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JP6715707B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description

本発明は、燃料電池システムに関する。
従来、燃料電池を利用して発電を行う様々な燃料電池システムが提案されている。例えば、複数の燃料電池がハウジングに収容された燃料電池システムが知られている。当該燃料電池システムでは、複数の燃料電池のそれぞれに燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給する供給管、並びに、複数の燃料電池のそれぞれからの負極排ガスおよび正極排ガスを排出する排出管が、ハウジングの内部空間に配置される。このような燃料電池システムでは、多数の配管をハウジング内に配置する必要があるため、燃料電池システムの小型化に限界がある。
また、このような燃料電池システムでは、複数の燃料電池が密集して配置されるため、中央部に配置された燃料電池が過剰に高温となり、システム全体の発電効率が低下することがある。特許文献１では、複数のセルスタックを備える燃料電池モジュールにおいて、複数のセルスタックであるセルスタック集合体の温度の均一化を図る技術が提案されている。当該燃料電池モジュールでは、水平に配置された平板状の燃料ガスタンク上に、複数のセルスタックが水平に並べて固定される。複数のセルスタックの上方には平板状の第１改質器が配置され、第１改質器の下方には複数の第２改質器が配置される。複数の第２改質器は、第１改質器からセルスタックの間を介して下方に延び、燃料ガスタンク上に固定される。そして、第２改質器による吸熱により、セルスタック集合体の中央部におけるセルスタックの温度を低下させ、セルスタック集合体の温度の均一化が図られている。
特開２０１４−８９８８９号公報
ところで、特許文献１の燃料電池モジュールでは、改質器の構造が複雑化するとともに改質器全体が大型化するため、燃料電池モジュールを小型化することが困難である。また、セルスタックの数が増加すると、第２改質器の数も増加するため、改質器の構造はより一層複雑化し、改質器全体もより一層大型化する。さらに、複数の燃料電池モジュールを水平に配置しているため、燃料電池モジュールの小型化には限界がある。
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、燃料電池システムの構造を簡素化しつつ、複数の燃料電池における温度の均一性を向上することを目的としている。
請求項１に記載の発明は、燃料電池システムであって、原燃料を改質して燃料ガスを生成する改質器と、前記燃料ガスおよび酸化剤ガスを用いて発電を行う固体酸化物形の複数の燃料電池とを備え、前記複数の燃料電池は、上下方向および左右方向に並べて配置されており、前記改質器が、前記複数の燃料電池のうちいずれかと前後方向に対向する電池対向面を備え、燃料電池組立体が組立体支持部により支持され、前記燃料電池組立体が、前記複数の燃料電池のうち、隣接して配置される２つ以上の燃料電池と、前記２つ以上の燃料電池のそれぞれに接続されており、前記改質器から前記２つ以上の燃料電池に供給される前記燃料ガスが流れる燃料ガス共通供給管と、前記２つ以上の燃料電池のそれぞれに接続されており、前記２つ以上の燃料電池から排出された負極排ガスが集められる負極排ガス共通排出管と、前記２つ以上の燃料電池のそれぞれに接続されており、前記２つ以上の燃料電池に供給される前記酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス共通供給管と、前記２つ以上の燃料電池のそれぞれに接続されており、前記２つ以上の燃料電池から排出された正極排ガスが集められる正極排ガス共通排出管とを含む。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池システムであって、前記改質器の前記電池対向面が、前記複数の燃料電池が並べて配置される電池配列領域の中央部と対向する。
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の燃料電池システムであって、前記複数の燃料電池のそれぞれが、前記改質器の前記電池対向面と対向する。
請求項４に記載の発明は、請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池システムであって、前記複数の燃料電池からの排ガスに含まれる未利用の前記燃料ガスを燃焼させる排ガス燃焼部と、内部空間に前記複数の燃料電池、前記改質器および前記排ガス燃焼部がこの順で配置されるハウジングとをさらに備える。
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の燃料電池システムであって、前記改質器が、前記電池対向面を挟んで前記複数の燃料電池とは反対側に位置する燃焼部対向面をさらに備え、前記排ガス燃焼部から排出されたガスが、前記燃焼部対向面に沿って蛇行する蛇行配管を通過して前記ハウジング外部へと導かれる。
請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の燃料電池システムであって、前記改質器が、前記原燃料が供給される供給部と、前記燃料ガスが送出される送出部とを備え、前記蛇行配管の前記排ガス燃焼部側の端部が、前記改質器の前記供給部と前記送出部との間の中央部に位置する。
請求項７に記載の発明は、請求項１ないし６のいずれかに記載の燃料電池システムであって、前記改質器の前記電池対向面が、前記複数の燃料電池のうち予め定められた配列方向に並ぶ３つ以上の燃料電池と対向し、前記配列方向における前記改質器の一方の端部から前記原燃料が供給され、他方の端部から前記燃料ガスが送出される。
