燃料電池モジュール
【課題】熱エネルギの損失を良好に抑制し、熱自立の促進を図るとともに、発電効率の向上を遂行することを可能にする。
【解決手段】燃料電池モジュール１２は、燃料電池スタック２４、原燃料と水蒸気との混合ガスを改質する改質器４６、水蒸気を前記改質器４６に供給する蒸発器４８、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熱交換器５０、前記燃焼ガスを発生させる排ガス燃焼器５２及び起動用燃焼器５４を備える。燃料電池モジュール１２は、燃焼ガスと酸化剤ガスとの温度差により熱電変換を行う第１熱電変換部７４及び第２熱電変換部１０６を備える。
【解決手段】燃料電池モジュール１２は、燃料電池スタック２４、原燃料と水蒸気との混合ガスを改質する改質器４６、水蒸気を前記改質器４６に供給する蒸発器４８、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熱交換器５０、前記燃焼ガスを発生させる排ガス燃焼器５２及び起動用燃焼器５４を備える。燃料電池モジュール１２は、燃焼ガスと酸化剤ガスとの温度差により熱電変換を行う第１熱電変換部７４及び第２熱電変換部１０６を備える。
【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システムが知られている。この燃料電池システムは、図１３に示すように、固体電解質１の一方側に燃料極２を、他方側に空気極３を備えている。そして、空気極３に酸化性ガスとして空気を供給するとともに、燃料極２に燃料ガスを供給し、前記燃料ガスを前記空気と反応させて発電を行う固体電解質型燃料電池４を使用している。
【０００４】
この燃料電池システムでは、さらに外部から導入される燃料ガスを起動時に改質、あるいは不完全燃焼させて還元性ガスとして燃料極２に供給する起動燃焼器５と、前記燃料極２側より排出される燃料極オフガスを燃焼させる排ガス燃焼器６と、前記排ガス燃焼器６から発生する熱で空気を加熱する熱交換器７とを備えている。
【０００５】
これにより、起動時に燃料電池システムから多量に発生する一酸化炭素ガス等の未反応排出ガスを極力少なくでき、燃料極２と空気極３とを共に加熱することにより温度差による熱応力の発生を防止でき、燃料電池システムの耐久性を向上でき、また、前記燃料極２と前記空気極３を同時に効率よく加熱でき、起動時間を短縮できる、としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−１６６４３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、上記の特許文献１では、排ガス燃焼器６から発生する熱は、熱交換器７に供給されて空気を加熱した後、外部に排出されている。しかしながら、熱交換器７からは、相当に高温の熱が排出されており、熱エネルギが無駄に廃棄されるという問題がある。しかも、熱交換器７から高温の熱が排出されるため、廃熱の問題がある。
【０００８】
本発明は、この種の問題を解決するものであり、熱エネルギの損失を良好に抑制し、熱自立の促進を図るとともに、発電効率の向上を遂行す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】
【０００９】
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て前記燃料ガスを生成するとともに、前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給する改質器と、水を蒸発させるとともに、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。
【００１０】
そして、この燃料電池モジュールは、燃焼ガスと酸化剤ガスとの温度差により熱電変換を行う熱電変換部を備えている。
【００１１】
また、この燃料電池モジュールでは、燃焼ガスを熱交換器、改質器及び蒸発器に、順次、供給する燃焼ガス通路と、酸化剤ガスを前記熱交換器から燃料電池スタックに供給する酸化剤ガス通路とを備えるとともに、熱電変換部は、前記燃焼ガス通路の前記蒸発器の下流側に、且つ、前記酸化剤ガス通路の前記熱交換器の上流側に設けられることが好ましい。
【００１２】
このため、熱自立を妨げることがなく、燃焼ガスと酸化剤ガスとの温度差、すなわち、熱エネルギを電気エネルギとして回収することができ、発電効率を向上させることが可能になる。しかも、燃焼ガスの温度が低下されるため、廃熱の抑制が図られる一方、酸化剤ガスが昇温されるため、熱自立の促進が図られる。ここで、熱自立とは、燃料電池システムの運転に必要な熱の全量を外部から加えることなく、自ら発生する熱のみで前記燃料電池システムの動作温度を維持することをいう。
【００１３】
さらに、この燃料電池モジュールでは、酸化剤ガス通路は、熱交換器の上流側に起動用燃焼器を冷却する冷却通路部を有するとともに、熱電変換部は、前記冷却通路部の上流側に設けられることが好ましい。
【００１４】
従って、酸化剤ガスは、熱交換器に供給される前に、起動用燃焼器を冷却するための冷却媒体として供給される。これにより、起動用燃焼器内は、燃料ガスの自己着火温度以下に保つことができ、逆火を抑制することによって前記起動用燃焼器の耐久性の向上が容易に図られる。しかも、熱電変換部には、比較的低温の空気（酸化剤ガス）が供給されるため、燃焼ガスとの温度差を確保することが可能になり、効率的な熱電変換が遂行される。
【００１５】
さらにまた、この燃料電池モジュールでは、起動用燃焼器内には、別の熱電変換部が設けられることが好ましい。このため、熱自立を妨げることがなく、燃焼ガスと酸化剤ガスとの温度差、すなわち、熱エネルギを電気エネルギとして回収することができ、発電効率を向上させることが可能になる。しかも、燃焼ガスの温度が低下されるため、廃熱の抑制が図られる一方、酸化剤ガスが昇温されるため、熱自立の促進が図られる。
【００１６】
また、この燃料電池モジュールでは、熱電変換部は、燃焼ガスと酸化剤ガスとが互いに並行流に設定されるとともに、異なる熱電変換温度に設定された複数の熱電変換素子を備えることが好ましい。従って、例えば、並行流の上流側は、燃焼ガスと酸化剤ガスとの温度差が大きくなるため、高温型熱電変換素子を使用する一方、並行流の下流側は、前記温度差が小さくなるため、低温型熱電変換素子を使用することができる。これにより、温度差に応じて最適な熱電変換素子が用いられるため、効率的な熱電変換が確実に遂行可能になる。
【００１７】
さらに、この燃料電池モジュールでは、熱電変換部は、燃焼ガスと酸化剤ガスとが互いに対向流に設定されるとともに、所定の熱電変換温度に設定された複数の熱電変換素子を備えることが好ましい。このため、熱電変換部内では、想定される温度差に応じて、最適な熱電変換温度に設定された熱電変換素子を用いることができる。従って、効率的な熱電変換が確実に遂行可能になる。
【００１８】
さらにまた、この燃料電池モジュールでは、熱電変換部は、燃焼ガスと酸化剤ガスとが互いに交差する流れ又は対称の流れに設定されるとともに、所定の熱電変換温度に設定された複数の熱電変換素子を備えることが好ましい。これにより、熱電変換部内では、想定される温度差に応じて、最適な熱電変換温度に設定された熱電変換素子を用いることができる。このため、効率的な熱電変換が確実に遂行可能になる。
【００１９】
また、この燃料電池モジュールでは、酸化剤ガス通路は、熱交換器に酸化剤ガスを供給する第１酸化剤ガス供給路部と、起動用燃焼器に前記酸化剤ガスを供給する第２酸化剤ガス供給路部とに分岐するとともに、分岐部位には、前記酸化剤ガスの分配量を調整する酸化剤ガス調整弁が配設されることが好ましい。
【００２０】
従って、燃料電池スタックと、改質器、蒸発器、熱交換器及び排ガス燃焼器を含むＦＣ周辺機器（ＢＯＰ）とを同時に昇温させることができ、起動時間の短縮化を図ることが可能になる。
【００２１】
しかも、燃料電池スタックとＦＣ周辺機器とは、それぞれ緻密な温度制御が遂行されるため、燃料電池モジュールの熱自立が促進される。その上、燃料電池スタック又はＦＣ周辺機器に熱不足が発生した際には、起動用燃焼器から熱を供給することができる。
【００２２】
さらに、この燃料電池モジュールでは、原燃料を改質器に供給する原燃料通路を備え、前記原燃料を起動用燃焼器に供給する原燃料分岐通路部が前記原燃料通路から分岐するとともに、分岐部位には、前記原燃料の分配量を調整する原燃料調整弁が配設されることが好ましい。
【００２３】
このため、燃料電池スタックとＦＣ周辺機器とを、同時に昇温させることができ、起動時間の短縮化を図ることが可能になる。
【００２４】
しかも、燃料電池スタックとＦＣ周辺機器とは、それぞれ緻密な温度制御が遂行されるため、燃料電池モジュールの熱自立が促進される。その上、燃料電池スタック又はＦＣ周辺機器に熱不足が発生した際には、起動用燃焼器から熱を供給することができる。
【００２５】
さらにまた、この燃料電池モジュールでは、熱交換器内には、排ガス燃焼器が一体に設けられるとともに、起動用燃焼器は、前記熱交換器の一端に隣接して設けられ、且つ、改質器は、前記熱交換器の他端に隣接して設けられることが好ましい。従って、改質器、熱交換器、排ガス燃焼器及び起動用燃焼器は、略一体化されるため、燃料電池モジュールの放熱を最小限に抑制することが可能になる。これにより、熱エネルギの損失を抑制し、熱自立運転が良好に促進される。しかも、燃焼用回路（配管等）が簡素化され、部品点数も削減されるため、小型化及び低コスト化が図られる。
【００２６】
また、この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】
【００２７】
本発明によれば、燃焼ガスと酸化剤ガスとの温度差、すなわち、熱エネルギを電気エネルギとして回収することができ、特に起動時間を損なうことがなく、発電効率を向上させることが可能になる。しかも、燃焼ガスの温度が低下されるため、廃熱の抑制が図られる一方、酸化剤ガスが昇温されるため、熱自立の促進が図られる。
【００２８】
ここで、燃焼ガスとは、排ガス燃焼器及び起動用燃焼器で生成されるガスであって、他のガス等の被加熱体と熱交換を行って熱エネルギを与えることができる加熱媒体をいい、熱エネルギを放出した後には、排ガスという。
【００２９】
また、熱自立とは、燃料電池システムの運転に必要な熱の全量を外部から加えることなく、自ら発生する熱のみで前記燃料電池システムの動作温度を維持することをいう。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【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周辺機器の概略斜視説明図である。
【図３】前記ＦＣ周辺機器の要部斜視説明図である。
【図４】前記ＦＣ周辺機器の要部分解斜視説明図である。
【図５】前記ＦＣ周辺機器を構成する改質器の一部断面正面図である。
【図６】前記ＦＣ周辺機器を構成する熱交換器及び排ガス燃焼器の一部断面正面図である。
【図７】前記ＦＣ周辺機器を構成する起動用燃焼器の一部断面側面図である。
【図８】前記燃料電池モジュールを構成する第１熱電変換部の要部分解斜視説明図である。
【図９】前記燃料電池システムの起動から定常運転までの動作を説明するフローチャートである。
【図１０】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池モジュールを構成する熱電変換部の要部分解斜視説明図である。
【図１１】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池モジュールを構成する熱電変換部の要部分解斜視説明図である。
【図１２】本発明の第４の実施形態に係る燃料電池モジュールを構成する熱電変換部の要部分解斜視説明図である。
【図１３】特許文献１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】
【００３１】
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ている。
