(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】
(24)【登録日】2022-04-04
(45)【発行日】2022-04-12
(54)【発明の名称】燃料電池用装置
(51)【国際特許分類】
H01M 8/04014 20160101AFI20220405BHJP
H01M 8/0612 20160101ALI20220405BHJP
H01M 8/04 20160101ALI20220405BHJP
C01B 3/38 20060101ALI20220405BHJP
H01M 8/12 20160101ALN20220405BHJP
【ＦＩ】
H01M8/04014
H01M8/0612
H01M8/04 N
C01B3/38
H01M8/12 101
H01M8/12 102A
【請求項の数】
4
(21)【出願番号】P 2018050749
(22)【出願日】2018-03-19
(65)【公開番号】P2019164894
(43)【公開日】2019-09-26
【審査請求日】2020-12-08
(73)【特許権者】
【識別番号】519322392
【氏名又は名称】森村ＳＯＦＣテクノロジー株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100094569
【弁理士】
【氏名又は名称】田中 伸一郎
(74)【代理人】
【識別番号】100103610
【弁理士】
【氏名又は名称】▲吉▼田 和彦
(74)【代理人】
【識別番号】100109070
【弁理士】
【氏名又は名称】須田 洋之
(74)【代理人】
【識別番号】100095898
【弁理士】
【氏名又は名称】松下 満
(74)【代理人】
【識別番号】100098475
【弁理士】
【氏名又は名称】倉澤 伊知郎
(74)【代理人】
【識別番号】100130937
【弁理士】
【氏名又は名称】山本 泰史
(74)【代理人】
【識別番号】100170634
【弁理士】
【氏名又は名称】山本 航介
(72)【発明者】
【氏名】坪井 文雄
(72)【発明者】
【氏名】松尾 卓哉
【審査官】加藤 昌人
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１６－１６７３８８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１７－２１２２０３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１７－１９９５９９（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２００９／０２６３７５７（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｍ ８／０４－８／０６６８
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
燃料電池セルに発電用の燃料ガスと酸化剤ガスとを供給するための燃料電池用装置であって、容器と、
前記容器内に収容された少なくとも、
改質触媒が充填された充填領域を有し、前記改質触媒を用いて前記充填領域を流動する原燃料ガスを改質して水素を含む燃料ガスを生成し、生成した前記燃料ガスを前記燃料電池セルに供給する改質器、
前記燃料電池セルの発電に使用されずに残った残余酸化剤ガスを燃焼器に供給する残余酸化剤ガス供給流路、及び、
前記改質器の下方に設けられ、前記燃料電池セルの発電に使用されずに残った残余燃料ガスが供給され、前記残余酸化剤ガス供給流路を介して供給された残余酸化剤ガスを用いて、前記残余燃料ガスを燃焼させて前記改質器を加熱する前記燃焼器と、を備え、
前記燃焼器は、供給された前記残余燃料ガスが流通する内部空間と、前記残余燃料ガスを前記内部空間から外部へ噴出させるための前記改質器と対向する複数の燃焼口が配列された燃焼器天面とを有し、
前記複数の燃焼口は、前記燃焼器天面に面状に分布するように配列されており、
前記改質器の底面と前記燃焼器天面との距離は、前記改質器を流動する原燃料ガスの上流側よりも下流側が短いことを特徴とする、燃料電池用装置。
【請求項2】
前記複数の燃焼口は、前記充填領域の全体を加熱するように、前記充填領域の形状を前記燃焼器天面に投影させた形状の内部又はその近傍において、面状に分布するように配列されている、請求項１に記載の燃料電池用装置。
【請求項3】
前記容器は、当該容器の天面に前記燃焼器で前記残余燃料ガスを燃焼させることにより生じた燃焼ガスを外部に排出する排出口を有し、前記改質器及び前記燃焼器は、それぞれ、鉛直方向に貫通する開口部又は切り欠き部を有する、請求項２に記載の燃料電池用装置。
【請求項4】
前記複数の燃焼口は、前記改質器を流動する原燃料ガスの上流側よりも下流側が密になるように配列されている、請求項２又は３に記載の燃料電池用装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、燃料電池用装置に関し、特に、燃料電池セルに発電用の燃料ガスと酸化剤ガスとを供給するための燃料電池用装置に関する。
【背景技術】
【0002】
燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により発電を行う燃料電池装置において、改質触媒が充填された改質器を加熱するとともに、原燃料ガスを当該改質触媒中に流通させて、燃料電池セルに供給する燃料ガスを生成することが行われている。
【0003】
このような燃料ガスを生成し、燃料電池セルに燃料ガスと酸化剤ガスとを供給するための燃料電池用装置に関して、特許文献１には、改質器において原燃料ガスを、水素を含む燃料ガスに水蒸気改質できるように、改質器の下方にバーナー（燃焼器）を設け、バーナーにより改質器に充填された改質触媒を加熱する装置が開示されている。
【0004】
また、例えば、特許文献２には、燃料電池セルにおいて使用されなかった燃料ガス（オフガス）を燃料電池セルの上端から排出し、燃料電池セルの上方の燃焼部で排出された燃料ガスを燃焼して、改質器を加熱するセルバーナー方式の燃料電池装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【文献】特開２００９－７６２７５号公報
【文献】特開２０１０－６７５４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
ここで、特許文献１に記載された発明では、同文献の図２に示されているように、バーナーには線状に（一列に）ガス噴出用の開口が設けられており、バーナーの火炎は線状に配列されている。これに対して、改質器の改質触媒が充填された改質領域は幅及び奥行き方向に広がっており、線状に並んだ火炎では改質領域の全体を均一に加熱することができず、改質触媒に局所的な劣化が生じてしまう。
【0007】
また、特許文献２に記載された発明では、各燃料電池セルから排出されるオフガスの量にばらつきがあり、火力が不均一になってしまう。また、燃料電池装置の小型化が望まれており、燃料電池セルは内部空間を有効利用できるように配置されるが、このような配置では改質器を効率良く加熱することができない。
【0008】
本発明は、上記の課題に鑑みなされたものであり、燃焼器により改質器の全体を効率良く加熱することができる燃料電池用装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本発明は、燃料電池セルに発電用の燃料ガスと酸化剤ガスとを供給するための燃料電池用装置であって、容器と、容器内に収容された少なくとも、改質触媒が充填された充填領域を有し、改質触媒を用いて充填領域を流動する原燃料ガスを改質して水素を含む燃料ガスを生成し、生成した燃料ガスを燃料電池セルに供給する改質器、燃料電池セルの発電に使用されずに残った残余酸化剤ガスを燃焼器に供給する残余酸化剤ガス供給流路、及び、改質器の下方に設けられ、燃料電池セルの発電に使用されずに残った残余燃料ガスが供給され、残余酸化剤ガス供給流路を介して供給された残余酸化剤ガスを用いて、残余燃料ガスを燃焼させて改質器を加熱する燃焼器と、を備え、燃焼器は、供給された残余燃料ガスが流路する内部空間と、残余燃料ガスを内部空間から外部へ噴出させるための改質器と対向する複数の燃焼口が配列された燃焼器天面とを有し、複数の燃焼口は、燃焼器天面に面状に分布するように配列されていることを特徴とする。
