(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード（２０）と固体電解質層（２１）とカソード（２２）とを備える燃料電池単セル（２）を複数有する燃料電池セルスタック（１）であって、
燃料排ガス（ＦＯ）をスタック外部へ排出するための燃料排出口（１０）と、
上記各アノードから排出される上記燃料排ガスを上記燃料排出口へ導くための燃料排出流路（１１）と、を有しており、
該燃料排出流路は、互いに仕切られた複数の区画流路（１１１）を含んでおり、
上記燃料電池単セルは、発電時に水蒸気濃度の異なる複数の上記燃料排ガスを複数の上記区画流路を介して上記アノードから排出可能に構成されている、燃料電池セルスタック（１）。
【請求項２】
上記アノードは、アノード厚み方向に沿って配置された複数の厚み方向流路（２０１ａ）と、アノード面方向に沿って配置された複数の面方向流路（２０１ｂ）とを内部に有しており、
上記厚み方向流路および上記面方向流路は、互いに異なる上記区画流路にそれぞれ連通している、請求項１に記載の燃料電池セルスタック。
【請求項３】
上記厚み方向流路は、アノード反応によって水蒸気が発生する主部位に接している、請求項２に記載の燃料電池セルスタック。
【請求項４】
上記アノードは、上記アノードに供給される燃料ガス（ＦＩ）を層面内に拡散させる拡散層（２０１）と、該拡散層の上記固体電解質層側に配置され、アノード反応の場を含む活性層（２０２）とを有しており、
上記厚み方向流路および上記面方向流路は、上記拡散層に含まれている、請求項２または３に記載の燃料電池セルスタック。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池セルスタック（１）と、該燃料電池セルスタックの上記燃料排出口から排出される上記燃料排ガスを燃焼させる燃焼器（７０）とを有しており、
該燃焼器は、上記燃料排ガスを噴出させる炎孔（７０１）と、該炎孔から噴出した上記燃料排ガスを燃焼させる燃焼室（７０２）とを備え、
上記複数の区画流路のうち、少なくとも１つが上記炎孔に連通しており、上記炎孔に連通する区画流路を除いた残りの区画流路のうち、少なくとも１つが上記燃焼室に連通している、燃料電池モジュール（７）。
【請求項６】
上記炎孔に供給される上記燃料排ガスの水蒸気濃度は、上記燃焼室に供給される上記燃料排ガスの水蒸気濃度よりも低い、請求項５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、燃料電池セルスタックおよび燃料電池モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、アノードと固体電解質層とカソードとを備える燃料電池単セルが複数積層された燃料電池セルスタックが知られている。また、燃料電池セルスタックと、燃料電池セルスタックから排出される燃料排ガスおよび別途投入される支燃ガスを燃焼させる燃焼器を有する燃料電池モジュールが知られている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−０３２８２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
電解質として固体電解質を利用する固体酸化物形の燃料電池は、一般に、発電効率が高いという利点がある。そのため、近年、さらなる発電効率の向上を目指して、様々な技術開発が行われている。燃料電池セルスタックの発電効率を向上させる直接的な手段としては、燃料利用率を向上させる方法がある。
【０００５】
しかしながら、高い燃料利用率で燃料電池セルスタックが運転された場合、その分、燃料排ガス中に含まれる可燃成分の量が減る。さらに、燃料排ガス中には、発電により生じた水蒸気も含まれており、当該水蒸気の量は、燃料利用率の向上に伴い増加する。それ故、高い燃料利用率で運転される燃料電池セルスタックから排出される燃料排ガスを、そのまま、例えば、燃料電池モジュールの燃焼器に投入した場合には、燃焼器が失火しやすくなり、燃料電池システムの運転維持が困難になる。なお、従来技術のように、別途支燃ガスを供給することによって燃料器の燃焼を補助する構成は、発電に寄与しない燃料を投入することになる。そのため、上記構成では、システム効率が低下し、燃料利用率向上のメリットが相殺される。
