JP2012094417A

JP2012094417A - 燃料電池用気化器、燃料電池用改質器、セルスタック装置、燃料電池モジュール、燃料電池装置および充填物収納ケース

Info

Publication number: JP2012094417A
Application number: JP2010241788A
Authority: JP
Inventors: Narikado Takahashi; 成門高橋; Mitsuhiro Nakamura; 光博中村; Takashi Ono; 孝小野
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2010-10-28
Filing date: 2010-10-28
Publication date: 2012-05-17
Anticipated expiration: 2030-10-28
Also published as: JP5600283B2

Abstract

【課題】長期信頼性の向上した燃料電池用気化器または改質器を提供する。
【解決手段】燃料電池用気化器８または改質器９は、燃料を流すための流路を有する流路部材の一方端に燃料導入口、他方端に燃料排出口が設けられ、内部に燃料を気化するための粒状の気化補助部材１３または改質触媒１４が充填されたものであって、流路の上部は、燃料電池用気化器８または燃料電池用改質器９の設置面からの高さが最高部と最低部とを有しているとともに、気化補助部材１３または改質触媒１４の最高充填高さが最低部以上であり、燃料導入口から導入された前記燃料が気化補助部材１３または改質触媒１４と接触し燃料排出口から排出される。
【選択図】図１

Description

本発明は燃料電池用気化器、燃料電池用改質器、セルスタック装置、燃料電池モジュール、燃料電池装置および充填物収納ケースに関する。

次世代エネルギーとして、近年、複数の燃料電池セルを電気的に接続してなるセルスタック装置を収納容器内に収納した燃料電池装置が種々提案されている。

セルスタック装置としては、複数の燃料電池セルの間に集電部材を介在させて複数の燃料電池セルを、電気的に直列に接続してなるセルスタックの上方に、燃料電池セルに供給される燃料ガスを改質するための改質器が配置されたものが知られており、これらのセルスタックを収納容器に収納してなる燃料電池モジュールおよび燃料電池モジュールを外装ケース内に収納した燃料電池装置が知られている。

そして、改質器に熱を効率よく供給するために、燃料電池セルの配列方向に沿って燃料ガスが流れるように燃料電池セルの配列方向に沿って改質器が配置されている（特許文献１参照）。

特開２００７−５９３７７号公報

ところで、改質器は、セラミックボール等の充填物が充填された、水を気化させるための気化室と、被改質ガスを燃料ガスに改質するための金属等の触媒を担持させたジルコニアボールからなる改質触媒を備える改質室とにより構成されている。

このような改質器においては、燃料電池装置を運転させると発電に伴う昇降温により、容器の熱膨張および熱収縮が繰り返され、充填された改質触媒等の充填物の再配列が進み、充填状態が密になる場合がある。また、燃料電池装置の運転を継続させ続けると一部の充填物の強度が低下し、充填物の破損が生じる場合がある。

これらのように充填物の再配列や破損が生じると、充填物が沈下する場合があり、それにより、容器の上壁において充填物が存在しない空間が存在し、容器の内部を流れるガスが触媒等の充填物に接触せずに容器内を流れるいわゆるガスのショートパスが生じる場合がある。それにより、十分に気化や改質が行なわれていない燃料ガスが燃料電池セルに供給されるおそれがある。

本発明の燃料電池用気化器は、燃料を流すための流路を有する流路部材の一方端に燃料導入口、他方端に燃料排出口が設けられ、内部に燃料を気化するための粒状の気化補助部材が充填されたものであって、流路の上部は、燃料電池用気化器の設置面からの高さが最高部と最低部とを有しているとともに、気化補助部材の最高充填高さが最低部以上であり、燃料導入口から導入された燃料が気化補助部材と接触し、燃料排出口から排出される。

本発明の燃料電池用改質器は、燃料を流すための流路を有する流路部材の一方端に燃料導入口、他方端に燃料排出口が設けられ、内部に燃料を改質するための粒状の改質触媒が充填されたものであって、流路の上部は、燃料電池用改質器の設置面からの高さが最高部と最低部とを有しているとともに、改質触媒の最高充填高さが最低部以上であり、燃料導入口から導入された燃料が改質触媒と接触し、燃料排出口から排出される。

本発明のセルスタック装置は、燃料電池セルと、複数個の燃料電池セルを電気的に直列に接続してなるセルスタックと、を備え、燃料電池セルから排出された余剰の燃料ガスを、セルスタックの上方における燃焼部にて燃焼させる構成のものであって、上記に記載の燃料電池用気化器および上記に記載の燃料電池用改質器のうち少なくとも一方がセルスタックの上方にあり、セルスタックとの間に前記燃焼部が配置されている。

また、本発明の燃料電池モジュールは、上記に記載のセルスタック装置が収納容器内に収納されている。

また、本発明の燃料電池装置は、上記に記載の燃料電池モジュールと、燃料電池モジュールを動作させるための補機とが外装ケース内に収納されている。

また、本発明の充填物収納ケースは、流体を流すための流路を有する流路部材の一方端に燃料導入口、他方端に流体排出口が設けられ、内部に粒状の充填物を備えてなるものであって、流路の上部は、充填物収納ケースの設置面からの高さが最高部と最低部とを有しているとともに、充填物の最高充填高さが最低部以上であり、流体導入口から導入された燃料が充填物と接触し、燃料排出口から排出される。

本発明によれば、内部を流れる燃料が気化補助部材に接触せず燃料電池用気化器を流出することを防止することができ、燃料電池用気化器にて効率のよい気化をすることができる。

本発明によれば、内部を流れる燃料が改質触媒に接触せず燃料電池用改質器を流出することを防止することができ、燃料電池用改質器にて効率のよい改質をすることができる。

本発明によれば、内部を流れる燃料が充填物に接触せず充填物収納ケース内を流れ出ることを防止することができる。

本発明の一実施形態であるセルスタック装置を示す斜視図である。図１に示すセルスタック装置を概略的に示す平面図である。図１に示すセルスタック装置の(ａ)は側面図、（ｂ）は平面図である。（ａ）は、図１に示すセルスタック装置を構成する気化器および改質器を示す側面方向から見た概念断面図、（ｂ）は、気化器および改質器の正面図である。本発明の他の実施形態であるセルスタック装置を示す斜視図である。図５に示すセルスタック装置の(ａ)は側面図、（ｂ）は平面図である。（ａ）は、図５に示すセルスタック装置を構成する気化器、改質器および予熱器を示す側面方向から見た概念断面図、（ｂ）は、気化器、改質器および予熱器の正面図である。本発明のさらに他の実施形態であるセルスタック装置を示す斜視図である。図８に示すセルスタック装置の(ａ)は側面図、（ｂ）は平面図である。（ａ）は、図８に示すセルスタック装置を構成する気化器、混合器および改質器を示す側面方向から見た概念断面図、（ｂ）は、気化器、混合器および改質器の正面図である。本発明のさらに他の実施形態であるセルスタック装置を示す斜視図である。（ａ）は、図１１に示すセルスタック装置を構成する改質ケースを示す側面方向から見た概念断面図、（ｂ）は、平面方向から見た概念断面図である。本発明のさらに他の実施形態であるセルスタック装置を示す斜視図である。図１３に示す改質器の（ａ）はＡ−Ａ線断面図、（ｂ）は平面方向から見た概念断面図、（ｃ）は平面方向から見た概念断面図である。本発明のさらに他の実施形態であるセルスタック装置を示す側面図である。 (ａ)は図１５に示す改質器ケースを示す側面方向から見た断面図、（ｂ）は図１５に示す改質器の変形例の側面方向から見た断面図である。燃料電池モジュールの一実施形態を示す外観斜視図である。燃料電池装置の一実施形態を示す分解斜視図である。本発明の一実施形態である充填物収納ケースを示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）はＢ−Ｂ線断面図である。

