JP2011175853A

JP2011175853A - 燃料電池モジュール

Info

Publication number: JP2011175853A
Application number: JP2010038939A
Authority: JP
Inventors: Mitsuhiro Nakamura; 光博中村; Narikado Takahashi; 成門高橋; Takashi Ono; 孝小野
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2010-02-24
Filing date: 2010-02-24
Publication date: 2011-09-08
Anticipated expiration: 2030-02-24
Also published as: JP5383550B2

Abstract

【課題】高い発電効率を有するとともに、小型化が可能な燃料電池モジュールを提供する。
【解決手段】燃料電池モジュールは、円柱状の収納容器２内に、柱状の燃料電池セル９を複数個立設させた状態で周回状に配列して電気的に接続してなるセルスタックと、燃料電池セル９の下端部を固定するとともに燃料電池セル９に燃料ガスを供給するための平面形状が円形状のマニホールド１０と、燃料電池セル９に供給する燃料ガスを生成するための平面形状が円形状の改質器７とを備えており、改質器７は側面全体が収納容器２の側壁と接して配置され、改質器７とセルスタックの間が燃焼部２２となり、燃焼部２２の側方における収納容器２の側壁に排気部を備える構成とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、複数個の燃料電池セルを収納してなる燃料電池モジュールに関する。

近年、次世代エネルギーとして、燃料ガス（水素含有ガス）と空気（酸素含有ガス）とを用いて電力を得ることができる燃料電池セルを複数個配列してなるセルスタックを収納容器内に収納してなる燃料電池モジュールや、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。）。

特許文献１に記載の燃料電池モジュールにおいては、内壁と外壁の二重壁からなる直方体状の収納容器内に設けられた発電室内に、複数の燃料電池セルを一列に配列してなるセルスタックを２つ並置してなり、セルスタックの上方に燃料電池セルに供給する燃料ガスを生成するための改質器が配置され、内壁の上部にセルスタック間に燃料電池セルに酸素含有ガスを供給するための板状の酸素含有ガス導入部材が垂下するように配置されている。また、内壁の内側に発電室を構成する壁が設けられており、この壁と内壁との間が発電室内より排気される排ガスの流路とされ、内壁と外壁との間が酸素含有ガス導入部材を介して燃料電池セルに酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス流路とされている。

特開２００７−５９３７７号公報

ところで、燃料電池装置においては、高い発電効率のほかに、特に小型化が要求されている。

それゆえ、本発明においては、高い発電効率を有するとともに、小型化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。

本発明の燃料電池モジュールは、円柱状の収納容器内に、燃料極層と、固体電解質層と、酸素極層とをこの順に積層してなる柱状の燃料電池セルを複数個立設させた状態で周回状に配列して電気的に接続してなるセルスタックと、前記燃料電池セルの下端部を固定するとともに前記燃料電池セルに燃料ガスを供給するための平面形状が円形状のマニホールドと、前記セルスタックの上方に配置され、前記燃料電池セルに供給する前記燃料ガスを生成するための平面形状が円形状の改質器とを備え、前記改質器は側面全体が前記収納容器の側壁と接して配置されており、前記改質器と前記セルスタックとの間が、前記燃料電池セルの発電で使用されなかった余剰の前記燃料ガスを燃焼させるための燃焼部とされているとともに、該燃焼部の側方における前記収納容器の側壁に、前記燃焼部にて燃焼した後の排ガスを排出するための排気部を備えていることを特徴とする。

このような燃料電池モジュールにおいては、円柱状の容器内に、側面全体が収納容器の側壁と接するように平面形状が円形状の改質器が配置され、その下方に配置されたセルスタックとの間が余剰の燃料ガスを燃焼させるための燃焼部とされ、その側方における収納容器の側壁に、排ガスを排出するための排気部を備えていることから、コンパクトな燃料電池モジュールとすることができ、燃料電池モジュールを小型化することができる。

また、改質部およびマニホールドの平面形状が円形状であることから、改質部およびマニホールドにおいて局所的な熱応力や温度差が生じることを抑制でき、耐久性を向上することができる。

また、本発明の燃料電池モジュールは、前記改質器の上面中央部に、該改質器に原燃料を導入するための原燃料導入管が接続されており、前記改質器の底面中央部と前記マニホールドの上面中央部とが、燃料ガス供給管により接続されていることが好ましい。

このような燃料電池モジュールにおいては、原燃料導入管が改質器の上面中央部に接続されていることから、改質器に効率よく原燃料を導入することができ、燃料ガス供給管が、改質器の底面中央部とマニホールドの上面中央部とを接続していることから、マニホールドに供給された燃料ガスを効率よくそれぞれの燃料電池セルに供給することができ、発電効率を向上することができる。

