JP6280431B2 - 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平板状の燃料電池を複数積層した平板積層型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。固体電解質の両側にアノード電極とカソード電極とを配設した電解質・電極接合体（以下、ＭＥＡともいう）は、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持されている。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。

ＳＯＦＣでは、運転温度が比較的高温であるため、積層された複数の燃料電池を予め所望の温度に昇温させる必要がある。低温の燃料電池に高温ガスが供給されると、大きな温度差に起因して前記燃料電池に割れ等が発生するおそれがあるからである。

そこで、例えば、特許文献１に開示された固体電解質型燃料電池の運転開始時の予熱方法が知られている。この特許文献１では、図９に示すように、ハウジング１ａ内には、燃料電池が縦方向に積層された燃料電池スタック２ａが設けられている。燃料電池スタック２ａの側方には、各燃料通路に燃料ガスを供給する燃料用マニホールド３ａと、各酸化剤通路に酸化剤ガスとしての空気を供給する酸化剤用マニホールド４ａとが、燃料電池積層方向に延在して設けられている。

マニホールド３ａ、４ａの外周側には、各マニホールド３ａ、４ａに繋がる燃料ガス予熱管５ａ、酸化剤ガス予熱管６ａと、各予熱管５ａ、６ａ及び燃料電池スタック２ａを予熱するためのヒータ７ａが設けられている。ヒータ７ａ及び予熱管５ａ、６ａは、ハウジング１ａの内部に収容されている。そして、ハウジング１ａ内の各予熱管５ａ、６ａに対して、外部の燃料ガス供給管８ａ、酸化剤ガス供給管９ａがそれぞれ接続されている。

また、特許文献２に開示された燃料電池は、図１０に示すように、装置本体１ｂ内に、複数の発電セルを積層した燃料電池スタック２ｂが配設されている。燃料電池スタック２ｂの周囲には、発電セルを起動時に発電反応開始温度以上に昇温させる放熱手段３ｂが設けられている。放熱手段３ｂと燃料電池スタック２ｂとの間には、前記放熱手段３ｂから放出された熱を一時的に吸収して発電セルへ輻射する輻射板４ｂが配設されている。

特開２００４−３３５１６４号公報 特開２００７−２６９２９号公報

上記の特許文献１では、燃料電池スタック２ａは、外周に配設されているヒータ７ａ及び各予熱管５ａ、６ａを介して側面が加熱されている。このため、燃料電池スタック２ａの内部には、温度分布が発生し易く、燃料電池の破損が惹起される場合がある。

しかも、燃料電池スタック２ａは、積層方向両端に設けられているプレートの熱容量が大きく、且つ、放熱源となるため、積層方向に温度分布が発生してしまう。その上、昇温の遅い、すなわち、熱容量の大きな部分に沿って発電開始時間が設定されるため、起動時間が長尺化するという問題がある。

また、上記の特許文献２では、輻射板４ｂによる輻射熱を利用して燃料電池スタック２ｂを昇温させており、起動時間の短縮を図ることができないという問題がある。さらに、放熱手段３ｂである起動用バーナを別途設ける必要があり、設備全体のコンパクト化を図ることが困難である。

しかも、最も熱マスの大きな積層方向両端に設けられているプレートが放熱源となるため、積層方向に温度分布が発生してしまい、燃料電池スタック２ｂの均熱加熱が遂行されない。従って、燃料電池スタック２ｂの積層方向の温度分布が大きくなるおそれがある。

また、上記の特許文献１、２では、起動時に昇温され易い部分が発生したり、又は前記昇温され易い部分が発生することを抑制するための構造が複雑化したり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、燃料電池を短時間で良好に昇温させるとともに、前記燃料電池間の温度差を可及的に小さくして該燃料電池の破損を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、平板積層型燃料電池スタック、部分酸化改質器、熱交換器、排ガス燃焼器及びスタック用加熱器を備えている。平板積層型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平板状の燃料電池を複数積層している。部分酸化改質器は、炭化水素を主体とする原燃料と酸化剤ガスとの部分酸化反応により前記原燃料を改質し、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。

