JP2011210631A - 燃料電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】改質器の容量に応じた改質能力を発揮し得る燃料電池モジュールを提供すること。
【解決手段】本発明に係る燃料電池モジュールは、
空気と燃料ガスにより作動する複数の燃料電池セルを有する燃料電池セルスタックと
、前記複数の燃料電池セルそれぞれに燃料ガスを供給するためのガスタンクと、
燃料ガスを改質するための改質触媒を有する改質器と、
を備える燃料電池モジュールであって、
前記改質器に燃料ガスを供給するための被改質ガス供給管と、
前記改質器から改質後の燃料ガスを導出するための導出管と、を備え、
前記導出管は前記改質器の底面側に配置され、
前記改質器は、前記改質触媒を前記導出管に流出させないための流出防止部を有し、
前記流出防止部の開口部がスリット形状であり、
前記スリット形状は１辺が前記改質触媒の直径よりも短く、
他の１辺が前記改質触媒の直径よりも長いことを特徴とする
【選択図】図６

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）に使用される燃料電池モジュールに関する。

従来、このような燃料電池においては、複数の燃料電池セルによって構成される燃料電
池セルスタックを収納容器内に収容し、複数の燃料電池セルそれぞれに空気と燃料ガスと
を供給して作動させている。燃料ガスとしては天然ガス等の炭化水素と水蒸気とを反応さ
せて生成される水素等が用いられており、このように天然ガス等を改質して水素を生成す
る改質器は収納容器内に配置されている。このような配置関係とすることで、発電に際し
て発生する熱を改質反応に利用して熱効率を高めており、触媒の流出防止部を備えていることで、改質器の容量に応じた改質能力を発揮している（例えば、下記特許文献１参照）
。

特開２００９−１０４８４５号公報

ところで、固体酸化物形燃料電池においては、改質器について様々検討されている。そのような固体酸化物形燃料電池の多様化に対応するために、本発明者らも様々な形態の固体酸化物形燃料電池について検討を行った。
本発明者らはその検討の中で、長時間運転を行った際に失活した触媒が熱劣化により壊れ、欠片を生じることが今回初めて分かり、それにより改質能力が低下する可能性があることを見出した。
すなわち改質器に接続された管路を改質器底面に設け小型化を図ると同時に、その際に生じる長時間運転に基づく不具合を解消する。

そこで本発明では、改質器の容量に応じた改質能力を発揮し得る燃料電池モジュール、
及びそれを備える燃料電池を提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池モジュールは、
空気と燃料ガスにより発電する複数の燃料電池セルを有する燃料電池セルスタックと、
前記複数の燃料電池セルそれぞれに燃料ガスを供給するためのガスタンクと、
前記燃料ガスを改質するための改質触媒を有する改質器と、
を備える燃料電池モジュールであって、
前記改質器に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給管と、
前記改質器から改質後の燃料ガスを導出するための導出管と、を備え、
前記導出管は前記改質器の底面側に配置されるとともに、
前記改質器は、前記改質触媒を前記導出管に流出させないための板状の流出防止部を有し、
前記流出防止部の開口部がスリット形状であり、
前記スリット形状は１辺が前記改質触媒の直径よりも短く、
他の１辺が前記改質触媒の直径よりも長いことを特徴とする。

本発明によれば、改質器には改質触媒が収容され、改質器には燃料ガスを導出する導出管が繋がっており、その収容されている改質触媒が導出管に流出しないように流出防止部が設けられているので、改質触媒が意図せずに改質器から外部に流出してしまい、改質器内における改質触媒の量が減ってしまうことを防止できると同時に、長時間の運転により触媒が劣化することで生じた触媒の欠片が流出防止部の開口部にひっかかることなく、改質器にて圧力が上昇することをを防止することができる。

また、本発明に係る燃料電池モジュールでは、流出防止部は前記改質器内で垂直に配置されるとともに、前記導出管と離れて、前記改質器内での燃料ガスの流れの上流側に配置されることも好ましい。

本発明によれば、前記改質器内部に前記流出防止部を垂直に設置することで、前記改質触媒自体の前記導入管への流出を防ぐとともに、前記改質触媒の欠片が前記改質器の底部に堆積するようになり導出管へ行きにくくなる。また、導出管と離して配置されることにより、前記改質触媒の欠片の前記導入管への流出をさらに防止することができ、改質器の改質能力を低下させることなく、長時間性能発揮することができる。