また、本発明の燃料電池モジュールは、前記改質器が、原燃料と水とで水蒸気改質を行なう改質器であって、該改質器内の上方に配置された前記水を気化させるための気化部と、前記改質器内の下方に配置された、前記原燃料と前記気化部で気化された水蒸気とで水蒸気改質を行なう改質部とを備えるとともに、前記気化部が、前記原燃料導入管から中央部に導入された前記原燃料を周縁側に向けて流すための渦巻状の気化部流路を備え、前記改質部が、前記気化部流路から周縁側に供給された前記原燃料を中央部側に向けて流すための渦巻き状の改質部流路を備えることが好ましい。

このような燃料電池モジュールにおいては、改質器内の上方に配置された気化部と改質器内の下方に配置された改質部とを備えることから、気化部における吸熱反応によるセルスタックの温度低下を抑制することができ、発電効率が低下することを抑制できる。

また、気化部が、原燃料導入管から中央部に導入された原燃料を周縁側に向けて流すための渦巻状の気化部流路を備えるとともに、改質部が、周縁側に供給された原燃料を中央部側に向けて流すための渦巻状の改質部流路を備えることから、気化部流路および改質部流路の長さを長くすることができ、効率よく原燃料を燃料ガスに改質することができる。

また、本発明の燃料電池モジュールは、前記改質器の上方に前記燃料電池セルに酸素含有ガスを供給するための平面形状が円形状の酸素含有ガス導入部が配置されており、前記収納容器内を上下方向に延び、上端が前記酸素含有ガス導入部の底面中央部に接続され、下端部側に、前記燃料電池セルの下端部側に前記酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス供給口を備える酸素含有ガス供給管が設けられているとともに、該酸素含有ガス供給管の内部に、前記燃料ガス供給管が配置されていることが好ましい。

このような燃料電池モジュールにおいては、改質器の上方に平面形状が円形状の酸素含有ガス導入部を備えることから、改質器から伝わる熱で、酸素含有ガス導入部を流れる酸素含有ガスの温度を上昇させることができる。また、収納容器内を上下方向に伸びる酸素含有ガス供給管の内部に、燃料ガス供給管が配置されていることから、酸素含有ガス供給管内を流れる酸素含有ガスと、燃料ガス供給管内を流れる燃料ガスとで効率よく熱交換を行なうことができ、燃料電池セルの下端部に供給される酸素含有ガスの温度を上昇させることができる。それにより、燃料電池セルの上下方向における温度分布を均一に近づけることができ、発電効率の向上した燃料電池モジュールとすることができる。

また、本発明の燃料電池モジュールは、前記セルスタックと前記収納容器の側壁との間に上下方向に伸びる仕切壁を備えるとともに、前記収納容器の側壁と前記仕切壁との間が
、前記燃料電池セルに酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス導入部とされており、前記収納容器の側壁に、外部より前記酸素含有ガス導入部に酸素含有ガスを導入するための酸素含有ガス導入口を備えており、前記仕切壁の下端部側に、前記燃料電池セルの下端部側に前記酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス供給口を備えることが好ましい。

このような燃料電池モジュールにおいては、セルスタックと収納容器の側壁との間に上下方向に伸びる仕切壁を設け、その間を、収納容器の側壁に設けられた酸素含有ガス導入口を通じて導入される酸素含有ガス導入部とし、仕切壁の下端部側に酸素含有ガス供給口を備える構成とすることで、酸素含有ガス導入部を流れる酸素含有ガスの温度を効率よく上昇させることができるとともに、燃料電池モジュールの上下方向における長さを短くすることができ小型化することができる。

本発明の燃料電池モジュールは、円柱状の収納容器内に、側面全体が収納容器の側壁と接するように平面形状が円形状の改質器が配置され、その下方に配置されたセルスタックとの間が余剰の燃料ガスを燃焼させるための燃焼部とされ、その側方における収納容器の側壁に、排ガスを排出するための排気部を備えていることから、コンパクトな燃料電池モジュールとすることができ、小型化された燃料電池モジュールとすることができる。

本発明の燃料電池モジュールの一例を示す外観斜視図である。図１に示す燃料電池モジュールを概略的に示す断面図である。（ａ）は図２に示す燃料電池モジュールを構成する改質部、セルスタック、マニホールドを抜粋して示す外観斜視図であり、（ｂ）は図２に示す燃料電池モジュールを構成する改質部、燃料ガス供給管、マニホールドを抜粋して示す外観斜視図である。図２に示すＡ−Ａ線断面におけるセルスタックと燃料ガス供給管を抜粋して示す断面図である。本発明の燃料電池モジュールを構成する改質部および原燃料導入管の他の一例をそれぞれの一部を抜粋して示し、（ａ）は気化部および原燃料導入管の一部を示す分解斜視図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ線断面図である。本発明の燃料電池モジュールを構成する改質部および燃料ガス供給管の他の一例をそれぞれの一部を抜粋して示し、（ａ）は改質部および燃料ガス供給管の一部を示す分解斜視図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＣ−Ｃ線断面図である。本発明の燃料電池モジュールの他の一例を概略的に示す断面図である。