【0010】
上記構成の本発明によれば、燃焼器の複数の燃焼口が燃焼器天面に面状に分布されているため、幅及び奥行き方向に広がる改質器を用いる場合であっても、改質器全体を加熱することができる。これにより、改質触媒の局所的な劣化を抑制することができる。
【0011】
本発明において、好ましくは、複数の燃焼口は、充填領域の全体を加熱するように、充填領域の形状を燃焼器天面に投影させた形状の内部又はその近傍において、面状に分布するように配列されている。
【0012】
上記構成の本発明によれば、上面視において、複数の燃焼口が、充填領域の全体を加熱するように面状に分布するように配列されているため、残余酸化剤ガスによる燃焼熱により充填領域全体を効率的に加熱することができる。また、複数の燃焼口が充填領域の形状を燃焼器天面に投影させた形状の内部又はその近傍に設けられ、充填領域の加熱に寄与しないような位置に燃焼口が設けられないため、燃焼口の数を減らすことができる。これにより、一つの燃焼口に流れる残余燃料ガス量が増大するため、燃焼安定性を確保することができる。
【0013】
本発明において、好ましくは、容器は、当該容器の天面に燃焼器で残余燃料ガスを燃焼させることにより生じた燃焼ガスを外部に排出する排出口を有し、改質器及び燃焼器は、それぞれ、鉛直方向に貫通する開口部又は切り欠き部を有する。
【0014】
上記構成の本発明によれば、燃焼器に開口部又は切り欠き部が形成されており、残余酸化剤ガスがこの開口部又は切り欠き部を通って燃焼領域に供給されるため、残余酸化剤ガスの供給性能が向上する。また、改質器に開口部又は切り欠き部が形成されており、オフガスの燃焼後の排ガスがこの開口部又は切り欠き部を通って排出口に到達するため、排ガスによる改質器の加熱性能が向上する。
【0015】
本発明において、好ましくは、複数の燃焼口は、改質器を流動する原燃料ガスの上流側よりも下流側が密になるように配列されている。
【0016】
上述したセルバーナー方式では、燃料電池セルの配置に応じて燃焼口の配置が決定されるが、本発明によれば燃焼器天面に燃焼口を自由に配列することができる。そして、上記構成の本発明によれば、燃焼口を原燃料ガスの下流側（すなわち、改質器の下流側）に密になるように配列することにより、改質器下流側をより加熱することができ、改質器全体での改質効率を向上することができる。
【0017】
本発明において、好ましくは、改質器の底面と燃焼器天面との距離は、改質器を流動する原燃料ガスの上流側よりも下流側が短い。
【0018】
上述したセルバーナー方式では、燃料電池セルの長さに応じて燃焼口の高さが決定されるが、本発明によれば燃焼器天面形状を変更することにより燃焼口の高さを変更することができる。上記構成の本発明によれば、燃焼口を原燃料ガスの下流側（すなわち、改質器の下流側）で改質器の底面に近くなるように配列することにより、改質器下流側をより加熱することができ、改質器全体での改質効率を向上することができる。
【発明の効果】
【0019】
本発明によれば、燃焼器により改質器の全体を効率良く加熱することができる燃料電池用装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0020】
【図1】本発明の実施形態による燃料電池用装置の概略構成を示す図である。
【図3】改質器の形状、燃焼器の形状、及び燃焼口の配置の異なる実施形態を示す図であり、各図において（ａ）は改質器の下面を示し、（ｂ）は燃焼器の上面を示す。
【図4】改質器の形状、燃焼器の形状、及び燃焼口の配置の異なる実施形態を示す図であり、各図において（ａ）は改質器の下面を示し、（ｂ）は燃焼器の上面を示す。
【図5】改質器の形状、燃焼器の形状、及び燃焼口の配置の異なる実施形態を示す図であり、各図において（ａ）は改質器の下面を示し、（ｂ）は燃焼器の上面を示す。
【図6】改質器の形状、燃焼器の形状、及び燃焼口の配置の異なる実施形態を示す図であり、各図において（ａ）は改質器の下面を示し、（ｂ）は燃焼器の上面を示す。
【図7】本実施例による燃料電池用装置を備えた燃料電池装置を示す斜視図である。
【図12】本実施例による燃料電池用装置の内部を示す断面斜視図である。
【図13】本発明の第２実施例の燃料電池用装置を有する燃料電池装置を示す鉛直断面図である。
【図14】本発明の第３実施例の燃料電池用装置を示す斜視断面図である。
【図15】本発明の第４実施例の燃料電池用装置の構成を示す概略図である。
【図16】本発明の第５実施例の燃料電池用装置の構成を示す概略図である。
【図17】本発明の第６実施例の燃料電池用装置の構成を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【0021】
以下では、本明細書に開示する本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。以下の説明から、当業者にとって、本発明の多くの改良や他の実施の形態が明らかである。従って、以下の説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更することができる。
【0022】
まず、本発明の基本思想について説明する。
図１は本発明の実施形態による燃料電池用装置の概略構成を示す図である。また、図２（ａ）は、図１に示す燃料電池用装置の改質器の下面を示す図であり、図２（ｂ）は、図１に示す燃料電池用装置の燃焼器の上面を示す図である。本実施形態による燃料電池用装置は、発電反応を行う燃料電池セルスタックに接続されており、燃料電池セルスタックに、原燃料ガスを改質した燃料ガス、及び加熱した酸化剤ガスを供給する。
図１は本発明の実施形態による燃料電池用装置の概略構成を示す図である。また、図２（ａ）は、図１に示す燃料電池用装置の改質器の下面を示す図であり、図２（ｂ）は、図１に示す燃料電池用装置の燃焼器の上面を示す図である。本実施形態による燃料電池用装置は、発電反応を行う燃料電池セルスタックに接続されており、燃料電池セルスタックに、原燃料ガスを改質した燃料ガス、及び加熱した酸化剤ガスを供給する。
【0023】
また、燃料電池用装置１は金属製のハウジング（容器）２と、ハウジング２に収容された改質器４と、ハウジング２内の改質器４の下方に設けられた燃焼器６とを備える。改質器４は、改質触媒が充填された水平方向に延在する充填領域を有し、燃焼器６により当該充填領域が下方から加熱されるように配置されている。改質器４には燃料電池用装置１の外部から原燃料ガスが供給され、供給された原燃料ガスは充填領域を流通する。この際、改質触媒による改質反応によって原燃料ガスから水素を含む燃料ガスが生成され、生成された燃料ガスは燃料ガス供給流路８を通じて燃料電池セルスタックに供給される。ここで上記の改質反応とは、部分酸化改質反応（ＰＯＸ）や水蒸気改質反応（ＳＲ）あるいはＰＯＸとＳＲとが同時に発生させるオートサーマル改質反応（ＡＴＲ）等であり、これらの改質反応を発生させるために、原燃料ガスである炭化水素系ガスとともに、水蒸気や改質用酸化剤ガスを混合させて、あるいは個別に改質器４に供給することが一般的である。
また、ハウジング２には外部から酸化剤ガスが供給される。外部から供給された酸化剤ガスは、ハウジング２内の酸化剤ガス供給流路１０を通って加熱されて、燃料電池セルスタックに供給される。燃料電池セルスタックは、燃料電池用装置１から供給された燃料ガス及び酸化剤ガスを用いて発電を行う。
また、ハウジング２には外部から酸化剤ガスが供給される。外部から供給された酸化剤ガスは、ハウジング２内の酸化剤ガス供給流路１０を通って加熱されて、燃料電池セルスタックに供給される。燃料電池セルスタックは、燃料電池用装置１から供給された燃料ガス及び酸化剤ガスを用いて発電を行う。
【0024】