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るとともに、熱交換器に供給している。スタック用加熱器は、ヒータ又はバーナからなり、燃料電池スタックの昇温、降温又は温度維持を行っている。

燃料電池スタックは、各燃料電池の電極面に沿って供給される燃料ガス及び酸化剤ガスを、それぞれ前記燃料電池の積層方向に流通させる燃料ガス連通孔及び酸化剤ガス連通孔を有している。そして、燃料電池スタックの燃料電池積層方向一端側のエンドプレートに、部分酸化改質器、熱交換器及び排ガス燃焼器の少なくともいずれかが固定される一方、前記燃料電池スタックの燃料電池積層方向他端側のエンドプレートに、スタック用加熱器が固定されている。

また、この燃料電池モジュールでは、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する水蒸気改質器を備え、部分酸化改質器と前記水蒸気改質器とは、直列に接続されることが好ましい。このため、起動時には、部分酸化改質器により燃料電池スタックの昇温を促進させることができ、起動時間の短縮化が図られる。一方、発電時には、水蒸気改質器により改質効率に優れた改質が促進され、発電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、燃料ガスを燃料電池スタックに供給する燃料ガス通路には、部分酸化改質器が、水蒸気改質器よりも燃料ガスの流れ方向上流側に配置されることが好ましい。従って、起動時には、部分酸化改質器により燃料電池スタック及び水蒸気改質器の昇温を促進させることができる。一方、発電時には、水蒸気改質器により改質効率に優れた改質が促進され、発電効率が良好に向上する。

しかも、部分酸化改質器は、発熱反応であるとともに、水蒸気改質器は、吸熱反応である。これにより、水蒸気改質器の温度が低下した際、部分酸化改質器から熱エネルギを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、水を蒸発させて水蒸気を生成するとともに、前記水蒸気を水蒸気改質器に供給する蒸発器を備えることが好ましい。その際、蒸発器は、燃料電池スタックの積層方向一端側に且つ熱交換器から燃焼ガスが排出される排気通路に配置されることが好ましい。このため、蒸発器は、排ガス燃焼器から供給された燃焼ガスの熱エネルギを、熱交換器よりも燃焼ガス流れ方向下流側で受けることができる。従って、熱効率が向上し、熱自立の促進を図ることが可能になる。

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。これにより、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、燃料電池スタックの燃料電池積層方向両端に、加熱源が配置されている。このため、燃料電池スタックが発電可能温度まで昇温する時間、すなわち、起動時間を短縮することができるとともに、前記燃料電池スタックの積層方向の温度分布及び電圧差が均一化され、発電効率が良好に向上する。

また、燃料電池スタックの積層方向両端からの放熱を抑制することが可能になり、熱効率が向上し、熱自立の促進が図られる。ここで、熱自立とは、燃料電池モジュールの運転に必要な熱の全量を外部から加えることなく、自ら発生する熱のみで前記燃料電池モジュールの動作温度を維持することをいう。

さらに、昇温されたガス（燃料ガス及び酸化剤ガス）は、燃料電池スタック内で積層方向に流通した後、各燃料電池の電極面に沿って流通している。従って、昇温されたガスを燃料電池スタック内の隅々まで行き渡らせることができ、前記燃料電池スタック内の温度差を可及的に縮小し、燃料電池の破損を抑制することが可能になる。

さらにまた、部分酸化改質器による部分酸化改質は、発熱反応であり、燃料電池スタックには、十分に昇温されたガス（燃料ガス）を供給することができる。これにより、燃料電池スタック内の温度差を可及的に縮小し、燃料電池の破損を抑制することが可能になる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池モジュールの概略構成説明図である。 前記燃料電池モジュールの斜視説明図である。 前記燃料電池モジュールの要部分解斜視説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池モジュールの概略構成説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池モジュールの概略構成説明図である。 前記燃料電池モジュールの斜視説明図である。 前記燃料電池モジュールの要部分解斜視説明図である。 本発明の第４の実施形態に係る燃料電池モジュールの概略構成説明図である。 特許文献１に開示されている予熱方法に適する固体電解質型燃料電池の概略説明図である。 特許文献２に開示されている燃料電池の平面説明図である。

