(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
改質ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を複数積層した燃料電池スタックとともに燃料電池モジュールを構成するための燃料電池用改質ユニットであって、
水蒸気を発生させる蒸発部と、
原燃料と前記蒸発部で発生させた水蒸気との混合ガスを改質して前記改質ガスを生成し、前記改質ガスを前記燃料電池スタックに送る改質部と、
前記酸化剤ガスを昇温させ、昇温した前記酸化剤ガスを前記燃料電池スタックに送る熱交換部と、
前記燃料電池スタックから排出される未反応の前記改質ガスを燃焼させ、前記蒸発部、前記改質部、前記熱交換部、及び、前記燃料電池スタックに伝達する熱を発生させる燃焼部と
を備え、
前記蒸発部、前記改質部、及び、前記熱交換部が積み重ねられるとともに、前記蒸発部、前記改質部、及び、前記熱交換部に前記燃焼部が隣接して配置され、
前記蒸発部、前記改質部、及び、前記熱交換部は、前記燃焼部の周囲を環状に囲う形状に形成されていることを特徴とする燃料電池用改質ユニット。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池用改質ユニットにおいて、
前記蒸発部は、最下段に配置されていることを特徴とする燃料電池用改質ユニット。
【請求項３】
請求項１〜２のいずれか一項に記載の燃料電池用改質ユニットにおいて、
前記蒸発部の底部が、前記燃焼部の側である内側から外側へ上方に向かって傾斜する形状に形成されていることを特徴とする燃料電池用改質ユニット。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池用改質ユニットにおいて、
前記改質部は、前記蒸発部の上段に配置され、
前記改質部と前記蒸発部との境界をなす境界部が、前記燃焼部の側である内側から外側へ上方に向かって傾斜する形状に形成されていることを特徴とする燃料電池用改質ユニット。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃料電池用改質ユニットにおいて、
前記燃焼部は、
前記燃料電池スタックの下面下で、前記燃料電池スタックの下面全体に広がるように、前記改質ガスと前記酸化剤ガスとを燃焼させた排ガスを放出することを特徴とする燃料電池用改質ユニット。
【請求項６】
請求項５に記載の燃料電池用改質ユニットにおいて、
前記燃料電池スタック、前記蒸発部、前記改質部、前記熱交換部、及び、前記燃焼部の全体を覆う断熱体と、
前記断熱体との間に排ガス通気空間を形成するように前記断熱体を囲う筐体と、
を備え、
前記断熱体に設けられたガス抜孔から、前記排ガス通気空間を介して、前記筐体に設けられた排出口に向かい、前記排ガスを外部に排出する排出ルートを形成する
ことを特徴とする燃料電池用改質ユニット。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載の燃料電池用改質ユニットと、
前記燃料電池スタックと
を備えることを特徴とする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、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）を複数積層した燃料電池スタックとともに燃料電池モジュールを構成する燃料電池用改質ユニット（燃焼部、蒸発部、改質部、及び、熱交換部）、並びに、このような燃料電池スタック及び燃料電池用改質ユニットを備える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（ＳＯＦＣ）の燃料電池モジュールは、ＳＯＦＣである燃料電池スタックと、燃料電池用改質ユニット（燃焼部、蒸発部、改質部、及び、熱交換部）とを備える。
【０００３】
燃焼部は、燃料電池スタックで使われなかった改質ガスを燃焼させて、その燃焼によって生じた熱を、蒸発部、改質部、熱交換部、及び、燃料電池スタックに伝える機能部である。
