JP2010049944A - 燃料電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 より小型化を図ることが容易な燃料電池モジュールを提供すること。
【解決手段】 この燃料電池モジュールＦＣは、複数の燃料電池セル４と、複数の燃料電池セル４において発電反応に寄与しなかった残余の燃料ガスと残余の酸化剤ガスとが燃焼する燃焼部１８と、複数の燃料電池セル４に供給される酸化剤ガスが通過する流路を有する空気流路管７６ａ，７６ｂ，７７ａ，７７ｂと、を備え、空気流路管７６ａ，７６ｂ，７７ａ，７７ｂは、燃焼部１８を挟んで複数の燃料電池セル４とは反対側に配置されると共に、酸化剤ガスが流れる方向に沿った下面７６ａａ，７６ｂａ，７７ａａ，７７ｂａが燃焼部１８と向き合うように配置され、下面７６ａａ，７６ｂａ，７７ａａ，７７ｂａと燃焼部１８との間の少なくとも一部に、他の介在物が存在しない直接対向領域１９が形成されている。
【選択図】図６

Description

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとが一端側から他端側へと流れることによって作動する複数の燃料電池セルを含む燃料電池モジュールに関する。

燃料ガスと酸化剤ガスとが一端側から他端側へと流れることによって作動する複数の燃料電池セルを含む燃料電池モジュールにおいては、外部から被改質ガスとしての都市ガス等が供給され、その都市ガス等を改質触媒が収められた改質器に導入し、水素リッチな燃料ガスに改質した後に複数の燃料電池セルへと供給している。また、酸化剤ガスとしての空気も外部から供給されるものである。

下記特許文献１に記載の技術は、燃料電池セルを加熱するために、燃料電池セルが配置されているのと同じ空間において、発電反応に寄与しなかった残余の燃料ガスと残余の空気とを燃焼させている。また、燃焼熱による直接的な加熱に加えて、燃料電池セルに供給される空気を加熱するために、熱交換部を設けている。下記特許文献１の段落番号００３８以降に記載されているように、燃料電池セルの上方に酸素含有ガス収容室と熱交換器とを含む熱交換部を配置している。

また、燃料電池モジュールにおける燃料電池セルの加熱に着目した技術としては、下記特許文献２に記載されているようなものも提案されている。
特開２００３−２８２１２９号公報 特開２００２−２８００４１号公報

上記特許文献１に記載されている熱交換部は、燃料電池セルにおいて発電反応に寄与しなかった燃料ガスと空気とを燃焼させる領域よりも上方に形成されており、燃料電池セル側から順に酸素含有ガス収容室と熱交換器とが配置されている。熱交換器には上方から空気が供給され、その空気は酸素含有ガス収容室へと下って流れるように構成されている。一方、燃料電池セルにおいて発電反応に寄与しなかった燃料ガスと空気とが燃焼したことによって発生した排出ガスは、燃料電池セル上端近傍から酸素含有ガス収容室の外側を通って、熱交換器内へと流れ込んでいる。熱交換器内では、上方から下方へと流れる空気と、下方から上方へと流れる排出ガスとの間で熱交換が行われている。従って、燃料電池セルが立設されている方向に沿って、空気と排出ガスとが熱交換を十分に行えるような距離を確保する必要があり、この方向における小型化が困難であった。

そこで本発明では、より小型化を図ることが容易な燃料電池モジュールを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明に係る燃料電池モジュールは、燃料ガスと酸化剤ガスとが一端側から他端側へと流れることによって作動する複数の燃料電池セルと、前記複数の燃料電池セルにおいて発電反応に寄与しなかった残余の燃料ガスと残余の酸化剤ガスとが燃焼する燃焼部と、前記複数の燃料電池セルに供給される酸化剤ガスが通過する流路を有する酸化剤ガス流路部材と、を備える燃料電池モジュールであって、前記燃焼部は前記複数の燃料電池セルの他端側に形成され、前記酸化剤ガス流路部材は、前記燃焼部を挟んで前記複数の燃料電池セルとは反対側に配置されると共に、酸化剤ガスが流れる方向に沿った底面部が前記燃焼部と向き合うように配置され、前記底面部と前記燃焼部との間の少なくとも一部に、他の介在物が存在しない直接対向領域が形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、より小型化を図ることが容易な燃料電池モジュールを提供することができる。

