(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平板状の燃料電池を複数積層した平板積層型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、燃焼ガスを発生させるとともに、前記改質器に供給する排ガス燃焼器と、
を備える燃料電池モジュールであって、
前記燃料電池スタックは、前記燃料電池の積層方向一端側に前記燃料排ガス及び前記酸化剤排ガスが排出される排ガス出口を設け、前記燃料電池スタックの前記積層方向一端側には、前記排ガス出口に連通する前記排ガス燃焼器が配置されるとともに、
前記排ガス燃焼器を囲繞して前記改質器が配置され、
前記改質器は、前記原燃料と前記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、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水蒸気改質器と、
を備え、
前記部分酸化改質器と前記水蒸気改質器とは、直列に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、改質触媒が充填されるとともに、前記原燃料を流通させる原燃料流通路を有し、
前記改質器の外周には、前記排ガス燃焼器に連通して前記燃焼ガスを該改質器の外周に沿って流通させる燃焼ガス流通路が設けられ、
前記原燃料流通路と前記燃焼ガス流通路とは、互いに隣接し且つ並行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２記載の燃料電池モジュールにおいて、前記原燃料流通路を流通する前記原燃料と、前記燃焼ガス流通路を流通する前記燃焼ガスとは、互いに対向流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４】
請求項２記載の燃料電池モジュールにおいて、前記原燃料流通路を流通する前記原燃料と、前記燃焼ガス流通路を流通する前記燃焼ガスとは、互いに並行流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５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記燃料ガスを前記燃料電池スタックに供給する燃料ガス通路には、前記部分酸化改質器が、前記水蒸気改質器よりも該燃料ガスの流れ方向上流側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が設けられ、
前記熱交換器は、前記改質器を挟んで前記燃料電池スタックとは反対側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７】
請求項６記載の燃料電池モジュールにおいて、水を蒸発させて前記水蒸気を生成するとともに、該水蒸気を前記水蒸気改質器に供給する蒸発器を備え、
前記蒸発器は、前記燃料電池スタックの前記積層方向一端側に且つ前記熱交換器から前記燃焼ガスが排出される排気通路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１〜７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平板状の燃料電池を複数積層した平板積層型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であるため、積層された複数の燃料電池を予め所望の温度に昇温させる必要がある。低温の燃料電池に高温ガスが供給されると、大きな温度差に起因して前記燃料電池に割れ等が発生するおそれがあるからである。
【０００４】
そこで、例えば、特許文献１に開示された間接内部改質型ＳＯＦＣが知られている。この間接内部改質型ＳＯＦＣでは、図１３に示すように、第１の改質部１ａ及び第２の改質部２ａを有する改質器を備え、前記第１の改質部１ａと前記第２の改質部２ａとは、互いに直列に連通している。
【０００５】
間接内部改質型ＳＯＦＣは、改質器で得られる改質ガスを用いて発電するＳＯＦＣ３ａを有し、前記ＳＯＦＣ３ａは、筐体４ａに収容されている。第１の改質部１ａ及び第２の改質部２ａは、筐体４ａの一部を構成している。
【０００６】
ＳＯＦＣ３ａは、火炎形成部５ａを有し、前記火炎形成部５ａは、アノードオフガスを燃焼させて火炎６ａを形成している。第２の改質部２ａは、火炎形成部５ａの燃焼熱を利用する一方、第１の改質部１ａは、ＳＯＦＣ３ａからの輻射熱を利用することができる、としている。
【０００７】
また、特許文献２に開示されている燃料電池モジュールが知られている。この燃料電池モジュールでは、図１４に示すように、ケーシング１ｂ内に燃料電池スタック２ｂ、改質器３ｂ及びマニホールド４ｂが、下部断熱材５ｂ及び側部断熱部材６ｂにより囲まれた状態で、収容されている。
【０００８】
燃料電池スタック２ｂには、各燃料電池セルの側方端部に接するように、高熱伝導部材７ｂが配置されている。高熱伝導部材７ｂは、各燃料電池セルの熱伝導度よりも高い熱伝導度を有している。このため、燃料電池スタック２ｂにおける燃料電池セルの積層方向及び上下方向における温度分布の発生を抑制することができる、としている。
【０００９】
さらに、特許文献３に開示されている燃料電池システムでは、図１５に示すように、燃料ガスと酸化剤ガスとの供給を受けて発電を行う燃料電池１ｃは、断熱容器２ｃに収納されている。断熱容器２ｃ内には、燃料電池１ｃから排出される排ガスを外部に排出する排ガス流路３ｃが設けられている。
【００１０】
