JP5981871B2

JP5981871B2 - 燃料電池モジュール

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Publication number: JP5981871B2
Application number: JP2013087801A
Authority: JP
Inventors: 哲矢小川; 如 ▲吉▼峯
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2013-04-18
Filing date: 2013-04-18
Publication date: 2016-08-31
Anticipated expiration: 2033-04-18
Also published as: JP2014212035A; WO2014171264A1; EP2987197A1; US20160072142A1; EP2987197B1; US9537165B2

Description

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を複数積層した燃料電池スタックを備える燃料電池モジュールに関する。

通常、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は、固体電解質に酸化物イオン導電体、例えば、安定化ジルコニアを用いている。固体電解質の一方側にアノード電極が、前記固体電解質の他方側にカソード電極が、それぞれ配設された電解質・電極接合体（ＭＥＡ）を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持している。この燃料電池は、通常、電解質・電極接合体とセパレータとが所定数だけ積層された燃料電池スタックとして使用されている。

この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１５に示すように、燃料電池スタック１ａを備えるとともに、前記燃料電池スタック１ａの一端側には、断熱スリーブ２ａが取り付けられている。断熱スリーブ２ａの内部には、熱交換装置３ａが反応装置４ａ内に組み込まれて配置されている。

反応装置４ａでは、液体燃料の処理として、水を使用しない部分酸化による改質が行われている。液体燃料は、排ガスにより蒸発された後、熱交換装置３ａの一部である送り込み位置５ａを通過している。その際、燃料は、排ガスにより加熱された酸素搬送ガスと接触することにより、部分酸化による改質が行われた後、燃料電池スタック１ａに供給されている。

また、特許文献２に開示された固体酸化物燃料電池は、図１６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１７に示すように、鉛直円柱状の第１領域１ｃ、その外周側に環状の第２領域２ｃ、その外周側に環状の第３領域３ｃ、その外周側に環状の第４領域４ｃを有している。

第１領域１ｃには、バーナ５ｃが設けられるとともに、第２領域２ｃには、改質管６ｃが設けられている。第３領域３ｃには、水蒸発器７ｃが設けられ、第４領域４ｃには、ＣＯ変成器８ｃが設けられている。

特開２００１−２３６９８０号公報特表２０１０−５０４６０７号公報特開２００４−２８８４３４号公報

ところで、上記の特許文献１では、反応装置４ａで部分酸化による改質を行う際に、排ガスの熱が、液体燃料及び酸素搬送ガスを加熱するために使用されている。従って、燃料電池スタック１ａに供給される酸化剤ガスを昇温させるための熱量が不足し易く、効率が低下するという問題がある。その上、熱交換装置３ａが排気ガスにより外周壁部しか加熱しないため、所望の受熱量を確保することができないという問題がある。しかも、排気ガスには、偏流が発生し易いという問題がある。

また、上記の特許文献２では、熱効率を向上させるために、流路を長尺にして伝熱面積を確保している。このため、圧損が相当に増加し易いという問題がある。その上、熱交換器２ｂが排気ガスにより外周壁部しか加熱しないため、所望の受熱量を確保することができないという問題がある。しかも、排気ガスには、偏流が発生し易いという問題がある。

さらに、上記の特許文献３では、最高温部である中心部の放熱を断熱材（隔壁）により抑制している。従って、熱回収を行うことができず、効率が低下するという問題がある。その上、燃焼ガスが隔壁に沿って流通してしまい、有効な受熱量を確保することができな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、熱効率及び熱自立の促進を図るとともに、燃焼ガスの偏流を確実に抑制することができ、熱交換効率を良好に向上させることが可能な燃料電池モジュールを提供することを目的とする。

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を複数積層した燃料電池スタックと、炭化水素を主体とする原燃料と水蒸気との混合ガスを改質し、前記燃料電池スタックに供給される前記燃料ガスを生成する改質器と、水を蒸発させるとともに、前記水蒸気を前記改質器に供給する蒸発器と、燃焼ガスとの熱交換により前記酸化剤ガスを昇温させるとともに、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する熱交換器と、前記燃料電池スタックから排出される前記燃料ガスである燃料排ガスと前記酸化剤ガスである酸化剤排ガスとを燃焼させ、前記燃焼ガスを発生させる排ガス燃焼器と、前記原燃料と前記酸化剤ガスとを燃焼させて前記燃焼ガスを発生させる起動用燃焼器と、を備える燃料電池モジュールに関するものである。

この燃料電池モジュールは、排ガス燃焼器及び起動用燃焼器が構成される第１領域と、改質器及び熱交換器が構成されるとともに、前記第１領域を環状に周回する第２領域と、蒸発器が構成されるとともに、前記第２領域を環状に周回する第３領域と、を備えている。

そして、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燃焼ガスを供給する燃焼ガス通路を備えている。燃料電池モジュールでは、複数本の熱交換管路の外表面に接する最小外接円に沿って、外接偏流抑制板が配設されている。

また、この燃料電池モジュールでは、改質器は、混合ガスが供給される環状の混合ガス供給室、生成された燃料ガスが排出される環状の燃料ガス排出室、一端が前記混合ガス供給室に連通し且つ他端が前記燃料ガス排出室に連通する複数本の改質管路、及び前記改質管路間に燃焼ガスを供給する燃焼ガス通路を備え、複数本の前記改質管路の外表面に接する最小外接円に沿って、外接偏流抑制板が配設されることが好ましい。

このため、構造の簡素化が容易に図られ、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燃料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。

その上、燃焼ガスは、外接偏流抑制板の作用下に改質管路の外表面に沿って良好に流通することができ、偏流や吹き抜けを良好に抑制するとともに、前記燃焼ガスの流通経路長を長くすることが可能になる。従って、混合ガスは、燃焼ガスからの授熱量が増加し、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、蒸発器は、水が供給される環状の水供給室、水蒸気が排出される環状の水蒸気排出室、一端が前記水供給室に連通し且つ他端が前記水蒸気排出室に連通する複数本の蒸発管路、及び前記蒸発管路間に燃焼ガスを供給する燃焼ガス通路を備え、複数本の前記蒸発管路の外表面に接する最小外接円に沿って、外接偏流抑制板が配設されることが好ましい。

これにより、構造の簡素化が容易に図られ、製造コストが有効に削減される。しかも、水供給室及び水蒸気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。

その上、燃焼ガスは、外接偏流抑制板の作用下に蒸発管路の外表面に沿って良好に流通することができ、偏流や吹き抜けを良好に抑制するとともに、前記燃焼ガスの流通経路長を長くすることが可能になる。このため、水は、燃焼ガスからの授熱量が増加し、熱交換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、外表面に接する最大内接円に沿って、内接偏流抑制板が配設されることが好ましい。従って、管路（熱交換管路、改質管路又は蒸発管路）に沿って燃焼ガスを一層円滑且つ確実に流通させることができる。これにより、流体（酸化剤ガス、混合ガス又は水）は、燃焼ガスからの授熱量が増加し、熱交換効率が良好に向上する。

