(57)【要約】【課題】簡単且つコンパクトな構成で、熱効率及び熱自立の促進を図るとともに、燃料電池スタックの温度管理及び起動性の向上を図ることを可能にする。【解決手段】燃料電池モジュール１２は、燃料電池スタック２４とＦＣ周辺機器３８とを備える。ＦＣ周辺機器３８内には、中央領域に排ガス燃焼器４６と起動用燃焼器４８とが同軸上に配置される。外環領域には、改質器４０、蒸発器４２及び熱交換器４４が配設される。排ガス燃焼器４６は、起動用燃焼器４８から燃料電池スタック２４に向かって燃焼ガスを流通させる温調通路４８ａを囲繞する排ガス燃焼室４６ａを備える。【選択図】図３
2015022927.tif 000002
【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、
前記燃料電池スタックに近接して前記排ガス燃焼器及び前記燃料電池スタックから離間して前記起動用燃焼器が配設される中央領域と、
前記改質器、前記蒸発器及び前記熱交換器が配設されるとともに、前記中央領域を環状に周回する複数の外環領域と、
を有し、
前記中央領域には、前記排ガス燃焼器と前記起動用燃焼器とが同軸上に配置されるとともに、前記排ガス燃焼器は、前記起動用燃焼器から前記燃料電池スタックに向かって前記燃焼ガスを流通させる燃焼ガス通路を囲繞する排ガス燃焼室を備え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、前記中央領域は、筒部により構成されるとともに、
前記排ガス燃焼器と前記筒部とは、摺動可能に接触す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２記載の燃料電池モジュールにおいて、前記排ガス燃焼器と前記筒部とは、同一の材料で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４】
請求項１記載の燃料電池モジュールにおいて、前記中央領域は、筒部により構成されるとともに、
前記起動用燃焼器と前記筒部とは、摺動可能に接触す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、前記起動用燃焼器と前記筒部とは、同一の材料で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６】
請求項２〜５のいずれか１項に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記排ガス燃焼器は、前記筒部に接触する大径部と、
前記排ガス燃焼室に挿入される小径部と、
前記大径部と前記小径部とを連結する傾斜部と、
を備え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２〜６のいずれか１項に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記筒部には、前記排ガス燃焼室で生成された前記燃焼ガスを前記外環領域に供給するための燃焼ガス排出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いる。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が配設された電解質・電極接合体（以下、ＭＥＡともいう）は、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持されている。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】
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１１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している。
【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１２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１３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、反応装置４ａで部分酸化による改質を行う際に、排ガスの熱が、液体燃料及び酸素搬送ガスを加熱するために使用されている。従って、燃料電池スタック１ａに供給される酸化剤ガスを昇温させるための熱量が不足し易く、効率が低下するという問題がある。しかも、起動時の燃料電池スタック１ａを昇温させることは可能であるものの、前記燃料電池スタック１ａが過熱した際に、該燃料電池スタック１ａを有効に冷却することができない。
【００１０】
また、上記の特許文献２では、燃料電池や改質器の温度管理を適切に行うことができないという問題がある。
【００１１】
さらに、上記の特許文献３では、燃料電池や改質器の温度管理を適切に行う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、熱効率及び熱自立の促進を図るとともに、燃料電池スタックの温度管理及び起動性の向上を図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】
本発明に係る燃料電池モジュールは、燃料電池スタック、改質器、蒸発器、熱交換器、排ガス燃焼器及び起動用燃焼器を備えている。燃料電池スタックは、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ている。
【００１４】
