JP2024049875A - 燃料電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池スタックを横置きとしつつ締結作業の作業性を確保する。【解決手段】燃料電池モジュールは、平板型の単セルが複数積層されて横置きされた燃料電池スタックと、改質部と燃焼部とを有する改質ユニットと、アノードガスの改質ユニット側の導出口と燃料電池スタック側の導入口とをフランジ接続する第１接続部と、カソードガスの改質ユニット側の導出口と燃料電池スタック側の導入口とをフランジ接続する第２接続部と、アノードオフガスの燃料電池スタック側の導出口と燃焼部側の導入口とをフランジ接続する第３接続部と、カソードオフガスの燃料電池スタック側の導出口と燃焼部側の導入口とをフランジ接続する第４接続部と、を備える。改質ユニットは、燃料電池スタックの上方に配置され、第１から第４接続部を上方に露出させる。【選択図】図４

Description

本開示は、燃料電池モジュールに関する。

従来、アノードガスとカソードガスとの電気化学反応により発電する平板型の単セルを複数積層して構成された燃料電池スタックと、水蒸気を用いて原燃料ガスをアノードガスに改質する改質部と、燃料電池スタックから排出されるアノードオフガスとカソードオフガスを燃焼させて改質器を加熱する燃焼部とを備える燃料電池モジュールが提案されている。例えば、特許文献１には、単セルの積層方向が鉛直方向となるように燃料電池スタックを横置きとし、その上方に改質部や燃焼部を配置するものが記載されている。

特願２０１９－２０６１０２号

上述したように、燃料電池スタックを横置きとして上方に改質部などを配置することで燃料電池モジュールコンパクトに構成することができるものの、各ガスの配管が改質部などで覆われるため、作業者は、配管接続部の締結作業を側方から行う必要がある。しかし、側方からでは作業性が低下して締結不良が生じやすくなる。締結不良によるシール性の低下を防止するために、接続部に流体継手などを用いることも考えられるが、コストが増加してしまう。一方で、燃料電池セルの積層方向が水平方向となるように燃料電池スタックを縦置きすることも考えられるが、高さ方向のコンパクト化が困難となり、重心が高くなるなどの別の問題が生じる。

本開示は、燃料電池スタックを横置きとして燃料電池モジュールをコンパクト化しつつ締結作業の作業性を確保することを主目的とする。

本開示は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。

本開示の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平板型の単セルが複数積層されて横置きされた燃料電池スタックと、
水蒸気を用いて原燃料ガスを前記アノードガスに改質する改質部と、前記燃料電池スタックから排出されるアノードオフガスとカソードオフガスとにより燃焼する燃焼部とを有し、前記アノードガスおよび前記カソードガスを前記燃焼部から排出される燃焼排ガスと熱交換してから前記燃料電池スタックに供給する改質ユニットと、
前記アノードガスの前記改質ユニット側の導出口と前記燃料電池スタック側の導入口とをフランジ接続する第１接続部と、
前記カソードガスの前記改質ユニット側の導出口と前記燃料電池スタック側の導入口とをフランジ接続する第２接続部と、
前記アノードオフガスの前記燃料電池スタック側の導出口と前記燃焼部側の導入口とをフランジ接続する第３接続部と、
前記カソードオフガスの前記燃料電池スタック側の導出口と前記燃焼部側の導入口とをフランジ接続する第４接続部と、
を備え、
前記改質ユニットは、前記燃料電池スタックの上方に配置され、前記第１から第４接続部を上方に露出させる、
ことを要旨とする。

本開示の燃料電池モジュールでは、改質ユニットが、燃料電池スタックの上方に配置され、第１から第４接続部を上方に露出させる。これにより、第１から第４接続部の各フランジの締結作業を上方から行うことができるため、作業性を向上させて締結トルクを確保することができる。このため、流体継手などを用いる必要がなくコストの低減を図ることができる。また、燃料電池スタックを横置きして、その上方に改質ユニットを配置することで、燃料電池モジュールをコンパクトにすることができる。

本開示の燃料電池モジュールにおいて、前記改質ユニットは、前記燃料電池スタックの投影面積内に収まるサイズに形成されているものとしてもよい。燃料電池スタックを横置きしつつ、改質ユニットを燃料電池スタックの投影面積内に収めることで、燃料電池モジュールをよりコンパクトにすることができる。