請求項８に記載の発明は、請求項１ないし７のいずれかに記載の燃料電池システムであって、前記燃料ガス共通供給管および前記酸化剤ガス共通供給管のうち一方の共通供給管の長手方向に垂直な断面が矩形状であり、前記負極排ガス共通排出管および前記正極排ガス共通排出管のうち一方の共通排出管の長手方向に垂直な断面が矩形状であり、前記一方の共通供給管の一の側面と前記一方の共通排出管の一の側面とが熱交換可能に対向する。
本発明では、複数の燃料電池における温度の均一性を向上することができる。
一の実施の形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。 ホットモジュールを示す平面図である。 燃料電池ユニットを示す正面図である。 燃料電池ユニットを示す背面図である。 燃料電池列およびその近傍の部位を示す斜視図である。 燃料電池列およびその近傍の部位を示す底面図である。 燃料電池列およびその近傍の部位を示す側面図である。
図１は、本発明の一の実施の形態に係る燃料電池システム１の構成を示す図である。燃料電池システム１は、燃料電池を用いて発電を行う発電システムである。燃料電池システム１は、ホットモジュール２と、原燃料供給部４と、ブロワ５１と、第１熱交換器７１と、第２熱交換器７２とを備える。
図２は、ホットモジュール２を示す平面図である。図１および図２に示すように、ホットモジュール２は、ハウジング２１と、２つの燃料電池ユニット２０１と、熱供給部２４とを備える。図１および図２では、ハウジング２１を断面にて示す。ハウジング２１は、例えば、略直方体状の筐体である。ハウジング２１の内面は、断熱性が比較的高い断熱材料（例えば、ロックウール）により形成される。ハウジング２１としては、例えば、金属製のコンテナの内面全体を断熱材料により覆ったものが利用される。
２つの燃料電池ユニット２０１は、ハウジング２１の内部空間２１０に収容される。２つの燃料電池ユニット２０１は、ハウジング２１内において、上下方向の略同じ位置に位置する。なお、当該上下方向は、重力方向と一致していてもよいが、必ずしも重力方向と一致する必要はない。図１に示す例では、２つの燃料電池ユニット２０１は、紙面に垂直な方向（以下、「前後方向」という。）に並べて配置される。以下の説明では、図１中の手前側を「前側」と呼び、奥側を「後側」と呼ぶ。２つの燃料電池ユニット２０１の構造は、互いに略同じである。後側の燃料電池ユニット２０１の向き（すなわち、配置姿勢）は、前側の燃料電池ユニット２０１の向きと前後方向および左右方向に関して反対である。上下方向、前後方向および左右方向は、互いに直交する方向である。
前側の燃料電池ユニット２０１と燃料電池システム１の他の構造との接続態様（すなわち、ガスの流れ）は、後側の燃料電池ユニット２０１と燃料電池システム１の他の構造との接続態様と略同じである。なお、図１では、図の理解を容易にするために、前側の燃料電池ユニット２０１と他の構造との間のガスの流れを矢印にて描き、後側の燃料電池ユニット２０１と他の構造との間のガスの流れについては図示を省略している。熱供給部２４は、燃料電池システム１の起動運転時に主に利用され、２つの燃料電池ユニット２０１を加熱する。
図３は、図１中の前側の燃料電池ユニット２０１を示す正面図である。図４は、当該燃料電池ユニット２０１を示す背面図である。燃料電池ユニット２０１は、改質器２２と、複数の燃料電池２３と、排ガス燃焼部７３と、蛇行配管７４とを備える。図３および図４では、燃料電池ユニット２０１におけるガスの流れの理解を容易にするために、改質器２２、複数の燃料電池２３、排ガス燃焼部７３および蛇行配管７４以外の一部の構造の図示を省略し、ガスの流れを矢印にて示す。また、図３および図４では、ハウジング２１を断面にて示す。
図３および図４に示す例では、燃料電池ユニット２０１は、３つの改質器２２と、１２個の燃料電池２３と、１つの排ガス燃焼部７３と、１つの蛇行配管７４とを備える。１２個の燃料電池２３は、上下方向および左右方向に並べて配置される（すなわち、配列される）。具体的には、４つの燃料電池列が上下方向に並べて配置されており、各燃料電池列は、左右方向に略直線上に並べて配置される３つの燃料電池２３を含む。
１２個の燃料電池２３の前後方向における位置は、略同じである。また、各燃料電池列の３つの燃料電池２３は、他の燃料電池列の３つの燃料電池２３と左右方向の略同じ位置に位置する。換言すれば、１２個の燃料電池２３はマトリクス状に配置されている。１２個の燃料電池２３は、互いに離間している。以下の説明では、１２個の燃料電池２３が並べて配置される領域を「電池配列領域」という。電池配列領域は、前側または後側から１２個の燃料電池２３を見た場合に、１２個の燃料電池２３全体を内側に含む最小の略矩形状の領域である。
３つの改質器２２は、左右方向に並べて配置される。各改質器２２は、上下方向および左右方向に広がる略平板状（あるいは、略直方体状）である。３つの改質器２２の上下方向における位置、および、前後方向における位置は、略同じである。各改質器２２は、前後方向に略垂直な２つの主面２２１，２２２を備える。３つの改質器２２は、前後方向に関して、１２個の燃料電池２３と排ガス燃焼部７３との間に配置される。換言すれば、ハウジング２１の内部空間２１０では、１２個の燃料電池２３、３つの改質器２２、および、排ガス燃焼部７３が、前後方向にこの順で配置される。
各改質器２２の前側の主面２２１は、燃料電池２３と前後方向に対向する。図３に示す例では、１２個の燃料電池２３のそれぞれが、いずれかの改質器２２の主面２２１と対向する。各燃料電池２３は、正面視においてその全体が主面２２１と対向している。以下の説明では、改質器２２の主面２２１を「電池対向面２２１」という。また、改質器２２の主面２２２を「燃焼部対向面２２２」という。３つの改質器２２の燃焼部対向面２２２は、蛇行配管７４と前後方向に対向する。３つの改質器２２のうち中央の改質器２２の燃焼部対向面２２２は、排ガス燃焼部７３とも前後方向に対向する。排ガス燃焼部７３は、当該燃焼部対向面２２２の上下方向の略中央部に位置し、当該略中央部と前後方向に対向する。
