燃料電池装置
【課題】燃焼火炎の高温の燃焼排気ガスと改質部との間における熱交換効率を高め、改質部に対する加熱効率を改善した燃料電池装置を提供する。
【解決手段】アノードオフガスを燃焼用空間５で燃焼させた燃焼火炎５０で改質部４２を加熱させる燃料電池２０が設けられている。排気ガス通路７は、燃焼火炎５０の燃焼排気ガスを改質部４２に接触させる接触通路７０ｆ，７０ｓと、カソードガス通路８のカソードガスを排気ガス出口７４に向かわせる下流通路７３とを有する。カバー部材２００は、燃焼火炎５０が燃焼する燃焼用空間５を覆うと共に、燃焼排気ガスが接触通路７０ｆ，７０ｓに流れることなく下流通路７３に短絡的に向かうことを抑制し、且つ、燃焼排気ガスを接触通路７０ｆ，７０ｓを経由させて下流通路７３に向かわせる。
【解決手段】アノードオフガスを燃焼用空間５で燃焼させた燃焼火炎５０で改質部４２を加熱させる燃料電池２０が設けられている。排気ガス通路７は、燃焼火炎５０の燃焼排気ガスを改質部４２に接触させる接触通路７０ｆ，７０ｓと、カソードガス通路８のカソードガスを排気ガス出口７４に向かわせる下流通路７３とを有する。カバー部材２００は、燃焼火炎５０が燃焼する燃焼用空間５を覆うと共に、燃焼排気ガスが接触通路７０ｆ，７０ｓに流れることなく下流通路７３に短絡的に向かうことを抑制し、且つ、燃焼排気ガスを接触通路７０ｆ，７０ｓを経由させて下流通路７３に向かわせる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃焼火炎で改質部を加熱させる燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の燃料電池装置として、燃料原料を改質させてアノードガスを生成させる改質部と、改質部で生成されたアノードガスとカソードガスとで発電する燃料電池とを備えると共に、燃料電池から吐出されたアノードオフガスを燃焼用空間で燃焼させた燃焼火炎で改質部を加熱させるものが知られている（特許文献１，２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−１５８５２７号公報
【特許文献２】特開２００８−６６１２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記した燃料電池装置によれば、燃料電池から吐出されたアノードオフガスを燃焼用空間で燃焼させた燃焼火炎で改質部を効率よく加熱させることができる。更に産業界では、改質部の加熱効率を向上させることが要請されている。
【０００５】
本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、燃焼火炎の高温の燃焼排気ガスが改質部に接触する確率を高め、燃焼火炎の高温の燃焼排気ガスと改質部との間における熱交換効率を高め、改質部に対する加熱効率を改善した燃料電池装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る燃料電池装置は、（ｉ）燃料原料を改質させてアノードガスを生成させる改質部と、（ｉｉ）改質部で生成されたアノードガスとカソードガスとで発電し且つ燃料電池から吐出されたアノードオフガスを燃焼用空間で燃焼させた燃焼火炎で改質部を加熱させる燃料電池と、（ｉｉｉ）改質部で生成されたアノードガスを燃料電池の内部に供給するアノードガス通路と、（ｉｖ）カソードガスを燃料電池の内部に供給するカソードガス通路と、（ｖ）燃焼用空間の燃焼排気ガスを改質部に接触させる接触通路と接触通路の下流に位置すると共に排気ガス出口に向かう下流通路とを有する排気ガス通路と、（ｖｉ）燃焼火炎が燃焼する燃焼用空間を覆うと共に、燃焼用空間の燃焼排気ガスが接触通路に流れることを促進し、且つ、燃焼用空間の燃焼排気ガスを接触通路を経由させて下流通路に向かわせるカバー部材とを具備する。
【０００７】
改質部で生成されたアノードガスは、燃料電池の内部に供給される。カソードガスは燃料電池の内部に供給される。これにより燃料電池は発電する。燃料電池から吐出された発電反応後のアノードオフガスは、燃焼用空間で燃焼されて燃焼火炎となる。燃焼火炎は改質部を加熱させる。これにより改質部は改質反応に適する温度に加熱される。
【０００８】
カバー部材は、燃焼火炎が燃焼する燃焼用空間を覆う。これによりカバー部材は、燃焼用空間の燃焼排気ガス（以下、排気ガスともいう）が接触通路に流れることを促進する。よってカバー部材は、燃焼用空間の排気ガスを積極的に接触通路を経由させて下流通路に向かわせる。このため燃焼用空間の排気ガスが接触通路以外の部位に流れることが抑制され、接触通路を経由することになる。このため接触通路を流れる単位時間あたりの排気ガスの流量が増加する。従って、接触通路を流れる高温の排気ガスが改質部に接触する確率が高まる。高温の排気ガスと改質部との間における熱交換効率が向上し、改質部の加熱効率が高められる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る燃料電池装置によれば、カバー部材は、燃焼用空間の排気ガスが接触通路に流れることを促進し、且つ、燃焼用空間の排気ガスを接触通路を経由させて下流通路に向かわせる。このため燃焼用空間の排気ガスが接触通路以外の部位に流れることが抑制され、接触通路に向かうことが促進される。このため接触通路を流れる排気ガスの流量が増加する。従って、接触通路を流れる排気ガスと改質部との間における熱交換効率が向上し、改質部の加熱効率が高められる。このため、改質部における改質反応が良好なり、燃料電池の発電効率が確保される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施形態１に係り、燃料電池装置の断面図である。
【図２】実施形態１に係り、燃料電池装置のカソードガス通路の対向通路を部分的に示す斜視図である。
【図３】実施形態１に係り、燃料電池装置の要部の断面図である。
【図４】実施形態１に係り、燃料電池および改質部付近を示す概念図である。
【図５】実施形態１に係り、燃料電池および改質部付近の概念を示す斜視図である。
【図６】実施形態２に係り、燃料電池装置の要部の断面図である。
【図７】実施形態３に係り、燃料電池装置の要部の断面図である。
【図８】実施形態３に係り、カバー部材が改質部の側面に当接している状態を模式的に示す断面図である。
【図９】実施形態４に係り、燃料電池装置の断面図である。
【図１０】実施形態５に係り、燃料電池装置の断面図である。
【図１１】実施形態６に係り、燃料電池装置の断面図である。
【図１２】実施形態６に係り、燃料電池装置の要部の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
カバー部材は、燃焼火炎が燃焼する燃焼用空間を覆うと共に燃焼用空間の排気ガスを接触通路に向かわせる。カバー部材は、燃焼用空間を覆うように改質部に接触していることができる。この場合、カバー部材は改質部はに固定されていても良いし、圧接されていても良い。カバー部材が改質部に固定されている場合には、改質部の支持性を高めることができる。
【００１２】
好ましい形態によれば、断面において、燃焼用空間はカソードガス通路を形成する通路形成部材を挟むように第１燃焼用空間および第２燃焼用空間を有する。この場合、カソードガス通路を形成する通路形成部材は、第１燃焼用空間と第２燃焼用空間とを連通させる連通路を有することが好ましい。この場合、第１燃焼用空間および第２燃焼用空間との連通性が連通路により確保される。故に、第１燃焼用空間と第２燃焼用空間との間におけるガス流通性が良好に確保される。このため第１燃焼用空間における燃焼火炎の燃焼性および第２燃焼用空間における燃焼火炎の燃焼性とのばらつき低減に貢献できる。
【００１３】
好ましい形態によれば、カソードガス通路は燃料電池に対向すると共に燃料電池から受熱する対向通路を有する。この場合、燃料電池と対向通路との間には、カソードガス通路の対向通路から供給され且つ燃料電池の内部に流入されなかったカソードガスを燃焼用空間に向けて流す第１通路が設けられていることが好ましい。この場合、第１通路においてカソードガスが流れる方向と、カソードガス通路の対向通路においてカソードガスが流れる方向とは、互いに逆向きであることが好ましい。このようにすれば、第１通路におけるカソードガスと、カソードガス通路の対向通路におけるカソードガスとの熱交換効率を高めるのに有利となる。
【００１４】
好ましい形態によれば、燃料電池とカバー部材との間には、カソードガス通路から供給され且つ燃料電池の内部に流入されなかったカソードガスを燃焼用空間に向けて流す第２通路が設けられている。この場合、燃料電池からの伝熱によりカバー部材が加熱され易くなる。このように加熱されたカバー部材は、第２通路を燃焼用空間に向けて流れるカソードガスを加熱させるのに有利である。よって燃焼用空間における燃焼効率を高めるのに有利である。
【００１５】
好ましい形態によれば、カバー部材のうち少なくとも第２通路を形成する表面には、第２通路を通過するカソードガスの昇温性を高めるように、スタックおよび／または燃焼火炎からの輻射熱を吸収させる吸収率を高める輻射熱吸収化処理が施されている。この場合、カバー部材の表面は、第２通路を燃焼用空間に向けて流れるカソードガスを加熱させ、燃焼用空間における燃焼効率を高めるのに有利である。
【００１６】
好ましい形態によれば、カバー部材のうち少なくとも第２通路を形成する表面には、スタックおよび／または燃焼火炎からの輻射熱を反射させる反射率を高める輻射熱反射化処理が施されている。この場合、スタックおよび／または燃焼火炎の温度を高めに維持させるのに貢献できる。上記した輻射熱吸収化処理としては、燃料電池装置を構成する通路を形成する通路形成部材などの部材の表面に施すことができる。
【００１７】
（実施形態１）
図１〜図５は実施形態１を示す。本実施形態は、固体酸化物型の燃料電池装置に適用した例を示す。図１は実施形態１に係る燃料電池装置の概念を示す。燃料電池装置１は、複数の燃料電池が厚み方向に積層されて長手方向（図１の紙面垂直方向）に沿って延設されたスタック２を有する。燃料電池装置１は、基体３と、基体３の配置室３０にスペーサを兼ねるシール部２０ｗを介して収容された燃料電池２０で形成されたスタック２と、基体３の配置室３０においてスタック２の上側に配置された改質器４と、スタック２の上面と改質器４の下面との間に形成された燃焼用空間５と、スタック２の外側に配置された断熱材料で形成された断熱層６と、断熱層６の外側に配置された排気ガス通路７と、排気ガス通路７の外側に配置されたカソードガス通路８とを有する。ここで、排気ガス通路７およびカソードガス通路８は、スタック２の長手方向（図１の紙面垂直方向，燃料電池の積層方向）に沿って延設されている。排気ガス通路７は、互いに対面する板状をなす通路形成部材７０１，７０２で形成されている。カソードガス通路８は、互いに対面する板状をなす通路形成部材８０１，７０１で形成されている。
【００１８】
図４および図５は燃料電池２０および改質器４付近の概念図を示す。図５に示すように、スタック２を構成する燃料電池２０は、アノードガスが供給される通路２１ｒをもつ多孔質導電部２１ｗと、多孔質導電部２１ｗに隣接するアノード２１と、カソードガスが供給される酸化剤極（空気極）として機能するカソード２２と、アノード２１およびカソード２２で挟まれた固体酸化物を母材とする膜状の電解質２３と、コネクタ２０ｘとを有する。電解質２３を形成する固体酸化物は、スタック２の作動温度において酸素イオン（Ｏ２−）を伝導させる性質をもつものであり、ＹＳＺ等のジルコニア系、ランタンガレート系が例示される。アノード２１は、ニッケル−セリア系サーメットが例示される。カソード２２は、サマリウムコバルタイト、ランタンマンガナイトが例示される。但し材質は上記に限定されるものではない。図５に示すように、複数個の燃料電池２０は、長手方向（矢印Ｌ方向）に隙間２０ｒを介して並設されてスタック２を形成している。隙間２０ｒはカソード２２に対面する。なお、燃料電池２０同士は図略の集電部材により電気的に接続されている。