また、この燃料電池モジュールでは、外接偏流抑制板と内接偏流抑制板とは、管路長さ方向に互いの端部位置がオフセットして配置されるとともに、燃焼ガスは、前記外接偏流抑制板と前記内接偏流抑制板との間を前記管路長さ方向に流通することが好ましい。このため、燃焼ガスは、偏流や吹き抜けを良好に抑制されるとともに、外接偏流抑制板と内接偏流抑制板との間に流通経路を確保することが可能になる。従って、燃焼ガスの流通経路を長尺化させることができ、燃焼ガスからの授熱量が有効に増加し、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、外接偏流抑制板及び内接偏流抑制板の中、第１領域の中心軸に最も近接して配置される前記内接偏流抑制板又は前記外接偏流抑制板は、管路長さ方向に対して排ガス燃焼器側に配置されることが好ましい。これにより、排ガス燃焼器から導出される排ガスを、隣接する内接偏流抑制板又は外接偏流抑制板の作用下に管路（熱交換管路、改質管路又は蒸発管路）に沿って一層円滑且つ確実に流通させることができる。このため、流体（酸化剤ガス、混合ガス又は水）は、燃焼ガスからの授熱量が増加し、熱交換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、固体酸化物形燃料電池モジュールであることが好ましい。従って、特にＳＯＦＣ等の高温型燃料電池に最適である。

本発明によれば、排ガス燃焼器及び起動用燃焼器が構成される第１領域を中心にして、それぞれ環状の第２領域及び第３領域が外方向に向かって、順次、設けられている。そして、第２領域には、改質器及び熱交換器が構成される一方、第３領域には、蒸発器が構成されている。

このため、排熱及び放熱を良好に抑制することができ、熱効率の向上が図られて熱自立が促進されるとともに、燃料電池モジュール全体を簡単且つコンパクトに構成することが可能になる。ここで、熱自立とは、外部から熱を加えることなく自ら発生する熱のみで燃料電池の動作温度を維持することをいう。

さらに、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。従って、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。

さらにまた、複数本の熱交換管路の外表面に接する最小外接円に沿って、外接偏流抑制板が配設されている。これにより、燃焼ガスは、外接偏流抑制板の作用下に熱交換管路の外表面に沿って良好に流通することができ、偏流や吹き抜けを良好に抑制するとともに、前記燃焼ガスの流通経路長を長くすることが可能になる。このため、酸化剤ガスは、燃焼ガスからの授熱量が増加し、熱交換効率が良好に向上する。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池モジュールが組み込まれる燃料電池システムの概略構成説明図である。前記燃料電池モジュールを構成するＦＣ周辺機器の斜視説明図である。前記ＦＣ周辺機器の断面説明図である。前記ＦＣ周辺機器の一部省略斜視説明図である。前記ＦＣ周辺機器の要部分解斜視説明図である。前記ＦＣ周辺機器の断面平面図である。前記ＦＣ周辺機器の燃焼ガスの流れ説明図である。本発明の第２の実施形態に係る燃料電池モジュールを構成するＦＣ周辺機器の断面説明図である。前記ＦＣ周辺機器の断面平面図である。前記ＦＣ周辺機器の燃焼ガスの流れ説明図である。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周辺機器の断面説明図である。前記ＦＣ周辺機器の断面平面図である。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周辺機器の断面平面図である。本発明の第５の実施形態に係る燃料電池モジュールを構成するＦＣ周辺機器の断面平面図である。特許文献１に開示されている燃料電池バッテリの概略説明図である。特許文献２に開示されている固体酸化物燃料電池の一部切り欠き斜視説明図である。特許文献３に開示されている燃料電池システムの概略説明図である。

図１に示すように、燃料電池システム１０は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池モジュール１２を組み込むとともに、定置用の他、車載用等の種々の用途に用いられる。

燃料電池システム１０は、燃料ガス（水素ガスにメタン、一酸化炭素が混合した気体）と酸化剤ガス（空気）との電気化学反応により発電する燃料電池モジュール（ＳＯＦＣモジュール）１２と、前記燃料電池モジュール１２に原燃料（例えば、都市ガス）を供給する原燃料供給装置（燃料ガスポンプを含む）１４と、前記燃料電池モジュール１２に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置（空気ポンプを含む）１６と、前記燃料電池モジュール１２に水を供給する水供給装置（水ポンプを含む）１８と、前記燃料電池モジュール１２の発電量を制御する制御装置２０とを備える。

燃料電池モジュール１２は、複数の固体酸化物形の燃料電池２２が鉛直方向（又は水平方向）に積層される固体酸化物形の燃料電池スタック２４を備える。燃料電池２２は、例えば、安定化ジルコニア等の酸化物イオン導電体で構成される電解質２６の両面に、カソード電極２８及びアノード電極３０が設けられた電解質・電極接合体（ＭＥＡ）３２を備える。

電解質・電極接合体３２の両側には、カソード側セパレータ３４とアノード側セパレータ３６とが配設される。カソード側セパレータ３４には、カソード電極２８に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路３８が形成されるとともに、アノード側セパレータ３６には、アノード電極３０に燃料ガスを供給する燃料ガス流路４０が形成される。なお、燃料電池２２としては、従来より使用されている種々のＳＯＦＣを用いることができる。

燃料電池２２は、作動温度が数百℃と高温であり、アノード電極３０では、燃料ガス中のメタンが改質されて水素、ＣＯが得られ、この水素、ＣＯが電解質２６の前記アノード電極３０側に供給される。

燃料電池スタック２４には、各酸化剤ガス流路３８の入口側に一体に連通する酸化剤ガス入口連通孔４２ａ、前記酸化剤ガス流路３８の出口側に一体に連通する酸化剤ガス出口連通孔４２ｂ、各燃料ガス流路４０の入口側に一体に連通する燃料ガス入口連通孔４４ａ、及び前記燃料ガス流路４０の出口側に一体に連通する燃料ガス出口連通孔４４ｂが設けられる。

燃料電池モジュール１２は、炭化水素を主体とする原燃料（例えば、都市ガス）と水蒸気との混合ガスを改質し、燃料電池スタック２４に供給される燃料ガスを生成する改質器４６と、水を蒸発させるとともに、前記水蒸気を前記改質器４６に供給する蒸発器４８と、燃焼ガスとの熱交換により酸化剤ガスを昇温させるとともに、前記燃料電池スタック２４に前記酸化剤ガスを供給する熱交換器５０と、前記燃料電池スタック２４から排出される前記燃料ガスである燃料排ガスと前記酸化剤ガスである酸化剤排ガスとを燃焼させ、前記燃焼ガスを発生させる排ガス燃焼器５２と、前記原燃料と前記酸化剤ガスとを燃焼させて前記燃焼ガスを発生させる起動用燃焼器５４とを備える。

燃料電池モジュール１２は、基本的には、燃料電池スタック２４とＦＣ周辺機器（ＢＯＰ）５６とにより構成される（図１及び図２参照）。ＦＣ周辺機器５６は、改質器４６、蒸発器４８、熱交換器５０、排ガス燃焼器５２及び起動用燃焼器５４を備える。