改質器は、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、燃料電池スタックに供給される燃料ガスを生成する。蒸発器は、水を蒸発させるとともに、水蒸気を改質器に供給する。熱交換器は、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、燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する。排ガス燃焼器は、燃料電池スタックから排出される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、燃焼ガスを発生させる。起動用燃焼器は、原燃料と酸化剤ガスとを燃焼させて燃焼ガスを発生させる。
【００１５】
燃料電池モジュールは、さらに中央領域と複数の外環領域とを有している。中央領域には、燃料電池スタックに近接して排ガス燃焼器及び燃料電池スタックから離間して起動用燃焼器が配設されている。外環領域には、改質器、蒸発器及び熱交換器が配設されている。
【００１６】
中央領域には、排ガス燃焼器と起動用燃焼器とが同軸上に配置されている。そして、排ガス燃焼器は、起動用燃焼器から燃料電池スタックに向かって燃焼ガスを流通させる燃焼ガス通路を囲繞する排ガス燃焼室を備えている。
【００１７】
また、この燃料電池モジュールでは、中央領域は、筒部により構成されるとともに、排ガス燃焼器と前記筒部とは、摺動可能に接触することが好ましい。このため、排ガス燃焼器の稼働時（高温時）や停止時（低温時）に、前記排ガス燃焼器と筒部との間で熱膨張差が発生しても、互いに摺動して熱応力を緩和することができ、耐久性の向上が図られる。
【００１８】
さらに、この燃料電池モジュールでは、排ガス燃焼器と筒部とは、同一の材料で形成されることが好ましい。従って、排ガス燃焼器と筒部との間での熱膨張差が可及的に削減されるため、耐久性を向上させることが可能になるとともに、軸方向及び径方向の熱応力を緩和させることができる。
【００１９】
さらにまた、この燃料電池モジュールでは、中央領域は、筒部により構成されるとともに、起動用燃焼器と前記筒部とは、摺動可能に接触することが好ましい。これにより、起動用燃焼器の稼働時（高温時）や停止時（低温時）に、前記起動用燃焼器と筒部との間で熱膨張差が発生しても、互いに摺動して熱応力を緩和することができ、耐久性の向上が図られる。
【００２０】
また、この燃料電池モジュールでは、起動用燃焼器と筒部とは、同一の材料で形成されることが好ましい。従って、起動用燃焼器と筒部との間での熱膨張差が可及的に削減されるため、耐久性を向上させることが可能になるとともに、軸方向及び径方向の熱応力を緩和させることができる。
【００２１】
さらに、この燃料電池モジュールでは、排ガス燃焼器は、筒部に接触する大径部と、排ガス燃焼室に挿入される小径部と、前記大径部と前記小径部とを連結する傾斜部とを備えることが好ましい。このため、傾斜部の案内作用下に、燃焼ガスの流通性が向上して熱の滞留を阻止することが可能になり、熱応力を良好に抑制することができる。
【００２２】
さらにまた、この燃料電池モジュールでは、筒部には、排ガス燃焼室で生成された排ガスを外環領域に供給するための燃焼ガス排出孔が形成されることが好ましい。これにより、排ガス燃焼器は、排ガス燃焼室で生成された燃焼ガスの熱量を、外環領域に配設されている各要素である改質器、蒸発器及び熱交換器に対して良好に供給することができる。
【００２３】
また、この燃料電池モジュールでは、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。従って、特にＳＯＦＣ等の高温型燃料電池に最適である。
【発明の効果】
【００２４】
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内側領域を中心にして、環状の外側領域が外方向に向かって設けられている。そして、外側領域には、改質器、蒸発器及び熱交換器が構成されている。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。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。
【００２５】
さらに、中央領域には、排ガス燃焼器と起動用燃焼器とが同軸上に配置されている。そして、排ガス燃焼器は、起動用燃焼器から燃料電池スタックに向かって燃焼ガスを流通させる燃焼ガス通路を囲繞する排ガス燃焼室を備えている。これにより、起動時には、熱媒体（起動用燃焼器からの燃焼ガス）は、排ガス燃焼器を通過して燃料電池スタックに対して良好に伝熱処理することができ、燃料電池モジュールの起動性が向上する。
【００２６】
一方、燃料電池スタックが過熱された際には、冷媒体（起動用燃焼器を通過した酸化剤ガス）は、排ガス燃焼器を通過して燃料電池スタックに対して良好に冷却処理することが可能になり、燃料電池モジュールの冷却性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【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周辺機器の斜視説明図である。
【図３】前記ＦＣ周辺機器の断面説明図である。
【図４】前記ＦＣ周辺機器の一部省略斜視説明図である。
【図５】前記ＦＣ周辺機器の要部分解斜視説明図である。
【図６】前記ＦＣ周辺機器の断面平面図である。
【図７】前記燃料電池モジュールの起動時の動作説明図である。
【図８】前記燃料電池モジュールの定格運転時の動作説明図である。
【図９】前記燃料電池モジュールの過熱処理時の動作説明図である。
【図１０】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周辺機器の断面説明図である。
