(57)【要約】【課題】燃料電池セルの加熱ムラを抑制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(2)であって、複数の固体酸化物形の燃料電池セル(16)を複数の列に配列し、集電部材(102)により接続した燃料電池セルスタック(14)と、モジュールケース(8)と、燃料電池セルスタックの上方に設けられ、残余の燃料ガスを燃焼させる燃焼部(18)と、燃料電池セルスタックの下部側面から、隣り合う燃料電池セルの間に向かって酸化剤ガスを噴射するように、モジュールケースの側壁面に設けられた複数の酸化剤ガス供給孔(8f)と、を有し、集電部材は、燃料電池セルを電気的に接続するように、各燃料電池セルの下部に取り付けられると共に、各燃料電池セルの間に向かって噴射された酸化剤ガスの流れ抵抗を抑制する流れ抵抗抑制手段を備え、これにより、各燃料電池セルの温度ムラを低減す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】
燃料ガスと酸化剤ガスを反応させることにより発電を行う燃料電池モジュールであって、
複数の固体酸化物形の燃料電池セルを複数の列に配列し、これらの燃料電池セルを集電部材により電気的に接続した燃料電池セルスタックと、
この燃料電池セルスタックを収容したモジュールケースと、
上記燃料電池セルスタックの上方に設けられ、上記各燃料電池セルにおいて発電に使用されずに残った燃料ガスを燃焼させる燃焼部と、
上記燃料電池セルスタックの下部側面から、隣り合う上記燃料電池セルの間に向かって加熱された酸化剤ガスを噴射するように、上記モジュールケースの側壁面に設けられた複数の酸化剤ガス供給孔と、を有し、
上記集電部材は、隣接して配置された上記燃料電池セルを電気的に接続するように、上記各燃料電池セルの下部に取り付けられると共に、上記各燃料電池セルの間に向かって噴射された酸化剤ガスの流れ抵抗を抑制する流れ抵抗抑制手段を備え、これにより、上記各燃料電池セルの温度ムラを低減することを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項２】
上記集電部材は、隣接して配置された上記燃料電池セルに夫々取り付けられる両端部と、これらの両端部の間に延びる上記流れ抵抗抑制手段である連結部と、を備え、上記連結部は、接続している２つの上記燃料電池セル両方と接する２つの共通の接平面の間の領域に延びるよう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】
上記集電部材の上記連結部は、板状に形成されると共に、上記集電部材が接続している２つの上記燃料電池セルの各中心軸線を含む平面に対して概ね直交する方向に向けて配置されている請求項２記載の燃料電池モジュール。
【請求項４】
上記各酸化剤ガス供給孔は、隣り合う上記燃料電池セルの間に向かって加熱された酸化剤ガスを噴射するように、水平方向に一直線に並べて配置されている請求項３記載の燃料電池モジュール。
【請求項５】
配列された上記各燃料電池セルの間を接続する上記各集電部材は、水平方向に一直線に並べて配置されている請求項４記載の燃料電池モジュール。
【請求項６】
上記各酸化剤ガス供給孔は、上記モジュールケースの対向する２つの側壁面に設けられており、上記各側壁面に形成された上記各酸化剤ガス供給孔は、夫々対向するように配置されている請求項５記載の燃料電池モジュール。
【請求項７】
上記各燃料電池セルは格子状に配列されており、１つの列に属する上記各燃料電池セルを夫々連結する上記各集電部材は所定方向に傾斜して延びるように取り付けられ、隣接する列に属する上記各燃料電池セルを夫々連結する上記各集電部材は、上記所定方向とは反対向きに傾斜して延びるように取り付けられている請求項６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、燃料ガスと酸化剤ガスを反応させることにより発電を行う燃料電池モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
固体酸化物形燃料電池装置（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、他方の側に酸化剤ガス（空気、酸素等）を供給して、これら燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により発電を行う燃料電池である。
【０００３】
燃料ガスと酸化剤ガスとの間で発電反応を発生させる固体酸化物形燃料電池セルは、その一本毎の起電力が極めて小さいため、一般に、複数本の燃料電池セルを集電用の金具で電気的に直列に接続して燃料電池セルスタックを形成し、この燃料電池セルスタックをモジュールケースに収納して燃料電池モジュールを構成している。
【０００４】
特許第５５７８３３２号公報（特許文献１）には、燃料電池セル集合体及び燃料電池が記載されている。ここに記載されている燃料電池セル集合体（燃料電池セルスタック）は、１６本の燃料電池セルを８本ずつ２列に配列し、隣接して配置されている各燃料電池セルを集電用の金具である集電部材で電気的に接続することにより構成されている。また、各燃料電池セルは、内側から順に、燃料極層、固体電解質層、空気極層（酸化剤ガス極層）を備えた円筒状のセルであり、内部に燃料ガスを流すためのガス流路が設けられている。燃料電池セルの内側に形成されている燃料極層は、燃料電池セルの両端に取り付けられた金属製キャップに接続されており、外側の空気極層は、両端の金属製キャップの間で外部に露出している。
【０００５】
また、燃料電池セルを接続する集電部材は、一端で燃料電池セルの金属製キャップを把持し、他端で隣接する燃料電池セルの空気極層を把持することにより、燃料電池セル同士を電気的に直列に接続している。即ち、燃料電池セルは、集電部材の端部を弾性変形させることにより、集電部材の端部に嵌め込まれ、集電部材の両端部が燃料電池セルの金属製キャップと、空気極層を夫々把持している。また、各集電部材の中間部は、接続する２本の円筒状の燃料電池セルの、共通する接平面内に延びるように向けられた金属製の薄板から構成されている。
【０００６】
さらに、特許文献１記載の燃料電池においては、発電に使用されずに残った燃料ガスが各燃料電池セルの上端で燃焼されると共に、この燃焼熱により加熱された空気が燃料電池セルスタックの下端部に側面から吹き付け、各燃料電池セルを加熱している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第５５７８３３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１に記載されている燃料電池においては、燃料電池セルの温度にムラが生じるという問題がある。即ち、特許文献１記載の燃料電池においては、燃料電池セルスタックを構成する各燃料電池セルは、発電に使用されずに残った残余の燃料ガスの燃焼熱により上方から加熱される。一方、燃料ガスの燃焼熱により加熱された空気を、燃料電池セルスタックの下端部に側面から吹き付けることにより各燃料電池セルを下方から加熱して、燃料電池セル全体を均等に加熱しようとしている。しかしながら、燃料電池セルスタックの側面から吹き付けられた加熱された空気が燃料電池セルスタックの内方まで十分に届かないため、燃料電池セルスタックの内方に位置する燃料電池セルの下部が十分に加熱されず、各燃料電池セルの加熱が不均一になる虞がある。一方、燃料電池セルスタックの上部は残余の燃料ガスの燃焼熱により上方から加熱されるため、下部が十分に加熱されていない燃料電池セルでは、その上部と下部で温度が不均一になる虞がある。このような、各燃料電池セルの不均等な加熱の問題は、燃料電池セルスタックを収納するモジュールケースを小型化するために、各燃料電池セルの間隔を狭くした場合に特に顕著となる。このように、各燃料電池セルの加熱が不均等になると各燃料電池セルの温度のバラツキが大きくなるため、各燃料電池セルの発電性能がばらつくこととなり、燃料電池スタック全体としての発電性能が低下してしまう。さらに各燃料電池セルの温度のバラツキにより、燃料電池セルの劣化が促進され、燃料電池セルが損傷される虞もある。
【０００９】
従って、本発明は、燃料電池セルの加熱ムラを抑制することにより、発電性能の低下や燃料電池セルの劣化、燃料電池セルが損傷されるリスクを抑制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】
