(57)【要約】  本発明の燃料電池モジュールは、収納容器と、複数のセルスタックと、改質器と、酸素含有ガスを供給するガス供給部と、断熱材と、燃焼部と、を含んでいる。複数のセルスタックは、複数の柱状の燃料電池セルが予め定める配列方向に沿って設けられてなり、それぞれが並置されている。改質器は、セルスタックの上方に配設され、燃料電池セルに供給される燃料ガスを生成する。ガス供給部は、隣り合うセルスタックの間に配設され、燃料電池セルに供給される酸素含有ガスが上方から下方に向けて流れるガス流路を有する。断熱材は、セルスタックの配列方向両端側に設けられ、セルスタックを挟み込むように配置されている。燃焼部は、セルスタックと改質器との間の間隙に設けられている。そして、少なくともセルスタックの配列方向における一端側において、ガス供給部、断熱材、改質器により囲まれてなり、隣り合う間隙同士を連通させる連通部を備えている。
2017038893.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
収納容器と、
該収納容器内に収納され、複数の柱状の燃料電池セルが予め定める配列方向に沿って設けられてなり、それぞれが並置された複数のセルスタックと、
前記収納容器内の、前記セルスタックの上方に配設され、前記燃料電池セルに供給される燃料ガスを生成する改質器と、
隣り合う前記セルスタックの間に、前記燃料電池セルの配列方向に沿って前記セルスタックおよび前記改質器に対向して配設され、前記燃料電池セルに供給される酸素含有ガスが上方から下方に向けて流れるガス流路を有するガス供給部と、
前記セルスタックの配列方向両端側に設けられ、前記セルスタックを挟み込むように配置された断熱材と、
前記セルスタックと前記改質器との間の間隙に設けられ、前記燃料電池セルから排出される余剰の燃料ガスを燃焼させる燃焼部と、を含み、
少なくとも前記セルスタックの前記配列方向における一端側において、前記ガス供給部、前記断熱材、前記改質器により囲まれてなり、隣り合う前記間隙同士を連通させる連通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】
前記連通部は、前記ガス供給部の前記間隙に臨む部分が前記配列方向に切り欠かれた切り欠き部を含むことを特徴とする請求項１記載の燃料電池モジュール。
【請求項３】
前記切り欠き部の下方に位置する前記ガス流路の一部が閉塞されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池モジュール
【請求項４】
前記改質器は水蒸気改質可能とされているとともに、該改質器に水を導入する水導入部が接続されており、
前記連通部が、前記水導入部側に設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の燃料電池モジュール。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１つに記載の燃料電池モジュールと、
前記燃料電池モジュールを収納する外装ケースと、を含むことを特徴とする燃料電池装置。
【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および燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、次世代エネルギーとして、燃料電池モジュールが種々提案されている。燃料電池モジュールは、セルの１種である燃料電池セルを複数個配列してなるセルスタックを備えるセルスタック装置を収納容器内に収納してなる。燃料電池モジュールにおいては、燃料電池セルから排出される余剰の燃料ガスを燃焼させる燃焼部が設けられ、燃焼によって発生した熱を、水素生成のための改質反応を行う改質器の加熱などに利用している（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−１９１３１８号公報
【発明の概要】
【０００４】
本開示の燃料電池モジュールは、収納容器と、複数のセルスタックと、改質器と、酸素含有ガスを供給するガス供給部と、断熱材と、燃焼部と、を含んでいる。複数の前記セルスタックは、前記収納容器内に収納され、複数の柱状の燃料電池セルが予め定める配列方向に沿って設けられてなり、それぞれが並置されている。前記改質器は、前記収納容器内の、前記セルスタックの上方に配設され、前記燃料電池セルに供給される燃料ガスを生成する。前記ガス供給部は、隣り合う前記セルスタックの間に、前記燃料電池セルの配列方向に沿って前記セルスタックおよび前記改質器に対向して配設され、前記燃料電池セルに供給される酸素含有ガスが上方から下方に向けて流れるガス流路を有する。前記断熱材は、前記セルスタックの配列方向両端側に設けられ、前記セルスタックを挟み込むように配置されている。前記燃焼部は、前記セルスタックと前記改質器との間の間隙に設けられ、前記燃料電池セルから排出される余剰の燃料ガスを燃焼させる。そして、本開示の燃料電池モジュールは、少なくとも前記セルスタックの前記配列方向における一端側において、前記ガス供給部、前記断熱材、前記改質器により囲まれてなり、隣り合う前記間隙同士を連通させる連通部を備えている。
【０００５】
本開示の燃料電池装置は、上記の燃料電池モジュールと、前記燃料電池モジュールを収納する外装ケースと、を含む。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
本発明の目的、特色、および利点は、下記の詳細な説明と図面とからより明確になるであろう。
【図１】本実施形態の燃料電池モジュールを構成するセルスタックを含むセルスタック装置の一例を示す斜視図である。
