JP7433182B2

JP7433182B2 - 固体酸化物形燃料電池

Info

Publication number: JP7433182B2
Application number: JP2020161866A
Authority: JP
Inventors: 雅也佐々木; 稔鈴木
Original assignee: Osaka Gas Co Ltd
Current assignee: Osaka Gas Co Ltd
Priority date: 2020-09-28
Filing date: 2020-09-28
Publication date: 2024-02-19
Anticipated expiration: 2040-09-28
Also published as: JP2022054696A

Description

本発明は、収納筐体と、収納筐体の内面に設けられる内部断熱材と、収納筐体の外面に設けられる外部断熱材とを備え、収納筐体の内部断熱材よりも内側の内部空間に、原燃料を水蒸気改質して燃料ガスを生成する改質器と、改質器で生成された燃料ガスを用いて発電する複数の燃料電池セルを有するセルスタックと、セルスタックから排出されるオフガスを燃焼して、その燃焼熱を改質器に与える燃焼部とを備える固体酸化物形燃料電池に関する。

従来より、酸化物イオンを伝導する膜として固体電解質を用いた固体酸化物形のセルスタックを備えた固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ（ＳｏｌｉｄＯｘｉｄｅＦｕｅｌＣｅｌｌ））が知られている。このような固体酸化物形燃料電池の主たる用途の一つとして家庭用のコージェネレーションシステムがある。固体酸化物形燃料電池を用いたコージェネレーションシステムでは、家庭用の給湯暖房需要を賄いながら、大型火力発電所と比べても遜色のない高い発電効率での発電が可能である。

この固体酸化物形燃料電池においては、セルスタックは複数の燃料電池セルを積層して構成され、各燃料電池セルにおける固体電解質の片面側に燃料ガスを酸化するための燃料極が設けられ、その他面側に空気（酸化剤ガス）中の酸素を還元するための酸素極が設けられている。この固体酸化物形燃料電池の燃料電池セルの作動温度は約６００℃～約８００℃と高く、このような高温下において、燃料ガス（改質燃料ガス）中の水素や一酸化炭素、炭化水素と空気中の酸素とが電気化学反応を起こすことによって発電が行われる。

特許文献１（特開２００７－５９３７７号公報）の図１２には、収納筐体と、収納筐体の内面に設けられる内部断熱材と、収納筐体の外面に設けられる外部断熱材とを備え、収納筐体の内部断熱材よりも内側の内部空間に、原燃料を水蒸気改質して燃料ガスを生成する改質器と、改質器で生成された燃料ガスを用いて発電する複数の燃料電池セルを有するセルスタックと、セルスタックから排出されるオフガスを燃焼して、その燃焼熱を改質器に与える燃焼部とを備えるものが提案されている。

特開２００７－５９３７７号公報

固体酸化物形燃料電池のセルスタックは約６００℃～約８００℃程度の高温で作動させるため、収納筐体の内部をできるだけ高温に保つことが必要である。そのため、セルスタックの周囲を断熱材で取り囲みセルスタックからの放熱量を抑制すること、収納筐体の周囲を断熱材で取り囲むことなどが必要である。加えて、燃焼部で発生した燃焼排ガスを含む排気ガスと、セルスタック及び燃焼部に供給する空気とを熱交換して、収納筐体の内部に供給される空気を予熱しておくことが行われる。例えば、特許文献１の図１１に記載の構成であれば、収納筐体は、複数の壁材が互いに間隔を空けて層状に配置されることで、前記壁材によって隔てられた複数の空間を有する多層構造部分を有し、前記多層構造部分において、前記燃焼部で発生した燃焼排ガスを含む排気ガスと、前記セルスタック及び前記燃焼部へ供給される空気とが、複数の前記空間に各別に流れることで、前記排気ガスと前記空気との熱交換が前記壁材を介して行われるようになっている。

このように、収納筐体の内部の温度を高温に保つための対策が幾つか行われているが、更なる対策が求められる。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、収納筐体の内部を高温に保つことができ、放熱損失の少ない固体酸化物形燃料電池を提供する点にある。

上記目的を達成するための本発明に係る固体酸化物形燃料電池の特徴構成は、収納筐体と、前記収納筐体の内面に設けられる内部断熱材と、前記収納筐体の外面に設けられる外部断熱材とを備え、
前記収納筐体の前記内部断熱材よりも内側の内部空間に、原燃料を水蒸気改質して燃料ガスを生成する改質器と、前記改質器で生成された燃料ガスを用いて発電する複数の燃料電池セルを有するセルスタックと、前記セルスタックから排出されるオフガスを燃焼して、その燃焼熱を前記改質器に与える燃焼部とを備える固体酸化物形燃料電池であって、
前記収納筐体は、複数の壁材が互いに間隔を空けて層状に配置されることで、前記壁材によって隔てられた複数の空間を有する多層構造部分を有し、
前記多層構造部分において、前記燃焼部で発生した燃焼排ガスを含む排気ガスと、前記セルスタック及び前記燃焼部へ供給される空気とが、複数の前記空間に各別に流れることで、前記排気ガスと前記空気との熱交換が前記壁材を介して行われるように構成され、
前記収納筐体の前記多層構造部分の外面に設けられる前記外部断熱材による断熱効果は、前記多層構造部分の温度が高い領域ほど高くなるように形成されている点にある。
ここで、前記収納筐体の前記多層構造部分の外面に設けられる前記外部断熱材の、当該多層構造部分の外面からの厚さは、前記多層構造部分の温度が高い領域ほど厚く形成されていてもよい。

上記特徴構成によれば、多層構造部分では高温の排気ガスと低温の空気とが熱交換するため、排気ガスは上流側から下流側へと流れるにつれて空気との熱交換により温度が低下する。その結果、多層構造部分の温度は、排気ガスの上流側に対応する部分が下流側に対応する部分よりも高くなる。そして、収納筐体の多層構造部分の外面に設けられる外部断熱材による断熱効果は、多層構造部分の温度が高い領域ほど高くなるように形成されている。例えば、収納筐体の多層構造部分の外面に設けられる外部断熱材の、その多層構造部分の外面からの厚さは、多層構造部分の温度が高い領域ほど厚く形成されている。つまり、多層構造部分の温度が高い領域から外側への放熱が効果的に抑制される。その結果、多層構造部分よりも内側の、収納筐体の内部空間の温度低下が抑制される。
従って、収納筐体の内部を高温に保つことができ、放熱損失の少ない固体酸化物形燃料電池を提供できる。