排ガス流路３ｃには、排ガス流れ方向に沿って酸化剤熱交換器４ｃ及び気化器５ｃが配設されるとともに、前記酸化剤熱交換器４ｃと前記気化器５ｃとの間には、燃料電池１ｃ等の始動時に加熱を行うバーナー６ｃが配設されている。気化器５ｃにより予熱された水蒸気及びメタンガスからなる原料ガスは、改質器７ｃに供給されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００９−０５９６５８号公報
【特許文献２】特開２０１１−１２９２８０号公報
【特許文献３】特開２０１１−１１３９３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上記の特許文献１では、ＳＯＦＣ３ａの上面に設けられた火炎形成部５ａは、面積が相当に大きくなり、第２の改質部２ａに効率的に伝熱することができないおそれがある。このため、間接内部改質型ＳＯＦＣの起動性、熱自立性、熱効率及びコンパクト性が低下するという問題がある。
【００１３】
しかも、第１の改質部１ａ及び第２の改質部２ａは、筐体４ａの一部を構成しているため、前記筐体４ａの表面からの放熱が発生し易い。従って、第１の改質部１ａ及び第２の改質部２ａには、温度むらが惹起し易く、改質性能が低下するという問題がある。さらに、ＳＯＦＣ３ａが積層されたスタックには、温度分布が生じ易く、前記ＳＯＦＣ３ａの劣化が促進される場合がある。
【００１４】
また、上記の特許文献２では、燃料電池スタック２ｂの上部には、燃焼部８ｂが設けられている。その際、燃焼部８ｂの面積が相当に大きくなり、改質器３ｂに効率的に伝熱することができないおそれがある。これにより、燃料電池モジュールの起動性、熱自立性、熱効率及びコンパクト性が低下するという問題がある。
【００１５】
しかも、燃焼部８ｂの近傍では、温度が高くなる一方、マニホールド４ｂ近傍のセル温度が低下し易くなり、燃料電池スタック２ｂの発電性能が低下するという問題がある。その上、高熱伝導部材７ｂを別途設置するため、燃料電池モジュール全体が大型化且つ重量化するという問題がある。
【００１６】
さらにまた、上記の特許文献３では、燃料電池１ｃの直下に別体のバーナー６ｃが配置されているため、断熱容器２ｃ内のスペース効率が低下するという問題がある。さらに、排ガス流路３ｃでは、酸化剤熱交換器４ｃによる空気の予熱が先行して行われている。このため、排ガスと熱交換する改質器７ｃは、熱不足となり易く、熱交換性能が低下するという問題がある。
【００１７】
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、起動性及び熱効率の向上と熱自立の促進とが良好に遂行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】
【００１８】
本発明に係る燃料電池モジュールは、平板積層型燃料電池スタック、改質器及び排ガス燃焼器を備えている。平板積層型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平板状の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、燃焼ガスを発生させるとともに、改質器に供給している。
【００１９】
燃料電池スタックは、燃料電池の積層方向一端側に燃料排ガス及び酸化剤排ガスが排出される排ガス出口を設け、前記燃料電池スタックの前記積層方向一端側には、前記排ガス出口に連通する排ガス燃焼器が配置されている。そして、排ガス燃焼器を囲繞して改質器が配置されている。
【００２０】
また、この燃料電池モジュールでは、改質器は、改質触媒が充填されるとともに、原燃料を流通させる原燃料流通路を有することが好ましい。その際、改質器の外周には、排ガス燃焼器に連通して燃焼ガスを前記改質器の外周に沿って流通させる燃焼ガス流通路が設けられ、原燃料流通路と前記燃焼ガス流通路とは、互いに隣接し且つ並行に配置されることが好ましい。このため、原燃料は、燃焼ガスの熱量を良好に受熱することができ、コンパクトな構成で、起動性及び熱効率の向上と熱自立の促進とが良好に図られる。
【００２１】
さらに、この燃料電池モジュールでは、原燃料流通路を流通する原燃料と、燃焼ガス流通路を流通する燃焼ガスとは、互いに対向流に設定されることが好ましい。従って、原燃料は、燃焼ガスとの熱交換効率が向上し、前記燃焼ガスの熱量を効率的に受熱することが可能になる。
【００２２】
さらにまた、この燃料電池モジュールでは、原燃料流通路を流通する原燃料と、燃焼ガス流通路を流通する燃焼ガスとは、互いに並行流に設定されることが好ましい。これにより、原燃料と燃焼ガスとの伝熱面温度が均一化され、前記原燃料を一定の温度に維持することができる。
【００２３】
また、この燃料電池モジュールでは、改質器は、原燃料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、燃料電池スタックに供給される燃料ガスを生成する部分酸化改質器を備える。その際、改質器は、原燃料と水蒸気との混合ガスを改質し、燃料電池スタックに供給される燃料ガスを生成する水蒸気改質器を備え、部分酸化改質器と前記水蒸気改質器とは、直列に接続される。
【００２４】
このため、起動時には、部分酸化改質器により燃料電池スタックの昇温を促進させることができ、起動性の向上が図られる。一方、発電時には、水蒸気改質器により改質効率に優れた改質が促進され、発電効率及び熱効率が良好に向上する。
【００２５】
