(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素系燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段と、水蒸気改質に用いる水を供給するための改質水供給手段と、前記改質水供給手段からの改質水を気化させる気化器と、前記燃料ガス供給手段からの燃料ガスを前記気化器からの水蒸気を用いて水蒸気改質する改質器と、前記改質器にて改質された改質燃料ガス及び酸化材の酸化及び還元により発電を行う複数の燃料電池モジュールから構成された燃料電池モジュール集合体と、発電に寄与しない余剰燃料ガスを燃焼させるために前記複数の燃料電池モジュールの各々の上端部又は直上部に設けられた燃焼室と、を備えており、
前記改質器は前記複数の燃料電池モジュールの各々の前記燃焼室に対応して配設された複数の改質室部を有し、前記複数の燃料電池モジュールの各々の前記燃焼室の燃焼排気ガスを利用して対応する改質室部が加熱され、
また、前記気化器は、前記燃料電池モジュール集合体の前記複数の燃料電池モジュールに囲まれた領域に配置され、前記燃料電池モジュール集合体の前記複数の燃料電池モジュールの各々の前記燃焼室からの燃焼排気ガスは前記気化器を通して流れ、前記改質水供給手段からの改質水は、前記気化器にて前記複数の燃料電池モジュールの各々の前記燃焼室からの燃焼排気ガスを利用して気化され、
更に、前記燃料ガス供給手段と前記改質器の前記複数の改質室部との間には、前記燃料ガス供給手段からの燃料ガスと前記気化器からの改質用水蒸気とを混合する第１混合ハウジングが設けられ、更に、前記改質器の前記複数の改質室部と前記燃料電池モジュール集合体の前記複数の燃料電池モジュールとの間には、前記改質器の前記複数の改質室部で水蒸気改質された改質燃料ガスを混合する第２混合ハウジングが設けられ、
前記第１混合ハウジングにて混合された改質用水蒸気と燃料ガスとは、前記改質器の前記複数の改質室部に分岐して送給され、そして、前記改質器の前記複数の改質室部にて水蒸気改質された改質燃料ガスは、前記第２混合ハウジングにて混合された後に前記燃料電池モジュール集合体の前記複数の燃料電池モジュールに分岐して送給されることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記気化器には、前記複数の燃料電池モジュールの各々の前記燃焼室からの燃焼排気ガスが流れる排気ガス排出流路が設けられ、前記排気ガス排出流路に燃焼触媒が設けられ、前記排気ガス排出流路を流れる燃焼排気ガスを利用して改質水が気化されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記気化器は、改質水を気化する気化室を規定する気化ハウジングを備え、前記気化ハウジングが前記第１混合ハウジングとして機能することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記気化器は、改質水を気化する気化室を規定する気化ハウジングを備え、前記気化ハウジング内に前記排気ガス排出流路を規定する流路部材が装着され、前記流路部材の内周面に前記燃焼触媒が設けられ、前記流路部材は、前記気化ハウジングに設けられた挿入開口を通して挿入及び取出し自在に構成されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料ガス供給手段からの燃料ガスが前記気化器に供給され、前記気化器にて気化された改質用水蒸気に燃料ガスが混合され、前記排気ガス排出流路に関連して、前記複数の燃料電池モジュールを起動させるための起動用点火手段が設けられていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料ガスとして炭化水素系燃料ガスを用いて発電を行う燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムとして、固体酸化物形セルを複数積層したセルスタックを用いたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。この固体酸化物形セルでは、酸素イオンを伝導する固体電解質の片側に燃料極が設けられ、その他側に空気極が設けられ、電解質の材料として、一般的にイットリアをドープしたジルコニアが用いられている。このようなセルスタックでは、６００〜１０００℃の高温で、燃料ガス中の水素、一酸化炭素、炭化水素と酸化材中の酸素を電気化学反応させて発電が行われる。固体酸化物形の燃料電池システムは、他の形態の燃料電池システムやガスエンジンなどに比べて、高発電効率での発電が可能なことから、有望な発電技術として開発が行われている。
【０００３】
このセルスタックは、セラミックス製のセルの集合体から構成され、信頼性確保（換言すると、割れないようにすること）を第一に優先して設計されている。セルスタックの信頼性が高い（即ち、タフである）と、セルスタックにおける温度分布、温度変化速度などの制約が少なくなり、この制約が少なければ、燃料電池システムにおける発熱部及び吸熱部を複合化してセルスタックを格納する高温部からの放熱を抑制することができ、小容量でも高発電効率のものが実現しやすくなる。また、大きな温度変化速度に対応できれば、燃料電池システムの起動停止、負荷変動に有利に稼働させることができる。
【０００４】