上述した課題を解決するために、本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスを反応させることにより発電を行う燃料電池モジュールであって、複数の固体酸化物形の燃料電池セルを複数の列に配列し、これらの燃料電池セルを集電部材により電気的に接続した燃料電池セルスタックと、この燃料電池セルスタックを収容したモジュールケースと、燃料電池セルスタックの上方に設けられ、各燃料電池セルにおいて発電に使用されずに残った燃料ガスを燃焼させる燃焼部と、燃料電池セルスタックの下部側面から、隣り合う燃料電池セルの間に向かって加熱された酸化剤ガスを噴射するように、モジュールケースの側壁面に設けられた複数の酸化剤ガス供給孔と、を有し、集電部材は、隣接して配置された燃料電池セルを電気的に接続するように、各燃料電池セルの下部に取り付けられると共に、各燃料電池セルの間に向かって噴射された酸化剤ガスの流れ抵抗を抑制する流れ抵抗抑制手段を備え、これにより、各燃料電池セルの温度ムラを低減することを特徴としている。
【００１１】
このように構成された本発明においては、複数の固体酸化物形の燃料電池セルが複数の列に配列され、これらの燃料電池セルが集電部材により電気的に接続されて、燃料電池セルスタックが構成される。各燃料電池セルにおいて発電に使用されずに残った燃料ガスは燃料電池セルスタックの上方に設けられた燃焼部において燃焼され、各燃料電池セルは上方から加熱される。燃料電池セルスタックの下部側面には、モジュールケースの側壁面に設けられた複数の酸化剤ガス供給孔から加熱された酸化剤ガスが噴射される。集電部材は、各燃料電池セルの間に向かって噴射された酸化剤ガスの流れ抵抗を抑制する流れ抵抗抑制手段を備え、これにより、各燃料電池セルの温度ムラを低減している。
【００１２】
一般に、燃料電池セルスタックの上方に燃焼部が設けられ、発電に使用されずに残った燃料ガスを発電部において燃焼させる燃料電池モジュールでは、燃料ガスの燃焼熱により、燃料電池セルスタックを構成する各燃料電池セルの上部が加熱されやすい。このため、燃料電池セルスタックの下部に向けて加熱された酸化剤ガスを噴射することにより、各燃料電池セルの下部を加熱して、燃料電池セルの上部と下部で大きな温度ムラが生じないようにしている。
【００１３】
ここで、燃料電池セルスタックの下部には、各燃料電池セルを電気的に接続するための集電部材が取り付けられている。これらの集電部材は、各燃料電池セルを電気的に接続して燃料電池セルスタックを構成するために必要な部材であるものの、燃料電池セルスタックの下部側面に噴射された加熱された酸化剤ガスの流れが、集電部材によって妨げられていることを本件発明者は見出した。即ち、従来の燃料電池モジュールにおいては、燃料電池セルスタックの下部側面に噴射された酸化剤ガスの流れが集電部材によって乱され、噴射された酸化剤ガスが、燃料電池セルスタックの内方に位置する燃料電池セルまで十分に到達していないという問題が生じていた。
【００１４】
上記のように構成された本発明によれば、集電部材は、各燃料電池セルの間に向かって噴射された酸化剤ガスの流れ抵抗を抑制する流れ抵抗抑制手段を備えており、燃料電池セルスタックの下部側面に噴射された酸化剤ガスの流れ抵抗が抑制される。この結果、燃料電池セルスタックの下部側面に噴射された酸化剤ガスは、燃料電池セルスタックの内方に位置する燃料電池セルまで十分に到達し、燃料電池セルスタックの外側に位置する燃料電池セルばかりでなく、内方に位置する燃料電池セルも十分に加熱され、各燃料電池セルの温度ムラを低減することができる。このように、燃料電池セルスタックの内方に位置する燃料電池セルの下部も十分に加熱されることにより、１本の燃料電池セルにおける上部と下部の温度ムラも抑制される。これにより、各燃料電池セルを狭い間隔で配置した場合であっても、各燃料電池セルの温度ムラに起因する発電性能の低下や燃料電池セルの劣化促進、劣化による損傷のリスクを低減することができる。
【００１５】
本発明において、好ましくは、集電部材は、隣接して配置された燃料電池セルに夫々取り付けられる両端部と、これらの両端部の間に延びる流れ抵抗抑制手段である連結部と、を備え、連結部は、接続している２つの燃料電池セル両方と接する２つの共通の接平面の間の領域に延びるように配置されている。
【００１６】
特許文献１記載の燃料電池装置においては、集電部材は、接続している２つの燃料電池セル両方と接する共通の接平面内に配置されている。このため、燃料電池セルスタックの下部側面に噴射された酸化剤ガスは、各燃料電池セルの間の空間に流れ込む前に集電部材によって拡散されてしまい、酸化剤ガスの燃料電池セルスタック内への流入が阻害されていた。これに対し、上記のように構成された本発明によれば、集電部材の連結部は、接続している２つの燃料電池セル両方と接する２つの共通の接平面の間の領域に延びるように配置されるので、酸化剤ガスは容易に各燃料電池セルの間の空間に流れ込むことができる。また、集電部材の連結部が２つの共通の接平面の間の領域に延びているので、連結部の長さを短くすることができる。このため、集電部材自体の熱抵抗が低減され、集電部材によって接続されている燃料電池セル間の集電部材を介した熱伝導が促進される。これにより、各燃料電池セルの温度ムラが低減される。
【００１７】
本発明において、好ましくは、集電部材の連結部は、板状に形成されると共に、集電部材が接続している２つの燃料電池セルの各中心軸線を含む平面に対して概ね直交する方向に向けて配置されている。
【００１８】
このように構成された本発明によれば、集電部材の連結部が、集電部材が接続している２つの燃料電池セルの各中心軸線を含む平面に対して概ね直交する方向に向けて配置されているので、連結部の、燃料電池セルスタックの側面から見た投影面積が極小となる。これにより、各燃料電池セルの間に向かって噴射された酸化剤ガスの流れ抵抗を非常に小さくすることができ、酸化剤ガスを燃料電池セルスタックの内方に、十分に行き渡らせることができる。
【００１９】
本発明において、好ましくは、各酸化剤ガス供給孔は、隣り合う燃料電池セルの間に向かって加熱された酸化剤ガスを噴射するように、水平方向に一直線に並べて配置されている。
【００２０】
このように構成された本発明によれば、各酸化剤ガス供給孔が水平方向に一直線に並べて配置されているので、燃料電池セルスタックに噴射される酸化剤ガスの流れを、燃料電池セルスタックの各部で均等にすることができ、燃料電池セルの温度ムラを一層抑制することができる。
【００２１】
本発明において、好ましくは、配列された各燃料電池セルの間を接続する各集電部材は、水平方向に一直線に並べて配置されている。
このように構成された本発明によれば、各集電部材が水平方向に一直線に並べて配置されているので、燃料電池セルスタックに噴射される酸化剤ガスの、集電部材による拡散が各部において均一にされ、酸化剤ガスの流れを燃料電池セルスタックの各部で均等にすることができる。この結果、燃料電池セルの温度ムラを一層抑制することができる。
【００２２】
本発明において、好ましくは、各酸化剤ガス供給孔は、モジュールケースの対向する２つの側壁面に設けられており、各側壁面に形成された各酸化剤ガス供給孔は、夫々対向するように配置されている。
【００２３】
このように構成された本発明によれば、噴射された酸化剤ガスが、燃料電池セルスタックの両側の側面から各燃料電池セルの間に流入するので、酸化剤ガスを燃料電池セルスタックの中央まで、十分に行き渡らせることができる。また、各酸化剤ガス供給孔がモジュールケースの対向する側壁面に夫々設けられているので、噴射された酸化剤ガスが交差することがなく、噴射された酸化剤ガス同士の衝突が回避され、流れの乱れを抑制することができる。
【００２４】
本発明において、好ましくは、各燃料電池セルは格子状に配列されており、１つの列に属する各燃料電池セルを夫々連結する各集電部材は所定方向に傾斜して延びるように取り付けられ、隣接する列に属する各燃料電池セルを夫々連結する各集電部材は、所定方向とは反対向きに傾斜して延びるように取り付けられている。
【００２５】
このように構成された本発明によれば、１つの列の各燃料電池セルを夫々連結する各集電部材の傾斜方向と、隣接する列の各燃料電池セルを夫々連結する各集電部材の傾斜方向が反対に向けられているので、各燃料電池セルの間を流れる酸化剤ガスに偏りが生じにくく、燃料電池セルの温度ムラを一層抑制することができる。即ち、各列の燃料電池セルを夫々連結する集電部材が、全て同一の方向に傾斜するように配置されていると、集電部材により酸化剤ガスの流れが方向付けられてしまい、流れに偏りが発生する場合がある。上記のように構成された本発明によれば、各燃料電池セルの間を流れる酸化剤ガスに偏りを防止することができ、燃料電池セルの温度ムラを抑制することができる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の燃料電池モジュールによれば、燃料電池セルの加熱ムラを抑制することにより、発電性能の低下や燃料電池セルの劣化、燃料電池セルが損傷されるリスクを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施形態による燃料電池モジュールを備えた固体酸化物形燃料電池装置（ＳＯＦＣ）を示す全体構成図である。
