JP2014078348A - 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。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、改質器４６及び蒸発器４８が構成されるとともに、前記蒸発器４８が前記改質器４６の内側に設定され、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、を備えている。
【選択図】図３

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（ＭＥＡ）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８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９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１０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、効率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、熱効率を向上させるために、流路を長尺にして伝熱面積を確保している。このため、圧損が相当に増加し易いという問題がある。

さらに、上記の特許文献３では、最高温部である中心部の放熱を断熱材（隔壁）により抑制している。従って、熱回収を行うことができず、効率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、改質器及び蒸発器が構成されるとともに、前記蒸発器が前記改質器の内側に設定され、前記第１領域を環状に周回する第２領域と、熱交換器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、を備えている。

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燃料ガス排出室、一端が前記混合ガス供給室に連通し且つ他端が前記燃料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、燃料ガス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とともに、混合ガス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、蒸発器、改質器及び熱交換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、蒸発器は、蒸発管路が排ガス燃焼器の外周を周回する位置から軸方向にオフセットした位置に設定されることが好ましい。このため、蒸発への影響を最小限に抑制しながら、一層高温で改質することができ、Ｈ_２転化率の向上及びＣ_２＋以上成分の抑制を図ることが可能になる。

また、この燃料電池モジュールでは、蒸発管路は、螺旋状に巻回して構成されることが好ましい。従って、改質と蒸発の両立を図ることができ、Ｈ_２転化率の向上及びＣ_２＋以上成分の抑制を図ることが可能になる。

さらに、この燃料電池モジュールでは、少なくとも蒸発管路の出口側は、混合ガス供給室を通過する部位に二重配管構造を設けることが好ましい。これにより、蒸発管路を流通する水蒸気は、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、改質の向上が図られる。しかも、二重配管構造により、蒸発管路を流通する水蒸気の温度低下が抑制される。

さらにまた、この燃料電池モジュールでは、酸化剤ガス排出室と燃料電池スタックとは、伸縮自在な酸化剤ガス配管により連結されることが好ましい。従って、酸化剤ガス配管に熱応力が集中することを良好に緩和させることができ、熱歪み等の発生を抑制することが可能になる。

また、この燃料電池モジュールでは、燃焼ガスは、第１領域、第２領域及び第３領域の順に流通した後、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。これにより、ＦＣ周辺機器を構成する排ガス燃焼器、改質器、蒸発器及び熱交換器に効果的に熱を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。

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領域及び第３領域が外方向に向かって、順次、設けられている。そして、第２領域には、改質器及び蒸発器が構成される一方、第３領域には、熱交換器が構成されている。

このため、排熱及び放熱を良好に抑制することができ、熱効率の向上が図られて熱自立が促進されるとともに、燃料電池モジュール全体を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、蒸発器は、改質器の内側に設定されている。従って、燃焼ガスにより蒸発器が最初に昇温されるため、燃料電池モジュールの始動時間が有効に短縮される。

本発明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周辺機器の斜視説明図である。 前記ＦＣ周辺機器の断面説明図である。 前記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周辺機器の断面平面図である。 前記ＦＣ周辺機器を構成する蒸発リターン管路の説明図である。 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（図１及び図２参照）。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３〜図５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が構成される第１領域Ｒ１と、改質器４６及び蒸発器４８が構成されるとともに、前記蒸発器４８が前記改質器４６の内側に設定され、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とを備える。第３領域Ｒ３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。

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から離間して配置され、有底円筒形状を有する燃焼カップ６０を備える。燃焼カップ６０の有底側一端部には、端縁部外周に沿って複数の孔部（円形や長方形等）６０ａが形成される。燃焼カップ６０の開放側他端部には、スタック取り付け板６２が係合される一方、前記スタック取り付け板６２には、燃料電池スタック２４が装着される。

燃焼カップ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。燃焼カップ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３〜図５に示すように、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、排ガス燃焼器５２及び起動用燃焼器５４の外周に配設される複数本の改質管路（伝熱パイプ）６６を備える。図６に示すように、改質管路６６は、第１領域Ｒ１を中心とする仮想円周上に均等に配列される。

