JP7382209B2 - 燃料電池モジュール - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池モジュールに関する。

燃料電池モジュールでは、原燃料ガス及び空気を利用して発電を行う。この際、原燃料ガスには硫黄成分が微量に含まれており、この硫黄成分が改質器や燃料電池セルスタックにとって被毒の原因となるため、改質器や燃料電池セルスタックに供給する前に脱硫器により硫黄成分を除去することが行われている。このような脱硫器の構成として、従来は物理吸着方法の脱硫器が用いられていたが、近年メンテナンスフリーの要請から、より硫黄捕捉容量の大きい水素添加脱硫方式（水添脱硫方式）の脱硫器が採用されている。水添脱硫方式では、原燃料ガスを改質器で改質して生成された水素含有ガスの一部を還流させ、原燃料ガスに合流させた後に、脱硫器に供給させる。

このような脱硫器を備えた燃料電池モジュールの構成として、例えば、特許文献１には、改質器と燃料電池セルスタックがハウジング内に収容され、改質器からハウジングを通って脱硫器まで延びる水添脱硫器用水素取出管（還流ガス流路）を設け、この水添脱硫器用水素取出管を通じて水素を含む燃料ガスを脱硫器に還流させる構成が開示されている。

特開２０１８－１２９２４５号公報

ここで、特許文献１に記載された構成では、水添脱硫器用水素取出管がハウジングを貫通しているため、ハウジングと水添脱硫器用水素取出管の間に十分なシール性を持たせる必要があるとともに、貫通部における熱応力に対する信頼性を向上する必要がある。このため、貫通部の構成が複雑になったり、溶接個所が増えるなど製造に手間がかかったりするという問題があった。

本発明は上記の問題に鑑みなされたものであり、その目的は、還流ガス流路がハウジングを貫通することのない燃料電池モジュールを提供することを目的とする。

本発明の燃料電池モジュールは、ハウジングと、ハウジングの外部に配置された燃料電池セルスタックと、ハウジングの外部に配置された脱硫器と、ハウジングの内部に配置され、原燃料ガスを改質して、水素を含有する燃料ガスを生成し、燃料電池セルスタックに供給する改質器と、ハウジングの内部に配置され、燃料電池セルスタックにおいて発電に使用されずに残った燃料ガスを燃焼させ、改質器を加熱する燃焼器と、改質器で生成された水素を含有する燃料ガスを燃料電池セルスタックに供給するための燃料ガス供給流路と、燃料電池セルスタックから燃料ガスを燃焼器に供給する燃料ガス排出流路と、脱硫器へ燃料ガスの一部を供給する還流ガス流路と、を備え、還流ガス流路は、燃料ガス供給流路、又は、燃料ガス排出流路から分岐され、ハウジングを貫通することなく、脱硫器へ延びる、ことを特徴とする。
上記構成の本発明によれば、燃料電池セルスタックがハウジングの外部に配置されているため、燃料ガス供給流路及び燃料ガス排出流路の一部がハウジングの外部に位置する。このため、還流ガス流路を燃料ガス供給流路又は燃料ガス排出流路のハウジングの外部の部分から分岐することができ、脱硫器に燃料ガスを還流する還流ガス流路がハウジングを貫通しない構成とすることができる。

本発明において、好ましくは、還流ガス流路は、燃料ガス排出流路から分岐され、脱硫器へ延びる。
上記構成の本発明によれば、燃料電池セルスタックの下流側から燃料ガスを取り出しているため、燃料電池セルスタックに改質器から供給される燃料ガスの全量を供給することができることで、燃料電池セルスタックの実効燃料利用率を下げ、発電効率を向上させることができる。

本発明において、好ましくは、還流ガス流路は、燃料ガス供給流路から分岐され、脱硫器へ延びる。
上記構成の本発明によれば、燃料ガス排出流路を流れる燃料ガスよりも低温の燃料ガス供給流路を流れる燃料ガスを脱硫器に供給するため、燃料電池モジュールから外部への熱損失を低減することができる。

