JP5409333B2 - 燃料電池モジュールおよび燃料電池装置 - Google Patents

Description

本発明は、収納容器内に複数個の燃料電池セルを収納してなる燃料電池モジュールおよびそれを具備する燃料電池装置に関する。

近年、次世代エネルギーとして、燃料ガス（水素含有ガス）と空気（酸素含有ガス）とを用いて電力を得ることができる燃料電池セルを複数個配列してなるセルスタックを収納容器内に収納してなる燃料電池モジュールや、燃料電池モジュールを外装ケース内に収納してなる燃料電池装置が種々提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

このような燃料電池モジュールにおいては、例えば直方体状の収納容器内に、複数の燃料電池セルを一列に配列してなるセルスタックを２つ並置し、セルスタック間に燃料電池セルに酸素含有ガスを供給するための板状の酸素含有ガス導入部材が配置されており、燃料電池セルの下端部側に酸素含有ガスが供給される。

特開２００７−５９３７７号公報

上記の燃料電池モジュールにおいては、燃料電池セルの下端部側に温度の低い酸素含有ガスが供給されることに伴い、燃料電池セルの上下方向において不均一な温度分布が生じ、発電効率が低下するおそれがあった。

それゆえ、本発明は、発電効率の向上した燃料電池モジュールおよびそれを具備する燃料電池装置を提供することを目的とする。

本発明の燃料電池モジュールは、収納容器内に設けられた発電室内に、燃料ガスと酸素含有ガスとで発電する柱状の燃料電池セルを複数個立設させた状態で配列して電気的に接続してなるセルスタックと、前記燃料電池セルの下端部を固定するとともに前記燃料電池セルに前記燃料ガスを供給するためのマニホールドと、前記セルスタックの上方に配置された、前記マニホールドに供給する前記燃料ガスを生成するための改質器とを収納してなる燃料電池モジュールであって、前記マニホールドと前記改質器とを接続する燃料ガス供給管と、前記酸素含有ガスを前記発電室内に供給するための酸素含有ガス供給口を下端部側に備える酸素含有ガス供給管とを備え、前記燃料ガス供給管が前記酸素含有ガス供給管の内部に配置されている、または前記酸素含有ガス供給管が前記燃料ガス供給管の内部に配置されていることを特徴とする。

このような燃料電池モジュールにおいては、燃料ガス供給管が酸素含有ガス供給管の内部に配置されている、または酸素含有ガス供給管が燃料ガス供給管の内部に配置されていることから、酸素含有ガス供給管内を流れる酸素含有ガスと、燃料ガス供給管内を流れる燃料ガスとで効率よく熱交換を行なうことができ、燃料電池セルの下端部に供給される酸素含有ガスの温度を上昇させることができる。それにより、燃料電池セルの上下方向における温度分布を均一に近づけることができ、発電効率の向上した燃料電池モジュールとすることができる。

また、本発明の燃料電池モジュールは、前記燃料電池セルが、前記発電室の壁面に沿って周回状に配列されていることが好ましい。

このような燃料電池モジュールにおいては、燃料電池セルが発電室の壁面に沿って周回状に配置されていることから、セルスタックにおける不均一な温度分布を抑制することができるほか、収納容器やマニホールド等において局所的な熱応力や温度差が生じることを抑制でき、発電効率や耐久性の向上した燃料電池モジュールとすることができる。

また、本発明の燃料電池モジュールは、前記改質器および前記マニホールドの平面形状が円形状であって、前記収納容器の外部から挿入されて前記改質器の上面中央部に接続された、前記改質器に原燃料を供給するための原燃料供給管を備えるとともに、前記燃料ガス供給管が、前記改質器の下面中央部と前記マニホールドの上面中央部とを接続していることが好ましい。

このような燃料電池モジュールにおいては、改質器およびマニホールドの平面形状が円形状であることから、改質器およびマニホールドにおいて局所的な熱応力や温度差が生じることを抑制でき、耐久性を向上することができる。また、原燃料供給管が改質器の上面中央部に接続されていることから、改質器に効率よく原燃料を供給することができ、燃料ガス供給管が、改質器の下面中央部とマニホールドの上面中央部とを接続していることから、マニホールドに供給された燃料ガスを効率よくそれぞれの燃料電池セルに供給することができ、発電効率を向上することができる。

また、本発明の燃料電池モジュールは、前記改質器が、前記原燃料と水とで水蒸気改質を行なう改質器であって、上方に配置された前記水を気化させるための気化部と、該気化部の下方に配置された、前記原燃料と前記気化部で気化された水蒸気とで水蒸気改質を行なう改質部とを備えるとともに、前記気化部が、前記原燃料供給管から中央部に供給された前記原燃料を周縁側に向けて流すための渦巻状の気化部流路を備え、前記改質部が、前記気化部流路から周縁側に供給された前記原燃料を中央部側に向けて流すための渦巻き状の改質部流路を備えることが好ましい。

