JP2011210569A

JP2011210569A - 燃料電池モジュール

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Publication number: JP2011210569A
Application number: JP2010077663A
Authority: JP
Inventors: Katsuya Hirata; 勝哉平田; Naoya Murakami; 直也村上
Original assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2010-03-30
Filing date: 2010-03-30
Publication date: 2011-10-20

Abstract

【課題】確実に長期間にわたり水素リッチな改質ガスを燃料電池スタックに供給することの可能な燃料電池モジュールを提供する。
【解決手段】発電セルとセパレータとを交互に積層した直方体状の燃料電池スタック１Ａ、１Ｂを複数配置するとともに、燃料極層に改質された燃料ガスおよび酸化剤極層に酸化剤ガスを供給することにより発電反応を生じる燃料電池モジュールＭ１において、燃料電池スタックの周囲に燃料ガスを改質する複数の改質器３１〜３３を配置し、受熱量の小さいところに前段側の改質器を配置し、受熱量の大きいところに後段側の改質器を配置し、燃料ガスが前段側の改質器を通過した後に後段側の改質器を通過して最終的に各々燃料電池スタックの燃料極層へと供給されるように、燃料配管によって最前段から最後段までの改質器を順番に接続し、最後段の改質器の排出口を各々燃料電池スタックの燃料極層に接続した。
【選択図】図１

Description

本発明は、発電セルとセパレータとを交互に積層した燃料電池スタックの高出力化に伴い小型化した燃料電池モジュールに関するものである。

燃料の有する化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する燃料電池モジュールは、高効率でクリーンな発電装置として注目されている。そして、この燃料電池モジュールは、箱型の缶体内に、酸化物イオン導電体から成る固体電解質層の両面に空気極層（カソード）と燃料極層（アノード）とが配置された発電セルと、セパレータとを交互に積層した燃料電池スタックを配置するとともに、発電時に改質ガスを生成する改質器、発電時に水蒸気を生成する水気化器を配置することによって概略構成されている。

この燃料電池スタックは、発電時に、反応用ガスとして上記空気極層側に酸化剤ガス（酸素) が、また上記燃料極層側に燃料ガス（ＣＨ₄等を含有する都市ガス）を上記改質器によって改質した改質ガス (Ｈ₂、ＣＯ、ＣＯ₂、Ｈ₂Ｏ等) が供給される。

これにより、上記発電セル内において、上記空気極層側に供給された酸素は、上記空気極層内の気孔を通って上記固体電解質層との界面近傍に到達し、この部分で上記空気極層から電子を受け取って酸化物イオン（Ｏ^2-）にイオン化される。この酸化物イオンは、上記燃料極層に向かって上記固体電解質層内を拡散移動する。そして、上記燃料極層との界面近傍に到達した酸化物イオンは、この部分で改質ガスと反応して反応生成物（Ｈ₂Ｏ、ＣＯ₂等）を生じ、上記燃料極層に電子を放出する。尚、電極反応で生じた電子は、別ルートの外部負荷にて起電力として取り出すことができる。

さて、近年の燃料電池モジュールは、発電セルの大型化に伴い高出力化が進み、単位容積あたりの出力密度が従来の燃料電池スタックよりも大きくなり、この結果、従来の燃料電池モジュールよりも小型化することが可能となった。

例えば、本発明者が発明した従来の５ｋＷ（ＤＣ６３００Ｗ）級燃料電池モジュールの場合、φ１２０ｍｍの発電セルとセパレータとを交互に複数積層して燃料電池スタックが構成されており、この燃料電池スタックが缶体内に縦横２行２列、高さ方向２段と計８個設置されていた。また、このφ１２０ｍｍの発電セルの出力密度は、約０．２Ｗ／ｃｍ²であった。

これに対し、本発明者が発明した近年の５ｋＷ級燃料電池モジュールの場合、φ１７０ｍｍの発電セルとセパレータを交互に複数積層して燃料電池スタックが構成されており、当該燃料電池スタックが缶体内に縦横１行２列、高さ方向１段と計２個設置されている。このように、発電セルの口径が大きくなり、且つ出力密度が０．４〜０．５Ｗ／ｃｍ²に向上して燃料電池スタック自体の大きさが大きくなっているものの、燃料電池スタックの設置数が少なくなっていることにより、燃料電池モジュールが全体として小型化されている。

ここで、上記燃料電池モジュールは、高効率発電を実施するためには、燃料ガスを高温雰囲気にある改質器に導入して、高い転化率で改質することにより得られる水素リッチな改質ガスを生成する必要がある。改質器で高い転化率の改質ガスを得ようとする場合、受熱面を増やす必要があり、結果として、改質器が大きくなり、設置場所に困るという問題がある。

