(57)【要約】【課題】簡単な構成で、燃焼器の耐久性を有効に向上させるとともに、熱効率を良好に高めることを可能にする。【解決手段】燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２と熱交換器１４と蒸発器１５と改質器１６と燃焼器１７とを備え、前記燃料電池スタック１２の積方向一端側に、少なくとも前記熱交換器１４、前記蒸発器１５及び前記改質器１６を含む流体部１９が配設される。燃焼器１７は、蒸発器１５の内側に配設されるとともに、前記燃焼器１７は、この燃焼器１７で発生される燃焼ガスを排出するための燃焼ガス経路１３４を有し、この燃焼ガス経路１３４の途上に改質器１６が配設される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体と、セパレータとが積層される燃料電池を設け、複数の前記燃料電池が積層される燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに供給される前の酸化剤ガスを、熱媒体により加熱する熱交換器と、炭化水素を主体とする原燃料と水蒸気とを含む混合燃料を生成するために、水を蒸発させる蒸発器と、水蒸気及び前記原燃料を用いて水蒸気改質し、前記燃料電池スタックに供給される燃料ガスを生成する改質器と、前記原燃料を燃焼させて燃焼ガスを発生させる燃焼器とを備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池スタックの積層方向一端側に、少なくとも前記熱交換器、前記蒸発器及び前記改質器を含む流体部が配設されるとともに、前記燃焼器は、前記蒸発器の内側に配設され、
前記燃焼器は、前記燃焼器で発生される前記燃焼ガスを排出するための燃焼ガス経路を有し、且つ、前記燃焼ガス経路の途上に前記改質器が配設されることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記燃焼ガス経路は、前記改質器を加熱した後の前記燃焼ガスを、前記熱媒体として前記熱交換器に供給するために前記熱交換器に連通することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池システムにおいて、前記熱交換器の前記燃焼ガスの流れ方向下流側に前記蒸発器が配設されるとともに、
前記蒸発器には、前記熱交換器で熱交換に使用された前記燃焼ガスを熱源として供給する加熱通路が設けられることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項２又は３記載の燃料電池システムにおいて、発電反応に使用されて前記燃料電池スタックから排出される排ガスを、前記熱媒体として前記熱交換器に供給するための排ガス経路を有するとともに、
前記熱交換器の熱媒体入口側には、前記燃焼ガス経路と前記排ガス経路とが接続されることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項３記載の燃料電池システムにおいて、前記改質器は、前記熱交換器の内側に且つ前記燃料電池スタックに近接して配置されることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記流体部は、前記燃料電池スタックの中心軸に対して軸対称に配置されることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、少なくとも前記燃料電池スタック及び前記流体部を収容する筐体を備え、
前記筐体内には、前記燃料電池スタックの積層方向他端部側に、前記燃料電池スタックに前記積層方向に締め付け荷重を付与する荷重付与機構が配設されることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
請求項７記載の燃料電池システムにおいて、前記荷重付与機構は、前記燃料電池スタックの中心軸に対して軸対称に構成されることを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体と、セパレータとが積層される燃料電池を設け、複数の前記燃料電池が積層される燃料電池スタックを備える燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
通常、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）は、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（単セル）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、単セル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】