本発明に係る固体酸化物形燃料電池の別の特徴構成は、前記多層構造部分において、内側の前記空間に前記排気ガスが流れ、外側の前記空間に前記空気が流れる点にある。

上記特徴構成によれば、多層構造部分において、内側の空間に高温の排気ガスが流れるため、同じ空間に低温の空気が流れると仮定した場合よりも、多層構造部分よりも内側の、収納筐体の内部空間の温度低下が抑制される。

本発明に係る固体酸化物形燃料電池の更に別の特徴構成は、前記多層構造部分において、前記排気ガスの流れる方向と、前記空気の流れる方向とが対向している点にある。

上記特徴構成によれば、多層構造部分において、排気ガスと空気との間の温度差を大きく確保した状態で、排気ガスと空気との熱交換を効果的に行わせることができる。

本発明に係る固体酸化物形燃料電池の更に別の特徴構成は、前記収納筐体の前記多層構造部分の内面に設けられる前記内部断熱材による断熱効果は、前記多層構造部分の温度が高い領域ほど低くなるように形成されている。
ここで、前記収納筐体の前記多層構造部分の内面に設けられる前記内部断熱材の、当該多層構造部分の内面からの厚さは、前記多層構造部分の温度が高い領域ほど薄く形成されていてもよい。

上記特徴構成によれば、多層構造部分の温度が高い領域ほど、外部断熱材による断熱効果は高く形成され且つ内部断熱材による断熱効果は低く形成され、多層構造部分の温度が低い領域ほど、外部断熱材による断熱効果は低く形成され且つ内部断熱材による断熱効果は高く形成される。例えば、多層構造部分の温度が高い領域ほど、外部断熱材は厚く形成され且つ内部断熱材は薄く形成され、多層構造部分の温度が低い領域ほど、外部断熱材は薄く形成され且つ内部断熱材は厚く形成される。その結果、多層構造部分の両側に設けられる外部断熱材及び内部断熱材の合計の厚さを、多層構造部分の全体で一定することができる。

収納筐体の内部空間に設置される複数の機器を示す図である。固体酸化物形燃料電池の縦断面を示す図である。固体酸化物形燃料電池の縦断面を示す図である。コンピュータシミュレーションのモデルを示す図である。コンピュータシミュレーションのモデルを示す図である。別構造の多層構造部分の例を示す図である。

以下に図面を参照して本発明の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池について説明する。
図１は、収納筐体１の内部空間Ｓに設置される複数の機器を示す図である。図２は、固体酸化物形燃料電池の縦断面を示す図である。図３は、固体酸化物形燃料電池の縦断面を示す図である。

本実施形態の固体酸化物形燃料電池は収納筐体１を備える。収納筐体１は、正面構造体２と、背面構造体３と、右側構造体４と、左側構造体５と、天面構造体６と、底面構造体７とで構成される。図示する例では、正面構造体２及び背面構造体３はＺ軸方向に対面している。右側構造体４及び左側構造体５はＸ軸方向に対面している。天面構造体６及び底面構造体７はＹ軸方向に対面している。

固体酸化物形燃料電池は、収納筐体１の内部断熱材Ｈｉｎよりも内側の内部空間Ｓに、原燃料を水蒸気改質して燃料ガスを生成する改質器１１と、改質器１１で生成された燃料ガスを用いて発電する複数の燃料電池セルを有するセルスタックＣＳと、セルスタックＣＳから排出されるオフガスを燃焼して、その燃焼熱を改質器１１に与える燃焼部１４とを備える。内部空間Ｓにおいて、セルスタックＣＳの上方に改質器１１と燃焼部１４とが設けられる。セルスタックＣＳには電流取出部２０が接続され、電流取出部２０は収納筐体１の底面構造体７の部分から収納筐体１の外部に引き出される。

収納筐体１の内部には、内部空間Ｓを上側内部空間Ｓ１と下側内部空間Ｓ２とに仕切る仕切板８が設けられる。仕切板８は、上側内部空間Ｓ１と下側内部空間Ｓ２との間で気体の流通を可能にする通気孔８ａを有する。下側内部空間Ｓ２にはセルスタックＣＳ及び熱交換部１６が設けられる。上側内部空間Ｓ１には改質器１１及び燃焼部１４が設けられる
。

右側構造体４は、収納筐体１の外側から内側に向かって順に第１右側部材４ａと第２右側部材４ｂと第３右側部材４ｃとを有する。第１右側部材４ａと第２右側部材４ｂと第３右側部材４ｃとは何れも板状の部材（壁材ｗ）であり、互いに間隔を空けて配置される。後述するように、第１右側部材４ａと第２右側部材４ｂとの間の空間には酸化剤ガス（空気）が流れ、第２右側部材４ｂと第３右側部材４ｃとの間の空間には燃焼排ガスを含む排気ガスが流れる。このように、収納筐体１は、複数の壁材ｗが互いに間隔を空けて層状に配置されることで、壁材ｗによって隔てられた複数の空間を有する多層構造部分Ｍを有する。

左側構造体５は、収納筐体１の外側から内側に向かって順に第１左側部材５ａと第２左側部材５ｂと第３左側部材５ｃとを有する。第１左側部材５ａと第２左側部材５ｂと第３左側部材５ｃとは何れも板状の部材（壁材ｗ）であり、互いに間隔を空けて配置される。後述するように、第１左側部材５ａと第２左側部材５ｂとの間の空間には酸化剤ガスが流れ、第２左側部材５ｂと第３左側部材５ｃとの間の空間には燃焼排ガスを含む排気ガスが流れる。

正面構造体２は、収納筐体１の外側から内側に向かって順に第１正面部材２ａと第２正面部材２ｂと第３正面部材２ｃとを有する。第１正面部材２ａと第２正面部材２ｂと第３正面部材２ｃとは何れも板状の部材（壁材ｗ）であり、互いに間隔を空けて配置される。後述するように、第１正面部材２ａと第２正面部材２ｂとの間の空間には酸化剤ガスが流れ、第２正面部材２ｂと第３正面部材２ｃとの間の空間には燃焼排ガスを含む排気ガスが流れる。