【０００４】
蒸発部は、外部から水を取り込み、その水を燃焼部から受けた熱で蒸発させて水蒸気を発生させ、その水蒸気を改質部に送る機能部である。
改質部は、改質用の触媒を燃焼部から受けた熱で温め、都市ガス等の原燃料と蒸発部から送られた水蒸気とからなる混合ガスを、その温めた触媒に通すことによって改質ガスを生成し、その改質ガスを燃料電池スタックに送る機能部である。
【０００５】
熱交換部は、燃焼部から受けた熱で酸化剤ガスを昇温させ、この昇温した酸化剤ガスを燃料電池スタックに送る機能部である。
燃料電池スタックは、改質部から供給された改質ガスと、熱交換部から供給された酸化剤ガスとを電気化学反応させて発電を行う。このとき、燃料電池スタックは高温に保たれている必要があり、供給されるガスによって温度が下がると発電に支障が生じる。そのため、燃料電池モジュールには燃焼部が設けられ、燃料電池スタックに入る改質ガス及び酸化剤ガスが温められるとともに、燃料電池スタックも温められるように構成されている。
【０００６】
この種の燃料電池モジュールは、例えば特許文献１に示されている。この特許文献１に示された燃料電池モジュールは、燃焼部の周囲に蒸発部及び改質部が配置され、これら蒸発部及び改質部のさらに外側に熱交換部が配置されているものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１４−７８３４４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、特許文献１に示された燃料電池モジュールでは、燃焼部から見て熱交換部が蒸発部及び改質部の外側に位置している。そして、熱交換部は、燃焼部から直接熱を受けるのではなく、燃焼部から排出された排ガスを介して間接的に熱を受けている。具体的には、熱交換部は、燃焼部との間に位置する蒸発部及び改質部で熱が奪われた排ガスから熱を受けている。
【０００９】
そのため、熱交換部が燃焼部から受ける熱の温度は、燃焼部から直接的に熱を受ける場合に比べて相当に低いものであった。この結果、燃料電池スタックは温度が低い酸化剤ガスの供給を熱交換部から受けることになるので、その温度が低い分だけ、燃料電池スタックの発電効率が低くなってしまっていた。
【００１０】
本発明は、燃料電池スタックの発電効率を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の一側面は、改質ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を複数積層した燃料電池スタックとともに燃料電池モジュールを構成するための燃料電池用改質ユニットであって、蒸発部と、改質部と、熱交換部と、燃焼部とを備えている。蒸発部は、水蒸気を発生させる。改質部は、原燃料と蒸発部で発生させた水蒸気との混合ガスを改質して改質ガスを生成し、改質ガスを燃料電池スタックに送る。熱交換部は、酸化剤ガスを昇温させ、昇温した酸化剤ガスを燃料電池スタックに送る。燃焼部は、燃料電池スタックから排出される未反応の改質ガスを燃焼させ、蒸発部、改質部、熱交換部、及び、燃料電池スタックに伝達する熱を発生させる。そして、蒸発部、改質部、及び、熱交換部は積み重ねられるとともに、燃焼部が、蒸発部、改質部、及び、熱交換部に隣接して配置されている。
【００１２】
このような構成によれば、燃焼部で生じた熱が、蒸発部、及び、改質部はもちろんのこと、熱交換部にも直接伝わり、燃焼部から直接的に受けた熱で酸化剤ガスが温められる。したがって、燃焼部から間接的に受けた熱で酸化剤ガスを温めていた従来の構成に比べ、燃料電池スタックの発電効率を向上させることができる。
【００１３】
また、蒸発部、改質部、及び、熱交換部は、燃焼部の周囲を環状に囲う形状に形成されていてもよい。
このような構成によれば、燃焼部から逃げる熱量の偏りが抑えられるため、燃料電池用改質ユニットのひずみによる破損を生じにくくすることができる。
【００１４】