上記の燃料電池スタックでは、単セルの作動温度が８００℃以上と高温となっている。このため、燃料電池スタックを始動させる際には、燃焼器を介して前記燃料電池スタックを所望の温度まで迅速に加熱することが望まれている。この燃焼器は、通常、燃料電池スタックの酸化剤ガス供給側又は前記燃料電池スタックの排ガス排出側に配置されている。
【０００４】
ところが、燃焼器が酸化剤ガス供給側に配置される構成では、前記燃焼器内の燃焼によって発生した高温の燃焼ガスは、燃料電池スタック内へ直接流入している。従って、高温の燃焼ガスによりセパレータが腐食され易くなるとともに、前記セパレータや電解質・電極接合体に燃焼ガス中のカーボンが付着し、劣化し易くなるという問題がある。
【０００５】
そこで、燃焼器を燃料電池スタックの排ガス排出側に配置する構成が採用されており、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池システムが知られている。この燃料電池システムは、図７に示すように、空気極１ａ及び燃料極１ｂを備える燃料電池１を備えており、この空気極１ａには、酸化剤ガスである空気２が供給されるとともに、前記燃料極１ｂには、燃料ガス３が供給されている。
【０００６】
燃料電池１から排出される燃焼極オフガスを燃焼させる排ガス燃焼器４が設けられるとともに、この排ガス燃焼器４から排出される燃焼ガスは、熱交換器５に供給されて空気極１ａに供給される前の空気２を加熱している。燃料ガス３の供給ラインには、起動時に燃料ガス３を不完全燃焼させて形成した還元性ガスを、燃料極１ｂに供給するための起動燃焼器６が設けられている。
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−１６６４３９号公報（図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記の特許文献１では、システム内に排ガス燃焼器４と起動燃焼器６との２台の燃焼器が用いられており、燃料電池システム全体が大型化するという問題がある。しかも、排ガス燃焼器４は、燃料電池１の排ガス経路上に設置されており、常に高温の排ガスに曝されており、耐久性が低下するという問題がある。しかも、始動時には、燃料電池１から排出される排ガスの温度が変動しており、排ガス燃焼器４から排出される燃料ガスの温度を一定の温度範囲に維持することが極めて困難であるという問題がある。
【０００９】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、燃焼器の耐久性を有効に向上させるとともに、熱効率を良好に高めることが可能な燃料電池システム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】
【００１０】
本発明は、電解質をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体と、セパレータとが積層される燃料電池を設け、複数の前記燃料電池が積層される燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに供給される前の酸化剤ガスを、熱媒体により加熱する熱交換器と、炭化水素を主体とする原燃料と水蒸気とを含む混合燃料を生成するために、水を蒸発させる蒸発器と、水蒸気及び前記原燃料を用いて水蒸気改質し、前記燃料電池スタックに供給される燃料ガスを生成する改質器と、前記原燃料を燃焼させて燃焼ガスを発生させる燃焼器とを備える燃料電池システムに関するものである。
【００１１】
燃料電池スタックの積層方向一端側に、少なくとも熱交換器、蒸発器及び改質器を含む流体部が配設されるとともに、燃焼器は、前記蒸発器の内側に配設されている。そして、燃焼器は、前記燃焼器で発生される燃焼ガスを排出するための燃焼ガス経路を有し、且つ、前記燃焼ガス経路の途上に改質器が配設されている。
【００１２】
また、燃焼ガス経路は、改質器を加熱した後の燃焼ガスを、熱媒体として熱交換器に供給するために前記熱交換器に連通することが好ましい。
【００１３】
さらに、熱交換器の燃焼ガスの流れ方向下流側に蒸発器が配設されるとともに、前記蒸発器には、前記熱交換器で熱交換に使用された前記燃焼ガスを熱源として供給する加熱通路が設けられることが好ましい。
【００１４】