各改質管路６６内には、改質用のペレット状触媒（図示せず）が充填される。図３〜図５に示すように、改質管路６６の一端部（下端部）は、下側リング部材６８ａに固定されるとともに、前記改質管路６６の他端部（上端部）は、上側リング部材６８ｂに固定される。

下側リング部材６８ａ及び上側リング部材６８ｂの外周部は、円筒部材７０の内周面に溶接等により固着される。下側リング部材６８ａ及び上側リング部材６８ｂの内周部は、排ガス燃焼器５２及び起動用燃焼器５４の外周部に溶接等により固着される。円筒部材７０は、軸方向（矢印Ｌ方向）に沿って延在し、燃料電池スタック２４側の端部が、スタック取り付け板６２に固着される。円筒部材７０の外周には、所定の高さ位置に周方向に沿って複数の開口部７０ａが形成される。

下側リング部材６８ａの下方には、下端リング部材７２が配設されるとともに、前記下端リング部材７２は、円筒部材７０の内周面及び起動用燃焼器５４の外周面に溶接等により固着される。下側リング部材６８ａと下端リング部材７２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７４ａが形成される。上側リング部材６８ｂとスタック取り付け板６２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燃料ガス排出室７４ｂが形成される。各改質管路６６は、混合ガス供給室７４ａ及び燃料ガス排出室７４ｂに両端が開放される。

混合ガス供給室７４ａには、原燃料供給路７６が開放されるとともに、前記原燃料供給路７６の途上には、後述する蒸発管路８０が接続される（図１参照）。原燃料供給路７６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。

原燃料供給路７６は、下端リング部材７２に溶接等により固着される。燃料ガス排出室７４ｂには、燃料ガス通路７８の一端が連通するとともに、前記燃料ガス通路７８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）。燃料ガス通路７８は、スタック取り付け板６２に固定される。

図３〜図６に示すように、蒸発器４８は、改質器４６を構成する改質管路６６の内方に（内側）近接して配置される単一の蒸発管路（伝熱パイプ）８０を備える。蒸発管路８０は、螺旋状に巻回して構成されるとともに、排ガス燃焼器５２の外周を周回する位置から下方（軸方向下方）にオフセットした位置に設定される（図３参照）。具体的には、蒸発管路８０は、矢印Ｌ方向に対して排ガス燃焼器５２と起動用燃焼器５４との間に螺旋状の巻回部位を有する。蒸発管路８０は、原燃料供給路７６の途上に接続される（図１参照）。

蒸発管路８０の入口側端部８０ａ及び出口側端部８０ｂは、混合ガス供給室７４ａを貫通する（図３参照）。図７に示すように、少なくとも蒸発管路８０の出口側端部８０ｂは、混合ガス供給室７４ａを通過する部位に二重配管構造８２を設ける。二重配管構造８２は、出口側端部８０ｂの外周を覆って且つ同軸上に配置される外側管路８４を備える。外側管路８４は、下側リング部材６８ａ及び下端リング部材７２に溶接等により固着されて矢印Ｌ方向に延在する。出口側端部８０ｂの外周と外側管路８４の内周との間には、隙間が設けられる。また、この隙間は、設けなくてもよい。なお、入口側端部８０ａには、外側管路８４ａを有する二重配管構造８２ａを用いてもよい。

図３及び図４に示すように、熱交換器５０は、円筒部材７０の外周外方に沿って配設される複数本の熱交換管路（伝熱パイプ）８６を備える。熱交換管路８６の一端部（下端部）は、下側リング部材８８ａに固定されるとともに、前記熱交換管路８６の他端部（上端部）は、上側リング部材８８ｂに固定される。

下側リング部材８８ａの下方には、下端リング部材９０ａが配設されるとともに、上側リング部材８８ｂの上方には、上端リング部材９０ｂが配設される。下端リング部材９０ａ及び上端リング部材９０ｂは、円筒部材７０の外周及び外周部材５５の内周に溶接等により固着される。

