JP5436196B2

JP5436196B2 - 発電装置

Info

Publication number: JP5436196B2
Application number: JP2009291435A
Authority: JP
Inventors: 立樹渡會; 務祖父江; 尚優杉本; 要次郎梅田; 伸二天羽; 雄広勢山
Original assignee: Tokyo Gas Co Ltd; Rinnai Corp
Current assignee: Tokyo Gas Co Ltd; Rinnai Corp
Priority date: 2009-12-22
Filing date: 2009-12-22
Publication date: 2014-03-05
Anticipated expiration: 2029-12-22
Also published as: JP2011134505A

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熱と伝導熱によって加熱され、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に収容されている発電ユニット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、共通ガス供給部材１６０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明に係る発電装置は、複数本の燃料電池セルが並列に立設されてい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とともに、複数本の燃料電池セルの側面に対面するように燃料電池ユニットの側方に配置されている共通ガス供給部材とを備えている。複数本の燃料電池セルのそれぞれは、柱状であって、軸方向に貫通する改質ガス通路を備える固体酸化物型の燃料電池セルである。この共通ガス供給部材は、熱伝導性材料から成り燃料電池ユニット側に配置される内側板と、内側板と対向する外側板と、複数段および複数列にわたって内側板と外側板との一部が他の部位よりも部分的に近接して酸素含有ガスの流れの障害となることにより酸素含有ガスを蛇行させ、乱流を生じさせる複数の障害部とを備えている。

上記構成では、燃料電池ユニットの側方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、上記構成では、共通ガス供給部材において、燃料電池ユニット側に配置される内側板が、まず燃料電池セルからの輻射熱及び伝導熱により加熱される。そして、酸素含有ガスは、共通ガス供給部材に形成される通路を蛇行して流れるため、酸素含有ガスの流速が速くなりその流れが乱流になるとともに、蛇行による多方向の流れが生じることにより、酸素含有ガスが内側板に接触する機会が多くなる。これにより、内側板と酸素含有ガスとの熱交換とが活発に行われるために、内側板が吸収した燃料電池セルの熱によって酸素含有ガスを適切に加熱することができるため、障害部が形成されていない共通ガス供給部材を用いた場合よりも、燃料電池セルの発電効率を向上させることができる。したがって、コンパクト化を図りつつ、燃料電池セルの発電効率が低下することを抑制することができる。

なお、上記構成において、共通ガス供給部材の内側板と外側板とが近接するとは、これらの板のうち少なくとも一方の板の一部を他方の板側に突出するように折り曲げて２つの板が近接していることと、これらの板のうち少なくとも一方の板に取り付けられる他の部材（突起物など）が、他方の板に近接していることとを含む。また、近接の程度は限定されず、障害部では、内側板と外側板との間に隙間が形成されていてもいいし、内側板と外側板とが当接していてもよい。

また、本明細書に記載の発電装置の共通ガス供給部材では、複数本の燃料電池セルにおける改質ガスの流れの下流側に対応する部位ほど、複数の障害部が密に設けられている。

燃料電池セルにおいては、改質ガスと酸素含有ガスとが反応して発電することにより発熱するために、高温の排ガスが燃料電池セルにおけるガスの流れの下流側へ流れるとともに、この発電に利用されるガスも加熱されてその下流側へと流れる。したがって、これらのガスが徐々に昇温しながら下流側へと流れるため、燃料電池セルにおいてはガスの流れの上流側よりも下流側のほうが高温となりやすい。この点、上記構成では、共通ガス供給部材において、燃料電池セルが高温となる部位に対応して酸素含有ガスの蛇行度合が大きくなるために、内側板を通じて燃料電池セルの熱が酸素含有ガスへより多く供給され、燃料電池セルにおいて高温となりやすい部位ほど放熱量をより多くすることができる。したがって、燃料電池セルに生じる温度勾配を是正して燃料電池セル全体の温度の均一化を図ることができ、燃料電池セルが部分的に高温なりすぎることに起因してこの部位が劣化することや、燃料電池セルが部分的に低温になりすぎることに起因してこの部位での発電効率が低下することを抑制することができる。