【図２】図１に示すセルスタック装置を示し、図２Ａは側面図、図２Ｂは図２Ａの一部を抜粋して上方からみた拡大断面図である。
【図３】本実施形態の燃料電池モジュールの一例を示す斜視図である。
【図４】図３に示す燃料電池モジュールの断面図である。
【図５】図４に示す燃料電池モジュールの一部の平面図である。
【図６】本実施形態の燃料電池モジュールの他の一例を示す断面図である。
【図７】図６に示す燃料電池モジュールの一部の平面図である。
【図８】他の例の酸素含有ガス供給部材の側面図である。
【図９】図６に示す燃料電池モジュールに収納された改質器を抜粋して示し、図９Ａは斜視図、図９Ｂは平面図である。
【図１０】セルスタック装置の上方に、図９に示す改質器を備える構成の一例を配列方向から見た概略図である。
【図１１】本実施形態の燃料電池装置の一例を概略的に示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、図面を用いて本実施形態の燃料電池モジュールおよび燃料電池装置について説明する。なお、異なる図中の共通の構成要素については、同一の符号を付与するものとする。
【０００８】
図１は、本実施形態の燃料電池モジュールを構成するセルスタックを含むセルスタック装置の一例を示す斜視図である。図２は、図１に示すセルスタック装置を示し、図２Ａは側面図、図２Ｂは図２Ａの一部を抜粋して上方からみた拡大断面図である。また、以降の図において、セルとしては、主に固体酸化物形の燃料電池セルを用いて説明する。
【０００９】
図１、図２に示すセルスタック装置１においては、セルスタック２が２つ並置されている。セルスタック２は、内部を燃料ガスが一端から他端に流通するガス流路１５を有する燃料電池セル３を立設させた状態で配列方向（図１で示すＸ方向）に沿って一列に配列されている。また、Ｘ方向に隣接する燃料電池セル３間が導電部材６を介して電気的に直列に接続されている。さらに、燃料電池セル３の下端が絶縁性接着材９でマニホールド４に固定されている。
【００１０】
なお、図１、２においては、燃料電池セル３として、内部を燃料ガスが長手方向に流通するガス流路を複数有する中空平板型で、ガス流路を有する導電性支持体１４の表面に、燃料側電極層１０、固体電解質層１１および空気極側電極層１２を順に積層してなる固体酸化物形の燃料電池セル３を例示している。燃料電池セル３の間には、酸素含有ガスが流通する。燃料電池セル３の構成については後述する。なお、本実施形態の燃料電池モジュールにおいては、燃料電池セル３は、例えば平板型または円筒型とすることもでき、燃料電池セル３の構成にあわせてセルスタック装置１の形状も適宜変更することができる。
【００１１】
また、セルスタック装置１には、セルスタック２の最も外側に位置する燃料電池セル３に導電部材６を介して電気的に接続されたセルスタック支持部材７（以下、スタック支持部材７と略することがある。）が配置されている。スタック支持部材７の外側には保護カバーを設けることもできる。保護カバーは、セルスタック２の周囲に配置された断熱材との接触または外部からの衝撃に対して、スタック支持部材７およびセルスタック２を保護する。また、スタック支持部材７にはセルスタック２の配列方向外方に突出する導電部８が接続されている。
【００１２】
なお、図１、２においては、セルスタック装置１が２つのセルスタック２を備えている場合を示しているが、適宜その個数は変更することができる。例えば、セルスタック装置１は、セルスタック２を１つだけ備えていてもよい。また、セルスタック装置１は、後述する改質器を含むものとすることもできる。
【００１３】
また、マニホールド４は燃料電池セル３に供給する燃料ガスを貯留し、開口部を上面に有するガスケースと、内側に燃料電池セル３を固定するとともに、ガスケースに固定される枠体とを備えている。
【００１４】
燃料電池セル３の一端部（図２の下端部）は枠体で囲まれており、枠体の内側に充填された絶縁性接着材９で燃料電池セル３の下端部の外周が枠体に固定されている。つまり、セルスタック２は、枠体の内側に複数の燃料電池セル３を並べて収容し、絶縁性接着材９で枠体に接着されている。なお、絶縁性接着材９は、ガラス等の材料からなり、熱膨張係数を考慮して所定のフィラーを添加したものを用いることができる。
【００１５】
また、マニホールド４の上面には、後述する改質器にて生成された燃料ガスが流通するガス流通管５が接続されている。これら燃料ガスおよび水蒸気は、ガス流通管５を介してマニホールド４に供給され、マニホールド４のガスケースから燃料電池セル３の内部に設けられたガス流路１５に供給される。
【００１６】
ここで、燃料電池セル３は、図２Ｂに示すように、一対の対向する平坦面をもつ柱状の導電性支持体１４（以下、支持体１４と略す場合がある）の一方の平坦面上に燃料側電極層１０、固体電解質層１１及び空気側電極層１２を順次積層してなる柱状（中空平板状等）に設けられる。また、燃料電池セル３の他方の平坦面上にはインターコネクタ１３が設けられており、インターコネクタ１３の外面（上面）にはＰ型半導体層１６が設けられている。Ｐ型半導体層１６を介して、導電部材６をインターコネクタ１３に接続させることにより、両者の接触がオーム接触となり、電位降下を少なくし集電性能の低下を有効に回避することが可能となる。なお、図１では導電部材６、スタック支持部材７の記載を省略している。また、支持体１４は燃料側電極層１０を兼ねるものとし、その表面に固体電解質層１１および空気側電極層１２を順次積層してセルを構成することもできる。
【００１７】
燃料側電極層１０は、一般的に公知のものを使用することができ、多孔質の導電性セラミックス、例えば希土類元素酸化物が固溶しているＺｒＯ２（安定化ジルコニアと称し、部分安定化も含むものとする）とＮｉおよび／またはＮｉＯとから形成することができる。
