JP6051065B2 - 燃料電池モジュール - Google Patents

燃料電池モジュール Download PDF

Info

Publication number
JP6051065B2
JP6051065B2 JP2013016050A JP2013016050A JP6051065B2 JP 6051065 B2 JP6051065 B2 JP 6051065B2 JP 2013016050 A JP2013016050 A JP 2013016050A JP 2013016050 A JP2013016050 A JP 2013016050A JP 6051065 B2 JP6051065 B2 JP 6051065B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
gas
fuel cell
reforming
reforming catalyst
fuel
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2013016050A
Other languages
English (en)
Other versions
JP2014146578A (ja
Inventor
哲矢 小川
哲矢 小川
如 ▲吉▼峯
如 ▲吉▼峯
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Honda Motor Co Ltd
Original Assignee
Honda Motor Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Honda Motor Co Ltd filed Critical Honda Motor Co Ltd
Priority to JP2013016050A priority Critical patent/JP6051065B2/ja
Priority to PCT/JP2013/085351 priority patent/WO2014119222A1/en
Publication of JP2014146578A publication Critical patent/JP2014146578A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP6051065B2 publication Critical patent/JP6051065B2/ja
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/32—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air
    • C01B3/34—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents
    • C01B3/38—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents using catalysts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04014—Heat exchange using gaseous fluids; Heat exchange by combustion of reactants
    • H01M8/04022—Heating by combustion
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0612—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
    • H01M8/0625—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material in a modular combined reactor/fuel cell structure
    • H01M8/0631—Reactor construction specially adapted for combination reactor/fuel cell
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/02—Processes for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0205—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step
    • C01B2203/0227—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step containing a catalytic reforming step
    • C01B2203/0233—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step containing a catalytic reforming step the reforming step being a steam reforming step
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/06—Integration with other chemical processes
    • C01B2203/066—Integration with other chemical processes with fuel cells
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/08—Methods of heating or cooling
    • C01B2203/0805—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0811—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas by combustion of fuel
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/08—Methods of heating or cooling
    • C01B2203/0872—Methods of cooling
    • C01B2203/0888—Methods of cooling by evaporation of a fluid
    • C01B2203/0894—Generation of steam
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/12—Feeding the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/1205—Composition of the feed
    • C01B2203/1211—Organic compounds or organic mixtures used in the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/1235—Hydrocarbons
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/12—Feeding the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/1258—Pre-treatment of the feed
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/16—Controlling the process
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M2008/1293—Fuel cells with solid oxide electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0612—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
    • H01M8/0618—Reforming processes, e.g. autothermal, partial oxidation or steam reforming
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0662—Treatment of gaseous reactants or gaseous residues, e.g. cleaning
    • H01M8/0675—Removal of sulfur
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)

