(57)【要約】【課題】  改質器に確実に水蒸気を供給することができると共に小型化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。【解決手段】  この燃料電池モジュールＦＣは、水供給部としてのポンプと改質器５とを繋ぐ管路を構成する配管６Ｂ、混合室１５ｃ、配管６Ｃを備え、それらによって構成される管路の一部は、ポンプ側が排出ガス室１７の一側１７ａから排出ガス室１７内へと入り、改質器５側が排出ガス室１７の他側１７ｂから排出ガス室１７外へと出るように配置されている【選択図】図９
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガス流路を内部に有すると共に前記燃料ガス流路の出口より残余の燃料ガスを放出し、燃料電池セル集合体を構成する複数の燃料電池セルと、
前記燃料電池セル集合体の上部に配置され、被改質ガスを改質して燃料ガスとする改質触媒を含む少なくとも一つの改質器と、
前記燃料電池セル集合体の下部に配置され、発電反応に寄与しなかった残余の燃料ガスと残余の酸化剤ガスとが混合して燃焼することによって排出される排出ガスを貯留する排出ガス室と、
前記改質器に向けて水を送り出す水供給部と、を備える燃料電池モジュールであって、
前記水供給部と前記改質器とを繋ぐ管路を備え、
前記管路の一部は、前記水供給部側が前記排出ガス室の一側から前記排出ガス室内へと入り、前記改質器側が前記排出ガス室の他側から前記排出ガス室外へと出るように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】
前記水供給部は、前記排出ガス室の下方に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池モジュール。
【請求項３】
前記排出ガス室へ排出ガスを流入させる流入口と前記排出ガス室から排出ガスを流出させる流出口とが、前記排出ガス室内に配置されている前記管路の一部を挟んで反対側にそれぞれ配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池モジュール。
【請求項４】
前記排出ガス室へ排出ガスを流入させる流入口は、前記排出ガス室の他側に配置され、
前記排出ガス室から排出ガスを流出させる流出口は、前記排出ガス室の一側に配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか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、燃料ガスと酸化剤ガスとが一端側から他端側へと流れることによって作動する複数の燃料電池セルを含む燃料電池モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料ガスと酸化剤ガスとが一端側から他端側へと流れることによって作動する複数の燃料電池セルを含む燃料電池モジュールにおいては、外部から被改質ガスとしての都市ガス等が供給され、その都市ガス等を改質触媒が収められた改質器に導入し、水素リッチな燃料ガスに改質した後に複数の燃料電池セルへと供給している。また、改質器における燃料ガスへの改質にあたっては、水蒸気が必要とされる場合があり、水蒸気発生器が設けられている（例えば、下記特許文献１参照）。
【０００３】
下記特許文献１に記載の技術は、燃料電池セル集合体の下部に、その燃料電池セル集合体の他端側で残余の燃料ガスと残余の酸化剤ガスとが燃焼することによって発生する排出ガス室を設け、その排出ガス室内に水蒸気発生器を配置している。
【０００４】
また、燃料電池モジュールにおける水蒸気発生器に着目した技術としては、下記特許文献２に記載されているようなものも提案されている。
【特許文献１】特開２００７−０１８８７２号公報
【特許文献２】特開２００７−８７７５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上記特許文献１に記載の水蒸気発生器は、排出ガス室おいて効率的に熱交換を行って水蒸気を発生するために外周にフィンが配置されており、非常に大型のものであった。従って、水蒸気発生器を内包する燃料電池モジュールも大型なものとならざるを得ず、小型化を図ることは困難であった。
【０００６】
そこで本発明では、改質器に確実に水蒸気を供給することができると共に小型化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】
【０００７】