図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池モジュール１０は、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１０には、原燃料（例えば、都市ガス）を供給する原燃料供給装置（原燃料ポンプ１２を含む）１４と、酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置（空気ポンプ１６を含む）１８とが接続される。

燃料電池モジュール１０は、平板積層型燃料電池スタック２０、部分酸化改質器（ＰＯＸ）２２、熱交換器（ＨＥＸ）２４、排ガス燃焼器２６及びスタック用加熱器２８を備える。燃料電池スタック２０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平板状の固体酸化物形燃料電池３０を備える。複数の燃料電池３０は、鉛直方向（矢印Ａ方向）（又は水平方向）に積層されるとともに、燃料電池積層方向（以下、単に積層方向という）両端には、エンドプレート３１ａ、３１ｂが配置される。

燃料電池３０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３２の両面に、カソード電極３４及びアノード電極３６が設けられた電解質・電極接合体（ＭＥＡ）３８を備える。

電解質・電極接合体３８の両側には、カソード側セパレータ４０とアノード側セパレータ４２とが配設される。カソード側セパレータ４０には、カソード電極３４に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路４４が形成されるとともに、アノード側セパレータ４２には、アノード電極３６に燃料ガスを供給する燃料ガス流路４６が形成される。なお、燃料電池３０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３０は、作動温度が数百℃と高温であり、アノード電極３６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３２の前記アノード電極３６側に供給される。

燃料電池スタック２０には、各酸化剤ガス流路４４の入口側に一体に連通する酸化剤ガス入口連通孔４８ａと、前記酸化剤ガス流路４４の出口側に一体に連通する酸化剤ガス出口連通孔４８ｂとが設けられる。酸化剤ガス入口連通孔４８ａ及び酸化剤ガス出口連通孔４８ｂは、燃料電池スタック２０内を積層方向（矢印Ａ方向）に延在する。

燃料電池スタック２０には、各燃料ガス流路４６の入口側に一体に連通する燃料ガス入口連通孔５０ａと、前記燃料ガス流路４６の出口側に一体に連通する燃料ガス出口連通孔５０ｂとが設けられる。燃料ガス入口連通孔５０ａ及び燃料ガス出口連通孔５０ｂは、燃料電池スタック２０内を積層方向（矢印Ａ方向）に延在する。

部分酸化改質器２２は、炭化水素を主体とする原燃料（例えば、都市ガス）と酸化剤ガスとの部分酸化反応により前記原燃料を改質し、燃料電池スタック２０に供給される燃料ガスを生成する。部分酸化改質器２２は、Ｐｔ（白金）、Ｒｈ（ロジウム）又はＰｄ（パラジウム）の少なくとも１種類の触媒金属を使用する。

部分酸化改質器２２は、具体的には、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、主として水素、ＣＯを含む燃料ガスに部分酸化改質するための予備改質器である。部分酸化改質器２２は、約５００℃〜１０００℃の作動温度に設定される。

熱交換器２４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２０に前記酸化剤ガスを供給する。排ガス燃焼器２６は、燃料電池スタック２０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るとともに、熱交換器２４に供給する。スタック用加熱器２８は、燃料電池スタック２０の昇温、降温又は温度維持を行う機能を有し、例えば、セラミックヒータや燃焼バーナ等が使用される。

燃料電池スタック２０の積層方向一端側（エンドプレート３１ａ側）には、部分酸化改質器２２、熱交換器２４及び排ガス燃焼器２６が配置される。燃料電池スタック２０の積層方向他端側（エンドプレート３１ｂ側）には、スタック用加熱器２８が配置される。

原燃料供給装置１４は、原燃料を部分酸化改質器２２に供給する原燃料通路５２を備える。酸化剤ガス供給装置１８は、酸化剤ガスを熱交換器２４から燃料電池スタック２０の酸化剤ガス入口連通孔４８ａに供給する酸化剤ガス通路５４を備える。酸化剤ガス通路５４から分岐する酸化剤ガス分岐通路５６は、原燃料通路５２の途上に接続され、部分酸化改質器２２に原燃料と酸化剤ガスとの混合ガスが供給される。部分酸化改質器２２には、部分酸化改質された燃料ガスを燃料電池スタック２０の燃料ガス入口連通孔５０ａに供給する燃料ガス通路５８が接続される。

