JP2014212036A - 燃料電池モジュール - Google Patents

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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、改質器４６及び熱交換器５０が構成される第２領域Ｒ２と、蒸発器４８が構成される第３領域Ｒ３とを備える。少なくとも第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２との境界に沿って、前記第２領域Ｒ２と第３領域Ｒ３との境界に沿って、又は前記第３領域Ｒ３の最外周部に沿って、熱による応力を緩和するための応力緩和部１１７が設けられる。
【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いる。固体電解質の一方側にアノード電極が、前記固体電解質の他方側にカソード電極が、それぞれ配設された電解質・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１４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されている。
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１５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１６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。
しかも、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。これにより、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、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。しかも、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、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。これにより、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。
その上、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。このため、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、改質器及び熱交換器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、蒸発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。
そして、少なくとも第１領域と第２領域との境界に沿って、前記第２領域と第３領域との境界に沿って、又は、前記第３領域の最外周部に沿って、熱による応力を緩和するための応力緩和部が設けられている。
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ることが好ましい。
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ることが好ましい。
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ることが好ましい。
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、燃料ガス排出室は、酸化剤ガス排出室と２段に且つ前記酸化剤ガス排出室よりも軸方向内方に配設されるとともに、混合ガス供給室は、酸化剤ガス供給室と２段に且つ前記酸化剤ガス供給室よりも軸方向内方に配設されることが好ましい。これにより、第２領域には、改質器及び熱交換器をコンパクトに且つ効率的に配設することが可能になり、ＦＣ周辺機器全体の小型化が容易に遂行される。
さらにまた、この燃料電池モジュールでは、混合ガス供給室及び燃料ガス排出室は、それぞれ改質管路の端部が挿入される内側リングと前記内側リングから離間して配置される外側リングとの間に形成されることが好ましい。水供給室及び水蒸気排出室は、それぞれ蒸発管路の端部が挿入される内側リングと前記内側リングから離間して配置される外側リングとの間に形成されることが好ましい。酸化剤ガス供給室及び酸化剤ガス排出室は、それぞれ熱交換管路の端部が挿入される内側リングと前記内側リングから離間して配置される外側リングとの間に形成されることが好ましい。
このため、混合ガス供給室、燃料ガス排出室、酸化剤ガス供給室、酸化剤ガス排出室、水供給室及び水蒸気排出室は、それぞれ内側リングと外側リングとにより形成され、構成が有効に簡素化される。従って、製造コストが有効に削減されるとともに、コンパクト化が容易に遂行される。
