燃料電池モジュール
【課題】熱エネルギの損失を抑制して熱自立の促進を図るとともに、低コスト化及び小型化に適し、しかも発電効率の向上を図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２２、部分酸化改質器４４、排ガス燃焼器４６及び熱交換器４８とを備える。燃料電池スタック２２の一方に熱交換器４８が配設され、且つ前記燃料電池スタック２２の他方に部分酸化改質器４４及び排ガス燃焼器４６が配設され、前記部分酸化改質器４４は、前記排ガス燃焼器４６を囲繞して設けられる。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７６ａ及び第２熱電変換部７６ｂ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２２、部分酸化改質器４４、排ガス燃焼器４６及び熱交換器４８とを備える。燃料電池スタック２２の一方に熱交換器４８が配設され、且つ前記燃料電池スタック２２の他方に部分酸化改質器４４及び排ガス燃焼器４６が配設され、前記部分酸化改質器４４は、前記排ガス燃焼器４６を囲繞して設けられる。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７６ａ及び第２熱電変換部７６ｂ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】
上記の燃料電池に供給される燃料ガスは、通常、改質装置によって炭化水素系の原燃料から生成される水素ガスが使用されている。改質装置では、一般的に、メタンやＬＮＧ等の化石燃料等の炭化水素系の原燃料に、例えば、部分酸化改質や水蒸気改質を施すことにより、改質ガス（燃料ガス）が生成されている。
【０００４】
この場合、部分酸化改質器は、発熱反応であるため、比較的低温時に反応が開始されて起動性及び追従性に優れる一方、水蒸気改質器は、効率が高いという利点が得られる。
【０００５】
例えば、特許文献１に開示されている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９に示すように、燃料処理システム１ａを備えるとともに、前記燃料処理システム１ａは、改質器２ａとバーナ燃焼器３ａとを備えている。
【０００６】
燃料電池システムにおいて、流量計測器４ａの指示値に基づいて空気供給装置５ａが制御されるが、この流量計測器４ａの指示値は、前記空気供給装置５ａによって空気が供給されていない場合に、流量ゼロを示す値となるように補正されている。これにより、流量計測器４ａの指示値が実際の供給流量を示すようになるので、空気供給装置５ａによって供給される空気の供給流量を精度良く調節することが可能となる、としている。
【０００７】
また、特許文献２に開示されている部分酸化改質装置では、図１０に示すように、改質装置１ｂをハウジング２ｂとその内部の隔壁３ｂ、３ｂとにより２重壁構造のものとしている。隔壁３ｂ、３ｂ間には、改質反応部４ｂが収容され、ハウジング２ｂと隔壁３ｂとの間の空間を原料ガス通路５ｂとすることで、前記改質反応部４ｂの周りに前記原料ガス通路５ｂが設けられている。
【０００８】
改質反応部４ｂは、原料ガス通路５ｂにより断熱されることにより、前記改質反応部４ｂ内の温度むらを低減している。原料ガス通路５ｂの原料ガスは、改質反応部４ｂでの反応熱により予熱されている。このため、自己熱回収により改質装置１ｂの熱効率を向上させ、原料ガスの予熱のための予熱器を原料ガス通路５ｂと改質反応部４ｂとの間に一体的に形成している。
【０００９】
これにより、改質反応部４ｂにおいて、原料ガスから部分酸化を含む反応により水素リッチな改質ガスを生成する場合に、前記改質反応部４ｂ内の温度むらを低減し、且つその熱効率を向上させるとともに、改質装置をシンプルでコンパクトな構造とする、としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２０１０−２１８８８８号公報
【特許文献２】再公表ＷＯ０１／０４７８００号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上記の特許文献１では、流体の流量補正を行うものであり、温度による補正を考慮していない。このため、温度域によって体積変化が発生した際に、流入流体が流体制御域を超えるおそれがある。しかも、特許文献１では、固体高分子形燃料電池スタックを用いており、改質器２ａから排出される改質ガスを冷却する必要がある。従って、熱エネルギの損失が多く、前記熱エネルギを効率的に活用することができないという問題がある。
【００１２】
また、上記の特許文献２では、原料ガスを改質ガスにより熱交換しており、前記改質ガスの温度が低下している。さらに、固体高分子形燃料電池用改質器であるため、ＣＯ除去器に受け渡す際、改質ガスの温度を下げる必要があり、熱エネルギを効率的に活用することができないという問題がある。
【００１３】
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抑制して熱自立の促進を図るとともに、低コスト化及び小型化に適し、しかも発電効率の向上を図ることが可能な燃料電池モジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
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酸化剤ガス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部分酸化改質器と、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、燃焼ガスを発生させる排ガス燃焼器と、前記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を備える燃料電池モジュールに関するものである。
【００１５】
この燃料電池モジュールでは、燃料電池スタックの一方に熱交換器が配設され、且つ前記燃料電池スタックの他方に部分酸化改質器及び排ガス燃焼器が配設され、前記部分酸化改質器は、前記排ガス燃焼器を囲繞して設けられるとともに、前記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。
【００１６】
また、この燃料電池モジュールでは、排ガス燃焼器から排出される燃焼ガスを、燃料電池スタック及び熱交換器に、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及び部分酸化改質器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熱交換器の下流側に、且つ、前記酸化剤ガス通路の前記熱交換器及び前記部分酸化改質器の上流側に設けられることが好ましい。
【００１７】
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。
【００１８】
さらに、この燃料電池モジュールでは、酸化剤ガス通路は、熱交換器に酸化剤ガスを供給する第１酸化剤ガス供給路部と、部分酸化改質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。
【００１９】
従って、燃料電池スタックと、熱交換器を含む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。一方、アノード側を還元することができ、起動時間が短縮される。
【００２０】
さらにまた、この燃料電池モジュールでは、熱電変換部は、酸化剤ガス通路に酸化剤ガス調整弁の上流側に位置して配置されることが好ましい。これにより、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。
【００２１】
また、この燃料電池モジュールでは、熱電変換部は、少なくとも第１酸化剤ガス供給路部又は第２酸化剤ガス供給路部に酸化剤ガス調整弁の下流側に位置して配置さ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。その上、酸化剤ガスは、酸化剤ガス調整弁の下流側で昇温されるため、前記酸化剤ガス調整弁の耐久性を損なうことがない。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
さらに、この燃料電池モジュールでは、熱交換器は、燃料電池スタックの燃料電池積層方向一方に設けられるとともに、部分酸化改質器及び排ガス燃焼器は、前記燃料電池スタックの燃料電池積層方向他方に設けられることが好ましい。従って、燃料電池モジュールの放熱を最小限に抑制することができ、熱エネルギの損失を良好に抑制することが可能になる。換言すれば、熱自立運転が促進される。
【００２６】
さらにまた、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、燃料電池スタックの一方に熱交換器が配置され、前記燃料電池スタックの他方に部分酸化改質器及び排ガス燃焼器が配置されている。このため、燃料電池スタックの放熱が最小化され、前記燃料電池スタックの温度分布の差が減少されている。従って、熱エネルギの損失を抑制することができ、熱自立運転の促進が容易に図られる。
【００２８】
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。
【００２９】
しかも、部分酸化改質器は、排ガス燃焼器を囲繞して設けられている。これにより、燃料電池スタックから排出される燃料排ガスと酸化剤排ガスとを、自己着火温度を維持した状態で、排ガス燃焼器に導入させることが可能になる。このため、排ガス燃焼器は、燃焼安定性が良好に向上し、熱自立運転の促進が容易に図られる。
【００３０】
その上、改質器として部分酸化改質器のみを設けており、水蒸気改質器を不要にすることができる。従って、水蒸気を供給するための水供給系が省略されるため、部品の削減が図られて、燃料電池モジュール全体の低コスト化及び小型化が良好に図られる。
【００３１】
さらに、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。これにより、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。
【００３２】
ここで、燃焼ガスとは、排ガス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。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【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第１及び第２熱電変換部の要部分解斜視説明図である。
【図３】前記燃料電池システムの動作を説明するフローチャートである。
【図４】前記燃料電池モジュールを構成する部分酸化改質器の最適マップの説明図である。
【図５】本発明の第２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６】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７】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８】本発明の第５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９】特許文献１に開示されている燃料電池システムの説明図である。