【図２】本発明の実施形態による燃料電池モジュールを示す側面断面図である。
【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った燃料電池モジュールの断面図である。
【図４】本発明の実施形態による燃料電池モジュールのモジュールケース及び空気通路カバーの分解斜視図である。
【図５】本発明の実施形態による燃料電池モジュールに備えられた燃料電池セルを示す図である。
【図６】本発明の実施形態による燃料電池モジュールに備えられた燃料電池セル端部の拡大断面図である。
【図７】本発明の実施形態による燃料電池モジュールに備えられた燃料電池セルスタックを示す斜視図である。
【図８】本発明の実施形態による燃料電池モジュールに備えられた燃料電池セルスタックの一部を示す側面図である。
【図９】本発明の実施形態による燃料電池モジュールに備えられた燃料電池セルスタックの一部を示す側面断面図である。
【図１０】本発明の実施形態による燃料電池モジュールに備えられた燃料電池セルスタックを構成する集電部材の斜視図である。
【図１１】本発明の実施形態による燃料電池モジュールに備えられた燃料電池セルスタックを構成する集電部材によって接続された２本の燃料電池セルを上方から見た平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
つぎに、添付図面を参照して、本発明の実施形態による燃料電池モジュールを備えた固体酸化物形燃料電池装置を説明する。
図１は、本発明の実施形態による燃料電池モジュールを備えた固体酸化物形燃料電池装置（ＳＯＦＣ）を示す全体構成図である。
図１に示すように、固体酸化物形燃料電池装置（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。
【００２９】
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、断熱材７を介して金属製のモジュールケース８が内蔵されている。この密閉空間であるモジュールケース８の下方部分である発電室１０には、燃料ガスと酸化剤ガス（以下では適宜「発電用空気」又は「空気」と呼ぶ。）とにより発電反応を行う燃料電池セルスタック１４が配置されている。本実施形態においては、燃料電池セルスタック１４は、複数の燃料電池セル１６の全てが直列接続されている。
【００３０】
燃料電池モジュール２のモジュールケース８の発電室１０の上方には、燃焼部としての燃焼室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空気とが燃焼し、排気ガス（言い換えると燃焼ガス）を生成するようになっている。さらに、モジュールケース８は断熱材７により覆われており、燃料電池モジュール２内部の熱が、外気へ発散するのを抑制している。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１２０が配置され、残余ガスの燃焼熱によって改質器１２０を改質反応が可能な温度となるように加熱している。
【００３１】
さらに、ハウジング６内においてモジュールケース８の上方には、蒸発器１４０が断熱材７内に設けられている。蒸発器１４０は、供給された水と排気ガスとの間で熱交換を行うことによって、水を蒸発させて水蒸気を生成し、この水蒸気と原燃料ガスとの混合ガス（以下では「燃料ガス」と呼ぶこともある。）をモジュールケース８内の改質器１２０に供給する。
【００３２】
つぎに、補機ユニット４は、燃料電池モジュール２からの排気中に含まれる水分を結露させた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）と、電源喪失時において、燃料流量調整ユニット３８から流出する燃料ガスを遮断するバルブ３９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１２０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。
【００３３】
なお、本実施形態では、装置の起動時に改質器１２０内において、部分酸化改質反応（ＰＯＸ）のみが生じるＰＯＸ工程から、部分酸化改質反応（ＰＯＸ）と水蒸気改質反応（ＳＲ）が混在したオートサーマル改質反応（ＡＴＲ）が生じるＡＴＲ工程を経て、水蒸気改質反応のみが生じるＳＲ工程が行われるように構成してもよいし、ＰＯＸ工程を省略してＡＴＲ工程からＳＲ工程に移行されるように構成してもよいし、ＰＯＸ工程及びＡＴＲ工程を省略してＳＲ工程のみが行われるように構成してもよい。なお、ＳＲ工程のみが行われる構成では、改質用空気流量調整ユニット４４は不要である。
【００３４】
つぎに、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。
【００３５】
つぎに、図２〜図４を参照して、本実施形態による燃料電池モジュールの構造について説明する。
図２は、固体酸化物形燃料電池装置の燃料電池モジュールを示す側面断面図であり、図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図であり、図４は、モジュールケース及び空気通路カバーの分解斜視図である。
【００３６】
図２及び図３に示すように、燃料電池モジュール２は、断熱材７で覆われたモジュールケース８の内部に設けられた燃料電池セルスタック１４及び改質器１２０を有すると共に、モジュールケース８の外部で且つ断熱材７内に設けられた蒸発器１４０を有する。
【００３７】
まず、モジュールケース８は、図４に示すように、略矩形の天板８ａ，底板８ｃ，これらの長手方向（図２の左右方向）に延びる辺同士を連結する対向する一対の側板８ｂからなる筒状体と、この筒状体の長手方向の両端部の２つの対向する開口部を塞ぎ、天板８ａ及び底板８ｃの幅方向（図３の左右方向）に延びる辺同士を連結する閉鎖側板８ｄ，８ｅからなる。
【００３８】
モジュールケース８は、空気通路カバー１６０によって天板８ａ及び側板８ｂが覆われている。空気通路カバー１６０は、天板１６０ａと、対向する一対の側板１６０ｂとを有する。天板１６０ａの略中央部分には、排気管１７１を貫通させるための開口部１６７が設けられている。天板１６０ａと天板８ａとの間、及び、側板１６０ｂと側板８ｂとの間は、所定の距離だけ離間した状態となっている。これにより、モジュールケース８の外側と断熱材７との間、具体的にはモジュールケース８の天板８ａ及び側板８ｂと、空気通路カバー１６０の天板１６０ａ及び側板１６０ｂとの間には、酸化剤ガス供給通路としての空気通路１６１ａ，１６１ｂが形成されている（図３参照）。
【００３９】
モジュールケース８の側板８ｂの下部には、複数の貫通孔である吹出口８ｆが設けられている（図４参照）。発電用空気は、空気通路カバー１６０の天板１６０ａのうち、モジュールケース８の閉鎖側板８ｅ側の略中央部に設けられた発電用空気導入管７４から流路方向調整部１６４を介して空気通路１６１ａ内に供給される（図２、図４参照）。そして、発電用空気は、空気通路１６１ａ，１６１ｂを通って、吹出口８ｆから燃料電池セルスタック１４に向けて発電室１０内に噴射される（図３、図４参照）。
【００４０】
また、空気通路１６１ａ，１６１ｂの内部には、熱交換促進部材としてのプレートフィン１６２，１６３が設けられている（図３参照）。プレートフィン１６２は、モジュールケース８の天板８ａと空気通路カバー１６０の天板１６０ａの間で長手方向及び幅方向に延びるように水平方向に設けられ、プレートフィン１６３は、モジュールケース８の側板８ｂと空気通路カバー１６０の側板１６０ｂとの間であって、且つ、燃料電池セル１６よりも上方の位置に長手方向及び鉛直方向に延びるように設けられている。
【００４１】
