JP2011249160A - 燃料電池モジュールおよび燃料電池装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 原燃料の改質効率を向上し、それにより発電効率が向上した燃料電池モジュールおよび燃料電池装置を提供する。
【解決手段】 本発明の燃料電池モジュール１は、収納容器２内に設けられた発電室３８内に、酸素含有ガスと燃料ガスとで発電を行なうとともに、一端側で発電に使用されなかった余剰の燃料ガスを燃焼させる構成の燃料電池セル３を複数個配列して電気的に接続してなるセルスタック４と、セルスタック４の一端側と離間して配置された、原燃料を改質して燃料電池セル３に供給する燃料ガスを生成するための改質器７と、改質器７に接して配置された、排ガスを浄化するための燃焼触媒を備える排ガス処理器３１とを収納してなることから、改質器７の温度を効率よく上昇させることができ、改質効率を向上することができ、それにより発電効率を向上することができる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、収納容器内に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およびそれを具備する燃料電池装置に関する。

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や、天然ガス等の原燃料を燃料ガスに改質するための改質器等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。

このような燃料電池モジュールにおいては、燃料電池セルの発電に使用されなかった燃料ガスを燃焼させて、改質器にて効率よく改質反応を行なうとともに、燃料電池モジュール内を高温に維持することで、高効率の発電を行なうことができる。

ところで、このような燃料電池モジュールにおいては、原燃料を改質する際や、発電で使用されなかった燃料ガスを燃焼させる際の不完全燃焼等により、一酸化炭素を含有する排ガスを生じる場合がある。

それゆえ、一酸化炭素を含有する排ガスが燃料電池装置の外部に排気されないよう、排ガスを排気するための排ガス流路の流入口または排ガス流路中に第１の排ガス処理装置を備え、排気ガスの排気孔内または排気孔に接続して第２の排ガス処理装置を備える燃料電池モジュールが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００９−１１０６７５号公報

ところで、特許文献１に記載の燃料電池モジュールにおいては、排ガス処理装置を２つ備えることにより、燃料電池モジュール内で生じた排ガスを効率よく浄化することができるものの、第１の排ガス処理装置が排ガス流路の流入口または排ガス流路中に配置されていることから、排ガスの浄化に伴う熱を、原燃料の改質反応や燃料電池セルの発電に効率よく利用できない点で改善の余地があった。

そこで、本発明の目的は、原燃料の改質効率を向上することができ、それにより発電効率の向上した燃料電池モジュールおよびそれを具備する燃料電池装置を提供することにある。

本発明の燃料電池モジュールは、収納容器内に設けられた発電室内に、酸素含有ガスと燃料ガスとで発電を行なうとともに、一端側で発電に使用されなかった余剰の燃料ガスを燃焼させる構成の燃料電池セルを複数個配列して電気的に接続してなるセルスタックと、該セルスタックの一端側と離間して配置された、原燃料を改質して前記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と、該改質器に接して配置された、排ガスを浄化するための燃焼触媒を備える排ガス処理器とを収納してなることを特徴とする。

また、本発明の燃料電池モジュールは、前記排ガス処理器が、前記改質器の前記セルスタック側の面に配置されていてもよい。

また、本発明の燃料電池モジュールは、前記発電室内に１つの前記セルスタックが収納されており、前記排ガス処理器が、前記改質器の前記セルスタック側の面に配置されており、かつ前記燃料電池セルの配列方向に沿って前記セルスタックの両側に配置されたそれぞれの内壁と接していてもよい。

また、本発明の燃料電池モジュールは、前記発電室内に１つの前記セルスタックが収納されており、前記排ガス処理器が、前記改質器の前記燃料電池セルの配列方向に沿った両側面に配置されており、かつ前記燃料電池セルの配列方向に沿って前記セルスタックの両側に配置されたそれぞれの内壁と接していてもよい。

また、本発明の燃料電池モジュールは、前記発電室内に１つの前記セルスタックが収納されており、前記排ガス処理器が、前記改質器の前記セルスタック側の面と、前記改質器の前記燃料電池セルの配列方向に沿った両側面とに配置されており、かつ前記燃料電池セルの配列方向に沿って前記セルスタックの両側に配置されたそれぞれの内壁と接していてもよい。

また、本発明の燃料電池モジュールは、前記発電室内に複数の前記セルスタックが収納されており、最も外側に位置する前記セルスタックの外側に、前記燃料電池セルの配列方向に沿って内壁が配置されているとともに、隣接する前記セルスタックの間に、前記発電室の上方より垂下して、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供給部材が配置されており、前記排ガス処理器が、前記改質器の前記セルスタック側の面に配置されており、かつ前記セルスタックの両側に位置する前記酸素含有ガス供給部材または前記内壁と接していてもよい。

また、本発明の燃料電池モジュールは、前記発電室内に複数の前記セルスタックが収納されており、最も外側に位置する前記セルスタックの外側に、前記燃料電池セルの配列方向に沿って内壁が配置されているとともに、隣接する前記セルスタックの間に、前記発電室の上方より垂下して、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供給部材が配置されており、前記排ガス処理器が、前記改質器の前記燃料電池セルの配列方向に沿った両側面に配置されており、かつ前記セルスタックの両側に位置する前記酸素含有ガス供給部材または前記内壁と接していてもよい。

また、本発明の燃料電池モジュールは、前記発電室内に複数の前記セルスタックが収納されており、最も外側に位置する前記セルスタックの外側に、前記燃料電池セルの配列方向に沿って内壁が配置されているとともに、隣接する前記セルスタックの間に、前記発電室の上方より垂下して、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供給部材が配置されており、前記排ガス処理器が、前記改質器の前記セルスタック側の面と、前記改質器の前記燃料電池セルの配列方向に沿った両側面とに配置されており、かつ前記セルスタックの両側に位置する前記酸素含有ガス供給部材または前記内壁と接していてもよい。