上記課題を解決するために本発明に係る燃料電池モジュールは、燃料ガス流路を内部に有すると共に前記燃料ガス流路の出口より残余の燃料ガスを放出し、燃料電池セル集合体を構成する複数の燃料電池セルと、前記燃料電池セル集合体の上部に配置され、被改質ガスを改質して燃料ガスとする改質触媒を含む少なくとも一つの改質器と、前記燃料電池セル集合体の下部に配置され、発電反応に寄与しなかった残余の燃料ガスと残余の酸化剤ガスとが混合して燃焼することによって排出される排出ガスを貯留する排出ガス室と、前記改質器に向けて水を送り出す水供給部と、を備える燃料電池モジュールであって、前記水供給部と前記改質器とを繋ぐ管路を備え、前記管路の一部は、前記水供給部側が前記排出ガス室の一側から前記排出ガス室内へと入り、前記改質器側が前記排出ガス室の他側から前記排出ガス室外へと出るように配置されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、改質器に確実に水蒸気を供給することができると共に小型化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ができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明を実施するための最良の形態を説明するのに先立って、本発明の作用効果について説明する。
【００１０】
本発明に係る燃料電池モジュールは、燃料ガス流路を内部に有すると共に前記燃料ガス流路の出口より残余の燃料ガスを放出し、燃料電池セル集合体を構成する複数の燃料電池セルと、前記燃料電池セル集合体の上部に配置され、被改質ガスを改質して燃料ガスとする改質触媒を含む少なくとも一つの改質器と、前記燃料電池セル集合体の下部に配置され、発電反応に寄与しなかった残余の燃料ガスと残余の酸化剤ガスとが混合して燃焼することによって排出される排出ガスを貯留する排出ガス室と、前記改質器に向けて水を送り出す水供給部と、を備える燃料電池モジュールであって、前記水供給部と前記改質器とを繋ぐ管路を備え、前記管路の一部は、前記水供給部側が前記排出ガス室の一側から前記排出ガス室内へと入り、前記改質器側が前記排出ガス室の他側から前記排出ガス室外へと出るように配置されていることを特徴とする。
【００１１】
本発明では、水供給部と改質器とを繋ぐ管路の一部を排出ガス室内に配置しているので、排出ガス室に貯留される排出ガスとの熱交換によって管路内の水を加熱して蒸発させることができる。水供給部は改質器に向けて水を送り出しているので、排出ガス室内において蒸発して水蒸気となった水を改質器へと送りこむことができる。管路の一部は、水供給部側が排出ガス室の一側から排出ガス室へ入り、他側から排出ガス室を出て改質器へと向うので、排出ガス室内においては一側から他側へと配置されることになり、排出ガスとの接触時間を確保することができ、効率よく水蒸気を発生させることができる。このような本発明の構成によれば、水供給部から改質器へと向う管路の一部を排出ガス室に配置するという簡単な構成で水蒸気を改質器に供給することができる。従って、水蒸気発生器のような特段の水蒸気発生手段を設けることなく、管路によって水蒸気を発生させて改質器に供給することができる。
【００１２】
また、本発明に係る燃料電池モジュールでは、前記水供給部が前記排出ガス室の下方に配置されていることも好ましい。この好ましい態様では、水供給部が排出ガス室の下方に配置されているため、水供給部と改質器との間に排出ガス室が位置することになり、水供給部と改質器とを繋ぐ管路を無駄なく最短距離に近い長さで構成できるため、その管路の一部を排出ガス室内に効率的に配置することができる。
【００１３】
また、本発明に係る燃料電池モジュールでは、前記排出ガス室へ排出ガスを流入させる流入口と前記排出ガス室から排出ガスを流出させる流出口とが、前記排出ガス室内に配置されている前記管路の一部を挟んで反対側にそれぞれ配置されていることも好ましい。
【００１４】
この好ましい態様では、排出ガスの流入口と流出口との間に管路の一部を配置するので、流入口から流出口へと流れる排出ガスを確実に管路の一部と交差させて確実に接触させることができる。従って、管路の一部を流れる水と排出ガスとの熱交換を効率的に行うことができる。
【００１５】
また、本発明に係る燃料電池モジュールでは、前記排出ガス室へ排出ガスを流入させる流入口は、前記排出ガス室の他側に配置され、前記排出ガス室から排出ガスを流出させる流出口は、前記排出ガス室の一側に配置されていることも好ましい。
【００１６】