換言すれば、改質器２２は、複数の燃料電池２３のうちいずれかと前後方向に対向する電池対向面２２１を備える。また、改質器２２は、電池対向面２２１を挟んで複数の燃料電池２３とは反対側に位置する燃焼部対向面２２２をさらに備える。各改質器２２の燃焼部対向面２２２は、１２個の燃料電池２３のうち上下方向に並ぶ４つの燃料電池２３と対向する。燃焼部対向面２２２の上下方向の中央部は、直線状に並ぶ当該４つの燃料電池２３のうち、中央部に位置する２つの燃料電池２３と前後方向に対向する。
蛇行配管７４は、前後方向に関して、排ガス燃焼部７３と３つの改質器２２との間に配置される。蛇行配管７４は、排ガス燃焼部７３の上部に接続される。蛇行配管７４は、３つの改質器２２の燃焼部対向面２２２に沿って左右方向に蛇行しつつ、下方へと延びる。蛇行配管７４の長手方向に垂直な断面の形状は、略矩形である。これにより、蛇行配管７４の製造コストを低減することができる。蛇行配管７４は、３つの改質器２２の燃焼部対向面２２２に近接して配置される。燃焼部対向面２２２は、蛇行配管７４の一の側面（すなわち、前側の側面）と略平行である。蛇行配管７４は、３つの改質器２２の燃焼部対向面２２２に接触してもよい。蛇行配管７４は、排ガス燃焼部７３から排出されたガスをハウジング２１の外部へと導く。蛇行配管７４の排ガス燃焼部７３側の端部７４１（すなわち、排ガス燃焼部７３に接続される端部）は、改質器２２の上下方向の略中央部に位置し、燃焼部対向面２２２と前後方向に対向する。
複数の燃料電池２３はそれぞれ、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cell）である。各燃料電池２３は、例えば、図示省略の複数のセル（単電池）が上下方向に積層されたセルスタックである。燃料電池２３の形状は、例えば、略直方体状である。各燃料電池２３は、上下方向に略垂直な上面および下面と、左右方向に略垂直な一対の側面と、前後方向に略垂直な他の一対の側面とを備える。燃料電池２３の後側の側面は、改質器２２の電池対向面２２１に略平行である。換言すれば、燃料電池２３は、改質器２２の電池対向面２２１に略平行な面を側面に含む。
各燃料電池２３の負極（アノード）には燃料ガスが供給され、正極（カソード）には酸化剤ガスが供給される。これにより、各燃料電池２３において電気化学反応が生じ、発電が行われる。換言すれば、各燃料電池２３は、燃料ガスおよび酸化剤ガスを用いて発電を行う。燃料電池２３における電気化学反応は発熱反応であり、発生した熱は、吸熱反応である改質が行われる改質器２２の加熱等に利用される。燃料電池２３による発電は、例えば６００℃〜１０００℃の高温下にて行われる。燃料ガスは、例えば水素ガスである。酸化剤ガスは、例えば酸素である。燃料ガスは、水素ガス以外の様々なガスであってよく、酸化剤ガスも、酸素以外の様々なガスであってよい。
各燃料電池２３の負極は、改質器２２に接続される。改質器２２は、ハウジング２１外に配置される原燃料供給部４（図１参照）に原燃料供給管２６１を介して接続される。図１に示す原燃料供給部４は、改質器２２（図３参照）に原燃料および水蒸気を供給する。原燃料供給部４は、原燃料供給源４１と、不純物除去部４２と、水蒸気供給部３とを備える。不純物除去部４２は、原燃料供給管２６１上に配置され、原燃料供給源４１から改質器２２へと供給される原燃料から不純物（例えば、硫黄系不純物および窒素系不純物）を除去する。
水蒸気供給部３は、水供給部３１と、水蒸気生成部３２と、凝縮部３３とを備える。水供給部３１は、水蒸気生成部３２に水を供給する。具体的には、水供給部３１は、水貯溜部３１１と、ポンプ３１２と、水供給管３１３とを備える。水貯溜部３１１は、水（例えば、純水）を貯溜するタンクである。水貯溜部３１１は、水供給管３１３を介して、水蒸気生成部３２に接続される。ポンプ３１２は、水供給管３１３上に設けられ、水貯溜部３１１に貯溜されている水を水蒸気生成部３２へと供給する。
凝縮部３３は、燃料電池システム１の定常運転時に排ガス中の水蒸気を凝縮して水を生成し、水供給部３１を介して水蒸気生成部３２に供給する。上述の定常運転とは、燃料電池システム１が所定の出力にて定常的に発電を行っている運転状態を意味する。当該所定の出力は、燃料電池システム１の定格出力、または、定格出力未満の一定の出力である。また、上述の起動運転とは、起動時から当該定常運転に至るまで（すなわち、燃料電池２３の出力が定常運転出力に到達して安定するまで）の燃料電池システム１の運転状態を意味する。
水蒸気生成部３２は、水供給部３１から供給される水を加熱して水蒸気を生成する。水蒸気生成部３２は、水蒸気供給管３２１を介して原燃料供給管２６１に接続される。水蒸気供給管３２１は、第１熱交換器７１よりも上流において（具体的には、第１熱交換器７１と不純物除去部４２との間において）原燃料供給管２６１に接続される。水蒸気生成部３２からの水蒸気は、不純物除去部４２を通過した原燃料と共に、第１熱交換器７１を通過して改質器２２へと供給される。
図３に示す改質器２２は、原燃料を改質して燃料ガスを含む改質ガスを生成する。原燃料は、例えば、炭化水素系燃料である。原燃料は、炭化水素系燃料以外の様々な燃料であってもよい。原燃料としては、例えば、ＬＰガス、都市ガス、天然ガス、灯油、バイオガスまたはバイオエタノール等が利用される。改質器２２では、例えば、水蒸気改質法、部分酸化改質法または自己熱改質法、あるいは、これらの改質法の組み合わせ等により原燃料の改質が行われる。
図３に示す例では、原燃料供給源４１から供給された原燃料である都市ガス、および、水蒸気生成部３２から供給された水蒸気が、原燃料供給管２６１を介して、改質器２２の上端部に設けられた供給部２２３から改質器２２の内部に供給される。供給部２２３から供給された都市ガスおよび水蒸気は、改質器２２の内部において下方に向かって流れる。改質器２２では、水蒸気改質法により上述の都市ガスが水蒸気を利用して高温下にて改質され、燃料ガスである水素ガスを含む改質ガスが生成される。改質器２２における改質ガスの生成は、上述のように吸熱反応である。
燃料ガスを含む改質ガスは、改質器２２の下端部に設けられた送出部２２４から、改質器２２の外部へと送出される。換言すれば、改質器２２と対向する４個の燃料電池２３の配列方向（すなわち、上下方向）において、改質器２２の一方の端部から上述の原燃料および水蒸気が供給され、他方の端部から燃料ガスを含む改質ガスが送出される。改質器２２から送出された改質ガスは、ハウジング２１内において改質ガス供給管２５１を通過し、複数の燃料電池２３のそれぞれの負極へと供給される。
