JP2022128553A - 燃料電池用ホットモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池用ホットモジュールにおいて、吸引流の熱が外部へ無駄に放熱されることを抑制し、燃料電池の発電効率を高める。【解決手段】駆動流路２１には、高圧の原燃料ガスが駆動流として流れる。リサイクル流路３０には、燃料電池１１から排出される排出燃料ガスの一部が吸引流として流れる。エジェクタ１４は、駆動流路２１から供給される駆動流を噴射するノズル部２０と、リサイクル流路３０を流れる吸引流が吸引される吸引口２２と、駆動流と吸引流とを混合し昇圧する混合部２３およびディフューザ部２４とを有する。改質器１５は、エジェクタ１４から吐出された混合流を吸熱反応により燃料電池１１に供給する燃料ガスに改質する。熱交換器１３は、リサイクル流路３０を流れる吸引流が混合流と駆動流との両方に熱交換されるように構成されている。【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池システムに適用され、特に高温で作動する固体酸化物型燃料電池の発電システムの発電モジュールが備える熱交換器等のコンポーネントレイアウトに適用される。

特許文献１には、燃料電池スタックから排出された改質燃料の一部を、再利用配管を介してエジェクタの吸引口に戻す燃料電池システムにおいて、再利用配管の途中に設けた熱交換器で吸引流と駆動流とを熱交換させることで、駆動流が加熱→膨張→流速大となって、燃料ブロアの少ない動力で多くの改質燃料を吸引できるようにした技術が開示されている。

特開２０１６－７２２５１号公報

しかしながら、特許文献１に開示された技術では、熱交換器とエジェクタとが別体構造となっており、それぞれのガス流路が配管接続されている。そのため、熱交換器において吸引流と駆動流とを熱交換させるにあたり、吸引流の熱を燃料電池装置の外部へ無駄に放出してしまうことは、無駄に放出された熱エネルギを補うために原燃料ガスの供給量を増加させる必要があり、発電効率の低下につながるという理由で問題がある。

その点、従来技術では熱交換器の具体的な構造が明らかにされておらず、上記の課題に対して何ら対策が施されていない。もっと言えば、従来技術には上記課題についても何ら触れられていない。

本発明は上記点に鑑みて、吸引流の熱が外部へ無駄に放熱されることを抑制し、燃料電池の発電効率を高めることの可能な燃料電池用ホットモジュールを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に係る発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により電気エネルギを出力する固体酸化物型の燃料電池（１１）に燃料ガスを供給する構成を備えた燃料電池用ホットモジュールにおいて、
炭化水素系の高圧の原燃料ガスが駆動流として流れる駆動流路（２１）と、
燃料電池から排出される排出燃料ガスの一部が吸引流として流れるリサイクル流路（３０）と、
駆動流路から供給される駆動流を噴射するノズル部（２０）と、ノズル部から噴射される駆動流のエネルギによりリサイクル流路を流れる吸引流が吸引される吸引口（２２）と、駆動流と吸引流とを混合し昇圧する混合部（２３）およびディフューザ部（２４）とを有し、駆動流と吸引流とを混合した混合流を吐出するエジェクタ（１４）と、
エジェクタから吐出された混合流を触媒の存在のもとで吸熱反応させて燃料電池に供給する燃料ガスに改質する改質器（１５）と、
リサイクル流路を流れる吸引流が混合流と駆動流との両方に熱交換されるように構成されている熱交換器（１３）とを備える。

これによれば、熱交換器により吸引流の熱が混合流と駆動流との両方に移動する構成としたことで、吸引流の熱をホットモジュール内の改質器に循環させ、その熱が外部へ無駄に放熱されることが抑制される。改質器に供給される混合流の温度を高くすることで、ホットモジュールが排出燃料ガスの一部を燃焼させる燃焼器を備えている場合、その燃焼器から改質器へ熱移動させるための構成を簡素化および小型化し、燃焼器で燃焼させる排出燃料ガスを低減可能である。したがって、熱エネルギを補うための原燃料ガスの供給量を低減し、燃料電池の発電効率を高めることができる。また、改質器に供給される混合流の温度を高くすることで、改質器内で原燃料ガスを燃料ガスに改質する改質率を向上させることも可能である。

また、熱交換器により吸引流の温度を下げることで、吸引流の体積が減少し流速が遅くなる。そのため、低動力で、より多くの吸引流がエジェクタの吸引口に吸い込まれる。したがって、この燃料電池用ホットモジュールは、低動力で、より多くの吸引流すなわち排出燃料ガスを循環させることで、原燃料ガスの供給量を低減し、燃料電池の発電効率を高めることができる。
さらに、熱交換器により駆動流の温度を高くすることで、駆動流の体積が増加し流速が速くなる。そのため、駆動流すなわち原燃料ガスを高圧にするための燃料ポンプの動力を低減し、燃料電池の発電効率を高めることができる。

