(57)【要約】【課題】燃料電池セルスタックの温度を十分に均一化することができる燃料電池モジュールを提供する。【解決手段】本発明は、燃料電池モジュール(1)であって、複数の燃料電池セル(2a)を備えた燃料電池セルスタック(2)と、原燃料ガスを改質して燃料ガスを生成する改質器(36)と、残余燃料ガスを燃焼させ改質器を加熱する燃焼器(38)と、改質器及び燃焼器を収容したハウジング(6)と、を有し、燃料電池セルスタックはハウジングとは独立して、ハウジングの外部に配置されていることを特徴としている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
供給された燃料ガスと酸化剤ガスを反応させることにより発電する燃料電池モジュールであって、
複数の燃料電池セルを備えた燃料電池セルスタックと、
原燃料ガスを改質して、水素を含む燃料ガスを生成し、上記燃料電池セルスタックに供給する改質器と、
上記燃料電池セルスタックにおいて発電に使用されずに残った残余燃料ガスを燃焼させ、上記改質器を加熱する燃焼器と、
上記燃焼器を収容する空間が内部に形成されたハウジングと、
を有し、
上記ハウジングは上記燃料電池セルスタックの上方に配置され、上記ハウジングと上記燃料電池セルスタックは離間して配置されていることを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項２】
さらに、上記改質器における水蒸気改質に使用する水蒸気を生成するための蒸発器を有し、上記改質器及び上記蒸発器は、上記燃料電池セルスタック又は上記燃焼器の上方に配置されている請求項１記載の燃料電池モジュール。
【請求項３】
上記改質器は、上記ハウジングの中に収容されている請求項１又は２に記載の燃料電池モジュール。
【請求項４】
さらに、上記改質器における水蒸気改質に使用する水蒸気を生成するための蒸発器を有し、上記蒸発器は、上記ハウジングの上方に配置されている請求項１乃至３の何れか１項に記載の燃料電池モジュール。
【請求項５】
上記ハウジングには、発電に使用する酸化剤ガスを加熱するための熱交換器が設けられている請求項１乃至４の何れか１項に記載の燃料電池モジュール。
【請求項６】
上記熱交換器は、上記ハウジングの下面に設けられている請求項５記載の燃料電池モジュール。
【請求項７】
さらに、上記熱交換器に酸化剤ガスを供給するパイプは、上記ハウジングの上面に接続されている請求項５又は６に記載の燃料電池モジュール。
【請求項８】
さらに、上記ハウジングから上記燃料電池セルスタックに、燃料ガス及び酸化剤ガスを夫々供給する通路、及び、上記燃料電池セルスタックから上記ハウジングに、残余燃料ガス及び発電に使用されずに残った残余酸化剤ガスを夫々戻す通路は、上記ハウジング及び上記燃料電池セルスタックの、互いに対向する面に接続されている請求項１乃至７の何れか１項に記載の燃料電池モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池モジュールに関し、特に、供給された燃料ガスと酸化剤ガスを反応させることにより発電する燃料電池モジュール及びこれに使用される流体供給装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特開２０１７−５０１９２号公報（特許文献１）には、燃料電池モジュールが記載されている。この燃料電池モジュールは、燃料電池セルスタックと、燃焼器と、改質器と、を備えており、これらが筐体に収容されている。特許文献１記載の燃料電池モジュールにおいて、燃料電池セルスタックは、燃料電池セルを複数積層してなる積層型の燃料電池セルスタックであり、各燃料電池セルは、酸化物イオン導電体で構成された平板状の電解質の両面に、カソード電極及びアノード電極を夫々設けることにより構成されている。また、各燃料電池セルの間には、カソードセパレータとアノードセパレータが夫々配置されている。さらに、カソードセパレータには、カソード電極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路が形成され、アノードセパレータには、アノード電極に燃料ガスを供給する燃料ガス流路が形成されている。
【０００３】
このようにして積層された複数の燃料電池セル、カソードセパレータ、及びアノードセパレータは、両端から上部エンドプレート及び下部エンドプレートによって挟まれ、積層方向に押圧固定されている。また、下部エンドプレートには、各燃料電池セルに酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス入口と、各燃料電池セルに燃料ガスを供給するための燃料ガス入口が設けられている。下部エンドプレートには、さらに、各燃料電池セルのカソード電極に供給され、発電に使用されずに残った酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス出口と、各燃料電池セルのアノード電極に供給され、発電に使用されずに残った燃料ガスを排出する燃料ガス出口が設けられている。
【０００４】
燃料ガス出口から流出した残余の燃料ガスと酸化剤ガス出口から流出した残余の酸化剤ガスは、筐体内に配置された燃焼器に導かれ、ここで燃焼される。燃焼器において生成された燃焼ガスは、燃料電池セルスタックの両側側面に夫々配置された燃焼ガス通路内に導かれ、燃焼ガス導出口を介して燃料電池セルスタックの両側側面に吹きかけられる。これにより、燃料電池セルスタックは、発電反応が可能な温度に昇温される。このように、特許文献１記載の燃料電池モジュールにおいては、筐体内に配置された燃焼器において、残余の燃料ガスを残余の酸化剤ガスにより燃焼させ、生成された燃焼ガスにより燃料電池セルスタックを直接加熱し、燃料電池セルスタックを発電反応が可能な温度に効率的に昇温させ、その温度を維持している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１７−５０１９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１記載の燃料電池モジュールにおいては、筐体内の燃料電池セルスタックが、燃焼器において生成される燃焼ガスの他、極めて高い温度に過熱する燃焼器自体からの輻射熱によっても加熱されるため、これにより燃料電池セルスタックに温度ムラが発生しやすく、均一に加熱することが困難であるという問題がある。燃料電池セルスタックに温度ムラが発生した場合には発電効率が低下すると共に、各燃料電池セルが劣化され耐用年数が短縮されてしまう場合がある。
