(57)【要約】      （修正有）【課題】燃料電池セルに効率よく燃料ガスを供給することができるセルスタック装置および燃料電池モジュールならびに燃料電池装置を提供する。【解決手段】セルスタック装置１は、原燃料ガスを中央部の上方に位置する原燃料ガス送出口から送出する箱状の昇温室６と、燃料ガス流入口１０にそれぞれの一端が接続され、他端が燃料電池セル２の上端よりも上に位置する燃料ガス供給管８と、昇温室６の下方または側方に燃料電池セル２の配列方向に沿って配置され、中央部が原燃料ガス送出口１０に接続され、両端部が燃料ガス供給管８に接続されており、間部に改質部を有する流路部材１１を備えることから、昇温室６と流路部材１１との接続部が、発電に使用されなかった燃料ガスを燃焼させて生じる燃焼熱により直接温められることを抑制することができ、昇温室６と流路部材１１との接続部の温度が過剰に上昇することを抑制することができる。【選択図】図１
2011096433.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に長手方向に沿って燃料ガスを下端部から上端部へ流すための燃料ガス流路を備え、前記燃料ガスと酸素含有ガスとで発電する柱状の燃料電池セルを複数個立設させた状態で配列して電気的に接続してなるとともに、発電に使用されなかった前記燃料ガスを前記燃料電池セルの上端部側で燃焼させる構成のセルスタックと、
前記燃料電池セルの下端部を固定するとともに、前記燃料電池セルの配列方向の両端部に燃料ガス流入口を備えて、前記燃料電池セルに前記燃料ガスを供給するマニホールドと、
前記セルスタックの上方に前記燃料電池セルの上端部と離間した状態で配置され、外部より供給される原燃料を加熱して原燃料ガスとするとともに、該原燃料ガスを前記燃料電池セルの配列方向における中央部の上方に位置する原燃料ガス送出口から送出する箱状の昇温室と、
前記燃料ガス流入口にそれぞれの一端が接続され、前記燃料電池セルの長手方向に沿って他端が前記燃料電池セルの上端よりも上に位置する燃料ガス供給管と、
前記セルスタックの上方で前記昇温室の下方または側方に前記燃料電池セルの上端部と離間した状態で前記燃料電池セルの配列方向に沿って配置され、前記燃料電池セルの配列方向における中央部側が前記原燃料ガス送出口に接続され、両端部がそれぞれ前記燃料ガス供給管に接続されており、内部に前記原燃料ガスを前記燃料ガスに改質するための改質触媒を備えてなる改質部を有する流路部材を備えることを特徴とするセルスタック装置。
【請求項２】
前記流路部材の前記改質部が前記昇温室の前記原燃料ガス送出口との接続部まで延長されていることを特徴とする請求項１に記載のセルスタック装置。
【請求項３】
前記流路部材は、前記改質部の一部が蛇行流路とされていることを特徴とする請求項１または２に記載のセルスタック装置。
【請求項４】
前記原燃料ガス送出口と前記改質部との間または前記原燃料ガス送出口に、前記原燃料ガスの流量を調整するための流量調整部材が設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のセルスタック装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載のセルスタック装置を収納容器内に収納してなることを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項６】
請求項５に記載の燃料電池モジュールと、前記セルスタック装置を作動させるための補機とを、外装ケース内に収納してなる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、燃料電池セルに供給する燃料ガスを生成するための改質部を具備するセルスタック装置およびこれを用いた燃料電池モジュールならびに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、燃料ガス（水素含有ガス）と空気（酸素含有ガス）とを用いて電力を得ることができる燃料電池セルを複数個配列してなるセルスタックと、該セルスタックに供給する燃料ガスを生成するための改質器とを備えるセルスタック装置や、該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が種々提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
ところで、燃料電池セルに供給する燃料ガスを生成するにあたっては、例えば、天然ガス等の炭化水素系ガスを水蒸気と反応させて燃料ガスを生成する水蒸気改質法や部分酸化改質法が知られており、そのような改質を行なうための改質器も種々提案されている。
【０００４】
図１１は従来の燃料電池モジュール６０を示す外観斜視図であり、収納容器６１よりセルスタック装置６８を後方に引出した状態を示している。
【０００５】