【図１１】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１２】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１３】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】
【００２８】
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（ＳＯＦＣ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。
【００２９】
燃料電池システム１０は、燃料電池モジュール１２、原燃料供給装置（燃料ガスポンプを含む）１４、酸化剤ガス供給装置（空気ポンプを含む）１６、水供給装置（水ポンプを含む）１８及び制御装置２０を備える。
【００３０】
燃料電池モジュール１２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。原燃料供給装置１４は、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。酸化剤ガス供給装置１６は、燃料電池モジュール１２に酸化剤ガスを供給する。水供給装置１８は、燃料電池モジュール１２に水を供給する。制御装置２０は、燃料電池モジュール１２の発電量を制御する。
【００３１】
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（空気極）２８及びアノード電極（燃料極）３０が設けられた電解質・電極接合体（ＭＥＡ）３２を備える。
【００３２】
電解質・電極接合体３２の両側には、図示しないセパレータが配設される。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。
【００３３】
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。
【００３４】
燃料電池スタック２４には、カソード電極２８の酸化剤ガス入口側に連通する酸化剤ガス入口連通孔３４ａと、前記カソード電極２８の酸化剤ガス出口側に連通する酸化剤ガス出口連通孔３４ｂとが設けられる。燃料電池スタック２４には、さらにアノード電極３０の燃料ガス入口側に連通する燃料ガス入口連通孔３６ａと、前記アノード電極３０の燃料ガス出口側に連通する燃料ガス出口連通孔３６ｂとが設けられる。
【００３５】
燃料電池モジュール１２は、燃料電池スタック２４と、前記燃料電池スタック２４に連結され、燃料電池２２を発電させるためのＦＣ周辺機器（ＢＯＰ）３８とを備える。ＦＣ周辺機器３８は、改質器４０、蒸発器４２、熱交換器４４、排ガス燃焼器４６及び起動用燃焼器４８を有し、これらが筐体５０内に収容される。
【００３６】
改質器４０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。蒸発器４２は、水を蒸発させるとともに、水蒸気を改質器４０に供給する。熱交換器４４は、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、燃料電池スタック２４に前記酸化剤ガスを供給する。排ガス燃焼器４６は、燃料電池スタック２４から排出される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、前記燃焼ガスを発生させる。起動用燃焼器４８は、原燃料と酸化剤ガスとを燃焼させて燃焼ガスを発生させる。
【００３７】
図３〜図５に示すように、ＦＣ周辺機器３８では、筐体５０内に、燃料電池スタック２４に近接して排ガス燃焼器４６及び前記燃料電池スタック２４から離間して起動用燃焼器４８が配設される第１領域（中央領域）Ｒ１が形成される。排ガス燃焼器４６と起動用燃焼器４８とは、同軸上に配置される。筐体５０内には、改質器４０及び蒸発器４２が配設されるとともに、第１領域Ｒ１を環状に周回する第２領域（外環領域）Ｒ２が形成される。筐体５０内には、熱交換器４４が配設されるとともに、第２領域Ｒ２を環状に周回する第３領域（外環領域）Ｒ３が形成される。
【００３８】
第１領域Ｒ１は、燃料電池スタック２４に近接する一端部側に配置され、円筒形状を有する筒部５２により構成される。筒部５２は、排ガス燃焼器４６から起動用燃焼器４８側に延在するとともに、燃料電池スタック２４側の外周部には、複数の燃焼ガス排出孔（円形や長方形等）５２ａが形成される。
【００３９】
筒部５２内には、酸化剤排ガス通路５４ａの一端と、燃料排ガス通路５４ｂの一端とが配置される排ガス燃焼室４６ａが構成される（図１及び図３参照）。排ガス燃焼室４６ａ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。図１に示すように、酸化剤排ガス通路５４ａの他端は、燃料電池スタック２４の酸化剤ガス出口連通孔３４ｂに接続される。燃料排ガス通路５４ｂの他端は、燃料電池スタック２４の燃料ガス出口連通孔３６ｂに接続される。
【００４０】
起動用燃焼器４８は、空気供給管５６及び原燃料供給管５８を備える。起動用燃焼器４８は、エゼクタ機能を有し、空気供給管５６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。
【００４１】
起動用燃焼器４８は、図３〜図５に示すように、スリーブ部材６０を備える。スリーブ部材６０は、筒部５２の端部に摺動自在に嵌合する。起動用燃焼器４８は、排ガス燃焼器４６を構成する多段筒部材６２により前記排ガス燃焼器４６と分離される。多段筒部材６２は、大径リング部（大径部）６２ａ、小径リング部（小径部）６２ｂ及び前記大径リング部６２ａと前記小径リング部６２ｂとを連結する傾斜リング部（傾斜部）６２ｃを一体に有する。
