(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、
前記排ガス燃焼器及び前記起動用燃焼器が構成される第１領域と、
前記改質器又は前記熱交換器の一方が構成されるとともに、前記第１領域を環状に周回する第２領域と、
前記改質器又は前記熱交換器の他方が構成されるとともに、前記第２領域を環状に周回する第３領域と、
前記蒸発器が構成されるとともに、前記第３領域を環状に周回する第４領域と、
を備え、
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、
複数本の前記熱交換管路の外表面に接する最小外接円に沿って、外接偏流抑制板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２】
請求項１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改質ガス排出室、一端が前記混合ガス供給室に連通し且つ他端が前記改質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、
複数本の前記改質管路の外表面に接する最小外接円に沿って、外接偏流抑制板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、
複数本の前記蒸発管路の外表面に接する最小外接円に沿って、外接偏流抑制板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１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記外表面に接する最大内接円に沿って、内接偏流抑制板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５】
請求項４記載の燃料電池モジュールにおいて、前記外接偏流抑制板と前記内接偏流抑制板とは、管路長さ方向に互いの端部位置がオフセットして配置されるとともに、
前記燃焼ガスは、前記外接偏流抑制板と前記内接偏流抑制板との間を前記管路長さ方向に流通す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４又は５記載の燃料電池モジュールにおいて、前記第１領域と前記第２領域との間に配置される第１仕切り板、前記第２領域と前記第３領域との間に配置される第２仕切り板及び前記第３領域と前記第４領域との間に配置される第３仕切り板と、
を備え、
前記第１仕切り板、前記第２仕切り板及び前記第３仕切り板には、前記燃焼ガスを前記第１領域、前記第２領域、前記第３領域及び前記第４領域に流通させるための第１燃焼ガス連通孔、第２燃焼ガス連通孔及び第３燃焼ガス連通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７】
請求項６記載の燃料電池モジュールにおいて、前記内接偏流抑制板の端部位置は、少なくとも前記第１燃焼ガス連通孔、前記第２燃焼ガス連通孔又は前記第３燃焼ガス連通孔のいずれかに対向する位置に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８】
請求項４〜７のいずれか１項に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記外接偏流抑制板、前記内接偏流抑制板及び管路外表面により形成される燃焼ガス流通開口部の面積と、管路断面積とは、同一に設定され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】
この種の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１６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されている。
【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１７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１８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、熱交換装置３ａが排気ガスにより外周壁部しか加熱しないため、所望の受熱量を確保することができないという問題がある。しかも、排気ガスには、偏流が発生し易いという問題がある。
【００１０】
また、上記の特許文献２では、熱交換器２ｂが排気ガスにより外周壁部しか加熱しないため、所望の受熱量を確保することができないという問題がある。しかも、排気ガスには、偏流が発生し易いという問題がある。
【００１１】
さらに、上記の特許文献３では、燃焼ガスが隔壁に沿って流通してしまい、有効な受熱量を確保する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、燃焼ガスの偏流を確実に抑制することができ、熱交換効率を良好に向上させ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に関するものである。
【００１４】
この燃料電池モジュールでは、排ガス燃焼器及び起動用燃焼器が構成される第１領域と、改質器又は熱交換器の一方が構成されるとともに、前記第１領域を環状に周回する第２領域と、前記改質器又は前記熱交換器の他方が構成されるとともに、前記第２領域を環状に周回する第３領域と、前記蒸発器が構成されるとともに、前記第３領域を環状に周回する第４領域とを備えている。
【００１５】
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、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ている。そして、複数本の熱交換管路の外表面に接する最小外接円に沿って、外接偏流抑制板が配設されている。
【００１６】
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、生成された燃料ガスが排出される環状の改質ガス排出室、一端が前記混合ガス供給室に連通し且つ他端が前記改質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、複数本の前記改質管路の外表面に接する最小外接円に沿って、外接偏流抑制板が配設されることが好ましい。
【００１７】
このため、構造の簡素化が容易に図られ、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改質ガス排出室の容積や管路長、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。
【００１８】
その上、燃焼ガスは、外接偏流抑制板の作用下に改質管路の外表面に沿って良好に流通することができ、偏流や吹き抜けを良好に抑制するとともに、前記燃焼ガスの流通経路長を長くすることが可能になる。従って、混合ガスは、燃焼ガスからの授熱量が増加し、熱交換効率が良好に向上する。
【００１９】
さらに、この燃料電池モジュールでは、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、複数本の前記蒸発管路の外表面に接する最小外接円に沿って、外接偏流抑制板が配設されることが好ましい。
【００２０】
これにより、構造の簡素化が容易に図られ、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。
【００２１】
