(57)【要約】【課題】簡単且つコンパクトな構成で、熱効率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は、蒸発器４２を備え、前記蒸発器４２を構成する少なくとも蒸発管路９０の１本以上は、水蒸気排出室９８ｂと改質器４０の入口側とを連通し、水蒸気を流通させる蒸発リターン管路１０６を構成する。そして、蒸発リターン管路１０６内には、該蒸発リターン管路１０６の下流から上流に向かって原燃料が流通するように、原燃料管路１０７が挿入される。【選択図】図３
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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、
前記蒸発器は、前記水が供給される環状の水供給室、前記水蒸気が排出される環状の水蒸気排出室、一端が前記水供給室に連通し且つ他端が前記水蒸気排出室に連通する複数本の蒸発管路、及び前記蒸発管路間に前記燃焼ガスを供給する燃焼ガス通路を備え、
少なくとも前記蒸発管路の１本以上は、前記水蒸気排出室と前記改質器の入口側とを連通し、前記水蒸気を流通させる蒸発リターン管路を構成するとともに、
前記蒸発リターン管路内には、該蒸発リターン管路の下流から上流に向かって前記原燃料が流通するように、原燃料管路が挿入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、前記原燃料管路は、該原燃料管路内と前記蒸発リターン管路内とを連通する原燃料供給口を設け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、前記原燃料管路は、前記蒸発リターン管路内を前記水蒸気排出室に近接する位置まで延在して設けられるとともに、
前記原燃料供給口は、前記水蒸気排出室に近接する位置に開口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２又は３記載の燃料電池モジュールにおいて、前記原燃料供給口の開口断面積を調整するために、開口寸法調整部を備え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１〜４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燃料ガス排出室、一端が前記混合ガス供給室に連通し且つ他端が前記燃料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、前記燃料ガス排出室、前記水蒸気排出室及び前記酸化剤ガス排出室は、前記燃料電池スタックに近接する一方の端部側に設けられるとともに、
前記混合ガス供給室、前記水供給室及び前記酸化剤ガス供給室は、前記燃料電池スタックとは反対の他方の端部側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】
燃料電池スタックは、改質器、蒸発器、熱交換器及び排ガス燃焼器等を備える周辺機器（ＢＯＰ）と組み合わされて燃料電池モジュールを構成している。その際、改質器では、例えば、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している。このため、個別に供給される２つの流体、すなわち、原燃料と水蒸気とを効率的に混合させることが望まれている。
【０００４】
例えば、特許文献１に開示されている燃料電池システム用燃焼装置では、図１１に示すように、燃焼器１ａの炎孔部２ａに炭化水素燃料を供給する高カロリー燃焼ガス供給管３ａを備えている。この高カロリー燃焼ガス供給管３ａは、燃料電池システムに供給された後の未反応ガス（オフガス）を燃焼器１ａに供給する高カロリー燃焼ガス供給管４ａと二重管５ａを構成している。高カロリー燃焼ガス供給管４ａの下流側端部には、複数の孔部６ａが形成されており、前記高カロリー燃焼ガス供給管４ａを流通したオフガスは、前記孔部６ａを通って炎孔部２ａに供給されている。
【０００５】
また、特許文献２に開示されている燃料電池用灯油燃料気化方法では、図１２に示すように、気化器１ｂを用いている。この気化器１ｂは、水蒸気導入管２ｂと灯油導入管３ｂとを有している。灯油導入管３ｂの先端には、テーパ部４ｂを介して噴射口５ｂが形成されている。噴射口５ｂの先方には、混合・気化部６ｂが形成されている。
【０００６】
噴射口５ｂは、灯油燃料を混合・気化部６ｂに向かって噴射する一方、前記混合・気化部６ｂは、前記灯油燃料と、水蒸気導入管２ｂから供給された水蒸気とを混合し、灯油燃料を気化させている。
【０００７】
さらに、特許文献３に開示されている混合燃料の噴射装置では、図１３に示すように、混合燃料噴射ノズル全体１ｃ、燃焼室２ｃ、噴霧誘導パイプ３ｃ、混合装置４ｃを備えている。噴射装置は、さらにエアーパイプ５ｃ、液体燃料供給パイプ６ｃ、水供給パイプ７ｃ、拡散装置８ｃ及び噴霧誘導パイプの噴射開口９ｃを備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００１−２０１０１９号公報
【特許文献２】特開２００４−３１９３３０号公報
【特許文献３】特開２０１２−５７９２７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、二重管５ａにおいて、高カロリー燃焼ガス供給管３ａを流通する炭化水素燃料と、高カロリー燃焼ガス供給管４ａを流通するオフガスとが、互いに並行流（同一方向の流れ）を構成している。このため、原燃料と水蒸気とを混合させるために、特許文献１の構成を採用すると、比較的低温の前記原燃料と比較的高温の前記水蒸気との熱交換効率が低下するとともに、温度差が惹起されるという問題がある。
【００１０】