本発明を実施するための最良の形態を説明するのに先立って、本発明の作用効果について説明する。

本発明に係る燃料電池モジュールは、燃料ガスと酸化剤ガスとが一端側から他端側へと流れることによって作動する複数の燃料電池セルと、前記複数の燃料電池セルにおいて発電反応に寄与しなかった残余の燃料ガスと残余の酸化剤ガスとが燃焼する燃焼部と、前記複数の燃料電池セルに供給される酸化剤ガスが通過する流路を有する酸化剤ガス流路部材と、を備える燃料電池モジュールであって、前記燃焼部は前記複数の燃料電池セルの他端側に形成され、前記酸化剤ガス流路部材は、前記燃焼部を挟んで前記複数の燃料電池セルとは反対側に配置されると共に、酸化剤ガスが流れる方向に沿った底面部が前記燃焼部と向き合うように配置され、前記底面部と前記燃焼部との間の少なくとも一部に、他の介在物が存在しない直接対向領域が形成されていることを特徴とする。

本発明では、燃料電池セルの内部及び近傍を流れてきた燃料ガスと酸化剤ガスとが燃焼する燃焼部に対して、燃料電池セルに酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路部材の底面部が向き合うように配置しているので、燃焼部における燃焼の結果排出される排出ガスを効率よく酸化剤ガス流路部材の底面部に当てることができる。更に、底面部と燃焼部との間の少なくとも一部には、他の介在物が存在しない直接対向領域が形成されているので、排出ガスの熱を他の介在物に奪われることなく、効率的に酸化剤ガス流路部材に伝えることができる。また、底面部は酸化剤ガスが流れる方向に沿った部分であり、排出ガスが流れる方向と交わるように底面部を配置しているので、排出ガスが燃焼部から流れる方向、すなわち燃料電池セルが立設する方向において小型化を図ることが容易に可能となる。

また、本発明に係る燃料電池モジュールでは、前記燃焼部において前記複数の燃料電池セルにおいて発電反応に寄与しなかった残余の燃料ガスと残余の酸化剤ガスとが燃焼することで発生するガスを含む排出ガスが、前記酸化剤ガス流路部材近傍を流れる方向と、前記酸化剤ガス流路部材内の流路を酸化剤ガスが流れる方向と、が交わるように、前記燃焼部に対して前記酸化剤ガス流路部材が配置されていることも好ましい。

この態様によれば、排出ガスが酸化剤ガス流路部材近傍を流れる方向と、酸化剤ガス流路部材内の流路を酸化剤ガスが流れる方向と、が交わるように、燃焼部に対して酸化剤ガス流路部材が配置されているので、排出ガスと酸化剤ガスとは交差しながら熱交換を行うことができる。従って、排出ガスと酸化剤ガスとの流れが互いに沿うような態様で熱交換を行うよりも燃料電池モジュールの小型化を図ることができる。

また、本発明に係る燃料電池モジュールでは、前記酸化剤ガス流路部材に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給管を備え、前記酸化剤ガス供給管から前記酸化剤ガス流路部材が２以上に分岐して繋がるように、前記酸化剤ガス流路部材が複数配置されていることも好ましい。

この態様によれば、酸化剤ガス流路部材が複数配置され、それぞれの酸化剤ガス流路部材に酸化剤ガス供給管から酸化剤ガスが分けて供給されるように構成されている。従って、それぞれの酸化剤ガス流路部材の流路断面積の総和を酸化剤ガス供給管の流路断面積よりも広く形成することが容易になり、酸化剤ガスの流速を遅くして熱交換をより効果的に行うことができる。

また、本発明に係る燃料電池モジュールでは、前記複数の燃料電池セルの他端側に所定間隔をおいて配置され、被改質ガスを改質して燃料ガスとする改質器を備え、前記改質器は前記酸化剤ガス流路部材の底面部よりも前記複数の燃料電池セル側に位置するように配置されていることも好ましい。

この態様によれば、改質器が酸化剤ガス流路部材の底面部よりも燃料電池セル側に位置するように配置されているので、排出ガスの熱を改質器に与えてから酸化剤ガス流路部材に与えることができる。従って、より効果的に熱を与えたい改質器に対して、優先的に排出ガスの熱を与えることができる。

また、本発明に係る燃料電池モジュールでは、前記改質器から前記複数の燃料電池セルに向かう方向において、前記改質器を挟んで少なくとも一対の前記酸化剤ガス流路部材が配置されていることも好ましい。

この態様によれば、優先的に排出ガスの熱を与える改質器を挟んで少なくとも一対の酸化剤ガス流路部材を配置しているので、熱の偏りを抑制し、効率的な熱交換を行うことができる。

以下、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。

図１は、本発明に係る燃料電池モジュールの一実施形態である燃料電池モジュールＦＣを示す斜視図であって、カバー部材を取り外した状態を示す図である。図２は、燃料電池モジュールＦＣの断面図であって、図１の矢印Ａ方向において、燃料電池モジュールＦＣの中央近傍における断面図である。図３は、燃料電池モジュールＦＣの断面図であって、図１の矢印Ｂ方向において、燃料電池モジュールＦＣの中央近傍における断面図である。尚、図２及び図３においては、断面のハッチングを省略している。

