(57)【要約】  【課題】  発電効率の向上した燃料電池装置を提供することを目的とする。  【解決手段】  本発明の燃料電池装置は、収納容器２１内に、燃料ガスと酸素含有ガスとで発電を行なう燃料電池セル２２と、原燃料と水とで、燃料電池セル２２に供給する燃料ガスを生成するための水蒸気改質可能な改質器３とを収納してなる燃料電池モジュール４と、燃料電池モジュール４内に酸素含有ガスを供給するための電動式の酸素含有ガス供給装置１９と、改質器３に原燃料を供給するための電動式の原燃料供給装置１８と、改質器３に水を供給するための電動式の水供給装置１２と、を備えるとともに、酸素含有ガス供給装置１９、原燃料供給装置１８および水供給装置１２のうち少なくとも１つの装置が、燃料電池モジュール４の上方に配置されていることから、発電効率の向上した燃料電池装置とすることができる。【選択図】  図１
2015125809.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
収納容器内に、燃料ガスと酸素含有ガスとで発電を行なう燃料電池セルと、原燃料と水とで、前記燃料電池セルに供給する燃料ガスを生成するための水蒸気改質可能な改質器とを収納してなる燃料電池モジュールと、
該燃料電池モジュール内に酸素含有ガスを供給するための電動式の酸素含有ガス供給装置と、
前記改質器に原燃料を供給するための電動式の原燃料供給装置と、
前記改質器に水を供給するための電動式の水供給装置と、
を備えるとともに、
前記酸素含有ガス供給装置、前記原燃料供給装置および前記水供給装置のうち少なくとも１つの装置が、前記燃料電池モジュールの上方に配置されていることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項２】
前記酸素含有ガス供給装置、前記原燃料供給装置および前記水供給装置のすべてが、前記燃料電池モジュールの上方に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
【請求項３】
前記酸素含有ガス供給装置、前記原燃料供給装置および前記水供給装置のうち、前記酸素含有ガス供給装置が最も高い位置に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池装置。
【請求項４】
前記燃料電池モジュールの側面または上面に、前記酸素含有ガス供給装置と接続された酸素含有ガス供給管と、前記原燃料供給装置と接続された原燃料供給管と、前記水供給装置とされた水供給管とが接続されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のうちいずれかに記載の燃料電池装置。
【請求項５】
外装ケース内に、前記燃料電池モジュールと、前記酸素含有ガス供給装置、前記原燃料供給装置および前記水供給装置とが、断熱部材によって仕切られて収納されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のうちいずれかに記載の燃料電池装置。
【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）と酸素含有ガス（空気）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が知られている。また、セルスタックを収納容器内に収納してなる燃料電池モジュールや、燃料電池モジュールを外装ケース内に収納してなる燃料電池装置が種々提案されている。
【０００３】
このような燃料電池装置においては、燃料電池セルに供給する燃料ガスを生成するための水蒸気改質可能な改質器を備えていることが知られている。
【０００４】
ところで、燃料電池セルが発電するにあって必要な流体（燃料ガス、酸素含有ガス、水等）を供給するにあたって、一般的にブロワや水ポンプ等の電動式の補機類が用いられているが、これらの補機損失を抑制することで、燃料電池装置の発電効率を向上させることができる。そこで、例えば、水タンクを燃料電池の横部または上部に配設して、水圧により水を燃料電池に供給する燃料電池発電装置の水回収装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−２３６５９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載のように電動式の補機類を使用せずに流体の量を制御して供給することは難しく、また大量の流体の量を必要とする場合には、十分量を供給することができないおそれがあった。それゆえ、電動式の補機類を用いる燃料電池装置において、補記損失を抑制した燃料電池装置が求められている。