その上、燃焼ガスは、外接偏流抑制板の作用下に蒸発管路の外表面に沿って良好に流通することができ、偏流や吹き抜けを良好に抑制するとともに、前記燃焼ガスの流通経路長を長くすることが可能になる。このため、水は、燃焼ガスからの授熱量が増加し、熱交換効率が良好に向上する。
【００２２】
さらにまた、この燃料電池モジュールでは、外表面に接する最大内接円に沿って、内接偏流抑制板が配設されることが好ましい。従って、管路（熱交換管路、改質管路又は蒸発管路）に沿って燃焼ガスを一層円滑且つ確実に流通させることができる。これにより、流体（酸化剤ガス、混合ガス又は水）は、燃焼ガスからの授熱量が増加し、熱交換効率が良好に向上する。
【００２３】
また、この燃料電池モジュールでは、外接偏流抑制板と内接偏流抑制板とは、管路長さ方向に互いの端部位置がオフセットして配置されるとともに、燃焼ガスは、前記外接偏流抑制板と前記内接偏流抑制板との間を前記管路長さ方向に流通することが好ましい。このため、燃焼ガスは、偏流や吹き抜けを良好に抑制されるとともに、外接偏流抑制板と内接偏流抑制板との間に流通経路を確保することが可能になる。従って、燃焼ガスの流通経路を長尺化させることができ、燃焼ガスからの授熱量が有効に増加し、熱交換効率が良好に向上する。
【００２４】
さらに、この燃料電池モジュールでは、第１領域と第２領域との間に配置される第１仕切り板、前記第２領域と第３領域との間に配置される第２仕切り板及び前記第３領域と第４領域との間に配置される第３仕切り板とを備え、前記第１仕切り板、前記第２仕切り板及び前記第３仕切り板には、燃焼ガスを前記第１領域、前記第２領域、前記第３領域及び前記第４領域に流通させるための第１燃焼ガス連通孔、第２燃焼ガス連通孔及び第３燃焼ガス連通孔が形成されることが好ましい。
【００２５】
これにより、第１領域、第２領域、第３領域及び第４領域の順に流通する燃焼ガスは、吹き抜けが良好に抑制されるため、熱効率が一層向上し、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】
しかも、第２領域、第３領域及び第４領域における熱交換効率、耐久性、小型化等の優先度に応じて、第１燃焼ガス連通孔、第２燃焼ガス連通孔及び第３燃焼ガス連通孔の位置を設定することが可能になる。このため、熱交換効率を任意に設定することができ、設計自由度の向上が図られる。
【００２７】
さらにまた、この燃料電池モジュールでは、内接偏流抑制板の端部位置は、少なくとも第１燃焼ガス連通孔、第２燃焼ガス連通孔又は第３燃焼ガス連通孔のいずれかに対向する位置に配置されることが好ましい。従って、燃焼ガスの吹き抜けが良好に抑制されるため、熱効率が一層向上し、熱自立の促進が図られる。
【００２８】
また、この燃料電池モジュールでは、外接偏流抑制板、内接偏流抑制板及び管路外表面により形成される燃焼ガス流通開口部の面積と、管路断面積とは、同一に設定されることが好ましい。これにより、燃焼ガスと流体との間における熱交換効率が良好に向上し、熱自立の促進が図られる。
【００２９】
さらに、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。このため、特にＳＯＦＣ等の高温型燃料電池に最適である。
【発明の効果】
【００３０】
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第１領域を中心にして、それぞれ環状の第２領域、第３領域及び第４領域が外方向に向かって、順次、設けられている。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。
【００３１】
さらに、熱交換器は、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。
【００３２】
さらにまた、複数本の熱交換管路の外表面に接する最小外接円に沿って、外接偏流抑制板が配設されている。このため、燃焼ガスは、外接偏流抑制板の作用下に熱交換管路の外表面に沿って良好に流通することができ、偏流や吹き抜けを良好に抑制するとともに、前記燃焼ガスの流通経路長を長くすることが可能になる。従って、酸化剤ガスは、燃焼ガスからの授熱量が増加し、熱交換効率が良好に向上する。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【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周辺機器の一部省略斜視説明図である。
【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ＦＣ周辺機器の要部拡大斜視説明図である。
【図５】前記ＦＣ周辺機器内における温度分布の説明図である。
【図６】前記ＦＣ周辺機器内の燃焼ガス流通状態の説明図である。
【図７】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８】前記燃料電池モジュールを構成するＦＣ周辺機器の一部省略斜視説明図である。
【図９】前記ＦＣ周辺機器内の燃焼ガス流通状態の説明図である。
【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を構成するＦＣ周辺機器の一部省略斜視説明図である。
【図１１】前記ＦＣ周辺機器の要部分解斜視説明図である。
【図１２】前記ＦＣ周辺機器内における温度分布の説明図である。
【図１３】前記ＦＣ周辺機器内の燃焼ガス流通状態の説明図である。
【図１４】別の構成を有する第１外接偏流抑制板が設けられる熱交換器の要部斜視説明図である。
【図１５】図１４に示す前記熱交換管路の平面説明図である。
【図１６】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１７】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１８】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】
【００３４】
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る。
【００３５】
燃料電池システム１０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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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が設けられる。
【００４０】
燃料電池モジュール１２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改質器４６と、水を蒸発させるとともに、前記水蒸気を前記改質器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、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５４とを備える。
【００４１】
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（ＢＯＰ）５６とにより構成される。このＦＣ周辺機器５６は、改質器４６、蒸発器４８、熱交換器５０、排ガス燃焼器５２及び起動用燃焼器５４を備える。
【００４２】