また、本発明の燃料電池モジュールは、前記排ガス処理器が、前記改質器の前記燃料電池セルの配列方向に沿った長さ以上の長さを有していてもよい。

本発明の燃料電池装置は、上記のうちいずれかに記載の燃料電池モジュールと、該燃料電池モジュールを動作させるための補機とを外装ケース内に収納してなることを特徴とす
る。

本発明の燃料電池モジュールによれば、燃料電池モジュール内で生じた排ガスを効率よく浄化することができ、排ガスの浄化に伴う熱が改質器に効率よく伝熱されることで、改質効率を向上することができ、それにより発電効率を向上することができる。また、外装ケース内に当該燃料電池モジュールと、当該燃料電池モジュールを動作させるための補機とを収納することで、発電効率の向上した燃料電池装置とすることができる。

発電室内に１つのセルスタックを収納してなる燃料電池モジュールの一実施形態を示す分解斜視図である。 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。 発電室内に１つのセルスタックを収納してなる燃料電池モジュールの他の実施形態を概略的に示す断面図である。 発電室内に１つのセルスタックを収納してなる燃料電池モジュールの他の実施形態を概略的に示す断面図である。 発電室内に１つのセルスタックを収納してなる燃料電池モジュールの他の実施形態を概略的に示す断面図である。 発電室内に２つのセルスタックを収納してなる燃料電池モジュールの一実施形態を示す分解斜視図である。 図６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。 発電室内に１つのセルスタックを収納してなる燃料電池モジュールの他の実施形態を概略的に示す断面図である。 発電室内に１つのセルスタックを収納してなる燃料電池モジュールの他の実施形態を概略的に示す断面図である。 発電室内に１つのセルスタックを収納してなる燃料電池モジュールの他の実施形態を概略的に示す断面図である。 燃料電池装置の一実施形態を示す分解斜視図である。

図１は、本発明の燃料電池モジュール（以下、モジュールという場合がある。）の一実施形態を示す分解斜視図である。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においては、収納容器２の内部に設けられた発電室内に、内部をガスが流通するガス流路（図１においては図示せず）を有する柱状の燃料電池セル３を立設させた状態で配列し、隣接する燃料電池セル３間に集電部材（図１においては図示せず）を配置して電気的に直列に接続するとともに、燃料電池セル３の下端をガラスシール材等の絶縁性接合材（図示せず）でマニホールド６に固定してなるセルスタック４（セルスタック装置９）を収納して構成されている。なお、図１においては収納容器２の内部に、セルスタック４を１つのみ収納する場合を示している。また、セルスタック４の両端部側には、セルスタック４（燃料電池セル３）の発電により生じた電流を集電して外部に引き出すための、電流引き出し部を有する導電部材５が配置されている。

なお、図１においては、燃料電池セル３として、内部を燃料ガス（水素含有ガス）が長手方向に流通するガス流路を有する中空平板型で、ガス流路を有する支持体の表面に、燃料極層、固体電解質層および酸素極層を順に積層してなる固体酸化物形燃料電池セル３を例示している。

さらに図１においては、燃料電池セル３の発電で使用する燃料ガスを得るために、原燃料供給管１０を介して供給される天然ガスや灯油等の原燃料を改質して燃料ガスを生成するための改質器７をセルスタック４（燃料電池セル３）の上方に配置している。そして、改質器７で生成された燃料ガスは、燃料ガス流通管８を介してマニホールド６に供給され、マニホールド６より燃料電池セル３の内部に設けられたガス流路に供給される。なお、セルスタック装置９の構成は、燃料電池セル３の種類や形状により、適宜変更することができ、例えばセルスタック装置９に改質器７を含むこともできる。

なお、改質器７において水蒸気改質を行なう場合には、改質器７の内部に水を気化させるための気化部と、原燃料と水蒸気とで水蒸気改質を行なう改質触媒を備える改質部とを備えていることが好ましく、例えば気化部と改質部とを連続するように配置するほか、改質器７の中央部側に気化部を配置し、その両端側に改質部を配置してなる改質器７とすることもでき、この場合、それぞれの改質部とマニホールド６とをそれぞれ燃料ガス流通管８にて接続することもできる。

また図１においては、収納容器２の一部（前後面）を取り外し、内部に収納されるセルスタック装置９を後方に取り出した状態を示している。ここで、図１に示したモジュール１においては、セルスタック装置９を、収納容器２内にスライドして収納することが可能である。

なお、図１に示した収納容器２においては、収納容器２の底面に、燃料電池セル３に供給する酸素含有ガス（通常は空気である）を供給するための酸素含有ガス供給管１１と、燃料電池セル３の発電等により生じた排ガスを収納容器２の外部に排気するための排気管１２とが接続されている。酸素含有ガス供給管１１と排気管１２とは二重管とすることもできる。

図２は、図１に示した燃料電池モジュール１を概略的に示す断面図である。

収納容器２は、外壁１３にて収納容器２の外枠が形成され、内部に燃料電池セル３（セルスタック装置９）を収納する発電室３８が形成されている。

このような収納容器２においては、セルスタック４を構成する燃料電池セル３の配列方向に沿った両側部と、該両側部に対向する収納容器２の外壁１３との間に、酸素含有ガスや排ガスを流すための流路を備えている。

ここで、収納容器２は、燃料電池セル３の配列方向に沿った両側部の外壁１３の内側に所定間隔をあけて第１の壁１４が形成されており、第１の壁１４の内側に所定間隔をあけて第２の壁１５が配置されており、さらに第２の壁１５の内側に所定間隔をあけて第３の壁１６が配置されている。

