(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】2023-11-07
(45)【発行日】2023-11-15
(54)【発明の名称】燃料電池システム
(51)【国際特許分類】
H01M 8/04 20160101AFI20231108BHJP
H01M 8/04014 20160101ALI20231108BHJP
H01M 8/12 20160101ALN20231108BHJP
【ＦＩ】
H01M8/04 N
H01M8/04 J
H01M8/04 Z
H01M8/04014
H01M8/12 101
【請求項の数】
5
(21)【出願番号】P 2019085840
(22)【出願日】2019-04-26
(65)【公開番号】P2020181774
(43)【公開日】2020-11-05
【審査請求日】2022-02-04
(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】宇佐美 孝忠
(72)【発明者】
【氏名】ミヒャエル ライシッヒ
(72)【発明者】
【氏名】ベアント ライター
(72)【発明者】
【氏名】ヨルグ マテ
(72)【発明者】
【氏名】トーマス クラウス
(72)【発明者】
【氏名】シュテファン プラニッツァー
(72)【発明者】
【氏名】ヴィンセント ローラー
(72)【発明者】
【氏名】ユルゲン レヒバーガー
【審査官】藤森 一真
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１７－０２７８９０（ＪＰ，Ａ）
【文献】独国特許出願公開第１０２００８００９０６３（ＤＥ，Ａ１）
【文献】特開２００８－２７７２８０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２００８－５３５７６６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００６－０５６７２２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１４－００５１６８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００９－１４０６９５（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１０／０００９２２１（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２００３－２８２１１３（ＪＰ，Ａ）
(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】
燃料電池と、前記燃料電池のオフガスラインに備わる燃焼器と、
前記燃料電池のカソード供給ラインに、前記燃焼器で生じさせた燃焼ガスを高温流体として動作可能に構成されたカソード側熱交換器と、
前記燃料電池のアノード供給ラインに、前記燃焼ガスを高温流体として動作可能に構成されたアノード側熱交換器と、
前記燃焼器と前記カソード側およびアノード側の各熱交換器とを接続し、前記燃焼ガスを前記カソード側熱交換器と前記アノード側熱交換器とのそれぞれに案内する燃焼ガス通路であって、前記燃焼器から延びる集合部と、前記集合部を流れる前記燃焼ガスを各熱交換器に向けて分岐させる分岐部と、を有する燃焼ガス通路と、
前記燃焼ガスの流れに関して前記分岐部よりも上流側に設けられ、前記分岐部に向かう前記燃焼ガスの温度性状の均質化を促す、前記燃焼ガスの均質化装置と、
を備え、
前記均質化装置が、前記燃焼ガスの流れの乱れを増長させる装置として構成され、
前記均質化装置が、その上流側および下流側について夫々定められる前記流れの流路中心線を互いに交差せずかつ非平行な状態にずらす、前記燃焼ガス通路のオフセット部を有する、
燃料電池システム。
【請求項2】
燃料電池と、
前記燃料電池のオフガスラインに備わる燃焼器と、
前記燃料電池のカソード供給ラインに、前記燃焼器で生じさせた燃焼ガスを高温流体として動作可能に構成されたカソード側熱交換器と、
前記燃料電池のアノード供給ラインに、前記燃焼ガスを高温流体として動作可能に構成されたアノード側熱交換器と、
