(57)【要約】【課題】複数の単セルを含む燃料電池スタックの温度分布を良好に均一化する。【解決手段】燃料電池システムは、アノードガスとカソードガスとの電気化学反応により発電すると共に互いに隣り合うように配列された複数の単セルを含む燃料電池スタックと、燃料電池スタックにアノードガスを供給するためのアノードガス通路と、燃料電池スタックにカソードガスを供給するためのカソードガス通路と、燃料電池スタックの上方で複数の単セルからのオフガスを燃焼させる燃焼部とを含み、カソードガス通路は、複数の単セルと対向して上下方向に延在すると共に燃料電池スタックの下部に設けられたカソードガス流入口に接続されるスタック側通路を含み、スタック側通路は、複数の単セルの上部と対向する熱交換部を含み、熱交換部の単位高さあたりの表面積は、スタック側通路の複数の単セルの下部と対向する部分に比べて大きい。【選択図】図２
2020013664.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれアノードガスとカソードガスとの電気化学反応により発電すると共に互いに隣り合うように配列された複数の単セルを含む燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに前記アノードガスを供給するためのアノードガス通路と、前記燃料電池スタックに前記カソードガスを供給するためのカソードガス通路と、前記燃料電池スタックの上方で前記複数の単セルからのオフガスを燃焼させる燃焼部とを含む燃料電池システムにおいて、
前記カソードガス通路は、前記複数の単セルと対向して上下方向に延在すると共に前記燃料電池スタックの下部に設けられたカソードガス流入口に接続されるスタック側通路を含み、
前記スタック側通路は、前記複数の単セルの上部と対向する熱交換部を含み、
前記熱交換部の単位高さあたりの表面積は、前記スタック側通路の前記複数の単セルの下部と対向する部分に比べて大きい燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記熱交換部は、少なくとも前記単セルの前記上下方向における中央から上端までの範囲内で前記複数の単セルと対向する燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記熱交換部の通路断面積は、前記スタック側通路の前記熱交換部以外の部分の通路断面積よりも小さい燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１から３の何れか一項に記載の燃料処理システムにおいて、
前記スタック側通路は、互いに接合される２つのプレート部材により形成され、
前記２つのプレート部材の前記複数の単セルと対向する少なくとも何れか一方は、前記熱交換部を形成する凹凸部を含む燃料電池システム。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料電池システムにおいて、
前記凹凸部は、それぞれ前記単セルの配列方向に延在すると共に前記上下方向に間隔をおいて並ぶ複数の凸部と、前記上下方向に隣り合う前記凸部の間で前記単セルの配列方向に延在する凹部とを含む燃料電池システム。
【請求項６】
請求項４に記載の燃料電池システムにおいて、
前記凹凸部は、前記単セルの配列方向および前記上下方向に間隔をおいて並ぶ複数の凸部と、隣り合う前記凸部の間に形成される複数の凹部とを含む燃料電池システム。
【請求項７】
請求項４から６の何れか一項に記載の燃料処理システムにおいて、
間隔をおいて互いに対向するように配置される２つの前記燃料電池スタックを含み、
前記２つのプレート部材は、前記凹凸部をそれぞれ含むと共に、互いに対応する前記凸部および前記凹部同士が対向するように前記２つの前記燃料電池スタックの間に配置される燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、アノードガスとカソードガスとの電気化学反応により発電する複数の単セルを含む燃料電池スタックを備えた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の燃料電池システムとして、上端側の酸化剤導入口および下端側の酸化剤噴出口を有すると共に燃料電池スタック若しくはその一部を構成するセルグループの側面部に沿って配置される扁平容器（酸化剤供給部材）と、扁平容器の酸化剤導入口への酸化剤（カソードガス）を下から上へ流通させる酸化剤流路を形成する酸化剤流路区画部材とを含むものが知られている（例えば、特許文献１参照）。この燃料電池システムでは、扁平容器の流路断面の幅や酸化剤流路の流路幅が燃料電池スタックの側面部に沿う上下方向および燃料電池スタックの側面部に沿う横方向の少なくとも一方において連続的に変化させられている。これにより、流路幅を狭めて酸化剤の流速を高くし、燃料電池スタックの横方向中央部（高温部）の熱を酸化剤により相対的に多く奪うことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−１３８５８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載された燃料電池システムでは、酸化剤の流路における圧損の増加を許容範囲内に収める必要があることから、酸化剤の流路の幅を充分に狭めるのは容易ではない。このため、上記燃料電池システムでは、燃料電池スタックの横方向中央部（高温部）の熱を酸化剤によって充分に奪って燃料電池スタックの温度分布を良好に均一化することが困難となる。
