JP6550814B2 - 空気予熱器及び発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池スタックに導入される空気を予熱する空気予熱器、及び該空気予熱器を有する燃料電池モジュールを備えた発電装置に関する。

固体酸化物形燃料電池等の高温型燃料電池は運転温度が６００℃〜１０００℃程度であり、燃料極（アノード）に導入する水素を主成分とする改質ガスや、空気極（カソード）に導入する酸素を含んだ空気等を常温で燃料電池スタックに導入すると、大きな温度差によって構成材料（セラミックス）に大きな熱応力が発生し、材料の劣化や破損（セル割れ）の原因となる。

天然ガスやＬＰＧなど炭化水素系の燃料を改質してアノードに導入する場合には、改質器の反応温度が６００℃〜７５０℃程度と燃料電池の運転温度近傍となり、このため、アノード側では燃料電池と供給ガスの温度差による熱応力の発生は小さい。一方、カソードに空気を導入する場合には、空気を予熱してからでないと、燃料電池と空気の温度差による熱応力が発生し、燃料電池の劣化や破損の原因となるため、従来から空気を予熱する空気予熱器が用いられている。

例えば、特許文献１には、固体酸化物形燃料電池を用いた発電システムにおいて、燃料排ガスを燃焼する燃焼室からの燃焼ガスを用い、燃料電池スタックに導入される空気を予熱する空気予熱器を備え、さらに予熱空気温度調節部と燃焼ガス温度調節部を設置した構成が記載されている。

特許文献２には、空気予熱器を迂回して空気を予熱せずに燃料電池スタックへと供給するバイパスラインと、供給する空気の各々のラインの空気流量情報を演算処理する演算器とを備えた燃料電池運転制御システムが記載されている。

特許文献３には、燃料電池スタックから排出された燃料排ガスを燃焼させる燃焼器と、燃焼器からの燃焼ガスによって空気を予熱する空気予熱器とを備え、燃料電池スタックの周囲に空気予熱器を設置した構成が記載されている。

特開２００９−２２４０４１号公報 特開２００１−２０２９８１号公報 特開２０１２−１９８９９４号公報

固体酸化物形燃料電池ではセルの材料にセラミックスを用いているため、上記のように、温度差による熱応力で割れてしまうという問題があり、熱応力が発生しないように、燃料電池に温度差がつかないように設計する必要がある。

このため、燃料電池に導入する燃料及び空気は共に燃料電池運転温度近傍とする必要がある。特に、カソードガスとしての空気は常温から燃料電池の運転温度程度まで昇温することが課題となっている。また、燃料電池スタックからの燃料排ガスを空気排ガスを利用して燃焼させる場合、カソードに供給する空気の量は燃料電池反応に必要な量だけではなく、燃焼分も必要となる。そうすると、燃料電池スタックに導入する前の予熱量が一層大きくなるため、十分な熱交換効率と熱交換量を確保できる空気予熱器が求められる。

他方、上記のような高温型燃料電池では、燃料電池スタックを、空気予熱器や改質器等と共に断熱筐体内に収容した高温の燃料電池モジュールとして構成する場合がある。この場合、燃料電池モジュールからの放熱が多いと、モジュール内が熱自立できなくなる。そうすると、燃料排ガスの燃焼量を増やす必要が生じ、燃料電池での燃料利用率が低下し、装置全体の発電効率が低下することになる。

本発明は、上記従来の課題を考慮してなされたものであり、燃料電池スタックに導入される空気を効率よく予熱することができ、外部への放熱を低減することができる空気予熱器及び該空気予熱器を有する燃料電池モジュールを備えた発電装置を提供することを目的とする。

本発明に係る空気予熱器は、断熱筐体で囲まれた燃料電池モジュールに設けられ、燃料電池スタックに供給する空気を予熱する空気予熱器であって、前記断熱筐体の外部から導入された空気を流通させて予熱する第１予熱部と、前記第１予熱部を通過した後の空気が流通する第２予熱部とを備えることを特徴とする。

このような構成によれば、第１予熱部及び第２予熱部で空気を予熱することができるため、燃料電池スタックに導入する前の空気を効率よく予熱することができ、予熱量が大きくなっても十分に対応することができる。また、燃料電池スタックからの輻射熱や反応熱を空気予熱器で受けることができるので、断熱筐体から外部への放熱を低減することができる。

前記第１予熱部よりも前記第２予熱部が燃料電池スタック側に配置されるとよい。このように、外部からの空気を先に予熱する第１予熱部が燃料電池スタック側に配置される第２予熱部の背面側に配置されると、空気予熱器の外表面温度を低下させ、その背面側への輻射熱や反応熱の放熱を低減し、断熱筐体から外部への放熱を低減することができる。

前記第１予熱部は、前記断熱筐体の外部から導入された空気を、前記第２予熱部との間を仕切る隔壁と第１外壁との間に形成した第１空気流路に流通させて予熱し、前記第２予熱部は、前記第１予熱部から流出した空気を、前記隔壁と前記燃料電池スタックに対向配置される第２外壁との間に形成した第２空気流路に流通させてさらに予熱し、前記燃料電池スタックに供給するものであってもよい。このように、後から空気を加熱する第２予熱部の第２空気流路の一面を燃料電池スタックに対向配置される第２外壁で構成すると、燃料電池スタックからの輻射熱を第２予熱部で直接的に受けることができ、燃料電池スタックに導入する直前の空気をより高い温度まで大きな熱量で予熱することができる。

前記第１予熱部及び前記第２予熱部は、前記燃料電池スタックからの輻射熱を利用して前記燃料電池スタックに供給する空気を予熱するものであると、燃料電池スタックからの輻射熱を有効に回収して空気を予熱することができる。

