JP2020009693A - 燃料電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池セルスタックへの液相の水の流入を抑制する。【解決手段】燃料ガス配管１０７の最も低い部分には、水分離部１７が設けられている。水分離部１７は、燃料ガス配管１０７と連続する空間を有し、燃料ガス取入口１６よりも下側、且つ、予熱部１００の内側に形成されている。燃料ガス１６３に液相の水が含まれている場合、当該水は水分離部１７へ落ちて燃料ガス１６３から分離される。【選択図】図５

Description

本発明は、燃料電池モジュールに関する。

従来、固体酸化物形燃料電池セルスタックと、原燃料ガスを改質し燃料電池セルスタックに供給される改質ガスを生成する改質部と、燃料電池セルスタックから排出されたスタック排ガスを燃焼する燃焼部とを備えた燃料電池モジュールが知られている。この燃料電池モジュールでは、内部で原燃料ガスが改質されて燃料ガスが生成され、当該燃料ガスが燃料電池セルスタックへ供給される。

特開２０１６−２４８７１号公報

通常、燃料電池モジュール内は、高温に維持されており、燃料ガスに含まれている水は気相のまま燃料電池セルスタックへ供給される。しかしながら、燃料電池モジュールの運転状況やその他の条件によっては、燃料ガスに含まれていた水が凝縮することも考えられる。凝縮した水が燃料電池セルスタックへ流入すると、燃料電池セルスタックの不具合の原因となり好ましくない。燃料電池セルスタックが改質部よりも下側に配置されている場合には、特に燃料電池セルスタックへの凝縮水の流入が懸念される。

本発明は、上記事情に鑑みて成されたものであり、その目的は、燃料電池セルスタックへの液相の水の流入を抑制することができる燃料電池モジュールを提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１の発明に係る燃料電池モジュールは、酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池セルスタックと、前記燃料電池セルスタックを収容する収容部と、前記燃料電池セルスタックの上方に設けられ、前記燃料電池セルスタックから排出されたスタック排ガスを燃焼し、燃焼排ガスを排出する燃焼部と、前記燃料電池セルスタックよりも上方に設けられ、前記燃焼排ガスの熱を利用して原燃料ガスから水蒸気改質により前記燃料ガスを生成するための改質触媒層が設けられた改質流路を有する改質部と、前記収容部内に設けられ、前記改質流路から送出された前記燃料ガスを前記燃料電池セルスタックへ供給する燃料ガス供給路と、前記燃料ガス供給路に設けられ、液相の水を前記燃料ガスから分離する水分離部と、を備えている。

請求項１の発明に係る燃料電池モジュールは、改質流路から送出された燃料ガスを燃料電池セルスタックへ供給する燃料ガス供給路に、水分離部が設けられている。この水分離部で燃料ガスから液相の水が分離されるので、燃料電池セルスタックへの液相の水の流入を抑制することができる。

請求項２の発明に係る燃料電池モジュールは、前記燃料ガス供給路は、前記燃料電池セルスタックと接続部で接続され、前記水分離部は、前記接続部よりも鉛直方向下側に配置されている。

請求項２の発明に係る燃料電池モジュールでは、水分離部が、燃料ガス供給路と燃料電池セルスタックとの接続部よりも鉛直方向下側に配置されているので、水分離部で分離された水が接続部へ流入することを抑制することができる。

請求項３の発明に係る燃料電池モジュールは、前記収容部は筒状とされ、前記燃焼排ガスを通過させる燃焼排ガス流路、及び前記改質流路は、前記収容部と同軸配置され互いの間に隙間を有する少なくとも三重の筒状とされた筒状壁によって構成されている。

請求項３の発明に係る燃料電池モジュールによれば、燃料電池モジュール全体をコンパクトに形成することができる。

請求項４の発明に係る燃料電池モジュールは、前記水分離部は、前記燃料電池セルスタックの水平方向外側かつ水平方向からみて前記燃料電池セルスタックと重なり合う位置に配置されている。

請求項４の発明に係る燃料電池モジュールによれば、このように水分離部を配置することにより、収容部の上下方向の空間を広げることなく水分離部を配置することができる。

請求項５の発明に係る燃料電池モジュールは、前記水分離部は、前記燃料電池セルスタックの鉛直方向下側かつ鉛直方向からみて前記燃料電池セルスタックと重なり合う位置に配置されている。

請求項５の発明に係る燃料電池モジュールによれば、このように水分離部を配置することにより、収容部の水平方向の空間を広げることなく水分離部を配置することができる。

請求項６の発明に係る燃料電池モジュールは、前記水分離部で分離された水を前記収容部から排出させる排出流路、を備えている。

請求項６の発明に係る燃料電池モジュールによれば、排出流路により、分離部で分離された水を収容部から排出させることができる。

請求項７の発明に係る燃料電池モジュールは、前記収容部の外に設けられ、前記排出流路から排出された水を貯留する水貯留部、を備えている。

請求項７の発明に係る燃料電池モジュールによれば、排出流路から排出された水を水貯留部で回収することができる。また、水貯留部が収容部の外に設けられているので、収容部内の温度低下を抑制することができる。

