(57)【要約】【課題】燃料電池スタックから排出される排ガスの熱を効率的に利用することができ、熱回収効率を有効に向上させることを可能にする。【解決手段】流体部１４は、熱交換器１８と蒸発器２０と改質器２２とを備えるとともに、この流体部１４が第３筐体部７２に収容される。第３筐体部７２内には、排ガスを流すための排ガス通路７６が設けられ、この排ガス通路７６は、排ガスを改質器２２に供給する第１通路部７８と、前記排ガスを熱交換器１８に供給する第２通路部８０と、前記第２通路部８０の下流に連通し、前記熱交換器１８により熱交換が行われて温度低下が惹起した排ガスを、蒸発器２０に供給する第３通路部８２とを有する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体とセパレータとが積層される燃料電池を設け、複数の前記燃料電池が積層される燃料電池スタックと、
酸化剤ガスを前記燃料電池スタックに供給する前に加熱する熱交換器と、
炭化水素を主体とする原燃料と水蒸気との混合燃料を生成するために、水を蒸発させる蒸発器と、
前記混合燃料を改質して改質ガスを生成する改質器と、
少なくとも前記燃料電池スタック、前記熱交換器、前記蒸発器及び前記改質器を収容する筐体と、
を備え、
前記筐体内には、発電反応に使用されて前記燃料電池スタックから排出される排ガスを流す排ガス通路が設けられるとともに、
前記排ガス通路は、前記混合燃料を改質するための熱源として、前記排ガスを前記改質器に供給する第１通路部と、
前記酸化剤ガスを加熱するための熱源として、前記排ガスを前記熱交換器に供給する第２通路部と、
前記第２通路部の下流に連通し、前記水を蒸発させるための熱源として、前記排ガスを前記蒸発器に供給する第３通路部と、
を有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、少なくとも前記熱交換器、前記蒸発器及び前記改質器を含む流体部は、前記燃料電池スタックの一方の側に配置されるとともに、
前記流体部は、前記燃料電池スタックの中心軸に対して軸対称に配設されることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１又は２記載の燃料電池システムにおいて、前記改質器と前記蒸発器とは、前記燃料電池スタックから離間する方向に沿って順次配設されるとともに、
前記熱交換器は、前記改質器の外側に配設されることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１又は２記載の燃料電池システムにおいて、前記改質器の外側に前記蒸発器が配設されるとともに、
前記蒸発器の外側に前記熱交換器が配設されることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項３又は４記載の燃料電池システムにおいて、前記改質器及び前記熱交換器は、前記燃料電池スタックに近接して配設されることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
請求項３乃至５のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記蒸発器を周回して断熱層が形成されるとともに、
前記断熱層には、前記排ガスが充填されることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記改質器は、前記混合燃料を改質器内部に流入する入口部と、
改質後の改質ガスを前記燃料電池スタックに供給する出口部と、
を有するとともに、
前記入口部は、前記第１通路部の排ガス導出部に近接して配置されることを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタック、熱交換器、蒸発器及び改質器が筐体に収容される燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
通常、固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）は、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（単セル）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、単セル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】
この場合、上記の燃料電池に供給される燃料ガスは、通常、改質装置によって炭化水素系の原燃料から生成される水素ガスが使用されている。改質装置では、一般的に、メタンやＬＮＧ等の化石燃料等の炭化水素系の原燃料から改質原料ガスを得た後、この改質原料ガスに水蒸気改質や部分酸化改質、又はオートサーマル改質等を施すことにより、改質ガス（燃料ガス）が生成されている。