前記第１空気流路及び前記第２空気流路に伝熱フィンを設けると、その熱交換性能を一層向上させることができる。

前記第１空気流路の伝熱フィンは、その一端部が前記隔壁に固定され、前記第２空気流路の伝熱フィンは、その一端部が前記第２外壁の内面に固定されていることが好ましい。そうすると、伝熱フィンが高温側の第２壁面や隔壁に固定されるため、輻射熱を伝熱フィンに対して直接的に伝えることができる。

前記第１予熱部及び前記第２予熱部を有する主予熱器と、前記主予熱器と別体に設けられ、前記第１予熱部から流出される空気をさらに予熱して前記第２予熱部へ流入させる補助予熱器とを備える構成としてもよい。

前記補助予熱器は複数設けられ、複数の前記補助予熱器にそれぞれ対応するように、前記第１予熱部には複数の空気流出口が設けられ、前記第２予熱部には複数の空気流入口が設けられる構成としてもよい。

また、本発明に係る発電装置は、燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに供給する空気を予熱する空気予熱器と、前記燃料電池スタック及び前記空気予熱器を囲む断熱筐体とを有する燃料電池モジュールを備えた発電装置であって、前記空気予熱器は、前記断熱筐体の外部から導入された空気を、隔壁と第１外壁との間に形成した第１空気流路に流通させて予熱する第１予熱部と、前記第１予熱部から流出した空気を、前記第１予熱部との間を仕切る前記隔壁と前記燃料電池スタックに対向配置される第２外壁との間に形成した第２空気流路に流通させてさらに予熱し、前記燃料電池スタックに供給する第２予熱部とを備えることを特徴とする。

このような構成によれば、隔壁で仕切られた２層の第１予熱部及び第２予熱部で空気を予熱することができるため、燃料電池スタックに導入する前の空気を効率よく予熱することができ、予熱量が大きくなっても十分に対応することができる。しかも、後から空気を加熱する第２予熱部の第２空気流路の一面を燃料電池スタックに対向配置される第２外壁で構成しているため、燃料電池スタックからの輻射熱を第２予熱部で直接的に受けることができ、燃料電池スタックに導入する直前の空気をより高い温度まで大きな熱量で予熱することができる。また、外部からの空気を先に加熱する第１予熱部を、燃料電池スタック側に配置される第２予熱部の背面側に配置しているため、空気予熱器の外表面温度を低下させ、その背面側への輻射熱の放熱を低減し、断熱筐体から外部への放熱を低減することができる。

前記第１予熱部及び前記第２予熱部を有する主予熱器と、前記主予熱器と別体に設けられ、前記第１予熱部から流出される空気をさらに予熱して前記第２予熱部へ流入させる複数の補助予熱器とを備え、複数の前記補助予熱器にそれぞれ対応するように、前記第１予熱部には複数の空気流出口が設けられ、前記第２予熱部には複数の空気流入口が設けられる構成としてもよい。

前記補助予熱器は２個設けられ、前記空気流出口は前記第１予熱部の両側面にそれぞれ設けられ、前記空気流入口は前記第２予熱部の両側面にそれぞれ設けられ、前記２個の補助予熱器は、それぞれ前記燃料電池スタックの対向する面に設置される構成であってもよい。

前記燃料電池スタックは、固体酸化物形燃料電池であってもよい。この固体酸化物形燃料電池の燃料電池スタックと共に空気予熱器を設けることにより、空気極に導入される空気の温度を所望の温度まで効率よく予熱することができるため、スタック内での温度差の発生によるセル割れの発生を可及的に抑制することができる。

前記固体酸化物形燃料電池は、矩形平板を積層した直方体形状であってもよい。

前記固体酸化物形燃料電池は、上下に複数段配置されると共に、各段に複数の固体酸化物形燃料電池を設置した構造であってもよい。

前記燃料電池モジュールは、さらに、前記断熱筐体の内部に、前記燃料電池スタックに導入される燃料を改質する改質器と、該改質器に導入される水蒸気を生成する気化器とを有し、前記燃料電池スタックを挟み、前記主予熱器と対向する側に前記改質器が設置され、前記燃料電池スタックの上方に前記気化器が設置されていてもよい。

本発明によれば、第１予熱部及び第２予熱部で空気を予熱することができるため、燃料電池スタックに導入する前の空気を効率よく予熱することができる。また、燃料電池スタックから輻射熱を空気予熱器で受けることができるので、断熱筐体から外部への放熱を低減することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池モジュールを備えた発電装置の構成を示すブロック図である。 図２は、本発明の一実施形態に係る空気予熱器を備えた燃料電池モジュールの一構成例を示す斜視図である。 図３は、図２に示す燃料電池モジュールの概略構成を示す平面図である。 図４は、棚装置の平面図である。 図５は、本発明の一実施形態に係る空気予熱器の構成図であり、図５（Ａ）は、平面図であり、図５（Ｂ）は、正面図であり、図５（Ｃ）は、図５（Ｂ）中のＶＣ−ＶＣ線に沿う断面図である。 図６は、正面側から見た空気予熱器の内部構造を示す斜視図である。 図７は、背面側から見た主予熱器の内部構造を示す斜視図である。 図８は、主予熱器の構成図であり、図８（Ａ）は、図８（Ｂ）中のＶＩＩＩＡ−ＶＩＩＩＡ線に沿う断面図であり、図８（Ｂ）は、主予熱器の正面図であり、図８（Ｃ）は、図８（Ｂ）中のＶＩＩＩＣ−ＶＩＩＩＣ線に沿う断面図である。 図９は、主予熱器を側面側から見た構成図であり、図９（Ａ）は、側面図であり、図９（Ｂ）は、図８（Ｂ）中のＩＸＢ−ＩＸＢ線に沿う断面図であり、図９（Ｃ）は、主予熱器の内部を仕切る隔壁の側面図である。 図１０は、空気予熱器を断熱筐体内で支持するための支持台の一構成例を示す平面図である。 図１１は、変形例に係る燃料電池スタックに対して空気予熱器を配置した構成例を示す平面図である。

