(57)【要約】【課題】燃焼器からの熱エネルギの損失を良好に抑制し、熱自立の促進を図るとともに、小型化且つ低コスト化を可能にする。【解決手段】熱交換器５０を構成する酸化剤ガス供給室７６ａと酸化剤ガス排出室７６ｂとには、複数の酸化剤ガス管路７８の両端が連通する。熱交換器５０の内部には、複数の酸化剤ガス管路７８が収容された空間からなる燃焼室８４が形成される。燃焼室８４には、酸化剤ガス排出室７６ｂ側から酸化剤排ガス供給管８６の一端と燃料排ガス供給管８８の一端とが配置される。燃料排ガス供給管８８の燃料排ガス出口８８ａ側が燃焼室８４内に突出する管路長さは、酸化剤排ガス供給管８６の酸化剤排ガス出口８６ａ側が前記燃焼室８４内に突出する管路長さよりも短尺に構成される。【選択図】図６
2012220176.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体を昇温させるための熱交換器を備える熱処理システムであって、
前記熱交換器は、前記流体を流通させる複数の流体通路を有する熱交換部と、
前記熱交換部内に設けられ、燃料ガスと酸化剤ガスとの燃焼反応により、各流体通路を流通する前記流体を昇温させる熱源となる燃焼部と、
前記熱交換部の上流側に設けられ、前記流体を前記各流体通路に均等に供給するための流体供給室と、
前記熱交換部の下流側に設けられ、前記流体を前記各流体通路から均等に排出するための流体排出室と、
前記燃焼部に連通し、該燃焼部に前記燃料ガスを供給する燃料ガス出口を有する燃料ガス供給管と、
前記燃焼部に連通し、該燃焼部に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス出口を有する酸化剤ガス供給管と、
を備え、
前記燃料ガス供給管の前記燃料ガス出口側が前記燃焼部内に突出する管路長さは、前記酸化剤ガス供給管の前記酸化剤ガス出口側が前記燃焼部内に突出する管路長さよりも短尺に構成されることを特徴とする熱処理システム。
【請求項２】
請求項１記載の熱処理システムにおいて、前記燃料ガス供給管及び前記酸化剤ガス供給管は、互いに平行して配設されることを特徴とする熱処理システム。
【請求項３】
請求項１又は２記載の熱処理システムにおいて、前記燃料ガス供給管と前記酸化剤ガス供給管とは、前記燃焼部の中心位置を挟んで該中心位置の両側に配設されることを特徴とする熱処理システム。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱処理システムにおいて、前記燃焼部には、燃焼触媒が設けられることを特徴とする熱処理システム。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱処理システムにおいて、前記熱交換器には、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとの燃焼反応により燃焼ガスを発生させるとともに、前記燃焼ガスを前記燃焼部に供給するためのガス燃焼器が隣接して設けられることを特徴とする熱処理システム。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の熱処理システムにおいて、前記熱交換器には、炭化水素を主体とする原燃料を改質し、前記燃料ガスを生成する改質器が隣接して設けられることを特徴とする熱処理システム。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の熱処理システムにおいて、前記熱処理システムは、固体酸化物形燃料電池と組み合わされるとともに、
前記燃料ガスとして前記燃料電池から排出される燃料排ガス、前記酸化剤ガスとして前記燃料電池から排出される酸化剤排ガス、及び前記流体として酸化剤ガスが用いられることを特徴とする熱処理システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体を昇温させるための熱交換器を備える熱処理システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
通常、流体を昇温させるための熱交換器を備える熱処理システムが、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）の周辺機器として使用されている。この燃料電池は、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おり、この固体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（以下、ＭＥＡともいう）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、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】
