JP7186146B2 - 燃料電池モジュール - Google Patents

Description

本発明は、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されることで発電し、燃料排ガス及び酸化剤排ガスを排出する燃料電池を備える燃料電池モジュールに関する。

例えば、安定化ジルコニア等の固体酸化物を電解質として用いた固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）を備える燃料電池モジュールでは、燃料電池に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給することで電気化学反応を生じさせて発電を行う。燃料ガスとしては、都市ガスやプロパンガス等の炭化水素を主体とする原燃料と水蒸気とを改質器で水蒸気改質反応させて得られる水素含有ガスが挙げられる。また、酸化剤ガスとしては、空気等の酸素含有ガスが挙げられる。

電気化学反応で消費されなかった燃料ガスや酸化剤ガスの未消費分は、燃料排ガス及び酸化剤排ガスとして燃料電池から排出される。例えば、特許文献１に示されるように、燃料排ガス及び酸化剤排ガスを排ガス燃焼室の内部で燃焼させて燃焼排ガスとする燃焼器を備える燃料電池モジュールが知られている。このように燃焼器で酸化剤排ガスを用いて燃料排ガスを燃焼させることで、熱エネルギーを得ることができ、しかも、未消費の燃料ガスが排気されることを容易に抑制できる。

特許文献１の燃料電池モジュールは、燃料電池と、該燃料電池に供給する前の酸化剤ガスを予熱する熱交換器との間に挟まれた筐体を備え、該筐体の内部に、排ガス燃焼室と、排ガス燃焼室の外周壁と間隔を置いて対向する枠形状の改質器とが設けられている。排ガス燃焼室の外周壁には、該排ガス燃焼室から燃焼排ガスを排出するための燃焼室出口が設けられている。燃焼室出口から排出された燃焼排ガスは、改質器と熱交換しながら筐体内を流通する。すなわち、燃焼器で得られる燃焼排ガスの熱エネルギーを、高温域で動作する改質器等の加熱に利用することができる。

特開２０１６－１５２４号公報

この種の燃料電池モジュールでは、上記の燃焼反応により排ガス燃焼室の温度が過剰に上昇してしまうと、該排ガス燃焼室を形成する壁部等の耐久性を低下させるような変形や酸化等が生じる懸念があり、ひいては、燃料電池モジュールの耐久性が低下する懸念がある。

また、排ガス燃焼室、改質器、該改質器に供給する水蒸気を生成する蒸発器等の燃料電池用補機は、互いにユニット化された状態で補機ケースに収容されることが考えられる。この場合、補機ケース内の改質器や蒸発器等は、互いの接続部や、補機ケースとの接続部等が設けられることにより、補機ケース内で拘束されている。また、燃料電池用補機が起動すると、排ガス燃焼室や改質器の温度は、蒸発器の温度よりも高くなる。すなわち、補機ケース内の各構成要素は互いに異なる温度で動作する。

このため、各構成要素や補機ケースのそれぞれに、温度変化による熱ひずみ（熱膨張等）が生じると、補機ケース内の各構成要素自体や、各構成要素同士の接続部、及び各構成要素と補機ケースとの接続部等に熱応力が生じてしまい、これによっても、燃料電池モジュールの耐久性が低下する懸念がある。

そこで本発明は、温度変化による耐久性の低下を抑制できる燃料電池モジュールを提供することを目的とする。

本発明の一態様は、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されることで発電し、燃料排ガス及び酸化剤排ガスを排出する燃料電池と、炭化水素を主体とする原燃料を、水蒸気を用いて改質し、前記燃料電池に供給する前記燃料ガスを生成する改質器と、水を蒸発させて、前記改質器に供給する前記水蒸気を生成する蒸発器と、前記燃料排ガスと前記酸化剤排ガスとを排ガス燃焼室の内部で燃焼させて、燃焼排ガスとする燃焼器と、前記排ガス燃焼室の少なくとも一部、前記改質器及び前記蒸発器を収容する補機ケースと、を備える燃料電池モジュールであって、互いに隣接して設けられる前記改質器及び前記蒸発器のそれぞれは、その並列方向視で前記排ガス燃焼室の外周の少なくとも一部を囲む方向に延在し、前記補機ケースは、前記改質器及び前記蒸発器の外周を、間隔を置いて囲み、前記蒸発器の延在方向の両端部同士は離間し、前記蒸発器と前記補機ケースとは、１箇所の第１接続部のみにより接続され、前記蒸発器と前記改質器とは、１箇所の第２接続部のみにより接続され、前記改質器の延在方向の両端部同士は離間し、前記改質器と前記補機ケースとは、１箇所の第３接続部のみにより接続される。

通常、改質器及び蒸発器は、排ガス燃焼室の温度よりも低い温度で動作する。このため、改質器及び蒸発器のそれぞれを、排ガス燃焼室の外周の少なくとも一部を囲むように配設することで、排ガス燃焼室の熱を改質器及び蒸発器に伝えることができる。これによって、排ガス燃焼室の壁部等が過度に昇温することを抑制できるため、燃料電池モジュールの動作時に、排ガス燃焼室の壁部等がその耐久性が低下するような温度まで昇温することを抑制できる。

改質器及び蒸発器のそれぞれの外周と、補機ケースとの間には間隔が設けられている。また、蒸発器及び改質器のそれぞれは、延在方向の一端と他端とが互いに離間する形状である。さらに、蒸発器と補機ケースとは１箇所の第１接続部のみにより接続され、蒸発器と改質器とは１箇所の第２接続部のみにより接続され、改質器と補機ケースとは１箇所の第３接続部のみによって接続されている。つまり、改質器と、蒸発器と、補機ケースとのそれぞれの拘束が必要最低限となっている。

これらから、補機ケース内において、蒸発器及び改質器のそれぞれは、拘束の少ない自由な変形（応力の発生が抑制された変形）をし易くなっている。このため、改質器、蒸発器、補機ケース、第１接続部、第２接続部、第３接続部等のそれぞれに、温度変化による熱ひずみが生じても熱応力が生じることを抑制できる。

