(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を複数積層した燃料電池スタックと、
炭化水素を主体とする原燃料と水蒸気との混合ガスを改質し、前記燃料電池スタックに供給される前記燃料ガスを生成する改質器と、
水を蒸発させるとともに、前記水蒸気を前記改質器に供給する蒸発器と、
燃焼ガスとの熱交換により前記酸化剤ガスを昇温させるとともに、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する熱交換器と、
前記燃料電池スタックから排出される前記燃料ガスである燃料排ガスと前記酸化剤ガスである酸化剤排ガスとを燃焼させ、前記燃焼ガスを発生させる排ガス燃焼器と、
前記原燃料と前記酸化剤ガスとを燃焼させて前記燃焼ガスを発生させる起動用燃焼器と、
を備える燃料電池モジュールであって、
前記排ガス燃焼器及び前記起動用燃焼器が構成される第１領域と、
前記改質器又は前記熱交換器の一方が構成されるとともに、前記第１領域を環状に周回する第２領域と、
前記改質器又は前記熱交換器の他方が構成されるとともに、前記第２領域を環状に周回する第３領域と、
前記蒸発器が構成されるとともに、前記第３領域を環状に周回する第４領域と、
を備え、
前記熱交換器は、前記酸化剤ガスが供給される環状の酸化剤ガス供給室、昇温された前記酸化剤ガスが排出される環状の酸化剤ガス排出室、一端が前記酸化剤ガス供給室に連通し且つ他端が前記酸化剤ガス排出室に連通する複数本の熱交換管路、及び前記熱交換管路間に前記燃焼ガスを供給する燃焼ガス通路を備え、
少なくとも１以上の前記熱交換管路には、前記酸化剤ガスを層流から乱流とするための１以上の管路径変化部位又は管路断面積変化部位が設けられ、
前記管路径変化部位又は前記管路断面積変化部位は、前記熱交換管路内での前記酸化剤ガスの助走区間内に設定されることを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池モジュールにおいて、前記改質器は、前記混合ガスが供給される環状の混合ガス供給室、生成された前記燃料ガスが排出される環状の改質ガス排出室、一端が前記混合ガス供給室に連通し且つ他端が前記改質ガス排出室に連通する複数本の改質管路、及び前記改質管路間に前記燃焼ガスを供給する燃焼ガス通路を備え、
少なくとも１以上の前記改質管路には、前記混合ガスを層流から乱流とするための１以上の管路径変化部位又は管路断面積変化部位が設けられ、
前記管路径変化部位又は前記管路断面積変化部位は、前記改質管路内での前記混合ガスの助走区間内に設定されることを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項３】
請求項１又は２記載の燃料電池モジュールにおいて、前記管路径変化部位又は前記管路断面積変化部位は、少なくとも管路長方向に異なる位相、又は管路周方向に螺旋状のいずれかを有することを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記第１領域と前記第２領域との間に配置される第１仕切り板、前記第２領域と前記第３領域との間に配置される第２仕切り板、及び前記第３領域と前記第４領域との間に配置される第３仕切り板を備え、
前記第１仕切り板、前記第２仕切り板及び前記第３仕切り板には、前記燃焼ガスを前記第１領域、前記第２領域、前記第３領域及び前記第４領域に流通させるための第１燃焼ガス連通孔、第２燃焼ガス連通孔及び第３燃焼ガス連通孔が形成されることを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項５】
請求項４記載の燃料電池モジュールにおいて、前記燃焼ガス通路には、管路長方向と直交する方向に沿って、燃焼ガス迂回路形成用バッフル板が配設されることを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項６】
請求項５記載の燃料電池モジュールにおいて、前記燃焼ガス迂回路形成用バッフル板は、いずれか１以上の管路外周との間に燃焼ガス通過用孔部を形成することを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項７】
請求項６記載の燃料電池モジュールにおいて、少なくとも１以上の管路内には、１以上の管路径変化部位又は管路断面積変化部位が設けられるとともに、
前記燃焼ガス通過用孔部は、前記管路径変化部位又は前記管路断面積変化部位に対応する位置に設けられることを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記燃料電池モジュールは、固体酸化物形燃料電池モジュールであることを特徴とする燃料電池モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を複数積層した燃料電池スタックを備える燃料電池モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
通常、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は、固体電解質に酸化物イオン導電体、例えば、安定化ジルコニアを用いており、この固体電解質の両側にアノード電極及びカソード電極を配設した電解質・電極接合体（以下、ＭＥＡともいう）を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持している。この燃料電池は、通常、電解質・電極接合体とセパレータとが所定数だけ積層された燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
この種の燃料電池スタックを組み込むシステムとして、例えば、特許文献１に開示された燃料電池バッテリが知られている。この燃料電池バッテリは、図２３に示すように、燃料電池スタック１ａを備えるとともに、前記燃料電池スタック１ａの一端側には、断熱スリーブ２ａが取り付けられている。断熱スリーブ２ａの内部には、熱交換装置３ａが反応装置４ａ内に組み込まれて配置されている。
【０００４】
反応装置４ａでは、液体燃料の処理として、水を使用しない部分酸化による改質が行われている。液体燃料は、排ガスにより蒸発された後、熱交換装置３ａの一部である送り込み位置５ａを通過している。その際、燃料は、排ガスにより加熱された酸素搬送ガスと接触することにより、部分酸化による改質が行われた後、燃料電池スタック１ａに供給されている。
【０００５】
また、特許文献２に開示された固体酸化物燃料電池は、図２４に示すように、電池コア１ｂを内装して熱交換器２ｂが設けられている。そして、熱交換器２ｂは、排熱によりカソードエアを昇温している。
【０００６】
さらに、特許文献３に開示された燃料電池システムは、図２５に示すように、鉛直円柱状の第１領域１ｃ、その外周側に環状の第２領域２ｃ、その外周側に環状の第３領域３ｃ、その外周側に環状の第４領域４ｃを有している。
【０００７】
第１領域１ｃには、バーナ５ｃが設けられるとともに、第２領域２ｃには、改質管６ｃが設けられている。第３領域３ｃには、水蒸発器７ｃが設けられ、第４領域４ｃには、ＣＯ変成器８ｃが設けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００１−２３６９８０号公報
【特許文献２】特表２０１０−５０４６０７号公報
【特許文献３】特開２００４−２８８４３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、上記の特許文献１では、熱交換装置３ａが環状のチャンバで熱交換を行っている。従って、熱交換効率の向上を図る際には、例えば、乱流を発生させるために、フィン等を新たに設定する必要がある。しかしながら、環状のチャンバにフィン等が配置されると、圧損が増加してしまい、効率的な熱交換が遂行されないという問題がある。