一般に、セラミックスは基本サイズが小さいほど壊れ難く、信頼性が確保しやすいという基本的な性質を有しており、このようなことから、固体酸化物形のセルスタックでは、基本サイズが小さいセルを用いたものの開発が進められてきている。リン酸形燃料電池や溶融炭酸塩形燃料電池では、その大きさが１ｍ角レベル、即ちセル一つの大きさ（面積）が数千〜１万cm2であるのに対し、固体酸化物形のセルスタックでは、セル一つの大きさ（面積）が数十〜数百cm2として開発されている。そのため、固体酸化物形燃料電池システムでは、単一のセルスタックでの発電容量が小さくならざるをえない。この発電容量を大きくするためにセル一つの面積を大きくすると、セルの信頼性が下がったり、製造歩留まりが下がったりする問題が発生する。このようなことから、限定された出力の固体酸化物形のセルスタックを複数用いて所望の発電容量を得る技術の必要性が強く望まれている。
【０００５】
このような要望を満たすために、例えば、図１２に示すように、所望の発電容量を得るための燃料電池モジュール集合体としてＮ個（図示では４個）の燃料電池モジュールＡから構成し、燃料ガス供給系として、各燃料電池モジュールＡに対応してＮ系統の燃料ガス供給ラインＢを設け、また改質水供給系として、各燃料電池モジュールＡに対応してＮ系統の水供給ラインＣを設け、各燃料ガス供給ラインＢからの燃料ガス及び各水供給ラインＣからの改質水を対応する燃料電池モジュールＡの改質器Ｐに送給するように構成することも考えられる。本明細書全体を通して、燃料ヘッダとセルスタックを備えたものを「燃料電池モジュール」として表現し、一つの燃料ヘッダを備えた燃料電池モジュールを一つの燃料電池モジュールとして表現しており、例えば一つの燃料ヘッダに一つのセルスタックが設けられているもの、一つの燃料ヘッダに二つ以上のセルスタックを備えているものは、いずれも、一つの燃料電池モジュールの概念に含まれる。このような構成では、各燃料ガス供給ラインＢに燃料ガスポンプＤ及びガス流量センサＥを設け、また各水供給ラインＣに水ポンプＦ及び水流量センサＧを設け、燃料電池モジュールＡ毎に燃料ガスポンプＤ及び水ポンプＦを制御するようになる。
【０００６】
また、上述した構成に代えて、例えば、図１３に示すように、所望の発電容量を得るための燃料電池モジュール集合体としてＮ個（図示では４個）の燃料電池モジュールＡから構成し、燃料ガス供給系として共通の燃料ガス供給ラインＨを設け、また改質水供給系として共通の水供給ラインＩを設けるように構成することも考えられる。このような構成では、燃料ガス供給ラインＨに燃料ガスポンプＪ及びガス流量センサＫを設け、燃料ガス供給ラインＨからの燃料ガスをガス分配室Ｌで分配してガス送給分岐ラインＭを介して各燃料電池モジュールＡの改質器Ｐに送給するようになる。また、水供給ラインＩに水ポンプＮ及び水流量センサＯを設け、水供給ラインＩからの改質水を水分配室Ｑで分配して水送給分岐ラインＲを介して改質器Ｐに送給するようになる。尚、この場合、燃料電池モジュール集合体（Ｎ個の燃料電池モジュールＡ）に供給する燃料ガス及び改質水の供給量を一つの燃料ガスポンプＪ及び水ポンプＮで制御するようになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−２４３５８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上述の燃料電池システムでは、次の通りの解決すべき問題がある。図１２に示す燃料電池システムでは、燃料電池モジュールＡ毎に燃料ガスポンプＤ、ガス流量センサＥ、水供給ポンプＦ及び水流量センサＧが必要となるために構造が複雑になるとともに、その製作コストが高価になる。また、これらの制御も燃料電池モジュールＡ毎に行う必要があるために、その制御も複雑になる。
【０００９】
また、図１３に示す燃料電池システムでは、燃料電池モジュール集合体（Ｎ個の燃料電池モジュールＡ）として燃料ガスポンプＪ、ガス流量センサＫ、水供給ポンプＮ及び水流量センサＯを一つ用いるのみであるので構造が簡単になるが、各燃料電池モジュールＡ（換言すると、改質器Ｐ）へ送給する燃料ガスの分岐精度が改質水の気化に伴う圧力変動の影響を受けやすくなるという問題がある。改質器Ｐの気化部では水を滴下しており、滴下周期・蒸発に伴う体積膨張によって圧力変動が生じる。また、燃料電池モジュールＡを負荷変動に追従して稼働させる場合、燃料電池モジュールＡの上端部（所謂、燃焼室）での燃焼状態によって、改質器Ｐの気化部での圧力がさらに変動する。改質器Ｐの気化部における圧力変動がN系列の燃料ガス送給分岐ラインＭで起こるため、燃料ガスの分配のずれが生じ、過渡的には燃料ガスの分配量が少なくなる燃料電池モジュールＡが生じやすくなる。また、長期的な運用では、改質器Ｐの改質触媒が割れ、改質触媒部の充填状態が変わり、改質器Ｐの改質部の圧力損失が大きくなる。このような改質器Ｐの改質部において圧力損失特性が経時変化すると、各燃料電池モジュールＡに供給される燃料ガスの送給量の分配比率が変化し、燃料電池モジュール集合体の複数の燃料電池モジュールの一部が運転不能に陥るおそれが生じる。
【００１０】