【００１９】
改質器４は、改質水を水蒸気化させる蒸発部４０と、水蒸気を利用して燃料原料を改質される改質部４２とを備えている。蒸発部４０は箱状をなしており、下面４０ｄ，上面４０ｕ，側面４０ｓ，側面４０ｍを有する。改質部４２は箱状をなしており、下面４２ｄ，上面４２ｕ，側面４２ｓ，側面４２ｍを有する。蒸発部４０は、改質水系から蒸発部４０に供給される液相状の改質水を水蒸気化させる。改質部４２は、改質反応を促進させる改質触媒を担持するセラミックス材を有する。改質部４２は蒸発部４０の下流に設けられており、蒸発部４０で生成された水蒸気で炭化水素系の燃料原料を高温領域において水蒸気改質させてアノードガスを生成させる。アノードガスは水素ガスまたは水素含有ガスである。なお、固体酸化物形の燃料電池によれば、スタック２の定常運転における燃料電池の作動温度は、例えば４５０〜１１００℃の範囲内、殊に５５０〜８００℃の範囲内であることが好ましい。
【００２０】
図１に示すように、カソードガス通路８は、入口８０と、入口８０から縦方向に上向きに延びる第１通路８１と、第１通路８１の上端から横方向にのびる第２通路８２と、第２通路８２の先端から下向きに延びる第３通路となる対向通路８３と、対向通路８３の下端側に形成された出口８４とをもつ。図２に示すように、対向通路８３はスタック２から受熱する通路であり、通路形成部材７０１の一部をなす薄箱形状の通路形成部分７０１ｋで形成されている。通路形成部分７０１ｋは薄箱形状をなしており、スタック２のカソードに連通する出口８４を下端部に有する。
【００２１】
図１に示すように、排気ガス通路７は、金属を母材とする通路形成部材７０１，７０２で形成されている。排気ガス通路７は、改質器４に直接的に接触する接触通路７０と、接触通路７０の下流に連通するように延設された下流通路７３とを有する。下流通路７３は入口７２および出口７４（排気ガス出口）を有する。相対的に高温側の排気ガスが流れる下流通路７３は、カソードガス通路８の第１通路８１を流れる相対的に低温側のカソードガスと互いに熱交換する熱交換器７Ｘを構成する。
【００２２】
図１に示すように、接触通路７０は、燃焼用空間５と排気ガス通路７との間においてこれらに連通するように位置している。接触通路７０は、改質部４２の側面４２ｓに接触する第１接触通路７０ｆと、改質部４２の上面４２ｕに接触する第２接触通路７０ｓとを有する。第１接触通路７０ｆは、通路形成部分７０１ｋを介して対向通路８３に対向している。第１接触通路７０ｆは、蒸発部４０の側面４０ｓおよび通路形成部分７０１ｋに接触する。第２接触通路７０ｓはカソードガス通路８の第２通路８２と対向している。第２接触通路７０ｓは蒸発部４０の上面４０ｕに接触する。
【００２３】
なお、スタック２は、カソードガス通路８の対向通路８３を挟むように２組設けられている。すなわち、スタックは、対向通路８３を挟む第１スタック２ｆおよび第２スタック２ｓを備えている。図１に示すように、スタック２の下部には、アノードガスを燃料電池２０の入口に案内するアノードガスマニホルド２４が配置されている。ここで、スタック２、カソードガス通路８、排気ガス通路７、改質器４およびアノードガスマニホルド２４、さらには、燃焼用空間５は、燃料電池装置１の長手方向（図１の紙面の垂直方向，燃料電池２０の積層方向）に沿って延設されている。
【００２４】
燃料電池２０が発電運転するときについて説明を加える。この場合、図４に示す燃料原料ポンプ９０（燃料原料搬送源）が駆動するため、炭化水素系の燃料原料が燃料原料供給通路９２を介して改質器４の蒸発部４０に供給される。また改質水ポンプ９３（水搬送源）が駆動し、図略の貯水タンクの改質水が改質水通路９４を介して蒸発部４０に供給される。ここで、燃焼火炎５０で蒸発部４０および改質部４２は加熱されているため、蒸発部４０は液相状の改質水を水蒸気化させる。生成された水蒸気は改質部４２に供給される。改質部４２は燃料原料を水蒸気改質させ、水素を含むアノードガスを生成させる。燃料原料がメタン系である場合には、水蒸気改質ではアノードガスの生成は、次の（１）式に基づくと考えられている。固体酸化物形の燃料電池２０では、Ｈ２の他にＣＯも燃料となりうる。
【００２５】
（１）…ＣＨ４＋２Ｈ２Ｏ→４Ｈ２＋ＣＯ２
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→３Ｈ２＋ＣＯ
ＣｎＨｍが炭化水素の一般的な化学式であるとすると、水蒸気改質の一般式は次の（１−１）式のようになる。ｎ＝１、ｍ＝４であると、メタンの水蒸気改質の式が得られる。
【００２６】
（１−１）…ＣｎＨｍ＋２ｎＨ２Ｏ→ｎＣＯ２＋［（ｍ／２）＋２ｎ）］Ｈ２
生成された水素を含有するアノードガスは、アノードガス通路２５およびアノードガスマニホルド２４を介して、燃料電池２０のアノードの入口に供給されて発電に使用される。またカソードガスポンプ９５（カソードガス搬送源）が駆動しているため、空気であるカソードガスが、図１に示すように矢印Ｃ１方向，矢印Ｃ２方向，矢印Ｃ３方向，矢印Ｃ４方向，矢印Ｃ５方向，矢印Ｃ６方向に沿って、カソードガス通路８の第１通路８１、第２通路８２および対向通路８３を流れ、カソードガス通路８の先端の出口８４からスタック２のカソードの下部の入口に供給され、さらに、スタック２のカソードの内部を上向き（図１に示す矢印Ｕ１方向）に通過しつつ、カソードの発電反応に使用される。発電反応後のカソードオフガスは、スタック２のカソードの上面から燃焼用空間５に排出される。これに対して、改質部２２で生成されたアノードガスは、アノードガスマニホルド２４からスタック２のアノードを上向きに通過しつつ、アノードの発電反応に使用される。これにより燃料電池２０は発電する。発電反応においては、水素含有ガスで供給されるアノードでは、基本的には（２）の反応が発生ると考えられている。酸素を含む空気が供給されるカソードでは、基本的には（３）の反応が発生すると考えられている。カソードにおいて発生した酸素イオン（Ｏ２−）がカソード２２からアノードに向けて電解質（酸素イオン伝導体，イオン伝導体）を伝導する。
【００２７】
（２）…Ｈ２＋Ｏ２−→Ｈ２Ｏ＋２ｅ−
ＣＯが含まれている場合には、ＣＯ＋Ｏ２−→ＣＯ２＋２ｅ−
（３）…１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｏ２−
上記した発電反応後のカソードオフガスは未反応の酸素を含有しており、スタック２のカソードの上部から燃焼用空間５に吐出される。同様に、発電反応後のアノードオフガスは未反応の燃焼成分（水素）を含有しており、スタック２のアノードの上面から燃焼用空間５に排出される。この結果、燃焼用空間５においてアノードオフガスはカソードオフガスにより燃焼し、燃焼火炎５０を形成する。燃焼火炎５０により、改質部４２および蒸発部４０が加熱される。これにより改質部４２における改質反応が維持され、蒸発部４０において水蒸気生成反応が維持される。なお、（２）の反応式によれば、アノードオフガスは水分（Ｈ２Ｏ）を含むことがある。本実施形態によれば、スタック２のアノードに供給されるアノードガス、すなわち、改質部４２に供給される燃料原料の流量としては、燃料電池２０のアノードにおける発電反応で使用される流量と、燃焼用空間５においてアノードオフガスが燃焼火炎５０を形成する流量とを含む流量が設定されている。カソードガスの流量の流量としては、燃料電池２０のカソードにおける発電反応で使用される流量と、燃焼用空間５においてカソードオフガスが燃焼用空気として燃焼火炎５０を形成する流量と、余裕流量とを加算した流量が設定されている。
【００２８】
上記したように燃焼用空間５において燃焼した後のアノードオフガスおよびカソードオフガスは、高温の排気ガスとなる。この排気ガスは、入口７２から下流通路７３に進入し下向きに流れ、出口７４から外部に吐出される。ここで、排気ガス通路７の下流通路７３を下向きに流れる相対的に高温の排気ガスと、カソードガス通路８の第１通路８１を上向き（下流通路７３における排気ガスの流れ方向と反対方向）に流れる相対的に低温のカソードガスとが、対向流として、互いに熱交換する。よって排気ガスが冷却されると共に、スタック２に供給される直前のカソードガスが予熱される。上記した『下向き』は蛇行しつつ下向きも含み、ガスが全体として下向きに流れる意味である。『上向き』は蛇行しつつ上向きも含み、ガスが全体として上向きに流れる意味である。上記したように予熱されたカソードガスは、カソードガス通路８の第２通路８２，対向通路８３，出口８４を経て、燃料電池２０のカソードに供給されるため、カソードにおける発電反応の効率を向上させ得る。
【００２９】
換言すると、熱交換器７Ｘでは、排気ガス通路７の下流通路７３を流れる高温の排気ガスは、下向きに流れる。且つ、カソードガス通路８の第１通路８１を流れる低温のカソードガスは、上向きに流れる。結果として、高温の排気ガスと低温のカソードガスとは、互いに逆向きに流れる対向流となり、互いに熱交換する。従って、燃焼用空間５から排出された高温の排気ガスは下流通路７３においてカソードガスにより効率よく冷却されると共に、スタック２に供給される直前のカソードガスは排気ガスにより効率よく予熱される。このように下流通路７３は熱交換通路として機能できる。
【００３０】
さて本実施形態によれば、図１に示すように、燃焼火炎５０が燃焼する燃焼用空間５を覆う板状をなすカバー部材２１０が設けられている。カバー部材２１０の材質は特に限定されるものではなく、金属，耐火物が例示される。金属としては高温における耐食性および強度を有することが好ましく、例えばステンレス鋼（フェライト系、オーステナイト系、マルテンサイト系）等の合金鋼、炭素鋼が例示される。図１および図２に示すように、カバー部材２１０の上端部２０６は、改質部４２の側面４２ｍ，蒸発部４０の側面４０ｍに気密的に接触してシールしている。この場合、カバー部材２１０の上端部２０６は、改質部の側面４２ｍ，蒸発部４０の側面４０ｍに接触状態に溶接または取付具等により固定されていても良いし、単に気密的に接触しているだけでも良い。図１に示すように、カバー部材２１０の上端部２０６の上面２０７は、スタック２の上面、改質部４２の下面４２ｄ，蒸発部４０の下面４０ｄよりも上方に突出している。ここで、当該上面２０７は、改質部４２の上面４２ｕおよび蒸発部４０の上面４０ｕよりも下方に位置しており、第２接触通路７０ｓにおけるガス流通性が確保されている。このようなカバー部材２１０を有する本実施形態によれば、燃焼用空間５で燃焼された高温の排気ガスを、接触通路７０の第１接触通路７０ｆひいては第２接触通路７０ｓに積極的に向かわせることができる。このため燃焼用空間５から吐出された高温の排気ガスが接触通路７０以外の部位に短絡的に流れることが抑制される。すなわち、燃焼用空間５の高温の排気ガスが第１接触通路７０ｆに流れること無く、燃焼用空間５から排気ガス通路７の入口７２に直接的に短絡的に流れることが抑えられる。
【００３１】
結果として、接触通路７０の第１接触通路７０ｆひいては第２接触通路７０ｓに流れる排気ガスの流量が増加する。従って、第１接触通路７０ｆを流れる排気ガスと改質部４２の側面４２ｓとの接触確率、ひいては熱交換効率が向上する。且つ、第２接触通路７０ｓを流れる高温の排気ガスと改質部４２の上面４２ｕとの接触確率、ひいては熱交換効率が向上する。よって排気ガスが改質部４２を加熱させる加熱効率を高めることができる。