【０００４】
例えば、特許文献１に開示されている改質装置は、図１０に示すように、原料ガスが供給されて部分酸化反応及び水蒸気改質反応により水素を生成させる改質部１と、この改質部１と一体に形成されて前記改質部１を加熱するために加熱用燃料を燃焼させる燃焼部２と、前記改質部１と一体に形成され、少なくとも該改質部１の排熱により水を蒸発させて得られた水蒸気を前記原料ガスに供給する水蒸気供給部３とを備えている。
【０００５】
このような構成において、改質部１では、原料ガス中の原燃料と酸素とが反応する部分酸化反応、及び該原燃料と水蒸気とが反応する水蒸気改質反応により、前記原燃料から水素が生成されている。その際、改質部１には、吸熱反応である水蒸気改質反応の反応熱として、加熱用燃料の燃焼熱が燃焼部２から供給されている。
【０００６】
ここで、部分酸化反応は、発熱反応であり、水蒸気改質反応の反応温度も高いため、改質部１からは排熱として熱が放出されている。この改質部１からの排熱は、水蒸気供給部３で水を蒸発させる熱源として利用されている、としている。
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−４０６０５号公報（図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記の特許文献１では、燃焼部２は、水素極からの排ガス中に含まれる残存水素を空気で燃焼させ、得られた燃焼熱を改質部１に供給することにより、この燃焼熱を前記改質部１の改質用熱源として使用している。この場合、固体高分子電解質型燃料電池では、作動温度が１００℃以下であり、この燃料電池から排出される排ガス温度は、通常、改質部１の改質温度及び水蒸気供給部３の作動温度よりも低温となっている。
【０００９】
しかしながら、特許文献１では、この排ガスから熱を回収することがなく、燃焼器２により残存水素の燃焼を行っている。これにより、熱回収効率を高めているが、排ガスを燃焼させるための燃焼器が必要となる。このため、装置が複雑になるとともに、大型化してしまうという問題がある。
【００１０】
さらに、排ガスから排熱を効率的に回収することができない場合、燃料電池システムから当然に放熱されてしまう熱量を削減する必要がある。従って、断熱材等を大量に用いて断熱性を高めることが行われており、燃料電池システムが相当に大型化してしまう。
【００１１】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、燃料電池システムが大型化することがなく、燃料電池スタックから排出される排ガスの熱を効率的に利用することができ、熱回収効率を有効に向上させることが可能な燃料電池システム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】
【００１２】
本発明は、電解質をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体とセパレータとが積層される燃料電池を設け、複数の前記燃料電池が積層される燃料電池スタックと、酸化剤ガスを前記燃料電池スタックに供給する前に加熱する熱交換器と、炭化水素を主体とする原燃料と水蒸気との混合燃料を生成するために、水を蒸発させる蒸発器と、前記混合燃料を改質して改質ガスを生成する改質器と、少なくとも前記燃料電池スタック、前記熱交換器、前記蒸発器及び前記改質器を収容する筐体とを備えている。
【００１３】
筐体内には、発電反応に使用されて燃料電池スタックから排出される排ガスを流す排ガス通路が設けられるとともに、前記排ガス通路は、混合燃料を改質するための熱源として、前記排ガスを改質器に供給する第１通路部と、酸化剤ガスを加熱するための熱源として、前記排ガスを熱交換器に供給する第２通路部と、前記第２通路部の下流に連通し、水を蒸発させるための熱源として、前記排ガスを蒸発器に供給する第３通路部とを有している。
【００１４】
また、少なくとも熱交換器、蒸発器及び改質器を含む流体部は、燃料電池スタックの一方の側に配置されるとともに、前記流体部は、前記燃料電池スタックの中心軸に対して軸対称に配設されることが好ましい。
【００１５】
さらに、改質器と蒸発器とは、燃料電池スタックから離間する方向に沿って順次配設されるとともに、熱交換器は、前記改質器の外側に配設されることが好ましい。
【００１６】
さらにまた、改質器の外側に蒸発器が配設されるとともに、前記蒸発器の外側に熱交換器が配設されることが好ましい。また、改質器及び熱交換器は、燃料電池スタックに近接して配設されることが好ましい。さらに、蒸発器を周回して断熱層が形成されるとともに、前記断熱層には、排ガスが充填されることが好ましい。
