(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、
前記燃料電池スタックが収納される第１筐体と、
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、燃焼ガスを発生させる排ガス燃焼器と、
前記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、
炭化水素を主体とする原燃料を改質し、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、
前記原燃料に含まれる硫黄成分を除去する水添脱硫器と、
を備える燃料電池モジュールであって、
少なくとも前記第１筐体、前記排ガス燃焼器及び前記熱交換器を収容する第２筐体を設けるとともに、
前記排ガス燃焼器は、前記第１筐体と前記第２筐体との間に形成される燃焼ガス室に開放される燃焼ガス排出開口部を有し、
前記排ガス燃焼器及び前記熱交換器は、前記第１筐体よりも下方に配置されるとともに、
前記第２筐体の上部には、前記燃焼ガス室を流通した前記燃焼ガスを排出させる燃焼ガス排出口が形成され、且つ、前記燃焼ガス排出口と前記燃焼ガス排出開口部とは、前記第１筐体を挟んで対角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、前記改質器及び前記水添脱硫器は、前記第２筐体の外部且つ下部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、前記改質器及び前記水添脱硫器が配設されるとともに、前記燃料ガスを前記燃料電池スタックに供給する燃料ガス供給通路を備え、
前記燃料電池スタックから前記燃料排ガスを排出させる燃料排ガス通路には、前記燃料排ガスの一部を、前記燃料ガス供給通路の前記改質器及び前記水添脱硫器の上流側に還流させるリサイクル通路が連結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、前記リサイクル通路と前記燃料ガス供給通路との合流部には、前記改質器又は前記水添脱硫器に供給される前記原燃料の供給に応じて発生する負圧により、前記リサイクル通路を流通する前記燃料排ガスの流量を調整するエゼクタ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３又は４記載の燃料電池モジュールにおいて、前記リサイクル通路と前記燃料排ガス通路との分岐部には、前記リサイクル通路を流通する前記燃料排ガスの流量を調整する調節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。固体電解質の両側にアノード電極とカソード電極とを配設した電解質・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。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】
燃料電池に供給される燃料ガスとして、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から改質原料ガスを得た後、この改質原料ガスに水蒸気改質や部分酸化改質、又はオートサーマル改質等を施すことにより、改質ガス（燃料ガス）が生成されている。
【０００４】
この種の燃料電池では、比較的高温で作動するとともに、熱効率を高めるために、断熱性が求められている。そこで、簡単且つコンパクトな構成で、断熱性を有するとともに、燃料電池スタックを均一に加熱することが可能な燃料電池システムが提案されている（特許文献１）。
【０００５】
この燃料電池システムは、複数の燃料電池が積層される燃料電池スタックと、改質器と、熱交換器と、前記燃料電池スタックを設置するための燃料電池スタック設置部材とを備えている。燃料電池システムは、改質器、熱交換器及び燃料電池スタック設置部材を保持するための台部材を備える流体部を有している。流体部には、燃料電池スタックが配置される一方側とは反対の他方側に隣接して燃焼器が配置され、前記燃焼器は、燃焼により発生する燃焼ガスによって改質器及び熱交換器を加熱している。
【０００６】
さらに、燃料電池スタックを収容する第１ケース部材は、燃料電池スタック設置部材に連結される一方、前記第１ケース部材及び流体部を収容する第２ケース部材は、台部材に連結されている。