【００３２】
燃料電池システム１０は、燃料ガス（例えば、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に炭化水素を主体とする原燃料（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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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とが設けられる。
【００３６】
燃料電池モジュール１２は、原燃料と水蒸気との混合ガスを改質して燃料ガスを生成するとともに、燃料電池スタック２４に前記燃料ガスを供給する改質器４６と、水を蒸発させるとともに、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。
【００３７】
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。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を備えるとともに、後述するように、前記改質器４６、前記熱交換器５０、前記排ガス燃焼器５２及び前記起動用燃焼器５４間には、燃焼ガス用の配管を設けていない。
【００３８】
原燃料供給装置１４は、原燃料を改質器４６に供給する原燃料通路５７を備える。酸化剤ガス供給装置１６は、酸化剤ガスを熱交換器５０から燃料電池スタック２４に供給する酸化剤ガス通路５８を備えるとともに、水供給装置１８は、水を蒸発器４８に供給する水通路５９を備える。
【００３９】
ＦＣ周辺機器５６では、熱交換器５０内には、排ガス燃焼器５２が一体に設けられるとともに、起動用燃焼器５４は、前記熱交換器５０の一端に隣接して設けられる。改質器４６は、熱交換器５０の他端に隣接して設けられる。
【００４０】
図２〜図４に示すように、熱交換器５０は、立位姿勢に配置されており、後述するように、酸化剤ガスを鉛直下方向から鉛直上方向に流通させる。改質器４６は、立位姿勢に配置されており、改質ガスを鉛直下方向から鉛直上方向に流通させる。熱交換器５０の一方の側部（一端）には、起動用燃焼器５４が直接装着されるとともに、前記熱交換器５０の他方の側部（他端）には、改質器４６が直接装着される。改質器４６、熱交換器５０（排ガス燃焼器５２を含む）及び起動用燃焼器５４は、水平方向（矢印Ａ方向）に積層される。
【００４１】
図２に示すように、熱交換器５０及び改質器４６の下方には、蒸発器４８と、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６０とが配設される。
【００４２】
改質器４６は、都市ガス（原燃料）中に含まれるエタン（Ｃ２Ｈ６）、プロパン（Ｃ３Ｈ８）及びブタン（Ｃ４Ｈ１０）等の高級炭化水素（Ｃ２＋）を、主としてメタン（ＣＨ４）、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。
【００４３】
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。
【００４４】
図１に示すように、原燃料供給装置１４は、脱硫器６０を備えるとともに、前記脱硫器６０が原燃料通路５７の途上に配設される。この原燃料通路５７は、改質器４６の改質ガス供給室６２ａに接続される。
【００４５】
図３及び図５に示すように、改質ガス供給室６２ａは、複数の改質管路６４の下端側に連通するとともに、前記改質管路６４の上端側に改質ガス排出室６２ｂが連通する。改質ガス排出室６２ｂには、燃料ガス通路６６の一端が連通するとともに、前記燃料ガス通路６６の他端が燃料電池スタック２４の燃料ガス入口連通孔４４ａに連通する（図１参照）。各改質管路６４には、改質用にペレット状の触媒（図示せず）が充填されている。
【００４６】
各改質管路６４間には、加熱空間６８が形成される。この加熱空間６８には、燃焼ガス通路７０の一端が開口される一方、図１に示すように、前記燃焼ガス通路７０の途上には、蒸発器４８の加熱路７２が設けられる。燃焼ガス通路７０の他端には、第１熱電変換部７４が接続される。
【００４７】
水供給装置１８を構成する水通路５９は、蒸発器４８の入口に接続される。水通路５９を流通する水は、加熱路７２に沿って流通する燃焼ガスにより加熱され、水蒸気が発生する。蒸発器４８の出口には、水蒸気通路５９ａの一端が接続されるとともに、前記水蒸気通路５９ａの他端は、原燃料通路５７に対して脱硫器６０の下流の位置に合流する。
【００４８】
図４及び図６に示すように、熱交換器５０は、下部側に酸化剤ガス供給室７６ａが設けられるとともに、上部側に酸化剤ガス排出室７６ｂが設けられる。酸化剤ガス供給室７６ａと酸化剤ガス排出室７６ｂとには、複数の酸化剤ガス管路７８の両端が連通する。
【００４９】
酸化剤ガス供給室７６ａには、酸化剤ガス通路５８を構成する第１酸化剤ガス供給路部８０ａの一端が配設される。酸化剤ガス排出室７６ｂには、酸化剤ガス供給通路８２の一端が配設されるとともに、前記酸化剤ガス供給通路８２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）。
【００５０】
熱交換器５０の内部には、複数の酸化剤ガス管路７８が収容された空間からなるとともに、排ガス燃焼器５２を構成する燃焼室８４が形成される。燃焼室８４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、酸化剤ガスを昇温させる熱源として機能する。
【００５１】
燃焼室８４には、酸化剤ガス排出室７６ｂ側から酸化剤排ガス通路８６の一端と燃料排ガス通路８８の一端とが配置される。図１に示すように、酸化剤排ガス通路８６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８８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。
【００５２】
図４に示すように、改質器４６と熱交換器５０との間には、壁板（壁部）９０が配設される。改質器４６のフランジ部９２と熱交換器５０のフランジ部９４との間に、壁板９０が挟持されるとともに、これらが複数のボルト９６及びナット９７により一体的に固定される。壁板９０には、熱交換器５０の燃焼室８４に発生した燃焼ガスを、改質器４６の加熱空間６８に供給するための開口部（燃焼ガス通路）９８が形成される。
【００５３】
図７に示すように、起動用燃焼器５４は、内部ケーシング１００を介して燃焼室１０２が形成されるとともに、前記内部ケーシング１００の外方には、前記燃焼室１０２を冷却するための冷却通路部１０４が形成される。冷却通路部１０４の上部及び下部には、酸化剤ガス供給装置１６を構成する酸化剤ガス通路５８が接続される（図１参照）。
【００５４】
燃焼室１０２は、排ガス燃焼器５２を構成する燃焼室８４に対応して矩形状の火炎領域Ｓが設定される（図４参照）。燃焼室１０２と冷却通路部１０４との間には、第２熱電変換部１０６が配設される。この燃焼室１０２には、予混合燃料通路１０８が接続されるとともに、前記予混合燃料通路１０８には、図１に示すように、第２酸化剤ガス供給路部８０ｂと原燃料通路５７から分岐した原燃料分岐通路１１０とが接続される。
【００５５】
図４に示すように、起動用燃焼器５４と熱交換器５０とは、それぞれに設けられたフランジ部９２、９４が複数のボルト９６及びナット９７により一体的に固定される。
【００５６】
図１に示すように、酸化剤ガス通路５８には、熱交換器５０の上流側、より好適には、冷却通路部１０４の上流側に第１熱電変換部７４が配設される。図８に示すように、第１熱電変換部７４は、被加熱体である酸化剤ガスを流通させる第１通路部材１１２と、加熱媒体である燃焼ガスを流通させる第２通路部材１１４と、異なる熱電変換温度に設定されたそれぞれ複数の熱電変換素子１１６ａ、１１６ｂ及び１１６ｃとを備える。
【００５７】
第１通路部材１１２は、ボックス形状を有し、酸化剤ガス入口１１２ａと酸化剤ガス出口１１２ｂとの間で蛇行する酸化剤ガス蛇行流路１１２ｃを設ける。酸化剤ガス蛇行流路１１２ｃは、第１通路部材１１２内に交互に且つ千鳥状に配置される仕切板１１２ｄにより形成される。
【００５８】
第２通路部材１１４は、ボックス形状を有し、燃焼ガス入口１１４ａと燃焼ガス出口１１４ｂとの間で蛇行する燃焼ガス蛇行流路１１４ｃを設ける。燃焼ガス蛇行流路１１４ｃは、第２通路部材１１４内に交互に且つ千鳥状に配置される仕切板１１４ｄにより形成される。燃焼ガス蛇行流路１１４ｃと酸化剤ガス蛇行流路１１２ｃとは、互いに並行流に設定される。
【００５９】
熱電変換素子１１６ａ、１１６ｂ及び１１６ｃは、第１通路部材１１２と第２通路部材１１４とに両端が挟持されるとともに、各両端に温度差を生じさせることにより起電力を発生させる機能を有する。酸化剤ガス蛇行流路１１２ｃ及び燃焼ガス蛇行流路１１４ｃの上流側に配置される複数（図８には、３個配置されるが、個数は任意に設定可能である。以下、同様）の熱電変換素子１１６ａは、高温の熱電変換温度に設定された高温型熱電変換素子である。
【００６０】
酸化剤ガス蛇行流路１１２ｃ及び燃焼ガス蛇行流路１１４ｃの中流側に配置される複数の熱電変換素子１１６ｂは、中温の熱電変換温度に設定された中温型熱電変換素子である。酸化剤ガス蛇行流路１１２ｃ及び燃焼ガス蛇行流路１１４ｃの下流側に配置される複数の熱電変換素子１１６ｃは、低温の熱電変換温度に設定された低温型熱電変換素子である。
【００６１】
第２熱電変換部１０６は、上記の第１熱電変換部７４と同様に構成される。第２熱電変換部１０６内では、冷却通路部１０４から酸化剤ガスが供給されるとともに、燃焼室１０２から燃焼ガスが供給される。図示しないが、酸化剤ガス及び燃焼ガスは、互いに並行流に設定され、酸化剤ガス蛇行流路と燃焼ガス蛇行流路との間には、複数の熱電変換素子が配設される。
【００６２】
図１に示すように、酸化剤ガス供給装置１６は、酸化剤ガスを酸化剤ガス通路５８から熱交換器５０と起動用燃焼器５４とに、すなわち、第１酸化剤ガス供給路部８０ａと第２酸化剤ガス供給路部８０ｂとに、分配する酸化剤ガス調整弁１１８を備える。
【００６３】
原燃料供給装置１４は、原燃料を改質器４６と起動用燃焼器５４とに、すなわち、原燃料通路５７と原燃料分岐通路１１０とに、分配する原燃料調整弁１２０を備える。
【００６４】
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、図９のフローチャートに沿って、以下に説明する。
【００６５】
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（ステップＳ１）。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５８に空気が供給される。この空気は、第１熱電変換部７４を通った後、起動用燃焼器５４の冷却通路部１０４に導入される（動作は、後述する）。さらに、空気は、酸化剤ガス調整弁１１８の開度調整作用下に、第２酸化剤ガス供給路部８０ｂから予混合燃料通路１０８に供給される。
【００６６】
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５７に、例えば、都市ガス（ＣＨ４、Ｃ２Ｈ６、Ｃ３Ｈ８、Ｃ４Ｈ１０を含む）等の原燃料が供給される。原燃料は、原燃料調整弁１２０の開度調整作用下に、原燃料分岐通路１１０に導入される。この原燃料は、予混合燃料通路１０８に供給されて空気と混合されるとともに、起動用燃焼器５４内の燃焼室１０２に供給される。
【００６７】
このため、燃焼室１０２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に直接接続されている熱交換器５０には、図４に示すように、前記起動用燃焼器５４の火炎領域Ｓから排ガス燃焼器５２を構成する燃焼室８４に燃焼ガスが供給される。
【００６８】
