JP2013089498A - 燃料電池モジュール - Google Patents

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Abstract

【課題】燃料排ガスを有効利用するとともに、急激な負荷増加時にも、燃料枯渇を抑制することができ、しかも熱自立の促進を図り、発電効率の向上を遂行することを可能にする。
【解決手段】燃料電池モジュール１２は、燃料電池スタック２４、原燃料と水蒸気との混合ガスを改質する改質器４６、水蒸気を前記改質器４６に供給する蒸発器４８、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熱交換器５０、前記燃焼ガスを発生させる排ガス燃焼器５２及び起動用燃焼器５４を備える。燃料電池モジュール１２は、燃料排ガスを、排ガス燃焼器５２に供給する燃料排ガス通路８８と、前記燃料排ガス通路８８から分岐し、前記燃料排ガスを改質器４６の上流側に供給する燃料排ガス分岐通路８８ａと、燃焼ガスと酸化剤ガスとの温度差により熱電変換を行う第１及び第２熱電変換部７４、１０６とを備える。
【選択図】図１

Description

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スタックを備える燃料電池モジュールに関する。
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。
燃料電池は、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ものである。燃料ガス及び酸化剤ガスは、通常、発電に必要な量以上の流量が供給されている。このため、特に燃料ガスでは、未使用の燃料ガスが排ガスとして排出される場合があり、経済的ではないという問題がある。
そこで、例えば、特許文献１に開示されている固体電解質型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１５に示すように、燃料、酸素及び水から水素リッチな改質ガスを生成する改質器１ａと、複数の電池ユニットＵを積層したスタック構造体ＳＫとを備えており、前記スタック構造体ＳＫの各電池ユニットＵに改質ガスと空気を供給して発電するように構成されている。
燃料電池システムは、さらに改質器１ａからスタック構造体ＳＫに供給される改質ガスを冷却する改質ガス冷却手段Ａと、前記スタック構造体ＳＫの温度を制御する温度制御手段（制御部）Ｂと、前記改質器１ａから前記改質ガス冷却手段Ａをバイパスして該スタック構造体ＳＫに至る改質ガス分配手段Ｃとを備えている。
改質器１ａは、スタック構造体ＳＫにおける各電池ユニットＵの燃料極４ａに改質ガスを供給する改質ガス供給路２ａを備えるとともに、燃料の気化器３ａを備えている。電池ユニットＵの単セルを構成する燃料極４ａには、改質ガス排出路５ａが連結しており、この改質ガス排出路５ａには、切替バルブ６ａを介して改質器１ａの気化器３ａに至る改質ガスリターン路７ａが連結されている。すなわち、気化器３ａは、燃料の気化の熱源の一部としてスタック構造体ＳＫから排出された改質ガスを用いている。
また、特許文献２に開示されている燃料電池システムでは、図１６に示すように、発電を行う燃料電池スタック１ｂと、この燃料電池スタック１ｂに燃料ガスを供給する燃料供給系と、前記燃料電池スタック１ｂに酸化剤ガス（空気）を供給する空気供給系とを備えている。
燃料供給系は、水素供給流路２ｂ、エゼクタ３ｂ、アノード排ガス排気流路４ｂ及び水素循環流路５ｂを有している。そして、図示しない水素供給源から供給される水素ガスが、水素供給流路２ｂ及びエゼクタ３ｂを通って燃料電池スタック１ｂのアノード極６ｂに供給されるように構成されている。
燃料電池スタック１ｂでは、供給された水素ガスが全て消費されるわけではない。残った水素ガス（燃料電池スタック１ｂのアノード極６ｂから排出される水素ガス）は、水素循環流路５ｂを通ってエゼクタ３ｂにより循環され、新たに供給される水素ガスと混合されて、再び燃料電池スタック１ｂのアノード極６ｂに供給されている。
特開２００９−１４０７３３号公報 特開２００４−１９９９３１号公報
しかしながら、上記の特許文献１では、改質器１ａは、オートサーマル改質を行うため、スタック内で吸熱反応が発生することがない。従って、スタック内が過熱状態になり易いという問題がある。しかも、燃料極４ａからの高温の燃料排ガスは、改質ガスリターン路７ａを通って気化器３ａに供給されているが、この気化器３ａの作動温度が低いため、熱源のロスが大きくなり、経済的ではないという問題がある。
また、上記の特許文献２では、アノード極６ｂから排出される水素ガスをエゼクタ３ｂにより循環させることにより、アノード排ガス（燃料排ガス）を前記水素ガスとして使用することが可能になる。その際、循環される水素ガスには、不純物が混在し易く、該不純物の濃度が上昇した際に、流路内のアノード排ガスをパージする必要がある。このため、アノード極６ｂから排出される排ガスを有効且つ効率的に活用することができないという問題がある。
本発明は、この種の問題を解決するものであり、燃料排ガスを有効利用するとともに、急激な負荷増加時にも、燃料枯渇を抑制することができ、しかも熱自立の促進を図り、発電効率の向上を遂行す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。
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て前記燃料ガスを生成するとともに、前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給する改質器と、水を蒸発させるとともに、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。
そして、この燃料電池モジュールは、燃料排ガスを、排ガス燃焼器に供給する燃料排ガス通路と、前記燃料排ガス通路から分岐し、前記燃料排ガスを改質器の上流側に供給する燃料排ガス分岐通路と、燃焼ガスと酸化剤ガスとの温度差により熱電変換を行う熱電変換部を備えている。