本発明では上述したように、排出ガス室内の管路の一部内においては、水若しくは水蒸気が一側から他側へと流れるように構成されている。そこでこの好ましい態様のように、排出ガス室への排出ガスの流入口を他側に配置し、流出口を一側に配置することで、排出ガス室内の排出ガスの流れを他側から一側へと向うように構成することができるので、排出ガス室内の管路の一部を流れる水若しくは水蒸気の流れの向きと逆向きに排出ガスを流すことができる。従って、排出ガス室内において、熱を与える側の排出ガスの流れ方向と、熱を受ける側の水若しくは水蒸気の流れとがクロスするように構成することができ、より効果的に熱交換を行うことができる。また、上述したように流入口と流出口との間に管路の一部を配置する構成と組み合わせることで、より確実に管路の一部の周囲に排出ガスを流すことができ、より効果的に熱交換を行うことができる。
【００１７】
以下、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。
【００１８】
図１は、本発明に係る燃料電池モジュールの一実施形態である燃料電池モジュールＦＣを示す斜視図であって、カバー部材を取り外した状態を示す図である。図２は、燃料電池モジュールＦＣの断面図であって、図１の矢印Ａ方向において、燃料電池モジュールＦＣの中央近傍における断面図である。図３は、燃料電池モジュールＦＣの断面図であって、図１の矢印Ｂ方向において、燃料電池モジュールＦＣの中央近傍における断面図である。尚、図２及び図３においては、断面のハッチングを省略している。
【００１９】
カバー部材（図１，３に明示しない。図２にその外形を二点鎖線で示す）は、正面側の側壁と、長手方向の一対の側壁と、背面側の側壁と、天井とによって直方体状に形成される。各側壁の下端部には、フランジ部が形成され、そのフランジ部をベース部材２に当接させることで、カバー部材とベース部材２とによって密閉される空間が形成されている。カバー部材とベース部材２とはボルト（図示しない）によって固定され、そのボルトがカバー部材に設けられた取り付け穴を貫通し、ベース部材２に設けられた取り付け穴２ａを貫通することで固定されている。
【００２０】
カバー部材とベース部材２とによって形成される内部空間は、仕切り板１５によって二つの空間に分離されている。仕切り板１５によって分離されている空間の内、燃料電池セルスタック４００が配置されている空間が発電室１６である。仕切り板１５によって分離されている空間の内、他方の空間が排出ガス室１７（排出ガス室）である。尚、カバー部材の内壁面と仕切り板１５とは、直接若しくは何らかの密着用部材（例えば、可撓性のある薄板部材）を介して間接的に密着している。
【００２１】
仕切り板１５は、ベース部材２に設けられた支持部材１５ａに戴置され、ベース部材２と所定距離を保って保持されている。支持部材１５ａは、仕切り板１５を長手方向の両端において支持するように一対設けられている。従って、一対の支持部材１５ａ，１５ａ間には隙間１５ｂ（流入口）が形成されている。カバー部材の壁面に設けられた排気ガス通路（図示しない）を通った排出ガスは、この隙間１５ｂから排出ガス室１７へと導入される。排出ガス室１７へと導入された排出ガスは、排気口１１（流出口）から外部へと排出される。
【００２２】
仕切り板１５にはガスタンク３が載置されている。ガスタンク３には、燃料電池セルスタック４００が１０個並べて配置されており、ガスタンク３から燃料ガスが、それぞれの燃料電池セルスタック４００を構成する燃料電池セル４に供給される。
【００２３】
より具体的には、ガスタンク３の上面には、燃料電池セルスタック４００の下支持板４００ｂとほぼ同じ形状の開口部（図示しない）が設けられており、その開口部に下支持板４００ｂを密接させてガスタンク３と各燃料電池セルスタック４００とが接続されている。従って、燃料電池セルスタック４００を構成する燃料電池セル４は、その先端部分を上部側に向けてガスタンク３に立設されている。
【００２４】
各燃料電池セル４は、管状であり、燃料電池セル４の管内を燃料電池セル４の一方の端部から他方の端部へと流れるガスと、その管外を一方の端部から他方の端部へと流れるガスの作用により作動する。本実施形態では、燃料電池セル４の管内を流れるガスは、水素又は炭化水素燃料等を改質した改質ガス等の燃料ガスであり、燃料電池セル４の管外を流れるガスは、酸素を含む空気等の酸化剤ガスである。
【００２５】
