(57)【要約】【課題】  燃料電池スタックにおいて燃料電池セルの積層方向に沿って生じる温度分布を小さくすることができる燃料電池スタック装置を提供する。【解決手段】  燃料電池スタック装置（１００）は、複数個の燃料電池セル（１０）が積層された燃料電池スタック（２０）を少なくとも１つと、複数の燃料電池セルの一端側に配置され、改質反応を生じさせる改質器（３０）と、燃料電池スタックと改質器との間に配置され、燃料電池セルの発電に供されなかった燃料オフガスを燃焼させる燃焼部（７０）と、を備え、改質器は、少なくとも一つの燃料電池スタックにおける燃料電池セルの積層方向の他方端側から一方端側に向けて燃料ガスを流すための第１流路部（３４）と、第１流路部と連通し燃料電池スタックにおける燃料電池セルの積層方向の一方端側から他方端側に向けて燃料ガスを流すための第２流路部（３５）と、を備えることを特徴とするものである。【選択図】      図２
2011044244.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスとで発電を行う燃料電池セルを集電部材を介して複数個積層してなる、少なくとも１つの燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックの一端側に配置され、改質反応を生じさせる改質器と、
前記燃料電池スタックと前記改質器との間に配置され、前記燃料電池セルの発電に供されなかった燃料オフガスを燃焼させる燃焼部と、を備え、
前記改質器は、少なくとも一つの前記燃料電池スタックにおける前記燃料電池セルの積層方向の他方端側から一方端側に向けて燃料ガスを流すための第１流路部と、前記第１流路部と連通し前記燃料電池スタックにおける前記燃料電池セルの積層方向の一方端側から他方端側に向けて前記燃料ガスを流すための第２流路部と、を備えることを特徴とする燃料電池スタック装置。
【請求項２】
前記第２流路部は、前記第１流路部よりも前記燃焼部に近い位置に配置されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池スタック装置。
【請求項３】
前記第１流路部と前記燃焼部との間の距離および前記第２流路部と前記燃焼部との間の距離は、等しいことを特徴とする請求項１記載の燃料電池スタック装置。
【請求項４】
前記第１流路部の上流側に連通し、前記第１流路部が配置されている前記燃料電池スタックとは別の前記燃料電池スタックにおける前記燃料電池セルの積層方向の一方端側から他方端側に向けて燃料ガスを流すための第３流路部を備え、
前記第２流路部は、前記第１流路部よりも前記第３流路部から遠い位置に配置されていることを特徴とする請求項３記載の燃料電池スタック装置。
【請求項５】
前記第１流路部と前記第２流路部とによって挟持された断熱層を備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃料電池スタック装置。
【請求項６】
前記各燃料電池スタックの他端部に接続されたマニホールドと、
前記改質器の下流側と前記マニホールドとを接続する燃料ガス配管と、を備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の燃料電池スタック装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタック装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、一般的には水素および酸素を用いて電気エネルギを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れており、また高いエネルギ効率を実現できることから、今後のエネルギ供給システムとして広く開発が進められてきている。
【０００３】
特許文献１には、燃料電池セルが集電部材を介して複数個積層されてなる燃料電池スタックの上方に改質器が配置された燃料電池スタック装置が開示されている。この装置は、燃料電池スタックと改質器との間に、燃料電池スタックの燃料オフガスを燃焼させるための燃焼部を有している。改質器は、燃焼部によって加熱される。その結果、改質器において水素を含有する燃料ガスが発生する。燃料ガスは、配管を通過して燃料電池セルの下端に流入する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−６３８０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に係る燃料電池スタック装置によれば、改質器においてガスの流動方向に沿って温度分布（温度の最大値と最小値との差）が生じる。この場合、改質器において生じた温度分布に伴って、燃料電池スタックにおいて燃料電池セルの積層方向に沿って温度分布が生じてしまう。