【００３２】
蒸発部４０についても同様である。すなわち、第１接触通路７０ｆを流れる高温の排気ガスが蒸発部４０の側面４０ｓと熱交換する熱交換効率が向上する。更に、第２接触通路７０ｓを流れる高温の排気ガスと蒸発部４０の上面４０ｕとの熱交換効率が向上する。このように蒸発部４０の加熱効率が高められる。殊に、スタック２の発電電力が少ないときには、スタック２に供給されるアノードガスおよびカソードガスの単位時間あたりの流量が少ない。このため、改質部４２および蒸発部４０が流路抵抗となる割合が高くなる。この場合、カバー部材が設けられていない場合には、燃焼用空間５の排気ガスが燃焼用空間５から排気ガス通路７の入口７２に短絡的に流れ込み易くなる。この場合、高温の排ガスが改質部４２および蒸発部４０に接触する頻度が低下し、改質部４２および蒸発部４０の加熱効率が低下することが考えられる。しかしながら本実施形態によれば、上記した排気ガスの短絡的な流れを防止するカバー部材２１０が設けられているため、上述するように改質部４２および蒸発部４０と排気ガスとの接触性を高め、排気ガスで改質部４２および蒸発部４０を加熱させる加熱効率を高めることができる。
【００３３】
更に本実施形態によれば、図１から理解できるように、燃焼用空間５の高温の排気ガスが第１接触通路７０ｆに流れる。このため、対向通路８３を流れるカソードガスを第１接触通路７０ｆの高温の排気ガスで加熱させる加熱効率を高めることができる。このためスタック２に供給される直前の対向通路８３のカソードガスを効率よく加熱させるのに貢献できる。なお、カバー部材２１０の下端部２０５が溶接または取付具で固定部３５０に固定され、且つ、カバー部材２００の上端部２０６が改質器４の改質部４２の側面４２ｍに溶接または取付具で固定されていることが好ましい。この場合、改質器４の改質部４０の支持性をカバー部材２１０がアシストでき、改質器４の支持性を高めることができる。但しこれに限定されるものではない。
【００３４】
ところで、スタック２の発電反応は発熱反応である。スタック２の内部では、前述したようにアノードガスおよびカソードガスは上向きに流れる。このためスタック２の内部における発電反応を考慮すると、更に、スタック２の上側に燃焼火炎５０が存在することを考慮すると、高さ方向においてスタック２の上部は下部よりも高温となり易い。スタック２の温度はスタック２の発電反応に大きく影響を与える。これを考慮すると、スタック２の高さ方向における発電反応の均一化を図るためには、スタック２の上部と下部との温度差が増大することは、回避されることが好ましい。
【００３５】
この点について本実施形態によれば、図１に示すように、カソードガス通路８を形成する通路形成部材７０１のうち、対向通路８３を形成する通路形成部分７０１ｋは、第１接触通路７０ｆおよびスタック２の側面２ｋに対面する。通路形成部分７０１ｋとスタック２の側面２ｋとで、カソードガスが上向き（矢印Ｕ２方向）流れる第１通路３１０を形成している。すなわち、第１通路３１０は、カソードガス通路８の対向通路８３から供給され且つスタック２のカソードに流入されなかったカソードガスを、燃焼用空間５３に向けて上向き（矢印Ｕ２方向）に流す通路である。ここで、第１通路３１０においてカソードガスが流れる方向（矢印Ｕ２方向，上向き）と、対向通路８３においてカソードガスが流れる方向（矢印Ｃ５方向，下向き）とは、互いに逆向きである。対向通路８３のカソードガスは、対向通路８３の下部に向かうにつれてスタック２の側面２ｋから受熱して加熱される。
【００３６】
このため対向通路８３においては、その下部が相対的高温領域となり、その上部が相対的低温領域となると考えられる。これに対して、第１通路３１０をカソードガスが上向き（矢印Ｕ２方向）に流れるとき、第１通路３１０においては、その上部が相対的高温領域となり、下部が相対的低温領域となると考えられる。よって第１通路３１０の相対的高温領域が対向通路８３の相対的低温領域に通路形成部分７０１ｋを介して対面する。また、第１通路３１０の相対的低温領域が対向通路８３の相対的高温領域に通路形成部分７０１ｋを介して対面する。このためスタック２の高さ方向における上部と下部との温度のばらつきを小さくさせるのに貢献できる。ここで、第１通路３１０の相対的高温領域が対向通路８３の相対的高温領域に通路形成部分７０１ｋを介して対面したり、あるいは、第１通路３１０の相対的低温領域が対向通路８３の相対的低温領域に通路形成部分７０１ｋを介して対面したりしている構造も考えられる。この場合には、スタック２の高さ方向の温度のばらつきが増加するおそれがある。スタック２の高さ方向における発電ばらつきの低減には好ましくない。
【００３７】
図１および図３に示すように、上記したカバー部材２１０は、スタック２の側面２ｍに対面する表面２０１を有する。ここで、スタック２の側面２ｍとカバー部材２１０の表面２０１との間には、カソードガスが流れる第２通路３２０が形成されている。ここで、カソードガス通路８の対向通路８３から供給され且つスタック２に流入されなかったカソードガスは、第２通路３２０に流れ、第２通路３２０を上向き（矢印Ｕ３方向）に燃焼用空間５に向けて流れる。このようにスタック２の側面２ｍとカバー部材２１０とは直接的に接触していない。すなわち、断熱空間として機能できる第２通路３２０がスタック２の側面２ｍとカバー部材２１０との間に形成されているため、スタック２の高温維持に貢献できる。
【００３８】
（実施形態２）
図６は実施形態２を示す。本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有する。以下、異なる部位を中心として説明する。図６は燃料電池装置１の要部の断面を示す。図６に示すように、カソードガス通路８を形成する通路形成部材７０１は、対向通路８３を形成する通路形成部分７０１ｋを有する。燃焼用空間５は、対向通路８３および通路形成部分７０１ｋを挟むように、第１燃焼用空間５ｆおよび第２燃焼用空間５ｓを有する。図６に示すように、カソードガス通路８の対向通路８３を形成する通路形成部分７０１ｋには、連通路８７を有する筒体８８が溶接または取付具等で複数個固定されている。連通路８７は第１燃焼用空間５ｆと第２燃焼用空間５ｓとを連通させており、図６の紙面の垂直方向において、間隔を隔てて間欠的に複数個形成されている。連通路８７により、第１燃焼用空間５ｆおよび第２燃焼用空間５ｓとの連通性が良好に確保される。
【００３９】
故に、第１燃焼用空間５ｆと第２燃焼用空間５ｓとの間におけるアノードオフガス流通性、カソードガス流通性が確保される。このため第１燃焼用空間５ｆにおける燃焼性と第２燃焼用空間５ｓにおける燃焼性とのばらつき低減に貢献できる。また筒体８８は図６の紙面垂直方向に間隔を隔てて複数個配置されているため、対向通路８３を流れるカソードガスの流れを損なうことが抑えられる。更に対向通路８３を流れるカソードガスが筒体８８の外壁面８８ｍに衝突するため、カソードガスの拡散作用を期待でき、カソードガスの温度の均一化に貢献できる。
【００４０】
（実施形態３）
図７および図８は実施形態３を示す。本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有する。以下、異なる部位を中心として説明する。図７は燃料電池装置１の断面を示す。カバー部材２１０の一端部である下端部２０５は、断熱性を有する固定部３５０に溶接または取付具により固定されている。カバー部材２１０の他端部である上端部２０６は自由端状をなしており、改質部４２の側面４２ｍに気密的に当接している。具体的には、カバー部材２１０の上端部２０６は、改質部４２に向けて付勢力Ｆ１（図８）を発揮させる板バネとしても機能できる。カバー部材２１０の上端部２０６のバネ性により、上端部２０６に形成された突起２０８の頂面２０９は、改質部４２の側面４２ｍに気密的に当接し、シールポイントを形成している。なお、突起２０８は、図７および図８の紙面垂直方向に沿って、すなわち、改質部４２の長さ方向に沿って、連続的に延設されていることが好ましい。
【００４１】
本実施形態においては、燃焼用空間５の高温の排気ガスが接触通路７０以外の部位に短絡的に流れることが抑制される。よって、高温の排気ガスは、接触通路７０の第１接触通路７０ｆおよび第２接触通路７０ｓに向かうことになる。この結果、接触通路７０の第１接触通路７０ｆおよび第２接触通路７０ｓを流れる排気ガスの単位時間当たりの流量が良好に確保される。従って、接触通路７０を流れる排気ガスと改質部４２の側面４２ｍおよび蒸発部４０の側面４０ｍとの熱交換効率が向上し、改質部４２の加熱効率が高められる。
【００４２】
本実施形態によれば、カバー部材２１０の下端部２０５は固定部３５０に固定されて拘束されているが、カバー部材２１０の上端部２０６の突起２０８が改質部４２の側面４２ｍに接触するものの、改質部４２および蒸発部４０には固定されていない。このため燃料電池装置１の使用時および非使用時においてカバー部材２１０が長さ方向に熱膨張または熱収縮するときであっても、突起２０８は改質部４２の側面４２ｍおよび蒸発部４０の側面４０ｍに接触しつつ滑るため、カバー部材２１０の上端部２０６に無理な応力が集中することが抑制される。すなわち、カバー部材２１０は、熱膨張および熱収縮を吸収する構造を有する。
【００４３】
（実施形態４）
図９は実施形態４を示す。本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有する。以下、異なる部位を中心として説明する。図９は燃料電池装置１の断面を示す。断熱層６がカバー部材として機能する。すなわち、断熱層６の上端部６ｕが改質部４２の側面４２ｍ（改質器の側面）にあてがわれており、燃焼火炎５０を燃焼させる燃焼用空間５を覆う。このためカバー部材として機能する断熱層６は、燃焼用空間５の排気ガスが第１接触通路７０ｆに向かうこと無く、直接的に下流通路７３の入口７２に向かう短絡を抑える。これにより燃焼用空間５の排気ガスを接触通路７０の第１接触通路７０ｆに効率よく向かわせることができる。すなわち、燃焼用空間５の高温の排気ガスが接触通路７０の第１接触通路７０ｆ以外の部位に流れることが抑制される。すなわち、排気ガスの全部またはほとんど全部は、接触通路７０の第１接触通路７０ｆに向かうことになる。このため接触通路７０の第１接触通路７０ｆを流れる排気ガスの流量が増加する。従って、接触通路７０の第１接触通路７０ｆを流れる排気ガスと改質部４２の側面４２ｓとの熱交換効率が向上し、改質部４２の加熱効率が高められる。蒸発部４０についても同様である。
【００４４】
（実施形態５）
図１０は実施形態５を示す。本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有する。以下、異なる部位を中心として説明する。図１０に示すように、カバー部材２１０は、高さ方向に延びると共に下端部２０５が固定部３５０に溶接または取付具で固定された金属製のカバー本体２０９と、カバー本体２０９の上方の先端から改質部４２に向けてＬ字形状にプレス成形で曲成された曲成部２１１とを有する。曲成部２１１は改質器４（改質部４２の上面４２ｕ）に溶接または取付具で固定されており、厚み方向に貫通する貫通孔を有しない。カバー部材２１０はプレス成形で成形された突起状の成形部２１６を有する。万一、カバー部材２１０がその長さ方向に熱膨張および熱収縮したとしても、成形部２１６の変形により熱膨張および熱収縮を吸収して緩和できる。図１０に示すように、カバー部材２１０の上端の曲成部２１１は改質部の上面４２ｕ，蒸発部４０の上面４０ｕに気密的に接触してシールしている。このため燃焼用空間５から吐出された排気ガスが燃焼用空間５から排気ガス通路７の入口７２に直接的に且つ短絡的に流れることが抑えられる。この結果、燃焼用空間５の排気ガスを接触通路７０の第１接触通路７０ｆに向かわせる。