空気通路１６１ａ，１６１ｂを流れる発電用空気は、特にプレートフィン１６２，１６３を通過する際に、これらプレートフィン１６２，１６３の内側のモジュールケース８内（具体的には天板８ａ，側板８ｂに沿って設けられた排気通路）を通過する排気ガスとの間で熱交換を行い、加熱されることとなる。このようなことから、空気通路１６１ａ，１６１ｂにおいてプレートフィン１６２，１６３が設けられた部分は、熱交換器（熱交換部）として機能する。なお、プレートフィン１６２が設けられた部分が主たる熱交換器部分を構成し、プレートフィン１６３が設けられた部分が従たる熱交換器部分を構成する。
【００４２】
つぎに、蒸発器１４０は、モジュールケース８の天板８ａ上で水平方向に延びるように固定されている。また、蒸発器１４０とモジュールケース８との間には、これらの隙間を埋めるように断熱材７の一部分７ａが配置されている（図２及び図３参照）。
【００４３】
具体的には、蒸発器１４０は、長手方向（図２の左右方向）の一側端側に、水及び原燃料ガス（改質用空気を含めてもよい）を供給する燃料供給配管６３と、排気ガスを排出するための排気ガス排出管８２（図３参照）とが連結され、長手方向の他側端側に、排気管１７１の上端部が連結されている。排気管１７１は、空気通路カバー１６０の天板１６０ａに形成された開口部１６７を貫通して下方へ延び、モジュールケース８の天板８ａ上に形成された排気口１１１に連結されている。排気口１１１は、モジュールケース８内の燃焼室１８で生成された排気ガスをモジュールケース８の外へ排出する開口部であり、モジュールケース８の上面視略矩形の天板８ａのほぼ中央部に形成されている。
【００４４】
また、蒸発器１４０は、図２及び図３に示すように、上面視で略矩形の蒸発器ケース１４１を有している。この蒸発器ケース１４１は、２つの高さの低い有底矩形筒状の上側ケース１４２と下側ケース１４３とを、これらの間に中間板１４４を挟んだ状態で接合して形成されている。
【００４５】
したがって、蒸発器ケース１４１は、上下方向に二層構造となっており、下層部分には、排気管１７１から供給された排気ガスが通過する排気通路部１４０Ａが形成され、上層部分には、燃料供給配管６３から供給された水を蒸発させて水蒸気を生成する蒸発部１４０Ｂと、蒸発部１４０Ｂで生成された水蒸気と燃料供給配管６３から供給された原燃料ガスとを混合させる混合部１４０Ｃが設けられている。
【００４６】
図２及び図３に示すように、蒸発部１４０Ｂ及び混合部１４０Ｃは、複数の連通孔（スリット）１４５ａが形成された仕切り板１４５により蒸発器１４０を仕切った空間にて形成されている。また、蒸発部１４０Ｂ内には、アルミナボール（図示せず）が充填されている。
また、排気通路部１４０Ａは、同様に複数の連通孔を有する２つの仕切り板１４６，１４７により排気ガスの上流側から下流側にかけて３つの空間に仕切られている。そして、２番目の空間に燃焼触媒（図示せず）が充填されている。すなわち、本実施形態において蒸発器１４０は、上下方向の二層構造のうちの下層構造に燃焼触媒器を含んでいる。
【００４７】
このような蒸発器１４０では、蒸発部１４０Ｂ内の水と排気通路部１４０Ａを通過する排気ガスとの間で熱交換が行われ、排気ガスの熱により蒸発部１４０Ｂ内の水が蒸発して、水蒸気が生成されることとなる。また、混合部１４０Ｃ内の混合ガスと排気通路部１４０Ａを通過する排気ガスとの間で熱交換が行われ、排気ガスの熱により混合ガスが昇温されることとなる。
【００４８】
さらに、図２に示すように、混合部１４０Ｃには、改質器１２０に混合ガスを供給するための混合ガス供給管１１２が接続されている。この混合ガス供給管１１２は、排気管１７１の内部を通過するように配置されており、一端が中間板１４４に形成された開口１４４ａに連結され、他端が改質器１２０の天面に形成された混合ガス供給口１２０ａに連結されている。混合ガス供給管１１２は、排気通路部１４０Ａ内，排気管１７１内を通過してモジュールケース８内まで鉛直下方に延び、そこで略９０°屈曲されて天板８ａに沿って水平方向に延びた後、下方へ略９０°屈曲されて改質器１２０に連結されている。
【００４９】
つぎに、改質器１２０は、燃焼室１８の上方でモジュールケース８の長手方向に沿って水平方向に延びるように配置され、天板８ａに対して固定されている。改質器１２０は、上面視で外形略矩形であるが、中央部に貫通孔１２０ｂが形成された環状構造体であり、上側ケース１２１と下側ケース１２２とが接合された筐体を有している。この貫通孔１２０ｂは、天板８ａに形成された排気口１１１と上面視で重なるように位置し、好ましくは、貫通孔１２０ｂの中央位置に排気口１１１が形成される。
【００５０】
改質器１２０の長手方向の一端側（モジュールケース８の閉鎖側板８ｅ側）では、上側ケース１２１に設けられた混合ガス供給口１２０ａに混合ガス供給管１１２が連結されており、他端側（閉鎖側板８ｄ側）では、燃料ガス供給管６４が下側ケース１２２に、脱硫器３６まで延びる水添脱硫器用水素取出管６５が上側ケース１２１にそれぞれ連結されている。したがって、改質器１２０は、混合ガス供給管１１２から混合ガス（つまり水蒸気が混合された原燃料ガス（改質用空気を含めてもよい））を受け取り、内部で混合ガスを改質し、燃料ガス供給管６４及び水添脱硫器用水素取出管６５から改質後のガス（即ち、燃料ガス）を排出するように構成されている。
【００５１】
改質器１２０は、その内部空間が２つの仕切り板１２３ａ，１２３ｂによって３つの空間に仕切られることにより、改質器１２０内に、混合ガス供給管１１２からの混合ガスを受入れる混合ガス受入部１２０Ａと、混合ガスを改質するための改質触媒（図示せず）が充填された改質部１２０Ｂと、改質部１２０Ｂを通過したガスを排出するガス排出部１２０Ｃと、が形成されている（図２参照）。改質部１２０Ｂは、仕切り板１２３ａ，１２３ｂに挟まれた空間であり、この空間に改質触媒が保持されている。混合ガス及び改質後の燃料ガスは、仕切り板１２３ａ，１２３ｂに設けられた複数の連通孔（スリット）を通って移動可能となっている。また、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。
【００５２】
混合ガス受入部１２０Ａには、蒸発器１４０から混合ガス供給管１１２を介して供給された混合ガスが混合ガス供給口１２０ａを通して噴出される。この混合ガスは、混合ガス受入部１２０Ａ内で拡張されて噴出速度が低下し、仕切り板１２３ａを通過して改質部１２０Ｂに供給される。
改質部１２０Ｂでは、低速で移動する混合ガスが改質触媒により燃料ガスに改質され、この燃料ガスが仕切り板１２３ｂを通過してガス排出部１２０Ｃに供給される。
ガス排出部１２０Ｃでは、燃料ガスが燃料ガス供給管６４、及び、水添脱硫器用水素取出管６５へ排出される。
【００５３】
燃料ガス供給通路としての燃料ガス供給管６４は、モジュールケース８内を閉鎖側板８ｄに沿って下方へ延び、底板８ｃ付近で略９０°屈曲されて水平方向に延びて、燃料電池セルスタック１４の下方に形成されたマニホールド６６内へ入り、更にマニホールド６６内で逆側の閉鎖側板８ｅ付近まで水平方向に延びている。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、燃料ガスがマニホールド６６内に供給される。このマニホールド６６の上方には、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。また、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。
また、改質器１２０は、モジュールケース８の側板８ｂと所定の水平方向距離を隔てて配置されている。
【００５４】
つぎに、図５及び図６を参照して、燃料電池セル１６について説明する。
図５は、本発明の実施形態による燃料電池モジュールに備えられた燃料電池セルを示す図である。図６は、燃料電池セル端部の拡大断面図である。
図５に示すように、燃料電池セル１６は、燃料電池セル本体８４と、この燃料電池セル本体８４の両端部にそれぞれ接続された接続電極部であるキャップ８６とを備えている。
【００５５】
図６に示すように、支持体として導電支持体を有する場合の燃料電池セル本体８４は、上下方向に延びる管状構造体であり、内部にガス通路である燃料ガス流路８８を形成する円筒形の燃料極層である内側電極層９０と、内側電極層９０の外周に設けられた円筒形の固体電解質層である電解質層９４と、電解質層９４の外周に設けられた円筒形の空気極（酸化剤ガス極）層である外側電極層９２と、を備えている。この内側電極層９０は、燃料電池セル本体８４を構成する支持体として機能すると共に、内部に燃料ガスが流れるガス通路を構成する多孔質体である。内側電極層９０は燃料極であり、（−）極となり、一方、外側電極層９２は、空気と接触する空気極であり、（＋）極となっている。
【００５６】
