔てる隔壁となっている。すなわち、第２筒状体１２０は、本願発明の第１隔壁として機能する。第４筒状体１４０は、第２流路４０２の第２流路部分４０２ｂと第３流路４０３とを隔てる隔壁となっている。すなわち、第４筒状体１４０は、本願発明の第２隔壁として機能する。第３筒状体１３０は、第２流路４０２の第１流路部分４０２ａと第２流路部分４０２ｂとを隔てる隔壁となっている。すなわち、第３筒状体１３０は、本願発明の第３隔壁として機能する。

第６筒状体１６０は、第３筒状体１３０の内側であり且つベースプレートＢＰの下方側となる位置に配置された筒状体である。第６筒状体１６０は、上方側の部分である上円筒部１６１と、下方側の部分である下円筒部１６２とを有している。上円筒部１６１の径は下円筒部１６２の径に比べて小さい。上円筒部１６１の下端と下円筒部１６２の上端とは、水平に配置されたドーナツ状の円板である中間部１６３で繋がれている。上円筒部１６１の上端はベースプレートＢＰの下面に当接している。下円筒部１６２の下端は底板１８４の上面に当接している。

下円筒部１６２の径は第３筒状体１３０の径よりも小さい。このため、第３筒状体１３０と第６筒状体１６０との間には全周に亘って隙間が形成されている。また、当該隙間には改質ユニット３０が配置されているが、改質ユニット３０と第６筒状体１６０との間にも全周に亘って隙間が形成されている。以下の説明においては、第６筒状体１６０の内側に形成された空間を「内側空間６０１」とも称する。また、第６筒状体１６０の下円筒部１６２と、改質ユニット３０の内側円筒３２０との間に形成された空間を、「外側空間６０２」とも称する。

下円筒部１６２のうち、改質ユニット３０の下端部よりも低い位置には、貫通孔である流出口１６５が複数形成されている。これら複数の流出口１６５は、同じ高さにおいて等間隔に並ぶよう形成されている。これら流出口１６５により、内側空間６０１と外側空間６０２とが連通されている。流出口１６５は、燃焼器２０における燃焼により生じた高温の燃焼排ガスが通る孔である。

燃焼器２０は、発電に供しなかった残余の燃料（以下、「残余燃料」とも称する）及び発電に供しなかった残余の空気（以下、「残余空気」とも称する）を混合して燃焼させるためのバーナーである。燃焼器２０は、全体が略円柱形状に形成されており、ベースプレートＢＰの下面のうち中央から下方に向けて突出するように配置されている。また、上面視において、燃焼器２０はケーシング１０の中央となる位置（上円筒部１６１の中心軸に沿った位置）に配置されている。

セルスタックＣＳから排出される残余燃料及び残余空気は、いずれもスタックアダプタＡＤ内に形成された流路及びベースプレートＢＰ内に形成された流路を通じて、燃焼器２０の上端部へと供給される。その後、残余燃料及び残余空気は、燃焼器２０内に形成された流路を通って燃焼器２０の下端部に到達し、下端部において混合されながら下方に向けて噴出される。燃焼器２０の下端部では、噴出された残余燃料及び残余空気が燃焼し、高温の燃焼排ガスが生じる。また、当該燃焼の熱により燃焼器２０自体も高温となる。

燃焼器２０の下方側には着火器ＩＧが配置されている。着火器ＩＧは、燃焼器２０から噴出された残余燃料及び残余空気の混合気体に着火させて、燃焼を開始させるための装置である。着火器ＩＧは、底板１８４及び断熱材ＴＩを上下に貫いており、火花放電が生じる上端部を燃焼器２０の下端に近接させた状態で配置されている。着火器ＩＧによる着火は、燃料電池装置ＦＣの起動時において行われる。

改質ユニット３０の構成について説明する。改質ユニット３０は、改質反応によって都市ガスからガス状の燃料（水素含有ガス）を生成する改質器３０２と、水蒸気を発生させて改質器３０２に供給する蒸発器３０１とが一体となったものである。改質ユニット３０は、その全体が略円筒形状となっており、ケーシング１０の内部のうち第３筒状体１３０と第６筒状体１６０との間の空間に配置されている。改質ユニット３０は、外側円筒３１０と、内側円筒３２０と、天板３３０と、第１底板３４０と、第２底板３５０と、第１仕切板３６０と、第２仕切板３７０とを有している。このうち、外側円筒３１０、内側円筒３２０、天板３３０、第１底板３４０、第２底板３５０、及び第１仕切板３６０のうち第１底板３４０よりも下方側の部分は、改質ユニット３０の外形を区画している。

