(57)【要約】  高効率を維持しつつ大幅な小型化が可能な燃料電池モジュールを提供する。これを実現するために、セルスタック１０と共にその補機である改質器２０、蒸発器３０及び熱交換器４０をケーシング５０内に一纏めにして収容する。改質器２０及び蒸発器３０を、独立した縦形としてセルスタック横に奥行き方向に並べて併置すると共に、セルスタック１０から排出されたオフガスの燃焼排ガスにより加熱する。その加熱のために改質器２０及び蒸発器３０のそれぞれに、前記燃焼排ガスが縦方向に通過する排ガス流路を設ける。改質器２０及び蒸発器３０の各排ガス流路を上側で接続配管６０により直列に接続する。熱交換器４０は、ケーシング５０の底板内面に沿って配設された断熱材５１を薄くして形成された凹部に嵌入されることにより、改質器２０及び蒸発器３０の下側に配置される。
2014129656.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
板状の単電池セルを１単位としてこれを板厚方向に積層して構成されたセルスタックと、当該セルスタックから排出されるオフガスの燃焼排ガスを熱源として、当該セルスタックに供給する水素リッチの改質ガスの生成を行う改質器と、その改質に使用する水蒸気を生成する蒸発器と、前記燃焼排ガスを利用して、当該セルスタックに供給する酸化性ガスを予熱する熱交換器とを一纏めにしてケーシング内に収容した燃料電池モジュールにおいて、
改質器及び蒸発器を独立した縦形としてセルスタック横に奥行き方向に並べて併置すると共に、改質器及び蒸発器を加熱するために当該改質器及び蒸発器のそれぞれに、前記燃焼排ガスが縦方向に通過する排ガス流路を設け、改質器及び蒸発器の各排ガス流路を上側で接続配管により直列に接続した燃料電池モジュール。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池モジュールにおいて、改質器が上流側に位置してその排ガス流路を燃焼排ガスが上昇し、蒸発器が下流側に位置してその排ガス流路を燃焼排ガスが下降する燃料電池モジュール。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の燃料電池モジュールにおいて、改質器及び蒸発器の排ガス流路を上側で接続する接続配管が、被覆のない裸管である燃料電池モジュール。
【請求項４】
請求項１〜３の何れかに記載の燃料電池モジュールにおいて、改質器及び蒸発器の排ガス流路を上側で接続する接続配管が、上へ凸の方向に湾曲した逆Ｕ状管である燃料電池モジュール。
【請求項５】
請求項１〜４の何れかに記載の燃料電池モジュールにおいて、蒸発器はケーシング内で専用の断熱材により部分断熱されている燃料電池モジュール。
【請求項６】
請求項１〜５の何れかに記載の燃料電池モジュールにおいて、改質器及び蒸発器は、内部を燃焼排ガスが縦方向に流通する排ガス流路とされた内管の外側に円筒状空間を介して外管を同心円状に配置した２重管構造である燃料電池モジュール。
【請求項７】
請求項６に記載の燃料電池モジュールにおいて、蒸発器の内管と外管との間に形成された円筒状空間に水を供給する給水管が、前記円筒状空間の下側に位置して内管の外側に装着された螺旋管である燃料電池モジュール。
【請求項８】
請求項６又は７に記載の燃料電池モジュールにおいて、蒸発器の内管と外管との間に形成された円筒状空間に、鍔状で内周部の周方向一部が通気孔とされた複数の集気板が、それぞれの通気孔が周方向で段階的に変位するように多段配置されている燃料電池モジュール。
【請求項９】
請求項１〜８の何れかに記載の燃料電池モジュールにおいて、熱交換器は蒸発器から排出された燃焼排ガスを熱源とし、改質器及び蒸発器の下に配置されている燃料電池モジュール。
【請求項１０】
請求項９に記載の燃料電池モジュールにおいて、熱交換器はケーシングの底板内面に沿って配設された断熱材を部分的に薄くして形成された凹部に嵌入配置されている燃料電池モジュール。
【請求項１１】
請求項９又は１０に記載の燃料電池モジュールにおいて、熱交換器は水平な平面状の空気流路と排ガス流路が交互に積層されると共に、当該熱交換器に導入された空気が、蒸発器から流入した燃焼排ガスと並列的かつ対向流的に熱交換する積層薄型タイプである燃料電池モジュール。
【請求項１２】
請求項１１に記載の燃料電池モジュールにおいて、熱交換器における最下段の流体流路が空気流路であ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、燃料電池システムに使用される燃料電池モジュールに関し、特に燃料電池システムの主要部であるセルスタック、改質器、蒸発器等を一纏めにしてケーシング内に収容したシステム本体部としての燃料電池モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、板状の単電池セルを１単位としてこれを板厚方向に積層した所謂セルスタックを主要構成部材としている。そして、このセルスタックは、燃料電池の形式にもよるが、通常は当該セルスタックに供給する水素リッチの改質ガスを生成する改質器、その改質に使用する水蒸気を生成する蒸発器、更にはセルスタックから排出されるオフガスの燃焼排ガスを利用して当該セルスタックに酸化性ガスとして供給する空気等を予熱する熱交換器等からなり、これらを一纏めにしてケーシング内に収容した燃料電池モジュールの形態で製品化されている。なお、オフガスとはセルスタックから排出されるガスの総称であり、発電中にセルスタックから排出される未燃ガスの他、発電前の運転スタート時にセルスタックから排出される都市ガス、改質ガスなどを含む。【０００３】