【００１０】
また、上記の特許文献２では、熱交換器２ｂが円筒状を有し同軸に配置された複数のプレートにより構成されている。このため、熱交換効率の向上を図る際には、例えば、フィン等を新たに設定する必要があり、圧損が増加するという問題がある。
【００１１】
さらに、上記の特許文献３では、熱交換効率が不足する際に、設計変更を行うことなく良好に熱交換効率や伝熱面積を向上させることができないという問題がある。
【００１２】
本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単且つコンパクトな構成で、熱交換効率を良好に向上させることが可能な燃料電池モジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を複数積層した燃料電池スタックと、炭化水素を主体とする原燃料と水蒸気との混合ガスを改質し、前記燃料電池スタックに供給される前記燃料ガスを生成する改質器と、水を蒸発させるとともに、前記水蒸気を前記改質器に供給する蒸発器と、燃焼ガスとの熱交換により前記酸化剤ガスを昇温させるとともに、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する熱交換器と、前記燃料電池スタックから排出される前記燃料ガスである燃料排ガスと前記酸化剤ガスである酸化剤排ガスとを燃焼させ、前記燃焼ガスを発生させる排ガス燃焼器と、前記原燃料と前記酸化剤ガスとを燃焼させて前記燃焼ガスを発生させる起動用燃焼器とを備える燃料電池モジュールに関するものである。
【００１４】
この燃料電池モジュールでは、排ガス燃焼器及び起動用燃焼器が構成される第１領域と、改質器又は熱交換器の一方が構成されるとともに、前記第１領域を環状に周回する第２領域と、前記改質器又は前記熱交換器の他方が構成されるとともに、前記第２領域を環状に周回する第３領域と、蒸発器が構成されるとともに、前記第３領域を環状に周回する第４領域とを備えている。
【００１５】
熱交換器は、酸化剤ガスが供給される環状の酸化剤ガス供給室、昇温された前記酸化剤ガスが排出される環状の酸化剤ガス排出室、一端が前記酸化剤ガス供給室に連通し且つ他端が前記酸化剤ガス排出室に連通する複数本の熱交換管路、及び前記熱交換管路間に燃焼ガスを供給する燃焼ガス通路を備えている。そして、少なくとも１以上の熱交換管路には、前記酸化剤ガスを層流から乱流とするための１以上の管路径変化部位又は管路断面積変化部位が設けられている。
【００１６】
また、この燃料電池モジュールでは、改質器は、混合ガスが供給される環状の混合ガス供給室、生成された燃料ガスが排出される環状の改質ガス排出室、一端が前記混合ガス供給室に連通し且つ他端が前記改質ガス排出室に連通する複数本の改質管路、及び前記改質管路間に燃焼ガスを供給する燃焼ガス通路を備え、少なくとも１以上の前記改質管路には、前記混合ガスを層流から乱流とするための１以上の管路径変化部位又は管路断面積変化部位が設けられることが好ましい。
【００１７】
このため、構造の簡素化が容易に図られ、製造コストが有効に削減される。しかも、混合ガス供給室及び改質ガス排出室の容積や管路長、管路径及び管路数を変更することにより、広範な運転条件に良好に対応することができ、設計自由度の向上が図られる。
【００１８】
その上、改質管路内を流通する混合ガスは、層流から乱流に遷移する。従って、混合ガスは、燃焼ガスからの授熱量が増加し、熱交換効率が良好に向上するとともに、所望の熱交換効率に制御することができる。
【００１９】
さらに、この燃料電池モジュールでは、管路径変化部位又は管路断面積変化部位は、少なくとも管路長方向に異なる位相、又は管路周方向に螺旋状のいずれかを有することが好ましい。これにより、管路内を流通する流体（酸化剤ガス、混合ガス）は、層流から乱流に遷移する部位が分散される。一方、燃焼ガスは、偏流が抑制される。このため、流体の受熱量及び受熱部位が増加し、熱交換効率が有効に向上する。
【００２０】
さらにまた、この燃料電池モジュールでは、管路径変化部位又は管路断面積変化部位は、管路内での流体の助走区間内に設定されることが好ましい。ここで、流体は、管路内を下流に進むに従い、粘性によって壁面の流速が０になるため、境界層が発達し、流速分布が放物線となる。この境界層が発達する区間を助走区間という。従って、流体の熱伝達率の低下を抑制することが可能になり、熱交換効率が良好に向上する。
【００２１】
また、この燃料電池モジュールでは、第１領域と第２領域との間に配置される第１仕切り板、前記第２領域と第３領域との間に配置される第２仕切り板、及び前記第３領域と第４領域との間に配置される第３仕切り板を備え、前記第１仕切り板、前記第２仕切り板及び前記第３仕切り板には、燃焼ガスを前記第１領域、前記第２領域、前記第３領域及び前記第４領域に流通させるための第１燃焼ガス連通孔、第２燃焼ガス連通孔及び第３燃焼ガス連通孔が形成されることが好ましい。
【００２２】
これにより、燃焼ガスの吹き抜けを良好に抑制することができ、熱効率が一層向上するとともに、熱自立の促進が確実に図られる。ここで、熱自立とは、外部から熱を加えることなく自ら発生する熱のみで燃料電池の動作温度を維持することをいう。
【００２３】
しかも、第２領域、第３領域及び第４領域における熱交換効率、耐久性、小型化等の優先度に応じて、第１燃焼ガス連通孔、第２燃焼ガス連通孔及び第３燃焼ガス連通孔の位置を設定することが可能になる。このため、熱交換効率を任意に設定することができ、設計自由度の向上が図られる。
【００２４】
さらに、この燃料電池モジュールでは、燃焼ガス通路には、管路長方向と直交する方向に沿って、燃焼ガス迂回路形成用バッフル板が配設されることが好ましい。従って、燃焼ガスの吹き抜けを良好に抑制することが可能になるとともに、前記燃焼ガスの流通経路を長尺化することができる。これにより、燃焼ガスからの授熱量が増加し、熱交換効率が一層向上する。
【００２５】
さらにまた、この燃料電池モジュールでは、燃焼ガス迂回路形成用バッフル板は、いずれか１以上の管路外周との間に燃焼ガス通過用孔部を形成することが好ましい。これにより、燃焼ガス通過用孔部を介して、燃焼ガスの偏流及び吹き抜けを抑制することが可能になるとともに、前記燃焼ガスの流通経路を長尺化することができ、前記燃焼ガスからの授熱量が増加し、熱交換効率が向上する。
【００２６】
また、この燃料電池モジュールでは、少なくとも１以上の管路内には、１以上の管路径変化部位又は管路断面積変化部位が設けられるとともに、燃焼ガス通過用孔部は、前記管路径変化部位又は前記管路断面積変化部位に対応する位置に設けられることが好ましい。
【００２７】
このため、管路内の流体に乱流が発生する部位と燃焼ガス通過用孔部を流通する燃焼ガスに乱流が発生する部位とは、近接する。従って、流体の受熱量が増加し、熱交換効率が有効に向上する。
【００２８】
さらに、この燃料電池モジュールは、固体酸化物形燃料電池モジュールであることが好ましい。これにより、特にＳＯＦＣ等の高温型燃料電池に最適である。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、排ガス燃焼器及び起動用燃焼器が構成される第１領域を中心にして、それぞれ環状の第２領域、第３領域及び第４領域が外方向に向かって、順次、設けられている。このため、高温及び熱需要が大きな機器を内側に設置する一方、低温及び熱需要の小さな機器を外側に設定することができる。従って、熱効率の向上が図られて熱自立が促進されるとともに、簡単且つコンパクトに構成することが可能になる。
【００３０】
さらに、熱交換器は、環状の酸化剤ガス供給室、環状の酸化剤ガス排出室及び複数本の熱交換管路を基本的な構成にすることにより、構造の簡素化が容易に図られる。これにより、製造コストが有効に削減される。しかも、酸化剤ガス供給室及び酸化剤ガス排出室の容積や管路長、管路径及び管路数を変更することにより、広範な運転条件に良好に対応することができ、設計自由度の向上が図られる。