前記燃焼器と前記カソード側およびアノード側の各熱交換器とを接続し、前記燃焼ガスを前記カソード側熱交換器と前記アノード側熱交換器とのそれぞれに案内する燃焼ガス通路であって、前記燃焼器から延びる集合部と、前記集合部を流れる前記燃焼ガスを各熱交換器に向けて分岐させる分岐部と、を有する燃焼ガス通路と、
前記燃焼ガスの流れに関して前記分岐部よりも上流側に設けられ、前記分岐部に向かう前記燃焼ガスの温度性状の均質化を促す、前記燃焼ガスの均質化装置と、
を備え、
前記均質化装置が、前記燃焼ガスの流れに旋回を生じさせる装置として構成される、
燃料電池システム。
【請求項3】
前記カソード側熱交換器と前記アノード側熱交換器とが、前記燃焼器に対して水平方向に配置された、請求項１～２のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項4】
前記燃焼器、前記カソード側熱交換器および前記アノード側熱交換器が、前記燃料電池に対して水平方向に配置された、請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項5】
前記燃焼器が、燃焼促進触媒が担持された燃焼部を有し、前記均質化装置が、前記燃焼ガスの流れに関して前記燃焼部よりも下流側に設けられた、
請求項１～４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、燃料電池のオフガスラインに燃焼器が備わる燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【0002】
特許文献１には、燃料電池のオフガスラインに燃焼器が備わる燃料電池システムに関し、カソード供給ラインとアノード供給ラインとに熱交換器を夫々設置し、燃焼器で生じさせた燃焼ガスをこれらの熱交換器に導入する燃焼ガス通路を、互いに並列に形成することが開示されている。特許文献１において、カソード側の熱交換器は、空気を予熱する手段として構成され、アノード側の熱交換器は、燃料を予熱しおよび改質する手段として構成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開２００８－２７７２８０号公報（段落０００９および００４２、図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
燃焼器の出口における燃焼ガスは、温度性状が一様でなく、例えば、温度にムラがある。特許文献１に記載の技術によると、燃焼器からカソード側およびアノード側の各熱交換器までの燃焼ガスの経路に構成上の制約があり、例えば、長さが制限されることから、燃焼器を出た燃焼ガスを各熱交換器に向けて分岐させるまでに充分に撹拌し、温度分布を解消することが困難である。これにより、温度分布が残存したままの状態で燃焼ガスを分岐させることとなり、カソード側とアノード側とで熱交換により回収される熱量に偏りが生じる。そして、これがシステム全体での動作効率に影響を及ぼすことが懸念される。
【0005】
本発明は、以上の問題を考慮し、熱交換器に供給される燃焼ガスの温度性状の均質化を図り、システム全体としてより高い動作効率を実現可能な燃料電池システム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】
【0006】
本発明の一形態では、燃料電池と、燃料電池のオフガスラインに備わる燃焼器と、燃料電池のカソード供給ラインに、燃焼器で生じさせた燃焼ガスを高温流体として動作可能に構成されたカソード側熱交換器と、燃料電池のアノード供給ラインに、燃焼ガスを高温流体として動作可能に構成されたアノード側熱交換器と、燃焼器とカソード側およびアノード側の各熱交換器とを接続し、燃焼ガスをカソード側熱交換器とアノード側熱交換器とのそれぞれに案内する燃焼ガス通路であって、燃焼器から延びる集合部と、集合部を流れる燃焼ガスを各熱交換器に向けて分岐させる分岐部と、を有する燃焼ガス通路と、燃焼ガスの流れに関して分岐部よりも上流側に設けられ、分岐部に向かう燃焼ガスの温度性状の均質化を促す、燃焼ガスの均質化装置と、を備える燃料電池システムが提供される。
【発明の効果】
【0007】
