JP2023134282A - 燃料電池システムのホットモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】組み立てが容易な燃料電池システムのホットモジュールを提供する。【解決手段】燃料電池システム１００のホットモジュールＨＭであって、第１台座上Ｘ１ａに形成される第１ボックスＸ１と、第２台座Ｘ２ａ上に形成される第２ボックスＸ２と、第２ボックスＸ２の内部に第１ボックスＸ１を収容した状態で、第２台座Ｘ２ａから所定高さに第１台座Ｘ１ａを支持する複数本の支柱５１と、第１ボックスＸ１内に配置され、燃料電池システム１００の発電動作時に内部で化学反応を伴う第１機器グループＧＰ１と、第１台座Ｘ１ａよりも下方の第２ボックスＸ２内に配置され、燃料電池システム１００の発電動作時に内部で化学反応を伴わない第２機器グループＧＰ２と、を備え、第１機器グループＧＰ１と第２機器グループＧＰ２との間での流体の受け渡しを、第１台座Ｘ１ａを上下方向に貫通する管路を通じて行うように構成する。【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池システムのホットモジュールに関する。

従来、ガスタービン発電機やガスエンジン発電機に比べて環境有害物質の放出が少なく発電効率に優れる発電装置として、様々なタイプの燃料電池が開発されてきた。特に、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は５０％以上の高い発電効率が得られるため、産業用から家庭用まで広範な出力範囲の発電に利用される。

燃料電池システムは、都市ガス等のメタン含有ガスを原燃料とする改質形と、水素を原燃料とする非改質形があるが、日本国内では水素供給インフラが整備途上であるため、前者が主流となっている。改質形燃料電池システムでは、発電のコアとなるセルスタックと燃料改質やガス予熱などに必要な補助機器をパッケージにして、熱的に自立可能なホットモジュールを構成している。

ホットモジュールは、特許文献１～３に開示されるように、発電出力に応じた複数基のセルスタックを備えており、ホットボックスと呼ばれることもある。なお、ＳＯＦＣセルスタックの動作温度は、５００～７００℃と高温であるため、ホットモジュールもこの温度領域に対応できるように設計がなされる。

米国出願公開２００８／０３１１４４５号公報 特表２００９－５２４２０８号公報 特表２０１０－５３４９１３号公報

特許文献１には、複数基のセルスタックおよび一体型の改質器－燃焼器ユニットを熱的に統合して断熱材からなる筐体の内部に収容し、この筐体を燃料用熱交換器および空気用熱交換器と共にホットボックスの内部に配置する構成の高温燃料電池システムが記載されている。この態様のシステムでは、筐体の天板および底板に複数種のガスを流入出させる多数のポート部が形成されるため、ポート部の穴加工、配管機材の接続、漏れ止めのシール等に多大な工数を必要とする。また、筐体に対する燃焼排ガスの流出方向や空気の流入方向の関係で、空気用熱交換器を筐体の上方、下方、側方のいずれに配置する場合でも、配管の施工が非常に複雑で、パイプ類も余分な長さが必要となる。

特許文献２には、複数基のセルスタックおよび改質器を熱的に統合してベースの上に配置し、これらの機器をケーシングで覆う構成の燃料電池スタックモジュールが記載されている。また、特許文献３には、複数基のセルスタックおよびアノード排ガス酸化器（ＡＴＯ）を熱的に統合してベースの上に配置し、これらの機器をケーシングで覆う構成の燃料電池スタックモジュールが記載されている。ベースは、燃料用熱交換器、空気用熱交換器、予備改質器、蒸発器等が収容されるチャンバとなっており、モジュール全体がホットボックスを構成する。

これらの態様のシステムでは、ベースの天板の上下面では大きな温度差が発生するため、セルスタックの下面に形成されたガスポートとベースの上面に形成されたガスポートの連通部には、熱応力の影響を受けない特別なシールが必要である。また、ベースの内部では、ガス分配用／収集用配管の母管と枝管が複雑に入り組んだ構造となるうえ、配管部を複数個所で支持する必要もある。

以上のように、特許文献１～３に係るシステムは、ホットボックス（ホットモジュール）の組み立てに関し、工数などで解決すべき課題が多いものとなっている。本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、組み立てが容易な燃料電池システムのホットモジュールを提供することを目的とする。

本発明に係るホットモジュールは、燃料電池システムのホットモジュールであって、第１台座上に形成される第１ボックスと、第２台座上に形成される第２ボックスと、前記第２ボックスの内部に前記第１ボックスを収容した状態で、前記第２台座から所定高さに前記第１台座を支持する複数本の支柱と、前記第１ボックス内に配置され、前記燃料電池システムの発電動作時に内部で化学反応を伴う第１機器グループと、前記第１台座よりも下方の前記第２ボックス内に配置され、前記燃料電池システムの発電動作時に内部で化学反応を伴わない第２機器グループと、を備え、前記第１機器グループと前記第２機器グループとの間での流体の受け渡しを、前記第１台座を上下方向に貫通する管路を通じて行うようにした構成とする。本構成によれば、組み立てが容易な燃料電池システムのホットモジュールとすることが可能となる。

上記構成としてより具体的には、前記第１ボックスの側部および頂部に装着される板状断熱材と、前記第２機器グループの配置空間に充填される粒状断熱材と、を備えた構成としても良い。

また上記構成としてより具体的には、バーナと、水蒸気を生成する蒸発器と、前記バーナの燃焼熱を受け、前記水蒸気を用いて原燃料ガスを改質する改質器と、前記改質されたガスを用いて発電する燃料電池セルスタックと、前記ホットモジュール内の流体どうしの熱交換を行う熱交換器と、を備え、前記第１機器グループは、前記燃料電池セルスタック、前記改質器、および前記バーナを含み、前記第２機器グループは、前記蒸発器および前記熱交換器を含む構成としても良い。本構成によれば、ホットモジュールの材料コストを抑制することが可能となる。

また上記構成としてより具体的には、前記第２機器グループを通る流体の管路に、ベローズ形伸縮管継手を設けた構成としても良い。本構成によれば、パイプの配管にベローズ形伸縮管継手を使用することにより、熱応力の発生が回避される。

また上記構成としてより具体的には、前記第２機器グループの配置空間に、前記燃料電池システムの発電動作時に所定の条件を満足した場合にのみ内部で化学反応を伴う第３機器グループが配置され、前記第３機器グループは、一酸化炭素酸化器を含む構成としても良い。本構成によれば、第１ボックスの容量を抑制することができる。

本発明に係るホットモジュールによれば、組み立てが容易な燃料電池システムのホットモジュールとすることが可能となる。

本実施形態に係る燃料電池システム１００の構成を示す説明図である。 本実施形態に係るホットモジュールＨＭの斜視図である。 一部を不図示としたホットモジュールＨＭの斜視図である。 一部を不図示としたホットモジュールＨＭの斜視図である。 一部を不図示としたホットモジュールＨＭの斜視図である。 一部を不図示としたホットモジュールＨＭの斜視図である。 一部を不図示としたホットモジュールＨＭの側面図である。 一部を不図示としたホットモジュールＨＭの側面図である。 本実施形態に係る改質ガス発生装置ＲＧの側面図である。 改質ガス発生装置ＲＧの側方視断面図である。 改質ガス発生装置ＲＧにおけるバーナ近傍の構成図である。 一部を不図示としたホットモジュールＨＭの側面図である。 本実施形態に係るセルスタック１の斜視図である。 本実施形態に係るセルスタック１の斜視図である。 セルスタック１の平面図である。 本実施形態に係るスタック集合体６１の斜視図である。 スタック集合体６１の斜視図である。 単位ラックにセルスタック１を搭載した状態の説明図である。 本実施形態に係るマニホールドから延びる枝管の説明図である。 セルスタック１の各電力端子の接続形態に関する説明図である。 本実施形態に係るプレート組立体８０の構成図である。 プレート組立体８０に用いられる伝熱プレート８１の斜視図である。 低温流体流路および高温流体流路に関する説明図である。

以下、本発明の実施形態について各図面を参照しながら説明する。

＜燃料電池システムの構成概要＞
まず本実施形態に係る燃料電池システム１００の構成概要について説明する。図１は、燃料電池システム１００の構成を示す説明図である。図１に示すように燃料電池システム１００は、複数のセルスタック（燃料電池セルスタック）１、改質器２、バーナ３、蒸発器４、空気予熱器５、アノードオフガス冷却器６、アノードオフガス凝縮器７、ＣＯ酸化器（一酸化炭素酸化器）８、凝縮水回収タンク９、第１原燃料ブロワ１０、第１空気ブロワ１１、水ポンプ１２、第２原燃料ブロワ１３、第２空気ブロワ１４、パワーコンディショナ１５、およびシステムコントローラ１６を備える。

なお、本実施形態の例では、図１において図示を省略したものを含め、計８個のセルスタック１が備えられている。また以下の説明では、燃料電池システム１００を単に「システム」と称することがある。

また燃料電池システム１００は、原燃料ラインＬａ、混合ガスラインＬｂ、アノード燃料ラインＬｃ、アノードオフガスラインＬｄ、カソード空気ラインＬｅ、カソードオフガスラインＬｆ、燃焼ガスラインＬｇ、バーナ冷却用空気ラインＬｈ、改質水ラインＬｉ、起動用空気ラインＬｊ、および凝縮水回収ラインＬｗの各ライン（管路）を備える。

アノード燃料ラインＬｃは、アノード燃料の導入母管となる第１分配マニホールドＭａを含み、カソード空気ラインＬｅは、カソード空気の導入母管となる第２分配マニホールドＭｂを含む。これらの分配マニホールドＭａ，Ｍｂは、入口と各セルスタック１に対応した複数の出口とを有しており、入口に流入した流体を各出口それぞれから流出させる。

アノードオフガスラインＬｄは、アノードオフガスの導出母管となる第１収集マニホールドＭｃを含み、カソードオフガスラインＬｆは、カソードオフガスの導出母管となる第２収集マニホールドＭｄを含む。これらの収集マニホールドＭｃ，Ｍｄは、各セルスタック１に対応した複数の入口と出口を有しており、各入口それぞれに流入した流体を出口から流出させる。

燃焼ガスラインＬｇは、熱放射筒Ｚａおよび燃焼ガス管Ｚｂを含む。

原燃料ラインＬａは、燃料取入口Ｅ１とバーナ３を接続する管路であり、この管路中には第２原燃料ブロワ１３が配置されている。第２原燃料ブロワ１３は、燃料取入口Ｅ１から取り入れられた原燃料ガス（例えば都市ガス１３Ａ等のメタン含有ガス）Ｇｆを昇圧して、原燃料ラインＬａの下流側へ送る機器であり、典型的にはシステムのスタートアップ運転時に駆動される。

混合ガスラインＬｂは、燃料取入口Ｅ２と改質器２を接続する管路であり、この管路中には上流側から順に、第１原燃料ブロワ１０、蒸発器４、および第１ベローズ形伸縮管継手Ｂ１が配置されている。第１原燃料ブロワ１０は、燃料取入口Ｅ２から取り入れられた原燃料ガスＧａを昇圧して、混合ガスラインＬｂの下流側へ送る機器であり、典型的にはシステムの発電運転時に駆動される。

アノード燃料ラインＬｃは、改質器２と各セルスタック１のアノードとを接続する管路である。より具体的に説明すると、アノード燃料ラインＬｃは上流側から順に、改質器２と第１分配マニホールドＭａの入口とを接続する管路、第１分配マニホールドＭａ、および、第１分配マニホールドＭａの各出口と各セルスタック１のアノードとを接続する８本の管路（第１分配マニホールドＭａの枝管）を有する。

アノードオフガスラインＬｄは、各セルスタック１のアノードとバーナ３とを接続する管路である。より具体的に説明すると、アノードオフガスラインＬｄは上流側から順に、各セルスタック１のアノードと第１収集マニホールドＭｃの各入口とを接続する８本の管路（第１収集マニホールドＭｃの枝管）、第１収集マニホールドＭｃ、および、第１収集マニホールドＭｃの出口とバーナ３の第１ガス筒３１（後述）とを接続する管路（以下、「管路Ｌｄ１」と称する。）を有する。管路Ｌｄ１の途中には、上流側から順に、第２ベローズ形伸縮管継手Ｂ２、アノードオフガス冷却器６、アノードオフガス凝縮器７、および気水分離部Ｓａが配置されている。