図１は、本発明の燃料電池モジュール１（以下、モジュールという場合がある。）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。

図１に示すモジュール１は、内部が中空で円柱状の収納容器２により構成されている。なお、収納容器２の上面には、後述する外部から原燃料を導入するための原燃料導入管３と、外部から酸素含有ガスを導入するための酸素含有ガス導入管４とが接続されている。以下、図２を用いてモジュール１について説明する。

図２は図１に示すモジュール１を概略的に示す断面図である。収納容器２は、外壁５にて収納容器２の外枠が形成され、内部に燃料電池セル９（セルスタック装置）を収納する平面形状が円形状の発電室８が形成されている。

発電室８内には、複数個の燃料電池セル９を配列してなるセルスタックと、燃料電池セ
ル９に燃料ガスを供給するための平面形状が円形状のマニホールド１０と、セルスタック（燃料電池セル９）の上方に、原燃料導入管３から供給された原燃料（天然ガスや灯油等）を改質して燃料ガスを生成するための平面形状が円形状の改質器７とが配置されている。改質器７は側面全体が、収納容器２の側壁と接するように配置されている。なお、セルスタックは、セルスタックを構成する燃料電池セル９の下端部が、ガラスシール材等の絶縁性接着材にてマニホールド１０に固定されている。なお、原燃料導入管３は、収納容器２の外部から挿入され、改質器７の上面中央部に接続されており、上端が原燃料ガスを流入するための原燃料ガス流入口２０として構成されている。なお、複数個の燃料電池セル９は、発電室８の形状にあわせて周回状に配置されている。

図２に示す改質器７は、効率の良い水蒸気改質反応を行うにあたり、改質器７内の上方側に外部より供給される水を気化させるための気化部１１が配置され、改質器７内の下方に原燃料を改質するための改質触媒を備える改質部１２が配置されている。なお改質触媒としては、一般に公知の改質触媒を用いることができる。なお、改質器７において水蒸気改質反応を行うための水を供給するための水供給管は、原燃料導入管３を共用するほか、二重管として設けることや、別々に配置することもできる。以下の説明においては、原燃料導入管３を共用した場合として説明する。

また、改質器７の上方には、酸素含有ガス導入管４を介して外部より供給される酸素含有ガスを発電室８内に導入するための平面形状が円形状の酸素含有ガス導入部６が配置されている。酸素含有ガス導入部６もまた、側面全体が収納容器２の側壁と接するように配置されており、その上面は収納容器２の上面と接するように配置されている。

以下に、図２に示すモジュール１における燃料ガスおよび酸素含有ガスの流れを説明する。

外部より酸素含有ガス導入管４を介して、酸素含有ガス導入部６に導入された酸素含有ガスは、酸素含有ガス供給管１４の内部を流れて、下端部側に設けられた酸素含有ガス供給口１５より発電室８内に供給される。

一方、原燃料導入管３より導入された原燃料（水蒸気改質を行う場合に水も）は、原燃料導入口１６より気化部１１に供給される。気化部１１においては、外部より供給された水を水蒸気に気化させて、原燃料と混合させる（以下、原燃料と水蒸気が混合したものを原燃料ガスという。）。図２に示す気化部１１においては、原燃料ガスは左右方向に流れ、原燃料ガス流出口２１を介して、内部に改質触媒を備える改質部１２に流れる。

改質部１２に流れた原燃料ガスは、改質触媒により改質され、燃料ガスが生成される。生成された燃料ガスは、燃料ガス流入口１７より燃料ガス供給管３内に流入して、マニホールド１０に流れる。マニホールド１０に流れた燃料ガスは、燃料電池セル９の内部に設けられた燃料ガス流路（図４参照）を流れ、酸素含有ガス供給口１５から供給された酸素含有ガス（空気等）とで発電が行われる。なお、燃料ガス供給管３は、改質器７（改質部１２）の底面中央部とマニホールド１０の上面中央部と接続されている。

発電に使用されなかった余剰の燃料ガスと酸素含有ガスとは、改質器７と燃料電池セル９（セルスタック）との間である燃焼部２２にて燃焼し、燃焼後の排ガスが、燃焼部２２の側方における収納容器２の側壁に設けられた排ガス排気口１８より外部に排気される。なお、図２に示すモジュール１においては、排ガス排気口１８が排気部に相当する。ここで、発電に使用されなかった余剰の燃料ガスと酸素含有ガスとを燃料電池セル９の上方にて燃焼させることにより、改質器７の温度を上昇させることができ、改質器７にて効率よく改質反応を行うことができる。

