JP6175010B2 - 燃料電池モジュール - Google Patents

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システムが知られている。この燃料電池システムは、図６に示すように、鉛直円柱状の第１領域１、その外周側に環状の第２領域２、その外周側に環状の第３領域３、その外周側に環状の第４領域４を有している。

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

特開２００４−２８８４３４号公報

ところで、上記の特許文献１では、水蒸発器７が螺旋状の管路を構成しており、水の蒸発時に発生する脈動を抑制することが困難となっている。このため、改質管６に供給される水蒸気が不足し易く、改質触媒の劣化や炭素析出により、結果的に、ＭＥＡの劣化が惹起され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、熱効率及び熱自立を促進させるとともに、水の蒸発時に発生する脈動を良好に抑制す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。

本発明に係る燃料電池モジュールは、燃料電池スタック、改質器、蒸発器、熱交換器及び排ガス燃焼器を備えている。燃料電池スタックは、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ている。改質器は、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、燃料電池スタックに供給される燃料ガスを生成している。

蒸発器は、水を蒸発させるとともに、水蒸気を改質器に供給している。熱交換器は、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、燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給している。排ガス燃焼器は、燃料電池スタックから排出される燃料ガスである燃料排ガスと酸化剤ガスである酸化剤排ガスとを燃焼させ、燃焼ガスを発生させている。

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前記燃焼ガスを供給する燃焼ガス通路を備えている。

水供給室は、少なくとも第１外周壁部と前記第１外周壁部よりも小径な第２外周壁部とがリング状壁部を介在させて連続的に設けられている。そして、第１外周壁部、リング状壁部及び第２外周壁部を囲繞して、燃焼ガス通路に連通する燃焼ガス用空間部が形成されている。

また、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ることが好ましい。その際、燃焼ガス用空間部は、水供給室と酸化剤ガス供給室との間に形成されることが好ましい。

このため、燃焼ガス用空間部に供給される燃焼ガスは、水供給室の水及び酸化剤ガス供給室の酸化剤ガスに授熱することができ、前記水及び前記酸化剤ガスの昇温を効率的に行うことが可能になる。従って、熱効率の向上及び熱自立の促進が図られる。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の動作温度を維持することをいう。

さらに、酸化剤ガス供給室は、水供給室よりも外側に配置されるとともに、前記酸化剤ガス供給室と前記水供給室とは、管路長方向にオフセットして配置されることが好ましい。これにより、燃焼ガスの熱を水及び酸化剤ガスに効率的に受熱させることができ、熱効率の向上及び熱自立の促進が図られる。

さらにまた、水蒸気排出室及び酸化剤ガス排出室は、燃料電池スタックに近接する一方の端部側に設けられるとともに、水供給室及び酸化剤ガス供給室は、前記燃料電池スタックとは反対の他方の端部側に設けられることが好ましい。このため、昇温直後の反応ガスを燃料電池スタックに迅速に供給することが可能になる。一方、燃料電池スタックからの排ガスは、放熱による降温を最小限に抑制しながら、ＦＣ周辺機器を構成する排ガス燃焼器、改質器、熱交換器及び蒸発器に供給することができ、熱効率が向上して熱自立の促進が図られる。

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、蒸発器は、環状の水供給室、環状の水蒸気排出室及び複数本の蒸発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。このため、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蒸発管路の管路長、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、水供給室を構成する第１外周壁部、リング状壁部及び第２外周壁部を囲繞して、燃焼ガス通路に連通する燃焼ガス用空間部が形成されている。従って、水供給室内の水は、燃焼ガスとの熱交換領域が増加し、蒸発管路よりも前記水供給室内での水蒸気化が容易に促進される。これにより、熱効率及び熱自立を促進させるとともに、水供給室がチャンバ（圧力室）としての機能を有し、水の蒸発時に発生する脈動を良好に抑制することが可能になる。

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周辺機器の断面平面図である。 前記ＦＣ周辺機器の要部断面側面図である。 特許文献１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、本発明の実施形態に係る燃料電池モジュール（ＳＯＦＣ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。

燃料電池モジュール１２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。燃料電池システム１０は、さらに原燃料供給装置（燃料ガスポンプを含む）１４、酸化剤ガス供給装置（空気ポンプを含む）１６、水供給装置（水ポンプを含む）１８及び制御装置２０を備える。

