(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、燃焼排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、
前記起動用燃焼器に前記原燃料を供給する第１燃料供給流路と、
前記改質器に前記原燃料を供給する第２燃料供給流路と、
前記第１燃料供給流路又は前記第２燃料供給流路の一方のみに前記原燃料を供給するための三方弁と、
前記三方弁を介して前記第１燃料供給流路及び前記第２燃料供給流路が合流されるとともに、該三方弁の上流に遮断弁が配置される原燃料供給流路と、
を備え、
前記三方弁は、非通電時及び通電時に常に開放され、前記遮断弁に接続される共通ポートと、
非通電時に開放される一方、通電時に閉塞され、前記第１燃料供給流路又は前記第２燃料供給流路に繋がる開放ポートと、
非通電時に閉塞される一方、通電時に開放され、前記第２燃料供給流路又は前記第１燃料供給流路に繋がる閉塞ポートと、
を有し、
前記開放ポートの下流には、流体の逆流を阻止する逆止弁が配設され、且つ、前記閉塞ポートの下流には、前記逆止弁が設けられない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、前記原燃料供給流路には、前記原燃料の流量を計測する流量センサと、
前記原燃料に含まれる硫黄成分を除去する脱硫器と、
が、前記遮断弁と前記三方弁との間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、前記排ガス燃焼器で発生する前記燃焼排ガスを前記起動用燃焼器に供給するとともに、前記起動用燃焼器で発生する前記燃焼ガス及び前記燃焼排ガスが流通する排ガス流路を備え、
前記開放ポートには、前記起動用燃焼器が配置される前記第１燃料供給流路が接続される一方、
前記閉塞ポートには、前記改質器が配置される前記第２燃料供給流路が接続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、前記排ガス流路には、前記燃焼ガス又は前記燃焼排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昇温された前記酸化剤ガスを供給する空気予熱器を備え、
前記起動用燃焼器は、前記燃焼ガス及び前記燃焼排ガスを前記空気予熱器に供給す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、前記第２燃料供給流路から前記排ガス流路の一部及び前記第１燃料供給流路に連なる燃料系流通路を有し、
前記燃料系流通路には、少なくとも前記改質器、前記燃料電池スタック、前記排ガス燃焼器及び前記起動用燃焼器が配置されるとともに、
前記逆止弁の開弁圧は、前記燃料系流通路の全圧力損失よりも大きな圧力に設定され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】
ＳＯＦＣでは、運転温度が比較的高温に設定されており、始動時には、改質器等の周辺機器及び燃料電池スタック本体を所望の温度に暖機する必要がある。この種の暖機方式としては、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池システムとその運転方法が知られている。
【０００４】
この燃料電池システムでは、燃料電池に接して該燃料電池の温度を調整する熱媒層と、反応ガスを燃焼させて熱を発生させる燃焼器とが配置された燃料電池スタックを備えている。そして、燃料電池への水素供給流路上には、燃焼器に接続された水素供給分岐流路に対し水素を流量調整して流すことが可能な三方流量制御弁が配設されている。
【０００５】
そこで、三方流量制御弁を介して燃焼器に所定流量の水素を供給し、この水素を前記燃焼器で燃焼させることによって、燃料電池スタック内の熱媒を暖めることができ、ひいては燃料電池スタックを暖めることができる、としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−３１９３６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、この種の技術に関連してなされたものであり、簡単且つ安価な三方弁を用いるとともに、部品点数を可及的に削減して構成の簡素化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】
