JP2013229142A - 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とともに、耐久性を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が構成される第２領域Ｒ２と、改質器４６が構成される第３領域Ｒ３と、蒸発器４８が構成される第４領域Ｒ４とを備える。熱交換器５０は、環状の酸化剤ガス供給室７０ａ、環状の酸化剤ガス排出室７０ｂ、複数本の熱交換管路６４を備える。熱交換管路６４は、一端が酸化剤ガス排出室７０ｂを構成する第１内側リング６６ｂに摺動自在に当接する一方、他端が酸化剤ガス供給室７０ａを構成する第１内側リング６６ａに固着される。
【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ーが知られている。この燃料電池バッテリーは、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、排ガスの熱により反応装置４ａ内に温度分布が発生し易い。このため、熱交換効率を上げようとすると、上下方向や左右方向に大きな温度差が生じて熱応力が発生し、耐久性が低下するという問題がある。

また、上記の特許文献２では、電池コア１ｂを内装して熱交換器２ｂが設けられており、燃料電池内に温度分布が発生し易い。従って、熱交換効率を上げようとすると、上下方向や左右方向に大きな温度差が生じて熱応力が発生し、耐久性が低下するという問題がある。

さらに、上記の特許文献３では、バーナ５ｃが設けられる第１領域１ｃ、改質管６ｃが設けられる第２領域２ｃ、水蒸発器７ｃが設けられる第３領域３ｃ及びＣＯ変成器８ｃが設けられる第４領域４ｃが同心円上に周回して形成されており、燃料電池内に温度分布が発生し易い。これにより、熱交換効率を上げようとすると、上下方向（軸方向）や左右方向（径方向）に大きな温度差が生じて熱応力が発生し、耐久性が低下するという問題がある。

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とともに、耐久性を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。

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。

そして、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。 熱交換管路の一端は、酸化剤ガス排出室を構成する出口側壁部に摺動自在に当接する一方、前記熱交換管路の他端は、酸化剤ガス供給室を構成する入口側壁部に固着されている。

また、この燃料電池モジュールでは、熱交換管路の一端は、軸方向外方に向かって径方向内方に縮小する縮小端部を構成するとともに、出口側壁部は、前記縮小端部の軸方向外方に向かって径方向内方に縮小し、前記縮小端部の外周面に摺接する縮小壁部を構成し、前記縮小端部と前記縮小壁部とは、同一の傾斜角度に設定されることが好ましい。このため、縮小端部の外周面と縮小壁部の内周面とは、互いに面接触することができ、シール性能が良好に向上する。

さらに、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、 前記改質管路の一端は、前記改質ガス排出室を構成する出口側壁部に摺動自在に当接する一方、前記改質管路の他端は、前記混合ガス供給室を構成する入口側壁部に固着されることが好ましい。

従って、改質器は、環状の混合ガス供給室、環状の改質ガス排出室及び複数本の改質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、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。

その上、改質管路の一端は、改質ガス排出室を構成する出口側壁部に摺動自在に当接する一方、前記改質管路の他端は、混合ガス供給室を構成する入口側壁部に固着されている。このため、ＦＣ周辺機器の熱膨張時に、改質管路に軸方向に熱応力が発生した際、前記熱応力を前記改質管路の摺動部位における密着性の強化に利用することができ、シール性の向上が確実に図られる。

さらにまた、この燃料電池モジュールでは、改質管路の一端は、軸方向外方に向かって径方向内方に縮小する縮小端部を構成するとともに、出口側壁部は、前記縮小端部の軸方向外方に向かって径方向内方に縮小し、前記縮小端部の外周面に摺接する縮小壁部を構成し、前記縮小端部と前記縮小壁部とは、同一の傾斜角度に設定されることが好ましい。このため、縮小端部の外周面と縮小壁部の内周面とは、互いに面接触することができ、シール性能が良好に向上する。

また、この燃料電池モジュールでは、互いに摺接する縮小端部の外周面と縮小壁部の内周面との摺接部位には、他の部位に比較して滑面化された滑面部が設けられることが好ましい。従って、縮小端部の外周面と縮小壁部の内周面とは、一層確実に面接触することが可能になり、シール効果が良好に向上する。

