燃料電池ユニット
【課題】低温時の熱交換効率を向上させるとともに、高温時の運転効率を向上させることができる燃料電池ユニットを提供すること。
【解決手段】燃料電池の発電反応に使用されなかった燃料ガスと酸化剤ガスとが燃焼することで発生する燃焼ガスの熱を利用して燃料電池の発電反応に使用する酸化剤ガスを加熱する熱交換器２２を備える燃料電池ユニットであって、熱交換器２２は、燃焼ガスを流す燃焼ガス配管７０と、燃焼ガス配管７０内に配置され、燃焼ガス配管７０を流れる燃焼ガスに乱流を生じさせる乱流生成部材７１と、を備え、乱流生成部材７１は、燃焼ガス配管７０よりも大きな熱膨張率を有し、温度に応じて燃焼ガス配管７０の長手方向に伸縮するとともに、少なくともその一端が燃焼ガス配管７０に固定されておらず、温度が上昇するほど燃焼ガス配管７０から突出する部分が増加するように配置されている。
【解決手段】燃料電池の発電反応に使用されなかった燃料ガスと酸化剤ガスとが燃焼することで発生する燃焼ガスの熱を利用して燃料電池の発電反応に使用する酸化剤ガスを加熱する熱交換器２２を備える燃料電池ユニットであって、熱交換器２２は、燃焼ガスを流す燃焼ガス配管７０と、燃焼ガス配管７０内に配置され、燃焼ガス配管７０を流れる燃焼ガスに乱流を生じさせる乱流生成部材７１と、を備え、乱流生成部材７１は、燃焼ガス配管７０よりも大きな熱膨張率を有し、温度に応じて燃焼ガス配管７０の長手方向に伸縮するとともに、少なくともその一端が燃焼ガス配管７０に固定されておらず、温度が上昇するほど燃焼ガス配管７０から突出する部分が増加するように配置されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスにより発電を行う燃料電池ユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料ガス（水素含有ガス）と発電用空気（酸化剤ガス）とを用いて電力を得ることができる複数の単セルをケーシング内に収容し、それら複数の単セルに燃料ガスと発電用空気とを供給して発電する燃料電池ユニットが種々提案されている。このような燃料電池ユニットでは、起動初期時等の低温時において、迅速に昇温し、少しでも早く発電状態に移行することが要求される。その要求に応えるために、発電用空気を予熱する熱交換器の熱交換効率を向上させる技術が開発されている。下記特許文献１には、高温ガスの流路内に螺旋状の板体を設け、流路内を流れる高温ガスに乱流を生じさせることで熱交換効率を向上させる熱交換器が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平９−２６２８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載された熱交換器では、流路内を流れる高温ガスに積極的に乱流を生じさせているため、圧力損失が大きくなり、消費電力が増大する要因となる。特に、発電時等の高温時には、気体の熱膨張や粘性が増大するため燃料電池システム全体の圧力損失が大きくなり、燃料ガスや発電用空気を供給するポンプやブロアに要する負荷が増大する。このような状態で、熱交換器での圧力損失まで大きくなると、ポンプやブロアに要する負荷がさらに増大し、消費電力も増大するため、運転効率が低下してしまう。
【０００５】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料ガスと酸化剤ガスにより発電を行う燃料電池ユニットであって、低温時の熱交換効率を向上させるとともに、高温時の運転効率を向上させることができる燃料電池ユニットを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために本発明に係る燃料電池ユニットは、燃料電池の発電反応に使用されなかった燃料ガスと酸化剤ガスとが燃焼することで発生する燃焼ガスの熱を利用して前記燃料電池の発電反応に使用する酸化剤ガスを加熱する熱交換器を備える燃料電池ユニットであって、前記熱交換器は、前記燃焼ガスを流す燃焼ガス流路と、前記燃焼ガス流路内に配置され、前記燃焼ガス流路を流れる前記燃焼ガスに乱流を生じさせる乱流生成部材と、を備える。前記乱流生成部材は、前記燃焼ガス流路よりも大きな熱膨張率を有し、温度に応じて前記燃焼ガス流路の長手方向に伸縮するとともに、少なくともその一端が前記燃焼ガス流路に固定されておらず、温度が上昇するほど前記燃焼ガス流路から突出する部分が増加するように配置されている。
【０００７】
本発明では、燃焼ガス流路を流れる燃焼ガスに乱流を生じさせる乱流生成部材であって、燃焼ガス流路よりも大きな熱膨張率を有し、温度に応じて燃焼ガス流路の長手方向に伸縮する乱流生成部材を、少なくともその一端が燃焼ガス流路に固定されていない状態で燃焼ガス流路内に配置し、かつ、温度が上昇するほど燃焼ガス流路から突出する部分が増加するように配置することができる。
【０００８】
これにより、温度が上昇するにつれて乱流生成部材の燃焼ガス流路からの突出量を増加させることができ、乱流の発生に寄与しない乱流生成部材の割合を増加させることができるため、温度が高いほど燃焼ガス流路と乱流生成部材との間で生ずる乱流量を減少させることが可能となる。
【０００９】
すなわち、本発明の構成を用いることによって、低温時には燃焼ガス流路内を流れる燃焼ガスの乱流を大きくすることができるため、熱交換効率を向上させることが可能となり、高温時には燃焼ガス流路内を流れる燃焼ガスの乱流を減少させることができるため、低温時よりも圧力損失を抑え、運転効率を向上させることが可能となる。
【００１０】
また本発明に係る燃料電池ユニットにおいて、前記乱流生成部材が、少なくともいずれか一箇所で前記燃焼ガス流路に固定されていることも好ましい。
【００１１】
この好ましい態様では、乱流生成部材が伸縮を繰り返しても同じ位置で伸縮させることができるため、各温度に対する燃焼ガス流路からの突出量を一定に保つことが可能となる。
【００１２】
また本発明に係る燃料電池ユニットにおいて、前記乱流生成部材は、前記燃焼ガス流路の上流側に位置する一端部が前記燃焼ガス流路に固定され、前記燃焼ガス流路の下流側に位置する他端部は前記燃焼ガス流路に固定されていないことも好ましい。
【００１３】
この好ましい態様では、比較的に高温側となる燃焼ガス流路の上流側に位置する乱流生成部材の一端部を固定することで、比較的に低温側に位置して膨張量が比較的に小さくなる乱流生成部材の他端部側を突出させることができるため、高温時に、乱流をより減少することができ、運転効率をより向上させることが可能となる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、低温時の熱交換効率を向上させるとともに、高温時の運転効率を向上させることができる燃料電池ユニットを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態における燃料電池モジュールの外観を示す斜視図である。
【図２】図１の中央近傍における断面図であって、図１のＡ方向から見た断面を示す断面図である。
【図３】図１の中央近傍における断面図であって、図１のＢ方向から見た断面を示す断面図である。
【図４】図１のケーシングから一部の外板を取り除いた状態を示す斜視図である。
