JP2018123050A - 改質器、セルスタック装置、燃料電池モジュールおよび燃料電池装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 改質効率を向上できる改質器、それを備えて発電性能を向上できるセルスタック装置、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】 本発明の改質器１は、原燃料を水蒸気改質して水素を含む改質ガスを生成する改質器１であって、該改質器１は、水を水蒸気に気化するための気化部１ａと、改質触媒を備える改質部１ｂと、気化部１ａと改質部１ｂとの間に設けられた連結路１ｃ２と、該連結路１ｃ２に接続され、原燃料を供給する原燃料供給部３ｂとを備えることを特徴とする。【選択図】 図１

Description

本発明は、改質器、セルスタック装置、燃料電池モジュールおよび燃料電池装置に関する。

近年、次世代エネルギーとして、燃料電池セルをマニホールドに固定し、それ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。

このような燃料電池モジュールとしては、収納容器内に、複数の燃料電池セルを電気的に直列に接続してなるセルスタック装置を収納したものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

こ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とともに、該改質器がＵ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。そして、原燃料ガス供給管および水供給管が、改質器の一端である気化部に接続され、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、この改質部にて原燃料ガスが改質されるように構成されている。

特開２００７−２０７４４６号公報

しかしながら、特許文献１では、水供給管と原燃料ガス供給管とが気化部に接続されており、水と原燃料ガスがほぼ同じ位置の気化部に供給されるため、水の気化熱と供給された低温の原燃料ガスにより、水と原燃料ガスとが供給された気化部が著しく低温状態となり、改質効率が低下するおそれがあった。

本発明は、改質効率を向上した改質器、それを備えるセルスタック装置、燃料電池モジュールおよび燃料電池装置を提供することを目的とする。

本発明の改質器は、
原燃料を水蒸気改質して水素を含む改質ガスを生成する改質器であって、
該改質器は、水を水蒸気に気化するための気化部と、改質触媒を備える改質部と、前記気化部と前記改質部との間に設けられた連結路と、該連結路に接続され、原燃料を供給する原燃料供給部とを備え、
前記改質部は、前記改質ガスが一端側より他端側に流れる改質部往路と、前記改質ガスが他端側より一端側に流れる改質部復路とを含み、
前記改質部往路の幅が、前記改質部復路の幅よりも大きく、かつ、前記改質部往路の断面積が、前記改質部復路の断面積よりも大きく形成され、該改質部往路内には、前記改質部復路内より多くの前記改質触媒が収容されているとともに、
前記気化部は、前記水蒸気が一端側より他端側に流れる気化部往路と、前記水蒸気が他端側より一端側に流れる気化部復路とを備え、
前記気化部復路と前記改質部往路との間は、連結板によってつながっていることを特徴とする。

本発明のセルスタック装置は、酸素含有ガスと前記改質ガスとで発電を行なう燃料電池セルを一列に配置してなるセルスタックを複数備え、該複数のセルスタックの上方に、上記改質器が配置されてなることを特徴とする。

本発明の燃料電池モジュールは、上記したセルスタック装置を収納容器内に収納してなることを特徴とする。

本発明の燃料電池装置は、上記の燃料電池モジュールと、該燃料電池モジュールを作動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。

本発明の改質器は、原燃料が低温であったとしても、原燃料が追加混合される時には、供給された水は殆ど気化しており、改質器の一部における低温化を抑制できる。これにより改質効率を向上できる。あわせて、該改質器を備えることで、発電性能の向上したセルスタック装置、燃料電池モジュールおよび燃料電池装置とすることができる。

参考の形態の改質器の一例を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は平面図である。 図１に示す改質器の原燃料供給部およびその近傍を抜粋して示す（ａ）は横断面図、（ｂ）は縦断面図である。 参考の形態の改質器の他の一例を示し、原燃料供給管が気化改質連結部に接合された形態を示す平面図である。 参考の形態の改質器のさらに他の一例を示し、（ａ）は、気化部往路と気化改質部連結路との端面同士、および改質部復路と気化改質部連結路との端面同士を補 強板で連結した形態を示す斜視図、（ｂ）は気化部往路と、気化部復路と、改質部往路と、改質部復路とのそれぞれの間が開放空間とされた形態を示す斜視図である。 本実施形態の改質器のさらに他の一例を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は平面図である。 参考の形態の改質器のさらに他の一例を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は平面図である。 燃料電池モジュールの一例を示す縦断面図である。 （ａ）は４個のセルスタックを有するセルスタック装置を、改質器を取り外した状態で示す平面図、（ｂ）は（ａ）に示すセルスタック装置のうち、マニホールドに２個のセルスタックを設けた状態を示す斜視図である。 セルスタック装置を示す側面図である。 燃料電池モジュールの他の一例を示し、気化部復路と改質部往路との間の連結板に排ガス導出孔を形成し、該排ガス導出孔に接続された排ガス導出管で排ガスを導出する形態の縦断面図である。 燃料電池モジュールのさらに他の一例を示し、（ａ）は気化部復路と改質部往路との間の空間の下端部を連結板で塞ぎ、この連結板の下方に排ガス導出管を設けた形態の縦断面図、（ｂ）は気化部復路と改質部往路との間の空間の上端部を連結板で塞ぎ、この連結板の下方に排ガス導出管を設けた形態の縦断面図である。 燃料電池モジュールのさらに他の一例を示し、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は並置された２個の改質器を抜粋して示す平面図である。 燃料電池モジュールのさらに他の一例を示し、気化部復路と改質部往路との間の連結板の排ガス導出孔に接続された排ガス導出管で、排ガスを導出する形態の縦断面図である。 燃料電池モジュールのさらに他の一例を示し、（ａ）は気化部復路と改質部往路との間の空間の下端部を連結板で塞ぎ、この連結板の下方に排ガス導出管を設けた形態の縦断面図、（ｂ）は気化部復路と改質部往路との間の空間の上端部を連結板で塞ぎ、この連結板の下方に排ガス導出管を設けた形態の縦断面図である。 燃料電池装置を示す斜視図である。

