JP2017160094A - 燃料電池用改質器、燃料電池モジュールおよびモジュール収容装置 - Google Patents

Abstract

【課題】改質器のコーナー部などに熱応力が集中して改質器の機械的強度が低下し、燃料電池モジュールの動作寿命や長期信頼性が損なわれる可能性があった。【解決手段】 筒状であって、並列に配設された複数の直線部と、各直線部の隣り合う端部同士を接続する複数の折返し部とで構成される燃料電池用改質器であって、水蒸気を発生させる気化部と、気化部で発生した水蒸気と原燃料とを反応させて改質ガスを生成する改質部とが直線部と折返し部とで構成され、直線部は、気化部および前記改質部の両方若しくは気化部または改質部のいずれかを構成し、折返し部は、前記改質部または気化部のいずれかである燃料電池用改質器により、長寿命で信頼性の高い燃料電池用改質器を提供する。【選択図】 図４

Description

本発明は、燃料電池用改質器、燃料電池モジュールおよびモジュール収容装置に関する。

近年、次世代エネルギーとして、セルの１種である燃料電池セルを複数個配列してなるセルスタックを備えるセルスタック装置を収納容器内に収納してなる燃料電池モジュールが種々提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載のセルスタック装置は、複数のセルスタックの上方に改質器を配置してなる。該改質器は、Ｗ字状をなしており、水を気化して水蒸気を生成する気化部と、該気化部で発生した水蒸気を用いて原燃料ガスを水蒸気改質する改質部とを具備している。水供給管は、改質器の上流側に連なる気化部に接続され、原燃料ガス供給管は気化部と改質部とを連結する気化改質部連結路に接続され、気化部で発生した水蒸気と原燃料ガスとが混合されて、改質部に供給され、この改質部で原燃料ガスが改質されるように構成されている。

国際公開第２０１４／１８９１３５号

ところで、改質部において、気化部で発生した水蒸気と原燃料ガスとが混合されて改質部で改質ガス水素が生成される過程が吸熱反応であり、改質部の上流側の温度が下がるため、気化部と改質部で温度差が生じる。そのために、改質器のコーナー部等に熱応力が集中して改質器の機械的強度が低下し、燃料電池モジュールの動作寿命や長期信頼性が損なわれる可能性があった。

それゆえ、改質器への熱応力の影響を軽減して、長寿命で信頼性の高い燃料電池用改質器、燃料電池モジュールおよびモジュール収納装置を得ることが求められている。

本発明の燃料電池用改質器の１つの態様では、筒状であって、並列に配設された複数の直線部と、各直線部の隣り合う端部同士を接続する複数の折返し部とで構成される燃料電池用改質器であって、水蒸気を発生させる気化部と、気化部で発生した水蒸気と原燃料とを反応させて改質ガスを生成する改質部とが直線部と折返し部とで構成され、直線部は、気化部および前記改質部の両方若しくは気化部または改質部のいずれかを構成し、折返し部は、前記改質部または気化部のいずれかであることを特徴とする。

また、本発明の燃料電池モジュールの１つの態様では、収納容器内に、上記の燃料電池用改質器と、燃料電池用改質器によって生成された改質ガスと酸素含有ガスとを反応させて発電するセルスタックとを収納してなることを特徴とする。

また、本発明のモジュール収納装置の１つの態様では、外装ケース内に、上記の燃料電池モジュール燃料電池モジュールの運転を行なう補機とを収納してなることを特徴とする。

本発明の燃料電池用改質器よれば、折返し部は、改質部または気化部のいずれかであるので、１つの折返し部における温度のばらつきが小さくなる。そのため、折返し部における熱応力を、折返し部に気化部と改質部があった場合おける熱応力よりも小さい熱応力に抑えることができ、長寿命で信頼性の高い燃料電池用改質器を提供することができる。また、該燃料電池用改質器を備えることによって、長寿命で信頼性の高い燃料電池モジュールを提供することができる。あわせて、該燃料電池モジュールを備えることによって、長寿命で信頼性の高いモジュール収容装置を提供することができる。

