JP2012113868A

JP2012113868A - 燃料電池セル装置、燃料電池モジュールおよび燃料電池装置

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Publication number: JP2012113868A
Application number: JP2010260174A
Authority: JP
Inventors: Eizo Matsui; 栄造松井; Nobuhiko Hachiki; 伸彦鉢木; Masanori Suehiro; 真紀末廣
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2010-11-22
Filing date: 2010-11-22
Publication date: 2012-06-14
Anticipated expiration: 2030-11-22
Also published as: JP5662769B2

Abstract

【課題】発電出力の向上した燃料電池セル装置、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】燃料電池セル装置２は、一端から他端に向かって第１の反応ガスと第２の反応ガスとが流通することによって発電する燃料電池セル３と、第２の反応ガスを燃料電池セル３に供給するためのガス供給部材９とを備え、燃料電池セル３の他端部の上方における燃焼部５７にて、発電に使用されなかった第１の反応ガスと第２の反応ガスとを燃焼させる構成のものであって、ガス供給部材９は、燃料電池セル３の一端部に向けて吹き出す第１の吹出口２０と、燃料電池セル３の他端部の上方に向けて吹き出す第２の吹出口２１とを有していることから、発電出力の向上した燃料電池セル装置、燃料電池モジュールおよび燃料電池装置。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池セル装置、燃料電池モジュールおよび燃料電池装置に関する。

次世代エネルギーとして、燃料ガス（水素含有ガス）と、酸素含有ガス（空気）とを用いて発電する燃料電池セルを複数個立設してなるセルスタックと、燃料電池セルの他端部を固定するとともに、燃料電池セルに燃料ガスを供給するためのガスタンクと、燃料電池セルの上端部にて発電に使用されなかった燃料ガスを燃焼させる構成の燃料電池セル装置と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装置が知られている。

このような燃料電池モジュールは、燃料電池セルに酸素含有ガスを導入するための酸素含有ガス導入部材が設けられており、酸素含有ガス導入部材の下端部側に酸素含有ガスを導入するための酸素含有ガス導入口が設けられており、燃料電池セルの下端部に酸素含有ガスを供給している。そして、発電に使用されなかった燃料ガスを燃料電池セルの上端部側にて燃焼させることにより、燃焼熱により燃料電池モジュールを温め、効率のよい運転を行なっている。（例えば、特許文献１参照）。

特開２００７−５９３７７号公報

しかしながら、上述した燃料電池モジュールにおいては、燃料電池モジュールに供給される燃料ガスおよび酸素含有ガスの量が少ないと、燃料電池セルの外部を流れ発電に使用されなかった酸素含有ガスの量が不足し、燃焼部にて燃料ガスと酸素含有ガスとが十分に混合されず、燃焼させることができないおそれがある。それにより、燃料電池装置の温度が低下し、燃料電池装置の発電効率が低下するおそれがある。

本発明の燃料電池セル装置は、一端から他端に向かって第１の反応ガスと第２の反応ガスとが流通することによって発電する燃料電池セルと、第２の反応ガスを燃料電池セルに供給するためのガス供給部材とを備え、燃料電池セルの他端部の上方における燃焼部にて、発電に使用されなかった第１の反応ガスと第２の反応ガスとを燃焼させる構成のものであって、ガス供給部材は、燃料電池セルの一端部に向けて吹き出す第１の吹出口と、燃料電池セルの他端部の上方に向けて吹き出す第２の吹出口とを有している。ここで、例えば、第１の反応ガスが燃料ガスである場合には、第２の反応ガスは酸素含有ガスであり、第１の反応ガスが酸素含有ガスである場合には、第２の反応ガスは燃料ガスである。

また、本発明の燃料電池モジュールは、上記の燃料電池セル装置を収納容器内に収納してなる。

また、本発明の燃料電池装置は、上記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、を外装ケース内に収納してなる。

本発明によれば、燃焼部にガス供給部材から第２の反応ガスを直接供給することができ、燃焼に使用される第２の反応ガスが、不足することを低減することができるため、燃焼部にて第１の反応ガスと第２の反応ガスとを効率よく混合することができる。そのため、燃焼部にて効率よく燃焼させることができ、燃料電池装置の発電効率を向上させることができる。

