(57)【要約】  【課題】  改質反応の向上したモジュールおよび燃料電池装置を提供する。  【解決手段】  本発明のモジュール１は、内部にガス流路を有し、空気と燃料ガスで発電を行う柱状のセル３を複数個配列してなるセルスタック５と、セルスタック５の上方に設けられた改質器７と、セルスタック５および改質器７を収納する収納容器２と、を有しており、収納容器２は、改質器７の一方の側方に位置する第１空間８ａと、改質器７の他方の側方に位置する第２空間８ｂと、改質器７の一方の側方に位置しており、セルスタック５よりも上方において第１空間８ａと接続され、燃焼排ガスを上方から下方に流す第１流路３０ａとを有しており、セル３の配列方向に直交する方向の断面において、第２空間８ｂの幅が、第１空間８ａの幅よりも広くなっている。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部にガス流路を有し、空気と燃料ガスで発電を行う柱状のセルを複数個配列してなるセルスタックと、
該セルスタックの上方に設けられた改質器と、
前記セルスタックおよび前記改質器を収納する収納容器と、を有しており、
前記収納容器は、
前記改質器の一方の側方に位置する第１空間と、
前記改質器の他方の側方に位置する第２空間と、
前記改質器の一方の側方に位置しており、前記セルスタックよりも上方において前記第１空間と接続され、燃焼排ガスを上方から下方に流す第１流路とを有しており、
前記セルの配列方向に直交する方向の断面において、前記第２空間の幅が、前記第１空間の幅よりも広くなっている
モジュール。
【請求項２】
前記第１空間は、前記改質器と前記第１流路を構成する内壁との間に設けられており、
前記内壁に前記第１空間側に向かって突出する凸部が設けられており、
該凸部は、前記第１空間と前記第１流路との接続部よりも下方に位置している
請求項１に記載のモジュール。
【請求項３】
前記凸部は、前記改質器に当接している
請求項２に記載のモジュール。
【請求項４】
前記セルの配列方向に直交する方向の断面において、前記改質器は断面が円形状である
請求項１乃至請求項３のうちいずれかに記載のモジュール。
【請求項５】
外装ケース内に、請求項１乃至請求項４のうちいずれかに記載のモジュールと、該モジュールの運転を行なうための補機とを収納してなることを特徴とするモジュール収容装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モジュールおよびモジュール収容装置に関する。
【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収納容器内に収納してなる燃料電池モジュール、およびこの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（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
このような燃料電池装置は、セルスタック装置と、これを収納する収納容器とを有している。セルスタック装置は、セルスタック、マニホールドおよび改質器を備えている。セルスタックは、複数個配列された燃料電池セルを有する。マニホールドは、燃料電池セルに燃料ガスを供給し、燃料電池セルを固定している。改質器は、セルスタックの上方に設けられており、マニホールドに接続されており、燃料電池セルに供給する燃料ガスを水蒸気改質にて生成する。なお、上述のような改質器は、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ことが好ましく、水を気化するための気化部と、改質反応を行なう改質触媒を備える改質部とを有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１５−１３７６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、このような改質器の内部空間においては、良好な改質反応に必要な温度に達していない部分が生じやすかった。従って、改質反応を向上させることが困難だった。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、改質反応を向上させることができるモジュールおよびモジュール収容装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のモジュールは、内部にガス流路を有し、空気と燃料ガスで発電を行う柱状のセルを複数個配列してなるセルスタックと、該セルスタックの上方に設けられた改質器と、前記セルスタックおよび前記改質器を収納する収納容器と、を有しており、前記収納容器は、前記改質器の一方の側方に位置する第１空間と、前記改質器の他方の側方に位置する第２空間と、前記改質器の一方の側方に位置しており、前記セルスタックよりも上方において前記第１空間と接続され、燃焼排ガスを上方から下方に流す第１流路とを有しており、前記セルの配列方向に直交する方向の断面において、前記第２空間の幅が、前記第１空間の幅よりも広くなっている。