【０００７】
そして、燃料電池スタック設置部材と熱交換器とには、燃料電池スタックで発電反応に使用されたオフガスを、第１ケース部材の内部空間から前記熱交換器に加熱用媒体として供給するための通路部材の両端が接続されている。熱交換器から排出される熱交換後のオフガスは、第１ケース部材と第２ケース部材との間に形成されたオフガス通路を通って排出されている。
【０００８】
このように、燃料電池スタックで発電反応後に排出されるオフガスは、加熱用媒体として熱交換器に導入されて前記燃料電池スタックに供給される前の酸化剤ガスと熱交換している。このため、オフガスの排熱を有効に回収することができ、熱効率の向上が容易に図られるとともに、特に、燃料電池を直接加熱し、熱交換器によって酸化剤ガスを加熱する加熱エネルギとして有効に利用することが可能になる、としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１２−１８２０３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、この種の技術に関連してなされたものであり、コンパクトな構成で、燃料電池スタックからの放熱を可及的に抑制し、起動性及び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】
【００１１】
本発明に係る燃料電池モジュールは、燃料電池スタック、第１筐体、排ガス燃焼器、熱交換器、改質器及び水添脱硫器を備えている。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。
【００１２】
第１筐体には、燃料電池スタックが収納されている。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ている。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している。改質器は、炭化水素を主体とする原燃料を改質し、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。水添脱硫器は、原燃料に含まれる硫黄成分を除去している。
【００１３】
燃料電池モジュールは、少なくとも第１筐体、排ガス燃焼器及び熱交換器を収容する第２筐体を設けている。そして、排ガス燃焼器は、第１筐体と第２筐体との間に形成される燃焼ガス室に開放される燃焼ガス排出開口部を有している。
【００１４】
また、燃料電池モジュールでは、排ガス燃焼器及び熱交換器は、第１筐体よりも下方に配置されるとともに、第２筐体の上部には、燃焼ガス室を流通した燃焼ガスを排出させる燃焼ガス排出口が形成される。その際、燃焼ガス排出口と燃焼ガス排出開口部とは、第１筐体を挟んで対角位置に配置される。
【００１５】
このため、燃焼ガスは、第１筐体の下部から前記第１筐体の周囲に沿って流通し、第２筐体の上部から排出されている。従って、高温の燃焼ガスは、燃料電池スタックの周囲を包み込むように流通し、前記燃料電池スタックの断熱層として機能することができる。これにより、燃料電池スタックからの放熱を可及的に抑制することが可能になり、起動性及び熱効率の向上が図られる。
【００１６】
さらに、燃料電池モジュールでは、改質器及び水添脱硫器は、第２筐体の外部且つ下部に配置されることが好ましい。このため、改質器及び水添脱硫器は、第２筐体内の高温雰囲気に晒されることがなく、改質効率及び脱硫効率を良好に確保することができる。
【００１７】
さらにまた、燃料電池モジュールでは、改質器及び水添脱硫器が配設されるとともに、燃料ガスを燃料電池スタックに供給する燃料ガス供給通路を備えることが好ましい。その際、燃料電池スタックから燃料排ガスを排出させる燃料排ガス通路には、前記燃料排ガスの一部を、燃料ガス供給通路の改質器及び水添脱硫器の上流側に還流させるリサイクル通路が連結されることが好ましい。
【００１８】
従って、燃料利用率を向上させることができ、発電効率の向上が図られる。しかも、燃料排ガスは、未使用の燃料ガス及び水蒸気を主成分としている。これにより、未使用の燃料ガスを還流させることにより、水添脱硫器は、水添脱硫が遂行可能になる。一方、水蒸気を還流させることにより、改質器は、部分酸化改質と水蒸気改質とを併用するオートサーマル改質が可能になる。このため、部分酸化改質の起動性と水蒸気改質の高効率とを発揮させることができる。
【００１９】