このような燃料電池システムにおける性能向上は近年とみに著しく、これに伴って小型化が進み、家庭用燃料電池システムの市販も開始された。【０００４】
家庭用の燃料電池システムに要求されるのは価格と大きさであり、大きさについては、前述したシステム本体部としての燃料電池モジュールの大きさが特に重視される。なぜなら、家庭用向け燃料電池の場合、最も大きなモジュールである燃料電池モジュールを設置するスペースが限られるのが通例であり、狭小スペースに設置する必要のある場合も少なくないからである。このため、燃料電池モジュールのより一層の小型化が求められているが、今以上の小型化は容易でない。【０００５】
すなわち、燃料電池モジュールにおける主機はセルスタックであり、事実これが一番大きく、ケーシング内における占有スペースも最大であり、これの小型化については各方面から改良が続いている。一方、補機である改質器、蒸発器等については、主機であるセルスタックに比べると本質的に小さく、専ら効率と耐久性の点から改良が進められており、縦形で円筒状の蒸発器の上に、同じく縦形で円筒状の改質器を同軸状に連結した２段筒式のものが、高効率な補機として特許文献１及び２に記載されている。また、縦形で円筒形状の改質器の外側に、同じく縦形で円筒形状の蒸発器を同心円状に組み合わせた２重筒式の補機も知られている（特許文献３）。【０００６】
改質器及び蒸発器における熱源としては、セルスタックでの発電に使用されずに当該セルスタックから排出される未燃ガス等のオフガスを燃焼させることにより生じる燃焼排ガスが使用される。特に、水蒸気による改質は吸熱反応であるため、改質器における加熱形態、具体的には燃焼排ガスとの熱交換形態は重要であり、燃焼排ガスの熱利用の観点からも、改質器と蒸発器が一体化された２段筒式及び２重筒式は有利である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−２２５６８４公報
【特許文献２】特開２００５−３０６６５８号公報
【特許文献３】特許第４２３３９０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、高効率を維持しつつ、大幅な小型化が可能な燃料電池モジュールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明者らは燃料電池モジュールにおける主機であるセルスタックに補機として組み合わされる改質器及び蒸発器の構造に着目した。すなわち、これらの補機は、ケーシング内においてセルスタックの横に併置されるが（図６Ａ及び図６Ｂ参照）、それらの補機の構造、特に組合せ構造がケーシングの大きさに大きく影響している現状のあることに、本発明者らは気付いた。その詳細は以下のとおりである。【００１０】
燃料電池モジュールの大きさが主機であるセルスタックのサイズによって決定されるのは止むを得ない。しかし、補機である改質器や蒸発器等のサイズによって必要以上の拡大を強いられるのは合理的とは言えず、最大限阻止したい。この観点から補機の構造、特にその組合せ構造を考察すると、補機である改質器及び蒸発器が共に縦形の円筒形状で、且つ中心軸方向に２段に組み合わされた２段筒式の場合、必然的にその高さが大きくなり、セルスタックの高さを超える場合も少なくない。改質器及び蒸発器がセルスタックより高くなった場合は燃料電池モジュールの高さが補機の高さによって決定されることになり、これが不合理であることは前述したとおりである。【００１１】
２段筒式の場合でも、その高さをセルスタックの高さより小さくすることは可能であるが、改質器においては触媒量がモジュール規模によって決まっており、蒸発器においても有効空間の大きさがモジュール規模によって決まるので、高さを小さくした分、外径が大きくなり、その結果、燃料電池モジュールの横幅の増大を余儀なくされる。補機が２重筒式の場合も同様である。【００１２】
セルスタックに酸化性ガスとして供給する空気等を、当該セルスタックから排出される未燃ガス等のオフガスの燃焼排ガスを利用して予熱する熱交換器については、それが燃料電池モジュールのサイズに影響を与えないように、改質器及び蒸発器の奥の空いたセルスタック横のスペースに改質器及び蒸発器と共に併置されるのが合理的と考えられている（図６Ａ及び図６Ｂ参照）。【００１３】
このような制約下で、本発明者らは補機である改質器及び蒸発器の外径を大きくすることなく、むしろ小さくしつつ、その高さをセルスタックの高さより低くすることを企画し、これを目的として両者の特に組合せ構造を種々検討した。その結果、補機である改質器及び蒸発器を独立させた場合、それぞれの外径及び高さがほぼ同じになり、両者を共にセルスタック横の直近位置に立てて併置すると、両者の高さ及び奥行きをセルスタックのサイズ内に抑えつつ、横への張り出し量を最小限に抑制できること、及び両者の加熱のために燃焼排ガスが通過する両者の排ガス流路を上側で配管、特に裸管により直列に接続するのが熱利用の観点から有効なことが判明した。【００１４】