【０００７】
また、燃料電池セルスタックが燃焼器などから放射される輻射熱等によって加熱されている場合であっても、輻射熱等によって生じる温度ムラが相殺されるよう燃焼ガスの流れを設定することにより、燃料電池セルスタックの温度を均一に近づけることが考えられる。しかしながら、このように燃焼ガスの流れによって温度ムラを相殺している燃料電池モジュールでは、筐体内の燃焼器、改質器、燃料電池セルスタック等の配置が変更されたり、これらの寸法、形状が変更された場合に、筐体内の燃焼ガスの流れや、輻射熱の方向が変化して温度ムラを引き起こす可能性がある。このため、特許文献１記載の燃料電池モジュールでは、筐体内に収容された燃料電池セルスタックや燃焼器に対して、専用に筐体内の燃焼ガスの流れを設計する必要がある。即ち、筐体内に収容された燃焼器等に僅かな仕様変更があった場合でも、燃料電池セルスタックの温度ムラを避けるために、熱的なシミュレーションや試作のやり直しが必要になる。
【０００８】
本発明は、このような問題を解決するために為されたものであり、燃料電池セルスタックの温度を十分に均一化することができる燃料電池モジュール及びこれに使用される流体供給装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述した課題を解決するために、本発明は、供給された燃料ガスと酸化剤ガスを反応させることにより発電する燃料電池モジュールであって、複数の燃料電池セルを備えた燃料電池セルスタックと、原燃料ガスを改質して、水素を含む燃料ガスを生成し、燃料電池セルスタックに供給する改質器と、燃料電池セルスタックにおいて発電に使用されずに残った残余燃料ガスを燃焼させ、改質器を加熱する燃焼器と、燃焼器を収容する空間が内部に形成されたハウジングと、を有し、ハウジングは燃料電池セルスタックの上方に配置され、ハウジングと燃料電池セルスタックは離間して配置されていることを特徴としている。
【００１０】
このように構成された本発明においては、燃料電池セルスタック、及びこの上方に配置されたハウジングが備えられ、燃焼器がハウジングに収容されている。改質器は、原燃料ガスを改質して燃料ガスを生成する。改質された燃料ガスは燃料電池セルスタックに供給される。燃料電池セルスタックにおいて発電に使用されずに残った残余燃料ガスは、ハウジング側に排出される。残余燃料ガスは、ハウジング内の燃焼器において燃焼されて改質器を加熱する。
【００１１】
このように構成された本発明によれば、燃料電池セルスタックの上方にハウジングが離間して配置されている。このため、燃焼器等から放射された輻射熱はハウジングによって遮断され、燃料電池セルスタックは、実質的に、燃料電池セルスタックとハウジングの間を流れる流体を介してのみ熱の授受を行う。このため、燃焼器等から放射される輻射熱等に基づいて燃料電池セルスタックに温度ムラが発生することがない。また、燃料電池セルスタックは、実質的に、流体を介してのみ熱の授受を行うので、燃料電池セルスタックの温度分布は供給する流体の温度及び流量によって規定され、ハウジング内の改質器、燃焼器等の配置変更等により、燃料電池セルスタックの温度分布が影響を受けることはない。このため、燃料電池セルスタックと、ハウジング内の改質器、燃焼器等を独立して設計することが可能になり、改質器、燃焼器等の設計の自由度を広げることができる。また、燃焼器を収容したハウジングが燃料電池セルスタックから離間して配置されているので、１機種のハウジングを汎用的に種々の燃料電池セルスタックと組み合わせて使用することができ、量産により製造コストを下げることができる。
【００１２】
本発明において、好ましくは、さらに、改質器における水蒸気改質に使用する水蒸気を生成するための蒸発器を有し、改質器及び蒸発器は、燃料電池セルスタック又は燃焼器の上方に配置されている。
【００１３】
本発明において、好ましくは、改質器は、ハウジングの中に収容されている。
【００１４】
本発明において、好ましくは、さらに、改質器における水蒸気改質に使用する水蒸気を生成するための蒸発器を有し、蒸発器は、ハウジングの上方に配置されている。
【００１５】
本発明において、好ましくは、ハウジングには、発電に使用する酸化剤ガスを加熱するための熱交換器が設けられている。
【００１６】
本発明において、好ましくは、熱交換器は、ハウジングの下面に設けられている。
【００１７】
本発明において、好ましくは、さらに、熱交換器に酸化剤ガスを供給するパイプは、ハウジングの上面に接続されている。
【００１８】
本発明において、好ましくは、さらに、ハウジングから燃料電池セルスタックに、燃料ガス及び酸化剤ガスを夫々供給する通路、及び、燃料電池セルスタックからハウジングに、残余燃料ガス及び発電に使用されずに残った残余酸化剤ガスを夫々戻す通路は、ハウジング及び燃料電池セルスタックの、互いに対向する面に接続されている。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の燃料電池モジュール及びこれに使用される流体供給装置によれば、燃料電池セルスタックの温度を十分に均一化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施形態による燃料電池モジュール全体の概略構成を示す図である。
【図２】本発明の実施例による燃料電池モジュール全体を示す斜視図である。
【図３】本発明の実施例による燃料電池モジュールの全断面図である。
【図４】本発明の実施例による燃料電池モジュールの、図３におけるIV−IV線に沿う断面図である。
