特許 6026691 燃料電池システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】6026691

(24)【登録日】2016年10月21日

(45)【発行日】2016年11月16日

(54)【発明の名称】燃料電池システム

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04701 20160101AFI20161107BHJP

   H01M 8/04 20160101ALI20161107BHJP

   H01M 8/12 20160101ALN20161107BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/04 T

   H01M8/04 J

   H01M8/04 Z

   !H01M8/12

【請求項の数】6

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2016-65236(P2016-65236)

(22)【出願日】2016年3月29日

【審査請求日】2016年7月1日

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000220262

【氏名又は名称】東京瓦斯株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001519

【氏名又は名称】特許業務法人太陽国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】中島 達哉

(72)【発明者】

【氏名】井出 卓宏

【審査官】 大内 俊彦

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００４−２６５８０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−１６１６０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−８９４９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−２０５６４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−８７３７７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ８／０４−８／０６６８，８／１２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料ガスと空気とを反応させて発電する第１燃料電池セルスタックと、
前記第１燃料電池セルスタックと並んで配置され、空気と前記第１燃料電池セルスタックの燃料極から排出された第１アノードオフガスとを反応させて発電し、前記第１燃料電池セルスタックと共にスタックユニットを構成する第２燃料電池セルスタックと、
前記第２燃料電池セルスタックから排出された第２アノードオフガスを燃焼させ、前記スタックユニットを挟んで、一方側に前記第１燃料電池セルスタック及び前記第２燃料電池セルスタックと熱交換可能な第１燃焼空間、他方側に前記第１燃料電池セルスタック及び前記第２燃料電池セルスタックと熱交換可能な第２燃焼空間、が形成された燃焼器と、
を備えた、燃料電池システム。

【請求項2】

前記燃焼器には、前記スタックユニットに沿って配置され前記第１燃焼空間と前記第２燃焼空間と連通させる第１連結空間が形成されている、請求項１に記載の燃料電池システム。

【請求項3】

前記第１連結空間は前記第１燃料電池セルスタック側に配置され、前記第２アノードオフガスの燃焼点は、前記第１燃焼空間の前記第２燃料電池セルスタック側に形成され、燃焼排ガスを排出させる燃焼排ガス管が、前記第２燃焼空間の前記第２燃料電池セルスタック側に形成されている、請求項２に記載の燃料電池システム。

【請求項4】

前記燃焼器には、前記第１燃焼空間及び前記第２燃焼空間を一部として構成され前記スタックユニットの外周を囲む外周空間が形成されている、請求項１に記載の燃料電池システム。

【請求項5】

前記第２アノードオフガスの燃焼点は、前記第１燃焼空間の前記第１燃料電池セルスタックと前記第２燃料電池セルスタックの中間部に形成され、燃焼排ガスを排出させる燃焼排ガス管が、前記第２燃焼空間に形成されている、請求項４に記載の燃料電池システム。

【請求項6】

前記第２燃焼空間には、燃焼排ガスの流路長を長くする仕切部材が設けられている、ことを特徴とする請求項３または請求項５に記載の燃料電池システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は燃料電池システムに関する。

【背景技術】

【0002】

燃料電池システムには、複数の燃料電池セルスタックを有するものがある。例えば、複数の燃料電池セルスタックを多段化し、前段の燃料電池セルスタックから排出されたアノードオフガス中の未反応燃料を、後段の燃料電池セルスタックでの発電に使用する、発電効率の高いものが提案されている。このように、複数の燃料電池セルスタックを有する場合、例えば燃料電池セルスタックの負荷電流の制御方法によっては、発電時の電流が異なる場合がある。その場合は、燃料電池セルスタックからの発熱量が異なり、各々の燃料電池セルスタックの近傍において温度が不均一になる。この場合には、各燃料電池セルスタック間で、発電効率が異なってしまう。また、複数の燃料電池セルスタック間において負荷電流の制御方法を同じにしても、ガスの流量変化などにより燃料電池セルスタックの温度が不均一になると、発電性能が変わるだけでなく、発電可能な温度に達するまでの時間に差が生じることも考えられる。