すなわち、改質器及び蒸発器を独立させてセルスタックの横に立てて併置すると、これらの補機の高さが大幅に低くなり、実質的に高さの制限が取り除かれる。このため、上側の接続配管による高さ増大分を考慮しても、個々の高さを２段縦式の場合よりも高くできると共に、その結果として個々の太さを小さくできる。その結果、改質器及び蒸発器が共にセルスタックの横に奥行き方向に並んで効率よく併置、並列され、セルスタックの高さ及び奥行きによる制限範囲内でモジュール幅を小さくすることが可能となる。【００１５】
本発明の燃料電池モジュールは、かかる知見を基礎として完成されたものであり、板状の単電池セルを１単位としてこれを板厚方向に積層して構成されたセルスタックと、当該セルスタックから排出されるオフガスの燃焼排ガスを熱源として、当該セルスタックに供給する水素リッチの改質ガスの生成を行う改質器と、その改質に使用する水蒸気を生成する蒸発器と、前記燃焼排ガスを利用して、当該セルスタックに供給する酸化性ガスを予熱する熱交換器とを一纏めにしてケーシング内に収容した燃料電池モジュールにおいて、改質器及び蒸発器を独立した縦形としてセルスタック横に奥行き方向に並べて併置すると共に、改質器及び蒸発器を加熱するために当該改質器及び蒸発器のそれぞれに、前記燃焼排ガスが縦方向に通過する排ガス流路を設け、改質器及び蒸発器の各排ガス流路を上側で接続配管により直列に接続したことを構成上の特徴点としている。【００１６】
本発明の燃料電池モジュールにおいて、改質器及び蒸発器の各高さは、セルスタックの高さを１として０．５〜１．２が好ましく、０．７〜１．０が特に好ましい。改質器及び蒸発器の各容量は前述したとおりセルスタックの出力電力の規模により決定されている。このような状況下で改質器及び蒸発器の各高さがセルスタックの高さに比して低すぎると、これらの外径が大きくなり、ケーシングの横幅の必要以上の増大を招く。反対に高すぎると、ケーシングの高さが改質器及び蒸発器の各高さによって支配され、ケーシングの高さの必要以上の増大を招く。【００１７】
改質器及び蒸発器の各排ガス流路を接続する接続配管を上側に配置するのは、セルスタックに対する有効な露出ヒーターとして作用させるためであり、特にスタート時のヒーターとして作用させるためである。逆に、定格運転時には接続配管の温度がセルスタックの温度より低くなるので、この接続配管はセルスタックに対するクーラーとしても機能する。これらのため、この接続配管は熱放散、熱吸収が阻害されない裸管が好ましい。【００１８】
接続配管の形式については、改質器及び蒸発器の各排ガス流路の上端部同士を水平管で繋ぐ水平管形式でもよいし、改質器及び蒸発器の各排ガス流路の上端部同士を逆Ｕ字状の配管で繋ぐ逆Ｕ管形式でもよい。ヒーター機能を高める観点からは表面積が大きくなる逆Ｕ管形式が好ましい。ただし、逆Ｕ管形式は補機の高さを大きくする要因となるので、中央部は水平管として高さを極力抑制するのが好ましい。【００１９】
なお、改質器及び蒸発器の各高さとは、両者の接続配管、更には後述する燃焼装置等の付帯部品を含めた高さであり、セルスタックの高さについても、改質器及び蒸発器等の補機との接続配管等の付帯部品を含めた高さとなる（図１Ｂ参照）。モジュール規模への影響を問題にしているので、改質器及び蒸発器の各高さが付帯部品を含む実質高となることは言うまでもない。【００２０】
酸化性ガスの予熱に使用される熱交換器については、セルスタックの横にスペースが確保されるならば、改質器及び蒸発器と共にセルスタックの横に配置することが可能である。しかし、セルスタックの奥行きによる制限内でのセルスタック横への配置が困難な場合は、改質及び蒸発器の更に側方に配置することも可能であるが、その場合はケーシング幅の増大を招く懸念が大きい。【００２１】
これらのことを総合的に考えるならば、本発明の燃料電池モジュールにおいては、セルスタックの横に併置される改質器及び蒸発器の各高さの制限が取り除かれることから、これらの下側に熱交換器を配置するのが、ケーシング内の空間有効利用の点、及び上側の他の補機との配管による効率的接続が可能となる点から望ましく、他の補機より温度が低いことからセルスタックより下のレベルに設置することさえも可能となる。すなわち、ケーシングの内面に沿って断熱材が配設されているが、熱交換器は他の補機と比べて温度が低く、ケーシングの底板上に配設される断熱材の厚みを薄くしてここに嵌入配置することも可能となるのである。【００２２】
熱交換器の形式としては、水平な平面状の空気流路と排ガス流路が交互に積層されると共に、当該熱交換器に導入された空気が、蒸発器から流入した燃焼排ガスと並列的かつ対向流的に熱交換する積層薄型タイプが、それ自体の高さが低く、モジュール高抑制の点から好ましく、なかでも特に、最下段の流体流路を空気流路としたものが、底面の温度が低く、その下の断熱材の厚みをより薄くできる点から好ましい。【００２３】
蒸発器の運転温度はセルスタックの運転温度より低く、ケーシング内の雰囲気温度より低くなる。このため、蒸発器はケーシング内で専用の断熱材により部分断熱するのが好ましい。【００２４】
改質器及び蒸発器の構造については、内部を燃焼排ガスが縦方向に通過する排ガス流路とされた内管の外側に円筒状空間を介して外管を同心円状に配置した２重管構造が、構造が簡単で熱交換効率が高く小型化も容易なために好ましく、両者の排ガス流路を接続配管で接続するのも容易である。すなわち、内部を燃焼排ガスが縦方向に通過する排ガス流路とされた燃焼排ガス配管としては、２重管の内管が好ましいということである。【００２５】