＜第１の実施形態＞
図１〜４を用いて本発明の第１実施形態であるセルスタック装置１について説明する。

セルスタック装置１は、複数の燃料電池セル３を間に集電部材４を配置して配列し、電気的に直列に接続してなるセルスタック２と、セルスタック２の上方に配置され、内部を流れる燃料を気化するための燃料電池用気化器（以下、気化器と略す場合がある。）８と、内部を流れる燃料を改質するための燃料電池用改質器（以下、改質器と略す場合がある。）９とを備えて構成されている。

セルスタック装置１は、セルスタック２の端部に燃料電池セル３で発電した電流を外部に引き出すための電流引出部５ｂを備えた導電部材５ａを具備しており、燃料電池セル３の一端部（下端部）と導電部材５ａの一端部（下端部）とが、燃料電池セル３に燃料ガス（水素含有ガス）を供給するためのガスタンク６にガラス等の絶縁性のシール材（図示せず）により固定されている。シール材としては、結晶化ガラスや非晶質ガラス等の絶縁性ガラスや、アルミナ等のセラミックスあげられる。

そして、セルスタック２の他端部側（上方）に離間して、気化器８と改質器９としての第１改質器９ａおよび第２改質器９ｂとが配置されている。改質器９により改質された燃料ガスは、燃料ガス供給管１２を通りガスタンク６に供給され、セルスタック２を構成する各燃料電池セル３に燃料ガスが供給される。

図２を用いて燃料電池セル３を構成する各部材について説明する。

燃料電池セル３は図２（ｂ）に示すように、一対の対向する平坦部と両端の弧状部とを有する扁平な柱状の導電性支持体３ｅ（以下、支持体３ｅと略す場合がある）の一方の平坦部と弧状部を覆うように内側電極層としての多孔質な燃料極層３ａが設けられており、この燃料極層３ａを覆うように、緻密質な固体電解質層３ｂ積層されている。また、固体電解質層３ｂ上には、燃料極層３ａと対向するように外側電極層としての多孔質な空気極層３ｃが設けられている。すなわち、支持体３ｅの一方の平坦部上に、燃料極層３ａ、固体電解質層３ｂおよび空気極層３ｃがこの順に積層されている。また、燃料極層３ａおよび固体電解質層３ｂが形成されていない支持体３ｅの他方の平坦部上には、緻密質なインターコネクタ３ｄが積層されている。このような構成により柱状の燃料電池セル３が形成される。以降の説明において特に断りのない限り、外側電極層を空気極層３ｃ、内側電極層を燃料極層３ａとして説明する。

支持体３ｅには内部に燃料電池セル３の一端から他端かけて貫通して設けられた燃料ガス流路３ｆが燃料電池セル３の幅方向（以下、セル幅方向と略す場合がある）に複数個設けられており、燃料ガス流路３ｆに燃料ガスが供給されると、支持体３ｅ内を通り支持体３ｅの表面上に設けられた燃料極層３ａに燃料ガスが供給され、燃料電池セル３が発電を行なっている。

図２で示すように、燃料極層３ａおよび固体電解質層３ｂは、両端の弧状部を経由してインターコネクタ３ｄの両サイドにまで延設されており、支持体３ｅの表面が外部に露出しないように構成されている。それにより、燃料電池セル３の内外で燃料ガスがリークしない構成となっている。

支持体３ｅは、燃料ガスを燃料極層３ａまで透過させるためにガス透過性であること、インターコネクタ１３を介在して集電を行うために導電性であることが要求されることから、例えば、ＦｅやＮｉ等の鉄族金属成分とＹやＹｂ等の特定の希土類酸化物とにより形成される。支持体３ｅは、開気孔率が３０％以上、特に３５〜５５％の範囲がよく、支持体３ｅの導電率は、５０Ｓ／ｃｍ以上が好ましい。支持体１１の寸法としては、支持体１１の平坦部の長さ（支持体１１の幅方向の長さ）は、通常、１５〜３５ｍｍ、弧状部の長さ（弧の長さ）は、２〜８ｍｍであり、支持体１１の厚み（両平坦部間の厚み）は１．５〜５ｍｍとすることができる。

燃料極層３ａは、電極反応を生じさせるものであり、鉄族金属であるＮｉおよびＮｉＯのうち少なくとも一方と、希土類元素が固溶したＺｒＯ₂とから形成することができる。希土類元素としては、支持体１１において例示した希土類元素（Ｙ等）を用いることができる。

固体電解質層３ｂは、３〜１５モル％のＹ、Ｓｃ（スカンジウム）、Ｙｂ等の希土類元素を含有した部分安定化あるいは安定化ＺｒＯ₂やランタンガレート系のペロブスカイト型酸化物からなる緻密質なセラミックスを用いることができる。また、希土類元素としては、安価であるという点からＹとすることができる。さらに、固体電解質層９は、ガス透過を防ぐために、相対密度（アルキメデス法による）が９３％以上、特に９５％以上の緻密質であることが望ましく、かつその厚みが５〜５０μｍとすることができる。

空気極層３ｃは、ガス透過性を有する必要があり、従って、空気極層１０を形成するランタンコバルト系やランタンマンガナイト系の導電性セラミックス（ペロブスカイト型酸化物）は、開気孔率が２０％以上、特に３０〜５０％の範囲とすることができる。さらに、空気極層１０の厚みは、集電性という点から３０〜１００μｍとすることができる。

インターコネクタ３ｄは、緻密質な導電性セラミックスにより形成されている。燃料ガス（水素含有ガス）および酸素含有ガス（空気）と接触するため、耐還元性、耐酸化性を有することが必要である。このため、耐還元性、耐酸化性を有する導電性セラミックスとして、一般に、ランタンクロマイト（ＬａＣｒＯ₃）系ペロブスカイト型酸化物を用いることができ、支持体１１と固体電解質層９との熱膨張係数を近づけることができる。インターコネクタ１３の厚みは、ガスのリーク防止と電気抵抗の低減という点から、１０〜５０μｍとすることができる。

燃料電池セル３としては、各種燃料電池セルが知られているが、燃料電池セル３を収納してなる燃料電池装置を小型化、高効率化する上で、高温下で作動する固体酸化物形燃料電池セルとすることができる。それにより、燃料電池装置を小型化、高効率化することができるとともに、家庭用燃料電池で求められる変動する負荷に追従する負荷追従運転を行なうことができる。さらに、発電により生じた熱を給湯システムと組み合わすことで効率のよい固体酸化物形燃料電池システムを構成することができる。

次にセルスタック装置１を構成する各部材について説明する。

セルスタック２は、複数の燃料電池セル３を間に集電部材４を介在させて一列に配列してなり、各燃料電池セル３を電気的に直列に接続するように形成されている。セルスタック２の両端にはセルスタック２を挟持するように導電部材５が配置されている。集電部材４や導電部材５と燃料電池セル３との接合を強固にするため、燃料電池セル３と集電部材４や導電部材５との間に導電性セラミックスからなる導電性接合材（図示せず）を介在させて接合してもよい。

集電部材４は、燃料電池セル３同士を電気的に接続するため、導電性が必要とされており、金属や合金または金属フェルトにより形成することができる。集電部材４を形成する合金の例をあげると、例えばＣｒを含有する金属等により形成される。Ｃｒを含有する合金を例示すると、例えば、Ｆｅ−Ｃｒの合金やＮｉ−Ｃｒの合金があげられる。合金中のＣｒの含有量は、耐熱性および耐酸化性の観点から合金１００質量部に対して１０〜３０質量部、さらには２０〜３０質量部とすることができる。耐熱性および耐酸化性を向上させるためにＭｏやＷ等の元素を含有してもよい。