カソード空気ラインＬｅは、空気取入口Ｅ３と各セルスタック１のカソードとを接続する管路である。より具体的に説明すると、カソード空気ラインＬｅは上流側から順に、空気取入口Ｅ３と第２分配マニホールドＭｂの入口とを接続する管路（以下、「管路Ｌｅ１」と称する。）、第２分配マニホールドＭｂ、および、第２分配マニホールドＭｂの各出口と各セルスタック１のカソードとを接続する８本の管路（第２分配マニホールドＭｂの枝管）を有する。

管路Ｌｅ１の途中には、上流側から順に、第１空気ブロワ１１、アノードオフガス冷却器６、空気予熱器５、および第３ベローズ形伸縮管継手Ｂ３が配置されている。第１空気ブロワ１１は、空気取入口Ｅ３から取り入れられた空気Ａａを昇圧して、カソード空気ラインＬｅの下流側へ送る機器であり、典型的にはシステムの発電運転時に駆動される。更に管路Ｌｅ１においては、空気取入口Ｅ３とアノードオフガス冷却器６の中間点、および、空気予熱器５と第３ベローズ形伸縮管継手Ｂ３の中間点を結ぶように、アノードオフガス冷却器６と空気予熱器５を迂回するバイパス経路Ｌｅ２が設けられている。

カソードオフガスラインＬｆは、各セルスタック１のカソードとバーナ３とを接続する管路である。より具体的に説明すると、カソードオフガスラインＬｆは上流側から順に、各セルスタック１のカソードと第２収集マニホールドＭｄの各入口とを接続する８本の管路（第２収集マニホールドＭｄの枝管）、第２収集マニホールドＭｄ、および、第２収集マニホールドＭｄの出口とバーナ３の第２ガス筒３２（後述）とを接続する管路（以下、「管路Ｌｆ１」と称する。）を有する。

燃焼ガスラインＬｇは、バーナ３とガス排出口Ｄ１とを接続する管路である。より具体的に説明すると、燃焼ガスラインＬｇは上流側から順に、熱放射筒Ｚａ、熱放射筒Ｚａと燃焼ガス管Ｚｂとを接続する管路、燃焼ガス管Ｚｂ、および、燃焼ガス管Ｚｂとガス排出口Ｄ１とを接続する管路（以下、「管路Ｌｇ１」と称する。）を有する。管路Ｌｇ１の途中には、上流側から順に、第４ベローズ形伸縮管継手Ｂ４、空気予熱器５、ＣＯ酸化器８、および、蒸発器４が配置されている。

バーナ冷却用空気ラインＬｈは、管路Ｌｅ１と起動用空気ラインＬｊとを接続する管路であり、この管路中には不図示の流量調整手段（オリフィス等）が設けられている。より具体的に説明すると、バーナ冷却用空気ラインＬｈは、第１空気ブロワ１１とアノードオフガス冷却器６を接続する管路Ｌｅ１の中間点で分岐し、第２空気ブロワ１４の下流側で起動用空気ラインＬｊに合流する管路であり、第１空気ブロワ１１の駆動時に微小流量の空気Ａｂがバーナ３に向けて流通するように構成されている。なお、詳細は後述するが、バーナ３の燃焼温度によってはバーナ冷却用空気ラインＬｈを省略可能である。

改質水ラインＬｉは、凝縮水回収タンク９と蒸発器４とを接続する管路であり、この管路中には水ポンプ１２が配置されている。水ポンプ１２は、凝縮水回収タンク９に貯留した凝縮水Ｗｂを改質水Ｗａとして改質水ラインＬｉの下流側へ送る機器である。

起動用空気ラインＬｊは、空気取入口Ｅ４と管路Ｌｆ１とを接続する管路であり、この管路中には第２空気ブロワ１４が配置されている。第２空気ブロワ１４は、空気取入口Ｅ４から取り入れられた空気Ａｃを昇圧して、起動用空気ラインＬｊの下流側へ送る機器であり、典型的にはシステムのスタートアップ運転時に駆動される。

凝縮水回収ラインＬｗは、管路Ｌｄ１の途中に配置された気水分離部Ｓａと凝縮水回収タンク９とを接続する管路である。気水分離部Ｓａは、アノードオフガス凝縮器７で発生した凝縮水ＷｂをアノードオフガスＧｄから分離する部材であり、凝縮水回収ラインＬｗには分離された凝縮水Ｗｂが流下する。凝縮水回収ラインＬｗの先端は、貯留された凝縮水Ｗｂの水温の影響を受けて凝縮量が増減しないように、凝縮水回収タンク９の水相部に没入させることなく気相部に開放される。なお凝縮水回収ラインＬｗの先端を水相部に没入させないのは、バーナ３に送るアノードオフガスＧｄの流量を変化させないためである。特に、凝縮水Ｗｂを分離後のアノードオフガスＧｄをセルスタックの一次側へリサイクルしたり、後段のセルスタックで発電利用したりする場合には、本構成は有効である。気水分離部Ｓａには、例えば直管部を水平方向に配置すると共に分岐管部を下向きに配置したＴ字管が用いられている。また、鉛直方向に立設した小容量の円筒容器を気水分離部Ｓａに用いることもできる。

セルスタック１は、固体酸化物形燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell：ＳＯＦＣ）で構成された発電体である。固体酸化物形燃料電池は、発電セルを構成する固体電解質、アノードおよびカソードが全てセラミックスである高温作動型の燃料電池であり、所定個数の発電セルを金属インターコネクタ材（セパレータ材ともいう）を介して集積した発電単位をセルスタックと呼んでいる。セルスタック１の電池出力は、パワーコンディショナ１５で調整された後に給電される。

改質器２は、水蒸気を用いて原燃料ガスＧａを改質し、改質ガスＧｃを生成して後段側へ送出する。改質器２は水蒸気改質用の触媒を有しており、原燃料ガスＧａに含まれるメタンと水蒸気を反応させ、一酸化炭素と水素を含む改質ガスＧｃを生成する。水蒸気改質は吸熱反応であるが、バーナ３からの熱供給により、改質器２は安定的に改質ガスＧｃを生成することが可能である。

バーナ３は、流入する気体を燃焼させて熱を発生させるとともに、燃焼によって生じた燃焼ガスＧｇを焼排ガスラインＬｇへ排出する。蒸発器４は、改質水Ｗａと燃焼ガスＧｇ（熱源流体）を間接熱交換させる機器であり、燃焼ガスＧｇとの熱交換により、改質水Ｗａを蒸発させると同時に原燃料ガスＧａを加熱する役割を果たす。

空気予熱器５とアノードオフガス冷却器６は、何れも低温流体と高温流体を間接熱交換させる熱交換器である。空気予熱器５は、燃焼ガスＧｇとの熱交換によりカソード空気ラインＬｅ内の空気Ａａを予熱する役割を果たし、アノードオフガス冷却器６は、カソード空気ラインＬｅ内の空気Ａａとの熱交換によりアノードオフガスＧｄを冷却する役割を果たす。

アノードオフガス凝縮器７は、アノードオフガスＧｄを冷却して、アノードオフガスＧｄに含まれる水蒸気を凝縮させる役割を果たす。なお、本実施形態のアノードオフガス凝縮器７は空冷熱交換器としているが、その代わりに水冷熱交換器を採用し、これにより熱回収が行われるコジェネ型のシステムとしても良い。

ＣＯ酸化器８は、燃焼ガスＧｇに含まれる有害な一酸化炭素を触媒と接触させ、無害な二酸化炭素に変換する機器である。ＣＯ酸化器８は、バーナ３での酸化反応が完全である場合は作動せず、バーナ３での酸化反応が不完全である場合にのみ動作する。

凝縮水回収タンク９は、気水分離部Ｓａから排出される凝縮水Ｗｂを回収し、これを改質水Ｗａとして再利用可能とする役割を果たす。凝縮水回収タンク９には、貯留される改質水Ｗａの水位を所定範囲に調整するため、水位検出器Ｓｂおよび排水弁Ｓｃが設けられている。水位検知器Ｓｂで上限水位を検知すると排水弁Ｓｃが開放される一方、水位検知器Ｓｂで下限水位を検知すると排水弁Ｓｃが閉鎖される。このようにして凝縮水回収タンク９には、所要量の改質水Ｗａが確保されるようになっている。なお改質水Ｗａの排水動作時にアノードオフガスＧｄが外部に漏洩することを防止するため、排水弁Ｓｃによる排水位置は凝縮水回収タンク９の底部付近に設定される。

パワーコンディショナ１５は、セルスタック１で発電した電力を事業活動や社会生活の場で利用できる状態に変換するための機器である。パワーコンディショナ１５は、セルスタック１から出力された直流電圧を昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータ（昇圧回路）と、ＤＣ／ＤＣコンバータで昇圧された直流電圧を系統電源と同期の取れた交流電圧に変換する系統連系インバータ（電圧変換回路）と、セルスタック１の出力電流（掃引電流）を制御する出力電流制御部（出力制御回路）と、補機類に駆動電力を供給するための駆動電力供給部（補助回路）を有している。

上記の系統連系インバータは、建築物内に設置された商用電源系統の配電盤と電気的に接続される。系統連系インバータと配電盤とは、系統連系用のスイッチを介して並列・解列を切換可能である。配電盤には、商用電源および複数の分電盤が電気的に接続される。分電盤には、建築物内で使用する照明器具、動力装置、コンセント等の負荷機器が電気的に接続される。

上記の駆動電力供給部は、各ブロワ１０，１１，１３，１４、水ポンプ１２およびバーナ３のスパークロッド（後述する第１電極ロッド）等と接続され、これらの補機類に駆動電力を与える。駆動電力供給部は、補機類がＤＣ駆動の場合、例えば系統連系インバータの出力をＡＣ／ＤＣ変換した電力、商用電源からの入力をＡＣ／ＤＣ変換した電力、またはセルスタック１の出力をＤＣ／ＤＣ変換した電力を供給するように回路構成される。一方、駆動電力供給部は、補機類がＡＣ駆動の場合、例えば系統連系インバータの出力電力、または商用電源からの入力電力を供給するように回路構成される。なお上述の補機類は、システムのスタートアップ運転およびシャットダウン運転時は、商用電源を利用して駆動され、システムの発電運転中は、発電電力を利用して駆動される。

システムコントローラ１６は、予め作成・記憶された制御プログラムに従って、ブロワ等の補機類およびパワーコンディショナ１５の動作（すなわち、システム動作）を制御する機器である。

また図１に破線枠で示すように、各セルスタック１、改質器２、バーナ３、各マニホールドＭａ～Ｍｄ、熱放射筒Ｚａ、および燃焼ガス管Ｚｂは、後述するホットモジュールＨＭにおける第１ボックスＸ１（図３を参照）の内側である第１領域Ｒ１に配置されている。一方、蒸発器４、空気予熱器５、アノードオフガス冷却器６、およびＣＯ酸化器８は、第１ボックスＸ１の外側であって後述する第２ボックスＸ２（図３を参照）の内側である第２領域Ｒ２に配置されている。なお、アノードオフガス凝縮器７、凝縮水回収タンク９、各ブロワ１０，１１，１３，１４、水ポンプ１２、パワーコンディショナ１５、およびシステムコントローラ１６は、ホットモジュールＨＭの外部（常温の領域）に配置される。

＜燃料電池システムの動作概要＞
次に、燃料電池システム１００の動作概要について、図１を参照しながら説明する。燃料取入口Ｅ２から混合ガスラインＬｂ内に供給された原燃料ガスＧａは、第１原燃料ブロワ１０の作用により後段側へ送られる。原燃料ガスＧａの供給に並行して、凝縮水回収タンク９から改質水ラインＬｉ内に供給された改質水Ｗａは、水ポンプ１２によって水量が調節され、混合ガスラインＬｂへ流入する。