【図１０】特許文献２に開示されている部分酸化改質装置の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
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を組み込んでおり、前記燃料電池システム１０は、定置用の他、可搬用や車載用等の種々の用途に用いられている。
【００３５】
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の発電量を制御する制御装置１８とを備える。
【００３６】
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２０が鉛直方向（矢印Ａ方向）に積層される固体酸化物形の燃料電池スタック２２を備える。燃料電池２０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２４の両面に、カソード電極２６及びアノード電極２８が設けられた電解質・電極接合体（ＭＥＡ）３０を備える。
【００３７】
電解質・電極接合体３０の両側には、カソード側セパレータ３２とアノード側セパレータ３４とが配設される。カソード側セパレータ３２には、カソード電極２６に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路３６が形成されるとともに、アノード側セパレータ３４には、アノード電極２８に燃料ガスを供給する燃料ガス流路３８が形成される。なお、燃料電池２０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。
【００３８】
燃料電池スタック２２には、各酸化剤ガス流路３６の入口側に一体に連通する酸化剤ガス入口連通孔４０ａ、前記酸化剤ガス流路３６の出口側に一体に連通する酸化剤ガス出口連通孔４０ｂ、各燃料ガス流路３８の入口側に一体に連通する燃料ガス入口連通孔４２ａ、及び前記燃料ガス流路３８の出口側に一体に連通する燃料ガス出口連通孔４２ｂが設けられる。
【００３９】
燃料電池モジュール１２は、原燃料と酸化剤ガスとの混合ガスを改質する部分酸化改質器（ＰＯＸ）４４と、燃料電池スタック２２から排出される燃料ガスである燃料排ガスと酸化剤ガスである酸化剤排ガスとを燃焼させ、燃焼ガスを発生させる排ガス燃焼器４６と、前記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２２に前記酸化剤ガスを供給する熱交換器４８とを備える。
【００４０】
燃料電池モジュール１２は、基本的には、燃料電池スタック２２とＦＣ周辺機器５０とにより構成される。このＦＣ周辺機器５０は、部分酸化改質器４４、排ガス燃焼器４６及び熱交換器４８を備えるとともに、前記部分酸化改質器４４は、前記排ガス燃焼器４６を囲繞して設けられる。部分酸化改質器４４は、円柱状（又は角柱状）の外形形状を有しており、排ガス燃焼器４６は、前記部分酸化改質器４４を収容するリング形状（又は角柱状）に構成される。
【００４１】
原燃料供給装置１４は、原燃料を部分酸化改質器４４に供給する原燃料通路５１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４８から燃料電池スタック２２に供給する酸化剤ガス通路５３を備える。
【００４２】
燃料電池スタック２２の一方に、より好ましくは、燃料電池積層方向（矢印Ａ方向）一方（上方）に、熱交換器４８が配設されるとともに、前記燃料電池スタック２２の他方に、より好ましくは、燃料電池積層方向（矢印Ａ方向）他方（下方）に、部分酸化改質器４４及び排ガス燃焼器４６が配設される。
【００４３】
燃料電池積層方向は、重力方向と一致している。換言すれば、熱交換器４８は、燃料電池スタック２２の重力方向上部に配設されるとともに、部分酸化改質器４４及び排ガス燃焼器４６は、前記燃料電池スタック２２の重力方向下部に配設される。
【００４４】
部分酸化改質器４４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、主として水素、ＣＯを含む燃料ガスに部分酸化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。
【００４５】
燃料電池２０は、作動温度が数百℃と高温であり、アノード電極２８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２４の前記アノード電極２８側に供給される。
【００４６】
部分酸化改質器４４は、内部に部分酸化触媒（図示せず）が充填されるとともに、起動時に着火させるための図示しないイグナイターやグロー等の着火装置を設ける。部分酸化改質器４４には、脱硫後の原燃料が導入される混合ガス入口５２ａと、前記原燃料が部分酸化改質された改質ガス（燃料ガス）が導出される燃料ガス出口５２ｂとが設けられる。
【００４７】
排ガス燃焼器４６は、内部に燃焼室５４を有するとともに、前記燃焼室５４には、酸化剤排ガス入口５６、燃料排ガス入口５８及び燃焼ガス出口６０が連通する。燃焼室５４には、起動時に還元ガス（燃料ガス）と酸化剤ガスとの混合ガスを着火させるための図示しないイグナイターやグロー等の着火装置が配設される。
【００４８】
熱交換器４８の内部には、複数の酸化剤ガス管路（図示せず）が収容された昇温空間が形成されるとともに、前記酸化剤ガス管路を流通する酸化剤ガスが、前記昇温空間に供給される高温の燃焼ガスにより昇温される。熱交換器４８には、酸化剤ガス管路の入口及び出口に連通する酸化剤ガス供給口６２ａ及び酸化剤ガス排出口６２ｂと、昇温空間に連通する燃焼ガス供給口６４ａ及び燃焼ガス排出口６４ｂとが設けられる。
【００４９】
燃料電池スタック２２の燃料ガス入口連通孔４２ａと部分酸化改質器４４の燃料ガス出口５２ｂとは、燃料ガス通路６６を介して連通する。燃料電池スタック２２の酸化剤ガス出口連通孔４０ｂと排ガス燃焼器４６の酸化剤排ガス入口５６とは、酸化剤排ガス通路６８を介して連通するとともに、前記燃料電池スタック２２の燃料ガス出口連通孔４２ｂと前記排ガス燃焼器４６の燃料排ガス入口５８とは、燃料排ガス通路７０を介して連通する。燃料電池スタック２２の酸化剤ガス入口連通孔４０ａと熱交換器４８の酸化剤ガス排出口６２ｂとは、酸化剤ガス通路７２を介して連通する。
【００５０】
排ガス燃焼器４６の燃焼ガス出口６０には、燃焼ガス通路７４ａの一端が連通するとともに、前記燃焼ガス通路７４ａの他端が燃料電池スタック２２に連通する。燃料電池スタック２２には、燃焼ガスを導出するための燃焼ガス通路７４ｂの一端が連通し、前記燃焼ガス通路７４ｂの他端が熱交換器４８の燃焼ガス供給口６４ａに連通する。熱交換器４８の燃焼ガス排出口６４ｂには、燃焼ガス通路７４ｃの一端が連通するとともに、前記燃焼ガス通路７４ｃの他端には、第１熱電変換部７６ａ及び第２熱電変換部７６ｂが直列的に設けられる。
【００５１】
第１熱電変換部７６ａは、酸化剤ガス通路５３を構成する第１酸化剤ガス供給路部５３ａに配置される一方、第２熱電変換部７６ｂは、前記酸化剤ガス通路５３を構成する第２酸化剤ガス供給路部５３ｂに配置される。第１酸化剤ガス供給路部５３ａと第２酸化剤ガス供給路部５３ｂとには、酸化剤ガス通路５３に設けられる酸化剤ガス調整弁７８により酸化剤ガスが分配供給される。
【００５２】
原燃料供給装置１４は、都市ガス（原燃料）中に含まれる硫黄化合物を除去するための脱硫器８０を備えるとともに、前記脱硫器８０が原燃料通路５１の途上に配設される。この原燃料通路５１は、部分酸化改質器４４の混合ガス入口５２ａに接続される。
【００５３】
酸化剤ガス供給装置１６は、酸化剤ガスを酸化剤ガス通路５３から熱交換器４８と部分酸化改質器４４とに、すなわち、第１酸化剤ガス供給路部５３ａと第２酸化剤ガス供給路部５３ｂとに、分配する酸化剤ガス調整弁７８を備える。第１酸化剤ガス供給路部５３ａは、熱交換器４８の酸化剤ガス供給口６２ａに連通する。第２酸化剤ガス供給路部５３ｂは、原燃料通路５１に対し、脱硫器８０と部分酸化改質器４４との間に位置して連通する。
【００５４】
図２に示すように、第１熱電変換部７６ａ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８２と、加熱媒体である燃焼ガスを流通させる第２通路部材８４と、前記第１通路部材８２及び前記第２通路部材８４間に配設されて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８６ａ、８６ｂ及び８６ｃとを備える。
【００５５】
第１通路部材８２は、ボックス形状を有し、酸化剤ガス入口８２ａと酸化剤ガス出口８２ｂとの間で蛇行する酸化剤ガス蛇行流路８２ｃを設ける。酸化剤ガス蛇行流路８２ｃは、第１通路部材８２内に交互に且つ千鳥状に配置される仕切板８２ｄにより形成される。
【００５６】
第２通路部材８４は、ボックス形状を有し、燃焼ガス入口８４ａと燃焼ガス出口８４ｂとの間で蛇行する燃焼ガス蛇行流路８４ｃを設ける。燃焼ガス蛇行流路８４ｃは、第２通路部材８４内に交互に且つ千鳥状に配置される仕切板８４ｄにより形成される。燃焼ガス蛇行流路８４ｃと酸化剤ガス蛇行流路８２ｃとは、互いに並行流に設定される。
【００５７】
熱電変換素子８６ａ、８６ｂ及び８６ｃは、第１通路部材８２と第２通路部材８４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８２ｃ及び燃焼ガス蛇行流路８４ｃの上流側に配置される複数（図２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８６ａ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。
【００５８】
酸化剤ガス蛇行流路８２ｃ及び燃焼ガス蛇行流路８４ｃの中流側に配置される複数の熱電変換素子８６ｂ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８２ｃ及び燃焼ガス蛇行流路８４ｃの下流側に配置される複数の熱電変換素子８６ｃ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。
【００５９】
なお、第２熱電変換部７６ｂは、上記の第１熱電変換部７６ａと同様に構成されており、同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００６０】
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３のフローチャートに沿って、以下に説明する。
【００６１】
先ず、燃料電池システム１０の起動時には、酸化剤ガス調整弁７８の開度が設定される。具体的には、部分酸化改質に必要な空気（酸化剤ガス）及び原燃料、例えば、都市ガス（ＣＨ４、Ｃ２Ｈ６、Ｃ３Ｈ８、Ｃ４Ｈ１０を含む）等が投入されるように、原燃料供給装置１４が駆動されるとともに、酸化剤ガス調整弁７８の開度が調整される（ステップＳ１）。部分酸化改質の制御は、空燃比（Ｏ２／Ｃ）（投入空気中の酸素モル数／投入原燃料中のカーボンモル数）により行われ、部分酸化改質器４４には、空気と原燃料とが最適空燃比量で導入される。
【００６２】
原燃料供給装置１４では、原燃料通路５１に供給された原燃料が、脱硫器８０で脱硫された後、部分酸化改質器４４の混合ガス入口５２ａに供給される。一方、酸化剤ガス供給装置１６では、酸化剤ガス通路５３に供給された空気は、酸化剤ガス調整弁７８を介して第１酸化剤ガス供給路部５３ａと第２酸化剤ガス供給路部５３ｂとそれぞれ所定の量ずつ分配される。第２酸化剤ガス供給路部５３ｂに分配された空気は、原燃料通路５１で原燃料に混合されて部分酸化改質器４４の混合ガス入口５２ａに供給される。
