(57)【要約】【課題】コンパクトで、起動性に優れた燃料電池モジュールを提供する。【解決手段】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平板状の燃料電池１４が複数積層された積層体を有する燃料電池スタック１２と、燃料電池１４を昇温させるための燃焼ガスを発生させる起動用燃焼器２０と、を備える燃料電池モジュール１０において、燃料電池スタック１２の内部の酸化剤ガスを燃料電池１４に導入する酸化剤ガス導入口３０ａの近傍に起動用燃焼器２０を配置した。【選択図】図２
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【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平板状の燃料電池が複数積層された積層体を有する燃料電池スタックと、
前記燃料電池を昇温させるための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、
前記燃料電池スタックは、前記酸化剤ガスを流通させる酸化剤ガス導入路と、前記燃料電池の側部に形成され前記酸化剤ガス導入路の酸化剤ガスを前記燃料電池の内部に導入する酸化剤ガス導入口と、を有し、
前記起動用燃焼器が、前記燃料電池スタックの内部であって、前記酸化剤ガス導入路と前記酸化剤ガス導入路との間の酸化剤ガス経路上に、前記積層体の側部に対向するように配置されてい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であって、前記起動用燃焼器は前記燃料電池スタックの積層方向に延在する燃焼部を有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であって、前記起動用燃焼器から出た燃焼ガスと、前記酸化剤ガス導入路を流れる酸化剤ガスとの混入を防ぐ酸化剤ガス案内部を有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であって、前記起動用燃焼器は触媒燃焼器である燃料電池モジュール。
【請求項５】
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であって、前記起動用燃焼器は拡散燃焼器である燃料電池モジュール。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池モジュールであって、前記燃料電池の起動時にのみ前記起動用燃焼器に燃料が供給される燃料電池モジュール。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池モジュールであって、
前記燃料電池スタックから排出された燃料排ガスと酸化剤排ガスとを燃焼させる排ガス燃焼器と
前記排ガス燃焼器で生成される燃焼排ガスの熱を酸化剤ガスに与える熱交換器と、を備え、
前記起動用燃焼器が前記熱交換器と前記燃料電池との間に設けられてい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であって、前記燃料電池は、金属よりなる支持板と、前記支持板の上に形成されたアノード電極と、前記アノード電極の上に形成された電解質層と、前記電解質層の上に形成されたカソード電極と、を備える燃料電池モジュール。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の燃料電池モジュールであって、前記酸化剤ガス導入口が前記積層体の側部に形成されている燃料電池モジュール。
【請求項１０】
請求項９記載の燃料電池モジュールであって、前記起動用燃焼器が前記積層体の側部の前記酸化剤ガス導入口の近傍に配置されてい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モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）は、例えば、安定化ジルコニア等の酸化物イオン伝導体を固体電解質として用いる。固体電解質の両側には、アノード電極とカソード電極とが接合されている。このような、電解質・電極接合体（以下、ＭＥＡともいう）は、セパレータ（インターコネクタ）によって挟持されている。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】