また、燃料電池モジュールでは、リサイクル通路と燃料ガス供給通路との合流部には、改質器又は水添脱硫器に供給される原燃料の供給に応じて発生する負圧により、前記リサイクル通路を流通する燃料排ガスの流量を調整するエゼクタが配設されることが好ましい。従って、燃料電池の発電量に応じた燃料排ガスのリサイクルが調整可能になる。これにより、燃料利用率が向上し、発電効率の向上を図ることができる。
【００２０】
さらに、燃料電池モジュールでは、リサイクル通路と燃料排ガス通路との分岐部には、前記リサイクル通路を流通する燃料排ガスの流量を調整する調節弁が配設されることが好ましい。このため、燃料電池の発電量に応じた燃料排ガスのリサイクルがきめ細やかに調整可能になる。従って、燃料利用率が向上し、発電効率の向上を図ることができる。
【００２１】
さらにまた、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】
【００２２】
本発明によれば、第２筐体には、少なくとも第１筐体（燃料電池スタックを収納する）、排ガス燃焼器及び熱交換器が収容されている。そして、排ガス燃焼器は、第１筐体と第２筐体との間に形成される燃焼ガス室に開放される燃焼ガス排出開口部を有している。このため、高温の燃焼ガスは、第１筐体の周囲、すなわち、燃料電池スタックの周囲を包み込むように流通し、前記燃料電池スタックの断熱層として機能することができる。従って、燃料電池スタックからの放熱を可及的に抑制することが可能になり、起動性及び熱効率の向上が図られる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【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の概略構成説明図である。
【図２】前記燃料電池モジュールの一部断面正面図である。
【図３】前記燃料電池モジュールの斜視説明図である。
【図４】前記燃料電池モジュールの要部分解斜視説明図である。
【図５】前記燃料電池モジュールを構成する排ガス燃焼器及び熱交換器の斜視説明図である。
【図６】前記燃料電池モジュールを構成する改質器及び水添脱硫器の斜視説明図である。
【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の概略構成説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池モジュール１０は、定置用や車載用の他、可搬用等の種々の用途に用いられる。
【００２５】
燃料電池モジュール１０は、燃料電池スタック１２、改質器１４、水添脱硫器１６、排ガス燃焼器１８及び熱交換器２０を備える。燃料電池モジュール１０には、酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置２２と、原燃料（例えば、都市ガス）を供給する原燃料供給装置２４とが接続される。
【００２６】
酸化剤ガス供給装置２２は、酸化剤ガス供給通路２６を介して改質器１４に接続される一方、原燃料供給装置２４は、燃料ガス供給通路２８を介して前記改質器１４に接続される。酸化剤ガス供給通路２６は、燃料ガス供給通路２８の途上に合流しているが、改質器１４に直接接続されてもよい。改質器１４は、炭化水素を主体とする原燃料を少なくとも部分酸化改質又は水蒸気改質し、燃料電池スタック１２に供給される燃料ガスを生成する。
【００２７】
燃料ガス供給通路２８には、改質器１４の下流に位置して水添脱硫器１６が配設されるとともに、前記水添脱硫器１６は、原燃料に含まれる硫黄成分を除去する。水添脱硫器１６の下流には、燃料ガス供給通路２８ａを介して燃料電池スタック１２が配置される。
【００２８】
燃料電池スタック１２には、発電反応に一部が使用された燃料ガスである燃料排ガスを排出させる燃料排ガス通路３０と、発電反応に一部が使用された酸化剤ガスである酸化剤排ガスを排出させる酸化剤排ガス通路３２とが接続される。燃料排ガス通路３０及び酸化剤排ガス通路３２は、排ガス燃焼器１８の入口側に接続される一方、前記排ガス燃焼器１８の出口側には、熱交換器２０の入口側が接続される。
【００２９】
熱交換器２０には、酸化剤ガス供給装置２２から酸化剤ガス供給通路２６ａを介して酸化剤ガス（空気）が供給される。酸化剤ガス供給通路２６、２６ａは、流量調整可能な調節弁３４を介して合流する。熱交換器２０は、燃焼ガスとの熱交換により酸化剤ガスを昇温させた後、酸化剤ガス供給通路３６を介して燃料電池スタック１２に前記酸化剤ガスを供給する。