本実施形態の一例の燃料電池用改質器を備えた燃料電池モジュールを構成するセルスタック装置の一例の外観を示す斜視図である。 図１に示すセルスタック装置を示し、図２（ａ）はセルスタック装置の側面図、図２（ｂ）は図２（ａ）の点線枠で囲った部分Ａの一部拡大平面図である。 本実施形態のモジュールの一例を示す断面図である。 図３に示すモジュールに収納された改質器を抜粋した内部構造を示す斜視図である。 図３に示すモジュールに収納された他の改質器の一例を抜粋した内部構造を示す斜視図である。 本実施形態の一例のセルスタック装置の上方に、図４に示す改質器を備える構成の一例を示す側面図である。 本実施形態の燃料電池装置の一例を概略的に示す分解斜視図である。

図１は、本実施形態の一例の燃料電池用改質器を備えた燃料電池モジュールを構成するセルスタック装置の一例の外観を示す斜視図であり、図２は、図１に示すセルスタック装置を示し、図２（ａ）はセルスタック装置の側面図、図２（ｂ）は図２（ａ）の点線枠で囲った部分Ａの一部を拡大して示す断面図である。なお、以降の図において、セルとして主に固体酸化物形の燃料電池セルを用いて説明する。

図１、図２に示すセルスタック装置１においては、内部を燃料ガスが一端から他端に流通するガス流路１５を有する燃料電池セル３を立設させた状態で一列に配列（図１で示すＸ方向）し、隣接する燃料電池セル３間が導電部材６を介して電気的に直列に接続されているとともに、燃料電池セル３の下端を絶縁性接着材９でマニホールド４に固定してなるセルスタック２を２つ備えている。

なお、図１、図２においては、燃料電池セル３として、内部を燃料ガスが長手方向に流通するガス流路を複数有する中空平板型で、ガス流路を有する支持体の表面に、燃料極層、固体電解質層および空気極層を順に積層してなる固体酸化物形の燃料電池セル３を例示している。なお、燃料電池セル３の間に酸素含有ガスが流通する。燃料電池セル３の構成については後述する。なお、本実施形態の燃料電池装置においては、燃料電池セル３は、例えば平板型や円筒型とすることもでき、あわせてセルスタック装置１の形状も適宜変更することができる。

また、セルスタック２の最も外側に位置する燃料電池セル３に導電部材６を介して電気的に接続されたセルスタック支持体（以下、「スタック支持体」と略することがある。）７が配置されている。スタック支持体７の外側には保護カバーを設けることもできる。保護カバーは、セルスタック２の周囲に配置された断熱材との接触や外部からの衝撃に対して、スタック支持体７およびセルスタック２を保護する。また、スタック支持体７にはセルスタック２の外側に突出する導電部８が接続されている。

なお、図１、図２においては、セルスタック装置１が２つのセルスタック２を備えている場合を示しているが、適宜その個数は変更することができ、例えばセルスタック２を１つだけ備えていてもよい。また、セルスタック装置１を、後述する改質器を含むものとすることもできる。

また、マニホールド４は、燃料電池セル３に供給する燃料ガスを貯留し、開口部を上面に有するガスケースと、内側に燃料電池セル３を固定するとともに、ガスケースに固定される枠体とを備えている。

燃料電池セル３の一端部（図２（ａ）の下端部）は枠体で囲まれており、枠体の内側に充填された絶縁性接着材９で燃料電池セル３の下端部の外周が固定されている。つまり、セルスタック２は、枠体の内側に複数の燃料電池セル３を並べて収容し、絶縁性接着材９で枠体に接着されている。なお、絶縁性接着材９は、ガラス等の材料からなり、熱膨張係数を加味して所定のフィラーを添加したものを用いることができる。

また、マニホールド４の上面には、後述する改質器にて生成された燃料ガスが流通するガス流通管５が接続されている。燃料ガスは、ガス流通管５を介してマニホールド４に供給され、マニホールド４より燃料電池セル３の内部に設けられたガス流路１５に供給される。

ここで、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面をもつ柱状の導電性支持体（以下、「支持体」と略す場合がある。）１４の一方の平坦面上に燃料極層１０、固体電解質層１１及び空気極層１２を順次積層してなる柱状（中空平板状等）からなる。また、燃料電池セル３の他方の平坦面上にはインターコネクタ１３が設けられており、インターコネクタ１３の外面（上面）にはＰ型半導体層１６が設けられている。Ｐ型半導体層１６を介して、導電部材６をインターコネクタ１３に接続させることにより、両者の接触がオーム接触となり、電位降下を少なくし集電性能の低下を有効に回避することが可能となる。なお、図１では導電部材６、スタック支持体７の記載を省略している。また、支持体は燃料極層を兼ねるものとし、その表面に固体電解質層および空気極層を順次積層してセルを構成することもできる。

