(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】2023-10-23
(45)【発行日】2023-10-31
(54)【発明の名称】燃料電池システム
(51)【国際特許分類】
H01M 8/04 20160101AFI20231024BHJP
H01M 8/04014 20160101ALI20231024BHJP
H01M 8/0606 20160101ALI20231024BHJP
H01M 8/12 20160101ALN20231024BHJP
【ＦＩ】
H01M8/04 J
H01M8/04014
H01M8/0606
H01M8/12 101
【請求項の数】
14
(21)【出願番号】P 2021554790
(86)(22)【出願日】2019-11-07
(86)【国際出願番号】 IB2019001246
(87)【国際公開番号】W WO2021090041
(87)【国際公開日】2021-05-14
【審査請求日】2022-04-21
(73)【特許権者】
【識別番号】000003997
【氏名又は名称】日産自動車株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110002468
【氏名又は名称】弁理士法人後藤特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】臼田 昌弘
(72)【発明者】
【氏名】前嶋 晋
(72)【発明者】
【氏名】姫野 友克
【審査官】笹岡 友陽
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１５－２０７５１０（ＪＰ，Ａ）
【文献】再公表特許第２０１４／１５５９２８（ＪＰ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２００６／０１３４４７０（ＵＳ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０２１／０４４７６６（ＷＯ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｍ ８／００－ ８／２４９５
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
作動ガスの供給を受けて発電する燃料電池を備える燃料電池システムであって、前記燃料電池から排出されるオフガスを燃焼させる燃焼器と、前記作動ガスを前記燃料電池に供給するとともに、前記燃焼器からの排ガスと熱交換を行う熱交換デバイスと、前記燃料電池と、前記燃焼器及び前記熱交換デバイスとの間に配置されるマニホールドと、を備え、前記マニホールドは、前記燃料電池から排出される前記オフガスを前記燃焼器へと導くオフガス流路と、前記燃焼器から排出される前記排ガスを前記熱交換デバイスへと導く排ガス流路と、を有する、燃料電池システム。
【請求項2】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、前記作動ガスは、燃料ガスとしてのアノードガスと、酸化剤ガスとしてのカソードガスとを含み、前記熱交換デバイスは、前記排ガスの熱を用いて前記カソードガスを加熱するカソード熱交換器と、前記排ガスの熱を用いて原燃料を前記アノードガスに改質する改質器と、を備え、前記排ガス流路は、前記排ガスの一部を前記カソード熱交換器へと導く第１排ガス流路と、前記排ガスの残りを前記改質器へと導く第２排ガス流路と、を備える、燃料電池システム。
【請求項3】
請求項２に記載の燃料電池システムであって、前記燃焼器は、前記オフガスを燃焼させる第１触媒燃焼器と、前記第１触媒燃焼器で生成された前記排ガスと熱交換することで前記原燃料を気化させ、気化した燃料を前記燃焼器へと供給する蒸発器と、を備え、前記排ガス流路には、前記蒸発器を通じて前記マニホールド内に流入した前記排ガスを燃焼させる第２触媒燃焼器が設けられる、燃料電池システム。
【請求項4】
請求項３に記載の燃料電池システムであって、前記第２触媒燃焼器は、前記第１及び第２排ガス流路にそれぞれ別々に配置される、燃料電池システム。
【請求項5】
請求項４に記載の燃料電池システムであって、 前記第１排ガス流路に配置される前記第２触媒燃焼器の大きさと、前記第２排ガス流路に配置される前記第２触媒燃焼器の大きさは互いに異なる、 燃料電池システム。
【請求項6】
請求項４又は５に記載の燃料電池システムであって、前記第１排ガス流路に配置される前記第２触媒燃焼器の数と、前記第２排ガス流路に配置される前記第２触媒燃焼器の数は互いに異なる、燃料電池システム。
【請求項7】
請求項３から請求項６のいずれか一つに記載の燃料電池システムであって、前記第２触媒燃焼器は、複数の平板がガス流れ方向と平行となるよう配置された担体と、前記担体に担持された触媒とから構成される、燃料電池システム。
【請求項8】
請求項３から請求項６のいずれか一つに記載の燃料電池システムであって、前記第２触媒燃焼器は、筒状のハニカム構造体としての担体と、前記担体に担時された触媒とから構成される、燃料電池システム。
【請求項9】
請求項３から請求項８のいずれか一つに記載の燃料電池システムであって、前記マニホールド内における前記第２触媒燃焼器に前記原燃料を供給するための供給配管をさらに備える、燃料電池システム。
【請求項10】