改質水Ｗａは、混合ガスラインＬｂ内の原燃料ガスＧａとともに蒸発器４に流入し、蒸発器４において熱交換により加熱されて水蒸気（過熱蒸気）となる。当該水蒸気は加熱された原燃料ガスＧａと混合し、混合ガスＧｂとして改質器２へ流入する。

改質器２は、混合ガスＧｂ中の水蒸気を用いて原燃料ガスＧａを改質し、改質ガスＧｃを生成して後段側へ送出する。改質器２から送出された改質ガスＧｃは、アノード燃料ラインＬｃを通って各セルスタック１のアノードへ分配される。

一方、上述した原燃料ガスＧａの供給に並行して、空気取入口Ｅ３からカソード空気ラインＬｅ内に空気Ａａが供給される。カソード空気ラインＬｅ内の空気Ａａは、第１空気ブロワ１１の作用により後段側へ送られる。この空気Ａａは、アノードオフガス冷却器６での熱交換によって加熱され、更に空気予熱器５での熱交換によって加熱された後、各セルスタック１のカソードへ分配される。なお空気Ａａの温度調節等のため、空気Ａａの一部である空気Ａａ１を、バイパス経路Ｌｅ２を介して各セルスタック１のカソードへ流入させることも可能である。

更には、カソードへの空気Ａａの供給に同期して、冷却用空気ラインＬｈ内に空気Ａｂが供給される。冷却用空気ラインＬｈ内の空気Ａｂは、第１空気ブロワ１１の作用によりバーナ３へ送られる。この空気Ａｂは、バーナ３の燃焼温度を低下させる冷却剤として作用し、保炎器３３（後述）の過熱および焼損を防止する。なお空気Ａｂを供給しない状態で、保炎器３３の過熱や焼損が起こらない程度に火炎温度が保たれている場合には、バーナ冷却用空気ラインＬｈを省略してもよい。

各セルスタック１は、アノードに流入した改質ガスＧｃとカソードに流入した空気Ａａを用いて発電するとともに、アノードからアノードオフガスラインＬｄへアノードオフガスＧｄを排出し、カソードからカソードオフガスラインＬｆへカソードオフガスＧｅを排出する。アノードオフガスＧｄには、アノードにおいて未反応であった燃料成分が含まれており、カソードオフガスＧｅには、カソードにおいて未反応であった酸素が含まれている。

各セルスタック１からアノードオフガスラインＬｄへ排出されたアノードオフガスＧｄは、第１収集マニホールドＭｃに収集された後、アノードオフガス冷却器６での熱交換によって冷却され、アノードオフガス凝縮器７へ流入する。アノードオフガス凝縮器７では、アノードオフガスＧｄは露点温度以下まで冷却され、アノードオフガスＧｄに含まれる水蒸気が凝縮する。

アノードオフガス凝縮器７を通過したアノードオフガスＧｄは、気水分離部Ｓａに送られて気水分離され、凝縮水Ｗｂが凝縮水回収タンク９に回収される。凝縮水回収タンク９に回収された凝縮水Ｗｂは、先述のとおり改質水Ｗａとして再利用される。なお、アノードオフガスＧｄにおける凝縮しなかった部分（気水分離後のアノードオフガスＧｄ）は、バーナ３へ送られる。

各セルスタック１からカソードオフガスラインＬｆへ排出されたカソードオフガスＧｅは、第２収集マニホールドＭｄに収集された後、管路Ｌｆ１でバーナ冷却用空気ラインＬｈを介して流入した空気Ａｂと混合し、バーナ３へ送られる。またバーナ３には、システムの運転状態に応じて、燃料取入口Ｅ１から供給された原燃料ガスＧｆが、原燃料ラインＬａを介して送られると共に、空気取入口Ｅ４から供給された空気Ａｃが、起動用空気ラインＬｊを介して送られる。

バーナ３は、原燃料ガスＧｆおよび／またはアノードオフガスＧｄである第１バーナ用ガスＧｘと、空気Ａｃおよび／またはカソードオフガスＧｅである第２バーナ用ガスＧｙが流入し、これらを燃焼させて熱を発生させる。すなわち第１バーナ用ガスＧｘは、原燃料ガスＧｆとアノードオフガスＧｄの混合気体、或いは、原燃料ガスＧｆとアノードオフガスＧｄの何れか一方の状態であり、どの状態となるかはシステムの動作状態等によって変化し得る。また第２バーナ用ガスＧｙは、空気ＡｃとカソードオフガスＧｅの混合気体、或いは、空気ＡｃとカソードオフガスＧｅの何れか一方の状態であり、どの状態となるかはシステムの動作状態等によって変化し得る。すなわち、システムのスタートアップ運転、発電運転（全負荷運転または部分負荷運転）、シャットダウン運転等に応じて、バーナ３への供給ガスは適宜状態変化する。

なお、原燃料ガスＧｆは炭化水素含有ガスの一種である。一方、空気Ａｃは酸化剤含有ガスの一種である。バーナ３の燃焼動作中、バーナ冷却用空気ラインＬｈからは空気Ａｂが連続的に供給され、燃焼温度の調整が行われる。

バーナ３での燃焼により生じる燃焼ガスＧｇは、燃焼ガスラインＬｇへ送られ、熱放射筒Ｚａ、燃焼ガス管Ｚｂ、蒸発器５、ＣＯ酸化器８、および蒸発器４を順に通過して、ガス排出口Ｄ１からホットモジュールＨＭの外部へ排出される。なお詳しくは後述するが、熱放射筒Ｚａおよび燃焼ガス管Ｚｂは、燃焼ガスＧｇを用いて改質器２を効果的に加熱できるよう配置されている。また、燃焼ガスラインＬｇ内の燃焼ガスＧｇは、蒸発器５および蒸発器４を通る際に熱交換に利用され、一酸化炭素が含まれる場合には、ＣＯ酸化器８を通る際に当該一酸化炭素が二酸化炭素に変換される。

＜ホットモジュール＞
次に、ホットモジュールＨＭの構成等について、より詳細に説明する。図２は、ホットモジュールＨＭの斜視図である。図３は、ホットモジュールＨＭの内部構造が理解容易となるように、第１ボックスＸ１、第２ボックスＸ２、および板状断熱材５３の一部を不図示としたホットモジュールＨＭの斜視図である。なお以下の説明における前後、左右、および上下の各方向（互いに直交する方向）は、図２等に示すように便宜的に定めたものに過ぎない。本実施形態の例では、上下方向が鉛直方向に一致する。

図２および図３に示すようにホットモジュールＨＭは、第１台座Ｘ１ａ、第２台座Ｘ２ａ、第１台座Ｘ１ａ上に形成される第１ボックスＸ１、第２台座Ｘ２ａ上に形成される第２ボックスＸ２、第１台座Ｘ１ａを支持する複数本（本実施形態の例では４本）の第１支柱５１、および、第２台座Ｘ２ａを支持する複数本（本実施形態の例では４本）の第２支柱５２を備える。

第１ボックスＸ１は第２ボックスＸ２の内部に収容されており、この状態で複数本の第１支柱５１は、第２台座Ｘ２ａから所定高さに第１台座Ｘ１ａを支持する。第１ボックスＸ１は、内部の領域が高温動作領域となる第１領域Ｒ１（図１を参照）に設定されており、システムの発電動作時に内部で化学反応を伴う第１機器グループＧＰ１が収容される。この第１機器グループＧＰ１には、セルスタック１、改質器２、およびバーナ３が含まれる。

第２ボックスＸ２の内部であって第１ボックスＸ１の外部（第１台座Ｘ１ａの下側）の領域は、低温動作領域となる第２領域Ｒ２（図１を参照）に設定されており、システムの発電動作時に内部で化学反応を伴わない第２機器グループＧＰ２が収容される。第２機器グループＧＰ２には、蒸発器４および熱交換器（空気予熱器５とアノードオフガス冷却器６）が含まれる。

また第２領域Ｒ２には、システムの発電動作時に所定の条件を満足した場合にのみ内部で化学反応を伴う第３機器グループＧＰ３も収容される。第３機器グループＧＰ３には、バーナ３での酸化反応が完全である場合は動作せず、バーナ３での酸化反応が不完全である場合にのみ動作するＣＯ酸化器８が含まれる。ＣＯ酸化器８は触媒反応に伴う発熱が僅かであるので、ＣＯ酸化器８を第２領域Ｒ２（低温動作領域）に配置しても殆ど問題は無く、これにより、第１ボックスＸ１の容量を抑制することができる。

第１ボックスＸ１の前後左右の各側部および頂部（上側）には、板状断熱材５３が装着されている。板状断熱材５３は、第１ボックスＸ１の前後左右および上側の各外面をほぼ全て覆っている。これにより強力な断熱効果を得ることができ、第１ボックスＸ１内を高温状態に保つことが容易となっている。

第２領域Ｒ２の空間（第２機器グループＧＰ２の配置空間）には、不図示の粒状断熱材が充填される。高温動作領域である第１ボックスＸ１から第１台座Ｘ１ａを通じて第２領域Ｒ２への熱伝導が起こるが、当該粒状断熱材を充填することにより十分な断熱効果が得られる。そのため、第２機器グループＧＰ２およびその接続配管を、高価な高温耐性の材料を使用せずに構成することができる。

また、第１台座Ｘ１ａには管挿入孔（貫通孔）が設けられており、第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２の境界を跨いで延びる各ライン（管路）は、この貫通孔を通るように配置される。これにより、第１機器グループＧＰ１と第２機器グループＧＰ２との間での流体の受け渡しは、第１台座Ｘ１ａを上下方向に貫通する管路を通じて行われる。このように本実施形態では、各機器グループＧＰ１，ＧＰ２間での流体の受け渡し用の配管は、第１台座Ｘ１ａに穿設した管挿入孔に管路を取り付けるだけの構造なので、特別なシール等を必要としない。

更に、第２機器グループＧＰ２を通る流体の管路には、ベローズ形伸縮管継手を設けるようにしても良い。第１台座Ｘ１ａを貫通する管路と熱交換器を接続するパイプや、熱交換器どうしを接続するパイプは、システムの冷態時と運転時の温度変化により伸縮する。この伸縮により発生する熱応力は、パイプ本体および接合部の割れや破断の原因となるため、場合によっては可燃性ガスのリーク等、深刻な不具合を引き起こすことになる。第２機器グループＧＰ２の流体接続に使用する配管機材がベローズ形伸縮管継手を含むようにすることで、熱応力の発生が極力抑えられ、このような不具合を回避することが可能となる。

本実施形態では図１に示すように、少なくとも、第２機器グループＧＰ２を通る流体の管路のうち第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２の境界を跨いで延びる各ラインにおいて、第２領域Ｒ２の当該境界近傍に上下に伸縮可能なベローズ形伸縮管継手が設置されている。より具体的に説明すると、混合ガスラインＬｂの当該境界近傍には第１ベローズ形伸縮管継手Ｂ１が設置され、アノードオフガスラインＬｄの当該境界近傍には第２ベローズ形伸縮管継手Ｂ２が設置され、カソード空気ラインＬｅの当該境界近傍には第３ベローズ形伸縮管継手Ｂ３が設置され、燃焼ガスラインＬｇの当該境界近傍には第４ベローズ形伸縮管継手Ｂ４が設置されている。また、第２領域Ｒ２内の熱交換器どうしを接続する各パイプに、ベローズ形伸縮管継手を設置しても良い。

ホットモジュールＨＭは、例えば次のような工程で組み立てられる。まず第２台座Ｘ２ａの上に第２機器グループＧＰ２を配置し、所要の配管機材を用いて機器間の配管を施工する。次に、第２台座Ｘ２ａの上に複数の第１支柱５１を取付け、第１支柱５１の先端部に第１台座Ｘ１ａを載置して固定する。次に、第１台座Ｘ１ａに穿設した管挿入孔に管路を取り付け、この管路と第２機器グループＧＰ２との間で配管を施工する。次に、第２台座Ｘ２ａの上に第２機器グループＧＰ２を包囲するケーシングを取り付けて半開放の第２ボックスＸ２を形成し、第２ボックスＸ２内に粒状断熱材を充填する。

