(57)【要約】【課題】簡単且つコンパクトな構成で、熱交換効率を良好に向上させることを可能にする。【解決手段】燃料電池モジュール１２は、排ガス燃焼器５２及び起動用燃焼器５４が構成される第１領域Ｒ１と、熱交換器５０が構成され、前記第１領域Ｒ１を環状に周回する第２領域Ｒ２と、改質器４６が構成され、前記第２領域Ｒ２を環状に周回する第３領域Ｒ３と、蒸発器４８が構成され、前記第３領域Ｒ３を環状に周回する第４領域Ｒ４とを備える。熱交換器５０は、第１仕切り板６０ａの外周に配設される複数本の熱交換管路６４を備えるとともに、前記熱交換管路６４の管路長方向と直交する方向に沿って、燃焼ガス迂回路形成用バッフル板１０４が配設される。【選択図】図２
2013258028.tif 000002
【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改質器と、
水を蒸発させるとともに、前記水蒸気を前記改質器に供給する蒸発器と、
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、
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燃焼器と、
を備える燃料電池モジュールであって、
前記排ガス燃焼器及び前記起動用燃焼器が構成される第１領域と、
前記改質器又は前記熱交換器の一方が構成されるとともに、前記第１領域を環状に周回する第２領域と、
前記改質器又は前記熱交換器の他方が構成されるとともに、前記第２領域を環状に周回する第３領域と、
前記蒸発器が構成されるとともに、前記第３領域を環状に周回する第４領域と、
前記第１領域と前記第２領域との間に配置される第１仕切り板、前記第２領域と前記第３領域との間に配置される第２仕切り板、及び前記第３領域と前記第４領域との間に配置される第３仕切り板と、
を備え、
前記熱交換器は、前記酸化剤ガスが供給される環状の酸化剤ガス供給室、昇温された前記酸化剤ガスが排出される環状の酸化剤ガス排出室、一端が前記酸化剤ガス供給室に連通し且つ他端が前記酸化剤ガス排出室に連通する複数本の熱交換管路、及び前記熱交換管路間に前記燃焼ガスを供給する燃焼ガス通路を備え、
前記燃焼ガス通路には、前記熱交換管路の管路長方向と直交する方向に沿って、燃焼ガス迂回路形成用バッフル板が設けら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、前記混合ガスが供給される環状の混合ガス供給室、生成された前記燃料ガスが排出される環状の改質ガス排出室、一端が前記混合ガス供給室に連通し且つ他端が前記改質ガス排出室に連通する複数本の改質管路、及び前記改質管路間に前記燃焼ガスを供給する燃焼ガス通路を備え、
前記燃焼ガス通路には、前記改質管路の管路長方向と直交する方向に沿って、燃焼ガス迂回路形成用バッフル板が設けら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、前記燃焼ガス迂回路形成用バッフル板は、少なくとも前記第２仕切り板の内周側又は前記第３仕切り板の内周側のいずれかに隣接して設けら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１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記燃焼ガス迂回路形成用バッフル板は、リング状を有するとともに、
内周側には、管路配置用の複数の凹部が形成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又は２記載の燃料電池モジュールにおいて、前記燃焼ガス迂回路形成用バッフル板は、少なくとも前記第２仕切り板の内周側又は前記第３仕切り板の内周側のいずれかに隣接して設けられる第１バッフル板と、
少なくとも前記第１仕切り板の外周側又は前記第２仕切り板の外周側のいずれかに隣接して設けられる第２バッフル板と、
を備えるとともに、
前記第１バッフル板の数は、前記第２バッフル板の数よりも多く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６】
請求項５記載の燃料電池モジュールにおいて、前記第１バッフル板の数は、前記第２バッフル板の数よりも１つ多い数であ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５記載の燃料電池モジュールにおいて、前記第１バッフル板の間に前記第２バッフル板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８】
請求項５〜７のいずれか１項に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記第１バッフル板及び前記第２バッフル板は、リング状を有するとともに、
前記第１バッフル板の内周側及び前記第２バッフル板の外周側には、管路配置用の複数の凹部が形成されることを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の燃料電池モジュールにおいて、少なくとも１以上の前記熱交換管路には、１以上の管路径変化部位又は管路断面積変化部位が設けられることを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項１０】
請求項２記載の燃料電池モジュールにおいて、少なくとも１以上の前記改質管路には、１以上の管路径変化部位又は管路断面積変化部位が設けられることを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項１１】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記蒸発器は、前記水が供給される環状の水供給室、前記水蒸気が排出される環状の水蒸気排出室、一端が前記水供給室に連通し且つ他端が前記水蒸気排出室に連通する複数本の蒸発管路、及び前記蒸発管路間に前記燃焼ガスを供給する燃焼ガス通路を備え、
前記燃焼ガス通路には、前記蒸発管路の管路長方向と直交する方向に沿って、燃焼ガス迂回路形成用バッフル板が設けられることを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項１２】
請求項１〜１１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】
この種の燃料電池スタックを組み込むシステムとして、例えば、特許文献１に開示された燃料電池バッテリーが知られている。この燃料電池バッテリーは、図１８に示すように、燃料電池スタック１ａを備えるとともに、前記燃料電池スタック１ａの一端側には、断熱スリーブ２ａが取り付けられている。断熱スリーブ２ａの内部には、熱交換装置３ａが反応装置４ａ内に組み込まれて配置している。
【０００４】
反応装置４ａでは、液体燃料の処理として、水を使用しない部分酸化による改質が行われている。液体燃料は、排ガスにより蒸発された後、熱交換装置３ａの一部である送り込み位置５ａを通過している。その際、燃料は、排ガスにより加熱された酸素搬送ガスと接触することにより、部分酸化による改質が行われた後、燃料電池スタック１ａに供給されている。
【０００５】
また、特許文献２に開示された固体酸化物燃料電池は、図１９に示すように、電池コア１ｂを内装して熱交換器２ｂが設けられている。そして、熱交換器２ｂは、排熱によりカソードエアを昇温している。
【０００６】
さらに、特許文献３に開示された燃料電池システムは、図２０に示すように、鉛直円柱状の第１領域１ｃ、その外周側に環状の第２領域２ｃ、その外周側に環状の第３領域３ｃ、その外周側に環状の第４領域４ｃを有している。
【０００７】
第１領域１ｃには、バーナ５ｃが設けられるとともに、第２領域２ｃには、改質管６ｃが設けられている。第３領域３ｃには、水蒸発器７ｃが設けられ、第４領域４ｃには、ＣＯ変成器８ｃが設けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００１−２３６９８０号公報
【特許文献２】特表２０１０−５０４６０７号公報
