JP2013197027A - 燃料電池ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】改質器と蒸発器とを燃料電池セルスタック上方にて横並びに配置した構成において、ケーシング内の温度分布を均一にすることが可能な燃料電池ユニットを提供する。
【解決手段】セルスタック１６と、スタックに供給する燃料ガスを水蒸気改質によって生成する改質器２０ｂと、改質器に供給する水蒸気を水の蒸発によって生成する蒸発器２０ａと、を内部に備えるケーシング５６を有する燃料電池ユニット２において、改質器及び蒸発器はスタックの上方にて横並びに配置され、スタックに供給された燃料ガスのうち発電に利用されなかった残余ガスと、燃料ガスとは別経路にてスタックに供給される酸化剤ガスと、をスタックと改質器及び蒸発器との間で燃焼させ、燃焼によって生じる燃焼ガスが改質器及び蒸発器の下方から上方に向けて流動する際に、燃焼ガス全体が改質器よりも蒸発器側に寄って流動するように燃焼ガスを導く燃焼ガス導出手段２１ａを設けた。
【選択図】図９

Description

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスにより発電を行う燃料電池ユニットに関する。

近年、燃料ガス（水素含有ガス）と酸化剤ガス（酸素含有ガス）とを反応させて電力を得ることができる燃料電池セルを複数配列してなる燃料電池セルスタックをケーシング内に有し、燃料電池セルスタックに燃料ガスと酸化剤ガスとを供給して発電する燃料電池ユニットが提案されている。この種の燃料電池ユニットとして、水蒸気改質により燃料ガスを生成する改質器と、水を蒸発させ改質に用いる水蒸気を生成する蒸発器と、をケーシング内の燃料電池セルスタックの上方に設け、発電反応に使用されなかった燃料ガスと酸化剤ガスとが燃焼することで発生する燃焼ガスの熱を改質器における改質反応及び蒸発器における水野蒸発に利用するものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００６−３３１８８１号公報

上述した特許文献１のような燃料電池ユニットにおいて、改質器と蒸発器の配置については種々提案がなされている。燃料電池ユニットの縦方向の小型化のために、改質器と蒸発器とを燃料電池セルスタック上方にて縦並びではなく横並びに配置した場合には、常温の水が供給されるとともにその水を蒸発させる際に気化熱を周囲より奪うので、蒸発器及びその周囲は比較的低温になりやすく、ケーシング内の改質器と蒸発器の配置方向にて蒸発器側が低温となる温度分布が生じる。この温度分布が生じた状態で発電を行うと、高温側（改質器側）に配置された燃料電池セルは発電が促進されるために劣化が生じやすく、低温側（蒸発器側）に配置された燃料電池セルは発電が抑制されるため劣化は生じにくいが、十分に発電できないおそれがある。そのため、燃料電池ユニットの発電効率が低下する懸念がある。また、不均一な温度分布が生じた状態での発電を続けることで、燃料電池セルスタックにおける局所的な劣化が進み、劣化した燃料電池セルが十分に機能しなくなるおそれがある。その場合、一部の燃料電池セルが機能しなくなったときが燃料電池ユニット全体の寿命となるため、燃料電池ユニットの寿命が短くなってしまうという懸念がある。

そこで、本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、改質器と蒸発器とを燃料電池セルスタック上方にて横並びに配置した構成において、ケーシング内の温度分布を均一にすることが可能な燃料電池ユニットを提供することを目的とする。

本発明は、固体酸化物形燃料電池セルを複数配列してなる燃料電池セルスタックと、燃料電池セルスタックに供給する発電用の燃料ガスを水蒸気改質によって生成する改質器と、改質器に供給する水蒸気を水の蒸発によって生成する蒸発器と、を内部に備えるケーシングを有する燃料電池ユニットにおいて、改質器及び前記蒸発器は前記燃料電池セルスタックの上方にて横並びに配置され、燃料電池セルスタックに供給された燃料ガスのうち発電に利用されなかった残余ガスと、燃料ガスとは別経路にて燃料電池セルスタックに供給される酸化剤ガスと、を燃料電池セルスタックと改質器及び蒸発器との間で燃焼させ、この燃焼によって生じる燃焼ガスが改質器及び蒸発器の下方から上方に向けて流動する際に、燃焼ガス全体が改質器よりも蒸発器側に寄って流動するように燃焼ガスを導く燃焼ガス導出手段を設けたことを特徴とする燃料電池ユニットである。

