(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を少なくとも部分酸化改質又は水蒸気改質し、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、
前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、
を備える燃料電池モジュールであって、
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には、前記改質器及び前記水添脱硫器が、前記改質器を前記水添脱硫器の上流側として配設されるとともに、
前記燃料電池スタックから前記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、
さらに、前記燃料電池スタックから排出される酸化剤ガスである酸化剤排ガスと、前記燃料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熱交換器と、
を備え、
前記酸化剤ガス供給装置は、前記酸化剤ガスの一部を前記改質器に供給するとともに残部を前記熱交換器に供給し、
前記改質器に供給された前記酸化剤ガスが前記原燃料を改質する一方、前記熱交換器に供給されて昇温された酸化剤ガスが前記燃料電池スタックに供給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、前記リサイクル通路と前記燃料排ガス通路の分岐部には、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４】
請求項３記載の燃料電池モジュールにおいて、前記排ガス燃焼器は、前記分岐部の下流側に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、前記熱交換器は、前記排ガス燃焼器の下流側に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】
この場合、原燃料中には、通常、硫黄成分が含まれている。硫黄成分が燃料電池に供給されると、該燃料電池の性能低下が惹起されるため、脱硫器等を用いて前記硫黄成分を除去する必要がある。
【０００５】
例えば、特許文献１に開示されている燃料電池発電システムが知られている。このシステムは、図８に示すように、燃料ブロア１ａから供給される改質ガスが添加された燃料ガス中の硫黄成分を除去するために、水添脱硫器２ａを備えている。水添脱硫器２ａによって硫黄成分が除去された燃料ガスは、改質器３ａにより改質された後、燃料電池本体４ａに供給されている。燃料ブロア１ａの上流には、改質器３ａから前記燃料ブロア１ａに供給される改質ガスの圧力を調整するために、圧力調整部５ａが配設されている。
【０００６】
また、特許文献２に開示されている燃料電池システムが知られている。このシステムは、図９に示すように、水素を含む原料ガスの硫黄成分を、水添脱硫により除去する脱硫器１ｂを備えている。脱硫器１ｂにより硫黄成分が除去された脱硫原料ガスは、第１改質器２ｂにより改質されて燃料ガスが生成されている。
【０００７】
燃料電池３ｂは、第１改質器２ｂで生成された燃料ガスを受け取り、この燃料ガスと外部から供給される空気とを発電反応させて発電している。原料ガスを部分酸化反応により部分的に改質して水素を含む部分改質原料ガスを生成し、この生成した部分改質原料ガスを、水素を含む原料ガスとして脱硫器１ｂに供給する第２改質器４ｂが設けられている。
【０００８】
さらに、特許文献３に開示されている水素生成装置が知られている。この水素生成装置は、図１０に示すように、原料ガスを用いて水素含有ガスを生成する水素生成器１ｃと、前記水素生成器１ｃに供給される原料ガス中の硫黄化合物を除去する水添脱硫器２ｃと、リサイクル流路３ｃとを備えている。リサイクル流路３ｃは、水素生成器１ｃより送出される水素含有ガスを水添脱硫器２ｃよりも上流のガス流路４ｃ内の原料ガスに供給している。ガス流路４ｃとリサイクル流路３ｃとの合流部と水添脱硫器２ｃとの間には、原料ガス供給器５ｃが設けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１３−２２５４１１号公報
【特許文献２】特開２０１３−１０１８２２号公報
【特許文献３】国際公開第２０１１／０７７７５３号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記の特許文献１では、水添脱硫器２ａが用いられているため、水添脱硫材を２５０℃〜５００℃程度に加熱する必要がある。しかしながら、加熱用の熱源が設けられてないため、別途、加熱源を設置しなければならず、システム効率が低下するという問題がある。
【００１１】
しかも、改質器３ａで生成された燃料ガスの一部が、水添脱硫に使用されるため、実質的に燃料電池本体４ａに供給される燃料が減少するという問題がある。さらに、燃料ブロア１ａは、水素が流通する仕様になっており、コストが高騰するとともに、ガスシール性の信頼度が低いという問題がある。
【００１２】
また、上記の特許文献２では、第１改質器２ｂ及び第２改質器４ｂが内蔵されており、コストが高騰するとともに、システム全体が大型化するという問題がある。しかも、部分酸化反応により効率が低下し易く、システム効率の低下が惹起されるという問題がある。
【００１３】
さらにまた、上記の特許文献３では、上記の特許文献１と同様に、水添脱硫材を２５０℃〜５００℃程度に加熱する必要があり、システム効率が低下するという問題がある。
【００１４】
その上、水素生成器１ｃで生成された水素含有ガスの一部が、水添脱硫に使用されるため、実質的に燃料電池に供給される燃料が減少するという問題がある。さらに、水素が流通する仕様になっているブロアが必要であり、コストが高騰するとともに、ガスシール性の信頼度が低いという問題がある。
【００１５】
本発明は、この種の問題を解決するものであり、コンパクトな構成で、発電効率の向上を図るとともに、良好な水添脱硫を効率的に行う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】
本発明に係る燃料電池モジュールは、燃料電池スタック、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。改質器は、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。
【００１７】
燃料電池モジュールでは、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には、改質器及び水添脱硫器が配設されている。そして、燃料電池スタックから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ている。
【００１８】
また、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。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。
【００１９】
さらに、リサイクル通路と燃料排ガス通路の分岐部には、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。これにより、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。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。