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（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ーが知られている。この燃料電池バッテリーは、図１２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１３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１４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。
さらにまた、特許文献４に開示された水素発生装置は、図１５に示すように、燃料ガスを燃焼させるバーナ１ｄと、前記バーナ１ｄからの燃焼排ガスが流れる燃焼ガス流路２ｄと、前記燃焼ガス流路２ｄの外側に位置し、円筒３ｄと円筒４ｄにより構成される改質触媒層５ｄとを備えている。そして、改質触媒層５ｄは、改質ガス流れ方向の上流側の改質触媒６ｄと下流側の改質触媒７ｄとで構成されるとともに、前記改質触媒６ｄの粒径より前記改質触媒７ｄの粒径の方が大きい触媒を充填している。
また、特許文献５に開示された燃料改質装置は、図１６に示すように、容器状の本体容器１ｅに触媒充填物２ｅ及び耐火充填物３ｅを充填して構成される燃料改質器４ｅを備えている。触媒充填物２ｅ及び耐火充填物３ｅは、原料ガスの流れを乱すような所定の形状に形成されるとともに、触媒充填物２ｅには、部分酸化反応に活性を呈する触媒を担持させている。そして、本体容器１ｅには、触媒充填物２ｅと耐火充填物３ｅとが混在するように充填されている。
特開２００１−２３６９８０号公報 特表２０１０−５０４６０７号公報 特開２００４−２８８４３４号公報 特開２０１１−３７６８４号公報 特開２００１−１５１５０２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。
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。
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。
さらにまた、上記の特許文献４では、改質触媒層５ｄでの流れ方向上流側に粒径の小さな、すなわち、圧縮破壊強度の小さな改質触媒６ｄが充填されている。これにより、改質触媒６ｄにおいて、触媒が破損又は粉化した際に、下流側が閉塞されるおそれがある。しかも、円筒形状の改質触媒層５ｄには、片側の原料ガス供給部８ｄから原料ガスが供給されている。このため、改質触媒層５ｄ内での偏流が助長され、改質性能の低下が惹起され易いという問題がある。
また、上記の特許文献５では、本体容器１ｅ内の同一空間に２種類の球形形状を有する触媒充填物２ｅ及び耐火充填物３ｅを均等に混合させることは、極めて困難である。従って、触媒充填物２ｅと耐火充填物３ｅとの混合状態にばらつきが発生し、改質にむらが惹起されて性能が低下す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、効率的な改質を行う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、昇温された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個別に構成される内側領域と、改質器、蒸発器及び熱交換器が構成されるとともに、前記内側領域を環状に周回する外側領域と、を備えている。
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、改質管路は、改質ガス排出室側に設けられ、混合ガスの改質反応を促進させる改質触媒が充填される改質触媒充填部と、混合ガス供給室側に設けられ、前記混合ガスの昇温及び拡散を促進させる非改質触媒が充填される非改質触媒充填部と、を有している。
また、この燃料電池モジュールでは、改質触媒充填部の容積Ｗ１は、非改質触媒充填部の容積Ｗ２よりも大きく設定されることが好ましい。このため、改質器全体が大型化することを良好に抑制するとともに、混合ガスは、改質触媒充填部に到達する前に、非改質触媒充填部により十分に昇温及び拡散されている。従って、改質触媒充填部において、改質温度の維持による改質効率の向上が図られるとともに、混合ガスの偏流による耐久性の低下を確実に抑制することができる。
さらに、この燃料電池モジュールでは、非改質触媒充填部の容積Ｗ２は、改質触媒充填部の容積Ｗ１に対して、０．１≦容積Ｗ２／容積Ｗ１≦０．２の関係に設定されることが好ましい。これにより、混合ガスは、改質触媒充填部に到達する前に、非改質触媒充填部により十分に昇温及び拡散されている。このため、改質触媒充填部において、改質温度の維持による改質効率の向上が図られるとともに、混合ガスの偏流による耐久性の低下を確実に抑制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、改質触媒及び非改質触媒は、セラミックスを基体とするとともに、前記改質触媒は、前記基体に改質剤が担持されることが好ましい。従って、改質触媒及び非改質触媒は、同一材料を基体とするため、製造コストを良好に抑制することができる。
また、この燃料電池モジュールでは、改質触媒の粒径は、非改質触媒の粒径よりも大径に設定されることが好ましい。これにより、非改質触媒充填部は、改質触媒充填部よりも単位面積当たりの表面積が大きくなる。このため、混合ガスは、改質触媒充填部に到達する前に、非改質触媒充填部により十分に昇温及び拡散されている。従って、改質触媒充填部において、改質温度の維持による改質効率の向上が図られるとともに、混合ガスの偏流による耐久性の低下を確実に抑制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、基体は、アルミナであることが好ましい。これにより、製造コストを良好に抑制することができるとともに、ヒートマスが大きくなるため、改質反応に起因する温度低下を確実に抑制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、改質器は、混合ガスを水蒸気改質することが好ましい。このため、改質反応が吸熱反応である水蒸気改質に最適である。