以下、図面を用いて本実施形態および参考の形態の改質器、セルスタック装置、燃料電池モジュールおよび燃料電池装置について説明する。なお、図１〜図４および図６は、一部に実施形態の構成を含む、参考の形態である。また、異なる図中の同一の構成要素については、同一の符号を付与するものとする。

図１は、参考の形態の改質器の一例を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は平面図である。

図１に示す改質器１は、天然ガスや灯油等の原燃料を改質して改質ガス（水素含有ガス、以降、燃料ガスともいう。）を生成するためのＷ字状（ミアンダ形状）の改質器１を示している。

改質器１は、図１に示したように、水を気化して水蒸気を生成する気化部１ａと該気化部１ａで発生した水蒸気を用いて原燃料を水蒸気改質する改質部１ｂとを具備している。

気化部１ａは、水蒸気が一端側より他端側に流れる気化部往路１ａ１と、水蒸気が他端側より一端側に流れる気化部復路１ａ２とを備えている。また、気化部往路１ａ１には、内部に一端部から気化部往路１ａ１に沿って突出する第２筒状部２ａと、一端部に接続され、第２筒状部２ａに水を供給する水供給部２ｂとを備えている。なお、第２筒状部２ａは、気化部を構成する管体より内側に突出するように設けて、この第２筒状部２ａに水供給部２ｂである水供給管を接続するほか、水供給部２ｂである水供給管を外部より内部に挿入して、水供給管の一部が第２筒状部２ａとなる構成であってもよい。以下の説明においては、水供給管２が外部より内部に挿入した構成を用いて説明する。

また、改質部１ｂは、原燃料供給部３ｂである原燃料供給管３より供給された原燃料を改質して生成された改質ガスが一端側より他端側に流れる改質部往路１ｂ１と、改質ガスが他端側より一端側に流れる改質部復路１ｂ２とを備えており、改質部復路１ｂ２には、改質ガスを導出するための改質ガス導出管４が接続されている。図１に示す改質器１において、水供給管２、原燃料供給管３および改質ガス導出管４は、改質器１の一方側に接続されている。

さらに改質器１においては、気化部往路１ａ１の他端側と気化部復路１ａ２の他端側とが連結路（以下、気化部連結路という。）１ｃ１で連結され、気化部復路１ａ２の一端側と改質部往路１ｂ１の一端側とが連結路（以下、気化改質部連結路という。）１ｃ２で連結され、改質部往路１ｂ１の他端側と改質部復路１ｂ２の他端側とが連結路（以下、改質部連結路という。）１ｃ３で連結されており、気化部往路１ａ１と、気化部復路１ａ２と、改質部往路１ｂ１と、改質部復路１ｂ２とが、側方が対向するように並置されている。

改質器１では、気化部往路１ａ１に供給された水が水蒸気となり、気化部連結路１ｃ１、気化部復路１ａ２、気化改質部連結路１ｃ２、改質部往路１ｂ１を順に流れ、また、気化改質部連結路１ｃ２では、原燃料供給部３ｂである原燃料供給管３から原燃料が供給され、気化改質部連結路１ｃ２で水蒸気と混合され、改質部往路１ｂ１、改質部連結路１ｃ３、改質部復路１ｂ２を流れる間に改質され、水素を含む改質ガス（燃料ガス）が生成され、改質ガス導出管４から導出される。

気化部往路１ａ１、気化部復路１ａ２、改質部往路１ｂ１、改質部復路１ｂ２、気化部連結路１ｃ１、気化改質部連結路１ｃ２、改質部連結路１ｃ３は、横断面が矩形状の管体から構成されている。なお、図１に示す改質器１にいては、気化部往路１ａ１を構成する管体と気化部復路１ａ２を構成する管体との間、および改質部往路１ｂ１を構成する管体と改質部復路１ｂ２を構成する管体との間には、開放空間が形成されている。

なお、図１に示す改質器１では、気化部復路１ａ２を構成する管体と改質部往路１ｂ１を構成する管体との間は連結板５で塞がれている。それにより、気化部復路１ａ２と改質部往路１ｂ１との温度分布を低減することができるとともに、改質器１の強度を向上することができる。

また、気化部往路１ａ１および気化部復路１ａ２内に、仕切板１ａ１１、１ａ２１がそれぞれ設けられ、これらの仕切板１ａ１１、１ａ２１間が気化室とされており、水供給管２の先端部（第２筒状部）は仕切板６ａ１の上流側に位置し、気化室手前の位置に水を供給している。気化室内には、気化を促進するためセラミックボールが収納されており、仕切板１ａ１１、１ａ２１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形成されている。なお、これら仕切板１ａ１１、１ａ２１は、改質器の構造や、後述する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。