なお、原燃料導入管３のうち気化部１１内に位置する部位が、酸素含有ガス供給管１４との２重管の形状となり、酸素含有ガス供給管１４のうち、燃料ガス供給管１３が配置された部位が２重管の形状となっている。また、酸素含有ガス供給管１４は、その上端が、酸素含有ガス導入部６の底面中央部と接続され、改質器７を貫通して下端がマニホールド１０の底面中央部と接続されている。なお、酸素含有ガス供給管１４の下端はマニホールド１０に接しないように配置することもでき、この場合酸素含有ガス供給管１４の下端が酸素含有ガス供給口１５の機能を備える。

それにより、酸素含有ガス導入管４より導入された酸素含有ガスは、酸素含有ガス導入部６を流れる間に、気化部１１の熱とで熱交換され、酸素含有ガス供給管１４内を流れる間に、燃料ガス供給管１３内を流れる燃料ガスと熱交換される。それにより、温度の上昇した酸素含有ガスを燃料電池セル９に供給することができる。それにより、燃料電池セル９の下端部側に供給される酸素含有ガスの温度を効率よく上昇させることができることから、燃料電池セル９の上下方向における温度分布を均一に近づけることができ、燃料電池セル９の発電効率を向上することができる。また、モジュール１を上述の構成とすることで、従来のモジュールが有する燃料ガス、酸素含有ガスおよび排気ガスが流れるための流路を減らすことができ、モジュール１を小型化することができる。

なお、収納容器２の内部には、発電室８内を高温に維持し、燃料電池セル９の温度が低下して発電量が低減することを抑制するための断熱材１９が適宜配置されており、図２に示す収納容器２においては、セルスタックの側方側とマニホールド１０の下方とにそれぞれ配置されている。

図３（ａ）は、図２に示すモジュール１のうち、改質器７、セルスタック（燃料電池セル９）、マニホールド１０を抜粋して示す外観斜視図であり、図３（ｂ）は、図２に示すモジュール１のうち、改質器７、酸素含有ガス供給管１４、マニホールド１０を抜粋して示す外観斜視図であり、図４は図２に示すＡ−Ａ線断面におけるセルスタック（燃料電池セル９）、燃料ガス供給管１３および酸素含有ガス供給管１４を抜粋して示す断面図である。なお、図３に示す、改質器７、セルスタック（燃料電池セル９）、マニホールド１０および燃料ガス供給管１３により、セルスタック装置２３が構成されている。

図３に示すセルスタック装置２３においては、図２に示すモジュール１における平面形状が円形状に形成された発電室８にあわせて、改質器７およびマニホールド１０が平面形状が円形状（内部が中空の円柱状）に形成されている。そして、柱状の燃料電池セル９の複数個が、集電部材（図３においては図示せず、図４参照。）を介して平面形状が円形状の発電室８にあわせて周回状（環状）に配列され、その下端部がガラスシール材等の絶縁性接合材によりマニホールド１０に固定されている。

すなわち、収納容器２、改質器７、マニホールド１０および発電室８が、それぞれ平面形状が円形状に形成され、また燃料電池セル９が環状に配置されている（図４参照）ことから、セルスタックにおける温度分布を均一に近づけることができる。それにより、セルスタック（セルスタック装置２３）の発電効率を向上することができる。

また、モジュール１を上述のような構成とすることにより、セルスタックにおける温度分布のみならず、発電室８内の温度分布も均一に近づけることができる。それにより、収納容器２やマニホールド１０において局所的な熱応力や温度差が生じることを抑制することができる。それゆえ、セルスタックとマニホールド１０の接合部が破損することを抑制することができ、セルスタック装置２３の耐久性を向上することができるとともに、収納容器２の耐久性を向上することができる。

ここで、下端部側に酸素含有ガス供給口１５を備える酸素含有ガス供給管１４が、マニホールド１０の上面中央部と接続されるように配置されている。それにより、平面形状が円形状の発電室８にあわせて周回状（環状）に配列された各燃料電池セル９（セルスタック）により均一に酸素含有ガスを供給することができ、セルスタック（セルスタック装置２３）の発電効率を向上することができる。

また、図３には示していないが、酸素含有ガス供給管１４の内部に配置され、改質器７にて生成された燃料ガスをマニホールド１０に供給するための燃料ガス供給管１３が、改質器７の下面中央部とマニホールド１０の上面中央部とを接続するように設けられている。それにより、マニホールド１０に供給された燃料ガスが、効率よくセルスタックを構成するそれぞれの燃料電池セル９に供給されることから、それぞれの燃料電池セル９に供給される燃料ガスの流配を均一に近づけることができ、セルスタック（セルスタック装置２３）の発電効率を向上することができる。