ここで、燃料電池セル４を含む燃料電池セルユニット３０について、図４を参照しながら説明する。図４に示すように、燃料電池セルユニット３０は、燃料電池セル４によって形成され且つ上下方向に延びる管状構造体であり、円筒形の燃料電池セル４と、燃料電池セル４の一方の端部４ａに取付けられた内側電極端子４０と、他方の端部４ｂに取付けられた外側電極端子４２と、を有している。
【００２６】
燃料電池セル４は、円筒形の内側の電極層４４と、円筒形の外側の電極層４８と、これらの電極層４４、４８の間に配置された円筒形の電解質層４６と、内側の電極層４４の内側に構成される貫通流路５０とを有している。また、燃料電池セル４の一方の端部４ａに、内側の電極層４４が電解質層４６及び外側の電極層４８に対して露出した内側電極露出周面４４ａと、電解質層４６が外側の電極層４８に対して露出した電解質露出周面４６ａとが設けられている。燃料電池セル４の他方の端部４ｂは、外側の電極層４８が露出した外側電極露出周面４８ａによって構成されている。貫通流路５０は、燃料ガス流路として機能する。内側電極露出周面４４ａは、内側の電極層４４と電気的に通じる内側電極外周面でもある。外側電極露出周面４８ａは、外側の電極層４８と電気的に通じる外側電極外周面でもある。
【００２７】
内側の電極層４４は、例えば、Ｎｉと、ＣａやＹ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニアとの混合体、Ｎｉと、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリアとの混合体、Ｎｉと、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｕから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレートとの混合体、の少なくとも一種から形成される。電解質層４６は、例えば、Ｙ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニア、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリア、Ｓｒ、Ｍｇから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレート、の少なくとも一種から形成される。外側の電極層４８は、例えば、Ｓｒ、Ｃａから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンマンガナイト、Ｓｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンフェライト、Ｓｒ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれる少なくとも一種をドープしたサマリウムコバルト、銀、などの少なくとも一種から形成される。この場合、内側の電極層４４が燃料極になり、外側の電極層４８が空気極になる。内側の電極層４４の厚さは、例えば、１ｍｍであり、電解質層４６の厚さは、例えば、３０μｍであり、外側の電極層４８の厚さは、例えば、３０μｍであり、その外径は、例えば、１〜１０ｍｍである。
【００２８】
内側電極端子４０は、内側電極露出周面４４ａを全周にわたって外側から覆うように配置され且つそれと電気的に接続された本体部分４０ａと、本体部分４０ａから燃料電池セル４の長手方向に延びる管状部分４０ｂとを有している。本体部分４０ａ及び管状部分４０ｂは、円筒形であり且つ同心に配置され、管状部分４０ｂの管径は、本体部分４０ａの管径よりも細くなっている。管状部分４０ｂは、貫通流路５０と連通し且つ外部と通じる接続流路４０ｃを有している。本体部分４０ａと管状部分４０ｂとの間の段部４０ｄは、内側の電極層４４の端面４４ｂと当接している。
【００２９】
外側電極端子４２は、外側電極露出周面４８ａを全周にわたって外側から覆うように配置され且つそれと電気的に接続された本体部分４２ａと、本体部分４２ａから燃料電池セル４の長手方向に延びる管状部分４２ｂとを有している。本体部分４２ａ及び管状部分４２ｂは、円筒形であり且つ同心であり、管状部分４２ｂの管径は、本体部分４２ａの管径よりも細くなっている。管状部分４２ｂは、貫通流路５０と連通し且つ外部と通じる接続流路４２ｃを有している。本体部分４２ａと管状部分４２ｂとの間の段部４２ｄは、環状の絶縁部材５２を介して外側の電極層４８、電解質層４６及び内側の電極層４４の端面４４ｃと当接している。
【００３０】
内側電極端子４０の全体形状と外側電極端子４２の全体形状とは同一である。また、内側電極端子４０と燃料電池セル４、及び、外側電極端子４２と燃料電池セル４とは、その全周にわたって導電性のシール材５４によってシールされ且つ固定されている。シール材５４は、例えば、銀、銀とガラスの混合物、金、ニッケル、銅、チタンなどを含む各種ロウ材である。