また、蒸発部は、最下段に配置されていてもよい。
蒸発部では、少なくとも水を蒸発させることが可能な温度で熱を受ければよいが、改質部では、改質反応のために高い温度（例えば８００度）が必要であり、改質部及び熱交換部からは燃料電池スタックに対し高温に温められた改質ガスや酸化剤ガスを送る必要がある。燃焼部内の温度は上方ほど高いので、蒸発部が最下段に配置された構成によれば、蒸発部が最下段以外に配置された構成に比べ、燃料電池スタックの発電効率を向上させることができる。
【００１５】
また、蒸発部の底部が、燃焼部の側である内側から外側へ上方に向かって傾斜する形状に形成されていてもよい。
このような構成によれば、蒸発部に入った水は高温の燃焼部に向かって流れるため、水の蒸発性能を高めることができる。
【００１６】
また、改質部が蒸発部の上段に配置され、改質部と蒸発部との境界をなす境界部が、燃焼部の側である内側から外側へ上方に向かって傾斜する形状に形成されていてもよい。
このような構成によれば、改質部と蒸発部との境界部が傾斜しているため、高い熱が必要な改質触媒をより多く高温側の燃焼部に接近させることができる。そのため、燃料電池用改質ユニットは、品質のよい改質ガスを燃料電池スタックに送ることができる。
【００１７】
また、燃焼部は、燃料電池スタックの下面下で、燃料電池スタックの下面全体に広がるように、改質ガスと酸化剤ガスとを燃焼させた排ガスを放出するようにしてもよい。
このような構成によれば、燃料電池スタックの下面全体に広がった排ガスにより、燃料電池スタック全体が温度分布の偏りが少ない状態で均等に覆われ、燃料電池スタックの保温効果が高くなる。したがって、燃料電池スタックの発電効率を向上させることができる。
【００１８】
また、燃料電池スタック、蒸発部、改質部、熱交換部、及び、燃焼部の全体を覆う断熱体と、この断熱体との間に排ガス通気空間を形成するように断熱体を囲う筐体と、を備える構成としてもよい。そして、断熱体に設けられたガス抜孔から、排ガス通気空間を介して、筐体に設けられた排出口に向かい、排ガスを外部に排出する排出ルートが形成されていてもよい。
【００１９】
このような構成によれば、燃料電池スタックは、断熱材の中で排ガスに包まれることとなるので、発電効率の低下が抑制される。また、断熱材の周囲の排出ルートを排ガスが通ることで、断熱材全体も排ガスで包まれるので、さらに保温効果が高められる。したがって、燃料電池スタックの温度の低下を抑制し、その発電効率の低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１（Ａ）は、燃料電池モジュールの斜視図である。図１（Ｂ）は、燃料電池モジュールの平面図である。
【図２】図２は、燃料電池モジュールの筐体を取り払ったときの斜視図である。断熱材については、図３（Ａ）のII−IIの断面で切断した様子を示している。
【図３】図３（Ａ）は、燃料電池モジュールの断面図で、図１（Ｂ）のIIIＡ−IIIＡ断面の断面図である。図３（Ｂ）は、燃料電池モジュールの断面図で、図１（Ｂ）のIIIＢ−IIIＢ断面の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の例示的な実施形態について図面を参照しながら説明する。
図２、図３（Ａ）及び図３（Ｂ）に示すように、本実施形態の燃料電池モジュール１は、改質ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を複数積層した燃料電池スタック９を内部に備える。
【００２２】
燃料電池モジュール１は、図１（Ａ）及び図１（Ｂ）等に示すように、全体に円筒形状に形成された筐体２を備えている。そして、図３（Ａ）等に示すように、この筐体２の側面には、燃料電池モジュール１内に水等を導入するための第１供給パイプ３１２及び第２供給パイプ３３２が貫かれており、その端部が外部に出ている。
【００２３】
また、燃料電池モジュール１は、図２等に示すように、筐体２の内部に、後述する燃焼部３０等を有する本体部３を備えている。燃料電池スタック９は、この本体部３上に載置される。尚、第１供給パイプ３１２、第２供給パイプ３３２は、本体部３から延設される。