また、この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、排ガス燃焼器及び起動用燃焼器が構成される内側領域を中心にして、環状の外側領域が外方向に向かって設けられている。そして、外側領域には、改質器、蒸発器及び熱交換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。
さらに、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。従って、改質器の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。
さらにまた、改質管路は、下流側（改質ガス排出室側）に、混合ガスの改質反応を促進させる改質触媒が充填される一方、上流側（混合ガス供給室側）に、前記混合ガスの昇温及び拡散を促進させる非改質触媒が充填されている。これにより、混合ガスは、改質触媒充填部に到達する前に、非改質触媒充填部により十分に昇温及び拡散されている。このため、改質触媒充填部において、改質温度の維持による改質効率の向上が図られるとともに、混合ガスの偏流による耐久性の低下を確実に抑制することが可能になる。
また、混合ガスは、改質触媒充填部に到達する前に、非改質触媒充填部で乱流化されている。従って、混合ガスの昇温が促進され、改質触媒の反応温度が維持されることにより、改質効率が良好に向上する。
本発明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。 本実施形態と比較例とによる混合ガスの昇温状態説明図である。 改質触媒充填部の長さに対する非改質触媒充填部の長さによる改質開始温度の説明図である。 改質管路内の前記混合ガスの速度説明図である。 前記改質触媒充填部の長さに対する前記非改質触媒充填部の長さによる速度比の説明図である。 改質触媒の粒径に対する非改質触媒の粒径による圧損比の説明図である。 特許文献１に開示されている燃料電池バッテリー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。 特許文献４に開示されている水素発生装置の概略説明図である。 特許文献５に開示されている燃料改質装置の一部断面斜視説明図である。
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（内側領域）Ｒ１と、改質器４６及び蒸発器４８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（外側領域）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（外側領域）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。
なお、第２領域Ｒ２には、径方向内方から径方向外方に向かって改質器４６及び熱交換器５０の順に構成されるとともに、第３領域Ｒ３には、蒸発器４８が構成されてもよい。また、第２領域Ｒ２には、径方向内方から径方向外方に向かって熱交換器５０及び改質器４６の順に構成されるとともに、第３領域Ｒ３には、蒸発器４８が構成されてもよい。
起動用燃焼器５４は、燃料電池スタック２４とは反対の他方の端部に設けられ、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、燃料電池スタック２４に近接する一方の端部側に設けられるとともに、起動用燃焼器５４から離間して配置される燃焼カップ部材６０を備える。燃焼カップ部材６０は、支持部６２に燃料電池スタック２４側から起動用燃焼器５４（第１領域Ｒ１）に向かって装着される。
燃焼カップ部材６０の有底（底部６０ｅ）側の外周部には、端縁部外周に沿って燃焼ガス連通孔である複数の孔部（円形や長方形等）６０ａが形成される。燃焼カップ部材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。燃焼カップ部材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は、混合ガス流れ方向下流側（後述する改質ガス排出室７８ｂ側）に設けられ、混合ガスの改質反応を促進させる改質触媒６７ａが充填される改質触媒充填部６９ａと、混合ガス流れ方向上流側（後述する混合ガス供給室７８ａ側）に設けられ、前記混合ガスの昇温及び拡散を促進させる非改質触媒６７ｂが充填される非改質触媒充填部６９ｂとを有する。
改質触媒充填部６９ａの容積Ｗ１は、非改質触媒充填部６９ｂの容積Ｗ２よりも大きく設定される（容積Ｗ１＞容積Ｗ２）。非改質触媒充填部６９ｂの容積Ｗ２は、改質触媒充填部６９ａの容積Ｗ１に対して、０．１≦容積Ｗ２／容積Ｗ１≦０．２の関係に設定される。
改質管路６６は、軸方向に沿って同一の開口直径を有する円筒形状を有する。改質触媒充填部６９ａの軸方向の長さＬ１は、非改質触媒充填部６９ｂの長さＬ２よりも長尺に設定される（長さＬ１＞長さＬ２）。改質触媒充填部６９ａの長さＬ１と非改質触媒充填部６９ｂの長さＬ２とは、０．１≦長さＬ２／長さＬ１≦０．２の関係に設定される。
改質触媒６７ａ及び非改質触媒６７ｂは、球体状を有するセラミックス、例えば、アルミナ（酸化アルミニウム）（Ａｌ2Ｏ3）を基体とする。改質触媒６７ａ及び非改質触媒６７ｂは、同一寸法且つ同一形状の基体を備える。改質触媒６７ａは、基体に改質剤、例えば、ルテニウム又はニッケルが含浸により担持される。改質触媒６７ａの粒径は、非改質触媒６７ｂの粒径よりも大径に設定される。
改質管路６６の両端には、改質触媒６７ａ及び非改質触媒６７ｂの脱落を防止するための金網ｋ１、ｋ２が配設される。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の内周面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Ａ方向）に沿って延在し、燃料電池スタック２４側の端部が、支持部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。