【0003】

例えば、特許文献１では、燃料電池セルスタックの外周に燃焼部から排出された燃焼ガスを流動させるガス流路を設けて、燃焼電池セルスタックの温度バラツキを抑制している。また、特許文献１では、複数の燃料電池スタックを有しているが、多段に構成されているものではない。各々の燃料電池スタックから排出されたオフガスは、それぞれが燃焼に供され、オフガスを燃焼器や、燃焼器以外の部分に導く構成を有していない。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００７−２４２５６５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明は上記事実を考慮して成されたもので、燃焼電池セルスタックを高温に維持しつつ、複数の燃料電池セルスタック間での温度の不均一を抑制する燃料電池システム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】

【0006】

請求項１記載の発明に係る燃料電池システムは、燃料ガスと空気とを反応させて発電する第１燃料電池セルスタックと、前記第１燃料電池セルスタックと並んで配置され、空気と前記第１燃料電池セルスタックの燃料極から排出された第１アノードオフガスとを反応させて発電し、前記第１燃料電池セルスタックと共にスタックユニットを構成する第２燃料電池セルスタックと、前記第２燃料電池セルスタックから排出された第２アノードオフガスを燃焼させ、前記スタックユニットを挟んで、一方側に前記第１燃料電池セルスタック及び前記第２燃料電池セルスタックと熱交換可能な第１燃焼空間、他方側に前記第１燃料電池セルスタック及び前記第２燃料電池セルスタックと熱交換可能な第２燃焼空間、が形成された燃焼器と、を備えている。

【0007】

請求項１に係る燃料電池システムでは、第１燃料電池セルスタックと第２燃料電池セルスタックは、並んで配置され、スタックユニットを構成している。燃焼器では、第２アノードオフガスが燃焼する。そして、燃焼器は、スタックユニットを挟んで、一方側に第１燃焼空間が形成され、他方側に第２燃焼空間が形成されており、スタックユニットと熱交換可能とされている。

【0008】

このように、スタックユニットが第１燃焼空間と第２燃焼空間に挟まれた位置に配置され、熱交換可能とされているので、第１燃料電池セルスタック及び第２燃料電池セルスタックからの熱の放散を抑制して高温を維持することができると共に、第１燃料電池セルスタックと第２燃料電池セルスタックでの温度の不均一を抑制することができる。

【0009】

請求項２記載の発明に係る燃料電池システムは、前記燃焼器には、前記スタックユニットに沿って配置され前記第１燃焼空間と前記第２燃焼空間と連通させる第１連結空間が形成されている。

【0010】

請求項２記載の発明に係る燃料電池システムでは、第１燃焼空間と第２燃焼空間と連通させる第１連結空間がスタックユニットに沿って配置されているので、スタックユニットからの熱の放散をより抑制することができる。

【0011】

請求項３記載の発明に係る燃料電池システムは、前記第１連結空間は前記第１燃料電池セルスタック側に配置され、前記第２アノードオフガスの燃焼点は、前記第１燃焼空間の前記第２燃料電池セルスタック側に形成され、燃焼排ガスを排出させる燃焼排ガス管が、前記第２燃焼空間の前記第２燃料電池セルスタック側に形成されている。

【0012】

請求項３記載の発明に係る燃料電池システムでは、燃焼器において、第１燃焼空間の第２燃料電池セルスタック側に形成された燃焼点が高温になり、燃焼排ガスがこの燃焼点から第１燃料電池セルスタック側へ向かい、第１連結空間を通って第２燃焼空間へ移動する。そして、第２燃焼空間を第２燃料電池セルスタック側へ向かって移動し、第２燃料電池セルスタック側に形成されている燃焼排ガス管から排出される。燃焼器内の温度は、第１燃焼空間の第２燃料電池セルスタック側、第１燃焼空間の第１燃料電池セルスタック側、第２燃焼空間の第１燃料電池セルスタック側、第２燃焼空間の第２燃料電池セルスタック側、の順で低下する。第２燃料電池セルスタックについては、最も高温である第１燃焼空間の燃焼点と、最も低温である第２燃焼空間の燃焼排ガス管へ送出への排出直前の部分と隣接する。一方、第１燃料電池セルスタックについては、第１燃焼空間の燃焼点よりも下流部分と隣接し、第２燃焼空間では排出よりも上流部分と隣接する。

【0013】

したがって、第１燃料電池セルスタック、第２燃料電池セルスタックの各々が受け取る熱が平準化され、第１燃料電池セルスタックと第２燃料電池セルスタックでの温度の不均一を抑制することができる。