本発明の一実施形態である燃料電池セル装置を収納してなる燃料電池モジュール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の横断面図である。図１に示す燃料電池モジュールを構成するガス供給部材を示す斜視図である。燃料電池モジュールを構成するガス供給部材の他の実施形態を示す斜視図である。（ａ）は燃料電池モジュールを構成するガス供給部材の他の実施形態を示す斜視図、（ｂ）は延伸部材の斜視図である。燃料電池モジュールを構成するガス供給部材のさらに他の実施形態を示す斜視図である。本発明の他の実施形態である燃料電池モジュールの断面図である。（ａ）は、ガス供給部材の変形例を示す断面斜視図、（ｂ）はガス供給部材の変形例を示す斜視図である。燃料電池装置の一実施形態を示す分解斜視図である。

＜第１の実施形態＞
本発明の第１の実施形態である燃料電池セル装置２を収納してなる燃料電池モジュール１について図１を用いて説明する。燃料電池セル装置２は収納容器８に取り付けられた状態で示している。また、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。）をｘ、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。）をｙとして示しており、以降の図においても同様である。

燃料電池モジュール１（以下、モジュール１と略す場合がある。）は、直方体状の収納容器８の内部に、燃料電池セル装置２（以下、セルスタック装置２と称することがある。）を収納して構成されており、収納容器８の内部における中央部には収納容器８の上壁から垂下したガス供給部材９が設けられている。

図１においては、収納容器８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４および改質器６を後方に取り出した状態を示している。ここで、図１に示した燃料電池モジュール１においては、セルスタック装置２を、収納容器８内にスライドして収納することが可能である。

燃料電池セル装置２は、複数個の燃料電池セル３を集電部材（図示せず）を介して電気的に接続してなるセルスタック４を、セル幅方向ｙに２つ並置された状態で、ガスタンク５に接合している。燃料電池セル３の上方には所定の間隔をあけて離間した状態で、石油等の液体燃料や、炭化水素系ガス等から燃料ガスを生成するための改質器６が設けられている。改質器６は、セル配列方向ｘに沿って折り返す形状を有し、平面視してＵの字状の形状を有している。そして、改質器６の燃料ガスの下流側の端部には燃料ガス供給管７が接合されており、燃料ガス供給管７を通ってガスタンク５に燃料ガスが供給されている。

燃料電池セル３は、内側電極層としての燃料極層、固体電解質層、および外側電極層としての空気極層により構成されており、内部に第１の反応ガスとしての燃料ガスを流すために燃料電池セル３の一端から他端にかけて貫通した流路を有している。

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、例えば、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もできる。

燃料電池モジュール１は、セルスタック装置２を構成するセルスタック４の間に、ガス供給部材９が位置するようにセルスタック装置２を収納し、ガスタンク５から燃料電池セル３の内部に設けられた燃料ガス流路（図示せず）内に第１の反応ガスとしての燃料ガスが供給され、ガス供給部材９により燃料電池セル３の下端部（他端部）から第２の反応ガスとしての酸素含有ガスが供給される。そして、燃料電池セル３は、燃料電池セル３の一端から他端に向かって内部を流れる燃料ガスと、燃料電池セル３の一端から他端に向かって外部を流れる酸素含有ガスとにより発電を行なっている。

図２を用いて図１に示すモジュール１について詳細に説明を行なう。図２における実線の矢印は酸素含有ガスの流れを示し、以下同様である。

収納容器８は、収納容器８の側壁から所定の間隔をあけて第１の壁１０が設けられており、第１の壁１０から所定の間隔をあけて第２の壁１１が設けられている。そして、収納容器８の上壁から所定の間隔をあけて第３の壁１２が設けられており、収納容器８の下壁から所定の間隔をあけて第４の壁１３が設けられ、第４の壁１３から所定の間隔をあけて第５の壁１４が設けられている。

第１の壁１０の上端が第３の壁１２に接合されており、第１の壁１０の下端が第４の壁１３とに接合されている。収納容器８の中央側でガス供給部材９と第３の壁１２とが接合されており、ガス供給部材９は第３の壁１２から下方に垂下し、セルスタック４の間に配置されている。第４の壁１３は排ガス排出口（図示せず）に接続されており、第２の壁の下端が第５の壁１４と接合されている。そして第２の壁１１のセルスタック装置２側およびセルスタック装置２の下方に断熱材２２が配置されている。断熱材２２としては、市販されているものを用いることができ、板状のものやブランケットを用いることができる。

収納容器８と第１の壁１０との間が、収納容器８の外部から供給された酸素含有ガスを下方から上方へ向けて流す第１の流路１５となっており、収納容器８と第３の壁１２との間が、収納容器８の中央部側に向けて流す第２の流路１６となっている。収納容器８の中央部側に設けられたガス供給部材９の内部が第３の流路１７となっており、セルスタック４（燃料電池セル３）に酸素含有ガスが供給されることとなる。