そこで、それを回避する技術として、例えば特許文献１に、改質器を、燃料電池スタック近傍でも特に燃料電池スタックの放熱を受熱し易い４つの燃料電池スタック同士の各対向側面間の十字スペースに十字型の形状で配置するものが提案されている。

ところが、近年の燃料電池モジュールは、小型化されているために、従来の燃料電池モジュールと同様に燃料電池スタックの放熱を受熱し易い燃料電池スタック同士の間に改質器を１つ配置するだけでは、改質触媒の劣化等の問題があることから、水素リッチな改質ガスを長期間にわたり燃料電池スタックに安定供給し続けることができなくなる可能性があった。

特開２００７−１５７４７９号公報

本発明は、このような従来の課題に鑑みて成されたもので、高出力化に伴い小型化された燃料電池モジュールにおいても、確実に長期間にわたり水素リッチな改質ガスを燃料電池スタックに供給することが可能な燃料電池モジュールを提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の燃料電池モジュールは、箱型の缶体内部に、固体電解質層の一方の表面に燃料極層が配置され、他方の表面に酸化剤極層が配置された発電セルとセパレータとを交互に積層した直方体状の燃料電池スタックを複数配置するとともに、上記燃料極層に改質された燃料ガスおよび上記酸化剤極層に酸化剤ガスを供給することにより発電反応を生じる燃料電池モジュールにおいて、上記燃料電池スタックの周囲に該燃料電池スタックからの放熱を受熱して上記燃料ガスを改質する複数の改質器が配置され、受熱量の小さいところに上記複数の改質器のうちの前段側の改質器が配置され、受熱量の大きいところに上記複数の改質器のうちの後段側の改質器が配置され、しかも、上記燃料ガスが上記前段側の改質器を通過した後に上記後段側の改質器を通過して最終的に各々燃料電池スタックの燃料極層へと供給されるように、燃料配管によって最前段から最後段までの改質器が順番に接続され、最後段の改質器の排出口が各々燃料電池スタックの燃料極層に接続されていることを特徴とするものである。

請求項２に記載の燃料電池モジュールは、請求項１に記載の燃料電池モジュールにおいて、上記燃料電池スタックが平面視において横方向に２行、縦方向に１列の合計２つ配置されるとともに、上記燃料電池スタック同士の間に、発電時に双方の燃料電池スタックの放熱を受熱して上記燃料ガスを改質する最後段の改質器が配置され、それぞれの上記燃料電池スタックの上記最終段の改質器が配置された面を除く外周面の少なくとも一面と上記缶体との間に、発電時に当該燃料電池スタックの放熱を受熱して上記燃料ガスを改質する前段側の改質器が配置されていることを特徴とするものである。

請求項３に記載の燃料電池モジュールは、請求項１に記載の燃料電池モジュールにおいて、上記燃料電池スタックが平面視において横方向に２行、縦方向に２列の合計４つ配置されるとともに、上記燃料電池スタック同士の対向側面間のスペースに、スタックの配列の中心部から４つの翼部を上記４つの対向側面間のスペースの略中間の位置までに延ばし且つ発電時に４つの燃料電池スタックの放熱を受熱して上記燃料ガスを改質する最後段の十字型の改質器が配置され、それぞれの上記燃料電池スタック同士の対向側面間のスペースのうち、上記最終段の十字型の改質器の各翼部の外側に残されたスペースに、上記前段側の改質器が配置されていることを特徴とするものである。

請求項４に記載の燃料電池モジュールは、請求項３に記載の燃料電池モジュールにおいて、上記４つの燃料電池スタックの外周面のうち、隣り合う燃料電池スタック間の対向側面を除く外周面の少なくとも一面と上記缶体との間のスペースに、更に最前段の改質器が配置されていることを特徴とするものである。

請求項５に記載の燃料電池モジュールは、請求項１に記載の燃料電池モジュールにおいて、上記燃料電池スタックが平面視において横方向に２行、縦方向に３列の合計６つ配置されるとともに、上記横方向中央の縦方向に２つ並ぶ燃料電池スタック同士の対向側面間のスペースに、発電時に対向する２つの燃料電池スタックの放熱を受熱して上記燃料ガスを改質する最後段の改質器が配置され、上記横方向の両端に縦方向に２つ並ぶ燃料電池スタック同士の対向側面間のスペースと、それら横方向の両端において縦方向に２つ並ぶ燃料電池スタックと横方向中央において縦方向に２つ並ぶ燃料電池スタックとの対向側面間のスペースに、該３つのスペースの交点位置から該３つのスペースに沿って３つの翼部を延ばし且つ発電時に周囲の燃料電池スタックの放熱を受熱して上記燃料ガスを改質する前記前段側のＴ字型の改質器が配置されていることを特徴とするものである。