内側電極層９０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ドとの混合体、の少なくとも一種から形成される。本実施形態では、内側電極層９０は、Ｎｉ／ＹＳＺからなる。
なお、支持体として多孔質の絶縁性支持体を用いることもでき、この場合においては、絶縁性支持体の外側に、内側電極層として燃料極層を形成する。
【００５７】
電解質層９４は、内側電極層９０の外周面に沿って全周にわたって形成されており、下端は内側電極層９０の下端よりも上方で終端し、上端は内側電極層９０の上端よりも下方で終端している。電解質層９４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。
【００５８】
外側電極層９２は、電解質層９４の外周面に沿って全周にわたって形成されており、下端は電解質層９４の下端よりも上方で終端し、上端は電解質層９４の上端よりも下方で終端している。外側電極層９２は、例えば、Ｓｒ、Ｃａから選ばれた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から選ばれた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から選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンコバルタイト、銀、などの少なくとも一種から形成される。
【００５９】
次に、キャップ８６について説明するが、燃料電池セル本体８４の上端側と下端側に取り付けられたキャップ８６は、同一構造であるため、ここでは、燃料電池セル本体８４の下端側に取り付けられたキャップ８６について具体的に説明する。
【００６０】
キャップ８６は、燃料電池セル本体８４の上下端部をそれぞれ包囲するように設けられ、燃料電池セル本体８４の内側電極層９０と電気的に接続され、内側電極層９０を外部に引き出す接続電極として機能する。図６に示すように、燃料電池セル本体８４の下端に設けられたキャップ８６は、円筒状の第１円筒部８６ａと、第１円筒部８６ａの上端かから外方に向かって延びる円環状の円環部８６ｂと、円環部８６ｂの外周から上方に向かって延びる第２円筒部８６ｃとを有する。キャップ８６の第１円筒部８６ａの中心部には、内側電極層９０の燃料ガス流路８８と連通する燃料ガス流路９８が形成されている。燃料ガス流路９８は、キャップ８６の中心から燃料電池セル本体８４の軸線方向に延びるように設けられた細長い管路である。
【００６１】
キャップ８６は、フェライト系ステンレス又はオーステナイト系ステンレスからなる本体の内周面及び外周面にクロム酸化物（本実施形態では、Ｃｒ2Ｏ3）がコーティングされ、さらに、外周面には、ＭｎＣｏ2Ｏ4がコーティングされている。加えて、コーティングされたＭｎＣｏ2Ｏ4層の外周面にはＡｇ集電膜が設けられている。なお、本実施形態では、Ａｇ集電膜は、キャップ８６の外周面全体にわたって設けられているが、一部のみに設けてもよい。
【００６２】
キャップ８６の第２円筒部８６ｃの内側と、燃料電池セル本体８４の内側電極層９０の端部外周面との間の空間には銀ペースト９５が配置されている。燃料電池セル１６の組み立て後に焼成することにより、銀ペースト９５が焼結され、内側電極層９０とキャップ８６が、電気的、機械的に結合される。また、キャップ８６の第２円筒部８６ｃの内周面と、電解質層９４の下端部外周面との間には、ガラス材料からなるガラスシール９６が設けられている。このガラスシール９６により、キャップ８６と内側電極層９０との間の空間は、燃料電池セル１６の外部の空間に対して気密密封されている。
【００６３】
つぎに、図７乃至図１１を参照して、本発明の実施形態の燃料電池モジュールに備えられた燃料電池セルスタック１４について説明する。
図７は、本実施形態の燃料電池モジュールに備えられた燃料電池セルスタックを示す斜視図である。図８は、本実施形態の燃料電池モジュールに備えられた燃料電池セルスタックの一部を示す側面図であり、図９は、燃料電池セルスタックの一部を示す側面断面図である。
【００６４】
図７に示すように、燃料電池セルスタック１４は、格子状に配列された１２８本の燃料電池セル１６を備え、これらの燃料電池セル１６は、１６本ずつ８列に並べて配置されている。
図８及び図９に示すように、各燃料電池セル１６は、下端側が金属製の長方形の下支持板６８により支持されている。この下支持板６８は、マニホールド６６の天井面を構成し、各燃料電池セル１６の燃料ガス流路８８に燃料ガスを流入させるための貫通穴が形成されている。また、各燃料電池セル１６の下端側のキャップ８６と下支持板６８の間には、概ね円筒形のセラミック製のスペーサ１００が配置されており、キャップ８６と下支持板６８の間を離間させることで絶縁性を確保している。
【００６５】
さらに、各燃料電池セル１６には、１つの燃料電池セル１６を隣接する燃料電池セル１６と電気的に接続する集電部材１０２が取り付けられている。この集電部材１０２は、燃料極である内側電極層９０と電気的に接続されたキャップ８６と、隣接する燃料電池セル１６の空気極である外側電極層９２の外周面と、を接続するように配置される。また、各集電部材１０２は、各燃料電池セル１６の上端部及び下端部に取り付けられているため、１つの燃料電池セル１６と隣接する燃料電池セル１６は、２つの集電部材１０２により電気的に接続されることになる（これら２つの集電部材１０２は並列）。このように、各集電部材１０２により、燃料電池セルスタック１４を構成する全ての燃料電池セル１６は、電気的に直列に接続される。なお、各燃料電池セル１６の外側電極層９２（空気極）の外表面全体には、空気極側の電極として、銀製の薄膜が形成されている。この薄膜の表面に集電部材１０２が接触することにより、集電部材１０２は空気極全体と電気的に接続される。
【００６６】
つぎに、図１０及び図１１を新たに参照して、集電部材１０２による接続構造を説明する。図１０は、集電部材の斜視図である。図１１は、集電部材によって接続された２本の燃料電池セルを上方から見た平面図である。
図１０に示すように、集電部材１０２は、キャップ８６を把持するように構成された第１把持部１０４と、外側電極層９２を把持するように構成された第２把持部１０６と、第１、第２把持部を連結し、これらを電気的に導通させる連結部１０８から構成されている。集電部材１０２は、フェライト系ステンレス製の薄板を曲げ加工することにより、第１、第２把持部及び連結部を一体的に形成した金具である。また、集電部材１０２の表面には銀メッキが施され、その電気伝導性を向上させている。即ち、集電部材１０２は、フェライト系ステンレス製の基材に、基材よりも電気抵抗率の低い銀製の金属層を被覆することにより構成されている。
【００６７】
第１把持部１０４は円弧状に湾曲された細長い矩形の薄板であり、この円弧の内側にキャップ８６を嵌め込むことにより、キャップ８６が第１把持部１０４によって把持される。即ち、非組み付け状態においては、円弧状の第１把持部１０４の半径はキャップ８６の半径よりも若干小さく、組み付け時において第１把持部１０４を弾性変形させながら、第１把持部１０４の内側に嵌め込むことにより、キャップ８６を把持させる。また、第１把持部１０４の両側の先端部１０４ａは、燃料電池セル１６（キャップ８６）の中心から外方に向かって湾曲されていると共に、先端部１０４ａの角には丸味が付けられている。これにより、キャップ８６を第１把持部１０４に嵌め込む際に、第１把持部１０４の先端部１０４ａによってキャップ８６の表面に傷を付けることが防止される。
【００６８】
また、キャップ８６が把持された状態では、第１把持部１０４はキャップ８６周囲の所定範囲に沿って延び、第１把持部１０４の内側の表面とキャップ８６の第２円筒部８６ｃの外周面が接触する。なお、組み付けられたとき、第１把持部１０４は、キャップ８６の第２円筒部８６ｃの半周よりも長く延びる。即ち、第１把持部１０４は、キャップ８６周囲の円周の長さの半分よりも長く構成されている。また、組み付け時において、第１把持部１０４の内周面と第２円筒部８６ｃの外周面との間には、導電性接合剤である銀ペーストが塗布される。燃料電池セルスタック１４の組み立て完了後、塗布された銀ペーストが焼結されることにより、第１把持部１０４とキャップ８６が固着される。
【００６９】