それにより、外壁１３と第１の壁１４とで形成された空間が第１の流路１７となり、第２の壁１５と第３の壁１６とで形成された空間が第２の流路１８となり、第１の壁１４と第２の壁１５とで形成された空間が第３の流路１９となる。さらに、発電室３８の上方には発電室３８を形成するための上壁３９が設けられており、上壁３９と外壁１３（収納容器２の上壁）との間が、第１の流路を流れる酸素含有ガスを第２の流路に流すための第４の流路２０となる。なお、発電室３８は上壁３９と第３の壁１６と、第２の壁１５および第３の壁１６と接続される発電室用底壁４０とで囲まれた空間となる。

また、収納容器２の底部には、酸素含有ガス（空気）を収納容器２内に供給するための酸素含有ガス供給管１１が接続されており、酸素含有ガス供給管１１より供給される酸素
含有ガスは酸素含有ガス導入部２２に流れる。酸素含有ガス導入部２２は酸素含有ガス導入口２３を介して第１の流路１７とつながっているため、酸素含有ガス導入部２２に供給された酸素含有ガスは、酸素含有ガス導入口２３を通して第１の流路１７に流れる。第１の流路１７を上方に流れた酸素含有ガスは、続いて、後述する第４の流路２０を流れ、第２の流路流入口２４を介して第２の流路１８に流れる。そして、第２の流路１８を上方から下方に流れた酸素含有ガスは、第３の壁１６に設けられた酸素含有ガス吹き出し口２５を通して、発電室３８内（燃料電池セル３）に供給される。なお、燃料電池セル３（セルスタック４）の側面および底面に断熱材２６が配置されている。

また、図２に示す収納容器２においては、発電室３８の上方に、発電室３８内の排ガスを収集した後、第３の流路１９に流すための排ガス収集室２１が配置されている。排ガス収集室２１に流れた排ガスは、第２の流路１８を貫通する排ガス流通口２７を介して第３の流路１９に流れる。第３の流路１９に流れた排ガスは、第３の流路を上方から下方に向けて流れ、排ガス収集口２８を通して酸素含有ガス導入部２２の上部に設けられた排ガス収集部２９に流れた後、排ガス収集部２９に接続された排気管１２（図１参照）を通して収納容器２の外部に排気される。

それゆえ、酸素含有ガス導入管１１より供給される酸素含有ガスは、酸素含有ガス導入部２２を流れる間に、排ガス収集部２９を流れる排ガスと熱交換され、第１の流路１７を上方に流れる間に、第３の流路１９を下方に流れる排ガスと熱交換され、第２の流路１８を下方に流れる間に、発電室３８内の熱とで熱交換されることとなる。ここで、発電室３８の上方に、排ガス収集室２１を備えることにより、温度の高い排ガスを効率よく第３の流路１９に流すことができ、燃料電池セル３に供給される酸素含有ガスと効率よく熱交換を行なうことができる。それにより、燃料電池セル３の発電効率を向上することができる。

また、収納容器２をこのような構成とすることにより、発電室３８内にセルスタック４（セルスタック装置９）を１つ収納する場合において特に有用なモジュール１とすることができる。

ところで、第１の流路１７と第４の流路２０とを流れて第２の流路１８に流れる酸素含有ガスは、その流通過程において発電室３８内の熱や排ガスの熱とで熱交換され高温となる。また、第３の流路１９を流れる排ガスは、第１の流路１７を流れる酸素含有ガスと熱交換されることで温度が低下する。ここで、第２の流路１８を流れる酸素含有ガスの熱が、第３の流路１９を流れる排ガスに伝熱し、酸素含有ガスの温度が低下するおそれがある。

それゆえ、第２の流路１８と第３の流路１９との間、もしくは第２の流路１８および第３の流路１９の少なくとも一方の流路内に、第２の流路１８を流れる酸素含有ガスと第３の流路１９を流れる排ガスとの熱交換を抑制するための熱交換抑制部材を備えることができる。図２においては、第３の流路１９のうち、第２の流路１８側に、断熱材２６を配置している。それにより、第２の流路１８を流れる酸素含有ガスと第３の流路１９を流れる排ガスとの熱交換を低減することができ、第２の流路１８を流れる酸素含有ガスの温度低下を低減することができる。

このようなモジュール１においては、燃料電池セル３の発電に使用されなかった燃料ガスを、セルスタック４の一端側（上端側）にて燃焼させることにより、改質器７の温度や発電室３８内の温度を効率よく上昇させることができることで、改質効率をこうぞゆすることができ、それにより発電効率を向上することができる。

しかしながら、この改質器７での改質反応の状況や、セルスタック４の一端側での余剰の燃料ガスの燃焼状態によっては、不完全燃焼等を生じる場合があり、この場合に一酸化炭素を含有する排ガスが生じる場合がある。それゆえ、排ガスを無害化（浄化）するにあたり、モジュール内に排ガス処理器を備えることが知られているが、排ガス処理器の配置場所によっては、排ガスの浄化に伴う熱を、原燃料の改質反応や燃料電池セルの発電に効率よく利用できない場合が有り、この点で改善の余地があった。

そこで、図２に示すモジュール１においては、発電室３８内に配置され、セルスタック４の一端側と離間して配置された、原燃料を改質するための改質器７に接して、排ガスを浄化するための燃焼触媒を備える排ガス処理器３１を備えており、特に図２に示すモジュール１においては、排ガス処理器３１が、改質器７のセルスタック４側の面（図２においては改質器７の底面）に配置されている。

それにより、排ガス処理器３１において、燃料電池セル３の発電や余剰の燃料ガスの燃焼に伴って生じる排ガスを処理する際に生じる熱を、改質器７に効率よく伝熱することができ、改質器７における改質効率を向上することができる。それにより、燃料電池セル３の発電効率を向上することができる。