ＳＯＦＣは、運転温度が比較的高温であるため、起動させる際には、積層された複数の燃料電池を、動作温度にまで昇温させる必要がある。
【０００４】
特許文献１には、燃料電池スタックの容器の外部に燃焼器を設け、起動時に燃焼器で燃料を火炎燃焼させて燃料電池スタックを加熱する燃料電池発電システムが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１７−２７７６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来の燃料電池モジュールでは、起動用の燃焼器を燃料電池スタックの下方に設け、燃焼器で発生した高温の燃焼ガスを、所定形状の流路で燃料電池スタックに均等に導くようになっている。しかし、上記のような燃料電池モジュールでは、装置構成が大型化するとともに、起動の際に加熱される部分が増大するため、起動に必要な熱容量が大きくなってしまう。その結果、起動までの時間が長くなってしまう。
【０００７】
本発明は、コンパクトで、起動性に優れた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】
【０００８】
本発明の一観点は、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平板状の燃料電池が複数積層された積層体を有する燃料電池スタックと、前記燃料電池を昇温させるための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、前記燃料電池スタックは、前記酸化剤ガスを流通させる酸化剤ガス導入路と、前記燃料電池の側部に形成され前記酸化剤ガス導入路の酸化剤ガスを前記燃料電池の内部に取り込む酸化剤ガス導入口と、を有し、前記起動用燃焼器が、前記燃料電池スタックの内部であって、前記酸化剤ガス導入路と前記酸化剤ガス導入路との間の酸化剤ガス経路上に、前記積層体の側部に対向するように配置されている燃料電池モジュールにある。
【発明の効果】
【０００９】
上記観点の燃料電池モジュールによれば、起動用燃焼器が燃料電池スタック内に配置されるため、燃料電池モジュールがコンパクトになる。さらに、起動用燃焼器が燃料電池の近傍に配置される。これにより、起動用燃焼器からの輻射及び熱伝導により、燃料電池を効率よく加熱できる。また、起動用燃焼器で発生した高温の燃焼ガスが余分な部分を加熱することなく燃料電池に導入されるため、燃焼ガスからの熱伝導でも燃料電池が加熱される。これにより、素早く燃料電池を昇温させることができるため、起動性に優れる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態に係る燃料電池モジュールのブロック図である。
【図２】図１の燃料電池スタックの積層方向の構造を模式的に示す断面図である。
【図３】図１の燃料電池スタックの層方向の断面図である。なお、図３のＩＩ−ＩＩ線は図２の断面に対応する。
【図４】図１の燃料電池の断面図である。
【図５】図１の燃料電池モジュールの起動時の動作を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。なお、本明細書において説明の便宜上、燃料電池の積層方向を上下方向とも呼び、積層方向に直交する方向を層方向とも呼ぶものとするが、これらの表記が燃料電池モジュールの設置方向を限定するものではない。
【００１２】
（第１の実施形態）
図１に示す、本実施形態に係る燃料電池モジュール１０は、ポータブル発電機の他、定置用や車載用等の種々の用途に用いられる。
【００１３】
燃料電池モジュール１０は、平板積層型の燃料電池スタック１２と、排ガス燃焼器１６と、熱交換器１８と、起動用燃焼器２０を備える。燃料電池スタック１２は、燃料ガス（主に、水素及び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平板状の燃料電池１４（固体酸化物燃料電池）を備える。複数の燃料電池１４は、図２に示すように、厚み方向（矢印Ａ方向）に積層されるとともに、燃料電池１４の積層方向（以下、単に積層方向という）の両端には、エンドプレート５０、５２が配置されている。
【００１４】