また、本発明に係る燃料電池モジュールでは、改質器は下方に加熱部を備えるとともに、前記流出防止部の開口部が鉛直方向に長く開口するスリット形状であることも好ましい。

本発明によれば、前記改質器の底部の熱膨張による変形は前記改質器の扁平形状のために水平方向の変形が大きいが、前記流出防止部の開口部が鉛直方向に長く開口するため、開口部の変形を小さくすることができる。そのため、開口部の変形で前記改質触媒が前記導出管に流出するのを防止するため、前記改質器の内部のガス流れに支障をきたすことなく、改質能力を長時間発揮することができる。

また、流出防止部は前記改質器の底部に接続され、前記流出防止部の開口部は前記改質器の底部と離れて配置されることも好ましい。

本発明によれば、前記流出防止部が前記改質器の底部に接続されるため、前記改質触媒の欠片が前記改質器の底部に落下し、底部を転がって前記導出管に流出することを防止することができる。また、前記流出防止部の開口部が前記改質器の底部と離れて配置されるため、前記改質器触媒の欠片が底部を転がって前記導出管などに流出することを防止するとともに、ガスの流れを阻害することがないため、改質器の改質能力を低下させることなく、長時間発揮することができる。

本発明によれば、改質器の容量に応じた改質能力を発揮し得る燃料電池モジュールを提供することができる。

本実施形態に係る燃料電池モジュールを示す図である。 本実施形態に係る燃料電池モジュールを示す図である。 図１の燃料電池セルユニットを詳細に示す図である。 図１の燃料電池セルスタックを詳細に示す図である。 本実施形態に係る燃料電池モジュールの改質器を示す図である。 本実施形態に係る燃料電池モジュールの流出防止部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流出防止部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を用いた燃料電池の構成を示すブロック図である。

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，図２を参照しながら本実施形態に係る燃料電池モジュールＦＣについて説明する。図１は、本発明に係る燃料電池モジュールの一実施形態を示す正面図である。また、図２は、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。

燃料電池モジュールＦＣは、カバー部材１とベース部材２とによって密閉される空間内
に１０個の燃料電池セルスタック４００を並べて配置している。各燃料電池セルスタック
４００には、１６個の燃料電池セル４が２列になって配置されている。これらの燃料電池
セル４は、電気的に直列に配置されている。これらの燃料電池セル４は、電気的に直列に配置されている。本実施形態の燃料電池モジュールＦＣは、燃料電池用改質器ユニットを含んでいる。

燃料電池モジュールＦＣでは、１０個の燃料電池セルスタック４００により、燃料電池
セル集合体４０１が構成されている。燃料電池セル集合体４０１では、１６０個の燃料電
池セル４が行列配置されている。本実施形態では、燃料電池セル４が８行×２０列配置さ
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の管内を流れるガスと、その管外を
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、酸素を含む空気である。

燃料電池セルユニット３０について、図３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。

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、３０μ
ｍ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、内側電極外周面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４０
ｂ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、外側電極外周面４８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、燃料電池セルスタック４００について、図４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列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、４２
ｂ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４
００ｂ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３
０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１に戻り、燃料電池モジュールＦＣについて説明する。カバー部材１は、側壁１０１，１０３，１０４，１０５、及び天井１０２によって直方体状に形成されている。側壁１０１〜１０５の端部にはフランジ部１ａが形成されている。カバー部材１のフランジ部１ａをベース部材２に当接させることで、カバー部材１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１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。

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４
００ｂとほぼ同じ形状の開口部（図に明示しない）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。

一方、各燃料電池セル集合体４０１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。ここで、燃焼部は改質器に対して加熱部として機能する。
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。背面側の側壁１０２において燃焼部１８に対応する部分には、燃焼ガスと空気との燃焼を開始させるための点火装置１９が設けられている。点火装置１９により燃料ガスと空気とが混合して燃焼する。燃料電池セル集合体４０１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。