【０００８】
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、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。
【０００９】
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。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、燃焼排ガスを発生させている。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ている。
【００１０】
この燃料電池モジュールは、起動用燃焼器に原燃料を供給する第１燃料供給流路と、改質器に前記原燃料を供給する第２燃料供給流路と、を備えている。燃料電池モジュールは、第１燃料供給流路又は第２燃料供給流路の一方のみに原燃料を供給するための三方弁と、原燃料供給流路と、を備えている。原燃料供給流路には、三方弁を介して第１燃料供給流路及び第２燃料供給流路が合流されるとともに、該三方弁の上流に遮断弁が配置されている。
【００１１】
三方弁は、共通ポート、開放ポート及び閉塞ポートを有している。共通ポートは、非通電時及び通電時に常に開放されるとともに、遮断弁に接続されている。開放ポートは、非通電時に開放される一方、通電時に閉塞されるとともに、第１燃料供給流路又は第２燃料供給流路に繋がっている。閉塞ポートは、非通電時に閉塞される一方、通電時に開放されるとともに、第２燃料供給流路又は第１燃料供給流路に繋がっている。そして、開放ポートの下流には、流体の逆流を阻止する逆止弁が配設され、且つ、閉塞ポートの下流には、前記逆止弁が設けられていない。
【００１２】
また、この燃料電池モジュールでは、原燃料供給流路には、原燃料の流量を計測する流量センサと、前記原燃料に含まれる硫黄成分を除去する脱硫器とが、遮断弁と三方弁との間に位置して配置されることが好ましい。
【００１３】
三方弁は、閉塞ポート自体により水分の逆流を阻止する一方、開放ポートの下流に設けられた逆止弁により前記水分の逆流を阻止することが可能である。従って、三方弁は、簡単な構成で、水分の逆流による流量センサ及び脱硫器への影響を確実に防止することができる。
【００１４】
さらに、この燃料電池モジュールでは、排ガス燃焼器で発生する燃焼排ガスを起動用燃焼器に供給するとともに、前記起動用燃焼器で発生する燃焼ガス及び前記燃焼排ガスが流通する排ガス流路を備えることが好ましい。その際、開放ポートには、起動用燃焼器が配置される第１燃料供給流路が接続される一方、閉塞ポートには、改質器が配置される第２燃料供給流路が接続されることが好ましい。
【００１５】
これにより、三方弁の劣化によって原燃料の漏れが発生した際、第１燃料供給流路に配置されている逆止弁の開弁圧が抵抗として機能し、起動用燃焼器側に前記原燃料が流れることを阻止することができる。このため、起動時以外に起動用燃焼器に原燃料が供給されることがなく、前記原燃料が無駄に排気されることを確実に抑制することが可能になる。
【００１６】
さらにまた、排ガス流路には、燃焼ガス又は燃焼排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昇温された前記酸化剤ガスを供給する空気予熱器を備えることが好ましい。その際、起動用燃焼器は、燃焼ガス及び燃焼排ガスを空気予熱器に供給することが好ましい。従って、起動時及び運転時にも、空気予熱器に熱エネルギを供給することができ、酸化剤ガスを良好に昇温させることが可能になる。
【００１７】
また、第２燃料供給流路から排ガス流路の一部及び第１燃料供給流路に連なる燃料系流通路を有し、前記燃料系流通路には、少なくとも改質器、燃料電池スタック、排ガス燃焼器及び起動用燃焼器が配置されることが好ましい。その際、逆止弁の開弁圧は、燃料系流通路の全圧力損失よりも大きな圧力に設定されることが好ましい。これにより、三方弁の劣化によって第１燃料供給流路に原燃料の漏れが発生した際、前記第１燃料供給流路に配置されている逆止弁の開弁圧は、抵抗として機能する。このため、起動用燃焼器側に原燃料が供給されることを可及的に抑制することができ、前記原燃料を効率的且つ経済的に使用することが可能になる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、三方弁の開放ポートの下流には、流体の逆流を阻止する逆止弁が配設されている。