JP5021236B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、電解質をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体と、セパレータとが積層される燃料電池を設け、複数の前記燃料電池が積層される燃料電池スタックを備える燃料電池システムに関する。

通常、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）は、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（単セル）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、単セル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。

上記の燃料電池スタックでは、単セルの作動温度が８００℃以上と高温となっている。このため、燃料電池スタックを始動させる際には、燃焼器を介して前記燃料電池スタックを所望の温度まで迅速に加熱することが望まれている。この燃焼器は、通常、燃料電池スタックの酸化剤ガス供給側又は前記燃料電池スタックの排ガス排出側に配置されている。

ところが、燃焼器が酸化剤ガス供給側に配置される構成では、前記燃焼器内の燃焼によって発生した高温の燃焼ガスが、燃料電池スタック内へ直接流入している。従って、高温の燃焼ガスによりセパレータが腐食され易くなるとともに、前記セパレータや電解質・電極接合体に燃焼ガス中のカーボンが付着し、劣化し易くなるという問題がある。

そこで、燃焼器を燃料電池スタックの排ガス排出側に配置する構成が採用されており、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池システムが知られている。この燃料電池システムは、図１０に示すように、空気極１ａ及び燃料極１ｂを備える燃料電池１を備えており、この空気極１ａには、酸化剤ガスである空気２が供給されるとともに、前記燃料極１ｂには、燃料ガス３が供給されている。

燃料電池１の排気側には、燃料極１ｂから排出される燃料極オフガスを燃焼させるための排ガス燃焼器４が設けられるとともに、この排ガス燃焼器４から排出される燃焼ガスは、熱交換器５に供給されており、空気極１ａに供給される前の空気２を加熱している。一方、燃料ガス３の供給ラインには、起動時に燃料ガス３を不完全燃焼させて形成した還元性ガスを、燃料極１ｂに供給するための起動燃焼器６が設けられている。

特開２００５−１６６４３９号公報（図２）

しかしながら、上記の特許文献１では、燃料電池システム内に排ガス燃焼器４と起動燃焼器６との２台の燃焼器が用いられており、前記燃料電池システム全体が大型化するという問題がある。

しかも、排ガス燃焼器４は、燃料電池１の排ガス経路上に設置されており、常に高温の排ガスに曝されている。このため、排ガス燃焼器４の耐久性が低下するという問題がある。さらに、始動時には、燃料電池１から排出される排ガスの温度が変動しており、排ガス燃焼器４から排出される燃焼ガスの温度を一定の温度範囲に維持することが極めて困難であ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、簡単な構成で、燃焼器の耐久性を有効に向上させるとともに、熱効率を良好に高めることが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明は、電解質をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体とセパレータとが積層される燃料電池を設け、複数の前記燃料電池が積層される燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに供給される前の酸化剤ガスを、熱媒体により加熱する熱交換器と、炭化水素を主体とする原燃料を改質し、前記燃料電池スタックに供給される燃料ガスを生成する改質器と、前記原燃料を燃焼させて燃焼ガスを発生させる燃焼器とを備える燃料電池システムに関するものである。

少なくとも略リング状の熱交換器及び改質器を含む流体部は、燃料電池スタックの積層方向一端部側に、前記燃料電池スタックの中心軸に対して軸対称に配設され、略リング状の前記熱交換器の外周に燃焼器が配置されている。燃料電池システムは、燃焼器で発生される燃焼ガスを、熱媒体として前記熱交換器に供給するための燃焼ガス経路と、発電反応に使用されて燃料電池スタックから排出される排ガスを、前記熱媒体として前記熱交換器に供給するための排ガス経路と、前記熱交換器に前記熱媒体を導入するための熱媒体入口の上流側に設けられ、前記燃焼ガス経路と前記排ガス経路とが合流する合流部とを有している。

また、流体部は、原燃料と水蒸気とを含む混合燃料を生成するために、水を蒸発させる蒸発器を設けることが好ましい。さらに、略リング状の熱交換器及び改質器を含む流体部は、燃料電池スタックの中心軸に対して軸対称に配設されるとともに、略リング状の前記熱交換器よりも内側に前記改質器が配置され、前記改質器は、前記燃料電池スタックに近接し且つ前記改質器と蒸発器とは、互いに隣接して配置されることが好ましい。さらにまた、流体部は、燃料電池スタックの中心軸に対して軸対称に配置されることが好ましい。