【０００８】
本発明のモジュール収容装置は、外装ケース内に、上述のモジュールと、該モジュールの運転を行なうための補機とを収納してなる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明のモジュールによれば、改質反応を向上させることができるモジュールとすることができる。
【００１０】
また、本発明のモジュール収容装置は、上述のモジュールを有するので改質反応を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本実施形態のセルスタック装置の一例を備えるモジュールを示す外観斜視図である。
【図２】図１に示すモジュールの断面図である。
【図３】本実施形態のモジュールの他の例を示す断面図である。
【図４】本実施形態のモジュールの他の例を示す断面図である。
【図５】本実施形態のモジュールの他の例を示す断面図である。
【図６】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】
【００１２】
（モジュール）
図１は、本実施形態の改質器を備えてなるセルスタック装置を、収納容器内に収納してなるモジュールの一例を示す外観斜視図である。なお、以降の図において同一の部材については同一の番号を付するものとする。
【００１３】
図１に示す例のモジュール１においては、収納容器２の内部に、セルスタック装置１２が収納されている。セルスタック装置１２は、セルスタック５と、改質器６とを有している。セルスタック５は、立設して一列に配列された複数個のセル３と、隣接するセル３を電気的に直列に接続している集電部材（図示せず）とを有している。セル３は燃料ガスが流通するガス流路（図示せず）を有する。セル３の下端は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４に固定されている。改質器７はセルスタック５の上方に設けられており、セル３に供給する燃料ガスを生成する。
【００１４】
セルスタック５の両端部には、セルスタック５（セル３）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１においては、セルスタック装置１２が１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２つ備えていてもよい。
【００１５】
また、図１においては、セル３として、固体酸化物形の燃料電池セル３を例示している。このセル３は、支持体、燃料極層、固体電解質層および酸素極層を有している。支持体、燃料極層、固体電解質層および酸素極層は、この順で積層されている。なお、セル３の間では酸素含有ガスが流通する。セル３の構成については後述する。
【００１６】
また、本実施形態のモジュール１（セルスタック装置１２）においては、セル３が固体酸化物形の燃料電池セルであればよく、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２の形状も適宜変更することができる。
【００１７】
また、図１に示す改質器７においては、原燃料供給管１０を介して、天然ガスやメタンガス、さらには灯油等の原燃料が改質器７の内部に供給される。改質器７の内部において、原燃料と、水とで、水蒸気改質を行ない、燃料ガスを生成する。それゆえ、改質器７は、効率のよい改質反応である水蒸気改質を行うことができる。改質器７は、水を気化させるための気化部７Ａ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７Ｂとを備えている。そして、改質器７で生成された燃料ガスは、燃料ガス流通管９を介してマニホールド４に供給され、マニホールド４よりセル３の内部のガス流路に供給される。
【００１８】
また図１においては、収納容器２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１２を後方に取り出した状態を示している。ここで、図１に示したモジュール１においては、セルスタック装置１２を、収納容器２内にスライドして収納することが可能である。
【００１９】
図２は、図１に示したモジュール１を概略的に示す断面図である。図中の矢印は収納容器に供給された反応ガス、および収納容器の外部に排出される排ガスの流れを示している。
【００２０】
収納容器２は、第１空間８ａ、第２空間８ｂ、および第１流路３０ａを有している。
【００２１】