本開示の燃料電池モジュールにおいて、前記燃料電池スタックは、上面視で長方形状に形成されており、前記改質ユニットは、上面視で前記燃料電池スタックの短辺に収まる外径の円筒形状に形成されており、前記第１から第４接続部は、前記燃料電池スタックの長辺方向において前記改質ユニットを挟んだ両側に２つずつ配置されているものとしてもよい。こうすれば、改質ユニットを挟んだ両側に各接続部を効率よく配置することができるから、燃料電池モジュールをよりコンパクトにすることができる。

本開示の燃料電池モジュールにおいて、前記改質ユニットから排出される前記燃焼排ガスと改質水との熱交換により前記水蒸気を生成し、前記原燃料ガスと前記水蒸気との混合ガスを前記改質部に供給する蒸発部と、前記混合ガスの前記蒸発部側の導出口と前記改質部側の導入口とをフランジ接続する第５接続部と、前記燃焼排ガスの前記改質ユニット側の導出口と前記蒸発部側の導入口とをフランジ接続する第６接続部と、を備え、前記蒸発部は、前記改質ユニットの上方に配置され、前記第５および第６接続部を上方に露出させるように、前記燃料電池スタックの投影面積内に収まるサイズに形成されているものとしてもよい。こうすれば、第５および第６接続部の各フランジの締結作業を上方から行うことができるため、作業性を向上させて締結トルクを確保することができる。また、蒸発部も投影面積内に収めて、燃料電池モジュールをさらにコンパクトにすることができる。

本開示の燃料電池モジュールにおいて、上方から前記改質ユニットの内部に挿入された状態で締結され、前記燃焼部内に点火する点火装置を備え、前記点火装置の締結箇所が上方に露出するように構成されているものとしてもよい。こうすれば、点火装置も含めて、上方から締結作業を行うことができるから、作業性をより向上させることができる。

燃料電池モジュール１０の外観斜視図である。 燃料電池モジュール１０の外観斜視図である。 燃料電池モジュール１０の概略構成図である。 蒸発部１３を除いた燃料電池モジュール１０の上面図である。 燃料電池モジュール１０の上面図である。 燃料電池モジュール１０の分解斜視図である。 燃料電池モジュール１０の分解斜視図である。

次に、本開示の実施形態を図面を用いて説明する。図１，図２は、燃料電池モジュール１０の外観斜視図である。図３は、燃料電池モジュール１０の概略構成図である。なお、本実施形態において、左右方向、前後方向及び上下方向は、図１，２に示す通りとする。図示するように、燃料電池モジュール１０は、燃料電池スタック１１と、蒸発部１３と、改質ユニット２０と、凝縮器５０と、を備える。燃料電池スタック１１は、アノードガス中の水素とカソードガス中の酸素との電気化学反応により発電する。蒸発部１３は、改質水を蒸発させて水蒸気を生成する。改質ユニット２０は、水蒸気改質により原燃料ガス（例えば天然ガスやＬＰガス）を改質してアノードガスを生成する。燃料電池スタック１１と蒸発部１３と改質ユニット２０は、断熱性を有する箱形のモジュールケース１５に収容されている。凝縮器５０は、モジュールケース１５外に設置されている。

燃料電池モジュール１０は、図示しない原燃料ガス供給装置や改質水供給装置、エア供給装置、貯湯タンクと共に燃料電池システムを構成する。原燃料ガス供給装置は、原燃料ガス供給管３０ａにより蒸発部１３に原燃料ガスを供給する。改質水供給装置は、改質水供給管３０ｂにより蒸発部１３に原燃料ガスからアノードガスへの改質（水蒸気改質）に必要な改質水を供給する。エア供給装置は、エア供給管３５により燃料電池スタック１１にカソードガスとしてのエアを供給する。また、貯湯タンクは、燃料電池モジュール１０で発生した熱を回収して貯湯する。

燃料電池スタック１１は、酸化ジルコニウム等の電解質と当該電解質を挟持するアノードおよびカソードとをそれぞれ有する固体酸化物形の単セル１１ａが複数積層されている。燃料電池スタック１１は、単セル１１ａの積層方向が鉛直方向となるように横置きされ、上下両端にエンドプレート１２が設けられている。また、各単セル１１ａのアノードには、アノードガス流路が接続されており、各単セル１１ａのカソードには、カソードガス流路が接続されている。