請求項８の発明に係る燃料電池モジュールは、前記水貯留部に貯留された水を改質水として前記改質流路へ供給する。

請求項８の発明に係る燃料電池モジュールによれば、排出流路から排出された水を改質水として再利用することにより、改質水の新規供給量を抑制することができる。

以上詳述したように、本発明の燃料電池モジュールによれば、燃料電池セルスタックへの液相の水の流入を抑制することができる。

第１実施形態の燃料電池モジュールの縦断面図である。 第１実施形態の燃料電池モジュールの要部拡大図である。 第１実施形態の燃料電池モジュールの要部拡大図である。 第１実施形態の燃料電池モジュールの要部拡大図である。 第１実施形態の燃料電池モジュールの要部拡大図である。 第２実施形態の燃料電池モジュールの要部拡大図である。

［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態について説明する。なお、図中において、水平方向を矢印Ｘで示し、鉛直方向を矢印Ｚで示している。

＜燃料電池モジュール＞
図１に示されるように、第１実施形態に係る燃料電池モジュールＭ１は、燃料電池セルスタック１０と、容器２０と、断熱層１３０と、断熱材１４０とを備える。

＜燃料電池セルスタック＞
燃料電池セルスタック１０には、一例として、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）が適用されている。この燃料電池セルスタック１０は、鉛直方向に積層された複数の平板形のセル１２と、マニホールド１４と有している。セル１２の形状は、平板形以外に、円筒形、円筒平板形など、どのような形状でも良い。各セル１２は、燃料極、電解質層、空気極を有する。

各セル１２の燃料極には、燃料ガス（改質ガス）が供給され、各セル１２の空気極には、酸化剤ガスが供給される。各セル１２は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電すると共に、発電に伴い発熱する。

＜容器＞
容器２０は、複数（九個）の管材２１〜２９により構成されている。この複数の管材２１〜２９は、いずれも横断面が真円形状である円筒状に形成され、伝熱性の高い金属で形成される。この複数の管材２１〜２９は、容器２０の内側から外側に順に配置されている。なお、本実施形態では、一例として九個の管材２１〜２９により容器２０を構成しているが、他の個数（８個以下、１０個以上）の管材により容器を構成してもよい。

容器２０の内側から一番目の管材２１は、燃料電池セルスタック１０の上方から容器２０の上端部に亘って設けられている。二番目の管材２２及び三番目の管材２３は、一番目の管材２１の上部に対応する長さで形成されており、二番目の管材２２は、一番目の管材２１の外側から管材２１の上部に接合されている。四番目の管材２４は、容器２０の高さ方向の中央部に設けられており、五番目の管材２５及び六番目の管材２６は、容器２０の下端部から上端部に亘って設けられている。七番目の管材２７、八番目の管材２８、及び、九番目の管材２９は、容器２０の高さ方向の中央部から上端部に亘って設けられている。

六番目の管材２６と七番目の管材２７とは、水平方向に延びる連結部３１を介して連結され、五番目の管材２５と八番目の管材２８とは、水平方向に延びる連結部３２を介して連結されている。また、九番目の管材２９の上端部は、水平方向に延びる連結部３３を介して三番目の管材２３の上部側面に固定されている。

五番目の管材２５の下端部は、底壁部３４に固定されており、六番目の管材２６の下端部は、底壁部３５に固定されている。底壁部３４には、燃料電池セルスタック１０が載置されており、また、底壁部３４と底壁部３５とは、スペーサ３６により固定されている。

この複数の管材２１〜２９によって構成される容器２０は、機能別には、気化部４０と、改質部６０と、燃焼部９０と、予熱部１００と、熱交換部１１０とを有する。

＜気化部＞
気化部４０は、図２にも示されるように、四重の筒状壁４１〜４４によって構成されている。四重の筒状壁４１〜４４のうち最も内側に位置する筒状壁４１は、一番目の管材２１の上部と、二番目の管材２２とによって構成され、四重の筒状壁４１〜４４のうち内側から二番目の筒状壁４２は、三番目の管材２３によって構成されている。また、四重の筒状壁４１〜４４のうち内側から三番目の筒状壁４３は、五番目の管材２５の上部によって構成され、四重の筒状壁４１〜４４のうち最も外側の筒状壁４４は、六番目の管材２６の上部によって構成されている。
なお、本実施形態では、一例として四重の筒状壁４１〜４４により気化部４０を構成しているが、他の個数（３個以下、５個以上）の筒状壁により気化部を構成してもよい。

この四重の筒状壁４１〜４４によって構成された気化部４０は、後述する改質部６０の上方に改質部６０と同軸上に設けられている。この気化部４０を構成する四重の筒状壁４１〜４４は、互いの間に隙間を有しており、この四重の筒状壁４１〜４４の内側から外側には、断熱空間４５、気化流路４６、燃焼排ガス流路４７、及び、酸化剤ガス流路４８が順に形成されている。

つまり、一番目の筒状壁４１の内側の空間は、断熱空間４５として形成され、一番目の筒状壁４１と、二番目の筒状壁４２との間の隙間は、気化流路４６として形成されている。また、二番目の筒状壁４２と、三番目の筒状壁４３との間の隙間は、燃焼排ガス流路４７として形成され、三番目の筒状壁４３と、四番目の筒状壁４４との間の隙間は、酸化剤ガス流路４８として形成されている。図２において、断熱空間４５は、空洞とされているが、この断熱空間４５には、断熱材４９が充填されても良い。

気化流路４６は、鉛直方向上側を上流側として形成されており、この気化流路４６には、原燃料供給管５０から供給された原燃料１６１が鉛直方向上側から下側に流れる。この原燃料供給管５０から供給される原燃料１６１としては、炭化水素燃料に改質用水が混合されたものが使用される。また、この原燃料１６１に含まれる炭化水素燃料としては、例えば、都市ガスが好適に用いられるが、プロパンなどの炭化水素を主成分とするガスが用いられても良く、また、炭化水素系液体が用いられても良い。

