JP2011096604A - 燃料電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】燃料オフガスと酸化剤オフガスとが燃焼する燃焼ガスの熱を有効に活用し、改質器及び酸化剤ガスの温度を高温に保つことができる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、第一熱交換部及び第二熱交換部はそれぞれ複数の空気流路管７６，７７を有し、それら複数の空気流路管７６，７７それぞれは、第一側面７６ａａ，７７ａａの幅よりも長く燃焼ガスが流れる方向に沿うように形成されてなる第二側面７６ｂ，７７ｂを有し、それら複数の空気流路管７６，７７それぞれの第二側面７６ｂ，７７ｂが互いに離隔して隙間部７６ｇ，７７ｇが形成されるように配置され、第一熱交換部を構成する空気流路管７６と第二熱交換部を構成する空気流路管７７との間に燃焼ガスが流れ込むことを阻害するように改質器５が設けられている。
【選択図】図２

Description

本発明は、被改質ガスを改質して燃料ガスと成して燃料電池セルに供給するための改質器を備える燃料電池モジュールに関する。

固体酸化物形の燃料電池セルを備える燃料電池モジュールにおいては、燃料電池セルに対して燃料ガスを供給するために改質器が設けられる。この改質器は、都市ガスといった炭化水素含有ガスを被改質ガスとして外部より供給を受け、被改質ガスを改質して燃料電池セルに供給するように構成されている。改質器における改質反応は、部分酸化改質反応や、オートサーマル改質反応や、水蒸気改質反応といった各種の改質反応が組み合わされて行われるが、燃料電池セルにおける発電反応が進行している期間においては水蒸気改質反応が支配的である。水蒸気改質反応は吸熱反応であるため、改質器の温度は低下する傾向にあるので、改質器に対して熱を付与することで改質効率を維持することが求められる。そこで、下記特許文献１のように、改質器の改質効率を維持向上させることができる燃料電池モジュールが提案されている。

下記特許文献１に記載されている燃料電池モジュールでは、燃料電池セルの上方に改質器を配置し、改質器から燃料電池セルの側面に延びる伝熱板を設けている。このように構成することで、高温となる燃料電池セルの輻射熱や、燃料電池セルにおいて発電反応に使用されなかった燃料オフガス及び酸化剤オフガスが燃焼する燃焼ガスの熱を、伝熱板を介して改質器に伝導させることができ、改質器を高温に保つことができる。

また、下記特許文献１に記載されている燃料電池モジュールでは、燃料電池セルにおいて発電反応に使用されなかった燃料オフガス及び酸化剤オフガスが燃焼する燃焼ガスは、燃料電池セルの外側に設けられている蛇行流路を蛇行しながら下降する。この蛇行流路の外側に接するように別の蛇行流路が設けられており、この別の蛇行流路には酸化剤ガスとしての空気が蛇行しながら上昇する。このように内側の蛇行流路には上側から下側へ高温の燃焼ガスが蛇行し、外側の蛇行流路には下側から上側へと低温の空気が蛇行することで、燃焼ガスと空気との間で熱交換が行われる。また、燃焼ガスを利用して酸化剤ガスに熱を付与する燃料電池モジュールとして、下記特許文献２に記載の燃料電池モジュールも提案されている。

特開２００８−３４２０５号公報 特開２００９−１２９７１２号公報

固体酸化物形の燃料電池セルを備える燃料電池モジュールにおいては、改質器における改質反応を効率的に行う観点からは改質器に熱を付与することが求められ、燃料電池セルにおける発電反応を効率的に行う観点からは燃料電池セルに供給される酸化剤ガスに熱を付与することが求められる。

しかしながら、上記特許文献１に記載の従来の技術では、高温となる燃料電池セルの輻射熱や、燃料オフガスと酸化剤オフガスとが燃焼する燃焼ガスの熱を、伝熱板を介して改質器に伝導させることで改質器の温度を高温に保つことはできているけれども、酸化剤ガスに燃焼ガスの熱を効率的に付与しているとは言い難いものであった。具体的には、燃焼ガスは、燃料電池セルの外側に設けられている蛇行流路に至るまでや、その蛇行流路を蛇行する間に酸化剤ガス以外のものに熱を与えてしまい、酸化剤ガスに対して効率的に熱を付与できてはいなかった。そのため、燃料電池セルに供給される酸化剤ガスの温度が十分に高温ではないため、燃料電池モジュールとしての運転温度が維持できない場合も想定される。

