JP2016072054A - 燃料電池モジュールおよび燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池モジュールの部品点数を比較的少なくすることができ、低コスト化を図ることができる燃料電池モジュールの提供をすることを目的とする。
【解決手段】燃料電池４３ａおよび燃焼部４４を少なくとも収納する燃料電池モジュール３０の外装５０は、燃焼部４４からの燃焼排ガスを排出する排出穴５５ａと、燃料電池４３ａに接続された棒状の電極４３ｃを貫通し、電極４３ｃとの間に隙間Ｇを有する第二パイプ５４ｂの穴５４ｂ１と、が設けられている。隙間Ｇは、燃焼部４４からの燃焼排ガスの漏出を許容するとともに、排出穴５５ａから排出された燃焼排ガスである通常排ガスから生成される凝縮水のみにより、アノードガスを生成するために必要な水蒸気を蒸発部４１にて生成できるように、隙間Ｇから漏出した燃焼排ガスである漏出排ガスの流量Ｑを制限するように設けられている。
【選択図】 図６

Description

本発明は、燃料電池モジュールおよび燃料電池システムに関する。

燃料電池モジュールおよび燃料電池システムの一形式として、特許文献１に示されているものが知られている。特許文献１の図１に示されているように、燃料電池モジュールは、耐熱性金属の壁体で構成されたモジュール容器ＭＣ、燃料電池セルＣＥおよび燃料電池セルＣＥにて発電された電力を外部へ取り出す電極ロッドＲＤを備えている。電極ロッドＲＤは、モジュール容器ＭＣを貫通している。

特開２０１２−２０９０６６号公報

上述した特許文献１に記載されている燃料電池モジュールは、モジュール容器ＭＣと電極ロッドＲＤとの間の絶縁性かつ気密性を保つために、絶縁部材として複数の絶縁スリーブＩＳ１，ＩＳ２、および、シール部材として複数のＯリングＩＰ１，ＩＰ２を備えている。これらシール部材等によって、燃料電池モジュールの部品点数が比較的多くなっている。燃料電池モジュールの部品点数が多くなると、燃料電池モジュールのコストが高くなる。
本発明は、上述した問題を解消するためになされたもので、燃料電池モジュールの部品点数を比較的少なくすることができ、低コスト化を図ることができる燃料電池モジュールの提供をすることを目的とする。

上記の課題を解決するため、請求項１に係る燃料電池モジュールは、アノードガスとカソードガスとにより発電する燃料電池と、燃料電池からのアノードオフガスを燃焼させ、高温であり、かつ、水蒸気を含む燃焼排ガスを生成する燃焼部と、燃料電池および燃焼部を少なくとも収納し、燃焼部からの燃焼排ガスを排出する排出穴が設けられたケーシングと、排出穴から排出された燃焼排ガスである通常排ガスを凝縮することにより生成された凝縮水が供給され、凝縮水から水蒸気を生成する蒸発部と、蒸発部からの水蒸気と改質用原料とからアノードガスを生成して燃料電池に供給する改質部と、燃料電池に接続され、燃料電池によって発電された電力を導出する棒状の電極と、を備えた燃料電池モジュールであって、ケーシングは、電極を貫通し、電極との間に隙間を有する貫通穴が設けられ、隙間は、燃焼部からの燃焼排ガスの漏出を許容するとともに、通常排ガスから生成される凝縮水のみにより、アノードガスを生成するために必要な水蒸気を蒸発部にて生成できるように、隙間から漏出した燃焼排ガスである漏出排ガスの流量を制限するように設けられている。

これによれば、ケーシングの電極が貫通する部位には、燃焼排ガスの漏出を許容するとともに、通常排ガスから生成される凝縮水のみにより、アノードガスを生成するために必要な水蒸気を蒸発部にて生成できるように、漏出した燃焼排ガスである漏出排ガスの流量を制限する隙間が形成されているため、従来の燃料電池モジュールにおけるケーシングの電極が貫通する部位からの燃焼排ガスの漏出を防止するシール部材を省くことができる。よって、従来の燃料電池モジュールに比べて部品点数を少なくすることができるため、燃料電池モジュールの低コスト化を図ることができる。

本発明の一実施形態における燃料電池システムの概要図である。 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の側断面図である。 図２および図３に示す燃料電池モジュールの内部（特に蒸発部、改質部）を示す上面図である。 図２および図３に示す燃料電池モジュールの内部（特に燃料電池）を示す上面図である。 図３に示す電極の概要を示す軸方向断面図である。

以下、本発明による燃料電池システムの一実施形態について説明する。図１はこの燃料電池システムの概要を示す概要図である。この燃料電池システムは、発電ユニット１０および貯湯槽２１を備えている。
発電ユニット１０は、筐体１０ａ、燃料電池モジュール１１（３０）、熱交換器１２、インバータ装置１３、水タンク１４、制御装置１５を備えている。燃料電池モジュール１１（３０）、熱交換器１２、インバータ装置１３、水タンク１４、制御装置１５は、筐体１０ａ内に収容されている。

燃料電池モジュール１１は、後述するように燃料電池装置４３を少なくとも含んで構成されるものである。燃料電池モジュール１１は、改質用原料、改質水およびカソードエアが供給されている。具体的には、燃料電池モジュール１１は、一端が供給源Ｇｓに接続されて改質用原料が供給される改質用原料供給管１１ａの他端が接続されている。改質用原料供給管１１ａは、原料ポンプ１１ａ１が設けられている。さらに、燃料電池モジュール１１は、一端が水タンク１４に接続されて改質水が供給される水供給管１１ｂの他端が接続されている。水供給管１１ｂは、改質水ポンプ１１ｂ１が設けられている。さらに、燃料電池モジュール１１は、一端がカソードエアブロワ１１ｃ１に接続されてカソードエアが供給されるカソードエア供給管１１ｃの他端が接続されている。