燃料電池システムは、少なくとも燃料電池スタック及び流体部を収容する筐体を備え、前記筐体内には、前記燃料電池スタックの積層方向他端部側に、前記燃料電池スタックに積層方向に締め付け荷重を付与する荷重付与機構が配設されることが好ましい。また、荷重付与機構は、燃料電池スタックの中心軸に対して軸対称に構成されることが好ましい。

本発明によれば、燃焼器が流体部を構成する熱交換器の外周に配置されるため、前記燃焼器からの伝熱や輻射熱によって、前記熱交換器を含む前記流体部の断熱性が有効に向上する。このため、流体部からの放熱量を減少させることができ、熱効率の向上を図ることが可能になる。

さらに、燃焼器で発生される燃焼ガスと燃料電池スタックから排出される排ガスとは、それぞれ熱媒体として熱交換器の熱媒体入口の上流側で混合されている。従って、熱交換器に供給される熱媒体の温度を良好且つ正確に調整することができる。これにより、燃焼器の制御が一挙に簡素化且つ高精度化されるとともに、熱交換器の耐久性が向上し、前記熱交換器の設計条件を良好に緩和することができる。

しかも、燃焼器は、燃料電池から排出される高温の排ガスに曝されることがなく、前記燃焼器の耐久性が良好に向上する。その上、燃焼器に供給される原燃料及び酸化剤ガスの温度や流量等が略一定条件に設定可能であるため、安定した燃焼が確実に遂行される。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システム１０の一部断面説明図であり、図２は、前記燃料電池システム１０を構成する燃料電池１１が矢印Ａ方向に複数積層された燃料電池スタック１２の概略斜視説明図である。

燃料電池システム１０は、定置用の他、車載用等の種々の用途に用いられている。燃料電池システム１０は、図１に示すように、燃料電池スタック１２と、酸化剤ガスを前記燃料電池スタック１２に供給する前に加熱する熱交換器１４と、水を蒸発させる蒸発器１５と、水蒸気と炭化水素を主体とする原燃料（都市ガス等）とにより前記原燃料を水蒸気改質する改質器（又は予備改質器）１６と、前記原燃料を燃焼させて燃焼ガスを発生させる燃焼器１７と、前記燃料電池スタック１２、前記熱交換器１４、前記蒸発器１５、前記改質器１６及び前記燃焼器１７を収容する筐体１８とを備える。

筐体１８内では、燃料電池スタック１２の積層方向（矢印Ａ方向）一方の側に、少なくとも熱交換器１４、蒸発器１５及び改質器１６を含む流体部１９が配置されるとともに、前記燃料電池スタック１２の積層方向他方の側に、燃料電池１１に対して積層方向に締め付け荷重を付与する荷重付与機構２１が配設される。流体部１９及び荷重付与機構２１は、燃料電池スタック１２の中心軸に対して軸対称に配設される。

流体部１９では、略円筒状の改質器１６が略リング状の熱交換器１４の内側に且つ燃料電池スタック１２に近接して配置される。改質器１６と蒸発器１５とは、矢印Ａ方向に互いに隣接して配置される。

燃料電池１１は、固体電解質型燃料電池であり、この燃料電池１１は、図３に示すように、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（電解質板）２０の両面に、カソード電極２２及びアノード電極２４が設けられた電解質・電極接合体２６を備える。電解質・電極接合体２６は、円板状に形成されるとともに、少なくとも内側周端部（セパレータ２８の中央側）には、酸化剤ガスの進入を阻止するためにバリアー層（図示せず）が設けられている。

燃料電池１１は、一対のセパレータ２８間に複数、例えば、８個の電解質・電極接合体２６を挟んで構成される。セパレータ２８間には、このセパレータ２８の中心部である燃料ガス供給連通孔３０と同心円上に８個の電解質・電極接合体２６が配列される。