原燃料供給装置１４は、燃料電池モジュール１２に原燃料（例えば、都市ガス）を供給するとともに、酸化剤ガス供給装置１６は、前記燃料電池モジュール１２に酸化剤ガスを供給する。水供給装置１８は、燃料電池モジュール１２に水を供給する一方、制御装置２０は、前記燃料電池モジュール１２の発電量を制御する。

燃料電池モジュール１２は、複数の固体酸化物形の平板積層型燃料電池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が設けられた平板状の電解質・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、平板状のカソード側セパレータ３４と平板状の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平板積層型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、及び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が設けられる。燃料電池スタック２４には、さらに各燃料ガス流路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、改質器４６、蒸発器４８、第１熱交換器５０、排ガス燃焼器５２、第２熱交換器５４及び起動用燃焼器５５を備える。改質器４６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。蒸発器４８は、水を蒸発させるとともに、水蒸気を改質器４６に供給する。

第１熱交換器５０は、第１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、燃料電池スタック２４に前記酸化剤ガスを供給する。排ガス燃焼器５２は、燃料電池スタック２４から排出される第１燃料ガスである燃料排ガスと酸化剤ガスである酸化剤排ガスとを燃焼させ、前記第１燃焼ガスを発生させるとともに、該第１燃焼ガスを第１熱交換器５０に供給する。

第２熱交換器５４は、必要に応じて第２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、燃料電池スタック２４に前記酸化剤ガスを供給する。起動用燃焼器５５は、原燃料と酸化剤ガスとを燃焼させて第２燃焼ガスを発生させるとともに、該第２燃焼ガスを第２熱交換器５４に供給する。

図２及び図３に示すように、燃料電池スタック２４の燃料電池積層方向一端には、第１熱交換器５０及び排ガス燃焼器５２が配設される。燃料電池スタック２４の燃料電池積層方向他端には、第２熱交換器５４及び起動用燃焼器５５が配設される。

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、第１熱交換器５０、排ガス燃焼器５２、第２熱交換器５４及び起動用燃焼器５５を備える。

図３に示すように、ＦＣ周辺機器５６は、排ガス燃焼器５２が構成される第１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Ｒ２とを備える。第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２との間には、円筒形状の第１仕切り板５７ａが配設され、前記第１仕切り板５７ａの上部には、開口部５７ａａが形成される。

ＦＣ周辺機器５６は、第１熱交換器５０が構成されるとともに、第２領域Ｒ２を環状に周回する第３領域Ｒ３を備える。第２領域Ｒ２と第３領域Ｒ３との間には、円筒形状の第２仕切り板５７ｂ及び第３仕切り板５７ｃが配設される。第２仕切り板５７ｂの下部には、開口部５７ｂａが形成される一方、第３仕切り板５７ｃの上部には、開口部５７ｃａが形成される。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５８が配設される。排ガス燃焼器５２から排出される燃焼ガスを第１領域Ｒ１、第２領域Ｒ２及び第３領域Ｒ３に流通させるために、燃焼ガス通路５９が構成される。

外周部材５８の周囲には、必要に応じて断熱用筐体６０ａが設けられる。筐体６０ａ上には、断熱用上部筐体６０ｂが必要に応じて設けられるとともに、前記筐体６０ｂ内には、第２熱交換器５４及び起動用燃焼器５５が構成される第４領域Ｒ４が設けられる。

排ガス燃焼器５２は、外筒部材６２ａと、前記外筒部材６２ａの内周面から所定の間隔を有して配置される内筒部材６２ｂとを有する。外筒部材６２ａは、ケーシング部材６４を介して連結板６６に固定されるとともに、前記連結板６６は、燃料電池スタック２４に固定される。内筒部材６２ｂは、連結板６６に直接固定される。

連結板６６には、酸化剤ガス出口連通孔４２ｂに連通孔する酸化剤排ガス通路６８と、燃料ガス出口連通孔４４ｂに連通孔する燃料排ガス通路７０とが形成される（図１参照）。図３に示すように、酸化剤排ガス通路６８は、ケーシング部材６４、連結板６６及び内筒部材６２ｂの外周により形成される酸化剤排ガス室７２に連通する。燃料排ガス通路７０は、内筒部材６２ｂ内に形成される燃料排ガス室７４に連通する。

外筒部材６２ａ及び内筒部材６２ｂの先端部では、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、第１燃焼ガスが生成される。第１領域Ｒ１には、排ガス燃焼器５２の先方に配置され、第１燃焼ガスを生成するための点火ヒータ７５が設けられる。