なお、燃料電池セル９としては、各種燃料電池セルが知られているが、モジュール１を小型化する上で、固体酸化物形燃料電池セルとすることができる。

以下に、図２および図３に示す柱状の燃料電池セル９について、図４を用いて説明する。図４においては、一対の対向する平坦面を有し、内部に燃料ガスを流すための内部を貫通する燃料ガス流路２５（図４に示す燃料電池セル９においては６個）を備える柱状の導電性支持体２４（以下、支持体２４と略す場合がある）の一方の平坦面上に燃料極層２６、固体電解質層２７及び酸素極層２８を順次積層してなり、他方の平坦面上にはインターコネクタ２９が設けられて構成されている中空平板型の燃料電池セル９を示している。

このような燃料電池セル９の複数個を、隣接する燃料電池セル９間に集電部材３１を介装して電気的に直列に接続してセルスタックが形成される。なお、複数個の燃料電池セル９を周回状（環状）に配置してなるセルスタックにおいては、セルスタックを構成する集電部材３１の１つを、それぞれが接合されていない端部集電部材３２とすることにより、セルスタックの発電により生じた電流を効率よく引出すことができる。なお、内部が中空で円柱状の収納容器２においては、端部集電部材３２に接合され、外部に電流を引出すための電流引出し部（図示せず）を、収納容器２の上面側から挿出する構成とすることにより、モジュール１の製造（組立作業）を容易にすることができる。

また、インターコネクタ２９の外面（上面）にはＰ型半導体層３０を設けることもできる。集電部材３１または端部集電部材３２を、Ｐ型半導体層３０を介してインターコネクタ２９に接続させることにより、両者の接触がオーム接触となり、電位降下を少なくし、集電性能の低下を有効に回避することが可能となる。

このような燃料電池セル９においては、燃焼部２２にて、燃料ガス流路２５から排出され、燃料電池セル９の発電で使用されなかった燃料ガスを燃焼させる構成とすることができる。それにより、燃料電池セル９の温度を上昇させるまたは高温に維持することができるとともに、改質器７の温度を上昇させることができ、改質器７での改質反応を効率よく行なうことができる。

以下に、図４において示す燃料電池セル９を構成する各部材について説明する。

支持体２４は、燃料ガスを燃料極層２６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２９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２４としては、かかる要求を満足するものを材質として採用する必要
があり、例えば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。

燃料極層２６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ＺｒＯ_２（安定化ジルコニアと称する）とＮｉおよび／またはＮｉＯとから形成することができる。

固体電解質層２７は、電極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ＺｒＯ_２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。

酸素極層２８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ＡＢＯ_３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。酸素極層２８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。

インターコネクタ２９は、導電性セラミックスから形成することができるが、燃料ガス（水素含有ガス）および酸素含有ガス（空気等）と接触するため、耐還元性及び耐酸化性を有することが必要であり、それゆえランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物（ＬａＣｒＯ_３系酸化物）が好適に使用される。インターコネクタ２９は支持体２４に形成された燃料ガス流路２５を流通する燃料ガス、および支持体２４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。

なお、燃料電池セル９を作製するにあたり、燃料極層２６または固体電解質層２７との同時焼成により支持体２４を作製する場合においては、鉄族金属成分（またはその酸化物）と特定希土類酸化物とから支持体２４を形成することが好ましい。また、支持体２４は、所要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５０Ｓ／ｃｍ以上、より好ましくは３００Ｓ／ｃｍ以上、特に好ましくは４４０Ｓ／ｃｍ以上とすることがよい。

さらに、Ｐ型半導体層３０としては、遷移金属ペロブスカイト型酸化物からなる層を例示することができる。具体的には、インターコネクタ２９を構成するランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物（ＬａＣｒＯ_３系酸化物）よりも電子伝導性が大きいもの、例えば、ＢサイトにＭｎ、Ｆｅ、Ｃｏなどが存在するＬａＭｎＯ_３系酸化物、ＬａＦｅＯ_３系酸化物、ＬａＣｏＯ_３系酸化物などの少なくとも一種からなるＰ型半導体セラミックスを使用することができる。このようなＰ型半導体層３０の厚みは、一般に、３０〜１００μｍの範囲にあることが好ましい。

なお、図示はしていないが、固体電解質層２７と酸素極層２８との間に、固体電解質層２７と酸素極層２８との接合を強固とするとともに、固体電解質層２７の成分と酸素極層２８の成分とが反応して電気抵抗の高い反応層が形成されることを抑制する目的で、Ｃｅ（セリウム）と他の希土類元素（ＳｍやＧｄ等）とを含有する組成にて形成される中間層を備えることもできる。