本明細書に記載の発電装置によると、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。

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）発電装置の共通ガス供給部材は、内側板における外側板側の面が外側板側に突出することにより外側板に近接して障害部が形成される。そして、内側板は、この障害部が形成される部位で外側板側に窪んでいる。これにより、燃料電池セルに対面する内側板の面積をより大きくすることができるため、内側板が燃料電池セルからより多くの伝導熱を吸収することができる。
（特徴３）共通ガス供給部材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、共通ガス供給部材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、共通ガス供給部材の上部を流れる際にこの排ガスにより加熱される。
（特徴４）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、発電装置の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、突出す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、上端及び側方が閉塞する中空の平板状に形成されている。この共通ガス供給部材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。上述したように、一対の共通ガス供給部材６０は、燃料電池ユニット２０の上に改質器４０及び気化器５０が積層された状態で、これらの両側方を覆っている。すなわち、各々の共通ガス供給部材６０は、燃料電池セル２２の側面と対面するように燃料電池ユニット２０の側方に配置されている。

図１に示すように、共通ガス供給部材６０は、上部における横方向の両側にガス導入管６１が接続されている。各々の共通ガス供給部材６０においては、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６４が形成されており、下寄りの部位には４つの分流用閉塞溝６５が設けられている。共通ガス供給部材６０の下端においては、分流用閉塞溝６５が設けられていない部位で開口して開口部６６を形成している。共通ガス供給部材６０では、貫通孔６４と分流用閉塞溝６５が設けられる部位の間、すなわち上下方向の略中央の領域に複数の障害部６３が設けられている。

各障害部６３は、図２に示すように、共通ガス供給部材６０の燃料電池ユニット２０側に配置される内側板６７と内側板６７と対向する外側板６８とにおいて、内側板６７が部分的に外側板６８側に突出して外側板６８に当接させることにより形成されている。これにより、内側板６７の燃料電池セル２２側の面は、この障害部６３が形成される部位において窪んでいる。なお、この障害部６３は、内側板６７と外側板６８との間に形成される通路を流れる酸素含有ガスの流れの障害となればよく、この障害部６３において内側及び外側の２つの板６７，６８は接着されていてもよいし、単に当接していてもよい。また、障害部６３は、図１に示すように、外側板６８に平行な断面形状が円形状に形成されている。各障害部６３は、上下に４段となり、一番上の段から順に、横方向に４列、５列、４列、５列と設けられている。各障害部６３の横方向の間隔は、何れの段においても同じ長さであり、上下に並ぶ各段の間隔も同じである。したがって、各障害部６３は、共通ガス供給部材６０のこの略中央の領域では略均等に設けられている。また、各分流用閉塞溝６５も、内側板６７が部分的に外側板６８側に突出して外側板６８に当接することにより形成されている。４つの分流用閉塞溝６５は、横方向に断続的に配置されている。

このような構成により、図１の矢印に示すように、ガス導入管６１を通じて共通ガス供給部材６０の内部に流れた酸素含有ガスは、共通ガス供給部材６０を上方から下方へ流れ、障害部６３に衝突する度に流れの方向を変化させるため、酸素含有ガスは共通ガス供給部材６０内を蛇行して流れる。そして、酸素含有ガスは、分流用閉塞溝６５により分流し、下端の開口部６６を通じて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。

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、ガス導入管６１を通じて共通ガス供給部材６０に流入する。ここで、図１に示すように、共通ガス供給部材６０には、ガス導入管６１の間に貫通孔６４が形成されているため、ガス導入管６１を通じて共通ガス供給部材６０に流入した酸素含有ガスは、横方向への拡散が制限されながら、上方から下方へ向かって流れる。そして、この共通ガス供給部材６０には複数の障害部６３が形成されているため、酸素含有ガスは、図１に示すように、共通ガス供給部材６０内の通路を流れる際に、障害部６３に衝突する度に流れの方向を変えて蛇行する。これにより、本実施例では、酸素含有ガスの流れる経路が長くなるため、流速が速くなり、流れが乱流となる。また、酸素含有ガスの多方向の流れが生じる。したがって、本実施例では、障害部が設けられていない構成に比して、酸素含有ガスが内側板６７に接触する機会が多くなる。そして、酸素含有ガスは、分流用閉塞溝６５により分流して開口部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、燃料電池セル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、共通ガス供給部材６０の内側板６７は、燃料電池セル２２からの輻射熱と伝導熱とにより加熱される。ここで、上述したように、この共通ガス供給部材６０の内部を流れる酸素含有ガスは、障害部６３により内側板６７に接触する機会が多くなるために、この内側板６７と酸素含有ガスとの熱交換が活発に行われる。したがって、燃料電池セル２２の発電により発生した熱を酸素含有ガスに対してより多く供給することができ、酸素含有ガスが適切に加熱される。また、本実施例では、内側板６７が、障害部６３が形成される部位において外側板６８側に窪んでいるため、内側板６７を平坦に形成する場合に比して伝熱面積が増加し、内側板６７が燃料電池セルからの伝導熱をより多く吸収することができる。したがって、このことによっても、酸素含有ガスをより適切に加熱することができる。