また、図２に示す例において、収納容器２は、さらに、第４流路３０ｄ、第２流路３０ｂ、第３流路３０ｃ、第１壁２０ａ、第２壁２０ｂ、第３壁２０ｃ、および第４壁２０ｄを有している。
【００２２】
収納容器２内部の、セルスタック５の一方の側面側において、第１壁２０ａおよび第４壁２０ｄが内側から順に設けられている。
【００２３】
収納容器２内部の、セルスタック５の他方の側面側において、第２壁２０ｂが設けられている。
【００２４】
収納容器２内部の、セルスタック５の上方側において、第３壁２０ｃが設けられている。
【００２５】
第４流路３０ｄは、セルスタック５の一方の側面側に位置しており、反応ガスを下方から上方に流している。第４流路３０ｄは、収納容器２の外壁と第４壁２０ｄとの間に位置している。
【００２６】
第２流路３０ｂは、セルスタック５の他方の側面側に位置しており、反応ガスを上方から下方に流している。第２流路３０ｂは、収納容器２の外壁と第２壁２０ｂとの間に位置している。
【００２７】
第３流路３０ｃは、セルスタック５の上方側に位置しており、反応ガスをセルスタック５の一方の側面側から他方の側面側に流している。第３流路３０ｃは、収納容器２の外壁と第３壁２０ｃとの間に位置している。第３流路３０ｃは、第２流路３０ｂの上端と、第４流路３０ｄの上端を接続している。
【００２８】
第１空間８ａは、改質器７の一方の側方に位置する。第１空間８ａとは、改質器７の一方の側面と、この一方の側面と対向している面との間に位置する空間である。
【００２９】
図２に示す例においては、改質器７の一方の側面と対向している面は、第１壁２０ａである。従って、第１空間８ａは、改質器７の一方の側面と、第１壁２０ａとの間に位置する空間である。
【００３０】
第２空間８ｂは、改質器７の他方の側方に位置する。第２空間８ｂとは、改質器７の他方の側面と、この他方の側面と対向している面との間に位置する空間である。
【００３１】
図２に示す例においては、改質器７の他方の側面と対向している面は、第２壁２０ｂである。従って、第２空間８ｂは、改質器７の他方の側面と、第２壁２０ｂとの間に位置する空間である。
【００３２】
第１流路３０ａは、改質器７の一方の側方に位置しており、セルスタック５よりも上方において第１空間８ａと接続され、燃焼排ガスを上方から下方に流している。第１流路３０ａは、第１空間８ａよりも改質器７から離れて位置している。第１流路３０ａは、セルスタック５の一方の側面側に位置しており、第４流路３０ｄよりも内側に設けられている。第１流路３０ａは、第１壁２０ａと第４壁２０ｄとの間に位置している。図２に示す例においては、第１流路３０ａと第１空間８ａとの接続部は、排ガス流通孔３２である。
【００３３】
以下において、収納容器２に供給される反応ガスと、収納容器２から排出される排ガスの流れ方について説明する。
【００３４】
収納容器２の底部には、反応ガス（図２においては空気）を収納容器２内に供給するための反応ガス供給管３０が接続されており、反応ガス供給管３０より供給される反応ガスは反応ガス導入部３６に流れる。反応ガス導入部３６は反応ガス導入口２８を介して第４流路３０ｄとつながっているため、反応ガス導入部３６に供給された反応ガスは、反応ガス導入口２８を通して第４流路３０ｄに流れる。
【００３５】
ここで、セルスタック５の一方の側面側に位置する第４流路３０ｄを上方に向けて流れた反応ガスは、第３流路３０ｃを、セルスタック５の一方の側面側から他方の側面側に流れて、セルスタック５の他方の側面側に位置する第２流路３０ｂに流れる。そして、第２流路３０ｂを上方から下方に流れた反応ガスは、第２壁２０ｂに設けられた反応ガス吹き出し口３３を通して、発電室２９内のセル３に供給される。
【００３６】
図２に示す例では、改質器７とセルスタック装置１２との間の空間で、セル３に供給されたが発電に利用されなかった残余の燃料ガスが燃焼される。
【００３７】
セル３より排出される排ガスや、残余の燃料ガスを燃焼させることにより生じる排ガスは、第１壁３０ａに設けられた排ガス流通口３２を通して第１流路３０ａに流入する。そして、第１流路３０ａを上方から下方に流れた排ガスは、排ガス収集口３９を通して反応ガス導入部３６の上部に設けられた排ガス収集部３８に流れた後、排ガス収集部３８に接続された排ガス排気管（不図示）を通して収納容器２の外部に排気される。
【００３８】
以上より、反応ガス供給管３０より供給される反応ガスは、反応ガス導入部３６を流れる間に、排ガス収集部３８を流れる排ガスと熱交換され、第４流路３０ｄを上方に流れる間に、第１流路３０ａを下方に流れる排ガスと熱交換され、第２流路３０ｂを下方に流れる間に、発電室２９内の熱と熱交換されることとなる。
【００３９】