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、排ガス燃焼器５２の外周に配設される複数本の改質管路７６を備える。各改質管路７６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７６の一端部（下端部）は、第１下側円板部材７８ａに固定されるとともに、前記改質管路７６の他端部（上端部）は、第１上側円板部材７８ｂに固定される。第１下側円板部材７８ａは、略円盤状の第１下部チャンバ部材８０ａ内に設けられる一方、第１上側円板部材７８ｂは、略円盤状の第１上部チャンバ部材８０ｂ内に設けられる。

第１下部チャンバ部材８０ａの内部には、第２下側円板部材８２ａが設けられ、前記第２下側円板部材８２ａの上方には、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８４ａが形成される。第２下側円板部材８２ａの下方には、第３下側円板部材８３が設けられ、前記第２下側円板部材８２ａと前記第３下側円板部材８３との間には、原燃料が供給される環状の原燃料供給室８５が形成される。第３下側円板部材８３の下方には、水が供給される環状の水供給室８６ａが形成される。

第１下部チャンバ部材８０ａの下部は、段状に形成され、外形寸法が上部よりも小径な小径下端部８０ａｕが設けられる。水供給室８６ａは、第１外周壁部８７ｗ１と、前記第１外周壁部８７ｗ１よりも小径な第２外周壁部８７ｗ２とが、リング状壁部８７ｗ３を介在させて連続的に段状に設けられる。第１外周壁部８７ｗ１、リング状壁部８７ｗ３及び第２外周壁部８７ｗ２を囲繞して、燃焼ガス通路５９に連通する燃焼ガス用空間部８９が形成される。

第１上部チャンバ部材８０ｂの内部には、第２上側円板部材８２ｂが設けられ、前記第２上側円板部材８２ｂの下方には、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８４ｂが形成される。第２上側円板部材８２ｂの上方には、水蒸気が排出される環状の水蒸気排出室８６ｂが形成される。各改質管路７６の両端は、混合ガス供給室８４ａと燃料ガス排出室８４ｂとに開放される。

蒸発器４８は、改質器４６を構成する改質管路７６の外方（外側）に近接して配置される蒸発管路８８を備える。各蒸発管路８８の下端は、第３下側円板部材８３ａに固定されるとともに、各蒸発管路８８の上端は、第２上側円板部材８２ｂに固定される。各蒸発管路８８の両端は、水供給室８６ａと水蒸気排出室８６ｂとに開放される。

図４に示すように、改質管路７６は、第１領域Ｒ１を中心とする２つの仮想円周上に均等に配列される。内方の仮想円周上の改質管路７６と、外方の仮想円周上の改質管路７６とは、互いにオフセットして（ジグザグ状に）配列される。改質管路７６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８８が均等に配列される。蒸発管路８８は、外方の仮想円周上の改質管路７６間に対応して配置される。

図５に示すように、水蒸気排出室８６ｂには、少なくとも１本以上の蒸発管路８８により構成され、水蒸気を流通させ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は、蒸発管路８８よりも大径に構成され、例えば、改質管路７６と同一の径に設定される。蒸発リターン管路９０の上端は、第２上側円板部材８２ｂに溶接等により固着される一方、前記蒸発リターン管路９０の下端は、混合ガス供給室８４ａに開放される。

蒸発リターン管路９０内には、前記蒸発リターン管路９０の下流から上流に向かって原燃料が流通するように、原燃料管路９２が挿入される。原燃料管路９２は、前記原燃料管路９２内と蒸発リターン管路９０内とを連通する１以上、好ましくは、複数の原燃料供給口（例えば、孔部）９２ａを設ける。

原燃料管路９２は、蒸発リターン管路９０内を水蒸気排出室８６ｂに近接する位置まで延在して設けられるとともに、原燃料供給口９２ａは、前記原燃料管路９２の有底先端縁部の外周部に所定角度毎に開口する。原燃料は、ベンチュリ効果を利用して原燃料供給口９２ａから水蒸気に混合される。原燃料管路９２の下端は、原燃料供給室８５に開放される。

図３に示すように、原燃料供給室８５には、原燃料供給路９４が接続される。燃料ガス排出室８４ｂには、燃料ガス通路９６の一端が連通するとともに、前記燃料ガス通路９６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）。水供給室８６ａには、水通路９８が配設される。