【００６３】
部分酸化改質器４４内では、図示しない着火装置により着火され、前記部分酸化改質器４４による部分酸化改質が開始される。例えば、Ｏ２／Ｃ＝０．５に設定されると、２ＣＨ４＋Ｏ２→４Ｈ２＋２ＣＯとなる部分酸化反応が発生する。この部分酸化反応は、発熱反応であり、部分酸化改質器４４から高温（約６００℃）の還元ガス（燃料ガス）が発生する。
【００６４】
高温の還元ガスは、燃料ガス通路６６を介して燃料電池スタック２２の燃料ガス入口連通孔４２ａに供給される。燃料電池スタック２２では、高温の還元ガスは、燃料ガス流路３８を流通した後、燃料ガス出口連通孔４２ｂから燃料排ガス通路７０に排出される。還元ガスは、燃料排ガス通路７０に連通する燃料排ガス入口５８から排ガス燃焼器４６の燃焼室５４に導入される。
【００６５】
一方、酸化剤ガス供給装置１６では、第１酸化剤ガス供給路部５３ａに供給された空気が、酸化剤ガス供給口６２ａから熱交換器４８内に導入される。空気は、複数の酸化剤ガス管路内を移動する間に、昇温空間に導入された燃焼ガス（後述する）により加熱（熱交換）される。加熱された空気は、酸化剤ガス通路７２を介して燃料電池スタック２２の酸化剤ガス入口連通孔４０ａに供給される。
【００６６】
燃料電池スタック２２では、加熱された空気は、酸化剤ガス流路３６を流通した後、酸化剤ガス出口連通孔４０ｂから酸化剤排ガス通路６８に排出される。酸化剤排ガス通路６８は、排ガス燃焼器４６を構成する燃焼室５４に開口しており、前記燃焼室５４に空気が導入される。従って、燃焼室５４内には、燃料排ガス及び酸化剤排ガスが導入され、燃料ガスの自己着火温度を超えると、燃焼室５４で空気と燃料ガスとによる燃焼が開始されるが、もし、自己着火温度を超えない場合においては、図示しない着火装置により着火される（ステップＳ２）。
【００６７】
燃焼室５４に発生した燃焼ガスは、燃焼ガス出口６０から燃焼ガス通路７４ａを通って燃料電池スタック２２に供給され、前記燃料電池スタック２２を昇温させる。さらに、燃焼ガスは、燃焼ガス通路７４ｂを通って熱交換器４８の燃焼ガス供給口６４ａに導入される。
【００６８】
このため、燃焼ガスは、熱交換器４８内の昇温空間に供給され、複数の酸化剤ガス管路内を移動する酸化剤ガスを昇温させる。その後、燃焼ガスは、燃焼ガス排出口６４ｂから燃焼ガス通路７４ｃを通って第１熱電変換部７６ａ及び第２熱電変換部７６ｂに、順次、供給される。
【００６９】
図２に示すように、第１熱電変換部７６ａ及び第２熱電変換部７６ｂでは、第１通路部材８２の酸化剤ガス入口８２ａから酸化剤ガス蛇行流路８２ｃ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８４の燃焼ガス入口８４ａから燃焼ガス蛇行流路８４ｃに燃焼ガスが供給される。従って、酸化剤ガス蛇行流路８２ｃと燃焼ガス蛇行流路８４ｃとの間に配設されている複数の熱電変換素子８６ａ、８６ｂ及び８６ｃ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】
上記のように、燃料電池スタック２２は、加熱された空気、加熱された燃料ガス及び燃焼ガスが流通することにより、昇温される。一方、部分酸化改質器４４は、排ガス燃焼器４６により昇温され、前記部分酸化改質器４４が所定の運転可能状態になったか否かが判断される（ステップＳ３）。
【００７１】
具体的には、図４に示すように、部分酸化改質器４４の温度と空燃比とから、高効率な反応が得られる高効率範囲がマップとして設定されている。このため、部分酸化改質器４４の温度Ｔ１が７００℃≦Ｔ１≦９００℃で、且つ０．４５≦Ｏ２／Ｃ≦０．５５であると、すなわち、部分酸化改質器４４の改質状態がＯＫであると判断される。
【００７２】
部分酸化改質器４４の改質状態がＯＫであると判断されると（ステップＳ３中、ＹＥＳ）、ステップＳ４に進む。このステップＳ４では、燃料電池スタック２２の温度（スタック温度）がＴ２（例えば、６５０℃）以上であるか否かが判断される。スタック温度が、Ｔ２以上であると判断されると（ステップＳ４中、ＹＥＳ）、ステップＳ５に進む。
【００７３】
ステップＳ５では、燃料電池スタック２２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２０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２２の発電が可能であると判断する（ステップＳ５中、ＹＥＳ）。これにより、燃料電池スタック２２は、発電が開始される（ステップＳ６）。
【００７４】
燃料電池スタック２２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３６を流通する一方、燃料ガスが燃料ガス流路３８を流通する。従って、各燃料電池２０のカソード電極２６に空気が供給されるとともに、アノード電極２８に燃料ガスが供給され、化学反応により発電が行われる。
【００７５】
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６８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７０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４６に送られて燃焼される。排ガス燃焼器４６内では、燃料ガスの自己着火温度を超えると、燃焼室５４で空気と燃料ガスとによる燃焼が開始される。
【００７６】
一方、ステップＳ３において、部分酸化改質器４４の改質状態がＮＧであると判断されると（ステップＳ３中、ＮＯ）、ステップＳ７に進む。ステップＳ７では、部分酸化改質器４４の温度が調整されるとともに、前記部分酸化改質器４４に供給される原燃料及び空気（Ｏ２／Ｃ）が調整される。
【００７７】
また、ステップＳ４において、スタック温度がＴ２未満であると判断されると（ステップＳ４中、ＮＯ）、ステップＳ８に進む。ステップＳ８では、排ガス燃焼器４６の温度が設定温度Ｔ３（例えば、９００℃）以上であるか否かが判断される。排ガス燃焼器４６の温度が、設定温度Ｔ３以上であると判断されると（ステップＳ８中、ＹＥＳ）、ステップＳ４に戻される。一方、排ガス燃焼器４６の温度が、設定温度Ｔ３未満であると判断されると（ステップＳ８中、ＮＯ）、ステップＳ２に戻される。
【００７８】
この場合、第１の実施形態では、燃料電池スタック２２の一方に、熱交換器４８が配置されるとともに、前記燃料電池スタック２２の他方に、部分酸化改質器４４及び排ガス燃焼器４６が配置されている。このため、燃料電池スタック２２の放熱が最小化され、前記燃料電池スタック２２の温度分布の差が減少されている。従って、熱エネルギの損失を抑制することができ、熱自立運転の促進が容易に図られるという効果が得られる。
【００７９】
ここで、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。
【００８０】
しかも、部分酸化改質器４４は、排ガス燃焼器４６を囲繞して設けられている。これにより、燃料電池スタック２２から排出される燃料排ガスと酸化剤排ガスとを、自己着火温度を維持した状態で、排ガス燃焼器４６に導入させることが可能になる。このため、排ガス燃焼器４６は、燃焼安定性が良好に向上し、熱自立運転の促進が容易に図られる。
【００８１】
その上、改質器として部分酸化改質器４４のみを設けており、水蒸気改質器を不要にすることができる。従って、水蒸気を供給するための水供給系が省略されるため、部品の削減が図られて、燃料電池モジュール１２全体の低コスト化及び小型化が良好に図られる。
【００８２】
さらに、第１の実施形態では、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７６ａ及び第２熱電変換部７６ｂを備えている。図２に示すように、第１熱電変換部７６ａ及び第２熱電変換部７６ｂ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８２と、加熱媒体である燃焼ガスを流通させる第２通路部材８４と、前記第１通路部材８２及び前記第２通路部材８４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８６ａ、８６ｂ及び８６ｃとを備えている。
【００８３】
これにより、第１熱電変換部７６ａ及び第２熱電変換部７６ｂ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、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。なお、少なくとも第１熱電変換部７６ａ又は第２熱電変換部７６ｂのいずれか一方のみを備えていてもよい。
【００８４】
ここで、燃焼ガスとは、排ガス燃焼器４６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。
【００８５】
また、燃料電池モジュール１２では、排ガス燃焼器４６から排出される燃焼ガスを、燃料電池スタック２２及び熱交換器４８に、順次、供給する燃焼ガス通路７４ａ〜７４ｃと、酸化剤ガスを前記熱交換器４８及び部分酸化改質器４４に供給する酸化剤ガス通路５３とを備えるとともに、第１熱電変換部７６ａ及び第２熱電変換部７６ｂは、前記燃焼ガス通路７４ｃの前記熱交換器４８の下流側に、且つ、前記酸化剤ガス通路５３の前記熱交換器４８及び前記部分酸化改質器４４の上流側に設けられている。
【００８６】
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。
【００８７】
さらに、酸化剤ガス通路５３は、熱交換器４８に酸化剤ガスを供給する第１酸化剤ガス供給路部５３ａと、部分酸化改質器４４に前記酸化剤ガスを供給する第２酸化剤ガス供給路部５３ｂ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７８が配設されている。
【００８８】
従って、燃料電池スタック２２と、熱交換器４８を含むＦＣ周辺機器（ＢＯＰ）５０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。一方、アノード側を還元することができ、起動時間が短縮される。
【００８９】
さらにまた、少なくとも第１熱電変換部７６ａ又は第２熱電変換部７６ｂは、第１酸化剤ガス供給路部５３ａ又は第２酸化剤ガス供給路部５３ｂに酸化剤ガス調整弁７８の下流側に位置して配置されている。これにより、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。
【００９０】
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。その上、酸化剤ガスは、酸化剤ガス調整弁７８の下流側で昇温されるため、前記酸化剤ガス調整弁７８の耐久性を損なうことがない。
【００９１】
また、図２に示すように、第１熱電変換部７６ａ及び第２熱電変換部７６ｂでは、燃焼ガス蛇行流路８４ｃを流通する燃焼ガスと、酸化剤ガス蛇行流路８２ｃ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８６ａ、８６ｂ及び８６ｃを備えている。
【００９２】