本発明によれば、分岐部を介してカソード側熱交換器およびアノード側熱交換器のそれぞれに向かう燃焼ガスの温度性状の均質化を促し、構成上の制約によらず、各熱交換器に対する性状分布が抑制された燃焼ガスの供給を可能として、カソード側とアノード側とで熱交換により回収される熱量に偏りが生じるのを抑え、システム全体での動作効率の向上を図ることができる。他方で、燃焼ガスの性状分布の均質化を促進可能なことで、燃焼ガス通路の短縮を図ることが可能となり、レイアウトの簡素化を促すことができる。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【発明を実施するための形態】
【0009】
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。
【0010】
（燃料電池システムの全体構成）
図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムＳ１の基本的な構成を示している。
図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムＳ１の基本的な構成を示している。
【0011】
本実施形態に係る燃料電池システム（以下「燃料電池システム」といい、単に「システム」という場合がある）Ｓ１は、電動車両に搭載可能であり、当該車両に備わる走行用の電動モータに供給される電力を発生させる。
【0012】
燃料電池システムＳ１は、本実施形態に関わる主な構成要素として、燃料電池スタック１、アノード側熱交換器２、カソード側熱交換器３および燃焼器４を備える。本実施形態において、「熱交換器」とは、温度の異なる複数の流体を受容し、高温流体が有する熱量を加熱対象の流体に移動可能に構成された熱機器全般をいうものとする。この意味で、「熱交換器」には、加熱対象の流体が単に暖められるだけでその化学的な変化が伴わない、いわゆる熱交換式の加熱器のほか、加熱対象の流体に化学的な変化が生じ、加熱後の流体が流入時とは異なる組成の流体として流出する場合のものが含まれる。
【0013】
燃料電池スタック（以下、単に「スタック」という場合がある）１は、複数の燃料電池または燃料電池単位セル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、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）である。燃料電池システムＳ１は、アノードガス供給ライン１１およびカソードガス供給ライン１２を備え、燃料電池スタック１は、アノードガス供給ライン１１を介して燃料ガスの供給を受け、カソードガス供給ライン１２を介して酸化剤ガスの供給を受ける。本実施形態において、燃料ガスは、水素であり、酸化剤ガスは、酸素である。固体酸化物形燃料電池のアノード極およびカソード極での発電に係る反応は、次式により表すことができる。
アノード極： ２Ｈ2＋４Ｏ2- → ２Ｈ2Ｏ＋４ｅ- …（１．１）
カソード極： Ｏ2＋４ｅ- → ２Ｏ2- …（１．２）
アノード極： ２Ｈ2＋４Ｏ2- → ２Ｈ2Ｏ＋４ｅ- …（１．１）
カソード極： Ｏ2＋４ｅ- → ２Ｏ2- …（１．２）
【0014】
発電反応後のオフガスは、燃料電池スタック１からオフガス排出ラインに排出される。図１は、アノード側およびカソード側のオフガス排出ラインのうち、アノード側の排出ライン（アノードオフガス排出ライン）１３のみを、燃料電池スタック１から延びる状態で示している。カソードオフガスについても排出ライン（カソードオフガス排出ライン）が設けられ、これが燃料電池スタック１から延びる状態にあることは、言うまでもない。
【0015】
アノード側熱交換器２は、アノードガス供給ライン１１に介装され、後に述べる燃焼器４で生じさせた燃焼ガスが導入されて、これを高温流体として動作する。本実施形態において、アノード側熱交換器２は、燃料ガスの供給を受け、燃料ガスを燃焼ガスとの熱交換により燃料電池スタック１への供給前に加熱する。この意味で、本実施形態に係るアノード側熱交換機２は、燃料予熱器と呼ぶこともできる。燃料ガスは、原燃料を燃料ガスに転換する改質器を備える場合に、原燃料の改質により取得することが可能であり、図示しない燃料ガスタンクを備える場合は、このタンクから供給することが可能である。
【0016】