【０００６】
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、水蒸気濃度の異なる複数の燃料排ガスを互いに分離した状態で取り出すことが可能な燃料電池セルスタック、また、燃焼器の失火を抑制しやすい燃料電池モジュールを提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様は、アノード（２０）と固体電解質層（２１）とカソード（２２）とを備える燃料電池単セル（２）を複数有する燃料電池セルスタック（１）であって、
燃料排ガス（ＦＯ）をスタック外部へ排出するための燃料排出口（１０）と、
上記各アノードから排出される上記燃料排ガスを上記燃料排出口へ導くための燃料排出流路（１１）と、を有しており、
該燃料排出流路は、互いに仕切られた複数の区画流路（１１１）を含んでおり、
上記燃料電池単セルは、発電時に水蒸気濃度の異なる複数の上記燃料排ガスを複数の上記区画流路を介して上記アノードから排出可能に構成されている、燃料電池セルスタック（１）にある。
【０００８】
本発明の他の態様は、上記燃料電池セルスタック（１）と、該燃料電池セルスタックの上記燃料排出口から排出される上記燃料排ガスを燃焼させる燃焼器（７０）とを有しており、
該燃焼器は、上記燃料排ガスを噴出させる炎孔（７０１）と、該炎孔から噴出した上記燃料排ガスを燃焼させる燃焼室（７０２）とを備え、
上記複数の区画流路のうち、少なくとも１つが上記炎孔に連通しており、上記炎孔に連通する区画流路を除いた残りの区画流路のうち、少なくとも１つが上記燃焼室に連通している、燃料電池モジュール（７）にある。
【発明の効果】
【０００９】
上記燃料電池セルスタックは、互いに仕切られた複数の区画流路を含む燃料排出流路を有している。上記燃料電池セルスタックは、発電時に水蒸気濃度の異なる複数の燃料排ガスを複数の区画流路を介してアノードから排出可能な燃料電池単セルを用いることで、発電時に生じた水蒸気濃度の異なる複数の燃料排ガスを、それぞれ各区画流路に流入させ、互いに分離した状態で燃料排出口から排出することができる。
【００１０】
上記燃料電池モジュールは、上記燃料電池セルスタックを有している。そのため、上記燃料電池モジュールは、燃焼器に対して、上記燃料電池セルスタックの燃料排出口から排出される水蒸気濃度の異なる複数の燃料排ガスを別々に供給することが可能となる。それ故、上記燃料電池モジュールは、燃料電池セルスタックが高い燃料利用率で運転された場合でも、燃焼器の失火を抑制しやすい。
【００１１】
なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施形態１の燃料電池セルスタックの一部を分解して模式的に示した分解斜視図である。
【図２】実施形態１の燃料電池セルスタックの一部を上方から見て模式的に示した説明図である。
【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面を模式的に示した説明図である。
【図４】図２のＩＶ−ＩＶ線断面を模式的に示した説明図である。
【図５】実施形態２の燃料電池モジュールを模式的に示した説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
（実施形態１）
実施形態１の燃料電池セルスタックについて、図１〜図４を用いて説明する。図１〜図４に例示されるように、本実施形態の燃料電池セルスタック１は、アノード２０と固体電解質層２１とカソード２２とを備える燃料電池単セル２を複数有している。図１〜図４では、燃料電池セルスタック１が備える複数の燃料電池単セル２のうち、後述するセパレータ３間に配置された１つの燃料電池単セル２が示されている。なお、固体電解質層２１の固体電解質として固体酸化物セラミックスを用いる燃料電池は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）と称される。
