特許 5990397 燃料電池モジュール

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5990397

(24)【登録日】2016年8月19日

(45)【発行日】2016年9月14日

(54)【発明の名称】燃料電池モジュール

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04 20160101AFI20160901BHJP

   H01M 8/12 20160101ALI20160901BHJP

   H01M 8/0612 20160101ALI20160901BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/04 N

   H01M8/04 J

   H01M8/04 Z

   H01M8/12

   H01M8/06 G

【請求項の数】6

【全頁数】22

(21)【出願番号】特願2012-99206(P2012-99206)

(22)【出願日】2012年4月24日

(65)【公開番号】特開2013-229144(P2013-229144A)

(43)【公開日】2013年11月7日

【審査請求日】2014年11月27日

(73)【特許権者】

【識別番号】000005326

【氏名又は名称】本田技研工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100077665

【弁理士】

【氏名又は名称】千葉 剛宏

(74)【代理人】

【識別番号】100116676

【弁理士】

【氏名又は名称】宮寺 利幸

(74)【代理人】

【識別番号】100149261

【弁理士】

【氏名又は名称】大内 秀治

(74)【代理人】

【識別番号】100136548

【弁理士】

【氏名又は名称】仲宗根 康晴

(74)【代理人】

【識別番号】100136641

【弁理士】

【氏名又は名称】坂井 志郎

(74)【代理人】

【識別番号】100169225

【弁理士】

【氏名又は名称】山野 明

(72)【発明者】

【氏名】山本 隼

【審査官】 笹岡 友陽

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００４−２８８４３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１３２１１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−００３９３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−１３２５５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特許第４２０２７３４（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】 特開２００４−１４９４０２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ８／００− ８／２４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項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、
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構成される第１領域と、
前記改質器又は前記熱交換器の一方が構成されるとともに、前記第１領域を環状に周回する第２領域と、
前記改質器又は前記熱交換器の他方が構成されるとともに、前記第２領域を環状に周回する第３領域と、
前記蒸発器が構成されるとともに、前記第３領域を環状に周回する第４領域と、
前記第１領域と前記第２領域との間に配置され、前記第１領域から前記第２領域に前記燃焼ガスを流通させる燃焼ガス連通孔が形成される仕切り部材と、
を備え、
前記仕切り部材の内側には、前記排ガス燃焼器と前記起動用燃焼器とが個別に、且つ同軸に設定されるとともに、前記排ガス燃焼器と前記起動用燃焼器との間には、前記排ガス燃焼器から前記起動用燃焼器への前記燃焼ガスの流通を規制する、又は前記起動用燃焼器から前記排ガス燃焼器への前記燃焼ガスの流通を規制する燃焼ガス流通規制部材が設けられることを特徴とする燃料電池モジュール。

【請求項2】

請求項１記載の燃料電池モジュールにおいて、前記排ガス燃焼器は、前記燃料電池スタックに近接する前記仕切り部材の一方の端部側に設けられるとともに、
前記起動用燃焼器は、前記燃料電池スタックとは反対の前記仕切り部材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。

【請求項3】

請求項１又は２記載の燃料電池モジュールにおいて、前記仕切り部材には、前記燃焼ガス連通孔に隣接して前記燃焼ガス流通規制部材が配置されることを特徴とする燃料電池モジュール。

【請求項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、前記燃焼ガス流通規制部材には、前記燃焼ガスを通過させる燃焼ガス流通孔が設けられることを特徴とする燃料電池モジュール。

【請求項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、前記燃焼ガス流通規制部材には、前記燃焼ガスによる燃焼を促進させるための燃焼触媒が設けられることを特徴とする燃料電池モジュール。

【請求項6】

請求項１〜５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。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

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。

【背景技術】

【0002】

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（以下、ＭＥＡともいう）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。

【0003】

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１５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。

【0004】

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。

【0005】

また、特許文献２に開示された固体酸化物燃料電池は、図１６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。熱交換器２ｂには、低温流体回路ＣＡと高温流体回路ＨＡとが設けられている。低温流体回路ＣＡには、開口部３ｂから低温流体が供給されているとともに、高温流体回路ＨＡには、電池コア１ｂの流体出口４ｂから高温流体（排熱）が供給されている。そして、熱交換器２ｂは、高温流体により低温流体であるカソードエアを昇温している。

【0006】

さらに、特許文献３に開示された燃料電池システムは、図１７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。

【0007】

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。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】特開２００１−２３６９８０号公報

【特許文献2】特表２０１０−５０４６０７号公報

【特許文献3】特開２００４−２８８４３４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

ところで、上記の特許文献１では、反応装置４ａは、始動時に補助バーナとして使用されている。その際、燃料が完全燃焼されて燃焼ガスが発生し、この燃焼ガスにより燃料電池スタック１ａが加熱されている。しかしながら、燃焼ガスは、複数回リターンして燃料電池スタック１ａに供給されており、前記燃焼ガスの温度低下が惹起され易いという問題がある。

【0010】

また、上記の特許文献２では、電池コア１ｂに供給されるカソードエアの昇温に排熱が用いられており、昇温に用いられた排熱は、電池コア１ｂの直上の排ガス出口５ｂから排出されている。このため、低温になった排熱は、流体出口４ｂから排出される高温流体により加熱されてしまい、前記高温流体の熱損失が発生するという問題がある。

【0011】

さらに、上記の特許文献３では、容器の底部に断熱材９ｃが設けられており、前記断熱材９ｃへの熱供給が過大となってしまう。これにより、熱損失が発生するという問題がある。