セパレータ２８は、例えば、ステンレス合金等の板金で構成される１枚の金属プレートやカーボンプレート等で構成される。セパレータ２８は、中央部に燃料ガス供給連通孔３０を形成する第１小径端部３２を有する。この第１小径端部３２から外方に等角度間隔ずつ離間して放射状に延在する複数の第１橋架部３４を介して比較的大径な円板部３６が一体的に設けられる。円板部３６は、電解質・電極接合体２６と略同一寸法に設定されている。隣り合う円板部３６は、スリット３８を介して互いに分離される。

各円板部３６のアノード電極２４に接触する面３６ａには、前記アノード電極２４の電極面に沿って燃料ガスを供給するための燃料ガス通路４６を形成する第１突起部４８が設けられる。各円板部３６のカソード電極２２に接触する面３６ｂには、前記カソード電極２２の電極面に沿って酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス通路５０を形成する第２突起部５２が設けられる。

図４に示すように、第１突起部４８と第２突起部５２は、互いに相反する方向に延在するように突出している。第１突起部４８は、リング状突起を構成するとともに、第２突起部５２は、山状突起を構成する。山状突起である第２突起部５２は、リング状突起である第１突起部４８に囲繞されるように配置されている。

図３及び図４に示すように、円板部３６には、燃料ガス通路４６に燃料ガスを供給するための燃料ガス導入口５４が形成される。燃料ガス導入口５４の位置は、燃料ガスが均一に分布するように決められ、例えば、円板部３６の略中心に対応して設定される。

セパレータ２８のカソード電極２２に対向する面には、通路部材５６が、例えば、ろう付けやレーザ溶接等により固着される。通路部材５６は、図３に示すように、中央部に燃料ガス供給連通孔３０を形成する第２小径端部５８を備える。この第２小径端部５８から放射状に８本の第２橋架部６０が延在するとともに、各第２橋架部６０は、セパレータ２８の第１橋架部３４から円板部３６の燃料ガス導入口５４まで固着される。

通路部材５６の接合面において、第２小径端部５８には、燃料ガス供給連通孔３０に連通して複数のスリット６２が放射状に形成される。このスリット６２には、凹部６４が連通する。第１及び第２橋架部３４、６０間には、燃料ガス供給連通孔３０からスリット６２及び凹部６４を介して燃料ガス通路４６に連通する燃料ガス供給通路６６が形成される。

図４に示すように、酸化剤ガス通路５０は、電解質・電極接合体２６の内側周端部と円板部３６の内側周端部との間から矢印Ｂ方向に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部６７に連通する。この酸化剤ガス供給部６７は、各円板部３６の内方と第１橋架部３４との間に位置して積層方向に延在している。

各セパレータ２８間には、燃料ガス供給連通孔３０をシールするための絶縁シール６９が設けられる。絶縁シール６９は、例えば、マイカ材やセラミック材で形成されている。燃料電池１１には、円板部３６の外方に位置して排ガス通路６８が形成される。

図１及び図２に示すように、燃料電池スタック１２は、複数の燃料電池１１の積層方向両端にエンドプレート７０ａ、７０ｂを配置する。エンドプレート７０ａは、略円板状を有しており、外周部に軸線方向に突出してリング状部７２が設けられる。このリング状部７２の外周部には、周回溝部７４が形成される。リング状部７２の中心部に対応して、円柱状凸部７６がこのリング状部７２と同一方向に膨出形成され、前記凸部７６の中央部に段付き孔部７８が形成される。

エンドプレート７０ａには、凸部７６を中心にして同一仮想円周上に孔部８０とねじ孔８２とが、交互に且つ所定の角度間隔ずつ離間して設けられる。図１に示すように、エンドプレート７０ｂは、エンドプレート７０ａよりも大径に構成されるとともに、導電性の薄板で形成される。

筐体１８は、荷重付与機構２１を収容する第１筐体部８４ａと、燃料電池スタック１２を収容する第２筐体部８４ｂとを備える。第１筐体部８４ａ及び第２筐体部８４ｂ間は、ねじ８６及びナット８８により締め付けられる。第２筐体部８４ｂには、ヘッド板９０が一体に設けられる。

積層される複数の燃料電池１１の外周部と第２筐体部８４ｂの内壁との間には、排ガス通路６８が設けられる。排ガス通路６８は、排ガス経路９２に連通するとともに、前記排ガス経路９２は、熱交換器１４の熱媒体通路９４に熱媒体を導入するための熱媒体入口９６に連通する。この熱媒体通路９４は、円筒状ガイド板９５により形成される加熱通路９７を通って、ヘッド板９０に接続された排ガス管９８に連通する。