図４に示すように、燃料電池１４は、例えば、金属よりなる支持板３８の上に、順にアノード電極４０、部分安定化ジルコニア等の酸化物イオン伝導体で構成される電解質層４２、及びカソード電極４４が設けられた電解質・電極接合体（ＭＥＡ）２７を備える。
【００１５】
支持板３８は、例えば多孔質金属板や、多数の貫通孔が形成された金属板により構成され、アノード電極４０に燃料ガスを流通させることができる。支持板３８を構成する金属には、燃料電池１４の動作温度に対する耐熱性を有するとともに、電解質層４２の熱膨張率と同等の熱膨張率を有する材料を用いることができる。具体的には、支持板３８にフェライト系ステンレス等を用いることができる。
【００１６】
電解質・電極接合体２７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とが配置される。カソード側セパレータ３４には、カソード電極４４に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路３０が形成される。アノード側セパレータ３６には、アノード電極４０に燃料ガスを供給する燃料ガス流路３２が形成される。
【００１７】
燃料電池１４は、動作温度が数百℃と高温であり、アノード電極４０には、原燃料を改質して得られる、水素及び一酸化炭素を含んだ燃料ガスが供給される。カソード電極４４には、酸化剤ガスとして熱交換器１８で昇温された空気が供給される。
【００１８】
図３に示すように、燃料電池１４は略矩形状に形成されており、その一端部１４ａには、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂと、燃料ガス入口連通孔３２ａとが形成されている。このうち、燃料ガス入口連通孔３２ａは、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂを挟んで２つ設けられている。また、燃料電池１４の他端部１４ｂには、燃料ガス出口連通孔３２ｂが形成されている。
【００１９】
図２に示すように、燃料ガス入口連通孔３２ａ及び燃料ガス出口連通孔３２ｂは、複数の燃料電池１４を貫通して形成されており、燃料電池１４の積層方向（図２の矢印Ａ方向）に延在している。燃料ガス入口連通孔３２ａ及び燃料ガス出口連通孔３２ｂは、複数の燃料電池１４の燃料ガス流路３２に連通しており、酸化剤ガス流路３０とは第１のシール部材４８ａによって隔離されている。また、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂは、図２に示すように燃料電池１４の積層方向（矢印Ａ方向）に延在しており、複数の酸化剤ガス流路３０と連通している。酸化剤ガス出口連通孔３０ｂと燃料ガス流路３２とは、第２のシール部材４８ｂによって隔離されている。
【００２０】
図２に示すように、燃料電池１４の酸化剤ガス流路３０の周縁部は第１のシール部材４８ａにより封止され、燃料ガス流路３２の周縁部は第２のシール部材４８ｂによって封止される。第１のシール部材４８ａは、カソード側セパレータ３４に形成され、第２のシール部材４８ｂはアノード側セパレータ３６に形成されていてもよい。
【００２１】
また、図３に示すように、燃料電池１４の他端部１４ｂにおいて、各酸化剤ガス流路３０の周縁部を封止する第１のシール部材４８ａには、層方向に貫通して形成された酸化剤ガス導入口３０ａが形成されている。酸化剤ガス流路３０は、酸化剤ガス導入口３０ａを介して後述する酸化剤ガス導入路５６と連通している。酸化剤ガス導入口３０ａから酸化剤ガス流路３０に導入された酸化剤ガスは、破線矢印Ｏに示すように、酸化剤ガス流路３０を流れて酸化剤ガス出口連通孔３０ｂから排出されるように構成されている。
【００２２】
積層された燃料電池１４は、上端側のエンドプレート５０及び下端側のエンドプレート５２との間に配置され、止めねじ５８によって固定される。止めねじ５８及びエンドプレート５０、５２によって、複数の燃料電池１４の積層方向に所定の締め付け荷重が付与される。エンドプレート５０、５２は、燃料電池１４よりも平面方向のサイズが大きく形成されている。エンドプレート５０の外周部と、エンドプレート５２の外周部との間に側壁５４が設けられている。側壁５４は、エンドプレート５０、５２の外周部の全周に亘って形成されており、燃料電池１４の周囲を密封している。この燃料電池１４と側壁５４との間の空間が酸化剤ガス導入路５６を構成する。