請求項９に記載の燃料電池システムであって、前記供給配管は、先端部が前記マニホールド内に挿入された状態で当該マニホールドに取り付けられ、前記先端部には、配管延設方向に沿って複数の燃料供給口が設けられる、燃料電池システム。
【請求項11】
請求項１０に記載の燃料電池システムであって、前記複数の燃料供給口は、前記排ガス流路の下流に向かって前記原燃料が供給されるように配置される、燃料電池システム。
【請求項12】
請求項２から請求項１１のいずれか一つに記載の燃料電池システムであって、前記マニホールドは、前記改質器で生成された前記アノードガスを前記燃料電池へと供給するためのアノード流路をさらに備え、前記マニホールドの幅方向において、前記オフガス流路は前記マニホールドの一端側に位置し、前記アノード流路は前記マニホールドの他端側に位置し、前記排ガス流路は前記オフガス流路と前記アノード流路の間に位置する、燃料電池システム。
【請求項13】
請求項１２に記載の燃料電池システムであって、前記マニホールドは、前記カソード熱交換器で加熱された前記カソードガスを前記燃料電池へと供給するためのカソード流路をさらに備え、前記幅方向と直交する方向において、前記カソード流路は前記第１排ガス流路と前記第２排ガス流路との間に位置する、燃料電池システム。
【請求項14】
請求項１３に記載の燃料電池システムであって、前記燃料電池が配置される側の前記マニホールドの端面において、前記カソード流路に対向する部位は当該燃料電池に向かって突出する突出部として形成されており、前記突出部には、前記カソードガスを前記燃料電池に対して供給するための供給口が形成される、燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【0002】
ＪＰＨ１１－１７６４６１Ａには、改質ガスストリームから供給される水素及びオキシダントストリームから供給される酸素を用いて発電する燃料セルを備える燃料セル装置が開示されている。
【発明の概要】
【0003】
この燃料セル装置は、メタノールを改質した改質ガスを改質ガスストリームに供給する燃料改質器、燃料セルから排出されたガス等を燃焼させる燃焼器、及び燃焼器から排出された排ガスを用いて燃料改質器を加熱する熱交換器をさらに備えている。これら燃料改質器や燃焼器、熱交換器は、種々の配管を介して、燃料セル等と接続されている。このような燃料セル装置では非常に多くの配管が使用されているため、燃料セル装置が大型化するという問題がある。
【0004】
したがって、本発明の目的は、コンパクトな構成の燃料電池システムを提供することである。
【0005】
本発明の一態様による燃料電池システムは、作動ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、燃料電池から排出されるオフガスを燃焼させる燃焼器と、作動ガスを燃料電池に供給するとともに、燃焼器からの排ガスと熱交換を行う熱交換デバイスと、燃料電池と燃焼器及び熱交換デバイスとの間に配置されるマニホールドと、を備える。マニホールドは、燃料電池から排出されるオフガスを燃焼器へと導くオフガス流路と、燃焼器から排出される排ガスを熱交換デバイスへと導く排ガス流路と、を有する。
【図面の簡単な説明】
【0006】
【発明を実施するための形態】
【0007】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
【0008】
図１は、本発明の一実施形態による燃料電池システム１００の概略構成図である。
【0009】
図１に示す燃料電池システム１００は、例えば車載用の燃料電池システムである。燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１と、燃料電池スタック１の発電に利用される原燃料を蓄える燃料タンク１０と、を備える。さらに、燃料電池システム１００は、原燃料をアノードガスに改質する改質器２０と、カソードガスとしての空気を加熱する空気熱交換器３０と、燃料電池スタック１から排出されたオフガスを燃焼させる排気燃焼器４０と、アノードガス、カソードガス、及びオフガス等を各種機器へと導くマニホールド５０とを備えている。
【0010】
燃料電池スタック１は、作動ガス（アノードガス及びカソードガス）の供給を受けて発電する燃料電池の積層体である。燃料電池スタック１の発電電力は、ハイブリッド車両に搭載されたバッテリ等を充電するために用いられる。燃料電池スタック１は複数の燃料電池を積層して構成され、発電源である個々の燃料電池は例えば固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）である。
【0011】
燃料タンク１０は、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスを生成したり、システム構成部品等を暖機する際に利用される燃焼ガスを生成するために必要な原燃料を貯蔵する。原燃料は、例えば水とエタノールからなる液体燃料（４０体積％のエタノールを含有する含水エタノール）である。液体燃料は、含水エタノールに限られず、ガソリン又はメタノール等を含む液体燃料であってもよい。
【0012】
燃料タンク１０に蓄えられた原燃料は、第１インジェクタ１１を介して改質器２０に供給され、当該改質器２０においてアノードガスに改質される。改質器２０で生成されたアノードガスは、マニホールド５０を通じて燃料電池スタック１へ供給される。
【0013】
一方で、エアブロワ３１を介して空気熱交換器３０に供給される空気は、当該空気熱交換器３０で加熱される。加熱されたカソードガスとしての空気は、マニホールド５０を通じて燃料電池スタック１へと供給される。