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との間を流れる。これにより、共通ガス供給部材６０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、共通ガス供給部材６０の上部では、酸素含有ガスが両側のガス導入管６１を通じて流入した後に、貫通孔６４によって横方向への拡散が規制された状態で下方へ流れる。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、共通ガス供給部材６０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。

以上のようにして、酸素含有ガスは、共通ガス供給部材６０の上部を流れる際には排ガスにより加熱され、障害部６３が形成される領域を流れる際には蛇行して流れることにより燃料電池セル２２の熱をより多く吸収して加熱される。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、発電装置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、共通ガス供給部材６０が複数の障害部６３を備える本実施例では熱交換量が１７８Ｗであり、障害部を備えない図４に示す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が複数の障害部６３を備えることにより、障害部を備えない構成よりも、熱交換量が７割程度も向上しており、共通ガス供給部材６０内において酸素含有ガスを蛇行させることにより、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の共通ガス供給部材７０では、燃料電池セル２２における改質ガス及び酸素含有ガスの流れの下流側に対応する部位ほど、酸素含有ガスの蛇行度合が大きくなるように障害部７３が設けられている。なお、本実施例においても、障害部７３は、共通ガス供給部材６０において燃料電池ユニット２０側に配置される内側板７７が外側板７８側に突出してこれらの各板７７，７８が当接することにより形成されている。

各障害部７３は、上下に３段となり、一番上の段から順に横方向に５列、４列、３列に配置されており、横方向に配列される障害部７３の数が下段ほど少なくなっている。また、各障害部６３の横方向の間隔は、上段ほど狭くなっている。また、上下の各段の間隔は、最上段と中間の段との間隔が、中間の段と最下段との間隔よりも狭くなっている。本実施例では、上記実施例１が複数の障害部６３を略均等に設けたことに代わり、複数の障害部７３が共通ガス供給部材７０の下部よりも上部において密集させることによって、燃料電池セル２２でのガスの流れの下流側に対応する部位（共通ガス供給部材７０の上部）ほど酸素含有ガスの蛇行度合を大きくしている。

ここで、燃料電池セル２２では、改質ガスと酸素含有ガスとが反応して発電することにより発熱しており、実施例１で図２を示して説明したように、改質ガス及び酸素含有ガスが下方から上方に向かって流れる。そして、発電により生じた高温の排ガスが上方に流れるとともに、これらの発電に利用されるガスがこの発熱により加熱されながら徐々に上方に流れることにより、燃料電池セル２２においては下部よりも上部の方が高温になりやすい。

この点、共通ガス供給部材７０では、上述したように、上部ほど酸素含有ガスの蛇行度合が大きくなるように障害部７３が設けられている。したがって、共通ガス供給部材７０では、燃料電池セル２２の高温となりやすい上部に対応して、内側板７７と酸素含有ガスとの熱交換がより活発に行われ、内側板７７が燃料電池セル２２から吸収した熱を酸素含有ガスにより放出しやすくなる。そのため、共通ガス供給部材７０の上部においては、内側板７７が燃料電池セル２２の熱をより多く授受するようになり、燃料電池セル２２の上部においては放熱量がより多くなる。一方、共通ガス供給部材７０では、燃料電池セル２２がさほど高温とはならない下部に対応して、内側板７７と酸素含有ガスとの熱交換が上部ほど活発に行われないため、燃料電池セル２２の下部では上部よりも放熱量が少なくなる。

このように、本実施例では、燃料電池セル２２において高温となりやすい部位ほど放熱量をより多くすることができるため、燃料電池セル２２に生じる温度勾配を是正して燃料電池セル２２全体の温度の均一化を図ることができる。したがって、燃料電池セル２２が部分的に高温なりすぎることに起因してこの部位が劣化することや、燃料電池セル２２が部分的に低温になりすぎることに起因してこの部位での発電効率が低下することを抑制することができる。