【００１４】
燃料電池セルスタック１は、燃料排ガスＦＯをスタック外部へ排出するための燃料排出口１０（図１〜図４では不図示、後述の図５に図示）と、各アノード２０から排出される燃料排ガスＦＯを燃料排出口１０へ導くための燃料排出流路１１とを有している。燃料排出流路１１は、互いに仕切られた複数の区画流路１１１を含んでいる。以下、これを詳説する。
【００１５】
先ず、燃料電池単セル２の構成について説明する。
【００１６】
本実施形態において、燃料電池単セル２は、具体的には、アノード２０、固体電解質層２１、および、カソード２２がこの順に積層され、互いに接合されている。燃料電池単セル１は、電極であるアノード２０を支持体とするアノード支持型である。なお、燃料電池単セル２は、固体電解質層２１とカソード２２との間に中間層（不図示）をさらに備えることができる。中間層は、主に、固体電解質層材料とカソード材料との反応を抑制するための層である。本実施形態では、カソード２２の外形は、固体電解質層２１の外形よりも小さく形成されている。燃料電池単セル２は、アノード２０の側面のうちの一部が燃料ガスＦＩの供給面２０ａとされており、当該供給面２０ａを除いたアノード２０の側面のうちの一部とアノード２０の層面２０ｂとが燃料排ガスＦＯの排出面とされている。燃料電池単セル２に供給する燃料としては、具体的には、例えば、メタンガスを改質した燃料ガスなどを用いることができる。また、燃料電池単セル２に供給する酸化剤としては、具体的には、例えば、空気などを用いることができる。
【００１７】
燃料電池単セル２は、具体的には、発電時に水蒸気濃度の異なる複数の燃料排ガスＦＯを複数の区画流路１１１を介してアノード２０から排出可能に構成されていることが好ましい。この場合には、発電時に生じた水蒸気濃度の異なる複数の燃料排ガスＦＯを、それぞれ各区画流路１１１に流入させ、互いに分離した状態で燃料排出口１０から排出可能な燃料電池セルスタック１を実現しやすくなる。
【００１８】
燃料電池単セル２のアノード２０は、より具体的には、アノード厚み方向に沿って配置された複数の厚み方向流路２０１ａと、アノード面方向に沿って配置された複数の面方向流路２０１ｂとを内部に有する構成とすることができる。この際、厚み方向流路２０１ａおよび面方向流路２０１ｂは、互いに異なる区画流路１１１にそれぞれ連通する構成とすることができる。つまり、複数の厚み方向流路２０１ａは、複数の区画流路１１１のうち、少なくとも１つに連通しており、複数の面方向流路２０１ｂは、厚み方向流路２０１ａが連通する区画流路１１１を除いた残りの区画流路１１１のうち、少なくとも１つに連通している構成とすることができる。
【００１９】
上述した構成によれば、アノード反応によって生じた水蒸気を多く含む水蒸気リッチな燃料排ガスＦＯを、厚み方向流路２０１ａを通じて燃料電池単セル２から確実に取り出すことができる。また、アノード反応に使用されなかった可燃成分を多く含み、厚み方向流路２０１ａよりも水蒸気量が少ない燃料リッチな燃料排ガスＦＯを、面方向流路２０１ｂを通じて燃料電池単セル２から確実に取り出すことができる。そのため、水蒸気リッチな燃料排ガスＦＯと燃料リッチな燃料排ガスＦＯとを、燃料排出流路１１の各区画流路１１１にて互いに分離したまま燃料排出口１０から排出させやすくなる。つまり、燃料電池セルスタック１の発電時に、面方向流路２０１ｂと連通する区画流路１１１内の水蒸気濃度＜厚み方向流路２０１ａと連通する区画流路１１１内の水蒸気濃度の関係を満たしやすくなる。それ故、上述した構成によれば、高い燃料利用率で運転された場合でも、後述する燃料電池モジュール７における燃焼器７０の失火を抑制しやすい燃料電池セルスタック１を実現しやすくなる。
【００２０】
なお、厚み方向流路２０１ａおよび面方向流路２０１ｂは、連続的な断面を有するものであり、多孔性のアノード２０に通常含まれる孔部（粒子間の間に形成された隙間、不図示）とは異なるものである。また、本実施形態では、厚み方向流路２０１ａは、アノード２０における固体電解質層２１側と反対側の層面２０ｂに層面開口２０１ｃを備えている。面方向流路２０１ｂは、アノード２０の側面に側面開口２０１ｄを備えている。