燃焼室８４に供給された燃焼ガスは、熱交換器５０を加温するとともに、壁板９０に形成された開口部９８を介して改質器４６の加熱空間６８に移動する。これにより、改質器４６が加温される。加熱空間６８には、燃焼ガス通路７０が開口されており、この燃焼ガス通路７０は、蒸発器４８の加熱路７２に連通している。このため、燃焼ガスは、蒸発器４８を昇温させた後、第１熱電変換部７４に供給される。
【００６９】
図８に示すように、第１熱電変換部７４では、第１通路部材１１２の酸化剤ガス入口１１２ａから酸化剤ガス蛇行流路１１２ｃに外部空気である酸化剤ガスが供給される一方、第２通路部材１１４の燃焼ガス入口１１４ａから燃焼ガス蛇行流路１１４ｃに燃焼ガスが供給される。従って、酸化剤ガス蛇行流路１１２ｃと燃焼ガス蛇行流路１１４ｃとの間に配設されている複数の熱電変換素子１１６ａ、１１６ｂ及び１１６ｃは、それぞれの両端に温度差が発生し、熱エネルギが電気エネルギとして回収される。
【００７０】
一方、第２熱電変換部１０６では、冷却通路部１０４から酸化剤ガスが供給されるとともに、燃焼室１０２から燃焼ガスが供給されている。これにより、第１熱電変換部７４と同様に、複数の熱電変換素子（図示せず）は、それぞれの両端に温度差が発生し、熱エネルギが電気エネルギとして回収される。
【００７１】
次いで、ステップＳ２に進んで、蒸発器４８が設定温度Ｔ１以上であり、且つ改質器４６が設定温度Ｔ２以上であるか否かが判断される。設定温度Ｔ１は、例えば、１５０℃であり、設定温度Ｔ２は、例えば、５５０℃である。蒸発器４８が設定温度Ｔ１未満である際、又は改質器４６が設定温度Ｔ２未満である際、ステップＳ３に進む（ステップＳ２中、ＮＯ）。
【００７２】
ステップＳ３では、酸化剤ガス調整弁１１８の開度が調整されて第２酸化剤ガス供給路部８０ｂへの空気供給量が増加されるとともに、原燃料調整弁１２０の開度が調整されて原燃料分岐通路１１０への原燃料供給量が増加される。従って、起動用燃焼器５４による燃焼量が増加して発生する熱量が増加する。なお、水供給装置１８では、蒸発器４８に供給される水量が調整される。
【００７３】
そして、蒸発器４８が設定温度Ｔ１以上であり、且つ改質器４６が設定温度Ｔ２以上であると判断されると（ステップＳ２中、ＹＥＳ）、ステップＳ４に進む。このステップＳ４では、酸化剤ガス調整弁１１８の開度が調整されて第２酸化剤ガス供給路部８０ｂへの空気供給量が減少されるとともに、原燃料調整弁１２０の開度が調整されて原燃料分岐通路１１０への原燃料供給量が減少される。これにより、起動用燃焼器５４による燃焼量が減少して発生する熱量が削減される。なお、水供給装置１８では、蒸発器４８に供給される水量が調整される。
【００７４】
このため、酸化剤ガス供給装置１６では、酸化剤ガス調整弁１１８を介して第１酸化剤ガス供給路部８０ａに供給される空気流量が増加し、熱交換器５０の酸化剤ガス供給室７６ａに空気が導入される。
【００７５】
図６に示すように、酸化剤ガス供給室７６ａに導入された空気は、複数の酸化剤ガス管路７８内を下端側から上端側に移動する間に、燃焼室８４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７６ｂに供給された後、酸化剤ガス供給通路８２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）。
【００７６】
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８６に排出される。酸化剤排ガス通路８６は、図６に示すように、排ガス燃焼器５２を構成する燃焼室８４に開口しており、前記燃焼室８４に空気が導入される。
【００７７】
また、原燃料供給装置１４では、図１に示すように、原燃料調整弁１２０を介して原燃料通路５７から脱硫器６０に供給される原燃料流量が増加される。脱硫器６０で脱硫された原燃料は、原燃料通路５７を流通して改質器４６の改質ガス供給室６２ａに供給される。一方、水供給装置１８から水通路５９に供給される水は、蒸発器４８で蒸発された後、水蒸気通路５９ａから原燃料通路５７を流通して改質ガス供給室６２ａに供給される。
【００７８】
図５に示すように、改質ガス供給室６２ａに供給された原燃料と水蒸気との混合ガスは、複数の改質管路６４内を下端側から上端側に移動する。その間に、混合ガスは、加熱空間６８に導入された燃焼ガスにより加熱されるとともに、ペレット状の触媒を介して水蒸気改質され、Ｃ２＋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。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６２ｂに供給された後、燃料ガス通路６６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）。
【００７９】
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８８に排出される。燃料排ガス通路８８は、図６に示すように、排ガス燃焼器５２を構成する燃焼室８４に開口しており、前記燃焼室８４に燃料ガスが導入される。
【００８０】
上記のように、燃料電池スタック２４は、加熱された空気及び加熱された燃料ガスが流通することにより、昇温される。そして、燃料電池スタック２４が、設定温度Ｔ３（例えば、６５０℃）以上であると判断されると（ステップＳ５中、ＹＥＳ）、ステップＳ６に進む。このステップＳ６では、排ガス燃焼器５２において燃焼が開始されたか否かが判断される。
【００８１】
排ガス燃焼器５２を構成する燃焼室８４には、図６に示すように、酸化剤排ガス通路８６を介して空気が供給されるとともに、燃料排ガス通路８８を介して燃料ガスが供給されている。従って、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、燃焼室８４で空気と燃料ガスとによる燃焼が開始される（ステップＳ６中、ＹＥＳ）。
【００８２】
排ガス燃焼器５２における燃焼が開始されると、ステップＳ７に進んで、酸化剤ガス調整弁１１８の開度及び原燃料調整弁１２０の開度が調整され、起動用燃焼器５４への空気及び原燃料の供給が停止される。
【００８３】
次いで、ステップＳ８に進んで、燃料電池スタック２４が発電可能な状態であるか否かが判断される。具体的には、燃料電池２２のＯＣＶ（開回路電圧）が測定され、前記ＯＣＶが所定の値に至った際、燃料電池スタック２４の発電が可能であると判断する（ステップＳ８中、ＹＥＳ）。これにより、燃料電池スタック２４は、発電が開始される（ステップＳ９）。
【００８４】
燃料電池スタック２４の発電時は、上記の起動時と同様に、空気が酸化剤ガス流路３８を流通する一方、燃料ガスが燃料ガス流路４０を流通する。従って、各燃料電池２２のカソード電極２８に空気が供給されるとともに、アノード電極３０に燃料ガスが供給され、化学反応により発電が行われる。
【００８５】
反応に使用された空気（未反応の空気を含む）は、酸化剤排ガスとして酸化剤排ガス通路８６に排出される。また、反応に使用された燃料ガス（未反応の燃料ガスを含む）は、燃料排ガスとして燃料排ガス通路８８に排出される。酸化剤排ガス及び燃料排ガスは、排ガス燃焼器５２に送られて燃焼される。
【００８６】
この場合、第１の実施形態では、燃料電池モジュール１２は、酸化剤ガスと燃焼ガスとの温度差により熱電変換を行う第１熱電変換部７４及び第２熱電変換部１０６を備えている。図８に示すように、第１熱電変換部７４は、被加熱体である酸化剤ガスを流通させる第１通路部材１１２と、加熱媒体である燃焼ガスを流通させる第２通路部材１１４と、前記第１通路部材１１２及び前記第２通路部材１１４間に配置されてそれぞれ異なる熱電変換温度に設定された複数の熱電変換素子１１６ａ、１１６ｂ及び１１６ｃとを備えている。
【００８７】
このため、第１熱電変換部７４及び第２熱電変換部１０６は、燃焼ガスと酸化剤ガスとの温度差、すなわち、熱エネルギを電気エネルギとして回収することができる。特に、起動時間を損なうことがなく、発電効率を向上させることが可能になるという効果が得られる。
【００８８】
しかも、燃焼ガスの温度が低下されるため、廃熱の抑制が図られる一方、酸化剤ガスが昇温されるため、熱自立の促進が図られる。
【００８９】
ここで、燃焼ガスとは、排ガス燃焼器５２及び起動用燃焼器５４で生成されるガスであって、他のガス等の被加熱体と熱交換を行って熱エネルギを与えることができる加熱媒体をいい、熱エネルギを放出した後には、排ガスという。また、熱自立とは、燃料電池システム１０の運転に必要な熱の全量を外部から加えることなく、自ら発生する熱のみで前記燃料電池システム１０の動作温度を維持することをいう。
【００９０】
また、燃料電池モジュール１２では、燃焼ガスを熱交換器５０、改質器４６及び蒸発器４８に、順次、供給する燃焼ガス通路７０と、酸化剤ガスを前記熱交換器５０から燃料電池スタック２４に供給する酸化剤ガス通路５８とを備えるとともに、第１熱電変換部７４は、前記燃焼ガス通路７０の前記蒸発器４８の下流側に、且つ、前記酸化剤ガス通路５８の前記熱交換器５０の上流側に設けられている。
【００９１】
このため、熱自立を妨げることがなく、燃焼ガスと酸化剤ガスとの温度差、すなわち、熱エネルギを電気エネルギとして回収することができ、発電効率を向上させることが可能になる。しかも、燃焼ガスの温度が低下されるため、廃熱の抑制が図られる一方、酸化剤ガスが昇温されるため、熱自立の促進が図られる。
【００９２】
さらに、燃料電池モジュール１２では、酸化剤ガス通路５８は、熱交換器５０の上流側に起動用燃焼器５４を冷却する冷却通路部１０４を有するとともに、第１熱電変換部７４は、前記冷却通路部１０４の上流側に設けられている。従って、酸化剤ガスは、熱交換器５０に供給される前に、起動用燃焼器５４を冷却するための冷却媒体として供給される。
【００９３】
これにより、起動用燃焼器５４内は、燃料ガスの自己着火温度以下に保つことができ、逆火を抑制することによって前記起動用燃焼器５４の耐久性の向上が容易に図られる。しかも、第１熱電変換部７４には、比較的低温の空気（酸化剤ガス）が供給されるため、燃焼ガスとの温度差を確保することが可能になり、効率的な熱電変換が遂行される。
【００９４】
さらにまた、第２熱電変換部１０６は、起動用燃焼器５４内に設けられている。このため、熱自立を妨げることがなく、燃焼ガスと酸化剤ガスとの温度差、すなわち、熱エネルギを電気エネルギとして回収することができ、発電効率を向上させることが可能になる。しかも、燃焼ガスの温度が低下されるため、廃熱の抑制が図られる一方、酸化剤ガスが昇温されるため、熱自立の促進が図られる。
【００９５】
また、第１熱電変換部７４（及び第２熱電変換部１０６）では、燃焼ガス蛇行流路１１４ｃを流通する燃焼ガスと、酸化剤ガス蛇行流路１１２ｃを流通する酸化剤ガスとが、互いに並行流に設定されるとともに、異なる熱電変換温度に設定された複数の熱電変換素子１１６ａ、１１６ｂ及び１１６ｃを備えている。
【００９６】
従って、図８に示すように、例えば、並行流の上流側は、燃焼ガスと酸化剤ガスとの温度差が大きくなるため、高温型の熱電変換素子１１６ａを使用する一方、並行流の下流側は、前記温度差が小さくなるため、低温型の熱電変換素子１１６ｃを使用することができる。これにより、温度差に応じて最適な熱電変換素子１１６ａ、１１６ｂ及び１１６ｃが用いられるため、効率的な熱電変換が確実に遂行可能になる。
【００９７】
また、酸化剤ガス通路５８は、熱交換器５０に酸化剤ガスを供給する第１酸化剤ガス供給路部８０ａと、起動用燃焼器５４に前記酸化剤ガスを供給する第２酸化剤ガス供給路部８０ｂとに分岐するとともに、分岐部位には、前記酸化剤ガスの分配を調整する酸化剤ガス調整弁１１８が配設されている。
【００９８】
従って、燃料電池スタック２４と、改質器４６、蒸発器４８、熱交換器５０及び排ガス燃焼器５２を含むＦＣ周辺機器（ＢＯＰ）５６とを同時に昇温させることができ、起動時間の短縮化を図ることが可能になる。
【００９９】