また、この燃料電池モジュールでは、燃料ガス排出室、酸化剤ガス排出室及び水蒸気排出室は、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、酸化剤ガス供給室及び水供給室は、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、この燃料電池モジュールでは、応力緩和部は、少なくとも燃料ガス排出室、酸化剤ガス排出室又は水蒸気排出室の１つを構成する内側リング及び外側リングに設けられることが好ましい。このため、排ガス燃焼器、起動用燃焼器、改質器、熱交換器及び蒸発器を備えるＦＣ周辺機器は、熱膨張する際に、応力緩和部により径方向及び軸方向の熱応力が緩和される。従って、ＦＣ周辺機器は、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。
さらにまた、この燃料電池モジュールでは、応力緩和部は、少なくとも混合ガス供給室、酸化剤ガス供給室又は水供給室の１つを構成する内側リング及び外側リングに設けられることが好ましい。これにより、ＦＣ周辺機器は、熱膨張する際に、応力緩和部により径方向及び軸方向の熱応力が緩和され、耐久性の低下を良好に抑制することができる。
また、この燃料電池モジュールでは、応力緩和部は、内側リング及び外側リングの各内周部又は各外周部の少なくともいずれかに設けられる湾曲部位により構成されることが好ましい。このため、応力緩和部は、簡単且つ経済的な構成で、ＦＣ周辺機器の膨張時に発生する径方向及び軸方向の応力を確実に緩和することが可能になり、前記ＦＣ周辺機器の耐久性の向上を図ることができる。
さらに、この燃料電池モジュールでは、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、改質器及び熱交換器が構成される一方、第３領域には、蒸発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、少なくとも第１領域と第２領域との境界に沿って、前記第２領域と第３領域との境界に沿って、又は、前記第３領域の最外周部に沿って、熱による応力を緩和するための応力緩和部が設けられている。従って、排ガス燃焼器、起動用燃焼器、改質器、熱交換器及び蒸発器を備えるＦＣ周辺機器は、熱膨張する際に、応力緩和部により径方向及び軸方向の熱応力が緩和される。これにより、ＦＣ周辺機器は、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。
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。 応力緩和部の説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池モジュールを構成するＦＣ周辺機器の断面説明図である。 前記ＦＣ周辺機器の断面平面図である。 応力緩和部の別の形状の説明図である。 前記応力緩和部の他の形状の説明図である。 前記応力緩和部のさらに別の形状の説明図である。 前記応力緩和部のさらにまた別の形状の説明図である。 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（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、蒸発器４８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（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。
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。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。改質管路６６の一端部（下端部）は、第１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、第１上側リング部材６８ｂに固定される。
第１下側リング部材６８ａ及び第１上側リング部材６８ｂの外周部は、円筒部材７０の内周部に溶接等により固着される。第１下側リング部材６８ａ及び第１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７２が形成される。
熱交換器５０は、改質器４６を構成する改質管路６６の径方向外方（外側）に近接して配置される熱交換管路（伝熱パイプ）７４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。改質管路６６の外方には、第１領域Ｒ１を中心とする２つの仮想円周上に熱交換管路７４が均等に配列される。内方の仮想円周上の熱交換管路７４と、外方の仮想円周上の前記熱交換管路７４とは、互いにオフセットして（ジグザグ状に）配列される。
図３及び図４に示すように、熱交換管路７４の一端部（下端部）は、第２下側リング部材７６ａに溶接等により固定されるとともに、前記熱交換管路７４の他端部（上端部）は、第２上側リング部材７６ｂに溶接等により固定される。第２下側リング部材７６ａ及び第２上側リング部材７６ｂの外周部は、円筒部材７０の内周部に溶接等により固着される。第２下側リング部材７６ａ及び第２上側リング部材７６ｂ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。