また、この燃料電池モジュールでは、燃料排ガス通路と燃料排ガス分岐通路との境界部位には、燃料排ガスを前記燃料排ガス通路と前記燃料排ガス分岐通路とに分配して供給するための燃料排ガス調整弁が配設されることが好ましい。このため、改質器に供給される燃料排ガスの流量を緻密に制御することができ、特に急激な負荷増加時にも、改質反応の遅延による燃料枯渇を抑制することが可能になるとともに、前記改質器の耐久性が向上する。しかも、燃料利用率が高くなり、発電効率の向上が容易に図られる。
さらに、この燃料電池モジュールでは、燃焼ガスを熱交換器、改質器及び蒸発器に、順次、供給する燃焼ガス通路と、酸化剤ガスを前記熱交換器から燃料電池スタックに供給する酸化剤ガス通路とを備えるとともに、熱電変換部は、前記燃焼ガス通路の前記蒸発器の下流側に、且つ、前記酸化剤ガス通路の前記熱交換器の上流側に設けられることが好ましい。
従って、熱自立を妨げることがなく、燃焼ガスと酸化剤ガスとの温度差、すなわち、熱エネルギを電気エネルギとして回収することができ、発電効率を向上させることが可能になる。しかも、燃焼ガスの温度が低下されるため、廃熱の抑制が図られる一方、酸化剤ガスが昇温されるため、熱自立の促進が図られる。ここで、熱自立とは、燃料電池システムの運転に必要な熱の全量を外部から加えることなく、自ら発生する熱のみで前記燃料電池システムの動作温度を維持することをいう。
さらにまた、この燃料電池モジュールでは、酸化剤ガス通路は、熱交換器の上流側に起動用燃焼器を冷却する冷却通路部を有するとともに、熱電変換部は、前記冷却通路部の上流側に設けられることが好ましい。
これにより、酸化剤ガスは、熱交換器に供給される前に、起動用燃焼器を冷却するための冷却媒体として供給される。このため、起動用燃焼器内は、燃料ガスの自己着火温度以下に保つことができ、逆火を抑制することによって前記起動用燃焼器の耐久性の向上が容易に図られる。しかも、熱電変換部には、比較的低温の空気（酸化剤ガス）が供給されるため、燃焼ガスとの温度差を確保することが可能になり、効率的な熱電変換が遂行される。
また、この燃料電池モジュールでは、起動用燃焼器内には、別の熱電変換部が設けられることが好ましい。従って、熱自立を妨げることがなく、燃焼ガスと酸化剤ガスとの温度差、すなわち、熱エネルギを電気エネルギとして回収することができ、発電効率を向上させることが可能になる。しかも、燃焼ガスの温度が低下されるため、廃熱の抑制が図られる一方、酸化剤ガスが昇温されるため、熱自立の促進が図られる。
さらに、この燃料電池モジュールでは、熱電変換部は、燃焼ガスと酸化剤ガスとが互いに並行流に設定されるとともに、異なる熱電変換温度に設定された複数の熱電変換素子を備えることが好ましい。これにより、例えば、並行流の上流側は、燃焼ガスと酸化剤ガスとの温度差が大きくなるため、高温型熱電変換素子を使用する一方、並行流の下流側は、前記温度差が小さくなるため、低温型熱電変換素子を使用することができる。このため、温度差に応じて最適な熱電変換素子が用いられるため、効率的な熱電変換が確実に遂行可能になる。
さらにまた、この燃料電池モジュールでは、熱電変換部は、燃焼ガスと酸化剤ガスとが互いに対向流に設定されるとともに、所定の熱電変換温度に設定された複数の熱電変換素子を備えることが好ましい。従って、熱電変換部内では、想定される温度差に応じて、最適な熱電変換温度に設定された熱電変換素子を用いることができる。これにより、効率的な熱電変換が確実に遂行可能になる。
また、この燃料電池モジュールでは、熱電変換部は、燃焼ガスと酸化剤ガスとが互いに交差する流れ又は対称の流れに設定されるとともに、所定の熱電変換温度に設定された複数の熱電変換素子を備えることが好ましい。このため、熱電変換部内では、想定される温度差に応じて、最適な熱電変換温度に設定された熱電変換素子を用いることができる。従って、効率的な熱電変換が確実に遂行可能になる。
さらに、この燃料電池モジュールでは、酸化剤ガス通路は、熱交換器に酸化剤ガスを供給する第１酸化剤ガス供給路部と、起動用燃焼器に前記酸化剤ガスを供給する第２酸化剤ガス供給路部とに分岐するとともに、分岐部位には、前記酸化剤ガスの分配量を調整する酸化剤ガス調整弁が配設されることが好ましい。
これにより、燃料電池スタックと、改質器、蒸発器、熱交換器及び排ガス燃焼器を含むＦＣ周辺機器（ＢＯＰ）とを同時に昇温させることができ、起動時間の短縮化を図ることが可能になる。
しかも、燃料電池スタックとＦＣ周辺機器とは、それぞれ緻密な温度制御が遂行されるため、燃料電池モジュールの熱自立が促進される。その上、燃料電池スタック又はＦＣ周辺機器に熱不足が発生した際には、起動用燃焼器から熱を供給することができる。
さらにまた、この燃料電池モジュールでは、原燃料を改質器に供給する原燃料通路を備え、前記原燃料を起動用燃焼器に供給する原燃料分岐通路部が前記原燃料通路から分岐するとともに、分岐部位には、前記原燃料の分配量を調整する原燃料調整弁が配設されることが好ましい。
このため、燃料電池スタックとＦＣ周辺機器とを、同時に昇温させることができ、起動時間の短縮化を図ることが可能になる。
しかも、燃料電池スタックとＦＣ周辺機器とは、それぞれ緻密な温度制御が遂行されるため、燃料電池モジュールの熱自立が促進される。その上、燃料電池スタック又はＦＣ周辺機器に熱不足が発生した際には、起動用燃焼器から熱を供給することができる。
また、この燃料電池モジュールでは、熱交換器内には、排ガス燃焼器が一体に設けられるとともに、起動用燃焼器は、前記熱交換器の一端に隣接して設けられ、且つ、改質器は、前記熱交換器の他端に隣接して設けられることが好ましい。従って、改質器、熱交換器、排ガス燃焼器及び起動用燃焼器は、略一体化されるため、燃料電池モジュールの放熱を最小限に抑制することが可能になる。これにより、熱エネルギの損失を抑制し、熱自立運転が良好に促進される。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。
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。
本発明によれば、燃焼ガスと酸化剤ガスとの温度差、すなわち、熱エネルギを電気エネルギとして回収することができ、特に起動時間を損なうことがなく、発電効率を向上させることが可能になる。しかも、燃焼ガスの温度が低下されるため、廃熱の抑制が図られる一方、酸化剤ガスが昇温されるため、熱自立の促進が図られる。
ここで、燃焼ガスとは、排ガス燃焼器及び起動用燃焼器で生成されるガスであって、他のガス等の被加熱体と熱交換を行って熱エネルギを与えることができる加熱媒体をいい、熱エネルギを放出した後には、排ガスという。