【００４２】
大径リング部６２ａは、筒部５２の内周面に摺動自在に嵌合する一方、排ガス燃焼室４６ａに挿入される小径リング部６２ｂは、筒部材６４の一端に溶接される。筒部材６４は、筒部５２内に且つ同軸上に配置され、他端が閉塞リング６６に固着される。排ガス燃焼室４６ａは、筒部５２の内周面、多段筒部材６２の外周面及び閉塞リング６６により周回される空間内に構成される。排ガス燃焼室４６ａは、起動用燃焼器４８から燃料電池スタック２４に向かって燃焼ガスを流通させる温調通路（燃焼ガス通路）４８ａを囲繞する。
【００４３】
排ガス燃焼器４６を構成する多段筒部材６２と筒部５２とは、同一の材料で形成される。材料としては、例えば、耐熱性のオーステナイト系ステンレス鋼（ＪＩＳ規格  ＳＵＳ３１０ｓ）が使用される。起動用燃焼器４８を構成するスリーブ部材６０と筒部５２とは、同一の材料で形成される。材料としては、例えば、耐熱性のオーステナイト系ステンレス鋼（ＪＩＳ規格  ＳＵＳ３１０ｓ）が使用される。
【００４４】
筐体５０の外面を構成し、燃料電池スタック２４側に配置される略円板状の壁面５０ａは、内面に沿ってバイパス通路６８を形成する。バイパス通路６８は、後述する燃焼ガス通路８０をバイパスして設けられ、閉塞リング６６及び前記閉塞リング６６の外周を囲繞する仕切り板７０と、壁面５０ａの内面との間に形成される。仕切り板７０は、壁面５０ａの内面形状に沿った形状を有し、中空の円板の外周を軸方向に屈曲させてリング状に成形される。
【００４５】
バイパス通路６８は、中央領域から燃料電池スタック２４に隣接する壁面５０ａに沿って最外周の外環領域とその内側（内周側）の前記外環領域との間に位置して燃焼ガス通路８０に合流する。具体的には、バイパス通路６８は、第１領域Ｒ１の筒部材６４の内部、すなわち、起動用燃焼器４８から、壁面５０ａに沿って第３領域Ｒ３と第２領域Ｒ２との境界部位に連なって形成される。
【００４６】
筐体５０内には、第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２との間に位置して、円筒形状の第１仕切り板７２が配置される。第２領域Ｒ２と第３領域Ｒ３との間には、円筒形状の第２仕切り板７４及び円筒形状の第３仕切り板７６が配置される。第３領域Ｒ３と筐体５０の内面との間には、円筒形状の第４仕切り板７８が設けられる。
【００４７】
第１仕切り板７２には、排ガス燃焼器４６側の端部を切り欠いて第１燃焼ガス連通路（複数の孔部でもよい）７２ａが形成される。第２仕切り板７４には、起動用燃焼器４８側の端部を切り欠いて第２燃焼ガス連通路（複数の孔部でもよい）７４ａが形成される。第３仕切り板７６には、排ガス燃焼器４６側の端部を切り欠いて第３燃焼ガス連通路（複数の孔部でもよい）７６ａが形成される。第４仕切り板７８には、起動用燃焼器４８側の端部を切り欠いて第４燃焼ガス連通路（複数の孔部でもよい）７８ａが形成される。
【００４８】
筐体５０内には、第１仕切り板７２〜第４仕切り板７８を介して、燃焼ガスを、排ガス燃焼器４６（中央領域）から第２領域Ｒ２（外環領域）、さらに第３領域Ｒ３（外環領域）に流通させる燃焼ガス通路８０が形成される。
【００４９】
改質器４０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。
【００５０】
図３〜図５に示すように、改質器４０は、排ガス燃焼器４６及び起動用燃焼器４８の外周に配設される複数本の改質管路（伝熱パイプ）８２を備える。各改質管路８２内には、改質用のペレット状触媒（図示せず）が充填される。改質管路８２の一端部（下端部）は、第１下側リング部材８４ａに固定されるとともに、前記改質管路８２の他端部（上端部）は、第１上側リング部材８４ｂに固定される。
【００５１】
第１下側リング部材８４ａの内周部は、起動用燃焼器４８の外周部に溶接等により固定されるとともに、前記第１下側リング部材８４ａの外周部は、略円筒形状の下側隔壁板８６ａの内面に溶接等により固定される。第１上側リング部材８４ｂの内周部は、筒部５２の外周部に溶接等により固定されるとともに、前記第１上側リング部材８４ｂの外周部は、仕切り板７０の上端内周面に溶接等により固定される。第１上側リング部材８４ｂの近傍には、略円筒形状の上側隔壁板８６ｂが配設され、前記上側隔壁板８６ｂと第２仕切り板７４との間には、バイパス通路６８を燃焼ガス通路８０に連通する連結通路８８が形成される。
【００５２】
蒸発器４２は、改質器４０を構成する改質管路８２に近接して配置される複数本の蒸発管路（伝熱パイプ）９０を備える。図６に示すように、改質管路８２は、第１領域Ｒ１を中心とする仮想円周上に均等に配列される。改質管路８２間には、所定の位置に蒸発管路９０が配列される。
【００５３】
図３及び図４に示すように、蒸発管路９０の一端部（下端部）は、第２下側リング部材９２ａに溶接等により固定されるとともに、前記蒸発管路９０の他端部（上端部）は、第２上側リング部材９２ｂに溶接等により固定される。
【００５４】
第２下側リング部材９２ａの内周部は、起動用燃焼器４８の外周部に溶接等により固定されるとともに、前記第２下側リング部材９２ａの外周部は、下側隔壁板８６ａの内面に溶接等により固定される。第２上側リング部材９２ｂの内周部は、筒部５２の外周部に溶接等により固定されるとともに、前記第２上側リング部材９２ｂの外周部は、仕切り板７０の先端内周面に溶接等により固定される。
【００５５】
第２下側リング部材９２ａは、第１下側リング部材８４ａよりも下方（軸方向外方）に配置される一方、第２上側リング部材９２ｂは、第１上側リング部材８４ｂよりも上方（軸方向外方）に配置される。
【００５６】