本発明において、好ましくは、還流ガス流路を通じて脱硫器へ供給される燃料ガスの一部と、燃料電池セルスタックに供給される酸化剤ガスとの間で熱交換する熱交換部を備える。
脱硫器へ供給される還流ガスは高温である必要はない。このため、上記構成の本発明によれば、脱硫器へ供給される還流ガス（燃料ガスの一部）と酸化剤ガスとで熱交換するため、還流ガスの熱により酸化剤ガスを加熱することができ、燃料電池モジュールの熱効率を向上することができる。

本発明の燃料電池モジュールは、ハウジングと、ハウジングの外部に配置された燃料電池セルスタックと、ハウジングの外部に配置された脱硫器と、ハウジングの内部に配置され、原燃料ガスを改質して、水素を含有する燃料ガスを生成し、燃料電池セルスタックに供給する改質器と、ハウジングの内部に配置され、燃料電池セルスタックにおいて発電に使用されずに残った燃料ガスを燃焼させ、改質器を加熱する燃焼器と、改質器で生成された水素を含有する燃料ガスを燃料電池セルスタックに供給するための燃料ガス供給流路と、燃料電池セルスタックから燃料ガスを燃焼器に供給する燃料ガス排出流路と、脱硫器へ燃料ガスの一部を供給する還流ガス流路と、燃料電池セルスタックへ酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路と、を備え、還流ガス流路は、燃料ガス供給流路、又は、燃料ガス排出流路から分岐され、ハウジングを貫通することなく、脱硫器へ延び、酸化剤ガス流路には、ハウジングの外部に配置され、酸化剤ガスと還流ガス流路を流れる燃料ガスの一部とが熱交換する第１の熱交換部と、第１の熱交換部の下流かつハウジングの内部に配置され、燃焼器で燃焼された燃焼排ガスと酸化剤ガスとが熱交換する第２の熱交換部と、が設けられている、ことを特徴とする。
上記構成の本発明によれば、第１の熱交換部において、脱硫器へ供給される還流ガス（燃料ガスの一部）と酸化剤ガスとで熱交換するため、還流ガスの熱により酸化剤ガスを加熱することができ、燃料電池モジュールの熱効率を向上することができるとともに、第２の熱交換部において酸化剤ガスをさらに加熱することができ、より燃料電池モジュールの熱効率を向上することができる。

本発明によれば、水添脱硫器用水素取出管がハウジングを貫通することのない燃料電池モジュールを提供することができる。

本発明の第１実施形態による燃料電池モジュールの概略構成を示すブロック図である。 本発明の第１実施形態による燃料電池モジュールの概略構成を示す斜視図である。 本発明の第１実施形態による燃料電池モジュールの概略構成を示す側面図である。 本発明の第１実施形態による燃料電池モジュールの概略構成を示す正面図である。 本発明の第１実施形態による燃料電池モジュールの概略構成を示し、燃料排出流路を通る横断面図である。 本発明の第２実施形態による燃料電池モジュールの概略構成を示すブロック図である。 本発明の第２実施形態による燃料電池モジュールの概略構成を示す斜視図である。 本発明の第２実施形態による燃料電池モジュールの概略構成を示す燃料供給流路を通る横断面図である。 本発明の第３実施形態による燃料電池モジュールの概略構成を示すブロック図である。

＜第１実施形態＞
以下、本発明の第１実施形態による燃料電池モジュールを図面を参照しながら、詳細に説明する。図１～図５は、本発明の第１実施形態による燃料電池モジュールの概略構成を示し、図１はブロック図、図２は斜視図、図３は側面図、図４は正面図、図５は燃料排出流路を通る横断面図である。

図１～図５に示すように、本発明の実施形態による燃料電池モジュール１は、発電反応を行う燃料電池セルスタック２と、蒸発器４と、ハウジング６と、ハウジング６の内部に配置された改質器８と、ハウジング６の内部に配置された燃焼器１０と、脱硫器１２とを備える。

脱硫器１２には、原燃料ガスを供給するための原燃料ガス供給配管２２と、脱硫器１２から脱硫処理が行われた原燃料ガスを蒸発器４に供給するための原燃料ガス流路２１と、後述する燃料排出流路３４から分岐した還流ガス流路３７とが接続されている。脱硫器１２には、原燃料ガス流路２１から原燃料ガスが供給されるとともに、還流ガス流路３７から水素を含有する残燃料ガスの一部が供給される。脱硫器１２は、水添脱硫反応により原燃料ガスに含まれる硫黄成分を脱硫する。脱硫処理が行われた原燃料ガスは、原燃料ガス流路２１を介して蒸発器４の蒸発室４ａに供給される。原燃料ガス流路２１は配管内に形成されている。