また、熱自立とは、燃料電池システムの運転に必要な熱の全量を外部から加えることなく、自ら発生する熱のみで前記燃料電池システムの動作温度を維持することをいう。
その上、燃料電池スタックから排出される燃料排ガスを排ガス燃焼器に供給する燃料排ガス通路と、前記燃料排ガス通路から分岐し、前記燃料排ガスを改質器の上流側に供給する燃料排ガス分岐通路とを備えている。
従って、燃料排ガスは、排ガス燃焼器と改質器とに分配供給されている。これにより、急激な負荷増加の際、水蒸気改質の吸熱反応に即応することが可能になり、燃料枯渇を抑制することができ、耐久性の向上が図られるという効果が得られる。しかも、燃料利用率が高くなり、発電効率の向上が容易に図られる。
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。 前記燃料電池モジュールを構成するＦＣ周辺機器の概略斜視説明図である。 前記ＦＣ周辺機器の要部斜視説明図である。 前記ＦＣ周辺機器の要部分解斜視説明図である。 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。 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。 前記ＦＣ周辺機器を構成する起動用燃焼器の一部断面側面図である。 前記燃料電池モジュールを構成する第１熱電変換部の要部分解斜視説明図である。 前記燃料電池システムの起動から定常運転までの動作を説明するフローチャートである。 前記燃料電池システムを構成する燃料排ガス調整弁の開度と運転出力とのマップである。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池モジュールを構成する熱電変換部の要部分解斜視説明図である。 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熱電変換部の要部分解斜視説明図である。 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熱電変換部の要部分解斜視説明図である。 本発明の第５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。 特許文献１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。 特許文献２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。
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ている。
燃料電池システム１０は、燃料ガス（例えば、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に炭化水素を主体とする原燃料（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。
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。
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。
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。
燃料電池モジュール１２は、原燃料と水蒸気との混合ガスを改質して燃料ガスを生成するとともに、燃料電池スタック２４に前記燃料ガスを供給する改質器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燃焼器５４とを備える。
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５６とにより構成される。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及び前記起動用燃焼器５４間には、燃焼ガス用の配管を設けていない。
原燃料供給装置１４は、原燃料を改質器４６に供給する原燃料通路５７を備える。酸化剤ガス供給装置１６は、酸化剤ガスを熱交換器５０から燃料電池スタック２４に供給する酸化剤ガス通路５８を備えるとともに、水供給装置１８は、水を蒸発器４８に供給する水通路５９を備える。
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。
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）及び起動用燃焼器５４は、水平方向（矢印Ａ方向）に積層される。
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６０とが配設される。
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。
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。
図１に示すように、原燃料供給装置１４は、脱硫器６０を備えるとともに、前記脱硫器６０が原燃料通路５７の途上に配設される。この原燃料通路５７は、改質器４６の改質ガス供給室６２ａに接続される。
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。
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、燃焼ガス通路７０の一端が開口される一方、図１に示すように、前記燃焼ガス通路７０の途上には、蒸発器４８の加熱路７２が設けられる。燃焼ガス通路７０の他端には、第１熱電変換部７４が接続される。
水供給装置１８を構成する水通路５９は、蒸発器４８の入口に接続される。水通路５９を流通する水は、加熱路７２に沿って流通する燃焼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５９ａの一端が接続されるとともに、前記水蒸気通路５９ａの他端は、原燃料通路５７に対して脱硫器６０の下流の位置に合流する。
図４及び図６に示すように、熱交換器５０は、下部側に酸化剤ガス供給室７６ａが設けられるとともに、上部側に酸化剤ガス排出室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７８の両端が連通する。