請求項６に記載の燃料電池モジュールは、請求項５に記載の燃料電池モジュールにおいて、上記Ｔ字型の前段側の改質器の上記翼部が短縮されることで、該改質器が中段の改質器として設定され、上記３つのスペースのうち、上記中段の改質器の各翼部の短縮によりその更に外側に残された各スペースに、それぞれ最前段の改質器が配置されていることを特徴とするものである。

請求項１に記載の燃料電池モジュールによれば、燃料電池スタックの周囲に複数の改質器が配置され、受熱量の小さいところに複数の改質器のうちの前段側の改質器が配置され、受熱量の大きいところに複数の改質器のうちの後段側の改質器が配置され、しかも、燃料ガスが前段側の改質器を通過した後に後段側の改質器を通過して最終的に各々燃料電池スタックの燃料極層へと供給されるように、燃料配管によって最前段から最後段までの改質器が順番に接続され、最後段の改質器の排出口が各々燃料電池スタックの燃料極層に接続されているので、同一の改質器総容量でも、転化率の高い（温度の高い）改質ガスを得ることができる。

ところで、燃料電池モジュールに複数の改質器が配置されている場合、燃料ガスは、初期段階（供給入口側）で最も温度が高い改質器において改質されると、その後、この改質器より温度が低い改質器に導入されても、改質がそれ以上進まないばかりか、低い温度での平衡組成へと逆改質反応が生じることがある。そのため、燃料配管によって温度の高い改質器と温度の低い改質器をこの順に接続すると、入口側の改質器において改質ガスを生成することは可能であるものの、出口側の改質器における不十分な改質、さらには逆改質反応により、水素リッチな改質ガスを生成することができなくなる可能性がある。

これに対し、本発明の燃料電池モジュールは、燃料配管によって、受熱量の小さいところに配置された前段側の低温側の改質器を通過した後に受熱量の大きいところに配置された後段側の高温側の改質器を通過して最終的に各々燃料電池スタックの燃料極層へと供給されるように、燃料配管によって最前段から最後段までの改質器が順番に接続されているので、燃料ガスは、前段側の改質器において殆ど改質ガスに改質された後に、前段側のものより温度の高い後段側の改質器においてより一層改質される。このように、本燃料電池モジュールでは、最も効率的に受熱できる場所に最後段（最終段）の改質器が配置されていることによって、最も期待している最後段の改質器の触媒の劣化を抑制することができる。そのため、結果的に転化率の高い改質ガスを長期にわたって燃料電池スタックに供給することができ、改質触媒の全体の寿命を延ばすことができる。

請求項２に記載の燃料電池モジュールによれば、燃料電池スタックが平面視において横方向に２行、縦方向に１列の合計２つ配置されるとともに、燃料電池スタック同士の間に最後段の改質器が配置され、燃料電池スタックの最終段の改質器が配置された面を除く外周面の少なくとも一面と缶体との間に前段側の改質器が配置されているので、燃料電池スタックの配列の一番外側のスタック外周面からの放熱を有効に改質作用に利用することができ、転化率の高い（温度の高い）改質ガスを得ることができ、エネルギー効率の向上が図れる。

請求項３に記載の燃料電池モジュールによれば、燃料電池スタックが平面視において横方向に２行、縦方向に２列の合計４つ配置されるとともに、燃料電池スタック同士の対向側面間のスペースに、スタックの配列の中心部から４つの翼部を上記４つの対向側面間のスペースの略中間の位置までに延ばした最後段の十字型の改質器が配置され、それぞれの燃料電池スタック同士の対向側面間のスペースのうち、最終段の十字型の改質器の各翼部の外側に残されたスペースに前段側の改質器が配置されているので、スタック相互間の十字型のスペースを利用して改質器を配置しているものの、複数段の改質器の直列接続での配置となるため、改質触媒の劣化を有効に抑制することができる。

請求項４に記載の燃料電池モジュールによれば、上記４つの燃料電池スタックの外周面のうち、隣り合う燃料電池スタック間の対向側面を除く外周面の少なくとも一面と上記缶体との間のスペースに、更に最前段の改質器が配置されているので、改質器の数と直列接続の段数の増加により、一層の改質触媒の劣化防止効果と転化率の高い（温度の高い）改質ガスの生成効果を奏することができる。