続いて、第１台座Ｘ１ａの上に第１機器グループＧＰ１を配置し、第１台座Ｘ１ａに取り付けられた管路と第１機器グループＧＰ１との間で配管を施工すると共に、所要の配管機材を用いて機器間の配管を施工する。次に、第１台座Ｘ１ａの上に第１機器グループＧＰ１を包囲するケーシングを取り付けて密閉型の第１ボックスＸ１を形成し、第１ボックスＸ１の側部および頂部に板状断熱材５３を装着する。半開放の第２ボックスＸ２に対し、第１ボックスＸ１に装着した板状断熱材５３を包囲するケーシングを取り付けて密閉型の第２ボックスＸ２を形成する。以上のような工程を経由することで、容易にホットモジュールＨＭを組み立てることができる。

図４～図６は、それぞれ異なる視点によるホットモジュールＨＭの斜視図である。また図７および図８は、それぞれ異なる視点によるホットモジュールＨＭの側面図である。なおこれらの図においては、ホットモジュールＨＭの内部構造が理解容易となるように、第１ボックスＸ１、第２ボックスＸ２、および板状断熱材５３を不図示としている。また、図５～図８に示す白抜き矢印は、各流体の流れ方向を模式的に表している。

これらの図に示すように、第１台座Ｘ１ａの上側における上方視略中央位置には、上下（鉛直方向）に立設された筒状の改質器２が配置され、改質器２の上側にはバーナ３が配置されている。なお詳しくは後述するが、改質器２、バーナ３、および熱放射筒Ｚａは、改質ガス発生装置として一体的に構成されている。

改質器２の左右それぞれには、複数個（本実施形態の例では４個）のセルスタック１を上下に集積したセルスタック集合体６１が配置されている。改質器２の前側における左右のセルスタック集合体６１に挟まれた領域には、図４に示すように、第１分配マニホールドＭａおよび第２分配マニホールドＭｂのそれぞれが、上下に延びるように配置されている。第１分配マニホールドＭａおよび第２分配マニホールドＭｂは隣接配置されるとともに、セルスタック集合体６１の近傍に配置されている。

第１分配マニホールドＭａと第２分配マニホールドＭｂを隣接配置することで、これら２つの分配マニホールドの表面間において放射伝熱や対流伝熱により熱交換が行われる。また、各分配マニホールドＭａ，Ｍｂをセルスタック集合体６１の近傍に配置することで、機器の表面間において放射伝熱や対流伝熱により熱交換が行われる。これにより、セルスタック１に供給するアノード燃料（改質ガスＧｃ）とカソード空気（空気Ａａ）の温度が均一化されると共に、当該温度をセルスタック１の動作温度近くまで高められるので、発電セルの全体で効率のよい発電反応を行わせることができる。

改質器２の後側における左右のセルスタック集合体６１に挟まれた領域には、図６に示すように、第１収集マニホールドＭｃおよび第２収集マニホールドＭｄのそれぞれが、上下に延びるように配置されている。すなわち、セルスタック集合体６１、第１収集マニホールドＭｃおよび第２収集マニホールドＭｄのそれぞれは、改質器２の外筒２１を取り囲むように配置されている。

このように、各セルスタック１、第１収集マニホールドＭｃおよび第２収集マニホールドＭｄは改質器２の近傍に配置されており、改質器２へ発電反応に伴う廃熱を効率良く与えることが可能である。特に第１収集マニホールドＭｃは、アノードオフガスＧｄに含まれる廃熱を積極的に改質器２に与える役割を持つ。また第２収集マニホールドＭｄは、カソードオフガスＧｅに含まれる廃熱を積極的に改質器２に与える役割を持つ。これにより、改質器２における触媒層での吸熱量が大幅に増加するため、水蒸気改質反応の効率がアップし、触媒使用量が低減されて改質器２の小型化を実現できる。

＜改質器、バーナ、熱放射筒＞
次に、改質器２、バーナ３、および熱放射筒Ｚａの構成等について、より詳細に説明する。なお本実施形態の例では、改質器２、バーナ３、および熱放射筒Ｚａは、改質ガス発生装置ＲＧとして一体的に構成されている。

図９は、改質ガス発生装置ＲＧの側面図を示し、図１０は、改質ガス発生装置ＲＧの側方視による断面図を示す。また図１１は、改質ガス発生装置ＲＧにおけるバーナ３近傍の詳細構成を示す。なお図１１においては、点火／火炎検知回路４０の回路の構成例が模式的に示されている。

改質ガス発生装置ＲＧにおいて、改質器２は、外筒２１、内筒２２、触媒充填層２３、基端側蓋板２４、および末端側蓋板２５を有する。

外筒２１と内筒２２は、上下に延びる軸を共通とした円筒状に形成されており、上下方向の長さは概ね同じであるが、外筒２１の直径は内筒２２の直径よりも大きい。外筒２１と内筒２２は、内筒２２が外筒２１の内側に配置された二重筒構造の反応容器２ａを形成している。外筒２１と内筒２２の間、すなわち反応容器２ａの内部には、水蒸気改質用の触媒を充填した触媒充填層２３が設けられている。

基端側蓋板２４は、外筒２１と内筒２２の基端部（上端部）どうしを繋いで反応容器２ａの上側を封鎖し、末端側蓋板２５は、外筒２１と内筒２２の末端部（下端部）どうしを繋いで反応容器２ａの下側を封鎖している。

なお、基端側蓋板２４および末端側蓋板２５は円環状鏡板であり、当該円環状鏡板は、円環の断面形状が皿形、正半楕円形または近似半楕円形となっている。反応容器２ａの蓋板に円環状鏡板を使用することにより、温度変化による径方向の膨張や収縮が吸収される。そのため、熱応力による反応容器２ａの損傷や破損をより効果的に回避することができる。なお、上記の鏡板の断面形状は、ＪＩＳ Ｂ ８２４７「圧力容器用鏡板」に規定されたもののうち、平鏡板を除くものである。

また、外筒２１における取入口２１ａよりも少し上側の部分には、ベローズ構造の伸縮吸収部２１ｃが形成されている。伸縮吸収部２１ｃを設けたことにより、外筒２１の時間的な温度変化や位置的な温度分布による伸縮が吸収される。そのため、触媒を収容している反応容器２ａの熱応力による損傷や破損を回避しつつ、反応容器２ａを長期間使用することができる。なお、伸縮吸収部２１ｃとしては、市販のベローズ形伸縮管継手を使用するのが好適であり、この管継手とストレート管を接合して外筒２１を安価に製作することができる。

また改質ガス発生装置ＲＧにおいて、バーナ３は、第１ガス筒３１、第２ガス筒３２、保炎器３３、および熱放射筒Ｚａを有する。

第１ガス筒３１と第２ガス筒３２は、上下に延びる軸を共通とした円筒状に形成されており、第２ガス筒３２の直径は第１ガス筒３１の直径よりも大きい。第１ガス筒３１の上側寄りの部分は、第２ガス筒３２の上端よりも上方へ突出しており、第１ガス筒３１の下側寄りの部分は、第２ガス筒３２の内側に配置されている。第１ガス筒３１の上端は封鎖されており、第１ガス筒３１と第２ガス筒３２との隙間は、第２ガス筒３２の上端において封鎖されている。

第２ガス筒３２と熱放射筒Ｚａは１本の管体により形成されており、第２ガス筒３２の下端は熱放射筒Ｚａの上端に連接している。このように第２ガス筒３２と熱放射筒Ｚａを１本の管体で形成することにより、両部材の芯合わせや接合等の作業が不要となり、バーナ３を低コストで製作できる。また図１０に示すように、第１ガス筒３１の上部には先述した第１バーナ用ガスＧｘが流入し、第２ガス筒３２の上部には先述した第２バーナ用ガスＧｙが流入する。

保炎器３３は、第１ガス筒３１の下端に接続されるとともに、先端部が下方（燃焼させるガスの流れの下流側）に向かって拡開する円錐台状に形成されている。また保炎器３３は、拡開方向に間隔をおいた多列の貫通孔３３ａを有している。また、保炎器３３の外径と第２ガス筒３２の内径は略同径に形成されており、これによりバーナ３は、第１バーナ用ガスＧｘと第２バーナ用ガスＧｙを燃焼させ、第２ガス筒３２の内径の径方向断面の全体に亘って、安定した火炎を形成することが可能である。

また図１１に示すように、バーナ３には、第１電極ロッド４１および第２電極ロッド４２からなる電極対４０ｘが備えられており、電極対４０ｘの先端部が保炎器３３の内部に配置されている。第１電極ロッド４１は、第１ガス筒３１と電気的に絶縁されており、第２電極ロッド４２は、第１ガス筒３１と電気的に導通している。

電極対４０ｘは、ガス点火の動作制御と火炎検知を行う点火／火炎検知回路４０に接続されており、ガス点火と火炎検知の両方に利用することが可能である。点火／火炎検知回路４０は、ガス点火部４０ａ、電流検知部４０ｂ、第１スイッチ４０ｃ１、および第２スイッチ４０ｃ２を有している。点火／火炎検知回路４０は、ガス点火時には、第１スイッチ４０ｃ１を閉じて第２スイッチ４０ｃ２を開くことで電極対４０ｘをガス点火部４０ａに接続させ、ガス点火部４０ａからの高電流を電極間に流して火花を発生させて、ガス点火を実現させる。

一方で点火／火炎検知回路４０は、火炎検知時には、第１スイッチ４０ｃ１を開いて第２スイッチ４０ｃ２を閉じることで電極対４０ｘを電流検知部４０ｂに接続させ、電極間に電圧を印加して生じる電流を電流検知部４０ｂに検知させて、火炎の有無を判断する。これにより、電極間に電圧を印加したときの火炎の導電現象を利用して、火炎の有無を検知することが可能である。

このようにバーナ３は、ガス点火時においては、第１電極ロッド４１をスパークロッドとして機能させるとともに、第２電極ロッド４２をアースロッドとして機能させる。一方でバーナ３は、火炎検知時においては、第１電極ロッド４１をフレームロッドとして機能させるとともに、第２電極ロッド４２をアースロッドとして機能させる。そのためバーナ３によれば、第１電極ロッド４１および第２電極ロッド４２からなる電極対４０ｘを用いて、ガス点火機構と火炎検知機構を切替可能に構成することにより、確実かつ安全な燃焼動作を行うことができる。

熱放射筒Ｚａは、内筒２２と軸を共通とした円筒状に形成されており、熱放射筒Ｚａの外径は内筒２２の内径よりも小さい。また、熱放射筒Ｚａの上端は、内筒２２の内側において第２ガス筒３２の下端に連接しており、熱放射筒Ｚａの下端は、内筒２２の下端よりも下方へ突出している。なお熱放射筒Ｚａは、バーナ３の一要素と見ることもできる。

熱放射筒Ｚａは、バーナ３における燃焼室および燃焼ガスの流通路として機能し、表面が燃焼熱の放射部としての役割を果たす。バーナ３の燃焼炎は熱放射筒Ｚａの内側に位置するため、この燃焼炎による熱エネルギーを熱放射筒Ｚａの外面から効率良く放射させることが可能である。本実施形態では熱放射筒Ｚａを燃焼室筒として機能させるため、触媒を収容している反応容器２ａに内側から燃焼熱を与え続けても、熱放射筒Ｚａの熱応力による損傷や破損を回避することができる。

熱放射筒Ｚａは、周方向全体において内筒２２と表面どうしが離れるように、内筒２２に挿通されている。このように、熱放射筒Ｚａの外面と内筒２２の内面の間に隙間が設けられている。そのため、水蒸気改質反応のために内筒２２側から触媒充填層２３へ熱エネルギーを与える際の熱伝達は、熱放射筒Ｚａからの放射伝熱によって行われ、熱伝導を伴わない。これにより、触媒を収容している反応容器２ａの熱応力による損傷や破損を回避しつつ、反応容器２ａを長期間使用することが可能である。

また改質器２において、外筒２１の下端部近傍には混合ガスＧｂ（原燃料ガスＧａと水蒸気の混合ガス）の取入口２１ａが設けられ、外筒２１の上端部近傍には改質ガスＧｃの取出口２１ｂが設けられている。取入口２１ａから外筒２１と内筒２２の間に取り入れられた混合ガスＧｂは、触媒充填層２３を通る際に改質され、改質ガスＧｃとして取出口２１ｂから取り出される。このように本実施形態では、取入口２１ａは熱放射筒Ｚａの先端側に対応する側に設けられ、取出口２１ｂは熱放射筒Ｚａの基端側に対応する側に設けられている。