【０００５】
そこで、本開示は、複数の単セルを含む燃料電池スタックの温度分布を良好に均一化することを主目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示の燃料電池システムは、それぞれアノードガスとカソードガスとの電気化学反応により発電すると共に互いに隣り合うように配列された複数の単セルを含む燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに前記アノードガスを供給するためのアノードガス通路と、前記燃料電池スタックに前記カソードガスを供給するためのカソードガス通路と、前記燃料電池スタックの上方で前記複数の単セルからのオフガスを燃焼させる燃焼部とを含む燃料電池システムにおいて、前記カソードガス通路が、前記複数の単セルと対向して上下方向に延在すると共に前記燃料電池スタックの下部に設けられたカソードガス流入口に接続されるスタック側通路を含み、前記スタック側通路が、前記複数の単セルの上部と対向する熱交換部を含み、前記熱交換部の単位高さあたりの表面積が、前記スタック側通路の前記複数の単セルの下部と対向する部分に比べて大きいものである。
【０００７】
本開示の燃料電池システムのカソードガス通路は、複数の単セルと対向して上下方向に延在すると共に燃料電池スタックの下部に設けられたカソードガス流入口に接続されるスタック側通路を含む。また、スタック側通路は、燃焼部に近接する複数の単セルの上部と対向する熱交換部を含み、熱交換部の単位高さあたりの表面積は、スタック側通路の複数の単セルの下部と対向する部分に比べて大きくなっている。これにより、スタック側通路の熱交換部において、燃焼部に近接することで高温になる複数の単セルの上部からカソードガスにより多くの熱を奪うことが可能となる。更に、熱交換部を通過したカソードガスは、スタック側通路から燃料電池スタックの下部に設けられたカソードガス流入口を介して各単セルに供給される。これにより、複数の単セルの上部から熱を奪って昇温したカソードガスにより各単セルの下部の温度を上昇させることができる。この結果、本開示の燃料電池システムでは、複数の単セルを含む燃料電池スタックの温度分布を良好に均一化することが可能となる。
【０００８】
また、前記熱交換部は、少なくとも前記単セルの前記上下方向における中央から上端までの範囲内で前記複数の単セルと対向してもよい。これにより、カソードガスによって複数の単セルの上部からより多くの熱を奪うことが可能となる。
【０００９】
更に、前記熱交換部の通路断面積は、前記スタック側通路の前記熱交換部以外の部分の通路断面積よりも小さくてもよい。これにより、スタック側通路の熱交換部を流通するカソードガスの流速を高めて、当該カソードガスと複数の単セルとの間の熱交換効率をより向上させることが可能となる。
【００１０】
また、前記スタック側通路は、互いに接合される２つのプレート部材により形成されてもよく、前記２つのプレート部材の前記複数の単セルと対向する少なくとも何れか一方は、前記熱交換部を形成する凹凸部を含んでもよい。これにより、コストアップを抑制しつつ、熱交換部の単位高さあたりの表面積をスタック側通路の複数の単セルの下部と対向する部分に比べて容易に大きくすることが可能となる。
【００１１】
更に、前記凹凸部は、それぞれ前記単セルの配列方向に延在すると共に前記上下方向に間隔をおいて並ぶ複数の凸部と、前記上下方向に隣り合う前記凸部の間で前記単セルの配列方向に延在する凹部とを含んでもよい。これにより、熱交換部の単位高さあたりの表面積をより大きくすることが可能となる。
【００１２】
また、前記凹凸部は、前記単セルの配列方向および前記上下方向に間隔をおいて並ぶ複数の凸部と、隣り合う前記凸部の間に形成される複数の凹部とを含んでもよい。かかる凹凸部をプレート部材に形成しても、熱交換部の単位高さあたりの表面積をより大きくすることが可能となる。
【００１３】
更に、前記燃料処理システムは、間隔をおいて互いに対向するように配置される２つの前記燃料電池スタックを含んでもよく、前記２つのプレート部材は、前記凹凸部をそれぞれ含むと共に、互いに対応する前記凸部および前記凹部同士が対向するように前記２つの前記燃料電池スタックの間に配置される前記２つの前記燃料電池スタックの間に配置されてもよい。これにより、２つの燃料電池スタックの温度分布を効率よく均一化することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本開示の燃料電池システムを示す概略構成図である。
【図２】本開示の燃料電池システムの発電モジュールを示す概略構成図である。