【００３１】
内側電極端子４０の接続流路４０ｃ、燃料電池セル４の貫通流路５０、及び外側電極端子４２の接続流路４２ｃは、燃料電池セルユニット３０の管内流路３０ｃを構成する。
【００３２】
続いて、燃料電池セルユニット３０を含む燃料電池セルスタック４００について、図５を参照しながら説明する。燃料電池セルスタック４００は、１６本の燃料電池セルユニット３０と、上支持板４００ａと、下支持板４００ｂと、接続部材４００ｃと、外部端子４００ｄとを備えている。
【００３３】
上支持板４００ａ及び下支持板４００ｂは矩形であり、それぞれ、燃料電池セルユニット３０を２列×８行で支持するように燃料電池セルユニット３０の管状部分４０ｂ、４２ｂに嵌合する貫通孔（図に明示しない）を有している。上支持板４００ａ及び下支持板４００ｂは、電気絶縁性材料で形成されており、例えば、耐熱性のセラミックスで形成されている。具体的には、アルミナ、ジルコニア、スピネル、フォルステライト、マグネシア、チタニアなどを用いることが好ましい。
【００３４】
１６本の燃料電池セルユニット３０は、それらが電気的に直列に接続されるように配列されている。詳細には、燃料電池セルユニット３０は、隣接した燃料電池セルユニット３０の内側電極端子４０が交互に上側及び下側に配置されるように配列されている。更に、１６本の燃料電池セルユニット３０を電気的に直列に接続するための接続部材４００ｃが設けられている。接続部材４００ｃは、隣接した１つの内側電極端子４０と１つの外側電極端子４２とを電気的に接続する。直列に接続された１６本の燃料電池セルユニット３０の両端部の内側電極端子４０及び外側電極端子４２にはそれぞれ、外部と電気的な接続を行うための外部端子４００ｄが設けられている。接続部材４００ｃ、外部端子４００ｄは、例えば、ステンレス鋼、ニッケル基合金、クロム基合金などの耐熱金属や、ランタンクロマイトなどのセラミック材料で形成される。各燃料電池セルスタック４００の外部端子４００ｄは電気的に直列に接続されていて、その両端には電極棒１３，１４に接続されている。
【００３５】
図４及び図５を参照しながら説明したように、燃料電池セルスタック４００において、燃料電池セルユニット３０の内側電極端子４０が設けられている端部４ａと外側電極端子４２が設けられている端部４ｂとは上下交互になるように配置されている。
【００３６】
ここで、図１〜３に戻り、燃料電池モジュールＦＣの説明を続ける。更に、引き続く説明においては、図６及び図７も参照する。図６は、図１から流路部材７を取り外した状態を示す斜視図である。図７は、図６の状態から更に、改質器５、燃料電池セルスタック４００、ガスタンク３を取り外した上体を示す斜視図である。本実施形態では、燃料電池セルスタック４００の上方に位置するように、改質器５が配置されている。改質器５には、配管６Ｃ（管路）と配管６Ｄとが繋がれていて、これらの配管６Ｃ及び配管６Ｄによって、改質器５は燃料電池セルスタック４００と所定間隔をおいて上方に位置するように保持されている。配管６Ｃは、改質器５に被改質ガスとしての都市ガス、空気、及び水蒸気を供給するための配管であって、仕切り板１５に対して立設されている。配管６Ｄは、改質器５において改質された燃料ガスをガスタンク３に供給するための配管であって、ガスタンク３に対して立設されている。
【００３７】
配管６Ｃを通して改質器５に供給される都市ガス及び空気は、被改質ガス供給管６Ａを通って燃料電池モジュールＦＣ内に導入される。また、配管６Ｃを通して改質器５に供給される水蒸気は、水蒸気供給管６Ｂ（管路）を通って燃料電池モジュールＦＣ内に導入される。被改質ガス供給管６Ａ及び水蒸気供給管６Ｂは、仕切り板１５を挟んで配管６Ｃとは反対側に設けられている混合室１５ｃに繋がっている。被改質ガス供給管６Ａから供給される都市ガス及び空気と、水蒸気供給管６Ｂから供給される水蒸気とは、この混合室１５ｃにおいて混合され、配管６Ｃへと供給される。
【００３８】
図１〜３には明示しないが本実施形態では、被改質ガス供給管６Ａと水蒸気供給管６Ｂとのそれぞれに電磁弁が取り付けられていて、それぞれの電磁弁は制御部としてのＣＰＵから出力される指示信号に応じて開閉し、改質器５に供給する被改質ガスと空気と水蒸気の比率を変更可能なように構成されている。
【００３９】