このため、特に燃料電池モジュールの停止時に、燃料電池スタックからの水分（水蒸気）が、原燃料供給流路に入り込むことを可及的に抑制することができる。しかも、閉塞ポートの下流には、逆止弁が設けられていない。従って、簡単且つ安価な三方弁を用いるとともに、部品点数を可及的に削減して構成の簡素化を図ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明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流体流れ状態を示す概略説明図である。
【図３】前記燃料電池モジュールの要部概略説明図である。
【図４】比較例１の概略説明図である。
【図５】比較例２の概略説明図である。
【図６】三方弁に漏れが発生した際の動作説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図１に示すように、本発明の実施形態に係る燃料電池モジュール１０は、定置用の他、車載用等の種々の用途に用いられる。燃料電池モジュール１０は、燃料電池ユニット１２を備え、前記燃料電池ユニット１２が筐体１４内に収容される。
【００２１】
図１及び図２に示すように、燃料電池ユニット１２は、燃料電池スタック１６、改質器１８、空気予熱器２０、排ガス燃焼器２２、起動用燃焼器２４、蒸発器２６、排気触媒昇温器２８及び排気触媒３０を備える。
【００２２】
燃料電池スタック１６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。燃料電池スタック１６は、図１に示すように、平板状の固体酸化物形燃料電池３２を備え、複数の前記燃料電池３２は、鉛直方向（矢印Ａ方向）又は水平方向（矢印Ｂ方向）に積層される。
【００２３】
燃料電池３２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の両面に、カソード電極及びアノード電極が設けられた電解質・電極接合体（ＭＥＡ）を備える。電解質・電極接合体の両側には、カソードセパレータとアノードセパレータとが配設される。カソードセパレータには、カソード電極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路が形成されるとともに、アノードセパレータには、アノード電極に燃料ガスを供給する燃料ガス流路が形成される。
【００２４】
改質器１８は、燃料電池スタック１６に隣接して略コ字状に配置されるとともに、前記改質器１８の内部には、排ガス燃焼器２２が配置される。改質器１８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（水蒸気改質）し、燃料電池スタック１６に供給される燃料ガスを生成する。排ガス燃焼器２２は、燃料電池スタック１６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、燃焼排ガスを発生させる。
【００２５】
改質器１８には、燃料電池スタック１６とは反対側に隣接して空気予熱器２０及び起動用燃焼器２４が配置されるとともに、前記空気予熱器２０には、蒸発器２６及び混合器３６が積層される。空気予熱器２０は、燃焼ガス又は燃焼排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１６に前記酸化剤ガスを供給する。
【００２６】
起動用燃焼器２４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。蒸発器２６は、水を蒸発させるとともに、水蒸気を混合器３６に供給する。混合器３６は、水蒸気と原燃料とを混合して混合ガスを生成し、前記混合ガスを改質器１８に供給する。
【００２７】
排ガス燃焼器２２には、第１グロープラグ３４ａが配置されるとともに、起動用燃焼器２４には、第２グロープラグ３４ｂが配置される。第１グロープラグ３４ａは、燃料排ガスと酸化剤排ガスとの混合ガスを点火させる。第２グロープラグ３４ｂは、原燃料と酸化剤ガスとの混合ガスを点火させる。
【００２８】
排気触媒３０は、燃焼ガス又は燃焼排ガスを外部に放出させる前に、前記燃焼ガス又は前記燃焼排ガスに含まれる不純物を除去する。排気触媒昇温器２８は、排気触媒３０を必要に応じて活性温度に昇温させるヒータ（加熱器）を備える。排ガス燃焼器２２と起動用燃焼器２４とは、いずれか一方のみが選択的に駆動される。