燃料極層１０は、一般的に公知のものを使用することができ、多孔質の導電性セラミックス、例えば希土類元素酸化物が固溶しているＺｒＯ_２（安定化ジルコニアと称し、部分安定化も含むものとする）とＮｉおよび／またはＮｉＯとから形成することができる。

固体電解質層１１は、燃料極層１０、空気極層１２間の電子の橋渡しをする電解質としての機能を有していると同時に、燃料ガスと酸素含有ガスとのリークを防止するためにガス遮断性を有することが必要とされ、３〜１５モル％の希土類元素酸化物が固溶したＺｒＯ_２から形成される。なお、上記特性を有する限りにおいては、他の材料等を用いて形成してもよい。

空気極層１２は、一般的に用いられるものであれば特に制限はなく、例えば、いわゆるＡＢＯ_３型のペロブスカイト型酸化物からなる導電性セラミックスから形成することができる。空気極層１２はガス透過性を有していることが必要であり、開気孔率が２０％以上、特に３０〜５０％の範囲にあることが好ましい。

支持体１４としては、燃料ガスを燃料極層１０まで透過するためにガス透過性であること、さらには、インターコネクタ１３を介して導電するために導電性であることが要求される。したがって、支持体１４としては、導電性セラミックスやサーメット等を用いることができる。燃料電池セル３を作製するにあたり、燃料極層１０または固体電解質層１１との同時焼成により支持体１４を作製する場合においては、鉄族金属成分と特定希土類酸化物とから支持体１４を形成することが好ましい。また、図２に示した燃料電池セル３において、柱状（中空平板状）の支持体１４は、立設方向（図１に示すＹ方向）に細長く延びる板状片であり、平坦な両面と半円形状の両側面を有する。また、支持体１４は、ガス透過性を備えるために開気孔率が２０％以上、特に２５〜５０％の範囲にあるのが好適であり、そしてまたその導電率は３００Ｓ／ｃｍ以上、特に４４０Ｓ／ｃｍ以上であるのが好ましい。また、支持体１４の形状は柱状であれば良く、円筒状であってもよい。

Ｐ型半導体層１６としては、遷移金属ペロブスカイト型酸化物からなる層を例示することができる。具体的には、インターコネクタ１３を構成する材料よりも電子伝導性が大きいもの、例えば、ＢサイトにＭｎ、Ｆｅ、Ｃｏなどが存在するＬａＭｎＯ_３系酸化物、ＬａＦｅＯ_３系酸化物、ＬａＣｏＯ_３系酸化物などの少なくとも一種からなるＰ型半導体セラミックスを使用することができる。このようなＰ型半導体層１６の厚みは、一般に、３０〜１００μｍの範囲にあることが好ましい。

インターコネクタ１３は、上述したとおり、ランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物（ＬａＣｒＯ_３系酸化物）、もしくは、ランタンストロンチウムチタン系のペロブスカイト型酸化物（ＬａＳｒＴｉＯ_３系酸化物）が好適に使用される。これらの材料は、導電性を有し、かつ燃料ガス（水素含有ガス）および酸素含有ガス（空気等）と接触しても還元も酸化もされない。また、インターコネクタ１３は支持体１４に設けられたガス流路１５を流通する燃料ガス、および支持体１４の外側を流通する酸素含有ガスのリークを防止するために緻密質でなければならず、９３％以上、特に９５％以上の相対密度を有していることが好ましい。

そして、燃料電池セル３を電気的に接続するために介装される導電部材およびセルスタック支持体７は、弾性を有する金属または合金からなる部材あるいは金属繊維または合金繊維から成るフェルトに所要の表面処理を加えた部材から構成することができる。

図３は本実施形態の燃料電池モジュールの一例を示す断面図である。モジュール１７を構成する収納容器１９は、内壁２５と外壁２６とを有する二重構造で、外壁２６により収納容器１９の外枠が形成されるとともに、内壁２５により４つのセルスタック装置１を収納する収納室２７が形成されている。各セルスタック装置１の間に排ガス流通部材４４が設けられている。また、４つのセルスタック装置１の上方に２つの改質器４５が設けられている。１つの改質器４５は２つのセルスタック装置１の上方の空間に設置されている。また、収納容器１９の内部には、マニホールド４に並置されたセルスタック２の間に配置され、酸素含有ガスが燃料電池セル３間を下端部から上端部に向けて流れるように、酸素含有ガス供給部材２４が配置されている。