カバー部材（図１，３に明示しない。図２にその外形を二点鎖線で示す）は、正面側の側壁と、長手方向の一対の側壁と、背面側の側壁と、天井とによって直方体状に形成される。各側壁の下端部には、フランジ部が形成され、そのフランジ部をベース部材２に当接させることで、カバー部材とベース部材２とによって密閉される空間が形成されている。カバー部材とベース部材２とはボルト（図示しない）によって固定され、そのボルトがカバー部材に設けられた取り付け穴を貫通し、ベース部材２に設けられた取り付け穴２ａを貫通することで固定されている。

カバー部材とベース部材２とによって形成される内部空間は、仕切り板１５によって二つの空間に分離されている。仕切り板１５によって分離されている空間の内、燃料電池セルスタック４００が配置されている空間が発電室１６である。仕切り板１５によって分離されている空間の内、他方の空間が排気ガス室１７である。尚、カバー部材の内壁面と仕切り板１５とは、直接若しくは何らかの密着用部材（例えば、可撓性のある薄板部材）を介して間接的に密着している。

仕切り板１５は、ベース部材２に設けられた支持部材１５ａに戴置され、ベース部材２と所定距離を保って保持されている。支持部材１５ａは、仕切り板１５を長手方向の両端において支持するように一対設けられている。従って、一対の支持部材１５ａ，１５ａ間には隙間１５ｂが形成されている。カバー部材の壁面に設けられた排気ガス通路（図示しない）を通った排出ガスは、この隙間１５ｂから排気ガス室１７へと導入される。

仕切り板１５にはガスタンク３が載置されている。ガスタンク３には、燃料電池セルスタック４００が１０個並べて配置されており、ガスタンク３から燃料ガスが、それぞれの燃料電池セルスタック４００を構成する燃料電池セル４に供給される。

より具体的には、ガスタンク３の上面には、燃料電池セルスタック４００の下支持板４００ｂとほぼ同じ形状の開口部（図示しない）が設けられており、その開口部に下支持板４００ｂを密接させてガスタンク３と各燃料電池セルスタック４００とが接続されている。従って、燃料電池セルスタック４００を構成する燃料電池セル４は、その先端部分を上部側に向けてガスタンク３に立設されている。

各燃料電池セル４は、管状であり、燃料電池セル４の管内を燃料電池セル４の一方の端部から他方の端部へと流れるガスと、その管外を一方の端部から他方の端部へと流れるガスの作用により作動する。本実施形態では、燃料電池セル４の管内を流れるガスは、水素又は炭化水素燃料等を改質した改質ガス等の燃料ガスであり、燃料電池セル４の管外を流れるガスは、酸素を含む空気等の酸化剤ガスである。

ここで、燃料電池セル４を含む燃料電池セルユニット３０について、図４を参照しながら説明する。図４に示すように、燃料電池セルユニット３０は、燃料電池セル４によって形成され且つ上下方向に延びる管状構造体であり、円筒形の燃料電池セル４と、燃料電池セル４の一方の端部４ａに取付けられた内側電極端子４０と、他方の端部４ｂに取付けられた外側電極端子４２と、を有している。

燃料電池セル４は、円筒形の内側の電極層４４と、円筒形の外側の電極層４８と、これらの電極層４４、４８の間に配置された円筒形の電解質層４６と、内側の電極層４４の内側に構成される貫通流路５０とを有している。また、燃料電池セル４の一方の端部４ａに、内側の電極層４４が電解質層４６及び外側の電極層４８に対して露出した内側電極露出周面４４ａと、電解質層４６が外側の電極層４８に対して露出した電解質露出周面４６ａとが設けられている。燃料電池セル４の他方の端部４ｂは、外側の電極層４８が露出した外側電極露出周面４８ａによって構成されている。貫通流路５０は、燃料ガス流路として機能する。内側電極露出周面４４ａは、内側の電極層４４と電気的に通じる内側電極外周面でもある。外側電極露出周面４８ａは、外側の電極層４８と電気的に通じる外側電極外周面でもある。