さらに、図示はしていないが、インターコネクタ２９と支持体２４との間に、インターコネクタ２９と支持体２４との間の熱膨張差を軽減する等のために、燃料極層２６と類似した組成の密着層を設けることもできる。

上述したセルスタック装置２３においては、改質器７にて改質効率のよい水蒸気改質を
行なうことにより、燃料電池セル９に効率よく燃料ガスを供給することができる。ここで、改質器７を平面形状が円形状（内部が中空の円柱状）とすることにより、水蒸気改質に伴う吸熱や発熱による温度変化の影響が、セルスタックを構成する特定の燃料電池セル９にのみ影響することを抑制することができ、各燃料電池セル９に略均等に影響することとなる。それにより、セルスタックの温度分布を均一に近づけることができ、セルスタック（セルスタック装置２３）の発電効率を向上することができる。

ここで、改質器７は、水蒸気改質に伴う吸熱反応の温度変化の影響が、セルスタック（燃料電池セル９）に及ぶことを抑制できる構成とすることが好ましい。

図５は、本発明のモジュール１を構成する改質器の他の一例を示す分解斜視図であり、（ａ）は改質器３３を構成する気化部３４、原燃料導入管３および酸素含有ガス供給管１４の一部を示し、（ｂ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ線断面図を示している。なお、（ａ）においては、気化部３４を構成する上蓋をはずした状態を示している。また、図６は改質部４０を示す分解斜視図であり、（ａ）は改質器３３を構成する改質部４０および酸素含有ガス供給管１４の一部を示し、（ｂ）は（ａ）におけるＣ−Ｃ線断面図を示している。

図５および図６に示す改質器３３においては、水を気化させるための気化部３４を、改質反応を行なう改質部４０の上方に配置（改質部内の上方に配置）していることから、気化部３４における水の気化に伴う吸熱による温度低下の影響がセルスタックに及ぼす影響を抑制することができる。

なお、改質器３３にて水蒸気改質を行なうにあたって、原燃料導入管３から天然ガス等の原燃料および水を供給する。この場合において、原燃料導入管３を２重管とするほか、原燃料と水とを別々の管から供給することもできる。なお、図５（ａ）においては、原燃料導入管３から天然ガス等の原燃料および水を供給する場合を示している。

酸素含有ガス供給管１４の内部に配置された原燃料導入管３から供給される原燃料および水は、原燃料導入管３と気化部３４とを連通する原燃料導入口３９を介して、気化部３４の中央部に設けられた原燃料受け部３５に供給される。それにより、原燃料導入管３から供給された原燃料および水は、一旦、原燃料受け部３５に貯えられる。原燃料受け部３５に貯えられた原燃料および水は、原燃料受け部３５に設けられた原燃料送出口３８から、その一端が原燃料受け部３５に接続され原燃料導入管３から供給された原燃料を周縁に流すための渦巻状の気化部流路３６に流れる。この場合において、原燃料受け部３５に貯えられた水の一部は、水蒸気として気化部流路３６に流すこともできる。原燃料受け部３５を上述の構成とすることで、原燃料受け部３５が、原燃料導入管３と気化部３４とを接続する原燃料送出部としての機能を有する。

なお、原燃料受け部３５は、例えばその高さを、気化部流路３６を構成する壁の高さよりも低くし、原燃料受け部３５に貯えられた水を水蒸気に気化させた後、原燃料受け部３５の上方から、気化部流路３６に流すように構成することもできる。この場合においては、原燃料受け部３５の上端が原燃料送出口３８となる。

また、原燃料導入管３は、原燃料導入管３の開放された下端が原燃料受け部３５の底面と間隔をあけて位置するように配置するほか、原燃料導入管３の下端部に原燃料導入口（孔等）を設け、下端を原燃料受け部３５の底面と接合した構成とすることもできる。なお、図５（ａ）においては、原燃料導入管３の開放された下端が原燃料受け部３５の底面と間隔をあけて位置するように配置した状態を示している。

同様に、原燃料導入管３から供給される天然ガス等の原燃料も気化部流路３６に流れる
。気化部流路３６を渦巻状とすることにより、気化部流路３６の長さを長くすることができ、効率よく水を水蒸気に気化させることができるとともに、水蒸気と原燃料とを効率よく混合することができる。気化部流路３６を周縁側に流れた原燃料（原燃料ガス）は、気化部流路３６の周縁側（他端部側）に設けられた原燃料ガス流出口３７を介して改質部４０に流れる。なお、気化部流路３６に、水を効率よく気化させるためのセラミックボール等を配置することもできる。なお、気化部流路３６は、原燃料と水蒸気とを効率よく周縁側に流すために、周縁部に向けて下がるように傾斜する構成とすることもできる。