【０００７】
それゆえ、本発明は、補機損失を抑制することで、発電効率が向上した燃料電池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】
【０００８】
本発明の燃料電池装置は、収納容器内に、燃料ガスと酸素含有ガスとで発電を行なう燃料電池セルと、原燃料と水とで、前記燃料電池セルに供給する燃料ガスを生成するための水蒸気改質可能な改質器とを収納してなる燃料電池モジュールと、該燃料電池モジュール内に酸素含有ガスを供給するための電動式の酸素含有ガス供給装置と、前記改質器に原燃料を供給するための電動式の原燃料供給装置と、前記改質器に水を供給するための電動式の水供給装置と、を備えるとともに、前記酸素含有ガス供給装置、前記原燃料供給装置および前記水供給装置のうち少なくとも１つの装置が、前記燃料電池モジュールの上方に配置されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の燃料電池装置によれば、それぞれが電動式の酸素含有ガス供給装置、原燃料供給装置および水供給装置のうち少なくとも１つの装置が、燃料電池モジュールの上方に配置されていることで、補機損失を低減でき、発電効率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】
【００１０】
【図１】本実施形態の燃料電池装置を備える燃料電池システムの構成の一例を示す構成図である。
【図２】図１に示す燃料電池システムを構成する燃料電池モジュールの一例を示す外観斜視図である。
【図３】図２に示す燃料電池モジュールの断面図である。
【図４】本実施形態の他の一例を示す燃料電池モジュールの断面図である。
【図５】本実施形態の燃料電池装置の一例を概略的に示す分解斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１は、本実施形態の燃料電池装置を備える燃料電池システムの構成の一例を示す構成図である。図１に示す燃料電池システムは、本実施形態の燃料電池装置の一例である発電ユニットと、熱交換後の湯水を貯湯する貯湯ユニットと、これらのユニット間を水が循環するための循環配管とから構成されている。なお、以降の図において同一の構成については同一の符号を用いて説明する。
【００１２】
図１に示す発電ユニットは、燃料側電極層、固体電解質層、空気側電極層を有する固体酸化物形の燃料電池セルを複数個組み合わせてなるセルスタック５、都市ガス等の原燃料を後述する改質器３に供給する電動式の原燃料供給装置である原燃料供給ポンプ１と、原燃料供給ポンプ１と改質器３とを接続する原燃料供給管１８とを有する原燃料供給ライン、セルスタック５を構成する燃料電池セルに酸素含有ガスを供給するための電動式の酸素含有ガス供給装置である酸素含有ガス供給ポンプ（ブロワ）２と、酸素含有ガス供給ポンプ２と後述する燃料電池モジュール４（以下、モジュールという場合がある。）とを接続する酸素含有ガス供給管１９とを有する酸素含有ガス供給ライン、改質器３に水を供給する電動式の水供給装置である水ポンプ１２と、水ポンプ１２と改質器３とを接続する水供給管１３とを有する水供給ラインと、原燃料と水蒸気により原燃料を水蒸気改質する改質器３を備えている。なお、図示していないが、原燃料供給ラインには原燃料供給ポンプ１より供給される原燃料の量を測定する原燃料流量計が設けられており、また酸素含有ガス供給ラインには、酸素含有ガス供給ポンプ２より供給される酸素含有ガスの量を測定する酸素含有ガス流量計が設けられ、水供給ラインには、水ポンプ１２より供給される水の量を測定する水流量計が設けられている。
【００１３】
なお、図１に示す発電ユニットでは、セルスタック５と改質器３とを収納容器に収納することでモジュール４が構成されている。また、図１に示す発電ユニットにおいては、モジュール４と、セルスタック５を構成する燃料電池セルの発電により生じた排ガス（排熱）と水とで熱交換を行なう熱交換器８とを接続する排ガス供給管２０を有してなる排ガスラインを有している。なお、図１には示していないが、上記排ガスラインには、排ガスを浄化するための浄化装置を設けることができるほか、モジュール４内には発電で使用されなかった燃料ガスを燃焼させるための着火装置を設けることができる。
