JP5902027B2 - 燃料電池モジュール - Google Patents

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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（以下、ＭＥＡともいう）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が知られている。この燃料電池バッテリは、図１９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２０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２１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、酸素搬送ガスが、入口スタブ（空気インレット部）９ａから環状間隔副チャンバ６ａ内に導入され、排ガスとの間で熱交換された後に、共通の通路７ａに導入されている。さらに、酸素搬送ガスは、連結ライン８ａを経て送り込み位置５ａに送られている。
この酸素搬送ガスを環状間隔副チャンバ６ａ内に導入する入口スタブ９ａが直管であるため、前記環状間隔副チャンバ６ａ内で前記酸素搬送ガスの流れが偏流してしまう。従って、所望の熱交換性能を発揮することができず、しかも燃焼部が極度に高温になり易く、劣化が発生するという問題がある。
また、上記の特許文献２では、カソードエアが熱交換器２ｂの外周から導かれているが、周回する流れが得られておらず、偏流が惹起されてしまう。これにより、所望の熱交換性能を発揮することができないという問題がある。
さらに、上記の特許文献３では、第２領域２ｃに下端が閉じられた二重管の改質管９ｃが設けられており、前記改質管９ｃは、燃焼ガスによって加熱されている。しかしながら、単一の改質管９ｃが使用されているため、圧力損失が大きいという問題がある。
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、熱分布の均一化を図るとともに、耐久性、熱交換効率等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、それぞれ前記燃料電池スタックとは個別に供給される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では、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前記燃焼ガスを供給する燃焼ガス通路を備えている。
そして、酸化剤ガス供給室の内部には、酸化剤ガスを前記酸化剤ガス供給室に導く酸化剤ガス導入管の端部が配置されている。酸化剤ガス導入管の軸方向端面には、軸方向に貫通して複数個の第１導入孔が設けられる一方、前記酸化剤ガス導入管の端部周面には、径方向に貫通して複数個の第２導入孔が設けられ、前記第１導入孔の総開口面積は、前記第２導入孔の総開口面積よりも小さく設定されている。
この燃料電池モジュールでは、熱交換管路は、酸化剤ガス供給室と酸化剤ガス排出室との間に形成される環状配置部に配置されるとともに、前記環状配置部は、前記熱交換管路の配置間隔が疎となる疎部と、前記熱交換管路の前記配置間隔が密となる密部とを有し、酸化剤ガス導入管の延長線上には、前記疎部が配置されている。
このため、酸化剤ガス導入管の第１導入孔から前記酸化剤ガス導入管の延長線上に供給される酸化剤ガスは、特定の熱交換管路に集中して導入されることがない。従って、各熱交換管路に酸化剤ガスを均等に分配することができ、熱交換効率が良好に向上する。
さらに、この燃料電池モジュールでは、酸化剤ガス導入管は、径方向に対向する２個の第２導入孔が、基準導入孔として環状配置部の接線方向に平行に配置されるとともに、他の第２導入孔は、前記基準導入孔から等角度間隔ずつ離間して配置されている。これにより、第１導入孔及び第２導入孔から排出される酸化剤ガスは、環状配置部内に均一且つ確実に分散され、各熱交換管路に前記酸化剤ガスを均等に供給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、第１導入孔は、互いに対向する第２導入孔同士を結ぶ連結線上に、又は前記連結線からオフセットした線上に配置されることが好ましい。このため、第１導入孔から吹き出される酸化剤ガスは、吹き出し方向を任意の方向に設定することができ、各熱交換管路に前記酸化剤ガスを一層確実に均等分配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、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改質ガス排出室、一端が前記混合ガス供給室に連通し且つ他端が前記改質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燃焼ガスを供給する燃焼ガス通路を備えている。混合ガス供給室の内部には、混合ガスを前記混合ガス供給室に導く混合ガス導入管の端部が配置されるとともに、前記混合ガス導入管の軸方向端面には、軸方向に貫通して複数個の第１導入孔が設けられる一方、前記混合ガス導入管の端部周面には、径方向に貫通して複数個の第２導入孔が設けられ、前記第１導入孔の総開口面積は、前記第２導入孔の総開口面積よりも小さく設定されることが好ましい。
従って、改質器は、環状の混合ガス供給室、環状の改質ガス排出室及び複数本の改質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。これにより、製造コストが有効に削減される。しかも、混合ガス供給室及び改質ガス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。
ここで、混合ガス導入管の軸方向端面に形成される複数個の第１導入孔の総開口面積は、前記混合ガス導入管の端部周面に形成される複数個の第２導入孔の総開口面積よりも小さく設定されている。このため、各改質管路に混合ガスを均一に分配することが可能になり、燃料電池モジュール内部の温度分布が均一化され、耐久性及び改質効率の向上が図られる。