改質器４５においては、原燃料供給管（図示せず）から供給される天然ガスや灯油等の原燃料を改質して燃料ガスを生成する。なお、改質器４５は、改質効率のよい改質反応である水蒸気改質を行うことができる構造とすることが好ましい。改質器４５は、水を気化させるための気化部と、原燃料を燃料ガスに改質するための改質触媒（図示せず）が配置された改質部とを備えている。

ここで、収納容器１９は、外部より導入される酸素含有ガスを収納室２７に導入するための酸素含有ガス導入部２８を備えている。酸素含有ガス導入部２８に導入された酸素含有ガスは、収納室２７の側方における内壁２５と外壁２６とにより設けられ、酸素含有ガス導入部２８とつながる酸素含有ガス流通部２９を上方に向けて流れる。続いて収納室２７の上方における内壁２５と外壁２６とにより設けられ、酸素含有ガス流通部２９とつながる酸素含有ガス分配部３０を流れる。そして、酸素含有ガス分配部３０には、上端側に酸素含有ガスが流入するための酸素含有ガス流入口（図示せず）とフランジ部３１とを備え、下端部に燃料電池セル３の下端部に酸素含有ガスを導入するための酸素含有ガス流出口３２が設けられてなる酸素含有ガス供給部材２４が、内壁２５を貫通して挿入されて固定されている。それにより、酸素含有ガス分配部３０と酸素含有ガス供給部材２４とがつながっている。なお、フランジ部３１と内壁２５との間には断熱部材３３が配置されている。

また、収納室２７内には、モジュール１７内の熱が極端に放散され、燃料電池セル３（セルスタック２）の温度が低下して発電量が低減しないよう、モジュール１７内の温度を高温に維持するための断熱部材３３が適宜設けられている。

断熱部材３３は、セルスタック２の近傍に配置することが好ましく、特には、燃料電池セル３の配列方向に沿ってセルスタック２の側面側に配置するとともに、セルスタック２の側面における燃料電池セル３の配列方向に沿った幅と同等またはそれ以上の幅を有する断熱部材３３を配置することが好ましい。なお、セルスタック２の両側面側に断熱部材３３を配置することが好ましい。それにより、セルスタック２の温度が低下することを効果的に抑制できる。さらには、酸素含有ガス供給部材２４より導入される酸素含有ガスが、セルスタック２の側面側より排出されることを抑制でき、セルスタック２を構成する燃料電池セル３間の酸素含有ガスの流れを促進することができる。

なお、セルスタック２の両側面側に配置された断熱部材３３においては、燃料電池セル３に供給される酸素含有ガスの流れを調整し、セルスタック２の長手方向および燃料電池セル３の積層方向における温度分布を低減するための開口部３４が設けられている。

また、燃料電池セル３の配列方向に沿った内壁２５の内側には、排ガス用内壁３５が設けられており、収納室２７の側方における内壁２５と排ガス用内壁３５との間が、収納室２７内の排ガスが上方から下方に向けて流れる排ガス流通部３６とされている。

また、収納室２７の下方であって、酸素含有ガス導入部２８の上方には、排ガス流通部３６とつながる排ガス収集部３７が設けられている。排ガス収集部３７は、収納容器１９の底部に設けられた排気孔３８と通じている。また、排ガス用内壁３５のセルスタック２側にも断熱部材３３が設けられている。

それにより、モジュール１７の稼動（起動処理時、発電時、停止処理時）に伴って生じる排ガスは、排ガス流通部３６、排ガス収集部３７を流れた後、排気孔３８より排気される構成となっている。なお、排気孔３８は収納容器１９の底部の一部を切り欠くようにして形成してもよく、また管状の部材を設けることにより形成してもよい。上記の排ガス流通部３６に加えて、隣接するセルスタック装置１の間に、発電に使用されなかった排ガスを排出するための排ガス流通部材４４が設けられている。排ガス流入口４６から排ガス流通部材４４に流入した排ガスは、排出口４７から排ガス収集部３７に排出され、排気孔３８から排気される。

また、酸素含有ガス供給部材２４の内部には、セルスタック２近傍の温度を測定するための熱電対３９が、その測温部４０が燃料電池セル３の長手方向の中央部でかつ燃料電池セル３の配列方向における中央部に位置するように配置されている。