蒸発器４８は、改質器４６を構成する改質管路６６の外方に（外側）近接して配置される蒸発管路（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を中心とする仮想円周上に蒸発管路７４が均等に配列される。蒸発管路７４は、改質管路６６の半数に設定され、１つ置きの前記改質管路６６の裏側（第１領域Ｒ１の中心から離間する方向）に配置される。各孔部６０ａは、改質器４６を構成する改質管路６６同士の間に向かって配置されるが、前記孔部６０ａは、前記改質管路６６に向かって配置されてもよい。
図３及び図４に示すように、蒸発管路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、前記蒸発管路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の内周面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改質ガス排出室７８ｂが形成される。各改質管路６６は、混合ガス供給室７８ａ及び改質ガス排出室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、水が供給される環状の水供給室８２ａが形成される。第２上側リング部材７６ｂと支持部６２との間には、水蒸気が排出される環状の水蒸気排出室８２ｂが形成される。蒸発管路７４の両端は、水供給室８２ａと水蒸気排出室８２ｂとに開放される。
改質ガス排出室７８ｂは、水蒸気排出室８２ｂと２段に且つ前記水蒸気排出室８２ｂよりも内側（下方）に配設される。混合ガス供給室７８ａは、水供給室８２ａと２段に且つ前記水供給室８２ａよりも内側（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９０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。改質ガス排出室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、支持部６２を貫通する（図２参照）。
水供給室８２ａには、水通路８８が配設される。水通路８８は、端部リング部材８０に溶接等により固着される。水蒸気排出室８２ｂには、少なくとも１本以上の蒸発管路７４により構成される蒸発リターン管路９０の一端が配設される。蒸発リターン管路９０の他端は、原燃料供給路８４の途上に接続される（図１参照）。
図３及び図４に示すように、熱交換器５０は、円筒部材７０の外周外方に沿って配設される複数本の熱交換管路（伝熱パイプ）９６を備える。熱交換管路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、前記熱交換管路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、酸化剤ガスが供給される環状の酸化剤ガス供給室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、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１０２ｂが形成される。熱交換管路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、酸化剤ガス供給室１０２ａと酸化剤ガス排出室１０２ｂとに開放される。
酸化剤ガス供給室１０２ａは、内周部に混合ガス供給室７８ａ及び水供給室８２ａを収容する。酸化剤ガス排出室１０２ｂは、改質ガス排出室７８ｂの外方に且つ下方にオフセットした位置に配置される。
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の外周面との間には、熱回収領域（チャンバ）１０６が形成される。
酸化剤ガス供給室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を介して前記酸化剤ガス供給室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に連通する酸化剤ガス供給管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。
酸化剤ガス排出室１０２ｂには、例えば、２本の酸化剤ガス配管１１４の一端が配設される。各酸化剤ガス配管１１４は、上端リング部材１００ｂと支持部６２との間に、伸縮自在な、例えば、ベローズ１１４ａを設ける。各酸化剤ガス配管１１４の他端は、支持部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に示すように、第１領域Ｒ１には、燃焼ガスを流通させる第１燃焼ガス通路１１６ａが形成され、第２領域Ｒ２には、複数の孔部６０ａを通過した前記燃焼ガスを流通させる第２燃焼ガス通路１１６ｂが形成される。第３領域Ｒ３には、複数の開口部７２を通過した燃焼ガスを流通させる第３燃焼ガス通路１１６ｃが形成され、排ガス配管１１２以降には、前記燃焼ガスを流通させる第４燃焼ガス通路１１６ｄが形成される。第２燃焼ガス通路１１６ｂは、改質器４６及び蒸発器４８を構成するとともに、第３燃焼ガス通路１１６ｃは、熱交換器５０を構成する。
図１に示すように、原燃料供給装置１４は、原燃料通路１１８を備える。原燃料通路１１８は、原燃料用調整弁１２０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１２２が配設される。