蒸発部１３は、原燃料ガス供給管３０ａと改質水供給管３０ｂとに接続された供給管３０が接続されている。蒸発部１３には、原燃料ガス供給装置から原燃料ガス供給管３０ａに供給された原燃料ガスと、改質水供給装置から改質水供給管３０ｂに供給された改質水とが、供給管３０から導入される。蒸発部１３は、上側の混合ガス生成部１３ａと、下側の燃焼排ガス流通部１３ｂ（図７参照）とに区画されている。混合ガス生成部１３ａには、供給管３０から原燃料ガスと改質水とが導入される。燃焼排ガス流通部１３ｂには、後述するように燃焼排ガスが導入され、流通した燃焼排ガスを燃焼排ガス排出配管４７に排出する。混合ガス生成部１３ａの内部には、熱伝導率の高い球状の蓄熱部材が複数充填されており、当該蓄熱部材が加熱された状態で改質水が流入されることにより、改質水を蒸発させて水蒸気を生成する。なお、蓄熱部材は、アルミナやステンレス（例えばフェライト系ステンレス）などの材料が用いられる。また、混合ガス生成部１３ａは、導入された原燃料ガスを予熱する。混合ガス生成部１３ａで生成された水蒸気と予熱された原燃料ガスとの混合ガスは、改質ユニット２０（改質部２２）に供給される。

改質ユニット２０は、図１，図２に示すように、略円筒状に形成されており、図３に示すように、改質部２２と燃焼部２３とエア熱交換部２４とを一体に収容する。燃焼部２３、改質部２２、エア熱交換部２４（燃焼排ガス流通部２４ａ、エア流通部２４ｂ）は、有底円筒状に形成されて、同心円状に配置されている。なお、蒸発部１３は、改質ユニット２０とは別体に形成されて、改質ユニット２０の上方に配置されている。

また、改質ユニット２０の上壁の中央には、燃焼部２３内まで延在し、燃焼部２３内に点火するための点火装置２５が設けられている。点火装置２５は、電極や保護管などが取り付けられた上側フランジ部２５１ａを、改質ユニット２０に設けられた下側フランジ部２５２ａ（図６参照）に固定することにより取り付けられている。作業者は、上側フランジ部２５１ａの締結孔２５１ｂおよび下側フランジ部２５２ａの図示しない締結孔に挿通されるボルトなどの締結部材を用いて締結作業を行うことで、点火装置２５を固定する。

燃焼部２３は、燃料としてのアノードオフガスと酸素を含むカソードオフガスとが下部から供給される。燃焼部２３は、図示は省略するが、アノードオフガスを噴射する燃料ノズルと、燃料ノズルの周囲を囲むように筒状に形成されカソードオフガスを供給する供給筒とを有する。

改質部２２は、有底円筒状に形成されており、燃焼部２３の外壁を内壁とする内部空間に、例えばＲｕ系またはＮｉ系の改質触媒（図示略）が配設されている。また、改質部２２は、蒸発部１３（混合ガス生成部１３ａ）からの混合ガス（原燃料ガスおよび水蒸気）が内部空間に供給される。改質部２２は、燃焼部２３からの熱の存在下で、改質触媒による混合ガスの反応（水蒸気改質反応）によって水素ガスと一酸化炭素とを生成する。さらに、改質部２２は、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素と水蒸気との反応（一酸化炭素シフト反応）によって水素ガスと二酸化炭素とを生成する。これにより、改質部２２によって、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気、未改質の原燃料ガス等を含むアノードガスが生成されることになる。生成されたアノードガスは、燃料電池スタック１１の各単セル１１ａのアノードガス流路へ流入し、アノードに供給される。

エア熱交換部２４は、有底円筒状に形成され、燃焼部２３で生成された燃焼排ガスが流通する燃焼排ガス流通部２４ａと、有底円筒状に形成され、エア供給管３５から供給されたエアが流通するエア流通部２４ｂとを有する。燃焼排ガス流通部２４ａは、改質部２２の外壁を内壁とする内部空間を形成する。燃焼排ガス流通部２４ａを流通した燃焼排ガスは、蒸発部１３の燃焼排ガス流通部１３ｂに供給され、燃焼排ガス流通部１３ｂを流通して混合ガス生成部１３ａの改質水や原燃料ガスと熱交換されてから、燃焼排ガス排出配管４７を通って凝縮器５０に供給される。

エア流通部２４ｂは、エア供給装置のエア供給管３５が上部に接続され、カソードガスを燃料電池スタック１１に供給するためのカソードガス供給流路３６ａが側壁部に接続されており、燃焼排ガス流通部２４ａの外壁を内壁とする内部空間を形成する。エア流通部２４ｂを流通するエアは、燃焼排ガス流通部２４ａを流通する燃焼排ガスとの熱交換により昇温させられる。そして、エア熱交換部２４を流通したエアは、カソードガスとしてカソードガス供給流路３６ａから燃料電池スタック１１の各単セル１１ａのカソードガス流路へ流入し、カソードに供給される。