【図５】図２に相当する模式図であって、発電用空気及び燃焼ガスの流れを示す模式図である。
【図６】図３に相当する模式図であって、発電用空気及び燃焼ガスの流れを示す模式図である。
【図７】本実施形態に用いられる燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。
【図８】本実施形態における燃料電池セルスタックの構成を示す斜視図である。
【図９】図６の熱交換器を示す模式図である。
【図１０】図９の乱流生成部材が熱膨張により伸長した状態を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
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。
【００１７】
本発明の実施形態である燃料電池モジュール（燃料電池ユニット）について、図１を参照しながら説明する。図１に示す燃料電池モジュール２は、固体電解質形燃料電池ユニットの一部を構成するものである。固体電解質形燃料電池ユニットは、燃料電池モジュール２と、補機ユニット（図示せず）とを備える。
【００１８】
図１においては、燃料電池モジュール２の高さ方向をｙ軸方向としている。このｙ軸に直交する平面に沿ってｘ軸及びｚ軸を定義し、燃料電池モジュール２の短手方向に沿った方向をｘ軸方向とし、燃料電池モジュール２の長手方向に沿った方向をｚ軸方向としている。図２以降において図中に記載しているｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸は、図１におけるｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸を基準としている。また、ｚ軸の負方向に沿った方向をＡ方向とし、ｘ軸の正方向に沿った方向をＢ方向としている。
【００１９】
燃料電池モジュール２は、燃料電池セル（詳細は後述する）を収容するケーシング５６と、ケーシング５６の上部に設けられている熱交換器２２とを備える。ケーシング５６の内部は密封空間となっている。ケーシング５６には、被改質ガス供給管６０と、水供給管６２とが繋げられている。一方、熱交換器２２には、発電用空気導入管７４と、燃焼ガス排出管８２とが繋げられている。
【００２０】
被改質ガス供給管６０は、ケーシング５６の内部に都市ガスといった改質用の被改質ガスを供給する管路である。水供給管６２は、被改質ガスを水蒸気改質する際に用いられる水を供給する管路である。発電用空気導入管７４は、改質後の燃料ガスと発電反応を起こさせるための発電用空気（酸化剤ガス）を供給する管路である。燃焼ガス排出管８２は、発電反応後の燃料ガスを燃焼した結果生じる燃焼ガスを排出する管路である。
【００２１】
続いて、図２〜図４を参照しながら、燃料電池モジュール２の内部について説明する。図２は、燃料電池モジュール２をその中央近傍において図１のＡ方向から見た断面図である。図３は、燃料電池モジュール２をその中央近傍において図２のＢ方向から見た断面図である。図４は、図１に示す燃料電池モジュール２から燃料電池セル集合体を覆うケーシング５６の一部を取り外した状態を示す斜視図である。
【００２２】
図２〜図４に示すように、燃料電池モジュール２の燃料電池セル集合体１２は、ケーシング５６により、全体が覆われている。図４に示すように、燃料電池セル集合体１２は、全体としてＢ方向よりＡ方向の方が長いほぼ直方体形状であり、改質器２０側の上面、燃料ガスタンク６８側の下面、図４のＡ方向に沿って延びる長辺側面と、図４のＢ方向に沿って延びる短辺側面と、を備えている。
【００２３】
本実施形態の場合、水供給管６２から供給される水を蒸発させるための蒸発混合器（図に明示しない）は、改質器２０の内部に設けられている。蒸発混合器は、燃焼ガスにより加熱され、水を水蒸気にすると共に、この水蒸気と、被改質ガスである燃料ガス（都市ガス）と空気とを混合するためのものである。
【００２４】
被改質ガス供給管６０及び水供給管６２は、ケーシング５６の内部に導かれた後、共に改質器２０に繋がれている。より具体的には、図３に示すように、改質器２０の上流端である図中右側の端部に繋がれている。
【００２５】
改質器２０は、燃料電池セル集合体１２の上方に形成された燃焼室１８の更に上方に配置されている。したがって、改質器２０は、発電反応後の残余の燃料ガス及び空気による燃焼熱によって熱せられ、蒸発混合器としての役割と、改質反応を起こす改質器としての役割とを果たすように構成されている。
【００２６】
改質器２０の下流端（図３の左端）には、燃料供給管６６の上端が接続されている。この燃料供給管６６の下端側６６ａは、燃料ガスタンク６８内に入り込むように配置されている。
【００２７】
図２〜図４に示すように、燃料ガスタンク６８は、燃料電池セル集合体１２の真下に設けられている。また、燃料ガスタンク６８内に挿入された燃料供給管６６の下端側６６ａの外周には、長手方向（Ａ方向）に沿って複数の小穴（図示せず）が形成されている。改質器２０で改質された燃料ガスは、これら複数の小穴（図示せず）によって燃料ガスタンク６８内に長手方向に均一に供給されるようになっている。燃料ガスタンク６８に供給された燃料ガスは、燃料電池セル集合体１２を構成する各燃料電池セルユニット１６の内側にある燃料ガス流路（詳細は後述する）内に供給され、燃料電池セルユニット１６内を上昇して、燃焼室１８に至るようになっている。
【００２８】
続いて、発電用空気を燃料電池モジュール２の内部へ供給するための構造を、図２〜図４及び図５、図６を参照しながら説明する。図５は、図２に対応する模式図であって、発電用空気及び燃焼ガスの流れを示す図である。図６は、図３に対応する模式図であって、同様に発電用空気及び燃焼ガスの流れを示す図である。これらの図に示すように、改質器２０の上方に、熱交換器２２が設けられている。熱交換器２２には、複数の燃焼ガス配管７０と、この燃焼ガス配管７０の周囲に形成された発電用空気流路７２とが設けられている。
【００２９】
熱交換器２２の上面における一端側（図３における右端）には、発電用空気導入管７４が取り付けられている。この発電用空気導入管７４により、発電用空気流量調整ユニット（図示しない）から、発電用空気が、熱交換器２２内に導入されるようになっている。
【００３０】
熱交換器２２の上側の他端側（図３における左端）には、図２に示すように、発電用空気流路７２の出口ポート７６ａが一対形成されている。この出口ポート７６ａは、一対の連絡流路７６につながっている。さらに、燃料電池モジュール２のケーシング５６の幅方向（Ｂ方向：短辺側面方向）の両側の外側には、発電用空気供給路７７が形成されている。
【００３１】
したがって、発電用空気供給路７７には、発電用空気流路７２の出口ポート７６ａ及び連絡流路７６から、発電用空気が供給されるようになっている。この発電用空気供給路７７は、燃料電池セル集合体１２の長手方向に沿って形成されている。さらに、その下方側であり且つ燃料電池セル集合体１２の下方側に対応する位置に、発電室１０内の燃料電池セル集合体１２の各燃料電池セルユニット１６に向けて発電用空気を吹き出すための複数の吹出口７８ａ，７８ｂが形成されている。これらの吹出口７８ａ，７８ｂから吹き出された発電用空気は、各燃料電池セルユニット１６の外側に沿って、下方から上方へ流れるようになっている。