酸化剤ガス供給装置１６は、酸化剤ガス通路１２４を備える。酸化剤ガス通路１２４は、酸化剤ガス用調整弁１２６を介して酸化剤ガス供給管１１０と空気供給管５７とに分岐する。水供給装置１８は、水通路８８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１２４に空気が供給される。この空気は、酸化剤ガス用調整弁１２６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１１８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１２０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及び蒸発器４８が配置されるとともに、第３領域Ｒ３には、熱交換器５０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、蒸発器４８及び熱交換器５０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１２６の開度が調整されて、酸化剤ガス供給管１１０への空気供給量が増加されるとともに、原燃料用調整弁１２０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、水通路８８に水が供給される。空気は、酸化剤ガス供給管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、空気は、複数個の孔部１０８を通って酸化剤ガス供給室１０２ａ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１０２ａに一旦供給された後、複数の熱交換管路９６内を移動する間に、第３領域Ｒ３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１０２ｂに供給された後、酸化剤ガス配管１１４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部材６０に開口しており、前記燃焼カップ部材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１２２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、水が一旦水供給室８２ａに供給された後、複数本の蒸発管路７４内を移動する間、第２領域Ｒ２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８２ｂに一旦導入された後、前記水蒸気排出室８２ｂに連通する蒸発リターン管路９０に供給される。これにより、水蒸気は、蒸発リターン管路９０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、一旦改質ガス排出室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部材６０内に開口しており、前記燃焼カップ部材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、燃焼カップ部材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。
燃焼カップ部材６０には、複数の孔部６０ａが形成されている。このため、燃焼カップ部材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、本実施形態では、図３に示すように、改質管路６６は、改質ガス排出室７８ｂ側に設けられ、混合ガスの改質反応を促進させる改質触媒６７ａが充填される改質触媒充填部６９ａと、混合ガス供給室７８ａ側に設けられ、前記混合ガスの昇温及び拡散を促進させる非改質触媒６７ｂが充填される非改質触媒充填部６９ｂとを有している。
このため、混合ガスは、改質触媒充填部６９ａに到達する前に、非改質触媒充填部６９ｂにより十分に昇温及び拡散されている。従って、改質触媒充填部６９ａにおいて、改質温度の維持による改質効率の向上が図られるとともに、混合ガスの偏流による耐久性の低下を確実に抑制することが可能になるという効果が得られる。
ここで、非改質触媒充填部６９ｂが設けられていない改質管路（比較例）と本実施形態に係る改質管路６６とを用いて混合ガスを昇温させる実験を行った。その結果が、図７に示されている。なお、改質管路６６の改質触媒充填部６９ａの軸方向の長さＬ１及び改質管路（比較例）の全管路長Ｌ１は、同一長さに設定されている。
混合ガスは、所定の突入温度Ｔ０℃で改質管路６６及び改質管路（比較例）に導入される。改質管路（比較例）では、排気からの受熱により改質反応（吸熱反応）が即座に開始される。このため、改質管路（比較例）内の温度が一旦低下した後、改質反応を行いながら、昇温される。しかしながら、改質管路（比較例）内では、略中央位置から下流側が触媒有効温度範囲内に昇温されており、上流側から略中央位置までの改質触媒は、有効に改質を行うことができない。
これに対して、本実施形態では、所定の突入温度Ｔ０℃で改質管路６６に導入された混合ガスは、先ず、非改質触媒充填部６９ｂに供給されて非改質触媒６７ｂ間を通過する間に昇温される。そして、混合ガスは、触媒有効温度範囲内に昇温された後、改質触媒充填部６９ａに導入されて改質反応が開始される。従って、改質触媒充填部６９ａでは、全長に亘って改質触媒６７ａを有効に使用することが可能になる。
その際、改質触媒充填部６９ａの長さＬ１と非改質触媒充填部６９ｂの長さＬ２との比、すなわち、長さＬ２／長さＬ１と改質開始温度Ｔ１℃との関係は、図８に示されている。これにより、０．１≦長さＬ２／長さＬ１であれば、改質開始温度Ｔ１℃を触媒有効温度範囲に設定することができる。一方、長さＬ２／長さＬ１は、０．１を超える大きな値に設定することができるものの、改質開始温度Ｔ１℃が高くなり過ぎると、耐熱限界を超えるおそれがある。このため、長さＬ２／長さＬ１≦０．２の関係に設定されることが好ましい。
また、図９に示すように、改質管路６６の入口側では、混合ガスの速度差が発生している。そこで、最高速度Ｖmaxと最低速度Ｖminとの速度比Ｖmin／Ｖmaxが所定の値Ｖ１（十分に攪拌された流れが得られる値）以上になる長さＬ２／長さＬ１の値を検出した。その結果、図１０に示すように、０．１≦長さＬ２／長さＬ１であれば、混合ガスが十分に攪拌されて改質触媒充填部６９ａに供給されることが検出された。