熱交換器１２は、燃料電池モジュール１１から排気される高温であり、かつ水蒸気を含む燃焼排ガスが供給されるとともに貯湯槽２１からの貯湯水が供給され、燃焼排ガスと貯湯水とが熱交換する熱交換器である。具体的には、貯湯槽２１は、貯湯水を貯湯するものであり、貯湯水が循環する（図にて矢印の方向に循環する）貯湯水循環ライン２２が接続されている。貯湯水循環ライン２２上には、下端から上端に向かって順番に貯湯水循環ポンプ２２ａ、熱交換器１２および温度センサ２２ｂが配設されている。温度センサ２２ｂは、貯湯水の貯湯槽２１への入口温度を検出するものであり、その検出結果を制御装置１５に送信するようになっている。貯湯水循環ポンプ２２ａは、温度センサ２２ｂの検出結果に基づいて、貯湯水の入口温度が所定温度となるように、送出量が制御されるようになっている。

熱交換器１２は、燃料電池モジュール１１からの排気管１１ｄが接続（貫設）されている。熱交換器１２は、水タンク１４に接続されている凝縮水供給管１２ａが接続されている。熱交換器１２において、燃料電池モジュール１１からの燃焼排ガスは、排気管１１ｄを通って熱交換器１２内に導入され、貯湯水との間で熱交換が行われ凝縮されるとともに冷却される。凝縮後の燃焼排ガスは排気管１１ｄを通って外部に排出される。また、凝縮された凝縮水は、凝縮水供給管１２ａを通って水タンク１４に供給される。なお、水タンク１４は、凝縮水をイオン交換樹脂によって純水化するようになっている。

また、貯湯槽２１の下部には、水道水などの補給水を貯湯槽２１に補給する補給管２１ａ、および貯湯槽２１に貯留された高温の温水（貯湯水）を導出（給湯）する導出管２１ｂが配設されている。補給管２１ａおよび導出管２１ｂには、開閉弁（図示なし）がそれぞれ配設されている。開閉弁は、補給管２１ａおよび導出管２１ｂを開閉するものであり、制御装置１５と電気的に接続されている。制御装置１５は、開閉弁を制御することにより、貯湯槽２１への補給水の補給および貯湯水の導出（給湯）を制御する。
上述した熱交換器１２、貯湯槽２１および貯湯水循環ライン２２から、排熱回収システム２０が構成されている。排熱回収システム２０は、燃料電池モジュール１１の排熱を貯湯水に回収して蓄える。

さらに、インバータ装置１３は、燃料電池装置４３から出力される直流電圧を入力し所定の交流電圧に変換して、交流の系統電源１６ａおよび外部電力負荷１６ｃ（例えば電化製品）に接続されている電源ライン１６ｂに出力する。また、インバータ装置１３は、系統電源１６ａからの交流電圧を電源ライン１６ｂを介して入力し所定の直流電圧に変換して補機（各ポンプ、ブロワなど）や制御装置１５に出力する。なお、制御装置１５は、補機を駆動して燃料電池システムの運転を制御する。

燃料電池モジュール３０は、固体酸化物形の燃料電池モジュールである。図２および図３に示すように、燃料電池モジュール３０は、発電部４０、発電部４０を収容する外装５０（特許請求の範囲のケーシングに相当）、第一流路６０および第二流路７０を備えている。なお、本明細書においては説明の便宜上、図２における上側および下側をそれぞれ燃料電池モジュール３０の上方および下方とし、同じく左側および右側をそれぞれ燃料電池モジュール３０の左側方および右側方とし、同じく紙面手前側および紙面奥側を、それぞれ燃料電池モジュール３０の後方および前方として説明する。また、図２乃至図６には、各方向を示す矢印を示している。

発電部４０は、図２に示すように、蒸発部４１、改質部４２、燃料電池装置４３、燃焼部４４である燃焼空間Ｒおよび断熱部材４５を備えている。蒸発部４１および改質部４２は、燃料電池装置４３の上方に位置するように配設されている。また、燃焼空間Ｒ（燃焼部４４）は、蒸発部４１および改質部４２と燃料電池装置４３との間に配設されている。

蒸発部４１には、改質用原料供給管１１ａの他端および水供給管１１ｂの他端が接続されている。蒸発部４１は、後述する燃焼ガスにより加熱されて、水タンク１４から水供給管１１ｂを介して改質水として供給される凝縮水を蒸発させて水蒸気（改質用水蒸気）を生成して導出するものである。また、蒸発部４１は、改質用原料供給管１１ａを介して供給された改質用原料を予熱するものである。そして、蒸発部４１は、改質水（凝縮水）を蒸発させて生成された水蒸気（改質用水蒸気）と予熱された改質用原料を混合して改質部４２へ導出するものである。改質用原料としては天然ガス、ＬＰＧなどの改質用気体燃料、灯油、ガソリン、メタノールなどの改質用液体燃料があり、本実施形態においてはメタンを主成分とする天然ガスにて説明する。

改質部４２は、改質用原料と水蒸気（改質用水蒸気）とから改質ガス（特許請求の範囲のアノードガスに相当；以下、アノードガスとする。）を生成するものである。具体的には、改質部４２は、後述する燃焼ガスにより加熱されて水蒸気改質反応に必要な熱が供給されることで、蒸発部４１から供給された混合ガス（改質用原料、改質用水蒸気）からアノードガスを生成して導出するものである。改質部４２内には、触媒（例えば、ＲｕまたはＮｉ系の触媒）が充填されており、混合ガスが触媒によって反応し改質されて水素ガスと一酸化炭素ガスが生成されている（いわゆる水蒸気改質反応（下記化１に示す））。これと同時に、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素と水蒸気が反応して、水素ガスと二酸化炭素とに変成するいわゆる一酸化炭素シフト反応（下記化２に示す）が生じている。これら生成されたガス（アノードガス）は燃料電池装置４３に導出されるようになっている。アノードガスは、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気、未改質の天然ガス（メタンガス）、改質に使用されなかった改質水（水蒸気）を含んでいる。なお、水蒸気改質反応は吸熱反応であり、一酸化炭素シフト反応は発熱反応である。
（化１）
ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ_２
（化２）
ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋Ｈ_２

上述した蒸発部４１および改質部４２は、図４に示すように、平面Ｕ字状に一体的に形成されたハウジング８０に形成されている。ハウジング８０は金属製である。金属は、例えば炭素鋼または合金鋼である。ハウジング８０は、内部が空洞である断面方形状に形成されている。ハウジング８０は、２つの部屋８１，８２に区画されている。２つの部屋８１，８２は、この順番に直列に配設されており、気体が流通可能に区画されている。第一の部屋８１に蒸発部４１が形成され、第二の部屋８２に改質部４２が形成されている。