【００１８】
固体電解質層１１は、燃料側電極層１０、空気側電極層１２間の電子の橋渡しをする電解質としての機能を有していると同時に、燃料ガスと酸素含有ガスとのリークを防止するためにガス遮断性を有することが必要とされ、例えば、３〜１５モル％の希土類元素酸化物が固溶したＺｒＯ２から形成される。なお、上記特性を有する限りにおいては、ＺｒＯ２以外の他の材料等を用いて形成してもよい。
【００１９】
空気側電極層１２は、一般的に用いられるものであれば特に制限はなく、例えば、いわゆるＡＢＯ３型のペロブスカイト型酸化物からなる導電性セラミックスによって形成することができる。空気側電極層１２はガス透過性を有していることが必要であり、開気孔率が２０％以上、特に３０〜５０％の範囲とすることができる。
【００２０】
支持体１４としては、燃料ガスを燃料側電極層１０まで透過するためにガス透過性を有しており、さらには、インターコネクタ１３を介して導電するために導電性を有している。したがって、支持体１４としては、導電性セラミックスまたはサーメット等を用いることができる。燃料電池セル３を作製するにあたり、燃料側電極層１０または固体電解質層１１との同時焼成により支持体１４を作製する場合においては、鉄族金属成分と特定希土類酸化物とから支持体１４を形成してもよい。また、図２に示した燃料電池セル３において、柱状（中空平板状）の支持体１４は、立設方向（図１に示すＹ方向）に細長く延びる板状片であり、平坦な両面と半円形状の両側面を有する。また、支持体１４は、ガス透過性を備えるために開気孔率が３０％以上、特に３５〜５０％の範囲とすることができる。支持体１４の導電率は３００Ｓ／ｃｍ以上、特に４４０Ｓ／ｃｍ以上とすることができる。また、支持体１４の形状は柱状であれば良く、円筒状であってもよい。
【００２１】
Ｐ型半導体層１６としては、遷移金属ペロブスカイト型酸化物からなる層を例示することができる。具体的には、インターコネクタ１３を構成する材料よりも電子伝導性が大きいもの、例えば、ＢサイトにＭｎ、Ｆｅ、Ｃｏなどが存在するＬａＭｎＯ３系酸化物、ＬａＦｅＯ３系酸化物、ＬａＣｏＯ３系酸化物などの少なくとも一種からなるＰ型半導体セラミックスを使用することができる。このようなＰ型半導体層１６の厚みは、一般に、３０〜１００μｍの範囲とすることができる。
【００２２】
インターコネクタ１３は、ランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物（ＬａＣｒＯ３系酸化物）、もしくは、ランタンストロンチウムチタン系のペロブスカイト型酸化物（ＬａＳｒＴｉＯ３系酸化物）を使用することができる。これらの材料は、導電性を有し、かつ燃料ガス（水素含有ガス）および酸素含有ガス（空気等）と接触しても還元も酸化もされない。また、インターコネクタ１３は支持体１４に形成されたガス流路１５を流通する燃料ガス、および支持体１４の外側を流通する酸素含有ガスのリークを防止するために緻密質であればよく、９３％以上、特に９５％以上の相対密度を有するものとすることができる。
【００２３】
そして、燃料電池セル３を電気的に接続するために介装される導電部材６およびスタック支持部材７は、弾性を有する金属または合金からなる部材あるいは金属繊維または合金繊維から成るフェルトに所要の表面処理を加えた部材から構成することができる。
【００２４】
図３は、本実施形態のセルスタック装置１を備えてなる燃料電池モジュール１７の一例を示す外観斜視図であり、図４は断面図である。
【００２５】
図３に示す燃料電池モジュール１７においては、収納容器１９の内部に、本実施形態のセルスタック装置１が収納されている。なお、セルスタック装置１の上方には、燃料電池セル３に供給する燃料ガスを生成するための改質器２０が配置されている。
【００２６】
改質器２０は、原燃料供給管２３を介して供給される天然ガスまたは灯油等の原燃料を改質して燃料ガスを生成する。なお、改質器２０は、改質効率のよい改質反応である水蒸気改質を行うことができる構造とすることができる。改質器２０は、水を気化させるための気化部２１と、原燃料を燃料ガスに改質するための改質触媒（図示せず）が配置された改質部２２とを備えている。
【００２７】
また図３においては、収納容器１９の一部（前後面）を取り外し、内部に収納されるセルスタック装置１を後方に取り出した状態を示している。ここで、図３に示した燃料電池モジュール１７においては、セルスタック装置１を、収納容器１９内にスライドして収納することが可能である。
【００２８】
なお、収納容器１９の内部には、酸素含有ガス供給部材２４が配置されている。酸素含有ガス供給部材２４は、酸素含有ガスが燃料電池セル３間を流れるように、マニホールド４上に並置されたセルスタック２の間に配置されている。
【００２９】
図４に示すように、燃料電池モジュール１７を構成する収納容器１９は、内壁２５と外壁２６とを有する二重構造で、外壁２６により収納容器１９の外枠が形成されるとともに、内壁２５によりセルスタック装置１を収納する収納室２７が形成されている。
【００３０】
ここで、収納容器１９は、外部より導入される酸素含有ガスを収納室２７に導入するための第１ガス導入部である酸素含有ガス導入部２８を備えている。酸素含有ガス導入部２８に導入された酸素含有ガスは、収納室２７の側方における内壁２５と外壁２６とにより設けられ、酸素含有ガス導入部２８と連通する酸素含有ガス流通部２９を上方に向けて流れる。続いて収納室２７の上方における内壁２５と外壁２６とにより形成され、酸素含有ガス流通部２９と連通する酸素含有ガス分配部３０を、酸素含有ガスが流れる。そして、酸素含有ガス分配部３０には、ガス供給部である酸素含有ガス供給部材２４が、内壁２５を貫通して挿入されて固定されている。酸素含有ガス供給部材２４は、上端側に酸素含有ガスが流入するための酸素含有ガス流入口（図示せず）とフランジ部３１とを備え、下端部に燃料電池セル３の下端部に酸素含有ガスを導入するための酸素含有ガス流出口３２が設けられている。それにより、酸素含有ガス分配部３０と酸素含有ガス供給部材２４とがつながっている。なお、フランジ部３１と内壁２５との間には断熱材３３が配置されている。酸素含有ガス供給部材２４は、燃料電池セル３の配列方向に沿ってセルスタック２および改質器２０に対向して配設され、内部を酸素含有ガスが下方向に流れる。