さらに、この燃料電池モジュールでは、改質管路は、混合ガス供給室と改質ガス排出室との間に形成される環状配置部に配置されるとともに、前記環状配置部は、前記改質管路の配置間隔が疎となる疎部と、前記改質管路の前記配置間隔が密となる密部とを有し、混合ガス導入管の延長線上は、前記疎部が配置されることが好ましい。
従って、混合ガス導入管の第１導入孔から前記混合ガス導入管の延長線上に供給される混合ガスは、特定の改質管路に集中して導入されることがない。これにより、各改質管路に混合ガスを均等に分配することができ、改質効率が良好に向上する。
さらにまた、この燃料電池モジュールでは、混合ガス導入管は、径方向に対向する２個の第２導入孔が、基準導入孔として環状配置部の接線方向に平行に配置されるとともに、他の第２導入孔は、前記基準導入孔から等角度間隔ずつ離間して配置されることが好ましい。このため、第１導入孔及び第２導入孔から排出される混合ガスは、環状配置部内に均一且つ確実に分散され、各改質管路に前記混合ガスを均等に供給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、第１導入孔は、互いに対向する第２導入孔同士を結ぶ連結線上に、又は前記連結線からオフセットした線上に配置されることが好ましい。従って、第１導入孔から吹き出される混合ガスは、吹き出し方向を任意の方向に設定することができ、各改質管路に前記混合ガスを一層確実に均等分配す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、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、改質器又は熱交換器の一方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、前記改質器又は前記熱交換器の他方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、蒸発器が構成されるとともに、前記第３領域を環状に周回する第４領域とを備えることが好ましい。
このように、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、第３領域及び第４領域が外方向に向かって、順次、設けられている。これにより、高温及び熱需要が大きな機器を内側に設置する一方、低温及び熱需要の小さな機器を外側に設定することができる。このため、熱効率の向上が図られて熱自立が促進されるとともに、簡単且つコンパクトに構成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、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。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、熱交換器は、環状の酸化剤ガス供給室、環状の酸化剤ガス排出室及び複数本の熱交換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。これにより、熱交換器の製造コストが有効に削減される。しかも、酸化剤ガス供給室及び酸化剤ガス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、酸化剤ガス導入管の端部には、軸方向に貫通して複数個の第１導入孔が設けられる一方、前記酸化剤ガス導入管の端部周面に、径方向に貫通して複数個の第２導入孔が設けられ、前記第１導入孔の総開口面積は、前記第２導入孔の総開口面積よりも小さく設定されている。このため、各熱交換管路に酸化剤ガスを均一に分配することが可能になり、燃料電池モジュール内部の温度分布が均一化され、耐久性及び熱交換効率の向上が図られる。
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周辺機器の要部拡大斜視説明図である。 前記ＦＣ周辺機器を構成する酸化剤ガス導入管の端部斜視図である。 前記酸化剤ガス導入管の端部平面図である。 前記ＦＣ周辺機器の平面説明図である。 前記ＦＣ周辺機器を構成する混合ガス導入管の端部平面図である。 前記ＦＣ周辺機器内の燃焼ガス流通状態の説明図である。 第１の実施形態と比較例とにおける熱交換管路の通過流量のばらつき説明図である。 他の酸化剤ガス導入管を示す斜視説明図である。 前記他の酸化剤ガス導入管の平面説明図である。 別の酸化剤ガス導入管を示す先端部斜視図である。 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周辺機器の一部省略斜視説明図である。 前記ＦＣ周辺機器内の燃焼ガス流通状態の説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池モジュールを構成するＦＣ周辺機器の一部省略斜視説明図である。 本発明の第４の実施形態に係る燃料電池モジュールを構成するＦＣ周辺機器の一部省略斜視説明図である。 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５６とにより構成される。この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２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、例えば、開口形状円形の第１領域Ｒ１と、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、改質器４６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、蒸発器４８が構成されるとともに、前記第３領域Ｒ３を環状に周回する第４領域Ｒ４とを備える。
図２及び図３に示すように、起動用燃焼器５４は、空気供給管５７及び混合ガス導入管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混合ガス導入管５８に負圧を発生させて、原燃料を吸引する。