【００１４】
また、図１に示す発電ユニットにおいては、熱交換器８に水を循環させる循環配管１５、熱交換器８で生成された凝縮水を純水に処理するための水処理装置９、水処理装置９にて処理された水を貯水するための水タンク１１が設けられており、水ポンプ１２と熱交換器８との間が凝縮水供給管１０により接続されている。なお、水処理装置９としてはイオン交換樹脂を備えるイオン交換樹脂装置を用いることが好ましい。
【００１５】
さらに図１に示す発電ユニットは、モジュール４にて発電された直流電力を交流電力に変換し、変換された電気の外部負荷への供給量を調整するための供給電力調整部（パワー
コンディショナ）６、熱交換器８の出口に設けられ熱交換器８の出口を流れる水（循環水流）の水温を測定するための出口水温センサ１４のほか、後述する各種機器の動作を制御する制御装置７が設けられており、循環配管１５内で水を循環させる循環ポンプ１７とあわせて発電ユニットが構成されている。なお、制御装置７はマイクロコンピュータを有しており、入出力インターフェイス、ＣＰＵ、ＲＡＭおよびＲＯＭを備えている。なお、ＣＰＵは、燃料電池装置の運転を実施するものであり、ＲＡＭはプログラムの実行に必要な変数を一時的に記憶するものであり、ＲＯＭはプログラムを記憶するものである。
【００１６】
そして、これら発電ユニットを構成する各装置を、外装ケース内に収納することで、設置や持ち運び等が容易な燃料電池装置とすることができる。なお、貯湯ユニットは、熱交換後の湯水を貯湯するための貯湯タンク１６を具備して構成されている。なお、循環ポンプ１７は貯湯ユニット側に設けることもできる。
【００１７】
ここで、図１に示した燃料電池システムの運転方法について説明する。
【００１８】
セルスタック５の発電に必要な燃料ガスを生成するにあたり、制御装置７は原燃料供給ポンプ１、水ポンプ１２を作動させる。それにより、改質器３に原燃料（天然ガス、灯油等）と水とが供給され、改質器３で水蒸気改質を行なうことにより、水素を含む燃料ガスが生成されて燃料電池セルの燃料極層側に供給される。
【００１９】
一方、制御装置７は酸素含有ガス供給ポンプ２を動作させることにより、燃料電池セルの酸素極層側に酸素含有ガス（空気）を供給する。
【００２０】
なお、制御装置７はモジュール４において着火装置（図示せず）を作動させることにより、セルスタック５の発電に使用されなかった燃料ガスを燃焼させる。それにより、モジュール内の温度（セルスタック５や改質器３の温度）が上昇し、効率よい発電を行なうことができる。
【００２１】
セルスタック５の発電に伴って生じた排ガスは、浄化装置にて浄化された後、熱交換器８に供給され、循環配管１５を流れる水とで熱交換される。熱交換器８での熱交換により生じたお湯は、循環配管１５を流れて貯湯タンク１６に貯水される。一方、熱交換器８での熱交換によりセルスタック５より排出される排ガスに含まれる水が凝縮水となり、凝縮水供給管１０を通じて、水処理装置９に供給される。凝縮水は、水処理装置９にて純水とされて、水タンク１１に供給される。水タンク１１に貯水された水は、水ポンプ１２により水供給管１３を介して改質器３に供給される。このように、凝縮水を有効利用することにより、水自立運転を行なうことができる。
【００２２】
なお、上述の例においては熱交換器８にて生成される凝縮水のみを改質器３に供給する構成の燃料電池装置を用いて説明したが、改質器３に供給する水として水道水を利用することもできる。この場合、水道水に含まれる不純物を処理するための水処理装置として、例えば、活性炭フィルター、逆浸透膜装置、イオン交換樹脂装置等を、この順に接続することで、純水を効率よく精製することができる。なお、水道水を用いる場合においても、水処理装置にて生成した純水が、水タンク１１に貯水されるよう各装置を接続する。
【００２３】
続いて、図１に示すモジュール４の一例について説明する。図２、図３は、本実施形態の燃料電池装置を構成するモジュール４の一例を示し、図２はモジュール４を示す外観斜視図であり、図３は図２に示すモジュール４の断面図である。
【００２４】
図２に示すモジュール４においては、収納容器２１の内部に、内部を燃料ガスが流通するガス流路（図示せず）を有する柱状の燃料電池セル２２を立設させた状態で一列に配列