さらに、この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通路には、部分酸化改質器が、水蒸気改質器よりも燃料ガスの流れ方向上流側に配置されることが好ましい。従って、起動時には、部分酸化改質器により燃料電池スタック及び水蒸気改質器の昇温を促進させることができ、起動性の向上が図られる。一方、発電時には、水蒸気改質器により改質効率に優れた改質が促進され、発電効率及び熱効率が良好に向上する。
【００２６】
しかも、部分酸化改質器は、発熱反応であるとともに、水蒸気改質器は、吸熱反応である。これにより、水蒸気改質器の温度が低下した際、部分酸化改質器から熱エネルギを供給することが可能になる。
【００２７】
さらにまた、この燃料電池モジュールでは、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設けられることが好ましい。その際、熱交換器は、改質器を挟んで燃料電池スタックとは反対側に配置されることが好ましい。従って、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、コンパクトな構成で、起動性及び熱効率の向上と熱自立の促進とが良好に図られる。
【００２８】
また、この燃料電池モジュールでは、水を蒸発させて水蒸気を生成するとともに、前記水蒸気を水蒸気改質器に供給する蒸発器を備えることが好ましい。その際、蒸発器は、燃料電池スタックの積層方向一端側に且つ熱交換器から燃焼ガスが排出される排気通路に配置されることが好ましい。これにより、蒸発器では、水が燃焼ガスの熱量を効率的に受熱することができ、コンパクトな構成で、起動性及び熱効率の向上と熱自立の促進とが良好に図られる。
【００２９】
さらに、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、排ガス燃焼器を囲繞して改質器が配置されている。このため、排ガス燃焼器から発生した熱量は、前記排ガス燃焼器を囲繞する改質器に効率的に供給される。従って、コンパクトな構成で、起動性及び熱効率の向上と熱自立の促進とが良好に遂行可能になる。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。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【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斜視説明図である。
【図３】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４】前記燃料電池モジュールを構成する改質器及び排ガス燃焼器の斜視説明図である。
【図５】対向流における伝熱面温度の関係説明図である。
【図６】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７】本発明の第３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】本発明の第４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９】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改質器及び排ガス燃焼器の概略構成を示す斜視図である。
【図１０】並行流における伝熱面温度の関係説明図である。
【図１１】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改質器及び排ガス燃焼器の概略構成を示す斜視図である。
【図１２】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改質器及び排ガス燃焼器の概略構成を示す斜視図である。
【図１３】特許文献１に開示されている間接内部改質型ＳＯＦＣの概略説明図である。
【図１４】特許文献２に開示されている燃料電池モジュールの概略説明図である。
【図１５】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】
【００３２】
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には、原燃料（例えば、都市ガス）を供給する原燃料供給装置（原燃料ポンプ１２を含む）１４と、酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置（空気ポンプ１６を含む）１８とが接続される。
【００３３】
燃料電池モジュール１０は、平板積層型燃料電池スタック２０、改質器２２、熱交換器（ＨＥＸ）２４、蒸発器（ＥＶＰ）２５、排ガス燃焼器２６及びスタック用加熱器２８を備える。燃料電池スタック２０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平板状の固体酸化物形燃料電池３０を備える。複数の燃料電池３０は、鉛直方向（矢印Ａ方向）（又は水平方向）に積層されるとともに、燃料電池積層方向（以下、単に積層方向という）両端には、エンドプレート３１ａ、３１ｂが配置される。
【００３４】
燃料電池３０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３２の両面に、カソード電極３４及びアノード電極３６が設けられた電解質・電極接合体（ＭＥＡ）３８を備える。
【００３５】
