JP2013157216A - 燃料電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】簡単且つコンパクトな構成で、熱効率及び熱自立の促進を図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とＦＣ周辺機器５６とにより構成されるとともに、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。
【選択図】図２

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。

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。

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が知られている。この燃料電池バッテリは、図１０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。

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。

また、特許文献２に開示された固体酸化物燃料電池は、図１１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。

さらに、特許文献３に開示された燃料電池システムは、図１２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。

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。

特開２００１−２３６９８０号公報 特表２０１０−５０４６０７号公報 特開２００４−２８８４３４号公報

ところで、上記の特許文献１では、反応装置４ａで部分酸化による改質を行う際に、排ガスの熱が、液体燃料及び酸素搬送ガスを加熱するために使用されている。従って、燃料電池スタック１ａに供給される酸化剤ガスを昇温させるための熱量が不足し易く、熱自立が有効に遂行されないという問題がある。

また、上記の特許文献２では、電池コア１ｂに供給されるカソードエアの昇温に排熱が用いられている。このため、電池コア１ｂに供給される燃料ガスの改質や昇温に必要な熱量が不足し易い。これにより、改質及び熱自立が良好に遂行されないという問題がある。

さらに、上記の特許文献３では、バーナ５ｃからの燃焼ガスの熱が、燃料の改質に使用されている。従って、燃料電池に供給される酸化剤ガスの昇温が不足するおそれがあり、熱自立が有効に遂行され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、簡単且つコンパクトな構成で、熱効率及び熱自立の促進を図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。

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領域とを備えている。

また、この燃料電池モジュールでは、好ましくは、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ている。

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燃焼ガスを供給する燃焼ガス通路を備えている。

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。

このように、環状の供給室、環状の排出室及び複数本の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。従って、製造コストが有効に削減される。しかも、供給室及び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。

さらに、この燃料電池モジュールでは、改質ガス排出室、水蒸気排出室及び酸化剤ガス排出室は、燃料電池スタックに近接する一方の端部側に設けられる一方、混合ガス供給室、水供給室及び酸化剤ガス供給室は、前記燃料電池スタックとは反対の他方の端部側に設けられることが好ましい。

これにより、昇温及び改質直後の反応ガスを燃料電池スタックに迅速に供給することが可能になる。一方、燃料電池スタックからの排ガスは、放熱による降温を最小限に抑制しながら、ＦＣ周辺機器を構成する排ガス燃焼器、改質器、熱交換器及び蒸発器に供給することができ、熱効率が向上して熱自立の促進が図られる。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。

さらにまた、この燃料電池モジュールでは、燃焼ガスは、第１領域の燃焼ガス通路、第２領域の燃焼ガス通路、第３領域の燃焼ガス通路及び第４領域の燃焼ガス通路の順に流通した後、前記燃料電池モジュールの外部に排出されることが好ましい。このため、ＦＣ周辺機器を構成する排ガス燃焼器、改質器、熱交換器及び蒸発器に効果的に熱を供給することが可能になり、熱効率が向上して熱自立の促進が図られる。

また、この燃料電池モジュールでは、第１領域の中心から放射状に延びる仮想線上には、少なくとも第２領域の各管路、第３領域の各管路又は第４領域の各管路の一部が配置されることが好ましい。従って、第１領域、第２領域、第３領域及び第４領域の順に流通する燃焼ガスは、各管路間を吹き抜けることを抑制される。これにより、ＦＣ周辺機器を構成する排ガス燃焼器、改質器、熱交換器及び蒸発器に効果的に熱を供給することが可能になり、熱効率が向上して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、第１領域の中心と第３領域の各管路中心とを結ぶ仮想線が設定されるとともに、第２領域の各管路中心は、各仮想線上から離間した位置に配置されることが好ましい。従って、第１領域、第２領域、第３領域及び第４領域の順に流通する燃焼ガスは、各管路間を吹き抜けることを抑制される。これにより、ＦＣ周辺機器を構成する排ガス燃焼器、改質器、熱交換器及び蒸発器に効果的に熱を供給することが可能になり、熱効率が向上して熱自立の促進が図られる。

さらにまた、この燃料電池モジュールでは、第１領域の中心と第４領域の各管路中心とを結ぶ仮想線が設定されるとともに、第２領域の各管路中心又は第３領域の各管路中心は、前記仮想線上から離間した位置に配置されることが好ましい。このため、第１領域、第２領域、第３領域及び第４領域の順に流通する燃焼ガスは、各管路間を吹き抜けることを抑制される。従って、ＦＣ周辺機器を構成する排ガス燃焼器、改質器、熱交換器及び蒸発器に効果的に熱を供給することが可能になり、熱効率が向上して熱自立の促進が図られる。