以上から、この燃料電池モジュールによれば、温度変化による耐久性の低下を抑制することができる。

本発明の実施形態に係る燃料電池モジュールの全体構成図である。 図１の燃料電池モジュールにおける流体の流れを説明するためのブロック図である。 補機ケースの内部及び排ガス燃焼室の内部を説明する要部断面図である。 補機ケース及び排ガス燃焼室の全体を説明する斜視図である。 蒸発器収容室の内部を説明する斜視図である。 区画壁を説明する斜視図である。 改質器収容室の内部を説明する斜視図である。 第３室を説明する斜視図である。 図６のＩＸ－ＩＸ線矢視断面図である。

本発明に係る燃料電池モジュールについて好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の図において、同一又は同様の機能及び効果を奏する構成要素に対しては同一の参照符号を付し、繰り返しの説明を省略する場合がある。

図１に示すように、本実施形態では、燃料電池モジュール１０が定置用である場合を例に挙げて説明するが、特にこれに限定されるものではなく、車載用等の種々の用途に用いることができる。燃料電池モジュール１０は、全体として、例えば、略直方体形状に構成された燃料電池ユニット１２と、該燃料電池ユニット１２を収容するケーシング１４とを備える。また、燃料電池ユニット１２とケーシング１４との間には断熱層（不図示）が設けられている。

図１に示すように、燃料電池ユニット１２では、熱交換器１６と、蒸発器１８と、改質器２０と、燃焼器２２と、燃料電池２４とが、鉛直方向（矢印Ｘ方向）の下側（矢印Ｘ１側）から上側（矢印Ｘ２側）に向かって概ねこの順に配設されている。また、燃料電池ユニット１２は、燃焼器２２を収容する排ガス燃焼室２６と、蒸発器１８及び改質器２０を収容する補機ケース２８とをさらに備える。

図４に示すように、排ガス燃焼室２６は、鉛直方向視の燃料電池ユニット１２の略中央に配設される。また、図１に示すように、排ガス燃焼室２６は、燃料電池ユニット１２の鉛直方向において燃料電池２４と熱交換器１６との間に配設される。具体的には、排ガス燃焼室２６は、互いに連通する第１室３０と、第２室３２と、第３室３３とを有する。第１室３０と、第２室３２と、第３室３３とは、鉛直方向の下側（矢印Ｘ１側）から上側（矢印Ｘ２側）に向かってこの順に並ぶ。換言すると、第１室３０と、第２室３２と、第３室３３とが並ぶ並列方向は鉛直方向（矢印Ｘ方向）に沿う。

本実施形態では、図３及び図５に示すように、第１室３０を形成する第１壁３０ａは、上面が開口し下面が閉塞された筐体状である。つまり、第１壁３０ａは、第１外周壁３０ｂと、第１底壁３０ｃとを有する。図５に示すように、第１外周壁３０ｂを形成する４個の外壁面のうちの３個は、蒸発器１８と間隔を置いて対向している。

このため、鉛直方向視において、蒸発器１８は、第１外周壁３０ｂの３個の外壁面を囲うコの字形状（Ｃ字形状、Ｕ字形状）である。また、蒸発器１８の上壁には、該蒸発器１８の延在方向に間隔を置いて複数（本実施形態では３個）の凹形状の第１位置決め部１８ａが設けられている。この第１位置決め部１８ａの詳細については後述する。

図３に示すように、第１底壁３０ｃの外周縁部には、該第１底壁３０ｃの熱変形を吸収する凹凸部３１ａが設けられている。本実施形態では、凹凸部３１ａは、第１室３０（排ガス燃焼室２６）の内部側に陥没するように、第１底壁３０ｃの外周縁部に沿って設けられた溝形状であることとする。しかしながら、特にこれらに限定されるものではなく、凹凸部３１ａは、第１底壁３０ｃ等が温度変化しても、熱応力が生じることを抑制可能となるような形状及び配置であればよい。これは、以下に説明する全ての凹凸部３１ｂ～３１ｉにおいて同様であり、凹凸部３１ｂ～３１ｉは、それぞれが設けられた壁部に関し、温度変化による熱応力の発生を抑制可能となる形状及び配置であればよい。なお、図３を除く図面では、凹凸部３１ａ～３１ｉの図示を省略している。

第１室３０（第１壁３０ａ）及び蒸発器１８は、補機ケース２８の底部に設けられた蒸発器収容室３４に収容されている。図１及び図３に示すように、第１室３０の第１外周壁３０ｂの下端には、第１底壁３０ｃよりも下側に突出する突部３０ｄが、部分的（例えば、鉛直方向視の四隅等）に設けられている。

突部３０ｄが補機ケース２８の底壁２８ａに当接することで、第１室３０の第１底壁３０ｃと、補機ケース２８の底壁２８ａとの間には、空間３６が形成されている。第１底壁３０ｃと補機ケース２８とは、突部３０ｄを介して互いに相対移動可能に当接するのみであり接続（接合）はされていない。補機ケース２８の底壁２８ａには、突部３０ｄが当接する部分の内周縁部と、該底壁２８ａの外周縁部とのそれぞれに、補機ケース２８等の熱変形を吸収する凹凸部３１ｂ、３１ｃが設けられている。

図５に示すように、補機ケース２８（蒸発器収容室３４の周壁）は、蒸発器１８の外周を、間隔を置いて囲む。また、補機ケース２８の底壁２８ａに対しては、蒸発器１８の底部の一部のみが当接している。補機ケース２８の底壁２８ａと、蒸発器１８の底部の一部とは、互いに相対移動可能に当接するのみであり、接続（接合）はされていない。後述するように蒸発器１８に接続される原燃料導入配管１００と、補機ケース２８（蒸発器収容室３４）の側壁（周壁）との接続箇所である第１接続部３７ａのみによって、蒸発器１８と補機ケース２８とは接続されている。

本実施形態では、図３及び図７に示すように、第２室３２を形成する第２壁３２ａ（壁部）は、上面及び下面が開口した略角筒形状である。また、図７に示すように、第２壁３２ａの周方向の一部には、鉛直方向（矢印Ｘ方向）に沿ったスリット状の燃焼室出口３８が設けられている。第２壁３２ａの全体は、改質器２０と共有の共有壁４０である。つまり、第２壁３２ａ（共有壁４０）は、排ガス燃焼室２６の第２室３２を形成するとともに改質器２０の内周壁を形成する。