ＦＣ周辺機器５６は、図２及び図４に示すように、第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２との間に配置される第１仕切り板６０ａ、前記第２領域Ｒ２と第３領域Ｒ３との間に配置される第２仕切り板６０ｂ及び前記第３領域Ｒ３と第４領域Ｒ４との間に配置される第３仕切り板６０ｃとを備える。第４領域Ｒ４の外周には、外板である第４仕切り板６０ｄが設けられる。
図２及び図３に示すように、排ガス燃焼器５２は、起動用燃焼器５４を収容する第１仕切り板６０ａ内に構成される。第１仕切り板６０ａは、円筒形状を有しており、前記第１仕切り板６０ａの外周部には、燃料電池スタック２４側の端部に近接して複数の第１燃焼ガス連通孔６２ａが形成される。
第２仕切り板６０ｂには、燃料電池スタック２４とは反対側の端部に近接して複数の第２燃焼ガス連通孔６２ｂが形成される。第３仕切り板６０ｃには、燃料電池スタック２４側の端部に近接して複数の第３燃焼ガス連通孔６２ｃが形成される。第４仕切り板６０ｄには、燃料電池スタック２４とは反対側の端部に近接して複数の第４燃焼ガス連通孔６２ｄが形成される。第４燃焼ガス連通孔６２ｄは、燃焼ガスを外部に排出する。
第１仕切り板６０ａ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。第１仕切り板６０ａ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２及び図３に示すように、熱交換器５０は、第１仕切り板６０ａの外周に配設される複数本の熱交換管路（伝熱パイプ）６４を備える。熱交換管路６４の一端部（燃料電池スタック２４とは反対側の他方の端部、以下同様）は、第１内側リング６６ａに固定されるとともに、前記熱交換管路６４の他端部（燃料電池スタック２４側の一方の端部、以下同様）は、第１内側リング６６ｂに固定される。
第１内側リング６６ａ、６６ｂの外方には、第１外側リング６８ａ、６８ｂが配設される。第１内側リング６６ａ、６６ｂ及び第１外側リング６８ａ、６８ｂは、第１仕切り板６０ａの外周面と第２仕切り板６０ｂの内周面とに固着される。
第１内側リング６６ａと第１外側リング６８ａ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７０ａが形成される。第１内側リング６６ｂと第１外側リング６８ｂ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７０ｂが形成される（図２〜図４参照）。熱交換管路６４の両端は、酸化剤ガス供給室７０ａと酸化剤ガス排出室７０ｂとに開放される。
環状の空間である酸化剤ガス供給室７０ａには、酸化剤ガス導入管７２の端部が配設される。図５及び図６に示すように、酸化剤ガス導入管７２の軸方向端面７２ｅには、軸方向に貫通して複数個の第１導入孔７３ａが設けられる。酸化剤ガス導入管７２の端部周面７２ｓには、径方向に貫通して複数個の第２導入孔７３ｂが設けられる。
軸方向端面７２ｅは、平坦な円板状を有するとともに、円板中央を中心とする円周上に、等角度間隔ずつ離間して複数、例えば、６個の第１導入孔７３ａが形成される。端部周面７２ｓには、等角度間隔ずつ離間して複数、例えば、６個の第２導入孔７３ｂが形成される。第１導入孔７３ａは、開口形状が円形状に設定される一方、第２導入孔７３ｂは、開口形状が矩形状（四角形状）に設定される。第１導入孔７３ａの総開口面積は、第２導入孔７３ｂの総開口面積よりも小さく設定される。
酸化剤ガス導入管７２は、径方向に対向する２個の第２導入孔７３ｂが、基準導入孔として酸化剤ガス供給室７０ａの接線方向Ｓｌａに平行に配置されるとともに、他の第２導入孔７３ｂは、前記基準導入孔から等角度間隔ずつ離間して配置される。
接線方向Ｓｌａは、酸化剤ガス導入管７２の直径が大径である際、前記酸化剤ガス導入管７２の外周と第１仕切り板６０ａの外周とが接触する点、又は（及び）前記酸化剤ガス導入管７２の外周と第２仕切り板６０ｂの内周とが接触する点、における接線方向に平行する。第１導入孔７３ａは、互いに対向する第２導入孔７３ｂ同士を結ぶ連結線上に配置される。
図７に示すように、複数の熱交換管路６４は、酸化剤ガス供給室７０ａと酸化剤ガス排出室７０ｂとの間に形成される環状配置部Ｐａに配置される。環状配置部Ｐａは、熱交換管路６４の配置間隔が疎となる疎部Ｐｓａと、前記熱交換管路６４の前記配置間隔が密となる密部Ｐｍａとを有し、酸化剤ガス導入管７２の延長線上には、前記疎部Ｐｓａが配置される。
図１及び図２に示すように、酸化剤ガス排出室７０ｂには、酸化剤ガス通路７４の一端が配設されるとともに、前記酸化剤ガス通路７４の他端は、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。
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、図２及び図３に示すように、熱交換器５０の外周に配設される複数本の改質管路（伝熱パイプ）７６を備える。改質管路７６の一端部は、第２内側リング７８ａに固定されるとともに、前記改質管路７６の他端部は、第２内側リング７８ｂに固定される。
第２内側リング７８ａ、７８ｂの外方には、第２外側リング８０ａ、８０ｂが配設される。第２内側リング７８ａ、７８ｂ及び第２外側リング８０ａ、８０ｂは、第２仕切り板６０ｂの外周面と第３仕切り板６０ｃの内周面とに固着される。
第２内側リング７８ａと第２外側リング８０ａ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８２ａが形成される。第２内側リング７８ｂと第２外側リング８０ｂ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改質ガス排出室８２ｂが形成される。
改質管路７６の両端は、混合ガス供給室８２ａと改質ガス排出室８２ｂとに開放される。各改質管路７６内には、改質用のペレット状触媒８４が充填される。改質管路７６の両端には、ペレット状触媒８４を保持するための金網８６が配設される。環状の空間である混合ガス供給室８２ａには、混合ガス導入管８８が接続されるとともに、前記混合ガス導入管８８の途上には、後述する蒸発リターン管路１０２が接続される。