【００３０】
燃料排ガス通路３０の途上には、燃料排ガスの一部を、燃料ガス供給通路２８の改質器１４及び水添脱硫器１６の上流側に還流させるリサイクル通路３８が連結される。リサイクル通路３８と燃料排ガス通路３０との分岐部には、前記リサイクル通路３８を流通する燃料排ガスの流量を調整する調節弁４０が配設される。リサイクル通路３８と燃料ガス供給通路２８との合流部には、改質器１４に供給される原燃料の供給に応じて発生する負圧により、前記リサイクル通路３８を流通する燃料排ガスの流量を調整するエゼクタ４２が配設される。
【００３１】
燃料電池スタック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固体酸化物形燃料電池４４を備える。複数の燃料電池４４は、鉛直方向又は水平方向に積層される。燃料電池４４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４６の両面に、カソード電極４８とアノード電極５０とが設けられた電解質・電極接合体（ＭＥＡ）５１を備える。
【００３２】
電解質・電極接合体５１の両側には、カソード側セパレータ５２とアノード側セパレータ５４とが配設される。カソード側セパレータ５２には、カソード電極４８に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路５６が形成されるとともに、アノード側セパレータ５４には、アノード電極５０に燃料ガスを供給する燃料ガス流路５８が形成される。なお、燃料電池４４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４４は、作動温度が数百℃と高温であり、アノード電極５０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４６の前記アノード電極５０側に供給される。
【００３４】
燃料電池スタック１２には、各酸化剤ガス流路５６の入口側に一体に連通する酸化剤ガス入口連通孔６０ａと、前記酸化剤ガス流路５６の出口側に一体に連通する酸化剤ガス出口連通孔６０ｂとが設けられる。酸化剤ガス入口連通孔６０ａには、酸化剤ガス供給通路３６が連通する一方、酸化剤ガス出口連通孔６０ｂには、酸化剤排ガス通路３２が連通する。
【００３５】
燃料電池スタック１２には、各燃料ガス流路５８の入口側に一体に連通する燃料ガス入口連通孔６２ａと、前記燃料ガス流路５８の出口側に一体に連通する燃料ガス出口連通孔６２ｂとが設けられる。燃料ガス入口連通孔６２ａには、燃料ガス供給通路２８ａが連通する一方、燃料ガス出口連通孔６２ｂには、燃料排ガス通路３０が連通する。
【００３６】
改質器１４は、基本的には、起動時に部分酸化改質器（ＰＯＸ）として機能するとともに、定常時にオートサーマル改質器（ＡＲ）として機能する。部分酸化改質は、炭化水素を主体とする原燃料（例えば、都市ガス）と酸化剤ガスとの部分酸化反応により前記原燃料を改質し、燃料ガスを生成する。
【００３７】
部分酸化改質は、具体的には、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る。部分酸化改質は、約５００℃〜１０００℃の作動温度に設定される。部分酸化改質は、Ｐｔ（白金）、Ｒｈ（ロジウム）又はＰｄ（パラジウム）の少なくとも１種類の触媒金属を使用する。
【００３８】
オートサーマル改質は、部分酸化改質と水蒸気改質とが併用されるものであり、前記水蒸気改質は、原燃料と水蒸気との混合ガスを改質し、燃料ガスを生成する。水蒸気改質は、Ｒｕ（ルテニウム）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｐｔ（白金）、Ｒｈ（ロジウム）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｉｒ（イリジウム）又はＦｅ（鉄）の少なくとも１種類の触媒金属を使用する。改質器１４では、部分酸化改質及び水蒸気改質を行う単一の触媒金属、Ｐｔ（白金）、Ｒｈ（ロジウム）又はＰｄ（パラジウム）の少なくとも１種類の触媒金属が使用される。
【００３９】
水添脱硫器１６は、硫黄化合物を触媒（Ｎｉ−Ｍｏ系、Ｃｏ−Ｍｏ系）上で水素と反応させて硫化水素に変換するとともに、前記硫化水素を酸化亜鉛に取り込んで除去する。例えば、下記の反応が発生する。