このような燃料電池モジュールにおいては、水蒸気改質を行なう改質器が、上方に配置された気化部と気化部の下方に配置された改質部とを備えることから、気化部における吸熱反応によるセルスタックの温度低下を抑制することができ、発電効率が低下することを抑制できる。

また、気化部が、原燃料供給管から中央部に供給された原燃料を周縁側に向けて流すための渦巻状の気化部流路を備えるとともに、改質部が、周縁側に供給された原燃料を中央部側に向けて流すための渦巻状の改質部流路を備えることから、気化部流路および改質部流路の長さを長くすることができ、効率よく原燃料を燃料ガスに改質することができる。

また、本発明の燃料電池モジュールは、前記収納容器は、該収納容器の下方側から供給される酸素含有ガスを上方へ流すための、前記収納容器の外壁と該外壁の内側に所定間隔をあけて配置された内壁とで形成された第１の流路と、該第１の流路を通って上方に流れた酸素含有ガスを前記収納容器の外壁に沿って中央部側へ流すための、前記収納容器の外壁と該外壁の内側に所定間隔をあけて配置された内壁とで形成された第２の流路と、前記第１の流路と隣接し、前記発電室内の排ガスを上方から下方へ流すための、前記内壁と該内壁の内側に所定間隔をあけて配置された排ガス用内壁とで形成された第３の流路とを備えることが好ましい。

このような燃料電池モジュールにおいては、収納容器の下方側から供給される酸素含有ガスは、収納容器の外壁と該外壁の内側に所定間隔をあけて配置された内壁とで形成された第１の流路を上方に向けて流れる間に、第１の流路に隣接し、内壁と該内壁の内側に所定間隔をあけて配置された排ガス用内壁とで形成された第３の流路を上方から下方へ流れる発電室内の排ガスとで熱交換される。また、第１の流路を通って上方に流れた酸素含有ガスは、発電室の上方に位置し、収納容器の外壁と該外壁の内側に所定間隔をあけて配置された内壁とで形成された第２の流路を収納容器の外壁に沿って中央部側に流れる間に、発電室内の熱とで熱交換されることとなる。

それにより、排ガスの熱や発電室の熱により熱交換されて温められた酸素含有ガスを発電室内に供給することができ、発電効率を向上することができる。

また、本発明の燃料電池モジュールは、前記酸素含有ガス供給管が、前記第２の流路とつながって、前記改質器の上方から前記改質器を貫通して配置されていることが好ましい。

このような燃料電池モジュールにおいては、酸素含有ガス供給管が、第２の流路とつながって、改質器の上方から改質器を貫通して配置されていることから、第２の流路を流れた酸素含有ガスを、効率よく燃料電池セルの下端部に供給することができる。

また、本発明の燃料電池モジュールは、前記収納容器内に位置する前記原燃料供給管および前記燃料ガス供給管が、前記酸素含有ガス供給管の内部に配置されており、前記原燃料供給管と前記気化部とが、原燃料送出部を介して接続されているとともに、前記改質部と前記燃料ガス供給管とが、燃料ガス流入部を介して接続されていることが好ましい。

このような燃料電池モジュールにおいては、原燃料供給管と気化部とが、原燃料抄出部を介して接続されており、改質部と燃料ガス供給管とが、燃料ガス流入部を介して接続されていることから、酸素含有ガス供給管の内部に、収納容器内に位置する原燃料供給管および燃料ガス供給管を配置した構成において、原燃料を効率よく気化部に供給することができ、また改質部にて生成された燃料ガスを効率よく燃料ガス供給管に流すことができる。

また、本発明の燃料電池モジュールは、前記酸素含有ガス供給管が、前記収納容器内に位置する前記原燃料供給管および前記燃料ガス供給管の内部に配置されており、前記原燃料供給管と前記気化部とが、原燃料送出部を介して接続されているとともに、前記改質部と前記燃料ガス供給管とが、燃料ガス流入部を介して接続されていることが好ましい。

このような燃料電池モジュールにおいては、原燃料供給管と気化部とが、原燃料送出部を介して接続され、改質部と燃料ガス供給管とが、燃料ガス流入部を介して接続されていることから、収納容器内に位置する原燃料供給管および燃料ガス供給管の内部に酸素含有ガス供給管を配置した構成において、原燃料を効率よく気化部に供給することができ、また改質部にて生成された燃料ガスを効率よく燃料ガス供給管に流すことができる。

本発明の燃料電池装置は、上記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から、発電効率の向上した燃料電池装置とすることができる。