【０００６】
本発明は、燃料電池スタックの燃料電池セルの積層方向における温度分布を小さくすることができる燃料電池スタック装置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】
本発明に係る燃料電池スタック装置は、燃料ガスと酸化剤ガスとで発電を行う燃料電池セルを集電部材を介して複数個積層してなる、少なくとも１つの燃料電池スタックと、燃料電池スタックの一端側に配置され、改質反応を生じさせる改質器と、燃料電池スタックと改質器との間に配置され、燃料電池セルの発電に供されなかった燃料オフガスを燃焼させる燃焼部と、を備え、改質器は、少なくとも一つの燃料電池スタックにおける燃料電池セルの積層方向の他方端側から一方端側に向けて燃料ガスを流すための第１流路部と、第１流路部と連通し燃料電池スタックにおける燃料電池セルの積層方向の一方端側から他方端側に向けて燃料ガスを流すための第２流路部と、を備えることを特徴とするものである。
【０００８】
本発明に係る燃料電池スタック装置によれば、改質器を、少なくとも一つの燃料電池スタックの上において、燃料ガスを折り返して流す構成とすることにより、燃料電池スタックの燃料電池セルの積層方向における燃料ガスの温度差が小さくなる。それにより、燃料電池スタックの燃料電池セルの積層方向における温度分布を小さくすることができる。
【０００９】
上記構成において、第２流路部は、第１流路部よりも燃焼部に近い位置に配置されていてもよい。上記構成において、第１流路部と燃焼部との間の距離および第２流路部と燃焼部との間の距離は、等しくてもよい。上記構成において、第１流路部の上流側に連通し、第１流路部が配置されている燃料電池スタックとは別の燃料電池スタックにおける燃料電池セルの積層方向の一方端側から他方端側に向けて燃料ガスを流すための第３流路部を備え、第２流路部は、第１流路部よりも第３流路部から遠い位置に配置されていてもよい。
【００１０】
上記構成は、第１流路部と第２流路部とによって挟持された断熱層を備えていてもよい。この構成によれば、第２流路部の熱が第１流路部に奪われることを抑制することができる。
【００１１】
上記構成は、各燃料電池スタックの他端部に接続されたマニホールドと、改質器の下流側とマニホールドとを接続する燃料ガス配管と、を備えていてもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、燃料電池スタックの燃料電池セルの積層方向における温度分布を小さくすることができる燃料電池スタック装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１（ａ）は、燃料電池セルの断面を含む部分斜視図である。図１（ｂ）は、燃料電池スタックを説明するための部分斜視図である。
【図２】図２（ａ）は、例１に係る燃料電池スタック装置の模式的斜視図である。図２（ｂ）は、燃料電池スタック装置の改質器および燃料ガス配管をＡ方向から見た模式図である。図２（ｃ）は、燃料電池スタック装置のＢ−Ｂ線断面図である。
【図３】図３（ａ）は、例２に係る改質器および燃料ガス配管の模式的斜視図である。図３（ｂ）は、改質器および燃料ガス配管をＡ方向から見た模式図である。
【図４】図４（ａ）は、例３に係る改質器および燃料ガス配管の模式的斜視図である。図４（ｂ）は、改質器および燃料ガス配管をＡ方向から見た模式図である。
【図５】図５は、例４に係る改質器および燃料ガス配管をＡ方向から見た模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明を実施するための形態を説明する。
【００１５】