この気化流路４６には、気化部４０の軸方向回りに螺旋状に形成された螺旋部材５１が設けられており、この螺旋部材５１により、気化流路４６は、気化部４０の軸方向回りに螺旋状に形成されている。

燃焼排ガス流路４７の下端部は、後述する改質部６０に形成された燃焼排ガス流路６６を介して燃焼部９０に形成された燃焼室９４（図４参照）と連通されている。燃焼排ガス流路４７は、鉛直方向下側を上流側として形成されており、この燃焼排ガス流路４７には、燃焼部９０から排出されると共に改質部６０の燃焼排ガス流路６６を通じて供給された燃焼排ガス１６６が鉛直方向下側から上側に流れる。

燃焼排ガス流路４７の上端部には、この燃焼排ガス流路４７の周方向に沿って環状に形成された整流板５２が設けられている。この整流板５２には、周方向に間隔を空けて複数のオリフィス５３が形成されている。この複数のオリフィス５３は、整流板５２の板厚方向に貫通している。なお、この整流板５２は、省かれても良い。

酸化剤ガス流路４８の上端部は、後述する熱交換部１１０に形成された酸化剤ガス流路１１７と連通されている。この酸化剤ガス流路４８は、鉛直方向上側を上流側として形成されており、この酸化剤ガス流路４８には、熱交換部１１０の酸化剤ガス流路１１７から供給された酸化剤ガス１６４が鉛直方向上側から下側に流れる。

＜改質部＞
改質部６０は、上述の気化部４０の下方に設けられた四重の筒状壁６１〜６４によって構成されている。四重の筒状壁６１〜６４のうち最も内側に位置する筒状壁６１は、一番目の管材２１の下部によって構成され、四重の筒状壁６１〜６４のうち内側から二番目の筒状壁６２は、四番目の管材２４によって構成されている。また、四重の筒状壁６１〜６４のうち内側から三番目の筒状壁６３は、五番目の管材２５における高さ方向の中央部によって構成され、四重の筒状壁６１〜６４のうち最も外側の筒状壁６４は、六番目の管材２６における高さ方向の中央部によって構成されている。

この四重の筒状壁６１〜６４によって構成された改質部６０は、後述する燃焼部９０（図４参照）の上方に燃焼部９０と同軸上に設けられている。この改質部６０を構成する四重の筒状壁６１〜６４は、互いの間に隙間を有している。そして、この四重の筒状壁６１〜６４の内側から外側には、断熱空間６５、燃焼排ガス流路６６、改質流路６７、及び、酸化剤ガス流路６８が順に形成されている。
なお、本実施形態では、一例として四重の筒状壁６１〜６４により改質部６０を構成しているが、他の個数（３個以下、５個以上）の筒状壁により改質部を構成してもよい。

つまり、一番目の筒状壁６１の内側の空間は、断熱空間６５として形成され、一番目の筒状壁６１と、二番目の筒状壁６２との間の隙間は、燃焼排ガス流路６６として形成されている。また、二番目の筒状壁６２と、三番目の筒状壁６３との間の隙間は、改質流路６７として形成され、三番目の筒状壁６３と、四番目の筒状壁６４との間の隙間は、酸化剤ガス流路６８として形成されている。

断熱空間６５は、上述の気化部４０の断熱空間４５と連通している。図３において、断熱空間６５は、空洞とされているが、この断熱空間６５には、断熱材６９が充填されても良い。燃焼排ガス流路６６の下端部は、後述する燃焼部９０に形成された燃焼室９４（図４参照）と連通されている。燃焼排ガス流路６６は、鉛直方向下側を上流側として形成されており、この燃焼排ガス流路６６には、後述する燃焼部９０から排出された燃焼排ガス１６８が鉛直方向下側から上側に流れる。

＜混合部及び分散部＞
改質部６０の上端部には、鉛直方向上側に延長された混合部８０が形成されている。この混合部８０は、気化部４０と改質部６０との間、すなわち、より具体的には、改質部６０の上側且つ気化部４０の下端部の径方向外側に位置する。気化部４０の下端部における周方向の一部からは、連結管８１が径方向外側に延びている。連結管８１は、混合部８０における気化部４０との接続部を構成しており、この連結管８１の内側は、水平方向に貫通するオリフィス８２として形成されている。連結管８１（オリフィス８２）は、気化流路４６の径方向外側に位置しており、気化流路４６の下端部と連通する。混合部８０は、連結管８１（オリフィス８２）を一つのみ有する。混合部８０には、オリフィス８２に対する改質流路６７側（径方向外側）に位置しオリフィス８２と対向する対向壁部８６が設けられている。

改質流路６７の入口（上端）は、混合部８０及び連結管８１を介して気化流路４６と連通されている。改質流路６７は、鉛直方向上側を上流側として形成されており、この改質流路６７には、気化流路４６から供給された原燃料ガス１６２が鉛直方向上側から下側に流れる。

この改質流路６７の入口には、改質流路６７の周方向に沿って環状に形成された仕切板８３が設けられている。この仕切板８３には、周方向に一定の間隔を空けて複数のオリフィス８４が形成されている。この複数のオリフィス８４は、仕切板８３の板厚方向（鉛直方向）に貫通しており、改質流路６７には、複数のオリフィス８４を通じて原燃料ガス１６２が流入する。この仕切板８３は、鉛直方向に間隔を空けて複数設けられていても良い。