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残余燃料ガスは、燃料電池セルスタックから燃焼器６まで延びる残余燃料ガス供給流路１２を介して燃焼器６に供給される。燃焼器６には内部に供給された残余燃料ガスが流通する内部空間が形成されており、また、改質器４と対向する燃焼器天面６ａには内部空間から残余燃料ガスを噴出する複数の燃焼口１６が形成されている。また、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残余酸化剤ガスは、残余酸化剤ガス供給流路１４を通じてハウジング２に供給される。燃焼器６に供給された残余燃料ガスは、燃焼器６内部から燃焼口１６を通じて噴射されて残余酸化剤ガスを用いて燃焼され、燃焼器６の上方に配置された改質器４を加熱する。これにより、改質器４内の充填領域に充填された改質触媒（図示せず）が改質可能な温度に加熱される。燃焼器６において、残余燃料ガスを燃焼して生じた排ガスは、ハウジング２に設けられた排出口を通してハウジング２の外部に排出される。
【0025】
図２に示すように、本実施形態では、燃焼器６の燃焼器天面６ａに形成された複数の燃焼口１６は、燃焼器天面６ａに面状に分布するように配列されている。具体的には、燃焼口１６は、改質器４を鉛直に投影した領域内に、奥行き方向に所定の間隔、かつ、幅方向に所定の間隔の格子点上に配列されている。燃焼口１６がこのように配列されることにより、燃焼口１６から噴出される残余燃料ガスが燃焼して生じる火炎により加熱可能な燃焼領域６ｂも略矩形状になっている。本実施形態では、この燃焼領域６ｂが改質器４の充填領域の形状に対応している。なお、燃焼領域６ｂの形状が改質器４の充填領域の形状に対応しているとは、略全ての燃焼口１６が改質器４の下方に位置するとともに、燃焼口１６から噴出された残余燃料ガスが燃焼して生じる火炎により、改質器４の充填領域の略全域が水蒸気改質に十分な温度まで加熱可能な状態をいう。
【0026】
なお、本発明において、改質器の形状、燃焼器の形状、及び燃焼口の配置に関する具体的な態様は、図２や以下に示す図３～図６の実施形態に限られず、上述した技術思想に基づく種々の態様を包含するものである。図３～図６は改質器の形状、燃焼器の形状、及び燃焼口の配置が図２に示すものとは異なる実施形態を例示する図である。各図において（ａ）は改質器の下面を示し、（ｂ）は燃焼器の上面を示す。
【0027】
図３に示す実施形態では、改質器１０４は、上面視において矩形環状に形成されており、中央に貫通孔１０４ａが形成されている。また、燃焼器１０６は上面視において矩形環状に形成されている。図３に示す実施形態においても、燃焼器１０６の燃焼器天板１０６ａに形成された燃焼口１６により形成された燃料領域１０６ｂの形状が改質器１０４の充填領域の形状に上面視で対応するように、燃焼口１６が配列されている。具体的には、燃焼口１６は、改質器１０４を鉛直に投影した領域内に、奥行き方向に所定の間隔、かつ、幅方向に所定の間隔の格子点上に配列されている。このため、燃焼器天板１０６ａの改質器１０４の貫通孔１０４ａの直下の領域には燃焼口１６は設けられていない。
【0028】
図４に示す実施形態では、改質器２０４は、上面視において矩形環状に形成されており、中央に貫通孔２０４ａが形成されている。また、燃焼器２０６も、上面視において矩形環状に形成されており、中央に貫通孔２０６ｃが形成されている。図４に示す実施形態においても、燃焼器２０６の燃焼器天板２０６ａに形成された燃焼口１６により形成された燃料領域２０６ｂの形状が改質器２０４の充填領域の形状に上面視で対応するように、燃焼口１６が配列されている。具体的には、燃焼口１６は、改質器２０４を鉛直に投影した領域内に、奥行き方向に所定の間隔、かつ、幅方向に所定の間隔の格子点上に配列されている。なお、燃焼器２０６における改質器２０４の貫通孔２０４ａに当たる領域には、貫通孔２０６ｃが形成されており、この領域には噴出口は形成されていない。
【0029】
図５に示す実施形態では、改質器３０４は、上面視において矩形状に形成されている。また、燃焼器３０６は、上面視において、幅方向（図５の左右方向）の一端の縁から他端に向かって延びる二つの切り欠き部３０６ｃが形成されており、Ｅ字型に形成されている。図５に示す実施形態においても、燃焼器３０６の燃焼器天板３０６ａに形成された燃焼口１６により形成された燃料領域３０６ｂの形状が改質器３０４の充填領域の形状に上面視で対応するように、燃焼口１６が配列されている。具体的には、燃焼口１６は、改質器３０６の切り欠き部３０６ｃを除く領域に、奥行き方向に所定の間隔、かつ、幅方向に所定の間隔の格子点上に配列されている。
【0030】
図６に示す実施形態では、改質器４０４は、幅方向（図５の左右方向）の一端の縁から多端に向かって延びる切り欠き部４０４ａが形成されており、コの字型に形成されているまた、燃焼器４０６は上面視において矩形状に形成されている。図６に示す実施形態においても、燃焼器４０６の燃焼器天板４０６ａに形成された燃焼口１６により形成された燃料領域４０６ｂの形状が改質器４０４の充填領域の形状に上面視で対応するように、燃焼口１６が配列されている。具体的には、燃焼口１６は、改質器４０４を鉛直に投影した領域内に、奥行き方向に所定の間隔、かつ、幅方向に所定の間隔の格子点上に配列されている。
【0031】
上記各実施形態によれば、燃焼器６の複数の燃焼口１６が燃焼器天面６ａに面状に分布されているため、幅及び奥行き方向に広がる改質器４を用いる場合であっても、改質器４全体を加熱することができ、これにより、改質触媒の局所的な劣化を抑制することができる。また、燃焼領域６ｂの形状が、改質触媒が充填された充填領域の形状に対応しているため、残余酸化剤ガスによる燃焼熱により充填領域全体を効率的に加熱することができる。さらに、充填領域の加熱に寄与しないような位置には燃焼口１６が設けられないため、燃焼口１６の数を減らすことができる。これにより、一つの燃焼口１６に流れる残余燃料ガス量が増大するため、燃焼安定性を確保することができる。
【0032】
なお、本実施形態における燃料電池セルスタックは、ハウジング２の外部に配置されるものに限られず、ハウジング２の内部に設置することも可能である。また、燃料電池用供給装置と共に使用される装置として、原燃料ガスの改質に用いる水蒸気を生成する蒸発器、原燃料ガスに含まれる硫黄成分を除去する脱硫器、排気ガス中の一酸化炭素等を除去する燃焼触媒器等があるが、これらをハウジング２の内部に収容することもできる。
【実施例】
【0033】
次に、図７乃至図１２を参照して、本発明の実施例による燃料電池用装置を備えた燃料電池装置の構成を詳細に説明する。
図７は、本実施例による燃料電池用装置を備えた燃料電池装置を示す斜視図である。図８は、図７の燃料電池装置の燃料電池用装置を示す幅方向の鉛直断面図である。図９は、図８に示す燃料電池用装置の奥行き方向断面図である。図１０は、図８におけるＸ－Ｘ断面図である。図１１は、図８におけるＸＩ－ＸＩ断面図である。図１２は、本実施例による燃料電池用装置の内部を示す断面斜視図である。
図７に示すように、本実施例による燃料電池装置２０は、燃料電池用装置１と、蒸発器２２と、燃料電池セルスタック２４とを備える。
図７は、本実施例による燃料電池用装置を備えた燃料電池装置を示す斜視図である。図８は、図７の燃料電池装置の燃料電池用装置を示す幅方向の鉛直断面図である。図９は、図８に示す燃料電池用装置の奥行き方向断面図である。図１０は、図８におけるＸ－Ｘ断面図である。図１１は、図８におけるＸＩ－ＸＩ断面図である。図１２は、本実施例による燃料電池用装置の内部を示す断面斜視図である。
図７に示すように、本実施例による燃料電池装置２０は、燃料電池用装置１と、蒸発器２２と、燃料電池セルスタック２４とを備える。
【0034】
蒸発器２２は、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と混合するように構成されている。また、燃料電池用装置１は蒸発器２２から供給された混合ガスを水蒸気改質して水素を含む燃料ガスを生成するとともに、外部から供給された酸化剤ガスを加熱し、燃料ガス及び酸化剤ガスを燃料電池セルスタック２４に供給するように構成されている。燃料電池セルスタック２４は、供給された燃料ガス及び酸化剤ガスを用いて発電を行う。
【0035】
燃料電池用装置１は、概ね直方体形状の金属製のハウジング２を有する。燃料電池用装置１は、燃料電池セルスタック２４の上方に配置され、また、蒸発器２２は、燃料電池用装置１の上方に配置されている。これらの燃料電池セルスタック２４、燃料電池用装置１、及び蒸発器２２は断熱材（図示せず）によって夫々包囲されており、燃料電池セルスタック２４は、燃料電池用装置１及び蒸発器２２から熱的に隔離されている。