このため、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８６ａ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８６ｃを使用することができる。従って、温度差に応じて最適な熱電変換素子８６ａ、８６ｂ及び８６ｃ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。
【００９３】
さらに、燃料電池モジュール１２では、熱交換器４８は、燃料電池スタック２２の燃料電池積層方向一方に設けられるとともに、部分酸化改質器４４及び排ガス燃焼器４６は、前記燃料電池スタック２２の燃料電池積層方向他方に設けられている。これにより、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でき、熱エネルギの損失を良好に抑制することが可能になる。換言すれば、熱自立運転が促進される。
【００９４】
さらにまた、燃料電池モジュール１２は、固体酸化物形燃料電池モジュールである。このため、特にＳＯＦＣ等の高温型燃料電池に最適である。
【００９５】
図５に示されるように、燃料電池システム１０ａは、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池モジュール１２ａを備える。なお、第１の実施形態に係る燃料電池モジュール１２と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００９６】
燃料電池モジュール１２ａは、熱電変換部７６を備えるとともに、前記熱電変換部７６は、酸化剤ガス通路５３に酸化剤ガス調整弁７８の上流側に位置して配置される。この熱電変換部７６には、酸化剤ガス通路５３を介して酸化剤ガスが供給される一方、燃焼ガス通路７４ｃを介して燃焼ガスが供給される。熱電変換部７６は、第１の実施形態の第１熱電変換部７６ａ（及び第２熱電変換部７６ｂ）と同様に構成される。
【００９７】
このように構成される第２の実施形態では、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等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００９８】
さらに、熱電変換部７６は、酸化剤ガス通路５３に酸化剤ガス調整弁７８の上流側に位置して配置されるため、単一の前記熱電変換部７６のみを設けることができる。従って、構成が簡素化するとともに、経済的であるという利点が得られる。
【００９９】
図６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１００の要部分解斜視説明図である。
【０１００】
熱電変換部１００は、第１及び第２の実施形態に係る第１熱電変換部７６ａ及び第２熱電変換部７６ｂ（熱電変換部７６）の少なくともいずれかに代えて使用することができる。なお、以下に説明する第４以降の実施形態においても同様である。
【０１０１】
熱電変換部１００は、酸化剤ガスを流通させる第１通路部材１０２と、燃焼ガスを流通させる第２通路部材１０４と、前記第１通路部材１０２及び前記第２通路部材１０４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１０６とを備える。
【０１０２】
第１通路部材１０２は、酸化剤ガス入口１０２ａと酸化剤ガス出口１０２ｂとの間で蛇行する酸化剤ガス蛇行流路１０２ｃを有する。酸化剤ガス蛇行流路１０２ｃは、第１通路部材１０２内に交互に且つ千鳥状に配置される仕切板１０２ｄにより形成される。
【０１０３】
第２通路部材１０４は、燃焼ガス入口１０４ａと燃焼ガス出口１０４ｂとの間で蛇行する燃焼ガス蛇行流路１０４ｃを有する。燃焼ガス蛇行流路１０４ｃは、第２通路部材１０４内に交互に且つ千鳥状に配置される仕切板１０４ｄにより形成される。燃焼ガス蛇行流路１０４ｃと酸化剤ガス蛇行流路１０２ｃとは、互いに対向流に設定される。
【０１０４】
このように構成される第３の実施形態では、熱電変換部１００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１０６を備えている。このため、熱電変換部１００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１０６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。
【０１０５】
図７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１１０の要部分解斜視説明図である。
【０１０６】
熱電変換部１１０は、酸化剤ガスを流通させる第１通路部材１１２と、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及び第２通路部材１１４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１１６とを備える。
【０１０７】
第１通路部材１１２は、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を有する。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。
【０１０８】
第２通路部材１１４は、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を有する。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、互いに交差する流れに設定される。
【０１０９】
このように構成される第４の実施形態では、熱電変換部１１０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１１６を備えている。これにより、熱電変換部１１０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１１６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。
【０１１０】
図８は、本発明の第５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１２０の要部分解斜視説明図である。
【０１１１】
熱電変換部１２０は、酸化剤ガスを流通させる第１通路部材１２２と、燃焼ガスを流通させる第２通路部材１２４と、前記第１通路部材１２２及び第２通路部材１２４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１２６とを備える。
【０１１２】
第１通路部材１２２は、酸化剤ガス入口１２２ａと酸化剤ガス出口１２２ｂとの間で蛇行する酸化剤ガス蛇行流路１２２ｃを有する。酸化剤ガス蛇行流路１２２ｃは、第１通路部材１２２内に交互に且つ千鳥状に配置される仕切板１２２ｄにより形成される。
【０１１３】
第２通路部材１２４は、燃焼ガス入口１２４ａと燃焼ガス出口１２４ｂとの間で蛇行する燃焼ガス蛇行流路１２４ｃを有する。燃焼ガス蛇行流路１２４ｃは、第２通路部材１２４内に交互に且つ千鳥状に配置される仕切板１２４ｄにより形成される。燃焼ガス蛇行流路１２４ｃと酸化剤ガス蛇行流路１２２ｃとは、互いに対称の流れに設定される。
【０１１４】
このように構成される第５の実施形態では、熱電変換部１２０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１２６を備えている。これにより、熱電変換部１２０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１２６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】
【０１１５】
１０…燃料電池システム １２、１２ａ…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…制御装置 ２０…燃料電池
２２…燃料電池スタック ２４…電解質
２６…カソード電極 ２８…アノード電極
３０…電解質・電極接合体 ３６…酸化剤ガス流路
３８…燃料ガス流路 ４０ａ…酸化剤ガス入口連通孔
４０ｂ…酸化剤ガス出口連通孔 ４２ａ…燃料ガス入口連通孔
４２ｂ…燃料ガス出口連通孔 ４４…部分酸化改質器
４６…排ガス燃焼器 ４８…熱交換器
５０…ＦＣ周辺機器 ５１…原燃料通路
５３、７２…酸化剤ガス通路 ５３ａ、５３ｂ…酸化剤ガス供給路部
６６…燃料ガス通路 ６８…酸化剤排ガス通路
７０…燃料排ガス通路 ７４ａ〜７４ｃ…燃焼ガス通路
７６、７６ａ、７６ｂ、１００、１１０、１２０…熱電変換部
７８…酸化剤ガス調整弁 ８０…脱硫器
８２、８４、１０２、１０４、１１２、１１４、１２２、１２４…通路部材
８６ａ〜８６ｃ、１０６、１１６、１２６…熱電変換素子
【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】
上記の燃料電池に供給される燃料ガスは、通常、改質装置によって炭化水素系の原燃料から生成される水素ガスが使用されている。改質装置では、一般的に、メタンやＬＮＧ等の化石燃料等の炭化水素系の原燃料に、例えば、部分酸化改質や水蒸気改質を施すことにより、改質ガス（燃料ガス）が生成されている。
【０００４】
この場合、部分酸化改質器は、発熱反応であるため、比較的低温時に反応が開始されて起動性及び追従性に優れる一方、水蒸気改質器は、効率が高いという利点が得られる。
【０００５】
例えば、特許文献１に開示されている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９に示すように、燃料処理システム１ａを備えるとともに、前記燃料処理システム１ａは、改質器２ａとバーナ燃焼器３ａとを備えている。
【０００６】
燃料電池システムにおいて、流量計測器４ａの指示値に基づいて空気供給装置５ａが制御されるが、この流量計測器４ａの指示値は、前記空気供給装置５ａによって空気が供給されていない場合に、流量ゼロを示す値となるように補正されている。これにより、流量計測器４ａの指示値が実際の供給流量を示すようになるので、空気供給装置５ａによって供給される空気の供給流量を精度良く調節することが可能となる、としている。
【０００７】
また、特許文献２に開示されている部分酸化改質装置では、図１０に示すように、改質装置１ｂをハウジング２ｂとその内部の隔壁３ｂ、３ｂとにより２重壁構造のものとしている。隔壁３ｂ、３ｂ間には、改質反応部４ｂが収容され、ハウジング２ｂと隔壁３ｂとの間の空間を原料ガス通路５ｂとすることで、前記改質反応部４ｂの周りに前記原料ガス通路５ｂが設けられている。
【０００８】
改質反応部４ｂは、原料ガス通路５ｂにより断熱されることにより、前記改質反応部４ｂ内の温度むらを低減している。原料ガス通路５ｂの原料ガスは、改質反応部４ｂでの反応熱により予熱されている。このため、自己熱回収により改質装置１ｂの熱効率を向上させ、原料ガスの予熱のための予熱器を原料ガス通路５ｂと改質反応部４ｂとの間に一体的に形成している。
【０００９】
これにより、改質反応部４ｂにおいて、原料ガスから部分酸化を含む反応により水素リッチな改質ガスを生成する場合に、前記改質反応部４ｂ内の温度むらを低減し、且つその熱効率を向上させるとともに、改質装置をシンプルでコンパクトな構造とする、としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２０１０−２１８８８８号公報