なお、各構成要素等に付された括弧付きの参照符号は、その構成要素等と後述する実施形態に記載の具体的な構成要素等との対応関係の一例を示すものである。

第１実施形態に係る燃料電池用ホットモジュールが適用される燃料電池発電システムの概略構成図である。 燃料電池用ホットモジュールの一部を示す断面図である。 図２のＩＩＩ部分を拡大した断面図である。 第２実施形態に係る燃料電池用ホットモジュールの一部を示す断面図である。 第３実施形態に係る燃料電池用ホットモジュールの一部を示す断面図である。 第４実施形態に係る燃料電池用ホットモジュールの一部を示す断面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付し、その説明を省略する。

（第１実施形態）
第１実施形態について図１～図３を参照しつつ説明する。本実施形態の燃料電池用ホットモジュール１０（以下、「ホットモジュール１０」という）は、燃料電池システム１に適用される。
図１は、燃料電池システム１の概略構成を示す図である。図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池１１などを備えるホットモジュール１０、そのホットモジュール１０に酸化剤ガスとしての空気を供給する空気ブロア２、原燃料ガスを供給する燃料ポンプ３、水を供給する水ポンプ４などを含んで構成されている。

図１および図２に示すように、ホットモジュール１０は、燃料電池１１と共に、水蒸発器１２、熱交換器１３、エジェクタ１４、改質器１５、空気予熱器１６、燃焼器１７および暖機燃焼器１８（図２参照）などを備えている。なお、図２は、ホットモジュール１０の軸ＣＬに平行な断面の右半分を示している。

燃料電池１１は、セルスタックとも呼ばれるものであり、図示しない複数の燃料電池セルの集合体である。燃料電池セルは、高温で作動する固体酸化物形燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell：ＳＯＦＣ）であり、電解質を挟んで一方側の面に燃料極（すなわち、アノード）が形成され、他方の面に空気極（すなわち、カソード）が形成された構成となっている。燃料電池１１は、燃料極に供給される燃料ガスと、空気極に供給される酸化剤ガスとしての空気（詳細には、空気中の酸素）との電気化学反応により発電する。

燃料電池１１は、炭化水素系の原燃料である都市ガス（すなわち、メタンを主成分とするガス）を改質して生成される水素および一酸化炭素を燃料ガスとしている。なお、使用する原燃料ガスは、炭化水素系の燃料であれば、都市ガス以外のガスを採用してもよい。

燃料電池１１は、以下の反応式Ｆ１、Ｆ２に示す水素および酸素の電気化学反応により電気エネルギを出力する。

（燃料極）２Ｈ_２＋２Ｏ^２－→２Ｈ_２Ｏ＋４ｅ^－ …（Ｆ１）
（空気極）Ｏ_２＋４ｅ^－→２Ｏ^２－ …（Ｆ２）

また、燃料電池１１は、以下の反応式Ｆ３、Ｆ４に示す一酸化炭素および酸素の電気化学反応により電気エネルギを出力する。

（燃料極）２ＣＯ＋２Ｏ^２－→２ＣＯ_２＋４ｅ^－ …（Ｆ３）
（空気極）Ｏ_２＋４ｅ^－→２Ｏ^２－ …（Ｆ４）

図１に示すように、空気ブロア２は、大気中の空気を吸い込んでホットモジュール１０内の燃料電池１１に圧送する。図１および図２に示すように、空気ブロア２から燃料電池１１への経路の途中に空気予熱器１６が設けられている。空気予熱器１６は、暖機燃焼器１８または燃焼器１７で燃焼した燃焼ガスの熱および燃料電池１１の熱により、燃料電池１１に供給される空気を加熱する。これにより、燃料電池１１に供給される空気と燃料ガスとの温度差が縮小し、燃料電池１１の発電効率が向上する。

図１に示すように、燃料ポンプ３は、炭化水素（例えば、メタン）を含む原燃料ガスを、ホットモジュール１０に設けられた熱交換器１３およびエジェクタ１４に向けて圧送する。燃料ポンプ３として、例えば電動式のものが用いられる。燃料ポンプ３とホットモジュール１０との間には脱硫器５が設けられる。脱硫器５として、水素を利用して源燃料ガスに含まれる硫黄分を除去する水添脱硫式のものが用いられる。脱硫器５から流出した原燃料ガスはホットモジュール１０に設けられた熱交換器１３を経由してエジェクタ１４のノズル部２０に供給される。すなわち、燃料ポンプ３からエジェクタ１４のノズル部２０に圧送される高圧の原燃料ガスは、エジェクタ１４の駆動流となる。そのため、本実施形態では、燃料ポンプ３からエジェクタ１４のノズル部２０までの流路を駆動流路２１と呼ぶ。

水ポンプ４は、水をホットモジュール１０内の水蒸発器１２に供給する。水蒸発器１２は、燃焼器１７で燃焼した燃焼ガスの熱により水を蒸発させて水蒸気を生成する。水蒸発器１２で生成された水蒸気は、脱硫器５から流出する原燃料ガスと共に駆動流路２１を流れ、熱交換器１３を経由してエジェクタ１４のノズル部２０に供給される。