また、上記の特許文献２では、噴射口５ｂから噴射される灯油燃料と、水蒸気導入管２ｂから供給される水蒸気とは、互いに並行流を構成している。従って、原燃料と水蒸気とを混合させるために、特許文献２の構成を採用すると、比較的低温の前記原燃料と比較的高温の前記水蒸気との熱交換効率が低下するとともに、温度差が惹起されるという問題がある。
【００１１】
さらに、上記の特許文献３では、液体燃料及び水が、液体燃料供給パイプ６ｃ及び水供給パイプ７ｃを介して混合装置４ｃに送られている。そして、混合燃料は、エア−パイプ５ｃから供給されるエアと互いに並行流を構成し、噴霧誘導パイプの噴射開口９ｃから噴射されている。これにより、原燃料と水蒸気とを混合させるために、特許文献３の構成を採用すると、比較的低温の前記原燃料と比較的高温の前記水蒸気との熱交換効率が低下するとともに、温度差が惹起されるという問題がある。
【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】
蒸発器は、水が供給される環状の水供給室、水蒸気が排出される環状の水蒸気排出室、一端が前記水供給室に連通し且つ他端が前記水蒸気排出室に連通する複数本の蒸発管路、及び前記蒸発管路間に前記燃焼ガスを供給する燃焼ガス通路を備えている。
【００１６】
燃料電池モジュールでは、少なくとも蒸発管路の１本以上は、水蒸気排出室と改質器の入口側とを連通し、水蒸気を流通させる蒸発リターン管路を構成している。そして、蒸発リターン管路内には、該蒸発リターン管路の下流から上流に向かって原燃料が流通するように、原燃料管路が挿入されている。
【００１７】
また、この燃料電池モジュールでは、原燃料管路は、該原燃料管路内と蒸発リターン管路内とを連通する原燃料供給口を設けることが好ましい。このため、ベンチュリ効果を利用して、蒸発リターン管路内を流通する水蒸気に、原燃料管路から原燃料を良好に混合させることができる。
【００１８】
さらに、この燃料電池モジュールでは、原燃料管路は、蒸発リターン管路内を水蒸気排出室に近接する位置まで延在して設けられるとともに、原燃料供給口は、前記水蒸気排出室に近接する位置に開口することが好ましい。従って、原燃料と水蒸気とは、互いに対向流を構成しており、前記原燃料を良好に昇温させた後、該原燃料と前記水蒸気とを混合させることが可能になる。これにより、原燃料と水蒸気との間の熱交換効率が向上するとともに、両者の温度を均等に調整することができる。このため、改質効率の向上が図られる。
【００１９】
さらにまた、この燃料電池モジュールでは、原燃料供給口の開口断面積を調整するために、開口寸法調整部を備えることが好ましい。従って、原燃料の供給量を容易に調整することが可能になり、良好な改質処理が遂行される。
【００２０】
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と、生成された燃料ガスが排出される環状の燃料ガス排出室とを有する。この改質器は、さらに一端が混合ガス供給室に連通し且つ他端が燃料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ることが好ましい。
【００２１】
このように、環状の混合ガス供給室、環状の燃料ガス排出室及び複数本の改質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。従って、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燃料ガス排出室の容積や改質管路の管路長、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。
【００２２】
さらに、この燃料電池モジュールでは、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と、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とを有する。この熱交換器は、さらに一端が酸化剤ガス供給室に連通し且つ他端が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ることが好ましい。
【００２３】
このように、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熱交換管路の管路長、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。
【００２４】
さらにまた、この燃料電池モジュールでは、燃料ガス排出室、水蒸気排出室及び酸化剤ガス排出室は、燃料電池スタックに近接する一方の端部側に設けられている。混合ガス供給室、水供給室及び酸化剤ガス供給室は、燃料電池スタックとは反対の他方の端部側に設けられている。
【００２５】
このため、昇温及び改質直後の反応ガスを燃料電池スタックに迅速に供給することが可能になる。一方、燃料電池スタックからの排ガスは、放熱による降温を最小限に抑制しながら、ＦＣ周辺機器を構成する排ガス燃焼器、改質器、蒸発器及び熱交換器に供給することができる。従って、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。
【００２６】
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。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】
【００２７】
本発明によれば、蒸発器は、環状の水供給室、環状の水蒸気排出室及び複数本の蒸発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、水供給室及び水蒸気排出室の容積や蒸発管路の管路長、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。