第２下側リング部材７６ａは、第１下側リング部材６８ａよりも下方（軸方向外方）に配置される一方、第２上側リング部材７６ｂは、第１上側リング部材６８ｂよりも上方（軸方向外方）に配置される。
第１下側リング部材６８ａと第２下側リング部材７６ａ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７８ａが形成される。第１上側リング部材６８ｂと第２上側リング部材７６ｂ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７８ｂが形成される。各改質管路６６は、混合ガス供給室７８ａ及び燃料ガス排出室７８ｂに両端が開放される。
円筒部材７０の起動用燃焼器５４側の端部には、リング形状の端部リング部材８０が溶接等により固着される。端部リング部材８０と第２下側リング部材７６ａ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８２ａが形成される。第２上側リング部材７６ｂとスタック取り付け板６２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８２ｂが形成される。熱交換管路７４の両端は、酸化剤ガス供給室８２ａと酸化剤ガス排出室８２ｂとに開放される。
燃料ガス排出室７８ｂは、酸化剤ガス排出室８２ｂと２段に且つ前記酸化剤ガス排出室８２ｂよりも軸方向内方（下方）に配設される。混合ガス供給室７８ａは、酸化剤ガス供給室８２ａと２段に且つ前記酸化剤ガス供給室８２ａよりも軸方向内方（上方）に配設される。
混合ガス供給室７８ａには、原燃料供給路８４が開放されるとともに、前記原燃料供給路８４の途上には、後述する蒸発リターン管路１０３が接続される（図１参照）。原燃料供給路８４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８４は、第２下側リング部材７６ａ及び端部リング部材８０に溶接等により固着される。燃料ガス排出室７８ｂには、燃料ガス通路８６の一端が連通するとともに、前記燃料ガス通路８６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８６は、第２上側リング部材７６ｂに溶接等により固着されるとともに、スタック取り付け板６２を貫通する（図２参照）。
酸化剤ガス供給室８２ａには、酸化剤ガス供給管８８が配設される。酸化剤ガス供給管８８は、端部リング部材８０に溶接等により固着される。酸化剤ガス排出室８２ｂには、例えば、２本の酸化剤ガス配管９０の一端が配設される。各酸化剤ガス配管９０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及び図４に示すように、蒸発器４８は、円筒部材７０の外周外方に沿って配設される複数本の蒸発管路（伝熱パイプ）９６を備える。蒸発管路９６の一端部（下端部）は、下側リング部材９８ａに固定されるとともに、前記蒸発管路９６の他端部（上端部）は、上側リング部材９８ｂに固定される。
下側リング部材９８ａの下方には、下端リング部材１００ａが配設されるとともに、上側リング部材９８ｂの上方には、上端リング部材１００ｂが配設される。下端リング部材１００ａ及び上端リング部材１００ｂ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９８ａと下端リング部材１００ａとの間には、水が供給される環状の水供給室１０２ａが形成される。上側リング部材９８ｂと上端リング部材１００ｂとの間には、水蒸気が排出される環状の水蒸気排出室１０２ｂが形成される。蒸発管路９６の両端は、下側リング部材９８ａ及び上側リング部材９８ｂに溶接等により固着されて、水供給室１０２ａと水蒸気排出室１０２ｂとに開放される。
水供給室１０２ａは、内周部に混合ガス供給室７８ａ及び酸化剤ガス供給室８２ａを収容する。水蒸気排出室１０２ｂは、燃料ガス排出室７８ｂの外方に且つ軸方向下方（管路長方向下方）にオフセットした位置に配置される。水蒸気排出室１０２ｂには、少なくとも１本以上の蒸発管路９６により構成される蒸発リターン管路１０３の一端が配設される。蒸発リターン管路１０３の他端は、原燃料供給路８４の途上に接続される（図１参照）。
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１０４が設けられる。カバー部材１０４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の外周部との間には、熱回収領域（チャンバ）１０６が形成される。
水供給室１０２ａ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１０８が形成され、前記孔部１０８を介して前記水供給室１０２ａと熱回収領域１０６とが連通する。カバー部材１０４には、熱回収領域１０６に連通する水供給管１１０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１１２が接続される。
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１１６ａ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１１６ｂが形成される。第３領域Ｒ３には、複数の開口部７２を通過した燃焼ガスを流通させる第３燃焼ガス通路１１６ｃが形成され、排ガス配管１１２以降には、前記燃焼ガスを流通させる第４燃焼ガス通路１１６ｄが形成される。第２燃焼ガス通路１１６ｂは、改質器４６及び熱交換器５０を構成するとともに、第３燃焼ガス通路１１６ｃは、蒸発器４８を構成する。