図３に示すように、エジェクタ１４は、ノズル部２０、吸引口２２、混合部２３、ディフューザ部２４および吐出口２５などを有している。エジェクタ１４のノズル部２０は、駆動流路２１から供給される駆動流をノズル部２０の先端の噴射孔２６から混合部２３およびディフューザ部２４に向けて噴射する。

エジェクタ１４の混合部２３はノズル部２０を収容し、且つ、ノズル部２０から吐出口２５側に向かい流路面積が次第に小さくなるように形成された流路である。混合部２３の内壁のうち、ノズル部２０の径方向外側に吸引口２２が設けられている。

図１～図３に示すように、エジェクタ１４の吸引口２２には、燃料電池１１から排出される排出燃料ガス（以下、「オフガス」という）の一部が流れるリサイクル流路３０が接続されている。燃料電池１１から排出されるオフガスには、燃料電池１１の化学反応で使用されなかった燃料ガスが含まれている。リサイクル流路３０を流れるオフガスは、エジェクタ１４の吸引口２２に吸引される吸引流となる。吸引口２２からエジェクタ１４内に吸引された吸引流は、噴射孔２６から噴射された駆動流と混合され、混合流となってエジェクタ１４の吐出口２５から改質器１５へ吐出される。すなわち、燃料電池システム１は、燃料電池１１から排出されるオフガスを原燃料ガスおよび水蒸気と混合し、改質器１５を通して再び燃料電池１１に供給することで発電に繰り返し使用する構成となっている。

なお、燃料電池１１から排出されるオフガスのうちリサイクル流路３０に流れないものは、燃料電池１１から排出されるオフ空気と共に燃焼器１７で燃焼される。燃焼器１７で燃焼した燃焼ガスの熱は、改質器１５、水蒸発器１２、空気予熱器１６などの昇温に用いられる。

エジェクタ１４の混合部２３とディフューザ部２４とは連通している。ディフューザ部２４は、混合部２３側の流路面積よりも吐出口２５側の流路面積が次第に大きくなるように形成された流路である。なお、ディフューザ部２４は、混合部２３側の部位に、流路面積がほぼ一定または吐出口２５側に向かって僅かに大きくなるように形成されたスロート部２７を有していてもよい。ディフューザ部２４は、混合流を減速させ、圧力を上昇させる。すなわち、ディフューザ部２４は、混合流の運動エネルギを圧力エネルギに変換して混合流を昇圧する。

このように、エジェクタ１４は、ノズル部２０の先端の噴射孔２６から噴射される駆動流のエネルギにより、吸引口２２からリサイクル流路３０を流れる吸引流を吸引する。そして、エジェクタ１４は、混合部２３において駆動流と吸引流とを混合し、その混合した混合流をディフューザ部２４で昇圧して吐出口２５から吐出する。なお、以下の説明では、エジェクタ１４の混合部２３およびディフューザ部２４を構成する筒状の部材を、エジェクタ本体部２８と呼ぶ。

エジェクタ１４の吐出口２５から吐出された混合流は、改質器１５に流入する。混合流には、原燃料ガス、オフガスおよび水蒸気が含まれている。改質器１５は、例えばニッケルを含む水蒸気改質触媒を含んで構成されている。改質器１５は、燃焼器１７で燃焼した燃焼ガスと混合流とを熱交換させて混合流を加熱すると共に、その混合流を触媒の存在のもとで水蒸気改質反応させて燃料電池１１に供給する燃料ガスに改質する。なお、図２では、燃焼器１７で燃焼した燃焼ガスから改質器１５への熱移動を白抜き矢印ＨＴで示している。改質器１５で生成された燃料ガスは、配管１５０を通り燃料電池１１の燃料極に供給される。

改質器１５は、以下の反応式Ｆ５に示す改質反応、および反応式Ｆ６に示すシフト反応により、水素と一酸化炭素を含む燃料ガスを生成する。

ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ＋Ｈ_２ …（Ｆ５）
ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋Ｈ_２ …（Ｆ６）

ここで、改質器１５における水蒸気改質は吸熱反応であり、高温となる条件下にて改質率が向上する。そのため、エジェクタ１４から改質器１５に吐出される混合流の温度を高くすることで、改質器１５における改質率を向上することが可能である。また、混合流の温度を高くすることで、燃焼器１７から改質器１５へ熱移動させるための構成を簡素化および小型化することが可能であり、燃焼器１７で燃焼させるオフガスの流量を低減することも可能である。