また、上述の構成のモジュール１７においては、燃料電池セル３におけるガス流路１５より排出される発電に使用されなかった燃料ガスと酸素含有ガスとを、燃料電池セル３の上端と改質器４５との間で燃焼させることにより、燃料電池セル３の温度を上昇・維持させることができる。あわせて、燃料電池セル３（セルスタック２）の上方に配置された改質器４５を温めることができ、改質器４５で効率よく改質反応を行なうことができる。なお、通常発電時においては、上記燃焼や燃料電池セル３の発電に伴い、モジュール１７内の温度は５００〜８００℃程度となる。

図４は、図３に示すモジュールに収納された改質器を抜粋した内部構造を示す斜視図である。内部構造を示すため、筐体の上側の構造を省略している。

図３のモジュール１７においては、４つのセルスタック２の上方に、図４に示すＷ字状（ミアンダ形状）の改質器４５を２組備えている。改質器４５の筐体は、筒状であって、並列に配列された複数の直線部と、各直線部の隣り合う端部同士を接続する複数の折返し部とで構成される。

改質器４５は、一端と他端とを有する。筒状の第１直線部４５ａ１が一端側から他端側にかけて配設され、第１折返し部４５ｃ１を介して他端側で筒状の第１直線部４５ａ１と並行する第２直線部４５ａ２と連通している。第２直線部４５ａ２は、その一端側で第２折返し部４５ｃ２を介して第２直線部４５ａ２と並行する筒状の第３直線部４５ｂ１と連通している。第３直線部４５ｂ１は、その他端側で筒状の第３折返し部４５ｃ３を介して第３直線部４５ｂ１と並行する筒状の第４直線部４５ｂ２と連通している。

改質器がＷ字状の場合、４つの筒状の直線部４５ａ１、４５ａ２、４５ｂ１、４５ｂ２が３つの折返し部４５ｃ１、４５ｃ２、４５ｃ３で接続されて、１つの連続した屈曲を有する１つの管を構成している。このＷ字状の改質器４５は、２つのセルスタックに対応し、その上方に設けられるが、対応するセルスタックの数がより多い燃料電池やさらに大型の燃料電池に対しては、直線部、折返し部の数をさらに増やした改質器を用いることができる。

３つの折返し部４５ｃ１、４５ｃ２、４５ｃ３のそれぞれの内周部４５ｃ１１、４５ｃ２１、４５ｃ３１は、Ｕ字状に湾曲しており、応力が集中しにくい構造となっている。たた、改質器４５を補強するために、隣り合う折返し部４５ｃ１、４５ｃ２の間に凹状の連結部材４５ｃ１３をも設け、折返し部４５ｃ１、４５ｃ２を連結固定した。これらの構成については後述する。

気化部は、一端と他端を有する第１直線部４５ａ１と、第１直線部４５ａ１と連通する第１折返し部４５ｃ１と、第１折返し部４５ｃ１に連通する第２直線部４５ａ２に設けられている。また、第１直線部４５ａ１の一端部から内部に二重配管４８が挿通されている。二重配管４８は、第１直線部４５ａ１から気化部４５ａの一部である第１折返し部４５ｃ１を経由して第２直線部４５ａ２にわたって配設されている。二重配管４８全体の形状は、平面視において、Ｊ字状、あるいはＵ字状である。

水供給管と原燃料供給管とをかねる供給管である二重配管４８は、外管と内管とを有し、内管内に原燃料を流通させるとともに、外側の流路である、内管と外管の間に水を流通させるものである。第１直線部４５ａ１の一端側から改質器４５の内部に挿通される二重配管４８は、第１直線部４５ａ１の一端部から外側に突き出ている供給部４８ａと、第１直線部４５ａ１内に配設された第１二重配管部分４８ｂと、折返し部４５ｃ１内に配設された第２二重配管部分４８ｃと、第２直線部４５ａ２内に配設された第３二重配管部分４８ｄとを有する。また、二重配管４８の先端部４８ｅは、内管は、開放されているが、内管と外管の間は閉塞されている。

また、第２直線部４５ａ２内に、仕切板４５ａ２１が設けられ、これらの第１直線部４５ａ１の一端側から、仕切板４５ａ２１間が気化部４５ａとされており、二重配管４８の先端部４８ｅは、仕切板４５ａ２１の上流側に位置している。

気化部４５ａ内には、気化を促進するためセラミックボール（図示せず）が収納されており、仕切板４５ａ２１は、水蒸気は通過するが、セラミックボールは通過しないように開口を設けている。なお、仕切板４５ａ２１は、改質器の構造や、セルスタックの構造等に応じて適宜配置を変更することができる。セラミックボールは、改質器４５のうち、第１直線部４５ａ１の一端側から、仕切板４５ａ２１の間に充填されている。