Ｈ3Ｃ−Ｓ−ＣＨ3＋２Ｈ2→２ＣＨ4＋Ｈ2Ｓ
Ｈ2Ｓ＋ＺｎＯ→Ｈ2Ｏ＋ＺｎＳ
【００４０】
排ガス燃焼器１８は、燃料電池スタック１２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とともに、熱交換器２０に供給する。熱交換器２０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１２に前記酸化剤ガスを供給する。
【００４１】
図２及び図３に示すように、燃料電池モジュール１０は、燃料電池スタック１２が収容される第１筐体６４と、少なくとも前記燃料電池スタック１２、排ガス燃焼器１８及び熱交換器２０が収容される第２筐体６６とを備える。第１筐体６４と第２筐体６６との間には、燃焼ガス室６８が形成される。
【００４２】
第２筐体６６内では、燃料電池スタック１２の下部に排ガス燃焼器１８及び熱交換器２０が一体に配置されるとともに、前記第２筐体６６の上部には、燃焼ガス室６８内の燃焼ガスを外部に排出する燃焼ガス排出口７０が形成される。
【００４３】
図４及び図５に示すように、排ガス燃焼器１８は、熱交換器２０の端部に連結される。排ガス燃焼器１８は、直方体形状を有し、内部に燃焼室７２が形成される。燃焼室７２には、燃料排ガス通路３０及び酸化剤排ガス通路３２が連通し、酸化剤排ガス及び燃料排ガスが供給されて燃焼する。
【００４４】
燃焼室７２には、例えば、金属やアルミニウムの担体にＰｔ（白金）、Ｒｈ（ロジウム）又はＰｄ（パラジウム）が担持された燃焼触媒が配置される。燃焼室７２には、排ガス温度が燃焼温度まで昇温されない際に、外部から熱を加えるための点火装置７４ａが配置される。
【００４５】
熱交換器２０は、矩形状を有し、一端に連結された排ガス燃焼器１８の燃焼室７２に連通する複数本の燃焼ガス流通路７６を有する。各燃焼ガス流通路７６は、矢印Ａ方向に向かって燃焼ガスを流通させるとともに、燃焼ガス排出室７８に連通する。
【００４６】
燃焼ガス排出室７８の上部には、複数個の燃焼ガス排出開口部８０が連通し、前記燃焼ガス排出開口部８０は、燃焼ガス室６８内に開放される。図２及び図３に示すように、燃焼ガス室６８内では、燃焼ガス排出開口部８０と燃焼ガス排出口７０とは、対角位置に配置される。燃焼ガス排出室７８には、燃焼ガス温度を上昇させるために点火装置７４ｂが配置され、燃焼ガス室６８に放出される燃焼ガスの温度を確保することができる（図４及び図５参照）。
【００４７】
熱交換器２０には、図５に示すように、燃焼ガス流通路７６と交互に設けられ、酸化剤ガスを矢印Ｂ方向（矢印Ａ方向とは反対方向）に流通させる複数本の酸化剤ガス流通路８２が配置される。各酸化剤ガス流通路８２の入口側は、酸化剤ガス供給通路２６ａに一体に連通する一方、前記酸化剤ガス流通路８２の出口側は、酸化剤ガス供給通路３６に一体に連通する。
【００４８】
図２及び図３に示すように、第２筐体６６の底部には、燃焼ガス室６８の外部に位置して改質器１４及び水添脱硫器１６が一体に配置される。図４及び図６に示すように、改質器１４は、水添脱硫器１６の内部に配置される。改質器１４は、直方体形状を有し、一端側の底部には、燃料ガス供給通路２８が接続される。改質器１４内には、触媒金属（図示せず）が充填されており、他端側の側部には、開口部８４が形成される。改質器１４内には、改質器温度を上昇させるため点火装置７４ｃが配置される。
【００４９】
改質器１４の開口部８４は、水添脱硫器１６の内部一端に連通する。水添脱硫器１６内の略中央に改質器１４が配置されるとともに、前記改質器１４の外周を周回して水添脱硫室８６が設けられる。水添脱硫室８６には、図示しないが、触媒が充填される。水添脱硫器１６の内部他端側には、開口部８８を介して燃料ガス供給通路２８ａが連通する。
【００５０】
このように構成される燃料電池モジュール１０の動作について、以下に説明する。
【００５１】
燃料電池モジュール１０の起動時には、図１に示すように、酸化剤ガス供給装置２２から酸化剤ガス供給通路２６、２６ａに酸化剤ガスである空気が供給される。空気の一部は、燃料ガス供給通路２８に合流して改質器１４に供給されるとともに、残余の空気は、熱交換器２０に供給される。
【００５２】
一方、原燃料供給装置２４から燃料ガス供給通路２８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、前記原燃料は、改質器１４内に供給される。このため、改質器１４内には、原燃料と空気との混合ガスが供給され、この混合ガスが点火装置７４ｃを介して着火されることにより、部分酸化改質が開始される。