【0014】

請求項４記載の発明に係る燃料電池システムは、前記燃焼器には、前記第１燃焼空間及び前記第２燃焼空間を一部として構成され前記スタックユニットの外周を囲む外周空間が形成されている。

【0015】

請求項４記載の発明に係る燃料電池システムによれば、スタックユニットの外周が燃焼器に形成された外周空間で囲まれているので、第１燃料電池セルスタック及び第２燃料電池セルスタックからの熱の放散をより抑制して高温を維持することができる。

【0016】

請求項５記載の発明に係る燃料電池システムは、前記第２アノードオフガスの燃焼点は、前記第１燃焼空間の前記第１燃料電池セルスタックと前記第２燃料電池セルスタックの中間部に形成され、燃焼排ガスを排出させる燃焼排ガス管が、前記第２燃焼空間に形成されているものである。

【0017】

請求項５記載の発明に係る燃料電池システムでは、燃焼器内の温度は、第１燃焼空間の第１燃料電池セルスタックと第２燃料電池セルスタックの中間部の燃焼点が最も高温となり、第２燃焼空間の第１燃料電池セルスタックと第２燃料電池セルスタックの中間部の燃焼排ガスが排出される部分、即ち、燃焼排ガス管が形成されている部分が低温となる。したがって、第１燃料電池セルスタックと第２燃料電池セルスタックの各々が受け取る熱が平準化され、第１燃料電池セルスタックと第２燃料電池セルスタックでの温度の不均一を抑制することができる。

【0018】

請求項６記載の発明に係る燃料電池システムは、前記第２燃焼空間には、燃焼排ガスの流路長を長くする仕切部材が設けられている、ことを特徴とする。

【0019】

請求項６記載の発明に係る燃料電池システムでは、第１燃焼空間よりも燃焼点から遠い第２燃焼空間に、燃焼排ガスの流路長を長くする仕切部材が設けられている。したがって、仕切部材が設けられていない場合と比較して、第２燃焼空間とスタックユニットとの熱交換量を多くすることができる。

【発明の効果】

【0020】

本発明に係る燃料電池システムによれば、燃焼電池セルスタックを高温に維持しつつ、複数の燃料電池セルスタック間での温度の不均一を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】第１実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。

【図2】第１実施形態における放出部の例（Ａ）〜（Ｃ）を示す図である。

【図3】第１実施形態の変形例に係る燃料電池システムの概略構成図である。

【図4】第２実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。

【図5】第２実施形態における第１放出部、第２放出部の例（Ａ）〜（Ｃ）を示す図である。

【図6】第２実施形態の変形例に係る燃料電池システムの概略構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0022】

［第１実施形態］
以下、図面を参照して本発明の第１実施形態を詳細に説明する。

【0023】

図１には、本実施形態に係る燃料電池システム１０Ａの概略構成が示されている。本実施形態に係る燃料電池システム１０Ａは、主要な構成として、気化器１２、改質器１４、第１燃料電池セルスタック１６、第２燃料電池セルスタック１８、及び、燃焼器４０を備えている。

【0024】

気化器１２には、原料ガス管Ｐ１の一端が接続されており、原料ガス管Ｐ１の他端は図示しないガス源に接続されている。ガス源からは、ブロアＢ１によりメタンが気化器１２へ送出される。また、気化器１２には、水供給管Ｐ２が接続されている。水供給管Ｐ２からは、ポンプＰにより、水（液相）が気化器１２へ送出される。気化器１２では、水が気化される。気化には、後述する燃焼器４０から排出された燃焼排ガスＧ１０の熱を用いることができる。なお、本実施形態では、原料ガスとしてメタンを用いるが、改質が可能なガスであれば特に限定されず、炭化水素燃料を用いることができる。炭化水素燃料としては、天然ガス、ＬＰガス（液化石油ガス）、石炭改質ガス、低級炭化水素ガスなどが例示される。低級炭化水素ガスとしては、メタン、エタン、エチレン、プロパン、ブタン等の炭素数４以下の低級炭化水素が挙げられ、本実施形態で用いるメタンが好ましい。なお、炭化水素燃料としては、上述した低級炭化水素ガスを混合したものであってもよい。