さらに、この燃料電池モジュールでは、縮小壁部には、軸方向に延在する切り欠き部位が設けられることが好ましい。これにより、管路軸方向の熱応力が過大になっても、前記熱応力を切り欠き部位で吸収することができ、燃料電池モジュールの耐久性が良好に向上する。

さらにまた、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燃焼ガスを供給する燃焼ガス通路を備えることが好ましい。

このため、蒸発器は、環状の水供給室、環状の水蒸気排出室及び複数本の蒸発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、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。

また、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側に設定される一方、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から離間する側に設定さ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、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。このため、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。

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。

その上、熱交換管路の一端は、酸化剤ガス排出室を構成する出口側壁部に摺動自在に当接する一方、前記熱交換器の他端は、酸化剤ガス供給室を構成する入口側壁部に固着されている。このため、ＦＣ周辺機器の熱膨張時に、熱交換管路に軸方向に熱応力が発生した際、前記熱応力を前記熱交換管路の摺動部位における密着性の強化に利用することができ、シール性の向上が確実に図られる。

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ＦＣ周辺機器内の燃焼ガス流通状態の説明図である。 前記ＦＣ周辺機器内における温度分布の説明図である。 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周辺機器内の燃焼ガス流通状態の説明図である。 特許文献１に開示されている燃料電池バッテリー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（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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、第１仕切り板６０ａの外周に配設される複数本の円筒状熱交換管路（伝熱パイプ）６４を備えるとともに、前記熱交換管路６４により軸方向応力緩和部６５が構成される。

熱交換管路６４の一端部（燃料電池スタック２４側の端部、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（出口側壁部）６６ｂに摺動自在に当接する一方、前記熱交換管路６４の他端部（燃料電池スタック２４とは反対側の端部、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（入口側壁部）６６ａに固着される。

図２及び図４に示すように、熱交換管路６４の一端は、軸方向外方に向かって径方向内方に縮小（縮径）する縮小端部６４ａを構成するとともに、前記縮小端部６４ａは、実質的に円錐形状を有する。第１内側リング６６ｂは、熱交換管路６４の縮小端部６４ａの軸方向外方に向かって径方向内方に縮小し、前記縮小端部６４ａの外周面に摺接する縮小壁部６６ｂｂを構成する。縮小壁部６６ｂｂには、軸方向に延在する１つ以上のスリット（切り欠き部位）６６ｂｓが形成される。

軸方向応力緩和部６５は、縮小端部６４ａ及び縮小壁部６６ｂｂを有する。縮小端部６４ａと縮小壁部６６ｂｂとは、同一の傾斜角度に設定されるとともに、互いの摺動部位には、他の部位に比較して滑面化された滑面部６７が設けられる。

滑面部６７は、例えば、コーティング処理やシール処理により構成される。コーティング処理では、例えば、ブライトアニール処理（光輝焼鈍処理）が採用され、シール処理では、マイカ材やセラミック材等、地殻成分系素材、硝子系素材、粘土とプラスチックの複合素材等のシールが用いられる。

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、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。

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円筒状改質管路（伝熱パイプ）７６を備えるとともに、前記改質管路７６により軸方向応力緩和部７７が構成される。改質管路７６の一端は、後述する改質ガス排出室８２ｂを構成する第２内側リング（出口側壁部）７８ｂに摺動自在に当接する一方、前記改質管路７６の他端は、後述する混合ガス供給室８２ａを構成する第２内側リング（入口側壁部）７８ａに固着される。

図２及び図４に示すように、改質管路７６の一端は、軸方向外方に向かって径方向内方に縮小（縮径）する縮小端部７６ａを構成するとともに、前記縮小端部７６ａは、実質的に円錐形状を有する。第２内側リング７８ａは、改質管路７６の縮小端部７６ａの軸方向外方に向かって径方向内方に縮小し、前記縮小端部７６ａの外周面に摺接する縮小壁部７８ｂｂを構成する。縮小壁部７８ｂｂには、軸方向に延在する１つ以上のスリット（切り欠き部位）７８ｂｓが形成される。