【００３１】
また収納室２７内には、燃料電池モジュール１７内の熱が極端に放散され、燃料電池セル３（セルスタック２）の温度が低下して発電量が低減しないよう、燃料電池モジュール１７内の温度を高温に維持するための断熱材３３が適宜設けられている。
【００３２】
断熱材３３は、セルスタック２の近傍に配置してもよく、特には、燃料電池セル３の配列方向に沿ってセルスタック２の側方に配置するとともに、セルスタック２の側方における燃料電池セル３の配列方向に沿った幅と同等またはそれ以上の幅を有する断熱材３３を配置してもよい。あわせて、断熱材３３を、セルスタック２の配列方向両端側に設け、セルスタック２を挟み込むように配置してもよい。セルスタック２の周囲を断熱材３３に取り囲むことで、セルスタック２の温度が低下することを効果的に抑制できる。さらには、酸素含有ガス供給部材２４より導入される酸素含有ガスが、セルスタック２の側方より排出されることを抑制でき、セルスタック２を構成する燃料電池セル３間の酸素含有ガスの流れを促進することができる。なお、セルスタック２の両側方に配置された断熱材３３においては、燃料電池セル３に供給される酸素含有ガスの流れを調整し、セルスタック２の長手方向および燃料電池セル３の積層方向における温度分布を改善するための開口部３４が設けられている。
【００３３】
また、燃料電池セル３の配列方向に沿った内壁２５の内側には、排ガス用内壁３５が設けられており、収納室２７の側方における内壁２５と排ガス用内壁３５との間が、収納室２７内の排ガスが上方から下方に向けて流れる排ガス流通部３６とされている。
【００３４】
また、収納室２７の下方であって、酸素含有ガス導入部２８の上方には、排ガス流通部３６とつながる排ガス収集部３７が設けられている。排ガス収集部３７は、収納容器１９の底部に設けられた排気孔３８と通じている。また、排ガス用内壁３５のセルスタック２側にも断熱材３３が設けられている。
【００３５】
それにより、燃料電池モジュール１７の稼動（起動処理時、発電時、停止処理時）に伴って生じる排ガスは、排ガス流通部３６、排ガス収集部３７を流れた後、排気孔３８より排気される構成となっている。なお、排気孔３８は収納容器１９の底部の一部を切り欠くようにして形成してもよく、また管状の部材を設けることにより形成してもよい。
【００３６】
また、酸素含有ガス供給部材２４の内部には、セルスタック２近傍の温度を測定するための熱電対３９が配置されている。熱電対３９は、その測温部４０が燃料電池セル３の長手方向の中央部でかつ燃料電池セル３の配列方向における中央部に位置するように配置されている。
【００３７】
また、上述の構成の燃料電池モジュール１７においては、燃料電池セル３におけるガス流路１５より排出される発電に使用されなかった余剰の燃料ガスと酸素含有ガスとを燃焼させるための燃焼部５０ａ，５０ｂが、セルスタック２と改質器２０との間隙に設けられる。燃焼部５０ａ，５０ｂによって、燃料電池セル３の温度を上昇・維持させることができる。あわせて、燃焼熱によって燃焼部５０ａ，５０ｂの上方に配置された改質器２０を加熱することができ、改質器２０で効率よく改質反応を行なうことができる。燃焼部５０ａ，５０ｂには、例えばバーナーまたは着火ヒータなどの着火装置が設けられており、余剰のガスに着火して燃焼させている。
【００３８】
通常発電時においては、上記燃焼および燃料電池セル３の発電に伴い、燃料電池モジュール１７内の温度は５００〜８００℃程度となる。
【００３９】
ここで、燃料電池セル３の発電効率を向上するにあたり、酸素含有ガスが流れる各流路は、酸素含有ガスが効率よく流れる構造とすることができる。すなわち、図４に示す燃料電池モジュール１７においては、酸素含有ガス導入部２８に導入され、収納室２７の両側方を流れて、酸素含有ガス分配部３０を介して酸素含有ガス供給部材２４に導入される酸素含有ガスが効率よく流れ、かつ均等に分配されるような構造とすることができる。
【００４０】
一方、収納室２７においては、発電に利用されなかった燃料ガス、酸素含有ガスおよびその燃料ガスを燃焼部５０ａ，５０ｂで燃焼して生じる燃焼ガス等の排ガス等が生じる。この排ガスについても、効率よく収納容器１９の外部に排出することで、結果的に燃料電池セル３に効率よく酸素含有ガスが供給されることとなる。
【００４１】
図５は、図４に示す燃料電池モジュール１７の一部抜粋平面図である。なお、図５では、燃焼部５０ａ，５０ｂを見易くするために、改質器２０を透過して記載している。図５において、改質器２０は、その外形線を破線で示した。
【００４２】
本実施形態の燃料電池モジュール１７では、断熱材３３および酸素含有ガス供給部材２４によって仕切られた隣り合う間隙に設けられる２つの燃焼部５０ａ，５０ｂにおいて、燃焼部５０ａ，５０ｂの２つの間隙を連通させる連通部５１が設けられている。燃焼部５０ａ，５０ｂの燃焼は、例えば、燃料電池モジュール１７の起動時には、温度が低く、燃焼が開始されにくい。また発電中であっても、外部から低温の燃料ガスまたは酸素含有ガスがモジュール内に導入されたり、改質器に水が導入されると温度が低下して、燃焼火炎が失火してしまうことがある。一度失火すると、着火装置などを動作させて着火する必要がある。着火装置は、例えば、失火したのち、予め定める温度よりも低下したことや、発電電圧が下がったことなどが検出された後に動作される。一度失火すると再度着火されるまでに時間を要し、その間は発電効率が低下したままとなる。ここで、例えば酸素含有ガス供給部材２４の一部に貫通孔を設けることで、隣り合う２つの燃焼部を連通させることが考えられる。しかしながら、この場合、酸素含有ガス供給部材２４の構造が非常に複雑となるという問題がある。