【００３１】
その上、少なくとも１以上の熱交換管路には、１以上の管路径変化部位又は管路断面積変化部位が設けられている。このため、熱交換管路内を流通する酸化剤ガスは、層流から乱流に遷移する。従って、酸化剤ガスは、燃焼ガスからの授熱量が増加し、熱交換効率が良好に向上するとともに、所望の熱交換効率に制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池モジュールが組み込まれる燃料電池システムの概略構成説明図である。
【図２】前記燃料電池モジュールを構成するＦＣ周辺機器の一部省略斜視説明図である。
【図３】前記ＦＣ周辺機器の要部分解斜視説明図である。
【図４】前記ＦＣ周辺機器の要部拡大斜視説明図である。
【図５】前記ＦＣ周辺機器内における温度分布の説明図である。
【図６】前記ＦＣ周辺機器内の燃焼ガス流通状態の説明図である。
【図７】内径が一定である熱交換管路内の層流発生の説明図である。
【図８】図７の前記熱交換管路内の熱伝達率の説明図である。
【図９】第１の実施形態の熱交換管路内の乱流発生の説明図である。
【図１０】図９の前記熱交換管路内の熱伝達率の説明図である。
【図１１】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池モジュールを構成するＦＣ周辺機器の一部省略斜視説明図である。
【図１２】前記ＦＣ周辺機器内の燃焼ガス流通状態の説明図である。
【図１３】前記熱交換管路と燃焼ガス迂回路形成用バッフル板との説明図である。
【図１４】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池モジュールが組み込まれる燃料電池システムの概略構成説明図である。
【図１５】前記燃料電池モジュールを構成するＦＣ周辺機器の一部省略斜視説明図である。
【図１６】前記ＦＣ周辺機器内の燃焼ガス流通状態の説明図である。
【図１７】本発明の第４の実施形態に係る燃料電池モジュールを構成するＦＣ周辺機器の一部省略斜視説明図である。
【図１８】本発明の第５の実施形態に係る燃料電池モジュールを構成するＦＣ周辺機器の一部省略斜視説明図である。
【図１９】別の管路の説明図である。
【図２０】前記別の管路の、図１９中、ＸＸ−ＸＸ線断面図である。
【図２１】さらに別の管路の説明図である。
【図２２】前記さらに別の管路の、図２１中、ＸＸＩＩ−ＸＸＩＩ線断面図である。
【図２３】特許文献１に開示されている燃料電池バッテリの概略説明図である。
【図２４】特許文献２に開示されている固体酸化物燃料電池の一部切り欠き斜視説明図である。
【図２５】特許文献３に開示されている燃料電池システムの概略説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
図１に示すように、燃料電池システム１０は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池モジュール１２を組み込むとともに、定置用の他、車載用等の種々の用途に用いられる。
【００３４】
燃料電池システム１０は、燃料ガス（水素ガスにメタン、一酸化炭素が混合した気体）と酸化剤ガス（空気）との電気化学反応により発電する燃料電池モジュール（ＳＯＦＣモジュール）１２と、前記燃料電池モジュール１２に原燃料（例えば、都市ガス）を供給する原燃料供給装置（燃料ガスポンプを含む）１４と、前記燃料電池モジュール１２に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置（空気ポンプを含む）１６と、前記燃料電池モジュール１２に水を供給する水供給装置（水ポンプを含む）１８と、前記燃料電池モジュール１２の発電量を制御する制御装置２０とを備える。
【００３５】
燃料電池モジュール１２は、複数の固体酸化物形の燃料電池２２が鉛直方向（又は水平方向）に積層される固体酸化物形の燃料電池スタック２４を備える。燃料電池２２は、例えば、安定化ジルコニア等の酸化物イオン導電体で構成される電解質２６の両面に、カソード電極２８及びアノード電極３０が設けられた電解質・電極接合体（ＭＥＡ）３２を備える。
【００３６】
電解質・電極接合体３２の両側には、カソード側セパレータ３４とアノード側セパレータ３６とが配設される。カソード側セパレータ３４には、カソード電極２８に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路３８が形成されるとともに、アノード側セパレータ３６には、アノード電極３０に燃料ガスを供給する燃料ガス流路４０が形成される。なお、燃料電池２２としては、従来より使用されている種々のＳＯＦＣを用いることができる。
【００３７】
燃料電池２２は、作動温度が数百℃と高温であり、アノード電極３０では、燃料ガス中のメタンが改質されて水素、ＣＯが得られ、この水素、ＣＯが電解質２６の前記アノード電極３０側に供給される。
【００３８】
燃料電池スタック２４には、各酸化剤ガス流路３８の入口側に一体に連通する酸化剤ガス入口連通孔４２ａ、前記酸化剤ガス流路３８の出口側に一体に連通する酸化剤ガス出口連通孔４２ｂ、各燃料ガス流路４０の入口側に一体に連通する燃料ガス入口連通孔４４ａ、及び前記燃料ガス流路４０の出口側に一体に連通する燃料ガス出口連通孔４４ｂが設けられる。
【００３９】
燃料電池モジュール１２は、炭化水素を主体とする原燃料（例えば、都市ガス）と水蒸気との混合ガスを改質し、燃料電池スタック２４に供給される燃料ガスを生成する改質器４６と、水を蒸発させるとともに、前記水蒸気を前記改質器４６に供給する蒸発器４８と、燃焼ガスとの熱交換により酸化剤ガスを昇温させるとともに、前記燃料電池スタック２４に前記酸化剤ガスを供給する熱交換器５０と、前記燃料電池スタック２４から排出される前記燃料ガスである燃料排ガスと前記酸化剤ガスである酸化剤排ガスとを燃焼させ、前記燃焼ガスを発生させる排ガス燃焼器５２と、前記原燃料と前記酸化剤ガスとを燃焼させて前記燃焼ガスを発生させる起動用燃焼器５４とを備える。
【００４０】
燃料電池モジュール１２は、基本的には、燃料電池スタック２４とＦＣ周辺機器（ＢＯＰ）５６とにより構成される。このＦＣ周辺機器５６は、改質器４６、蒸発器４８、熱交換器５０、排ガス燃焼器５２及び起動用燃焼器５４を備える。
【００４１】
図２に示すように、ＦＣ周辺機器５６は、排ガス燃焼器５２及び起動用燃焼器５４が構成される、例えば、開口形状円形の第１領域Ｒ１と、熱交換器５０が構成されるとともに、前記第１領域Ｒ１を環状に周回する第２領域Ｒ２と、改質器４６が構成されるとともに、前記第２領域Ｒ２を環状に周回する第３領域Ｒ３と、蒸発器４８が構成されるとともに、前記第３領域Ｒ３を環状に周回する第４領域Ｒ４とを備える。
【００４２】
図２及び図３に示すように、起動用燃焼器５４は、空気供給管５７及び原燃料供給管５８を備える。起動用燃焼器５４は、エゼクタ機能を有し、空気供給管５７から導入される空気流により原燃料供給管５８に負圧を発生させて、原燃料を吸引する。
【００４３】
ＦＣ周辺機器５６は、図２及び図４に示すように、第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２との間に配置される第１仕切り板６０ａ、前記第２領域Ｒ２と第３領域Ｒ３との間に配置される第２仕切り板６０ｂ及び前記第３領域Ｒ３と第４領域Ｒ４との間に配置される第３仕切り板６０ｃとを備える。第４領域Ｒ４の外周には、外板である第４仕切り板６０ｄが設けられる。第１仕切り板６０ａ〜第４仕切り板６０ｄは、例えば、ステンレス鋼板で形成される。
【００４４】
図２及び図３に示すように、排ガス燃焼器５２は、起動用燃焼器５４を収容する第１仕切り板６０ａ内に構成される。第１仕切り板６０ａは、円筒形状を有しており、前記第１仕切り板６０ａの外周部には、燃料電池スタック２４側の端部に近接して複数の第１燃焼ガス連通孔６２ａが形成される。