本発明の目的は、比較的小さい発電出力の燃料電池モジュールを複数用いて比較的大きい発電出力を得るに適した燃料電池システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の請求項１に記載の燃料電池システムは、炭化水素系燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段と、水蒸気改質に用いる水を供給するための改質水供給手段と、前記改質水供給手段からの改質水を気化させる気化器と、前記燃料ガス供給手段からの燃料ガスを前記気化器からの水蒸気を用いて水蒸気改質する改質器と、前記改質器にて改質された改質燃料ガス及び酸化材の酸化及び還元により発電を行う複数の燃料電池モジュールから構成された燃料電池モジュール集合体と、発電に寄与しない余剰燃料ガスを燃焼させるために前記複数の燃料電池モジュールの各々の上端部又は直上部に設けられた燃焼室と、を備えており、
前記改質器は前記複数の燃料電池モジュールの各々の前記燃焼室に対応して配設された複数の改質室部を有し、前記複数の燃料電池モジュールの各々の前記燃焼室の燃焼排気ガスを利用して対応する改質室部が加熱され、
また、前記気化器は、前記燃料電池モジュール集合体の前記複数の燃料電池モジュールに囲まれた領域に配置され、前記燃料電池モジュール集合体の前記複数の燃料電池モジュールの各々の前記燃焼室からの燃焼排気ガスは前記気化器を通して流れ、前記改質水供給手段からの改質水は、前記気化器にて前記複数の燃料電池モジュールの各々の前記燃焼室からの燃焼排気ガスを利用して気化され、
更に、前記燃料ガス供給手段と前記改質器の前記複数の改質室部との間には、前記燃料ガス供給手段からの燃料ガスと前記気化器からの改質用水蒸気とを混合する第１混合ハウジングが設けられ、更に、前記改質器の前記複数の改質室部と前記燃料電池モジュール集合体の前記複数の燃料電池モジュールとの間には、前記改質器の前記複数の改質室部で水蒸気改質された改質燃料ガスを混合する第２混合ハウジングが設けられ、
前記第１混合ハウジングにて混合された改質用水蒸気と燃料ガスとは、前記改質器の前記複数の改質室部に分岐して送給され、そして、前記改質器の前記複数の改質室部にて水蒸気改質された改質燃料ガスは、前記第２混合ハウジングにて混合された後に前記燃料電池モジュール集合体の前記複数の燃料電池モジュールに分岐して送給されることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明の請求項２に記載の燃料電池システムでは、前記気化器には、前記複数の燃料電池モジュールの各々の前記燃焼室からの燃焼排気ガスが流れる排気ガス排出流路が設けられ、前記排気ガス排出流路に燃焼触媒が設けられ、前記排気ガス排出流路を流れる燃焼排気ガスを利用して改質水が気化されることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明の請求項３に記載の燃料電池システムでは、前記気化器は、改質水を気化する気化室を規定する気化ハウジングを備え、前記気化ハウジングが前記第１混合ハウジングとして機能することを特徴とする。
【００１６】
また、本発明の請求項４に記載の燃料電池システムでは、前記気化器は、改質水を気化する気化室を規定する気化ハウジングを備え、前記気化ハウジング内に前記排気ガス排出流路を規定する流路部材が装着され、前記流路部材の内周面に前記燃焼触媒が設けられ、前記流路部材は、前記気化ハウジングに設けられた挿入開口を通して挿入及び取出し自在に構成されていることを特徴とする。
【００１７】
更に、本発明の請求項５に記載の燃料電池システムでは、前記燃料ガス供給手段からの燃料ガスが前記気化器に供給され、前記気化器にて気化された改質用水蒸気に燃料ガスが混合され、前記排気ガス排出流路に関連して、前記複数の燃料電池モジュールを起動させるための起動用点火手段が設けられていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の請求項１に記載の燃料電池システムによれば、改質器は燃料電池モジュール集合体の複数の燃料電池モジュールの各々の上端部又は直上部に設けられた燃焼室に対応して配設された複数の改質室部を有し、燃料ガス供給手段と改質器の複数の改質室部との間に第１混合ハウジングが設けられ、燃料ガス供給手段からの燃料ガスと気化器からの水蒸気が第１混合ハウジングで混合され、かく混合された後に改質器の複数の改質室部に分岐して送給されるので、改質器の各改質室部に送給される燃料ガス及び水蒸気の混合比率及び送給量が実質上均一になり、これによって、各改質室部において水蒸気改質反応が同様に起こり、ほぼ同様の成分の改質燃料ガスを生成することができる。また、改質器の複数の改質室部と燃料電池モジュール集合体の複数の燃料電池モジュールとの間に第２混合ハウジングが設けられているので、改質器の複数の改質室部にて水蒸気改質された改質燃料ガスは、この第２混合ハウジングにて混合された後に分岐されて各燃料電池モジュールに送給され、これによって、各燃料電池モジュールに送給される改質燃料ガスの成分及び送給量をより均一な状態にして送給することができ、その結果、各燃料電池モジュールにおける実質の燃料利用率が一定となり、比較的簡単な構成及び制御でもって所望の発電出力を安定して得ることができる。
また、燃料電池モジュール集合体の複数の燃料電池モジュールの燃焼室からの燃焼排気ガスが気化器を通して流れ、この燃焼排気ガスを利用して改質水が気化されるので、複数の燃料電池モジュールに必要とされる水蒸気をこれら燃料電池モジュールの燃焼排気ガスの熱を利用して気化することができる。更に、気化器が燃料電池モジュール集合体の複数の燃料電池モジュールに囲まれた領域に配置されているので、複数の燃料電池モジュールからの燃焼排気ガスが気化器にスムースに流れ、また気化器を高温状態に保ちやすくなる。
【００２１】