蒸発器４には、水を供給するための水供給用配管２０と、脱硫器１２から原燃料ガスを供給するための原燃料ガス流路２１と、排気ガスを排出するための排気ガス排出管２３が接続されている。また、蒸発器４には、ハウジング６から蒸発器４へ排気ガスを供給する排気ガス配管２６と、蒸発器４から改質器８へ混合ガスを供給する混合ガス導管２８とが接続されている。排気ガス配管２６と混合ガス導管２８とは二重管構造になっており、排気ガス配管２６の内側に混合ガス導管２８が配置されている。

蒸発器４は、内部空間が上方の蒸発室４ａと、下方の加熱室４ｂとに区切られている。蒸発室４ａには、水供給用配管２０から水が供給されるとともに、脱硫器１２から原燃料ガス流路２１を介して脱硫処理が施された原燃料ガスが供給される。また、加熱室４ｂには、排気ガス配管２６を通じて排気ガスが供給される。そして、蒸発器４は、排気ガス配管２６を通じて加熱室４ｂに供給された排気ガスの熱により、水供給用配管２０から蒸発室４ａに供給された水を蒸発させて水蒸気を生成すると共に、この水蒸気を原燃料ガス供給配管２２から供給された原燃料ガスと混合するように構成されている。蒸発器４において水蒸気と混合された原燃料ガスは、混合ガス導管２８を通じて改質器８に供給される。なお、水を加熱した排気ガスは排気ガス排出管２３を通じて外部に排出される。

ハウジング６は金属製の容器からなり、内側の下部に燃焼器１０が配置され、燃焼器１０の上方に改質器８が配置されている。このハウジング６は燃料電池セルスタック２の上方に配置されている。燃料電池セルスタック２、蒸発器４、及びハウジング６は、断熱材（図示せず）によって包囲されているとともに、燃料電池セルスタック２とハウジング６との間にも断熱材が設けられているため、燃料電池セルスタック２は、ハウジング６から熱的に隔離されている。この燃料電池セルスタック２及びハウジング６を包囲している断熱材は、燃料電池モジュール１の最表面を構成しており、断熱材の外側を覆う金属製の容器等は設けられていてもよいが、設けられていなくてもよい。

ハウジング６は、二重壁構造となっており内壁と外壁の間に空気流路６Ａが形成されている。ハウジング６の天面には空気供給パイプ２４が接続されており、外部から空気供給パイプ２４を通じて酸化剤ガスとしての空気が供給される。空気流路６Ａに供給された空気（酸化剤ガス）は、空気流路６Ａを流れる間に、燃焼器１０の燃焼熱により加熱される。空気流路６Ａ内において加熱された空気は、酸化剤ガス供給流路３２を介して燃料電池セルスタック２に供給される。後述するようにハウジング６内では燃焼器１０により燃料電池セルスタック２において発電に使用されなかった燃料ガス及び酸化剤ガスが燃焼されて高温の燃焼排ガスが発生する。そして、この燃焼排ガスと空気流路６Ａを流れる酸化剤ガスとの間で壁面を介して熱交換が行われる。すなわち、このハウジング６の内壁を介して、酸化剤ガスと燃焼器１０で燃焼されて生じた燃焼排ガスとの間で熱交換を行う熱交換部が形成されている。

ハウジング６と燃料電池セルスタック２との間には、改質器８から燃料電池セルスタック２の燃料ガスを供給する燃料供給流路３０が設けられ、ハウジング６の空気流路６Ａから加熱された空気を燃料電池セルスタック２に供給する酸化剤ガス供給流路３２が設けられている。また、ハウジング６と燃料電池セルスタック２との間には、燃料電池セルスタック２において発電に使用されなかったオフガスである残燃料ガスを燃焼器１０に供給するための燃料排出流路３４と、燃料電池セルスタック２において発電に使用されなかった酸化剤ガスを燃焼器１０に供給するための酸化剤ガス排出流路３６が接続されている。燃料供給流路３０、酸化剤ガス供給流路３２、燃料排出流路３４、及び、酸化剤ガス排出流路３６は配管内に形成されており、その一部がハウジング６の外部に位置している。