【特許文献３】特開２００４−２８８４３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、上記の特許文献１では、熱交換装置３ａが環状のチャンバで熱交換を行っている。従って、熱交換効率の向上を図る際には、例えば、乱流を発生させるために、フィン等を新たに設定する必要がある。しかしながら、環状のチャンバにフィン等が配置されると、圧損が増加してしまい、効率的な熱交換が遂行されないという問題がある。
【００１０】
また、上記の特許文献２では、熱交換器２ｂが円筒状を有し同軸に配置された複数のプレートにより構成されている。このため、熱交換効率の向上を図る際には、例えば、フィン等を新たに設定する必要があり、圧損が増加するという問題がある。
【００１１】
さらに、上記の特許文献３では、熱交換効率が不足する際に、設計変更を行うことなく良好に熱交換効率や伝熱面積を向上させることができないという問題がある。
【００１２】
本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単且つコンパクトな構成で、熱交換効率を良好に向上させ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】
【００１３】
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と、炭化水素を主体とする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改質器と、水を蒸発させるとともに、前記水蒸気を前記改質器に供給する蒸発器と、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、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燃焼器とを備える燃料電池モジュールに関するものである。
【００１４】
この燃料電池モジュールでは、排ガス燃焼器及び起動用燃焼器が構成される第１領域と、改質器又は熱交換器の一方が構成されるとともに、前記第１領域を環状に周回する第２領域と、前記改質器又は前記熱交換器の他方が構成されるとともに、前記第２領域を環状に周回する第３領域と、蒸発器が構成されるとともに、前記第３領域を環状に周回する第４領域と、前記第１領域と前記第２領域との間に配置される第１仕切り板、前記第２領域と前記第３領域との間に配置される第２仕切り板、及び前記第３領域と前記第４領域との間に配置される第３仕切り板とを備えている。
【００１５】
熱交換器は、酸化剤ガスが供給される環状の酸化剤ガス供給室、昇温された前記酸化剤ガスが排出される環状の酸化剤ガス排出室、一端が前記酸化剤ガス供給室に連通し且つ他端が前記酸化剤ガス排出室に連通する複数本の熱交換管路、及び前記熱交換管路間に燃焼ガスを供給する燃焼ガス通路を備えている。そして、燃焼ガス通路には、熱交換管路の管路長方向と直交する方向に沿って、燃焼ガス迂回路形成用バッフル板が設けられている。
【００１６】
また、この燃料電池モジュールでは、改質器は、混合ガスが供給される環状の混合ガス供給室、生成された燃料ガスが排出される環状の改質ガス排出室、一端が前記混合ガス供給室に連通し且つ他端が前記改質ガス排出室に連通する複数本の改質管路、及び前記改質管路間に燃焼ガスを供給する燃焼ガス通路を備え、前記燃焼ガス通路には、前記改質管路の管路長方向と直交する方向に沿って、燃焼ガス迂回路形成用バッフル板が設けられることが好ましい。
【００１７】
このため、構造の簡素化が容易に図られ、製造コストが有効に削減される。しかも、混合ガス供給室及び改質ガス排出室の容積や管路長、管路径及び管路数を変更することにより、広範な運転条件に良好に対応することができ、設計自由度の向上が図られる。
【００１８】
その上、燃焼ガスは、燃焼ガス通路に沿って流通する際、偏流や吹き抜けを良好に抑制することができるとともに、前記燃焼ガスの流通経路長を長くすることが可能になる。従って、混合ガスは、燃焼ガスからの授熱量が増加し、熱交換効率が良好に向上する。
【００１９】
さらに、この燃料電池モジュールでは、燃焼ガス迂回路形成用バッフル板は、少なくとも第２仕切り板の内周側又は第３仕切り板の内周側のいずれかに隣接して設けられることが好ましい。これにより、改質器又は熱交換器に供給される燃焼ガスの偏流や吹き抜けを良好に抑制することができるとともに、前記燃焼ガスの流通経路長を長くすることが可能になる。このため、酸化剤ガス又は混合ガスは、燃焼ガスからの授熱量が増加し、熱交換効率が良好に向上する。
【００２０】
さらにまた、この燃料電池モジュールでは、燃焼ガス迂回路形成用バッフル板は、リング状を有するとともに、内周側には、管路配置用の複数の凹部が形成されることが好ましい。従って、燃焼ガス迂回路形成用バッフル板により、少なくとも複数の熱交換管路又は改質管路のいずれかを容易且つ確実に位置決め配置することができ、構成の簡素化が図られる。
【００２１】
また、この燃料電池モジュールでは、燃焼ガス迂回路形成用バッフル板は、少なくとも第２仕切り板の内周側又は第３仕切り板の内周側のいずれかに隣接して設けられる第１バッフル板と、少なくとも第１仕切り板の外周側又は前記第２仕切り板の外周側のいずれかに隣接して設けられる第２バッフル板とを備えるとともに、前記第１バッフル板の数は、前記第２バッフル板の数よりも多く設定されることが好ましい。
【００２２】
これにより、改質器又は熱交換器に供給される燃焼ガスの偏流や吹き抜けを良好に抑制することができるとともに、前記燃焼ガスの流通経路長を良好に長尺化することが可能になる。このため、酸化剤ガス又は混合ガスは、燃焼ガスからの授熱量が一層増加し、熱交換効率が良好に向上する。
【００２３】
さらに、この燃料電池モジュールでは、第１バッフル板の数は、第２バッフル板の数よりも１つ多い数であることが好ましい。従って、環状の内側から第２領域又は第３領域に供給される燃焼ガスは、前記燃焼ガスの偏流や吹き抜けを良好に抑制するとともに、前記燃焼ガスの流通経路長を良好に長尺化することが可能になる。これにより、燃焼ガスは、酸化剤ガス又は混合ガスとの効率的な熱交換を行った後、環状の外側に排出され、新たな熱交換処理に使用される。
【００２４】
さらにまた、この燃料電池モジュールでは、第１バッフル板の間に第２バッフル板が配設されることが好ましい。このため、燃焼ガスは、第１バッフル板及び第２バッフル板を介してジグザグ状に流通し、偏流や吹き抜けを良好に抑制するとともに、前記燃焼ガスの流通経路長を良好に長尺化することが可能になる。従って、酸化剤ガス又は混合ガスは、燃焼ガスからの授熱量が一層増加し、熱交換効率が良好に向上する。
【００２５】
また、この燃料電池モジュールでは、第１バッフル板及び第２バッフル板は、リング状を有するとともに、前記第１バッフル板の内周側及び前記第２バッフル板の外周側には、管路配置用の複数の凹部が形成されることが好ましい。これにより、第１バッフル板及び第２バッフル板により、少なくとも複数の熱交換管路又は改質管路のいずれかを容易且つ確実に位置決め配置することができ、構成の簡素化が図られる。
【００２６】
さらに、この燃料電池モジュールでは、少なくとも１以上の熱交換管路には、１以上の管路径変化部位又は管路断面積変化部位が設けられることが好ましい。このため、熱交換管路内を流通する酸化剤ガスは、迅速に層流から乱流に遷移する。従って、酸化剤ガスは、燃焼ガスからの授熱量が増加し、熱交換効率が良好に向上するとともに、所望の熱交換効率に制御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、少なくとも１以上の改質管路には、１以上の管路径変化部位又は管路断面積変化部位が設けられることが好ましい。これにより、改質管路内を流通する混合ガスは、迅速に層流から乱流に遷移する。このため、混合ガスは、燃焼ガスからの授熱量が増加して熱交換効率が有効に向上する。
【００２８】
また、この燃料電池モジュールでは、蒸発器は、水が供給される環状の水供給室、水蒸気が排出される環状の水蒸気排出室、一端が前記水供給室に連通し且つ他端が前記水蒸気排出室に連通する複数本の蒸発管路、及び前記蒸発管路間に前記燃焼ガスを供給する燃焼ガス通路を備え、前記燃焼ガス通路には、前記蒸発管路の管路長方向と直交する方向に沿って、燃焼ガス迂回路形成用バッフル板が設けられることが好ましい。