【００２１】
厚み方向流路２０１ａは、より具体的には、アノード反応によって水蒸気が発生する主部位に接する構成とすることができる。この構成によれば、アノード反応によって生じた水蒸気を多く含む水蒸気リッチな燃料排ガスＦＯを、確実に厚み方向流路２０１ａに流入させることが可能となる。そのため、この場合には、水蒸気リッチな燃料排ガスＦＯと燃料リッチな燃料排ガスＦＯとを燃料排出流路１１の各区画流路１１１にて互いに分離したまま燃料排出口１０から排出させやすい燃料電池セルスタック１が得られる。なお、アノード反応によって水蒸気が発生する主部位は、アノード反応の場となる反応場としての三相界面を含む部位である。
【００２２】
アノード２０は、具体的には、拡散層２０１と活性層２０２とを有する構成とすることができる。拡散層２０１は、アノード２０に供給される燃料ガスＦＩを層面内に拡散させる層である。活性層２０２は、拡散層２０１の固体電解質層２１側に配置され、アノード反応の場を含む層である。なお、拡散層２０１と活性層２０２とは、互いに接合されている。そして、上述した厚み方向流路２０１ａおよび面方向流路２０１ｂは、拡散層２０１に含まれる構成とすることができる。この場合には、厚み方向流路２０１ａおよび面方向流路２０１ｂによって活性層２０２が失われることがないので、三相界面を十分に確保することができる。
【００２３】
複数の厚み方向流路２０１ａは、具体的には、互いに離間した状態で配置することができる。また、複数の面方向流路２０１ｂは、具体的には、互いに離間した状態で配置することができる。厚み方向流路２０１ａおよび面方向流路２０１ｂは、各流路内を流れるガスの混合を回避する、アノード強度を確保しやすくする等の観点から、互いに交わらないように配置することができる。また、厚み方向流路２０１ａおよび面方向流路２０１ｂは、流路抵抗を小さくしやすい等の観点から、いずれも直線状とすることができる。
【００２４】
厚み方向流路２０１ａの固体電解質層２１側の端部は、具体的には、活性層２０２に接する構成とすることができる。この構成によれば、アノード反応によって生じた水蒸気を多く含む水蒸気リッチな燃料排ガスＦＯを、確実に厚み方向流路２０１ａに流入させることが可能となる。そのため、この場合には、水蒸気リッチな燃料排ガスＦＯと燃料リッチな燃料排ガスＦＯとを燃料排出流路１１の各区画流路１１１にて互いに分離したまま燃料排出口１０から排出させやすい燃料電池セルスタック１が得られる。
【００２５】
厚み方向流路２０１ａおよび面方向流路２０１ｂの流路幅は、ガス流通性、流路形成性等の観点から、好ましくは２０μｍ以上、より好ましくは１００μｍ以上、さらに好ましくは４００μｍ以上とすることができる。また、厚み方向流路２０１ａおよび面方向流路２０１ｂの流路幅は、アノード強度の確保等の観点から、好ましくは１５００μｍ以下、より好ましくは８００μｍ以下、さらに好ましくは５００μｍ以下とすることができる。厚み方向流路２０１ａおよび面方向流路２０１ｂの流路ピッチは、流路同士の短絡による強度劣化の抑制、製造上の難易度を低減させる等の観点から、好ましくは２０μｍ以上、より好ましくは１００μｍ以上、さらに好ましくは４００μｍ以上とすることができる。また、厚み方向流路２０１ａおよび面方向流路２０１ｂの流路ピッチは、ガス流通性、流路形成性等の観点から、好ましくは１０００μｍ以下、より好ましくは８００μｍ以下、さらに好ましくは５００μｍ以下とすることができる。
【００２６】
なお、上述した厚み方向流路２０１ａ、面方向流路２０１ｂは、例えば、次のように形成することができる。未焼成のアノード形成用シートに貫通孔を形成する。当該貫通孔内に、焼成によって消失する消失剤ペーストを充填する。また、シート表面に消失剤ペーストをパターン印刷する。消失剤ペースト付きのシートを積層、圧着し、焼成する。これにより、貫通孔内の消失剤ペーストが消失して厚み方向流路２０１ａが形成される。また、シート表面にパターン印刷された消失剤ペーストが消失して面方向流路２０１ｂが形成される。