複数の燃料電池２３のそれぞれの負極から排出されるガスである負極排ガスは、ハウジング２１外に排出される。負極排ガスには、燃料ガスである水素ガスが燃料電池２３における発電に使用されることにより生成される水蒸気、および、燃料電池２３における発電に利用されなかった未利用の燃料ガス等が含まれる。以下の説明では、燃料電池２３から未利用の状態にて排出される燃料ガスを「未利用燃料ガス」という。
複数の燃料電池２３からの負極排ガスは、ハウジング２１外において、負極排ガス管２６２により図１に示す第１熱交換器７１へと導かれる。第１熱交換器７１は、原燃料供給管２６１上に配置されている。第１熱交換器７１では、負極排ガス管２６２を流れる高温の負極排ガスを利用して、原燃料供給源４１および水蒸気生成部３２から改質器２２に供給される原燃料および水蒸気が予備加熱される。
第１熱交換器７１を通過した負極排ガスは、負極排ガス管２６２により上述の凝縮部３３へと導かれる。凝縮部３３では、負極排ガス中の水蒸気が凝縮されて水が生成される。凝縮部３３により生成された水は、水供給管３３１を介して水供給部３１の水貯溜部３１１に送られ、水貯溜部３１１内の水がポンプ３１２により水蒸気生成部３２へと供給される。凝縮部３３を通過した負極排ガスは、ハウジング２１外において、後述する合流点７３１へと導かれる。
各燃料電池２３の正極は、ハウジング２１外に配置されるブロワ５１に、酸化剤ガス供給管２６３を介して接続される。ブロワ５１により、酸化剤ガスである酸素を含む空気が、図３に示す複数の燃料電池２３のそれぞれの正極に供給される。すなわち、ブロワ５１は、燃料電池２３に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部である。
複数の燃料電池２３のそれぞれの正極から排出されるガスである正極排ガスは、ハウジング２１外へと排出される。複数の燃料電池２３からの正極排ガスは、ハウジング２１外において、正極排ガス管２６４により図１に示す第２熱交換器７２へと導かれる。第２熱交換器７２では、正極排ガス管２６４を流れる高温の正極排ガスを利用して、各燃料電池２３に供給される空気が予備加熱される。
第２熱交換器７２を通過した正極排ガス管２６４は、ハウジング２１外の合流点７３１において、負極排ガス管２６２と合流する。合流点７３１では、第１熱交換器７１および凝縮部３３を通過した負極排ガスと、第２熱交換器７２を通過した正極排ガスとが合流する。合流後の負極排ガスおよび正極排ガス（以下、単に「排ガス」とも呼ぶ。）は、排ガス管２６５を介して再びハウジング２１内へと戻され、図４に示す排ガス燃焼部７３へと下方から導かれる。排ガス燃焼部７３では、当該排ガスが燃焼される。これにより、複数の燃料電池２３からの負極排ガスに含まれる未利用燃料ガス等が燃焼される。排ガス燃焼部７３としては、例えば、触媒燃焼器が利用される。
排ガス燃焼部７３から送出される高温のガス（以下、「燃焼ガス」という。）は、上述のように、蛇行配管７４を通過してハウジング２１外へと排出される。燃料電池ユニット２０１では、蛇行配管７４を流れる高温の燃焼ガスを利用して、３つの改質器２２が加熱される。
燃料電池システム１の定常運転では、上述のように、図３に示す複数の燃料電池２３のそれぞれにおいて、燃料ガスおよび酸化剤ガスを用いて発電が行われる。複数の燃料電池２３における発電の際に発生した熱は、改質器２２に付与される。複数の燃料電池２３から改質器２２に付与された熱は、改質器２２における原燃料の水蒸気改質等に利用される。換言すれば、複数の燃料電池２３が改質器２２における吸熱反応により冷却される。また、図４に示す排ガス燃焼部７３における未利用燃料ガスの燃焼の際に発生した熱も改質器２２に付与され、改質器２２における原燃料の水蒸気改質等に利用される。
さらに、燃料電池システム１の定常運転では、上述のように、複数の燃料電池２３から排出された負極排ガスを利用して、図１に示す第１熱交換器７１において、改質器２２に供給される原燃料および水蒸気の予備加熱が行われる。また、複数の燃料電池２３から排出された正極排ガスを利用して、第２熱交換器７２において、各燃料電池２３に供給される空気の予備加熱が行われる。これらの熱の利用により、燃料電池システム１では、定常運転時にシステム内にて必要とされる熱を、システム内にて生成しつつ定常運転を行うことができる。換言すれば、定常運転時の燃料電池システム１では、熱自立運転が可能である。
燃料電池システム１では、負極排ガスに含まれる水蒸気を、改質器２２において行われる水蒸気改質に利用することにより、定常運転時にシステム内にて必要とされる水蒸気を、システム内にて生成しつつ定常運転を行うことができる。換言すれば、定常運転時の燃料電池システム１では、水自立運転が可能である。
図５は、１つの燃料電池列およびその近傍の部位を示す斜視図である。図６は、１つの燃料電池列およびその近傍の部位を示す底面図である。図７は、１つの燃料電池列およびその近傍の部位を示す側面図である。燃料電池列は、上述のように、左右方向に隣接して配置される３つの燃料電池２３を含む。当該３つの燃料電池２３は、略水平に広がる平板状のステージ２７上に配置される。
ステージ２７の下方には、燃料ガス共通供給管２７１、負極排ガス共通排出管２７２、酸化剤ガス共通供給管２７３および正極排ガス共通排出管２７４が配置される。燃料ガス共通供給管２７１、負極排ガス共通排出管２７２、酸化剤ガス共通供給管２７３および正極排ガス共通排出管２７４は、例えば、フェライト系ステンレス鋼製である。これにより、各管の耐高温酸化性を向上することができる。また、各管内を流れるガスにクロム等が混入することを防止し、クロム等による燃料電池２３の被毒を防止することができる。燃料ガス共通供給管２７１、負極排ガス共通排出管２７２、酸化剤ガス共通供給管２７３および正極排ガス共通排出管２７４は、フェライト系ステンレス鋼以外の様々な材料により形成されてもよい。