原燃料ガス流出口３７を流れた原燃料ガスは改質部４０の周縁側に流れる。改質部４０は、原燃料ガス流出口３７を介して改質部４０の周縁側に流入した原燃料ガスを中央部側に向けて流すための渦巻状の改質部流路４１を備えている。なお、改質部４０の上面は、気化部３４の底面により塞がれている。

改質部流路４１内には、原燃料ガスを燃料ガスに改質するための改質触媒を備えている（図示せず）。改質触媒としては、改質効率や耐久性に優れた改質触媒を用いることが好ましく、例えば、γ−アルミナやα−アルミナやコージェライト等の多孔質担体にＲｕ、Ｐｔ等の貴金属やＮｉ、Ｆｅ等の卑金属を担持させた改質触媒等を用いることができる。

改質部流路４１は、その一端が、上方から改質器３３の中央部を貫通するように設けられた酸素含有ガス供給管１４の近傍に位置するように設けられている。酸素含有ガス供給管１４の内部には、その上端が改質部４０の内部に位置し、改質部４０にて生成された燃料ガスをマニホールド１０に供給するための燃料ガス供給管１３が配置されている。

なお、燃料ガス供給管１３は、改質部流路４１にて生成された燃料ガスを燃料ガス供給管１３内に流すための燃料ガス流入口４３を備えており、燃料ガス流入口４３と改質部４０（改質部流路４１）とが、燃料ガス流入部４２により接続されている。それにより、改質部流路４１にて生成された燃料ガスは、燃料ガス流入部４２を介して燃料ガス供給管１３に流れた後、マニホールド１０を介して燃料電池セル９に供給される。なお、改質部流路４１は、原燃料ガスを効率よく燃料ガス流入部４２に流すために、中央部に向けて下がるように傾斜する構成とすることもできる。

また、酸素含有ガス供給管１４の内部に配置された燃料ガス供給管１３は、その上端が、気化部３４の底面と接合されるように配置されてもよく、また気化部３４の底面と間隔をあけて位置するように配置してもよい。なお、図６（ｂ）においては、燃料ガス供給管１３を、その上端が気化部３４の底面と間隔をあけて位置するように配置した例を示している。

このように、改質器３３を、上方に配置され、渦巻状の気化部流路３６を備える気化部３４と、気化部３４の下方に配置され、渦巻状の改質部流路４１を備える改質部４０とから構成することにより、効率よく改質反応を行なうことができるとともに、気化部３４における水の気化に伴う吸熱による温度低下の影響が、セルスタック（燃料電池セル９）に及ぶことを抑制できる。このような改質器３３を備えることにより、発電効率や耐久性の向上したモジュール１とすることができる。

図７は、本発明の燃料電池モジュールの他の一例を概略的に示す断面図である。図７に示すモジュール４４は、図２に示すモジュール１と対比して、セルスタックの側方と収納容器２の側壁との間に上下方向に延びる仕切壁５０を備えており、収納容器２の側壁と仕切壁５０との間が酸素含有ガス導入部４７とされている点で異なる。

すなわち、図７に示すモジュール４４においては、原燃料導入管３の下端が改質器４５
を構成する気化部１１の上面中央部に接続されており、燃料ガス供給管１３の上端が改質器４５を構成する改質部１２の底面中央部に接続され、燃料ガス供給管１３の下端がマニホールド１０の上面中央部に接続されている。

それにより、原燃料導入管３より導入される原燃料（水も）は、原燃料導入管３の下端より気化部１１内に供給され、気化部１１内にて生成された原燃料ガスは、原燃料ガス流出口２１を介して改質部１２に流れる。改質部１２での改質反応により生成された燃料ガスは、燃料ガス供給管１３を下方に流れて、マニホールド１０を介して燃料電池セル９に供給される。

ここでモジュール４４においては、セルスタックの側方と収納容器２の側壁との間に上下方向に延びる仕切壁５０が設けられており、発電室８の上方に対応する収納容器２の側壁に酸素含有ガス導入口４６が設けられている。

酸素含有ガス導入口４６より導入された酸素含有ガスは、収納容器２の側壁と仕切壁５０とで形成された酸素含有ガス導入部４７を下方に向けて流れる。酸素含有ガス導入部４７を下方に向けて流れた酸素含有ガスは、燃料電池セル９の下端部に対応し仕切壁５０に設けられた酸素含有ガス供給口４８より発電室８内に供給され、燃料電池セル９の発電が行われる。

燃料電池セル９の発電に使用されなかった余剰の燃料ガスと酸素含有ガスとは、燃料電池セル９の上方である燃焼部２２にて燃焼し、燃焼後の排ガスが、燃料部２２の側方における収納容器２の側壁より仕切壁５０に接続された排ガス排気管４９より外部に排気される。図７に示すモジュール４４においては、排ガス排気管４９が排気部に相当する。ここで、発電に使用されなかった余剰の燃料ガスと酸素含有ガスとを燃焼部２２にて燃焼させることにより、改質器４５の温度を上昇させることができ、改質器４５にて効率よく改質反応を行うことができる。