電解質・電極接合体３８の両側には、カソード側セパレータ４０とアノード側セパレータ４２とが配設される。カソード側セパレータ４０には、カソード電極３４に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路４４が形成されるとともに、アノード側セパレータ４２には、アノード電極３６に燃料ガスを供給する燃料ガス流路４６が形成される。なお、燃料電池３０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。
【００３６】
燃料電池３０は、作動温度が数百℃と高温であり、アノード電極３６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３２の前記アノード電極３６側に供給される。
【００３７】
燃料電池スタック２０には、各酸化剤ガス流路４４の入口側に一体に連通する酸化剤ガス入口連通孔４８ａと、前記酸化剤ガス流路４４の出口側に一体に連通する酸化剤ガス出口連通孔４８ｂとが設けられる。酸化剤ガス入口連通孔４８ａ及び酸化剤ガス出口連通孔４８ｂは、燃料電池スタック２０内を積層方向（矢印Ａ方向）に延在する。
【００３８】
燃料電池スタック２０には、各燃料ガス流路４６の入口側に一体に連通する燃料ガス入口連通孔５０ａと、前記燃料ガス流路４６の出口側に一体に連通する燃料ガス出口連通孔５０ｂとが設けられる。燃料ガス入口連通孔５０ａ及び燃料ガス出口連通孔５０ｂは、燃料電池スタック２０内を積層方向（矢印Ａ方向）に延在する。
【００３９】
改質器２２は、一般的に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２０に供給される燃料ガスを生成する。第１の実施形態では、改質器２２は、部分酸化改質器（ＰＯＸ）２２ａと水蒸気改質器（ＳＲ）２２ｂとを備え、前記部分酸化改質器２２ａと前記水蒸気改質器２２ｂとは、直列に接続される。
【００４０】
部分酸化改質器２２ａ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、燃料電池スタック２０に供給される燃料ガスを生成する。
【００４１】
部分酸化改質器２２ａ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。部分酸化改質器２２ａは、約５００℃〜１０００℃の作動温度に設定される。部分酸化改質器２２ａ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】
水蒸気改質器２２ｂは、原燃料と水蒸気との混合ガスを改質し、燃料電池スタック２０に供給される燃料ガスを生成する。水蒸気改質器２２ｂ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。
【００４３】
熱交換器２４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２０に前記酸化剤ガスを供給する。排ガス燃焼器２６は、燃料電池スタック２０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２４に供給する。
【００４４】
蒸発器２５は、水を蒸発させて水蒸気を生成するとともに、前記水蒸気を水蒸気改質器２２ｂに供給する。蒸発器２５は、燃料電池スタック２０の積層方向一端側（エンドプレート３１ａ側）に、且つ熱交換器２４よりも燃焼ガス流れ方向下流側に配置される。
【００４５】
スタック用加熱器２８は、燃料電池スタック２０の昇温、降温又は温度維持を行う機能を有し、例えば、セラミックヒータや燃焼バーナー等が使用される。
【００４６】
燃料電池スタック２０の積層方向一端側（エンドプレート３１ａ側）には、改質器（部分酸化改質器２２ａ及び水蒸気改質器２２ｂ）２２、熱交換器２４、蒸発器２５及び排ガス燃焼器２６が配置される。燃料電池スタック２０の積層方向他端側（エンドプレート３１ｂ側）には、スタック用加熱器２８が配置される。
【００４７】
原燃料供給装置１４は、原燃料を部分酸化改質器２２ａに供給する原燃料通路５２を備える。酸化剤ガス供給装置１８は、酸化剤ガスを熱交換器２４に供給する酸化剤ガス通路５４と、前記熱交換器２４で熱交換された前記酸化剤ガスを燃料電池スタック２０の酸化剤ガス入口連通孔４８ａに供給する酸化剤ガス供給通路５５とを備える。酸化剤ガス通路５４から分岐する酸化剤ガス分岐通路５６は、原燃料通路５２の途上に接続され、部分酸化改質器２２ａに原燃料と酸化剤ガスとの混合ガスが供給される。
【００４８】
部分酸化改質器２２ａには、部分酸化改質された燃料ガスを燃料電池スタック２０の燃料ガス入口連通孔５０ａに供給する燃料ガス通路５８が接続される。燃料ガス通路５８には、部分酸化改質器２２ａと水蒸気改質器２２ｂとが直列に接続される。具体的には、部分酸化改質器２２ａは、水蒸気改質器２２ｂよりも燃料ガス（原燃料）の流れ方向上流側に配置される。
【００４９】
燃料電池スタック２０の酸化剤ガス出口連通孔４８ｂには、前記燃料電池スタック２０から排出される酸化剤排ガスを排ガス燃焼器２６に導入させる酸化剤排ガス通路（排ガス出口）６０が接続される。燃料電池スタック２０の燃料ガス出口連通孔５０ｂには、前記燃料電池スタック２０から排出される燃料排ガスを排ガス燃焼器２６に導入させる燃料排ガス通路（排ガス出口）６２が接続される。
【００５０】
排ガス燃焼器２６の出口側には、燃焼ガス通路６４の一端が連通するとともに、前記燃焼ガス通路６４の他端が熱交換器２４に接続される。熱交換器２４の出口側には、酸化剤ガスとの熱交換に使用された燃焼ガス（排ガス）を排出する排気通路６６が接続される。排気通路６６の途上には、蒸発器２５が配置される。
【００５１】
蒸発器２５の入口側には、水供給通路６８が接続されるとともに、前記蒸発器２５の出口側には、水蒸気通路７０の一端が接続される。水蒸気通路７０の他端は、部分酸化改質器２２ａを介して水蒸気改質器２２ｂに接続される。