第１熱交換器５０は、第３仕切り板５７ｃの外周外方に沿って配設される複数本の第１熱交換管路１００を備える。第１熱交換管路１００の一端部（下端部）は、第２下部チャンバ部材１０２ａに固定されるとともに、前記第１熱交換管路１００の他端部（上端部）は、第２上部チャンバ部材１０２ｂに固定される。

第２下部チャンバ部材１０２ａ内には、酸化剤ガスが供給される環状の第１酸化剤ガス供給室１０４ａが形成される。第２上部チャンバ部材１０２ｂ内には、昇温された酸化剤ガスが排出される環状の第１酸化剤ガス排出室１０４ｂが形成される。第１熱交換管路１００の両端は、第１酸化剤ガス供給室１０４ａと第１酸化剤ガス排出室１０４ｂとに開放される。

図４に示すように、第１熱交換管路１００は、第１領域Ｒ１を中心とする２つの仮想円周上に均等に配列される。内方の仮想円周上の第１熱交換管路１００と、外方の仮想円周上の第１熱交換管路１００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に示すように、第２下部チャンバ部材１０２ａは、第２外周壁部８７ｗ２に固着される略リング形状を有するとともに、第１下部チャンバ部材８０ａの下方にオフセットした位置に配置される。第２下部チャンバ部材１０２ａの上面１０２ａｓは、リング状壁部８７ｗ３の下方に離間している。

燃焼ガス用空間部８９は、実質的に、上面１０２ａｓ、リング状壁部８７ｗ３及び第２外周壁部８７ｗ２により周回されて、水供給室８６ａと第１酸化剤ガス供給室１０４ａとの間に形成される。第１酸化剤ガス供給室１０４ａは、水供給室８６ａよりも外側に配置されるとともに、前記第１酸化剤ガス供給室１０４ａと前記水供給室８６ａとは、管路長方向にオフセットして配置される。

第２上部チャンバ部材１０２ｂは、略リング形状を有し第１上部チャンバ部材８０ｂ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５８の外周部には、下方にずれて円筒状のカバー部材１０８が設けられる。カバー部材１０８は、外周部材５８に溶接等により固着されるとともに、前記外周部材５８の外周部との間には、空間部１１０が形成される。

第１酸化剤ガス供給室１０４ａを構成する外周部材５８の下端縁部には、孔部（開口部）１１２が形成され、前記孔部１１２を介して前記第１酸化剤ガス供給室１０４ａと空間部１１０とが連通する。カバー部材１０８には、空間部１１０に連通する第１酸化剤ガス供給管１１４が接続される。図１及び図２に示すように、外周部材５８には、第３領域Ｒ３に連通する排ガス配管１１５が接続される。

図１及び図３に示すように、第１酸化剤ガス排出室１０４ｂには、第１酸化剤ガス流通通路１１６ａ一端が配設される。第１酸化剤ガス流通通路１１６ａの他端は、合流部１１８に接続されるとともに、前記合流部１１８から酸化剤ガス合流通路１２０が延在する。酸化剤ガス合流通路１２０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（図１参照）。

図３に示すように、第２熱交換器５４は、水平方向に延在する軸心を中心とする１つ又は２つの仮想円周上に均等に配列される複数本の第２熱交換管路１２２を備える。第２熱交換管路１２２の水平方向一端部は、入口チャンバ部材１２４ａに固定されるとともに、前記第２熱交換管路１２２の水平方向他端部は、出口チャンバ部材１２４ｂに固定される。

入口チャンバ部材１２４ａ内には、酸化剤ガスが供給される環状の第２酸化剤ガス供給室１２６ａが形成される。出口チャンバ部材１２４ｂ内には、必要に応じて昇温された酸化剤ガスが排出される環状の第２酸化剤ガス排出室１２６ｂが形成される。第２熱交換管路１２２の両端は、第２酸化剤ガス供給室１２６ａと第２酸化剤ガス排出室１２６ｂとに開放される。

入口チャンバ部材１２４ａには、第２酸化剤ガス供給室１２６ａに連通する第２酸化剤ガス供給管１２８が接続される。出口チャンバ部材１２４ｂを構成する第２酸化剤ガス排出室１２６ｂには、第２酸化剤ガス流通通路１１６ｂの一端が配設される。第２酸化剤ガス流通通路１１６ｂは、燃料電池スタック２４の燃料電池積層方向に延在する積層方向側部に沿って設けられるとともに、その他端は、合流部１１８に接続されて酸化剤ガス合流通路１２０に連なる。なお、第１酸化剤ガス流通通路１１６ａは、第２酸化剤ガス流通通路１１６ｂに代わって燃料電池スタック２４の積層方向側部に沿って設けられてもよい。