第２把持部１０６は円弧状に湾曲された細長い矩形の薄板であり、この円弧の内側に燃料電池セル１６の燃料電池セル本体８４を嵌め込むことにより、燃料電池セル本体８４が第２把持部１０６によって把持される。なお、第２把持部１０６は、燃料電池セル本体８４の外側電極層９２（空気極）の部分を把持する。また、非組み付け状態においては、円弧状の第２把持部１０６の半径は外側電極層９２の半径よりも若干小さく、組み付け時において第２把持部１０６を弾性変形させながら、第２把持部１０６の内側に嵌め込むことにより、外側電極層９２の部分を把持させる。また、第２把持部１０６の両側の先端部１０６ａは、燃料電池セル１６（外側電極層９２）の中心から外方に向かって湾曲されていると共に、先端部１０６ａの角には丸味が付けられている。これにより、燃料電池セル本体８４を第２把持部１０６に嵌め込む際に、第２把持部１０６の先端部１０６ａによって外側電極層９２の表面に傷を付けることが防止される。
【００７０】
また、燃料電池セル本体８４が把持された状態では、第２把持部１０６は外側電極層９２周囲の所定範囲に沿って延び、第２把持部１０６の内側の外側電極接触面１０６ｂと外側電極層９２の外周面が接触する。なお、組み付けられたとき、第２把持部１０６は、外側電極層９２の半周よりも長く延びているが、第２把持部１０６は第１把持部１０４よりも短く、第１把持部１０４よりも少ない範囲に亘って延びている。即ち、第２把持部１０６は、外側電極層９２周囲の円周の長さの半分よりも長く構成されているが、第１把持部１０４よりも短く構成されている。一方、第２把持部１０６は、第１把持部１０４よりも幅が広く形成され、把持力が調整されている。
【００７１】
即ち、第２把持部１０６は、第１把持部１０４よりも短く形成されているため、燃料電池セル１６を嵌め込むときの弾性変形量が、第１把持部１０４よりも少なくなる。このため、外側電極層９２を第２把持部１０６に嵌め込むために要する力は、キャップ８６を第１把持部１０４に嵌め込むために要する力よりも弱く、把持力は第１把持部１０４よりも弱くなるものの、外側電極層９２を第２把持部１０６に容易に嵌め込むことができる。これにより、燃料電池セル１６を第２把持部１０６に嵌め込む際に、外側電極層９２の表面に傷が付くのを防止している。
【００７２】
これに対して、第１把持部１０４に嵌め込まれるキャップ８６は、その表面強度が外側電極層９２よりも高く傷が付きにくいため、嵌め込みに要する力を大きく設定しても表面に傷が付くことが少ない。組み付け時における第１把持部１０４の弾性変形量を大きく設定しておくことにより、第１把持部１０４はキャップ８６を強い把持力で把持することができ、集電部材１０２をキャップ８６に強固に取り付けることができる。このように、本実施形態の燃料電池モジュールに備えられた燃料電池セルスタック１４においては、第１、第２把持部による把持力が、それを組み付ける部分の表面強度に応じて適切に設定されるように、表面強度が高い方を把持する把持力が強くされているので、組み付けられた表面の傷つきを防止しながら強い把持力を得ることができる。
【００７３】
また、組み付け時において、第２把持部１０６の内周面と外側電極層９２の外周面との間には、導電性接合剤である銀ペーストが配置される。即ち、第２把持部１０６の内周面に銀ペーストを塗布した状態で、第２把持部１０６に燃料電池セル１６の外側電極層９２の部分が嵌め込まれる。燃料電池セルスタック１４の組み立て完了後、塗布された銀ペーストが焼結されることにより、第２把持部１０６と外側電極層９２が固着される。これにより、第２把持部１０６と外側電極層９２は、焼結された銀ペーストにより形成される接合剤層を介して接触する。なお、銀ペーストは、第１把持部１０４又は第２把持部１０６の何れか一方のみに塗布しても良い。
【００７４】
さらに、第２把持部１０６には、ガス供給部であるガス供給開口部１０６ｃ、１０６ｄが設けられている。ガス供給開口部１０６ｄは、第２把持部１０６の中央に設けられた円形の開口である。また、ガス供給開口部１０６ｃは、第２把持部１０６の長手方向に沿って、ガス供給開口部１０６ｄの両側に延びるように夫々形成された細長いスリット状の開口であり、第２把持部１０６が燃料電池セル１６に取り付けられたとき、ガス供給開口部１０６ｄは燃料電池セル１６の周方向に延びる。ここで、集電部材１０２が燃料電池セル１６に組み付けられると、第２把持部１０６の外側電極接触面１０６ｂが外側電極層９２に接触する。これにより、外側電極層９２の一部が覆われ、覆われた部分には酸化剤ガス（空気）の供給が阻害されるが、ガス供給開口部１０６ｃ、１０６ｄを設けておくことにより、これらの開口を介して酸化剤ガスが外側電極層９２に供給される。
【００７５】
ここで、第２把持部１０６によって覆われることにより、酸化剤ガスの供給が阻害される部分では発電反応に影響が生じ、燃料電池セル１６の発電効率が低下するので、覆われる面積は少ないことが望ましい。しかしながら、銀ペーストを使用して、第２把持部１０６を外側電極層９２に十分な強度で接合するためには、第２把持部１０６と外側電極層９２の接触面積（外側電極接触面１０６ｂ）をある程度確保しておく必要がある。
【００７６】
本実施形態の燃料電池モジュールに備えられた燃料電池セルスタック１４においては、第２把持部１０６にガス供給開口部１０６ｃ、１０６ｄが設けられているため、これらの開口の周囲にもある程度酸化剤ガスが回り込む。このため、ガス供給開口部１０６ｃ、１０６ｄを設けて外側電極接触面１０６ｂを細分化することにより、外側電極層９２を第２把持部１０６で覆うことの悪影響を緩和することができる。また、第２把持部１０６にガス供給開口部１０６ｃ、１０６ｄを設けることにより、外側電極層９２が覆われてしまう外側電極接触面１０６ｂが細分化されるため、外側電極層９２の、発電反応が抑制される部分（外側電極接触面１０６ｂ）が分散し、発電反応のムラを抑制することができる。なお、上記のように、第２把持部１０６と外側電極層９２の間には銀ペーストが塗布されるが、銀ペーストを焼結することにより形成される接合剤層は、ガス供給開口部１０６ｃ、１０６ｄの部分においては、外側電極接触面１０６ｂの部分における接合剤層の厚さを超えない厚さに薄く形成される。このため、外側電極層９２には、ガス供給開口部を介して十分な酸化剤ガスが供給される。
【００７７】
つぎに、連結部１０８は、第１把持部１０４と第２把持部１０６の間を連結する板状の部分であり、連結部１０８の両端に接続されている第１把持部１０４と第２把持部１０６は、互いに反対の方向に湾曲されている。また、連結部１０８は、第１把持部１０４と接続されている第１台形部１０８ａと、第２把持部１０６と接続されている第２台形部１０８ｂと、第１台形部１０８ａと第２台形部１０８ｂの間に延びる拡幅部１０８ｃと、から構成されている。
【００７８】
第１台形部１０８ａは等脚台形状の薄板であり、平行な対辺の短い方が、第１把持部１０４の中央部と接続され、長い方の対辺が拡幅部１０８ｃと接続されている。ここで、第１台形部１０８ａの短い方の対辺は、連結曲線１０８ｄにおいて第１把持部１０４に連結されている。即ち、第１把持部１０４は把持する燃料電池セル１６（のキャップ８６）の外周の曲面に沿って湾曲されているため、これと第１台形部１０８ａを連結する連結曲線１０８ｄ（第１台形部１０８ａの短い方の対辺）も曲線となる。一方、拡幅部１０８ｃは平面であり、この拡幅部１０８ｃと接続される第１台形部１０８ａの長い方の対辺は直線となっている。
【００７９】
同様に、第２台形部１０８ｂは等脚台形状の薄板であり、平行な対辺の短い方が、第２把持部１０６の中央部と接続され、長い方の対辺が拡幅部１０８ｃと接続されている。また、第２台形部１０８ｂの短い方の対辺は、連結曲線１０８ｅにおいて第２把持部１０６に連結されている。即ち、第２把持部１０６は把持する燃料電池セル１６（の外側電極層９２）の外周の曲面に沿って湾曲されているため、これと第２台形部１０８ｂを連結する連結曲線１０８ｅ（第２台形部１０８ｂの短い方の対辺）も曲線となる。一方、平面である拡幅部１０８ｃと接続される第２台形部１０８ｂの長い方の対辺は直線となっている。
【００８０】
つぎに、拡幅部１０８ｃは、第１台形部１０８ａと第２台形部１０８ｂの間を連結する概ね長方形状の平面板であり、第１、第２台形部の長い方の対辺とほぼ同じ幅に形成されている。ここで、集電部材１０２は、隣接する燃料電池セル１６の間を電気的に接続する部材であるため、第１把持部１０４と第２把持部１０６を連結する連結部１０８は、導体断面積を大きくし、電気抵抗を低下させることが望ましい。ところが、第１、第２把持部と連結部１０８を夫々接続する連結曲線１０８ｄ、１０８ｅは互いに反対向きに湾曲した曲線であるため、これらの連結曲線があまり長くなると、金属製の薄板を曲げ加工して、両側の連結曲線を接続する集電部材１０２を形成することが困難となる。
【００８１】
