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技術 燃料電池装置

出願人 株式会社デンソー
発明者 長田康弘早坂厚向原佑輝
出願日 2018年9月17日 (2年3ヶ月経過) 出願番号 2018-173164
公開日 2020年3月26日 (9ヶ月経過) 公開番号 2020-047399
状態 未査定
技術分野 水素、水、水素化物
主要キーワード 空気用配管 温度低下幅 空気供給用配管 外周側空間 入口空間 着火器 周方向全域 回転体形状
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (5)

課題

改質原料ガス燃焼排ガスとの熱交換性能の確保と、改質触媒熱劣化の抑制との両立を図る。

解決手段

燃料電池装置は、改質器16と、燃焼排ガス流路とを備える。改質器16は、改質触媒が配置された触媒配置空間S22を備える。触媒配置空間S22は、筒状に形成された改質器内周壁161と、改質器内周壁161の周方向全域を覆うように筒状に形成された改質器外周壁162との間に形成された環状の空間である。燃焼排ガス流路は、改質器内周壁161を挟んだ触媒配置空間S22の向かい側に形成された内周側空間S24と、改質器外周壁162を挟んだ触媒配置空間S22の向かい側に形成された外周側空間S25とを含む。触媒配置空間S22では、下側から上側に向けて改質原料ガスが流れる。内周側空間S24では、下側から上側に向けて燃焼排ガスが流れる。外周側空間S25では、上側から下側に向けて燃焼排ガスが流れる。

概要

背景

特許文献1に、燃料電池スタックと、改質器と、燃焼器とを備える燃料電池装置が開示されている。改質器は、改質原料ガス改質して燃料電池スタックに供給する燃料ガスを生成する。改質器は、その内部に改質触媒を有する。改質反応が生じる温度とされた改質原料ガスが改質触媒に触れることで、改質反応が生じ、燃料ガスが生成される。燃焼器は、燃料電池スタックから排出される燃料オフガス酸化剤オフガスとを燃焼させて燃焼排ガスを生成する。改質原料ガスは、燃焼排ガスによって加熱されることで、改質反応が生じる温度とされる。

特許文献1の燃料電池装置では、改質器は、燃焼器の周囲に配置されている。燃焼器から流出の燃焼排ガスは、改質器の内周側から外周側へ流れた後、改質器の外周側の流路を流れる。これにより、伝熱壁を介して燃焼排ガスと改質原料ガスとの熱交換によって、改質原料ガスが加熱される。このとき、改質器の外周側の流路を流れる燃焼排ガスの流れは、改質器内を流れる改質原料ガスの流れに対して、並流または向流である。

概要

改質原料ガスと燃焼排ガスとの熱交換性能の確保と、改質触媒の熱劣化の抑制との両立をる。燃料電池装置は、改質器16と、燃焼排ガス流路とを備える。改質器16は、改質触媒が配置された触媒配置空間S22を備える。触媒配置空間S22は、筒状に形成された改質器内周壁161と、改質器内周壁161の周方向全域を覆うように筒状に形成された改質器外周壁162との間に形成された環状の空間である。燃焼排ガス流路は、改質器内周壁161を挟んだ触媒配置空間S22の向かい側に形成された内周側空間S24と、改質器外周壁162を挟んだ触媒配置空間S22の向かい側に形成された外周側空間S25とを含む。触媒配置空間S22では、下側から上側に向けて改質原料ガスが流れる。内周側空間S24では、下側から上側に向けて燃焼排ガスが流れる。外周側空間S25では、上側から下側に向けて燃焼排ガスが流れる。

目的

本発明は上記点に鑑みて、改質原料ガスと燃焼排ガスとの間の高い熱交換性能の確保と、改質触媒の熱劣化の抑制との両立が可能な燃料電池装置を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

燃料電池装置であって、燃料ガス酸化剤ガスとを用いた電気化学反応により発電する燃料電池スタック(2)と、改質原料ガス改質して前記燃料ガスを生成し、生成した前記燃料ガスを前記燃料電池スタックへ供給する改質器(16)と、前記燃料電池スタックから排出される燃料オフガスに含まれる前記燃料ガスと前記燃料電池スタックから排出される酸化剤オフガスに含まれる前記酸化剤ガスとを燃焼させて燃焼排ガスを生成する燃焼器(4)と、前記燃焼排ガスが流れる燃焼排ガス流路(6)と、を備え、前記改質器は、前記改質原料ガスを改質する改質触媒(165)と、前記改質触媒が配置され、かつ、前記改質原料ガスが流れる触媒配置部(S22)と、を有し、前記燃焼排ガス流路は、前記燃焼排ガス流路を流れる前記燃焼排ガスが、伝熱壁(161、162)を介した熱交換によって、前記触媒配置部を流れる前記改質原料ガスを加熱する加熱部(S24、S25)を有し、前記触媒配置部は、軸線周りに筒状に形成された前記伝熱壁としての第1伝熱壁(161)と、前記第1伝熱壁の周方向全域を覆うように筒状に形成された前記伝熱壁としての第2伝熱壁(162)との間に形成されており、前記加熱部は、第1加熱部(S24)と、前記第1加熱部よりも前記燃焼排ガス流れの下流側に位置する第2加熱部(S25)とを含み、前記第1加熱部は、前記第1伝熱壁を挟んだ前記触媒配置部の向かい側に形成されており、前記第2加熱部は、前記第2伝熱壁を挟んだ前記触媒配置部の向かい側に形成されており、前記触媒配置部では、前記第1伝熱壁の軸線方向の一方側から他方側に向けて前記改質原料ガスが流れ、前記第1加熱部では、前記軸線方向の前記一方側から前記他方側に向かって前記燃焼排ガスが流れ、前記第2加熱部では、前記軸線方向の前記他方側から前記一方側に向かって前記燃焼排ガスが流れる、燃料電池装置。

請求項2

前記酸化剤オフガスの一部を前記燃焼器に導く第1オフガス流路(8)と、前記酸化剤オフガスの他の一部を、前記燃焼器を迂回させて、前記燃焼排ガス流路に導く第2オフガス流路(10)と、をさらに備える、請求項1に記載の燃料電池装置。

請求項3

前記燃焼排ガス流路は、前記触媒配置部に対して前記軸線方向の前記他方側に、前記第1加熱部と前記第2加熱部とを連通させる連通部(S26)を有し、前記燃料電池装置は、前記酸化剤オフガスの一部を前記燃焼器に導く第1オフガス流路(8、S21)と、前記酸化剤オフガスの他の一部を、前記燃焼器および前記第1加熱部を迂回させて、前記連通部に導く第2オフガス流路(10、S27)と、を備える、請求項1に記載の燃料電池装置。

請求項4

前記燃焼排ガス流路は、前記触媒配置部に対して前記軸線方向の前記他方側に、前記第1加熱部と前記第2加熱部とを連通させる連通部(S26)を有し、前記燃料電池装置は、前記酸化剤オフガスの一部を前記燃焼器に導く第1オフガス流路(8、S21)と、前記酸化剤オフガスの他の一部を、前記燃焼器、前記第1加熱部および前記連通部を迂回させて、前記第2加熱部に導く第2オフガス流路(10)と、を備える、請求項1に記載の燃料電池装置。

請求項5

前記燃焼器に供給される前記燃料オフガスに含まれる前記燃料ガスの量は、前記燃料電池スタックから排出される前記酸化剤オフガスに含まれる前記酸化剤ガスの全部と過不足なく反応させるのに必要な前記燃料ガスの量よりも少なくなっている、請求項1ないし4のいずれか1つに記載の燃料電池装置。