熱処理システムでは、一般的に、炭化水素を主体とする原燃料を改質し、燃料電池スタックに供給される燃料ガスを生成する改質器と、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、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、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、前記燃焼ガスを発生させる排ガス燃焼器とが設けられている。
【０００４】
例えば、特許文献１に開示されている燃料電池システムでは、図９に示すように、燃焼器１を備えている。この燃焼器１は、筐体からなる燃焼室２と、一端がセルスタックの燃料極側の排気管に接続され、他端が前記燃焼室２の内部に配設された燃料オフガス給気管３と、一端が前記燃焼室２の内部で前記燃料オフガス給気管３の他端と所定距離離間して対向配置され、他端が前記燃焼室２の外部に導出され、排気装置や他の燃料リサイクル装置に接続された燃料排気管４と、一端がセルスタックの空気極側の排気管に接続され、他端が、その軸線が前記燃料オフガス給気管３の軸線に対して直交し、且つ、前記燃料オフガス給気管３の他端と前記燃料排気管４の一端との間の領域に向かって開口するように前記燃焼室２の内部に配設された酸化剤オフガス給気管５と、一端が前記燃焼室２の内部の燃焼領域及び干渉領域から離れた位置に配設され、他端が前記燃焼室２の外部に導出され改質器やセルスタックを高温保持するための機構に接続された酸化剤排気管６とを備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−２７７８７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記の特許文献１では、燃料オフガス給気管３と酸化剤オフガス給気管５とが、燃焼室２の内部に直交して配設されており、前記燃料オフガス給気管３の軸線と前記酸化剤オフガス給気管５の軸線との交点のみが着火点となっている。このため、燃焼位置を制御することができず、例えば、火炎伝播等により逆火するおそれがある。しかも、燃焼室２の内部では、中央部が高温になる一方、端部が加温され難くなり、温度分布の差が大きくなるという問題がある。
【０００７】
本発明は、この種の問題を解決するものであり、特に熱エネルギの損失を良好に抑制し、熱自立の促進を図るとともに、小型化且つ低コスト化が可能な熱処理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】
【０００８】
本発明は、流体を昇温させるための熱交換器を備える熱処理システムに関するものである。
【０００９】
この熱処理システムでは、熱交換器は、流体を流通させる複数の流体通路を有する熱交換部と、前記熱交換部内に設けられ、燃料ガスと酸化剤ガスとの燃焼反応により、各流体通路を流通する前記流体を昇温させる熱源となる燃焼部と、前記熱交換部の上流側に設けられ、前記流体を前記各流体通路に均等に供給するための流体供給室と、前記熱交換部の下流側に設けられ、前記流体を前記各流体通路から均等に排出するための流体排出室と、前記燃焼部に連通し、該燃焼部に前記燃料ガスを供給する燃料ガス出口を有する燃料ガス供給管と、前記燃焼部に連通し、該燃焼部に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス出口を有する酸化剤ガス供給管とを備えている。
【００１０】
そして、燃料ガス供給管の燃料ガス出口側が燃焼部内に突出する管路長さは、酸化剤ガス供給管の酸化剤ガス出口側が前記燃焼部内に突出する管路長さよりも短尺に構成されている。
【００１１】
また、この熱処理システムでは、燃料ガス供給管及び酸化剤ガス供給管は、互いに平行して配設されることが好ましい。このため、燃焼範囲は、燃焼部内の全域にわたって広がることができ、前記燃焼部内の温度分布が小さくなり、各流体通路を流通する流体は、均等に昇温される。
【００１２】
さらに、この熱処理システムでは、燃料ガス供給管と酸化剤ガス供給管とは、燃焼部の中心位置を挟んで前記中心位置の両側に配設されることが好ましい。従って、燃焼範囲は、一層確実に燃焼部全域にわたって広がるため、前記燃焼部内の温度分布が可及的に小さくなり、各流体通路を流通する流体を均等に昇温させることが可能になる。
【００１３】
さらにまた、この熱処理システムでは、燃焼部には、燃焼触媒が設けられることが好ましい。これにより、特に燃焼部に供給される燃料ガスが少量であっても、着火性を確保することができ、各流体通路を流通する流体を安定して昇温させることが可能になる。
【００１４】
また、この熱処理システムでは、熱交換器には、燃料ガスと酸化剤ガスとの燃焼反応により燃焼ガスを発生させるとともに、前記燃焼ガスを燃焼部に供給するためのガス燃焼器が隣接して設けられることが好ましい。このため、熱交換部、燃焼部及びガス燃焼器は、略一体化され、熱処理システムの放熱を最小化することができる。
【００１５】