このため、本実施形態の改質器２０は、鉛直方向視で、燃焼室出口３８を除く第２室３２の外周を囲む方向に延在する枠形状（コの字形状、Ｃ字形状、Ｕ字形状）である。また、改質器２０の延在方向（周方向）の両端部は互いに離間し、該両端部同士の間に燃焼室出口３８が設けられている。図３に示すように、改質器２０の底壁の周縁部及び上壁の周縁部のそれぞれには、改質器２０の壁部の熱変形を吸収する凹凸部３１ｄ、３１ｅが設けられている。

図３及び図７に示すように、第２室３２及び改質器２０は、補機ケース２８の内部に設けられた改質器収容室４２に収容されている。補機ケース２８の内部を区画壁４４によって鉛直方向の上下に区画した下側に蒸発器収容室３４が形成され、上側に改質器収容室４２が形成されている。

図６に示すように、区画壁４４は、鉛直方向視の略中央に第２室３２及び第１室３０を連通させる開口４４ａが設けられた枠形状である。つまり、図３に示すように、改質器収容室４２には、第１室３０よりも外周側の底部に区画壁４４が設けられている。区画壁４４には、改質器収容室４２（図３、図７）と蒸発器収容室３４とを連通する収容室連通口４４ｂが設けられている。図３に示すように、区画壁４４の外周縁部には、該区画壁４４の熱変形を吸収する凹凸部３１ｆが設けられている。

図６及び図９に示すように、区画壁４４には、蒸発器１８の上壁に設けられた第１位置決め部１８ａと当接することで、蒸発器１８と区画壁４４との位置決めを行う第２位置決め部４４ｃが設けられている。これらの第１位置決め部１８ａ及び第２位置決め部４４ｃは、相対移動可能に当接するのみであり、接続（接合）はされていない。また、第１位置決め部１８ａ及び第２位置決め部４４ｃの個数や形状は特に限定されるものではない。例えば、蒸発器１８と区画壁４４との間には、１組のみ、又は３組以外の複数組の第１位置決め部１８ａ及び第２位置決め部４４ｃが設けられていてもよい。さらに、第１位置決め部１８ａは凹形状に代えて凸形状等であってもよい。

図３及び図４に示すように、改質器収容室４２の上部は、上壁４６で閉塞されている。このため、改質器収容室４２は、鉛直方向視で、第２室３２を除く部分が、枠形状の上壁４６によって覆われる。図３に示すように、補機ケース２８の上壁４６の内周縁部及び外周縁部のそれぞれには、該上壁４６の熱変形を吸収する凹凸部３１ｇ、３１ｈが設けられている。

改質器収容室４２の内部において、改質器２０の共有壁４０を除く外壁面（外底面２０ａ、外周面２０ｂ、外上面２０ｃ）と、改質器収容室４２の内壁面（内底面４２ａ、内周面４２ｂ、内上面４２ｃ）とが離間して配設されることで、互いの間に空間が形成されている。つまり、補機ケース２８（改質器収容室４２の周壁）は、改質器２０の外周を、間隔を置いて囲む。

補機ケース２８の上端側（矢印Ｘ２側）には、第３室３３を形成する第３壁３３ａの下端側（矢印Ｘ１側）が連結されている。第３壁３３ａは、下面が開口し上面が閉塞された筐体状である。第３壁３３ａの下端部（矢印Ｘ１側端部）が、枠形状の上壁４６の内周縁部（開口周縁部）に接続される。これによって、第３壁３３ａ内の第３室３３と第２壁３２ａ内の第２室３２とが連通する。

第３室３３の内部には、燃焼器２２と、燃焼器２２に後述する酸化剤排ガスを供給する酸化剤排ガス流路５０の一部と、燃焼器２２に後述する燃料排ガスを供給する燃料排ガス流路５２の一部とが配設される。なお、第３室３３の内部の詳細は後述する。図３に示すように、第３壁３３ａの上壁３３ｂの外周縁部には、該上壁３３ｂの熱変形を吸収する凹凸部３１ｉが設けられている。

排ガス燃焼室２６内には、第３室３３側から第２室３２を経て第１室３０側まで、鉛直方向に延在するガイド壁５４が設けられている。なお、図５～図７では、ガイド壁５４の図示を省略している。本実施形態では、排ガス燃焼室２６の内部であって、燃焼室出口３８（図４及び図７）の近傍に１個のガイド壁５４が設けられることとするが、ガイド壁５４が設けられる場所や個数は特に限定されるものではなく、ガイド壁５４は複数設けられていてもよい。また、ガイド壁５４は全体として鉛直方向に延在していればよく、不図示の湾曲部や傾斜部が設けられていてもよい。

図３に示すように、補機ケース２８の内部において、第１壁３０ａの上端及び第２壁３２ａの下端の間と、第２壁３２ａの上端及び第３壁３３ａの下端の間とのそれぞれには遮断部材５６ａ、５６ｂが設けられている。これらの遮断部材５６ａ、５６ｂによって、排ガス燃焼室２６の内部と補機ケース２８の内部との連通が遮断されている。また、第１壁３０ａの上端及び第２壁３２ａの下端の間に設けられた遮断部材５６ａは、改質器２０の外底面２０ａと、改質器収容室４２の内底面４２ａ（区画壁４４の上面）との間にも介在する。これによって、改質器２０の外底面２０ａと、改質器収容室４２の内底面４２ａとが離間した状態で維持される。

図１に示すように、第３室３３よりも上側（矢印Ｘ２側）には、燃料電池２４が配設されている。燃料電池２４は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）であり、本実施形態では、平板状の発電セル６０を鉛直方向（矢印Ｘ方向）に複数積層することで形成されたスタックの形態からなる。なお、燃料電池２４は、複数の円筒状の発電セル（不図示）を電気的に接続して形成されてもよい。