さらに、改質部往路１ｂ１および改質部復路１ｂ２内にも、それぞれ仕切板１ｂ１１、１ｂ２１が配置され、仕切板１ｂ１１、１ｂ２１間に位置する改質部往路１ｂ１、改質部連結路１ｃ３、改質部復路１ｂ２が改質室とされ、この改質室には改質触媒が収納されている。仕切板１ｂ１１、１ｂ２１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。なお、これら仕切板１ｂ１１、１ｂ２１は、改質器の構造や、後述する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。

そして、参考の形態の改質器１においては、気化部１ａと改質部１ｂとの間である気化改質部連結路１ｃ２に、原燃料を供給する原燃料供給部３ｂである原燃料供給管３が接続されている。このような改質器１においては、原燃料供給管３が、水供給管２が接続された気化部往路１ａ１よりも下流側の気化改質部連結路１ｃ２に接続されているため、水が供給される地点と原燃料が供給される地点とが、気化部往路１ａ１を構成する管体と気化部復路１ａ２を構成する管体との間の空間を介しており、また、水蒸気の流れ方向で見れば、流れ方向の長さが長い。従って、原燃料が低温であったとしても、原燃料が追加混合される時には、供給された水が殆ど気化しており、改質器１の一部（気化部往路１ａ１）における低温化を抑制できる。それにより、改質効率を向上することができる。

図２は、図１に示す改質器の原燃料供給部３ｂおよびその近傍を抜粋して示す（ａ）は横断面図、（ｂ）は縦断面図である。

図１に示す原燃料供給部３ｂは、気化改質部連結路１ｃ２の内部に、水蒸気の流れ方向に交差するように突出する第１筒状部３ａを備えている。なお、第１筒状部３ａは、気化改質部連結路１ｃ２を構成する管体より内側に突出するように設けて、この第１筒状部３ａに原燃料供給部３ｂである原燃料供給管３を接続するほか、原燃料供給部３ｂである原燃料供給管３を外部より内部に挿入して、原燃料供給管３の一部が第１筒状部３ａとなる構成であってもよい。以下の説明においては、原燃料供給管３が外部より内部に挿入した構成を用いて説明する。

この第１筒状部３ａは、図２に示すように、原燃料供給管３内の原燃料ガスの流れ方向が水蒸気の流れ方向と交差するように設けられており、さらに第１筒状部３ａの上下に貫通孔３ａ１が複数所定間隔をおいて形成されている。水蒸気は、貫通孔３ａ１が形成された第１筒状部３ａの外面を滑るように流れ、この際に、貫通孔３ａ１から導出される原燃料と混合するように構成されている。それにより、効率よく水蒸気と原燃料とを混合できる。なお、第１筒状部３ａの先端は開口していても良く、閉塞していても良いが、開口している場合には、開口部が管壁近傍に位置していることが望ましい。

図３は、原燃料供給管３が気化改質部連結路１ｃ２に接合されている、言い換えれば第１筒状体３ａを有していない改質器１０１の平面図である。上述の説明においては、気化改質部連結路１ｃ２内に第１筒状体３ａが設けられている例を用いて説明したが、このように第１筒状部３ａを設けていない場合であっても、原燃料供給管３により原燃料を改質器１０１の気化改質部連結路１ｃ２内に供給でき、水蒸気と原燃料とを混合でき、改質効率を向上することができる。

図４は（ａ）は、気化部往路と気化改質部連結路との端面同士、および改質部復路と気化改質部連結路との端面同士を補強板で連結した形態を示す斜視図である。

図４（ａ）に示すように、気化部往路１ａ１と気化部復路１ａ２との端面同士、および改質部往路１ｂ１と改質部復路１ｂ２との端面同士を補強板６で連結することで、改質器１０２を補強できる。

また、図４（ｂ）は、気化部往路と、気化部復路と、改質部往路と、改質部復路とのそれぞれの間が開放空間とされた形態を示す斜視図である。

図４（ｂ）に示すように、気化部往路１ａ１と、気化部復路１ａ２と、改質部往路１ｂ１と、改質部復路１ｂ２とのそれぞれの間が開放空間とされることで、改質器１０３の周囲を流れるガスがさらに効率よく流れることとなる。

図５は、本実施形態の改質器の一例を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は平面図である。

図５に示す改質器１０４においては、ガス流れ方向に対して垂直な断面における改質部往路１ｂ１の断面積が、改質部復路１ｂ２の断面積よりも大きくなっている。言い換えると、改質部往路１ｂ１と改質部復路１ｂ２の高さｈが同一であり、幅ｗが改質部往路１ｂ１の方が大きくなっている（図において、Ｗ１＞Ｗ２として示している。）。それに伴い、改質部往路１ｂ１内には、改質部復路１ｂ２よりも多く改質触媒が収容されている。

それにより、改質部往路１ｂ１内に収容される改質触媒を多くでき、さらに改質部往路１ｂ１でのガスの流速が遅くなることによって、改質部往路１ｂ１において吸熱反応である水蒸気改質反応を促進し、高温となりやすい改質器１０４の中央部の温度を低下させ、改質器１０４の均熱化を図ることができる。これにより改質効率を向上することができる。

さらに、改質部往路１ｂ１の断面積を大きくすることによって、改質器１０４の圧力損失を低減できる。それにより、原燃料を供給するポンプの消費電力を低減することができる。

なお、上記例では、改質部往路１ｂ１と改質部復路１ｂ２の高さｈが同一であり、幅ｗが改質部往路１ｂ１の方が大きくなっている例を示したが、改質部往路１ｂ１と改質部復路１ｂ２の幅ｗが同一であり、高さｈが改質部往路１ｂ１の方が大きくなっていてもよい。