カソード側熱交換器３は、カソードガス供給ライン１２に介装され、燃焼器４で生じさせた燃焼ガスが導入されて、これを高温流体として動作する。カソード側熱交換器３は、酸化剤ガスの供給を受け、酸化剤ガスを燃焼ガスとの熱交換により燃料電池スタック１への供給前に加熱する。大気中の空気を図示しないエアコンプレッサによりカソードガス供給ライン１２に取り込み、カソード側熱交換器３を介して燃料電池スタック１に供給することで、発電反応に用いられる酸素をカソード極に供給することが可能である。本実施形態に係るカソード側熱交換器３は、空気予熱器と呼ぶことができる。
【0017】
燃焼器４は、アノードオフガス排出ライン１３に接続され、暖機後の通常システム運転時において、燃料電池スタック１から排出されるアノードオフガスを受容し、このオフガス中の残燃料（つまり、残水素）を燃焼させ、燃焼ガスを生成する（以下、燃焼器４を特に「排気燃焼器」と呼ぶ）。本実施形態において、排気燃焼器４は、燃焼促進用の触媒が担持された燃焼部を有する触媒型の燃焼器である。排気燃焼器４には、これに限らず、拡散燃焼器を採用することも可能である。さらに、本実施形態では、排気燃焼器４に燃料供給管１４が接続され、排気燃焼器４に対し、燃料供給管１４を介して燃焼に必要な燃料を供給する。しかし、これに限らず、このシステムＳ１のカソードオフガス排出ラインを排気燃焼器４に接続し、排気燃焼器４に対し、カソードオフガスを導入して、このオフガスに残る酸化剤ガス（つまり、残酸素）を供給してもよい。
【0018】
排気燃焼器４は、燃焼ガス通路１５を介してアノード側熱交換器２およびカソード側熱交換器３に接続されている。排気燃焼器４で生じさせた燃焼ガスは、燃焼ガス通路１５を通じてアノード側熱交換器２およびカソード側熱交換器３に夫々供給される。
【0019】
本実施形態では、排気燃焼器４からアノード側およびカソード側の各熱交換器２、３への燃焼ガスの供給は、燃焼ガス通路１５を介して並列的になされる。具体的には、燃焼ガス通路１５は、排気燃焼器４から延びる集合部１５１と、集合部１５１の下流側に接続し、集合部１５１を流れる燃焼ガスを各熱交換器２、３に向けて分岐させる分岐部１５２、１５３と、を有する。分岐部１５２、１５３は、分岐点Ｐｄで集合部１５１から二股に分かれ、分岐点Ｐｄとアノード側熱交換器２とをつなぐ第１分岐部１５２と、分岐点Ｐｄとカソード側熱交換器３とをつなぐ第２分岐部１５３と、を有する。このような構成に基づき、燃焼ガスは、排気燃焼器４を出た後、集合部１５１を流れ、分岐点Ｐｄで第１分岐部１５２および第２分岐部１５３に分かれ、第１分岐部１５２を介してアノード側熱交換器２に、第２分岐部１５３を介してカソード側熱交換器３に、夫々供給される。
【0020】
ここで、排気燃焼器４の出口における燃焼ガスは、温度性状が一様でなく、例えば、温度にムラがある。アノード側およびカソード側の各熱交換器２、３が排気燃焼器４に対して単に並列に接続されただけの比較例による燃料電池システムでは、排気燃焼器４から各熱交換器２、３までの燃焼ガスの経路に構成上の制約（例えば、設置空間が限られ、長さが制限されること）があることから、燃焼ガスを分岐点Ｐｄに達するまでに充分に撹拌し、温度分布を解消することが困難である。これにより、温度分布が残存したままの状態で燃焼ガスを分岐させることとなり、アノード側とカソード側とで熱交換により回収される熱量に偏りが生じ、システムＳ１全体での動作効率に影響を及ぼす懸念がある。
【0021】
そこで、本実施形態では、アノード側熱交換器２およびカソード側熱交換器３のそれぞれに供給される燃焼ガスについて、その温度性状の積極的な均質化を図り、システムＳ１全体としてより高い動作効率を実現可能とする。
【0022】
具体的には、燃焼ガス通路１５の集合部１５１に、燃焼ガスの温度性状の均質化を促す手段（均質化装置）５を設置し、燃焼ガスの性状分布、特に温度のムラを、分岐点Ｐｄに達するまでに解消しまたは少なくとも部分的に解消する。
【0023】
図２は、本実施形態に係る均質化装置５の概略的な構成を示している。図２（ａ）は、燃焼ガス通路１５を鉛直方向上方からみた平面視の状態を示し、同図（ｂ）は、燃焼ガス通路１５を図１および２（ａ）に矢印Ａで示す方向からみた側面視の状態を示している（後に述べる図３、６～９についても同様である）。
【0024】
均質化装置５は、温度性状の均質化を、燃焼ガスの生成後、物理的な作用により、具体的には、流体力学的な作用により促す手段として構成される。本実施形態では、特に燃焼ガスの流れの乱れを増長させる手段として構成され、具体的には、燃焼ガス通路１５を形成する導管の曲げ部５１により具現される。排気燃焼器４を流出した燃焼ガス（図２～９において、その流れの方向を矢印Ｇｃにより示す）は、曲げ部５１を通過する際に乱れが増長され、性状分布の解消が図られる。曲げ部５１における導管の曲率および偏向の角度は、性状分布の解消という目的から、適宜に設定することが可能である。