し、隣接する燃料電池セル２２間が集電部材（図示せず）を介して電気的に直列に接続されているとともに、燃料電池セル２２の下端をガラスシール材等の絶縁性接合材（図示せず）でマニホールド２３に固定してなるセルスタック５を２つ備えるセルスタック装置２４を収納して構成されている。なお、セルスタック５の両端部には、セルスタック５（燃料電池セル２２）の発電により生じた電気を集電して外部に引き出すための、電気引き出し部を有する導電部材が配置されている（図示せず）。なお、図２においては、セルスタック装置２４が２つのセルスタック５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、例えばセルスタック５を１つだけ備えていてもよい。また、収納容器２１には、モジュール４の温度を測定するための温度計測手段である熱電対２９が設けられている。
【００２５】
また、図２においては、燃料電池セル２２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有する中空平板型で、ガス流路を有する支持体の表面に、燃料極層、固体電解質層および酸素極層を順に積層してなる固体酸化物形の燃料電池セル２２を例示している。なお、燃料電池セル２２においては、内部を酸素含有ガスが長手方向に流通するガス流路を有する形状とすることもでき、この場合、内側より酸素極層、固体電解質層、燃料極層を順に設け、モジュール４の構成は適宜変更すればよい。さらには、燃料電池セルは中空平板型に限られるものではなく、例えば平板型や円筒型とすることもでき、あわせて収納容器２１の形状を適宜変更することが好ましい。
【００２６】
また、図２に示すモジュール４においては、燃料電池セル２２の発電で使用する燃料ガスを得るために、原燃料供給管１８を介して供給される都市ガス等の原燃料を改質して燃料ガスを生成するための改質器３をセルスタック５の上方に配置している。また、改質器３は、効率のよい改質反応である水蒸気改質を行なうことができる構造とすることができ、水を気化させるための気化部２６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２５とを備えている。
【００２７】
そして、改質器３で生成された燃料ガス（水素含有ガス）は、燃料ガス流通管２７を介してマニホールド２３に供給され、マニホールド２３より燃料電池セル２２の内部に設けられたガス流路に供給される。なお、セルスタック装置２４の構成は、燃料電池セル２２の種類や形状により、適宜変更することができ、例えばセルスタック装置２４に改質器３を含むこともできる。
【００２８】
また図２においては、収納容器２１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２４を後方に取り出した状態を示している。ここで、図２に示したモジュール４においては、セルスタック装置２４を、収納容器２１内にスライドして収納することが可能である。
【００２９】
なお、収納容器２１の内部には、マニホールド２３に並置されたセルスタック５の間に配置され、酸素含有ガスが燃料電池セル２２の側方を下端部から上端部に向けて流れるように、反応ガス導入部材２８が配置されている。
【００３０】
図３に示すように、モジュール４を構成する収納容器２１は、内壁３０と外壁３１とを有する二重構造で、外壁３１により収納容器２１の外枠が形成されるとともに、内壁３０によりセルスタック装置２４を収納する発電室３２が形成されている。さらに収納容器２１においては、内壁３０と外壁３１との間を、モジュール４の底部より供給され、燃料電池セル２２に導入する酸素含有ガスが流通する反応ガス流路３７としている。なお酸素含有ガスはモジュール４の底部に設けられた酸素含有ガス供給口（図示せず）より供給されて、反応ガス流路３７を流れる。
【００３１】
ここで、収納容器２１内には、収納容器２１の上部より、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４０とを備え、下端部に燃料電池セル２２の下端部に酸素含有ガスを導入するための反応ガス流出口３３が設けられてなる反応ガス導入部材２８が、内壁３０を貫通して挿入されて固定されている。なお、フランジ部４０と内壁３０との間には断熱部材３４が配置されている。