【００４５】
第２仕切り板６０ｂには、燃料電池スタック２４とは反対側の端部に近接して複数の第２燃焼ガス連通孔６２ｂが形成される。第３仕切り板６０ｃには、燃料電池スタック２４側の端部に近接して複数の第３燃焼ガス連通孔６２ｃが形成される。第４仕切り板６０ｄには、燃料電池スタック２４とは反対側の端部に近接して複数の第４燃焼ガス連通孔６２ｄが形成される。第４燃焼ガス連通孔６２ｄは、燃焼ガスを外部に排出する。
【００４６】
第１仕切り板６０ａには、酸化剤排ガス通路６３ａの一端と燃料排ガス通路６３ｂの一端とが配置される。第１仕切り板６０ａ内では、燃料ガス（具体的には、燃料排ガス）と酸化剤ガス（具体的には、酸化剤排ガス）との燃焼反応により、燃焼ガスが生成される。
【００４７】
図１に示すように、酸化剤排ガス通路６３ａの他端は、燃料電池スタック２４の酸化剤ガス出口連通孔４２ｂに接続されるとともに、燃料排ガス通路６３ｂの他端は、前記燃料電池スタック２４の燃料ガス出口連通孔４４ｂに接続される。
【００４８】
図２及び図３に示すように、熱交換器５０は、第１仕切り板６０ａの外周に配設される複数本の熱交換管路（伝熱パイプ）６４を備える。熱交換管路６４の一端部（燃料電池スタック２４とは反対側の他方の端部、以下同様）は、後述する酸化剤ガス供給室７０ａを構成する第１内側リング６６ａに固定されるとともに、前記熱交換管路６４の他端部（燃料電池スタック２４側の一方の端部、以下同様）は、後述する酸化剤ガス排出室７０ｂを構成する第１内側リング６６ｂに固定される。
【００４９】
図２、図３及び図５に示すように、少なくとも１以上の熱交換管路６４には、１以上の管路径変化部位又は管路断面積変化部位である絞り部位６４ａが設けられる。絞り部位６４ａは、熱交換管路６４の外周部に絞り成形（潰し加工）を施すことにより、内径が縮径された管路径変化部位又は管路断面積変化部位が形成される。
【００５０】
第１の実施形態では、全ての熱交換管路６４には、それぞれ複数の絞り部位６４ａが設けられているが、これに限定されるものではない。絞り部位６４ａは、予め設定された、又は、所望の熱交換効率が得られる箇所に配置された、所定数の熱交換管路６４のみに設けることが可能である。
【００５１】
各絞り部位６４ａは、熱交換管路６４の管路長方向に同一位相を有する位置（同一高さ位置）に設けられる。なお、各絞り部位６４ａは、管路長方向に異なる位相を有する位置（異なる高さ位置）に設けられるとともに、前記熱交換管路６４自体に捻れを付与することにより、管路周方向に螺旋状を有していてもよい。
【００５２】
絞り部位６４ａは、熱交換管路６４の管路内の酸化剤ガス（流体）の助走区間内の所定の位置に設定される。図５に示すように、絞り部位６４ａは、熱交換管路６４の酸化剤ガス入口端部から下流側（矢印Ａ２方向）に距離Ｌだけ離間した位置に設定される。距離Ｌ≦０．０６５Ｒｅ×ｄに設定される。なお、Ｒｅはレイノルズ数、ｄは熱交換管路６４の直径である。
【００５３】
第１内側リング６６ａ、６６ｂの外方には、第１外側リング６８ａ、６８ｂが配設される。第１内側リング６６ａ、６６ｂ及び第１外側リング６８ａ、６８ｂは、第１仕切り板６０ａの外周面と第２仕切り板６０ｂの内周面とに固着される。
【００５４】
第１内側リング６６ａと第１外側リング６８ａとの間には、酸化剤ガスが供給される環状の酸化剤ガス供給室７０ａが形成される。第１内側リング６６ｂと第１外側リング６８ｂとの間には、昇温された酸化剤ガスが排出される環状の酸化剤ガス排出室７０ｂが形成される（図２〜図４参照）。熱交換管路６４の両端は、酸化剤ガス供給室７０ａと酸化剤ガス排出室７０ｂとに開放される。
【００５５】
図２及び図３に示すように、酸化剤ガス供給室７０ａには、酸化剤ガス供給管７２が配設される。酸化剤ガス排出室７０ｂには、酸化剤ガス通路７４の一端が配設されるとともに、前記酸化剤ガス通路７４の他端は、燃料電池スタック２４の酸化剤ガス入口連通孔４２ａに接続される（図１参照）。
【００５６】
改質器４６は、都市ガス（原燃料）中に含まれるエタン（Ｃ２Ｈ６）、プロパン（Ｃ３Ｈ８）及びブタン（Ｃ４Ｈ１０）等の高級炭化水素（Ｃ２＋）を、主としてメタン（ＣＨ４）、水素、ＣＯを含む燃料ガスに水蒸気改質するための予備改質器であり、数百℃の作動温度に設定される。
【００５７】
改質器４６は、図２及び図３に示すように、熱交換器５０の外周に配設される複数本の改質管路（伝熱パイプ）７６を備える。改質管路７６の一端部は、第２内側リング７８ａに固定されるとともに、前記改質管路７６の他端部は、第２内側リング７８ｂに固定される。
【００５８】
図２、図３及び図５に示すように、少なくとも１以上の改質管路７６には、１以上の管路径変化部位又は管路断面積変化部位である絞り部位７６ａが設けられる。絞り部位７６ａは、改質管路７６の外周部に絞り成形（潰し加工）を施すことにより、内径が縮径された管路径変化部位又は管路断面積変化部位が形成される。
【００５９】
第１の実施形態では、全ての改質管路７６には、それぞれ複数の絞り部位７６ａが設けられているが、これに限定されるものではない。絞り部位７６ａは、予め設定された、又は、所望の熱交換効率が得られる箇所に配置された、所定数の改質管路７６のみに設けることが可能である。
【００６０】
各絞り部位７６ａは、改質管路７６の管路長方向に同一位相を有する位置（同一高さ位置）に設けられる。なお、各絞り部位７６ａは、管路長方向に異なる位相を有する位置（異なる高さ位置）に設けられるとともに、前記改質管路７６自体に捻れを付与することにより、管路周方向に螺旋状を有してもよい。絞り部位７６ａは、改質管路７６の管路内の混合ガス（流体）の助走区間内の所定の位置に設定される。図５に示すように、絞り部位７６ａは、改質管路７６の混合ガス入口端部から下流側（矢印Ａ２方向）に距離Ｌ０だけ離間した位置に設定される。距離Ｌ０≦０．０６５Ｒｅ×ｄ０に設定される。なお、Ｒｅはレイノルズ数、ｄ０は改質管路７６の直径である。
【００６１】
第２内側リング７８ａ、７８ｂの外方には、第２外側リング８０ａ、８０ｂが配設される。第２内側リング７８ａ、７８ｂ及び第２外側リング８０ａ、８０ｂは、第２仕切り板６０ｂの外周面と第３仕切り板６０ｃの内周面とに固着される。
【００６２】
第２内側リング７８ａと第２外側リング８０ａとの間には、混合ガス（原燃料と水蒸気）が供給される環状の混合ガス供給室８２ａが形成される。第２内側リング７８ｂと第２外側リング８０ｂとの間には、生成された燃料ガス（改質ガス）が排出される環状の改質ガス排出室８２ｂが形成される。改質管路７６の両端は、混合ガス供給室８２ａと改質ガス排出室８２ｂとに開放される。各改質管路７６は、内周面に改質触媒８４が担持される。
【００６３】
図２及び図３に示すように、混合ガス供給室８２ａには、原燃料供給路８８が接続されるとともに、前記原燃料供給路８８の途上には、後述する蒸発リターン管路１０２が接続される。改質ガス排出室８２ｂには、燃料ガス通路９０の一端が連通するとともに、前記燃料ガス通路９０の他端は、燃料電池スタック２４の燃料ガス入口連通孔４４ａに連通する（図１参照）。
【００６４】
蒸発器４８は、改質器４６の外周に配設される複数本の蒸発管路（伝熱パイプ）９２を備える。蒸発管路９２の一端部は、第３内側リング９４ａに固定されるとともに、前記蒸発管路９２の他端部は、第３内側リング９４ｂに固定される。
【００６５】
第３内側リング９４ａ、９４ｂの外方には、第３外側リング９６ａ、９６ｂが配設される。第３内側リング９４ａ、９４ｂ及び第３外側リング９６ａ、９６ｂは、第３仕切り板６０ｃの外周面と第４仕切り板６０ｄの内周面とに固着される。
【００６６】
第３内側リング９４ａと第３外側リング９６ａとの間には、水が供給される環状の水供給室９８ａが形成される。第３内側リング９４ｂと第３外側リング９６ｂとの間には、水蒸気が排出される環状の水蒸気排出室９８ｂが形成される。蒸発管路９２の両端は、水供給室９８ａと水蒸気排出室９８ｂとに開放される。