外側円筒３１０は、改質ユニット３０の外側面を形成する筒状体である。外側円筒３１０の中心軸は第３筒状体１３０の中心軸と一致している。外側円筒３１０の外径は第３筒状体１３０の内径に略等しい。外側円筒３１０は、その外側面の略全体が第３筒状体１３０の内側面に当接している。外側円筒３１０は、底板１８３よりも更に下方側まで延びている。

内側円筒３２０は、改質ユニット３０の内側面を形成する筒状体である。内側円筒３２０の中心軸は第３筒状体１３０の中心軸と一致している。内側円筒３２０の外径は、外側円筒３１０の内径よりも小さい。このため、外側円筒３１０と内側円筒３２０との間には空間が形成されている。当該空間の一部が、水が水蒸気となって流れる空間となっている。また、当該空間の他の一部が、改質反応が生じて燃料が生成される空間となっている。

内側円筒３２０の内径は、第３筒状体１３０の下円筒部１６２の外径よりも大きい。このため、既に説明したように、改質ユニット３０と第６筒状体１６０との間には全周に亘って隙間が形成されている。内側円筒３２０の上端の高さは、外側円筒３１０の上端の高さと同一となっている。一方、内側円筒３２０の下端の高さは、外側円筒３１０の下端の高さよりも高くなっており、底板１８３の下端の高さと同一となっている。

天板３３０は、水平に配置されたドーナツ状の円板である。天板３３０の外側面は、外側円筒３１０の内側面のうち上端部に繋がっている。また、天板３３０の内側面は、内側円筒３２０の外側面のうち上端部に繋がっている。このように、天板３３０によって外側円筒３１０の上端と内側円筒３２０の上端とが繋がれている。

第１底板３４０は、水平に配置されたドーナツ状の円板である。第１底板３４０は底板１８３と同一の高さとなる位置に配置されている。第１底板３４０の外側面は、後述の第１仕切板３６０の内側面に繋がっている。また、第１底板３４０の内側面は、内側円筒３２０の内側面のうち下端部に繋がっている。

第２底板３５０は、水平に配置されたドーナツ状の円板である。第２底板３５０の外側面は、外側円筒３１０の内側面のうち下端部に繋がっている。また、第２底板３５０の内側面は、後述の第１仕切板３６０の外側面のうち下端部に繋がっている。このため、第２底板３５０は第１底板３４０よりも低い位置に配置されている。

第１仕切板３６０は、その一部が改質ユニット３０の内部に配置された筒状体である。第１仕切板３６０の中心軸は、外側円筒３１０の中心軸及び内側円筒３２０の中心軸と一致している。第１仕切板３６０の外径は、外側円筒３１０の内径よりも小さい。このため、外側円筒３１０と第１仕切板３６０との間には、全周に亘って一定の隙間が形成されている。

第１仕切板３６０の上端の高さは、外側円筒３１０の上端の高さよりも低くなっている。このため、第１仕切板３６０の上端と天板３３０の下面との間には隙間が空いている。第１仕切板３６０の下端の高さは、外側円筒３１０の下端の高さと同一となっている。既に述べたように、第１仕切板３６０の下端部には外側から第２底板３５０が繋がっている。また、第１仕切板３６０には内側から第１底板３４０が繋がっている。

第２仕切板３７０は、その全体が改質ユニット３０の内部に配置された筒状体である。第２仕切板３７０の中心軸は、外側円筒３１０の中心軸及び内側円筒３２０の中心軸と一致している。第２仕切板３７０の外径は、第１仕切板３６０の内径よりも小さい。このため、第２仕切板３７０と第１仕切板３６０との間には、全周に亘って一定の隙間が形成されている。また、第２仕切板３７０の内径は、内側円筒３２０の外径よりも大きい。このため、第２仕切板３７０と内側円筒３２０との間にも、全周に亘って一定の隙間が形成されている。