そこで本発明では、上記課題を解決するため、燃料オフガスと酸化剤オフガスとが燃焼する燃焼ガスの熱を有効に活用し、改質器及び酸化剤ガスの温度を高温に保つことができる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り作動する複数の燃料電池セルと、被改質ガスを改質して前記複数の燃料電池セルに供給する燃料ガスと成す改質器と、前記複数の燃料電池セルに供給する酸化剤ガスを昇温するための熱交換部と、を備える燃料電池モジュールであって、前記複数の燃料電池セルの他端側に、前記複数の燃料電池セルからの燃料オフガスと酸化剤オフガスとが混合して燃焼し、その燃焼ガスが前記他端側から離隔するように流れる燃焼部が形成され、前記改質器及び前記熱交換部は前記燃焼部に配置され、前記熱交換部は第一熱交換部及び第二熱交換部を有しており、前記第一熱交換部及び第二熱交換部はそれぞれ複数の熱交換器を有し、それら複数の熱交換器それぞれは、燃焼ガスが流れる方向に交わるように配置される一対の第一側面と、燃焼ガスが流れる方向に沿うように配置される一対の第二側面とを有し、前記第一側面が燃焼ガスに接触する面積よりも前記第二側面が燃焼ガスに接触する面積が広くなるように構成されると共に、それら複数の熱交換器それぞれの第二側面が互いに離隔して隙間部が形成されるように配置され、前記第一熱交換部と前記第二熱交換部との間であって、前記第一熱交換部及び前記第二熱交換部における一側の第一側面から他側の第一側面の間に、前記第一熱交換部及び前記第二熱交換部とは所定間隔をおいて前記改質器が配置されていることを特徴とする。

本発明に係る燃料電池モジュールは、改質器も熱交換部も燃焼部に配置されているので、複数の燃料電池セルの他端側から離隔するように流れる燃焼ガスによって熱が与えられ、改質器内部を流れる被改質ガスに効率的に熱を与えると共に、熱交換部内を流れる酸化剤ガスに効率的に熱を与えて昇温することができる。

熱交換部は、第一熱交換部と第二熱交換部とを有しているので、単一の熱交換部として構成するよりもそれぞれの熱交換部を適切な位置に配置することができ、燃焼部内を流れる燃焼ガスの熱を効率的に受け取ることができる位置に配置することができる。第一熱交換部と第二熱交換部との間には改質器が配置されているので、第一熱交換部と第二熱交換部との間に燃焼ガスが流れ込むことを阻害し、第一熱交換部及び第二熱交換部それぞれにおける隙間部に燃焼ガスが流れることを促進することができる。隙間部は、第一熱交換部及び第二熱交換部それぞれを構成する複数の熱交換器の第二側面の間に形成されているので、第一側面よりも燃焼ガスとの接触面積が広くなるように形成される第二側面により多くの燃焼ガスを流すことができ、各熱交換器における熱交換の効率を向上させて各熱交換器内を流れる酸化剤ガスに効率的に熱を与えることができる。

第一熱交換部及び第二熱交換部における一側の第一側面から他側の第一側面の間に改質器が配置されているので、燃焼ガスが流れる方向においては第一熱交換部及び第二熱交換部と改質器とが少なくとも部分的には重なって配置されることになり、その方向における燃料電池モジュールの寸法をコンパクトなものとすることができる。従って、燃焼ガスが流れる距離も短くなり、燃焼ガスの無駄な放熱が少なくなって、より効果的に空気及び被改質ガスに熱を与えることができる。また、第一熱交換部及び第二熱交換部とは所定間隔をおいて改質器が配置されているので、水蒸気改質反応といった吸熱反応の場合であっても、第一熱交換部及び第二熱交換部から熱を奪うことがなく、第一熱交換部及び第二熱交換部の機能を阻害しないように構成している。従って、改質器にも熱交換部にも燃焼ガスによって直接的に効率よく熱を与えることができるので、燃焼ガスの熱を有効に活用し、改質器及び酸化剤ガスの温度を高温に保つことができる。

また本発明に係る燃料電池モジュールでは、前記隙間部の幅よりも、前記改質器と前記第一熱交換部との間の距離及び前記改質器と前記第二熱交換部との間の距離が短くなるように配置されていることも好ましい。この好ましい態様では、隙間部の幅よりも、改質器と第一熱交換部及び第二熱交換部との間の距離が短くなるように配置するので、改質器と第一熱交換部及び第二熱交換部との間に実質的に燃焼ガスが入り込まずに隙間部へ流れるようにすることができる。従って、特に熱交換部に燃焼ガスによって直接的に効率よく熱を与えることができるので、燃焼ガスの熱を有効に活用し、酸化剤ガスの温度を高温に保つことができる。