酸化剤ガス供給室７６ａには、酸化剤ガス通路５８を構成する第１酸化剤ガス供給路部８０ａの一端が配設される。酸化剤ガス排出室７６ｂには、酸化剤ガス供給通路８２の一端が配設されるとともに、前記酸化剤ガス供給通路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）。
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。
燃焼室８４には、酸化剤ガス排出室７６ｂ側から酸化剤排ガス通路８６の一端と燃料排ガス通路８８の一端とが配置される。図１に示すように、酸化剤排ガス通路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、燃料排ガス通路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。
燃料排ガス通路８８から燃料排ガス分岐通路８８ａが分岐する。燃料排ガス分岐通路８８ａは、原燃料通路５７に対して改質ガス供給室６２ａの近傍位置に合流する。燃料排ガス通路８８と燃料排ガス分岐通路８８ａとの境界部位には、燃料排ガスを前記燃料排ガス通路８８と前記燃料排ガス分岐通路８８ａとに分配して供給するための燃料排ガス調整弁８９が配設される。
燃料排ガス通路８８に沿って排ガス燃焼器５２に供給される燃料排ガスの流量Ｗ１は、燃料排ガス分岐通路８８ａに沿って改質器４６に供給される前記燃料排ガスの流量Ｗ２よりも大きく設定される。具体的には、流量Ｗ１／流量Ｗ２≧１０に設定される。
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（燃焼ガス通路）９８が形成される。
図７に示すように、起動用燃焼器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部１０４が形成される。冷却通路部１０４の上部及び下部には、酸化剤ガス供給装置１６を構成する酸化剤ガス通路５８が接続される（図１参照）。
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）。燃焼室１０２と冷却通路部１０４との間には、第２熱電変換部１０６が配設される。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酸化剤ガス供給路部８０ｂと原燃料通路５７から分岐した原燃料分岐通路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。
図１に示すように、酸化剤ガス通路５８には、熱交換器５０の上流側、より好適には、冷却通路部１０４の上流側に第１熱電変換部７４が配設される。図８に示すように、第１熱電変換部７４は、被加熱体である酸化剤ガスを流通させる第１通路部材１１２と、加熱媒体である燃焼ガスを流通させる第２通路部材１１４と、異なる熱電変換温度に設定されたそれぞれ複数の熱電変換素子１１６ａ、１１６ｂ及び１１６ｃとを備える。
第１通路部材１１２は、ボックス形状を有し、酸化剤ガス入口１１２ａと酸化剤ガス出口１１２ｂとの間で蛇行する酸化剤ガス蛇行流路１１２ｃを設ける。酸化剤ガス蛇行流路１１２ｃは、第１通路部材１１２内に交互に且つ千鳥状に配置される仕切板１１２ｄにより形成される。
第２通路部材１１４は、ボックス形状を有し、燃焼ガス入口１１４ａと燃焼ガス出口１１４ｂとの間で蛇行する燃焼ガス蛇行流路１１４ｃを設ける。燃焼ガス蛇行流路１１４ｃは、第２通路部材１１４内に交互に且つ千鳥状に配置される仕切板１１４ｄにより形成される。燃焼ガス蛇行流路１１４ｃと酸化剤ガス蛇行流路１１２ｃとは、互いに並行流に設定される。
熱電変換素子１１６ａ、１１６ｂ及び１１６ｃは、第１通路部材１１２と第２通路部材１１４とに両端が挟持されるとともに、各両端に温度差を生じさせることにより起電力を発生させる機能を有する。酸化剤ガス蛇行流路１１２ｃ及び燃焼ガス蛇行流路１１４ｃの上流側に配置される複数（図８には、３個配置されるが、個数は任意に設定可能である。以下、同様）の熱電変換素子１１６ａは、高温の熱電変換温度に設定された高温型熱電変換素子である。
酸化剤ガス蛇行流路１１２ｃ及び燃焼ガス蛇行流路１１４ｃの中流側に配置される複数の熱電変換素子１１６ｂは、中温の熱電変換温度に設定された中温型熱電変換素子である。酸化剤ガス蛇行流路１１２ｃ及び燃焼ガス蛇行流路１１４ｃの下流側に配置される複数の熱電変換素子１１６ｃは、低温の熱電変換温度に設定された低温型熱電変換素子である。
第２熱電変換部１０６は、上記の第１熱電変換部７４と同様に構成される。第２熱電変換部１０６内では、冷却通路部１０４から酸化剤ガスが供給されるとともに、燃焼室１０２から燃焼ガスが供給される。図示しないが、酸化剤ガス及び燃焼ガスは、互いに並行流に設定され、酸化剤ガス蛇行流路と燃焼ガス蛇行流路との間には、複数の熱電変換素子が配設される。
図１に示すように、酸化剤ガス供給装置１６は、酸化剤ガスを酸化剤ガス通路５８から熱交換器５０と起動用燃焼器５４とに、すなわち、第１酸化剤ガス供給路部８０ａと第２酸化剤ガス供給路部８０ｂとに、分配する酸化剤ガス調整弁１１８を備える。
原燃料供給装置１４は、原燃料を改質器４６と起動用燃焼器５４とに、すなわち、原燃料通路５７と原燃料分岐通路１１０とに、分配する原燃料調整弁１２０を備える。
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、図９のフローチャートに沿って、以下に説明する。
燃料電池システム１０の起動時には、先ず、燃料排ガス調整弁８９が操作されて燃料排ガス分岐通路８８ａが閉塞され、燃料排ガスが前記燃料排ガス分岐通路８８ａを流通することを規制する（ステップＳ１）。次いで、ステップＳ２に進んで、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５８に空気が供給される。この空気は、第１熱電変換部７４を通った後、起動用燃焼器５４の冷却通路部１０４に導入される（動作は、後述する）。さらに、空気は、酸化剤ガス調整弁１１８の開度調整作用下に、第２酸化剤ガス供給路部８０ｂから予混合燃料通路１０８に供給される。
