(57)【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スタックと、
炭化水素を主体とする原燃料と酸化剤ガスとの混合ガスを改質する部分酸化改質器と、
前記原燃料と水蒸気との混合ガスを改質する水蒸気改質器と、
水を蒸発させるとともに、水蒸気を前記水蒸気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、
を備える燃料電池モジュールであって、
前記燃料電池モジュールは、前記蒸発器の水蒸気出口に連通する水蒸気通路と前記部分酸化改質器の改質ガス出口に連通する改質ガス通路とを合流させ、前記水蒸気改質器に接続する合流部と、
前記燃焼ガスを前記熱交換器、前記水蒸気改質器及び前記蒸発器に、順次、供給する燃焼ガス通路と、
前記酸化剤ガスを前記熱交換器及び前記部分酸化改質器に各々供給し、さらに前記熱交換器から前記燃料電池スタックに供給する酸化剤ガス通路と、
前記燃焼ガスと前記酸化剤ガスとの温度差により熱電変換を行う熱電変換部と、
を備え、
前記熱電変換部は、前記燃焼ガス通路の前記蒸発器の下流側に、且つ、前記酸化剤ガス通路の前記部分酸化改質器の上流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、前記原燃料を前記部分酸化改質器に供給する原燃料通路を備え、
前記酸化剤ガス通路は、前記原燃料通路に前記部分酸化改質器の上流側で合流するとともに、
前記酸化剤ガス通路には、前記熱電変換部が配設され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１又は２記載の燃料電池モジュールにおいて、前記酸化剤ガス通路は、前記部分酸化改質器に前記酸化剤ガスを供給する第１酸化剤ガス供給路部と、
前記熱交換器に前記酸化剤ガスを供給する第２酸化剤ガス供給路部と、
に分岐するとともに、
分岐部位には、前記酸化剤ガスの分配量を調整する酸化剤ガス調整弁が配設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３記載の燃料電池モジュールにおいて、前記熱電変換部は、前記酸化剤ガス通路に前記酸化剤ガス調整弁の上流側に位置して配置され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３記載の燃料電池モジュールにおいて、前記熱電変換部は、少なくとも前記第１酸化剤ガス供給路部又は前記第２酸化剤ガス供給路部に前記酸化剤ガス調整弁の下流側に位置して配置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１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記熱電変換部は、前記燃焼ガスと前記酸化剤ガスとが互いに並行流に設定されるとともに、
異なる熱電変換温度に設定された複数の熱電変換素子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１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記熱電変換部は、前記燃焼ガスと前記酸化剤ガスとが互いに対向流に設定されるとともに、
所定の熱電変換温度に設定された複数の熱電変換素子を備え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１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記熱電変換部は、前記燃焼ガスと前記酸化剤ガスとが互いに交差する流れ又は対称の流れに設定されるとともに、
所定の熱電変換温度に設定された複数の熱電変換素子を備えることを特徴とす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において、前記熱交換器内には、前記排ガス燃焼器が一体に設けられるとともに、
前記熱交換器の一端には、前記水蒸気改質器が隣接して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１０】
請求項１〜９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おり、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を配設した電解質・電極接合体（以下、ＭＥＡともいう）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、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】
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に、例えば、部分酸化改質や水蒸気改質を施すことにより、改質ガス（燃料ガス）が生成されている。
【０００４】
この場合、部分酸化改質器は、発熱反応であるため、比較的低温時に反応が開始されて起動性及び追従性に優れる一方、改質効率が低いという問題がある。
【０００５】
これに対して、水蒸気改質器は、改質効率が高い一方、吸熱反応であるため、低温時の起動性及び追従性が低下するという問題がある。
【０００６】
そこで、例えば、特許文献１に開示されている起動方法が知られている。この特許文献１は、図１５に示すように、改質触媒を有する改質器１ａと、改質ガスを燃料として用いるＳＯＦＣ２ａとを有するＳＯＦＣシステムの起動方法に関するものである。
【０００７】
改質器１ａは、改質触媒を収容する改質反応管３ａが、容器４ａ内に若しくは前記容器４ａを貫通して設けられている。改質反応管３ａ内には、前段に部分酸化改質触媒Ａが充填され、後段に水蒸気改質触媒Ｂが充填されて改質触媒層が形成されている。
【０００８】
この起動方法では、部分酸化改質（ＰＯＸ）機能を有する触媒Ａ及び水蒸気改質（ＳＲ）機能を有する触媒Ｂを用い、燃焼熱又は電気で触媒ＡをＰＯＸ反応進行可能温度まで昇温する工程；ＰＯＸ反応熱で触媒Ｂを昇温し改質ガスをアノードに供給してＳＯＦＣ２ａを昇温する工程及びアノードから排出される改質ガスを燃焼させた燃焼熱で触媒Ｂを加熱する工程、又はＰＯＸ反応熱で触媒Ｂを昇温し改質ガスを燃焼させた燃焼ガスをカソードに供給してＳＯＦＣ２ａを昇温しこの燃焼ガスで触媒Ｂを加熱する工程；触媒ＢがＳＲ反応が進行可能な温度になった後、ＰＯＸ反応の割合を低減し又はＰＯＸ反応を停止して、ＳＲを行う工程を有している。
【０００９】
また、特許文献２に開示されている燃料電池では、図１６に示すように、固体酸化物形の燃料電池本体１ｂと、前記燃料電池本体１ｂの発電時に当該燃料電池本体１ｂのアノード側へ燃料ガスを供給する第１の燃料ガス供給系２ｂと、前記燃料電池本体１ｂの運転開始期及び運転停止期に当該燃料電池本体１ｂのアノード側へ少量の燃料ガスを酸化防止ガスとして供給する第２の燃料ガス供給系３ｂと、前記燃料電池本体１ｂのカソード側へ全期間を通して空気を酸化ガスとして供給する酸化ガス供給系４ｂとを備えている。
【００１０】
燃料電池本体１ｂは、複数枚のインターコネクタの各間に電極付き固体電解質板を挟んで積層した円柱形状の電池セルＦＣと、運転開始期に前記電池セルＦＣを予熱するバーナー５ｂと、運転開始期に前記電池セルＦＣと共に予熱され、前記電池セルＦＣから排出される排ガスを酸化ガスと熱交換して酸化ガスを予熱する熱交換器６ｂと、前記電池セルＦＣと組み合わされ、運転開始期にはバーナー５ｂ等により前記電池セルＦＣと共に予熱され、発電時は前記電池セルＦＣでの発熱等により加熱される２種類の改質器である水蒸気改質器７ｂ及び部分酸化改質器８ｂとを有している。
【００１１】