【0014】
燃料電池スタック１は、燃料ガスとしてのアノードガス及び酸化剤ガスとしてのカソードガスの供給を受けて発電する。発電時に使用されなかったアノードガス及びカソードガスは、それぞれアノードオフガス及びカソードオフガスとして燃料電池スタック１から排出される。これらオフガスは、マニホールド５０を通じて排気燃焼器４０へ供給され、当該排気燃焼器４０で燃焼される。
【0015】
排気燃焼器４０で燃焼されたオフガスは、高温の排ガス（燃焼ガス）として、マニホールド５０を通じて改質器２０及び空気熱交換器３０に供給される。改質器２０に供給された排ガスは、改質器２０に内蔵される改質触媒との熱交換に利用された後、外部へ排出される。また、空気熱交換器３０に供給された排ガスは、当該空気熱交換器３０内を通過するカソードガスとの熱交換に利用された後、外部へ排出される。このように、改質器２０及び空気熱交換器３０は、排気燃焼器４０から排出される排ガスの熱を用いて熱交換を行う熱交換デバイスとして構成されている。
【0016】
なお、燃料電池システム１００は、システム始動時等にシステム構成機器を暖機するために、原燃料を排気燃焼器４０へ直接供給可能な燃料供給ラインＬをさらに備えている。燃料供給ラインＬには第２インジェクタ１２が設けられており、第２インジェクタ１２から噴射された原燃料はヒータ１３で加熱された後に排気燃焼器４０に供給される。始動時等において、排気燃焼器４０は、ヒータ１３で加熱された原燃料を燃焼させる。排気燃焼器４０で燃焼された燃焼ガス（排ガス）は、改質器２０及び空気熱交換器３０の暖機に利用される。
【0017】
図２Ａ及び図２Ｂを参照して、燃料電池システム１００の構成についてさらに説明する。図２Ａは本実施形態による燃料電池システムの平面図であり、図２Ｂは本実施形態による燃料電池システムの斜視図である。図２Ｂにおいては、改質器等のシステム構成部品の一部の記載が省略されている。
【0018】
図２Ａ及び図２Ｂに示すように、燃料電池システム１００では、マニホールド５０は、燃料電池スタック１と、改質器２０等の熱交換デバイス及び排気燃焼器４０との間に配置されている。改質器２０、空気熱交換器３０、排気燃焼器４０、及びマニホールド５０は一体的に構成されている。より具体的には、マニホールド５０は略矩形薄板状の部材として構成されており、燃料電池スタック１とは反対側のマニホールド端面に改質器２０、空気熱交換器３０及び排気燃焼器４０が当接するように接続されている。マニホールド５０に接続された状態で、改質器２０、空気熱交換器３０及び排気燃焼器４０は、燃料電池スタック１の幅方向に沿って並設するよう配置される。改質器２０及び排気燃焼器４０は幅方向外側に位置し、空気熱交換器３０は、改質器２０と排気燃焼器４０との間に位置している。
【0019】
一方、マニホールド５０は、アノードガス供給管２、カソードガス供給管３、アノードオフガス排出管４Ａ、及びカソードオフガス排出管４Ｂを介して、燃料電池スタック１と連結されている。
【0020】
アノードガス供給管２は、燃料電池スタック１の前面と燃料電池スタック側のマニホールド端面とを接続し、マニホールド５０内を通過したアノードガスを燃料電池スタック１へ供給する。カソードガス供給管３は、燃料電池スタック１の前面と燃料電池スタック側のマニホールド端面とを接続し、アノードガス供給管２よりも下方に配置される。カソードガス供給管２は、マニホールド５０内を通過したカソードガスを燃料電池スタック１へ供給する。
【0021】
カソードオフガス排出管４Ｂは、燃料電池スタック１の前面と燃料電池スタック側のマニホールド端面とを接続し、燃料電池スタック１から排出されたカソードオフガスをマニホールド５０へ供給する。アノードオフガス排出管４Ａは、燃料電池スタック１の前面と燃料電池スタック側のマニホールド端面とを接続し、カソードオフガス排出管４Ｂよりも下方に配置される。アノードオフガス排出管４Ａは、燃料電池スタック１から排出されたアノードオフガスをマニホールド５０へ供給する。
【0022】
なお、本実施形態の燃料電池システム１００では、燃料電池スタック１とマニホールド５０とが４つの管２，３，４Ａ，４Ｂにより連結されるよう構成されているが、これら配管を省略して燃料電池スタック１とマニホールド５０とが隣接するよう配置されてもよい。燃料電池スタック１とマニホールド５０とを隣り合うように接触させる場合、燃料電池スタック１及びマニホールド５０の両方の当接面には、各種ガスを流通させるための複数のガス通過孔が形成されることとなる。
【0023】
【0024】
排気燃焼器４０は、燃料電池スタック１から排出されたアノードオフガス及びカソードオフガスを流す流路部４１と、流路部４１の下流端に設けられるヒータ４２と、ヒータ４２の下流端に設けられる第１触媒燃焼器４３と、第１触媒燃焼器４３の下流側に設けられる蒸発器４４と、を備える。
【0025】
流路部４１は、上流端がマニホールド５０に接続されており、マニホールド５０から排出されたオフガスをヒータ４２へと供給するガス通路である。この流路部４１は、マニホールド５０から離間するように直線的に延設された後に、マニホールド５０に向かって折り返された略Ｕ字状の通路部材として構成されている。
【0026】
流路部４１の下流端には、ヒータ４２が配置されている。ヒータ４２は、例えば、円板状のハニカム構造体であって、内部を通過するガスを加熱するよう構成されている。このヒータ４２の下流端には、第１触媒燃焼器４３が配置されている。
【0027】