請求項6

前記燃料電池装置は、前記燃料オフガスの一部を前記燃焼器に導く燃焼器導入流路(12)と、前記燃料電池スタックから排出される前記燃料オフガスの他の一部を、前記燃料電池スタックに供給するための燃料リサイクル流路(14)と、をさらに備える、請求項1ないし4のいずれか1つに記載の燃料電池装置。

技術分野

0001

本発明は、燃料電池装置に関するものである。

背景技術

0002

特許文献1に、燃料電池スタックと、改質器と、燃焼器とを備える燃料電池装置が開示されている。改質器は、改質原料ガス改質して燃料電池スタックに供給する燃料ガスを生成する。改質器は、その内部に改質触媒を有する。改質反応が生じる温度とされた改質原料ガスが改質触媒に触れることで、改質反応が生じ、燃料ガスが生成される。燃焼器は、燃料電池スタックから排出される燃料オフガス酸化剤オフガスとを燃焼させて燃焼排ガスを生成する。改質原料ガスは、燃焼排ガスによって加熱されることで、改質反応が生じる温度とされる。

0003

特許文献1の燃料電池装置では、改質器は、燃焼器の周囲に配置されている。燃焼器から流出の燃焼排ガスは、改質器の内周側から外周側へ流れた後、改質器の外周側の流路を流れる。これにより、伝熱壁を介して燃焼排ガスと改質原料ガスとの熱交換によって、改質原料ガスが加熱される。このとき、改質器の外周側の流路を流れる燃焼排ガスの流れは、改質器内を流れる改質原料ガスの流れに対して、並流または向流である。

先行技術

0004

特開2016−1524号公報

発明が解決しようとする課題

0005

しかしながら、本発明者が検討した結果、燃焼排ガスの流れが改質原料ガスの流れに対して並流の場合、熱交換性能が悪いため、改質器の出口での改質原料ガスの温度は、改質率が高い目標温度よりも低いことがわかった。このため、改質原料ガスの温度を目標温度に近づけられるほどの高い熱交換性能を確保することが求められる。

0006

一方、燃焼排ガスの流れが改質原料ガスの流れに対して向流の場合、熱交換性能に優れるため、改質器の出口での改質原料ガスの温度を目標温度まで昇温させられる。しかしながら、この場合では、改質器内の改質触媒のうち伝熱壁近傍の部分の温度が高くなり、改質触媒の熱劣化が生じることが、本発明者によって見出された。このため、改質触媒の熱劣化を抑制することが求められる。

0007

なお、改質触媒の熱劣化を抑制するために、燃焼器に酸化剤ガスを供給する流路を追加し、燃焼器に対して、酸化剤オフガスと、それとは別の酸化剤ガスとを供給することが考えられる。これによれば、燃焼器に供給される酸化剤ガスを増量させて燃焼温度下げることで、燃焼排ガスの温度を下げることができる。しかしながら、この場合、燃焼排ガスと改質原料ガスとの温度差が小さくなり、熱交換性能が悪化してしまうので、好ましくない。

0008

本発明は上記点に鑑みて、改質原料ガスと燃焼排ガスとの間の高い熱交換性能の確保と、改質触媒の熱劣化の抑制との両立が可能な燃料電池装置を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

0009

上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明によれば、
燃料電池装置は、
燃料ガスと酸化剤ガスとを用いた電気化学反応により発電する燃料電池スタック(2)と、
改質原料ガスを改質して燃料ガスを生成し、生成した燃料ガスを燃料電池スタックへ供給する改質器(16)と、
燃料電池スタックから排出される燃料オフガスに含まれる燃料ガスと燃料電池スタックから排出される酸化剤オフガスに含まれる酸化剤ガスとを燃焼させて燃焼排ガスを生成する燃焼器(4)と、
燃焼排ガスが流れる燃焼排ガス流路(6)と、を備え、
改質器は、改質原料ガスを改質する改質触媒(165)と、改質触媒が配置され、かつ、改質原料ガスが流れる触媒配置部(S22)と、を有し、
燃焼排ガス流路は、燃焼排ガス流路を流れる燃焼排ガスが、伝熱壁(161、162)を介した熱交換によって、触媒配置部を流れる改質原料ガスを加熱する加熱部(S24、S25)を有し、
触媒配置部は、軸線周りに筒状に形成された伝熱壁としての第1伝熱壁(161)と、第1伝熱壁の周方向全域を覆うように筒状に形成された伝熱壁としての第2伝熱壁(162)との間に形成されており、
加熱部は、第1加熱部(S24)と、第1加熱部よりも燃焼排ガス流れの下流側に位置する第2加熱部(S25)とを含み、
第1加熱部は、第1伝熱壁を挟んだ触媒配置部の向かい側に形成されており、
第2加熱部は、第2伝熱壁を挟んだ触媒配置部の向かい側に形成されており、
触媒配置部では、第1伝熱壁の軸線方向の一方側から他方側に向けて改質原料ガスが流れ、
第1加熱部では、軸線方向の一方側から他方側に向かって燃焼排ガスが流れ、
第2加熱部では、軸線方向の他方側から一方側に向かって燃焼排ガスが流れる。

0010

これによれば、第1加熱部の燃焼排ガスの流れは、触媒配置部の改質原料ガスの流れに対して並流である。第2加熱部の燃焼排ガスの流れは、触媒配置部の改質原料ガスの流れに対して向流である。これにより、加熱部の全域の燃焼排ガスの流れが改質原料ガスの流れに対して向流である場合と比較して、伝熱壁の温度上昇を抑制できる。このため、改質触媒の熱劣化を抑制することができる。さらに、加熱部の全域の燃焼排ガスの流れが改質原料ガスの流れに対して並流である場合と比較して、改質原料ガスの温度を高くできる。

0011

さらに、これによれば、触媒配置部に対して内側と外側との両側に、燃焼排ガスから改質原料ガスへ伝熱する伝熱壁がある。これにより、触媒配置部の片側のみに伝熱壁がある場合と比較して、改質原料ガスへの伝熱面積を拡大させることができ、改質器の伝熱性能を向上させることができる。

0012

よって、本発明によれば、改質原料ガスと燃焼排ガスとの間の高い熱交換性能の確保と、改質触媒の熱劣化の抑制との両立が可能である。

0013

なお、各構成要素等に付された括弧付きの参照符号は、その構成要素等と後述する実施形態に記載の具体的な構成要素等との対応関係の一例を示すものである。

図面の簡単な説明

0014

第1実施形態における燃料電池装置が用いられる燃料電池システムの構成要素を示すブロック図である。
第1実施形態における燃料電池装置の内部構造を示す断面模式図である。
第1実施形態の燃料電池装置と比較例1の燃料電池装置とのそれぞれにおいて、燃焼排ガスの図4中の各位置での温度および改質原料ガスの図4中の各位置での温度の測定結果を示す図である。
図2中の燃焼器、改質器およびそれらの周辺部の拡大図である。

実施例

0015

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。

0016

(第1実施形態)
まず、燃料電池装置30が適用される燃料電池システムFCSについて説明する。図1に示すように、燃料電池システムFCSは、燃料電池スタック2と、燃焼器4と、燃焼排ガス流路6と、第1オフガス流路8と、第2オフガス流路10と、燃焼器導入流路12と、燃料リサイクル流路14と、改質器16と、蒸発器18と、脱硫器20と、エジェクタ22と、空気予熱器24と、排熱回収器26とを備える。本実施形態では、燃料電池スタック2、改質器16、燃焼器4、燃焼排ガス流路6等は、後述の通り、モジュール化されており、燃料電池装置30を構成している。