改質流路６７には、原燃料ガス１６２から燃料ガス１６３を生成するための改質触媒層７０が改質流路６７の周方向及び軸方向の全長に亘って設けられている。改質触媒層７０には、例えば、活性金属としてニッケル、ルテニウム、白金、ロジウム等の金属を担持した粒状触媒又はハニカム触媒等が用いられる。

酸化剤ガス流路６８の上端部は、上述の気化部４０に形成された酸化剤ガス流路４８と連通されている。この酸化剤ガス流路６８は、鉛直方向上側を上流側として形成されており、この酸化剤ガス流路６８には、気化部４０の酸化剤ガス流路４８から供給された酸化剤ガス１６４が鉛直方向上側から下側に流れる。

＜燃焼部＞
図４に示されるように、燃焼部９０は、上述の改質部６０の下方に設けられており、周壁部９１と、点火電極９２と、隔壁部９３とを有する。周壁部９１は、上述の改質部６０を構成する四重の筒状壁６１〜６４のうち最も内側の筒状壁６１を除く残りの筒状壁６２〜６４で一体に形成されている。

つまり、四重の筒状壁６１〜６４のうち最も内側の筒状壁６１を除く残りの筒状壁６２〜６４は、内側の筒状壁６１に対して下方に延びている。そして、この筒状壁６２〜６４における下方に延びた延長部分は、燃焼部９０の周壁部９１として形成されている。この周壁部９１を構成する三重の筒状壁６２〜６４において、筒状壁６２と筒状壁６３との間には、改質部６０の改質流路６７が延長して形成されており、筒状壁６３と筒状壁６４との間には、改質部６０の酸化剤ガス流路６８が延長して形成されている。

この周壁部９１は、燃料電池セルスタック１０の上方に位置すると共に、後述する燃料電池セルスタック１０の周囲を囲う予熱部１００と同軸上に設けられている。この周壁部９１の内側は、燃焼室９４として形成されており、この燃焼室９４は、後述する予熱部１００の内側空間１０４と、上述の改質部６０の燃焼排ガス流路６６とに連通されている。

周壁部９１の内側には、テーパ部９５が設けられている。このテーパ部９５は、上述の改質部６０を構成する四重の筒状壁６１〜６４のうち最も内側の筒状壁６１の下端部に一体に形成されている。このテーパ部９５は、改質部６０の側から燃焼部９０の側に突出すると共に、燃焼部９０の側から改質部６０の側に向かうに従って拡径するテーパ状に形成されている、

点火電極９２は、テーパ部９５の先端部（下端部）から燃焼室９４内に突出されており、燃焼室９４の中心部に配置されている。この点火電極９２は、燃料電池セルスタック１０の上方に燃料電池セルスタック１０と離間して設けられている。上述の気化部４０及び改質部６０を構成する一番目の管材２１の内側には、パイプ１５０が収容され、このパイプ１５０の内側には、点火電極９２と接続され碍子で絶縁された導電部１５１が挿入されている。

隔壁部９３は、周壁部９１の内周面に沿って環状に形成されている。この隔壁部９３は、点火電極９２と燃料電池セルスタック１０との間に開口する絞り孔９６を有している。この絞り孔９６には、燃料電池セルスタック１０から排出されたスタック排ガス１６５が通過する。絞り孔９６を通過したスタック排ガス１６５は、点火電極９２とパイプ１５０等との間に形成されるスパークによって燃焼される。燃焼室９４にて発生した燃焼排ガス１６６は、上方（燃料電池セルスタック１０と反対側）に排出され、テーパ部９５に沿って改質部６０の燃焼排ガス流路６６に流入する。

＜予熱部＞
予熱部１００（収容部）は、燃焼部９０の下方に設けられた二重の筒状壁１０１，１０２によって構成されている。二重の筒状壁１０１，１０２のうち内側の筒状壁１０１は、五番目の管材２５の下部によって構成され、二重の筒状壁１０１，１０２のうち外側の筒状壁１０２は、六番目の管材２６の下部によって構成されている。

この予熱部１００は、燃料電池セルスタック１０の周囲に設けられており、燃料電池セルスタック１０を収容している。予熱部１００の内側には、内側空間１０４が形成されており、予熱部１００を構成する二重の筒状壁１０１，１０２の間には、予熱流路１０５が形成されている。

この予熱流路１０５には、予熱部１００の軸方向回りに螺旋状に形成された螺旋部材１０６が設けられており、この螺旋部材１０６により、予熱流路１０５は、予熱部１００の軸方向回りに螺旋状に形成されている。

この予熱流路１０５の上端部は、上述の改質部６０の酸化剤ガス流路６８と連通され、予熱流路１０５の下端部は、図１に示される底壁部３４と底壁部３５との間に形成された導入路３７を通じて燃料電池セルスタック１０の酸化剤ガス取入口１５と連通されている。予熱流路１０５は、鉛直方向上側を上流側として形成されており、この予熱流路１０５には、改質部６０の酸化剤ガス流路６８を通じて供給された酸化剤ガス１６４が鉛直方向上側から下側に流れる。

予熱部１００の内側（筒状壁１０２の内側）には、上述の改質流路６７と、燃料電池セルスタック１０の燃料ガス取入口１６（図１参照）とを接続する燃料ガス配管１０７が設けられている。改質流路６７と燃料ガス配管１０７の内側とは、改質流路６７の下端部に設けられたオリフィス９８を通じて連通されている。改質流路６７の出口付近には、温度センサＳ２が設けられている。

