JP2017084661A - 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】反応ガスの燃焼性を向上できる燃料電池モジュールおよび燃料電池システムを提供すること。
【解決手段】積層された複数の燃料電池セルを有し、燃料電池セルの積層方向に直交する方向に第１および第２反応ガスを通流させるセルスタックと、セルスタックに対して第１および第２反応ガスの通流方向の下流側に配置され、セルスタックから排出された第１および第２反応ガスを燃焼させる燃焼室と、積層方向と通流方向とに直交する方向において燃焼室およびセルスタックに面し、順に燃焼室およびセルスタックに沿って第１反応ガスを導入することで第１反応ガスを予熱し、予熱された第１反応ガスを下流端においてセルスタックに供給する流路と、流路と燃焼室およびセルスタックとを仕切る隔壁とを有するガス導入部材と、を備え、燃焼室に面するガス導入部材の上流部は、積層方向の外形幅がセルスタックよりも小さい。
【選択図】図１

Description

本発明による実施形態は、燃料電池モジュールおよび燃料電池システムに関する。

次世代発電システムとして、燃料電池システムが種々提案されている。燃料電池システムは、燃料電池モジュールと、燃料電池モジュールに天然ガス、水または空気を供給する補機とを備える。燃料電池モジュールは、複数の燃料電池セルを積層したセルスタックを備える。

セルスタックを構成する燃料電池セルの１つとして、燃料極と、酸化剤極と、固体の電解質とを備えた固体酸化物燃料電池セルが知られている。固体酸化物燃料電池セルにおいて、燃料極には、セル入口から反応ガスとして水素含有ガスが供給される。なお、水素含有ガスは、固体酸化物燃料電池セルの上流の改質器において、補機から供給された天然ガス中の炭化水素と水蒸気とを反応させること（すなわち、水蒸気改質法）で生成されたものであり、水素と一酸化炭素とを含有する。燃料極では、水素含有ガス中の水素と一酸化炭素とが、電解質を通して燃料極に移動した酸化物イオンと反応することで、電子が放出される。この電子によって、燃料電池モジュールが発電する。一方、酸化剤極には、セル入口から反応ガスとして酸素含有ガスすなわち空気が供給される。酸化剤極では、酸素が燃料極から放出された電子を受け取ることで酸化物イオンが発生する。発生した酸化物イオンは、電解質を通って燃料極に移動する。

このような構成を有する固体酸化物燃料電池セルは、温度が高いほど、電流密度に対するセル電圧が高く性能が良い。固体酸化物燃料電池セルの性能を上げるため、燃料電池モジュールは、セル出口の下流に燃焼室を備える。燃焼室は、固体酸化物燃料電池セルから排出された余剰な反応ガスを燃焼させることでセルを加熱する。既述した改質器は燃焼室内に設けられており、燃焼室の熱を利用して天然ガスと水蒸気とを反応させる。

また、固体酸化物燃料電池セルは、発電にともなって発熱する。この発熱を利用して酸素含有ガスを予熱するため、燃料電池モジュールは、ガス導入部材を備える。ガス導入部材は、燃焼室およびセルスタックに面する酸素含有ガスの流路を有する。流路内において、酸素含有ガスは、順に、燃焼室およびセルスタックの脇を通ってセル入口に向かって流動する。流動の過程で、酸素含有ガスは、燃焼室およびセルスタックとの熱交換等によって予熱される。逆に、燃焼室およびセルスタックは冷却される。

セルスタックの複数の固体酸化物燃料電池セルのうち、積層方向の中央に配置されたセルは、周囲のセルからの発電にともなう発熱によって入熱がある。一方、積層方向の端部に配置されたセルは、周囲のセルが少なく発電にともなう発熱による入熱は少なく、断熱材を介して室温雰囲気に近いので、放熱され易い。このため、セルスタックには、積層方向の中央部の温度が高く、積層方向の端部の温度が低いといった温度分布が生じる。この温度分布により、中央の固体酸化物燃料電池セルの耐久性が低下するといった問題がある。

このような問題を解決するため、ガス導入部材の積層方向の内寸をセルスタックの積層方向の寸法より小さくすることが提案されている。ガス導入部材の内寸を小さくすることで、酸素含有ガスは、積層方向の中央に集中的に流れる。これにより、中央の固体酸化物燃料電池セルは、酸素含有ガスで集中的に冷却されて温度上昇が抑制される。

しかるに、従来の燃料電池モジュールは、燃焼室の大きさがガス導入部材によって制約されていたため、燃焼室において燃料電池セルから排出された反応ガスを十分に混合することが困難であった。これにより、反応ガスの燃焼性が悪いといった問題があった。