【００２３】
図３に示すように、酸化剤ガス導入路５６には、酸化剤ガス入口５６ａと、酸化剤ガス案内部５６ｂと、起動用燃焼器２０とが設けられている。酸化剤ガス入口５６ａは、燃料電池１４の中で最も高温となる酸化剤ガス出口連通孔３０ｂが形成された一端部１４ａの近傍に設けられている。酸化剤ガス導入路５６は、酸化剤ガス入口５６ａから、燃料電池１４の外側方を経て燃料電池１４の他端部１４ｂ側に伸びている。酸化剤ガスは、酸化剤ガス導入路５６を流れる間に、燃料電池１４との熱交換によって昇温する。
【００２４】
起動用燃焼器２０は、燃料電池１４の他端部１４ｂ側に形成された酸化剤ガス導入口３０ａの近傍に配置されている。起動用燃焼器２０は、図中の矢印Ｍ方向に酸化剤ガスが流通可能な多数の開口が設けられている。起動用燃焼器２０の内部には可燃性ガスを吹き込んで酸化剤ガスとの間で燃焼反応を行う燃焼部が設けられている。図２に示すように、起動用燃焼器２０の燃焼部は、複数積層された燃料電池１４の積層方向に延在しており、各燃料電池１４に均等に高温の燃焼ガスを供給可能に構成されている。なお、起動用燃焼器２０は、必ずしも、酸化剤ガス導入口３０ａの近傍でなくてもよく、燃料電池スタック１２内の酸化剤ガス導入路５６と燃料電池１４の酸化剤ガス導入口３０ａとの経路上に配置されていてもよい。
【００２５】
起動用燃焼器２０は、触媒燃焼を行う触媒燃焼器、又は火炎燃焼を行う火炎燃焼器として構成することができる。起動用燃焼器２０を触媒燃焼器として構成する場合には、起動用燃焼器２０の内部にＰｔ（白金）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｒｈ（ロジウム）、Ｐｄ（パラジウム）等を含んだ触媒が充填される。起動用燃焼器２０を火炎燃焼器とする場合には、可燃性ガスを酸化剤ガスに吹き込む複数のノズルが設けられる。
【００２６】
起動用燃焼器２０の底部は、起動用ガス導入口６８と連通しており、起動用ガス導入口６８を介して、起動用ガス供給手段２２（図１参照）から可燃性ガス（起動用ガス）が供給される。起動用ガスとしては、メタン、エタン、プロパン、ブタン等の炭化水素を含む原燃料のガスをそのまま用いることができる。
【００２７】
起動用燃焼器２０は、酸化剤ガスと起動用ガスとの燃焼反応で生成した燃焼ガスが上方に偏ることなく酸化剤ガス導入口３０ａに到達可能な程度に酸化剤ガス導入口３０ａの近傍に設置することが好ましい。
【００２８】
図３に示すように、酸化剤ガス案内部５６ｂは、起動用燃焼器２０の側部と燃料電池１４の側部との間に設けられている。酸化剤ガス案内部５６ｂは、起動用燃焼器２０と燃料電池１４との間の空間と、酸化剤ガス導入路５６とを隔てている。酸化剤ガス案内部５６ｂは、酸化剤ガス導入路５６を流れる酸化剤ガスのうち、起動用燃焼器２０を通過しない酸化剤ガスが、起動用燃焼器２０を通過した酸化剤ガス（燃焼ガス）に混入するのを防止する。
【００２９】
図２に示すように、下端側のエンドプレート５２には、酸化剤ガス導入路５６と連通した酸化剤ガス入口５６ａと、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂと連通した酸化剤ガス排出口６２と、燃料ガス入口連通孔３２ａと連通した燃料ガス導入口６４と、燃料ガス出口連通孔３２ｂと連通した燃料ガス排出口６６と、起動用燃焼器２０と連通した起動用ガス導入口６８と、が形成されている。
【００３０】
燃料ガス排出口６６は、燃料排ガス流路１２ｃを介して排ガス燃焼器１６（図１参照）に連通している。酸化剤ガス排出口６２は、酸化剤排ガス流路１２ｄを介して排ガス燃焼器１６に連通している。また、酸化剤ガス入口５６ａは、酸化剤ガス流路１８ａを介して熱交換器１８（図１参照）と連通している。
【００３１】
図１に示すように、排ガス燃焼器１６は、燃料電池スタック１２から排出された燃料ガスである燃料排ガスと、酸化剤ガスである酸化剤排ガスとを燃焼させ、高温の燃焼ガスを発生させる。排ガス燃焼器１６で生成された燃焼ガスは燃焼排ガス流路１６ｃを介して熱交換器１８に供給される。
【００３２】