そして、発電時に第１の燃料ガス供給系２ｂを用いて、発電に必要な大流量な燃料ガスを燃料電池本体１ｂへ供給し、発電開始期及び発電停止期には、前記燃料電池本体１ｂがセル酸化温度領域を通過する時、第２の燃料ガス供給系３ｂを用いて部分酸化改質による燃料ガスを酸化防止に必要な小流量で前記燃料電池本体１ｂへ供給している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００６−１９０６０５号公報
【特許文献２】特開２００５−２９３９５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
上記の特許文献１では、改質反応管３ａ内に部分酸化改質触媒Ａ及び水蒸気改質触媒Ｂが充填されており、部分酸化改質のみを行う際にも、前記改質反応管３ａ内に水蒸気が供給されている。このため、部分酸化改質時に、水を蒸発させるための熱量が必要になり、熱効率が低下するとともに、水蒸気による圧力損失が発生するという問題がある。しかも、改質反応管３ａ内の温度制御が煩雑化するという問題がある。
【００１４】
また、上記の特許文献２では、水蒸気改質器７ｂと部分酸化改質器８ｂとが並列化されており、多数の電磁弁ＳＶ１〜ＳＶ５が設けられている。従って、回路が複雑化し、コストが高騰するとともに、シーケンスが複雑になるという問題がある。
【００１５】
本発明は、この種の問題を解決するものであり、起動性及び追従性と効率とを良好に維持するとともに、耐久性及び発電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】
【００１６】
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スタックと、炭化水素を主体とする原燃料と酸化剤ガスとの混合ガスを改質する部分酸化改質器と、前記原燃料と水蒸気との混合ガスを改質する水蒸気改質器と、水を蒸発させるとともに、水蒸気を前記水蒸気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を備える燃料電池モジュールに関するものである。
【００１７】
そして、この燃料電池モジュールは、蒸発器の水蒸気出口に連通する水蒸気通路と、部分酸化改質器の改質ガス出口に連通する改質ガス通路とを合流させ、水蒸気改質器に接続する合流部と、燃焼ガスを熱交換器、前記水蒸気改質器及び前記蒸発器に、順次、供給する燃焼ガス通路と、酸化剤ガスを前記熱交換器及び前記部分酸化改質器に各々供給し、さらに前記熱交換器から燃料電池スタックに供給する酸化剤ガス通路と、燃焼ガスと酸化剤ガスとの温度差により熱電変換を行う熱電変換部とを備えている。
【００１８】
また、この燃料電池モジュールの熱電変換部は、燃焼ガス通路の蒸発器の下流側に、且つ、酸化剤ガス通路の部分酸化改質器の上流側に設けられる。
【００１９】
このため、熱自立を妨げることがなく、燃焼ガスと酸化剤ガスとの温度差、すなわち、熱エネルギを電気エネルギとして回収することができ、発電効率を向上させることが可能になる。しかも、燃焼ガスの温度が低下されるため、廃熱の抑制が図られる一方、酸化剤ガスが昇温されるため、熱自立の促進が図られる。ここで、熱自立とは、燃料電池システムの運転に必要な熱の全量を外部から加えることなく、自ら発生する熱のみで前記燃料電池システムの動作温度を維持することをいう。
【００２０】
さらに、この燃料電池モジュールでは、原燃料を部分酸化改質器に供給する原燃料通路を備え、酸化剤ガス通路は、前記原燃料通路に前記部分酸化改質器の上流側で合流するとともに、前記酸化剤ガス通路には、熱電変換部が配設されることが好ましい。従って、燃焼ガスと酸化剤ガスとの温度差、すなわち、熱エネルギを電気エネルギとして回収することができ、発電効率を向上させることが可能になる。しかも、燃焼ガスの温度が低下されるため、廃熱の抑制が図られる一方、酸化剤ガスが昇温されるため、熱自立の促進が図られる。
【００２１】
さらにまた、この燃料電池モジュールでは、酸化剤ガス通路は、部分酸化改質器に酸化剤ガスを供給する第１酸化剤ガス供給路部と、熱交換器に前記酸化剤ガスを供給する第２酸化剤ガス供給路部とに分岐するとともに、分岐部位には、前記酸化剤ガスの分配量を調整する酸化剤ガス調整弁が配設されることが好ましい。
【００２２】
これにより、燃料電池スタックと、水蒸気改質器、蒸発器及び熱交換器を含むＦＣ周辺機器（ＢＯＰ）とを同時に昇温させることができ、起動時間の短縮化を図ることが可能になる。一方、水蒸気改質触媒及びアノード側を還元することができ、起動時間が短縮される。
【００２３】
しかも、燃料電池スタックの負荷変動等に起因した熱不足で水蒸気改質器による改質不足が惹起された際にも、部分酸化改質器により改質不足を補うことができる。このため、負荷変動に追従することが可能になるとともに、改質不足に起因する燃料枯渇を抑制することができ、耐久性の向上が容易に図られる。
【００２４】
また、この燃料電池モジュールでは、熱電変換部は、酸化剤ガス通路に酸化剤ガス調整弁の上流側に位置して配置されることが好ましい。このため、熱自立を妨げることがなく、燃焼ガスと酸化剤ガスとの温度差、すなわち、熱エネルギを電気エネルギとして回収することができ、発電効率を向上させることが可能になる。しかも、燃焼ガスの温度が低下されるため、廃熱の抑制が図られる一方、酸化剤ガスが昇温されるため、熱自立の促進が図られる。
【００２５】
さらに、この燃料電池モジュールでは、熱電変換部は、少なくとも第１酸化剤ガス供給路部又は第２酸化剤ガス供給路部に酸化剤ガス調整弁の下流側に位置して配置されることが好ましい。従って、熱自立を妨げることがなく、燃焼ガスと酸化剤ガスとの温度差、すなわち、熱エネルギを電気エネルギとして回収することができ、発電効率を向上させることが可能になる。しかも、燃焼ガスの温度が低下されるため、廃熱の抑制が図られる一方、酸化剤ガスが昇温されるため、熱自立の促進が図られる。その上、酸化剤ガスは、酸化剤ガス調整弁の下流側で昇温されるため、前記酸化剤ガス調整弁の耐久性を損なうことがない。
【００２６】
さらにまた、この燃料電池モジュールでは、熱電変換部は、燃焼ガスと酸化剤ガスとが互いに並行流に設定されるとともに、異なる熱電変換温度に設定された複数の熱電変換素子を備えることが好ましい。これにより、例えば、並行流の上流側は、燃焼ガスと酸化剤ガスとの温度差が大きくなるため、高温型熱電変換素子を使用する一方、並行流の下流側は、前記温度差が小さくなるため、低温型熱電変換素子を使用することができる。このため、温度差に応じて最適な熱電変換素子が用いられるため、効率的な熱電変換が確実に遂行可能になる。
【００２７】
また、この燃料電池モジュールでは、熱電変換部は、燃焼ガスと酸化剤ガスとが互いに対向流に設定されるとともに、所定の熱電変換温度に設定された複数の熱電変換素子を備えることが好ましい。従って、熱電変換部内では、想定される温度差に応じて、最適な熱電変換温度に設定された熱電変換素子を用いることができる。これにより、効率的な熱電変換が確実に遂行可能になる。
【００２８】
さらに、この燃料電池モジュールでは、熱電変換部は、燃焼ガスと酸化剤ガスとが互いに交差する流れ又は対称の流れに設定されるとともに、所定の熱電変換温度に設定された複数の熱電変換素子を備えることが好ましい。このため、熱電変換部内では、想定される温度差に応じて、最適な熱電変換温度に設定された熱電変換素子を用いることができる。従って、効率的な熱電変換が確実に遂行可能になる。
【００２９】
さらにまた、この燃料電池モジュールでは、熱交換器内には、排ガス燃焼器が一体に設けられるとともに、前記熱交換器の一端には、水蒸気改質器が隣接して設けられることが好ましい。これにより、燃料電池モジュールの放熱を最小限に抑制することができ、熱エネルギの損失を良好に抑制することが可能になる。換言すれば、熱自立運転が促進される。しかも、燃焼用回路（配管等）が簡素化され、部品点数も削減されるため、小型化及び低コスト化が図られる。