特開２０１０−１４６７８３号公報

燃料電池 vol.12 No.1 2012（燃料電池開発情報センター）

本発明が解決しようとする課題は、反応ガスの燃焼性を向上できる燃料電池モジュールおよび燃料電池システムを提供することである。

本実施形態による燃料電池モジュールは、積層された複数の燃料電池セルを有し、前記燃料電池セルの積層方向に直交する方向に第１反応ガスと第２反応ガスとを通流させるセルスタックと、前記セルスタックに対して前記第１および第２反応ガスの通流方向の下流側に配置され、前記セルスタックから排出された前記第１および第２反応ガスを燃焼させる燃焼室と、前記積層方向と前記通流方向とに直交する方向において前記燃焼室および前記セルスタックに面するガス導入部材であって、順に前記燃焼室および前記セルスタックに沿って前記第１反応ガスを導入することで前記第１反応ガスを予熱し、予熱された前記第１反応ガスを下流端において前記セルスタックに供給する流路と、前記流路と前記燃焼室および前記セルスタックとを仕切る隔壁とを有するガス導入部材と、を備え、前記燃焼室に面する前記ガス導入部材の上流部は、前記積層方向の外形幅が前記セルスタックよりも小さい。

第１の実施形態を示す燃料電池システムの模式図である。 第２の実施形態を示す燃料電池モジュールの模式図である。 第３の実施形態を示す燃料電池モジュールの模式図である。 第４の実施形態を示す燃料電池モジュールの模式図である。 第５の実施形態を示す燃料電池モジュールの模式図である。 第６の実施形態を示す燃料電池モジュールの模式図である。 第７の実施形態を示す燃料電池モジュールの模式図である。 第８の実施形態を示す燃料電池モジュールの模式図である。 第９の実施形態を示す燃料電池モジュールの模式図である。 第１０の実施形態を示す燃料電池モジュールの模式図である。 第１１の実施形態を示す燃料電池モジュールの模式図である。 燃料電池モジュールの実験例を示す図である。

以下、図面を参照して本発明に係る実施形態を説明する。本実施形態は、本発明を限定するものではない。

（第１の実施形態）
先ず、第１の実施形態として、ガス導入部材の上流部の外形幅をセルスタックの外形幅よりも小さくした燃料電池モジュールおよび燃料電池システムについて説明する。図１は、第１の実施形態を示す燃料電池システム１の模式図である。

図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池モジュール２と、補機の一例である燃料供給装置３１およびブロワ３２とを備える。燃料電池モジュール２は、セルスタック２１と、燃焼室２２と、ガス導入部材２３とを備える。燃料電池モジュール２は、例えば、ホットモジュールである。

（セルスタック２１）
セルスタック２１は、燃料電池セルの一例である複数の固体酸化物燃料電池セル２１１と、各固体酸化物燃料電池セル２１１を収納する不図示の収納容器とを有する。各固体酸化物燃料電池セル２１１は、積層方向Ｄ１に積層されている。セルスタック２１は、積層方向Ｄ１に直交する通流方向Ｄ２に、第１反応ガスの一例である酸素含有ガス４と、第２反応ガスの一例である水素含有ガス５とを通流させる。

各固体酸化物燃料電池セル２１１は、収納容器内において不図示のマニホールド上に立設されている。積層方向Ｄ１において隣り合う固体酸化物燃料電池セル２１１同士は、不図示の集電部材を介して電気的に接続されている。収納容器は、内壁と外壁とによる中空構造（二重壁構造）を有しており、内壁と外壁との間には、酸素含有ガス４を通流させるためのガス流路が設けられている。図示はしないが、各固体酸化物燃料電池セル２１１は、燃料極と、酸化剤極と、電解質とを備える。酸化剤極は、固体酸化物燃料電池セル２１１の外周に設けられていてよい。セルスタック２１の積層方向Ｄ１の両端部には、発電によって生じた電流を収集して外部に引き出すためのブスバー（図示せず）が設けられている。固体酸化物燃料電池セル２１１は、例えば、５００〜１０００℃の高温で機能する。

セルスタック２１は、酸素含有ガス４の上流側に向かって順に、ガス導入部材２３、収納容器内のガス流路およびブロワ３２と流体連通されている。また、セルスタック２１は、水素含有ガス５の上流側に向かって順に、マニホールド、不図示のガス通流管、改質器および燃料供給装置３１と流体連通されている。なお、改質器は、例えば、４００〜７００℃の高温で機能し、燃料供給装置３１から供給された燃料５０（天然ガスや水）に基づいて水素含有ガス５を生成する。

（燃焼室２２）
燃焼室２２は、セルスタック２１に対して通流方向Ｄ２の下流側に配置されている。より具体的には、燃焼室２２は、収納容器内においてセルスタック２１の上部に配置されている。燃焼室２２は、セルスタック２１から排出された余剰の酸素含有ガス４と水素含有ガス５とを燃焼させる。燃焼によって生じた燃焼ガスは、収納容器内に設けられた不図示の排気流路を通じて収納容器の外部に排出される。

燃焼室２２内には、既述した改質器が配置されている。改質器は、燃焼室２２の熱を利用して水素含有ガス５を生成する。

（ガス導入部材２３）
ガス導入部材２３は、積層方向Ｄ１と通流方向Ｄ２とに直交する方向Ｄ３において燃焼室２２およびセルスタック２１に面している。ガス導入部材２３は、酸素含有ガス４を通流できるように中空に形成されている。具体的には、ガス導入部材２３は、酸素含有ガス４の流路２３１と、流路２３１を囲む隔壁２３２および側壁２３３と、流路２３１内に配置された邪魔板２３４、中央側整流板２３５および端部整流板２３６とを備える。邪魔板２３４、中央側整流板２３５および端部整流板２３６は、２つずつ備えられている。