そこで、本実施形態においては、連結部１０８の両端に第１台形部１０８ａ及び第２台形部１０８ｂを夫々設けることにより、連結部１０８と第１、第２把持部が夫々接続される長さ（連結曲線１０８ｄ、１０８ｅの長さ）を短く抑えている。同時に、第１、第２台形部を連結する拡幅部１０８ｃの幅を広く構成することにより、この部分の導体断面積を大きくし、集電部材１０２全体の電気抵抗を低減している。従って、連結部１０８の中間部分に設けられた拡幅部１０８ｃは、連結曲線１０８ｄ、１０８ｅよりも幅が広く形成されており、電気抵抗低減手段として機能する。
【００８２】
次に、図８及び図１１を参照して、集電部材による各燃料電池セルの接続状態を説明する。
図８及び図１１に示すように、集電部材１０２の第１把持部１０４は燃料電池セル１６のキャップ８６を把持し、第２把持部１０６は隣接する燃料電池セル１６の燃料電池セル本体８４（の外側電極層９２の部分）を把持する。また、隣接する燃料電池セル１６同士を接続する各集電部材１０２は、各燃料電池セル１６の上端部及び下端部で、水平方向に一直線に並ぶように取り付けられている。これら第１把持部１０４と第２把持部１０６を連結する連結部１０８は、図８に示すように、第１把持部１０４から第２把持部１０６へ斜め方向に延びている。
【００８３】
ここで、図８に示すように、第１把持部１０４と第２把持部１０６を連結する連結部１０８は湾曲して延びている。このように、連結部１０８が湾曲又は屈曲していると、各部材の熱膨張等により、接続している２つの燃料電池セル１６間の距離が変化した場合でも、この距離の変化を連結部１０８の曲げ変形により容易に吸収することができる。これに対して、第１把持部１０４と第２把持部１０６の間が直線的に連結されていると、接続している燃料電池セル１６間の距離変化を曲げ変形で吸収することができず、連結部１０８に大きな引っ張り力や圧縮力が作用し、これにより、各把持部が燃料電池セル１６から剥がれてしまうリスクがある。
【００８４】
また、図１１に示すように、概ね平板状の連結部１０８は、その板面が上下方向に向けられているため、連結部１０８の板面は、接続している燃料電池セル１６の中心軸線を含む平面Ｐ１に対して直交するように向けられている。また、第１、第２把持部と連結部１０８の接続線（連結曲線１０８ｄ、１０８ｅ）が平面Ｐ１上に位置しているため、連結部１０８は第１把持部１０４と第２把持部１０６を最短距離で接続される。即ち、集電部材１０２は、接続される２本の燃料電池セル１６が平面視において最も近接している点（燃料電池セル１６の外周面と平面Ｐ１が交わる点Ａ１、Ａ２）を接続しているので、平面視における最短距離で２本の燃料電池セル１６を接続することができる。換言すれば、連結部１０８は、接続している２本の燃料電池セル１６両方と接する２つの共通の接平面Ｐ２、Ｐ３の内側の領域（接平面Ｐ２、Ｐ３の間の、接平面Ｐ２、Ｐ３を含まない領域）に延びているため、連結部１０８は第１、第２把持部を最短距離で接続することができる。
【００８５】
一方、図８に想像線で示すように、各燃料電池セル１６の酸化剤ガス極（外側電極層９２）に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給孔である複数の吹出口８ｆが、モジュールケース８の両側の側壁面に、夫々対向する（図８）ように設けられている。これらの吹出口８ｆは、各燃料電池セル１６（燃料電池セルスタック１４）の下部側面から、各燃料電池セル１６に向けて、加熱された酸化剤ガスを噴射する。また、各吹出口８ｆは、酸化剤ガスを隣り合う各燃料電池セル１６の間に向かって噴射するように、水平方向に一直線に並べて配置されている。
【００８６】
ここで、連結部１０８は、その板面が上下方向に向けられているため、図８に示すように、連結部１０８の側方からの水平方向の投影面積は、連結部１０８の板厚分のみであり、非常に狭くなっている。このため、各集電部材１０２（の連結部１０８）は、各燃料電池セル１６の間の酸化剤ガスの流れに与える流れ抵抗が非常に少なくなる。このように、各集電部材１０２による流れ抵抗を抑制することにより、側面から噴射された酸化剤ガスが、燃料電池セルスタック１４の内側に位置する燃料電池セル１６まで十分に到達する。このため、加熱された酸化剤ガスによる各燃料電池セル１６の加熱が均一に行われ、燃料電池セルスタック１４の各部に位置する燃料電池セル１６の温度ムラが少なくなる。従って、集電部材１０２の連結部１０８は、各燃料電池セル１６の間に向かって噴射された酸化剤ガスの流れ抵抗を抑制する流れ抵抗抑制手段として機能し、これにより、温度ムラが低減される。
【００８７】
また、図８に示すように、１つの列に属する各燃料電池セル１６を連結する各集電部材１０２と、隣接する列に属する各燃料電池セル１６を連結する各集電部材１０２は、夫々反対向きに傾斜して延びるように取り付けられている。即ち、図８において、最前列の各燃料電池セル１６の上端部を接続する各集電部材１０２は、第２把持部１０６から第１把持部１０４へ向けて右上がりに傾斜するように取り付けられているのに対し、手前から２列目の各燃料電池セル１６の上端部を接続する各集電部材１０２は、左上がりに傾斜するように取り付けられている。同様に、最前列の各燃料電池セル１６の下端部を接続する各集電部材１０２は、第２把持部１０６から第１把持部１０４へ向けて右下がりに傾斜するように取り付けられているのに対し、手前から２列目の各燃料電池セル１６の下端部を接続する各集電部材１０２は、左下がりに傾斜するように取り付けられている。
【００８８】
このように、集電部材１０２を取り付けることにより、図８に示すように、各集電部材１０２は、側面視で「Ｘ」字を描くように配列される。これにより、燃料電池セルスタック１４の側面から各燃料電池セル１６の間に流入した酸化剤ガスの流れが、各集電部材１０２により一方向に方向付けられることがなく、酸化剤ガスが燃料電池セルスタック１４の内部で、より均等に流れ、各燃料電池セル１６の温度ムラを抑制することができる。
【００８９】
つぎに、図２及び図３を参照して、本発明の実施形態による燃料電池モジュールの作用を説明する。
図２に示すように、水及び原燃料ガス（燃料ガス）は、蒸発器１４０の長手方向の一端側に連結された燃料供給配管６３から蒸発器１４０の上層に設けられた蒸発部１４０Ｂ内に供給される。蒸発部１４０Ｂに供給された水は、蒸発器１４０の下層に設けられた排気通路部１４０Ａを流れる排気ガスにより加熱され水蒸気となる。この水蒸気と、燃料供給配管６３から供給された原燃料ガスとが、蒸発部１４０Ｂ内を下流方向に流れて行き、混合部１４０Ｃ内で混合される。混合部１４０Ｃ内の混合ガスは、下層の排気通路部１４０Ａを流れる排気ガスにより加熱される。
【００９０】
混合部１４０Ｃ内で形成された混合ガス（燃料ガス）は、混合ガス供給管１１２を通って、モジュールケース８内の改質器１２０に供給される。混合ガス供給管１１２は、排気通路部１４０Ａ，排気管１７１を順に通過しているため、これらの通路を流れる排気ガスにより、混合ガス供給管１１２内の混合ガスは更に加熱される。
【００９１】
混合ガスは、改質器１２０内の混合ガス受入部１２０Ａ内に流入し、ここから仕切り板１２３ａを通過して改質部１２０Ｂに流入する。混合ガスは、改質部１２０Ｂにおいて改質されて燃料ガスとなる。こうして生成された燃料ガスは、仕切り板１２３ｂを通過して、ガス排出部１２０Ｃに流入する。
【００９２】
さらに、燃料ガスは、ガス排出部１２０Ｃから燃料ガス供給管６４と水添脱硫器用水素取出管６５とに分岐する。そして、燃料ガス供給管６４に流入した燃料ガスは、燃料ガス供給管６４の水平部６４ａに設けられた燃料供給孔６４ｂからマニホールド６６内に供給され、マニホールド６６から各燃料電池セル１６内に供給される。
【００９３】
また、図２及び図３に示すように、発電用空気は、発電用空気導入管７４から空気通路１６１ａに供給される。発電用空気は、空気通路１６１ａ，１６１ｂ内において、プレートフィン１６２，１６３を通過する際に、これらプレートフィン１６２，１６３の下部のモジュールケース８内に形成された排気通路を通過する排気ガスとの間で効率的な熱交換を行い、加熱されることとなる。この後、発電用空気は、モジュールケース８の側板８ｂの下部に設けられた複数の吹出口８ｆから燃料電池セルスタック１４の下部側面に向けて両側から発電室１０内に噴射される。この加熱された発電用空気により、各燃料電池セル１６の下部が加熱される。
【００９４】
また、発電室１０内で発電に利用されなかった燃料ガスは、各燃料電池セル１６の上端から流出し、燃焼室１８で燃焼されて排気ガス（燃焼ガス）となり、モジュールケース８内を上昇していく。その後、排気ガスは、モジュールケース８の天板８ａの中央に形成された排気口１１１から流出する。
【００９５】