【００３０】
また、この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】
【００３１】
本発明によれば、蒸発器の水蒸気出口に連通する水蒸気通路と、部分酸化改質器の改質ガス出口に連通する改質ガス通路とが、合流部で合流して水蒸気改質器に連通している。このため、部分酸化改質器からの高温（約６００℃）の還元ガスが、水蒸気改質器に導かれるため、前記水蒸気改質器の起動時間（昇温及び還元時間）が短縮される。
【００３２】
しかも、高温の還元ガスは、水蒸気改質器から燃料電池スタックに供給されるため、前記燃料電池スタックの起動時間（昇温及び還元時間）が良好に短縮される。
【００３３】
さらに、高温の還元ガスは、排ガス燃焼器に導入されるため、燃料電池スタックに供給される前の酸化剤ガス、水蒸気改質器及び蒸発器を昇温させることができる。従って、燃料電池モジュールの起動期間の短縮が図られる。
【００３４】
さらにまた、蒸発器で発生した水蒸気は、部分酸化改質器に流入することがない。これにより、部分酸化改質器の触媒が水蒸気酸化されることを抑制することが可能になり、耐久性の向上が容易に図られる。
【００３５】
また、燃料電池スタックの負荷変動等に起因した熱不足で水蒸気改質器による改質不足が惹起された際にも、部分酸化改質器により改質不足を補うことができる。このため、負荷変動に追従することが可能になるとともに、改質不足に起因する燃料枯渇を抑制することができ、耐久性の向上が容易に図られる。
【００３６】
さらに、燃料電池モジュールは、燃焼ガスと酸化剤ガスとの温度差により熱電変換を行う熱電変換部を備えている。従って、燃焼ガスと酸化剤ガスとの温度差、すなわち、熱エネルギを電気エネルギとして回収することができ、特に起動時間を損なうことがなく、発電効率を向上させることが可能になる。しかも、燃焼ガスの温度が低下されるため、廃熱の抑制が図られる一方、酸化剤ガスが昇温されるため、熱自立の促進が図られる。
【００３７】
ここで、燃焼ガスとは、排ガス燃焼器で生成されるガスであって、他のガス等の被加熱体と熱交換を行って熱エネルギを与えることができる加熱媒体をいい、熱エネルギを放出した後には、排ガスという。
【００３８】
また、熱自立とは、燃料電池システムの運転に必要な熱の全量を外部から加えることなく、自ら発生する熱のみで前記燃料電池システムの動作温度を維持することをいう。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【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周辺機器の要部斜視説明図である。
【図３】前記ＦＣ周辺機器の要部分解斜視説明図である。
【図４】前記燃料電池モジュールを構成する第１及び第２熱電変換部の要部分解斜視説明図である。
【図５】前記燃料電池システムの起動から発電までの動作を説明するフローチャートである。
【図６】前記燃料電池システムの発電から低負荷運転の動作を説明するフローチャートである。
【図７】部分酸化改質及び水蒸気改質の出力と効率との関係説明図である。
【図８】前記燃料電池システムの発電停止の動作を説明するフローチャートである。
【図９】本発明の第２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１０】本発明の第３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１１】本発明の第４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１２】本発明の第５の実施形態に係る燃料電池モジュールを構成する熱電変換部の要部分解斜視説明図である。
【図１３】本発明の第６の実施形態に係る燃料電池モジュールを構成する熱電変換部の要部分解斜視説明図である。
【図１４】本発明の第７の実施形態に係る燃料電池モジュールを構成する熱電変換部の要部分解斜視説明図である。
【図１５】特許文献１に開示されている起動方法の説明図である。
【図１６】特許文献２に開示されている燃料電池の概略説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
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ている。
【００４１】
燃料電池システム１０は、燃料ガス（例えば、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燃料電池モジュール（ＳＯＦＣモジュール）１２と、前記燃料電池モジュール１２に炭化水素を主体とする原燃料（例えば、都市ガス）を供給する原燃料供給装置（燃料ガスポンプを含む）１４と、前記燃料電池モジュール１２に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置（空気ポンプを含む）１６と、前記燃料電池モジュール１２に水を供給する水供給装置（水ポンプを含む）１８と、前記燃料電池モジュール１２の発電量を制御する制御装置２０とを備える。
【００４２】
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２８及びアノード電極３０が設けられた電解質・電極接合体（ＭＥＡ）３２を備える。
【００４３】
電解質・電極接合体３２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とが配設される。カソード側セパレータ３４には、カソード電極２８に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路３８が形成されるとともに、アノード側セパレータ３６には、アノード電極３０に燃料ガスを供給する燃料ガス流路４０が形成される。なお、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。
【００４４】
燃料電池スタック２４には、各酸化剤ガス流路３８の入口側に一体に連通する酸化剤ガス入口連通孔４２ａ、前記酸化剤ガス流路３８の出口側に一体に連通する酸化剤ガス出口連通孔４２ｂ、各燃料ガス流路４０の入口側に一体に連通する燃料ガス入口連通孔４４ａ、及び前記燃料ガス流路４０の出口側に一体に連通する燃料ガス出口連通孔４４ｂとが設けられる。
【００４５】
燃料電池モジュール１２は、炭化水素を主体とする原燃料と酸化剤ガスとの混合ガスを改質する部分酸化改質器（ＰＯＸ）４５と、前記原燃料と水蒸気との混合ガスを改質する水蒸気改質器（ＳＲ）４６と、水を蒸発させるとともに、水蒸気を前記水蒸気改質器４６に供給する蒸発器４８と、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、前記燃料電池スタック２４に前記酸化剤ガスを供給する熱交換器５０と、前記燃料電池スタック２４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５２とを備える。
【００４６】
燃料電池モジュール１２は、基本的には、燃料電池スタック２４とＦＣ周辺機器５６とにより構成される。ＦＣ周辺機器５６は、部分酸化改質器４５、水蒸気改質器４６、蒸発器４８、熱交換器５０及び排ガス燃焼器５２を備えるとともに、後述するように、前記水蒸気改質器４６、前記熱交換器５０及び前記排ガス燃焼器５２間には、燃焼ガス用の配管を設けていない。
【００４７】
原燃料供給装置１４は、原燃料を部分酸化改質器４５に供給する原燃料通路５７を備える。酸化剤ガス供給装置１６は、酸化剤ガスを熱交換器５０から燃料電池スタック２４に供給する酸化剤ガス通路５８を備えるとともに、水供給装置１８は、水を蒸発器４８に供給する水通路５９を備える。