燃料ガス配管１０７は、オリフィス９８と連通する上端から下方へ延出されている。燃料ガス配管１０７の最も低い部分には、水分離部１７が設けられている。水分離部１７は、燃料ガス配管１０７と連続する空間を有し、燃料ガス取入口１６よりも下側、且つ、予熱部１００の内側に形成されている。水分離部１７は、燃料電池セルスタック１０の径方向外側かつ水平方向からみて燃料電池セルスタック１０と重なり合う位置に配置されている。燃料ガス１６３に液相の水が含まれている場合、当該水は水分離部１７へ落ちて燃料ガス１６３から分離される。

水分離部１７の底部には、底壁部３４及び底壁部３５を貫通して予熱部１００の外に連通する排出流路１８が接続されている。排出流路１８は、水貯留部１９と接続されている。水貯留部１９は、予熱部１００及び円筒状の本体部１４１の外に配置されている。水貯留部１９には排出流路１８から排出された凝縮水が貯留される。

水貯留部１９には、貯留された水の水位を検知する水位センサＳ１が設けられている。また、水貯留部１９には、排気管Ｐ１及び水排出管Ｐ２が接続されている。排気管Ｐ１には開閉バルブＶ１が設けられ、水排出管Ｐ２には、開閉バルブＶ２が設けられている。排気管Ｐ１は、水貯留部１９の上部に形成され、水貯留部１９に流入した気体を排気可能とされている。水排出管Ｐ２は、水貯留部１９の下部に接続されており、水貯留部１９の水は、水排出管Ｐ２へ排出された後、不図示のラインを介して原燃料供給管５０へ供給可能とされている。

水位センサＳ１、温度センサＳ２、開閉バルブＶ１、Ｖ２は、制御部ＳＳと接続されている。制御部ＳＳは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、メモリ等を含んで構成されている。メモリには、運転時の処理に必要なデータや手順等が記憶されている。水位センサＳ１は、検知した水位を制御部ＳＳへ出力する。温度センサＳ２は、検知した温度を制御部ＳＳへ出力する。開閉バルブＶ１、Ｖ２は、制御部ＳＳにより開閉が制御される。

＜熱交換部＞
図１に示されるように、熱交換部１１０は、上述の改質部６０及び気化部４０の周囲に設けられた三重の筒状壁１１１〜１１３によって構成されている。三重の筒状壁１１１〜１１３における内側の筒状壁１１１は、七番目の管材２７によって構成され、三重の筒状壁１１１〜１１３における中央の筒状壁１１２は、八番目の管材２８によって構成され、三重の筒状壁１１１〜１１３における外側の筒状壁１１３は、九番目の管材２９によって構成されている。
なお、本実施形態では、一例として三重の筒状壁１１１〜１１３により熱交換部１１０を構成しているが、他の個数（２個以下、４個以上）の筒状壁により熱交換部を構成してもよい。

この熱交換部１１０を構成する三重の筒状壁１１１〜１１３は、互いの間に隙間を有している。そして、内側の筒状壁１１１と中央の筒状壁１１２との間には、酸化剤ガス流路１１８が形成され、外側の筒状壁１１３と中央の筒状壁１１２との間には、燃焼排ガス流路１１７が形成されている。

酸化剤ガス流路１１８には、熱交換部１１０の軸方向回りに螺旋状に形成された螺旋部材１２１が設けられており、この螺旋部材１２１により、酸化剤ガス流路１１８は、熱交換部１１０の軸方向回りに螺旋状に形成されている。同様に、燃焼排ガス流路１１７には、熱交換部１１０の軸方向回りに螺旋状に形成された螺旋部材１２０が設けられており、この螺旋部材１２０により、燃焼排ガス流路１１７は、熱交換部１１０の軸方向回りに螺旋状に形成されている。

酸化剤ガス流路１１８の下端部には、容器２０の径方向外側に延びる酸化剤ガス供給管１２２（図１参照）が接続されている。連結部３１と連結部３２との間の隙間は、容器２０の径方向に延びる連結流路３８として形成されており、酸化剤ガス流路１１８の上端部は、連結流路３８を介して上述の気化部４０に形成された酸化剤ガス流路４８と連通されている。酸化剤ガス流路１１８は、鉛直方向下側を上流側として形成されており、この酸化剤ガス流路１１８には、酸化剤ガス供給管１２２（図１参照）から供給された酸化剤ガス１６４が鉛直方向下側から上側に流れる。

また、連結部３２と連結部３３との間の隙間は、容器２０の径方向に延びる連結流路３９として形成されており、燃焼排ガス流路１１７の上端部は、連結流路３９を介して上述の気化部４０に形成された燃焼排ガス流路４７と連通されている。この燃焼排ガス流路１１７の下端部には、容器２０の径方向外側に延びるガス排出管１２３（図１参照）が接続されている。燃焼排ガス流路１１７は、鉛直方向上側を上流側として形成されており、この燃焼排ガス流路１１７には、気化部４０の燃焼排ガス流路４７から供給された燃焼排ガス１６８が鉛直方向上側から下側に流れる。

＜断熱層＞
図１に示されるように、改質部６０及び気化部４０と、熱交換部１１０とは、容器２０の径方向に離間しており、この改質部６０及び気化部４０と熱交換部１１０との間には、円筒状の断熱層１３０が介在されている。この断熱層１３０は、気化部４０及び改質部６０を外側から覆っている。