【００３２】
続いて、燃料ガスと発電用空気とが燃焼して生成される燃焼ガスを排出するための構造を説明する。燃料電池セルユニット１６の上方にある燃焼室１８では、発電反応に使用されなかった燃料ガスと発電用空気とが燃焼することで、燃焼ガスが発生する。この燃焼ガスは、燃焼室１８内を上昇し、整流板２１に至る。整流板２１には、図６に示すように、開口２１ａが設けられており、開口２１ａ内に燃焼ガスが導かれる。この開口２１ａを通った燃焼ガスは、熱交換器２２の他端側に至る。熱交換器２２内には、燃焼ガスを排出するための複数の燃焼ガス配管７０（燃焼ガス流路）が設けられている。これらの燃焼ガス配管７０の下流端側には、燃焼ガス排出管８２が接続され、燃焼ガスが外部に排出されるようになっている。
【００３３】
続いて、図７を参照しながら燃料電池セルユニット１６について説明する。図７は、本実施形態の燃料電池セルユニット１６を示す部分断面図である。
【００３４】
図７に示すように、燃料電池セルユニット１６は、燃料電池セル８４と、この燃料電池セル８４の上下方向端部にそれぞれ接続された内側電極端子８６とを備えている。
【００３５】
燃料電池セル８４は、上下方向に延びる管状構造体であり、内部に燃料ガス流路８８を形成する円筒形の内側電極層９０と、円筒形の外側電極層９２と、内側電極層９０と外側電極層９２との間にある電解質層９４とを備えている。この内側電極層９０は、燃料ガスが通過する燃料極であり、（−）極となり、一方、外側電極層９２は、空気と接触する空気極であり、（＋）極となっている。
【００３６】
燃料電池セルユニット１６の上端側と下端側に取り付けられた内側電極端子８６は、同一構造であるため、ここでは、上端側に取り付けられた内側電極端子８６について具体的に説明する。内側電極層９０の上部９０ａは、電解質層９４と外側電極層９２に対して露出された外周面９０ｂと上端面９０ｃとを備えている。内側電極端子８６は、導電性のシール材９６を介して内側電極層９０の外周面９０ｂと接続され、さらに、内側電極層９０の上端面９０ｃとは直接接触することにより、内側電極層９０と電気的に接続されている。内側電極端子８６の中心部には、内側電極層９０の燃料ガス流路８８と連通する燃料ガス流路９８が形成されている。
【００３７】
内側電極層９０は、例えば、Ｎｉと、ＣａやＹ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニアとの混合体、Ｎｉと、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリアとの混合体、Ｎｉと、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｕから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレードとの混合体、の少なくとも一種から形成される。
【００３８】
電解質層９４は、例えば、Ｙ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニア、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリア、Ｓｒ、Ｍｇから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレート、の少なくとも一種から形成される。
【００３９】
外側電極層９２は、例えば、Ｓｒ、Ｃａから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンマンガナイト、Ｓｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンフェライト、Ｓｒ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンコバルタイト、銀、などの少なくとも一種から形成される。
【００４０】
続いて、図８を参照しながら燃料電池セルスタック１４について説明する。図８は、本発実施形態の燃料電池セルスタック１４を示す斜視図である。
【００４１】
図８に示すように、燃料電池セルスタック１４は、１６本の燃料電池セルユニット１６を備え、これらの燃料電池セルユニット１６の下端側及び上端側が、それぞれ、セラミック製の燃料ガスタンク上板６８ａ及び上支持板１００により支持されている。これらの燃料ガスタンク上板６８ａ及び上支持板１００には、内側電極端子８６が貫通可能な貫通穴がそれぞれ形成されている。
【００４２】
さらに、燃料電池セルユニット１６には、集電体１０２及び外部端子１０４が取り付けられている。この集電体１０２は、燃料極である内側電極層９０に取り付けられた内側電極端子８６と、隣接する燃料電池セルユニット１６の空気極である外側電極層９２の外周面とを電気的に接続するものである。
【００４３】
さらに、燃料電池セルスタック１４の端に位置する２個の燃料電池セルユニット１６の上側端及び下側端の内側電極端子８６には、それぞれ外部端子１０４が接続されている。これらの外部端子１０４は、隣接する燃料電池セルスタック１４の端にある燃料電池セルユニット１６の外部端子１０４に接続され、１６０本の燃料電池セルユニット１６の全てが直列接続されるようになっている。
【００４４】
続いて、図９を参照して熱交換器２２についてさらに説明する。図９は、図６に示す熱交換器２２を模式的に示した図である。
【００４５】
上述したように、熱交換器２２は、燃料電池セル集合体１２での発電反応に使用されなかった燃料ガスと発電用空気とが燃焼することで発生する燃焼ガスの熱を利用して、発電反応に使用する発電用空気を加熱するものである。本実施形態における熱交換器２２は、燃焼ガス配管７０内に乱流生成部材７１を備える点に特徴がある。つまり、燃焼ガス配管７０内に乱流生成部材７１を備えることで、低温時の熱交換効率を向上させ、高温時の運転効率を向上させることを可能とした。以下に、乱流生成部材７１について詳細に説明する。
【００４６】
乱流生成部材７１は、燃焼ガス配管７０を流れる燃焼ガスに乱流を生じさせる部材である。乱流生成部材７１は、棒状の部材を螺旋状にねじることで形成する。このような螺旋状の乱流生成部材７１を燃焼ガス配管７０内に配置することで、燃焼ガス配管７０内を流れる燃焼ガスに乱流を生じさせて拡散することができる。これにより、燃焼ガス配管７０内における燃焼ガスの流動距離や流動時間を延長することができるため、燃焼ガスから発電用空気への熱交換効率を向上させることができる。
【００４７】
乱流生成部材７１は、温度に応じて、乱流生成部材７１の長手方向に伸縮する部材により形成される。つまり、温度が上昇すると、乱流生成部材７１の長さが長くなり、上昇した温度が下降すると、乱流生成部材７１の長さは短くなる。
【００４８】
乱流生成部材７１を螺旋状にねじって形成することで、乱流生成部材７１と同一の材料かつ同一の長さで形成した直線状の部材と比較すると、熱膨張したときの長さを長くすることができる。つまり、乱流生成部材７１は、その長手方向において、円筒状の燃焼ガス配管７０よりも大きな膨張率を有することになる。なお、乱流生成部材７１は、燃焼ガス配管７０と同一の材料で形成することには限定されず、燃焼ガス配管７０よりも熱膨張し易い材料で形成してもよい。熱膨張し易い材料で形成することで、後述する高温時の乱流低減効果をより高めることができる。