改質器５に導入された被改質ガスとしての都市ガス（水蒸気が混合されている場合もあり）及び空気（被改質ガスのみの場合もあり）は、改質器５内に収められている改質触媒によって改質される。改質された燃料ガスは、配管６Ｄを通ってガスタンク３へと供給される。改質器５に対して配管６Ｃが繋がっている部分と、改質器５に対して配管６Ｄが繋がっている部分とは、長手方向において一端近傍と他端近傍とに引き離されている。これによって、改質器５に供給された燃料ガス及び空気は改質触媒に十分に触れることが可能となる。
【００４０】
改質器５には、改質触媒が封入されている。改質触媒としては、アルミナの球体表面にニッケルを付与したもの、アルミナの球体表面にルテニウムを付与したもの、が適宜用いられる。これらの改質触媒は球体である。
【００４１】
本実施形態では、改質器５及び各燃料電池セルスタック４００を覆うように、流路部材７が設けられている。流路部材７は、空気流路外壁７１，７２と、空気分配室７３と、空気集約室７４，７５と、空気流路管７６ａ，７６ｂ，７７ａ，７７ｂと、外壁７８，７９を有している。流路部材７は、長手方向に空気流路外壁７１，７２が、短手方向に外壁７８，７９が、それぞれ配置され、それらの部材によって箱状となるように形成されている。流路部材７は、改質器５及び各燃料電池セルスタック４００を覆うように、仕切り板１５に立設されている。続く説明では、流路部材７の仕切り板１５に当接する側を下方とし、その下方と反対側を上方として説明する。
【００４２】
空気分配室７３は、外壁７９の外側上方に取り付けられている。すなわち、空気分配室７３は、空気流路外壁７１，７２と外壁７８，７９とによって形成される箱状体の外側且つ短手側の上方に取り付けられている。空気分配室７３には、空気供給管７Ａが繋がれており、酸化剤ガスとしての空気が供給される。空気分配室７３には、空気流路管７６ａ，７６ｂ，７７ａ，７７ｂも繋がれている。
【００４３】
空気流路管７６ａ，７６ｂは、空気流路外壁７１，７２と外壁７８，７９とによって形成される箱状体の内側且つ長手側の上方に、空気流路外壁７１に沿うように配置されている。空気流路管７６ａは、空気流路外壁７１側に、空気流路管７６ｂは、空気流路管７６ａよりも内側に、それぞれ配置されている。空気流路管７６ａ，７６ｂの一端は外壁７９を貫通して空気分配室７３に繋がれており、他端は空気集約室７４に繋がれている。従って、空気分配室７３に流入した空気は、空気流路管７６ａ，７６ｂを通り、空気集約室７４へと流れ込んで再合流する。
【００４４】
空気流路管７７ａ，７７ｂは、空気流路外壁７１，７２と外壁７８，７９とによって形成される箱状体の内側且つ長手側の上方に、空気流路外壁７２に沿うように配置されている。空気流路管７７ａは、空気流路外壁７２側に、空気流路管７７ｂは、空気流路管７７ａよりも内側に、それぞれ配置されている。空気流路管７７ａ，７７ｂの一端は外壁７９を貫通して空気分配室７３に繋がれており、他端は空気集約室７５に繋がれている。従って、空気分配室７３に流入した空気は、空気流路管７７ａ，７７ｂを通り、空気集約室７５へと流れ込んで再合流する。
【００４５】
空気集約室７４，７５は、外壁７８の内側上方に取り付けられている。すなわち、空気集約室７４，７５は、空気流路外壁７１，７２と外壁７８，７９とによって形成される箱状体の内側且つ短手側の上方に取り付けられている。空気集約室７４は空気流路外壁７１と密着するように配置されており、空気集約室７４に流れ込んだ空気は空気流路外壁７１へと流れ出すように構成されている。一方、空気集約室７５は空気流路外壁７２と密着するように配置されており、空気集約室７５に流れ込んだ空気は空気流路外壁７２へと流れ出すように構成されている。
【００４６】
空気流路外壁７１，７２は、それぞれが二重壁構造となっていて、それぞれの内部を空気が流れることができるように構成されている。より具体的には、空気流路外壁７１は、上方から三室に分割された構造となっており、上方から順に、第一室７１１、第二室７１２、第三室７１３として形成されている。空気集約室７４から流れ込んだ空気は、第一室７１１に流れ込んだ後、第二室７１２に流れ込み、その後第三室７１３に流れ込む。同様に、空気流路外壁７２も、上方から三室に分割された構造となっており、上方から順に、第一室７２１、第二室７２２、第三室７２３として形成されている。空気集約室７５から流れ込んだ空気は、第一室７２１に流れ込んだ後、第二室７２２に流れ込み、その後第三室７２３に流れ込む。
【００４７】
第三室７１３，７２３にはそれぞれ、所定間隔をおいて複数の空気流入孔７１３ａ，７２３ａが形成されている。空気流入孔７１３ａ，７２３ａは、燃料電池セルスタック４００が連設されている方向に、各燃料電池セル４間の間隙に向かう位置であって、燃料電池セル４に対する上下方向の位置が略同一となるように、複数個形成されている。