＜断熱材＞
断熱材１４０は、円筒状の本体部１４１と、円盤状の上部１４２及び下部１４３とを有し、容器２０を覆っている。つまり、本体部１４１は、容器２０の周囲に設けられており、容器２０を外側から覆っている。上部１４２は、本体部１４１を鉛直方向上側から覆うと共に、容器２０の上部の周囲に設けられている。上部１４２は、鉛直方向上側から固定部材１４４により固定されている。下部１４３は、容器２０及び本体部１４１を鉛直方向下側から覆っている。この断熱材１４０の表面は、被覆シート１４５によって覆われている。

次に、第１実施形態に係る燃料電池モジュールＭ１の動作について説明する。

炭化水素系燃料と改質用水とが混合された原燃料１６１は、図２に示される原燃料供給管５０へ供給されると、原燃料供給管５０内を流れ、気化流路４６へ流入する。そして、この原燃料１６１は、螺旋状に形成された気化流路４６を鉛直方向上側から下側へ流れる。このとき、気化部４０では、燃焼部９０（図４参照）から排出された燃焼排ガス１６６が燃焼排ガス流路４７を鉛直方向下側から上側に流れる。気化流路４６に隣接する燃焼排ガス流路４７に燃焼排ガス１６６が流れると、気化流路４６を流れる原燃料１６１と燃焼排ガス１６６との間で熱交換される（燃焼排ガス１６６から原燃料１６１に気化熱が与えられる）。そして、気化流路４６では、原燃料１６１が気化されて原燃料ガス１６２（図３参照）が生成される。

図３に示されるように、気化流路４６で気化された原燃料ガス１６２は、連結管８１の内側に形成されたオリフィス８２を通り、改質部６０の上方に形成された混合部８０の内側空間８５に流入する。このとき、気化流路４６で気化された原燃料ガス１６２は、連結管８１の内側のオリフィス８２を通過する際に流速が高められて噴流となり、混合部８０における径方向外側の対向壁部８６に衝突する。そして、原燃料ガス１６２が対向壁部８６に衝突することにより乱流が生じ、原燃料ガス１６２に含まれる炭化水素系ガス及び水蒸気が混合される。

このようにして混合された原燃料ガス１６２は、対向壁部８６に衝突することにより径方向外側から鉛直方向下側に向きを変え、改質流路６７の入口に形成された複数のオリフィス８４を通じて改質流路６７に流入する。複数のオリフィス８４は、改質流路６７の周方向に一定の間隔を空けて並んでいるので、この複数のオリフィス８４を通過することで、改質流路６７には、原燃料ガス１６２が周方向に分散して流入する。

また、このとき、改質部６０では、燃焼部９０（図４参照）から排出された燃焼排ガス１６６が燃焼排ガス流路６６を鉛直方向下側から上側に流れる。改質流路６７に隣接する燃焼排ガス流路６６に燃焼排ガス１６６が流れると、改質流路６７を流れる原燃料ガス１６２と燃焼排ガス１６６との間で熱交換される。そして、改質流路６７では、燃焼排ガス１６６の熱を利用して改質触媒層７０により原燃料ガス１６２から燃料ガス１６３（改質ガス）が生成される。

改質流路６７にて生成された燃料ガス１６３は、図４に示されるように、仕切板９７に形成されたオリフィス９８を通過し、燃料ガス配管１０７の内側に流入する。そして、この燃料ガス１６３は、燃料ガス配管１０７を通じて燃料電池セルスタック１０の燃料ガス取入口１６（図１参照）に供給される。

ここで、燃料ガス１６３に含まれる水が凝縮した場合、凝縮した水は水分離部１７へ落ち、排出流路１８から排出され、水貯留部１９へ貯留される。水貯留部１９の水位は、水位センサＳ１で検知され、制御部ＳＳへ出力される。検知された水位Ｌが、水排出管Ｐ２の取付部分の水位Ｌ１よりも高い場合に、制御部ＳＳは、開閉バルブＶ２を開放する。また、検知された水位が水位Ｌ１以下となった場合に、制御部ＳＳは、開閉バルブＶ２を閉鎖する。開閉バルブＶ２が開放されると、水貯留部１９から水排出管Ｐ２へ水が排出され、排出された水は、不図示のポンプ等により流量調整されつつ、原燃料供給管５０へ供給される。

また、制御部ＳＳは、燃料電池モジュールＭ１の起動時に、水貯留部１９に残留する気体を抜く。これは、定常運転中に水貯留部１９から排出流路１８を通って気体が逆流し、燃料電池セルスタック１０へ流入することが考えられ、残留気体に空気が混在していると、燃料電池セルスタック１０を劣化させる可能性があるためである。具体的には、温度センサＳ２から出力された所定の改質温度（例えば６００°程度）を超えた場合に、開閉バルブＶ１を開放して、水貯留部１９内の残留気体を改質流路６７から送出される燃料ガスと置換し、その後、開閉バルブＶ１を閉鎖する。

一方、図１に示される熱交換部１１０では、酸化剤ガス供給管１２２を通じて酸化剤ガス流路１１７に酸化剤ガス１６４が供給される。この酸化剤ガス１６４は、螺旋状に形成された酸化剤ガス流路１１７を鉛直方向下側から上側に流れる。このとき、熱交換部１１０では、燃焼部９０から排出された燃焼排ガス１６６が燃焼排ガス流路１１８を鉛直方向上側から下側に流れる。この燃焼排ガス１６６は、ガス排出管１２３を通じて燃料電池モジュールＭ１の外部に排出される。