【００６７】
水供給室９８ａには、水通路１００が配設される。水蒸気排出室９８ｂには、少なくとも１本以上の蒸発管路９２により構成される蒸発リターン管路１０２の一端が配設されるとともに、前記蒸発リターン管路１０２の他端は、原燃料供給路８８の途上に接続される（図１参照）。原燃料供給路８８は、エゼクタ機能を有しており、流通される原燃料によって負圧を発生させ、水蒸気の吸引を行う。
【００６８】
少なくとも第１領域Ｒ１、第２領域Ｒ２、第３領域Ｒ３又は第４領域Ｒ４の１つ（特に、高熱に曝され易い領域）には、熱による応力を緩和するための応力緩和部１０３が設けられる。
【００６９】
応力緩和部１０３は、少なくとも酸化剤ガス排出室７０ｂ、改質ガス排出室８２ｂ又は水蒸気排出室９８ｂの１つ、第１の実施形態では、これらの全てを構成する内側リング６６ｂ、７８ｂ及び９４ｂと外側リング６８ｂ、８０ｂ及び９６ｂとに設けられる（図４参照）。
【００７０】
応力緩和部１０３は、さらに少なくとも酸化剤ガス供給室７０ａ、混合ガス供給室８２ａ及び水供給室９８ａの１つ、第１の実施形態では、これらの全てを構成する内側リング６６ａ、７８ａ及び９４ａと外側リング６８ａ、８０ａ及び９６ａとに設けられる（図２参照）。内側リング６６ａ、６６ｂ、７８ａ、７８ｂ、９４ａ及び９４ｂと外側リング６８ａ、６８ｂ、８０ａ、８０ｂ、９６ａ及び９６ｂとは、例えば、ステンレス鋼板で形成される。
【００７１】
特に、高温の燃焼ガスに曝される酸化剤ガス排出室７０ｂでは、図４に示すように、内側リング６６ｂの内周部及び外周部には、断面形状半円を有する内周湾曲部位１０３ａｉ及び外周湾曲部位１０３ａｏが設けられる。酸化剤ガス排出室７０ｂでは、外側リング６８ｂの内周部及び外周部には、同様に断面形状半円を有する内周湾曲部位１０３ｂｉ及び外周湾曲部位１０３ｂｏが設けられる。
【００７２】
内周湾曲部位１０３ａｉ、１０３ｂｉ及び外周湾曲部位１０３ａｏ、１０３ｂｏは、変位を吸収する低剛性のばねとして機能することにより、応力緩和部１０３が構成される。なお、内周湾曲部位１０３ａｉ、１０３ｂｉ又は外周湾曲部位１０３ａｏ、１０３ｂｏの一方のみを設けてもよい。また、他の内側リング６６ａ、７８ａ、７８ｂ、９４ａ及び９４ｂと外側リング６８ａ、８０ａ、８０ｂ、９６ａ及び９６ｂとは、上記の内側リング６６ｂ及び外側リング６８ｂと同様に構成されており、その詳細な説明は省略する。
【００７３】
図１に示すように、原燃料供給装置１４は、原燃料通路１０４を備える。原燃料通路１０４は、原燃料用調整弁１０６を介して原燃料供給路８８と原燃料供給管５８とに分岐する。原燃料供給路８８には、都市ガス（原燃料）中に含まれる硫黄化合物を除去するための脱硫器１０８が配設される。
【００７４】
酸化剤ガス供給装置１６は、酸化剤ガス通路１１０を備える。酸化剤ガス通路１１０は、酸化剤ガス用調整弁１１２を介して酸化剤ガス供給管７２と空気供給管５７とに分岐する。水供給装置１８は、水通路１００を介して蒸発器４８に接続される。
【００７５】
図６に概略的に示すように、第１領域Ｒ１には、燃焼ガスが流通する第１燃焼ガス通路１１６ａが形成され、第２領域Ｒ２には、前記燃焼ガスが矢印Ａ１方向に流通する第２燃焼ガス通路１１６ｂが形成され、第３領域Ｒ３には、前記燃焼ガスが矢印Ａ２方向に流通する第３燃焼ガス通路１１６ｃが形成され、第４領域Ｒ４には、前記燃焼ガスが矢印Ａ１方向に流通する第４燃焼ガス通路１１６ｄが形成される。
【００７６】
このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。
【００７７】
燃料電池システム１０の起動時には、空気（酸化剤ガス）及び原燃料が起動用燃焼器５４に供給される。具体的には、酸化剤ガス供給装置１６では、空気ポンプの駆動作用下に酸化剤ガス通路１１０に空気が供給される。この空気は、酸化剤ガス用調整弁１１２の開度調整作用下に、空気供給管５７に供給される。
【００７８】
一方、原燃料供給装置１４では、燃料ガスポンプの駆動作用下に原燃料通路１０４に、例えば、都市ガス（ＣＨ４、Ｃ２Ｈ６、Ｃ３Ｈ８、Ｃ４Ｈ１０を含む）等の原燃料が供給される。原燃料は、原燃料用調整弁１０６の開度調整作用下に、原燃料供給管５８に導入される。この原燃料は、空気と混合されるとともに、起動用燃焼器５４内に供給される（図２参照）。
【００７９】
このため、起動用燃焼器５４内には、原燃料と空気との混合ガスが供給され、この混合ガスが着火されることにより、燃焼が開始される。従って、起動用燃焼器５４に直接接続されている排ガス燃焼器５２では、前記起動用燃焼器５４から第１仕切り板６０ａに燃焼ガスが供給される。
【００８０】
図６に示すように、第１仕切り板６０ａには、燃料電池スタック２４側の端部に近接して複数の第１燃焼ガス連通孔６２ａが形成されている。これにより、第１仕切り板６０ａの内部に供給された燃焼ガスは、複数の第１燃焼ガス連通孔６２ａを通過して、第１領域Ｒ１から第２領域Ｒ２に導入される。
【００８１】
燃焼ガスは、第２領域Ｒ２を矢印Ａ１方向に流通した後、第２仕切り板６０ｂに形成された複数の第２燃焼ガス連通孔６２ｂを通って第３領域Ｒ３に導入される。第３領域Ｒ３では、燃焼ガスは、矢印Ａ２方向に流通した後、第３仕切り板６０ｃに形成された複数の第３燃焼ガス連通孔６２ｃを通って第４領域Ｒ４に導入される。燃焼ガスは、第４領域Ｒ４を矢印Ａ１方向に流通した後、第４仕切り板６０ｄに形成された第４燃焼ガス連通孔６２ｄから外部に排出される。
【００８２】
その際、第２領域Ｒ２には、熱交換器５０が配置されており、第３領域Ｒ３には、改質器４６が配置されており、第４領域Ｒ４には、蒸発器４８が配置されている。このため、第１領域Ｒ１から排出される燃焼ガスは、熱交換器５０、改質器４６及び蒸発器４８の順に加熱する。
【００８３】
そして、燃料電池モジュール１２が設定温度に昇温されると、熱交換器５０に酸化剤ガスが供給される一方、改質器４６には、原燃料及び水蒸気の混合ガスが供給される。
【００８４】
具体的には、酸化剤ガス用調整弁１１２の開度が調整されて、酸化剤ガス供給管７２への空気供給量が増加されるとともに、原燃料用調整弁１０６の開度が調整されて、原燃料供給路８８への原燃料供給量が増加される。また、水供給装置１８の作用下に、水通路１００に水が供給される。
【００８５】
従って、図２及び図３に示すように、熱交換器５０に導入された空気は、酸化剤ガス供給室７０ａに一旦供給された後、複数の熱交換管路６４内を移動する間に、第２領域Ｒ２に導入された燃焼ガスにより加熱（熱交換）される。加熱された空気は、一旦酸化剤ガス排出室７０ｂに供給された後、酸化剤ガス通路７４を介して燃料電池スタック２４の酸化剤ガス入口連通孔４２ａに供給される（図１参照）。
【００８６】
燃料電池スタック２４では、加熱された空気は、酸化剤ガス流路３８を流通した後、酸化剤ガス出口連通孔４２ｂから酸化剤排ガス通路６３ａに排出される。酸化剤排ガス通路６３ａは、排ガス燃焼器５２を構成する第１仕切り板６０ａの内部に開口しており、前記第１仕切り板６０ａ内に酸化剤排ガスが導入される。
【００８７】
また、図１に示すように、水供給装置１８から供給される水は、蒸発器４８に供給されるとともに、脱硫器１０８で脱硫された原燃料は、原燃料供給路８８を流通して改質器４６に向かう。
【００８８】
蒸発器４８では、水が一旦水供給室９８ａに供給された後、複数本の蒸発管路９２内を移動する間、第４領域Ｒ４を流通する燃焼ガスにより昇温されて、水蒸気化される。この水蒸気は、水蒸気排出室９８ｂに一旦導入された後、前記水蒸気排出室９８ｂに連通する蒸発リターン管路１０２に供給される。これにより、水蒸気は、蒸発リターン管路１０２内を流通して原燃料供給路８８に導入され、原燃料と混合して混合ガスが得られる。
【００８９】
混合ガスは、原燃料供給路８８から改質器４６を構成する混合ガス供給室８２ａに一旦供給される。混合ガスは、複数の改質管路７６内を移動する。その間に、混合ガスは、第３領域Ｒ３を流通する燃焼ガスにより加熱されるとともに、改質触媒８４を介して水蒸気改質され、Ｃ２＋の炭化水素が除去（改質）されてメタンを主成分とする改質ガスが得られる。