また本発明に係る燃料電池モジュールでは、燃焼ガスが流れる方向に沿った前記改質器の長さが、燃焼ガスが流れる方向に沿った前記第一熱交換部の長さ及び前記第二熱交換部の長さよりも短くなるように構成されていることも好ましい。この好ましい態様では、改質器の高さが第一熱交換部及び第二熱交換部の高さよりも低くなるように構成しているので、改質器が第一熱交換部及び第二熱交換部に臨む長さであって、燃焼ガス流方向に沿った長さを短くすることができ、改質器から第一熱交換部及び第二熱交換部に対する熱的な影響を抑制することができる。従って、改質器において水蒸気改質反応を実行した場合のように吸熱反応が起こったとしても、第一熱交換部及び第二熱交換部に影響を与えることがない。更に、燃焼ガスが流れる方向に沿った改質器の長さを、燃焼ガスが流れる方向に沿った第一熱交換部及び第二熱交換部の長さよりも短くなるように構成しているので、結果として第一熱交換部と第二熱交換部との間の距離を広げて、第一熱交換部から第二熱交換部に向かう方向に沿った改質器の長さを長くすることができる。従って、改質器の燃焼ガスに当たる面の面積を広くすることができ、より大きな熱量を改質器が受け取ることができる。よって、特に熱交換部に対して燃焼ガスの熱を有効に活用し、酸化剤ガスの温度を高温に保つことができる。

また本発明に係る燃料電池モジュールでは、前記第一熱交換部と前記第二熱交換部との間であり、且つ燃焼ガスが流れる方向における前記第一熱交換部及び前記第二熱交換部の一端から他端の間であって、前記改質器を挟んで前記燃料電池セルとは反対側に、燃焼ガスが流れる方向からみて前記改質器よりも大きな閉塞部が設けられていることも好ましい。この好ましい態様では、改質器と第一熱交換部及び第二熱交換部との間に入り込んだ燃焼ガスを、改質器よりも大きく改質器を覆うように配置されている閉塞部によって第一熱交換部側と第二熱交換部側とに誘導することができ、より確実に隙間部に流れ込ませることができる。更に、改質器よりも大きな閉塞部を設けることで、第一熱交換部及び第二熱交換部が改質器に接触せずに離隔させることができ、改質器において水蒸気改質反応を実行した場合のように吸熱反応が起こったとしても、第一熱交換部及び第二熱交換部に影響を与えることがない。

本発明によれば、燃料オフガスと酸化剤オフガスとが燃焼する燃焼ガスの熱を有効に活用し、改質器及び酸化剤ガスの温度を高温に保つことができる燃料電池モジュールを提供することができる。

本発明の実施形態である燃料電池モジュールを示す斜視図である。 本発明の実施形態である燃料電池モジュールを図１のＡ方向から見た断面図である。 本発明の実施形態である燃料電池モジュールを図１のＢ方向から見た断面図である。 図１〜図３に示す燃料電池モジュールに用いられる燃料電池セルユニットを示す正面図である。 図１〜図３に示す燃料電池モジュールに用いられる燃料電池セルスタックを示す斜視図である。 図２における改質器と空気流路管との配置関係を説明するための図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の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、本発明の実施形態による燃料電池装置のカバー部材が外された状態の燃料電池モジュールＦＣを示す斜視図であり、図２は、本発明の実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュールＦＣを図１のＡ方向から見た断面図であり、図３は、本発明の実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュールＦＣを図１のＢ方向から見た断面図である。

カバー部材（図１及び図３には明示せず、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（図示せず）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１１４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、他方の空間が排出ガス室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（流入口）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から排出ガス室１７へと導入される。排出ガス室１７へと導入された排出ガスは、排気口（図示せず）から外部へと排出される。

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１１４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１１４を構成する燃料電池セル１８４に供給される。

ここで、図４を参照しながら燃料電池セル１８４を含む燃料電池セルユニット１１６について説明する。図４は、本発明の実施形態による燃料電池装置の燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。図４に示すように、燃料電池セルユニット１１６は、燃料電池セル１８４と、この燃料電池セル１８４の上下方向端部にそれぞれ接続された内側電極端子１８６とを備えている。