ここで、排ガス処理器３１が備える燃焼触媒としては、一般的に公知のものを使用することができるほか、改質器７での改質反応温度や、燃料電池セル３の発電温度等に基づいて、適宜設定することができ、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白金やパラジウム等の貴金属類等の触媒を担持させた燃焼触媒等を用いることができる。

なお、排ガス処理器３１としては、例えば、上記燃焼触媒をケース内に収納してなる形状や、ハニカム型の燃焼触媒（以下、ハニカム触媒と略す）とすることもできる。なお、ハニカム触媒としては、設定される温度範囲（作動温度）にあわせて適宜選択して用いることができ、例えばメタルハニカム触媒等を用いることができる。

ここで、図２に示すモジュール１においては、排気管１２内に第２の排ガス処理器３２を備えている。それにより、発電室３８内に配置された排ガス処理器３１と、排気管１２内に配置された第２の排ガス処理器３２とにより、排ガスを処理することができ、より効率よく排ガスの浄化を行なうことができる。なお、第２の排ガス処理器３２は、上述の排ガス処理器３１と同様の構成とすることができる。

特に、燃料電池セル３が、発電に使用されなかった燃料ガスを一端部（上端部）側で燃焼させるように構成されており、改質器７とセルスタック４との間が、発電に使用されなかった燃料ガスを燃焼させるための燃焼部３０とされていることから、排ガス処理器３１を改質器４に接して配置することにより、モジュール１の起動時のように、発電室３８内の温度が十分に上昇していない場合であっても、発電に使用されなかった燃料ガスを燃焼させることにより生じる燃焼熱で排ガス処理器３１の温度を上昇させることができ、それにより、効率よく排ガスの浄化を行なうことができる。

なお、排ガス処理器３１と第２の排ガス処理器３２とを配置するにあたり、排ガス処理器３１が有する燃焼触媒の作動温度を、第２の排ガス処理器３２が有する燃焼触媒の作動温度よりも高く設定することができる。

図２に示したように、モジュール１の稼動に伴って生じる排ガスの温度は、燃料電池セル３の上端部側が高温となり、排気管１２では燃料電池セル３の上端部側に比べて低温となるため、排ガス処理器３１が有する燃焼触媒の作動温度を、第２の排ガス処理器３２が
有する燃焼触媒の作動温度よりも高く設定することにより、それぞれの排ガス処理器がさらに効率よく排ガスを浄化することができる。

ここで、燃焼触媒の作動温度は特定の温度範囲で示されるため、その作動温度の一部が重複していてもよく、例えば作動可能温度の最低温度（開始温度）もしくは最高温度（耐熱温度）等を比較した場合に、排ガス処理器３１が有する燃焼触媒の方が、第２の排ガス処理器３２が有する燃焼触媒よりも、作動可能温度の最低温度もしくは最高温度が高く設定されていればよい。

図３は、発電室３８内に１つのセルスタック４を収納してなるモジュールの他の実施形態を概略的に示す断面図である。

図３に示すモジュール３３においては、排ガス処理器３４が、改質器７のセルスタック４側の面（改質器７の底面）に接して配置されており、かつセルスタック４の両側に位置する第３の壁１６に接している。言い換えれば、排ガス処理器３４は、一方の第３の壁１６より、他方の第３の壁１６まで、発電室３８内を横切るように延びている。

それにより、燃料電池セル３の発電や余剰の燃料ガスの燃焼に伴って生じる排ガスは、排ガス処理器３４にて処理された後に、第３の流路１９内に流れることから、排ガス処理器３４にて効率よく排ガスを浄化できるとともに、改質器７に伝熱される熱量を増加することができる。それゆえ、改質器７における改質効率を向上することができ、それにより燃料電池セル３の発電効率を向上することができる。

図４は、発電室３８内に１つのセルスタック４を収納してなるモジュールの他の実施形態を概略的に示す断面図である。

図４に示すモジュール３５においては、排ガス処理器３６が、改質器７の燃料電池セル３の配列方向に沿った両側面に配置されており、かつセルスタック４の両側に位置する第３の壁１６に接している。言い換えれば、排ガス処理器３４と改質器７とで、発電質３８内を上下に分けるように配置されている。

このようなモジュール３５においても、燃料電池セル３の発電や余剰の燃料ガスの燃焼に伴って生じる排ガスが、排ガス処理器３６にて処理された後に、第３の流路１９内に流れることから、排ガス処理器３６にて効率よく排ガスを浄化できるとともに、改質器７に伝熱される熱量を増加することができる。それゆえ、改質器７における改質効率を向上することができ、それにより燃料電池セル３の発電効率を向上することができる。

なお、排ガス処理器３６は、改質器７の燃料電池セル３の配列方向に沿った両側面に別個に設けるほか、改質器７の一方側の側面を燃料電池セル３の配列方向に沿って延びた後、折り返して改質器７の他方側の側面を燃料電池セル３の配列方向に沿って延びた１つの排ガス処理器３６とすることもできる。

図５は、発電室３８内に１つのセルスタック４を収納してなるモジュールの他の実施形態を概略的に示す断面図である。

図５に示すモジュール３７においては、排ガス処理器が、改質器７のセルスタック４側の面（改質器７の底面）に接して配置されており、かつセルスタック４の両側に位置する第３の壁１６に接している排ガス処理器３４と、改質器７の燃料電池セル３の配列方向に沿った両側面に配置されており、かつセルスタック４の両側に位置する第３の壁１６に接している排ガス処理器３６とから構成されている。