第１の実施形態では、少なくとも第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２との境界に沿って、前記第２領域Ｒ２と第３領域Ｒ３との境界に沿って、又は、前記第３領域Ｒ３の最外周部（特に、高熱に曝され易い領域）に沿って、熱による応力を緩和するための応力緩和部１１７が設けられる。
応力緩和部１１７は、少なくとも燃料ガス排出室７８ｂ、酸化剤ガス排出室８２ｂ又は水蒸気排出室１０２ｂの１つ、第１の実施形態では、これらの全てを構成する第１上側リング部材６８ｂ、第２上側リング部材７６ｂ、上側リング部材９８ｂ及び上端リング部材１００ｂに設けられる（図７参照）。
応力緩和部１１７は、さらに少なくとも混合ガス供給室７８ａ、酸化剤ガス供給室８２ａ又は水供給室１０２ａの１つ、第１の実施形態では、これらの全てを構成する第１下側リング部材６８ａ、第２下側リング部材７６ａ、端部リング部材８０、下側リング部材９８ａ及び下端リング部材１００ａに設けられる。
応力緩和部１１７は、具体的には、各リング部材の内周部及び外周部に、断面半円形状を有して設けられる内周湾曲部位１１７ｉｎ及び外周湾曲部位１１７ｏｕｔを有する。特に、高温の燃焼ガスに曝される排ガス燃焼器５２の近傍の第１上側リング部材６８ｂの内周部及び第２上側リング部材７６ｂの内周部には、内周湾曲部位１１７ｉｎを設ける必要がある。また、起動用燃焼器５４の近傍の第１下側リング部材６８ａの内周部及び第２下側リング部材７６ａの内周部にも、内周湾曲部位１１７ｉｎを設けることが望ましい。
内周湾曲部位１１７ｉｎ及び外周湾曲部位１１７ｏｕｔ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１１７が構成される。なお、内周湾曲部位１１７ｉｎ又は外周湾曲部位１１７ｏｕｔの一方のみを設けてもよい。
図１に示すように、原燃料供給装置１４は、原燃料通路１１８を備える。原燃料通路１１８は、原燃料用調整弁１２０を介して原燃料供給路８４と原燃料供給管５８とに分岐する。原燃料供給路８４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１２２が配設される。
酸化剤ガス供給装置１６は、酸化剤ガス通路１２４を備える。酸化剤ガス通路１２４は、酸化剤ガス用調整弁１２６を介して酸化剤ガス供給管８８と空気供給管５７とに分岐する。水供給装置１８は、水供給管１１０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１２４に空気が供給される。この空気は、酸化剤ガス用調整弁１２６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１１８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１２０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１１２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、改質器４６及び熱交換器５０が配置されるとともに、第３領域Ｒ３には、蒸発器４８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、改質器４６、熱交換器５０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１２６の開度が調整されて、酸化剤ガス供給管８８への空気供給量が増加されるとともに、原燃料用調整弁１２０の開度が調整されて、原燃料供給路８４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、水供給管１１０に水が供給される。空気は、酸化剤ガス供給管８８から酸化剤ガス供給室８２ａ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８２ａに一旦供給された後、複数の熱交換管路７４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８２ｂに供給された後、酸化剤ガス配管９０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１２２で脱硫された原燃料は、原燃料供給路８４を流通して改質器４６に向かう。