背面構造体３は、収納筐体１の外側から内側に向かって順に第１背面部材３ａと第２背面部材３ｂと第３背面部材３ｃとを有する。第１背面部材３ａと第２背面部材３ｂと第３背面部材３ｃとは何れも板状の部材（壁材ｗ）であり、互いに間隔を空けて配置される。後述するように、第１背面部材３ａと第２背面部材３ｂとの間の空間には酸化剤ガスが流れ、第２背面部材３ｂと第３背面部材３ｃとの間の空間には燃焼排ガスを含む排気ガスが流れる。

天面構造体６は、収納筐体１の外側から内側に向かって順に第１天面部材６ａと第２天面部材６ｂとを有する。第１天面部材６ａと第２天面部材６ｂとは何れも板状の部材（壁材ｗ）であり、互いに間隔を空けて配置される。後述するように、第１天面部材６ａと第２天面部材６ｂとの間の空間には酸化剤ガスが流れる。

底面構造体７は、収納筐体１の外側から内側に向かって順に第１底面部材７ａと第２底面部材７ｂと第３底面部材７ｃとを有する。第１底面部材７ａと第２底面部材７ｂと第３底面部材７ｃとは何れも板状の部材（壁材ｗ）であり、互いに間隔を空けて配置される。後述するように、第１底面部材７ａと第２底面部材７ｂとの間の空間には酸化剤ガスが流れ、第２底面部材７ｂと第３底面部材７ｃとの間の空間には燃焼排ガスを含む排気ガスが流れる。

固体酸化物形燃料電池は、収納筐体１の内面に設けられる内部断熱材Ｈｉｎと、収納筐体１の外面に設けられる外部断熱材Ｈｏｕｔとを備える。例えば、図２及び図３に示すように、収納筐体１の正面構造体２及び背面構造体３及び右側構造体４及び左側構造体５は、鉛直方向に直立しているのではなく、傾斜して設けられている。そして、その傾斜部分に、外部断熱材Ｈｏｕｔ及び内部断熱材Ｈｉｎが設けられる。

内部断熱材Ｈｉｎは、内部正面断熱材Ｈ１と内部背面断熱材Ｈ２と内部右側断熱材Ｈ３と内部左側断熱材Ｈ４と内部上側断熱材Ｈ５と内部底側断熱材Ｈ６とを有する。具体的には、仕切板８よりも上方の上側内部空間Ｓ１には、内部上側断熱材Ｈ５が設けられる。そして、内部上側断熱材Ｈ５で囲われた空間に、改質器１１と燃焼部１４とが設置される。仕切板８よりも下方の下側内部空間Ｓ２には、内部正面断熱材Ｈ１と内部背面断熱材Ｈ２と内部右側断熱材Ｈ３と内部左側断熱材Ｈ４と内部底側断熱材Ｈ６とが設けられる。そして、内部正面断熱材Ｈ１と内部背面断熱材Ｈ２と内部右側断熱材Ｈ３と内部左側断熱材Ｈ４と内部底側断熱材Ｈ６とで囲われる空間に、セルスタックＣＳなどが設置される。

外部断熱材Ｈｏｕｔは、外部正面断熱材Ｈ７と外部背面断熱材Ｈ８と外部右側断熱材Ｈ９と外部左側断熱材Ｈ１０と外部上側断熱材Ｈ１１と外部下側断熱材Ｈ１２とを有する。具体的には、収納筐体１の正面構造体２の外側に面して外部正面断熱材Ｈ７が設けられ、収納筐体１の背面構造体３の外側に面して外部背面断熱材Ｈ８が設けられ、収納筐体１の右側構造体４の外側に面して外部右側断熱材Ｈ９が設けられ、収納筐体１の左側構造体５の外側に面して外部左側断熱材Ｈ１０が設けられ、収納筐体１の天面構造体６の外側に面して外部上側断熱材Ｈ１１が設けられ、収納筐体１の底面構造体７の外側に面して外部下側断熱材Ｈ１２が設けられる。

収納筐体１の底面構造体７には、給気管１８と排気管１９とが接続されている。
給気管１８を通って収納筐体１の内部に導入される酸化剤ガス（空気）は、先ず第１底面部材７ａと第２底面部材７ｂとの間の空間に至る。本実施形態の収納筐体１では、第１底面部材７ａと第２底面部材７ｂとの間の空間は、第１正面部材２ａと第２正面部材２ｂとの間の空間、及び、第１背面部材３ａと第２背面部材３ｂとの間の空間、及び、第１右側部材４ａと第２右側部材４ｂとの間の空間、及び、第１左側部材５ａと第２左側部材５ｂとの間の空間の全てに繋がっている。また、第１天面部材６ａと第２天面部材６ｂとの間の空間も、第１正面部材２ａと第２正面部材２ｂとの間の空間、及び、第１背面部材３ａと第２背面部材３ｂとの間の空間、及び、第１右側部材４ａと第２右側部材４ｂとの間の空間、及び、第１左側部材５ａと第２左側部材５ｂとの間の空間の全てに繋がっている。

その結果、第１底面部材７ａと第２底面部材７ｂとの間の空間に導入された酸化剤ガスは、第１正面部材２ａと第２正面部材２ｂとの間の空間を経由して、第１天面部材６ａと第２天面部材６ｂとの間の空間に至る。第１底面部材７ａと第２底面部材７ｂとの間の空間に導入された酸化剤ガスは、第１背面部材３ａと第２背面部材３ｂとの間の空間を経由して、第１天面部材６ａと第２天面部材６ｂとの間の空間に至る。第１底面部材７ａと第２底面部材７ｂとの間の空間に導入された酸化剤ガスは、第１右側部材４ａと第２右側部材４ｂとの間の空間を経由して、第１天面部材６ａと第２天面部材６ｂとの間の空間に至る。第１底面部材７ａと第２底面部材７ｂとの間の空間に導入された酸化剤ガスは、第１左側部材５ａと第２左側部材５ｂとの間の空間を経由して、第１天面部材６ａと第２天面部材６ｂとの間の空間に至る。