【図３】本開示の燃料電池システムにおけるスタック側通路を構成するプレート部材を示す概略構成図である。
【図４】スタック側通路を構成するプレート部材を示す拡大断面図である。
【図５】プレート部材に形成される凹凸部の変形態様を示す概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
次に、図面を参照しながら、本開示の発明を実施するための形態について説明する。
【００１６】
図１は、本開示の燃料電池システム１０を示す概略構成図である。同図に示す燃料電池システム１０は、アノードガス（燃料ガス）中の水素とカソードガス（酸化剤ガス）中の酸素との電気化学反応により発電する燃料電池スタックＦＣＳを有する発電ユニット２０と、湯水を貯留する貯湯タンク１０１を有する給湯ユニット１００と、システム全体を制御する制御装置８０とを含む。また、発電ユニット２０は、燃料電池スタックＦＣＳや、断熱性材料により形成された箱型のモジュールケース３１、気化器（蒸発器）３３、２つの改質器３４等を含む発電モジュール３０と、発電モジュール３０の気化器３３に例えば天然ガスやＬＰガスといった原燃料ガス（原燃料）を供給するための原燃料ガス供給系統４０と、発電モジュール３０の燃料電池スタックＦＣＳにカソードガスとしての空気を供給するためのカソードガス供給系統５０と、発電モジュール３０の気化器３３に改質水を供給するための改質水供給系統５５と、発電モジュール３０で発生した排熱を回収するための排熱回収系統６０と、燃料電池スタックＦＣＳの出力端子に接続されたパワーコンディショナ７１と、これらを収容する筐体２２とを含む。
【００１７】
本実施形態において、発電モジュール３０は、２つの燃料電池スタックＦＣＳを含み、２つの燃料電池スタックＦＣＳは、間隔をおいて互いに対向するようにモジュールケース３１内に配置されたマニホールド３２上に設置される。各燃料電池スタックＦＣＳは、例えば酸化ジルコニウム等の電解質と当該電解質を挟持するアノード電極およびカソード電極とをそれぞれ有すると共に図１中左右方向（水平方向）に配列された複数の固体酸化物形の単セルＳＣを含む。各単セルＳＣのアノード電極内には、図示しないアノードガス通路が単セルＳＣの配列方向と直交する方向すなわち上下方向に延在するように形成されている。また、各単セルＳＣのカソード電極の周囲には、カソードガスを流通させる図示しないカソードガス通路が単セルＳＣの配列方向と直交する方向すなわち上下方向に延在するように形成されている。各単セルＳＣのアノードガス通路は、マニホールド３２に形成されたアノードガス通路３２０に接続され、各単セルＳＣのカソードガス通路は、モジュールケース３１内のカソードガス通路３１０に接続される。
【００１８】
発電モジュール３０の気化器３３および改質器３４は、モジュールケース３１内の２つの燃料電池スタックＦＣＳの上方に両者と間隔をおいて配設される。本実施形態では、一方の燃料電池スタックＦＣＳの上方に気化器３３および一方の改質器３４が配置され、他方の燃料電池スタックＦＣＳの上方に他方の改質器３４が配置される。更に、一方の燃料電池スタックＦＣＳと気化器３３および一方の改質器３４との間、並びに他方の燃料電池スタックＦＣＳと他方の改質器３４との上下方向における間には、燃料電池スタックＦＣＳの作動や、気化器３３および改質器３４での反応に必要な熱を発生させる燃焼部３５が画成されている。各燃焼部３５には、点火ヒータ３６が設置され、少なくとも何れか一方の燃焼部３５には、燃料電池スタックＦＣＳに近接するように温度センサ３７が設置されている。
【００１９】
気化器３３は、燃焼部３５からの熱により原燃料ガス供給系統４０からの原燃料ガスと改質水供給系統５５からの改質水とを加熱し、原燃料ガスを予熱すると共に改質水を蒸発させて水蒸気を生成する。気化器３３により予熱された原燃料ガスは、水蒸気と混ざり合い、予熱された原燃料ガスと水蒸気との混合ガスは、当該気化器３３から改質器３４に流入する。改質器３４は、その内部に充填された例えばＲｕ系またはＮｉ系の改質触媒を有し、燃焼部３５からの熱の存在下で、改質触媒による気化器３３からの混合ガスの反応（水蒸気改質反応）によって水素ガスと一酸化炭素とを生成する。更に、改質器３４は、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素と水蒸気との反応（一酸化炭素シフト反応）によって水素ガスと二酸化炭素とを生成する。これにより、改質器３４によって、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気、未改質の原燃料ガス等を含むアノードガスが生成されることになる。改質器３４により生成されたアノードガスは、図示しない配管やマニホールド３２のアノードガス通路３２０を介して各単セルＳＣのアノード電極に供給される。
【００２０】