以下、本発明に係る空気予熱器について、この空気予熱器を備えた燃料電池モジュール及び発電装置との関係で好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。

先ず、図１を参照して燃料電池モジュール１０を備えた発電装置１２の全体的な構成を説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池モジュール１０を備えた発電装置１２の構成を示すブロック図である。

図１に示すように、発電装置１２は、燃料電池スタック１４を断熱筐体１６の内部に設けた燃料電池モジュール１０と、燃料電池モジュール１０に燃料及び空気を供給する燃料供給ラインＬＦ１，ＬＦ２及び空気供給ラインＬＡ１，ＬＡ２と、燃料電池モジュール１０からの排熱を利用して温水を製造する温水熱交換器１８と、燃料電池モジュール１０で使用する改質用の水蒸気を生成するための水を貯留する凝集水タンク２０とを備えたコジェネレーションシステムとして構成されている。

燃料電池モジュール１０は、燃料電池スタック１４と、改質器２２と、空気予熱器２４と、気化器２６とを備え、これらを断熱部材を箱状に画成した断熱筐体１６の内部（高温室）に設置したものである。断熱部材としては、グラスウール等の一般的な断熱材を用いればよい。但し、ボード状の高性能断熱材を使用することで、燃料電池モジュール１０をよりコンパクトに構成することができる。

燃料電池スタック１４は、燃料供給ラインＬＦ２から導入される燃料と、空気供給ラインＬＡ２から導入される空気とを反応させて発電する矩形平板の発電セルを複数積層した公知の構成である。本実施形態の場合、燃料電池スタック１４を、燃料極（アノード）１４ａと空気極（カソード）１４ｂとの間に電解質としてイオン伝導性セラミックスを介在させた固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）で構成している。固体酸化物形燃料電池を平板型の積層スタックで構成すると、燃料電池スタック１４をコンパクトに構成することができ、容積当たりの発電出力を高くすることができる。燃料電池スタック１４として他の高温型燃料電池、例えば、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）等を用いてもよい。燃料電池スタック１４の側部には、昇温用のヒータ２８が設置されている。

燃料供給ラインＬＦ１からの原燃料（例えば、メタンガス、都市ガス等）は、脱硫器３０及び改質器２２を経て水素や一酸化炭素を含む改質燃料となり、燃料供給ラインＬＦ２から燃料極１４ａへと導入される。改質器２２は、公知の構成でよく、その内部に各種の改質触媒が設けられている。気化器２６は、温水熱交換器１８からの凝集水を貯留する凝集水タンク２０から送られる水を蒸発させ改質用の水蒸気を生成するものであり、生成した水蒸気は水蒸気供給ラインＬＷから改質器２２に導入される直前の燃料供給ラインＬＦ１に導入される。これにより、燃料は気化器２６で高温となった水蒸気と混合され、例えば３００℃程度まで加熱された後、改質器２２に導入され、ここで７００℃程度まで温度上昇しつつ、水蒸気改質されて改質燃料となる。

空気供給ラインＬＡ１からの空気は、ブロワ３２によって空気予熱器２４に導入され、所望の温度（例えば、６５０〜７００℃程度）まで予熱された後、空気供給ラインＬＡ２から空気極１４ｂへと導入される。

燃料電池スタック１４からの排ガスは、排ガスラインＬＧから温水熱交換器１８に送られる。温水熱交換器１８は、貯水槽３６から供給される水を排ガスラインＬＧからの排ガスによって加熱して温水を製造し、製造した温水は貯水槽３６へと戻される。貯水槽３６では、補給水が供給され、温水が取り出される。また、温水熱交換器１８を通過した排ガスは、凝集水タンク２０で凝集・除塵されて排気する。凝集水は改質用の水として気化器２６に供給される。凝集水タンク２０にはレベル計が設置され、水が一定レベル以下になると補給水が供給される。これにより、不要なガス及び余剰な水が排気及び排水される。

次に、以上のような発電装置１２を構成する燃料電池モジュール１０の具体的な構成例について説明する。

図２は、本発明の一実施形態に係る空気予熱器２４を備えた燃料電池モジュール１０の一構成例を示す斜視図であり、図３は、図２に示す燃料電池モジュール１０の概略構成を示す平面図である。以下では、燃料電池モジュール１０及び空気予熱器２４について、図２における手前側を前側（正面側）、奥側を後側（背面側）と呼び、左右方向を幅方向（左右幅方向）と呼んで説明する。

図２に示すように、本実施形態では１つの断熱筐体１６内に４個の燃料電池スタック１４を設けた４個１組の構成からなる燃料電池モジュール１０を用いている。この燃料電池モジュール１０は、断熱筐体１６内に設置された棚装置４０の上棚４０ａ及び下棚４０ｂに燃料電池スタック１４を２個ずつ載置しており、正面視で２行２列の配置となっている。以下では、このような４個１組の燃料電池スタック１４をまとめて燃料電池スタック１４として説明することもある。