熱交換器１８は、燃焼ガスとの熱交換により、酸化剤ガス（空気）を昇温させる。熱交換器１８と燃料電池スタック１２の酸化剤ガス入口５６ａ（図２参照）とは、酸化剤ガス流路１８ａを介して接続されている。熱交換器１８で昇温された酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路１８ａを介して燃料電池スタック１２の酸化剤ガス入口５６ａに供給される。
【００３３】
燃料電池スタック１２には、原燃料として、メタン、エタン、プロパン、ブタン等の炭化水素を含むガスを供給することができる。燃料ガス供給手段２４は、例えば水蒸気改質器や部分酸化改質器等を備えており、炭化水素を含む原燃料を、改質して、主に水素及び一酸化炭素を含む燃料ガスに変換して燃料電池スタック１２に供給する。
【００３４】
燃料ガス供給手段２４を、部分酸化改質器とする場合には、発熱反応によって生じた高温（例えば、５００℃〜１０００℃）の燃料ガスを燃料電池１４に供給することができるため、起動時に燃料ガス流路３２側からも燃料電池１４の加熱を行うことができて好適である。
【００３５】
起動用ガス供給手段２２は、燃料電池１４に原燃料として供給される炭化水素を含む起動用ガスを起動用燃焼器２０に供給する。
【００３６】
このように構成される燃料電池モジュール１０の作用について、その動作とともに以下に説明する。
【００３７】
図５のステップＳ１０に示すように、起動時には、燃料電池モジュール１０は、燃料電池スタック１２に対して酸化剤ガス、起動用ガス、及び燃料ガスの供給を開始する。ここでは、例えば空気が酸化剤ガスとして、不図示の送風ポンプ等により、図１に示すように熱交換器１８に送り込まれる。熱交換器１８を流通した空気は、酸化剤ガス流路１８ａを経て、燃料電池スタック１２の酸化剤ガス導入路５６に導入される。また、燃料ガスは、燃料ガス供給手段２４から燃料電池スタック１２の燃料ガス入口連通孔３２ａを介して燃料電池１４に供給される。起動用ガスは、起動用ガス供給手段２２から燃料電池スタック１２の起動用燃焼器２０に供給される。
【００３８】
次に、図５のステップＳ１２に示すように、起動用燃焼器２０を点火して、起動用ガスと酸化剤ガス（空気）とを燃焼させて高温の燃焼ガスを発生させる。起動用ガスの供給量は、酸化剤ガス中の酸素の燃焼に必要な量よりも少なくてもよく、燃焼ガス中に酸素が残っていてもかまわない。起動用燃焼器２０で発生した燃焼ガスは、図３の破線矢印Ｏに示すように、酸化剤ガス導入口３０ａから酸化剤ガス流路３０（図２参照）に導入され、熱伝導により、燃料電池１４を加熱してその温度を上昇させる。また、起動用燃焼器２０の燃焼により生じた輻射熱により、燃料電池１４が加熱される。酸化剤ガス流路３０を通過した燃焼ガスは、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂ及び酸化剤排ガス流路１２ｄを介して排ガス燃焼器１６に流入する。
【００３９】
一方、燃料ガス供給手段２４から供給された燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔３２ａから燃料ガス流路３２に流入する。そして、図３の実線矢印Ｆに示すように、燃料ガス出口連通孔３２ｂに向かって流れる。燃料ガス供給手段２４が部分酸化改質反応によって改質された燃料ガスを供給する場合には、比較的高い温度の燃料ガスが燃料ガス流路３２に供給されるため、燃料ガス流路３２側からも加熱を行うことができて好適である。なお、燃料電池１４が起動するまでは電解質層４２は活性化していないため、燃料ガス流路３２を流通する燃料ガスは電気化学反応を起こすことなく、そのまま燃料ガス出口連通孔３２ｂから排出される。燃料ガス出口連通孔３２ｂから排出された燃料ガスは、燃料排ガス流路１２ｃを介して排ガス燃焼器１６に送られる。
【００４０】
排ガス燃焼器１６では、燃料ガスと、起動用燃焼器２０の燃焼ガス中に残る酸素とが燃焼し、高温の燃焼排ガスを生成する。その燃焼排ガスは、熱交換器１８に導入された酸化剤ガスと熱交換を行って、酸化剤ガスを昇温させた後、排気される。以後、燃料電池スタック１２には、熱交換器１８によって昇温された酸化剤ガスが供給される。
【００４１】
その後、図５のステップＳ１４において、燃料電池１４の起動の検出を行う。燃料電池１４の起動の検出は、例えば燃料電池スタック１２内に設けられた温度センサで燃料電池１４の温度を測定し、酸化物よりなる固体電解質が活性化する温度に到達したかによって検出することができる。ステップＳ１４において燃料電池１４の起動が検出されない場合（ステップＳ１４、ＮＯ）には、起動用燃焼器２０への起動用ガスの供給を継続して、燃料電池１４の加熱を続ける。