【００４３】
そこで、本実施形態では、セルスタック２の配列方向両端のうち少なくとも一端側に、酸素含有ガス供給部材２４、断熱材３３、改質器２０により囲まれた空間の連通路を含むように連通部５１を構成している。これにより、２つの燃焼部５０ａ，５０ｂの間隙同士を連通する連通部５１が設けられている。それゆえ、一方の燃焼部５０ａの燃焼火炎が小さくなり失火しそうになった場合、または失火してしまっても、他方の燃焼部５０ｂの燃焼火炎によって一方の燃焼部５０ａに充満する燃焼ガスに着火し、いわゆる火移りによって、失火を抑制できる、または失火しても着火装置を動作させることなく再度着火させることができる。また、起動時には、他方の燃焼部５０ｂが先に着火すると、燃焼部５０ｂの燃焼火炎が、着火していない一方の燃焼部５０ａの着火を促し、早期の着火が可能となる。
【００４４】
これにより、起動時または発電中に失火したり、失火するおそれがある場合でも燃焼部５０ａ，５０ｂでの燃焼が改善される。燃焼部５０ａ，５０ｂの燃焼が改善されることによりセルスタック２の温度低下が抑制され、熱の利用効率が改善されて、燃料電池モジュール１７の発電効率が向上する。
【００４５】
特に連通部５１を、セルスタック２の配列方向両端のうち少なくとも一端側に、酸素含有ガス供給部材２４、断熱材３３、改質器２０により囲まれた空間の連通路を含むように構成するにあたり、例えば、一部の断熱材３３を配置しないことや、改質器２０または酸素含有ガス供給部材２４の大きさを調整することで空間を設けることができる。よって、簡単な構成で連通部５１を設けることができる。なお、連通部５１の形状および大きさは特に限定されず、燃焼部５０ａ，５０ｂの間隙間を連通させるものであって、燃焼ガスが流通可能な空間として形成されていればよい。
【００４６】
ここで、燃焼失火は、特に改質器２０の気化部２１の下方に位置する燃焼部で生じやすい。これは、改質器２０に低温の水が供給されることで気化部２１の温度が低下するほか、水が水蒸気になる際の気化反応が吸熱反応であることから、気化部２１の温度が低下しやすいためである。それゆえ、連通部５１を設けるにあたっては、セルスタック２の配列方向両端のうち少なくとも改質器２０の気化部２１側に設けることが好ましい。それにより、着火および再着火を効率よく行なうことができる。なお、連通部５１をセルスタック２の配列方向の両側に設けてもよいことは言うまでもない。
【００４７】
図６は、本実施形態の燃料電池モジュールの他の一例を示す断面図である。図６に示す燃料電池モジュール４１は、図４に示す燃料電池モジュール１７と比較して、収納室４２内に４つのセルスタック装置４３を収納している点、収納室４２の上方に、燃料電池セル３より排出される排ガスを回収する排ガス回収部６１を備えており、排ガス回収部６１と排ガス流通部３６とがつながっている点、４つのセルスタックの上方にわたって図９に示すような１つの改質器４５が設けられている点で異なっている。なお、図４に示す燃料電池モジュール１７と同じ構成については同じ符号を用い、説明は省略する。
【００４８】
収納室４２内に複数のセルスタック装置４３を収納してなる場合には、特に中央部側に位置するセルスタック装置４３における燃料電池セル３から、収納室４２の側方に位置する排ガス流通部３６までの距離が長くなる。この場合、中央部側に位置するセルスタック装置４３における燃料電池セル３から排出される排ガスが、効率よく外部に排出することが難しい場合がある。
【００４９】
特に燃料電池セル３の上方の燃焼部５０ａ，５０ｂにおいて、発電に使用されなかった余剰の燃料ガスを燃焼させて、その燃焼熱によって燃料電池セル３の温度を高温に維持する構成では、燃料電池セル３の上方に排ガスが滞留する場合がある。この場合、燃焼部５０ａ，５０ｂで、発電に使用されなかった燃料ガスをうまく燃焼させることができず、失火が生じるおそれがある。特に失火を生じた場合には、燃料電池セル３の温度が上昇せず、もしくは高温に維持することができず、結果として燃料電池セル３（セルスタック装置４３）の発電量が低下してしまうおそれがある。
【００５０】
それゆえ、図６に示す本実施形態の燃料電池モジュール４１においては、上記の排ガス流通部３６に加えて、収納室４２の上方に、燃料電池セル３より排出される排ガスを回収する排ガス回収部６１を設け、該排ガス回収部６１と排ガス流通部３６とをつなげている。それにより、燃料電池セル３から排出される排ガスを、効率よく外部に排出することができる。燃料電池セル３より排出される排ガスは、外部より供給される酸素含有ガスと熱交換することができる。それにより、温度の上昇した酸素含有ガスを燃料電池セル３に供給できることとなり、発電効率を向上させることができる。
【００５１】
また、この排ガス回収部６１の底面には、収納室４２とつながる回収孔６２が設けられている。それにより、収納室４２に排出された排ガスは、回収孔６２を介して排ガス回収部６１に流れることとなる。
【００５２】
本実施形態の燃料電池モジュール４１によれば、燃料電池セル３の上方に排ガスが滞留することを抑制でき、排ガスを効率よく排気することができる。燃料電池セル３の上方に燃焼部５０ａ，５０ｂを有する構成のセルスタック装置４３においては、失火を抑制することができることから、発電量が向上した燃料電池モジュール４１とすることができる。
【００５３】