第２天面部材６ｂには、導入酸化剤ガス流通管１５が接続され、第１天面部材６ａと第２天面部材６ｂとの間の空間を流れる酸化剤ガスが、導入酸化剤ガス流通管１５に流れ込むように構成されている。そして、導入酸化剤ガス流通管１５は、収納筐体１の内部空間Ｓに設置され、酸化剤ガスをセルスタックＣＳの内部に導くように機能する。つまり、導入酸化剤ガス流通管１５は、第１天面部材６ａと第２天面部材６ｂとの間の空間を流れる酸化剤ガスを、収納筐体１の内部空間Ｓに設置されたセルスタックＣＳへと導く。

収納筐体１には給水管９及び原燃料ガス供給管１０が接続される。給水管９及び原燃料ガス供給管１０は上側内部空間Ｓ１に設置される改質器１１に接続されて、改質器１１へ水及び原燃料ガスを供給する。改質器１１では、給水管９から供給される水の気化と原燃料ガスの水蒸気改質とが行われ、水素を主成分とする燃料ガスが生成される。後述するように、改質器１１には、その下方にある燃焼部１４で発生した燃焼熱が伝達される。

導入燃料ガス流通管１２は、収納筐体１の内部空間Ｓに設置され、改質器１１で生成さ
れた燃料ガスをセルスタックＣＳの内部に導く。セルスタックＣＳが有する複数の固体酸化物形燃料電池セルでは、供給される燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電が行われる。その電気化学反応で用いられた後の燃料ガスである排出燃料ガスはセルスタックＣＳの内部から排出され、収納筐体１の内部空間Ｓに設置される排出燃料ガス流通管１３を通って燃焼部１４に導かれる。また、その電気化学反応で用いられた後の酸化剤ガスである排出酸化剤ガスは、セルスタックＣＳの内部から排出された後、収納筐体１の内部空間Ｓに設置される排出酸化剤ガス流通管１７を流れる。

固体酸化物形燃料電池は、導入酸化剤ガス流通管１５を流れる酸化剤ガスと、排出酸化剤ガス流通管１７を流れる排出酸化剤ガスとが熱交換するように構成される熱交換部１６とを備える。熱交換部１６で熱交換した後の酸化剤ガスはセルスタックＣＳの内部に供給されて電気化学反応のために用いられる。

熱交換部１６では、酸化剤ガス及び排出酸化剤ガスは上方から下方に向かって流れ、導入酸化剤ガス流通管１５を流れる酸化剤ガスと、排出酸化剤ガス流通管１７を流れる排出酸化剤ガスとが熱交換する。このように、熱交換部１６での熱交換により、セルスタックＣＳの内部に供給される酸化剤ガスの温度が、セルスタックＣＳの内部の温度（排出酸化剤ガスの温度）に近く、それよりも低い温度になる。その結果、セルスタックＣＳの内部に供給する酸化剤ガスにより、セルスタックＣＳの内部から熱を持ち出すことができる。

また、セルスタックＣＳに供給される酸化剤ガスの温度が低過ぎると、セルスタックＣＳの酸化剤ガスの入口付近の温度が低下して内部抵抗が高くなる。そして、セルスタックＣＳの酸化剤ガスの入口付近では発電が進まないのに対して、内部抵抗の低い部位では発電が活発になる。このように、セルスタックＣＳにおいて発電が活発に行われている部位とそうでない部位とが発生することで、セルスタックＣＳで有効に発電に使用されている面積が減少し、電流密度に偏りが生じることやセル電圧の低下が生じることにつながる。また、発電反応が行われている部分での燃料電池セルの温度が特に上がるため、耐久性の面でも不利となる。
ところが本実施形態の固体酸化物形燃料電池では、熱交換部１６での熱交換により、セルスタックＣＳの内部に供給される酸化剤ガスの温度が、セルスタックＣＳの内部の温度（排出酸化剤ガスの温度）に近くなるため、そのような問題の発生を回避できる。

熱交換部１６で熱交換した後の排出酸化剤ガスは、セルスタックＣＳの下部側でセルスタックＣＳの周囲の内部空間Ｓに流出する。例えば、図示は省略するが、熱交換部１６の下端付近で排出酸化剤ガス流通管１７が内部空間Ｓに開放され、そこから内部空間Ｓへ向かって排出酸化剤ガスが放出される。つまり、排出酸化剤ガス流通管１７は、セルスタックＣＳの内部から排出された排出酸化剤ガスをセルスタックＣＳの周囲の下部側へと導くように構成されている。その結果、電気化学反応で用いられた後にセルスタックＣＳの内部から排出された排出酸化剤ガスは、セルスタックＣＳの下部側でセルスタックＣＳの周囲の内部空間Ｓに放出され、セルスタックＣＳの周囲をセルスタックＣＳの下部側から上部側へ向かって流れた後、燃焼部１４において排出燃料ガスを燃焼させるために利用されるようになる。

セルスタックＣＳは、直方体形状になっており、複数の固体酸化物形燃料電池セルの積層方向が水平方向に沿う状態で収納筐体１の内部空間Ｓに設置される。具体的に説明すると、セルスタックＣＳは、複数の固体酸化物形燃料電池がＺ軸方向に積層されて構成される。そして、セルスタックＣＳは、Ｚ軸方向の長さが、Ｘ軸方向の長さ及びＹ軸方向の長さよりも短い直方体形状になっている。また、収納筐体１も、Ｚ軸方向の長さが、Ｘ軸方向の長さ及びＹ軸方向の長さよりも短い直方体形状になっている。このような構成を採用することで、固体酸化物形燃料電池セルの積層数に応じて、水平方向でのセルスタックＣＳの長さ（厚さ）が決まる。つまり、セルスタックＣＳを薄型化して、それを収納する収納筐体１も薄型化することが可能になる。

熱交換部１６は、収納筐体１の内部空間Ｓに設置されたセルスタックＣＳの４つの側方のうち、水平方向の長さが短い一つの側面に相対して設けられる。収納筐体１の内部空間ＳでセルスタックＣＳと熱交換部１６とが組み合わされて設置された構造を考えると、熱交換部１６は、セルスタックＣＳの４つの側方のうち、水平方向の長さが短い一つの側面に相対して、即ち、水平方向の長さが長い方向に沿ってセルスタックＣＳと隣接して設けられる。図示する例では、熱交換部１６は、Ｘ軸方向に沿ってセルスタックＣＳと並ぶ状態で設置される。つまり、収納筐体１の内部空間ＳでセルスタックＣＳと熱交換部１６とが組み合わされて設置された構造の最も薄い部分はセルスタックＣＳの最も薄い部分と同等になる。その結果、セルスタックＣＳ及び熱交換部１６を収納する収納筐体１を薄型化することが可能になる。