請求項５に記載の燃料電池モジュールによれば、燃料電池スタックが平面視において横方向に２行、縦方向に３列の合計６つ配置されている場合に、横方向中央の縦方向に２つ並ぶ燃料電池スタック同士の対向側面間のスペースに最後段の改質器が配置され、横方向の両端に縦方向に２つ並ぶ燃料電池スタック同士の対向側面間のスペースと、それら横方向の両端において縦方向に２つ並ぶ燃料電池スタックと横方向中央において縦方向に２つ並ぶ燃料電池スタックとの対向側面間のスペースに、該３つのスペースの交点位置から該３つのスペースに沿って３つの翼部を延ばした前段側のＴ字型の改質器が配置されているので、燃料電池スタックからの受熱量の高い箇所に配置した改質器により、転化率の高い（温度の高い）改質ガスを得ることができる。また、狭いスペースを利用しながら、複数段の改質器の直列接続となるため、改質触媒の劣化を有効に抑制することができる。

請求項６に記載の燃料電池モジュールによれば、上記Ｔ字型の前段側の改質器の翼部が短縮されることで、該改質器が中段の改質器として設定され、上記３つのスペースのうち、中段の改質器の各翼部の短縮によりその更に外側に残された各スペースに、それぞれ最前段の改質器が配置されているので、３段の改質器の直列接続となるため、転化率の高い（温度の高い）改質ガスを得ることができるし、狭いスペースを利用しながら、改質触媒の劣化を有効に抑制することができる。

本発明の第１実施形態の燃料電池モジュールの主要構成要素を示す上面図である。本発明の第２実施形態の燃料電池モジュールの主要構成要素を示す上面図である。本発明の第３実施形態の燃料電池モジュールの主要構成要素を示す上面図である。本発明の第４実施形態の燃料電池モジュールの主要構成要素を示す上面図である。本発明の第５実施形態の燃料電池モジュールの主要構成要素を示す上面図である。本発明の第６実施形態の燃料電池モジュールの主要構成要素を示す上面図である。本発明の第７実施形態の燃料電池モジュールの主要構成要素を示す上面図である。各実施形態の燃料電池モジュールの燃料電池スタックのある段の主要部構成を示す側面図及びその部分拡大側断面図である。図８のセパレータを示す平面図である。

以下、本発明の各実施形態の燃料電池モジュールを図面を参照して説明する。
図１は、本発明に係る燃料電池モジュールの第１実施形態を示すもので、図中符号１Ａ、１Ｂは燃料電池スタックである。
この燃料電池スタック１Ａ、１Ｂは、図８に示すように、固体電解質層２の一方の面に燃料極層３が配置されるとともに、他方の面に空気極層４が配置された発電セル５とセパレータ６とを交互に複数配置することにより構成されており、且つ燃料極層３とセパレータ６との間には、燃料極集電体７が配置されるとともに、空気極層４とセパレータ６との間には、空気極集電体８が配置されている。

ここで、この固体電解質層２は、イットリアを添加した安定化ジルコニア（ＹＳＺ）あるいはランタンガレート材料（ＬａＧａＯ₃）等で円板状に構成され、燃料極層３はＮｉ等の金属あるいはＮｉ−ＹＳＺ等のサーメットで円状に形成され、空気極層４はＬａＭｎＯ₃、ＬａＣｏＯ₃等で円状に形成されている。また、燃料極集電体７はＮｉ等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で円形に構成され、空気極集電体８はＡｇ等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で円形に構成されている。

さらに、セパレータ６は、図９に示すように、厚さ数ｍｍの略方形状のステンレス製の板材で構成されており、上述した発電セル５、各集電体７、８が積層される中央のセパレータ本体と９、このセパレータ本体９より面方向に延設されて、当該セパレータ本体９の対向縁部を２箇所で支持する一対のセパレータアーム１０、１１とで構成されている。

そして、セパレータ本体９は、集電体７、８を介して発電セル５間を電気的に接続すると共に、発電セル５に対して反応用ガスを供給する機能を有し、その内部に燃料ガスをセパレータ６の縁部から導入してセパレータ６の燃料極集電体７に対向する面の中央部の吐出口１２から噴出させる燃料ガス通路１３と、酸化剤ガス（空気）をセパレータ６の縁部から導入してセパレータ６の空気極集電体８に対向する面の中央部の吐出口１４から噴出させる酸化剤ガス通路１５とを有する。

また、各セパレータアーム１０、１１は、それぞれセパレータ本体９の外周辺に沿って僅かな隙間を持って対向角隅部に延設される細長帯状として積層方向に可撓性を持たせた構造とされると共に、これらセパレータアーム１０、１１の端部１６、１７に板厚方向に貫通する一対のガス孔１８、１９が設けられている。一方のガス孔１８はセパレータ６の燃料ガス通路１３に連通し、他方のガス孔１９はセパレータ６の酸化剤ガス通路１５に連通し、各々のガス孔１８、１９からこれらのガス通路１３、１５通して各発電セル５の各電極３、４面に燃料ガスや酸化剤ガスを供給するようになっている。