また、燃料電池スタックＦＣＳの各単セルＳＣのカソード電極には、モジュールケース３１内のカソードガス通路３１０を介して酸素を含むカソードガスとしての空気が供給される。各単セルＳＣのカソード電極では、酸化物イオン（Ｏ２−）が生成され、当該酸化物イオンが電解質を透過してアノード電極で水素や一酸化炭素と反応することにより電気エネルギが得られる。各単セルＳＣにおいて電気化学反応（発電）に使用されなかったアノードガス（以下、「アノードオフガス」という）およびカソードガス（以下、「カソードオフガス」という）は、各単セルＳＣのアノードガス通路やカソードガス通路から上方の燃焼部３５へと流出する。
【００２１】
各単セルＳＣから燃焼部３５に流入したアノードオフガスは、水素や一酸化炭素等の燃料成分を含む可燃性ガスであり、各単セルＳＣから燃焼部３５に流入した酸素を含むカソードオフガスと混ざり合う。以下、アノードオフガスとカソードオフガスとの混合ガスを「オフガス」という。そして、点火ヒータ３６により点火させられて燃焼部３５でオフガス（アノードオフガス）が着火すると、当該オフガスの燃焼により、燃料電池スタックＦＣＳの作動や、気化器３３での原燃料ガスの予熱や水蒸気の生成、改質器３４での水蒸気改質反応等に必要な熱が発生することになる。また、オフガスの燃焼に伴い、燃焼部３５では、水蒸気を含む燃焼排ガスが生成される。
【００２２】
図１に示すように、原燃料ガス供給系統４０は、天然ガスやＬＰガスを供給する原燃料供給源１と気化器３３とを結ぶ原燃料ガス供給管４１と、当該原燃料ガス供給管４１に組み込まれた原燃料ガス供給弁（電磁開閉弁）４２および原燃料ガスポンプ４４と、気化器３３と原燃料ガスポンプ４４との間に位置するように原燃料ガス供給管４１に組み込まれた例えば常温脱硫式の脱硫器４５とを含む。更に、原燃料ガス供給管４１には、当該原燃料ガス供給管４１内の原燃料ガスの圧力を検出する圧力センサ４８や、原燃料ガス供給管４１を流通する原燃料ガスの単位時間あたりの流量を検出する流量センサ４９が設置されている。
【００２３】
カソードガス供給系統５０は、モジュールケース３１内のカソードガス通路３１０に接続されるカソードガス供給管５１と、カソードガス供給管５１のガス入口に設置されたエアフィルタ５２と、カソードガス供給管５１に組み込まれたブロワ５３とを含む。ブロワ５３を作動させることで、エアフィルタ５２を介して吸入されたカソードガスとしての空気が当該ブロワ５３により上記カソードガス通路３１０を介して各燃料電池スタックＦＣＳへと圧送（供給）される。また、カソードガス供給管５１には、当該カソードガス供給管５１を流通するカソードガスの単位時間あたりの流量が所定値に達するとオンする流量スイッチ５４が設置されている。
【００２４】
改質水供給系統５５は、気化器３３に接続される改質水供給管５６と、改質水供給管５６に接続されると共に改質水を貯留する改質水タンク５７と、改質水供給管５６に組み込まれた改質水ポンプ５８とを含む。改質水ポンプ５８を作動させることで、改質水タンク５７内の改質水が当該改質水ポンプ５８により気化器３３へと圧送（供給）される。また、改質水タンク５７内には、貯留されている改質水を精製する図示しない水精製器が設置されている。
【００２５】
排熱回収系統６０は、給湯ユニット１００の貯湯タンク１０１に接続された循環配管６１と、循環配管６１を流通する湯水と発電モジュール３０の燃焼部３５からの燃焼排ガスとを熱交換させる熱交換器６２と、循環配管６１に組み込まれた循環ポンプ６３とを含む。循環ポンプ６３を作動させることで、当該循環ポンプ６３により貯湯タンク１０１に貯留されている湯水を熱交換器６２へと導入し、熱交換器６２で燃焼排ガスから熱を奪って昇温した湯水を貯湯タンク１０１へと返送することができる。
【００２６】
更に、排熱回収系統６０は、循環配管６１に組み込まれたラジエータ６４と、ラジエータ６４に空気を送り込むラジエータファン（電動ファン）６５と、発電モジュール３０からの電力を消費して循環配管６１内の湯水を加熱する電気ヒータ（例えば、セラミックヒータ）６６と、電気ヒータ６６により加熱された湯水の温度を検出するサーミスタ（温度センサ）６７とを含む。ラジエータ６４は、熱交換器６２と循環ポンプ６３との間に位置するように循環配管６１に組み込まれ、電気ヒータ６６は、循環ポンプ６３とラジエータ６４との間に位置するように循環配管６１に組み込まれる。更に、サーミスタ６７は、電気ヒータ６６に近接するように当該電気ヒータ６６の下流側に設置される。
【００２７】
電気ヒータ６６は、発電モジュール３０（燃料電池スタックＦＣＳ）に要求される出力が常用定格出力よりも低い場合、余剰電力を消費するように作動させられる。更に、この際、サーミスタ６７により検出される水温が所定温度になるように、循環ポンプ６３がデューティ制御されると共に、必要に応じてラジエータファン６５が作動させられる。これにより、発電モジュール３０に要求される出力が低い場合であっても、熱交換器６２により各燃料電池スタックＦＣＳの排熱を回収したり、電気ヒータ６６に発電モジュールの余剰電力を消費させたりしながら、発電モジュール３０の運転を継続させることが可能となる。また、ラジエータファン６５を適宜作動させてラジエータ６４に空気を送り込むことで、循環配管６１を流通する湯水を冷却し（放熱させ）、貯湯タンク１０１内の湯水の温度が必要以上に高まるのを抑制することができる。