【００４８】
空気流路外壁７１，７２に流れ込んだ空気は、空気流入孔７１３ａ，７２３ａを通って発電室１６内の燃料電池セル４近傍へと流れ込むように構成されている。空気流入孔７１３ａ，７２３ａを通って流れ込んだ空気は、燃料電池セル４の外側を通って各燃料電池セル４の下方から上方へと流れる。各燃料電池セル４の上方に至った空気は、各燃料電池セル４の管内流路を通った燃料ガスと合わせて燃焼される。
【００４９】
各燃料電池セルスタック４００の上方は、空気と燃料ガスとが混合して燃焼する燃焼部１８となっている。燃料ガスは、ガスタンク３から、燃料電池セルユニット３０の管内流路３０ｃを通り、燃焼部１８に向けて上昇する。また、燃料電池セル４の外側を流れる空気も、燃焼部１８に向けて上昇する。空気流路外壁７２の燃焼部１８に対応する部分には点火装置挿入穴７２４が設けられ、燃焼ガスと空気との燃焼を開始させるための点火装置（図示しない）が点火装置挿入穴７２４から燃焼部１８に突出されている。この点火装置により燃料ガスと空気とが混合して燃焼する。燃料電池セルスタック４００を構成する燃料電池セル４は、燃焼部１８によって上方から加熱される。また、空気流入孔７１３ａ，７２３ａを通って流れ込む空気も、上述したように空気流路管７６ａ，７６ｂ，７７ａ，７７ｂ、空気流路外壁７１，７２を通る間に、燃焼部１８における燃焼によって加熱される。
【００５０】
上述したように、燃焼部１８において、燃料ガスと空気とが混合して燃焼したことにより発生した排出ガスは、隙間１５ｂから排出ガス室１７へと流入する。この流入経路について、図２を模式的に示した図８を参照しながら説明する。図８に示すように、燃焼部１８において、燃料ガスと空気とが混合して燃焼したことにより発生した排出ガスは、カバー１に形成された排出ガス流路１ａを通って下方に向い、隙間１５ｂから排出ガス室１７へと流入する。排出ガス室１７に流入した排出ガスは、排気口１１から外部へ排出される。
【００５１】
続いて、排出ガス室１７における排出ガスの流れについて図９を参照しながら説明する。図９は、排出ガス室１７における排出ガスの流れを説明するための模式図であって、図７を平面視した図である。図９に示すように、配管６Ｂは、その一端側６Ｂａにおいて排出ガス室１７内に入っている。配管６Ｂの他端側６Ｂｂは、混合室１５ｃに繋がっている。混合室１５ｃには配管６Ｃが繋がっており、配管６Ｃは改質器５に繋がっている。従って、配管６Ｂから混合室１５ｃを経由して配管６Ｃに繋がる一連の流路が、本発明における管路として機能している。配管６Ｂの上流には、図１０に示すように、逆止弁９０、ポンプ９１（水供給部）、純水タンク９２が順に配置されている。純水タンク９２にはフロートセンサ９３が配置されている。ポンプ９１及び逆止弁９０は、排出ガス室１７の下方に位置するように配置されている。
【００５２】
上述したような構成によって、水供給部としてのポンプ９１によって純水タンク９２から改質器５へ向けて送り出された水は、配管６Ｂを通って改質器５へと向う。配管６Ｂは、その一端側６Ｂａが排出ガス室１７の一側１７ａに配置され、他端側６Ｂｂが排出ガス室１７の他側１７ｂに配置されており、一側１７ａから他側１７ｂにかけて延在している。排出ガス室１７に排出ガスを取り込む隙間１５ｂは、排出ガス室１７の一側１７ａから他側１７ｂにかけて、排出ガス室１７の長手方向に沿って延在しており、その延在する方向に並列して一対設けられている。一対の隙間１５ｂは、配管６Ｂを挟んで設けられている。排気口１１は、排気ガス室１７の一側１７ａであって、排出ガス室１７の短手方向の略中央近傍に設けられている。配管６Ｂは、一対の隙間１５ｂの一方と排気口１１との間に位置し、上述したように、一側１７ａから他側１７ｂにかけて延在している。従って、排出ガス室１７においては、図９中の二点鎖線で示すように、排出ガスが隙間１５ｂから流れ込んで排気口１１へと向って流れる。従って、排出ガスは、配管６Ｂを横切るように流れる。そのため、配管６Ｂ内を流れる水と十分な熱交換を行うことが可能となり、配管６Ｂ内の水は水蒸気となって、混合室１５ｃへと流れ込む。
【００５３】