しかも、燃料電池スタック２４とＦＣ周辺機器５６とは、それぞれ緻密な温度制御が遂行されるため、燃料電池モジュール１２の熱自立が促進される。その上、燃料電池スタック２４又はＦＣ周辺機器５６に熱不足が発生した際には、起動用燃焼器５４から熱を供給することができる。
【０１００】
さらに、燃料電池モジュール１２では、原燃料を改質器４６に供給する原燃料通路５７を備え、前記原燃料通路５７から前記原燃料を起動用燃焼器５４に供給する原燃料分岐通路１１０が分岐するとともに、分岐部位には、前記原燃料の分配を調整する原燃料調整弁１２０が配設されている。このため、燃料電池スタック２４と、ＦＣ周辺機器５６とを同時に昇温させることができ、起動時間の短縮化を図ることが可能になる。
【０１０１】
しかも、燃料電池スタック２４とＦＣ周辺機器５６とは、それぞれ緻密な温度制御が遂行されるため、燃料電池モジュール１２の熱自立が促進される。その上、燃料電池スタック２４又はＦＣ周辺機器５６に熱不足が発生した際には、起動用燃焼器５４から熱を供給することができる。
【０１０２】
さらにまた、熱交換器５０内には、排ガス燃焼器５２が一体に設けられるとともに、起動用燃焼器５４は、前記熱交換器５０の一端に隣接して設けられ、且つ、改質器４６は、前記熱交換器５０の他端に隣接して設けられている。従って、改質器４６、熱交換器５０、排ガス燃焼器５２及び起動用燃焼器５４は、略一体化されるため、燃料電池モジュール１２の放熱を最小限に抑制することが可能になる。これにより、熱エネルギの損失を抑制し、熱自立運転が良好に促進される。しかも、燃焼用回路（配管等）が簡素化され、部品点数も削減されるため、小型化及び低コスト化が図られる。
【０１０３】
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。これにより、特にＳＯＦＣ等の高温型燃料電池に最適である。
【０１０４】
図１０は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池モジュールを構成する熱電変換部１３０の要部分解斜視説明図である。
【０１０５】
熱電変換部１３０は、第１の実施形態に係る燃料電池モジュール１２を構成する第１熱電変換部７４及び第２熱電変換部１０６に代えて使用される。なお、熱電変換部１３０は、第１熱電変換部７４のみ、又は、第２熱電変換部１０６のみに代えて用いることもできる。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である。
【０１０６】
熱電変換部１３０は、酸化剤ガスを流通させる第１通路部材１３２と、燃焼ガスを流通させる第２通路部材１３４と、前記第１通路部材１３２及び前記第２通路部材１３４間に配置されて所定の熱電変換温度に設定された複数の熱電変換素子１３６とを備える。
【０１０７】
第１通路部材１３２は、酸化剤ガス入口１３２ａと酸化剤ガス出口１３２ｂとの間で蛇行する酸化剤ガス蛇行流路１３２ｃを有する。酸化剤ガス蛇行流路１３２ｃは、第１通路部材１３２内に交互に且つ千鳥状に配置される仕切板１３２ｄにより形成される。
【０１０８】
第２通路部材１３４は、燃焼ガス入口１３４ａと燃焼ガス出口１３４ｂとの間で蛇行する燃焼ガス蛇行流路１３４ｃを有する。燃焼ガス蛇行流路１３４ｃは、第２通路部材１３４内に交互に且つ千鳥状に配置される仕切板１３４ｄにより形成される。燃焼ガス蛇行流路１３４ｃと酸化剤ガス蛇行流路１３２ｃとは、互いに対向流に設定される。
【０１０９】
このように構成される第２の実施形態では、熱電変換部１３０は、燃焼ガスと酸化剤ガスとが互いに対向流に設定されるとともに、所定の熱電変換温度に設定された複数の熱電変換素子１３６を備えている。このため、熱電変換部１３０内では、想定される温度差に応じて、最適な熱電変換温度に設定された熱電変換素子１３６を用いることができる。従って、効率的な熱電変換が確実に遂行可能になるという効果が得られる。
【０１１０】
図１１は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池モジュールを構成する熱電変換部１４０の要部分解斜視説明図である。
【０１１１】
熱電変換部１４０は、酸化剤ガスを流通させる第１通路部材１４２と、燃焼ガスを流通させる第２通路部材１４４と、前記第１通路部材１４２及び第２通路部材１４４間に配置されて所定の熱電変換温度に設定された複数の熱電変換素子１４６とを備える。
【０１１２】
第１通路部材１４２は、酸化剤ガス入口１４２ａと酸化剤ガス出口１４２ｂとの間で蛇行する酸化剤ガス蛇行流路１４２ｃを有する。酸化剤ガス蛇行流路１４２ｃは、第１通路部材１４２内に交互に且つ千鳥状に配置される仕切板１４２ｄにより形成される。
【０１１３】
第２通路部材１４４は、燃焼ガス入口１４４ａと燃焼ガス出口１４４ｂとの間で蛇行する燃焼ガス蛇行流路１４４ｃを有する。燃焼ガス蛇行流路１４４ｃは、第２通路部材１４４内に交互に且つ千鳥状に配置される仕切板１４４ｄにより形成される。燃焼ガス蛇行流路１４４ｃと酸化剤ガス蛇行流路１４２ｃとは、互いに交差する流れに設定される。
【０１１４】
このように構成される第３の実施形態では、熱電変換部１４０は、燃焼ガスと酸化剤ガスとが互いに交差する流れに設定されるとともに、所定の熱電変換温度に設定された複数の熱電変換素子１４６を備えている。これにより、熱電変換部１４０内では、想定される温度差に応じて、最適な熱電変換温度に設定された熱電変換素子１４６を用いることができる。このため、効率的な熱電変換が確実に遂行可能になるという効果が得られる。
【０１１５】
図１２は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池モジュールを構成する熱電変換部１５０の要部分解斜視説明図である。
【０１１６】
熱電変換部１５０は、酸化剤ガスを流通させる第１通路部材１５２と、燃焼ガスを流通させる第２通路部材１５４と、前記第１通路部材１５２及び第２通路部材１５４間に配置されて所定の熱電変換温度に設定された複数の熱電変換素子１５６とを備える。
【０１１７】
第１通路部材１５２は、酸化剤ガス入口１５２ａと酸化剤ガス出口１５２ｂとの間で蛇行する酸化剤ガス蛇行流路１５２ｃを有する。酸化剤ガス蛇行流路１５２ｃは、第１通路部材１５２内に交互に且つ千鳥状に配置される仕切板１５２ｄにより形成される。
【０１１８】
第２通路部材１５４は、燃焼ガス入口１５４ａと燃焼ガス出口１５４ｂとの間で蛇行する燃焼ガス蛇行流路１５４ｃを有する。燃焼ガス蛇行流路１５４ｃは、第２通路部材１５４内に交互に且つ千鳥状に配置される仕切板１５４ｄにより形成される。燃焼ガス蛇行流路１５４ｃと酸化剤ガス蛇行流路１５２ｃとは、互いに対称の流れに設定される。
【０１１９】
このように構成される第４の実施形態では、熱電変換部１５０は、燃焼ガスと酸化剤ガスとが互いに対称の流れに設定されるとともに、所定の熱電変換温度に設定された複数の熱電変換素子１５６を備えている。これにより、熱電変換部１５０内では、想定される温度差に応じて、最適な熱電変換温度に設定された熱電変換素子１５６を用いることができる。このため、効率的な熱電変換が確実に遂行可能になるという効果が得られる。
【符号の説明】
【０１２０】
１０…燃料電池システム １２…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
３４…カソード側セパレータ ３６…アノード側セパレータ
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…原燃料通路 ５８…酸化剤ガス通路
５９…水通路 ６６…燃料ガス通路
７０…燃焼ガス通路
７４、１０６、１３０、１４０、１５０…熱電変換部
８０ａ、８０ｂ…酸化剤ガス供給路部 ８２…酸化剤ガス供給通路
８６…酸化剤排ガス通路 ８８…燃料排ガス通路
１０４…冷却通路部 １１０…原燃料分岐通路
１１２、１１４、１３２、１３４、１４２、１４４、１５２、１５４…通路部材
１１２ｃ、１３２ｃ、１４２ｃ、１５２ｃ…酸化剤ガス蛇行流路
１１４ｃ、１３４ｃ、１４４ｃ、１５４ｃ…燃焼ガス蛇行通路
１１６ａ〜１１６ｃ、１３６、１４６、１５６…熱電変換素子
１１８…酸化剤ガス調整弁 １２０…原燃料調整弁
【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システムが知られている。この燃料電池システムは、図１３に示すように、固体電解質１の一方側に燃料極２を、他方側に空気極３を備えている。そして、空気極３に酸化性ガスとして空気を供給するとともに、燃料極２に燃料ガスを供給し、前記燃料ガスを前記空気と反応させて発電を行う固体電解質型燃料電池４を使用している。
【０００４】
この燃料電池システムでは、さらに外部から導入される燃料ガスを起動時に改質、あるいは不完全燃焼させて還元性ガスとして燃料極２に供給する起動燃焼器５と、前記燃料極２側より排出される燃料極オフガスを燃焼させる排ガス燃焼器６と、前記排ガス燃焼器６から発生する熱で空気を加熱する熱交換器７とを備えている。
【０００５】
これにより、起動時に燃料電池システムから多量に発生する一酸化炭素ガス等の未反応排出ガスを極力少なくでき、燃料極２と空気極３とを共に加熱することにより温度差による熱応力の発生を防止でき、燃料電池システムの耐久性を向上でき、また、前記燃料極２と前記空気極３を同時に効率よく加熱でき、起動時間を短縮できる、としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−１６６４３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、上記の特許文献１では、排ガス燃焼器６から発生する熱は、熱交換器７に供給されて空気を加熱した後、外部に排出されている。しかしながら、熱交換器７からは、相当に高温の熱が排出されており、熱エネルギが無駄に廃棄されるという問題がある。しかも、熱交換器７から高温の熱が排出されるため、廃熱の問題がある。
【０００８】
本発明は、この種の問題を解決するものであり、熱エネルギの損失を良好に抑制し、熱自立の促進を図るとともに、発電効率の向上を遂行す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】
【０００９】
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て前記燃料ガスを生成するとともに、前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給する改質器と、水を蒸発させるとともに、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。
【００１０】
そして、この燃料電池モジュールは、燃焼ガスと酸化剤ガスとの温度差により熱電変換を行う熱電変換部を備えている。
【００１１】
また、この燃料電池モジュールでは、燃焼ガスを熱交換器、改質器及び蒸発器に、順次、供給する燃焼ガス通路と、酸化剤ガスを前記熱交換器から燃料電池スタックに供給する酸化剤ガス通路とを備えるとともに、熱電変換部は、前記燃焼ガス通路の前記蒸発器の下流側に、且つ、前記酸化剤ガス通路の前記熱交換器の上流側に設けられることが好ましい。
【００１２】
このため、熱自立を妨げることがなく、燃焼ガスと酸化剤ガスとの温度差、すなわち、熱エネルギを電気エネルギとして回収することができ、発電効率を向上させることが可能になる。しかも、燃焼ガスの温度が低下されるため、廃熱の抑制が図られる一方、酸化剤ガスが昇温されるため、熱自立の促進が図られる。ここで、熱自立とは、燃料電池システムの運転に必要な熱の全量を外部から加えることなく、自ら発生する熱のみで前記燃料電池システムの動作温度を維持することをいう。
【００１３】
さらに、この燃料電池モジュールでは、酸化剤ガス通路は、熱交換器の上流側に起動用燃焼器を冷却する冷却通路部を有するとともに、熱電変換部は、前記冷却通路部の上流側に設けられることが好ましい。
【００１４】