図２に示すように、ＦＣ周辺機器５６は、排ガス燃焼器５２及び起動用燃焼器５４が構成される、例えば、開口形状円形の第１領域Ｒ１と、熱交換器５０が構成されるとともに、前記第１領域Ｒ１を環状に周回する第２領域Ｒ２と、改質器４６が構成されるとともに、前記第２領域Ｒ２を環状に周回する第３領域Ｒ３と、蒸発器４８が構成されるとともに、前記第３領域Ｒ３を環状に周回する第４領域Ｒ４とを備える。
【００４３】
図２及び図３に示すように、起動用燃焼器５４は、空気供給管５７及び原燃料供給管５８を備える。起動用燃焼器５４は、エゼクタ機能を有し、空気供給管５７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】
ＦＣ周辺機器５６は、図２及び図４に示すように、第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２との間に配置される第１仕切り板６０ａ、前記第２領域Ｒ２と第３領域Ｒ３との間に配置される第２仕切り板６０ｂ及び前記第３領域Ｒ３と第４領域Ｒ４との間に配置される第３仕切り板６０ｃとを備える。第４領域Ｒ４の外周には、外板である第４仕切り板６０ｄが設けられる。第１仕切り板６０ａ〜第４仕切り板６０ｄは、例えば、ステンレス鋼板で形成される。
【００４５】
図２及び図３に示すように、排ガス燃焼器５２は、起動用燃焼器５４を収容する第１仕切り板６０ａ内に構成される。第１仕切り板６０ａは、円筒形状を有しており、前記第１仕切り板６０ａの外周部には、燃料電池スタック２４側の端部に近接して複数の第１燃焼ガス連通孔６２ａが形成される。
【００４６】
第２仕切り板６０ｂには、燃料電池スタック２４とは反対側の端部に近接して複数の第２燃焼ガス連通孔６２ｂが形成される。第３仕切り板６０ｃには、燃料電池スタック２４側の端部に近接して複数の第３燃焼ガス連通孔６２ｃが形成される。第４仕切り板６０ｄには、燃料電池スタック２４とは反対側の端部に近接して複数の第４燃焼ガス連通孔６２ｄが形成される。第４燃焼ガス連通孔６２ｄは、燃焼ガスを外部に排出する。
【００４７】
第１仕切り板６０ａには、酸化剤排ガス通路６３ａの一端と燃料排ガス通路６３ｂの一端とが配置される。第１仕切り板６０ａ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。
【００４８】
図１に示すように、酸化剤排ガス通路６３ａ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６３ｂ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。
【００４９】
図２及び図３に示すように、熱交換器５０は、第１仕切り板６０ａの外周に配設される複数本の熱交換管路（伝熱パイプ）６４を備える。熱交換管路６４の一端部（燃料電池スタック２４とは反対側の他方の端部、以下同様）は、後述する酸化剤ガス供給室７０ａを構成する第１内側リング６６ａに固定されるとともに、前記熱交換管路６４の他端部（燃料電池スタック２４側の一方の端部、以下同様）は、後述する酸化剤ガス排出室７０ｂを構成する第１内側リング６６ｂに固定される。
【００５０】
第１内側リング６６ａ、６６ｂの外方には、第１外側リング６８ａ、６８ｂが配設される。第１内側リング６６ａ、６６ｂ及び第１外側リング６８ａ、６８ｂは、第１仕切り板６０ａの外周面と第２仕切り板６０ｂの内周面とに固着される。
【００５１】
第１内側リング６６ａと第１外側リング６８ａ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７０ａが形成される。第１内側リング６６ｂと第１外側リング６８ｂ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７０ｂが形成される（図２〜図４参照）。熱交換管路６４の両端は、酸化剤ガス供給室７０ａと酸化剤ガス排出室７０ｂとに開放される。
【００５２】
図２及び図３に示すように、酸化剤ガス供給室７０ａには、酸化剤ガス供給管７２が配設される。酸化剤ガス排出室７０ｂには、酸化剤ガス通路７４の一端が配設されるとともに、前記酸化剤ガス通路７４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）。
【００５３】
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。
【００５４】
改質器４６は、図２及び図３に示すように、熱交換器５０の外周に配設される複数本の改質管路（伝熱パイプ）７６を備える。改質管路７６の一端部は、第２内側リング７８ａに固定されるとともに、前記改質管路７６の他端部は、第２内側リング７８ｂに固定される。
【００５５】
第２内側リング７８ａ、７８ｂの外方には、第２外側リング８０ａ、８０ｂが配設される。第２内側リング７８ａ、７８ｂ及び第２外側リング８０ａ、８０ｂは、第２仕切り板６０ｂの外周面と第３仕切り板６０ｃの内周面とに固着される。
【００５６】
第２内側リング７８ａと第２外側リング８０ａ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８２ａが形成される。第２内側リング７８ｂと第２外側リング８０ｂ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改質ガス排出室８２ｂが形成される。改質管路７６の両端は、混合ガス供給室８２ａと改質ガス排出室８２ｂとに開放される。各改質管路７６は、内周面に改質触媒８４が担持される。
【００５７】
図２及び図３に示すように、混合ガス供給室８２ａには、原燃料供給路８８が接続されるとともに、前記原燃料供給路８８の途上には、後述する蒸発リターン管路１０２が接続される。改質ガス排出室８２ｂには、燃料ガス通路９０の一端が連通するとともに、前記燃料ガス通路９０の他端は、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）。
【００５８】
蒸発器４８は、改質器４６の外周に配設される複数本の蒸発管路（伝熱パイプ）９２を備える。蒸発管路９２の一端部は、第３内側リング９４ａに固定されるとともに、前記蒸発管路９２の他端部は、第３内側リング９４ｂに固定される。
【００５９】
第３内側リング９４ａ、９４ｂの外方には、第３外側リング９６ａ、９６ｂが配設される。第３内側リング９４ａ、９４ｂ及び第３外側リング９６ａ、９６ｂは、第３仕切り板６０ｃの外周面と第４仕切り板６０ｄの内周面とに固着される。
【００６０】
第３内側リング９４ａと第３外側リング９６ａ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３内側リング９４ｂと第３外側リング９６ｂ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９２の両端は、水供給室９８ａと水蒸気排出室９８ｂとに開放される。
【００６１】
水供給室９８ａには、水通路１００が配設される。水蒸気排出室９８ｂには、少なくとも１本以上の蒸発管路９２により構成される蒸発リターン管路１０２の一端が配設されるとともに、前記蒸発リターン管路１０２の他端は、原燃料供給路８８の途上に接続される（図１参照）。原燃料供給路８８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。
【００６２】
少なくとも第１領域Ｒ１、第２領域Ｒ２、第３領域Ｒ３又は第４領域Ｒ４の１つ（特に、高熱に曝され易い領域）には、熱による応力を緩和するための応力緩和部１０３が設けられる。
【００６３】
応力緩和部１０３は、少なくとも酸化剤ガス排出室７０ｂ、改質ガス排出室８２ｂ又は水蒸気排出室９８ｂの１つ、第１の実施形態では、これらの全てを構成する内側リング６６ｂ、７８ｂ及び９４ｂと外側リング６８ｂ、８０ｂ及び９６ｂとに設けられる（図４参照）。