また、本発明の請求項２に記載の燃料電池システムによれば、気化器に排気ガス排出流路が設けられ、この排気ガス排出流路に燃焼触媒が設けられているので、燃焼排気ガス中に残留する燃料ガスをこの気化器にて燃焼させて改質水の気化に利用することができる。
【００２２】
また、本発明の請求項３に記載の燃料電池システムによれば、気化器の気化ハウジングが第１混合ハウジングとして機能するので、この気化ハウジングの気化室にて気化された改質用水蒸気と燃料ガスとを混合して均一にすることができ、気化器及び第１混合ハウジングに関連する構成を簡単にすることができる。
【００２３】
また、本発明の請求項４に記載の燃料電池システムによれば、気化器の流路部材の内周面に燃焼触媒が設けられているので、複数の燃料電池モジュールからの燃焼排気ガスがこの流路部材内を流れる間に燃焼排気ガスに残留する燃料ガスを燃焼させることができる。また、流路部材は気化ハウジングに設けた挿入開口を通して挿入及び取出し自在に構成されているので、燃焼触媒が劣化した時などにおいては、この挿入開口を通して流路部材を容易に交換することができる。
【００２４】
更に、本発明の請求項５に記載の燃料電池システムによれば、気化器の排気ガス排出流路に起動用点火手段が設けられているので、起動時においては気化器の排気ガス排出流路を流れる燃料ガス（燃料電池モジュールが稼働していないので、供給された燃料ガスがそのまま排気ガス排出流路を流れるようになる）に起動用点火手段が点火し、この点火燃焼の燃焼熱を利用して気化器が加熱されて燃料ガスの加熱及び改質水の気化が行われ、起動用点火手段を一つ設けるという簡単な構成でもって複数の燃料電池モジュールを起動させることができる。尚、起動用点火手段として、一般的なヒータを用いることができるが、スパーク着火装置又はレーザー点火装置などを用いるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明に従う燃料電池システムの一実施形態の要部を示す斜視図。
【図２】図１の燃料電池システムを示す背面図。
【図３】図１の燃料電池システムにおける燃焼排気ガスの流れを示す図。
【図４】図１の燃料電池システムを斜め上方から見た斜視図。
【図５】図１の燃料電池システムにおける気化器を簡略的に示す側面図。
【図６】図５におけるＶＩ−ＶＩ線による断面図。
【図７】図６におけるＶＩＩ−ＶＩＩ線による断面図。
【図８】気化器の他の形態を示す平面図。
【図９】図８におけるＩＸ−ＩＸ線による断面図。
【図１０】図８におけるＸ−Ｘ線による断面図。
【図１１】本発明に従う燃料電池システムの他の実施形態の要部を示す斜視図。
【図１２】従来技術に基づき考えられる燃料電池システムの第１形態を示す概略図。
【図１３】従来技術に基づき考えられる燃料電池システムの第２形態を示す概略図。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、添付図面を参照して、本発明に従う燃料電池システムの一実施形態について説明する。図１及び図２において、図示の燃料電池システムは、複数（図示の形態では、４つ）の燃料電池モジュール２から構成される燃料電池モジュール集合体４を備えている。複数の燃料電池モジュール２は実質上同一の構成であり、以下、それらの一つについて説明する。
【００２７】
図示の燃料電池モジュール２（２ａ，２ｂ）は、固体酸化物形セルが積層されたセルスタック６を二つ備え、これら二つのセルスタック６が燃料ヘッダ８の上面に取り付けられている。このような固体酸化物形セルでは、酸素イオンを伝導する固体電解質として例えばイットリアをドープしたジルコニアが用いられ、その固体電解質の片側に改質燃料ガスを酸化するための燃料極が設けられ、その他側に空気中の酸素を還元する空気極が設けられ、このようなセルを多数積層してセルスタック６が構成される。この形態では、後述する如くして燃料ヘッダ８に送給された改質燃料ガスは、この燃料ヘッダ８を通して一対のセルスタック６の多数のセルの燃料極側に送給され、また酸化材としての空気は、燃料電池モジュール２のセルスタック６の周囲を通して燃料ヘッダ８側に流れ、セルスタック６の下端部から空気極側に送給される。
【００２８】
この燃料電池システムでは、燃料電池モジュール集合体４の上流側に、燃料ガスを改質するための改質器９が設けられている。この実施形態では、図１及び図２において左側に一対の燃料電池モジュール２ａが配設され、これら燃料電池モジュール２ａに対向して右側に一対の燃料電池モジュール２ｂが配設され、改質器９は、これら燃料電池モジュール２ａ，２ｂに対応して配設された改質室部１０（１０ａ、１０ｂ）を有している。燃料電池モジュール２（２ａ，２ｂ）の上端部又は直上部には燃焼室１２が設けられ、この燃焼室１２の上方に改質器９の改質室部１０（１０ａ，１０ｂ）が配設されている。各改質室部１０（１０ａ，１０ｂ）は細長いコ字状の室部ハウジング１４（１４ａ，１４ｂ）を備え、この室部ハウジング１４内に改質触媒（図示せず）が充填されている。
【００２９】
図４も参照して、この形態では、左側の改質室部１０ａにおいては、室部ハウジング１４ａは、内側に位置する第１室部１６ａと、外側に位置する第２室部１６ｂと、外側端部（図１及び図２において左側端部）において第１及び第２室部１６ａ，１６ｂを接続する接続室部１６ｃを有している。改質室部１０ａの第１室部１６ａは、燃料電池モジュール２ａの内側のセルスタック６の上方に配設され、この内側のセルスタック６の燃焼室１８からの燃焼排気ガスによって加熱され、また第２室部１６ｂは、外側のセルスタック６の上方に配設され、この外側のセルスタック６の燃焼室２０からの燃焼排気ガスによって加熱される。