第２仕切板３７０は、その上端を天板３３０の底面に当接させた状態で、天板３３０に対して固定されている。第２仕切板３７０の下端の高さは、内側円筒３２０の下端の高さよりも高くなっている。このため、第２仕切板３７０の下端と第１底板３４０の上面との間には隙間が空いている。

以上のような構成により、改質ユニット３０の内部には、外側円筒３１０と第１仕切板３６０との間に形成された空間である第１空間３８１と、第１仕切板３６０と第２仕切板３７０との間に形成された空間である第２空間３８２と、第２仕切板３７０と内側円筒３２０との間に形成された空間である第３空間３８３とが形成されている。第１仕切板３６０の上方において第１空間３８１と第２空間３８２とが繋がっており、第２仕切板３７０の下方において第２空間３８２と第３空間３８３とが繋がっている。

第２底板３５０には、水供給配管３９１の一端が下方から接続されている。水供給配管３９１は、第１空間３８１に水を供給するための配管である。水供給配管３９１の他端は、ケーシング１０の外部に配置された水供給ポンプ（不図示）に接続されている。

水供給配管３９１から第１空間３８１内に供給された水は、排ガス流路４１３を通る高温の燃焼排ガスによって加熱されて水蒸気となる。水蒸気は、第１空間３８１、第２空間３８２を順に通って、第３空間３８３の入口に到達する。このように、改質ユニット３０のうち、第１空間３８１、第２空間３８２、及びこれらを区画する壁面は、外部から供給される水を蒸発させる部分、すなわち蒸発器３０１に該当する部分となっている。

第１空間３８１には支持板３５２が配置されている。支持板３５２は、第１空間３８１を上下に仕切るように水平に配置されたドーナツ状の板である。支持板３５２は、第１底板３４０と同一の高さとなる位置において、外側円筒３１０及び第１仕切板３６０に対して固定されている。支持板３５２には複数の貫通孔が形成されており、支持板３５２を水が通過し得るようになっている。第１空間３８１のうち支持板３５２よりも上方側には、外側円筒３１０から水への伝熱を促進するための伝熱促進部材ＣＢが充填されている。伝熱促進部材ＣＢは複数のアルミナの球体（セラミックボール）である。

第１底板３４０には、都市ガス供給配管３９２の一端が下方から接続されている。都市ガス供給配管３９２は、第３空間３８３の入口部分に都市ガスを供給するための配管である。都市ガス供給配管３９２の他端は脱硫器６１（図２参照）に接続されている。

第３空間３８３には改質触媒ＲＣが充填されている。改質触媒ＲＣは、アルミナの球体表面にニッケル等の触媒金属を担持させたものである。第３空間３８３のうち、第２仕切板３７０の下端より僅かに高い位置には、水平に配置された金属網（不図示）が固定されており、当該金属網によって改質触媒ＲＣが下方から支えられている。

都市ガス供給配管３９２から改質ユニット３０の内部に供給された都市ガスは、第３空間３８３の入口部分において水蒸気と混合された後、第３空間３８３を上方に向かって流れる。この時、都市ガスと水蒸気が改質触媒ＲＣに触れることによって水蒸気改質反応が生じ、燃料（水素含有ガス）が生成される。このように、改質ユニット３０のうち、第３空間３８３及びこれを区画する壁面は、蒸発器３０１からの水蒸気の供給、及び外部から都市ガスの供給を受けて水蒸気改質反応が生じる部分、すなわち改質器３０２に該当する部分となっている。改質触媒ＲＣは、第３空間３８３の周方向全体に亘って充填されている。このため、蒸発器３０１から供給された水蒸気が、改質触媒ＲＣに触れることなく第３空間３８３を通過してしまうことはない。

内側円筒３２０のうち上端部の近傍には、燃料供給配管３９３の一端が接続されている。燃料供給配管３９３は、改質ユニット３０（改質器３０２）において生成された燃料をセルスタックＣＳへ供給するための配管である。燃料供給配管３９３の他端はベースプレートＢＰの下面に接続されている。燃料は、第３空間３８３の上部から燃料供給配管３９３を通ってベースプレートＢＰに到達する。その後、ベースプレートＢＰ内に形成された流路及びスタックアダプタＡＤ内に形成された流路を通って、セルスタックＣＳに供給される。