【００１７】
また、改質器は、混合燃料を改質器内部に流入する入口部と、改質後の改質ガスを燃料電池スタックに供給する出口部とを有するとともに、前記入口部は、第１通路部の排ガス導出部に近接して配置されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、第１通路部を流れる排ガスを介して改質部を加熱する一方、第２通路部を流れる排ガスを介して熱交換器で熱交換を行い、さらに前記熱交換後に第３通路部を流れる前記排ガスを介して蒸発器を加熱している。このため、排ガスからの熱回収率が高くなる。
【００１９】
しかも、蒸発器は、熱交換器に比べて作動温度が低いため、第２通路部を流れることにより熱交換を行って温度が低下した排ガスは、前記蒸発器に対して水蒸気を発生させ得る熱源としての機能を有することができる。これにより、排ガスの熱を効果的に利用することが可能になり、熱損失を可及的に阻止して熱回収率を一層向上させることができる。
【００２０】
これによって、排ガス中の熱を可及的に回収することが可能になり、燃料電池システムから当然に放熱される熱の断熱性を高く維持する必要がなくなり、断熱材の使用量を少なくできるため、前記燃料電池システムを良好に小型化が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システム１０の一部断面説明図であり、図２は、前記燃料電池システム１０の要部断面図である。
【００２２】
燃料電池システム１０は、定置用の他、車載用等の種々の用途に用いられている。燃料電池システム１０は、図１に示すように、燃料電池スタック１２と、前記燃料電池スタック１２の一方の側に配置される流体部１４と、前記燃料電池スタック１２及び前記流体部１４を収容する筐体１６とを備える。
【００２３】
図１及び図２に示すように、流体部１４は、酸化剤ガスを燃料電池スタック１２に供給する前に加熱する熱交換器１８と、炭化水素を主体とする原燃料（例えば、都市ガス）と水蒸気との混合燃料を生成するために、水を蒸発させる蒸発器２０と、前記混合燃料を改質して改質ガスを生成する改質器２２とを備える。
【００２４】
改質器２２は、都市ガス中に含まれるエタン（Ｃ2Ｈ6）、プロパン（Ｃ3Ｈ6）及びブタン（Ｃ4Ｈ10）等の高炭素（Ｃ2+）炭化水素を、主としてメタン（ＣＨ4）を含む原燃料ガスに水蒸気改質するための予備改質器であり、３００℃〜４００℃の作動温度に設定される。
【００２５】
筐体１６内では、燃料電池スタック１２の他方の側に、前記燃料電池スタック１２を構成する複数の燃料電池２６の積層方向（矢印Ａ方向）に締め付け荷重を付与する荷重付与機構２４が配設される（図１及び図３参照）。流体部１４及び荷重付与機構２４は、燃料電池スタック１２の中心軸に対して軸対称に配設される。
【００２６】
燃料電池２６は、固体電解質型燃料電池である。この燃料電池２６は、図４及び図５に示すように、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（電解質板）３０の両面に、カソード電極３２及びアノード電極３４が設けられた電解質・電極接合体３６を備える。
【００２７】
燃料電池２６は、作動温度が７００℃以上と高温であり、電解質・電極接合体３６では、燃料ガス中のメタンが改質されて水素が得られ、この水素がアノード電極３４に供給される。
【００２８】
燃料電池２６は、一対のセパレータ３８間に複数、例えば、８個の電解質・電極接合体３６を挟んで構成される。セパレータ３８間には、このセパレータ３８の中心部である燃料ガス供給連通孔４０と同心円上に８個の電解質・電極接合体３６が配列される。燃料ガス供給連通孔４０の周囲には、酸化剤ガス供給部４１が気密に設けられる。
【００２９】
セパレータ３８は、図４に示すように、例えば、ステンレス合金等の板金で構成される１枚の金属プレートやカーボンプレート等で構成される。セパレータ３８は、中央部に燃料ガス供給連通孔４０を形成するとともに、複数の円板部４２を設ける。各円板部４２のアノード電極３４に接触する面には、前記アノード電極３４の電極面に沿って燃料ガスを供給するための燃料ガス通路４６を形成する第１突起部４８が設けられる。
【００３０】
各円板部４２のカソード電極３２に接触する面には、前記カソード電極３２の電極面に沿って酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス通路５０を形成する第２突起部５２が設けられる。図４及び図５に示すように、円板部４２には、燃料ガス通路４６に燃料ガスを供給するための燃料ガス導入口５４が形成される。