【0036】
図７に示すように、本実施例においては、燃料電池セルスタック２４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２４ａを積層して構成されている。即ち、各燃料電池セル２４ａ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２４ａの間にはセパレータが配置されている（以上、図示せず）。また、積層された複数の燃料電池セル２４ａの上端にはトップエンドプレート２６ａが配置され、下端にはボトムエンドプレート２６ｂが配置されている。このように複数の燃料電池セル２４ａを積層して得られた燃料電池セルスタック２４の内部には、各燃料電池セル２４ａに燃料ガスを供給するための燃料ガス供給通路（図示せず）と、酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給通路（図示せず）が形成されている。また、燃料電池セルスタック２４の上部及び底部からは、発電された電力を取り出すための２本のバスバー２４ｂが夫々延びている。
【0037】
さらに、燃料電池セルスタック２４のトップエンドプレート２６ａには、外部燃料供給配管８ａと、外部燃料排出配管１２ｂと、外部酸化剤ガス供給配管１０ｂ（図８）と、外部酸化剤ガス排出配管１４ｂ（図８）が夫々接続されている。これらの４本の配管は、燃料電池セルスタック２４と燃料電池用装置１のハウジング２の間に挟まれた空間内に延びている。即ち、これらの配管は、燃料電池セルスタック２４のトップエンドプレート２６ａの上面から上方に延び、燃料電池セルスタック２４の上方に配置されたハウジング２の単一の面である底面に接続されている。従って、外部燃料供給配管８ａと、外部燃料排出配管１２ｂと、外部酸化剤ガス供給配管１０ｂと、外部酸化剤ガス排出配管１４ｂは、燃料電池セルスタック２４とハウジング２の間に配置されている断熱材を貫通して延びでいる。なお、燃料電池用装置１のハウジング２は、燃料電池セルスタック２４に対し、これら４本の配管（外部燃料供給配管８ａと、外部燃料排出配管１２ｂと、外部酸化剤ガス供給配管１０ｂと、外部酸化剤ガス排出配管１４ｂ）のみによって連結され、支持されている。
【0038】
図７に示すように、外部燃料供給配管８ａ及び外部燃料排出配管１２ｂは、トップエンドプレート２６ａの１つの短辺の近傍に並べて取り付けられ、夫々鉛直上方に直線状に延びている。燃料電池用装置１において改質された燃料ガスは、外部燃料供給配管８ａを介して燃料電池セルスタック２４に供給され、燃料電池セルスタック２４内の燃料ガス供給通路（図示せず）を通って各燃料電池セル２４ａに分配される。各燃料電池セル２４ａにおいて発電に使用されずに残った残余の燃料ガスは、燃料電池セルスタック２４内の燃料ガス排出通路（図示せず）を通って集められ、トップエンドプレート２６ａに取り付けられた外部燃料排出配管１２ｂを介して燃料電池用装置１に排出される。
【0039】
図８及び図９に示すように、外部酸化剤ガス供給配管１０ｂ及び外部酸化剤ガス排出配管１４ｂは、トップエンドプレート２６ａの１つの長辺の近傍に並べて取り付けられ、夫々鉛直上方に延びた後、内側に向けて９０度屈曲して水平方向に延び、さらに９０度屈曲して鉛直上方に延びている。これら外部酸化剤ガス供給配管１０ｂ、外部酸化剤ガス排出配管１４ｂの上端は、燃料電池用装置１のハウジング２の底面に、幅方向に延びる奥行き方向の中心軸線上（すなわち、燃焼領域６ｂの奥行き方向の中心軸上）に並べて接続されている。
【0040】
燃料電池用装置１において加熱された酸化剤ガスは、外部酸化剤ガス供給配管１０ｂを介して燃料電池セルスタック２４に供給され、燃料電池セルスタック２４内の酸化剤ガス供給通路（図示せず）を通って各燃料電池セル２４ａに分配される。各燃料電池セル２４ａにおいて発電に使用されずに残った残余の酸化剤ガスは、燃料電池セルスタック２４内の酸化剤ガス排出通路（図示せず）を通って集められ、トップエンドプレート２６ａに取り付けられた外部酸化剤ガス排出配管１４ｂを介して燃料電池用装置１に排出される。
【0041】
また、上記のように、外部酸化剤ガス供給配管１０ｂ及び外部酸化剤ガス排出配管１４ｂがハウジング２の底面に接続される位置と、それらの配管が燃料電池セルスタック２４に接続される位置は、上面視において異なっているが、それらの配管をハウジング２と燃料電池セルスタック２４の間の空間内で湾曲させることにより、燃料電池セルスタック２４側とハウジング２側を接続することができる。従って、接続する配管を適宜変更することにより、単一のハウジング２（燃料電池用装置１）に、種々の燃料電池セルスタック２４を接続することができる。また、各配管は、ハウジング２と燃料電池セルスタック２４の間に挟まれた空間内に延びているので、占有床面積を広げることなく、外部燃料供給配管８ａと、外部燃料排出配管１２ｂと、外部酸化剤ガス供給配管１０ｂと、外部酸化剤ガス排出配管１４ｂを設けることができる。
【0042】
次に、図７～図９を参照して、蒸発器２２の構造を説明する。図７に示すように蒸発器２２には、水を供給するための水供給用配管２８と、原燃料ガスを供給するための原燃料ガス供給配管３０と、排気ガスを排出するための排気ガス排出管３２が接続されている。また、燃料電池用装置１のハウジング２と、その外部の蒸発器２２とは配管により接続されており、この配管は燃料電池用装置１から蒸発器２２へ排気ガスを供給する排気ガス配管３４と、この内側に配置された混合ガス導管３６の二重管構造となっている（図８及び図９）。混合ガス導管３６は、蒸発器２２内で生成された水蒸気と、蒸発器２２に供給された原燃料ガスを混合した混合ガスを燃料電池用装置１内に導入するように構成されている。また、蒸発器２２の側面周囲三辺には、蒸発器２２を補助的に加熱するための電気ヒータ３８が巻回されている。
【0043】
図８に示すように、蒸発器２２は、金属板により直方体状の箱形に形成されており、内部には、蒸発室４０ａと、混合室４０ｂと、排気ガス室４０ｃが形成されている。蒸発室４０ａは、蒸発器２２の天井面の直下に形成された薄型の空間であり、蒸発器２２の天井面に接続された水供給用配管２８及び原燃料ガス供給配管３０から夫々供給された水及び原燃料ガスが蒸発室４０ａ内に流入するように構成されている。
【0044】
混合室４０ｂは、細い通路４０ｄを介して蒸発室４０ａの下流側に連通した空間として形成されている。蒸発室４０ａ内で生成された水蒸気と、蒸発室４０ａ内に供給された原燃料ガスは、細い通路４０ｄを通って混合室４０ｂ内に流入することにより混合される。混合室４０ｂの底面には、混合ガス導管３６が接続されており、混合室４０ｂ内で混合された水蒸気及び原燃料ガスは混合ガス導管３６を通って燃料電池用装置１内に導入される。
【0045】
排気ガス室４０ｃは、蒸発器２２の下部に設けられた空間であり、蒸発器２２の底面に接続された排気ガス配管３４を介して排気ガスが流入するように構成されている。排気ガス室４０ｃに流入した排気ガスは、排気ガス室４０ｃの上側に設けられた蒸発室４０ａの床面を加熱して、蒸発器２２の側面端部に接続された排気ガス排出管３２から排出される。蒸発室４０ａに供給された水は、排気ガス室４０ｃ内を流れる排気ガスによって蒸発室４０ａの床面が加熱されることにより蒸発される。
【0046】
排気ガス室４０ｃの下流側は、流入した排気ガスが蒸発室４０ａの床面（排気ガス室４０ｃの天井面）に沿って流れるように、薄型にされている。この薄型にされた空間には、排気ガス室４０ｃを流れる排気ガスの熱が蒸発室４０ａの床面に効率良く伝わるように、伝熱用のフィン４０ｅが配置されている。このように、排気ガス室４０ｃの一端に接続された排気ガス配管３４から流入した排気ガスは、他端に接続された排気ガス排出管３２に向かって（図８の左から右へ）流れる。一方、蒸発室４０ａの、排気ガス排出管３２側の端部に接続された水供給用配管２８から供給された水は、蒸発室４０ａ内で蒸発されながら、他端部に向かって（図８の右から左へ）流れる。このように、蒸発器２２内を流れる水蒸気と排気ガスは反対方向に流れるので、それらの間でカウンターフロー型の熱交換が行われ、効率良く熱交換がなされる。
【0047】
次に、図７乃至図１２を参照して、燃料電池用装置１の構造を説明する。