【００４２】
一方、燃料電池１４の起動が検出された場合（ステップＳ１４、ＹＥＳ）には、ステップＳ１６に移行して、起動用ガス供給手段２２が、起動用燃焼器２０への起動用ガスの供給を停止する。以上により、燃料電池モジュール１０の起動時の動作が完了する。
【００４３】
以後、燃料電池モジュール１０は、定常運転に移行し、燃料電池１４の電気化学反応に伴う発熱及び排ガス燃焼器１６の燃焼熱を利用して、自立的に動作して発電を行う。
【００４４】
すなわち、燃料ガス供給手段２４から供給された燃料ガスは、燃料電池スタック１２の燃料ガス流路３２を流れる。燃料ガス流路３２を流れた燃料ガス（燃料排ガス）は、燃料ガス出口連通孔３２ｂを経て、燃料ガス排出口６６から排出される。燃料排ガスは、燃料排ガス流路１２ｃに連通する排ガス燃焼器１６内に導入される。
【００４５】
図１に示すように、酸化剤ガスは、熱交換器１８及び酸化剤ガス流路１８ａを経て、酸化剤ガス導入口３０ａ（図２参照）から燃料電池スタック１２に導入される。熱交換器１８では、供給された空気（酸化剤ガス）が燃焼ガスによって昇温される。熱交換器１８を出た酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口５６ａから燃料電池スタック１２内に導入される。酸化剤ガスは、燃料電池１４の周囲の酸化剤ガス導入路５６を流れることで、燃料電池１４との間で熱交換を行い更に加熱される。その後、酸化剤ガスは起動用燃焼器２０に入る。起動用燃焼器２０は、燃料電池１４の起動後は燃焼せず、流入した酸化剤ガスをそのまま通過させる。
【００４６】
図２に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス導入口３０ａから燃料電池１４の内部に導入され、酸化剤ガス流路３０を流れる。燃料ガスは燃料ガス入口連通孔３２ａを経て燃料ガス流路３２を流れる。このようにして、空気が酸化剤ガス流路３０を流れる一方で、燃料ガスが燃料ガス流路３２を流れる。これにより、燃料電池１４のカソード電極４４及びアノード電極４０で化学反応が発生し、発電が行われる。
【００４７】
酸化剤ガス流路３０を流れた酸化剤ガス（酸化剤排ガス）は、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂを経て、酸化剤ガス排出口６２から排出される。酸化剤排ガスは、酸化剤排ガス流路１２ｄを経て、排ガス燃焼器１６内に導入される。燃料ガス流路３２を流れた燃料ガス（燃料排ガス）は、燃料ガス出口連通孔３２ｂを経て燃料ガス排出口６６から排出される。燃料排ガスは、燃料排ガス流路１２ｃを経て、排ガス燃焼器１６内に導入される。
【００４８】
排ガス燃焼器１６に導入された燃料ガス及び酸化剤ガスは、排ガス燃焼器１６内で燃焼し、燃焼排ガスが熱交換器１８に供給される。このとき、排ガス燃焼器１６で発生した燃焼熱の一部は、輻射又は熱伝導により、燃料電池スタック１２の動作温度維持に用いられる。その後、燃焼排ガスは、熱交換器１８で酸化剤ガスの昇温に用いられた後、燃料電池モジュール１０から排気される。
【００４９】
この燃料電池モジュール１０は、以下の効果を奏する。
【００５０】
燃料電池モジュール１０において、起動用燃焼器２０が、燃料電池スタック１２の内部であって、酸化剤ガス導入口３０ａの近傍の酸化剤ガス導入路５６に設けられている。これにより、起動用燃焼器２０を燃料電池スタック１２の外部に設ける必要がなくなり、燃料電池モジュール１０を小型化できる。また、起動用燃焼器２０が燃料電池１４の近傍に配置されるため、輻射及び熱伝導により、燃料電池１４を効率よく加熱できる。さらに、起動用燃焼器２０で発生した高温の燃焼ガスが余分な部分を加熱することなく燃料電池１４に導入されるため、効率よく燃料電池１４を加熱できる。すなわち、起動時に余分な場所を加熱することなく燃料電池１４を効率よく加熱でき、起動に要する熱容量が小さくてすむ。そのため、燃料電池１４を速やかに起動させることができる。
【００５１】
燃料電池モジュール１０において、起動用燃焼器２０は燃料電池スタック１２の積層方向に延在する燃焼部を有していてもよい。これにより、積層方向に複数配置された各燃料電池１４に均等に加熱された燃焼ガスを供給することができる。