【0012】

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。

【課題を解決するための手段】

【0013】

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。

【0014】

この燃料電池モジュールでは、排ガス燃焼器及び起動用燃焼器が個別に構成される第１領域と、改質器又は熱交換器の一方が構成されるとともに、前記第１領域を環状に周回する第２領域と、前記改質器又は前記熱交換器の他方が構成されるとともに、前記第２領域を環状に周回する第３領域と、蒸発器が構成されるとともに、前記第３領域を環状に周回する第４領域と、前記第１領域と前記第２領域との間に配置され、前記第１領域から前記第２領域に前記燃焼ガスを流通させる燃焼ガス連通孔が形成される仕切り部材とを備えている。

【0015】

そして、仕切り部材の内側には、排ガス燃焼器と起動用燃焼器とが同軸に設定されるとともに、前記排ガス燃焼器と前記起動用燃焼器との間には、前記排ガス燃焼器から前記起動用燃焼器への燃焼ガスの流通を規制する、又は前記起動用燃焼器から前記排ガス燃焼器への前記燃焼ガスの流通を規制する燃焼ガス流通規制部材が設けられている。

【0016】

また、この燃料電池モジュールでは、排ガス燃焼器は、燃料電池スタックに近接する仕切り部材の一方の端部側に設けられるとともに、起動用燃焼器は、前記燃料電池スタックとは反対の前記仕切り部材の他方の端部側に設けられることが好ましい。

【0017】

このため、燃料電池スタックからの排ガスは、排ガス燃焼器により降温を最小限に抑制しながら燃焼し、ＦＣ周辺機器を構成する改質器、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。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。

【0018】

さらに、この燃料電池モジュールでは、仕切り部材には、燃焼ガス連通孔に隣接して燃焼ガス流通規制部材が配置されることが好ましい。従って、排ガス燃焼器から起動用燃焼器への燃焼ガスの流通を規制しながら、又は前記起動用燃焼器から前記排ガス燃焼器への前記燃焼ガスの流通を規制しながら、燃焼ガスを燃焼ガス連通孔に導くことが可能になる。

【0019】

これにより、排ガス燃焼器及び起動用燃焼器は、不必要に燃焼ガスに曝されることがなく、耐久性の向上が容易に図られる。しかも、排ガス燃焼器及び起動用燃焼器からの熱引き（放熱）を抑制することができ、熱効率が向上して熱自立の促進が図られる。

【0020】

さらにまた、この燃料電池モジュールでは、燃焼ガス流通規制部材には、燃焼ガスを通過させる燃焼ガス流通孔が設けられることが好ましい。このため、排ガス燃焼器及び起動用燃焼器は、不必要に燃焼ガスに曝されることがなく、耐久性の向上が容易に図られる。その上、排ガス燃焼器及び起動用燃焼器からの熱引き（放熱）を抑制することができ、熱効率が向上して熱自立の促進が図られる。しかも、排ガス燃焼器が失火した際には、起動用燃焼器は、燃焼補助を行うことが可能になり、熱自立の安定性が良好に向上する。

【0021】

また、この燃料電池モジュールでは、燃焼ガス流通規制部材には、燃焼ガスによる燃焼を促進させるための燃焼触媒が設けられることが好ましい。従って、排ガス燃焼器が失火した際には、燃焼触媒により燃焼を促進することができ、熱自立の安定性が良好に向上する。

【0022】

さらに、この燃料電池モジュールでは、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。

【発明の効果】

【0023】

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第１領域を中心にして、それぞれ環状の第２領域、第３領域及び第４領域が外方向に向かって、順次、設けられている。このため、高温及び熱需要が大きな機器を内側に設置する一方、低温及び熱需要の小さな機器を外側に設定することができる。従って、熱効率の向上が図られて熱自立が促進されるとともに、簡単且つコンパクトに構成することが可能になる。

【0024】

しかも、第１領域において、仕切り部材を介して排ガス燃焼器と起動用燃焼器とが同軸に設定されている。これにより、ＦＣ周辺機器の中心に発熱部位を集約することができ、熱効率が向上して熱自立の促進を図ることが可能になる。さらに、排ガス燃焼器が失火した際には、起動用燃焼器は、燃焼補助を行うことができ、熱自立の安定性が良好に向上する。

【0025】

さらにまた、仕切り部材の内側には、燃焼ガス流通規制部材が設けられおり、排ガス燃焼器及び起動用燃焼器は、不必要に燃焼ガスに曝されることがなく、耐久性の向上が容易に図られる。しかも、排ガス燃焼器及び起動用燃焼器からの熱引き（放熱）を抑制することが可能になり、熱効率が向上して熱自立の促進が図られる。

【図面の簡単な説明】

【0026】

【図1】本発明の第１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。

【図2】前記燃料電池モジュールを構成するＦＣ周辺機器の一部省略斜視説明図である。

【図3】前記ＦＣ周辺機器の要部分解斜視説明図である。

【図4】前記ＦＣ周辺機器の要部拡大斜視説明図である。

【図5】前記ＦＣ周辺機器内の燃焼ガス流通状態の説明図である。

【図6】前記燃料電池モジュールの要部断面説明図である。

【図7】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池モジュールの要部断面説明図である。

【図8】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池モジュールの要部断面説明図である。

【図9】本発明の第４の実施形態に係る燃料電池モジュールの要部断面説明図である。

【図10】本発明の第５の実施形態に係る燃料電池モジュールの要部断面説明図である。

【図11】本発明の第６の実施形態に係る燃料電池モジュールの要部断面説明図である。

【図12】本発明の第７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。

【図13】前記燃料電池モジュールを構成するＦＣ周辺機器の一部省略斜視説明図である。

【図14】前記ＦＣ周辺機器内の燃焼ガス流通状態の説明図である。

【図15】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。

【図16】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。

【図17】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。

【発明を実施するための形態】

【0027】

図１に示すように、燃料電池システム１０は、本発明の第１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。