【0025】

メタン及び水蒸気は、気化器１２から配管Ｐ３を介して改質器１４へ送出される。改質器１４は、後述する燃焼器４０との熱交換により加熱される。改質器１４では、メタンを改質し、水素を含む６００℃程度の温度の燃料ガスＧ１を生成する。改質器１４には、燃料ガス管Ｐ４の一端が接続されている。燃料ガス管Ｐ４の他端は、燃料電池セルスタック１６のアノード（燃料極）１６Ａと接続されている。改質器１４で生成された燃料ガスＧ１は、燃料ガス管Ｐ４を介してアノード１６Ａに供給される。

【0026】

第１燃料電池セルスタック１６は、固体酸化物形の燃料電池セルスタックであり(SOFC：Solid Oxide Fuel Cell)、積層された複数の燃料電池セルを有している。第１燃料電池セルスタック１６は、作動温度が６５０℃程度に設定されている。

【0027】

第１燃料電池セルスタック１６の個々の燃料電池セルは、電解質膜と、当該電解質膜の表裏面にそれぞれ積層されたアノード（燃料極）１６Ａ、及びカソード（空気極）１６Ｂと、を有している。

【0028】

第１燃料電池セルスタック１６のカソード１６Ｂには、空気管Ｐ５の一端が接続され、空気管Ｐ５の他端には、ブロアＢ２が接続されている。ブロアＢ２から送出された空気Ｇ５は、空気管Ｐ５によって、カソード１６Ｂへ供給される。なお、空気管Ｐ５を流通する空気Ｇ５は、後述する燃焼排ガスＧ１０との間で熱交換を行って、加熱してもよい。

【0029】

カソード１６Ｂでは、下記（１）式に示すように、空気中の酸素と電子とが反応して酸素イオンが生成される。生成された酸素イオンは電解質膜を通って第１燃料電池セルスタック１６のアノード１６Ａに到達する。

【0030】

（空気極反応）
１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻ →Ｏ^２− …（１）

【0031】

カソード１６Ｂからは、カソードオフガスが排出される。

【0032】

一方、第１燃料電池セルスタック１６のアノード１６Ａでは、下記（２）式及び（３）式に示すように、電解質膜を通ってきた酸素イオンが燃料ガス中の水素及び一酸化炭素と反応し、水(水蒸気)及び二酸化炭素と電子が生成される。アノード１６Ａで生成された電子がアノード１６Ａから外部回路を通ってカソード１６Ｂに移動することで、各燃料電池セルスタックにおいて発電される。また、各燃料電池セルスタックは、発電時に発熱する。

【0033】

（燃料極反応）
Ｈ_２ ＋Ｏ^２− →Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻ …(２)
ＣＯ＋Ｏ^２− →ＣＯ_２＋２ｅ⁻ …(３)

【0034】

アノード１６Ａには、アノードオフガス管Ｐ７の一端が並列接続されている。アノード１６Ａからアノードオフガス管Ｐ７へ、第１アノードオフガスＧ３が排出される。第１アノードオフガスＧ３には、未反応の水素、未反応の一酸化炭素、二酸化炭素及び水蒸気等が含まれている。

【0035】

アノードオフガス管Ｐ７の他端は、後述する第２燃料電池セルスタック１８のアノード１８Ａと接続されており、第１アノードオフガスＧ３はアノード１８Ａへ送出される。

【0036】

第２燃料電池セルスタック１８は、第１燃料電池セルスタック１６と同様の構成を有しており、アノード１６Ａに対応するアノード１８Ａと、カソード１６Ｂに対応するカソード１８Ｂを備えている。第２燃料電池セルスタック１８では、第１燃料電池セルスタック１６と同様の反応により、発電が行われる。第２燃料電池セルスタック１８は第１燃料電池セルスタック１６と並んで配置されており、第１燃料電池セルスタック１６と第２燃料電池セルスタック１８とでスタックユニット１９が構成されている。スタックユニット１９は、第１燃料電池セルスタック１６及び第２燃料電池セルスタック１８の各々が後述する燃焼器４０の第１燃焼空間４１Ａ、第２燃焼空間４２Ａの各々との間で熱交換可能となっている。なお、当該熱交換は、輻射であってもよいし、伝熱材を介した伝熱であってもよい。