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５７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、原燃料調整弁１２０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、起動用燃焼器５４内の燃焼室１０２に供給される。
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。
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、燃焼ガス通路７０が開口されており、この燃焼ガス通路７０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、第１熱電変換部７４に供給される。
図８に示すように、第１熱電変換部７４では、第１通路部材１１２の酸化剤ガス入口１１２ａから酸化剤ガス蛇行流路１１２ｃに外部空気である酸化剤ガスが供給される一方、第２通路部材１１４の燃焼ガス入口１１４ａから燃焼ガス蛇行流路１１４ｃに燃焼ガスが供給される。従って、酸化剤ガス蛇行流路１１２ｃと燃焼ガス蛇行流路１１４ｃとの間に配設されている複数の熱電変換素子１１６ａ、１１６ｂ及び１１６ｃは、それぞれの両端に温度差が発生し、熱エネルギが電気エネルギとして回収される。
一方、第２熱電変換部１０６では、冷却通路部１０４から酸化剤ガスが供給されるとともに、燃焼室１０２から燃焼ガスが供給されている。これにより、第１熱電変換部７４と同様に、複数の熱電変換素子（図示せず）は、それぞれの両端に温度差が発生し、熱エネルギが電気エネルギとして回収される。
次いで、ステップＳ３に進んで、改質器４６が設定温度Ｔ１以上であるか否かが判断される。設定温度Ｔ１は、例えば、５５０℃である。改質器４６が設定温度Ｔ１以上である際（ステップＳ３中、ＹＥＳ）、ステップＳ４に進む。このステップＳ４では、燃料電池スタック２４の還元が開始される。
具体的には、酸化剤ガス調整弁１１８の開度が調整され、第１酸化剤ガス供給路部８０ａに空気が供給される。一方、原燃料調整弁１２０の開度が調整され、原燃料通路５７に原燃料が供給される。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。
このため、第１酸化剤ガス供給路部８０ａから酸化剤ガス供給室７６ａに導入された空気は、図６に示すように、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、酸化剤ガス供給通路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）。
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８６に排出される。酸化剤排ガス通路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に開口しており、前記燃焼室８４に空気が導入される。
また、原燃料供給装置１４では、図１に示すように、原燃料調整弁１２０を介して原燃料通路５７から脱硫器６０に原燃料が供給される。脱硫器６０で脱硫された原燃料は、原燃料通路５７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、原燃料通路５７を流通して改質ガス供給室６２ａに供給される。
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）。
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８８に排出される。燃料排ガス通路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に開口しており、前記燃焼室８４に燃料ガスが導入される。
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。そして、燃料電池スタック２４が、設定温度Ｔ２（例えば、６００℃）以上であると判断されると（ステップＳ５中、ＹＥＳ）、ステップＳ６に進む。このステップＳ６では、改質器４６により改質された燃料ガス（改質ガス）の温度を検出し、この燃料ガスの温度から改質ガス組成を算出する。この算出結果から、燃料排ガスの戻し量を算出した後に、該戻し量に調整するための燃料排ガス調整弁８９の開度が設定される。
さらに、ステップＳ７に進んで、燃料電池スタック２４が発電可能な状態であるか否かが判断される。具体的には、燃料電池２２のＯＣＶ（開回路電圧）が測定され、前記ＯＣＶが所定の値に至った際、燃料電池スタック２４の発電が可能であると判断する（ステップＳ７中、ＹＥＳ）。これにより、燃料電池スタック２４は、発電が開始される（ステップＳ８）。
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。
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通路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通路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とともに、前記燃料排ガスの一部は、燃料排ガス分岐通路８８ａを流通して改質器４６の改質ガス供給室６２ａに供給される。
次に、ステップＳ９に進んで、燃料電池スタック２４の運転負荷に応じて、燃料排ガス調整弁８９の開度が設定される。燃料排ガス調整弁８９の開度は、図１０に示すように、燃料電池スタック２４の運転出力（要求電力）に応じて予めマップとして作成され、制御装置２０に記憶されている。そして、運転負荷に応じてマップから燃料排ガス調整弁８９の開度が算出され、決定される。
燃料電池スタック２４の発電が停止されると判断されると（ステップＳ１０中、ＹＥＳ）、ステップＳ１１に進んで、燃料排ガス調整弁８９の開度が調整されて燃料排ガス分岐通路８８ａが閉塞される。さらに、ステップＳ１２に進んで、燃料電池スタック２４がＯＣＶに戻されるとともに、発電の停止モードに移行する。