【特許文献２】再公表ＷＯ０１／０４７８００号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上記の特許文献１では、流体の流量補正を行うものであり、温度による補正を考慮していない。このため、温度域によって体積変化が発生した際に、流入流体が流体制御域を超えるおそれがある。しかも、特許文献１では、固体高分子形燃料電池スタックを用いており、改質器２ａから排出される改質ガスを冷却する必要がある。従って、熱エネルギの損失が多く、前記熱エネルギを効率的に活用することができないという問題がある。
【００１２】
また、上記の特許文献２では、原料ガスを改質ガスにより熱交換しており、前記改質ガスの温度が低下している。さらに、固体高分子形燃料電池用改質器であるため、ＣＯ除去器に受け渡す際、改質ガスの温度を下げる必要があり、熱エネルギを効率的に活用することができないという問題がある。
【００１３】
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抑制して熱自立の促進を図るとともに、低コスト化及び小型化に適し、しかも発電効率の向上を図ることが可能な燃料電池モジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
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酸化剤ガス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部分酸化改質器と、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、燃焼ガスを発生させる排ガス燃焼器と、前記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を備える燃料電池モジュールに関するものである。
【００１５】
この燃料電池モジュールでは、燃料電池スタックの一方に熱交換器が配設され、且つ前記燃料電池スタックの他方に部分酸化改質器及び排ガス燃焼器が配設され、前記部分酸化改質器は、前記排ガス燃焼器を囲繞して設けられるとともに、前記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。
【００１６】
また、この燃料電池モジュールでは、排ガス燃焼器から排出される燃焼ガスを、燃料電池スタック及び熱交換器に、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及び部分酸化改質器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熱交換器の下流側に、且つ、前記酸化剤ガス通路の前記熱交換器及び前記部分酸化改質器の上流側に設けられることが好ましい。
【００１７】
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。
【００１８】
さらに、この燃料電池モジュールでは、酸化剤ガス通路は、熱交換器に酸化剤ガスを供給する第１酸化剤ガス供給路部と、部分酸化改質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。
【００１９】
従って、燃料電池スタックと、熱交換器を含む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。一方、アノード側を還元することができ、起動時間が短縮される。
【００２０】
さらにまた、この燃料電池モジュールでは、熱電変換部は、酸化剤ガス通路に酸化剤ガス調整弁の上流側に位置して配置されることが好ましい。これにより、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。
【００２１】
また、この燃料電池モジュールでは、熱電変換部は、少なくとも第１酸化剤ガス供給路部又は第２酸化剤ガス供給路部に酸化剤ガス調整弁の下流側に位置して配置さ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。その上、酸化剤ガスは、酸化剤ガス調整弁の下流側で昇温されるため、前記酸化剤ガス調整弁の耐久性を損なうことがない。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
さらに、この燃料電池モジュールでは、熱交換器は、燃料電池スタックの燃料電池積層方向一方に設けられるとともに、部分酸化改質器及び排ガス燃焼器は、前記燃料電池スタックの燃料電池積層方向他方に設けられることが好ましい。従って、燃料電池モジュールの放熱を最小限に抑制することができ、熱エネルギの損失を良好に抑制することが可能になる。換言すれば、熱自立運転が促進される。
【００２６】
さらにまた、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、燃料電池スタックの一方に熱交換器が配置され、前記燃料電池スタックの他方に部分酸化改質器及び排ガス燃焼器が配置されている。このため、燃料電池スタックの放熱が最小化され、前記燃料電池スタックの温度分布の差が減少されている。従って、熱エネルギの損失を抑制することができ、熱自立運転の促進が容易に図られる。
【００２８】
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。
【００２９】
しかも、部分酸化改質器は、排ガス燃焼器を囲繞して設けられている。これにより、燃料電池スタックから排出される燃料排ガスと酸化剤排ガスとを、自己着火温度を維持した状態で、排ガス燃焼器に導入させることが可能になる。このため、排ガス燃焼器は、燃焼安定性が良好に向上し、熱自立運転の促進が容易に図られる。
【００３０】
その上、改質器として部分酸化改質器のみを設けており、水蒸気改質器を不要にすることができる。従って、水蒸気を供給するための水供給系が省略されるため、部品の削減が図られて、燃料電池モジュール全体の低コスト化及び小型化が良好に図られる。
【００３１】
さらに、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。これにより、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。
【００３２】
ここで、燃焼ガスとは、排ガス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。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【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第１及び第２熱電変換部の要部分解斜視説明図である。
【図３】前記燃料電池システムの動作を説明するフローチャートである。
【図４】前記燃料電池モジュールを構成する部分酸化改質器の最適マップの説明図である。
【図５】本発明の第２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６】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７】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８】本発明の第５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９】特許文献１に開示されている燃料電池システムの説明図である。
【図１０】特許文献２に開示されている部分酸化改質装置の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
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を組み込んでおり、前記燃料電池システム１０は、定置用の他、可搬用や車載用等の種々の用途に用いられている。
【００３５】
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の発電量を制御する制御装置１８とを備える。
【００３６】
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２０が鉛直方向（矢印Ａ方向）に積層される固体酸化物形の燃料電池スタック２２を備える。燃料電池２０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２４の両面に、カソード電極２６及びアノード電極２８が設けられた電解質・電極接合体（ＭＥＡ）３０を備える。
【００３７】
電解質・電極接合体３０の両側には、カソード側セパレータ３２とアノード側セパレータ３４とが配設される。カソード側セパレータ３２には、カソード電極２６に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路３６が形成されるとともに、アノード側セパレータ３４には、アノード電極２８に燃料ガスを供給する燃料ガス流路３８が形成される。なお、燃料電池２０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。
【００３８】
燃料電池スタック２２には、各酸化剤ガス流路３６の入口側に一体に連通する酸化剤ガス入口連通孔４０ａ、前記酸化剤ガス流路３６の出口側に一体に連通する酸化剤ガス出口連通孔４０ｂ、各燃料ガス流路３８の入口側に一体に連通する燃料ガス入口連通孔４２ａ、及び前記燃料ガス流路３８の出口側に一体に連通する燃料ガス出口連通孔４２ｂが設けられる。
【００３９】
燃料電池モジュール１２は、原燃料と酸化剤ガスとの混合ガスを改質する部分酸化改質器（ＰＯＸ）４４と、燃料電池スタック２２から排出される燃料ガスである燃料排ガスと酸化剤ガスである酸化剤排ガスとを燃焼させ、燃焼ガスを発生させる排ガス燃焼器４６と、前記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２２に前記酸化剤ガスを供給する熱交換器４８とを備える。
【００４０】
燃料電池モジュール１２は、基本的には、燃料電池スタック２２とＦＣ周辺機器５０とにより構成される。このＦＣ周辺機器５０は、部分酸化改質器４４、排ガス燃焼器４６及び熱交換器４８を備えるとともに、前記部分酸化改質器４４は、前記排ガス燃焼器４６を囲繞して設けられる。部分酸化改質器４４は、円柱状（又は角柱状）の外形形状を有しており、排ガス燃焼器４６は、前記部分酸化改質器４４を収容するリング形状（又は角柱状）に構成される。
【００４１】
原燃料供給装置１４は、原燃料を部分酸化改質器４４に供給する原燃料通路５１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４８から燃料電池スタック２２に供給する酸化剤ガス通路５３を備える。
【００４２】
燃料電池スタック２２の一方に、より好ましくは、燃料電池積層方向（矢印Ａ方向）一方（上方）に、熱交換器４８が配設されるとともに、前記燃料電池スタック２２の他方に、より好ましくは、燃料電池積層方向（矢印Ａ方向）他方（下方）に、部分酸化改質器４４及び排ガス燃焼器４６が配設される。
【００４３】
燃料電池積層方向は、重力方向と一致している。換言すれば、熱交換器４８は、燃料電池スタック２２の重力方向上部に配設されるとともに、部分酸化改質器４４及び排ガス燃焼器４６は、前記燃料電池スタック２２の重力方向下部に配設される。
【００４４】
部分酸化改質器４４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、主として水素、ＣＯを含む燃料ガスに部分酸化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。