【００５３】
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、改質器１４から高温（約５００℃〜１０００℃）の還元ガス（燃料ガス）が発生する。高温の還元ガスは、水添脱硫器１６に供給される。具体的には、図６に示すように、改質器１４の長手方向に流通した還元ガスは、開口部８４を通って水添脱硫室８６に導入される。従って、還元ガスに含まれる硫黄化合物は、硫化水素に変換された後、酸化亜鉛に取り込まれて除去される。
【００５４】
硫黄化合物が除去された還元ガスは、燃料ガス供給通路２８ａを流通して燃料電池スタック１２の燃料ガス入口連通孔６２ａに供給される。図１に示すように、燃料電池スタック１２では、高温の還元ガスは、各燃料ガス流路５８を流通した後、燃料ガス出口連通孔６２ｂから燃料排ガス通路３０に排出される。還元ガスは、一部分がリサイクル通路３８に分流されるとともに、残余の部分が燃料排ガス通路３０に連通する排ガス燃焼器１８内に導入される。
【００５５】
図５に示すように、排ガス燃焼器１８の燃焼室７２には、後述するように、空気（酸化剤排ガス）が供給されており、前記空気と還元ガスとが、自己着火され、又は点火装置７４ａにより着火され、燃焼される。燃焼室７２内に発生した燃焼ガスは、熱交換器２０を構成する複数本の燃焼ガス流通路７６を通って燃焼ガス排出室７８に排出される。燃焼ガスは、さらに複数個の燃焼ガス排出開口部８０から燃焼ガス室６８内に導入される。
【００５６】
熱交換器２０では、酸化剤ガス供給通路２６ａから複数本の酸化剤ガス流通路８２に空気が供給される。空気は、各酸化剤ガス流通路８２に沿って流動する際に、燃焼ガスと熱交換を行って昇温される。昇温された空気は、図１に示すように、酸化剤ガス供給通路３６を介して燃料電池スタック１２の酸化剤ガス入口連通孔６０ａに供給される一方、燃焼ガスは、排ガスとして燃料電池モジュール１０の外部に排出される。
【００５７】
この空気は、各酸化剤ガス流路５６を流通した後、酸化剤ガス出口連通孔６０ｂから酸化剤排ガス通路３２に排出される。さらに、空気は、排ガス燃焼器１８に導入されて、燃焼処理に使用される。このため、排ガス燃焼器１８では、燃焼により燃料電池スタック１２を輻射又は伝熱加熱する。
【００５８】
一方、リサイクル通路３８に分流された燃料排ガスは、エゼクタ４２の負圧作用下に燃料ガス供給通路２８に導入され、改質器１４に供給される。燃料排ガスは、水素と水蒸気を含んでおり、前記水蒸気は、改質器１４に送られて水蒸気改質が遂行される。従って、改質器１４は、空気と水蒸気とが供給されるため、部分酸化改質と水蒸気改質とが行われ、前記改質器１４がオートサーマル改質機能を発揮することができる。
【００５９】
燃料電池スタック１２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５６を流通する一方、燃料ガスが燃料ガス流路５８を流通する。これにより、各燃料電池４４のカソード電極４８に空気が供給されるとともに、アノード電極５０に燃料ガスが供給され、化学反応により発電が行われる。
【００６０】
この場合、第１の実施形態では、図２及び図３に示すように、第２筐体６６には、燃料電池スタック１２を収納する第１筐体６４、排ガス燃焼器１８及び熱交換器２０が収容されている。そして、排ガス燃焼器１８は、第１筐体６４と第２筐体６６との間に形成される燃焼ガス室６８に開放される燃焼ガス排出開口部８０を有している。
【００６１】
このため、排ガス燃焼器１８の燃焼ガス排出開口部８０から燃焼ガス室６８に排出される高温の燃焼ガスは、第１筐体６４の周囲、すなわち、燃料電池スタック１２の周囲を包み込むように流通し、前記燃料電池スタック１２の断熱層として機能することができる。従って、燃料電池スタック１２からの放熱を可及的に抑制することが可能になり、起動性及び熱効率の向上が図られるという効果が得られる。
【００６２】
また、排ガス燃焼器１８及び熱交換器２０は、第１筐体６４よりも下方に配置されるとともに、第２筐体６６の上部には、燃焼ガス室６８を流通した燃焼ガスを排出させる燃焼ガス排出口７０が形成されている。その際、燃焼ガス排出口７０と燃焼ガス排出開口部８０とは、第１筐体６４を挟んで対角位置に配置されている。
【００６３】
