(57)【要約】【課題】コンパクト化を図ると共に燃料電池セル集合体の温度のバラツキを防止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、燃料ガスと酸素含有ガスとにより動作する複数の燃料電池セル16を有する燃料電池セル集合体12を備えた燃料電池モジュール2であり、燃料電池セル集合体が配置される発電室10と、燃料電池セル16の動作に用いられなかった燃料ガスと酸素含有ガスが燃焼することにより生じる排気ガスを発電室の上方空間から排出するための排気ガス排出路80と、この排気ガス排出路と発電室との間の空間に形成された空気層84と、を有し、空気層の排気ガス排出路と接する部分に排気ガスの空気層内への流入を防止する排気ガス流入防止部90を形成したことを特徴としている。【選択図】図４
2010238622.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸素含有ガスとにより動作する複数の燃料電池セルを有する燃料電池セル集合体を備えた燃料電池モジュールにおいて、
燃料電池セル集合体が配置される発電室と、
上記燃料電池セルの動作に用いられなかった燃料ガスと酸素含有ガスが燃焼することにより生じる排気ガスを上記発電室の上方空間から排出するための排気ガス排出路と、
この排気ガス排出路と発電室との間の空間に形成された空気層と、を有し、
上記空気層の排気ガス排出路と接する部分に排気ガスの空気層内への流入を防止する排気ガス流入防止部を形成したことを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項２】
上記空気層は、板状部材により形成され、上記排気ガス流入防止部は、この板状部材の上端を折り曲げて形成された壁部である請求項１記載の燃料電池モジュール。
【請求項３】
上記空気層は、上記燃料電池セル集合体の長手方向に沿った側に形成されている請求項１又は請求項２に記載の燃料電池モジュール。
【請求項４】
上記空気層は、上記燃料電池セル集合体の四方の側に形成されている請求項１又は請求項２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係わり、特に、燃料ガスと酸素含有ガスとにより動作する複数の燃料電池セルからなる燃料電池セル集合体を備えた燃料電池モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
固体電解質型燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell：以下「ＳＯＦＣ」とも言う）は、電解質として酸化物イオン導電性固体電解質を用い、その両側に電極を取り付け、一方の側に燃料ガスを供給し、他方の側に空気を供給して、比較的高温で発電反応を生じさせて発電を行う燃料電池である。
【０００３】
この種の燃料電池では、燃料電池セル集合体を収納する発電室において、発電に寄与しない燃料ガスと酸化剤含有ガス（空気）とが燃焼し、その排気ガスが、発電室の上部から排気ガス排出路を通って排出されるようになっている。
【０００４】
特許文献１には、燃料電池セルを一列に配列したセルスタックを収容する発電室と、この発電室の両側に設けられ、発電に使用されなかった酸素含有ガスと燃料ガスとが燃焼した排気ガスを排出する排気ガス流通空間を備えた燃料電池モジュールが開示されている。この文献１のものでは、発電室と排気ガス流通空間との間に断熱材が配置されている。
【０００５】
特許文献２には、同様に、燃料電池スタックを収容する発電室と、この発電室の周囲に配設された断熱保温層を備えた燃料電池システム（燃料電池モジュール）が開示されている。この特許文献２のものでは、この断熱保温層を通して、発電室内の発電反応に伴って発生する反応熱が外部に放熱されるので、この放熱ロスを防止して反応熱を有効利用するために、断熱保温層内に水の入ったジャケット容器等の熱利用手段を設けるようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−６６１２７号公報
【特許文献２】特開２００５−１００８２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述した特許文献１及び特許文献２のように、発電室の周囲に断熱材又は断熱保温層を設けた場合、燃料電池セルスタックの中心部が比較的高温となり、一方、セルスタックの周辺部は比較的低温となり、温度のバラツキがあるので、断熱材又は断熱保温層の厚みは、この比較的高温であるセルスタックの中心部の温度に対応した厚みとしなければならず、それにより、断熱材又は断熱保温層の厚みが大きくなり、コンパクト化が要請される燃料電池モジュールにおいては、問題であった。
【０００８】
さらに、特許文献１及び特許文献２には明示されていないが、燃料電池セルスタックや燃料電池セル集合体における温度のバラツキは、良好な電池反応を行うためには好ましくない。
【０００９】