このようなモジュール３７においては、燃料電池セル３の発電や余剰の燃料ガスの燃焼に伴って生じる排ガスが、まず排ガス処理器３４にて処理され、排ガス処理器３４にて処理されなかった排ガスが、排ガス処理器３６にて処理されることとなる。

それゆえ、排ガスを効率よく浄化することができるとともに、改質器７に伝熱される熱量を増加することができる。それゆえ、改質器７における改質効率を向上することができ、それにより燃料電池セル３の発電効率を向上することができる。

なお、図５に示すモジュール３７において、排ガス処理器３４と排ガス処理器３６とを一体的なものとして作製することもでき、また改質器７の上側に排ガス処理器を配置することもできる。

また、排ガス処理器３４や排ガス処理器３６は、燃料電池セル３の発電や余剰の燃料ガスの燃焼に伴って生じる排ガスをより効率よく処理するにあたり、改質器７の燃料電池セル３の配列方向に沿った長さ以上の長さとすることができる。それにより、燃料電池セル３の発電や余剰の燃料ガスの燃焼に伴って生じる排ガスの大半量は、排ガス処理器３４や排ガス処理器３６により処理された後に、第３の流路１９へ流れることから、排ガスを効率よく浄化することができるとともに、改質器７に伝熱される熱量を増加することができる。それゆえ、改質器７における改質効率を向上することができ、それにより燃料電池セル３の発電効率を向上することができる。

図６は、発電室内に２つのセルスタックを収納してなる燃料電池モジュールの一実施形態を示す分解斜視図である。

図６に示すモジュール４１においては、収納容器４２の内部に、内部を燃料ガスが流通するガス流路を有する柱状の燃料電池セル４３を立設させた状態で配列し、隣接する燃料電池セル４３間に集電部材（図示せず）を配置して電気的に直列に接続してなるセルスタック４５の２つが、マニホールド４４にガラスシール材等の絶縁性接合材（図示せず）にて固定されて、セルスタック装置５２が構成されている。なお、セルスタック４５の両端部には、セルスタック４５（燃料電池セル４３）の発電により生じた電流を集電して外部に引き出すための、電流引き出し部を有する導電部材が配置されている（図示せず）。なお、燃料電池セル４３は上述した燃料電池セル３と同様の構成とすることができる。

図６において、改質器４６は一方のセルスタック４５の一端側より他端側へ延び、他端側で折り返して他方のセルスタック４５の一端側へ延びる折り返し構造とされており、改質器４６において、効率のよい改質反応である水蒸気改質を行なうべく、水を気化させるための気化部４７と、原燃料を燃料ガスに改質するための改質触媒が配置された改質部４８とすることができる。改質部４８にて生成された燃料ガスは、燃料ガス流通管４９を介してマニホールド４４に供給され、マニホールド４４より燃料電池セル４３の内部に向けられたガス流路に供給される。

また図６においては、収納容器４２の一部（前後面）を取り外し、内部に収納されるセルスタック装置５２を後方に取り出した状態を示している。ここで、図６に示したモジュール４１においては、セルスタック装置５２を、収納容器４２内にスライドして収納することが可能である。

なお、収納容器４２の内部には、マニホールド４４に並置されたセルスタック４５の間に配置され、酸素含有ガスが燃料電池セル４３の側方を下端部から上端部に向けて流れるように、酸素含有ガス導入部材５８が配置されている。なお、酸素含有ガス導入部材５８
については後述する。

図６に示した収納容器４２においては、収納容器４２の底面に、燃料電池セル４３に供給する酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス供給管５１と、燃料電池セル３の発電等により生じた排ガスを収納容器４２の外部に排気するための排気管７２とが接続されている。酸素含有ガス供給管５１と排気管７２とは二重管とすることもできる。

図７は図６で示すモジュール４１を概略的に示す断面図である。

モジュール４１を構成する収納容器４２は、外壁５２と内壁５３とを有する二重構造で、外壁５２により収納容器４２の外枠が形成されている。モジュール４１（収納容器４２）においては、外壁５２と内壁５３との間を、燃料電池セル４３に導入する酸素含有ガスが流通する酸素含有ガス流路５５とされている。

ここで、収納容器４２内には、上端側に酸素含有ガスが流入するための酸素含有ガス流入口７３とフランジ部５９とを備え、下端部に燃料電池セル４３の下端部に酸素含有ガスを導入するための酸素含有ガス流出口７０が設けられてなる酸素含有ガス導入部材５８が、隣り合うセルスタック４５の間に位置するように、内壁５３を貫通して挿入されて固定されている。

また、燃料電池セル４３の配列方向に沿った内壁５３の内側には、排ガス用内壁５４が設けられており、内壁５３と排ガス用内壁５４との間が、燃料電池セル４３の発電や余剰の燃料ガスの燃焼に伴って生じる排ガスが、上方から下方に向けて流れる排ガス流路５６とされている。なお、排ガス流路５６は、収納容器４２の底部に接続された排気管７２と通じている。

ここで、排ガス用内壁５４と、内壁５３に接続された上壁７５、発電室用底壁７４で囲まれた空間が、セルスタック４５を収納するための発電室７１とされている。

また発電室７１内には、モジュール４１内の熱が極端に放散され、燃料電池セル４３（セルスタック５）の温度が低下して発電量が低減しないよう、モジュール４１内の温度を高温に維持するための断熱材６０が適宜設けられている。