図８に示すように、混合ガス導入管８８の軸方向端面８８ｅには、軸方向に貫通して複数個の第１導入孔８９ａが設けられる。混合ガス導入管８８の端部周面８８ｓには、径方向に貫通して複数個の第２導入孔８９ｂが設けられる。
軸方向端面８８ｅは、平坦な円板状を有するとともに、円板中央を中心とする円周上に、等角度間隔ずつ離間して複数、例えば、６個の第１導入孔８９ａが形成される。端部周面８８ｓには、等角度間隔ずつ離間して複数、例えば、６個の第２導入孔８９ｂが形成される。第１導入孔８９ａは、開口形状が円形状に設定される一方、第２導入孔８９ｂは、開口形状が矩形状（四角形状）に設定される。第１導入孔８９ａの総開口面積は、第２導入孔８９ｂの総開口面積よりも小さく設定される。
混合ガス導入管８８は、径方向に対向する２個の第２導入孔８９ｂが、基準導入孔として混合ガス供給室８２ａの接線方向Ｓｌｂに平行に配置されるとともに、他の第２導入孔８９ｂは、前記基準導入孔から等角度間隔ずつ離間して配置される。
接線方向Ｓｌｂは、混合ガス導入管８８の直径が大径である際、前記混合ガス導入管８８の外周と第２仕切り板６０ｂの外周とが接触する点、又は（及び）前記混合ガス導入管８８の外周と第３仕切り板６０ｃの内周とが接触する点、における接線方向に平行する。第１導入孔８９ａは、互いに対向する第２導入孔８９ｂ同士を結ぶ連結線上に配置される。
図７に示すように、複数の改質管路７６は、混合ガス供給室８２ａと改質ガス排出室８２ｂとの間に形成される環状配置部Ｐｂに配置される。環状配置部Ｐｂは、改質管路７６の配置間隔が疎となる疎部Ｐｓｂと、前記改質管路７６の前記配置間隔が密となる密部Ｐｍｂとを有し、混合ガス導入管８８の延長線上には、前記疎部Ｐｓｂが配置される。
図１に示すように、改質ガス排出室８２ｂには、燃料ガス通路９０の一端が連通するとともに、前記燃料ガス通路９０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。
蒸発器４８は、改質器４６の外周に配設される複数本の蒸発管路（伝熱パイプ）９２を備える。蒸発管路９２の一端部は、第３内側リング９４ａに固定されるとともに、前記蒸発管路９２の他端部は、第３内側リング９４ｂに固定される。
第３内側リング９４ａ、９４ｂの外方には、第３外側リング９６ａ、９６ｂが配設される。第３内側リング９４ａ、９４ｂ及び第３外側リング９６ａ、９６ｂは、第３仕切り板６０ｃの外周面と第４仕切り板６０ｄの内周面とに固着される。
第３内側リング９４ａと第３外側リング９６ａとの間には、水が供給される環状の水供給室９８ａが形成される。第３内側リング９４ｂと第３外側リング９６ｂとの間には、水蒸気が排出される環状の水蒸気排出室９８ｂが形成される。蒸発管路９２の両端は、水供給室９８ａと水蒸気排出室９８ｂとに開放される。
水供給室９８ａには、水通路１００が配設される。水蒸気排出室９８ｂには、少なくとも１本以上の蒸発管路９２により構成される蒸発リターン管路１０２の一端が配設されるとともに、前記蒸発リターン管路１０２の他端は、混合ガス導入管８８の途上に接続される（図１参照）。混合ガス導入管８８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。
図１に示すように、原燃料供給装置１４は、原燃料通路１０４を備える。原燃料通路１０４は、原燃料用調整弁１０６を介して混合ガス導入管８８と混合ガス導入管５８とに分岐する。混合ガス導入管８８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１０８が配設される。
酸化剤ガス供給装置１６は、酸化剤ガス通路１１０を備える。酸化剤ガス通路１１０は、酸化剤ガス用調整弁１１２を介して酸化剤ガス導入管７２と空気供給管５７とに分岐する。水供給装置１８は、水通路１００を介して蒸発器４８に接続される。
図９に概略的に示すように、第１領域Ｒ１には、燃焼ガスが流通する第１燃焼ガス通路１１６ａが形成され、第２領域Ｒ２には、前記燃焼ガスが矢印Ａ１方向に流通する第２燃焼ガス通路１１６ｂが形成され、第３領域Ｒ３には、前記燃焼ガスが矢印Ａ２方向に流通する第３燃焼ガス通路１１６ｃが形成され、第４領域Ｒ４には、前記燃焼ガスが矢印Ａ１方向に流通する第４燃焼ガス通路１１６ｄが形成される。
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。
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１１０に空気が供給される。この空気は、酸化剤ガス用調整弁１１２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１０４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１０６の開度調整作用下に、混合ガス導入管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２参照）。
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、起動用燃焼器５４に直接接続されている排ガス燃焼器５２では、前記起動用燃焼器５４から第１仕切り板６０ａ内に燃焼ガスが導入される。
図９に示すように、第１仕切り板６０ａには、燃料電池スタック２４側の端部に近接して複数の第１燃焼ガス連通孔６２ａが形成されている。これにより、第１仕切り板６０ａの内部に供給された燃焼ガスは、複数の第１燃焼ガス連通孔６２ａ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、第２領域Ｒ２を矢印Ａ１方向に流通した後、第２仕切り板６０ｂに形成された複数の第２燃焼ガス連通孔６２ｂを通って第３領域Ｒ３に導入される。第３領域Ｒ３では、燃焼ガスは、矢印Ａ２方向に流通した後、第３仕切り板６０ｃに形成された複数の第３燃焼ガス連通孔６２ｃを通って第４領域Ｒ４に導入される。燃焼ガスは、第４領域Ｒ４を矢印Ａ１方向に流通した後、第４仕切り板６０ｄに形成された第４燃焼ガス連通孔６２ｄから外部に排出される。