軸方向応力緩和部７７は、縮小端部７６ａ及び縮小壁部７８ｂｂを有する。縮小端部７６ａと縮小壁部７８ｂｂとは、同一の傾斜角度に設定されるとともに、互いの摺接部位には、他の部位に比較して滑面化された滑面部７９が設けられる。

滑面部７９は、例えば、コーティング処理やシール処理により構成される。コーティング処理では、例えば、ブライトアニール処理（光輝焼鈍処理）が採用され、シール処理では、マイカ材やセラミック材等、地殻成分系素材、硝子系素材、粘土とプラスチックの複合素材等のシールが用いられる。

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、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。

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、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。

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。

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、熱による径方向の応力を緩和するための径方向応力緩和部１０３が設けられる。

径方向応力緩和部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）。

径方向応力緩和部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。

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。

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、径方向応力緩和部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。

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。

図５に概略的に示すように、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、前記燃焼ガスが矢印Ａ１方向に流通する第２燃焼ガス通路１１６ｂが形成され、第３領域Ｒ３には、前記燃焼ガスが矢印Ａ２方向に流通する第３燃焼ガス通路１１６ｃが形成され、第４領域Ｒ４には、前記燃焼ガスが矢印Ａ１方向に流通する第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から第１仕切り板６０ａに燃焼ガスが供給される。

図５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。

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。

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。

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。

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。

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、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。

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１１６ｂを備えている。

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。

さらに、熱交換管路６４の一端は、酸化剤ガス排出室７０ｂを構成する第１内側リング６６ｂに摺動自在に当接する一方、前記熱交換管路６４の他端は、酸化剤ガス供給室７０ａを構成する第１内側リング６６ａに固着されている。このため、ＦＣ周辺機器５６が熱膨張して熱交換管路６４に軸方向に熱応力が発生した際、前記熱応力を前記熱交換管路６４の摺動部位における密着性の強化に利用することができ、シール性の向上が確実に図られる。

図６に示すように、ＦＣ周辺機器５６では、燃料電池スタック２４側から離間する方向（矢印Ａ１方向）に向かって高温から低温になり易い。従って、ＦＣ周辺機器５６には、軸方向（矢印Ａ１方向）に向かって温度差が発生し易い。熱交換器５０では、複数本の熱交換管路６４が矢印Ａ１方向に延在して配置されている。これにより、熱交換管路６４には、軸方向に温度差が発生し、前記熱交換管路６４に軸方向への延びが惹起される。

ここで、熱交換管路６４の他端は、第１内側リング６６ａに固着される一方、前記熱交換管路６４の一端は、第１内側リング６６ｂに摺動自在に当接している。その際、熱交換管路６４の一端は、軸方向外方に向かって径方向内方に縮小する縮小端部６４ａを構成するとともに、第１内側リング６６ｂは、熱交換管路６４の縮小端部６４ａの軸方向外方に向かって径方向内方に縮小し、前記縮小端部６４ａの外周面に摺接する縮小壁部６６ｂｂを構成している。

このため、熱交換管路６４は、縮小端部６４ａの外周面に縮小壁部６６ｂｂの内周面を摺接させて、矢印Ａ２方向（矢印Ａ１方向とは反対方向）に延びることができ、軸方向の熱応力を緩和することが可能になる。従って、熱交換器５０は、熱応力による耐久性の低下を良好に抑制することができるという効果が得られる。特に、縮小端部６４ａの外周面と縮小壁部６６ｂｂの内周面とは、互いに面接触することができ、シール性能が良好に向上する。

さらに、縮小端部６４ａと縮小壁部６６ｂｂとは、同一の傾斜角度に設定されるとともに、互いの摺接部位には、他の部位に比較して滑面化された滑面部６７が設けられている。これにより、縮小端部６４ａの外周面と縮小壁部６６ｂｂの内周面とは、一層確実に面接触することが可能になり、シール効果が良好に向上する。