【００６４】
応力緩和部１０３は、さらに少なくとも酸化剤ガス供給室７０ａ、混合ガス供給室８２ａ及び水供給室９８ａの１つ、第１の実施形態では、これらの全てを構成する内側リング６６ａ、７８ａ及び９４ａと外側リング６８ａ、８０ａ及び９６ａとに設けられる（図２参照）。内側リング６６ａ、６６ｂ、７８ａ、７８ｂ、９４ａ及び９４ｂと外側リング６８ａ、６８ｂ、８０ａ、８０ｂ、９６ａ及び９６ｂとは、例えば、ステンレス鋼板で形成される。
【００６５】
特に、高温の燃焼ガスに曝される酸化剤ガス排出室７０ｂでは、図４に示すように、内側リング６６ｂの内周部及び外周部には、断面形状半円を有する内周湾曲部位１０３ａｉ及び外周湾曲部位１０３ａｏが設けられる。酸化剤ガス排出室７０ｂでは、外側リング６８ｂの内周部及び外周部には、同様に断面形状半円を有する内周湾曲部位１０３ｂｉ及び外周湾曲部位１０３ｂｏが設けられる。
【００６６】
内周湾曲部位１０３ａｉ、１０３ｂｉ及び外周湾曲部位１０３ａｏ、１０３ｂｏは、変位を吸収する低剛性のばねとして機能することにより、応力緩和部１０３が構成される。なお、内周湾曲部位１０３ａｉ、１０３ｂｉ又は外周湾曲部位１０３ａｏ、１０３ｂｏの一方のみを設けてもよい。また、他の内側リング６６ａ、７８ａ、７８ｂ、９４ａ及び９４ｂと外側リング６８ａ、８０ａ、８０ｂ、９６ａ及び９６ｂとは、上記の内側リング６６ｂ及び外側リング６８ｂと同様に構成されており、その詳細な説明は省略する。
【００６７】
第１の実施形態では、図２、図３、図５及び図６に示すように、熱交換器５０が構成される第２領域Ｒ２（第２燃焼ガス通路１２６ｂ）には、第１内側リング６６ａ、６６ｂ間に位置して第１外接偏流抑制板１０４が配設される。
【００６８】
第１外接偏流抑制板１０４は、複数本の熱交換管路６４の外表面に接する最小外接円に沿って配置される円筒形状を有し、例えば、前記熱交換管路６４に溶接等により固定される。図６に示すように、第１外接偏流抑制板１０４の上端位置は、第１燃焼ガス連通孔６２ａよりも上方に、すなわち、前記第１燃焼ガス連通孔６２ａに対向して配置される一方、前記第１外接偏流抑制板１０４の下端位置は、第２燃焼ガス連通孔６２ｂよりも上方に配置される。図５に示すように、第１外接偏流抑制板１０４の上端は、第１内側リング６６ｂに当接する。
【００６９】
なお、第１外接偏流抑制板１０４は、軸方向端部を他の部材に固着されて、熱交換管路６４に可及的に近接して配置されてもよい。第１外接偏流抑制板１０４は、例えば、薄板金属プレートで構成されており、第１仕切り板６０ａ〜第４仕切り板６０ｄよりも薄肉に形成されることが好ましい。第１外接偏流抑制板１０４と第１仕切り板６０ａとの間には、実質的に、断熱用空間が形成される。以下に説明する他の外接偏流抑制板も、同様である。
【００７０】
改質器４６が構成される第３領域Ｒ３（第３燃焼ガス通路１２６ｃ）には、第２内側リング７８ａ、７８ｂ間に位置して第２外接偏流抑制板１０６が配設される。第２外接偏流抑制板１０６は、複数本の改質管路７６の外表面に接する最小外接円に沿って配置される円筒形状を有し、例えば、前記改質管路７６に溶接等により固定される。
【００７１】
図６に示すように、第２外接偏流抑制板１０６の上端位置は、第３燃焼ガス連通孔６２ｃよりも下方に配置される一方、前記第２外接偏流抑制板１０６の下端位置は、第２燃焼ガス連通孔６２ｂよりも下方に、すなわち、前記第２燃焼ガス連通孔６２ｂに対向して配置される。図５に示すように、第２外接偏流抑制板１０６の下端は、第２内側リング７８ａに当接する。
【００７２】
蒸発器４８が構成される第４領域Ｒ４（第４燃焼ガス通路１２６ｄ）には、第３内側リング９４ａ、９４ｂ間に位置して第３外接偏流抑制板１０８が配設される。第３外接偏流抑制板１０８は、複数本の蒸発管路９２の外表面に接する最小外接円に沿って配置される円筒形状を有し、例えば、前記蒸発管路９２に溶接等により固定される。
【００７３】
図６に示すように、第３外接偏流抑制板１０８の上端位置は、第３燃焼ガス連通孔６２ｃよりも上方に、すなわち、前記第３燃焼ガス連通孔６２ｃに対向して配置される一方、前記第３外接偏流抑制板１０８の下端位置は、第４燃焼ガス連通孔６２ｄよりも上方に配置される。図５に示すように、第３外接偏流抑制板１０８の上端は、第３内側リング９４ｂに当接する。
【００７４】
図１に示すように、原燃料供給装置１４は、原燃料通路１１４を備える。原燃料通路１１４は、原燃料用調整弁１１６を介して原燃料供給路８８と原燃料供給管５８とに分岐する。原燃料供給路８８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１１８が配設される。
【００７５】
酸化剤ガス供給装置１６は、酸化剤ガス通路１２０を備える。酸化剤ガス通路１２０は、酸化剤ガス用調整弁１２２を介して酸化剤ガス供給管７２と空気供給管５７とに分岐する。水供給装置１８は、水通路１００を介して蒸発器４８に接続される。
【００７６】
図６に概略的に示すように、第１領域Ｒ１には、燃焼ガスが矢印Ａ２方向に流通する第１燃焼ガス通路１２６ａが形成される。第２領域Ｒ２には、燃焼ガスが矢印Ａ１方向に流通する第２燃焼ガス通路１２６ｂが形成され、第３領域Ｒ３には、前記燃焼ガスが矢印Ａ２方向に流通する第３燃焼ガス通路１２６ｃが形成される。第４領域Ｒ４には、燃焼ガスが矢印Ａ１方向に流通する第４燃焼ガス通路１２６ｄが形成される。
【００７７】
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。
【００７８】
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５４に供給される。具体的には、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１２０に空気が供給される。この空気は、酸化剤ガス用調整弁１２２の開度調整作用下に、空気供給管５７に供給される。
【００７９】
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１１４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１１６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５４内に供給される（図２参照）。
【００８０】
このため、起動用燃焼器５４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、起動用燃焼器５４に直接接続されている排ガス燃焼器５２では、前記起動用燃焼器５４から第１仕切り板６０ａに燃焼ガスが供給される。
【００８１】
図６に示すように、第１仕切り板６０ａには、燃料電池スタック２４側の端部に近接して複数の第１燃焼ガス連通孔６２ａが形成されている。これにより、第１仕切り板６０ａの内部に供給された燃焼ガスは、複数の第１燃焼ガス連通孔６２ａを通過して、第１領域Ｒ１から第２領域Ｒ２に導入される。
【００８２】
燃焼ガスは、第２領域Ｒ２を矢印Ａ１方向に流通した後、第２仕切り板６０ｂに形成された複数の第２燃焼ガス連通孔６２ｂを通って第３領域Ｒ３に導入される。第３領域Ｒ３では、燃焼ガスは、矢印Ａ２方向に流通した後、第３仕切り板６０ｃに形成された複数の第３燃焼ガス連通孔６２ｃを通って第４領域Ｒ４に導入される。燃焼ガスは、第４領域Ｒ４を矢印Ａ１方向に流通した後、第４仕切り板６０ｄに形成された第４燃焼ガス連通孔６２ｄから外部に排出される。