【００２８】
さらに、少なくとも蒸発管路の１本以上は、水蒸気排出室と改質器の入口側とを連通し、水蒸気を流通させる蒸発リターン管路を構成している。このため、水蒸気は、高温を維持した状態で、原燃料と混合されて混合ガスが得られている。従って、改質効率の向上が図られる。
【００２９】
さらにまた、蒸発リターン管路内には、該蒸発リターン管路の下流から上流に向かって原燃料が流通するように、原燃料管路が挿入されている。これにより、原燃料と水蒸気とが対向流を構成し、周辺機器全体の小型化が図られるとともに、放熱を抑制して熱効率の向上が図られる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【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】対向流における伝熱面温度の説明図である。
【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システム用燃焼装置の概略説明図である。
【図１２】特許文献２に開示されている気化器の概略説明図である。
【図１３】特許文献３に開示されている噴射装置の概略説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。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。
【００４１】
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、複数の孔部（円形や長方形等）５２ａが形成される。
【００４２】
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て排ガス燃焼器４６が構成される（図１及び図３参照）。筒部５２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。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。
【００４３】
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。
【００４４】
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６２ａ、小径リング部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６２ｃを一体に有する。
【００４５】
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、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。排ガス燃焼器４６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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
混合ガス供給室９４ａには、後述する蒸発リターン管路１０６の下端が開放される。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。
【００６２】
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、水蒸気を流通させ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は、蒸発管路９０よりも大径に構成され、例えば、改質管路８２と同一の径に設定される。蒸発リターン管路１０６の一端は、第２上側リング部材９２ｂに溶接等により固着される一方、前記蒸発リターン管路１０６の他端は、第１下側リング部材８４ａに溶接等により固着される。
【００６３】
蒸発リターン管路１０６内には、前記蒸発リターン管路１０６の下流から上流に向かって原燃料が流通するように、原燃料管路１０７が挿入される。原燃料管路１０７は、前記原燃料管路１０７内と蒸発リターン管路１０６内とを連通する１以上、好ましくは、複数の原燃料供給口（例えば、孔部）１０７ａを設ける。
【００６４】
原燃料管路１０７は、蒸発リターン管路１０６内を水蒸気排出室９８ｂに近接する位置まで延在して設けられるとともに、原燃料供給口１０７ａは、前記水蒸気排出室９８ｂに近接する位置に、且つ、原燃料管路１０７の先端外周部に所定角度毎に開口する。原燃料管路１０７を矢印Ｌｕ方向に流通する原燃料と、蒸発リターン管路１０６を矢印Ｌｄ方向に流通する水蒸気とは、互いに対向流を構成する。原燃料は、ベンチュリ効果を利用して原燃料供給口１０７ａから水蒸気に混合される。原燃料管路１０７の下端は、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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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）。
【００７１】
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を介して原燃料管路１０７と原燃料供給管５８とに分岐する。原燃料管路１０７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。
【００７２】
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。
【００７３】