そこで、本実施形態では、エジェクタ１４の外側を囲うように設けた熱交換器１３により、リサイクル流路３０を流れる吸引流がエジェクタ１４を流れる混合流と駆動流路２１を流れる駆動流との両方に熱交換される構成としている。なお、吸引流、駆動流、混合流（以下、「３流体」という）の温度に関しては、燃料電池１１から排出されるオフガスの一部である吸引流が、３流体のうち最も高温である。また、ホットモジュール１０の外の燃料ポンプ３から圧送される原燃料ガスを含む駆動流が、３流体のうち最も低温である。そして、吸引流と駆動流とが混合した混合流が、３流体のうち中間の温度となる。したがって、熱交換器１３では、吸引流の熱が混合流と駆動流の両方に熱移動することになる。

図３に示すように、熱交換器１３は、エジェクタ本体部２８の外側を囲うように設けられる筒状の第１管部３１と、その第１管部３１の外側を囲うように設けられる筒状の第２管部４０とを有している。エジェクタ本体部２８と第１管部３１との間に、吸引流が流れるリサイクル流路３０の一部としての筒状流路３０１が形成される。その筒状流路３０１は、エジェクタ本体部２８の外側を囲うように筒状に形成される。この構成により、エジェクタ本体部２８を介して吸引流と混合流との熱交換が行われる。また、第１管部３１と第２管部４０との間に、駆動流が流れる駆動流路２１の一部としての外側筒状流路２０１が形成される。その外側筒状流路２０１は、第１管部３１の外側を囲うように筒状に形成される。この構成により、第１管部３１を介して吸引流と駆動流との熱交換が行われる。

なお、エジェクタ本体部２８と第１管部３１との間に形成される筒状流路３０１は、エジェクタ１４の吸引口２２に連通している。また、第１管部３１と第２管部４０との間に形成される外側筒状流路２０１は、エジェクタ１４のノズル部２０の流入口２９に連通している。

ここで、図２に示したように、ホットモジュール１０は、水蒸発器１２、改質器１５、空気予熱器１６、燃焼器１７および燃料電池１１などを筐体１９の内側に収容している。なお、ホットモジュール１０の筐体１９は、空気予熱器１６、改質器１５および水蒸発器１２などの外壁で構成されていてもよい。

図２および図３では、説明の便宜上、エジェクタ本体部２８、第１管部３１および第２管部４０における軸方向の一端側と他端側を、両矢印ＤＲで示している。図３に示すように、エジェクタ本体部２８、第１管部３１および第２管部４０は、軸方向の一端がホットモジュール１０の筐体１９または筐体１９の内部の構成部材に接続されている。具体的には、エジェクタ本体部２８の軸方向の一端は、筐体１９の内部において改質器１５の入口側の構成部材１５１に接続されている。第１管部３１の軸方向の一端は、筐体１９の内部においてリサイクル流路３０を構成する部材３１１に接続されている。第２管部４０の軸方向の一端は、水蒸発器１２の外壁１２１に接続されている。なお、水蒸発器１２の外壁１２１は、ホットモジュール１０の筐体１９の一部を構成している。

一方、エジェクタ本体部２８の軸方向の他端、第１管部３１の軸方向の他端、および第２管部４０の軸方向の他端は、ホットモジュール１０の筐体１９から外側に延びている。エジェクタ本体部２８、第１管部３１および第２管部４０はいずれも、軸方向の他端側が筐体１９から外側に延びる「片側フリー構造」とされることで、熱膨張に対して自由に変形可能となり、熱歪が低減される構成となっている。なお、第１管部３１の軸方向の他端は閉塞されており、第２管部４０の軸方向の他端も閉塞されている。

エジェクタ１４は、エジェクタ本体部２８の軸方向の他端側にノズル部２０が配置され、エジェクタ本体部２８の軸方向の一端側に吐出口２５が配置されている。そのため、混合流は、エジェクタ本体部２８の内側を他端側から一端側に流れる。また、上述したように、第１管部３１の軸方向の一端は、筐体１９の内部においてリサイクル流路３０を構成する部材３１１に接続されており、エジェクタ１４の吸引口２２は、エジェクタ本体部２８の他端側に設けられている。そのため、吸引流は、筒状流路３０１を一端側から他端側に流れる。このように、エジェクタ本体部２８の内側を流れる混合流と、筒状流路３０１を流れる吸引流とは、互いに対向する方向に流れる対向流となっている。したがって、混合流と吸引流との熱交換効率を高めることが可能である。

また、上述したように、第２管部４０の軸方向の一端は、水蒸発器１２の外壁１２１に接続されている。そのため、駆動流は、外側筒状流路２０１を一端側から他端側に流れる。このように、筒状流路３０１を流れる吸引流と、外側筒状流路２０１を流れる駆動流とは、互いに並行に流れる並行流となっている。これにより、駆動流の過昇温を防ぎ、駆動流の温度が炭素析出領域に入らないようにすることが可能である。また、３流体のうち最も低温の駆動流が流れる外側筒状流路２０１を最外部へ配置することで、第２管部４０から外部への放熱量を低減することができる。すなわち、この熱交換器１３の構成により、３流体から外部への放熱量を低減することができる。