【００３１】
セパレータ３８のカソード電極３２に対向する面には、通路部材５６が、例えば、ろう付けやレーザ溶接等により固着される。通路部材５６は、中央部に燃料ガス供給連通孔４０を形成するとともに、前記燃料ガス供給連通孔４０から燃料ガス通路４６に連通する燃料ガス供給通路５８が形成される。セパレータ３８の外周には、使用済みの反応ガスである排ガスを排出するための排ガス排出路５９が設けられる。
【００３２】
図１及び図３に示すように、燃料電池スタック１２は、複数の燃料電池２６の積層方向両端にエンドプレート６０ａ、６０ｂを配置する。エンドプレート６０ａには、孔部６１を中心にして同一仮想円周上に孔部６２とねじ孔６４とが、交互に且つ所定の角度間隔ずつ離間して設けられる。孔部６２は、後述する空気通路８４に連通する。
【００３３】
筐体１６は、図１に示すように、荷重付与機構２４を収容する第１筐体部６６ａと、燃料電池スタック１２を収容する第２筐体部６６ｂとを備える。第１及び第２筐体部６６ａ、６６ｂ間は、エンドプレート６０ｂ及び前記エンドプレート６０ｂの第２筐体部６６ｂ側に絶縁材（図示せず）を介装してねじ６８及びナット７０により締め付けられる。
【００３４】
第２筐体部６６ｂには、流体部１４を構成する円筒状第３筐体部７２の一端部が接合されるとともに、前記第３筐体部７２の他端部には、ヘッド板７４が固着される。第３筐体部７２内には、発電に使用されて燃料電池スタック１２の排ガス排出路５９から排出される排ガスを流体部１４に流すための排ガス通路７６が設けられる。
【００３５】
図２に示すように、排ガス通路７６は、混合燃料を改質するための熱源として、排ガスを改質器２２に供給する第１通路部７８と、酸化剤ガスを加熱するための熱源として、前記排ガスを熱交換器１８に供給する第２通路部８０と、前記第２通路部８０の下流に連通し、水を蒸発させるための熱源として、前記排ガスを蒸発器２０に供給する第３通路部８２とを有する。第１通路部７８は、壁部８１に形成された複数の孔部８１ａを介して主流路である第２通路部８０から分岐するとともに、整流孔（排ガス導出部）８３を介して改質器２２側に開放される。
【００３６】
改質器２２と蒸発器２０とは、燃料電池スタック１２から離間する方向（矢印Ａ１方向）に沿って順次配設されるとともに、熱交換器１８は、前記改質器２２の外側に配設される。熱交換器１８及び改質器２２は、燃料電池スタック１２に可及的に近接しており、この燃料電池スタック１２の排ガス排出路５９には、排ガス通路７６を構成する第２通路部８０が直接連通する。
【００３７】
この第２通路部８０は、熱交換器１８内に設けられる一方、前記熱交換器１８内には、被加熱流体である空気を排ガスと対向流に流すための空気通路８４が、前記第２通路部８０に近接して設けられる。この空気通路８４は、ヘッド板７４に接続される空気供給管８６に連通する。
【００３８】
蒸発器２０は、互いに同軸上に配設される外筒部材８８と内筒部材９０とを備えるとともに、前記外筒部材８８と前記内筒部材９０との間には、二重管９２が螺旋状に配設される。図２及び図６に示すように、二重管９２は、外管９４ａと内管９４ｂとを備え、前記外管９４ａと外筒部材８８及び内筒部材９０との間には、第３通路部８２が形成される。
【００３９】
外管９４ａと内管９４ｂとの間には、原燃料通路９６が形成される一方、前記内管９４ｂ内には、水通路９８が形成される。内管９４ｂには、蒸発器２０の下流側に位置して複数の孔部１００が形成される。孔部１００は、例えば、直径が１０μｍ〜１００μｍに設定される。
【００４０】
二重管９２の上流側端部は、ヘッド板７４を貫通して外部に延在するとともに、前記二重管９２の下流側端部は、内管９４ｂが終端して外管９４ａのみが矢印Ａ２方向に延在する。この外管９４ａには、混合燃料供給管１０１の一端が接続され、前記混合燃料供給管１０１の他端は、改質器２２の入口部１０２に連結される（図２参照）。混合燃料供給管１０１は、燃料電池スタック１２側に延在して入口部１０２に連結されるとともに、この入口部１０２は、排ガス通路７６から分岐する第１通路部７８に連通する整流孔８３に近接して配置される。
【００４１】
図７に示すように、改質器２２は、入口部１０２が形成される蓋１０８を備え、この蓋１０８を端部にして第１受け部材１１０と第２受け部材１１２とが交互に接続される。図７及び図８に示すように、第１及び第２受け部材１１０、１１２は、略プレート状に形成されており、前記第１受け部材１１０の中央部には、孔部１１４が形成される。第２受け部材１１２の外周縁部には、同一円周上に複数の孔部１１６が形成される。
【００４２】
第１及び第２受け部材１１０、１１２間には、複数の改質用触媒ペレット１１８が挟持される。触媒ペレット１１８は、円柱状に形成され、例えば、セラミックス化合物の基台にニッケル系触媒が設けられて構成される。
