(57)【要約】【課題】コンパクト且つ簡単な構成で、燃料電池スタック全体を均一に昇温させることを可能にする。【解決手段】燃料電池モジュール１０は、燃焼器１４に接続されるとともに、燃料電池スタック１２に沿って上方に延在する燃焼ガス通路部材１６を備える。燃焼ガス通路部材１６には、燃焼ガス通路５８ａ、５８ｂと燃焼ガス導出口６０ａ、６０ｂとが設けられる。燃焼ガス通路５８ａ、５８ｂは、燃焼器１４から発生する燃焼ガスを上方に向かって流通させる一方、燃焼ガス導出口６０ａ、６０ｂは、前記燃焼ガス通路５８ａ、５８ｂに連通し、燃料電池スタック１２の側面１２ａ、１２ｂに向かって前記燃焼ガスを放出させる。【選択図】図３
2017050192.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する複数の燃料電池セルを設けた燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックの下端に配置され、該燃料電池スタックを昇温させるための燃焼ガスを発生させる燃焼器と、
を備える燃料電池モジュールであって、
前記燃焼器に接続されるとともに、前記燃料電池スタックの側面に沿って上方に延在する通路部材を備え、
前記通路部材には、前記燃焼器から発生する前記燃焼ガスを上方に向かって流通させる燃焼ガス通路と、
前記燃焼ガス通路に連通し、前記燃料電池スタックの前記側面に向かって前記燃焼ガスを放出させる燃焼ガス導出口と、
が設けられることを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池モジュールにおいて、前記燃料電池スタックは、平板型の複数の前記燃料電池セルが上下方向に積層された平板積層型燃料電池スタックであり、
前記燃料電池スタックの上端及び下端には、前記燃料電池セルを固定するエンドプレートが設けられる一方、
前記通路部材の上部には、前記燃料電池スタックの上方に向かって前記燃焼ガスを放出させる上部燃焼ガス導出口が設けられることを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池モジュールにおいて、少なくとも前記燃料電池スタック、前記燃焼器及び前記通路部材を収納するとともに、上端が密閉された筐体を備えることを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項４】
請求項３記載の燃料電池モジュールにおいて、前記筐体には、前記通路部材から放出された前記燃焼ガスを該筐体の外部に排出させる燃焼ガス排出口が設けられるとともに、
前記燃焼ガス排出口は、前記筐体の下部に配置されることを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項５】
請求項３又は４記載の燃料電池モジュールにおいて、前記筐体は、複数枚のパネルにより構成され、
前記複数枚のパネルの中、１枚のパネルには、前記酸化剤ガスを該筐体の外部から吸気させる酸化剤ガス吸気口が設けられる一方、前記１枚のパネルと反対側に位置する他のパネルには、前記酸化剤ガスを前記燃料電池スタックに供給する酸化剤ガス供給口が設けられ、
前記複数のパネルの内部には、前記酸化剤ガス吸気口から導入された前記酸化剤ガスを、前記酸化剤ガス供給口から前記燃料電池スタックに供給するとともに、前記燃焼ガスから受熱して前記酸化剤ガスを昇温させる酸化剤ガス供給通路が形成されることを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記燃焼器には、前記燃料電池スタックから排出される燃料排ガスと酸化剤排ガスとが供給されることを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記燃焼器は、両端が開放される燃焼室を有し、
前記通路部材は、前記燃焼室の一端に連通し且つ前記燃料電池スタックの一方の前記側面に沿って上方に延在する中空矩形状の第１ケーシング部材と、
前記燃焼室の他端に連通し且つ前記燃料電池スタックの他方の前記側面に沿って上方に延在する中空矩形状の第２ケーシング部材と、