改質ユニット３０は、耐熱性の材質からなる円筒型のシールブロックＳＢにより下方から支持されている。シールブロックＳＢは、その上端が改質ユニット３０の下面（第１底板３４０）に当接しており、その下端が底板１８４の上面に当接している。シールブロックＳＢの内径は改質ユニット３０の内径に等しい。また、シールブロックＳＢの径方向の寸法（厚さ）は、改質ユニット３０の径方向の寸法（厚さ）よりも小さくなっている。このため、図１に示されるように、シールブロックＳＢの外側（改質ユニット３０の下方側）には空間ＳＰが形成されている。

第６筒状体１６０の外側の空間と空間ＳＰとは、改質ユニット３０及びシールブロックＳＢによって分離されており、両者の間をガスが通過することができなくなっている。高温の燃焼排ガスが空間ＳＰ内に流入しないため、空間ＳＰ内の気温は比較的低温に保たれている。

続いて、図２を主に参照しながら、燃料電池装置ＦＣの動作中におけるガス（空気、都市ガス、燃料、及び燃焼排ガス）の流れについて説明する。

まず、セルスタックＣＳに供給される発電用の空気（酸化剤）の流れについて説明する。空気は、ケーシング１０の外部に配置されたブロア（不図示）から、空気導入管１９２を通じてケーシング１０の内部に供給される。

空気導入管１９２を通じて供給された空気は、第３流路４０３を上方に向かって流れる。その後、隙間４０５を経由して第１流路４０１に流入し、第１流路４０１を下方に向かって流れる。

第３流路４０３と第１流路４０１との間には、第２流路４０２が配置されている。第２流路４０２の内部には、高温の燃焼排ガスが通っている。このため、ケーシング１０内に導入された空気は、第３流路４０３及び第１流路４０１を通る間に燃焼排ガスによって加熱され、その温度を上昇させる。つまり、空気と燃焼排ガスとの間で熱交換が行われる。

また、発電中においてセルスタックＣＳは高温となっており、セルスタックＣＳからの輻射熱によって第１筒状体１１０も高温となっている。このため、空気は、第１流路４０１を通る際において第１筒状体１１０に触れることにより更に加熱される。

このように、第１流路４０１及び第３流路４０３は、燃焼排ガスの熱及びセルスタックＣＳからの輻射熱によって空気が加熱されながら流れる流路となっている。このため、以下の説明においては、第１流路４０１と第３流路４０３とをまとめて「空気加熱流路４０」とも表記する。空気加熱流路４０は、セルスタックＣＳを側方から取り囲むように配置されている。空気加熱流路４０は、燃焼器２０における燃焼により生じ第２流路４０２を流れる燃焼排ガスと、セルスタックＣＳに供給される空気との間で熱交換を行う予熱器に該当するものということができる。

第１流路４０１の下部まで到達した空気は、第１筒状体１１０に形成された吹出口１１１からセルスタックＣＳに向けて噴出される。その後、空気はそれぞれの単セルの空気極に到達し、発電に供される。

次に、水及び水蒸気の流れについて説明する。改質ユニット３０（蒸発器３０１）には、ケーシング１０の外部に配置された水供給ポンプ（不図示）から水供給配管３９１を通じて水が供給される。水供給配管３９１は第２底板３５０に対して下方から接続されている。このため、供給された水は、まず第１空間３８１の下部に形成された空間に溜まることとなる。具体的には、第１空間３８１のうち支持板３５２よりも下方側の空間である貯水部ＷＳに溜まることとなる。

貯水部ＷＳは、外側円筒３１０のうち底板１８３よりも下方側の部分（以下、当該部分を「区画壁３１１」とも表記する）と、第２底板３５０と、第１仕切板３６０のうち第１底板３４０よりも下方側の部分（以下、当該部分を「区画壁３６１」とも表記する）とによって区画された空間となっている。

貯水部ＷＳを区画する区画壁３１１、第２底板３５０、及び区画壁３６１は、改質ユニット３０の底面の一部を下方に向けて延ばしたような形状となっている。これらは、いずれも空間ＳＰ内に配置されている。つまり、高温の燃焼排ガスが到達せず、比較的低温となっている空間内に配置されている。

また、排ガス流路４１３を通る燃焼排ガスによって外側円筒３１０は加熱されるのであるが、区画壁３１１は底板１８３よりも下方側に配置されているため、燃焼排ガスによって直接は加熱されない。このため、貯水部ＷＳ内において水が沸騰することはなく、貯水部ＷＳ内は全体が水（液体）で満たされている。