【００４８】
ＦＣ周辺機器５６では、熱交換器５０内には、排ガス燃焼器５２が一体に設けられるとともに、水蒸気改質器４６は、前記熱交換器５０の一端に隣接して設けられる。
【００４９】
図２及び図３に示すように、熱交換器５０は、立位姿勢に配置されており、後述するように、酸化剤ガスを鉛直下方向から鉛直上方向に流通させる。水蒸気改質器４６は、立位姿勢に配置されており、改質ガスを鉛直下方向から鉛直上方向に流通させる。熱交換器５０の一方の側部（一端）には、水蒸気改質器４６が直接装着される。水蒸気改質器４６及び熱交換器５０（排ガス燃焼器５２を含む）は、水平方向（矢印Ａ方向）に積層される。
【００５０】
熱交換器５０及び水蒸気改質器４６の下方には、蒸発器４８、部分酸化改質器４５及び都市ガス（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６０が配設される。
【００５１】
水蒸気改質器４６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】
部分酸化改質器４５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、主として水素、ＣＯを含む燃料ガスに部分酸化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。
【００５３】
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。
【００５４】
図１に示すように、原燃料供給装置１４は、脱硫器６０を備えるとともに、前記脱硫器６０が原燃料通路５７に配設される。この原燃料通路５７は、部分酸化改質器４５の混合ガス入口６１ａに連通する。部分酸化改質器４５の改質ガス出口６１ｂには、改質ガス通路５７ａが連通するとともに、前記改質ガス通路５７ａと水蒸気通路５９ａ（後述する）との合流部５７ｂを介して、水蒸気改質器４６の混合ガス供給室６２ａに接続される。
【００５５】
図２及び図３に示すように、混合ガス供給室６２ａは、複数の改質管路６４の下端側に連通するとともに、前記改質管路６４の上端側に燃料ガス排出室６２ｂが連通する。燃料ガス排出室６２ｂには、燃料ガス通路６６の一端が連通するとともに、前記燃料ガス通路６６の他端が燃料電池スタック２４の燃料ガス入口連通孔４４ａに連通する（図１参照）。各改質管路６４には、改質用にペレット状の触媒（図示せず）が充填、又は、粒子状の触媒（図示せず）が担持されている。
【００５６】
各改質管路６４間には、加熱空間６８が形成される。この加熱空間６８には、燃焼ガス通路７０の一端が開口される一方、図１に示すように、前記燃焼ガス通路７０の途上には、蒸発器４８の加熱路７２が設けられる。燃焼ガス通路７０の他端には、第２熱電変換部７４ｂ及び第１熱電変換部７４ａが直列的に接続される。
【００５７】
第１熱電変換部７４ａは、酸化剤ガス通路５８を構成する第１酸化剤ガス供給路部５８ａに配置される一方、第２熱電変換部７４ｂは、前記酸化剤ガス通路５８を構成する第２酸化剤ガス供給路部５８ｂに配置される。第１酸化剤ガス供給路部５８ａと第２酸化剤ガス供給路部５８ｂとには、酸化剤ガス通路５８に設けられる酸化剤ガス調整弁７５を介して酸化剤ガスが分配供給される。
【００５８】
水供給装置１８を構成する水通路５９は、蒸発器４８の水入口７３ａに接続される。水通路５９を流通する水は、加熱路７２に沿って流通する燃焼ガスにより加熱され、水蒸気が発生する。蒸発器４８の水蒸気出口７３ｂには、水蒸気通路５９ａの一端が接続されるとともに、前記水蒸気通路５９ａの他端は、原燃料通路５７に対して部分酸化改質器４５の下流の位置に合流して合流部５７ｂが設けられる。
【００５９】
なお、合流部５７ｂには、例えば、エゼクタ（図示せず）が配設され、原燃料通路５７を原燃料（又は改質ガス）が流通することにより、水蒸気通路５９ａから前記原燃料通路５７に水蒸気が吸引される。
【００６０】
図３に示すように、熱交換器５０は、下部側に酸化剤ガス供給室７６ａが設けられるとともに、上部側に酸化剤ガス排出室７６ｂが設けられる。酸化剤ガス供給室７６ａと酸化剤ガス排出室７６ｂとには、複数の酸化剤ガス管路７８の両端が連通する。
【００６１】
酸化剤ガス供給室７６ａには、酸化剤ガス通路５８を構成する第２酸化剤ガス供給路部５８ｂの一端が配設される。酸化剤ガス排出室７６ｂには、酸化剤ガス通路８２の一端が配設されるとともに、前記酸化剤ガス通路８２の他端は、燃料電池スタック２４の酸化剤ガス入口連通孔４２ａに接続される（図１参照）。
【００６２】
熱交換器５０の内部には、複数の酸化剤ガス管路７８が収容された空間からなるとともに、排ガス燃焼器５２を構成する燃焼室８４が形成される。燃焼室８４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、酸化剤ガスを昇温させる熱源として機能する。
【００６３】
燃焼室８４には、酸化剤ガス排出室７６ｂ側から酸化剤排ガス通路８６の一端と燃料排ガス通路８８の一端とが配置される。図１に示すように、酸化剤排ガス通路８６の他端は、燃料電池スタック２４の酸化剤ガス出口連通孔４２ｂに接続されるとともに、燃料排ガス通路８８の他端は、前記燃料電池スタック２４の燃料ガス出口連通孔４４ｂに接続される。
【００６４】
図３に示すように、水蒸気改質器４６と熱交換器５０との間には、壁板（壁部）９０が配設される。水蒸気改質器４６のフランジ部９２と熱交換器５０のフランジ部９４との間に、壁板９０が挟持されるとともに、これらが複数のボルト９６及びナット９７により一体的に固定される。壁板９０には、熱交換器５０の燃焼室８４に発生した燃焼ガスを、水蒸気改質器４６の加熱空間６８に供給するための開口部（燃焼ガス通路）９８が形成される。
【００６５】
図１に示すように、酸化剤ガス供給装置１６は、酸化剤ガスを酸化剤ガス通路５８から部分酸化改質器４５と熱交換器５０とに、すなわち、第１酸化剤ガス供給路部５８ａと第２酸化剤ガス供給路部５８ｂとに、分配する酸化剤ガス調整弁７５を備える。第１酸化剤ガス供給路部５８ａは、原燃料通路５７に対し、脱硫器６０と部分酸化改質器４５との間に位置して連通する。
【００６６】
図４に示すように、第１熱電変換部７４ａは、被加熱体である酸化剤ガスを流通させる第１通路部材１１２と、加熱媒体である燃焼ガスを流通させる第２通路部材１１４と、異なる熱電変換温度に設定されたそれぞれ複数の熱電変換素子１１６ａ、１１６ｂ及び１１６ｃとを備える。
【００６７】
第１通路部材１１２は、ボックス形状を有し、酸化剤ガス入口１１２ａと酸化剤ガス出口１１２ｂとの間で蛇行する酸化剤ガス蛇行流路１１２ｃを設ける。酸化剤ガス蛇行流路１１２ｃは、第１通路部材１１２内に交互に且つ千鳥状に配置される仕切板１１２ｄにより形成される。
【００６８】
第２通路部材１１４は、ボックス形状を有し、燃焼ガス入口１１４ａと燃焼ガス出口１１４ｂとの間で蛇行する燃焼ガス蛇行流路１１４ｃを設ける。燃焼ガス蛇行流路１１４ｃは、第２通路部材１１４内に交互に且つ千鳥状に配置される仕切板１１４ｄにより形成される。燃焼ガス蛇行流路１１４ｃと酸化剤ガス蛇行流路１１２ｃとは、互いに並行流に設定される。
【００６９】
熱電変換素子１１６ａ、１１６ｂ及び１１６ｃは、第１通路部材１１２と第２通路部材１１４とに両端が挟持されるとともに、各両端に温度差を生じさせることにより起電力を発生させる機能を有する。酸化剤ガス蛇行流路１１２ｃ及び燃焼ガス蛇行流路１１４ｃの上流側に配置される複数（図４には、３個配置されるが、個数は任意に設定可能である。以下、同様）の熱電変換素子１１６ａは、高温の熱電変換温度に設定された高温型熱電変換素子である。
【００７０】