【００４５】
（実施形態６）
図１１および図１２は実施形態６を示す。本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有する。以下、異なる部位を中心として説明する。図１１に示すように、カバー部材２１０は、高さ方向に延びるカバー本体２０９と、カバー本体２０９の先端から改質部４２に向けて曲成された曲成部２１１とを有する。曲成部２１１は複数個の貫通孔２１３を有する。貫通孔２１３は曲成部２１１に沿って矢印Ｌ方向に延びるスリット状としても良い。この場合、排気ガスと改質器４とを積極的に接触させる接触通路７０は、（ｉ）カソードガス通路８の対向通路８３と改質部４２の側面４２ｓとの間に形成された第１接触通路７０ｆと、（ｉｉ）改質部４２の上面４２ｕに接触する第２接触通路７０ｓと、（ｉｉｉ）カバー部材２１０の表面２０１と改質部４２の側面４２ｍ（蒸発部４０の側面４０ｍ）と曲成部２１１との間に形成され排気ガスと側面４２ｍとを接触させる第３接触通路７０ｔとを有する。図１１に示すように、カバー部材２１０の曲成部２１１は、改質器４の上面、すなわち、改質部４２の上面４２ｕ，蒸発部４０の上面４０ｕに接触している。この場合、カバー部材２１０の曲成部２１１は、改質部４２の上面４２ｕおよび蒸発部４０の上面４０ｕに固定されていても良いし、固定されず気密的に接触しているだけでも良い。
【００４６】
本実施形態によれば、図１１から理解できるように、燃焼用空間５の高温の排気ガスは、改質部４２の側面４２ｓ，上面４２ｕに接触しつつ接触通路７０の第１接触通路７０ｆおよび第２接触通路７０ｓに向かわせる流れＦＡと、改質部４２の側面４２ｍに接触しつつ第３接触通路７０ｔおよび貫通孔２１３を貫通するように上向きに流れる流れＦＢとに分岐される。このため本実施形態においても、燃焼用空間５から吐出された高温の排気ガスが接触通路７０以外の部位に短絡的に流れることが抑制される。結果として、高温の排気ガスと改質部４２との熱交換効率が向上し、改質部４２の加熱効率が高められる。なお、蒸発部４０についても同様である。貫通孔２１３の開口面積は、単位時間あたりにおける流れＦＡの流量と流れＦＢの流量との比率に影響を与える。貫通孔２１３の開口面積を相対的に小さくすれば、流れＦＡの流量が増加し、第１接触通路７０ｆを流れる排気ガスの流量が増加し、流れＦＢの流量が減少する。また、貫通孔２１３の開口面積を相対的に大きくすれば、流れＦＡの流量が減少し、第１接触通路７０ｆを流れる排気ガスの流量が減少し、流れＦＢの流量が増加する。このように貫通孔２１３の開口面積により、対向通路８３を流れるカソードガスの加熱効率、改質器４の加熱効率をチューニングできる利点が得られる。
【００４７】
（実施形態７）
本実施形態は上記した各実施形態と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有するため、図１〜図１２を準用することができる。以下、異なる部位を中心として説明する。カバー部材２１０のうち少なくとも第２通路３２０を形成する表面２０１については、スタック２および／または燃焼火炎５０からの輻射熱を吸収させる吸収率を高める輻射熱吸収化処理が施されていることが好ましい。輻射熱吸収化処理としては、例えば、カバー部材２１０のうち少なくとも第２通路３２０を形成する表面２０１を黒色または疑似黒色とすることが例示される。また表面２０１を粗面化（Ｒａで５０マイクロメートル以上、１００マイクロメートル以上）して受熱面積を増加させること、プレス成形などによるディンプル化が例示される。これによりカバー部材２１０の表面２０１における輻射熱吸収性が高まる。この結果、第２通路３２０を通過するカソードガスの昇温性を高めるのに有利となる。ひいては、燃焼用空間５における燃焼性を高めることができる。
【００４８】
（実施形態８）
本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有するため、図１〜図１２を準用することができる。以下、異なる部位を中心として説明する。カバー部材２１０のうち少なくとも第２通路３２０を形成する表面２０１については、スタック２および／または燃焼火炎５０からの輻射熱を反射させる反射率を高めるように輻射熱反射化処理されていることが好ましい。具体的には、表面２０１の表面粗さはＲａで２０マイクロメール以下、殊に１０マイクロメール以下にされており、鏡面化されていることが好ましい。更に、表面２０１は、白色、灰色、白っぽい色とされていることが好ましい。このためカバ部材２１０の表面２０１は、スタック２および／または燃焼火炎５０の輻射熱を効率よく反射させることができる。よってスタック２および／または燃焼火炎５０の放熱が抑えられ、スタック２および／または燃焼火炎５０の温度ができるだけ高温に維持されることが期待される。
【００４９】
（実施形態９）
本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有するため、図１〜図１２を準用することができる。以下、異なる部位を中心として説明する。対向通路８３を形成する通路形成部分７０１ｋは、スタック２の側面２ｋおよび燃焼火炎５０に対向しているため、スタック２および燃焼火炎５０より加熱される。この場合、通路形成部分７０１ｋについては、スタック２および／または燃焼火炎５０からの輻射熱を吸収させる吸収率を高める輻射熱吸収化処理が施されていることが好ましい。例えば、通路形成部分７０１ｋのうちスタック２および／または燃焼火炎５０に対面する表面を、黒色化または疑似黒色化できる。またも当該表面を粗面化（Ｒａで５０マイクロメートル以上、１００マイクロメートル以上）できる。この場合、通路形成部分７０１ｋの昇温性が高まり、対向通路８３を流れるカソードガスを加熱させる加熱効率を高めるのに有利である。
【００５０】
（その他）本発明は上記し且つ図面に示した実施形態のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できる。スタック２は、カソードガス通路８の対向通路８３を挟むように２組設けられているが、これに限らず、スタック２はカソードガス通路８の対向通路８３に隣設するように１組設けられている構造でも良い。スタック２は、複数の平板型の燃料電池を厚み方向に積層して形成されているが、これに限らず、複数のチューブ型の燃料電池を組み付けてスタックを形成しても良い。この場合であっても、スタックは長手方向に延設されている。上記した実施形態１によれば、改質部４２および蒸発部４０は断面四角形状をなしているが、これに限らず、断面円形状でも良い。燃料原料を改質させる改質部４２と蒸発部４０とは一体化されているが、これに限らず、蒸発部４０を改質部４２から分離させても良い。この場合蒸発部は別の加熱源で加熱させても良い。燃料電池は固体酸化物形に限定されず、りん酸塩形、溶融炭酸塩形でも良い、要するに改質部を燃焼炎で加熱させるものであれば良い。上記した記載から次の技術的思想が把握される。
【００５１】
［付記項１］燃料原料を改質させてアノードガスを生成させる改質部と、改質部で生成されたアノードガスとカソードガスとで発電し且つ燃料電池から吐出されたアノードオフガスを燃焼用空間で燃焼させた燃焼火炎で改質部を加熱させる燃料電池と、改質部で生成されたアノードガスを燃料電池の内部に供給するアノードガス通路と、カソードガスを燃料電池の内部に供給するカソードガス通路と、燃焼用空間の排気ガスを外部に排出させる排気ガス通路とを具備する燃料電池装置。
【００５２】
［付記項２］付記項１において、前記カソードガス通路は前記燃料電池に対向する対向通路を有しており、前記燃料電池と前記対向通路との間には、前記カソードガス通路の前記対向通路から供給され且つ前記燃料電池に流入されなかったカソードガスを前記燃焼用空間に向けて流す第１通路が設けられている燃料電池装置。第１通路においてカソードガスが流れる方向とカソードガス通路の対向通路においてカソードガスが流れる方向とは、互いに逆向きが好ましい。
【００５３】
［付記項３］付記項１において、前記燃料電池と前記カバー部材との間には、前記カソードガス通路の前記対向通路から供給され且つ前記燃料電池の内部に流入されなかった前記カソードガスを前記燃焼用空間に向けて流す第２通路が設けられている燃料電池装置。燃料電池とカバー部材とが直接接触する接触面積が低減され、燃料電池の温度維持に貢献できる。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明は例えば定置用、車両用、電気機器用、電子機器用などの燃料電池システムに利用することができる。
【符号の説明】
【００５５】
２はスタック、２０は燃料電池、２１はアノード、２２はカソード、２３は電解質、２５はアノードガス通路、３は基体、４は改質器、４０は蒸発部、４２は改質部、４２ｓ，４２ｍは改質部の側面、４２ｕは改質部の上面、４２ｄは改質部の下面、５は燃焼用空間、５０は燃焼火炎、６は断熱層、７は排気ガス通路、７Ｘは熱交換器、７０１，７０２は通路形成部材、７０１ｋは通路形成部分、７０は接触通路、７０ｆは第１接触通路、７０ｓは第２接触通路、７２は入口、７３は下流通路、７４は出口（排気ガス出口）、８はカソードガス通路、８１は第１通路、８２は第２通路、８３は対向通路、８４は出口、８７は連通路、８８は筒体、２１０はカバー部材、２０５は下端部、２０６は上端部、２０１は表面、２０８は突起、２１０はカバー本体、２１１は曲成部、３１０は第１通路、３２０は第２通路を示す。
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃焼火炎で改質部を加熱させる燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の燃料電池装置として、燃料原料を改質させてアノードガスを生成させる改質部と、改質部で生成されたアノードガスとカソードガスとで発電する燃料電池とを備えると共に、燃料電池から吐出されたアノードオフガスを燃焼用空間で燃焼させた燃焼火炎で改質部を加熱させるものが知られている（特許文献１，２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−１５８５２７号公報
【特許文献２】特開２００８−６６１２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記した燃料電池装置によれば、燃料電池から吐出されたアノードオフガスを燃焼用空間で燃焼させた燃焼火炎で改質部を効率よく加熱させることができる。更に産業界では、改質部の加熱効率を向上させることが要請されている。
【０００５】
本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、燃焼火炎の高温の燃焼排気ガスが改質部に接触する確率を高め、燃焼火炎の高温の燃焼排気ガスと改質部との間における熱交換効率を高め、改質部に対する加熱効率を改善した燃料電池装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る燃料電池装置は、（ｉ）燃料原料を改質させてアノードガスを生成させる改質部と、（ｉｉ）改質部で生成されたアノードガスとカソードガスとで発電し且つ燃料電池から吐出されたアノードオフガスを燃焼用空間で燃焼させた燃焼火炎で改質部を加熱させる燃料電池と、（ｉｉｉ）改質部で生成されたアノードガスを燃料電池の内部に供給するアノードガス通路と、（ｉｖ）カソードガスを燃料電池の内部に供給するカソードガス通路と、（ｖ）燃焼用空間の燃焼排気ガスを改質部に接触させる接触通路と接触通路の下流に位置すると共に排気ガス出口に向かう下流通路とを有する排気ガス通路と、（ｖｉ）燃焼火炎が燃焼する燃焼用空間を覆うと共に、燃焼用空間の燃焼排気ガスが接触通路に流れることを促進し、且つ、燃焼用空間の燃焼排気ガスを接触通路を経由させて下流通路に向かわせるカバー部材とを具備する。