燃料電池スタック２０の酸化剤ガス出口連通孔４８ｂには、前記燃料電池スタック２０から排出される酸化剤排ガスを排ガス燃焼器２６に導入させる酸化剤排ガス通路６０が接続される。燃料電池スタック２０の燃料ガス出口連通孔５０ｂには、前記燃料電池スタック２０から排出される燃料排ガスを排ガス燃焼器２６に導入させる燃料排ガス通路６２が接続される。排ガス燃焼器２６の出口側には、燃焼ガス通路６４の一端が連通するとともに、前記燃焼ガス通路６４の他端が熱交換器２４に接続される。熱交換器２４には、酸化剤ガスとの熱交換に使用された燃焼ガス（排ガス）を排出する排気通路６６が接続される。

図２及び図３に示すように、燃料電池スタック２０では、エンドプレート３１ａ、３１ｂ間が複数本の止めねじ６８により固定され、積層方向に所望の締め付け荷重が付与される。エンドプレート３１ｂには、スタック用加熱器２８が直接固定される一方、エンドプレート３１ａには、熱交換器２４及び排ガス燃焼器２６が互いに並列して直接固定される。

熱交換器２４及び排ガス燃焼器２６は、矩形状を有し、互いに並列されることにより、全体の外形寸法がエンドプレート３１ａの外形寸法と略同一又は同一以下の近似した寸法に設定される。熱交換器２４及び排ガス燃焼器２６には、部分酸化改質器２２が直接固定される。

このように構成される燃料電池モジュール１０の動作について、以下に説明する。

燃料電池モジュール１０の起動時には、図１に示すように、酸化剤ガス供給装置１８では、空気ポンプ１６の駆動作用下に酸化剤ガス通路５４に空気が供給される。空気の一部は、酸化剤ガス分岐通路５６に導入されて部分酸化改質器２２に供給されるとともに、残余の空気は、熱交換器２４に供給される。

一方、原燃料供給装置１４では、原燃料ポンプ１２の駆動作用下に原燃料通路５２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、部分酸化改質器２２内に供給される。このため、部分酸化改質器２２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、部分酸化改質が開始される。

例えば、Ｏ₂／Ｃ＝０．５に設定されると、２ＣＨ₄＋Ｏ₂→４Ｈ₂＋２ＣＯとなる部分酸化反応が発生する。この部分酸化反応は、発熱反応であり、部分酸化改質器２２から高温（約５００℃〜１０００℃）の還元ガス（燃料ガス）が発生する。

高温の還元ガスは、燃料ガス通路５８を介して燃料電池スタック２０の燃料ガス入口連通孔５０ａに供給される。燃料電池スタック２０では、高温の還元ガスは、各燃料ガス流路４６を流通した後、燃料ガス出口連通孔５０ｂから燃料排ガス通路６２に排出される。還元ガスは、燃料排ガス通路６２に連通する排ガス燃焼器２６内に導入される。

排ガス燃焼器２６には、後述するように、空気（酸化剤ガス）が供給されており、前記空気と還元ガスとが、自己着火され、又は着火手段（図示せず）により着火され、燃焼される。排ガス燃焼器２６内に発生した燃焼ガスは、燃焼ガス通路６４から熱交換器２４に供給され、前記熱交換器２４に供給された空気が昇温される。

昇温された空気は、燃料電池スタック２０の酸化剤ガス入口連通孔４８ａに供給され、各酸化剤ガス流路４４を流通した後、酸化剤ガス出口連通孔４８ｂから酸化剤排ガス通路６０に排出される。さらに、空気は、排ガス燃焼器２６に導入されて、燃焼処理に使用される。このため、排ガス燃焼器２６では、燃焼により燃料電池スタック２０をエンドプレート３１ａ側から輻射又は伝熱加熱する。