【図５】本発明の実施例による燃料電池モジュールの、図３におけるV−V線に沿う断面図である。
【図６】本発明の実施例による燃料電池モジュールの、図３におけるVI−VI線に沿う断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
次に、添付図面を参照して、本発明の好ましい実施形態を説明する。
図１は本発明の実施形態による燃料電池モジュール全体の概略構成を示す図である。
【００２２】
＜燃料電池モジュールの概略構成及び作用＞
図１に示すように、本発明の実施形態による燃料電池モジュール１は、発電反応を行う燃料電池セルスタック２と、この燃料電池セルスタック２に、原燃料ガスを改質した燃料ガス、及び加熱した酸化剤ガスである空気を供給する流体供給装置４と、を有する。
【００２３】
また、流体供給装置４はハウジング６を備えており、このハウジング６が燃料電池セルスタック２の上方に鉛直方向に並べて配置されている。これらの燃料電池セルスタック２、及びハウジング６は断熱材８によって包囲されているとともに、燃料電池セルスタック２とハウジング６との間にも設けられていることで、燃料電池セルスタック２は、ハウジング６（流体供給装置４）から熱的に隔離されている。この燃料電池セルスタック２及びハウジング６を包囲している断熱材８は、燃料電池モジュール１の最表面を構成しており、断熱材８の外側を覆う金属製の容器等は設けられていてもよいが、設けられていなくてもよい。また、ハウジング６によって密閉された空間内には、改質器３６、燃焼器３８が収容されている。
なお、図１においては、断熱材８はひとつづきのものとして記載しているが、複数の断熱材で構成されるものであってもよい。例えば、燃料電池セルスタック２及びハウジング６を包囲する断熱材と、燃料電池セルスタック２とハウジング６との間に設ける断熱材とは、異なる断熱材であってもよい。
さらに断熱材は、異なる断熱性能を有する部材を複数組み合わせて用いてもよく、重ねあわせや配置方法は、適宜要求される仕様に応じて設計することができる。
また、燃料電池セルスタック２とハウジング６との間に設ける断熱材は、必ずしも燃料電池セルスタック２とハウジング６との間を完全に覆うものでなくてもよく、少なくとも必要に応じて部分的に配置することで効果を奏するものである。
【００２４】
改質器３６は、流体供給装置４の外部から供給された原燃料ガスを水蒸気改質して、水素を豊富に含む燃料ガスを生成するように構成されている。改質器３６において生成された燃料ガスは燃料電池セルスタック２に送られ、燃料電池セルスタック２において発電に使用される。この燃料ガスは、流体供給装置４のハウジング６と燃料電池セルスタック２の間に延びる燃料供給通路１２を介して燃料電池セルスタック２に供給される。ここで、流体供給装置４のハウジング６は断熱材８によって包囲されているので、燃料ガスを供給する燃料供給通路１２は、断熱材８を貫通して燃料電池セルスタック２へ延びている。
【００２５】
燃焼器３８は、燃料電池セルスタック２において発電に使用されずに残った残余燃料を燃焼させるように構成されている。燃料電池セルスタック２において発電に使用されずに残った燃料は、流体供給装置４のハウジング６と燃料電池セルスタック２の間に延びる燃料排出通路１４を介してハウジング６側へ排出される。この燃料排出通路１４も、流体供給装置４のハウジング６を包囲する断熱材８を貫通して燃料電池セルスタック２から流体供給装置４へ延びている。ハウジング６側へ排出された残余燃料は、ハウジング６内に収容された燃焼器３８によって燃焼され、燃焼器３８の上方に配置された改質器３６を加熱する。これにより、改質器３６内の改質触媒（図示せず）が水蒸気改質可能な温度に加熱される。
【００２６】
一方、発電用の酸化剤ガスである空気も外部から流体供給装置４に供給され、ここで、燃焼器３８の燃焼熱によって加熱され、高温になった状態で燃料電池セルスタック２へ供給される。燃料電池セルスタック２は、主として、高温に加熱された発電用空気の熱により、発電反応可能な温度まで加熱される。流体供給装置４において加熱された発電用の空気は、ハウジング６から延びる酸化剤ガス供給通路１６を介して燃料電池セルスタック２に供給される。この酸化剤ガス供給通路１６も、流体供給装置４のハウジング６を包囲する断熱材８を貫通して流体供給装置４から燃料電池セルスタック２へ延びている。
【００２７】
また、燃料電池セルスタック２に供給され、発電に使用されずに残った残余の空気は、酸化剤ガス排出通路１８を介してハウジング６側へ排出される。この酸化剤ガス排出通路１８も、流体供給装置４のハウジング６を包囲する断熱材８を貫通して燃料電池セルスタック２から流体供給装置４へ延びている。ハウジング６側へ排出された残余空気は、ハウジング６内の燃焼器３８において、燃焼に使用される。燃焼により生成された燃焼ガスは、排気ガスとして流体供給装置４から排出される。
【００２８】
このように、本発明の実施形態の燃料電池モジュール１においては、残余燃料ガスが、流体供給装置４の燃焼器３８において残余空気によって燃焼され、その燃焼熱によって改質器３６が加熱される。一方、改質器３６及び燃焼器３８は流体供給装置４のハウジング６内に収容され、ハウジング６は断熱材８によって燃料電池セルスタック２から熱的に分離されている。このため、燃料電池セルスタック２は、実質的に、残余燃料の燃焼熱によって直接加熱されることはない。即ち、流体供給装置４（ハウジング６）側と、燃料電池セルスタック２の間の熱の移動は、実質的に、それらの間を流れる流体のみによって行われ、燃焼器３８等から放射された輻射熱等によって、燃料電池セルスタック２が直接加熱されることはない。このため、燃料電池セルスタック２の温度は、実質的に、これに供給する流体流量、温度のみによって規定することが出来る。
【００２９】
なお、燃料電池モジュールと共に使用される装置として、水蒸気改質用の水蒸気を生成する蒸発器、原燃料ガスに含まれる硫黄成分を除去する脱硫器、排気ガス中の一酸化炭素等を除去する燃焼触媒器等があるが、これらをハウジング内に収容することもできる。或いは、これらの装置をハウジングの外側に配置すると共に断熱材で被覆し、ハウジングから排出される排気ガスの熱により、これらを加熱することもできる。