図７に示すように、燃料電池用装置１は、金属製のハウジング２によって囲まれた直方体状の箱形に形成されており、その上面には発電用の酸化剤ガスである酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給パイプ４２が接続されている。また、上述したように、ハウジング２の上面には排気ガス配管３４と混合ガス導管３６の二重管（図８）、底面には、外部燃料供給配管８ａ、外部燃料排出配管１２ｂ、外部酸化剤ガス供給配管１０ｂ、及び外部酸化剤ガス排出配管１４ｂが接続されている。また、ハウジング２の一方の側面には、ハウジング２の壁面を貫通するように、点火用のセラミックヒータ４４が取り付けられている。
図７に示すように、燃料電池用装置１は、金属製のハウジング２によって囲まれた直方体状の箱形に形成されており、その上面には発電用の酸化剤ガスである酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給パイプ４２が接続されている。また、上述したように、ハウジング２の上面には排気ガス配管３４と混合ガス導管３６の二重管（図８）、底面には、外部燃料供給配管８ａ、外部燃料排出配管１２ｂ、外部酸化剤ガス供給配管１０ｂ、及び外部酸化剤ガス排出配管１４ｂが接続されている。また、ハウジング２の一方の側面には、ハウジング２の壁面を貫通するように、点火用のセラミックヒータ４４が取り付けられている。
【0048】
燃料電池用装置１は、混合ガス導管３６から導入された混合ガスを水蒸気改質して燃料ガスを生成し、外部燃料供給配管８ａを介して燃料電池セルスタック２４に供給すると共に、酸化剤ガス供給パイプ４２を介して導入された酸化剤ガスを加熱し、外部酸化剤ガス供給配管１０ｂを介して燃料電池セルスタック２４に供給するように構成されている。また、燃料電池セルスタック２４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酸化剤ガスは、夫々、外部燃料排出配管１２ｂ及び外部酸化剤ガス排出配管１４ｂを介して燃料電池用装置１に排出される。外部燃料排出配管１２ｂ及び外部酸化剤ガス排出配管１４ｂを介して排出された残余燃料ガス及び残余酸化剤ガスは、燃料電池用装置１内で燃焼され、この燃焼熱により、酸化剤ガス供給パイプ４２から導入された酸化剤ガスを加熱する。燃焼により生成された燃焼ガスは、排気ガス配管３４を介して排気ガスとして蒸発器２２へ導入される。
【0049】
次に、図８乃至図１２を参照して、燃料電池用装置１の内部構造を説明する。
図８に示すように、燃料電池用装置１を形成するハウジング２の内部には、改質器４と、燃焼器６を収容する密閉空間が形成されている。
改質器４は、上面視で長方形の断面を有し、中央に幅方向に延びる貫通孔（開口部）４ａが設けられた金属製の環状容器であり、その一端部には混合ガスを導入するための混合ガス導管３６が接続され、他端部には改質された燃料ガスを流出させる内部燃料供給配管８ｂ（図８）が接続されている。内部燃料供給配管８ｂの先端は、外部燃料供給配管８ａに接続されている。蒸発器２２からハウジング２内に延びる混合ガス導管３６は、ハウジング２内で９０度屈曲され、水平方向に延びた後、鉛直下方に向けて９０度屈曲して、改質器４の天井面に接続されている。改質器４内部の混合ガス導管３６が接続される側の端部には、入口側仕切板４６ａが設けられている。入口側仕切板４６ａは鉛直断面形状がＶ字型で奥行き方向に延びる部材であり、一方の面が改質器４の底面に当接し、他方の面が改質器４内を斜めに延びて改質器４の天面まで到達している。これにより、改質器４内の混合ガス導管３６が接続された部分の空間が仕切られている。入口側仕切板４６ａの他方の面には複数のスリットが形成されており、上流側の空間と下流側の空間とが流体が流通可能に接続されている。
図８に示すように、燃料電池用装置１を形成するハウジング２の内部には、改質器４と、燃焼器６を収容する密閉空間が形成されている。
改質器４は、上面視で長方形の断面を有し、中央に幅方向に延びる貫通孔（開口部）４ａが設けられた金属製の環状容器であり、その一端部には混合ガスを導入するための混合ガス導管３６が接続され、他端部には改質された燃料ガスを流出させる内部燃料供給配管８ｂ（図８）が接続されている。内部燃料供給配管８ｂの先端は、外部燃料供給配管８ａに接続されている。蒸発器２２からハウジング２内に延びる混合ガス導管３６は、ハウジング２内で９０度屈曲され、水平方向に延びた後、鉛直下方に向けて９０度屈曲して、改質器４の天井面に接続されている。改質器４内部の混合ガス導管３６が接続される側の端部には、入口側仕切板４６ａが設けられている。入口側仕切板４６ａは鉛直断面形状がＶ字型で奥行き方向に延びる部材であり、一方の面が改質器４の底面に当接し、他方の面が改質器４内を斜めに延びて改質器４の天面まで到達している。これにより、改質器４内の混合ガス導管３６が接続された部分の空間が仕切られている。入口側仕切板４６ａの他方の面には複数のスリットが形成されており、上流側の空間と下流側の空間とが流体が流通可能に接続されている。
【0050】
内部燃料供給配管８ｂは、混合ガス導管３６とは反対側の端部の、改質器４の底面に接続され、鉛直下方に延び、奥行き方向（図８紙面手前側）に９０度屈曲して水平方向に延び、さらに９０度屈曲して鉛直下方に延びている。改質器４内の下流側には、内部燃料供給配管８ｂが接続された部分を囲むように、コの字型水平断面状の出口側仕切板４６ｂが設けられており、これにより、改質器４内の内部燃料供給配管８ｂが接続された部分の空間が仕切られている。出口側仕切板４６ｂの他方の面には複数のスリットが形成されており、上流側の空間と下流側の空間とが流体が流通可能に接続されている。
【0051】
改質器４内の入口側仕切板４６ａの下流側かつ、出口側仕切板４６ｂの上流側の空間には、改質触媒が充填されている。混合ガス導管３６から流入した原燃料ガスと水蒸気の混合ガスは、改質触媒と接触することにより水蒸気改質され、水素ガスを豊富に含む燃料ガスが生成される。改質器４内で水蒸気改質された燃料ガスは内部燃料供給配管８ｂに流入し、外部燃料供給配管８ａを通って燃料電池セルスタック２４に供給される。
【0052】
燃焼器６は、燃料電池セルスタック２４と隣接しているハウジング２の底壁面の内側に設けられており、外部燃料排出配管１２ｂを介して排出された残余燃料ガスを、外部酸化剤ガス排出配管１４ｂ介して排出された残余酸化剤ガスにより燃焼させるように構成されている。
【0053】
図８、図９、図１１及び図１２に示すように、燃焼器６は、後述する残余酸化剤ガス分配板４８に配置されている。燃焼器６は、上面視において矩形環状形状の筐体１８により構成され、中央に幅方向に延びる貫通孔（開口部）６ｃが設けられている。燃焼器６の貫通孔６ｃと改質器４の貫通孔４ａとは上下方向に並ぶように設けられている。燃焼器６は、筐体１８内に形成された矩形環状の内部空間１８ａを有する。また、筐体１８は、改質器４と対向する天面（燃焼器天面）６ａに、複数の燃焼口１６が形成されている。複数の燃焼口１６は、燃焼器６の天面６ａに面状に分布するように配列されている。具体的には、燃焼口１６は、改質器４を鉛直に投影した領域内に、奥行き方向に所定の間隔、かつ、幅方向に所定の間隔の格子点上に配列されている。燃焼口１６がこのように配列されることにより、燃焼口１６から噴出される残余燃料ガスの火炎により加熱可能な燃焼領域６ｂも略矩形状になっている。そして、本実施形態では、この燃焼領域６ｂが改質器４の充填領域の形状に対応している。すなわち、本実施形態では、略全ての燃焼口１６が改質器４の下方に位置するとともに、燃焼口１６から噴出された残余燃料ガスが燃焼して生じる火炎により、改質器４の充填領域の略全域が水蒸気改質に十分な温度まで加熱可能になっている。
【0054】
外部燃料排出配管１２ｂの先端部は、ハウジング２を貫通し、上流側残余酸化剤ガス供給流路４８ａを通り、筐体１８の幅方向一端側（図１１の左側）の端部の底面に接続されている。また、図１１に示すように、外部燃料排出配管１２ｂの先端部は筐体１８の底面の長手方向に延びる奥行き方向の中心軸線（すなわち、燃焼領域６ｂの奥行き方向の中心軸線）に接続されている。発電に使用されずに燃料電池セルスタック２４から排出された残余燃料ガスは、外部燃料排出配管１２ｂを通じて内部空間１８ａに供給される。そして、残余燃料ガスは内部空間１８ａ内を流通して面状に広がり、燃焼口１６からハウジング２の内部へ噴出される。