さらにまた、縮小壁部６６ｂｂには、軸方向に延在するスリット６６ｂｓが設けられている。このため、熱交換管路６４の軸方向の熱応力が過大になっても、スリット６６ｂｓが広がることで容易に吸収することができ、熱交換器５０の耐久性が良好に向上する。

また、熱交換管路６４の縮小端部６４ａ及び第１内側リング６６ｂの縮小壁部６６ｂｂは、酸化剤ガス流れ方向（矢印Ａ２方向）に向かって内方に縮径している。従って、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給室７０ａから熱交換管路６４内を流通した後、縮小壁部６６ｂｂの内周面及び縮小端部６４ａの内周面に沿って円滑に流通し、酸化剤ガス排出室７０ｂに流通することができる。

一方、改質器４６では、改質管路７６の一端は、改質ガス排出室８２ｂを構成する第２内側リング７８ｂに摺動自在に当接する一方、前記改質管路７６の他端は、混合ガス供給室８２ａを構成する第２内側リング７８ａに固着されている。これにより、ＦＣ周辺機器５６が熱膨張して改質管路７６に軸方向に熱応力が発生した際、前記熱応力を前記改質管路７６の摺動部位における密着性の強化に利用することができ、シール性の向上が確実に図られる。

改質管路７６は、熱交換管路６４と同様に、一端に縮小端部７６ａを有するとともに、第２内側リング７８ｂは、前記縮小端部７６ａの外周面に摺接する縮小壁部７８ｂｂを有している。このため、図６に示すように、改質管路７６は、縮小端部７６ａの外周面に縮小壁部７８ｂｂの内周面を摺接させて、矢印Ａ２方向に延びることができ、軸方向の熱応力を緩和することが可能になる。

従って、改質器４６は、熱応力による耐久性の低下を良好に抑制することができるという効果が得られる。特に、縮小端部７６ａの外周面と縮小壁部７８ｂｂの内周面とは、互いに面接触することができ、シール性能が良好に向上する。

さらに、縮小端部７６ａと縮小壁部７８ｂｂとは、同一の傾斜角度に設定されるとともに、互いの摺接部位には、他の部位に比較して滑面化された滑面部７９が設けられている。これにより、縮小端部７６ａの外周面と縮小壁部７８ｂｂの内周面とは、一層確実に面接触することが可能になり、シール効果が良好に向上する。

さらにまた、縮小壁部７８ｂｂには、軸方向に延在するスリット７８ｂｓが設けられている。このため、改質管路７６の軸方向の熱応力が過大になっても、スリット７８ｂｓが広がることで容易に吸収することができ、改質器４６の耐久性が良好に向上する。なお、改質器４６には、必要に応じて軸方向応力緩和部７７を設ければよい。

また、図６に示すように、第１領域Ｒ１から第４領域Ｒ４に向かって（矢印Ｂ方向）高温から低温になり易い。従って、ＦＣ周辺機器５６には、径方向に向かってそれぞれ温度差が発生し易い。

径方向の温度差により、外周側に向かう程、熱膨張が小さくなって、仕切り部（第１仕切り板６０ａ〜第４仕切り板６０ｄ）を挟んで応力が発生する。軸方向の温度差により、管路（熱交換管路６４、改質管路７６及び蒸発管路９２）が傾斜して前記管路の接続部位に応力が発生する。

そこで、少なくとも高温の排ガスに曝される部位に応じて、応力緩和部１０３が設けられることにより、ＦＣ周辺機器５６が熱膨張する際に、前記応力緩和部１０３は、径方向の熱応力及び軸方向の熱応力を緩和することができる。これにより、ＦＣ周辺機器５６は、熱応力による耐久性の低下を良好に抑制することが可能になる。