【００２７】
燃料電池単セル２において、固体電解質層２１の材料としては、強度、熱的安定性に優れる等の観点から、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、スカンジア安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ）等の酸化ジルコニウム系酸化物を好適に用いることができる。固体電解質層２１の材料としては、イオン伝導度、機械的安定性、他の材料との両立、空気雰囲気から燃料ガス雰囲気まで化学的に安定である等の観点から、イットリア安定化ジルコニアが好適である。本実施形態では、固体電解質層２１の材料として、具体的には、イットリア安定化ジルコニアを用いることができる。
【００２８】
固体電解質層２１の厚みは、オーミック抵抗の低減などの観点から、好ましくは３〜２０μｍ、より好ましくは４〜１５μｍ、さらに好ましくは５〜１０μｍとすることができる。本実施形態では、固体電解質層２１の厚みは、具体的には、５μｍとすることができる。
【００２９】
燃料電池単セル２において、アノード２０の材料としては、例えば、Ｎｉ、ＮｉＯ等の触媒と、上記酸化ジルコニウム系酸化物等の固体電解質との混合物などを例示することができる。なお、ＮｉＯは、発電時の還元雰囲気でＮｉとなる。アノード２の材料、本実施形態では、具体的には、拡散層２０１の材料および活性層２０２の材料として、ＮｉまたはＮｉＯとイットリア安定化ジルコニアとの混合物を用いることができる。
【００３０】
拡散層２０１の厚みは、支持体としての強度確保等の観点から、好ましくは１００μｍ以上、より好ましくは２００μｍ以上、より好ましくは３００μｍ以上とすることができる。拡散層２０１の厚みは、ガス拡散性の向上等の観点から、好ましくは８００μｍ以下、より好ましくは７００μｍ以下とすることができる。活性層２０２の厚みは、反応持続性、取り扱い性、加工性等の観点から、好ましくは１０μｍ以上、より好ましくは１５μｍ以上とすることができる。活性層２０２の厚みは、電極反応抵抗の低減等の観点から、好ましくは３０μｍ以下、より好ましくは２５μｍ以下とすることができる。本実施形態では、拡散層２０１の厚みは、具体的には、４００μｍ、活性層２０２の厚みは、具体的には、２５μｍとすることができる。
【００３１】
燃料電池単セル２において、カソード２２の材料としては、遷移金属ペロブスカイト型酸化物などを例示することができる。遷移金属ペロブスカイト型酸化物としては、具体的には、例えば、ＬａｘＳｒ１−ｘＣｏＯ３系酸化物、ＬａｘＳｒ１−ｘＣｏｙＦｅ１−ｙＯ３系酸化物、ＳｍｘＳｒ１−ｘＣｏＯ３系酸化物（但し、上記において、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）などを例示することができる。これらは１種または２種以上併用することができる。本実施形態では、カソード２２の材料として、具体的には、ＬａｘＳｒ１−ｘＣｏｙＦｅ１−ｙＯ３系酸化物（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）を用いることができる。
【００３２】
カソード２２の厚みは、ガス拡散性、電極反応抵抗、集電性などの観点から、好ましくは２０〜１００μｍ、より好ましくは３０〜８０μｍとすることができる。本実施形態では、カソード２２の厚みは、具体的には、５０μｍとすることができる。
【００３３】
燃料電池単セル２において、中間層の材料としては、例えば、ＣｅＯ２、または、ＣｅＯ２にＧｄ、Ｓｍ、Ｙ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｙｂ、Ｃａ、および、Ｈｏから選択される１種または２種以上の元素等がドープされたセリア系固溶体等の酸化セリウム系酸化物などを例示することができる。これらは１種または２種以上併用することができる。本実施形態では、中間層の材料として、具体的には、ＣｅＯ２にＧｄがドープされたセリア系固溶体を用いることができる。
【００３４】