酸化剤ガス蛇行流路１１２ｃ及び燃焼ガス蛇行流路１１４ｃの中流側に配置される複数の熱電変換素子１１６ｂは、中温の熱電変換温度に設定された中温型熱電変換素子である。酸化剤ガス蛇行流路１１２ｃ及び燃焼ガス蛇行流路１１４ｃの下流側に配置される複数の熱電変換素子１１６ｃは、低温の熱電変換温度に設定された低温型熱電変換素子である。
【００７１】
なお、第２熱電変換部７４ｂは、上記の第１熱電変換部７４ａと同様に構成されており、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。
【００７２】
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、図５以降のフローチャートに沿って、以下に説明する。
【００７３】
先ず、燃料電池システム１０の起動時には、酸化剤ガス調整弁７５の開度が設定される（ステップＳ１）。具体的には、部分酸化改質に必要な空気（酸化剤ガス）及び原燃料、例えば、都市ガス（ＣＨ４、Ｃ２Ｈ６、Ｃ３Ｈ８、Ｃ４Ｈ１０を含む）等が投入されるように（ステップＳ２）、原燃料供給装置１４が駆動されるとともに、酸化剤ガス調整弁７５の開度が調整される。部分酸化改質の制御は、空燃比（Ｏ２／Ｃ）（投入空気中の酸素モル数／投入原燃料中のカーボンモル数）により行われ、部分酸化改質器４５には、空気と原燃料とが最適空燃比量で導入される。
【００７４】
原燃料供給装置１４では、原燃料通路５７に供給された原燃料が、脱硫器６０で脱硫された後、部分酸化改質器４５の混合ガス入口６１ａに供給される。一方、酸化剤ガス供給装置１６では、酸化剤ガス通路５８に供給された空気は、酸化剤ガス調整弁７５を介して第１酸化剤ガス供給路部５８ａと第２酸化剤ガス供給路部５８ｂとにそれぞれ所定の量ずつ分配される。第１酸化剤ガス供給路部５８ａに分配された空気は、原燃料通路５７で原燃料に混合されて部分酸化改質器４５の混合ガス入口６１ａに供給される。
【００７５】
このため、部分酸化改質器４５による部分酸化改質が開始される（ステップＳ３）。例えば、Ｏ２／Ｃ＝０．５に設定されると、２ＣＨ４＋Ｏ２→４Ｈ２＋２ＣＯとなる部分酸化反応が発生する。この部分酸化反応は、発熱反応であり、部分酸化改質器４５から高温（約６００℃）の還元ガスが発生する。
【００７６】
高温の還元ガスは、図２及び図３に示すように、合流部５７ｂを通って水蒸気改質器４６の混合ガス供給室６２ａに供給された後、複数の改質管路６４内を下端側から上端側に移動する。そして、高温の還元ガスは、一旦燃料ガス排出室６２ｂに供給された後、燃料ガス通路６６を介して燃料電池スタック２４の燃料ガス入口連通孔４４ａに供給される（図１参照）。
【００７７】
燃料電池スタック２４では、高温の還元ガスは、燃料ガス流路４０を流通した後、燃料ガス出口連通孔４４ｂから燃料排ガス通路８８に排出される。このように、部分酸化改質器４５から発生した高温の還元ガスにより、水蒸気改質器４６及び燃料電池スタック２４が加温される。
【００７８】
一方、燃料排ガス通路８８は、図３に示すように、排ガス燃焼器５２を構成する燃焼室８４に開口しており、前記燃焼室８４に燃料ガスが導入される。燃焼室８４では、還元ガス（燃料ガス）と酸化剤ガスとが、自己着火又は図示しないイグナイターやグロー等の着火装置により着火されて燃焼ガスが発生する（ステップＳ４）。
【００７９】
燃焼室８４に発生した燃焼ガスは、熱交換器５０を加温するとともに、第２酸化剤ガス供給路部５８ｂから供給される空気を加温する。さらに、燃焼ガスは、壁板９０に形成された開口部９８を介して水蒸気改質器４６の加熱空間６８に移動する。これにより、水蒸気改質器４６が加温される。加熱空間６８には、燃焼ガス通路７０が連通しており、この燃焼ガス通路７０は、蒸発器４８の加熱路７２に連通している。このため、燃焼ガスは、蒸発器４８を昇温させた後、第２熱電変換部７４ｂ及び第１熱電変換部７４ａに供給される。
【００８０】
図４に示すように、第１熱電変換部７４ａ及び第２熱電変換部７４ｂでは、第１通路部材１１２の酸化剤ガス入口１１２ａから酸化剤ガス蛇行流路１１２ｃに外部空気である酸化剤ガスが供給される一方、第２通路部材１１４の燃焼ガス入口１１４ａから燃焼ガス蛇行流路１１４ｃに燃焼ガスが供給される。従って、酸化剤ガス蛇行流路１１２ｃと燃焼ガス蛇行流路１１４ｃとの間に配設されている複数の熱電変換素子１１６ａ、１１６ｂ及び１１６ｃは、それぞれの両端に温度差が発生し、熱エネルギが電気エネルギとして回収される。
【００８１】
次いで、ステップＳ５に進んで、水蒸気改質器４６が設定温度Ｔ１以上であり、且つ蒸発器４８が設定温度Ｔ２以上であるか否かが判断される。設定温度Ｔ１は、例えば、５５０℃であり、設定温度Ｔ２は、例えば、１５０℃である。水蒸気改質器４６が設定温度Ｔ１以上であり、且つ蒸発器４８が設定温度Ｔ２以上であると判断されると（ステップＳ５中、ＹＥＳ）、ステップＳ６に進む。
【００８２】
このステップＳ６では、部分酸化改質反応から水蒸気改質反応に移行させるために、酸化剤ガス調整弁７５の開度が調整されるとともに、水供給装置１８が駆動される。酸化剤ガス調整弁７５の開度調整により、第１酸化剤ガス供給路部５８ａへの空気の供給が停止される一方、第２酸化剤ガス供給路部５８ｂから熱交換器５０に供給される空気量が増量される。従って、部分酸化改質器４５には、原燃料のみが供給されるため、部分酸化反応が惹起されず、前記原燃料は、合流部５７ｂに供給される。
【００８３】
その際、水供給装置１８では、蒸発器４８に水が供給される。蒸発器４８で蒸発された水は、水蒸気通路５９ａから合流部５７ｂに供給され、原燃料と混合されて混合ガス供給室６２ａに供給される。
【００８４】
図２及び図３に示すように、混合ガス供給室６２ａに供給された原燃料と水蒸気との混合ガスは、複数の改質管路６４内を下端側から上端側に移動する。その間に、混合ガスは、加熱空間６８に導入された燃焼ガスにより加熱されるとともに、ペレット状の触媒を介して水蒸気改質され、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及び、ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→３Ｈ２＋ＣＯとなる水蒸気改質反応が発生する（ステップＳ７）。
【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６２ｂに供給された後、燃料ガス通路６６を介して燃料電池スタック２４の燃料ガス入口連通孔４４ａに供給される（図１参照）。
【００８６】
燃料電池スタック２４では、加熱された燃料ガスは、燃料ガス流路４０を流通した後、燃料ガス出口連通孔４４ｂから燃料排ガス通路８８に排出される。燃料排ガス通路８８は、図３に示すように、排ガス燃焼器５２を構成する燃焼室８４に開口しており、前記燃焼室８４に燃料ガスが導入される。
【００８７】
一方、酸化剤ガス供給装置１６では、酸化剤ガス調整弁７５を介して第２酸化剤ガス供給路部５８ｂに空気が供給され、この空気は、熱交換器５０の酸化剤ガス供給室７６ａに導入される。
【００８８】
図３に示すように、酸化剤ガス供給室７６ａに導入された空気は、複数の酸化剤ガス管路７８内を下端側から上端側に移動する間に、燃焼室８４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７６ｂに供給された後、酸化剤ガス通路８２を介して燃料電池スタック２４の酸化剤ガス入口連通孔４２ａに供給される（図１参照）。
【００８９】
燃料電池スタック２４では、加熱された空気は、酸化剤ガス流路３８を流通した後、酸化剤ガス出口連通孔４２ｂから酸化剤排ガス通路８６に排出される。酸化剤排ガス通路８６は、図３に示すように、排ガス燃焼器５２を構成する燃焼室８４に開口しており、前記燃焼室８４に空気が導入される。
【００９０】