【０００７】
改質部で生成されたアノードガスは、燃料電池の内部に供給される。カソードガスは燃料電池の内部に供給される。これにより燃料電池は発電する。燃料電池から吐出された発電反応後のアノードオフガスは、燃焼用空間で燃焼されて燃焼火炎となる。燃焼火炎は改質部を加熱させる。これにより改質部は改質反応に適する温度に加熱される。
【０００８】
カバー部材は、燃焼火炎が燃焼する燃焼用空間を覆う。これによりカバー部材は、燃焼用空間の燃焼排気ガス（以下、排気ガスともいう）が接触通路に流れることを促進する。よってカバー部材は、燃焼用空間の排気ガスを積極的に接触通路を経由させて下流通路に向かわせる。このため燃焼用空間の排気ガスが接触通路以外の部位に流れることが抑制され、接触通路を経由することになる。このため接触通路を流れる単位時間あたりの排気ガスの流量が増加する。従って、接触通路を流れる高温の排気ガスが改質部に接触する確率が高まる。高温の排気ガスと改質部との間における熱交換効率が向上し、改質部の加熱効率が高められる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る燃料電池装置によれば、カバー部材は、燃焼用空間の排気ガスが接触通路に流れることを促進し、且つ、燃焼用空間の排気ガスを接触通路を経由させて下流通路に向かわせる。このため燃焼用空間の排気ガスが接触通路以外の部位に流れることが抑制され、接触通路に向かうことが促進される。このため接触通路を流れる排気ガスの流量が増加する。従って、接触通路を流れる排気ガスと改質部との間における熱交換効率が向上し、改質部の加熱効率が高められる。このため、改質部における改質反応が良好なり、燃料電池の発電効率が確保される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施形態１に係り、燃料電池装置の断面図である。
【図２】実施形態１に係り、燃料電池装置のカソードガス通路の対向通路を部分的に示す斜視図である。
【図３】実施形態１に係り、燃料電池装置の要部の断面図である。
【図４】実施形態１に係り、燃料電池および改質部付近を示す概念図である。
【図５】実施形態１に係り、燃料電池および改質部付近の概念を示す斜視図である。
【図６】実施形態２に係り、燃料電池装置の要部の断面図である。
【図７】実施形態３に係り、燃料電池装置の要部の断面図である。
【図８】実施形態３に係り、カバー部材が改質部の側面に当接している状態を模式的に示す断面図である。
【図９】実施形態４に係り、燃料電池装置の断面図である。
【図１０】実施形態５に係り、燃料電池装置の断面図である。
【図１１】実施形態６に係り、燃料電池装置の断面図である。
【図１２】実施形態６に係り、燃料電池装置の要部の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
カバー部材は、燃焼火炎が燃焼する燃焼用空間を覆うと共に燃焼用空間の排気ガスを接触通路に向かわせる。カバー部材は、燃焼用空間を覆うように改質部に接触していることができる。この場合、カバー部材は改質部はに固定されていても良いし、圧接されていても良い。カバー部材が改質部に固定されている場合には、改質部の支持性を高めることができる。
【００１２】
好ましい形態によれば、断面において、燃焼用空間はカソードガス通路を形成する通路形成部材を挟むように第１燃焼用空間および第２燃焼用空間を有する。この場合、カソードガス通路を形成する通路形成部材は、第１燃焼用空間と第２燃焼用空間とを連通させる連通路を有することが好ましい。この場合、第１燃焼用空間および第２燃焼用空間との連通性が連通路により確保される。故に、第１燃焼用空間と第２燃焼用空間との間におけるガス流通性が良好に確保される。このため第１燃焼用空間における燃焼火炎の燃焼性および第２燃焼用空間における燃焼火炎の燃焼性とのばらつき低減に貢献できる。
【００１３】
好ましい形態によれば、カソードガス通路は燃料電池に対向すると共に燃料電池から受熱する対向通路を有する。この場合、燃料電池と対向通路との間には、カソードガス通路の対向通路から供給され且つ燃料電池の内部に流入されなかったカソードガスを燃焼用空間に向けて流す第１通路が設けられていることが好ましい。この場合、第１通路においてカソードガスが流れる方向と、カソードガス通路の対向通路においてカソードガスが流れる方向とは、互いに逆向きであることが好ましい。このようにすれば、第１通路におけるカソードガスと、カソードガス通路の対向通路におけるカソードガスとの熱交換効率を高めるのに有利となる。
【００１４】
好ましい形態によれば、燃料電池とカバー部材との間には、カソードガス通路から供給され且つ燃料電池の内部に流入されなかったカソードガスを燃焼用空間に向けて流す第２通路が設けられている。この場合、燃料電池からの伝熱によりカバー部材が加熱され易くなる。このように加熱されたカバー部材は、第２通路を燃焼用空間に向けて流れるカソードガスを加熱させるのに有利である。よって燃焼用空間における燃焼効率を高めるのに有利である。
【００１５】
好ましい形態によれば、カバー部材のうち少なくとも第２通路を形成する表面には、第２通路を通過するカソードガスの昇温性を高めるように、スタックおよび／または燃焼火炎からの輻射熱を吸収させる吸収率を高める輻射熱吸収化処理が施されている。この場合、カバー部材の表面は、第２通路を燃焼用空間に向けて流れるカソードガスを加熱させ、燃焼用空間における燃焼効率を高めるのに有利である。
【００１６】
好ましい形態によれば、カバー部材のうち少なくとも第２通路を形成する表面には、スタックおよび／または燃焼火炎からの輻射熱を反射させる反射率を高める輻射熱反射化処理が施されている。この場合、スタックおよび／または燃焼火炎の温度を高めに維持させるのに貢献できる。上記した輻射熱吸収化処理としては、燃料電池装置を構成する通路を形成する通路形成部材などの部材の表面に施すことができる。
【００１７】
（実施形態１）
図１〜図５は実施形態１を示す。本実施形態は、固体酸化物型の燃料電池装置に適用した例を示す。図１は実施形態１に係る燃料電池装置の概念を示す。燃料電池装置１は、複数の燃料電池が厚み方向に積層されて長手方向（図１の紙面垂直方向）に沿って延設されたスタック２を有する。燃料電池装置１は、基体３と、基体３の配置室３０にスペーサを兼ねるシール部２０ｗを介して収容された燃料電池２０で形成されたスタック２と、基体３の配置室３０においてスタック２の上側に配置された改質器４と、スタック２の上面と改質器４の下面との間に形成された燃焼用空間５と、スタック２の外側に配置された断熱材料で形成された断熱層６と、断熱層６の外側に配置された排気ガス通路７と、排気ガス通路７の外側に配置されたカソードガス通路８とを有する。ここで、排気ガス通路７およびカソードガス通路８は、スタック２の長手方向（図１の紙面垂直方向，燃料電池の積層方向）に沿って延設されている。排気ガス通路７は、互いに対面する板状をなす通路形成部材７０１，７０２で形成されている。カソードガス通路８は、互いに対面する板状をなす通路形成部材８０１，７０１で形成されている。
【００１８】
図４および図５は燃料電池２０および改質器４付近の概念図を示す。図５に示すように、スタック２を構成する燃料電池２０は、アノードガスが供給される通路２１ｒをもつ多孔質導電部２１ｗと、多孔質導電部２１ｗに隣接するアノード２１と、カソードガスが供給される酸化剤極（空気極）として機能するカソード２２と、アノード２１およびカソード２２で挟まれた固体酸化物を母材とする膜状の電解質２３と、コネクタ２０ｘとを有する。電解質２３を形成する固体酸化物は、スタック２の作動温度において酸素イオン（Ｏ２−）を伝導させる性質をもつものであり、ＹＳＺ等のジルコニア系、ランタンガレート系が例示される。アノード２１は、ニッケル−セリア系サーメットが例示される。カソード２２は、サマリウムコバルタイト、ランタンマンガナイトが例示される。但し材質は上記に限定されるものではない。図５に示すように、複数個の燃料電池２０は、長手方向（矢印Ｌ方向）に隙間２０ｒを介して並設されてスタック２を形成している。隙間２０ｒはカソード２２に対面する。なお、燃料電池２０同士は図略の集電部材により電気的に接続されている。
【００１９】
改質器４は、改質水を水蒸気化させる蒸発部４０と、水蒸気を利用して燃料原料を改質される改質部４２とを備えている。蒸発部４０は箱状をなしており、下面４０ｄ，上面４０ｕ，側面４０ｓ，側面４０ｍを有する。改質部４２は箱状をなしており、下面４２ｄ，上面４２ｕ，側面４２ｓ，側面４２ｍを有する。蒸発部４０は、改質水系から蒸発部４０に供給される液相状の改質水を水蒸気化させる。改質部４２は、改質反応を促進させる改質触媒を担持するセラミックス材を有する。改質部４２は蒸発部４０の下流に設けられており、蒸発部４０で生成された水蒸気で炭化水素系の燃料原料を高温領域において水蒸気改質させてアノードガスを生成させる。アノードガスは水素ガスまたは水素含有ガスである。なお、固体酸化物形の燃料電池によれば、スタック２の定常運転における燃料電池の作動温度は、例えば４５０〜１１００℃の範囲内、殊に５５０〜８００℃の範囲内であることが好ましい。
【００２０】
図１に示すように、カソードガス通路８は、入口８０と、入口８０から縦方向に上向きに延びる第１通路８１と、第１通路８１の上端から横方向にのびる第２通路８２と、第２通路８２の先端から下向きに延びる第３通路となる対向通路８３と、対向通路８３の下端側に形成された出口８４とをもつ。図２に示すように、対向通路８３はスタック２から受熱する通路であり、通路形成部材７０１の一部をなす薄箱形状の通路形成部分７０１ｋで形成されている。通路形成部分７０１ｋは薄箱形状をなしており、スタック２のカソードに連通する出口８４を下端部に有する。
【００２１】
図１に示すように、排気ガス通路７は、金属を母材とする通路形成部材７０１，７０２で形成されている。排気ガス通路７は、改質器４に直接的に接触する接触通路７０と、接触通路７０の下流に連通するように延設された下流通路７３とを有する。下流通路７３は入口７２および出口７４（排気ガス出口）を有する。相対的に高温側の排気ガスが流れる下流通路７３は、カソードガス通路８の第１通路８１を流れる相対的に低温側のカソードガスと互いに熱交換する熱交換器７Ｘを構成する。
【００２２】
図１に示すように、接触通路７０は、燃焼用空間５と排気ガス通路７との間においてこれらに連通するように位置している。接触通路７０は、改質部４２の側面４２ｓに接触する第１接触通路７０ｆと、改質部４２の上面４２ｕに接触する第２接触通路７０ｓとを有する。第１接触通路７０ｆは、通路形成部分７０１ｋを介して対向通路８３に対向している。第１接触通路７０ｆは、蒸発部４０の側面４０ｓおよび通路形成部分７０１ｋに接触する。第２接触通路７０ｓはカソードガス通路８の第２通路８２と対向している。第２接触通路７０ｓは蒸発部４０の上面４０ｕに接触する。
【００２３】
なお、スタック２は、カソードガス通路８の対向通路８３を挟むように２組設けられている。すなわち、スタックは、対向通路８３を挟む第１スタック２ｆおよび第２スタック２ｓを備えている。図１に示すように、スタック２の下部には、アノードガスを燃料電池２０の入口に案内するアノードガスマニホルド２４が配置されている。ここで、スタック２、カソードガス通路８、排気ガス通路７、改質器４およびアノードガスマニホルド２４、さらには、燃焼用空間５は、燃料電池装置１の長手方向（図１の紙面の垂直方向，燃料電池２０の積層方向）に沿って延設されている。