従って、酸化剤ガスは、熱交換器に供給される前に、起動用燃焼器を冷却するための冷却媒体として供給される。これにより、起動用燃焼器内は、燃料ガスの自己着火温度以下に保つことができ、逆火を抑制することによって前記起動用燃焼器の耐久性の向上が容易に図られる。しかも、熱電変換部には、比較的低温の空気（酸化剤ガス）が供給されるため、燃焼ガスとの温度差を確保することが可能になり、効率的な熱電変換が遂行される。
【００１５】
さらにまた、この燃料電池モジュールでは、起動用燃焼器内には、別の熱電変換部が設けられることが好ましい。このため、熱自立を妨げることがなく、燃焼ガスと酸化剤ガスとの温度差、すなわち、熱エネルギを電気エネルギとして回収することができ、発電効率を向上させることが可能になる。しかも、燃焼ガスの温度が低下されるため、廃熱の抑制が図られる一方、酸化剤ガスが昇温されるため、熱自立の促進が図られる。
【００１６】
また、この燃料電池モジュールでは、熱電変換部は、燃焼ガスと酸化剤ガスとが互いに並行流に設定されるとともに、異なる熱電変換温度に設定された複数の熱電変換素子を備えることが好ましい。従って、例えば、並行流の上流側は、燃焼ガスと酸化剤ガスとの温度差が大きくなるため、高温型熱電変換素子を使用する一方、並行流の下流側は、前記温度差が小さくなるため、低温型熱電変換素子を使用することができる。これにより、温度差に応じて最適な熱電変換素子が用いられるため、効率的な熱電変換が確実に遂行可能になる。
【００１７】
さらに、この燃料電池モジュールでは、熱電変換部は、燃焼ガスと酸化剤ガスとが互いに対向流に設定されるとともに、所定の熱電変換温度に設定された複数の熱電変換素子を備えることが好ましい。このため、熱電変換部内では、想定される温度差に応じて、最適な熱電変換温度に設定された熱電変換素子を用いることができる。従って、効率的な熱電変換が確実に遂行可能になる。
【００１８】
さらにまた、この燃料電池モジュールでは、熱電変換部は、燃焼ガスと酸化剤ガスとが互いに交差する流れ又は対称の流れに設定されるとともに、所定の熱電変換温度に設定された複数の熱電変換素子を備えることが好ましい。これにより、熱電変換部内では、想定される温度差に応じて、最適な熱電変換温度に設定された熱電変換素子を用いることができる。このため、効率的な熱電変換が確実に遂行可能になる。
【００１９】
また、この燃料電池モジュールでは、酸化剤ガス通路は、熱交換器に酸化剤ガスを供給する第１酸化剤ガス供給路部と、起動用燃焼器に前記酸化剤ガスを供給する第２酸化剤ガス供給路部とに分岐するとともに、分岐部位には、前記酸化剤ガスの分配量を調整する酸化剤ガス調整弁が配設されることが好ましい。
【００２０】
従って、燃料電池スタックと、改質器、蒸発器、熱交換器及び排ガス燃焼器を含むＦＣ周辺機器（ＢＯＰ）とを同時に昇温させることができ、起動時間の短縮化を図ることが可能になる。
【００２１】
しかも、燃料電池スタックとＦＣ周辺機器とは、それぞれ緻密な温度制御が遂行されるため、燃料電池モジュールの熱自立が促進される。その上、燃料電池スタック又はＦＣ周辺機器に熱不足が発生した際には、起動用燃焼器から熱を供給することができる。
【００２２】
さらに、この燃料電池モジュールでは、原燃料を改質器に供給する原燃料通路を備え、前記原燃料を起動用燃焼器に供給する原燃料分岐通路部が前記原燃料通路から分岐するとともに、分岐部位には、前記原燃料の分配量を調整する原燃料調整弁が配設されることが好ましい。
【００２３】
このため、燃料電池スタックとＦＣ周辺機器とを、同時に昇温させることができ、起動時間の短縮化を図ることが可能になる。
【００２４】
しかも、燃料電池スタックとＦＣ周辺機器とは、それぞれ緻密な温度制御が遂行されるため、燃料電池モジュールの熱自立が促進される。その上、燃料電池スタック又はＦＣ周辺機器に熱不足が発生した際には、起動用燃焼器から熱を供給することができる。
【００２５】
さらにまた、この燃料電池モジュールでは、熱交換器内には、排ガス燃焼器が一体に設けられるとともに、起動用燃焼器は、前記熱交換器の一端に隣接して設けられ、且つ、改質器は、前記熱交換器の他端に隣接して設けられることが好ましい。従って、改質器、熱交換器、排ガス燃焼器及び起動用燃焼器は、略一体化されるため、燃料電池モジュールの放熱を最小限に抑制することが可能になる。これにより、熱エネルギの損失を抑制し、熱自立運転が良好に促進される。しかも、燃焼用回路（配管等）が簡素化され、部品点数も削減されるため、小型化及び低コスト化が図られる。
【００２６】
また、この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】
【００２７】
本発明によれば、燃焼ガスと酸化剤ガスとの温度差、すなわち、熱エネルギを電気エネルギとして回収することができ、特に起動時間を損なうことがなく、発電効率を向上させることが可能になる。しかも、燃焼ガスの温度が低下されるため、廃熱の抑制が図られる一方、酸化剤ガスが昇温されるため、熱自立の促進が図られる。
【００２８】
ここで、燃焼ガスとは、排ガス燃焼器及び起動用燃焼器で生成されるガスであって、他のガス等の被加熱体と熱交換を行って熱エネルギを与えることができる加熱媒体をいい、熱エネルギを放出した後には、排ガスという。
【００２９】
また、熱自立とは、燃料電池システムの運転に必要な熱の全量を外部から加えることなく、自ら発生する熱のみで前記燃料電池システムの動作温度を維持することをいう。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【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周辺機器の概略斜視説明図である。
【図３】前記ＦＣ周辺機器の要部斜視説明図である。
【図４】前記ＦＣ周辺機器の要部分解斜視説明図である。
【図５】前記ＦＣ周辺機器を構成する改質器の一部断面正面図である。
【図６】前記ＦＣ周辺機器を構成する熱交換器及び排ガス燃焼器の一部断面正面図である。
【図７】前記ＦＣ周辺機器を構成する起動用燃焼器の一部断面側面図である。
【図８】前記燃料電池モジュールを構成する第１熱電変換部の要部分解斜視説明図である。
【図９】前記燃料電池システムの起動から定常運転までの動作を説明するフローチャートである。
【図１０】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池モジュールを構成する熱電変換部の要部分解斜視説明図である。
【図１１】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池モジュールを構成する熱電変換部の要部分解斜視説明図である。
【図１２】本発明の第４の実施形態に係る燃料電池モジュールを構成する熱電変換部の要部分解斜視説明図である。
【図１３】特許文献１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】
【００３１】
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ている。
【００３２】
燃料電池システム１０は、燃料ガス（例えば、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に炭化水素を主体とする原燃料（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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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とが設けられる。
【００３６】
燃料電池モジュール１２は、原燃料と水蒸気との混合ガスを改質して燃料ガスを生成するとともに、燃料電池スタック２４に前記燃料ガスを供給する改質器４６と、水を蒸発させるとともに、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。
【００３７】
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。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を備えるとともに、後述するように、前記改質器４６、前記熱交換器５０、前記排ガス燃焼器５２及び前記起動用燃焼器５４間には、燃焼ガス用の配管を設けていない。
【００３８】
原燃料供給装置１４は、原燃料を改質器４６に供給する原燃料通路５７を備える。酸化剤ガス供給装置１６は、酸化剤ガスを熱交換器５０から燃料電池スタック２４に供給する酸化剤ガス通路５８を備えるとともに、水供給装置１８は、水を蒸発器４８に供給する水通路５９を備える。
【００３９】
ＦＣ周辺機器５６では、熱交換器５０内には、排ガス燃焼器５２が一体に設けられるとともに、起動用燃焼器５４は、前記熱交換器５０の一端に隣接して設けられる。改質器４６は、熱交換器５０の他端に隣接して設けられる。
【００４０】
図２〜図４に示すように、熱交換器５０は、立位姿勢に配置されており、後述するように、酸化剤ガスを鉛直下方向から鉛直上方向に流通させる。改質器４６は、立位姿勢に配置されており、改質ガスを鉛直下方向から鉛直上方向に流通させる。熱交換器５０の一方の側部（一端）には、起動用燃焼器５４が直接装着されるとともに、前記熱交換器５０の他方の側部（他端）には、改質器４６が直接装着される。改質器４６、熱交換器５０（排ガス燃焼器５２を含む）及び起動用燃焼器５４は、水平方向（矢印Ａ方向）に積層される。
【００４１】
図２に示すように、熱交換器５０及び改質器４６の下方には、蒸発器４８と、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６０とが配設される。
【００４２】
改質器４６は、都市ガス（原燃料）中に含まれるエタン（Ｃ２Ｈ６）、プロパン（Ｃ３Ｈ８）及びブタン（Ｃ４Ｈ１０）等の高級炭化水素（Ｃ２＋）を、主としてメタン（ＣＨ４）、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。
【００４３】
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。
【００４４】
図１に示すように、原燃料供給装置１４は、脱硫器６０を備えるとともに、前記脱硫器６０が原燃料通路５７の途上に配設される。この原燃料通路５７は、改質器４６の改質ガス供給室６２ａに接続される。
【００４５】
図３及び図５に示すように、改質ガス供給室６２ａは、複数の改質管路６４の下端側に連通するとともに、前記改質管路６４の上端側に改質ガス排出室６２ｂが連通する。改質ガス排出室６２ｂには、燃料ガス通路６６の一端が連通するとともに、前記燃料ガス通路６６の他端が燃料電池スタック２４の燃料ガス入口連通孔４４ａに連通する（図１参照）。各改質管路６４には、改質用にペレット状の触媒（図示せず）が充填されている。
【００４６】
各改質管路６４間には、加熱空間６８が形成される。この加熱空間６８には、燃焼ガス通路７０の一端が開口される一方、図１に示すように、前記燃焼ガス通路７０の途上には、蒸発器４８の加熱路７２が設けられる。燃焼ガス通路７０の他端には、第１熱電変換部７４が接続される。
【００４７】
水供給装置１８を構成する水通路５９は、蒸発器４８の入口に接続される。水通路５９を流通する水は、加熱路７２に沿って流通する燃焼ガスにより加熱され、水蒸気が発生する。蒸発器４８の出口には、水蒸気通路５９ａの一端が接続されるとともに、前記水蒸気通路５９ａの他端は、原燃料通路５７に対して脱硫器６０の下流の位置に合流する。
【００４８】
図４及び図６に示すように、熱交換器５０は、下部側に酸化剤ガス供給室７６ａが設けられるとともに、上部側に酸化剤ガス排出室７６ｂが設けられる。酸化剤ガス供給室７６ａと酸化剤ガス排出室７６ｂとには、複数の酸化剤ガス管路７８の両端が連通する。
【００４９】
酸化剤ガス供給室７６ａには、酸化剤ガス通路５８を構成する第１酸化剤ガス供給路部８０ａの一端が配設される。酸化剤ガス排出室７６ｂには、酸化剤ガス供給通路８２の一端が配設されるとともに、前記酸化剤ガス供給通路８２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）。