蒸発器４８では、水は、水供給管１１０から外周部材５５の熱回収領域１０６に供給される。このため、水は、複数個の孔部１０８を通って一旦水供給室１０２ａに供給された後、複数本の蒸発管路９６内を移動する間、第３領域Ｒ３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１０２ｂに一旦導入された後、前記水蒸気排出室１０２ｂに連通する蒸発リターン管路１０３に供給される。これにより、水蒸気は、蒸発リターン管路１０３内を流通して原燃料供給路８４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８４から改質器４６を構成する混合ガス供給室７８ａ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、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、一旦燃料ガス排出室７８ｂに供給された後、燃料ガス通路８６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、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、改質器４６及び熱交換器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、蒸発器４８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、少なくとも第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２との境界（第１上側リング部材６８ｂの内周部、第２上側リング部材７６ｂの内周部、第１下側リング部材６８ａの内周部、第２下側リング部材７６ａの内周部又は端部リング部材８０の内周部の少なくともいずれか）に沿って、前記第２領域Ｒ２と第３領域Ｒ３との境界（第１上側リング部材６８ｂの外周部、第２上側リング部材７６ｂの外周部、第１下側リング部材６８ａの外周部、第２下側リング部材７６ａの外周部又は端部リング部材８０の外周部の少なくともいずれか、及び、上側リング部材９８ｂの内周部、上端リング部材１００ｂの内周部、下側リング部材９８ａの内周部又は下端リング部材１００ａの内周部の少なくともいずれか）に沿って、又は、前記第３領域Ｒ３の最外周部（上側リング部材９８ｂの外周部、上端リング部材１００ｂの外周部、下側リング部材９８ａの外周部又は下端リング部材１００ａの外周部の少なくともいずれか）に沿って（特に、高熱に曝され易い領域）、熱による応力を緩和するための応力緩和部１１７が設けられている。
従って、排ガス燃焼器５２、起動用燃焼器５４、改質器４６、熱交換器５０及び蒸発器４８を備えるＦＣ周辺機器５６は、熱膨張する際に、応力緩和部１１７により径方向及び軸方向の熱応力が緩和される。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という効果が得られる。
特に、応力緩和部１１７は、少なくとも燃料ガス排出室７８ｂ、酸化剤ガス排出室８２ｂ又は水蒸気排出室１０２ｂの１つ、第１の実施形態では、これらの全てを構成する第１上側リング部材６８ｂ、第２上側リング部材７６ｂ、上側リング部材９８ｂ及び上端リング部材１００ｂに設けられている。
さらに、応力緩和部１１７は、少なくとも混合ガス供給室７８ａ、酸化剤ガス供給室８２ａ又は水供給室１０２ａの１つ、第１の実施形態では、これらの全てを構成する第１下側リング部材６８ａ、第２下側リング部材７６ａ、端部リング部材８０、下側リング部材９８ａ及び下端リング部材１００ａに設けられている。
図７に示すように、ＦＣ周辺機器５６では、第１領域Ｒ１から第３領域Ｒ３に向かって（矢印Ｂ方向）高温から低温になり易い一方、燃料電池スタック２４側から離間する方向（矢印Ｌｄ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、径方向及び軸方向に向かってそれぞれ温度差が発生し易い。
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１１７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１１７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。
特に、高温の熱雰囲気に曝される第１上側リング部材６８ｂ及び第２上側リング部材７６ｂには、それぞれの内周部及び外周部に、断面半円形状を有する内周湾曲部位１１７ｉｎ及び外周湾曲部位１１７ｏｕｔが設けられている。このため、応力緩和部１１７は、簡単且つ経済的な構成で、ＦＣ周辺機器５６の膨張時に発生する径方向の応力及び軸方向の応力を確実に緩和することができ、前記ＦＣ周辺機器５６の耐久性の向上を図ることが可能になるという効果が得られる。
また、第１の実施形態では、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７８ａ、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７８ｂ、一端が前記混合ガス供給室７８ａに連通し且つ他端が前記燃料ガス排出室７８ｂ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１１６ｂ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８２ａ、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８２ｂ、一端が前記酸化剤ガス供給室８２ａに連通し且つ他端が前記酸化剤ガス排出室８２ｂに連通する複数本の熱交換管路７４、及び前記熱交換管路７４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。