流路２３１は、順に燃焼室２２およびセルスタック２１に沿って酸素含有ガス４を導入することで酸素含有ガス４を予熱する。予熱された酸素含有ガス４は、流路２３１の下流端においてセルスタック２１に供給される。

隔壁２３２は、流路２３１と燃焼室２２およびセルスタック２１とを仕切る。なお、燃焼室２２およびセルスタック２１は、ガス導入部材２３を挟んで２つずつ存在する。これにともなって、隔壁２３２は、流路２３１を挟んで２つ存在する。

側壁２３３は、２つの隔壁２３２の積層方向Ｄ１の端部において、２つの隔壁２３２を繋いでいる。

ガス導入部材２３は、酸素含有ガス４の下流に向かって順に、上流部２３ａと、中流部２３ｂと、下流部２３ｃとを有する。上流部２３ａは、燃焼室２２に面している。中流部２３ｂは、上流部２３ａの下流端に接続され、セルスタック２１の下流部に面している。下流部２３ｃは、中流部２３ｂの下流端に接続され、セルスタック２１の上流部に面している。

上流部２３ａの積層方向Ｄ１の外形幅Ｘ１は、セルスタック２１の積層方向Ｄ１の外形幅Ｘ２よりも小さい。もし、上流部２３ａの外形幅Ｘ１がセルスタック２１の外形幅Ｘ２以上の場合、ガス導入部材２３を挟む２つの燃焼室２２は、ガス導入部材２３によって互いに隔絶される。これに対して、第１の実施形態では、上流部２３ａの外形幅Ｘ１がセルスタック２１の外形幅Ｘ２より小さいので、ガス導入部材２３を挟む２つの燃焼室２２が互いに連通されている。２つの燃焼室２２が連通されていることで、後述するように、燃焼室２２での反応ガス４、５の燃焼効率を向上させることができる。

中流部２３ｂおよび下流部２３ｃの積層方向Ｄ１の外形幅は、セルスタック２１の積層方向Ｄ１の外形幅と略同一である。

２つの邪魔板２３４は、中流部２３ｂすなわち上流部２３ａの下流に配置されている。各邪魔板２３４は、積層方向Ｄ１の中央の流路２３１ａを挟むように積層方向Ｄ１に間隔を空けて配置されている。各邪魔板２３４は、積層方向Ｄ１に延びており、各邪魔板２３４の積層方向Ｄ１の外端は側壁２３３に至っている。各邪魔板２３４は、２つの隔壁２３２の間に溶接で固定されている。邪魔板２３４は、そのＤ３方向の一端が一方の隔壁２３２にスポット溶接され、そのＤ３方向の他端が他方の隔壁２３２にプラグ溶接すなわち栓溶接されていてもよい。プラグ溶接では、他方の隔壁２３２に開けた孔を通して、他方の隔壁２３２の外側から邪魔板２３４を溶接できる。各邪魔板２３４は、酸素含有ガス４の流れをガス導入部材２３の積層方向Ｄ１の中央に集中させる。

２つの中央側整流板２３５は、下流部２３ｃすなわち邪魔板２３４の下流に配置されている。各中央側整流板２３５は、中央の流路２３１ａを挟むように積層方向Ｄ１に間隔を空けて配置されている。各中央側整流板２３５は、積層方向Ｄ１に延びている。各中央側整流板２３５の積層方向Ｄ１の内端は、邪魔板２３４の内端より内方に位置し、各中央側整流板２３５の積層方向Ｄ１の外端は、邪魔板２３４の内端より外方に位置している。各中央側整流板２３５は、邪魔板２３４と同様の溶接法で２つの隔壁２３２の間に固定されている。図１に示すように、各中央側整流板２３５は、各邪魔板２３４との間に、中央の流路２３１ａから積層方向Ｄ１の外方（すなわち、左右）に分岐した分岐流路２３１ｂを形成している。各中央側整流板２３５は、分岐流路２３１ｂを通じて、中央に集中した酸素含有ガス４の流れを分散させる。

２つの端部整流板２３６は、下流部２３ｃにおける中央側整流板２３５の下流に配置されている。各端部整流板２３６は、中央の流路２３１ａおよび分岐流路２３１ｂを挟むように積層方向Ｄ１に間隔を空けて配置されている。各端部整流板２３６は、積層方向Ｄ１に延びており、各端部整流板２３６の積層方向Ｄ１の外端は側壁２３３に至っている。各端部整流板２３６は、邪魔板２３４と同様の溶接法で２つの隔壁２３２の間に固定されている。各端部整流板２３６は、中央側整流板２３５によって分散した酸素含有ガス４の流れが積層方向Ｄ１の端部に集中することを防止する。