【００３０】
次に、図２乃至図６を参照して、本発明の実施例による燃料電池モジュールの構成を詳細に説明する。
図２は本発明の実施例による燃料電池モジュール全体を示す斜視図である。図３は、本発明の実施例による燃料電池モジュールの全断面図である。図４は、図３におけるIV−IV線に沿う断面図であり、図５は、図３におけるV−V線に沿う断面図であり、図６は、図３におけるVI−VI線に沿う断面図である。なお、図２においては、燃料電池セルスタック等を包囲する断熱材を省略して示している。
【００３１】
＜燃料電池モジュールの全体構成＞
図２に示すように、本発明の実施例による燃料電池モジュール１は、発電反応を行う燃料電池セルスタック２と、この燃料電池セルスタック２に原燃料ガスを改質した燃料ガス、及び加熱した酸化剤ガスである空気を供給する流体供給装置４と、を有する。また、流体供給装置４は、蒸発器４ａ及び改質・加熱器４ｂから構成されている。蒸発器４ａは、供給された水を蒸発させて水蒸気を生成すると共に、この水蒸気を原燃料ガスと混合するように構成されており、改質・加熱器４ｂは蒸発器４ａから供給された混合ガスを水蒸気改質して、水素を含む燃料ガスを生成し、燃料電池セルスタック２に供給するように構成されている。
【００３２】
また、改質・加熱器４ｂは概ね直方体形状の金属製のハウジング６によって覆われており、燃料電池セルスタック２、その上方に配置された改質・加熱器４ｂのハウジング６、及び蒸発器４ａは、鉛直方向に並べて配置されている。これらの燃料電池セルスタック２、ハウジング６、及び蒸発器４ａは断熱材８によって夫々包囲されており、燃料電池セルスタック２は、ハウジング６及び蒸発器４ａから熱的に隔離されている。
【００３３】
＜燃料電池セルスタックの構成＞
図２及び図３に示すように、本実施例においては、燃料電池セルスタック２は平板型セルスタックであり、複数の長方形の平板型燃料電池セル２ａを積層して構成されている。即ち、各燃料電池セル２ａは、酸化物イオン導電体で構成された平板状の電解質の両面に、燃料極及び空気極（酸化剤ガス極）の電極を夫々設けることにより構成され、各燃料電池セル２ａの間にはセパレータが配置されている（以上、図示せず）。また、積層された複数の燃料電池セル２ａの上端にはトップエンドプレート１０ａが配置され、下端にはボトムエンドプレート１０ｂが配置されている。このように複数の燃料電池セル２ａを積層して得られた燃料電池セルスタック２の内部には、各燃料電池セル２ａに燃料ガスを供給するための燃料ガス供給通路（図示せず）と、酸化剤ガスである空気を供給するための酸化剤ガス供給通路（図示せず）が形成されている。また、燃料電池セルスタック２の上部及び底部からは、発電された電力を取り出すための２本のバスバー２ｂが夫々延びている。
【００３４】
さらに、燃料電池セルスタック２のトップエンドプレート１０ａには、燃料供給通路１２と、燃料排出通路１４と、酸化剤ガス供給通路１６と、酸化剤ガス排出通路１８が夫々接続されている。これらの４本の通路は、燃料電池セルスタック２と改質・加熱器４ｂのハウジング６の間に挟まれた空間内に延びている。即ち、これらの通路は、燃料電池セルスタック２のトップエンドプレート１０ａの上面から上方に延び、燃料電池セルスタック２の上方に配置されたハウジング６の単一の面である底面に接続されている。従って、燃料供給通路１２、燃料排出通路１４、酸化剤ガス供給通路１６、及び酸化剤ガス排出通路１８は、燃料電池セルスタック２とハウジング６の間に配置されている断熱材８を貫通して延びでいる。なお、改質・加熱器４ｂのハウジング６は、燃料電池セルスタック２に対し、これら４本の通路（燃料供給通路１２、燃料排出通路１４、酸化剤ガス供給通路１６、及び酸化剤ガス排出通路１８）のみによって連結され、支持されている。
【００３５】
燃料供給通路１２及び燃料排出通路１４は、トップエンドプレート１０ａの１つの短辺の近傍に並べて取り付けられ、夫々鉛直上方に直線状に延びている。改質・加熱器４ｂにおいて改質された燃料ガスは、燃料供給通路１２を介して燃料電池セルスタック２に供給され、燃料電池セルスタック２内の燃料ガス供給通路（図示せず）を通って各燃料電池セル２ａに分配される。各燃料電池セル２ａにおいて発電に使用されずに残った残余の燃料ガスは、燃料電池セルスタック２内の燃料ガス排出通路（図示せず）を通って集められ、トップエンドプレート１０ａに取り付けられた燃料排出通路１４を介して改質・加熱器４ｂに排出される。
【００３６】
図３及び図４に示すように、酸化剤ガス供給通路１６及び酸化剤ガス排出通路１８は、トップエンドプレート１０ａの１つの長辺の近傍に並べて取り付けられ、夫々鉛直上方に延びた後、内側に向けて９０度屈曲して水平方向に延び、さらに９０度屈曲して鉛直上方に延びている。これら酸化剤ガス供給通路１６、酸化剤ガス排出通路１８の上端は、改質・加熱器４ｂのハウジング６の底面に、その長手方向の中心軸線上に並べて接続されている。
【００３７】
改質・加熱器４ｂにおいて加熱された空気は、酸化剤ガス供給通路１６を介して燃料電池セルスタック２に供給され、燃料電池セルスタック２内の酸化剤ガス供給通路（図示せず）を通って各燃料電池セル２ａに分配される。各燃料電池セル２ａにおいて発電に使用されずに残った残余の空気は、燃料電池セルスタック２内の酸化剤ガス排出通路（図示せず）を通って集められ、トップエンドプレート１０ａに取り付けられた酸化剤ガス排出通路１８を介して改質・加熱器４ｂに排出される。
【００３８】
また、上記のように、酸化剤ガス供給通路１６及び酸化剤ガス排出通路１８がハウジング６の底面に接続される位置と、それらの通路が燃料電池セルスタック２に接続される位置は、上面視において異なっているが、それらの通路をハウジング６と燃料電池セルスタック２の間の空間内で湾曲させることにより、燃料電池セルスタック２側とハウジング６側を接続することができる。従って、接続する通路を適宜変更することにより、単一のハウジング６（流体供給装置４）に、種々の燃料電池セルスタック２を接続することができる。また、各通路は、ハウジング６と燃料電池セルスタック２の間に挟まれた空間内に延びているので、占有床面積を広げることなく、燃料供給通路１２、燃料排出通路１４、酸化剤ガス供給通路１６、及び酸化剤ガス排出通路１８を設けることができる。