【００３０】
また、右側の改質室部１０ｂにおいては、室部ハウジング１４ｂは、内側に位置する第１室部２２ａと、外側に位置する第２室部２２ｂと、外側端部（図１及び図２において右側端部）において第１及び第２室部２２ａ，２２ｂを接続する接続室部２２ｃを有している。改質室部１０ａの第１室部２２ａは、燃料電池モジュール２ｂの内側のセルスタック６の上方に配設され、この内側のセルスタック６の燃焼室１８からの燃焼排気ガスによって加熱され、また第２室部２２ｂは、外側のセルスタック６の上方に配設され、この外側セルスタック６の燃焼室２０からの燃焼排気ガスによって加熱される。
【００３１】
改質器９の上流側に、改質水を気化するための気化器２４が配設されている。この実施形態では、気化器２４は左側の一対の燃料電池モジュール２ａと右側の一対の燃料電池モジュール２ｂとに囲まれた中央領域（図１及び図２において左右方向中央領域）に配設され、このように構成することによって、複数の燃料電池モジュール２（２ａ，２ｂ）にて発生する熱を改質水の気化に利用することができるとともに、気化器２４を高温状態に保つことができる。
【００３２】
燃料ガスとして炭化水素系燃料ガス（例えば、都市ガス、ＬＰガスなど）が用いられ、燃料ガス供給源２６（図５参照）（例えば、埋設管、ガスタンクなど）からの炭化水素系燃料ガスが燃料ガス供給ライン２８を介して気化器２４に供給される（必要に応じて、脱硫処理された後に気化器２４に供給される）。燃料ガス供給ライン２８には、燃料ガス供給源２６からの燃料ガスを燃料ガス供給ライン２８を通して気化器２４に供給するための燃料ガスポンプ（図示せず）が配設され、燃料ガス供給源２６、燃料ガス供給ライン２８及び燃料ガスポンプが燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段３０（図５参照）を構成する。
【００３３】
また、改質水供給源３２（図５参照）（例えば、水タンクなど）からの改質水（例えば、純水）が改質水供給ライン３４を介して気化器２４に供給される。改質水供給ライン３４には、改質水供給源３２からの改質水を改質水供給ライン３４を通して気化器２４供給するための水ポンプ（図示せず）が配設され、改質水供給源３２、改質水供給ライン３４及び水ポンプが改質水を供給するための改質水供給手段３６（図５参照）を構成する。
【００３４】
次に、図１〜図７、主として図５〜図７を参照して、図示の気化器２４について説明する。この気化器２４は、改質水を気化する気化室３８を規定する気化ハウジング４０を備え、この気化ハウジング４０を囲むように装置ハウジング４２が設けられ、この装置ハウジング４２と気化ハウジング４０との間に排気ガス流路４４が規定されている。燃料ガス供給ライン２８及び改質水供給ライン３４は、この装置ハウジング４２、排気ガス流路４４及び気化ハウジング４０を通して気化室３８内に延びている。
【００３５】
具体的には、同心状に配設された内側管（図示せず）及び外側管４５から構成される二重管部材４６が用いられ、この二重管部材４６が装置ハウジング４２及び気化ハウジング４０を貫通して気化室３８に延び、この気化ハウジング４０内を下方にその底部まで延びている。二重管部材４６の内側空間（内側管の内側に規定される空間）は、改質水供給ライン３４として機能し、この内側空間を通して気化室３８に改質水が送給され、またその外側空間（内側管と外側管４５との間に規定される環状空間）は、燃料ガス供給ライン２８として機能し、この外側空間を通して気化室３８に燃料ガスが送給される。
【００３６】
装置ハウジング４２の両側面（図１及び図２において左右方向の側面であって、左右の燃料電池モジュール２ａ，２ｂに対向する側面）の上端部に流入開口４８（４８ａ，４８ｂ）（図７参照）が設けられている。流入開口４８は前後方向（図１において左下から右上の方向、図２において紙面に垂直な方向）に細長く、片方の流入開口４８ａは、片側の一対の燃料電池モジュール２ａ間に設けられ、他方の流入開口４８ｂは、他側の一対の燃料電池モジュール２ｂ間に設けられている。これら流入開口４８（４８ａ，４８ｂ）は、改質器９の改質室部１０ａ，１０ｂよりも上側に設けられ、このように構成することによって、複数の燃料電池モジュール２ａ，２ｂの燃焼室１８，２０からの燃焼排気ガスは、改質器９の改質室部１０ａ，１０ｂの周囲を流れ、その後これら流入開口４８（４８ａ，４８ｂ）を通して気化器２４の排気ガス流路４４に流れるようになる。
【００３７】
また、気化ハウジング４０の気化室３８の略中央部に筒状の流路部材５０が配設されている。流路部材５０の下端部は気化室３８を通して、即ち気化ハウジング４０の底壁を貫通して排気ガス流路４４に連通され、燃焼排気ガスを排出する排気ガス排出流路５２を規定する。このように構成されているので、片側の一対の燃料電池モジュール２ａの燃焼室１８，２０から改質器９の改質室部１０ａの周囲を流れた燃焼排気ガスは、装置ハウジング４２の片側面の流入開口４８ａを通して装置ハウジング４２内の排気ガス排出流路５２に流入し、また他側の一対の燃料電池モジュール２ｂの燃焼室１８，２０から改質器９の改質室部１０ｂの周囲を流れた燃焼排気ガスは、装置ハウジング４２の他側面の流入開口４８ｂを通して装置ハウジング４２内の排気ガス排出流路５２に流入する。このように流入した燃焼排気ガスは、排気ガス流路４４を下方に流れた後に排気ガス排出流路５２（流路部材５０内）を流れて矢印５４（図５及び図７参照）で示すように上方に排出される。