このように構成された本発明においては、燃焼ガス全体が改質器よりも蒸発器側に寄って流動するように燃焼ガスを導く燃焼ガス導出手段を設けたことにより、改質器及び蒸発器が燃料電池セルスタックの上方にて横並びに配置された構成において、燃焼ガス導出手段を設けない場合に比べて、燃焼ガスがケーシング内の蒸発器側を通過しやすくなる。高温の燃焼ガスが通過しやすくなるため、蒸発器側が低温になりにくくなる。そのため、改質器及び蒸発器が燃料電池セルスタックの上方にて横並びに配置された構成においても、ケーシング内の温度分布を均一に近づけることができる。ケーシング内の温度分布が均一に近づくことで、温度分布が均一でない場合に高温側で生じる燃料電池セルの劣化と、その劣化を原因とする燃料電池ユニットの寿命の低下や、低温側で生じる発電電力量の不足を原因とする燃料電池ユニットの発電効率の低下を防ぐことができる。従って、十分な発電効率が得られるとともに長寿命の燃料電池ユニットを得ることが可能となる。

本発明は、好ましくは、燃焼ガス導出手段は燃焼ガスをケーシングの外部に向けて導く開口であり、この開口は、改質器及び蒸発器の上方においてケーシングの天面の中央部よりも蒸発器側に寄せて設けられる。

このように構成された本発明においては、改質器及び蒸発器の上方においてケーシング天面の中央部よりも蒸発器側に寄せて設けられる開口により、燃焼ガスをケーシングの外部に向けて導くとともに燃焼ガス全体が蒸発器側に寄って流動するようにしたため、簡易な構成により確実に燃焼ガスの全体を蒸発器側に寄せることができる。そのため、ケーシング内の温度分布をより確実に均一に近づけることができる。ケーシング内の温度分布が均一に近づくことで、温度分布が均一でない場合に高温側で生じる燃料電池セルの劣化と、その劣化を原因とする燃料電池ユニットの寿命の低下や、低温側で生じる発電電力量の不足を原因とする燃料電池ユニットの発電効率の低下をより確実に防ぐことができる。従って、十分な発電効率が得られるとともに長寿命の燃料電池ユニットを得ることが可能となる。

本発明は、好ましくは、開口は、燃料電池セルスタックの配置される範囲の面積よりも小さい面積の開口である。

このように構成された本発明においては、開口が、燃料電池セルスタックの配置される範囲の面積よりも小さい面積の開口であるため、大きい面積である場合に比べ、燃焼ガスの改質器側から蒸発器側に向かう流速が大きくなるとともに、燃焼ガスの流動する主な範囲は上方に向かうにつれ狭くなっていく。そのため、燃焼ガスが上方に向かう際に過度に拡散することがなく、蒸発器側へとより多量の燃焼ガスを流すことができ、ケーシング内の温度分布をより確実に均一に近づけることができる。ケーシング内の温度分布がより確実に均一に近づくことで、温度分布が均一でない場合に高温側で生じる燃料電池セルの劣化と、その劣化を原因とする燃料電池ユニットの寿命の低下や、低温側で生じる発電電力量の不足を原因とする燃料電池ユニットの発電効率の低下をさらに防ぐことができる。従って、より十分な発電効率が得られるとともにさらに長寿命の燃料電池ユニットを得ることが可能となる。

本発明の燃料電池ユニットによれば、改質器と蒸発器とを燃料電池セルスタック上方にて横並びに配置した構成において、ケーシング内における温度分布が均一に近づく。従って、温度分布が均一でない場合に高温側で生じる燃料電池セルの劣化による燃料電池ユニットの短命化や、低温側で生じる発電電力量の不足が防がれ、十分な発電効率が得られるとともに長寿命の燃料電池ユニットを得ることが可能となる。