【0028】

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。

【0029】

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。

【0030】

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。

【0031】

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。

【0032】

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。

【0033】

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。

【0034】

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５６とにより構成される。この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。

【0035】

図２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、例えば、開口形状円形の第１領域Ｒ１と、熱交換器５０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、改質器４６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Ｒ３と、蒸発器４８が構成されるとともに、前記第３領域Ｒ３を環状に周回する第４領域Ｒ４とを備える。

【0036】

図２及び図３に示すように、起動用燃焼器５４は、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。

【0037】

ＦＣ周辺機器５６は、図２及び図４に示すように、第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２との間に配置される第１仕切り板（仕切り部材）６０ａ、前記第２領域Ｒ２と第３領域Ｒ３との間に配置される第２仕切り板６０ｂ及び前記第３領域Ｒ３と第４領域Ｒ４との間に配置される第３仕切り板６０ｃとを備える。第４領域Ｒ４の外周には、外板である第４仕切り板６０ｄが設けられる。

【0038】

図２及び図３に示すように、排ガス燃焼器５２は、起動用燃焼器５４を収容する第１仕切り板６０ａ内に同軸に構成される。第１仕切り板６０ａは、円筒形状を有する。第１仕切り板６０ａの外周部には、燃料電池スタック２４側の端部に近接し、第１領域Ｒ１から第２領域Ｒ２に燃焼ガスを流通させる複数の第１燃焼ガス連通孔６２ａが形成される。

【0039】

第１仕切り板６０ａの内側には、排ガス燃焼器５２と起動用燃焼器５４との間に位置し、第１の実施形態では、複数の第１燃焼ガス連通孔６２ａに隣接し、前記排ガス燃焼器５２から前記起動用燃焼器５４への燃焼ガスの流通を規制する一方、前記起動用燃焼器５４から前記排ガス燃焼器５２への前記燃焼ガスの流通を規制する燃焼ガス流通規制部材として、邪魔円板６１が設けられる。

【0040】

邪魔円板６１は、図２〜図６に示すように、中心に燃焼ガスを通過させる燃焼ガス流通孔６１ａが設けられる。邪魔円板６１は、耐熱金属、例えば、ニッケルをベースとする耐熱合金により構成される。図５及び図６に示すように、邪魔円板６１は、側面（板厚方向）視で波形状に屈曲成形され、外周部が第１仕切り板６０ａの内周面に溶接等により固着される。邪魔円板６１の外周には、下側に屈曲する下側頂部６１ｂｄと、上側に屈曲する上側頂部６１ｂｕとが交互に設けられる。

【0041】

下側頂部６１ｂｄは、第１燃焼ガス連通孔６２ａの下方に配置され、前記第１燃焼ガス連通孔６２ａを排ガス燃焼器５２に連通する。上側頂部６１ｂｕは、第１燃焼ガス連通孔６２ａの上方に配置され、前記第１燃焼ガス連通孔６２ａを起動用燃焼器５４に連通する。

【0042】

図２及び図５に示すように、第２仕切り板６０ｂには、燃料電池スタック２４とは反対側の端部に近接して複数の第２燃焼ガス連通孔６２ｂが形成される。第３仕切り板６０ｃには、燃料電池スタック２４側の端部に近接して複数の第３燃焼ガス連通孔６２ｃが形成される。第４仕切り板６０ｄには、燃料電池スタック２４とは反対側の端部に近接して複数の第４燃焼ガス連通孔６２ｄが形成される。第４燃焼ガス連通孔６２ｄは、燃焼ガスを外部に排出する。

【0043】

第１仕切り板６０ａ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。第１仕切り板６０ａ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。

【0044】

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。

【0045】

図２及び図３に示すように、熱交換器５０は、第１仕切り板６０ａの外周に配設される複数本の熱交換管路（伝熱パイプ）６４を備える。熱交換管路６４の一端部（燃料電池スタック２４とは反対側の他方の端部、以下同様）は、第１内側リング６６ａに固定されるとともに、前記熱交換管路６４の他端部（燃料電池スタック２４側の一方の端部、以下同様）は、第１内側リング６６ｂに固定される。

【0046】

第１内側リング６６ａ、６６ｂの外方には、第１外側リング６８ａ、６８ｂが配設される。第１内側リング６６ａ、６６ｂ及び第１外側リング６８ａ、６８ｂは、第１仕切り板６０ａの外周面と第２仕切り板６０ｂの内周面とに固着される。

【0047】

第１内側リング６６ａと第１外側リング６８ａ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７０ａが形成される。第１内側リング６６ｂと第１外側リング６８ｂ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７０ｂが形成される（図２〜図４参照）。熱交換管路６４の両端は、酸化剤ガス供給室７０ａと酸化剤ガス排出室７０ｂとに開放される。