また、酸素含有ガス導入口４６より導入された酸素含有ガスは、酸素含有ガス導入部４７を下方に向けて流れる間に、発電室８内の熱と熱交換される。それにより、燃料電池セル９の下端部側に供給される酸素含有ガスの温度を効率よく上昇させることができることから、燃料電池セル９の上下方向における温度分布を均一に近づけることができ、燃料電池セル９の発電効率を向上することができる。

また、モジュール４４を上述のような構成とすることにより、モジュール４４の上下方向における長さを短くすることができ、モジュール４４を小型化することができる。なお、この場合において、セルスタックの側方に位置する酸素含有ガスが流れる流路は１つとすることが好ましい。流路の数が多くなると、その分モジュール４４が大型化するおそれがあるためである。

なお、酸素含有ガス導入部４７内には、発電室８内の熱が外部に放熱されることを抑制する目的で、断熱材１９を配置していることが好ましい。また、改質器４５は、上述の様な渦巻き状の流路を備える改質器４５とすることもできる。

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。

例えば図２に示すモジュール１において酸素含有ガス導入部６の両端側に酸素含有ガス導入管４を接続した例を示したが、例えば酸素含有ガス導入管４を酸素含有ガス導入部６
の一端側にのみ設けるとともに、酸素含有ガス導入部６を渦巻き状とすることもできる。

１、４４：燃料電池モジュール
２：収納容器
３：原燃料導入管
６、４７：酸素含有ガス導入部
７、３３、４５：改質器
８：発電室
９：燃料電池セル
１０：マニホールド
１１、３４：気化部
１２、４０：改質部
１３：燃料ガス供給管
１４：酸素含有ガス供給管
１５：酸素含有ガス供給口
１８：排ガス排気口
２２：燃焼部
５０：仕切壁

Claims

円柱状の収納容器内に、燃料極層と、固体電解質層と、酸素極層とをこの順に積層してなる柱状の燃料電池セルを複数個立設させた状態で周回状に配列して電気的に接続してなるセルスタックと、前記燃料電池セルの下端部を固定するとともに前記燃料電池セルに燃料ガスを供給するための平面形状が円形状のマニホールドと、前記セルスタックの上方に配置され、前記燃料電池セルに供給する前記燃料ガスを生成するための平面形状が円形状の改質器とを備え、
前記改質器は側面全体が前記収納容器の側壁と接して配置されており、
前記改質器と前記セルスタックとの間が、前記燃料電池セルの発電で使用されなかった余剰の前記燃料ガスを燃焼させるための燃焼部とされているとともに、
該燃焼部の側方における前記収納容器の側壁に、前記燃焼部にて燃焼した後の排ガスを排出するための排気部を備えていることを特徴とする燃料電池モジュール。
前記改質器の上面中央部に、該改質器に原燃料を導入するための原燃料導入管が接続されており、前記改質器の底面中央部と前記マニホールドの上面中央部とが、燃料ガス供給管により接続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。
前記改質器が、原燃料と水とで水蒸気改質を行なう改質器であって、該改質器内の上方に配置された前記水を気化させるための気化部と、前記改質器内の下方に配置された、前記原燃料と前記気化部で気化された水蒸気とで水蒸気改質を行なう改質部とを備えるとともに、前記気化部が、前記原燃料導入管から中央部に導入された前記原燃料を周縁側に向けて流すための渦巻状の気化部流路を備え、前記改質部が、前記気化部流路から周縁側に供給された前記原燃料を中央部側に向けて流すための渦巻き状の改質部流路を備えることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池モジュール。
前記改質器の上方に前記燃料電池セルに酸素含有ガスを供給するための平面形状が円形状の酸素含有ガス導入部が配置されており、
前記収納容器内を上下方向に延び、上端が前記酸素含有ガス導入部の底面中央部に接続され、下端部側に、前記燃料電池セルの下端部側に前記酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス供給口を備える酸素含有ガス供給管が設けられているとともに、
該酸素含有ガス供給管の内部に、前記燃料ガス供給管が配置されていることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の燃料電池モジュール。
前記セルスタックと前記収納容器の側壁との間に上下方向に伸びる仕切壁を備えるとともに、前記収納容器の側壁と前記仕切壁との間が、前記燃料電池セルに酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス導入部とされており、
前記収納容器の側壁に、外部より前記酸素含有ガス導入部に酸素含有ガスを導入するための酸素含有ガス流通部を備えており、前記仕切壁の下端部側に、前記燃料電池セルの下端部側に前記酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス供給口を備えることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の燃料電池モジュール。