本発明の一実施形態における燃料電池モジュールの外観を示す斜視図。 図１の中央近傍における断面図であって、図１のＡ方向から見た断面を示す断面図。 図１の中央近傍における断面図であって、図１のＢ方向から見た断面を示す断面図。 図１のケーシングから一部の外板を取り除いた状態を示す斜視図。 図２に相当する、発電用空気及び燃焼ガスの流れを示す模式図。 図３に相当する、発電用空気及び燃焼ガスの流れを示す模式図。 本発明の一実施形態における燃料電池セルスタックの構成を示す斜視図。 本発明の一実施形態における燃料電池セルユニットを示す部分断面図。 本発明の一実施形態における燃焼ガスのケーシング内での主な流動範囲を示す模式図。

以下、添付図面を参照して本発明の一実施形態について説明する。
図１は本発明の一実施形態における燃料電池モジュール（燃料電池ユニット）の外観を示す斜視図である。図１に示す燃料電池モジュール２は、固体電解質形燃料電池システムの一部を構成するものである。固体電解質形燃料電池システムは、燃料電池モジュール２と、図示しない補機ユニットとを備える。

なお、図１においては、燃料電池モジュール２の高さ方向をｙ軸方向としている。このｙ軸に直交する平面に沿ってｘ軸及びｚ軸を定義し、燃料電池モジュール２の短手方向に沿った方向をｘ軸方向とし、燃料電池モジュール２の長手方向に沿った方向をｚ軸方向としている。図２以降において図中に記載しているｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸は、図１におけるｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸を基準としている。また、ｚ軸の負方向に沿った方向をＡ方向とし、ｘ軸の正方向に沿った方向をＢ方向としている。

図１に示すように、燃料電池モジュール２は、燃料電池セル集合体（詳細は後述する）を内部に設けたケーシング５６と、ケーシング５６の上部に設けられ発電用空気（酸化剤ガス）を加熱する熱交換器２２とを備える。ケーシング５６の内部は密封空間となっており、被改質ガス供給管６０及び水供給管６２が繋げられている。一方、熱交換器２２には、発電用空気導入管７４と、燃焼ガス排出管８２とが繋げられている。

被改質ガス供給管６０は、ケーシング５６の内部に都市ガス等の被改質ガスを供給する管路である。水供給管６２は、被改質ガスを燃料ガスに水蒸気改質する際に用いられる水を供給する管路である。発電用空気導入管７４は、改質後の燃料ガスと発電反応を起こさせるための発電用空気を供給する管路である。燃焼ガス排出管８２は、発電反応後の燃料ガスを燃焼した結果生じる燃焼ガスをケーシング５６外部へ排出する管路である。

次に、図２は燃料電池モジュール２をその中央近傍において図１のＡ方向から見た断面図、図３は燃料電池モジュール２をその中央近傍において図２のＢ方向から見た断面図、図４は図１に示す燃料電池モジュール２から燃料電池セル集合体を覆うケーシング５６の一部を取り外した状態を示す斜視図である。また、図５は本発明の一実施形態に用いられるマニホールド内部を示す断面図である。図２〜図５を参照しながら、燃料電池モジュール２の内部について説明する。

図２〜図４に示すように、燃料電池モジュール２はその内部に、燃料電池セル集合体１２と、燃料電池セル集合体１２が発電を行う発電室１０と、燃料電池セル集合体１２の上方に形成された燃焼室１８と、燃焼室１８の上方に配置された改質ユニット２０と、改質ユニット２０の上方に形成される整流板２１を有する。また、燃料電池セル集合体１２の真下にはマニホールド６８が設けられている。

発電室１０に設けられる燃料電池セル集合体１２は、複数の燃料電池セルユニット１６により構成される燃料電池セルスタック１４を、長手方向（Ａ方向）に向けて複数配列したものであり、ケーシング５６により全体が覆われている。また、図４に示すように、燃料電池セル集合体１２は、全体としてＢ方向よりＡ方向の方が長い略直方体形状であり、改質ユニット２０側の上面、マニホールド６８側の下面、図４のＡ方向に沿って延びる長辺側面と、図４のＢ方向に沿って延びる短辺側面と、を備えている。

改質ユニット２０は、ケーシング５６の内部に導かれた被改質ガス供給管６０及び水供給管６２がともに繋がれている。より具体的には、図３に示すように、改質ユニット２０の上流端である図中右側の端部に繋がれている。水供給管６２から供給された水は、改質ユニット２０内の上流端に設けられた蒸発混合器２０ａ（蒸発器）によって蒸発される。さらに、蒸発混合器２０ａは、この水蒸気と、被改質ガスと空気とを改質反応の種類に応じて適宜混合する。