起動用燃焼器５５は、第２熱交換器５４を構成する入口チャンバ部材１２４ａの中央部に固定される。起動用燃焼器５５には、空気供給管１３０及び原燃料供給管１３２が設けられる。起動用燃焼器５５は、エゼクタ機能を有し、空気供給管１３０から導入される空気流により原燃料供給管１３２に負圧を発生させて、原燃料を吸引する。

図１に示すように、原燃料供給装置１４は、燃料ガスポンプに接続された原燃料通路１３４を備える。原燃料通路１３４は、原燃料用調整弁１３６を介して脱硫器１３８の入口側に接続される。脱硫器１３８は、都市ガス（原燃料）中に含まれる硫黄化合物を除去するものであり、前記脱硫器１３８の出口側には、原燃料供給路９４が接続される。原燃料供給装置１４は、さらに原燃料供給管１３２を備え、前記原燃料供給管１３２は、原燃料通路１３４に接続された燃料ガスポンプに、又は個別の燃料ガスポンプに接続される。

酸化剤ガス供給装置１６は、酸化剤ガス通路１４０を備える。酸化剤ガス通路１４０は、酸化剤ガス用調整弁１４２を介して第１酸化剤ガス供給管１１４と第２酸化剤ガス供給管１２８とに分岐する。酸化剤ガス供給装置１６は、さらに空気供給管１３０を備え、前記空気供給管１３０は、酸化剤ガス通路１４０に接続された空気ポンプに、又は個別の空気ポンプに接続される。水供給装置１８は、水通路９８を備える。

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５５に供給される。具体的には、図１に示すように、酸化剤ガス供給装置１６では、空気ポンプの駆動作用下に、空気供給管１３０に空気が供給されるとともに、酸化剤ガス通路１４０に空気が供給される。空気供給管１３０に供給された空気は、起動用燃焼器５５内に供給される。

酸化剤ガス通路１４０に供給された空気は、酸化剤ガス用調整弁１４２の開度調整作用下に、第２酸化剤ガス供給管１２８に供給される。空気は、第２酸化剤ガス供給管１２８から第２熱交換器５４を構成する第２酸化剤ガス供給室１２６ａに導入され、各第２熱交換管路１２２内を流通して出口チャンバ部材１２４ｂに排出される。

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、原燃料供給管１３２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。原燃料供給管１３２に供給された原燃料は、起動用燃焼器５５内に供給される。

このため、起動用燃焼器５５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第２燃焼ガスが、第４領域Ｒ４を流通することにより、各第２熱交換管路１２２を流通する空気は、前記第２燃焼ガスにより加熱（熱交換）される。

加熱された空気は、出口チャンバ部材１２４ｂから第２酸化剤ガス流通通路１１６ｂに供給され、合流部１１８及び酸化剤ガス合流通路１２０を通って燃料電池スタック２４の酸化剤ガス入口連通孔４２ａに導入される（図１参照）。従って、加熱された高温の空気は、燃料電池スタック２４を昇温した後、酸化剤ガス出口連通孔４２ｂから酸化剤排ガス通路６８に排出される。さらに、図３に示すように、高温の空気は、排ガス燃焼器５２を構成する酸化剤排ガス室７２に供給され、第１領域Ｒ１に吹き出され、燃焼ガス通路５９に沿って流通する。

第１領域Ｒ１に導入された高温の空気は、第１仕切り板５７ａに沿って上昇し、第２領域Ｒ２に供給される。第２領域Ｒ２では、改質器４６及び蒸発器４８が昇温されるとともに、第２仕切り板５７ｂ及び第３仕切り板５７ｃ間に沿って前記第２領域Ｒ２から第３領域Ｒ３に流動する空気により、第１熱交換器５０が昇温される。

燃料電池スタック２４が設定温度に昇温されると、原燃料供給装置１４では、原燃料通路１３４に原燃料が供給される。図１に示すように、原燃料は、原燃料用調整弁１３６を介して流量調整された後、脱硫器１３８を介して脱硫され、原燃料供給路９４に送られる。原燃料は、図３に示すように、原燃料供給路９４を通って改質器４６の原燃料供給室８５に供給される。