なお、共通ガス供給部材７０における酸素含有ガスの流れと燃料電池セル２２において発電に利用されるガスの流れとは逆方向であるため、燃料電池セル２２が上部ほど高温であることに対して、共通ガス供給部材６０では上部ほど低温となっている。したがって、共通ガス供給部材６０の上部を流れる酸素含有ガスと燃料電池セル２２の上部との温度差が下部における温度差よりも大きいため、このことからも燃料電池セル２２の上部においては下部よりも酸素含有ガスにより多くの熱を供給することができる。

また、本実施例においても、酸素含有ガスは、共通ガス供給部材７０の上部を流れる際に排ガスにより加熱され、障害部７３が形成される領域を流れる際には蛇行して流れることにより燃料電池セル２２の熱をより多く吸収して加熱される。以上のようにして、本実施例では、障害部がない共通ガス供給部材を用いた場合よりも、酸素含有ガスを適切に加熱して発電装置の発電効率を向上させることができる。したがって、コンパクト化を図りつつ、発電効率が低下することを抑制することができる。
（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、このように燃料電池ユニットの上にこれらの部材を配置することなく、オフガスの燃焼熱をこれらの部材の加熱に利用するようにしてもよい。さらに、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、共通ガス供給部材を平板状に形成しているが、共通ガス供給部材をこの平板状の部材と、この平板状の部材の上端から燃料電池セルの上方に張り出す張り出し部とから構成し、酸素含有ガスが張り出し部と平板状の部材の内部を流れるようにすることで、図２に示した気化器の上方へ流れた排ガスにより、張り出し部を流れる酸素含有ガスを加熱するようにしてもよい。また、上記各実施例では、共通ガス供給部材において、酸素含有ガスがまずオフガスの排ガスにより加熱された後に燃料電池セルの発電により生じた熱により加熱されるようにしているが、酸素含有ガスを排ガスで加熱することなく、燃料電池セルの発電の熱のみにより加熱されるようにしてもよい。また、上記各実施例では、共通ガス供給部材に分流用の閉塞溝や貫通孔を設けて酸素含有ガスの流れを制御するようにしているが、共通ガス供給部材に分流用の閉塞溝や貫通孔を設けない簡素な構成としてもよい。

上記各実施例では、障害部の断面形状が円形状であるが、障害部の形状は特に限定されない。また、上記各実施例では、内側板を外側板側に突出させて障害部を形成し、障害部が形成される部位で内側板の燃料電池セル側と対面する表面は窪むようにしている。しかしながら、内側板を、障害部が設けられる部位において平坦に形成し、外側板を内側板側に窪ませてもよい。また、内側板と外側板との双方を互いに近づくように突出させることにより近接させるようにしてもよい。また、内側板と外側板との何れをも突出させることなく、双方の板の間に部材を介在させてこれらの板を間接的に近接させるようにしてもよい。また、内側板と外側板は、障害部で当接していなくてもよく、一部が微小な隙間を有して近接することにより障害部を構成す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
２３：改質ガス通路
３０：マニホールド
３１：改質ガス供給管
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
６１，１６１：ガス導入管
６３，７３：障害部
６４：貫通孔
６５：分流用閉塞溝
６６，１６６：開口部
６７，７７：内側板
６８，７８：外側板

Claims

複数本の燃料電池セルが並列に立設されてい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とともに、前記複数本の燃料電池セルの側面に対面するように前記燃料電池ユニットの側方に配置されている共通ガス供給部材とを備えており、
前記複数本の燃料電池セルのそれぞれは、柱状であって、軸方向に貫通する改質ガス通路を備える固体酸化物型の燃料電池セルであって、
前記共通ガス供給部材は、熱伝導性材料から成り前記燃料電池ユニット側に配置される内側板と、前記内側板と対向する外側板と、複数段および複数列にわたって前記内側板と前記外側板との一部が他の部位よりも部分的に近接して酸素含有ガスの流れの障害となることにより酸素含有ガスを蛇行させ、乱流を生じさせる複数の障害部とを備えていることを特徴とする発電装置。
前記共通ガス供給部材では、前記複数本の燃料電池セルにおける改質ガスの流れの下流側に対応する部位ほど、前記複数の障害部が密に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の発電装置。