これにより、燃焼ガスは、第１筐体６４の下部から前記第１筐体６４の周囲に沿って流通し、第２筐体６６の上部から排出されている。このため、高温の燃焼ガスは、燃料電池スタック１２の周囲を包み込むように流通し、前記燃料電池スタック１２の断熱層として機能することができる。従って、燃料電池スタック１２からの放熱を可及的に抑制することが可能になり、起動性及び熱効率の向上が図られる。
【００６４】
さらに、改質器１４及び水添脱硫器１６は、第２筐体６６の外部且つ下部に配置されている。これにより、改質器１４及び水添脱硫器１６は、第２筐体６６内の高温雰囲気に晒されることがなく、改質効率及び脱硫効率を良好に確保することができる。
【００６５】
さらにまた、燃料電池モジュール１０は、図１に示すように、改質器１４及び水添脱硫器１６が配設されるとともに、燃料ガスを燃料電池スタック１２に供給する燃料ガス供給通路２８を備えている。その際、燃料電池スタック１２から燃料排ガスを排出させる燃料排ガス通路３０には、前記燃料排ガスの一部を、燃料ガス供給通路２８の改質器１４の上流側に還流させるリサイクル通路３８が連結されている。
【００６６】
このため、燃料利用率を向上させることができ、発電効率の向上が図られる。しかも、燃料排ガスは、未使用の燃料ガス及び水蒸気を主成分としている。これにより、未使用の燃料ガスを還流させることにより、水添脱硫器１６は、水添脱硫が遂行可能になる。一方、水蒸気を還流させることにより、改質器１４は、部分酸化改質と水蒸気改質とを併用するオートサーマル改質が可能になる。従って、部分酸化改質の起動性と水蒸気改質の高効率とを発揮させることができる。
【００６７】
また、リサイクル通路３８と燃料ガス供給通路２８との合流部には、改質器１４に供給される原燃料の供給に応じて発生する負圧により、前記リサイクル通路３８を流通する燃料排ガスの流量を調整するエゼクタ４２が配設されている。これにより、燃料電池４４の発電量に応じた燃料排ガスのリサイクルが調整可能になる。このため、燃料利用率が向上し、発電効率の向上を図ることができる。
【００６８】
さらに、リサイクル通路３８と燃料排ガス通路３０との分岐部には、前記リサイクル通路３８を流通する燃料排ガスの流量を調整する調節弁４０が配設されている。従って、燃料電池４４の発電量に応じた燃料排ガスのリサイクルがきめ細やかに調整可能になる。これにより、燃料利用率が向上し、発電効率の向上を図ることができる。
【００６９】
さらにまた、燃料電池モジュール１０は、固体酸化物形燃料電池モジュールである。このため、特にＳＯＦＣ等の高温型燃料電池に最適である。
【００７０】
図７は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池モジュール９０の概略構成説明図である。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。
【００７１】
燃料電池モジュール９０は、改質器１４ａと水添脱硫器１６ａとを備えるとともに、燃料ガス供給通路２８には、前記水添脱硫器１６ａの下流に位置して前記改質器１４ａが配設される。
【００７２】
このように構成される第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。
【符号の説明】
【００７３】
１０、９０…燃料電池モジュール      １２…燃料電池スタック
１４、１４ａ…改質器                １６、１６ａ…水添脱硫器
１８…排ガス燃焼器                  ２０…熱交換器
２２…酸化剤ガス供給装置            ２４…原燃料供給装置
２６、２６ａ、３６…酸化剤ガス供給通路
２８、２８ａ…燃料ガス供給通路      ３０…燃料排ガス通路
３２…酸化剤排ガス通路              ３４、４０…調節弁                  
３８…リサイクル通路                ４２…エゼクタ
４４…燃料電池                      ６４、６６…筐体
６８…燃焼ガス室                    ７０…燃焼ガス排出口
７２…燃焼室                        ８０…燃焼ガス排出開口部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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