【００２４】
燃料電池２０が発電運転するときについて説明を加える。この場合、図４に示す燃料原料ポンプ９０（燃料原料搬送源）が駆動するため、炭化水素系の燃料原料が燃料原料供給通路９２を介して改質器４の蒸発部４０に供給される。また改質水ポンプ９３（水搬送源）が駆動し、図略の貯水タンクの改質水が改質水通路９４を介して蒸発部４０に供給される。ここで、燃焼火炎５０で蒸発部４０および改質部４２は加熱されているため、蒸発部４０は液相状の改質水を水蒸気化させる。生成された水蒸気は改質部４２に供給される。改質部４２は燃料原料を水蒸気改質させ、水素を含むアノードガスを生成させる。燃料原料がメタン系である場合には、水蒸気改質ではアノードガスの生成は、次の（１）式に基づくと考えられている。固体酸化物形の燃料電池２０では、Ｈ２の他にＣＯも燃料となりうる。
【００２５】
（１）…ＣＨ４＋２Ｈ２Ｏ→４Ｈ２＋ＣＯ２
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→３Ｈ２＋ＣＯ
ＣｎＨｍが炭化水素の一般的な化学式であるとすると、水蒸気改質の一般式は次の（１−１）式のようになる。ｎ＝１、ｍ＝４であると、メタンの水蒸気改質の式が得られる。
【００２６】
（１−１）…ＣｎＨｍ＋２ｎＨ２Ｏ→ｎＣＯ２＋［（ｍ／２）＋２ｎ）］Ｈ２
生成された水素を含有するアノードガスは、アノードガス通路２５およびアノードガスマニホルド２４を介して、燃料電池２０のアノードの入口に供給されて発電に使用される。またカソードガスポンプ９５（カソードガス搬送源）が駆動しているため、空気であるカソードガスが、図１に示すように矢印Ｃ１方向，矢印Ｃ２方向，矢印Ｃ３方向，矢印Ｃ４方向，矢印Ｃ５方向，矢印Ｃ６方向に沿って、カソードガス通路８の第１通路８１、第２通路８２および対向通路８３を流れ、カソードガス通路８の先端の出口８４からスタック２のカソードの下部の入口に供給され、さらに、スタック２のカソードの内部を上向き（図１に示す矢印Ｕ１方向）に通過しつつ、カソードの発電反応に使用される。発電反応後のカソードオフガスは、スタック２のカソードの上面から燃焼用空間５に排出される。これに対して、改質部２２で生成されたアノードガスは、アノードガスマニホルド２４からスタック２のアノードを上向きに通過しつつ、アノードの発電反応に使用される。これにより燃料電池２０は発電する。発電反応においては、水素含有ガスで供給されるアノードでは、基本的には（２）の反応が発生ると考えられている。酸素を含む空気が供給されるカソードでは、基本的には（３）の反応が発生すると考えられている。カソードにおいて発生した酸素イオン（Ｏ２−）がカソード２２からアノードに向けて電解質（酸素イオン伝導体，イオン伝導体）を伝導する。
【００２７】
（２）…Ｈ２＋Ｏ２−→Ｈ２Ｏ＋２ｅ−
ＣＯが含まれている場合には、ＣＯ＋Ｏ２−→ＣＯ２＋２ｅ−
（３）…１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｏ２−
上記した発電反応後のカソードオフガスは未反応の酸素を含有しており、スタック２のカソードの上部から燃焼用空間５に吐出される。同様に、発電反応後のアノードオフガスは未反応の燃焼成分（水素）を含有しており、スタック２のアノードの上面から燃焼用空間５に排出される。この結果、燃焼用空間５においてアノードオフガスはカソードオフガスにより燃焼し、燃焼火炎５０を形成する。燃焼火炎５０により、改質部４２および蒸発部４０が加熱される。これにより改質部４２における改質反応が維持され、蒸発部４０において水蒸気生成反応が維持される。なお、（２）の反応式によれば、アノードオフガスは水分（Ｈ２Ｏ）を含むことがある。本実施形態によれば、スタック２のアノードに供給されるアノードガス、すなわち、改質部４２に供給される燃料原料の流量としては、燃料電池２０のアノードにおける発電反応で使用される流量と、燃焼用空間５においてアノードオフガスが燃焼火炎５０を形成する流量とを含む流量が設定されている。カソードガスの流量の流量としては、燃料電池２０のカソードにおける発電反応で使用される流量と、燃焼用空間５においてカソードオフガスが燃焼用空気として燃焼火炎５０を形成する流量と、余裕流量とを加算した流量が設定されている。
【００２８】
上記したように燃焼用空間５において燃焼した後のアノードオフガスおよびカソードオフガスは、高温の排気ガスとなる。この排気ガスは、入口７２から下流通路７３に進入し下向きに流れ、出口７４から外部に吐出される。ここで、排気ガス通路７の下流通路７３を下向きに流れる相対的に高温の排気ガスと、カソードガス通路８の第１通路８１を上向き（下流通路７３における排気ガスの流れ方向と反対方向）に流れる相対的に低温のカソードガスとが、対向流として、互いに熱交換する。よって排気ガスが冷却されると共に、スタック２に供給される直前のカソードガスが予熱される。上記した『下向き』は蛇行しつつ下向きも含み、ガスが全体として下向きに流れる意味である。『上向き』は蛇行しつつ上向きも含み、ガスが全体として上向きに流れる意味である。上記したように予熱されたカソードガスは、カソードガス通路８の第２通路８２，対向通路８３，出口８４を経て、燃料電池２０のカソードに供給されるため、カソードにおける発電反応の効率を向上させ得る。
【００２９】
換言すると、熱交換器７Ｘでは、排気ガス通路７の下流通路７３を流れる高温の排気ガスは、下向きに流れる。且つ、カソードガス通路８の第１通路８１を流れる低温のカソードガスは、上向きに流れる。結果として、高温の排気ガスと低温のカソードガスとは、互いに逆向きに流れる対向流となり、互いに熱交換する。従って、燃焼用空間５から排出された高温の排気ガスは下流通路７３においてカソードガスにより効率よく冷却されると共に、スタック２に供給される直前のカソードガスは排気ガスにより効率よく予熱される。このように下流通路７３は熱交換通路として機能できる。
【００３０】
さて本実施形態によれば、図１に示すように、燃焼火炎５０が燃焼する燃焼用空間５を覆う板状をなすカバー部材２１０が設けられている。カバー部材２１０の材質は特に限定されるものではなく、金属，耐火物が例示される。金属としては高温における耐食性および強度を有することが好ましく、例えばステンレス鋼（フェライト系、オーステナイト系、マルテンサイト系）等の合金鋼、炭素鋼が例示される。図１および図２に示すように、カバー部材２１０の上端部２０６は、改質部４２の側面４２ｍ，蒸発部４０の側面４０ｍに気密的に接触してシールしている。この場合、カバー部材２１０の上端部２０６は、改質部の側面４２ｍ，蒸発部４０の側面４０ｍに接触状態に溶接または取付具等により固定されていても良いし、単に気密的に接触しているだけでも良い。図１に示すように、カバー部材２１０の上端部２０６の上面２０７は、スタック２の上面、改質部４２の下面４２ｄ，蒸発部４０の下面４０ｄよりも上方に突出している。ここで、当該上面２０７は、改質部４２の上面４２ｕおよび蒸発部４０の上面４０ｕよりも下方に位置しており、第２接触通路７０ｓにおけるガス流通性が確保されている。このようなカバー部材２１０を有する本実施形態によれば、燃焼用空間５で燃焼された高温の排気ガスを、接触通路７０の第１接触通路７０ｆひいては第２接触通路７０ｓに積極的に向かわせることができる。このため燃焼用空間５から吐出された高温の排気ガスが接触通路７０以外の部位に短絡的に流れることが抑制される。すなわち、燃焼用空間５の高温の排気ガスが第１接触通路７０ｆに流れること無く、燃焼用空間５から排気ガス通路７の入口７２に直接的に短絡的に流れることが抑えられる。
【００３１】
結果として、接触通路７０の第１接触通路７０ｆひいては第２接触通路７０ｓに流れる排気ガスの流量が増加する。従って、第１接触通路７０ｆを流れる排気ガスと改質部４２の側面４２ｓとの接触確率、ひいては熱交換効率が向上する。且つ、第２接触通路７０ｓを流れる高温の排気ガスと改質部４２の上面４２ｕとの接触確率、ひいては熱交換効率が向上する。よって排気ガスが改質部４２を加熱させる加熱効率を高めることができる。
【００３２】
蒸発部４０についても同様である。すなわち、第１接触通路７０ｆを流れる高温の排気ガスが蒸発部４０の側面４０ｓと熱交換する熱交換効率が向上する。更に、第２接触通路７０ｓを流れる高温の排気ガスと蒸発部４０の上面４０ｕとの熱交換効率が向上する。このように蒸発部４０の加熱効率が高められる。殊に、スタック２の発電電力が少ないときには、スタック２に供給されるアノードガスおよびカソードガスの単位時間あたりの流量が少ない。このため、改質部４２および蒸発部４０が流路抵抗となる割合が高くなる。この場合、カバー部材が設けられていない場合には、燃焼用空間５の排気ガスが燃焼用空間５から排気ガス通路７の入口７２に短絡的に流れ込み易くなる。この場合、高温の排ガスが改質部４２および蒸発部４０に接触する頻度が低下し、改質部４２および蒸発部４０の加熱効率が低下することが考えられる。しかしながら本実施形態によれば、上記した排気ガスの短絡的な流れを防止するカバー部材２１０が設けられているため、上述するように改質部４２および蒸発部４０と排気ガスとの接触性を高め、排気ガスで改質部４２および蒸発部４０を加熱させる加熱効率を高めることができる。
【００３３】
更に本実施形態によれば、図１から理解できるように、燃焼用空間５の高温の排気ガスが第１接触通路７０ｆに流れる。このため、対向通路８３を流れるカソードガスを第１接触通路７０ｆの高温の排気ガスで加熱させる加熱効率を高めることができる。このためスタック２に供給される直前の対向通路８３のカソードガスを効率よく加熱させるのに貢献できる。なお、カバー部材２１０の下端部２０５が溶接または取付具で固定部３５０に固定され、且つ、カバー部材２００の上端部２０６が改質器４の改質部４２の側面４２ｍに溶接または取付具で固定されていることが好ましい。この場合、改質器４の改質部４０の支持性をカバー部材２１０がアシストでき、改質器４の支持性を高めることができる。但しこれに限定されるものではない。
【００３４】
ところで、スタック２の発電反応は発熱反応である。スタック２の内部では、前述したようにアノードガスおよびカソードガスは上向きに流れる。このためスタック２の内部における発電反応を考慮すると、更に、スタック２の上側に燃焼火炎５０が存在することを考慮すると、高さ方向においてスタック２の上部は下部よりも高温となり易い。スタック２の温度はスタック２の発電反応に大きく影響を与える。これを考慮すると、スタック２の高さ方向における発電反応の均一化を図るためには、スタック２の上部と下部との温度差が増大することは、回避されることが好ましい。
【００３５】
この点について本実施形態によれば、図１に示すように、カソードガス通路８を形成する通路形成部材７０１のうち、対向通路８３を形成する通路形成部分７０１ｋは、第１接触通路７０ｆおよびスタック２の側面２ｋに対面する。通路形成部分７０１ｋとスタック２の側面２ｋとで、カソードガスが上向き（矢印Ｕ２方向）流れる第１通路３１０を形成している。すなわち、第１通路３１０は、カソードガス通路８の対向通路８３から供給され且つスタック２のカソードに流入されなかったカソードガスを、燃焼用空間５３に向けて上向き（矢印Ｕ２方向）に流す通路である。ここで、第１通路３１０においてカソードガスが流れる方向（矢印Ｕ２方向，上向き）と、対向通路８３においてカソードガスが流れる方向（矢印Ｃ５方向，下向き）とは、互いに逆向きである。対向通路８３のカソードガスは、対向通路８３の下部に向かうにつれてスタック２の側面２ｋから受熱して加熱される。