【００３２】
なお、図３においては、反応ガス導入部材２８が、収納容器２１の内部に並置された２つのセルスタック５間に位置するように配置されているが、セルスタック５の数により、適宜配置することができる。例えば、収納容器２１内にセルスタック５を１つだけ収納する場合には、反応ガス導入部材２８を２つ設け、セルスタック５を両側面側から挟み込むように配置することができる。
【００３３】
また発電室３２内には、モジュール４内の熱が極端に放散され、燃料電池セル２２（セルスタック５）の温度が低下して発電量が低減しないよう、モジュール４内の温度を高温に維持するための断熱部材３４が適宜設けられている。
【００３４】
断熱部材３４は、セルスタック５の近傍に配置することが好ましく、特には、燃料電池セル２２の配列方向に沿ってセルスタック５の側面側に配置するとともに、セルスタック５の側面における燃料電池セル２２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部材３４を配置することが好ましい。なお、セルスタック５の両側面側に断熱部材３４を配置することが好ましい。それにより、セルスタック５の温度が低下することを効果的に抑制できる。さらには、反応ガス導入部材２８より導入される酸素含有ガスが、セルスタック５の側面側より排出されることを抑制でき、セルスタック５を構成する燃料電池セル２２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５の両側面側に配置された断熱部材３４においては、燃料電池セル２２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５の長手方向および燃料電池セル２２の積層方向における温度分布を低減するための開口部３５が設けられている。なお、複数の断熱部材３４を組み合わせて開口部３５を形成するようにしてもよい。
【００３５】
また、燃料電池セル２２の配列方向に沿った内壁３０の内側には、排ガス用内壁３６が設けられており、内壁３０と排ガス用内壁３６との間が、発電室３２内の排ガスが上方から下方に向けて流れる排ガス流路３８とされている。なお、排ガス流路３８は、収納容器２１の底部に設けられた排気孔４１と通じている。また、排ガス用内壁３６のセルスタック５側にも断熱部材３４が設けられている。
【００３６】
それにより、モジュール４の運転に伴って生じる排ガスは、排ガス流路３８を流れた後、排気孔４１より排気される構成となっている。なお、排気孔４１は収納容器２１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。また、排気孔４１内に、モジュール４より排出される排ガスを浄化するための浄化装置（例えば、ハニカム状の燃焼触媒等）を設けることもできる。
【００３７】
なお、図示はしていないが、モジュール４においては、燃料電池セル２２を通過した燃料ガスを着火させるための着火装置が、燃料電池セル２２と改質器３との間に位置するように、収納容器２１の側面より挿入されていることが好ましい。なお、着火装置により燃料電池セル２２を通過した燃料ガスを着火させることにより、モジュール４内の温度を高温とすることができるほか、燃料電池セル２２、改質器３の温度を高温に維持することができる。
【００３８】
以下に、本実施形態の燃料電池セル２２の構成について説明する。なお、燃料電池セル２２として、従来知られている中空平板型の燃料電池セル２２を用いて説明する。
【００３９】
燃料電池セル２２は、一対の対向する平坦面をもつ柱状の導電性支持基板（以下、支持基板と略す場合がある）の一方の平坦面上に燃料側電極層、固体電解質層及び空気側電極層を順次積層してなる柱状（中空平板状）からなる。また、燃料電池セル２２の他方の平坦面上にはインターコネクタが設けられており、インターコネクタの外面（上面）にはＰ型半導体層が設けられている。Ｐ型半導体層を介して、集電部材をインターコネクタ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。また、支持基板は燃料側電極層を兼ねるものとし、その表面に固体電解質層および空気側電極層を順次積層してセルを構成することもできる。
【００４０】
燃料側電極層は、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。