【００９０】
この改質ガスは、加熱された燃料ガスとして、一旦改質ガス排出室８２ｂに供給された後、燃料ガス通路９０を介して燃料電池スタック２４の燃料ガス入口連通孔４４ａに供給される（図１参照）。
【００９１】
燃料電池スタック２４では、加熱された燃料ガスは、燃料ガス流路４０を流通した後、燃料ガス出口連通孔４４ｂから燃料排ガス通路６３ｂに排出される。燃料排ガス通路６３ｂは、排ガス燃焼器５２を構成する第１仕切り板６０ａの内部に開口しており、前記第１仕切り板６０ａ内に燃料排ガスが導入される。
【００９２】
なお、起動用燃焼器５４による昇温作用下に、排ガス燃焼器５２内が燃料ガスの自己着火温度を超えると、第１仕切り板６０ａ内で酸化剤排ガスと燃料排ガスとによる燃焼が開始される。
【００９３】
この場合、第１の実施形態では、ＦＣ周辺機器５６は、排ガス燃焼器５２及び起動用燃焼器５４が構成される第１領域Ｒ１と、熱交換器５０が構成されるとともに、前記第１領域Ｒ１を環状に周回する第２領域Ｒ２と、改質器４６が構成されるとともに、前記第２領域Ｒ２を環状に周回する第３領域Ｒ３と、蒸発器４８が構成されるとともに、前記第３領域Ｒ３を環状に周回する第４領域Ｒ４とを備えている。
【００９４】
すなわち、第１領域Ｒ１を中心にして、それぞれ環状の第２領域Ｒ２、第３領域Ｒ３及び第４領域Ｒ４が外方向に向かって、順次、設けられている。このため、高温及び熱需要が大きな機器、例えば、熱交換器５０（及び改質器４６）を内側に設置する一方、低温及び熱需要の小さな機器、例えば、蒸発器４８を外側に設定することができる。
【００９５】
熱交換器５０は、例えば、５５０℃〜６５０℃の温度が必要であるとともに、改質器４６は、５５０℃〜６００℃の温度が必要である。一方、蒸発器４８は、１５０℃〜２００℃の温度が必要である。
【００９６】
従って、熱効率の向上が図られて熱自立が促進されるとともに、簡単且つコンパクトに構成することが可能になるという効果が得られる。特に、改質器４６の内方に熱交換器５０が配設されるため、前記改質器４６は、比較的Ａ／Ｆ（空気／燃料ガス）が低い環境で、低温改質に適した前記改質器４６が良好に使用される。ここで、熱自立とは、外部から熱を加えることなく自ら発生する熱のみで燃料電池２２の動作温度を維持することをいう。
【００９７】
しかも、熱交換器５０では、酸化剤ガスが供給される環状の酸化剤ガス供給室７０ａ、昇温された前記酸化剤ガスが排出される環状の酸化剤ガス排出室７０ｂ、一端が前記酸化剤ガス供給室７０ａに連通し且つ他端が前記酸化剤ガス排出室７０ｂに連通する複数本の熱交換管路６４、及び前記熱交換管路６４間に燃焼ガスを供給する第２燃焼ガス通路１１６ｂを備えている。
【００９８】
これにより、構成の簡素化が容易に図られるとともに、製造コストが有効に削減される。その上、酸化剤ガス供給室７０ａ及び酸化剤ガス排出室７０ｂの容積や管路長、管路径及び管路数を変更することにより、広範な運転条件に良好に対応することができ、設計自由度の向上が図られる。
【００９９】
さらに、第１の実施形態では、熱交換器５０において、少なくとも１以上の熱交換管路６４には、１以上の管路径変化部位又は管路断面積変化部位である絞り部位６４ａが設けられている。
【０１００】
ここで、図７に示すように、絞り部位６４ａの無い円形の熱交換管路６４comp.では、酸化剤ガスの流れが管路入口６４ｉｎから一定の速度分布（発達流れ）になるまでの区間として、助走区間が存在している。この助走区間では、図８に示すように、熱伝達率が急激に低下している。そして、助走区間の後、一定の速度分布を有する層流領域となり、この層流領域では、低い熱伝達率となっている。
【０１０１】
そこで、第１の実施形態では、熱交換管路６４には、層流領域になる前の位置に対応して絞り部位６４ａが設けられている。特に、絞り部位６４ａは、熱交換管路６４内の助走区間内に設定されている。このため、図９に示すように、管路入口６４ｉｎからの助走区間の途上で、絞り部位６４ａを介して管路内に遷移域が発生した後、乱流領域に移行している。従って、図１０に示すように、遷移域から熱伝達率が急激に上昇し、高い熱伝達率を維持することができる。
【０１０２】
これにより、第１の実施形態では、熱交換管路６４内を流通する酸化剤ガスは、迅速に層流（助走区間）から乱流に遷移する。このため、燃焼ガスからの授熱量が増加して、熱交換効率が良好に向上するとともに、所望の熱交換効率に制御することが可能になるという効果が得られる。
【０１０３】
その上、任意の熱交換管路６４に絞り部位６４ａが設けられるとともに、前記絞り部位６４ａの数が種々設定可能である。従って、熱交換器５０全体の熱交換効率を所望の熱交換効率に調整することができる。
【０１０４】
また、絞り部位６４ａは、例えば、熱交換管路６４に捻り加工を施すことにより、管路周方向に螺旋状を有することが可能である。これにより、熱交換管路６４内を流通する酸化剤ガスは、層流から乱流に遷移する部位が分散される一方、燃焼ガスは、偏流が抑制される。このため、酸化剤ガスの受熱量及び受熱部位が増加し、熱交換効率が有効に向上する。
【０１０５】
一方、改質器４６では、少なくとも１以上の改質管路７６には、１以上の管路径変化部位又は管路断面積変化部位である絞り部位７６ａが設けられている。特に、絞り部位７６ａは、改質管路７６内の助走区間内に設定されている。従って、改質管路７６内を流通する混合ガスは、迅速に層流（助走区間）から乱流に遷移し、燃焼ガスからの授熱量が増加して熱交換効率が良好に向上するという効果がある。しかも、絞り部位７６ａの配置位置や個数等を選択することにより、所望の熱交換効率に制御することができる。
【０１０６】
さらに、絞り部位７６ａは、例えば、改質管路７６に捻り加工を施すことにより、管路周方向に螺旋状を有することが可能である。これにより、改質管路７６内を流通する混合ガスは、層流から乱流に遷移する部位が分散される一方、燃焼ガスは、偏流が抑制される。これにより、混合ガスの受熱量及び受熱部位が増加し、熱交換効率が有効に向上する。
【０１０７】
さらにまた、第１の実施形態では、図２、図３及び図６に示すように、改質器４６は、混合ガスが供給される環状の混合ガス供給室８２ａ、生成された燃料ガスが排出される環状の改質ガス排出室８２ｂ、一端が前記混合ガス供給室８２ａに連通し且つ他端が前記改質ガス排出室８２ｂに連通する複数本の改質管路７６、及び前記改質管路７６間に燃焼ガスを供給する第３燃焼ガス通路１１６ｃを備えている。
【０１０８】
このため、構成の簡素化が容易に図られるとともに、製造コストが有効に削減される。従って、混合ガス供給室８２ａ及び改質ガス排出室８２ｂの容積や管路長、管路径及び管路数を変更することにより、広範な運転条件に良好に対応することができ、設計自由度の向上が図られる。
【０１０９】
また、燃焼ガスは、第１領域Ｒ１の第１燃焼ガス通路１１６ａ、第２領域Ｒ２の第２燃焼ガス通路１１６ｂ、第３領域Ｒ３の第３燃焼ガス通路１１６ｃ及び第４領域Ｒ４の第４燃焼ガス通路１１６ｄの順に流通した後、燃料電池モジュール１２の外部に排出されている。
【０１１０】
これにより、燃焼ガスの吹き抜けを抑制するとともに、ＦＣ周辺機器５６を構成する排ガス燃焼器５２、熱交換器５０、改質器４６及び蒸発器４８に効果的に熱を供給することが可能になり、熱効率が向上して熱自立の促進が図られる。ここで、熱自立とは、外部から熱を加えることなく自ら発生する熱のみで燃料電池の動作温度を維持することをいう。
【０１１１】
さらに、第２領域Ｒ２、第３領域Ｒ３及び第４領域Ｒ４における熱交換効率、耐久性、小型化等の優先度に応じて、第１燃焼ガス連通孔６２ａ、第２燃焼ガス連通孔６２ｂ及び第３燃焼ガス連通孔６２ｃの位置を設定することが可能になる。このため、熱交換効率を任意に設定することができ、設計自由度の向上が図られる。
【０１１２】