0017

燃料電池スタック2は、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いた電気化学反応により発電する。本実施形態では、燃料ガスとして、改質器16での水蒸気改質反応によって生成した水素ガス一酸化炭素を含むガスが用いられる。酸化剤ガスとして空気が用いられる。燃料ガス中水素酸化剤ガス中酸素との電気化学反応により電気エネルギが発生する。

0018

燃料電池スタック2は、セルスタックとも呼ばれるものであり、図示しない複数の燃料電池セル集合体である。各燃料電池セルは、固体酸化物形の燃料電池セル(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(すなわち、アノード)が形成され、他方側の面に空気極(すなわち、カソード)が形成された構成となっている。燃料極および空気極は、いずれも導電性セラミックスで形成された多孔質体である。燃料電池スタック2では、すべての燃料電池セルが上下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。

0019

燃焼器4は、燃料オフガスに含まれる燃料ガスと酸化剤オフガスに含まれる酸化剤ガスとを燃焼させて燃焼排ガスを生成する。燃料オフガスは、燃料電池スタック2から排出される燃料ガスを含むガスである。酸化剤オフガスは、燃料電池スタック2から排出される酸化剤ガスを含むガスである。本実施形態では、酸化剤ガスとして空気が用いられるため、以下では、酸化剤オフガスを空気オフガスとも呼ぶ。

0020

燃焼排ガス流路6は、燃焼排ガスが流れる流路である。燃焼排ガス流路は、改質器16、空気予熱器24および蒸発器18のそれぞれに隣接して配置されている。これにより、改質器16、空気予熱器24および蒸発器18のそれぞれは、燃焼排ガスによって加熱される。なお、本実施形態では、改質器16、空気予熱器24および蒸発器18の順に燃焼排ガスが流れるように、燃焼排ガス流路6が配置されている。燃焼排ガス流路6のうち蒸発器18よりも下流側は、排熱回収器26に接続されている。

0021

第1オフガス流路8は、酸化剤オフガスの一部を燃焼器4に導く流路である。第2オフガス流路10は、酸化剤オフガスの他の一部を、燃焼器4を迂回させて、燃焼排ガス流路6に導く流路である。本実施形態では、後述の通り、第2オフガス流路10は、燃焼排ガス流路6のうち改質器16を加熱する加熱部に、酸化剤オフガスを合流させる。

0022

燃焼器導入流路12は、燃料オフガスの一部を燃焼器4に導く流路である。燃料リサイクル流路14は、燃料オフガスの他の一部を燃料電池スタック2に供給するための流路である。本実施形態では、燃料リサイクル流路14の下流側端部は、エジェクタ22の吸引口22bに接続されている。すなわち、燃料リサイクル流路14の下流側端部は、改質器16へ改質原料ガスを供給する流路の途中に接続されている。燃料リサイクル流路14は、改質器16に供給される改質原料ガスに燃料オフガスを合流させる。

0023

改質器16は、改質原料ガスを改質して燃料ガスを生成する。改質器16は、生成した燃料ガスを燃料電池スタック2の燃料極へ供給する。改質器16には、改質原料ガスとして都市ガス水蒸気との混合ガスが供給される。都市ガスは、炭化水素(例えば、メタン)を含むガスである。改質器16では、燃焼排ガスとの熱交換によって、都市ガスおよび水蒸気が加熱される。

0024

蒸発器18は、燃焼排ガスとの熱交換によって水を加熱し、水蒸気を生成する。蒸発器18は、生成した水蒸気を改質器16へ供給する。脱硫器20は、都市ガスに含まれる硫黄成分を除去する。脱硫器20は、硫黄成分を除去した後の都市ガスを改質器16へ供給する。

0025

エジェクタ22は、改質原料ガスを改質器16へ供給するとともに、燃料オフガスを吸引して吸引した燃料オフガスを改質器16へ供給する。エジェクタ22は、入口22aと、吸引口22bと、吐出口22cとを有する。エジェクタ22の入口22aには、都市ガスと水蒸気とが合流する合流部21が接続されている。吸引口22bには、燃料リサイクル流路14が接続されている。吐出口22cには、改質器16が接続されている。エジェクタ22は、エジェクタ22の内部の図示しないノズルから燃料ガスを噴射することで、燃料リサイクル流路14から燃料オフガスを吸引し、吸引した燃料オフガスを改質原料ガスとともに吐出する。

0026

空気予熱器24は、燃焼排ガスとの熱交換によって空気を加熱する。空気予熱器24は、予め加熱した空気を燃料電池スタック2の空気極へ供給する。排熱回収器26は、燃焼排ガスの熱を回収する。排熱回収器26は、燃焼排ガスとの熱交換によって水を加熱して、給湯用の湯を生成する。

0027

次に、燃料電池装置30について説明する。図2に示すように、燃料電池装置30は、ケーシング32、ベースプレート34、燃料電池スタック2、改質器16、燃焼器4、燃焼排ガス流路6等を備えている。

0028

ケーシング32は、燃料電池スタック2、改質器16、燃焼器4、燃焼排ガス流路6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32の側面および上面は、図示しない断熱材により覆われている。

0029

ケーシング32は、第1筒状壁36、第2筒状壁38、第3筒状壁40、第4筒状壁42、第5筒状壁44および第6筒状壁46を有している。第1〜第6筒状壁36〜46は、いずれも、金属製であって、軸線の周りに円筒状に形成された壁である。第1〜第6筒状壁36〜46は、それぞれの軸線が同じ位置にあり、かつ、それぞれの軸線が上下方向に沿うように配置されている。なお、図2は、第1〜第6筒状壁36〜46の軸線に沿う平面を断面とする燃料電池装置30の断面を示している。

0030

ベースプレート34は、ケーシング32の内部に水平に配置された金属板である。ベースプレート34は、ケーシング32の内部空間を上下方向に並ぶ2つの空間に区画する。

0031

第1筒状壁36は、第1〜第5筒状壁36〜44の中で最も内側に位置している。第1筒状壁36は、ベースプレート34よりも上側に位置する。第1筒状壁36の上端は、円形状の第1天板48につながっている。第1筒状壁36の内部空間S11は、第1天板48、ベースプレート34等によって密閉されている。第1筒状壁36の内部空間S11に、燃料電池スタック2が収容されている。

0032

第1筒状壁36には、空気供給用開口部361が形成されている。空気供給用開口部361には、空気供給用配管50が接続されている。空気供給用配管50は、空気供給用開口部361から燃料電池スタック2の各燃料電池セルへ空気を供給するための配管である。

0033

また、燃料電池スタック2からの空気オフガスが第1筒状壁36の内部空間S11に排出されるようになっている。第1筒状壁36の内部空間S11は、燃料電池スタック2から排出された空気オフガスが流れる流路の一部を構成している。

0034

燃料電池スタック2は、支持部材52によって支持されている。支持部材52は、燃料電池スタック2とベースプレート34との間に空間を形成するとともに、この空間と燃料電池スタック2の側方の空間とを連通させるように、燃料電池スタック2を持ち上げている。