その際、第２領域Ｒ２には、熱交換器５０が配置されており、第３領域Ｒ３には、改質器４６が配置されており、第４領域Ｒ４には、蒸発器４８が配置されている。このため、第１領域Ｒ１から排出される燃焼ガスは、熱交換器５０、改質器４６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、酸化剤ガス用調整弁１１２の開度が調整されて、酸化剤ガス導入管７２への空気供給量が増加されるとともに、原燃料用調整弁１０６の開度が調整されて、混合ガス導入管８８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１００に水が供給される。
従って、図２及び図３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７０ａに一旦供給された後、複数の熱交換管路６４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７０ｂに供給された後、酸化剤ガス通路７４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を構成する第１仕切り板６０ａの内部に開口しており、前記第１仕切り板６０ａ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１０８で脱硫された原燃料は、混合ガス導入管８８を流通して改質器４６に向かう。
蒸発器４８では、水が一旦水供給室９８ａに供給された後、複数本の蒸発管路９２内を移動する間、第４領域Ｒ４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９８ｂに一旦導入された後、前記水蒸気排出室９８ｂに連通する蒸発リターン管路１０２に供給される。これにより、水蒸気は、蒸発リターン管路１０２内を流通して混合ガス導入管８８に導入され、原燃料と混合して混合ガスが得られる。
混合ガスは、混合ガス導入管８８から改質器４６を構成する混合ガス供給室８２ａに一旦供給される。混合ガスは、複数の改質管路７６内を移動する。その間に、混合ガスは、第３領域Ｒ３を流通する燃焼ガスにより加熱されるとともに、ペレット状触媒８４を介して水蒸気改質され、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、一旦改質ガス排出室８２ｂに供給された後、燃料ガス通路９０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を構成する第１仕切り板６０ａの内部に開口しており、前記第１仕切り板６０ａ内に燃料排ガスが導入される。
なお、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、第１仕切り板６０ａ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。
この場合、第１の実施形態では、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７０ａ、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７０ｂ、一端が前記酸化剤ガス供給室７０ａに連通し且つ他端が前記酸化剤ガス排出室７０ｂに連通する複数本の熱交換管路６４、及び前記熱交換管路６４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。
これにより、熱交換器５０は、構成の簡素化が容易に図られるとともに、製造コストが有効に削減される。その上、酸化剤ガス供給室７０ａ及び酸化剤ガス排出室７０ｂ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、図５及び図６に示すように、酸化剤ガス導入管７２の軸方向端面７２ｅには、軸方向に貫通して複数個の第１導入孔７３ａが設けられる一方、前記酸化剤ガス導入管７２の端部周面７２ｓには、径方向に貫通して複数個の第２導入孔７３ｂが設けられている。第１導入孔７３ａの総開口面積は、第２導入孔７３ｂの総開口面積よりも小さく設定されている。
ここで、第１導入孔７３ａを設けずに、第２導入孔７３ｂのみを有する比較例と、前記第１導入孔７３ａ及び前記第２導入孔７３ｂを有する本発明の第１の実施形態とを用いて、各熱交換管路６４を流通する酸化剤ガスの流量を検出する実験を行った。その結果、図１０に示すように、各熱交換管路６４における通過流量のばらつきが得られた。
このため、第２導入孔７３ｂのみを有する比較例では、各熱交換管路６４の通過流量のばらつきが相当に大きくなるのに対し、第１の実施形態では、前記熱交換管路６４の通過流量のばらつきを低減させることができる。従って、各熱交換管路６４に酸化剤ガスを均一に分配することが可能になり、燃料電池モジュール１２内部の温度分布が均一化され、耐久性及び熱交換効率の向上が図られるという効果が得られる。
さらにまた、熱交換管路６４は、酸化剤ガス供給室７０ａと酸化剤ガス排出室７０ｂとの間に形成される環状配置部Ｐａに配置されている。環状配置部Ｐａは、図７に示すように、熱交換管路６４の配置間隔が疎となる疎部Ｐｓａと、前記熱交換管路６４の前記配置間隔が密となる密部Ｐｍａとを有し、酸化剤ガス導入管７２の延長線上には、前記疎部Ｐｓａが配置されている。
これにより、酸化剤ガス導入管７２の第１導入孔７３ａから前記酸化剤ガス導入管７２の延長線上に供給される酸化剤ガスは、特定の熱交換管路６４に集中して導入されることがない。このため、各熱交換管路６４に酸化剤ガスを一層均等に分配することができ、熱交換効率が良好に向上するという利点がある。
また、図５及び図６に示すように、酸化剤ガス導入管７２は、径方向に対向する２個の第２導入孔７３ｂが、基準導入孔として環状配置部Ｐａの接線方向Ｓｌａに平行に配置されるとともに、他の第２導入孔７３ｂは、前記基準導入孔から等角度間隔ずつ離間して配置されている。従って、第１導入孔７３ａ及び第２導入孔７３ｂから排出される酸化剤ガスは、環状配置部Ｐａ内に均一且つ確実に分散され、各熱交換管路６４に前記酸化剤ガスを均等に供給することが可能になる。