また、この燃料電池モジュールでは、少なくとも蒸発管路の１本以上は、水蒸気排出室と混合ガス供給室とを連通する蒸発リターン管路を構成することが好ましい。これにより、水蒸気は、高温を維持した状態で、改質器の混合ガス供給室で原燃料と混合されて混合ガスが得られる。このため、改質効率の向上が図られる。

さらに、この燃料電池モジュールでは、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。従って、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、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。

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周辺機器の一部省略斜視説明図である。 前記ＦＣ周辺機器の要部分解斜視説明図である。 前記ＦＣ周辺機器の要部拡大斜視説明図である。 前記燃料電池モジュールの配管配列状態の説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池モジュールの配管配列状態の説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池モジュールの配管配列状態の説明図である。 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周辺機器の一部省略斜視説明図である。 特許文献１に開示されている燃料電池バッテリの概略説明図である。 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。 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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。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。

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。第４領域Ｒ４の外周には、外壁を構成する円筒状の外周部材５５が配設される（図２参照）。

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。

排ガス燃焼器５２は、起動用燃焼器５４を収容する円筒部材６０を備える。この円筒部材６０の周面には、複数の孔部６２が形成される（図２〜図４参照）。円筒部材６０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。円筒部材６０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。

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。図２及び図３に示すように、熱交換器５０は、円筒部材６０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、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、第１内側リング６６ｂに固定される。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。

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）。

改質器４６は、都市ガス（原燃料）中に含まれるエタン（Ｃ_２Ｈ_６）、プロパン（Ｃ_３Ｈ_８）及びブタン（Ｃ_４Ｈ_１０）等の高級炭化水素（Ｃ_２＋）を、主としてメタン（ＣＨ_４）、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。

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。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内には、改質用のペレット状触媒８４が充填される。改質管路７６の両端には、ペレット状触媒８４を保持するための金網８６が配設される。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）。

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。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。

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。

図１に示すように、原燃料供給装置１４は、原燃料通路１０４を備える。原燃料通路１０４は、原燃料用調整弁１０６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１０８が配設される。

酸化剤ガス供給装置１６は、酸化剤ガス通路１１０を備える。酸化剤ガス通路１１０は、酸化剤ガス用調整弁１１２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。

第１の実施形態では、図５に示すように、第１領域Ｒ１の中心Ｏと第３領域Ｒ３の各改質管路７６の管路中心Ｏ２とを結ぶ仮想線Ｌ１が設定される。各仮想線Ｌ１間には、第２領域Ｒ２の各熱交換管路６４の管路中心Ｏ１及び第４領域Ｒ４の各蒸発管路９２の管路中心Ｏ３が配置される。換言すると、各熱交換管路６４の管路中心Ｏ１及び各蒸発管路９２の管路中心Ｏ３は、各仮想線Ｌ１上から離間した位置に配置されている。なお、各仮想線Ｌ１上には、各熱交換管路６４の一部や各蒸発管路９２の一部が配置されていてもよい。

第１の実施形態では、さらに第１領域Ｒ１の中心Ｏから放射状に延びる２本の仮想線Ｌ０_ｅｎｄが設定される。各仮想線Ｌ０_ｅｎｄは、各管路外周に接し且つ互いに最大角度を形成する位置、図５では、両側の改質管路７６の外周に接する位置を外側規制位置とする。そして、外側規制位置の範囲内において、第１領域Ｒ１の中心Ｏから放射状に延びる任意の仮想線Ｌ０を設定した際、前記仮想線Ｌ０上には、少なくとも第２領域Ｒ２の熱交換管路６４、第３領域Ｒ３の改質管路７６又は第４領域Ｒ４の蒸発管路９２の一部が配置される。なお、第１領域Ｒ１の中心Ｏに対して各熱交換管路６４、各改質管路７６及び各蒸発管路９２が周回して配置されている際には（第１の実施形態）、外側規制位置となる仮想線Ｌ０_ｅｎｄが存在せず、前記中心Ｏから全ての方向に放射状に延びる仮想線Ｌ０が設定される。

第１領域Ｒ１には、燃焼ガスが流通する第１燃焼ガス通路１１６ａが形成され、第２領域Ｒ２には、前記燃焼ガスが流通する第２燃焼ガス通路１１６ｂが形成され、第３領域Ｒ３には、前記燃焼ガスが流通する第３燃焼ガス通路１１６ｃが形成され、第４領域Ｒ４には、前記燃焼ガスが流通する第４燃焼ガス通路１１６ｄが形成される。

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、以下に説明する。

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１１０に空気が供給される。この空気は、酸化剤ガス用調整弁１１２の開度調整作用下に、空気供給管５７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１０４に、例えば、都市ガス（ＣＨ_４、Ｃ_２Ｈ_６、Ｃ_３Ｈ_８、Ｃ_４Ｈ_１０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１０６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）。