【0025】
【0026】
図３は、第１変形例に係る均質化装置５の概略的な構成を示している。
【0027】
第１変形例では、均質化装置５は、燃焼ガス通路１５を形成する導管に形成された、複数の曲げ部５２ａ～５２ｃにより具現される。第１変形例では、均質化装置５が３つの曲げ部５２ａ～５２ｃにより具現される場合について示すが、均質化装置５が有することのできる曲げ部の数は、３つに限らず、適宜に設定することが可能である。排気燃焼器４を流出した燃焼ガスＧｃは、曲げ部５２ａ～５２ｃを通過する際に乱れが増長され、性状分布の解消が図られる。
【0028】
図４は、第２変形例に係る均質化装置５の概略的な構成を、燃焼ガス通路１５を鉛直方向上方からみた平面視の状態で示している。
【0029】
第２変形例では、均質化装置５は、燃焼ガスの流れの流路断面積を拡大または縮小させる、燃焼ガス通路１５の断面変化部（拡大部５３ａまたは縮小部５３ｂ）により具現される。図４（ａ）は、燃焼ガス通路１５を形成する導管に拡大部５３ａを設けた場合の例を示し、同図（ｂ）は、この導管に縮小部５３ｂを設けた場合の例を示している。排気燃焼器４を流出した燃焼ガスＧｃは、拡大部５３ａまたは縮小部５３ｂを通過する際に乱れが増長され、性状分布の解消が図られる。
【0030】
図５は、第３変形例に係る均質化装置５の概略的な構成を、燃焼ガス通路１５を鉛直方向上方からみた平面視の状態で示している。
【0031】
第３変形例では、均質化装置５は、第２変形例におけると同様に、燃焼ガス通路１５の断面変化部（拡大部５４ａおよび縮小部５４ｂ）により具現されるが、これらの断面変化部５４ａ、５４ｂが対で設けられている。図５（ａ）は、燃焼ガスの流れに関して上流側に縮小部５４ｂを、下流側に拡大部５４ａを設けた場合の例を示し、同図（ｂ）は、燃焼ガスの流れに関して上流側に拡大部５４ａを、下流側に縮小部５４ｂを設けた場合の例を示している。排気燃焼器４を流出した燃焼ガスＧｃは、拡大部５４ａおよび縮小部５４ｂを通過する際に乱れが増長され、性状分布の解消が図られる。
【0032】
ここで、図５（ａ）に示す例では、拡大部５４ａに対し、縮小部５４ｂを介して増速した流れが流入するので、拡大部５４ａの下流側で乱れがより増長される。図５（ｂ）に示す例では、縮小部５４ｂに対し、拡大部５４ａを介して乱れが促されることにより撹拌の進んだ流れが調量的に流入するので、分岐点Ｐｄに向けて性状分布が抑えられた燃焼ガスが安定的に供給される。
【0033】
図６は、第４変形例に係る均質化装置５の概略的な構成を示している。
【0034】
図４に示す第２実施例および図５に示す第３変形例では、流れの方向が一定であるなかで流路断面積を変化させたが、第４変形例では、流れの方向を変化させる前後で流路断面積を変化させる。具体的には、均質化装置５は、燃焼ガス通路１５を形成する導管に形成された曲げ部５５により具現され、この曲げ部５５の前後で導管の断面積が拡大されている。第４変形例では、流路断面積を拡大させる場合について示すが、これに限らず、流路断面積を縮小させてもよい。排気燃焼器４を流出した燃焼ガスＧｃは、曲げ部５５を通過する際に、流れの方向が変わることと流路断面積が変わることとの双方による作用を受けて乱れが増長され、性状分布の解消が図られる。そして、流路断面積を拡大させた場合は、曲り部５５の上流側で、曲り部５５に向けて比較的速い流れが形成される。そして、この流れは、相応の勢いを伴って曲り部５５に進入し、対向する内壁に衝突することから、燃焼ガスの撹拌がより促進される。
【0035】
図７は、第５変形例に係る均質化装置５の概略的な構成を示している。
【0036】