燃料電池セル１８４は、上下方向に延びる管状構造体であり、内部に燃料ガス流路１８８を形成する円筒形の内側電極層１９０と、円筒形の外側電極層１９２と、内側電極層１９０と外側電極層１９２との間にある電解質層１９４とを備えている。この内側電極層１９０は、燃料ガスが通過する燃料極であり、（−）極となり、一方、外側電極層１９２は、空気と接触する空気極であり、（＋）極となっている。

燃料電池セルユニット１１６の上端側と下端側に取り付けられた内側電極端子１８６は、同一構造であるため、ここでは、上端側に取り付けられた内側電極端子１８６について具体的に説明する。内側電極層１９０の上部１９０ａは、電解質層１９４と外側電極層１９２に対して露出された外周面１９０ｂと上端面１９０ｃとを備えている。内側電極端子１８６は、導電性のシール材１９６を介して内側電極層１９０の外周面１９０ｂと接続され、さらに、内側電極層１９０の上端面１９０ｃとは直接接触することにより、内側電極層１９０と電気的に接続されている。内側電極端子１８６の中心部には、内側電極層１９０の燃料ガス流路１８８と連通する燃料ガス流路１９８が形成されている。

内側電極層１９０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ドとの混合体、の少なくとも一種から形成される。

電解質層１９４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。

外側電極層１９２は、例えば、Ｓｒ、Ｃａから選ばれた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から選ばれた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から選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンコバルタイト、銀、などの少なくとも一種から形成される。

続いて、図５を参照しながら燃料電池セルスタック１１４について説明する。図５は、本発明の実施形態による燃料電池装置の燃料電池セルスタックを示す斜視図である。図５に示すように、燃料電池セルスタック１１４は、１６本の燃料電池セルユニット１１６を備え、これらの燃料電池セルユニット１１６の下端側及び上端側が、それぞれ、セラミック製の下支持板１６８及び上支持板２００により支持されている。これらの下支持板１６８及び上支持板２００には、内側電極端子１８６が貫通可能な貫通穴１６８ａ及び２００ａがそれぞれ形成されている。

さらに、燃料電池セルユニット１１６には、集電体２０２及び外部端子２０４が取り付けられている。この集電体２０２は、燃料極である内側電極層１９０に取り付けられた内側電極端子１８６と電気的に接続される燃料極用接続部２０２ａと、空気極である外側電極層１９２の外周面全体と電気的に接続される空気極用接続部２０２ｂとにより一体的に形成されている。空気極用接続部２０２ｂは、外側電極層１９２の表面を上下方向に延びる鉛直部２０２ｃと、この鉛直部２０２ｃから外側電極層１９２の表面に沿って水平方向に延びる多数の水平部２０２ｄとから形成されている。また、燃料極用接続部２０２ａは、空気極用接続部２０２ｂの鉛直部２０２ｃから燃料電池セルユニット１１６の上下方向に位置する内側電極端子１８６に向って斜め上方又は斜め下方に向って直線的に延びている。

さらに、燃料電池セルスタック１１４の端（図５では左端の奥側及び手前側）に位置する２個の燃料電池セルユニット１１６の上側端及び下側端の内側電極端子１８６には、それぞれ外部端子２０４が接続されている。これらの外部端子２０４は、隣接する燃料電池セルスタック１１４の端にある燃料電池セルユニット１１６の外部端子２０４（図示せず）に接続され、上述したように、１６０本の燃料電池セルユニット１１６の全てが直列接続されるようになっている。

図１〜３に戻り、ガスタンク３の上面には、燃料電池セルスタック１１４の下支持板１６８とほぼ同じ形状の開口部（図示せず）が設けられており、その開口部に下支持板１６８を密接させてガスタンク３と各燃料電池セルスタック１１４とが接続されている。従って、燃料電池セルスタック１１４を構成する燃料電池セル１８４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１８４は、管状であり、燃料電池セル１８４の管内を燃料電池セル１８４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１８４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１８４の管外を流れるガスは、酸素を含む空気等の酸化剤ガス（発電用空気）である。

燃料電池セルスタック１１４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１１４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（改質用空気）、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、混合室（図示せず）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（被改質ガスとしての都市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１１４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と、空気流路管７６，７６，７６，７６，７７，７７，７７，７７と、外壁７８，７９とを有している。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１１４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７８の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内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７６，７６，７６，７６，７７，７７，７７，７７（熱交換器）も繋がれている。