断熱材６０は、セルスタック４５の近傍に配置することが好ましく、特には、燃料電池セル４３の配列方向に沿ってセルスタック４５の側面側に配置するとともに、セルスタック４５の側面における燃料電池セル４３の配列方向に沿った幅と同等またはそれ以上の幅を有する断熱材６０を配置することが好ましい。なお、好ましくは、断熱材６０はセルスタック４５の両側面側に配置することが好ましい。それにより、セルスタック４５の温度が低下することを効果的に抑制できる。さらには、酸素含有ガス導入部材５８より導入される酸素含有ガスが、セルスタック４５の側面側より排出されることを抑制でき、セルスタック４５を構成する燃料電池セル４３間の酸素含有ガスの流れを促進することができる。なお、セルスタック４５の両側面側に配置された断熱材６０においては、燃料電池セル４３に供給される酸素含有ガスの流れを調整し、セルスタック４５の長手方向および燃料電池セル４３の積層方向における温度分布を低減するための開口部７７が設けられている。

ここで、セルスタック４５の排ガス用内壁５４側に配置された断熱材６０においては、開口部７７を設けるにあたり、セルスタック４５の上下に配置され、燃料電池セル４３の配列方向に沿って延びる断熱材６０と、排ガス用内壁５４に接して配置された断熱材６０とを組み合わせることで開口部７７を形成することもできる。なお、排ガス用内壁５４に
接して配置された断熱材６０は、排ガス用内壁５４の上端まで延びて配置することもできる。

隣接するセルスタック４５の間に配置される酸素含有ガス導入部材５８は、上壁７５と直接溶接等で配置されている場合には、内部を流れる温度の低い酸素含有ガスの熱が、温度の低い上壁７５に伝熱され、酸素含有ガス導入部材５８の温度が低下し、それに伴って、セルスタック４５の温度が低下し、セルスタック４５の発電効率が低下するおそれがある。

それゆえ、図７で示すモジュール４１においては、酸素含有ガス導入部材５８を、一端側（上端側）が酸素含有ガスが流入するための酸素含有ガス流入口７３とフランジ部５９とを備えた形状とされ、フランジ部５９と上壁７５との間に、耐熱性を有しかつ熱伝導率の低い部材の１つである断熱材６０が配置されている。

それにより、酸素含有ガス導入部材５８に伝熱された発電室７１内の熱が、温度の低い上壁７５への伝熱量を低減でき、酸素含有ガス導入部材５８の温度を高温に維持することができる。それにより、セルスタック４５の発電効率を向上することができる。

このようなモジュール４１においては、燃料電池セル４３の発電に使用されなかった燃料ガスを、セルスタック４５の一端側（上端側）にて燃焼させることにより、改質器４６の温度や発電室７１内の温度を効率よく上昇させることができることで、改質効率を向上することができ、それにより発電効率を向上することができる。

しかしながら、この改質器４６での改質反応の状況や、セルスタック４４の一端側での余剰の燃料ガスの燃焼状態によっては、不完全燃焼等を生じる場合があり、この場合に一酸化炭素を含有する排ガスが生じる場合がある。それゆえ、排ガスを無害化（浄化）するにあたり、モジュール内に排ガス処理器を備えることが知られているが、排ガス処理器の配置場所によっては、排ガスの浄化に伴う熱を、原燃料の改質反応や燃料電池セルの発電に効率よく利用できない場合が有り、この点で改善の余地があった。

そこで、図７に示すモジュール４１においては、発電室７１内に配置され、セルスタック４４の一端側（上端側）と離間して配置された、原燃料を改質するための改質器４６に接して、排ガスを浄化するための燃焼触媒を備える排ガス処理器６２を備えており、特に図７に示すモジュール４１においては、排ガス処理器６２が、改質器４６のセルスタック４４側の面（図７においては改質器６２の底面）に配置されている。

それにより、排ガス処理器６２において、燃料電池セル４３の発電や余剰の燃料ガスの燃焼に伴って生じる排ガスを処理する際に生じる熱を、改質器４６に効率よく伝熱することができ、改質器４６における改質効率を向上することができる。それにより、燃料電池セル４３の発電効率を向上することができる。

なお、排ガス処理器６２が備える燃焼触媒としては、上述の排ガス処理器３１が備える燃焼触媒と同様のものを用いることができ、その形状も、同様にケース内に燃焼触媒を収納してなる形状や、ハニカム型とすることができる。

また、図７に示すモジュール４１においても、上述のモジュール１等と同様に、排気管７２内に第２の排ガス処理器６３を備えている。それにより、発電室７１内に配置された排ガス処理器６２と、排気管７２内に配置された第２の排ガス処理器６３とにより、排ガスを処理することができ、より効率よく排ガスの浄化を行なうことができる。なお、第２の排ガス処理器６３は、上述の排ガス処理器６２と同様の構成とすることができる。

図７に示すモジュール４１においては、燃料電池セル４３が、発電に使用されなかった燃料ガスを一端部（上端部）側で燃焼させるように構成されており、改質器４６とセルスタック４５との間が、発電に使用されなかった燃料ガスを燃焼させるための燃焼部６４とされていることから、排ガス処理器６２を改質器４６に接して配置することにより、モジュール４１の起動時のように、発電室７１内の温度が十分に上昇していない場合であっても、発電に使用されなかった燃料ガスを燃焼させることにより生じる燃焼熱で排ガス処理器６２の温度を上昇させることができ、それにより、効率よく排ガスの浄化を行なうことができる。

なお、排ガス処理器６２と第２の排ガス処理器６３とを配置するにあたり、排ガス処理器６２が有する燃焼触媒の作動温度を、第２の排ガス処理器６３が有する燃焼触媒の作動温度よりも高く設定することができる。

モジュール４１の稼動に伴って生じる排ガスの温度は、燃料電池セル４３の上端部側が高温となり、排気管７２では燃料電池セル４３の上端部側に比べて低温となるため、排ガス処理器６２が有する燃焼触媒の作動温度を、第２の排ガス処理器６３が有する燃焼触媒の作動温度よりも高く設定することにより、それぞれの排ガス処理器がさらに効率よく排ガスを浄化することができる。