発電室２９内は、セル３の発電により生じる熱や、セル３の上端側で発電に利用されなかった余剰の燃料ガスと空気とを燃焼させる場合の燃焼熱などにより高温となる。それゆえ、第２流路３０ｂや第３流路３０ｃを流れる反応ガスを発電室２９の熱と熱交換させることにより、高温の反応ガスをセル３に供給することができ、モジュール１（セル３）の発電効率を向上させることができる。
【００４０】
ところで、従来のモジュールにおいては、一般的に、セル３の配列方向に直交する方向の断面において、第１空間８ａおよび第２空間８ｂの幅が同一であることが多かった。よって、セル３から排出された残余の燃料ガスを燃焼させることにより生じた高温の排ガスを第２空間８ｂに多く流すことが困難だった。従って、改質器７の上方に回り込む排ガスの量を増大させることが困難なので、改質器７の上方の温度を上昇させることが困難だった。改質器７の上方は、残余の燃料ガスを燃焼させているセルスタック５の上端側に位置していないので、改質器７の下方よりも温度が低下しやすい。よって、改質器７の内部空
間のうち上方側では改質反応を十分進めることができなかった。
【００４１】
そこで、本実施形態のモジュール１においては、セル３の配列方向に直交する方向の断面において、第２空間８ｂの幅が、第１空間８ａの幅よりも広くなっている。これにより、セル３から排出された残余の燃料ガスを燃焼させることにより生じた高温の排ガスは、第１空間８ａではなく、第２空間８ｂを通りやすくなる。改質器７の他方の側方に位置する第２空間８ｂから、改質器７の一方の側方に位置する第１流路３０ａに流れる排ガスは、改質器７の上方の空間を通ることとなる。よって、改質器７の上方を通る排ガスの量が増大するので、温度が上昇しにくい改質器７の上方で効率的に温度を上昇させることができる。よって、改質器７の内部空間のうち上方側でも改質反応を向上させることができる。
【００４２】
図３は、本実施形態のモジュールの他の例を示す断面図である。
【００４３】
図３に示すように、第１空間８ａは、改質器７と第１流路３０ａを構成する内壁（第１壁２０ａ）との間に設けられており、内壁（第１壁２０ａ）に第１空間８ａ側に向かって突出する凸部６が設けられており、凸部６は、第１空間８ａと第１流路３０ａとの接続部よりも下方に位置しているとよい。図３に示す例においては、第１空間８ａと第１流路３０ａとの接続部は、排ガス流通孔３２である。この構成によれば、排ガスは凸部６で遮られることにより、さらに第１空間８ａを通りにくくなる。従って、排ガスはさらに第２空間８ｂを通りやすくなる。よって、改質器７の内部空間のうち上方側でも改質反応を向上させることができる。
【００４４】
図４は、本実施形態のモジュールの他の例を示す断面図である。
【００４５】
図４に示すように、凸部６は、改質器７に当接しているとよい。この構成によれば、排ガスは凸部６でさらに遮られやすくなり、さらに第１空間８ａを通りにくくなる。従って、排ガスはさらに第２空間８ｂを通りやすくなる。よって、改質器７の内部空間のうち上方側でも改質反応を向上させることができる。
【００４６】
図３および図４で示した凸部６は、第１壁２０ａと一体であっても良いし、別部材が第１壁２０ａに接合されていてもよい。なお、別部材は、第１壁２０ａおよび改質器７に当接させておくだけでもよい。
【００４７】
図３および図４で示した凸部６は、複数個のセル３の配列方向に沿って延びているとよい。この場合には、排ガスはさらに第１空間８ａを通りにくくなるので、より第２空間８ｂを通りやすくなる。
【００４８】
なお、図３および図４で示した凸部６は延びておらず、複数個のセル３の配列方向に一部のみ設けられていても良い。
【００４９】
図５は、本実施形態のモジュールの他の例を示す断面図である。
【００５０】
図５に示す例においては、改質器７は断面が円形状である。この例において、第１空間８ａとは、改質器７の一方の側面と、第１壁２０ａとが対向する空間である。第２空間８ｂとは、改質器７の他方の側面と、第２壁２０ｂとが対向する空間である。
【００５１】
図５に示すように、セル３の配列方向に直交する方向の断面において、第２空間８ｂの幅が、第１空間８ａの幅よりも広くなっている。ここで、「第１空間８ａの幅」、「第２空間８ｂの幅」とは、各空間において最も狭い幅をいう。この構成により、上述したよう
に、改質器７の内部空間のうち上方側でも改質反応を向上させることができる。
【００５２】
また、図５に示すように、改質器７は断面が円形状であることにより、改質器７の側方から上方に向かうに従って、改質器７と第３壁２０ｃとの間隔が次第に小さくなる。改質器７の上方では最も間隔が小さくなるので排ガスの流速が最も速くなる。従って、改質器７の上方において、最も排ガスの熱を改質器７に伝えることができる。よって、改質器７の内部空間のうち上方側でも改質反応を向上させることができる。
【００５３】
（セル）
以下に、本実施形態におけるセル３の一例について説明する。