第５変形例では、均質化装置５は、第４変形例におけると同様に、燃焼ガス通路１５を形成する導管に形成された曲げ部５６ｂを有し、この曲げ部５６ｂの前後で流路断面積を変化（具体的には、縮小）させているが、断面変化部が、曲げ部５６ｂ以外にも設けられている。つまり、第５変形例に係る均質化装置５は、断面変化部を兼ねる曲げ部５６ｂ以外に、複数の（本実施形態では、２つの）断面変化部をも有して具現されたものである。図８は、曲げ部５６ｂで流路断面積を縮小させるとともに、燃焼ガスの流れに関してその上流側および下流側の双方に拡大部５６ａ、５６ｃを設けた場合の例を示している。曲げ部５６ｂで流路断面積を拡げるか狭めるか、曲げ部５６ｂ以外の断面変化部５６ａ、５６ｃで流路断面積を拡げるか狭めるかは、適宜に設定することが可能である。排気燃焼器４を流出した燃焼ガスＧｃは、断面変化部５６ａ～５６ｃの作用を受けて乱れが増長されるとともに、曲げ部５６ｂを通過する際に乱れがさらに増長され、性状分布の一層の解消が図られる。
【0037】
図８は、第６変形例に係る均質化装置５の概略的な構成を示している。
【0038】
第６実施例では、均質化装置５は、その上流側と下流側とのそれぞれについて定められる流れの流路中心線Ｃｕ、Ｃｄを互いに交差せずかつ非平行な状態にずらす、燃焼ガス通路１５のオフセット部５７ａにより具現される。ここで、「非平行な状態」とは、平行な状態以外のあらゆる状態をいい、垂直な状態を包含する（図８（ａ））。さらに、「交差せず」とは、互いに非平行な状態にある流路中心線Ｃｕ、Ｃｄ同士が同一の平面内にないことをいう（図８（ｂ））。本実施形態では、オフセット部５７ａは、燃焼ガス通路１５を形成する導管に形成された曲げ部５７ａにより形成される。具体的には、比較的内径が小さい上流側の導管と、これによりも内径が大きい下流側の導管と、が曲げ部５７ｂで接続される。そして、上流側の導管が、下流側の導管に対して側方から、下流側の導管の径方向を定める直線上からずらして接続されることで、オフセット部が形成される。排気燃焼器４を流出した燃焼ガスＧｃは、上流側の導管を出て、曲げ部５７ａに進入する際に、周方向の速度成分が助長されることにより乱れが増長され、性状分布の更なる解消が図られる。
【0039】
図８は、上流側の導管と下流側の導管との接続点（以下、単に「導管の接続点」という）Ｐｃを、下流側の導管に対して鉛直方向上側にオフセットさせ、燃焼ガスを下流側の導管に対してその上半分の領域から導入する場合の例を示すが、これに限らず、導管の接続点Ｐｃを下側にオフセットさせ、燃焼ガスを下流側の導管の下半分の領域から導入することも可能である。
【0040】
図１０は、本実施形態に係るアノード側熱交換器２、カソード側熱交換器３および燃焼器４の位置関係を、図１に示す矢印Ａの方向からみた側方視により概略的に示し、これらの熱機器２～４に対する均質化装置５の相対的な位置を併せて示している。
【0041】
本実施形態では、アノード側熱交換器２、カソード側熱交換器３および燃焼器４が互いに水平方向Ｈに並べて配置され、これらの熱機器２～４に対し、均質化装置５も、総体的に等しい高さに配置されている。図１０（ａ）は、アノード側熱交換器２、カソード側熱交換器３および燃焼器４が互いに等しい高さにあり、換言すれば、これらの熱機器２～４の鉛直方向の中心が互いに等しい高さにある場合の例を示すが、車上における実際の設置空間との関係で、中心の位置に鉛直方向のずれがあってもよい。均質化装置５は、水平方向Ｈにおいて、燃焼器４に対してその少なくとも一部（好ましくは、全体）が重なり合っている。
【0042】
図１０（ａ）は、カソード側熱交換器３を中心として、その水平方向Ｈの各側にアノード側熱交換器２および燃焼器４が備わり、燃焼器４に対し、均質化装置５の全体が水平方向Ｈに重なる場合の例を示している。しかし、熱機器２～４および均質化装置５の位置関係は、これに限らず、図１０（ｂ）に示すように、燃焼器４を中心に置き、アノード側熱交換器２およびカソード側熱交換器３をその両側に配置したり、同図（ｃ）に示すように、燃焼器４を中心とするだけでなく、燃焼器４を両側の熱交換器２、３に対して相対的に上方または下方にオフセットさせて配置したりすることも可能である。均質化装置５は、そのような場合であっても燃焼器４に対して少なくとも一部で重なり合うとよく、図１０（ｂ）に示す例では全体が、同図（ｃ）に示す例ではその一部が、燃焼器４に対して水平方向Ｈに重なり合っている。均質化装置５の一部が重なる例は、例えば、図３に示す実施形態により具現可能である。
【0043】
【0044】
本実施形態では、アノード側熱交換器２、カソード側熱交換器３および燃焼器４が、燃料電池スタック１に対して水平方向Ｈに並べられ、総体的に等しい高さに配置されている。図１１は、アノード側熱交換器２、カソード側熱交換器３および燃焼器４が燃料電池スタック１に対して等しい高さにあり、換言すれば、これらの熱機器２～４の鉛直方向の中心と燃料電池スタック１の鉛直方向の中心とが等しい高さにある場合の例を示すが、車上における実際の設置空間との関係で、中心の位置に鉛直方向のずれがあってもよい。