内側の電極層４４は、例えば、Ｎｉと、ＣａやＹ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニアとの混合体、Ｎｉと、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリアとの混合体、Ｎｉと、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｕから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレートとの混合体、の少なくとも一種から形成される。電解質層４６は、例えば、Ｙ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニア、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリア、Ｓｒ、Ｍｇから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレート、の少なくとも一種から形成される。外側の電極層４８は、例えば、Ｓｒ、Ｃａから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンマンガナイト、Ｓｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンフェライト、Ｓｒ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれる少なくとも一種をドープしたサマリウムコバルト、銀、などの少なくとも一種から形成される。この場合、内側の電極層４４が燃料極になり、外側の電極層４８が空気極になる。内側の電極層４４の厚さは、例えば、１ｍｍであり、電解質層４６の厚さは、例えば、３０μｍであり、外側の電極層４８の厚さは、例えば、３０μｍであり、その外径は、例えば、１〜１０ｍｍである。

内側電極端子４０は、内側電極露出周面４４ａを全周にわたって外側から覆うように配置され且つそれと電気的に接続された本体部分４０ａと、本体部分４０ａから燃料電池セル４の長手方向に延びる管状部分４０ｂとを有している。本体部分４０ａ及び管状部分４０ｂは、円筒形であり且つ同心に配置され、管状部分４０ｂの管径は、本体部分４０ａの管径よりも細くなっている。管状部分４０ｂは、貫通流路５０と連通し且つ外部と通じる接続流路４０ｃを有している。本体部分４０ａと管状部分４０ｂとの間の段部４０ｄは、内側の電極層４４の端面４４ｂと当接している。

外側電極端子４２は、外側電極露出周面４８ａを全周にわたって外側から覆うように配置され且つそれと電気的に接続された本体部分４２ａと、本体部分４２ａから燃料電池セル４の長手方向に延びる管状部分４２ｂとを有している。本体部分４２ａ及び管状部分４２ｂは、円筒形であり且つ同心であり、管状部分４２ｂの管径は、本体部分４２ａの管径よりも細くなっている。管状部分４２ｂは、貫通流路５０と連通し且つ外部と通じる接続流路４２ｃを有している。本体部分４２ａと管状部分４２ｂとの間の段部４２ｄは、環状の絶縁部材５２を介して外側の電極層４８、電解質層４６及び内側の電極層４４の端面４４ｃと当接している。

内側電極端子４０の全体形状と外側電極端子４２の全体形状とは同一である。また、内側電極端子４０と燃料電池セル４、及び、外側電極端子４２と燃料電池セル４とは、その全周にわたって導電性のシール材５４によってシールされ且つ固定されている。シール材５４は、例えば、銀、銀とガラスの混合物、金、ニッケル、銅、チタンなどを含む各種ロウ材である。

内側電極端子４０の接続流路４０ｃ、燃料電池セル４の貫通流路５０、及び外側電極端子４２の接続流路４２ｃは、燃料電池セルユニット３０の管内流路３０ｃを構成する。

続いて、燃料電池セルユニット３０を含む燃料電池セルスタック４００について、図５を参照しながら説明する。燃料電池セルスタック４００は、１６本の燃料電池セルユニット３０と、上支持板４００ａと、下支持板４００ｂと、接続部材４００ｃと、外部端子４００ｄとを備えている。

上支持板４００ａ及び下支持板４００ｂは矩形であり、それぞれ、燃料電池セルユニット３０を２列×８行で支持するように燃料電池セルユニット３０の管状部分４０ｂ、４２ｂに嵌合する貫通孔（図に明示しない）を有している。上支持板４００ａ及び下支持板４００ｂは、電気絶縁性材料で形成されており、例えば、耐熱性のセラミックスで形成されている。具体的には、アルミナ、ジルコニア、スピネル、フォルステライト、マグネシア、チタニアなどを用いることが好ましい。

１６本の燃料電池セルユニット３０は、それらが電気的に直列に接続されるように配列されている。詳細には、燃料電池セルユニット３０は、隣接した燃料電池セルユニット３０の内側電極端子４０が交互に上側及び下側に配置されるように配列されている。更に、１６本の燃料電池セルユニット３０を電気的に直列に接続するための接続部材４００ｃが設けられている。接続部材４００ｃは、隣接した１つの内側電極端子４０と１つの外側電極端子４２とを電気的に接続する。直列に接続された１６本の燃料電池セルユニット３０の両端部の内側電極端子４０及び外側電極端子４２にはそれぞれ、外部と電気的な接続を行うための外部端子４００ｄが設けられている。接続部材４００ｃ、外部端子４００ｄは、例えば、ステンレス鋼、ニッケル基合金、クロム基合金などの耐熱金属や、ランタンクロマイトなどのセラミック材料で形成される。各燃料電池セルスタック４００の外部端子４００ｄは電気的に直列に接続されていて、その両端には電極棒１３，１４に接続されている。

図４及び図５を参照しながら説明したように、燃料電池セルスタック４００において、燃料電池セルユニット３０の内側電極端子４０が設けられている端部４ａと外側電極端子４２が設けられている端部４ｂとは上下交互になるように配置されている。