蒸発器の内管と外管との間に形成された円筒状空間に水を供給する給水管については、蒸発器の内管内へ挿入する内装形式でもよいが、前記円筒状空間の下側に位置して内管の外側に装着された螺旋管を使用する外装形式でもよい。給水管が破損したときのことを考えると、後者の外装形式の方が内部リークがなく、好ましい。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の燃料電池モジュールは、改質器及び蒸発器を独立した縦形としてセルスタック横に奥行き方向に並べて併置すると共に、改質器及び蒸発器の加熱のために燃焼排ガスが通過する両者の排ガス流路を上側で接続配管により直列に接続したことにより、改質器及び蒸発器の各高さが大幅に低くなるので、上側の接続配管による高さ増大分を考慮しても、個々の高さを２段縦式の場合よりも高くできると共に、その結果として個々の太さを小さくできる。その結果、改質器及び蒸発器を共にセルスタックの横に奥行き方向に並んで効率よく併置、並列することが可能となり、セルスタックの高さ及び奥行きによる制限範囲内でモジュール幅を小さくすることが可能となる。【００２７】
また、改質器及び蒸発器の各排ガス流路を上側で接続する接続配管は、セルスタックに対して、スタート時にはヒーターとして機能して起動時間短縮に寄与し、定格運転時にはクーラーとして機能して発電効率向上に寄与する。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１Ａ】本発明の一実施形態を示す燃料電池モジュールの概略構成図で、平面図である。
【図１Ｂ】同燃料電池モジュールの概略構成図で、正面図である。
【図２】同燃料電池モジュールに使用されている主機及び補機の構成図である。
【図３Ａ】同補機のなかの蒸発器の構成図で、同蒸発器の最下部の横断面図である。
【図３Ｂ】同蒸発器の構成図で、同蒸発器の中段部分の横断面図である。
【図４】同補機の別の構成図である。
【図５】同補機の更に別の構成図で、改質器の内管構造を示す。
【図６Ａ】従来の燃料電池モジュールの概略構成図で、平面図である。
【図６Ｂ】従来の燃料電池モジュールの概略構成図で、正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下に本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００３０】
本実施形態の燃料電池モジュールは、図１Ａ及び図１Ｂに示すように、燃料電池システムの主体である発電部としてのセルスタック１０と、セルスタック１０に原料ガスとして供給する水素リッチの改質ガスを生成する改質器２０と、その改質に使用する水蒸気を生成する蒸発器３０と、セルスタック１０から排出されるオフガス、すなわち未反応の改質ガス及び空気を燃焼させることにより生じる燃焼排ガスを利用して当該セルスタック１０に供給する空気を予熱する熱交換器４０とを備えており、これらを矩形のケーシング５０内に一纏めに収容した構成とされている。
【００３１】
セルスタック１０は、図２に示すように、直方体状の積層体からなる本体１１と、これを収容するケーシング１２とからなる。セルスタック１０の本体１１は、燃料電池の最小構成単位である水平な平板型の単電池セルを集電体と共に挟みながら、同じく水平な板状のインターコネクタ（セパレータ）を板厚方向に積層し、その積層体を積層方向に加圧保持することにより構成されている。燃料電池はここでは固体酸化物型であるので、個々の単電池セルは、イットリア安定化ジルコニアからなる固体電解質層と、固体電解質層の一方の表面側に積層配置されたＮｉとＹＳＺのサーメットからなる燃料極と、固体電解質層の他方の表面側に積層配置されたランタンストロンチウムマンガナイト（ＬＳＭ）からなる薄い空気極とからなる３層構造の矩形平板である。
【００３２】
セルスタック１０に対して、水素リッチの改質ガス及び酸化性ガスとしての空気は下面に設けられた改質ガス導入口１３及び空気導入口１４から導入される（図１Ａ参照）。導入された改質ガス及び空気は各単電池セルに並列的に供給され、各単電池セルを水平方向に通過する過程で発電に寄与する。各単電池セルでの電池反応に使用された後に残る未反応の改質ガス及び空気は集合して下面の改質ガス排出口１５及び空気排出口１６から下方へ排出される（図１Ａ参照）。
【００３３】
主機であるセルスタック１０に補機として組み合わされる改質器２０及び蒸発器３０は共に縦形の円筒形状であり、セルスタック１０の奥行き方向に並んだ状態で、当該セルスタック１０の真横に併置されている（図１Ａ及び図１Ｂ参照）。
【００３４】
手前に位置する改質器２０は、図２に示すように、外管２１の中心部を内管２２が貫通した２重管構造であり、外管２１の両端部は内管２２の外側で閉止されて外管２１と内管２２との間に円筒状空間２３を形成している。そして、その円筒状空間２３には、両端部のガス流通用の空間を残して、水蒸気改質用の触媒２４が充填されている。
【００３５】