本発明の例１に係る燃料電池スタック装置１００について説明する。まず、燃料電池スタック装置１００に用いられる燃料電池セル１０および燃料電池スタック２０について説明する。図１（ａ）は、燃料電池セル１０の断面を含む部分斜視図である。図１（ａ）に示すように、燃料電池セル１０は、平板柱状の全体形状を有する。ガス透過性を有する導電性支持体１１の内部に、軸方向（長手方向）に沿って貫通する複数の燃料ガス通路１２が形成されている。導電性支持体１１の外周面における一方の平面上に、燃料極１３、固体電解質１４、および酸素極１５がこの順に積層されている。酸素極１５に対向する他方の平面上には、接合層１６を介してインターコネクタ１７が設けられ、その上に接触抵抗低減用のＰ型半導体層１８が設けられている。
【００１６】
燃料ガス通路１２に水素を含む燃料ガスが供給されることによって、燃料極１３に水素が供給される。一方、燃料電池セル１０の周囲に酸素を含む酸化剤ガスが供給されることによって、酸素極１５に酸素が供給される。それにより、酸素極１５及び燃料極１３において下記の電極反応が生じることによって発電が行われる。発電反応は、例えば、６００℃〜１０００℃で行われる。
酸素極：１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｏ２−（固体電解質）
燃料極：Ｏ２−（固体電解質）＋Ｈ２→Ｈ２Ｏ＋２ｅ−
【００１７】
酸素極１５の材料は、耐酸化性を有し、気体の酸素が固体電解質１４との界面に到達できるように多孔質である。固体電解質１４は、酸素極１５から燃料極１３へ酸素イオンＯ２−を移動させる機能を有する。固体電解質１４は、酸素イオン導電性酸化物によって構成される。また、固体電解質１４は、燃料ガスと酸化剤ガスとを物理的に隔離するため、酸化／還元雰囲気中において安定でありかつ緻密質である。燃料極１３は、還元雰囲気中で安定でありかつ水素との親和性を有する材料によって構成される。インターコネクタ１７は、燃料電池セル１０同士を電気的に直列に接続するために設けられており、燃料ガスと酸素含有ガスとを物理的に隔離するために緻密質である。
【００１８】
例えば、酸素極１５は、電子およびイオンの双方の導電性が高いランタンコバルタイト系のペロブスカイト型複合酸化物等から形成される。固体電解質１４は、イオン導電性の高いＹ２Ｏ３を含有するＺｒＯ２（ＹＳＺ）等によって形成される。燃料極１３は、電子導電性の高いＮｉとＹ２Ｏ３を含有するＺｒＯ２（ＹＳＺ）との混合物等によって形成される。インターコネクタ１７は、電子導電性の高い、アルカリ土類酸化物を固溶したＬａＣｒＯ３等によって形成される。これらの材料は、熱膨張率が近いものが好適である。
【００１９】
図１（ｂ）は、燃料電池スタック２０を説明するための部分斜視図である。燃料電池スタック２０においては、複数の燃料電池セル１０が集電部材（図示せず）を介して互いに積層されている。この場合、各燃料電池セル１０は、インターコネクタ１７側と酸素極１５側とが対向するように積層される。
【００２０】
図２（ａ）は、燃料電池スタック装置１００の模式的斜視図である。図２（ｂ）は、燃料電池スタック装置１００の後述する改質器３０および燃料ガス配管５０をＡ方向から見た模式図である。図２（ｃ）は、燃料電池スタック装置１００のＢ−Ｂ線断面図である。燃料電池スタック装置１００は、燃料電池スタック２０ａ，２０ｂと、改質器３０と、燃料ガス配管５０と、マニホールド６０と、を備える。
【００２１】
２つの燃料電池スタック２０ａ，２０ｂは、それぞれの燃料電池スタック２０ａ，２０ｂを構成する燃料電池セル１０の積層方向が略平行になるように並列配置されている。なお、燃料電池スタックの個数は限定されない。燃料電池セル１０において発電に供された後の燃料ガス（燃料オフガス）と発電に供された後の酸化剤ガス（酸化剤オフガス）とは、各燃料電池セル１０の上端において合流する。燃料オフガスには未燃の水素等の可燃物が含まれていることから、燃料オフガスは、酸化剤オフガスに含まれる酸素を利用して燃焼する。本例においては、燃料電池セル１０の上端と改質器３０との間において燃料オフガスが燃焼する部位を燃焼部７０と称する（図２（ｃ）参照）。燃焼部７０の燃焼熱は、改質器３０に供給される。それにより、改質器３０における改質反応が促進される。
【００２２】
改質器３０は、燃料ガスを発生させる装置である。改質器３０の詳細は、後述する。燃料ガス配管５０は、改質器３０の出口とマニホールド６０の入口とを接続している。
【００２３】
マニホールド６０は、燃料電池スタック２０ａ，２０ｂの下端（各燃料電池セル１０の下端）に固定されている。マニホールド６０には、各燃料電池セル１０の燃料ガス通路１２と連通する孔が形成されている。それにより、改質器３０から燃料ガス配管５０、マニホールド６０および燃料ガス通路１２へと連通する燃料ガス流路が形成される。