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）。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
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、原燃料管路１０７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。
【００８２】
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。
【００８３】
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の外周との間に酸化剤排ガスが導入される。
【００８４】
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、原燃料管路１０７を流通して蒸発リターン管路１０６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。
【００８５】
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内を矢印Ｌｄ方向に流通する。蒸発リターン管路１０６内には、水蒸気排出室９８ｂに近接する位置まで延在して原燃料管路１０７が設けられるとともに、原燃料供給口１０７ａは、前記水蒸気排出室９８ｂに近接する位置に開口している。
【００８６】
この場合、第１の実施形態では、原燃料管路１０７は、該原燃料管路１０７内と蒸発リターン管路１０６内とを連通する原燃料供給口１０７ａを設けている。このため、ベンチュリ効果を利用して、蒸発リターン管路１０６内を流通する水蒸気に原燃料管路１０７から原燃料を良好に混合させることができる。
【００８７】
さらに、原燃料管路１０７を矢印Ｌｕ方向に流通する原燃料と、蒸発リターン管路１０６を矢印Ｌｄ方向に流通する水蒸気（実質的には混合ガス）とは、互いに対向流を構成している。すなわち、原燃料と水蒸気との混合ガスは、蒸発リターン管路１０６を混合ガス供給室９４ａに向かって矢印Ｌｄ方向に流通する一方、前記原燃料は、原燃料管路１０７を前記混合ガス供給室９４ａ側から上方に向かって矢印Ｌｕ方向に流通する。
【００８８】
その際、対向流では、図９に示すように、熱交換効率がよく、伝熱面温度が高くなる。従って、比較的低温の原燃料と比較的高温の混合ガスとの間の熱交換効率が向上するとともに、両者の温度を均等に調整することができる。これにより、改質効率の向上が図られる。
【００８９】
図３及び図８に示すように、混合ガスは、蒸発リターン管路１０６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。
【００９０】
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。
【００９１】
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の外周との間に燃料排ガスが導入される。
【００９２】
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。
【００９３】
筒部５２には、複数の孔部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、複数の孔部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。
【００９４】
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。
【００９５】
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。
【００９６】
この場合、第１の実施形態では、蒸発器４２は、水が供給される環状の水供給室９８ａと、水蒸気が排出される環状の水蒸気排出室９８ｂとを有している。この蒸発器４２は、さらに一端が水供給室９８ａに連通し且つ他端が水蒸気排出室９８ｂに連通する複数本の蒸発管路９０、及び前記蒸発管路９０間に燃焼ガスを供給する燃焼ガス通路８０を備えている。
【００９７】
これにより、構造の簡素化が容易に図られるため、製造コストが有効に削減される。しかも、水供給室９８ａ及び水蒸気排出室９８ｂの容積や蒸発管路９０の管路長、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。
【００９８】
さらに、少なくとも蒸発管路９０の１本以上は、水蒸気排出室９８ｂと改質器４０の入口側とを連通し、水蒸気を流通させる蒸発リターン管路１０６を構成している。このため、水蒸気は、高温を維持した状態で、原燃料と混合されて混合ガスが得られている。従って、改質効率の向上が図られる。
【００９９】
さらにまた、蒸発リターン管路１０６内には、該蒸発リターン管路１０６の下流から上流に向かって原燃料が流通するように、原燃料管路１０７が挿入されている。これにより、原燃料と水蒸気とが対向流を構成し、周辺機器全体の小型化が図られるとともに、放熱を抑制して熱効率の向上が図られる。
【０１００】
また、図３に示すように、改質器４０は、混合ガスが供給される環状の混合ガス供給室９４ａと、生成された燃料ガスが排出される環状の燃料ガス排出室９４ｂとを有している。この改質器４０は、さらに一端が混合ガス供給室９４ａに連通し且つ他端が燃料ガス排出室９４ｂに連通する複数本の改質管路８２、及び前記改質管路８２間に燃焼ガスを供給する燃焼ガス通路８０を備えている。
【０１０１】