さらに、第１導入孔７３ａは、互いに対向する第２導入孔７３ｂ同士を結ぶ連結線上に配置されている。これにより、第１導入孔７３ａから吹き出される酸化剤ガスは、吹き出し方向を任意の方向に設定することができ、各熱交換管路６４に前記酸化剤ガスを一層確実に均等分配することが可能になる。
さらにまた、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８２ａ、生成された燃料ガスが排出される環状の改質ガス排出室８２ｂ、一端が前記混合ガス供給室８２ａに連通し且つ他端が前記改質ガス排出室８２ｂに連通する複数本の改質管路７６、及び前記改質管路７６間に前記燃焼ガスを供給する第３燃焼ガス通路１１６ｃを備えている。
混合ガス供給室８２ａの内部には、混合ガスを前記混合ガス供給室８２ａに導く混合ガス導入管８８の端部が配置される。図８に示すように、混合ガス導入管８８の軸方向端面８８ｅには、軸方向に貫通して複数個の第１導入孔８９ａが設けられる一方、前記混合ガス導入管８８の端部周面８８ｓには、径方向に貫通して複数個の第２導入孔８９ｂが設けられる。第１導入孔８９ａの総開口面積は、第２導入孔８９ｂの総開口面積よりも小さく設定されている。
このため、改質器４６は、環状の混合ガス供給室８２ａ、環状の改質ガス排出室８２ｂ及び複数本の改質管路７６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、混合ガス供給室８２ａ及び改質ガス排出室８２ｂ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。
ここで、混合ガス導入管８８の軸方向端面８８ｅに形成される複数個の第１導入孔８９ａの総開口面積は、前記混合ガス導入管８８の端部周面８８ｓに形成される複数個の第２導入孔８９ｂの総開口面積よりも小さく設定されている。これにより、各改質管路７６に混合ガスを均一に分配することが可能になり、燃料電池モジュール１２内部の温度分布が均一化され、耐久性及び改質効率の向上が図られる。
また、改質管路７６は、混合ガス供給室８２ａと改質ガス排出室８２ｂとの間に形成される環状配置部Ｐｂに配置されている。環状配置部Ｐｂは、図７に示すように、改質管路７６の配置間隔が疎となる疎部Ｐｓｂと、前記改質管路７６の前記配置間隔が密となる密部Ｐｍｂとを有し、混合ガス導入管８８の延長線上は、前記疎部Ｐｓｂが配置されている。
このため、混合ガス導入管８８の第１導入孔８９ａから前記混合ガス導入管８８の延長線上に供給される混合ガスは、特定の改質管路７６に集中して導入されることがない。従って、各改質管路７６に混合ガスを均等に分配することができ、改質効率が良好に向上する。
さらに、混合ガス導入管８８は、径方向に対向する２個の第２導入孔８９ｂが、基準導入孔として環状配置部Ｐｂの接線方向Ｓｌｂに平行に配置されるとともに、他の第２導入孔８９ｂは、前記基準導入孔から等角度間隔ずつ離間して配置されている。これにより、第１導入孔８９ａ及び第２導入孔８９ｂから排出される混合ガスは、環状配置部Ｐｂ内に均一且つ確実に分散され、各改質管路７６に前記混合ガスを均等に供給することが可能になる。
さらにまた、第１導入孔８９ａは、互いに対向する第２導入孔８９ｂ同士を結ぶ連結線上に配置されている。このため、第１導入孔８９ａから吹き出される混合ガスは、吹き出し方向を任意の方向に設定することができ、各改質管路７６に前記混合ガスを一層確実に均等分配することが可能になる。
また、第１の実施形態では、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、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、改質器４６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、蒸発器４８が構成されるとともに、前記第３領域Ｒ３を環状に周回する第４領域Ｒ４とを備えている。
このように、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を中心にして、それぞれ環状の第２領域Ｒ２、第３領域Ｒ３及び第４領域Ｒ４が外方向に向かって、順次、設けられている。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、第３領域Ｒ３及び第４領域Ｒ４が外方向に向かって、順次、設けられている。
従って、高温及び熱需要が大きな機器、例えば、熱交換器５０（及び改質器４６）を内側に設置する一方、低温及び熱需要の小さな機器、例えば、蒸発器４８を外側に設定することができる。
熱交換器５０は、例えば、５５０℃〜６５０℃の温度が必要であるとともに、改質器４６は、５５０℃〜６００℃の温度が必要である。一方、蒸発器４８は、１５０℃〜２００℃の温度が必要である。
これにより、熱効率の向上が図られて熱自立が促進されるとともに、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。特に、改質器４６の内方に熱交換器５０が配設されるため、前記改質器４６は、比較的Ａ／Ｆ（空気／燃料ガス）が低い環境で、低温改質に適した前記改質器４６が良好に使用される。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。
なお、酸化剤ガス導入管７２に代えて、図１１及び図１２に示す酸化剤ガス導入管１２０を用いることができる。酸化剤ガス導入管１２０の軸方向端面１２０ｅには、軸方向に貫通して複数個の第１導入孔１２２ａが等角度間隔ずつ離間して設けられる。酸化剤ガス導入管１２０の端部周面１２０ｓには、径方向に貫通して複数個の第２導入孔１２２ｂが等角度間隔ずつ離間して設けられる。第１導入孔１２２ａの総開口面積は、第２導入孔１２２ｂの総開口面積よりも小さく設定される。