続いて、改質器５について、図２、図５を参照しながら説明する。燃料ガスは、改質用ガス供給管８を通って燃料電池モジュールＦＣ内に導入される。改質用ガス供給管８は、仕切り板１５に対して立設された燃料ガス供給管である配管６Ａを介して改質器５に繋がっている。燃料ガス供給管６Ａにはまた、空気供給管（不図示）も繋がっている。改質用ガス供給管８と空気供給管とは、燃料ガス供給管６Ａに繋がる前に合流しており、改質器５には予め混合された燃料ガスと空気とが供給可能なように構成されている。図１〜２には明示しないが本実施形態では、改質用ガス供給管８と空気供給管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に供給する燃料ガスと空気との比率を変更可能なように構成されている。

改質器５に導入された燃料ガス及び空気は、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及び空気は、導出管である配管６Ｂを通ってガスタンク３へと供給される（以後、導出管６Ｂと表記する）。改質器５に対して燃料ガス供給管６Ａが繋がっている部分と、改質器５に対して導出管６Ｂ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。また、燃料ガス供給管６Ａ，導出管６Ｂは、図２に示すように、燃料ガス供給管６Ａ，導出管６Ｂは、改質器５の上方側から見て改質器５からはみ出さない領域に設けられている。よって上面視小型化されている。

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。改質触媒２０１は担体に触媒本体を付与したものとする。これらの改質触媒は球体である。一方、改質器５には、燃料ガス供給管６Ａ、導出管６Ｂが繋がっており、これらが繋がっている接続部分においては、開口部として円形の穴が形成されている。改質触媒が開口部よりも小さければ、改質器５から改質触媒が流出してしまうので、本実施形態の場合は流出防止部を設けている。この流出防止部を設けている改質器５について、図６を参照しながら説明する。

図６は、改質器５に板状である流出防止部９０および導出管６Ｂが繋がっている接続部分５ａを示す断面図である。改質器５の中に流出防止部９０が垂直に配置されており、改質器の底面（板剤５３）と接続されている。そのとき燃料ガスは奥から手前の方向へ流れ、導出管６Bへと流れていく。流出防止部９０は導出管６Ｂの開口部５３ａと距離を開けて、燃料ガスの上流側に配置されている。

図７は、流出防止部９０の正面図である。矢印は鉛直上向きを示している。流出防止部９０の開口部９０aはスリット形状をしており、スリットの１辺（Ｃと図示）は改質触媒の直径より短く、もう１辺（Ｄと図示）は改質触媒の直径よりも長い。Ｃが鉛直方向となるように、流出防止部９０の開口部９０aは形成されている。また、スリットは端部から間隔Ｅをあけて配置されている。

改質器５の底部の熱膨張による変形は改質器５の扁平形状のために水平方向の変形が大きいが、流出防止部９０の開口部９０ａが鉛直方向に長く開口するため、開口部９０ａの変形を小さくすることができる。そのため、開口部９０ａの変形で改質触媒２０１が前記導出管６Ｂに流出するのを防止するため、改質器５の内部のガス流れに支障をきたすことなく、改質能力を長時間発揮することができる。

また、流出防止部９０が改質器５の底部（板材５３）に接続されるため、改質触媒の欠片が改質器５の底部（板材５３）に落下し、底部を転がって導出管６Ｂなどに流出することを防止することができる。さらに、流出防止部９０の開口部９０ａが改質器５の底部（板材５３）と離れて配置されるため、改質触媒の欠片が底部（板材５３）を転がって導出管６Ｂなどに流出することを防止するとともに、ガスの流れを阻害することがないため、改質器の改質能力を低下させることなく、長時間発揮することができる。

図１〜２に戻り、燃料電池モジュールＦＣについて説明する。カバー部材１の側壁１０
１，１０３，１０４，１０５、及び天井１０２は、二重壁構造になっており、その二重壁
の間の空間を気体が通過可能なように構成されている。側壁１０１の内部空間と、天井１
０２の内部空間と、側壁１０３の内部空間とはそれぞれ繋がっている。側壁１０１には空
気供給管１０が連通されていて、空気が供給されるように構成されている。