ガイド板９５は、熱交換器１４の内方に且つ蒸発器１５及び改質器１６の外周を周回して設けられており、このガイド板９５内には、前記蒸発器１５及び前記改質器１６を加熱するための加熱通路９７が形成される。熱交換器１４は、壁板１００に固定されるとともに、この壁板１００は、エンドプレート７０ａの周回溝部７４に支持される。

ヘッド板９０には、空気供給管１０２が接続されており、この空気供給管１０２は、熱交換器１４内の通路１０４を介して壁板１００内に形成されたチャンバ１０６に連通する。このチャンバ１０６は、エンドプレート７０ａの孔部８０を介して燃料電池スタック１２内の酸化剤ガス供給部６７に連通する。

蒸発器１５には、原燃料供給管１０８が設けられるとともに、この原燃料供給管１０８は、ヘッド板９０を介して外部に延在する。蒸発器１５と改質器１６とは、連結管１１０を介して連結され、前記改質器１６には、改質ガス供給管１１２が設けられる。この改質ガス供給管１１２は、エンドプレート７０ａの段付き孔部７８に嵌挿されて燃料ガス供給連通孔３０に連通する。

燃焼器１７は、図１及び図５に示すように、第２筐体部８４ｂに比べて薄肉なケーシング１１４を備え、このケーシング１１４は、熱交換器１４を周回する略リング状に成形される。ケーシング１１４の端部には、原燃料供給管１１６と空気供給管１１８とが接続されており、前記原燃料供給管１１６及び前記空気供給管１１８は、ヘッド板９０を貫通して外部に露呈する。

燃焼器１７は、この燃焼器１７内の燃焼室１１９で発生される燃焼ガスを熱交換器１４に供給するための燃焼ガス経路１２０を設ける。燃焼ガス経路１２０と排ガス経路９２とは、熱交換器１４の熱媒体入口９６の上流側に設けられる合流部１２２で合流し、燃焼ガスと排ガスとの混合ガスを生成する。

荷重付与機構２１は、燃料ガス供給連通孔３０の近傍に対して第１締め付け荷重を付与する第１締め付け部１３０ａと、電解質・電極接合体２６に対して前記第１締め付け荷重よりも小さな第２締め付け荷重を付与する第２締め付け部１３０ｂとを備える。

第１締め付け部１３０ａは、エンドプレート７０ａの一方の対角位置に設けられるねじ孔８２、８２に螺合する短尺な第１締め付けボルト１３２ａ、１３２ａを備える。第１締め付けボルト１３２ａ、１３２ａは、燃料電池１１の積層方向に延在するとともに、第１押圧プレート１３４ａに係合する。第１締め付けボルト１３２ａは、セパレータ２８の内部に設けた酸化剤ガス供給部６７内に設けられる。第１押圧プレート１３４ａは、幅狭な板状を有しており、燃料ガス供給連通孔３０を覆ってセパレータ２８の中央部に係合する。

第２締め付け部１３０ｂは、長尺な第２締め付けボルト１３２ｂ、１３２ｂを備え、前記第２締め付けボルト１３２ｂ、１３２ｂは、エンドプレート７０ａの他方の対角位置に設けられるねじ孔８２、８２に螺合する。第２締め付けボルト１３２ｂの端部は、外周湾曲形状の第２押圧プレート１３４ｂを貫通し、この端部にナット１３６が螺合する。第２締め付けボルト１３２ｂは、セパレータ２８の内部に設けた酸化剤ガス供給部６７内に設けられる。第２押圧プレート１３４ｂの各円弧状部には、燃料電池１１の円板部３６に配置される各電解質・電極接合体２６に対応してスプリング１３８及び台座１４０が配設される。スプリング１３８は、例えば、セラミックススプリングにより構成される。

このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。

先ず、図１に示すように、原燃料供給管１０８から原燃料（メタン、エタン又はプロパン等）及び水が供給されるとともに、空気供給管１０２から酸化剤ガスである酸素含有ガス（以下、空気ともいう）が供給される。