【００５２】
図２及び図３に示すように、燃料電池スタック２０では、エンドプレート３１ａ、３１ｂ間が複数本の止めねじ７２により固定され、積層方向に所望の締め付け荷重が付与される。エンドプレート３１ｂには、スタック用加熱器２８が直接固定される。エンドプレート３１ａには、筐体７４、熱交換器２４及び蒸発器２５が、順次下方に向かって積層されて一体に固定される。
【００５３】
図３及び図４に示すように、筐体７４は、矩形状を有し、外形寸法がエンドプレート３１ａの外形寸法と略同一又は同一以下の近似した外形寸法に設定される。筐体７４の上面及び排ガス燃焼器２６の上面には、酸化剤排ガス通路６０に連通する酸化剤排ガス窓部７６と、燃料排ガス通路６２に連通する燃料排ガス窓部７８とが一体に形成される。筐体７４の下面の一角部（後述する角筒ケーシング８２の端部８２ａの下方）には、排気連通窓部８０が形成される。
【００５４】
筐体７４内には、略中央に酸化剤排ガス窓部７６及び燃料排ガス窓部７８に連通する排ガス燃焼器２６が配置される。排ガス燃焼器２６は、矩形状を有し、必要に応じてヒータ（図示せず）が配置される。排ガス燃焼器２６は、一端部側（後述する角筒ケーシング８２の端部８２ａ、８２ｂ側）に開口部２６ａを有する。
【００５５】
筐体７４内には、排ガス燃焼器２６を囲繞して改質器２２が配置される。改質器２２は、全体として、例えば、コ字状を有する角筒ケーシング８２を有する。角筒ケーシング８２は、各角部に足部８３を設けることにより、筐体７４の底面から離間して配置される。角筒ケーシング８２の各面を排ガスに十分に曝すことができるからである。
【００５６】
角筒ケーシング８２の一方の端部８２ａには、原燃料通路５２及び水蒸気通路７０が接続されるとともに、前記角筒ケーシング８２の他方の端部８２ｂには、燃料ガス通路５８が接続される。角筒ケーシング８２内には、端部８２ａ側の直線部に部分酸化改質器２２ａが構成され、仕切り板８４を介して端部８２ｂ側のＬ字状部に水蒸気改質器２２ｂが構成される。
【００５７】
改質器２２は、各触媒金属（改質触媒）が充填されるとともに、原燃料を流通させる原燃料流通路８６を有する。原燃料流通路８６は、原燃料通路５２と燃料ガス通路５８とに連通する略コ字状に構成される。改質器２２の外周には、排ガス燃焼器２６と排気連通窓部８０とに連通し、燃焼ガスを前記改質器２２の外周に沿って流通させる燃焼ガス流通路８８が設けられる。燃焼ガス流通路８８は、排ガス燃焼器２６の開口部２６ａから排気連通窓部８０に亘って設けられる。端部８２ａには、互いに近接する開口部２６ａと排気連通窓部８０とを遮断する遮断板８９が設けられる。
【００５８】
原燃料流通路８６と燃焼ガス流通路８８とは、互いに隣接し且つ並行に配置される。原燃料流通路８６を流通する原燃料と、燃焼ガス流通路８８を流通する燃焼ガスとは、互いに対向流に設定される。
【００５９】
図３に示すように、熱交換器２４は、矩形状を有し、エンドプレート３１ａの外形寸法と略同一又は同一以下の近似した外形寸法に設定される。熱交換器２４の上面には、１つの角部に対応して排気連通窓部８０が配置される一方、前記熱交換器２４の下面には、前記排気連通窓部８０と対角位置となる角部に対応して排気連通窓部９２が設けられる。
【００６０】
排気連通窓部８０、９２は、熱交換器２４の対角線方向に沿って燃焼ガスを流通させる。熱交換器２４には、水蒸気通路７０に連通する蒸気発生部７０ａが長辺方向に延在して設けられる。
【００６１】
蒸発器２５は、薄板状且つ矩形状を有し、エンドプレート３１ａの外形寸法と略同一又は同一以下の近似した外形寸法に設定される。蒸発器２５には、パイプ部材９４が蛇行するように配置される。パイプ部材９４の入口端部は、水供給通路６８に接続される一方、前記パイプ部材９４の出口端部は、蒸気発生部７０ａに接続される。パイプ部材９４間には、複数本の仕切り板９６が、パイプ部材９４の形状に対応して千鳥状に設けられる。仕切り板９６により、排ガス蛇行通路９８が形成される。
【００６２】
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。
【００６３】
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１８では、空気ポンプ１６の駆動作用下に酸化剤ガス通路５４に空気が供給される。空気の一部は、酸化剤ガス分岐通路５６に導入されて部分酸化改質器２２ａに供給されるとともに、残余の空気は、熱交換器２４に供給される。
【００６４】
一方、原燃料供給装置１４では、原燃料ポンプ１２の駆動作用下に原燃料通路５２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、部分酸化改質器２２ａ内に供給される。このため、部分酸化改質器２２ａ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、部分酸化改質が開始される。
【００６５】
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２２ａから高温（約５００℃〜１０００℃）の還元ガス（燃料ガス）が発生する。
【００６６】
高温の還元ガスは、水蒸気改質器２２ｂを加温するとともに、燃料ガス通路５８を介して燃料電池スタック２０の燃料ガス入口連通孔５０ａに供給される。燃料電池スタック２０では、高温の還元ガスは、各燃料ガス流路４６を流通した後、燃料ガス出口連通孔５０ｂから燃料排ガス通路６２に排出される。還元ガスは、燃料排ガス通路６２に連通する排ガス燃焼器２６内に導入される。