第１触媒燃焼器４３は、筒状のハニカム構造体としての担体と、担体に担時された触媒とから構成される燃焼器である。第１触媒燃焼器４３は、アノードオフガス及びカソードオフガスを触媒燃焼させ、高温の排ガスを生成する。
【0028】
蒸発器４４は、第１触媒燃焼器４３の下流端に設けられる。蒸発器４４は、複数のガス通過孔４４Ａを有する筒状部材として構成されており、下流端がマニホールド５０の端面に溶接等により接続されている。第１触媒燃焼器４３で生成された排ガスは、蒸発器４４のガス通過孔４４Ａを通じてマニホールド５０へ供給される。
【0029】
蒸発器４４は、ガス通過孔４４Ａとは独立した内部流路４４Ｂを有しており、燃料供給ラインＬから供給された原燃料を当該内部流路４４Ｂを通じて流路部４１の上流側に供給する。つまり、蒸発器４４は、システム起動時等に第１触媒燃焼器４３で生成された高温の排ガスがガス通過孔４４Ａを通過する際に、内部流路４４Ｂを通過する原燃料と熱交換することで、当該原燃料を気化させて燃料ガスを流路部４１に供給するように構成されている。なお、暖機終了後には内部流路４４Ｂへの原燃料の供給は停止されるため、蒸発器４４は、第１触媒燃焼器４３から排出された排ガスをマニホールド５０へと導く通路部材として機能する。
【0030】
【0031】
図４に示すように、マニホールド５０は、両端が開口する矩形状枠体として形成された本体部５３と、本体部５３の燃料電池スタック１側の開口を覆う第１プレート５１と、本体部５３の排気燃焼器４０側の開口を覆う第２プレート５２と、を有している。
【0032】
本体部５３は、その内側を複数の空間に仕切る仕切壁５３Ａを有している。本体部５３内の複数の空間と、本体部５３の両端に配置される第１及び第２プレート５１，５２とにより、マニホールド５０の内部には各種ガスを流す４つの流路が形成される。マニホールド５０内には、各種ガスを流す流路として、アノード流路６０、カソード流路７０、オフガス流路８０、及び排ガス流路９０が形成される。
【0033】
アノード流路６０は、改質器２０で生成されたアノードガスを燃料電池スタック１へと供給する流路である。アノード流路６０は、マニホールド５０の幅方向において図中右端寄りの位置に配置されている。
【0034】
第２プレート５２にはアノード流路６０へアノードガスを供給するためのアノード供給口６１が形成されており、第１プレート５１にはアノード流路６０を通過したアノードガスを燃料電池スタック１へと排出するアノード排出口６２が形成されている。なお、アノード排出口６２には、上述したアノードガス供給管２（図２Ｂ参照）の上流端が接続される。
【0035】
カソード流路７０は、空気熱交換器３０で加熱されたカソードガスを燃料電池スタック１へと供給する流路である。カソード流路７０は、マニホールド５０の略中央位置に配置されている。
【0036】
第２プレート５２にはカソード流路７０へカソードガスを供給するためのカソード供給口７１が形成されており、第１プレート５１にはカソード流路７０を通過したカソードガスを燃料電池スタック１へと排出するカソード排出口７２が形成されている。なお、カソード排出口７２には、上述したカソードガス供給管３（図２Ｂ参照）の上流端が接続される。
【0037】
オフガス流路８０は、燃料電池スタック１から排出されるアノードオフガス及びカソードガスを合流させ、排気燃焼器４０の流路部４１へと導く流路である。オフガス流路８０は、マニホールド５０の幅方向において図中左端寄りの位置に配置されている。
【0038】
第１プレート５１には、オフガス流路８０へアノードオフガスを供給するためのアノードオフガス供給口８１と、オフガス流路８０へカソードオフガスを供給するためのカソードオフガス供給口８２とが形成されている。アノードオフガス供給口８１には上述したアノードオフガス排出管４Ａの下流端が接続され、カソードオフガス供給口８２には上述したカソードオフガス排出管４Ｂの下流端が接続される。第２プレート５２には、オフガス流路８０を通過したオフガスを排気燃焼器４０へと排出するオフガス排出口８３が形成されている。なお、第１プレート５１において、アノードオフガス供給口８１は、カソードオフガス供給口８２よりも下方に形成されている。
【0039】
オフガス流路８０から排気燃焼器４０へと流れ込んだオフガスは排気燃焼器４０の第１触媒燃焼器４３で燃焼され、燃焼後の排ガスは排気燃焼器４０の蒸発器４４を通じてマニホールド５０の排ガス流路９０へと供給される。
【0040】
排ガス流路９０は、排気燃焼器４０から排出される排ガスを熱交換デバイスとしての改質器２０及び空気熱交換器３０へと導く流路である。排ガス流路９０は、下流側が２つの流路に分岐するように構成されている。つまり、排ガス流路９０の一方の分岐流路は、排気燃焼器４０からマニホールド５０内に流入した排ガスの一部を空気熱交換器３０へと導く第１排ガス流路９０Ａとして構成されており、排ガス流路９０の他方の分岐流路は、排ガスの残りを改質器２０へと導く第２排ガス流路９０Ｂとして構成されている。
【0041】
排ガス流路９０は、マニホールド５０の幅方向において、オフガス流路８０とアノード流路６０の間に位置するよう配置されている。さらに、第１排ガス流路９０Ａはカソード流路７０の上方を横切るように延設されており、第２排ガス流路９０Ｂはカソード流路７０の下方を横切るように延設されている。このように、カソード流路７０は、マニホールド５０の幅方向と直交する上下方向において、第１排ガス流路９０Ａと第２排ガス流路９０Ｂとの間に位置するよう配置されている。