【0037】

燃焼器４０は、スタックユニット１９を挟んで一方側に配置された第１燃焼部４１と他方側に配置された第２燃焼部４２を備えている。第１燃焼部４１及び第２燃焼部４２は、各々金属製の箱状とされ、第１燃焼部４１の内部に第１燃焼空間４１Ａが形成され、第２燃焼部４２の内部に第２燃焼空間４２Ａが形成されている。第１燃焼部４１と第２燃焼部４２とは、第１燃料電池セルスタック１６側の端部で第１連結部４４を介して連結されている。第１連結部４４は、スタックユニット１９に沿って配置され、内部には、第１燃焼空間４１Ａ及び第２燃焼空間４２Ａの各々と連通する第１連結空間４４Ａが形成されている。

【0038】

第１燃焼部４１の第２燃料電池セルスタック１８側の端部には、カソードオフガス管Ｐ９−２の一端、及びアノードオフガス管Ｐ８の一端が接続されている。カソードオフガス管Ｐ９−２の他端は、カソード１８Ｂに接続されている。第１燃焼部４１には、第１燃焼空間４１Ａ内へカソードオフガスＧ９−２を放出する放出部４５が形成されている。カソード１８Ｂから排出されたカソードオフガスＧ９−２は、カソードオフガス管Ｐ９−２内を通り、放出部４５から第１燃焼空間４１Ａへ放出される。

【0039】

アノードオフガス管Ｐ８の他端は、アノード１８Ａに接続されている。第１燃焼部４１には、第１燃焼空間４１Ａ内へ第２アノードオフガスＧ８を放出する放出部４６が形成されている。放出部４６から放出された第２アノードオフガスＧ８中の未反応水素、一酸化炭素は、カソードオフガスＧ９−２中の酸素を支燃ガスとして、放出部４６近傍を燃焼点として燃焼する。

【0040】

なお、放出部４５、４６までの経路は、図２（Ａ）に示されるように、第１燃焼部４１の外側から放出部４５、４６までカソードオフガス管Ｐ９−２、第２アノードオフガス管Ｐ８を延在させてもよいし、図２（Ｂ）に示されるように、第１燃焼部４１の内側にカソードオフガス管Ｐ９−２、第２アノードオフガス管Ｐ８を引き込んで放出部４５、４６まで延在させてもよい。さらに、図２（Ｃ）に示されるように、第１燃焼部４１の内部にカソードオフガス管Ｐ９−２の流路４３Ａを設けて放出部４５まで導き、第１燃焼部４１の内部に第２アノードオフガス管Ｐ９−２の流路４３Ｂを設けて放出部４６まで導き第１燃焼空間４１Ａ内へ第２アノードオフガスＧ８を放出させてもよい。

【0041】

第２燃焼部４２には、燃焼排ガス管Ｐ１０が接続されている。燃焼排ガス管Ｐ１０は、第２燃焼部４２の第２燃料電池セルスタック１８側の端部に接続されている。燃焼排ガス管Ｐ１０から、燃焼排ガスＧ１０が排出される。

【0042】

次に、本実施形態の燃料電池システム１０Ａの動作について説明する。

【0043】

ブロアＢ２により所定の流量で送出された空気Ｇ５は、カソード１６Ｂへ供給され、発電に供された後、カソードオフガス管Ｐ９−１を経てカソードオフガスＧ９−１がカソード１８Ｂへ送出される。カソードオフガスＧ９−１は、カソード１８Ｂで発電に供され、カソード１８ＢからカソードオフガスＧ９−２が排出される。カソードオフガスＧ９−２は、カソードオフガス管Ｐ９−２を経て燃焼器４０の第１燃焼部４１へ送出され、放出部４５から第１燃焼空間４１Ａ内へ放出される。

【0044】

一方、ブロアＢ１により送出されたメタンは、気化器１２へ供給される。また、気化器１２には、ポンプＰにより水（液相）が供給され、燃焼排ガス（不図示）により加熱される。これにより水は気化され、加熱されたメタンと水蒸気は配管Ｐ３を経て改質器１４へ送出される。改質器１４は、燃焼器４０との熱交換により加熱され、メタンが燃料ガスＧ１へ改質される。燃料ガスＧ１は、燃料ガス管Ｐ４を経てアノード１６Ａへ供給され、発電に供される。アノード１６Ａからは、未反応の水素等の燃料を含む第１アノードオフガスＧ３が排出され、アノードオフガス管Ｐ７を経てアノード１８Ａへ供給される。第１アノードオフガスＧ３は、アノード１８Ａで発電に供され、アノード１８Ａから第２アノードオフガスＧ８が排出される。