従って、熱エネルギの損失を抑制することが可能になり、熱自立運転の促進が図られる。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の動作温度を維持することをいう。しかも、燃焼用回路（配管等）が簡素化され、部品点数も削減されるため、小型化及び低コスト化が図られる。
【００１６】
さらに、この熱処理システムでは、熱交換器には、炭化水素を主体とする原燃料を改質し、燃料ガスを生成する改質器が隣接して設けられることが好ましい。これにより、改質器、熱交換部及び燃焼器は、略一体化され、熱処理システムの放熱を最小化することができる。このため、熱エネルギの損失を抑制することが可能になり、熱自立運転の促進が図られる。しかも、燃焼用回路（配管等）が簡素化され、部品点数も削減されるため、小型化及び低コスト化が図られる。
【００１７】
さらにまた、この熱処理システムは、固体酸化物形燃料電池に組み合わされるとともに、燃料ガスとして前記燃料電池から排出される燃料排ガス、酸化剤ガスとして前記燃料電池から排出される酸化剤排ガス、及び流体として酸化剤ガスが用いられることが好ましい。
【００１８】
従って、ＳＯＦＣ（固体酸化物形燃料電池）等の高温型燃料電池に最適である。特に、ＳＯＦＣの熱自立運転を促進させることができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、熱交換器内には、熱交換部と燃焼部とが一体に設けられている。このため、各流体通路を流通する流体の昇温が効率的に遂行され、熱交換効率が有効に向上する。
【００２０】
特に、Ａ／Ｆ（空気／燃料ガス）が大きい燃料電池においても、供給される酸化剤ガス（空気）を有効に昇温させることができる。従って、熱エネルギの損失を抑制して熱自立運転が確実に遂行される。
【００２１】
さらに、熱交換部及び燃焼部に配管が不要になる。これにより、燃焼用回路（配管等）が簡素化されるとともに、部品点数も削減されるため、小型化及び低コスト化が図られる。
【００２２】
しかも、熱交換器部の上流側に流体供給室が設けられるとともに、前記熱交換部の下流側に流体排出室が設けられている。従って、流体は、各流体通路に沿って均等に流通することが可能になり、前記流体を均等に昇温させることができる。
【００２３】
また、燃料ガス出口側は、酸化剤ガス出口側より燃焼部内への突出長さが短い。これにより、流体が、燃料ガスとは反対方向（対向流）に流通する際には、前記燃料ガスの自己着火温度を維持することができ、燃焼部での失火を回避することが可能になる。一方、流体が、燃料ガスと同一方向（並行流）に流通する際には、熱交換効率がさらに向上する。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る熱処理システムを組み込む燃料電池システムの概略構成説明図である。
【図２】前記燃料電池システムを構成するＦＣ周辺機器の概略斜視説明図である。
【図３】前記ＦＣ周辺機器の要部斜視説明図である。
【図４】前記ＦＣ周辺機器の要部分解斜視説明図である。
【図５】前記ＦＣ周辺機器を構成する改質器の一部断面正面図である。
【図６】前記ＦＣ周辺機器を構成する熱交換器及び排ガス燃焼器の一部断面正面図である。
【図７】前記ＦＣ周辺機器を構成する起動用ガス燃焼器の一部断面側面図である。
【図８】本発明の第２の実施形態に係る熱処理システムの一部断面正面図である。
【図９】特許文献１に開示されている燃料電池システムの概略斜視説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る熱処理システムを組み込む燃料電池システム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。
【００２６】
燃料電池システム１０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モジュール（ＳＯＦＣモジュール）１２と、前記燃料電池モジュール１２に原燃料（例えば、都市ガス）を供給する原燃料供給装置（燃料ガスポンプを含む）１４と、前記燃料電池モジュール１２に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置（空気ポンプを含む）１６と、前記燃料電池モジュール１２に水を供給する水供給装置（水ポンプを含む）１８と、前記燃料電池モジュール１２の発電量を制御する制御装置２０とを備える。
【００２７】
燃料電池モジュール１２は、複数の固体酸化物形の燃料電池２２が鉛直方向（又は水平方向）に積層される固体酸化物形の燃料電池スタック（ＦＣスタック）２４を備える。燃料電池２２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２６の両面に、カソード電極２８及びアノード電極３０が設けられた電解質・電極接合体（ＭＥＡ）３２を備える。
【００２８】