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から円筒部材６０に燃焼ガスが供給される。

円筒部材６０には、複数の孔部６２が形成されている。これにより、円筒部材６０内に供給された燃焼ガスは、複数の孔部６２を通過して、第１領域Ｒ１から第２領域Ｒ２に導入される。燃焼ガスは、さらに第３領域Ｒ３に供給された後、第４領域Ｒ４に導入され、燃料電池モジュール１２の外部に排出される。

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。

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。

具体的には、酸化剤ガス用調整弁１１２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１０６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。

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）。

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を構成する円筒部材６０に開口しており、前記円筒部材６０内に酸化剤排ガスが導入される。

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１０８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。

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。

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、ペレット状触媒８４を介して水蒸気改質され、Ｃ_２＋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）。

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を構成する円筒部材６０内に開口しており、前記円筒部材６０内に燃料排ガスが導入される。

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、円筒部材６０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。

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。

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。

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。

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、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。

また、第１の実施形態では、図２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１１６ｃを備えている。

図２及び図５に示すように、蒸発器４８は、水が供給される環状の水供給室９８ａ、水蒸気が排出される環状の水蒸気排出室９８ｂ、一端が前記水供給室９８ａに連通し且つ他端が前記水蒸気排出室９８ｂに連通する複数本の蒸発管路９２、及び前記蒸発管路９２間に燃焼ガスを供給する第４燃焼ガス通路１１６ｄを備えている。

熱交換器５０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１１６ｂを備えている。

このように、環状の供給室（混合ガス供給室８２ａ、水供給室９８ａ及び酸化剤ガス供給室７０ａ）、環状の排出室（改質ガス排出室８２ｂ、水蒸気排出室９８ｂ及び酸化剤ガス排出室７０ｂ）及び複数本の管路（改質管路７６、蒸発管路９２及び熱交換管路６４）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。従って、燃料電池モジュール１２全体の製造コストが有効に削減される。しかも、供給室及び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。

さらに、第１の実施形態では、改質ガス排出室８２ｂ、水蒸気排出室９８ｂ及び酸化剤ガス排出室７０ｂは、燃料電池スタック２４に近接する一方の端部側に設けられるとともに、混合ガス供給室８２ａ、水供給室９８ａ及び酸化剤ガス供給室７０ａは、前記燃料電池スタック２４とは反対の他方の端部側に設けられている。

これにより、昇温及び改質直後の反応ガス（燃料ガス及び酸化剤ガス）を燃料電池スタック２４に迅速に供給することが可能になる。一方、燃料電池スタック２４からの排ガスは、放熱による降温を最小限に抑制しながら、ＦＣ周辺機器５６を構成する改質器４６、蒸発器４８、熱交換器５０及び排ガス燃焼器５２に供給することができ、熱効率が向上して熱自立の促進が図られる。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２２の動作温度を維持することをいう。

さらにまた、燃焼ガスは、第１領域Ｒ１の第１燃焼ガス通路１１６ａ、第２領域Ｒ２の第２燃焼ガス通路１１６ｂ、第３領域Ｒ３の第３燃焼ガス通路１１６ｃ及び第４領域Ｒ４の第４燃焼ガス通路１１６ｄの順に流通した後、燃料電池モジュール１２の外部に排出されている。このため、ＦＣ周辺機器５６を構成する排ガス燃焼器５２、熱交換器５０、改質器４６及び蒸発器４８に効果的に熱を供給することが可能になり、熱効率が向上して熱自立の促進が図られる。

また、第１の実施形態では、図５に示すように、第１領域Ｒ１の中心Ｏと第３領域Ｒ３の各改質管路７６の管路中心Ｏ２とを結ぶ仮想線Ｌ１が設定されるとともに、第２領域Ｒ２の各熱交換管路６４の管路中心Ｏ１及び第４領域Ｒ４の各蒸発管路９２の管路中心Ｏ３は、各仮想線Ｌ１上から離間した位置に配置されている。

一方、第１領域Ｒ１の中心Ｏから放射状に延びる任意の仮想線Ｌ０を設定した際、前記仮想線Ｌ０上には、少なくとも第２領域Ｒ２の熱交換管路６４、第３領域Ｒ３の改質管路７６又は第４領域Ｒ４の蒸発管路９２の一部が配置されている。

従って、第１領域Ｒ１、第２領域Ｒ２、第３領域Ｒ３及び第４領域Ｒ４の順に流通する燃焼ガスは、各管路間を吹き抜けることを抑制される。これにより、ＦＣ周辺機器５６を構成する排ガス燃焼器５２、熱交換器５０、改質器４６及び蒸発器４８に効果的に熱を供給することが可能になり、熱効率が向上して熱自立の促進が図られる。