【００３６】
このため対向通路８３においては、その下部が相対的高温領域となり、その上部が相対的低温領域となると考えられる。これに対して、第１通路３１０をカソードガスが上向き（矢印Ｕ２方向）に流れるとき、第１通路３１０においては、その上部が相対的高温領域となり、下部が相対的低温領域となると考えられる。よって第１通路３１０の相対的高温領域が対向通路８３の相対的低温領域に通路形成部分７０１ｋを介して対面する。また、第１通路３１０の相対的低温領域が対向通路８３の相対的高温領域に通路形成部分７０１ｋを介して対面する。このためスタック２の高さ方向における上部と下部との温度のばらつきを小さくさせるのに貢献できる。ここで、第１通路３１０の相対的高温領域が対向通路８３の相対的高温領域に通路形成部分７０１ｋを介して対面したり、あるいは、第１通路３１０の相対的低温領域が対向通路８３の相対的低温領域に通路形成部分７０１ｋを介して対面したりしている構造も考えられる。この場合には、スタック２の高さ方向の温度のばらつきが増加するおそれがある。スタック２の高さ方向における発電ばらつきの低減には好ましくない。
【００３７】
図１および図３に示すように、上記したカバー部材２１０は、スタック２の側面２ｍに対面する表面２０１を有する。ここで、スタック２の側面２ｍとカバー部材２１０の表面２０１との間には、カソードガスが流れる第２通路３２０が形成されている。ここで、カソードガス通路８の対向通路８３から供給され且つスタック２に流入されなかったカソードガスは、第２通路３２０に流れ、第２通路３２０を上向き（矢印Ｕ３方向）に燃焼用空間５に向けて流れる。このようにスタック２の側面２ｍとカバー部材２１０とは直接的に接触していない。すなわち、断熱空間として機能できる第２通路３２０がスタック２の側面２ｍとカバー部材２１０との間に形成されているため、スタック２の高温維持に貢献できる。
【００３８】
（実施形態２）
図６は実施形態２を示す。本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有する。以下、異なる部位を中心として説明する。図６は燃料電池装置１の要部の断面を示す。図６に示すように、カソードガス通路８を形成する通路形成部材７０１は、対向通路８３を形成する通路形成部分７０１ｋを有する。燃焼用空間５は、対向通路８３および通路形成部分７０１ｋを挟むように、第１燃焼用空間５ｆおよび第２燃焼用空間５ｓを有する。図６に示すように、カソードガス通路８の対向通路８３を形成する通路形成部分７０１ｋには、連通路８７を有する筒体８８が溶接または取付具等で複数個固定されている。連通路８７は第１燃焼用空間５ｆと第２燃焼用空間５ｓとを連通させており、図６の紙面の垂直方向において、間隔を隔てて間欠的に複数個形成されている。連通路８７により、第１燃焼用空間５ｆおよび第２燃焼用空間５ｓとの連通性が良好に確保される。
【００３９】
故に、第１燃焼用空間５ｆと第２燃焼用空間５ｓとの間におけるアノードオフガス流通性、カソードガス流通性が確保される。このため第１燃焼用空間５ｆにおける燃焼性と第２燃焼用空間５ｓにおける燃焼性とのばらつき低減に貢献できる。また筒体８８は図６の紙面垂直方向に間隔を隔てて複数個配置されているため、対向通路８３を流れるカソードガスの流れを損なうことが抑えられる。更に対向通路８３を流れるカソードガスが筒体８８の外壁面８８ｍに衝突するため、カソードガスの拡散作用を期待でき、カソードガスの温度の均一化に貢献できる。
【００４０】
（実施形態３）
図７および図８は実施形態３を示す。本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有する。以下、異なる部位を中心として説明する。図７は燃料電池装置１の断面を示す。カバー部材２１０の一端部である下端部２０５は、断熱性を有する固定部３５０に溶接または取付具により固定されている。カバー部材２１０の他端部である上端部２０６は自由端状をなしており、改質部４２の側面４２ｍに気密的に当接している。具体的には、カバー部材２１０の上端部２０６は、改質部４２に向けて付勢力Ｆ１（図８）を発揮させる板バネとしても機能できる。カバー部材２１０の上端部２０６のバネ性により、上端部２０６に形成された突起２０８の頂面２０９は、改質部４２の側面４２ｍに気密的に当接し、シールポイントを形成している。なお、突起２０８は、図７および図８の紙面垂直方向に沿って、すなわち、改質部４２の長さ方向に沿って、連続的に延設されていることが好ましい。
【００４１】
本実施形態においては、燃焼用空間５の高温の排気ガスが接触通路７０以外の部位に短絡的に流れることが抑制される。よって、高温の排気ガスは、接触通路７０の第１接触通路７０ｆおよび第２接触通路７０ｓに向かうことになる。この結果、接触通路７０の第１接触通路７０ｆおよび第２接触通路７０ｓを流れる排気ガスの単位時間当たりの流量が良好に確保される。従って、接触通路７０を流れる排気ガスと改質部４２の側面４２ｍおよび蒸発部４０の側面４０ｍとの熱交換効率が向上し、改質部４２の加熱効率が高められる。
【００４２】
本実施形態によれば、カバー部材２１０の下端部２０５は固定部３５０に固定されて拘束されているが、カバー部材２１０の上端部２０６の突起２０８が改質部４２の側面４２ｍに接触するものの、改質部４２および蒸発部４０には固定されていない。このため燃料電池装置１の使用時および非使用時においてカバー部材２１０が長さ方向に熱膨張または熱収縮するときであっても、突起２０８は改質部４２の側面４２ｍおよび蒸発部４０の側面４０ｍに接触しつつ滑るため、カバー部材２１０の上端部２０６に無理な応力が集中することが抑制される。すなわち、カバー部材２１０は、熱膨張および熱収縮を吸収する構造を有する。
【００４３】
（実施形態４）
図９は実施形態４を示す。本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有する。以下、異なる部位を中心として説明する。図９は燃料電池装置１の断面を示す。断熱層６がカバー部材として機能する。すなわち、断熱層６の上端部６ｕが改質部４２の側面４２ｍ（改質器の側面）にあてがわれており、燃焼火炎５０を燃焼させる燃焼用空間５を覆う。このためカバー部材として機能する断熱層６は、燃焼用空間５の排気ガスが第１接触通路７０ｆに向かうこと無く、直接的に下流通路７３の入口７２に向かう短絡を抑える。これにより燃焼用空間５の排気ガスを接触通路７０の第１接触通路７０ｆに効率よく向かわせることができる。すなわち、燃焼用空間５の高温の排気ガスが接触通路７０の第１接触通路７０ｆ以外の部位に流れることが抑制される。すなわち、排気ガスの全部またはほとんど全部は、接触通路７０の第１接触通路７０ｆに向かうことになる。このため接触通路７０の第１接触通路７０ｆを流れる排気ガスの流量が増加する。従って、接触通路７０の第１接触通路７０ｆを流れる排気ガスと改質部４２の側面４２ｓとの熱交換効率が向上し、改質部４２の加熱効率が高められる。蒸発部４０についても同様である。
【００４４】
（実施形態５）
図１０は実施形態５を示す。本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有する。以下、異なる部位を中心として説明する。図１０に示すように、カバー部材２１０は、高さ方向に延びると共に下端部２０５が固定部３５０に溶接または取付具で固定された金属製のカバー本体２０９と、カバー本体２０９の上方の先端から改質部４２に向けてＬ字形状にプレス成形で曲成された曲成部２１１とを有する。曲成部２１１は改質器４（改質部４２の上面４２ｕ）に溶接または取付具で固定されており、厚み方向に貫通する貫通孔を有しない。カバー部材２１０はプレス成形で成形された突起状の成形部２１６を有する。万一、カバー部材２１０がその長さ方向に熱膨張および熱収縮したとしても、成形部２１６の変形により熱膨張および熱収縮を吸収して緩和できる。図１０に示すように、カバー部材２１０の上端の曲成部２１１は改質部の上面４２ｕ，蒸発部４０の上面４０ｕに気密的に接触してシールしている。このため燃焼用空間５から吐出された排気ガスが燃焼用空間５から排気ガス通路７の入口７２に直接的に且つ短絡的に流れることが抑えられる。この結果、燃焼用空間５の排気ガスを接触通路７０の第１接触通路７０ｆに向かわせる。
【００４５】
（実施形態６）
図１１および図１２は実施形態６を示す。本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有する。以下、異なる部位を中心として説明する。図１１に示すように、カバー部材２１０は、高さ方向に延びるカバー本体２０９と、カバー本体２０９の先端から改質部４２に向けて曲成された曲成部２１１とを有する。曲成部２１１は複数個の貫通孔２１３を有する。貫通孔２１３は曲成部２１１に沿って矢印Ｌ方向に延びるスリット状としても良い。この場合、排気ガスと改質器４とを積極的に接触させる接触通路７０は、（ｉ）カソードガス通路８の対向通路８３と改質部４２の側面４２ｓとの間に形成された第１接触通路７０ｆと、（ｉｉ）改質部４２の上面４２ｕに接触する第２接触通路７０ｓと、（ｉｉｉ）カバー部材２１０の表面２０１と改質部４２の側面４２ｍ（蒸発部４０の側面４０ｍ）と曲成部２１１との間に形成され排気ガスと側面４２ｍとを接触させる第３接触通路７０ｔとを有する。図１１に示すように、カバー部材２１０の曲成部２１１は、改質器４の上面、すなわち、改質部４２の上面４２ｕ，蒸発部４０の上面４０ｕに接触している。この場合、カバー部材２１０の曲成部２１１は、改質部４２の上面４２ｕおよび蒸発部４０の上面４０ｕに固定されていても良いし、固定されず気密的に接触しているだけでも良い。
【００４６】
本実施形態によれば、図１１から理解できるように、燃焼用空間５の高温の排気ガスは、改質部４２の側面４２ｓ，上面４２ｕに接触しつつ接触通路７０の第１接触通路７０ｆおよび第２接触通路７０ｓに向かわせる流れＦＡと、改質部４２の側面４２ｍに接触しつつ第３接触通路７０ｔおよび貫通孔２１３を貫通するように上向きに流れる流れＦＢとに分岐される。このため本実施形態においても、燃焼用空間５から吐出された高温の排気ガスが接触通路７０以外の部位に短絡的に流れることが抑制される。結果として、高温の排気ガスと改質部４２との熱交換効率が向上し、改質部４２の加熱効率が高められる。なお、蒸発部４０についても同様である。貫通孔２１３の開口面積は、単位時間あたりにおける流れＦＡの流量と流れＦＢの流量との比率に影響を与える。貫通孔２１３の開口面積を相対的に小さくすれば、流れＦＡの流量が増加し、第１接触通路７０ｆを流れる排気ガスの流量が増加し、流れＦＢの流量が減少する。また、貫通孔２１３の開口面積を相対的に大きくすれば、流れＦＡの流量が減少し、第１接触通路７０ｆを流れる排気ガスの流量が減少し、流れＦＢの流量が増加する。このように貫通孔２１３の開口面積により、対向通路８３を流れるカソードガスの加熱効率、改質器４の加熱効率をチューニングできる利点が得られる。
【００４７】
（実施形態７）
本実施形態は上記した各実施形態と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有するため、図１〜図１２を準用することができる。以下、異なる部位を中心として説明する。カバー部材２１０のうち少なくとも第２通路３２０を形成する表面２０１については、スタック２および／または燃焼火炎５０からの輻射熱を吸収させる吸収率を高める輻射熱吸収化処理が施されていることが好ましい。輻射熱吸収化処理としては、例えば、カバー部材２１０のうち少なくとも第２通路３２０を形成する表面２０１を黒色または疑似黒色とすることが例示される。また表面２０１を粗面化（Ｒａで５０マイクロメートル以上、１００マイクロメートル以上）して受熱面積を増加させること、プレス成形などによるディンプル化が例示される。これによりカバー部材２１０の表面２０１における輻射熱吸収性が高まる。この結果、第２通路３２０を通過するカソードガスの昇温性を高めるのに有利となる。ひいては、燃焼用空間５における燃焼性を高めることができる。