上記の酸化剤ガス供給装置１８及び原燃料供給装置１４の駆動と同時に、スタック用加熱器２８が駆動される。従って、燃料電池スタック２０は、エンドプレート３１ｂ側からも加熱される。

燃料電池スタック２０は、所望の運転開始温度に昇温されるとともに、部分酸化改質器２２の改質状態が良好であると判断されると、発電が開始される。燃料電池スタック２０の発電時は、上記の起動時と同様に、空気が酸化剤ガス流路４４を流通する一方、燃料ガスが燃料ガス流路４６を流通する。これにより、各燃料電池３０のカソード電極３４に空気が供給されるとともに、アノード電極３６に燃料ガスが供給され、化学反応により発電が行われる。

この場合、第１の実施形態では、図２及び図３に示すように、燃料電池スタック２０の積層方向一端には、すなわち、エンドプレート３１ａには、部分酸化改質器２２、熱交換器２４及び排ガス燃焼器２６が配置されている。一方、燃料電池スタック２０の積層方向他端側には、すなわち、エンドプレート３１ｂには、スタック用加熱器２８が配置されている。

このように、燃料電池スタック２０の積層方向両端には、加熱源が配置されているため、前記燃料電池スタック２０が発電可能温度まで昇温する時間、すなわち、起動時間を有効に短縮することができる。しかも、燃料電池スタック２０の積層方向の温度分布及び電圧差が均一化され、発電効率が良好に向上する。

また、燃料電池スタック２０の積層方向両端からの放熱を抑制することが可能になり、燃料電池モジュール１０の熱効率が向上し、熱自立の促進が図られる。ここで、熱自立とは、燃料電池モジュール１０の運転に必要な熱の全量を外部から加えることなく、自ら発生する熱のみで前記燃料電池モジュール１０の動作温度を維持することをいう。

さらに、昇温されたガス（燃料ガス及び酸化剤ガス）は、燃料電池スタック２０内で積層方向に流通した後、各燃料電池３０の電極面に沿って流通している。従って、昇温されたガスを燃料電池スタック２０内の隅々まで行き渡らせることができ、前記燃料電池スタック２０内の温度差を可及的に縮小し、燃料電池３０の破損を抑制することが可能になる。

さらにまた、部分酸化改質器２２による部分酸化改質は、発熱反応であり、燃料電池スタック２０には、十分に昇温されたガス（燃料ガス）を供給することができる。これにより、燃料電池スタック２０内の温度差を可及的に縮小し、燃料電池３０の破損を抑制することが可能になる。

また、燃料電池モジュール１０は、固体酸化物形燃料電池モジュールである。このため、特にＳＯＦＣ等の高温型燃料電池に最適である。

図４は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池モジュール７０の概略構成説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池モジュール１０と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３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７０は、部分酸化改質器２２に空気を供給する部分酸化改質用酸化剤ガス供給装置（空気ポンプ７２を含む）７４を備える。部分酸化改質用酸化剤ガス供給装置７４は、空気を部分酸化改質器２２に供給する部分酸化改質用酸化剤ガス通路７６を備える。

このように、燃料電池モジュール７０では、燃料電池スタック２０に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置１８と、前記酸化剤ガスである空気を部分酸化改質器２２に供給する部分酸化改質用酸化剤ガス供給装置７４とを個別に構成している。

このため、第２の実施形態では、酸化剤ガス供給装置１８と部分酸化改質用酸化剤ガス供給装置７４とを独立して制御することにより、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

図５は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池モジュール８０の概略構成説明図である。

燃料電池モジュール８０は、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２０に供給される燃料ガスを生成する水蒸気改質器（ＳＲ）８２を備える。水蒸気改質器８２は、Ｒｕ（ルテニウム）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｐｔ（白金）、Ｒｈ（ロジウム）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｉｒ（イリジウム）又はＦｅ（鉄）の少なくとも１種類の触媒金属を使用する。

燃料ガス通路５８には、部分酸化改質器２２と水蒸気改質器８２とが直列に接続される。具体的には、部分酸化改質器２２は、水蒸気改質器８２よりも燃料ガス（原燃料）の流れ方向上流側に配置される。