発電セル６０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６２の両面に、カソード電極６４及びアノード電極６６が設けられた電解質・電極接合体６８（ＭＥＡ）を備える。電解質・電極接合体６８の両側には、カソードセパレータ７０とアノードセパレータ７２とが配設される。カソードセパレータ７０には、カソード電極６４に空気等の酸素（Ｏ₂）含有ガスである酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス系流路７４の一部が形成される。アノードセパレータ７２には、アノード電極６６に水素（Ｈ₂）含有ガスである燃料ガスを供給する燃料ガス系流路７６の一部が形成される。

燃料電池２４では、燃料ガス系流路７６を介してアノード電極６６に供給された燃料ガスと、酸化剤ガス系流路７４を介してカソード電極６４に供給された酸化剤ガスとが電気化学反応により消費され、発電が行われる。電気化学反応で消費されなかった残余の燃料ガスである燃料排ガスは、燃料排ガス流路５２の一部を形成する燃料排ガス配管７８に排出される。電気化学反応で消費されなかった残余の酸化剤ガスである酸化剤排ガスは、酸化剤排ガス流路５０の一部を形成する酸化剤排ガス配管８０に排出される。

図３に示すように、酸化剤排ガス配管８０の下流側は、第３室３３の第３壁３３ａを略水平方向に貫通し、第３室３３内の流路空間８２に開口する。流路空間８２は、第３室３３の内部で酸化剤排ガス流路５０の一部を形成する空間である。つまり、燃料電池２４（図１）から排出された酸化剤排ガスは、酸化剤排ガス配管８０を介して第３室３３の流路空間８２に流入する。

一方、燃料排ガス配管７８の下流側は、第３室３３の第３壁３３ａを水平方向に貫通し、該第３室３３内の上方（流路空間８２）において、燃焼器２２の燃料排ガスノズル２２ａに接続されている。つまり、燃料電池２４から排出された燃料排ガスは、燃料排ガス配管７８を介して燃料排ガスノズル２２ａに供給される。このように燃料排ガス流路５２の一部は、第３室３３の内部に配設されている。

第３室３３の内部は、仕切板８４によって上下方向に仕切られ、仕切板８４よりも上側に流路空間８２が形成され、仕切板８４よりも下側に第２室３２と連通する燃焼空間８６が形成されている。図３及び図８に示すように、燃焼器２２の燃料排ガスノズル２２ａは、仕切板８４に貫通形成された挿通孔８４ａに挿通されることで、流路空間８２と燃焼空間８６とに亘って鉛直方向に延在している。このため、燃料排ガスノズル２２ａの下流側は、燃焼空間８６に配設されている。燃料排ガスノズル２２ａの外径と、仕切板８４の挿通孔８４ａの径とが略同じに設定されること等によって、燃料排ガスノズル２２ａの外周面と、仕切板８４の挿通孔８４ａの内周面との間は気密となっている。

燃料排ガスノズル２２ａは、下端部が閉塞された筒状である。また、燃料排ガスノズル２２ａの燃焼空間８６に配設された部分には、その周壁を貫通する複数の燃料排ガス噴射孔８８が形成されている。このため、図３に実線の矢印で示すように、燃料排ガス配管７８内の燃料排ガス流路５２から燃料排ガスノズル２２ａに供給された燃料排ガスは、燃料排ガス噴射孔８８から燃焼空間８６の内部に略水平方向に噴射される。

燃焼器２２は、排ガス燃焼室２６（第１室３０、第２室３２、第３室３３の燃焼空間８６）の内部で、酸化剤排ガス及び燃料排ガスを燃焼させて燃焼排ガスを生成するものであり、上記の燃料排ガスノズル２２ａの他に、酸化剤排ガス整流部２２ｂと、不図示の着火器とを有する。酸化剤排ガス整流部２２ｂは、仕切板８４に貫通形成された酸化剤排ガス噴射孔９０と、流路空間８２で酸化剤排ガス噴射孔９０を覆う整流カバー９２とを有する。

酸化剤排ガス噴射孔９０は、仕切板８４の挿通孔８４ａよりも外周側の周縁部に、周方向に互いに間隔を置いて複数設けられ、整流カバー９２の内部と燃焼空間８６とを連通させる。なお、図４及び図８に示すように、酸化剤排ガス噴射孔９０は、鉛直方向視で、挿通孔８４ａ（図８）の径方向の外側の曲率半径よりも中心側の曲率半径が小さいオーバル形状となっていることが好ましい。

これらの酸化剤排ガス噴射孔９０は、仕切板８４に対し、挿通孔８４ａの径方向の外側に、該挿通孔８４ａと間隔を置いて配設されている。このため、仕切板８４の挿通孔８４ａと酸化剤排ガス噴射孔９０との間には板状部８４ｂが設けられている。

図８に示すように、整流カバー９２は、下端に設けられるフランジ部９２ａと、フランジ部９２ａの内周縁部から上側に向かうに連れて縮径するテーパ状部９２ｂと、テーパ状部９２ｂの上端から径方向の中心側に延在するドーナツ状（リング状）の上壁部９２ｃとが一体に設けられている。なお、フランジ部９２ａ、テーパ状部９２ｂ、上壁部９２ｃは同一材料から一体に形成されてもよいし、別部材から形成された後に一体化されてもよい。

整流カバー９２のフランジ部９２ａの下面は、仕切板８４の酸化剤排ガス噴射孔９０よりも外周側に当接する。上壁部９２ｃの径方向の中心に設けられた開口には、燃料排ガスノズル２２ａが挿通される。上壁部９２ｃの開口の径は、燃料排ガスノズル２２ａの外径よりも大きく設定されている。このため、燃料排ガスノズル２２ａの外周面と、上壁部９２ｃの開口の内周面との間には、酸化剤排ガス入口９２ｄが形成されている。酸化剤排ガス入口９２ｄは、流路空間８２内の酸化剤排ガスを整流カバー９２と仕切板８４との間に流入可能とする。

鉛直方向視で、酸化剤排ガス入口９２ｄの大部分は、仕切板８４の板状部８４ｂに臨む。また、酸化剤排ガス入口９２ｄから流入した酸化剤排ガスは、テーパ状部９２ｂに沿って径方向の外側に向かいながら下側に流通する。これらによって、図３に一点鎖線の矢印で示すように、酸化剤排ガス噴射孔９０から燃焼空間８６に噴射される酸化剤排ガスは、燃料排ガスノズル２２ａの径方向の外側に向かいながら下側へと末広がりに流通する。