以下の説明では、上述の３つの燃料電池２３、ステージ２７、燃料ガス共通供給管２７１、負極排ガス共通排出管２７２、酸化剤ガス共通供給管２７３および正極排ガス共通排出管２７４をまとめて「燃料電池組立体２３０」という。図３に示す例では、燃料電池ユニット２０１は、上下方向に並べて配置される４つの燃料電池組立体２３０を備える。４つの燃料電池組立体２３０の構造は、互いに略同じである。各燃料電池組立体２３０は、図５ないし図７に示すように、ハウジング２１の内部に設けられている組立体支持部２８により支持される。具体的には、各燃料電池組立体２３０のステージ２７の前後端部が、組立体支持部２８により下方から支持される。組立体支持部２８は、例えば、ステンレス鋼製のフレームである。
燃料電池組立体２３０では、燃料ガス共通供給管２７１、負極排ガス共通排出管２７２、酸化剤ガス共通供給管２７３および正極排ガス共通排出管２７４はそれぞれ、左右方向に延びる配管である。燃料ガス共通供給管２７１、負極排ガス共通排出管２７２、酸化剤ガス共通供給管２７３および正極排ガス共通排出管２７４のそれぞれの長手方向に垂直な断面の形状は、略矩形である。これにより、燃料ガス共通供給管２７１、負極排ガス共通排出管２７２、酸化剤ガス共通供給管２７３および正極排ガス共通排出管２７４の製造コストを低減することができる。燃料ガス共通供給管２７１、負極排ガス共通排出管２７２、酸化剤ガス共通供給管２７３および正極排ガス共通排出管２７４は、上下方向および前後方向に並べて配置される。
図７に示す例では、燃料ガス共通供給管２７１の下側に、酸化剤ガス共通供給管２７３が配置される。燃料ガス共通供給管２７１の下側の側面と、酸化剤ガス共通供給管２７３の上側の側面とは、実質的に面接触する。燃料ガス共通供給管２７１の右側には、負極排ガス共通排出管２７２が配置される。燃料ガス共通供給管２７１の右側の側面と、負極排ガス共通排出管２７２の左側の側面とは、実質的に面接触する。負極排ガス共通排出管２７２の下側には、正極排ガス共通排出管２７４が配置される。負極排ガス共通排出管２７２の下側の側面と、正極排ガス共通排出管２７４の上側の側面とは、実質的に面接触する。正極排ガス共通排出管２７４は、酸化剤ガス共通供給管２７３の右側に配置される。正極排ガス共通排出管２７４の左側の側面と、酸化剤ガス共通供給管２７３の右側の側面とは、実質的に面接触する。
燃料ガス共通供給管２７１は、ステージ２７上の３つの燃料電池２３のそれぞれに、枝管２７５を介して接続される。負極排ガス共通排出管２７２は、３つの燃料電池２３のそれぞれに、枝管２７６を介して接続される。酸化剤ガス共通供給管２７３は、３つの燃料電池２３のそれぞれに、枝管２７７を介して接続される。正極排ガス共通排出管２７４は、３つの燃料電池２３のそれぞれに、枝管２７８を介して接続される。枝管２７５〜２７８は、例えば、ステージ２７に設けられた貫通孔を介して、燃料電池２３の下面にボルト等を利用して固定される。枝管２７５〜２７８の長手方向に垂直な断面形状は、例えば、円形である。枝管２７５〜２７８は、例えば、フェライト系ステンレス鋼製である。枝管２７５〜２７８は、フェライト系ステンレス鋼以外の様々な材料により形成されてもよい。
燃料ガス共通供給管２７１、負極排ガス共通排出管２７２、酸化剤ガス共通供給管２７３および正極排ガス共通排出管２７４の左右方向の一方側の端部（図５に示す例では、左側の端部）には、例えば、図示省略のフレキシブルチューブがそれぞれ設けられる。燃料ガス共通供給管２７１の端部のフレキシブルチューブは、ハウジング２１内において図３に示す改質ガス供給管２５１に接続される。負極排ガス共通排出管２７２の端部のフレキシブルチューブは、ハウジング２１内において負極排ガス管２６２に接続される。酸化剤ガス共通供給管２７３の端部のフレキシブルチューブは、ハウジング２１内において酸化剤ガス供給管２６３に接続される。正極排ガス共通排出管２７４の端部のフレキシブルチューブは、ハウジング２１内において正極排ガス管２６４に接続される。
各燃料電池ユニット２０１では、改質器２２から送出された改質ガス（すなわち、燃料ガスを含む改質ガス）が、改質ガス供給管２５１から図５ないし図７に示す各燃料電池組立体２３０の燃料ガス共通供給管２７１へと供給される。そして、燃料ガス共通供給管２７１を流れる改質ガスが、枝管２７５を介して３つの燃料電池２３へとそれぞれ供給される。３つの燃料電池２３から排出された負極排ガスは、枝管２７６を介して負極排ガス共通排出管２７２に集められ、負極排ガス共通排出管２７２から負極排ガス管２６２を介してハウジング２１外へと送出される。
また、ブロワ５１から送出された酸化剤ガスである空気は、酸化剤ガス供給管２６３から各燃料電池組立体２３０の酸化剤ガス共通供給管２７３へと供給される。そして、酸化剤ガス共通供給管２７３を流れる空気が、枝管２７７を介して３つの燃料電池２３へとそれぞれ供給される。３つの燃料電池２３から排出された正極排ガスは、枝管２７８を介して正極排ガス共通排出管２７４に集められ、正極排ガス共通排出管２７４から正極排ガス管２６４を介してハウジング２１外へと送出される。
燃料電池ユニット２０１が組み立てられる際には、４つの燃料電池組立体２３０が、ハウジング２１内部に予め固定されている組立体支持部２８に取り付けられる。そして、各燃料電池組立体２３０の燃料ガス共通供給管２７１、負極排ガス共通排出管２７２、酸化剤ガス共通供給管２７３および正極排ガス共通排出管２７４のそれぞれの端部が、ハウジング２１内部に予め設けられている改質ガス供給管２５１、負極排ガス管２６２、酸化剤ガス供給管２６３および正極排ガス管２６４に固定される。これにより、燃料電池ユニット２０１を容易に組み立てることができる。
以上に説明したように、燃料電池システム１は、改質器２２と、固体酸化物形の複数の燃料電池２３とを備える。改質器２２は、原燃料を改質して燃料ガスを生成する。複数の燃料電池２３は、燃料ガスおよび酸化剤ガスを用いて発電を行う。複数の燃料電池２３は、上下方向および左右方向に並べて配置されている。改質器２２は、複数の燃料電池２３のうちいずれかと前後方向に対向する電池対向面２２１を備える。これにより、燃料電池システム１の構造を簡素化しつつ、燃料電池２３からの熱を改質器２２にて有効に利用することができる。