【0048】

酸化剤ガス供給室７０ａには、酸化剤ガス供給管７２が配設される。酸化剤ガス排出室７０ｂには、酸化剤ガス通路７４の一端が配設されるとともに、前記酸化剤ガス通路７４の他端は、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）。

【0049】

改質器４６は、都市ガス（原燃料）中に含まれるエタン（Ｃ_２Ｈ_６）、プロパン（Ｃ_３Ｈ_８）及びブタン（Ｃ_４Ｈ_１０）等の高級炭化水素（Ｃ_２＋）を、主としてメタン（ＣＨ_４）、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。

【0050】

改質器４６は、図２及び図３に示すように、熱交換器５０の外周に配設される複数本の改質管路（伝熱パイプ）７６を備える。改質管路７６の一端部は、第２内側リング７８ａに固定されるとともに、前記改質管路７６の他端部は、第２内側リング７８ｂに固定される。

【0051】

第２内側リング７８ａ、７８ｂの外方には、第２外側リング８０ａ、８０ｂが配設される。第２内側リング７８ａ、７８ｂ及び第２外側リング８０ａ、８０ｂは、第２仕切り板６０ｂの外周面と第３仕切り板６０ｃの内周面とに固着される。

【0052】

第２内側リング７８ａと第２外側リング８０ａ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８２ａが形成される。第２内側リング７８ｂと第２外側リング８０ｂ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８２ｂが形成される。

【0053】

改質管路７６の両端は、混合ガス供給室８２ａと改質ガス排出室８２ｂとに開放される。各改質管路７６内には、改質用のペレット状触媒８４が充填される。改質管路７６の両端には、ペレット状触媒８４を保持するための金網８６が配設される。

【0054】

混合ガス供給室８２ａには、原燃料供給路８８が接続されるとともに、前記原燃料供給路８８の途上には、後述する蒸発リターン管路１０２が接続される。改質ガス排出室８２ｂには、燃料ガス通路９０の一端が連通するとともに、前記燃料ガス通路９０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）。

【0055】

蒸発器４８は、改質器４６の外周に配設される複数本の蒸発管路（伝熱パイプ）９２を備える。蒸発管路９２の一端部は、第３内側リング９４ａに固定されるとともに、前記蒸発管路９２の他端部は、第３内側リング９４ｂに固定される。

【0056】

第３内側リング９４ａ、９４ｂの外方には、第３外側リング９６ａ、９６ｂが配設される。第３内側リング９４ａ、９４ｂ及び第３外側リング９６ａ、９６ｂは、第３仕切り板６０ｃの外周面と第４仕切り板６０ｄの内周面とに固着される。

【0057】

第３内側リング９４ａと第３外側リング９６ａとの間には、水が供給される環状の水供給室９８ａが形成される。第３内側リング９４ｂと第３外側リング９６ｂとの間には、水蒸気が排出される環状の水蒸気排出室９８ｂが形成される。蒸発管路９２の両端は、水供給室９８ａと水蒸気排出室９８ｂとに開放される。

【0058】

水供給室９８ａには、水通路１００が配設される。水蒸気排出室９８ｂには、少なくとも１本以上の蒸発管路９２により構成される蒸発リターン管路１０２の一端が配設されるとともに、前記蒸発リターン管路１０２の他端は、原燃料供給路８８の途上に接続される（図１参照）。原燃料供給路８８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。

【0059】

図１に示すように、原燃料供給装置１４は、原燃料通路１０４を備える。原燃料通路１０４は、原燃料用調整弁１０６を介して原燃料供給路８８と原燃料供給管５８とに分岐する。原燃料供給路８８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１０８が配設される。

【0060】

酸化剤ガス供給装置１６は、酸化剤ガス通路１１０を備える。酸化剤ガス通路１１０は、酸化剤ガス用調整弁１１２を介して酸化剤ガス供給管７２と空気供給管５７とに分岐する。水供給装置１８は、水通路１００を介して蒸発器４８に接続される。

【0061】

図５に概略的に示すように、第１領域Ｒ１には、燃焼ガスが流通する第１燃焼ガス通路１１６ａが形成され、第２領域Ｒ２には、前記燃焼ガスが矢印Ａ１方向に流通する第２燃焼ガス通路１１６ｂが形成され、第３領域Ｒ３には、前記燃焼ガスが矢印Ａ２方向に流通する第３燃焼ガス通路１１６ｃが形成され、第４領域Ｒ４には、前記燃焼ガスが矢印Ａ１方向に流通する第４燃焼ガス通路１１６ｄが形成される。

【0062】

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。

【0063】

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１１０に空気が供給される。この空気は、酸化剤ガス用調整弁１１２の開度調整作用下に、空気供給管５７に供給される。

【0064】

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１０４に、例えば、都市ガス（ＣＨ_４、Ｃ_２Ｈ_６、Ｃ_３Ｈ_８、Ｃ_４Ｈ_１０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１０６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２参照）。

【0065】

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、起動用燃焼器５４から第１仕切り板６０ａの内部には、燃焼ガスが導入される。図５に示すように、第１仕切り板６０ａには、燃料電池スタック２４側の端部に近接して複数の第１燃焼ガス連通孔６２ａが形成されるとともに、前記第１燃焼ガス連通孔６２ａに隣接して邪魔円板６１が配設されている。

【0066】

これにより、第１仕切り板６０ａの内部に供給された燃焼ガスは、邪魔円板６１の上側頂部６１ｂｕに対応して配置されている第１燃焼ガス連通孔６２ａを通過し、第１領域Ｒ１から第２領域Ｒ２に導入される。