図６は、参考の形態の改質器のさらに他の一例を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は平面図である。

図６に示す改質器１０５は、図１に示す改質器１と比較して、連結板５にガス流通口５ａが設けられている点で異なっている。このような改質器１０５においては、上述の図４（ｂ）で示した改質器１０３と同様に、改質器１０５の周囲を流れるガスが効率よく流れるとともに、改質器１０５の強度を向上することができる。

図７は、燃料電池モジュール（以下、モジュールという場合がある。）の一例を示す縦断面図であり、図８は改質器を取り外した状態のセルスタック装置の一例を示す図であり、図９はセルスタック装置を示す側面図である。

モジュール７は、直方体状の収納容器８の内部に、内部に燃料ガス流路を有する燃料電池セル１５を立設させた状態で一列に配列し、隣接する燃料電池セル１５間に集電部材（図示せず）を介して電気的に直列に接続してなる４個のセルスタック１０を収納して構成されている。

燃料電池セル１５の下端部はガラスシール材等の絶縁性接合材１７でマニホールド９に固定されている。一個のマニホールド９には、２個のセルスタック１０が固定されており、４個のセルスタック１０のそれぞれの両端には、図８（ａ）に示すように、導電部材１６に設けられた引出部１６ａが接続され、一方側の引出部１６ａ同士は連結部材１６ｂで連結され、４個のセルスタック１０が電気的に直列に接続されている。

また、図７、図８、図９においては、燃料電池セル１５の内部に燃料電池セル１５の長さ方向ｙに設けられた燃料ガス流路を燃料ガスが流れる中空平板型で、支持基板の表面に、燃料側電極、固体電解質及び酸素側電極を順に設けてなる固体酸化物形の燃料電池セル１５を例示している。

また、燃料電池セル１５にて使用する水素含有ガスを得るために、任意の複数のセルスタック１０を１群として、１群につき１個の改質器１がセルスタック１０の情報に配置されている。なお、図７においては、４個のセルスタック１０を１群として、改質器１が、４個のセルスタック１０の上方に１個配置されている。以下の説明においては、４個のセルスタック１０を１群として改質器１が１個配置されている例を用いて説明する。

そして、図９に示すように、改質器１で生成された改質ガス（燃料ガス）は、改質ガス導出管４により２つのマニホールド９に供給され、マニホールド９を介して燃料電池セル１５の内部に設けられた燃料ガス流路に供給される。これにより、セルスタック装置１１が構成されている。すなわち、セルスタック装置１１は、図７に示したように、マニホールド９と、マニホールド９に固定されたセルスタック１０と、４個のセルスタック１０の上方に配置された１個の改質器１とを具備して構成されている。

なお、改質器１で生成された改質ガスは、図９に示すように、改質ガス導出管４により、分配器１８を介して２つのマニホールド９に供給される。すなわち、改質ガス導出管４は、改質器１から分配器１８までのＵ字状の第１改質ガス導出管１８ａと、分配器１８から下方の２つのマニホールド９にそれぞれ延びる第２改質ガス導出管１８ｂとを具備している。第１改質ガス導出管１８ａ、第２改質ガス導出管１８ｂの長さは、改質ガスをマニホールド９に均等に供給すべく、同じ長さ（圧力損失）とされている。

また、燃料電池セル１５の燃料ガス流路に供給され、発電に使用されなかった余剰の燃料ガスは、燃料電池セル１５の上方に放出される。余剰の燃料ガスは、燃料電池セル１５と改質器１との間に位置する燃焼部にて、燃料電池セル１５の外部に供給された酸素含有ガス（空気）と反応させ燃焼させることができる。それにより、改質器１を直接加熱できるほか、この燃焼により生成される燃焼ガスが、上述した改質器の気化部往路１ａ１と、気化部復路１ａ２と、改質部往路１ｂ１と、改質部復路１ｂ２との間に設けられた空間を流れることでも加熱することができ、効率よく改質器１の温度を上昇させることができる。

なお、改質器１においては、水供給管２（第２筒状部２ｂ）は、セルスタック１０の燃料電池セル１５の配列方向ｘ中央部の上方における気化室に水を供給するように構成されている。燃料電池セル１５の配列方向ｘ中央部は温度が高くなり易いため、気化を促進できる。これにより改質器１の気化部往路１ａ１下方におけるセルスタック１０の低温化を抑制して発電性能が低下することを抑制でき、セルスタック装置１１全体としての発電性能を向上できる。

さらに、図１に示した改質器１では、気化部復路１ａ２内の仕切板１ａ２１は、セルスタック１０の燃料電池セル１５の配列方向ｘ中央部に位置させたが、セルスタック１０の燃料電池セル１５の配列方向ｘ中央部よりも、原燃料供給管３側に配置することもできる。この場合、セルスタック１０の燃料電池セル１５の配列方向ｘ中央部の熱を水の気化に有効利用できる。

また、図７に示したように、改質器１において、気化部往路１ａ１、気化部復路１ａ２改質部往路１ｂ１、改質部復路１ｂ２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、気化部往路１ａ１、気化部復路１ａ２改質部往路１ｂ１、改質部復路１ｂ２のそれぞれを効率よく加熱することができる。