図３に示す例では、複数の燃料電池２３のそれぞれが、改質器２２の電池対向面２２１と対向する。このため、複数の燃料電池２３のそれぞれからの熱が、電池対向面２２１を介して改質器２２により吸収される。これにより、複数の燃料電池２３からの熱を改質器２２にて有効に利用しつつ、複数の燃料電池２３における温度の均一性を向上することができる。その結果、一部の燃料電池２３の異常高温による燃料電池システム１の発電効率低下を抑制または防止することができる。複数の燃料電池２３の温度差は、例えば、１０℃以内である。
燃料電池システム１では、必ずしも複数の燃料電池２３のそれぞれが、改質器２２の電池対向面２２１と対向する必要はない。例えば、改質器２２の電池対向面２２１は、上述の電池配列領域の中央部と対向してもよい。図３に示す例では、改質器２２の電池対向面２２１は、電池配列領域の中央部の２つの燃料電池２３とのみ前後方向に対向してもよく、当該２つの燃料電池２３を含むいくつかの燃料電池２３と前後方向に対向してもよい。電池配列領域の中央部に位置する燃料電池２３は、上下方向の両側および左右方向の両側から他の燃料電池２３に挟まれるため、電池配列領域の周縁部に位置する燃料電池２３に比べて高温となる場合がある。したがって、改質器２２の電池対向面２２１を、他の燃料電池２３よりも高温の燃料電池２３と対向させることにより、複数の燃料電池２３における温度の均一性を向上することができる。その結果、一部の燃料電池２３の異常高温による燃料電池システム１の発電効率低下を抑制または防止することができる。
燃料電池システム１では、改質器２２の電池対向面２２１は、必ずしも電池配列領域の中央部と対向する必要はない。例えば、ハウジング２１内の各構成の配置の関係上、上下方向および左右方向に並べて配置された複数の燃料電池２３のうち一部の燃料電池２３が、他の燃料電池２３に比べて高温になる場合、改質器２２は、電池対向面２２１が当該一部の燃料電池２３と前後方向に対向するように配置されてもよい。当該一部の燃料電池２３は、上述の複数の燃料電池２３の周縁部に配置された１つの燃料電池２３であってもよい。すなわち、改質器２２の電池対向面２２１は、上述のように、複数の燃料電池２３のうちいずれかと前後方向に対向していればよい。これにより、上記と同様に、複数の燃料電池２３における温度の均一性を向上することができ、その結果、燃料電池システム１の発電効率低下を抑制または防止することができる。
上述のように、燃料電池２３は、改質器２２の電池対向面２２１に略平行な面を側面に含み、当該面は電池対向面２２１と前後方向に対向する。これにより、燃料電池２３と改質器２２との間の熱交換を効率良く実現することができる。また、改質器２２の電池対向面２２１は、前後方向に対向する燃料電池２３の前側または後側の側面全体と対向することが好ましい。これにより、当該燃料電池２３における温度の均一性も向上することができる。
上述のように、燃料電池システム１は、排ガス燃焼部７３と、ハウジング２１とをさらに備える。排ガス燃焼部７３は、複数の燃料電池２３からの排ガスに含まれる未利用の燃料ガスを燃焼させる。ハウジング２１の内部空間２１０では、複数の燃料電池２３、改質器２２および排ガス燃焼部７３が、この順で配置される。このように、発熱体である複数の燃料電池２３と、発熱体である排ガス燃焼部７３との間に、吸熱体である改質器２２を配置することにより、複数の燃料電池２３および排ガス燃焼部７３からの熱を効率良く利用することができる。また、ハウジング２１の内部空間２１０における温度の均一性を向上することもできる。
燃料電池システム１では、改質器２２が、電池対向面２２１を挟んで複数の燃料電池２３とは反対側に位置する燃焼部対向面２２２を備える。また、排ガス燃焼部７３から排出されたガス（すなわち、燃焼ガス）が、燃焼部対向面２２２に沿って蛇行する蛇行配管７４を通過してハウジング２１外部へと導かれる。これにより、排ガス燃焼部７３からの燃焼ガスと改質器２２との間の熱交換を効率良く実現することができる。また、蛇行配管７４の断面形状は略矩形であり、蛇行配管７４の一の側面は燃焼部対向面２２２に略平行である。これにより、排ガス燃焼部７３からの燃焼ガスと改質器２２との間の熱交換を、さらに効率良く実現することができる。
上述のように、改質器２２は、原燃料が供給される供給部２２３と、燃料ガスが送出される送出部２２４とを備える。改質器２２では、供給部２２３から送出部２２４へと移動する原燃料の水蒸気改質は、供給部２２３と送出部２２４との間の略中央部にて最も盛んに行われる。このため、原燃料の改質に伴う吸熱も、供給部２２３と送出部２２４との間の略中央部で最大となる。
燃料電池システム１では、蛇行配管７４の排ガス燃焼部７３側の端部７４１が、改質器２２の供給部２２３と送出部２２４との間の中央部に位置する。これにより、排ガス燃焼部７３から排出された直後の高温の燃焼ガスと、改質器２２のうち吸熱反応が激しい部位との間で熱交換を行うことができる。その結果、排ガス燃焼部７３からの燃焼ガスと改質器２２との間の熱交換を、より一層効率良く実現することができる。また、燃料電池システム１では、排ガス燃焼部７３も、改質器２２の供給部２２３と送出部２２４との間の中央部に位置する。これにより、排ガス燃焼部７３と改質器２２との間の熱交換も効率良く実現することができる。
上述のように、各改質器２２の電池対向面２２１は、複数の燃料電池２３のうち上下方向に並ぶ４つの燃料電池２３と対向する。そして、当該上下方向における改質器２２の一方の端部である供給部２２３から原燃料が供給され、他方の端部である送出部２２４から燃料ガスが送出される。このように、上下方向に並ぶ４つの燃料電池２３のうち、熱が放散されにくい中央部に位置する燃料電池２３と、改質器２２のうち吸熱反応が激しい部位とを対向させることにより、当該４つの燃料電池２３における温度の均一性を向上することができる。