そして、排気口１１１から流出した排気ガスは、モジュールケース８の外部に設けられた排気管１７１を通過して蒸発器１４０の排気通路部１４０Ａに流入し、排気通路部１４０Ａを通過した後、蒸発器１４０から排気ガス排出管８２へ排出される。排気ガスは、蒸発器１４０の排気通路部１４０Ａを流れる際に、上述したように、蒸発器１４０の混合部１４０Ｃ内の混合ガス及び蒸発部１４０Ｂ内の水と熱交換を行う。
【００９６】
本発明の実施形態の燃料電池モジュール２によれば、集電部材１０２は、各燃料電池セル１６の間に向かって噴射された発電用空気（酸化剤ガス）の流れ抵抗を抑制する流れ抵抗抑制手段を備えており、燃料電池セルスタック１４の下部側面に噴射された空気の流れ抵抗が抑制される。この結果、燃料電池セルスタック１４の下部側面に噴射された空気は、燃料電池セルスタック１４の内方に位置する燃料電池セル１６まで十分に到達し、燃料電池セルスタック１４の外側に位置する燃料電池セルばかりでなく、内方に位置する燃料電池セル１６も十分に加熱され、各燃料電池セル１６の温度ムラを低減することができる。このように、燃料電池セルスタック１４の内方に位置する燃料電池セル１６の下部も十分に加熱されることにより、１本の燃料電池セル１６における上部と下部の温度ムラも抑制される。これにより、各燃料電池セル１６を狭い間隔で配置した場合であっても、各燃料電池セル１６の温度ムラに起因する発電性能の低下や燃料電池セル１６の劣化促進、劣化による損傷のリスクを低減することができる。
【００９７】
また、本実施形態の燃料電池モジュール２によれば、集電部材１０２の連結部１０８は、接続している２つの燃料電池セル１６両方と接する２つの共通の接平面Ｐ２、Ｐ３の間の領域に延びるように配置されるので（図１１）、発電用空気は容易に各燃料電池セル１６の間の空間に流れ込むことができる。これに対し、従来の燃料電池モジュールにおいては、集電部材は、接続している２つの燃料電池セル両方と接する共通の接平面内に配置されている。このため、燃料電池セルスタックの下部側面に噴射された空気は、各燃料電池セルの間の空間に流れ込む前に集電部材によって拡散されてしまい、空気の燃料電池セルスタック内への流入が阻害されていた。
【００９８】
さらに、本実施形態の燃料電池モジュール２によれば、集電部材１０２の連結部１０８が２つの共通の接平面Ｐ２、Ｐ３の間の領域に延びているので（図１１）、従来のジュールよりも連結部１０８の長さを短くすることができる。このため、集電部材１０２自体の熱抵抗が低減され、集電部材１０２によって接続されている燃料電池セル１６間の集電部材１０２を介した熱伝導が促進される。これにより、各燃料電池セル１６の温度ムラが低減される。
【００９９】
また、本実施形態の燃料電池モジュール２によれば、集電部材１０２の連結部１０８が、集電部材１０２が接続している２つの燃料電池セル１６の各中心軸線を含む平面Ｐ１に対して概ね直交する方向に向けて配置されているので（図１１）、連結部１０８の、燃料電池セルスタック１６の側面から見た投影面積が極小となる（図８、図９）。これにより、各燃料電池セル１６の間に向かって噴射された空気の流れ抵抗を非常に小さくすることができ、空気を燃料電池セルスタック１６の内方に、十分に行き渡らせることができる。
【０１００】
さらに、本実施形態の燃料電池モジュール２によれば、モジュールケース８に設けられた各吹出口８ｆ（酸化剤ガス供給孔）が水平方向に一直線に並べて配置されているので（図２）、燃料電池セルスタック１４に噴射される発電用空気の流れを、燃料電池セルスタック１４の各部で均等にすることができ、燃料電池セル１６の温度ムラを一層抑制することができる。
【０１０１】
また、本実施形態の燃料電池モジュール２によれば、各集電部材１０２が水平方向に一直線に並べて配置されているので（図８）、燃料電池セルスタック１４に噴射される空気の、集電部材１０２による拡散が各部において均一にされ、空気の流れを燃料電池セルスタック１４の各部で均等にすることができる。この結果、燃料電池セル１６の温度ムラを一層抑制することができる。
【０１０２】
さらに、本実施形態の燃料電池モジュール２によれば、噴射された発電用空気が、燃料電池セルスタック１４の両側の側面から各燃料電池セル１６の間に流入するので（図３、図４）、空気を燃料電池セルスタック１４の中央まで、十分に行き渡らせることができる。また、各吹出口８ｆがモジュールケース８の対向する側壁面に夫々設けられているので、噴射された空気が交差することがなく、噴射された空気同士の衝突が回避され、流れの乱れを抑制することができる。
【０１０３】
また、本実施形態の燃料電池モジュール２によれば、１つの列の各燃料電池セル１６を夫々連結する各集電部材１０２の傾斜方向と、隣接する列の各燃料電池セル１６を夫々連結する各集電部材１０２の傾斜方向が反対に向けられているので（図８）、各燃料電池セル１６の間を流れる発電用空気に偏りが生じにくく、燃料電池セル１６の温度ムラを一層抑制することができる。
【０１０４】
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、１本の燃料電池セルの内部に１つのガス通路が設けられていたが、１本の燃料電池セルに複数本のガス通路を設けた燃料電池セルを収容した燃料電池モジュールに本発明を適用することもできる。
【０１０５】
さらに、上述した実施形態においては、燃料極である内側電極層を、接続電極部であるキャップに接続し、このキャップを集電部材によって隣接する外側電極層に接続していた。しかしながら、接続電極部はキャップに限られず、内側電極層に接続された任意の導体により接続電極部を構成することができ、接続電極部を内側電極層と一体に構成することもできる。
【符号の説明】
【０１０６】
１    固体酸化物形燃料電池装置（ＳＯＦＣ）
２    燃料電池モジュール
４    補機ユニット
６    ハウジング
７    断熱材
８    モジュールケース
８ａ  天板
８ｂ  側板
８ｃ  底板
８ｄ，８ｅ  閉鎖側板
８ｆ  吹出口（酸化剤ガス供給孔）
１０    発電室
１４    燃料電池セルスタック
１６    燃料電池セル
１８    燃焼室（燃焼部）
２６    純水タンク
２８    水流量調整ユニット
３０    燃料供給源
３２    ガス遮断弁
３６    脱硫器
３８    燃料流量調整ユニット
３９    バルブ
４４    改質用空気流量調整ユニット
４５    発電用空気流量調整ユニット
４６    第１ヒータ
４８    第２ヒータ
５０    温水製造装置
５２    制御ボックス
５４    インバータ
６３    燃料供給配管
６４    燃料ガス供給管
６４ａ  水平部
６４ｂ  燃料供給孔
６５    水添脱硫器用水素取出管
６６    マニホールド
６８    下支持板
８２    排気ガス排出管
８３    点火装置
８４    燃料電池セル本体
８６    キャップ（接続電極部）
８６ａ  第１円筒部
８６ｂ  円環部
８６ｃ  第２円筒部
８８    燃料ガス流路
９０    内側電極層
９２    外側電極層
９４    電解質層（固体電解質層）
９５    銀ペースト
９６    ガラスシール
９８    燃料ガス流路
１００    スペーサ
１０２    集電部材
１０４    第１把持部
１０４ａ  先端部
１０６    第２把持部
１０６ａ  先端部
１０６ｂ  外側電極接触面
１０６ｃ，１０６ｄ  ガス供給開口部
１０８    連結部
１０８ａ  第１台形部
１０８ｂ  第２台形部
１０８ｃ  拡幅部
１０８ｄ  連結曲線
１０８ｅ  連結曲線
１１１    排気口
１１２    混合ガス供給管
１２０    改質器
１２１    上側ケース
１２２    下側ケース
１２３ａ，１２３ｂ  仕切り板
１４０    蒸発器
１４１    蒸発器ケース
１４２    上側ケース
１４３    下側ケース
１４４    中間板
１４６，１４７  仕切り板
１６０    空気通路カバー
１６１ａ，１６１ｂ  空気通路
１６２，１６３  プレートフィン
１６７    開口部
１７１    排気管
【図１】
2018045937.tif 000003
【図２】
2018045937.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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【図７】
2018045937.tif 000009
【図８】
2018045937.tif 000010
【図９】
2018045937.tif 000011
【図１０】
2018045937.tif 000012
【図１１】
2018045937.tif 000013