0035

第2筒状壁38は、ベースプレート34よりも上側の位置からベースプレート34よりも下側の位置まで、上下方向に延びている。第2筒状壁38の内径は、ベースプレート34の外径と等しい。第2筒状壁38の内部にベースプレート34が配置された状態で、第2筒状壁38とベースプレート34とが固定されている。

0036

第2筒状壁38のうちベースプレート34よりも上側の上側部分38aは、第1筒状壁36の外側に位置し、第1筒状壁36の周方向全域を覆っている。第1筒状壁36の周方向全域にわたって、第1筒状壁36と第2筒状壁38の上側部分38aとの間に第1空間S12が形成されている。

0037

第3筒状壁40は、第2筒状壁38の外側に配置され、第2筒状壁38の周方向全域を覆っている。第2筒状壁38の周方向全域にわたって、第2筒状壁38と第3筒状壁40との間に第2空間S13が形成されている。

0038

第4筒状壁42は、第3筒状壁40の外側に配置され、第3筒状壁40の周方向全域を覆っている。第3筒状壁40の周方向全域にわたって、第3筒状壁40と第4筒状壁42との間に第3空間S14が形成されている。

0039

第2筒状壁38の上端と第4筒状壁42の上端とは、上下方向で同じ位置にある。第2筒状壁38の上端は、円環状の第2天板54の内周端につながっている。第4筒状壁42の上端は、第2天板54の外周端につながっている。

0040

第3筒状壁40の上端の位置は、第2筒状壁38の上端および第4筒状壁42の上端よりも低い位置にある。このため、第2空間S13と第3空間S14とは、第3筒状壁40の上端側で連通している。第2空間S13および第3空間S14は、燃焼排ガス流路6の一部を構成している。

0041

第5筒状壁44は、第4筒状壁42の外側に配置され、第4筒状壁42の周方向全域を覆っている。第4筒状壁42の周方向全域にわたって、第4筒状壁42と第5筒状壁44との間に第4空間S15が形成されている。

0042

第5筒状壁44の上端は、第1筒状壁36の上端よりも上側に位置する。第5筒状壁44の上端は、円形状の第3天板56につながっている。すなわち、第5筒状壁44の上側は、第3天板56で塞がれている。第3天板56と第2天板54との間に上側空間S16が形成されている。第3天板56と第1天板48との間に上側空間S17が形成されている。これらの上側空間S16、S17を介して、第1空間S12と第4空間S15とが連通している。本実施形態では、少なくとも第1空間S12および第4空間S15が、燃料電池スタック2に向かって空気が加熱されながら流れる空気流路、すなわち、空気予熱器24を構成している。

0043

第4筒状壁42の下端側の内部には、円形状の第1底板58が配置されている。第1底板58は、第4筒状壁42に固定されている。第3筒状壁40の下端は、第1底板58につながっている。このため、第2空間S13と第3空間S14とは、第3筒状壁40の下端側で連通していない。

0044

第4筒状壁42の第1底板58側の部分には、燃焼排ガス流路の一部を構成する燃焼排ガス配管60の一端が接続されている。第3空間S14の下端部は、燃焼排ガス配管60の内部空間に連通している。この燃焼排ガス配管60の他端側は、図1中の排熱回収器26に接続されている。このため、第3空間S14の下端部は、燃焼排ガス配管60を介して、排熱回収器26に連通している。

0045

第5筒状壁44の下端は、第1底板58よりも上側に位置する。第5筒状壁44の下端は、円環状の第2底板62につながっている。第2底板62によって、第4空間S15の下端部が塞がれている。第5筒状壁44の下端側には、空気用配管64の一端が接続されている。空気用配管64は、燃料電池スタック2へ供給される空気が流れる空気流路の一部を構成する。第4空間S15の下端部は、空気用配管64の内部空間に連通している。

0046

第2筒状壁38の下端は、第1底板58よりも上側に位置する。このため、第2空間S13と後述する第5空間S18とは、第2筒状壁38の下端側で連通している。

0047

第6筒状壁46は、第2筒状壁38のうちベースプレート34よりも下側の下側部分38bの内側に配置されている。第6筒状壁46は、ベースプレート34の下面から下方向に延びている。

0048

第6筒状壁46の内部空間S20に、燃焼器4が配置されている。燃焼器4は、円柱形状であり、ベースプレート34の下面から下方向に延びている。燃焼器4の下端は、第6筒状壁46の下端よりも上側に位置する。ベースプレート34には、第1筒状壁36の内部空間S11と燃焼器4とを連通させる第1連通空間S21が形成されている。この第1連通空間S21を介して、燃料電池スタック2から排出された酸化剤オフガスの一部が、燃焼器4に供給される。したがって、本実施形態では、第1連通空間S21が、第1オフガス流路8を構成している。

0049

また、図示しないが、燃料電池スタック2には、燃料オフガスが流れる図示しない配管が接続されている。この配管の下流側の一部は、燃焼器4に接続されている。この配管の下流側の他の一部は、エジェクタ22の吸引口22bに接続されている。

0050

燃焼器4では、図示しない着火器によって燃料オフガスと酸化剤オフガスとの混合ガスが着火される。これにより、燃料オフガスに含まれる燃料ガスと酸化剤オフガスに含まれる酸化剤ガスとの燃焼が行われる。この燃焼によって高温の燃焼排ガスが生成する。

0051

第2筒状壁38の下側部分38bは、第6筒状壁46の外側に位置し、第6筒状壁46の周方向全域を覆っている。第6筒状壁46の周方向全域にわたって、第6筒状壁46と第2筒状壁38の下側部分38bとの間に第5空間S18が形成されている。第5空間S18は、第6筒状壁46の下端よりも下側の位置で、第6筒状壁46の内部空間S20と連通している。

0052

第5空間S18に、改質器16が配置されている。改質器16は、改質器内周壁161と、改質器外周壁162と、改質器天板163と、仕切壁164と、改質触媒165とを有する。

0053

改質器内周壁161は、軸線の周りに円筒状に形成された壁であり、改質器16の内周側に位置する。軸線は、壁が回転体形状である場合の中心線に相当する。改質器外周壁162は、軸線の周りに円筒状に形成された壁であり、改質器16の外周側に位置する。なお、改質器内周壁161および改質器外周壁162は、円筒状ではなく、多角形等の筒状であってもよい。すなわち、改質器内周壁161および改質器外周壁162の軸線方向に垂直な断面での形状は、円形状でなく、多角形等の他の形状であってもよい。

0054

改質器外周壁162は、改質器内周壁161の周方向全域を覆うように配置されている。より詳細には、改質器外周壁162の軸線が改質器内周壁161の軸線と同じ位置となり、改質器内周壁161の周方向全域にわたって、改質器内周壁161と改質器外周壁162との間に触媒配置空間S22が形成されるように、改質器外周壁162が改質器内周壁161に対して配置されている。触媒配置空間S22は、改質触媒165が配置され、かつ、改質原料ガスが流れる空間であり、触媒配置部に相当する。

0055

改質器内周壁161の軸線方向および改質器外周壁162の軸線方向が上下方向に沿うように、改質器内周壁161および改質器外周壁162が配置されている。改質器内周壁161、改質器外周壁162のそれぞれの軸線方向は、改質器内周壁161、改質器外周壁162のそれぞれの高さ方向と同じ意味である。換言すると、改質器内周壁161および改質器外周壁162は、一方向に延伸している。この一方向は、上下方向である。