改質器８には、改質触媒（図示せず）が充填されており、蒸発器４から混合ガス導管２８を通じて水蒸気が混合された原燃料ガスが供給され、燃焼器１０の燃焼熱により原燃料ガスを水蒸気改質して、水素を豊富に含む燃料ガスを生成するように構成されている。改質器８において生成された燃料ガスは燃料電池セルスタック２に送られ、燃料電池セルスタック２において発電に使用される。この燃料ガスは、改質器８と燃料電池セルスタック２の間に延びる燃料供給流路３０を介して燃料電池セルスタック２に供給される。ここで、改質器８はハウジング６内に収容され、ハウジング６は断熱材によって包囲されているので、燃料ガスを供給する燃料供給流路３０は、ハウジング６及び断熱材を貫通して燃料電池セルスタック２へ延びている。

燃焼器１０は、燃料電池セルスタック２において発電に使用されずに残った残余燃料ガス及び残余空気（残余酸化剤ガス）を燃焼させるように構成されている。燃料電池セルスタック２において発電に使用されずに残った燃料は、燃焼器１０と燃料電池セルスタック２の間に延びる燃料排出流路３４を介して燃焼器１０へ排出される。この燃料排出流路３４も、ハウジング６及び断熱材を貫通して燃料電池セルスタック２から燃焼器１０へ延びている。燃焼器１０へ排出された残余燃料は、燃焼器１０によって燃焼され、燃焼器１０の上方に配置された改質器８を加熱する。これにより、改質器８内の改質触媒（図示せず）が水蒸気改質可能な温度に加熱される。

一方、発電用の酸化剤ガスである空気も外部から空気供給パイプ２４を通じてハウジング６に供給され、空気流路６Ａを通る間に燃焼器１０の燃焼熱によって加熱され、高温になった状態で燃料電池セルスタック２へ供給される。ハウジング６において加熱された発電用の空気は、ハウジング６から延びる酸化剤ガス供給流路３２を介して燃料電池セルスタック２に供給される。この酸化剤ガス供給流路３２も、ハウジング６を包囲する断熱材を貫通してハウジング６から燃料電池セルスタック２へ延びている。

燃料電池セルスタック２は、平板型セルスタックであり、複数の長方形の平板型燃料電池セル２ａを横方向に積層して構成されている。燃料電池セルスタック２は、ハウジング６の外部に独立して設けられている。各燃料電池セル２ａは、酸化物イオン導電体で構成された平板状の電解質の両面に、燃料極及び空気極（酸化剤ガス極）の電極を夫々設けることにより構成され、各燃料電池セル２ａの間にはセパレータ２ｂが配置されている。また、積層された複数の燃料電池セル２ａの一端にはトップエンドプレート２ｃが配置され、他端にはボトムエンドプレート２ｄが配置されている。このように複数の燃料電池セル２ａを積層して得られた燃料電池セルスタック２の内部には、各燃料電池セル２ａに燃料ガスを供給するための燃料ガス供給流路（図示せず）と、酸化剤ガスである空気を供給するための酸化剤ガス供給流路（図示せず）が形成されている。トップエンドプレート２ｃに、燃料供給流路３０及び酸化剤ガス供給流路３２と、燃料排出流路３４及び酸化剤ガス排出流路３６と、が接続されている。トップエンドプレート２ｃにおいて、燃料供給流路３０及び燃料排出流路３４は各燃料電池セル２ａに燃料ガスを供給するための燃料ガス供給流路に接続されており、酸化剤ガス供給流路３２及び酸化剤ガス排出流路３６が、各燃料電池セル２ａに酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給流路に接続されている。各燃料電池セル２ａには、燃料供給流路３０及び酸化剤ガス供給流路３２を通じて燃料ガス及び酸化剤ガスが供給され、燃料電池セルによる発電が行われる。燃料電池セルスタック２において発電に使用されなかった残余燃料ガス及び残余酸化剤ガスは、燃料排出流路３４及び酸化剤ガス排出流路３６に排出される。