そこで、本発明は、上述した従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、コンパクト化を図ると共に燃料電池セル集合体の温度のバラツキを防止することができる燃料電池モジュール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】
【００１０】
上記の目的を達成するために、本発明は、燃料ガスと酸素含有ガスとにより動作する複数の燃料電池セルを有する燃料電池セル集合体を備えた燃料電池モジュールにおいて、燃料電池セル集合体が配置される発電室と、燃料電池セルの動作に用いられなかった燃料ガスと酸素含有ガスが燃焼することにより生じる排気ガスを発電室の上方空間から排出するための排気ガス排出路と、この排気ガス排出路と発電室との間の空間に形成された空気層と、を有し、空気層の排気ガス排出路と接する部分に排気ガスの空気層内への流入を防止する排気ガス流入防止部を形成したことを特徴としている。
このように構成された本発明においては、排気ガス排出路と発電室との間の空間に空気層を形成したので、この空気層が断熱機能を有し、これにより、発電室が排気ガス排出路から断熱され発電室の温度低下を防止することができる。次に、発電室から空気層へ熱が移動したとき、空気層内で空気が高温領域から低温領域へ熱拡散するので空気層内の空気の温度が均一化され、これにより、燃料電池セル集合体の温度のバラツキを抑えることができる。さらに、排気ガス流入防止部を設けて排気ガスが空気層内へ流入することを防止しているので、排気ガスが空気層内に流入して局所的な温度のバラツキが発生することもない。また、空気層を用いたので、厚みを薄くすることができ、コンパクト化できる。
【００１１】
本発明において、好ましくは、空気層は、板状部材により形成され、排気ガス流入防止部は、この板状部材の上端を折り曲げて形成された壁部である。
このように構成された本発明においては、排気ガス流入防止部が板状部材の上端を折り曲げて形成された壁部により形成しているので、簡易な構造により、排気ガス流入防止部を形成することができる。
【００１２】
本発明において、好ましくは、空気層は、燃料電池セル集合体の長手方向に沿った側に形成されている。
このように構成された本発明においては、燃料電池セル集合体が長手方向に長い場合には中央部分の温度が両端部分の温度よりも高温となるが、そのような場合でも、空気層が燃料電池セル集合体の長手方向に沿った側に形成されているので、空気層内の中央部分の高温となった空気が両端部分へ熱拡散することにより、空気層内の温度が均一化されるので、これにより、燃料電池セル集合体の温度のバラツキを抑えることができる。
【００１３】
本発明において、好ましくは、空気層は、燃料電池セル集合体の四方の側に形成されている。
このように構成された本発明においては、燃料電池セル集合体の四方の側に形成されているので、燃料電池セル集合体のほぼ全域が空気層により囲まれ、さらに、このほぼ全域において空気層内の温度が均一化されるので、これにより、燃料電池セル集合体の温度のバラツキをより効果的に抑えることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の燃料電池モジュールによれば、コンパクト化を図ると共に燃料電池セル集合体の温度のバラツキを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態による燃料電池モジュールを備えた固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）を示す全体構成図である。
【図２】本発明の一実施形態による燃料電磁モジュールを示す斜視図である。
【図３】本発明の一実施形態による燃料電池モジュールを示す正面断面図である。
【図４】図３のIV-IV線に沿って断面図である。
【図５】図４のＡ部を拡大して示す断面図である。
【図６】図３のVI-VI線に沿って見た断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
次に、添付図面を参照して、本発明の実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の燃料電池モジュールを説明する。
図１は、本発明の一実施形態による燃料電池モジュールを備えた固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）を示す全体構成図である。この図１に示すように、固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）１は、燃料電池モジュール２と、補機ユニット４を備えている。
【００１７】