図３に示されるように、酸化剤ガス流路１１７に隣接する燃焼排ガス流路１１８に燃焼排ガス１６６が流れると、酸化剤ガス流路１１７を流れる酸化剤ガス１６４と燃焼排ガス１６６との間で熱交換される。そして、燃料電池モジュールＭ１の外部へ排出される燃焼排ガス１６６の温度が低下され、燃料電池モジュールＭ１の外部への放熱が抑制される。一方、酸化剤ガス１６４は、燃焼排ガス１６６の熱を吸収し、予熱される。この熱交換部１１０にて予熱された酸化剤ガス１６４は、連結流路３８を通じて気化部４０の酸化剤ガス流路４８に流入し、その後、気化部４０の酸化剤ガス流路４８及び改質部６０の酸化剤ガス流路６８を鉛直方向上側から下側に流れる。

図２に示される気化部４０では、上述の通り、燃焼部９０から排出された燃焼排ガス１６６が燃焼排ガス流路４７を鉛直方向下側から上側に流れる。酸化剤ガス流路４８に隣接する燃焼排ガス流路４７に燃焼排ガス１６６が流れると、酸化剤ガス流路４８を流れる酸化剤ガス１６４と燃焼排ガス１６６との間で熱交換され、酸化剤ガス１６４がさらに予熱される。

同様に、改質部６０では、燃焼部９０から排出された燃焼排ガス１６６が燃焼排ガス流路６６を鉛直方向下側から上側に流れる。改質流路６７を挟んだ酸化剤ガス流路６８と反対側の燃焼排ガス流路６６に燃焼排ガス１６６が流れると、酸化剤ガス流路６８を流れる酸化剤ガス１６４と燃焼排ガス１６６とが改質流路６７（改質触媒層７０）を介して熱交換し、このことによっても、酸化剤ガス１６４が予熱される。

このように酸化剤ガス流路４８，６８を流れることで予熱された酸化剤ガス１６４は、図１に示される予熱流路１０５に流入し、この螺旋状に形成された予熱流路１０５を鉛直方向上側から下側に流れる。この予熱流路１０５を流れる酸化剤ガス１６４は、燃料電池セルスタック１０の熱によってさらに予熱される。そして、この予熱流路１０５にて予熱された酸化剤ガス１６４は、燃料電池セルスタック１０の酸化剤ガス取入口１５に供給される。

以上のようにして、燃料電池セルスタック１０の燃料ガス取入口１６に燃料ガスが供給されると共に、燃料電池セルスタック１０の酸化剤ガス取入口１５に酸化剤ガスが供給されると、燃料電池セルスタック１０では、各セル１２において、酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応により発電する。また、各セル１２は、発電に伴い発熱する。

燃料電池セルスタック１０からは、燃料極排ガス及び空気極排ガスを含むスタック排ガス１６５が排出される。この燃料電池セルスタック１０から排出されたスタック排ガス１６５は、隔壁部９３に形成された絞り孔９６を通じて燃焼部９０の内側に形成された燃焼室９４に流入する。このとき、燃料極排ガス及び空気極排ガスを含むスタック排ガス１６５は、絞り孔９６を通過することで混合される。

この燃焼室９４に流入したスタック排ガス１６５には、各セル１２において未反応の水素及び酸素が含まれており、この水素を含むスタック排ガス１６５は、点火電極９２とパイプ１５０等との間に形成されるスパークによって燃焼される。点火電極９２は、燃料電池セルスタック１０と鉛直方向に離間しているため、スタック排ガス１６５は、燃料電池セルスタック１０から離れた位置で燃焼される。

そして、このようにして燃焼室９４においてスタック排ガス１６５が燃焼されると、燃焼室９４にて燃焼排ガス１６６が発生する。この燃焼室９４にて発生した燃焼排ガス１６６は、上方（燃料電池セルスタック１０と反対側）に排出され、テーパ部９５に沿って改質部６０の燃焼排ガス流路６６に流入する。また、この燃焼部９０から排出され改質部６０の燃焼排ガス流路６６に流入した燃焼排ガス１６６は、上述の通り、改質部６０の燃焼排ガス流路６６、気化部４０の燃焼排ガス流路４７、連結流路３９及び熱交換部１１０の燃焼排ガス流路１１８を流れた後、ガス排出管１２３を通じて燃料電池モジュールＭ１の外部に排出される。

次に、本発明の第一実施形態の作用及び効果について説明する。

以上詳述したように、第１実施形態の燃料電池モジュールＭ１によれば、燃料ガス配管１０７の最も低い部分には、水分離部１７が設けられている。燃料ガス１６３に含まれた水蒸気が燃料ガス配管１０７で凝縮する場合や、原燃料供給管５０から供給された液相の水が気化されずに改質流路６７から排出された場合に、燃料ガス１６３に液相の水が含まれるが、当該水は水分離部１７へ落ちて燃料ガス１６３から分離される。したがって、燃料電池セルスタック１０へ液相の水が流入することを抑制することができる。

また、水分離部１７は、燃料電池セルスタック１０との接続部である燃料ガス取入口１６よりも鉛直方向下側に配置されているので、水分離部１７で分離された水が燃料ガス取入口１６へ流入することを抑制することができる。