側壁１０１に供給された空気は、天井１０２から側壁１０３へと流れ、その流れる過程
において発電室１６内から伝わる熱によって加熱されるように構成されている。側壁１０
３へ流れ込んだ空気は、空気流路１０３ａ，１０３ｂに流れ込むように構成されている。
空気流路１０３ａ，１０３ｂは、側壁１０３から側壁１０１へ向けて延びるように形成さ
れている。空気流路１０３ａは、側壁１０５の内側であって、仕切り板１５の上面近傍に
沿って配置されている。空気流路１０３ｂは、側壁１０４の内側であって、仕切り板１５
の上面近傍に沿って配置されている。空気流路１０３ａ，１０３ｂのそれぞれには所定間
隔をおいて、空気流入孔１０３ｃ，１０３ｄが設けられている。側壁１０３から空気流路
１０３ａ，１０３ｂのそれぞれに流れ込んだ空気は、空気流入孔１０３ｃ，１０３ｄを通
って発電室１６内へと流れ込むように構成されている。

空気流入孔を通って発電室１６内へと流れ込んだ空気は、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
３０ｃを通った燃料ガスと合わせて燃焼される。

側壁１０４の内側上端には、排気ガス流出スリット１０４ａが設けられている。各燃料
電池セル４の上方において燃料ガスと空気とが燃焼して発生した排気ガスは、排気ガス流
出スリット１０４ａを通って側壁１０４の内部空間に入る。側壁１０４へと入り込んだ排
気ガスは、側壁１０４の内部空間を下方へと流れ、排気ガス室１７へと至って一時的に貯
留される。側壁１０５も側壁１０４と同様の構成を採用しており、排気ガスは同様に側壁
１０５の内部空間を下方へと流れ、排気ガス室１７へと至る。排気ガス室１７へと至った
排気ガスは、排気ガス管１１を通って燃料電池モジュールＦＣの外部へと排出される。

本実施形態では、排気ガス室１７内部に改質器５が配置されている。改質器５は、仕切
り板１５に当接して配置されており、改質器５で発生した熱は仕切り板１５に伝熱される
ように構成されている。排気ガス室１７には上述したように燃料ガスと空気とが燃焼した
際の排気ガスが流入し、排気ガスは高温である。従って、排気ガス室１７に排気ガスが貯
留すると、排気ガス室１７内部に配置されている改質器５に熱を与えて昇温するように構
成されている。改質器５にはまた、ヒータ１２が当接して設けられている。排気ガス室１
７に流入する排気ガスの温度が高くない場合には、ヒータ１２に通電して改質器５が昇温
される。本実施形態では、改質器５が排気ガス室１７内部に配置され、かつ改質器５は仕
切り板１５に当接して配置されているが、改質器５の配置態様はこれに限られるものでは
ない。改質器５が排気ガス室１７内部に配置されていない場合であっても、排気ガス室１
７から熱を伝達され得る位置に配置されていれば、上述したような排気ガスの熱を利用し
て改質器５を昇温することができる。また、改質器５が仕切り板１５に当接していない場
合であっても、改質器５が発生する熱が発電室１６内部に伝達され得る位置に配置されて
いれば、後述するように改質器５が発生する熱を利用して燃料電池モジュールＦＣの急速
起動に寄与することができる。

続いて、本実施形態に係る燃料電池モジュールＦＣを含む燃料電池の動作及びその運転
方法について説明する。尚、以下の説明においては便宜上、燃料電池モジュールＦＣの動
作を説明することでその燃料電池モジュールＦＣを含む燃料電池の説明としている。

本実施形態に係る燃料電池モジュールＦＣの運転方法は、着火工程と、改質工程と、ガ
ス供給工程と、セル作動工程と、燃焼工程と、を備えている。これらの工程は、後述する
ように必ずしも順次実行される工程ではなく、並行して実行されたり、順番を変えて実行
されたりする工程である。

先ず、燃料電池モジュールＦＣを温めるために、燃料電池モジュールＦＣを含む回路に
負荷をかけない状態、即ち、燃料電池モジュールＦＣを含む回路を開いた状態で、燃料電
池モジュールＦＣに燃料ガスと空気を供給する。この段階では、燃料ガスと空気が存在し
ても、回路に電流が流れないので、燃料電池モジュールＦＣは、発電を行わない。