図３〜図５に示すように、ＦＣ周辺機器５６は、排ガス燃焼器５２及び起動用燃焼器５４が構成される第１領域Ｒ１と、改質器４６及び熱交換器５０が構成されるとともに、前記第１領域Ｒ１を環状に周回する第２領域Ｒ２と、蒸発器４８が構成されるとともに、前記第２領域Ｒ２を環状に周回する第３領域Ｒ３とを備える。第３領域Ｒ３の外周には、外壁を構成する円筒状の外周部材５５が配設される。

起動用燃焼器５４は、空気供給管５７及び原燃料供給管５８を備える。起動用燃焼器５４は、エゼクタ機能を有し、空気供給管５７から導入される空気流により原燃料供給管５８に負圧を発生させて、原燃料を吸引する。

排ガス燃焼器５２は、起動用燃焼器５４から離間して配置され、有底円筒形状を有する燃焼カップ６０を備える。燃焼カップ６０の有底側一端部には、端縁部外周に沿って複数の孔部（円形や長方形等）６０ａが形成される。燃焼カップ６０の開放側他端部には、スタック取り付け板６２が係合される一方、前記スタック取り付け板６２には、燃料電池スタック２４が装着される。

燃焼カップ６０には、酸化剤排ガス通路６３ａの一端と燃料排ガス通路６３ｂの一端とが配置される。燃焼カップ６０内では、燃料ガス（具体的には、燃料排ガス）と酸化剤ガス（具体的には、酸化剤排ガス）との燃焼反応により、燃焼ガスが生成される。

図１に示すように、酸化剤排ガス通路６３ａの他端は、燃料電池スタック２４の酸化剤ガス出口連通孔４２ｂに接続されるとともに、燃料排ガス通路６３ｂの他端は、前記燃料電池スタック２４の燃料ガス出口連通孔４４ｂに接続される。

図３〜図５に示すように、改質器４６は、都市ガス（原燃料）中に含まれるエタン（Ｃ₂Ｈ₆）、プロパン（Ｃ₃Ｈ₈）及びブタン（Ｃ₄Ｈ₁₀）等の高級炭化水素（Ｃ₂₊）を、主としてメタン（ＣＨ₄）、水素、ＣＯを含む燃料ガスに水蒸気改質するための予備改質器であり、数百℃の作動温度に設定される。

改質器４６は、排ガス燃焼器５２及び起動用燃焼器５４の外周に配設される複数本の改質管路（伝熱パイプ）６６を備える。各改質管路６６内には、改質用のペレット状触媒（図示せず）が充填される。改質管路６６の一端部（下端部）は、第１下側リング部材６８ａに固定されるとともに、前記改質管路６６の他端部（上端部）は、第１上側リング部材６８ｂに固定される。

第１下側リング部材６８ａ及び第１上側リング部材６８ｂの外周部は、円筒部材７０の内周部に溶接等により固着される。第１下側リング部材６８ａ及び第１上側リング部材６８ｂの内周部は、排ガス燃焼器５２及び起動用燃焼器５４の外周部に溶接等により固着される。円筒部材７０は、軸方向（矢印Ｌ方向）に沿って延在し、燃料電池スタック２４側の端部が、スタック取り付け板６２に固着される。円筒部材７０の外周には、所定の高さ位置に周方向に沿って複数の開口部７２が形成される。

熱交換器５０は、改質器４６を構成する改質管路６６の径方向外方（外側）に近接して配置される熱交換管路（伝熱パイプ）７４を備える。図６に示すように、改質管路６６は、第１領域Ｒ１を中心とする仮想円周上に均等に配列される。改質管路６６の外方には、第１領域Ｒ１を中心とする２つの仮想円周上に熱交換管路７４が均等に配列される。内方の仮想円周上の熱交換管路７４と、外方の仮想円周上の前記熱交換管路７４とは、互いにオフセットして（ジグザグ状に）配列される。

図３及び図４に示すように、熱交換管路７４の一端部（下端部）は、第２下側リング部材７６ａに溶接等により固定されるとともに、前記熱交換管路７４の他端部（上端部）は、第２上側リング部材７６ｂに溶接等により固定される。第２下側リング部材７６ａ及び第２上側リング部材７６ｂの外周部は、円筒部材７０の内周部に溶接等により固着される。第２下側リング部材７６ａ及び第２上側リング部材７６ｂの内周部は、排ガス燃焼器５２及び起動用燃焼器５４の外周部に溶接等により固着される。

第２下側リング部材７６ａは、第１下側リング部材６８ａよりも下方（軸方向外方）に配置される一方、第２上側リング部材７６ｂは、第１上側リング部材６８ｂよりも上方（軸方向外方）に配置される。

第１下側リング部材６８ａと第２下側リング部材７６ａとの間には、混合ガス（原燃料と水蒸気）が供給される環状の混合ガス供給室７８ａが形成される。第１上側リング部材６８ｂと第２上側リング部材７６ｂとの間には、生成された燃料ガス（改質ガス）が排出される環状の燃料ガス排出室７８ｂが形成される。各改質管路６６は、混合ガス供給室７８ａ及び燃料ガス排出室７８ｂに両端が開放される。

円筒部材７０の起動用燃焼器５４側の端部には、リング形状の端部リング部材８０が溶接等により固着される。端部リング部材８０と第２下側リング部材７６ａとの間には、酸化剤ガスが供給される環状の酸化剤ガス供給室８２ａが形成される。第２上側リング部材７６ｂとスタック取り付け板６２との間には、昇温された酸化剤ガスが排出される環状の酸化剤ガス排出室８２ｂが形成される。熱交換管路７４の両端は、酸化剤ガス供給室８２ａと酸化剤ガス排出室８２ｂとに開放される。

燃料ガス排出室７８ｂは、酸化剤ガス排出室８２ｂと２段に且つ前記酸化剤ガス排出室８２ｂよりも軸方向内方（下方）に配設される。混合ガス供給室７８ａは、酸化剤ガス供給室８２ａと２段に且つ前記酸化剤ガス供給室８２ａよりも軸方向内方（上方）に配設される。

混合ガス供給室７８ａには、原燃料供給路８４が開放されるとともに、前記原燃料供給路８４の途上には、後述する蒸発リターン管路１０３が接続される（図１参照）。原燃料供給路８４は、エゼクタ機能を有しており、流通される原燃料によって負圧を発生させ、水蒸気の吸引を行う。

原燃料供給路８４は、第２下側リング部材７６ａ及び端部リング部材８０に溶接等により固着される。燃料ガス排出室７８ｂには、燃料ガス通路８６の一端が連通するとともに、前記燃料ガス通路８６の他端は、燃料電池スタック２４の燃料ガス入口連通孔４４ａに連通する（図１参照）。燃料ガス通路８６は、第２上側リング部材７６ｂに溶接等により固着されるとともに、スタック取り付け板６２を貫通する（図２参照）。