【００５２】
燃料電池モジュール１０において、起動用燃焼器２０から出た燃焼ガスと、酸化剤ガス導入路５６を流れる酸化剤ガスとの混入を防ぐ酸化剤ガス案内部５６ｂを設けてもよい。これにより、起動用燃焼器２０から出た高温の燃焼ガスに、低温の酸化剤ガスが混入して、燃焼ガスの温度が低下するのを防止でき、燃料電池１４を効率よく加熱することができる。
【００５３】
燃料電池モジュール１０において、起動用燃焼器２０を触媒燃焼器としてもよい。起動用燃焼器２０を触媒燃焼器とすることにより、少ない可燃性ガスでも燃焼反応を行うことができる。そのため、起動用燃焼器２０を出た燃焼ガス中の酸素濃度を高めることができる。この場合には、排ガス燃焼器１６により多くの燃料ガスを導入することができるため、必要に応じて排ガス燃焼器１６での発熱量を増加させて燃料電池スタック１２以外の補機類の起動に必要な熱を増加させることもできる。
【００５４】
燃料電池モジュール１０において、起動用燃焼器２０は拡散燃焼器であってもよい。これにより、起動用燃焼器２０の装置構成を簡略化することができる。
【００５５】
燃料電池モジュール１０において、燃料電池１４の起動時にのみ起動用燃焼器２０に起動用ガスを供給してもよい。これにより、燃料電池１４の起動後は、起動用燃焼器２０に原燃料を供給する必要はなく、より多くの原燃料を燃料電池１４の発電用に用いることができるため、燃料使用効率が向上する。
【００５６】
燃料電池モジュール１０において、燃料電池スタック１２から排出された燃料排ガスと酸化剤排ガスとを燃焼させる排ガス燃焼器１６と、排ガス燃焼器１６で生成される燃焼排ガスの熱を酸化剤ガスに与える熱交換器１８と、を備え、起動用燃焼器２０が熱交換器１８と燃料電池１４との間に設けられていてもよい。
【００５７】
上記のように、起動用燃焼器２０を熱交換器１８と燃料電池１４との間に設けることで、熱交換器１８で予め加熱された酸化剤ガスを、起動用燃焼器２０でさらに昇温させることができるため、起動用燃焼器２０に供給する燃料を減らすことができる。また、起動用燃焼器２０は、燃料ガスよりも流量が大きい空気（酸化剤ガス）を加熱することにより、燃料電池１４をより速く起動させることができる。
【００５８】
燃料電池モジュール１０において、燃料電池１４は、金属よりなる支持板３８と、支持板３８の上に形成されたアノード電極４０と、アノード電極４０の上に形成された電解質層４２と、電解質層４２の上に形成されたカソード電極４４と、を備えていてもよい。
【００５９】
このように、電解質層４２を金属よりなる支持板３８で支持した構造とすることで、急速な加熱に対して電解質層４２が破損しにくくなり、高温の燃焼ガスを燃料電池１４に導入して急速に起動させることが可能となる。
【００６０】
燃料電池モジュール１０において、燃料電池１４に酸化剤ガスを導入する酸化剤ガス導入口３０ａが積層体の側部に形成されていてもよい。これにより、燃料電池スタック１２の内部に配置された起動用燃焼器２０の燃焼ガスを効率よく燃料電池１４に導入することができる。この場合、起動用燃焼器２０は積層体の側部の酸化剤ガス導入口３０ａの近傍に配置されてもよい。
【００６１】
上記において、本発明について好適な実施形態を挙げて説明したが、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の改変が可能なことは言うまでもない。
【符号の説明】
【００６２】
１０…燃料電池モジュール        １２…燃料電池スタック
１４…燃料電池                  １６…排ガス燃焼器
１８…熱交換器                  ２０…起動用燃焼器
２２…起動用ガス供給手段        ２４…燃料ガス供給手段
２７…電解質・電極接合体        ３０…酸化剤ガス流路
３２…燃料ガス流路              ３４、３６…セパレータ
５０、５２…エンドプレート      ５４…側壁
５６…酸化剤ガス導入路          ５６ｂ…酸化剤ガス案内部
【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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