を有することを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記燃焼器の底部には、炭化水素を主体とする原燃料を改質し、前記燃料電池スタックに供給される前記燃料ガスを生成する改質器が配置され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、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する複数の燃料電池セルを設けた燃料電池スタックを備える燃料電池モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
通常、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は、固体電解質に酸化物イオン導電体、例えば、安定化ジルコニアを用いている。固体電解質の両側にアノード電極とカソード電極とを配設した電解質・電極接合体（ＭＥＡ）は、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持されている。燃料電池は、通常、電解質・電極接合体とセパレータとが所定数だけ積層された燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
ＳＯＦＣは、他の燃料電池に比べて運転温度が比較的高温である。このため、ＳＯＦＣを高温（適正な運転温度）に維持する必要があり、従来から、種々の提案がなされている。
【０００４】
例えば、特許文献１に開示されている燃料電池発電システムが知られている。この燃料電池発電システムでは、有底筒状の複数本の固体酸化物形燃料電池セルが発電反応室に収納されている。発電反応室の上部には、隔壁によって仕切られた排空気室が形成され、前記発電反応室の下部中央部には、燃料ガス室が形成されている。発電反応室の下部には、燃料ガス室を周回して表面燃焼バーナーが配置されている。発電反応室、排空気室及び燃料ガス室の周囲には、断熱材層が配設されており、さらにその周囲には、モジュール容器が設置されている。
【０００５】
また、特許文献２に開示されている燃料電池装置が知られている。この燃料電池装置では、筐体の内部中央に燃料電池スタックが収容される発電室を設けている。発電室は、高断熱性を有する断熱層により区画されるとともに、前記断熱層の外周には、前記発電室から発生した排ガスを外部に排出させる排ガス流路が設けられている。さらに、排ガス流路の外周には、カソードガスを燃料電池スタックのカソードに供給させるカソードガス流路が設けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−２８００５３号公報
【特許文献２】特開２０１３−１３１３２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記の特許文献１では、発電反応室の下部に配置されている表面燃焼バーナーが駆動されて燃焼が行われることにより、輻射熱によって前記発電反応室の燃料電池セルが加熱されている。しかしながら、燃料電池セルは、下方からの輻射熱のみにより加熱されるため、前記燃料電池セルの上下方向全体に亘って均一に昇温させることができないという問題がある。
【０００８】
また、上記の特許文献２では、筐体内に発電室を中心にして断熱層、排ガス流路及びカソードガス流路が設けられている。このため、筐体全体が相当に大径化するとともに、発電室に収容される燃料電池スタック全体を均一に昇温させることができないという問題がある。
【０００９】
本発明は、この種の問題を解決するものであり、コンパクト且つ簡単な構成で、燃料電池スタック全体を均一に昇温させることが可能な燃料電池モジュール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】
【００１０】
本発明に係る燃料電池モジュールは、燃料電池スタックと燃焼器とを備えている。燃料電池スタックは、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する複数の燃料電池セルを設けている。燃焼器は、燃料電池スタックの下端に配置され、該燃料電池スタックを昇温させるための燃焼ガスを発生させている。
【００１１】
燃料電池モジュールは、燃焼器に接続されるとともに、燃料電池スタックの側面に沿って上方に延在する通路部材を備えている。通路部材には、燃焼器から発生する燃焼ガスを上方に向かって流通させる燃焼ガス通路と、前記燃焼ガス通路に連通し、燃料電池スタックの側面に向かって前記燃焼ガスを放出させる燃焼ガス導出口と、が設けられている。