各単セル１１ａのカソードでは、酸化物イオン（Ｏ^2-）が生成され、当該酸化物イオンが電解質を透過してアノードで水素や一酸化炭素と反応することにより電気エネルギが得られる。燃料電池スタック１１の出力端子には、パワーコンディショナの入力端子が接続されており、燃料電池スタック１１の発電電力は、パワーコンディショナにより交流電力に変換されて電気負荷に供給される。

各単セル１１ａにおいて電気化学反応（発電）に使用されなかったアノードガス（以下、「アノードオフガス」という）は、燃焼部２３に供給される。また、各単セル１１ａにおいて電気化学反応（発電）に使用されなかったカソードガス（以下、「カソードオフガス」という）は、燃焼部２３に供給される。アノードオフガスは、水素や一酸化炭素等の燃料成分を含む可燃性ガスであり、燃焼部２３において、酸素を含むカソードオフガスと混合される。そして、点火装置２５により、アノードオフガスとカソードオフガスとの混合ガスに点火して当該混合ガスを燃焼させる。混合ガスが燃焼することにより、燃料電池スタック１１の作動や、蒸発部１３での原燃料ガスの予熱や水蒸気の生成、改質部２２での水蒸気改質反応等に必要な熱が発生することになる。

燃焼部２３において混合ガスの燃焼により生成された燃焼排ガスは、改質ユニット２０のエア熱交換部２４（燃焼排ガス流通部２４ａ）を通過してから、蒸発部１３（燃焼排ガス流通部１３ｂ）を通過する。燃焼排ガスは、それぞれ、水蒸気改質に必要な熱、カソードガス（エア）の昇温に必要な熱、水蒸気の生成に必要な熱を供給した後、燃焼排ガス排出配管４７を通って凝縮器５０に供給される。そして、凝縮器５０へ供給された燃焼排ガスは、貯湯タンクからの湯水との熱交換により冷却させられて燃焼排ガス中に含まれる水蒸気の少なくとも一部が除去された後、大気中に排出される。また、燃焼排ガスに含まれる水蒸気が凝縮されることで得られた水は、改質水タンクに貯留されて改質水として用いられる。

以下、各ガス流路において、導出口と導入口とをガスケットを挟んでフランジ接続する接続部について説明する。図４は、蒸発部１３を除いた燃料電池モジュール１０の上面図である。図５は、燃料電池モジュール１０の上面図である。図６，図７は、燃料電池モジュール１０の分解斜視図である。燃料電池モジュール１０は、接続部として、混合ガス用接続部３１と、アノードガス用接続部３３と、カソードガス用接続部３６と、アノードオフガス用接続部４０と、カソードオフガス用接続部４３と、燃焼排ガス用接続部４５とを備える。なお、各ガス流路に温度センサなどの各種センサの保護管などが取り付けられた箇所もあるが、本開示の要旨をなさないため、それらの説明は省略する。

混合ガス用接続部３１は、蒸発部１３の混合ガス生成部１３ａに連通する混合ガス供給流路３１ａを流通した混合ガスを導出する導出口３１１ｂ（図７参照）と、改質部２２の内部空間に混合ガスを導入する導入口３１２ｂ（図６参照）とをフランジ接続するものである。混合ガス生成部１３ａや混合ガス供給流路３１ａは、金属板のプレス加工により形成されている。また、混合ガス用接続部３１は、導出口３１１ｂの周囲の上側フランジ部３１１ａと、導入口３１２ｂの周囲の下側フランジ部３１２ａとを備える。上側フランジ部３１１ａと下側フランジ部３１２ａは、上側フランジ部３１１ａに形成された締結孔３１１ｃと、下側フランジ部３１２ａに形成された締結孔３１２ｃとに挿通されるボルトなどの締結部材を用いて互いに締結されている。

アノードガス用接続部３３は、改質部２２に連通するアノードガス供給流路３３ａを流通したアノードガスを導出する導出口３３１ｂ（図７参照）と、燃料電池スタック１１の各単セル１１ａのアノードガス流路にアノードガスを導入する導入口３３２ｂ（図６参照）とをフランジ接続するものである。アノードガス供給流路３３ａは、二枚の金属板に凹状に窪んだ流路溝をプレス加工により形成し、各流路溝の一部が互いに重なるように金属板を重ね合わせて形成されている。また、アノードガス用接続部３３は、導出口３３１ｂの周囲の上側フランジ部３３１ａと、導入口３３２ｂの周囲の下側フランジ部３３２ａとを備える。上側フランジ部３３１ａと下側フランジ部３３２ａは、上側フランジ部３３１ａに形成された締結孔３３１ｃと、下側フランジ部３３２ａに形成された締結孔３３２ｃとに挿通されるボルトなどの締結部材を用いて互いに締結されている。