【0045】

第２アノードオフガスＧ８は、アノードオフガス管Ｐ８を経て燃焼器４０の第１燃焼部４１へ送出され、放出部４６から第１燃焼空間４１Ａ内へ放出され、放出部４６の近傍で燃焼する。これにより、放出部４６近傍の温度が上昇する。燃焼排ガスＧ１０は、第１燃焼空間４１Ａの第２燃料電池セルスタック１８側から第１燃料電池セルスタック１６側へ流れ、第１連結空間４４Ａを経て第２燃焼空間４２Ａへ流入する。そして、第２燃焼空間４２Ａの第１燃料電池セルスタック１６側から第２燃料電池セルスタック１８側へ流れ、燃焼排ガス管Ｐ１０Ａから排出される。燃焼器４０内の温度は、燃焼排ガスＧ１０の燃焼点に近い第１燃焼空間４１Ａの第２燃料電池セルスタック１８側、第１燃焼空間４１Ａの第１燃料電池セルスタック１６側、第２燃焼空間４２Ａの第１燃料電池セルスタック１６側、第２燃焼空間４２Ａの第２燃料電池セルスタック１８側、の順で低下する。

【0046】

本実施形態では、スタックユニット１９が第１燃焼空間４１Ａと第２燃焼空間４２Ａに挟まれた位置に配置されているので、第１燃料電池セルスタック及び第２燃料電池セルスタックからの熱の放散を抑制して高温を維持することができる。また、第１燃料電池セルスタック１６と第２燃料電池セルスタック１８の各々が燃焼器４０と熱交換されるので、第１燃料電池セルスタックと第２燃料電池セルスタックでの温度の不均一を抑制することができる。

【0047】

また、本実施形態では、第１燃焼空間４１Ａと第２燃焼空間４２Ａと連通させる第１連結空間４４Ａがスタックユニット１９に沿って配置されているので、スタックユニット１９からの熱の放散をより抑制することができる。

【0048】

また、本実施形態では、第２燃料電池セルスタック１８は、燃焼器４０の最も高温である第１燃焼空間４１Ａの燃焼点近傍と、最も低温である第２燃焼空間４２Ａの燃焼排ガス管Ｐ１０へ送出への排出直前の部分と隣接する。一方、第１燃料電池セルスタック１６については、第１燃焼空間４１Ａとは燃焼点よりも下流部分と隣接し、第２燃焼空間とは排出よりも上流部分と隣接する。したがって、第１燃料電池セルスタック１６、第２燃料電池セルスタック１８の各々が受け取る熱が平準化され、第１燃料電池セルスタック１６と第２燃料電池セルスタック１８での温度の不均一を抑制することができる。

【0049】

なお、第２燃焼部４２の第２燃焼空間４２Ａには、図３に示されるように、仕切部材４２Ｗを設けて、第１連結部４４との接続部分から燃焼排ガス管Ｐ１０との間の流路を長くしてもよい。このように、第２燃焼空間４２Ａ内の流路を長くすることにより、第１燃焼空間４１Ａよりも温度が低い第２燃焼空間４２Ａとスタックユニット１９との熱交換量を多くすることができる。また、仕切部材４２Ｗは、第２燃焼空間４２Ａの中の比較的低温部分である、第２燃料電池セルスタック１８側のみに設けてもよい。

【0050】

また、本実施形態では、放出部４５、４６、燃焼排ガス管Ｐ１０を第２燃料電池セルスタック１８側に設け、第１連結部４４を第１燃料電池セルスタック１６側に設けたが、放出部４５、４６、燃焼排ガス管Ｐ１０を第１燃料電池セルスタック１６側に設け、第１連結部４４を第２燃料電池セルスタック１８側に設けてもよい。さらに、本実施形態では、放出部４５、４６を第１燃焼部４１に設け、燃焼排ガス管Ｐ１０を第２燃焼部４２に設けたが、放出部４５、４６を第２燃焼部４２に設け、燃焼排ガス管Ｐ１０を第１燃焼部４２に設けてもよい。