【００２４】
図３（Ａ）及び図３（Ｂ）に示すように、本体部３は、板金を折り曲げたり溶接したりするなどして、燃焼部３０、蒸発部３１、改質部３２、及び、熱交換部３３の各機能部、並びに、熱排出空間３４が形成されるように組み立てられたものである。
【００２５】
燃焼部３０は円筒形状に形成され、その上部側面に複数の排ガス孔３０２が形成されている。
蒸発部３１、改質部３２、熱交換部３３、及び、熱排出空間３４は、燃焼部３０の周囲を環状に囲う形状に形成されている。そして、燃焼部３０の壁面（外周面）が、蒸発部３１、改質部３２、熱交換部３３、及び、熱排出空間３４における燃焼部３０側の内側壁面として用いられている。
【００２６】
このうち、蒸発部３１の底部３１９、及び、蒸発部３１と改質部３２との境界をなす境界部３２９は、燃焼部３０の側である内側から、その反対側である外側へ、上方に向かって傾斜する形状に形成されている。そして、この境界部３２９には、水蒸気を通す複数の通過孔３２８が形成されている。
【００２７】
蒸発部３１には、第１供給パイプ３１２が接続されている。原燃料である都市ガスと水との混合物は、第１供給パイプ３１２を介して外部から蒸発部３１内に供給される。
この蒸発部３１に混合物が供給されると、この混合物は燃焼部３０から受ける熱によって温められ、水は水蒸気となる。そして、混合物のうち水が水蒸気となった混合ガスは、境界部３２９に設けられた通過孔３２８を介して改質部３２に送られる。
【００２８】
改質部３２には、改質用の触媒（図示せず）が充填されている。また、この改質部３２には、第２パイプ３２１が接続されている（図３（Ｂ）参照）。この第２パイプ３２１は、燃料電池スタック９に改質ガスを供給するパイプである。
【００２９】
この改質部３２に蒸発部３１から混合ガスが供給されると、燃焼部３０から受けた熱で活性化した触媒によって混合ガスが改質され、改質ガスが生成される。この改質ガスも燃焼部３０から受ける熱によって温められる。
【００３０】
そして、この温められた改質ガスは、第２パイプ３２１を介して燃料電池スタック９に供給される。
熱交換部３３には、第３パイプ３３１、第２供給パイプ３３２が接続されている（図３（Ａ）参照）。酸化剤ガスである空気は、第２供給パイプ３３２を介して外部から熱交換部３３内に供給される。そして、この酸化剤ガスは、燃焼部３０から受ける熱によって温められて昇温し、第３パイプ３３１を介して燃料電池スタック９に供給される。
【００３１】
燃焼部３０には、第１パイプ３０１が接続されている（図３（Ｂ）参照）。この第１パイプ３０１は、発電に供しなかった（未反応の）改質ガスを、燃料電池スタック９から燃焼部３０に供給するパイプであり、改質ガスを燃料電池スタック９から蒸発部３１の下方まで導いている。
【００３２】
燃焼部３０は、この第１パイプ３０１を介して燃料電池スタック９から受けた改質ガスと外部から取り入れた空気とを混合して内部で燃焼させている。そして、燃焼部３０は、この燃焼によって発生した排ガスを、排ガス孔３０２から熱排出空間３４内に排出する。この排ガス孔３０２は、燃焼部３０の熱排出空間３４に位置する部分のうち、その部分の周囲側面全体に設けられている。
【００３３】
熱排出空間３４は、燃料電池スタック９の下面と平行な上面を有する環状の空間を形成している。そして、この熱排出空間３４は、本体部３の最上部に配置され、燃料電池スタック９はその本体部３の上部に載せられる。
【００３４】
断熱体４は、本体部３及び燃料電池スタック９を組み立てた全体を覆う大きさに形成されている。この断熱体４は、本体部３及び燃料電池スタック９との間に断熱空間４９を形成する。断熱体４の上面の中央にはガス抜孔４０が形成されている。
【００３５】
筐体２は、この断熱体４との間に排ガス通気空間３９を形成するように、本体部３及び燃料電池スタック９を囲っている断熱体４を覆うことが可能な大きさに形成されている。