図４は、棚装置４０の平面図であり、上棚４０ａの平面構造を示している。

図４に示すように、上棚４０ａは前後端部に上方に屈曲された曲げ部４０ｃを有し（図２も参照）、上面に燃料電池スタック１４を２個設置可能な構造である。上棚４０ａは、燃料電池スタック１４が設置される箇所に板厚方向に貫通した左右の切欠部４０ｄを有する。切欠部４０ｄには、燃料電池スタック１４に接続する配管や配線を通すことができる。図４では、Ｔ字形状の切欠部４０ｄを例示しているが、切欠部４０ｄは丸形状や矩形状等の孔部であってもよい。

下棚４０ｂは、上棚４０ａの下面から延びた４本の支柱４０ｅが四隅に設けられ、上棚４０ａの幅方向中央から延びたプレート４０ｆが中央に設けられ、曲げ部４０ｃが設けられていない以外、基本的な構造は上棚４０ａと同様である。従って、下棚４０ｂにも切欠部４０ｄが左右に設けられ、その上面に燃料電池スタック１４を２個設置可能である。プレート４０ｆは、下棚４０ｂに設置された左右の燃料電池スタック１４，１４間を仕切る遮熱板として機能するものである。また、プレート４０ｆは上棚４０ａを支持している。

なお、棚装置４０は４個１組の燃料電池スタック１４の設置用であるが、燃料電池スタック１４の設置数が増えた場合にも同様な構造を用いることができ、例えば上棚４０ａを積み上げて３段以上に構成してもよい。

燃料電池モジュール１０では、棚装置４０に載置された燃料電池スタック１４の正面に対向するように扁平箱状の改質器２２が上下方向に沿って設置され、燃料電池スタック１４の上方に扁平箱状の気化器２６が設置され、燃料電池スタック１４の背面及び左右両側面の３面を囲むように空気予熱器２４が設置されている。

断熱筐体１６内の燃料電池モジュール１０では、高い温度を必要とする改質器２２と空気予熱器２４とを燃料電池スタック１４の正面及び背面に配置し、これらより低い温度でよい気化器２６を燃料電池スタック１４の上方に配置している。改質器２２は、上記のように扁平箱状であって各燃料電池スタック１４の正面を覆うように配置される。改質器２２よりも大きな熱量を必要とする空気予熱器２４は、各燃料電池スタック１４の背面を覆い、さらに４個１組とした燃料電池スタック１４の左右の側面を覆うように配置されている。

そこで、次に、空気予熱器２４の具体的な構成例を説明する。

図５は、本発明の一実施形態に係る空気予熱器２４の構成図であり、図５（Ａ）は、平面図であり、図５（Ｂ）は、正面図であり、図５（Ｃ）は、図５（Ｂ）中のＶＣ−ＶＣ線に沿う断面図である。図６は、正面側から見た空気予熱器２４の内部構造を示す斜視図である。

図５及び図６に示すように、空気予熱器２４は、燃料電池スタック１４の背面側に配置される主予熱器５０と、燃料電池スタック１４の左右の側面側に配置される一対の補助予熱器５２とを備え、平面視で燃料電池スタック１４の３面を覆う門形状となっている。主予熱器５０と各補助予熱器５２との間は、上下にそれぞれ設けられた矩形筒状のブリッジ５４，５５で接続され、空気が流通可能となっている。空気予熱器２４は、例えばステンレス鋼によって形成される。

図７は、背面側から見た主予熱器５０の内部構造を示す斜視図である。図８は、主予熱器５０の構成図であり、図８（Ａ）は、図８（Ｂ）中のＶＩＩＩＡ−ＶＩＩＩＡ線に沿う断面図であり、図８（Ｂ）は、主予熱器５０の正面図であり、図８（Ｃ）は、図８（Ｂ）中のＶＩＩＩＣ−ＶＩＩＩＣ線に沿う断面図である。また、図９は、主予熱器５０を側面側から見た構成図であり、図９（Ａ）は、側面図であり、図９（Ｂ）は、図８（Ｂ）中のＩＸＢ−ＩＸＢ線に沿う断面図であり、図９（Ｃ）は、主予熱器５０の内部を仕切る隔壁５６の側面図である。

図６〜図９に示すように、主予熱器５０は、鉛直方向に沿った平板状の隔壁５６で内部が前後２層に仕切られた扁平箱状の熱交換器である。隔壁５６の背面側に第１予熱部５０ａが設けられ、正面側に第２予熱部５０ｂが設けられている。

図７及び図９（Ｂ）に示すように、第１予熱部５０ａ及び第２予熱部５０ｂの上部には、入口側となる空気供給ラインＬＡ１から導入された空気を幅方向に拡散させ、第１予熱部５０ａへと幅方向で均等に流入させるためのバッファ空間５８が設けられている。また、第１予熱部５０ａ及び第２予熱部５０ｂの下部には、第２予熱部５０ｂで加熱され、幅方向に拡散している空気を集合させ、出口側となる空気供給ラインＬＡ２へと円滑に導入するためのバッファ空間６０が設けられている。

隔壁５６は、図９（Ｃ）に示すように、その上下端部が一方側（後側）へと折り曲げられている。これにより、折り曲げていない平板を用いる場合よりも高い剛性を有して主予熱器５０内に配設されている。上部で水平方向に折り曲げられた折り曲げ片５６ａは、その正面側の帯板６２と共に、バッファ空間５８と第１予熱部５０ａ及び第２予熱部５０ｂとの間を仕切る蓋板となっている（図９（Ｂ）参照）。この折り曲げ片５６ａの先端縁部には、幅方向に並んだ複数の半円状の孔部５６ｂが形成されている（図７及び図８（Ａ）参照）。孔部５６ｂは、バッファ空間５８から第１予熱部５０ａへの空気の流入口となる開口である。また、下部で水平方向に折り曲げられた折り曲げ片５６ｃは、その正面側の帯板６４と共に、バッファ空間６０と第１予熱部５０ａ及び第２予熱部５０ｂとの間を仕切る蓋板となっている（図９（Ｂ）参照）。この帯板６４の後側縁部には、幅方向に並んだ複数の半円状の孔部６４ａが形成されている（図８（Ｃ）参照）。孔部６４ａは、第２予熱部５０ｂからバッファ空間６０への空気の流出口となる開口である。