【0042】
第１プレート５１には、第１及び第２排ガス流路９０Ａ、９０Ｂの上流部位である排ガス流路９０へ排ガスを供給するための排ガス供給口９１が形成されている。さらに、第１プレート５１には、第１排ガス流路９０Ａを通過した排ガスを空気熱交換器３０へ供給する第１排ガス供給口９２と、第２排ガス流路９０Ｂを通過した排ガスを改質器２０へ供給する第２排ガス排出口９３とが形成されている。
【0043】
上述の通り、本実施形態の燃料電池システム１００では、一のマニホールド５０内に形成した各種流路を用いてオフガス及び排ガス等のガスを導く構成が採用されているため、マニホールド５０を使用せずに複数の配管を用いてガスを誘導する従来手法と比較して、燃料電池システム１００をコンパクトに構成することが可能となっている。
【0044】
また、燃料電池システム１００では、排気燃焼器４０の第１触媒燃焼器４３でオフガスを燃焼させ、燃焼後の排ガスを改質器２０等の熱交換デバイスに対する熱源として利用している。しかしながら、燃料電池システム１００のように、第１触媒燃焼器４３の下流に蒸発器４４等を配置する場合、排ガスが蒸発器４４を通過する際に排ガス温度が低下してしまい、熱交換デバイスとの熱交換効率が悪化することが考えられる。
【0045】
そこで、排ガス温度の低下を抑制すべく、燃料電池システム１００のマニホールド５０には、蒸発器４４を通じてマニホールド５０内に流入した排ガスを燃焼させる第２触媒燃焼器５４が設けられている。
【0046】
図５～図７を参照して、第２触媒燃焼器５４について説明する。図５は、マニホールド５０の内部を説明するための図である。図６は、マニホールド５０内に配置される第２触媒燃焼器５４の側面図である。図７は、排ガスの温度変化を示す図である。
【0047】
図５に示すように、第２触媒燃焼器５４は、第１及び第２排ガス流路９０Ａ．９０Ｂが分岐する前の排ガス流路９０内において、当該排ガス流路９０を上下に縦断するように設けられている。第２触媒燃焼器５４は、第２プレート５２に形成された排ガス供給口９１と、第１及び第２排ガス排出口９２、９３との間に位置するよう配置されている。
【0048】
図６に示すように、第２触媒燃焼器５４は、基板５４Ａ及び基板表面から垂直に起立する複数の平板５４Ｂからなる担体５４Ｃと、担体５４Ｃに担持された触媒５４Ｄとから構成されている。図５の矢印に示すように、複数の平板５４Ｂはガス流れ方向と平行となるよう配置されており、これら平板５４Ｂの間を排ガスが通過する際に、排ガス内に残留している燃料成分が触媒燃焼する。
【0049】
図２Ａ及び図７に示すように、燃料電池スタック１から排出されたオフガスは排気燃焼器４０の第１触媒燃焼器４３で燃焼されるため、排ガスが第１触媒燃焼器４３（位置Ａ～位置Ｂ）を通過するまでの間、排ガス温度は上昇する。その後、第１触媒燃焼器４３から排出された排ガスは蒸発器４４を通過するため、当該蒸発器４４を通過するまでの間は、蒸発器４４との熱交換により、排ガス温度は低下することとなる。
【0050】
しかしながら、蒸発器４４を通過してマニホールド５０内に流入した排ガスは、図５の矢印に示すように第２触媒燃焼器５４を通過する。排ガスが第２触媒燃焼器５４を通過する間は排ガス中に含まれる燃料成分が燃焼されるため、図７に示すように、第２触媒燃焼器５４を通過する位置Ｃから排ガス温度は再度上昇する。このように、マニホールド５０の第２触媒燃焼器５４によれば、蒸発器４４を通過する際に排ガス温度が低下している場合であっても、排ガス温度を上昇させることが可能となる。
【0051】
上記した本実施形態の燃料電池システム１００によれば、以下の効果を得ることができる。
【0052】
燃料電池システム１００は、アノードガス及びカソードガス等の作動ガスの供給を受けて発電する燃料電池スタック１と、燃料電池スタック１から排出されるオフガスを燃焼させる排気燃焼器４０と、作動ガスを燃料電池スタック１に供給するとともに、排気燃焼器４０からの排ガスと熱交換を行う改質器２０等の熱交換デバイスとを備える。この燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１と、排気燃焼器４０及び改質器２０等の熱交換デバイスとの間に配置されるマニホールド５０をさらに備えている。マニホールド５０は、燃料電池スタック１から排出されるオフガスを排気燃焼器４０へと導くオフガス流路８０と、排気燃焼器４０から排出される排ガスを改質器２０等の熱交換デバイスへと導く排ガス流路９０と、を有している。より具体的には、排ガス流路９０は、排気燃焼器４０から排出される排ガスの一部を空気熱交換器３０（カソード熱交換器）へと導く第１排ガス流路９０Ａと、当該排ガスの残りを改質器２０へと導く第２排ガス流路９０Ｂと、を備えている。
【0053】
このように、燃料電池システム１００では、一のマニホールド５０内にオフガス流路８０及び排ガス流路９０等の複数の流路を形成し、マニホールド５０を燃料電池スタック１と排気燃焼器４０及び熱交換デバイスとの間に配置することで、複数の配管を用いてこれら機器を接続する場合よりも、システム構成をコンパクト化することが可能となる。
【0054】
燃料電池システム１００の排気燃焼器４０は、オフガスを燃焼させる第１触媒燃焼器４３と、第１触媒燃焼器４３で生成された排ガスと熱交換することで原燃料を気化させ、気化した燃料を排気燃焼器４０へと供給する蒸発器４４と、を備える。そして、マニホールド５０の排ガス流路９０には、蒸発器４４を通じて当該マニホールド５０内に流入した排ガスを燃焼させる第２触媒燃焼器５４が設けられる。