熱交換部１６とセルスタックＣＳとは間隔を空けて配置されている。そして、熱交換部１６とセルスタックＣＳとの間の空間には、放出された排出酸化剤ガスが流れることができる。

導入酸化剤ガス流通管１５は、収納筐体１の天面側を構成する天面板状部材としての第２天面部材６ｂに固定されて鉛直下方に延びる。そして、導入酸化剤ガス流通管１５は、途中に熱交換部１６を介してセルスタックＣＳに接続される。つまり、セルスタックＣＳは、収納筐体１の第２天面部材６ｂに固定される導入酸化剤ガス流通管１５及び熱交換部１６を介して、収納筐体１の第２天面部材６ｂから吊り下げられた形態で設置される。つまり、収納筐体１の内部でセルスタックＣＳを支えるための支柱などの構造体を特別に設ける必要性が低くなる点で好ましい。

収納筐体１の下側内部空間Ｓ２では、内部正面断熱材Ｈ１が第３正面部材２ｃに相対して接した状態で設けられ、内部背面断熱材Ｈ２が第３背面部材３ｃに相対して接した状態で設けられ、内部右側断熱材Ｈ３が第３右側部材４ｃに相対して接した状態で設けられ、内部左側断熱材Ｈ４が第３左側部材５ｃに相対して接した状態で設けられ、内部底側断熱材Ｈ６が第３底面部材７ｃに相対して接した状態で設けられる。そして、下側内部空間Ｓ２で、内部正面断熱材Ｈ１と内部背面断熱材Ｈ２と内部右側断熱材Ｈ３と内部左側断熱材Ｈ４と内部底側断熱材Ｈ６とに囲まれた空間に、セルスタックＣＳと熱交換部１６と導入酸化剤ガス流通管１５と排出酸化剤ガス流通管１７と導入燃料ガス流通管１２と排出燃料ガス流通管１３とが配置される。このような構成を採用することで、セルスタックＣＳの温度を所望の温度に維持し易くなる。

具体的には、図３に示すように、導入酸化剤ガス流通管１５及び排出酸化剤ガス流通管１７及び導入燃料ガス流通管１２及び排出燃料ガス流通管１３はセルスタックＣＳの正面側に接続されている。また、図３に示すように、内部正面断熱材Ｈ１には第１凹部Ｈ１ａと第２凹部Ｈ１ｂとが形成されている。そして、第１凹部Ｈ１ａの部分で、排出燃料ガス流通管１３はセルスタックＣＳの正面側に接続され、且つ、排出酸化剤ガス流通管１７はセルスタックＣＳの正面側に接続される。また、第２凹部Ｈ１ｂの部分で、導入燃料ガス流通管１２はセルスタックＣＳの正面側に接続され、且つ、導入酸化剤ガス流通管１５はセルスタックＣＳの正面側に接続される。

収納筐体１の上側内部空間Ｓ１では、内部上側断熱材Ｈ５が設けられる。内部上側断熱材Ｈ５は、改質器１１及び燃焼部１４の上部と側部（正面側の側部と背面側の側部）とを覆うように設けられている。また、上側内部空間Ｓ１では、第３正面部材２ｃには正面排気口２ｄが設けられ、第３背面部材３ｃには背面排気口３ｄが設けられ、第３右側部材４ｃには右側排気口４ｄが設けられ、第３左側部材５ｃには左側排気口５ｄが設けられている。

燃焼部１４では、排出燃料ガス流通管１３を通って供給される排出燃料ガスに含まれる燃料成分が、仕切板８に形成される通気孔８ａを介して上側内部空間Ｓ１に流入し、燃焼部１４の通気部１４ａを通って供給された排出酸化剤ガスに含まれる酸素を用いて燃焼される。

燃焼部１４で発生した燃焼排ガスを含む排気ガスは、第３右側部材４ｃに形成される右側排気口４ｄを通って第２右側部材４ｂと第３右側部材４ｃとの間の空間へと流出し、第３左側部材５ｃに形成される左側排気口５ｄを通って第２左側部材５ｂと第３左側部材５ｃとの間の空間へと流出する。また、燃焼部１４で発生した燃焼排ガスを含む排気ガスは、内部上側断熱材Ｈ５と第２天面部材６ｂとの間の空間に流れ込み、その空間から、第３正面部材２ｃに形成される正面排気口２ｄを通って第２正面部材２ｂと第３正面部材２ｃとの間の空間へと流出し、第３背面部材３ｃに形成される背面排気口３ｄを通って第２背面部材３ｂと第３背面部材３ｃとの間の空間へと流出する。

そして、第２正面部材２ｂと第３正面部材２ｃとの間の空間を下方へ流れる燃焼排ガスを含む排気ガス、第２背面部材３ｂと第３背面部材３ｃとの間の空間を下方へ流れる燃焼排ガスを含む排気ガス、第２右側部材４ｂと第３右側部材４ｃとの間の空間を下方へ流れる燃焼排ガスを含む排気ガス、第２左側部材５ｂと第３左側部材５ｃとの間の空間を下方へ流れる燃焼排ガスを含む排気ガスは、第２底面部材７ｂと第３底面部材７ｃとの間の空間を経由して排気管１９に至り、収納筐体１から排出される。このように、収納筐体１では、内部空間Ｓへと導入される酸化剤ガスが、内部空間Ｓから排出される燃焼排ガスを含む排気ガスと熱交換する、即ち、内部空間Ｓへと導入される酸化剤ガスの予熱が行われるように構成されている。

以上のように、収納筐体１の正面構造体２及び背面構造体３及び右側構造体４及び左側構造体５のそれぞれは、複数の壁材ｗが互いに間隔を空けて層状に配置されることで、壁材ｗによって隔てられた複数の空間を有する多層構造部分Ｍを有する。そして、その多層構造部分Ｍにおいて、燃焼部１４で発生した燃焼排ガスを含む排気ガスと、セルスタックＣＳ及び燃焼部１４へ供給される空気とが、複数の空間に各別に流れることで、排気ガスと空気との熱交換が壁材ｗを介して行われるように構成されている。また、多層構造部分Ｍにおいて、内側（内部断熱材Ｈｉｎ側）の空間に排気ガスが流れ、外側（外部断熱材Ｈｏｕｔ側）の空間に空気が流れる。多層構造部分Ｍにおいて、排気ガスの流れる方向と、空気の流れる方向とが対向している。