排出ガス室１７内を流れる排出ガスと、配管６Ｂ内を流れる水との熱交換の態様は上述したものに限られない。その変形例を図１１に示す。図１１に示す変形例では、排出ガス室１７の一側１７ａ側の支持部材１５ａａを他側１７ｂまで延伸し、隙間１５ｂａを他側１７ｂにのみ設けたものである。排出ガス室１７に排出ガスを取り込む隙間１５ｂａは、排出ガス室１７の他側１７ｂにおいて、排出ガス室１７の長手方向に沿って延在しており、その延在する方向に並列して一対設けられている。一対の隙間１５ｂａは、配管６Ｂを挟んで設けられている。排気口１１は、排気ガス室１７の一側１７ａであって、排出ガス室１７の短手方向の略中央近傍に設けられている。配管６Ｂは、一対の隙間１５ｂａの一方と排気口１１との間に位置し、上述したように、一側１７ａから他側１７ｂにかけて延在している。従って、隙間１５ｂａから排出ガス室１７へと流れ込んだ排出ガスは、配管６Ｂを横切りつつも、配管６Ｂに沿って流れて排気口１１へと向う。配管６Ｂ近傍に着目すれば、排出ガスと水とは対向流となっており、効果的な熱交換を行うことができる。
【００５４】
また、図１２に示すような変形例を採用することも好ましい態様である。図１２に示す変形例では、排出ガス室１７の他側１７ｂ側の支持部材１５ａを除去し、排出ガス室１７の一側１７ａ側の支持部材１５ａｂを他側１７ｂまで延伸し、混合室１５ｃを挟んで排気口１１とは反対側に隙間１５ｂｂを設けたものである。上述したように、排気口１１は、排気ガス室１７の一側１７ａであって、排出ガス室１７の短手方向の略中央近傍に設けられている。配管６Ｂは、一対の隙間１５ｂａの一方と排気口１１との間に位置し、上述したように、一側１７ａから他側１７ｂにかけて延在している。また、隙間１５ｂｂは、混合室１５ｃを挟んで排気口１１とは反対側に設けられているため、配管６Ｂの他端側６Ｂｂよりも外側に設けられていることになる。従って、隙間１５ｂｂから排出ガス室１７へと流れ込んだ排出ガスは、ほぼ配管６Ｂに沿って流れて排気口１１へと向う。配管６Ｂ近傍に着目すれば、排出ガスと水とは対向流となっており、効果的な熱交換を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】カバー部材を外して示す燃料電池モジュールの斜視図である。
【図２】図１に示す燃料電池モジュールの断面図である。
【図３】図１に示す燃料電池モジュールの断面図である。
【図４】燃料電池セルユニットを説明するための図である。
【図５】燃料電池セルスタックを説明するための図である。
【図６】図１において、流路部材を取り外した状態を示す燃料電池モジュールの斜視図である。
【図７】図６において、燃料電池セルユニット及び改質器等を取り外した状態を示す燃料電池モジュールの斜視図である。
【図８】排出ガスの流れを模式的に示した図である。
【図９】図７において、水蒸気供給管内の水若しくは水蒸気の流れと、排出ガス室内の排出ガスの流れとを模式的に示す図である。
【図１０】図９に示す水蒸気供給管の上流側を説明するための図である。
【図１１】図９の変形例を示す図である。
【図１２】図９の変形例を示す図である。
【符号の説明】
【００５６】
２：ベース部材
２ａ：穴
３：ガスタンク
４：燃料電池セル
４ａ：端部
４ｂ：端部
５：改質器
６Ａ：被改質ガス供給管
６Ｂ：水蒸気供給管
６Ｃ：配管
６Ｄ：配管
７：流路部材
７Ａ：空気供給管
１３，１４：電極棒
１５：板
１５ａ：支持部材
１５ｂ：隙間
１５ｃ：混合室
１６：発電室
１７：排出ガス室
１８：燃焼部
３０：燃料電池セルユニット
３０ｃ：管内流路
４０：内側電極端子
４０ａ：本体部分
４０ｂ：管状部分
４０ｃ：接続流路
４０ｄ：段部
４２：外側電極端子
４２ａ：本体部分
４２ｂ：管状部分
４２ｃ：接続流路
４２ｄ：段部
４４：電極層
４４ａ：内側電極露出周面
４４ｂ：端面
４４ｃ：端面
４６：電解質層
４６ａ：電解質露出周面
４８：電極層
４８ａ：外側電極露出周面
５０：貫通流路
５２：絶縁部材
５４：シール材
７１：空気流路外壁
７２：空気流路外壁
７３：空気分配室
７４：空気集約室
７５：空気集約室
７６ａ，７６ｂ，７７ａ，７７ｂ：空気流路管
７６ａａ，７６ｂａ，７７ａａ，７７ｂａ：下面
７８：外壁
７９：外壁
８０，８１：移行板
８２，８３：移行ブロック
８４：移行板
４００：燃料電池セルスタック
４００ａ：上支持板
４００ｂ：下支持板
４００ｃ：接続部材
４００ｄ：外部端子
７１１：第一室
７１２：第二室
７１３：第三室
７１３ａ，７２３ａ：空気流入孔
７２１：第一室
７２２：第二室
７２３：第三室
７２４：点火装置挿入穴
ＦＣ：燃料電池モジュール
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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