【００２４】
次に、改質器３０の詳細について説明する。改質器３０は、原燃料供給部材３１、上流側流路部材３２、連結流路部材３３、下流側第１流路部材３４および下流側第２流路部材３５がこの順に連結されて構成されている。
【００２５】
上流側流路部材３２は、燃料電池スタック２０ａの上方に位置している。本例において、上流側流路部材３２は、燃料電池スタック２０ａを構成する燃料電池セル１０の積層方向の一方端側から他方端側にかけて延びている。原燃料供給部材３１は、上流側流路部材３２の一方端に接続されている。
【００２６】
下流側第１流路部材３４および下流側第２流路部材３５は、燃料電池スタック２０ｂの上方に上下方向に隣接して位置している。下流側第１流路部材３４は、燃料電池スタック２０ｂの他方端側から一方端側にかけて延びている。連結流路部材３３は、上流側流路部材３２の他方端側と下流側第１流路部材３４の他方端側とを連通可能に接続する。
【００２７】
下流側第１流路部材３４の一方端側（下流端側）と下流側第２流路部材３５の一方端側（上流端側）とは連通している。下流側第２流路部材３５は、燃料電池スタック２０ｂの一方端側から他方端側にかけて延びている。下流側第２流路部材３５は、下流側第１流路部材３４の下面に配置されている。すなわち、下流側第２流路部材３５は、下流側第１流路部材３４よりも燃焼部７０に近い位置に配置されている。
【００２８】
以上の構成により、改質器３０は、一方の燃料電池スタック（燃料電池スタック２０ａ）の上方を燃料電池セル１０の積層方向に沿って一方端側から他方端側に向けて延び、他方端において水平方向にコ字状に折り返して他方の燃料電池スタック（燃料電池スタック２０ｂ）の上方を燃料電池セル１０の積層方向に沿って他方端側から一方端側へ向けて延びた後に、上下方向にコ字状に折り返して上記他方の燃料電池スタック（燃料電池スタック２０ｂ）の上方を燃料電池セル１０の積層方向に沿って一方端側から他方端側に向けて延びる構成を有している。すなわち、上述の例においては、燃料電池スタック２０ｂの一端側に、燃料電池スタック２０ｂを構成する燃料電池セル１０の積層方向の他方端側から一方端側に向けて燃料ガスを流すための第１流路部（下流側第１流路部材３４）と、第１流路部と連通し、燃料電池セル１０の積層方向の一方端側から他方端側に向けて燃料ガスを流すための第２流路部（下流側第２流路部材３５）とを備える改質器３０が配置されている。
【００２９】
原燃料供給部材３１には、炭化水素系燃料等の原燃料および改質水が供給される。改質水は、改質器３０を流れる過程で水蒸気になる。以下、炭化水素系燃料および水蒸気を原燃料ガスと称する。上流側流路部材３２を流れる原燃料ガスは、連結流路部材３３、下流側第１流路部材３４および下流側第２流路部材３５を流れる過程において水素を含む燃料ガスとなる。
【００３０】
ここで、改質器３０の各流路部材は、機能の点から蒸発部、加熱部および改質部に分けられる。蒸発部は、燃焼部７０における燃料オフガスの燃焼熱を利用して改質水から水蒸気を発生させる空間部である。加熱部は、燃料オフガスの燃焼熱によって原燃料ガスを加熱する空間部である。加熱部には、例えば、Ａｌ２Ｏ３等のセラミックスボールが封入されている。
【００３１】
改質部は、改質反応部と燃料ガス加熱部とに分けられる。改質反応部は、水蒸気と炭化水素系燃料との水蒸気改質反応を生じさせるための空間部である。改質反応部には、例えば、Ｒｕ，Ｎｉ等の触媒が塗布されたセラミックスボールが封入されている。燃料ガス加熱部は、水蒸気改質反応によって生じた燃料ガスを燃焼部７０の熱で追加加熱する部分である。燃料ガス加熱部には、蒸発部と同様のセラミックスボールが封入されている。
【００３２】
本例において、上流側流路部材３２は、原燃料供給部材３１側から順に蒸発部、加熱部および改質反応部として機能する。上流側流路部材３２の蒸発部には、セラミックスボールが封入されている。上流側流路部材３２の改質反応部には、触媒が塗布されたセラミックスボールが封入されている。
【００３３】
また、下流側第１流路部材３４には、触媒が塗布されたセラミックスボールが封入されている。下流側第１流路部材３４は、主として改質反応部として機能する。下流側第２流路部材３５には、蒸発部と同様のセラミックスボールが封入されている。下流側第２流路部材３５は、主として燃料ガス加熱部として機能する。