燃料電池装置４３は、図３および図５に示すように、燃料電池４３ａ、マニホールド４３ｂおよび電極４３ｃを備えている。燃料電池装置４３は、電極４３ｃを２つ備えている（図５参照）。燃料電池４３ａは、アノードガスとカソードガスとにより発電するものである。カソードガスは、酸化剤ガスである。酸化剤ガスは、本実施形態において、空気である。本実施形態の燃料電池は、固体酸化物形燃料電池であり、電解質として固体酸化物の一種である酸化ジルコニウムを使用している。燃料電池４３ａの燃料極には、燃料として水素、一酸化炭素、メタンガスなどが供給される。動作温度は４００〜１０００℃程度である。燃料電池４３ａは、図３および図５に示すように、セルスタック４３ａ１、支持部材４３ａ２、電流引出部材４３ａ３および連結部材４３ａ４を備えている。燃料電池４３ａは、２つのセルスタック４３ａ１を備えている（図５参照）。

セルスタック４３ａ１は、燃料極、空気極（酸化剤極）、及び両極の間に介装された電解質からなる複数のセル４３ａ１ａが、前後方向に沿って積層されて構成されている。セル４３ａ１ａの燃料極側には、燃料であるアノードガスが流通する燃料流路（図示なし）が形成されている。セル４３ａ１ａの空気極側には、カソードガスである空気（カソードエア）が流通する空気流路（図示なし）が形成されている。また、２つのセルスタック４３ａ１は、前後方向に沿って平行に配設されている。

支持部材４３ａ２は、各セルスタック４３ａ１の前側端部および後側端部にそれぞれ配設され、セルスタック４３ａ１を支持するものである。支持部材４３ａ２は、導電性材料によって平板状に形成され、例えば導電性接着剤によって各セルスタック４３ａ１の端部に、それぞれ接合されている。また、支持部材４３ａ２には、電流引出部材４３ａ３がそれぞれ設けられている。
電流引出部材４３ａ３は、セル４３ａ１ａの発電により生じる電流を引き出すものである。電流引出部材４３ａ３は、導電性材料にて、前後方向に延びる板状に形成されている。また、電流引出部材４３ａ３は、支持部材４３ａ２と一体的に形成されている。
連結部材４３ａ４は、導電性材料によって形成され、２つのセルスタック４３ａ１の前端部にそれぞれ設けられた電流引出部材４３ａ３を連結するものである。ここで、セルスタック４３ａ１は、セルスタック４３ａ１の同じ側の端部で、極性が逆となるように配設されている。これにより、連結部材４３ａ４は、２つのセルスタック４３ａ１を電気的に直列に連結するようになっている。

燃料電池４３ａは、マニホールド４３ｂ上に設けられている。マニホールド４３ｂには、改質部４２からのアノードガスが改質ガス供給管４６を介して供給される。燃料流路は、その下端（一端）がマニホールド４３ｂの燃料導出口に接続されており、その燃料導出口から導出されるアノードガスが下端から導入され上端から導出されるようになっている。一方、カソードエアは、空気流路の下端から導入され上端から導出されるようになっている。

燃料電池４３ａにおいては、燃料極に供給されたアノードガスと空気極に供給されたカソードガスによって発電が行われる。すなわち、燃料極では、下記化３及び化４に示す反応が生じ、空気極では、下記化５に示す反応が生じている。すなわち、空気極で生成した酸化物イオン（Ｏ^２−）が、電解質を透過し、燃料極で水素と反応することにより電気エネルギーを発生させている。したがって、燃料流路及び空気流路からは、発電に使用されなかったアノードガス及びカソードガスが導出する。燃料電池４３ａによって発電された電力は、インバータ装置１３に電極４３ｃを介して出力される。
（化３）
Ｈ_２＋Ｏ^２−→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻
（化４）
ＣＯ＋Ｏ^２−→ＣＯ_２＋２ｅ⁻
（化５）
１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２−

電極４３ｃは、燃料電池４３ａに接続され、燃料電池４３ａによって発電された電力を導出するものである。電極４３ｃは、棒状に形成され、前後方向に沿うように配設されている。電極４３ｃは、図６に示すように、導電部４３ｃ１、碍子部４３ｃ２および第一パイプ４３ｃ３を備えている。導電部４３ｃ１は、導電性材料によって前後方向に延びる板状に形成されている。導電部４３ｃ１の一端は、電流引出部材４３ａ３の端部に、例えば取付ボルト（図示なし）によって固定されている。また、導電部４３ｃ１の他端は、インバータ装置１３と電気的に接続されている。

碍子部４３ｃ２は、円筒状に形成され、導電部４３ｃ１を囲むように配設されている。碍子部４３ｃ２は、例えばアルミナ等の絶縁材料によって形成され、導電部４３ｃ１と第一パイプ４３ｃ３とを絶縁するものである。碍子部４３ｃ２と導電部４３ｃ１とは、耐熱性を有する接着剤（例えばエポキシ樹脂系接着剤）によって固定されている。
第一パイプ４３ｃ３は、円筒状に形成され、碍子部４３ｃ２を囲むように配設されている。第一パイプ４３ｃ３は、金属性である。金属は、例えば炭素鋼または合金鋼である。第一パイプ４３ｃ３と碍子部４３ｃ２とは、耐熱性を有する接着剤（例えばエポキシ樹脂系接着剤）によって固定されている。このように、導電部４３ｃ１と碍子部４３ｃ２との間、および、碍子部４３ｃ２と第一パイプ４３ｃ３との間には、接着剤層４３ｃ４が形成されている。

また、燃料流路及び空気流路から導出した、発電に使用されなかったアノードガス（アノードオフガス）は、燃焼空間Ｒにて、発電に使用されなかったカソードガス（カソードオフガス）によって燃焼され、図２および図３に示すように、その燃焼ガス（火炎４４ａ）によって蒸発部４１及び改質部４２が加熱される。さらに、燃焼ガスは、発電部４０内を動作温度に加熱している。このように、燃焼空間Ｒが、燃料電池４３ａからのアノードオフガスと燃料電池４３ａからのカソードオフガスとを燃焼して蒸発部４１および改質部４２を加熱する燃焼部４４である。