燃料電池モジュール８０は、水を蒸発させて水蒸気を生成するとともに、前記水蒸気を水蒸気改質器８２に供給する蒸発器（ＥＶＰ）８４を備える。蒸発器８４は、燃料電池スタック２０の積層方向一端側（エンドプレート３１ａ側）に、且つ熱交換器２４よりも燃焼ガス流れ方向下流側に配置される。具体的には、蒸発器８４は、熱交換器２４の出口側に接続される排気通路６６の途上に配置される。

蒸発器８４の入口側には、水供給通路８６が接続されるとともに、前記蒸発器８４の出口側には、水蒸気通路８８の一端が接続される。水蒸気通路８８の他端は、部分酸化改質器２２を介して水蒸気改質器８２に接続される。

図６及び図７に示すように、エンドプレート３１ａには、排ガス燃焼器２６、部分酸化改質器２２及び水蒸気改質器８２が直接固定される。排ガス燃焼器２６、部分酸化改質器２２及び水蒸気改質器８２は、互いに並列されることにより、全体として矩形状を有する。全体の外形寸法は、エンドプレート３１ａの外形寸法と略同一又は同一以下の近似した寸法に設定される。

排ガス燃焼器２６、部分酸化改質器２２及び水蒸気改質器８２の底面には、熱交換器２４が直接固定されるとともに、前記熱交換器２４の底面には、蒸発器８４が直接固定される。熱交換器２４及び蒸発器８４は、矩形状を有し、互いに同等の外形寸法に設定される。熱交換器２４及び蒸発器８４は、排ガス燃焼器２６、部分酸化改質器２２及び水蒸気改質器８２が一体化された全体の外形寸法と同等の外形寸法を有する。

このように構成される第３の実施形態では、燃料電池モジュール８０の起動時には、上記の第１の実施形態と同様に、部分酸化改質器２２に空気及び原燃料が供給される。部分酸化改質器２２では、部分酸化改質が開始され、高温の還元ガスが燃料電池スタック２０内に供給される。一方、スタック用加熱器２８が駆動されて、燃料電池スタック２０のエンドプレート３１ｂ側が加熱される。

そこで、蒸発器８４、燃料電池スタック２０及び水蒸気改質器８２が、水凝縮温度以上に昇温された際、水が前記蒸発器８４に供給される。このため、蒸発器８４では、水蒸気が得られ、この水蒸気が水蒸気通路８８を通って部分酸化改質器２２から水蒸気改質器８２に送られる。

水蒸気改質器８２では、空気の供給が停止されており、原燃料と水蒸気との混合ガスが生成される。混合ガスは、水蒸気改質器８２内で水蒸気改質され、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、燃料電池スタック２０に供給される。そして、発電時には、水蒸気改質器８２で改質された燃料ガスが、燃料電池スタック２０に供給されて、空気との化学反応により発電が行われる。

この場合、第３の実施形態では、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２０に供給される燃料ガスを生成する水蒸気改質器８２を備え、部分酸化改質器２２と前記水蒸気改質器８２とは、直列に接続されている。このため、起動時には、部分酸化改質器２２により燃料電池スタック２０の昇温を促進させることができ、起動時間の短縮化が図られる。一方、発電時には、水蒸気改質器８２により改質効率に優れた改質が促進され、発電効率が良好に向上するという効果が得られる。

さらに、燃料ガスを燃料電池スタック２０に供給する燃料ガス通路５８には、部分酸化改質器２２が、水蒸気改質器８２よりも燃料ガスの流れ方向上流側に配置されている。従って、起動時には、部分酸化改質器２２により燃料電池スタック２０及び水蒸気改質器８２の昇温を促進させることができる。一方、発電時には、水蒸気改質器８２により改質効率に優れた改質が促進され、発電効率が良好に向上する。

しかも、部分酸化改質器２２は、発熱反応であるとともに、水蒸気改質器８２は、吸熱反応である。これにより、水蒸気改質器８２の温度が低下した際、部分酸化改質器２２から熱エネルギを供給することが可能になる。