また、燃料排出流路３４にはハウジング６の外側部位において、還流ガス流路３７が接続されており、燃料排出流路３４が分岐されている。還流ガス流路３７の先端は脱硫器１２に接続されている。燃料電池セルスタック２において発電に使用されなかった水素を含有する残余燃料ガスの一部は供給され、還流ガス流路３７を通じて脱硫器１２に供給され、残余燃料ガスの一部の残部は燃料排出流路３４を通り、燃焼器１０に供給される。

燃料電池セルスタック２に供給され、発電に使用されずに残った残余の燃料ガスは、上述の通り、燃料排出流路３４を介して燃焼器１０へ排出される。また、燃料電池セルスタック２に供給され、発電に使用されずに残った残余の空気は、酸化剤ガス排出流路３６を介して燃焼器１０へ排出される。この酸化剤ガス排出流路３６も、ハウジング６を包囲する断熱材を貫通して燃料電池セルスタック２から燃焼器１０へ延びている。燃焼器１０へ排出された残余空気は、燃焼器１０における燃焼に使用される。燃焼により生成された燃焼ガス（燃焼排ガス）は、排気ガスとして排気ガス配管２６を通じて蒸発器４に排出される。蒸発器４に排出された排気ガスは、水を蒸発するのに用いられた後に、排気ガス排出管２３から外部に排出される。

次に、本発明の第１実施形態による燃料電池モジュール１の作用を説明する。
まず、燃料電池モジュール１の起動時においては、原燃料ガス供給配管２２を介して原燃料ガスが脱硫器１２に供給されると共に、空気供給パイプ２４を介して発電用の空気がハウジング６に供給される。供給された原燃料ガスは、脱硫器１２から原燃料ガス流路２１を通じて蒸発器４の蒸発室４ａに供給され、蒸発器４の蒸発室４ａを通って混合ガス導管２８に流入し、さらに、改質器８の中に流入する。なお、燃料電池モジュール１の起動初期においては、改質器８の温度が低いため、原燃料ガスを改質する反応は発生しない。改質器８に流入した原燃料ガスは、燃料供給流路３０を通って燃料電池セルスタック２の内部に流入する。

一方、空気供給パイプ２４を介してハウジング６に供給された空気は、ハウジング６の空気流路６Ａを通り、さらに、酸化剤ガス供給流路３２を通って燃料電池セルスタック２の内部に流入する。燃料電池セルスタック２内に流入した原燃料ガス及び空気は、内部の流路を通り、燃料排出流路３４及び酸化剤ガス排出流路３６を介して燃焼器１０に排出される。なお、燃料電池モジュール１の起動初期においては、燃料電池セルスタック２の温度が低いため、燃料電池セルスタック２において発電反応は発生しない。

燃料排出流路３４を通って燃焼器１０に流入した原燃料ガスは、酸化剤ガス排出流路３６を介して燃焼器１０に流入した酸化剤ガスとともにハウジング６の内部空間に噴出される。そして、ハウジング６内に噴出した原燃料ガスがセラミックヒータにより点火され、燃焼器１０において原燃料ガスが酸化剤ガスとともに燃焼され、燃焼熱を生成するようになる。

燃焼器１０が点火されると、その上方に配置された改質器８が加熱され、内部の改質触媒の温度が上昇する。また、燃焼により生成される燃焼ガスにより、ハウジング６の空気流路６Ａが加熱され、内部を流れる空気が加熱される。改質器８及び空気流路６Ａにおいて急加熱された燃料ガス及び酸化剤ガスは、燃料供給流路３０及び酸化剤ガス供給流路３２をそれぞれ通過する。

ハウジング６内で生成された燃焼ガスは、排気ガス配管２６を通って排気ガスとして蒸発器４に流入する。蒸発器４内に流入した排気ガスは、水供給用配管２０を通じて蒸発器４に供給された水を蒸発させて水蒸気を発生させた後、排気ガス排出管２３から排出される。

蒸発器４において水蒸気が生成されるようになると、原燃料ガスと水蒸気の混合ガスが、改質器８に供給されるようになる。また、改質器８の温度が十分に上昇すると、改質触媒により水蒸気改質反応が誘発されて、原燃料ガスから水素ガスを豊富に含む燃料ガスが生成される。生成された燃料ガスは、燃料電池セルスタック２に供給される。燃料電池セルスタック２の温度が十分に上昇すると、燃料ガスと、ハウジング６において加熱された空気により発電反応が発生するようになる。燃料電池セルスタック２の温度が発電可能な温度まで上昇した状態において、燃料電池セルスタック２から電力が取り出され、発電が開始される。