さらにまた、燃料電池システムは、発電反応に使用されて燃料電池スタックから排出される排ガスを、熱媒体として熱交換器に供給するための排ガス経路を有するとともに、前記熱交換器の熱媒媒体入口側には、燃焼ガス経路と前記排ガス経路とが接続されることが好ましい。
【００１５】
また、改質器は、熱交換器の内側に且つ燃料電池スタックに近接して配置されることが好ましい。さらに、流体部は、燃料電池スタックの中心軸に対して軸対称に配置されることが好ましい。
【００１６】
さらにまた、燃料電池システムは、少なくとも燃料電池スタック及び流体部を収容する筐体を備え、前記筐体内には、前記燃料電池スタックの積層方向他端部側に、前記燃料電池スタックに前記積層方向に締め付け荷重を付与する荷重付与機構が配設されることが好ましい。また、荷重付与機構は、燃料電池スタックの中心軸に対して軸対称に構成されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、燃焼器で発生される燃焼ガスは、燃焼ガス経路の途上に配設される改質器に供給されるため、この改質器が迅速に加熱される。しかも、燃焼器は、蒸発器の内側に配設されており、前記蒸発器は、前記燃焼器からの輻射熱によって加熱される。従って、改質器及び蒸発器は、所望の改質可能な状態に迅速に活性化され、燃料電池スタックの始動性を良好に向上させることが可能になる。
【００１８】
さらに、流体部は、燃料電池スタックの積層方向一端側に配設されるとともに、前記流体部を構成する蒸発器の内部に、燃焼器が配置されている。これにより、燃焼器を介して燃料電池スタックを内部から加熱することができ、熱効率を有効に高めることが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１０の一部断面説明図であり、図２は、前記燃料電池システム１０を構成する燃料電池１１が矢印Ａ方向に複数積層された燃料電池スタック１２の概略斜視説明図である。
【００２０】
燃料電池システム１０は、定置用の他、車載用等の種々の用途に用いられている。燃料電池システム１０は、図１に示すように、燃料電池スタック１２と、酸化剤ガスを前記燃料電池スタック１２に供給する前に加熱する熱交換器１４と、水を蒸発させる蒸発器１５と、水蒸気と炭化水素を主体とする原燃料（都市ガス等）とにより前記原燃料を水蒸気改質する改質器（又は予備改質器）１６と、前記原燃料を燃焼させて燃焼ガスを発生させる燃焼器１７と、前記燃料電池スタック１２、前記熱交換器１４、前記蒸発器１５、前記改質器１６及び前記燃焼器１７を収容する筐体１８とを備える。
【００２１】
筐体１８内では、燃料電池スタック１２の一方の側に、少なくとも熱交換器１４及び改質器１６を含む流体部１９と、燃焼器１７とが配置される。燃料電池スタック１２の他方の側に、燃料電池１１の積層方向（矢印Ａ方向）に締め付け荷重を付与する荷重付与機構２１が配設される。流体部１９、燃焼器１７及び荷重付与機構２１は、燃料電池スタック１２の中心軸に対して軸対称に配設される。
【００２２】
流体部１９では、略円筒状の改質器１６が略リング状の熱交換器１４の内側に且つ燃料電池スタック１２に近接して配置される。改質器１６と蒸発器１５とは、矢印Ａ方向に互いに隣接して配置されるとともに、燃焼器１７は、前記蒸発器１５の内側に配設される。
【００２３】
燃料電池１１は、固体電解質型燃料電池であり、この燃料電池１１は、図３に示すように、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（電解質板）２０の両面に、カソード電極２２及びアノード電極２４が設けられた電解質・電極接合体２６を備える。電解質・電極接合体２６は、円板状に形成されるとともに、少なくとも内側周端部（セパレータ２８の中央側）には、酸化剤ガスの進入を阻止するためにバリアー層（図示せず）が設けられている。
【００２４】
燃料電池１１は、一対のセパレータ２８間に複数、例えば、８個の電解質・電極接合体２６を挟んで構成される。セパレータ２８間には、このセパレータ２８の中心部である燃料ガス供給連通孔３０と同心円上に８個の電解質・電極接合体２６が配列される。
【００２５】
セパレータ２８は、例えば、ステンレス合金等の板金で構成される１枚の金属プレートやカーボンプレート等で構成される。セパレータ２８は、中央部に燃料ガス供給連通孔３０を形成する第１小径端部３２を有する。この第１小径端部３２から外方に等角度間隔ずつ離間して放射状に延在する複数の第１橋架部３４を介して比較的大径な円板部３６が一体的に設けられる。円板部３６は、電解質・電極接合体２６と略同一寸法に設定されている。隣り合う円板部３６は、スリット３８を介して互いに分離される。