そして、図８に示すように、各セパレータ６の本体９間に、それぞれ発電セル５および集電体７、８を介在させるとともに、各セパレータ６のガス孔１８、１９間に各々絶縁性のマニホールドリング２０を介在させることによって、ガス孔１８およびマニホールドリング２０によって燃料ガスマニホールド２１が構成され、ガス孔１９およびマニホールドリング２０によって空気マニホールド２２が構成されている。

このようにして構成された燃料電池スタック１Ａ、１Ｂは、図示省略するが、内部缶体と外部缶体との間に断熱材を配して構成された缶体によって覆われており、内部缶体の内部に平面視において横方向に２行、縦方向に１列に並べて配置され、各燃料電池スタック１Ａ、１Ｂが互いの間に隙間（スペース）を空けて、架台（図示略）に載置された状態で配置されている。

一方、これらの燃料電池スタック１Ａ、１Ｂの周囲には、燃料電池スタック１Ａ、１Ｂからの放熱を受熱して燃料ガスを改質する複数の改質器３１〜３３が配置されている。これらの複数の改質器３１〜３３のうち、受熱量の小さいところには前段側の改質器３１、３２が配置され、受熱量の大きいところに最後段の改質器３３が配置されている。そして、燃料ガスが前段側の改質器３１、３２を通過した後に最後段の改質器３３を通過して最終的に各々燃料電池スタック１の燃料極層へと供給されるように、燃料配管によって最前段から最後段までの改質器が順番に接続され、最後段の改質器３３の排出口が各々燃料電池スタック１Ａ、１Ｂの燃料極層に接続されている。図において、○数字の１〜３で示す順番で矢印のように燃料ガスが直列に流れるように接続されている。この点は、以下の図２〜図７の実施形態においても同様である。

具体的には、燃料電池スタック１Ａ、１Ｂ同士の間、即ち、隣接する２つの燃料電池スタック１Ａ、１Ｂの対向側面間のスペースに、直列接続する際に最後段（最終段）となる改質器３３が配置されている。この最後段の改質器３３は、燃料電池スタック１Ａ、１Ｂの高さ方向の上端部から下端部まで延在する高さを有している。

また、燃料電池スタック１Ａ、１Ｂのそれ以外の外周面のうちの２面に、前段の２つの改質器３１、３２がそれぞれ配置されている。前段の２つの改質器３１、３２のうち１段目の改質器３１は、最前段の改質器として燃料電池スタック１Ａ、１Ｂの並び方向の両端に位置する外周面と缶体との間のスペースに配置されている。また、前段の２つの改質器３１、３２のうち２段目の改質器３１は、燃料電池スタック１Ａ、１Ｂの並び方向に平行な同じ側の外周面と缶体との間のスペースに配置されている。これら３種類（３段）の改質器３１、３２、３３は、燃料ガスが前段の改質器３１に導入された後に、中段の改質器３２を経て、後段の改質器３３に導入されて、各々燃料電池スタック１Ａ、１Ｂの燃料極層へと供給されるように、燃料配管によって前段（最前段）の改質器３１の排出口と中段の改質器３２の導入口が接続され、中段の改質器３２の排出口と後段（最後段）の改質器３３の導入口が接続され、後段の改質器３３の排出口と各々燃料電池スタック１Ａ、１Ｂの燃料極層とが接続されている。これらの外周側の改質器３１、３２も、改質器３３と同様に、燃料電池スタック１Ａ、１Ｂの高さ方向の上端部から下端部まで延在する高さを有している。なお、これらの改質器３１〜３３の内部には、炭化水素用のＮｉ（ニッケル）系、或いはＲｕ（ルテニウム）系の改質触媒が充填されている。

燃料電池スタック１Ａ、１Ｂは、発電反応を開始すると、当該発電反応は発熱反応であることから、発電反応の熱によって７００℃以上に昇温される。また、それに伴い、改質器３１〜３３も燃料電池スタック１Ａ、１Ｂの放熱によって、改質可能な温度に昇温される。燃料ガスは、図中の○数字と矢印で通過の順番を示すように、昇温された１段目の改質器３１→２段目の改質器３２→３段目（最終段）の改質器３３を経て改質作用を連続して受けながら改質ガスとなって、各燃料電池スタック１Ａ、１Ｂの燃料極層に供給される。従って、同一の改質器総容量であっても、転化率の高い（温度の高い）改質ガスを得ることができる。