また、改質器８において生成された水素ガスを豊富に含む燃料ガスが燃料電池セルスタック２に供給されるようになると、発電に使用されずに燃料電池セルスタック２から燃料排出流路３４に排出された残余燃料ガスにも水素が含有されるようになる。そして、燃料排出流路３４に排出された残余燃料ガスの一部は還流ガス流路３７を通じて脱硫器１２に供給される。これにより、脱硫器１２において原燃料ガス供給配管２２から供給された原燃料ガスが水添脱硫され、脱硫処理が行われた原燃料ガスが原燃料ガス流路２１を介して蒸発器４に供給されるようになる。

本発明の第１実施形態によれば、以下の効果が奏される。
本実施形態では、燃料電池セルスタック２がハウジング６の外部に配置されているため、燃料供給流路３０及び燃料排出流路３４の一部がハウジング６の外部に位置する。このため、還流ガス流路３７を燃料排出流路３４のハウジング６の外部の部分から分岐することができ、脱硫器１２に燃料ガスを還流する還流ガス流路３７がハウジングを貫通しない構成とすることができる。

また、本実施形態では、還流ガス流路３７は、燃料排出流路３４から分岐され、脱硫器１２へ延びている。このように、本実施形態では、燃料電池セルスタック２の下流側の燃料排出流路３４から燃料ガスを取り出しているため、燃料電池セルスタック２に改質器８から供給される燃料ガスの全量を供給することができることで、燃料電池セルスタック２の実効燃料利用率を下げ、発電効率を向上させることができる。

＜第２実施形態＞
以下、本発明の第２実施形態による燃料電池モジュールを図面を参照しながら、詳細に説明する。以下の説明において、第１実施形態と同様の構成については同じ符号を付して詳細な説明を省略する。図６、図７及び図８は、本発明の第２実施形態による燃料電池モジュールの概略構成を示し、図６はブロック図、図７は斜視図、図８は燃料供給流路を通る横断面図である。

図６、図７及び図８に示すように、本実施形態の燃料電池モジュール１０１は、還流ガス流路３７の配置が第１実施形態と異なっている。すなわち、本実施形態では、燃料電池セルスタック２と蒸発器４との間に設けられた燃料排出流路３４は分岐しておらず、燃料電池セルスタック２において発電に使用されなかった水素を含む残余燃料ガスは全て蒸発器４に供給される。また、改質器８と燃料電池セルスタック２との間に設けられた燃料供給流路３０には、ハウジング６の外側部位において、還流ガス流路１３７が接続されており、燃料供給流路３０が分岐されている。

そして、脱硫器１２には、原燃料ガスを供給するための原燃料ガス供給配管２２と、脱硫器１２から脱硫処理が行われた原燃料ガスを蒸発器４に供給するための原燃料ガス流路２１と、燃料供給流路３０から分岐した還流ガス流路１３７とが接続されている。

このような構成により、燃料電池モジュール１０１の発電状態において、改質器８において生成された水素を豊富に含む燃料ガスの一部が燃料供給流路３０から還流ガス流路１３７を通じて脱硫器１２に供給されるとともに、燃料ガスの一部が燃料電池セルスタック２に供給される。そして、脱硫器１２には、原燃料ガス流路２１から原燃料ガスが供給されるとともに、還流ガス流路１３７から水素を含有する残燃料ガスの一部が供給される。脱硫器１２は、水添脱硫反応により原燃料ガスに含まれる硫黄成分を脱硫する。

本発明の第２実施形態によれば、以下の効果が奏される。
本実施形態では、燃料電池セルスタック２がハウジング６の外部に配置されているため、燃料供給流路３０及び燃料排出流路３４の一部がハウジング６の外部に位置する。このため、還流ガス流路１３７を燃料供給流路３０のハウジング６の外部の部分から分岐することができ、脱硫器１２に燃料ガスを還流する還流ガス流路１３７がハウジング６を貫通しない構成とすることができる。