改質器２０の奥に位置する蒸発器３０は、同じく図２に示すように、改質器２０における外管２１及び内管２２と同様に同心状に組み合わされた外管３１及び内管３２を有し、更に内管２２の中心部に給水管３４が挿入された３重管構造である。すなわち、蒸発器３０自体は、外管３１と内管３２とを組み合わせた２重管構造であるが、内管３２の中心部に給水管３４が挿入されることにより、結果的に３重管構造となっているのである。
【００３６】
改質器２０における内管２２及び蒸発器３０における内管３２は、内部を燃焼排ガスが通過する排ガス流路とされた燃焼排ガス配管であり、上端部同士が逆Ｕ状の配管６０により接続されると共に、入口部である内管２２の下端部に燃焼装置２５が取付けられている。燃焼装置２５には、セルスタック１０から下方へ排出される未反応の改質ガス及び空気が導入されて燃焼を開始する。これにより、その燃焼排ガスが内管２２内を上昇し、接続配管６０を経由して内管３２内を下降し、下方の熱交換器４０へ送られる。接続配管６０はヒーター及びクーラーを兼ねるため、管内外の熱交換効率に優れた単管であり、且つ断熱材による被覆がなされていない裸管とされている。
【００３７】
蒸発器３０は、ここでは、改質効率向上の点から、生成した水蒸気を、改質ガスの原料となる都市ガス等のメタン系ガスと混合する混合部を兼ねた構成になっている。これに関連して、内管３２内の給水管３４は、図３Ａに示すように、垂直な内管２３の中心部に垂直に挿入されており、その下端部は外管３１と内管３２との間の円筒状空間３３の下端部と接続配管３７により接続されている。また、円筒状空間３３の下端部からは、改質ガスの原料となる都市ガス等のメタン系ガスが、外管３１内周面の接線方向に導入される。円筒状空間３３の中段部には、図３Ｂに示すように、鍔状の集気板３５が複数段に設けられている。複数の集気板３５は、内周部の周方向一部に設けられた通気孔３６が周方向に段階的に変位するように多段配置されている。
【００３８】
円筒状空間３３の上端部は、水平な接続配管６１により、改質器２０における外管２１と内管２２との間の円筒状空間２３の上端部と連通しており、円筒状空間２３の下端部は、図示されない接続配管により、セルスタック１０の下面に設けられた改質ガス導入口１３と接続されている。
【００３９】
セルスタック１０の横に併置された改質器２０及び蒸発器３０の各高さｈは、前述したとおり、上側の接続配管６０及び下側の燃焼装置２５までを含めた高さであり、セルスタック１０の高さＨと同程度とされている（図１Ｂ参照）。セルスタック１０の高さＨも、前述したとおり、セルスタック１０の下側に配置された補機との接続配管１７までをも含めた高さである。また、改質器２０と蒸発器３０を合わせた補機の奥行きは、セルスタック１０の奥行きと同等である（図１Ａ参照）。
【００４０】
熱交換器４０は、セルスタック１０の横に併置された改質器２０及び蒸発器３０の真下に配置されている（図１Ａ及び図１Ｂ参照）。この熱交換器４０は、奥行き方向に長い直方体であり、且つ水平な平面状の空気流路４１と、同じく水平な平面状の排ガス流路４２とが交互に積層された多段、多層構造である。そして、最下段の層は空気流路４１である。
【００４１】
熱交換器４０の長手方向の一端部上面には、蒸発器３０における内管３２の下端部、すなわち燃焼ガス配管の出口部が接続されている。長手方向の一端部上面側から導入された燃焼排ガスは、熱交換器４０内の排ガス流路４２を長手方向の他端部に向かって流通し、長手方向の他端部下面に設けられた排ガス排出管４３から排出される。熱交換器４０の長手方向の他端部下面には空気導入管４４が設けられている。長手方向の他端部下面から導入された空気は、熱交換器４０内の空気流路４１を長手方向の一端部に向かって流通し、長手方向の一端部上面に設けられた空気排出管４５から排出される。空気排出管４５は、図示されない接続配管により、セルスタック１０の下面に設けられた空気導入口１４と接続されている（図１Ａ参照）。
【００４２】
これにより、前記空気導入管４４から熱交換器４０内の複数の空気流路４１に導入された常温の空気が、長手方向の一端部に向かう過程で、同じく熱交換器４０内の複数の排ガス流路４１に導入された燃焼排ガスと並列的かつ対向流的に熱交換されることにより予熱され、長手方向の一端部に設けられた空気排出管４５から図示されない接続配管を経てセルスタック１０内へ下面の空気導入口１４から導入される。
【００４３】
セルスタック１０と共にこれらの補機を収容するケーシング５０は、耐熱金属からなる矩形のボックスであり、内面に沿って配設された断熱材５１により外部と熱的に遮断されている。改質器２０及び蒸発器３０の真下に配置された熱交換器４０は、セルスタック１０より下のレベルに位置しており、これを実現するためにケーシング５０の底板上の断熱材５１の対応部分を薄くし、これにより形成された窪みに収容されている。
【００４４】
また、ケーシング５０内の補機のうち、蒸発器３０を別の断熱材５２により包囲することにより、蒸発器３０に対し部分断熱を実施して断熱性を強化している。
【００４５】
次に、本実施形態の熱交換器モジュールの機能について説明する。
【００４６】
定格運転中は、セルスタック１０の横に配置された蒸発器３０の外管３１と内管３２との間の円筒状空間３３の下端部に改質ガスの原料となるメタン系ガスとして都市ガス（１３Ａ）が供給される。これと共に、蒸発器３０の給水管３４に水が供給される。また、蒸発器３０と共にセルスタック１０の横に配置された改質器２０及び蒸発器３０の下に配置された熱交換器４０に、下面の空気導入管４４から酸化性ガスとして空気が供給される。セルスタック１０からは、未反応の改質ガス（水素リッチガス）及び空気が改質器２０の燃焼装置２５に送られる。