セルスタック装置６８は、複数の燃料電池セル６２を配列してなるセルスタック６３を有しており、セルスタック６３の上方にはＵの字状の改質器６５が配置されている。改質器６５において、原燃料供給管６７より供給された原燃料は、気化部６９にて温度の上昇した原燃料ガスとされたのち、改質部７０内にて水蒸気改質等の改質反応が行なわれて燃料ガス（水素含有ガス）に改質される。そして気化部６９と改質部７０とからなる改質器６５にて生成された燃料ガスは、燃料ガス供給管６６を介してマニホールド６４に供給され、マニホールド６４から各燃料電池セル６２に燃料ガスが供給される。このような構成により、セルスタック装置６８が構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−５９３７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、セルスタック装置６８においては、気化部６９および気化部６９と改質部７０の接続部がセルスタック６３の直上にあるため、改質部入口（接続部）の温度の上昇に伴って、過剰に温度の上昇した原燃料ガスが改質部７０に供給されるおそれがある。それにより、改質部７０内に設けられた改質触媒が過昇温により劣化し、セルスタック装置６８の耐久性が低下するおそれがある。
【０００８】
それゆえ、本発明においては、耐久性の低下を抑制し、長期信頼性が向上したセルスタック装置およびこれを用いた燃料電池モジュールならびに燃料電池装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明のセルスタック装置は、内部に長手方向に沿って燃料ガスを下端部から上端部へ流すための燃料ガス流路を備え、前記燃料ガスと酸素含有ガスとで発電する柱状の燃料電池セルを複数個立設させた状態で配列して電気的に接続してなるとともに、発電に使用されなかった前記燃料ガスを前記燃料電池セルの上端部側で燃焼させる構成のセルスタックと、前記燃料電池セルの下端部を固定するとともに、前記燃料電池セルの配列方向の両端部に燃料ガス流入口を備えて、前記燃料電池セルに前記燃料ガスを供給するマニホールドと、前記セルスタックの上方に前記燃料電池セルの上端部と離間した状態で配置され、外部より供給される原燃料を加熱して原燃料ガスとするとともに、該原燃料ガスを前記燃料電池セルの配列方向における中央部の上方に位置する原燃料ガス送出口から送出する箱状の昇温室と、前記燃料ガス流入口にそれぞれの一端が接続され、前記燃料電池セルの長手方向に沿って他端が前記燃料電池セルの上端よりも上に位置する燃料ガス供給管と、前記セルスタックの上方で前記昇温室の下方または側方に前記燃料電池セルの上端部と離間した状態で前記燃料電池セルの配列方向に沿って配置され、前記燃料電池セルの配列方向における中央部側が前記原燃料ガス送出口に接続され、両端部がそれぞれ前記燃料ガス供給管に接続されており、内部に前記原燃料ガスを前記燃料ガスに改質するための改質触媒を備えてなる改質部を有する流路部材を備えることを特徴とする。
【００１０】
このようなセルスタック装置においては、セルスタック装置が、原燃料ガスを前記燃料電池セルの配列方向における中央部の上方に位置する原燃料ガス送出口から送出する箱状の昇温室と、燃料ガス流入口にそれぞれの一端が接続され、燃料電池セルの長手方向に沿って他端が燃料電池セルの上端よりも上に位置する燃料ガス供給管と、セルスタックの上方で昇温室の下方または側方に燃料電池セルの上端部と離間した状態で燃料電池セルの配列方向に沿って配置され、燃料電池セルの配列方向における中央部側が原燃料ガス送出口に接続され、両端部がそれぞれ燃料ガス供給管に接続されており、内部に原燃料ガスを燃料ガスに改質するための改質触媒を備えてなる改質部を有する流路部材を備えることから、昇温室と流路部材との接続部が、発電に使用されなかった燃料ガスを燃焼させて生じる燃焼熱により直接温められることを抑制することができ、昇温室と流路部材との接続部の温度が過剰に上昇することを抑制することができる。
【００１１】
それにより、流路部材内に過剰に温度が上昇した原燃料ガスが供給されることを抑制することができることから、流路部材（改質部）内に備える改質触媒の過昇温による劣化を抑制することができ、セルスタック装置の耐久性が低下することを抑制することができる。そのため、長期信頼性の向上したセルスタック装置とすることができる。
【００１２】
また、本発明のセルスタック装置は、前記流路部材の前記改質部が前記昇温室との接続部まで延長されていることが好ましい。
【００１３】
このようなセルスタック装置においては、流路部材の改質部が昇温室との接続部まで延長されていることから、昇温室にて生成された温度の上昇した原燃料ガスを直ちに改質することができ、原燃料ガスを効率よく燃料ガスに改質することができる。
【００１４】
また、本発明のセルスタック装置は、前記流路部材は、前記改質部の一部が蛇行流路とされていることが好ましい。
【００１５】
このようなセルスタック装置においては、流路部材は、改質部の一部が蛇行流路とされていることから、改質部の長さを長くすることができ、改質部内に配置する改質触媒の量を増加させることができ、原燃料ガスをさらに効率よく燃料ガスに改質することができる。
【００１６】
また、本発明のセルスタック装置は、前記原燃料ガス送出口と前記改質部との間または前記原燃料ガス送出口に、前記原燃料ガスの流量を調整する流量調整部材が設けられていることが好ましい。
【００１７】
このようなセルスタック装置においては、原燃料ガス送出口と改質部との間または原燃料ガス送出口に、原燃料ガスの流量を調整する流量調整部材が設けられていることから、改質部に効率よく原燃料ガスを流入させることができ、原燃料ガスをさらに効率よく燃料ガスに改質することができる。
【００１８】
本発明の燃料電池モジュールは、上記のセルスタック装置を収納容器内に収納してなることから、長期信頼性の向上した燃料電池モジュールとすることができる。
【００１９】
本発明の燃料電池装置は、上記の燃料電池モジュールと、前記セルスタック装置を作動させるための補機とを、外装ケース内に収納してなることから、セルスタック発電効率の低下を抑制することができ、長期信頼性の向上した燃料電池装置とすることができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明のセルスタック装置は、原燃料ガスを前記燃料電池セルの配列方向における中央部の上方に位置する原燃料ガス送出口から送出する箱状の昇温室と、燃料ガス流入口にそれぞれの一端が接続され、燃料電池セルの長手方向に沿って他端が燃料電池セルの上端よりも上に位置する燃料ガス供給管と、セルスタックの上方で昇温室の下方または側方に燃料電池セルの上端部を離間した状態で燃料電池セルの配列方向に沿って配置され、燃料電池セルの配列方向における中央部側が原燃料ガス送出口に接続され、両端部がそれぞれ燃料ガス供給管に接続されており、内部に原燃料ガスを燃料ガスに改質するための改質触媒を備えてなる改質部を有する流路部材を備えることから、昇温室と流路部材との接続部が、発電に使用されなかった燃料ガスを燃焼させて生じる燃焼熱により直接温められることを抑制することができ、昇温室と流路部材との接続部の温度が過剰に上昇することを抑制することができる。
【００２１】
また、本発明の燃料電池モジュールは、上記のセルスタック装置を収納容器内に収納してなることから、長期信頼性の向上した燃料電池モジュールとすることができる。さらに、本発明の燃料電池装置は、上記の燃料電池モジュールと、セルスタック装置を作動させるための補機とを、外装ケース内に収納してなることから、長期信頼性の向上した燃料電池装置とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の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の一部を抜粋して示すＡ−Ａ’線断面図である。
【図３】本発明のセルスタック装置の他の一例を示す斜視図である。
【図４】図３に示すセルスタック装置の一部を抜粋して示すＢ−Ｂ’線断面図である。
【図５】本発明のセルスタック装置のさらに他の一例の一部を抜粋して示す断面図である。
【図６】本発明のセルスタック装置のさらに他の一例を示す斜視図である。
【図７】図６に示すセルスタック装置の一部を抜粋して示すＣ−Ｃ’線断面図である。
【図８】本発明の燃料電池モジュールの一例を示す外観斜視図である。
【図９】図８に示す燃料電池モジュールのＤ−Ｄ’線断面図である。
【図１０】本発明の燃料電池装置の一例を示す構成図である。
【図１１】従来のセルスタック装置の一例を示す外観斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
図１は、本発明のセルスタック装置の一例を示す外観斜視図であり、図２は、図１に示すセルスタック装置１を構成する昇温室６、原燃料供給管７、流路部材１１および燃料ガス供給管８の一部を抜粋して示すＡ−Ａ’線断面図である。なお、以降の図において同一の部材については同一の番号を付するものとする。
【００２４】
図１に示すセルスタック装置１は、内部に長手方向に沿って下端部から上端部に貫通する燃料ガス流路を有する燃料電池セル２を複数個立設させた状態で、間に集電部材（図示せず）を介して電気的に直列に接続してなるセルスタック３が、セルスタック３を構成する燃料電池セル２の下端部を燃料電池セル２に燃料ガスを供給するマニホールド４に絶縁性の接着材により固定されている。また、燃料電池セル２の上端部側には、燃料電池セル２と離間して、外部より供給される原燃料を温度の上昇した原燃料ガスとするとともに、該原燃料ガスを送出する原燃料ガス送出口１２を備えた箱状の昇温室６と、内部に改質触媒１３を有する改質部を備え、昇温室６と接続された流路部材１１とが配置されている。さらに、燃料電池セル２の配列方向（以下、セル配列方向と略す場合がある。）に沿った両端部には、燃料電池セル２の長手方向に沿って配置され、一端がマニホールド４に設けられた燃料ガス流入口１０にそれぞれ接続され、他端が、燃料電池セル２の上端よりも上に位置するとともに、流路部材１１にそれぞれ接続された燃料ガス供給管８が配置されている。
【００２５】
なお、ここでいうマニホールド４の燃料電池セル２の配列方向に沿った端部とは、セルスタック３の端部からマニホールド４の端部までの空間およびマニホールド４の側面のうち燃料電池セル２配列方向と直交する側面を意味する。なお、セルスタック３の両端部には、燃料電池セル２の発電により生じた電流を収集して外部に引き出すための、電流引き出し部９を有する導電部材５が配置されている。
【００２６】
ここで、燃料電池セル２としては、内部を燃料ガス（水素含有ガス）が長手方向に沿って流れる燃料ガス流路を有する中空平板状で、支持体の表面に、燃料側電極層、固体電解質層および酸素側電極層を順に設けてなる固体酸化物形燃料電池セル２を例示している。
【００２７】
また、セルスタック装置１は、燃料電池セル２の上端部側において、燃料電池セル２の発電に使用されなかった燃料ガスを燃焼させる構成とされている。それにより、後述する昇温室６や流路部材１１の温度を効率よく上昇させることができる。
【００２８】
図２において、セルスタック３の上方におけるセル配列方向の中央部に、燃料電池セル２の上端部と離間して配置される昇温室６は、箱状の形状からなり、上面中央部に外部から原燃料を供給する原燃料供給管７が接続されており、底面のセル配列方向に沿った両端部に原燃料ガス送出口１２をそれぞれ備えている。原燃料供給管７より供給された原燃料は、昇温室６にて温められ、温度の上昇した原燃料ガスとなり、原燃料ガス送出口１２から流路部材１１に送出される。なお、セルスタック３の上方におけるセル配列方向の中央部に、昇温室６が配置されることから、原燃料を効率よく温度の上昇した原燃料ガス（昇温室６の温度を効率よく上昇する）することができる。
【００２９】
図１および図２において示す流路部材１１は、それぞれ原燃料ガス送出口１２と接続される２つの部材からなり、中央部側が昇温室６の底面（原燃料ガス送出口１２）と接続され、昇温室６の下方（燃料電池セル２側）に向けて延びた後、セル配列方向に沿ってセルスタック３の端に配置された燃料電池セル２側（セルスタック装置１の端部側）に向けて延び、両端部がそれぞれ燃料ガス供給管８と接続されている。
【００３０】
図１および図２においては、一方の部材の一端が一方の原燃料ガス送出口１２と接続され、一方の部材の他端が一方の燃料ガス供給管８と接続され、他方の部材の一端が他方の原燃料ガス送出口１２と接続され、他方の部材の他端が他方の燃料ガス供給管８と接続されている。
【００３１】
流路部材１１は、内部の全域に改質触媒１３を有する改質部１７を備えるとともに、セル配列方向に沿った端部側（燃料ガス供給管８との接続部）に燃料ガス送出口１４を備えている。原燃料ガス送出口１２から送出された原燃料ガスは、改質触媒１３により燃料ガスに改質されながら、下方に向けて流れた後、セル配列方向に沿った端部側に向けて流れる。生成された燃料ガスは、燃料ガス送出口１４に接続された燃料ガス供給管８を下方に向けて流れ、マニホールド４の両端部に設けられた燃料ガス流入口１０からマニホールド４内に供給され、セルスタック３を構成する各燃料電池セル２に供給される。
【００３２】
原燃料としては、都市ガス等の炭化水素系ガスや灯油等の液体燃料があげられる。なお、原燃料として炭化水素系ガス等の気体燃料を用いた場合には、原燃料ガスは炭化水素系ガスを意味する。
【００３３】
図１および図２に示すセルスタック装置１においては、流路部材１１の改質部１７において生成された燃料ガスは、マニホールド４の両端部側よりセルスタック３を構成する各燃料電池セル２に供給されることとなる。それにより、セルスタック３を構成する各燃料電池セル２に十分な量の燃料ガスを供給することができ、セルスタック３の発電効率を向上することができる。
【００３４】
また、流路部材１１および昇温室６とマニホールド４とが、２本の燃料ガス供給管８により接続されていることから、流路部材１１および昇温室６とマニホールド４とを強固に接続することができる。
【００３５】
なお、図２に示すセルスタック装置１において、流路部材１１（改質部１７）は、左右対称となるように設けることが好ましい。それにより、マニホールド４の両端部側より供給される燃料ガスの量を均一に近づけることができ、セルスタック３を構成する各燃料電池セル２に十分な量の燃料ガスを供給することができ、セルスタック３の発電効率を向上することができる。また、流路部材１１の容積および内部に配置される改質触媒１３の量が同じとなれば左右対称でなくともよい。
【００３６】
改質部１７の内部に備える改質触媒１３としては、改質効率や耐久性に優れた改質触媒を用いることが好ましく、例えば、γ−アルミナ、α−アルミナまたはコージェライト等の多孔質担体にＲｕ、Ｐｔ等の貴金属やＮｉ、Ｆｅ等の卑金属を担持させた改質触媒等を用いることができる。
【００３７】
ここで、流路部材１１（改質部１７）内に過剰に温度の上昇した原燃料ガスが供給された場合に、流路部材１１（改質部１７）内に備える改質触媒１３が過昇温されて劣化が生じるおそれがある。それにより、セルスタック３の長期信頼性が低下するおそれがあった。
【００３８】
図１および図２に示すセルスタック装置１において、流路部材１１の中央部側が、流路部材１１における最も高い位置にて昇温室６と接続されていることから、昇温室６と流路部材１１との接続部が、燃料電池セル２の上端部側で、発電に使用されなかった燃料ガスを燃焼させて生じる燃焼熱により直接温められることを抑制することができる。それにより、流路部材１１（改質部１７）内に過剰に温度の上昇した原燃料ガスが供給されることを抑制することができることから、改質触媒１３の過昇温による劣化が生じることを抑制でき、セルスタック３の長期信頼性を向上させることができ、長期信頼性の向上したセルスタック装置１とすることができる。
【００３９】
また、改質部１７が昇温室６との接続部まで延長されている（改質部１７と昇温室６とが接続されている）ことから、昇温室６にて生成された温度の上昇した原燃料ガスを直ちに改質することができ、原燃料ガスを効率よく燃料ガスに改質することができる。
【００４０】
ここで、図１１に示した従来の燃料電池モジュール６０では、気化部６９が燃料電池セル６２の直上に設けられていることから、過剰に温度の上昇した原燃料ガスが改質部７０に供給され、改質触媒が過昇温により劣化するおそれがあった。それにより、改質効率が低下し、セルスタック６３の長期信頼性が低下するおそれがあった。
【００４１】
一方、図１および図２に示すセルスタック装置１は、昇温室６が流路部材１１の上方に配置されている（昇温室６が、従来のセルスタック装置６８における気化部６９よりも高い位置に設けられていることとなる。）ことから、過剰に温度の上昇した原燃料ガスが改質部１７に供給されることを抑制することができる。それにより、改質触媒１３の過昇温による劣化を抑制し、セルスタック３の長期信頼性を向上させることができる。
【００４２】
ここで、流路部材１１（改質部１７）において水蒸気改質をする場合において、原燃料供給管７に原燃料および水を供給し、昇温室６にて原燃料を温度の上昇した原燃料ガスとするとともに水を水蒸気に気化させた後、原燃料ガス送出口１２を介して流路部材１１に原燃料ガスおよび水蒸気を供給し、改質部１７にて所定の改質触媒１３により水蒸気改質を行なう。その際、昇温室６の大きさ（容積）が不十分であると、気化不良をおこす可能性があり、改質部１７に気化されていない水が供給されてしまい、改質触媒１３の気孔中に水が入り込むおそれがある。この場合に、改質部１７の温度上昇に伴い、改質触媒１３中の水が気化することで、改質触媒１３が破損して劣化するおそれがある。
【００４３】
図１および図２に示すセルスタック装置１は、流路部材１１の上方に昇温室６を設けることから、昇温室６を十分な大きさを有する構成とすることができ、改質部１７に水が供給されることを抑制し、改質触媒１３の劣化を抑制することができる。それにより、セルスタック装置１の長期信頼性を向上させることができる。
【００４４】
なお、昇温室６に水を供給するにあたり、原燃料供給管７とは別に水供給管を設けることもできる。この場合、原燃料供給管７と水供給管を２重管とすることが好ましい。
【００４５】
また、図示していないが、昇温室６はセラミックボール等を備えることが好ましい。それにより、昇温室６内の表面積を増加させることができ、効率的に原燃料を温度の上昇した原燃料ガスとすることができるほか、水を効率よく水蒸気に気化させることができる。
【００４６】
なお、図２に示すセルスタック装置１においては、流路部材１１の全域に改質触媒１３を備え、流路部材１１の全域が改質部１７となる例を示したが、流路部材１１の一部のみを改質部１７としてもよい。必要となる燃料ガスの量に合わせて改質触媒１３の量を適宜設定し、流路部材１１内に改質部１７を設ければよい。
【００４７】
また、図２に示すセルスタック装置１においては、改質部１７が原燃料ガス送出口１２との接続部まで延長している構成を示したが、改質部１７が原燃料ガス送出口１２との接続部まで延長していなくてもよい。
【００４８】
図３は、本発明のセルスタック装置の他の一例を示す外観斜視図であり、図４は図３に示すセルスタック装置１５を構成する昇温室６、原燃料供給管７、流路部材１６および燃料ガス供給管８の一部を抜粋して示すＢ−Ｂ’線断面図である。
【００４９】
図３に示すセルスタック装置１５は、セル配列方向における中央部に、燃料電池セル２の上端部と離間して配置された箱状の昇温室６の両側方に、流路部材１６が燃料電池セル２の上端部と離間して配置されている。昇温室６のセル配列方向と直交する両側面の上端部側にそれぞれ原燃料ガス送出口１２が設けられており、原燃料ガス送出口１２が両側方に配置された流路部材１６の中央部側と接続されている。
【００５０】
流路部材１６は、原燃料ガス送出口１２から送出された原燃料を燃料電池セル２側に向けて流した後に、セル配列方向と直交する両側面に設けられた燃料ガス送出口１４に向けてセル配列方向に沿って原燃料ガスを流す。
【００５１】
図３および図４に示すセルスタック装置１５において、原燃料ガス送出口１２が、昇温室６のセル配列方向と直交する側面における上端部側に設けられており、接続された流路部材１６が原燃料ガスを燃料電池セル２側に向けて流した後、セル配列方向に沿った両端部に向けて流すことから、流路部材１６の入り口（原燃料ガス送出口１２）が、発電に使用されなかった燃料ガスを燃焼させることにより生じる燃焼熱により直接温められることを抑制することができ、流路部材１６（改質部１７）に過剰に温度の上昇した原燃料ガスが供給されることを抑制することができることから、改質触媒１３の過昇温による劣化を抑制することができ、改質効率の低下を抑制することができる。それにより、セルスタック３の長期信頼性を向上させることができ、長期信頼性の向上したセルスタック装置１５とすることができる。
【００５２】
図３および図４に示す昇温室６は、セルスタック３の上方にセル配列方向の中央部に位置するように配置されている。セルスタック３の発電に伴って、セルスタック３の燃料電池セル２の配列方向における中央部側の温度が高く、端部側の温度が低いという温度分布を生じる場合がある。ここで、図３および図４に示す昇温室６は、セル配列方向の中央部に位置するように配置されていることから、特に改質部１７にて水蒸気改質を行う場合において、昇温室６での水が気化する際の気化熱により、セルスタック３の中央部側の温度を低下させることができ、セルスタック３のセル配列方向における温度分布が生じることを抑制することができる。それにより、温度の高い燃料電池セル２に生じる電流集中を抑制することができ、燃料電池セル２の劣化を抑制することができる。そのため、長期信頼性の向上したセルスタック装置１５とすることができる。
【００５３】
ここで、図１および図２において示す流路部材１１を構成する昇温室６の左右に配置された各部材の容積、形状および改質触媒１３の充填状態のばらつき等により、各部材の圧力損失が異なった場合に、昇温室６から各部材に送出される原燃料ガスの量が異なるおそれがあり、それにより、マニホールド４にそれぞれ設けられた燃料ガス流入口１０に供給される燃料ガスの量が異なり、各燃料電池セル２に供給される燃料ガスの量にばらつきが生じ、燃料電池セル２が劣化するおそれがある。
【００５４】
図４に示すセルスタック装置１５は、原燃料ガス送出口１２に流量調整部材２３として細管を用いている。それにより、各部材に原燃料ガスを効率よく均一に分配させることができ、セルスタック装置１５を構成する各燃料電池セル２に供給される燃料ガスの量を均一に近づけることができ、さらに効率のよい改質を行なうことができ、発電効率の向上したセルスタック装置１５とすることができる。
【００５５】
なお、流量調整部材２３として、細管を用いる例を示したが、他にもオリフィス、層流素子または多孔質部材等を用いることもできる。なお、流量調整部材２３として細管を用いる場合には、管径、穴数または長さ等を適宜設定することにより、昇温室６から各部材に送出される原燃料ガスの量を調整することができる。好ましくは、各部材に送出される原燃料ガスの量を均一に近づけるために、それぞれの流量調整部材２３（細管）は、管径および長さが等しいことが好ましい。
【００５６】
また、図４に示すセルスタック装置１５のように改質部１７が昇温室６との接続部まで延長されている場合においては、流量調整部材２３は原燃料ガス送出口１２に設ければよく、改質部１７が昇温室６との接続部まで延長されていない場合においては、原燃料ガス送出口１２と改質部１７との間または原燃料ガス送出口１２に設ければよい。いずれの場合においても、それぞれの改質部１７に流入する燃料ガスの量が均一に近づくように流量調整部材２３を設ければよい。
【００５７】
図５は、本発明のセルスタック装置のさらに他の一例のセルスタック装置１８を構成する昇温室６、原燃料供給管７、流路部材１９および燃料ガス供給管８の一部を抜粋して示す断面図である。
【００５８】
図５に示すセルスタック装置１８は、昇温室６の両側方に流路部材１９が配置されており、流路部材１９の中央部側が原燃料送出口１２と接続されている。昇温室６のセル配列方向と直交する側面における上端部側に原燃料ガス送出口１２を備えるとともに、流路部材１９（改質部１７）内が、原燃料ガスを上下方向に蛇行するように流す蛇行流路となっており、原燃料ガスは流路部材１９内を蛇行しながらセル配列方向に沿って流れている。それにより、改質部１７の長さを長くする（改質触媒１３の量を増加する）ことができ、改質効率をさらに向上させることができる。
【００５９】
このような流路部材１９においても、原燃料ガス送出口１２から送出された原燃料ガスは燃料電池セル２側に向けて流れた後、流路部材の１９のセル配列方向における両端部に設けられた燃料ガス送出口１４に向けて流れることとなる。図５に示すセルスタック装置１８は、流路部材１９のセル配列方向に沿って流す部位が蛇行流路となっている。
【００６０】
ここで、セルスタック装置１８は、燃料電池セル２の上端部側で発電に使用されなかった燃料ガスを燃焼させる構成とされており、その燃焼熱で効率的に昇温室６および流路部材１９の温度を上昇させることができ、原燃料を効率よく温度の上昇した原燃料ガスとすることができるほか、原燃料ガスの改質を効率よく行なうことができる。
【００６１】
図５に示すセルスタック装置１８は、原燃料ガスが流路部材１９内（改質部１７内）を蛇行するように流れることから、改質部１７内に備えられる改質触媒１３の量（原燃料ガスと改質触媒１３とが接する時間）を増加させることができ、改質効率をさらに向上させることができる。それにより、セルスタック３の発電効率を向上させることができ、発電効率の向上したセルスタック装置１８とすることができる。
【００６２】
なお、図５においては、原燃料ガスを上下方向に蛇行する蛇行流路を設けた流路部材１９を示したが、蛇行流路は、セル配列方向に沿ってもしくは、燃料電池セル２の幅方向に沿って蛇行する蛇行流路とすることもできる。この場合においても、改質部１７の長さを長くする（改質触媒１３の量を増加する）ことができ、改質効率を向上させることができる。
【００６３】
また、昇温室６内に仕切部材（図示せず）を設けて原燃料ガスが上下方向に蛇行するように流れるための蛇行流路を設けてもよい。この場合においても、原燃料ガスが蛇行するように流れることから、原燃料が昇温室６内を流れる距離を増加させることができ、発電に使用されなかった燃料ガスを燃焼させた際に生じる燃焼熱により、効率的に原燃料ガスの温度を上昇させることができることから、改質効率をさらに向上させることができる。
【００６４】
なお、図５に示すセルスタック装置１８においては、改質部１７の全域に蛇行流路を設けた例を示したが、改質部１７の一部のみを蛇行流路としてもよい。
【００６５】
また、流路部材１９の改質触媒１３が配置されていない部位（改質部１７ではない部位）を蛇行流路としてもよい。この場合においても、燃料ガスを蛇行させて流すことができ、燃料ガスの温度を効率よく上昇させることができ、温度の上昇した燃料ガスを燃料電池セル２に供給することができる。それによりセルスタック装置１８の発電効率を向上させることができる。
【００６６】
図６は、本発明のセルスタック装置のさらに他の一例を示す外観斜視図であり、図７は図６に示すセルスタック装置２０を構成する昇温室６、原燃料供給管７、流路部材２１および燃料ガス供給管８の一部を抜粋して示すＣ−Ｃ’線断面図である。
【００６７】
図６に示すセルスタック装置２０は、セル配列方向における中央部に配置された昇温室６の底面中央部に原燃料ガス送出口１２が設けられており、原燃料ガス送出口１２に管状の流路部材２１が接続されている。
【００６８】
流路部材２１は、昇温室６の下方に燃料電池セル２と離間した状態で配置され、中央部に原燃料ガス送出口１２に接続する連結部２２を有し、連結部２２（中央部側）は原燃料送出口１２に接続されている。流路部材２１は、両端部に燃料ガス送出口１４を備え、燃料ガス送出口１４は燃料ガス供給管８と接続されている。そのため、流路部材２１は、連結部２２を燃料電池セル２側に向けて流れた原燃料ガスをセル配列方向における両端部に設けられた燃料ガス送出口１４に向けて流した後、セルスタック３の両端部側に配置されたそれぞれの燃料ガス供給管８に流すように設けられている。セルスタック装置２０においては、流路部材２１と燃料ガス供給管８は一体的に設けられている。
【００６９】
それにより、流路部材２１と燃料ガス供給管８とを別々に作製した後、溶接等により接続する工程を簡略化することができ、セルスタック装置２０の製造工程を簡略化することができる。
【００７０】
なお、図６および図７に示すセルスタック装置２０は、昇温室６と改質部１７とが直接接続されていない。この場合においても、昇温室６と流路部材２１との接続部が、発電に使用されなかった燃料ガスを燃焼させて生じた燃焼熱により直接温められることを抑制することができ、昇温室６と流路部材２１との接続部の温度が過剰に上昇することを抑制することができる。それにより、改質部１７に過剰に温度が上昇した燃料ガスが供給されることを抑制することができ、改質触媒１３が劣化することを抑制することができる。
【００７１】
図８は、収納容器２８内に、上述したセルスタック装置１を収納してなる本発明の燃料電池モジュール２７（以下、モジュールという場合がある。）の一例を示す外観斜視図である。なお、図８においては、昇温室６および流路部材１１を収納容器２８の上壁の内面に接続しており、セルスタック装置１としては、昇温室６および流路部材１１を取り外した状態を示している。
【００７２】
また、図８に示すモジュール２７においては、収納容器２８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（図８においては昇温室６および流路部材１１を取りはずして示している）を後方に取り出した状態を示している。以下に、モジュール２７を構成する収納容器２８について説明する。
【００７３】
図９は、図８に示すモジュール２７の示すＤ−Ｄ’線断面を概略的に示した断面図である。モジュール２７を構成する収納容器２８は、外壁３０にて収納容器２８の外枠が形成され、内部に燃料電池セル２（セルスタック３）を収納する発電室４２が形成されている。
【００７４】
このような収納容器２８においては、セルスタック３を構成するセル配列方向に沿う側部と、該側部に対向する収納容器２８の外壁との間に、空気や排ガスを流すための流路を備えている。
【００７５】
ここで、収納容器２８は、外壁３０の内側に所定間隔をあけて第１の壁３１が形成されており、第１の壁３１の内側に所定間隔をあけて第２の壁３２が配置されており、さらに第２の壁３２の内側に所定間隔をあけて第３の壁３３が配置されている。
【００７６】
それにより、外壁３０と第１の壁３１とで形成された空間が第１の流路３４となり、第２の壁３２と第３の壁３３とで形成された空間が第２の流路３５となり、第１の壁３１と第２の壁３２とで形成された空間が第３の流路３６となる。
【００７７】
なお、図９に示した収納容器２８においては、第１の壁３１の上端部が第２の壁３２に接続されており、第２の壁３２が収容容器２８の上壁（外壁３０）と接続されており、第３の壁３３の上端部が第２の壁３２と接続されている。
【００７８】
また、収納容器２８の底部には、空気（酸素含有ガス）を収納容器２８内に供給するための空気供給管３７が接続されており、空気供給管３７より供給される空気は空気導入部３８に流れる。空気導入部３８は空気導入口３９により第１の流路３４とつながっているため、空気導入部３８を流れる空気は、空気導入口３９を通して、第１の流路３４に流れる。第１の流路３４を上方に向けて流れた空気は、第２の壁３２に設けられた空気流通口４０を通して、第２の流路３５に流れる。そして、第２の流路３５を下方に向けて流れた空気は、第３の壁３３に設けられた空気吹き出し口４１を通して、発電室４２内に供給される。
【００７９】
一方、燃料電池セル２より排出される排ガスや、燃料電池セル２の上端部側で発電に使用されなかった燃料ガスを燃焼させることにより生じる排ガスは、第２の壁３２に設けられた排ガス流通口４３を通して第３の流路３６に流入する。そして、第３の流路３６を下方に向けて流れた排ガスは、排ガス収集口４４を通して排ガス収集部４５に流れた後、排ガス収集部４５に接続された排ガス排気管４６を通して収納容器２８の外部に排気される。
【００８０】
それゆえ、空気導入管３７より供給される空気は、空気導入部３８を流れる間に、排ガス収集部４５を流れる排ガスと熱交換され、第１の流路３４を流れる間に、第３の流路３６を流れる排ガスと熱交換され、第２の流路３５を流れる間に、発電室４２内の熱とで熱交換されることとなる。
【００８１】
なお、図９において、空気導入管３７の内部に排ガス排気管４６が位置するように設けた例を示しているが、排ガス排気管４６の内部に空気導入管３７が位置するように設けることもでき、さらには、空気導入管３７と排ガス排気管４６とは、それぞれ位置をずらして設けることもできる。
【００８２】
ここで、図９に示すモジュール２７においては、第３の流路３６のうち、第２の壁２７側に断熱材４７（図中において断熱材４７は斜線にて示している）が配置されている。それにより、第２の流路３５を流れる空気と第３の流路３６を流れる排ガスとの熱交換を抑制することができ、第２の流路３５を流れる空気の温度が低下することを抑制できる。
【００８３】
それにより、燃料電池セル２に供給される空気の温度が低下することを抑制でき、高温の空気を燃料電池セル２に供給することができることから、発電効率の高いモジュール２７とすることができる。
【００８４】
なお、第３の流路３６に配置される断熱材４７は、好ましくは、セルスタック３を構成する燃料電池セル２の配列方向に沿う側部の外形以上の大きさとすることが好ましい。それにより、第２の流路３５を流れる空気と第３の流路３６を流れる排ガスとの熱交換を効率よく抑制することができる。
【００８５】
また断熱材４７は、第３の流路３６以外にも、収納容器２８内の熱が極端に放熱され、燃料電池セル２（セルスタック３）の温度が低下して発電量が低減しないように適宜設けることができ、図９においては、第３の流路３６以外に、マニホールド４の底部と、燃料電池セル２（セルスタック３）の両側面側と、収納容器２８の上壁（外壁４８）と昇温室６との間とに設けている例を示している。
【００８６】
ここで、セルスタック３（燃料電池セル２）の両側面側に配置されている断熱材４７においては、空気吹き出し口４１に対応して、空気を燃料電池セル２側に流すための孔が設けられている。
【００８７】
そして空気吹き出し口４１より発電室４２内に供給された空気は、燃料電池セル２の下端部側から上端部側に向けて流れることとなり、効率よく燃料電池セル２の発電を行なうことができる。
【００８８】
長期信頼性の向上したセルスタック装置１を上述のような収納容器の発電室４２内に収納することにより、長期信頼性の向上したモジュール２７とすることができる。
【００８９】
図１０は、外装ケース内に図９で示したモジュール２７と、モジュール２７を動作させるための補機（図示せず）とを収納してなる燃料電池装置の一例を示す分解斜視図である。なお、図１０においては一部構成を省略して示している。
【００９０】
図１０に示す燃料電池装置５０は、支柱５１と外装板５２から構成される外装ケース内を仕切板５３により上下に区画し、その上方側を上述したモジュール２７を収納するモジュール収納室５４とし、下方側をモジュール２７を動作させるための補機を収納する補機収納室５５として構成されている。なお、補機収納室５５に収納する補機を省略して示している。それにより、コンパクトな燃料電池装置５０とすることができる。
【００９１】
また、仕切板５３には、補機収納室５５の空気をモジュール収納室５４側に流すための空気流通口５６が設けられており、モジュール収納室５４を構成する外装板５２の一部に、モジュール収納室５４内の空気を排気するための排気口５７が設けられている。
【００９２】
このような燃料電池装置５０においては、上述したように、長期信頼性の向上したモジュール２７をモジュール収納室５４に収納し、モジュール２７を動作させるための補機を補機収納室５５に収納して構成されることにより、長期信頼性の向上した燃料電池装置５０とすることができる。
【００９３】
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。
【００９４】
例えば、昇温室６の原燃料供給管７に、原燃料または水を流路部材１１に向けて流すための流通方向調整部材を設けることも可能である。
【００９５】
なお流通方向調整部材としては、底部を有する筒状の容器の左右に穴を有する部材のほか、先端が二手に分かれたパイプ等、適宜左右２方向に原燃料を流すことのできる部材とすることができる。
【００９６】
また、この場合において流通調整方向部材の吹き出し口は、昇温室６の底面と対向しないように設けることが好ましい。それにより、昇温室６の一部の温度が急激に低下し、昇温室６での水の気化効率が悪くなることを抑制できる。
【００９７】
また例えば原燃料ガス送出口１２に原燃料が十分に気化されずに改質部１７に流入することを抑制する原燃料流入抑制部材を設けてもよい。
【００９８】
原燃料流入抑制部材としては、蓋を有する筒状の容器の左右に穴を有する部材等があげられ、特に、原燃料供給管７と原燃料ガス送出口１２とが平面視して同一線上にある場合に特に有効に用いることができる。
【００９９】
また例えば、収納容器２８は、外壁３０と第１の壁３１とで第１の流路３４を形成し、第２の壁３２と第３の壁３３とで第２の流路３５を形成し、第１の壁３１と第２の壁３２とで第３の流路３６を形成していればよく、適宜空気流通口４１や排ガス流通口４３の位置を変更することもできる。
【０１００】
また、例えば第１の壁３１と第２の壁３２との間に第１の流路３４と第２の流路３５とをつなぐ空気流通路を設けてもよく、第２の壁３２と第３の壁３３との間に、発電室４２と第３の流路３３とをつなぐ排ガス流通路を設けてもよい。
【符号の説明】
【０１０１】
１、１５、１８、２０、６８：セルスタック装置
２、６２：燃料電池セル
３、６３：セルスタック
４、６４：マニホールド
６：昇温室
７、６７：原燃料供給管
８、６６：燃料ガス供給管
１０：燃料ガス流入口
１１、１６、１９、２１：流路部材
１２：原燃料ガス送出口
１３：改質触媒
１４：燃料ガス送出口
１７：改質部
２３：流量調整部材
２７、６０：燃料電池モジュール
５０：燃料電池装置
【図１】
2011096433.tif 000003
【図２】
2011096433.tif 000004
【図３】
2011096433.tif 000005
【図４】
2011096433.tif 000006
【図５】
2011096433.tif 000007
【図６】
2011096433.tif 000008
【図７】
2011096433.tif 000009
【図８】
2011096433.tif 000010
【図９】
2011096433.tif 000011
【図１０】
2011096433.tif 000012
【図１１】
2011096433.tif 000013