カソードガス用接続部３６は、エア熱交換部２４に連通するカソードガス供給流路３６ａを流通したカソードガスを導出する導出口３６１ｂ（図７参照）と、燃料電池スタック１１の各単セル１１ａのカソードガス流路にカソードガスを導入する導入口３６２ｂ（図６参照）とをフランジ接続するものである。また、カソードガス用接続部３６は、導出口３６１ｂの周囲の上側フランジ部３６１ａと、導入口３６２ｂの周囲の下側フランジ部３６２ａとを備える。上側フランジ部３６１ａと下側フランジ部３６２ａは、上側フランジ部３６１ａに形成された締結孔３６１ｃと、下側フランジ部３６２ａに形成された締結孔３６２ｃとに挿通されるボルトなどの締結部材を用いて互いに締結されている。

アノードオフガス用接続部４０は、燃料電池スタック１１からアノードオフガスを導出する導出口４０２ｂ（図６参照）と、燃焼部２３に連通するアノードオフガス供給流路４０ａにアノードオフガスを導入する導入口４０１ｂ（図７参照）とをフランジ接続するものである。アノードオフガス供給流路４０ａは、二枚の金属板に凹状に窪んだ流路溝をプレス加工により形成し、各流路溝の一部が互いに重なるように金属板を重ね合わせて形成されている。また、アノードオフガス用接続部４０は、導出口４０２ｂの周囲の下側フランジ部４０２ａと、導入口４０１ｂの周囲の上側フランジ部４０１ａとを備える。上側フランジ部４０１ａと下側フランジ部４０２ａは、上側フランジ部４０１ａに形成された締結孔４０１ｃと、下側フランジ部４０２ａに形成された締結孔４０２ｃとに挿通されるボルトなどの締結部材を用いて互いに締結されている。本実施形態では、アノードオフガス供給流路４０ａから分岐して、アノードオフガスの一部を原燃料ガス供給管３０ａに還流するための環流配管４１（図４参照）が設けられている。

カソードオフガス用接続部４３は、燃料電池スタック１１からカソードオフガスを導出する導出口４３２ｂ（図６参照）と、燃焼部２３に連通するカソードオフガス供給流路４３ａにカソードオフガスを導入する導入口４３１ｂ（図７参照）とをフランジ接続するものである。カソードオフガス供給流路４３ａは、二枚の金属板に凹状に窪んだ流路溝をプレス加工により形成し、各流路溝の一部が互いに重なるように金属板を重ね合わせて形成されている。また、カソードオフガス用接続部４３は、導出口４３２ｂの周囲の下側フランジ部４３２ａと、導入口４３１ｂの周囲の上側フランジ部４３１ａとを備える。上側フランジ部４３１ａと下側フランジ部４３２ａは、上側フランジ部４３１ａに形成された締結孔４３１ｃと、下側フランジ部４３２ａに形成された締結孔４３２ｃとに挿通されるボルトなどの締結部材を用いて互いに締結されている。なお、上側フランジ部３３１ａと上側フランジ部４０１ａと上側フランジ部４３１ａとが一体的に形成されているが（図７参照）、別々に形成されていてもよい。

燃焼排ガス用接続部４５は、燃焼排ガス流通部２４ａから燃焼排ガスを導出する導出口４５２ｂ（図６参照）と、蒸発部１３の燃焼排ガス流通部１３ｂに連通する燃焼排ガス供給流路４５ａに燃焼排ガスを導入する導入口４５１ｂ（図７参照）とをフランジ接続するものである。燃焼排ガス流通部１３ｂや燃焼排ガス供給流路４５ａは、金属板のプレス加工により形成されている。また、燃焼排ガス用接続部４５は、導出口４５２ｂの周囲の下側フランジ部４５２ａと、導入口４５１ｂの周囲の上側フランジ部４５１ａとを備える。上側フランジ部４５１ａと下側フランジ部４５２ａは、上側フランジ部４５１ａに形成された締結孔４５１ｃと、下側フランジ部４５２ａに形成された締結孔４５２ｃとに挿通されるボルトなどの締結部材を用いて互いに締結されている。なお、上側フランジ部３１１ａと上側フランジ部４５１ａとが一体的に形成されているが（図７参照）、別々に形成されていてもよい。