燃料電池セル３に供給された酸素含有ガスは、燃料電池セル３の発電に使用されることとなる。燃料電池セル３の側方を流れ発電に使用されなかった酸素含有ガス（以下、酸素含有オフガスと称する場合がある。）は、燃料電池セル３の一端部（上端部）にて、燃料電池セル３の内部を流れ発電に使用されなかった燃料ガス（以下、燃料オフガスと称する場合がある。）と混合され、燃料ガスを燃焼させる。そのため、燃料電池セル３の他端部（上端部）の上方が燃焼部５７となっている。そして燃焼により生じた高温な排ガスは、第１の壁１０と第２の壁１１との間の第４の流路１８を上方から下方に向けて流れる。収納容器８の下方に向けて流れた排ガスは、第４の壁１３と第５の壁１４との間の第５の流路１９を流れ収納容器８の外部へと排出される。

燃料電池モジュール１に供給された酸素含有ガスは、第１の流路１５を下方から上方に向けて流れる間に、第４の流路１８を流れる高温な排ガスにより温められることとなる。そして第２の流路１６を流れる酸素含有ガスは、燃焼部５７における燃焼熱により温められながら収納容器８の中央部に向けて流れる。ガス供給部材９は燃焼部５７における燃焼熱により温められていることから、ガス供給部材９の内部に設けられた第３の流路１７を上方から下方に向けて流れる間に、酸素含有ガスは温められることとなる。そして、第１の吹出口２０より温度の上昇した酸素含有ガスを燃料電池セル３の側方に供給することができる。

また、燃焼部５７における燃焼熱は、セルスタック装置２の上方に配置された改質器６を温めることとなり、効率のよい改質反応を生じさせることができる。特に、燃料ガスを生成するために水蒸気改質法により、改質反応を行なう場合は、水蒸気改質法が吸熱反応であるため、より効果的に改質反応を生じさせることができる。さらに、燃料ガスそのものを温めることができ、温度の上昇した燃料ガスを燃料電池セル３に供給することができる。

ガス供給部材９は、内部に空間が設けられた板状の部材により形成されており、燃料電池セル３の一端部（下端部）に酸素含有ガスを供給するための第１吹出口２０を有している。第１吹出口２０は、燃料電池セル３の側面に対向して設けられており、燃料電池セル３の外部に酸素含有ガスを供給している。ガス供給部材９の燃料電池セル３の上端部には、燃焼部５７に向けて酸素含有ガスを供給するための第２の吹出口２１が設けられており、燃焼部５７に酸素含有ガスを供給している。第２の吹出口２１は、例えば燃焼部５７に対向する位置に設けることができる。

収納容器８の外部より供給された酸素含有ガスは、ガス供給部材９（第３の流路１７）を下方に向けて流れる際に、第２の吹出口２１より燃焼部５７に向けて一部が供給される。そして、残りの酸素含有ガスは第１の吹出口２０から燃料電池セル３の下端部に向けて排出されて燃料電池セル３に酸素含有ガスが供給される。燃料電池セル３に供給された酸素含有ガスは、燃料電池セル３の側面に沿って一端から他端に向かって流れる間に発電に使用され、発電に使用されなかった酸素含有オフガスは、燃焼部５７にて燃焼されることとなる。

ガス供給部材９が燃料電池セルの上端部に第２の吹出口２１を有することから、収納容器８に供給される酸素含有ガスの量が少ない場合においても、燃焼部５７に燃焼に十分な量の酸素含有ガスを供給することができる。そのため、燃料ガスと酸素含有ガスとを効率よく混合させることができ、燃焼部５７にて燃焼を生じさせることができる。

特に、燃料電池装置が低出力で運転しており、燃料電池装置に供給される燃料ガスおよび酸素含有ガスが少ない場合や、燃料利用率や空気利用率を高い値に設定し、ガス流路から排出される燃料オフガスや燃料電池セル３の側方を流れ、酸素含有オフガスが少ない場合においても、燃焼部５７にて効率よく燃料オフガスと酸素含有ガスとを混合することができ、燃焼部５７にて燃焼を生じさせることができる。それにより、燃料電池モジュール１を温めることができ、発電効率の向上した燃料電池モジュール１とすることができる。

図３を用いて、ガス供給部材９について説明する。ガス供給部材９は、セル配列方向ｘに長く、セル幅方向ｙの厚みが薄い上面が開口した箱状の部材により形成されている。第１の吹出口２０および第２の吹出口２１は、セル配列方向ｘに沿って、大きく開口しており、第１の吹出口２０は燃料電池セル３の側面と対向する位置に設けられ、第２の吹出口２１は燃料電池セル３の上端部の上方における燃焼部５７に対向するように設けられている。第１の吹出口２０および第２の吹出口は図３では示されてないが、それぞれガス供給部材９の両側に設けられており、ガス供給部材９の左右に設けられた第１の吹出口２０と第２の吹出口２１とはそれぞれ左右同等の高さに設けることが好ましい。それにより、ガス供給部材９の両側方に配置されたセルスタック４に均一な量の酸素含有ガスを供給することができる。