【００４８】
（実施形態８）
本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有するため、図１〜図１２を準用することができる。以下、異なる部位を中心として説明する。カバー部材２１０のうち少なくとも第２通路３２０を形成する表面２０１については、スタック２および／または燃焼火炎５０からの輻射熱を反射させる反射率を高めるように輻射熱反射化処理されていることが好ましい。具体的には、表面２０１の表面粗さはＲａで２０マイクロメール以下、殊に１０マイクロメール以下にされており、鏡面化されていることが好ましい。更に、表面２０１は、白色、灰色、白っぽい色とされていることが好ましい。このためカバ部材２１０の表面２０１は、スタック２および／または燃焼火炎５０の輻射熱を効率よく反射させることができる。よってスタック２および／または燃焼火炎５０の放熱が抑えられ、スタック２および／または燃焼火炎５０の温度ができるだけ高温に維持されることが期待される。
【００４９】
（実施形態９）
本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有するため、図１〜図１２を準用することができる。以下、異なる部位を中心として説明する。対向通路８３を形成する通路形成部分７０１ｋは、スタック２の側面２ｋおよび燃焼火炎５０に対向しているため、スタック２および燃焼火炎５０より加熱される。この場合、通路形成部分７０１ｋについては、スタック２および／または燃焼火炎５０からの輻射熱を吸収させる吸収率を高める輻射熱吸収化処理が施されていることが好ましい。例えば、通路形成部分７０１ｋのうちスタック２および／または燃焼火炎５０に対面する表面を、黒色化または疑似黒色化できる。またも当該表面を粗面化（Ｒａで５０マイクロメートル以上、１００マイクロメートル以上）できる。この場合、通路形成部分７０１ｋの昇温性が高まり、対向通路８３を流れるカソードガスを加熱させる加熱効率を高めるのに有利である。
【００５０】
（その他）本発明は上記し且つ図面に示した実施形態のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できる。スタック２は、カソードガス通路８の対向通路８３を挟むように２組設けられているが、これに限らず、スタック２はカソードガス通路８の対向通路８３に隣設するように１組設けられている構造でも良い。スタック２は、複数の平板型の燃料電池を厚み方向に積層して形成されているが、これに限らず、複数のチューブ型の燃料電池を組み付けてスタックを形成しても良い。この場合であっても、スタックは長手方向に延設されている。上記した実施形態１によれば、改質部４２および蒸発部４０は断面四角形状をなしているが、これに限らず、断面円形状でも良い。燃料原料を改質させる改質部４２と蒸発部４０とは一体化されているが、これに限らず、蒸発部４０を改質部４２から分離させても良い。この場合蒸発部は別の加熱源で加熱させても良い。燃料電池は固体酸化物形に限定されず、りん酸塩形、溶融炭酸塩形でも良い、要するに改質部を燃焼炎で加熱させるものであれば良い。上記した記載から次の技術的思想が把握される。
【００５１】
［付記項１］燃料原料を改質させてアノードガスを生成させる改質部と、改質部で生成されたアノードガスとカソードガスとで発電し且つ燃料電池から吐出されたアノードオフガスを燃焼用空間で燃焼させた燃焼火炎で改質部を加熱させる燃料電池と、改質部で生成されたアノードガスを燃料電池の内部に供給するアノードガス通路と、カソードガスを燃料電池の内部に供給するカソードガス通路と、燃焼用空間の排気ガスを外部に排出させる排気ガス通路とを具備する燃料電池装置。
【００５２】
［付記項２］付記項１において、前記カソードガス通路は前記燃料電池に対向する対向通路を有しており、前記燃料電池と前記対向通路との間には、前記カソードガス通路の前記対向通路から供給され且つ前記燃料電池に流入されなかったカソードガスを前記燃焼用空間に向けて流す第１通路が設けられている燃料電池装置。第１通路においてカソードガスが流れる方向とカソードガス通路の対向通路においてカソードガスが流れる方向とは、互いに逆向きが好ましい。
【００５３】
［付記項３］付記項１において、前記燃料電池と前記カバー部材との間には、前記カソードガス通路の前記対向通路から供給され且つ前記燃料電池の内部に流入されなかった前記カソードガスを前記燃焼用空間に向けて流す第２通路が設けられている燃料電池装置。燃料電池とカバー部材とが直接接触する接触面積が低減され、燃料電池の温度維持に貢献できる。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明は例えば定置用、車両用、電気機器用、電子機器用などの燃料電池システムに利用することができる。
【符号の説明】
【００５５】
２はスタック、２０は燃料電池、２１はアノード、２２はカソード、２３は電解質、２５はアノードガス通路、３は基体、４は改質器、４０は蒸発部、４２は改質部、４２ｓ，４２ｍは改質部の側面、４２ｕは改質部の上面、４２ｄは改質部の下面、５は燃焼用空間、５０は燃焼火炎、６は断熱層、７は排気ガス通路、７Ｘは熱交換器、７０１，７０２は通路形成部材、７０１ｋは通路形成部分、７０は接触通路、７０ｆは第１接触通路、７０ｓは第２接触通路、７２は入口、７３は下流通路、７４は出口（排気ガス出口）、８はカソードガス通路、８１は第１通路、８２は第２通路、８３は対向通路、８４は出口、８７は連通路、８８は筒体、２１０はカバー部材、２０５は下端部、２０６は上端部、２０１は表面、２０８は突起、２１０はカバー本体、２１１は曲成部、３１０は第１通路、３２０は第２通路を示す。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料原料を改質させてアノードガスを生成させる改質部と、
前記改質部で生成されたアノードガスとカソードガスとで発電し且つアノードオフガスを燃焼用空間で燃焼させた燃焼火炎で前記改質部を加熱させる燃料電池と、
前記改質部で生成された前記アノードガスを前記燃料電池の内部に供給するアノードガス通路と、
カソードガスを前記燃料電池の内部に供給するカソードガス通路と、
前記燃焼用空間の燃焼排気ガスを前記改質部に接触させる接触通路と前記接触通路の下流に位置すると共に排気ガス出口に向かう下流通路とを有する排気ガス通路と、
前記燃焼火炎が燃焼する前記燃焼用空間を覆うと共に、前記燃焼用空間の燃焼排気ガスが前記接触通路に流れることを促進し、且つ、前記燃焼用空間の燃焼排気ガスを前記接触通路を経由させて前記下流通路に向かわせるカバー部材とを具備することを特徴とする燃料電池装置。
【請求項２】
請求項１において、断面において、前記燃焼用空間は前記カソードガス通路を形成する通路形成部材を挟むように第１燃焼用空間および第２燃焼用空間を有しており、前記カソードガス通路を形成する通路形成部材は、前記第１燃焼用空間と前記第２燃焼用空間とを連通させる連通路を有する燃料電池装置。
【請求項３】
請求項１または２において、前記カソードガス通路は前記燃料電池に対向すると共に前記燃料電池から受熱する対向通路を有しており、前記燃料電池と前記対向通路との間には、前記カソードガス通路の前記対向通路から供給され且つ前記燃料電池の内部に流入されなかったカソードガスを前記燃焼用空間に向けて流す第１通路が設けられており、前記第１通路において前記カソードガスが流れる方向と前記カソードガス通路の前記対向通路において前記カソードガスが流れる方向とは、互いに逆向きである燃料電池装置。
【請求項４】
請求項１または２において、前記カソードガス通路は前記燃料電池に対向すると共に前記燃料電池から受熱する対向通路を有しており、前記燃料電池と前記カバー部材との間には、前記カソードガス通路の前記対向通路から供給され且つ前記燃料電池の内部に流入されなかった前記カソードガスを前記燃焼用空間に向けて流す第２通路が設けられている燃料電池装置。
【請求項１】
燃料原料を改質させてアノードガスを生成させる改質部と、
前記改質部で生成されたアノードガスとカソードガスとで発電し且つアノードオフガスを燃焼用空間で燃焼させた燃焼火炎で前記改質部を加熱させる燃料電池と、
前記改質部で生成された前記アノードガスを前記燃料電池の内部に供給するアノードガス通路と、
カソードガスを前記燃料電池の内部に供給するカソードガス通路と、
前記燃焼用空間の燃焼排気ガスを前記改質部に接触させる接触通路と前記接触通路の下流に位置すると共に排気ガス出口に向かう下流通路とを有する排気ガス通路と、
前記燃焼火炎が燃焼する前記燃焼用空間を覆うと共に、前記燃焼用空間の燃焼排気ガスが前記接触通路に流れることを促進し、且つ、前記燃焼用空間の燃焼排気ガスを前記接触通路を経由させて前記下流通路に向かわせるカバー部材とを具備することを特徴とする燃料電池装置。
【請求項２】
請求項１において、断面において、前記燃焼用空間は前記カソードガス通路を形成する通路形成部材を挟むように第１燃焼用空間および第２燃焼用空間を有しており、前記カソードガス通路を形成する通路形成部材は、前記第１燃焼用空間と前記第２燃焼用空間とを連通させる連通路を有する燃料電池装置。
【請求項３】
請求項１または２において、前記カソードガス通路は前記燃料電池に対向すると共に前記燃料電池から受熱する対向通路を有しており、前記燃料電池と前記対向通路との間には、前記カソードガス通路の前記対向通路から供給され且つ前記燃料電池の内部に流入されなかったカソードガスを前記燃焼用空間に向けて流す第１通路が設けられており、前記第１通路において前記カソードガスが流れる方向と前記カソードガス通路の前記対向通路において前記カソードガスが流れる方向とは、互いに逆向きである燃料電池装置。
【請求項４】
請求項１または２において、前記カソードガス通路は前記燃料電池に対向すると共に前記燃料電池から受熱する対向通路を有しており、前記燃料電池と前記カバー部材との間には、前記カソードガス通路の前記対向通路から供給され且つ前記燃料電池の内部に流入されなかった前記カソードガスを前記燃焼用空間に向けて流す第２通路が設けられている燃料電池装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１０−２３８４３０（Ｐ２０１０−２３８４３０Ａ）
【公開日】平成２２年１０月２１日（２０１０．１０．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−８３２５６（Ｐ２００９−８３２５６）
【出願日】平成２１年３月３０日（２００９．３．３０）
【出願人】（０００００００１１）アイシン精機株式会社 (5,421)
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１０月２１日（２０１０．１０．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月３０日（２００９．３．３０）
【出願人】（０００００００１１）アイシン精機株式会社 (5,421)
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
【Ｆターム（参考）】
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