【００１２】
また、燃料電池スタックは、平板型の複数の燃料電池セルが上下方向に積層された平板積層型燃料電池スタックであることが好ましい。その際、燃料電池スタックの上端及び下端には、燃料電池セルを固定するエンドプレートが設けられる一方、通路部材の上部には、前記燃料電池スタックの上方に向かって燃焼ガスを放出させる上部燃焼ガス導出口が設けられることが好ましい。
【００１３】
燃料電池スタックの下端に配置されるエンドプレートは、燃焼器からの燃焼熱により加熱される一方、前記燃料電池スタックの上端に配置されるエンドプレートは、上部燃焼ガス導出口から導出される燃焼ガスにより加熱されている。このため、特に低温になり易いエンドプレート側（両端側）の燃料電池セルが、必要以上に温度低下することがなく、前記燃料電池セルの発電性能を良好に維持することができる。
【００１４】
さらに、この燃料電池モジュールは、少なくとも燃料電池スタック、燃焼器及び通路部材を収納するとともに、上端が密閉された筐体を備えることが好ましい。従って、筐体内に放出された燃焼ガスを、燃料電池スタックの上部に確実に供給することが可能になり、前記燃焼ガスの燃焼熱を効率的に活用することができる。
【００１５】
さらにまた、筐体には、通路部材から放出された燃焼ガスを該筐体の外部に排出させる燃焼ガス排出口が設けられるとともに、前記燃焼ガス排出口は、前記筐体の下部に配置されることが好ましい。これにより、筐体内における燃焼ガスの滞留時間を長くすることが可能になり、燃料電池スタックを確実に昇温させることができる。
【００１６】
また、筐体は、複数枚のパネルにより構成されることが好ましい。その際、複数枚のパネルの中、１枚のパネルには、酸化剤ガスを筐体の外部から吸気させる酸化剤ガス吸気口が設けられている。一方、１枚のパネルと反対側に位置する他のパネルには、酸化剤ガスを燃料電池スタックに供給する酸化剤ガス供給口が設けられている。
【００１７】
ここで、複数のパネルの内部には、酸化剤ガス吸気口から導入された酸化剤ガスを、酸化剤ガス供給口から燃料電池スタックに供給するとともに、燃焼ガスから受熱して前記酸化剤ガスを昇温させる酸化剤ガス供給通路が形成されることが好ましい。
【００１８】
このため、酸化剤ガス供給通路の流路長が長尺化され、燃焼ガスとの熱交換により酸化剤ガスを確実に昇温させることが可能になり、前記酸化剤ガスを昇温させるために特別な熱交換器を用いる必要がない。しかも、燃料電池モジュールからの放熱を良好に抑制することができる。
【００１９】
さらに、燃焼器には、燃料電池スタックから排出される燃料排ガスと酸化剤排ガスとが供給されることが好ましい。従って、燃焼器は、起動用燃焼器として機能するとともに、定常運転時にオフガス燃焼器としての機能を兼用することが可能になる。
【００２０】
さらにまた、燃焼器は、両端が開放される燃焼室を有することが好ましい。その際、通路部材は、中空矩形状の第１ケーシング部材と、中空矩形状の第２ケーシング部材と、を有することが好ましい。第１ケーシング部材は、燃焼室の一端に連通し且つ燃料電池スタックの一方の側面に沿って上方に延在し、第２ケーシング部材は、前記燃焼室の他端に連通し且つ前記燃料電池スタックの他方の側面に沿って上方に延在している。
【００２１】
これにより、燃焼器から生成される燃焼ガスを、燃料電池スタックの昇温用熱源として効率的に活用することができ、前記燃料電池スタックを迅速に起動させることが可能になる。
【００２２】
また、燃焼器の底部には、炭化水素を主体とする原燃料を改質し、燃料電池スタックに供給される燃料ガスを生成する改質器が配置されることが好ましい。このため、改質器は、燃焼器からの熱により容易に昇温することができ、熱効率が向上する。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、燃料電池スタックは、燃焼器からの熱により下端側から上端側に向かって昇温されるとともに、燃焼ガス導出口から放出される燃焼ガスにより側面側から昇温される。従って、燃料電池スタックは、下端及び側面から昇温されることにより、コンパクト且つ簡単な構成で、前記燃料電池スタック全体を均一且つ迅速に昇温させることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池モジュールの概略斜視説明図である。