【0045】
均質化装置５と燃料電池スタック１との位置関係は、図１０に関する説明から理解することが可能である。
【0046】
（作用効果の説明）
本実施形態に係る燃料電池システムＳ１は、以上のように構成され、本実施形態により得られる作用および効果について、以下に説明する。
本実施形態に係る燃料電池システムＳ１は、以上のように構成され、本実施形態により得られる作用および効果について、以下に説明する。
【0047】
第１に、均質化装置５により、燃焼ガス通路１５の分岐部１５２、１５３を介してアノード側熱交換器２およびカソード側熱交換器３に向かう燃焼ガスの温度性状の均質化を促し、各熱交換器２、３に対し、レイアウト等、構成上の制約によらず、性状分布が抑制された燃焼ガスの供給を可能として、カソード側とアノード側とで熱交換により回収される熱量に偏りが生じるのを抑え、システムＳ１全体での動作効率の向上を図ることができる。
【0048】
他方で、温度性状の均質化を積極的に促進可能なことで、燃焼ガス通路１５の短縮を図り、レイアウトの簡素化を促すことができる。
【0049】
第２に、均質化装置５を、燃焼ガスの流れの乱れを増長させる手段として構成したことで、温度性状の均質化を確実に促し、動作効率のより確実な向上を図ることができる。
【0050】
第３に、均質化装置５として、燃料ガス通路１５の曲げ部５１、５２ａ～５２ｃを設けたことで、均質化の促進を容易に実現することが可能である。
【0051】
第４に、均質化装置５として、燃焼ガス通路１５の拡大部５３ａ、５４ａまたは縮小部５３ｂ、５４ｂを設けたことで、燃焼ガス通路１５の直線部で均質化の促進を行うことが可能である。
【0052】
第５に、均質化装置５として、燃焼ガス通路１５のオフセット部５７ａを設けたことで、流路の断面全体に亘って撹拌を生じさせ、均質化をより適切に促すことが可能である。
【0053】
第６に、アノード側熱交換器２、カソード側熱交換器３および排気燃焼器４を互いに水平方向Ｈに並べて配置したことで、高さに制約がある設置空間を有効に利用して、これらの熱機器２～４を効率的に設置することが可能である。
【0054】
さらに、アノード側熱交換器２、カソード側熱交換器３および燃焼器４を、燃料電池スタック１に対して水平方向Ｈに並べて配置したことで、高さに制約がある設置空間において、燃料電池システムＳ１を構成する各要素を効率的に設置することが可能である。
【0055】
そして、本実施形態によれば、設置空間の制約から燃焼ガス通路１５の長さを均質性確保の観点から充分に確保することが困難な場合であっても均質化装置５により燃焼ガスを撹拌させ、温度性状の均質化を促すことができるので、設置空間の制約を克服しながら、動作効率の向上を図ることが可能である。
【0056】
以上の説明では、流路の形状（具体的には、流れの方向および流路断面積）を変更することにより「流れの乱れを増長させる」場合について説明した。流れの乱れは、これに限らず、流路の形状が一定であっても渦流発生器を設置することなどにより増長させることが可能である。この意味で、「流れの乱れを増長させる」ことには、既に存在する乱れを大きくする場合に限らず、新たな乱れを生じさせる場合が含まれる。
【0057】
さらに、以上の説明では、燃焼ガスの流れの乱れを増長させることで、温度性状の均質化を促す場合について説明した。温度性状の均質化は、これに限らず、燃焼ガスの流れに旋回を生じさせることによっても促すことが可能である。図９は、燃焼ガス通路１５にスワラまたは静的ミキサ５８ａ、５８ｂを設置する場合の例を示している。均質化装置５は、スワラまたは静的ミキサ５８ａ、５８ｂにより具現される。スワラまたは静的ミキサ５８ａ、５８ｂにより、流路の断面全体に亘って燃焼ガスの流れに周方向の速度成分が付与される。このように、旋回を生じさせる手段によっても性状分布の解消を通じて熱回収量に偏りが生じるのを抑え、動作効率の向上を図ることが可能である。
【0058】
図９に示す例では、流れの方向に２段のスワラ５８ａ、５８ｂが設けられているが、スワラまたは静的ミキサ５８ａ、５８ｂの段数は、これに限らず、求められる燃焼ガスの均質性に応じて適宜に設定することが可能である。