ここで、図４に示すように、燃料電池スタック１１は、上面視で長方形状に形成されており、図４の前後方向を長辺方向、図４の左右方向を短辺方向とする。改質ユニット２０は、上面視で燃料電池スタック１１の短辺に収まる外径の円筒形状に形成されており、燃料電池スタック１１の投影面積（上面の面積）内に収まるサイズに形成されている。また、改質ユニット２０は、燃料電池スタック１１の長辺方向の略中央の上方に配置されている。このため、燃料電池スタック１１の上方には、改質ユニット２０を挟んで両側に空きスペースが生じる。本実施形態では、その空きスペースのうち一方（図４の後方）に、アノードガス用接続部３３とカソードガス用接続部３６とが配置されている。また、空きスペースのうち他方（図４の前方）に、アノードオフガス用接続部４０とカソードオフガス用接続部４３とが配置されている。このように、燃料電池スタック１１の投影面積内に略収まるように、アノードガス用接続部３３とカソードガス用接続部３６とアノードオフガス用接続部４０とカソードオフガス用接続部４３（４つの接続部ともいう）が燃料電池スタック１１の四隅に配置されている。

また、このような配置とすることで、４つの接続部（３３，３６，４０，４３）が改質ユニット２０に覆われることなく上方に露出させることができる。このため、図６，図７に示すように、必要なフランジ部などが取り付けられた改質ユニット２０を燃料電池スタック１１に組み付ける際には、作業者は、４つの接続部（３３，３６，４０，４３）の締結作業を上方から行うことができる。これにより、例えば改質ユニットなどによって上方が覆われるために、作業者が横から手を入れて締結作業を行うものに比して、作業性を向上させて締結トルクを確保することができる。

また、４つの接続部（３３，３６，４０，４３）の下側フランジ部（３３２ａ，３６２ａ，４０２ａ，４３２ａ）が設けられた配管は、いずれも燃料電池スタック１１のエンドプレート１２に支持されている。また、改質ユニット２０は、４つの接続部（３３，３６，４０，４３）によって支持されているため、専用の支持部を別に設けることなく、改質ユニット２０の荷重を鉛直方向に受けることができる。即ち、下側フランジ部（３３２ａ，３６２ａ，４０２ａ，４３２ａ）が設けられる配管の圧縮方向で、改質ユニット２０の荷重を適切に受けることができる。

また、図５に示すように、蒸発部１３は、混合ガス用接続部３１と燃焼排ガス用接続部４５（２つの接続部ともいう）とを上方に露出させるように、改質ユニット２０の上方に配置されている。このため、燃料電池スタック１１に組み付けられた改質ユニット２０に蒸発部１３を組み付ける際にも、作業者は、２つの接続部（３１，４５）の締結作業を上方から行うことができるから、作業性を向上させて締結トルクを確保することができる。また、２つの接続部（３１，４５）は、改質ユニット２０の投影面積（上面の面積）内に収まるように配置されている。これらのことから、改質ユニット２０や２つの接続部（３１，４５）を燃料電池スタック１１の投影面積内に収めつつ、４つの接続部（３３，３６，４０，４３）を燃料電池スタック１１の投影面積から大きくはみ出ないようにすることができる。また、燃料電池モジュール１０は、燃料電池スタック１１を横置きとすることで、高さが抑えられている。したがって、燃料電池モジュール１０をコンパクトな構成とすることができる。

以上説明した本実施形態の燃料電池モジュール１０では、改質ユニット２０は、４つの接続部（３３，３６，４０，４３）を上方に露出させるように形成されている。これにより、４つの接続部（３３，３６，４０，４３）の締結作業を上方から行うことができるため、作業性を向上させて締結トルクを確保することができる。このため、流体継手などを用いる必要がなく、フランジとガスケットとによる安価な接続を可能としてコストの低減を図ることができる。また、燃料電池スタック１１を横置きして、その上方に改質ユニット２０を配置することで、燃料電池モジュール１０をコンパクトにすることができる。また、改質ユニット２０を燃料電池スタック１１の投影面積内に収めることで、燃料電池モジュール１０をよりコンパクトにすることができる。

また、改質ユニット２０は、上面視で燃料電池スタック１１の短辺に収まる外径の円筒形状に形成され、４つの接続部（３３，３６，４０，４３）は、燃料電池スタック１１の長辺方向において改質ユニット２０を挟んだ両側に２つずつ配置されている。このため、４つの接続部（３３，３６，４０，４３）を空きスペースに効率よく配置することができるから、燃料電池モジュール１０をよりコンパクトにすることができる。