ここで、燃焼触媒の作動温度は特定の温度範囲で示されるため、その作動温度の一部が重複していてもよく、例えば作動可能温度の最低温度（開始温度）もしくは最高温度（耐熱温度）等を比較した場合に、排ガス処理器６２が有する燃焼触媒の方が、第２の排ガス処理器６３が有する燃焼触媒よりも、作動可能温度の最低温度もしくは最高温度が高く設定されていればよい。

図８は、発電室７１内に２つのセルスタック４５を収納してなるモジュールの他の実施形態を概略的に示す断面図である。

図８に示すモジュール６５においては、排ガス処理器６６が、改質器４６のセルスタック４側の面（改質器７の底面）に接して配置されており、かつそれぞれのセルスタック４５の両側に位置する排ガス用内壁５４と酸素含有ガス導入部材５８と接している。言い換えれば、排ガス処理器６６は、改質器４６とセルスタック４５との間を上下に仕切るように配置されている。

それにより、燃料電池セル４３の発電や余剰の燃料ガスの燃焼に伴って生じる排ガスは、排ガス処理器６６にて処理された後に、排ガス流路５６内に流れることから、排ガス処理器６６にて効率よく排ガスを浄化できるとともに、改質器４６に伝熱される熱量を増加することができる。それゆえ、改質器４６における改質効率を向上することができ、燃料電池セル４３の発電効率を向上することができる。

なお、排ガス用内壁５４に接して配置された断熱材６０が、排ガス用内壁５４の上端まで延びて配置している場合においては、排ガス処理器６６の排ガス用内壁５６側の一端は、断熱材６０に接して配置する（言い換えれば、断熱材６０を介して排ガス用内壁５６に接続する。）こともできる。

図９は、発電室７１内に２つのセルスタック４５を収納してなるモジュールの他の実施形態を概略的に示す断面図である。

図９に示すモジュール６７においては、排ガス処理器６８が、改質器４６の燃料電池セ
ル４３の配列方向に沿った両側面に配置されており、かつセルスタック４５の両側に位置する排ガス用内壁５４と酸素含有ガス導入部材５８と接している。言い換えれば、排ガス処理器６６は、改質器４６とセルスタック４５との間を上下に仕切るように配置されている。

なお、排ガス用内壁５４に接して配置された断熱材６０が、排ガス用内壁５４の上端まで延びて配置している場合においては、排ガス処理器６８の排ガス用内壁５６側の一端は、断熱材６０に接して配置する（言い換えれば、断熱材６０を介して排ガス用内壁５６に接続する）こともできる。

このようなモジュール６７においても、燃料電池セル４３の発電や余剰の燃料ガスの燃焼に伴って生じる排ガスが、排ガス処理器６８にて処理された後に、排ガス流路５６内に流れることから、排ガス処理器６８にて効率よく排ガスを浄化できるとともに、改質器４６に伝熱される熱量を増加することができる。それゆえ、改質器４６における改質効率を向上することができ、燃料電池セル４３の発電効率を向上することができる。

なお、排ガス処理器６８は、改質器４６の燃料電池セル４３の配列方向に沿った両側面に別個に設けるほか、改質器４６の一方側の側面を燃料電池セル４３の配列方向に沿って延びた後、折り返して改質器４６の他方側の側面を燃料電池セル４３の配列方向に沿って延びた１つの排ガス処理器６８とすることもできる。

図１０は、発電室７１内に２つのセルスタック４５を収納してなるモジュールの他の実施形態を概略的に示す断面図である。

図１０に示すモジュール６９においては、排ガス処理器が、改質器４６のセルスタック４５側の面（改質器４６の底面）に接して配置されており、かつセルスタック４５の両側に位置する排ガス用内壁５４と酸素含有ガス導入部材５８と接している排ガス処理器６６と、改質器４６の燃料電池セル４３の配列方向に沿った両側面に配置されており、かつセルスタック４５の両側に位置する排ガス用内壁５４と酸素含有ガス導入部材５８と接している排ガス処理器６８とから構成されている。

なお、排ガス用内壁５４に接して配置された断熱材６０が、排ガス用内壁５４の上端まで延びて配置している場合においては、排ガス処理器６６および排ガス用処理器６８の排ガス用内壁５６側の一端は、断熱材６０に接して配置する（言い換えれば、断熱材６０を介して排ガス用内壁５６に接続する。）こともできる。

このようなモジュール６９においては、燃料電池セル４３の発電や余剰の燃料ガスの燃焼に伴って生じる排ガスが、まず排ガス処理器６６にて処理され、排ガス処理器６６にて処理されなかった排ガスが、排ガス処理器６８にて処理されることとなる。

それゆえ、排ガスを効率よく浄化することができるとともに、改質器４６に伝熱される熱量を増加することができる。それゆえ、改質器４６における改質効率を向上することができ、燃料電池セル４３の発電効率を向上することができる。

なお、図１０に示すモジュール６９において、排ガス処理器６６と排ガス処理器６８とを一体的なものとして作成することもでき、また改質器４６の上側に排ガス処理器を配置することもできる。

また、排ガス処理器６６や排ガス処理器６８は燃料電池セル４３の発電や余剰の燃料ガスの燃焼に伴って生じる排ガスをより効率よく処理するにあたり、改質器４６の燃料電池
セル４３の配列方向に沿った長さ以上の長さを有することができる。それにより、燃料電池セル４３の発電や余剰の燃料ガスの燃焼に伴って生じる排ガスの大半量は、排ガス処理器６６や排ガス処理器６８により処理された後に、排ガス流路５６へ流れることから、排ガスを効率よく浄化することができるとともに、改質器４６に伝熱される熱量を増加することができる。それゆえ、改質器４６における改質効率を向上することができ、燃料電池セル４３の発電効率を向上することができる。