ここで、図１〜３に戻り、燃料電池モジュールＦＣの説明を続ける。本実施形態では、燃料電池セルスタック４００の上方に位置するように、改質器５が配置されている。改質器５には、配管６Ｃと配管６Ｄとが繋がれていて、これらの配管６Ｃ及び配管６Ｄによって、改質器５は燃料電池セルスタック４００と所定間隔をおいて上方に位置するように保持されている。配管６Ｃは、改質器５に被改質ガスとしての都市ガス、空気、及び水蒸気を供給するための配管であって、仕切り板１５に対して立設されている。配管６Ｄは、改質器５において改質された燃料ガスをガスタンク３に供給するための配管であって、ガスタンク３に対して立設されている。

配管６Ｃを通して改質器５に供給される都市ガス及び空気は、被改質ガス供給管６Ａを通って燃料電池モジュールＦＣ内に導入される。また、配管６Ｃを通して改質器５に供給される水蒸気は、水蒸気供給管６Ｂを通って燃料電池モジュールＦＣ内に導入される。被改質ガス供給管６Ａ及び水蒸気供給管６Ｂは、仕切り板１５を挟んで配管６Ｃとは反対側に設けられている混合室１５ｃに繋がっている。被改質ガス供給管６Ａから供給される都市ガス及び空気と、水蒸気供給管６Ｂから供給される水蒸気とは、この混合室１５ｃにおいて混合され、配管６Ｃへと供給される。

図１〜３には明示しないが本実施形態では、被改質ガス供給管６Ａと水蒸気供給管６Ｂとのそれぞれに電磁弁が取り付けられていて、それぞれの電磁弁は制御部としてのＣＰＵから出力される指示信号に応じて開閉し、改質器５に供給する被改質ガスと空気と水蒸気の比率を変更可能なように構成されている。

改質器５に導入された被改質ガスとしての都市ガス（水蒸気が混合されている場合もあり）及び空気（被改質ガスのみの場合もあり）は、改質器５内に収められている改質触媒によって改質される。改質された燃料ガスは、配管６Ｄを通ってガスタンク３へと供給される。改質器５に対して配管６Ｃが繋がっている部分と、改質器５に対して配管６Ｄが繋がっている部分とは、長手方向において一端近傍と他端近傍とに引き離されている。これによって、改質器５に供給された燃料ガス及び空気は改質触媒に十分に触れることが可能となる。

改質器５には、改質触媒が封入されている。改質触媒としては、アルミナの球体表面にニッケルを付与したもの、アルミナの球体表面にルテニウムを付与したもの、が適宜用いられる。これらの改質触媒は球体である。

本実施形態では、改質器５及び各燃料電池セルスタック４００を覆うように、流路部材７が設けられている。流路部材７は、空気流路外壁７１，７２と、空気分配室７３と、空気集約室７４，７５と、空気流路管７６ａ，７６ｂ，７７ａ，７７ｂ（酸化剤ガス流路部材）と、外壁７８，７９を有している。流路部材７は、長手方向に空気流路外壁７１，７２が、短手方向に外壁７８，７９が、それぞれ配置され、それらの部材によって箱状となるように形成されている。流路部材７は、改質器５及び各燃料電池セルスタック４００を覆うように、仕切り板１５に立設されている。続く説明では、流路部材７の仕切り板１５に当接する側を下方とし、その下方と反対側を上方として説明する。

空気分配室７３は、外壁７９の外側上方に取り付けられている。すなわち、空気分配室７３は、空気流路外壁７１，７２と外壁７８，７９とによって形成される箱状体の外側且つ短手側の上方に取り付けられている。空気分配室７３には、空気供給管７Ａ（酸化剤ガス供給管）が繋がれており、酸化剤ガスとしての空気が供給される。空気分配室７３には、空気流路管７６ａ，７６ｂ，７７ａ，７７ｂも繋がれている。

空気流路管７６ａ，７６ｂは、空気流路外壁７１，７２と外壁７８，７９とによって形成される箱状体の内側且つ長手側の上方に、空気流路外壁７１に沿うように配置されている。空気流路管７６ａは、空気流路外壁７１側に、空気流路管７６ｂは、空気流路管７６ａよりも内側に、それぞれ配置されている。空気流路管７６ａ，７６ｂの一端は外壁７９を貫通して空気分配室７３に繋がれており、他端は空気集約室７４に繋がれている。従って、空気分配室７３に流入した空気は、空気流路管７６ａ，７６ｂを通り、空気集約室７４へと流れ込んで再合流する。