この場合、第１の実施形態では、燃料電池モジュール１２は、酸化剤ガスと燃焼ガスとの温度差により熱電変換を行う第１熱電変換部７４及び第２熱電変換部１０６を備えている。図８に示すように、第１熱電変換部７４は、被加熱体である酸化剤ガスを流通させる第１通路部材１１２と、加熱媒体である燃焼ガスを流通させる第２通路部材１１４と、前記第１通路部材１１２及び前記第２通路部材１１４間に配置されてそれぞれ異なる熱電変換温度に設定された複数の熱電変換素子１１６ａ、１１６ｂ及び１１６ｃとを備えている。
このため、第１熱電変換部７４及び第２熱電変換部１０６は、燃焼ガスと酸化剤ガスとの温度差、すなわち、熱エネルギを電気エネルギとして回収することができる。特に、起動時間を損なうことがなく、発電効率を向上させることが可能になるという効果が得られる。
しかも、燃焼ガスの温度が低下されるため、廃熱の抑制が図られる一方、酸化剤ガスが昇温されるため、熱自立の促進が図られる。
ここで、燃焼ガスとは、排ガス燃焼器５２及び起動用燃焼器５４で生成されるガスであって、他のガス等の被加熱体と熱交換を行って熱エネルギを与えることができる加熱媒体をいい、熱エネルギを放出した後には、排ガスという。また、熱自立とは、燃料電池システム１０の運転に必要な熱の全量を外部から加えることなく、自ら発生する熱のみで前記燃料電池システム１０の動作温度を維持することをいう。
その上、燃料電池モジュール１２は、燃料電池スタック２４から排出される燃料排ガスを、排ガス燃焼器５２に供給する燃料排ガス通路８８と、前記燃料排ガス通路８８から分岐し、前記燃料排ガスを改質器４６の上流側に供給する燃料排ガス分岐通路８８ａとを備えている。
従って、燃料排ガスは、排ガス燃焼器５２と改質器４６とに分配供給されている。これにより、急激な負荷増加の際、水蒸気改質の吸熱反応に即応することが可能になり、燃料枯渇を抑制することができ、耐久性の向上が図られるという効果が得られる。しかも、燃料利用率が高くなり、発電効率の向上が容易に図られる。
また、燃料排ガス通路８８と燃料排ガス分岐通路８８ａとの境界部位には、燃料排ガスを前記燃料排ガス通路８８と前記燃料排ガス分岐通路８８ａとに分配して供給するための燃料排ガス調整弁８９が配設されている。このため、改質器４６に供給される燃料排ガスの流量を緻密に制御することができ、特に急激な負荷増加時にも、改質反応の遅延による燃料枯渇を抑制することが可能になるとともに、前記改質器４６の耐久性が向上する。
さらに、燃料電池モジュール１２では、燃焼ガスを熱交換器５０、改質器４６及び蒸発器４８に、順次、供給する燃焼ガス通路７０と、酸化剤ガスを前記熱交換器５０から燃料電池スタック２４に供給する酸化剤ガス通路５８とを備えるとともに、第１熱電変換部７４は、前記燃焼ガス通路７０の前記蒸発器４８の下流側に、且つ、前記酸化剤ガス通路５８の前記熱交換器５０の上流側に設けられている。
従って、熱自立を妨げることがなく、燃焼ガスと酸化剤ガスとの温度差、すなわち、熱エネルギを電気エネルギとして回収することができ、発電効率を向上させることが可能になる。しかも、燃焼ガスの温度が低下されるため、廃熱の抑制が図られる一方、酸化剤ガスが昇温されるため、熱自立の促進が図られる。
さらにまた、燃料電池モジュール１２では、酸化剤ガス通路５８は、熱交換器５０の上流側に起動用燃焼器５４を冷却する冷却通路部１０４を有するとともに、第１熱電変換部７４は、前記冷却通路部１０４の上流側に設けられている。これにより、酸化剤ガスは、熱交換器５０に供給される前に、起動用燃焼器５４を冷却するための冷却媒体として供給される。
このため、起動用燃焼器５４内は、燃料ガスの自己着火温度以下に保つことができ、逆火を抑制することによって前記起動用燃焼器５４の耐久性の向上が容易に図られる。しかも、第１熱電変換部７４には、比較的低温の空気（酸化剤ガス）が供給されるため、燃焼ガスとの温度差を確保することが可能になり、効率的な熱電変換が遂行される。
また、第２熱電変換部１０６は、起動用燃焼器５４内に設けられている。従って、熱自立を妨げることがなく、燃焼ガスと酸化剤ガスとの温度差、すなわち、熱エネルギを電気エネルギとして回収することができ、発電効率を向上させることが可能になる。しかも、燃焼ガスの温度が低下されるため、廃熱の抑制が図られる一方、酸化剤ガスが昇温されるため、熱自立の促進が図られる。
さらに、第１熱電変換部７４（及び第２熱電変換部１０６）では、燃焼ガス蛇行流路１１４ｃを流通する燃焼ガスと、酸化剤ガス蛇行流路１１２ｃを流通する酸化剤ガスとが、互いに並行流に設定されるとともに、異なる熱電変換温度に設定された複数の熱電変換素子１１６ａ、１１６ｂ及び１１６ｃを備えている。
これにより、図８に示すように、例えば、並行流の上流側は、燃焼ガスと酸化剤ガスとの温度差が大きくなるため、高温型の熱電変換素子１１６ａを使用する一方、並行流の下流側は、前記温度差が小さくなるため、低温型の熱電変換素子１１６ｃを使用することができる。このため、温度差に応じて最適な熱電変換素子１１６ａ、１１６ｂ及び１１６ｃが用いられるため、効率的な熱電変換が確実に遂行可能になる。
さらにまた、酸化剤ガス通路５８は、熱交換器５０に酸化剤ガスを供給する第１酸化剤ガス供給路部８０ａと、起動用燃焼器５４に前記酸化剤ガスを供給する第２酸化剤ガス供給路部８０ｂとに分岐するとともに、分岐部位には、前記酸化剤ガスの分配を調整する酸化剤ガス調整弁１１８が配設されている。
従って、燃料電池スタック２４と、改質器４６、蒸発器４８、熱交換器５０及び排ガス燃焼器５２を含むＦＣ周辺機器（ＢＯＰ）５６とを同時に昇温させることができ、起動時間の短縮化を図ることが可能になる。
しかも、燃料電池スタック２４とＦＣ周辺機器５６とは、それぞれ緻密な温度制御が遂行されるため、燃料電池モジュール１２の熱自立が促進される。その上、燃料電池スタック２４又はＦＣ周辺機器５６に熱不足が発生した際には、起動用燃焼器５４から熱を供給することができる。
また、燃料電池モジュール１２では、原燃料を改質器４６に供給する原燃料通路５７を備え、前記原燃料通路５７から前記原燃料を起動用燃焼器５４に供給する原燃料分岐通路１１０が分岐するとともに、分岐部位には、前記原燃料の分配を調整する原燃料調整弁１２０が配設されている。これにより、燃料電池スタック２４と、ＦＣ周辺機器５６とを同時に昇温させることができ、起動時間の短縮化を図ることが可能になる。
しかも、燃料電池スタック２４とＦＣ周辺機器５６とは、それぞれ緻密な温度制御が遂行されるため、燃料電池モジュール１２の熱自立が促進される。その上、燃料電池スタック２４又はＦＣ周辺機器５６に熱不足が発生した際には、起動用燃焼器５４から熱を供給することができる。