【００８３】
その際、第２領域Ｒ２には、熱交換器５０が配置されており、第３領域Ｒ３には、改質器４６が配置されており、第４領域Ｒ４には、蒸発器４８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、熱交換器５０、改質器４６及び蒸発器４８の順に加熱する。
【００８４】
そして、燃料電池モジュール１２が設定温度に昇温されると、熱交換器５０に酸化剤ガスが供給される一方、改質器４６には、原燃料及び水蒸気の混合ガスが供給される。
【００８５】
具体的には、酸化剤ガス用調整弁１２２の開度が調整されて、酸化剤ガス供給管７２への空気供給量が増加されるとともに、原燃料用調整弁１１６の開度が調整されて、原燃料供給路８８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１００に水が供給される。
【００８６】
従って、図２及び図３に示すように、熱交換器５０に導入された空気は、酸化剤ガス供給室７０ａに一旦供給された後、複数の熱交換管路６４内を移動する間に、第２領域Ｒ２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７０ｂに供給された後、酸化剤ガス通路７４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）。
【００８７】
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６３ａに排出される。酸化剤排ガス通路６３ａは、排ガス燃焼器５２を構成する第１仕切り板６０ａの内部に開口しており、前記第１仕切り板６０ａ内に酸化剤排ガスが導入される。
【００８８】
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４８に供給されるとともに、脱硫器１１８で脱硫された原燃料は、原燃料供給路８８を流通して改質器４６に向かう。
【００８９】
蒸発器４８では、水が一旦水供給室９８ａに供給された後、複数本の蒸発管路９２内を移動する間、第４領域Ｒ４を流通する燃焼ガスにより昇温されて、水蒸気化される。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１０２に供給される。これにより、水蒸気は、蒸発リターン管路１０２内を流通して原燃料供給路８８に導入され、原燃料と混合して混合ガスが得られる。
【００９０】
混合ガスは、原燃料供給路８８から改質器４６を構成する混合ガス供給室８２ａに一旦供給される。混合ガスは、複数の改質管路７６内を移動する。その間に、混合ガスは、第３領域Ｒ３を流通する燃焼ガスにより加熱されるとともに、改質触媒８４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が得られる。
【００９１】
この改質ガスは、加熱された燃料ガスとして、一旦改質ガス排出室８２ｂに供給された後、燃料ガス通路９０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）。
【００９２】
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６３ｂに排出される。燃料排ガス通路６３ｂは、排ガス燃焼器５２を構成する第１仕切り板６０ａの内部に開口しており、前記第１仕切り板６０ａ内に燃料排ガスが導入される。
【００９３】
なお、起動用燃焼器５４による昇温作用下に、排ガス燃焼器５２内が燃料ガスの自己着火温度を超えると、第１仕切り板６０ａ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。
【００９４】
この場合、第１の実施形態では、ＦＣ周辺機器５６は、排ガス燃焼器５２及び起動用燃焼器５４が構成される第１領域Ｒ１と、熱交換器５０が構成されるとともに、前記第１領域Ｒ１を環状に周回する第２領域Ｒ２と、改質器４６が構成されるとともに、前記第２領域Ｒ２を環状に周回する第３領域Ｒ３と、蒸発器４８が構成されるとともに、前記第３領域Ｒ３を環状に周回する第４領域Ｒ４とを備えている。
【００９５】
すなわち、第１領域Ｒ１を中心にして、それぞれ環状の第２領域Ｒ２、第３領域Ｒ３及び第４領域Ｒ４が外方向に向かって、順次、設けられている。このため、高温及び熱需要が大きな機器、例えば、熱交換器５０（及び改質器４６）を内側に設置する一方、低温及び熱需要の小さな機器、例えば、蒸発器４８を外側に設定することができる。
【００９６】
熱交換器５０は、例えば、５５０℃〜６５０℃の温度が必要であるとともに、改質器４６は、５５０℃〜６００℃の温度が必要である。一方、蒸発器４８は、１５０℃〜２００℃の温度が必要である。
【００９７】
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という効果が得られる。特に、改質器４６の内方に熱交換器５０が配設されるため、前記改質器４６は、比較的Ａ／Ｆ（空気／燃料ガス）が低い環境で、低温改質に適した前記改質器４６が良好に使用される。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２２の動作温度を維持することをいう。
【００９８】
しかも、熱交換器５０では、酸化剤ガスが供給される環状の酸化剤ガス供給室７０ａ、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７０ｂ、一端が前記酸化剤ガス供給室７０ａに連通し且つ他端が前記酸化剤ガス排出室７０ｂに連通する複数本の熱交換管路６４、及び前記熱交換管路６４間に燃焼ガスを供給する第２燃焼ガス通路１２６ｂを備えている。
【００９９】
これにより、構成の簡素化が容易に図られるとともに、製造コストが有効に削減される。その上、酸化剤ガス供給室７０ａ及び酸化剤ガス排出室７０ｂの容積や管路長、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。
【０１００】
さらに、第１の実施形態では、熱交換器５０が構成される第２領域Ｒ２（第２燃焼ガス通路１２６ｂ）には、複数本の熱交換管路６４の外表面に接する最小外接円に沿って、第１外接偏流抑制板１０４が配設されている。このため、図６に示すように、第１領域Ｒ１から第２領域Ｒ２（第２燃焼ガス通路１２６ｂ）に導入された燃焼ガスは、第１燃焼ガス連通孔６２ａに対向する第１外接偏流抑制板１０４に吹き付けられる。
【０１０１】
従って、燃焼ガスは、第１外接偏流抑制板１０４に沿って矢印Ａ１方向に移動するとともに、前記第１外接偏流抑制板１０４に接している各熱交換管路６４に吹き付けられる。さらに、燃焼ガスは、第１外接偏流抑制板１０４に沿って矢印Ａ１方向に移動した後、第２燃焼ガス通路１２６ｂの底部で第２仕切り板６０ｂ側に移動し、第２燃焼ガス連通孔６２ｂを通って第３領域Ｒ３に導入される。
【０１０２】
これにより、第２領域Ｒ２に導入された燃焼ガスは、第１燃焼ガス連通孔６２ａに対向する第１外接偏流抑制板１０４の案内作用下に、各熱交換管路６４の外表面に沿って良好に流通することができる。このため、偏流や吹き抜けを良好に抑制するとともに、燃焼ガスの流通経路長を長くすることが可能になる。従って、酸化剤ガスは、燃焼ガスからの授熱量が増加し、熱交換効率が良好に向上するという効果が得られる。
【０１０３】
一方、改質器４６が構成される第３領域Ｒ３には、第２外接偏流抑制板１０６が配設されている。図６に示すように、第２領域Ｒ２から第３領域Ｒ３（第３燃焼ガス通路１２６ｃ）に導入された燃焼ガスは、第２燃焼ガス連通孔６２ｂに対向する第２外接偏流抑制板１０６に吹き付けられる。