【0055】
ハウジング２の底部には、残余酸化剤ガス分配板４８が設けられている。ハウジング２に供給された残余酸化剤ガスは、ハウジング２の底部から燃焼器６まで流動するが、残余酸化剤ガス分配板４８はハウジング２内の残余酸化剤ガスが流動する空間（残余酸化剤ガス供給流路）を上流側と下流側とに仕切っている。残余酸化剤ガス分配板４８は、下面が開口する直方体状に形成されており、残余酸化剤ガス分配板４８の下縁は、ハウジング２の底部に気密に接続されている。残余酸化剤ガス分配板４８とハウジング２の底部との間には、水平方向に延在する上流側残余酸化剤ガス供給流路４８ａが形成されている。上流側残余酸化剤ガス供給流路４８ａと、外部酸化剤ガス排出配管１４ｂとにより、燃料電池セル２４ａで発電に使用されずに残った残余酸化剤ガスを燃焼器６に供給する残余酸化剤ガス供給流路１４が構成される。そして、上流側残余酸化剤ガス供給流路４８ａは、残余酸化剤ガス供給流路１４における水平方向に延在する延在部１４ａを構成する。上流側残余酸化剤ガス供給流路４８ａの延在部１４ａは、燃焼器６と、ハウジング２の底部に延在する内部酸化剤ガス流路５２の延在部１０ａとの間に位置している。上流側残余酸化剤ガス供給流路４８ａの延在部１４ａは、残余酸化剤ガス分配板４８を介して上方に位置する燃焼器６と熱交換可能であるとともに、ハウジング２の内壁板２ａを介してハウジング２の底部に延在する内部酸化剤ガス流路５２の延在部１０ａと熱交換可能である。残余酸化剤ガス分配板４８の上面には、残余酸化剤ガスを燃焼口１６に導くための複数の残余酸化剤ガス噴出口４８ｂが形成されている。残余酸化剤ガス噴出口４８ｂは燃焼口１６よりも下方に位置している。残余酸化剤ガス噴出口４８ｂの一部は、燃焼器６の外周に沿って設けられており、燃焼器６の外側の燃焼口１６の近傍に位置している。また、残余酸化剤ガス噴出口４８ｂの残部は、燃焼器６の貫通孔６ｃの縁に沿って設けられており、燃焼器６の内側の燃焼口１６の近傍に位置している。また、残余酸化剤ガス噴出口４８ｂは、セラミックヒータ４４の下方の領域には設けられておらず、それ以外の領域に設けられている。
【0056】
残余酸化剤ガス噴出口４８ｂは円形である。燃焼器６に形成された燃焼口１６の直径は、残余燃焼ガス噴出口の直径よりも小さい。これら残余酸化剤ガス噴出口４８ｂは、供給された残余酸化剤ガスを燃焼器６の燃焼口１６へ導くように構成され、残余酸化剤ガス誘導手段として機能する。
【0057】
発電に使用されずに燃料電池セルスタック２４から排出された残余酸化剤ガスは、外部酸化剤ガス排出配管１４ｂを通じて、上流側残余酸化剤ガス供給流路４８ａに供給される。そして、残余燃料ガスは内部空間１８ａ内を流通して面状に広がり、残余酸化剤ガス噴出口４８ｂからハウジング２の内部へ噴出される。
【0058】
図１１及び図１２に示すように、ハウジング２の側壁面にはセラミックヒータ４４が取り付けられており、その先端部が燃焼器６の幅方向一端（図１０の右端部）の奥行き方向中心の上方まで延びている。燃料電池装置２０の起動時において、燃焼口１６から残余燃料ガスが噴出し、残余酸化剤ガス分配板４８の各残余酸化剤ガス噴出口４８ｂから残余酸化剤ガスが噴出している状態でセラミックヒータ４４に通電することにより、噴出している残余燃料ガスに点火することができる。これにより、ハウジング２内で燃焼器６の上方に配置された改質器４を加熱することができる。（なお、燃料電池装置２０の起動時においては、改質器４が昇温されていないため、改質器４内で改質反応は発生せず、燃料電池セルスタック２４による発電も行われていない。）
【0059】
次に、図９を参照して、燃料電池用装置１における熱交換について説明する。
図９に示すように、ハウジング２はその壁面の一部が二重壁構造に構成されており、この二重壁の内側に酸化剤ガスが流通する内部酸化剤ガス流路５２が形成されている。内部酸化剤ガス流路５２に発電用の酸化剤ガスを流すことにより、燃焼器６が生成した燃焼ガスで内部を流れる酸化剤ガスを加熱している。内部酸化剤ガス流路５２は、ハウジング２の上面の一部に沿う上面部１０ｄと、長手方向の側壁面の一部に沿う側面部１０ｃと、底壁面の一部に沿う延在部１０ｂとを含む。内部酸化剤ガス流路５２及び外部酸化剤ガス供給配管１０ｂにより、酸化剤ガスを燃料電池セル２４ａに供給するための酸化剤ガス流路１０が構成される。内部酸化剤ガス流路５２の延在部１０ａは燃焼器６の下方に水平方向に延在しており、側面１０ｃ部の下端部に接続されている。側面部１０ｃは側壁面に沿って上下方向に延びており、上端部が上面部１０ｄに接続されている。上面部１０ｄは上面に沿って水平方向に延びている。これら内壁板２ａと外壁板２ｂの間の内部酸化剤ガス流路５２には、伝熱用のフィン５０が配置されており、内壁板２ａの熱が内壁板２ａと外壁板２ｂの間の空間に効率良く伝わるようになっている。従って、内壁板２ａ、外壁板２ｂ、及び伝熱用のフィン５０は、供給された酸化剤ガスを、燃焼器６によって生成された燃焼ガスにより加熱して燃料電池セルスタック２４に供給する酸化剤ガス熱交換器として機能する。
図９に示すように、ハウジング２はその壁面の一部が二重壁構造に構成されており、この二重壁の内側に酸化剤ガスが流通する内部酸化剤ガス流路５２が形成されている。内部酸化剤ガス流路５２に発電用の酸化剤ガスを流すことにより、燃焼器６が生成した燃焼ガスで内部を流れる酸化剤ガスを加熱している。内部酸化剤ガス流路５２は、ハウジング２の上面の一部に沿う上面部１０ｄと、長手方向の側壁面の一部に沿う側面部１０ｃと、底壁面の一部に沿う延在部１０ｂとを含む。内部酸化剤ガス流路５２及び外部酸化剤ガス供給配管１０ｂにより、酸化剤ガスを燃料電池セル２４ａに供給するための酸化剤ガス流路１０が構成される。内部酸化剤ガス流路５２の延在部１０ａは燃焼器６の下方に水平方向に延在しており、側面１０ｃ部の下端部に接続されている。側面部１０ｃは側壁面に沿って上下方向に延びており、上端部が上面部１０ｄに接続されている。上面部１０ｄは上面に沿って水平方向に延びている。これら内壁板２ａと外壁板２ｂの間の内部酸化剤ガス流路５２には、伝熱用のフィン５０が配置されており、内壁板２ａの熱が内壁板２ａと外壁板２ｂの間の空間に効率良く伝わるようになっている。従って、内壁板２ａ、外壁板２ｂ、及び伝熱用のフィン５０は、供給された酸化剤ガスを、燃焼器６によって生成された燃焼ガスにより加熱して燃料電池セルスタック２４に供給する酸化剤ガス熱交換器として機能する。
【0060】
酸化剤ガス供給パイプ４２から供給された酸化剤ガスは、ハウジング２の上壁面を構成する内壁板２ａと外壁板２ｂの間の内部酸化剤ガス流路５２に流入し、ここからハウジング２の短手方向に広がって、ハウジング２の側壁面を構成する内壁板２ａと外壁板２ｂの間の内部酸化剤ガス流路５２に流入する。ハウジング２の側壁面の中に流入した酸化剤ガスは下方に下り、ハウジング２の底壁面を構成する内壁板２ａと外壁板２ｂの間の内部酸化剤ガス流路５２に流入する。ハウジング２の底壁面の中に流入した酸化剤ガスは、ハウジング２の底壁面の短手方向中央に接続された外部酸化剤ガス供給配管１０ｂを通って燃料電池セルスタック２４に供給される。従って、ハウジング２の上壁面、側壁面、及び底壁面の一部が酸化剤ガス熱交換器として機能し、これらの壁面に酸化剤ガス熱交換器が設けられていることになる。
【0061】
次に、本発明の実施例による燃料電池装置の作用を説明する。
まず、燃料電池装置２０の起動時においては、原燃料ガス供給配管３０を介して燃料電池用装置１の蒸発器２２に原燃料ガスが供給されると共に、水供給用配管２８を介して蒸発器２２に水が供給される。また、酸化剤ガス供給パイプ４２を介して発電用の酸化剤ガスが燃料電池用装置１のハウジング６の上壁面を構成する内壁板２ａと外壁板２ｂの間の内部酸化剤ガス流路５２に供給される。蒸発器２２に供給された水は蒸発器２２の蒸発室４０ａで加熱されて水蒸気となる。また、蒸発器２２に供給された原燃料ガスは混合室４０ｂにおいて水蒸気と混合されて混合ガス導管３６に流入し、さらに、改質器４の中に流入する。改質器４に流入した原燃料ガスは、水蒸気を用いて改質触媒により燃料ガスに改質され、内部及び外部燃料供給配管８ｂ、８ａを通って燃料電池セルスタック２４の内部に流入する。なお、燃料電池装置２０の起動初期においては、改質器４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。