第１下側リング部材８４ａと第２下側リング部材９２ａ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９４ａが形成される。第１上側リング部材８４ｂと第２上側リング部材９２ｂ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燃料ガス排出室９４ｂが形成される。各改質管路８２は、混合ガス供給室９４ａ及び燃料ガス排出室９４ｂに両端が開放される。
【００５７】
下側隔壁板８６ａの下端部には、リング形状の端部リング部材９６が溶接等により固着される。端部リング部材９６と第２下側リング部材９２ａ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２上側リング部材９２ｂと仕切り板７０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９０の両端は、水供給室９８ａと水蒸気排出室９８ｂとに開放される。
【００５８】
燃料ガス排出室９４ｂは、水蒸気排出室９８ｂと２段に且つ前記水蒸気排出室９８ｂよりも内側（下方）に配設される。混合ガス供給室９４ａは、水供給室９８ａと２段に且つ前記水供給室９８ａよりも内側（上方）に配設される。
【００５９】
混合ガス供給室９４ａには、原燃料供給路１００が開放されるとともに、前記原燃料供給路１００の途上には、後述する蒸発リターン管路１０６が接続される（図１参照）。原燃料供給路１００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。
【００６０】
原燃料供給路１００は、第２下側リング部材９２ａ及び端部リング部材９６に溶接等により固着される。燃料ガス排出室９４ｂには、燃料ガス通路１０２の一端が連通するとともに、前記燃料ガス通路１０２の他端は、燃料電池スタック２４の燃料ガス入口連通孔３６ａに連通する（図１参照）。燃料ガス通路１０２は、第２上側リング部材９２ｂに溶接等により固着される。
【００６１】
水供給室９８ａには、水通路１０４が配設される。水通路１０４は、端部リング部材９６に溶接等により固着される。水蒸気排出室９８ｂには、少なくとも１本以上の蒸発管路９０により構成される蒸発リターン管路１０６の一端が配設される。蒸発リターン管路１０６の他端は、原燃料供給路１００の途上に接続される（図１参照）。
【００６２】
図３及び図４に示すように、熱交換器４４は、複数本の熱交換管路（伝熱パイプ）１０８を備える。熱交換管路１０８の一端部（下端部）は、下側隔壁板８６ａに固定されるとともに、前記熱交換管路１０８の他端部（上端部）は、上側隔壁板８６ｂに固定される。
【００６３】
下側隔壁板８６ａの外方には、下端リング部材１１０が配設されるとともに、上側隔壁板８６ｂの外方には、壁面５０ａから段状に連結される上端リング部５０ａａが配設される。下端リング部材１１０は、下側隔壁板８６ａの内板部及び円筒状のカバー部材１１２の内周に溶接等により固着される。
【００６４】
下側隔壁板８６ａと下端リング部材１１０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１１４ａが形成される。上側隔壁板８６ｂと上端リング部５０ａａ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１１４ｂが形成される。熱交換管路１０８の両端は、下側隔壁板８６ａ及び上側隔壁板８６ｂに溶接等により固着されて、酸化剤ガス供給室１１４ａと酸化剤ガス排出室１１４ｂとに開放される。
【００６５】
酸化剤ガス供給室１１４ａは、内周部に混合ガス供給室９４ａ及び水供給室９８ａを収容する。酸化剤ガス排出室１１４ｂは、燃料ガス排出室９４ｂの外方に且つ下方にオフセットした位置に配置される。
【００６６】
カバー部材１１２は、上下両端（軸方向両端）が筐体５０の外周に溶接等により固着されるとともに、前記筐体５０の外周との間には、熱回収領域（チャンバ）１１６が形成される。
【００６７】
酸化剤ガス供給室１１４ａは、熱回収領域１１６に連通する。カバー部材１１２には、熱回収領域１１６に連通する酸化剤ガス供給管１１８が接続される。筐体５０の上部側には、第３領域Ｒ３に連通する排ガス配管１２０が接続される。酸化剤ガス排出室１１４ｂには、例えば、２本の酸化剤ガス配管１２２の一端が配設される（図２参照）。各酸化剤ガス配管１２２の他端は、燃料電池スタック２４の酸化剤ガス入口連通孔３４ａに接続される（図１参照）。
【００６８】
図１に示すように、原燃料供給装置１４は、原燃料通路１２４を備える。原燃料通路１２４は、原燃料用調整弁１２６を介して原燃料供給路１００と原燃料供給管５８とに分岐する。原燃料供給路１００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１２８が配設される。
【００６９】
酸化剤ガス供給装置１６は、酸化剤ガス通路１３０を備える。酸化剤ガス通路１３０は、酸化剤ガス用調整弁１３２を介して酸化剤ガス供給管１１８と空気供給管５６とに分岐する。水供給装置１８は、水通路１０４を介して蒸発器４２に接続される。燃料電池スタック２４には、温度センサ１３３ａが設けられるとともに、改質器４０には、温度センサ１３３ｂが設けられる。
【００７０】
図７に示すように、燃料電池スタック２４の端部には、第１プレート１３４が固定される。ＦＣ周辺機器３８を構成する筐体５０の端部には、第２プレート１３６が固定される。第１プレート１３４と第２プレート１３６とは、止めねじ１３８を介して互いに締結される。第１プレート１３４及び第２プレート１３６には、燃料ガス、酸化剤ガス、燃料排ガス及び酸化剤排ガスを流通させるために、図示しない流路が形成される。バイパス通路６８は、第２プレート１３６に沿って形成される（図３参照）。