電解質・電極接合体３２の両側には、カソード側セパレータ３４とアノード側セパレータ３６とが配設される。カソード側セパレータ３４には、カソード電極２８に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路３８が形成されるとともに、アノード側セパレータ３６には、アノード電極３０に燃料ガスを供給する燃料ガス流路４０が形成される。なお、燃料電池２２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。
【００２９】
燃料電池スタック２４には、各酸化剤ガス流路３８の入口側に一体に連通する酸化剤ガス入口連通孔４２ａ、前記酸化剤ガス流路３８の出口側に一体に連通する酸化剤ガス出口連通孔４２ｂ、各燃料ガス流路４０の入口側に一体に連通する燃料ガス入口連通孔４４ａ、及び前記燃料ガス流路４０の出口側に一体に連通する燃料ガス出口連通孔４４ｂとが設けられる。
【００３０】
燃料電池モジュール１２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し、燃料電池スタック２４に供給される燃料ガスを生成する改質器４６と、水を蒸発させるとともに、水蒸気を前記改質器４６に供給する蒸発器４８と、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、前記燃料電池スタック２４に前記酸化剤ガスを供給する熱交換器５０と、前記燃料電池スタック２４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、前記燃焼ガスを発生させる排ガス燃焼器５２と、前記原燃料と前記酸化剤ガスとを燃焼させて前記燃焼ガスを発生させる起動用ガス燃焼器５４とを備える。
【００３１】
燃料電池モジュール１２は、基本的には、燃料電池スタック２４とＦＣ周辺機器（第１の実施形態に係る熱処理システム）５６とにより構成される。このＦＣ周辺機器５６は、改質器４６、蒸発器４８、熱交換器５０、排ガス燃焼器（燃焼部）５２及び起動用ガス燃焼器５４を備えるとともに、後述するように、前記改質器４６、前記熱交換器５０、前記排ガス燃焼器５２及び前記起動用ガス燃焼器５４間には、排ガス用の配管を設けていない。
【００３２】
ＦＣ周辺機器５６では、熱交換器５０内には、排ガス燃焼器５２が一体に設けられるとともに、起動用ガス燃焼器５４は、前記熱交換器５０の一端に隣接して設けられる。改質器４６は、熱交換器５０の他端に隣接して設けられる。
【００３３】
図２〜図４に示すように、熱交換器５０は、立位姿勢に配置されており、後述するように、酸化剤ガスを鉛直下方向から鉛直上方向に流通させる。改質器４６は、立位姿勢に配置されており、改質ガスを鉛直下方向から鉛直上方向に流通させる。熱交換器５０の一方の側部（一端）には、起動用ガス燃焼器５４が直接装着されるとともに、前記熱交換器５０の他方の側部（他端）には、改質器４６が直接装着される。改質器４６、熱交換器５０（排ガス燃焼器５２を含む）及び起動用ガス燃焼器５４は、水平方向（矢印Ａ方向）に積層される。
【００３４】
図２に示すように、熱交換器５０及び改質器４６の下方には、蒸発器４８と、都市ガス（原燃料）中に含まれる硫黄化合物を除去するための脱硫器５８とが配設される。
【００３５】
改質器４６は、都市ガス（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、主としてメタン（ＣＨ４）、水素、ＣＯを含む燃料ガスに水蒸気改質するための予備改質器であり、数百℃の作動温度に設定される。
【００３６】
燃料電池２２は、作動温度が数百℃と高温であり、アノード電極３０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２６の前記アノード電極３０側に供給される。
【００３７】
図１に示すように、脱硫器５８の入口には、原燃料供給装置１４を構成する原燃料通路６０ａが接続されるとともに、前記脱硫器５８の出口には、原燃料供給路６０ｂが接続される。この原燃料供給路６０ｂは、改質器４６の改質ガス供給室６２ａに接続される。
【００３８】
図３及び図５に示すように、改質ガス供給室６２ａは、複数の改質管路６４の下端側に連通するとともに、前記改質管路６４の上端側に改質ガス排出室６２ｂが連通する。改質ガス排出室６２ｂには、燃料ガス通路６６の一端が連通するとともに、前記燃料ガス通路６６の他端が燃料電池スタック２４の燃料ガス入口連通孔４４ａに連通する（図１参照）。各改質管路６４には、改質用にペレット状の触媒（図示せず）が充填されている。
【００３９】
各改質管路６４間には、加熱空間６８が形成される。この加熱空間６８には、排ガス配管７０ａの一端が開口される一方、図１に示すように、前記排ガス配管７０ａの他端は、蒸発器４８の加熱路７２の入口に接続される。蒸発器４８の加熱路７２の出口には、排気配管７０ｂが接続される。
【００４０】
蒸発器４８の入口には、水供給装置１８を構成する水通路７４ａが接続され、この水通路７４ａを流通する水は、加熱路７２に沿って流通する排ガスにより加熱され、水蒸気が発生する。蒸発器４８の出口には、水蒸気通路７４ｂの一端が接続されるとともに、前記水蒸気通路７４ｂの他端は、原燃料供給路６０ｂに対して脱硫器５８の下流の位置に合流する。