【０１０４】
このため、燃焼ガスは、第２外接偏流抑制板１０６に沿って矢印Ａ２方向に移動するとともに、前記第２外接偏流抑制板１０６に接している各改質管路７６に吹き付けられる。さらに、燃焼ガスは、第２外接偏流抑制板１０６に沿って矢印Ａ２方向に移動した後、第３燃焼ガス通路１２６ｃの上部で第３仕切り板６０ｃ側に移動し、第３燃焼ガス連通孔６２ｃを通って第４領域Ｒ４に導入される。
【０１０５】
従って、第３領域Ｒ３に導入された燃焼ガスは、第２外接偏流抑制板１０６の案内作用下に、各改質管路７６の外表面に沿って良好に流通することができる。これにより、偏流や吹き抜けを良好に抑制するとともに、燃焼ガスの流通経路長を長くすることが可能になる。このため、混合ガスは、燃焼ガスからの授熱量が増加し、熱交換効率が良好に向上するという効果が得られる。
【０１０６】
また、蒸発器４８が構成される第４領域Ｒ４には、第３外接偏流抑制板１０８が配設されている。図６に示すように、第３領域Ｒ３から第４領域Ｒ４（第４燃焼ガス通路１２６ｄ）に導入された燃焼ガスは、第３燃焼ガス連通孔６２ｃに対向する第３外接偏流抑制板１０８に吹き付けられる。従って、燃焼ガスは、第３外接偏流抑制板１０８に沿って矢印Ａ１方向に移動するとともに、前記第３外接偏流抑制板１０８に接している各蒸発管路９２に吹き付けられる。
【０１０７】
さらに、燃焼ガスは、第３外接偏流抑制板１０８に沿って矢印Ａ１方向に移動した後、第４燃焼ガス通路１２６ｄの下部で第４仕切り板６０ｄ側に移動し、第４燃焼ガス連通孔６２ｄを通って排出される。
【０１０８】
これにより、第４領域Ｒ４に導入された燃焼ガスは、第３外接偏流抑制板１０８の案内作用下に、各蒸発管路９２の外表面に沿って良好に流通することができる。このため、偏流や吹き抜けを良好に抑制するとともに、燃焼ガスの流通経路長を長くすることが可能になる。従って、水は、燃焼ガスからの授熱量が増加し、熱交換効率が良好に向上するという効果が得られる。
【０１０９】
さらにまた、第１領域Ｒ１、第２領域Ｒ２、第３領域Ｒ３及び第４領域Ｒ４をそれぞれ仕切る第１仕切り板６０ａ、第２仕切り板６０ｂ及び第３仕切り板６０ｃには、燃焼ガスを前記第１領域Ｒ１、前記第２領域Ｒ２、前記第３領域Ｒ３及び前記第４領域Ｒ４に流通させるための第１燃焼ガス連通孔６２ａ、第２燃焼ガス連通孔６２ｂ及び第３燃焼ガス連通孔６２ｃが形成されている。
【０１１０】
これにより、燃焼ガスの吹き抜けを良好に抑制することができ、熱効率が一層向上し、熱自立の促進が確実に図られるという利点が得られる。
【０１１１】
また、第２領域Ｒ２、第３領域Ｒ３及び第４領域Ｒ４における熱交換効率、耐久性、小型化等の優先度に応じて、第１燃焼ガス連通孔６２ａ、第２燃焼ガス連通孔６２ｂ及び第３燃焼ガス連通孔６２ｃの位置を設定することが可能になる。このため、熱交換効率を任意に設定することができ、設計自由度の向上が図られる。
【０１１２】
さらに、第１の実施形態では、図２、図３及び図６に示すように、改質器４６は、混合ガスが供給される環状の混合ガス供給室８２ａ、生成された燃料ガスが排出される環状の改質ガス排出室８２ｂ、一端が前記混合ガス供給室８２ａに連通し且つ他端が前記改質ガス排出室８２ｂに連通する複数本の改質管路７６、及び前記改質管路７６間に燃焼ガスを供給する第３燃焼ガス通路１２６ｃを備えている。
【０１１３】
従って、構成の簡素化が容易に図られるとともに、製造コストが有効に削減される。これにより、混合ガス供給室８２ａ及び改質ガス排出室８２ｂの容積や管路長、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。
【０１１４】
さらにまた、蒸発器４８は、水が供給される環状の水供給室９８ａ、水蒸気が排出される環状の水蒸気排出室９８ｂ、一端が前記水供給室９８ａに連通し且つ他端が前記水蒸気排出室９８ｂに連通する複数本の蒸発管路９２、及び前記蒸発管路９２間に前記燃焼ガスを供給する第４燃焼ガス通路１２６ｄを備えている。
【０１１５】
このため、構造の簡素化が容易に図られ、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。
【０１１６】
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。
【０１１７】
図７に示すように、燃料電池システム１３０は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池モジュール１３２を組み込む。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。
【０１１８】
燃料電池モジュール１３２を構成するＦＣ周辺機器５６は、図８に示すように、排ガス燃焼器５２及び起動用燃焼器５４が構成される、例えば、開口形状円形の第１領域Ｒ１と、改質器４６が構成されるとともに、前記第１領域Ｒ１を環状に周回する第２領域Ｒ２と、熱交換器５０が構成されるとともに、前記第２領域Ｒ２を環状に周回する第３領域Ｒ３と、蒸発器４８が構成されるとともに、前記第３領域Ｒ３を環状に周回する第４領域Ｒ４とを備える。
【０１１９】
ＦＣ周辺機器５６は、第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２との間に配置される第１仕切り板１３４ａ、前記第２領域Ｒ２と第３領域Ｒ３との間に配置される第２仕切り板１３４ｂ、前記第３領域Ｒ３と第４領域Ｒ４との間に配置される第３仕切り板１３４ｃ、及び前記第４領域Ｒ４の外周に配置される第４仕切り板１３４ｄを備える。
【０１２０】
図８及び図９に示すように、第１燃焼ガス連通孔６２ａは、第１仕切り板１３４ａの燃料電池スタック２４とは反対側の端部に近接して設けられ、第２燃焼ガス連通孔６２ｂは、第２仕切り板１３４ｂの前記燃料電池スタック２４側の端部に近接して設けられ、第３燃焼ガス連通孔６２ｃは、第３仕切り板１３４ｃの前記燃料電池スタック２４とは反対側の端部に近接して設けられ、第４燃焼ガス連通孔６２ｄは、第４仕切り板１３４ｄの前記燃料電池スタック２４側の端部に近接して設けられる。
【０１２１】
第１仕切り板１３４ａには、第１燃焼ガス連通孔６２ａとは反対側に且つ前記第１燃焼ガス連通孔６２ａよりも小さな開口面積を有する複数の抽気孔部１３６ａが形成される。抽気孔部１３６ａは、第２仕切り板１３４ｂに形成された第２燃焼ガス連通孔６２ｂに対向する位置に設定される。第２仕切り板１３４ｂには、第３仕切り板１３４ｃに形成された第３燃焼ガス連通孔６２ｃに対向する位置に複数の抽気孔部１３６ｂが形成される。第３仕切り板１３４ｃには、第４仕切り板１３４ｄに形成された第４燃焼ガス連通孔６２ｄに対向する位置に複数の抽気孔部１３６ｃが形成される。なお、抽気孔部１３６ｂ、１３６ｃは、必要に応じて設けられていればよい。
【０１２２】
熱交換器５０が構成される第３領域Ｒ３（第３燃焼ガス通路１２６ｃ）には、複数本の熱交換管路６４が配設される。第３領域Ｒ３には、複数本の熱交換管路６４の外表面に接する最小外接円に沿って、第１外接偏流抑制板１０４が配設される。
【０１２３】
第１外接偏流抑制板１０４の上端位置は、第２燃焼ガス連通孔６２ｂよりも上方に配置される一方、前記第１外接偏流抑制板１０４の下端位置は、第３燃焼ガス連通孔６２ｃよりも上方に配置される。図８に示すように、第１外接偏流抑制板１０４の上端は、第１内側リング６６ｂに当接する。
【０１２４】
改質器４６が構成される第２領域Ｒ２には、複数本の改質管路７６が配設される。第２領域Ｒ２には、複数本の改質管路７６の外表面に接する最小外接円に沿って、第２外接偏流抑制板１０６が配設される。図８に示すように、第２外接偏流抑制板１０６の下端は、第２内側リング７８ａに当接する。