空気流路管７７ａ，７７ｂは、空気流路外壁７１，７２と外壁７８，７９とによって形成される箱状体の内側且つ長手側の上方に、空気流路外壁７２に沿うように配置されている。空気流路管７７ａは、空気流路外壁７２側に、空気流路管７７ｂは、空気流路管７７ａよりも内側に、それぞれ配置されている。空気流路管７７ａ，７７ｂの一端は外壁７９を貫通して空気分配室７３に繋がれており、他端は空気集約室７５に繋がれている。従って、空気分配室７３に流入した空気は、空気流路管７７ａ，７７ｂを通り、空気集約室７５へと流れ込んで再合流する。

空気集約室７４，７５は、外壁７８の内側上方に取り付けられている。すなわち、空気集約室７４，７５は、空気流路外壁７１，７２と外壁７８，７９とによって形成される箱状体の内側且つ短手側の上方に取り付けられている。空気集約室７４は空気流路外壁７１と密着するように配置されており、空気集約室７４に流れ込んだ空気は空気流路外壁７１へと流れ出すように構成されている。一方、空気集約室７５は空気流路外壁７２と密着するように配置されており、空気集約室７５に流れ込んだ空気は空気流路外壁７２へと流れ出すように構成されている。

空気流路外壁７１，７２は、それぞれが二重壁構造となっていて、それぞれの内部を空気が流れることができるように構成されている。より具体的には、空気流路外壁７１は、上方から三室に分割された構造となっており、上方から順に、第一室７１１、第二室７１２、第三室７１３として形成されている。空気集約室７４から流れ込んだ空気は、第一室７１１に流れ込んだ後、第二室７１２に流れ込み、その後第三室７１３に流れ込む。同様に、空気流路外壁７２も、上方から三室に分割された構造となっており、上方から順に、第一室７２１、第二室７２２、第三室７２３として形成されている。空気集約室７５から流れ込んだ空気は、第一室７２１に流れ込んだ後、第二室７２２に流れ込み、その後第三室７２３に流れ込む。

第三室７１３，７２３にはそれぞれ、所定間隔をおいて複数の空気流入孔７１３ａ，７２３ａが形成されている。空気流入孔７１３ａ，７２３ａは、燃料電池セルスタック４００が連設されている方向に、各燃料電池セル４間の間隙に向かう位置であって、燃料電池セル４に対する上下方向の位置が略同一となるように、複数個形成されている。

空気流路外壁７１，７２に流れ込んだ空気は、空気流入孔７１３ａ，７２３ａを通って発電室１６内の燃料電池セル４近傍へと流れ込むように構成されている。空気流入孔７１３ａ，７２３ａを通って流れ込んだ空気は、燃料電池セル４の外側を通って各燃料電池セル４の下方から上方へと流れる。各燃料電池セル４の上方に至った空気は、各燃料電池セル４の管内流路を通った燃料ガスと合わせて燃焼される。

各燃料電池セルスタック４００の上方は、空気と燃料ガスとが混合して燃焼する燃焼部１８となっている。燃料ガスは、ガスタンク３から、燃料電池セルユニット３０の管内流路３０ｃを通り、燃焼部１８に向けて上昇する。また、燃料電池セル４の外側を流れる空気も、燃焼部１８に向けて上昇する。空気流路外壁７２の燃焼部１８に対応する部分には点火装置挿入穴７２４が設けられ、燃焼ガスと空気との燃焼を開始させるための点火装置（図示しない）が点火装置挿入穴７２４から燃焼部１８に突出されている。この点火装置により燃料ガスと空気とが混合して燃焼する。燃料電池セルスタック４００を構成する燃料電池セル４は、燃焼部１８によって上方から加熱される。また、空気流入孔７１３ａ，７２３ａを通って流れ込む空気も、上述したように空気流路管７６ａ，７６ｂ，７７ａ，７７ｂ、空気流路外壁７１，７２を通る間に、燃焼部１８における燃焼によって加熱される。

ここで、流路部材７内における排出ガスの流れについて、図６を参照しながら説明する。図６は、流路部材７内における排出ガスの流れを説明するために、図２と同じ方向から見た流路部材７内部の様子を模式的に示す図である。図６に示すように、各燃料電池セル４においては、その内部を流れる燃料ガスと、その外部を流れる空気との作用によって発電反応が行われる。その発電反応に寄与しなかった残余の燃料ガスと残余の空気は、各燃料電池セル４の上端において燃焼し、その排出ガスが上方へと立ち上る。燃料電池セル４群の上方には改質器５が配置されているので、排出ガスはこの改質器５を回避するように更に立ち上って行く。ここで、改質器５よりも上方に何も遮蔽物がなければ、改質器５を回避するように立ち上った排出ガスは、そのまま上方に立ち上り、改質器５の上面に回りこむ量は極めて少ないものとなる。