酸化剤ガス供給室８２ａには、酸化剤ガス供給管８８が配設される。酸化剤ガス供給管８８は、端部リング部材８０に溶接等により固着される。酸化剤ガス排出室８２ｂには、例えば、２本の酸化剤ガス配管９０の一端が配設される。各酸化剤ガス配管９０の他端は、スタック取り付け板６２を貫通して燃料電池スタック２４の酸化剤ガス入口連通孔４２ａに接続される（図１参照）。

図３及び図４に示すように、蒸発器４８は、円筒部材７０の外周外方に沿って配設される複数本の蒸発管路（伝熱パイプ）９６を備える。蒸発管路９６の一端部（下端部）は、下側リング部材９８ａに固定されるとともに、前記蒸発管路９６の他端部（上端部）は、上側リング部材９８ｂに固定される。

下側リング部材９８ａの下方には、下端リング部材１００ａが配設されるとともに、上側リング部材９８ｂの上方には、上端リング部材１００ｂが配設される。下端リング部材１００ａ及び上端リング部材１００ｂは、円筒部材７０の外周及び外周部材５５の内周に溶接等により固着される。

下側リング部材９８ａと下端リング部材１００ａとの間には、水が供給される環状の水供給室１０２ａが形成される。上側リング部材９８ｂと上端リング部材１００ｂとの間には、水蒸気が排出される環状の水蒸気排出室１０２ｂが形成される。蒸発管路９６の両端は、下側リング部材９８ａ及び上側リング部材９８ｂに溶接等により固着されて、水供給室１０２ａと水蒸気排出室１０２ｂとに開放される。

水供給室１０２ａは、内周部に混合ガス供給室７８ａ及び酸化剤ガス供給室８２ａを収容する。水蒸気排出室１０２ｂは、燃料ガス排出室７８ｂの外方に且つ軸方向下方（管路長方向下方）にオフセットした位置に配置される。水蒸気排出室１０２ｂには、少なくとも１本以上の蒸発管路９６により構成される蒸発リターン管路１０３の一端が配設される。蒸発リターン管路１０３の他端は、原燃料供給路８４の途上に接続される（図１参照）。

外周部材５５の外周部には、下方に中央位置がずれて円筒状のカバー部材１０４が設けられる。カバー部材１０４は、上下両端（軸方向両端）が外周部材５５に溶接等により固着されるとともに、前記外周部材５５の外周部との間には、熱回収領域（チャンバ）１０６が形成される。

水供給室１０２ａを構成する外周部材５５の下端縁部には、周方向に沿って複数個の孔部１０８が形成され、前記孔部１０８を介して前記水供給室１０２ａと熱回収領域１０６とが連通する。カバー部材１０４には、熱回収領域１０６に連通する水供給管１１０が接続される。外周部材５５の上部側には、第３領域Ｒ３に連通する排ガス配管１１２が接続される。

第１の実施形態では、図３〜図５に示すように、改質器４６及び熱交換器５０が構成される第２領域Ｒ２には、前記改質器４６を構成する複数本の改質管路６６の外表面に接する最小外接円に沿って第１外接偏流抑制板１１４が配設される。第１外接偏流抑制板１１４は、例えば、薄板金属プレートで構成される円筒形状を有し、例えば、第１下側リング部材６８ａに溶接等により固定される。第１外接偏流抑制板１１４の上端位置は、燃焼カップ６０の孔部６０ａよりも上方に配置される。

第２領域Ｒ２には、熱交換器５０を構成し各仮想円周上に配列される複数本の熱交換管路７４の外表面に接する最小外接円に沿って第２外接偏流抑制板１１６ａ、１１６ｂが配設される。第２外接偏流抑制板１１６ａは、円筒形状を有し、内周側の複数本の熱交換管路７４の外表面に接して配置され、第１上側リング部材６８ｂに固定される。第２外接偏流抑制板１１６ａの下端位置は、第１下側リング部材６８ａから上方に離間して配置される。

第２外接偏流抑制板１１６ｂは、円筒形状を有し、外周側の複数本の熱交換管路７４の外表面に接して配置され、第１下側リング部材６８ａに固定される。第２外接偏流抑制板１１６ｂの上端位置は、第１上側リング部材６８ｂから下方に離間して配置される。

蒸発器４８が構成される第３領域Ｒ３には、第３外接偏流抑制板１１８が配設される。第３外接偏流抑制板１１８は、円筒形状を有し、蒸発器４８を構成する複数本の蒸発管路９６の外表面に接する最小外接円に沿って配置される。第３外接偏流抑制板１１８は、上側リング部材９８ｂに固定されるとともに、下端位置は、下側リング部材９８ａから上方に離間して配置される。

図７に概略的に示すように、第１領域Ｒ１には、燃焼ガスを矢印Ａ１方向に流通させる第１燃焼ガス通路１２０ａが形成される。第２領域Ｒ２には、燃焼カップ６０の孔部６０ａを通過した燃焼ガスを流通させる第２燃焼ガス通路１２０ｂが形成される。第２領域Ｒ２には、第１外接偏流抑制板１１４と第２外接偏流抑制板１１６ａとの間で燃焼ガスを矢印Ａ１方向に流通させる第３燃焼ガス通路１２０ｃと、前記第２外接偏流抑制板１１６ａと第２外接偏流抑制板１１６ｂとの間で前記燃焼ガスを矢印Ａ２方向に流通させる第４燃焼ガス通路１２０ｄとが形成される。

第３領域Ｒ３には、複数の開口部７２を通った燃焼ガスを、第３外接偏流抑制板１１８に沿って矢印Ａ１方向に流通させる第５燃焼ガス通路１２０ｅが形成される。第３外接偏流抑制板１１８の外周側には、燃焼ガスを矢印Ａ２方向に流通させて排ガス配管１１２に排出する第６燃焼ガス通路１２０ｆが形成される。

図１に示すように、原燃料供給装置１４は、原燃料通路１２２を備える。原燃料通路１２２は、原燃料用調整弁１２４を介して原燃料供給路８４と原燃料供給管５８とに分岐する。原燃料供給路８４には、都市ガス（原燃料）中に含まれる硫黄化合物を除去するための脱硫器１２６が配設される。

酸化剤ガス供給装置１６は、酸化剤ガス通路１２８を備える。酸化剤ガス通路１２８は、酸化剤ガス用調整弁１３０を介して酸化剤ガス供給管８８と空気供給管５７とに分岐する。水供給装置１８は、水供給管１１０を介して蒸発器４８に接続される。

このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。

燃料電池システム１０の起動時には、空気（酸化剤ガス）及び原燃料が起動用燃焼器５４に供給される。具体的には、酸化剤ガス供給装置１６では、空気ポンプの駆動作用下に酸化剤ガス通路１２８に空気が供給される。この空気は、酸化剤ガス用調整弁１３０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１２２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１２４の開度調整作用下に、原燃料供給管５８に導入される。この原燃料は、空気と混合されるとともに、起動用燃焼器５４内に供給される（図３及び図４参照）。