空気流路管７６，７６，７６，７６，７７，７７，７７，７７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７１，７２に沿うように配置されている。空気流路管７６，７６，７６，７６は、空気流路外壁７１から内側に向けて所定間隔をおくように、互いに並行に配置されている。空気流路管７６，７６，７６，７６の一端は空気分配室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７６，７６，７６，７６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７７，７７，７７，７７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７７，７７，７７，７７は、空気流路外壁７２から内側に向けて所定間隔をおくように、互いに並行に配置されている。空気流路管７７，７７，７７，７７の一端は空気分配室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７７，７７，７７，７７を通り、空気集約室７４へと流れ込んで再合流する。

空気集約室７４は、外壁７９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７１，７２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７１，７２へと流れ出すように構成されている。

本実施形態では、空気流路管７６，７６，７６，７６が第一熱交換部を形成するように所定間隔をおいて互いに近接するように配置されている。空気流路管７６，７６，７６，７６のそれぞれの間には隙間部７６ｇ，７６ｇ，７６ｇが形成されている。また、各空気流路管７６，７６，７６，７６は、それぞれ一対の第一側面７６ａａ，７６ａｂと一対の第二側面７６ｂ，７６ｂとを有している。第一側面７６ａａは、空気流路管７６の底面を形成しており、燃料電池セルスタック１１４側に対向し、燃焼ガスが流れる方向に交わるように配置されている。第一側面７６ａｂは、第一側面７６ａａと対向するように設けられており、燃焼ガスが流れる方向に交わるように配置されている。第二側面７６ｂは、第一側面７６ａａ，７６ａｂよりも長く燃焼ガスが流れる方向に沿うように形成されている。すなわち、第一側面７６ａａ，７６ａｂの面積よりも、第二側面７６ｂの面積が広くなるように形成されている。空気流路管７６は断面が矩形の管状に形成されているので、その長手方向に沿った長さは第一側面７６ａａ，７６ａｂも第二側面７６ｂも略同じである。そのため、第一側面７６ａａ，７６ａｂの面積よりも、第二側面７６ｂの面積が広くなるように形成すれば、図２に示すように、第一側面７６ａａ，７６ａｂの幅よりも第二側面７６ｂの高さが長くなり、縦長断面を形成するように形成される。

同様に、空気流路管７７，７７，７７，７７が第二熱交換部を形成するように所定間隔をおいて互いに近接するように配置されている。空気流路管７７，７７，７７，７７のそれぞれの間には隙間部７７ｇ，７７ｇ，７７ｇが形成されている。また、各空気流路管７７，７７，７７，７７は、それぞれ一対の第一側面７７ａａ，７７ａｂと一対の第二側面７７ｂ，７７ｂとを有している。第一側面７７ａａは、空気流路管７７の底面を形成しており、燃料電池セルスタック１１４側に対向し、燃焼ガスが流れる方向に交わるように配置されている。第一側面７７ａｂは、第一側面７７ａａと対向するように設けられており、燃焼ガスが流れる方向に交わるように配置されている。第二側面７７ｂは、第一側面７７ａａ，７７ａｂよりも長く燃焼ガスが流れる方向に沿うように形成されている。従って、図２に示すように、第一側面７７ａａ，７７ａｂの幅よりも第二側面７７ｂの高さが長くなり、縦長断面を形成するように形成されている。

第一熱交換部を形成する空気流路管７６，７６，７６，７６と、第二熱交換部を形成する空気流路管７７，７７，７７，７７との間に、改質器５が配置されている。第一熱交換部を形成する空気流路管７６，７６，７６，７６の下端である第一側面７６ａａと、第二熱交換部を形成する空気流路管７７，７７，７７，７７の下端である第一側面７７ａａと、改質器５の下端とが略同じ位置になるように配置されている。更に、第一熱交換部を形成する空気流路管７６，７６，７６，７６と、第二熱交換部を形成する空気流路管７７，７７，７７，７７との間であって改質器５の上方には、その部分に燃焼ガスが流れ込むことを阻害する閉塞部ＣＰが設けられている。より具体的には、第一熱交換部を形成する空気流路管７６，７６，７６，７６の最も内側に配置されている空気流路管７６と、第二熱交換部を形成する空気流路管７７，７７，７７，７７の最も内側に配置されている空気流路管７７との間であって改質器５の直上に閉塞部ＣＰが設けられている。