また、中間層の厚みは、オーミック抵抗の低減、カソードからの元素拡散の抑制等の観点から、好ましくは１〜２０μｍ、より好ましくは２〜５μｍとすることができる。
【００３５】
次に、燃料電池単セル２以外の燃料電池セルスタック１の構成について説明する。
【００３６】
本実施形態において、燃料電池セルスタック１は、具体的には、複数の燃料電池単セル２がセパレータ３を介して積層されている。なお、図１〜図４では、ある１つのセパレータ３から、当該セパレータ３の隣りに配置されるセパレータ３までの間が示されている。燃料電池セルスタック１は、具体的には、セパレータ３と、燃料電池単セル２と、フレーム４と、リテーナ５とを有している。また、セパレータ３は、一方面に、カソード２２に接するカソード用集電体３５を有しており、他方面に、アノード２０に接するアノード用集電体３６（図１では不図示）を有している。フレーム４は、燃料電池単セル２の外周部を支持するためのものである。リテーナ５は、フレーム４に支持された燃料電池単セル２を固定するためのものである。
【００３７】
フレーム４は、具体的には、フレーム厚み方向に貫通するセル収容部４０を有している。また、リテーナ５は、具体的には、リテーナ厚み方向に貫通する開口部５０を有している。本実施形態では、燃料電池単セル２は、セル収容部４０に収容された状態で、固体電解質層２１におけるカソード２２側の面の外周縁がフレーム４に支持される。また、フレーム４に支持された燃料電池単セル２は、アノード２０の層面２０ｂの外周縁にリテーナ５の開口部５１の外周縁が当接した状態とされ、リテーナ５により固定される。
【００３８】
本実施形態では、セパレータ３、燃料電池単セル２、フレーム４およびリテーナ５がそれぞれ中心を合わせた状態でこの順に積層されたものが、一つのアセンブリとなる。したがって、燃料電池セルスタック１は、燃料電池単セル２のセル面に垂直な方向に、複数のアセンブリが積層されて構成されている。なお、セパレータ３、フレーム４およびリテーナ５は、例えば、フェライト系ステンレス鋼、フェライト系耐熱クロム合金などの金属材料より構成することができる。
【００３９】
本実施形態において、燃料電池セルスタック１は、スタック外部から燃料電池単セル２のアノード２０に燃料ガスＦＩを供給するための燃料供給流路１２を有している。
【００４０】
本実施形態では、燃料供給流路１２は、具体的には、セパレータ３、フレーム４およびリテーナ５を貫通して設けられている。燃料供給流路１２は、より具体的には、セパレータ３に形成された貫通孔３１、フレーム４に形成された貫通孔４１、リテーナ５に形成された貫通孔５１が積層されることによって一つの流路として構成されている。また、燃料供給流路１２は、フレーム４部分に分岐路４５を有している。分岐路４５は、セル収容部４０に連通している。スタック外部から供給される新鮮な燃料ガスＦＩは、分岐路４５を通じてアノード２０に供給される。
【００４１】
燃料電池セルスタック１は、上述したように、燃料排出流路１１を有している。
【００４２】
本実施形態では、燃料排出流路１１は、具体的には、セパレータ３、フレーム４およびリテーナ５を貫通して設けられている。燃料排出流路１１は、隔壁１１０によって互いに仕切られた複数の区画流路１１１を有している。図では、３つの区画流路１１１を有する例が示されている。複数の区画流路１１１は、より具体的には、セパレータ３に形成された複数の貫通孔３２、フレーム４に形成された複数の貫通孔４２、リテーナ５に形成された複数の貫通孔５２が積層されることによって構成されている。
【００４３】
本実施形態において、フレーム４とリテーナ５との間には、隙間１１２が設けられている。複数の区画流路１１１のうち、少なくとも１つは、当該隙間１１２に連通している。図では、３つの区画流路１１１のうち、中央に配置された区画流路１１１ａの両隣りに配置されている各区画流路１１１ｂ、１１１ｃが、隙間１１２に連通している。したがって、アノード２０の厚み方向流路２０１ａは、当該隙間１１２を介して各区画流路１１１ｂ、１１１ｃに連通している。そのため、本実施形態では、厚み方向流路２０１ａから排出される燃料排ガスＦＩは、隙間１１２を通って各区画流路１１１ｂ、１１１ｃに流入する。