【００４１】
固体電解質層は、燃料側電極層、空気側電極層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、３〜１５モル％の希土類元素が固溶した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、他の材料等を用いて形成してもよい。
【００４２】
空気側電極層は、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から形成することができる。空気側電極層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％の範囲にあることが好ましい。
【００４３】
支持基板としては、燃料ガスを燃料側電極層まで透過するためにガス透過性であること、さらには、インターコネクタを介して集電するために導電性であることが要求される。したがって、支持基板としては、導電性セラミックスやサーメット等を用いることができる。燃料電池セル２２を作製するにあたり、燃料側電極層または固体電解質層との同時焼成により支持基板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基板を形成することが好ましい。また、支持基板は、ガス透過性を備えるために開気孔率が３０％以上、特に３５〜５０％の範囲にあるのが好適であり、そしてまたその導電率は３００Ｓ／ｃｍ以上、特に４４０Ｓ／ｃｍ以上であるのが好ましい。また、支持基板の形状は柱状であれば良く、円筒状であってもよい。
【００４４】
Ｐ型半導体層としては、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型半導体層の厚みは、一般に、３０〜１００μｍの範囲にあることが好ましい。
【００４５】
インターコネクタは、上述したとおり、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）が好適に使用される。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、インターコネクタは支持基板に形成されたガス流路を流通する燃料ガス、および支持基板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なければならず、９３％以上、特に９５％以上の相対密度を有していることが好ま
しい。
【００４６】
ところで、従来の燃料電池装置においては、仕切板で内部が上下に仕切られた外装ケースの上方側に、燃料電池セル２２を備えるモジュール４が配置され、下方側に、電動式の酸素含有ガス供給装置、電動式の原燃料供給装置および電動式の水供給装置等の補機類が配置されている。このような燃料電池装置においては、水等の各流体を、下方より上方側に押し上げる必要があるため、補機損失が大きく、発電効率が低下するおそれがある。
【００４７】
一方で、特許文献１に記載されているように、水タンクを燃料電池の横部または上部に配設して、水圧により水を燃料電池に供給するようにすると、大量の流体の量を必要とする場合には、十分量を供給することができないおそれがある。
【００４８】
そこで、本実施形態の燃料電池装置においては、図１に示すように、酸素含有ガス供給ポンプ２、原燃料供給ポンプ１および水ポンプ１２のうち少なくとも１つの装置（好ましくはすべての装置）を、モジュール４の上方に配置することで、電動式の各装置を用いた場合であっても、補機損失を低減することができる。
【００４９】
すなわち、酸素含有ガス供給ポンプ２、原燃料供給ポンプ１および水ポンプ１２のうち少なくとも１つの装置（好ましくはすべての装置）を、モジュール４の上方に配置することにより、各装置において、流体が上から下に向けて流れることとなり、流体の自重と流体の流れが同じ向きとなることから、補機が必要とする消費電力を低減でき、それにより、補機損失を低減することができ、発電効率の向上した燃料電池装置とすることができる。
【００５０】
あわせて、酸素含有ガス供給ポンプ２、原燃料供給ポンプ１および水ポンプ１２のすべての装置を、モジュール４よりも上方に配置すると、これらすべての装置において、消費電力を低減でき、より補機損失を低減でき、さらに発電効率の向上した燃料電池装置とすることができる。
【００５１】