閉塞部ＣＰは、燃焼ガスが流れる方向（図２における上下方向）における第一熱交換部を形成する空気流路管７６，７６，７６，７６及び第二熱交換部を形成する空気流路管７７，７７，７７，７７の一端から他端の間に設けられている。より具体的には、閉塞部ＣＰは、第一熱交換部を形成する空気流路管７６，７６，７６，７６及び第二熱交換部を形成する空気流路管７７，７７，７７，７７における燃料電池セルスタック１１４側に配置されている。このように配置することで、第一熱交換部を形成する空気流路管７６，７６，７６，７６と、第二熱交換部を形成する空気流路管７７，７７，７７，７７との間に流れ込もうとする燃焼ガスを確実に阻害し、温度が高い状態のまま第一熱交換部側と第二熱交換部側とに誘導し、それぞれを構成する複数の熱交換器である空気流路管７６，７６，７６，７６それぞれの間の隙間部７６ｇ，７６ｇ，７６ｇや、空気流路管７７，７７，７７，７７の間の隙間部７７ｇ，７７ｇ，７７ｇに確実に流れ込ませることができる。

また本実施形態では、燃焼ガスが流れる方向からみて改質器５を挟むように第一熱交換部を形成する空気流路管７６，７６，７６，７６と、第二熱交換部を形成する空気流路管７７，７７，７７，７７とが配置され、燃料ガスが流れる方向からみて改質器５と閉塞部ＣＰとが重なり、閉塞部ＣＰは改質器５を覆うように配置されている。このように配置することで、燃料電池セル１８４の他端部側に面する改質器５の底面に当たった燃焼ガスを第一熱交換部を形成する空気流路管７６，７６，７６，７６と、第二熱交換部を形成する空気流路管７７，７７，７７，７７とに誘導し、それぞれを構成する複数の熱交換器である空気流路管７６，７６，７６，７６それぞれの間の隙間部７６ｇ，７６ｇ，７６ｇや、空気流路管７７，７７，７７，７７の間の隙間部７７ｇ，７７ｇ，７７ｇに確実に流れ込ませることができる。また、改質器５の底面とは反対側の上面に回り込もうと、改質器５と空気流路管７６，７７との間に入り込んだ燃焼ガスも、改質器５と重なるように配置されている閉塞部ＣＰによって第一熱交換部を形成する空気流路管７６，７６，７６，７６と、第二熱交換部を形成する空気流路管７７，７７，７７，７７とに誘導することができ、より確実に隙間部７６ｇ，７６ｇ，７６ｇや隙間部７７ｇ，７７ｇ，７７ｇに流れ込ませることができる。

図６に示すように、第一熱交換部を形成する空気流路管７６，７６，７６，７６それぞれの間の距離ａ、第二熱交換部を形成する空気流路管７７，７７，７７，７７それぞれの間の距離ａは、改質器５と空気流路管７６，７７との間の距離ｂよりも広くなるように、換言すれば、距離ａに対して距離ｂが短くなるように配置されている。このように、隙間部７６ｇ，７７ｇの幅である距離ａよりも、改質器５と空気流路管７６，７７との間の距離ｂが短くなるように配置するので、改質器５と空気流路管７６，７７との間に実質的に燃焼ガスが入り込まずに隙間部７６ｇ，７７ｇへ流れるようにすることができる。従って、特に第一熱交換部を形成する空気流路管７６，７６，７６，７６及び第二熱交換部を形成する空気流路管７７，７７，７７，７７に燃焼ガスによって直接的に効率よく熱を与えることができるので、燃焼ガスの熱を有効に活用し、酸化剤ガスの温度を高温に保つことができる。

図２に戻り、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９１、第二室９２、第三室９３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９１に流れ込んだ後、第二室９２に流れ込み、その後第三室９３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９４、第二室９５、第三室９６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９４に流れ込んだ後、第二室９５に流れ込み、その後第三室９６に流れ込む。