このため、起動用燃焼器５４内には、原燃料と空気との混合ガスが供給され、この混合ガスが着火されることにより、燃焼が開始される。従って、燃焼により生成された燃焼ガスは、第１領域Ｒ１から第２領域Ｒ２に導入される。燃焼ガスは、さらに第３領域Ｒ３に供給された後、排ガス配管１１２を流通して燃料電池モジュール１２の外部に排出される。

その際、図３及び図４に示すように、第２領域Ｒ２には、改質器４６及び熱交換器５０が配置されるとともに、第３領域Ｒ３には、蒸発器４８が配置されている。これにより、第１領域Ｒ１から排出される燃焼ガスは、改質器４６、熱交換器５０及び蒸発器４８の順に加熱する。

そして、燃料電池モジュール１２が設定温度に昇温されると、熱交換器５０に空気（酸化剤ガス）が供給される一方、改質器４６には、原燃料及び水蒸気の混合ガスが供給される。

具体的には、図１に示すように、酸化剤ガス用調整弁１３０の開度が調整されて、酸化剤ガス供給管８８への空気供給量が増加されるとともに、原燃料用調整弁１２４の開度が調整されて、原燃料供給路８４への原燃料供給量が増加される。また、水供給装置１８の作用下に、水供給管１１０に水が供給される。空気は、酸化剤ガス供給管８８から酸化剤ガス供給室８２ａに導入される。

従って、図３及び図４に示すように、熱交換器５０に導入された空気は、酸化剤ガス供給室８２ａに一旦供給された後、複数の熱交換管路７４内を移動する間に、第２領域Ｒ２に導入された燃焼ガスにより加熱（熱交換）される。加熱された空気は、一旦酸化剤ガス排出室８２ｂに供給された後、酸化剤ガス配管９０を介して燃料電池スタック２４の酸化剤ガス入口連通孔４２ａに供給される（図１参照）。燃料電池スタック２４では、加熱された空気は、酸化剤ガス流路３８に沿って流通し、カソード電極２８に供給される。

空気は、酸化剤ガス流路３８を流通した後、酸化剤ガス出口連通孔４２ｂから酸化剤排ガス通路６３ａに排出される。酸化剤排ガス通路６３ａは、排ガス燃焼器５２を構成する燃焼カップ６０に開口しており、前記燃焼カップ６０内に酸化剤排ガスが導入される。

また、図１に示すように、水供給装置１８から供給される水は、蒸発器４８に供給されるとともに、脱硫器１２６で脱硫された原燃料は、原燃料供給路８４を流通して改質器４６に向かう。

蒸発器４８では、図３に示すように、水は、水供給管１１０から外周部材５５の熱回収領域１０６に供給される。このため、水は、複数個の孔部１０８を通って一旦水供給室１０２ａに供給された後、複数本の蒸発管路９６内を移動する間、第３領域Ｒ３を流通する燃焼ガスにより昇温されて、水蒸気化される。

この水蒸気は、水蒸気排出室１０２ｂに一旦導入された後、前記水蒸気排出室１０２ｂに連通する蒸発リターン管路１０３に供給される。これにより、水蒸気は、蒸発リターン管路１０３内を流通して原燃料供給路８４に導入され、原燃料供給装置１４を介して供給された原燃料と混合して混合ガスが得られる。

混合ガスは、原燃料供給路８４から改質器４６を構成する混合ガス供給室７８ａに一旦供給される。混合ガスは、複数の改質管路６６内を移動する。その間に、混合ガスは、第２領域Ｒ２を流通する燃焼ガスにより加熱されて水蒸気改質され、Ｃ₂₊の炭化水素が除去（改質）されてメタンを主成分とする改質ガスが得られる。

この改質ガスは、加熱された燃料ガスとして、一旦燃料ガス排出室７８ｂに供給された後、燃料ガス通路８６を介して燃料電池スタック２４の燃料ガス入口連通孔４４ａに供給される（図１参照）。燃料電池スタック２４では、加熱された燃料ガスは、燃料ガス流路４０に沿って流通し、アノード電極３０に供給される。一方、カソード電極２８には、空気が供給されており、電解質・電極接合体３２により発電が行われる。

燃料ガスは、燃料ガス流路４０を流通した後、燃料ガス出口連通孔４４ｂから燃料排ガス通路６３ｂに排出される。燃料排ガス通路６３ｂは、排ガス燃焼器５２を構成する燃焼カップ６０内に開口しており、前記燃焼カップ６０内に燃料排ガスが導入される。

起動用燃焼器５４による昇温作用下に、排ガス燃焼器５２内が燃料ガスの自己着火温度を超えると、燃焼カップ６０内で酸化剤排ガスと燃料排ガスとによる燃焼が開始される。一方、起動用燃焼器５４による燃焼作業が停止される。

燃焼カップ６０には、複数の孔部６０ａが形成されている。このため、図３に示すように、燃焼カップ６０内に供給された燃焼ガスは、複数の孔部６０ａを通過して、第１領域Ｒ１から第２領域Ｒ２に導入される。燃焼ガスは、さらに第３領域Ｒ３に供給された後、燃料電池モジュール１２の外部に排出される。

この場合、第１の実施形態では、図３及び図４に示すように、ＦＣ周辺機器５６は、排ガス燃焼器５２及び起動用燃焼器５４が構成される第１領域Ｒ１と、改質器４６及び熱交換器５０が構成されるとともに、前記第１領域Ｒ１を環状に周回する第２領域Ｒ２と、蒸発器４８が構成されるとともに、前記第２領域Ｒ２を環状に周回する第３領域Ｒ３とを備えている。

すなわち、第１領域Ｒ１を中心にして、それぞれ環状の第２領域Ｒ２及び第３領域Ｒ３が外方向に向かって、順次、設けられている。このため、排熱及び放熱を良好に抑制することができ、熱効率の向上が図られて熱自立が促進されるとともに、燃料電池モジュール１２全体を簡単且つコンパクトに構成することが可能になるという効果が得られる。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。

また、第１の実施形態では、図３に示すように、熱交換器５０は、酸化剤ガスが供給される環状の酸化剤ガス供給室８２ａ、昇温された前記酸化剤ガスが排出される環状の酸化剤ガス排出室８２ｂ、一端が前記酸化剤ガス供給室８２ａに連通し且つ他端が前記酸化剤ガス排出室８２ｂに連通する複数本の熱交換管路７４を備えている。

そして、図３及び図７に示すように、第１外接偏流抑制板１１４と第２外接偏流抑制板１１６ａとの間には、燃焼ガスを矢印Ａ１方向に流通させる第３燃焼ガス通路１２０ｃが形成され、前記第２外接偏流抑制板１１６ａと第２外接偏流抑制板１１６ｂとの間には、前記燃焼ガスを矢印Ａ２方向に流通させる第４燃焼ガス通路１２０ｄが形成されている。

従って、熱交換器５０では、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８２ａ及び酸化剤ガス排出室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。