導電部材５は、燃料電池セル３と集電部材４を介して接合される平板部５ａと、電流を引き出すための電流引出部５ｂとからなる。導電部材５は、燃料電池セル３で発電した電流を外部に引き出すことを要するため導電性が必要とされており、集電部材４と同様の材料により形成することができる。また、セルスタック２を両端から挟持するため、集電部材４よりも剛性が高いことが好ましい。

ここで、集電部材４や導電部材５を形成するＣｒを含有する合金からＣｒが拡散することを抑制するために、集電部材４や導電部材５の表面にＣｒ拡散抑制層をコーティングにて形成してもよい。それにより、集電部材４や導電部材５からのＣｒの拡散を抑制することができ、燃料電池セル３の長期信頼性を向上させることができる。Ｃｒ拡散抑制層としては、Ｚｎを含有する酸化物があげられ、例えばＺｎＯやＺｎを含有するスピネルを用いることができる。

上述した導電性接合材について説明すると、導電性接合材１４は、導電性を有するペロブスカイト型酸化物部等の導電性セラミックスにより形成することができる。例えば、上述した空気極層１０と同様の材料により作製することができ、燃料電池セル３との接合を強固にすることができる。また、インターコネクタ１３との接合強度を高めるために、インターコネクタ１３と導電性接合材との間に、導電性接合材と同じ組成からなる接合層を設けてもよい。

ガスタンク６は、中空の箱状形状をしており、上部にてセルスタック２と導電部材５とを絶縁性のシール材により立設した状態で接合している。ガスタンク６は、金属や合金により作製することができ、市販されている合金等を用いて作製することができる。セルスタック２を構成する部材や導電部材５と接触すると電気的に短絡を生じてしまうため、絶縁性のコーティングを施すことが好ましい。絶縁性のコーティングとしては、ＡＬ₂Ｏ₃等からなるコーティングがあげられる。

セルスタック２の上方には、原燃料供給管１０から供給される原燃料を原燃料ガスに改質するための気化器８と、原燃料ガスを改質ガスに改質するための改質器９としての第１改質器９ａおよび第２改質器９ｂと、気化器８、第１改質器９ａおよび第２改質器９ｂをそれぞれ接続する連結管１１とが配置されており、第２改質器９ｂおよびガスタンク６を接続するための燃料ガス供給管１２によりガスタンク６に燃料ガスを供給している。そして、気化器８および改質器９はセルスタック２の上方から所定の距離をあけて離間した状態で配置されている。

図３（ａ）で示すように、気化器８と第２改質器９ｂは、原燃料または燃料ガス供給側（図３（ａ）で示す右側）が高く斜めに傾いた形状となっており、第１改質器９ａは原燃料ガス供給側（図３（ａ）で示す左側）が高く斜めに傾いた形状となっている。言い換えると、燃料（原燃料、原燃料ガスおよび燃料ガスを含む）の上流側が高くなっており、気化器８および改質器９を一体的に側面視して見ると、九十九折り形状となっている。また、図３（ｂ）で示すように、セル幅方向に第２改質器９ｂ、気化器８、第１改質器９ａとこの順に大きく重ならないように配置されている。そして、気化器８および改質器９は燃料電池セル３の配列方向（以下、セル配列方向と略す場合がある。）の一方から他方にわたって配置されている。

気化器８は、燃料（原燃料）を流す流路となる円柱状の管により形成されており、円柱状の管が流路部材となっている。この円柱状の管の一方端に燃料導入口（図示せず）が設けられ、他方端に燃料排出口（図示せず）が設けられており、燃料導入口に原燃料を供給するための原燃料供給管１０が接合されている。図３（ａ）においては、気化器８の一方端は右になり、他方端は左となっている。気化器８内には粒状の気化補助部材１３が充填されており、原燃料供給管１０から供給された原燃料を効率よく気化している。

ここで、原燃料とは、改質器９にて燃料ガス（水素含有ガス）を生成するための原燃料となるものであり、液体燃料（例えば、灯油）等があげられる。また、本明細書においては原燃料とは、液体燃料を気化させた原燃料ガスや炭化水素系ガス（例えば、都市ガス）も含む概念である。燃料ガスの改質方法としては、部分酸化改質、オートサーマル改質または水蒸気改質等をあげることができるが、改質効率の観点から水蒸気改質が好ましく、水蒸気改質する際は原燃料として水（水蒸気）を供給する必要がある。本明細書においては、原燃料、原燃料ガスおよび燃料ガスを総称して燃料とよぶ。

気化器８に充填される気化補助部材１３としては、粒状や粉状のジルコニア等のセラミックボールやペレット等を用いることができ、気化器８内の表面積を増加させるために充填されているため、多孔質体のものを用いることが好ましい。気化補助部材１３の粒径としては、気化器８の大きさ等により適宜設定することができるが、充填しやすさと気化効率の点から１〜７ｍｍのものを用いることが好ましい。

改質器９は、気化器８と同様に燃料を流す流路となる円柱状の管からなる流路部材により形成された第１改質器９ａと第２改質器９ｂとを連結管１１により接続して構成されている。第１改質器９ａおよび第２改質器９ｂはそれぞれ一方端に燃料導入口（図示せず）が設けられ、他方端に燃料排出口（図示せず）が設けられている。図３（ａ）においては、第１改質器９ａの一方端は左、他方端は右となっており、第２改質器９ｂの一方端は右、他方端は左になっている。そして、気化器８と接続された連結管１１と第１改質器９ａの一方端（燃料導入口）とが接続され、第１改質器９ａの他方端（燃料排出口）と第２改質器９ｂの一方端（燃料導入口）とが連結管１１により接続されている。そして、第２改質器９ｂの他方端（燃料排出口）に燃料ガス供給管１２が接続されて、気化器８および改質器９とガスタンク６とが連通しており、ガスタンク６に燃料ガスを供給している。第１改質器９ａと第２改質器９ｂとは構成が同じであり、同一のものを用いることができる。

第１改質器９ａおよび第２改質器９ｂには気化器８より供給された原燃料ガスを燃料ガスに改質するための改質触媒１４が充填されている。改質触媒１４としては、ＲｕやＰｔ等が担持した粒状や粉状のセラミックボールやペレット等をあげることができる。原燃料ガスとの接触面積を増加させるという意味で多孔質なものを用いることが好ましい。改質触媒１４の粒径としては、改質器９の大きさ等により適宜設定することができるが、充填しやすさと改質効率の点から１〜１０μｍのものを用いることが好ましい。

気化器８および改質器９への粒状の充填物（気化補助部材１３や改質触媒１４）の充填方法としては、粒状のセラミックボールやペレットを流路部材である円柱状の管の一方端または他方端を封止して、封止していない一方端または他方端から充填物を流しこんで充填する方法を挙げることができる。この方法を用いることで、容易に充填物を充填することができる。

セルスタック装置１を構成する気化器８、改質器９、原燃料供給管１０、連結管１１および燃料ガス供給管１２は金属製の管により容易に作製することができる。所要ならば耐熱性のコーティングを施すことでセルスタック装置１の耐久性を向上させることができる。

図４（ａ）を用いて、燃料電池装置の発電時における気化器８および改質器９の内部における燃料の流れについて説明する。図４に示す一点鎖線の矢印は燃料の流れを示し以下同様である。

気化器８、改質器９は傾斜して設置されており、それぞれ燃料導入口側が燃料排出口側よりも高い構成となっている。つまり、気化器８の流路の上部は、燃料側導入口の上部が機械の接地面からの高さの最高部となっており、燃料排出口の上部が気化器８の接地面からの高さの最低部となっている。そして気化補助部材１３の最高充填高さが最低部以上となっている。