モジュール７は、図７に示したように、収納容器８の内部にセルスタック装置１１を収納してなるもので、セルスタック１０の配列方向（燃料電池セル１５の配列方向ｘと直交する方向）の両側における収納容器８の側壁には、外側から酸素含有ガス導入路１３、排ガス排出路１４が形成されている。酸素含有ガス導入路１３は、収納容器８の底部から側部を介して上部まで形成され、酸素含有ガス供給板１２に酸素含有ガスを供給するように構成されている。

一方、排ガス排出路１４は、収納容器８の側部から底部まで形成され、燃料電池セル１５の上端からの排ガスが、気化部往路１ａ１を構成する管体と気化部復路１ａ２を構成する管体との間、および改質部往路１ｂ１を構成する管体と改質部復路１ｂ２を構成する管体との間に形成された空間を通過し、排ガス排出路１４により、収納容器８の側部を介して底部の排出口から排出されるように構成されている。それにより、酸素含有ガスが酸素含有ガス導入路１３を流れる間に、排ガス排出路１４を流れる排ガスにより加熱される。

以上のようなセルスタック装置１１では、改質器１において、原燃料供給部３ｂ（原燃料供給管３）が、気化改質部連結路１ｃ２に接続されているため、改質器１の一部（気化部往路１ａ１）における低温化を抑制できることから、改質器１の気化部往路１ａ１の下方におけるセルスタック１０の低温化を抑制して発電性能が低下することを抑制でき、セルスタック装置１１全体としての発電性能を向上できる。

図１０は、燃料電池モジュールの他の一例を示し、改質器として図６に示す改質器１０５を備えるセルスタック装置１１を備えている例を示している。

このような改質器１０５を有するモジュール７は、マニホールド９間に配置され、下端が排ガス排出路１４に接続された排ガス導出管１９の上端部を、連結板５の排ガス導出孔５ａに接続して構成されている。

このようなモジュール７では、燃料電池セル１５の上端からの排ガスが、気化部往路１ａ１と気化部復路１ａ２との間、改質部往路１ｂ１と改質部復路１ｂ２との間を通って、排ガス導出孔５ａ、排ガス導出管１９を介して排出することができ、これにより、排ガスの熱をより効率よく改質器１に伝熱することでき、さらに排ガスの滞留を抑制し、セル上端部の燃焼を安定的に行うことができる。

図１１は、燃料電池モジュールのさらに他の一例を示し、（ａ）は気化部復路と改質部往路との間の空間の下端部を連結板で塞ぎ、この連結板の下方に排ガス導出管を設けた形態の縦断面図、（ｂ）は気化部復路と改質部往路との間の空間の上端部を連結板で塞ぎ、この連結板の下方に排ガス導出管を設けた形態の縦断面図である。

上記図７のモジュール７では、収納容器８の側壁側に排ガスを集めて排出するようにしたが、図１１（ａ）に示すように、気化部復路１ａ２を構成する管体と改質部往路１ｂ１を構成する管体との間の下側（セルスタック１０側）を連結板５で塞ぎ、この連結板５の下方に、下端が排ガス排出路１４に接続された排ガス導出管２０を設けても良い。

このようなモジュール７では、燃料電池セル１５の上端からの排ガスが、気化部復路１ａ２の下面、改質部往路１ｂ１の下面を通って加熱した後、排ガス導出管２０から排出することができ、これにより、気化部復路１ａ２および改質部往路１ｂ１の加熱を促進できる。

さらに、上記図７のモジュール７では、収納容器８の側壁側に排ガスを集めて排出するようにしたが、図１１（ｂ）に示すように、気化部復路１ａ２を構成する管体と改質部往路１ｂ１を構成する管体との間の上側（収納容器８の壁側）を連結板５で塞ぎ、この連結板５の下方に、下端が排ガス排出路１４に接続された排ガス導出管２１を設けても良い。

このようなモジュール７では、燃料電池セル１５の上端からの排ガスが、気化部復路１ａ２、改質部往路１ｂ１の下面および側面を通って加熱した後、排ガス導出管２１から排出することができ、これにより、気化部復路１ａ２および改質部往路１ｂ１をさらに加熱できる。

図１２は、燃料電池モジュールのさらに他の一例を示し、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は並置された２個の改質器を抜粋して示す平面図である。

図１２に示すモジュール２２は、収納容器８内に、８個のセルスタック１０と、２つの改質器１とを収納して構成されている。この８個のセルスタック１０は、それぞれ電気的に直列に接続されている。また、１個の改質器１が、４個のセルスタック１０の上方に配置され、モジュール２２には２個の改質器１が並置されている。すなわち、収納容器８内に２つのセルスタック装置１１が配置されている。

そして、収納容器８内の２個の平箱状の改質器１が、図１２に示したように、気化部１ａが内側になるように点対称に並置されている。すなわち、２個の改質器１は、４個のセルスタック１０の上方にそれぞれ配置されており、内側から外側に向けて気化部往路１ａ１、気化部復路１ａ２、改質部往路１ｂ１、改質部復路１ｂ２が順次設けられている。これにより、収納容器８内の中央部に気化部１ａが位置するように２個の改質器１が並置されている。