さらに、第１の実施形態では、複数本の熱交換管路７４の外表面に接する最小外接円に沿って、第２外接偏流抑制板１１６ａ、１１６ｂが配設されている。これにより、燃焼ガスは、第２外接偏流抑制板１１６ａ、１１６ｂの作用下に熱交換管路７４の外表面に沿って良好に流通することができ、偏流や吹き抜けを良好に抑制するとともに、前記燃焼ガスの流通経路長を長くすることが可能になる。このため、酸化剤ガスは、燃焼ガスからの授熱量が増加し、熱交換効率が良好に向上するという効果が得られる。

さらにまた、図３に示すように、改質器４６は、混合ガスが供給される環状の混合ガス供給室７８ａ、生成された燃料ガスが排出される環状の燃料ガス排出室７８ｂ、一端が前記混合ガス供給室７８ａに連通し且つ他端が前記燃料ガス排出室７８ｂに連通する複数本の改質管路６６を備えている。そして、改質管路６６間には、燃焼ガスを供給する第２燃焼ガス通路１２０ｂが設けられるとともに、前記改質管路６６の外表面に接する最小外接円に沿って、第１外接偏流抑制板１１４が配設されている。

このため、構造の簡素化が容易に図られ、製造コストが有効に削減される。しかも、混合ガス供給室７８ａ及び燃料ガス排出室７８ｂ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。

その上、燃焼ガスは、第１外接偏流抑制板１１４の作用下に、改質管路６６の外表面に沿って良好に流通することができ、偏流や吹き抜けを良好に抑制するとともに、前記燃焼ガスの流通経路長を長くすることが可能になる。従って、混合ガスは、燃焼ガスからの授熱量が増加し、熱交換効率が良好に向上する。

また、蒸発器４８は、水が供給される環状の水供給室１０２ａ、水蒸気が排出される環状の水蒸気排出室１０２ｂ、一端が前記水供給室１０２ａに連通し且つ他端が前記水蒸気排出室１０２ｂに連通する複数本の蒸発管路９６を備えている。蒸発管路９６間には、燃焼ガスを供給する第５燃焼ガス通路１２０ｅが設けられ、複数本の前記蒸発管路９６の外表面に接する最小外接円に沿って、第３外接偏流抑制板１１８が配設されている。

これにより、構造の簡素化が容易に図られ、製造コストが有効に削減される。しかも、水供給室１０２ａ及び水蒸気排出室１０２ｂ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。

その上、燃焼ガスは、第３外接偏流抑制板１１８の作用下に蒸発管路９６の外表面に沿って良好に流通することができ、偏流や吹き抜けを良好に抑制するとともに、前記燃焼ガスの流通経路長を長くすることが可能になる。このため、水は、燃焼ガスからの授熱量が増加し、熱交換効率が良好に向上する。

さらに、燃料電池モジュール１２は、固体酸化物形燃料電池モジュールである。従って、特にＳＯＦＣ等の高温型燃料電池に最適である。

図８〜図１０に示すように、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池モジュール１４０は、ＦＣ周辺機器１４２を備える。なお、第１の実施形態に係る燃料電池モジュール１２と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。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１４０では、改質器４６が構成される第２領域Ｒ２には、複数本の改質管路６６の外表面に接する最大内接円に沿って、第１内接偏流抑制板１４４が配設される。第１内接偏流抑制板１４４は、第１外接偏流抑制板１１４と同様に、薄板金属プレートで構成される。第１内接偏流抑制板１４４は、複数本の改質管路６６の外表面に接する最大内接円に沿って配置される円筒形状を有し、例えば、第１上側リング部材６８ｂに溶接等により固定される。

第１内接偏流抑制板１４４と第１外接偏流抑制板１１４とは、改質管路６６の管路長さ方向に互いの端部位置がオフセットして配置されるとともに、燃焼ガスは、前記管路長さ方向に流通する。図８に示すように、第１内接偏流抑制板１４４の下端位置は、第１下側リング部材６８ａよりも上方に配置される。

熱交換器５０が構成される第２領域Ｒ２には、複数本の熱交換管路７４の外表面に接する最大内接円に沿って、第２内接偏流抑制板１４６ａ、１４６ｂが配設される。第２内接偏流抑制板１４６ａ、１４６ｂは、第２外接偏流抑制板１１６ａ、１１６ｂと同様に、薄板金属プレートで構成される。第２内接偏流抑制板１４６ａは、内周側の複数本の熱交換管路７４の外表面に接する最大内接円に沿って配置される円筒形状を有し、例えば、第１下側リング部材６８ａに溶接等により固定される。

第２内接偏流抑制板１４６ａの上端位置は、第１上側リング部材６８ｂから下方に離間して配置される。第２内接偏流抑制板１４６ａと第２外接偏流抑制板１１６ａとは、熱交換管路７４の管路長さ方向に互いの端部位置がオフセットして配置されるとともに、燃焼ガスは、前記管路長さ方向に流通する。

第２内接偏流抑制板１４６ｂは、外周側の複数本の熱交換管路７４の外表面に接する最大内接円に沿って配置される円筒形状を有し、例えば、第１上側リング部材６８ｂに溶接等により固定される。第２内接偏流抑制板１４６ｂの下端位置は、第１下側リング部材６８ａから上方に離間して配置される。第２内接偏流抑制板１４６ｂと第２外接偏流抑制板１１６ｂとは、熱交換管路７４の管路長さ方向に互いの端部位置がオフセットして配置されるとともに、燃焼ガスは、前記管路長さ方向に流通する。

蒸発器４８が構成される第３領域Ｒ３には、複数本の蒸発管路９６の外表面に接する最大内接円に沿って、第３内接偏流抑制板１４８が配設される。第３内接偏流抑制板１４８は、第３外接偏流抑制板１１８と同様に、薄板金属プレートで構成される。第３内接偏流抑制板１４８は、複数本の蒸発管路９６の外表面に接する最大内接円に沿って配置される円筒形状を有し、例えば、下側リング部材９８ａに溶接等により固定される。

第３内接偏流抑制板１４８の上端位置は、上側リング部材９８ｂから下方に離間して配置される。第３内接偏流抑制板１４８と第３外接偏流抑制板１１８とは、蒸発管路９６の管路長さ方向に互いの端部位置がオフセットして配置されるとともに、燃焼ガスは、前記管路長さ方向に流通する。

このように、第２の実施形態では、第２領域に構成される熱交換器５０は、複数本の熱交換管路７４の外表面に接する最小外接円に沿って、第２外接偏流抑制板１１６ａ、１１６ｂが配置されるとともに、前記熱交換管路７４の前記外表面に接する最大内接円に沿って、第２内接偏流抑制板１４６ａ、１４６ｂが配設されている。

このため、図１０に示すように、第２領域Ｒ２に導入された燃焼ガスは、第２内接偏流抑制板１４６ａの上方を通過して第２外接偏流抑制板１１６ａに吹き付けられる。そして、燃焼ガスは、第２外接偏流抑制板１１６ａと第２内接偏流抑制板１４６ａとの間に形成される第３燃焼ガス通路１２０ｃに沿って矢印Ａ１方向に移動しながら、内周側の各熱交換管路７４の外表面に吹き付けられる。