【００３９】
さらに、燃料供給通路１２、燃料排出通路１４、酸化剤ガス供給通路１６、及び酸化剤ガス排出通路１８は、夫々、配管用ねじを使用した連結構造を有しており、連結用のナットを緩めることにより分離可能に構成されている。このように、燃料供給通路１２、燃料排出通路１４、酸化剤ガス供給通路１６、及び酸化剤ガス排出通路１８は、改質・加熱器４ｂのハウジング６に対し、取り外し可能に連結されている。或いは、これら４本の通路のうちの一部又は全部をハウジング６の底面から延びるように構成し、それらの通路を燃料電池セルスタック２に対して取り外し可能に連結することもできる。
【００４０】
＜蒸発器の構成＞
次に、図２及び図３を参照して、蒸発器４ａの構造を説明する。図２に示すように蒸発器４ａには、水を供給するための水供給用配管２０と、原燃料ガスを供給するための原燃料ガス供給配管２２と、排気ガスを排出するための排気ガス排出管２４が接続されている。また、改質・加熱器４ｂのハウジング６と、その外部の蒸発器４ａとは配管により接続されており、この配管は改質・加熱器４ｂから蒸発器４ａへ排気ガスを供給する排気ガス配管２６と、この内側に配置された混合ガス導管２８の二重管構造となっている（図３）。混合ガス導管２８は、蒸発器４ａ内で生成された水蒸気と、蒸発器４ａに供給された原燃料ガスを混合した混合器を改質・加熱器４ｂ内に導入するように構成されている。また、蒸発器４ａの側面周囲三辺には、蒸発器４ａを補助的に加熱するための電気ヒータ２９が巻回されている。
【００４１】
図３に示すように、蒸発器４ａは、金属板により直方体状の箱形に形成されており、内部には、蒸発室３０ａと、混合室３０ｂと、排気ガス室３０ｃが形成されている。蒸発室３０ａは、蒸発器４ａの天井面の直下に形成された薄型の空間であり、蒸発器４ａの天井面に接続された水供給用配管２０及び原燃料ガス供給配管２２から夫々供給された水及び原燃料ガスが蒸発室３０ａ内に流入するように構成されている。
【００４２】
混合室３０ｂは、細い通路３０ｄを介して蒸発室３０ａの下流側に連通した空間として形成されている。蒸発室３０ａ内で生成された水蒸気と、蒸発室３０ａ内に供給された原燃料ガスは、細い通路３０ｄを通って混合室３０ｂ内に流入することにより混合される。混合室３０ｂの底面には、混合ガス導管２８が接続されており、混合室３０ｂ内で混合された水蒸気及び原燃料ガスは混合ガス導管２８を通って改質・加熱器４ｂ内に導入される。
【００４３】
排気ガス室３０ｃは、蒸発器４ａの下部に設けられた空間であり、蒸発器４ａの底面に接続された排気ガス配管２６を介して排気ガスが流入するように構成されている。排気ガス室３０ｃに流入した排気ガスは、排気ガス室３０ｃの上側に設けられた蒸発室３０ａの床面を加熱して、蒸発器４ａの側面端部に接続された排気ガス排出管２４から排出される。蒸発室３０ａに供給された水は、排気ガス室３０ｃ内を流れる排気ガスによって蒸発室３０ａの床面が加熱されることにより蒸発される。
【００４４】
排気ガス室３０ｃの下流側は、流入した排気ガスが蒸発室３０ａの床面（排気ガス室３０ｃの天井面）に沿って流れるように、薄型にされている。この薄型にされた空間には、排気ガス室３０ｃを流れる排気ガスの熱が蒸発室３０ａの床面に効率良く伝わるように、伝熱用のフィン３０ｅが配置されている。このように、排気ガス室３０ｃの一端に接続された排気ガス配管２６から流入した排気ガスは、他端に接続された排気ガス排出管２４に向かって（図３の左から右へ）流れる。一方、蒸発室３０ａの、排気ガス排出管２４側の端部に接続された水供給用配管２０から供給された水は、蒸発室３０ａ内で蒸発されながら、他端部に向かって（図３の右から左へ）流れる。このように、蒸発器４ａ内を流れる水蒸気と排気ガスは反対方向に流れるので、それらの間でカウンターフロー型の熱交換が行われ、効率良く熱交換がなされる。
【００４５】
＜改質・加熱器の構成＞
次に、図２乃至図６を参照して、改質・加熱器４ｂの構造を説明する。
図２に示すように、改質・加熱器４ｂは、金属製のハウジング６によって囲まれた直方体状の箱形に形成されており、その上面には発電用の酸化剤ガスである空気を供給するための空気供給パイプ３２が接続されている。また、上述したように、ハウジング６の上面には排気ガス配管２６と混合ガス導管２８の二重管（図３）、底面には、燃料供給通路１２、燃料排出通路１４、酸化剤ガス供給通路１６、及び酸化剤ガス排出通路１８が接続されている。また、ハウジング６の一方の側面には、点火用のセラミックヒータ３４が取り付けられている。
【００４６】
改質・加熱器４ｂは、混合ガス導管２８から導入された混合ガスを水蒸気改質して燃料ガスを生成し、燃料供給通路１２を介して燃料電池セルスタック２に供給すると共に、空気供給パイプ３２を介して導入された空気を加熱し、酸化剤ガス供給通路１６を介して燃料電池セルスタック２に供給するように構成されている。また、燃料電池セルスタック２において発電に使用されずに残った残余燃料ガス及び残余空気（残余酸化剤ガス）は、夫々、燃料排出通路１４及び酸化剤ガス排出通路１８を介して改質・加熱器４ｂに排出される。燃料排出通路１４及び酸化剤ガス排出通路１８を介して排出された残余燃料ガス及び残余空気は、改質・加熱器４ｂ内で燃焼され、この燃焼熱により、空気供給パイプ３２から導入された空気を加熱する。燃焼により生成された燃焼ガスは、排気ガス配管２６を介して排気ガスとして蒸発器４ａへ導入される。
【００４７】
次に、図３乃至図６を参照して、改質・加熱器４ｂの内部構造を説明する。
図３に示すように、改質・加熱器４ｂを形成するハウジング６の内部には、改質器３６と、燃焼器３８を収容する密閉空間が形成されている。
【００４８】