【００２８】
また、排熱回収系統６０の熱交換器６２（燃焼排ガスの通路）は、配管を介して改質水タンク５７に接続されており、燃焼排ガス中の水蒸気が貯湯タンク１０１からの湯水との熱交換により凝縮することにより得られた凝縮水は、当該配管を介して改質水タンク５７内に導入される。更に、熱交換器６２の燃焼排ガスの通路は、排気管６８に接続されている。これにより、発電モジュール３０の燃焼部３５から排出されて熱交換器６２で水分が除去された排ガスは、排気管６８を介して大気中に排出される。
【００２９】
パワーコンディショナ７１は、各燃料電池スタックＦＣＳからの直流電力を昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータや、ＤＣ／ＤＣコンバータからの直流電力を交流電力に変換するインバータ等を含む（何れも図示省略）。パワーコンディショナ７１（インバータ）の出力端子は、系統電源２に接続された電力ライン３に接続される。これにより、各燃料電池スタックＦＣＳからの直流電力を交流電力に変換して家電製品等の負荷４に供給することが可能となる。更に、燃料電池システム１０は、パワーコンディショナ７１に接続された電源基板７２を含む。電源基板７２は、各燃料電池スタックＦＣＳからの直流電力や系統電源２からの交流電源を低圧の直流電力に変換し、原燃料ガス供給弁４２や原燃料ガスポンプ４４、ブロワ５３、改質水ポンプ５８、循環ポンプ６３、ラジエータファン６５等の補機類、温度センサ３７等のセンサ類、更には制御装置８０等に当該直流電力を供給する。
【００３０】
また、パワーコンディショナ７１や電源基板７２等が配置される補機室内には、当該パワーコンディショナ７１や電源基板７２等を冷却するための冷却ファン（図示省略）と、換気ファン２４とが配置されている。図示しない冷却ファンは、パワーコンディショナ７１や電源基板７２の発熱部に空気を送り込み、当該発熱部を冷却して昇温した空気は、換気ファン２４により大気中に排出される。
【００３１】
制御装置８０は、ＣＰＵ８１や、各種プログラムを記憶するＲＯＭ８２、データを一時的に記憶するＲＡＭ８３、入力ポートおよび出力ポート等（何れも図示省略）を含むコンピュータである。制御装置８０は、温度センサ３７や圧力センサ４８、流量センサ４９、サーミスタ６７等の検出値、流量スイッチ５４からの信号等を入力ポートを介して入力する。また、制御装置８０は、換気ファン２４や、点火ヒータ３６、原燃料ガス供給弁４２のソレノイド、原燃料ガスポンプ４４、ブロワ５３、改質水ポンプ５８、循環ポンプ６３、ラジエータファン６５、電気ヒータ６６、パワーコンディショナ７１（ＤＣ／ＤＣコンバータおよびインバータ）、電源基板７２，図示しない表示パネル等への制御信号を出力ポートを介して出力し、これらの機器を制御する。更に、制御装置８０には、無線式または有線式の通信回線を介して図示しないリモコンが接続される。制御装置８０は、燃料電池システム１０のユーザーにより操作された当該リモコンからの信号に基づいて各種制御を実行する。
【００３２】
図２は、燃料電池システム１０の発電モジュール３０を示す概略構成図である。同図に示すように、モジュールケース３１内のカソードガス通路３１０は、モジュールケース３１の内底面に沿って延在する下側通路３１１と、モジュールケース３１の一方の内側面（図２における左側の内側面）に沿って延在する側部通路３１２と、モジュールケース３１の他方の内側面（図２における右側の内側面）に沿って延在する側部通路３１３と、モジュールケース３１の天井面に沿って延在する上側通路３１４と、２つの燃料電池スタックＦＣＳの間に設けられたスタック側通路（ダクト）３１５とを含む。
【００３３】
カソードガス通路３１０の下側通路３１１は、モジュールケース３１の底壁部と、当該底壁部と間隔をおいて対向するように当該モジュールケース３１内に固定される底側プレート９１とにより形成される。下側通路３１１は、水平に延在すると共に、モジュールケース３１の下部に形成されたカソードガス入口３１０ｉに連通する。カソードガス入口３１０ｉには、カソードガス供給系統５０のカソードガス供給管５１の出口端が接続される。カソードガス通路３１０の側部通路３１２は、モジュールケース３１の長手方向すなわち複数の単セルＳＣの配列方向に延在する一方の側壁部と、当該側壁部と間隔をおいて対向するように当該モジュールケース３１内に固定される側部プレート９２とにより形成される。側部通路３１２は、上下方向に延在すると共に、下側通路３１１の一端（図２における左端）に接続される。
【００３４】
カソードガス通路３１０の側部通路３１３は、モジュールケース３１の長手方向に延在する他方の側壁部と、当該側壁部と間隔をおいて対向するように当該モジュールケース３１内に固定される側部プレート９３とにより形成される。側部通路３１３は、上下方向に延在すると共に、上記下側通路３１１の他端（図２における右端）に接続される。カソードガス通路３１０の上側通路３１４は、モジュールケース３１の上壁部と、当該上壁部と間隔をおいて対向するように当該モジュールケース３１内に固定される上側プレート９４とにより形成される。上側通路３１４は、水平に延在すると共に、側部通路３１２および３１３の上端に接続される。スタック側通路３１５は、図２に示すように、２つの燃料電池スタックＦＣＳの間に間隔をおいて互いに平行に対向するように配置される２つのプレート部材９５Ａおよび９５Ｂにより形成され、当該２つの燃料電池スタックＦＣＳの間で上下方向に延在する。