着火器は、燃焼空間８６の燃料排ガス噴射孔８８及び酸化剤排ガス噴射孔９０の近傍に配設される。また、着火器は、燃料排ガス噴射孔８８から噴射された燃料排ガス及び酸化剤排ガス噴射孔９０から噴射された酸化剤排ガスに、例えば、燃料電池モジュール１０の起動時等に着火させて燃焼反応を開始させる。なお、着火器としては、点火装置や、点火ヒータ等を用いることができる。

上記のようにして、燃焼器２２では、排ガス燃焼室２６内の火炎に向かって酸化剤排ガス及び燃料排ガスを噴射することで、酸化剤排ガス及び燃料排ガスを燃焼させる。その結果、排ガス燃焼室２６の温度が、例えば、約７００℃に上昇するとともに、約７００℃の燃焼排ガスが生成される。この燃焼排ガスは、図３に破線の矢印で示すように、ガイド壁５４によって、排ガス燃焼室２６内を第３室３３側から第２室３２を経て第１室３０の内部に流通した後に、第２室３２の第２壁３２ａに設けられた燃焼室出口３８（図４及び図７）へと導かれる。燃焼室出口３８を介して排ガス燃焼室２６から排出された燃焼排ガスは、上記の通り、改質器２０の外壁面と改質器収容室４２の内壁面との間に形成された空間を流通することで、改質器２０と熱交換し、改質器２０を加熱する。

改質器収容室４２で改質器２０と熱交換した燃焼排ガスは、補機ケース２８の区画壁４４に設けられた収容室連通口４４ｂ（図６）を介して蒸発器収容室３４に流入する。蒸発器収容室３４の内部では、第１室３０及び蒸発器１８と、燃焼排ガスとが熱交換することで、排ガス燃焼室２６が保温されるとともに蒸発器１８が加熱される。

蒸発器収容室３４の内部で第１室３０及び蒸発器１８と熱交換した燃焼排ガスは、図４～図７に示すように、補機ケース２８の底壁２８ａに設けられた燃焼排ガス出口９４を介して蒸発器収容室３４から排出される。図１、図４～図７に示すように、燃焼排ガス出口９４には、燃焼排ガス配管９６が接続されている。図１に示すように、燃焼排ガス配管９６は、補機ケース２８と熱交換器１６とを接続する。つまり、蒸発器収容室３４から排出された燃焼排ガスは、燃焼排ガス配管９６を介して熱交換器１６に供給される。

熱交換器１６は、酸化剤ガス供給源（不図示）から供給された酸化剤ガスと、上記のように燃焼排ガス配管９６を介して供給された燃焼排ガスとを熱交換させる。これによって、燃料電池２４に供給する前の酸化剤ガスを予熱（加熱）する。つまり、熱交換器１６で予熱された酸化剤ガスが、酸化剤ガス系流路７４の一部を形成する酸化剤ガス供給配管９８を介して燃料電池２４に供給される。

一方、蒸発器１８は、燃料ガス供給源（不図示）から、例えば、都市ガスやプロパンガス等の炭化水素を主体とする原燃料が供給されるとともに、水供給源（不図示）から水が供給される。なお、原燃料及び水は共通の原燃料導入配管１００（図１、図４～図７）を介して蒸発器１８の内部に供給される。蒸発器１８は、上記のように蒸発器収容室３４内において燃焼排ガスと熱交換することにより、原燃料を予熱するとともに水を蒸発させて水蒸気とする。蒸発器１８の動作温度は、例えば、１００℃～２００℃である。

なお、図４～図７に示すように、原燃料導入配管１００は、補機ケース２８（蒸発器収容室３４）の側壁（周壁）を貫通して延在する。この貫通部分において原燃料導入配管１００と補機ケース２８とが接続されて上記の第１接続部３７ａが形成されている。

図１、図４及び図７に示すように、蒸発器１８で得られた水蒸気及び予熱された原燃料は、蒸発器１８と改質器２０とを接続する接続管１０２を介して改質器２０の内部に供給される。蒸発器１８と改質器２０とは、接続管１０２を介した第２接続部３７ｂのみによって接続されている。また、接続管１０２は、区画壁４４に設けられた貫通孔４４ｄ（図４、図６及び図７）に挿通されることで、蒸発器収容室３４と改質器収容室４２とに亘って延在するが、接続管１０２と区画壁４４とは接続（接合）されていない。

改質器２０では、水蒸気及び原燃料から水素を生成する水蒸気改質反応を生じさせて、燃料ガスを生成する。改質器２０及び該改質器２０の内部に設けられた改質触媒（不図示）が、例えば、約６００℃～７００℃である場合に安定して水蒸気改質反応を生じさせることができる。また、水蒸気改質反応は、吸熱反応であること等から、改質器２０で良好に燃料ガスを生成するためには、該改質器２０の外部から継続的に熱を加えることが好ましい。

本実施形態では、上記の通り、改質器収容室４２の内部における燃焼排ガスとの熱交換により改質器２０に外部から継続的に熱を加えることができる。また、改質器２０と排ガス燃焼室２６とが共有の共有壁４０とを有することにより、排ガス燃焼室２６の熱を改質器２０に継続的に加えることができる。これらによって、水蒸気改質反応を良好に生じさせて、燃料ガスを得ることができる。改質器２０で得られた燃料ガスは、改質器２０と燃料電池２４とを接続して燃料ガス系流路７６の一部を形成する燃料ガス供給配管１０４を介して燃料電池２４に供給される。

図１に示すように、燃料ガス供給配管１０４の上流側は、改質器収容室４２の内部で改質器２０に接続される。また、燃料ガス供給配管１０４の下流側は、補機ケース２８の外側且つケーシング１４の内側で燃料電池２４に接続される。図１、図３、図４、図７に示すように、燃料ガス供給配管１０４の上流側と下流側の間は、補機ケース２８（改質器収容室４２）の側壁（周壁）を貫通し、この貫通部分において燃料ガス供給配管１０４と補機ケース２８とが接続されている。燃料ガス供給配管１０４と、補機ケース２８の側壁との接続箇所である第３接続部３７ｃのみによって、改質器２０と補機ケース２８とが接続されている。