改質器３６は、上面視で長方形の断面を有し、中央に長方形の開口が設けられた金属製の環状容器であり、その一端部には混合ガスを導入するための混合ガス導管２８が接続され、他端部には改質された燃料ガスを流出させる燃料供給通路１２が接続（図５）されている。蒸発器４ａからハウジング６内に延びる混合ガス導管２８は、ハウジング６内で９０度屈曲され、水平方向に延びた後、鉛直下方に向けて９０度屈曲して、改質器３６の天井面に接続されている。燃料供給通路１２は、混合ガス導管２８とは反対側の端部の、改質器３６の底面に接続され、ハウジング６の底面を貫通して鉛直下方に延び、燃料電池セルスタック２に接続されている。改質器３６の内部には改質触媒３６ａが充填されている。混合ガス導管２８から流入した原燃料ガスと水蒸気の混合ガスは、改質触媒３６ａと接触することにより水蒸気改質され、水素ガスを豊富に含む燃料ガスが生成される。改質器３６内で水蒸気改質された燃料ガスは燃料供給通路１２に流入し、燃料電池セルスタック２に供給される。
【００４９】
燃焼器３８は、燃料電池セルスタック２と隣接しているハウジング６の底壁面の内側に設けられており、燃料排出通路１４を介して排出された残余燃料ガスを、酸化剤ガス排出通路１８介して排出された残余空気により燃焼させるように構成されている。
【００５０】
図６に示すように、燃焼器３８は、残余燃料ガスマニホルド３８ａと、これに接続された残余燃料ガス分配管３８ｂと、残余空気をハウジング６内に分散させる残余空気分散板３８ｃと、を有する。
残余燃料ガスマニホルド３８ａは、ハウジング６の一端部の底壁面に取り付けられた箱形の部材であり、ハウジング６の底壁面に接続された燃料排出通路１４からの残余燃料ガスが内部に流入するように構成されている。
【００５１】
残余燃料ガス分配管３８ｂは円形断面のパイプから構成されており、これらのパイプは残余燃料ガスマニホルド３８ａからハウジング６の長手方向に４本平行に延び、ハウジング６の他端部において短手方向に延びるパイプにより合流されている。残余燃料ガス分配管３８ｂを構成するパイプの上面には、多数の細孔が設けられており、残余燃料ガスマニホルド３８ａから残余燃料ガス分配管３８ｂに流入した残余燃料ガスが、これらの細孔から噴出するように構成されている。
【００５２】
残余空気分散板３８ｃは、台形断面に折り曲げられた細長い金属板から構成され（図４）、ハウジング６の底壁面の中央に長手方向に延びるように取り付けられている。ハウジング６の底壁面に接続された酸化剤ガス排出通路１８は、残余空気分散板３８ｃとハウジング６の底壁面で囲まれた台形断面の空間と連通している。また、残余空気分散板３８ｃの両側の斜面には多数の細孔が形成されており、酸化剤ガス排出通路１８から流入した残余空気は、これらの細孔からハウジング６の内部に噴射され、分散される。
【００５３】
図３及び図６に示すように、ハウジング６の側壁面にはセラミックヒータ３４が取り付けられており、その先端部が残余燃料ガス分配管３８ｂの合流部の中央まで延びている。燃料電池モジュール１の起動時において、残余燃料ガス分配管３８ｂの各細孔から残余燃料ガスが噴出し、残余空気分散板３８ｃの各細孔から残余空気が噴出している状態でセラミックヒータ３４に通電することにより、噴出している残余燃料ガスに点火することができる。これにより、ハウジング６内で燃焼器３８の上方に配置された改質器３６を加熱することができる。（なお、燃料電池モジュール１の起動時においては、改質器３６が昇温されていないため、改質器３６内で改質反応は発生せず、燃料電池セルスタック２による発電も行われていない。）
【００５４】
＜酸化剤ガス熱交換器の構成＞
次に、図３及び図４を参照して、改質・加熱器４ｂに備えられた酸化剤ガス熱交換器を説明する。
図３及び図４に示すように、ハウジング６はその壁面の一部が二重壁構造に構成されており、この二重壁の内側に発電用の空気を流すことにより、燃焼器３８が生成した燃焼ガスで内部を流れる空気を加熱している。即ち、ハウジング６の上面の一部、長手方向の側壁面の一部、及び底壁面の一部は、内壁板６ａと、外壁板６ｂの二枚の金属板から形成されている。これら内壁板６ａと外壁板６ｂの間には、伝熱用のフィン４０が配置されており、内壁板６ａの熱が内壁板６ａと外壁板６ｂの間の空間に効率良く伝わるようになっている。従って、内壁板６ａ、外壁板６ｂ、及び伝熱用のフィン４０は、供給された酸化剤ガスである空気を、燃焼器３８によって生成された燃焼ガスにより加熱して燃料電池セルスタック２に供給する酸化剤ガス熱交換器として機能する。
【００５５】
空気供給パイプ３２から供給された空気は、ハウジング６の上壁面を構成する内壁板６ａと外壁板６ｂの間の空間に流入し（図３）、ここからハウジング６の短手方向に広がって、ハウジング６の側壁面を構成する内壁板６ａと外壁板６ｂの間の空間に流入する（図４）。ハウジング６の側壁面の中に流入した空気は下方に下り、ハウジング６の底壁面を構成する内壁板６ａと外壁板６ｂの間の空間に流入する。ハウジング６の底壁面の中に流入した空気は、ハウジング６の底壁面の短手方向中央に接続された酸化剤ガス供給通路１６（図３）を通って燃料電池セルスタック２に供給される。従って、ハウジング６の上壁面、側壁面、及び底壁面の一部が酸化剤ガス熱交換器として機能し、これらの壁面に酸化剤ガス熱交換器が設けられていることになる。
【００５６】
＜燃料電池モジュールの作用＞
次に、本発明の実施例による燃料電池モジュール１の作用を説明する。
まず、燃料電池モジュール１の起動時においては、原燃料ガス供給配管２２を介して流体供給装置４の蒸発器４ａに原燃料ガスが供給されると共に、空気供給パイプ３２を介して発電用の空気が流体供給装置４の改質・加熱器４ｂに供給される。図３に示すように、供給された原燃料ガスは、蒸発器４ａの蒸発室３０ａ、混合室３０ｂを通って混合ガス導管２８に流入し、さらに、改質・加熱器４ｂの改質器３６の中に流入する。なお、燃料電池モジュール１の起動初期においては、改質器３６の温度が低いため、原燃料ガスを改質する反応は発生しない。改質器３６に流入した原燃料ガスは、燃料供給通路１２（図５）を通って燃料電池セルスタック２の内部に流入する。
【００５７】