【０１２５】
第２外接偏流抑制板１０６の下端位置は、第１燃焼ガス連通孔６２ａよりも下方に配置される一方、前記第２外接偏流抑制板１０６の上端位置は、第２燃焼ガス連通孔６２ｂよりも下方に配置される。
【０１２６】
蒸発器４８が構成される第４領域Ｒ４には、複数本の蒸発管路９２が配設される。第４領域Ｒ４には、複数本の蒸発管路９２の外表面に接する最小外接円に沿って、第３外接偏流抑制板１０８が配設される。
【０１２７】
第３外接偏流抑制板１０８の下端位置は、第３燃焼ガス連通孔６２ｃよりも下方に配置される一方、前記第３外接偏流抑制板１０８の上端位置は、第４燃焼ガス連通孔６２ｄよりも下方に配置される。図８に示すように、第３外接偏流抑制板１０８の下端は、第３内側リング９４ａに当接する。
【０１２８】
このように構成される第２の実施形態では、燃料電池モジュール１３２は、排ガス燃焼器５２及び起動用燃焼器５４が構成される第１領域Ｒ１と、改質器４６が構成されるとともに、前記第１領域Ｒ１を環状に周回する第２領域Ｒ２と、熱交換器５０が構成されるとともに、前記第２領域Ｒ２を環状に周回する第３領域Ｒ３と、蒸発器４８が構成されるとともに、前記第３領域Ｒ３を環状に周回する第４領域Ｒ４とを備えている。
【０１２９】
このため、高温及び熱需要が大きな機器、例えば、改質器４６（及び熱交換器５０）を内側に設置する一方、低温及び熱需要の小さな機器、例えば、蒸発器４８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。
【０１３０】
しかも、熱交換器５０では、図９に示すように、燃焼ガスは、第１外接偏流抑制板１０４に沿って矢印Ａ１方向に移動するとともに、前記第１外接偏流抑制板１０４に接している各熱交換管路６４に吹き付けられている。これにより、燃焼ガスから酸化剤ガスへの授熱量が増加し、熱交換効率が良好に向上するという効果が得られる。
【０１３１】
一方、改質器４６では、燃焼ガスは、第２外接偏流抑制板１０６に沿って矢印Ａ２方向に移動するとともに、前記第２外接偏流抑制板１０６に接している各改質管路７６に吹き付けられている。このため、燃焼ガスから混合ガスへの授熱量が増加し、熱交換効率が良好に向上するという効果が得られる。
【０１３２】
また、蒸発器４８では、燃焼ガスは、第３外接偏流抑制板１０８に沿って矢印Ａ２方向に移動するとともに、前記第３外接偏流抑制板１０８に接している各蒸発管路９２に吹き付けられている。従って、燃焼ガスから水への授熱量が増加し、熱交換効率が良好に向上するという効果が得られる。
【０１３３】
図１０には、本発明の第３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５６の一部省略斜視説明図を示す。
【０１３４】
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、第３の実施形態では、上記の第２の実施形態と同様に構成することができるが、その説明は省略する。
【０１３５】
燃料電池モジュール１４０では、図１０〜図１３に示すように、熱交換器５０が構成される第２領域Ｒ２には、複数本の熱交換管路６４の外表面に接する最大内接円に沿って、第１内接偏流抑制板１４２が配設される。第１内接偏流抑制板１４２は、第１外接偏流抑制板１０４と同様に、薄板金属プレートで構成される。第１内接偏流抑制板１４２は、複数本の熱交換管路６４の外表面に接する最大内接円に沿って配置される円筒形状を有し、例えば、前記熱交換管路６４に溶接等により固定される。
【０１３６】
第１内接偏流抑制板１４２と第１外接偏流抑制板１０４とは、熱交換管路６４の管路長さ方向に互いの端部位置がオフセットして配置されるとともに、燃焼ガスは、前記管路長さ方向に流通する。図１３に示すように、第１内接偏流抑制板１４２の上端位置は、第１燃焼ガス連通孔６２ａよりも下方に配置される一方、前記第１内接偏流抑制板１４２の下端位置は、第２燃焼ガス連通孔６２ｂよりも下方に配置される。図１２に示すように、第１内接偏流抑制板１４２の下端は、第１内側リング６６ａに当接する。第１内接偏流抑制板１４２と第１仕切り板６０ａとの間には、実質的に断熱用空間が形成される。以下、他の内接偏流制御板でも、同様である。
【０１３７】
図１０〜図１３に示すように、改質器４６が構成される第３領域Ｒ３には、複数本の改質管路７６の外表面に接する最大内接円に沿って、第２内接偏流抑制板１４４が配設される。第２内接偏流抑制板１４４は、第２外接偏流抑制板１０６と同様に、薄板金属プレートで構成される。第２内接偏流抑制板１４４は、複数本の改質管路７６の外表面に接する最大内接円に沿って配置される円筒形状を有し、例えば、前記改質管路７６に溶接等により固定される。
【０１３８】
第２内接偏流抑制板１４４と第２外接偏流抑制板１０６とは、改質管路７６の管路長さ方向に互いの端部位置がオフセットして配置されるとともに、燃焼ガスは、前記管路長さ方向に流通する。図１３に示すように、第２内接偏流抑制板１４４の下端位置は、第２燃焼ガス連通孔６２ｂよりも上方に配置される一方、前記第２内接偏流抑制板１４４の上端位置は、第３燃焼ガス連通孔６２ｃよりも上方に配置される。図１２に示すように、第２内接偏流抑制板１４４の上端は、第２内側リング７８ｂに当接する。
【０１３９】
図１０〜図１３に示すように、蒸発器４８が構成される第４領域Ｒ４には、複数本の蒸発管路９２の外表面に接する最大内接円に沿って、第３内接偏流抑制板１４６が配設される。第３内接偏流抑制板１４６は、第３外接偏流抑制板１０８と同様に、薄板金属プレートで構成される。第３内接偏流抑制板１４６は、複数本の蒸発管路９２の外表面に接する最大内接円に沿って配置される円筒形状を有し、例えば、前記蒸発管路９２に溶接等により固定される。
【０１４０】
第３内接偏流抑制板１４６と第３外接偏流抑制板１０８とは、蒸発管路９２の管路長さ方向に互いの端部位置がオフセットして配置されるとともに、燃焼ガスは、前記管路長さ方向に流通する。図１３に示すように、第３内接偏流抑制板１４６の上端位置は、第３燃焼ガス連通孔６２ｃよりも下方に配置される一方、前記第３内接偏流抑制板１４６の下端位置は、第４燃焼ガス連通孔６２ｄよりも下方に配置される。図１２に示すように、第３内接偏流抑制板１４６の下端は、第３内側リング９４ａに当接する。
【０１４１】
このように構成される第３の実施形態では、熱交換器５０が構成される第２領域Ｒ２には、複数本の熱交換管路６４の外表面に接する最小外接円に沿って、第１外接偏流抑制板１０４が配置されるとともに、前記熱交換管路６４の前記外表面に接する最大内接円に沿って、第１内接偏流抑制板１４２が配設されている。
【０１４２】
このため、図１２及び図１３に示すように、第２領域Ｒ２（第２燃焼ガス通路１２６ｂ）に導入された燃焼ガスは、第１内接偏流抑制板１４２の上方を通過して第１外接偏流抑制板１０４に吹き付けられる。そして、燃焼ガスは、第１外接偏流抑制板１０４と第１内接偏流抑制板１４２との間に形成される第１流通経路１４８ａに沿って矢印Ａ１方向に移動しながら、各熱交換管路６４の外表面に吹き付けられる。
【０１４３】
従って、熱交換器５０に供給される燃焼ガスは、偏流や吹き抜けを良好に抑制することができるとともに、各熱交換管路６４に沿って一層円滑且つ確実に流通することが可能になる。これにより、酸化剤ガスは、燃焼ガスからの授熱量が増加し、熱交換効率が良好に向上する。
【０１４４】