【００４３】
改質器２２内には、第１受け部材１１０の孔部１１４と第２受け部材１１２の孔部１１６とを通って蛇行しながら矢印Ａ方向に延在する改質用通路１２０が形成される。改質器２２の下流側（矢印Ａ１方向端部側）には、出口部１２２が設けられ、この出口部１２２に改質ガス供給路１２４の一端が接続される（図７参照）。改質ガス供給路１２４は、図２に示すように、改質器２２の軸方向に沿って延在し、エンドプレート６０ａの孔部６１に嵌合されて燃料ガス供給連通孔４０に連通する。
【００４４】
ヘッド板７４には、蒸発器２０の第３通路部８２に連通する主排気管１２６と、前記蒸発器２０の中央部に位置して改質器２２の外周に沿って矢印Ａ１方向に移動する排ガスを排出するための排気管１２８とが接続される。
【００４５】
蒸発器２０を構成する外筒部材８８の外周には、筒状カバー１２９が配設される。この筒状カバー１２９と外筒部材８８との間には、閉塞された断熱層１２９ａが形成されるとともに、前記断熱層１２９ａには、第２通路部８０に連通して排ガスの一部が充填される。
【００４６】
図１に示すように、荷重付与機構２４は、燃料ガス供給連通孔４０の近傍に対して第１締め付け荷重Ｔ１を付与する第１締め付け部１３０ａと、電解質・電極接合体３６に対して前記第１締め付け荷重Ｔ１よりも小さな第２締め付け荷重Ｔ２を付与する第２締め付け部１３０ｂとを備える（Ｔ１＞Ｔ２）。
【００４７】
第１締め付け部１３０ａは、図１及び図３に示すように、エンドプレート６０ａの一方の対角位置に設けられるねじ孔６４、６４に螺合する短尺な第１締め付けボルト１３２ａ、１３２ａを備える。第１締め付けボルト１３２ａ、１３２ａは、燃料電池２６の積層方向に延在するとともに、第１押圧プレート１３４ａに係合する。第１押圧プレート１３４ａは、幅狭な板状を有しており、燃料ガス供給連通孔４０を覆ってセパレータ３８の中央部に係合する。
【００４８】
第２締め付け部１３０ｂは、長尺な第２締め付けボルト１３２ｂ、１３２ｂを備え、前記第２締め付けボルト１３２ｂ、１３２ｂは、エンドプレート６０ａの他方の対角位置に設けられるねじ孔６４、６４に螺合する。第２締め付けボルト１３２ｂ、１３２ｂの端部は、外周湾曲形状の第２押圧プレート１３４ｂを貫通し、この端部にナット１３６が螺合する。前記第２押圧プレート１３４ｂの各円弧状部には、燃料電池２６の円板部４２に配置される各電解質・電極接合体３６に対応してスプリング１３８及び台座１４０が配設される。スプリング１３８は、例えば、セラミックススプリングにより構成される。
【００４９】
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。
【００５０】
図２及び図６に示すように、蒸発器２０を構成する二重管９２の原燃料通路９６には、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とともに、前記二重管９２の水通路９８には、水が供給される。さらに、空気供給管８６には、酸化剤ガスである、例えば、空気が供給される。
【００５１】
蒸発器２０では、原燃料が二重管９２内の原燃料通路９６に沿って螺旋状に移動するとともに、水が水通路９８に沿って螺旋状に移動する一方、第３通路部８２には、後述する排ガスが流通している。このため、水通路９８を移動する水が、内管９４ｂの下流側に形成されている複数の孔部１００から原燃料通路９６に水蒸気化されて噴出される。
【００５２】
その際、原燃料通路９６を流れる原燃料に水蒸気が混在されて混合燃料が得られ、この混合燃料は、外管９４ａに連結された混合燃料供給管１０１を介して改質器２２の入口部１０２に供給される。図７に示すように、入口部１０２から改質器２２内に供給される混合燃料は、第１受け部材１１０の孔部１１４を通って第１及び第２受け部材１１０、１１２間に挟持されている複数の触媒ペレット１１８によって改質される。さらに、この混合燃料は、第２受け部材１１２の外周縁部に形成された孔部１１６から次なる触媒ペレット１１８に供給される。
【００５３】
これにより、混合燃料は、改質器２２内を蛇行する改質用通路１２０に沿って移動しながら水蒸気改質され、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（燃料ガス）が得られる。この改質ガスは、改質器２２の出口部１２２に連通する改質ガス供給路１２４を通って燃料電池スタック１２の燃料ガス供給連通孔４０に供給される。
【００５４】