【００２９】
従って、構造の簡素化が容易に図られ、製造コストが有効に削減される。しかも、水供給室及び水蒸気排出室の容積や管路長、管路径及び管路数を変更することにより、広範な運転条件に良好に対応することができ、設計自由度の向上が図られる。
【００３０】
その上、燃焼ガスは、燃焼ガス通路に沿って流通する際、偏流や吹き抜けを良好に抑制することができるとともに、前記燃焼ガスの流通経路長を長くすることが可能になる。従って、水は、燃焼ガスからの授熱量が増加し、熱交換効率が良好に向上する。
【００３１】
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】
【００３２】
本発明によれば、排ガス燃焼器及び起動用燃焼器が構成される第１領域を中心にして、それぞれ環状の第２領域、第３領域及び第４領域が外方向に向かって、順次、設けられている。このため、高温及び熱需要が大きな機器を内側に設置する一方、低温及び熱需要の小さな機器を外側に設定することができる。従って、熱効率の向上が図られて熱自立が促進されるとともに、簡単且つコンパクトに構成することが可能になる。
【００３３】
さらに、熱交換器は、環状の酸化剤ガス供給室、環状の酸化剤ガス排出室及び複数本の熱交換管路を基本的な構成にすることにより、構造の簡素化が容易に図られる。これにより、製造コストが有効に削減される。しかも、酸化剤ガス供給室及び酸化剤ガス排出室の容積や管路長、管路径及び管路数を変更することにより、広範な運転条件に良好に対応することができ、設計自由度の向上が図られる。
【００３４】
さらにまた、第１領域、第２領域、第３領域及び第４領域をそれぞれ仕切る第１仕切り板、第２仕切り板及び第３仕切り板には、燃焼ガスを前記第１領域、前記第２領域、前記第３領域及び前記第４領域に流通させるための第１燃焼ガス連通孔、第２燃焼ガス連通孔及び第３燃焼ガス連通孔が形成されている。このため、燃焼ガスの吹き抜けを良好に抑制することができ、熱効率が一層向上し、熱自立の促進が確実に図られる。
【００３５】
また、第２領域、第３領域及び第４領域における熱交換効率、耐久性、小型化等の優先度に応じて、第１燃焼ガス連通孔、第２燃焼ガス連通孔及び第３燃焼ガス連通孔の位置を設定することが可能になる。従って、熱交換効率を任意に設定することができ、設計自由度の向上が図られる。
【００３６】
その上、燃焼ガス通路には、燃焼ガス迂回路形成用バッフル板が配設されている。これにより、燃焼ガスの偏流や吹き抜けを抑制するとともに、前記燃焼ガスの流通経路を長尺化することが可能になる。このため、酸化剤ガスは、燃焼ガスからの授熱量が増加し、熱交換効率が良好に向上する。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【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が組み込まれる燃料電池システムの概略構成説明図である。
【図２】前記燃料電池モジュールを構成するＦＣ周辺機器の一部省略斜視説明図である。
【図３】前記ＦＣ周辺機器の要部分解斜視説明図である。
【図４】前記ＦＣ周辺機器の要部拡大斜視説明図である。
【図５】前記ＦＣ周辺機器内における温度分布の説明図である。
【図６】前記ＦＣ周辺機器内の燃焼ガス流通状態の説明図である。
【図７】熱交換管路とバッフル板との関係説明図である。
【図８】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池モジュールが組み込まれる燃料電池システムの概略構成説明図である。
【図９】前記燃料電池モジュールを構成するＦＣ周辺機器の一部省略斜視説明図である。
【図１０】前記ＦＣ周辺機器内の燃焼ガス流通状態の説明図である。
【図１１】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池モジュールを構成するＦＣ周辺機器の一部省略斜視説明図である。
【図１２】前記ＦＣ周辺機器内における温度分布の説明図である。
【図１３】前記ＦＣ周辺機器内の燃焼ガス流通状態の説明図である。
【図１４】熱交換管路とバッフル板との関係説明図である。
【図１５】本発明の第４の実施形態に係る燃料電池モジュールを構成するＦＣ周辺機器の一部省略斜視説明図である。
【図１６】前記ＦＣ周辺機器内における温度分布の説明図である。
【図１７】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ＦＣ周辺機器内における温度分布の説明図である。
【図１８】特許文献１に開示されている燃料電池バッテリーの概略説明図である。
【図１９】特許文献２に開示されている固体酸化物燃料電池の一部切り欠き斜視説明図である。
【図２０】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】
【００３８】
図１に示すように、燃料電池システム１０は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池モジュール１２を組み込むとともに、定置用の他、車載用等の種々の用途に用いられる。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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が設けられる。
【００４４】
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、前記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燃焼器５４とを備える。
【００４５】
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（ＢＯＰ）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５２及び起動用燃焼器５４を備える。
【００４６】
図２に示すように、ＦＣ周辺機器５６は、排ガス燃焼器５２及び起動用燃焼器５４が構成される、例えば、開口形状円形の第１領域Ｒ１と、熱交換器５０が構成されるとともに、前記第１領域Ｒ１を環状に周回する第２領域Ｒ２と、改質器４６が構成されるとともに、前記第２領域Ｒ２を環状に周回する第３領域Ｒ３と、蒸発器４８が構成されるとともに、前記第３領域Ｒ３を環状に周回する第４領域Ｒ４とを備える。
【００４７】
図２及び図３に示すように、起動用燃焼器５４は、空気供給管５７及び原燃料供給管５８を備える。起動用燃焼器５４は、エゼクタ機能を有し、空気供給管５７から導入される空気流により原燃料供給管５８に負圧を発生させて、原燃料を吸引する。
【００４８】
ＦＣ周辺機器５６は、図２及び図４に示すように、第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２との間に配置される第１仕切り板６０ａ、前記第２領域Ｒ２と第３領域Ｒ３との間に配置される第２仕切り板６０ｂ及び前記第３領域Ｒ３と第４領域Ｒ４との間に配置される第３仕切り板６０ｃとを備える。第４領域Ｒ４の外周には、外板である第４仕切り板６０ｄが設けられる。第１仕切り板６０ａ〜第４仕切り板６０ｄは、例えば、ステンレス鋼板で形成される。
【００４９】
図２及び図３に示すように、排ガス燃焼器５２は、起動用燃焼器５４を収容する第１仕切り板６０ａ内に構成される。第１仕切り板６０ａは、円筒形状を有しており、前記第１仕切り板６０ａの外周部には、燃料電池スタック２４側の端部に近接して複数の第１燃焼ガス連通孔６２ａが形成される。
【００５０】
第２仕切り板６０ｂには、燃料電池スタック２４とは反対側の端部に近接して複数の第２燃焼ガス連通孔６２ｂが形成される。第３仕切り板６０ｃには、燃料電池スタック２４側の端部に近接して複数の第３燃焼ガス連通孔６２ｃが形成される。第４仕切り板６０ｄには、燃料電池スタック２４とは反対側の端部に近接して複数の第４燃焼ガス連通孔６２ｄが形成される。第４燃焼ガス連通孔６２ｄは、燃焼ガスを外部に排出する。
【００５１】