【００７１】
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。
【００７２】
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４８に供給される。具体的には、図１に示すように、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１３０に空気が供給される。この空気は、酸化剤ガス用調整弁１３２の開度調整作用下に、空気供給管５６に供給される。
【００７３】
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１２４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１２６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４８内に供給される。
【００７４】
このため、図７に示すように、起動用燃焼器４８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、燃焼により生成された燃焼ガスは、多段筒部材６２内の温調通路４８ａを大径リング部６２ａから小径リング部６２ｂに向かって（矢印Ｌｕ方向）移動し、さらに筒部材６４内を通ってバイパス通路６８に供給される。
【００７５】
バイパス通路６８に供給された燃焼ガスは、中央領域である排ガス燃焼器４６から筐体５０の壁面５０ａに沿って外方（径方向外方）に移動する。燃焼ガスは、最外周の外環領域である第３領域Ｒ３とその内側の外環領域である第２領域Ｒ２との境界部位である連結通路８８に導入された後、燃焼ガス通路８０に合流される。これにより、燃焼ガスは、第２プレート１３６に沿って流通するため、前記第２プレート１３６が昇温される。
【００７６】
第２プレート１３６には、第１プレート１３４が固定されており、前記第２プレート１３６から前記第１プレート１３４に良好に伝熱される。その際、第１プレート１３４は、燃料電池スタック２４の端部に固定されており、前記燃料電池スタック２４は、燃焼ガスからの熱によって迅速に昇温される。
【００７７】
このため、起動時には、燃焼ガスがバイパス通路６８を通って改質器４０をバイパスするため、前記改質器４０が過昇温することを防止することができる。これにより、改質触媒の過熱を抑制して前記改質触媒の劣化を阻止することが可能になる。
【００７８】
燃料電池スタック２４は、温度センサ１３３ａにより温度検出が行われている（図１参照）。制御装置２０では、燃料電池スタック２４が設定温度に昇温されたと判断すると、起動運転から定格運転に移行する。すなわち、熱交換器４４に空気（酸化剤ガス）が供給される一方、改質器４０には、原燃料及び水蒸気の混合ガスが供給される。
【００７９】
具体的には、図１に示すように、酸化剤ガス用調整弁１３２の開度が調整されて、酸化剤ガス供給管１１８への空気供給量が増加されるとともに、原燃料用調整弁１２６の開度が調整されて、原燃料供給路１００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１０４に水が供給される。図３に示すように、空気は、酸化剤ガス供給管１１８からカバー部材１１２内の熱回収領域１１６に供給される。このため、空気は、酸化剤ガス供給室１１４ａに導入される。
【００８０】
従って、図３及び図８に示すように、熱交換器４４に導入された空気は、酸化剤ガス供給室１１４ａに一旦供給された後、複数の熱交換管路１０８内を移動する間に、後述するように、第３領域Ｒ３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１１４ｂに供給された後、酸化剤ガス配管１２２を介して燃料電池スタック２４の酸化剤ガス入口連通孔３４ａに供給される（図１参照）。燃料電池スタック２４では、加熱された空気は、カソード電極２８に供給される。
【００８１】
カソード電極２８を流通した空気は、酸化剤ガス出口連通孔３４ｂから酸化剤排ガス通路５４ａに排出される。酸化剤排ガス通路５４ａは、排ガス燃焼器４６を構成する筒部５２に開口しており、前記筒部５２の内周と筒部材６４の外周との間に、すななち、排ガス燃焼室４６ａに酸化剤排ガスが導入される。
【００８２】
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４２に供給されるとともに、脱硫器１２８で脱硫された原燃料は、原燃料供給路１００を流通して改質器４０に向かう。蒸発器４２では、図３に示すように、水が一旦水供給室９８ａに供給された後、複数本の蒸発管路９０内を移動する間、第２領域Ｒ２を流通する燃焼ガスにより昇温されて、水蒸気化される。
【００８３】
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１０６に供給される。これにより、水蒸気は、蒸発リターン管路１０６内を流通して原燃料供給路１００に導入され、原燃料供給装置１４を介して供給された原燃料と混合して混合ガスが得られる。
【００８４】
図３及び図８に示すように、混合ガスは、原燃料供給路１００から改質器４０を構成する混合ガス供給室９４ａに一旦供給される。混合ガスは、複数の改質管路８２内を移動する。その間に、混合ガスは、第２領域Ｒ２を流通する燃焼ガスにより加熱されて水蒸気改質され、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。
【００８５】