0056

改質器内周壁161および改質器外周壁162は、第1底板58からベースプレート34に向かって延びている。改質器内周壁161の下端は、第1底板58よりも上側に位置する。改質器外周壁162の下端は、第1底板58に固定されている。改質器内周壁161の上端および改質器外周壁162の上端は、上下方向で同じ位置にあり、ベースプレート34よりも下側に位置する。

0057

改質器天板163は、円環状であり、水平方向に沿って延びている。改質器天板163は、改質器内周壁161の上端および改質器外周壁162の上端につながっている。改質器天板163は、触媒配置空間S22の上端部を塞いでいる。

0058

仕切壁164は、円形状であり、水平方向に沿って延びている。仕切壁164は、改質器内周壁161の下端につながっている。仕切壁164は、第1底板58よりも上側の位置にある。仕切壁164は、第6筒状壁46の内部空間S20と、仕切壁164と第1底板58との間に形成された入口空間S23とを仕切る。入口空間S23は、改質原料ガスが流入する空間である。

0059

入口空間S23は、触媒配置空間S22と連通している。触媒配置空間S22には、第1底板58の上面から改質器天板163の下面にわたって改質触媒165が配置されている。改質触媒165は、改質原料ガスを改質する触媒である。改質触媒165としては、例えば、アルミナ球体の表面に、ニッケル等の触媒金属担持されたものが用いられる。

0060

図示しないが、改質器天板163には、燃料ガス供給用配管の一端が接続されている。燃料ガス供給用配管の他端は、燃料電池スタック2に接続されている。燃料ガス供給用配管は、改質器16で改質された燃料ガスを燃料電池スタック2の各燃料電池セルへ供給するための配管である。

0061

第5空間S18は、改質器16が配置されることによって、内周側空間S24、外周側空間S25および天板側空間S26に区画されている。内周側空間S24は、改質器内周壁161と第6筒状壁46との間に形成されている。すなわち、内周側空間S24は、改質器内周壁161を挟んだ触媒配置空間S22の向かい側に形成されている。外周側空間S25は、改質器外周壁162と第2筒状壁38の下側部分38bとの間に形成されている。すなわち、外周側空間S25は、改質器外周壁162を挟んだ触媒配置空間S22の向かい側に形成されている。天板側空間S26は、改質器天板163とベースプレート34との間に形成されている。内周側空間S24と外周側空間S25とは、天板側空間S26とを介して連通している。本実施形態では、第6筒状壁46の内部空間S20、内周側空間S24、外周側空間S25および天板側空間S26が、燃焼排ガス流路6の一部を構成している。

0062

ベースプレート34には、天板側空間S26と第1筒状壁36の内部空間S11とを連通させる第2連通空間S27が形成されている。この第2連通空間S27を介して、燃料電池スタック2から排出された酸化剤オフガスの他の一部が、天板側空間S26に供給される。したがって、本実施形態では、第2連通空間S27が、第2オフガス流路10を構成している。

0063

なお、図2に示されていないが、燃料電池装置30は、図1中の蒸発器18およびエジェクタ22を備えている。蒸発器18は、ケーシング32の内部に配置されている。エジェクタ22は、ケーシング32の内部に配置されている。

0064

次に、図1、2を用いて、燃料電池システムFCSの作動中の空気、燃料ガス等のガス流れについて説明する。

0065

空気は、図1に示すように、空気予熱器24で加熱された後、燃料電池スタック2の空気極に供給される。具体的には、図2に示すように、空気は、空気用配管64からケーシング32の内部に流入する。空気用配管64から流入した空気は、第4空間S15、第1空間S12、空気供給用配管50を順に流れた後、燃料電池スタック2の空気極に供給される。第4空間S15および第1空間S12を流れる空気は、第2空間S13および第3空間S14を流れる燃焼排ガスとの熱交換によって加熱される。

0066

都市ガスは、図1に示すように、脱硫器20で脱硫された後、合流部21に向かって流れる。水は、図1に示すように、蒸発器18で蒸発して水蒸気となる。図2には示されていないが、水は、ケーシング32の内部で、燃焼排ガスとの熱交換によって加熱されることで、水蒸気となる。蒸発器18で生成した水蒸気は、合流部21に向かって流れる。合流部21では、都市ガスと水蒸気とが合流して混合ガスとなる。都市ガスと水蒸気との混合ガスは、入口22aからエジェクタ22に流入し、吐出口22cから吐出される。

0067

吐出口22cから吐出された混合ガスは、改質器16に流入する。改質器16に流入した混合ガスは、改質器16で改質されて燃料ガスとなる。改質器16で改質された燃料ガスは、燃料電池スタック2の燃料極に供給される。

0068

具体的には、吐出口22cから吐出された混合ガス、すなわち、改質原料ガスは、図2に示すように、入口空間S23に対して下方から流入する。入口空間S23に流入した混合ガスは、入口空間S23の中央部から放射状に、水平方向に沿って流れる。そして、混合ガスは、触媒配置空間S22の下部に、水平方向から流入する。触媒配置空間S22では、混合ガスは、上下方向の下側から上側に向かって流れる。このとき、混合ガスは、燃焼排ガスとの熱交換によって加熱される。混合ガスが水素改質反応が生じる温度とされるとともに、混合ガスが改質触媒165に触れることで、水蒸気改質反応が生じ、この水蒸気改質反応によって水素ガスおよび一酸化炭素が生成する。水蒸気改質反応は、吸熱反応である。水蒸気改質反応に必要な熱は、燃焼排ガスから供給される。このようにして、改質された燃料ガスは、触媒配置空間S22の上部に接続された図示しない燃料ガス供給用配管を介して、燃料電池スタック2へ供給される。

0069

このように、空気と燃料ガスとが燃料電池スタック2へ供給されることで、燃料電池スタック2は発電する。このとき、発電に使用されなかった燃料ガスを含む燃料オフガスが燃料電池スタック2から排出され、発電に使用されなかった空気を含む空気オフガスが燃料電池スタック2から排出される。

0070

図1に示すように、燃料電池スタック2の空気極から排出された空気オフガスの一部は、第1オフガス流路8を介して、燃焼器4に供給される。具体的には、図2に示すように、燃料電池スタック2の空気極から第1筒状壁36の内部空間S11に、空気オフガスが排出される。内部空間S11に配出された空気オフガスの一部は、第1オフガス流路8としての第1連通空間S21を介して、燃焼器4に供給される。

0071

また、図1に示すように、燃料電池スタック2の空気極から排出された空気オフガスの他の一部は、第2オフガス流路10を介して、燃焼排ガス流路6に供給される。具体的には、図2に示すように、内部空間S11に配出された空気オフガスの他の一部は、第2オフガス流路10としての第2連通空間S27を介して、天板側空間S26に供給される。

0072

図1に示すように、燃料電池スタック2の燃料極から排出された燃料オフガスの一部は、燃焼器導入流路12を介して、燃焼器4に供給される。具体的には、図2中の矢印のように、燃料極の燃料出口側と燃焼器4とを接続する図示しない配管を介して、燃料オフガスの一部は、燃焼器4に供給される。

0073

また、図1に示すように、燃料電池スタック2の燃料極から排出された燃料ガスの他の一部は、燃料リサイクル流路14を介して、エジェクタ22に吸引される。具体的には、図2中の矢印のように、燃料極の燃料出口側とエジェクタ22の吸引口22b側とを接続する図示しない配管を介して、燃料オフガスの他の一部は、エジェクタ22に吸引される。エジェクタ22に吸引された燃料オフガスは、入口空間S23に向かって流れる混合ガスに合流する。これにより、燃料オフガスの他の一部が燃料極へ供給される。