【００４９】
図９に示すように、乱流生成部材７１は、例えば０℃等の低温時に、燃焼ガス配管７０の配管長と同じ長さになるように形成する。乱流生成部材７１は、燃焼ガス配管７０内に配置する際に、燃焼ガス配管７０の上流側に位置する端部７１ａを燃焼ガス配管７０に固定し、燃焼ガス配管７０の下流側に位置する端部７１ｂを燃焼ガス配管７０に固定しないで配置する。
【００５０】
このように乱流生成部材７１を配置することで、例えば発電時等の高温時には、乱流生成部材７１が熱膨張により伸長し、燃焼ガス配管７０の下流側開口部から乱流生成部材７１の端部７１ｂ側が突出する。
【００５１】
図１０に、乱流生成部材７１が熱膨張により伸長した状態を模式的に示す。乱流生成部材７１は、その端部７１ａが燃焼ガス配管７０に固定されているため、熱膨張により伸長すると、燃焼ガス配管７０に固定されていない端部７１ｂ側が燃焼ガス配管７０の下流側開口部から突出する。
【００５２】
乱流生成部材７１の一部が燃焼ガス配管７０から突出すると、燃焼ガス配管７０内に収まるねじれ数を減らすことができる。燃焼ガスの乱流は、乱流生成部材７１のねじれ数が多いほど激しくなる傾向があるため、燃焼ガス配管７０内に収まるねじれ数を減らすことで、燃焼ガスの乱流を減少させることが可能となる。つまり、高温になるほど、乱流生成部材７１の突出部分が増加し、燃焼ガス配管７０内に収まるねじれ数が減るため、温度が上昇するにつれて燃焼ガスの乱流を減少させることが可能となる。
【００５３】
つまり、温度が上昇するにつれて乱流生成部材７１の燃焼ガス配管７０からの突出量を増加させて、乱流の発生に寄与しない乱流生成部材７１の割合を増加させることで、温度が高いほど燃焼ガス配管７０と乱流生成部材７１との間で生ずる乱流量を減少させることが可能となる。
【００５４】
このような乱流生成部材７１を備えることで、低温時には燃焼ガス配管７０内を流れる燃焼ガスの乱流を大きくすることができるため、熱交換効率を向上させることが可能となる。これにより、昇温速度を速めることができ、起動に要する時間を短縮することが可能となる。
【００５５】
一方、高温時には燃焼ガス配管７０内を流れる燃焼ガスの乱流を減少させることができるため、低温時よりも圧力損失を抑えることが可能となる。これにより、システム全体の消費電力を抑えることができ、運転効率を向上させることが可能となる。
【００５６】
つまり、本実施形態における燃料電池モジュール２によれば、低温時の熱交換効率を向上させるとともに、高温時の運転効率を向上させることが可能となる。
【００５７】
なお、乱流生成部材７１を燃焼ガス配管７０に固定する位置は、乱流生成部材７１の端部７１ａには限定されない。乱流生成部材７１のうち、少なくともいずれか一箇所を燃焼ガス配管７０に固定すればよい。
【００５８】
乱流生成部材７１を全く固定しないと、乱流生成部材７１は、熱膨張により伸縮するたびに燃焼ガス配管７０内を自由に移動してしまい、燃焼ガス配管７０からの突出量が変動してしまうことになる。突出量が変動すると、乱流量が変動してしまうため、乱流量を制御することで得られる効果が低減してしまう。特に、低温時に乱流生成部材７１が突出してしまうと、乱流が減少してしまうので、熱交換効率が低下してしまう。また、高温時に突出量が少なくなると、圧力損失の低減量が減ってしまい、運転効率が低下してしまう。これに対して、少なくともいずれか一箇所で固定することにより、伸縮を繰り返しても同じ位置で伸縮させることができるため、各温度に対する燃焼ガス配管７０からの突出量を一定に保つことが可能となる。
【００５９】
ここで、乱流生成部材７１の端部７１ａを燃焼ガス配管７０に固定した場合には、以下のメリットがある。熱交換器２２内での熱交換は、上流から下流に向けて行われるため、上流から下流に移動するに従い温度が低下する。温度が比較的に低下する下流部分は、熱膨張率が比較的に小さくなるので、乱流生成部材７１の膨張量も比較的に小さくなる。膨張量が小さい部分は、膨張量が大きい部分に比べて、長さ当たりのねじれ数の割合（乱流を発生させる密度）が高くなる。したがって、膨張量が小さい部分を突出させた方が、乱流をより減少させることが可能となる。つまり、比較的に高温側となる燃焼ガス配管７０の上流側に位置する乱流生成部材７１の端部７１ａを固定することで、比較的に低温側に位置して膨張量が比較的に小さくなる乱流生成部材７１の端部７１ｂ側を突出させることができるため、高温時に、乱流をより減少することができ、運転効率をより向上させることが可能となる。
【００６０】
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。すなわち、これら具体例に、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およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、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、前述した各実施の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。
【符号の説明】
【００６１】
２：燃料電池モジュール（燃料電池ユニット）
１０：発電室
１２：燃料電池セル集合体
１４：燃料電池セルスタック
１６：燃料電池セルユニット
１８：燃焼室
２０：改質器
２１：整流板
２１ａ：開口
２２：熱交換器
５６：ケーシング
６０：被改質ガス供給管
６２：水供給管
６６：燃料供給管
６６ａ：下端側
６８：燃料ガスタンク
６８ａ：燃料ガスタンク上板
７０：燃焼ガス配管（燃焼ガス流路）
７１：乱流生成部材
７１ａ、７１ｂ：乱流生成部材端部
７２：発電用空気流路
７４：発電用空気導入管
７６：連絡流路
７６ａ：出口ポート
７７：発電用空気供給路
７８ａ，７８ｂ：吹出口
８２：燃焼ガス排出管
８４：燃料電池セル
８６：内側電極端子
８８：燃料ガス流路
９０：内側電極層
９０ａ：上部
９０ｂ：外周面
９０ｃ：上端面
９２：外側電極層
９４：電解質層
９６：シール材
９８：燃料ガス流路
１００：上支持板
１０２：集電体
１０４：外部端子
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスにより発電を行う燃料電池ユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料ガス（水素含有ガス）と発電用空気（酸化剤ガス）とを用いて電力を得ることができる複数の単セルをケーシング内に収容し、それら複数の単セルに燃料ガスと発電用空気とを供給して発電する燃料電池ユニットが種々提案されている。このような燃料電池ユニットでは、起動初期時等の低温時において、迅速に昇温し、少しでも早く発電状態に移行することが要求される。その要求に応えるために、発電用空気を予熱する熱交換器の熱交換効率を向上させる技術が開発されている。下記特許文献１には、高温ガスの流路内に螺旋状の板体を設け、流路内を流れる高温ガスに乱流を生じさせることで熱交換効率を向上させる熱交換器が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平９−２６２８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載された熱交換器では、流路内を流れる高温ガスに積極的に乱流を生じさせているため、圧力損失が大きくなり、消費電力が増大する要因となる。特に、発電時等の高温時には、気体の熱膨張や粘性が増大するため燃料電池システム全体の圧力損失が大きくなり、燃料ガスや発電用空気を供給するポンプやブロアに要する負荷が増大する。このような状態で、熱交換器での圧力損失まで大きくなると、ポンプやブロアに要する負荷がさらに増大し、消費電力も増大するため、運転効率が低下してしまう。