図７は、図６に示す燃料電池モジュール４１の一部の平面図である。図６に示す燃料電池モジュール４１は、４つのセルスタック装置４３を備えているが、図７は、そのうちの隣接する２つのセルスタック装置４３の平面図である。なお、図７では、燃焼部５０ａ，５０ｂを見易くするために、改質器４５を透過して記載している。図７において、改質器４５は、その外形線を破線で示した。
【００５４】
本実施形態の燃料電池モジュール４１も、前述の実施形態の燃料電池モジュール１７と同様に、断熱材３３および酸素含有ガス供給部材２４によって仕切られた隣り合う間隙に設けられる２つの燃焼部５０ａ，５０ｂにおいて、燃焼部５０ａ，５０ｂの２つの間隙を連通させる連通部５１が設けられている。
【００５５】
２つの燃焼部５０ａ，５０ｂの間隙同士を連通する連通部５１が設けられていることにより、一方の燃焼部５０ａが失火した、または燃焼火炎が小さくなり失火しそうになった場合であっても、他の燃焼部５０ｂの燃焼火炎によって一方の燃焼部５０ａに充満する燃焼ガスに着火し、火移りによって失火が抑制できる。また、失火した場合であっても、着火装置を動作させることなく再度着火させることができる。また、起動時には、他方の燃焼部５０ｂが先に着火すると、燃焼部５０ｂの燃焼火炎が、着火していない一方の燃焼部５０ａの着火を促し、早期の着火が可能となる。
【００５６】
これにより、起動時または発電中に失火したり、失火するおそれがある場合でも燃焼部５０ａ，５０ｂでの燃焼が改善される。燃焼部５０ａ，５０ｂの燃焼が改善されることによりセルスタック２の温度低下が抑制され、燃料電池モジュール４１の発電効率が向上する。
【００５７】
連通部５１は、前述の実施形態と同様に、セルスタック２の配列方向両端のうち少なくとも一端側において設けられ、酸素含有ガス供給部材２４、断熱材３３、改質器２０により囲まれた空間の連通路を含むように構成される。なお、連通部５１の形状および大きさは特に限定されず、燃焼部５０ａ，５０ｂの間隙間を連通させるものであって、燃焼ガスが流通可能な空間として形成されていればよい。本実施形態では、たとえば、一部の断熱材３３を配置しないこと、または改質器４５もしくは酸素含有ガス供給部材２４の大きさを調整することで空間を設けることができ、簡単な構成で連通部５１を設けることができる。
【００５８】
図８は、連通部５１の構成についての他の例を示す酸素含有ガス供給部材２４の側面図である。上記の実施形態では、連通部５１の連通路は、断熱材３３の一部を除去するか、断熱材３３を配置しないことで連通路となる空間を設けている。図８に示す例では、他の例として、酸素含有ガス供給部材２４の間隙に臨む部分、すなわちセルスタック２よりも上方に突出した部分が、Ｘ方向に切り欠かれた切り欠き部２４ａを設け、この切り欠き部２４ａによる空間を連通路として含む連通部５１を設けている。
【００５９】
燃焼部５０ａ，５０ｂの間隙は、酸素含有ガス供給部材２４によっても仕切られているので、酸素含有ガス供給部材２４に切り欠き部２４ａを形成すれば、その切り欠かれた部分が空間となり、燃焼部５０ａ，５０ｂの連通路として機能する。
【００６０】
さらに、酸素含有ガス供給部材２４に切り欠き部２４ａを設けた場合は、酸素含有ガス供給部材２４において、切り欠き部２４ａの下方に位置するガス流路の一部を閉塞してもよい。切り欠き部２４ａが設けられた部分は、酸素含有ガス供給部材２４内のガス流路のうち、切り欠き部２４ａの部分のガス流路が存在せず、さらにその下方において、ガス流路の一部を閉塞することで、酸素含有ガス供給部材２４内のガス流路の少なくともｘ方向の端部側では、酸素含有ガスが流れにくくなる。酸素含有ガスは外部から供給され、比較的温度が低いガスである。酸素含有ガスが酸素含有ガス供給部材２４内のガス流路を流れると、酸素含有ガス供給部材２４に隣接するセルスタック２との熱交換により熱を奪い、セルスタック２の温度が低下してしまう。セルスタック２における温度分布自体が、配列方向（ｘ方向）両端部において、温度が低く成り易く、酸素含有ガスが流れるとさらに温度が低下してしまう。セルスタック２において温度が低下すると、発電量が低下したり、燃焼部５０ａ，５０ｂにおいて燃焼火炎が失火してしまうおそれがある。それゆえ、切り欠き部２４ａの下方に位置するガス流路の一部を閉塞することで、セルスタック２の両端側の温度が低下することを抑制でき、燃焼火炎が失火することを抑制でき、かつ発電効率を向上することができる。
【００６１】
なお、酸素含有ガス供給部材２４は、２枚の平板間に形成される間隙が酸素含有ガスの流路となるので、たとえば、切り欠き部２４ａの下方において２枚の平板を厚み方向に互いに凹ませることで間隙を潰して流路を閉塞させればよい。図８では、切り欠き部２４ａの下方に閉塞部２４ｂを設けている。
【００６２】
上記の例では、閉塞部２４ｂは、切り欠き部２４ａの平板を変形させて流路を閉塞しているが、これに限らず切り欠き部２４ａの下方において平行平板間の間隙を埋めるようにしてもよい。この場合、間隙を埋める部材が酸素含有ガスと接触することになるので、間隙を埋める部材は、酸素含有ガスと反応しない部材であって、平板の内面に固着できる部材であればよい。
【００６３】
上記のように連通部５１に含まれる連通路は、２つの燃焼部５０ａ，５０ｂ間を連通させる空間であれば、断熱材３３を除去したり、断熱材３３を設けないようにするだけでなく、本例のように酸素含有ガス供給部材２４に切り欠き部２４ａを設けてもよい。、さらに断熱材３３を除去するかまたは配置しないことで設けられる空間と、酸素含有ガス供給部材２４に切り欠き部２４ａを形成することで設けられる空間とを合わせて連通路としてもよい。
【００６４】