また、気化部４５ａにおいて、水吐出孔４８ｄ１の孔径をセラミックボールの粒径よりも小さくすることによって、セラミックボールが水吐出孔４８ｄ１から二重配管４８内に入り込むことを防ぐことができる。このような各水吐出孔１４８ｄ１孔径は、セラミックボールの粒径が２ｍｍ〜４ｍｍに対して、たとえば１．５ｍｍ〜３．５ｍｍに選ばれてもよい。

また、二重配管４８の先端部４８ｅも内管の出口をセラミックボールの粒径よいも小さい口径の孔を多数設けた構成とすることで、セラミックボールの内管への進入を防ぐことができる。

水供給管と原燃料供給管とをかねる二重配管４８の外側の流路に供給された水は、第１二重配管部分４８ｂ、第２二重配管部分４８ｃ、第３二重配管部分４８ｄを流れるにしたがって加熱され、第３二重配管部分４８ｄの外管のみに開口された水吐出孔４８ｄ１から流れ出し、高熱の第３二重配管部分４８ｄの周壁やセラミックボールと接触して水蒸気となる。なお、第１二重配管部分４８ｂ、第２二重配管部分４８ｃ、第３二重配管部分４８ｄ内にて水が気化された場合には、水吐出孔４８ｄ１から水蒸気が吐出される。なお、本実施の形態では、水吐出孔４８ｄ１は、第３二重配管部分４８ｄのみに設けられているが、第２二重配管部分４８ｃ、第１二重配管部分４８ｂにわたって設けてもよい。

また、二重配管４８の内管に供給された燃料ガスは、第１二重配管部分４８ｂ、第２二重配管部分４８ｃ、第３二重配管部分４８ｄのそれぞれの内管部を通過する間に加熱され、内管が開放された二重配管の先端部４８ｅから流出する。

改質部４５ｂは、二重配管４８より供給された原燃料と水蒸気とが混合された燃料ガスが一端側より他端側に流れる第３直線部４５ｂ１と、第３直線部に連通する第３折返し部４５ｃ３と、第３折返し部４５ｃ３と連通し、燃料ガスが他端側より一端側に流れる第４直線部４５ｂ２を含んでおり、第４直線部４５ｂ２には、改質ガスを導出するための改質ガス導出管４９が接続されている。また、第３直線部４５ｂ１と連通する、第２折返し部４５ｃ２は、全てが改質部４５ｂである。本実施例において、気化部４５ａと改質部４５ｂとの境界は、第２直線部ある仕切板４５ａ２１である。

さらに、第４直線部４５ｂ２内に、仕切板４５ｂ２１が配置され、仕切板４５ａ２１から１４５ｂ２１間に位置する部分が改質部４５ｂとされ、この改質部４５ｂには改質触媒が収納されている。仕切板４５ａ２１、４５ｂ２１は、水蒸気、原燃料、改質ガス等のガスは通過できるが、改質触媒は通過できないように構成されている。

気化部４５ａの最下流部に設けた二重配管の先端部４８ｅから流出した原燃料ガスは、気化部４５ａで発生した水蒸気と混合されながら、改質部４５ｂである第２折返し部４５ｃ２を経由して、第３直線部４５ｂ１、第３折返し部４５ｃ３、第４直線部４５ｂ２を経て改質され、改質ガスとして、改質ガス導出管４９から導出される。

改質器において原燃料と水蒸気を反応させて水素を含む改質ガスを生成する反応は吸熱反応であり、気化部よりも改質部の方の温度が低下し、気化部と改質部の温度差が５０℃〜２００℃になる。そのため、一つの折返し部に気化部、改質部の両方があると、改質部よりも気化部のほうがより膨張しようとするので、折返し部に大きな熱応力が加わることになる。したがって、折返し部を気化部または改質部のいずれか一方とすることで、折返し部の熱のばらつきが少なくなり、熱応力を軽減することができる。本例では第１折返し部４５ｃ１は、気化部４５ａであり、第２折返し部４５ｃ２は、改質部４５ｂであり、第３折返し部４５ｃ３は、改質部４５ｂである。