【0055】
このような構成により、蒸発器４４を通過してマニホールド５０内に流入した排ガスが第２触媒燃焼器５４を通過する際に、排ガス中に含まれる燃料成分が燃焼されるため、蒸発器４４通過時に低下した排気ガス温度を第２触媒燃焼器５４にて再度上昇させることが可能となる。したがって、改質器２０及び空気熱交換器３０等の熱交換デバイスに流入する直前の排ガスの温度を高温に維持することができ、熱交換デバイスでの熱交換効率の悪化を抑制することが可能となる。
【0056】
マニホールド５０に設けられる第２触媒燃焼器５４は、複数の平板５４Ｂがガス流れ方向と平行となるよう配置された担体５４Ｃと、担体５４Ｃに担持された触媒５４Ｄとから構成されている。
【0057】
このような構成により、排ガスが平板５４Ｂを通過する際に、排ガス中に含まれる燃料成分を触媒５４Ｄを用いてより確実に触媒燃焼させることができ、排ガス温度を効率的に高めることが可能となる。また、排ガスが第２触媒燃焼器５４の平板５４Ｂ間を通過することにより、排ガス流れを均一化することができる。したがって、第２触媒燃焼器５４を通過した後の排ガスにおいて温度むらが生じることを防止できる。
【0058】
マニホールド５０は、改質器２０で生成されたアノードガスを燃料電池スタック１へと供給するためのアノード流路６０をさらに備える。マニホールド５０の幅方向において、オフガス流路８０はマニホールド５０の一端側に位置し、アノード流路６０はマニホールド５０の他端側に位置し、排ガス流路９０はオフガス流路８０とアノード流路６０の間に位置している。
【0059】
このように排ガス流路９０をマニホールド５０内においてオフガス流路８０とアノード流路６０の間に形成することで、排ガス流路９０の流路長さを短縮することができる。これにより、排気燃焼器４０から排出された排ガスが第２触媒燃焼器５４に到達するまでの間における排ガス温度の低下を抑制でき、第２触媒燃焼器５４の触媒を早期に活性温度まで昇温させることが可能となる。また、第２触媒燃焼器５４から改質器２０等の熱交換デバイスまでの距離も短くなるため、第２触媒燃焼器５４を通過した後の排ガスの温度低下も抑制でき、熱交換デバイスでの熱交換効率を高めることが可能となる。
【0060】
マニホールド５０は、空気熱交換器３０で加熱されたカソードガスを燃料電池スタック１へと供給するためのカソード流路７０をさらに備える。カソード流路７０は、マニホールド５０の幅方向と直交する方向において、第１排ガス流路９０Ａと第２排ガス流路９０Ｂとの間に位置している。
【0061】
このような流路配置とすることで、マニホールド５０内の各種流路を無駄なスペースを生じさせずにレイアウトすることができる。これにより、燃料電池システム１００をより小型化することが可能となる。
【0062】
（第１変形例）
次に、図８を参照して、上述した実施形態の第１変形例による燃料電池システム１００について説明する。以下の変形例の説明においては、本実施形態と同じ機能を果たす構成等には同一の符号を用い、重複する説明を適宜省略する。
次に、図８を参照して、上述した実施形態の第１変形例による燃料電池システム１００について説明する。以下の変形例の説明においては、本実施形態と同じ機能を果たす構成等には同一の符号を用い、重複する説明を適宜省略する。
【0063】
【0064】
図８に示すように、第１変形例による燃料電池システム１００は、マニホールド５０内の排ガス流路９０における第２触媒燃焼器（図示省略）の上流に原燃料を供給するための供給配管１４をさらに備えている。
【0065】
供給配管１４は、一端が燃料タンク１０（図１参照）に接続され、他端がマニホールド５０内に挿入されるように構成されている。このように、供給配管１４は、先端部１４Ａがマニホールド５０の排ガス流路９０内に挿入された状態で当該マニホールド５０に取り付けられている。供給配管１４の先端部１４Ａは排ガス流路９０内においてマニホールド５０の幅方向に直交する上下方向に直線的に延設されており、この先端部１４Ａには配管延設方向に沿って複数の燃料供給口１４Ｂが設けられている。これら複数の燃料供給口１４Ｂは、排ガス流路９０の下流に向かって、より具体的には第２触媒燃焼器５４と対向するように設けられている。
【0066】
本変形例の燃料電池システム１００では、改質器２０等の熱交換デバイスの温度をより効率的に昇温させる必要がある場合に、燃料タンク１０の原燃料が供給配管１４の燃料供給口１４Ｂから第２触媒燃焼器５４に向かって噴射供給される。このように第２触媒燃焼器５４に燃料が直接的に供給されることで、第２触媒燃焼器５４での触媒燃焼が促進され、改質器２０等の熱交換デバイスに高温の排ガスを十分に供給することができる。
【0067】
なお、本変形例では、供給配管１４の先端部１４Ａは、直線的に延設されているが、排ガス流路９０内に燃料を供給することができれば、直線形状以外の形状であってもよい。また、燃料供給口１４Ｂの数及び向きについても、燃料供給口１４Ｂから供給された燃料を第２触媒燃焼器５４にて燃焼させることができるかぎり、上述とは異なる数及び向きとされてもよい。
【0068】
上記した第１変形例の燃料電池システム１００によれば、以下の効果を得ることができる。
【0069】
燃料電池システム１００は、マニホールド５０内における第２触媒燃焼器５４の上流に原燃料を供給するための供給配管１４をさらに備える。このような構成によれば、必要に応じて原燃料を供給配管１４から第２触媒燃焼器５４に供給することができ、改質器２０等の熱交換デバイスに高温の排ガスを十分に供給することが可能となる。