燃料電池システム１では、改質器２２の供給部２２３および送出部２２４は、必ずしも上下方向の端部に配置される必要はない。また、上下方向に並ぶ燃料電池２３の数も４つである必要はなく、例えば、３つ以上であってもよい。換言すれば、改質器２２の電池対向面２２１は、複数の燃料電池２３のうち予め定められた配列方向に並ぶ３つ以上の燃料電池２３と対向し、当該配列方向における改質器２２の一方の端部から原燃料が供給され、他方の端部から燃料ガスが送出される。このように、当該３つ以上の燃料電池２３のうち熱が放散されにくい中央部に位置する燃料電池２３と、改質器２２のうち吸熱反応が激しい部位とを対向させることにより、当該３つ以上の燃料電池２３における温度の均一性を向上することができる。
燃料電池システム１では、燃料電池組立体２３０が組立体支持部２８により支持される。上述の例では、燃料電池組立体２３０は、１２個の燃料電池２３のうち３つの燃料電池２３を含んでいるが、これには限定されず、２つ以上の燃料電池２３を含んでいればよい。また、燃料電池組立体２３０では、ステージ２７は省略されてもよい。すなわち、燃料電池組立体２３０は、２つ以上の燃料電池２３と、燃料ガス共通供給管２７１と、負極排ガス共通排出管２７２と、酸化剤ガス共通供給管２７３と、正極排ガス共通排出管２７４とを含む。
当該２つ以上の燃料電池２３は、隣接して配置される。燃料ガス共通供給管２７１は、当該２つ以上の燃料電池２３のそれぞれに接続されている。燃料ガス共通供給管２７１には、改質器２２から当該２つ以上の燃料電池２３に供給される燃料ガスが流れる。負極排ガス共通排出管２７２は、当該２つ以上の燃料電池２３のそれぞれに接続されている。負極排ガス共通排出管２７２には、当該２つ以上の燃料電池２３から排出された負極排ガスが集められる。酸化剤ガス共通供給管２７３は、当該２つ以上の燃料電池２３のそれぞれに接続されている。酸化剤ガス共通供給管２７３には、当該２つ以上の燃料電池２３に供給される酸化剤ガスが流れる。正極排ガス共通排出管２７４は、当該２つ以上の燃料電池２３のそれぞれに接続されている。正極排ガス共通排出管２７４には、当該２つ以上の燃料電池２３から排出された正極排ガスが集められる。これにより、燃料電池システム１の構造を簡素化することができる。その結果、燃料電池システム１を小型化することができる。また、燃料電池システム１の組み立てを容易とすることもできる。
燃料電池組立体２３０では、燃料ガス共通供給管２７１、負極排ガス共通排出管２７２、酸化剤ガス共通供給管２７３および正極排ガス共通排出管２７４の長手方向に垂直な断面が矩形である。そして、燃料ガス共通供給管２７１の一の側面と負極排ガス共通排出管２７２の一の側面とが接している。これにより、燃料ガス共通供給管２７１を流れる燃料ガスを、負極排ガス共通排出管２７２を流れる高温の負極排ガスを利用して効率良く加熱することができる。また、酸化剤ガス共通供給管２７３の一の側面と正極排ガス共通排出管２７４の一の側面とが接している。これにより、酸化剤ガス共通供給管２７３を流れる酸化剤ガスを、正極排ガス共通排出管２７４を流れる高温の正極排ガスを利用して効率良く加熱することができる。
燃料電池組立体２３０では、燃料ガス共通供給管２７１の一の側面と正極排ガス共通排出管２７４の一の側面とが接していてもよく、酸化剤ガス共通供給管２７３の一の側面と負極排ガス共通排出管２７２の一の側面とが接していてもよい。また、燃料電池組立体２３０では、燃料ガス共通供給管２７１と負極排ガス共通排出管２７２とは必ずしも接する必要はなく、酸化剤ガス共通供給管２７３と正極排ガス共通排出管２７４とも必ずしも接する必要はない。さらに、燃料ガス共通供給管２７１、負極排ガス共通排出管２７２、酸化剤ガス共通供給管２７３および正極排ガス共通排出管２７４の長手方向に垂直な断面形状は様々に変更されてよい。
ただし、燃料ガス共通供給管２７１および酸化剤ガス共通供給管２７３のうち一方の共通供給管の長手方向に垂直な断面は矩形状であり、負極排ガス共通排出管２７２および正極排ガス共通排出管２７４のうち一方の共通排出管の長手方向に垂直な断面は矩形状であることが好ましい。また、当該一方の共通供給管の一の側面と当該一方の共通排出管の一の側面とが、熱交換可能に対向することが好ましい。これにより、当該一方の共通供給管を流れるガスを、当該一方の共通排出管を流れる高温のガスを利用して効率良く加熱することができる。
上述の燃料電池システム１では、様々な変更が可能である。
例えば、複数の燃料電池２３は、上下方向および左右方向に並べて配置されるのであれば、必ずしも、上下方向に直線状、かつ、左右方向に直線状に並ぶ必要はない。例えば、上下方向に並べて配置される４つの燃料電池２３において、上下方向に隣接する各２つの燃料電池列は、左右方向に所定の距離だけずれて配置されてもよい。換言すれば、当該４つの燃料電池２３は、上下方向に千鳥状に配列されてもよい。
燃料電池システム１に含まれる燃料電池２３の数は適宜変更されてよい。例えば、燃料電池システム１は、上下方向および左右方向に２つずつ並ぶ４つの燃料電池２３を備えていてもよい。燃料電池２３の形状は、略直方体には限定されず、様々に変更されてよい。例えば、燃料電池２３の形状は、上下方向を向く中心軸を中心とする略円柱状であってもよい。
燃料電池システム１では、上下方向に並べて配置される燃料電池組立体２３０の数は、例えば、２であってもよく、３以上であってもよい。燃料電池組立体２３０では、複数の燃料電池２３は、必ずしもステージ２７上に配置される必要はない。例えば、燃料電池組立体２３０からステージ２７が省略され、当該複数の燃料電池２３が、燃料ガス共通供給管２７１、負極排ガス共通排出管２７２、酸化剤ガス共通供給管２７３および正極排ガス共通排出管２７４のうちのいずれかの管上に配置され、当該管により支持されてもよい。
燃料電池システム１では、燃料電池ユニット２０１の数は１であってもよく、３以上であってもよい。各燃料電池ユニット２０１では、改質器２２の数は１であってもよく、２以上であってもよい。改質器２２の供給部２２３および送出部２２４の位置は、燃料電池２３の配列方向とは無関係に、様々に変更されてよい。