さらに、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、起動用燃焼器５４は、前記熱交換器５０の一端に隣接して設けられ、且つ、改質器４６は、前記熱交換器５０の他端に隣接して設けられている。このため、改質器４６、熱交換器５０、排ガス燃焼器５２及び起動用燃焼器５４は、略一体化されるため、燃料電池モジュール１２の放熱を最小限に抑制することが可能になる。従って、熱エネルギの損失を抑制し、熱自立運転が良好に促進される。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。
さらにまた、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。
図１１は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池モジュールを構成する熱電変換部１３０の要部分解斜視説明図である。
熱電変換部１３０は、第１の実施形態に係る燃料電池モジュール１２を構成する第１熱電変換部７４及び第２熱電変換部１０６に代えて使用される。なお、熱電変換部１３０は、第１熱電変換部７４のみ、又は、第２熱電変換部１０６のみに代えて用いることもできる。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である。
熱電変換部１３０は、酸化剤ガスを流通させる第１通路部材１３２と、燃焼ガスを流通させる第２通路部材１３４と、前記第１通路部材１３２及び前記第２通路部材１３４間に配置されて所定の熱電変換温度に設定された複数の熱電変換素子１３６とを備える。
第１通路部材１３２は、酸化剤ガス入口１３２ａと酸化剤ガス出口１３２ｂとの間で蛇行する酸化剤ガス蛇行流路１３２ｃを有する。酸化剤ガス蛇行流路１３２ｃは、第１通路部材１３２内に交互に且つ千鳥状に配置される仕切板１３２ｄにより形成される。
第２通路部材１３４は、燃焼ガス入口１３４ａと燃焼ガス出口１３４ｂとの間で蛇行する燃焼ガス蛇行流路１３４ｃを有する。燃焼ガス蛇行流路１３４ｃは、第２通路部材１３４内に交互に且つ千鳥状に配置される仕切板１３４ｄにより形成される。燃焼ガス蛇行流路１３４ｃと酸化剤ガス蛇行流路１３２ｃとは、互いに対向流に設定される。
このように構成される第２の実施形態では、熱電変換部１３０は、燃焼ガスと酸化剤ガスとが互いに対向流に設定されるとともに、所定の熱電変換温度に設定された複数の熱電変換素子１３６を備えている。このため、熱電変換部１３０内では、想定される温度差に応じて、最適な熱電変換温度に設定された熱電変換素子１３６を用いることができる。従って、効率的な熱電変換が確実に遂行可能になるという効果が得られる。
図１２は、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熱電変換部１４０の要部分解斜視説明図である。
熱電変換部１４０は、酸化剤ガスを流通させる第１通路部材１４２と、燃焼ガスを流通させる第２通路部材１４４と、前記第１通路部材１４２及び第２通路部材１４４間に配置されて所定の熱電変換温度に設定された複数の熱電変換素子１４６とを備える。
第１通路部材１４２は、酸化剤ガス入口１４２ａと酸化剤ガス出口１４２ｂとの間で蛇行する酸化剤ガス蛇行流路１４２ｃを有する。酸化剤ガス蛇行流路１４２ｃは、第１通路部材１４２内に交互に且つ千鳥状に配置される仕切板１４２ｄにより形成される。
第２通路部材１４４は、燃焼ガス入口１４４ａと燃焼ガス出口１４４ｂとの間で蛇行する燃焼ガス蛇行流路１４４ｃを有する。燃焼ガス蛇行流路１４４ｃは、第２通路部材１４４内に交互に且つ千鳥状に配置される仕切板１４４ｄにより形成される。燃焼ガス蛇行流路１４４ｃと酸化剤ガス蛇行流路１４２ｃとは、互いに交差する流れに設定される。
このように構成される第３の実施形態では、熱電変換部１４０は、燃焼ガスと酸化剤ガスとが互いに交差する流れに設定されるとともに、所定の熱電変換温度に設定された複数の熱電変換素子１４６を備えている。これにより、熱電変換部１４０内では、想定される温度差に応じて、最適な熱電変換温度に設定された熱電変換素子１４６を用いることができる。このため、効率的な熱電変換が確実に遂行可能になるという効果が得られる。
図１３は、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熱電変換部１５０の要部分解斜視説明図である。
熱電変換部１５０は、酸化剤ガスを流通させる第１通路部材１５２と、燃焼ガスを流通させる第２通路部材１５４と、前記第１通路部材１５２及び第２通路部材１５４間に配置されて所定の熱電変換温度に設定された複数の熱電変換素子１５６とを備える。
第１通路部材１５２は、酸化剤ガス入口１５２ａと酸化剤ガス出口１５２ｂとの間で蛇行する酸化剤ガス蛇行流路１５２ｃを有する。酸化剤ガス蛇行流路１５２ｃは、第１通路部材１５２内に交互に且つ千鳥状に配置される仕切板１５２ｄにより形成される。
第２通路部材１５４は、燃焼ガス入口１５４ａと燃焼ガス出口１５４ｂとの間で蛇行する燃焼ガス蛇行流路１５４ｃを有する。燃焼ガス蛇行流路１５４ｃは、第２通路部材１５４内に交互に且つ千鳥状に配置される仕切板１５４ｄにより形成される。燃焼ガス蛇行流路１５４ｃと酸化剤ガス蛇行流路１５２ｃとは、互いに対称の流れに設定される。
このように構成される第４の実施形態では、熱電変換部１５０は、燃焼ガスと酸化剤ガスとが互いに対称の流れに設定されるとともに、所定の熱電変換温度に設定された複数の熱電変換素子１５６を備えている。これにより、熱電変換部１５０内では、想定される温度差に応じて、最適な熱電変換温度に設定された熱電変換素子１５６を用いることができる。このため、効率的な熱電変換が確実に遂行可能になるという効果が得られる。
図１４は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池モジュール１６０が組み込まれる燃料電池システム１６２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。
燃料電池モジュール１６０は、燃料排ガス通路８８から燃料排ガス分岐通路１６４が分岐する。燃料排ガス通路８８の開口断面積Ｍ１と、燃料排ガス分岐通路１６４の開口断面積Ｍ２とは、開口断面積Ｍ１：開口断面積Ｍ２＝１０：１の関係に設定される。