以上説明した本実施形態のホットモジュール１０は、次の作用効果を奏するものである。
（１）本実施形態のホットモジュール１０が備える熱交換器１３は、リサイクル流路３０を流れる吸引流がエジェクタ１４内を流れる混合流と駆動流路２１を流れる駆動流との両方に熱交換されるように構成されている。
これによれば、熱交換器１３により吸引流の熱が混合流と駆動流との両方に移動する構成としたことで、吸引流の熱をホットモジュール１０内の改質器１５に循環させ、その熱が外部へ無駄に放熱されることが抑制される。改質器１５に供給される混合流の温度を高くすることで、燃焼器１７から改質器１５へ熱移動させるための構成を簡素化および小型化し、燃焼器１７で燃焼させるオフガスを低減可能である。したがって、熱エネルギを補うための原燃料ガスの供給量を低減し、燃料電池１１の発電効率を高めることができる。また、改質器１５に供給される混合流の温度を高くすることで、改質器１５内で原燃料ガスを燃料ガスに改質する改質率を向上させることも可能である。したがって、原燃料ガスの供給量を低減し、燃料電池１１の発電効率を高めることができる。

また、熱交換器１３により吸引流の温度を下げることで、吸引流の体積が減少し流速が遅くなる。そのため、低動力で、より多くの吸引流がエジェクタ１４の吸引口２２に吸い込まれる。したがって、このホットモジュール１０は、低動力で、より多くの吸引流すなわちオフガスを循環させることで、原燃料ガスの供給量を低減し、燃料電池１１の発電効率を高めることができる。

さらに、熱交換器１３により駆動流の温度を高くすることで、駆動流の体積が増加し流速が速くなる。そのため、駆動流すなわち原燃料ガスを高圧にするための燃料ポンプ３の動力を低減し、燃料電池１１の発電効率を高めることができる。

（２）本実施形態では、熱交換器１３は、エジェクタ本体部２８の外側を囲う筒状の第１管部３１を有し、エジェクタ本体部２８と第１管部３１との間に吸引流が流れる筒状流路３０１を形成することで、エジェクタ本体部２８を介して吸引流と混合流との熱交換が行われる構成となっている。
これによれば、本実施形態では、エジェクタ本体部２８と第１管部３１に着目した場合、エジェクタ１４と熱交換器１３をコンパクトな２重管構造と見ることができる。これにより、エジェクタ１４と熱交換器１３とを一体に構成しているので、部品点数を低減し、且つ、小型化することができる。

また、本実施形態では、エジェクタ本体部２８の外側を第１管部３１で囲うことで、第１管部３１の内側の筒状流路３０１の流路断面積を広く確保することが可能となり、吸引流の圧力損失を低減することが可能である。ところで、図示は省略するが、一般に、従来タイプのエジェクタは、エジェクタの軸に対して直交する方向から吸入流が流入する構成とされ、吸引口の周囲に圧力損失を低減するためのタンクが設けられることがある。それに対し、本実施形態のエジェクタ１４は、吸引流の圧力損失を低減可能な構成であるため、従来タイプのエジェクタのようなタンクを廃止することが可能である。

さらに、本実施形態では、吸引流の圧力損失を低減することで、低動力で、より多くの吸引流がエジェクタ１４の吸引口２２に吸い込まれることから、駆動流すなわち原燃料ガスを高圧にするための燃料ポンプ３の動力を低減することができる。

ところで、上記特許文献１に記載のホットモジュール１０は、熱交換器１３とエジェクタ１４とが別々に構成されていたので、熱交換器１３からエジェクタ１４へ吸引流、駆動流を流す配管の表面や熱交換器１３の表面から外部への放熱量が大きくなるといった問題があった。また、熱交換器１３からエジェクタ１４へ吸引流、駆動流を流す配管により部品点数が多くなるといった問題もあった。

それに対し、本実施形態では、エジェクタ本体部２８の外側を囲う第１管部３１により、熱交換器１３とエジェクタ１４とを一体に構成しているので、吸引流から混合流への熱移動を可能とし、熱交換器１３の表面から外部への放熱量を低減できる。また、熱交換器１３とエジェクタ１４とを一体に構成しているので、部品点数を低減し、且つ小型化することができる。

（３）本実施形態では、エジェクタ本体部２８の内側を流れる混合流と、第１管部３１とエジェクタ本体部２８との間の筒状流路３０１を流れる吸引流とは対向流となっている。
これにより、エジェクタ本体部２８と第１管部３１により対向流型の熱交換器１３を構成することで、伝熱性能を向上し、混合流と吸引流との熱交換効率を高めることができる。