これに対し、この燃料電池モジュールでは、燃料配管によって、受熱量の小さいところに配置された１、２段目の低温側の改質器３１、３２を通過した後に受熱量の大きいところに配置された最後段の高温側の改質器３３を通過して最終的に各々燃料電池スタック１Ａ、１Ｂの燃料極層へと供給されるので、燃料ガスは、前段側の改質器３１、３２において殆ど改質ガスに改質された後に、前段側のものより温度の高い後段側の改質器３３においてより一層改質されることになる。従って、このように本燃料電池モジュールでは、最も効率的に受熱できる場所に最後段（最終段）の改質器３３が配置されていることによって、最も期待している最後段の改質器３３の触媒の劣化を抑制することができる。そのため、結果的に転化率の高い改質ガスを長期にわたって燃料電池スタック１Ａ、１Ｂに供給することができ、改質触媒の全体の寿命を延ばすことができる。

図２に示す第２実施形態の燃料電池モジュールＭ２は、２段目（前段側）の改質器３２の配置を、第１実施形態と異ならせたものである。すなわち、燃料電池スタック１Ａ、１Ｂの並び方向と平行な外周面のうち、互いに反対側の外側面に２段目（前段側）の改質器３２を配置している。それ以外は第１実施形態と同様であり、第１実施形態とほぼ同様の作用効果を期待できる。

図３に示す第３実施形態の燃料電池モジュールＭ３は、１段目の改質器３１の配置を、第２実施形態と異ならせたものである。すなわち、第２実施形態では、１段目の改質器３１が、燃料電池スタック１Ａ、１Ｂの並び方向の両端の外周面に配置されていたが、その改質器３１を、燃料電池スタック１Ａ、１Ｂの並び方向と平行な外周面のうち、互いに反対側の外側面に配置している。それ以外は第２実施形態と同様である。この第３実施形態の燃料電池モジュールＭ３では、１段目の改質器３１をより隣の燃料電池スタック１Ａ、１Ｂの近くに持ってきたので、第２実施形態の配置よりも、１段目の改質器３１の温度を高くできると期待できる。

図４の第４実施形態の燃料電池モジュールＭ４は、燃料電池スタック１Ａ〜１Ｄが平面視において横方向に２行、縦方向に２列の合計４つ配置されている。そして、燃料電池スタック１Ａ〜１Ｄ同士の対向側面間のスペースに、スタックの配列の中心部から４つの翼部（中心部から見て四方に突出した部分）を４つの対向側面間のスペースの略中間の位置までに延ばし且つ発電時に４つの燃料電池スタック１Ａ〜１Ｄの放熱を受熱して燃料ガスを改質する最後段の十字型の改質器（ここでは２段目に相当する改質器）３２を配置し、更に、それぞれの燃料電池スタック１Ａ〜１Ｄ同士の対向側面間のスペースのうち、最終段の十字型の改質器３２の各翼部の外側に残されたスペースに、１段目（前段側）の改質器３１を配置したものである。

この場合は１段目（前段）と２段目（後段）の改質器３１、３２の２段の改質器配置となるから、燃料ガスが前段の改質器３１に導入された後に、後段の改質器３２に導入されて各々燃料電池スタック１Ａ〜１Ｄの燃料極層へと供給されるように、燃料配管によって前段の改質器３１の排出口と後段の改質器３２の導入口が接続され、後段の改質器３２の排出口と各々燃料電池スタック１Ａ〜１Ｄの燃料極層とが接続されている。この燃料電池モジュールＭ４によれば、特許文献１の従来例と同様に、スタック１Ａ〜１Ｄ相互間の十字型のスペースを利用して改質器３２を配置しているものの、複数段の改質器３１、３２の直列接続での配置となるため、改質触媒の劣化を有効に抑制することができる。

図５の第５実施形態の燃料電池モジュールＭ５は、燃料電池スタック１Ａ〜１Ｄが平面視において横方向に２行、縦方向に２列の合計４つ配置されている。そして、燃料電池スタック１Ａ〜１Ｄ同士の対向側面間のスペースに、スタックの配列の中心部から４つの翼部（中心部から見て四方に突出した部分）を４つの対向側面間のスペースの略中間の位置までに延ばし且つ発電時に４つの燃料電池スタック１Ａ〜１Ｄの放熱を受熱して燃料ガスを改質する最後段の十字型の改質器（ここでは３段目に相当する改質器）３３を配置し、更に、それぞれの燃料電池スタック１Ａ〜１Ｄ同士の対向側面間のスペースのうち、最終段の十字型の改質器３３の各翼部の外側に残されたスペースに、２段目（前段側）の改質器３２を配置し、更に４つの燃料電池スタック１Ａ〜１Ｄの外周面のうち、隣り合う燃料電池スタック間の対向側面を除く外周面の少なくとも一面と缶体との間のスペースに、更に最前段（１段目）の改質器３１を配置したものである。