図７に示すように、第１予熱部５０ａは、外部から空気供給ラインＬＡ１を介して導入された空気が最初に流通する空気流路６６を有した熱交換器である。第１予熱部５０ａは、上部にバッファ空間５８からの流入口となる各孔部５６ｂが設けられ、下部両側壁にそれぞれ左右のブリッジ５５に連通する流出口（空気流出口）６８，６８が設けられており、空気流路６６の途中に複数の伝熱フィン７０が介在している。これにより、第１予熱部５０ａにおいて、上端の各孔部５６ｂから流入した空気は、空気流路６６の幅方向に広がりつつ下方へと流通し、その途中で伝熱フィン７０、隔壁５６及び外壁７１等と熱交換して昇温された後、流出口６８からブリッジ５５を経て補助予熱器５２へと導入される。各伝熱フィン７０は、高温側（正面側）となる隔壁５６に対して溶接部Ｗによって溶接固定されている（図９（Ｂ）参照）。

図６に示すように、第２予熱部５０ｂは、第１予熱部５０ａで加熱され、補助予熱器５２でさらに加熱された空気が流通する空気流路７２を有した熱交換器である。第２予熱部５０ｂは、上部両側壁にそれぞれブリッジ５４に連通する流入口（空気流出口）７４，７４が設けられ、下部に流出口となる各孔部６４ａが設けられており（図８（Ｃ）参照）、空気流路７２の途中に複数の伝熱フィン７６が介在している。これにより、第２予熱部５０ｂにおいて、補助予熱器５２からブリッジ５４を経て上部両側部から流入した空気は、空気流路７２の幅方向に広がりつつ下方へと流通し、その途中で伝熱フィン７６及び外壁７８等と熱交換して昇温された後、各孔部６４ａ及びバッファ空間６０から空気供給ラインＬＡ２を経て各燃料電池スタック１４へと導入される。各伝熱フィン７６は、高温側（正面側）となる外壁７８に対して溶接部Ｗによって溶接固定されている（図９（Ｂ）参照）。

図５及び図６に示すように、一対の補助予熱器５２，５２は、それぞれが主予熱器５０に対して並列に接続されており、主予熱器５０を構成する第１予熱部５０ａと第２予熱部５０ｂの間の中間熱交換器となるものである。

各補助予熱器５２は、第１予熱部５０ａで加熱された空気が流通する空気流路８０を有した扁平箱状の熱交換器である。補助予熱器５２は、内壁８１の下部背面側にブリッジ５５に連通する流入口（空気流入口）８２が設けられ、内壁８１の上部正面側にブリッジ５４に連通する流出口（空気流出口）８４が設けられており、空気流路８０の途中に複数の伝熱フィン８６が介在している。これにより、補助予熱器５２において、主予熱器５０の第１予熱部５０ａからブリッジ５５を経て流入口８２から下部背面側へと流入した空気は、空気流路８０を上方へと流通し、その途中で伝熱フィン８６及び内壁８１等と熱交換して昇温された後、流出口８４からブリッジ５４を経て主予熱器５０の第２予熱部５０ｂに導入される。各伝熱フィン８６は、高温側（燃料電池スタック１４側）となる内壁８１に対して溶接部Ｗによって溶接固定されている（図６参照）。

次に、以上のように構成された空気予熱器２４での空気の予熱方法を説明する。

空気供給ラインＬＡ１から供給された外部の空気（例えば、５０℃程度）は、先ず、図７及び図９（Ｂ）に示すように主予熱器５０のバッファ空間５８から孔部５６ａを通過し、外側の第１予熱部５０ａに導入される。

第１予熱部５０ａにおいて、上部の孔部５６ａから流入し空気流路６６を流通する空気は、伝熱フィン７０、隔壁５６及び外壁７１等と熱交換し、例えば１５０℃程度まで昇温される（図７及び図９（Ｂ）参照）。第１予熱部５０ａでは、燃料電池スタック１４側の隔壁５６及び該隔壁５６に溶接固定された伝熱フィン７０との接触により、７００℃〜８００℃で作動する燃料電池スタック１４の背面からの輻射熱によって流通する空気を間接的に加熱することができ、十分な熱交換を行うことができる。

第１予熱部５０ａから左右のブリッジ５５へと分岐して流出した空気は、左右の補助予熱器５２，５２の下部の流入口８２からそれぞれの空気流路８０に流入する。そして、各補助予熱器５２の空気流路８０を並行して流通する途中で伝熱フィン８６及び内壁８１等と熱交換し、例えば３５０℃程度まで昇温される（図６参照）。補助予熱器５２は、燃料電池スタック１４の側面に対向しているため、燃料電池スタック１４の側面からの輻射熱により流通する空気を十分に加熱することができる。昇温された空気は、ブリッジ５４を介して主予熱器５０の第２予熱部５０ｂへと流出し、ここで再び合流する。

第２予熱部５０ｂにおいて、左右上部の流入口７４，７４から流入し空気流路７２を流通する空気は、伝熱フィン７６及び外壁７８等と熱交換し、例えば６５０〜７００℃程度まで昇温される（図６参照）。第２予熱部５０ｂでは、燃料電池スタック１４の背面からの輻射熱を受けて流通する空気を加熱することができ、十分な熱交換を行うことができる。昇温された空気は、下部の各孔部６４ａからバッファ空間６０へと流通し（図８（Ｃ）及び図９（Ｂ）参照）、空気供給ラインＬＡ２を介して各燃料電池スタック１４の空気極１４ｂへと導入され（図１参照）、燃料極１４ａの改質燃料と反応して発電がなされる。