第１仕切り板６０ａには、酸化剤排ガス通路６３ａの一端と燃料排ガス通路６３ｂの一端とが配置される。第１仕切り板６０ａ内では、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、燃焼ガスが生成される。
【００５２】
図１に示すように、酸化剤排ガス通路６３ａ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、燃料排ガス通路６３ｂ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。
【００５３】
図２及び図３に示すように、熱交換器５０は、第１仕切り板６０ａの外周に配設される複数本の熱交換管路（伝熱パイプ）６４を備える。熱交換管路６４の一端部（燃料電池スタック２４とは反対側の他方の端部、以下同様）は、後述する酸化剤ガス供給室７０ａを構成する第１内側リング６６ａに固定されるとともに、前記熱交換管路６４の他端部（燃料電池スタック２４側の一方の端部、以下同様）は、後述する酸化剤ガス排出室７０ｂを構成する第１内側リング６６ｂに固定される。
【００５４】
第１内側リング６６ａ、６６ｂの外方には、第１外側リング６８ａ、６８ｂが配設される。第１内側リング６６ａ、６６ｂ及び第１外側リング６８ａ、６８ｂは、第１仕切り板６０ａの外周面と第２仕切り板６０ｂの内周面とに固着される。
【００５５】
第１内側リング６６ａと第１外側リング６８ａとの間には、酸化剤ガスが供給される環状の酸化剤ガス供給室７０ａが形成される。第１内側リング６６ｂと第１外側リング６８ｂとの間には、昇温された酸化剤ガスが排出される環状の酸化剤ガス排出室７０ｂが形成される（図２〜図４参照）。熱交換管路６４の両端は、酸化剤ガス供給室７０ａと酸化剤ガス排出室７０ｂとに開放される。
【００５６】
図２及び図３に示すように、酸化剤ガス供給室７０ａには、酸化剤ガス供給管７２が配設される。酸化剤ガス排出室７０ｂには、酸化剤ガス通路７４の一端が配設されるとともに、前記酸化剤ガス通路７４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）。
【００５７】
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。
【００５８】
改質器４６は、図２及び図３に示すように、熱交換器５０の外周に配設される複数本の改質管路（伝熱パイプ）７６を備える。改質管路７６の一端部は、第２内側リング７８ａに固定されるとともに、前記改質管路７６の他端部は、第２内側リング７８ｂに固定される。
【００５９】
第２内側リング７８ａ、７８ｂの外方には、第２外側リング８０ａ、８０ｂが配設される。第２内側リング７８ａ、７８ｂ及び第２外側リング８０ａ、８０ｂは、第２仕切り板６０ｂの外周面と第３仕切り板６０ｃの内周面とに固着される。
【００６０】
第２内側リング７８ａと第２外側リング８０ａとの間には、混合ガス（原燃料と水蒸気）が供給される環状の混合ガス供給室８２ａが形成される。第２内側リング７８ｂと第２外側リング８０ｂとの間には、生成された燃料ガス（改質ガス）が排出される環状の改質ガス排出室８２ｂが形成される。改質管路７６の両端は、混合ガス供給室８２ａと改質ガス排出室８２ｂとに開放される。各改質管路７６は、内周面に改質触媒８４が担持される。
【００６１】
図２及び図３に示すように、混合ガス供給室８２ａには、原燃料供給路８８が接続されるとともに、前記原燃料供給路８８の途上には、後述する蒸発リターン管路１０２が接続される。改質ガス排出室８２ｂには、燃料ガス通路９０の一端が連通するとともに、前記燃料ガス通路９０の他端は、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）。
【００６２】
蒸発器４８は、改質器４６の外周に配設される複数本の蒸発管路（伝熱パイプ）９２を備える。蒸発管路９２の一端部は、第３内側リング９４ａに固定されるとともに、前記蒸発管路９２の他端部は、第３内側リング９４ｂに固定される。
【００６３】
第３内側リング９４ａ、９４ｂの外方には、第３外側リング９６ａ、９６ｂが配設される。第３内側リング９４ａ、９４ｂ及び第３外側リング９６ａ、９６ｂは、第３仕切り板６０ｃの外周面と第４仕切り板６０ｄの内周面とに固着される。
【００６４】
第３内側リング９４ａと第３外側リング９６ａとの間には、水が供給される環状の水供給室９８ａが形成される。第３内側リング９４ｂと第３外側リング９６ｂとの間には、水蒸気が排出される環状の水蒸気排出室９８ｂが形成される。蒸発管路９２の両端は、水供給室９８ａと水蒸気排出室９８ｂとに開放される。
【００６５】
水供給室９８ａには、水通路１００が配設される。水蒸気排出室９８ｂには、少なくとも１本以上の蒸発管路９２により構成される蒸発リターン管路１０２の一端が配設されるとともに、前記蒸発リターン管路１０２の他端は、原燃料供給路８８の途上に接続される（図１参照）。原燃料供給路８８は、エゼクタ機能を有しており、流通される原燃料によって負圧を発生させ、水蒸気の吸引を行う。
【００６６】
少なくとも第１領域Ｒ１、第２領域Ｒ２、第３領域Ｒ３又は第４領域Ｒ４の１つ（特に、高熱に曝され易い領域）には、熱による応力を緩和するための応力緩和部１０３が設けられる。
【００６７】
応力緩和部１０３は、少なくとも酸化剤ガス排出室７０ｂ、改質ガス排出室８２ｂ又は水蒸気排出室９８ｂの１つ、第１の実施形態では、これらの全てを構成する内側リング６６ｂ、７８ｂ及び９４ｂと外側リング６８ｂ、８０ｂ及び９６ｂとに設けられる（図４参照）。
【００６８】
応力緩和部１０３は、さらに少なくとも酸化剤ガス供給室７０ａ、混合ガス供給室８２ａ及び水供給室９８ａの１つ、第１の実施形態では、これらの全てを構成する内側リング６６ａ、７８ａ及び９４ａと外側リング６８ａ、８０ａ及び９６ａとに設けられる（図２参照）。内側リング６６ａ、６６ｂ、７８ａ、７８ｂ、９４ａ及び９４ｂと外側リング６８ａ、６８ｂ、８０ａ、８０ｂ、９６ａ及び９６ｂとは、例えば、ステンレス鋼板で形成される。
【００６９】
特に、高温の燃焼ガスに曝される酸化剤ガス排出室７０ｂでは、図４に示すように、内側リング６６ｂの内周部及び外周部には、断面形状半円を有する内周湾曲部位１０３ａｉ及び外周湾曲部位１０３ａｏが設けられる。酸化剤ガス排出室７０ｂでは、外側リング６８ｂの内周部及び外周部には、同様に断面形状半円を有する内周湾曲部位１０３ｂｉ及び外周湾曲部位１０３ｂｏが設けられる。
【００７０】
内周湾曲部位１０３ａｉ、１０３ｂｉ及び外周湾曲部位１０３ａｏ、１０３ｂｏは、変位を吸収する低剛性のばねとして機能することにより、応力緩和部１０３が構成される。なお、内周湾曲部位１０３ａｉ、１０３ｂｉ又は外周湾曲部位１０３ａｏ、１０３ｂｏの一方のみを設けてもよい。また、他の内側リング６６ａ、７８ａ、７８ｂ、９４ａ及び９４ｂと外側リング６８ａ、８０ａ、８０ｂ、９６ａ及び９６ｂとは、上記の内側リング６６ｂ及び外側リング６８ｂと同様に構成されており、その詳細な説明は省略する。
【００７１】
第１の実施形態では、熱交換器５０が構成される第２領域Ｒ２（第２燃焼ガス通路１２６ｂ）には、第１内側リング６６ａ、６６ｂ間に位置して熱交換管路６４の管路長方向と直交する方向に沿って、燃焼ガス迂回路形成用バッフル板１０４が配設される。バッフル板１０４は、略リング形状を有し、第２仕切り板６０ｂの内周面に隣接して設けられる。
【００７２】
図５及び図７に示すように、バッフル板１０４は、外周端部１０４outが第２仕切り板６０ｂの内周面に固定される一方、内周端部１０４inが第１仕切り板６０ａ側に延在する。バッフル板１０４の内周端部１０４inは、第１仕切り板６０ａと第２仕切り板６０ｂとの略中間位置で終端するとともに、前記内周端部１０４inには、管路配置用の複数の円弧状凹部１０６が形成される。各円弧状凹部１０６には、各熱交換管路６４の外周部が嵌合し、前記熱交換管路６４の位置決め保持がなされる。
【００７３】
改質器４６が構成される第３領域Ｒ３（第３燃焼ガス通路１２６ｃ）には、第２内側リング７８ａ、７８ｂ間に位置して改質管路７６の管路長方向と直交する方向に沿って、燃焼ガス迂回路形成用バッフル板１０８が配設される。バッフル板１０８は、略リング形状を有し、第３仕切り板６０ｃの内周面に隣接して設けられる。
【００７４】