また、水供給装置１８の作用下に、水通路９８に導入された水は、蒸発器４８に供給される（図１参照）。蒸発器４８では、図３に示すように、水が一旦水供給室８６ａに供給された後、複数本の蒸発管路８８内を移動する間、第２領域Ｒ２を流通する高温の空気により昇温されて、水蒸気化される。

図５に示すように、水蒸気は、水蒸気排出室８６ｂに一旦導入された後、前記水蒸気排出室８６ｂ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内を矢印Ｌｄ方向に流通する。一方、原燃料は、原燃料管路９２内を矢印Ｌｕ方向に流通する。蒸発リターン管路９０内には、原燃料管路９２が設けられるとともに、原燃料供給口９２ａは、前記蒸発リターン管路９０の先端近傍に開口している。

このため、ベンチュリ効果を利用して、蒸発リターン管路９０内を流通する水蒸気に原燃料管路９２から原燃料を良好に混合させることができる。原燃料と水蒸気との混合ガスは、蒸発リターン管路９０を混合ガス供給室８４ａに向かって矢印Ｌｄ方向に流通し、前記混合ガス供給室８４ａ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２領域Ｒ２を流通する高温の空気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８４ｂに供給された後、燃料ガス通路９６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、アノード電極３０に供給される。なお、燃料電池スタック２４では、発電が行われていない。

アノード電極３０を流通した燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔４４ｂから燃料排ガス通路７０に排出される。燃料排ガス通路７０は、排ガス燃焼器５２を構成する燃料排ガス室７４に開口しており、燃料ガスは、前記燃料排ガス室７４を通って第１領域Ｒ１に導入される。

第１領域Ｒ１には、空気が導入されており、前記空気と燃料ガスとが混合する混合排ガスは、点火ヒータ７５を介して燃焼される。この燃焼により第１燃焼ガスが生成され、前記第１燃焼ガスは、燃焼ガス通路５９に沿って第１領域Ｒ１から第２領域Ｒ２及び第３領域Ｒ３に流動し、上述した各機器類の昇温を行う。第１燃焼ガスは、排ガス配管１１５から外部に排出される。

第２熱交換器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領域Ｒ１では、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５５による燃焼作業が停止される。

そこで、酸化剤ガス供給装置１６では、図１に示すように、酸化剤ガス通路１４０に空気が導入されるとともに、酸化剤ガス用調整弁１４２の開度が調整されて、第１酸化剤ガス供給管１１４への空気供給量が増加される。図３に示すように、空気は、第１酸化剤ガス供給管１１４から外周部材５８の空間部１１０に供給される。このため、空気は、孔部１１２を通って第１熱交換器５０を構成する第１酸化剤ガス供給室１０４ａに導入される。

従って、第１熱交換器５０に導入された空気は、第１酸化剤ガス供給室１０４ａに一旦供給された後、複数の第１熱交換管路１００内を移動する間に、第３領域Ｒ３に導入された第１燃焼ガスにより加熱（熱交換）される。加熱された空気は、一旦第１酸化剤ガス排出室１０４ｂに供給された後、第１酸化剤ガス流通通路１１６ａ、合流部１１８及び酸化剤ガス合流通路１２０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。

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に供給される一方、燃料ガスは、アノード電極３０に供給される。これにより、電解質・電極接合体３２により発電が行われる。

この場合、本実施形態では、図３に示すように、蒸発器４８は、環状の水供給室８６ａ、環状の水蒸気排出室８６ｂ及び複数本の蒸発管路８８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。このため、製造コストが有効に削減される。しかも、水供給室８６ａ及び水蒸気排出室８６ｂの容積や蒸発管路８８の管路長、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、水供給室８６ａを構成する第１外周壁部８７ｗ１、リング状壁部８７ｗ３及び第２外周壁部８７ｗ２を囲繞して、燃焼ガス通路５９に連通する燃焼ガス用空間部８９が形成されている。従って、水供給室８６ａ内の水は、第１燃焼ガスとの熱交換領域が増加し、蒸発管路８８よりも前記水供給室８６ａ内での水蒸気化が容易に促進される。これにより、熱効率及び熱自立を促進させるとともに、水供給室８６ａがチャンバ（圧力室）としての機能を有し、水の蒸発時に発生する脈動を良好に抑制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２２の動作温度を維持することをいう。