次に、第１の実施形態の作用について説明する。

（酸素含有ガス４の流れ）
ブロワ３２は、セルスタック２１に向けて酸素含有ガス４を供給する。ブロワ３２から供給された酸素含有ガス４は、収納容器内のガス流路を経由してガス導入部材２３に流入する。ガス導入部材２３に流入した酸素含有ガス４は、順に、上流部２３ａの流路２３１、中流部２３ｂの流路２３１および下流部２３ｃの流路２３１を通ってガス導入部材２３の下流端から流出（すなわち、噴出）する。

ガス導入部材２３から流出した酸素含有ガス４は、セルスタック２１の下端のセル入口においてセルスタック２１に供給されて、各固体酸化物燃料電池セル２１１の酸化剤極に到達する。酸化剤極に到達した酸素含有ガス４の一部は、燃料極から放出された電子を受け取ることで酸化物イオンとなる。酸化物イオンは、電解質を通して燃料極に移動する。燃料極に移動した酸化物イオンは、水素含有ガス５中の水素および一酸化炭素と反応することで電子を発生させる。これにより、固体酸化物燃料電池セル２１１が発電する。

発電に用いられなかった余剰の酸素含有ガス４は、セルスタック２１のセル出口においてセルスタック２１から排出されて燃焼室２２に流入する。燃焼室２２に流入した酸素含有ガス４は、燃焼室２２に流入した余剰の水素含有ガス５と反応して燃焼する。燃焼で生じた燃焼ガスは、収納容器内の排気流路を通って収納容器の外部に排出される。

（水素含有ガス５の流れ）
燃料供給装置３１は、改質器に燃料５０として天然ガスと水とを供給する。改質器は、水を気化することで水蒸気を発生させ、発生した水蒸気を触媒で天然ガスと反応させることで水素含有ガス５を生成する。生成された水素含有ガス５は、ガス通流管を経由してマニホールドに到達する。マニホールドにおいて、水素含有ガス５は、セル入口からセルスタック２１に供給され、各固体酸化物燃料電池セル２１１の燃料極に到達する。燃料極に到達した水素含有ガス５の一部は、既述したように燃料極での反応によって電子を発生させる。発電に用いられなかった余剰の水素含有ガス５は、燃焼室２２において燃焼した後に外部に排出される。

（熱の流れ）
ガス導入部材２３に流入した酸素含有ガス４は、先ず、上流部２３ａ内において燃焼室２２の脇を通ることで、輻射や熱交換によって燃焼室２２内の燃焼ガスの熱を吸収する。熱を吸収することで、酸素含有ガス４は予熱される。このとき、上流部２３ａの外形幅Ｘ１がセルスタック２１の外形幅Ｘ２より小さいことで、ガス導入部材２３を挟む一対の燃焼室２２が連通している。これにより、容積が大きな燃焼室２２内において、セルスタック２１から排出された余剰の酸素含有ガス４と水素含有ガス５とが十分に混合されて良好に燃焼する。酸素含有ガス４と水素含有ガス５とが良好に燃焼することで、固体酸化物燃料電池セル２１１が十分に加熱され、固体酸化物燃料電池セル２１１の発電効率が向上する。また、上流部２３ａの外形幅Ｘ１がセルスタック２１の外形幅Ｘ２より小さいことで、酸素含有ガス４の流れが積層方向Ｄ１の中央に集中し、また、燃焼室２２の冷却が抑制される。

次いで、酸素含有ガス４は、中流部２３ｂ内においてセルスタック２１の下流部の脇を通ることで、セルスタック２１を冷却する。このとき、中流部２３ｂ内の邪魔板２３４は、酸素含有ガス４の流れを積層方向Ｄ１の中央に更に集中させる。これにより、セルスタック２１の積層方向Ｄ１の中央部が集中的に冷却され、高温になり易いセルスタック２１の積層方向Ｄ１の中央部の温度が十分に抑制される。

次いで、酸素含有ガス４は、下流部２３ｃにおいて、セルスタック２１の上流部の脇を通ることで、セルスタック２１の熱を吸収して予熱される。このとき、下流部２３ｃ内の中央側整流板２３５は、中央に集中した酸素含有ガス４の流れを分散させる。これにより、酸素含有ガス４の予熱が促進される。また、端部整流板２３６は、酸素含有ガス４の流れがガス導入部材２３の端部に集中することを防止する。これにより、低温になり易いセルスタック２１の積層方向Ｄ１の端部の温度低下が十分に抑制される。

以上述べたように、第１の実施形態によれば、上流部２３ａの外形幅Ｘ１をセルスタック２１の外形幅Ｘ２より小さくすることで、燃焼室２２における反応ガス４、５の燃焼性を向上でき、また、燃焼室２２の冷却を抑制できる。この結果、同じ供給燃料流量および出力電流に対するセル電圧を高めることができ、燃料電池システム１の発電効率を向上できる。

また、第１の実施形態によれば、邪魔板２３４によって酸素含有ガス４の流れを積層方向Ｄ１の中央に集中させることで、セルスタック２１の積層方向Ｄ１の中央部の温度を抑制できるので、ホットモジュール内でセルスタック２１を高耐久化させることができる。