このようなモジュール２２では、収納容器８内の中央部に、２個の改質器１の気化部１ａが位置しているため、高温となり易い収納容器８内の中央部温度を低下することができる。すなわち、セルスタック１０は、多数の燃料電池セル１５を集積しており、燃料電池セル１５で生じる反応熱、および燃料電池セル１５から排出される余剰燃料ガスの燃焼により、収納容器８の中央部の温度が高温となる傾向にある。さらに、収納容器８の対向する側部には、酸素含有ガス導入路１３を流れる酸素含有ガスと、排ガス排出路１４を流れる排ガスとが熱交換し、酸素含有ガス導入路１３、排ガス排出路１４が形成された収納容器８の側部側よりも、収納容器８内の中央部が見かけ上高温となる。このような場合であっても、収納容器８内の中央部に２個の改質器１の気化部１ａが位置しているため、高温となり易い収納容器８の中央部温度を低下できる。

また、２個の改質器１から、水供給管２、原燃料供給管３および改質ガス導出管４が、対向する方向に引き出されているため、水供給管２、原燃料供給管３および改質ガス導出管４の引出方向における温度差も低減できる。

図１３は、燃料電池モジュールの他の一例を示し、改質器として図６に示す改質器１０５を備えるセルスタック装置１１を２個備えている例を示している。

このような改質器１０５を有するモジュール２２は、マニホールド９間に配置され、下端が排ガス排出路１４に接続された排ガス導出管１９の上端部を、連結板５の排ガス導出孔５ａに接続して構成されている。

このようなモジュール２２では、燃料電池セル１５の上端からの排ガスが、気化部往路１ａ１と気化部復路１ａ２との間、改質部往路１ｂ１と改質部復路１ｂ２との間を通って、排ガス導出孔５ａ、排ガス導出管１９を介して排出することができ、これにより、排ガスの熱をより効率よく改質器１に伝熱することでき、さらに排ガスの滞留を抑制し、セル上端部の燃焼を安定的に行うことができる。

図１４は、燃料電池モジュールのさらに他の一例を示し、（ａ）は気化部復路と改質部往路との間の空間の下端部を連結板で塞ぎ、この連結板の下方に排ガス導出管を設けた形態の縦断面図、（ｂ）は気化部復路と改質部往路との間の空間の上端部を連結板で塞ぎ、この連結板の下方に排ガス導出管を設けた形態の縦断面図である。

上記図１２のモジュール２２では、収納容器８の側壁側に排ガスを集めて排出するようにしたが、図１４（ａ）に示すように、気化部復路１ａ２を構成する管体と改質部往路１ｂ１を構成する管体との間の下側（セルスタック１０側）を連結板５で塞ぎ、この連結板５の下方に、下端が排ガス排出路１４に接続された排ガス導出管２３を設けても良い。

このような燃料電池モジュール７では、燃料電池セル１５の上端からの排ガスが、気化部復路１ａ２の下面、改質部往路１ｂ１の下面を通って加熱した後、排ガス導出管２３から排出することができ、これにより、気化部復路１ａ２および改質部往路１ｂ１の加熱を促進できる。

さらに、上記図１２のモジュール２２では、収納容器８の側壁側に排ガスを集めて排出するようにしたが、図１４（ｂ）に示すように、気化部復路１ａ２を構成する管体と改質部往路１ｂ１を構成する管体との間の上側（収納容器８の壁側）を連結板５で塞ぎ、この連結板５の下方に、下端が排ガス排出路１４に接続された排ガス導出管２４を設けても良い。

このような燃料電池モジュール２２では、燃料電池セル１５の上端からの排ガスが、気化部復路１ａ２、改質部往路１ｂ１の下面および側面を通って加熱した後、排ガス導出管２４から排出することができ、これにより、気化部復路１ａ２および改質部往路１ｂ１をさらに加熱できる。

図１５は、外装ケース内にモジュール７と、モジュール７を動作させるための補機とを収納してなる燃料電池装置の一例を示す分解斜視図である。なお、図１５においては一部構成を省略して示している。

図１５に示す燃料電池装置３２は、支柱２５と外装板２６とから構成される外装ケース内を仕切板２７により上下に区画し、その上方側を上述したモジュール７を収納するモジュール収納室２８とし、下方側をモジュール７を動作させるための補機類を収納する補機収納室２９として構成されている。なお、補機収納室２９に収納する補機類は省略して示している。

また、仕切板２７には、補機収納室２９の空気をモジュール収納室２８側に流すための空気流通口３０が設けられており、モジュール収納室２８を構成する外装板２６の一部に、モジュール収納室２８内の空気を排気するための排気口３１が設けられている。

このような燃料電池装置では、上述したようなモジュール１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３２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、燃料電池セル１５の形状としては、平板型、円筒型、中空平板型等のいずれであっても良い。燃料電池セル１５（セルスタック１０）の発電を効率よく行なう上で、中空平板型の燃料電池セルとすることが好ましい。

また、上記形態では、４個のセルスタック１０の上方に１個の改質器１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１０の上方に１個の改質器１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１を配置したセルスタック装置でも良い。

さらに、１個のマニホールド４に２個のセルスタック１０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。

また、上記形態では、２個の改質器を、気化部が内側となるように並置した形態について説明したが、これに限定されるものではなく、２個の改質器を、気化部が外側となるように並置した形態であっても良い。この場合には、収納容器８の側部側が高温となる場合、例えば、酸素含有ガス導入路１３、排ガス排出路１４が、収納容器８の側部ではなく、収納容器８の中央部にあるとき、収納容器８の側部側が見かけ上高温となる傾向にあるため、この収納容器８の側部側の温度を低下できる。

さらに、上記形態では、２個の改質器を具備するモジュールについて説明したが、３個以上の改質器を有する場合であっても良い。この場合でも、上記形態と同様の効果を得ることができる。