下側リング部材８８ａと下端リング部材９０ａ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９２ａが形成される。上側リング部材８８ｂと上端リング部材９０ｂ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９２ｂが形成される。熱交換管路８６の両端は、下側リング部材８８ａ及び上側リング部材８８ｂに溶接等により固着されて、酸化剤ガス供給室９２ａと酸化剤ガス排出室９２ｂとに開放される。

酸化剤ガス供給室９２ａは、内周部に混合ガス供給室７４ａを収容する。酸化剤ガス排出室９２ｂは、燃料ガス排出室７４ｂの外方に且つ下方にオフセットした位置に配置される。

外周部材５５の外周部には、下方に中央位置がずれて円筒状のカバー部材９４が設けられる。カバー部材９４は、上下両端（軸方向両端）が外周部材５５に溶接等により固着されるとともに、前記外周部材５５の外周面との間には、熱回収領域（チャンバ）９６が形成される。

酸化剤ガス供給室９２ａを構成する外周部材５５の下端縁部には、周方向に沿って複数個の孔部９８が形成され、前記孔部９８を介して前記酸化剤ガス供給室９２ａと熱回収領域９６とが連通する。カバー部材９４には、熱回収領域９６に連通する酸化剤ガス供給管１００が接続される。外周部材５５の上部側には、第３領域Ｒ３に連通する排ガス配管１０２が接続される。

酸化剤ガス排出室９２ｂには、例えば、２本の酸化剤ガス配管１０４の一端が配設される。各酸化剤ガス配管１０４は、上端リング部材９０ｂとスタック取り付け板６２との間に、伸縮自在な、例えば、ベローズ１０４ａを設ける。各酸化剤ガス配管１０４の他端は、スタック取り付け板６２を貫通して燃料電池スタック２４の酸化剤ガス入口連通孔４２ａに接続される（図１参照）。

図３に示すように、第１領域Ｒ１には、燃焼ガスを流通させる第１燃焼ガス通路１０６ａが形成され、第２領域Ｒ２には、複数の孔部６０ａを通過した前記燃焼ガスを流通させる第２燃焼ガス通路１０６ｂが形成される。第３領域Ｒ３には、複数の開口部７０ａを通過した燃焼ガスを流通させる第３燃焼ガス通路１０６ｃが形成され、排ガス配管１０２以降には、前記燃焼ガスを流通させる第４燃焼ガス通路１０６ｄが形成される。第２燃焼ガス通路１０６ｂは、改質器４６及び蒸発器４８を構成するとともに、第３燃焼ガス通路１０６ｃは、熱交換器５０を構成する。

図１に示すように、原燃料供給装置１４は、原燃料通路１０８を備える。原燃料通路１０８は、原燃料用調整弁１１０を介して原燃料供給路７６と原燃料供給管５８とに分岐する。原燃料供給路７６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１１２が配設される。

酸化剤ガス供給装置１６は、酸化剤ガス通路１１４を備える。酸化剤ガス通路１１４は、酸化剤ガス用調整弁１１６を介して酸化剤ガス供給管１００と空気供給管５７とに分岐する。水供給装置１８は、水通路８８を介して蒸発器４８に接続される。

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１１４に空気が供給される。この空気は、酸化剤ガス用調整弁１１６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１０８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１１０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３及び図４参照）。

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、燃焼により生成された燃焼ガスは、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、排ガス配管１０２を流通して燃料電池モジュール１２の外部に排出される。

その際、図３及び図４に示すように、第２領域Ｒ２には、蒸発器４８及び改質器４６が配置されるとともに、第３領域Ｒ３には、熱交換器５０が配置されている。これにより、第１領域Ｒ１から排出される燃焼ガスは、蒸発器４８、改質器４６及び熱交換器５０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に空気（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、図１に示すように、酸化剤ガス用調整弁１１６の開度が調整されて、酸化剤ガス供給管１００への空気供給量が増加されるとともに、原燃料用調整弁１１０の開度が調整されて、原燃料供給路７６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８８に水が供給される。空気は、酸化剤ガス供給管１００から外周部材５５の熱回収領域９６に供給される。このため、空気は、複数個の孔部９８を通って酸化剤ガス供給室９２ａに導入される。