詳細には、燃料ガスを供給する。具体的には、燃料ガスを改質用ガス供給管８に供給して、ガスタンク３内に貯める。それにより、各燃料電池セルユニット３０への均一且つ一様な燃料ガスの供給を確保する。ガスタンク３内に溜まった燃料ガスが、燃料電池セルユニット３０の管内流路３０ｃを通って流れ、内側電極層４４に作用する。作用しなかった燃料ガスが、各燃料電池セルユニット３０の上部空間に達する。

また、大気中の空気を供給する。具体的には、大気中の空気をブロア等によって空気供
給管１０に供給し、側壁１０１から天井１０２、側壁１０３へと流す。次いで、空気流路
１０３ａ，１０３ｂへと空気を通して、空気流入孔１０３ｃ，１０３ｄから空気を発電室
１６内へと導く。発電室１６内へと導かれた空気は、外側電極層４８と作用する。作用し
なかった空気は、各燃料電池セルユニット３０の上方に達する。

次いで、スパークプラグ又はヒータ等の点火装置（図示しない）を用いて、燃焼ガスと
空気とを燃焼させる（着火工程、燃焼工程）。それにより生じた排気ガスは、高温になる
。排気ガスは、側壁１０４，１０５の内部空間に導かれて、排気ガス室１７へと流入する
。排気ガス室１７へと流入した排気ガスは、排気ガス管１１から排出される。

燃料ガスと空気とが燃焼する際に、発電室１６内が昇温される。外部から導入される空
気は、側壁１０１、天井１０２、側壁１０３と流れる間に、発電室１６内と熱交換を行っ
て暖められる。高温の排気ガスは、排気ガス室１７へと流入し、排気ガス室１７内を昇温
する。排気ガス室１７内部に改質器５が設けられているので、改質器５も昇温される。

続いて、炭化水素系の都市ガスと空気とを予め混合したガスを改質器５に供給する（改
質工程）。改質器５においては、式（１）の部分酸化改質反応が進行する。この部分酸化
改質反応は発熱反応であるので、起動性が良好であり、更には改質器５から仕切り板１５
を介して熱が発電室１６へと伝熱される。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、上方からは燃料ガスと空気の混合燃焼による熱によって加熱され、
下方からはこの伝熱によって加熱されるので、加熱部分によって挟まれることになって均
等な昇温が可能となる。

ＣｍＨｎ＋ｍ／２Ｏ２ → ｍＣＯ＋ｎＨ２ （１）

部分酸化反応の実行開始から所定時間経過後、都市ガスと空気と水蒸気とを予め混合し
たガスを改質器５に供給する（改質工程）。改質器５においては、上述の部分酸化改質反
応と後述する水蒸気改質反応とが併用されたオートサーマル改質反応が進行する。このオ
ートサーマル改質反応は、熱的に内部バランスが取れるので、改質器５内では熱自立しな
がら反応が進行する。この段階では、既に起動の初期段階を過ぎており、発電室１６内が
ある程度の温度に昇温されているので、改質器５から伝熱される熱量は前述の段階よりも
少なくなる。

オートサーマル改質反応の実行開始から所定時間経過後、都市ガスと水蒸気とを予め混
合したガスを改質器５に供給する（改質工程）。改質器５においては、式（２）の水蒸気
改質反応が進行する。この水蒸気改質反応は吸熱反応であるので、熱的に安定的であり、
排気ガス室１７に流入する排気ガスと熱バランスをとりながら反応が進行する。

ＣｍＨｎ＋Ｈ２Ｏ → ｍＣＯ＋２ｎＨ２ （２）

上述したように着火工程から燃焼工程の進行に合わせて改質工程を切り替えていくこと
で、発電室１６内の温度が徐々に上昇する。発電室１６内及び燃料電池セル４の温度が、
燃料電池モジュールＦＣを安定的に作動させる定格温度よりも低い所定の発電温度に達し
たら、燃料電池モジュールＦＣを含む回路を閉じる。それにより、燃料電池モジュールＦ
Ｃは発電を開始し、回路に電流が流れる（セル作動工程）。燃料電池の発電により、燃料
電池セル４自体も発熱し、更に、燃料電池セル４の温度が上昇する。その結果、燃料電池
モジュールＦＣを作動させる定格温度、例えば、６００〜８００℃になる。