【００２９】
図２に示すように、空気予熱器２０には、空気供給源（図示せず）から燃料電池スタック１６の酸化剤ガス系流路（図示せず）に空気（酸化剤ガス）を供給するための空気供給流路３８が接続される。蒸発器２６の入口には、貯水源（図示せず）から水を供給するための水供給流路４０が接続され、前記蒸発器２６の出口には、水蒸気を混合器３６に供給するための水蒸気供給流路４０ａが接続される。
【００３０】
図３に示すように、起動用燃焼器２４の入口２４INには、原燃料を供給するための第１燃料供給流路４２ａが接続される。混合器３６（実質的には、改質器１８）には、原燃料を供給する第２燃料供給流路４２ｂが接続される。図２及び図３に示すように、混合器３６には、水蒸気と原燃料との混合ガスを改質器１８に供給する混合ガス供給流路４４が接続される。改質器１８には、改質ガス（燃料ガス）を燃料電池スタック１６の燃料ガス系流路（図示せず）に供給する改質ガス供給流路４６が接続される。
【００３１】
第１燃料供給流路４２ａと第２燃料供給流路４２ｂとは、三方弁４８に接続され、原燃料供給流路５０に一体化される。原燃料供給流路５０には、原燃料供給源（都市ガス１３Ａ）５２から原燃料流れ方向下流に向かって、第１電磁弁（遮断弁）５４ａ、第２電磁弁（遮断弁）５４ｂ、脱硫器５６及び流量センサ５８が配置される。脱硫器５６は、原燃料に含まれる硫黄成分を除去する。流量センサ５８は、原燃料の流量を計測する。
【００３２】
図３に示すように、三方弁４８は、共通ポート４８COM、開放ポート４８NO及び閉塞ポート４８NCを有する。共通ポート４８COMは、非通電時及び通電時に常に開放されるとともに、第１電磁弁５４ａ及び第２電磁弁５４ｂに接続される。開放ポート４８NOは、非通電時に開放される一方、通電時に閉塞されるとともに、第１燃料供給流路４２ａ（又は第２燃料供給流路４２ｂ）に繋がる。閉塞ポート４８NCは、非通電時に閉塞される一方、通電時に開放されるとともに、第２燃料供給流路４２ｂ（又は第１燃料供給流路４２ａ）に繋がる。
【００３３】
開放ポート４８NOの下流には、すなわち、第１燃料供給流路４２ａには、流体（燃焼ガス又は燃焼排ガス）の逆流を阻止する逆止弁６０が配設される。閉塞ポート４８NCの下流には、逆止弁が設けられていない。
【００３４】
図２に示すように、燃料電池スタック１６の燃料排ガス出口と排ガス燃焼器２２とは、燃料排ガス流路６２ａにより接続される。燃料電池スタック１６の酸化剤排ガス出口と排ガス燃焼器２２とは、酸化剤排ガス流路６２ｂにより接続される。排ガス燃焼器２２により生成される燃焼排ガスは、排ガス流路６４を介して改質器１８に供給される。排ガス流路６４は、改質器１８の下流で起動用燃焼器２４の入口２４INに接続される（図３参照）。
【００３５】
排ガス流路６４には、燃料排ガスの流れ方向下流に沿って、改質器１８、起動用燃焼器２４、空気予熱器２０、排気触媒昇温器２８及び排気触媒３０の順に配置される。
【００３６】
図３に示すように、燃料電池ユニット１２は、第２燃料供給流路４２ｂから排ガス流路６４の一部及び第１燃料供給流路４２ａに連なる燃料系流通路６６を有する。燃料系流通路６６には、少なくとも改質器１８、燃料電池スタック１６、排ガス燃焼器２２及び起動用燃焼器２４が配置されるとともに、必要に応じて混合器３６が配置される。
【００３７】
逆止弁６０の開弁圧ＰSETは、燃料系流通路６６の全圧力損失ＰLOSSよりも大きな圧力に設定される（開弁圧ＰSET≧全圧力損失ＰLOSS）。第２燃料供給流路４２ｂに供給される原燃料の供給圧力をＰALLとする。混合器３６の圧力損失Ｐ１、改質器１８の改質時の圧力損失Ｐ２、燃料電池スタック１６の圧力損失Ｐ３、排ガス燃焼器２２の圧力損失Ｐ４及び前記改質器１８の排ガス通過時の圧力損失Ｐ５とする。
【００３８】
なお、起動用燃焼器２４では、入口２４INと出口２４OUTとの間に圧力損失Ｐ６が発生する。しかしながら、燃料系流通路６６では、排ガス流路６４の一部及び第１燃料供給流路４２ａが、起動用燃焼器２４の入口２４INで接続されるため、起動用燃焼器２４での圧力損失は０とみなすことができる。
【００３９】