【００５０】
熱交換器５０の内部には、複数の酸化剤ガス管路７８が収容された空間からなるとともに、排ガス燃焼器５２を構成する燃焼室８４が形成される。燃焼室８４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、酸化剤ガスを昇温させる熱源として機能する。
【００５１】
燃焼室８４には、酸化剤ガス排出室７６ｂ側から酸化剤排ガス通路８６の一端と燃料排ガス通路８８の一端とが配置される。図１に示すように、酸化剤排ガス通路８６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８８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。
【００５２】
図４に示すように、改質器４６と熱交換器５０との間には、壁板（壁部）９０が配設される。改質器４６のフランジ部９２と熱交換器５０のフランジ部９４との間に、壁板９０が挟持されるとともに、これらが複数のボルト９６及びナット９７により一体的に固定される。壁板９０には、熱交換器５０の燃焼室８４に発生した燃焼ガスを、改質器４６の加熱空間６８に供給するための開口部（燃焼ガス通路）９８が形成される。
【００５３】
図７に示すように、起動用燃焼器５４は、内部ケーシング１００を介して燃焼室１０２が形成されるとともに、前記内部ケーシング１００の外方には、前記燃焼室１０２を冷却するための冷却通路部１０４が形成される。冷却通路部１０４の上部及び下部には、酸化剤ガス供給装置１６を構成する酸化剤ガス通路５８が接続される（図１参照）。
【００５４】
燃焼室１０２は、排ガス燃焼器５２を構成する燃焼室８４に対応して矩形状の火炎領域Ｓが設定される（図４参照）。燃焼室１０２と冷却通路部１０４との間には、第２熱電変換部１０６が配設される。この燃焼室１０２には、予混合燃料通路１０８が接続されるとともに、前記予混合燃料通路１０８には、図１に示すように、第２酸化剤ガス供給路部８０ｂと原燃料通路５７から分岐した原燃料分岐通路１１０とが接続される。
【００５５】
図４に示すように、起動用燃焼器５４と熱交換器５０とは、それぞれに設けられたフランジ部９２、９４が複数のボルト９６及びナット９７により一体的に固定される。
【００５６】
図１に示すように、酸化剤ガス通路５８には、熱交換器５０の上流側、より好適には、冷却通路部１０４の上流側に第１熱電変換部７４が配設される。図８に示すように、第１熱電変換部７４は、被加熱体である酸化剤ガスを流通させる第１通路部材１１２と、加熱媒体である燃焼ガスを流通させる第２通路部材１１４と、異なる熱電変換温度に設定されたそれぞれ複数の熱電変換素子１１６ａ、１１６ｂ及び１１６ｃとを備える。
【００５７】
第１通路部材１１２は、ボックス形状を有し、酸化剤ガス入口１１２ａと酸化剤ガス出口１１２ｂとの間で蛇行する酸化剤ガス蛇行流路１１２ｃを設ける。酸化剤ガス蛇行流路１１２ｃは、第１通路部材１１２内に交互に且つ千鳥状に配置される仕切板１１２ｄにより形成される。
【００５８】
第２通路部材１１４は、ボックス形状を有し、燃焼ガス入口１１４ａと燃焼ガス出口１１４ｂとの間で蛇行する燃焼ガス蛇行流路１１４ｃを設ける。燃焼ガス蛇行流路１１４ｃは、第２通路部材１１４内に交互に且つ千鳥状に配置される仕切板１１４ｄにより形成される。燃焼ガス蛇行流路１１４ｃと酸化剤ガス蛇行流路１１２ｃとは、互いに並行流に設定される。
【００５９】
熱電変換素子１１６ａ、１１６ｂ及び１１６ｃは、第１通路部材１１２と第２通路部材１１４とに両端が挟持されるとともに、各両端に温度差を生じさせることにより起電力を発生させる機能を有する。酸化剤ガス蛇行流路１１２ｃ及び燃焼ガス蛇行流路１１４ｃの上流側に配置される複数（図８には、３個配置されるが、個数は任意に設定可能である。以下、同様）の熱電変換素子１１６ａは、高温の熱電変換温度に設定された高温型熱電変換素子である。
【００６０】
酸化剤ガス蛇行流路１１２ｃ及び燃焼ガス蛇行流路１１４ｃの中流側に配置される複数の熱電変換素子１１６ｂは、中温の熱電変換温度に設定された中温型熱電変換素子である。酸化剤ガス蛇行流路１１２ｃ及び燃焼ガス蛇行流路１１４ｃの下流側に配置される複数の熱電変換素子１１６ｃは、低温の熱電変換温度に設定された低温型熱電変換素子である。
【００６１】
第２熱電変換部１０６は、上記の第１熱電変換部７４と同様に構成される。第２熱電変換部１０６内では、冷却通路部１０４から酸化剤ガスが供給されるとともに、燃焼室１０２から燃焼ガスが供給される。図示しないが、酸化剤ガス及び燃焼ガスは、互いに並行流に設定され、酸化剤ガス蛇行流路と燃焼ガス蛇行流路との間には、複数の熱電変換素子が配設される。
【００６２】
図１に示すように、酸化剤ガス供給装置１６は、酸化剤ガスを酸化剤ガス通路５８から熱交換器５０と起動用燃焼器５４とに、すなわち、第１酸化剤ガス供給路部８０ａと第２酸化剤ガス供給路部８０ｂとに、分配する酸化剤ガス調整弁１１８を備える。
【００６３】
原燃料供給装置１４は、原燃料を改質器４６と起動用燃焼器５４とに、すなわち、原燃料通路５７と原燃料分岐通路１１０とに、分配する原燃料調整弁１２０を備える。
【００６４】
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、図９のフローチャートに沿って、以下に説明する。
【００６５】
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（ステップＳ１）。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５８に空気が供給される。この空気は、第１熱電変換部７４を通った後、起動用燃焼器５４の冷却通路部１０４に導入される（動作は、後述する）。さらに、空気は、酸化剤ガス調整弁１１８の開度調整作用下に、第２酸化剤ガス供給路部８０ｂから予混合燃料通路１０８に供給される。
【００６６】
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５７に、例えば、都市ガス（ＣＨ４、Ｃ２Ｈ６、Ｃ３Ｈ８、Ｃ４Ｈ１０を含む）等の原燃料が供給される。原燃料は、原燃料調整弁１２０の開度調整作用下に、原燃料分岐通路１１０に導入される。この原燃料は、予混合燃料通路１０８に供給されて空気と混合されるとともに、起動用燃焼器５４内の燃焼室１０２に供給される。
【００６７】
このため、燃焼室１０２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に直接接続されている熱交換器５０には、図４に示すように、前記起動用燃焼器５４の火炎領域Ｓから排ガス燃焼器５２を構成する燃焼室８４に燃焼ガスが供給される。
【００６８】
燃焼室８４に供給された燃焼ガスは、熱交換器５０を加温するとともに、壁板９０に形成された開口部９８を介して改質器４６の加熱空間６８に移動する。これにより、改質器４６が加温される。加熱空間６８には、燃焼ガス通路７０が開口されており、この燃焼ガス通路７０は、蒸発器４８の加熱路７２に連通している。このため、燃焼ガスは、蒸発器４８を昇温させた後、第１熱電変換部７４に供給される。
【００６９】
図８に示すように、第１熱電変換部７４では、第１通路部材１１２の酸化剤ガス入口１１２ａから酸化剤ガス蛇行流路１１２ｃに外部空気である酸化剤ガスが供給される一方、第２通路部材１１４の燃焼ガス入口１１４ａから燃焼ガス蛇行流路１１４ｃに燃焼ガスが供給される。従って、酸化剤ガス蛇行流路１１２ｃと燃焼ガス蛇行流路１１４ｃとの間に配設されている複数の熱電変換素子１１６ａ、１１６ｂ及び１１６ｃは、それぞれの両端に温度差が発生し、熱エネルギが電気エネルギとして回収される。
【００７０】
一方、第２熱電変換部１０６では、冷却通路部１０４から酸化剤ガスが供給されるとともに、燃焼室１０２から燃焼ガスが供給されている。これにより、第１熱電変換部７４と同様に、複数の熱電変換素子（図示せず）は、それぞれの両端に温度差が発生し、熱エネルギが電気エネルギとして回収される。
【００７１】
次いで、ステップＳ２に進んで、蒸発器４８が設定温度Ｔ１以上であり、且つ改質器４６が設定温度Ｔ２以上であるか否かが判断される。設定温度Ｔ１は、例えば、１５０℃であり、設定温度Ｔ２は、例えば、５５０℃である。蒸発器４８が設定温度Ｔ１未満である際、又は改質器４６が設定温度Ｔ２未満である際、ステップＳ３に進む（ステップＳ２中、ＮＯ）。
【００７２】
ステップＳ３では、酸化剤ガス調整弁１１８の開度が調整されて第２酸化剤ガス供給路部８０ｂへの空気供給量が増加されるとともに、原燃料調整弁１２０の開度が調整されて原燃料分岐通路１１０への原燃料供給量が増加される。従って、起動用燃焼器５４による燃焼量が増加して発生する熱量が増加する。なお、水供給装置１８では、蒸発器４８に供給される水量が調整される。
【００７３】
そして、蒸発器４８が設定温度Ｔ１以上であり、且つ改質器４６が設定温度Ｔ２以上であると判断されると（ステップＳ２中、ＹＥＳ）、ステップＳ４に進む。このステップＳ４では、酸化剤ガス調整弁１１８の開度が調整されて第２酸化剤ガス供給路部８０ｂへの空気供給量が減少されるとともに、原燃料調整弁１２０の開度が調整されて原燃料分岐通路１１０への原燃料供給量が減少される。これにより、起動用燃焼器５４による燃焼量が減少して発生する熱量が削減される。なお、水供給装置１８では、蒸発器４８に供給される水量が調整される。
【００７４】
このため、酸化剤ガス供給装置１６では、酸化剤ガス調整弁１１８を介して第１酸化剤ガス供給路部８０ａに供給される空気流量が増加し、熱交換器５０の酸化剤ガス供給室７６ａに空気が導入される。
【００７５】
図６に示すように、酸化剤ガス供給室７６ａに導入された空気は、複数の酸化剤ガス管路７８内を下端側から上端側に移動する間に、燃焼室８４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７６ｂに供給された後、酸化剤ガス供給通路８２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）。
【００７６】
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８６に排出される。酸化剤排ガス通路８６は、図６に示すように、排ガス燃焼器５２を構成する燃焼室８４に開口しており、前記燃焼室８４に空気が導入される。
【００７７】
また、原燃料供給装置１４では、図１に示すように、原燃料調整弁１２０を介して原燃料通路５７から脱硫器６０に供給される原燃料流量が増加される。脱硫器６０で脱硫された原燃料は、原燃料通路５７を流通して改質器４６の改質ガス供給室６２ａに供給される。一方、水供給装置１８から水通路５９に供給される水は、蒸発器４８で蒸発された後、水蒸気通路５９ａから原燃料通路５７を流通して改質ガス供給室６２ａに供給される。
【００７８】
図５に示すように、改質ガス供給室６２ａに供給された原燃料と水蒸気との混合ガスは、複数の改質管路６４内を下端側から上端側に移動する。その間に、混合ガスは、加熱空間６８に導入された燃焼ガスにより加熱されるとともに、ペレット状の触媒を介して水蒸気改質され、Ｃ２＋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。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６２ｂに供給された後、燃料ガス通路６６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）。
【００７９】
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８８に排出される。燃料排ガス通路８８は、図６に示すように、排ガス燃焼器５２を構成する燃焼室８４に開口しており、前記燃焼室８４に燃料ガスが導入される。
【００８０】