図４及び図５に示すように、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔４０から燃料ガス供給通路５８に沿って移動し、円板部４２の燃料ガス導入口５４から燃料ガス通路４６に導入される。燃料ガス導入口５４は、各電解質・電極接合体３６のアノード電極３４の略中央位置に設定されている。このため、燃料ガスは、燃料ガス導入口５４からアノード電極３４の略中央に供給され、前記燃料ガス中のメタンが改質されて水素ガスが得られ、この水素ガスを主成分とする該燃料ガスは、燃料ガス通路４６に沿って前記アノード電極３４の外周部に向かって移動する。
【００５５】
一方、図２に示すように、空気供給管８６から熱交換器１８に供給される空気は、この熱交換器１８の空気通路８４に沿って移動する際、第２通路部８０に沿って移動する後述する燃焼排ガスとの間で熱交換が行われ、所望の温度に予め加温されている。熱交換器１８で加温された空気は、図４及び図５に示すように、燃料電池スタック１２の酸化剤ガス供給部４１に供給され、電解質・電極接合体３６の内側周端部と円板部４２の内側周端部との間から矢印Ｂ方向に流入する。従って、空気は、酸化剤ガス通路５０に沿って電解質・電極接合体３６のカソード電極３２の内側周端部から外側周端部に向かって流動する。
【００５６】
これにより、電解質・電極接合体３６では、アノード電極３４に沿って燃料ガスが供給されるとともに、カソード電極３２に沿って空気が供給され、電気化学反応により発電が行われる。各電解質・電極接合体３６の外周部に排出される排ガスは、排ガス排出路５９を介して積層方向に移動し、排ガス通路７６に導入される。
【００５７】
排ガス通路７６に導入された高温（７００℃前後）の排ガスは、図２に示すように、一部が孔部８１ａを介して第１通路部７８に分岐され、壁部８１の整流孔８３から改質器２２の入口部１０２に供給される。改質器２２の入口部１０２を集中的に加熱した排ガスは、蒸発器２０の内側を通って排気管１２８から外部に排出される。
【００５８】
その際、改質器２２では、水蒸気改質が行われており、特に、入口部１０２の近傍で温度低下が惹起し易い。このため、入口部１０２を高温の排ガスにより集中して加熱することによって、改質器２２の温度低下を抑制することができる。これにより、改質器２２の温度を安定させることができ、Ｓ／Ｃ（スチーム／カーボン）比を一定に維持することが可能になるという効果がある。
【００５９】
一方、排ガス通路７６の第２通路部８０に供給された排ガスは、熱交換器１８内を通って空気と熱交換を行い、この空気を所望の温度に加温して温度低下が惹起される。この排ガスは、一部が断熱層１２９ａに充填されるとともに、残余の部分が第２通路部８０に連通する第３通路部８２に導入される。この第３通路部８２は、蒸発器２０を構成する二重管９２と外筒部材８８及び内筒部材９０との間に形成されており、排ガスは前記二重管９２の水通路９８を通過する水を蒸発させる。従って、原燃料通路９６には、原燃料に水蒸気が混合された混合燃料を確実に生成することができる。なお、蒸発器２０を通過した排ガスは、主排気管１２６を介して外部に排出される。
【００６０】
この場合、第１の実施形態では、燃料電池スタック１２から排出される排ガスが、第１通路部７８と第２通路部８０とに振り分けられ、この第１通路部７８を流れる排ガスを介して改質器２２の入口部１０２の近傍が加熱される一方、前記第２通路部８０を流れる排ガスを介して熱交換器１８で空気と熱交換が行われている。さらに、熱交換器１８から排出される排ガスは、第３通路部８２を流れることにより蒸発器２０を加熱している。このため、排ガスからの熱回収率が高くなるという効果が得られる。
【００６１】
しかも、蒸発器２０は、熱交換器１８に比べて作動温度が低いため、第２通路部８０を流れて熱交換を行うことにより温度が低下した排ガスは、第３通路部８２を流れることによって、蒸発器２０で水蒸気を発生させ得る熱源としての機能を有している。これにより、排ガスの熱を効果的に利用することができ、熱損失を可及的に阻止して、熱回収率を一層向上させることが可能になる。
【００６２】
これによって、排ガス中の熱を可及的に回収することができ、燃料電池システム１０から当然に放熱される熱の断熱性を高く維持する必要がなくなり、断熱材の使用量を少なくできるため、前記燃料電池システム１０を良好に小型化することが可能になるとともに、改質器２２、熱交換器１８及び蒸発器２０毎に熱回収率を高くする必要もなく、製作の簡素化及びコストの低下が容易に図られる。
【００６３】
さらに、熱交換器１８、蒸発器２０及び改質器２２を含む流体部１４は、燃料電池スタック１２の一方の側に配置されるとともに、前記流体部１４は、前記燃料電池スタック１２の中心軸に対して軸対称に配設されている。従って、燃料電池システム１０内で温度が高くなる流体部１４を、同一の領域内に集約することができ、前記流体部１４からの放熱が抑制されて熱回収率を高めることが可能になる。しかも、流体部１４が軸対称であるため、熱応力や熱歪が発生し難く、耐久性が向上するという利点がある。