水供給ポンプから水が供給されることにより、第１空間３８１内の水面の高さは、支持板３５２の上面よりも僅かに高い位置に維持される。このため、支持板３５２の上方側に充填された伝熱促進部材ＣＢ（アルミナの球体）は、一部が水没した状態となっている。

第１空間３８１内においては、燃焼排ガスによって高温となった外側円筒３１０からの伝熱により、伝熱促進部材ＣＢも高温となっている。支持板３５２よりも上方側に存在する水は、高温の伝熱促進部材ＣＢに触れることにより沸騰し、水蒸気となる。

このように、第１空間３８１内において水は水蒸気となり、上方側に向かって流れる。その後、水蒸気は第２空間３８２を下方に向かって流れて、第３空間３８３（改質器３０２）に供給される。

次に、セルスタックＣＳに供給される燃料の流れ、及び燃料の原料である都市ガスの流れについて説明する。都市ガスは、ケーシング１０の外部から都市ガス供給配管３９２を通じて改質ユニット３０内に供給される。都市ガスの供給源と都市ガス供給配管３９２との間には脱硫器６１が配置されている。脱硫器６１は、都市ガスに含まれる硫黄成分を除去するための装置である。都市ガスは、単セルの性能に悪影響を及ぼす硫黄成分が脱硫器６１によって除去された後、改質ユニット３０内に供給される。

都市ガス供給配管３９２から改質ユニット３０の内部に供給された都市ガスは、第３空間３８３の入口部分において水蒸気と混合される。その後、改質触媒ＲＣが充填された第３空間３８３を上方に向かって流れる。

第６筒状体１６０の下円筒部１６２と、改質ユニット３０の内側円筒３２０との間に形成された空間には、高温の燃焼排ガスが通っている。このため、都市ガス及び水蒸気は、第３空間３８３を通る間に燃焼排ガスによって加熱され、その温度を上昇させる。つまり、都市ガス及び水蒸気と燃焼排ガスとの間で熱交換が行われる。また、第３空間３８３に充填されている改質触媒ＲＣも、内側円筒３２０を通じた伝熱によって高温となっている。

燃焼器２０を取り囲む第６筒状体１６０は、燃焼排ガスによって加熱されていることに加え、燃焼器２０からの輻射熱によっても加熱されているため、非常に高温となっている。その結果、改質ユニット３０の内側円筒３２０には、高温となった第６筒状体１６０からの輻射熱（燃焼器２０から第６筒状体１６０を経由して到達した輻射熱ともいえる）が到達している。つまり、内側円筒３２０を含む改質器３０２は、燃焼排ガスによって加熱されるだけではなく、燃焼器２０からの輻射熱によっても加熱されている。

このような状態において、都市ガスと水蒸気の混合ガスが改質触媒ＲＣに触れると、第３空間３８３（改質器３０２）では水蒸気改質反応が生じる。その結果、上記混合ガスからガス状の燃料が生成される。尚、水蒸気改質反応は吸熱反応であるため、反応を安定して維持させるためには熱の供給が必要となる。本実施形態においては、内側円筒３２０を通じて加えられる燃焼排ガスからの熱、及び燃焼器２０からの輻射熱の両方が、水蒸気改質反応を維持するための熱として用いられる。

改質器３０２において生成された燃料は、燃料供給配管３９３及びスタックアダプタＡＤ内の流路を通ってセルスタックＣＳに供給される。燃料は、それぞれの単セルの燃料極に到達し、発電に供される。

次に、燃焼排ガスの流れについて説明する。既に説明したように、セルスタックＣＳから排出された残余燃料及び残余空気は燃焼器２０に供給され、燃焼器２０の下端部において燃焼する。当該燃焼の結果、第６筒状体１６０の内部（内側空間６０１）では高温の燃焼排ガスが生じる。燃焼排ガスは、流出口１６５を通って第６筒状体１６０の外側（外側空間６０２）へ流出する。

その後、燃焼排ガスは、内側円筒３２０に沿って外側空間６０２を上方に向かって流れる。このとき、既に述べたように、燃焼排ガスの熱は内側円筒３２０を通じて第３空間３８３に伝達され、水蒸気改質反応を維持するための熱の一部として用いられる。