一方、空気供給パイプ３２を介して改質・加熱器４ｂに供給された空気は、ハウジング６の内壁板６ａと外壁板６ｂの間の空間を通って酸化剤ガス供給通路１６（図５）を通って燃料電池セルスタック２の内部に流入する。燃料電池セルスタック２内に流入した原燃料ガス及び空気は、内部の通路を通り、燃料排出通路１４及び酸化剤ガス排出通路１８を介して夫々改質・加熱器４ｂに排出される。なお、燃料電池モジュール１の起動初期においては、燃料電池セルスタック２の温度が低いため、燃料電池セルスタック２において発電反応は発生しない。
【００５８】
燃料排出通路１４を通って改質・加熱器４ｂに流入した原燃料ガスは、燃焼器３８の残余燃料ガスマニホルド３８ａを通って残余燃料ガス分配管３８ｂに流入し、その細孔から噴出する。一方、酸化剤ガス排出通路１８を通って改質・加熱器４ｂに排出された空気は、残余空気分散板３８ｃの内側に流入し、その細孔から噴出する。また、燃料電池モジュール１の起動時においては、セラミックヒータ３４に通電され、セラミックヒータ３４の熱により残余燃料ガス分配管３８ｂの細孔から噴出した原燃料ガスに点火される。これにより燃焼器３８が燃焼熱を生成するようになる。
【００５９】
燃焼器３８が点火されると、その上方に配置された改質器３６が加熱され、内部の改質触媒３６ａの温度が上昇する。また、燃焼により生成される燃焼ガスにより、ハウジング６の内壁板６ａと外壁板６ｂによって構成される酸化剤ガス熱交換器が加熱され、内部を流れる空気が加熱される。加熱された空気は燃料電池セルスタック２に流入するので、この熱により燃料電池セルスタック２が加熱される。ここで、流体供給装置４のハウジング６は、断熱材８によって包囲されているので、ハウジング６からの輻射熱等による燃料電池セルスタック２の加熱は殆どなく、燃料電池セルスタック２は実質的に、流体供給装置４から供給される流体（空気及び燃料ガス）のみによって加熱される。
【００６０】
また、ハウジング６内で生成された燃焼ガスは、排気ガス配管２６を通って排気ガスとして蒸発器４ａに流入する。蒸発器４ａ内に流入した排気ガスは、排気ガス室３０ｃを通って排気ガス排出管２４から排出される。この際、排気ガス室３０ｃの上側に設けられた蒸発室３０ａが加熱される。このように、蒸発器４ａに供給された水は、燃焼器３８によって生成され、排気ガス配管２６によって供給された燃焼ガスにより加熱される。蒸発室３０ａの温度が上昇した後、水供給用配管２０からの水の供給が開始され、蒸発室３０ａ内で水蒸気が生成されるようになる。なお、燃料電池モジュール１の起動時において、蒸発室３０ａの加熱を補助するために電気ヒータ２９に通電を行っても良い。
【００６１】
蒸発室３０ａにおいて水蒸気が生成されるようになると、原燃料ガスと水蒸気の混合ガスが、改質器３６に供給されるようになる。また、改質器３６の温度が十分に上昇すると、改質触媒３６ａにより水蒸気改質反応が誘発されて、原燃料ガスから水素ガスを豊富に含む燃料ガスが生成される。生成された燃料ガスは、燃料電池セルスタック２に供給される。燃料電池セルスタック２の温度が十分に上昇すると、燃料ガスと、改質・加熱器４ｂにおいて加熱された空気により発電反応が発生するようになる。燃料電池セルスタック２の温度が発電可能な温度まで上昇した状態において、燃料電池セルスタック２からバスバー２ｂを介して電力が取り出され、発電が開始される。
【００６２】
＜本発明の実施形態の燃料電池モジュールが奏する効果＞
本発明の実施形態の燃料電池モジュール１によれば、燃料電池セルスタック２が金属製のハウジング６とは独立して、ハウジング６の外部に配置されている（図２）。このため、燃料電池セルスタック２は、実質的に、燃料電池セルスタック２とハウジング６の間を流れる流体を介してのみ熱を受ける。このため、燃焼器３８等から放射される輻射熱等に基づいて燃料電池セルスタック２に温度ムラが発生することがない。また、燃料電池セルスタック２は、実質的に、流体を介してのみ加熱されるので、燃料電池セルスタック２の温度分布は供給する流体の温度及び流量によって規定され、ハウジング６内の改質器３６、燃焼器３８等の配置変更等により、燃料電池セルスタック２の温度分布が影響を受けることはない。このため、燃料電池セルスタック２と、ハウジング６内の改質器３６、燃焼器等３８を独立して設計することが可能になり、改質器３６、燃焼器３８等の設計の自由度を広げることができる。また、改質器３６、燃焼器３８等を収容したハウジング６が燃料電池セルスタック２とは独立しているので、１機種のハウジングを汎用的に種々の燃料電池セルスタックと組み合わせて使用することができ、量産により製造コストを下げることができる。
【００６３】
また、本実施形態の燃料電池モジュール１によれば、燃料電池セルスタック２がハウジング６から離間して設けられているので、ハウジング６から熱伝導により燃料電池セルスタック２に直接伝わる熱を低減することができる。これにより、ハウジング６内の改質器３６、燃焼器３８等の配置変更等が、燃料電池セルスタック２の温度分布に与える影響を更に低減することができる。
【００６４】
さらに、本実施形態の燃料電池モジュール１によれば、燃料電池セルスタック２とハウジング６の間の空間に断熱材８が配置されているので、燃料電池セルスタック２とハウジング６の間で直接伝わる熱を更に低減することができる。これにより、ハウジング６内の改質器３６、燃焼器３８等の配置変更等が、燃料電池セルスタック２の温度分布に与える影響を更に低減することができる。
【００６５】
また、本実施形態の燃料電池モジュール１によれば、燃料電池セルスタック２がハウジング６の１つの面に対向するように配置されているので、ハウジング６から燃料電池セルスタック２に熱が直接伝わったとしても、燃料電池セルスタック２に温度ムラが発生しにくく、ハウジング６から受ける熱による悪影響を更に軽減することができる。
【００６６】
さらに、本実施形態の燃料電池モジュール１によれば、燃料電池セルスタック２及びハウジング６を夫々包囲するように断熱材８が設けられており、燃料電池セルスタック２とハウジング６との間が完全に断熱材８によって熱的に分離されている。このため、この断熱材８を貫通する各通路を通過するガスによる熱の流入を除いては、熱伝達を完全に遮断することができる。