また、第１熱交換器５０は、酸化剤ガスが供給される環状の第１酸化剤ガス供給室１０４ａ、昇温された前記酸化剤ガスが排出される環状の第１酸化剤ガス排出室１０４ｂを備えている。第１熱交換器５０は、一端が第１酸化剤ガス供給室１０４ａに連通し且つ他端が第１酸化剤ガス排出室１０４ｂに連通する複数本の第１熱交換管路１００、及び前記第１熱交換管路１００間に第１燃焼ガスを供給する燃焼ガス通路５９を備えている。その際、燃焼ガス用空間部８９は、水供給室８６ａと第１酸化剤ガス供給室１０４ａとの間に形成されている。

このため、燃焼ガス用空間部８９に供給された第１燃焼ガスは、水供給室８６ａの水及び第１酸化剤ガス供給室１０４ａの酸化剤ガスに授熱することができ、前記水及び前記酸化剤ガスの昇温を効率的に行うことが可能になる。従って、熱効率の向上及び熱自立の促進が図られる。

さらに、第１酸化剤ガス供給室１０４ａは、水供給室８６ａよりも外側に配置されるとともに、前記第１酸化剤ガス供給室１０４ａと前記水供給室８６ａとは、管路長方向にオフセットして配置されている。これにより、第１燃焼ガスの熱を水及び酸化剤ガスに効率的に受熱させることができ、熱効率の向上及び熱自立の促進が図られる。

さらにまた、水蒸気排出室８６ｂ及び第１酸化剤ガス排出室１０４ｂ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ている。水供給室８６ａ及び第１酸化剤ガス供給室１０４ａは、燃料電池スタック２４とは反対の他方の端部側に設けられている。このため、昇温直後の酸化剤ガス及び燃料ガスを燃料電池スタック２４に迅速に供給することが可能になる。

一方、燃料電池スタック２４からの排ガスは、放熱による降温を最小限に抑制しながら、ＦＣ周辺機器５６を構成する排ガス燃焼器５２、改質器４６、第１熱交換器５０及び蒸発器４８に供給することができる。従って、熱効率が向上して熱自立の促進が図られる。

また、この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…第１熱交換器 ５２…排ガス燃焼器
５４…第２熱交換器 ５５…起動用燃焼器
５６…ＦＣ周辺機器 ５７ａ〜５７ｃ…仕切り板
５９…燃焼ガス通路 ７６…改質管路
８０ａ、１０２ａ…下部チャンバ部材 ８０ｂ、１０２ｂ…上部チャンバ部材
８４ａ…混合ガス供給室 ８４ｂ…燃料ガス排出室
８５…原燃料供給室 ８６ａ…水供給室
８６ｂ…水蒸気排出室
８７ｗ１、８７ｗ２、８７ｗ３…外周壁部
８８…蒸発管路 ８９…燃焼ガス用空間部
１００、１２２…熱交換管路 １０４ａ、１２６ａ…酸化剤ガス供給室
１０４ｂ、１２６ｂ…酸化剤ガス排出室
１１６ａ、１１６ｂ…酸化剤ガス流通通路
１１８…合流部 １２０…酸化剤ガス合流通路
１２４ａ…入口チャンバ部材 １２４ｂ…出口チャンバ部材

Claims (5)

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、
   を備える燃料電池モジュールであって、
   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、
   前記水供給室は、少なくとも第１外周壁部と前記第１外周壁部よりも小径な第２外周壁部とがリング状壁部を介在させて連続的に設けられるとともに、
   前記第１外周壁部、前記リング状壁部及び前記第２外周壁部を囲繞して、前記燃焼ガス通路に連通する燃焼ガス用空間部が形成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、
   前記燃焼ガス用空間部は、前記水供給室と前記酸化剤ガス供給室との間に形成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、前記酸化剤ガス供給室は、前記水供給室よりも外側に配置されるとともに、
   前記酸化剤ガス供給室と前記水供給室とは、管路長方向にオフセットして配置されることを特徴とする燃料電池モジュール。
4. 請求項２又は３記載の燃料電池モジュールにおいて、前記水蒸気排出室及び前記酸化剤ガス排出室は、前記燃料電池スタックに近接する一方の端部側に設けられるとともに、
   前記水供給室及び前記酸化剤ガス供給室は、前記燃料電池スタックとは反対の他方の端部側に設けられることを特徴とする燃料電池モジュール。
5. 請求項１〜４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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