【0067】

燃焼ガスは、第２領域Ｒ２を矢印Ａ１方向に流通した後、第２仕切り板６０ｂに形成された複数の第２燃焼ガス連通孔６２ｂを通って第３領域Ｒ３に導入される。第３領域Ｒ３では、燃焼ガスは、矢印Ａ２方向に流通した後、第３仕切り板６０ｃに形成された複数の第３燃焼ガス連通孔６２ｃを通って第４領域Ｒ４に導入される。燃焼ガスは、第４領域Ｒ４を矢印Ａ１方向に流通した後、第４仕切り板６０ｄに形成された第４燃焼ガス連通孔６２ｄから外部に排出される。

【0068】

その際、第２領域Ｒ２には、熱交換器５０が配置されており、第３領域Ｒ３には、改質器４６が配置されており、第４領域Ｒ４には、蒸発器４８が配置されている。このため、第１領域Ｒ１から排出される燃焼ガスは、熱交換器５０、改質器４６及び蒸発器４８の順に加熱する。

【0069】

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。

【0070】

具体的には、酸化剤ガス用調整弁１１２の開度が調整されて、酸化剤ガス供給管７２への空気供給量が増加されるとともに、原燃料用調整弁１０６の開度が調整されて、原燃料供給路８８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１００に水が供給される。

【0071】

従って、図２及び図３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７０ａに一旦供給された後、複数の熱交換管路６４内を移動する間に、第２領域Ｒ２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７０ｂに供給された後、酸化剤ガス通路７４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）。

【0072】

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を構成する第１仕切り板６０ａの内部に開口しており、前記第１仕切り板６０ａ内に酸化剤排ガスが導入される。

【0073】

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１０８で脱硫された原燃料は、原燃料供給路８８を流通して改質器４６に向かう。

【0074】

蒸発器４８では、水が一旦水供給室９８ａに供給された後、複数本の蒸発管路９２内を移動する間、第４領域Ｒ４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９８ｂに一旦導入された後、前記水蒸気排出室９８ｂに連通する蒸発リターン管路１０２に供給される。これにより、水蒸気は、蒸発リターン管路１０２内を流通して原燃料供給路８８に導入され、原燃料と混合して混合ガスが得られる。

【0075】

混合ガスは、原燃料供給路８８から改質器４６を構成する混合ガス供給室８２ａ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３領域Ｒ３を流通する燃焼ガスにより加熱されるとともに、ペレット状触媒８４を介して水蒸気改質され、Ｃ_２＋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。

【0076】

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８２ｂに供給された後、燃料ガス通路９０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）。

【0077】

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を構成する第１仕切り板６０ａの内部に開口しており、前記第１仕切り板６０ａ内に燃料排ガスが導入される。

【0078】

なお、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、第１仕切り板６０ａ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。

【0079】

酸化剤排ガスと燃料排ガスとの燃焼により生成された燃焼ガスは、邪魔円板６１の下側頂部６１ｂｄに対応して配置されている第１燃焼ガス連通孔６２ａを通過し、第１領域Ｒ１から第２領域Ｒ２に導入される。

【0080】

この場合、第１の実施形態では、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Ｒ１と、熱交換器５０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、改質器４６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Ｒ３と、蒸発器４８が構成されるとともに、前記第３領域Ｒ３を環状に周回する第４領域Ｒ４とを備えている。

【0081】

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、第３領域Ｒ３及び第４領域Ｒ４が外方向に向かって、順次、設けられている。このため、高温及び熱需要が大きな機器、例えば、熱交換器５０（及び改質器４６）を内側に設置する一方、低温及び熱需要の小さな機器、例えば、蒸発器４８を外側に設定することができる。

【0082】

熱交換器５０は、例えば、５５０℃〜６５０℃の温度が必要であるとともに、改質器４６は、５５０℃〜６００℃の温度が必要である。一方、蒸発器４８は、１５０℃〜２００℃の温度が必要である。

【0083】

従って、熱効率の向上が図られて熱自立が促進されるとともに、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。特に、改質器４６の内方に熱交換器５０が配設されるため、前記改質器４６は、比較的Ａ／Ｆ（空気／燃料ガス）が低い環境で、低温改質に適した前記改質器４６が良好に使用される。

【0084】

しかも、第１領域Ｒ１において、第１仕切り板６０ａを介して排ガス燃焼器５２と起動用燃焼器５４とが同軸に設定されている。これにより、ＦＣ周辺機器５６の中心に発熱部位を集約することができ、熱効率が向上して熱自立の促進を図ることが可能になる。さらに、排ガス燃焼器５２が失火した際には、起動用燃焼器５４は、燃焼補助を行うことができ、熱自立の安定性が良好に向上する。

【0085】

さらにまた、第１仕切り板６０ａの内側には、複数の第１燃焼ガス連通孔６２ａに隣接して邪魔円板６１が設けられている。邪魔円板６１は、下側頂部６１ｂｄと上側頂部６１ｂｕとを交互に設けるとともに、前記下側頂部６１ｂｄは、第１燃焼ガス連通孔６２ａを排ガス燃焼器５２に連通する一方、前記上側頂部６１ｂｕは、前記第１燃焼ガス連通孔６２ａを起動用燃焼器５４に連通している。