燃焼部４４（燃焼空間Ｒ）は、可燃性ガスと酸化剤ガスとを燃焼するものである。可燃性ガスは、燃えるガスであり、本実施形態では改質用燃料、アノードオフガス、一酸化炭素などである。すなわち、燃焼部４４は、燃料電池４３ａから導出されるアノードオフガスを燃焼させるものである。燃焼部４４は、アノードオフガスを燃焼させ、高温であり、かつ、水蒸気を含む燃焼排ガスを生成する。また、この水蒸気は、アノードガスに含まれていた水蒸気および燃料電池４３ａにて生成された水蒸気（上記化３参照）である。そして、その燃焼排ガスは第一流路６０を流通する（後述する）。

断熱部材４５は、燃料電池４３ａと燃料電池４３ａ（ひいては発電部４０または燃料電池モジュール３０）の外部とを断熱するものである。断熱部材４５は、例えば高い断熱性を有するセラッミクス等の断熱材料によって形成されている。断熱部材４５は、上方に向けて開放する断面Ｕ字形状（図２参照）に形成されている。断熱部材４５の内部には、蒸発部４１、改質部４２および燃料電池装置４３が配設されている。断熱部材４５の内部の下側面には、燃料電池装置４３の底面が当接している。発電部４０の外壁面の一部は、断熱部材４５の外壁面４５ａによって形成されている。

外装５０は、第一筒部材５１、第二筒部材５２、第一蓋部材５３、第二蓋部材５４、第一連通管部材５５および第二連通管部材５６を備えている。部材５１〜５６は金属製である。金属は、例えば炭素鋼または合金鋼である。部材５１〜５６は、例えば、プレス加工や溶接によって形成されている。

第一筒部材５１は、筒状に形成されて、発電部４０を囲むように配設されている。具体的には、第一筒部材５１は、断面略方形状に形成された周側壁５１ａと、両端にそれぞれ形成された開口部５１ｂと、を有している。周側壁５１ａ内面は、発電部４０の外壁面に空間Ｓ１をおいて対向している。また、第一筒部材５１は、長穴５１ｃおよび複数の突起部５１ｄをさらに有している。

長穴５１ｃは、周側壁５１ａの上側壁にて貫通し、かつ、前後方向に沿って長く形成されている。また、突起部５１ｄは、周側壁５１ａの左右および下側壁に内側に向けて所定の間隔にて突出して複数形成されている。突起部５１ｄの各突起端面が、断熱部材４５の外壁面４５ａにそれぞれ当接する。これにより、外壁面４５ａと周側壁５１ａ内面との間に空間Ｓ１が形成される。

また、外装５０は、ガス導入部材５７をさらに有している（図２参照）。ガス導入部材５７は、筒状に形成されて、第一筒部材５１の上側壁から垂下するように配設されている。ガス導入部材５７は、筒部５７ａ、導入口５７ｂおよび導出口５７ｃを有している。筒部５７ａの上端部が長穴５１ｃに気密的に接続されている。導入口５７ｂは、第一筒部材５１の周側壁５１ａ外面と第二筒部材５２の周側壁５１ａ内面との間（空間Ｓ２）に連通する。また、導出口５７ｃは、筒部５７ａの下端部にて、燃料電池４３ａの下方に向けて開口するように形成されている。なお、図３において、ガス導入部材５７の図示は省略されている。

第二筒部材５２は、筒状に形成されて、第一筒部材５１を囲むように配設されている。第二筒部材５２は、具体的には、断面略方形状に形成された周側壁５２ａと、両端にそれぞれ形成された開口部５２ｂと、を有している。周側壁５２ａ内面は、第一筒部材５１の周側壁５１ａ外面に空間Ｓ２をおいて対向している。また、図３に示すように、第二筒部材５２の周側壁５２ａの前後方向の長さは、第一筒部材５１の周側壁５１ａの前後方向の長さよりも長くなるように設定されている。さらに、第一筒部材５１と第二筒部材５２とは、第一筒部材５１および第二筒部材５２の両端部が、例えば、かしめられることにより気密に接合されている。

第一蓋部材５３は、第一筒部材５１の一方（本実施形態では前方）の開口部５１ｂおよび第二筒部材５２の一方の開口部５２ｂの少なくとも一方を塞ぐように形成され、第一筒部材５１の一方の開口部５１ｂおよび第二筒部材５２の一方の開口部５２ｂの少なくとも一方に気密に接合されている。本実施形態においては、図３に示すように、第一蓋部材５３は、第二筒部材５２の前方の開口部５２ｂに全周に亘って、かしめ接合されている。また、第一蓋部材５３は、改質用原料供給管１１ａおよび水供給管１１ｂがそれぞれ貫通する貫通穴５３ａ，５３ｂを有している（図４参照）。貫通穴５３ａ，５３ｂには、改質用原料供給管１１ａおよび水供給管１１ｂが、例えば溶接によって気密に固定されている。

第二蓋部材５４は、第一筒部材５１の他方（本実施形態においては後方）の開口部５１ｂおよび第二筒部材５２の他方の開口部５２ｂの少なくとも一方を塞ぐように形成され、第一筒部材５１の他方の開口部５１ｂおよび第二筒部材５２の他方の開口部５２ｂの少なくとも一方に気密に接合されている。第二蓋部材５４は、第二筒部材５２の後方の開口部５２ｂに全周に亘って、かしめ接合されている。また、第二蓋部材５４は、電極４３ｃが前後方向に貫通する貫通穴５４ａが形成されている。貫通穴５４ａは、電極４３ｃと同軸に形成されている。さらに、第二蓋部材５４は、第二パイプ５４ｂおよび第二パイプ５４ｂを第二蓋部材５４に固定する取付部材５４ｃを備えている。第二パイプ５４ｂおよび取付部材５４ｃは金属製である。金属は、例えば炭素鋼または合金鋼である。