また、改質器おいて、各直線部は、気化部および改質部の両方もしくは気化部または改質部のいずれか一方を構成するが、改質器の直線部に気化部と改質部との境界を設けることにより、折返し部を気化部または改質部のいずれか一方とすることができる。本実施例では、仕切板４５ａ２１が気化部４５ａと改質部４５ｂとの境界である。

また、気化部と改質部との間にセラミックボールや改質触媒が充填されない空間があってもよい。この場合は、気化部の終端と改質部の先端とを同じ改質器の同じ直線部に設けることにより、折返し部を気化部または改質部のいずれか一方とすることができる。

また、第１折返しの内周部４５ｃ１１、第２折返し部の内周部４５ｃ２１、第３の折前部の内周部４５ｃ３１がＵ字状に湾曲しているので、折返し部に集中しやすい熱応力を分散させることができ、改質器の長寿命化を図ることができる。

また、改質器４５おいて、気化部４５ａと改質部４５ｂの温度差により改質器全体の変形が過大なる恐れがあるが、折返し部４５ｃ１と、折返し部４５ｃ２の間に凹状の連結部材４５ｃ１３を設けて両者を連結することにより、改質器４５を機械的に補強し、改質器４５の温度の偏りによる変形を抑制することができる。なお、連結部材４５ｃ１３は、改質器４５の内側に向けて凹状となるように設けることが好ましい。

また、改質器の外部で、水と改質器に供給される水と原燃料とを混合して改質器に供給してもよい。図５は、本発明の図３に示すモジュールに収納された他の改質器の一例を抜粋した内部構造を示す斜視図である。図４と同様の形態の部分には同じ符号を付してある。図４に示される改質器４５と比較して、改質器に配置される供給管が異なる。改質器１４５に配置される供給管は、水と原燃料とを混合した状態で一緒に供給する共用管１４８であり、予め、水と原燃料を混合したものを共用管１４８で改質器１４５に供給することで、改質器４５に接続される管を減らすことができる。

第１直線部４５ａ１の一端側から改質器４５の内部に挿通される共用管１４８は、第１直線部４５ａ１の一端部から外側に突き出ている供給部１４８ａと、第１直線部４５ａ１内に配設された第１共用管部分１４８ｂと、折返し部４５ｃ１内に配設された第２共用管部分１４８ｃと、第２直線部４５ａ２内に配設された第３共用管部分１４８ｄとを有する。また、共用管１４８の先端部１４８ｅは、閉塞されている。共用管１４８全体の形状は、平面視において、Ｊ字状、あるいはＵ字状とすることができる。

すなわち、外部より供給される水は、第１共用管部分１４８ｂと、第２共用管部分１４８ｃと、第３共用管部分１４８ｄとを流れるにしたがって加熱され、第２直線部４５ａ２に位置する供用管１４８に設けられた水吐出孔１４８ｄ１から流れ出し、水蒸気となる、もしくは第１直線部４５ａ１と、第１折返し部４５ｃ１と、第２直線部４５ａ２を流れる間に水蒸気となって水吐出孔４８ｄ１から吐出される。特に、各筒状部を流れる間に水蒸気となった場合には、水蒸気は原燃料と混合された状態で水吐出孔４８ｄ１から吐出される。ここで、水蒸気と原燃料とが混合状態が良い状態で吐出されて、続いて改質部４５ｂに流れることにより、改質効率を向上させることができる。

そして、図６に示すように、改質器４５で生成された改質ガス（燃料ガス）は、改質ガス導出管４９により２つのマニホールド４に供給され、マニホールド４を介して燃料電池セル３の内部に設けられたガス流路に供給される。

なお、改質器４５で生成された改質ガスは、改質ガス導出管４９により、分配器５０を介して２つのマニホールド４に供給される。すなわち、改質ガス導出管４９は、改質器４５から分配器５０までのＵ字状の第１改質ガス導出管４９ａと、分配器５０から下方の２つのマニホールド４にそれぞれ延びる第２改質ガス導出管４９ｂとを具備している。第１改質ガス導出管４９ａ、第２改質ガス導出管４９ｂの長さは、改質ガスをマニホールド４に均等に供給すべく、同じ長さ（圧力損失）とされている。

なお、改質器４５において、第１直線部４５ａ１、第２直線部４５ａ２、第３直線部４５ｂ１、第４直線部４５ｂ２のそれぞれは、１つのセルスタックと対応して、セルスタックの上方に配置されている。それにより、第１直線部４５ａ１、第２直線部４５ａ２、第３直線部４５ｂ１、第４直線部４５ｂ２のそれぞれを効率よく加熱することができる。