図５に示すように、バッフル板１０８は、外周端部１０８outが第３仕切り板６０ｃの内周面に固定される一方、内周端部１０８inが第２仕切り板６０ｂ側に延在する。バッフル板１０８の内周端部１０８inは、第２仕切り板６０ｂと第３仕切り板６０ｃとの略中間位置で終端するとともに、前記内周端部１０８inには、管路配置用の複数の円弧状凹部１１０が形成される。各円弧状凹部１１０には、各改質管路７６の外周部が嵌合し、前記改質管路７６の位置決め保持がなされる。
【００７５】
図１に示すように、原燃料供給装置１４は、原燃料通路１１４を備える。原燃料通路１１４は、原燃料用調整弁１１６を介して原燃料供給路８８と原燃料供給管５８とに分岐する。原燃料供給路８８には、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１１８が配設される。
【００７６】
酸化剤ガス供給装置１６は、酸化剤ガス通路１２０を備える。酸化剤ガス通路１２０は、酸化剤ガス用調整弁１２２を介して酸化剤ガス供給管７２と空気供給管５７とに分岐する。水供給装置１８は、水通路１００を介して蒸発器４８に接続される。
【００７７】
図６に概略的に示すように、第１領域Ｒ１には、燃焼ガスが矢印Ａ２方向に流通する第１燃焼ガス通路１２６ａが形成される。第２領域Ｒ２には、燃焼ガスがバッフル板１０４を介して蛇行しながら、矢印Ａ１方向に流通する第２燃焼ガス通路１２６ｂが形成され、第３領域Ｒ３には、前記燃焼ガスがバッフル板１０８を介して蛇行しながら、矢印Ａ２方向に流通する第３燃焼ガス通路１２６ｃが形成される。第４領域Ｒ４には、燃焼ガスが矢印Ａ１方向に流通する第４燃焼ガス通路１２６ｄが形成される。
【００７８】
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。
【００７９】
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酸化剤ガス通路１２０に空気が供給される。この空気は、酸化剤ガス用調整弁１２２の開度調整作用下に、空気供給管５７に供給される。
【００８０】
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１１４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１１６の開度調整作用下に、原燃料供給管５８に導入される。この原燃料は、空気と混合されるとともに、起動用燃焼器５４内に供給される（図２参照）。
【００８１】
このため、起動用燃焼器５４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、起動用燃焼器５４に直接接続されている排ガス燃焼器５２では、前記起動用燃焼器５４から第１仕切り板６０ａに燃焼ガスが供給される。
【００８２】
図６に示すように、第１仕切り板６０ａには、燃料電池スタック２４側の端部に近接して複数の第１燃焼ガス連通孔６２ａが形成されている。これにより、第１仕切り板６０ａの内部に供給された燃焼ガスは、複数の第１燃焼ガス連通孔６２ａを通過して、第１領域Ｒ１から第２領域Ｒ２に導入される。
【００８３】
燃焼ガスは、第２領域Ｒ２を矢印Ａ１方向に流通した後、第２仕切り板６０ｂに形成された複数の第２燃焼ガス連通孔６２ｂを通って第３領域Ｒ３に導入される。第３領域Ｒ３では、燃焼ガスは、矢印Ａ２方向に流通した後、第３仕切り板６０ｃに形成された複数の第３燃焼ガス連通孔６２ｃを通って第４領域Ｒ４に導入される。燃焼ガスは、第４領域Ｒ４を矢印Ａ１方向に流通した後、第４仕切り板６０ｄに形成された第４燃焼ガス連通孔６２ｄから外部に排出される。
【００８４】
その際、第２領域Ｒ２には、熱交換器５０が配置されており、第３領域Ｒ３には、改質器４６が配置されており、第４領域Ｒ４には、蒸発器４８が配置されている。このため、第１領域Ｒ１から排出される燃焼ガスは、熱交換器５０、改質器４６及び蒸発器４８の順に加熱する。
【００８５】
そして、燃料電池モジュール１２が設定温度に昇温されると、熱交換器５０に酸化剤ガスが供給される一方、改質器４６には、原燃料及び水蒸気の混合ガスが供給される。
【００８６】
具体的には、酸化剤ガス用調整弁１２２の開度が調整されて、酸化剤ガス供給管７２への空気供給量が増加されるとともに、原燃料用調整弁１１６の開度が調整されて、原燃料供給路８８への原燃料供給量が増加される。また、水供給装置１８の作用下に、水通路１００に水が供給される。
【００８７】
従って、図２及び図３に示すように、熱交換器５０に導入された空気は、酸化剤ガス供給室７０ａに一旦供給された後、複数の熱交換管路６４内を移動する間に、第２領域Ｒ２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７０ｂに供給された後、酸化剤ガス通路７４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）。
【００８８】
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から酸化剤排ガス通路６３ａに排出される。酸化剤排ガス通路６３ａは、排ガス燃焼器５２を構成する第１仕切り板６０ａの内部に開口しており、前記第１仕切り板６０ａ内に酸化剤排ガスが導入される。
【００８９】
また、図１に示すように、水供給装置１８から供給される水は、蒸発器４８に供給されるとともに、脱硫器１１８で脱硫された原燃料は、原燃料供給路８８を流通して改質器４６に向かう。
【００９０】
蒸発器４８では、水が一旦水供給室９８ａに供給された後、複数本の蒸発管路９２内を移動する間、第４領域Ｒ４を流通する燃焼ガスにより昇温されて、水蒸気化される。この水蒸気は、水蒸気排出室９８ｂに一旦導入された後、前記水蒸気排出室９８ｂに連通する蒸発リターン管路１０２に供給される。これにより、水蒸気は、蒸発リターン管路１０２内を流通して原燃料供給路８８に導入され、原燃料と混合して混合ガスが得られる。
【００９１】
混合ガスは、原燃料供給路８８から改質器４６を構成する混合ガス供給室８２ａに一旦供給される。混合ガスは、複数の改質管路７６内を移動する。その間に、混合ガスは、第３領域Ｒ３を流通する燃焼ガスにより加熱されるとともに、改質触媒８４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。
【００９２】
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８２ｂに供給された後、燃料ガス通路９０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）。
【００９３】
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から燃料排ガス通路６３ｂに排出される。燃料排ガス通路６３ｂは、排ガス燃焼器５２を構成する第１仕切り板６０ａの内部に開口しており、前記第１仕切り板６０ａ内に燃料排ガスが導入される。
【００９４】
なお、起動用燃焼器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、第１仕切り板６０ａ内で酸化剤排ガスと燃料排ガスとによる燃焼が開始される。
【００９５】
この場合、第１の実施形態では、ＦＣ周辺機器５６は、排ガス燃焼器５２及び起動用燃焼器５４が構成される第１領域Ｒ１と、熱交換器５０が構成されるとともに、前記第１領域Ｒ１を環状に周回する第２領域Ｒ２と、改質器４６が構成されるとともに、前記第２領域Ｒ２を環状に周回する第３領域Ｒ３と、蒸発器４８が構成されるとともに、前記第３領域Ｒ３を環状に周回する第４領域Ｒ４とを備えている。
【００９６】
すなわち、第１領域Ｒ１を中心にして、それぞれ環状の第２領域Ｒ２、第３領域Ｒ３及び第４領域Ｒ４が外方向に向かって、順次、設けられている。このため、高温及び熱需要が大きな機器、例えば、熱交換器５０（及び改質器４６）を内側に設置する一方、低温及び熱需要の小さな機器、例えば、蒸発器４８を外側に設定することができる。
【００９７】
熱交換器５０は、例えば、５５０℃〜６５０℃の温度が必要であるとともに、改質器４６は、５５０℃〜６００℃の温度が必要である。一方、蒸発器４８は、１５０℃〜２００℃の温度が必要である。