蒸発器１５で水が蒸発されて水蒸気が得られ、この水蒸気と原燃料とは、連結管１１０を通って改質器１６に供給される。このため、改質器１６では、原燃料を水蒸気改質することにより燃料ガスが得られる。この燃料ガスは、燃料電池スタック１２の燃料ガス供給連通孔３０に供給され、積層方向（矢印Ａ方向）に移動しながら各燃料電池１１を構成する燃料ガス供給通路６６に導入される（図４参照）。

燃料ガスは、第１及び第２橋架部３４、６０間を燃料ガス供給通路６６に沿って移動し、円板部３６に形成された燃料ガス導入口５４から燃料ガス通路４６に導入される。燃料ガス導入口５４は、各電解質・電極接合体２６のアノード電極２４の略中心位置に設定されている。このため、燃料ガスは、燃料ガス導入口５４からアノード電極２４の略中心に供給され、燃料ガス通路４６に沿って該アノード電極２４の外周部に向かって移動する。

一方、空気は、図１に示すように、空気供給管１０２から熱交換器１４の通路１０４を通って一旦チャンバ１０６に導入される。この空気は、チャンバ１０６に連通する孔部８０を通って各燃料電池１１の略中央側に設けられている酸化剤ガス供給部６７に供給される。その際、熱交換器１４では、後述するように、排ガス通路６８に排気される排ガスと燃焼器１７を介して高温となった燃焼ガスとが混合された混合ガスが、熱媒体通路９４を通る。

具体的には、燃焼器１７では、特に始動時に原燃料供給管１１６に原燃料が供給されるとともに、空気供給管１１８に空気が供給される。このため、燃焼器１７内の燃焼室１１９で燃焼により発生する燃焼ガスは、燃焼ガス経路１２０を通って合流部１２２に供給される。従って、合流部１２２で合流した燃焼ガスと排ガスとの混合ガスは、熱交換器１４を通って使用前の空気と熱交換が行われ、この空気が予め所望の燃料電池運転温度に加温されている。

酸化剤ガス供給部６７に供給された空気は、電解質・電極接合体２６の内側周端部と円板部３６の内側周端部との間から矢印Ｂ方向に流入し、酸化剤ガス通路５０に送られる。図４に示すように、酸化剤ガス通路５０では、電解質・電極接合体２６のカソード電極２２の内側周端部（セパレータ２８の中央部）側から外側周端部（セパレータ２８の外側周端部側）に向かって空気が流動する。

従って、電解質・電極接合体２６では、アノード電極２４の電極面の中心側から周端部側に向かって燃料ガスが供給されるとともに、カソード電極２２の電極面の一方向（矢印Ｂ方向）に向かって空気が供給される。その際、酸化物イオンが電解質２０を通ってアノード電極２４に移動し、化学反応により発電が行われる。

この場合、第１の実施形態では、燃焼器１７は、流体部１９を構成する熱交換器１４を周回して配置されている。このため、燃焼によって比較的高温になる燃焼器１７からの伝熱や輻射熱によって、熱交換器１４を含む流体部１９の断熱性が有効に向上する。従って、流体部１９からの放熱量を減少させることができ、熱効率の向上を図ることが可能になるという効果が得られる。

さらに、燃料電池スタック１２から排出される排ガスは、排ガス通路６８から排ガス経路９２に供給される一方、燃焼器１７から排出される燃焼ガスは、燃焼ガス経路１２０に供給されている。そして、排ガス経路９２と燃焼ガス経路１２０とは、熱交換器１４の熱媒体入口９６の上流側に設けられた合流部１２２で合流している。

このため、燃焼器１７で発生される燃焼ガスと、燃料電池スタック１２から排出される排ガスとは、合流部１２２で混合された後、熱媒体入口９６から熱交換器１４の熱媒体通路９４に導入されている。これにより、熱交換器１４に供給される熱媒体の温度を良好且つ正確に調整することができ、燃焼器１７の制御が一挙に簡素化且つ高精度化される。しかも、熱交換器１４の耐久性が向上し、前記熱交換器１４の設計条件を良好に緩和することが可能になる。