【００２６】
各円板部３６のアノード電極２４に接触する面３６ａには、前記アノード電極２４の電極面に沿って燃料ガスを供給するための燃料ガス通路４６を形成する第１突起部４８が設けられる。各円板部３６のカソード電極２２に接触する面３６ｂには、前記カソード電極２２の電極面に沿って酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス通路５０を形成する第２突起部５２が設けられる。
【００２７】
図４に示すように、第１突起部４８と第２突起部５２は、互いに相反する方向に延在するように突出している。第１突起部４８は、リング状突起を構成するとともに、第２突起部５２は、山状突起を構成する。山状突起である第２突起部５２は、リング状突起である第１突起部４８に囲繞されるように配置されている。
【００２８】
図３及び図４に示すように、円板部３６には、燃料ガス通路４６に燃料ガスを供給するための燃料ガス導入口５４が形成される。燃料ガス導入口５４の位置は、燃料ガスが均一に分布するように決められ、例えば、円板部３６の略中心に対応して設定される。
【００２９】
セパレータ２８のカソード電極２２に対向する面には、通路部材５６が、例えば、ろう付けやレーザ溶接等により固着される。通路部材５６は、図３に示すように、中央部に燃料ガス供給連通孔３０を形成する第２小径端部５８を備える。この第２小径端部５８から放射状に８本の第２橋架部６０が延在するとともに、各第２橋架部６０は、セパレータ２８の第１橋架部３４から円板部３６の燃料ガス導入口５４まで固着される。
【００３０】
通路部材５６の接合面において、第２小径端部５８には、燃料ガス供給連通孔３０に連通して複数のスリット６２が放射状に形成される。このスリット６２には、凹部６４が連通する。第１及び第２橋架部３４、６０間には、燃料ガス供給連通孔３０からスリット６２及び凹部６４を介して燃料ガス通路４６に連通する燃料ガス供給通路６６が形成される。
【００３１】
図４に示すように、酸化剤ガス通路５０は、電解質・電極接合体２６の内側周端部と円板部３６の内側周端部との間から矢印Ｂ方向に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部６７に連通する。この酸化剤ガス供給部６７は、各円板部３６の内方と第１橋架部３４との間に位置して積層方向に延在している。
【００３２】
各セパレータ２８間には、燃料ガス供給連通孔３０をシールするための絶縁シール６９が設けられる。絶縁シール６９は、例えば、マイカ材やセラミック材で形成されている。燃料電池１１には、円板部３６の外方に位置して排ガス通路６８が形成される。
【００３３】
図１及び図２に示すように、燃料電池スタック１２は、複数の燃料電池１１の積層方向両端にエンドプレート７０ａ、７０ｂを配置する。エンドプレート７０ａは、略円板状を有しており、外周部に軸線方向に突出してリング状部７２が設けられる。このリング状部７２の外周部には、周回溝部７４が形成される。リング状部７２の中心部に対応して、円柱状凸部７６がこのリング状部７２と同一方向に膨出形成され、前記凸部７６の中央部に段付き孔部７８が形成される。
【００３４】
エンドプレート７０ａには、凸部７６を中心にして同一仮想円周上に孔部８０とねじ孔８２とが、交互に且つ所定の角度間隔ずつ離間して設けられる。図１に示すように、エンドプレート７０ｂは、エンドプレート７０ａよりも大径に構成される。
【００３５】
筐体１８は、荷重付与機構２１を収容する第１筐体部８４ａと、燃料電池スタック１２、流体部１９及び燃焼器１７を収容する第２筐体部８４ｂとを備える。第１筐体部８４ａ及び第２筐体部８４ｂ間は、前記エンドプレート７０ｂの第２筐体部８４ｂ側に絶縁材を介装してねじ８６及びナット８８により締め付けられる。第２筐体部８４ｂには、熱交換器１４を介装してヘッド板９０が一体に設けられる。
【００３６】
第２筐体部８４ｂ内には、発電に使用されて積層される複数の燃料電池１１の外周部から排出される排ガスを流すための排ガス通路６８が設けられる。排ガス通路６８は、排ガス経路９２に連通するとともに、前記排ガス経路９２は、熱交換器１４の熱媒体通路９４に排ガス（熱媒体）を導入するための排ガス入口９６ａに連通する。熱交換器１４には、この熱交換器１４に供給された排ガスの一部を改質器１６を加熱する加熱源として前記改質器１６に供給するための排ガス出口９６ｂと、後述する燃焼ガス経路から熱媒体通路９４に燃焼ガスを供給するための燃焼ガス入口９８とが設けられる。
【００３７】
熱媒体通路９４の下流は、連結経路１００を介して蒸発器１５内の加熱通路１０２に連通する。蒸発器１５は、互いに同軸上に配設される外筒部材１０４ａと内筒部材１０４ｂとを備えるとともに、前記外筒部材１０４ａと前記内筒部材１０４ｂとの間には、二重管１０６が螺旋状に配設される。二重管１０６は、内部に水通路が形成される一方、この水通路を周回して原燃料通路が形成される。二重管１０６は、蒸発器１５の下流側に形成された複数の孔部（図示せず）により水通路と原燃料通路とが連通しており、水蒸気と原燃料とが混合されて混合燃料が得られる。
【００３８】
二重管１０６の上流側端部は、ヘッド板９０を貫通して外部に延在するとともに、前記二重管１０６の下流側端部には、混合燃料供給管１０７の一端が接続される。混合燃料供給管１０７の他端は、燃料電池スタック１２側に延在して改質器１６の入口部１０８に連結される。
【００３９】
改質器１６の下流側には、出口部１１０が設けられ、この出口部１１０に改質ガス供給路１１２の一端が接続される。改質ガス供給路１１２は、改質器１６の軸方向に沿って延在し、エンドプレート７０ａの段付き孔部７８に嵌合されて燃料ガス供給連通孔３０に連通する。
【００４０】
ヘッド板９０には、加熱通路１０２を通る排ガスを排出するための排ガス管１１４が設けられる。ヘッド板９０には、空気供給管１１６が接続されており、この空気供給管１１６は、熱交換器１４内の通路１１８を介して壁板１２０内に形成されたチャンバ１２２に連通する。このチャンバ１２２は、エンドプレート７０ａの孔部８０を介して燃料電池スタック１２内の酸化剤ガス供給部６７に連通する。
【００４１】
燃焼器１７は、第２筐体部８４ｂに比べて薄肉なケーシング１２４を備え、このケーシング１２４は、蒸発器１５を構成する内筒部材１０４ｂの内周部に接合する。ケーシング１２４は、改質器１６側に凸状に湾曲する半球曲形状を有するとともに、半球曲形状部には、複数の孔部１２６が形成される。ケーシング１２４には、原燃料供給管１２８と空気供給管１３０とが接続されており、前記原燃料供給管１２８及び前記空気供給管１３０は、ヘッド板９０を貫通して外部に露呈する。
【００４２】
ケーシング１２４内には、原燃料及び空気を介して燃焼を行う燃焼室１３２が設けられる。この燃焼室１３２は、複数の孔部１２６を介して燃焼ガス経路１３４に連通する。燃焼ガス経路１３４は、熱交換器１４の燃焼ガス入口９８に連通するとともに、前記燃焼ガス経路１３４の途上には、改質器１６が配置される。燃焼ガス経路１３４は、燃焼ガス入口９８から熱媒体通路９４に連通した後、連結経路１００を介して蒸発器１５の熱源として燃焼ガスを供給するための加熱通路１０２に連通する。
【００４３】
荷重付与機構２１は、燃料ガス供給連通孔３０の近傍に対して第１締め付け荷重を付与する第１締め付け部１４０ａと、電解質・電極接合体２６に対して前記第１締め付け荷重よりも小さな第２締め付け荷重を付与する第２締め付け部１４０ｂとを備える。
【００４４】
第１締め付け部１４０ａは、エンドプレート７０ａの一方の対角位置に設けられるねじ孔８２、８２に螺合する短尺な第１締め付けボルト１４２ａ、１４２ａを備える。第１締め付けボルト１４２ａ、１４２ａは、燃料電池１１の積層方向に延在するとともに、第１押圧プレート１４４ａに係合する。第１締め付けボルト１４２ａは、セパレータ２８の内部に設けた酸化剤ガス供給部６７内に設けられる。第１押圧プレート１４４ａは、幅狭な板状を有しており、燃料ガス供給連通孔３０を覆ってセパレータ２８の中央部に係合する。
【００４５】
第２締め付け部１４０ｂは、長尺な第２締め付けボルト１４２ｂ、１４２ｂを備え、前記第２締め付けボルト１４２ｂ、１４２ｂは、エンドプレート７０ａの他方の対角位置に設けられるねじ孔８２、８２に螺合する。第２締め付けボルト１４２ｂの端部は、外周湾曲形状の第２押圧プレート１４４ｂを貫通し、この端部にナット１４６が螺合する。第２締め付けボルト１４２ｂは、セパレータ２８の内部に設けた酸化剤ガス供給部６７内に設けられる。第２押圧プレート１４４ｂの各円弧状部には、燃料電池１１の円板部３６に配置される各電解質・電極接合体２６に対応してスプリング１４８及び台座１５０が配設される。スプリング１４８は、例えば、セラミックススプリングにより構成される。
【００４６】
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。
【００４７】
先ず、燃料電池システム１０では、始動時には、燃料電池スタック１２が運転される前に燃焼器１７による燃焼が開始される。具体的には、図５に示すように、原燃料供給管１２８に原燃料が供給されるとともに、空気供給管１３０に空気が供給される。