（４）本実施形態では、熱交換器１３は、第１管部３１の外側を囲う筒状の第２管部４０を有し、第１管部３１と第２管部４０との間に駆動流が流れる外側筒状流路２０１を形成することで、第１管部３１を介して吸引流と駆動流との熱交換が行われる構成となっている。
これによれば、本実施形態では、エジェクタ本体部２８と第１管部３１と第２管部４０とに着目した場合、それらをコンパクトな３重管構造と見ることができる。これにより、エジェクタ１４と熱交換器１３とを一体に構成しているので、部品点数を低減し、且つ、小型化することができる。

また、第１管部３１の外側を第２管部４０で囲うことで、第１管部３１と第２管部４０との間の外側筒状流路２０１の流路断面積を広く確保することが可能となり、駆動流の圧力損失を低減することが可能である。

さらに、本実施形態では、吸引流、混合流、駆動流のうち一番低温の流体である駆動流が流れる外側筒状流路２０１を最外部へ配置することで、第２管部４０から外部への放熱量を低減することができる。すなわち、この熱交換器１３の構成により、３流体から外部への放熱量を低減することができる。

（５）本実施形態では、筒状流路３０１を流れる吸引流と、外側筒状流路２０１を流れる駆動流とは並行流となっている。
これによれば、第１管部３１と第２管部４０により並行流型の熱交換器１３を構成することで、駆動流の上限温度を制御し、過昇温を防止することで、炭素の析出を防止できる。

（６）本実施形態では、エジェクタ１４、第１管部３１および第２管部４０は、一端が筐体１９または筐体１９の内部の構成部材に接続され、他端が筐体１９から外側に延びている。
これによれば、エジェクタ１４、第１管部３１および第２管部４０を片側フリー構造とすることで、熱膨張に対して自由に変形可能となる。そのため、熱歪による破損を防止することができる。

（７）本実施形態では、第２管部４０の他端は水蒸発器１２に接続されており、外側筒状流路２０１には、原燃料ガスおよび水蒸気を含む駆動流が流れるように構成されている。
これによれば、熱交換器１３により駆動流の温度を高くすることで、外側筒状流路２０１で水蒸気が凝縮することを防ぐことができる。

また、外側筒状流路２０１の流路断面積を広く確保することが可能となり、そこを流れる駆動流の圧力損失を低減することができる。したがって、駆動流すなわち原燃料ガスを高圧にするための燃料ポンプ３の動力を低減し、発電効率を向上させることができる。

（８）本実施形態では、エジェクタ１４のうち混合流を吐出する吐出口２５は、改質器１５に接続されている。
これによれば、エジェクタ１４の吐出口２５から改質器１５への流路断面積を広く確保することが可能となり、そこを流れる混合流の圧力損失を低減することができる。したがって、燃料ポンプ３の動力を低減することができる。

（第２実施形態）
第２実施形態について説明する。第２実施形態は、第１実施形態に対して熱交換器１３の構成の一部を変更したものであり、その他については第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図４に示すように、第２実施形態のホットモジュール１０が備える熱交換器１３も、第１実施形態と同じく、エジェクタ本体部２８の外側を囲う筒状の第１管部３１と、その第１管部３１の外側を囲う筒状の第２管部４０とを有している。エジェクタ本体部２８と第１管部３１との間に吸引流が流れる筒状流路３０１が形成され、第１管部３１と第２管部４０との間に駆動流が流れる外側筒状流路２０１が形成されている。

第２実施形態では、第２管部４０の軸方向の他端に、蓋部材４１が着脱可能に設けられている。具体的に、第２管部４０の軸方向他端側の端部には、蓋部材４１を取り付けるための筒部材４２が固定されている。その筒部材４２の径内側には雌ねじ４３が設けられている。一方、蓋部材４１の外壁には雄ねじ４４が設けられている。そのため、筒部材４２の雌ねじ４３に蓋部材４１の雄ねじ４４を螺合することで、蓋部材４１は、第２管部４０の軸方向の他端に着脱可能に設けられる。

蓋部材４１には、温度監視用センサ４５が設けられている。温度監視用センサ４５は、その温度検知部が外側筒状流路２０１からエジェクタ１４のノズル部２０の内側に配置される。これにより、外側筒状流路２０１からノズル部２０に流入する駆動流の温度を監視することが可能である。なお、温度監視用センサ４５として、例えば熱電対などを用いることが可能である。

以上説明した第２実施形態も、上述した第１実施形態と同一の作用効果を奏することが可能である。
さらに、第２実施形態では、ホットモジュール１０は、エジェクタ１４のノズル部２０の内側に配置される温度監視用センサ４５を用いて駆動流の温度を監視することで、駆動流の過昇温を防止し、駆動流の温度が炭素析出領域に入らないよう監視することができる。

また、第２実施形態では、熱交換器１３を構成する第２管部４０の他端に、蓋部材４１が着脱可能に設けられている。そのため、蓋部材４１を取り外し、ノズル部２０のメンテナンス作業を行うことが可能である。したがって、ノズル部２０への異物付着や炭素析出によるノズル部２０の流路閉塞を防ぐことができる。