【０００５】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料ガスと酸化剤ガスにより発電を行う燃料電池ユニットであって、低温時の熱交換効率を向上させるとともに、高温時の運転効率を向上させることができる燃料電池ユニットを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために本発明に係る燃料電池ユニットは、燃料電池の発電反応に使用されなかった燃料ガスと酸化剤ガスとが燃焼することで発生する燃焼ガスの熱を利用して前記燃料電池の発電反応に使用する酸化剤ガスを加熱する熱交換器を備える燃料電池ユニットであって、前記熱交換器は、前記燃焼ガスを流す燃焼ガス流路と、前記燃焼ガス流路内に配置され、前記燃焼ガス流路を流れる前記燃焼ガスに乱流を生じさせる乱流生成部材と、を備える。前記乱流生成部材は、前記燃焼ガス流路よりも大きな熱膨張率を有し、温度に応じて前記燃焼ガス流路の長手方向に伸縮するとともに、少なくともその一端が前記燃焼ガス流路に固定されておらず、温度が上昇するほど前記燃焼ガス流路から突出する部分が増加するように配置されている。
【０００７】
本発明では、燃焼ガス流路を流れる燃焼ガスに乱流を生じさせる乱流生成部材であって、燃焼ガス流路よりも大きな熱膨張率を有し、温度に応じて燃焼ガス流路の長手方向に伸縮する乱流生成部材を、少なくともその一端が燃焼ガス流路に固定されていない状態で燃焼ガス流路内に配置し、かつ、温度が上昇するほど燃焼ガス流路から突出する部分が増加するように配置することができる。
【０００８】
これにより、温度が上昇するにつれて乱流生成部材の燃焼ガス流路からの突出量を増加させることができ、乱流の発生に寄与しない乱流生成部材の割合を増加させることができるため、温度が高いほど燃焼ガス流路と乱流生成部材との間で生ずる乱流量を減少させることが可能となる。
【０００９】
すなわち、本発明の構成を用いることによって、低温時には燃焼ガス流路内を流れる燃焼ガスの乱流を大きくすることができるため、熱交換効率を向上させることが可能となり、高温時には燃焼ガス流路内を流れる燃焼ガスの乱流を減少させることができるため、低温時よりも圧力損失を抑え、運転効率を向上させることが可能となる。
【００１０】
また本発明に係る燃料電池ユニットにおいて、前記乱流生成部材が、少なくともいずれか一箇所で前記燃焼ガス流路に固定されていることも好ましい。
【００１１】
この好ましい態様では、乱流生成部材が伸縮を繰り返しても同じ位置で伸縮させることができるため、各温度に対する燃焼ガス流路からの突出量を一定に保つことが可能となる。
【００１２】
また本発明に係る燃料電池ユニットにおいて、前記乱流生成部材は、前記燃焼ガス流路の上流側に位置する一端部が前記燃焼ガス流路に固定され、前記燃焼ガス流路の下流側に位置する他端部は前記燃焼ガス流路に固定されていないことも好ましい。
【００１３】
この好ましい態様では、比較的に高温側となる燃焼ガス流路の上流側に位置する乱流生成部材の一端部を固定することで、比較的に低温側に位置して膨張量が比較的に小さくなる乱流生成部材の他端部側を突出させることができるため、高温時に、乱流をより減少することができ、運転効率をより向上させることが可能となる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、低温時の熱交換効率を向上させるとともに、高温時の運転効率を向上させることができる燃料電池ユニットを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態における燃料電池モジュールの外観を示す斜視図である。
【図２】図１の中央近傍における断面図であって、図１のＡ方向から見た断面を示す断面図である。
【図３】図１の中央近傍における断面図であって、図１のＢ方向から見た断面を示す断面図である。
【図４】図１のケーシングから一部の外板を取り除いた状態を示す斜視図である。
【図５】図２に相当する模式図であって、発電用空気及び燃焼ガスの流れを示す模式図である。
【図６】図３に相当する模式図であって、発電用空気及び燃焼ガスの流れを示す模式図である。
【図７】本実施形態に用いられる燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。
【図８】本実施形態における燃料電池セルスタックの構成を示す斜視図である。
【図９】図６の熱交換器を示す模式図である。
【図１０】図９の乱流生成部材が熱膨張により伸長した状態を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
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。
【００１７】
本発明の実施形態である燃料電池モジュール（燃料電池ユニット）について、図１を参照しながら説明する。図１に示す燃料電池モジュール２は、固体電解質形燃料電池ユニットの一部を構成するものである。固体電解質形燃料電池ユニットは、燃料電池モジュール２と、補機ユニット（図示せず）とを備える。
【００１８】
図１においては、燃料電池モジュール２の高さ方向をｙ軸方向としている。このｙ軸に直交する平面に沿ってｘ軸及びｚ軸を定義し、燃料電池モジュール２の短手方向に沿った方向をｘ軸方向とし、燃料電池モジュール２の長手方向に沿った方向をｚ軸方向としている。図２以降において図中に記載しているｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸は、図１におけるｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸を基準としている。また、ｚ軸の負方向に沿った方向をＡ方向とし、ｘ軸の正方向に沿った方向をＢ方向としている。
【００１９】
燃料電池モジュール２は、燃料電池セル（詳細は後述する）を収容するケーシング５６と、ケーシング５６の上部に設けられている熱交換器２２とを備える。ケーシング５６の内部は密封空間となっている。ケーシング５６には、被改質ガス供給管６０と、水供給管６２とが繋げられている。一方、熱交換器２２には、発電用空気導入管７４と、燃焼ガス排出管８２とが繋げられている。
【００２０】
被改質ガス供給管６０は、ケーシング５６の内部に都市ガスといった改質用の被改質ガスを供給する管路である。水供給管６２は、被改質ガスを水蒸気改質する際に用いられる水を供給する管路である。発電用空気導入管７４は、改質後の燃料ガスと発電反応を起こさせるための発電用空気（酸化剤ガス）を供給する管路である。燃焼ガス排出管８２は、発電反応後の燃料ガスを燃焼した結果生じる燃焼ガスを排出する管路である。