第三室９３，９６にはそれぞれ、所定間隔をおいて複数の空気流入孔９３ａ，９６ａが形成されている。空気流入孔９３ａ，９６ａは、燃料電池セルスタック１１４が連設されている方向に、各燃料電池セル１８４間の間隙に向かう位置であって、燃料電池セル１８４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９３ａ，９６ａを通って発電室１６内の燃料電池セル１８４近傍へと流れ込むように構成されている。空気流入孔９３ａ，９６ａを通って流れ込んだ空気（発電用空気）は、燃料電池セル１８４の外側を通って各燃料電池セル１８４の下方から上方へと流れる。各燃料電池セル１８４の上方に至った空気（発電用空気）は、各燃料電池セル１８４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１１４の上方は、空気（発電用空気）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１１６の管内流路１８８を通り、燃焼部１８に向けて上昇する。また、燃料電池セル１８４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９７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（図示せず）が点火装置挿入穴９７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１１４を構成する燃料電池セル１８４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９３ａ，９６ａを通って流れ込む空気も、上述したように空気流路管７６，７７、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。

２：ベース部材
２ａ：穴
３：ガスタンク
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
１５：板
１５ａ：支持部材
１５ｂ：隙間
１６：発電室
１７：排出ガス室
１８：燃焼部
７１，７２：空気流路外壁
７３：空気分配室
７４：空気集約室
７６：空気流路管
７６ａａ，７６ａｂ：第一側面
７６ｂ：第二側面
７６ｇ：隙間部
７７：空気流路管
７７ａａ，７７ａｂ：第一側面
７７ｂ：第二側面
７７ｇ：隙間部
７８，７９：外壁
９１：第一室
９２：第二室
９３：第三室
９３ａ，９６ａ：空気流入孔
９４：第一室
９５：第二室
９６：第三室
９７：点火装置挿入穴
１１４：燃料電池セルスタック
１１６：燃料電池セルユニット
１６８：下支持板
１６８ａ：貫通穴
１８４：燃料電池セル
１８６：内側電極端子
１８８：燃料ガス流路
１９０：内側電極層
１９０ａ：上部
１９０ｂ：外周面
１９０ｃ：上端面
１９２：外側電極層
１９４：電解質層
１９６：シール材
１９８：燃料ガス流路
２００：上支持板
２０２：集電体
２０２ａ：燃料極用接続部
２０２ｂ：空気極用接続部
２０２ｃ：鉛直部
２０２ｄ；水平部
２０４：外部端子
ＣＰ：閉塞部
ＦＣ：燃料電池モジュール

Claims (4)

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り作動する複数の燃料電池セルと、
   被改質ガスを改質して前記複数の燃料電池セルに供給する燃料ガスと成す改質器と、
   前記複数の燃料電池セルに供給する酸化剤ガスを昇温するための熱交換部と、
   を備える燃料電池モジュールであって、
   前記複数の燃料電池セルの他端側に、前記複数の燃料電池セルからの燃料オフガスと酸化剤オフガスとが混合して燃焼し、その燃焼ガスが前記他端側から離隔するように流れる燃焼部が形成され、
   前記改質器及び前記熱交換部は前記燃焼部に配置され、
   前記熱交換部は第一熱交換部及び第二熱交換部を有しており、
   前記第一熱交換部及び第二熱交換部はそれぞれ複数の熱交換器を有し、それら複数の熱交換器それぞれは、燃焼ガスが流れる方向に交わるように配置される一対の第一側面と、燃焼ガスが流れる方向に沿うように配置される一対の第二側面とを有し、前記第一側面が燃焼ガスに接触する面積よりも前記第二側面が燃焼ガスに接触する面積が広くなるように構成されると共に、それら複数の熱交換器それぞれの第二側面が互いに離隔して隙間部が形成されるように配置され、
   前記第一熱交換部と前記第二熱交換部との間であって、前記第一熱交換部及び前記第二熱交換部の一側の第一側面から他側の第一側面の間に、前記第一熱交換部及び前記第二熱交換部とは所定間隔をおいて前記改質器が配置されていることを特徴とする燃料電池モジュール。
2. 前記隙間部の幅よりも、前記改質器と前記第一熱交換部との間の距離及び前記改質器と前記第二熱交換部との間の距離が短くなるように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. 燃焼ガスが流れる方向に沿った前記改質器の長さが、燃焼ガスが流れる方向に沿った前記第一熱交換部の長さ及び前記第二熱交換部の長さよりも短くなるように構成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. 前記第一熱交換部と前記第二熱交換部との間であり、且つ燃焼ガスが流れる方向における前記第一熱交換部及び前記第二熱交換部の一端から他端の間であって、前記改質器を挟んで前記燃料電池セルとは反対側に、燃焼ガスが流れる方向からみて前記改質器よりも大きな閉塞部が設けら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。

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