基本的には上記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、燃料電池ユニット１２を流通する流体の流れに沿って説明する。

図２に示すように、燃料電池モジュール１０の運転時には、酸化剤ガス供給源から不図示の酸化剤ガス導入配管を介して熱交換器１６に酸化剤ガスが供給される。また、燃料ガス供給源からの原燃料と、水供給源からの水とが原燃料導入配管１００を介して蒸発器１８の内部に供給される。

熱交換器１６に供給された酸化剤ガスは、燃焼排ガスとの熱交換により加熱された後、図１に示すように、酸化剤ガス供給配管９８を通って燃料電池２４の各発電セル６０に設けられた酸化剤ガス系流路７４にそれぞれ供給される。

一方、蒸発器１８の内部に供給された原燃料及び水は、蒸発器収容室３４における蒸発器１８の壁部を介して燃焼排ガスと熱交換することにより加熱される。これによって昇温した原燃料と、水が蒸発して生成された水蒸気とは、接続管１０２を通って改質器２０の内部に供給される。

改質器２０では、原燃料及び水蒸気を水蒸気改質反応させることにより燃料ガスを生成する。この際、改質器２０は、改質器収容室４２において燃焼排ガスと熱交換することや、共有壁４０を介して排ガス燃焼室２６の熱が伝えられることにより、好適な動作温度に維持されている。また、上記の通り蒸発器１８で加熱された原燃料が水蒸気とともに改質器２０に供給されるため、未加熱の原燃料が供給される場合に比して、改質器２０の温度を良好に高温に維持することができる。改質器２０で得られた燃料ガスは、燃料ガス供給配管１０４を通って燃料電池２４の各発電セル６０に設けられた燃料ガス系流路７６にそれぞれ供給される。

燃料電池２４の各発電セル６０では、熱交換器１６を介して酸化剤ガス供給配管９８から供給された酸化剤ガスと、蒸発器１８及び改質器２０を介して燃料ガス供給配管１０４から供給された燃料ガスとを電気化学反応させて発電する。また、電気化学反応で消費されなかった酸化剤ガスを酸化剤排ガスとして酸化剤排ガス配管８０に排出し、電気化学反応で消費されなかった燃料ガスを燃料排ガスとして燃料排ガス配管７８に排出する。

燃料排ガス配管７８に排出された燃料排ガスは、図３に示すように、排ガス燃焼室２６の第３室３３（流路空間８２）の内部に設けられた燃料排ガス配管７８の下流側を通って燃料排ガスノズル２２ａに供給される。燃料排ガスノズル２２ａは、燃料排ガス噴射孔８８から燃焼空間８６の内部に略水平方向に燃料排ガスを噴射する。

一方、酸化剤排ガス配管８０に排出された酸化剤排ガスは、第３室３３内の上部において酸化剤排ガス流路５０の一部を形成する流路空間８２に流入する。流路空間８２では、整流カバー９２に設けられた酸化剤排ガス入口９２ｄを介して整流カバー９２と仕切板８４との間に酸化剤排ガスが流入する。そして、仕切板８４に設けられた酸化剤排ガス噴射孔９０を介して、第３室３３の下部に設けられた燃焼空間８６に酸化剤排ガスが噴射される。

このように噴射される酸化剤排ガスは、上記の通り、燃料排ガスノズル２２ａの径方向の外側に向かいながら下側に流通するため、酸化剤排ガスが燃料排ガス噴射孔８８に向かって吹き付けられることを回避できる。つまり、排ガス燃焼室２６の内部において、燃料排ガスの燃焼により生じる火炎が、酸化剤排ガスによって吹き消されることを抑制でき、酸化剤排ガス及び燃料排ガスの燃焼反応を良好に生じさせることが可能になる。

また、上記のようにして、燃料排ガス噴射孔８８から噴射された燃料排ガスと、酸化剤排ガス噴射孔９０から噴射された酸化剤排ガスとは、排ガス燃焼室２６内を流通しながら燃焼することによって燃焼排ガスとなる。排ガス燃焼室２６の内部には、上記の通り、第３室３３側から第１室３０側まで鉛直方向に延在するガイド壁５４が設けられている。

このガイド壁５４によって、燃料排ガス及び酸化剤排ガスは、排ガス燃焼室２６の上側（第３室３３の燃焼空間８６及び第２室３２側）から下側の第１室３０に向かって流通するように導かれながら燃焼する。つまり、ガイド壁５４は、例えば、燃料排ガス噴射孔８８から噴射された燃料排ガスと、酸化剤排ガス噴射孔９０から噴射された酸化剤排ガスが、第２室３２の燃焼室出口３８（図４及び図７）に直接向かうことを抑制できる。

排ガス燃焼室２６で生じた燃焼排ガスは、図４及び図７に示す第２室３２の燃焼室出口３８から、改質器２０の外壁面と改質器収容室４２の内壁面との間に排出される。改質器収容室４２の内部において、燃焼排ガスは、改質器２０の外壁面と改質器収容室４２の内壁面との間に形成された空間を流通する。これによって、図３の改質器２０の共有壁４０を除く外壁面（外底面２０ａ、外周面２０ｂ、外上面２０ｃ）を介して改質器２０と燃焼排ガスとが熱交換されるため、改質器２０が効率的に加熱される。

改質器収容室４２を流通した燃焼排ガスは、区画壁４４の収容室連通口４４ｂを介して蒸発器収容室３４に流入する。図３に示すように、蒸発器収容室３４の内部では、第１室３０の第１外周壁３０ｂと蒸発器１８との間や、第１室３０の第１底壁３０ｃと補機ケース２８の内底面との間の空間３６を燃焼排ガスが流通する。これによって、蒸発器１８が燃焼排ガスとの熱交換により加熱されるため、上記の通り、蒸発器１８の内部で原燃料が加熱されるとともに水蒸気が生成される。また、燃焼排ガスと第１壁３０ａとが熱交換して、排ガス燃焼室２６が保温される。