上記のように、燃料電池スタック２４は、加熱された空気及び加熱された燃料ガスが流通することにより、昇温される。そして、燃料電池スタック２４が、設定温度Ｔ３（例えば、６５０℃）以上であると判断されると（ステップＳ５中、ＹＥＳ）、ステップＳ６に進む。このステップＳ６では、排ガス燃焼器５２において燃焼が開始されたか否かが判断される。
【００８１】
排ガス燃焼器５２を構成する燃焼室８４には、図６に示すように、酸化剤排ガス通路８６を介して空気が供給されるとともに、燃料排ガス通路８８を介して燃料ガスが供給されている。従って、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、燃焼室８４で空気と燃料ガスとによる燃焼が開始される（ステップＳ６中、ＹＥＳ）。
【００８２】
排ガス燃焼器５２における燃焼が開始されると、ステップＳ７に進んで、酸化剤ガス調整弁１１８の開度及び原燃料調整弁１２０の開度が調整され、起動用燃焼器５４への空気及び原燃料の供給が停止される。
【００８３】
次いで、ステップＳ８に進んで、燃料電池スタック２４が発電可能な状態であるか否かが判断される。具体的には、燃料電池２２のＯＣＶ（開回路電圧）が測定され、前記ＯＣＶが所定の値に至った際、燃料電池スタック２４の発電が可能であると判断する（ステップＳ８中、ＹＥＳ）。これにより、燃料電池スタック２４は、発電が開始される（ステップＳ９）。
【００８４】
燃料電池スタック２４の発電時は、上記の起動時と同様に、空気が酸化剤ガス流路３８を流通する一方、燃料ガスが燃料ガス流路４０を流通する。従って、各燃料電池２２のカソード電極２８に空気が供給されるとともに、アノード電極３０に燃料ガスが供給され、化学反応により発電が行われる。
【００８５】
反応に使用された空気（未反応の空気を含む）は、酸化剤排ガスとして酸化剤排ガス通路８６に排出される。また、反応に使用された燃料ガス（未反応の燃料ガスを含む）は、燃料排ガスとして燃料排ガス通路８８に排出される。酸化剤排ガス及び燃料排ガスは、排ガス燃焼器５２に送られて燃焼される。
【００８６】
この場合、第１の実施形態では、燃料電池モジュール１２は、酸化剤ガスと燃焼ガスとの温度差により熱電変換を行う第１熱電変換部７４及び第２熱電変換部１０６を備えている。図８に示すように、第１熱電変換部７４は、被加熱体である酸化剤ガスを流通させる第１通路部材１１２と、加熱媒体である燃焼ガスを流通させる第２通路部材１１４と、前記第１通路部材１１２及び前記第２通路部材１１４間に配置されてそれぞれ異なる熱電変換温度に設定された複数の熱電変換素子１１６ａ、１１６ｂ及び１１６ｃとを備えている。
【００８７】
このため、第１熱電変換部７４及び第２熱電変換部１０６は、燃焼ガスと酸化剤ガスとの温度差、すなわち、熱エネルギを電気エネルギとして回収することができる。特に、起動時間を損なうことがなく、発電効率を向上させることが可能になるという効果が得られる。
【００８８】
しかも、燃焼ガスの温度が低下されるため、廃熱の抑制が図られる一方、酸化剤ガスが昇温されるため、熱自立の促進が図られる。
【００８９】
ここで、燃焼ガスとは、排ガス燃焼器５２及び起動用燃焼器５４で生成されるガスであって、他のガス等の被加熱体と熱交換を行って熱エネルギを与えることができる加熱媒体をいい、熱エネルギを放出した後には、排ガスという。また、熱自立とは、燃料電池システム１０の運転に必要な熱の全量を外部から加えることなく、自ら発生する熱のみで前記燃料電池システム１０の動作温度を維持することをいう。
【００９０】
また、燃料電池モジュール１２では、燃焼ガスを熱交換器５０、改質器４６及び蒸発器４８に、順次、供給する燃焼ガス通路７０と、酸化剤ガスを前記熱交換器５０から燃料電池スタック２４に供給する酸化剤ガス通路５８とを備えるとともに、第１熱電変換部７４は、前記燃焼ガス通路７０の前記蒸発器４８の下流側に、且つ、前記酸化剤ガス通路５８の前記熱交換器５０の上流側に設けられている。
【００９１】
このため、熱自立を妨げることがなく、燃焼ガスと酸化剤ガスとの温度差、すなわち、熱エネルギを電気エネルギとして回収することができ、発電効率を向上させることが可能になる。しかも、燃焼ガスの温度が低下されるため、廃熱の抑制が図られる一方、酸化剤ガスが昇温されるため、熱自立の促進が図られる。
【００９２】
さらに、燃料電池モジュール１２では、酸化剤ガス通路５８は、熱交換器５０の上流側に起動用燃焼器５４を冷却する冷却通路部１０４を有するとともに、第１熱電変換部７４は、前記冷却通路部１０４の上流側に設けられている。従って、酸化剤ガスは、熱交換器５０に供給される前に、起動用燃焼器５４を冷却するための冷却媒体として供給される。
【００９３】
これにより、起動用燃焼器５４内は、燃料ガスの自己着火温度以下に保つことができ、逆火を抑制することによって前記起動用燃焼器５４の耐久性の向上が容易に図られる。しかも、第１熱電変換部７４には、比較的低温の空気（酸化剤ガス）が供給されるため、燃焼ガスとの温度差を確保することが可能になり、効率的な熱電変換が遂行される。
【００９４】
さらにまた、第２熱電変換部１０６は、起動用燃焼器５４内に設けられている。このため、熱自立を妨げることがなく、燃焼ガスと酸化剤ガスとの温度差、すなわち、熱エネルギを電気エネルギとして回収することができ、発電効率を向上させることが可能になる。しかも、燃焼ガスの温度が低下されるため、廃熱の抑制が図られる一方、酸化剤ガスが昇温されるため、熱自立の促進が図られる。
【００９５】
また、第１熱電変換部７４（及び第２熱電変換部１０６）では、燃焼ガス蛇行流路１１４ｃを流通する燃焼ガスと、酸化剤ガス蛇行流路１１２ｃを流通する酸化剤ガスとが、互いに並行流に設定されるとともに、異なる熱電変換温度に設定された複数の熱電変換素子１１６ａ、１１６ｂ及び１１６ｃを備えている。
【００９６】
従って、図８に示すように、例えば、並行流の上流側は、燃焼ガスと酸化剤ガスとの温度差が大きくなるため、高温型の熱電変換素子１１６ａを使用する一方、並行流の下流側は、前記温度差が小さくなるため、低温型の熱電変換素子１１６ｃを使用することができる。これにより、温度差に応じて最適な熱電変換素子１１６ａ、１１６ｂ及び１１６ｃが用いられるため、効率的な熱電変換が確実に遂行可能になる。
【００９７】
また、酸化剤ガス通路５８は、熱交換器５０に酸化剤ガスを供給する第１酸化剤ガス供給路部８０ａと、起動用燃焼器５４に前記酸化剤ガスを供給する第２酸化剤ガス供給路部８０ｂとに分岐するとともに、分岐部位には、前記酸化剤ガスの分配を調整する酸化剤ガス調整弁１１８が配設されている。
【００９８】
従って、燃料電池スタック２４と、改質器４６、蒸発器４８、熱交換器５０及び排ガス燃焼器５２を含むＦＣ周辺機器（ＢＯＰ）５６とを同時に昇温させることができ、起動時間の短縮化を図ることが可能になる。
【００９９】
しかも、燃料電池スタック２４とＦＣ周辺機器５６とは、それぞれ緻密な温度制御が遂行されるため、燃料電池モジュール１２の熱自立が促進される。その上、燃料電池スタック２４又はＦＣ周辺機器５６に熱不足が発生した際には、起動用燃焼器５４から熱を供給することができる。
【０１００】
さらに、燃料電池モジュール１２では、原燃料を改質器４６に供給する原燃料通路５７を備え、前記原燃料通路５７から前記原燃料を起動用燃焼器５４に供給する原燃料分岐通路１１０が分岐するとともに、分岐部位には、前記原燃料の分配を調整する原燃料調整弁１２０が配設されている。このため、燃料電池スタック２４と、ＦＣ周辺機器５６とを同時に昇温させることができ、起動時間の短縮化を図ることが可能になる。
【０１０１】
しかも、燃料電池スタック２４とＦＣ周辺機器５６とは、それぞれ緻密な温度制御が遂行されるため、燃料電池モジュール１２の熱自立が促進される。その上、燃料電池スタック２４又はＦＣ周辺機器５６に熱不足が発生した際には、起動用燃焼器５４から熱を供給することができる。
【０１０２】
さらにまた、熱交換器５０内には、排ガス燃焼器５２が一体に設けられるとともに、起動用燃焼器５４は、前記熱交換器５０の一端に隣接して設けられ、且つ、改質器４６は、前記熱交換器５０の他端に隣接して設けられている。従って、改質器４６、熱交換器５０、排ガス燃焼器５２及び起動用燃焼器５４は、略一体化されるため、燃料電池モジュール１２の放熱を最小限に抑制することが可能になる。これにより、熱エネルギの損失を抑制し、熱自立運転が良好に促進される。しかも、燃焼用回路（配管等）が簡素化され、部品点数も削減されるため、小型化及び低コスト化が図られる。
【０１０３】
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。これにより、特にＳＯＦＣ等の高温型燃料電池に最適である。
【０１０４】
図１０は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池モジュールを構成する熱電変換部１３０の要部分解斜視説明図である。
【０１０５】
熱電変換部１３０は、第１の実施形態に係る燃料電池モジュール１２を構成する第１熱電変換部７４及び第２熱電変換部１０６に代えて使用される。なお、熱電変換部１３０は、第１熱電変換部７４のみ、又は、第２熱電変換部１０６のみに代えて用いることもできる。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である。
【０１０６】
熱電変換部１３０は、酸化剤ガスを流通させる第１通路部材１３２と、燃焼ガスを流通させる第２通路部材１３４と、前記第１通路部材１３２及び前記第２通路部材１３４間に配置されて所定の熱電変換温度に設定された複数の熱電変換素子１３６とを備える。
【０１０７】
第１通路部材１３２は、酸化剤ガス入口１３２ａと酸化剤ガス出口１３２ｂとの間で蛇行する酸化剤ガス蛇行流路１３２ｃを有する。酸化剤ガス蛇行流路１３２ｃは、第１通路部材１３２内に交互に且つ千鳥状に配置される仕切板１３２ｄにより形成される。
【０１０８】
第２通路部材１３４は、燃焼ガス入口１３４ａと燃焼ガス出口１３４ｂとの間で蛇行する燃焼ガス蛇行流路１３４ｃを有する。燃焼ガス蛇行流路１３４ｃは、第２通路部材１３４内に交互に且つ千鳥状に配置される仕切板１３４ｄにより形成される。燃焼ガス蛇行流路１３４ｃと酸化剤ガス蛇行流路１３２ｃとは、互いに対向流に設定される。
【０１０９】
このように構成される第２の実施形態では、熱電変換部１３０は、燃焼ガスと酸化剤ガスとが互いに対向流に設定されるとともに、所定の熱電変換温度に設定された複数の熱電変換素子１３６を備えている。このため、熱電変換部１３０内では、想定される温度差に応じて、最適な熱電変換温度に設定された熱電変換素子１３６を用いることができる。従って、効率的な熱電変換が確実に遂行可能になるという効果が得られる。
【０１１０】
図１１は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池モジュールを構成する熱電変換部１４０の要部分解斜視説明図である。
【０１１１】
熱電変換部１４０は、酸化剤ガスを流通させる第１通路部材１４２と、燃焼ガスを流通させる第２通路部材１４４と、前記第１通路部材１４２及び第２通路部材１４４間に配置されて所定の熱電変換温度に設定された複数の熱電変換素子１４６とを備える。
【０１１２】
第１通路部材１４２は、酸化剤ガス入口１４２ａと酸化剤ガス出口１４２ｂとの間で蛇行する酸化剤ガス蛇行流路１４２ｃを有する。酸化剤ガス蛇行流路１４２ｃは、第１通路部材１４２内に交互に且つ千鳥状に配置される仕切板１４２ｄにより形成される。
【０１１３】
第２通路部材１４４は、燃焼ガス入口１４４ａと燃焼ガス出口１４４ｂとの間で蛇行する燃焼ガス蛇行流路１４４ｃを有する。燃焼ガス蛇行流路１４４ｃは、第２通路部材１４４内に交互に且つ千鳥状に配置される仕切板１４４ｄにより形成される。燃焼ガス蛇行流路１４４ｃと酸化剤ガス蛇行流路１４２ｃとは、互いに交差する流れに設定される。
【０１１４】
このように構成される第３の実施形態では、熱電変換部１４０は、燃焼ガスと酸化剤ガスとが互いに交差する流れに設定されるとともに、所定の熱電変換温度に設定された複数の熱電変換素子１４６を備えている。これにより、熱電変換部１４０内では、想定される温度差に応じて、最適な熱電変換温度に設定された熱電変換素子１４６を用いることができる。このため、効率的な熱電変換が確実に遂行可能になるという効果が得られる。