ここで、燃焼ガスＧｇの熱エネルギーは、水蒸気改質反応に伴う吸熱に利用されるので、燃焼ガスＧｇの温度は、熱放射筒Ｚａの基端側から先端側に向かって低下していくことになる。この点を考慮し、本実施形態では取入口２１ａと取出口２１ｂの配置を上記のとおりとしたため、取入口２１ａから流入した混合ガスＧｂは、温度低下した燃焼ガスＧｇによって予熱された後、より高温の燃焼ガスＧｇの熱エネルギーを使って改質される。

そして生成した改質ガスＧｃ（水素および一酸化炭素含有ガス）は、取出口２１ｂから連続的に排出され、各セルスタック１のアノード燃料ガスとして使用される。このように本実施形態では、混合ガスＧｂおよび改質ガスＧｃの流れと、燃焼ガスの流れを対向流としているので、効率の良い水蒸気改質反応を行わせることができる。

但し、取入口２１ａと取出口２１ｂの配置を本実施形態とは逆にし、取入口２１ａを熱放射筒Ｚａの基端側に対応する側に設け、取出口２１ｂを熱放射筒Ｚａの先端側に対応する側に設けるようにしても良い。この場合は、取入口２１ａから流入した混合ガスＧｂは、高温の燃焼ガスＧｇによって瞬時に予熱された後、やや温度低下した燃焼ガスＧｇの熱エネルギーを使って改質される。このように、混合ガスＧｂおよび改質ガスＧｃの流れと、燃焼ガスＧｇの流れを並行流とすることで、混合ガスＧｂの予熱効果が高く、混合ガスＧｂを調製する蒸発器４の加熱能力（熱交換能力）を抑えた設計が可能となり、蒸発器４のコストダウンが期待できる。

＜燃焼ガス管＞
次に、燃焼ガス管Ｚｂの構成等について、より詳細に説明する。図１２は、燃焼ガス管Ｚｂの配置形態がより理解容易となるように、各ボックスＸ１，Ｘ２、板状断熱材５３、および各マニホールドＭａ～Ｍｄ等を不図示としたホットモジュールＨＭの側面図である。

本図に示すように燃焼ガス管Ｚｂは、上下に延びるストレート管が左右に（つまり平行に）並ぶように上側でＵターンした折り返し管路からなり、改質器２の後側に配置されている。上側で繋がる左右の当該ストレート管は、改質器２の下端近傍から上端近傍まで延びており、改質器２の外筒２１の近傍に正対配置されている。なお図１２に破線矢印で示すように、燃焼ガスＧｇは右側の当該ストレート管を上昇して、左側の当該ストレート管を下降するように流れる。

これにより、バーナ３の作動時に発生する燃焼ガスＧｇは、熱放射筒Ｚａおよび燃焼ガス管Ｚｂを順に流通し、改質器２の内側と外側から同時に燃焼熱を与えることができる。そのため、触媒層での吸熱量が増加して燃焼ガスＧｇの温度が大幅に低下する結果、予熱用の熱交換器に温度低下した燃焼ガスＧｇを供給することが可能となり、熱交換器を安価な材料（例えばＳＵＳ３２１、ＳＵＳ３１６Ｌ、ＳＵＳ３１０Ｓ等）で製作することができる。

また、触媒層での吸熱量が大幅に増加することから、水蒸気改質反応の効率がアップし、その分、触媒使用量を低減することができ、改質器２の小型化が可能となっている。なお本実施形態では、改質器２での水蒸気改質反応に必要なエネルギーは、その大部分が燃焼熱によって賄われる。そのため改質器２では、セルスタック１の動作温度に依存することなく、安定した改質ガスＧｃの生成を行うことができる。

また図１２に示すとおり、左側の燃焼ガス管Ｚｂは左側のセルスタック集合体６１の右側近傍に正対配置されており、右側の燃焼ガス管Ｚｂは右側のセルスタック集合体６１の左側近傍に正対配置されている。これにより、燃料電池システム１００はスタートアップ運転時間の短縮が可能となっている。

つまり、水蒸気改質を利用する改質形燃料電池システムでは、当該燃料電池システムのスタートアップ運転において、改質器およびセルスタックの昇温に水蒸気（過熱蒸気）を用いることがある。この場合、バーナの燃焼により発生させた燃焼ガスを蒸発器の熱源とし、蒸発器の内部で水を加熱することにより、水蒸気の生成が行われる。しかし水蒸気のみを使った昇温では、一般的に８時間以上もの非常に長いスタートアップ運転時間を有する。この点、本実施形態では、燃焼ガス管Ｚｂを改質器２およびセルスタック集合体６１の近傍に配置しているので、バーナ燃焼時の熱放射により、冷態の改質器２およびセルスタック集合体６１が間接的に加熱される。そのため、スタートアップ運転時間を例えば４時間前後まで短縮することができる。

なお、本実施形態では改質器２がセルスタック集合体６１の近傍に配置されており、セルスタック１の発電反応に伴う廃熱も、改質器２での水蒸気改質反応に補助的に利用される。そのため、発電セルの劣化等により損失エネルギーが増加した場合でも、セルスタック１の冷却が行えることになり、セルスタック１を適切な動作温度に維持することができる。

また本実施形態では、燃焼ガス管Ｚｂを折り返し管路としたことにより、改質器２の外側から繰り返し燃焼熱を与えることができ、触媒層での吸熱量が更に増加する。そのため、触媒使用量の低減と改質器２の小型化により、ホットモジュールＨＭの材料コストを効果的に削減できる。なお当該折り返し管路は、管路のストレート部が改質器２の軸方向に沿って敷設されても良いし、改質器２の軸方向と直交して敷設されても良い。また、本実施形態では当該折り返し管路のターン数を１としているが、当該折り返し管路のターン数を複数としても良い。

＜セルスタック＞
次に、セルスタック１の構成等について、より詳細に説明する。図１３および図１４はセルスタック１の斜視図であり、図１４はセルスタック１の平面図である。

図１３～図１５に示すようにセルスタック１は、所定数の平板型発電セルが左右に積層された積層部７５、積層部７５の左端に設けた第１端板７６ａ、および、積層部７５の右端に設けた第２端板７６ｂを備える。第１端板７６ａと第２端板７６ｂは、積層部７５を挟んで左右に対向する一対の端板として設けられており、左方視で略矩形状である。

第１端板７６ａにおける四隅それぞれの近傍には、フランジ付ガスポート７２が配置されている。具体的には図１４に示すように、アノード燃料流入ポート７２ａ、カソード空気流入ポート７２ｂ、アノードオフガス流出ポート７２ｃ、およびカソードオフガス流出ポート７２ｄからなる計４個のフランジ付ガスポート７２が設けられている。各フランジ付ガスポート７２は、左側（外側）の縁の全周から径方向へ張り出すフランジ部７２ｘを有する。

またセルスタック１には、各フランジ付ガスポート７２のフランジ部７２ｘの縁部に固定される支持板７１が設けられる。支持板７１は、各フランジ付ガスポート７２のフランジ７２ｘそれぞれの位置とサイズに合わせた貫通孔が形成されており、当該貫通孔それぞれの内周面に各フランジ部７２ｘの外周面が密着する。

積層部７５の前側には、積層部７５の発電セルによって発電された電力を出力する端子として、上下を幅方向とした板状の第１電力端子７４ａおよび第２電力端子７４ｂが配置されている。なお、第１電力端子７４ａと第２電力端子７４ｂは、互いに極性が異なる電力端子である。第１電力端子７４ａは、積層部７５の前側から前方へ突出して、端部７４ａ１が左側に折り曲げられている。第２電力端子７４ｂは、積層部７５の前側における第１電力端子７４ａよりも左下寄りの位置から前方へ突出して、端部７４ｂ１が右側に折り曲げられている。

このように、第１電力端子７４ａおよび第２電力端子７４ｂは、積層部７５における平板型発電セルの積層面（左右方向と直交する平面）に略平行かつ同一方向（本実施形態の例では前方）に突出している。各電力端子の端部７４ａ１，７４ｂ１は、何れも前方を向いた平面を構成しており、前後方向および左右方向の位置が同じである。

＜セルスタック集合体＞
次に、セルスタック集合体６１の構成等について、より詳細に説明する。図１６および図１７は、それぞれ異なる視点から見た左側のスタック集合体６１の斜視図である。なお本実施形態の例では、右側のセルスタック集合体６１におけるセルスタック１は、左側のセルスタック集合体６１におけるセルスタック１とは上下逆向きに配置される。これにより改質器２を挟んで左右に設けられる各セルスタック集合体６１は、各電力端子７４ａ，７４ｂが前方に位置しながら、フランジ付ガスポート７２が左右方向内側に位置するように構成される。

スタック集合体６１は、オープンラック６２を用いて複数のセルスタック１を上下方向に積み上げた構成となっている。これにより、セルスタック集合体６１の設置面積、ひいてはホットモジュールＨＭの設置面積を極力小さくすることが可能である。そのため本実施形態によれば、既設設備の空きスペース等、狭い場所に設置しやすい燃料電池システム１００を構築することができる。また、複数基のセルスタック集合体６１をホットモジュールＨＭに搭載することにより、燃料電池システム１００の発電出力の大容量化も容易である。

オープンラック６２は、上下に延びる柱部６４が上方視四隅それぞれに設けられ、この４本の柱部６４に固定支持されるようにして、複数のステージ盤６３が上下方向へ略等間隔に配置されている。ステージ盤６３に挟まれるスペースのサイズは、セルスタック１のサイズに合うように設定されている。

個々のセルスタック１は、ステージ盤６３の上に載置されるとともに、例えばネジ止めによって支持板７１が右側の柱部６４に固定されて、オープンラック６２に収容される。そのためセルスタック集合体６１の組み立ては、セルスタック１をステージ盤６３に載置し、支持板７１を柱部６４に固定する作業を繰り返すだけでよい。これにより、セルスタック集合体６１を容易に組み立てることができる。また、個々のセルスタック１は、ステージ盤６３により安定的に自重が支えられ、上下方向の適正位置に保持されるとともに運転中の脱落が防止される。

また、上述したオープンラック６２は、規定数量（本実施形態の例では４個）のセルスタック１を搭載可能に設計されているが、当該オープンラックの代わりに、１個のセルスタック１に対応する単位ラックの複数個を組み立てたオープンラックを採用しても良い。図１８は、このようなオープンラックを形成し得る単位ラック６２ａにセルスタック１を搭載した状態を例示している。

単位ラック６１ａは、オープンラック６２におけるステージ盤６３の１段分と同等の構成であるステージ盤６３ａと、オープンラック６２における４本の柱部６４の１段分と同等の構成である４本の柱部６４ａと、を備え、単位ラック６１ａどうしを上下方向に段積みして固定することが可能となっている。これにより、オープンラック６２の場合と同様にして、所要数量のセルスタック１それぞれを各単位ラック６１ａに収容しておき、収容済みの単位ラック６１ａ（スタック保持体）それぞれを段積みして固定することにより、先述したスタック集合体６１と同等のものを得ることができる。

この場合のオープンラックは、セルスタック１ごとに分割された単位ラック６１ａによって形成されることになる。このように単位ラック６１ａを利用する場合は、例えばホットモジュールＨＭの発電出力に応じて、セルスタック１の搭載数を容易に調節することができる。また、オープンラックにセルスタック１を搭載しない空き部分が生じないので、ラックの材料コストを削減することもできる。

＜マニホールドの枝管＞
全てのセルスタック１における各フランジ付ガスポート７２は、対応するマニホールドから延びる枝管に接続されている。具体的には、アノード燃料流入ポート７２ａは第１分配マニホールドＭａから延びる枝管に接続され、カソード空気流入ポート７２ｂは第２分配マニホールドＭｂから延びる枝管に接続され、アノードオフガス流出ポート７２ｃは第１収集マニホールドＭｃから延びる枝管に接続され、カソードオフガス流出ポート７２ｄは第２収集マニホールドＭｄから延びる枝管に接続されている。本実施形態では８個のセルスタック１を有しているため、それぞれのマニホールドから各々８本の枝管が延びる構成である。