【００４７】
セルスタック１０から燃焼装置２５へ未反応の改質ガス（水素リッチガス）及び空気が送られることにより、燃焼が起きる。燃焼装置２５は、改質器２０における内管２２の下端部に取付けられていることから、その燃焼排ガスが前記内管２２内を上昇し、逆Ｕ状の接続配管６０内を通って蒸発器３０における内管３２内を下降し、更に下方の熱交換器４０を通過する。
【００４８】
燃焼排ガスは１０００℃前後の高温であり、改質器２０における内管２２内を上昇する過程で外管２１との間の円筒状空間２３に充填された水蒸気改質用の触媒２４を内側から加熱する。また、蒸発器３０における内管３２内を下降する過程で内管３２内を加熱すると共に、内管３２内の給水管３４を外側から加熱し、更に外管３１との間の円筒状空間３３を内側から加熱する。これにより、給水管３４に供給された水が管内で蒸発し、水蒸気が前記円筒状空間３３の下端部内に供給され、その下端部内に供給される都市ガス（１３Ａ）と混合する。その結果、都市ガス（１３Ａ）と水蒸気の混合ガスが前記円筒状空間３３内を加熱されながら上昇する。
【００４９】
ここで、都市ガス（１３Ａ）は前記円筒状空間３３の下端部内に外側から接線方向に供給されることにより旋回流を形成するので、前記円筒状空間３３の下端部内に内側から半径方向に供給される水蒸気と効率よく混合する。加えて、前記円筒状空間３３には、複数の集気板３５が、内周部の周方向一部に設けられた通気孔３６が周方向に段階的に変位するように多段配置されている。これにより、都市ガス（１３Ａ）と水蒸気の混合ガスは集気板３５の通気孔３６を通過するごとに絞られるため、集合、拡散を繰り返し、しかも、通気孔３６が集気板３５の内管３２と接する内周部に周方向に変位して存在するため、円筒状空間３３内での都市ガス（１３Ａ）と水蒸気の混合が一層促進される。かくして、都市ガス（１３Ａ）と水蒸気の混合ガスが前記円筒状空間３３で効率よく加熱される。
【００５０】
ちなみに、燃焼排ガスの温度は、典型的な場合を示すならば、改質器２０を通過する過程で１０００℃から７５０℃程度に下がり、逆Ｕ状の連結配管６０を７５０℃程度で通過した後、蒸発器３０を通過する過程で７５０℃程度から５５０℃程度まで下がり、更に熱交換器４０を通過する過程で５５０℃程度から２５０℃程度まで下がる。
【００５１】
蒸発器３０で生成された高温の都市ガスと水蒸気の混合ガスは、接続配管６１を通って改質器２０の外管２１と内管２２との間の円筒状空間２３に充填された高温の触媒２４中を上から下に通過する。これにより、６００〜７００℃の水素リッチの水蒸気改質ガスが円筒状空間２３の最下部からセルスタック１０内に下面の改質ガス導入口１３から導入される。同時に、セルスタック１０内には酸化性ガスとしての空気が下面の空気導入口１４から導入される。この空気は熱交換器４０で予め加熱されている。
【００５２】
すなわち、熱交換器４０では、平面状の空気流路４１と排ガス流路４２が交互に積層され、熱交換器４０に導入された常温の空気が、蒸発器３０から流入した燃焼排ガスと並列的かつ対向流的に熱交換する薄型構造になっているため、積層厚（高さ）が小さく抑制されることになり、同時に４００℃以上に効率よく加熱される。
【００５３】
また、熱交換器４０は、燃焼排ガスの流通経路のなかで最も温度の低い機器である。しかも、最下段の流体流路が空気流路４１とされ、熱交換器４０なかでも下面が最も低温である。このため、ケーシング５０の内面、特に底板内面に沿って配設された断熱材５１を熱交換器４０の配置位置で薄くして、その凹部に熱交換器４０を挿入しても断熱上、問題は生じない。この配置法も熱交換器４０の薄型構造と合わせ、補機の高さ抑制に寄与する。
【００５４】
セルスタック１０では、６００〜７００℃の水蒸気改質ガスと４００℃以上の空気が、積層された単電池セルのそれぞれのアノード側とカソード側に並列的に流れることにより、各単電池セルで発電反応が起こり、所定の起電力を生じる。改質ガス及び空気は多めにセルスタック１０に供給されるので、未反応の改質ガス及び余剰の空気を生じ、これらが改質器２０の燃焼装置２５に送られ、燃焼排ガスの発生源となることは前述したとおりである。
【００５５】
ここで、セルスタック１０の運転温度は８００℃程度、ケーシング５０内の温度も８００℃程度である。一方、補機である改質器２０の運転温度はセルスタック１０と同じ８００℃程度であるが、蒸発器３０の運転温度は６００℃以下に維持する必要がある。このため、燃焼排ガスの流れに対して、改質器２０を上流側、蒸発器３０を下流側に位置させているが、ケーシング５０内の温度が８００℃程度となるため、改質器２０と蒸発器３０の位置関係だけでは対応できない。そこで、本実施形態の燃料電池モジュールでは、ケーシング５０内の蒸発器３０を、ケーシング５０の内面に沿って配設された断熱材５１とは別の断熱材５２により独立的に包囲して断熱することにより、蒸発器３０の運転温度を６００℃以下に維持している。
【００５６】
また、改質器２０の内管２２と蒸発器３０の内管３２を上側で連結する逆Ｕ状の接続配管６０の温度は前述したとおり７５０℃程度である。これはセルスタック１０の運転温度及びケーシング５０内の温度である８００℃程度よりも低い。このため、逆Ｕ状の接続配管６０は定格運転中はセルスタック１０に対するクーラーとして機能する。