燃料電池モジュール２は、ハウジング６を備え、このハウジング６内部には、密封空間８が形成されている。この密閉空間８の下方部分である発電室１０には、燃料ガスと酸素含有ガス（空気）とにより発電反応を行う燃料電池セル集合体１２が配置されている。この燃料電池セル集合体１２は、１０個の燃料電池セルスタック１４を備え、この燃料電池セルスタック１４は、１６本の燃料電池セル１６から構成されている。このように、燃料電池セル集合体１２は、１６０本の燃料電池セル１６を有し、これらの燃料電池セル１６の全てが直列接続されている。
【００１８】
燃料電池モジュール２の密封空間８の上述した発電室１０の上方には、燃焼室１８が形成され、この燃焼室１８で、発電反応に使用されなかった残余の燃料ガスと残余の酸素含有ガス（空気）とが燃焼し、排気ガスを生成するようになっている。
また、この燃焼室１８の上方には、燃料ガスを改質する改質器２０が配置され、残余の燃料ガスの燃料熱によって改質器２０を改質反応が可能な温度となるように加熱している。さらに、この改質器２０の上方には、燃焼熱を受けて発電用空気を加熱するための空気用熱交換器２２が配置されている。
【００１９】
次に、補機ユニット４は、水道等の水供給源２４からの水を貯水してフィルターにより純水とする純水タンク２６と、この貯水タンクから供給される水の流量を調整する水流量調整ユニット２８（モータで駆動される「水ポンプ」等）を備えている。また、補機ユニット４は、都市ガス等の燃料供給源３０から供給された燃料ガスを遮断するガス遮断弁３２と、燃料ガスから硫黄を除去するための脱硫器３６と、燃料ガスの流量を調整する燃料流量調整ユニット３８（モータで駆動される「燃料ポンプ」等）を備えている。さらに、補機ユニット４は、空気供給源４０から供給される酸素含有ガスである空気を遮断する電磁弁４２と、空気の流量を調整する改質用空気流量調整ユニット４４（モータで駆動される「空気ブロア」等）及び発電用空気流量調整ユニット４５（モータで駆動される「空気ブロア」等）と、改質器２０に供給される改質用空気を加熱する第１ヒータ４６と、発電室に供給される第発電用空気を加熱する第２ヒータ４８とを備えている。これらの第１ヒータ４６と第２ヒータ４８は、起動時の昇温を効率よく行うために設けられているが、省略しても良い。
【００２０】
次に、燃料電池モジュール２には、排気ガスが供給される温水製造装置５０が接続されている。この温水製造装置５０には、水供給源２４から水道水が供給され、この水道水が排気ガスの熱により温水となり、図示しない外部の給湯器の貯湯タンクへ供給されるようになっている。
また、燃料電池モジュール２には、燃料ガスの供給量等を制御するための制御ボックス５２が取り付けられている。
さらに、燃料電池モジュール２には、燃料電池モジュールにより発電された電力を外部に供給するための電力取出部（電力変換部）であるインバータ５４が接続されている。
【００２１】
次に、図２乃至図６により、本発明の実施形態による燃料電池モジュールの内部構造を説明する。図２は本発明の一実施形態による燃料電磁モジュールを示す斜視図であり、図３は本発明の一実施形態による燃料電池モジュールを示す正面断面図であり、図４は図３のIV-IV線に沿って断面図であり、図５は図４のＡ部を拡大して示す断面図であり、図６は図３のVI-VI線に沿って見た断面図である。
【００２２】
図２乃至図４に示すように、燃料電池モジュール２のハウジング６内の密閉空間８には、上述したように、下方から順に、燃料電池セル集合体１２、改質器２０、空気用熱交換器２２が配置されている。
【００２３】
改質器２０は、その上流端側に純水を導入するための純水導入管６０と改質される燃料ガスと改質用空気を導入するための被改質ガス導入管６２が取り付けられ、また、改質器２０の内部には、上流側から順に、蒸発部２０ａと改質部２０ｂを形成され、改質部２０ｂには改質触媒が充填されている。この改質器２０に導入された水蒸気（純水）が混合された燃料ガス及び空気は、改質器２０内に充填された改質触媒により改質される。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や、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。
【００２４】
この改質器２０の下流端側には、燃料ガス供給管６４が接続され、この燃料ガス供給管６４は、下方に延び、さらに、燃料電池セル集合体１２の下方に形成されたマニホールド６６内で水平に延びている。燃料ガス供給管６４の水平部６４ａの下方面には、複数の燃料供給孔６４ｂが形成されており、この燃料供給孔６４ｂから、改質された燃料ガスがマニホールド６６内に供給される。
【００２５】
このマニホールド６６の上方には、上述した燃料電池セルスタック１４を支持するための貫通孔を備えた下支持板６８が取り付けられており、マニホールド６６内の燃料ガスが、燃料電池セル１６内に供給される。
【００２６】
次に、改質器２０の上方には、空気用熱交換器２２が設けられている。この空気用熱交換器２２は、上流側に空気集約室７０、下流側に２つの空気分配室７２を備え、これらの空気集約室７０と空気分配室７２は、６個の空気流路管７４により接続されている。ここで、図３に示すように、３個の空気流路管７４が一組（７４ａ，７４ｂ，７４ｃ，７４ｄ，７４ｅ，７４ｆ）となっており、空気集約室７０内の空気が各組の空気流路管７４からそれぞれの空気分配室７２へ流入する。