【００３４】
燃料電池スタック装置１００は、発電時において以下のように動作する。図１（ａ）、図１（ｂ）および図２（ａ）〜図２（ｃ）を参照して、改質器３０において発生した燃料ガスは、燃料ガス配管５０を介してマニホールド６０に流入する。マニホールド６０の燃料ガスは、燃料電池セル１０の下端から燃料ガス通路１２に流入する。図１（ａ）および図１（ｂ）を参照して、酸化剤ガスは、燃料電池セル１０の周囲に燃料ガス通路１２における燃料ガスの流れ方向と略平行に流れる。その結果、燃料電池セル１０において発電が行われる。燃料オフガスは、燃焼部７０において酸化剤オフガスに含まれる酸素を利用して燃焼する。
【００３５】
本例に係る燃料電池スタック装置１００によれば、改質器３０は燃料ガスを折り返して流すことができる構成である。この場合、燃料ガスの温度は、下流側第１流路部材３４を流れる間に上昇し、下流側第２流路部材３５を流れる間にさらに上昇する。したがって、流路が折り返さない場合に比較して、改質器３０内を流れる燃料ガスの燃料電池スタック２０ｂの燃料電池セル１０の積層方向における温度差が小さくなる。
【００３６】
ここで、説明の簡略化のために、改質器において、流路が折り返す構成の場合と折り返さない構成の場合とで、燃料ガスが燃焼部７０から受け取る総熱量が同等であると仮定する。流路が折り返さない構成の場合には、燃料電池セル１０の積層方向の一方端側から他方端側にかけてのみ燃料ガスの温度が上昇する。したがって、燃料電池セル１０の積層方向の一方端と他方端とで燃料ガスの温度差が大きくなる。一方、流路が折り返す構成の場合には、折り返す前の流路の入口から出口までの部分と、折り返した後の流路の入口から出口までの部分とに分けて燃料ガスの温度が上昇する。したがって、流路が折り返す構成の場合には、燃料電池セル１０の積層方向の一方端と他方端との間での燃料ガスの温度差が小さくなる。
【００３７】
また、本例に係る燃料電池スタック装置１００によれば、下流側第２流路部材３５が下流側第１流路部材３４よりも燃焼部７０側に配置されているため、下流側第１流路部材３４、下流側第２流路部材３５、燃焼部７０の順に温度が高くなる。したがって、燃料ガスは、最も温度の高い燃焼部７０から遠い位置の改質部から流入し、加熱され、最も温度の高い燃焼部７０に近い位置の改質部より排出され、燃料ガスの熱交換効率が向上する。それにより、下流側第２流路部材３５の出口における燃料ガスの温度が高くなる。その結果、燃料電池セル１０の燃料ガス入口付近の温度低下を抑制することができる。以上のことから、各燃料電池セル１０における温度差を小さくすることができる。
【００３８】
特に、本例のように各燃料電池セル１０の上方端に高温の燃焼部７０を設けてなる燃料電池スタック装置１００の構成においては、各燃料電池セル１０の上下方向における温度差が大きくなりやすい。しかしながら、本例によれば、温度差が大きくなりやすい構成においても、各燃料電池セル１０における温度差を小さくすることができる。
【００３９】
また、燃料電池スタック装置１００によれば、熱交換効率の向上に伴って原燃料ガスに対する加熱量が増加することから、原燃料ガスの転化率を向上させることができる。転化率とは、原燃料ガスが水素へ変化する割合をいい、ガス温度に比例する。
【００４０】
なお、水蒸気改質反応は燃料電池セル１０の内部においても生じることがある。例えば、改質器３０において原燃料ガスが完全に燃料ガスに転化しなかった場合、残存する原燃料ガスが燃料電池セル１０の下部に流入する。この場合、原燃料ガスは、燃料電池セル１０内の触媒で活性化されることによって、燃料電池セル１０内において燃料ガスに転化する。このような燃料電池セル１０内における改質（以下、内部改質と称する）が生じた場合、水蒸気改質反応は吸熱反応であることから、燃料電池セル１０の特に下部（燃料ガス入口近傍）の温度が低下する。したがって、燃料電池セル１０の上下方向において温度分布が発生するおそれがある。しかしながら、本例に係る燃料電池スタック装置１００によれば、改質器３０における原燃料ガスの転化率が向上していることから、燃料電池セル１０における内部改質を抑制することができ、内部改質に伴う燃料電池セル１０の温度低下を抑制することができる。
【００４１】