正面構造体２の場合、第１正面部材２ａと第２正面部材２ｂと第３正面部材２ｃとが多層構造部分Ｍに対応する。背面構造体３の場合、第１背面部材３ａと第２背面部材３ｂと第３背面部材３ｃとが多層構造部分Ｍに対応する。右側構造体４の場合、第１右側部材４ａと第２右側部材４ｂと第３右側部材４ｃとが多層構造部分Ｍに対応する。左側構造体５の場合、第１左側部材５ａと第２左側部材５ｂと第３左側部材５ｃとが多層構造部分Ｍに対応する。

本実施形態において、収納筐体１の正面構造体２及び背面構造体３及び右側構造体４及び左側構造体５のそれぞれに設けられている多層構造部分Ｍでは、上方から下方に向かって高温の排気ガスが流れる。そのため、各多層構造部分Ｍでは、上方が下方よりも温度が高くなっている。そして、収納筐体１の多層構造部分Ｍの外面に設けられる外部断熱材Ｈｏｕｔによる断熱効果は、多層構造部分Ｍの温度が高い領域ほど高くなるように形成されている。例えば、本実施形態の場合、熱伝導率が均一な外部断熱材Ｈｏｕｔを用いて、収納筐体１の多層構造部分Ｍの外面に設けられる外部断熱材Ｈｏｕｔの、その多層構造部分Ｍの外面からの厚さ（即ち、法線方向の厚さ）は、多層構造部分Ｍの温度が高い領域ほど厚く形成されている。本実施形態の場合、多層構造部分Ｍの外面に設けられる外部断熱材Ｈｏｕｔは、上方が下方よりも厚く形成されている。つまり、温度が高い領域の多層構造部は厚い外部断熱材Ｈｏｕｔで覆われるため、温度が高い領域の多層構造部分Ｍからの放熱が効果的に抑制される。

加えて、収納筐体１の多層構造部分Ｍの内面に設けられる内部断熱材Ｈｉｎによる断熱効果は、多層構造部分Ｍの温度が高い領域ほど低くなるように形成されている。例えば、本実施形態の場合、熱伝導率が均一な内部断熱材Ｈｉｎを用いて、収納筐体１の多層構造部分Ｍの内面に設けられる内部断熱材Ｈｉｎの、その多層構造部分Ｍの内面からの厚さ（法線方向の厚さ）は、多層構造部分Ｍの温度が高い領域ほど薄く形成されている。つまり、本実施形態では、多層構造部分Ｍの温度が高い領域ほど、外部断熱材Ｈｏｕｔは厚く形成され且つ内部断熱材Ｈｉｎは薄く形成され、多層構造部分Ｍの温度が低い領域ほど、外部断熱材Ｈｏｕｔは薄く形成され且つ内部断熱材Ｈｉｎは厚く形成される。

上述のように、収納筐体１の多層構造部分Ｍを構成する正面構造体２及び背面構造体３及び右側構造体４及び左側構造体５は、鉛直方向に直立しているのではなく、傾斜して設けられている。そして、本実施形態の固体酸化物形燃料電池では、多層構造部分Ｍの厚さと、その多層構造部分Ｍの外面からの外部断熱材Ｈｏｕｔの厚さと、その多層構造部分Ｍの内面からの内部断熱材Ｈｉｎの厚さとの合計は一定である。つまり、外部断熱材Ｈｏｕｔ及び内部断熱材Ｈｉｎの厚さは、多層構造部分Ｍの温度の高低に応じて変化しているが、多層構造部分Ｍ及び外部断熱材Ｈｏｕｔ及び内部断熱材Ｈｉｎの全体で見ると、図中の鉛直上下方向で、それら合計の厚さは一定である。
尚、上述した収納筐体１の多層構造部分Ｍを構成する正面構造体２及び背面構造体３及び右側構造体４及び左側構造体５の傾斜角度は適宜設計可能である。

次に、本実施形態の固体酸化物形燃料電池で採用する外部断熱材Ｈｏｕｔ及び内部断熱材Ｈｉｎの効果を確認するために行ったコンピュータシミュレーションについて図４を参照して説明する。

図４（ａ）は実施例のモデルを示す図であり、図４（ｂ）は比較例のモデルを示す図である。これらのモデルは、収納筐体１をその両側から内部断熱材Ｈｉｎと外部断熱材Ｈｏｕｔとで挟んだ構造になっている。

実施例のモデルでは、多層構造部分Ｍの温度が高い領域ほど、外部断熱材Ｈｏｕｔは厚く形成され且つ内部断熱材Ｈｉｎは薄く形成され、多層構造部分Ｍの温度が低い領域ほど、外部断熱材Ｈｏｕｔは薄く形成され且つ内部断熱材Ｈｉｎは厚く形成されている。具体的には、図４（ａ）に示すように、Ｌ１ｔ＝２２．４ｍｍ、Ｌ１ｂ＝４６．４ｍｍ、Ｌ２ｔ＝４０．８ｍｍ、Ｌ２ｂ＝１６．８ｍｍとした。つまり、実施例のモデルでは、内部断熱材Ｈｉｎ及び外部断熱材Ｈｏｕｔの合計の厚さを６３．２ｍｍに設定した。

比較例では、多層構造部分Ｍの温度が高い領域と温度が低い領域とで、外部断熱材Ｈｏｕｔ及び内部断熱材Ｈｉｎの厚さに変化はなく、一定にしている。具体的には、図４（ｂ）に示すように、内部断熱材Ｈｉｎの厚さを４０ｍｍで一定とし、外部断熱材Ｈｏｕｔの厚さを３０ｍｍで一定とした。つまり、比較例のモデルでは、内部断熱材Ｈｉｎ及び外部断熱材Ｈｏｕｔの合計の厚さを７０ｍｍに設定した。