また、第１の実施形態によれば、整流板２３５によって酸素含有ガス４の流れを分散させることで、酸素含有ガス４の予熱を促進させることができるので、発電効率を更に向上できる。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態として、酸素含有ガスの供給孔を備えた燃料電池モジュールについて説明する。なお、第２の実施形態において、既述の実施形態に対応する構成部については同一の符号を用いて重複した説明を省略する。図２は、第２の実施形態を示す燃料電池モジュール２の模式図である。

図２に示すように、第２の実施形態の燃料電池モジュール２は、第１の実施形態の構成に加えて、隔壁２３２を貫通する複数の供給孔２４を備える。各供給孔２４は、積層方向Ｄ１に間隔を空けて下流部２３ｃの下流端の近傍に配置されている。各供給孔２４は、整流板２３５、２３６の下流において、セルスタック２１に酸素含有ガス４を供給する。

第２の実施形態によれば、整流板２３５、２３６で分散された酸素含有ガス４の流れを供給孔２４で更に分散させることができる。これにより、酸素含有ガス４の予熱を更に促進させることができるので、発電効率を更に向上できる。

（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態として、内端部が屈曲した邪魔板と第１の整流板とを備えた燃料電池モジュールについて説明する。なお、第３の実施形態において、既述の実施形態に対応する構成部については同一の符号を用いて重複した説明を省略する。図３は、第３の実施形態を示す燃料電池モジュール２の模式図である。

図３に示すように、第３の実施形態の邪魔板２３４は、中央に集中した酸素含有ガス４の流れに接する積層方向Ｄ１の内端部２３４ａにおいて、下流側に屈曲している。より具体的には、邪魔板２３４の内端部２３４ａは、邪魔板２３４の他の部分（積層方向Ｄ１に延伸した部分）に対して下流側に９０°屈曲している。

また、第３の実施形態の燃料電池モジュール２は、第１の実施形態で説明した中央側整流板２３５の代わりに第１の整流板２３７を備える。図３に示すように、第１の整流板２３７は、中央に集中した酸素含有ガス４の流れを受けるように、邪魔板２３４の内端部２３４ａに面する位置において下流側に凹入している。具体的には、第１の整流板２３７は、積層方向Ｄ１に延伸した第１部分２３７ａと、第１部分２３７ａの両端において上流側に延伸した２つの第２部分２３７ｂとを有する。２つの第２部分２３７ｂは、２つの邪魔板２３４の内端部２３４ａよりも積層方向Ｄ１の外方に位置している。第１の整流板２３７は、受け皿形状を有しているということもできる。第１の整流板２３７は、邪魔板２３４と同様の溶接法で２つの隔壁２３２の間に固定されている。

図３に示すように、第１の整流板２３７は、邪魔板２３４の内端部２３４ａとの間に、蛇行する流路２３１ｃを形成している。流路２３１ｃは、最も高温のセルスタック２１の中央付近において、邪魔板２３４によって中央に集中した酸素含有ガス４を蛇行させる。酸素含有ガス４が蛇行することで、セルスタック２１の中央部で酸素含有ガス４が予熱される時間すなわちセルスタック２１の中央部が冷却される時間は長くなる。これにより、酸素含有ガス４の予熱を更に促進させることができ、また、セルスタック２１の中央部の温度を更に抑制できる。したがって、第３の実施形態によれば、発電効率を更に向上できるとともに、セルスタック２１を更に高耐久化できる。

（第４の実施形態）
次に、第４の実施形態として、第２の整流板を備えた燃料電池モジュールについて説明する。なお、第４の実施形態において、既述の実施形態に対応する構成部については同一の符号を用いて重複した説明を省略する。図４は、第４の実施形態を示す燃料電池モジュール２の模式図である。

図４に示すように、第４の実施形態の燃料電池モジュール２は、第３の実施形態の燃料電池モジュール２に対して、端部整流板２３６の代わりに第２の整流板２３８を備える点が異なる。第２の整流板２３８は、第１の整流板２３７に対して積層方向Ｄ１の外方に配置されている。第２の整流板２３８は、積層方向Ｄ１の内方および下流側に階段状（ジグザグ状）に延びる。第２の整流板２３８は、邪魔板２３４と同様の溶接法で２つの隔壁２３２の間に固定されている。

図４に示すように、邪魔板２３４と、第１の整流板２３７と、第２の整流板２３８との間には、２回蛇行する流路２３１ｄが形成されている。流路２３１ｄは、最も高温のセルスタック２１の中央付近において、邪魔板２３４によって中央に集中した酸素含有ガス４を２回蛇行させる。酸素含有ガス４が２回蛇行することで、酸素含有ガス４がセルスタック２１の中央部で予熱される時間すなわちセルスタック２１の中央部が冷却される時間は更に長くなる。これにより、酸素含有ガス４の予熱を更に促進することができ、また、セルスタック２１の中央部の温度を更に抑制できる。したがって、第４の実施形態によれば、第３の実施形態と比べて発電効率を更に向上できるとともに、セルスタック２１を更に高耐久化できる。