この場合は、４つの燃料電池スタック１Ａ〜１Ｄの外周面のうち、隣り合う燃料電池スタック１Ａ〜１Ｄ間の対向側面を除く外周面の少なくとも一面と缶体との間のスペースに、更に最前段（１段目）の改質器３１を配置しているので、改質器３１〜３３の数と直列接続の段数の増加により、一層の改質触媒の劣化防止効果と転化率の高い（温度の高い）改質ガスの生成効果を奏することができる。

図６の第６実施形態の燃料電池モジュールＭ６は、燃料電池スタック１Ａ〜１Ｆが平面視において横方向に２行、縦方向に３列の合計６つ配置されている。そして、横方向中央の縦方向に２つ並ぶ燃料電池スタック１Ｂ、１Ｅ同士の対向側面間のスペースに、発電時に対向する２つの燃料電池スタック１Ｂ、１Ｅの放熱を受熱して燃料ガスを改質する後段（２段目）の改質器３２が配置され、横方向の両端に縦方向に２つ並ぶ燃料電池スタック１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｆ同士の対向側面間のスペースと、それら横方向の両端において縦方向に２つ並ぶ燃料電池スタック１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｆと横方向中央において縦方向に２つ並ぶ燃料電池スタック１Ｂ、１Ｅとの対向側面間のスペースに、該３つのスペースの交点位置から該３つのスペースに沿って３つの翼部を延ばし且つ発電時に周囲の燃料電池スタック１Ａ〜１Ｆの放熱を受熱して燃料ガスを改質する前段（１段目）のＴ字型の改質器３１を配置したものである。

この燃料電池モジュールＭ６によれば、燃料電池スタック１Ｂ、１Ｅからの受熱量の高い箇所に配置した改質器３２により、転化率の高い（温度の高い）改質ガスを得ることができる。また、狭いスペースを利用しながら、複数段の改質器３１、３２の直列接続となるため、改質触媒の劣化を有効に抑制することができる。

図７の第７実施形態の燃料電池モジュールＭ７は、燃料電池スタック１Ａ〜１Ｆが平面視において横方向に２行、縦方向に３列の合計６つ配置されている。そして、横方向中央の縦方向に２つ並ぶ燃料電池スタック１Ｂ、１Ｅ同士の対向側面間のスペースに、発電時に対向する２つの燃料電池スタック１Ｂ、１Ｅの放熱を受熱して燃料ガスを改質する最後段（３段目）の改質器３３が配置され、横方向の両端に縦方向に２つ並ぶ燃料電池スタック１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｆ同士の対向側面間のスペースと、それら横方向の両端において縦方向に２つ並ぶ燃料電池スタック１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｆと横方向中央において縦方向に２つ並ぶ燃料電池スタック１Ｂ、１Ｅとの対向側面間のスペースに、該３つのスペースの交点位置から該３つのスペースに沿って３つの翼部をスペースの途中まで延ばし且つ発電時に周囲の燃料電池スタック１Ａ〜１Ｆの放熱を受熱して燃料ガスを改質する２段目のＴ字型の改質器３２を配置し、Ｔ字型の改質器３２の翼部を短縮することで、該改質器３２を中段の改質器として設定し、更に３つのスペースのうち、中段の改質器３２の各翼部の短縮によりその更に外側に残された各スペースに、それぞれ１段目（最前段）の改質器３１を配置したものである。

この燃料電池モジュールによれば、Ｔ字型の前段側（２段目）の改質器３２の翼部を短縮してできるスペースに、それぞれ１段目（最前段）の改質器３１を配置しているので、３段の改質器３１〜３３の直列接続となるために、転化率の高い（温度の高い）改質ガスを得ることができるし、狭いスペースを利用しながら、改質触媒の劣化を有効に抑制することができる。