また、本実施形態では、還流ガス流路１３７は、燃料供給流路３０から分岐され、脱硫器１２へ延びている。これにより、燃料排出流路３４を流れる燃料ガスよりも低温の燃料供給流路３０を流れる燃料ガスを脱硫器１２に供給するため、燃料電池モジュール１０１から外部への熱損失を低減することができる。

＜第３実施形態＞
以下、本発明の第３実施形態による燃料電池モジュールを図面を参照しながら、詳細に説明する。以下の説明において、第１実施形態と同様の構成については同じ符号を付して詳細な説明を省略する。図９は、本発明の第２実施形態による燃料電池モジュールの概略構成を示すブロック図である。第１実施形態では、燃料排出流路３４から分岐した還流ガス流路３７は、直接脱硫器１２に接続されていたが、第３実施形態による燃料電池モジュール２０１では、図９に示すように、燃料排出流路３４から分岐した還流ガス流路２３７Ａ、２３７Ｂ、２３７Ｃにサブ熱交換器２４０と燃料再生器２４２とが設けられている。

図９に示すように、第３実施形態による燃料電池モジュール２０１は、第１実施形態の構成に加えてサブ熱交換器２４０及び燃料再生器２４２を備える。これらサブ熱交換器２４０及び燃料再生器２４２はハウジング６の外部に設けられている。

燃料排出流路３４には第１の還流ガス流路２３７Ａが接続されており、燃料排出流路３４が分岐されている。第１の還流ガス流路２３７Ａはサブ熱交換器２４０まで延びている。また、サブ熱交換器２４０には第１の還流ガス流路２３７Ａ及び第２の還流ガス流路２３７Ｂが接続されており、第２の還流ガス流路２３７Ｂは燃料再生器２４２まで延びている。燃料再生器２４２には、第２の還流ガス流路２３７Ｂ及び第３の還流ガス流路２３７Ｃが接続されており、第３の還流ガス流路２３７Ｃは脱硫器１２まで延びている。このように、本実施形態では、燃料排出流路３４から分岐して脱硫器１２まで延びる還流ガス（燃料電池セルスタック２から排出された燃料ガスの一部）が流れる還流ガス流路にサブ熱交換器２４０及び燃料再生器２４２が設けられている。

また、サブ熱交換器２４０には、空気供給パイプ２２４と、空気供給管２２５とが接続されている。空気供給パイプ２２４は、サブ熱交換器２４０からハウジング６まで延びており、ハウジング６内の空気流路６Ａと連通している。空気供給管２２５を通じて外部から酸化剤ガスとしての空気が供給される。サブ熱交換器２４０は、空気供給管２２５を通じて供給された空気と、第１の還流ガス流路２３７Ａを通じて供給された還流ガスとの間で熱交換を行う。サブ熱交換器２４０において熱交換された空気は、空気供給パイプ２２４を通じてハウジング６の空気流路６Ａに供給される。なお、サブ熱交換器２４０の構成は、特に限定されず、空気と還流ガスとの間で熱交換できる構成であればよい。

燃料再生器２４２は、燃料電池セルスタック２からサブ熱交換器２４０を介して供給された燃料ガスを再生する。具体的には、燃料ガスに含まれる水蒸気を凝縮させる。再生処理が行われた燃料ガスは、第３の還流ガス流路２３７Ｃを通じて脱硫器１２へ供給される。なお、燃料再生器２４２は省略することも可能である。

次に、本発明の第３実施形態による燃料電池モジュール２０１の作用を説明する。
本実施形態では、燃料排出流路３４を流れる燃料ガスの一部（還流ガス）が第１の還流ガス流路２３７Ａを通じてサブ熱交換器２４０に供給される。そして、サブ熱交換器２４０において還流ガスと、空気供給管２２５から供給された空気との間で熱交換が行われ、還流ガスの熱が空気へ伝達される。サブ熱交換器２４０において熱交換された還流ガスは、第２の還流ガス流路２３７Ｂを通じて燃料再生器２４２に送られ、再生処理が行われる。そして、再生処理が行われた還流ガスは第３の還流ガス流路２３７Ｃを通じて脱硫器１２に送られ、原燃料ガスを水添脱硫するために利用される。