ここで、酸素含有ガス供給ポンプ２、原燃料供給ポンプ１および水ポンプ１２により、改質器４やモジュール４に供給する流体の量としては、酸素含有ガス供給ポンプ２により供給される酸素含有ガスの量が最も多い。さらには、酸素含有ガスは、燃料電池セル２２間のような狭い空間を流れることから、酸素含有ガス供給ポンプ２の供給圧も高くする必要がある。それゆえ、補機損失をより低減するにあたっては、酸素含有ガス供給ポンプ２における補機損失を抑制することが最も効率が良い。そこで、図１に示す燃料電池装置（発電ユニット）においては、これら各装置において、酸素含有ガス供給ポンプ２を最も高い位置に配置している。それにより、効率よく補機損失を低減でき、さらに発電効率の向上した燃料電池装置とすることができる。
【００５２】
ところで、上記の説明においては、酸素含有ガス供給ポンプ２、原燃料供給ポンプ１および水ポンプ１２の各装置の配置位置について説明したが、これらに接続される各補機類についても同様に、流体の流れる方向と流体の自重とが同じ方向になるように配置されていることが好ましい。
【００５３】
それゆえ、例えば図１に示す燃料電池装置においては、熱交換器８と水ポンプ１２との間に配置される水処理装置９や水タンク１１についても、それぞれが水の流れる方向と水の自重とが同じ方向になるように、熱交換器８から水ポンプ１２に向けて順に位置が低くなるように配置している。なお、水処理装置９と水タンク１１とは配置位置が同じ位置となるように設けてもよく、さらには改質器３での気化を効率よく行うために、モジュール４の輻射熱にて加熱されるように、モジュール４の側方に設けることもできる。
【００５４】
図４は、本実施形態の他の一例を示す燃料電池モジュールの断面図である。
【００５５】
図２および図３に示したモジュール４においては、モジュール４に供給される酸素含有ガスが、収納容器２１の下方より供給される構成であるため、酸素含有ガス供給ポンプ２をモジュール４の上方に配置することで、酸素含有ガス供給ポンプ２の補機損失を低減できるものの、まだ改善の余地がある。
【００５６】
そこで、図４に示すモジュール４２においては、酸素含有ガス供給ポンプ２と接続された酸素含有ガス供給管１９、原燃料供給ポンプ１と接続された原燃料共有管１８および水ポンプ１２と接続された水供給管１３のそれぞれが、モジュール４２の側面または上面に接続される構成とされている。
【００５７】
具体的には、モジュール４２を構成する収納容器４３は、外壁４４により外形が構成され、その側方側から内側に向けて、第２排ガス用内壁４５、酸素含有ガス用内壁４６、第１排ガス用内壁４７が順に設けられ、第１排ガス用内壁４７と酸素含有ガス用内壁４６との間が、発電室３２より排出される排ガスが流れる第１排ガス流路４８とされ、第２排ガス用内壁４５と外壁４４とで形成される第２排ガス用流路４９と下方側で接続されている。すなわち、燃料電池セル２２の発電により使用されなかった排ガスは、発電室より第１排ガス流路４８を下方に向けて流れ、下方に手折り返して第２排ガス流路４９を上方に向けて流れて、収納容器４３の上方に設けられた排気孔（図示せず）より排ガスラインに排出される。
【００５８】
一方、酸素含有ガス供給ポンプ２とモジュール４２とを接続する酸素含有ガス供給管１９は、収納容器４３の上方に設けられた酸素含有ガス導入口（図示せず）に接続されている。そして、酸素含有ガス導入口より導入された酸素含有ガスは、第２排ガス用内壁４５と酸素含有ガス用内壁４６とで形成された酸素含有ガス流路５０を下方に向けて流れる。なお、酸素含有ガス流路５０はその一端が発電室３２側に折れ曲がっており、燃料電池セル２２の下端側に供給されるようになっている。これにより、モジュール４２の上方に配置された酸素含有ガス供給ポンプ２より供給される酸素含有ガスは、この折れ曲がり部までは連続して下方に流れることとなり、この酸素含有ガスが流れる流路において、上方に流れる部位が設けられていないことから、さらに酸素含有ガス供給ポンプ２の補機損失を低減でき、発電効率を向上することができる。なお、この例では、酸素含有ガス導入口を収納容器４３の上方に設けた例について説明したが、収納容器４３の側面に酸素含有ガス導入口を設けた構成とすることもできる。ただしこの場合において、効率よく補機損失を低減するにあたり、側面のうちでも上方側に設けることが好ましい。
【００５９】