【００５７】
逆に、運転スタート時には、改質器２０の内管２２と蒸発器３０の内管３２を上側で連結する逆Ｕ状の接続配管６０は、セルスタック１０に対するヒーターとして機能する。
【００５８】
すなわち、常温からのスタート時、蒸発器３０に都市ガス１３Ａが供給される。このとき蒸発器３０及び改質器２０は常温であるので、その都市ガス１３Ａは改質器２０における外管２１と内管２２との間の円筒状空間２３に充填された触媒２４中を素通りし、セルスタック１０に流入する。酸化性ガスである空気も熱交換器４０に供給されるが、その熱交換器４０が常温であるため、常温のままでセルスタック１０へ供給される。常温の都市ガス１３Ａと空気はセルスタック１０を素通りし、改質器１０の燃焼装置２５に流入する。ここで始めて都市ガス１３Ａが着火して燃焼を開始し、燃焼排ガスが改質器２０、接続配管６０、蒸発器３０及び熱交換器４０を通過し始める。
【００５９】
ここにおける燃焼排ガスは、運転中に未反応の改質ガスと空気との反応によって生じる燃焼排ガスと温度的に大差ない。このため、裸管、すなわち被覆のない金属管からなる接続配管６０は直ちに数１００℃に加熱され、ケーシング５０内の予熱、特にセルスタック１０の予熱に寄与する。
【００６０】
燃焼排ガスの流通により、改質器２０が３００℃以上になると、蒸発器３０に水が供給され始め、水蒸気が蒸発器３０の円筒状空間３３に供給され始める。これにより、加熱された都市ガス１３Ａと水蒸気の混合ガスが改質器２０へ送られ、改質器２０内の触媒２４中で反応し始めることにより、改質ガスの生成が始まる。そうなると、都市ガス１３Ａの燃焼排ガスに代わって改質ガスの燃焼排ガスが改質器２０、接続配管６０、蒸発器３０及び熱交換器４０に流れ始める。そして、セルスタック１０が運転開始温度に達するとセルスタック１０での発電が始まる。このときのセルスタック１０の予熱に接続配管６０からの放熱が寄与していることは前述したとおりである。
【００６１】
そして最終的には、セルスタック１０及び改質器２０が８００℃程度の定常温度に達することにより、前述した定常運転状態となる。
【００６２】
以上に説明した本実施形態の燃料電池モジュールの従来モジュールに対する優位性は以下のとおりである。
【００６３】
本実施形態の燃料電池モジュールでは、補機の構造として、主要な補機である改質器２０と蒸発器３０を独立した縦型の筒式とし、両者を奥行き方向に並べてセルスタック１０の横に近接併置した構造が採用されている。そして、両者の内側空間内に燃焼排ガスが縦方向に通過する排ガス流路を形成し、改質器２０を上流側、蒸発器３０を下流側として、両方の排ガス流路を上側で逆Ｕ状の接続配管６０により連結している。
【００６４】
図６Ａ及び図６Ｂに示す従来モジュール、すなわち円筒状の蒸発器の上に同じく円筒状の改質器を同心状に連結した２段の縦型筒式の補機をセルスタックの横に併置した燃料電池モジュールと比較すると、この従来モジュールでは主要な補機である改質器２０と蒸発器３０の各高さが大きくなり、この使用補機高さｈがモジュール１０の高さを支配する場合が少なくない。そうなるとモジュール１０の高さが主機であるセルスタック１０の高さＨに比して必要以上に高くなる。この主要補機高さｈを低くしようとすると、外径を大きくして内容量を確保する必要がある。
【００６５】
これに対し、本実施形態の燃料電池モジュールでは、改質器２０と蒸発器３０がセルスタック１０の横の別位置に独立的に立設されているので、主要補機高さｈが大幅に小さくなり、上側の接続配管５０までの高さを含めても、セルスタック１０の高さＨと同等レベルまでに抑えることができる。すなわち、モジュール高さを主機であるセルスタック１０により決定することが可能となる。また、それぞれの高さに余裕ができるので、外径を小さくしても内容量の確保が可能であり、その外径縮小が可能となる。したがってモジュール幅も小さく抑制することが可能となる。
【００６６】
具体的な数値で示すと、出力が１ｋＷ級の固体電解質型燃料電池モジュールの場合、図６Ａ及び図６Ｂに示す従来モジュールで、その高さをセルスタック１０の高さＨにより決定すると、典型的な例として高さが４００ｍｍ、横幅が４２０ｍｍ、奥行きが２９０ｍｍとなる。これが本実施形態の燃料電池モジュールの場合は、高さが４００ｍｍ、横幅が３７５ｍｍ、奥行きが２９０ｍｍとなり、横幅を４５ｍｍ縮小することが可能となる。
【００６７】
また、改質器２０と蒸発器３０の各排ガス流路の位置関係については、加熱温度の関係から前者を上流側、後者を下流側とする必要があるが、そのための構造が簡単である。すなわち、燃焼排ガスを改質器２０の下から導入し、蒸発器３０との間を上側で接続配管６０により繋いで蒸発器３０の下から排出すればよい。その接続配管６０が被覆のない金属裸管であるため、輻射熱がケーシング５０内に放出し、運転スタート時にはセルスタック１０に対する予熱器として機能し、定格運転蒸発にはセルスタック１０に対する冷却器として機能することは前述したとおりである。
【００６８】
一方でケーシング５０内の蒸発器３０を、ケーシング５０の内面に沿って配設された断熱材５１とは別の断熱材５２により包囲して熱遮断しているので、蒸発器３０の運転温度がケーシング５０内の温度（８００℃程度）より低い６００℃以下の最適温度に保持される。その蒸発器３０内では、円筒状空間３３への集気板３６の多段配置により都市ガスと水蒸気の効率的な混合、加熱が行われることは前述したとおりである。