【0086】

このため、邪魔円板６１は、排ガス燃焼器５２から起動用燃焼器５４への燃焼ガスの流通を規制する一方、前記起動用燃焼器５４から前記排ガス燃焼器５２への前記燃焼ガスの流通を規制することができる。従って、排ガス燃焼器５２及び起動用燃焼器５４は、不必要に燃焼ガスに曝されることがなく、耐久性の向上が容易に図られるという効果が得られる。しかも、排ガス燃焼器５２及び起動用燃焼器５４からの熱引き（放熱）を抑制することが可能になり、熱効率が向上して熱自立の促進が図られる。

【0087】

例えば、排ガス燃焼器５２により生成された燃焼ガスは、邪魔円板６１に当接して複数の第１燃焼ガス連通孔６２ａに良好に案内される（図６参照）。

【0088】

このため、邪魔円板６１を使用しない構造のように、燃焼ガスは、第１仕切り板６０ａの一端から他端に、すなわち、起動用燃焼器５４側に移動してリターンする際の放熱を回避することができる。従って、排ガス燃焼器５２により生成された燃焼ガスは、放熱を良好に抑制され、所望の高温状態を維持して第２領域Ｒ２に移動することが可能になる。

【0089】

また、排ガス燃焼器５２は、燃料電池スタック２４に近接する第１仕切り板６０ａの一方の端部側に設けられるとともに、起動用燃焼器５４は、前記燃料電池スタック２４とは反対の前記第１仕切り板６０ａの他方の端部側に設けられている。

【0090】

これにより、燃料電池スタック２４からの排ガスは、排ガス燃焼器５２により降温を最小限に抑制しながら燃焼し、ＦＣ周辺機器５６を構成する熱交換器５０、改質器４６及び蒸発器４８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。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。

【0091】

さらに、第１仕切り板６０ａには、第１燃焼ガス連通孔６２ａに隣接して邪魔円板６１が配置されている。このため、排ガス燃焼器５２から起動用燃焼器５４への燃焼ガスの流通を規制する一方、前記起動用燃焼器５４から前記排ガス燃焼器５２への前記燃焼ガスの流通を規制しながら、燃焼ガスを第１燃焼ガス連通孔６２ａに導くことが可能になる。

【0092】

従って、排ガス燃焼器５２及び起動用燃焼器５４は、不必要に燃焼ガスに曝されることがなく、耐久性の向上が容易に図られる。しかも、排ガス燃焼器５２及び起動用燃焼器５４からの熱引き（放熱）を抑制することができ、熱効率が向上して熱自立の促進が図られる。

【0093】

さらにまた、邪魔円板６１には、燃焼ガスを通過させる燃焼ガス流通孔６１ａが設けられている。これにより、排ガス燃焼器５２及び起動用燃焼器５４は、不必要に燃焼ガスに曝されることがなく、耐久性の向上が容易に図られる。その上、排ガス燃焼器５２及び起動用燃焼器５４からの熱引き（放熱）を抑制することができ、熱効率が向上して熱自立の促進が図られる。しかも、排ガス燃焼器５２が失火した際には、起動用燃焼器５４は、燃焼補助を行うことが可能になり、熱自立の安定性が良好に向上する。

【0094】

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。このため、特にＳＯＦＣ等の高温型燃料電池に最適である。

【0095】

図７は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池モジュール１２０の要部断面説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池モジュール１２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。

【0096】

第１仕切り板６０ａの内側には、排ガス燃焼器５２と起動用燃焼器５４との間に位置し、第２の実施形態では、複数の第１燃焼ガス連通孔６２ａに隣接し、前記排ガス燃焼器５２から前記起動用燃焼器５４への燃焼ガスの流通を規制する一方、前記起動用燃焼器５４から前記排ガス燃焼器５２への前記燃焼ガスの流通を規制する燃焼ガス流通規制部材として、邪魔部材１２２が設けられる。

【0097】

邪魔部材１２２は、略円盤形状を有するとともに、上面側に平坦部１２２ａが設けられる一方、底面側に円錐部１２２ｂが設けられる。邪魔部材１２２は、外周部が第１仕切り板６０ａの内周面に、各第１燃焼ガス連通孔６２ａの略中央部に位置して固着される。

【0098】

このように構成される第２の実施形態では、排ガス燃焼器５２から送られる燃焼ガスは、邪魔部材１２２の平坦部１２２ａの案内作用下に、複数の第１燃焼ガス連通孔６２ａに供給される。一方、起動用燃焼器５４から送られる燃焼ガスは、邪魔部材１２２の円錐部１２２ｂの案内作用下に、複数の第１燃焼ガス連通孔６２ａに供給される。これにより、第２の実施形態は、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

【0099】

図８は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池モジュール１２４の要部断面説明図である。

【0100】

第１仕切り板６０ａの内側には、排ガス燃焼器５２と起動用燃焼器５４との間に位置し、第３の実施形態では、複数の第１燃焼ガス連通孔６２ａに隣接し、燃焼ガス流通規制部材として、邪魔部材１２６が設けられる。

【0101】

邪魔部材１２６は、略円盤形状を有するとともに、上面側に円錐部１２６ａが設けられる一方、底面側に円錐部１２６ｂが設けられる。邪魔部材１２６は、外周部が第１仕切り板６０ａの内周面に、各第１燃焼ガス連通孔６２ａの略中央部に位置して固着される。