従って、０．１≦長さＬ２／長さＬ１に設定されることにより、混合ガスは、非改質触媒充填部６９ｂで良好に分散される。これにより、改質触媒充填部６９ａの改質触媒６７ａ全体を、有効に使用することができるという効果が得られる。
さらにまた、非改質触媒６７ｂの粒径と圧力損失との関係が、図１１に示されている。図１１中、Ｄ１は、改質触媒６７ａの粒径であり、Ｄ２は、非改質触媒６７ｂの粒径である。ΔＰは、非改質触媒充填部６９ｂの圧損である一方、ΔＰ０は、Ｄ１＝Ｄ２の前記非改質触媒充填部６９ｂの圧損である。
このため、Ｄ１／Ｄ２＝０．２５のとき、ΔＰ／ΔＰ０＝２．０となり、軸方向の長さを２倍に設定した場合と同様の効果が得られる。従って、非改質触媒６７ｂの粒径を選択することにより、例えば、各改質管路６６の圧損を調整することが可能になる。これにより、特に改質器４６を構成する混合ガス供給室７８ａに連通する原燃料供給路８４の位置に起因して、各改質管路６６の圧損が異なる際には、任意の改質管路６６に充填される非改質触媒６７ｂの粒径を変更することで、各改質管路６６の圧損を均一化することができる。
また、本実施形態では、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（内側領域）Ｒ１と、改質器４６及び蒸発器４８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（外側領域）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（外側領域）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。
さらに、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改質ガス排出室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改質ガス排出室７８ｂに連通する複数本の改質管路６６、及び前記改質管路６６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。
従って、改質器４６の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及び改質ガス排出室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。
さらにまた、改質触媒充填部６９ａの容積Ｗ１は、非改質触媒充填部６９ｂの容積Ｗ２よりも大きく設定されている。これにより、改質器４６が大型化することを良好に抑制するとともに、混合ガスは、改質触媒充填部６９ａに到達する前に、非改質触媒充填部６９ｂにより十分に昇温及び拡散されている。このため、改質触媒充填部６９ａにおいて、改質温度の維持による改質効率の向上が図られるとともに、混合ガスの偏流による耐久性の低下を確実に抑制することができる。
また、非改質触媒充填部６９ｂの容積Ｗ２は、改質触媒充填部６９ａの容積Ｗ１に対して、０．１≦容積Ｗ２／容積Ｗ１≦０．２の関係に設定されている。従って、混合ガスは、改質触媒充填部６９ａに到達する前に、非改質触媒充填部６９ｂにより十分に昇温及び拡散されている。これにより、改質触媒充填部６９ａにおいて、改質温度の維持による改質効率の向上が図られるとともに、混合ガスの偏流による耐久性の低下を確実に抑制することが可能になる。
さらに、改質触媒６７ａ及び非改質触媒６７ｂは、セラミックスを基体とするとともに、前記改質触媒６７ａは、前記基体に改質剤（ルテニウム又はニッケル）が担持されている。このため、改質触媒６７ａ及び非改質触媒６７ｂは、同一材料を基体とするため、製造コストを良好に抑制することができる。
さらにまた、改質触媒６７ａの粒径Ｄ１は、非改質触媒６７ｂの粒径Ｄ２よりも大径に設定されている。従って、非改質触媒充填部６９ｂは、改質触媒充填部６９ａよりも単位面積当たりの表面積が大きくなる。これにより、混合ガスは、改質触媒充填部６９ａに到達する前に、非改質触媒充填部６９ｂにより十分に昇温及び拡散されている。このため、改質触媒充填部６９ａにおいて、改質温度の維持による改質効率の向上が図られるとともに、混合ガスの偏流による耐久性の低下を確実に抑制することが可能になる。
また、改質触媒６７ａ及び非改質触媒６７ｂの各基体は、アルミナである。従って、改質触媒６７ａ及び非改質触媒６７ｂの製造コストを良好に抑制することができるとともに、ヒートマスが大きくなるため、改質反応に起因する温度低下を確実に抑制することが可能になる。
さらに、改質器４６は、混合ガスを水蒸気改質している。このため、改質反応が吸熱反応である水蒸気改質に最適である。
さらにまた、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。これにより、特にＳＯＦＣ等の高温型燃料電池に最適である。
１０…燃料電池システム １２…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…ＦＣ周辺機器 ５７…空気供給管
５８…原燃料供給管 ６０…燃焼カップ部材
６０ａ、１０８…孔部 ６２…支持部
６４ａ…凸状部 ６４ｂ…凹状部
６６…改質管路 ６７ａ…改質触媒
６７ｂ…非改質触媒
６８ａ、７６ａ、９８ａ…下側リング部材
６８ｂ、７６ｂ、９８ｂ…上側リング部材
６９ａ…改質触媒充填部 ６９ｂ…非改質触媒充填部
７０…円筒部材 ７２…開口部
７４…蒸発管路 ７８ａ…混合ガス供給室
７８ｂ…改質ガス排出室 ８０…端部リング部材
８２ａ…水供給室 ８２ｂ…水蒸気排出室
８４…原燃料供給路 ８６…燃料ガス通路
８８…水通路 ９０…蒸発リターン管路
９６…熱交換管路 １００ａ…下端リング部材
１００ｂ…上端リング部材 １０２ａ…酸化剤ガス供給室
１０２ｂ…酸化剤ガス排出室 １０４…カバー部材
１０６…熱回収領域 １１０…酸化剤ガス供給管
１１２…排ガス配管 １１４…酸化剤ガス配管
１１６ａ〜１１６ｄ…燃焼ガス通路