また、水分離部１７は、燃料電池セルスタック１０の径方向外側かつ水平方向からみて燃料電池セルスタック１０と重なり合う位置に配置されているので、予熱部１００の上下方向の空間を広げることなく水分離部１７を配置することができる。

また、水分離部１７の底部には、予熱部１００の外に連通する排出流路１８が接続されており、排出流路１８は、水貯留部１９と接続されているので、分離した水を予熱部１００の外側へ排出することができると共に、当該水を水貯留部１９に貯留することができる。

さらに、水貯留部１９に貯留された水を原燃料供給管５０へ供給するので、排出流路１８から排出された水を改質水として再利用することにより、改質水の新規供給量を抑制することができる。

なお、本実施形態では、水貯留部１９に排気管Ｐ１を設けたが、排気管Ｐ１は必須の構成ではない。水貯留部１９に残留する気体を燃料ガスに置換する方法として、開閉バルブＶ２を閉鎖して、起動時に水貯留部１９を満水（気体が貯留されない状態）にし、その後、温度センサＳ２から出力された所定の改質温度（例えば６００°程度）を超えた場合に、開閉バルブＶ２を開放して燃料ガスを水貯留部１９へ流入させてもよい。

また、本実施形態では、水貯留部１９を設けて、水分離部１７で分離した水を貯留したが、水貯留部１９は必須の構成ではない。水貯留部１９を設けずに、排出流路１８からの水を廃棄してもよい。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について説明する。なお、本実施形態では、第１実施形態と同様の部分については、同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。本実施形態では、第１実施形態と比較して、水分離部の位置が異なっている。

図６に示すように、本実施形態の燃料電池モジュールＭ２の水分離部１７−２は、燃料電池セルスタック１０の下側に設けられている。水分離部１７−２は、燃料ガス配管１０７と連続する空間を有し、燃料ガス配管１０７の下流端を構成している。燃料ガス取入口１６は、水分離部１７−２の上側に設けられている。水分離部１７−２は、予熱部１００の軸方向から見て燃料電池セルスタック１０と重なり合う位置に配置されている。燃料ガス１６３に液相の水が含まれている場合、当該水は水分離部１７−２へ落ちて燃料ガス１６３から分離される。

水分離部１７−２の底部には、底壁部３４及び底壁部３５を貫通して予熱部１００の外に連通する排出流路１８が接続されている。排出流路１８よりも下流側の構成は、第１実施形態と同様である。

本実施形態の原燃料供給管５０−２についても、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。また、水分離部１７−２は、燃料電池セルスタック１０の下側かつ予熱部１００の軸方向から見て燃料電池セルスタック１０と重なり合う位置に配置されているので、予熱部１００の径方向の空間を広げることなく水分離部１７−２を配置することができる。

以上、本発明の第１、第２実施形態について説明したが、本発明は、上記に限定されるものでなく、上記以外にも、その主旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施可能であることは勿論である。

Ｍ１、Ｍ２ 燃料電池モジュール
１０ 燃料電池セルスタック
１６ 燃料ガス取入口（接続部）
１７ 水分離部、 １８ 排出流路、 １９ 水貯留部
２１、２４、２５ 管体（筒状壁）
１００ 予熱部（収容部）
９０ 燃焼部
６０ 改質部、 ６７ 改質流路
６６ 燃焼排ガス流路
１０７ 燃料ガス配管（燃料ガス供給路）

Claims (8)

1. 酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池セルスタックと、
   前記燃料電池セルスタックを収容する収容部と、
   前記燃料電池セルスタックの上方に設けられ、前記燃料電池セルスタックから排出されたスタック排ガスを燃焼し、燃焼排ガスを排出する燃焼部と、
   前記燃料電池セルスタックよりも上方に設けられ、前記燃焼排ガスの熱を利用して原燃料ガスから水蒸気改質により前記燃料ガスを生成するための改質触媒層が設けられた改質流路を有する改質部と、
   前記収容部内に設けられ、前記改質流路から送出された前記燃料ガスを前記燃料電池セルスタックへ供給する燃料ガス供給路と、
   前記燃料ガス供給路に設けられ、液相の水を前記燃料ガスから分離する水分離部と、
   を備えた燃料電池モジュール。
2. 前記燃料ガス供給路は、前記燃料電池セルスタックと接続部で接続され、前記水分離部は、前記接続部よりも鉛直方向下側に配置されている、請求項１に記載の燃料電池モジュール。
3. 前記収容部は筒状とされ、前記燃焼排ガスを通過させる燃焼排ガス流路、及び前記改質流路は、前記収容部と同軸配置され互いの間に隙間を有する少なくとも三重の筒状とされた筒状壁によって構成されている、請求項１または請求項２に記載の燃料電池モジュール。
4. 前記水分離部は、前記燃料電池セルスタックの水平方向外側かつ水平方向からみて前記燃料電池セルスタックと重なり合う位置に配置されている、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池モジュール。
5. 前記水分離部は、前記燃料電池セルスタックの鉛直方向下側かつ鉛直方向からみて前記燃料電池セルスタックと重なり合う位置に配置されている、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池モジュール。
6. 前記水分離部で分離された水を前記収容部から排出させる排出流路、を備えた請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池モジュール。
7. 前記収容部の外に設けられ、前記排出流路から排出された水を貯留する水貯留部、を備えた請求項６に記載の燃料電池モジュール。
8. 前記水貯留部に貯留された水を改質水として前記改質流路へ供給する、請求項７に記載の燃料電池モジュール。