【００６７】
排ガス燃焼器２６には、後述するように、空気（酸化剤ガス）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、又は着火手段（図示せず）により着火され、燃焼される。排ガス燃焼器２６内に発生した燃焼ガスは、図４に示すように、燃焼ガス流通路８８を通って改質器２２の外周に沿って流通し、排気連通窓部８０を通って熱交換器２４に供給される。図３に示すように、熱交換器２４では、供給された空気が燃焼ガスにより昇温される。燃焼ガスは、排気連通窓部９２から蒸発器２５内に導入され、排ガス蛇行通路９８に沿って移動した後、排気通路６６から排気される。
【００６８】
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５５を通って燃料電池スタック２０の酸化剤ガス入口連通孔４８ａに供給される。この空気は、各酸化剤ガス流路４４を流通した後、酸化剤ガス出口連通孔４８ｂから酸化剤排ガス通路６０に排出される。さらに、空気は、排ガス燃焼器２６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２６では、燃焼により燃料電池スタック２０をエンドプレート３１ａ側から輻射又は伝熱加熱するとともに、改質器２２を加熱する。
【００６９】
上記の酸化剤ガス供給装置１８及び原燃料供給装置１４の駆動と同時に、スタック用加熱器２８が駆動される。従って、燃料電池スタック２０は、エンドプレート３１ｂ側からも加熱される。
【００７０】
そこで、蒸発器２５、燃料電池スタック２０及び水蒸気改質器２２ｂが、水凝縮温度以上に昇温された際、水が前記蒸発器２５に供給される。このため、蒸発器２５では、図３に示すように、パイプ部材９４に沿って水が流通する一方、排ガス蛇行通路９８に沿って排ガスが流通し、水蒸気が得られる。この水蒸気は、水蒸気通路７０を通って部分酸化改質器２２ａから水蒸気改質器２２ｂに送られる。
【００７１】
部分酸化改質器２２ａ及び水蒸気改質器２２ｂでは、空気の供給が停止されており、原燃料と水蒸気との混合ガスが生成される。混合ガスは、部分酸化改質器２２ａ及び水蒸気改質器２２ｂ内で水蒸気改質され、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。この改質ガスは、加熱された燃料ガスとして、燃料電池スタック２０に供給される。そして、発電時には、部分酸化改質器２２ａ及び水蒸気改質器２２ｂで改質された燃料ガスが、燃料電池スタック２０に供給されて、空気との化学反応により発電が行われる。
【００７２】
燃料電池スタック２０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４４を流通する一方、燃料ガスが燃料ガス流路４６を流通する（図１参照）。これにより、各燃料電池３０のカソード電極３４に空気が供給されるとともに、アノード電極３６に燃料ガスが供給され、化学反応により発電が行われる。
【００７３】
この場合、第１の実施形態では、図４に示すように、排ガス燃焼器２６を囲繞して改質器２２が配置されている。これにより、排ガス燃焼器２６から発生した熱量は、前記排ガス燃焼器２６を囲繞する改質器２２に効率的に供給されている。このため、コンパクトな構成で、起動性及び熱効率の向上と熱自立の促進とが良好に遂行可能になるという効果が得られる。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３０の動作温度を維持することをいう。
【００７４】
また、改質器２２は、触媒金属が充填されるとともに、原燃料を流通させる原燃料流通路８６を有している。その際、改質器２２の外周には、排ガス燃焼器２６に連通して燃焼ガスを前記改質器２２の外周に沿って流通させる燃焼ガス流通路８８が設けられている。そして、原燃料流通路８６と燃焼ガス流通路８８とは、互いに隣接し且つ並行に配置されている。従って、原燃料は、燃焼ガスの熱量を良好に受熱することができ、コンパクトな構成で、起動性及び熱効率の向上と熱自立の促進とが良好に図られる。
【００７５】
さらに、原燃料流通路８６を流通する原燃料と、燃焼ガス流通路８８を流通する燃焼ガスとは、互いに対向流に設定されている。これにより、図５に示すように、原燃料は、燃焼ガスとの熱交換効率が向上し、前記燃焼ガスの熱量を効率的に受熱することが可能になる。
【００７６】
さらにまた、改質器２２は、原燃料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、燃料電池スタック２０に供給される燃料ガスを生成する部分酸化改質器２２ａを備えている。その際、改質器２２は、原燃料と水蒸気との混合ガスを改質し、燃料電池スタック２０に供給される燃料ガスを生成する水蒸気改質器２２ｂを備えている。部分酸化改質器２２ａと水蒸気改質器２２ｂとは、直列に接続されている。
【００７７】
このため、起動時には、部分酸化改質器２２ａにより燃料電池スタック２０の昇温を促進させることができ、起動性の向上が図られる。一方、発電時には、水蒸気改質器２２ｂにより改質効率に優れた改質が促進され、発電効率及び熱効率が良好に向上する。
【００７８】
また、燃料ガスを燃料電池スタック２０に供給する燃料ガス通路５８には、部分酸化改質器２２ａが、水蒸気改質器２２ｂよりも燃料ガスの流れ方向上流側に配置されている。従って、起動時には、部分酸化改質器２２ａにより燃料電池スタック２０及び水蒸気改質器２２ｂの昇温を促進させることができ、起動性の向上が図られる。一方、発電時には、水蒸気改質器２２ｂにより改質効率に優れた改質が促進され、発電効率及び熱効率が良好に向上する。