【図２】前記燃料電池モジュールの要部分解斜視説明図である。
【図３】前記燃料電池モジュールの、図１中、ＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。
【図４】前記燃料電池モジュールの、図１中、ＩＶ−ＩＶ線断面図である。
【図５】前記燃料電池モジュールの要部分解斜視説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
図１及び図２に示すように、本発明の実施形態に係る燃料電池モジュール１０は、定置用の他、車載用等の種々の用途に用いられる。燃料電池モジュール１０は、燃料電池スタック１２、燃焼器１４、燃焼ガス通路部材１６及び改質器１８を備え、これらが筐体２０内に収容される。燃料電池スタック１２は、長方形状を有するが、正方形状であってもよい。
【００２６】
図３及び図４に示すように、燃料電池スタック１２は、燃料ガス（水素ガスにメタン、一酸化炭素が混合した気体）と酸化剤ガス（空気）との電気化学反応により発電する複数の燃料電池セル２２を設ける。燃料電池セル２２は、平板状の固体電解質型燃料電池セルであり、鉛直方向（矢印Ａ方向）に積層されて平板積層型燃料電池スタックを構成する。
【００２７】
燃料電池セル２２は、例えば、安定化ジルコニア等の酸化物イオン導電体で構成される電解質の両面に、カソード電極及びアノード電極が設けられた電解質・電極接合体（ＭＥＡ）を備える。電解質・電極接合体の両側には、カソードセパレータとアノードセパレータとが配設される。カソードセパレータには、カソード電極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路が形成されるとともに、アノードセパレータには、アノード電極に燃料ガスを供給する燃料ガス流路が形成される。
【００２８】
燃料電池スタック１２は、燃料電池セル２２の積層方向両端に、すなわち、上端及び下端に、上部エンドプレート２４ｕ及び下部エンドプレート２４ｄが配置され、前記燃料電池セル２２を積層方向に押圧固定する。
【００２９】
図４に示すように、下部エンドプレート２４ｄには、各燃料電池セル２２に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス入口２６と、各燃料電池セル２２に燃料ガスを供給するための燃料ガス入口２８とが形成される。
【００３０】
下部エンドプレート２４ｄには、カソード電極に供給されて一部が消費された酸化剤ガス（以下、酸化剤排ガスともいう）又は起動前に前記カソード電極を通過した酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス出口３０が形成される。下部エンドプレート２４ｄには、アノード電極に供給されて一部が消費された燃料ガス（以下、燃料排ガスともいう）又は起動前に前記アノード電極を通過した燃料ガスを排出する燃料ガス出口３２が形成される。
【００３１】
酸化剤ガス入口２６には、酸化剤ガス供給部材（酸化剤ガス供給口）３４の一端（出口）が接続されるとともに、前記酸化剤ガス供給部材３４の他端（入口）は、後述するように、筐体２０に接続される。燃料ガス入口２８には、改質ガス供給管３６の一端（出口）が接続されるとともに、前記改質ガス供給管３６の他端（入口）は、後述する改質器１８の出口に接続される。
【００３２】
酸化剤ガス出口３０には、酸化剤ガス排出部材３８の一端が接続されるとともに、前記酸化剤ガス排出部材３８の他端は、燃焼器１４に接続される。燃料ガス出口３２には、燃料ガス排出管４０の一端が接続されるとともに、前記燃料ガス排出管４０の他端は、燃焼器１４に接続される。
【００３３】
燃焼器１４は、燃料電池スタック１２の下端（底面）に配置され、前記下端に沿って水平方向（矢印Ｂ方向）に延在する燃焼器ケーシング４２を備え、前記燃焼器ケーシング４２内には、燃焼室４４が形成される。図５に示すように、燃焼室４４の矢印Ｂ方向両側の端部４４ａ、４４ｂが開放される。燃焼室４４には、矢印Ｂ方向の中央部に位置して酸化剤ガス用ケーシング４６と燃料ガス用ケーシング４８とが鉛直方向（矢印Ａ方向）に積層して配置される。
【００３４】