【0051】

また、本実施形態の燃料電池システム１０Ａは、第１燃料電池セルスタック１６を前段、第２燃料電池セルスタック１８を後段とする、２段の構成の例で説明したが、第２燃料電池セルスタック１８の後段に別の燃料電池セルスタックを有する３段の構成、更に４段目の燃料電池セルスタックを備えた燃料電池システムに本発明を適用することもできる。

【0052】

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態では、第１実施形態と同様の部分については同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。

【0053】

本実施形態の燃料電池システム１０Ｂは、燃焼器の形状、及び、第２アノードオフガス管Ｐ８、カソードオフガスＧ９−２の導入位置が第１実施形態と異なっている。図４に示されるように、燃焼器５０は、第１燃料電池セルスタック１６側の端部で第１燃焼部４１と第２燃焼部４２を連結する第１連結部４４と、第２燃料電池セルスタック１８側の端部で第１燃焼部４１と第２燃焼部４２を連結する第２連結部４８を備えている。第１連結部４４は、スタックユニット１９の第１燃料電池セルスタック１６側に沿って配置され、第２連結部４８は、スタックユニット１９の第２燃料電池セルスタック１８側に沿って配置されている。第１連結部４４内には、第１連結空間４４Ａが形成されており、第２連結部４８内には、第２連結空間４８Ａが形成されている。第１連結空間４４Ａ及び第２連結空間４８Ａは、第１燃焼空間４１Ａ及び第２燃焼空間４２Ａと連通されており、第１燃焼空間４１Ａ、第１連結空間４４Ａ、第２燃焼空間４２Ａ、及び第２連結空間４８Ａにより、スタックユニット１９の外周を囲む外周空間５０Ａが構成されている。

【0054】

第１燃焼部４１の第１燃料電池セルスタック１６と第２燃料電池セルスタック１８の中間部には、カソードオフガス管Ｐ９−２の一端、及びアノードオフガス管Ｐ８の一端が接続されている。カソードオフガス管Ｐ９−２の他端は、カソード１８Ｂに接続されている。第１燃焼部４１には、第１燃焼空間４１Ａ内へカソードオフガスＧ９−２を放出する放出部５２が形成されている。カソード１８Ｂから排出されたカソードオフガスＧ９−２は、カソードオフガス管Ｐ９−２内を通り、放出部５２から第１燃焼空間４１Ａへ放出される。

【0055】

アノードオフガス管Ｐ８の他端は、アノード１８Ａに接続されている。第１燃焼部４１には、第１燃焼空間４１Ａ内へ第２アノードオフガスＧ８を放出する放出部５４が形成されている。放出部５４から放出された第２アノードオフガスＧ８中の未反応水素、一酸化炭素は、カソードオフガスＧ９−２により酸化され、放出部５４近傍を燃焼点として燃焼する。

【0056】

なお、放出部５２、５４まで経路は、図５（Ａ）に示されるように、第１燃焼部４１の外側から放出部５２、５４までカソードオフガス管Ｐ９−２、第２アノードオフガス管Ｐ８を延在させてもよいし、図５（Ｂ）に示されるように、第１燃焼部４１の内側にカソードオフガス管Ｐ９−２、第２アノードオフガス管Ｐ８を引き込んで放出部５２、５４まで延在させてもよい。さらに、図５（Ｃ）に示されるように、第１燃焼部４１の内部にカソードオフガス管Ｐ９−２の流路５３を設けて放出部５２まで導き、第１燃焼部４１の内部に第２アノードオフガス管Ｐ８の流路５５を設けて放出部５４まで導き第１燃焼空間４１Ａ内へ第２アノードオフガスＧ８を放出させてもよい。

【0057】

第２燃焼部４２には、燃焼排ガス管Ｐ１０が接続されている。燃焼排ガス管Ｐ１０は、第２燃焼部４２の第１燃料電池セルスタック１６と第２燃料電池セルスタック１８の中間部に接続されている。燃焼排ガス管Ｐ１０から、燃焼排ガスＧ１０が排出される。