蒸発器収容室３４を流通した燃焼排ガスは、補機ケース２８の底壁２８ａに設けられた燃焼排ガス出口９４から燃焼排ガス配管９６を通って、図１の熱交換器１６に供給される。熱交換器１６において酸化剤ガスと熱交換し、該酸化剤ガスを加熱した後の燃焼排ガスは、例えば、不図示の凝縮器に供給され、該燃焼排ガスに含まれる水分が回収された後、燃料電池モジュール１０の外部に排気される。

この際、上記の通り、燃焼排ガスは、酸化剤排ガスと燃料排ガスとを燃焼反応させて生成されたものであり、未消費の燃料ガス（燃料排ガス）の含有量が十分に低くなっている。このため、燃焼排ガスとともに未消費の燃料ガスが排気されることを容易に抑制できる。

以上から、本実施形態に係る燃料電池モジュール１０では、改質器２０及び蒸発器１８が、排ガス燃焼室２６の温度よりも低い温度で動作する。このため、改質器２０及び蒸発器１８のそれぞれを、排ガス燃焼室２６の外周の少なくとも一部を囲むように配設することで、排ガス燃焼室２６の熱を改質器２０及び蒸発器１８に伝えることができる。これによって、排ガス燃焼室２６の壁部（第１壁３０ａ、第２壁３２ａ、第３壁３３ａ）等が過度に昇温することを抑制できるため、燃料電池モジュール１０の動作時に、排ガス燃焼室２６の壁部等がその耐久性が低下するような温度（以下、回避温度ともいう）まで昇温することを抑制できる。

改質器２０及び蒸発器１８のそれぞれの外周と、補機ケース２８との間には間隔が設けられている。また、蒸発器１８及び改質器２０のそれぞれは、延在方向の一端と他端とが互いに離間する形状である。さらに、蒸発器１８と補機ケース２８とは１箇所の第１接続部３７ａのみにより接続され、蒸発器１８と改質器２０とは１箇所の第２接続部３７ｂのみにより接続され、改質器２０と補機ケース２８とは１箇所の第３接続部３７ｃのみによって接続されている。つまり、改質器２０と、蒸発器１８と、補機ケース２８とのそれぞれの拘束が必要最低限となっている。

これらから、補機ケース２８内において、蒸発器１８及び改質器２０のそれぞれは、拘束の少ない自由な変形（応力の発生が抑制された変形）をし易くなっている。このため、改質器２０、蒸発器１８、補機ケース２８、第１接続部３７ａ、第２接続部３７ｂ、第３接続部３７ｃ等のそれぞれに、温度変化による熱ひずみが生じても熱応力が生じることを抑制できる。従って、この燃料電池モジュール１０によれば、温度変化による耐久性の低下を抑制することができる。

上記の実施形態に係る燃料電池モジュール１０では、補機ケース２８及び排ガス燃焼室２６を形成する壁部の少なくとも一部（例えば、底壁２８ａ、第１底壁３０ｃ、上壁３３ｂ、区画壁４４、上壁４６、改質器２０の上壁及び底壁等）に、熱変形を吸収する凹凸部３１ａ～３１ｉが設けられていることとした。この場合、補機ケース２８や排ガス燃焼室２６を形成する壁部の温度が変化しても、該補機ケース２８や壁部に熱応力が生じることを抑制できるため、一層効果的に燃料電池モジュール１０の耐久性を高めることができる。

上記の実施形態に係る燃料電池モジュール１０では、排ガス燃焼室２６は、互いに連通する第１室３０及び第２室３２と、排ガス燃焼室２６内の燃焼排ガスを排出する燃焼室出口３８と、を有し、第１室３０の外壁面の少なくとも一部は、蒸発器１８と間隔をおいて対向し、第１室３０の外壁面と蒸発器１８との間には、燃焼室出口３８から排出された燃焼排ガスが流通可能であり、第２室３２を形成する第２壁３２ａ（壁部）の少なくとも一部は、改質器２０と共有の共有壁４０であることとした。

この場合、排ガス燃焼室２６の熱が共有壁４０から改質器２０に直接伝えられるため、排ガス燃焼室２６の温度が、改質器２０の温度を超えて上昇すること、すなわち、回避温度となることを効果的に抑制できる。この際、改質器２０は、回避温度より低い所定の高温域で動作するため、排ガス燃焼室２６の温度が過度に低下することも抑制できる。さらに、排ガス燃焼室２６の熱を利用して改質器２０を加熱することもできる。なお、上記の実施形態では、排ガス燃焼室２６が第３室３３を備えることとしたが、排ガス燃焼室２６は、第３室３３を備えず、第２室３２に燃焼器２２が設けられることとしてもよい。

また、蒸発器１８と、排ガス燃焼室２６の第１室３０の外壁面との間に燃焼排ガスが流通するため、改質器２０等に比して低い動作温度の蒸発器１８との熱交換により降温した燃焼排ガスと第１室３０とをさらに熱交換させることができる。これによっても、排ガス燃焼室２６が回避温度となることを効果的に抑制できる。この際、第１室３０の外壁面と蒸発器１８とが離間して配置されることで、排ガス燃焼室２６の壁部が蒸発器１８によって過度に冷やされることも抑制できる。

上記の実施形態に係る燃料電池モジュール１０では、補機ケース２８は、第１室３０及び蒸発器１８を収容する蒸発器収容室３４と、第２室３２及び改質器２０を収容する改質器収容室４２と、蒸発器収容室３４と改質器収容室４２とを区画する区画壁４４と、を有し、第２室３２に燃焼室出口３８が設けられ、燃焼室出口３８は、排ガス燃焼室２６内の燃焼排ガスを、改質器２０の外壁面と改質器収容室４２の内壁面との間に流出可能とし、区画壁４４には、改質器収容室４２で改質器２０と熱交換した燃焼排ガスを蒸発器収容室３４に流通可能とする収容室連通口４４ｂが設けられ、蒸発器収容室３４には、第１室３０及び蒸発器１８と熱交換した燃焼排ガスを蒸発器収容室３４から排出する燃焼排ガス出口９４が設けられることとした。