外側空間６０２を通過した燃焼排ガスは、第１流路４０１を流れる空気との間で熱交換しながら、第２流路４０２の第１流路部分４０２ａを上方に向かって流れる。続いて、第３流路４０３を流れる空気との間で熱交換しながら、第２流路４０２の第２流路部分４０２ｂを下方に向かって流れ排ガス流路４１３に流入する。

改質ユニット３０の外側円筒３１０は、支持板３５２よりも上方側の部分において第３筒状体１３０の内側面に当接している。このため、排ガス流路４１３を通る燃焼排ガスによって外側円筒３１０は高温となっている。

水供給配管３９１から第１空間３８１内に供給された水は、外側円筒３１０からの伝熱（燃焼排ガスの熱）により加熱されて水蒸気となる。つまり、水と燃焼排ガスとの間で熱交換が行われ、これにより第１空間３８１内で水蒸気が生成される。

第２流路４０２の第２流路部分４０２ｂを通り排ガス流路４１３の下端部まで到達した燃焼排ガスは、ガス排出管１９１を通って排熱回収器６２に供給される。排熱回収器６２は、燃焼排ガスと水と熱交換させることにより湯を生成するものである。このように、燃料電池装置ＦＣは発電を行うことに加えて湯を生成することも可能となっており、高い効率でエネルギを利用するコジェネレーションシステムとなっている。

以上説明した燃料電池装置ＦＣによれば、以下の（１）及び（２）に示される作用及び効果を得ることができる。

（１）燃焼排ガスは、第２流路４０２の第１流路部分４０２ａから第２流路部分４０２ｂへと流れる間に、第１流路４０１及び第３流路４０３を流れる空気と熱交換を行うことにより、その温度が低下していく。よって、第１流路部分４０２ａにおける燃焼排ガスの温度と、第２流路部分４０２ｂにおける燃焼排ガスの温度とを比較すると、後者の温度の方が低くなる。そのため、第２筒状体１２０よりも第４筒状体１４０の方が低温になり易い。

また、空気は、第３流路４０３から第１流路４０１へと流れる間に、第２流路４０２を流れる燃焼排ガスと熱交換を行うことにより、その温度が上昇する。よって、第３流路４０３を流れる空気の温度と、第１流路４０１を流れる空気の温度とを比較すると、前者の方が低くなる。これも、第２筒状体１２０よりも第４筒状体１４０の方が低温になり易い要因となる。

さらに、第２筒状体１２０よりも第４筒状体１４０の方がセルスタックＣＳから離間しているため、セルスタックＣＳの輻射熱を受け難い。これも第４筒状体１４０よりも第２筒状体１２０の方が低温になり易い要因となる。

この点、本実施形態では、矢印ａで示す方向（セルスタックＣＳの単セル積層方向）における第４筒状体１４０の長さが、第２筒状体１２０の長さよりも長くなっている。すなわち、第２筒状体１２０の長さに対して、より低温になり易い第４筒状体１４０の長さを長くしている。これにより、熱膨張に起因する第２筒状体１２０の伸び量と第４筒状体１４０の伸び量との偏差を小さくすることができる。よって、第２筒状体１２０の上端及び第４筒状体１４０の上端が連結部材１８２により拘束される構造であっても、第２筒状体１２０と第４筒状体１４０との間に熱ひずみが生じ難くなるため、熱ひずみに起因する損傷を抑制することができる。

（２）第４筒状体１４０において第２筒状体１２０よりも矢印ａで示す方向に長く形成された部分は、燃焼排ガスの熱を利用して熱交換を行う熱交換部、具体的には蒸発器３０１及び改質器３０２を内部に収容している。これにより、セルスタックＣＳに隣接して蒸発器３０１及び改質器３０２を配置することができるため、燃料電池装置ＦＣを小型化することができる。

なお、上記実施形態は、以下の形態にて実施することもできる。

・上記実施形態では、矢印ａで示す方向における第４筒状体１４０の長さを、第２筒状体１２０の長さよりも長くしたが、この構成に代えて、第４筒状体１４０を構成する部材として、第２筒状体１２０を構成する部材よりも熱膨張率の小さい部材を用いてもよい。あるいは、矢印ａで示す方向における第４筒状体１４０の長さを、第２筒状体１２０の長さよりも長くする構成に加え、第４筒状体１４０を構成する部材として、第２筒状体１２０を構成する部材よりも熱膨張率の大きい部材を用いてもよい。いずれの構成であっても、上記（１）に準じた作用及び効果を得ることが可能である。