【0070】
なお、供給配管１４は先端部１４Ａがマニホールド５０内に挿入された状態で当該マニホールド５０に取り付けられており、先端部１４Ａには配管延設方向に沿って複数の燃料供給口１４Ｂが設けられている。このように配管延設方向に沿って配置された燃料供給口１４Ｂから燃料を供給することで、マニホールド５０内の生成される燃料流を均一化することができ、第２触媒燃焼器５４で生成される排ガスの温度分布も均一なものとすることができる。
【0071】
また、複数の燃料供給口１４Ｂは、マニホールド５０の下流に向かって燃料が供給されるように配置されている。このように構成することで、供給配管１４の下流に位置する第２触媒燃焼器５４に対して十分な量の燃料を供給することが可能となる。
【0072】
【0073】
第２変形例による燃料電池システム１００のマニホールド５０は、第１プレート５１の構成が、図４に示したマニホールドの第１プレートと相違する。
【0074】
図９に示すように、第２変形例のマニホールド５０では、第１プレート５１におけるカソード流路７０に対向する部位が、燃料電池スタック１に向かって突出する突出部５１Ａとして形成されている。突出部５１Ａは、内部空間がカソード流路７０と連通するように構成されている。
【0075】
突出部５１Ａは略直方体の筒状に形成されており、突出部５１Ａの一側面にはカソード流路７０を通過したカソードガスを燃料電池スタック１へと排出するカソード排出口７２が形成されている。このカソード排出口７２には、図２Ｂで説明したようにカソードガス供給管３の上流端が接続される。
【0076】
カソード排出口７２にはボルト締結等の締結手段によりカソードガス供給管３の上流端が固定されるため、カソード排出口７２の周囲にはカソードガス供給管３を固定するための締結スペースが要求される。しかしながら、カソード流路７０に隣接する排ガス流路９０には第２触媒燃焼器５４が配置されるため、図４のように第１プレートのプレート端面にカソード排出口７２を形成すると、カソードガス供給管３を固定するための締結スペースを確保することが難しい場合がある。
【0077】
本変形例のマニホールド５０では、マニホールド端面を構成する第１プレート５１に突出部５１Ａを設け、この突出部５１Ａにカソード排出口７２を形成することで、第１プレート５１の端面とは異なる位置にカソード排出口７２を配置でき、突出部５１Ａにカソードガス供給管３のための締結スペースを確保することが可能となる。
【0078】
（第３変形例）
次に、図１０を参照して、本実施形態の第３変形例による燃料電池システム１００について説明する。図１０は、第３変形例による燃料電池システム１００のマニホールド５０の内部の様子を示す図である。
次に、図１０を参照して、本実施形態の第３変形例による燃料電池システム１００について説明する。図１０は、第３変形例による燃料電池システム１００のマニホールド５０の内部の様子を示す図である。
【0079】
図１０に示すように、第３変形例によるマニホールド５０では、三つの第２触媒燃焼器５４が排ガス流路９０内に設けられる。つまり、排ガスを空気熱交換器３０へと導く第１排ガス流路９０Ａに一つの第２触媒燃焼器５４－１が設けられ、排ガスを改質器２０へと導く第２排ガス流路９０Ｂに二つの第２触媒燃焼器５４－２，５４－３が設けられる。二つの第２触媒燃焼器５４－２，５４－３は、第２排ガス流路９０Ｂの延設方向（ガス流れ方向）に沿って隣接するよう配置される。
【0080】
第２触媒燃焼器５４－１，５４－２，５４－３は、図６に示したものと同様、基板及び基板表面から垂直に起立する複数の平板からなる担体と、担体に担持された触媒とから構成されている。第２触媒燃焼器５４－１の複数の平板は第１排ガス流路９０Ａのガス流れ方向と平行となるように配置され、第２触媒燃焼器５４－２，５４－３の複数の平板は第２排ガス流路９０Ｂのガス流れ方向と平行となるよう配置される。
【0081】
本変形例では、第２触媒燃焼器５４－１，５４－２，５４－３は第１及び第２排ガス流路９０Ａ，９０Ｂのそれぞれに別々に配置される。このような構成によっても、蒸発器４４通過時に低下した排気ガス温度を各第２触媒燃焼器５４－１，５４－２，５４－３にて再度上昇させることが可能となる。したがって、改質器２０及び空気熱交換器３０等の熱交換デバイスに流入する排ガスの温度を高温に維持することができ、熱交換デバイスでの熱交換効率の悪化を抑制することが可能となる。
【0082】
また、本変形例の燃料電池システム１００では、空気熱交換器３０に供給する排ガスの流量を改質器２０に供給する排ガスの流量よりも多くするため、第１排ガス流路９０Ａに一つの第２触媒燃焼器５４－１を配置し、第２排ガス流路９０Ｂに二つの第２触媒燃焼器５４－２，５４－３を配置することで、第１排ガス流路９０Ａの通気抵抗を第２排ガス流路９０Ｂの通気抵抗よりも小さくしている。このように、流路内に配置される第２触媒燃焼器５４の数を異ならせることで、第１及び第２排ガス流路９０Ａ，９０Ｂを流れる各排ガスの流量を調整することができ、マニホールド５０に分流機能を持たせることが可能となる。
【0083】
なお、本変形例では、第１排ガス流路９０Ａに一つの第２触媒燃焼器５４－１が配置され、第２排ガス流路９０Ｂに二つの第２触媒燃焼器５４－２，５４－３が配置されるが、各流路に配置される第２触媒燃焼器の数は、改質器等の熱交換デバイスで要求される排ガス流量に応じて任意に設定され得る。したがって、第１排ガス流路９０Ａに配置される第２触媒燃焼器の数が第２排ガス流路９０Ｂに配置される第２触媒燃焼器の数よりも多くてもよい。また、第１排ガス流路９０Ａに配置される第２触媒燃焼器の数と、第２排ガス流路９０Ｂに配置される第２触媒燃焼器の数とが同じであってもよい。