本実施形態の場合、空気予熱器２４の空気出口から各燃料電池スタック１４までの空気供給ラインＬＡ２のそれぞれの配管の内径及び配管長さが同一に設定されている。これにより、空気予熱器２４から各燃料電池スタック１４への供給ガスの等配分を図ることができ、各燃料電池スタック１４の性能のバランスがとれる。なお、燃料電池スタック１４の搭載数がさらに増えた場合にも同様の対応により、安定したシステム効率を得ることができる。また、空気予熱器２４とそれぞれの配管との間に断熱材を設置すると、配管の受熱を抑制することができ、各燃料電池スタック１４に供給する空気温度が変動することを抑制できる。

なお、主予熱器５０を構成する第１予熱部５０ａと第２予熱部５０ｂとの間に接続される補助予熱器５２は、当該空気予熱器２４を適用する燃料電池モジュール１０及び発電装置１２の仕様等によっては省略してもよい。すなわち、主予熱器５０のみで空気の予熱に要する熱量が十分である場合等では、補助予熱器５２を省略し、空気予熱器２４の製造コストを低減することも有効である。補助予熱器５２を省略する場合には、例えば、主予熱器５０の第１予熱部５０ａの流出口６８と第２予熱部５０ｂの流入口７４とを所定の配管で連結する等し、第１予熱部５０ａからの空気が第２予熱部５０ｂに流通する構成とすればよい。

以上のように、本実施形態に係る空気予熱器２４は、断熱筐体１６で囲まれた燃料電池モジュール１０に設けられ、燃料電池スタック１４に供給する空気を予熱するものである。この空気予熱器２４は、断熱筐体１６の外部から導入された空気を流通させて予熱する第１予熱部５０ａと、第１予熱部５０ａを通過した後の空気が流通する第２予熱部５０ｂとを備える。

従って、このような空気予熱器２４では、第１予熱部５０ａ及び第２予熱部５０ｂで空気を加熱することができるため、燃料電池スタック１４に導入する前の空気を効率よく予熱することができ、予熱量が大きくなっても十分に対応することができる。また、燃料電池スタック１４からの輻射熱を空気予熱器２４で受けることができるので、断熱筐体１６から外部への放熱を低減することができる。

空気予熱器２４は、第１予熱部５０ａよりも第２予熱部５０ｂが燃料電池スタック１４側に配置されるため、空気予熱器２４の外表面温度を低下させ、その背面側への輻射熱の放熱を低減し、断熱筐体１６から外部への放熱を一層低減することができる。

空気予熱器２４では、第１予熱部５０ａは、断熱筐体１６の外部から導入された空気を、第２予熱部５０ｂとの間を仕切る隔壁５６と外壁（第１外壁）７１との間に形成した空気流路（第１空気流路）６６に流通させて予熱し、第２予熱部５０ｂは、第１予熱部５０ａから流出した空気を、隔壁５６と燃料電池スタック１４に対向配置される外壁（第２外壁）７８との間に形成した空気流路（第２空気流路）７２に流通させてさらに予熱し、燃料電池スタック１４に供給する構成となっている。これにより、燃料電池スタック１４からの輻射熱を第２予熱部５０ｂで直接的に受けることができ、燃料電池スタックに導入する直前の空気をより高い温度まで大きな熱量で予熱することができる。

このように、空気予熱器２４及びこれを備えた発電装置１２では、隔壁５６を介して２層に設けられた第１予熱部５０ａ及び第２予熱部５０ｂを備え、燃料電池スタック１４の背面に対向配置される外壁７８と隔壁５６との間に第２予熱部５０ｂの空気流路７２を設けている。これにより、隔壁５６で仕切られた２層の第１予熱部５０ａ及び第２予熱部５０ｂで空気を予熱することができるため、燃料電池スタック１４に導入する前の空気を効率よく予熱することができる。しかも、後から空気を予熱する第２予熱部５０ｂの空気流路７２の一面を燃料電池スタック１４の背面に対向配置される外壁７８で構成しているため、燃料電池スタック１４に導入する直前の空気をより高い温度まで大きな熱量で予熱することができる。また、外部からの空気を先に予熱する第１予熱部５０ａを、燃料電池スタック１４側に配置される第２予熱部５０ｂの背面側に配置している。すなわち、この第１予熱部５０ａは第２予熱部５０ｂよりも低温となることから、空気予熱器２４の外表面温度を低下させ、その背面側への輻射熱の放熱を低減し、断熱筐体１６から外部への放熱を低減することができる。

本実施形態に係る発電装置１２（燃料電池モジュール１０）は、このような空気予熱器２４と、燃料電池スタック１４と、これらを囲む断熱筐体１６とを有する燃料電池モジュール１０を備える。この発電装置１２では、上記のように空気予熱器２４によって断熱筐体１６から外部への放熱を低減することができるため、モジュール内の熱自立を維持することができる。

ここで、本実施形態の場合、燃料電池スタック１４として、固体酸化物形燃料電池の平板型スタックを用いているため、高い発電出力を得られる一方、平板型であるがゆえに発電セル面内の温度差により熱応力が発生しやすく、セルが割れるリスクが高いという問題がある。この点、当該発電装置１２では、上記のように空気を効率よく所望の温度まで予熱できる空気予熱器２４を備えているため、空気極１４ｂに導入される空気の温度を燃料極１４ａに導入される改質燃料と同等な温度（例えば、６５０〜７００℃程度）まで高めることができ、セル割れの発生を可及的に抑制することができる。また、発電装置１２では、空気予熱器２４により燃料電池スタック１４から発生する熱を効率よく回収することができるため、燃料電池スタック１４の温度分布の発生を低減し、熱応力によるセル割れが生じることを回避できる。