【００４１】
図４及び図６に示すように、熱交換器５０は、下部側（上流側）に酸化剤ガス供給室（流体供給室）７６ａが設けられるとともに、上部側（下流側）に酸化剤ガス排出室（流体排出室）７６ｂが設けられる。酸化剤ガス供給室７６ａと酸化剤ガス排出室７６ｂとには、複数の酸化剤ガス管路（流体通路）７８の両端が連通する。複数の酸化剤ガス管路７８により熱交換部７９が構成される。
【００４２】
酸化剤ガス供給室７６ａには、第１酸化剤ガス供給路８０ａの一端が配設される。酸化剤ガス排出室７６ｂには、酸化剤ガス通路８２の一端が配設されるとともに、前記酸化剤ガス通路８２の他端は、燃料電池スタック２４の酸化剤ガス入口連通孔４２ａに接続される（図１参照）。
【００４３】
熱交換器５０の内部には、複数の酸化剤ガス管路７８が収容された空間からなるとともに、排ガス燃焼器５２を構成する燃焼室（燃焼部）８４が形成される。燃焼室８４は、燃料ガス（具体的には、燃料排ガス）と酸化剤ガス（具体的には、酸化剤排ガス）との燃焼反応により、酸化剤ガスを昇温させる熱源として機能する。
【００４４】
燃焼室８４には、酸化剤ガス排出室７６ｂ側から酸化剤排ガス供給管（酸化剤ガス供給管）８６の一端と、燃料排ガス供給管（燃料ガス供給管）８８の一端とが配置される。図６に示すように、燃料排ガス供給管８８の燃料排ガス出口８８ａ側が燃焼室８４内に突出する管路長さＬ１は、酸化剤排ガス供給管８６の酸化剤排ガス出口８６ａ側が前記燃焼室８４内に突出する管路長さＬ２よりも短尺に構成される。
【００４５】
燃料排ガス出口８８ａは、酸化剤ガス排出室７６ｂの近傍に配置される一方、酸化剤排ガス出口８６ａは、酸化剤ガス供給室７６ａの近傍に配置される。燃料排ガス出口８８ａと酸化剤排ガス出口８６ａとは、燃焼室８４内の略対角位置に配置される。
【００４６】
燃料排ガス供給管８８及び酸化剤排ガス供給管８６は、互いに平行して配設される。燃料排ガス供給管８８と酸化剤排ガス供給管８６とは、燃焼室８４の中心位置Ｏを挟んで該中心位置Ｏの両側に配設される。燃焼室８４では、供給される燃料排ガスと酸化剤排ガスとにより燃焼反応が発生する燃焼位置ＦＰが、前記燃焼室８４の上部側に設定される。
【００４７】
燃焼室８４には、例えば、燃料排ガス供給管８８の燃料排ガス出口８８ａに燃焼触媒８９が設けられる。この燃焼触媒８９は、燃焼室８４の内壁に塗布したり、前記燃焼室８４内に設置したり、又は、燃料排ガス供給管８８の外周面や酸化剤排ガス供給管８６の外周面に設けたりすることができる。
【００４８】
図１に示すように、酸化剤排ガス供給管８６の他端は、燃料電池スタック２４の酸化剤ガス出口連通孔４２ｂに接続されるとともに、燃料排ガス供給管８８の他端は、前記燃料電池スタック２４の燃料ガス出口連通孔４４ｂに接続される。
【００４９】
図４に示すように、改質器４６と熱交換器５０との間には、壁板（壁部）９０が配設される。改質器４６のフランジ部９２と熱交換器５０のフランジ部９４との間に、壁板９０が挟持されるとともに、これらが複数のボルト９６及びナット９７により一体的に固定される。壁板９０の上部側には、熱交換器５０の燃焼室８４に発生した燃焼ガスを、改質器４６の加熱空間６８に供給するための開口部９８が形成される。
【００５０】
図７に示すように、起動用ガス燃焼器５４は、内部ケーシング１００を介して燃焼室１０２が形成されるとともに、前記内部ケーシング１００の外方には、前記燃焼室１０２を冷却するための冷却通路１０４が形成される。冷却通路１０４の上部には、酸化剤ガス供給装置１６を構成する第１酸化剤ガス通路１０６ａが接続される一方、前記冷却通路１０４の下部には、第２酸化剤ガス通路１０６ｂが接続される（図１参照）。
【００５１】
燃焼室１０２は、排ガス燃焼器５２を構成する燃焼室８４に対応して矩形状の火炎領域Ｓが設定される（図４参照）。この燃焼室１０２には、予混合燃料通路１０８が接続されるとともに、前記予混合燃料通路１０８には、図１に示すように、第２酸化剤ガス供給路８０ｂと原燃料分岐通路１１０とが接続される。図４に示すように、起動用ガス燃焼器５４と熱交換器５０とは、それぞれに設けられたフランジ部９２、９４が複数のボルト９６及びナット９７により一体的に固定される。
【００５２】
図１に示すように、酸化剤ガス供給装置１６は、酸化剤ガスを第２酸化剤ガス通路１０６ｂから熱交換器５０と起動用ガス燃焼器５４とに、すなわち、第１酸化剤ガス供給路８０ａと第２酸化剤ガス供給路８０ｂとに、分配する酸化剤ガス用調整弁１１２を備える。
【００５３】
原燃料供給装置１４は、原燃料を改質器４６と起動用ガス燃焼器５４とに、すなわち、原燃料供給路６０ｂと原燃料分岐通路１１０とに、分配する原燃料用調整弁１１４を備える。
【００５４】
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。
【００５５】