燃料系流通路６６の全圧力損失ＰLOSSは、全圧力損失ＰLOSS＝Ｐ１＋Ｐ２＋Ｐ３＋Ｐ４＋Ｐ５であり、前記燃料系流通路６６を流れる流体の圧力（流体圧）ＰFLOWは、流体圧ＰFLOW＝供給圧力ＰALL−全圧力損失ＰLOSSとなる。従って、開弁圧ＰSET≧供給圧力ＰALL−流体圧ＰFLOWとなる。なお、起動用燃焼器２４は、本実施形態とは異なる構成を有する種々の起動用燃焼器２４を採用することが可能である。その際、燃料系流通路６６の全圧力損失ＰLOSSには、起動用燃焼器２４の圧力損失Ｐ６（少なくとも排ガス流路６４から起動用燃焼器２４に導入された流体が第１燃料供給流路４２ａに排出される間の圧力損失）が含まれる場合がある。この場合には、全圧力損失ＰLOSS＝Ｐ１＋Ｐ２＋Ｐ３＋Ｐ４＋Ｐ５＋Ｐ６となる。
【００４０】
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。
【００４１】
燃料電池モジュール１０の起動時には、空気供給流路３８から空気予熱器２０に空気の供給が開始される。その後、起動用燃焼器２４の第２グロープラグ３４ｂがオンされるとともに、排気触媒昇温器２８がオンされる。
【００４２】
空気予熱器２０に供給された空気は、後述する起動用燃焼器２４からの燃焼ガスにより昇温された後、空気供給流路３８を通って燃料電池スタック１６の酸化剤ガス系流路を流通する。空気は、燃料電池スタック１６から酸化剤排ガス流路６２ｂを通って排ガス燃焼器２２に送られ、さらに改質器１８を通って起動用燃焼器２４に供給される。
【００４３】
起動用燃焼器２４には、原燃料が供給される。具体的には、例えば、都市ガス（ＣＨ4、Ｃ2Ｈ6、Ｃ3Ｈ8、Ｃ4Ｈ10を含む）等の原燃料は、第１電磁弁５４ａ及び第２電磁弁５４ｂの開放作用下に、原燃料供給流路５０から脱硫器５６に供給される。脱硫器５６で硫黄成分が除去された原燃料は、流量センサ５８を通って三方弁４８の共通ポート４８COMに供給される。三方弁４８は、非通電状態であり、共通ポート４８COMに供給された原燃料は、開放ポート４８NOを通って第１燃料供給流路４２ａに供給される。
【００４４】
第１燃料供給流路４２ａでは、原燃料の流体圧により逆止弁６０が開弁され、前記原燃料が起動用燃焼器２４に供給される。このため、起動用燃焼器２４には、空気と原燃料とが供給されるとともに、前記原燃料と前記空気との混合ガスは、第２グロープラグ３４ｂの作用下に着火される。従って、起動用燃焼器２４での燃焼が開始され、燃焼ガスが生成される。燃焼ガスは、排ガス流路６４に沿って、空気予熱器２０、排気触媒昇温器２８及び排気触媒３０の順に供給され、これらの機器の昇温が開始される。
【００４５】
空気予熱器２０では、起動用燃焼器２４から供給される燃焼ガスを熱源とし、空気供給流路３８を介して供給される空気が加熱昇温される。昇温された空気は、燃料電池スタック１６の酸化剤ガス系流路に供給され、前記燃料電池スタック１６を昇温させる。燃料電池スタック１６の酸化剤ガス系流路を通過した空気は、酸化剤排ガス流路６２ｂを通って排ガス燃焼器２２に送られ、さらに排ガス流路６４から改質器１８に供給される。これにより、改質器１８は、排ガス流路６４から供給される空気により昇温される。
【００４６】
次いで、改質器１８が水蒸気改質を行うことができる温度に昇温されると、三方弁４８に通電される。これにより、開放ポート４８NOは、閉塞される一方、閉塞ポート４８NCは、開放され、原燃料は、原燃料供給流路５０から三方弁４８の閉塞ポート４８NCを通って第２燃料供給流路４２ｂに供給される。第２燃料供給流路４２ｂに供給された原燃料は、混合器３６に供給される。
【００４７】
蒸発器２６には、水供給流路４０を介して水が供給される。このため、蒸発器２６では、水が蒸発して水蒸気が生成され、前記水蒸気は、水蒸気供給流路４０ａを通って混合器３６に供給される。従って、混合器３６では、原燃料と水蒸気とが混合された混合ガスが生成され、前記混合ガスは、混合ガス供給流路４４を通って改質器１８に供給される。
【００４８】
改質器１８では、原燃料が水蒸気改質され、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。改質ガスは、改質ガス供給流路４６を通って燃料電池スタック１６の燃料ガス系流路に供給される。
【００４９】
燃料電池スタック１６の酸化剤排ガス出口から酸化剤排ガス流路６２ｂを介して排ガス燃焼器２２に比較的高温の空気が供給される。一方、燃料電池スタック１６の燃料排ガス出口から燃料排ガス流路６２ａを介して排ガス燃焼器２２に比較的高温の燃料ガスが供給される。