上記のように、燃料電池スタック２４は、加熱された空気及び加熱された燃料ガスが流通することにより、昇温される。そして、ステップＳ８に進んで、燃料電池スタック２４が発電可能な状態であるか否かが判断される。具体的には、燃料電池２２のＯＣＶ（開回路電圧）が測定され、前記ＯＣＶが所定の値に至った際、燃料電池スタック２４の発電が可能であると判断する（ステップＳ８中、ＹＥＳ）。これにより、燃料電池スタック２４は、発電が開始される（ステップＳ９）。
【００９１】
燃料電池スタック２４の発電時は、上記の起動時と同様に、空気が酸化剤ガス流路３８を流通する一方、燃料ガスが燃料ガス流路４０を流通する。従って、各燃料電池２２のカソード電極２８に空気が供給されるとともに、アノード電極３０に燃料ガスが供給され、化学反応により発電が行われる。
【００９２】
反応に使用された空気（未反応の空気を含む）は、酸化剤排ガスとして酸化剤排ガス通路８６に排出される。また、反応に使用された燃料ガス（未反応の燃料ガスを含む）は、燃料排ガスとして燃料排ガス通路８８に排出される。酸化剤排ガス及び燃料排ガスは、排ガス燃焼器５２に送られて燃焼される。排ガス燃焼器５２内では、燃料ガスの自己着火温度を超えると、燃焼室８４で空気と燃料ガスとによる燃焼が開始される。
【００９３】
次いで、燃料電池システム１０による発電から低負荷運転の動作について、図６のフローチャートに沿って、以下に説明する。
【００９４】
先ず、燃料電池スタック２４の要求電力が確認された後（ステップＳ１０１）、ステップＳ１０２に進んで、この要求電力が水蒸気改質での高効率運転範囲か否かが判断される。図７に示すように、水蒸気改質による駆動範囲は、例えば、出力４０％〜１００％の範囲である一方、部分酸化改質による駆動範囲（熱自立範囲）は、例えば、出力１０％〜４０％の範囲である。
【００９５】
そこで、要求電力が水蒸気改質での高効率運転範囲内であると判断されると（ステップＳ１０２中、ＹＥＳ）、ステップＳ１０３に進んで、水蒸気改質による発電が行われて高効率電力の供給がなされる。
【００９６】
また、燃料電池スタック２４の要求電力が、水蒸気改質での高効率運転範囲内ではないと判断されると（ステップＳ１０２中、ＮＯ）、ステップＳ１０４に進む。このステップＳ１０４では、要求電力が部分酸化改質での熱自立範囲内であるか否かが判断される。
【００９７】
要求電力が、部分酸化改質での熱自立範囲内であると判断されると（ステップＳ１０４中、ＹＥＳ）、ステップＳ１０５に進んで、部分酸化改質による発電が行われる。一方、部分酸化改質での熱自立範囲内ではないと判断されると（ステップＳ１０４中、ＮＯ）、ステップＳ１０６に進んで、部分酸化改質による最低熱自立発電（例えば、図７における出力１０％）が行われる。
【００９８】
次に、燃料電池システム１０による発電停止の動作について、図８のフローチャートに沿って、以下に説明する。
【００９９】
先ず、発電が停止されてＯＣＶに戻される（ステップＳ２０１）。さらに、ステップＳ２０２に進んで、部分酸化改質反応に移行するための燃料ガス投入量及び酸化剤ガス調整弁７５の開度が設定される。なお、燃料ガス投入量は、燃料電池スタック２４のアノード側の還元状態を維持するための必要な投入量に設定される。
【０１００】
上記のように、部分酸化改質が開始された後（ステップＳ２０３）、燃料電池スタック２４の温度Ｔ３を監視しながら、前記燃料電池スタック２４の徐冷に必要な空気が熱交換器５０に供給される（ステップＳ２０４）。その際、排ガス燃焼器５２の燃焼室８４内では、還元ガス（燃料ガス）と空気とを着火させない。
【０１０１】
このため、燃料電池スタック２４内が徐冷され、この燃料電池スタック２４の温度Ｔ３が４００℃未満まで降温されると（ステップＳ２０５中、ＹＥＳ）、ステップＳ２０６に進んで、部分酸化改質が停止される。さらに、燃料電池スタック２４の温度Ｔ３が、１００℃未満まで降温されると（ステップＳ２０７中、ＹＥＳ）、ステップＳ２０８に進んで、空気の供給が停止される。
【０１０２】
この場合、第１の実施形態では、図１に示すように、蒸発器４８の水蒸気出口７３ｂに連通する水蒸気通路５９ａと、部分酸化改質器４５の改質ガス出口６１ｂに連通する改質ガス通路５７ａとが、合流部５７ｂで合流して水蒸気改質器４６に連通している。
【０１０３】
従って、部分酸化改質器４５で発生した高温（約６００℃）の還元ガスは、水蒸気改質器４６に導かれるため、前記水蒸気改質器４６の起動時間（昇温及び還元時間）が短縮される。
【０１０４】
しかも、高温の還元ガスは、水蒸気改質器４６から燃料ガス通路６６を介して燃料電池スタック２４の燃料ガス入口連通孔４４ａに供給される。これにより、燃料電池スタック２４の起動時間（昇温及び還元時間）が良好に短縮される。
【０１０５】
さらに、燃料電池スタック２４から排ガス燃焼器５２には、高温の還元ガスが供給される。このため、排ガス燃焼器５２で発生する燃焼ガスを介して、酸化剤ガス、水蒸気改質器４６及び蒸発器４８を昇温させることができ、燃料電池モジュール１２の起動時間が有効に短縮される。
【０１０６】
さらにまた、蒸発器４８で発生した水蒸気は、部分酸化改質器４５に流入することがない。従って、部分酸化改質器４５の触媒が水蒸気酸化されることを抑制することが可能になり、耐久性の向上が容易に図られる。
【０１０７】
また、燃料電池スタック２４の負荷変動等に起因した熱不足で水蒸気改質器４６による改質不足が惹起された際にも、部分酸化改質器４５により改質不足を補うことができる。
【０１０８】
具体的には、燃料電池スタック２４の要求電力に基づいて、改質ガス量Ｘが算出される。そして、改質ガス量Ｘが、水蒸気改質器４６から得られる改質ガス量Ｙよりも多い際には（Ｘ＞Ｙ）、前記改質ガス量Ｙを前記水蒸気改質器４６により処理し、差分の改質ガス量Ｚ（Ｘ−Ｙ）を部分酸化改質器４５により処理する。このため、低出力及び負荷変動に追従することが可能になるとともに、改質不足に起因する燃料枯渇及び炭素析出を抑制することができ、耐久性の向上が容易に図られる。
【０１０９】
さらに、燃料電池モジュール１２は、燃焼ガスと酸化剤ガスとの温度差により熱電変換を行う第１熱電変換部７４ａ及び第２熱電変換部７４ｂを備えている。図４に示すように、第１熱電変換部７４ａ及び第２熱電変換部７４ｂは、被加熱体である酸化剤ガスを流通させる第１通路部材１１２と、加熱媒体である燃焼ガスを流通させる第２通路部材１１４と、前記第１通路部材１１２及び前記第２通路部材１１４間に配置されてそれぞれ異なる熱電変換温度に設定された複数の熱電変換素子１１６ａ、１１６ｂ及び１１６ｃとを備えている。
【０１１０】
従って、第１熱電変換部７４ａ及び第２熱電変換部７４ｂは、燃焼ガスと酸化剤ガスとの温度差、すなわち、熱エネルギを電気エネルギとして回収することができ、特に起動時間を損なうことがなく、発電効率を向上させることが可能になる。しかも、燃焼ガスの温度が低下されるため、廃熱の抑制が図られる一方、酸化剤ガスが昇温されるため、熱自立の促進が図られる。なお、少なくとも第１熱電変換部７４ａ又は第２熱電変換部７４ｂのいずれか一方のみを備えていてもよい。
【０１１１】
ここで、燃焼ガスとは、排ガス燃焼器５２で生成されるガスであって、他のガス等の被加熱体と熱交換を行って熱エネルギを与えることができる加熱媒体をいい、熱エネルギを放出した後には、排ガスという。
【０１１２】
熱自立とは、燃料電池システム１０の運転に必要な熱の全量を外部から加えることなく、自ら発生する熱のみで前記燃料電池システム１０の動作温度を維持することをいう。
【０１１３】
また、燃料電池モジュール１２では、燃焼ガスを熱交換器５０、水蒸気改質器４６及び蒸発器４８に、順次、供給する燃焼ガス通路７０と、酸化剤ガスを部分酸化改質器４５から燃料電池スタック２４に供給する酸化剤ガス通路５８とを備えるとともに、第１熱電変換部７４ａは、前記燃焼ガス通路７０の前記蒸発器４８の下流側に、且つ、前記酸化剤ガス通路５８の前記部分酸化改質器４５の上流側に設けられている。
【０１１４】