【００２７】
空気用熱交換器２２の６個の空気流路管７４内を流れる空気は、燃焼室１８で燃焼して上昇する排気ガスにより予熱される。
空気分配室７２のそれぞれには、空気導入管７６が接続され、この空気導入管７６は、下方に延び、その下端側が、発電室１０の下方空間に連通し、発電室１０に余熱された空気を導入する。
【００２８】
次に、マニホールド６６の下方には、排気ガス室７８が形成されている。また、図４に示すように、ハウジング６の長手方向に沿った面である前面６ａと後面６ｂの内側には、上下方向に延びる排気ガス排出路８０が形成され、この排気ガス排出路８０の上端側は、空気用熱交換器２２（空気流路管７８）が配置された発電室１０の上方の空間と連通し、下端側は、排気ガス室７８と連通している。また、排気ガス室７８の下面のほぼ中央には、排気ガス排出管８２が接続され、この排気ガス排出管８２の下流端は、図１に示す上述した温水製造装置５０に接続されている。
図３に示すように、燃料ガスと空気との燃焼を開始するための点火装置８３が、燃焼室１８に設けられている。
【００２９】
さらに、図４に示すように、排気ガス排出路８０と発電室８との間の空間には、空気層８４が形成されている。この空気層８４は、燃料電池セル集合体１２が平面視で長方形形状となっているので、この燃料電池セル集合体１２の長手方向に沿って、前側と後側の２箇所に設けられている（図６参照）。
【００３０】
これらの空気層８４は、図６に示すように、発電室８の前側と後側で且つ燃料電池セル集合体１２の長手方向に沿って設けられた第１板状部材８６と、排気ガス排出路８０の内部側壁として機能する第２板状部材８８から形成される。
具体的には、図５に示すように、第１板状部材８６の先端部が外側に折り曲げられ、次に、第２板状部材８８が内側に折り曲げられ、これらの２つの板状部材８６，８８の重なり部分が壁部９０を形成している。この壁部９０により、空気層８４の内部に排気ガスが流入しないようになっている。
【００３１】
次に、上述した本実施形態による燃料電池モジュールの作用（動作）を説明する。
先ず、本実施形態においては、排気ガス排出路８０と発電室１０との間の空間に空気層８４を形成したので、この空気層８４が断熱機能を有し、これにより、発電室１０が排気ガス排出路８０から断熱され発電室１０の温度低下を防止することができる。
次に、燃料電池セル集合体１２は中央部が比較的高温で、横方向の端部は比較的低温となっており、温度のバラツキがある。このため、発電室１０から空気層８４へ熱が移動したとき、空気層８４内の空気も、中央部では比較的高温となり、端部では比較的低温となるが、空気が、図６において、矢印Ｂで示すように、高温領域８０ａから低温領域８０ｂへ移動するので空気層８４内の空気の温度が均一化される。これにより、燃料電池セル集合体１２の温度のバラツキを抑えることができる。さらに、排気ガス流入防止部である壁部９０を設けているので、排気ガスが空気層８４内へ流入することが防止されるので、排気ガスが空気層８４内に流入して局所的な温度のバラツキが発生することもない。
また、断熱材の代わりに空気層８４を用いたので、厚みを薄くすることができ、装置全体がコンパクトになる。
【００３２】
次に、空気層８４は、第１板状部材８６及び第２板状部材８８により形成され、排気ガス流入防止部である壁部９０がこれらの板状部材８６，８８の上端を折り曲げて形成されているので、簡易な構造により、排気ガス流入防止部を形成することができる。
【００３３】
上述した実施形態においては、燃料電池セル集合体が長方形状のものであるが、燃料電池セルが正方形形状又はそれに近い形状の場合には、排気ガス排出路を四方の側に設けると共に、この排気ガス排出路と発電室の間の四方の側に、空気室を形成するようにしても良い。この場合には、空気室が、燃料電池セル集合体の四方の側に形成されているので、燃料電池セル集合体のほぼ全域が空気層により囲まれ、さらに、このほぼ全域において空気層内の温度が均一化されるので、これにより、燃料電池セル集合体の温度のバラツキをより効果的に抑えることができる。
【符号の説明】
【００３４】
１  固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）
２  燃料電池モジュール
６  ハウジング
１０  発電室
１２  燃料電池セル集合体
１４  燃料電池セルスタック
１６  燃料電池セル
１８  燃焼室
８０  排気ガス排出路
８４  空気層
８６  第１板状部材
８８  第２板状部材
９０  壁部
【図１】
2010238622.tif 000003
【図２】
2010238622.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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