応力緩和部１０３は、酸化剤ガス排出室７０ｂ、改質ガス排出室８２ｂ及び水蒸気排出室９８ｂ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とに設けられている。さらに、応力緩和部１０３は、酸化剤ガス供給室７０ａ、混合ガス供給室８２ａ及び水供給室９８ａ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とに設けられている。このため、径方向の熱応力を確実に緩和することができ、ＦＣ周辺機器５６は、熱応力による耐久性の低下を良好に抑制することが可能になる。

さらに、第１の実施形態では、図２、図３及び図５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。

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。

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。

さらにまた、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とは反対側（離間する側）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。

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。このため、特にＳＯＦＣ等の高温型燃料電池に最適である。

図７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。

燃料電池モジュール１３２を構成するＦＣ周辺機器５６は、図８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。

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、応力緩和部１０３が設けられる。この応力緩和部１０３は、第１の実施形態と同様に構成される。

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。

図８及び図９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。

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。

熱交換器５０では、熱交換管路６４により軸方向応力緩和部６５が構成される一方、改質器４６では、改質管路７６により軸方向応力緩和部７７が構成される。

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。

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。

しかも、熱交換器５０では、熱交換管路６４により軸方向応力緩和部６５が構成される一方、改質器４６では、改質管路７６により軸方向応力緩和部７７が構成されている。これにより、熱交換管路６４及び改質管路７６に軸方向の熱応力（伸び）が発生しても、軸方向応力緩和部６５、７７により前記熱応力を容易且つ確実に緩和することができる。このため、熱交換器５０及び改質器４６を含むＦＣ周辺機器５６の耐久性を向上させるとともに、シール性能を良好に向上させ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。

さらに、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つには、応力緩和部１０３が設けられている。従って、ＦＣ周辺機器５６は、熱膨張する際に、応力緩和部１０３により径方向の熱応力が緩和され、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、前記改質器４６は、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。

１０、１３０…燃料電池システム １２、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
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…縮小端部 ６５、７７…軸方向応力緩和部
６６ａ、６６ｂ、７８ａ、７８ｂ、９４ａ、９４ｂ…内側リング
６６ｂｂ、７８ｂｂ…縮小壁部 ６６ｂｓ、７８ｂｓ…スリット
６７、７９…滑面部
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
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
１０３…応力緩和部 １０３ａｉ、１０３ｂｉ…内周湾曲部位
１０３ａｏ、１０３ｂｏ…外周湾曲部位
１１６ａ〜１１６ｄ…燃焼ガス通路 １３６ａ〜１３６ｃ…抽気孔部

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、
   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、
   前記熱交換管路の一端は、前記酸化剤ガス排出室を構成する出口側壁部に摺動自在に当接する一方、前記熱交換管路の他端は、前記酸化剤ガス供給室を構成する入口側壁部に固着され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、前記熱交換管路の一端は、軸方向外方に向かって径方向内方に縮小する縮小端部を構成するとともに、
   前記出口側壁部は、前記縮小端部の軸方向外方に向かって径方向内方に縮小し、前記縮小端部の外周面に摺接する縮小壁部を構成し、
   前記縮小端部と前記縮小壁部とは、同一の傾斜角度に設定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又は２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、
   前記改質管路の一端は、前記改質ガス排出室を構成する出口側壁部に摺動自在に当接する一方、前記改質管路の他端は、前記混合ガス供給室を構成する入口側壁部に固着さ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、前記改質管路の一端は、軸方向外方に向かって径方向内方に縮小する縮小端部を構成するとともに、
   前記出口側壁部は、前記縮小端部の軸方向外方に向かって径方向内方に縮小し、前記縮小端部の外周面に摺接する縮小壁部を構成し、
   前記縮小端部と前記縮小壁部とは、同一の傾斜角度に設定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又は４記載の燃料電池モジュールにおいて、互いに摺接する前記縮小端部の外周面と前記縮小壁部の内周面との摺接部位には、他の部位に比較して滑面化された滑面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２、４又は５記載の燃料電池モジュールにおいて、前記縮小壁部には、前記軸方向に延在する切り欠き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。
7. 請求項３又は４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ることを特徴とする燃料電池モジュール。
8. 請求項７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側に設定される一方、
   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から離間する側に設定され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。

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