第二パイプ５４ｂは、図６に示すように、円筒状に形成され、第二パイプ５４ｂの外周面と貫通穴５４ａの内周面とが気密に密着するように、貫通穴５４ａと同軸に、貫通穴５４ａに貫通して配設されている。第二パイプ５４ｂは、電極４３ｃを囲むように、電極４３ｃと同軸に配設され、第二パイプ５４ｂの穴（特許請求の範囲の貫通穴に相当）５４ｂ１の内周面と電極４３ｃの第一パイプ４３ｃ３の外周面４３ｃ３ａとが対向する。また、第二パイプ５４ｂの穴５４ｂ１の内周面と電極４３ｃの第一パイプ４３ｃ３の外周面４３ｃ３ａとの間には、隙間Ｇ（後述する）が全周に亘って設けられ、第二パイプ５４ｂの穴５４ｂ１に対して電極４３ｃが穴５４ｂ１の軸方向（前後方向）に沿ってスライド可能になっている。また、第二パイプ５４ｂの穴５４ｂ１に対して電極４３ｃが穴５４ｂ１の軸方向に沿ってスライドした場合においても、第二パイプ５４ｂの穴５４ｂ１の内周面と第一パイプ４３ｃ３の外周面４３ｃ３ａとが対向するように、電極４３ｃの第一パイプ４３ｃ３の前後方向長さが、第二パイプ５４ｂの前後方向長さより長くなるように設定されている。これにより、第二パイプ５４ｂの穴５４ｂ１に対して電極４３ｃが穴５４ｂ１の軸方向にスライドした場合においても、隙間Ｇの断面積Ｓおよび穴５４ｂ１の軸方向長さＬが一定に保たれる。

取付部材５４ｃは、板状に形成され、第二パイプ５４ｂを第二蓋部材５４の貫通穴５４ａに固定するものである。取付部材５４ｃは、第二パイプ５４ｂが貫通するように形成されて、取付部材５４ｃと第二パイプ５４ｂとが、取付部材５４ｃの後方面にて、例えば溶接することによって接合されている。さらに、取付部材５４ｃは、取付部材５４ｃの前方面が第二蓋部材５４の後方面に接触し、取付部材５４ｃと第二蓋部材５４とが、例えば取付ボルトによって固定されている。

第一連通管部材５５は、図２および図３に示すように、管状に形成されて、内側に排出穴５５ａが形成されている。第一連通管部材５５の上方の開口端部は、第一筒部材５１および第二筒部材５２を貫通して第一流路６０と連通するように、筒部材５１，５２に気密に接合（例えば、かしめ接合）されている。第一連通管部材５５の下方の開口端部は、排気管１１ｄに接続されている。

第二連通管部材５６は、管状に形成されている（図３参照）。第二連通管部材５６の上方の開口端部は、第二筒部材５２を貫通して第二流路７０と連通するように気密に接合（例えば、かしめ接合）されている。第二連通管部材５６の下方の開口端部は、カソードエア供給管１１ｃに接続されている。

第一流路６０（空間Ｓ１）は、発電部４０の外壁面４５ａと第一筒部材５１の周側壁５１ａ内面との間、燃料電池装置４３と第一蓋部材５３との間、および燃料電池装置４３と第二蓋部材５４との間に形成され、燃焼排ガスが流通する燃焼排ガス流路である。燃焼排ガスは、図２および図３に実線の矢印にて示すように、燃焼部４４から第一流路６０、第一連通管部材５５の排出穴５５ａおよび排気管１１ｄを介して、熱交換器１２に排出される。また、このとき、燃焼排ガスの一部は、第一流路６０より、図３および図６に示す隙間Ｇから筐体１０ａ内の空間に漏出する。
ここで、隙間Ｇから漏出した燃焼排ガスである漏出排ガスの流量Ｑ（単位時間の流量）が所定流量以下となるように、隙間Ｇの穴５４ｂ１の軸方向（前後方向）長さＬおよび断面積Ｓが設定されている。所定流量は、排出穴５５ａから排出された燃焼排ガスである通常排ガスの流量が所定流量減少した場合においても、通常排ガスから生成される凝縮水のみにより、改質部４２にてアノードガスを生成するために必要な水蒸気を、蒸発部４１にて生成することができる流量である。このように、改質部４２にて必要な水蒸気量を、外部からの補給なしで通常排ガスから生成される凝縮水量のみにより確保することができる燃料電池システムの運転を水自立運転という。換言すれば、水自立運転は、水タンク１４への外部からの給水なしで発電運転可能である燃料電池システムの運転である。

ここで、燃料電池システムの水自立運転について説明する。はじめに水タンク１４に貯められた凝縮水が蒸発部４１に供給されてから、燃料電池４３ａ等を経由して、水タンク１４に回収されるまでのサイクルについて説明する。上述したように、水タンク１４に貯められた凝縮水が蒸発部４１に供給される。蒸発部４１にて水タンク１４からの凝縮水（改質水）から水蒸気が生成される。その水蒸気が改質部４２にて改質用原料の水蒸気改質に使用されてアノードガスが生成される（化１および化２参照）。そのアノードガスとカソードガスにより燃料電池４３ａにて水蒸気が再度生成される（化３参照）。その水蒸気が燃焼部４４を介して、燃焼排ガスに含まれて熱交換器１２に導出される。熱交換器１２にて燃焼排ガスが貯湯水によって冷却されるとともに凝縮されて、凝縮後の燃焼排ガスが排気管１１ｄを介して筐体１０ａから外部へ排出される。一方、凝縮された凝縮水は、水タンク１４に回収される。

このようなサイクルにおいて、凝縮水（水蒸気）流量（単位時間あたりの流量）が増加する部分と、凝縮水（水蒸気）流量が減少する部分とがある。
この凝縮水（水蒸気）流量が増加する部分は、改質用原料に含まれる水素が、燃料電池４３ａにてカソードエアに含まれる酸素と結合して水蒸気となる部分である（化３参照）。このときに増加する水蒸気流量（単位時間あたりの流量）は、改質用原料流量（単位時間あたりの流量）によって定まる。改質用原料流量は、燃料電池４３ａの発電量に基づいて設定されている。
なお、この改質用原料流量に基づいて、水タンク１４から蒸発部４１に供給する凝縮水流量（単位時間あたりの流量）が設定されている。改質部４２の水蒸気改質にてカーボンが析出することにより触媒を劣化させないように、改質用原料流量より水蒸気流量が多くなるように設定されている。具体的には、改質用原料流量に対する凝縮水流量（水蒸気流量）の比率であるスチームカーボン比（Ｓ／Ｃ比）が、所定比（例えば、２〜３の間）に設定されている。