シミュレーション対象とする内部断熱材Ｈｉｎ及び外部断熱材Ｈｏｕｔの高さは図４に示すように２５０ｍｍである。多層構造部分Ｍは、厚さが各１ｍｍの３枚のＳＵＳ板の壁材ｗが、互いに１．５ｍｍの間隔を空けて層状に配置されることで、壁材ｗによって隔てられた複数の空間を有する。そして、図中の左側の空間に排気ガスが流れ、図中の右側の空間に空気が流れる。

〔シミュレーションの設定条件〕
多層構造部分Ｍの一方の空間に流入する排気ガスは、入口温度が４１０℃であり、組成は、ＣＯ_２が５．１％、Ｈ_２Ｏが２２．１％、窒素が６５．２％、酸素が７．６％である。多層構造部分Ｍの他方の空間に流入する空気は、入口温度が１００℃であり、組成は、酸素２１％、窒素７９％である。これらの条件は、以下で運転した場合を想定したものとなっている。即ち、改質器１１に供給される原燃料ガスは天然ガスであり、水蒸気改質におけるＳ／Ｃ＝２．５であり、燃料利用率は８０％であり、空気利用率は４５％である。そして、セルスタックＣＳのＤＣ出力は７７０Ｗであり、平均セル電圧は０．８Ｖである。

各部材の熱伝導率は以下の通りである。
内部断熱材Ｈｉｎ及び外部断熱材Ｈｏｕｔ：０．０３３Ｗ／（ｍ・Ｋ）
多層構造部分Ｍの壁材ｗであるＳＵＳ板：２６．４Ｗ／（ｍ・Ｋ）

境界条件は以下の通りである。
内部断熱材Ｈｉｎの表面（図中の左側）：６００℃等温条件
外部断熱材Ｈｏｕｔの表面（図中の右側）：熱伝達率２０Ｗ／（ｍ^２・Ｋ）、外部温度４０℃
モデルの上下端：排気ガス及び空気の流路部を除き、断熱条件

このときのシミュレーション結果を以下の表１に示す。
実施例及び比較例のモデルにおいて、排気ガス出口温度及び空気出口温度はほぼ同じである。外部断熱材Ｈｏｕｔからの放熱量Ｑ－ｏｕｔは、実施例のモデルで１３２Ｗ／ｍ^２であり、比較例のモデルで１３１Ｗ／ｍ^２である。このように、実施例のモデルでの内部断熱材Ｈｉｎ及び外部断熱材Ｈｏｕｔの合計の厚さ（６３．２ｍｍ）は、比較例のモデルでの内部断熱材Ｈｉｎ及び外部断熱材Ｈｏｕｔの合計の厚さ（７０ｍｍ）よりも薄いにも関わらず、外部断熱材Ｈｏｕｔからの放熱量を十分に抑制できていることが分かる。

内部断熱材Ｈｉｎの表面（図中の左側）を６００℃等温としている（即ち、内部断熱材Ｈｉｎの表面が６００℃になるように入熱量が定まる）が、内部断熱材Ｈｉｎへの入熱量Ｑ－ｉｎは、実施例のモデルで２２６Ｗ／ｍ^２であり、比較例のモデルで１９２Ｗ／ｍ^２というように相違している。これは、実施例のモデルにおいて、内部断熱材Ｈｉｎの厚さは多層構造部分Ｍの温度が高い領域（モデルの排気ガス入口付近）ほど薄く形成されており、その厚さは比較例のモデルの内部断熱材Ｈｉｎよりも薄くなっているため、内部断熱材Ｈｉｎへ熱が入り易くなったためだと考えられる。

尚、図６のように、内部断熱材Ｈｉｎへの入熱量Ｑ－ｉｎを、実施例及び比較例の各モデルにおいて上側入熱量Ｑ－ｈｉｇｈ及び下側入熱量Ｑ－ｌｏｗというように上下に分けて数値化した場合、以下の表２のような数値になる。この表２から分かるように、内部断熱材Ｈｉｎの下側への入熱量Ｑ－ｌｏｗは、実施例（１０６Ｗ／ｍ^２）と比較例（１０７Ｗ／ｍ^２）とでほとんど差が無い。つまり、本実施形態の固体酸化物形燃料電池の構成を考えた場合、収納筐体１の内部空間Ｓの下方に設置されるセルスタックＣＳから内側断熱材の下側へと移動する熱量は、実施例のモデルと比較例のモデルとでほとんど差が無いと言える。従って、実施例のモデルを用いた場合、比較例のモデルと比べてセルスタックＣＳの温度が低下するといった問題及びセルスタックＣＳからの放熱量が増えるといった問題は生じないと言える。

以上のように、本実施形態の固体酸化物形燃料電池では、収納筐体１の多層構造部分Ｍの外面に設けられる外部断熱材Ｈｏｕｔの、その多層構造部分Ｍの外面からの厚さは、多層構造部分Ｍの温度が高い領域ほど厚く形成されている。その結果、上記表２の「外部断熱材Ｈｏｕｔからの放熱量Ｑ－ｏｕｔ」の数値で示したように、多層構造部分Ｍから外側への放熱、特に多層構造部分Ｍの温度が高い領域から外側への放熱が効果的に抑制される。従って、多層構造部分Ｍよりも内側の、収納筐体１の内部空間Ｓの温度低下が抑制される。また、放熱量を増やすことなく、多層構造部分Ｍの内外に設けられる内側断熱材Ｈｉｎ及び外側断熱材Ｈｏｕｔの合計厚さを減らすことができ、収納筐体１の薄型化を実現できる。

＜別実施形態＞
＜１＞
上記実施形態では、固体酸化物形燃料電池の構成について具体例を挙げて説明したが、その構成については適宜変更可能である。
例えば、収納筐体１の内部空間Ｓにおける各機器（改質器１１、セルスタックＣＳ、燃焼部１４など）の設置場所は適宜変更可能である。また、各機器の形状なども適宜変更可能である。

＜２＞
上記実施形態では、同一種類の（即ち、熱伝導率が同一の）外部断熱材Ｈｏｕｔの厚さ及び同一種類の内部断熱材Ｈｉｎの厚さを連続的に変化させる（即ち、各断熱材による断熱効果を連続的に変化させる）場合を説明したが、本発明はそのような場合に限定されない。例えば、図６に例示するように、同一種類の外部断熱材Ｈｏｕｔの厚さ及び同一種類の内部断熱材Ｈｉｎの厚さを段階的に（ステップ状に）変化させることで、断熱材による断熱効果を段階的に変化させてもよい。