【００６４】
さらにまた、燃料電池スタック１２に対して改質器２２及び蒸発器２０の順に配置されるとともに、熱交換器１８が前記改質器２２の外側に配設されている。このため、熱交換器１８からの輻射熱によって改質器２２を温めることができ、この改質器２２の断熱性を有効に向上させることができる。これにより、改質器２２は、一定の温度に確実に維持され、改質の信頼性を維持して改質効率を高めることが可能になる。
【００６５】
しかも、熱交換器１８及び改質器２２は、燃料電池スタック１２に近接して配設されており、前記燃料電池スタック１２からの熱授受が容易且つ確実になって、熱回収率を高めることができる。
【００６６】
さらにまた、蒸発器２０では、外筒部材８８を覆って筒状カバー１２９が配設されており、この筒状カバー１２９内に断熱層１２９ａが形成されている。従って、断熱層１２９ａに排ガスの一部を取り込むだけで、蒸発器２０の断熱性を一層向上させることが可能になる。
【００６７】
図９は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムを構成する流体部１５０の要部断面説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池システム１０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。
【００６８】
流体部１５０は、熱交換器１８と改質器２２と蒸発器１５２とを備える。この流体部１５０は、燃料電池スタック１２の一方の側に配置されるとともに、前記燃料電池スタック１２の中心軸に対して軸対称に配置される。流体部１５０では、改質器２２の外側に蒸発器１５２が配設されるとともに、この蒸発器１５２の外側に熱交換器１８が配設される。
【００６９】
このように構成される第２の実施形態では、熱交換器１８の内側に蒸発器１５２及び改質器２２が配設されており、この改質器２２を前記熱交換器１８からの輻射熱で温めることができるとともに、前記蒸発器１５２の断熱性が有効に向上し、水蒸気を発生し易くなるという効果が得られる。しかも、流体部１５０は矢印Ａ方向の寸法が有効に短尺化され、燃料電池システム全体の小型化が容易に図られる。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池システムの一部断面説明図である。
【図２】前記燃料電池システムを構成する流体部の要部断面説明図である。
【図３】前記燃料電池システムを構成する燃料電池スタックの概略斜視説明図である。
【図４】前記燃料電池スタックを構成する燃料電池の分解斜視説明図である。
【図５】前記燃料電池のガス流れ状態を示す一部分解斜視説明図である。
【図６】前記燃料電池システムを構成する蒸発器の要部斜視説明図である。
【図７】前記燃料電池システムを構成する改質器の一部断面説明図である。
【図８】前記改質器の要部分解斜視図である。
【図９】本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池システムを構成する流体部の要部断面説明図である。
【図１０】特許文献１の改質装置の断面説明図である。
【符号の説明】
【００７１】
１０…燃料電池システム                    １２…燃料電池スタック
１４、１５０…流体部                      １６…筐体
１８…熱交換器                            ２０、１５２…蒸発器
２２…改質器                              ２４…荷重付与機構
２６…燃料電池                            ３０…電解質
３２…カソード電極                        ３４…アノード電極
３６…電解質・電極接合体                  ３８…セパレータ
５９…排ガス排出路                        ６０ａ、６０ｂ…エンドプレート
６１、６２、１００、１１４、１１６…孔部  ６６ａ、６６ｂ、７２…筐体部
７６…排ガス通路                          ７８、８０、８２…通路部
８３…整流孔                              ８４…空気通路
８６…空気供給管                          ８８…外筒部材
９０…内筒部材                            ９２…二重管
９４ａ…外管                              ９４ｂ…内管