【００４５】
燃料電池２０は、作動温度が数百℃と高温であり、アノード電極２８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２４の前記アノード電極２８側に供給される。
【００４６】
部分酸化改質器４４は、内部に部分酸化触媒（図示せず）が充填されるとともに、起動時に着火させるための図示しないイグナイターやグロー等の着火装置を設ける。部分酸化改質器４４には、脱硫後の原燃料が導入される混合ガス入口５２ａと、前記原燃料が部分酸化改質された改質ガス（燃料ガス）が導出される燃料ガス出口５２ｂとが設けられる。
【００４７】
排ガス燃焼器４６は、内部に燃焼室５４を有するとともに、前記燃焼室５４には、酸化剤排ガス入口５６、燃料排ガス入口５８及び燃焼ガス出口６０が連通する。燃焼室５４には、起動時に還元ガス（燃料ガス）と酸化剤ガスとの混合ガスを着火させるための図示しないイグナイターやグロー等の着火装置が配設される。
【００４８】
熱交換器４８の内部には、複数の酸化剤ガス管路（図示せず）が収容された昇温空間が形成されるとともに、前記酸化剤ガス管路を流通する酸化剤ガスが、前記昇温空間に供給される高温の燃焼ガスにより昇温される。熱交換器４８には、酸化剤ガス管路の入口及び出口に連通する酸化剤ガス供給口６２ａ及び酸化剤ガス排出口６２ｂと、昇温空間に連通する燃焼ガス供給口６４ａ及び燃焼ガス排出口６４ｂとが設けられる。
【００４９】
燃料電池スタック２２の燃料ガス入口連通孔４２ａと部分酸化改質器４４の燃料ガス出口５２ｂとは、燃料ガス通路６６を介して連通する。燃料電池スタック２２の酸化剤ガス出口連通孔４０ｂと排ガス燃焼器４６の酸化剤排ガス入口５６とは、酸化剤排ガス通路６８を介して連通するとともに、前記燃料電池スタック２２の燃料ガス出口連通孔４２ｂと前記排ガス燃焼器４６の燃料排ガス入口５８とは、燃料排ガス通路７０を介して連通する。燃料電池スタック２２の酸化剤ガス入口連通孔４０ａと熱交換器４８の酸化剤ガス排出口６２ｂとは、酸化剤ガス通路７２を介して連通する。
【００５０】
排ガス燃焼器４６の燃焼ガス出口６０には、燃焼ガス通路７４ａの一端が連通するとともに、前記燃焼ガス通路７４ａの他端が燃料電池スタック２２に連通する。燃料電池スタック２２には、燃焼ガスを導出するための燃焼ガス通路７４ｂの一端が連通し、前記燃焼ガス通路７４ｂの他端が熱交換器４８の燃焼ガス供給口６４ａに連通する。熱交換器４８の燃焼ガス排出口６４ｂには、燃焼ガス通路７４ｃの一端が連通するとともに、前記燃焼ガス通路７４ｃの他端には、第１熱電変換部７６ａ及び第２熱電変換部７６ｂが直列的に設けられる。
【００５１】
第１熱電変換部７６ａは、酸化剤ガス通路５３を構成する第１酸化剤ガス供給路部５３ａに配置される一方、第２熱電変換部７６ｂは、前記酸化剤ガス通路５３を構成する第２酸化剤ガス供給路部５３ｂに配置される。第１酸化剤ガス供給路部５３ａと第２酸化剤ガス供給路部５３ｂとには、酸化剤ガス通路５３に設けられる酸化剤ガス調整弁７８により酸化剤ガスが分配供給される。
【００５２】
原燃料供給装置１４は、都市ガス（原燃料）中に含まれる硫黄化合物を除去するための脱硫器８０を備えるとともに、前記脱硫器８０が原燃料通路５１の途上に配設される。この原燃料通路５１は、部分酸化改質器４４の混合ガス入口５２ａに接続される。
【００５３】
酸化剤ガス供給装置１６は、酸化剤ガスを酸化剤ガス通路５３から熱交換器４８と部分酸化改質器４４とに、すなわち、第１酸化剤ガス供給路部５３ａと第２酸化剤ガス供給路部５３ｂとに、分配する酸化剤ガス調整弁７８を備える。第１酸化剤ガス供給路部５３ａは、熱交換器４８の酸化剤ガス供給口６２ａに連通する。第２酸化剤ガス供給路部５３ｂは、原燃料通路５１に対し、脱硫器８０と部分酸化改質器４４との間に位置して連通する。
【００５４】
図２に示すように、第１熱電変換部７６ａ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８２と、加熱媒体である燃焼ガスを流通させる第２通路部材８４と、前記第１通路部材８２及び前記第２通路部材８４間に配設されて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８６ａ、８６ｂ及び８６ｃとを備える。
【００５５】
第１通路部材８２は、ボックス形状を有し、酸化剤ガス入口８２ａと酸化剤ガス出口８２ｂとの間で蛇行する酸化剤ガス蛇行流路８２ｃを設ける。酸化剤ガス蛇行流路８２ｃは、第１通路部材８２内に交互に且つ千鳥状に配置される仕切板８２ｄにより形成される。
【００５６】
第２通路部材８４は、ボックス形状を有し、燃焼ガス入口８４ａと燃焼ガス出口８４ｂとの間で蛇行する燃焼ガス蛇行流路８４ｃを設ける。燃焼ガス蛇行流路８４ｃは、第２通路部材８４内に交互に且つ千鳥状に配置される仕切板８４ｄにより形成される。燃焼ガス蛇行流路８４ｃと酸化剤ガス蛇行流路８２ｃとは、互いに並行流に設定される。
【００５７】
熱電変換素子８６ａ、８６ｂ及び８６ｃは、第１通路部材８２と第２通路部材８４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８２ｃ及び燃焼ガス蛇行流路８４ｃの上流側に配置される複数（図２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８６ａ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。
【００５８】
酸化剤ガス蛇行流路８２ｃ及び燃焼ガス蛇行流路８４ｃの中流側に配置される複数の熱電変換素子８６ｂ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８２ｃ及び燃焼ガス蛇行流路８４ｃの下流側に配置される複数の熱電変換素子８６ｃ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。
【００５９】
なお、第２熱電変換部７６ｂは、上記の第１熱電変換部７６ａと同様に構成されており、同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００６０】
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３のフローチャートに沿って、以下に説明する。
【００６１】
先ず、燃料電池システム１０の起動時には、酸化剤ガス調整弁７８の開度が設定される。具体的には、部分酸化改質に必要な空気（酸化剤ガス）及び原燃料、例えば、都市ガス（ＣＨ４、Ｃ２Ｈ６、Ｃ３Ｈ８、Ｃ４Ｈ１０を含む）等が投入されるように、原燃料供給装置１４が駆動されるとともに、酸化剤ガス調整弁７８の開度が調整される（ステップＳ１）。部分酸化改質の制御は、空燃比（Ｏ２／Ｃ）（投入空気中の酸素モル数／投入原燃料中のカーボンモル数）により行われ、部分酸化改質器４４には、空気と原燃料とが最適空燃比量で導入される。
【００６２】
原燃料供給装置１４では、原燃料通路５１に供給された原燃料が、脱硫器８０で脱硫された後、部分酸化改質器４４の混合ガス入口５２ａに供給される。一方、酸化剤ガス供給装置１６では、酸化剤ガス通路５３に供給された空気は、酸化剤ガス調整弁７８を介して第１酸化剤ガス供給路部５３ａと第２酸化剤ガス供給路部５３ｂとそれぞれ所定の量ずつ分配される。第２酸化剤ガス供給路部５３ｂに分配された空気は、原燃料通路５１で原燃料に混合されて部分酸化改質器４４の混合ガス入口５２ａに供給される。
【００６３】
部分酸化改質器４４内では、図示しない着火装置により着火され、前記部分酸化改質器４４による部分酸化改質が開始される。例えば、Ｏ２／Ｃ＝０．５に設定されると、２ＣＨ４＋Ｏ２→４Ｈ２＋２ＣＯとなる部分酸化反応が発生する。この部分酸化反応は、発熱反応であり、部分酸化改質器４４から高温（約６００℃）の還元ガス（燃料ガス）が発生する。
【００６４】
高温の還元ガスは、燃料ガス通路６６を介して燃料電池スタック２２の燃料ガス入口連通孔４２ａに供給される。燃料電池スタック２２では、高温の還元ガスは、燃料ガス流路３８を流通した後、燃料ガス出口連通孔４２ｂから燃料排ガス通路７０に排出される。還元ガスは、燃料排ガス通路７０に連通する燃料排ガス入口５８から排ガス燃焼器４６の燃焼室５４に導入される。
【００６５】
一方、酸化剤ガス供給装置１６では、第１酸化剤ガス供給路部５３ａに供給された空気が、酸化剤ガス供給口６２ａから熱交換器４８内に導入される。空気は、複数の酸化剤ガス管路内を移動する間に、昇温空間に導入された燃焼ガス（後述する）により加熱（熱交換）される。加熱された空気は、酸化剤ガス通路７２を介して燃料電池スタック２２の酸化剤ガス入口連通孔４０ａに供給される。
【００６６】
燃料電池スタック２２では、加熱された空気は、酸化剤ガス流路３６を流通した後、酸化剤ガス出口連通孔４０ｂから酸化剤排ガス通路６８に排出される。酸化剤排ガス通路６８は、排ガス燃焼器４６を構成する燃焼室５４に開口しており、前記燃焼室５４に空気が導入される。従って、燃焼室５４内には、燃料排ガス及び酸化剤排ガスが導入され、燃料ガスの自己着火温度を超えると、燃焼室５４で空気と燃料ガスとによる燃焼が開始されるが、もし、自己着火温度を超えない場合においては、図示しない着火装置により着火される（ステップＳ２）。
【００６７】
燃焼室５４に発生した燃焼ガスは、燃焼ガス出口６０から燃焼ガス通路７４ａを通って燃料電池スタック２２に供給され、前記燃料電池スタック２２を昇温させる。さらに、燃焼ガスは、燃焼ガス通路７４ｂを通って熱交換器４８の燃焼ガス供給口６４ａに導入される。
【００６８】
このため、燃焼ガスは、熱交換器４８内の昇温空間に供給され、複数の酸化剤ガス管路内を移動する酸化剤ガスを昇温させる。その後、燃焼ガスは、燃焼ガス排出口６４ｂから燃焼ガス通路７４ｃを通って第１熱電変換部７６ａ及び第２熱電変換部７６ｂに、順次、供給される。
【００６９】
図２に示すように、第１熱電変換部７６ａ及び第２熱電変換部７６ｂでは、第１通路部材８２の酸化剤ガス入口８２ａから酸化剤ガス蛇行流路８２ｃ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８４の燃焼ガス入口８４ａから燃焼ガス蛇行流路８４ｃに燃焼ガスが供給される。従って、酸化剤ガス蛇行流路８２ｃと燃焼ガス蛇行流路８４ｃとの間に配設されている複数の熱電変換素子８６ａ、８６ｂ及び８６ｃ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】
上記のように、燃料電池スタック２２は、加熱された空気、加熱された燃料ガス及び燃焼ガスが流通することにより、昇温される。一方、部分酸化改質器４４は、排ガス燃焼器４６により昇温され、前記部分酸化改質器４４が所定の運転可能状態になったか否かが判断される（ステップＳ３）。
【００７１】
具体的には、図４に示すように、部分酸化改質器４４の温度と空燃比とから、高効率な反応が得られる高効率範囲がマップとして設定されている。このため、部分酸化改質器４４の温度Ｔ１が７００℃≦Ｔ１≦９００℃で、且つ０．４５≦Ｏ２／Ｃ≦０．５５であると、すなわち、部分酸化改質器４４の改質状態がＯＫであると判断される。
【００７２】
部分酸化改質器４４の改質状態がＯＫであると判断されると（ステップＳ３中、ＹＥＳ）、ステップＳ４に進む。このステップＳ４では、燃料電池スタック２２の温度（スタック温度）がＴ２（例えば、６５０℃）以上であるか否かが判断される。スタック温度が、Ｔ２以上であると判断されると（ステップＳ４中、ＹＥＳ）、ステップＳ５に進む。