蒸発器４８は、水が供給される環状の水供給室１０２ａ、水蒸気が排出される環状の水蒸気排出室１０２ｂ、一端が前記水供給室１０２ａに連通し且つ他端が前記水蒸気排出室１０２ｂに連通する複数本の蒸発管路９６、及び前記蒸発管路９６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。
このように、環状の供給室（混合ガス供給室７８ａ、酸化剤ガス供給室８２ａ及び水供給室１０２ａ）、環状の排出室（燃料ガス排出室７８ｂ、酸化剤ガス排出室８２ｂ及び水蒸気排出室１０２ｂ）及び複数本の管路（改質管路６６、熱交換管路７４及び蒸発管路９６）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７８ｂは、酸化剤ガス排出室８２ｂと２段に且つ前記酸化剤ガス排出室８２ｂよりも軸方向内方に配設されるとともに、混合ガス供給室７８ａは、酸化剤ガス供給室８２ａと２段に且つ前記酸化剤ガス供給室８２ａよりも軸方向内方に配設されている。
このため、第２領域Ｒ２には、改質器４６及び熱交換器５０をコンパクト且つ効率的に配設することが可能になり、ＦＣ周辺機器５６全体の小型化が容易に遂行される。
さらにまた、混合ガス供給室７８ａは、改質管路６６の端部が挿入される第１下側リング部材（内側リング）６８ａと、前記第１下側リング部材６８ａから離間して配置される第２下側リング部材（外側リング）７６ａとの間に形成されている。燃料ガス排出室７８ｂは、改質管路６６の端部が挿入される第１上側リング部材（内側リング）６８ｂと、前記第１上側リング部材６８ｂから離間して配置される第２上側リング部材（外側リング）７６ｂとの間に形成されている。
一方、酸化剤ガス供給室８２ａは、熱交換管路７４の端部が挿入される第２下側リング部材（内側リング）７６ａと、前記第２下側リング部材７６ａから離間して配置される端部リング部材（外側リング）８０との間に形成されている。酸化剤ガス排出室８２ｂは、熱交換管路７４の端部が挿入される第２上側リング部材（内側リング）７６ｂと、前記第２上側リング部材７６ｂから離間して配置されるスタック取り付け板（外側リング）６２との間に形成されている。
同様に、水供給室１０２ａは、蒸発管路９６の端部が挿入される下側リング部材（内側リング）９８ａと、前記下側リング部材９８ａから離間して配置される下端リング部材（外側リング）１００ａとの間に形成されている。水蒸気排出室１０２ｂは、蒸発管路９６の端部が挿入される上側リング部材（内側リング）９８ｂと、前記上側リング部材９８ｂから離間して配置される上端リング部材（外側リング）１００ｂとの間に形成されている。
このため、混合ガス供給室７８ａ、燃料ガス排出室７８ｂ、酸化剤ガス供給室８２ａ、酸化剤ガス排出室８２ｂ、水供給室１０２ａ及び水蒸気排出室１０２ｂは、それぞれ内側リングと外側リングとにより形成され、構成が有効に簡素化される。従って、製造コストが有効に削減されるとともに、コンパクト化が容易に遂行される。
また、燃料ガス排出室７８ｂ、酸化剤ガス排出室８２ｂ及び水蒸気排出室１０２ｂ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、混合ガス供給室７８ａ、酸化剤ガス供給室８２ａ及び水供給室１０２ａ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、改質器４６、熱交換器５０及び蒸発器４８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、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。従って、特にＳＯＦＣ等の高温型燃料電池に最適である。
図８は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池モジュール１３０を構成するＦＣ周辺機器１３２の断面説明図である。
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。
図８及び図９に示すように、ＦＣ周辺機器１３２では、第２領域Ｒ２において、改質器４６が熱交換器５０の径方向外方に配置される。熱交換器５０は、第１領域Ｒ１を中心とする２つの仮想円周上にジグザグに配列される熱交換管路７４を備える。改質器４６は、熱交換管路７４の外方に第１領域Ｒ１を中心とする仮想円周上に配列される改質管路６６を備える。
このように構成される第２の実施形態では、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。
なお、第１及び第２の実施形態では、断面半円形状を有する内周湾曲部位１１７ｉｎ及び外周湾曲部位１１７ｏｕｔを設けた応力緩和部１１７を用いているが、これに限定されるものではない。
例えば、図１０に示す応力緩和部１４０は、断面形状が中心Ｏの位置をオフセットして偏心した半円を有する湾曲部位１４２を設ける。湾曲部位１４２は、内周湾曲部位及び外周湾曲部位に適用される。
図１１に示す応力緩和部１４４は、断面形状が楕円の一部を有する湾曲部位１４６を設ける。湾曲部位１４６は、内周湾曲部位及び外周湾曲部位に適用される。