９６…原燃料通路                          ９８…水通路
１０１…混合燃料供給管                    １０２…入口部
１１０、１１２…受け部材                  １１８…触媒ペレット
１２０…改質用通路                        １２２…出口部
１２４…改質ガス供給路                    １２６…主排気管
１２８…排気管                            １２９…筒状カバー
１２９ａ…断熱層
【図１】
2006331678.tif 000003
【図２】
2006331678.tif 000004
【図３】
2006331678.tif 000005
【図４】
2006331678.tif 000006
【図５】
2006331678.tif 000007
【図６】
2006331678.tif 000008
【図７】
2006331678.tif 000009
【図８】
2006331678.tif 000010
【図９】
2006331678.tif 000011
【図１０】
2006331678.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】平成18年6月14日(2006.6.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
しかしながら、特許文献１では、この排ガスから熱を回収することがなく、燃焼器２により残存水素の燃焼を行っている。これにより、熱回収効率を高めているが、排ガスを燃焼させるための燃焼器が必要となる。このため、装置が複雑になるとともに、大型化してしまうという問題がある。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２２】
燃料電池システム１０は、定置用の他、車載用等の種々の用途に用いられている。燃料電池システム１０は、図１に示すように、燃料電池スタック１２と、前記燃料電池スタック１２の一方の側に配置される流体部１４と、前記燃料電池スタック１２及び前記流体部１４を収容する筐体１６とを備える。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４０】
二重管９２の上流側端部は、ヘッド板７４を貫通して外部に延在するとともに、前記二重管９２の下流側端部は、内管９４ｂが終端して外管９４ａのみが矢印Ａ２方向に延在する。この外管９４ａには、混合燃料供給管１０１の一端が接続され、前記混合燃料供給管１０１の他端は、改質器２２の入口部１０２に連結される（図２参照）。混合燃料供給管１０１は、燃料電池スタック１２側に延在して入口部１０２に連結されるとともに、この入口部１０２は、排ガス通路７６から分岐する第１通路部７８に連通する整流孔８３に近接して配置される。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６０】
この場合、第１の実施形態では、燃料電池スタック１２から排出される排ガスが、第１通路部７８と第２通路部８０とに振り分けられ、この第１通路部７８を流れる排ガスを介して改質器２２の入口部１０２の近傍が加熱される一方、前記第２通路部８０を流れる排ガスを介して熱交換器１８で空気と熱交換が行われている。さらに、熱交換器１８から排出される排ガスは、第３通路部８２を流れることにより蒸発器２０を加熱している。このため、排ガスからの熱回収率が高くなるという効果が得られる。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６３】
さらに、熱交換器１８、蒸発器２０及び改質器２２を含む流体部１４は、燃料電池スタック１２の一方の側に配置されるとともに、前記流体部１４は、前記燃料電池スタック１２の中心軸に対して軸対称に配設されている。従って、燃料電池システム１０内で温度が高くなる流体部１４を、同一の領域内に集約することができ、前記流体部１４からの放熱が抑制されて熱回収率を高めることが可能になる。しかも、流体部１４が軸対称であるため、熱応力や熱歪が発生し難く、耐久性が向上するという利点がある。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６８】
流体部１５０は、熱交換器１８と改質器２２と蒸発器１５２とを備える。この流体部１５０は、燃料電池スタック１２の一方の側に配置されるとともに、前記燃料電池スタック１２の中心軸に対して軸対称に配置される。流体部１５０では、改質器２２の外側に蒸発器１５２が配設されるとともに、この蒸発器１５２の外側に熱交換器１８が配設される。