（第５の実施形態）
次に、第５の実施形態として、第３の整流板を備えた燃料電池モジュールについて説明する。なお、第５の実施形態において、既述の実施形態に対応する構成部については同一の符号を用いて重複した説明を省略する。図５は、第５の実施形態を示す燃料電池モジュール２の模式図である。

図５に示すように、第５の実施形態の燃料電池モジュール２は、第４の実施形態の構成に加えて、複数の第３の整流板２３９を備える。第３の整流板２３９は、下流側において第１の整流板２３７と第２の整流板２３８との間隙部に面している。第１の整流板２３７と第２の整流板２３８との間隙部は第１の整流板２３７の左右に１つずつ存在するが、第３の整流板２３９は、各間隙部に対して２つずつ面している。各第３の整流板２３９は、積層方向Ｄ１に間隔を空けて配置されている。各第３の整流板２３９は、邪魔板２３４と同様の溶接法で２つの隔壁２３２の間に固定されている。

第３の整流板２３９は、第１の整流板２３７と第２の整流板２３８との間を通過した酸素含有ガス４を更に分散させる。これにより、酸素含有ガス４の予熱を更に促進させることができる。したがって、第５の実施形態によれば、第４の実施形態に対して発電効率を更に向上できる。

（第６の実施形態）
次に、第６の実施形態として、直線状の第２の整流板を備えた燃料電池モジュールについて説明する。なお、第６の実施形態において、既述の実施形態に対応する構成部については同一の符号を用いて重複した説明を省略する。図６は、第６の実施形態を示す燃料電池モジュール２の模式図である。

図６に示すように、第６の実施形態の第２の整流板２３８は、第５の実施形態の第２の整流板２３８（図５参照）に対して、積層方向Ｄ１の内方および下流側に直線状に延びている点が異なる。

第６の実施形態によれば、第２の整流板２３８の形状が屈曲していない滑らかな直線状であるため、第２の整流板２３８を低コストで製造できるとともに、酸素含有ガス４の圧損を抑制できる。圧損を抑制することで、酸素含有ガス４を送り込むブロワ３２（図１参照）の消費電力を削減でき、燃料電池システム１全体としての発電効率を更に向上できる。

（第７の実施形態）
次に、第７の実施形態として、邪魔板２３４の角部に傾斜面を有する燃料電池モジュールについて説明する。なお、第７の実施形態において、既述の実施形態に対応する構成部については同一の符号を用いて重複した説明を省略する。図７は、第７の実施形態を示す燃料電池モジュール２の模式図である。

図７に示すように、第７の実施形態の燃料電池モジュール２は、第５の実施形態の燃料電池モジュール２に対して、中央の流路２３１ａに接する邪魔板２３４の角部に傾斜面２３４１を有する点が異なる。邪魔板２３４は、角部が斜め加工（すなわち、面取り）されているということもできる。傾斜面２３４１は、例えば、積層方向Ｄ１に対して４５°傾斜していてもよい。また、傾斜面の代わりに曲面（例えば、円弧面）を設けてもよい。

第７の実施形態によれば、傾斜面２３４１によって酸素含有ガス４の流れの剥離を低減できるので、摩擦損失による圧損を低減できる。これにより、酸素含有ガス４を送り込むブロワ３２の消費電力を削減でき、燃料電池システム１全体としての発電効率を更に向上できる。

（第８の実施形態）
次に、第８の実施形態として、整流板の角部に傾斜面を有する燃料電池モジュールについて説明する。なお、第８の実施形態において、既述の実施形態に対応する構成部については同一の符号を用いて重複した説明を省略する。図８は、第８の実施形態を示す燃料電池モジュール２の模式図である。

図８に示すように、第８の実施形態の燃料電池モジュール２は、第７の実施形態の燃料電池モジュール２に対して、２回蛇行する流路２３１ｄに接する第１の整流板２３７の角部および第２の整流板２３８の角部に傾斜面２３７１、２３８１を有する点が異なる。傾斜面２３７１、２３８１は、例えば、積層方向Ｄ１に対して４５°傾斜していてもよい。

第８の実施形態によれば、傾斜面２３７１、２３８１によって酸素含有ガス４の流れの剥離を更に低減できるので、第７の実施形態の燃料電池モジュール２と比べて、摩擦損失による圧損を更に低減できる。これにより、酸素含有ガス４を送り込むブロワ３２の消費電力を更に削減でき、燃料電池システム１全体としての発電効率を更に向上できる。

（第９の実施形態）
次に、第９の実施形態として、邪魔板および整流板をプレス加工した燃料電池モジュールについて説明する。なお、第９の実施形態において、既述の実施形態に対応する構成部については同一の符号を用いて重複した説明を省略する。図９は、第９の実施形態を示す燃料電池モジュール２の模式図である。

図９に示すように、第９の実施形態の燃料電池モジュール２は、第５の実施形態の燃料電池モジュール２に対して、邪魔板２３４および第１〜第３の整流板２３７〜２３９がプレス加工によって隔壁２３２と一体成形されている点が異なる。なお、プレス加工は、２つの隔壁２３２の一方および双方のいずれに行ってもよい。

邪魔板２３４および整流板２３７〜２３９をプレス成形体とすることで、邪魔板２３４および整流板２３７〜２３９を溶接する場合に比べて、ガス導入部材２３を安価に製造できる。したがって、第９の実施形態によれば、酸素含有ガス４の予熱とセルスタック２１の中央部の冷却とを低コストで実現できる。

（第１０の実施形態）
次に、第１０の実施形態として、中央側の供給孔の内径を大きくした燃料電池モジュールについて説明する。なお、第１０の実施形態において、既述の実施形態に対応する構成部については同一の符号を用いて重複した説明を省略する。図１０は、第１０の実施形態を示す燃料電池モジュール２の模式図である。

図１０に示すように、第１０の実施形態の燃料電池モジュール２は、第５の実施形態の燃料電池モジュール２に対して、中央側の複数の供給孔２４の内径がそれ以外の供給孔２４の内径より大きい点が異なる。

内径が大きい積層方向Ｄ１の中央側の供給孔２４は、積層方向Ｄ１の中央の固体酸化物燃料電池セル２１１により多くの酸素含有ガス４を供給できる。したがって、第１０の実施形態によれば、セルスタック２１の積層方向Ｄ１の中央部の温度を更に抑制できるので、第５の実施形態と比べてホットモジュール内でセルスタック２１を更に高耐久化できる。また、供給孔２４の内径が大きいことで圧損を低減できるので、酸素含有ガス４を送り込むブロワ３２の消費電力を削減でき、燃料電池システム１全体としての発電効率を更に向上できる。

（第１１の実施形態）
次に、第１１の実施形態について説明する。図１１は、第１１の実施形態を示す燃料電池モジュール２の模式図である。

図１１に示すように、第１１の実施形態の燃料電池モジュール２は、第１の実施形態の燃料電池モジュール２に対して、邪魔板２３４が酸素含有ガス４の通流方向に大きく形成され、また、整流板が存在しない点が異なる。

第１１の実施形態によれば、上流部２３ａの外形幅Ｘ１がセルスタック２１の外形幅Ｘ２より小さいことで、上流部２３ａの外形幅Ｘ１がセルスタック２１の外形幅Ｘ２以上の場合と比べて、酸素含有ガス４および水素含有ガス５の燃焼性を向上できる。

（実験例）
次に、燃料電池モジュール２の実験例について説明する。図１２は、燃料電池モジュールの実験例を示す図である。本実験例では、流体解析ソフト（ＳＴＡＲ−ＣＣＭ＋）を用いて、第１〜第８、第１０および第１１の実施形態の燃料電池モジュール２を模擬した解析対象データ（試料１〜１０）の３Ｄ流体解析を行った。試料番号と実施形態との対応関係は図１２に示す通りである。本実験例では、ガス導入部材２３に供給される酸素含有ガス４の温度を７５０Ｋに設定した。また、本実験例では、隔壁２３２の温度を１０００Ｋに設定した。

このような温度条件の下で、試料１〜１０に対して、ガス導入部材２３の下流端すなわち出口における酸素含有ガス４の平均温度［Ｋ］と、ガス導入部材２３における酸素含有ガス４の圧損［Ｐａ］とをシミュレーションした。その結果を図１２に示す。

図１２に示すように、ガス導入部材２３の圧損が小さい試料は、第１および第２の実施形態の燃料電池モジュール２を模擬した試料１および２であった。試料１および２においては、整流板が積層方向Ｄ１のみに延びる形状を有しているため、流路が蛇行せず、結果的に剥離現象による圧損が小さくなったと推測される。

また、図１２に示すように、ガス導入部材２３の出口における酸素含有ガス４の平均温度が高い試料は、第３〜第８および第１０の実施形態に対応する試料３〜９であった。試料３〜９においては、整流板で蛇行する流路で酸素含有ガス４の予熱が促進され、結果的に出口における平均温度が高くなったと推測される。

また、酸素含有ガス４の平均温度が高い試料３〜９のうち、圧損が比較的小さい試料は試料３、６および９であった。試料３においては、第３の整流板２３９が存在しないことで、酸素含有ガス４が第３の整流板２３９で分岐せず、結果的に圧損が小さくなったと推測される。試料６においては、第２の整流板２３８が直線状であることで、第２の整流板２３８が屈曲している場合に比べて剥離現象が緩和され、結果的に圧損が小さくなったと推測される。試料９においては、中央の供給孔２４の内径が大きいことで、圧損が小さくなったと推測される。