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、昇温された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個別に構成される内側領域と、
    前記改質器、前記蒸発器及び前記熱交換器が構成されるとともに、前記内側領域を環状に周回する外側領域と、
    を備え、
    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、
    前記改質管路は、前記改質ガス排出室側に設けられ、前記混合ガスの改質反応を促進させる改質触媒が充填される改質触媒充填部と、
    前記混合ガス供給室側に設けられ、前記混合ガスの昇温及び拡散を促進させる非改質触媒が充填される非改質触媒充填部と、
    を有す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、前記改質触媒充填部の容積Ｗ１は、前記非改質触媒充填部の容積Ｗ２よりも大きく設定されることを特徴とする燃料電池モジュール。
  3. 請求項２記載の燃料電池モジュールにおいて、前記非改質触媒充填部の容積Ｗ２は、前記改質触媒充填部の容積Ｗ１に対して、０．１≦容積Ｗ２／容積Ｗ１≦０．２の関係に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、前記改質触媒及び前記非改質触媒は、セラミックスを基体とするとともに、
    前記改質触媒は、前記基体に改質剤が担持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、前記改質触媒の粒径は、前記非改質触媒の粒径よりも大径に設定されることを特徴とする燃料電池モジュール。
  6. 請求項４又は５記載の燃料電池モジュールにおいて、前記基体は、アルミナであ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、前記改質器は、前記混合ガスを水蒸気改質す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。
JP2013016050A 2013-01-30 2013-01-30 燃料電池モジュール Expired - Fee Related JP6051065B2 (ja)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2013016050A JP6051065B2 (ja) 2013-01-30 2013-01-30 燃料電池モジュール
PCT/JP2013/085351 WO2014119222A1 (en) 2013-01-30 2013-12-27 Fuel cell module