燃料電池システム１０の起動時には、空気（酸化剤ガス）及び原燃料が起動用ガス燃焼器５４に供給される。具体的には、酸化剤ガス供給装置１６では、空気ポンプの駆動作用下に第１酸化剤ガス通路１０６ａに空気が供給される。この空気は、起動用ガス燃焼器５４の冷却通路１０４を通って第２酸化剤ガス通路１０６ｂに導入された後、酸化剤ガス用調整弁１１２の開度調整作用下に、第２酸化剤ガス供給路８０ｂから予混合燃料通路１０８に供給される。
【００５６】
一方、原燃料供給装置１４では、燃料ガスポンプの駆動作用下に原燃料通路６０ａの上流に、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、原燃料用調整弁１１４の開度調整作用下に、原燃料分岐通路１１０に導入される。この原燃料は、予混合燃料通路１０８に供給されて空気と混合されるとともに、起動用ガス燃焼器５４内の燃焼室１０２に供給される。
【００５７】
このため、燃焼室１０２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、燃焼が開始される。従って、起動用ガス燃焼器５４に直接接続されている熱交換器５０には、図４に示すように、前記起動用ガス燃焼器５４の火炎領域Ｓから排ガス燃焼器５２を構成する燃焼室８４に燃焼ガスが供給される。
【００５８】
燃焼室８４に供給された燃焼ガスは、熱交換器５０を加温するとともに、壁板９０に形成された開口部９８を介して改質器４６の加熱空間６８に移動する。これにより、改質器４６が加温される。加熱空間６８には、排ガス配管７０ａが配設されており、この排ガス配管７０ａは、蒸発器４８の加熱路７２に連通している。このため、燃焼ガスは、蒸発器４８を昇温させた後、排気配管７０ｂから排出される。
【００５９】
次いで、蒸発器４８及び改質器４６が設定温度に昇温されると、酸化剤ガス用調整弁１１２の開度が調整されて第２酸化剤ガス供給路８０ｂへの空気供給量が減少されるとともに、原燃料用調整弁１１４の開度が調整されて原燃料分岐通路１１０への原燃料供給量が減少される。これにより、起動用ガス燃焼器５４による燃焼量が減少して発生する熱量が削減される。なお、水供給装置１８では、蒸発器４８に供給される水量が調整される。
【００６０】
このため、酸化剤ガス供給装置１６では、酸化剤ガス用調整弁１１２を介して第１酸化剤ガス供給路８０ａに供給される空気流量が増加し、熱交換器５０の酸化剤ガス供給室７６ａに空気が導入される。
【００６１】
図６に示すように、酸化剤ガス供給室７６ａに導入された空気は、複数の酸化剤ガス管路７８内を下端側から上端側に移動する間に、燃焼室８４に導入された燃焼ガスにより加熱（熱交換）される。加熱された空気は、一旦酸化剤ガス排出室７６ｂに供給された後、酸化剤ガス通路８２を介して燃料電池スタック２４の酸化剤ガス入口連通孔４２ａに供給される（図１参照）。
【００６２】
燃料電池スタック２４では、加熱された空気は、酸化剤ガス流路３８を流通した後、酸化剤ガス出口連通孔４２ｂから酸化剤排ガス供給管８６に排出される。酸化剤排ガス供給管８６は、図６に示すように、排ガス燃焼器５２を構成する燃焼室８４内に酸化剤排ガス出口８６ａが開口しており、前記燃焼室８４に空気が導入される。
【００６３】
また、原燃料供給装置１４では、図１に示すように、原燃料用調整弁１１４を介して原燃料通路６０ａから脱硫器５８に供給される原燃料流量が増加される。脱硫器５８で脱硫された原燃料は、原燃料供給路６０ｂを流通して改質器４６の改質ガス供給室６２ａに供給される。一方、水供給装置１８から供給される水は、蒸発器４８で蒸発された後、原燃料供給路６０ｂを流通して改質ガス供給室６２ａに供給される。
【００６４】
図５に示すように、改質ガス供給室６２ａに供給された原燃料と水蒸気との混合ガスは、複数の改質管路６４内を下端側から上端側に移動する。その間に、混合ガスは、加熱空間６８に導入された燃焼ガスにより加熱されるとともに、ペレット状の触媒を介して水蒸気改質され、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、一旦改質ガス排出室６２ｂに供給された後、燃料ガス通路６６を介して燃料電池スタック２４の燃料ガス入口連通孔４４ａに供給される（図１参照）。
【００６５】
燃料電池スタック２４では、加熱された燃料ガスは、燃料ガス流路４０を流通した後、燃料ガス出口連通孔４４ｂから燃料排ガス供給管８８に排出される。燃料排ガス供給管８８は、図６に示すように、排ガス燃焼器５２を構成する燃焼室８４内に燃料排ガス出口８８ａが開口しており、前記燃焼室８４に燃料ガスが導入される。
【００６６】
上記のように、燃料電池スタック２４は、加熱された空気及び加熱された燃料ガスが流通することにより、昇温される。一方、排ガス燃焼器５２を構成する燃焼室８４には、図６に示すように、酸化剤排ガス供給管８６を介して空気が供給されるとともに、燃料排ガス供給管８８を介して燃料ガスが供給されている。従って、起動用ガス燃焼器５４による昇温作用下に、排ガス燃焼器５２内が燃料ガスの自己着火温度を超えると、燃焼室８４で空気と燃料ガスとによる燃焼が開始される。