一方、上述したサイクルにおいて、凝縮水（水蒸気）流量が減少する部分は二箇所ある。この水蒸気が減少する第一の箇所は、隙間Ｇから水蒸気を含む漏出排ガスが漏出する部分である。また、水蒸気が減少する第二の箇所は、熱交換器１２からの水蒸気を含む凝縮後の燃焼排ガスである凝縮後排ガスが排気管１１ｄを介して筐体１０ａの外部へ排出される部分である。
水蒸気が減少する第一の箇所について説明する。隙間Ｇから漏出排ガスが漏出することにより減少する水蒸気流量は、漏出排ガスの流量Ｑにより定まる。漏出排ガスの流量Ｑは、下記に示す数式（１）によって定まる。ｂは、第二パイプ５４ｂの穴５４ｂ１の全周長さｂであり、ｈは、第二パイプ５４ｂの穴５４ｂ１と第一パイプ４３ｃ３の外周面４３ｃ３ａとの間の径方向長さｈであり、Ｐ１は、外装５０（第一流路６０）内の圧力値Ｐ１であり、Ｐ２は、筐体１０ａ内の空間の圧力値Ｐ２であり、ηは、燃焼排ガスの粘度ηであり、Ｌは、穴５４ｂ１の軸方向（前後方向）長さＬである。

［数１］
Ｑ＝π×ｂ×ｈ^３×（Ｐ１−Ｐ２）／１２×η×Ｌ・・・（１）

第二パイプ５４ｂの穴５４ｂ１と第一パイプ４３ｃ３の外周面４３ｃ３ａとの間の径方向長さｈおよび第二パイプ５４ｂの穴５４ｂ１の全周長さｂを乗じることにより、隙間Ｇの断面積Ｓが定まる。すなわち、隙間Ｇの断面積Ｓ（＝ｈ×ｂ）と長さＬとを調整することにより、隙間Ｇから漏出する漏出排ガスの流量Ｑが調整可能になっている。

さらに、水蒸気が減少する第二の箇所について説明する。凝縮後排ガスが筐体１０ａの外部へ排出されて減少する水蒸気流量（単位時間あたりの流量）は、熱交換器１２にて生成される凝縮水流量（単位時間あたりの流量）によって定まる。すなわち、熱交換器１２にて凝縮水として回収されなかった水蒸気が筐体１０ａの外部へ排出される。熱交換器１２にて生成される凝縮水流量は、燃焼排ガス中の飽和水蒸気圧の変化により変化する。よって、外部へ排出される凝縮後排ガスの温度（熱交換器１２を流れる貯湯水の温度）が低いほど熱交換器１２にて生成される凝縮水流量が増加し、凝縮後排ガスに含まれている水蒸気流量が減少する。

そして、上述したサイクルにおいて、燃料電池システムの水自立運転を行うために、増加する凝縮水（水蒸気）流量より、減少する凝縮水（水蒸気）流量が少なくなるように、漏出排ガスの流量Ｑ、および凝縮後排ガスの温度（熱交換器１２を流れる貯湯水の温度）が設定されている。
具体的には、漏出排ガスの流量Ｑは、上述した数式（１）に基づいて、隙間Ｇの断面積Ｓおよび長さＬを調整することにより、所定流量以下となるように設定されている。所定流量は、例えば１００ｃｃ／分である。なお、漏出排ガスの流量Ｑが所定流量以下である場合、筐体１０ａ内の空間の燃焼排ガスの濃度は可燃性を有さない濃度となっている。

一方、熱交換器１２を流れる貯湯水の温度（凝縮後排ガスの温度）が所定温度以下となるように、制御装置１５が制御を行う。具体的には、制御装置１５は、温度センサ２２ｂによって検出される貯湯水の温度が所定温度より高くなった場合、導出管２１ｂを開いて導出管２１ｂから貯湯槽２１内の比較的高温の貯湯水を導出するとともに、補給管２１ａを開いて比較的低温の水道水を貯湯槽２１に補給する。これにより、貯湯槽２１内の貯湯水の温度が下がるため、貯湯水循環ライン２２を循環する貯湯水の温度が下がる。そして、制御装置１５は、温度センサ２２ｂによって検出される貯湯水の温度が所定温度以下となった場合、補給管２１ａおよび導出管２１ｂを閉じるように制御する。所定温度は、例えば、４５℃である。

このように、漏出排ガスの流量Ｑ、および凝縮排ガスの温度（熱交換器１２を流れる貯湯水の温度）を設定することにより、増加する凝縮水（水蒸気）流量より、減少する凝縮水（水蒸気）流量が少なくなる。これによって、熱交換器１２にて生成される凝縮水流量（水タンク１４に回収される凝縮水流量）が蒸発部４１に供給される凝縮水流量より多くなるため、燃料電池システムの水自立運転を行うことができる。
また、このように、隙間Ｇは、燃焼部４４からの燃焼排ガスの漏出を許容するとともに、通常排ガスから生成される凝縮水のみにより、アノードガスを生成するために必要な水蒸気を蒸発部４１にて生成できるように、漏出排ガスの流量Ｑを制限するように設けられている。

第二流路７０は、図２および図３に示すように、第一筒部材５１の周側壁５１ａ外面と第二筒部材５２の周側壁５２ａ内面との間（空間Ｓ２）に形成され、カソードガスが流通する。すなわち、第二流路７０は、カソードガス流路である。カソードエアが、カソードエアブロワ１１ｃ１によってカソードエア供給管１１ｃを介して第二連通管部材５６に供給される。そして、カソードガスは、図２に破線の矢印にて示すように、第二連通管部材５６に連通する第二流路７０およびガス導入部材５７を介して、燃料電池４３ａの空気流路の下端に供給される。