【００４４】
複数の区画流路１１１のうち、厚み方向流路２０１ａが連通する区画流路１１１を除いた残りの少なくとも１つは、フレーム４部分に連通路１１３を有している。連通路１０３は、セル収容部４０に連通している。図では、３つの区画流路１１１のうち、中央に配置されている区画流路１１１ａが連通路１１３を有している。したがって、アノード２０の面方向流路２０１ｂは、当該連通路１１３を介して区画流路１１１ａに連通している。そのため、本実施形態では、面方向流路２０１ｂから排出される燃料排ガスＦＯは、連通路１１３を通って区画流路１１１ａに流入する。
【００４５】
本実施形態において、燃料電池セルスタック１は、スタック外部から燃料電池単セル２のカソード２２に酸化剤ガスＡＩを供給するための酸化剤供給流路１３を有している。また、燃料電池セルスタック１は、酸化剤排ガスＡＯをスタック外部へ排出するための酸化剤排出口１４０（図１〜図４では不図示、図５に図示）と、酸化剤排ガスＡＯを酸化剤排出口１４０へ導くための酸化剤排出流路１４とを有している。
【００４６】
本実施形態では、酸化剤供給流路１３は、具体的には、セパレータ３、フレーム４およびリテーナ５を貫通して設けられている。酸化剤供給流路１３は、より具体的には、セパレータ３に形成された貫通孔３３、フレーム４に形成された貫通孔４３、リテーナ５に形成された貫通孔５３が積層されることによって一つの流路として構成されている。一方、酸化剤排出流路１４は、具体的には、セパレータ３、フレーム４およびリテーナ５を貫通して設けられている。酸化剤排出流路１４は、より具体的には、セパレータ３に形成された貫通孔３４、フレーム４に形成された貫通孔４４、リテーナ５に形成された貫通孔５４が積層されることによって一つの流路として構成されている。
【００４７】
本実施形態において、スタック外部より燃料電池セルスタック１に供給された新鮮な燃料ガスＦＩは、フレーム４に支持された燃料電池単セル２におけるアノード２０の側面、具体的には、拡散層２０１の側面から面方向流路２０１ｂに流入する。面方向流路２０１ｂ内に流入した燃料ガスＦＩの一部は、拡散層２０１に含まれる孔部を通じて面内拡散し、活性層２０２内の三層界面にてアノード反応に使用される。アノード反応により生じた水蒸気を多く含む水蒸気リッチな燃料排ガスＦＯは、厚み方向流路２０１ａを通って、燃料排出流路１１の区画流路１１１ｂ、１１１ｃに流入する。一方、面方向流路２０１ｂ内に流入した燃料ガスＦＩのうち、アノード反応に使用されず、可燃成分を多く含む燃料リッチなガスは、そのまま面方向流路２０１ｂを流れ、燃料リッチな燃料排ガスＦＯとして燃料排出流路１１の区画流路１１１ａに流入する。そして、各区画流路１１１内に流入した各燃料排ガスＦＯは、互いに分離された状態で各区画流路１１１内を流れ、燃料排出口１０から排出される。
【００４８】
なお、本実施形態では、上述した燃料ガスＦＩ、燃料排ガスＦＯ、酸化剤ガスＡＩ、酸化剤排ガスＡＯの流れとなるように、図に示される位置にガラスシール等によるシール部６が設けられている。なお、図では、一部のシール部が省略されている。
【００４９】
燃料電池セルスタック１によれば、発電時に生じた水蒸気濃度の異なる複数の燃料排ガスＦＯを、それぞれ各区画流路１１１に流入させ、互いに分離した状態で燃料排出口１０から排出することができる。したがって、燃料電池セルスタック１は、例えば、燃料電池モジュール７の燃焼器７０に対して、燃料排出口１０から排出される水蒸気濃度の異なる複数の燃料排ガスＦＯを別々に供給することが可能となる。それ故、燃料電池セルスタック１は、燃料電池モジュール７における燃焼器７０の失火抑制に有用である。
【００５０】
（実施形態２）
実施形態２の燃料電池モジュールについて、図５を用いて説明する。なお、実施形態２以降において用いられる符号のうち、既出の実施形態において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、既出の実施形態におけるものと同様の構成要素等を表す。
【００５１】