【００２０】
さらにまた、分岐部の下流側には、燃料電池スタックから排出される酸化剤ガスである酸化剤排ガスと、燃料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が配設されることが好ましい。従って、燃焼ガスの熱エネルギを燃料電池モジュールの熱自立の促進に利用することが可能になる。ここで、熱自立とは、外部から熱を加えることなく自ら発生する熱のみで燃料電池の動作温度を維持することをいう。
【００２１】
また、排ガス燃焼器の下流側には、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熱交換器が配設されることが好ましい。これにより、酸化剤ガスは、燃焼ガスの熱量を効率的に受熱することができ、燃料電池モジュールの熱自立の促進が図られる。
【００２２】
さらに、燃料ガス供給通路には、改質器が水添脱硫器の上流側に配設されることが好ましい。このため、水添脱硫器は、部分酸化改質による発熱反応の熱量を効率的に受熱することが可能になる。従って、水添脱硫反応の促進を図ることができる。
【００２３】
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】
【００２４】
本発明によれば、燃料電池スタックから排出される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を備えている。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。
【００２５】
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、水添脱硫が遂行可能になる。一方、水蒸気を還流させることにより、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。
【００２６】
従って、コンパクトな構成で、発電効率の向上を図るとともに、良好な水添脱硫を効率的に行うことが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池モジュール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。
【図８】特許文献１に開示されている燃料電池発電システムの概略説明図である。
【図９】特許文献２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。
【図１０】特許文献３に開示されている水素生成装置の概略説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
図１に示すように、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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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、前記排ガス燃焼器１８の出口側に熱交換器２０の入口側が接続される。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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が配置される（図４及び図５参照）。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
硫化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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
この場合、第１の実施形態では、燃料電池スタック１２から燃料排ガス通路３０に排出される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を備えている。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。
【００６５】
しかも、リサイクル通路３８を流通する燃料排ガスは、未使用の燃料ガスである水素及び水蒸気を主成分としている。これにより、未使用の水素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。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。
【００６６】
従って、燃料電池モジュール１０は、コンパクトな構成で、発電効率の向上を図るとともに、良好な水添脱硫を効率的に行うことが可能になるという効果が得られる。
【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。このため、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。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。
【００６８】
さらに、リサイクル通路３８と燃料排ガス通路３０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。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きめ細やかに調整可能になる。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。
【００６９】
さらにまた、分岐部（調節弁４０）の下流側には、燃料電池スタック１２から排出される酸化剤ガスである酸化剤排ガスと、燃料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１８が配設されている。従って、燃焼ガスの熱エネルギを燃料電池モジュール１０の熱自立の促進に利用することが可能になる。ここで、熱自立とは、外部から熱を加えることなく自ら発生する熱のみで燃料電池４４の動作温度を維持することをいう。
【００７０】
また、排ガス燃焼器１８の下流側には、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熱交換器２０が配設されている。これにより、酸化剤ガスは、燃焼ガスの熱量を効率的に受熱することができ、燃料電池モジュール１０の熱自立の促進が図られる。
【００７１】
さらに、燃料ガス供給通路２８には、改質器１４が水添脱硫器１６の上流側に配設されている。このため、水添脱硫器１６は、部分酸化改質による発熱反応の熱量を効率的に受熱することが可能になる。従って、水添脱硫反応の促進を図ることができる。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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】
【００７６】
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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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