その後、定格温度を維持するために、燃料電池セル４で消費される燃料ガス及び空気の
量よりも多い量の燃料ガス及び空気を供給し、発電室１６での燃焼を継続させる（燃焼工
程）。

続いて、図８を参照しながら、燃料電池モジュールＦＣを用いた燃料電池ＦＣＳの構成について説明する。図８は、燃料電池ＦＣＳの構成を示すブロック図である。図８に示すように、燃料電池ＦＣＳは、燃料電池モジュールＦＣと、燃料供給部ＦＰと、空気供給部ＡＰと、水供給部ＷＰと、電力取出部ＥＰと、制御部ＣＳ（制御部）とを備えている。燃料供給部ＦＰ、空気供給部ＡＰ、水供給部ＷＰ、及び電力取出部ＥＰは、燃料電池ＦＣＳの補器ＡＤを構成している。

燃料供給部ＦＰは、燃料供給源としての都市ガス配管から燃料ガスを燃料電池モジュー
ルＦＣに供給する部分であって、燃料ポンプ、電磁弁を有している。燃料供給部ＦＰから
供給される燃料ガスは改質用ガス供給管８へと送り出される。

空気供給部ＡＰは、空気供給源としての大気中から空気を燃料電池モジュールＦＣに供
給する部分であって、空気ブロア、電磁弁を有している。空気供給部ＡＰから供給される
空気は改質用ガス供給管８，空気供給管９へと送り出される。

水供給部ＷＰは、水供給源としての水道管から水を燃料電池モジュールＦＣに供給する
部分であって、水ポンプ、電磁弁を有している。水供給部ＷＰから供給される水は、燃料
モジュールＦＣ内部で水蒸気となって水蒸気供給管８１へと送り出される。

電力取出部ＥＰは、燃料電池モジュールＦＣから電力を取り出す部分であって、インバ
ータ等の電力変換装置を有している。電力取出部ＥＰは、電極棒１３，１４と繋がってい
て、変換した電力は電力供給先へと送り出すように構成されている。

制御部ＣＳは、燃料供給部ＦＰ、空気供給部ＡＰ、駆動補器ＡＤ、及び電力取出部ＥＰ
のそれぞれを制御するための部分であって、ＣＰＵやＲＯＭを有している。上述したよう
な燃料電池モジュールＦＣの動作は、制御部ＣＳからの指示信号に基づいて実行される。

ＦＣ…燃料電池モジュール、１…カバー部材、２…ベース部材、３…ガスタンク、４…
燃料電池セル、３０…燃料電池セルユニット、４００…燃料電池セルスタック、５…改質
器、６A…燃料ガス供給管、６Ｂ…導出管、８…改質用ガス供給管、９，１０…空気供給管、１１…排気ガス管、１２…ヒータ、１３，１４…電極棒、１５…仕切り板、１６…発電室、１７…排気ガス室、９０…流出防止部

Claims (4)

1. 空気と燃料ガスにより発電する複数の燃料電池セルを有する燃料電池セルスタックと、
   前記複数の燃料電池セルそれぞれに燃料ガスを供給するためのガスタンクと、
   前記燃料ガスを改質するための改質触媒を有する改質器と、
   を備える燃料電池モジュールであって、
   前記改質器に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給管と、
   前記改質器から改質後の燃料ガスを導出するための導出管と、を備え、
   前記導出管は前記改質器の底面側に配置されるとともに、
   前記改質器は、前記改質触媒を前記導出管に流出させないための板状の流出防止部を有し、
   前記流出防止部の開口部がスリット形状であり、
   前記スリット形状は１辺が前記改質触媒の直径よりも短く、
   他の１辺が前記改質触媒の直径よりも長いことを特徴とする燃料電池モジュール。
2. 前記流出防止部は前記改質器内で垂直に配置されるとともに、前記導出管と離れて、前記改質器内での燃料ガスの流れの上流側に配置される請求項１に記載の燃料電池モジュール。
3. 前記改質器は下方に加熱部を備えるとともに、前記流出防止部の開口部が鉛直方向に長く開口するスリット形状であることを特徴とする請求項に２に記載の燃料電池モジュール。
4. 前記流出防止部は前記改質器の底部に接続され、前記流出防止部の開口部は前記改質器の底部と離れて配置される請求項３に記載の燃料電池モジュール。

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