なお、実験例では、隔壁２３２の温度を１０００Ｋ一定にしているが、実際には、積層方向Ｄ１の中央部が高温で端部が低温であるといったセルスタック２１の温度分布にともなって、セルスタック２１の端部における隔壁２３２の温度は９００Ｋ程度と推測される。すなわち、セルスタック２１と同様に、隔壁２３２にも温度分布が存在する。ここで、第３の実施形態（図３参照）を模擬した試料３では、セルスタック２１の端部近くに酸素含有ガス４が多く流れるので、隔壁２３２の温度分布により、ガス導入部材２３の中央側を酸素含有ガス４が流れる場合よりも空気予熱効果は低いと推測される。実際には、第６の実施形態（図６参照）を模擬した試料６の方が、試料３よりも、ガス導入部材２３の出口における酸素含有ガス４の平均温度が高いと推測される。

また、第５の実施形態（図５参照）を模擬した試料５と、第１０の実施形態（図１０参照）を模擬した試料９との比較においても、実際は、孔２４が大きくセルスタック２１の中央付近に酸素含有ガス４が多く流れる試料９の方が、試料５よりもガス導入部材２３の出口における酸素含有ガス４の平均温度が高いと推測される。

以上説明した少なくとも一つの実施形態によれば、反応ガスの燃焼性を向上できる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

２ 燃料電池モジュール、２１ セルスタック、２２ 燃焼室、２３ ガス導入部材、２３１ 流路、２３２ 隔壁、２３ａ 上流部

Claims (9)

1. 積層された複数の燃料電池セルを有し、前記燃料電池セルの積層方向に直交する方向に第１反応ガスと第２反応ガスとを通流させるセルスタックと、
   前記セルスタックに対して前記第１および第２反応ガスの通流方向の下流側に配置され、前記セルスタックから排出された前記第１および第２反応ガスを燃焼させる燃焼室と、
   前記積層方向と前記通流方向とに直交する方向において前記燃焼室および前記セルスタックに面するガス導入部材であって、順に前記燃焼室および前記セルスタックに沿って前記第１反応ガスを導入することで前記第１反応ガスを予熱し、予熱された前記第１反応ガスを下流端において前記セルスタックに供給する流路と、前記流路と前記燃焼室および前記セルスタックとを仕切る隔壁とを有するガス導入部材と、を備え、
   前記燃焼室に面する前記ガス導入部材の上流部は、前記積層方向の外形幅が前記セルスタックよりも小さい、燃料電池モジュール。
2. 前記ガス導入部材は、
   前記上流部の下流に配置され、前記第１反応ガスの流れを前記積層方向の中央に集中させる複数の邪魔板と、
   前記複数の邪魔板の下流に配置され、前記中央に集中した前記第１反応ガスの流れを分散させる複数の整流板と、を備える請求項１に記載の燃料電池モジュール。
3. 前記複数の邪魔板は、前記中央に集中した第１反応ガスの流れに接する前記積層方向の内端部において下流側に屈曲し、
   前記複数の整流板は、前記中央に集中した第１反応ガスの流れを受けるように前記内端部に面する位置において下流側に凹入し、前記第１反応ガスの流れを前記積層方向の外方および下流に向かわせる第１の整流板を含む請求項２に記載の燃料電池モジュール。
4. 前記複数の整流板は、前記第１の整流板に対する前記積層方向の外方に配置され、前記積層方向の内方および下流側に延びる第２の整流板を含む請求項３に記載の燃料電池モジュール。
5. 前記複数の整流板は、下流側において前記第１の整流板と前記第２の整流板との間隙部に面する第３の整流板を含む請求項４に記載の燃料電池モジュール。
6. 前記複数の邪魔板および前記複数の整流板の少なくとも１つは、角部に傾斜面または曲面を有する請求項２〜５のいずれか１項に記載の燃料電池モジュール。
7. 前記ガス導入部材は、前記積層方向に間隔を空けて前記隔壁に設けられ、前記整流板の下流において前記セルスタックに前記第１の反応ガスを供給する複数の供給孔を備える請求項２〜６のいずれか１項に記載の燃料電池モジュール。
8. 前記複数の供給孔のうち、前記積層方向の中央側の供給孔は、それ以外の供給孔よりも内径が大きい請求項７に記載の燃料電池モジュール。
9. 燃料電池モジュールと、前記燃料電池モジュールを作動させるための補機とを備え、
   前記燃料電池モジュールは、
   積層された複数の燃料電池セルを有し、前記燃料電池セルの積層方向に直交する方向に第１反応ガスと第２反応ガスとを通流させるセルスタックと、
   前記セルスタックに対して前記第１および第２反応ガスの通流方向の下流側に配置され、前記セルスタックから排出された前記第１および第２反応ガスを燃焼させる燃焼室と、
   前記積層方向と前記通流方向とに直交する方向において前記燃焼室および前記セルスタックに面するガス導入部材であって、順に前記燃焼室および前記セルスタックに沿って前記第１反応ガスを導入することで前記第１反応ガスを予熱し、予熱された前記第１反応ガスを下流端において前記セルスタックに供給する流路と、前記流路と前記燃焼室および前記セルスタックとを仕切る隔壁とを有するガス導入部材と、を備え、
   前記燃焼室に面する前記ガス導入部材の上流部は、前記積層方向の外形幅が前記セルスタックよりも小さい、燃料電池システム。

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