【0102】

このように構成される第３の実施形態では、邪魔部材１２６の円錐部１２６ａは、排ガス燃焼器５２からの燃焼ガスのガイド機能を有する一方、前記邪魔部材１２６の円錐部１２６ｂは、起動用燃焼器５４からの前記燃焼ガスのガイド機能を有している。このため、第３の実施形態では、上記の第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。

【0103】

図９は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池モジュール１２８の要部断面説明図である。

【0104】

第１仕切り板６０ａの内側には、排ガス燃焼器５２と起動用燃焼器５４との間に位置し、第４の実施形態では、複数の第１燃焼ガス連通孔６２ａに隣接して燃焼ガス流通規制部材として、邪魔板１３０が設けられる。邪魔板１３０は、第１仕切り板６０ａの内周径よりも小径な円板状を有し、メッシュ１３２に支持される。邪魔板１３０の外周と第１仕切り板６０ａの内周との間には、隙間Ｓが形成される。

【0105】

メッシュ１３２は、第１仕切り板６０ａの内周面に固着されるとともに、邪魔板１３０は、複数の第１燃焼ガス連通孔６２ａよりも下方に配置される。メッシュ１３２内には、邪魔板１３０上に載置されて複数の燃焼触媒１３４が収容される。燃焼触媒１３４は、例えば、白金系燃焼触媒が使用される。

【0106】

このように構成される第４の実施形態では、邪魔板１３０により第１仕切り板６０ａの内部が分割されるとともに、前記邪魔板１３０上には、燃焼ガスによる燃焼を促進させるための燃焼触媒１３４が設けられている。従って、排ガス燃焼器５２が失火した際には、燃焼触媒１３４により燃焼を促進することができ、熱自立の安定性が良好に向上するという効果が得られる。

【0107】

図１０は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池モジュール１３６の要部断面説明図である。

【0108】

第１仕切り板６０ａの内側には、排ガス燃焼器５２と起動用燃焼器５４との間に位置し、第５の実施形態では、複数の第１燃焼ガス連通孔６２ａの下方に隣接し、燃焼ガス流通規制部材として、邪魔部材１３８が設けられる。

【0109】

邪魔部材１３８は、板材を湾曲（又は屈曲）成形して上端が開放されたカップ形状（有底円筒形状）を有するとともに、底部内面１３８ｂの略中央部には、燃焼ガスを通過させる燃焼ガス流通孔１３８ａが設けられる。邪魔部材１３８は、外周部が第１仕切り板６０ａの内周面に、各第１燃焼ガス連通孔６２ａの下端部近傍に位置して固着される。

【0110】

このように構成される第５の実施形態では、排ガス燃焼器５２からの燃焼ガスは、邪魔部材１３８の底部内面１３８ｂに当接して第１燃焼ガス連通孔６２ａに案内される一方、起動用燃焼器５４からの前記燃焼ガスは、前記邪魔部材１３８の燃焼ガス流通孔１３８ａを通って前記第１燃焼ガス連通孔６２ａに案内される。従って、第５の実施形態では、上記の第１〜第４の実施形態と同様の効果が得られる。

【0111】

図１１は、本発明の第６の実施形態に係る燃料電池モジュール１４０の要部断面説明図である。

【0112】

第１仕切り板６０ａの内側には、排ガス燃焼器５２と起動用燃焼器５４との間に位置し、第６の実施形態では、複数の第１燃焼ガス連通孔６２ａに隣接し、燃焼ガス流通規制部材として、邪魔部材１４２が設けられる。

【0113】

邪魔部材１４２は、板材を略円錐状に成形するとともに、底部略中央部には、燃焼ガスを通過させる燃焼ガス流通孔１４２ａが設けられる。邪魔部材１４２は、外周部が第１仕切り板６０ａの内周面に、径方向に対向する一方の第１燃焼ガス連通孔６２ａの下端部近傍及び他方の第１燃焼ガス連通孔６２ａの上端部近傍に位置して、すなわち、傾斜姿勢で固着される。

【0114】

邪魔部材１４２の内周面１４２ｂは、排ガス燃焼器５２からの燃焼ガスを第１燃焼ガス連通孔６２ａに案内する機能を有する一方、前記邪魔部材１４２の外周面１４２ｃは、起動用燃焼器５４からの燃焼ガスを前記第１燃焼ガス連通孔６２ａに案内する機能を有する。

【0115】

このように構成される第６の実施形態では、上記の第１〜第５の実施形態と同様の効果が得られる。

【0116】

図１２に示すように、燃料電池システム１５０は、本発明の第７の実施形態に係る燃料電池モジュール１５２を組み込む。

【0117】

燃料電池モジュール１５２は、図１３に示すように、排ガス燃焼器５２及び起動用燃焼器５４が構成される、例えば、開口形状円形の第１領域Ｒ１と、改質器４６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、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Ｒ３と、蒸発器４８が構成されるとともに、前記第３領域Ｒ３を環状に周回する第４領域Ｒ４とを備える。

【0118】

ＦＣ周辺機器５６は、第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２との間に配置される第１仕切り板（仕切り部材）１５４ａ、前記第２領域Ｒ２と第３領域Ｒ３との間に配置される第２仕切り板１５４ｂ、前記第３領域Ｒ３と第４領域Ｒ４との間に配置される第３仕切り板１５４ｃ、及び前記第４領域Ｒ４の外周に配置される第４仕切り板１５４ｄを備える。