また、図には示していないが、酸素含有ガス供給管１９と同様に、原燃料供給ポンプ１とモジュール４３（改質器３）とを接続する原燃料供給管１８および水ポンプ１２とモジュール４３（改質器３）とを接続する水供給管１３についても、モジュール４３の上面ももしくは側面に接続することにより、効率よく補機損失を低減でき、発電効率の向上した燃料電池装置とすることができる。
【００６０】
図５は、外装ケース内に図１で示したモジュール４と、モジュール４を動作させるための補機（上述の電動式の原燃料供給装置である原燃料供給ポンプ１、電動式の酸素含有ガス供給装置である酸素含有ガス供給ポンプ（ブロワ）２、電動式の水供給装置である水ポンプ１２等。本図においては図示せず。）とを収納してなる本実施形態の燃料電池装置の一例を示す分解斜視図である。なお、図５においては一部構成を省略して示している。
【００６１】
図５に示す燃料電池装置５１は、支柱５２と外装板５３から構成される外装ケース内を
仕切板５４により上下に区画し、その下方側を上述したモジュール４を収納するモジュール収納室５６とし、上方側をモジュール４を動作させるための補機（原燃料供給ポンプ１、酸素含有ガス供給ポンプ２および水ポンプ１２等）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。
【００６２】
また、仕切板５４には、モジュール収納室５６の空気を補機収納室５５側に流すための空気流通口５７が設けられており、補機収納室５７を構成する外装板５３の一部に、補機収納室５５内の空気を排気するための排気口５８が設けられている。
【００６３】
従来の燃料電池装置においては、モジュール収納室が仕切板の上方に設けられ、補機収納室が仕切板の下方に設けられていたが、本実施形態の燃料電池装置においては、原燃料供給ポンプ１、酸素含有ガス供給ポンプ２および水ポンプ１２等の補機類を収納する補機収納室５５を、モジュール４を収納するモジュール収納室５６の上方に設けることで、容易に、原燃料供給ポンプ１、酸素含有ガス供給ポンプ２および水ポンプ１２のうち少なくとも１つがモジュール４の上方に配置された燃料電池装置とすることができる。
【００６４】
なお、従来の燃料電池装置と異なり、モジュール４の上方に、原燃料供給ポンプ１、酸素含有ガス供給ポンプ２および水ポンプ１２等を配置することから、モジュール４からの高温の輻射熱が、耐熱性の低い補機類に伝熱されやすくなり、それによって補機類に故障等が生じやすくなる可能性がある。それゆえ、モジュール４と、原燃料供給ポンプ１、酸素含有ガス供給ポンプ２および水ポンプ１２等の補機類とは、断熱部材にて仕切られて収納されていることが好ましい。
【００６５】
具体的には図５に示した燃料電池装置５１を例にとると、原燃料供給ポンプ１、酸素含有ガス供給ポンプ２および水ポンプ１２等の補機類を補機収納室５５内に収納するとともに、仕切板５４を断熱部材とする、もしくは仕切板５４に付設して断熱部材を設けることにより、モジュール収納室５６と補機収納室５５とが断熱部材により仕切られることとなり、補機類に故障が生じることを抑制することができる。
【００６６】
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。
【００６７】
また、上述の例ではいわゆる中空平板型と呼ばれる燃料電池セル２２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。
【００６８】
また、上述の例では燃料電池セル２２としてガス流路に燃料ガスを流す構成の燃料電池セル２２を用いて説明したが、ガス流路が酸素含有ガスを流す構成の燃料電池セルであっても同様とすることができる。
【符号の説明】
【００６９】
１：原燃料供給ポンプ（原燃料供給装置）
２：酸素含有ガス供給ポンプ（酸素含有ガス供給装置）
３：改質器
４、４２：燃料電池モジュール
１２：水ポンプ（水供給装置）
１３：水供給管
１８：原燃料供給管
１９：酸素含有ガス供給管
２１、４３：収納容器
２２：燃料電池セル
５１：燃料電池装置
【図１】
2015125809.tif 000003
【図２】
2015125809.tif 000004
【図３】
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【図４】
2015125809.tif 000006
【図５】
2015125809.tif 000007