【００３５】
なお、本実施形態において、底側プレート９１、側部プレート９２，９３、上側プレート９４およびプレート部材９５Ａおよび９５Ｂの一部は、モジュールケース３１や、２つの燃料電池スタックＦＣＳの周囲に配置された断熱材と共に、燃焼部３５からの燃焼排ガス（図２における破線矢印参照）を排熱回収系統６０の熱交換器６２に導く燃焼排ガス通路３１８を形成する。更に、モジュールケース３１のカソードガス入口３１０ｉの周囲には、燃焼排ガス通路３１８に連通すると共に熱交換器６２のガス入口に接続される燃焼排ガス出口３１９が形成されている。
【００３６】
スタック側通路３１５を形成するプレート部材９５Ａおよび９５Ｂは、比較的高い熱伝導率を有する金属板をプレス加工することにより形成されたものである。図３および図４に示すように、プレート部材９５Ａの上下方向における中央部付近には、波形の凹凸部９６Ａが形成されており、プレート部材９５Ｂの上下方向における中央部付近には、波形の凹凸部９６Ｂが形成されている。また、プレート部材９５Ａおよび９５Ｂの凹凸部９６Ａまたは９６Ｂ以外の部分は、平坦に形成されている。更に、プレート部材９５Ａの上下方向に沿って延在する両側の側端部は、プレート部材９５Ｂ側に延在するように折り曲げられており、プレート部材９５Ｂの上下方向に沿って延在する両側の側端部は、プレート部材９５Ａ側に延在するように折り曲げられている。そして、プレート部材９５Ａおよび９５Ｂは、図示するように、両端が解放された比較的偏平なダクトを形成するように互いに接合される。
【００３７】
プレート部材９５Ａの凹凸部９６Ａは、図３および図４に示すように、単セルＳＣの配列方向（図３における左右方向）に延在すると共に上下方向に間隔をおいて並ぶ複数（本実施形態では、３つ）の凸部９７Ａと、上下方向に隣り合う凸部９７Ａの間で単セルＳＣの配列方向に延在する複数（本実施形態では、２つ）の凹部９８Ａとを含む。プレート部材９５Ａの凸部９７Ａは、当該プレート部材９５Ａに近接する上記一方の燃料電池スタックＦＣＳから離間してプレート部材９５Ｂに近接するように形成されている。プレート部材９５Ｂの凹凸部９６Ｂは、図３および図４に示すように、単セルＳＣの配列方向（図３における左右方向）に延在すると共に上下方向に間隔をおいて並ぶ複数（本実施形態では、３つ）の凸部９７Ｂと、上下方向に隣り合う凸部９７Ｂの間で単セルＳＣの配列方向に延在する複数（本実施形態では、２つ）の凹部９８Ｂとを含む。プレート部材９５Ｂの凸部９７Ｂは、当該プレート部材９５Ｂに近接する上記他方の燃料電池スタックＦＣＳから離間してプレート部材９５Ａに近接するように形成されている。
【００３８】
また、プレート部材９５Ａの凹凸部９６Ａと、プレート部材９５Ｂの凹凸部９６Ｂとは、図３および図４に示すように、上下方向にずらして形成されており、本実施形態では、プレート部材９５Ａの凹凸部９６Ａがプレート部材９５Ｂの凹凸部９６Ｂよりも全体に下側に位置する。２つのプレート部材９５Ａおよび９５Ｂが互いに接合された際には、図４に示すように、プレート部材９５Ａの凸部９７Ａとプレート部材９５Ｂの対応する凹部９８Ｂとが互いに対向し、プレート部材９５Ｂの凸部９７Ｂとプレート部材９５Ａの対応する凹部９８Ａとが互いに対向する。また、本実施形態では、２つのプレート部材９５Ａおよび９５Ｂが互いに接合された際、プレート部材９５Ａの凸部９７Ａの先端部と、プレート部材９５Ｂの凸部９７Ｂの先端部とが、上下方向からみてスタック側通路３１５の幅方向（２つの燃料電池スタックＦＣＳの並設方向）に重なり合う（図３参照）。
【００３９】
図２に示すように、互いに接合されたプレート部材９５Ａおよび９５Ｂ（ダクト）は、一方のプレート部材９５Ａが一方（図２中左側）の燃料電池スタックＦＣＳの複数の単セルＳＣや、それらの上方に位置する改質器３４（および気化器３３）および燃焼部３５と比較的小さい間隔をおいて対向し、かつ他方のプレート部材９５Ｂが他方（図２中右側）の燃料電池スタックＦＣＳの複数の単セルＳＣや、それらの上方に位置する改質器３４および燃焼部３５と比較的小さい間隔をおいて対向するようにモジュールケース３１に固定される。また、互いに接合されたプレート部材９５Ａおよび９５Ｂすなわちスタック側通路３１５の上端は、上述の上側通路３１４に接続され、プレート部材９５Ａおよび９５Ｂすなわちスタック側通路３１５の下端は、各燃料電池スタックＦＣＳの下部に設けられたカソードガス流入口３１６，３１７に接続される。
【００４０】