図４及び図５に示すように、燃料ガス用ケーシング４８の下方に配置される酸化剤ガス用ケーシング４６は、一端が燃焼器ケーシング４２の外部に突出し、前記一端には、酸化剤ガス排出部材３８の他端が接続される。酸化剤ガス用ケーシング４６は、燃料電池スタック１２の長辺方向である矢印Ｃ方向（矢印Ｂ方向に直交する水平方向）に延在するとともに、長尺な両側面（両垂直面）には、それぞれ複数個の孔部５０ａ、５０ｂが形成される。孔部５０ａ、５０ｂは、燃焼室４４に開放される。
【００３５】
酸化剤ガス用ケーシング４６の上方に配置される燃料ガス用ケーシング４８は、前記酸化剤ガス用ケーシング４６よりも小型な薄板状に形成されるとともに、上面略中央には、燃料ガス排出管４０の他端が接続される。燃料ガス用ケーシング４８の長尺な両側面（両垂直面）には、それぞれ複数個の孔部５２ａ、５２ｂが形成される。孔部５２ａ、５２ｂは、燃焼室４４に開放される。
【００３６】
燃焼ガス通路部材１６は、図２及び図３に示すように、燃料電池スタック１２の長辺側の側面１２ａ、１２ｂに沿って上方に延在する。中空矩形状の第１ケーシング部材５４ａと、中空矩形状の第２ケーシング部材５４ｂとを有する。第１ケーシング部材５４ａ及び第２ケーシング部材５４ｂは、燃料電池スタック１２の上端位置よりも高い位置に上端が配置される（図３参照）。
【００３７】
図３及び図５に示すように、第１ケーシング部材５４ａの下部には、燃焼器ケーシング４２の一方の端部４４ａに連通する開口部５６ａが形成される。開口部５６ａは、第１ケーシング部材５４ａ内に形成され、燃焼ガスを上方に向かって流通させる燃焼ガス通路５８ａに連通する。
【００３８】
第１ケーシング部材５４ａの略中央高さ位置から上方には、燃料電池スタック１２の一方の側面１２ａに向かって燃焼ガスを放出させる複数の燃焼ガス導出口（孔部）６０ａが、上下に複数列を有して形成される。第１ケーシング部材５４ａの上部には、燃料電池スタック１２の上方に向かって燃焼ガスを放出させる上部燃焼ガス導出口６２ａが形成される。上部燃焼ガス導出口６２ａは、横長のスリット形状を有し、燃料電池スタック１２の上面よりも上方に開放される（図３及び図４参照）。
【００３９】
図５に示すように、第２ケーシング部材５４ｂの下部には、燃焼器ケーシング４２の他方の端部４４ｂに連通する開口部５６ｂが形成される。開口部５６ｂは、第２ケーシング部材５４ｂ内に形成され、燃焼ガスを上方に向かって流通させる燃焼ガス通路５８ｂに連通する。
【００４０】
第２ケーシング部材５４ｂの略中央高さ位置から上方には、燃料電池スタック１２の他方の側面１２ｂに向かって燃焼ガスを放出させる複数の燃焼ガス導出口（孔部）６０ｂが、上下に複数列を有して形成される。第２ケーシング部材５４ｂの上部には、燃料電池スタック１２の上方に向かって燃焼ガスを放出させる上部燃焼ガス導出口６２ｂが形成される。上部燃焼ガス導出口６２ｂは、横長のスリット形状を有し、燃料電池スタック１２の上面よりも上方に開放される。
【００４１】
改質器１８は、炭化水素を主体とする原燃料を改質（例えば、都市ガスである１３Ａと水蒸気との混合ガスを水蒸気改質）し、燃料電池スタック１２に供給される燃料ガスを生成する。改質器１８の入口には、原燃料供給管６４の一端が接続されるとともに、前記原燃料供給管６４の他端が原燃料供給源（図示せず）に接続される。改質器１８の出口には、改質ガス供給管３６の他端が接続される。
【００４２】
図２に示すように、筐体２０は、複数枚、例えば、６枚のパネル６６ａ〜６６ｆを備える。パネル６６ａ〜６６ｆは、一体化されており、底板６８とは、複数本のねじ７０を介して固定される。筐体２０内には、燃焼器１４、燃焼ガス通路部材１６及び改質器１８が収容されるとともに、燃焼ガスが充満される燃焼ガス室７２が形成される。燃焼ガス室７２は、パネル６６ａの下部（下端乃至下端近傍）に設けられる燃焼ガス排出口７４から外部に開放され、燃焼ガスを筐体２０の外部に排出する。筐体２０は、少なくとも上端（パネル６６ｅ）が密閉されている。
【００４３】
図３及び図４に示すように、パネル６６ａ〜６６ｆは、中空形状を有し、内部には、燃料電池スタック１２に供給する前の酸化剤ガスを流動させる酸化剤ガス供給通路７６が形成される。パネル６６ａ（１枚のパネル）には、酸化剤ガスを筐体２０の外部から吸気させる酸化剤ガス吸気口７８が設けられる。酸化剤ガス吸気口７８は、パネル６６ａの下部の一部を円環状に膨出成形することにより、二重管の内部に形成されるとともに、前記二重管の内側には、筐体２０内を外部に露出して燃焼ガス排出口７４が形成される。酸化剤ガス吸気口７８には、上下方向に延在する酸化剤ガス供給管８０が接続される。