（第３実施形態）
第３実施形態について説明する。第３実施形態も、第１実施形態等に対して熱交換器１３の構成の一部を変更したものであり、その他については第１実施形態等と同様であるため、第１実施形態等と異なる部分についてのみ説明する。

図５に示すように、第３実施形態のホットモジュール１０が備える熱交換器１３は、エジェクタ本体部２８の外側を囲う筒状の第１管部３１と、その第１管部３１の外側に螺旋状に設けられる螺旋配管４６とで構成されている。螺旋配管４６は、第１管部３１の周囲を旋回するように設けられている。螺旋配管４６の内側の駆動流路２１には、駆動流が流れる。この構成により、第１管部３１と螺旋配管４６を介して吸引流と駆動流との熱交換を行うことが可能である。

以上説明した第３実施形態では、熱交換器１３は、エジェクタ本体部２８と第１管部３１による２重管構造に螺旋配管４６を加えた構成である。すなわち、熱交換器１３は、上述の第１実施形態で説明したような３重管構造に限るものでなく、この第３実施形態で例示したような２重管構造とすることも可能である。この第３実施形態の構成においても、改質器１５に供給される混合流の温度を高くすることで、燃焼器１７から改質器１５へ熱移動させるための構成を簡素化および小型化することが可能になると共に、燃焼器１７で燃焼させるオフガスを低減可能である。また、改質器１５に供給される混合流の温度を高くすることで、改質器１５内で原燃料ガスを燃料ガスに改質する改質率を向上させることが可能である。

また、熱交換器１３により吸引流の温度を下げることで、吸引流の体積が減少し流速が遅くなる。そのため、低動力で、より多くの吸引流がエジェクタ１４の吸引口２２に吸い込まれる。したがって、このホットモジュール１０は、低動力で、より多くの吸引流すなわちオフガスを循環させることができる。

さらに、熱交換器１３により駆動流の温度を高くすることで、駆動流の体積が増加し流速が速くなる。そのため、駆動流すなわち原燃料ガスを高圧にするための燃料ポンプ３の動力を低減し、燃料電池１１の発電効率を高めることができる。

（第４実施形態）
第４実施形態について説明する。第４実施形態も、第１実施形態等に対して熱交換器１３の構成の一部を変更したものであり、その他については第１実施形態等と同様であるため、第１実施形態等と異なる部分についてのみ説明する。

図６に示すように、第４実施形態のホットモジュール１０が備える熱交換器１３も、第１実施形態と同じく、エジェクタ本体部２８の外側を囲う筒状の第１管部３１と、その第１管部３１の外側を囲う筒状の第２管部４０とを有している。エジェクタ本体部２８と第１管部３１との間に吸引流が流れる筒状流路３０１が形成され、第１管部３１と第２管部４０との間に駆動流が流れる外側筒状流路２０１が形成されている。

第４実施形態では、第２管部４０に複数のディンプル４８が設けられている。複数のディンプル４８は、第２管部４０から径方向内側に突出し、その先端が第１管部３１の外壁に接している。これにより、外側筒状流路２０１の幅を一定に管理することが可能である。

以上説明した第４実施形態も、上述した第１実施形態と同一の作用効果を奏することが可能である。

なお、第４実施形態の第１の変形例として、図示は省略するが、第１管部３１に複数のディンプルを設けてもよい。その場合、複数のディンプルは、第１管部３１から径方向外側に突出し、その先端が第２管部４０の内壁に接する構成とされる。このようにしても、外側筒状流路２０１の幅を一定に管理することが可能である。

また、第４実施形態の第２の変形例として、図示は省略するが、第１管部３１から径方向内側に突出する複数のディンプルを設け、その先端がエジェクタ本体部２８の外壁に接する構成としてもよい。これにより、筒状流路３０１の幅を一定に管理することが可能である。

（第５実施形態）
第５実施形態について説明する。上述した第１実施形態等では、エジェクタ本体部２８の周囲に吸引流を流すことで、混合流と吸引流との熱交換を行うようにした。それに対し、第５実施形態では、エジェクタ本体部２８の吐出口２５よりも下流側の流路の途中で、吐出口２５から吐出された混合流と吸引流との熱交換を行うようにしても良い。

（他の実施形態）
（１）上記各実施形態では、第１管部３１および第２管部４０を筒状として説明したが、これに限らず、第１管部３１および第２管部４０の形状は、軸に対する断面が円形、楕円形、多角形、または、多角形と円形を組み合わせた形状など、種々の形状を採用できる。

（２）上記各実施形態では、エジェクタ１４、第１管部３１および第２管部４０は、ホットモジュール１０の筐体１９から外側に延びるように配置したが、これに限らず、例えば、エジェクタ１４、第１管部３１および第２管部４０は、ホットモジュール１０の筐体１９の内部に配置してもよい。