【００３８】
この気化器２４においては、気化ハウジング４０が、燃料ガス供給手段３０からの燃料ガスと改質水供給手段３６からの改質水が気化した水蒸気とを混合する第１混合ハウジングとして機能する。即ち、この気化器２４では、排気ガス流路４４及び排気ガス排出流路５２を流れる燃焼排気ガスからの熱が気化室３８に作用し、かかる熱を利用して改質水供給手段３６からの改質水が気化されるとともに、燃料ガス供給手段３０からの燃料ガスが加熱され、この気化室３８内において水蒸気と燃料ガスが均一に混合される。
【００３９】
この気化器２４には、改質器９の各改質室部１０（１０ａ，１０ｂ）に対応して流出部５６（５６ａ，５６ｂ）が設けられている。左側の燃料電池モジュール２ａに対応して流出部５６ａが設けられ、かかる流出部５６ａの一端部は、装置ハウジング４２、排気ガス流路４４及び気化ハウジング４０を貫通して気化室３８内に連通し、それらの他端部は、改質器９の対応する改質室部１０ａの第１室部１６ａに接続されている。また、右側の燃料電池モジュール２ｂに対応して流出部５６ｂが設けられ、かかる流出部５ｂａの一端部は、装置ハウジング４２、排気ガス流路４４及び気化ハウジング４０を貫通して気化室３８内に連通し、それらの他端部は、改質器９の対応する改質室部１０ｂの第１室部２２ａに接続されている。
【００４０】
このように構成されているので、気化ハウジング４０（第１混合ハウジングとして機能する）の気化室３８で均一に混合された燃料ガス及び水蒸気がこれら流出部５６ａ，５６ｂを通して分岐されて改質器９の改質室部１０ａ，１０ｂに送給される。従って、改質器９の各改質室部１０ａ，１０ｂには、燃料ガスと水蒸気との混合比率がほぼ同じ混合ガスが送給され、また混合ガスの送給量もほぼ等しく、その結果、各改質室部１０ａ，１０ｂでの水蒸気改質がほぼ同じ条件でもって行なわれるようになる。尚、各改質室部１０（１０ａ，１０ｂ）への混合ガスの送給量を均一にするために、これら流出部５６（５６ａ，５６ｂ）を気化室３８内に前後方向及び左右方向に対称となるように配置するのが好ましい。
【００４１】
この気化器２４においては、流路部材５０の内周面に燃焼触媒５８を設けるのが好ましい。気化器２４の排気ガス流路４４に流入する燃焼排気ガスには、未燃焼の燃料ガス及び空気（酸素を含んでいる）が含まれており、このように燃焼触媒５８を設けることによって、燃焼排気ガス中に残留する燃料ガスが燃焼され、この燃焼熱を改質水の気化に利用することができる。尚、この燃焼触媒５８は、装置ハウジング４２の内面及び／又は気化ハウジング４０の外面に設けるようにしてもよい。
【００４２】
気化器２４の上方には空気用熱交換器６０（図３参照）が配設され、気化器２４の流路部材５０を通して矢印５４で示す如く排出された燃焼排気ガスは、この空気用熱交換器６０を通して矢印６２で示すように排出される。一方、燃料電池モジュール集合体４の各燃料電池モジュール２（２ａ，２ｂ）に供給される空気は、この空気用熱交換器６０を通して送給され、この熱交換器６０において燃焼排気ガスと空気との間で熱交換が行われ、この熱交換により加熱された空気が各燃料電池モジュール２（２ａ，２ｂ）の空気極側に送給される。
【００４３】
図１〜図４に戻って、この燃料電池システムでは、更に、改質器９（即ち、その改質室部１０）と燃料電池モジュール集合体４（即ち、複数の燃料電池モジュール２）との間に第２混合ハウジング６４が設けられている。第２混合ハウジング６４は、気化器２４の下側（即ち、左側の燃料電池モジュール２ａと右側の燃料電池モジュール２ｂとに囲まれた中央領域）に配設され、これら燃料電池モジュール２ａ，２ｂからの熱がこの第２混合ハウジング６４に伝わるように構成されている。
【００４４】
この形態では、第２混合ハウジング６４は、前後方向（図１において左下から右上の方向、図２において紙面に垂直な方向、図４において上下方向）に細長く、前側の燃料電池モジュール２（２ａ，２ｂ）の前端部から後側の燃料電池モジュール２（２ａ，２ｂ）の後端部にわたって延びている。
【００４５】
気化器２４及び第２混合ハウジング６４を挟んで対向する前側の燃料電池モジュール２ａ，２ｂに関して、改質器９の前側の改質室部１０ａ，１０ｂのうち左側の改質室部１０ａの第２室部１６ｂ（外側に位置する室部）に流出接続部６６ａが設けられ、また右側の改質室部１０ｂの第２室部２２ｂ（外側に位置する室部）に流出接続部６６ｂが設けられ、これら流出接続部６６ａ，６６ｂがＴ字形の連結接続管６８を介して第２混合ハウジング６４の前部に接続されている（図１及び図４参照）。また、改質器９の後側の改質室部１０ａ，１０ｂのうち左側の改質室部１０ａの第２室部１６ｂに流出接続部６６ａが設けられ、また右側の改質室部１０ｂの第２室部２２ｂに流出接続部６６ｂが設けられ、これら流出接続部６６ａ，６６ｂがＴ字形の連結接続管７０を介して第２混合ハウジング６４の後部に接続されている（図２参照）。
【００４６】
また、第２混合ハウジング６４の４角部には接続管７２が設けられ、第２混合ハウジング６４の前側の接続管７２の一方が、左側の燃料電池モジュール２ａの燃料ヘッダ８の前右角部に接続され、前側の接続管７２の他方が、右側の燃料電池モジュール２ｂの燃料ヘッダ８の前左角部に接続されている（図１及び図４参照）。また、第２混合ハウジング６４の後側の接続管７２の一方が、左側の燃料電池モジュール２ａの燃料ヘッダ８の後右角部に接続され、後側の接続管７２の他方が、右側の燃料電池モジュール２ｂの燃料ヘッダ８の後左角部に接続されている（図２参照）。