【００２１】
続いて、図２〜図４を参照しながら、燃料電池モジュール２の内部について説明する。図２は、燃料電池モジュール２をその中央近傍において図１のＡ方向から見た断面図である。図３は、燃料電池モジュール２をその中央近傍において図２のＢ方向から見た断面図である。図４は、図１に示す燃料電池モジュール２から燃料電池セル集合体を覆うケーシング５６の一部を取り外した状態を示す斜視図である。
【００２２】
図２〜図４に示すように、燃料電池モジュール２の燃料電池セル集合体１２は、ケーシング５６により、全体が覆われている。図４に示すように、燃料電池セル集合体１２は、全体としてＢ方向よりＡ方向の方が長いほぼ直方体形状であり、改質器２０側の上面、燃料ガスタンク６８側の下面、図４のＡ方向に沿って延びる長辺側面と、図４のＢ方向に沿って延びる短辺側面と、を備えている。
【００２３】
本実施形態の場合、水供給管６２から供給される水を蒸発させるための蒸発混合器（図に明示しない）は、改質器２０の内部に設けられている。蒸発混合器は、燃焼ガスにより加熱され、水を水蒸気にすると共に、この水蒸気と、被改質ガスである燃料ガス（都市ガス）と空気とを混合するためのものである。
【００２４】
被改質ガス供給管６０及び水供給管６２は、ケーシング５６の内部に導かれた後、共に改質器２０に繋がれている。より具体的には、図３に示すように、改質器２０の上流端である図中右側の端部に繋がれている。
【００２５】
改質器２０は、燃料電池セル集合体１２の上方に形成された燃焼室１８の更に上方に配置されている。したがって、改質器２０は、発電反応後の残余の燃料ガス及び空気による燃焼熱によって熱せられ、蒸発混合器としての役割と、改質反応を起こす改質器としての役割とを果たすように構成されている。
【００２６】
改質器２０の下流端（図３の左端）には、燃料供給管６６の上端が接続されている。この燃料供給管６６の下端側６６ａは、燃料ガスタンク６８内に入り込むように配置されている。
【００２７】
図２〜図４に示すように、燃料ガスタンク６８は、燃料電池セル集合体１２の真下に設けられている。また、燃料ガスタンク６８内に挿入された燃料供給管６６の下端側６６ａの外周には、長手方向（Ａ方向）に沿って複数の小穴（図示せず）が形成されている。改質器２０で改質された燃料ガスは、これら複数の小穴（図示せず）によって燃料ガスタンク６８内に長手方向に均一に供給されるようになっている。燃料ガスタンク６８に供給された燃料ガスは、燃料電池セル集合体１２を構成する各燃料電池セルユニット１６の内側にある燃料ガス流路（詳細は後述する）内に供給され、燃料電池セルユニット１６内を上昇して、燃焼室１８に至るようになっている。
【００２８】
続いて、発電用空気を燃料電池モジュール２の内部へ供給するための構造を、図２〜図４及び図５、図６を参照しながら説明する。図５は、図２に対応する模式図であって、発電用空気及び燃焼ガスの流れを示す図である。図６は、図３に対応する模式図であって、同様に発電用空気及び燃焼ガスの流れを示す図である。これらの図に示すように、改質器２０の上方に、熱交換器２２が設けられている。熱交換器２２には、複数の燃焼ガス配管７０と、この燃焼ガス配管７０の周囲に形成された発電用空気流路７２とが設けられている。
【００２９】
熱交換器２２の上面における一端側（図３における右端）には、発電用空気導入管７４が取り付けられている。この発電用空気導入管７４により、発電用空気流量調整ユニット（図示しない）から、発電用空気が、熱交換器２２内に導入されるようになっている。
【００３０】
熱交換器２２の上側の他端側（図３における左端）には、図２に示すように、発電用空気流路７２の出口ポート７６ａが一対形成されている。この出口ポート７６ａは、一対の連絡流路７６につながっている。さらに、燃料電池モジュール２のケーシング５６の幅方向（Ｂ方向：短辺側面方向）の両側の外側には、発電用空気供給路７７が形成されている。
【００３１】
したがって、発電用空気供給路７７には、発電用空気流路７２の出口ポート７６ａ及び連絡流路７６から、発電用空気が供給されるようになっている。この発電用空気供給路７７は、燃料電池セル集合体１２の長手方向に沿って形成されている。さらに、その下方側であり且つ燃料電池セル集合体１２の下方側に対応する位置に、発電室１０内の燃料電池セル集合体１２の各燃料電池セルユニット１６に向けて発電用空気を吹き出すための複数の吹出口７８ａ，７８ｂが形成されている。これらの吹出口７８ａ，７８ｂから吹き出された発電用空気は、各燃料電池セルユニット１６の外側に沿って、下方から上方へ流れるようになっている。
【００３２】
続いて、燃料ガスと発電用空気とが燃焼して生成される燃焼ガスを排出するための構造を説明する。燃料電池セルユニット１６の上方にある燃焼室１８では、発電反応に使用されなかった燃料ガスと発電用空気とが燃焼することで、燃焼ガスが発生する。この燃焼ガスは、燃焼室１８内を上昇し、整流板２１に至る。整流板２１には、図６に示すように、開口２１ａが設けられており、開口２１ａ内に燃焼ガスが導かれる。この開口２１ａを通った燃焼ガスは、熱交換器２２の他端側に至る。熱交換器２２内には、燃焼ガスを排出するための複数の燃焼ガス配管７０（燃焼ガス流路）が設けられている。これらの燃焼ガス配管７０の下流端側には、燃焼ガス排出管８２が接続され、燃焼ガスが外部に排出されるようになっている。
【００３３】
続いて、図７を参照しながら燃料電池セルユニット１６について説明する。図７は、本実施形態の燃料電池セルユニット１６を示す部分断面図である。
【００３４】
図７に示すように、燃料電池セルユニット１６は、燃料電池セル８４と、この燃料電池セル８４の上下方向端部にそれぞれ接続された内側電極端子８６とを備えている。
【００３５】
燃料電池セル８４は、上下方向に延びる管状構造体であり、内部に燃料ガス流路８８を形成する円筒形の内側電極層９０と、円筒形の外側電極層９２と、内側電極層９０と外側電極層９２との間にある電解質層９４とを備えている。この内側電極層９０は、燃料ガスが通過する燃料極であり、（−）極となり、一方、外側電極層９２は、空気と接触する空気極であり、（＋）極となっている。
【００３６】
燃料電池セルユニット１６の上端側と下端側に取り付けられた内側電極端子８６は、同一構造であるため、ここでは、上端側に取り付けられた内側電極端子８６について具体的に説明する。内側電極層９０の上部９０ａは、電解質層９４と外側電極層９２に対して露出された外周面９０ｂと上端面９０ｃとを備えている。内側電極端子８６は、導電性のシール材９６を介して内側電極層９０の外周面９０ｂと接続され、さらに、内側電極層９０の上端面９０ｃとは直接接触することにより、内側電極層９０と電気的に接続されている。内側電極端子８６の中心部には、内側電極層９０の燃料ガス流路８８と連通する燃料ガス流路９８が形成されている。
【００３７】
内側電極層９０は、例えば、Ｎｉと、ＣａやＹ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニアとの混合体、Ｎｉと、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリアとの混合体、Ｎｉと、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｕから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレードとの混合体、の少なくとも一種から形成される。