【００６９】
これらにより、本実施形態の燃料電池モジュールは、大きさだけでなく、運転スタートから定格運転に達するまでの起動時間をも含めた総合的な運転性能に優れる。
【００７０】
蒸発器３０における給水管３４については、上述の実施形態では内管３２の中心部に上ら差し込む内装構造としたが、図４に示すように、外管３１の下側に位置して内管３２の外側に装着した螺旋管でもよい。螺旋状の給水管３４は、上端側から水を供給され、生成された水蒸気を下端部から、外管３１と内管３２との間の円筒状空間３３の下端部内に供給する構成になっている。蒸発器３０の高さ抑制のために外管３１の長さを小さくして、その下側に螺旋状の給水管３４の装着スペースを確保している。
【００７１】
外管３１の下側に位置して内管３２の外側に螺旋状の給水管３４を装着する縦列配置の外装構造によると、給水管３４が破損しても内管３２内あるいは外管３１と内管３２との間の円筒状空間３３に水がリークする危険性がなく、安全性に優れる。高さ抑制のために外管３１を短くし、外管３１と内管３２との間の円筒状空間３３の高さが小さくなっているが、螺旋状の給水管３４は、その高さに比して長さを大きくできるので、その高さは小さく抑制できる。したがって、給水管３４を縦列配置の外装構造とすることによる機能的な弊害は生じない。
【００７２】
改質器２０における燃焼装置２５は、図５に示すように、安定な着火燃焼のために点火ラグは点火ヒーターなどの点火器２６を設けたものでもよい。更に詳しく説明すると、運転スタート時に点火器２６のところに都市ガス（１３Ａ）を供給すると共に、空気の一部を供給し、ここに点火が容易な空気比の低い（都市ガス濃度の高い）予燃焼部を形成し、予燃焼部で生じた火炎に残りの空気を加えて本来の空気比による本燃焼、或いはそれ以上の空気比による希薄燃焼を行う本燃焼部を形成した二段燃焼方式を、この燃焼装置２５は採用している。
【００７３】
燃焼装置２５の上の内管３２の最下部内には、着火燃焼安定化のために、発泡状のセラミックス又は金属といった通気性の不燃体からなる保炎部２７が、前記本燃焼部の直上に位置して設けられており、前記内管３２の中段部内にも同様の保炎部２７が設けられている。前者の保炎部２７は下の本燃焼部からの燃焼排ガスにより赤熱化して、燃焼装置２５での安定燃焼に寄与し、後者の保炎部２７は蓄熱、保熱の機能を奏し、燃焼排ガスの熱エネルギーを改質器２０内の触媒２４に伝える。
【００７４】
改質器２０及び蒸発器３０を加熱するための燃焼排ガス配管、すなわち内部を燃焼排ガスが縦方向に通過する排ガス流路とされた燃焼排ガス配管の構造については、上述の実施形態では２重管の内管２２及び３２により構成して、改質器２０及び蒸発器３０の内側に配置する内装構造としたが、改質器２０及び蒸発器３０の外側に改質器２０及び蒸発器３０と熱交換可能に配置する外装構造としてもよい。ただし、実際上は燃焼排ガス配管を２重管の内管２２及び３２により構成することが好ましく、その構成の優位性は前述したとおりである。燃焼排ガスが縦方向に通過するとは、下から上に通過する上昇、或いは上から下に通過する下降という意味であり、必ずしも直進を意味するものではなく、螺旋状に進行する場合なども含む。
【００７５】
以上は本発明の一実施形態であり、本発明はこれに限定されない。例えば、上記実施形態は固体電解質型（ＳＯＦＣ型）燃料電池に関するものであるが、本発明はＭＣＦＣ型燃料電池、ＰＥＦＣ型燃料電池などの他形式の燃料電池システムにも適用可能である。
【符号の説明】
【００７６】
１０  セルスタック
１１  本体
１２  ケーシング
１３  改質ガス導入口
１４  空気導入口
１５  改質ガス排出口
１６  空気排出口
１７  接続配管
２０  改質器
２１  外管
２２  内管
２３  円筒状空間
２４  触媒
２５  燃焼装置
２６  点火器
２７  保炎部
３０  蒸発器
３１  外管
３２  内管
３３  円筒状空間
３４  給水管
３５  集気板
３６  通気孔
３７  接続配管
４０  熱交換器
４１  空気流路
４２  排ガス流路
４３  排ガス排出管
４４  空気導入管
４５  空気排出管
５０  ケーシング
５１，５２  断熱材
６０，６１  接続配管
【図１Ａ】
2014129656.tif 000003
【図１Ｂ】
2014129656.tif 000004
【図２】
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【図３Ａ】
2014129656.tif 000006
【図３Ｂ】
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【図４】
2014129656.tif 000008
【図５】
2014129656.tif 000009
【図６Ａ】
2014129656.tif 000010
【図６Ｂ】
2014129656.tif 000011
【国際調査報告】
2014129656.tif 000012
2014129656.tif 000013
2014129656.tif 000014
2014129656.tif 000015