まず、燃料電池装置２０の起動時においては、原燃料ガス供給配管３０を介して燃料電池用装置１の蒸発器２２に原燃料ガスが供給されると共に、水供給用配管２８を介して蒸発器２２に水が供給される。また、酸化剤ガス供給パイプ４２を介して発電用の酸化剤ガスが燃料電池用装置１のハウジング６の上壁面を構成する内壁板２ａと外壁板２ｂの間の内部酸化剤ガス流路５２に供給される。蒸発器２２に供給された水は蒸発器２２の蒸発室４０ａで加熱されて水蒸気となる。また、蒸発器２２に供給された原燃料ガスは混合室４０ｂにおいて水蒸気と混合されて混合ガス導管３６に流入し、さらに、改質器４の中に流入する。改質器４に流入した原燃料ガスは、水蒸気を用いて改質触媒により燃料ガスに改質され、内部及び外部燃料供給配管８ｂ、８ａを通って燃料電池セルスタック２４の内部に流入する。なお、燃料電池装置２０の起動初期においては、改質器４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。
【0062】
一方、酸化剤ガス供給パイプ４２を介して燃料電池用装置１に供給された酸化剤ガスは、ハウジング２の内壁板２ａと外壁板２ｂの間の内部酸化剤ガス流路５２を流通する。内部酸化剤ガス流路５２内を流通する酸化剤ガスは、燃焼器６のバーナーの火炎及び燃焼器６から発生する排ガスにより加熱される。また、ハウジング２の底部において、内部酸化剤ガス流路５２を流通する酸化剤ガスは、残余酸化剤ガス分配板４８の上流側残余酸化剤ガス供給流路４８ａ内の残余酸化剤ガス及び燃焼器６の内部空間１８ａの残余燃料ガスとの間で熱交換が行われる。そして、酸化剤ガスは、外部酸化剤ガス供給配管１０ｂを通って燃料電池セルスタック２４の内部に流入する。燃料電池セルスタック２４内に流入した原燃料ガス及び酸化剤ガスは、内部の通路を通り、外部燃料排出配管１２ｂ及び外部酸化剤ガス排出配管１４ｂを介して燃料電池用装置に排出される。なお、燃料電池装置２０の起動初期においては、燃料電池セルスタック２４の温度が低いため、燃料電池セルスタック２４において発電反応は発生しない。
【0063】
外部燃料排出配管１２ｂを通って燃料電池用装置１に流入した残余燃料ガスは、燃焼器６の内部空間１８ａに流入し、燃焼器天面６ａの燃焼口１６から噴出する。一方、外部酸化剤ガス排出配管１４ｂを通って燃料電池用装置１に排出された酸化剤ガスは、残余酸化剤ガス分配板の上流側残余酸化剤ガス供給流路４８ａに流入し、残余酸化剤ガス噴出口４８ｂから噴出する。また、燃料電池装置２０の起動時においては、セラミックヒータ４４に通電され、セラミックヒータ４４の熱により燃焼口１６から噴出した残余燃料ガスに点火される。これにより燃焼器６が残余燃料ガスを燃焼させて燃焼熱を生成するようになる。
【0064】
燃焼器６が点火されると、その上方に配置された改質器４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排ガスにより、ハウジング２の内壁板２ａと外壁板２ｂによって構成される酸化剤ガス熱交換器が加熱され、内部を流れる酸化剤ガスが加熱される。加熱された酸化剤ガスは燃料電池セルスタック２４に流入するので、この熱により燃料電池セルスタック２４が加熱される。ここで、燃料電池用装置１のハウジング２は、断熱材によって包囲されているので、ハウジング２からの輻射熱等による燃料電池セルスタック２４の加熱は殆どなく、燃料電池セルスタック２４は実質的に、燃料電池用装置１から供給される流体（酸化剤ガス及び燃料ガス）のみによって加熱される。
【0065】
また、ハウジング２内で生成された排ガスは、排気ガス配管３４を通って蒸発器２２に流入する。蒸発器２２内に流入した排気ガスは、排気ガス室４０ｃを通って排気ガス排出管３２から排出される。この際、排気ガス室４０ｃの上側に設けられた蒸発室４０ａが加熱される。このように、蒸発器２２に供給された水は、燃焼器６によって生成され、排気ガス配管３４によって供給された燃焼ガスにより加熱される。蒸発室４０ａの温度が上昇した後、水供給用配管２８からの水の供給が開始され、蒸発室４０ａ内で水蒸気が生成されるようになる。なお、燃料電池装置２０の起動時において、蒸発室４０ａの加熱を補助するために電気ヒータ３８に通電を行っても良い。
【0066】
蒸発室４０ａ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４に供給されるようになる。また、改質器４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２４に供給される。燃料電池セルスタック２４の温度が十分に上昇すると、燃料ガスと、燃料電池用装置において加熱された酸化剤ガス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２４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２４からバスバー２４ｂを介して電力が取り出され、発電が開始される。
【0067】
以上説明したように、本実施例によれば、燃焼器６の複数の燃焼口１６が燃焼器天面６ａに面状に分布されているため、幅及び奥行き方向に広がる改質器４を用いる場合であっても、改質器全体を加熱することができる。これにより、改質触媒の局所的な劣化を抑制することができる。
【0068】
また、本実施例によれば、複数の燃焼口１６は、充填領域の全体を加熱するように、充填領域の形状を燃焼器天面６ａに投影させた形状の内部又はその近傍において、面状に分布するように配列されているため、残余酸化剤ガスによる燃焼熱により充填領域全体を効率的に加熱することができる。また、充填領域の加熱に寄与しないような位置に燃焼口が設けられないため、燃焼口１６の数を減らすことができる。これにより、一つの燃焼口１６に流れる残余燃料ガス量が増大するため、燃焼安定性を確保することができる。
【0069】
また、本実施例によれば、燃焼器６に貫通孔６ｃが形成されており、残余酸化剤ガスがこの貫通孔６ｃを通って燃焼領域６ｄに供給されるため、残余酸化剤ガスの供給性能が向上する。また、改質器４に貫通孔４ａが形成されており、オフガスの燃焼後の排ガスがこの貫通孔４ａを通って排気ガス配管３４に到達するため、排ガスによる改質器４の加熱性能が向上する。
【0070】
なお、本発明は上記の実施例に限定されない。
図１３は、本発明の第２実施例の燃料電池用装置を有する燃料電池装置を示す鉛直断面図である。第２実施例の燃料電池用装置は、燃焼器５０６及び残余酸化剤ガス分配板４８の構成が第１実施例と異なっている。図１３に示すように、第２実施例では、燃焼器５０６を構成する筐体５１８が奥行き方向（図１３の左右方向）にハウジング２の側壁部の内壁板２ａの間にわたって設けられている。また、残余酸化剤ガス分配板５４８も奥行き方向（図１３の左右方向）にハウジング２の側壁部の内壁板２ａの間にわたって設けられている。なお、本実施例では、残余酸化剤ガス分配板５４８の燃焼器５０６の貫通孔５０６ｃの縁に沿った部分のみに残余酸化剤ガス噴出口４８ｂが形成されている。
図１３は、本発明の第２実施例の燃料電池用装置を有する燃料電池装置を示す鉛直断面図である。第２実施例の燃料電池用装置は、燃焼器５０６及び残余酸化剤ガス分配板４８の構成が第１実施例と異なっている。図１３に示すように、第２実施例では、燃焼器５０６を構成する筐体５１８が奥行き方向（図１３の左右方向）にハウジング２の側壁部の内壁板２ａの間にわたって設けられている。また、残余酸化剤ガス分配板５４８も奥行き方向（図１３の左右方向）にハウジング２の側壁部の内壁板２ａの間にわたって設けられている。なお、本実施例では、残余酸化剤ガス分配板５４８の燃焼器５０６の貫通孔５０６ｃの縁に沿った部分のみに残余酸化剤ガス噴出口４８ｂが形成されている。
【0071】
このような構成の本実施例によれば、第１実施例の作用効果に加えて以下の効果が奏される。本実施例によれば、残余酸化剤ガス分配板５４８の側面及び燃焼器５０６の筐体５１８の側面を省略することが可能になり、燃料電池用装置５０１の構成を単純化することができる。
【0072】