各マニホールドＭａ～Ｍｄから延びる枝管は、対応するフランジ付ガスポート７２と当該マニホールドを結ぶ最短距離よりも長い管長を有し、かつ湾曲部を含んで構成されている。また、何れの枝管にも先端にフランジが設けられており、当該フランジを、対応するフランジ付ガスポート７２のフランジ部７２ｘに連結させることが可能である。

ここで図１９に、各マニホールドＭａ～Ｍｄ（便宜的に「マニホールドＭｘ」と総称する。）から延びる枝管の構成例を示す。本図に示す何れの枝管ＢＰも、マニホールドＭｘから延びて先端にフランジＦｇが設けられている。

図１９（Ａ）に示す例では、マニホールドＭｘから２個のセルスタック１に対して２本の枝管ＢＰが延びている状態を部分的に示しており、一方の枝管ＢＰには湾曲部ＣＶ１が含まれ、他方の枝管ＢＰには湾曲部ＣＶ２が含まれている。これらの湾曲部ＣＶ１，ＣＶ２は何れも、平面的な（つまり二次元的な）パイプ構造となっている。すなわち、湾曲部ＣＶ１の全領域で枝管ＢＰの断面視中心（枝管ＢＰの延びる方向に直交する平面で切断した場合の断面視中心）は同一の平面（マニホールドＭｘの軸方向と直交する平面）に含まれており、湾曲部ＣＶ２の全領域でも枝管ＢＰの断面視中心は同一の平面（マニホールドＭｘの軸方向と直交する平面）に含まれている。

図１９（Ｂ）に示す例では、マニホールドＭｘから１個のセルスタック１に対して１本の枝管ＢＰが延びている状態を部分的に示しており、この枝管ＢＰには湾曲部ＣＶ３が含まれている。この湾曲部ＣＶ３も、平面的なパイプ構造となっている。すなわち、湾曲部ＣＶ３の全領域で枝管ＢＰの断面視中心は同一の平面（マニホールドＭｘの軸方向と直交する平面）に含まれている。また当該枝管ＢＰには途中にベローズ形伸縮管継手Ｂｐ１が設けられており、枝管ＢＰの伸縮を吸収させることが可能となっている。

図１９（Ｃ）に示す例では、マニホールドＭｘから２個のセルスタック１に対して２本の枝管ＢＰが延びている状態を部分的に示しており、一方の枝管ＢＰには湾曲部ＣＶ４が含まれ、他方の枝管ＢＰには湾曲部ＣＶ５が含まれている。これらの湾曲部ＣＶ４，ＣＶ５は何れも、立体的な（つまり三次元的な）パイプ構造となっている。すなわち、湾曲部ＣＶ４，ＣＶ５の何れにおいても、全領域で枝管ＢＰの断面視中心が同一の平面に含まれるようにはなっていない。

図１９（Ｄ）に示す例では、マニホールドＭｘから２個のセルスタック１に対して２本の枝管ＢＰが延びている状態を部分的に示しており、一方の枝管ＢＰには湾曲部ＣＶ６が含まれ、他方の枝管ＢＰには湾曲部ＣＶ７が含まれている。これらの湾曲部ＣＶ６，ＣＶ７は何れも、立体的なパイプ構造となっている。すなわち、湾曲部ＣＶ６，ＣＶ７の何れにおいても、全領域で枝管ＢＰの断面視中心が同一の平面に含まれるようにはなっていない。

図１９（Ａ）或いは（Ｂ）に示す例のように、マニホールドＭｘの枝管ＢＰに平面的なパイプ構造を有する湾曲部を設けるようにすると、主に枝管ＢＰの水平方向（ホットモジュールＨＭの上下方向と直交する方向）に生じるパイプの伸縮を、効果的に吸収することができる。これにより、フランジ付ガスポート７２との接合部に作用するストレスに基因するガスリークの問題が解消される。

一方で図１９（Ｃ）或いは（Ｄ）に示す例のように、マニホールドＭｘの枝管ＢＰに立体的なパイプ構造を有する湾曲部を設けるようにすると、枝管ＢＰの水平方向に加えて高さ方向（ホットモジュールＨＭの上下方向）に生じるパイプの伸縮も、効果的に吸収することができる。これにより、フランジ付ガスポート７２との接合部に作用するストレスに基因するガスリークの問題が解消される。各マニホールドＭａ～Ｍｄの枝管にどのパイプ構造の湾曲部を設けるかは、例えばホットモジュールＨＭの仕様等に応じて決めることができる。

＜電力端子およびその接続形態＞
また左右両方のスタック集合体６１において、各セルスタック１における各電力端子７４ａ，７４ｂは何れも前方に突出しており、これらの電力端子の端部７４ａ１，７４ｂ１は、前後方向および左右方向の位置が同じとなるように揃えられている。また、同じスタック集合体６１におけるセルスタック１どうしでは、第１電力端子７４ａおよび第２電力端子７４ｂの上下の位置関係が揃えられている。すなわち、右側のスタック集合体６１では、何れのセルスタック１においても第１電力端子７４ａが第２電力端子７４ｂよりも上側にあり、左側のスタック集合体６１では、何れのセルスタック１においても第１電力端子７４ａが第２電力端子７４ｂよりも下側にある。

そして近接するセルスタック１どうしの各電力端子７４ａ，７４ｂは、図５や図７等に示すように、メインバスバー７８ａおよびサブバスバー７８ｂを用いて電気的に接続されるようにし、各セルスタック１の発電電力を纏めて外部へ出力させることが可能となっている。なお各バスバー７８ａ，７８ｂは、例えば、各電力端子の端部７４ａ１，７４ｂ１にネジ止め等によって接続固定される。

ここで図２０は、各電力端子７４ａ，７４ｂの接続形態を模式的に示している。本図に示すように、右側のセルスタック集合体６１の各セルスタック１においては、第１電力端子７４ａが第２電力端子７４ｂより上側に設けられており、左側のセルスタック集合体６１の各セルスタック１においては、第１電力端子７４ａが第２電力端子７４ｂより下側に設けられている。

右側のセルスタック集合体６１では、最上段のセルスタック１の第２電力端子７４ｂと上から２段目のセルスタック１の第１電力端子７４ａとの接続、上から２段目のセルスタック１の第２電力端子７４ｂと上から３段目のセルスタック１の第１電力端子７４ａとの接続、および、上から３段目のセルスタック１の第２電力端子７４ｂと最下段のセルスタック１の第１電力端子７４ａとの接続のそれぞれが、メインバスバー７８ａにより実現されている。

左側のセルスタック集合体６１では、最上段のセルスタック１の第１電力端子７４ａと上から２段目のセルスタック１の第２電力端子７４ｂとの接続、上から２段目のセルスタック１の第１電力端子７４ａと上から３段目のセルスタック１の第２電力端子７４ｂとの接続、および、上から３段目のセルスタック１の第１電力端子７４ａと最下段のセルスタック１の第２電力端子７４ｂとの接続のそれぞれが、メインバスバー７８ａにより実現されている。

更に、右側のセルスタック集合体６１における最下段のセルスタック１の第２電力端子７４ｂと、左側のセルスタック集合体６１における最下段のセルスタック１の第１電力端子７４ａとが、サブバスバー７８ｂにより実現されている。また、右側のセルスタック集合体６１における最上段のセルスタック１の第１電力端子７４ａ、および、左側のセルスタック集合体６１における最上段のセルスタック１の第２電力端子７４ｂは、それぞれ別の電力線７９に接続されている。これらの電力線７９は、それぞれ別の電力線保護管７９ａに保護されており、ホットモジュールＨＭの外部に延出する。

メインバスバー７８ａは、ホットモジュールＨＭの冷態時と発電動作時の温度差による鉛直方向の伸縮に伴う不具合を防ぐため、伸縮吸収部７８ａ１を有する金属板で構成されている。伸縮吸収部７８ａ１は、本実施形態の例では、図８等に示すように左右方向視でＵ字状の湾曲部としているが、Ｖ字状の折曲部等としても良い。伸縮吸収部７８ａ１を有するメインバスバー７８ａを採用することで、熱応力が緩和され、安定した発電動作が実現可能であるとともに、各段のセルスタック１に過剰な力が作用するのを防止することもできる。

サブバスバー７８ｂは、ホットモジュールＨＭの冷態時と発電動作時の温度差による水平方向の伸縮に伴う不具合を防ぐため、伸縮吸収部７８ｂ１を有する金属板で構成されている。伸縮吸収部７８ｂ１は、本実施形態の例では、図５等に示すように上下方向視でＵ字状の湾曲部としているが、Ｖ字状の折曲部等としても良い。伸縮吸収部７８ｂ１を有するサブバスバー７８ｂを採用することで、熱応力が緩和され、安定した発電動作が実現可能であるとともに、最上段のセルスタック１に過剰な力が作用するのを防止することもできる。

＜蒸発器＞
次に、蒸発器４の構成等について、より詳細に説明する。図２１は、蒸発器４として機能するプレート組立体８０の構成図であり、左側に左側面図を示し、中央に正面図を示し、右側に右側面図を示している。

プレート組立体８０は、前後に対向配置された第１エンドプレート８２ａと第２エンドプレート８２ｂの間に、複数の伝熱プレート８１を前後方向へ積層し、各エンドプレート８２ａ，８２ｂおよび各伝熱プレート８１を接合して一体化したものである。後述するように、これらの伝熱プレート８１それぞれには、蒸発器４における低温流体（原燃料ガスＧａと改質水Ｗａ）が流れる低温流体流路、および蒸発器４における高温流体（燃焼ガスＧｇ）が流れる高温流体流路の一方が形成される。

図２２は、伝熱プレート８１の斜視図である。本図に示すように伝熱プレート８１は、上下方向を長手方向とする略矩形状の平板部８１ａ（伝熱面部）と、平板部８１ａの全周の縁から後方へ略均一な高さに張り出した枠部８１ｂを有する。平板部８１ａの表裏の各平面は、鉛直方向と平行な伝熱面として機能する。

平板部８１ａの右上寄りの位置には、第１ヘッダ部形成孔８３ａ１と第５ヘッダ部形成孔８３ｅ１が設けられている。更に、平板部８１ａの左下寄りの位置には第２ヘッダ部形成孔８３ｂ１が設けられ、平板部８１ａの右下寄りの位置には第３ヘッダ部形成孔８３ｃ１が設けられ、平板部８１ａの左上寄りの位置には第４ヘッダ部形成孔８３ｄ１が設けられている。

各伝熱プレート８１には、枠部８１ｂの内側に所定の各部材が配置されて、図２３の左側に示す低温流体流路、および、図２３の右側に示す高温流体流路の一方が形成される。なお図２３の上側の枠内には、水分配プレート８６近傍の拡大図が示されている。

低温流体流路を構成する部品としては、蛇行流路プレート８５、水分配プレート８６（図２３に示す破線Ｑ１より外側の部分）、第３補助プレート８７ｃ（図２３に示す破線Ｑ３より下側の部分）、および第４補助プレート８７ｄ（図２３に示す破線Ｑ２より上側であって水分配プレート８６を除く部分）、が用いられる。

伝熱プレート８１の中央領域に広く配置された蛇行流路プレート８５には、上側から下側に向けて蛇行して延びるように蛇行流路８５ａが形成されている。蛇行流路８５ａは、例えばレーザー加工による抜き打ちにより形成可能であり、このようにして蛇行流路プレート８５を製作すれば、少ない工数で量産が可能であり、加工コストも安価に抑えることが可能である。蛇行流路８５ａは概ね、左端近傍および右端近傍の一方から他方へ流体が流下するように斜め下向きに傾斜する傾斜流路部Ｃｈ１、および、傾斜流路部Ｃｈ１の端部において流体の流れを反転させる折り返し流路部Ｃｈ２からなる単位流路Ｃｈの複数段が、上下方向に連続的に形成されてなる。