さらに、第２外接偏流抑制板１１６ａの下方に移動した燃焼ガスは、前記第２外接偏流抑制板１１６ａの下方を通過して第２外接偏流抑制板１１６ｂに吹き付けられる。この燃焼ガスは、第２外接偏流抑制板１１６ｂと第２内接偏流抑制板１４６ｂとの間に形成される第４燃焼ガス通路１２０ｄに沿って矢印Ａ２方向に移動しながら、外周側の各熱交換管路７４の外表面に吹き付けられる。

従って、熱交換器５０に供給される燃焼ガスは、偏流や吹き抜けを良好に抑制することができるとともに、各熱交換管路７４に沿って一層円滑且つ確実に流通することが可能になる。これにより、酸化剤ガスは、燃焼ガスからの授熱量が増加し、熱交換効率が良好に向上する。

さらに、第２外接偏流抑制板１１６ａと第２内接偏流抑制板１４６ａ及び第２外接偏流抑制板１１６ｂと第２内接偏流抑制板１４６ｂとは、それぞれ管路長さ方向に互いの端部位置がオフセットして配置されている。そして、燃焼ガスは、第２外接偏流抑制板１１６ａと第２内接偏流抑制板１４６ａとの間及び第２外接偏流抑制板１１６ｂと第２内接偏流抑制板１４６ｂとの間を、管路長さ方向に流通している。このため、燃焼ガスは、偏流や吹き抜けを良好に抑制されるとともに、燃焼ガスの第３燃焼ガス通路１２０ｃ及び第４燃焼ガス通路１２０ｄを長尺化させることができ、燃焼ガスからの授熱量が有効に増加し、熱交換効率が良好に向上するという効果が得られる。

一方、改質器４６では、孔部６０ａから第２領域Ｒ２に吹き出された燃焼ガスは、第１内接偏流抑制板１４４に吹き付けられ、前記第１内接偏流抑制板１４４に沿って矢印Ａ１方向に流動する。燃焼ガスは、第１内接偏流抑制板１４４の下方を通過して第１外接偏流抑制板１１４に吹き付けられる。従って、燃焼ガスは、第１外接偏流抑制板１１４と第１内接偏流抑制板１４４との間に形成される第２燃焼ガス通路１２０ｂに沿って矢印Ａ２方向に移動しながら、各改質管路６６の外表面に吹き付けられる。

これにより、改質器４６に供給される燃焼ガスは、偏流や吹き抜けを良好に抑制することができるとともに、各改質管路６６に沿って一層円滑且つ確実に流通することが可能になる。これにより、混合ガスは、燃焼ガスからの授熱量が増加し、熱交換効率が良好に向上する。

さらにまた、第１外接偏流抑制板１１４と第１内接偏流抑制板１４４とは、管路長さ方向に互いの端部位置がオフセットして配置されるとともに、燃焼ガスは、前記管路長さ方向に流通している。このため、燃焼ガスは、偏流や吹き抜けを良好に抑制されるとともに、第１外接偏流抑制板１１４と第１内接偏流抑制板１４４との間に第２燃焼ガス通路１２０ｂを確保することが可能になる。従って、燃焼ガスの第２燃焼ガス通路１２０ｂを長尺化させることができ、燃焼ガスからの授熱量が有効に増加し、熱交換効率が良好に向上するという効果が得られる。

さらに、第１領域Ｒ１の中心軸に最も近接して配置される第１内接偏流抑制板１４４は、管路長さ方向に対して排ガス燃焼器５２側に配置されている。これにより、排ガス燃焼器５２から導出される燃焼ガス（排ガス）を、隣接する第１内接偏流抑制板１４４の作用下に改質管路６６に沿って一層円滑且つ確実に流通させることができる。このため、混合ガスは、燃焼ガスからの授熱量が増加し、熱交換効率が良好に向上する。

蒸発器４８が構成される第３領域Ｒ３では、開口部７２から吹き出された燃焼ガスは、第３内接偏流抑制板１４８の上方を通過して第３外接偏流抑制板１１８に吹き付けられる。燃焼ガスは、第３外接偏流抑制板１１８と第３内接偏流抑制板１４８との間に形成される第５燃焼ガス通路１２０ｅに沿って矢印Ａ１方向に移動しながら、各蒸発管路９６の外表面に吹き付けられる。

これにより、蒸発器４８に供給される燃焼ガスは、偏流や吹き抜けを良好に抑制することができるとともに、各蒸発管路９６に沿って一層円滑且つ確実に流通することが可能になる。このため、水は、燃焼ガスからの授熱量が増加し、熱交換効率が良好に向上する。

また、第３外接偏流抑制板１１８と第３内接偏流抑制板１４８とは、管路長さ方向に互いの端部位置がオフセットして配置されるとともに、燃焼ガスは、前記管路長さ方向に流通している。従って、燃焼ガスは、偏流や吹き抜けを良好に抑制されるとともに、第３外接偏流抑制板１１８と第３内接偏流抑制板１４８との間に第５燃焼ガス通路１２０ｅを確保することが可能になる。これにより、燃焼ガスの第５燃焼ガス通路１２０ｅを長尺化させることができ、燃焼ガスからの授熱量が有効に増加し、熱交換効率が良好に向上するという効果が得られる。

図１１は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池モジュール１５０を構成するＦＣ周辺機器１５２の断面説明図である。

図１１及び図１２に示すように、ＦＣ周辺機器１５２では、第２領域Ｒ２において、改質器４６が熱交換器５０の径方向外方に配置される。熱交換器５０は、第１領域Ｒ１を中心とする２つの仮想円周上にジグザグに配列されるそれぞれ複数本の熱交換管路７４を備える。改質器４６は、熱交換管路７４の外方に第１領域Ｒ１を中心とする仮想円周上に配列される改質管路６６を備える。

熱交換器５０には、内周側の複数本の熱交換管路７４の外表面に接して第１外接偏流抑制板１５４ａが配設され、外周側の複数本の熱交換管路７４の外表面に接して第１外接偏流抑制板１５４ｂが配設される。第１領域Ｒ１の中心軸に最も近接して配置される第１外接偏流抑制板１５４ａは、円筒形状を有し、第１上側リング部材６８ｂに固定されることにより、管路長さ方向に対して排ガス燃焼器５２側に配置される。第１外接偏流抑制板１５４ｂは、円筒形状を有し、第１下側リング部材６８ａに固定される。

改質器４６には、複数本の改質管路６６の外表面に接する最小外接円に沿って第２外接偏流抑制板１５６が配設される。第２外接偏流抑制板１５６は、円筒形状を有し、第１上側リング部材６８ｂに固定される。

蒸発器４８には、複数本の蒸発管路９６の外表面に接する最小外接円に沿って第３外接偏流抑制板１５８が配設される。第３外接偏流抑制板１５８は、円筒形状を有し、下側リング部材９８ａに固定される。