さらに、第１外接偏流抑制板１０４と第１内接偏流抑制板１４２とは、管路長さ方向に互いの端部位置がオフセットして配置されるとともに、燃焼ガスは、前記第１外接偏流抑制板１０４と前記第１内接偏流抑制板１４２との間を前記管路長さ方向に流通している。このため、燃焼ガスは、偏流や吹き抜けを良好に抑制されるとともに、第１外接偏流抑制板１０４と第１内接偏流抑制板１４２との間に第１流通経路１４８ａを確保することが可能になる。従って、燃焼ガスの第１流通経路１４８ａを長尺化させることができ、燃焼ガスからの授熱量が有効に増加し、熱交換効率が良好に向上するという効果が得られる。
【０１４５】
一方、第１流通経路１４８ａを矢印Ａ１方向に流通した燃焼ガスは、第１外接偏流抑制板１０４の下方を通って第２燃焼ガス連通孔６２ｂから第３領域Ｒ３に導入される。第３領域Ｒ３に導入された燃焼ガスは、第２内接偏流抑制板１４４の下方を通過して第２外接偏流抑制板１０６に吹き付けられる。
【０１４６】
燃焼ガスは、第２外接偏流抑制板１０６と第２内接偏流抑制板１４４との間に形成される第２流通経路１４８ｂに沿って矢印Ａ２方向に移動しながら、各改質管路７６の外表面に吹き付けられる。
【０１４７】
従って、改質器４６に供給される燃焼ガスは、偏流や吹き抜けを良好に抑制することができるとともに、各改質管路７６に沿って一層円滑且つ確実に流通することが可能になる。これにより、混合ガスは、燃焼ガスからの授熱量が増加し、熱交換効率が良好に向上する。
【０１４８】
さらにまた、第２外接偏流抑制板１０６と第２内接偏流抑制板１４４とは、管路長さ方向に互いの端部位置がオフセットして配置されるとともに、燃焼ガスは、前記管路長さ方向に流通している。このため、燃焼ガスは、偏流や吹き抜けを良好に抑制されるとともに、第２外接偏流抑制板１０６と第２内接偏流抑制板１４４との間に第２流通経路１４８ｂを確保することが可能になる。従って、燃焼ガスの第２流通経路１４８ｂを長尺化させることができ、燃焼ガスからの授熱量が有効に増加し、熱交換効率が良好に向上するという効果が得られる。
【０１４９】
次いで、第２流通経路１４８ｂを矢印Ａ２方向に流通した燃焼ガスは、第２外接偏流抑制板１０６の上方を通って第３燃焼ガス連通孔６２ｃから第４領域Ｒ４に導入される。第４領域Ｒ４に導入された燃焼ガスは、第３内接偏流抑制板１４６の上方を通過して第３外接偏流抑制板１０８に吹き付けられる。
【０１５０】
燃焼ガスは、第３外接偏流抑制板１０８と第３内接偏流抑制板１４６との間に形成される第３流通経路１４８ｃに沿って矢印Ａ１方向に移動しながら、各蒸発管路９２の外表面に吹き付けられる。
【０１５１】
これにより、蒸発器４８に供給される燃焼ガスは、偏流や吹き抜けを良好に抑制することができるとともに、各蒸発管路９２に沿って一層円滑且つ確実に流通することが可能になる。このため、水は、燃焼ガスからの授熱量が増加し、熱交換効率が良好に向上する。
【０１５２】
また、第３外接偏流抑制板１０８と第３内接偏流抑制板１４６とは、管路長さ方向に互いの端部位置がオフセットして配置されるとともに、燃焼ガスは、前記管路長さ方向に流通している。従って、燃焼ガスは、偏流や吹き抜けを良好に抑制されるとともに、第３外接偏流抑制板１０８と第３内接偏流抑制板１４６との間に第３流通経路１４８ｃを確保することが可能になる。これにより、燃焼ガスの第３流通経路１４８ｃを長尺化させることができ、燃焼ガスからの授熱量が有効に増加し、熱交換効率が良好に向上するという効果が得られる。
【０１５３】
上記の第１の実施形態〜第３の実施形態では、熱交換器５０には、円筒状の第１外接偏流抑制板１０４が使用されているが、これに限定されるものではない。例えば、図１４及び図１５に示すように、略波形状の筒部材である第１外接偏流抑制板１５０を用いることができる。
【０１５４】
第１外接偏流抑制板１５０は、複数本の熱交換管路６４の外表面に接する最小外接円に沿って配置されるとともに、前記熱交換管路６４の間に突出する内側凸部１５２を有する。内側凸部１５２は、各熱交換管路６４の中心を繋ぐ仮想円１５４上、又は、その近傍で折り返すことにより、第１外接偏流抑制板１５０は、前記外表面に略１８０度の範囲に亘って接触する。
【０１５５】
第１外接偏流抑制板１５０、第１内接偏流抑制板１４２及び熱交換管路６４の外表面により形成される燃焼ガス流通開口部１５６の面積と、各前記熱交換管路６４の管路断面積の総和とは、同一に設定される。
【０１５６】
このように構成される熱交換器５０では、第１外接偏流抑制板１５０が略波形状を有して各熱交換管路６４の外表面に接触するため、燃焼ガスと酸化剤ガスとの間における熱交換効率が一層良好に向上する。しかも、燃焼ガス流通開口部１５６の面積と、熱交換管路６４の管路断面積の総和とは、同一に設定されるため、熱交換効率が向上するとともに、熱自立の促進が図られるという効果が得られる。
【０１５７】
なお、改質器４６を構成する第２外接偏流抑制板１０６、及び蒸発器４８を構成する第３外接偏流抑制板１０８は、上記の第１外接偏流抑制板１５０と同様に構成することができる。
【符号の説明】
【０１５８】
１０、１３０…燃料電池システム
１２、１３２、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…酸化剤ガス流路                ４０…燃料ガス流路
４６…改質器                        ４８…蒸発器
５０…熱交換器                      ５２…排ガス燃焼器
５４…起動用燃焼器                  ５６…ＦＣ周辺機器
５７…空気供給管                    ５８…原燃料供給管
６０ａ〜６０ｄ、１３４ａ〜１３４ｄ…仕切り板
６２ａ〜６２ｄ…燃焼ガス連通孔      ６４…熱交換管路
６６ａ、６６ｂ、７８ａ、７８ｂ、９４ａ、９４ｂ…内側リング
６８ａ、６８ｂ、８０ａ、８０ｂ、９６ａ、９６ｂ…外側リング
７０ａ…酸化剤ガス供給室            ７０ｂ…酸化剤ガス排出室
７４、１２０…酸化剤ガス通路        ７６…改質管路
８２ａ…混合ガス供給室              ８２ｂ…改質ガス排出室
８８…原燃料供給路                  ９０…燃料ガス通路
９２…蒸発管路                      ９８ａ…水供給室
９８ｂ…水蒸気排出室                １００…水通路
１０２…蒸発リターン管路            １０３…応力緩和部
１０４、１０６、１０８、１５０…外接偏流抑制板
１２６ａ〜１２６ｄ…燃焼ガス通路    １３６ａ〜１３６ｃ…抽気孔部
１４２、１４４、１４６…内接偏流抑制板
【図１】
0005815476.tif 000002
【図２】
0005815476.tif 000003
【図３】
0005815476.tif 000004
【図４】
0005815476.tif 000005
【図５】
0005815476.tif 000006
【図６】
0005815476.tif 000007
【図７】
0005815476.tif 000008
【図８】
0005815476.tif 000009
【図９】
0005815476.tif 000010
【図１０】
0005815476.tif 000011
【図１１】
0005815476.tif 000012
【図１２】
0005815476.tif 000013
【図１３】
0005815476.tif 000014
【図１４】
0005815476.tif 000015
【図１５】
0005815476.tif 000016
【図１６】
0005815476.tif 000017
【図１７】
0005815476.tif 000018
【図１８】
0005815476.tif 000019