また、発電装置１２（燃料電池モジュール１０）は、例えば、特許文献「特開２００６−８６０５３号公報」に記載される、発電反応で消費されなかった残余の高温ガスを発電セルの外周部から自由に放出する構造の燃料電池スタックを用いる場合も効果がある。この場合、燃料電池スタック１４から排出された高温ガスは、排出側の側面で残余の水素ガスと空気が反応して燃焼する。このため、空気極１４ｂに供給する空気の量は燃料電池反応に必要な量だけではなく燃焼分も必要となり、空気の予熱量も大きなものとなっている。この点についても、当該発電装置１２では、上記のように空気を効率よく所望の温度まで予熱できる空気予熱器２４を備えているため、大きな予熱量にも十分に対応することが可能となっている。また、空気予熱器２４は、燃料電池スタックの排ガスが反応して燃焼する側に第２予熱部５０ｂを対向配置することで、燃料電池スタックからの反応熱を利用し、空気予熱器２４での熱交換器効率を一層高めることができる。

空気予熱器２４では、各空気流路６６，７２，８０にそれぞれ伝熱フィン７０，７６，８６を介在させている。これにより、伝熱フィン７０，７６，８６が各空気流路６６，７２，８０での邪魔板として機能し、各空気流路６６，７２，８０を流通する空気に圧力損失を発生させて空気を幅方向に均等に流通させることができ、さらに流速が向上するため熱交換性能が向上する。

また、主予熱器５０を構成する第１予熱部５０ａの伝熱フィン７０は、その一端部が高温側となる隔壁５６に溶接固定され、第２予熱部５０ｂの伝熱フィン７６は、その一端部が高温側となる外壁７８に溶接固定されている。これにより、燃料電池スタック１４からの輻射熱を伝熱フィン７０，７６に対し、それぞれ隔壁５６、外壁７８を介して直接的に伝達することができ、より大きな伝熱量を確保することができる。同様に、各補助予熱器５２の伝熱フィン８６についても、その一端部を高温側となる内壁８１に溶接固定し、十分な伝熱量を確保している。また、空気予熱器２４を薄板で形成してコストを低減した場合にも、伝熱フィン７０，７６，８６が適宜溶接固定されているため、構造強度と伝熱性能を高めることができる。同様に、隔壁５６は、その上端及び下端に折り曲げ片５６ａ，５６ｃを設け、しかも伝熱フィン７０が溶接固定されているため、薄板を平板として使用する場合に比べて構造強度が高くなっている。

ところで、空気予熱器２４は、その高さ寸法及び幅寸法と比較して、奥行き寸法が短いため、主予熱器５０及び補助予熱器５２はそれぞれ奥方向への転倒や、接続した機器からの振動による移動やずれをし易い（図３参照）。そこで、本実施形態では、奥方向への転倒や位置ずれを抑制する機能を持った支持台８５によって空気予熱器２４を支持する構成としている。

図１０に、空気予熱器２４を断熱筐体１６内で支持するための支持台８５の一構成例を示す。支持台８５は、脚部８７と、脚部８７の上部で空気予熱器２４を保持する保持部８９とを備える。脚部８７は、前側（又は後側）に向かって突出した脚板８７ａを有し、この脚板８７ａの先端側に設けられた取付孔８７ｂを用いて断熱筐体１６の床面上に固定される（図２〜図３参照）。保持部８９は、脚部８７の上面である載置面８９ａと、上下方向に延在した保持面８９ｂとで空気予熱器２４を保持するものである。

本実施形態の場合、空気予熱器２４は、主予熱器５０と一対の補助予熱器５２とを備える。そこで、図３に示すように、主予熱器５０はその左右両端部が、脚板８７ａが後方に向いた一対の支持台８５によって支持される（図１０中に２点鎖線で示す主予熱器５０も参照）。また、補助予熱器５２はその前後両端部が、脚板８７ａが前後方向にそれぞれ向いた一対の支持台８５によって挟まれて支持される（図１０中に２点鎖線で示す補助予熱器５２も参照）。従って、本実施形態の場合、６個の支持台８５を用いて空気予熱器２４を支持している。

支持台８５では、このように前後方向に突出して床面上に着地する脚板８７ａを有することにより、主予熱器５０や補助予熱器５２の重量に対抗する回転モーメントが向上し、奥方向への転倒や位置ずれが抑制される。なお、図示はしないが、主予熱器５０及び補助予熱器５２と支持台８５の間に挟むように断熱材を配置することで、空気予熱器２４の放熱を抑制できる。

図１１に示すように、燃料電池モジュール１０では、上記した燃料電池スタック１４に代えて、円筒形状の発電セル９０ａを１本又は複数本有した構成からなる燃料電池スタック９０を用いてもよい。この場合にも、燃料電池スタック９０の３面（背面及び左右側面）を空気予熱器２４で覆うように構成するとよい。なお、このような燃料電池スタック９０では、燃料を内部改質することができるものもあり、図１１に示すように改質器２２が設けられないこともある。また、このような円筒形状の発電セルを用いる構成の場合、燃料電池スタック９０が平面視矩形ではなく円形である場合もあり、この場合には図１１中に２点鎖線で示すように空気予熱器２４を扇状（又は円形）の主予熱器５０で構成してもよい。