【０１１５】
図１２は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池モジュールを構成する熱電変換部１５０の要部分解斜視説明図である。
【０１１６】
熱電変換部１５０は、酸化剤ガスを流通させる第１通路部材１５２と、燃焼ガスを流通させる第２通路部材１５４と、前記第１通路部材１５２及び第２通路部材１５４間に配置されて所定の熱電変換温度に設定された複数の熱電変換素子１５６とを備える。
【０１１７】
第１通路部材１５２は、酸化剤ガス入口１５２ａと酸化剤ガス出口１５２ｂとの間で蛇行する酸化剤ガス蛇行流路１５２ｃを有する。酸化剤ガス蛇行流路１５２ｃは、第１通路部材１５２内に交互に且つ千鳥状に配置される仕切板１５２ｄにより形成される。
【０１１８】
第２通路部材１５４は、燃焼ガス入口１５４ａと燃焼ガス出口１５４ｂとの間で蛇行する燃焼ガス蛇行流路１５４ｃを有する。燃焼ガス蛇行流路１５４ｃは、第２通路部材１５４内に交互に且つ千鳥状に配置される仕切板１５４ｄにより形成される。燃焼ガス蛇行流路１５４ｃと酸化剤ガス蛇行流路１５２ｃとは、互いに対称の流れに設定される。
【０１１９】
このように構成される第４の実施形態では、熱電変換部１５０は、燃焼ガスと酸化剤ガスとが互いに対称の流れに設定されるとともに、所定の熱電変換温度に設定された複数の熱電変換素子１５６を備えている。これにより、熱電変換部１５０内では、想定される温度差に応じて、最適な熱電変換温度に設定された熱電変換素子１５６を用いることができる。このため、効率的な熱電変換が確実に遂行可能になるという効果が得られる。
【符号の説明】
【０１２０】
１０…燃料電池システム １２…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
３４…カソード側セパレータ ３６…アノード側セパレータ
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…原燃料通路 ５８…酸化剤ガス通路
５９…水通路 ６６…燃料ガス通路
７０…燃焼ガス通路
７４、１０６、１３０、１４０、１５０…熱電変換部
８０ａ、８０ｂ…酸化剤ガス供給路部 ８２…酸化剤ガス供給通路
８６…酸化剤排ガス通路 ８８…燃料排ガス通路
１０４…冷却通路部 １１０…原燃料分岐通路
１１２、１１４、１３２、１３４、１４２、１４４、１５２、１５４…通路部材
１１２ｃ、１３２ｃ、１４２ｃ、１５２ｃ…酸化剤ガス蛇行流路
１１４ｃ、１３４ｃ、１４４ｃ、１５４ｃ…燃焼ガス蛇行通路
１１６ａ〜１１６ｃ、１３６、１４６、１５６…熱電変換素子
１１８…酸化剤ガス調整弁 １２０…原燃料調整弁
【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て前記燃料ガスを生成するとともに、前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給する改質器と、
水を蒸発させるとともに、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、
前記燃料電池モジュールは、前記燃焼ガスと前記酸化剤ガスとの温度差により熱電変換を行う熱電変換部を備え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、前記燃焼ガスを前記熱交換器、前記改質器及び前記蒸発器に、順次、供給する燃焼ガス通路と、
前記酸化剤ガスを前記熱交換器から前記燃料電池スタックに供給する酸化剤ガス通路と、
を備えるとともに、
前記熱電変換部は、前記燃焼ガス通路の前記蒸発器の下流側に、且つ、前記酸化剤ガス通路の前記熱交換器の上流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２記載の燃料電池モジュールにおいて、前記酸化剤ガス通路は、前記熱交換器の上流側に前記起動用燃焼器を冷却する冷却通路部を有するとともに、
前記熱電変換部は、前記冷却通路部の上流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４】
請求項３記載の燃料電池モジュールにおいて、前記起動用燃焼器内には、別の熱電変換部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、前記熱電変換部は、前記燃焼ガスと前記酸化剤ガスとが互いに並行流に設定されるとともに、
異なる熱電変換温度に設定された複数の熱電変換素子を備え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１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記熱電変換部は、前記燃焼ガスと前記酸化剤ガスとが互いに対向流に設定されるとともに、
所定の熱電変換温度に設定された複数の熱電変換素子を備えることを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項７】
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、前記熱電変換部は、前記燃焼ガスと前記酸化剤ガスとが互いに交差する流れ又は対称の流れに設定されるとともに、
所定の熱電変換温度に設定された複数の熱電変換素子を備えることを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記酸化剤ガス通路は、前記熱交換器に前記酸化剤ガスを供給する第１酸化剤ガス供給路部と、
前記起動用燃焼器に前記酸化剤ガスを供給する第２酸化剤ガス供給路部と、
に分岐するとともに、
分岐部位には、前記酸化剤ガスの分配量を調整する酸化剤ガス調整弁が配設されることを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記原燃料を前記改質器に供給する原燃料通路を備え、
前記原燃料を前記起動用燃焼器に供給する原燃料分岐通路部が前記原燃料通路から分岐するとともに、
分岐部位には、前記原燃料の分配量を調整する原燃料調整弁が配設されることを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記熱交換器内には、前記排ガス燃焼器が一体に設けられるとともに、
起動用燃焼器は、前記熱交換器の一端に隣接して設けられ、且つ、前記改質器は、前記熱交換器の他端に隣接して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１１】
請求項１〜１０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。
【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て前記燃料ガスを生成するとともに、前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給する改質器と、
水を蒸発させるとともに、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、
前記燃料電池モジュールは、前記燃焼ガスと前記酸化剤ガスとの温度差により熱電変換を行う熱電変換部を備え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、前記燃焼ガスを前記熱交換器、前記改質器及び前記蒸発器に、順次、供給する燃焼ガス通路と、
前記酸化剤ガスを前記熱交換器から前記燃料電池スタックに供給する酸化剤ガス通路と、
を備えるとともに、
前記熱電変換部は、前記燃焼ガス通路の前記蒸発器の下流側に、且つ、前記酸化剤ガス通路の前記熱交換器の上流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２記載の燃料電池モジュールにおいて、前記酸化剤ガス通路は、前記熱交換器の上流側に前記起動用燃焼器を冷却する冷却通路部を有するとともに、
前記熱電変換部は、前記冷却通路部の上流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４】
請求項３記載の燃料電池モジュールにおいて、前記起動用燃焼器内には、別の熱電変換部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、前記熱電変換部は、前記燃焼ガスと前記酸化剤ガスとが互いに並行流に設定されるとともに、
異なる熱電変換温度に設定された複数の熱電変換素子を備え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１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記熱電変換部は、前記燃焼ガスと前記酸化剤ガスとが互いに対向流に設定されるとともに、
所定の熱電変換温度に設定された複数の熱電変換素子を備えることを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項７】
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、前記熱電変換部は、前記燃焼ガスと前記酸化剤ガスとが互いに交差する流れ又は対称の流れに設定されるとともに、
所定の熱電変換温度に設定された複数の熱電変換素子を備えることを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記酸化剤ガス通路は、前記熱交換器に前記酸化剤ガスを供給する第１酸化剤ガス供給路部と、
前記起動用燃焼器に前記酸化剤ガスを供給する第２酸化剤ガス供給路部と、
に分岐するとともに、
分岐部位には、前記酸化剤ガスの分配量を調整する酸化剤ガス調整弁が配設されることを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記原燃料を前記改質器に供給する原燃料通路を備え、
前記原燃料を前記起動用燃焼器に供給する原燃料分岐通路部が前記原燃料通路から分岐するとともに、
分岐部位には、前記原燃料の分配量を調整する原燃料調整弁が配設されることを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記熱交換器内には、前記排ガス燃焼器が一体に設けられるとともに、
起動用燃焼器は、前記熱交換器の一端に隣接して設けられ、且つ、前記改質器は、前記熱交換器の他端に隣接して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１１】
請求項１〜１０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。
【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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１３−８９４９７（Ｐ２０１３−８９４９７Ａ）
【公開日】平成２５年５月１３日（２０１３．５．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２２９９２５（Ｐ２０１１−２２９９２５）
【出願日】平成２３年１０月１９日（２０１１．１０．１９）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月１３日（２０１３．５．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月１９日（２０１１．１０．１９）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
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