そのため、図４（ａ）に示すように気化補助部材１３の充填物の沈下が生じても、燃料の排出口側では、気化補助部材１３が密に充填されていることとなり、気化補助部材１３に接触しない、いわゆるガスのショートパスの発生を防止することができる。

また、気化器８および改質器９に充填物を充填する場合においても、充填不良を生じないように精度高く充填する必要がなくなり、セルスタック装置１の製造工程を簡易にすることができる。さらに、充填不良が生じていた場合においても、ショートパスの発生を防ぐことができる。

それにより、十分に気化していない原燃料が改質器９に供給されることを低減することができる。そのため、改質触媒１４の劣化や破損を抑えることができ、長期信頼性の向上したセルスタック装置１とすることができる。

また、十分に改質されていない燃料ガスが燃料電池セル３に供給されることを低減することができる。そのため、燃料電池セル３の劣化や破損を抑えることができ、長期信頼性の向上したセルスタック装置１とすることができる。

さらに、気化効率や改質効率を向上させることができることから、発電効率の向上したセルスタック装置１とすることができ、燃料電池装置を省エネルギー運転することが可能となる。

ここで、セルスタック装置１は、燃料電池セル３の内部に燃料ガスを流し、セルスタックの外部に空気導入板（図示せず）を用いて空気（酸素含有ガス）を用いて発電を行なっている。そして、発電に使用されずに燃料電池セル３から排出された余剰の燃料ガス（以下、燃料オフガスと略す場合がある。）および発電に使用されなった余剰の酸素含有ガス（以下、酸素オフガスと略す場合がある。）をセルスタック２の上方の燃焼部にて燃焼させることにより、セルスタック装置１を温めて早期の起動や効率の良い運転を行なっている。

また、水蒸気改質により燃料ガスを生成する場合に、水蒸気改質は吸熱反応のため、改質反応を行なう場合に反応熱が必要となる。セルスタック装置１は、燃焼部にて燃料オフガスと酸素オフガスとを燃焼させているため、改質器７に効率よく熱を供給することができる。

次に、気化器８および改質器９の内部を流れる燃料の流れについて説明する。図４（ａ）に示すように、気化器８内に充填物（気化補助部材１３）の沈下が生じている場合、原燃料供給管１０近傍の上壁付近に気化補助部材１３が存在しない空間が生じる可能性がある。原燃料供給管１０から原燃料が供給され、気化器８の上壁付近を流れる原燃料は、気化補助部材１３が存在しない空間を流れることとなるが、燃料の流れ方向の下流側に流れていくにつれ、気化補助部材１３と接触することとなり十分に気化を行なうことができる。そして気化された原燃料ガスが、連結管１１を通り第１改質器９ａに流入する。

第１改質器９ａに流入した原燃料ガスは、充填された改質触媒１４により燃料ガスに改質されながら燃料の下流側に流れていく。第１改質器９ａにおいても気化器８と同様に、改質触媒１４の充填高さが燃料排出口側の最低部以上であるため触媒の沈下が生じていても、燃料の下流側に改質触媒１４が充填されていることから、十分な改質を行なうことができる。そして燃料ガスおよびいまだ改質されていない原燃料ガスは、連結管１１を介して第２改質器９ｂに流入する。

第２改質器９ｂに流入した燃料ガスは、第２改質器９ｂの内部においては、改質されることなく下流に向けて流れることとなるが、改質触媒１４と接触することにより、温度の高い改質触媒１４から熱が供給され、効率よく燃料ガスの温度を上昇させることができる。また、第２改質器９ｂに流入した原燃料ガスは、第２改質器９ｂにて燃料ガスに改質されながら下流に向けて流れることとなる。そして、第２改質器９ｂを流れた燃料ガスは、ガスタンク６に供給され、燃料電池セル３の発電に使用される。

ここで、気化器８および改質器９を傾斜して設けた場合の傾斜角度について説明する。第１の実施形態のように気化器８および改質器９を傾けた状態でセルスタック装置１の上方に配置する場合、傾斜角は３〜３０°が好ましい。傾斜角を３°以上とすることで、触媒の充填性を高めることができ、傾斜角を３０°以下とすることで、気化器８および改質器９が高さ方向に大きくなることを抑えることができる。それにより、触媒の充填性を高めることができるとともに、燃料電池装置が大型化せず燃料電池装置が熱自立できる構成とすることができる。傾斜角とは、上述した流路の上部における最高部と最低部とを結んだ線文と気化器８または改質器９の設置面との角度を指すものとする。

さらに、図４（ｂ）に示すように、平面視して、気化器８、第１改質器９ａおよび第２改質器９ｂが大きく重ならないように配置しているため、燃焼部からの熱を効率よく受熱することができる。

水蒸気改質により燃料ガスを生成する際は、原燃料供給管１０から水および空気を改質器９に供給する必要があるため、図１に示したように二重管を用いることが好ましい。

＜第２の実施形態＞
図５〜７を用いて本発明の第２実施形態であるセルスタック装置１５について説明する。第１実施形態とは改質器１８および予熱器１９の構成が異なっており、その他の点は同一である。そのため、第１実施形態と同一の構成については説明を省略する。

図５、６で示すように、気化器１７と、改質器１８と、予熱器１９とがそれぞれ連結管１１により接合されて構成されている。気化器１７と、改質器１８および予熱器１９は、中空の角柱により形成されており、この中空の角柱が流路部材となる。そして、気化器１７と予熱器１９とが燃料導入口側に比べ、燃料排出口側の方が高くなっており、改質器１８の燃料導入口側が燃料排出口側に比べて高くなっている。そのため、気化器１７、改質器１８および予熱器１９を側面視すると、一方側（図６においては、燃料ガス供給管１２側）が他方側（図６においては、原燃料供給管１０側）に比べて高くなっており傾斜した形状となっている。

予熱器１９は、燃料を流すための流路となる中空の角柱からなり、一端面（図５で示す左側）に燃料導入口が設けられ、他端面（図５で示す右側）に燃料排出口が設けられている。予熱器１９の機能としては、改質器１８により生成された燃料ガスを、予熱器１９内部にて流す間に、燃料ガスに熱を与え、温度の上昇した燃料ガスを生成している。予熱器１９内部には、前述した気化補助部材１３が充填されており、効率よく燃料ガスに熱を与えている。つまり、予熱器１９と気化器１７とは同一のものを用いて作製することができる。

また、例えば、予熱器１９の上流側には改質触媒１４を充填し、改質触媒１４を充填していない部位に気化補助部材１３を充填してもよい。その場合、原燃料ガスを燃料ガスに十分に改質できるとともに、燃料ガスの温度を上昇することができる。その場合に、気化補助部材１３と改質触媒１４との仕切りには後述する仕切り部材を用いればよい。

図７を用いて気化器１７、改質器１８および予熱器１９の内部を流れる燃料について説明する。図７に示すように、気化器１７および予熱器１９は燃料導入口側より燃料排出口側が高くなるように設置されている。そのため、気化器１７および予熱器１９は、気化器１７および予熱器１９を形成する流路の上部における最高部が燃料排出口側となり、最低部が燃料導入口側となっている。改質器１８は、燃料排出口側より燃料導入口側が高くなるように設置されている。そのため、改質器１８は、改質器１８を形成する流路の上部における最高部が燃料導入口側となり、最低部が燃料排出口側となっている。