0074

燃焼器4では、燃料オフガスに含まれる燃料ガスと酸化剤オフガスに含まれる酸化剤ガスとの燃焼によって燃焼排ガスが生成する。生成した燃焼排ガスは、図1に示すように、改質器16、空気予熱器24、蒸発器18の順に、燃焼排ガス流路6を流れる。

0075

具体的には、図2に示すように、燃料電池装置30の内部では、燃焼排ガスは、第6筒状壁46の内部空間S20から内周側空間S24、天板側空間S26、外周側空間S25の順に流れる。内周側空間S24では、上下方向の下側から上側に向かって燃焼排ガスが流れる。天板側空間S26では、内側から外側に向かって燃焼排ガスが流れる。外周側空間S25では、上下方向の上側から下側に向かって燃焼排ガスが流れる。本実施形態では、上下方向の下側が改質器内周壁161の軸線方向の一方側に相当し、上下方向の上側が改質器内周壁161の軸線方向の他方側に相当する。

0076

このとき、内周側空間S24を流れる燃焼排ガスは、改質器内周壁161を介した熱交換によって、触媒配置空間S22を流れる改質原料ガスを加熱する。外周側空間S25を流れる燃焼排ガスは、改質器外周壁162を介した熱交換によって、触媒配置空間S22を流れる改質原料ガスを加熱する。

0077

本実施形態では、改質器内周壁161および改質器外周壁162は、燃焼排ガスから改質原料ガスへ熱伝導によって熱を移動させる伝熱壁として機能する。改質器内周壁161は、第1伝熱壁に相当する。改質器外周壁162は、第2伝熱壁に相当する。内周側空間S24および外周側空間S25は、燃焼排ガス流路を流れる燃焼排ガスが、伝熱壁を介した熱交換によって、触媒配置部を流れる改質原料ガスを加熱する加熱部に相当する。外周側空間S25は、内周側空間S24に対して燃焼排ガス流れの下流側に位置する。したがって、内周側空間S24は第1加熱部に相当し、外周側空間S25は第1加熱部よりも燃焼排ガス流れの下流側に位置する第2加熱部に相当する。

0078

外周側空間S25から流出した燃焼排ガスは、第2空間S13、第3空間S14の順に流れる。第2空間S13では、上下方向の下側から上側に向かって燃焼排ガスが流れる。第3空間S14では、上下方向の上側から下側に向かって燃焼排ガスが流れる。このとき、第2空間S13を流れる燃焼排ガスは、第1筒状壁36を介した熱交換によって、第1空間S12を流れる空気を加熱する。第3空間S14を流れる燃焼排ガスは、第4筒状壁42を介した熱交換によって、第4空間S15を流れる空気を加熱する。その後、燃焼排ガスは、燃焼排ガス配管60を介して、排熱回収器26に供給される。

0079

以上の説明の通り、本実施形態の燃料電池装置30は、燃料電池スタック2と、改質器16と、燃焼器4と、燃焼排ガス流路6とを備えている。改質器16は、改質触媒165と、触媒配置空間S22とを有する。触媒配置空間S22は、改質器内周壁161と改質器外周壁162との間に形成された環状の空間である。燃焼排ガス流路6は、燃焼排ガスが流れる内周側空間S24および外周側空間S25を含む。外周側空間S25は、内周側空間S24よりも燃焼排ガス流れの下流側に位置する。内周側空間S24は、改質器内周壁161を挟んだ触媒配置空間S22の向かい側に形成されている。外周側空間S25は、改質器外周壁162を挟んだ触媒配置空間S22の向かい側に形成されている。触媒配置空間S22では、上下方向の下側から上側に向かって改質原料ガスが流れる。内周側空間S24では、上下方向の下側から上側に向かって燃焼排ガスが流れる。外周側空間S25では、上下方向の上側から下側に向かって燃焼排ガスが流れる。

0080

これによれば、内周側空間S24の燃焼排ガスの流れは、触媒配置空間S22の改質原料ガスの流れに対して並流である。外周側空間S25の燃焼排ガスの流れは、触媒配置空間S22の改質原料ガスの流れに対して向流である。これにより、本実施形態と異なり、燃焼排ガス流路のうち改質原料ガスを加熱する加熱部の全域の燃焼排ガスの流れが改質原料ガスの流れに対して向流である場合と比較して、伝熱壁である改質器内周壁161および改質器外周壁162の温度上昇を抑制できる。このため、改質触媒165の熱劣化を抑制することができる。さらに、加熱部の全域の燃焼排ガスの流れが改質原料ガスの流れに対して並流である場合と比較して、改質原料ガスの温度を高くできる。

0081

さらに、これによれば、内周側空間S24は、改質器内周壁161を挟んだ触媒配置空間S22の向かい側に形成されている。外周側空間S25は、改質器外周壁162を挟んだ触媒配置空間S22の向かい側に形成されている。このため、触媒配置空間S22に対して内側と外側との両側に、燃焼排ガスから改質原料ガスへ伝熱する伝熱壁がある。これにより、触媒配置空間S22の片側のみに伝熱壁がある場合と比較して、改質原料ガスへの伝熱面積を拡大させることができ、伝熱性能を向上させることができる。

0082

よって、本実施形態によれば、改質原料ガスと燃焼排ガスとの間の高い熱交換性能の確保と、改質触媒の熱劣化の抑制との両立が可能である。

0083

ここで、本実施形態の燃料電池装置30は、燃焼器導入流路12に加えて、燃料リサイクル流路14を備える。本実施形態の燃料電池装置30では、燃料電池装置30が燃料リサイクル流路14を備えていない場合と比較して、燃焼器4へ供給される燃料オフガスが減少する。例えば、燃料電池スタック2から排出された燃料オフガスの半分が燃料リサイクル流路14を流れる場合、燃焼器4へ供給される燃料オフガスが半減する。このため、本実施形態の燃料電池装置30では、燃料電池装置30が燃料リサイクル流路14を備えていない場合と比較して、燃焼器4で生成される燃焼排ガスの熱量が少ない。

0084

したがって、本実施形態の燃料電池装置30と異なり、燃焼排ガス流路6のうち改質原料ガスを加熱する加熱部の全域の燃焼排ガスの流れが改質原料ガスの流れに対して並流である場合では、熱交換性能が悪く、改質原料ガスの温度が目標温度よりも低いという問題が顕著となる。これに対して、本実施形態によれば、燃料リサイクル流路14を備えていても、改質原料ガスと燃焼排ガスとの間の高い熱交換性能を確保でき、改質原料ガスの温度を目標温度に近づけることができる。

0085

また、燃料電池装置30が燃料リサイクル流路14を備えていない状態で、燃焼器4へ供給される空気に対する燃料ガスの混合比が、燃料ガスと空気(より詳細には、空気中の酸素)とが過不足なく反応するように設定されているときに対して、燃料リサイクル流路14を追加する場合を想定する。この混合比は質量比である。この場合、燃焼器4に供給される燃料ガスの量が、燃料電池スタック2から排出される空気オフガスに含まれる空気の全部と過不足なく反応するのに必要な燃料ガスの量よりも少ない状態となり、燃焼器4での燃焼が不安定となる。換言すると、燃焼器4に供給される空気と燃料ガスとの混合ガスに含まれる燃料ガスが希薄となり、炎が吹き消えてしまうという問題が生じる。