図１２に示す応力緩和部１５０は、内側リング１５２及び外側リング１５４に設けられる。内側リング１５２の外周部（又は内周部）のみに、応力緩和部１５０を構成する湾曲部位１５０ａが形成されるとともに、外側リング１５４の外周部（又は内周部）のみに、前記応力緩和部１５０を構成する湾曲部位１５０ｂが形成される。
図１３に示す応力緩和部１６０は、内側リング１６２及び外側リング１６４に設けられる。内側リング１６２の内周部及び外周部には、応力緩和部１６０を構成する内周湾曲部位１６０ａｉ及び外周湾曲部位１６０ａｏが設けられる。内周湾曲部位１６０ａｉ及び外周湾曲部位１６０ａｏは、それぞれ複数個、例えば、２個ずつ互いに反対方向に湾曲して蛇腹状に設けられる。
外側リング１６４の内周部及び外周部には、応力緩和部１６０を構成する内周湾曲部位１６０ｂｉ及び外周湾曲部位１６０ｂｏが設けられる。内周湾曲部位１６０ｂｉ及び外周湾曲部位１６０ｂｏは、それぞれ複数個、例えば、２個ずつ互いに反対方向に湾曲して蛇腹状に設けられる。
１０…燃料電池システム １２、１３０…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、１３２…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、１０８…孔部 ６６…改質管路
６８ａ、７６ａ、９８ａ…下側リング部材
６８ｂ、７６ｂ、９８ｂ…上側リング部材
７０…円筒部材 ７２…開口部
７４…熱交換管路 ７８ａ…混合ガス供給室
７８ｂ…燃料ガス排出室 ８０…端部リング部材
８４…原燃料供給路 ８６…燃料ガス通路
８８…酸化剤ガス供給管 ９０…酸化剤ガス配管
９６…蒸発管路 １００ａ…下端リング部材
１００ｂ…上端リング部材 １０２ａ…水供給室
１０２ｂ…水蒸気排出室 １０３…蒸発リターン管路
１１６ａ〜１１６ｄ…燃焼ガス通路
１１７、１４０、１４４、１５０、１６０…応力緩和部
１１７ｉｎ、１６０ａｉ、１６０ｂｉ…内周湾曲部位
１１７ｏｕｔ、１６０ａｏ、１６０ｂｏ…外周湾曲部位
１４２、１４６、１５０ａ、１５０ｂ…湾曲部位
１５２、１６２…内側リング １５４、１６４…外側リング

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熱交換器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、
    前記蒸発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、
    少なくとも前記第１領域と前記第２領域との境界に沿って、前記第２領域と前記第３領域との境界に沿って、又は、前記第３領域の最外周部に沿って、熱による応力を緩和するための応力緩和部が設けら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、前記燃料ガス排出室は、前記酸化剤ガス排出室と２段に且つ該酸化剤ガス排出室よりも軸方向内方に配設されるとともに、
    前記混合ガス供給室は、前記酸化剤ガス供給室と２段に且つ該酸化剤ガス供給室よりも軸方向内方に配設さ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、前記混合ガス供給室及び前記燃料ガス排出室は、それぞれ前記改質管路の端部が挿入される内側リングと前記内側リングから離間して配置される外側リングとの間に形成され、
    前記水供給室及び前記水蒸気排出室は、それぞれ前記蒸発管路の端部が挿入される内側リングと前記内側リングから離間して配置される外側リングとの間に形成され、
    前記酸化剤ガス供給室及び前記酸化剤ガス排出室は、それぞれ前記熱交換管路の端部が挿入される内側リングと前記内側リングから離間して配置される外側リングとの間に形成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、前記燃料ガス排出室、前記酸化剤ガス排出室及び前記水蒸気排出室は、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、前記酸化剤ガス供給室及び前記水供給室は、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。
  6. 請求項４記載の燃料電池モジュールにおいて、前記応力緩和部は、少なくとも前記燃料ガス排出室、前記酸化剤ガス排出室又は前記水蒸気排出室の１つを構成する前記内側リング及び前記外側リングに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４又は６記載の燃料電池モジュールにおいて、前記応力緩和部は、少なくとも前記混合ガス供給室、前記酸化剤ガス供給室又は前記水供給室の１つを構成する前記内側リング及び前記外側リングに設けられることを特徴とする燃料電池モジュール。
  8. 請求項４、６又は７記載の燃料電池モジュールにおいて、前記応力緩和部は、前記内側リング及び前記外側リングの各内周部又は各外周部の少なくともいずれかに設けられる湾曲部位により構成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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