図５に例示されるように、本実施形態の燃料電池モジュール７は、燃料電池セルスタック１と、燃料電池セルスタック１の燃料排出口１０から排出される燃料排ガスＦＯを燃焼させる燃焼器７０とを有している。
【００５２】
本実施形態では、実施形態１にて説明した燃料電池セルスタック１が用いられる。なお、図５における破線は、燃料電池セルスタック１の内部において、燃料電池単セル２の積層方向に延びる燃料排出流路１１、酸化剤供給流路１３および酸化剤排出流路１４を簡略化して示したものである。
【００５３】
燃料電池モジュール７において、燃焼器７０は、燃料排ガスＦＯを噴出させる炎孔７０１と、炎孔７０１から噴出した燃料排ガスＦＯを燃焼させる燃焼室７０２とを備えている。
【００５４】
燃料電池セルスタック１における燃料排出流路１１が有する複数の区画流路１１１のうち、少なくとも１つが炎孔７０１に連通しており、炎孔７０１に連通する区画流路１１１を除いた残りの区画流路１１１のうち、少なくとも１つが燃焼室７０２に連通している。本実施形態では、具体的には、区画流路１１１ａが、接続流路７１を介して、炎孔７０１に連通している。一方、区画流路１１１ｂ、１１１ｃは、接続流路７２を介して、燃焼室７０２に連通している。
【００５５】
本実施形態では、上述した実施形態１の燃料電池セルスタック１を用いることで、炎孔７０１に供給される燃料排ガスＦＯの水蒸気濃度が、燃焼室７０２に供給される燃料排ガスＦＯの水蒸気濃度よりも低くなるように構成されている。
【００５６】
本実施形態では、接続流路７１は、具体的には、燃焼により形成される火炎７４の上方に燃料排ガスＦＯが供給されるように、燃焼室７０２の側壁上方に接続されている。なお、炎孔７０１は、より具体的には、バーナ（不図示）が備える炎孔である。
【００５７】
また、燃料電池セルスタック１における酸化剤排出流路１４は、接続流路７３を介して、燃焼室７０２に連通している。本実施形態では、接続流路７３は、分岐路７３１、７３２を有している。分岐路７３１、７３２は、火炎７４の下方に酸化剤排ガスＡＯが供給されるように、燃焼室７０２の側壁下方に接続されている。なお、燃焼室７０２で燃焼排ガスＦＯと酸化剤排ガスＡＯとの燃焼により生じた燃焼排ガスは、燃焼室７０２に設けられた燃焼排ガス排出口７５から排出される。
【００５８】
燃料電池モジュール７は、燃料電池セルスタック１を有している。そのため、燃料電池モジュール７は、燃焼器７０に対して、燃料電池セルスタック１の燃料排出口１０から排出される水蒸気濃度の異なる複数の燃料排ガスＦＯを別々に供給することが可能となる。それ故、燃料電池モジュール７は、燃料電池セルスタック１が高い燃料利用率で運転された場合でも、燃焼器７０の失火を抑制しやすい。
【００５９】
とりわけ、燃料電池モジュール７は、炎孔７０１に供給される燃料排ガスＦＯの水蒸気濃度が、燃焼室７０２に供給される燃料排ガスＦＯの水蒸気濃度よりも低くなるように構成されている。そのため、水蒸気の少ない燃料排ガスＦＯで火炎７４を形成することができ、形成された火炎７４で、水蒸気の多い燃料排ガスＦＯを燃焼させることができる。それ故、燃料電池モジュール７は、燃焼器７０の失火抑制を確実なものとすることができる。
【００６０】
本発明は、上記各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の実施形態に適用することが可能である。例えば、燃料電池セルスタック１から互いに分離した状態で取り出された水蒸気濃度の異なる複数の燃料排ガスＦＯは、燃料電池モジュール７の燃焼器７０以外でも使用することができる。
【符号の説明】
【００６１】
１  燃料電池セルスタック
１０  燃料排出口
１１  燃料排出流路
１１１  区画流路
２  燃料電池単セル
２０  アノード
２１  固体電解質層
２２  カソード
７  燃料電池モジュール
７０  燃焼器
７０１  炎孔
７０２  燃焼室
ＦＯ  燃料排ガス
【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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