第１の吹出口２０はそれぞれ燃料電池セル３の側面と、第２の吹出口２１は燃焼部５７と対向して設けられていることから、燃料電池セル３の側面、燃焼部５７にむけて効率よく酸素含有ガスを供給することができる。そして、セル配列方向ｘに沿って大きく開口して第１の吹出口２０が設けられていることから、セルスタック４を構成する各燃料電池セル３に均一に供給することができる。

また、燃焼部５７はセルスタック４を構成する各燃料電池セル３の上端部の上方に形成されるため、セルスタック４の上端部の上方の全域にわたって燃焼部５７が形成されている。そのため、第２の吹出口２１がセル配列方向ｘに沿って大きく開口して設けられていることから、燃焼部５７に酸素含有ガスを効率よく供給することができる。ここで、燃焼部５７は燃焼が生じている領域を示し、燃料ガスは空気よりも比重が小さいため燃料電池セル３を排出された後、上方に向けて流れるため燃焼部５７は、燃料電池セル３の上端部の上方に配置されることとなる。燃料電池セル３を水平方向に配置した場合も同様である。

図４を用いて、ガス供給部材９の変形例であるガス供給部材２３について説明する。図４においても、酸素含有ガスの流れを実線の矢印で示しており、同一の部材については同一の符号を付するものとし、説明を省略する。

ガス供給部材２３は、酸素含有ガスが供給される開口を下面に備え、第１の吹出口２０として、セル配列方向ｘに沿って複数の円形状の開口２４が設けられているとともに、第２の吹出口として、セル配列方向ｘに沿って複数の円形状の開口２５が設けられている。開口２４および開口２５は、図４においては１６個ずつ設けられている。第１の吹出口２０として設けられた開口２４はそれぞれ同じ大きさの径を有しており、第２の吹出口２１として設けられた開口２５も同様にそれぞれ同じ大きさの径を有している。

ガス供給部材２３の内部に形成された第３の流路１７を酸素含有ガスは、下方から上方に向けて流れることとなる。そのため、酸素含有ガスが開口２４に供給された後に、開口２５に供給され、燃料電池セル３の下端部に十分な量の酸素含有ガスを供給することができる。

また、図示していないが、ガス供給部材２３の反対側の側面においても、同様に開口２４および開口２５が設けられている。それにより、ガス供給部材２３の両側方に配置されたセルスタック４に酸素含有ガスを供給することができるとともに、燃料電池セル３の上方における燃焼部５７にも酸素含有ガスを供給することができる。それぞれの側面に設けられた開口２４および開口２５は、それぞれ対応するように設けてもよく、互い違いになるようにずらして配置してもよい。

第１の吹出口として設けられた開口２４の径は、第２の吹出口として設けられた開口２５の径よりも大きく形成されている。それにより、燃料電池セル３の側面に酸素含有ガスを不足することなく供給することができる。さらに、開口２５の径が開口２４の径に比べて小さいことにより、開口２５から排出される酸素含有ガスの流速を速くすることができ、燃焼部５７に酸素含有ガスを効率よく供給することができる。

また、開口２４および開口２５の径の大きさをセル配列方向ｘにおいて適宜変更してもよい。例えば、セル配列方向ｘの中央部における燃料電池セル３は、周りに燃料電池セル３が密集していることから温度が上昇しやすく高温となり、セルスタック４においてセル配列方向ｘに温度分布が生じる場合があるが、セル配列方向ｘの中央部における開口２４を大きくすることで、セル配列方向ｘの中央部に位置する燃料電池セル３により多くの酸素含有ガスを供給することができる。それにより、セル配列方向ｘの中央部に位置する燃料電池セル３の温度を下げることができ、セル配列方向ｘにおける温度分布を改善することができる。

さらに、セル配列方向ｘの中央部に位置する燃料電池セル３は、セル配列方向ｘの他の領域に位置する燃料電池セル３に比べ温度が高くなることから、他の領域に位置する燃料電池セル３に比べて発電効率が高くなり、多くの酸素含有ガスを使用する場合がある。それにより、燃焼部５７にて酸素含有ガスが不足し燃焼が生じない場合があるが、セル配列方向ｘの中央部における開口２５の径を大きくすることで、セル配列方向ｘの中央部における燃焼部５７に酸素含有ガスを供給することができ、効率よく燃焼を生じさせ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。

図５を用いてガス供給部材９の変形例であるガス供給部材２６について説明する。ガス供給部材２６は、第1の吹出口２０´がガス供給部材２６の底面に設けられている点および第２の吹出口１９に延伸部２７が設けられている点でガス供給部材９と異なっており、その他の構成はガス供給部材９と同一のため説明を省略する。

ガス供給部材２６は、ガス供給部材９と同様に中空の箱状の部材により形成されており、底面にセル配列方向ｘに大きく開口した第１の吹出口２０´を有している。第１の吹出口２０´は下方に向けて開口しており、ガスタンク５と対向して設けられている。第２の吹出口２１はガス供給部材９のようにセル配列方向ｘに大きく開口し、燃焼部５７に対向して設けられており、第２の吹出口１９に延伸部２７が接続されている。

延伸部２７は、図５（ｂ）に示すように、両側面（図５（ｂ）においては正面および裏面）が開口した箱状の部材により形成されている。延伸部２７は、第２の吹出口２１の全周を取り囲むように配置されており、第２の吹出口２１の全周と接続されている。図示されていないが、延伸部２７は燃焼部５７に向けて延伸するように配置されており、延伸部２７の第２の吹出口２１と接続されていない開口は、燃焼部５７と対向するように設けられ、燃焼部５７近傍に配置されている。燃焼部５７近傍とは、燃料電池セル３の上端部の上方における近傍を示し、燃料電池セル３の上方を含む概念である。

延伸部２７は、ガス供給部材２６と同様の部材により形成することができ、延伸部２７を作製した後に、ガス供給部材２６の第２の吹出口２１に溶接等により接続することで設けることができる。

第１の吹出口２０´はガス供給部材２６の下面に設けられ、ガスタンク５と対向するように設けられているが、この場合においても、燃料電池セル３（セルスタック４）の下端部に酸素含有ガスを供給することができる。

ガス供給部材２６は、延伸部２７を備えることから、第２の吹出口２１から排出された酸素含有ガスを上方に向けて逃がすことなく、効率よく燃焼部５７に供給することができる。そのため、燃焼部５７にて燃焼を行なうことができ、燃料電池装置の発電効率を向上させることができる。

図５において、第２の吹出口２１としてセル配列方向ｘに大きく開口した例を示したが、ガス供給部材２３のように複数の開口２５を有してもよい。その場合においても、効率よく燃焼部５７に酸素含有ガスを供給することができる。

図６を用いてガス供給部材２３の変形例であるガス供給部材２８について説明する。ガス供給部材２８は、第２の吹出口２１に筒状の延伸部２９を備える点でガス供給部材２３と異なりその他の構成はガス供給部材２３と同一のため説明を省略する。

ガス供給部材２８に設けられた延伸部２９について説明すると、延伸部２９は、両端が開口した筒状の部材により形成され、筒状の部材は開口の大きさが異なり円錐状の筒状部材である。延伸部２９の径の大きい開口と第３の流路１７とが連通しており、径の小さい開口は、燃焼部５７に対向するように設けられ、燃焼部５７近傍に配置されている。

第２の吹出口２１として開口２５が複数設けられており、それぞれの開口２５に延伸部２９の一方の開口（径の大きな開口）が連通している。図６で示すように、開口２５と延伸部２９とをそれぞれ接合してもよく、複数の開口２５を延伸部２９の一方の開口が覆うように接合してもよい。

ガス供給部材２８は、延伸部２９を備えることから、燃焼部５７に酸素含有ガスを効率よく供給することができる。それにより、燃焼部５７に供給される酸素含有ガスが少ない場合においても、燃焼部５７にて燃焼を生じさせることができる。

また、延伸部２９は、一方の開口の径と他方の開口の径とが異なる構成をしており、酸素含有ガスの流れ方向の先端部の開口（酸素含有ガスの流れ方向の下流側の開口）が、酸素含有ガスの流れ方向の上流側の開口と比較して小さくなっている。それにより、第２の開口２１に供給される酸素含有ガスの流速が遅い、つまりは、供給される酸素含有ガスの流量が少ない場合においても、延伸部２９により酸素含有ガスの流速を速めることができ、さらに燃焼部５７に酸素含有ガスを効率よく供給することができる。

なお、ガス供給部材２６、２８においては、延伸部２７、２９を第２の吹出口２１、２５にのみ設けた例を示したが、第１の吹出口２０に設けてもよい。また、ガス供給部材２６の下面に第１の吹出口２０´を設けた場合、延伸部は、例えば、燃料電池セル３の下端部の側面に向けて屈曲するものを設ければよい。

＜第２の実施形態＞
図７を用いて本発明の第２の実施形態である燃料電池モジュール３０について説明する。同一の部材には同一の符号を付している。

燃料電池モジュール３０は、収納容器３１内に、セルスタック４が一列のみ接合されたセルスタック装置４７を収納して構成されている。セルスタック４の上方には所定の距離をあけて改質器６が配置されており、改質器６により改質された燃料ガスがガスタンク５に供給され、各燃料電池セル３に燃料ガスが供給されている。第１の実施形態と同様に、セルスタック装置４７も、燃料電池セル３の上端部の上方に燃焼部５７が配置されており、改質器を温める構成となっている。

収納容器３１の両側部について説明すると、収納容器３１の側壁と所定の距離をあけてセルスタック装置４７側に第１の壁３３が設置されており、第１の壁３３から所定の距離をあけてセルスタック装置４７側に第２の壁３４が設置されている。第２の壁３４に隣り合うようにセルスタック装置４７側にガス供給部材３２が配置されている。そして、収納容器３１の側壁と第１の壁３３の間とが第１の流路３９となっており、第１の壁３３と第２の壁３４との間が第５の流路４３となっている。ガス供給部材３２の内部は、中空となっており酸素含有ガスを流すための第４の流路４２となっている。

続いて、収納容器３１の上部について説明すると、収納容器３１の上壁に所定の距離をあけてセルスタック装置４７側に第３の壁３５が設置されており、第３の壁３５から所定の距離をあけてセルスタック装置４７側に第４の壁３６が設置されている。そして、収納容器３１の上壁と第３の壁３５の間が第２の流路４０となっており、第３の壁３５と第４の壁３６との間が第３の流路４１となっている。

収納容器３１の下部について説明すると、収納容器３１の下壁に所定の距離をあけてセルスタック装置４７側に第５の壁３７が設置されており、第５の壁３７から所定の距離をあけてセルスタック装置４７側に第６の壁３８が設置されている。そして、収納容器３１の下壁と第５の壁３７との間が酸素含有ガス収集室４８となっており、第５の壁３７と第６の壁３８との間が第６の流路４４となっている。

第１の壁３３は上端が第３の壁３５と接続されており、下端が第５の壁３７と接続されている。それにより、外部より供給された酸素含有ガスが流れる酸素含有ガス収集室４８、第１の流路３９および第２の流路４０を形成している。

第２の壁３４は上端が第３の壁３５と接続されており、下端が第６の壁３８と接続されている。図示していないが、第２の壁３４の上端側における第３の流路４１と直交する部位に、第５流路に通じる開口（図示せず）が設けられており、第３の流路４１と第５の４３とが連通している。第２の壁３４のセルスタック４７側に接した状態でガス供給部材３２が配置されており、ガス供給部材３２と第６の壁との間には断熱材２２が配置されている。

ガス供給部材３２はセルスタック装置４７の両側に配置され、セルスタック装置４７側に第1の吹出口４５および第２の吹出口４６がそれぞれ設けられている。ガス供給部材３２は、上述したガス供給部材９、２３、２６、２８を用いることができるが、第1の吹出口４５および第２の吹出口４６をセルスタック装置４７側にのみ設けたものを用いる必要がある。

図７で示すように、両側方に配置されたガス供給部材３２の第1の吹出口４５および第２の開口４６は互いに対向するように設けられており、ガス供給部材３２のセルスタック装置４７側の第1の吹出口４５および第２の吹出口４６の間の領域には、断熱材２２が設けられている。ガス供給部材３２においても、第２の壁３４と同様に開口が設けられており、燃焼により生じた排ガスを第５の流路４３に流す構成となっている。また、図示したとおり、第２の吹出口４６の開口を構成する壁の一部が第４の流路４２の内部（ガス供給部材３２の内部）に向かって突出する形状となっており、ガス供給部材３２を流れる酸素含有ガスを効率よく燃焼部５７に供給することができる。

第３の壁３５は、収納容器３１における中央部にセル配列方向ｘに大きな開口が設けられており、第２の流路４０を流れた酸素含有ガスを第３の流路４１へ流すことができる。第４の壁３６は、セルスタック装置４７の両側方に位置するガス供給部材３２のセルスタック装置４７側を接合しており、ガス供給部材３２と一体的に形成することもできる。

第５の壁３７は、収納容器３１における中央部に排ガス送出管４８を有しており、第６の流路４４を流れる排ガスを収納容器３１の外部に排出している。第６の壁３８は、断熱材２２を介してセルスタック装置４７が配置されている。断熱材２２を間に配置することにより、第６の流路４４を流れる排ガスによりセルスタック装置４７が冷却されることを抑えることができる。また、図示していないが、収納容器３１には酸素含有ガス収集室４８と外部とを接続する酸素含有ガス供給管（図示せず）が設けられており、酸素含有ガス送出管４８と酸素含有ガス供給管とが２重管により設けられている。

次に、燃料電池モジュール３０の内部を流れる各種ガスの流れについて説明する。

外部より供給された酸素含有ガスは、酸素含有ガス供給管から流入し、酸素含有ガス収集室４８に供給され収納容器３１の両側方に向けて流れる。そして、第１の流路３９を下方から上方に向けて流れ、第２の流路４０を収納容器３１の両側方から中央へ向けて流れることとなる。第２の流路４０を流れた酸素含有ガスは、第３の壁３５に設けられた開口を通り、第３の流路４１を収納容器３１の中央部から両側部に向けて流れる。第３の流路４１を流れた酸素含有ガスは、ガス供給部材３２の内部に設けられた第４の流路４２を上方から下方に向けて流れることとなる。第４の流路４２を上方から下方に向けて流れる間に、酸素含有ガスの一部が第２の吹出口４６より吹き出されて燃焼部５７に供給されることとなり、残りの酸素含有ガスは、第１の吹出口４５より燃料電池セル３の下端部に向けて吹き出されて、燃料電池セル３に供給されることとなる。

燃焼部５７により生じた排ガスは、改質器６を温めながら、ガス供給部材３２および第２の壁３４に設けられた開口を流通し第５の流路４３を上方から下方に向けて流れることとなる。その際に、第１の流路３９を流れる酸素含有ガスと第４の流路４２を流れる酸素含有ガスと第５の流路４３を流れる排ガスとが熱交換をし、第１の流路３９を流れる酸素含有ガスと第４の流路４２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。そのため、温められた酸素含有ガスを燃料電池セル３に供給することができ、発電効率の向上した燃料電池モジュール３０とすることができる。

また、燃焼部５７の上方に位置する第２の流路４０および第３の流路４１は燃焼部５７における燃焼熱によって直接温められるため、第２の流路４０および第３の流路４１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。

ガス供給部材３２は、セルスタック装置４７の両側方にそれぞれ配置され、燃料電池セル３の下端部と対向するように第１の吹出口４５が設けられており、燃焼部５７と対向するように第２の吹出口４６が設けられている。それにより、第１の吹出口４５および第２の吹出口４６から吹き出された酸素含有ガスがそれぞれ、燃料電池セル３および燃焼部５７近傍にて衝突し、流れが乱れることとなる。そのため、特には燃焼部５７にて燃料電池セル３から排出された燃料ガスと酸素含有ガスとを効率よく混合することができ、燃焼部５７に供給される燃焼ガスが少ない場合においても、燃焼部５７にて燃焼を行なうことができる。

なお、燃料電池モジュール３０においては、ガス供給部材３２として箱形状の部材を設けた例を示したが、ガス供給部材３２を断熱材２２や第２の壁３４により仕切って、第４の流路４３を形成してもよい。その場合は断熱材２２や第２の壁３４により仕切られた空間をガス供給部材３２と呼ぶことができる。

図８を用いて、ガス供給部材３２の変形例であるガス供給部材４９ａ、４９ｂについて説明する。

図８（ａ）に示す、ガス供給部材４９ａは、ガス供給部材４９ａの内部に、第１の吹出口４５に連通する第４の流路４２ｂと、第２の吹出口４６に連通する第４の流路４２ａとを仕切る仕切部材が設けられている、そのため、ガス供給部材４９ａの内部にて第４の流路４２が第４の流路４２ａ、４２ｂとに仕切られる構成となっている。

そのため、第１の吹出口４５および第２の吹出口４６に確実に酸素含有ガスを供給することができ、燃料電池セル３の発電に使用される酸素含有ガスを確保することができるとともに、燃焼部５７に十分な量の酸素含有ガスを供給することができる。

仕切部材の配置は、燃料電池モジュール３０の構成に合わせて適宜設定すればよいが、ガス供給部材４９ａのセルスタック装置４７側に接合する部位は第２の吹出口４６の下方とすることが好ましい。それにより、第２の吹出口４６に効率よく酸素含有ガスを供給することができる。

図８（ｂ）に示す、ガス供給部材４９ｂは、第１の吹出口４５に連通する第４の流路４２ｂと、第２の吹出口４６に連通する第４の流路４２ａとがそれぞれ別部材により形成されており、パイプ状の部材からなる第４の流路４２ａ、４２ｂに、第１の吹出口４５と第２の吹出口４６がそれぞれ設けられている構造となっている。

このように、それぞれ別部材によりガス供給部材４９ｂを構成することにより、燃料電池モジュール３０内にガス供給部材４９ｂを配置する際における自由度を増すことができる。また、第１の吹出口４５および第２の吹出口４６を、例えば、パイプの一端を折り曲げて形成することにより容易にガス供給部材４９ｂを作製することができる。

また、ガス供給部材９の変形例として、図８（ｂ）に示すようなパイプ形状の部材により、ガス供給部材を作製する場合は、第１の吹出口４５および第２の吹出口４６をそれぞれ両側方に設けた構成とすればよい。また、第１の吹出口４５および第２の吹出口４６を折り曲げて作製せず、パイプの燃料電池セル３の下端部側を封止し、側面に開口を設けることにより第１の吹出口４５および第２の吹出口４６を作製することもできる。

図９は、外装ケース内に図１で示した第１の実施形態に係る燃料電池モジュール１と、燃料電池モジュール１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５０の一例を示す分解斜視図である。図９においては一部構成を省略して示している。

図９に示す燃料電池装置５０は、支柱５１と外装板５２から構成される外装ケース内を仕切板５３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１を収納するモジュール収納室５４とし、下方側を燃料電池モジュール１を動作させるための補機を収納する補機収納室５５として構成されている。補機収納室５５に収納する補機は省略している。

また、仕切板５３には、補機収納室５５の空気をモジュール収納室５４側に流すための空気流通口５６が設けられており、モジュール収納室５４を構成する外装板５２の一部に、モジュール収納室５４内の空気を排気するための排気口５７が設けられている。

このような燃料電池装置５０においては、上述したように、発電効率を向上させることができ、耐久性の向上した燃料電池モジュール１をモジュール収納室５４に収納し、燃料電池モジュール１を動作させるための補機を補機収納室５５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５０とすることができる。

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４においては、燃料電池セル３内の流路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、流路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、内側電極層を空気極層とし、外側電極層を燃料極層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１および燃料電池装置５０の構成を適宜変更すればよい。

また、燃料電池モジュール１内に、１つのセルスタック装置２を収納してもよく、複数のセルスタック装置２を収納してもよい。複数のセルスタック装置２を収納することで、燃料電池モジュールの発電効率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１を収納する例を示したが、複数の燃料電池モジュール１を収納してもよい。

１、３０：燃料電池モジュール
２：燃料電池セル装置
３：燃料電池セル
４：セルスタック
６：改質器
８：収納容器
９、２３、２６、２８、３２、４９ａ、４９ｂ：ガス供給部材
２０、２０´、４５：第１の吹出口
２１、４６：第２の吹出口
２７、２９：延伸部
５０：燃料電池装置
５７：燃焼部

Claims

一端から他端に向かって第１の反応ガスと第２の反応ガスとが流通することによって発電する燃料電池セルと、
前記第２の反応ガスを前記燃料電池セルに供給するためのガス供給部材とを備え、
前記燃料電池セルの他端部の上方における燃焼部にて、発電に使用されなかった前記第１の反応ガスと前記第２の反応ガスとを燃焼させる構成の燃料電池セル装置であって、
前記ガス供給部材は、前記燃料電池セルの一端部に向けて吹き出す第１の吹出口と、前記燃料電池セルの他端部の上方に向けて吹き出す第２の吹出口とを有していることを特徴とする燃料電池セル装置。
前記ガス供給部材の内部を前記第２の反応ガスが、前記燃料電池セルの他端から一端に向かって流れることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セル装置。
前記燃料電池セルの両側に前記ガス供給部材がそれぞれ配置されており、それぞれの該ガス供給部材の前記第２の吹出口同士が対向して設けられていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池セル装置。
前記ガス供給部材は、前記第２の吹出口に前記燃焼部に向けて延び、前記第２の反応ガスの流れ方向の先端に吹出口を有する延伸部が設けられていることを特徴とする請求項２または３に記載の燃料電池セル装置。
複数個の前記燃料電池セルが配列されており、前記ガス供給部材が前記第２の吹出口を複数個備えるとともに、前記延伸部がそれぞれの前記第２の吹出口に設けられていることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池セル装置。
前記延伸部は、前記第２の反応ガスの流れ方向の先端の吹出口の開口が前記第２の吹出口の開口よりも小さいことを特徴とする請求項４または５に記載の燃料電池セル装置。
請求項１に記載の燃料電池セル装置を収納容器内に収納してな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。