【００９８】
従って、熱効率の向上が図られて熱自立が促進されるとともに、簡単且つコンパクトに構成することが可能になるという効果が得られる。特に、改質器４６の内方に熱交換器５０が配設されるため、前記改質器４６は、比較的Ａ／Ｆ（空気／燃料ガス）が低い環境で、低温改質に適した前記改質器４６が良好に使用される。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２２の動作温度を維持することをいう。
【００９９】
しかも、熱交換器５０では、酸化剤ガスが供給される環状の酸化剤ガス供給室７０ａ、昇温された前記酸化剤ガスが排出される環状の酸化剤ガス排出室７０ｂ、一端が前記酸化剤ガス供給室７０ａに連通し且つ他端が前記酸化剤ガス排出室７０ｂに連通する複数本の熱交換管路６４、及び前記熱交換管路６４間に燃焼ガスを供給する第２燃焼ガス通路１２６ｂを備えている。
【０１００】
これにより、構成の簡素化が容易に図られるとともに、製造コストが有効に削減される。その上、酸化剤ガス供給室７０ａ及び酸化剤ガス排出室７０ｂの容積や管路長、管路径及び管路数を変更することにより、広範な運転条件に良好に対応することができ、設計自由度の向上が図られる。
【０１０１】
さらに、第１領域Ｒ１、第２領域Ｒ２、第３領域Ｒ３及び第４領域Ｒ４をそれぞれ仕切る第１仕切り板６０ａ、第２仕切り板６０ｂ及び第３仕切り板６０ｃには、燃焼ガスを前記第１領域Ｒ１、前記第２領域Ｒ２、前記第３領域Ｒ３及び前記第４領域Ｒ４に流通させるための第１燃焼ガス連通孔６２ａ、第２燃焼ガス連通孔６２ｂ及び第３燃焼ガス連通孔６２ｃが形成されている。
【０１０２】
このため、燃焼ガスの吹き抜けを良好に抑制することができ、熱効率が一層向上し、熱自立の促進が確実に図られるという利点が得られる。
【０１０３】
また、第２領域Ｒ２、第３領域Ｒ３及び第４領域Ｒ４における熱交換効率、耐久性、小型化等の優先度に応じて、第１燃焼ガス連通孔６２ａ、第２燃焼ガス連通孔６２ｂ及び第３燃焼ガス連通孔６２ｃの位置を設定することが可能になる。従って、熱交換効率を任意に設定することができ、設計自由度の向上が図られる。
【０１０４】
さらにまた、第１の実施形態では、熱交換器５０が構成される第２領域Ｒ２には、バッフル板１０４が配設されている。図６に示すように、第１領域Ｒ１から第２領域Ｒ２（第２燃焼ガス通路１２６ｂ）に導入された燃焼ガスは、第２仕切り板６０ｂに吹き付けられる。
【０１０５】
これにより、燃焼ガスは、第２仕切り板６０ｂに沿って矢印Ａ１方向に移動し、第２燃焼ガス通路１２６ｂに突出するバッフル板１０４を介して第１仕切り板６０ａ側に移動する。さらに、燃焼ガスは、第１仕切り板６０ａに沿って矢印Ａ１方向に移動した後、第２燃焼ガス通路１２６ｂの底部で第２仕切り板６０ｂ側に移動し、第２燃焼ガス連通孔６２ｂを通って第３領域Ｒ３に導入される。
【０１０６】
このように、第２燃焼ガス通路１２６ｂでは、燃焼ガスが蛇行するようにして流通するため、前記燃焼ガスの流通経路が長尺化されるとともに、多量の燃焼ガスが各熱交換管路６４に吹き付けられる。このため、各熱交換管路６４では、燃焼ガスからの授熱量が増加し、酸化剤ガスとの熱交換効率が一層向上するという効果が得られる。
【０１０７】
さらに、図７に示すように、バッフル板１０４は、リング状を有するとともに、内周端部１０４inには、円弧状凹部１０６が形成されている。各円弧状凹部１０６には、各熱交換管路６４の外周部が嵌合し、前記熱交換管路６４の位置決め保持がなされている。従って、バッフル板１０４により、熱交換管路６４を容易且つ確実に位置決め配置することができ、構成の簡素化が図られる。
【０１０８】
一方、改質器４６が構成される第３領域Ｒ３には、バッフル板１０８が配設されている。図６に示すように、第２領域Ｒ２から第３領域Ｒ３（第３燃焼ガス通路１２６ｃ）に導入された燃焼ガスは、第３仕切り板６０ｃに吹き付けられる。
【０１０９】
これにより、燃焼ガスは、第３仕切り板６０ｃに沿って矢印Ａ２方向に移動し、第３燃焼ガス通路１２６ｃに突出するバッフル板１０８を介して第２仕切り板６０ｂ側に移動する。さらに、燃焼ガスは、第２仕切り板６０ｂに沿って矢印Ａ２方向に移動した後、第３燃焼ガス通路１２６ｃの上部で第３仕切り板６０ｃ側に移動し、第３燃焼ガス連通孔６２ｃを通って第４領域Ｒ４に導入される。
【０１１０】
このように、第３燃焼ガス通路１２６ｃでは、燃焼ガスが蛇行するようにして流通するため、前記燃焼ガスの流通経路が長尺化されるとともに、多量の燃焼ガスが各改質管路７６に吹き付けられる。このため、各改質管路７６では、燃焼ガスからの授熱量が増加し、混合ガスとの熱交換効率が一層向上するという効果が得られる。
【０１１１】
また、バッフル板１０８は、リング状を有するとともに、内周端部１０８inには、円弧状凹部１１０が形成されている。各円弧状凹部１１０には、各改質管路７６の外周部が嵌合し、前記改質管路７６の位置決め保持がなされている。従って、バッフル板１０８により、改質管路７６を容易且つ確実に位置決め配置することができ、構成の簡素化が図られる。
【０１１２】
さらにまた、第１の実施形態では、図２、図３及び図６に示すように、改質器４６は、混合ガスが供給される環状の混合ガス供給室８２ａ、生成された燃料ガスが排出される環状の改質ガス排出室８２ｂ、一端が前記混合ガス供給室８２ａに連通し且つ他端が前記改質ガス排出室８２ｂに連通する複数本の改質管路７６、及び前記改質管路７６間に燃焼ガスを供給する第３燃焼ガス通路１２６ｃを備えている。
【０１１３】
これにより、構成の簡素化が容易に図られるとともに、製造コストが有効に削減される。このため、酸化剤ガス供給室７０ａ及び酸化剤ガス排出室７０ｂの容積や管路長、管路径及び管路数を変更することにより、広範な運転条件に良好に対応することができ、設計自由度の向上が図られる。
【０１１４】
従って、燃料電池モジュール１２は、固体酸化物形燃料電池モジュールである。これにより、特にＳＯＦＣ等の高温型燃料電池に最適である。
【０１１５】
図８に示すように、燃料電池システム１３０は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池モジュール１３２を組み込む。なお、第１の実施形態に係る燃料電池システム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。
【０１１６】
燃料電池モジュール１３２を構成するＦＣ周辺機器５６は、図９に示すように、排ガス燃焼器５２及び起動用燃焼器５４が構成される、例えば、開口形状円形の第１領域Ｒ１と、改質器４６が構成されるとともに、前記第１領域Ｒ１を環状に周回する第２領域Ｒ２と、熱交換器５０が構成されるとともに、前記第２領域Ｒ２を環状に周回する第３領域Ｒ３と、蒸発器４８が構成されるとともに、前記第３領域Ｒ３を環状に周回する第４領域Ｒ４とを備える。
【０１１７】
ＦＣ周辺機器５６は、第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２との間に配置される第１仕切り板１３４ａ、前記第２領域Ｒ２と第３領域Ｒ３との間に配置される第２仕切り板１３４ｂ、前記第３領域Ｒ３と第４領域Ｒ４との間に配置される第３仕切り板１３４ｃ、及び前記第４領域Ｒ４の外周に配置される第４仕切り板１３４ｄを備える。
【０１１８】
図９及び図１０に示すように、第１燃焼ガス連通孔６２ａは、第１仕切り板１３４ａの燃料電池スタック２４とは反対側の端部に近接して設けられ、第２燃焼ガス連通孔６２ｂは、第２仕切り板１３４ｂの前記燃料電池スタック２４側の端部に近接して設けられ、第３燃焼ガス連通孔６２ｃは、第３仕切り板１３４ｃの前記燃料電池スタック２４とは反対側の端部に近接して設けられ、第４燃焼ガス連通孔６２ｄは、第４仕切り板１３４ｄの前記燃料電池スタック２４側の端部に近接して設けられる。
【０１１９】
第１仕切り板１３４ａには、第１燃焼ガス連通孔６２ａとは反対側に且つ前記第１燃焼ガス連通孔６２ａよりも小さな開口面積を有する複数の抽気孔部１３６ａが形成される。抽気孔部１３６ａは、第２仕切り板１３４ｂに形成された第２燃焼ガス連通孔６２ｂに対向する位置に設定される。第２仕切り板１３４ｂには、第３仕切り板１３４ｃに形成された第３燃焼ガス連通孔６２ｃに対向する位置に複数の抽気孔部１３６ｂが形成される。第３仕切り板１３４ｃには、第４仕切り板１３４ｄに形成された第４燃焼ガス連通孔６２ｄに対向する位置に複数の抽気孔部１３６ｃが形成される。なお、抽気孔部１３６ｂ、１３６ｃは、必要に応じて設けられていればよい。