【００７９】
しかも、部分酸化改質器２２ａは、発熱反応であるとともに、水蒸気改質器２２ｂは、吸熱反応である。これにより、水蒸気改質器２２ｂの温度が低下した際、部分酸化改質器２２ａから熱エネルギを供給することが可能になる。
【００８０】
さらに、図２及び図３に示すように、燃料電池モジュール１０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２０に前記酸化剤ガスを供給する熱交換器２４が設けられている。その際、熱交換器２４は、改質器２２を挟んで燃料電池スタック２０とは反対側に配置されている。従って、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、コンパクトな構成で、起動性及び熱効率の向上と熱自立の促進とが良好に図られる。
【００８１】
さらにまた、燃料電池モジュール１０は、水を蒸発させて水蒸気を生成するとともに、前記水蒸気を水蒸気改質器２２ｂに供給する蒸発器２５を備えている。その際、蒸発器２５は、燃料電池スタック２０の積層方向一端側に且つ熱交換器２４から燃焼ガスが排出される排気通路６６に配置されている。これにより、蒸発器２５では、水が燃焼ガスの熱量を効率的に受熱することができ、コンパクトな構成で、起動性及び熱効率の向上と熱自立の促進とが良好に図られる。
【００８２】
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。
【００８３】
図６は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池モジュール１００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。また、以下に説明する第３以降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。
【００８４】
燃料電池モジュール１００は、部分酸化改質器２２ａに空気を供給する部分酸化改質用酸化剤ガス供給装置（空気ポンプ１０２を含む）１０４を備える。部分酸化改質用酸化剤ガス供給装置１０４は、空気を部分酸化改質器２２ａに供給する部分酸化改質用酸化剤ガス通路１０６を備える。
【００８５】
このように、第２の実施形態では、燃料電池スタック２０に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置１８と、前記酸化剤ガスである空気を部分酸化改質器２２ａに供給する部分酸化改質用酸化剤ガス供給装置１０４とを個別に構成している。このため、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。
【００８６】
図７は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池モジュール１１０の概略構成説明図である。
【００８７】
燃料電池モジュール１１０は、燃料電池スタック２０、改質器２２、熱交換器２４、排ガス燃焼器２６及びスタック用加熱器２８を備える。改質器２２は、部分酸化改質器２２ａのみを備え、蒸発器２５が不要になる。部分酸化改質器２２ａは、略コ字状を有する角筒ケーシング８２（図３及び図４参照）内の全領域に亘って設けることができる。
【００８８】
このように構成される燃料電池モジュール１１０では、起動時に上記の燃料電池モジュール１０と同様に運転される。そして、燃料電池スタック２０は、所望の運転開始温度に昇温されるとともに、部分酸化改質器２２ａの改質状態が良好であると判断されると、発電が開始される。燃料電池スタック２０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４４を流通する一方、燃料ガスが燃料ガス流路４６を流通する。これにより、各燃料電池３０のカソード電極３４に空気が供給されるとともに、アノード電極３６に燃料ガスが供給され、化学反応により発電が行われる。
【００８９】
このように、第３の実施形態では、排ガス燃焼器２６を囲繞して部分酸化改質器２２ａが配置されている。このため、コンパクトな構成で、起動性及び熱効率の向上と熱自立の促進とが良好に遂行可能になる等、上記の第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。
【００９０】
図８は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池モジュール１２０の概略構成説明図である。なお、第４の実施形態では、第２及び第３の実施形態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。
【００９１】
燃料電池モジュール１２０は、酸化剤ガス供給装置１８と部分酸化改質用酸化剤ガス供給装置１０４とを個別に構成している。従って、第４の実施形態では、上記の第１〜第３の実施形態と同様の効果が得られる。
【００９２】
図９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改質器１３０の概略構成を示す斜視図である。
【００９３】
改質器１３０は、筐体７４内に配置されるとともに、排ガス燃焼器２６を囲繞する角筒ケーシング８２を有する。筐体７４には、端部８２ｂの下方に位置して排気連通窓部８０ａが形成される。端部８２ｂには、互いに近接する開口部２６ａと排気連通窓部８０ａとを遮断する遮断板８９ａが設けられる。
【００９４】