【００４４】
パネル６６ａとは反対側に位置する他のパネル６６ｃには、酸化剤ガスを燃料電池スタック１２に供給する酸化剤ガス供給口８２が設けられる。酸化剤ガス供給通路７６は、酸化剤ガス吸気口７８から導入された酸化剤ガスを、酸化剤ガス供給口８２から燃料電池スタック１２に供給するとともに、燃焼ガスから受熱して前記酸化剤ガスを昇温させる熱交換器としての機能を有する。酸化剤ガス供給口８２には、酸化剤ガス供給部材３４の他端が接続される。
【００４５】
このように構成される燃料電池モジュール１０の動作について、以下に説明する。
【００４６】
燃料電池モジュール１０の起動時には、図１及び図４に示すように、酸化剤ガス供給管８０から酸化剤ガス吸気口７８に吸気された空気は、筐体２０の二重管構造で形成された酸化剤ガス供給通路７６に供給される。空気は、図４に示すように、酸化剤ガス供給通路７６に沿って流通した後、酸化剤ガス供給口８２から酸化剤ガス供給部材３４を通って下部エンドプレート２４ｄの酸化剤ガス入口２６に供給される。
【００４７】
空気は、各燃料電池セル２２内を通過して、酸化剤ガス出口３０から酸化剤ガス排出部材３８を通り、燃焼器１４の酸化剤ガス用ケーシング４６内に導入される。さらに、空気は、それぞれ複数個の孔部５０ａ、５０ｂを通って燃焼器ケーシング４２の燃焼室４４に供給される。
【００４８】
一方、原燃料供給管６４から改質器１８には、例えば、都市ガス（ＣＨ4、Ｃ2Ｈ6、Ｃ3Ｈ8、Ｃ4Ｈ10を含む）等の原燃料が供給される。なお、原燃料には、改質反応のため、水（水蒸気）を含ませてもよい。原燃料は、改質ガス供給管３６を通って下部エンドプレート２４ｄの燃料ガス入口２８に供給される。
【００４９】
原燃料は、各燃料電池セル２２内を通過して、燃料ガス出口３２から燃料ガス排出管４０を通り、燃焼器１４の燃料ガス用ケーシング４８内に導入される。さらに、原燃料は、それぞれ複数個の孔部５２ａ、５２ｂを通って燃焼器ケーシング４２の燃焼室４４に供給される。
【００５０】
このため、図５に示すように、燃焼室４４には、空気と原燃料とが混在し、図示しないグロープラグ等がオンされることにより着火され、燃焼が開始される。燃焼により生成された燃焼ガスは、燃焼室４４の両側の端部４４ａ、４４ｂから第１ケーシング部材５４ａの燃焼ガス通路５８ａ及び第２ケーシング部材５４ｂの燃焼ガス通路５８ｂに導入される。
【００５１】
燃焼ガスは、燃焼ガス通路５８ａ、５８ｂに沿って上方に流動するとともに、前記燃焼ガスの一部が、それぞれ複数の燃焼ガス導出口６０ａ、６０ｂから燃料電池スタック１２の側面１２ａ、１２ｂに向かって放出される。他の燃焼ガスは、燃焼ガス通路５８ａ、５８ｂの上部に連通する上部燃焼ガス導出口６２ａ、６２ｂから燃料電池スタック１２の上方に向かって放出される。従って、燃料電池スタック１２は、側面１２ａ、１２ｂ及び上部側から昇温される。
【００５２】
燃料電池スタック１２の下部には、燃焼器１４が配置されている。これにより、燃焼器１４からの輻射熱により、燃料電池スタック１２は、下部から昇温される。また、筐体２０内の燃焼ガス室７２には、燃焼ガスが充満されるため、この燃焼ガス室７２を周回する酸化剤ガス供給通路７６では、酸化剤ガスが燃焼ガスにより昇温される。
【００５３】
燃焼ガス室７２に充満された燃焼ガスは、パネル６６ａの下部に形成された燃焼ガス排出口７４から外部に排出されるとともに、酸化剤ガス供給管８０から酸化剤ガス吸気口７８に供給される空気を昇温させる。
【００５４】
しかも、燃焼器１４の下部には、改質器１８が配置されており、前記改質器１８は、前記燃焼器１４からの輻射熱及び燃焼ガス室７２の燃焼ガスにより昇温される。このため、改質器１８に供給された原燃料は、改質反応（例えば、水蒸気改質反応）により、Ｃ2+の炭化水素が除去（改質）されてメタンを主成分とする改質ガス（燃料ガス）が得られる。
【００５５】
改質ガスは、各燃料電池セル２２の燃料ガス系流路に供給される。一方、空気は、各燃料電池セル２２の酸化剤ガス系流路に供給される。改質ガス及び空気は、前述したように、燃焼ガスにより昇温されており、各燃料電池セル２２を直接昇温させる。