これにより、第５の実施形態では、燃料排ガス通路８８から排ガス燃焼器５２に供給される燃料排ガスの流量が、燃料排ガス分岐通路１６４から改質器４６に供給される燃料排ガスの流量よりも、常時、多量に設定されている。従って、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られるとともに、弁機構が不要になり、経済的であるという利点がある。
１０、１６２…燃料電池システム １２、１６０…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
３４…カソード側セパレータ ３６…アノード側セパレータ
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…原燃料通路 ５８…酸化剤ガス通路
５９…水通路 ６６…燃料ガス通路
７０…燃焼ガス通路
７４、１０６、１３０、１４０、１５０…熱電変換部
８０ａ、８０ｂ…酸化剤ガス供給路部 ８２…酸化剤ガス供給通路
８６…酸化剤排ガス通路 ８８…燃料排ガス通路
８８ａ、１６４…燃料排ガス分岐通路 ８９…燃料排ガス調整弁
１０４…冷却通路部
１１２、１１４、１３２、１３４、１４２、１４４、１５２、１５４…通路部材
１１２ｃ、１３２ｃ、１４２ｃ、１５２ｃ…酸化剤ガス蛇行流路
１１４ｃ、１３４ｃ、１４４ｃ、１５４ｃ…燃焼ガス蛇行通路
１１６ａ〜１１６ｃ、１３６、１４６、１５６…熱電変換素子
１１８…酸化剤ガス調整弁 １２０…原燃料調整弁

Claims (12)

  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て前記燃料ガスを生成するとともに、前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給する改質器と、
    水を蒸発させるとともに、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、
    前記燃料電池モジュールは、前記燃料排ガスを、前記排ガス燃焼器に供給する燃料排ガス通路と、
    前記燃料排ガス通路から分岐し、前記燃料排ガスを前記改質器の上流側に供給する燃料排ガス分岐通路と、
    前記燃焼ガスと前記酸化剤ガスとの温度差により熱電変換を行う熱電変換部と、
    を備えることを特徴とする燃料電池モジュール。
  2. 請求項１記載の燃料電池モジュールにおいて、前記燃料排ガス通路と前記燃料排ガス分岐通路との境界部位には、前記燃料排ガスを前記燃料排ガス通路と前記燃料排ガス分岐通路とに分配して供給するための燃料排ガス調整弁が配設されることを特徴とする燃料電池モジュール。
  3. 請求項１記載の燃料電池モジュールにおいて、前記燃焼ガスを前記熱交換器、前記改質器及び前記蒸発器に、順次、供給する燃焼ガス通路と、
    前記酸化剤ガスを前記熱交換器から前記燃料電池スタックに供給する酸化剤ガス通路と、
    を備えるとともに、
    前記熱電変換部は、前記燃焼ガス通路の前記蒸発器の下流側に、且つ、前記酸化剤ガス通路の前記熱交換器の上流側に設けられることを特徴とする燃料電池モジュール。
  4. 請求項３記載の燃料電池モジュールにおいて、前記酸化剤ガス通路は、前記熱交換器の上流側に前記起動用燃焼器を冷却する冷却通路部を有するとともに、
    前記熱電変換部は、前記冷却通路部の上流側に設けられることを特徴とする燃料電池モジュール。
  5. 請求項４記載の燃料電池モジュールにおいて、前記起動用燃焼器内には、別の熱電変換部が設けられることを特徴とする燃料電池モジュール。
  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、前記熱電変換部は、前記燃焼ガスと前記酸化剤ガスとが互いに並行流に設定されるとともに、
    異なる熱電変換温度に設定された複数の熱電変換素子を備えることを特徴とする燃料電池モジュール。
  7. 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、前記熱電変換部は、前記燃焼ガスと前記酸化剤ガスとが互いに対向流に設定されるとともに、
    所定の熱電変換温度に設定された複数の熱電変換素子を備えることを特徴とする燃料電池モジュール。
  8. 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、前記熱電変換部は、前記燃焼ガスと前記酸化剤ガスとが互いに交差する流れ又は対称の流れに設定されるとともに、
    所定の熱電変換温度に設定された複数の熱電変換素子を備えることを特徴とする燃料電池モジュール。
  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、前記酸化剤ガス通路は、前記熱交換器に前記酸化剤ガスを供給する第１酸化剤ガス供給路部と、
    前記起動用燃焼器に前記酸化剤ガスを供給する第２酸化剤ガス供給路部と、
    に分岐するとともに、
    分岐部位には、前記酸化剤ガスの分配量を調整する酸化剤ガス調整弁が配設されることを特徴とする燃料電池モジュール。
  10. 請求項１〜９のいずれか１項に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記原燃料を前記改質器に供給する原燃料通路を備え、
    前記原燃料を前記起動用燃焼器に供給する原燃料分岐通路部が前記原燃料通路から分岐するとともに、
    分岐部位には、前記原燃料の分配量を調整する原燃料調整弁が配設されることを特徴とする燃料電池モジュール。
  11. 請求項１〜１０のいずれか１項に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記熱交換器内には、前記排ガス燃焼器が一体に設けられるとともに、
    起動用燃焼器は、前記熱交換器の一端に隣接して設けられ、且つ、前記改質器は、前記熱交換器の他端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。
  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。
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