酸化剤ガス導入管１２０は、径方向に対向する２個の第２導入孔１２２ｂが、基準導入孔として酸化剤ガス供給室７０ａの接線方向Ｓｌａに平行に配置されるとともに、他の第２導入孔１２２ｂは、前記基準導入孔から等角度間隔ずつ離間して配置される。第１導入孔１２２ａは、互いに対向する第２導入孔１２２ｂ同士を結ぶ連結線からオフセットした線上に配置される。
このように構成される酸化剤ガス導入管１２０では、第１導入孔１２２ａから吹き出される酸化剤ガスは、吹き出し方向を任意の方向に設定することができ、各改質管路７６に前記酸化剤ガスを一層確実に均等分配することが可能になる。なお、混合ガス導入管８８においても、酸化剤ガス導入管１２０と同様に構成することができる。
図１３は、さらに別の酸化剤ガス導入管１２６の先端部斜視図である。なお、図示しないが、混合ガス導入管も、同様に構成してもよい。
酸化剤ガス導入管１２６は、軸方向端部に球面状端部１２６ｅを有し、前記球面状端部１２６ｅには、頂部を中心に複数個の第１導入孔１２８ａが等角度間隔ずつ離間して設けられる。酸化剤ガス導入管１２６の端部周面１２６ｓには、径方向に貫通して複数個の第２導入孔１２８ｂが等角度間隔ずつ離間して設けられる。第１導入孔１２８ａの総開口面積は、第２導入孔１２８ｂの総開口面積よりも小さく設定される。
このように構成される酸化剤ガス導入管１２６では、特に第１導入孔１２８ａが前記酸化剤ガス導入管１２６の球面状端部１２６ｅに放射状に設けられている。これにより、酸化剤ガスは、酸化剤ガス導入管１２６の軸方向から外方に傾斜して吹き出され、一層確実に分散される。
図１４に示すように、燃料電池システム１３０は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池モジュール１３２を組み込む。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。また、以下に説明する第３以降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。
燃料電池モジュール１３２を構成するＦＣ周辺機器５６は、図１５に示すように、排ガス燃焼器５２及び起動用燃焼器５４が構成される、例えば、開口形状円形の第１領域Ｒ１と、改質器４６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、蒸発器４８が構成されるとともに、前記第３領域Ｒ３を環状に周回する第４領域Ｒ４とを備える。
ＦＣ周辺機器５６は、第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２との間に配置される第１仕切り板１３４ａ、前記第２領域Ｒ２と第３領域Ｒ３との間に配置される第２仕切り板１３４ｂ、前記第３領域Ｒ３と第４領域Ｒ４との間に配置される第３仕切り板１３４ｃ、及び前記第４領域Ｒ４の外周に配置される第４仕切り板１３４ｄを備える。
図１５及び図１６に示すように、第１燃焼ガス連通孔６２ａは、第１仕切り板１３４ａの燃料電池スタック２４とは反対側の端部に近接して設けられ、第２燃焼ガス連通孔６２ｂは、第２仕切り板１３４ｂの前記燃料電池スタック２４側の端部に近接して設けられ、第３燃焼ガス連通孔６２ｃは、第３仕切り板１３４ｃの前記燃料電池スタック２４とは反対側の端部に近接して設けられ、第４燃焼ガス連通孔６２ｄは、第４仕切り板１３４ｄの前記燃料電池スタック２４側の端部に近接して設けられる。
第１仕切り板１３４ａには、第１燃焼ガス連通孔６２ａとは反対側に且つ前記第１燃焼ガス連通孔６２ａよりも小さな開口面積を有する複数の抽気孔部１３６ａが形成される。抽気孔部１３６ａは、第２仕切り板１３４ｂに形成された第２燃焼ガス連通孔６２ｂに対向する位置に設定される。第２仕切り板１３４ｂには、第３仕切り板１３４ｃに形成された第３燃焼ガス連通孔６２ｃに対向する位置に複数の抽気孔部１３６ｂが形成される。第３仕切り板１３４ｃには、第４仕切り板１３４ｄに形成された第４燃焼ガス連通孔６２ｄに対向する位置に複数の抽気孔部１３６ｃが形成される。なお、抽気孔部１３６ｂ、１３６ｃは、必要に応じて設けられていればよい。
このように構成される第２の実施形態では、熱交換器５０は、酸化剤ガス導入管７２の軸方向端面７２ｅには、軸方向に貫通して複数個の第１導入孔７３ａが設けられる一方、前記酸化剤ガス導入管７２の端部周面７２ｓには、径方向に貫通して複数個の第２導入孔７３ｂが設けられている。このため、各熱交換管路６４に酸化剤ガスを均一に分配することが可能になり、燃料電池モジュール１３２内部の温度分布が均一化され、耐久性及び熱交換効率の向上が図られる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。
図１７に示すように、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池モジュール１４０では、ＦＣ周辺機器５６は、第２仕切り板６０ｂ、第３仕切り板６０ｃ及び第４仕切り板６０ｄを用いていない。第１領域Ｒ１を形成する仕切り板６０には、複数の燃焼ガス連通孔６２が軸方向及び周方向に分散されて形成される。
ＦＣ周辺機器５６は、第１の実施形態と同様に、排ガス燃焼器５２及び起動用燃焼器５４が構成される、例えば、開口形状円形の第１領域Ｒ１と、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、改質器４６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、蒸発器４８が構成されるとともに、前記第３領域Ｒ３を環状に周回する第４領域Ｒ４とを備える。
このように構成される第３の実施形態では、酸化剤ガス供給室７０ａには、酸化剤ガス導入管７２の端部が配設されるとともに、前記酸化剤ガス導入管７２の前記端部には、複数の第１導入孔７３ａ及び第２導入孔７３ｂが形成されている。従って、各熱交換管路６４に酸化剤ガスを均一に分配することが可能になり、燃料電池モジュール１４０内部の温度分布が均一化され、耐久性及び熱交換効率の向上が図られる等、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。なお、混合ガス導入管８８においても同様の効果が得られる。