しかしながら、本実施形態の場合、改質器５よりも上方であって、改質器５と流路部材７の上端との間に空気流路管７６ａ，７６ｂ，７７ａ，７７ｂが設けられている。従って、改質器５の両脇から上方にかけての排出ガスの流路が実質的には狭められていることになり、この部分において排出ガスの流れが阻害されるように構成されている。そのため、改質器５の両脇から上方に立ち上った排出ガスは、空気流路管７６ａ，７６ｂ，７７ａ，７７ｂそれぞれの下面７６ａａ，７６ｂａ，７７ａａ，７７ｂａ（底面部）に当たってその流れが阻害され、空気流路管７６ａと空気流路管７６ｂとの間や、空気流路管７６ａと空気流路外壁７１との間、空気流路管７７ａと空気流路管７７ｂとの間、空気流路管７７ａと空気流路外壁７２との間に流れ込む。また、残りの排出ガスは空気流路管７６ｂと空気流路管７７ｂとの間、すなわち改質器５の上面側に流れ込む。このように改質器５の上面側に排出ガスを流れ込ませるように構成することで、改質器５の上面に排出ガスを接触させて、改質器５との間で熱交換を効果的に行わせることができる。

ここで、空気流路管７６ａ，７６ｂ，７７ａ，７７ｂと燃料電池セル４及び燃焼部１８との関係について説明する。図６に示すように、複数個並んでいる燃料電池セル４の中央部分上方に改質器５が配置されており、空気流路管７６ａ，７６ｂと空気流路管７７ａ，７７ｂとが改質器５を挟むように配置されている。空気流路管７６ａ，７６ｂ，７７ａ，７７ｂ側から改質器５及び燃料電池セル４側を見ると図７に示すようになっており、改質器５の両側における直接対向領域１９においては、空気流路管７６ａ，７６ｂ，７７ａ，７７ｂと燃料電池セル４との間に他の介在物は存在していない。そのため、燃焼部１８において発生する排出ガスは、空気流路管７６ａ，７６ｂ，７７ａ，７７ｂの下面７６ａａ，７６ｂａ，７７ａａ，７７ｂａに直接当たる。更には、空気流路管７６ａと空気流路管７６ｂとの間や、空気流路管７７ａと空気流路管７７ｂとの間にも排出ガスが流れ込み、排出ガスと空気流路管７６ａ，７６ｂ，７７ａ，７７ｂを流れる空気との間で熱交換が行われる（図８参照）。空気流路管７６ａ，７６ｂ，７７ａ，７７ｂの間を流れる排出ガスとの熱交換を効果的に行うために、例えば、隣接する空気流路管７６ａと空気流路管７６ｂとの間にフィン７６ｃを設けることも好ましい態様である（図９参照）。

上述したように、空気流路管７６ａ，７６ｂ，７７ａ，７７ｂは、燃焼部１８を挟んで燃料電池セル４とは反対側に配置されると共に、空気が流れる方向に沿った下面７６ａａ，７６ｂａ，７７ａａ，７７ｂａが燃焼部１８と向き合うように配置されている。また、下面７６ａａ，７６ｂａ，７７ａａ，７７ｂａと燃焼部１８との間の少なくとも一部に、他の介在物が存在しない直接対向領域１９が形成されている。従って、燃焼部１８における燃焼の結果排出される排出ガスを効率よく空気流路管７６ａ，７６ｂ，７７ａ，７７ｂの下面７６ａａ，７６ｂａ，７７ａａ，７７ｂａに当てることができる。更に、下面７６ａａ，７６ｂａ，７７ａａ，７７ｂａと燃焼部１８との間の少なくとも一部には、他の介在物が存在しない直接対向領域１９が形成されているので、排出ガスの熱を他の介在物に奪われることなく、効率的に空気流路管７６ａ，７６ｂ，７７ａ，７７ｂに伝えることができる。また、下面７６ａａ，７６ｂａ，７７ａａ，７７ｂａは空気が流れる方向に沿った部分であり、排出ガスが流れる方向と交わるように下面７６ａａ，７６ｂａ，７７ａａ，７７ｂａを配置しているので、排出ガスが燃焼部１８から流れる方向、すなわち燃料電池セル４が立設する方向において小型化を図ることが容易に可能となる。

尚、本実施形態では、改質器５を挟んで空気流路管７６ａ，７６ｂ，７７ａ，７７ｂを配置しているけれども、改質器５を別の場所に配置し、空気流路管７６１，７７１を増設することも好ましい態様である（図１０参照）。このように、空気流路管７６ａ，７６ｂ，７７ａ，７７ｂに加えて、空気流路管７６１，７７１を増設することで、より効果的に排出ガスと空気との熱交換を行うことができる。