【００４８】
このため、燃焼器１７内の燃焼室１３２で燃焼により燃焼ガスが発生し、この燃焼ガスは、複数の孔部１２６から燃焼ガス経路１３４に供給される。燃焼ガス経路１３４の途上には、改質器１６が配置されており、燃焼ガスは、前記改質器１６を加熱した後に燃焼ガス入口９８から熱交換器１４の熱媒体通路９４に供給される。
【００４９】
燃焼ガスは、熱交換器１４を通って連結経路１００から蒸発器１５内の加熱通路１０２に流入される。従って、燃焼ガスは、加熱通路１０２を通過することにより蒸発器１５を加熱した後、排ガス管１１４から排出される。
【００５０】
そして、改質器１６及び蒸発器１５が所定の改質可能な温度に加熱された後、図１に示すように、二重管１０６のそれぞれの通路に原燃料（メタン、エタン又はプロパン等）及び水が供給される一方、空気供給管１１６に酸化剤ガスである酸素含有ガス（以下、空気ともいう）が供給されて燃料電池スタック１２の運転が開始される。
【００５１】
このため、蒸発器１５で水が蒸発されて水蒸気が得られ、この水蒸気と原燃料との混合燃料は、混合燃料供給管１０７を通って改質器１６に供給される。従って、改質器１６では、原燃料を水蒸気改質することにより燃料ガスが得られる。この燃料ガスは、改質ガス供給路１１２を通って燃料電池スタック１２の燃料ガス供給連通孔３０に供給され、積層方向（矢印Ａ方向）に移動しながら各燃料電池１１を構成する燃料ガス供給通路６６に導入される（図４参照）。
【００５２】
燃料ガスは、第１及び第２橋架部３４、６０間を燃料ガス供給通路６６に沿って移動し、円板部３６に形成された燃料ガス導入口５４から燃料ガス通路４６に導入される。燃料ガス導入口５４は、各電解質・電極接合体２６のアノード電極２４の略中心位置に設定されている。このため、燃料ガスは、燃料ガス導入口５４からアノード電極２４の略中心に供給され、燃料ガス通路４６に沿って該アノード電極２４の外周部に向かって移動する。
【００５３】
一方、空気は、図１に示すように、空気供給管１１６から熱交換器１４の通路１１８を通って一旦チャンバ１２２に導入される。この空気は、チャンバ１２２に連通する孔部８０を通って各燃料電池１１の略中央側に設けられている酸化剤ガス供給部６７に供給される。
【００５４】
その際、熱交換器１４では、後述するように、排ガス通路６８に排気される排ガスと、燃焼器１７を介して高温となった燃焼ガスとが、熱媒体通路９４を流通する。従って、熱交換器１４内では、熱媒体通路９４を流通する排ガス及び燃焼ガスと、通路１１８を流通する使用前の空気との間で熱交換が行われ、この空気が予め所望の燃料電池運転温度に加温されている。
【００５５】
酸化剤ガス供給部６７に供給された空気は、電解質・電極接合体２６の内側周端部と円板部３６の内側周端部との間から矢印Ｂ方向に流入し、酸化剤ガス通路５０に送られる。図４に示すように、酸化剤ガス通路５０では、電解質・電極接合体２６のカソード電極２２の内側周端部（セパレータ２８の中央部）側から外側周端部（セパレータ２８の外側周端部側）に向かって空気が流動する。
【００５６】
従って、電解質・電極接合体２６では、アノード電極２４の電極面の中心側から周端部側に向かって燃料ガスが供給されるとともに、カソード電極２２の電極面の一方向（矢印Ｂ方向）に向かって空気が供給される。その際、酸化物イオンが電解質２０を通ってアノード電極２４に移動し、化学反応により発電が行われる。なお、燃料ガス通路４６を移動した使用後の燃料ガスと、酸化剤ガス通路５０を移動した使用後の空気とは、排ガス通路６８に排気されて高温の排ガスが生成される。
【００５７】
次いで、燃料電池スタック１２が定常運転に至ると、燃焼器１７による燃焼が停止される。このため、図６に示すように、熱交換器１４では、空気供給管１１６から導入される反応前の空気と、燃料電池スタック１２から排出される排ガスとの間で熱交換が行われ、所定の温度に加熱された酸化剤ガスが、燃料電池スタック１２に供給される。
【００５８】
その際、排ガス経路９２から熱交換器１４に供給される排ガスの一部は、排ガス出口９６ｂから改質器１６の入口部１０８の近傍に供給される。従って、水蒸気改質により、特に温度低下が惹起し易い入口部１０８の近傍を、高温の排ガスにより集中して加熱することができ、改質器１６の温度低下を抑制することが可能になる。
【００５９】
この場合、本実施形態では、燃焼器１７で発生される燃焼ガスを排出するための燃焼ガス経路１３４を有するとともに、前記燃焼ガス経路１３４の途上には、改質器１６が配設されている。このため、改質器１６は、高温の燃焼ガスによって迅速に加熱される。しかも、燃焼器１７は、蒸発器１５の内側に配設されるため、前記蒸発器１５は、前記燃焼器１７からの輻射熱によって加熱される。