そのため、気化器１７において、触媒（気化補助部材１３）の沈下が生じた場合においても、原燃料供給管１０側に気化補助部材１３が密に充填されていることとなる。そのため、原燃料供給管１０側にて効率の良い気化を行なうことができる。特に、水や液体燃料を原燃料供給管１０から供給する場合には、早期に原燃料を原燃料ガスに気化することができるため、改質器１６にて効率のよい改質をすることができる。また、気化器１７の下流側の上壁近傍にて気化補助部材１３が配置されていない空間が存在する場合においても、気化器１７の上壁近傍を流れる原燃料はすでに原燃料ガスに改質されている可能性が高いため問題はない。そして、改質器１８に供給された原燃料ガスは、燃料ガスに改質されながら下流側へ向けて流れることとなる。

改質器１８は、燃料の下流側（燃料排出口側）では改質触媒１４が密に充填されている。そのため、燃料の上流側の上壁近傍では、改質触媒１４の配置されていない空間が存在していた場合においても、上壁に沿って流れるうちに、下流側にて改質触媒１４と接触し、改質反応が生じることとなる。それにより、改質触媒１４と接触しない、いわゆるショートパスが生じることを防止することができる。また、改質器１８の上流側に比べ下流側の方が低いことから、改質器１８の下流側がセルスタック２に近い構成となっている。そのため、セルスタック２から効率よく儒熱することができ、効率のよい改質を行なうことができる。そして、予熱器１９に燃料ガスが流れることとなる。

予熱器１９は、燃料導入口側で気化補助部材１３が密に充填されていることとなる。そのため、気化補助部材１３と燃料導入口側で接触することにより、燃料ガスを早期に温度の上昇した燃料ガスとすることができる。それにより、温度の上昇した燃料ガスがセルスタック２の上方を流れることとなり、燃料ガスがセルスタック２を冷却することなくガスタンクに教協されることとなる。また、例えば、連結管１１側に改質触媒１４を充填しておくことで、改質されていない原燃料ガスが予熱室１９に供給されたとしても早期に原燃料ガスを燃料ガスに改質することができる。

第２の実施形態のように、気化器１７、改質器１８および予熱器１９をすべて同方向に傾斜したものを用いる場合、傾斜角度を２０〜３０°と比較的角度を大きく設定しても、各部材が同方向に傾斜していることから、燃料電池装置が大型化することを抑えることができる。そのため、傾斜角度を大きく設ける場合には、気化器１７等を同方向に傾斜させることが好ましい。

＜第３の実施形態＞
図８〜１０を用いて本発明の第３の実施形態であるセルスタック装置２０を説明する。セルスタック装置２０は、原燃料供給管１０ａが接合された気化器２２と、原燃料供給管１０ｂが接続された混合器２３と、第１改質器２４ａと、燃料ガス供給管が接続された第２改質器２４ｂとが連結管１１を介して接続されて構成されている。混合器２３を設けた点でセルスタック装置１とは異なり、その他の構成は第１のセルスタック装置１と同様である。

気化器２２等は、一方端が原燃料供給管１０ａに接合された気化器２２と同等の高さに混合器２３が配置されており、気化器２２の他方端と混合器２３の他方端とが連結管１１にて接続されている。混合器２３の下方には第１改質器２４ａが配置されており、混合器２３の一方端と第１改質器２４ａの一方端とが連結管１１にて接続されている。そして、気化器２２の下方に第１改質器２４ａと同等の高さに第２改質器２４ｂが配置されており、第１改質器２４ａの他方端と第２改質器２４ｂの他方端とが連結管１１にて接続されている。第２改質器２４ｂの一方端にはガスタンク６と接続するための燃料ガス供給管１２が接続されている。

気化器２２、混合器２３、第１改質器２４ａおよび第２改質器２４ｂは、流路部材である円柱により形成された流路を備えている。混合器２３は、一方端に気化器２２と接続するための連結管１１および原燃料供給管１０ｂに接続される燃料導入口が設けられており、他方端に第１改質器２４ａと接続するための連結管１１に接続される燃料排出口が設けられている。そして、内部には気化補助部材１３が充填されている。

図９（ａ）に示すように、気化器２２、混合器２３および改質器２４は、気化器２２に接続された原燃料供給管１０ａ側が高く配置されており、傾斜した状態でセルスタック２の上方に設置されている。そのため、気化器２２および第１改質器２４ａは燃料排出口側が高くなり、混合器２３および第２改質器２４ｂは燃料導入口側が高くなる。そのため、燃料のショートパスを防止することができ、長期信頼性の向上したセルスタック装置２０とすることができる。

また、セルスタック装置２０は混合器２３を備えていることから、改質器３６に供給された原燃料を十分に温めた後に気化器３７に供給することができる。それにより、水蒸気改質する際の水や、液体燃料を用いて燃料ガスを生成する場合に、供給される水や液体燃料の温度が低いため、十分に気化しないまま、改質器２４に供給されることを低減でき、改質器２４内に充填された改質触媒１４に破損や劣化を抑えることができる。そのため、改質触媒１４の劣化を低減することができ、長期信頼性の向上したセルスタック装置２０とすることができる。

例えば、水と都市ガス等の炭化水素系ガスとにより水蒸気改質をして燃料ガスを生成する場合には、気化器２２に水を供給し、混合器２３に炭化水素系ガスを供給すればよい。それにより、水蒸気と炭化水素系ガスを混合器２３にて十分に温めるとともに混合することができ、改質器２４にて効率のよい改質を行なうことができる。

さらに、水と灯油等の液体燃料とにより水蒸気改質をして燃料ガスを生成する場合には、気化器２２に液体燃料を供給し、混合器２３に水を供給すればよい。それにより、気化器２２にて温度の上昇した液体燃料と水とを混合器２３にて気化および混合することができる。そのため、効率のよい改質を行なうことができる。また、気化器２２では液体燃料の温度を上昇させるほか液体燃料の一部を気化することもできる。

また、第３の実施形態では、原燃料をそれぞれ気化器２２と混合器２３とに供給する例を示したが、気化器２２に原燃料供給管１０ａおよび原燃料供給管１０ｂを例えば２重管等により接続してもよい。また、気化器２２と混合器２３とに原燃料を供給する場合は、原燃料の気化温度の低い方を気化器２２に供給すればよい。それにより、効率のよい気化および改質を行なうことができる。

なお、第１、３の実施形態では円柱状の管を用い、第２の実施形態では角柱状の管を用いた例を示したが、気化器等を形成する管はどのような形状のものを用いてもよい。また、パイプ等の部材の両端を塞ぐことにより形成することもできる。また、気化器や改質器によりその形状が異なるものを用いてもよい。さらに、第１、２の実施形態では一直線状の気化器、改質器および予熱器を示したが、加工により一部を折り曲げたものを用いてもよい。例えば、一部を屈曲させ傾斜させたものを用いても、流路の上部における最低部が充填物の最高充填高さ以上であれば、燃料のショートパスを防止することができる。

また、第１〜３の実施形態では、気化器、改質器、予熱器および混合器をそれぞれ別体にて作製し、組み合わせて作製したセルスタック装置を示したが、例えば、炭化水素系ガスを用いて、部分酸化改質する場合等には、水や液体燃料等を使用しないため、気化器を設けなくてもよい。改質方法、原燃料の種類等により、適宜設定すればよい。さらに、気化器と改質器とを備えるセルスタック装置において、改質器のみ上述したように上部が傾斜したものを用いてもかまわない。

なお、気化器等を別体として設けた場合には、気化器等の設置面とは、気化器等の最も下端に位置する部位が接する鉛直方向に直交する面を示す。

＜第４の実施形態＞
図１１、１２を用いて本発明の第４の実施形態であるセルスタック装置２６について説明する。

セルスタック装置２６は、ガスタンク６の上面にセルスタック２が、セル幅方向に２列並置されて接合されており、セルスタック２の上方に平面視してＵの字状に気化器２８および改質器２９が配置されており、気化器２８および改質器２９は、一体的に形成されており、以下この一体的に形成されたものを改質ケース２７と称する。