【００３８】
電解質層９４は、例えば、Ｙ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニア、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリア、Ｓｒ、Ｍｇから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレート、の少なくとも一種から形成される。
【００３９】
外側電極層９２は、例えば、Ｓｒ、Ｃａから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンマンガナイト、Ｓｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンフェライト、Ｓｒ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンコバルタイト、銀、などの少なくとも一種から形成される。
【００４０】
続いて、図８を参照しながら燃料電池セルスタック１４について説明する。図８は、本発実施形態の燃料電池セルスタック１４を示す斜視図である。
【００４１】
図８に示すように、燃料電池セルスタック１４は、１６本の燃料電池セルユニット１６を備え、これらの燃料電池セルユニット１６の下端側及び上端側が、それぞれ、セラミック製の燃料ガスタンク上板６８ａ及び上支持板１００により支持されている。これらの燃料ガスタンク上板６８ａ及び上支持板１００には、内側電極端子８６が貫通可能な貫通穴がそれぞれ形成されている。
【００４２】
さらに、燃料電池セルユニット１６には、集電体１０２及び外部端子１０４が取り付けられている。この集電体１０２は、燃料極である内側電極層９０に取り付けられた内側電極端子８６と、隣接する燃料電池セルユニット１６の空気極である外側電極層９２の外周面とを電気的に接続するものである。
【００４３】
さらに、燃料電池セルスタック１４の端に位置する２個の燃料電池セルユニット１６の上側端及び下側端の内側電極端子８６には、それぞれ外部端子１０４が接続されている。これらの外部端子１０４は、隣接する燃料電池セルスタック１４の端にある燃料電池セルユニット１６の外部端子１０４に接続され、１６０本の燃料電池セルユニット１６の全てが直列接続されるようになっている。
【００４４】
続いて、図９を参照して熱交換器２２についてさらに説明する。図９は、図６に示す熱交換器２２を模式的に示した図である。
【００４５】
上述したように、熱交換器２２は、燃料電池セル集合体１２での発電反応に使用されなかった燃料ガスと発電用空気とが燃焼することで発生する燃焼ガスの熱を利用して、発電反応に使用する発電用空気を加熱するものである。本実施形態における熱交換器２２は、燃焼ガス配管７０内に乱流生成部材７１を備える点に特徴がある。つまり、燃焼ガス配管７０内に乱流生成部材７１を備えることで、低温時の熱交換効率を向上させ、高温時の運転効率を向上させることを可能とした。以下に、乱流生成部材７１について詳細に説明する。
【００４６】
乱流生成部材７１は、燃焼ガス配管７０を流れる燃焼ガスに乱流を生じさせる部材である。乱流生成部材７１は、棒状の部材を螺旋状にねじることで形成する。このような螺旋状の乱流生成部材７１を燃焼ガス配管７０内に配置することで、燃焼ガス配管７０内を流れる燃焼ガスに乱流を生じさせて拡散することができる。これにより、燃焼ガス配管７０内における燃焼ガスの流動距離や流動時間を延長することができるため、燃焼ガスから発電用空気への熱交換効率を向上させることができる。
【００４７】
乱流生成部材７１は、温度に応じて、乱流生成部材７１の長手方向に伸縮する部材により形成される。つまり、温度が上昇すると、乱流生成部材７１の長さが長くなり、上昇した温度が下降すると、乱流生成部材７１の長さは短くなる。
【００４８】
乱流生成部材７１を螺旋状にねじって形成することで、乱流生成部材７１と同一の材料かつ同一の長さで形成した直線状の部材と比較すると、熱膨張したときの長さを長くすることができる。つまり、乱流生成部材７１は、その長手方向において、円筒状の燃焼ガス配管７０よりも大きな膨張率を有することになる。なお、乱流生成部材７１は、燃焼ガス配管７０と同一の材料で形成することには限定されず、燃焼ガス配管７０よりも熱膨張し易い材料で形成してもよい。熱膨張し易い材料で形成することで、後述する高温時の乱流低減効果をより高めることができる。
【００４９】
図９に示すように、乱流生成部材７１は、例えば０℃等の低温時に、燃焼ガス配管７０の配管長と同じ長さになるように形成する。乱流生成部材７１は、燃焼ガス配管７０内に配置する際に、燃焼ガス配管７０の上流側に位置する端部７１ａを燃焼ガス配管７０に固定し、燃焼ガス配管７０の下流側に位置する端部７１ｂを燃焼ガス配管７０に固定しないで配置する。
【００５０】
このように乱流生成部材７１を配置することで、例えば発電時等の高温時には、乱流生成部材７１が熱膨張により伸長し、燃焼ガス配管７０の下流側開口部から乱流生成部材７１の端部７１ｂ側が突出する。
【００５１】
図１０に、乱流生成部材７１が熱膨張により伸長した状態を模式的に示す。乱流生成部材７１は、その端部７１ａが燃焼ガス配管７０に固定されているため、熱膨張により伸長すると、燃焼ガス配管７０に固定されていない端部７１ｂ側が燃焼ガス配管７０の下流側開口部から突出する。
【００５２】
乱流生成部材７１の一部が燃焼ガス配管７０から突出すると、燃焼ガス配管７０内に収まるねじれ数を減らすことができる。燃焼ガスの乱流は、乱流生成部材７１のねじれ数が多いほど激しくなる傾向があるため、燃焼ガス配管７０内に収まるねじれ数を減らすことで、燃焼ガスの乱流を減少させることが可能となる。つまり、高温になるほど、乱流生成部材７１の突出部分が増加し、燃焼ガス配管７０内に収まるねじれ数が減るため、温度が上昇するにつれて燃焼ガスの乱流を減少させることが可能となる。
【００５３】
つまり、温度が上昇するにつれて乱流生成部材７１の燃焼ガス配管７０からの突出量を増加させて、乱流の発生に寄与しない乱流生成部材７１の割合を増加させることで、温度が高いほど燃焼ガス配管７０と乱流生成部材７１との間で生ずる乱流量を減少させることが可能となる。
【００５４】
このような乱流生成部材７１を備えることで、低温時には燃焼ガス配管７０内を流れる燃焼ガスの乱流を大きくすることができるため、熱交換効率を向上させることが可能となる。これにより、昇温速度を速めることができ、起動に要する時間を短縮することが可能となる。
【００５５】
一方、高温時には燃焼ガス配管７０内を流れる燃焼ガスの乱流を減少させることができるため、低温時よりも圧力損失を抑えることが可能となる。これにより、システム全体の消費電力を抑えることができ、運転効率を向上させることが可能となる。
【００５６】
つまり、本実施形態における燃料電池モジュール２によれば、低温時の熱交換効率を向上させるとともに、高温時の運転効率を向上させることが可能となる。
【００５７】