また、筐体２の下面には、排ガス通気空間３９が外部空間に対して開口する排出口４２が形成されている。
【００３６】
この排ガス通気空間３９と排出口４２とにより、筐体２と断熱体４との間には、断熱空間４９内の排ガスを排出する排出ルートであって、ガス抜孔４０から排ガス通気空間３９を介して排出口４２に至る排出ルートが形成される。
【００３７】
燃焼部３０の排ガス孔３０２から排ガスが排出されると、燃料電池スタック９の下面下で、燃料電池スタック９の下面全体に広がるように排ガスが放出される。
その後、この排ガス孔３０２から排出された排ガスは、熱排出空間３４に設けられた熱排出孔３４１から、断熱体４で囲まれた断熱空間４９内に排出される。
【００３８】
そのため、燃焼部３０の排ガス孔３０２から排出された排ガスは、熱排出空間３４内へ放出された後、断熱体４の断熱空間４９内に排出されて充満し、その後、ガス抜孔４０から排出ルートを経て排出口４２を介して外部に排出される。
【００３９】
以上のように構成された燃料電池モジュール１は、以下のような特徴的な作用効果を有する。
上記実施形態の燃料電池モジュール１は、蒸発部３１、改質部３２、及び、熱交換部３３の内側の壁面として燃焼部３０の周囲側面を利用して、蒸発部３１、改質部３２、及び、熱交換部３３を構成しているので、これらは燃焼部３０に隣接して配置される。
【００４０】
そのため、燃焼部３０から蒸発部３１、改質部３２、及び、熱交換部３３へは、途中で熱が奪われることなく、直接熱が伝達される。
そのため、この燃料電池モジュール１を用いると、燃焼部３０から直接受けた熱で酸化剤ガスが温められるので、この温度よりも低い熱で酸化剤ガスを温めていた従来の構成に比べ、燃料電池スタック９の発電効率を向上させることができる。
【００４１】
また、上記実施形態の燃料電池モジュール１では、蒸発部３１、改質部３２、及び、熱交換部３３が、燃焼部３０の周囲を環状に囲っている。燃焼部３０から逃げる熱量に偏りがあると、燃焼部３０、蒸発部３１、改質部３２、及び、熱交換部３３を構成するユニット（燃料電池用改質ユニット）にひずみが生じ易くなるが、上記実施形態の構成によれば、燃焼部３０から逃げる熱量が偏りにくくなる。そのため、ひずみによって燃料電池用改質ユニットが破損する可能性を少なくすることができる。
【００４２】
また、上記実施形態の燃料電池モジュール１では、蒸発部３１が最下段に配置されている。
蒸発部３１では、少なくとも水を蒸発させることが可能な温度で熱を受ければよいが、改質部３２では、改質反応のために高い温度（例えば８００度）が必要であり、改質部３２及び熱交換部３３からは燃料電池スタック９に対し高温に温められた改質ガスや酸化剤ガスを送る必要がある。
【００４３】
燃焼部３０内の温度は上方ほど高いので、蒸発部３１が最下段に配置された構成によれば、蒸発部３１が最下段以外に配置された構成に比べ、燃料電池スタック９の発電効率を向上させることができる。
【００４４】
また、上記実施形態の燃料電池モジュール１では、蒸発部３１の底部が、燃焼部３０側である内側から外側に向かって上昇しながら傾斜する形状に形成されている。したがって、蒸発部３１に入った水は高温の燃焼部３０側に向かって流れることとなり、蒸発性能が向上する。
【００４５】
また、上記実施形態の燃料電池モジュール１では、改質部３２が蒸発部３１の上段に配置され、蒸発部３１と改質部３２との境界をなす境界部３２９が、燃焼部３０側である内側から外側に向かって上昇しながら傾斜する形状に形成されている。
【００４６】
このように、蒸発部３１と改質部３２との境界部３２９が傾斜しているため、活性化するために高い熱が必要な改質触媒をより多く高温の燃焼部３０に接近させることができる。
【００４７】
そのため、この燃料電池モジュール１は、品質のよい改質ガスを燃料電池スタック９に送ることができる。
また、上記実施形態の燃料電池モジュール１は、燃料電池スタック９、蒸発部３１、改質部３２、熱交換部３３、及び、燃焼部３０の全体を覆うことが可能な筐体２を備え、燃焼部３０は、燃料電池スタック９の下面下で、排ガスを放出している。
【００４８】