従って、図３及び図４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９２ａに一旦供給された後、複数の熱交換管路８６内を移動する間に、第３領域Ｒ３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９２ｂに供給された後、酸化剤ガス配管１０４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に沿って流通し、カソード電極２８に供給される。

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を構成する燃焼カップ６０に開口しており、前記燃焼カップ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１１２で脱硫された原燃料は、原燃料供給路７６を流通して改質器４６に向かう。

蒸発器４８では、水が螺旋状に巻回された蒸発管路８０内を移動する間、第２領域Ｒ２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、蒸発管路８０の出口側端部８０ｂを流通して原燃料供給路７６に導入され、原燃料供給装置１４を介して供給された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７６から改質器４６を構成する混合ガス供給室７４ａに一旦供給される。混合ガスは、複数の改質管路６６内を移動する。その間に、混合ガスは、第２領域Ｒ２を流通する燃焼ガスにより加熱されて水蒸気改質され、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、一旦燃料ガス排出室７４ｂに供給された後、燃料ガス通路７８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に沿って流通し、アノード電極３０に供給される。一方、カソード電極２８には、空気が供給されており、電解質・電極接合体３２により発電が行われる。

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を構成する燃焼カップ６０内に開口しており、前記燃焼カップ６０内に燃料排ガスが導入される。

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、燃焼カップ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。一方、起動用燃焼器５４による燃焼作業が停止される。

燃焼カップ６０には、複数の孔部６０ａが形成されている。このため、図３に示すように、燃焼カップ６０内に供給された燃焼ガスは、複数の孔部６０ａ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、燃料電池モジュール１２の外部に排出される。

この場合、本実施形態では、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、改質器４６及び蒸発器４８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及び第３領域Ｒ３が外方向に向かって、順次、設けられている。このため、排熱及び放熱を良好に抑制することができ、熱効率の向上が図られて熱自立が促進されるとともに、燃料電池モジュール１２全体を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。

しかも、蒸発器４８は、改質器４６の内側に設定されている。従って、燃焼ガスにより蒸発器４８が最初に昇温されるため、燃料電池モジュール１２の始動時間が有効に短縮される。

また、本実施形態では、図３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７４ａ、生成された燃料ガスが排出される環状の燃料ガス排出室７４ｂ、一端が前記混合ガス供給室７４ａに連通し且つ他端が前記燃料ガス排出室７４ｂに連通する複数本の改質管路６６、及び前記改質管路６６間に燃焼ガスを供給する第２燃焼ガス通路１０６ｂ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９２ａ、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９２ｂ、一端が前記酸化剤ガス供給室９２ａに連通し且つ他端が前記酸化剤ガス排出室９２ｂに連通する複数本の熱交換管路８６、及び前記熱交換管路８６間に燃焼ガスを供給する第３燃焼ガス通路１０６ｃを備えている。

このように、環状の供給室（混合ガス供給室７４ａ及び酸化剤ガス供給室９２ａ）、環状の排出室（燃料ガス排出室７４ｂ及び酸化剤ガス排出室９２ｂ）及び複数本の管路（改質管路６６及び熱交換管路８６）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、燃料ガス排出室７４ｂ及び酸化剤ガス排出室９２ｂ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７４ａ及び酸化剤ガス供給室９２ａ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を構成する排ガス燃焼器５２、蒸発器４８、改質器４６及び熱交換器５０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、蒸発器４８は、蒸発管路８０が排ガス燃焼器５２の外周を周回する位置から軸方向にオフセットした位置に設定されている。このため、蒸発への影響を最小限に抑制しながら、一層高温で改質することができ、Ｈ_２転化率の向上及びＣ_２＋以上成分の抑制を図ることが可能になる。