更に、プレート部材９５Ａおよび９５Ｂがモジュールケース３１に固定された際、プレート部材９５Ａの凹凸部９６Ａの下端は、各燃料電池スタックＦＣＳの複数の単セルＳＣの上下方向における中央（図２における一点鎖線参照）と同一高さに位置する。また、プレート部材９５Ａおよび９５Ｂがモジュールケース３１に固定された際、プレート部材９５Ｂの凹凸部９６Ｂの上端は、各燃料電池スタックＦＣＳの複数の単セルＳＣの上端と同一高さに位置する。すなわち、プレート部材９５Ａの凹凸部９６Ａは、単セルＳＣの上下方向における中央から上端までの範囲内で上記一方（図２中左側）の燃料電池スタックＦＣＳの各単セルＳＣと対向し、プレート部材９５Ｂの凹凸部９６Ｂは、単セルＳＣの上下方向における中央から上端までの範囲内で上記他方（図２中右）の燃料電池スタックＦＣＳの各単セルＳＣと対向する。
【００４１】
ここで、プレート部材９５Ａおよび９５Ｂにより形成されるスタック側通路３１５において、プレート部材９５Ａの凹凸部９６Ａの下端からプレート部材９５Ｂの凹凸部９６Ｂの上端までの範囲における単位高さあたりの表面積は、プレート部材９５Ａの凹凸部９６Ａの下端よりも下側の範囲、すなわち各燃料電池スタックＦＣＳの複数の単セルＳＣの下部と対向する下端部３１５Ｌの単位高さあたりの表面積よりも大きくなる。これにより、プレート部材９５Ａの凹凸部９６Ａおよびプレート部材９５Ｂの凹凸部９６Ｂは、スタック側通路３１５を流通するカソードガスと各燃料電池スタックＦＣＳの複数の単セルＳＣの上部とを熱交換させるスタック側通路３１５の熱交換部３１５Ｈを形成する。また、燃料電池システム１０において、熱交換部３１５Ｈ（凹凸部９６Ａの下端から凹凸部９６Ｂの上端までの範囲）の通路断面積は、スタック側通路３１５の熱交換部３１５Ｈ以外の部分（上端部および下端部３１５Ｌ）の通路断面積よりも小さくなっている。
【００４２】
上述のように構成される燃料電池システム１０において、カソードガス供給系統５０からカソードガス通路３１０のカソードガス入口３１０ｉに供給されたカソードガスは、下側通路３１１、側部通路３１２，３１３および上側通路３１４を介して、熱交換部３１５Ｈを含むスタック側通路３１５に流入する（図２における実線矢印参照）。更に、スタック側通路３１５に流入したカソードガスは、各燃料電池スタックＦＣＳの各単セルＳＣの上下方向における中央から上端までの部分と対向する熱交換部３１５Ｈを通過する。これにより、燃料電池システム１０では、スタック側通路３１５の熱交換部３１５Ｈにおいて、燃焼部３５に近接することで高温になる各燃料電池スタックＦＣＳの複数の単セルＳＣの上部からカソードガスにより多くの熱を奪うことが可能となる。更に、熱交換部３１５Ｈを通過したカソードガスは、スタック側通路３１５の複数の単セルＳＣの下部と対向する下端部３１５Ｌを通過した後、各燃料電池スタックＦＣＳの下部に設けられたカソードガス流入口３１６または３１７を介して各単セルＳＣ（カソード電極）に供給される。これにより、複数の単セルＳＣの上部から熱を奪って昇温したカソードガスにより各単セルＳＣの下部の温度を上昇させることができる。この結果、燃料電池システム１０では、それぞれ複数の単セルＳＣを含む２つの燃料電池スタックＦＣＳの温度分布を良好に均一化することが可能となる。
【００４３】
また、熱交換部３１５Ｈの通路断面積は、スタック側通路３１５の熱交換部３１５Ｈ以外の部分の通路断面積よりも小さくなっているので、スタック側通路３１５の熱交換部３１５Ｈを流通するカソードガスの流速を高めることができる。これにより、燃料電池システム１０では、カソードガスと複数の単セルＳＣとの間の熱交換効率をより向上させることが可能となる。
【００４４】
更に、燃料電池システム１０において、スタック側通路３１５は、それぞれ熱交換部３１５Ｈを形成する凹凸部９６Ａ，９６Ｂを含むと共に互いに接合される２つのプレート部材９５Ａ，９５Ｂにより形成される。これにより、コストアップを抑制しつつ、熱交換部３１５Ｈの単位高さあたりの表面積をスタック側通路３１５の複数の単セルＳＣの下部と対向する下端部３１５Ｌに比べて容易に大きくすることが可能となる。
【００４５】
また、プレート部材９５Ａ，９５Ｂの凹凸部９６Ａ，９６Ｂは、単セルＳＣの配列方向に延在すると共に上下方向に間隔をおいて並ぶ複数の凸部９７Ａまたは９７Ｂと、上下方向に隣り合う凸部９７Ａまたは９７Ｂの間で単セルＳＣの配列方向に延在する複数の凹部９８Ａまたは９８Ｂとを含む。これにより、熱交換部３１５Ｈの単位高さあたりの表面積をより大きくすることが可能となる。
【００４６】
更に、燃料電池システム１０において、２つのプレート部材９５Ａ，９５Ｂは、それぞれ凹凸部９６Ａ，９６Ｂを含み、プレート部材９５Ａの凸部９７Ａとプレート部材９５Ｂの対応する凹部９８Ｂとが互いに対向すると共に、プレート部材９５Ｂの凸部９７Ｂとプレート部材９５Ａの対応する凹部９８Ａとが互いに対向するように２つの燃料電池スタックＦＣＳの間に配置される。これにより、２つの燃料電池スタックＦＣＳの温度分布を効率よく均一化することが可能となる。
【００４７】