水分配プレート８６は、第１ヘッダ部形成穴８３ａ１に対応する位置に配置されるプレート部材であり、図２３の上側の枠内に示すように、第１ヘッダ部形成穴８３ａ１と連通する主孔８６ａと、主孔８６ａを囲む周縁部８６ｂとからなる。また、周縁部８６ｂには、主孔８６ａの内壁から外側に向けて貫通する副孔８６ｃが形成されている。副孔８６ｃは、主孔８６ａから下方に延びて蛇行流路の上端部８５ａ１に繋がっている。

第３補助プレート８７ｃは、蛇行流路プレート８５の下側に配置されており、第３ヘッダ部形成穴８３ｃ１に対応する位置に第３流通穴８９ｃを有し、第２ヘッダ部形成穴８３ｂ１に対応する位置に第２ヘッダ部対応穴８３ｂ２を有する。第２ヘッダ部対応穴８３ｂ２は、蛇行流路８５ａの下端に繋がっている。

第４補助プレート８７ｄは、蛇行流路プレート８５の上側に配置されており、第４ヘッダ部形成穴８３ｄ１に対応する位置に第４流通穴８９ｄを有し、第５ヘッダ部形成穴８３ｅ１に対応する位置に蛇行流路の上端部８５ａ１を有する。蛇行流路の上端部８５ａ１は、蛇行流路プレート８５における蛇行流路８５ａの上端に繋がっている。

高温流体流路を構成する部品としては、伝熱フィン８８、第１補助プレート８７ａ、および第２補助プレート８７ｂが用いられる。伝熱フィン８８は、本実施形態の例では上下方向に延びる多数の流路が形成されたコルゲートフィンが採用されており、伝熱プレート８１の中央領域に広く配置されている。

第１補助プレート８７ａは、伝熱フィン８８の上側に配置されており、第１ヘッダ部形成穴８３ａ１に対応する位置に第１流通穴８９ａを有し、第５ヘッダ部形成穴８３ｅ１に対応する位置に第５流通穴８９ｅを有し、第４ヘッダ部形成穴８３ｄ１に対応する位置に第４ヘッダ部対応穴８３ｄ２を有する。第４ヘッダ部対応穴８３ｄ２は、伝熱フィン８８の上端全体に繋がっている。

第２補助プレート８７ｂは、伝熱フィン８８の下側に配置されており、第２ヘッダ部形成穴８３ｂ１に対応する位置に第２流通穴８９ｂを有し、第３ヘッダ部形成穴８３ｃ１に対応する位置に第３ヘッダ部対応穴８３ｃ２を有する。第３ヘッダ部対応穴８３ｃ２は、伝熱フィン８８の下端全体に繋がっている。

プレート組立体８０においては、各エンドプレート８２ａ，８２ｂの間に、低温流体流路が形成された伝熱プレート８１と高温流体流路が形成された伝熱プレート８１とが交互に積層されて一体化されている。このように形成されたプレート組立体８０においては、伝熱プレート８１（平板部８１ａ）の一方の伝熱面側に低温流体流路が形成され、他方の伝熱面側に高温流体流路が形成されていると見ることもできる。

また図２１に示すように、各エンドプレート８２ａ，８２ｂは、前方視で伝熱プレート８１と外縁が概ね一致する略板状に形成されており、前側に設けた第１エンドプレート８２ａには、第１および第５ヘッダ部形成孔８３ａ１，８３ｅ１に対応する流体ポートが設けられ、後側に設けた第２エンドプレート８２ｂには、第２、第３および第４の各ヘッダ部形成孔８３ｂ１，８３ｃ１，８３ｄ１に対応する流体ポートが設けられている。

これによりプレート組立体８０は、第１ヘッダ部形成穴８３ａ１、第１流通穴８９ａ、および主孔８６ａが前後方向に繋がって形成された第１ヘッダ部８３ａを有し、第１ヘッダ部８３ａは第１エンドプレート８２ａにおいて前方に開口している。またプレート組立体８０は、第２ヘッダ部形成穴８３ｂ１、第２ヘッダ部対応穴８３ｂ２、および第２流通穴８９ｂが前後方向に繋がって形成された第２ヘッダ部８３ｂを有し、第２ヘッダ部８３ｂは第２エンドプレート８２ｂにおいて後方に開口している。

またプレート組立体８０は、第３ヘッダ部形成穴８３ｃ１、第３ヘッダ部対応穴８３ｃ２、および第３流通穴８９ｃが前後方向に繋がって形成された第３ヘッダ部８３ｃを有し、第３ヘッダ部８３ｃは第２エンドプレート８２ｂにおいて後方に開口している。またプレート組立体８０は、第４ヘッダ部形成穴８３ｄ１、第４ヘッダ部対応穴８３ｄ２、および第４流通穴８９ｄが前後方向に繋がって形成された第４ヘッダ部８３ｄを有し、第４ヘッダ部８３ｄは第２エンドプレート８２ｂにおいて後方に開口している。

またプレート組立体８０は、第５ヘッダ部形成穴８３ｅ１、第５流通穴８９ｅ、および蛇行流路の上端部８５ａ１が前後方向に繋がって形成された第５ヘッダ部８３ｅを有し、第５ヘッダ部８３ｅは第１エンドプレート８２ａにおいて前方に開口している。以上のようにして、第１ヘッダ部８３ａと第５ヘッダ部８３ｅはプレート組立体８０の上端部右寄りの箇所に形成され、第２ヘッダ部８３ｂはプレート組立体８０の下端部左寄りの箇所に形成され、第３ヘッダ部８３ｃはプレート組立体８０の下端部右寄りの箇所に形成され、第４ヘッダ部８３ｄはプレート組立体８０の上端部左寄りの箇所に形成されている。

なお、各ヘッダ部形成穴８３ａ１～８３ｅ１、各流通穴８９ａ～８９ｅ、および各ヘッダ部対応穴８３ｂ２～８３ｄ２は、例えばレーザー加工により形成可能である。また、伝熱プレート８１の積層において、流体の分配／収集が不要であるヘッダ部形成穴に対応する位置（つまり、低温流体流路側での第３ヘッダ部形成穴８３ｃ１と第４ヘッダ部形成穴８３ｄ１に対応する位置、および、高温流体流路側での第１ヘッダ部形成穴８３ａ１と第２ヘッダ部形成穴８３ｂ１と第５ヘッダ部形成穴８３ｅ１に対応する位置）には、補助プレート８７ａ～８７ｄが挟持されている。

当該補助プレートは、ヘッダ部形成穴と流通穴の縁部をロウ付け等で接合して連結することにより、その流体流路に不要な流体が進入しないようにし、適切なヘッダ部を簡単に形成することができる。このような構成を採用すれば、伝熱プレート８１を１種類のプレス金型で製作することができるため、蒸発器４の量産に適する。また本実施形態では、蛇行流路プレート８５、水分配プレート８６、第３補助プレート８７ｃおよび第４補助プレート８７ｄの各部品は、１枚の板材に対するレーザー加工等による抜き打ちによって一体的に製作される。このように当該各部品を一体的に製作することにより、部品点数を抑制して蒸発器４の組立工数を削減することができる。

第１ヘッダ部８３ａには改質水Ｗａが供給され、第５ヘッダ部８３ｅには原燃料ガスＧａが供給される。第１ヘッダ部８３ａに供給された改質水Ｗａは、各低温流体流路の水分配プレート８６に均等に分配され、主孔８６ａおよび副孔８６ｃを通じて蛇行流路８５ａの最上段ステージに流下する。この改質水Ｗａは蛇行流路８５ａを進みながら加熱され、水蒸気となって第２ヘッダ部８３ｂに到達する。

なお水分配プレート８６における副孔８６ｃは、主孔８６ａから上方に延びた後、折り返し流路を経て蛇行流路の上端部８５ａ１に繋がるように構成してもよい。主孔８６ａに供給された改質水Ｗａを上向きに吐出させることにより、副孔８６ｃから改質水Ｗａを押し出す際に比較的高い流動抵抗が生じる。そのため、図２３のように改質水Ｗａを下向きに吐出させる構成に比べて、より均等な水分配が可能になる。

第５ヘッダ部８３ｅに供給された原燃料ガスＧａも、各低温流体流路に均等に分配され、改質水Ｗａと同時に蛇行流路８５ａを進みながら加熱されて第２ヘッダ部８３ｂに到達する。このようにプレート組立体８０は、原燃料ガスＧａ中で水蒸発を行わせる構成となっており、第２ヘッダ部８３ｂにおいて原燃料ガスＧａと水蒸気の混合ガスＧｂが過熱状態で連続的に得られる。この混合ガスＧｂは、そのまま改質器２に供給することができる。

一方、第３ヘッダ部８３ｃには、熱源ガスとして燃焼ガスＧｇが供給される。第３ヘッダ部８３ｃに供給された燃焼ガスＧｇは、各高温流体流路に均等に分配され、伝熱フィン８８における流路のそれぞれを上昇流で流通し、第４ヘッダ部８３ｄで収集されて管路Ｌｇ１へ排出される。

このとき各低温流体流路の蛇行経路８５ａは、隣り合う高温流体流路の伝熱フィン８８と伝熱プレート８１を介して前後方向に対向しているため、燃焼ガスＧｇの熱を用いて改質水Ｗａおよび原燃料ガスＧａが効率良く加熱される。

また、改質水Ｗａおよび原燃料ガスＧａは蛇行経路８５ａを下方へ流れ、燃焼ガスＧｇは伝熱フィン８８を上方へ流れることから、これらはカウンターフローで熱交換される。これによりプレート組立体８０の下部領域では、第３ヘッダ部８３ｃから導入直後の高温熱源ガス（燃焼ガスＧｇ）で水蒸気（改質水Ｗａ）が加熱されるので、第２ヘッダ部８３ｂから過熱蒸気を取り出すことができる。この過熱蒸気は、改質器２での炭化水素燃料の水蒸気改質反応において有用である。

＜本願発明の効果およびその他の変形例＞
以上に説明したとおり、本実施形態に係るホットモジュールＨＭは、第１台座Ｘ１ａ上に形成される第１ボックスＸ１と、第２台座Ｘ２ａ上に形成される第２ボックスＸ２と、第２ボックスＸ２の内部に第１ボックスＸ１を収容した状態で、第２台座Ｘ２ａから所定高さに第１台座Ｘ１ａを支持する複数本の第１支柱５１と、を備える。またホットモジュールＨＭは、第１ボックスＸ１内に配置され、燃料電池システム１００の発電動作時に内部で化学反応を伴う第１機器グループＧＰ１と、第１台座Ｘ１ａよりも下方の第２ボックスＸ２内に配置され、燃料電池システム１００の発電動作時に内部で化学反応を伴わない第２機器グループＧＰ２と、を備える。

更にホットモジュールＨＭは、第１ボックスＸ１の側部および頂部に装着される板状断熱材５３と、第２機器グループＧＰ２の配置空間に充填される粒状断熱材と、を備え、第１機器グループＧＰ１と第２機器グループＧＰ２との間での流体の受け渡しを、第１台座Ｘ１ａを上下方向に貫通する管路を通じて行うように構成されている。

このようにホットモジュールＨＭでは、第１機器グループＧＰ１に含まれる機器は、システムの発電動作時に内部で化学反応による発熱や吸熱を伴う機器であり、第１ボックスＸ１を高温動作領域に設定している。一方、第２機器グループＧＰ２に含まれる機器は、システムの発電動作時に内部で化学反応による発熱や吸熱を伴わない機器であり、第２ボックスＸ２を低温動作領域に設定している。そして、各機器グループＧＰ１，ＧＰ２間での流体の受け渡しを、第１台座Ｘ１ａを上下方向に貫通する管路を通じて行うように構成している。そのため、第１ボックスＸ１に板状断熱材５３を装着する際、管路を挿通するための穴加工を必要としないので、より少ない工数でホットモジュールＨＭを組み立てることができ、組み立てが容易な燃料電池システムのホットモジュールＨＭが実現される。