また、空気供給管２２５を通じてサブ熱交換器２４０に供給された空気は、サブ熱交換器２４０において還流ガスと熱交換することにより加熱される。そして、サブ熱交換器２４０において加熱された空気は、空気供給パイプ２２４を通じてハウジング６に送られる。ハウジング６に供給された空気は、空気流路６Ａにおいて燃焼器１０で発生した燃焼排ガスとの間で熱交換され、酸化剤ガス供給流路３２を通じて燃料電池セルスタック２に供給される。このように、本実施形態では、酸化剤ガスを燃料電池セルスタック２まで供給するための酸化剤ガス流路では、サブ熱交換器２４０及びハウジング６の二か所において熱交換が行われる。

本実施形態によれば、第１実施形態で奏される効果に加えて、以下の効果が奏される。
本実施形態では、還流ガス流路２３７Ａ、２３７Ｂ、２３７Ｃを通じて脱硫器１２へ供給される還流ガスと、燃料電池セルスタック２に供給される空気との間で熱交換するサブ熱交換器２４０を備えるため、還流ガスの熱により空気を加熱することができ、燃料電池モジュール２０１の熱効率を向上することができる。

また、本実施形態によれば、酸化剤ガスをサブ熱交換器２４０において加熱した後、さらに、ハウジング６において加熱することができ、より燃料電池モジュール２０１の熱効率を向上することができる。

なお、本実施形態では、燃料電池セルスタック２から燃焼器１０に延びる燃料排出流路３４から還流ガス流路が分岐しているが、第２実施形態のように、改質器８から燃料電池セルスタック２に延びる燃料供給流路３０にサブ熱交換器２４０を設ける構成としてもよい。

１ 燃料電池モジュール
２ 燃料電池セルスタック
２ａ 燃料電池セル
２ｂ セパレータ
２ｃ トップエンドプレート
２ｄ ボトムエンドプレート
４ 蒸発器
４ａ 蒸発室
４ｂ 加熱室
６ ハウジング
６Ａ 空気流路
８ 改質器
１０ 燃焼器
１２ 脱硫器
２０ 水供給用配管
２１ 原燃料ガス流路
２２ 原燃料ガス供給配管
２３ 排気ガス排出管
２４ 空気供給パイプ
２６ 排気ガス配管
２８ 混合ガス導管
３０ 燃料供給流路
３２ 酸化剤ガス供給流路
３４ 燃料排出流路
３６ 酸化剤ガス排出流路
３７ 還流ガス流路
１０１ 燃料電池モジュール
１３７ 還流ガス流路
２０１ 燃料電池モジュール
２２４ 空気供給パイプ
２２５ 空気供給管
２３７Ａ 第１の還流ガス流路
２３７Ｂ 第２の還流ガス流路
２３７Ｃ 第３の還流ガス流路
２４０ サブ熱交換器
２４２ 燃料再生器

Claims (1)

1. ハウジングと、
   前記ハウジングの外部に配置された燃料電池セルスタックと、
   前記ハウジングの外部に配置された脱硫器と、
   前記ハウジングの内部に配置され、原燃料ガスを改質して、水素を含有する燃料ガスを生成し、前記燃料電池セルスタックに供給する改質器と、
   前記ハウジングの内部に配置され、前記燃料電池セルスタックにおいて発電に使用されずに残った燃料ガスを燃焼させ、前記改質器を加熱する燃焼器と、
   前記改質器で生成された前記水素を含有する燃料ガスを前記燃料電池セルスタックに供給するための燃料ガス供給流路と、
   前記燃料電池セルスタックから前記燃料ガスを前記燃焼器に供給する燃料ガス排出流路と、
   前記脱硫器へ前記燃料ガスの一部を供給する還流ガス流路と、
   前記燃料電池セルスタックへ酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路と、を備え、
   前記還流ガス流路は、前記燃料ガス供給流路、又は、前記燃料ガス排出流路から分岐され、前記ハウジングを貫通することなく、前記脱硫器へ延び、
   前記酸化剤ガス流路には、前記ハウジングの外部に配置され、前記酸化剤ガスと前記還流ガス流路を流れる前記燃料ガスの一部との間で熱交換する第１の熱交換部と、前記第１の熱交換部の下流かつ前記ハウジングの内部に配置され、前記燃焼器で燃焼された燃焼排ガスと前記酸化剤ガスとの間で熱交換する第２の熱交換部と、が設けられている、
   ことを特徴とする燃料電池モジュール。

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