【００５４】
セル３は、支持体、燃料極層、固体電解質層および酸素極層を有している。支持体、燃料極層、固体電解質層および酸素極層は、この順で積層されている。
【００５５】
支持体は、一対の対向する平坦面を有し、柱状（中空平板状等）であり導電性である。支持体の一方の平坦面上に燃料極層、固体電解質層および酸素極層が順次積層される。支持体の他方の平坦面上にはインターコネクタが設けられている。
【００５６】
燃料極層は、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。
【００５７】
固体電解質層は、燃料極層、空気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。
【００５８】
空気極層は、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。
【００５９】
支持体としては、燃料ガスを燃料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、支持体としては、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。セル３を作製するにあたり、燃料極層または固体電解質層との同時焼成により支持体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体を形成することが好ましい。また、支持体は、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、支持体の形状は柱状であれば良く、円筒状であってもよい。
【００６０】
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体に形成されたガス流路を流通する燃料ガス、および支持体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。
【００６１】
そして、各セル３間には、セル３を電気的に接続するために集電部材が介装され、このような集電部材は、弾性を有する金属または合金からなる部材あるいは金属繊維または合金繊維から成るフェルトに所要の表面処理を加えた部材から構成することができる。
【００６２】
上述したセル３、集電部材および導電部材を組み合わせ、マニホールド４に固定するとともに、改質器６をマニホールド４と接続することで、本実施形態のセルスタック装置１２とすることができる。
【００６３】
（モジュール収容装置）
図６は、外装ケース内に図１で示したモジュール１と、モジュール１を動作させるための補機（図示せず）とを収納してなる本実施形態のモジュール収容装置の一例を示す分解斜視図である。なお、図６においては一部構成を省略して示している。
【００６４】
図６に示すモジュール収容装置３６は、支柱３７と外装板３８から構成される外装ケース内を仕切板３９により上下に区画し、その上方側を上述したモジュール１を収納するモジュール収納室４０とし、下方側をモジュール１を動作させるための補機を収納する補機収納室４１として構成されている。なお、補機収納室４１に収納する補機を省略して示している。
【００６５】
また、仕切板３９には、補機収納室４１の空気をモジュール収納室４０側に流すための空気流通口４２が設けられており、モジュール収納室４０を構成する外装板３８の一部に、モジュール収納室４０内の空気を排気するための排気口４３が設けられている。
【００６６】
このようなモジュール収容装置３６においては、上述したように、改質反応の向上したモジュール１をモジュール収納室４０に収納し、モジュール１を動作させるための補機を補機収納室４１に収納して構成されることにより、改質反応の向上したモジュール収容装置３６とすることができる。
【００６７】
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。
【００６８】
上述の例ではいわゆる縦縞型と呼ばれるセル３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。
【符号の説明】
【００６９】
１：モジュール
２：収納容器
３：セル
４：マニホールド
５：セルスタック
６：凸部
７：改質器
８ａ：第１空間
８ｂ：第２空間
１１：断熱材
１２：セルスタック装置
３０ａ：第１流路
【図１】
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【図２】
2017117533.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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