セルスタック装置２６を構成する２つのセルスタック２は同じものを用いることができるが、セルスタック２を構成する燃料電池セル３の向きがそれぞれ逆向きになるように配置する。そして、セルスタック装置２１の一方側に配置されている導電部材５の電流引出部５ｂを電気的に接続することで、２つのセルスタックを電気的に直列に接続している。

セルスタック２の上方には改質ケース２７が配置されており、セルスタック２のそれぞれに対応するように気化器２８および改質器２９がそれぞれのセルスタック２を覆うように配置されている。２つのセルスタック２間にはセル幅方向に空間が設けられており、上方に配置された改質ケース２７のＵの字に設けられた空間（気化器２８および改質器２９の間の空間）と対応している。そのため、例えば前述した燃料電池セルスタック装置２１に空気を送るための空気導入板（図示せず）をこの空間に配置することができる。

改質ケース２７は、原燃料供給口１０に接続された気化器２８と、気化器２８と仕切板２５を介して連通した第１改質器２９ａと第１改質器２９ａと仕切板２５を介して連通した第２改質器２９ｂとを備えている。そのため、一方のセルスタック２の上方に気化器２８と第１改質器２９ａとが配置され、他方のセルスタック２の上方に第２改質器２９ｂが配置される構成となっている。

そして、一方のセルスタック２の上方に配置された改質ケース２７は、気化器２８および第１改質器２９ａが、セル配列方向の一方側に設けられた原燃料供給管１０がセル配列方向の他方側よりも高い位置に配置されており、セル配列方向の他方側に向けて傾斜している。また、他方のセルスタック２の上方に配置された改質ケース２７は、第２改質器２９ｂが、セル配列方向の一方側に設けられた燃料ガス供給管１２がセル配列方向の他方側よりも低い位置に配置されており、セル配列方向の一方側に向けて傾斜している。

気化器２８および改質器２９の傾斜角は上述したように３〜３０°であることが好ましい。この傾斜角は充填物の粒径や燃料電池モジュールの大きさに従い適宜設定することができる。

気化器２８は、前述した気化補助部材１３が充填されて構成されており、改質器２９（第１改質器２９ａおよび第２改質器２９ｂ）には、前述した改質触媒１４が充填されて構成されている。仕切板２５は、充填物を通さず、燃料を通す必要があるため、金属製のメッシュ等を用いることができる。金属製のメッシュの穴は充填物の径の大きさに従い適宜変更すればよい

改質ケース２７に充填物（気化補助部材１３や改質触媒１４）を充填する方法としては、改質ケース２７の天板（図１１においては、上板）を取り外した状態で仕切板２５を改質ケース２７に接合する。そして、充填物を充填した後に天板を改質ケース２７に接合して作製することができる。

図１２（ａ）を用いて発電時における改質ケース２７の内部について説明する。改質ケース２７において、気化器２８、第１改質器２９ａおよび第２改質器２９ｂは燃料の上流側が下流側に比べて高い構成となっている。そのため、燃料の下流側（燃料排出口側）にて充填物が密に充填されており、充填物と燃料とが接触する構成となっている。そのため、充填物に接触しないショートパスを防止することができる。

また、図１２（ｂ）に示すように、原燃料供給管１０から供給された原燃料は、気化器２８により原燃料ガスに気化されながら、第１改質器２９ａに向けて流れる。気化器２８から流入した原燃料ガスは、一方のセルスタック２の上方を一端部から他端部にわたりセル配列方向に沿って改質されながら流れる。そして、第１改質器２９ａを流れた原燃料ガスまたは燃料ガスは、仕切板２５により仕切られた第２改質器２９ｂに流入し、他方のセルスタック２の上方を他端部から一端部にわたりセル配列方向に沿って改質または温められながら流れることとなる。そのため、効率よく温められた燃料ガスを燃料電池セル３に供給することができる。

なお、図１１、１２において示した改質ケース２７は、気化器２８、第１改質器２９ａおよび第２改質器２９ｂが、燃料の下流側に比べて上流側が高い構成の例を示したが、これに限定されるものではなく、例えば、気化器２８および第１改質器２９ａが燃料の下流側に比べて上流側が高く、第２改質器２９ｂが燃料の下流側に比べて上流側が高い構成としてもよい。その場合においては、気化部２８および改質部２９を平行にすることができるため、改質ケース２７の形状を簡易なものとすることができ、改質ケース２７の製造コストを低下させることができる。さらに、改質ケース２７の天板を取り付けることを容易にすることができるとともに、角度の大きい傾斜角に設定しても、改質ケース２７が高さ方向に大きくなることを抑制することができる。

また、仕切板２５により第１改質器２９ａと第２改質器２９ｂとに改質器２９を分割した例を示したが、仕切板２５を設けず改質器２９を第１改質器２９ａと第２改質器とを分割しなくてもよい。

＜第５の実施形態＞
図１３、１４を用いて本発明の他の実施形態であるセルスタック装置３０を構成する気化器３２および改質器３３について説明する。気化器３２および改質器３３も一体的に形成されているため、以下、改質ケース３１と称する。図１３（ｂ）は改質ケース３１の上段の概念断面図であり、（ｃ）は改質ケース３１の下段の概念断面図である。

改質ケース３１は、上下２段に内部が仕切られた中空の箱状部材からなり、原燃料供給管１０に隣接した上段に仕切板２５により気化器３２が設けられており、気化器３２以外の上段および下段に改質器３３が設けられている。そして、改質ケース３１の原燃料供給管１０側が高くなるように配置されており、改質ケース３１を側面視すると傾いた状態でセルスタック装置１に配置固定されている。その他の構成はセルスタック装置１と同様のため説明は省略する。

改質ケース３１について図１３を用いて詳しく説明すると、改質ケース３１の内部は板部材等により上下２段に仕切られている。この板部材は燃料および充填物を仕切るための板であり、改質ケース３１を形成する部材と同様の金属や合金により作製することができる。この板部材は、一端が原燃料供給管１０側の改質ケース３１の側壁（セル配列方向に直交する側壁）と接合されており、他端は燃料を下段に流すためセル配列方向における逆側の側壁には所定の間隔をあけて配置されている。また、板部材を強固に固定するために改質ケース３１のセル幅方向に直交する側壁には接合することが好ましい。

改質ケース３１は、気化器３２と改質器３３とが内部を板部材により仕切られ、一体的に設けられており、改質ケース自体が箱状の形状を有している。そのため、改質ケース３１の傾斜角は３〜３０°とすることができ、傾斜角が２０〜３０°と比較的大きい場合においても、燃料電池装置の大型化を抑えることができる。

改質ケース３１は、原燃料供給管１０に隣接して気化補助部材１３が充填された気化器３２が配置されており、その他の内部は改質触媒１４が充填された改質器２８となっている。そして、原燃料供給管１０側が高い構成となっているため、燃料が改質ケース３１の上壁に沿って流れても、ショートパスが生じない信頼性の向上した改質ケース３１とすることができる。

さらに、改質ケース３１は内部が仕切られた箱状の部材により作製されていることから、容易に改質ケース３１を作製することができる。また、気化器３２と改質器３３の出口側（燃料ガス供給管側）が隣接して配置されていることから、温められた燃料ガスにより気化器３３を温めることができ、効率のよい気化を行なうことができる。

充填物（気化補助部材１３および改質触媒１４）の充填方法としては、改質ケース３１の一方のセル幅方向における側壁を取り外し、充填物を充填した後に接合することにより、容易に充填物を充填することができる。また、原燃料供給管１０が接合される側壁を取り外し、改質触媒１４を充填した後に、仕切板２５を接合し、気化補助部材１３を充填し、側壁を接合して充填してもよい。