この改質ガスは、加熱された燃料ガスとして、一旦燃料ガス排出室９４ｂに供給された後、燃料ガス通路１０２を介して燃料電池スタック２４の燃料ガス入口連通孔３６ａに供給される（図１参照）。燃料電池スタック２４では、加熱された燃料ガスは、アノード電極３０に供給される。一方、カソード電極２８には、空気が供給されており、電解質・電極接合体３２により発電が行われる。
【００８６】
アノード電極３０を流通した燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔３６ｂから燃料排ガス通路５４ｂに排出される。燃料排ガス通路５４ｂは、排ガス燃焼器４６を構成する筒部５２内に開口しており、前記筒部５２の内周と筒部材６４の外周との間に、すななち、排ガス燃焼室４６ａに燃料排ガスが導入される。
【００８７】
起動用燃焼器４８による昇温作用下に、排ガス燃焼器４６内が燃料ガスの自己着火温度を超えると、筒部５２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。一方、起動用燃焼器４８による燃焼作業が停止される。
【００８８】
筒部５２には、複数の燃焼ガス排出孔５２ａが形成されている。このため、図８に示すように、筒部５２の内周と筒部材６４の外周との間で生成される燃焼ガスは、複数の燃焼ガス排出孔５２ａを通過して、燃焼ガス通路８０に導入される。燃焼ガス通路８０では、図３に示すように、第１仕切り板７２に形成された第１燃焼ガス連通路７２ａを通過して、第１領域Ｒ１から第２領域Ｒ２に導入される。
【００８９】
燃焼ガスは、第２領域Ｒ２を矢印Ｌｄ方向（下方向）に流通した後、第２仕切り板７４に形成された第２燃焼ガス連通路７４ａを通って前記第２領域Ｒ２と第３領域Ｒ３との間に導入される。燃焼ガスは、矢印Ｌｕ方向（上方向）に流通した後、第３仕切り板７６に形成された第３燃焼ガス連通路７６ａを通って第３領域Ｒ３に導入される。燃焼ガスは、第３領域Ｒ３を矢印Ｌｄ方向に流通した後、第４仕切り板７８に形成された第４燃焼ガス連通路７８ａから外周領域に排出される。この燃焼ガスは、矢印Ｌｕ方向に流通した後、排ガス配管１２０に排出される。
【００９０】
その際、第２領域Ｒ２には、改質器４０及び蒸発器４２が配置されており、第３領域Ｒ３には、熱交換器４４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、改質器４０、蒸発器４２及び熱交換器４４の順に加熱する。
【００９１】
上記のように、定常運転が継続されるとともに、燃料電池スタック２４の温度が温度センサ１３３ａを介して検出されている。そして、燃料電池スタック２４が過熱状態であると判断されると、図９に示す過熱処理運転に移行する。この過熱処理運転では、起動用燃焼器４８に空気のみが供給される。起動用燃焼器４８に供給された空気は、多段筒部材６２内から筒部材６４内を通って、すなわち、温調通路４８ａを通ってバイパス通路６８に供給される。
【００９２】
バイパス通路６８に供給された空気は、第２プレート１３６に沿って流通するため、前記第２プレート１３６から第１プレート１３４を介して燃料電池スタック２４が冷却される。一方、空気がバイパス通路６８を通って改質器４０をバイパスしている。このため、改質器４０の温度低下による改質性能の低下を抑制することが可能になる。なお、改質器４０の温度は、温度センサ１３３ｂにより検出され、前記改質器４０の温度管理が行われている。
【００９３】
さらに、燃料電池スタック２４の温度が規定温度まで低下すると、起動用燃焼器４８への空気の供給が停止され、定格運転に移行する。
【００９４】
この場合、本実施形態では、排ガス燃焼器４６及び起動用燃焼器４８が構成される内側領域（第１領域Ｒ１）を中心にして、環状の外側領域（第２領域Ｒ２及び第３領域Ｒ３）が外方向に向かって設けられている。そして、外側領域には、改質器４０、蒸発器４２及び熱交換器４４が構成されている。
【００９５】
このため、外環領域では、高温及び熱需要が大きな機器、例えば、改質器４０及び蒸発器４２を内側の第２領域Ｒ２に設置する一方、低温及び熱需要の小さな機器、例えば、熱交換器４４を外側の第３領域Ｒ３に設定することができる。
【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。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スタック２４の動作温度を維持することをいう。
【００９７】
さらに、第１領域Ｒ１（中央領域）には、排ガス燃焼器４６と起動用燃焼器４８とが同軸上に配置されている。そして、排ガス燃焼器４６は、起動用燃焼器４８から燃料電池スタック２４に向かって燃焼ガスを流通させる温調通路４８ａを囲繞する排ガス燃焼室４６ａを備えている。これにより、図７に示すように、起動時には、熱媒体、すなわち、起動用燃焼器４８からの燃焼ガスは、排ガス燃焼器４６を通過して燃料電池スタック２４に対して良好に伝熱処理することができる。このため、燃料電池モジュール１２の起動性が向上する。
【００９８】
一方、燃料電池スタック２４が過熱された際には、冷媒体、すなわち、起動用燃焼器４８を通過した空気（酸化剤ガス）は、排ガス燃焼器４６を通過して燃料電池スタック２４に対して良好に冷却処理することが可能になる。従って、燃料電池モジュール１２の冷却性が向上する。
【００９９】
また、第１領域Ｒ１（中央領域）は、筒部５２により構成されるとともに、排ガス燃焼器４６を構成する多段筒部材６２と筒部５２とは、摺動可能に接触している。これにより、排ガス燃焼器４６の稼働時（高温時）や停止時（低温時）に、前記排ガス燃焼器４６と筒部５２との間で熱膨張差が発生しても、互いに摺動して熱応力を緩和することができ、耐久性の向上が図られる。
【０１００】