次に、燃料電池モジュール３０の組立の順序について説明する。燃料電池４３ａに電極４３ｃを取り付け、蒸発部４１に各供給管１１ａ，１１ｂの少なくとも一部を取り付ける。この燃料電池４３ａおよび蒸発部４１を含む発電部４０が、第二筒部材５２と接合した第一筒部材５１内に前方または後方の開口部５１ｂから収納される。そして、第二筒部材５２の前方の開口部５２ｂに第一蓋部材５３を配設する。このとき、改質用原料供給管１１ａおよび水供給管１１ｂが貫通穴５３ａ，５３ｂにそれぞれ貫通する。さらに、第二筒部材５２の開口部５２ｂと第一蓋部材５３とがかしめ接合され、改質用原料供給管１１ａおよび水供給管１１ｂが貫通穴５３ａ，５３ｂに溶接される。

そして、第二パイプ５４ｂを取付けていない第二蓋部材５４が、第二筒部材５２の後方の開口部５２ｂに配設される。このとき、電極４３ｃが第二蓋部材５４の貫通穴５４ａを貫通する。さらに、取付部材５４ｃに溶接によって固定された第二パイプ５４ｂは、電極４３ｃを内側に囲むように貫通穴５４ａを貫通した後、貫通穴５４ａに固定される。
このように、燃料電池モジュール３０の組立は、筒部材５１，５２の開口部５１ｂ，５２ｂ側からのみ行われる。

次に、上述した燃料電池モジュール３０の作動について説明する。燃料電池システムが運転中である場合、上述したように、燃料電池４３ａの温度が４００〜１０００℃になっているため、燃料電池４３ａのセル４３ａ１ａひいてはセルスタック４３ａ１が熱膨張により変形する。このとき、セルスタック４３ａ１の変形量は、セル４３ａ１ａが積層された方向である前後方向の変形量が最も大きい。よって、セルスタック４３ａ１ひいては燃料電池４３ａは、熱膨張により前後方向（穴５４ｂ１の軸方向）に長くなるように変形する。燃料電池４３ａが穴５４ｂ１の軸方向に長くなるように変形した場合、改質用原料供給管１１ａおよび水供給管１１ｂが第一蓋部材５３の貫通穴５３ａ，５３ｂに固定され、かつ、電極４３ｃと第二パイプ５４ｂとの間に隙間Ｇが形成されているため、電極４３ｃが穴５４ｂ１に対して穴５４ｂ１の軸方向に沿って後方にスライド移動する。一方、燃料電池システムが待機状態となることで、燃料電池４３ａの発電が停止して、燃料電池４３ａの温度が下がった場合、セル４３ａ１ａひいてはセルスタック４３ａ１の熱膨張による変形が無くなるため、セルスタック４３ａ１ひいては燃料電池４３ａの前後方向長さが元の長さに復元する。このとき、電極４３ｃが穴５４ｂ１に対して穴５４ｂ１の軸方向に沿って前方にスライド移動する。このように、電極４３ｃは、第二パイプ５４ｂの穴５４ｂ１に対して、穴５４ｂ１の軸方向（前後方向）に沿ってスライド可能に配設されている。また、電極４３ｃのスライド方向は、燃料電池４３ａが熱膨張する方向と同じ方向である。

本実施形態によれば、燃料電池モジュール３０は、アノードガスとカソードガスとにより発電する燃料電池４３ａと、燃料電池４３ａからのアノードオフガスを燃焼させ、高温であり、かつ、水蒸気を含む燃焼排ガスを生成する燃焼部４４と、燃料電池４３ａおよび燃焼部４４を少なくとも収納し、燃焼部４４からの燃焼排ガスを排出する排出穴５５ａが設けられた外装５０と、排出穴５５ａから排出された燃焼排ガスである通常排ガスを凝縮することにより生成された凝縮水が供給され、凝縮水から水蒸気を生成する蒸発部４１と、蒸発部４１からの水蒸気と改質用原料とからアノードガスを生成して燃料電池４３ａに供給する改質部４２と、燃料電池４３ａに接続され、燃料電池４３ａによって発電された電力を導出する棒状の電極４３ｃと、を備えている。外装５０（第二蓋部材５４）は、電極４３ｃを貫通し、電極４３ｃとの間に隙間Ｇを有する第二パイプ５４ｂの穴５４ｂ１が設けられている。隙間Ｇは、燃焼部４４からの燃焼排ガスの漏出を許容するとともに、通常排ガスから生成される凝縮水のみにより、アノードガスを生成するために必要な水蒸気を蒸発部４１にて生成できるように、隙間Ｇから漏出した燃焼排ガスである漏出排ガスの流量Ｑを制限するように設けられている。

これによれば、外装５０の電極４３ｃが貫通する部位には、燃焼排ガスの漏出を許容するとともに、通常排ガスから生成される凝縮水のみにより、アノードガスを生成するために必要な水蒸気を蒸発部４１にて生成できるように、漏出した燃焼排ガスである漏出排ガスの流量Ｑを制限する隙間Ｇが形成されているため、従来の燃料電池モジュールにおける外装５０の電極４３ｃが貫通する部位からの燃焼排ガスの漏出を防止するシール部材を省くことができる。よって、従来の燃料電池モジュールに比べて部品点数を少なくすることができるため、燃料電池モジュール３０の低コスト化を図ることができる。

また、隙間Ｇは、通常排ガスから生成される凝縮水のみにより、アノードガスを生成するために必要な水蒸気を蒸発部４１にて生成できるように、隙間Ｇから漏出した漏出排ガスの流量Ｑを制限するように設けられているため、燃料電池システムが水自立運転を行うことができる。

また、電極４３ｃは、第二パイプ５４ｂの穴５４ｂ１に対して、穴５４ｂ１の軸方向に沿ってスライド可能に配設され、電極４３ｃのスライド方向は、燃料電池４３ａが熱膨張する方向である。
これによれば、燃料電池４３ａが熱膨張して電極４３ｃが移動した場合においても、電極４３ｃと第二パイプ５４ｂの穴５４ｂ１との当たりを防ぐことができる。よって、電極４３ｃと第二パイプ５４ｂの穴５４ｂ１との当たりにより生じる電極４３ｃに作用する荷重が抑制される。したがって、電極４３ｃひいては燃料電池装置４３の破損を抑制することができる。