なお、第５の実施形態においては、上端の一部に気化器３２を設けた例を示したが、上段のすべての領域に気化補助部材１３を充填し、気化器３２を設けてもよい。気化器３２および改質器３３の配置はセルスタック装置の構成に合わせて適宜設定すればよい。

また、改質ケース３１の内部を仕切る板部材を改質ケース３１に対して、傾斜した状態で接合してもよい。例えば、改質ケース自体を傾斜角５°程度で燃料導入口側が高くなるように傾け、内部を仕切る板部材を傾斜角１０°程度で燃料導入口側が高くなるように構成してもよい。

＜第６の実施形態＞
図１５、１６を用いて本発明の他の実施形態であるセルスタック装置３５を構成する気化器３７および改質器３８について説明する。本実施形態も気化器２７および改質器３８が一体的に形成されており、以下、改質ケース３６と称する。また、図１３（ｂ）については第６実施形態の変形例を示している。

改質ケース３６は、セルスタック２を覆うようにセルスタック２の上方に配置されており、セル配列方向の中央部に気化器３７を備え、気化器３７に隣接してセル配列方向の両側方に改質器３８を備えている。そのため、改質ケース３１は、セル配列方向における中央部に原燃料供給管１０が接続されており、セル配列方向における両端部に燃料ガス供給管１２が接続されている。そして燃料ガス供給管１２はガスタンク６にそれぞれ向かって延びており、ガスタンク６にそれぞれ接合されている。

そして、改質ケース３６のセル配列方向における中央部が両端部より高い位置に配置されている。言い換えると気化器３７が改質器３８よりも高い位置に配置されている。

図１６（ａ）を用いて改質ケース３６を流れる燃料について説明すると、原燃料供給管１０から供給された燃料は、気化器３７にて原燃料ガスに気化される。気化器３７にて気化した原燃料ガスは、気化器３７を両側方に向けて流出し、両端部に設けられた改質器３８にて燃料ガスに改質されながら燃料ガス供給管１２に向けて流れることとなる。

改質ケース３６は、セル配列方向における中央部が両端部よりも高い位置に配置されていることから、触媒の沈下（充填物の沈下）が生じた場合においても、燃料の下流側にて充填物である気化補助部材１３および改質触媒１４が充填されることとなる。そのため、改質ケース３６の上壁に沿って燃料が流れても、ショートパスが生じることを防止することができる。

改質ケース３６は、両端に配置された改質器３８を傾斜させて構成されているが、傾斜角は３〜３０°が好ましい。また、改質ケース３６においては、両側方に配置された改質器３８を同等の角度で傾斜させた例を示したが、それぞれ別個の傾斜角を設定してもよい。

改質ケース３６は、セル配列方向の中央部に位置する気化器３２が改質ケース３６の他の部位よりも高い位置に配置されている。そのため、セルスタック２と改質ケース３６との間に空間ができ、セル配列方向における中央部に熱がこもることを低減することができ、セル配列方向における温度分布を抑えることができる。それにより、燃料電池セル３に劣化を低減することができる。

また、改質ケース３６の両端部にそれぞれ改質器３８が設けられており、それぞれの改質器３８と燃料ガス供給管１２とが接続されていることから、ガスタンク６に２か所にて接合されることとなる。そのため、一端部にて燃料ガス供給管１２と接合されるガスタンクに比べて、セルスタック２を構成する各燃料電池セル３に均一な量の燃料ガスを供給することができ、セルスタック装置３５の発電性能を向上させることができる。

図１６（ｂ）に示す改質ケース３９は改質ケース３６の変形例を示している。改質ケース３６とは気化器３７と改質器３８との位置関係が逆になっている点で異なる。つまり、セル配列方向における両端部に配置された改質器３８が、セル配列方向における中央部に配置された気化器３７よりも高い位置に配置されており、その他の点においては同様である。

改質ケース３９は気化器３７が最も低く配置されており、両端部に向かうにつれて高くなるように構成されており、改質ケース３９の両端が最も高く配置されている。そのため、触媒の沈下が生じた場合や充填物の充填不良が生じた場合においても、燃料の上流側にて充填物が密に充填される状態となり、燃料がショートパスを生じることを防止することができる。

また、セルスタック装置３５がセル配列方向において中央部の温度が両端部に比べて高くなる温度分布を生じた場合においても、セルスタック２の中央部の上方に隣接して気化器３７が配置されていることから、気化による吸熱反応によりセルスタック２の中央部における熱を吸熱することができる。それにより、セルスタック装置３５のセル配列方向における温度分布を低減させることができる。

なお、改質ケース３６、３９では、両側方に設けられた改質器３８が同等の高さにある例を示したが、それぞれの改質器３８を異なる高さに配置してもよい。例えば、図１５に示す改質ケース３６の右側に配置された改質器３８を気化器３７よりも高い位置に配置し、左側に配置された改質器３８を気化器３７よりも低い位置に配置してもよい。

図１７を用いて第１〜６の実施形態に係るセルスタック装置を収納容器４１に収納してなる燃料電池モジュール４０について説明する。図１７においては、第１の実施形態に係るセルスタック装置１を収納した例を示し、収納容器４１の一部（前後面）を取り外し、内部に収納されているセルスタック２および気化器８および改質器９（セルスタック装置１）を後方に取り出した状態を示している。ここで、図１７に示した燃料電池モジュール４０においては、セルスタック装置１を、収納容器４１内にスライドして収納することが可能である。

また、収納容器４１の内部には、燃料電池セル３に酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス導入部材４２が設けられており、図１７に示す燃料電池モジュール４０においては、ガスタンク６に立設されたセルスタック２の両側方に配置されるとともに、酸素含有ガスが、燃料ガスの流れにあわせて、燃料電池セル３の側方を下端部側から上端部側に向かって流れるように、燃料電池セル３の下端部側に酸素含有ガスを供給するように構成されている。

また、セルスタック装置１においては、燃料電池セル３のガス流路より排出される余剰の燃料ガスを燃料電池セル３の上端部側（燃焼部）にて燃焼させているため、燃料電池セル３の温度を上昇させ、高温に維持することができ、セルスタック装置１の起動を早めることができるほか、発電効率を向上することができる。また、燃料電池セル３の上端部側にて、燃料電池セル３のガス流路から排出される燃料ガスを燃焼させることにより、セルスタック２の上方に配置された気化器８および改質器９を効率よく温めることができる。それにより、気化器８および改質器９で効率よく改質反応を行うことができる。

このような燃料電池モジュール４０においては、上述したように、気化器８および改質器９において燃料のショートパスを防止することができることから、セルスタック装置１の長期信頼性を向上させることができる。

図１８は、外装ケース内に図１７で示した燃料電池モジュール４０と、燃料電池モジュール４０を動作させるための補機（図示せず）とを収納してなる本発明の燃料電池装置の一例を示す分解斜視図である。図１８においては一部構成を省略して示している。

図１８に示す燃料電池装置４５は、支柱４６と外装板４７から構成される外装ケース内を仕切板４８により上下に区画し、その上方側を上述した燃料電池モジュール４０を収納するモジュール収納室４９とし、下方側を燃料電池モジュール４０を動作させるための補機を収納する補機収納室５０として構成されている。補機収納室５０に収納する補機は省略している。

また、仕切板４８には、補機収納室５０の空気をモジュール収納室４９側に流すための空気流通口５１が設けられており、モジュール収納室２９を構成する外装板４７の一部に、モジュール収納室４９内の空気を排気するための排気口５２が設けられている。