【０１２０】
熱交換器５０が構成される第３領域Ｒ３（第３燃焼ガス通路１２６ｃ）には、複数本の熱交換管路６４が配設される。第３領域Ｒ３には、第３仕切り板１３４ｃの内周面に隣接してバッフル板１０４が配設される。
【０１２１】
改質器４６が構成される第２領域Ｒ２には、複数本の改質管路７６が配設される。第２領域Ｒ２には、第２仕切り板１３４ｂの内周面に隣接してバッフル板１０８が配設される。
【０１２２】
このように構成される第２の実施形態では、燃料電池モジュール１３２は、排ガス燃焼器５２及び起動用燃焼器５４が構成される第１領域Ｒ１と、改質器４６が構成されるとともに、前記第１領域Ｒ１を環状に周回する第２領域Ｒ２と、熱交換器５０が構成されるとともに、前記第２領域Ｒ２を環状に周回する第３領域Ｒ３と、蒸発器４８が構成されるとともに、前記第３領域Ｒ３を環状に周回する第４領域Ｒ４とを備えている。
【０１２３】
このため、高温及び熱需要が大きな機器、例えば、改質器４６（及び熱交換器５０）を内側に設置する一方、低温及び熱需要の小さな機器、例えば、蒸発器４８を外側に設定することができる。従って、熱効率の向上が図られて熱自立が促進されるとともに、簡単且つコンパクトに構成することが可能になる。
【０１２４】
しかも、熱交換器５０では、図１０に示すように、燃焼ガスがバッフル板１０４を介して第３燃焼ガス通路１２６ｃを蛇行しながら、矢印Ａ１方向に流通している。これにより、燃焼ガスから酸化剤ガスへの授熱量が増加し、熱交換効率が良好に向上するという効果が得られる。
【０１２５】
一方、改質器４６では、燃焼ガスがバッフル板１０８を介して第２燃焼ガス通路１２６ｂを蛇行しながら、矢印Ａ２方向に流通している。このため、燃焼ガスから混合ガスへの授熱量が増加し、熱交換効率が良好に向上するという効果が得られる。
【０１２６】
図１１には、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池モジュール１４０を構成するＦＣ周辺機器の一部省略斜視説明図を示す。
【０１２７】
なお、第１の実施形態に係る燃料電池モジュール１２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４の実施形態でも同様に、第１の実施形態に係る燃料電池モジュール１２と同様の構成要素には、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、第３及び第４の実施形態では、上記の第２の実施形態と同様に構成することができるが、その説明は省略する。
【０１２８】
燃料電池モジュール１４０では、図１１〜図１３に示すように、熱交換器５０が構成される第２領域Ｒ２には、熱交換管路６４の管路長方向と直交する方向に沿って、燃焼ガス迂回路形成用バッフル板１０４Ａが配設される。バッフル板１０４Ａは、第２仕切り板６０ｂの内周側に隣接して設けられる第１バッフル板１０４ａと、第１仕切り板６０ａの外周側に隣接して設けられる第２バッフル板１０４ｂとを備える。
【０１２９】
第１バッフル板１０４ａは、第２バッフル板１０４ｂよりも多数に設定される。具体的には、第１バッフル板１０４ａの数は、第２バッフル板１０４ｂの数よりも１つ多い数に、例えば、前記第１バッフル板１０４ａが２つで、前記第２バッフル板１０４ｂが１つに設定される。第１バッフル板１０４ａは、第２仕切り板６０ｂの内周面の上方部及び下方部に固定される一方、第２バッフル板１０４ｂは、第１仕切り板６０ａの外周面の中央部に固定される。すなわち、一対の第１バッフル板１０４ａの間に、第２バッフル板１０４ｂが配設される。
【０１３０】
第１バッフル板１０４ａは、バッフル板１０４と同様に構成されており、その詳細な説明は省略する。第２バッフル板１０４ｂは、図１２及び図１４に示すように、内周端部１０４inが第１仕切り板６０ａの外周面に固定される一方、外周端部１０４outが第２仕切り板６０ｂ側に延在する。
【０１３１】
第２バッフル板１０４ｂの外周端部１０４outは、第１仕切り板６０ａと第２仕切り板６０ｂとの略中間位置で終端するとともに、前記外周端部１０４outには、管路配置用の複数の円弧状凹部１０６ａが形成される。各円弧状凹部１０６ａには、各熱交換管路６４の外周部が嵌合し、前記熱交換管路６４の位置決め保持がなされる。
【０１３２】
改質器４６が構成される第３領域Ｒ３には、改質管路７６の管路長方向と直交する方向に沿って、燃焼ガス迂回路形成用バッフル板１０８Ａが配設される。バッフル板１０８Ａは、第３仕切り板６０ｃの内周側に隣接して設けられる第１バッフル板１０８ａと、第２仕切り板６０ｂの外周側に隣接して設けられる第２バッフル板１０８ｂとを備える。
【０１３３】
第１バッフル板１０８ａは、第２バッフル板１０８ｂよりも多数に設定される。具体的には、第１バッフル板１０８ａの数は、第２バッフル板１０８ｂの数よりも１つ多い数に、例えば、前記第１バッフル板１０８ａが２つで、前記第２バッフル板１０８ｂが１つに設定される。第１バッフル板１０８ａは、第３仕切り板６０ｃの内周面の上方部及び下方部に固定される一方、第２バッフル板１０８ｂは、第２仕切り板６０ｂの外周面の中央部に固定される。すなわち、一対の第１バッフル板１０８ａの間に、第２バッフル板１０８ｂが配設される。
【０１３４】
第１バッフル板１０８ａは、バッフル板１０８と同様に構成されており、その詳細な説明は省略する。第２バッフル板１０８ｂは、図１２に示すように、内周端部１０８inが第２仕切り板６０ｂの外周面に固定される一方、外周端部１０８outが第３仕切り板６０ｃ側に延在する。
【０１３５】
第２バッフル板１０８ｂの外周端部１０８outは、第２仕切り板６０ｂと第３仕切り板６０ｃとの略中間位置で終端するとともに、前記外周端部１０８outには、管路配置用の複数の円弧状凹部１１０ａが形成される。各円弧状凹部１１０ａには、各改質管路７６の外周部が嵌合し、前記改質管路７６の位置決め保持がなされる。
【０１３６】
このように構成される第３の実施形態では、熱交換器５０が構成される第２領域Ｒ２には、第２仕切り板６０ｂの内周側に隣接して一対の第１バッフル板１０４ａと、第１仕切り板６０ａの外周側に隣接して第２バッフル板１０４ｂとが設けられている。
【０１３７】
このため、図１２及び図１３に示すように、第２領域Ｒ２（第２燃焼ガス通路１２６ｂ）に導入された燃焼ガスは、第２仕切り板６０ｂに吹き付けられて下方に向かい、上方の第１バッフル板１０４ａに吹き付けられる。燃焼ガスは、上方の第１バッフル板１０４ａを介して第１仕切り板６０ａ側に移動した後、下方に向きを変えて、第２バッフル板１０４ｂに吹き付けられる。
【０１３８】
さらに、燃焼ガスは、第２仕切り板６０ｂ側に流通した後、下方に移動し、第１バッフル板１０４ａを介して第１仕切り板６０ａ側に流通する。そして、燃焼ガスは、第１仕切り板６０ａで反転して第２仕切り板６０ｂ側に移動し、第２燃焼ガス連通孔６２ｂを通って第３領域Ｒ３に導入される。
【０１３９】
従って、熱交換器５０に供給される燃焼ガスは、偏流や吹き抜けを良好に抑制することができるとともに、ジグザグ状に流通し、前記燃焼ガスの流通経路長を良好に長尺化することが可能になる。これにより、酸化剤ガスは、燃焼ガスからの授熱量が一層増加し、熱交換効率が良好に向上するという効果が得られる。
【０１４０】
一方、改質器４６が構成される第３領域Ｒ３には、第３仕切り板６０ｃの内周側に隣接して一対の第１バッフル板１０８ａと、第２仕切り板６０ｂの外周側に隣接して第２バッフル板１０８ｂとが設けられている。
【０１４１】
このため、第３領域Ｒ３に導入された燃焼ガスは、第３仕切り板６０ｃに吹き付けられて上方に向かい、下方の第１バッフル板１０８ａに吹き付けられる。燃焼ガスは、下方の第１バッフル板１０８ａを介して第２仕切り板６０ｂ側に移動した後、上方に向きを変えて、第２バッフル板１０８ｂに吹き付けられる。
【０１４２】
燃焼ガスは、さらに第３仕切り板６０ｃ側に流通した後、上方の第１バッフル板１０８ａを介して第２仕切り板６０ｂ側に流通する。そして、燃焼ガスは、第２仕切り板６０ｂで反転して第３仕切り板６０ｃ側に移動し、第３燃焼ガス連通孔６２ｃを通って第４領域Ｒ４に導入される。