さらにまた、燃焼器１７は、燃料電池スタック１２から排出される高温の排ガスに曝されることがなく、前記燃焼器１７の耐久性が良好に向上する。その上、燃焼器１７には、原燃料供給管１１６を介して原燃料が供給されるとともに、空気供給管１１８から空気が供給されており、前記原燃料及び前記酸化剤ガスの温度や流量等が略一定条件に設定可能であり、安定した燃焼が確実に遂行される。

さらにまた、熱媒体通路９４を通って熱交換を行った排ガスは、ガイド板９５の案内作用下に加熱通路９７に流入される。この加熱通路９７には、改質器１６及び蒸発器１５が配設されており、前記排ガスの熱によって前記改質器１６及び前記蒸発器１５を良好に加熱することができる。このため、排熱を良好に活用することができ、熱効率が高まるという利点がある。

なお、燃料電池システム１０では、始動時には、燃料電池スタック１２が運転される前に燃焼器１７による燃焼が開始される。このため、燃焼器１７から排出される比較的高温の燃焼ガスは、熱交換器１４、改質器１６及び蒸発器１５を迅速に加熱して排ガス管９８から排出される。

そして、熱交換器１４、改質器１６及び蒸発器１５が所定の温度に加熱された後、上記のように原燃料供給管１０８に原燃料及び水が供給される一方、空気供給管１０２に空気が供給されて燃料電池スタック１２の運転が開始される。さらに、燃料電池スタック１２が定常運転に至ると、燃焼器１７による燃焼が停止される。その際、熱交換器１４では、空気供給管１０２から導入される反応前の空気と、燃料電池スタック１２から排出される排ガスとの間で熱交換が行われ、所定の温度に加熱された酸化剤ガスが、燃料電池スタック１２に供給される。

図６は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システム１５０の一部断面説明図であり、図７は、前記燃料電池システム１５０の、図６中、ＶＩＩ−ＶＩＩ線断面図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池システム１０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。また、以下に説明する第３の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。

燃料電池システム１５０では、第２筐体部８４ｂの外周に燃焼器１５２が取り付けられる。燃焼器１５２は、第２筐体部８４ｂの肩部を覆って周回する筐体部１５４を備え、この筐体部１５４と前記第２筐体部８４ｂとの間に、略リング状の燃焼ガス室１５６が形成される。第２筐体部８４ｂの外周部一部と筐体部１５４とには、断面Ｕ字状の外板部１５８が固着されるとともに、この外板部１５８内には、ケーシング１６０が配設される（図７参照）。なお、燃焼器１５２は、単一の円筒状ケーシング１６０を用いるため、断熱性を高める必要から、筐体部１５４と第２筐体部８４ｂとにより二重壁部が構成される。

ケーシング１６０のヘッド板９０側の端部には、原燃料供給管１６２と空気供給管１６４とが二重管構造で設けられる。ケーシング１６０の出口側に燃焼ガス経路１６５が形成され、この燃焼ガス経路１６５は、第２筐体部８４ｂに形成された複数の孔部１６６を介して合流部１２２に連通する。

このように構成される第２の実施形態では、燃料電池システム１５０の始動時に燃焼器１５２で燃焼が行われている。この燃焼によって発生した燃焼ガスは、燃焼ガス経路１６５から燃焼ガス室１５６に導入された後、複数の孔部１６６を通って合流部１２２に供給されている。

この合流部１２２には、排ガス経路９２から排ガスが供給されており、前記燃焼ガスと前記排ガスとの混合ガスが熱交換器１４に供給される。従って、熱交換器１４に供給される熱媒体温度を良好に調整することができる。しかも、流体部１９の外周を覆って燃焼ガス室１５６が形成されており、前記流体部１９の断熱性が有効に向上する等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

図８は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システム１８０の一部断面説明図であり、図９は、前記燃料電池システム１８０の図８中、ＩＸ−ＩＸ線断面図である。

燃料電池システム１８０は、燃焼器１８２を備えるとともに、この燃焼器１８２は、流体部１９を構成する熱交換器１４の外周に配設される複数のケーシング１８４を備える。ケーシング１８４は、燃料電池スタック１２の中心軸を中心とする同一円周上に配置される。各ケーシング１８４には、原燃料供給管１８６と空気供給管１８８とを有する二重管構造が設けられる一方、前記ケーシング１８４の出口側には、燃焼ガス経路１９０が設けられる。燃焼ガス経路１９０は、合流部１２２で排ガス経路９２と合流している。