以上の各実施形態において説明したように、本発明の燃料電池モジュールの特徴は、燃料電池スタックの周囲に燃料電池スタックからの放熱を受熱して燃料ガスを改質する複数の改質器を配置し、受熱量の小さいところに複数の改質器のうちの前段側の改質器を配置し、受熱量の大きいところに複数の改質器のうちの後段側の改質器を配置し、燃料ガスが前段側の改質器を通過した後に後段側の改質器を通過して最終的に各々燃料電池スタックの燃料極層へと供給されるように、燃料配管によって最前段から最後段までの改質器を順番に接続し、最後段の改質器の排出口を各々燃料電池スタックの燃料極層に接続しているので、同一の改質器総容量でも、転化率の高い（温度の高い）改質ガスを得ることができるし、また、最も効率的に受熱できる場所に最後段（最終段）の改質器を配置していることから、最も期待している最後段の改質器の触媒の劣化を抑制することができる。そのため、結果的に転化率の高い改質ガスを長期にわたって燃料電池スタックに供給することができ、改質触媒の全体の寿命を延ばすことができるという優れた効果を得ることができる。このことは、上記実施形態のスタック配列によらず、別のレイアウトの燃料電池モジュールにも、本発明を適用可能であるということを示している。

Ｍ１〜Ｍ７燃料電池モジュール
１Ａ〜１Ｆ燃料電池スタック
２固体電解質層
３酸化剤極層
４燃料極層
５発電セル
６セパレータ
３１〜３３改質器

Claims

箱型の缶体内部に、固体電解質層の一方の表面に燃料極層が配置され、他方の表面に酸化剤極層が配置された発電セルとセパレータとを交互に積層した直方体状の燃料電池スタックを複数配置するとともに、上記燃料極層に改質された燃料ガスおよび上記酸化剤極層に酸化剤ガスを供給することにより発電反応を生じる燃料電池モジュールにおいて、
上記燃料電池スタックの周囲に該燃料電池スタックからの放熱を受熱して上記燃料ガスを改質する複数の改質器が配置され、受熱量の小さいところに上記複数の改質器のうちの前段側の改質器が配置され、受熱量の大きいところに上記複数の改質器のうちの後段側の改質器が配置され、しかも、上記燃料ガスが上記前段側の改質器を通過した後に上記後段側の改質器を通過して最終的に各々燃料電池スタックの燃料極層へと供給されるように、燃料配管によって最前段から最後段までの改質器が順番に接続され、最後段の改質器の排出口が各々燃料電池スタックの燃料極層に接続されていることを特徴とする燃料電池モジュール。
上記燃料電池スタックが平面視において横方向に２行、縦方向に１列の合計２つ配置されるとともに、
上記燃料電池スタック同士の間に、発電時に双方の燃料電池スタックの放熱を受熱して上記燃料ガスを改質する最後段の改質器が配置され、
それぞれの上記燃料電池スタックの上記最終段の改質器が配置された面を除く外周面の少なくとも一面と上記缶体との間に、発電時に当該燃料電池スタックの放熱を受熱して上記燃料ガスを改質する前段側の改質器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。
上記燃料電池スタックが平面視において横方向に２行、縦方向に２列の合計４つ配置されるとともに、
上記燃料電池スタック同士の対向側面間のスペースに、スタックの配列の中心部から４つの翼部を上記４つの対向側面間のスペースの略中間の位置までに延ばし且つ発電時に４つの燃料電池スタックの放熱を受熱して上記燃料ガスを改質する最後段の十字型の改質器が配置され、
それぞれの上記燃料電池スタック同士の対向側面間のスペースのうち、上記最終段の十字型の改質器の各翼部の外側に残されたスペースに、上記前段側の改質器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。
上記４つの燃料電池スタックの外周面のうち、隣り合う燃料電池スタック間の対向側面を除く外周面の少なくとも一面と上記缶体との間のスペースに、更に最前段の改質器が配置されていることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池モジュール。
上記燃料電池スタックが平面視において横方向に２行、縦方向に３列の合計６つ配置されるとともに、
上記横方向中央の縦方向に２つ並ぶ燃料電池スタック同士の対向側面間のスペースに、発電時に対向する２つの燃料電池スタックの放熱を受熱して上記燃料ガスを改質する最後段の改質器が配置され、
上記横方向の両端に縦方向に２つ並ぶ燃料電池スタック同士の対向側面間のスペースと、それら横方向の両端において縦方向に２つ並ぶ燃料電池スタックと横方向中央において縦方向に２つ並ぶ燃料電池スタックとの対向側面間のスペースに、該３つのスペースの交点位置から該３つのスペースに沿って３つの翼部を延ばし且つ発電時に周囲の燃料電池スタックの放熱を受熱して上記燃料ガスを改質する前記前段側のＴ字型の改質器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。
上記Ｔ字型の前段側の改質器の上記翼部が短縮されることで、該改質器が中段の改質器として設定され、
上記３つのスペースのうち、上記中段の改質器の各翼部の短縮によりその更に外側に残された各スペースに、それぞれ最前段の改質器が配置されていることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池モジュール。