このため、熱自立を妨げることがなく、燃焼ガスと酸化剤ガスとの温度差、すなわち、熱エネルギを電気エネルギとして回収することができ、発電効率を向上させることが可能になる。しかも、燃焼ガスの温度が低下されるため、廃熱の抑制が図られる一方、酸化剤ガスが昇温されるため、熱自立の促進が図られる。
【０１１５】
さらに、燃料電池モジュール１２では、原燃料を部分酸化改質器４５に供給する原燃料通路５７を備え、酸化剤ガス通路５８は、前記原燃料通路５７に前記部分酸化改質器４５の上流側で合流するとともに、前記酸化剤ガス通路５８には、第１熱電変換部７４ａが配設されている。従って、燃焼ガスと酸化剤ガスとの温度差、すなわち、熱エネルギを電気エネルギとして回収することができ、発電効率を向上させることが可能になる。しかも、燃焼ガスの温度が低下されるため、廃熱の抑制が図られる一方、酸化剤ガスが昇温されるため、熱自立の促進が図られる。
【０１１６】
さらにまた、酸化剤ガス通路５８は、部分酸化改質器４５に酸化剤ガスを供給する第１酸化剤ガス供給路部５８ａと、熱交換器５０に前記酸化剤ガスを供給する第２酸化剤ガス供給路部５８ｂとに分岐するとともに、分岐部位には、前記酸化剤ガスの分配量を調整する酸化剤ガス調整弁７５が配設されている。
【０１１７】
これにより、燃料電池スタック２４と、水蒸気改質器４６、蒸発器４８及び熱交換器５０を含むＦＣ周辺機器５６とを同時に昇温させることができ、起動時間の短縮化を図ることが可能になる。一方、水蒸気改質触媒及びアノード側を還元することができ、起動時間が短縮される。
【０１１８】
しかも、燃料電池スタック２４の負荷変動等に起因した熱不足で水蒸気改質器４６による改質不足が惹起された際にも、部分酸化改質器４５により改質不足を補うことができる。このため、負荷変動に追従することが可能になるとともに、改質不足に起因する燃料枯渇を抑制することができ、耐久性の向上が容易に図られる。
【０１１９】
また、第１熱電変換部７４ａ及び第２熱電変換部７４ｂは、第１酸化剤ガス供給路部５８ａ及び第２酸化剤ガス供給路部５８ｂに酸化剤ガス調整弁７５の下流側に位置して配置されている。従って、熱自立を妨げることがなく、燃焼ガスと酸化剤ガスとの温度差、すなわち、熱エネルギを電気エネルギとして回収することができ、発電効率を向上させることが可能になる。
【０１２０】
しかも、燃焼ガスの温度が低下されるため、廃熱の抑制が図られる一方、酸化剤ガスが昇温されるため、熱自立の促進が図られる。その上、酸化剤ガスは、酸化剤ガス調整弁７５の下流側で昇温されるため、熱影響による前記酸化剤ガス調整弁７５の耐久性を損なうことがない。
【０１２１】
さらに、第１熱電変換部７４ａ及び第２熱電変換部７４ｂでは、燃焼ガス蛇行流路１１４ｃを流通する燃焼ガスと、酸化剤ガス蛇行流路１１２ｃを流通する酸化剤ガスとが、互いに並行流に設定されるとともに、異なる熱電変換温度に設定された複数の熱電変換素子１１６ａ、１１６ｂ及び１１６ｃを備えている。
【０１２２】
従って、図４に示すように、例えば、並行流の上流側は、燃焼ガスと酸化剤ガスとの温度差が大きくなるため、高温型の熱電変換素子１１６ａを使用する一方、並行流の下流側は、前記温度差が小さくなるため、低温型の熱電変換素子１１６ｃを使用することができる。これにより、温度差に応じて最適な熱電変換素子１１６ａ、１１６ｂ及び１１６ｃが用いられるため、効率的な熱電変換が確実に遂行可能になる。
【０１２３】
さらにまた、熱交換器５０内には、排ガス燃焼器５２が一体に設けられるとともに、前記熱交換器５０の一端には、水蒸気改質器４６が隣接して設けられている。このため、燃料電池モジュール１２の放熱を最小限に抑制することができ、熱エネルギの損失を良好に抑制することが可能になる。換言すれば、熱自立運転が促進される。しかも、燃焼用回路（配管等）が簡素化され、部品点数も削減されるため、小型化及び低コスト化が図られる。
【０１２４】
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。これにより、特にＳＯＦＣ等の高温型燃料電池に最適である。
【０１２５】
図９に示されるように、燃料電池システム１０ａは、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池モジュール１２ａを備える。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。また、以下に説明する第３の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。
【０１２６】
燃料電池モジュール１２ａは、熱電変換部７４を備えるとともに、前記熱電変換部７４は、酸化剤ガス通路５８に酸化剤ガス調整弁７５の上流側に位置して配置される。この熱電変換部７４には、酸化剤ガス通路５８を介して酸化剤ガスが供給される一方、燃焼ガス通路７０を介して燃焼ガスが供給される。熱電変換部７４は、第１の実施形態の第１熱電変換部７４ａ（及び第２熱電変換部７４ｂ）と同様に構成される。
【０１２７】
このように構成される第２の実施形態では、熱自立を妨げることがなく、燃焼ガスと酸化剤ガスとの温度差、すなわち、熱エネルギを電気エネルギとして回収することができ、発電効率を向上させることが可能になる。しかも、燃焼ガスの温度が低下されるため、廃熱の抑制が図られる一方、酸化剤ガスが昇温されるため、熱自立の促進が図られる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【０１２８】
さらに、熱電変換部７４は、酸化剤ガス通路５８に酸化剤ガス調整弁７５の上流側に位置して配置されるため、単一の前記熱電変換部７４のみを設けることができる。従って、構成が簡素化するとともに、経済的であるという利点が得られる。
【０１２９】
図１０に示されるように、燃料電池システム１２０は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池モジュール１２２と、水供給装置１２４と、原燃料供給装置１２６と、酸化剤ガス供給装置１６と、制御装置２０とを備える。水供給装置１２４は、水通路５９、蒸発器４８、水蒸気通路５９ａ及び合流部５９ｂを介して水蒸気改質器４６の混合ガス供給室６２ａに接続される。
【０１３０】
原燃料供給装置１２６は、原燃料通路５７に脱硫器６０及び部分酸化改質器４５が配設されるとともに、改質ガス通路５７ａは、水蒸気通路５９ａの途上に合流する。なお、合流部５９ｂには、例えば、エゼクタ（図示せず）が配設され、水蒸気通路５９ａを水蒸気が流通することにより、改質ガス通路５７ａから前記水蒸気通路５９ａに原燃料（又は改質ガス）が吸引される。
【０１３１】
蒸発器４８の水入口７３ａに接続される燃焼ガス通路７０には、第１熱電変換部７４ａ及び第２熱電変換部７４ｂが直列的に接続される。第１熱電変換部７４ａ及び第２熱電変換部７４ｂは、第１酸化剤ガス供給路部５８ａ及び第２酸化剤ガス供給路部５８ｂに配設される。
【０１３２】
このように構成される第３の実施形態では、蒸発器４８で発生した水蒸気は、部分酸化改質器４５に流入することがなく、前記部分酸化改質器４５の触媒が水蒸気酸化されることを抑制することが可能になる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【０１３３】
図１１に示されるように、燃料電池システム１２０ａは、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池モジュール１２２ａを備える。なお、第３の実施形態に係る燃料電池モジュール１２２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。
【０１３４】
燃料電池モジュール１２２ａは、熱電変換部７４を備えるとともに、前記熱電変換部７４は、酸化剤ガス通路５８に酸化剤ガス調整弁７５の上流側に位置して配置される。