【００５０】
高温の空気及び高温の燃料ガスは、排ガス流路６４を介して改質器１８から起動用燃焼器２４に供給され、燃焼ガスが生成される。燃焼ガスは、排ガス流路６４に沿って、空気予熱器２０、排気触媒昇温器２８及び排気触媒３０の順に供給され、これらの機器が昇温される。
【００５１】
燃料電池スタック１６は、昇温されており、この燃料電池スタック１６の温度が発電可能温度に至ると、前記燃料電池スタック１６の運転が開始される。燃料電池スタック１６を構成する各燃料電池３２では、燃料ガスと空気との化学反応により発電が行われる。発電反応により燃料電池スタック１６から排出される燃料ガスである燃料排ガスは、燃料排ガス流路６２ａに導出される。同様に、発電反応により燃料電池スタック１６から排出される酸化剤ガスである酸化剤排ガスは、酸化剤排ガス流路６２ｂに導出される。
【００５２】
燃料排ガス及び酸化剤排ガスは、排ガス燃焼器２２に導入される。従って、排ガス燃焼器２２では、燃料排ガスと酸化剤排ガスとが混合されて燃焼され、燃焼排ガスが発生する。この燃焼排ガスは、排ガス流路６４に沿って、改質器１８、起動用燃焼器２４、空気予熱器２０、排気触媒昇温器２８及び排気触媒３０の順に供給され、これらの機器が昇温される。なお、排ガス燃焼器２２の第１グロープラグ３４ａは、必要に応じてオンされればよく、燃料排ガスと酸化剤排ガスとが自然着火する際には、不要になる。
【００５３】
この場合、本実施形態では、図２及び図３に示すように、三方弁４８の開放ポート４８NOの下流には、流体の逆流を阻止する逆止弁６０が配設されている。このため、特に燃料電池モジュール１０の停止時に、燃料電池スタック１６からの水分（水蒸気）が、原燃料供給流路５０に入り込むことを可及的に抑制することができる。
【００５４】
しかも、三方弁４８の閉塞ポート４８NCの下流には、逆止弁が設けられていない。従って、簡単且つ安価な三方弁４８を用いるとともに、部品点数を可及的に削減して構成の簡素化を図ることが可能になる。
【００５５】
例えば、図４に示す比較例１である燃料電池ユニット７０ref.は、原燃料供給流路５０が第１原燃料供給流路５０ａと第２原燃料供給流路５０ｂとに分岐する。第１原燃料供給流路５０ａには、第１電磁弁５４ａ１及び第２電磁弁５４ｂ１が配置され、前記第１原燃料供給流路５０ａに連結される第１燃料供給流路４２ａには、第１逆止弁６０ａが配置される。
【００５６】
第２原燃料供給流路５０ｂには、第１電磁弁５４ａ２及び第２電磁弁５４ｂ２が配置され、前記第２原燃料供給流路５０ｂに連結される第２燃料供給流路４２ｂには、第２逆止弁６０ｂが配置される。
【００５７】
また、図５に示す比較例２である燃料電池ユニット７２ref.は、原燃料供給流路５０が第１電磁弁５４ａの下流で第１原燃料供給流路５０ｃと第２原燃料供給流路５０ｄとに分岐する。第１原燃料供給流路５０ｃには、第２電磁弁５４ｂ１が配置され、前記第１原燃料供給流路５０ｃに連結される第１燃料供給流路４２ａには、第１逆止弁６０ａが配置される。
【００５８】
第２原燃料供給流路５０ｄには、第２電磁弁５４ｂ２が配置され、前記第２原燃料供給流路５０ｄに連結される第２燃料供給流路４２ｂには、第２逆止弁６０ｂが配置される。
【００５９】
このように、比較例１及び比較例２では、遮断弁である電磁弁の個数及び逆止弁の個数が、本実施形態に比べて増加するとともに、構成が複雑化するという問題がある。これに対して、本実施形態では、部品点数を可及的に削減することができ、しかも構成の簡素化を図ることが可能になるという効果が得られる。
【００６０】
また、本実施形態では、原燃料供給流路５０には、原燃料の流量を計測する流量センサ５８と、前記原燃料に含まれる硫黄成分を除去する脱硫器５６とが、第１電磁弁５４ａ及び第２電磁弁５４ｂと三方弁４８との間に配置されている。三方弁４８は、閉塞ポート４８NC自体により水分の逆流を阻止する一方、開放ポート４８NOの下流に設けられた逆止弁６０により前記水分の逆流を阻止することが可能である。これにより、三方弁４８は、簡単な構成で、水分の逆流による流量センサ５８及び脱硫器５６への影響を確実に防止することができる。
【００６１】
さらに、燃料電池モジュール１０では、排ガス燃焼器２２で発生する燃焼排ガスを起動用燃焼器２４に供給するとともに、前記起動用燃焼器２４で発生する燃焼ガス及び前記燃焼排ガスが流通する排ガス流路６４を備えている。その際、三方弁４８の開放ポート４８NOには、起動用燃焼器２４が配置される第１燃料供給流路４２ａが接続される一方、閉塞ポート４８NCには、改質器１８が配置される第２燃料供給流路４２ｂが接続されている。