図９は、図６に示す燃料電池モジュール４１に収納された改質器４５を抜粋して示し、図９Ａは斜視図、図９Ｂは平面図である。図１０は、セルスタック装置４３の上方に、図９に示す改質器４５を備える構成の一例を配列方向から見た概略図である。
【００６５】
図６に示す燃料電池モジュール４１においては、４つのセルスタック２の上方に、図９に示すＷ字状（ミアンダ形状）の改質器４５を備えている。
【００６６】
改質器４５は、図９Ａ、図９Ｂに示すように、水を気化して水蒸気を生成する気化部４５ａと該気化部４５ａで発生した水蒸気を用いて原燃料を水蒸気改質する改質部４５ｂとを具備している。
【００６７】
気化部４５ａは、水蒸気が一端側より他端側に流れる管体の気化部往路４５ａ１と、水蒸気が他端側より一端側に流れる管体の気化部復路４５ａ２とを備えている。また、気化部往路４５ａ１には、一端部から気化部往路４５ａ１に沿って内部に突出する筒状部４８ａと、一端部に接続され、筒状部４８ａに外部から水を供給する水供給部４８ｂとを備えている。なお、筒状部４８ａは、気化部４５ａを構成する管体より内側に突出するように設けて、この筒状部４８ａに水供給部４８ｂである水供給管を接続する構成であってもよい。水供給管４８を外部より内部に挿入して、外部に露出する一部が水供給部４８ｂとなり、水供給管４８の挿入された一部が筒状部４８ａとなる構成であってもよい。以下の説明においては、水供給管４８を外部より内部に挿入した構成を用いて説明する。
【００６８】
また、改質部４５ｂは、原燃料供給部である原燃料供給管２３より供給された原燃料を改質して生成された改質ガスが一端側より他端側に流れる改質部往路４５ｂ１と、改質ガスが他端側より一端側に流れる改質部復路４５ｂ２とを備えている。改質部復路４５ｂ２には、改質ガスを導出するための改質ガス導出管４９が接続されている。図９に示す改質器４５において、水供給管４８、原燃料供給管２３および改質ガス導出管４９は、いずれも改質器４５の一方側に接続されている。
【００６９】
さらに改質器４５においては、気化部往路４５ａ１の他端側と気化部復路４５ａ２の他端側とが連結路（以下、気化部連結路という。）４５ｃ１で連結されている。また、気化部復路４５ａ２の一端側と改質部往路４５ｂ１の一端側とが連結路（以下、気化改質部連結路という。）４５ｃ２で連結されている。さらに、改質部往路４５ｂ１の他端側と改質部復路４５ｂ２の他端側とが連結路（以下、改質部連結路という。）４５ｃ３で連結されている。気化部往路４５ａ１と、気化部復路４５ａ２と、改質部往路４５ｂ１と、改質部復路４５ｂ２とが、側方が対向するように並置されている。
【００７０】
改質器４５では、気化部往路４５ａ１に供給された水が水蒸気となり、気化部連結路４５ｃ１、気化部復路４５ａ２、気化改質部連結路４５ｃ２、改質部往路４５ｂ１を順に流れる。また、気化改質部連結路４５ｃ２には、原燃料供給管２３が挿入され、外部に露出する一部が原燃料供給部２３ｂであり、原燃料供給管２３の挿入された一部が筒状部２３ａである。
【００７１】
原燃料供給部２３ｂから原燃料が供給されると、筒状部２３ａから気化改質部連結路４５ｃ２に導入されて水蒸気と混合され、改質部往路４５ｂ１、改質部連結路４５ｃ３、改質部復路４５ｂ２を流れる間に改質反応によって、水素を含む改質ガス（燃料ガス）が生成され、改質ガス導出管４９から導出される。
【００７２】
気化部往路４５ａ１、気化部復路４５ａ２、改質部往路４５ｂ１、改質部復路４５ｂ２、気化部連結路４５ｃ１、気化改質部連結路４５ｃ２、改質部連結路４５ｃ３は、横断面が矩形状の管体から構成されている。
【００７３】
また、気化部往路４５ａ１および気化部復路４５ａ２内には、流路を仕切る仕切板４５ａ１１、４５ａ２１がそれぞれ設けられ、これらの仕切板４５ａ１１、４５ａ２１間が気化室とされている。水供給管４８の筒状部４８ａは、仕切板４５ａ１１の上流側近傍にまで延び、気化室手前の位置に水を供給している。気化室内には、気化を促進するためセラミックボールが収納されており、仕切板４５ａ１１、４５ａ２１は、水蒸気は通過するが、セラミックボールは通過しないように形成されている。なお、これら仕切板４５ａ１１、４５ａ２１は、改質器の構造またはセルスタックの構造等に応じて適宜配置を変更することができる。
【００７４】
さらに、改質部往路４５ｂ１および改質部復路４５ｂ２内にも、それぞれ流路を仕切る仕切板４５ｂ１１、４５ｂ２１が配置され、仕切板４５ｂ１１、４５ｂ２１間に位置する改質部往路４５ｂ１、改質部連結路４５ｃ３、改質部復路４５ｂ２が改質室とされる。この改質室には、改質触媒が収納されている。仕切板４５ｂ１１、４５ｂ２１は、水蒸気、原燃料、改質ガス等のガスは通過できるが、改質触媒は通過できないように構成されている。なお、これら仕切板４５ｂ１１、４５ｂ２１は、改質器の構造またはセルスタックの構造等に応じて適宜配置を変更することができる。
【００７５】
このような改質器４５においては、気化部４５ａと改質部４５ｂとの間にある気化改質部連結路４５ｃ２に、原燃料を供給する原燃料供給管２３が挿入されている。このような改質器４５においては、原燃料供給管２３が、水供給管４８が接続された気化部往路４５ａ１よりも下流側の気化改質部連結路４５ｃ２に接続されているため、水が供給される地点と原燃料が供給される地点とが、気化部往路４５ａ１を構成する管体と気化部復路４５ａ２を構成する管体との間の空間を介して位置しており、また、水蒸気の流れ方向で見れば、流れ方向の長さが長い。従って、原燃料が低温であったとしても、原燃料が追加混合される時には、供給された水は殆ど気化しており、改質器４５の一部（気化部往路４５ａ１）における低温化を抑制できる。それにより、改質効率を向上することができる。
【００７６】
そして、図１０に示すように、改質器４５で生成された改質ガス（燃料ガス）は、改質ガス導出管４９から導出されたのち、２つのマニホールド４に供給され、マニホールド４を介して燃料電池セル３の内部に設けられたガス流路に供給される。