さらにまた、燃料電池モジュール８０は、水を蒸発させて水蒸気を生成するとともに、前記水蒸気を水蒸気改質器８２に供給する蒸発器８４を備えている。その際、蒸発器８４は、燃料電池スタック２０の積層方向一端側に且つ熱交換器２４から燃焼ガスが排出される排気通路６６に配置されている。このため、蒸発器８４は、排ガス燃焼器２６から供給された燃焼ガスの熱エネルギを、熱交換器２４よりも燃焼ガス流れ方向下流側で受けることができる。従って、熱効率が向上し、熱自立の促進を図ることが可能になる。

図８は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池モジュール９０の概略構成説明図である。

燃料電池モジュール９０は、部分酸化改質器２２に空気を供給する部分酸化改質用酸化剤ガス供給装置（空気ポンプ９２を含む）９４を備える。部分酸化改質用酸化剤ガス供給装置９４は、空気を部分酸化改質器２２に供給する部分酸化改質用酸化剤ガス通路９６を備える。

このように、第４の実施形態では、燃料電池スタック２０に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置１８と、前記酸化剤ガスである空気を部分酸化改質器２２に供給する部分酸化改質用酸化剤ガス供給装置９４とを個別に構成している。このため、第４の実施形態では、上記の第２の実施形態と同様に構成されており、上記の第３の実施形態と同様の効果が得られる。

１０、７０、８０、９０…燃料電池モジュール
１２…原燃料ポンプ １４…原燃料供給装置
１６、７２、９２…空気ポンプ １８…酸化剤ガス供給装置
２０…燃料電池スタック ２２…部分酸化改質器
２４…熱交換器 ２６…排ガス燃焼器
２８…スタック用加熱器 ３０…燃料電池
３２…電解質 ３４…カソード電極
３６…アノード電極 ３８…電解質・電極接合体
４４…酸化剤ガス流路 ４６…燃料ガス流路
４８ａ…酸化剤ガス入口連通孔 ４８ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
５０ａ…燃料ガス入口連通孔 ５０ｂ…燃料ガス出口連通孔
５２…原燃料通路 ５４…酸化剤ガス通路
５６…酸化剤ガス分岐通路 ５８…燃料ガス通路
６４…燃焼ガス通路 ６６…排気通路
７４、９４…部分酸化改質用酸化剤ガス供給装置
７６、９６…部分酸化改質用酸化剤ガス通路
８２…水蒸気改質器 ８４…蒸発器
８６…水供給通路 ８８…水蒸気通路

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平板状の燃料電池を複数積層した平板積層型燃料電池スタックと、
   炭化水素を主体とする原燃料と酸化剤ガスとの部分酸化反応により前記原燃料を改質し、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部分酸化改質器と、
   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とともに、前記熱交換器に供給する排ガス燃焼器と、
   ヒータ又はバーナからなり、前記燃料電池スタックの昇温、降温又は温度維持を行うスタック用加熱器と、
   を備える燃料電池モジュールであって、
   前記燃料電池スタックは、各燃料電池の電極面に沿って供給される前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスを、それぞれ前記燃料電池の積層方向に流通させる燃料ガス連通孔及び酸化剤ガス連通孔を有し、
   前記燃料電池スタックの燃料電池積層方向一端側には、前記部分酸化改質器、前記熱交換器及び前記排ガス燃焼器が配置されるとともに、前記部分酸化改質器、前記熱交換器及び前記排ガス燃焼器の中の少なくともいずれかがエンドプレートに固定される一方、
   前記燃料電池スタックの燃料電池積層方向他端側のエンドプレートに、前記スタック用加熱器が固定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水蒸気改質器を備え、
   前記部分酸化改質器と前記水蒸気改質器とは、直列に接続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、前記燃料ガスを前記燃料電池スタックに供給する燃料ガス通路には、前記部分酸化改質器が、前記水蒸気改質器よりも該燃料ガスの流れ方向上流側に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、水を蒸発させて前記水蒸気を生成するとともに、該水蒸気を前記水蒸気改質器に供給する蒸発器を備え、
   前記蒸発器は、前記燃料電池スタックの前記積層方向一端側に且つ前記熱交換器から前記燃焼ガスが排出される排気通路に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。

Images