【００６７】
また、本実施形態の燃料電池モジュール１によれば、燃料電池セルスタック２とハウジング６が、鉛直方向に並べて配置されているので、断熱材８を通してハウジング６内の熱が漏れた場合であっても、燃料電池セルスタック２の一側のみが加熱されることがなく、燃料電池セルスタック２の温度分布をより均一化することができる。
【００６８】
さらに、本実施形態の燃料電池モジュール１によれば、重量の軽いハウジング６が重量の重い燃料電池セルスタック２の上方に並べて配置されているので、ハウジング６の上方に燃料電池セルスタック２を並べて配置した場合に比べ、燃料電池モジュール１の安定性が良く、また、上方の装置を容易に支持することができる。
【００６９】
また、本実施形態の燃料電池モジュール１によれば、燃料供給通路１２と燃料排出通路１４が燃料電池セルスタック２とハウジング６の間の空間内に延びている（図１）ので、占有床面積を広げることなく、燃料供給通路１２及び燃料排出通路１４を設けることができる。また、燃料供給通路１２や、燃料排出通路１４を接続すべき位置が、上面視において燃料電池セルスタック２側とハウジング６側で異なっている場合でも、それらの間の空間内で通路を湾曲させることにより、通路を接続することができる。このため、単一のハウジング６に対し、寸法、形状の異なる種々の燃料電池セルスタック２を接続することが可能になる。
さらに、上述した本実施形態の燃料電池モジュール１においては、燃料供給通路１２及び燃料排出通路１４は、燃料電池セルスタック２とハウジング６の間の空間内に延びているが、これらの通路の何れか一方は燃料電池セルスタック２又はハウジング６の側面から延びていてもよい。また、燃料供給通路１２及び燃料排出通路１４は、ハウジング６の一側、又は一面から延びていてもよい。
【００７０】
さらに、本実施形態の燃料電池モジュール１によれば、ハウジング６が燃料電池セルスタック２に対し、燃料供給通路１２、燃料排出通路１４、酸化剤ガス供給通路１６、及び酸化剤ガス排出通路１８のみによって連結されている（図２）ので、ハウジング６を支持するための専用の支持部材を設ける必要がなく支持部材を介して燃料電池セルスタック２とハウジング６との熱の授受を防止することができる。また、各通路内には流体が流れているため、通路自体の温度は概ね中を流れる流体の温度に支配されるので、熱伝導による通路を介した熱の散逸を抑制することができる。
【００７１】
また、本実施形態の燃料電池モジュール１によれば、燃料供給通路１２、燃料排出通路１４、酸化剤ガス供給通路１６、及び酸化剤ガス排出通路１８が取り外し可能に連結されている（図２）ので、ハウジング６又は燃料電池セルスタック２の何れか一方に不具合が生じた場合、独立してメンテナンスや交換を行うことができる。
【００７２】
さらに、本実施形態の燃料電池モジュール１によれば、燃料電池セルスタック２が、複数の平板型の燃料電池セル２ａを積層して構成された平板型セルスタックであり、それ自体が密閉構造を有し、燃料ガス及び酸化剤ガスが流れる流路が内部に形成されている。このため、これらの流路と各通路を接続するだけで、ハウジング６との間で簡単に流体を供給したり、排出したりすることができる。これにより、燃料電池モジュール１の構造をシンプルにすることができる。
【００７３】
以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、上述した実施形態に種々の変更を加えることができる。特に、上述した実施形態においては、ハウジング内に改質器及び燃焼器が収容され、蒸発器はハウジングの外部に配置されていたが、蒸発器をハウジング内に収容するように本発明を構成することもできる。さらに、原燃料ガスに含まれる硫黄成分を除去する脱硫器や、排気ガス中の一酸化炭素等を除去する燃焼触媒器をハウジング内に収容するように本発明を構成することもできる。また、上述した実施形態においては、酸化剤ガス熱交換器がハウジングの外壁面と一体に構成されていたが、酸化剤ガス熱交換器をハウジングの内部に収容するように本発明を構成することもできる。さらに、上述した実施形態においては、燃料電池セルスタックの上方にハウジングが並べて配置されていたが、燃料電池セルスタックの下方にハウジングを並べて配置したり、燃料電池セルスタックの側方にハウジングを並べて配置したりすることもできる。
【符号の説明】
【００７４】
１    燃料電池モジュール
２    燃料電池セルスタック
２ａ  燃料電池セル
２ｂ  バスバー
４    流体供給装置
４ａ  蒸発器
４ｂ  改質・加熱器
６    ハウジング
６ａ  内壁板
６ｂ  外壁板
８    断熱材
１０ａ  トップエンドプレート
１０ｂ  ボトムエンドプレート
１２    燃料供給通路
１４    燃料排出通路
１６    酸化剤ガス供給通路
１８    酸化剤ガス排出通路
２０    水供給用配管
２２    原燃料ガス供給配管
２４    排気ガス排出管
２６    排気ガス配管
２８    混合ガス導管
２９    電気ヒータ
３０ａ  蒸発室
３０ｂ  混合室
３０ｃ  排気ガス室
３０ｄ  通路
３０ｅ  フィン
３２    空気供給パイプ
３４    セラミックヒータ
３６    改質器
３６ａ  改質触媒
３８    燃焼器
３８ａ  残余燃料ガスマニホルド
３８ｂ  残余燃料ガス分配管
３８ｃ  残余空気分散板
４０    フィン
【図１】
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【図２】
2020038839.tif 000004
【図３】
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【図４】
2020038839.tif 000006
【図５】
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【図６】
2020038839.tif 000008