0086

そこで、本実施形態の燃料電池装置30は、空気オフガスの一部を燃焼器4に導く第1オフガス流路8に加えて、空気オフガスの他の一部を、燃焼器4を迂回させて、燃焼排ガス流路6に導く第2オフガス流路10を備える。これによれば、第2オフガス流路10を備えていない場合と比較して、燃焼器4へ供給される空気オフガスを減らすことができる。このため、燃焼器4での空気に対する燃料ガスの混合比が増大することで、燃焼器4での燃焼を安定させることができる。

0087

さらに、これによれば、燃焼器4での空気に対する燃料ガスの混合比が増大することで、燃焼器4での燃焼温度を高くすることができる。このため、燃焼排ガスと改質原料ガスとの温度差を大きくでき、改質器16の伝熱性能を向上させることができる。

0088

また、本実施形態の燃料電池装置30では、燃焼排ガス流路6は、内周側空間S24と外周側空間S25とを連通させる天板側空間S26を有する。第2オフガス流路10は、空気オフガスの他の一部を、燃焼器4および内周側空間S24を迂回させて、天板側空間S26に導く。

0089

これによれば、内周側空間S24で放熱された燃焼排ガスに空気オフガスを合流させることで、合流後の燃焼排ガスの熱容量を増大させることができる。このため、図3に示すように、第2オフガス流路10を備えていない場合と比較して、外周側空間S25での燃焼排ガスの温度低下幅を抑制でき、触媒配置空間S22の出口付近での改質原料ガスの温度を高くすることができる。これらの結果、本実施形態によれば、改質原料ガスの温度を改質率が高い目標温度に近づけることが可能となる。

0090

図3は、本実施形態の燃料電池装置30と比較例1の燃料電池装置とのそれぞれにおいて、燃焼排ガスの図4中の各位置での温度および改質原料ガスの図4中の各位置での温度の測定結果を示す図である。比較例1の燃料電池装置は、第2オフガス流路10を備えていない点で、本実施形態の燃料電池装置30と異なる。比較例1の燃料電池装置の他の構成は、本実施形態の燃料電池装置30と同じである。

0091

図4に示すように、位置H1での燃焼排ガスの温度は、燃焼器4で生成した燃焼排ガスの温度である。位置H2での燃焼排ガスの温度は、内周側空間S24の出口付近での燃焼排ガスの温度である。位置H3での燃焼排ガスの温度は、外周側空間S25の入口付近での燃焼ガスの温度である。位置H4での燃焼排ガスの温度は、外周側空間S25の出口付近での燃焼ガスの温度である。位置L1での改質原料ガスの温度は、触媒配置空間S22に流入する前の改質原料ガスの温度である。位置L2での改質原料ガスの温度は、触媒配置空間S22の出口付近での改質原料ガスの温度である。

0092

比較例1の燃料電池装置では、燃焼排ガスの温度および改質原料ガスの温度は、図3中の破線のように変化する。位置H1での燃焼排ガスの温度が900℃のとき、位置H2、H3での燃焼排ガスの温度は750℃であり、位置H4での燃焼排ガスの温度は600℃であった。この場合、外周側空間S25を流れる燃焼排ガスの出口付近の温度と入口付近の温度の差である温度低下幅は、150℃であった。また、位置L1での改質原料ガスの温度が500℃のとき、位置L2での改質原料ガスの温度は575℃であった。

0093

これに対して、本実施形態の燃料電池装置30では、燃焼排ガスの温度および改質原料ガスの温度は、図3中の実線のように変化する。位置H1での燃焼排ガスの温度が900℃のとき、位置H2での燃焼排ガスの温度は750℃であった。第2オフガス流路10から天板側空間S26に流入する空気オフガスの温度が700℃のとき、位置H3での燃焼排ガスの温度は725℃であり、位置H4での燃焼排ガスの温度は650℃であった。この場合、外周側空間S25を流れる燃焼排ガスの温度低下幅は、75℃であった。また、位置L1での改質原料ガスの温度が500℃のとき、位置L2での改質原料ガスの温度は、比較例1よりも高い600℃であった。

0094

(第2実施形態)
第1実施形態では、第2オフガス流路10は、空気オフガスの他の一部を、燃焼器4および内周側空間S24を迂回させて、天板側空間S26に導くものであった。これに対して、本実施形態では、図示しないが、第2オフガス流路10は、空気オフガスの他の一部を、燃焼器4、内周側空間S24および天板側空間S26を迂回させて、外周側空間S25に導く。これによっても、第1実施形態と同様の効果が得られる。

0095

(他の実施形態)
(1)第2オフガス流路10は、空気オフガスの他の一部を、燃焼器4を迂回させて、内周側空間S24に導くものであってもよい。これによっても、第1実施形態と同様の効果が得られる。第1、第2実施形態およびこの実施形態のように、第2オフガス流路10は、空気オフガスの他の一部を、燃焼器4を迂回させて、燃焼排ガス流路6のうち改質原料ガスを加熱する加熱部に導くものであればよい。この場合、空気オフガスの熱を改質原料ガスの加熱に利用できる。

0096

(2)第2オフガス流路10は、空気オフガスの他の一部を、燃焼器4、内周側空間S24、天板側空間S26、外周側空間S25を迂回させて、燃焼排ガス流路6のうち外周側空間S25よりも下流側の部分に導くものであってもよい。これによっても、第1実施形態の効果のうち、燃焼器4での空気に対する燃料ガスの混合比が増大することで、燃焼器4での燃焼を安定させることができるという効果が得られる。

0097

(3)上記各実施形態では、燃料リサイクル流路14の燃料オフガスの流れを形成するために、エジェクタ22を備えていたが、これに限定されない。エジェクタ22に替えて、燃料リサイクル流路14にポンプを設けてもよい。

0098

(4)上記各実施形態では、燃料電池装置30が燃料リサイクル流路14を備えていた。しかしながら、燃料電池装置30が燃料リサイクル流路14を備えていなくてもよい。燃料電池装置30において、燃焼器4に供給される燃料オフガスに含まれる燃料ガスの量が、燃料電池スタック2から排出される酸化剤オフガスに含まれる酸化剤ガスの全部と過不足なく反応させるのに必要な燃料ガスの量よりも少なくなっていればよい。この場合としては、燃料電池スタック2での燃料ガスの利用率が向上した場合などが挙げられる。この場合に、燃料電池スタック2から排出される酸化剤オフガスの全部が燃焼器4に供給されると、燃料ガスが希薄な状態となり、燃焼器4での燃焼が不安定となる。よって、このような場合に、上記各実施形態の構成(ただし、燃料リサイクル流路14を除く)を採用することで、上記各実施形態と同様の効果が得られる。

0099

(5)また、本発明は、燃焼器4に供給される燃料オフガスに含まれる燃料ガスの量が、燃料電池スタック2から排出される酸化剤オフガスに含まれる酸化剤ガスの全部と過不足なく反応させるのに必要な燃料ガスの量よりも少なくなっている場合に限定されない。この場合でなくても、燃焼器での燃焼の安定化という効果を除き、第1実施形態と同様の効果が得られる。

0100

(6)上記各実施形態では、触媒配置空間S22を上下方向の下側から上側に向かって改質原料ガスが流れ、内周側空間S24を上下方向の下側から上側に向かって燃焼排ガスが流れ、外周側空間S25を上下方向の上側から下側に向かって燃焼排ガスが流れる。しかしながら、燃料電池装置30が上下反対に配置される等によって、触媒配置空間S22を上下方向の上側から下側に向かって改質原料ガスが流れ、内周側空間S24を上下方向の上側から下側に向かって燃焼排ガスが流れ、外周側空間S25を上下方向の下側から上側に向かって燃焼排ガスが流れてもよい。この場合、上下方向の上側が改質器内周壁161の軸線方向の一方側に相当し、上下方向の下側が改質器内周壁161の軸線方向の他方側に相当する。