さらにまた、燃料電池モジュール１２は、固体酸化物形燃料電池モジュールである。このため、特にＳＯＦＣ等の高温型燃料電池に最適である。
【０１１３】
図１１には、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池モジュール１２０を構成するＦＣ周辺機器５６の一部省略斜視説明図を示す。なお、第１の実施形態に係る燃料電池モジュール１２と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３以降の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。
【０１１４】
燃料電池モジュール１２０では、熱交換器５０を構成する各熱交換管路６４には、絞り部位６４ａが設けられるとともに、互いに隣接する前記熱交換管路６４の前記絞り部位６４ａは、それぞれ異なる位相（高さ）に設定される。絞り部位６４ａには、捻れが付与されていてもよい。
【０１１５】
改質器４６を構成する各改質管路７６には、絞り部位７６ａが設けられるとともに、互いに隣接する前記改質管路７６の前記絞り部位７６ａは、それぞれ異なる位相（高さ）に設定される。絞り部位７６ａには、捻れが付与されていてもよい。
【０１１６】
熱交換器５０が構成される第２領域Ｒ２（第２燃焼ガス通路１１６ｂ）には、第１内側リング６６ａ、６６ｂ間に位置して熱交換管路６４の管路長方向と直交する方向に沿って、１以上、第２の実施形態では、３つの燃焼ガス迂回路形成用バッフル板１２２ａ、１２２ｂ及び１２２ｃが配設される。バッフル板１２２ａ〜１２２ｃは、略リング形状を有し、第１仕切り板６０ａの外周面と第２仕切り板６０ｂの内周面とに固着されるとともに、第１内側リング６６ａと同様に構成される。
【０１１７】
図１２及び図１３に示すように、バッフル板１２２ａ〜１２２ｃには、各熱交換管路６４に対応して燃焼ガス通過用孔部１２４が形成される。燃焼ガス通過用孔部１２４には、熱交換管路６４の外周部が嵌合して前記熱交換管路６４が配列されるとともに、絞り部位６４ａの外周部との間には、燃焼ガスを通過させるための開口部が形成される。
【０１１８】
具体的には、図１３に示すように、特定の熱交換管路６４（ｎ）では、中央（バッフル板１２２ｂ）の燃焼ガス通過用孔部１２４に絞り部位６４ａが配置される一方、上下（バッフル板１２２ａ、１２２ｃ）の燃焼ガス通過用孔部１２４に外周部が嵌合する。他の特定の熱交換管路６４（ｍ）では、中央（バッフル板１２２ｂ）の燃焼ガス通過用孔部１２４に外周部が嵌合する一方、上下（バッフル板１２２ａ、１２２ｃ）の燃焼ガス通過用孔部１２４に絞り部位６４ａが配置される。これにより、燃焼ガスは、蛇行するように、第２燃焼ガス通路１１６ｂに沿って流通する。
【０１１９】
図１１及び図１２に示すように、改質器４６が構成される第３領域Ｒ３（第３燃焼ガス通路１１６ｃ）には、第２内側リング７８ａ、７８ｂ間に位置して改質管路７６の管路長方向と直交する方向に沿って、１以上、第２の実施形態では、３つの燃焼ガス迂回路形成用バッフル板１２６ａ、１２６ｂ及び１２６ｃが配設される。バッフル板１２６ａ〜１２６ｃは、略リング形状を有し、第２仕切り板６０ｂの外周面と第３仕切り板６０ｃの内周面とに固着されるとともに、第２内側リング７８ａと同様に構成される。
【０１２０】
図１２に示すように、バッフル板１２６ａ〜１２６ｃには、各改質管路７６に対応して燃焼ガス通過用孔部１２８が形成される。燃焼ガス通過用孔部１２８には、改質管路７６の外周部が嵌合して前記改質管路７６が配列されるとともに、絞り部位７６ａの外周部との間には、燃焼ガスを通過させるための開口部が形成される。具体的には、上記の熱交換管路６４と同様に構成される。
【０１２１】
なお、バッフル板１２２ａ〜１２２ｃとバッフル板１２６ａ〜１２６ｃとは、少なくともいずれか一方のみを設けていてもよい。
【０１２２】
このように構成される第２の実施形態では、熱交換器５０が構成される第２領域Ｒ２には、バッフル板１２２ａ、１２２ｂ及び１２２ｃが配設されるとともに、前記バッフル板１２２ａ〜１２２ｃには、各熱交換管路６４に対応して燃焼ガス通過用孔部１２４が形成されている。
【０１２３】
このため、燃焼ガスの吹き抜けを良好に抑制することが可能になるとともに、前記燃焼ガスの流通経路を長尺化することができる。具体的には、図１３に示すように、熱交換管路６４の外周部と絞り部位６４ａとは、バッフル板１２２ａ〜１２２ｃの燃焼ガス通過用孔部１２４に交互に配置されている。
【０１２４】
従って、第２燃焼ガス通路１１６ｂでは、燃焼ガスがバッフル板１２２ａ〜１２２ｃを直線的に通過することがなく、蛇行するように流通している。これにより、燃焼ガスからの授熱量が増加し、酸化剤ガスとの熱交換効率が一層向上するという効果が得られる。
【０１２５】
しかも、絞り部位６４ａと燃焼ガス通過用孔部１２４とは、同一の位置に設けられている。このため、熱交換管路６４内の酸化剤ガスに乱流が発生する部位と燃焼ガス通過用孔部１２４を流通する燃焼ガスに乱流が発生する部位とは、可及的に近接する。これにより、酸化剤ガスの受熱量が一層増加し、熱交換効率が有効に向上する。
【０１２６】
また、改質器４６が構成される第３領域Ｒ３には、バッフル板１２６ａ、１２６ｂ及び１２６ｃが配設されるとともに、前記バッフル板１２６ａ〜１２６ｃには、各改質管路７６に対応して燃焼ガス通過用孔部１２８が形成されている。
【０１２７】
このため、燃焼ガスの吹き抜けを良好に抑制することが可能になるとともに、前記燃焼ガスの流通経路を長尺化することができる。従って、第３燃焼ガス通路１１６ｃでは、燃焼ガスがバッフル板１２６ａ〜１２６ｃを直線的に通過することがなく、蛇行するように流通している。これにより、燃焼ガスからの授熱量が増加し、混合ガスとの熱交換効率が一層向上するという効果が得られる。
【０１２８】
図１４に示すように、燃料電池システム１３０は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池モジュール１３２を組み込む。なお、第２の実施形態に係る燃料電池モジュール１２０と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【０１２９】
燃料電池モジュール１３２を構成するＦＣ周辺機器５６は、図１５に示すように、排ガス燃焼器５２及び起動用燃焼器５４が構成される、例えば、開口形状円形の第１領域Ｒ１と、改質器４６が構成されるとともに、前記第１領域Ｒ１を環状に周回する第２領域Ｒ２と、熱交換器５０が構成されるとともに、前記第２領域Ｒ２を環状に周回する第３領域Ｒ３と、蒸発器４８が構成されるとともに、前記第３領域Ｒ３を環状に周回する第４領域Ｒ４とを備える。
【０１３０】
ＦＣ周辺機器５６は、第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２との間に配置される第１仕切り板１３４ａ、前記第２領域Ｒ２と第３領域Ｒ３との間に配置される第２仕切り板１３４ｂ、前記第３領域Ｒ３と第４領域Ｒ４との間に配置される第３仕切り板１３４ｃ、及び前記第４領域Ｒ４の外周に配置される第４仕切り板１３４ｄを備える。
【０１３１】
図１５及び図１６に示すように、第１燃焼ガス連通孔６２ａは、第１仕切り板１３４ａの燃料電池スタック２４とは反対側の端部に近接して設けられ、第２燃焼ガス連通孔６２ｂは、第２仕切り板１３４ｂの前記燃料電池スタック２４側の端部に近接して設けられ、第３燃焼ガス連通孔６２ｃは、第３仕切り板１３４ｃの前記燃料電池スタック２４とは反対側の端部に近接して設けられ、第４燃焼ガス連通孔６２ｄは、第４仕切り板１３４ｄの前記燃料電池スタック２４側の端部に近接して設けられる。
【０１３２】