以上説明したように、本開示の燃料電池システム１０は、それぞれアノードガスとカソードガスとの電気化学反応により発電すると共に互いに隣り合うように配列された複数の単セルＳＣを含む燃料電池スタックＦＣＳと、燃料電池スタックＦＣＳにアノードガスを供給するためのアノードガス通路３２０と、燃料電池スタックＦＣＳにカソードガスを供給するためのカソードガス通路３１０と、燃料電池スタックＦＣＳの上方で複数の単セルＳＣからのオフガスを燃焼させる燃焼部３５とを含み、カソードガス通路３１０は、複数の単セルＳＣと対向して上下方向に延在すると共に燃料電池スタックＦＣＳの下部に設けられたカソードガス流入口３１６，３１７に接続されるスタック側通路３１５を含み、スタック側通路３１５は、複数の単セルＳＣの上部と対向する熱交換部３１５Ｈを含み、熱交換部３１５の単位高さあたりの表面積は、スタック側通路３１５の複数の単セルＳＣの下部と対向する部分に比べて大きくなっている。これにより、複数の単セルＳＣを含む燃料電池スタックＦＣＳの温度分布を良好に均一化することが可能となる。なお、燃料電池システム１０において、スタック側通路３１５は、熱交換部３１５Ｈの下端が複数の単セルＳＣの上下方向における中央よりも若干下側に位置するように形成されてもよい。更に、燃料電池システム１０は、単一の燃料電池スタックＦＣのみを含むように構成されてもよく、この場合、スタック側通路３１５を形成するプレート部材９５Ａ，９５Ｂの複数の単セルＳＣに近接する一方のみに凹凸部が形成されてもよい。
【００４８】
また、プレート部材９５Ａ，９５Ｂには、上記凹凸部９６Ａ，９６Ｂの代わりに、図５に示すような凹凸部１９６Ａ，１９６Ｂが形成されてもよい。プレート部材９５Ａに形成される凹凸部１９６Ａは、単セルＳＣの配列方向（図５における左右方向）および上下方向に間隔をおいて並ぶ複数の凸部１９７Ａと、隣り合う凸部の間に形成される複数の凹部１９８Ａとを含み、プレート部材９５Ｂに形成される凹凸部１９６Ｂは、単セルＳＣの配列方向および上下方向に間隔をおいて並ぶ複数の凸部１９７Ｂと、隣り合う凸部の間に形成される複数の凹部１９８Ｂとを含む。この場合、プレート部材９５Ａ，９５Ｂは、単セルＳＣの配列方向に沿って互いに隣り合うプレート部材９５Ａの凸部１９７Ａ同士の間に位置する凹部１９８Ａと、プレート部材９５Ｂの対応する凸部１９７Ｂとが対向し、かつ単セルＳＣの配列方向に沿って互いに隣り合うプレート部材９５Ｂの凸部１９７Ｂ同士の間に位置する凹部１９８Ｂと、プレート部材９５Ａの対応する凸部１９７Ａとが対向するように互いに接合される。かかる凹凸部１９６Ａ，１９６Ｂをプレート部材９５Ａ，９５Ｂに形成しても、熱交換部３１５Ｈの単位高さあたりの表面積をより大きくすることが可能となる。
【００４９】
そして、本開示の発明は上記実施形態に何ら限定されるものではなく、本開示の外延の範囲内において様々な変更をなし得ることはいうまでもない。更に、上記実施形態は、あくまで発明の概要の欄に記載された発明の具体的な一形態に過ぎず、発明の概要の欄に記載された発明の要素を限定するものではない。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本開示の発明は、燃料電池システムの製造産業等において利用可能である。
【符号の説明】
【００５１】
１  原燃料供給源、２  系統電源、３  電力ライン、４  負荷、１０  燃料電池システム、２０  発電ユニット、２２  筐体、２４  換気ファン、３０  発電モジュール、３１  モジュールケース、３２  マニホールド、３３  気化器、３４  改質器、３５  燃焼部、３６  点火ヒータ、３７  温度センサ、４０  原燃料ガス供給系統、４１  原燃料ガス供給管、４２  原燃料ガス供給弁、４４  原燃料ガスポンプ、４５  脱硫器、４８  圧力センサ、４９  流量センサ、５０  カソードガス供給系統、５１  カソードガス供給管、５２  エアフィルタ、５３  ブロワ、５４  流量スイッチ、５５  改質水供給系統、５６  改質水供給管、５７  改質水タンク、５８  改質水ポンプ、６０  排熱回収系統、６１  循環配管、６２  熱交換器、６３  循環ポンプ、６４  ラジエータ、６５  ラジエータファン、６６  電気ヒータ、６７  サーミスタ、６８  排気管、７１  パワーコンディショナ、７２  電源基板、８０  制御装置、８１  ＣＰＵ、８２  ＲＯＭ、８３  ＲＡＭ、９１  底側プレート、９２，９３  側部プレート、９４  上側プレート、９５Ａ，９５Ｂ  プレート部材、９６Ａ，９６Ｂ，１９６Ａ，１９６Ｂ  凹凸部、９７Ａ，９７Ｂ，１９７Ａ，１９７Ｂ  凸部、９８Ａ，９８Ｂ，１９８Ｂ，１９８Ｂ  凹部、１００  給湯ユニット、１０１  貯湯タンク、３１０  カソードガス通路、３１０ｉ  カソードガス入口、３１１  下側通路、３１２，３１３  側部通路、３１４  上側通路、３１５  スタック側通路、３１５Ｈ  熱交換部、３１５Ｌ  下端部、３１６，３１７  カソードガス流入口、３１８  燃焼排ガス通路、３２０  アノードガス通路、ＦＣＳ  燃料電池スタック、ＳＣ  単セル。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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