図１４は、本発明の第３実施例の燃料電池用装置を示す斜視断面図である。第３実施例の燃料電池用装置６０１は、燃焼器６０６における燃焼器天面６０６ａに形成された燃焼口６１６の配列が第１実施例と異なっている。第１実施例において説明した通り、改質器４には長手方向の一端部（図１４の右側端部）に混合ガス導管３６が接続され、長手方向の他端部（図１４の左側端部）に内部燃料供給配管８ｂが接続されている。これにより、改質器４内では、混合ガス導管３６が接続された一端部から、内部燃料供給配管８ｂが接続された他端部に向かって（すなわち、図１４の右側から左側に向かって）原燃料ガスが流通する。そして、第３実施例では、燃焼器６０６に形成された燃焼口６１６は、改質器４の上流側に比べて、下流側において密に形成されている。具体的には、隣接する燃焼口６１６の長手方向の間隔Ｄが、上流側に比べて下流側において小さくなっている。
【0073】
このような構成の本実施例によれば、第１実施例の作用効果に加えて以下の効果が奏される。本実施例によれば、燃焼口６１６を原燃料ガスの下流側（すなわち、改質器４の下流側）に密になるように配列することにより、改質器４下流側をより加熱することができ、改質器４全体での改質効率を向上することができる。
【0074】
また、図１５～図１７は、本発明の第４～６実施例の燃料電池用装置の構成を示す概略図である。
図１５に示すように、本発明の第４実施例の燃料電池用装置７０１では、燃焼器７０６の構成が第１実施例と異なっている。第４実施例における改質器４は、第１実施例と同様に、底板が水平になるように構成されている。また、燃焼器７０６は、燃焼器天面７０６ａに段差が形成されており、燃焼器天面７０６ａの改質器４の上流側の領域よりも下流側の領域の方が上方に位置している。これにより、第４実施例では、改質器４の底板と燃焼器７０６の燃焼器天面７０６ａとの距離が改質器４の上流側の領域よりも下流側の領域の方が短くなっている。
図１５に示すように、本発明の第４実施例の燃料電池用装置７０１では、燃焼器７０６の構成が第１実施例と異なっている。第４実施例における改質器４は、第１実施例と同様に、底板が水平になるように構成されている。また、燃焼器７０６は、燃焼器天面７０６ａに段差が形成されており、燃焼器天面７０６ａの改質器４の上流側の領域よりも下流側の領域の方が上方に位置している。これにより、第４実施例では、改質器４の底板と燃焼器７０６の燃焼器天面７０６ａとの距離が改質器４の上流側の領域よりも下流側の領域の方が短くなっている。
【0075】
また、図１６に示すように、本発明の第５実施例の燃料電池用装置８０１では、燃焼器８０６の構成が第１実施例と異なっている。第５実施例における改質器４は、第１実施例と同様に、底板が水平になるように構成されている。また、燃焼器８０６は、燃焼器天面８０６ａが傾斜しており、燃焼器天面８０６ａの改質器４の上流側の領域よりも下流側の領域の方が上方に位置している。これにより、第５実施例では、改質器４の底板と燃焼器８０６の燃焼器天面８０６ａとの距離が改質器４の上流側の領域よりも下流側の領域の方が短くなっている。
【0076】
また、図１７に示すように、本発明の第６実施例の燃料電池用装置９０１では、改質器９０４の構成が第１実施例と異なっている。第５実施例における改質器９０４は底板が傾斜するように構成されており、改質器９０４の底板の上流側が下流側よりも上方に位置している。なお、第６実施例では、燃焼器６の燃焼器天面６ａは第１実施例と同様に水平に保持されている。これにより、第６実施例では、改質器９０４の底板と燃焼器６の燃焼器天面６ａとの距離が改質器９０４の上流側の領域よりも下流側の領域の方が短くなっている。
【0077】
このような構成の第４～６実施例によれば、第１実施例の作用効果に加えて以下の効果が奏される。第４～６実施例によれば、燃焼口を原燃料ガスの下流側（すなわち、改質器の下流側）で改質器４、９０４の底面に近くなるように配列することにより、改質器下流側をより加熱することができ、改質器全体での改質効率を向上することができる。
【符号の説明】
【0078】
１ 燃料電池用装置
２ ハウジング
２ａ 内壁板
２ｂ 外壁板
４ 改質器
４ａ 貫通孔
６ 燃焼器
６ａ 燃焼器天面
６ｂ 燃焼領域
６ｃ 貫通孔
８ 燃料ガス供給流路
８ａ 外部燃料供給配管
８ｂ 内部燃料供給配管
１０ 酸化剤ガス流路
１０ａ 延在部
１０ｂ 外部酸化剤ガス供給配管
１０ｃ 側面部
１０ｄ 上面部
１２ 残余燃料ガス供給流路
１２ｂ 外部燃料排出配管
１４ 残余酸化剤ガス供給流路
１４ａ 延在部
１４ｂ 外部酸化剤ガス排出配管
１６ 燃焼口
１８ 筐体
１８ａ 内部空間
２０ 燃料電池装置
２２ 蒸発器
２４ 燃料電池セルスタック
２４ａ 燃料電池セル
２４ｂ バスバー
２６ａ トップエンドプレート
２６ｂ ボトムエンドプレート
２８ 水供給用配管
３０ 原燃料ガス供給配管
３２ 排気ガス排出管
３４ 排気ガス配管
３６ 混合ガス導管
３８ 電気ヒータ
４０ａ 蒸発室
４０ｂ 混合室
４０ｃ 排気ガス室
４０ｄ 通路
４０ｅ フィン
４２ 酸化剤ガス供給パイプ
４４ セラミックヒータ
４６ａ 入口側仕切板
４６ｂ 出口側仕切板
４８ 残余酸化剤ガス分配板
４８ａ 内部残余酸化剤ガス供給流路
４８ｂ 残余酸化剤ガス噴出口
５０ フィン
５２ 内部酸化剤ガス流路
１０４ 改質器
１０４ａ 貫通孔
１０６ 燃焼器
１０６ａ 燃焼器天板
１０６ｂ 燃料領域
２０４ 改質器
２０４ａ 貫通孔
２０６ 燃焼器
２０６ａ 燃焼器天板
２０６ｂ 燃料領域
２０６ｃ 貫通孔
３０４ 改質器
３０６ 燃焼器
３０６ａ 燃焼器天板
３０６ｂ 燃料領域
３０６ｃ 切り欠き部
４０４ 改質器
４０４ａ 切り欠き部
４０６ 燃焼器
４０６ａ 燃焼器天板
４０６ｂ 燃料領域
５０１ 燃料電池用装置
５０６ 燃焼器
５０６ｃ 貫通孔
５１８ 筐体
５４８ 残余酸化剤ガス分配板
６０１ 燃料電池用装置
６０６ 燃焼器
６０６ａ 燃焼器天面
６１６ 燃焼口
７０１ 燃料電池用装置
７０６ 燃焼器
７０６ａ 燃焼器天面
８０１ 燃料電池用装置
８０６ 燃焼器
８０６ａ 燃焼器天面
９０１ 燃料電池用装置
９０４ 改質器
２ ハウジング
２ａ 内壁板
２ｂ 外壁板
４ 改質器
４ａ 貫通孔
６ 燃焼器
６ａ 燃焼器天面
６ｂ 燃焼領域
６ｃ 貫通孔
８ 燃料ガス供給流路
８ａ 外部燃料供給配管
８ｂ 内部燃料供給配管
１０ 酸化剤ガス流路
１０ａ 延在部
１０ｂ 外部酸化剤ガス供給配管
１０ｃ 側面部
１０ｄ 上面部
１２ 残余燃料ガス供給流路
１２ｂ 外部燃料排出配管
１４ 残余酸化剤ガス供給流路
１４ａ 延在部
１４ｂ 外部酸化剤ガス排出配管
１６ 燃焼口
１８ 筐体
１８ａ 内部空間
２０ 燃料電池装置
２２ 蒸発器
２４ 燃料電池セルスタック
２４ａ 燃料電池セル
２４ｂ バスバー
２６ａ トップエンドプレート
２６ｂ ボトムエンドプレート
２８ 水供給用配管
３０ 原燃料ガス供給配管
３２ 排気ガス排出管
３４ 排気ガス配管
３６ 混合ガス導管
３８ 電気ヒータ
４０ａ 蒸発室
４０ｂ 混合室
４０ｃ 排気ガス室
４０ｄ 通路
４０ｅ フィン
４２ 酸化剤ガス供給パイプ
４４ セラミックヒータ
４６ａ 入口側仕切板
４６ｂ 出口側仕切板
４８ 残余酸化剤ガス分配板
４８ａ 内部残余酸化剤ガス供給流路
４８ｂ 残余酸化剤ガス噴出口
５０ フィン
５２ 内部酸化剤ガス流路
１０４ 改質器
１０４ａ 貫通孔
１０６ 燃焼器
１０６ａ 燃焼器天板
１０６ｂ 燃料領域
２０４ 改質器
２０４ａ 貫通孔
２０６ 燃焼器
２０６ａ 燃焼器天板
２０６ｂ 燃料領域
２０６ｃ 貫通孔
３０４ 改質器
３０６ 燃焼器
３０６ａ 燃焼器天板
３０６ｂ 燃料領域
３０６ｃ 切り欠き部
４０４ 改質器
４０４ａ 切り欠き部
４０６ 燃焼器
４０６ａ 燃焼器天板
４０６ｂ 燃料領域
５０１ 燃料電池用装置
５０６ 燃焼器
５０６ｃ 貫通孔
５１８ 筐体
５４８ 残余酸化剤ガス分配板
６０１ 燃料電池用装置
６０６ 燃焼器
６０６ａ 燃焼器天面
６１６ 燃焼口
７０１ 燃料電池用装置
７０６ 燃焼器
７０６ａ 燃焼器天面
８０１ 燃料電池用装置
８０６ 燃焼器
８０６ａ 燃焼器天面
９０１ 燃料電池用装置
９０４ 改質器
【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】