【００５６】
燃料電池スタック１２が運転に適した温度（発電可能温度）に昇温すると、前記燃料電池スタック１２による発電が開始される。すなわち、各燃料電池セル２２では、改質ガスと空気との化学反応により発電が行われる。図４に示すように、発電反応により燃料電池スタック１２から排出される空気である酸化剤排ガスは、酸化剤ガス出口３０から酸化剤ガス排出部材３８を通り、燃焼器１４の酸化剤ガス用ケーシング４６内に導入される。さらに、酸化剤排ガスは、それぞれ複数個の孔部５０ａ、５０ｂを通って燃焼器ケーシング４２の燃焼室４４に供給される。
【００５７】
燃料電池スタック１２から排出される燃料ガスである燃料排ガスは、燃料ガス出口３２から燃料ガス排出管４０を通り、燃焼器１４の燃料ガス用ケーシング４８内に導入される。さらに、燃料排ガスは、それぞれ複数個の孔部５２ａ、５２ｂを通って燃焼器ケーシング４２の燃焼室４４に供給される。
【００５８】
これにより、燃焼室４４では、燃料排ガスと酸化剤排ガスとが混合されて燃焼され、燃焼排ガスが発生する。この燃焼排ガスは、第１ケーシング部材５４ａの燃焼ガス通路５８ａ及び第２ケーシング部材５４ｂの燃焼ガス通路５８ｂに導入される。
【００５９】
この場合、本実施形態では、燃料電池モジュール１０は、燃焼器１４に接続されるとともに、燃料電池スタック１２の長辺側の側面１２ａ、１２ｂに沿って上方に延在する燃焼ガス通路部材１６を備えている。燃焼ガス通路部材１６には、燃焼ガス通路５８ａ、５８ｂと、燃焼ガス導出口６０ａ、６０ｂと、が設けられている。燃焼ガス通路５８ａ、５８ｂは、燃焼器１４から発生する燃焼ガスを上方に向かって流通させる一方、燃焼ガス導出口６０ａ、６０ｂは、前記燃焼ガス通路５８ａ、５８ｂに連通し、燃料電池スタック１２の側面１２ａ、１２ｂに向かって前記燃焼ガスを放出させる。
【００６０】
このため、燃料電池スタック１２は、燃焼器１４からの熱により下端側から上端側に向かって昇温されるとともに、燃焼ガス導出口６０ａ、６０ｂから放出される燃焼ガスにより側面１２ａ、１２ｂ側から昇温されている。従って、燃料電池スタック１２は、下端及び側面１２ａ、１２ｂから昇温されることにより、コンパクト且つ簡単な構成で、前記燃料電池スタック１２全体を均一且つ迅速に昇温させることが可能になるという効果が得られる。
【００６１】
また、燃料電池スタック１２は、平板型の複数の燃料電池セル２２が上下方向に積層された平板積層型燃料電池スタックである。その際、燃料電池スタック１２の上端及び下端には、燃料電池セル２２を固定する上部エンドプレート２４ｕ及び下部エンドプレート２４ｄが設けられている。そして、燃焼ガス通路部材１６の上部には、燃料電池スタック１２の上方に向かって燃焼ガスを放出させる上部燃焼ガス導出口６２ａ、６２ｂが設けられている。
【００６２】
燃料電池スタック１２の下端に配置される下部エンドプレート２４ｄは、燃焼器１４からの燃焼熱により加熱されている。一方、燃料電池スタック１２の上端に配置される上部エンドプレート２４ｕは、上部燃焼ガス導出口６２ａ、６２ｂから導出される燃焼ガスにより加熱されている。これにより、特に低温になり易い上部エンドプレート２４ｕ及び下部エンドプレート２４ｄ側の燃料電池セル２２が、必要以上に温度低下することがなく、前記燃料電池セル２２の発電性能を良好に維持することができる。
【００６３】
さらに、燃料電池モジュール１０は、少なくとも燃料電池スタック１２、燃焼器１４及び燃焼ガス通路部材１６を収納するとともに、上端が密閉された筐体２０を備えている。このため、筐体２０内に放出された燃焼ガスを燃料電池スタック１２の上部に確実に供給することが可能になり、前記燃焼ガスの燃焼熱を効率的に活用することができる。
【００６４】
さらにまた、筐体２０には、図４に示すように、燃焼ガス通路部材１６から放出された燃焼ガスを該筐体２０の外部に排出させる燃焼ガス排出口７４が設けられるとともに、前記燃焼ガス排出口７４は、前記筐体２０の下部に配置されている。従って、筐体２０内での燃焼ガスの滞留時間を長くすることが可能になり、燃料電池スタック１２を確実に昇温させることができる。燃焼ガス排出口７４は、筐体２０の下端部に配置してもよく、あるいは該下端部から上方に所定距離だけ離間して配置してもよい。
【００６５】