また、外装５０は、２つの開口部５１ｂ，５２ｂを有する筒部材５１，５２と、開口部５１ｂ，５２ｂを覆う第一蓋部材５３および第二蓋部材５４と、を備え、穴５４ｂ１は第二蓋部材５４に設けられている。
これによれば、燃料電池モジュール３０の組立は、燃料電池４３ａに電極４３ｃを取り付け、少なくとも燃料電池４３ａを開口部５１ｂ，５２ｂから筒部材５１，５２内に収納し、第二蓋部材５４に設けられた穴５４ｂ１に電極４３ｃを貫通させながら第二蓋部材５４を第二筒部材５２の開口部５２ｂに取り付けた後、第二蓋部材５４と開口部５２ｂとを接合することにより行われる。よって、燃料電池モジュール３０の組立を、開口部５１ｂ，５２ｂ側からのみにより、簡易的に行うことができる。

また、燃料電池システムは、上述した燃料電池モジュール３０を備えている。
これによれば、燃料電池システムは、上述した燃料電池モジュール３０の効果と同様の効果を有する。

なお、上述した実施形態において、燃料電池システムの一例を示したが、本発明はこれに限定されず、他の構成を採用することもできる。例えば、改質用原料供給管１１ａおよび水供給管１１ｂが第一蓋部材５３の貫通穴５３ａ，５３ｂにそれぞれ固定されているが、これに代えて、改質用原料供給管１１ａおよび水供給管１１ｂを第二蓋部材５４に固定するようにしても良い。

また、上述した実施形態において、第二蓋部材５４は、貫通穴５４ａに第二パイプ５４ｂを配設しているが、これに代えて、第二パイプ５４ｂを備えないようにしても良い。この場合、電極４３ｃは貫通穴５４ａに対して、貫通穴５４ａの軸方向に沿って貫通し、電極４３ｃの第一パイプ４３ｃ３の外周面４３ｃ３ａと貫通穴５４ａとの間に隙間Ｇが形成される。この場合、隙間Ｇの前後方向長さＬは、第二蓋部材５４の前後方向長さ（第二蓋部材５４の厚み）となる。この場合、貫通穴５４ａが、特許請求の範囲の貫通穴に相当する。
また、上述した実施形態において、筒部材５１，５２は、それぞれ両端に開口部５１ｂ，５２ｂが形成されているが、これに代えて、筒部材５１，５２の一方のみに、開口部５１ｂ，５２ｂを形成するようにしても良い。
また、上述した実施形態において、制御装置１５が導出管２１ｂおよび補給管２１ａを開くように制御することにより、貯湯水の温度を低下させているが、これに代えて、貯湯水循環ライン２２の熱交換器１２の入口側に貯湯水を冷却するラジエータを配設し、貯湯水の温度を低下させる場合にラジエータを駆動するようにしても良い。

また、上述した実施形態において、電極４３ｃは、内部に空間を有さない棒状に形成されているが、これに代えて、内部に空間を有する棒状（例えば円筒）に形成するようにしても良い。
また、上述した実施形態において、電極４３ｃと電流引出部材４３ａ３とは別体に形成されているが、これに代えて、電極４３ｃと電流引出部材４３ａ３とを一体に形成するようにしても良い。

１０…発電ユニット、１０ａ…筐体、１１（３０）…燃料電池モジュール、１１ａ…改質用原料供給管、１１ａ１…原料ポンプ、１１ｂ…水供給管、１１ｂ１…改質水ポンプ、１１ｄ…排気管、１２…熱交換器、１２ａ…凝縮水供給管、１４…水タンク、１５…制御装置、２０…排熱回収システム、４０…発電部、４１…蒸発部、４２…改質部、４３…燃料電池装置、４３ａ…燃料電池、４３ａ１…セルスタック、４３ａ２…支持部材、４３ａ３…電流引出部材、４３ａ４…連結部材、４３ｃ…電極、４３ｃ１…導電部、４３ｃ２…碍子部、４３ｃ３…第一パイプ、４４…燃焼部、４５…断熱部材、５０…外装（ケーシング）、５１…第一筒部材（本体部）、５１ｂ…開口部、５２…第二筒部材（本体部）、５２ｂ…開口部、５３…第一蓋部材、５３ａ…貫通穴、５４…第二蓋部材、５４ａ…貫通穴、５４ｂ…第二パイプ、５４ｂ１…穴（貫通穴）、５４ｃ…取付部材、５５…第一連通管部材、５５ａ…排出穴、５６…第二連通管部材、６０…第一流路、７０…第二流路、Ｇ…隙間、Ｑ…漏出排ガスの流量。

Claims (4)

1. アノードガスとカソードガスとにより発電する燃料電池と、
   前記燃料電池からのアノードオフガスを燃焼させ、高温であり、かつ、水蒸気を含む燃焼排ガスを生成する燃焼部と、
   前記燃料電池および前記燃焼部を少なくとも収納し、前記燃焼部からの前記燃焼排ガスを排出する排出穴が設けられたケーシングと、
   前記排出穴から排出された燃焼排ガスである通常排ガスを凝縮することにより生成された凝縮水が供給され、前記凝縮水から水蒸気を生成する蒸発部と、
   前記蒸発部からの水蒸気と改質用原料とから前記アノードガスを生成して前記燃料電池に供給する改質部と、
   前記燃料電池に接続され、前記燃料電池によって発電された電力を導出する棒状の電極と、を備えた燃料電池モジュールであって、
   前記ケーシングは、前記電極を貫通し、前記電極との間に隙間を有する貫通穴が設けられ、
   前記隙間は、前記燃焼部からの前記燃焼排ガスの漏出を許容するとともに、前記通常排ガスから生成される前記凝縮水のみにより、前記アノードガスを生成するために必要な前記水蒸気を前記蒸発部にて生成できるように、前記隙間から漏出した燃焼排ガスである漏出排ガスの流量を制限するように設けられている燃料電池モジュール。
2. 前記電極は、前記貫通穴に対して、前記貫通穴の軸方向に沿ってスライド可能に配設され、
   前記電極のスライド方向は、前記燃料電池が熱膨張する方向である請求項１記載の燃料電池モジュール。
3. 前記ケーシングは、少なくとも一の開口部を有する本体部と、前記開口部を覆う蓋部と、を備え、
   前記貫通穴は前記蓋部に設けられている請求項１または請求項２記載の燃料電池モジュール。
4. 請求項１乃至請求項３の何れか一項記載の燃料電池モジュールを備えている燃料電池システム。
   
   
   

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