本発明の燃料電池モジュールは、マニホールドと改質器とを接続する燃料ガス供給管と、酸素含有ガスを発電室内に供給するための酸素含有ガス供給口を下端部側に備える酸素含有ガス供給管とを備え、燃料ガス供給管が酸素含有ガス供給管の内部に配置されている、または酸素含有ガス供給管が燃料ガス供給管の内部に配置されていることから、燃料電池セルに供給する酸素含有ガスの温度を上昇させることができ、発電効率の向上した燃料電池モジュールとすることができる。また、本発明の燃料電池装置は、発電効率の向上した燃料電池モジュールを収納してなることから、発電効率の向上した燃料電池装置とすることができる。

本発明の燃料電池モジュールの一例を示す外観斜視図である。 図１に示す燃料電池モジュールを概略的に示す断面図である。 （ａ）は図２に示す燃料電池モジュールを構成する改質器、セルスタック、マニホールドを抜粋して示す外観斜視図であり、（ｂ）は図２に示す燃料電池モジュールを構成する改質器、燃料ガス供給管、マニホールドを抜粋して示す外観斜視図である。 図２に示すＡ−Ａ線断面におけるセルスタックと燃料ガス供給管を抜粋して示す断面図である。 図２に示す改質器および原燃料供給管の一部を抜粋して示し、（ａ）は気化部および原燃料供給管の一部を示す分解斜視図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ線断面図である。 図２に示す改質器および燃料ガス供給管の一部を抜粋して示し、（ａ）は改質部および燃料ガス供給管の一部を示す分解斜視図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＣ−Ｃ線断面図である。 本発明の燃料電池モジュールの他の一例を概略的に示す断面図である。 本発明の燃料電池モジュールのさらに他の一例を概略的に示す断面図である。 改質器および原燃料供給管の他の一例を一部を抜粋して示し、（ａ）は気化部および原燃料供給管の一部を示す分解斜視図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＤ−Ｄ線断面図である。 改質器および燃料ガス供給管の他の一例を一部を抜粋して示し、（ａ）は改質部および燃料ガス供給管の一部を示す分解斜視図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＥ−Ｅ線断面図である。 改質器および燃料ガス供給管のさらに他の一例を一部を抜粋して示し、（ａ）は改質部および燃料ガス供給管の一部を示す分解斜視図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＦ−Ｆ線断面図である。 本発明の燃料電池装置の一例を概略的に示す斜視図である。

図１は、本発明の燃料電池モジュール１（以下、モジュールという場合がある。）の一例を示す外観斜視図である。なお、以降の図において同一の部材については同一の番号を付するものとする。

図１に示すモジュール１は、内部が中空で円柱状の収納容器２により構成されている。なお、収納容器２には、後述する外部から原燃料を供給するための原燃料供給管３が上面側から挿入されており、下面側には収納容器２内に酸素含有ガス（空気）を供給するための酸素含有ガス導入管４が設けられている。以下、図２を用いてモジュール１について説明する。

図２は図１に示すモジュール１を概略的に示す断面図である。収納容器２は、外壁５にて収納容器２の外枠が形成され、内部に燃料電池セル９（セルスタック装置）を収納する発電室８が形成されている。

このような収納容器２においては、外壁５の内側に所定間隔をあけて内壁６が配置され、内壁６の内側（内壁６の側壁の内側）に排ガス用内壁７が配置され、内壁６の上壁と排ガス用内壁７とで囲まれる空間が発電室８となっている。

ここで、収納容器２は外壁５の側壁と内壁６の側壁とで形成された空間が第１の流路１６となり、外壁５の上壁と内壁６の上壁とで形成された空間が第２の流路１７となり、内壁６と排ガス用内壁７とで形成された空間が第３の流路（排ガス流路）１９となる。

発電室８内には、複数個の燃料電池セル９を配列してなるセルスタックと、燃料電池セル９に燃料ガスを供給するためのマニホールド１０と、セルスタック（燃料電池セル９）の上方に、原燃料供給管３から供給された原燃料を改質して燃料ガスを生成するための改質器１１とが配置されている。なお、セルスタックは、セルスタックを構成する燃料電池セル９の下端部が、ガラスシール材等の絶縁性接着材にてマニホールド１０に固定されている。なお、原燃料供給管３は、収納容器２の外部から挿入され、改質器１１の上面中央部に接続されており、上端が原燃料ガスを流入するための原燃料ガス流入口として構成されている。