他の構成は適宜変更可能であり、改質器４５に代えて改質器１４５を用いることができるのは当然である。また、これらの例に限られるものではない。例えば、二重配管４８に代えて、水と原燃料とを別々の供給管で改質器４５内に供給してもよい。

図７は、外装ケース内にモジュール１７と、各モジュールを動作させるための補機とを収納してなるモジュール収容装置としての燃料電池装置の一例を示す分解斜視図である。なお、図７においては一部構成を省略して示している。

図７に示す燃料電池装置５３は、支柱５４と外装板５５とから構成される外装ケース内を仕切板５６により上下に区画し、その上方側を上述した各モジュールを収納するモジュール収納室５７とし、下方側を、各モジュールを動作させるための補機類を収納する補機収納室５８として構成されている。なお、補機収納室５８に収納する補機類は省略して示している。

また、仕切板５６には、補機収納室５８の空気をモジュール収納室５７側に流すための空気流通口５９が設けられており、モジュール収納室５７を構成する外装板５５の一部に、モジュール収納室５７内の空気を排気するための排気口６０が設けられている。

このような燃料電池装置では、上述したような各モジュールを外装ケース内に収納することにより、発電効率を向上した燃料電池装置５３とすることができる。

以上、本発明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、上記形態のモジュール１７おいては、４個のセルスタック２の上方に１個の改質器４５を配置したセルスタック装置を具備する形態について説明したが、例えば、２個または３個のセルスタック２の上方に１個の改質器を配置したセルスタック装置でも良く、さらに、５個以上のセルスタックの上方に１個の改質器を配置したセルスタック装置でも良い。この場合、改質器の形状は適宜変更すればよい。

さらに、１個のマニホールド４に２個のセルスタック２を配置した形態について説明したが、１個のマニホールドに１個のセルスタックを配置しても良く、また、１個のマニホールドに３個以上のセルスタックを配置しても良い。

さらに、上述の例ではいわゆる縦縞型と呼ばれる燃料電池セル３を用いて説明したが、一般に横縞型と呼ばれる複数の発電素子部を支持体上に設けてなる横縞型の燃料電池セルを用いることもできる。

１ セルスタック装置
２ セルスタック
３ 燃料電池セル
１７ モジュール
４５,１４５ 改質器
４５ａ 気化部
４５ｂ 改質部
４５ａ１ 第１直線部
４５ａ２ 第２直線部
４５ｂ１ 第３直線部
４５ｂ２ 第４直線部
４５ｃ１ 折返し部
４５ｃ２ 折返し部
４５ｃ３ 折返し部
４８ｄ１ 水吐出孔
４５ａ２１ 仕切板
４５ｃ１１ 内周部
４５ｃ１３ 連結部材
４８ 二重配管
４８ａ 供給部
４８ｂ 第１二重配管部分
４８ｃ 第２二重配管部分
４８ｄ 第３二重配管部分
４８ｄ１ 水吐出孔
４８ｅ 端部
４９ 改質ガス導出管
５３ 燃料電池装置
１４８ 共用管

Claims (6)

1. 筒状であって、並列に配設された複数の直線部と、各直線部の隣り合う端部同士を接続する複数の折返し部とで構成される燃料電池用改質器であって、
   水蒸気を発生させる気化部と、前記気化部で発生した水蒸気と原燃料とを反応させて改質ガスを生成する改質部とが前記直線部と前記折返し部とで構成され、
   前記直線部は、前記気化部および前記改質部の両方若しくは前記気化部または前記改質部のいずれかを構成し、
   前記折返し部は、前記改質部または前記気化部のいずれかである燃料電池用改質器。
2. 前記折返し部は、改質部である請求項１に記載の燃料電池用改質器。
3. 前記折返し部は、Ｕ字状に湾曲した内周部を有する請求項１または２に記載の燃料電池用改質器。
4. 隣り合う２つの前記折返し部の隣り合う各端部同士を連結する凹状の連結部材をさらに含む請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池用改質器。
5. 収納容器内に、
   請求項１〜４のいずれか１つに記載の燃料電池用改質器と、
   前記燃料電池用改質器によって生成された改質ガスと酸素含有ガスとを反応させて発電するセルスタックとを収納してなる燃料電池モジュール。
6. 外装ケース内に、
   請求項５に記載の燃料電池モジュールと、
   該燃料電池モジュールの運転を行なう補機とを収納してなるモジュール収納装置。

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