このように構成される第３の実施形態では、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。また、この第３の実施形態では、上記の第２の実施形態と同様に、外接偏流抑制板と内接偏流抑制板とを併用して構成することができる。なお、外接偏流抑制板と内接偏流抑制板とは、少なくとも熱交換器５０に設ければよい。

図１３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１６０を構成するＦＣ周辺機器１６２では、第１外接偏流抑制板１６４、第２外接偏流抑制板１６６ａ、１６６ｂ及び第３外接偏流抑制板１６８を備える。第１外接偏流抑制板１６４は、略波形状を有して各改質管路６６の外表面に接する最小外接円に沿って配置され、前記改質管路６６間に突出する凸形状を有する。

第２外接偏流抑制板１６６ａ、１６６ｂは、略波形状を有して各熱交換管路７４の外表面に接する最小外接円に沿って配置され、前記熱交換管路７４間に突出する凸形状を有する。

第３外接偏流抑制板１６８は、略波形状を有して各蒸発管路９６の外表面に接する最小外接円に沿って配置され、前記蒸発管路９６間に突出する凸形状を有する。

このように構成される第４の実施形態では、例えば、第２外接偏流抑制板１６６ａ、１６６ｂが略波形状を有して各熱交換管路７４の外表面に接触している。このため、燃焼ガスと酸化剤ガスとの間における熱交換効率が一層良好に向上するとともに、熱自立の促進が図られるという効果が得られる。

図１４に示すように、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池モジュール１７０を構成するＦＣ周辺機器１７２では、熱交換器５０に対応して外接偏流抑制板１７４が設けられる。

外接偏流抑制板１７４は、略波形状を有する。外接偏流抑制板１７４は、内周側の熱交換管路７４の外表面に接する最小外接円に沿って配置される内側湾曲部位１７４ａと、外周側の熱交換管路７４の外表面に接する最小外接円に沿って配置される外側湾曲部位１７４ｂとを交互に設ける。

このように構成される第５の実施形態では、単一の外接偏流抑制板１７４により、内周側の熱交換管路７４の外表面と、外周側の熱交換管路７４の外表面とに接触することができる。これにより、一層簡単且つ経済的な構成で、熱交換効率が向上するという効果が得られる。

１０…燃料電池システム
１２、１４０、１５０、１６０、１７０…燃料電池モジュール
１４…原燃料供給装置１６…酸化剤ガス供給装置
１８…水供給装置２０…制御装置
２２…燃料電池２４…燃料電池スタック
２６…電解質２８…カソード電極
３０…アノード電極３２…電解質・電極接合体
３８…酸化剤ガス流路４０…燃料ガス流路
４６…改質器４８…蒸発器
５０…熱交換器５２…排ガス燃焼器
５４…起動用燃焼器５５…外周部材
５６、１４２、１５２、１６２、１７２…ＦＣ周辺機器
５７…空気供給管５８…原燃料供給管
６０…燃焼カップ６０ａ、１０８…孔部
６６…改質管路
６８ａ、７６ａ、９８ａ…下側リング部材
６８ｂ、７６ｂ、９８ｂ…上側リング部材
７０…円筒部材７２…開口部
７４…熱交換管路７８ａ…混合ガス供給室
７８ｂ…燃料ガス排出室８０…端部リング部材
８４…原燃料供給路８６…燃料ガス通路
８８…酸化剤ガス供給管９０…酸化剤ガス配管
９６…蒸発管路１００ａ…下端リング部材
１００ｂ…上端リング部材１０２ａ…水供給室
１０２ｂ…水蒸気排出室１０３…蒸発リターン管路
１１４、１１６ａ、１１６ｂ、１１８、１５４ａ、１５４ｂ、１５６、１５８、１６４、１６６ａ、１６６ｂ、１６８、１７４…外接偏流抑制板
１２０ａ〜１２０ｆ…燃焼ガス通路
１４４、１４６ａ、１４６ｂ、１４８…内接偏流抑制板

Claims

燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を複数積層した燃料電池スタックと、
炭化水素を主体とする原燃料と水蒸気との混合ガスを改質し、前記燃料電池スタックに供給される前記燃料ガスを生成する改質器と、
水を蒸発させるとともに、前記水蒸気を前記改質器に供給する蒸発器と、
燃焼ガスとの熱交換により前記酸化剤ガスを昇温させるとともに、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する熱交換器と、
前記燃料電池スタックから排出される前記燃料ガスである燃料排ガスと前記酸化剤ガスである酸化剤排ガスとを燃焼させ、前記燃焼ガスを発生させる排ガス燃焼器と、
前記原燃料と前記酸化剤ガスとを燃焼させて前記燃焼ガスを発生させる起動用燃焼器と、
を備える燃料電池モジュールであって、
前記排ガス燃焼器及び前記起動用燃焼器が構成される第１領域と、
前記改質器及び前記熱交換器が構成されるとともに、前記第１領域を環状に周回する第２領域と、
前記蒸発器が構成されるとともに、前記第２領域を環状に周回する第３領域と、
を備え、
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、
複数本の前記熱交換管路の外表面に接する最小外接円に沿って、外接偏流抑制板が配設されることを特徴とする燃料電池モジュール。
請求項１記載の燃料電池モジュールにおいて、前記改質器は、前記混合ガスが供給される環状の混合ガス供給室、生成された前記燃料ガスが排出される環状の燃料ガス排出室、一端が前記混合ガス供給室に連通し且つ他端が前記燃料ガス排出室に連通する複数本の改質管路、及び前記改質管路間に前記燃焼ガスを供給する燃焼ガス通路を備え、
複数本の前記改質管路の外表面に接する最小外接円に沿って、外接偏流抑制板が配設されることを特徴とする燃料電池モジュール。
請求項１又は２記載の燃料電池モジュールにおいて、前記蒸発器は、前記水が供給される環状の水供給室、前記水蒸気が排出される環状の水蒸気排出室、一端が前記水供給室に連通し且つ他端が前記水蒸気排出室に連通する複数本の蒸発管路、及び前記蒸発管路間に前記燃焼ガスを供給する燃焼ガス通路を備え、
複数本の前記蒸発管路の外表面に接する最小外接円に沿って、外接偏流抑制板が配設されることを特徴とする燃料電池モジュール。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記外表面に接する最大内接円に沿って、内接偏流抑制板が配設されることを特徴とする燃料電池モジュール。
請求項４記載の燃料電池モジュールにおいて、前記外接偏流抑制板と前記内接偏流抑制板とは、管路長さ方向に互いの端部位置がオフセットして配置されるとともに、
前記燃焼ガスは、前記外接偏流抑制板と前記内接偏流抑制板との間を前記管路長さ方向に流通することを特徴とする燃料電池モジュール。
請求項５記載の燃料電池モジュールにおいて、前記外接偏流抑制板及び前記内接偏流抑制板の中、前記第１領域の中心軸に最も近接して配置される前記内接偏流抑制板又は前記外接偏流抑制板は、前記管路長さ方向に対して前記排ガス燃焼器側に配置されることを特徴とする燃料電池モジュール。
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。