また、蒸発管路８０は、螺旋状に巻回して構成されている。従って、改質と蒸発の両立を図ることができ、Ｈ_２転化率の向上及びＣ_２＋以上成分の抑制を図ることが可能になる。

さらに、少なくとも蒸発管路８０の出口側は、混合ガス供給室７４ａを通過する部位に二重配管構造８２を設けている。これにより、蒸発管路８０を流通する水蒸気は、高温を維持した状態で、改質器４６の混合ガス供給室７４ａで原燃料と混合されて混合ガスが得られる。このため、改質の向上が図られる。しかも、二重配管構造８２により、蒸発管路８０を流通する水蒸気の温度低下が抑制される。

さらにまた、酸化剤ガス排出室９２ｂと燃料電池スタック２４とは、伸縮自在な酸化剤ガス配管１０４により連結されている。具体的には、酸化剤ガス配管１０４は、上端リング部材９０ｂとスタック取り付け板６２との間に、伸縮自在な、例えば、ベローズ１０４ａを設けている。従って、酸化剤ガス配管１０４に熱応力が集中することを良好に緩和させることができ、熱歪み等の発生を抑制することが可能になる。

また、図３に示すように、燃焼ガスは、第１領域Ｒ１、第２領域Ｒ２及び第３領域Ｒ３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。これにより、ＦＣ周辺機器５６を構成する排ガス燃焼器５２、蒸発器４８、改質器４６及び熱交換器５０に効果的に熱を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。

さらに、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。

１０…燃料電池システム １２…燃料電池モジュール
１４…原燃料供給装置 １６…酸化剤ガス供給装置
１８…水供給装置 ２０…制御装置
２２…燃料電池 ２４…燃料電池スタック
２６…電解質 ２８…カソード電極
３０…アノード電極 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 ５５…外周部材
５６…ＦＣ周辺機器 ５７…空気供給管
５８…原燃料供給管 ６０…燃焼カップ
６０ａ、９８…孔部 ６２…スタック取り付け板
６６…改質管路 ６８ａ、８８ａ…下側リング部材
６８ｂ、８８ｂ…上側リング部材 ７０…円筒部材
７０ａ…開口部 ７２、９０ａ…下端リング部材
７４ａ…混合ガス供給室 ７４ｂ…燃料ガス排出室
７６…原燃料供給路 ７８…燃料ガス通路
８０…蒸発管路 ８２、８２ａ…二重配管構造
８４、８４ａ…外側管路 ８６…熱交換管路
９０ｂ…上端リング部材 ９２ａ…酸化剤ガス供給室
９２ｂ…酸化剤ガス排出室 ９４…カバー部材
９６…熱回収領域 １００…酸化剤ガス供給管
１０２…排ガス配管 １０４…酸化剤ガス配管
１０６ａ〜１０６ｄ…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、
   前記改質器及び前記蒸発器が構成されるとともに、前記蒸発器が前記改質器の内側に設定され、前記第１領域を環状に周回する第２領域と、
   前記熱交換器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、
   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燃料ガス排出室、一端が前記混合ガス供給室に連通し且つ他端が前記燃料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、前記燃料ガス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とともに、
   前記混合ガス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、前記蒸発器は、蒸発管路が前記排ガス燃焼器の外周を周回する位置から軸方向にオフセットした位置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４記載の燃料電池モジュールにおいて、前記蒸発管路は、螺旋状に巻回して構成されることを特徴とする燃料電池モジュール。
6. 請求項４又は５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出口側は、前記混合ガス供給室を通過する部位に二重配管構造を設けることを特徴とする燃料電池モジュール。
7. 請求項２〜６のいずれか１項に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記酸化剤ガス排出室と前記燃料電池スタックとは、伸縮自在な酸化剤ガス配管により連結されることを特徴とする燃料電池モジュール。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記燃焼ガスは、前記第１領域、前記第２領域及び前記第３領域の順に流通した後、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。
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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