【０１３５】
このように構成される第４の実施形態では、熱自立を妨げることがなく、燃焼ガスと酸化剤ガスとの温度差、すなわち、熱エネルギを電気エネルギとして回収することができ、発電効率を向上させることが可能になる。しかも、燃焼ガスの温度が低下されるため、廃熱の抑制が図られる一方、酸化剤ガスが昇温されるため、熱自立の促進が図られる等の効果が得られる。
【０１３６】
図１２は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池モジュールを構成する熱電変換部１３０の要部分解斜視説明図である。
【０１３７】
熱電変換部１３０は、第１〜第４の実施形態に係る第１熱電変換部７４ａ及び第２熱電変換部７４ｂ（熱電変換部７４）の少なくともいずれかに代えて使用することができる。なお、以下に説明する第６以降の実施形態においても同様である。
【０１３８】
熱電変換部１３０は、酸化剤ガスを流通させる第１通路部材１３２と、燃焼ガスを流通させる第２通路部材１３４と、前記第１通路部材１３２及び前記第２通路部材１３４間に配置されて所定の熱電変換温度に設定された複数の熱電変換素子１３６とを備える。
【０１３９】
第１通路部材１３２は、酸化剤ガス入口１３２ａと酸化剤ガス出口１３２ｂとの間で蛇行する酸化剤ガス蛇行流路１３２ｃを有する。酸化剤ガス蛇行流路１３２ｃは、第１通路部材１３２内に交互に且つ千鳥状に配置される仕切板１３２ｄにより形成される。
【０１４０】
第２通路部材１３４は、燃焼ガス入口１３４ａと燃焼ガス出口１３４ｂとの間で蛇行する燃焼ガス蛇行流路１３４ｃを有する。燃焼ガス蛇行流路１３４ｃは、第２通路部材１３４内に交互に且つ千鳥状に配置される仕切板１３４ｄにより形成される。燃焼ガス蛇行流路１３４ｃと酸化剤ガス蛇行流路１３２ｃとは、互いに対向流に設定される。
【０１４１】
このように構成される第５の実施形態では、熱電変換部１３０は、燃焼ガスと酸化剤ガスとが互いに対向流に設定されるとともに、所定の熱電変換温度に設定された複数の熱電変換素子１３６を備えている。このため、熱電変換部１３０内では、想定される温度差に応じて、最適な熱電変換温度に設定された熱電変換素子１３６を用いることができる。従って、効率的な熱電変換が確実に遂行可能になるという効果が得られる。
【０１４２】
図１３は、本発明の第６の実施形態に係る燃料電池モジュールを構成する熱電変換部１４０の要部分解斜視説明図である。
【０１４３】
熱電変換部１４０は、酸化剤ガスを流通させる第１通路部材１４２と、燃焼ガスを流通させる第２通路部材１４４と、前記第１通路部材１４２及び第２通路部材１４４間に配置されて所定の熱電変換温度に設定された複数の熱電変換素子１４６とを備える。
【０１４４】
第１通路部材１４２は、酸化剤ガス入口１４２ａと酸化剤ガス出口１４２ｂとの間で蛇行する酸化剤ガス蛇行流路１４２ｃを有する。酸化剤ガス蛇行流路１４２ｃは、第１通路部材１４２内に交互に且つ千鳥状に配置される仕切板１４２ｄにより形成される。
【０１４５】
第２通路部材１４４は、燃焼ガス入口１４４ａと燃焼ガス出口１４４ｂとの間で蛇行する燃焼ガス蛇行流路１４４ｃを有する。燃焼ガス蛇行流路１４４ｃは、第２通路部材１４４内に交互に且つ千鳥状に配置される仕切板１４４ｄにより形成される。燃焼ガス蛇行流路１４４ｃと酸化剤ガス蛇行流路１４２ｃとは、互いに交差する流れに設定される。
【０１４６】
このように構成される第６の実施形態では、熱電変換部１４０は、燃焼ガスと酸化剤ガスとが互いに交差する流れに設定されるとともに、所定の熱電変換温度に設定された複数の熱電変換素子１４６を備えている。これにより、熱電変換部１４０内では、想定される温度差に応じて、最適な熱電変換温度に設定された熱電変換素子１４６を用いることができる。このため、効率的な熱電変換が確実に遂行可能になるという効果が得られる。
【０１４７】
図１４は、本発明の第７の実施形態に係る燃料電池モジュールを構成する熱電変換部１５０の要部分解斜視説明図である。
【０１４８】
熱電変換部１５０は、酸化剤ガスを流通させる第１通路部材１５２と、燃焼ガスを流通させる第２通路部材１５４と、前記第１通路部材１５２及び第２通路部材１５４間に配置されて所定の熱電変換温度に設定された複数の熱電変換素子１５６とを備える。
【０１４９】
第１通路部材１５２は、酸化剤ガス入口１５２ａと酸化剤ガス出口１５２ｂとの間で蛇行する酸化剤ガス蛇行流路１５２ｃを有する。酸化剤ガス蛇行流路１５２ｃは、第１通路部材１５２内に交互に且つ千鳥状に配置される仕切板１５２ｄにより形成される。
【０１５０】
第２通路部材１５４は、燃焼ガス入口１５４ａと燃焼ガス出口１５４ｂとの間で蛇行する燃焼ガス蛇行流路１５４ｃを有する。燃焼ガス蛇行流路１５４ｃは、第２通路部材１５４内に交互に且つ千鳥状に配置される仕切板１５４ｄにより形成される。燃焼ガス蛇行流路１５４ｃと酸化剤ガス蛇行流路１５２ｃとは、互いに対称の流れに設定される。
【０１５１】
このように構成される第７の実施形態では、熱電変換部１５０は、燃焼ガスと酸化剤ガスとが互いに対称の流れに設定されるとともに、所定の熱電変換温度に設定された複数の熱電変換素子１５６を備えている。これにより、熱電変換部１５０内では、想定される温度差に応じて、最適な熱電変換温度に設定された熱電変換素子１５６を用いることができる。このため、効率的な熱電変換が確実に遂行可能になるという効果が得られる。
【符号の説明】
【０１５２】
１０、１０ａ、１２０、１２０ａ…燃料電池システム
１２、１２ａ、１２２、１２２ａ…燃料電池モジュール
１４、１２６…原燃料供給装置        １６…酸化剤ガス供給装置
１８、１２４…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
３４…カソード側セパレータ          ３６…アノード側セパレータ
３８…酸化剤ガス流路                ４０…燃料ガス流路
４５…部分酸化改質器                ４６…水蒸気改質器
４８…蒸発器                        ５０…熱交換器
５２…排ガス燃焼器                  ５６…ＦＣ周辺機器
５７…原燃料通路                    ５７ｂ、５９ｂ…合流部
５８、８２…酸化剤ガス通路          ５９…水通路
５９ａ…水蒸気通路                  ６０…脱硫器
６６…燃料ガス通路                  ７０…燃焼ガス通路
７４、７４ａ、７４ｂ、１３０、１４０、１５０…熱電変換部
７５…酸化剤ガス調整弁              ９８…開口部
１１２、１１４、１３２、１３４、１４２、１４４、１５２、１５４…通路部材
１１６ａ〜１１６ｃ、１３６、１４６、１５６…熱電変換素子
【図１】
0005697576.tif 000002
【図２】
0005697576.tif 000003
【図３】
0005697576.tif 000004
【図４】
0005697576.tif 000005
【図５】
0005697576.tif 000006
【図６】
0005697576.tif 000007
【図７】
0005697576.tif 000008
【図８】
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【図９】
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【図１０】
0005697576.tif 000011
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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