また、筐体２０は、複数枚、例えば、６枚のパネル６６ａ〜６６ｆにより構成されている。その際、パネル６６ａ（１枚のパネル）には、酸化剤ガスを筐体２０の外部から吸気させる酸化剤ガス吸気口７８が設けられている。一方、パネル６６ａと反対側に位置する他のパネル６６ｃには、酸化剤ガスを燃料電池スタック１２に供給する酸化剤ガス供給口８２が設けられている。
【００６６】
ここで、図３及び図４に示すように、パネル６６ａ〜６６ｆは、中空形状を有し、これらの内部には、酸化剤ガス供給通路７６が形成されている。酸化剤ガス供給通路７６は、酸化剤ガス吸気口７８から導入された酸化剤ガスを、酸化剤ガス供給口８２から燃料電池スタック１２に供給するとともに、燃焼ガスから受熱して前記酸化剤ガスを昇温させている。
【００６７】
これにより、酸化剤ガス供給通路７６の流路長が長尺化され、燃焼ガスとの熱交換により酸化剤ガスを確実に昇温させることが可能になり、前記酸化剤ガスを昇温させるために特別な熱交換器を用いる必要がない。しかも、燃料電池モジュール１０からの放熱を良好に抑制することができる。
【００６８】
さらに、燃焼器１４には、燃料電池スタック１２から排出される燃料排ガスと酸化剤排ガスとが供給されている。このため、燃焼器１４は、起動用燃焼器として機能するとともに、定常運転時にオフガス燃焼器としての機能を兼用することが可能になる。
【００６９】
さらにまた、燃焼器１４は、図３及び図５に示すように、両側の端部４４ａ、４４ｂが開放される燃焼室４４を有している。その際、燃焼ガス通路部材１６は、中空矩形状の第１ケーシング部材５４ａと、中空矩形状の第２ケーシング部材５４ｂと、を有している。第１ケーシング部材５４ａは、燃焼室４４の一方の端部４４ａに連通し且つ燃料電池スタック１２の一方の側面１２ａに沿って上方に延在している。第２ケーシング部材５４ｂは、燃焼室４４の他方の端部４４ｂに連通し且つ燃料電池スタック１２の他方の側面１２ｂに沿って上方に延在している。
【００７０】
従って、燃焼器１４から生成される燃焼ガスを、燃料電池スタック１２の昇温用熱源として効率的に活用することができ、前記燃料電池スタック１２を迅速に起動させることが可能になる。
【００７１】
また、燃焼器１４の底部には、炭化水素を主体とする原燃料を改質し、燃料電池スタック１２に供給される燃料ガスを生成する改質器１８が配置されている。これにより、改質器１８は、燃焼器１４からの熱により容易に昇温することができ、熱効率が向上する。
【符号の説明】
【００７２】
１０…燃料電池モジュール                  １２…燃料電池スタック
１４…燃焼器                              １６…燃焼ガス通路部材
１８…改質器                              ２０…筐体
２２…燃料電池セル                        ２４ｄ…下部エンドプレート
２４ｕ…上部エンドプレート                ３４…酸化剤ガス供給部材
３６…改質ガス供給管                      ３８…酸化剤ガス排出部材
４０…燃料ガス排出管                      ４２…燃焼器ケーシング
４４…燃焼室                              ４４ａ、４４ｂ…端部
４６…酸化剤ガス用ケーシング              ４８…燃料ガス用ケーシング
５０ａ、５０ｂ、５２ａ、５２ｂ…孔部      ５４ａ、５４ｂ…ケーシング部材
５６ａ、５６ｂ…開口部                    ５８ａ、５８ｂ…燃焼ガス通路
６０ａ、６０ｂ…燃焼ガス導出口            ６２ａ、６２ｂ…上部燃焼ガス導出口
６４…原燃料供給管                        ６６ａ〜６６ｆ…パネル
７２…燃焼ガス室                          ７４…燃焼ガス排出口
７６…酸化剤ガス供給通路                  ７８…酸化剤ガス吸気口
８０…酸化剤ガス供給管                    ８２…酸化剤ガス供給口
【図１】
2017050192.tif 000003
【図２】
2017050192.tif 000004
【図３】
2017050192.tif 000005
【図４】
2017050192.tif 000006
【図５】
2017050192.tif 000007