このように構成される第５の実施形態では、原燃料流通路８６と燃焼ガス流通路８８ａとは、互いに隣接し且つ並行に配置される。原燃料流通路８６を流通する原燃料と、燃焼ガス流通路８８ａを流通する燃焼ガスとは、互いに並行流に設定される。このため、図１０に示すように、原燃料と燃焼ガスとの伝熱面温度が均一化され、前記原燃料を一定の温度に維持することができる。なお、第５の実施形態は、上記の第１の実施形態〜第４の実施形態のいずれにも適用可能である。
【００９５】
図１１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改質器１４０の概略構成を示す斜視図である。
【００９６】
改質器１４０は、全体として、例えば、矩形状を有するケーシング１４２を有する。ケーシング１４２は、一の角部に原燃料通路５２及び水蒸気通路７０が接続されるとともに、これらに近接して燃料ガス通路５８が接続される。ケーシング１４２の内部には、原燃料通路５２及び水蒸気通路７０と燃料ガス通路５８とを遮断するための遮断板１４４が設けられる。ケーシング１４２の内部空間には、排ガス燃焼器２６が配置される。
【００９７】
原燃料流通路８６は、原燃料通路５２と燃料ガス通路５８とに連通する略口字状に構成される。改質器１４０の外周には、排ガス燃焼器２６と排気連通窓部８０とに連通し、燃焼ガスを前記改質器１４０の外周に沿って流通させる燃焼ガス流通路８８が設けられる。原燃料流通路８６を流通する原燃料と、燃焼ガス流通路８８を流通する燃焼ガスとは、互いに対向流に設定される。なお、原燃料流通路８６を流通する原燃料と、燃焼ガス流通路８８を流通する燃焼ガスとは、互いに並行流に設定されてもよい。
【００９８】
図１２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改質器１５０の概略構成を示す斜視図である。
【００９９】
改質器１５０は、全体として、例えば、リング形状を有するケーシング１５２を有する。ケーシング１５２には、原燃料通路５２及び水蒸気通路７０が接続されるとともに、これらに近接して燃料ガス通路５８が接続される。ケーシング１５２の内部には、原燃料通路５２及び水蒸気通路７０と燃料ガス通路５８とを遮断するための遮断板１５４が設けられる。ケーシング１５２の内部空間には、排ガス燃焼器２６が配置される。
【０１００】
原燃料流通路８６は、原燃料通路５２と燃料ガス通路５８とに連通する略円形状に構成される。改質器１５０の外周には、排ガス燃焼器２６と排気連通窓部８０とに連通し、燃焼ガスを前記改質器１５０の外周に沿って流通させる燃焼ガス流通路８８が設けられる。原燃料流通路８６を流通する原燃料と、燃焼ガス流通路８８を流通する燃焼ガスとは、互いに対向流又は並行流に設定される。
【０１０１】
このように構成される第６及び第７の実施形態では、上記の第１〜第５の実施形態と同様の効果が得られる。
【符号の説明】
【０１０２】
１０、１００、１１０、１２０…燃料電池モジュール
１２…原燃料ポンプ                  １４…原燃料供給装置
１６、１０２…空気ポンプ            １８…酸化剤ガス供給装置
２０…燃料電池スタック              ２２、１３０、１４０、１５０…改質器
２２ａ…部分酸化改質器              ２４…熱交換器
２５…蒸発器                        ２６…排ガス燃焼器
２８…スタック用加熱器              ３０…燃料電池
３２…電解質                        ３４…カソード電極
３６…アノード電極                  ３８…電解質・電極接合体
４４…酸化剤ガス流路                ４６…燃料ガス流路
４８ａ…酸化剤ガス入口連通孔        ４８ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
５０ａ…燃料ガス入口連通孔          ５０ｂ…燃料ガス出口連通孔
５２…原燃料通路                    ５４…酸化剤ガス通路
５６…酸化剤ガス分岐通路            ５８…燃料ガス通路
６０…酸化剤排ガス通路              ６２…燃料排ガス通路
６４…燃焼ガス通路                  ６６…排気通路
６８…水供給通路                    ７０…水蒸気通路
７４…筐体                          ８２…角筒ケーシング
８４、９６…仕切り板                ８６…原燃料流通路
８８、８８ａ…燃焼ガス流通路        ９４…パイプ部材
１０４…部分酸化改質用酸化剤ガス供給装置
１４２、１５２…ケーシング
【図１】
0006283269.tif 000002
【図２】
0006283269.tif 000003
【図３】
0006283269.tif 000004
【図４】
0006283269.tif 000005
【図５】
0006283269.tif 000006
【図６】
0006283269.tif 000007
【図７】
0006283269.tif 000008
【図８】
0006283269.tif 000009
【図９】
0006283269.tif 000010
【図１０】
0006283269.tif 000011
【図１１】
0006283269.tif 000012
【図１２】
0006283269.tif 000013
【図１３】
0006283269.tif 000014
【図１４】
0006283269.tif 000015
【図１５】
0006283269.tif 000016