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2013016050A JP6051065B2 (ja) 2013-01-30 2013-01-30 燃料電池モジュール

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2014146578A JP2014146578A (ja) 2014-08-14
JP6051065B2 true JP6051065B2 (ja) 2016-12-21

Family

ID=49998642

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2013016050A Expired - Fee Related JP6051065B2 (ja) 2013-01-30 2013-01-30 燃料電池モジュール

Country Status (2)

Country Link
JP (1) JP6051065B2 (ja)
WO (1) WO2014119222A1 (ja)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5981871B2 (ja) 2013-04-18 2016-08-31 本田技研工業株式会社 燃料電池モジュール
JP6678327B2 (ja) * 2015-08-28 2020-04-08 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 水素生成装置及び燃料電池システム
JP7226129B2 (ja) * 2019-06-21 2023-02-21 株式会社アイシン 燃料電池システムおよびその制御方法

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2577037B2 (ja) * 1988-03-31 1997-01-29 バブコツク日立株式会社 二段触媒燃焼式改質器
JPH04161244A (ja) * 1990-08-17 1992-06-04 Toshiba Corp 燃料改質器
JP3458366B2 (ja) * 1994-08-03 2003-10-20 石川島播磨重工業株式会社 触媒燃焼式熱交換型改質器
JP2001151502A (ja) 1999-11-26 2001-06-05 Daikin Ind Ltd 燃料改質装置
JP2001155756A (ja) * 1999-11-30 2001-06-08 Tokyo Gas Co Ltd 燃料電池用水蒸気改質反応器
KR20010076243A (ko) 2000-01-25 2001-08-11 요트 루나우 액체 연료용 연료 전지
KR100423544B1 (ko) * 2001-04-23 2004-03-18 주식회사 경동도시가스 컴팩트형 수증기 개질장치
JP2004175630A (ja) * 2002-11-28 2004-06-24 Babcock Hitachi Kk 水素製造装置とその起動方法および運転方法
JP4520100B2 (ja) * 2003-03-20 2010-08-04 新日本石油株式会社 水素製造装置および燃料電池システム
JP4458890B2 (ja) * 2004-03-23 2010-04-28 株式会社コロナ 燃料改質装置
FR2906407B1 (fr) 2006-09-21 2008-11-14 Commissariat Energie Atomique Pile a combustible a oxyde solide, incorporant un echangeur thermique
JP2009062223A (ja) * 2007-09-06 2009-03-26 Fuji Electric Holdings Co Ltd 改質装置
JP5244488B2 (ja) * 2008-07-25 2013-07-24 東芝燃料電池システム株式会社 燃料電池用改質器
JP2011037684A (ja) * 2009-08-17 2011-02-24 Panasonic Corp 水素発生装置
JP2011096604A (ja) * 2009-11-02 2011-05-12 Toto Ltd 燃料電池モジュール

Also Published As

Publication number Publication date
WO2014119222A1 (en) 2014-08-07
JP2014146578A (ja) 2014-08-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5981872B2 (ja) 燃料電池モジュール
JP5990397B2 (ja) 燃料電池モジュール
JP5881440B2 (ja) 燃料電池モジュール
JP5902027B2 (ja) 燃料電池モジュール
JP5851863B2 (ja) 燃料電池モジュール
JP6617925B2 (ja) 燃料電池システム
JP5851968B2 (ja) 燃料電池モジュール
JP5860382B2 (ja) 燃料電池モジュール
JP5813617B2 (ja) 燃料電池モジュール
JP6051065B2 (ja) 燃料電池モジュール
JP5981871B2 (ja) 燃料電池モジュール
JP6051064B2 (ja) 燃料電池モジュール
JP6051063B2 (ja) 燃料電池モジュール
JP5860376B2 (ja) 燃料電池モジュール
JP5848223B2 (ja) 燃料電池モジュール
JP2013157216A (ja) 燃料電池モジュール
JP6101169B2 (ja) 燃料電池モジュール
JP5981873B2 (ja) 燃料電池モジュール
JP2015022927A (ja) 燃料電池モジュール
JP2014078348A (ja) 燃料電池モジュール
JP2013229142A (ja) 燃料電池モジュール
JP6175010B2 (ja) 燃料電池モジュール
JP5789533B2 (ja) 燃料電池モジュール
JP6280384B2 (ja) 燃料電池モジュール
JP2013157215A (ja) 燃料電池モジュール

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20151126

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20160802

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20161003

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20161115

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20161128

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6051065

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees