(57)【要約】【課題】燃料電池モジュールを容易に組立てることが可能であり、且つ断熱性能が低下することなく、缶体内の上部に滞留する可燃ガスを含む排ガスを排気することが可能な燃料電池モジュールを提供する。【解決手段】缶体４の下部に、排ガスを缶体４外へと排気する下部排気管８を設け、缶体４内の上部或いは燃料電池スタック５の中段部に、排ガスを缶体４外へと排気する上部排気管７のガス吸入口２８を配置させるとともに、缶体４内において、当該上部排気管７を上部或いは中段部から下部へと配管させて、下部排気管８内に挿通させていることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
缶体内に発電セルとセパレータからなる単セルを複数積層して構成された燃料電池スタックを備え、上記発電セルに反応ガスを供給して上記燃料電池スタックにおいて発電反応を行なうことにより、上記燃料電池スタックから上記発電反応による反応生成物および発電反応に使用されなかった残余の反応ガスが排ガスとして上記缶体内へと排出される燃料電池モジュールにおいて、
上記缶体の下部に、上記排ガスを上記缶体外へと排気する第１の排気管が設けられ、上記缶体内の上部に、上記排ガスを上記缶体外へと排気する第２の排気管のガス吸入口が配置されるとともに、上記缶体内において、当該第２の排気管が上部から下部へと配管されて、上記第１の排気管内に挿通されていることを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項２】
缶体内に発電セルとセパレータからなる単セルを複数積層して構成された燃料電池スタックを備え、上記発電セルに反応ガスを供給して上記燃料電池スタックにおいて発電反応を行なうことにより、上記燃料電池スタックから上記発電反応による反応生成物および発電反応に使用されなかった残余の反応ガスが排ガスとして上記缶体内へと排出される燃料電池モジュールにおいて、
上記缶体の下部に、上記排ガスを上記缶体外へと排気する第１の排気管が設けられ、上記缶体内の燃料電池スタックの中段部に、上記排ガスを上記缶体外へと排気する第２の排気管のガス吸入口が配置されるとともに、上記缶体内において、当該第２の排気管が燃料電池スタックの中段部から缶体の下部へと配管されて、上記第１の排気管内に挿通されていることを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項３】
上記第２の排気管が上記第１の排気管内の中心軸近傍に沿って挿通されるとともに、上記缶体外において、第１および第２の排気管が缶体の下部から上方へと延在するように配管されていることを特徴とする請求項１または請求項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、缶体内に燃料電池スタックを備え、上記燃料電池スタックの発電セルに反応ガスを供給して発電反応を行なうことにより、上記燃料電池スタックから排ガスが上記缶体内へと排出される燃料電池モジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の燃料電池モジュールとして、断熱材を設けた箱形の缶体の内部に、燃料電池スタックと、改質器を配置し、上記缶体に排気管を設け、上記排気管のガス排出口に水蒸気発生器を配置したものが知られている。
【０００３】
ここで、この燃料電池スタックは、固体電解質層の一方の面に燃料極層を、他方の面に空気極層を配置した発電セルとセパレータからなる単セルを複数積層して構成されたものであり、上記燃料極層に燃料ガス（反応ガス）を、上記空気極層に空気（反応ガス）を供給することにより発電反応を行って所定の電力を得るものである。
【０００４】
そして、上記発電セルは、外周部にガス漏れ防止シールを設けないシールレス構造に形成されたものであり、上記発電反応の際に消費されなかった水素や未改質のメタン等の可燃ガスを、上記発電反応により生成された他の反応生成物（Ｈ2Ｏ、ＣＯ、ＣＯ2等）とともに排ガスとして、缶体内へと排出するものである。
【０００５】
一方、上記水蒸気発生器は、内部に水を効率良く気化させるための熱伝導性の良好なビーズが充填したものであり、外部から供給された水を、缶体内の熱によって加熱することにより、上記改質器の改質反応に必要な水蒸気を生成するものである。
【０００６】
他方、上記改質器は、炭化水素用改質触媒を充填したものであり、外部から供給された炭化水素ガスと上記水蒸気との混合ガスを、燃料電池スタックからの排熱および缶体内の熱によって改質反応させることにより、燃料ガスを生成するものである。
【０００７】
さらに、上記排気管は、特に排気ファン等の排気手段を使用しておらず、自然排気によって、上記発電セルから排出された３００℃〜４００℃の排ガスを、約１００Ｌ／ｍｉｎの排気速度で缶体外へと排気するものである。なお、上記排気管は、ガス排出口に配した水蒸気発生器によって生成された水蒸気が確実に改質器へと流通されるように、缶体の底板に設けられている。
【０００８】
ところで、この排気管を缶体の底板に設けると、排ガスに含まれる可燃ガスの水素やメタンは、他の排ガスに比べて比重が軽く、缶体内の上部側に滞留する傾向にあることから、当該可燃ガスを含む排ガスを上記排気管から排気することが困難であった。このように、缶体内の上部側に可燃ガスを含む排ガスが滞留した状態で、当該可燃ガスが燃焼すると、燃料電池スタックの最上部側の温度が急激に上昇するために、燃料電池スタックの単セルの積層方向の温度分布にバラツキが生じ、効率的な発電が行えなくなるという可能性があり、延いては燃料電池スタックの発電セルに熱応力が生じ、当該発電セルが破損してしまう可能性があった。
【０００９】
そこで、上記缶体の下部に設けられた排気管の他に、上記缶体の天板部に口径の小さな上部排気管を設けて、缶体内の上部側に滞留する排ガスを排気することにより、缶体内に滞留する可燃ガスを含む排ガスを可能にした燃料電池モジュールが考えられた。
【００１０】
ところが、上記上部排気管の口径が小さく、排ガスの排気容量が少ないことから、上部排気管に排出された排ガスが大気によって速やかに冷却される。これにより、上記排ガスに含まれる水蒸気が凝結し、上記上部排気管内に結露が生じて、上記上部排気管が詰まる可能性があるために、上記上部排気管に上記排ガスを１００℃以上に保持するための加熱手段を設ける必要があった。また、上部排気管内の排ガスを下部排気管に合流させるために、缶体の周囲に上部排気管を配管する必要があった。このため、燃料電池モジュールの組立てが複雑化してしまう可能性があった。
【００１１】
さらに、缶体の断熱材にも孔を穿設するために、缶体の断熱性能が低下する可能性があった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、このような従来の課題に鑑みて成されたもので、燃料電池モジュールを容易に組立てることが可能であり、且つ缶体の断熱性能を低下させることなく、缶体内に滞留する可燃ガスを含む排ガスを確実に排気することが可能な燃料電池モジュールを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の燃料電池モジュールは、缶体内に発電セルとセパレータからなる単セルを複数積層して構成された燃料電池スタックを備え、上記発電セルに反応ガスを供給して上記燃料電池スタックにおいて発電反応を行なうことにより、上記燃料電池スタックから上記発電反応による反応生成物および発電反応に使用されなかった残余の反応ガスが排ガスとして上記缶体内へと排出される燃料電池モジュールにおいて、上記缶体の下部に、上記排ガスを上記缶体外へと排気する第１の排気管が設けられ、上記缶体内の上部に、上記排ガスを上記缶体外へと排気する第２の排気管のガス吸入口が配置されるとともに、上記缶体内において、当該第２の排気管が上部から下部へと配管されて、上記第１の配管内に挿通されていることを特徴とするものである。
【００１４】
ところで、燃料電池モジュールの燃料電池スタックは、単セルの積層方向の温度分布が、中段部付近で高く、両端部付近で低くなることが知られている。そして、このように、上記積層方向の中段部から両端部に向けて温度が低下する温度分布が生じると、燃料電池全体の発電性能が両端部のセル電圧により制限され、効率的な発電が行えなくなるという問題点があった。
【００１５】
そこで、請求項２に記載の燃料電池モジュールは、缶体内に発電セルとセパレータとを交互に複数積層して構成された燃料電池スタックを備え、上記発電セルに反応ガスを供給して上記燃料電池スタックにおいて発電反応を行なうことにより、上記燃料電池スタックから上記発電反応による反応生成物および発電反応に使用されなかった残余の反応ガスが排ガスとして上記缶体内へと排出される燃料電池モジュールにおいて、上記缶体の下部に、上記排ガスを上記缶体外へと排気する第１の排気管が設けられ、上記缶体内の燃料電池スタックの中段部に、上記排ガスを上記缶体外へと排気する第２の排気管のガス吸入口が配置されるとともに、上記缶体内において、当該第２の排気管が上記燃料電池スタックの中段部から缶体の下部へと配管されて、上記第１の排気管内に挿通されていることを特徴とするものである。
【００１６】
さらに、請求項３に記載の燃料電池モジュールは、請求項１または請求項２に記載の燃料電池モジュールにおいて、上記第２の排気管が上記第１の排気管内の中心軸近傍に沿って挿通されるとともに、上記缶体外において、第１および第２の排気管が缶体の下部から上方へと延在するように配管されていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１７】
請求項１に記載の燃料電池モジュールによれば、上記缶体の下部に、上記排ガスを上記缶体外へと排気する第１の排気管を設け、上記缶体内の上部に、上記排ガスを上記缶体外へと排気する第２の排気管のガス吸入口を配置しているために、上記第１の排気管によって、上記缶体内の下部の排ガスを排気しつつ、上記第２の排気管によって、上記第１の排気管では排気困難な缶体内の上部側に滞留する可燃ガスを含む排ガスを排気することが可能となる。この結果、缶体内の可燃ガスを含む排ガスを確実に排気することが可能となる。
【００１８】
また、上記缶体内において、当該第２の排気管を上部から下部へと配管させて、上記第１の排気管内に挿通させているために、断熱材に孔を穿設することなく、第２の排気管を設けることが可能である。この結果、缶体の断熱性能を維持しつつ、缶体内の排ガスを排気することが可能となる。
【００１９】
さらに、第２の排気管を缶体内に配管させて、そのまま高温の排ガスが流通する第１の排気管に挿通させているために、缶体の周囲に上記第２の排気管が配設されることがなくなる。また、第１排気管内の排ガスによって、上記第２の排気管内の排ガスが高温に保持されるため、排ガスの温度低下による上記第２の排気管の結露を防止することができ、第２の排気管に加熱手段を配設する必要がなくなる。この結果、燃料電池モジュールが複雑化することがなくなる。
【００２０】
一方、請求項２に記載の燃料電池モジュールによれば、上記缶体の下部に、上記排ガスを上記缶体外へと排気する第１の排気管を設け、上記缶体内の燃料電池スタックの中段部に、上記排ガスを上記缶体外へと排気する第２の排気管のガス吸入口を配置しているために、上記第１の排気管によって、上記缶体内の下部の排ガスを排気しつつ、上記第２の排気管によって、上記燃料電池スタックの中段部から放出される高温の排ガスを選択的に排気することが可能となる。これにより、上記燃料電池スタックの中段部の温度を低下させて、燃料電池スタックの単セルの積層方向の温度分布を均一化させることが可能となる。この結果、燃料電池スタックを効率的に発電させることが可能となる。
【００２１】
また、上記第１の排気管の排出口より上記缶体の上部側に配置しているために、上記第２の排気管によって、上記第１の排気管では排気困難な缶体内の可燃ガスを含む排ガスを確実に排気することが可能となる。
【００２２】
さらに、上記缶体内において、当該第２の排気管を燃料電池スタックの中段部から缶体の下部へと配管させて、上記第１の排気管内に挿通させているために、断熱材に孔を穿設することなく、上記第２の排気管を設けることが可能である。この結果、缶体の断熱性能を維持しつつ、缶体内の排ガスを排気することが可能となる。
【００２３】
そして、第２の排気管を缶体内に配管させて、そのまま高温の排ガスが流通する第１の排気管に挿通させているために、缶体の周囲に上記第２の排気管が配設されることがなくなる。また、第１排気管内の排ガスにより、上記第２の排気管内の排ガスが高温に保持されるため、排ガスの温度低下による上記第２の排気管の結露を防止することができ、第２の排気管に加熱手段を配設する必要がなくなる。この結果、燃料電池モジュールが複雑化することがなくなる。
【００２４】
また、請求項３に記載の燃料電池モジュールは、上記第２の排気管を、上記第１の排気管の中でも排ガスの温度が最も高い第１の排気管内の中心軸近傍に沿って挿通させていることから、第２の排気管内の排ガスの温度が、大気に直接触れている第１の排気管内の排ガスの温度に比べて確実に高温に保持されているために、上記第２の排気管の排ガスの比重が上記第１の排気管内の排ガスの比重より小さくなる。加えて、上記缶体外において、第１および第２の排気管を缶体の下部から上方へと延在するように配しているために、この立ち上がり部において、第２の排気管内に流通する排ガスのガス線速度が、第１の排気管内に流通する排ガスのガス線速度よりも速くなる。この結果、第２の排気管に吸い込み効果が生じ、ガス吸入口近傍に滞留している排ガスを優先的に缶体外へと排気することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明に係る燃料電池モジュールの第１実施形態を示す縦断面図である。
【図２】図１の単セルを示す縦断面図である。
【図３】本発明に係る燃料電池モジュールの第２実施形態を示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
（第１実施形態）
以下、本発明に係る燃料電池モジュールの第１実施形態について図１〜図２を用いて説明する。
図１に示すように、本発明の燃料電池モジュールは、内缶体１と、この内缶体１を断熱材２を介して覆う外缶体３とで構成された箱形の缶体４の内部に配された燃料電池スタック５、改質器６、上部排気管（第２の排気管）７と、缶体４の底板に配された下部排気管８（第１の排気管）と、当該下部排気管８のガス排出口に配された水蒸気発生器９とにより概略構成されている。
【００２７】
この燃料電池スタック５は、図２に示すように、固体電解質層１０の一方の面に燃料極層１１を、他方の面に空気極層１２を配置した発電セル１３の外側に、各々燃料極集電体１４と空気極集電体１５を配置し、これらの集電体１４、１５の外側にセパレータ１６を配置した単セル１７が縦方向に複数積層されている。
【００２８】
ここで、燃料電池スタック５の発電セル１３は、外周部にガス漏れ防止シールを設けないシールレス構造に形成されている。
【００２９】
そして、固体電解質層１０は、イットリアを添加した安定化ジルコニア（ＹＳＺ）で構成されている。
【００３０】
また、燃料極層１１は、Ｎｉ−ＹＳＺのサーメットで構成され、また、空気極層１２は、ＬａＭｎＯ３で構成されている。
【００３１】
さらに、燃料極集電体１４は、Ｎｉの多孔質焼結金属板で構成され、空気極集電体１５は、Ａｇの多孔質焼結金属板で構成されている。
【００３２】
また、セパレータ１６は、ステンレスにより構成されることにより、発電セル１３間が電気接続されている。そして、燃料極集電体１４との対向面に燃料ガスを吐出するための燃料ガス吐出孔１８が形成されるとともに、外周部から導入された燃料ガスを燃料ガス吐出孔１８へと流通させるための燃料ガス通路１９が設けられている。また、空気集電体１５との対向面に酸化剤ガスを吐出するための酸化剤ガス吐出孔２０が形成されるとともに、外周部から導入された空気を酸化剤ガス吐出孔２０へと流通させるための酸化剤ガス通路２１が設けられている。
【００３３】
さらに、複数積層された単セル１７の最上部側および最下部側には、フランジ２２が配置されている。そして、この両フランジ２２がボルト（図示せず）で締め付けられることにより、燃料電池スタック５が構成されている。
【００３４】
一方、水蒸気発生器９は、内部に水を効率良く気化させるための熱伝導性の良好なビーズが充填されているとともに、入り口側に外部から水が導入される水配管２３が連結され、出口側に水蒸気供給管２４の一端部が連結されている。
【００３５】
他方、改質器６は、内部に炭化水素用のＮｉ（ニッケル）系、或いはＲｕ（ルテニウム）系の改質触媒が充填されているとともに、入り口側に燃料ガス導入管２５が連結され、出口側に燃料ガス供給管２６の一端部が連結されている。
【００３６】
そして、この燃料ガス導入管２５は、改質器６の前段部において、水蒸気供給管２４の他端部が連結されている。
【００３７】
また、燃料ガス供給管２６の他端部には、燃料ガスマニホールド（図示せず）が連結され、当該燃料ガスマニホールドに各々セパレータ１６の燃料ガス通路１９の入り口側が連結されている。
【００３８】
さらに、缶体４内には、外部から燃料電池スタック５の空気極層１２へと空気を供給する酸化剤ガス供給管２７が設けられている。そして、この酸化剤ガス供給管２７には、酸化剤ガスマニホールド（図示せず）が連結され、当該酸化剤ガスマニホールドに各々セパレータ１６の酸化剤ガス通路２１の入口側が連結されている。
【００３９】
一方、缶体４の底板に配された下部排気管８は、ステンレスにより構成され、缶体４外において、缶体４の下部から上方へと延在するように配管されている。
【００４０】
他方、缶体４内の上部排気管７は、ステンレスにより構成され、ガス吸入口２８が缶体４内の上部側に配置されている。そして、缶体４内において、上部から下部へと配管されて、下部排気管８の中心軸に沿うようにして下部排気管８内に挿通されている。
【００４１】
（第２実施形態）
次に、本発明に係る燃料電池モジュールの第２実施形態を図３を用いて説明する。なお、本実施形態は、缶体４内の上部排気管７のガス吸入口２８の配置箇所が異なっている点が第１実施形態と異なっている。そのため、燃料電池スタック５の構成等の第１実施形態と同一の構成については、同一符号を用いることにより説明を省略する。
【００４２】
本実施形態の燃料電池モジュールは、上部排気管７のガス吸入口２８が燃料電池スタック５の単セル１７の積層方向の中段部近傍に配置されている。そして、缶体４内において、燃料電池スタックの中段部から下部へと配管されて、下部排気管８の中心軸に沿うようにして下部排気管８内に挿通されている。
【００４３】
以上の構成からなる上記第１および第２実施形態の燃料電池モジュールにおいては、燃料ガス導入管２５に炭化水素ガス（例えば都市ガス）を、水配管２３に水を、酸化剤ガス供給管２７に空気をそれぞれ供給する。
【００４４】
すると、水配管２３に供給された水は、水蒸気発生器９に導入され、当該水蒸気発生器９が下部排気管８に排気される排ガスにより加熱されて水蒸気となり、水蒸気供給管２４へと供給される。
【００４５】
次に、燃料ガス導入管２５と水蒸気供給管２４との連結部分において、上記水蒸気と上記炭化水素ガスとが合流・混合され、改質器６へと供給される。
【００４６】
この改質器６に供給された炭化水素ガスと水蒸気との混合ガスは、当該改質器６が燃料電池スタック５の排熱および排ガスの熱を吸熱して、改質反応が行なわれることにより、水素リッチな燃料ガス（Ｈ2、ＣＯ2、Ｈ2Ｏ等）となり、燃料ガス供給管２６へと供給される。なお、この際、僅かではあるが上記混合ガスに含まれる炭化水素ガスが改質されず、未改質ガス（ＣＨ4等）として、上記水素リッチな燃料ガスとともに燃料ガス供給管２６へと供給される可能性がある。
【００４７】
そして、燃料ガス供給管２６へと供給された水素リッチな燃料ガスは、上記燃料ガスマニホールドを介して、各単セル１７のセパレータ１６の燃料ガス通路１９へと供給される。
【００４８】
一方、酸化剤ガス供給管２７に供給された空気は、上記酸化剤ガスマニホールドを介して、各単セル１７のセパレータ１６の酸化剤ガス通路２１へと供給される。
【００４９】
この各々ガス通路１９、２１へとそれぞれ供給された水素リッチな燃料ガスおよび空気は、セパレータ１６の略中心部にある燃料ガス吐出孔１８および酸化剤ガス吐出孔２０から発電セル１３に向けて吐出され、各集電体１４、１５を介すことにより、発電セル１３の外周方向に拡散されながら燃料極層１１および空気極層１２の全面に良好な分布で行き渡る。
【００５０】
そして、燃料電池スタック５の発電セル１３において、発電反応が生じることにより、所定の電力が得られる。
【００５１】
ここで、各集電体１４、１５を介して燃料極層１１および空気極層１２に供給された水素リッチな燃料ガスおよび空気は、発電セル１３がシールレス構造であることから、その一部が発電反応により生成された反応生成物（Ｈ2Ｏ、ＣＯ2、ＣＯ等）および上記未改質ガス（ＣＨ4）とともに排ガスとして缶体４内へと放出される。その際、燃料電池スタック５の中段部からは、発電セル１３がジュール熱を放出し難いことから、両端部に比べて温度の高い排ガスが放出される。
【００５２】
以上の構成からなる第１実施形態の燃料電池モジュールによれば、缶体４の下部に下部排気管８を設け、缶体４内の上部に、上部排気管７のガス吸入口２８を配置しているために、下部排気管８によって、缶体４内の下部の排ガスを排気しつつ、上部排気管７によって、下部排気管８では排気困難な缶体４内の上部側に滞留する可燃ガスを含む排ガスを排気することが可能である。この結果、缶体４内の水素やメタンなどの可燃ガスを含む排ガスを確実に排気することが可能となる。
【００５３】
一方、第２実施形態の燃料電池モジュールは、缶体４の下部に下部排気管８を設け、燃料電池スタック５の中段部に上部排気管７のガス吸入口２８を配置しているために、下部排気管８によって、缶体４内の下部の排ガスを排気しつつ、上部排気管７によって、燃料電池スタック５の中段部から排出される高温の排ガスを選択的に排気することが可能となる。これにより、燃料電池スタック５の中段部の温度を低下させて、燃料電池スタックの単セル１３の積層方向の温度分布を均一化することが可能となる。この結果、燃料電池スタック５を効率的に発電させることが可能となる。
【００５４】
また、上部排気管８の排出口より缶体４の上部側に配置しているために、下部排気管７によって、上部排気管８では排気困難な缶体４内の可燃ガスを含む排ガスを確実に排気することが可能となる。
【００５５】
加えて、第１および第２実施形態の燃料電池モジュールは、缶体４内において、上部排気管７を上部から下部へと配管させて、下部排気管８内に挿通させているために、断熱材３に孔を穿設することなく、上部排気管７を設けることが可能である。この結果、缶体４の断熱性能を維持しつつ、缶体４内の排ガスを排気することが可能となる。
【００５６】
さらに、上部排気管７を缶体４内に配管させて、そのまま高温の排ガスが流通する下部排気管８に挿通させているために、缶体４の周囲に上部排気管７が配設されることがなくなる。また、下部排気管８内の排ガスにより、上部排気管７内の排ガスが高温に保持されるため、排ガスの温度低下による上部排気管７の結露を防止することができ、上部排気管７に加熱手段を配設する必要がなくなる。この結果、燃料電池モジュールが複雑化することがなくなる。
【００５７】
そして、上部排気管７を、下部排気管８の中でも排ガスの温度が最も高い下部排気管７内の中心軸近傍に沿って挿通させていることから、上部排気管７内の排ガスの温度が、大気に直接触れている下部排気管８内の排ガスの温度に比べて確実に高温に保持されているため、上部排気管７の排ガスの比重が下部排気管８内の排ガスの比重より小さくなる。加えて、缶体４外において、上部および下部排気管７、８を缶体４の下部から上方へと延在するように配しているために、この立ち上がり部において、上部排気管７内に流通する排ガスのガス線速度が、下部排気管８内に流通する排ガスのガス線速度よりも速くなる。この結果、上部排気管７に吸い込み効果が生じ、ガス吸入口２８近傍に滞留している排ガスを優先的に缶体４外へと排気することが可能となる。
【符号の説明】
【００５８】
４  缶体
５  燃料電池スタック
７  上部排気管（第２の排気管）
８  下部排気管（第１の排気管）
１３  発電セル
１６  セパレータ
２８  ガス吸入口
【図１】
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【図２】
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【図３】
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