【0084】
さらに、第１及び第２排ガス流路９０Ａ，９０Ｂに配置される第２触媒燃焼器の大きさを異ならせてもよい。つまり、第２排ガス流路９０Ｂに配置される第２触媒燃焼器は、図１０の第２触媒燃焼器５４－２，５４－３を一体形状とした触媒燃焼器であってもよい。この場合には、第２排ガス流路９０Ｂに配置される第２触媒燃焼器の幅が、第１排ガス流路９０Ａに配置される第２触媒燃焼器の幅の約２倍に設定される。
【0085】
（第４変形例）
次に、図１１及び図１２を参照して、本実施形態の第４変形例による燃料電池システム１００のマニホールド５０について説明する。図１１は第４変形例によるマニホールド５０の内部の様子を示す図であり、図１２は第４変形例によるマニホールド５０の第１プレート５１を示す図である。
次に、図１１及び図１２を参照して、本実施形態の第４変形例による燃料電池システム１００のマニホールド５０について説明する。図１１は第４変形例によるマニホールド５０の内部の様子を示す図であり、図１２は第４変形例によるマニホールド５０の第１プレート５１を示す図である。
【0086】
図１１に示すように、第４変形例による燃料電池システム１００のマニホールド５０では、第１及び第２排ガス流路９０Ａ，９０Ｂのそれぞれに一の第２触媒燃焼器５４－４，５４－５が設けられる。第２触媒燃焼器５４－４，５４－５は、本体部５３の仕切壁５３Ａにより支持された状態で流路に固定されている。
【0087】
第２触媒燃焼器５４－４，５４－５は、略円筒状のハニカム構造体としての担体５４Ｅと、担体５４Ｅに担時された触媒５４Ｆとから構成されている。第２触媒燃焼器５４－４，５４－５は、担体５４Ｅ内の内部通路の延設方向が流路内のガス流れ方向と平行となるように配置される。
【0088】
本変形例では、第２触媒燃焼器５４－４，５４－５は第１及び第２排ガス流路９０Ａ，９０Ｂのそれぞれに別々に配置される。このような構成によっても、蒸発器４４通過時に低下した排気ガス温度を各第２触媒燃焼器５４－４，５４－５にて再度上昇させることが可能となる。したがって、改質器２０及び空気熱交換器３０等の熱交換デバイスに流入する排ガスの温度を高温に維持することができ、熱交換デバイスでの熱交換効率の悪化を抑制することが可能となる。
【0089】
また、本変形例の燃料電池システム１００では、空気熱交換器３０に供給する排ガスの流量を改質器２０に供給する排ガスの流量よりも多くするため、第１排ガス流路９０Ａに配置される第２触媒燃焼器５４－４の通路断面積を第２排ガス流路９０Ｂに配置される第２触媒燃焼器５４－５の通路断面積よりも大きくすることで、第１排ガス流路９０Ａの通気抵抗を第２排ガス流路９０Ｂの通気抵抗よりも小さくしている。このように、流路内に配置される第２触媒燃焼器５４の大きさを異ならせることで、第１及び第２排ガス流路９０Ａ，９０Ｂを流れる各排ガスの流量を調整することができ、マニホールド５０に分流機能を持たせることが可能となる。
【0090】
第２触媒燃焼器５４－４，５４－５の形状を大きくすると、本体部５３に第２触媒燃焼器５４－４，５４－５を設置した際に触媒燃焼器５４－４，５４－５の一部が本体部５３から外側に突出してしまうことがある。このような場合には、図１２に示すように、第１プレート５１に排ガス流路９０に沿った凹部５１Ｂを形成することで、第２触媒燃焼器５４－４，５４－５の外側への突出が許容されることとなる。
【0091】
なお、第１及び第２排ガス流路９０Ａ，９０Ｂに配置される第２触媒燃焼器の大きさを同じとし、第２排ガス流路９０Ｂに配置される第２触媒燃焼器の数を第１排ガス流路９０Ａに配置される第２触媒燃焼器の数よりも多くすることにより、第１排ガス流路９０Ａを流れる排ガスの流量を第２排ガス流路９０Ｂを流れる排ガスの流量よりも多くしてもよい。
【0092】
また、本変形例では、第１排ガス流路９０Ａの第２触媒燃焼器５４－４を第２排ガス流路９０Ｂの第２触媒燃焼器５４－５よりも大きく構成したが、各流路に配置される第２触媒燃焼器の大きさは、改質器等の熱交換デバイスで要求される排ガス流量に応じて任意に設定され得る。したがって、第１排ガス流路９０Ａに配置される第２触媒燃焼器が、第２排ガス流路９０Ｂに配置される第２触媒燃焼器よりも大きく構成されてもよいし、第２排ガス流路９０Ｂに配置される第２触媒燃焼器と同じ大きさであってもよい。また、第１排及び第２排ガス流路９０Ａ，９０Ｂに配置される第２触媒燃焼器の通路断面積を同じにして、第２触媒燃焼器のガス流れ方向における長さを異ならせることで通気抵抗を調整し、排ガス流量を調節してもよい。
【0093】
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は、本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を、上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。上記実施形態に対し、特許請求の範囲に記載した事項の範囲内で様々な変更及び修正が可能である。また、上述した実施形態及び変形例で説明した技術思想は適宜組み合わせが可能である。
【図1】
【図2A】
【図2B】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】