また、蒸発部１３は、改質ユニット２０の上方に配置され、２つの接続部（３１，４５）を上方に露出させるように、燃料電池スタック１１の投影面積内に収まるサイズに形成されている。このため、２つの接続部（３１，４５）の締結作業を上方から行うことができるため、作業性を向上させて締結トルクを確保することができる。また、蒸発部１３も投影面積内に収めて燃料電池モジュール１０をさらにコンパクトにすることができる。また、作業者は、点火装置２５も含む全ての締結作業を上方から行うことができるから、作業性をより向上させることができる。

実施形態では、点火装置２５の締結箇所を上方に露出させたが、これに限られず、点火装置２５の締結箇所を上方に露出させなくてもよく、例えば点火装置２５を締結した後に、他の部材に締結箇所が覆われてもよい。また、蒸発部１３が燃料電池スタック１１の投影面積内に収まるものに限られず、蒸発部１３が燃料電池スタック１１の投影面積からはみ出るように形成されてもよい。また、蒸発部１３が２つの接続部（３１，４５）を上方に露出させたが、これに限られず、２つの接続部（３１，４５）を上方に露出させなくてもよい。ただし、作業性を向上させるため露出させるものが好ましい。

実施形態では、燃料電池スタック１１が上面視で長方形状に形成され、改質ユニット２０が上面視で燃料電池スタック１１の短辺に収まる外径の円筒形状に形成されたが、これらの形状に限られない。改質ユニット２０が燃料電池スタック１１の投影面積内に収まるように形成されるものであれば、燃料電池スタック１１と改質ユニット２０は如何なる形状に形成されてもよい。あるいは、改質ユニット２０が燃料電池スタック１１の投影面積内に収まるものに限られず、改質ユニット２０が燃料電池スタック１１の投影面積からはみ出るように形成されてもよい。また、４つの接続部（３３，３６，４０，４３）は、燃料電池スタック１１の長辺方向において改質ユニット２０を挟んだ両側（四隅）に２つずつ配置されたが、これに限られず、改質ユニット２０を燃料電池スタック１１の上方に配置して空いたスペースに４つの接続部（３３，３６，４０，４３）を配置すればよい。

実施形態では、ガスの流路として、二枚の金属板に凹状に窪んだ流路溝をプレス加工により形成し、各流路溝の一部が互いに重なるように金属板を重ね合わせて形成された流路なども例示したが、これに限られず、通常の配管を用いて流路を形成してもよい。

実施形態の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した本開示の主要な要素との対応関係について説明する。実施形態の燃料電池スタック１１が本開示の「燃料電池スタック」に相当し、改質部２２が「改質部」に相当し、燃焼部２３が「燃焼部」に相当し、改質ユニット２０が「改質ユニット」に相当し、アノードガス用接続部３３が「第１接続部」に相当し、カソードガス用接続部３６が「第２接続部」に相当し、アノードオフガス用接続部４０が「第３接続部」に相当し、カソードオフガス用接続部４３が「第４接続部」に相当する。蒸発部１３が「蒸発部」に相当し、混合ガス用接続部３１が「第５接続部」に相当し、燃焼排ガス用接続部４５が「第６接続部」に相当する。点火装置２５が「点火装置」に相当する。

本明細書では、出願当初の請求項４において「請求項１または２に記載の燃料電池モジュール」を「請求項１ないし３のいずれか１項に記載の燃料電池モジュール」に変更した技術思想や、出願当初の請求項５において「請求項１または２に記載の燃料電池モジュール」を「請求項１ないし４のいずれか１項に記載の燃料電池モジュール」に変更した技術思想も開示されている。

なお、実施形態の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した本開示の主要な要素との対応関係は、実施形態が課題を解決するための手段の欄に記載した本開示を実施するための形態を具体的に説明するための一例であることから、課題を解決するための手段の欄に記載した本開示の要素を限定するものではない。即ち、課題を解決するための手段の欄に記載した本開示についての解釈はその欄の記載に基づいて行われるべきものであり、実施形態は課題を解決するための手段の欄に記載した本開示の具体的な一例に過ぎないものである。

以上、本開示を実施するための形態について説明したが、本開示はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本開示は、燃料電池モジュールの製造産業などに利用可能である。