或いは、熱伝導率が異なる複数種の断熱材を併せて用いれば、外部断熱材Ｈｏｕｔ及び内部断熱材Ｈｉｎの厚さを変化させずに一様にしながら、外部断熱材Ｈｏｕｔ及び内部断熱材Ｈｉｎの中で断熱効果の高い部分と断熱効果の低い部分とを形成することもできる。例えば、多層構造部分Ｍに面して設けられる外部断熱材Ｈｏｕｔの厚さを一定にしながら、多層構造部分Ｍの温度が高い領域に面して熱伝導率の小さい（即ち、断熱効果の高い）材料を用いた外部断熱材Ｈｏｕｔを設置し、多層構造部分Ｍの温度が低い領域に面して熱伝導率の大きい（即ち、断熱効果の低い）材料を用いた外部断熱材Ｈｏｕｔを設置することができる。また、多層構造部分Ｍに面して設けられる内部断熱材Ｈｉｎの厚さを一定にしながら、多層構造部分Ｍの温度が高い領域に面して熱伝導率の大きい（即ち、断熱効果の低い）材料を用いた内部断熱材Ｈｉｎを設置し、多層構造部分Ｍの温度が低い領域に面して熱伝導率の小さい（即ち、断熱効果の高い）材料を用いた内部断熱材Ｈｉｎを設置することができる。

＜３＞
上記実施形態では、収納筐体１の４つの側面を構成する正面構造体２及び背面構造体３及び右側構造体４及び左側構造体５のそれぞれの多層構造部分Ｍに、多層構造部分Ｍの温度が高い領域ほど断熱効果が高くなるように形成されている外部断熱材Ｈｏｕｔ、及び、多層構造部分Ｍの温度が高い領域ほど断熱効果が低くなるように形成されている内部断熱材Ｈｉｎが設けられる例を説明したが、本発明はそのような例に限定されない。例えば、収納筐体１の正面構造体２及び背面構造体３の合計２面や、右側構造体４及び左側構造体５の合計２面などに上記外部断熱材Ｈｏｕｔ及び上記内部断熱材Ｈｉｎが設けられる構成を採用してもよい。

＜４＞
上記実施形態（別実施形態を含む、以下同じ）で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用でき、また、本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変できる。

本発明は、収納筐体の内部を高温に保つことができ、放熱損失の少ない固体酸化物形燃料電池に利用できる。

１：収納筐体
２ａ：第１正面部材（壁材ｗ）
２ｂ：第２正面部材（壁材ｗ）
２ｃ：第３正面部材（壁材ｗ）
３ａ：第１背面部材（壁材ｗ）
３ｂ：第２背面部材（壁材ｗ）
３ｃ：第３背面部材（壁材ｗ）
４ａ：第１右側部材（壁材ｗ）
４ｂ：第２右側部材（壁材ｗ）
４ｃ：第３右側部材（壁材ｗ）
５ａ：第１左側部材（壁材ｗ）
５ｂ：第２左側部材（壁材ｗ）
５ｃ：第３左側部材（壁材ｗ）
１１：改質器
１４：燃焼部
ＣＳ：セルスタック
Ｈ１：内部正面断熱材（内部断熱材Ｈｉｎ）
Ｈ２：内部背面断熱材（内部断熱材Ｈｉｎ）
Ｈ３：内部右側断熱材（内部断熱材Ｈｉｎ）
Ｈ４：内部左側断熱材（内部断熱材Ｈｉｎ）
Ｈ７：外部正面断熱材（外部断熱材Ｈｏｕｔ）
Ｈ８：外部背面断熱材（外部断熱材Ｈｏｕｔ）
Ｈ９：外部右側断熱材（外部断熱材Ｈｏｕｔ）
Ｈ１０：外部左側断熱材（外部断熱材Ｈｏｕｔ）
Ｈｉｎ：内部断熱材
Ｈｏｕｔ：外部断熱材
Ｍ：多層構造部分
Ｓ：内部空間
ｗ：壁材

Claims

収納筐体と、前記収納筐体の内面に設けられる内部断熱材と、前記収納筐体の外面に設けられる外部断熱材とを備え、
前記収納筐体の前記内部断熱材よりも内側の内部空間に、原燃料を水蒸気改質して燃料ガスを生成する改質器と、前記改質器で生成された燃料ガスを用いて発電する複数の燃料電池セルを有するセルスタックと、前記セルスタックから排出されるオフガスを燃焼して、その燃焼熱を前記改質器に与える燃焼部とを備える固体酸化物形燃料電池であって、
前記収納筐体は、複数の壁材が互いに間隔を空けて層状に配置されることで、前記壁材によって隔てられた複数の空間を有する多層構造部分を有し、
前記多層構造部分において、前記燃焼部で発生した燃焼排ガスを含む排気ガスと、前記セルスタック及び前記燃焼部へ供給される空気とが、複数の前記空間に各別に流れることで、前記排気ガスと前記空気との熱交換が前記壁材を介して行われるように構成され、
前記収納筐体の前記多層構造部分の外面に設けられる前記外部断熱材による断熱効果は、前記多層構造部分の温度が高い領域ほど高くなるように形成されている固体酸化物形燃料電池。
前記収納筐体の前記多層構造部分の外面に設けられる前記外部断熱材の、当該多層構造部分の外面からの厚さは、前記多層構造部分の温度が高い領域ほど厚く形成されている請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池。
前記多層構造部分において、内側の前記空間に前記排気ガスが流れ、外側の前記空間に前記空気が流れる請求項１又は２に記載の固体酸化物形燃料電池。
前記多層構造部分において、前記排気ガスの流れる方向と、前記空気の流れる方向とが対向している請求項１～３の何れか一項に記載の固体酸化物形燃料電池。
前記収納筐体の前記多層構造部分の内面に設けられる前記内部断熱材による断熱効果は、前記多層構造部分の温度が高い領域ほど低くなるように形成されている請求項１～４の何れか一項に記載の固体酸化物形燃料電池。
前記収納筐体の前記多層構造部分の内面に設けられる前記内部断熱材の、当該多層構造部分の内面からの厚さは、前記多層構造部分の温度が高い領域ほど薄く形成されている請求項５に記載の固体酸化物形燃料電池。