なお、本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で自由に変更できることは勿論である。

例えば、上記実施形態では、燃料電池スタック１４を４個１組又は１個１組として用いた構成を例示したが、燃料電池スタック１４の搭載個数は適宜変更可能であることは勿論である。

１０ 燃料電池モジュール
１２ 発電装置
１４，９０ 燃料電池スタック
１４ａ 燃料極
１４ｂ 空気極
１６ 断熱筐体
２２ 改質器
２４ 空気予熱器
２６ 気化器
４０ 棚装置
４０ａ 上棚
４０ｂ 下棚
５０ 主予熱器
５０ａ 第１予熱部
５０ｂ 第２予熱部
５２ 補助予熱器
５４，５５ ブリッジ
５６ 隔壁
６６，７２，８０ 空気流路
７０，７６，８６ 伝熱フィン
７１，７８ 外壁
８１ 内壁
８５ 支持台
８７ 脚部
８９ 保持部
ＬＡ１，ＬＡ２ 空気供給ライン
ＬＦ１，ＬＦ２ 燃料供給ライン
Ｗ 溶接部

Claims (10)

1. 断熱筐体で囲まれた燃料電池モジュールに設けられ、燃料電池スタックに供給する空気を予熱する空気予熱器であって、
   前記断熱筐体の外部から導入された空気を流通させて予熱する第１予熱部と、前記第１予熱部を通過した後の空気が流通する第２予熱部と、を有する主予熱器と、
   前記主予熱器と別体に設けられ、前記第１予熱部から流出される空気をさらに予熱して前記第２予熱部へ流入させる補助予熱器と、
   を備え、
   前記第１予熱部及び前記第２予熱部は、前記燃料電池スタックからの輻射熱を利用して前記燃料電池スタックに供給する空気を予熱するものであり、
   前記第１予熱部は、前記断熱筐体の外部から導入された空気を、前記第２予熱部との間を仕切る隔壁と第１外壁との間に形成した第１空気流路に流通させて予熱し、
   前記第２予熱部は、前記第１予熱部から流出した空気を、前記隔壁と前記燃料電池スタックに対向配置される第２外壁との間に形成した第２空気流路に流通させてさらに予熱し、前記燃料電池スタックに供給するものであり、
   前記補助予熱器は複数設けられ、
   複数の前記補助予熱器にそれぞれ対応するように、前記第１予熱部には複数の空気流出口が設けられ、前記第２予熱部には複数の空気流入口が設けられることを特徴とする空気予熱器。
2. 請求項１記載の空気予熱器において、
   前記第１予熱部よりも前記第２予熱部が燃料電池スタック側に配置されることを特徴とする空気予熱器。
3. 請求項１記載の空気予熱器において、
   前記第１空気流路及び前記第２空気流路に伝熱フィンを設けたことを特徴とする空気予熱器。
4. 請求項３記載の空気予熱器において、
   前記第１空気流路の伝熱フィンは、その一端部が前記隔壁に固定され、
   前記第２空気流路の伝熱フィンは、その一端部が前記第２外壁の内面に固定されていることを特徴とする空気予熱器。
5. 燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックに供給する空気を予熱する空気予熱器と、
   前記燃料電池スタック及び前記空気予熱器を囲む断熱筐体と、
   を有する燃料電池モジュールを備えた発電装置であって、
   前記空気予熱器は、燃料電池スタックからの輻射熱を利用して前記燃料電池スタックに供給する空気を予熱するものであり、
   前記空気予熱器は、前記断熱筐体の外部から導入された空気を、隔壁と第１外壁との間に形成した第１空気流路に流通させて予熱する第１予熱部と、前記第１予熱部から流出した空気を、前記第１予熱部との間を仕切る前記隔壁と前記燃料電池スタックに対向配置される第２外壁との間に形成した第２空気流路に流通させてさらに予熱し、前記燃料電池スタックに供給する第２予熱部と、を有する主予熱器と、
   前記主予熱器と別体に設けられ、前記第１予熱部から流出される空気をさらに予熱して前記第２予熱部へ流入させる複数の補助予熱器と、を備え、
   複数の前記補助予熱器にそれぞれ対応するように、前記第１予熱部には複数の空気流出口が設けられ、前記第２予熱部には複数の空気流入口が設けられることを特徴とする発電装置。
6. 請求項５記載の発電装置において、
   前記補助予熱器は２個設けられ、
   前記空気流出口は前記第１予熱部の両側面にそれぞれ設けられ、
   前記空気流入口は前記第２予熱部の両側面にそれぞれ設けられ、
   前記２個の補助予熱器は、それぞれ前記燃料電池スタックの対向する面に設置されることを特徴とする発電装置。
7. 請求項５又は６に記載の発電装置において、
   前記燃料電池スタックは、固体酸化物形燃料電池であることを特徴とする発電装置。
8. 請求項７記載の発電装置において、
   前記固体酸化物形燃料電池は、矩形平板を積層した直方体形状であることを特徴とする発電装置。
9. 請求項７又は８記載の発電装置において、
   前記固体酸化物形燃料電池は、上下に複数段配置されると共に、各段に複数の固体酸化物形燃料電池を設置した構造であることを特徴とする発電装置。
10. 請求項７〜９のいずれか１項に記載の発電装置において、
    前記燃料電池モジュールは、さらに、前記断熱筐体の内部に、前記燃料電池スタックに導入される燃料を改質する改質器と、該改質器に導入される水蒸気を生成する気化器とを有し、
    前記燃料電池スタックを挟み、前記主予熱器と対向する側に前記改質器が設置され、
    前記燃料電池スタックの上方に前記気化器が設置されていることを特徴とする発電装置。

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