１、１０１、１０２、１０３、１０４、１０５：改質器
１ａ：気化部
１ａ１：気化部往路
１ａ２：気化部復路
１ｂ：改質部
１ｂ１：改質部往路
１ｂ２：改質部復路
１ｃ１：気化部連結路
１ｃ２：気化改質部連結路
１ｃ３：改質部連結路
２：水供給管
２ａ：第２筒状部
２ｂ：水供給部
３：原燃料供給管
３ａ：第１筒状部
３ａ１：貫通孔
３ｂ：原燃料供給部
４：改質ガス導出管
５：連結板
７、２２：燃料電池モジュール
８：収納容器
１０：セルスタック
１１：セルスタック装置
１５：燃料電池セル
３２：燃料電池装置

本発明の改質器は、
原燃料を水蒸気改質して水素を含む改質ガスを生成する改質器であって、
該改質器は、水を水蒸気に気化するための気化部と、改質触媒を備える改質部と、
を備え、
前記気化部は、前記水蒸気が一端側より他端側に流れる気化部往路と、前記水蒸気が他端側より一端側に流れる気化部復路とを有し、
前記改質部は、前記改質ガスが一端側より他端側に流れる改質部往路と、前記改質ガスが他端側より一端側に流れる改質部復路とを有し、
前記気化部往路と、前記気化部復路と、前記改質部往路と、前記改質部復路とがこの順で、かつ側方が対向するように並置され、前記気化部往路の他端側と、前記気化部復路の他端側とが気化部連結路で連結され、前記改質部往路の他端側と前記改質部復路の他端側とが改質部連結路で連結されており、前記気化部往路と、前記気化部復路と、前記改質部往路と、前記改質部復路とは、それぞれの底面同士は連結されておらず、それぞれの間が開放空間とされていることを特徴とする。
また本発明の改質器は、
原燃料を水蒸気改質して水素を含む改質ガスを生成する改質器であって、
該改質器は、水を水蒸気に気化するための気化部と、改質触媒を備える改質部と、
を備え、
前記気化部は、前記水蒸気が一端側より他端側に流れる気化部往路と、前記水蒸気が他端側より一端側に流れる気化部復路とを有し、
前記改質部は、前記改質ガスが一端側より他端側に流れる改質部往路と、前記改質ガスが他端側より一端側に流れる改質部復路とを有し、
前記気化部往路と、前記気化部復路と、前記改質部往路と、前記改質部復路とがこの順で、かつ側方が対向するように並置され、前記気化部往路の他端側と、前記気化部復路の他端側とが気化部連結路で連結され、前記改質部往路の他端側と前記改質部復路の他端側とが改質部連結路で連結されており、前記気化部往路と、前記気化部復路と、前記改質部往路と、前記改質部復路とは、それぞれの間が開放空間とされており、前記気化部復路の他端側の側方と前記改質部往路の他端側の側方とが連結部によって連結されていることを特徴とする。

参考の形態の改質器の一例を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は平面図である。 図１に示す改質器の原燃料供給部およびその近傍を抜粋して示す（ａ）は横断面図、（ｂ）は縦断面図である。 参考の形態の改質器の他の一例を示し、原燃料供給管が気化改質連結部に接合された形態を示す平面図である。 （ａ）は、参考の形態の改質器のさらに他の一例を示し、気化部往路と気化改質部連結路との端面同士、および改質部復路と気化改質部連結路との端面同士を補強板で連結した形態を示す斜視図、（ｂ）は、本実施形態の改質器の一例を示し、気化部往路と、気化部復路と、改質部往路と、改質部復路とのそれぞれの間が開放空間とされた形態を示す斜視図である。 参考の形態の改質器のさらに他の一例を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は平面図である。 本実施形態の改質器の他の一例を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は平面図である。 燃料電池モジュールの一例を示す縦断面図である。 （ａ）は４個のセルスタックを有するセルスタック装置を、改質器を取り外した状態で示す平面図、（ｂ）は（ａ）に示すセルスタック装置のうち、マニホールドに２個のセルスタックを設けた状態を示す斜視図である。 セルスタック装置を示す側面図である。 燃料電池モジュールの他の一例を示し、気化部復路と改質部往路との間の連結板に排ガス導出孔を形成し、該排ガス導出孔に接続された排ガス導出管で排ガスを導出する形態の縦断面図である。 燃料電池モジュールの参考例を示し、（ａ）は気化部復路と改質部往路との間の空間の下端部を連結板で塞ぎ、この連結板の下方に排ガス導出管を設けた形態の縦断面図、（ｂ）は気化部復路と改質部往路との間の空間の上端部を連結板で塞ぎ、この連結板の下方に排ガス導出管を設けた形態の縦断面図である。 燃料電池モジュールの他の参考例を示し、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は並置された２個の改質器を抜粋して示す平面図である。 燃料電池モジュールのさらに他の一例を示し、気化部復路と改質部往路との間の連結板の排ガス導出孔に接続された排ガス導出管で、排ガスを導出する形態の縦断面図である。 燃料電池モジュールのさらに他の参考例を示し、（ａ）は気化部復路と改質部往路との間の空間の下端部を連結板で塞ぎ、この連結板の下方に排ガス導出管を設けた形態の縦断面図、（ｂ）は気化部復路と改質部往路との間の空間の上端部を連結板で塞ぎ、この連結板の下方に排ガス導出管を設けた形態の縦断面図である。 燃料電池装置を示す斜視図である。