図１６に示すように、第１仕切り板１３４ａには、第１燃焼ガス連通孔６２ａとは反対側に且つ前記第１燃焼ガス連通孔６２ａよりも小さな開口面積を有する複数の抽気孔部１３６ａが形成される。抽気孔部１３６ａは、第２仕切り板１３４ｂに形成された第２燃焼ガス連通孔６２ｂに対向する位置に設定される。第２仕切り板１３４ｂには、第３仕切り板１３４ｃに形成された第３燃焼ガス連通孔６２ｃに対向する位置に複数の抽気孔部１３６ｂが形成される。第３仕切り板１３４ｃには、第４仕切り板１３４ｄに形成された第４燃焼ガス連通孔６２ｄに対向する位置に複数の抽気孔部１３６ｃが形成される。なお、抽気孔部１３６ｂ、１３６ｃは、必要に応じて設けられていればよい。
【０１３３】
図１５に示すように、熱交換器５０が構成される第３領域Ｒ３（第３燃焼ガス通路１１６ｃ）には、複数本の熱交換管路６４が配設されるとともに、少なくとも１以上の前記熱交換管路６４には、少なくとも１つ以上の絞り部位６４ａが形成されている。第３領域Ｒ３には、第３仕切り板１３４ｃの内周面に隣接してバッフル板１２２ａ、１２２ｂ及び１２２ｃが配設される。
【０１３４】
改質器４６が構成される第２領域Ｒ２には、複数本の改質管路７６が配設されるとともに、少なくとも１以上の前記改質管路７６には、少なくとも１つ以上の絞り部位７６ａが形成されている。第２領域Ｒ２には、第２仕切り板１３４ｂの内周面に隣接してバッフル板１２６ａ、１２６ｂ及び１２６ｃが配設される。
【０１３５】
このように構成される第３の実施形態では、燃料電池モジュール１３２は、排ガス燃焼器５２及び起動用燃焼器５４が構成される第１領域Ｒ１と、改質器４６が構成されるとともに、前記第１領域Ｒ１を環状に周回する第２領域Ｒ２と、熱交換器５０が構成されるとともに、前記第２領域Ｒ２を環状に周回する第３領域Ｒ３と、蒸発器４８が構成されるとともに、前記第３領域Ｒ３を環状に周回する第４領域Ｒ４とを備えている。
【０１３６】
このため、高温及び熱需要が大きな機器、例えば、改質器４６（及び熱交換器５０）を内側に設置する一方、低温及び熱需要の小さな機器、例えば、蒸発器４８を外側に設定することができる。従って、熱効率の向上が図られて熱自立が促進されるとともに、簡単且つコンパクトに構成することが可能になる。
【０１３７】
しかも、熱交換器５０では、熱交換管路６４内を流通する酸化剤ガスは、層流から乱流に遷移し、燃焼ガスからの授熱量が増加して熱交換効率が良好に向上するとともに、所望の熱交換効率に制御することが可能になるという効果が得られる。
【０１３８】
一方、改質器４６では、改質管路７６内を流通する混合ガスは、層流から乱流に遷移し、燃焼ガスからの授熱量が増加して熱交換効率が良好に向上するという効果がある。
【０１３９】
図１７に示すように、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池モジュール１４０では、ＦＣ周辺機器５６は、第２仕切り板６０ｂ、第３仕切り板６０ｃ及び第４仕切り板６０ｄを用いていない。第１領域Ｒ１を形成する仕切り板６０には、複数の燃焼ガス連通孔６２が軸方向及び周方向に分散されて形成される。
【０１４０】
ＦＣ周辺機器５６は、第１の実施形態と同様に、排ガス燃焼器５２及び起動用燃焼器５４が構成される、例えば、開口形状円形の第１領域Ｒ１と、熱交換器５０が構成されるとともに、前記第１領域Ｒ１を環状に周回する第２領域Ｒ２と、改質器４６が構成されるとともに、前記第２領域Ｒ２を環状に周回する第３領域Ｒ３と、蒸発器４８が構成されるとともに、前記第３領域Ｒ３を環状に周回する第４領域Ｒ４とを備える。
【０１４１】
このように構成される第４の実施形態では、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【０１４２】
図１８に示すように、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池モジュール１５０では、ＦＣ周辺機器５６は、第２の実施形態と同様に、排ガス燃焼器５２及び起動用燃焼器５４が構成される、例えば、開口形状円形の第１領域Ｒ１と、改質器４６が構成されるとともに、前記第１領域Ｒ１を環状に周回する第２領域Ｒ２と、熱交換器５０が構成されるとともに、前記第２領域Ｒ２を環状に周回する第３領域Ｒ３と、蒸発器４８が構成されるとともに、前記第３領域Ｒ３を環状に周回する第４領域Ｒ４とを備える。
【０１４３】
従って、第５の実施形態では、上記の第２の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【０１４４】
上記第１〜第５の実施形態では、熱交換管路６４及び改質管路７６は、それぞれ円環部に絞り加工を施して、断面円形状の絞り部位６４ａ、７６ａを設けているが、これに限定されるものではない。
【０１４５】
例えば、図１９に示す管路（熱交換管路又は改質管路、あるいは、両方）１６０は、円環状を有するとともに、外周部を潰すことにより、断面楕円形状の絞り部位１６０ａが設けられる（図２０参照）。
【０１４６】
また、図２１に示す管路（熱交換管路又は改質管路、あるいは、両方）１６２は、円環状を有するとともに、外周部を成形することにより、断面四角形状の絞り部位１６２ａが設けられる（図２２参照）。
【０１４７】
このように構成される管路１６０、１６２では、上記の熱交換管路６４や改質管路７６として使用することにより、同様の効果が得られる。
【０１４８】
さらにまた、熱交換管路６４及び改質管路７６は、内周面に管路内に膨出する凸状部を設けることにより、管路径変化部位又は管路断面積変化部位を設けてもよい。その際、熱交換管路６４及び改質管路７６は、それぞれの外形が全長に亘って同一径に設定される均一円筒形状を有していてもよい。
【符号の説明】
【０１４９】
１０、１３０…燃料電池システム
１２、１２０、１３２、１４０、１５０…燃料電池モジュール
１４…原燃料供給装置                １６…酸化剤ガス供給装置
１８…水供給装置                    ２０…制御装置
２２…燃料電池                      ２４…燃料電池スタック
２６…電解質                        ２８…カソード電極
３０…アノード電極                  ３２…電解質・電極接合体
３８…酸化剤ガス流路                ４０…燃料ガス流路
４６…改質器                        ４８…蒸発器
５０…熱交換器                      ５２…排ガス燃焼器
５４…起動用燃焼器                  ５６…ＦＣ周辺機器
５７…空気供給管                    ５８…原燃料供給管
６０、６０ａ〜６０ｄ、１３４ａ〜１３４ｄ…仕切り板
６２、６２ａ〜６２ｄ…燃焼ガス連通孔
６４…熱交換管路
６４ａ、７６ａ、１６２ａ、１６０ａ…絞り部位
６６ａ、６６ｂ、７８ａ、７８ｂ、９４ａ、９４ｂ…内側リング
６８ａ、６８ｂ、８０ａ、８０ｂ、９６ａ、９６ｂ…外側リング
７０ａ…酸化剤ガス供給室            ７０ｂ…酸化剤ガス排出室
７４、１１０…酸化剤ガス通路        ７６…改質管路
８２ａ…混合ガス供給室              ８２ｂ…改質ガス排出室
８４…改質触媒                      ８８…原燃料供給路
９０…燃料ガス通路                  ９２…蒸発管路
９８ａ…水供給室                    ９８ｂ…水蒸気排出室
１００…水通路                      １０２…蒸発リターン管路
１０３…応力緩和部                  １１６ａ〜１１６ｄ…燃焼ガス通路
１２２ａ〜１２２ｃ、１２６ａ〜１２６ｃ…バッフル板
１２４、１２８…燃焼ガス通過用孔部  １３６ａ〜１３６ｃ…抽気孔部
１６０、１６２…管路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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