このような燃料電池装置４５においては、上述したように、長期信頼性の向上した燃料電池モジュール４０をモジュール収納室４９に収納し、燃料電池モジュール４０を動作させるための補機を補機収納室５０に収納して構成されることにより、長期信頼性の向上した燃料電池装置５５とすることができる。

図１９を用いて充填物収納ケース５３について説明する。充填物収納ケースは、流体を流すための流路を有する流路部材の一方端に流体導入口、他方端に流体排出口が設けられ、内部に粒状の充填物５４を備えている。そして、充填物収納ケース５３を形成する流路の上部は、充填物収納ケースの設置面からの高さが最高部と最低部とを有しているとともに、充填物の充填高さが最低部以上であり、流体導入口から導入された流体が充填物と接触し、燃料排出口から排出される。

充填物収納ケース５３は中空の円柱により形成されており、この円柱が流路部材となるとともに円柱の内部が流路となっている。円柱はパイプ等の部材を流体の流れ方向に封止するように板部材を接合し、一方端（図１９では右側）に設けられた流体導入口に流体導入管５５が接合されており、他方端（図１９では左側）に設けられた流体排出口に流体供給管５６が接合されている。そして、充填物収納ケース５３の内部には、粒状の充填物が充填されている。

充填物収納ケース５３としては、種々のものを挙げることができるが、例えば、燃料ガスを改質するための改質器、原燃料を気化させるための気化器、あるいは都市ガス等から硫黄を取り除くための脱硫器等を挙げることができる。充填物５４は、充填物収納ケース５３の機能に合わせて適宜選択して充填すればよい。例えば、気化補助部材１３や改質触媒１４は上述したものを利用することができ、脱硫触媒としては、所定の金属を担持した粒状のセラミックス等からなる部材やペレットを用いることができる。

図１９（ｂ）に示すように、充填物収納ケース５３は、流路（円柱）の上部が、流体排出口側（図１９（ｂ）においては左側）に最高部を有し、流体導入口側(図１９（ｂ）においては右側)に最低部を有しており、充填物５４の充填高さよりも最低部が高くなっている。そのため、充填物収納ケース５３を側面視すると流体排出口側が高く、傾斜した状態で設置されていることとなる。それにより、粒状の充填物５４を充填物収納ケース５３に収納し、上述した充填物５４の沈下が生じた場合においても、流体がいわゆるショートパスを生じることを防止することができる。

また、充填物収納ケース５３を横置き型にすることで、充填物収納ケース５３の収納スペースを小さくすることができる。

以上、本発明の実施の形態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、上述したセルスタック１においては、燃料電池セル３内のガス流路１２に燃料ガスを供給し、燃料電池セル３の外側に酸素含有ガスを供給する例を示しているが、ガス流路１２に酸素含有ガスを供給し、燃料電池セル３の外側に燃料ガスを供給する構成としてもかまわない。その場合においては、内側電極層を酸素側電極層１０とし、外側電極層を燃料側電極層８とする構成の燃料電池セル３とすればよい。それに併せて、燃料電池モジュール４０および燃料電池装置４５の構成を適宜変更すればよい。

また、燃料電池モジュール内４０内に、１つのセルスタック１を収納してもよく、複数のセルスタックを収納してもよい。複数のセルスタックを収納することで、燃料電池モジュール４０の発電出力を向上させることができる。さらに、外装ケース内に１つの燃料電池モジュール４０を収納する例を示したが、複数の燃料電池モジュール４０を収納してもよい。

さらに、第４〜６の実施形態のように、改質器および気化器を一体として形成した改質ケースについても、原燃料や改質方法により、気化器、改質器、予熱器および混合器を適宜設定することができる。例えば、気化器を設けなくてもよく、気化器の代わりに混合器を設けてもよい。また、各構成部材の改質ケースの内部を占める割合もセルスタック装置の仕様に合わせて適宜設定すればよい。

なお、気化器等を一体的に改質ケースとして形成した場合には、改質器および気化器の設置面とは、改質ケースの最も下端に位置する部位が接する鉛直方向に直交する面を示す。

１、１５、２０、２６、３０、３５：セルスタック装置
２：セルスタック
３：燃料電池セル
４：集電部材
５：導電部材
６：ガスタンク
８、１７、２２、２８、３２、３７：気化器
９、１８、２４、２９、３３、３８：改質器
９ａ、２４ａ、２９ａ：第１改質器
９ｂ、２４ｂ、２９ｂ：第２改質器
１３：気化補助部材
１４：改質触媒
１９：予熱器
２７、３１、３６、３９：改質ケース
２３：混合器
４０：燃料電池モジュール
４５：燃料電池装置
５３：脱硫器

Claims

燃料を流すための流路を有する流路部材の一方端に燃料導入口、他方端に燃料排出口が設けられ、内部に燃料を気化するための粒状の気化補助部材が充填された燃料電池用気化器であって、
前記流路の上部は、前記燃料電池用気化器の設置面からの高さが最高部と最低部とを有しているとともに、前記気化補助部材の最高充填高さが前記最低部以上であり、前記燃料導入口から導入された前記燃料が前記気化補助部材と接触し、前記燃料排出口から排出されることを特徴とする燃料電池用気化器。
燃料を流すための流路を有する流路部材の一方端に燃料導入口、他方端に燃料排出口が設けられ、内部に燃料を改質するための粒状の改質触媒が充填された燃料電池用改質器であって、
前記流路の上部は、前記燃料電池用改質器の設置面からの高さが最高部と最低部とを有しているとともに、前記改質触媒の最高充填高さが前記最低部以上であり、前記燃料導入口から導入された前記燃料が前記改質触媒と接触し、前記燃料排出口から排出されることを特徴とする燃料電池用改質器。
燃料電池セルと、複数個の該燃料電池セルを電気的に直列に接続してなるセルスタックと、を備え、前記燃料電池セルから排出された余剰の燃料ガスを、前記セルスタックの上方における燃焼部にて燃焼させる構成のセルスタック装置であって、
請求項１に記載の燃料電池用気化器および請求項２に記載の燃料電池用改質器のうち少なくとも一方が前記セルスタックの上方にあり、前記セルスタックとの間に前記燃焼部が配置されていることを特徴とするセルスタック装置。
前記燃料電池用気化器が前記燃料電池セルの配列方向における一端部から他端部にわたって設けられ、前記燃料電池用改質器が前記燃料電池用気化器と連通し、前記燃料電池セルの配列方向における他端部から一端部にわたって設けられていることを特徴とする請求項３に記載のセルスタック装置。
前記燃料電池用気化器と前記燃料電池用改質器とが一体的に形成されており、前記燃料電池用改質器が前記燃料電池用気化器の底面に接して配置されていることを特徴とする請求項３または４に記載のセルスタック装置。
前記燃料電池用気化器が前記燃料電池セルの配列方向における中央部に配置され、該燃料電池用気化器に隣接して前記燃料電池セルの配列方向における両側方に、前記燃料電池用改質器が配置されていることを特徴とする請求項３に記載のセルスタック装置。
請求項３乃至６のいずれかに記載のセルスタック装置が収納容器内に収納されていることを特徴とする燃料電池モジュール。
請求項７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が外装ケース内に収納されていることを特徴とする燃料電池装置。
流体を流すための流路を有する流路部材の一方端に燃料導入口、他方端に流体排出口が設けられ、内部に粒状の充填物を備えてなる充填物収納ケースであって、
前記流路の上部は、前記充填物収納ケースの設置面からの高さが最高部と最低部とを有しているとともに、前記充填物の最高充填高さが前記最低部以上であり、前記流体導入口から導入された前記燃料が前記充填物と接触し、前記燃料排出口から排出されることを特徴とする充填物収納ケース。