【００６２】
これにより、三方弁４８の劣化によって原燃料の漏れが発生した際、第１燃料供給流路４２ａに配置されている逆止弁６０の開弁圧ＰSETが抵抗として機能し、起動用燃焼器２４側に前記原燃料が流れることを阻止することができる。このため、起動時以外に起動用燃焼器２４に原燃料が供給されることがなく、前記原燃料が無駄に排気されることを確実に抑制することが可能になる。
【００６３】
ここで、開放ポート４８NOに、逆止弁６０を介装して改質器１８が配置されると、発電中、前記逆止弁６０の開弁圧ＰSETの抵抗分だけ原燃料の圧力損失が増加する。従って、原燃料の吐出圧が高圧化され、例えば、起動用燃焼器２４側に原燃料の漏れが惹起すると、前記原燃料が不要に廃棄されてしまい、不経済である。
【００６４】
さらにまた、図２に示すように、排ガス流路６４には、燃焼ガス又は燃焼排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１６に昇温された前記酸化剤ガスを供給する空気予熱器２０が備えられている。その際、起動用燃焼器２４は、燃焼ガス及び燃焼排ガスを空気予熱器２０に供給している。これにより、起動時及び運転時にも、空気予熱器２０に熱エネルギを供給することができ、酸化剤ガスを良好に昇温させることが可能になる。
【００６５】
また、図３に示すように、燃料電池ユニット１２は、第２燃料供給流路４２ｂから排ガス流路６４の一部及び第１燃料供給流路４２ａに連なる燃料系流通路６６を有している。そして、逆止弁６０の開弁圧ＰSETは、燃料系流通路６６の全圧力損失ＰLOSSよりも大きな圧力に設定されている（開弁圧ＰSET≧全圧力損失ＰLOSS）。このため、開弁圧ＰSET≧供給圧力ＰALL−流体圧ＰFLOWの関係に設定されている。
【００６６】
例えば、図６に示すように、三方弁４８に通電されており、原燃料が閉塞ポート４８NCを通って第２燃料供給流路４２ｂに供給されている際、前記三方弁４８にシート劣化等に起因して前記原燃料の漏れが惹起する場合がある。従って、原燃料は、三方弁４８の開放ポート４８NOを通って第１燃料供給流路４２ａに導入される。
【００６７】
ここで、第１燃料供給流路４２ａには、逆止弁６０の一次側に供給圧力ＰALLが付与されている一方、前記逆止弁６０の二次側に流体圧ＰFLOW及び開弁圧ＰSETが付与されている。その際、開弁圧ＰSET＋流体圧ＰFLOW≧供給圧力ＰALLの関係を有しており、逆止弁６０は、第１燃料供給流路４２ａに漏れた原燃料に対して抵抗として機能し、開弁されることがない。
【００６８】
これにより、第１燃料供給流路４２ａに漏れた原燃料が、起動用燃焼器２４側に供給されることを可及的に抑制することができ、前記原燃料を効率的且つ経済的に使用することが可能になる。
【符号の説明】
【００６９】
１０…燃料電池モジュール            １２…燃料電池ユニット
１４…筐体                          １６…燃料電池スタック
１８…改質器                        ２０…空気予熱器
２２…排ガス燃焼器                  ２４…起動用燃焼器
２６…蒸発器                        ２８…排気触媒昇温器
３０…排気触媒                      ３２…燃料電池
３６…混合器                        ３８…空気供給流路
４０…水供給流路                    ４２ａ、４２ｂ…燃料供給流路
４８…三方弁                        ４８COM…共通ポート
４８NC…閉塞ポート                  ４８NO…開放ポート
５０…原燃料供給流路                ５４ａ、５４ｂ…電磁弁
５６…脱硫器                        ５８…流量センサ
６０…逆止弁                        ６４…排ガス流路
６６…燃料系流通路
【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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