なお、本例において、下流側第２流路部材３５内には、セラミックスボールが封入されているが、これに限られない。下流側第２流路部材３５内には、セラミックスボールが封入されていなくてもよい。また、下流側第２流路部材３５内には、触媒が塗布されたセラミックスボールが封入されていてもよい。触媒が塗布されたセラミックスボールが封入されていることによって、下流側第２流路部材３５は改質反応部としての機能も兼ねることができる。その結果、改質器３０における原燃料ガスの転化率をより向上させることができる。
【００４２】
また、本例において、下流側第２流路部材３５は下流側第１流路部材３４よりも燃焼部７０に近い位置に配置されているが、これに限られない。下流側第２流路部材３５は、下流側第１流路部材３４よりも燃焼部７０から遠い位置に配置されていてもよい。この場合においても、流路が折り返す構造が形成されるので、流路が折り返さない場合に比較して、燃料電池スタック２０ｂの燃料電池セル１０の積層方向における燃料ガスの温度差が小さくなる。
【００４３】
続いて、本発明の例２に係る燃料電池スタック装置１００ａについて説明する。燃料電池スタック装置１００ａは、改質器３０の代わりに改質器３０ａを備える点において、例１に係る燃料電池スタック装置１００と異なる。図３（ａ）は、改質器３０ａおよび燃料ガス配管５０の模式的斜視図である。図３（ｂ）は、改質器３０ａおよび燃料ガス配管５０をＡ方向から見た模式図である。改質器３０ａは、下流側第１流路部材３４と燃焼部７０との間の距離および下流側第２流路部材３５と燃焼部７０との間の距離が等しい点において、改質器３０と異なる。すなわち、改質器３０ａにおいて、下流側第１流路部材３４と下流側第２流路部材３５とは、燃料電池セル１０の積層方向に沿って隣接して配置されている。また、下流側第２流路部材３５は、下流側第１流路部材３４よりも、上流側流路部材３２から遠い側に位置している。その他の構成は、改質器３０と同様のため、説明を省略する。
【００４４】
本例に係る燃料電池スタック装置１００ａにおいても、燃料ガスを折り返して流すことができる。この場合、燃料ガスの温度は、下流側第１流路部材３４を流れる間に上昇し、下流側第２流路部材３５を流れる間にさらに上昇する。したがって、流路が折り返さない構成の場合に比較して、改質器３０ａ内を流れる燃料ガスの燃料電池スタック２０ｂの燃料電池セル１０の積層方向における温度差が小さくなる。
【００４５】
また、本例に係る燃料電池スタック装置１００ａによれば、下流側第１流路部材３４が下流側第２流路部材３５よりも上流側流路部材３２側に配置されているため、上流側流路部材３２、下流側第１流路部材３４、下流側第２流路部材３５の順に温度が高くなる。上流側流路部材３２の蒸発部の温度が低いためである。したがって、相対的に低い温度の燃料ガスが相対的に低い温度の下流側第１流路部材３４を流れる際に加熱され、加熱されて相対的に高い温度となった燃料ガスが相対的に高い温度の下流側第２流路部材３５を流れる。この場合、燃料ガスの熱交換効率が向上する。それにより、下流側第２流路部材３５の出口における燃料ガスの温度が高くなる。その結果、燃料電池セル１０の燃料ガス入口付近の温度低下を抑制することができる。以上のことから、各燃料電池セル１０における温度差を小さくすることができる。また、熱交換効率の向上に伴って原燃料ガスに対する加熱量が増加することから、原燃料ガスの転化率を向上させることができる。また、内部改質に伴う燃料電池セル１０の温度低下を抑制することができる。
【００４６】
なお、本例において、下流側第２流路部材３５が、下流側第１流路部材３４よりも上流側流路部材３２側に配置されていてもよい。この場合においても、流路が折り返す構造が形成されるので、流路が折り返さない場合に比較して、燃料電池スタック２０ｂの燃料電池セル１０の積層方向における燃料ガスの温度差が小さくなる。
【００４７】
本例において、下流側第１流路部材３４は第１流路部に相当し、下流側第２流路部材３５は第２流路部に相当し、上流側流路部材３２は第３流路部に相当する。
【００４８】
続いて、本発明の例３に係る燃料電池スタック装置１００ｂについて説明する。燃料電池スタック装置１００ｂは、改質器３０の代わりに改質器３０ｂを備える点において、例１に係る燃料電池スタック装置１００と異なる。図４（ａ）は、改質器３０ｂおよび燃料ガス配管５０の模式的斜視図である。図４（ｂ）は、改質器３０ｂおよび燃料ガス配管５０をＡ方向から見た模式図である。改質器３０ｂは、原燃料供給部材３１、上段第１流路部材３６、上段連結流路部材３７、上段第２流路部材３８、下段第１流路部材３９、下段連結流路部材４０および下段第２流路部材４１が順に連結されている。