【００７３】
ステップＳ５では、燃料電池スタック２２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２０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２２の発電が可能であると判断する（ステップＳ５中、ＹＥＳ）。これにより、燃料電池スタック２２は、発電が開始される（ステップＳ６）。
【００７４】
燃料電池スタック２２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３６を流通する一方、燃料ガスが燃料ガス流路３８を流通する。従って、各燃料電池２０のカソード電極２６に空気が供給されるとともに、アノード電極２８に燃料ガスが供給され、化学反応により発電が行われる。
【００７５】
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６８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７０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４６に送られて燃焼される。排ガス燃焼器４６内では、燃料ガスの自己着火温度を超えると、燃焼室５４で空気と燃料ガスとによる燃焼が開始される。
【００７６】
一方、ステップＳ３において、部分酸化改質器４４の改質状態がＮＧであると判断されると（ステップＳ３中、ＮＯ）、ステップＳ７に進む。ステップＳ７では、部分酸化改質器４４の温度が調整されるとともに、前記部分酸化改質器４４に供給される原燃料及び空気（Ｏ２／Ｃ）が調整される。
【００７７】
また、ステップＳ４において、スタック温度がＴ２未満であると判断されると（ステップＳ４中、ＮＯ）、ステップＳ８に進む。ステップＳ８では、排ガス燃焼器４６の温度が設定温度Ｔ３（例えば、９００℃）以上であるか否かが判断される。排ガス燃焼器４６の温度が、設定温度Ｔ３以上であると判断されると（ステップＳ８中、ＹＥＳ）、ステップＳ４に戻される。一方、排ガス燃焼器４６の温度が、設定温度Ｔ３未満であると判断されると（ステップＳ８中、ＮＯ）、ステップＳ２に戻される。
【００７８】
この場合、第１の実施形態では、燃料電池スタック２２の一方に、熱交換器４８が配置されるとともに、前記燃料電池スタック２２の他方に、部分酸化改質器４４及び排ガス燃焼器４６が配置されている。このため、燃料電池スタック２２の放熱が最小化され、前記燃料電池スタック２２の温度分布の差が減少されている。従って、熱エネルギの損失を抑制することができ、熱自立運転の促進が容易に図られるという効果が得られる。
【００７９】
ここで、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。
【００８０】
しかも、部分酸化改質器４４は、排ガス燃焼器４６を囲繞して設けられている。これにより、燃料電池スタック２２から排出される燃料排ガスと酸化剤排ガスとを、自己着火温度を維持した状態で、排ガス燃焼器４６に導入させることが可能になる。このため、排ガス燃焼器４６は、燃焼安定性が良好に向上し、熱自立運転の促進が容易に図られる。
【００８１】
その上、改質器として部分酸化改質器４４のみを設けており、水蒸気改質器を不要にすることができる。従って、水蒸気を供給するための水供給系が省略されるため、部品の削減が図られて、燃料電池モジュール１２全体の低コスト化及び小型化が良好に図られる。
【００８２】
さらに、第１の実施形態では、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７６ａ及び第２熱電変換部７６ｂを備えている。図２に示すように、第１熱電変換部７６ａ及び第２熱電変換部７６ｂ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８２と、加熱媒体である燃焼ガスを流通させる第２通路部材８４と、前記第１通路部材８２及び前記第２通路部材８４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８６ａ、８６ｂ及び８６ｃとを備えている。
【００８３】
これにより、第１熱電変換部７６ａ及び第２熱電変換部７６ｂ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、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。なお、少なくとも第１熱電変換部７６ａ又は第２熱電変換部７６ｂのいずれか一方のみを備えていてもよい。
【００８４】
ここで、燃焼ガスとは、排ガス燃焼器４６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。
【００８５】
また、燃料電池モジュール１２では、排ガス燃焼器４６から排出される燃焼ガスを、燃料電池スタック２２及び熱交換器４８に、順次、供給する燃焼ガス通路７４ａ〜７４ｃと、酸化剤ガスを前記熱交換器４８及び部分酸化改質器４４に供給する酸化剤ガス通路５３とを備えるとともに、第１熱電変換部７６ａ及び第２熱電変換部７６ｂは、前記燃焼ガス通路７４ｃの前記熱交換器４８の下流側に、且つ、前記酸化剤ガス通路５３の前記熱交換器４８及び前記部分酸化改質器４４の上流側に設けられている。
【００８６】
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。
【００８７】
さらに、酸化剤ガス通路５３は、熱交換器４８に酸化剤ガスを供給する第１酸化剤ガス供給路部５３ａと、部分酸化改質器４４に前記酸化剤ガスを供給する第２酸化剤ガス供給路部５３ｂ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７８が配設されている。
【００８８】
従って、燃料電池スタック２２と、熱交換器４８を含むＦＣ周辺機器（ＢＯＰ）５０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。一方、アノード側を還元することができ、起動時間が短縮される。
【００８９】
さらにまた、少なくとも第１熱電変換部７６ａ又は第２熱電変換部７６ｂは、第１酸化剤ガス供給路部５３ａ又は第２酸化剤ガス供給路部５３ｂに酸化剤ガス調整弁７８の下流側に位置して配置されている。これにより、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。
【００９０】
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。その上、酸化剤ガスは、酸化剤ガス調整弁７８の下流側で昇温されるため、前記酸化剤ガス調整弁７８の耐久性を損なうことがない。
【００９１】
また、図２に示すように、第１熱電変換部７６ａ及び第２熱電変換部７６ｂでは、燃焼ガス蛇行流路８４ｃを流通する燃焼ガスと、酸化剤ガス蛇行流路８２ｃ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８６ａ、８６ｂ及び８６ｃを備えている。
【００９２】
このため、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８６ａ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８６ｃを使用することができる。従って、温度差に応じて最適な熱電変換素子８６ａ、８６ｂ及び８６ｃ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。
【００９３】
さらに、燃料電池モジュール１２では、熱交換器４８は、燃料電池スタック２２の燃料電池積層方向一方に設けられるとともに、部分酸化改質器４４及び排ガス燃焼器４６は、前記燃料電池スタック２２の燃料電池積層方向他方に設けられている。これにより、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でき、熱エネルギの損失を良好に抑制することが可能になる。換言すれば、熱自立運転が促進される。
【００９４】
さらにまた、燃料電池モジュール１２は、固体酸化物形燃料電池モジュールである。このため、特にＳＯＦＣ等の高温型燃料電池に最適である。
【００９５】
図５に示されるように、燃料電池システム１０ａは、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池モジュール１２ａを備える。なお、第１の実施形態に係る燃料電池モジュール１２と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００９６】
燃料電池モジュール１２ａは、熱電変換部７６を備えるとともに、前記熱電変換部７６は、酸化剤ガス通路５３に酸化剤ガス調整弁７８の上流側に位置して配置される。この熱電変換部７６には、酸化剤ガス通路５３を介して酸化剤ガスが供給される一方、燃焼ガス通路７４ｃを介して燃焼ガスが供給される。熱電変換部７６は、第１の実施形態の第１熱電変換部７６ａ（及び第２熱電変換部７６ｂ）と同様に構成される。
【００９７】
このように構成される第２の実施形態では、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等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００９８】
さらに、熱電変換部７６は、酸化剤ガス通路５３に酸化剤ガス調整弁７８の上流側に位置して配置されるため、単一の前記熱電変換部７６のみを設けることができる。従って、構成が簡素化するとともに、経済的であるという利点が得られる。
【００９９】
図６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１００の要部分解斜視説明図である。
【０１００】
熱電変換部１００は、第１及び第２の実施形態に係る第１熱電変換部７６ａ及び第２熱電変換部７６ｂ（熱電変換部７６）の少なくともいずれかに代えて使用することができる。なお、以下に説明する第４以降の実施形態においても同様である。
【０１０１】
熱電変換部１００は、酸化剤ガスを流通させる第１通路部材１０２と、燃焼ガスを流通させる第２通路部材１０４と、前記第１通路部材１０２及び前記第２通路部材１０４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１０６とを備える。
【０１０２】
第１通路部材１０２は、酸化剤ガス入口１０２ａと酸化剤ガス出口１０２ｂとの間で蛇行する酸化剤ガス蛇行流路１０２ｃを有する。酸化剤ガス蛇行流路１０２ｃは、第１通路部材１０２内に交互に且つ千鳥状に配置される仕切板１０２ｄにより形成される。
【０１０３】
第２通路部材１０４は、燃焼ガス入口１０４ａと燃焼ガス出口１０４ｂとの間で蛇行する燃焼ガス蛇行流路１０４ｃを有する。燃焼ガス蛇行流路１０４ｃは、第２通路部材１０４内に交互に且つ千鳥状に配置される仕切板１０４ｄにより形成される。燃焼ガス蛇行流路１０４ｃと酸化剤ガス蛇行流路１０２ｃとは、互いに対向流に設定される。
【０１０４】
このように構成される第３の実施形態では、熱電変換部１００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１０６を備えている。このため、熱電変換部１００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１０６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。