従って、第３の実施形態では、熱交換器１４の外周を周回して複数のケーシング１８４が配置されるとともに、燃焼ガス経路１９０と排ガス経路９２とが合流部１２２で合流しており、上記の第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの一部断面説明図である。 前記燃料電池システムを構成する燃料電池スタックの概略斜視説明図である。 前記燃料電池スタックを構成する燃料電池の分解斜視説明図である。 前記燃料電池の動作を説明する概略断面説明図である。 前記燃料電池システムの、図１中、Ｖ−Ｖ線断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムの一部断面説明図である。 前記燃料電池システムの、図６中、ＶＩＩ−ＶＩＩ線断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システムの一部断面説明図である。 前記燃料電池システムの、図８中、ＩＸ−ＩＸ線断面図である。 特許文献１の燃料電池システムの概略説明図である。

符号の説明

１０、１５０、１８０…燃料電池システム
１１…燃料電池 １２…燃料電池スタック
１４…熱交換器 １５…蒸発器
１６…改質器 １７、１５２、１８２…燃焼器
１８…筐体 １９…流体部
２０…電解質 ２１…荷重付与機構
２２…カソード電極 ２４…アノード電極
２６…電解質・電極接合体 ２８…セパレータ
３０…燃料ガス供給連通孔 ４６…燃料ガス通路
５０…酸化剤ガス通路 ６７…酸化剤ガス供給部
６８…排ガス通路 ７０ａ、７０ｂ…エンドプレート
８４ａ、８４ｂ、１５４…筐体部 ９２…排ガス経路
９４…熱媒体通路 ９５…ガイド板
９７…加熱通路 １０４…通路
１０６…チャンバ １１４、１６０、１８４…ケーシング
１２０、１６５、１９０…燃焼ガス経路
１２２…合流部 １５６…燃焼ガス室

Claims (6)

1. 電解質をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体とセパレータとが積層される燃料電池を設け、複数の前記燃料電池が積層される燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに供給される前の酸化剤ガスを、熱媒体により加熱する熱交換器と、炭化水素を主体とする原燃料を改質し、前記燃料電池スタックに供給される燃料ガスを生成する改質器と、前記原燃料を燃焼させて燃焼ガスを発生させる燃焼器とを備える燃料電池システムであって、
   少なくとも略リング状の前記熱交換器及び前記改質器を含む流体部は、前記燃料電池スタックの積層方向一端部側に、前記燃料電池スタックの中心軸に対して軸対称に配設され、略リング状の前記熱交換器の外周に前記燃焼器が配置されるとともに、
   前記燃焼器で発生される前記燃焼ガスを、前記熱媒体として前記熱交換器に供給するための燃焼ガス経路と、
   発電反応に使用されて前記燃料電池スタックから排出される排ガスを、前記熱媒体として前記熱交換器に供給するための排ガス経路と、
   前記熱交換器に前記熱媒体を導入するための熱媒体入口の上流側に設けられ、前記燃焼ガス経路と前記排ガス経路とが合流する合流部と、
   を有することを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記流体部は、前記原燃料と水蒸気とを含む混合燃料を生成するために、水を蒸発させる蒸発器を設けることを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項２記載の燃料電池システムにおいて、略リング状の前記熱交換器及び前記改質器を含む前記流体部は、前記燃料電池スタックの中心軸に対して軸対称に配設されるとともに、略リング状の前記熱交換器よりも内側に前記改質器が配置され、前記改質器は、前記燃料電池スタックに近接し且つ前記改質器と前記蒸発器とは、互いに隣接して配置されることを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記流体部は、前記燃料電池スタックの中心軸に対して軸対称に配置されることを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、少なくとも前記燃料電池スタック及び前記流体部を収容する筐体を備え、
   前記筐体内には、前記燃料電池スタックの積層方向他端部側に、前記燃料電池スタックに前記積層方向に締め付け荷重を付与する荷重付与機構が配設されることを特徴とする燃料電池システム。
6. 請求項５記載の燃料電池システムにおいて、前記荷重付与機構は、前記燃料電池スタックの中心軸に対して軸対称に構成されることを特徴とする燃料電池システム。

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