【００４９】
上段第１流路部材３６および下段第２流路部材４１は、燃料電池スタック２０ａの上方に位置している。上段第１流路部材３６は、燃料電池スタック２０ａにおける燃料電池セル１０の積層方向の一方端側から他方端側にかけて延びている。下段第２流路部材４１は、燃料電池スタック２０ａにおける燃料電池セル１０の積層方向の他方端側から一方端側にかけて延びている。下段第２流路部材４１は、上段第１流路部材３６よりも燃料部７０に近い位置に配置されている。原燃料供給部材３１は、上段第１流路部材３６の一方端に接続されている。燃料ガス配管５０の上流端は、下段第２流路部材４１の下流側に接続されている。
【００５０】
上段第２流路部材３８および下段第１流路部材３９は、燃料電池スタック２０ｂの上方に位置している。上段第２流路部材３８は、燃料電池スタック２０ｂにおける燃料電池セル１０の積層方向の他方端側から一方端側にかけて延びている。下段第１流路部材３９は、燃料電池スタック２０ｂにおける燃料電池セル１０の積層方向の一方端側から他方端側にかけて延びている。上段第２流路部材３８の下流端と下段第１流路部材３９の上流端とは連通している。下段第１流路部材３９は、上段第２流路部材３８よりも燃焼部７０に近い位置に配置されている。
【００５１】
上段連結流路部材３７は、上段第１流路部材３６の他方端と上段第２流路部材３８の他方端とを連通可能に接続する。下段連結流路部材４０は、下段第１流路部材３９の他方端と下段第２流路部材４１の他方端とを連通可能に接続する。
【００５２】
以上の構成により、改質器３０ｂは、一方の燃料電池スタック（燃料電池スタック２０ａ）の上方を燃料電池セル１０の積層方向に沿って一方端側から他方端側に向けて延び、他方端において水平方向にコ字状に折り返して他方の燃料電池スタック（燃料電池スタック２０ｂ）の上方を燃料電池セル１０の積層方向に沿って他方端側から一方端側に向けて延びた後に、上下方向にコ字状に折り返して上記他方の燃料電池スタック（燃料電池スタック２０ｂ）の上方を燃料電池セル１０の積層方向に沿って一方端側から他方端側に向けて延び、水平方向にコ字状に折り返して上記一方の燃料電池スタック（燃料電池スタック２０ａ）の上方を燃料電池セル１０の積層方向に沿って他方端側から一方端側に向けて延びる構成を有している。
【００５３】
上段第１流路部材３６および上段第２流路部材３８は、蒸発部および加熱部としての機能を有する。具体的には、上段第１流路部材３６は、蒸発部としての機能を有する。上段第２流路部材３８は、加熱部として機能を有する。上段第２流路部材３８内には、セラミックスボールが封入されている。
【００５４】
下段第１流路部材３９および下段第２流路部材４１は、改質部としての機能を有する。本例においては、下段第１流路部材３９は、主として改質反応部としての機能を有する。下段第１流路部材３９内には、触媒が塗布されたセラミックスボールが封入されている。下段第２流路部材４１は、主として燃料ガス加熱部としての機能を有する。下段第２流路部材４１内には、加熱部と同様のセラミックスボールが封入されている。
【００５５】
本例に係る燃料電池スタック装置１００ｂにおいても、燃料ガスを折り返して流すことができる。この場合、流路が折り返さない構成の場合に比較して、改質器３０ｂ内を流れる燃料ガスの燃料電池スタック２０ａ，２０ｂの燃料電池セル１０の積層方向における温度差が小さくなる。
【００５６】
また、本例に係る燃料電池スタック装置１００ｂによれば、下段の流路部材が上段の流路部材よりも燃焼部７０側に配置されているため、上段の流路部材、下段の流路部材、燃焼部７０の順に温度が高くなる。したがって、相対的に低い温度の燃料ガスが相対的に低い温度の上段の流路部材を流れる際に加熱され、加熱されて相対的に高い温度となった燃料ガスが相対的に高い温度の下段の流路部材を流れる。この場合、燃料ガスの熱交換効率が向上する。それにより、下段第２流路部材４１の出口における燃料ガスの温度が高くなる。その結果、燃料電池セル１０の燃料ガス入口付近の温度低下を抑制することができる。以上のことから、各燃料電池セル１０における温度差を小さくすることができる。また、熱交換効率の向上に伴って原燃料ガスに対する加熱量が増加することから、原燃料ガスの転化率を向上させることができる。また、内部改質に伴う燃料電池セル１０の温度低下を抑制することができる。