図１８に示すように、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池モジュール１５０では、ＦＣ周辺機器５６は、第２の実施形態と同様に、排ガス燃焼器５２及び起動用燃焼器５４が構成される、例えば、開口形状円形の第１領域Ｒ１と、改質器４６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、蒸発器４８が構成されるとともに、前記第３領域Ｒ３を環状に周回する第４領域Ｒ４とを備える。
従って、第４の実施形態では、上記の第１〜第３の実施形態と同様の効果を得ることができる。
１０、１３０…燃料電池システム
１２、１３２、１４０、１５０…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 ５６…ＦＣ周辺機器
５７…空気供給管 ５８、８８…混合ガス導入管
６０、６０ａ〜６０ｄ、１３４ａ〜１３４ｄ…仕切り板
６２、６２ａ〜６２ｄ…燃焼ガス連通孔
６４…熱交換管路
６６ａ、６６ｂ、７８ａ、７８ｂ、９４ａ、９４ｂ…内側リング
６８ａ、６８ｂ、８０ａ、８０ｂ、９６ａ、９６ｂ…外側リング
７０ａ…酸化剤ガス供給室 ７０ｂ…酸化剤ガス排出室
７２、１２０、１２６…酸化剤ガス導入管
７２ｅ、８８ｅ、１２０ｅ…軸方向端面
７２ｓ、８８ｓ、１２０ｓ、１２６ｓ…端部周面
７３ａ、７３ｂ、８９ａ、８９ｂ、１２２ａ、１２２ｂ、１２８ａ、１２８ｂ…導入孔
７４、１１０…酸化剤ガス通路 ７６…改質管路
８２ａ…混合ガス供給室 ８２ｂ…改質ガス排出室
８４…ペレット状触媒 ９０…燃料ガス通路
９２…蒸発管路 １２６ｅ…球面状端部

Claims (8)

  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、
    それぞれ前記燃料電池スタックとは個別に供給される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、
    前記酸化剤ガス供給室の内部には、前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス供給室に導く酸化剤ガス導入管の端部が配置されるとともに、
    前記酸化剤ガス導入管の軸方向端面には、軸方向に貫通して複数個の第１導入孔が設けられる一方、前記酸化剤ガス導入管の端部周面には、径方向に貫通して複数個の第２導入孔が設けられ、
    前記第１導入孔の総開口面積は、前記第２導入孔の総開口面積よりも小さく設定され、
    前記熱交換管路は、前記酸化剤ガス供給室と前記酸化剤ガス排出室との間に形成される環状配置部に配置されるとともに、
    前記環状配置部は、前記熱交換管路の配置間隔が疎となる疎部と、前記熱交換管路の前記配置間隔が密となる密部とを有し、
    前記酸化剤ガス導入管の延長線上には、前記疎部が配置される一方、
    前記酸化剤ガス導入管は、径方向に対向する２個の前記第２導入孔が、基準導入孔として前記環状配置部の接線方向に平行に配置されるとともに、
    他の前記第２導入孔は、前記基準導入孔から等角度間隔ずつ離間して配置さ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、前記第１導入孔は、互いに対向する前記第２導入孔同士を結ぶ連結線上に、又は前記連結線からオフセットした線上に、配置されることを特徴とする燃料電池モジュール。
  3. 請求項１又は２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改質ガス排出室、一端が前記混合ガス供給室に連通し且つ他端が前記改質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、
    前記混合ガス供給室の内部には、前記混合ガスを前記混合ガス供給室に導く混合ガス導入管の端部が配置されるとともに、
    前記混合ガス導入管の軸方向端面には、軸方向に貫通して複数個の第１導入孔が設けられる一方、前記混合ガス導入管の端部周面には、径方向に貫通して複数個の第２導入孔が設けられ、
    前記第１導入孔の総開口面積は、前記第２導入孔の総開口面積よりも小さく設定されることを特徴とする燃料電池モジュール。
  4. 請求項３記載の燃料電池モジュールにおいて、前記改質管路は、前記混合ガス供給室と前記改質ガス排出室との間に形成される環状配置部に配置されるとともに、
    前記環状配置部は、前記改質管路の配置間隔が疎となる疎部と、前記改質管路の前記配置間隔が密となる密部とを有し、
    前記混合ガス導入管の延長線上は、前記疎部が配置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、前記混合ガス導入管は、径方向に対向する２個の前記第２導入孔が、基準導入孔として前記環状配置部の接線方向に平行に配置されるとともに、
    他の前記第２導入孔は、前記基準導入孔から等角度間隔ずつ離間して配置されることを特徴とする燃料電池モジュール。
  6. 請求項５記載の燃料電池モジュールにおいて、前記第１導入孔は、互いに対向する前記第２導入孔同士を結ぶ連結線上に、又は前記連結線からオフセットした線上に配置されることを特徴とする燃料電池モジュール。
  7. 請求項１〜６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、
    前記改質器又は前記熱交換器の一方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、
    前記改質器又は前記熱交換器の他方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、
    前記蒸発器が構成されるとともに、前記第３領域を環状に周回する第４領域と、
    を備え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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