【０１４３】
従って、改質器４６に供給される燃焼ガスは、偏流や吹き抜けを良好に抑制することができるとともに、ジグザグ状に流通し、前記燃焼ガスの流通経路長を良好に長尺化することが可能になる。これにより、混合ガスは、燃焼ガスからの授熱量が一層増加し、熱交換効率が良好に向上するという効果が得られる。
【０１４４】
図１５に示すように、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池モジュール１５０では、第３の実施形態に係る燃料電池モジュール１４０と同様に構成されるが、第１の実施形態に係る燃料電池モジュール１２と同様に構成してもよい。
【０１４５】
燃料電池モジュール１５０を構成する熱交換器５０では、図１５及び図１６に示すように、少なくとも１以上の熱交換管路６４には、１以上の管路径変化部位又は管路断面積変化部位である絞り部位６４ａが設けられる。絞り部位６４ａは、熱交換管路６４の外周部に絞り成形（潰し加工）を施すことにより、内径が縮径された管路径変化部位又は管路断面積変化部位が形成される。
【０１４６】
全ての熱交換管路６４には、それぞれ複数の絞り部位６４ａが設けられているが、これに限定されるものではない。絞り部位６４ａは、予め設定された、又は、所望の熱交換効率が得られる箇所に配置された、所定数の熱交換管路６４のみに設けることが可能である。互いに隣接する熱交換管路６４の絞り部位６４ａは、それぞれ異なる位相（高さ）に設定される。絞り部位６４ａには、捻れが付与されていてもよい。
【０１４７】
絞り部位６４ａは、熱交換管路６４の酸化剤ガス入口端部から下流側に距離Ｌだけ離間した位置に設定される（図１６参照）。距離Ｌ≦０．０６５Ｒｅ×ｄに設定される。なお、Ｒｅはレイノルズ数、ｄは熱交換管路６４の直径である。
【０１４８】
燃料電池モジュール１５０を構成する改質器４６では、少なくとも１以上の改質管路７６には、１以上の管路径変化部位又は管路断面積変化部位である絞り部位７６ａが設けられる。絞り部位７６ａは、改質管路７６の外周部に絞り成形（潰し加工）を施すことにより、内径が縮径された管路径変化部位又は管路断面積変化部位が形成される。
【０１４９】
全ての改質管路７６には、それぞれ複数の絞り部位７６ａが設けられているが、これに限定されるものではない。絞り部位７６ａは、予め設定された、又は、所望の熱交換効率が得られる箇所に配置された、所定数の改質管路７６のみに設けることが可能である。互いに隣接する改質管路７６の絞り部位７６ａは、それぞれ異なる位相（高さ）に設定される。絞り部位７６ａには、捻れが付与されていてもよい。
【０１５０】
絞り部位７６ａは、改質管路７６の混合ガス入口端部から下流側に距離Ｌ０だけ離間した位置に設定される。距離Ｌ０≦０．０６５Ｒｅ×ｄ０に設定される。なお、Ｒｅはレイノルズ数、ｄ０は改質管路７６の直径である。
【０１５１】
このように構成される第４の実施形態では、熱交換器５０を構成する熱交換管路６４には、層流領域になる前の位置に対応して絞り部位６４ａが設けられている。このため、熱交換管路６４内を流通する酸化剤ガスは、迅速に層流から乱流に遷移し、燃焼ガスからの授熱量が増加して熱交換効率が良好に向上するとともに、所望の熱交換効率に制御することが可能になるという効果が得られる。
【０１５２】
一方、改質器４６を構成する改質管路７６には、層流領域になる前の位置に対応して絞り部位７６ａが設けられている。従って、改質管路７６内を流通する混合ガスは、迅速に層流から乱流に遷移し、燃焼ガスからの授熱量が増加して熱交換効率が良好に向上するという効果がある。
【０１５３】
なお、第４の実施形態では、熱交換管路６４及び改質管路７６は、それぞれ円環部に絞り加工を施して、断面円形状の絞り部位６４ａ、７６ａを設けているが、これに限定されるものではない。例えば、楕円形状や矩形状の絞り部位であってもよい。
【０１５４】
また、第１〜第３の実施形態では、蒸発器４８にも同様の構成を採用することができる。図１７に示すように、本発明の第５の実施形態では、上記の第３の実施形態に加えて、蒸発器４８が構成される第４領域Ｒ４には、蒸発管路９２の管路長方向と直交する方向に沿って、燃焼ガス迂回路形成用の第１バッフル板１６０ａ及び第２バッフル板１６０ｂが配設される。一対の第１バッフル板１６０ａは、第４仕切り板６０ｄの内周側に隣接して設けられ、第２バッフル板１６０ｂは、第３仕切り板６０ｃの外周側に隣接して設けられる。第１バッフル板１６０ａには、複数の円弧状凹部１６２が形成される一方、第２バッフル板１６０ｂには、複数の円弧状凹部１６２ａが形成される。
【０１５５】
これにより、第５の実施形態では、蒸発器４８では、燃焼ガスが蛇行するように流通するため、前記燃焼ガスの流通経路が長尺化されるとともに、多量の燃焼ガスが各蒸発管路９２に吹き付けられる。このため、各蒸発管路９２では、燃焼ガスからの授熱量が増加し、混合ガスとの熱交換効率が一層向上する等、上記の各実施形態と同様の効果が得られる。
【符号の説明】
【０１５６】
１０、１３０…燃料電池システム
１２、１３２、１４０、１５０…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                  ３２…電解質・電極接合体
３８…酸化剤ガス流路                ４０…燃料ガス流路
４６…改質器                        ４８…蒸発器
５０…熱交換器                      ５２…排ガス燃焼器
５４…起動用燃焼器                  ５６…ＦＣ周辺機器
５７…空気供給管                    ５８…原燃料供給管
６０ａ〜６０ｄ、１３４ａ〜１３４ｄ…仕切り板
６２ａ〜６２ｄ…燃焼ガス連通孔      ６４…熱交換管路
６４ａ、７６ａ…絞り部位
６６ａ、６６ｂ、７８ａ、７８ｂ、９４ａ、９４ｂ…内側リング
６８ａ、６８ｂ、８０ａ、８０ｂ、９６ａ、９６ｂ…外側リング
７０ａ…酸化剤ガス供給室            ７０ｂ…酸化剤ガス排出室
７４…酸化剤ガス通路                ７６…改質管路
８２ａ…混合ガス供給室              ８２ｂ…改質ガス排出室
８８…原燃料供給路                  ９０…燃料ガス通路
９２…蒸発管路                      ９８ａ…水供給室
９８ｂ…水蒸気排出室                １００…水通路
１０２…蒸発リターン管路            １０３…応力緩和部
１０４、１０４Ａ、１０４ａ、１０４ｂ、１０８、１０８Ａ、１０８ａ、１０８ｂ、１６０ａ、１６０ｂ…バッフル板
１０６、１０６ａ、１１０、１１０ａ、１６２、１６２ａ…円弧状凹部
１２６ａ〜１２６ｄ…燃焼ガス通路    １３６ａ〜１３６ｃ…抽気孔部
【図１】
2013258028.tif 000003
【図２】
2013258028.tif 000004
【図３】
2013258028.tif 000005
【図４】
2013258028.tif 000006
【図５】
2013258028.tif 000007
【図６】
2013258028.tif 000008
【図７】
2013258028.tif 000009
【図８】
2013258028.tif 000010
【図９】
2013258028.tif 000011
【図１０】
2013258028.tif 000012
【図１１】
2013258028.tif 000013
【図１２】
2013258028.tif 000014
【図１３】
2013258028.tif 000015
【図１４】
2013258028.tif 000016
【図１５】
2013258028.tif 000017
【図１６】
2013258028.tif 000018
【図１７】
2013258028.tif 000019
【図１８】
2013258028.tif 000020
【図１９】
2013258028.tif 000021
【図２０】
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