【００５７】
また、燃料電池スタック装置１００ｂによれば、低温の蒸発部および加熱部が改質器３０ｂの上方に配置されていることから、蒸発部および加熱部が燃料電池スタックの上部温度に及ぼす影響を小さくすることができる。その結果、燃料電池スタックの上部における燃料電池セル１０の積層方向における温度差を小さくすることができる。
【００５８】
なお、上段第１流路部材３６および上段第２流路部材３８が蒸発部、加熱部および改質反応部として機能し、下段第１流路部材３９および下段第２流路部材４１が主として燃料ガス加熱部として機能してもよい。この場合、水蒸気改質反応に伴う吸熱の影響を抑制することができる。それにより、下段第１流路部材３９および下段第２流路部材４１における燃料ガスの流れる方向における温度差の発生が抑制される。その結果、下段第１流路部材３９および下段第２流路部材４１と対向する燃料電池スタックにおける燃料電池セル１０の積層方向における温度差を小さくすることができる。
【００５９】
本例において、上段第１流路部材３６および上段第２流路部材３８は第１流路部に相当し、下段第１流路部材３９および下段第２流路部材４１は第２流路部に相当する。
【００６０】
続いて、本発明の例４に係る燃料電池スタック装置１００ｃについて説明する。燃料電池スタック装置１００ｃは、改質器３０の代わりに改質器３０ｃを備える点において、例１に係る燃料電池スタック装置１００と異なる。図５は、改質器３０ｃおよび燃料ガス配管５０をＡ方向から見た模式図である。なお、Ａ方向は、図２（ａ）のＡ方向と同一方向である。改質器３０ｃは、断熱層４２を有する点において、改質器３０と異なる。断熱層４２は、下流側第１流路部材３４と下流側第２流路部材３５とによって挟持されている。本例において、断熱層４２は、断熱材からなる層である。
【００６１】
本例に係る燃料電池スタック装置１００ｃによれば、断熱層４２を備えることによって、下流側第２流路部材３５の熱が下流側第１流路部材３４に奪われることを抑制することができる。その結果、下流側第２流路部材３５における燃料電池セル１０の積層方向における温度差を小さくすることができる。それにより、各燃料電池セル１０における温度差を小さくすることができる。特に、下流側第２流路部材３５が主として追加加熱を行う場合に、有効である。
【００６２】
なお、断熱層４２としては、下流側第１流路部材３４および下流側第２流路部材３５の外壁よりも熱伝導率の低いものであれば、限定されない。例えば、下流側第１流路部材３４と下流側第２流路部材３５との間に隙間が形成されていてもよい。この場合、隙間は断熱層４２として機能する。なお、隙間には、気体が充填されていてもよい。気体としては、特に限定されないが、例えば空気、酸化剤ガス（空気等）、燃料ガス等である。また、気体は流動していてもよい。
【００６３】
なお、上記各例においては、燃料電池スタックが２つ配置されていたが、それに限られない。燃料電池スタックが１つの場合であっても、改質器が、１つの燃料電池スタックにおける燃料電池セル１０の積層方向に沿って一端側に燃料ガスを流すための第１流路部と、第１流路部と連通し１つの燃料電池スタックにおける燃料電池セル１０の積層方向に沿って他端側に燃料ガスを流すための第２流路部と、を含んでいれば、燃料電池スタックの燃料電池セル１０の積層方向における燃料ガスの温度差を小さくすることができる。
【符号の説明】
【００６４】
１０  燃料電池セル
１１  導電性支持体
１２  燃料ガス通路
１３  燃料極
１４  固体電解質
１５  酸素極
１６  接合層
１７  インターコネクタ
１８  Ｐ型半導体層
２０  燃料電池スタック
３０  改質器
３１  原燃料供給部材
３２  上流側流路部材
３３  連結流路部材
３４  下流側第１流路部材
３５  下流側第２流路部材
３６  上段第１流路部材
３７  上段連結流路部材
３８  上段第２流路部材
３９  下段第１流路部材
４０  下段連結流路部材
４１  下段第２流路部材
４２  断熱層
５０  燃料ガス配管
６０  マニホールド
【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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