（３）上記各実施形態では、熱交換器１３は、混合流と吸引流とが対向流となるように構成したが、これに限らず、混合流と吸引流とが並行流となるように構成してもよい。

（４）上記各実施形態では、熱交換器１３は、吸引流と駆動流とが並行流となるように構成したが、これに限らず、吸引流と駆動流とが対向流となるように構成してもよい。

（５）上記各実施形態では、エジェクタ本体部２８と第１管部３１との間に筒状流路３０１を形成し、第１管部３１と第２管部４０との間に外側筒状流路２０１を形成したが、その筒状流路３０１、外側筒状流路２０１は、周方向に連続した流路に限らず、その一部が周方向に断続した流路としてもよい。

本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。また、上記各実施形態は、互いに無関係なものではなく、組み合わせが明らかに不可な場合を除き、適宜組み合わせが可能である。また、上記各実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。また、上記各実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではない。また、上記各実施形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その形状、位置関係等に限定されるものではない。

１１ 燃料電池
１３ 熱交換器
１４ エジェクタ
１５ 改質器
２０ ノズル部
２１ 駆動流路
２２ 吸引口
２３ 混合部
２４ ディフューザ部
３０ リサイクル流路

Claims (10)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により電気エネルギを出力する固体酸化物型の燃料電池（１１）に燃料ガスを供給する構成を備えた燃料電池用ホットモジュールにおいて、
   炭化水素系の高圧の原燃料ガスが駆動流として流れる駆動流路（２１）と、
   前記燃料電池から排出される排出燃料ガスの一部が吸引流として流れるリサイクル流路（３０）と、
   前記駆動流路から供給される前記駆動流を噴射するノズル部（２０）と、前記ノズル部から噴射される前記駆動流のエネルギにより前記リサイクル流路を流れる前記吸引流が吸引される吸引口（２２）と、前記駆動流と前記吸引流とを混合し昇圧する混合部（２３）およびディフューザ部（２４）とを有し、前記駆動流と前記吸引流とを混合した混合流を吐出するエジェクタ（１４）と、
   前記エジェクタから吐出された前記混合流を触媒の存在のもとで吸熱反応させて前記燃料電池に供給する燃料ガスに改質する改質器（１５）と、
   前記リサイクル流路を流れる前記吸引流が前記混合流と前記駆動流との両方に熱交換されるように構成されている熱交換器（１３）と、を備える燃料電池用ホットモジュール。
2. 前記熱交換器は、前記エジェクタの有する前記混合部および前記ディフューザ部を構成するエジェクタ本体部の外側を囲う筒状の第１管部（３１）を有し、前記エジェクタ本体部と前記第１管部との間に前記吸引流が流れる筒状流路（３０１）を形成することで、前記エジェクタ本体部を介して前記吸引流と前記混合流との熱交換が行われる構成となっている、請求項１に記載の燃料電池用ホットモジュール。
3. 前記エジェクタ本体部の内側を流れる前記混合流と、前記筒状流路を流れる前記吸引流とは、互いに対向する方向に流れる対向流となっている、請求項２に記載の燃料電池用ホットモジュール。
4. 前記熱交換器は、前記第１管部の外側を囲う筒状の第２管部（４０）を有し、前記第１管部と前記第２管部との間に前記駆動流が流れる外側筒状流路（２０１）を形成することで、前記第１管部を介して前記吸引流と前記駆動流との熱交換が行われる構成となっている、請求項２または３に記載の燃料電池用ホットモジュール。
5. 前記筒状流路を流れる前記吸引流と、前記外側筒状流路を流れる前記駆動流とは、互いに並行に流れる並行流となっている、請求項４に記載の燃料電池用ホットモジュール。
6. 前記外側筒状流路から前記ノズル部の内側に設けられる温度監視用センサ（４５）を備える、請求項４または５に記載の燃料電池用ホットモジュール。
7. 前記ホットモジュールは、前記燃料電池および前記改質器を収容する筐体（１９）を備えており、
   前記エジェクタ、前記第１管部および前記第２管部は、一端が前記筐体または前記筐体の内部の構成部材に接続され、他端が前記筐体から外側に延びている、請求項４ないし６のいずれか１つに記載の燃料電池用ホットモジュール。
8. 前記エジェクタの前記ノズル部は、前記エジェクタの他端側に配置されており、
   前記第２管部の他端には、蓋部材（４１）が着脱可能に設けられている、請求項７に記載の燃料電池用ホットモジュール。
9. 前記ホットモジュールは、水を蒸発させて水蒸気を生成する水蒸発器（１２）を備えており、
   前記第２管部の他端は前記水蒸発器に接続されており、前記外側筒状流路には、前記原燃料ガスおよび前記水蒸気を含む前記駆動流が流れるように構成されている、請求項４ないし８のいずれか１つに記載の燃料電池用ホットモジュール。
10. 前記エジェクタのうち前記混合流を吐出する吐出口は、前記改質器に接続されている、請求項１ないし９のいずれか１つに記載の燃料電池用ホットモジュール。

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