【００６０】
従って、本実施形態では、改質器１６及び蒸発器１５が、所望の改質可能な状態に迅速に活性化され、燃料電池スタック１２の始動性を良好に向上させることができるという効果が得られる。
【００６１】
さらに、流体部１９は、燃料電池スタック１２の積層方向一端側に配設されるとともに、前記流体部１９を構成する蒸発器１５の内部に、燃焼器１７が配置されている。これにより、燃焼器１７を介して燃料電池スタック１２を内部から加熱することができ、熱効率を有効に高めることが可能になる。
【００６２】
しかも、燃料電池スタック１２は、熱交換器１４で燃焼ガスと熱交換された空気によって内部から加熱される。これにより、燃料電池スタック１２は、腐食を防止するとともに、均一且つ迅速に加熱されるという利点がある。
【００６３】
さらにまた、燃料電池スタック１２から排出される排ガスは、排ガス通路６８から排ガス経路９２に供給される一方、燃焼器１７から排出される燃焼ガスは、燃焼ガス経路１３４に供給されている。そして、排ガス経路９２と燃焼ガス経路１３４とは、熱交換器１４の排ガス入口９６ａと燃焼ガス入口９８とに供給されて熱媒体通路９４で合流している。
【００６４】
従って、熱交換器１４に供給される熱媒体温度を良好且つ正確に調整することができ、燃焼器１７の制御が一挙に簡素化且つ高精度化される。しかも、熱交換器１４の耐久性が向上し、前記熱交換器１４の設計条件を良好に緩和することが可能になる。
【００６５】
また、燃焼器１７は、燃料電池スタック１２から排出される高温の排ガスに曝されることがなく、前記燃焼器１７の耐久性が良好に向上する。その上、燃焼器１７には、原燃料供給管１２８を介して原燃料が供給されるとともに、空気供給管１３０から空気が供給されており、前記原燃料及び前記酸化剤ガスの温度や流量等が略一定条件に設定可能であり、安定した燃焼が確実に遂行される。
【００６６】
また、熱媒体通路９４を通って熱交換を行った排ガスは、連結経路１００から加熱通路１０２に流入され、蒸発器１５の加熱媒体として有効に使用される。高温の排ガスは、熱交換器１４を通って熱交換を行って比較的低温となり、蒸発器１５での加熱媒体として適した温度になるからである。これにより、排熱を良好に活用することができ、熱効率が高まるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの一部断面説明図である。
【図２】前記燃料電池システムを構成する燃料電池スタックの概略斜視説明図である。
【図３】前記燃料電池スタックを構成する燃料電池の分解斜視説明図である。
【図４】前記燃料電池の動作を説明する概略断面説明図である。
【図５】前記燃料電池システムの始動時の説明図である。
【図６】前記燃料電池システムの定常運転時の説明図である。
【図７】特許文献１の燃料電池システムの概略説明図である。
【符号の説明】
【００６８】
１０…燃料電池システム            １１…燃料電池
１２…燃料電池スタック            １４…熱交換器
１５…蒸発器                      １６…改質器
１７…燃焼器                      １８…筐体
１９…流体部                      ２０…電解質
２１…荷重付与機構                ２２…カソード電極
２４…アノード電極                ２６…電解質・電極接合体
２８…セパレータ                  ３０…燃料ガス供給連通孔
４６…燃料ガス通路                ５０…酸化剤ガス通路
６７…酸化剤ガス供給部            ６８…排ガス通路
９２…排ガス経路                  ９４…熱媒体通路
９６ａ…排ガス入口                ９６ｂ…排ガス出口
９８…燃焼ガス入口                １０２…加熱通路
１０６…二重管                    １２４…ケーシング
１２６…孔部                      １３２…燃焼室
１３４…燃焼ガス経路
【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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【図７】
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