また第２ボックスＸ２では、第２機器グループＧＰ２の配置空間に粒状断熱材が充填される。高温動作領域である第１ボックスＸ１からは、第１台座Ｘ１ａを通じて熱伝導が起こるが、粒状断熱材により断熱される。そのため、第２機器グループＧＰ２およびその接続配管は、高価な高温耐性の材料を使用せずに構成することができる。また、各機器グループＧＰ１，ＧＰ２間での流体の受け渡し用の配管は、第１台座Ｘ１ａに穿設した管挿入孔に管路を取り付けるだけの構造なので、特別なシールも必要としない。なおホットモジュールＨＭを組み立てる工程の具体例は、既に説明したとおりである。

またホットモジュールＨＭは、バーナ３と、水蒸気を生成する蒸発器４と、バーナ３の燃焼熱を受け、水蒸気を用いて原燃料ガスＧａを改質する改質器３と、この改質されたガスを用いて発電するセルスタック１と、ホットモジュールＨＭ内の流体どうしの熱交換を行う熱交換器（空気予熱器５とアノードオフガス冷却器６）とを備える。そして第１機器グループＧＰ１は、セルスタック１、改質器２、およびバーナ３を含み、第２機器グループＧＰ２は、蒸発器４および熱交換器（空気予熱器５、アノードオフガス冷却器６、アノードオフガス凝縮器７）を含む。

セルスタック１（ＳＯＦＣセルスタック）は、水素および／または一酸化炭素と酸素の電気化学反応（発熱反応）を伴う機器であり、改質器２は、メタンと水の水蒸気改質反応（吸熱反応）を伴う機器であり、バーナ３は、水素および／または一酸化炭素と酸素の酸化反応（発熱反応）を伴う機器である。これらの第１機器グループＧＰ１は、ＳＯＦＣセルスタックを動作温度（典型的には５００～７００℃）に維持するように、発熱と吸熱のバランスを取りつつ作動する。第１ボックスＸ１は、第１機器グループＧＰ１の収容に必要な最小限の容量とされる。

一方で、蒸発器４は、水と熱源流体を間接熱交換させる機器であり、熱交換器は、低温流体と高温流体を間接熱交換させる機器である。これらの第２機器グループは、ＳＯＦＣセルスタックの動作温度よりも低い温度（典型的には常温～４００℃）で作動する。第２ボックスＸ２は、第２機器グループＧＰ２と第１ボックスＸ１を収容可能な容量とされる。そしてホットモジュールＨＭは、小容量で済む高温動作領域の断熱に高価な板状断熱材５３を使用する一方で、比較的大容量となる低温動作領域の断熱に安価な粒状断熱材を使用する構成としている。そのため、ホットモジュールＨＭの材料コストを抑制することができる。

またホットモジュールＨＭは、第２機器グループＧＰ２を通る流体の管路に、ベローズ形伸縮管継手を設けている。第１台座Ｘ１ａを貫通する管路と熱交換器を接続するパイプや、熱交換器どうしを接続するパイプは、システムの冷態時と運転時の温度変化により伸縮する。この伸縮により発生する熱応力は、パイプ本体および接合部の割れや破断の原因となるため、場合によっては可燃性ガスのリーク等、深刻な不具合を引き起こすことになる。このような問題を解消するため、パイプの配管にベローズ形伸縮管継手を使用することにより、熱応力の発生が回避される。

またホットモジュールＨＭは、第２機器グループＧＰ２の配置空間に、燃料電池システム１００の発電動作時に所定の条件を満足した場合にのみ内部で化学反応を伴う第３機器グループＧＰ３が配置され、第３機器グループＧＰ３はＣＯ酸化器８を含んでいる。

ＣＯ酸化器８は、燃焼ガスＧｇ（燃焼排ガス）に含まれる有害な一酸化炭素を触媒と接触させ、無害な二酸化炭素に変換する機器である。すなわちＣＯ酸化器８は、バーナ３での酸化反応が完全である場合は動作せず、バーナ３での酸化反応が不完全である場合にのみ動作する。つまり、触媒反応に伴う発熱は僅かであるので、ＣＯ酸化器８を低温動作領域に配置し、第１ボックスＸ１の容量を抑制することができる。

なお、本実施形態のシステムは単段式の燃料電池システムであるが、本発明は多段式の燃料電池システムにも適用可能である。一例として２段式の燃料電池システムとする場合は、前段側のセルスタックと後段側のセルスタックが設けられ、前段側のセルスタックから排出されるアノードオフガス（未反応の燃料成分を含む）を用いて、後段側のセルスタックが発電するよう構成される。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の構成は上記実施形態に限られず、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることが可能である。すなわち上記実施形態は、全ての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の技術的範囲は、上記実施形態の説明ではなく、特許請求の範囲によって示されるものであり、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内に属する全ての変更が含まれると理解されるべきである。

本発明は、固体酸化物形の燃料電池システムに利用可能である。

１ セルスタック
２ 改質器
２ａ 反応容器
３ バーナ
４ 蒸発器
５ 空気予熱器
６ アノードオフガス冷却器
７ アノードオフガス凝縮器
８ ＣＯ酸化器
９ 凝縮水回収タンク
１０ 第１原燃料ブロワ
１１ 第１空気ブロワ
１２ 水ポンプ
１３ 第２原燃料ブロワ
１４ 第２空気ブロワ
１５ パワーコンディショナ
１６ システムコントローラ
２１ 外筒
２１ａ 取入口
２１ｂ 取出口
２１ｃ 伸縮吸収部
２２ 内筒
２３ 触媒充填層
２４ 基端側蓋板
２５ 末端側蓋板
３１ 第１ガス筒
３２ 第２ガス筒
３３ 保炎器
４０ 点火／火炎検知回路
４０ａ ガス点火部
４０ｂ 電流検知部
４０ｃ１ 第１スイッチ
４０ｃ２ 第２スイッチ
４０ｘ 電極対
５１ 第１支柱
５２ 第２支柱
５３ 板状断熱材
６１ セルスタック集合体
６２ オープンラック
６２ａ 単位ラック
６３ ステージ盤
６３ａ ステージ盤
６４ 柱部
６４ａ 柱部
７１ 支持板
７２ フランジ付ガスポート
７２ａ アノード燃料流入ポート
７２ｂ カソード空気流入ポート
７２ｃ アノードオフガス流出ポート
７２ｄ カソードオフガス流出ポート
７２ｘ フランジ部
７４ａ 第１電力端子
７４ａ１ 第１電力端子の端部
７４ｂ 第２電力端子
７４ｂ１ 第２電力端子の端部
７５ 積層部
７６ａ 第１端板
７６ｂ 第２端板
７８ａ メインバスバー
７８ａ１ 伸縮吸収部
７８ｂ サブバスバー
７８ｂ１ 伸縮吸収部
７９ 電力線
７９ａ 電力線保護管
８０ プレート組立体
８１ 伝熱プレート
８１ａ 平板部
８１ｂ 枠部
８２ａ 第１エンドプレート
８２ｂ 第２エンドプレート
８３ａ 第１ヘッダ部
８３ｂ 第２ヘッダ部
８３ｃ 第３ヘッダ部
８３ｄ 第４ヘッダ部
８３ｅ 第５ヘッダ部
８３ａ１ 第１ヘッダ部形成孔
８３ｂ１ 第２ヘッダ部形成孔
８３ｃ１ 第３ヘッダ部形成孔
８３ｄ１ 第４ヘッダ部形成孔
８３ｅ１ 第５ヘッダ部形成孔
８３ｂ２ 第２ヘッダ部対応穴
８３ｃ２ 第３ヘッダ部対応穴
８３ｄ２ 第４ヘッダ部対応穴
８５ 蛇行流路プレート
８５ａ 蛇行流路
８６ 水分配プレート
８６ａ 主孔
８６ｂ 周縁部
８６ｃ 副孔
８７ａ 第１補助プレート
８７ｂ 第２補助プレート
８７ｃ 第３補助プレート
８７ｄ 第４補助プレート
８８ 伝熱フィン
８９ａ 第１流通穴
８９ｂ 第２流通穴
８９ｃ 第３流通穴
８９ｄ 第４流通穴
８９ｅ 第５流通穴
１００ 燃料電池システム
Ａａ～Ａｃ 空気
Ｂ１ 第１ベローズ形伸縮管継手
Ｂ２ 第２ベローズ形伸縮管継手
Ｂ３ 第３ベローズ形伸縮管継手
Ｂ４ 第４ベローズ形伸縮管継手
ＢＰ 枝管
Ｂｐ１ ベローズ形伸縮管継手
ＣＶ 湾曲部
Ｃｈ 単位流路
Ｃｈ１ 傾斜流路部
Ｃｈ２ 折り返し流路部
Ｄ１ ガス排出口
Ｅ１、Ｅ２ 燃料取入口
Ｅ３、Ｅ４ 空気取入口
Ｆｇ フランジ
Ｇａ 原燃料ガス
Ｇｂ 混合ガス
Ｇｃ 改質ガス
Ｇｄ アノードオフガス
Ｇｅ カソードオフガス
Ｇｆ 原燃料ガス
Ｇｇ 燃焼ガス
Ｌａ 原燃料ライン
Ｌｂ 混合ガスライン
Ｌｃ アノード燃料ライン
Ｌｄ アノードオフガスライン
Ｌｄ１ 管路
Ｌｅ カソード空気ライン
Ｌｅ１ 管路
Ｌｅ２ バイパス経路
Ｌｆ カソードオフガスライン
Ｌｆ１ 管路
Ｌｇ 燃焼ガスライン
Ｌｇ１ 管路
Ｌｈ バーナ冷却用空気ライン
Ｌｉ 改質水ライン
Ｌｊ 起動用空気ライン
Ｌｗ 凝縮水回収ライン
Ｍａ 第１分配マニホールド
Ｍｂ 第２分配マニホールド
Ｍｃ 第１収集マニホールド
Ｍｄ 第２収集マニホールド
ＲＧ 改質ガス発生装置
Ｓａ 気水分離部
Ｓｂ 水位水検知器
Ｓｃ 排水弁
Ｗａ 改質水
Ｗｂ 凝縮水
Ｘ１ 第１ボックス
Ｘ１ａ 第１台座
Ｘ２ 第２ボックス
Ｘ２ａ 第２台座
Ｚａ 熱放射筒
Ｚｂ 燃焼ガス管

Claims (5)

1. 燃料電池システムのホットモジュールであって、
   第１台座上に形成される第１ボックスと、
   第２台座上に形成される第２ボックスと、
   前記第２ボックスの内部に前記第１ボックスを収容した状態で、前記第２台座から所定高さに前記第１台座を支持する複数本の支柱と、
   前記第１ボックス内に配置され、前記燃料電池システムの発電動作時に内部で化学反応を伴う第１機器グループと、
   前記第１台座よりも下方の前記第２ボックス内に配置され、前記燃料電池システムの発電動作時に内部で化学反応を伴わない第２機器グループと、を備え、
   前記第１機器グループと前記第２機器グループとの間での流体の受け渡しを、前記第１台座を上下方向に貫通する管路を通じて行うように構成したことを特徴とするホットモジュール。
2. 前記第１ボックスの側部および頂部に装着される板状断熱材と、
   前記第２機器グループの配置空間に充填される粒状断熱材と、を備えたことを特徴とする請求項１に記載のホットモジュール。
3. 請求項１または請求項２に記載のホットモジュールであって、
   バーナと、
   水蒸気を生成する蒸発器と、
   前記バーナの燃焼熱を受け、前記水蒸気を用いて原燃料ガスを改質する改質器と、
   前記改質されたガスを用いて発電する燃料電池セルスタックと、
   前記ホットモジュール内の流体どうしの熱交換を行う熱交換器と、を備え、
   前記第１機器グループは、前記燃料電池セルスタック、前記改質器、および前記バーナを含み、
   前記第２機器グループは、前記蒸発器および前記熱交換器を含むことを特徴とするホットモジュール。
4. 前記第２機器グループを通る流体の管路に、ベローズ形伸縮管継手を設けたことを特徴とする請求項３に記載のホットモジュール。
5. 前記第２機器グループの配置空間に、前記燃料電池システムの発電動作時に所定の条件を満足した場合にのみ内部で化学反応を伴う第３機器グループが配置され、
   前記第３機器グループは、一酸化炭素酸化器を含むことを特徴とする請求項１から請求項４の何れかに記載のホットモジュール。