【0059】
図１２は、本発明の他の実施形態に係る燃料電池システムＳ２の基本的な構成を示している。
【0060】
本実施形態に係る燃料電池システムＳ２も、電動車両に搭載して、当該車両に備わる走行用の電動モータに供給される電力を発生可能であることは、先に述べた実施形態におけると同様である。
【0061】
本実施形態では、アノードガス供給ライン１１に、燃料蒸発器２１および燃料改質器２２が介装される。燃料蒸発器２１および燃料改質器２２により、本実施形態に係るアノード側熱交換器２が構成される。アノード側熱交換器２以外にシステムＳ２に備わる熱機器およびその周辺構造は、先に述べた実施形態におけると同様である。先に述べた実施形態のものと同一の構成要素には、図１に示したのと同一の符号を付し、その再度の説明を省略する。
【0062】
本実施形態において、アノード側熱交換器２は、一次燃料である原燃料の供給を受け、これを処理して、燃料電池での発電反応に用いられる燃料ガスに変換する。この意味で、本実施形態に係るアノード側熱交換器２は、燃料処理器と呼ぶこともできる。原燃料は、含酸素燃料と水との混合物であってよく、アノードガス供給ライン１１に接続された、図示しない燃料タンクに貯蔵される。本実施形態に適用可能な原燃料として、エタノールと水との混合物（つまり、エタノール水溶液）を例示することができる。
【0063】
燃料蒸発器２１は、燃料タンクから原燃料であるエタノール水溶液の供給を受け、高温流体である燃焼ガスによりこれを加熱して蒸発させ、エタノールガスおよび水蒸気を生成する。
【0064】
燃料改質器２２は、原燃料の流れに関して燃料蒸発器２１の下流側に配置され、気体の状態にあるエタノールから、水蒸気改質により水素を生成する。水蒸気改質は、次式により表すことができる。生成された水素は、燃料改質器２２を出た後、燃料ガスとして燃料電池スタック１に供給される。
Ｃ2Ｈ5ＯＨ＋３Ｈ2Ｏ → ６Ｈ2＋２ＣＯ2 …（２）
Ｃ2Ｈ5ＯＨ＋３Ｈ2Ｏ → ６Ｈ2＋２ＣＯ2 …（２）
【0065】
このように、燃料蒸発器２１および燃料改質器２２によりアノード側熱交換器２を構成した場合にあっても先に述べたのと同様の効果を得ることが可能である。具体的には、均質化装置５により、燃焼ガス通路１５の集合部１５１を流れる燃焼ガスの性状分布を解消し、カソード側とアノード側とで熱交換により回収される熱量に偏りが生じるのを抑えて、システムＳ２全体での動作効率の向上を図ることができる。
【0066】
そして、温度性状の均質化を積極的に促進可能なことで、燃焼ガス通路１５の短縮を図り、レイアウトの簡素化を促すことができる。
【0067】
以上の説明では、燃焼ガスの均質化装置５を燃焼ガス通路１５の集合部１５１に設置する場合について説明した。しかし、均質化装置５を設置する位置についてはこれに限定されるものではなく、排気燃焼器４の燃焼部（換言すれば、燃焼促進触媒が担持された触媒ベッド部）よりも下流側であり、燃焼ガス通路１５の分岐点Ｐｄよりも下流側である範囲において、適宜に選択することが可能である。集合部１５１に限らず、例えば、排気燃焼器４のケーシングの内部にスワラないし静的ミキサを設置するなどして、排気燃焼器４に内蔵させることも可能である。
【0068】
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および修正が可能である。
【符号の説明】
【0069】
Ｓ１、Ｓ２…燃料電池システム
１…燃料電池スタック
２…アノード側熱交換器
３…カソード側熱交換器
４…排気燃焼器
５…均質化装置
１１…アノードガス供給ライン
１２…カソードガス供給ライン
１３…オフガス排出ライン（アノードオフガス排出ライン）
１４…燃料供給管
１５…燃焼ガス通路
１５１…集合部
１５２、１５３…分岐部
２１…燃料蒸発器
２２…燃料改質器
Ｐｄ…分岐部
１…燃料電池スタック
２…アノード側熱交換器
３…カソード側熱交換器
４…排気燃焼器
５…均質化装置
１１…アノードガス供給ライン
１２…カソードガス供給ライン
１３…オフガス排出ライン（アノードオフガス排出ライン）
１４…燃料供給管
１５…燃焼ガス通路
１５１…集合部
１５２、１５３…分岐部
２１…燃料蒸発器
２２…燃料改質器
Ｐｄ…分岐部
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】