【００６７】
排ガス燃焼器５２における燃焼が開始されると、酸化剤ガス用調整弁１１２の開度及び原燃料用調整弁１１４の開度が調整され、起動用ガス燃焼器５４への空気及び原燃料の供給が停止される。
【００６８】
次いで、燃料電池スタック２４が発電可能な状態に至ると、前記燃料電池スタック２４は、発電が開始される。燃料電池スタック２４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３８を流通する一方、燃料ガスが燃料ガス流路４０を流通する。従って、各燃料電池２２のカソード電極２８に空気が供給されるとともに、アノード電極３０に燃料ガスが供給され、化学反応により発電が行われる。
【００６９】
反応に使用された空気（未反応の空気を含む）は、酸化剤排ガスとして酸化剤排ガス供給管８６に排出される。また、反応に使用された燃料ガス（未反応の燃料ガスを含む）は、燃料排ガスとして燃料排ガス供給管８８に排出される。酸化剤排ガス及び燃料排ガスは、排ガス燃焼器５２に送られて燃焼される。
【００７０】
この場合、第１の実施形態では、図６に示すように、熱交換器５０の内部には、複数の酸化剤ガス管路７８が収容された空間からなるとともに、排ガス燃焼器５２を構成する燃焼室８４が形成されている。このため、熱交換器５０内には、熱交換部７９と燃焼室（燃焼部）８４とが一体に設けられている。従って、各酸化剤ガス管路７８を流通する酸化剤排ガス（流体）の昇温が効率的に遂行され、熱交換効率が有効に向上する。
【００７１】
特に、Ａ／Ｆ（空気／燃料ガス）が大きい燃料電池２２においても、供給される酸化剤ガス（空気）を有効に昇温させることができる。これにより、熱エネルギの損失を抑制して熱自立運転が確実に遂行される。
【００７２】
さらに、熱交換部７９及び燃焼室８４に配管が不要になる。このため、燃焼用回路（配管等）が簡素化されるとともに、部品点数も削減されるため、小型化及び低コスト化が図られる。
【００７３】
しかも、熱交換部７９の上流側に酸化剤ガス供給室７６ａが設けられるとともに、前記熱交換部７９の下流側に酸化剤ガス排出室７６ｂが設けられている。従って、酸化剤ガスは、各酸化剤ガス管路７８に沿って均等に流通することが可能になり、前記酸化剤ガスを均等に昇温させることができる。
【００７４】
その上、燃料排ガス出口８８ａ側は、酸化剤排ガス出口８６ａ側より燃焼室８４内への突出長さが短く設定されている。これにより、酸化剤ガスが、燃料ガスとは反対方向（対向流）に流通するため、前記燃料ガスの自己着火温度を維持することができ、燃焼室８４での失火を回避することが可能になる。
【００７５】
その際、第１の実施形態では、燃焼室８４内において、燃料排ガスと酸化剤排ガスとにより燃焼反応が発生する燃焼位置ＦＰは、前記燃焼室８４の上部側に設定されている。一方、図４に示すように、改質器４６と熱交換器５０との間に配設されている壁板９０には、上部側に開口部９８が形成されている。
【００７６】
すなわち、燃焼室８４内の燃焼位置ＦＰと開口部９８とは、互いに近接しており、前記燃焼位置ＦＰで発生した排ガスは、即座に、すなわち、高温を維持した状態で、前記開口部９８を通って改質器４６内に供給される。このように、改質器４６内には、高温の排ガスが供給されるため、前記改質器４６を良好且つ迅速に昇温させることができるという効果が得られる。
【００７７】
また、燃料排ガス供給管８８及び酸化剤排ガス供給管８６は、互いに平行して配設されている。このため、燃焼位置ＦＰは、燃焼室８４内の全域にわたって広がることができ、前記燃焼室８４内の温度分布が小さくなり、各酸化剤ガス管路７８を流通する酸化剤ガスは、均等に昇温される。
【００７８】
さらに、燃料排ガス供給管８８と酸化剤排ガス供給管８６とは、燃焼室８４の中心位置Ｏを挟んで該中心位置Ｏの両側に配設されている。従って、燃焼範囲は、一層確実に燃焼部全域にわたって広がるため、前記燃焼室８４内の温度分布が可及的に小さくなり、各酸化剤ガス管路７８を流通する酸化剤ガスを均等に昇温させることが可能になる。
【００７９】
さらにまた、燃焼室８４には、燃焼触媒８９が設けられている。これにより、特に燃焼室８４に供給される燃料排ガスが少量であっても、着火性を確保することができ、各酸化剤ガス管路７８を流通する酸化剤ガスを安定して昇温させることが可能になる。
【００８０】
また、熱交換器５０には、燃料排ガス（燃料ガス）と酸化剤排ガス（酸化剤ガス）との燃焼反応により燃焼ガスを発生させるとともに、前記燃焼ガスを燃焼室８４に供給するための起動用ガス燃焼器５４が隣接して設けられている（図２〜図４参照）。このため、熱交換器５０、排ガス燃焼器５２及び起動用ガス燃焼器５４は、略一体化され、ＦＣ周辺機器（熱処理システム）５６の放熱を最小化することができる。
【００８１】