このように、環状の混合ガス供給室９４ａ、環状の燃料ガス排出室９４ｂ及び複数本の改質管路８２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。このため、製造コストが有効に削減される。しかも、混合ガス供給室９４ａ及び燃料ガス排出室９４ｂの容積や改質管路８２の管路長、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。
【０１０２】
さらに、熱交換器４４は、酸化剤ガスが供給される環状の酸化剤ガス供給室１１４ａと、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１１４ｂとを有している。この熱交換器４４は、さらに一端が酸化剤ガス供給室１１４ａに連通し且つ他端が酸化剤ガス排出室１１４ｂに連通する複数本の熱交換管路１０８、及び前記熱交換管路１０８間に燃焼ガスを供給する燃焼ガス通路８０を備えている。
【０１０３】
このように、環状の酸化剤ガス供給室１１４ａ、環状の酸化剤ガス排出室１１４ｂ及び複数本の熱交換管路１０８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１１４ａ及び酸化剤ガス排出室１１４ｂの容積や熱交換管路１０８の管路長、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。
【０１０４】
さらにまた、燃料ガス排出室９４ｂ、水蒸気排出室９８ｂ及び酸化剤ガス排出室１１４ｂは、燃料電池スタック２４に近接する一方の端部側に設けられている。混合ガス供給室９４ａ、水供給室９８ａ及び酸化剤ガス供給室１１４ａは、燃料電池スタック２４とは反対の他方の端部側に設けられている。
【０１０５】
このため、昇温及び改質直後の反応ガス（燃料ガス及び酸化剤ガス）を燃料電池スタック２４に迅速に供給することが可能になる。一方、燃料電池スタック２４からの排ガスは、放熱による降温を最小限に抑制しながら、ＦＣ周辺機器３８を構成する排ガス燃焼器４６、改質器４０、蒸発器４２及び熱交換器４４に供給することができ、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。
【０１０６】
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。
【０１０７】
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。
【０１０８】
ＦＣ周辺機器１４２では、蒸発リターン管路１０６内には、前記蒸発リターン管路１０６の下流から上流に向かって原燃料が流通するように、原燃料管路１４４が挿入される。原燃料管路１４４は、前記原燃料管路１４４内と蒸発リターン管路１０６内とを連通する原燃料供給口１４４ａを設けるとともに、前記原燃料供給口１４４ａの開口断面積を調整するために、開口寸法調整部１４６を備える。
【０１０９】
原燃料管路１４４は、蒸発リターン管路１０６内を水蒸気排出室９８ｂに近接する位置まで延在して設けられるとともに、原燃料供給口１４４ａは、前記原燃料管路１４４の先端に開口する。原燃料管路１４４は、円筒形状を有する。
【０１１０】
原燃料管路１４４を矢印Ｌｕ方向に流通する原燃料と、蒸発リターン管路１０６を矢印Ｌｄ方向に流通する水蒸気とは、互いに対向流を構成する。原燃料は、ベンチュリ効果を利用して、原燃料供給口１４４ａから水蒸気に混合される。
【０１１１】
開口寸法調整部１４６は、原燃料管路１４４の下端部に固定される雌ねじ部材１４８を備える。雌ねじ部材１４８の内部には、雌ねじ１４８ａが形成されるとともに、原燃料を供給するための管路１４９が接続される。雌ねじ１４８ａには、雄ねじである調整用ねじ１５０が螺合する。
【０１１２】
調整用ねじ１５０には、長尺なロッド１５２の一端が固定される。ロッド１５２は、原燃料管路１４４内に挿入されるとともに、前記ロッド１５２の他端は、前記原燃料管路１４４の外部に露呈し、弁部材１５４を設ける。弁部材１５４は、断面略三角錐状を有し、原燃料管路１４４の先端部との相対位置により、原燃料供給口１４４ａの開度を調整することができる。
【０１１３】
このように、第２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とともに、特に、原燃料の供給量を容易に調整することが可能になる。これにより、良好な改質処理が遂行されるという効果が得られる。
【符号の説明】
【０１１４】
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                  ４８…起動用燃焼器
５０…筐体                          ５２…筒部
５２ａ…孔部                        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                    ６４…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
１０２…燃料ガス通路                １０４…水通路
１０６…蒸発リターン管路            １０７、１４４…原燃料管路
１０７ａ、１４４ａ…原燃料供給口    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…開口寸法調整部              １５４…弁部材
【図１】
2015022926.tif 000003
【図２】
2015022926.tif 000004
【図３】
2015022926.tif 000005
【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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