以下、図面を用いて本実施形態および参考の形態の改質器、セルスタック装置、燃料電池モジュールおよび燃料電池装置について説明する。また、異なる図中の同一の構成要素については、同一の符号を付与するものとする。

また、図４（ｂ）は、気化部往路と、気化部復路と、改質部往路と、改質部復路とのそれぞれの間が開放空間とされた本実施形態を示す斜視図である。

図５は、参考の形態の改質器の一例を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は平面図である。

図６は、本実施形態の改質器の他の一例を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は平面図である。

図１１は、燃料電池モジュールの参考例を示し、（ａ）は気化部復路と改質部往路との間の空間の下端部を連結板で塞ぎ、この連結板の下方に排ガス導出管を設けた形態の縦断面図、（ｂ）は気化部復路と改質部往路との間の空間の上端部を連結板で塞ぎ、この連結板の下方に排ガス導出管を設けた形態の縦断面図である。

図１２は、燃料電池モジュールの他の参考例を示し、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は並置された２個の改質器を抜粋して示す平面図である。

図１４は、燃料電池モジュールのさらに他の参考例を示し、（ａ）は気化部復路と改質部往路との間の空間の下端部を連結板で塞ぎ、この連結板の下方に排ガス導出管を設けた形態の縦断面図、（ｂ）は気化部復路と改質部往路との間の空間の上端部を連結板で塞ぎ、この連結板の下方に排ガス導出管を設けた形態の縦断面図である。

Claims (11)

1. 原燃料を水蒸気改質して水素を含む改質ガスを生成する改質器であって、
   該改質器は、水を水蒸気に気化するための気化部と、改質触媒を備える改質部と、前記気化部と前記改質部との間に設けられた連結路と、該連結路に接続され、原燃料を供給する原燃料供給部とを備え、
   前記改質部は、前記改質ガスが一端側より他端側に流れる改質部往路と、前記改質ガスが他端側より一端側に流れる改質部復路とを含み、
   前記改質部往路の幅が、前記改質部復路の幅よりも大きく、かつ、前記改質部往路の断面積が、前記改質部復路の断面積よりも大きく形成され、該改質部往路内には、前記改質部復路内より多くの前記改質触媒が収容されているとともに、
   前記気化部は、前記水蒸気が一端側より他端側に流れる気化部往路と、前記水蒸気が他端側より一端側に流れる気化部復路とを備え、
   前記気化部復路と前記改質部往路との間は、連結板によってつながっていることを特徴とする改質器。
2. 前記連結板に、ガス流通口が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の改質器。
3. 前記連結路は、内部に水蒸気の流れ方向と交差するように突出する第１筒状部を備え、
   該第１筒状部には、内面から外面に貫通する複数の貫通孔が設けられており、前記原燃料供給部から供給された原燃料が前記第１筒状部の複数の前記貫通孔から前記連結路の内部に供給されるようになっていることを特徴とする請求項１または２に記載の改質器。
4. 前記気化部往路は、内部に一端部から当該気化部往路に沿って突出する第２筒状部と、前記一端部に接続され、前記第２筒状部に水を供給する水供給部とを備え、前記第２筒状部の先端が、前記気化部往路の中央部に位置することを特徴とする請求項１乃至請求項３のうちいずれかに記載の改質器。
5. 前記気化部は、前記水蒸気が一端側より他端側に流れる気化部往路と、前記水蒸気が他端側より一端側に流れる気化部復路とを備え、
   前記改質部は、前記改質ガスが一端側より他端側に流れる改質部往路と、前記改質ガスが他端側より一端側に流れる改質部復路とを備え、前記気化部往路と、前記気化部復路と、前記改質部往路と、前記改質部復路とがこの順で、かつ側方が対向するように並置され、前記気化部往路の他端側と、前記気化部復路の他端側とが気化部連結路で連結され、前記改質部往路の他端側と前記改質部復路の他端側とが改質部連結路で連結されており、前記気化部往路と、前記気化部復路と、前記改質部往路と、前記改質部復路との間の少なくとも１つが、開放空間とされていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のうちいずれかに記載の改質器。
6. 酸素含有ガスと前記改質ガスとで発電を行なう燃料電池セルを一列に配置してなるセルスタックを複数備え、
   該複数のセルスタックの上方に、請求項１乃至請求項５のうちいずれかに記載の改質器が配置されてなることを特徴とするセルスタック装置。
7. 前記セルスタックを４つ備え、
   前記気化部は、前記水蒸気が一端側より他端側に流れる気化部往路と、前記水蒸気が他端側より一端側に流れる気化部復路とを備え、前記改質部は、前記改質ガスが一端側より他端側に流れる改質部往路と、前記改質ガスが他端側より一端側に流れる改質部復路とを備え、前記気化部往路と、前記気化部復路と、前記改質部往路と、前記改質部復路とが、４つのセルスタックの各々の上方に配置されていることを特徴とする請求項６に記載のセルスタック装置。
8. 請求項６または請求項７に記載のセルスタック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。
9. 前記セルスタック装置が、前記改質器が点対称となるように複数個配置されていることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池モジュール。
10. 前記複数のセルスタック装置は、前記改質器の前記気化部が前記収納容器内の中央部に位置することを特徴とする請求項９に記載の燃料電池モジュール。
11. 請求項８乃至請求項１０のうちいずれか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作動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。