なお、乱流生成部材７１を燃焼ガス配管７０に固定する位置は、乱流生成部材７１の端部７１ａには限定されない。乱流生成部材７１のうち、少なくともいずれか一箇所を燃焼ガス配管７０に固定すればよい。
【００５８】
乱流生成部材７１を全く固定しないと、乱流生成部材７１は、熱膨張により伸縮するたびに燃焼ガス配管７０内を自由に移動してしまい、燃焼ガス配管７０からの突出量が変動してしまうことになる。突出量が変動すると、乱流量が変動してしまうため、乱流量を制御することで得られる効果が低減してしまう。特に、低温時に乱流生成部材７１が突出してしまうと、乱流が減少してしまうので、熱交換効率が低下してしまう。また、高温時に突出量が少なくなると、圧力損失の低減量が減ってしまい、運転効率が低下してしまう。これに対して、少なくともいずれか一箇所で固定することにより、伸縮を繰り返しても同じ位置で伸縮させることができるため、各温度に対する燃焼ガス配管７０からの突出量を一定に保つことが可能となる。
【００５９】
ここで、乱流生成部材７１の端部７１ａを燃焼ガス配管７０に固定した場合には、以下のメリットがある。熱交換器２２内での熱交換は、上流から下流に向けて行われるため、上流から下流に移動するに従い温度が低下する。温度が比較的に低下する下流部分は、熱膨張率が比較的に小さくなるので、乱流生成部材７１の膨張量も比較的に小さくなる。膨張量が小さい部分は、膨張量が大きい部分に比べて、長さ当たりのねじれ数の割合（乱流を発生させる密度）が高くなる。したがって、膨張量が小さい部分を突出させた方が、乱流をより減少させることが可能となる。つまり、比較的に高温側となる燃焼ガス配管７０の上流側に位置する乱流生成部材７１の端部７１ａを固定することで、比較的に低温側に位置して膨張量が比較的に小さくなる乱流生成部材７１の端部７１ｂ側を突出させることができるため、高温時に、乱流をより減少することができ、運転効率をより向上させることが可能となる。
【００６０】
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。すなわち、これら具体例に、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およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、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、前述した各実施の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。
【符号の説明】
【００６１】
２：燃料電池モジュール（燃料電池ユニット）
１０：発電室
１２：燃料電池セル集合体
１４：燃料電池セルスタック
１６：燃料電池セルユニット
１８：燃焼室
２０：改質器
２１：整流板
２１ａ：開口
２２：熱交換器
５６：ケーシング
６０：被改質ガス供給管
６２：水供給管
６６：燃料供給管
６６ａ：下端側
６８：燃料ガスタンク
６８ａ：燃料ガスタンク上板
７０：燃焼ガス配管（燃焼ガス流路）
７１：乱流生成部材
７１ａ、７１ｂ：乱流生成部材端部
７２：発電用空気流路
７４：発電用空気導入管
７６：連絡流路
７６ａ：出口ポート
７７：発電用空気供給路
７８ａ，７８ｂ：吹出口
８２：燃焼ガス排出管
８４：燃料電池セル
８６：内側電極端子
８８：燃料ガス流路
９０：内側電極層
９０ａ：上部
９０ｂ：外周面
９０ｃ：上端面
９２：外側電極層
９４：電解質層
９６：シール材
９８：燃料ガス流路
１００：上支持板
１０２：集電体
１０４：外部端子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の発電反応に使用されなかった燃料ガスと酸化剤ガスとが燃焼することで発生する燃焼ガスの熱を利用して前記燃料電池の発電反応に使用する酸化剤ガスを加熱する熱交換器を備える燃料電池ユニットであって、
前記熱交換器は、
前記燃焼ガスを流す燃焼ガス流路と、
前記燃焼ガス流路内に配置され、前記燃焼ガス流路を流れる前記燃焼ガスに乱流を生じさせる乱流生成部材と、を備え、
前記乱流生成部材は、前記燃焼ガス流路よりも大きな熱膨張率を有し、温度に応じて前記燃焼ガス流路の長手方向に伸縮するとともに、少なくともその一端が前記燃焼ガス流路に固定されておらず、温度が上昇するほど前記燃焼ガス流路から突出する部分が増加するように配置されている、
ことを特徴とする、燃料電池ユニット。
【請求項２】
前記乱流生成部材は、少なくともいずれか一箇所が前記燃焼ガス流路に固定されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池ユニット。
【請求項３】
前記乱流生成部材は、前記燃焼ガス流路の上流側に位置する一端部が前記燃焼ガス流路に固定され、前記燃焼ガス流路の下流側に位置する他端部は前記燃焼ガス流路に固定されていないことを特徴とする請求項２に記載された燃料電池ユニット。
【請求項１】
燃料電池の発電反応に使用されなかった燃料ガスと酸化剤ガスとが燃焼することで発生する燃焼ガスの熱を利用して前記燃料電池の発電反応に使用する酸化剤ガスを加熱する熱交換器を備える燃料電池ユニットであって、
前記熱交換器は、
前記燃焼ガスを流す燃焼ガス流路と、
前記燃焼ガス流路内に配置され、前記燃焼ガス流路を流れる前記燃焼ガスに乱流を生じさせる乱流生成部材と、を備え、
前記乱流生成部材は、前記燃焼ガス流路よりも大きな熱膨張率を有し、温度に応じて前記燃焼ガス流路の長手方向に伸縮するとともに、少なくともその一端が前記燃焼ガス流路に固定されておらず、温度が上昇するほど前記燃焼ガス流路から突出する部分が増加するように配置されている、
ことを特徴とする、燃料電池ユニット。
【請求項２】
前記乱流生成部材は、少なくともいずれか一箇所が前記燃焼ガス流路に固定されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池ユニット。
【請求項３】
前記乱流生成部材は、前記燃焼ガス流路の上流側に位置する一端部が前記燃焼ガス流路に固定され、前記燃焼ガス流路の下流側に位置する他端部は前記燃焼ガス流路に固定されていないことを特徴とする請求項２に記載された燃料電池ユニット。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１３−５８４３９（Ｐ２０１３−５８４３９Ａ）
【公開日】平成２５年３月２８日（２０１３．３．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１９７１２７（Ｐ２０１１−１９７１２７）
【出願日】平成２３年９月９日（２０１１．９．９）
【出願人】（００００１００８７）ＴＯＴＯ株式会社 (3,889)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年３月２８日（２０１３．３．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月９日（２０１１．９．９）
【出願人】（００００１００８７）ＴＯＴＯ株式会社 (3,889)
【Ｆターム（参考）】
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