排ガス燃焼部７３にて発生する燃焼熱は、例えば、水蒸気生成部３２における水の加熱、タービン等を利用した発電に利用されてもよい。また、排ガス燃焼部７３の位置は様々に変更されてよい。例えば、排ガス燃焼部７３がハウジング２１の外部に設けられ、蛇行配管７４は省略されてもよい。この場合、改質器２２の主面２２２は、排ガス燃焼部７３と対向しない。改質器２２は、電池対向面２２１を備えているのであれば、平板状以外の様々な形状であってもよい。
燃料電池システム１では、負極排ガス中に含まれる水蒸気を、凝縮部３３にて水として取り出した上で、水供給部３１を介して水蒸気生成部３２に供給しているが、水蒸気を含む当該負極排ガスの一部が、ガス状のまま改質器２２へと供給されてもよい。この場合であっても、定常運転時の水自立運転の実現が可能である。
燃料電池システム１では、定常運転の際に、必ずしも熱自立運転が行われる必要はなく、熱供給部２４によりハウジング２１内の加熱が継続的に行われてもよい。また、燃料電池システム１では、定常運転の際に、必ずしも水自立運転は行われる必要はなく、例えば、凝縮部３３から水貯溜部３１１へと送られる水に加えて、装置外部から水貯溜部３１１へと供給される水が、水蒸気生成部３２に継続的に供給されてもよい。
上記実施の形態および各変形例における構成は、相互に矛盾しない限り適宜組み合わされてよい。
１ 燃料電池システム
２１ ハウジング
２２ 改質器
２３ 燃料電池
２８ 組立体支持部
７３ 排ガス燃焼部
７４ 蛇行配管
２１０ （ハウジングの）内部空間
２２１ 電池対向面
２２２ 燃焼部対向面
２２３ 供給部
２２４ 送出部
２３０ 燃料電池組立体
２７１ 燃料ガス共通供給管
２７２ 負極排ガス共通排出管
２７３ 酸化剤ガス共通供給管
２７４ 正極排ガス共通排出管
２７５〜２７８ 枝管
７４１ （蛇行配管の）端部

Claims (8)

  1. 燃料電池システムであって、
    原燃料を改質して燃料ガスを生成する改質器と、
    前記燃料ガスおよび酸化剤ガスを用いて発電を行う固体酸化物形の複数の燃料電池と、
    を備え、
    前記複数の燃料電池は、上下方向および左右方向に並べて配置されており、
    前記改質器が、前記複数の燃料電池のうちいずれかと前後方向に対向する電池対向面を備え、
    燃料電池組立体が組立体支持部により支持され、
    前記燃料電池組立体が、
    前記複数の燃料電池のうち、隣接して配置される２つ以上の燃料電池と、
    前記２つ以上の燃料電池のそれぞれに接続されており、前記改質器から前記２つ以上の燃料電池に供給される前記燃料ガスが流れる燃料ガス共通供給管と、
    前記２つ以上の燃料電池のそれぞれに接続されており、前記２つ以上の燃料電池から排出された負極排ガスが集められる負極排ガス共通排出管と、
    前記２つ以上の燃料電池のそれぞれに接続されており、前記２つ以上の燃料電池に供給される前記酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス共通供給管と、
    前記２つ以上の燃料電池のそれぞれに接続されており、前記２つ以上の燃料電池から排出された正極排ガスが集められる正極排ガス共通排出管と、
    を含むことを特徴とする燃料電池システム。
  2. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
    前記改質器の前記電池対向面が、前記複数の燃料電池が並べて配置される電池配列領域の中央部と対向することを特徴とする燃料電池システム。
  3. 請求項１または２に記載の燃料電池システムであって、
    前記複数の燃料電池のそれぞれが、前記改質器の前記電池対向面と対向することを特徴とする燃料電池システム。
  4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
    前記複数の燃料電池からの排ガスに含まれる未利用の前記燃料ガスを燃焼させる排ガス燃焼部と、
    内部空間に前記複数の燃料電池、前記改質器および前記排ガス燃焼部がこの順で配置されるハウジングと、
    をさらに備えることを特徴とする燃料電池システム。
  5. 請求項４に記載の燃料電池システムであって、
    前記改質器が、前記電池対向面を挟んで前記複数の燃料電池とは反対側に位置する燃焼部対向面をさらに備え、
    前記排ガス燃焼部から排出されたガスが、前記燃焼部対向面に沿って蛇行する蛇行配管を通過して前記ハウジング外部へと導かれることを特徴とする燃料電池システム。
  6. 請求項５に記載の燃料電池システムであって、
    前記改質器が、
    前記原燃料が供給される供給部と、
    前記燃料ガスが送出される送出部と、
    を備え、
    前記蛇行配管の前記排ガス燃焼部側の端部が、前記改質器の前記供給部と前記送出部との間の中央部に位置することを特徴とする燃料電池システム。
  7. 請求項１ないし６のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
    前記改質器の前記電池対向面が、前記複数の燃料電池のうち予め定められた配列方向に並ぶ３つ以上の燃料電池と対向し、
    前記配列方向における前記改質器の一方の端部から前記原燃料が供給され、他方の端部から前記燃料ガスが送出されることを特徴とする燃料電池システム。
  8. 請求項１ないし７のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
    前記燃料ガス共通供給管および前記酸化剤ガス共通供給管のうち一方の共通供給管の長手方向に垂直な断面が矩形状であり、
    前記負極排ガス共通排出管および前記正極排ガス共通排出管のうち一方の共通排出管の長手方向に垂直な断面が矩形状であり、
    前記一方の共通供給管の一の側面と前記一方の共通排出管の一の側面とが熱交換可能に対向することを特徴とする燃料電池システム。
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