・第１筒状体１１０、第２筒状体１２０、第３筒状体１３０、第４筒状体１４０、第５筒状体１５０、及び第６筒状体１６０のそれぞれの形状は、円筒状に限らず、例えば多角筒状体等、任意の形状を採用することができる。

・第１流路４０１及び第３流路４０３を流れる流体は、空気等の酸化剤に限らず、燃料電池装置ＦＣで用いられる適宜の流体を採用することができる。また、第２流路４０２を流れるガスも、燃焼排ガスに限らず、燃料電池装置ＦＣで用いられる適宜の流体を採用することができる。要は、第１流路４０１及び第３流路４０３に第１流体が流れるとともに、第２流路４０２に第１流体よりも高温の第２流体が流れる構成であればよい。

・上記実施形態では、第２筒状体１２０及び第４筒状体１４０のそれぞれの下端部がベースプレートＢＰ等の各種部材を介して互いに連結されていたが、第２筒状体１２０及び第４筒状体１４０のそれぞれの下端部は何らかの形で拘束されていればよい。例えば第２筒状体１２０の下端部と第４筒状体１４０の下端部とがそれぞれ異なる部材に連結されていてもよい。

・本発明は上記の具体例に限定されるものではない。すなわち、上記の具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、前述した各具体例が備える各要素及びその配置、材料、条件、形状、サイズ等は、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、前述した実施形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。

ＣＳ：セルスタック
１２０：第２筒状体（第１隔壁）
１３０：第３筒状体（第３隔壁）
１４０：第４筒状体（第２隔壁）
１８２：連結部材
４０１：第１流路
４０２：第２流路
４０２ａ：第１流路部分
４０２ｂ：第２流路部分
４０３：第３流路
３０１：蒸発器（熱交換部）
３０２：改質器（熱交換部）

Claims (7)

1. 燃料及び酸化剤によって発電する燃料電池装置であって、
   前記燃料及び前記酸化剤の供給に基づき発電する単セルが積層されたセルスタック（ＣＳ）と、
   前記セルスタックの周囲に配置される第１流路（４０１）と、
   前記第１流路の周囲に第１隔壁（１２０）を隔てて配置される第２流路（４０２）と、
   前記第２流路の周囲に第２隔壁（１４０）を隔てて配置される第３流路（４０３）と、
   前記単セル積層方向において前記第１隔壁の一端部及び前記第２隔壁の一端部を繋ぐ連結部材（１８２）と、を備え、
   前記第１流路及び前記第３流路には、前記第３流路から前記第１流路に向かって第１流体が流れるとともに、
   前記第２流路には、前記第１流体よりも高温の第２流体が流れ、
   前記第２隔壁の前記単セル積層方向の長さが、前記第１隔壁の前記単セル積層方向の長さよりも長くなっており、
   前記第２隔壁において前記積層方向に前記第１隔壁よりも長く形成された部分は、前記第２流体の熱を利用して熱交換を行う少なくとも１つの熱交換部（３０１，３０２）を内部に収容していることを特徴とする燃料電池装置。
2. 前記第１隔壁と前記第２隔壁との間に第３隔壁（１３０）が更に配置され、
   前記第２流路は、前記第１隔壁と前記第３隔壁との間に配置される第１流路部分（４０２ａ）と、前記第２隔壁と前記第３隔壁との間に配置される第２流路部分（４０２ｂ）とからなることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
3. 前記熱交換部は、改質反応により前記燃料を生成する改質器（３０２）であることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池装置。
4. 前記熱交換部は、水を蒸発させて水蒸気を生成する蒸発器（３０１）であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池装置。
5. 前記第２隔壁を構成する部材の熱膨張率は、前記第１隔壁を構成する部材の熱膨張率よりも大きいことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃料電池装置。
6. 前記第１流体は、前記酸化剤であり、
   前記第２流体は、前記セルスタックから排出される流体を燃焼させた燃焼排ガスであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の燃料電池装置。
7. 前記第１隔壁は、前記セルスタックの周囲に配置される円筒状の部材からなり、
   前記第２隔壁は、前記第１隔壁の外側に配置される円筒状の部材からなることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の燃料電池装置。

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