【０１０５】
図７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１１０の要部分解斜視説明図である。
【０１０６】
熱電変換部１１０は、酸化剤ガスを流通させる第１通路部材１１２と、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及び第２通路部材１１４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１１６とを備える。
【０１０７】
第１通路部材１１２は、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を有する。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。
【０１０８】
第２通路部材１１４は、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を有する。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、互いに交差する流れに設定される。
【０１０９】
このように構成される第４の実施形態では、熱電変換部１１０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１１６を備えている。これにより、熱電変換部１１０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１１６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。
【０１１０】
図８は、本発明の第５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１２０の要部分解斜視説明図である。
【０１１１】
熱電変換部１２０は、酸化剤ガスを流通させる第１通路部材１２２と、燃焼ガスを流通させる第２通路部材１２４と、前記第１通路部材１２２及び第２通路部材１２４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１２６とを備える。
【０１１２】
第１通路部材１２２は、酸化剤ガス入口１２２ａと酸化剤ガス出口１２２ｂとの間で蛇行する酸化剤ガス蛇行流路１２２ｃを有する。酸化剤ガス蛇行流路１２２ｃは、第１通路部材１２２内に交互に且つ千鳥状に配置される仕切板１２２ｄにより形成される。
【０１１３】
第２通路部材１２４は、燃焼ガス入口１２４ａと燃焼ガス出口１２４ｂとの間で蛇行する燃焼ガス蛇行流路１２４ｃを有する。燃焼ガス蛇行流路１２４ｃは、第２通路部材１２４内に交互に且つ千鳥状に配置される仕切板１２４ｄにより形成される。燃焼ガス蛇行流路１２４ｃと酸化剤ガス蛇行流路１２２ｃとは、互いに対称の流れに設定される。
【０１１４】
このように構成される第５の実施形態では、熱電変換部１２０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１２６を備えている。これにより、熱電変換部１２０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１２６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】
【０１１５】
１０…燃料電池システム １２、１２ａ…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…制御装置 ２０…燃料電池
２２…燃料電池スタック ２４…電解質
２６…カソード電極 ２８…アノード電極
３０…電解質・電極接合体 ３６…酸化剤ガス流路
３８…燃料ガス流路 ４０ａ…酸化剤ガス入口連通孔
４０ｂ…酸化剤ガス出口連通孔 ４２ａ…燃料ガス入口連通孔
４２ｂ…燃料ガス出口連通孔 ４４…部分酸化改質器
４６…排ガス燃焼器 ４８…熱交換器
５０…ＦＣ周辺機器 ５１…原燃料通路
５３、７２…酸化剤ガス通路 ５３ａ、５３ｂ…酸化剤ガス供給路部
６６…燃料ガス通路 ６８…酸化剤排ガス通路
７０…燃料排ガス通路 ７４ａ〜７４ｃ…燃焼ガス通路
７６、７６ａ、７６ｂ、１００、１１０、１２０…熱電変換部
７８…酸化剤ガス調整弁 ８０…脱硫器
８２、８４、１０２、１０４、１１２、１１４、１２２、１２４…通路部材
８６ａ〜８６ｃ、１０６、１１６、１２６…熱電変換素子
【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酸化剤ガス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部分酸化改質器と、
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、燃焼ガスを発生させる排ガス燃焼器と、
前記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、
を備える燃料電池モジュールであって、
前記燃料電池スタックの一方に前記熱交換器が配設され、且つ前記燃料電池スタックの他方に前記部分酸化改質器及び前記排ガス燃焼器が配設され、前記部分酸化改質器は、前記排ガス燃焼器を囲繞して設けられるとともに、
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、前記排ガス燃焼器から排出される前記燃焼ガスを、前記燃料電池スタック及び前記熱交換器に、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及び前記部分酸化改質器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熱交換器の下流側に、且つ、前記酸化剤ガス通路の前記熱交換器及び前記部分酸化改質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、
前記部分酸化改質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４】
請求項３記載の燃料電池モジュールにおいて、前記熱電変換部は、前記酸化剤ガス通路に前記酸化剤ガス調整弁の上流側に位置して配置されることを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項５】
請求項３記載の燃料電池モジュールにおいて、前記熱電変換部は、少なくとも前記第１酸化剤ガス供給路部又は前記第２酸化剤ガス供給路部に前記酸化剤ガス調整弁の下流側に位置して配置されることを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記熱電変換部は、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７】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記熱電変換部は、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８】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記熱電変換部は、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、前記熱交換器は、前記燃料電池スタックの燃料電池積層方向一方に設けられるとともに、
前記部分酸化改質器及び前記排ガス燃焼器は、前記燃料電池スタックの燃料電池積層方向他方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酸化剤ガス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部分酸化改質器と、
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、燃焼ガスを発生させる排ガス燃焼器と、
前記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、
を備える燃料電池モジュールであって、
前記燃料電池スタックの一方に前記熱交換器が配設され、且つ前記燃料電池スタックの他方に前記部分酸化改質器及び前記排ガス燃焼器が配設され、前記部分酸化改質器は、前記排ガス燃焼器を囲繞して設けられるとともに、
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、前記排ガス燃焼器から排出される前記燃焼ガスを、前記燃料電池スタック及び前記熱交換器に、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及び前記部分酸化改質器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熱交換器の下流側に、且つ、前記酸化剤ガス通路の前記熱交換器及び前記部分酸化改質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、
前記部分酸化改質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４】
請求項３記載の燃料電池モジュールにおいて、前記熱電変換部は、前記酸化剤ガス通路に前記酸化剤ガス調整弁の上流側に位置して配置されることを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項５】
請求項３記載の燃料電池モジュールにおいて、前記熱電変換部は、少なくとも前記第１酸化剤ガス供給路部又は前記第２酸化剤ガス供給路部に前記酸化剤ガス調整弁の下流側に位置して配置されることを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記熱電変換部は、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７】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記熱電変換部は、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８】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記熱電変換部は、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、前記熱交換器は、前記燃料電池スタックの燃料電池積層方向一方に設けられるとともに、
前記部分酸化改質器及び前記排ガス燃焼器は、前記燃料電池スタックの燃料電池積層方向他方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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１３−８９５００（Ｐ２０１３−８９５００Ａ）
【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２０１１−２２９９３３（Ｐ２０１１−２２９９３３）
【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）】
[ Back to top ]