【００４７】
このように構成されているので、改質器９の前側の改質室部１０ａ，１０ｂで水蒸気改質された改質燃料ガスは、流出接続部６６ａ，６６ｂ及び連結接続管６８を介して第２混合ハウジング６４の前部内に送給され、またその後側の改質室部１０ａ，１０ｂで水蒸気改質された改質燃料ガスは、流出接続部６６ａ，６６ｂ及び連結接続管７０を介して第２混合ハウジング６４の後部内に送給され、このようにして流入した改質燃料ガスは、この第２混合ハウジング６４内で均一に混合される。各改質室部１０ａ，１０ｂにおける水蒸気改質反応による改質燃料ガスの組成が幾分変動したとしても、第２混合ハウジング６４内にてこれらが混合されるために、改質燃料ガスの組成を均一にすることができる。そして、第２混合ハウジング６４内で均一になった改質燃料ガスが、接続管７２を介して対応する燃料電池モジュール２（２ａ，２ｂ）の燃料ヘッダ８に供給される。従って、燃料電池モジュール集合体４の各燃料電池モジュール２ａ，２ｂのセルスタック６には、組成の均一な改質燃料ガスが燃料ヘッダ８を介して送給され、またその送給量もほぼ等しくなり、その結果、各燃料電池モジュール２ａ，２ｂのセルスタック６における電気化学反応がほぼ同じ条件でもって行なわれるようになり、各セルスタック６での発電を安定して行うことができる。尚、各燃料電池モジュール２（２ａ，２ｂ）（この形態では、各燃料ヘッダ８）へ改質燃料ガスの送給量をより均一にするために、これら接続管７２を第２混合ハウジング６４に前後方向及び左右方向に対称となるように設けるのが好ましい。
【００４８】
この燃料電池システムにおいては、起動用点火手段（図示せず）は、気化器２４の排気ガス排出流路５２（この排気ガス排出流路５２に燃焼触媒５８を設ける場合、この燃焼触媒５８の配設部位）に関連して設けられる。一般的に、この起動用点火手段は、燃料電池モジュール２ａ，２ｂのスタック６の上端部などに設けられるが、このような構成では、各燃料電池モジュール２ａ，２ｂのセルスタック６毎に一つの駆動用点火手段を設ける必要が生じる。これに対して、気化器２４の排気ガス排出流路５２（又は燃焼触媒５８の配設部位）に関連して設けるようにすると、一つの起動用点火手段でもって全ての燃料電池モジュール２ａ，２ｂを起動させることができ、起動用点火手段に関連する構成を簡単にすることができる。
【００４９】
この燃料電池システムでは、燃料ガス供給手段３０からの燃料ガス及び改質水供給手段３６からの改質水は、二重管部材４６を通して気化器２４の気化ハウジング４０（第１混合ハウジング）内に送給される。燃料電池モジュール集合体４の燃料電池モジュール２ａ，２ｂから改質器９の各改質室部１０ａ，１０ｂの周囲を流れた燃焼排気ガスは、気化器２４の流入開口４８ａ，４８ｂから流入して排気ガス流路４４及び排気ガス排出流路５２を通して流れ、かく流れる間に、燃焼排気ガスとの熱交換により、改質水が気化して水蒸気になるとともに燃料ガスが加熱される。このとき、気化器２４は一つの室から構成されているので、燃料ガス及び発生した水蒸気は均一な状態の混合ガスとなる。
【００５０】
気化ハウジング４０（第１混合ハウジング）内の混合ガスは、流出部５６ａ，５６ｂを通して改質器９の対応する改質室部１０に流れ、各改質室部１０ａ，１０ｂ内を流れる間に、対応する燃料電池モジュール２ａ，２ｂの燃料室１８，２０の燃料排気ガスの熱を利用して水蒸気改質が行われる。改質器９の改質室部１０ａ，１０ｂ内で水蒸気改質された改質燃料ガスは、接続管６６ａ，６６ｂ及び連結接続管６８，７０を介して第２混合ハウジング６４に送給され、この第２混合ハウジング６４内で混合されて均一な状態になり、この均一な改質燃料ガスが接続管７２を介して燃料電池モジュール２（２ａ，２ｂ）の燃料ヘッダ８に供給される。このように比較的簡単な構成でもって、改質器９の各改質室部１０ａ，１０ｂにおける水蒸気改質反応を実質上同一条件に保つことができ、また燃料電池モジュール集合体４の各燃料電池モジュール２ａ，２ｂにおける燃料電池反応も実質上同一条件に保つことができ、実質の燃料利用率も一定に保つことができる。
【００５１】
図８〜図１０は、気化器の他の形態を示している。この形態の気化器では、気化室と第１混合ハウジングとが別個に構成されている。尚、上述した実施形態と実質上同一の部材には同一の参照番号を付し、その説明を省略する。
【００５２】
図８〜図１０において、この変形形態の気化器２４Ａは、図８及び図１０において左右方向に間隔をおいて配設された三つの気化ハウジング３８Ａ，３８Ｂ，３８Ｃを備え、これら三つの気化ハウジング３８Ａ，３８Ｂ，３８Ｃはそれぞれ気化室を規定する。これら気化ハウジング３８Ａ，３８Ｂ，３８Ｃを囲むように装置ハウジング４２Ａが設けられ、この装置ハウジング４２Ａの上端部には、燃焼排気ガスが流入する流入開口４８Ａ，４８Ｂが設けられている。装置ハウジング４２Ａと気化ハウジング３８Ａ，３８Ｂ，３８Ｃとの間には、排気ガス流路４４Ａが規定され、流入開口４８Ａ，４８Ｂから流入した燃焼排気ガスは、排気ガス流路４４Ａを通して流出開口７３から排出される。
【００５３】
燃料ガス供給手段（図示せず）からの燃料ガスは、燃料ガス供給ライン２８Ａを通して分配ヘッダ７４に送給され、また改質水供給手段３６からの改質水は、改質水供給ライン３４を通して分配ヘッダ７４に送給され、分配ヘッダ７４によって三つの分岐二重管４６Ａ，４６Ｃ，４６Ｃに分配されて対応する気化ハウジング３８Ａ，３８Ｂ，３８Ｃ内に送給される。分岐二重管４６Ａ（４６Ｂ，４６Ｃ）は、内側管７６及び外側管７８を有し、分配ヘッダ７４で分配された改質水は、分岐二重管４６Ａ（４６Ｂ，４６Ｃ）の内側管７６の内側空間を通して送給され、分配ヘッダ７４で分配された燃料ガスは、分岐二重管４６Ａ（４６Ｂ，４６Ｃ）の内側管７６と外側管７８との間の環状空間を通して送給される。