燃料電池スタック９は、熱排出空間３４を形成する天面（本体部３の天面）を介して燃焼部３０によって熱せられる。しかし、例えば燃料電池スタック９の周囲の温度分布に偏りがあった場合、燃料電池スタック９の温度分布もその偏りに対応するように偏ってしまう可能性がある。
【００４９】
そのため、上記実施形態のように、燃料電池スタック９の下面下で、燃料電池スタック９の下面全体に広がるように排ガスを放出する構成によれば、その排ガスにより筐体２内で燃料電池スタック９全体が温度分布の偏りの少ない状態で均等に覆われ、燃料電池スタック９の温度が保たれる。
【００５０】
そのため、この燃料電池モジュール１は、燃料電池スタック９の発電効率をより一層向上することができる。
また、上記実施形態の燃料電池モジュール１は、燃料電池スタック９、蒸発部３１、改質部３２、熱交換部３３、及び、燃焼部３０の全体が断熱体４で覆われている。そして筐体２は、その断熱体４との間に排ガス通気空間３９を形成するように断熱体４を囲っている。
【００５１】
この結果、断熱体４の頂部に設けられたガス抜孔４０から排ガス通気空間３９を介して筐体２の底部に設けられた排出口４２に向かって、断熱体４で囲まれた断熱空間４９内の排ガスを外部に排出する排出ルートが形成される。
【００５２】
このような構成によれば、燃料電池スタック９が断熱体４の中で排ガスに包まれ、燃料電池スタック９の温度が保たれ、その発電効率の低下が抑制される。
また、この燃料電池モジュール１は、断熱体４の周囲に排出ルートが設けられることにより、断熱体４全体も排ガスで包まれることとなるので、さらに保温効果が高められている。
【００５３】
そのため、この燃料電池モジュール１によれば、燃料電池スタック９の温度をより一層確実に保ち、その発電効率の低下をより一層確実に抑制することができる。
また、本実施形態の燃料電池モジュール１を構成する本体部３は、燃焼部３０が蒸発部３１、改質部３２、及び、熱交換部３３の壁面となるように、板材を溶接して形成する、非常にシンプルな構造をしている。
【００５４】
そのため、この燃料電池モジュール１は、安価にかつ簡単に製造することができる。
［他の実施形態］
以上、実施形態について説明したが、特許請求の範囲に記載された発明は、上記実施形態に限定されることなく、種々の形態を採り得ることは言うまでもない。
【００５５】
（１）上記実施形態で説明した燃料電池モジュール１はあくまでも一例であり、これに限定されるものではない。
（２）上記実施形態では、円筒形状に形成された燃料電池モジュール１を例示したが、これに限られるものではない。
【００５６】
（３）上記実施形態では、原燃料として都市ガスを用いているが、原燃料はこれに限られるものではない。
（４）上記実施形態では、酸化剤ガスとして空気を用いているが、酸化剤ガスはこれに限られるものではない。
【００５７】
（５）上記実施形態では断熱体４を用いているが、この断熱体４としては、断熱材として知られている物を材料として用いてもよいが、断熱効果が見込まれる材料であればどのようなものを用いてもよく、例えば板金を用いてもよい。
【００５８】
（６）上記実施形態では、燃料電池スタック９から燃焼部３０に改質ガスのみを送っているが、例えば原燃料や酸化剤ガスを送ってもよい。
【符号の説明】
【００５９】
１… 燃料電池モジュール  ２… 筐体  ３… 本体部  ４… 断熱体
９… 燃料電池スタック  ３０… 燃焼部  ３１… 蒸発部  ３２… 改質部
３３… 熱交換部  ３４… 熱排出空間  ３９… 排ガス通気空間  ４０… ガス抜孔
４２… 排出口  ４９… 断熱空間  ３０１… 第１パイプ  ３０２… 排ガス孔
３１２… 第１供給パイプ  ３１９… 底部  ３２１… 第２パイプ  ３２８… 通過孔
３２９… 境界部  ３３１… 第３パイプ  ３３２… 第２供給パイプ
３４１… 熱排出孔。
【図１】
0006506932.tif 000002
【図２】
0006506932.tif 000003
【図３】
0006506932.tif 000004