改質ユニット２０内の蒸発混合器２０ａの下流側には、蒸発混合器２０ａと横並びに改質器２０ｂが設けられている。改質器２０ｂは、水蒸気改質により被改質ガスを燃料ガスへと改質し、この燃料ガスを改質ユニット２０の下流端に接続された燃料供給管６６の上端へ導入する。この燃料供給管６６の下端側６６ａは、マニホールド６８内に入り込むように配置されている。

図５に示すように、燃料電池セル集合体１２の真下に設けられるマニホールド６８の内部には、燃料供給管６６の下端側６６ａが挿入されている。燃料供給管６６の下端側６６ａの外周には、長手方向（Ａ方向）に沿って図示しない複数の小穴が形成されている。改質ユニット２０で改質された燃料ガスは、マニホールド６８の長手方向における一端側（図５における左端）から他端側（図５における右端）に向けて導入され、複数の小穴（図示なし）によってマニホールド６８内の他端側に向けて順次供給されるようになっている。マニホールド６８に供給された燃料ガスは、マニホールド６８に立設される燃料電池セル集合体１２を構成する各燃料電池セルユニット１６の内側にある燃料ガス流路（詳細は後述する）内に供給され、燃料電池セルユニット１６内を上昇して、燃焼室１８に至るようになっている。

燃料電池セル集合体１２の上方の燃焼室１８では、発電反応に使用されなかった燃料ガスと発電用空気とが燃焼することで、燃焼ガスが発生する。この燃焼ガスは、燃焼室１８内を上昇し、改質ユニット２０の周囲を経て、ケーシング５６の一部として形成されている整流板２１に至る。改質ユニット２０は燃焼ガスにより加熱され、蒸発混合器２０ａによる水の蒸発及び改質器２０ｂによる水蒸気改質を行う。また、整流板２１には、燃焼ガスを集合させる開口２１ａ（燃焼ガス導出部）が形成されており、燃焼ガスをケーシング５６の外部へと向けて導く。

続いて、発電用空気を燃料電池モジュール２の内部へ供給するための構造を、図２〜図４及び図５、図６を参照しながら説明する。図５は図２に対応する模式図であり発電用空気及び燃焼ガスの流れを示す図、図６は図３に対応する模式図であり同様に発電用空気及び燃焼ガスの流れを示す図である。これらの図に示すように、改質ユニット２０の上方に、熱交換器２２が設けられている。熱交換器２２には、複数の燃焼ガス配管７０と、この燃焼ガス配管７０の周囲に形成された発電用空気流路７２とが設けられている。

図６に示すように、熱交換器２２の上面における他端側（図６における右端）には、発電用空気導入管７４が取り付けられている。この発電用空気導入管７４により、図示しない発電用空気流量調整ユニットから、発電用空気が熱交換器２２内に導入されるようになっている。一方、熱交換器２２の上側の一端側（図６における左端）には、図２に示すように、発電用空気流路７２の出口ポート７６ａが一対形成されている。この出口ポート７６ａは、一対の連絡流路７６につながっている。さらに、燃料電池モジュール２のケーシング５６の幅方向（Ｂ方向）の両側の外側には、発電用空気供給路７７が形成されている。

図２及び図５に示すように、発電用空気供給路７７には、発電用空気流路７２の出口ポート７６ａから連絡流路７６を介して、発電用空気が供給されるようになっている。この発電用空気供給路７７は、燃料電池セル集合体１２の長手方向に沿って形成されている。さらに、その下方側であり且つ燃料電池セル集合体１２の下方側に対応する位置に、発電室１０内の各燃料電池セルユニット１６に向けて発電用空気を吹き出すための複数の吹出口７８ａ、７８ｂが形成されている。これらの吹出口７８ａ、７８ｂから吹き出す発電用空気は、各燃料電池セルユニット１６の外側に沿って、下方から上方へ流れるようになっている。