図１１は、本発明の燃料電池装置８０の一実施形態を示す分解斜視図である。なお、図１１においては一部構成を省略して示している。

図１１に示す燃料電池装置８０は、支柱８１と外装板８２から構成される外装ケース内を仕切板８３により上下に区画し、その上方側を上述したモジュール１を収納するモジュール収納室８４とし、下方側をモジュール１を動作させるための補機類を収納する補機収納室８５として構成されている。なお、補機収納室８５に収納する補機類を省略して示している。

また、仕切板８４は、補機収納室８５の空気をモジュール収納室８４側に流すための空気流通口８６が設けられており、モジュール収納室８４を構成する外装板８２の一部に、モジュール収納室８４内の空気を排気するための排気口８７が設けられている。

このような燃料電池装置８０においては、上述したように、発電効率が向上したモジュール１をモジュール収納室８４内に収納して構成されることにより、発電効率の向上した燃料電池装置８０とすることができる。

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の例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７に示したモジュール４１において、収納容器４２内に２つのセルスタック４５を配置した例を示したが、収納容器内に３つ以上のセルスタックを収納してなるモジュールとすることもできる。

この場合には、隣接するセルスタックの間にそれぞれ酸素含有ガス導入部材５８を配置し、排ガス処理器６６や排ガス処理器６８は、それぞれのセルスタックの両側に配置された酸素含有ガス導入部材５８同士に接するように配置することができる。なお、最も外側に位置するセルスタックにおいては、その外側は排ガス用内壁５４となるため、排ガス用内壁５４と酸素含有ガス導入部材５８と接するように、排ガス処理器６６や排ガス処理器６８を配置することができる。

１、３３、３５、３７、４１、６５、６７、６９：燃料電池モジュール
２、４２：収納容器
３、４３：燃料電池セル
４、４５：セルスタック
７、４６：改質器
３１、３４、３６、６２、６６、６８：排ガス処理器
３８、７１：発電室
５８：酸素含有ガス導入部材
８０：燃料電池装置

Claims (10)

1. 収納容器内に設けられた発電室内に、
   酸素含有ガスと燃料ガスとで発電を行なうとともに、一端側で発電に使用されなかった余剰の燃料ガスを燃焼させる構成の燃料電池セルを複数個配列して電気的に接続してなるセルスタックと、
   該セルスタックの一端側と離間して配置された、原燃料を改質して前記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と、
   該改質器に接して配置された、排ガスを浄化するための燃焼触媒を備える排ガス処理器とを収納してなることを特徴とする燃料電池モジュール。
2. 前記排ガス処理器が、前記改質器の前記セルスタック側の面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. 前記発電室内に１つの前記セルスタックが収納されており、
   前記排ガス処理器が、前記改質器の前記セルスタック側の面に配置されており、かつ前記燃料電池セルの配列方向に沿って前記セルスタックの両側に配置されたそれぞれの内壁と接し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。
4. 前記発電室内に１つの前記セルスタックが収納されており、
   前記排ガス処理器が、前記改質器の前記燃料電池セルの配列方向に沿った両側面に配置されており、かつ前記燃料電池セルの配列方向に沿って前記セルスタックの両側に配置されたそれぞれの内壁と接し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。
5. 前記発電室内に１つの前記セルスタックが収納されており、
   前記排ガス処理器が、前記改質器の前記セルスタック側の面と、前記改質器の前記燃料電池セルの配列方向に沿った両側面とに配置されており、かつ前記燃料電池セルの配列方向に沿って前記セルスタックの両側に配置されたそれぞれの内壁と接し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。
6. 前記発電室内に複数の前記セルスタックが収納されており、
   最も外側に位置する前記セルスタックの外側に、前記燃料電池セルの配列方向に沿って内壁が配置されているとともに、
   隣接する前記セルスタックの間に、前記発電室の上方より垂下して、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供給部材が配置されており、
   前記排ガス処理器が、前記改質器の前記セルスタック側の面に配置されており、かつ前記セルスタックの両側に位置する前記酸素含有ガス供給部材または前記内壁と接し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。
7. 前記発電室内に複数の前記セルスタックが収納されており、
   最も外側に位置する前記セルスタックの外側に、前記燃料電池セルの配列方向に沿って内壁が配置されているとともに、
   隣接する前記セルスタックの間に、前記発電室の上方より垂下して、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供給部材が配置されており、
   前記排ガス処理器が、前記改質器の前記燃料電池セルの配列方向に沿った両側面に配置されており、かつ前記セルスタックの両側に位置する前記酸素含有ガス供給部材または前記内壁と接し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。
8. 前記発電室内に複数の前記セルスタックが収納されており、
   最も外側に位置する前記セルスタックの外側に、前記燃料電池セルの配列方向に沿って内
   壁が配置されているとともに、
   隣接する前記セルスタックの間に、前記発電室の上方より垂下して、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供給部材が配置されており、
   前記排ガス処理器が、前記改質器の前記セルスタック側の面と、前記改質器の前記燃料電池セルの配列方向に沿った両側面とに配置されており、かつ前記セルスタックの両側に位置する前記酸素含有ガス供給部材または前記内壁と接し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。
9. 前記排ガス処理器が、前記改質器の前記燃料電池セルの配列方向に沿った長さ以上の長さを有することを特徴とする請求項１乃至８のうちいずれかに記載の燃料電池モジュール。
10. 請求項１乃至請求項９のうちいずれかに記載の燃料電池モジュールと、該燃料電池モジュールを動作させるための補機とを外装ケース内に収納してなることを特徴とする燃料電池装置。

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