【0119】

図１３及び図１４に示すように、第１燃焼ガス連通孔６２ａは、第１仕切り板１５４ａの燃料電池スタック２４とは反対側の端部に近接して設けられ、第２燃焼ガス連通孔６２ｂは、第２仕切り板１５４ｂの前記燃料電池スタック２４側の端部に近接して設けられ、第３燃焼ガス連通孔６２ｃは、第３仕切り板１５４ｃの前記燃料電池スタック２４とは反対側の端部に近接して設けられ、第４燃焼ガス連通孔６２ｄは、第４仕切り板１５４ｄの前記燃料電池スタック２４側の端部に近接して設けられる。

【0120】

第１仕切り板１５４ａには、第１燃焼ガス連通孔６２ａとは反対側に且つ前記第１燃焼ガス連通孔６２ａよりも小さな開口面積を有する複数の抽気孔部１５６ａが形成される。図１４に示すように、抽気孔部１５６ａは、第２仕切り板１５４ｂに形成された第２燃焼ガス連通孔６２ｂに対向する位置に設定される。第２仕切り板１５４ｂには、第３仕切り板１５４ｃに形成された第３燃焼ガス連通孔６２ｃに対向する位置に複数の抽気孔部１５６ｂが形成される。第３仕切り板１５４ｃには、第４仕切り板１５４ｄに形成された第４燃焼ガス連通孔６２ｄに対向する位置に複数の抽気孔部１５６ｃが形成される。なお、抽気孔部１５６ｂ、１５６ｃは、必要に応じて設けられていればよい。

【0121】

図１３に示すように、第１仕切り板１５４ａの内側には、複数の第１燃焼ガス連通孔６２ａに隣接し、燃焼ガス流通規制部材として、邪魔円板６１が設けられる。なお、燃焼ガス流通規制部材としては、邪魔円板６１の他、第２の実施形態〜第６の実施形態に用いられる邪魔部材１２２、邪魔板１３０（メッシュ１３２及び燃焼触媒１３４を含む）、邪魔部材１３８又は邪魔部材１４２のいずれかを使用してもよい。

【0122】

このように構成される第７の実施形態では、燃料電池モジュール１５２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Ｒ１と、改質器４６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、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Ｒ３と、蒸発器４８が構成されるとともに、前記第３領域Ｒ３を環状に周回する第４領域Ｒ４とを備えている。

【0123】

このため、高温及び熱需要が大きな機器、例えば、改質器４６（及び熱交換器５０）を内側に設置する一方、低温及び熱需要の小さな機器、例えば、蒸発器４８を外側に設定することができる。従って、熱効率の向上が図られて熱自立が促進されるとともに、簡単且つコンパクトに構成することが可能になる。

【0124】

しかも、図１４に示すように、第２領域Ｒ２では、改質器４６内を流通する混合ガスの流れ方向（矢印Ａ２方向）と燃焼ガスの流れ方向（矢印Ａ２方向）とが、互いに同一方向、すなわち、並行流となる。一方、第３領域Ｒ３では、熱交換器５０内を流通する酸化剤ガスの流れ方向（矢印Ａ２方向）と燃焼ガスの流れ方向（矢印Ａ１方向）とが、互いに反対方向、すなわち、対向流となる。

【0125】

さらに、第１仕切り板１５４ａには、第１燃焼ガス連通孔６２ａとは反対側に且つ前記第１燃焼ガス連通孔６２ａよりも小さな開口面積を有する抽気孔部１５６ａが形成されている。これにより、抽気孔部１５６ａにより第１領域Ｒ１から第２領域Ｒ２を介して第３領域Ｒ３に燃焼ガスの一部が導入されるため、第３領域Ｒ３の熱交換器５０に熱量を補充することができ、熱自立の維持が可能になる。

【0126】

さらにまた、第１仕切り板１５４ａの内部には、燃焼ガス流通規制部材（例えば、邪魔円板６１）が設けられている。このため、排ガス燃焼器５２及び起動用燃焼器５４は、不必要に燃焼ガスに曝されることがなく、耐久性の向上が容易に図られる等、上記の第１〜第６の実施形態と同様の効果が得られる。

【符号の説明】

【0127】

１０、１５０…燃料電池システム
１２、１２０、１２４、１２８、１３６、１４０、１５２…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 ５６…ＦＣ周辺機器
５７…空気供給管 ５８…原燃料供給管
６０ａ〜６０ｄ、１５４ａ〜１５４ｄ…仕切り板
６１…邪魔円板
６１ａ、１３８ａ、１４２ａ…燃焼ガス流通孔
６２ａ〜６２ｄ…燃焼ガス連通孔 ６４…熱交換管路
６６ａ、６６ｂ、７８ａ、７８ｂ、９４ａ、９４ｂ…内側リング
６８ａ、６８ｂ、８０ａ、８０ｂ、９６ａ、９６ｂ…外側リング
７０ａ…酸化剤ガス供給室 ７０ｂ…酸化剤ガス排出室
７４、１１０…酸化剤ガス通路 ８２ａ…混合ガス供給室
８２ｂ…改質ガス排出室 ８４…ペレット状触媒
８８…原燃料供給路 ９０…燃料ガス通路
９２…蒸発管路 ９８ａ…水供給室
９８ｂ…水蒸気排出室 １００…水通路
１０２…蒸発リターン管路 １１６ａ〜１１６ｄ…燃焼ガス通路
１２２、１２６、１３８、１４２…邪魔部材
１３０…邪魔板 １３２…メッシュ
１３４…燃焼触媒 １５６ａ〜１５６ｃ…抽気孔部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】