１０ 燃料電池モジュール、１１ 燃料電池スタック、１１ａ セル、１２ エンドプレート、１３ 蒸発部、１３ａ 混合ガス生成部、１３ｂ 燃焼排ガス流通部、１５ モジュールケース、２０ 改質ユニット、２２ 改質部、２３ 燃焼部、２４ エア熱交換部、２４ａ 燃焼排ガス流通部、２４ｂ エア流通部、２５ 点火装置、２５１ａ 上側フランジ部、２５１ｂ 締結孔、２５２ａ 下側フランジ部、３０ 供給管、３０ａ 原燃料ガス供給管、３０ｂ 改質水供給管、３１ 混合ガス用接続部、３１ａ 混合ガス供給流路、３１１ａ，３３１ａ，３６１ａ，４０１ａ，４３１ａ，４５１ａ 上側フランジ部、３１１ｂ，３３１ｂ，３６１ｂ，４０２ｂ，４３２ｂ，４５２ｂ 導出口、３１１ｃ，３１２ｃ，３３１ｃ，３３２ｃ，３６１ｃ，３６２ｃ，４０１ｃ，４０２ｃ，４３１ｃ，４３２ｃ，４５１ｃ，４５２ｃ 締結孔、３１２ａ，３３２ａ，３６２ａ，４０２ａ，４３２ａ，４５２ａ 下側フランジ部、３１２ｂ，３３２ｂ，３６２ｂ，４０１ｂ，４３１ｂ，４５１ｂ 導入口、３３ アノードガス用接続部、３３ａ アノードガス供給流路、３５ エア供給管、３６ カソードガス用接続部、３６ａ カソードガス供給流路、４０ アノードオフガス用接続部、４０ａ アノードオフガス供給流路、４１ 環流配管、４３ カソードオフガス用接続部、４３ａ カソードオフガス排出流路、４５ 燃焼排ガス用接続部、４５ａ 燃焼排ガス供給流路、４７ 燃焼排ガス排出配管、５０ 凝縮器。

Claims (5)

1. アノードガスとカソードガスとにより発電する平板型の単セルが複数積層されて横置きされた燃料電池スタックと、
   水蒸気を用いて原燃料ガスを前記アノードガスに改質する改質部と、前記燃料電池スタックから排出されるアノードオフガスとカソードオフガスとにより燃焼する燃焼部とを有し、前記アノードガスおよび前記カソードガスを前記燃焼部から排出される燃焼排ガスと熱交換してから前記燃料電池スタックに供給する改質ユニットと、
   前記アノードガスの前記改質ユニット側の導出口と前記燃料電池スタック側の導入口とをフランジ接続する第１接続部と、
   前記カソードガスの前記改質ユニット側の導出口と前記燃料電池スタック側の導入口とをフランジ接続する第２接続部と、
   前記アノードオフガスの前記燃料電池スタック側の導出口と前記燃焼部側の導入口とをフランジ接続する第３接続部と、
   前記カソードオフガスの前記燃料電池スタック側の導出口と前記燃焼部側の導入口とをフランジ接続する第４接続部と、
   を備え、
   前記改質ユニットは、前記燃料電池スタックの上方に配置され、前記第１から第４接続部を上方に露出させる、
   燃料電池モジュール。
2. 前記改質ユニットは、前記燃料電池スタックの投影面積内に収まるサイズに形成されている、
   請求項１に記載の燃料電池モジュール。
3. 前記燃料電池スタックは、上面視で長方形状に形成されており、
   前記改質ユニットは、上面視で前記燃料電池スタックの短辺に収まる外径の円筒形状に形成されており、
   前記第１から第４接続部は、前記燃料電池スタックの長辺方向において前記改質ユニットを挟んだ両側に２つずつ配置されている、
   請求項１または２に記載の燃料電池モジュール。
4. 前記改質ユニットから排出される前記燃焼排ガスと改質水との熱交換により前記水蒸気を生成し、前記原燃料ガスと前記水蒸気との混合ガスを前記改質部に供給する蒸発部と、
   前記混合ガスの前記蒸発部側の導出口と前記改質部側の導入口とをフランジ接続する第５接続部と、
   前記燃焼排ガスの前記改質ユニット側の導出口と前記蒸発部側の導入口とをフランジ接続する第６接続部と、
   を備え、
   前記蒸発部は、前記改質ユニットの上方に配置され、前記第５および第６接続部を上方に露出させるように、前記燃料電池スタックの投影面積内に収まるサイズに形成されている、
   請求項１または２に記載の燃料電池モジュール。
5. 上方から前記改質ユニットの内部に挿入された状態で締結され、前記燃焼部内に点火する点火装置を備え、
   前記点火装置の締結箇所が上方に露出するように構成されている、
   請求項１または２に記載の燃料電池モジュール。