【００５４】
分岐二重管４６Ａ（又は４６Ｂ，４６Ｃ）は、装置ハウジング４２Ａの上方を気化ハウジング３８Ａ（又は３８Ｂ，３８Ｃ）まで延び、装置ハウジング４２Ａ、排ガス流路４４Ａ及び気化ハウジング３８Ａ（又は３３Ｂ，３８Ｃ）を貫通して気化室（図示せず）の下方に延びている。三つの気化ハウジング３８Ａ，３８Ｂ，３８Ｃの一端側（図８において上端側）には、気化混合ハウジング７６（第１混合ハウジングを構成する）が設けられ、気化ハウジング３８Ａ，３８Ｂ，３８Ｃの上端部がこの気化混合ハウジング７６に連通され、気化ハウジング３８Ａ，３８Ｂ，３８Ｃにて気化された水蒸気及び加熱された燃料ガスがこの気化混合ハウジング７６内で混合されて均一な状態になる。そして、このように均一に混合された混合ガスが気化混合ハウジング７６から矢印７７で示すように改質器の改質室部（図示せず）に送給される。
【００５５】
このように複数の気化ハウジング３８Ａ，３８Ｂ，３８Ｃが設けられている場合、それらの下流側に気化混合ハウジング７６（即ち、第１混合ハウジング）を設けて複数の気化ハウジング３８Ａ，３８Ｂ，３８Ｃからの水蒸気及び燃料ガスを混合することによって、下流側に配設される改質器の各改質室部に送給される混合ガスの組成を均一にすることができる。従って、改質器の各改質室部には、燃料ガスと水蒸気との混合比率がほぼ同じ混合ガスが送給され、またその送給量もほぼ等しくなり、その結果、上述したと同様に、各改質室部での水蒸気改質がほぼ同じ条件でもっておこなわれるようになる。
【００５６】
このような燃料電池システムは、発電出力が数百〜１０００Wクラスの燃料電池モジュールを複数用いて数ｋWクラスのシステムにするのに好都合に適用することができ、また数ｋWクラスの燃料電池モジュールを用いて１０ｋW以上のシステムにするのにも適用することができる。
【００５７】
以上、本発明に従う燃料電池モジュール集合体の実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変形乃至修正が可能である、
例えば、図示の実施形態では、二つの燃料電池モジュールを片側に配設し、この二つの燃料電池モジュールに対向するように二つの燃料電池モジュールを他側に配設しているが、片側に例えば一つ又は三つ以上の燃料電池モジュール配設し、他側に例えば一つ又は三つ以上の燃料電池モジュールを配設するようにしてもよい（尚、他側のものは、片側のものに対向して配設する必要はない）。
【００５８】
また、図示の形態では、片側の燃料電池モジュールと他側の燃料電池モジュールとに囲まれた領域に気化器を配設しているが、このような構成に限定されず、複数の燃料電池モジュールを周方向に間隔をおいて放射状に配設し、これら燃料電池モジュールに囲まれた中央領域に気化器を配設するようにしてもよい。
【００５９】
また、このような燃料電池システムでは、気化器の流路部材５０に関連して、図１１に示すように構成することもできる。図１１において、この形態では、気化器２４Ｂの装置ハウジング４２Ｂの上壁８０に、流路部材５０の配設位置に対応して挿入開口（図示せず）が設けられ、この挿入開口に閉塞部材８２が取外し可能に取り付けられている。そして、このことに関連して、流路部材５０が例えば気化ハウジング４０（図５参照）に着脱自在に装着される。尚、この閉塞部材８２を気化ハウジング４０に開閉自在に装着するようにしてもよい。
【００６０】
このように構成すると、例えば閉塞部材８２を取り外すことによって挿入開口（図示せず）を開放することができ、このような開放状態において、この挿入開口を通して流路部材５０を挿入することによって気化ハウジング４０に取り付けることができ、またこの挿入開口を通して引き出すことによって気化ハウジング４０から取り外すことができ、燃焼触媒が劣化したときなどにおいて流路部材５０を容易に交換することができる。
【符号の説明】
【００６１】
２，２ａ，２ｂ  燃料電池モジュール
４  燃料電池モジュール集合体
６  セルスタック
８  燃料ヘッダ
９  改質器
１０，１０ａ，１０ｂ  改質室部
２４，２４Ａ，２４Ｂ  気化器
３０  燃料ガス供給手段
３６  改質水供給手段
４０  気化ハウジング（第１混合ハウジング）
５０  流路部材
５８  燃料触媒
６４  第２混合ハウジング
７６  気化混合ハウジング（第１混合ハウジング）
【図１】
0005908746.tif 000002
【図２】
0005908746.tif 000003
【図３】
0005908746.tif 000004
【図４】
0005908746.tif 000005
【図５】
0005908746.tif 000006
【図６】
0005908746.tif 000007
【図７】
0005908746.tif 000008
【図８】
0005908746.tif 000009
【図９】
0005908746.tif 000010
【図１０】
0005908746.tif 000011
【図１１】
0005908746.tif 000012
【図１２】
0005908746.tif 000013
【図１３】
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