さらに、排ガス燃焼器４６を構成する多段筒部材６２と筒部５２とは、同一の材料で形成されている。このため、排ガス燃焼器４６と筒部５２との間での熱膨張差が可及的に削減されるため、耐久性を向上させることが可能になる。
【０１０１】
さらにまた、起動用燃焼器４８を構成するスリーブ部材６０と筒部５２とは、摺動可能に接触している。従って、起動用燃焼器４８の稼働時（高温時）や停止時（低温時）に、前記起動用燃焼器４８と筒部５２との間で熱膨張差が発生しても、互いに摺動して熱応力を緩和することができ、耐久性の向上が図られる。
【０１０２】
また、起動用燃焼器４８を構成するスリーブ部材６０と筒部５２とは、同一の材料で形成されている。このため、起動用燃焼器４８と筒部５２との間での熱膨張差が可及的に削減される。従って、耐久性を向上させることが可能になるとともに、軸方向及び径方向の熱応力を緩和させることができる。
【０１０３】
さらに、排ガス燃焼器４６は、筒部５２の内周面に接触する大径リング部６２ａと、排ガス燃焼室４６ａに挿入される小径リング部６２ｂと、前記大径リング部６２ａと前記小径リング部６２ｂとを連結する傾斜リング部６２ｃとを備えている。これにより、傾斜リング部６２ｃの案内作用下に、燃焼ガスの流通性が向上して熱の滞留を阻止することが可能になり、熱応力を良好に抑制することができる。
【０１０４】
さらにまた、筒部５２には、排ガス燃焼室４６ａで生成された排ガスを外環領域に供給するための燃焼ガス排出孔５２ａが形成されている。これにより、排ガス燃焼器４６は、排ガス燃焼室４６ａで生成された燃焼ガスの熱量を、外環領域に配設されている各要素である改質器４０、蒸発器４２及び熱交換器４４に対して良好に供給することができる。
【０１０５】
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ため、特にＳＯＦＣ等の高温型燃料電池に最適である。
【０１０６】
図１０は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池モジュール１４０を構成するＦＣ周辺機器１４２の断面説明図である。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。
【０１０７】
ＦＣ周辺機器１４２は、排ガス燃焼器４６を構成する筒部材１４４を備える。
筒部材１４４の外周部には、例えば、燃焼ガス排出孔５２ａの高さ位置に対応して複数の燃焼器連通孔１４６が形成される。燃焼器連通孔１４６は、燃焼ガス排出孔５２ａよりも小径な開口部に構成され、排ガス燃焼器４６と起動用燃焼器４８とを連通する。
【０１０８】
このように構成される第２の実施形態では、特に、排ガス燃焼器４６が失火した際に、起動用燃焼器４８が駆動されると、燃焼ガスは、温調通路４８ａから燃焼器連通孔１４６を通って排ガス燃焼室４６ａに直接供給される。従って、排ガス燃焼室４６ａは、原燃料と空気との混合ガスが自然着火し得る温度に迅速に昇温される。これにより、排ガス燃焼器４６による排ガス燃焼作業が効率的に再開されるという効果が得られる。
【符号の説明】
【０１０９】
１０…燃料電池システム              １２、１４０…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、１４２…ＦＣ周辺機器          ４０…改質器
４２…蒸発器                        ４４…熱交換器
４６…排ガス燃焼器                  ４６ａ…排ガス燃焼室
４８…起動用燃焼器                  ５０…筐体
５２…筒部                          ５２ａ…燃焼ガス排出孔
５４ａ…酸化剤排ガス通路            ５４ｂ…燃料排ガス通路
５６…空気供給管                    ５８…原燃料供給管
６０…スリーブ部材                  ６２…多段筒部材
６２ａ…大径リング部                ６２ｂ…小径リング部
６２ｃ…傾斜リング部                ６４、１４４…筒部材
６６…閉塞リング                    ６８…バイパス通路
７０、７２、７４、７６、７８…仕切り板
８０…燃焼ガス通路                  ８２…改質管路
８８…連結通路                      ９０…蒸発管路
９４ａ…混合ガス供給室              ９４ｂ…燃料ガス排出室
９８ａ…水供給室                    ９８ｂ…水蒸気排出室
１００…原燃料供給路                １０２…燃料ガス通路
１０４…水通路                      １０６…蒸発リターン管路
１０８…熱交換管路                  １１４ａ…酸化剤ガス供給室
１１４ｂ…酸化剤ガス排出室          １１６…熱回収領域
１１８…酸化剤ガス供給管            １２０…排ガス配管
１２２…酸化剤ガス配管              １４６…燃焼器連通孔
【図１】
2015022927.tif 000003
【図２】
2015022927.tif 000004
【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】
2015022927.tif 000010
【図９】
2015022927.tif 000011
【図１０】
2015022927.tif 000012
【図１１】
2015022927.tif 000013
【図１２】
2015022927.tif 000014
【図１３】
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