続いて、燃料ガスと発電用空気とが燃焼して生成される燃焼ガスを排出するための構造を図５、図６及び図９を参照しながら説明する。図９は本発明の一実施形態における燃焼ガスのケーシング内における主な流動範囲を示す模式図である。燃焼室１８では、発電反応に使用されなかった燃料ガスと発電用空気とが燃焼することで、燃焼ガスが発生する。この燃焼ガスは、燃焼室１８内を上昇し、改質ユニット２０の周囲を経て、ケーシング５６の一部としてケーシング５６天面に形成される整流板２１に至る。図５及び図６に示すように、整流板２１には、燃焼ガスを集合させてケーシング５６の外部へ向けて導く１つの開口２１ａが設けられている。燃焼ガスは開口２１ａを通じてケーシング５６の外部である熱交換器２２の一端側（図６における左端）へと導かれる。熱交換器２２内には、発電用空気流路７２内の発電用空気を熱交換により加熱するための複数の燃焼ガス配管７０が設けられている。これらの燃焼ガス配管７０の下流端側には、燃焼ガス排出管８２が接続され、燃焼ガスが外部に排出されるようになっている。

開口２１ａは、図９に示すように、燃焼ガスのケーシング５６内部における主な流動範囲を蒸発混合器２０ａ側へと寄せる（図９において実線で示される範囲Ａ）。また、開口２１ａは、図３及び６に示すように、改質ユニット２０内で横並びに配置された蒸発混合器２０ａ及び改質器２０ｂの上方であって、且つ蒸発混合器２０ａ及び改質器２０ｂの配置方向の中央部より蒸発混合器２０ａ側（図６における右端側）寄りに配置されている。さらに、図２及び３に示すように、開口２１ａは、燃料電池セル集合体１２の配置される範囲の面積よりも小さい面積の開口である。

次に、図７は本発明実施形態における燃料電池セルスタック１４を示す斜視図である。図７を参照しながら燃料電池セルスタック１４について説明する。図７に示すように、燃料電池セルスタック１４は、１６本の燃料電池セルユニット１６から構成され、これらの燃料電池セルユニット１６の下端側及び上端側が、それぞれ、セラミック製のマニホールド上板６８ａ及び上支持板１００により支持されている。これらのマニホールド上板６８ａ及び上支持板１００には、内側電極端子８６が貫通可能な貫通穴がそれぞれ形成されている。

また、燃料電池セルユニット１６には、集電体１０２及び外部端子１０４が取り付けられている。この集電体１０２は、燃料極である内側電極層９０に取り付けられた内側電極端子８６と、隣接する燃料電池セルユニット１６の空気極である外側電極層９２の外周面とを電気的に接続するものである。

さらに、燃料電池セルスタック１４の端に位置する２個の燃料電池セルユニット１６の上側端及び下側端の内側電極端子８６には、それぞれ外部端子１０４が接続されている。これらの外部端子１０４は、隣接する燃料電池セルスタック１４の端にある燃料電池セルユニット１６の外部端子１０４に接続され、１６０本の燃料電池セルユニット１６の全てが直列接続されるようになっている。

次に、図８は本実施形態の燃料電池セルユニット１６を示す部分断面図である。図８を参照しながら燃料電池セルユニット１６について説明する。図８に示すように、燃料電池セルユニット１６は、固体酸化形の燃料電池セル８４と、この燃料電池セル８４の上下方向端部にそれぞれ接続された内側電極端子８６を備えている。

燃料電池セル８４は、上下方向に延びる管状構造体であり、内部に燃料ガス流路８８を形成する円筒形の内側電極層９０と、円筒形の外側電極層９２と、内側電極層９０と外側電極層９２との間にある電解質層９４とを備えている。この内側電極層９０は、燃料ガスが通過する燃料極であり、（−）極となり、一方、外側電極層９２は、空気と接触する空気極であり、（＋）極となっている。

燃料電池セルユニット１６の上端側と下端側に取り付けられた内側電極端子８６は、同一構造であるため、ここでは、上端側に取り付けられた内側電極端子８６について具体的に説明する。内側電極層９０の上部９０ａは、電解質層９４と外側電極層９２に対して露出された外周面９０ｂと上端面９０ｃとを備えている。内側電極端子８６は、導電性のシール材９６を介して内側電極層９０の外周面９０ｂと接続され、さらに、内側電極層９０の上端面９０ｃとは直接接触することにより、内側電極層９０と電気的に接続されている。内側電極端子８６の中心部には、内側電極層９０の燃料ガス流路８８と連通する連通流路９８が形成されている。

ここで、図９にて、上述した本実施形態と、その比較例として開口２１ａを整流板２１の中央部に設けた場合とを考え比較する。比較例として、ケーシング５６の一部としてその天面に形成される整流板２１の中央部に開口を設ける場合を考えると、燃焼ガスのケーシング５６内における主な流動範囲は、改質ユニット２０おける中央部に対して対称で、且つ上方に向かうにつれ狭くなる（図９において破線で示される範囲Ｂ）。一方、上述した本実施形態においては、整流板２１の中央部よりも蒸発混合器２０ａ側に寄せて設けられる開口２１ａにより、燃焼ガスのケーシング５６内における主な流動範囲は、範囲Ｂよりも蒸発混合器２０ａ側へと寄り、且つ上方に向かうにつれ狭くなる（図９において実線で示される範囲Ａ）。

上述した通り、本実施形態の燃料電池モジュール２によれば、燃焼ガス全体が改質器２０ｂよりも蒸発混合器２０ａ側に寄って流動するように燃焼ガスを導く燃焼ガス導出手段（開口２１ａ）を設けたことにより、改質器２０ｂ及び蒸発混合器２０ａが燃料電池セル集合体１２の上方にて改質ユニット２０内で横並びに配置された構成において、燃焼ガス導出手段を設けない場合に比べて、燃焼ガス全体の主な流動範囲がケーシング５６内の蒸発混合器２０ａ側へと寄り、蒸発混合器２０ａ側を燃焼ガスが通過しやすくなる。本来、ケーシング５６内の蒸発混合器２０ａ側は、蒸発混合器２０ａに常温の水が供給されるとともにその水が蒸発する際に周囲から気化熱を奪うために低温となりやすいが、燃焼ガス導出手段（開口２１ａ）により高温の燃焼ガスが通過しやすくなるため、本実施形態においては蒸発混合器２０ａ側が低温になりにくくなる。そのため、ケーシング５６内の温度分布が均一に近づき、均一でない場合に高温側での発電の促進による燃料電池セルユニット１６の劣化と、その劣化を原因とする燃料電池モジュール２の寿命の低下や、低温側での十分に発電が行えないことによる発電電力量の不足を原因とする発電効率の低下が防がれる。従って、十分な発電効率が得られるとともに長寿命の燃料電池モジュールを得ることが可能となる。

次に、上述した本実施形態の燃料電池モジュール２によれば、改質器２０ｂ及び蒸発混合器２０ａの上方において中央部よりも蒸発混合器２０ａ側に寄せて設けられる１つの開口２１ａにより、燃焼ガスをケーシング５６の外部に向けて導く。開口２１ａが整流板２１の中央部よりも蒸発混合器２０ａ側に寄せて設けられるため、例えば、開口２１ａが整流板２１の中央部に設けられる場合に比べて、改質器２０ｂ側から蒸発混合器２０ａ側へ流れて開口２１ａへと至る燃焼ガスの流量が増加する。それにより、燃焼ガス全体の主な流動範囲が蒸発混合器２０ａ側に寄ることとなる。また、開口２１ａの位置、即ち燃焼ガスのケーシング５６からの出口位置によってのみ燃焼ガスを蒸発混合器２０ａ側へと寄せているため、燃焼ガスの主な流動範囲を蒸発混合器２０ｂ側へ寄せるために他の部材をさらに用いるよりも簡易な構成により、開口２１ａ、即ちケーシング５６内の下流端に至る燃焼ガスの全体を確実に蒸発混合器２０ａ側に寄せることができる。そのため、ケーシング５６内の温度分布をより確実に均一に近づけることができ、均一でない場合に高温側で生じる発電の促進による燃料電池セルユニット１６の劣化と、その劣化を原因とする燃料電池モジュール２の寿命の低下や、低温側で生じる発電電力量の不足を原因とする発電効率の低下が防がれる。従って、より十分な発電効率が得られるとともにさらに長寿命の燃料電池モジュールを得ることが可能となる。

また、上述した本実施形態の燃料電池モジュール２によれば、開口２１ａが、燃料電池セル集合体１２の配置される範囲の面積よりも小さい面積の開口であるため、大きい面積である場合に比べ、改質器２０ｂ側の燃料電池セルユニット１６から開口２１ａへの距離が遠くなりやすく、改質器２０ｂ側から蒸発混合器２０ａ側へと向かった後に開口２１ａへと至る燃焼ガスの流量が多くなる。さらに、燃焼ガスの主な流動範囲は、開口２１ａの面積が大きい場合と比べると、上方に向かうにつれて狭くなっていくため、燃焼ガスが過度に拡散することがなく、より蒸発混合器２０ａ側を流れる燃焼ガスの流量を多くすることができる。そのため、ケーシング５６内の温度分布がより確実に均一に近づき、均一でない場合に高温側で生じる発電の促進による燃料電池セルユニット１６の劣化と、その劣化を原因とする燃料電池モジュール２の寿命の低下や、低温側で生じる発電の抑制による発電電力量の不足を原因とする発電効率の低下がさらに防がれる。従って、より確実に十分な発電効率が得られるとともにさらに長寿命の燃料電池モジュールを得ることが可能となる。

さらに、上述した本実施形態の燃料電池モジュール２によれば、蒸発混合器２０ｂの周囲を高温の燃焼ガスが多量に流れるようになるため、水の蒸発が促進される。そのため、不完全な水の蒸発により改質器２０ｂへの水蒸気の供給が不安定になることや、不安定な水蒸気の供給により改質器２０ｂでの改質反応が不安定になることがなくなる。安定した改質反応により、燃料ガスを燃料電池セル集合体１２へと安定して供給することができるため、燃料ガスが不足した状態で発電を行うことで生じる燃料電池セルユニット１６の劣化や、その劣化を原因とする燃料電池モジュール２の寿命の低下が防がれる。従って、十分な発電効率が得られるとともに長寿命の燃料電池モジュールを得ることが可能となる。

２…燃料電池モジュール（燃料電池ユニット）
１０…発電室
１２…燃料電池セル集合体
１４…燃料電池セルスタック
１６…燃料電池セルユニット
１８…燃焼室
２０…改質ユニット
２０ａ…蒸発混合器（蒸発部）
２０ｂ…改質器
２１…整流板
２１ａ…開口（燃焼ガス導出部）
２２…熱交換器
５６…ケーシング
６０…被改質ガス供給管
６２…水供給管
６６…燃料供給管
６６ａ…下端側
６８…マニホールド
６８ａ…マニホールド上板
７０…燃焼ガス配管
７２…発電用空気流路
７４…発電用空気導入管
７６…連絡流路
７６ａ…出口ポート
７７…発電用空気供給路
７８ａ、７８ｂ…吹出口
８２…燃焼ガス排出管
８４…燃料電池セル
８６…内側電極端子
８８…燃料ガス流路
９０…内側電極層
９０ａ…上部
９０ｂ…外周面
９０ｃ…上端面
９２…外側電極層
９４…電解質層
９６…シール材
９８…連通流路
１００…上支持板
１０２…集電体
１０４…外部端

Claims (3)

1. 固体酸化物形燃料電池セルを複数配列してなる燃料電池セルスタックと、この燃料電池セルスタックに供給する発電用の燃料ガスを水蒸気改質によって生成する改質器と、この改質器に供給する水蒸気を水の蒸発によって生成する蒸発器と、を内部に備えるケーシングを有する燃料電池ユニットにおいて、
   前記改質器及び前記蒸発器は前記燃料電池セルスタックの上方にて横並びに配置され、
   前記燃料電池セルスタックに供給された燃料ガスのうち発電に利用されなかった残余ガスと、燃料ガスとは別経路にて前記燃料電池セルスタックに供給される酸化剤ガスと、を前記燃料電池セルスタックと前記改質器及び前記蒸発器との間で燃焼させ、この燃焼によって生じる燃焼ガスが前記改質器及び前記蒸発器の下方から上方に向けて流動する際、燃焼ガス全体が前記改質器よりも前記蒸発器側に寄って流動するように燃焼ガスを導く燃焼ガス導出手段を設けたことを特徴とする燃料電池ユニット。
2. 前記燃焼ガス導出手段は燃焼ガスを前記ケーシングの外部に向けて導く開口であり、この開口は、前記改質器及び前記蒸発器の上方において前記ケーシングの天面の中央部よりも蒸発器側に寄せて設けられる請求項１に記載の燃料電池ユニット。
3. 前記開口は、前記燃料電池セルスタックの配置される範囲の面積よりも小さい面積の開口である請求項２に記載の燃料電池ユニット。

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