この場合、燃焼室出口３８から流出した高温の燃焼排ガスを、改質器収容室４２での改質器２０との熱交換により降温させた後に、収容室連通口４４ｂを介して蒸発器収容室３４へと流入させることができる。このため、蒸発器収容室３４では、上記の通り降温させた燃焼排ガスと第１室３０とを熱交換させることができ、排ガス燃焼室２６が回避温度となることを一層効果的に抑制できる。また、排ガス燃焼室２６の熱を利用して改質器２０や蒸発器１８を良好に加熱することができる。

上記の実施形態に係る燃料電池モジュール１０では、改質器２０の両端部同士の間に燃焼室出口３８が設けられ、第２室３２を形成する周壁の全体と、改質器２０の内周壁の全体とが共有壁４０であることとした。この場合、排ガス燃焼室２６の熱を改質器２０に一層良好に伝えることができるため、排ガス燃焼室２６の壁部が回避温度となることを効果的に抑制できる。また、排ガス燃焼室２６の熱を効果的に利用して改質器２０を加熱することができる。

上記の実施形態に係る燃料電池モジュール１０では、排ガス燃焼室２６の外底面と、補機ケース２８の内底面との間に、空間３６が形成されることとした。この場合、空間３６の断熱効果によって排ガス燃焼室２６の熱が補機ケース２８に伝わることを抑制できるため、補機ケース２８の温度上昇を抑制できる。その結果、補機ケース２８、第１接続部３７ａ、第３接続部３７ｃ等に、熱応力が生じることや、耐久性を低下させるような変形が生じることを効果的に抑制できる。

上記の実施形態に係る燃料電池モジュール１０では、排ガス燃焼室２６の外底面と、補機ケース２８の内底面との間に形成される空間３６には、燃焼排ガスが流通可能であることとした。この場合、排ガス燃焼室２６の第１底壁３０ｃと燃焼排ガスとの熱交換によっても、排ガス燃焼室２６の温度上昇を抑制することができる。これによって、排ガス燃焼室２６が回避温度となることをさらに効果的に抑制できる。

本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改変が可能である。

１０…燃料電池モジュール １８…蒸発器
２０…改質器 ２２…燃焼器
２４…燃料電池 ２６…排ガス燃焼室
２８…補機ケース ３０…第１室
３１ａ～３１ｉ…凹凸部 ３２…第２室
３２ａ…第２壁 ３３…第３室
３４…蒸発器収容室 ３６…空間
３７ａ…第１接続部 ３７ｂ…第２接続部
３７ｃ…第３接続部 ３８…燃焼室出口
４０…共有壁 ４２…改質器収容室
４４…区画壁 ４４ｂ…収容室連通口
９４…燃焼排ガス出口

Claims (7)

1. 燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されることで発電し、燃料排ガス及び酸化剤排ガスを排出する燃料電池と、
   炭化水素を主体とする原燃料を、水蒸気を用いて改質し、前記燃料電池に供給する前記燃料ガスを生成する改質器と、
   水を蒸発させて、前記改質器に供給する前記水蒸気を生成する蒸発器と、
   前記燃料排ガスと前記酸化剤排ガスとを排ガス燃焼室の内部で燃焼させて、燃焼排ガスとする燃焼器と、
   前記排ガス燃焼室の少なくとも一部、前記改質器及び前記蒸発器を収容する補機ケースと、
   を備える燃料電池モジュールであって、
   互いに隣接して設けられる前記改質器及び前記蒸発器のそれぞれは、その並列方向視で前記排ガス燃焼室の外周の少なくとも一部を囲む方向に延在し、
   前記補機ケースは、前記改質器及び前記蒸発器の外周を、間隔を置いて囲み、
   前記蒸発器の延在方向の両端部同士は離間し、
   前記蒸発器と前記補機ケースとは、１箇所の第１接続部のみにより接続され、
   前記蒸発器と前記改質器とは、１箇所の第２接続部のみにより接続され、
   前記改質器の延在方向の両端部同士は離間し、
   前記改質器と前記補機ケースとは、１箇所の第３接続部のみにより接続される、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、
   前記補機ケース及び前記排ガス燃焼室を形成する壁部の少なくとも一部に、熱変形を吸収する凹凸部が設けられている、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、
   前記排ガス燃焼室は、互いに連通する第１室及び第２室と、該排ガス燃焼室内の前記燃焼排ガスを排出する燃焼室出口と、を有し、
   前記第１室の外壁面の少なくとも一部は、前記蒸発器と間隔をおいて対向し、
   前記第１室の外壁面と前記蒸発器との間には、前記燃焼室出口から排出された前記燃焼排ガスが流通可能であり、
   前記第２室を形成する壁部の少なくとも一部は、前記改質器と共有の共有壁である、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、
   前記補機ケースは、前記第１室及び前記蒸発器を収容する蒸発器収容室と、前記第２室及び前記改質器を収容する改質器収容室と、前記蒸発器収容室と前記改質器収容室とを区画する区画壁と、を有し、
   前記第２室に前記燃焼室出口が設けられ、該燃焼室出口は、前記排ガス燃焼室内の前記燃焼排ガスを、前記改質器の外壁面と前記改質器収容室の内壁面との間に流出可能とし、
   前記区画壁には、前記改質器収容室で前記改質器と熱交換した前記燃焼排ガスを前記蒸発器収容室に流通可能とする収容室連通口が設けられ、
   前記蒸発器収容室には、前記第１室及び前記蒸発器と熱交換した前記燃焼排ガスを前記蒸発器収容室から排出する燃焼排ガス出口が設けられる、燃料電池モジュール。
5. 請求項３又は４記載の燃料電池モジュールにおいて、
   前記改質器の前記両端部同士の間に前記燃焼室出口が設けられ、
   前記第２室を形成する周壁の全体と、前記改質器の内周壁の全体とが前記共有壁である、燃料電池モジュール。
6. 請求項１～５の何れか１項に記載の燃料電池モジュールにおいて、
   前記排ガス燃焼室の外底面と、前記補機ケースの内底面との間には、空間が形成される、燃料電池モジュール。
7. 請求項６記載の燃料電池モジュールにおいて、
   前記排ガス燃焼室の外底面と、前記補機ケースの内底面との間に形成される前記空間には、前記燃焼排ガスが流通可能である、燃料電池モジュール。

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