0101

(7)上記各実施形態では、燃料電池スタック2は、平板状の固定電解質を用いた燃料電池セルが複数積層された構造であったが、他の構造であってもよい。また、上記各実施形態では、燃料電池セルとして、固体酸化物形燃料電池セルを用いたが、上記各実施形態と同様の改質原料ガスを用いるものであれば、他の燃料電池セルを用いてもよい。例えば、溶融炭酸塩形燃料電池MCFC:Molten Carbonate Fuel Cell)セルを用いてもよい。

0102

(8)本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能であり、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。また、上記各実施形態は、互いに無関係なものではなく、組み合わせが明らかに不可な場合を除き、適宜組み合わせが可能である。また、上記各実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。また、上記各実施形態において、実施形態の構成要素の個数数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではない。また、上記各実施形態において、構成要素等の材質、形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の材質、形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その材質、形状、位置関係等に限定されるものではない。

0103

(まとめ)
上記各実施形態の一部または全部で示された第1の観点によれば、燃料電池装置は、燃料電池スタック(2)と、改質器(16)と、燃焼器(4)と、燃焼排ガス流路(6)と、を備える。改質器は、改質触媒(165)と、触媒配置部(S22)と、を有する。燃焼排ガス流路は、燃焼排ガス流路を流れる燃焼排ガスが、伝熱壁(161、162)を介した熱交換によって、触媒配置部を流れる改質原料ガスを加熱する加熱部(S24、S25)を有する。触媒配置部は、軸線の周りに筒状に形成された伝熱壁としての第1伝熱壁(161)と、第1伝熱壁の周方向全域を覆うように筒状に形成された伝熱壁としての第2伝熱壁(162)との間に形成されている。加熱部は、第1加熱部(S24)と、第1加熱部よりも燃焼排ガス流れの下流側に位置する第2加熱部(S25)とを含む。第1加熱部は、第1伝熱壁を挟んだ触媒配置部の向かい側に形成されている。第2加熱部は、第2伝熱壁を挟んだ触媒配置部の向かい側に形成されている。触媒配置部では、第1伝熱壁の軸線方向の一方側から他方側に向けて改質原料ガスが流れる。第1加熱部では、軸線方向の一方側から他方側に向かって燃焼排ガスが流れる。第2加熱部では、軸線方向の他方側から一方側に向かって燃焼排ガスが流れる。

0104

また、第2の観点によれば、第1の観点において、燃料電池装置は、酸化剤オフガスの一部を燃焼器に導く第1オフガス流路(8)と、酸化剤オフガスの他の一部を、燃焼器を迂回させて、燃焼排ガス流路に導く第2オフガス流路(10)と、をさらに備える。これによれば、第2オフガス流路を備えていない場合と比較して、燃焼器へ供給される酸化剤オフガスを減らすことができる。これにより、燃焼器での酸化剤ガスに対する燃料ガスの混合比が増大することで、燃焼器での燃焼温度を高くすることができる。このため、燃焼排ガスと改質原料ガスとの温度差を大きくでき、改質器の伝熱性能を向上させることができる。

0105

また、第3の観点によれば、第1の観点において、燃焼排ガス流路は、触媒配置部に対して軸線方向の他方側に、第1加熱部と第2加熱部とを連通させる連通部(S26)を有する。燃料電池装置は、酸化剤オフガスの一部を燃焼器に導く第1オフガス流路(8、S21)と、酸化剤オフガスの他の一部を、燃焼器および第1加熱部を迂回させて、連通部に導く第2オフガス流路(10、S27)と、を備える。

0106

これによれば、第2の観点と同じ効果を奏する。さらに、これによれば、第1加熱部で放熱された燃焼排ガスに酸化剤オフガスを合流させることで、合流後の燃焼排ガスの熱容量を増大させることができる。このため、第2オフガス流路を備えていない場合と比較して、第2加熱部での燃焼排ガスの温度低下幅を抑制でき、熱交換後の改質原料ガスの温度を高くすることができる。

0107

また、第4の観点によれば、第1の観点において、燃焼排ガス流路は、触媒配置部に対して軸線方向の他方側に、第1加熱部と第2加熱部とを連通させる連通部(S26)を有する。燃料電池装置は、酸化剤オフガスの一部を燃焼器に導く第1オフガス流路(8、S21)と、酸化剤オフガスの他の一部を、燃焼器、第1加熱部および連通部を迂回させて、第2加熱部に導く第2オフガス流路(10)と、を備える。

0108

これによれば、第2の観点と同じ効果を奏する。さらに、これによれば、第1加熱部で放熱された燃焼排ガスに酸化剤オフガスを合流させることで、合流後の燃焼排ガスの熱容量を増大させることができる。このため、第2オフガス流路を備えていない場合と比較して、第2加熱部での燃焼排ガスの温度低下幅を抑制でき、熱交換後の改質原料ガスの温度を高くすることができる。

0109

また、第5の観点によれば、第1〜第4の観点において、燃焼器に供給される燃料オフガスに含まれる燃料ガスの量は、燃料電池スタックから排出される酸化剤オフガスに含まれる酸化剤ガスの全部と過不足なく反応させるのに必要な燃料ガスの量よりも少なくなっている。

0110

第5の観点の構成の場合に、第1〜4の観点の構成を採用することが、特に有効である。すなわち、第5の観点の構成の場合、燃焼器に供給される燃料オフガスに含まれる燃料ガスの量が、燃料電池スタックから排出される酸化剤オフガスに含まれる酸化剤ガスの全部と過不足なく反応させるのに必要な燃料ガスの量と同じ場合と比較して、燃焼器で生成される燃焼排ガスの熱量が少ない。このため、燃焼排ガス流路のうち改質原料ガスを加熱する加熱部の全域での燃焼排ガスの流れが改質原料ガスの流れに対して並流である場合に、熱交換性能が低くなるという問題が顕著となる。そこで、第5の観点の構成の場合に、第1の観点の構成を採用することで、第1の観点によって得らえる効果が顕著となる。

0111

また、第5の観点の構成の場合に、燃料電池スタックから排出される酸化剤オフガスの全部が燃焼器に供給されると、燃料ガスが希薄な状態となり、燃焼器での燃焼が不安定となる。そこで、第5の観点の構成の場合に第2〜4の観点の構成を採用することで、第2オフガス流路を備えていない場合と比較して、燃焼器へ供給される酸化剤オフガスを減らすことができる。このため、燃焼器での酸化剤ガスに対する燃料ガスの混合比が増大することで、燃焼器での燃焼を安定させることができる。

0112

また、第6の観点によれば、燃料電池装置は、燃料オフガスの一部を燃焼器に導く燃焼器導入流路(12)と、燃料電池スタックから排出される燃料オフガスの他の一部を、燃料電池スタックに供給するための燃料リサイクル流路(14)と、をさらに備える。第5の観点の構成となる場合としては、第6の観点の構成を採用する場合が挙げられる。

0113

2燃料電池スタック
4燃焼器
6燃焼排ガス流路
16改質器
165改質触媒
S22触媒配置空間
161改質器内壁
162 改質器外壁
S24内周側空間
S25 外周側空間

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