さらにまた、蒸発器４８では、少なくとも蒸発管路９２の１本以上は、水蒸気排出室９８ｂと改質器４６の混合ガス供給室８２ａとを連通する蒸発リターン管路１０２を構成している。このため、水蒸気は、高温を維持した状態で、改質器４６の混合ガス供給室８２ａで原燃料と混合されて混合ガスが得られる。従って、改質効率の向上が図られる。

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１２０の配管配列状態の説明図である。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。

燃料電池モジュール１２０は、第１領域Ｒ１の中心Ｏと第４領域Ｒ４の各管路中心Ｏ３とを結ぶ仮想線Ｌ２が設定される。各仮想線Ｌ２間には、第２領域Ｒ２の各管路中心Ｏ１又は第３領域Ｒ３の各管路中心Ｏ２が配置される。第２の実施形態では、第１領域Ｒ１の中心Ｏ、第２領域Ｒ２の各管路中心Ｏ１及び第４領域Ｒ４の各管路中心Ｏ３を結ぶ仮想線Ｌ２間に、第３領域Ｒ３の各管路中心Ｏ２が配置される。換言すると、各管路中心Ｏ２は、仮想線Ｌ２上から離間した位置に配置されている。

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１２２の配管配列状態の説明図である。

第３の実施形態では、第１領域Ｒ１の中心Ｏと第３領域Ｒ３の管路中心Ｏ２とを結ぶ仮想線Ｌ３が設定される。各仮想線Ｌ３間には、第２領域Ｒ２の各管路中心Ｏ１及び第４領域Ｒ４の各管路中心Ｏ３が配置される。換言すると、各管路中心Ｏ１及び各管路中心Ｏ３は、各仮想線Ｌ１上から離間した位置に配置されている。

このように構成される第２及び第３の実施形態では、第１領域Ｒ１、第２領域Ｒ２、第３領域Ｒ３及び第４領域Ｒ４の順に流通する燃焼ガスは、各管路間を吹き抜けることを抑制される。従って、ＦＣ周辺機器５６を構成する排ガス燃焼器５２、熱交換器５０、改質器４６及び蒸発器４８に効果的に熱を供給することが可能になり、熱効率が向上して熱自立の促進が図られる。

図８に示すように、燃料電池システム１３０は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池モジュール１３２を組み込む。

燃料電池モジュール１３２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。

このように構成される第４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。

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等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。特に、改質器４６は、熱交換器５０の内方に配置されるため、比較的Ａ／Ｆ（空気／燃料ガス）が高い環境で、高温改質に適した前記改質器４６が良好に使用される。

なお、第４の実施形態では、配管の配列は、上記の第１の実施形態〜第３の実施形態のいずれを採用してもよい。

１０、１３０…燃料電池システム
１２、１２０、１２２、１３２…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
６０…円筒部材 ６２…孔部
６４…熱交換管路
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、１１０…酸化剤ガス通路 ８２ａ…混合ガス供給室
８２ｂ…改質ガス排出室 ８４…ペレット状触媒
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 １１６ａ〜１１６ｄ…燃焼ガス通路

Claims (9)

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、
   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ることを特徴とする燃料電池モジュール。
3. 請求項２記載の燃料電池モジュールにおいて、前記改質ガス排出室、前記水蒸気排出室及び前記酸化剤ガス排出室は、前記燃料電池スタックに近接する一方の端部側に設けられる一方、
   前記混合ガス供給室、前記水供給室及び前記酸化剤ガス供給室は、前記燃料電池スタックとは反対の他方の端部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２又は３記載の燃料電池モジュールにおいて、前記燃焼ガスは、前記第１領域の燃焼ガス通路、前記第２領域の前記燃焼ガス通路、前記第３領域の前記燃焼ガス通路及び前記第４領域の前記燃焼ガス通路の順に流通した後、前記燃料電池モジュールの外部に排出されることを特徴とする燃料電池モジュール。
5. 請求項２〜４のいずれか１項に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記第１領域の中心から放射状に延びる仮想線上には、少なくとも前記第２領域の各管路、前記第３領域の各管路又は前記第４領域の各管路の一部が配置されることを特徴とする燃料電池モジュール。
6. 請求項２〜５のいずれか１項に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記第１領域の中心と前記第３領域の各管路中心とを結ぶ仮想線が設定されるとともに、
   前記第２領域の各管路中心は、各仮想線上から離間した位置に配置されることを特徴とする燃料電池モジュール。
7. 請求項２〜５のいずれか１項に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記第１領域の中心と前記第４領域の各管路中心とを結ぶ仮想線が設定されるとともに、
   前記第２領域の各管路中心又は前記第３領域の各管路中心は、前記仮想線上から離間した位置に配置されることを特徴とする燃料電池モジュール。
8. 請求項２〜７のいずれか１項に記載の燃料電池モジュールにおいて、少なくとも前記蒸発管路の１本以上は、前記水蒸気排出室と前記混合ガス供給室とを連通する蒸発リターン管路を構成す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。

Images