【0058】

次に、本実施形態の燃料電池システム１０Ｂの動作について説明する。

【0059】

カソードオフガスＧ９−２は、カソードオフガス管Ｐ９−２を経て燃焼器４０の第１燃焼部４１へ送出され、放出部５２から第１燃焼空間４１Ａ内へ放出される。一方、第２アノードオフガスＧ８は、アノードオフガス管Ｐ８を経て燃焼器４０の第１燃焼部４１へ送出され、放出部５４から第１燃焼空間４１Ａ内へ放出され、放出部５４の近傍で燃焼する。これにより、放出部５４近傍の温度が上昇する。燃焼排ガスＧ１０は、第１燃焼空間４１Ａの第１燃料電池セルスタック１６と第２燃料電池セルスタック１８の中間部から、第１連結空間４４Ａ側、及び第２連結空間４８Ａ側へ流れ、第１連結空間４４Ａ、第２連結空間４８Ａを経て各々第２燃焼空間４２Ａへ流入する。そして、第２燃焼空間４２Ａの第１燃料電池セルスタック１６と第２燃料電池セルスタック１８の中間部へ移動し、燃焼排ガス管Ｐ１０Ａから排出される。燃焼器４０内の温度は、第１燃焼空間４１Ａ、第１連結空間４４Ａ及び第２連結空間４８Ａ、第２燃焼空間４２Ａ、の順で低下する。

【0060】

本実施形態では、スタックユニット１９が外周空間５０Ａに囲まれて配置されているので、第１燃料電池セルスタック及び第２燃料電池セルスタックからの熱の放散を抑制して高温を維持することができる。また、第１燃料電池セルスタック１６と第２燃料電池セルスタック１８の各々が燃焼器４０と熱交換されるので、第１燃料電池セルスタックと第２燃料電池セルスタックでの温度の不均一を抑制することができる。

【0061】

また、本実施形態では、第１燃料電池セルスタック１６と第２燃料電池セルスタック１８の中間部に高温部分と低温部分が配置されるので、第１燃料電池セルスタック１６、第２燃料電池セルスタック１８の各々が受け取る熱が平準化され、第１燃料電池セルスタック１６と第２燃料電池セルスタック１８での温度の不均一を抑制することができる。

【0062】

なお、本実施形態でも、第２燃焼部４２の第２燃焼空間４２Ａに、図６に示されるように、仕切部材４２Ｗを設けて、第２燃焼空間４２Ａ内の流路を長くしてもよい。このように、第２燃焼空間４２Ａ内の流路を長くすることにより、第１燃焼空間４１Ａよりも温度が低い第２燃焼空間４２Ａとスタックユニット１９との熱交換量を多くすることができる。

【0063】

また、本実施形態では、放出部５２、５４を第１燃焼空間４１Ａ側に設け、燃焼排ガス管Ｐ１０を第２燃焼空間４２Ａ側に設けたが、放出部５２、５４を第２燃焼空間４２Ａ側に設け、燃焼排ガス管Ｐ１０を第１燃焼空間４２Ａ側に設けてもよい。

【0064】

なお、本発明の燃料電池としては、固体酸化物形の燃料電池(SOFC：Solid Oxide Fuel Cell)に限られるものではなく、他の燃料電池、例えば、溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)であってもよい。

【0065】

さらに、本発明は、前述の第１、２実施形態に限定されず、本発明の技術的思想内で、当業者によって、既知の装置を組み合わせて実施することができる。例えば、熱交換器の設置、組み合わせなどを、種々に設定することができる。

【符号の説明】

【0066】

１０Ａ、１０Ｂ 燃料電池システム
１６ 第１燃料電池セルスタック
１６Ａ アノード（燃料極）
１８ 第２燃料電池セルスタック
１８Ａ アノード（燃料極）
１９ スタックユニット
４０ 燃焼器
４１Ａ 第１燃焼空間
４２Ａ 第２燃焼空間
５０ 燃焼器
５０Ａ 外周空間
Ｇ３ 第１アノードオフガス
Ｇ８ 第２アノードオフガス
Ｐ１０ 燃焼排ガス管

【要約】

【課題】燃焼電池セルスタックを高温に維持しつつ、複数の燃料電池セルスタック間での温度の不均一を抑制する燃料電池システムを提供する。
【解決手段】第１燃料電池セルスタック１６と第２燃料電池セルスタック１６で構成されるスタックユニット１９の一方側には、燃焼器４０の第１燃焼空間４１Ａが配置され、他方側には第２燃焼空間４２Ａが配置されている。スタックユニット１９と燃焼器４０とは熱交換可能とされている。
【選択図】図１

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】