カバー部材を外して示す燃料電池モジュールの斜視図である。 図１に示す燃料電池モジュールの断面図である。 図１に示す燃料電池モジュールの断面図である。 燃料電池セルユニットを説明するための図である。 燃料電池セルスタックを説明するための図である。 本実施形態に係る燃料電池モジュールの移行部の構成を示す図である。 燃料電池セルに対する改質器の配置状況を説明するための図である。 空気流路管における熱交換の状況を説明するための図である。 空気流路管の間にフィンを配置する例を説明するための図である。 空気流路管の増設例を示す図である。

符号の説明

２：ベース部材
２ａ：穴
３：ガスタンク
４：燃料電池セル
４ａ：端部
４ｂ：端部
５：改質器
６Ａ：被改質ガス供給管
６Ｂ：水蒸気供給管
６Ｃ：配管
６Ｄ：配管
７：流路部材
７Ａ：空気供給管
１３，１４：電極棒
１５：板
１５ａ：支持部材
１５ｂ：隙間
１５ｃ：混合室
１６：発電室
１７：排気ガス室
１８：燃焼部
３０：燃料電池セルユニット
３０ｃ：管内流路
４０：内側電極端子
４０ａ：本体部分
４０ｂ：管状部分
４０ｃ：接続流路
４０ｄ：段部
４２：外側電極端子
４２ａ：本体部分
４２ｂ：管状部分
４２ｃ：接続流路
４２ｄ：段部
４４：電極層
４４ａ：内側電極露出周面
４４ｂ：端面
４４ｃ：端面
４６：電解質層
４６ａ：電解質露出周面
４８：電極層
４８ａ：外側電極露出周面
５０：貫通流路
５２：絶縁部材
５４：シール材
７１：空気流路外壁
７２：空気流路外壁
７３：空気分配室
７４：空気集約室
７５：空気集約室
７６ａ，７６ｂ，７７ａ，７７ｂ：空気流路管
７６ａａ，７６ｂａ，７７ａａ，７７ｂａ：下面
７８：外壁
７９：外壁
８０，８１：移行板
８２，８３：移行ブロック
８４：移行板
４００：燃料電池セルスタック
４００ａ：上支持板
４００ｂ：下支持板
４００ｃ：接続部材
４００ｄ：外部端子
７１１：第一室
７１２：第二室
７１３：第三室
７１３ａ，７２３ａ：空気流入孔
７２１：第一室
７２２：第二室
７２３：第三室
７２４：点火装置挿入穴
ＦＣ：燃料電池モジュール

Claims (5)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとが一端側から他端側へと流れることによって作動する複数の燃料電池セルと、
   前記複数の燃料電池セルにおいて発電反応に寄与しなかった残余の燃料ガスと残余の酸化剤ガスとが燃焼する燃焼部と、
   前記複数の燃料電池セルに供給される酸化剤ガスが通過する流路を有する酸化剤ガス流路部材と、を備える燃料電池モジュールであって、
   前記燃焼部は前記複数の燃料電池セルの他端側に形成され、
   前記酸化剤ガス流路部材は、前記燃焼部を挟んで前記複数の燃料電池セルとは反対側に配置されると共に、酸化剤ガスが流れる方向に沿った底面部が前記燃焼部と向き合うように配置され、
   前記底面部と前記燃焼部との間の少なくとも一部に、他の介在物が存在しない直接対向領域が形成されていることを特徴とする燃料電池モジュール。
2. 前記燃焼部において前記複数の燃料電池セルにおいて発電反応に寄与しなかった残余の燃料ガスと残余の酸化剤ガスとが燃焼することで発生するガスを含む排出ガスが、前記酸化剤ガス流路部材近傍を流れる方向と、
   前記酸化剤ガス流路部材内の流路を酸化剤ガスが流れる方向と、が交わるように、
   前記燃焼部に対して前記酸化剤ガス流路部材が配置されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池モジュール。
3. 前記酸化剤ガス流路部材に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給管を備え、
   前記酸化剤ガス供給管から前記酸化剤ガス流路部材が２以上に分岐して繋がるように、前記酸化剤ガス流路部材が複数配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池モジュール。
4. 前記複数の燃料電池セルの他端側に所定間隔をおいて配置され、被改質ガスを改質して燃料ガスとする改質器を備え、
   前記改質器は前記酸化剤ガス流路部材の底面部よりも前記複数の燃料電池セル側に位置するように配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池モジュール。
5. 前記改質器から前記複数の燃料電池セルに向かう方向において、
   前記改質器を挟んで少なくとも一対の前記酸化剤ガス流路部材が配置されていることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池モジュール。

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