【００７７】
なお、改質器４５で生成された改質ガスは、図１０に示すように、改質ガス導出管４９から導出され、分配器５２によって２分されて２つのマニホールド４にそれぞれ供給される。すなわち、改質ガス導出管４９は、改質器４５から分配器５２までのＵ字状の第１改質ガス導出管４９ａと、分配器５２から下方の２つのマニホールド４にそれぞれ延びる２本の第２改質ガス導出管４９ｂとを具備している。２本の第２改質ガス導出管４９ｂの長さは、改質ガスをマニホールド４に均等に供給すべく、同じ圧力損失となるように同じ長さとされている。
【００７８】
改質器４５のような構造では、水供給管４８に外部から水が導入されるので、燃焼部５０ａ，５０ｂにおいて、水供給管４８の近くで大きく温度が低下して失火し易くなる。したがって、セルスタック２の配列方向における両端側のうち、少なくとも水導入部である水供給管４８側に連通部５１を設けることが好ましい。失火しやすい側に連通部５１を設けることで、失火をより確実に防ぐことができる。
【００７９】
なお、改質器４５において、気化部往路４５ａ１、気化部復路４５ａ２、改質部往路４５ｂ１、改質部復路４５ｂ２は、４つのセルスタック２のうちの１つのセルスタック２のそれぞれに対応して、各セルスタック２の上方に配置されている。各セルスタック２と気化部往路４５ａ１、気化部復路４５ａ２、改質部往路４５ｂ１、改質部復路４５ｂ２との間の間隙には、燃焼部５０ａ，５０ｂが設けられており、これにより、気化部往路４５ａ１、気化部復路４５ａ２、改質部往路４５ｂ１、改質部復路４５ｂ２のそれぞれを効率よく加熱することができる。
【００８０】
また、他の構成（例えば水供給管４８、仕切板の場所等）は適宜変更可能であり、これらの例に限られるものではない。
【００８１】
図１１は、外装ケース内に燃料電池モジュール１７，４１のいずれかと、各燃料電池モジュールを動作させるための補機とを収納してなる燃料電池装置５３の一例を示す斜視図である。なお、図１０においては一部構成を省略して示している。
【００８２】
図１０に示す燃料電池装置５３は、支柱５４と外装板５５とから構成される外装ケース内を仕切板５６により上下に区画し、その上方側空間を、上述した各燃料電池モジュール１７，４１を収納する燃料電池モジュール収納室５７とし、下方側空間を、各燃料電池モジュールを動作させるための補機類を収納する補機収納室５８として構成されている。なお、補機収納室５８に収納する補機類の図示は省略して示している。
【００８３】
また、仕切板５６には、補機収納室５８の空気を燃料電池モジュール収納室５７側に流すための空気流通口５９が設けられており、燃料電池モジュール収納室５７を構成する外装板５５の一部には、燃料電池モジュール収納室５７内の空気を外部に排気するための排気口６０が設けられている。
【００８４】
このような燃料電池装置５３では、上述したような各燃料電池モジュール１７，４１を外装ケース内に収納することにより、発電効率を向上した燃料電池装置５３とすることができる。
【００８５】
以上、本発明について詳細に説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。前述の実施形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、本発明の範囲は特許請求の範囲に示すものであって、明細書本文には何ら拘束されない。さらに、特許請求の範囲に属する変形や変更は全て本発明の範囲内のものである。
【００８６】
例えば、上記形態の燃料電池モジュール４１では、４個のセルスタック２の上方に２個の改質器４５を配置したセルスタック装置を具備する形態について説明したが、例えば、１個または３個以上のセルスタック２の上方に１個の改質器を配置したセルスタック装置でも良い。この場合、改質器の形状は適宜変更すればよい。
【００８７】
さらに、１個のマニホールド４に２個のセルスタック２を配置した形態について説明したが、１個のマニホールド４に１個のセルスタック２を配置しても良く、また、１個のマニホールド４に３個以上のセルスタック２を配置しても良い。
【００８８】
さらに、上述の例ではいわゆる縦縞型と呼ばれる燃料電池セル３を用いて説明したが、一般に横縞型と呼ばれる複数の発電素子部を支持体上に設けてなる横縞型の燃料電池セルを用いることもできる。
【符号の説明】
【００８９】
２      セルスタック
３      燃料電池セル
１７，４１    燃料電池モジュール
１９    収納容器
２０、４５    改質器
２４    酸素含有ガス供給部材
２４ａ  切り欠き部
２４ｂ  閉塞部
３３    断熱材
５０ａ  燃焼部
５０ｂ  燃焼部
５１    連通部
５３    燃料電池装置
【図１】
2017038893.tif 000003
【図２】
2017038893.tif 000004
【図３】
2017038893.tif 000005
【図４】
2017038893.tif 000006
【図５】
2017038893.tif 000007
【図６】
2017038893.tif 000008
【図７】
2017038893.tif 000009
【図８】
2017038893.tif 000010
【図９】
2017038893.tif 000011
【図１０】
2017038893.tif 000012
【図１１】
2017038893.tif 000013
【国際調査報告】
2017038893.tif 000014
2017038893.tif 000015
2017038893.tif 000016
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