従って、熱エネルギの損失を抑制することが可能になり、熱自立運転の促進が図られる。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の動作温度を維持することをいう。しかも、燃焼用回路（配管等）が簡素化され、部品点数も削減されるため、小型化及び低コスト化が図られる。
【００８２】
さらに、熱交換器５０には、炭化水素を主体とする原燃料を改質し、燃料ガスを生成する改質器４６が隣接して設けられている。これにより、改質器４６、熱交換器５０及び排ガス燃焼器５２は、略一体化され、ＦＣ周辺機器（熱処理システム）５６の放熱を最小化することができる。このため、熱エネルギの損失を抑制することが可能になり、熱自立運転の促進が図られる。しかも、燃焼用回路（配管等）が簡素化され、部品点数も削減されるため、小型化及び低コスト化が図られる。
【００８３】
さらにまた、熱交換器５０は、固体酸化物形燃料電池スタック２４に組み込まれるとともに、燃料ガスとして前記燃料電池スタック２４から排出される燃料排ガス、酸化剤ガスとして前記燃料電池スタック２４から排出される酸化剤排ガス、及び昇温される流体として酸化剤ガスが用いられている。
【００８４】
従って、ＳＯＦＣ（固体酸化物形燃料電池）等の高温型燃料電池２２に最適である。特に、ＳＯＦＣの熱自立運転を促進させることができる。
【００８５】
図８は、本発明の第２の実施形態に係る熱処理システムを構成する熱交換器１２０の一部断面正面図である。なお、第１の実施形態に係る熱交換器５０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。
【００８６】
熱交換器１２０は、下部側に酸化剤ガス排出室７６ｂが設けられるとともに、上部側に酸化剤ガス供給室７６ａが設けられる。酸化剤ガスは、鉛直上方向から鉛直下方向に向かって流動する。酸化剤ガス供給室７６ａには、第１酸化剤ガス供給路１２２の一端が配設されるとともに、酸化剤ガス排出室７６ｂには、酸化剤ガス通路１２４の一端が配設される。
【００８７】
このように構成される第２の実施形態では、酸化剤排ガス供給管８６を流通する酸化剤排ガス、燃料排ガス供給管８８を流通する燃料排ガス及び各酸化剤ガス管路７８を流通する酸化剤ガスは、それぞれ同一方向（並行流）に設定されている。
【００８８】
従って、第２の実施形態では、燃焼位置ＦＰが各酸化剤ガス管路７８の上流側に設定されており、前記各酸化剤ガス管路７８を流通する酸化剤ガスとの熱交換効率がさらに向上するという効果が得られる。
【符号の説明】
【００８９】
１０…燃料電池システム              １２…燃料電池モジュール
１４…原燃料供給装置                １６…酸化剤ガス供給装置
１８…水供給装置                    ２０…制御装置
２２…燃料電池                      ２４…燃料電池スタック
２６…電解質                        ２８…カソード電極
３０…アノード電極                  ３８…酸化剤ガス流路
４０…燃料ガス流路                  ４６…改質器
４８…蒸発器                        ５０、１２０…熱交換器
５２…排ガス燃焼器                  ５４…起動用ガス燃焼器
５６…ＦＣ周辺機器                  ５８…脱硫器
６０ａ…原燃料通路                  ６０ｂ…原燃料供給路
６２ａ…改質ガス供給室              ６２ｂ…改質ガス排出室
６４…改質管路                      ６６…燃料ガス通路
６８…加熱空間                      ７０ａ…排ガス配管
７０ｂ…排気配管                    ７２…加熱路
７４ａ…水通路                      ７４ｂ…水蒸気通路
７６ａ…酸化剤ガス供給室            ７６ｂ…酸化剤ガス排出室
７８…酸化剤ガス管路                
８０ａ、８０ｂ、１２２…酸化剤ガス供給路
８２、１０６ａ、１０６ｂ、１２４…酸化剤ガス通路
８４…燃焼室                        ８６…酸化剤排ガス供給管
８６ａ…酸化剤排ガス出口            ８８…燃料排ガス供給管
８８ａ…燃料排ガス出口              ８９…燃焼触媒
９０…壁板                          ９８…開口部
１０２…燃焼室                      １０４…冷却通路
１０８…混合燃料通路                １１０…原燃料分岐通路
１１２…酸化剤ガス用調整弁          １１４…原燃料用調整弁
【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】
2012220176.tif 000009
【図８】
2012220176.tif 000010
【図９】
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