また、図２に示すモジュール１においては、改質器１１とマニホールド１０とを接続する燃料ガス供給管１２と、発電室８内に酸素含有ガスを供給するための下端部側に酸素含有ガス供給口２５を備える酸素含有ガス供給管１３とを備えており、酸素含有ガス供給管１３の内部に、収納容器２内に位置する原燃料供給管３（原燃料供給管３のうち収納容器２内に位置する部位）および燃料ガス供給管１２を配置している。すなわち、原燃料供給管３のうち収納容器２内に位置する部位が、酸素含有ガス供給管１３との２重管の形状となり、酸素含有ガス供給管１３のうち、燃料ガス供給管１２が配置された部位が２重管の形状となっている。なお、図２に示す酸素含有ガス供給管１３は、上端が収納容器２の外壁５の上壁と接続され、改質器１１を貫通して下端がマニホールド１０と接続されており、上端側に第２の流路１７を流れた酸素含有ガスが流入するための酸素含有ガス流入口１８を備えている。なお、燃料ガス供給管１２および酸素含有ガス供給管１３は、それぞれ改質器１１の底面中央部とマニホールド１０の上面中央部とを接続するように配置されている。なお、燃料ガス供給管１２は下端が燃料ガスをマニホールド１０に供給するための燃料ガス供給口として構成されている。

また、外壁５、内壁６、排ガス用内壁７はそれぞれ内部が中空の円柱状に設けられており、それにより発電室８の平面形状が円形状に形成されている。

また、収納容器２の底部には、酸素含有ガス（空気）を収納容器２内に供給するための酸素含有ガス導入管４が接続されており、酸素含有ガス導入管４から供給される酸素含有ガスは酸素含有ガス導入部１４に流れる。なお、内壁６の底壁と外壁５の底壁とで形成された空間が酸素含有ガス導入部１４となる。酸素含有ガス導入部１４は、酸素含有ガス導入口１５により第１の流路１６とつながっているため、酸素含有ガス導入部１４を流れた酸素含有ガスは、酸素含有ガス導入口１５を通して、第１の流路１６に流れる。第１の流路１６を上方に向けて流れた酸素含有ガスは、第２の流路１７を収納容器２の外壁５（上壁）に沿って中央部側に向けて流れた後、酸素含有ガス流入口１８から酸素含有ガス供給管１３内に流れ、酸素含有ガス供給管１３を下方に向けて流れたのち、酸素含有ガス供給口２５を通して発電室８内に供給される。酸素含有ガス供給口２５から発電室８内に供給された酸素含有ガスは、燃料電池セル９の下端部側から上端部側に向けて流れることとなり、効率よく燃料電池セル９の発電を行なうことができる。

一方、燃料電池セル９から排出される排ガスや、燃料電池セル９の上端部側で余剰の燃料ガスを燃焼させることにより生じる排ガスは、発電室８の上方から第３の流路（以下、排ガス流路という場合がある。）１９に流入する。排ガス流路１９を下方に向けて流れた排ガスは、排ガス収集口２０を通して排ガス収集室２１に流れた後、排ガス収集室２１に接続された排ガス排気管２２を通して収納容器２の外部に排気される。なお、排ガス用内壁７の底壁と内壁６の底壁とで形成された空間が排ガス収集室２１となる。また、図２に示す収納容器２においては、排ガス排気管２２が、酸素含有ガス導入管４の内部に設けられた形状（２重管）としているが、それぞれをずらして配置することもできる。

それゆえ、酸素含有ガス導入管４から導入された酸素含有ガスは、酸素含有ガス導入部１４を流れる間に、排ガス収集部２１を流れる排ガスと熱交換され、第１の流路１６を流れる間に、排ガス流路１９を流れる排ガスと熱交換され、第２の流路１７を流れる間に、発電室８内の熱とで熱交換され、さらに酸素含有ガス供給管１３内を流れる間に、発電室８内の熱および燃料ガス供給管１２内を流れる燃料ガスとで熱交換されることとなる。

それにより、燃料電池セル９の下端部側に供給される酸素含有ガスの温度を効率よく上昇させることができることから、燃料電池セル９の上下方向における温度分布を均一に近づけることができ、燃料電池セル９の発電効率を向上することができる。

なお、収納容器２の内部には、発電室８内を高温に維持し、燃料電池セル９の温度が低下して発電量が低減することを抑制するための断熱材２４が適宜配置されており、図２に示す収納容器２においては、排ガス用内壁７の発電室８側、排ガス用内壁７の底壁とマニホールド１０との間、改質器１１と内壁６との間にそれぞれ配置されている。

ところで、発電室８内に配置された改質器１１やマニホールド１０の構造や、セルスタック（燃料電池セル９）の配列構造によっては、セルスタックにおいて不均一な温度分布が生じ発電効率が低下するおそれや、収納容器２やマニホールド１０等に局所的な熱応力や温度が生じ、それに伴い収納容器の劣化が早まるほか、セルスタックとマニホールド１０の接合部が破損する等、耐久性が低下するおそれがあった。

それゆえ、図２に示すモジュール１においては、燃料電池セル９が、発電室８の壁面に沿って周回状に配列されている。

図３（ａ）は、図２に示すモジュール１のうち、改質器１１、セルスタック（燃料電池セル９）、マニホールド１０を抜粋して示す外観斜視図であり、図３（ｂ）は、図２に示すモジュール１のうち、改質器１１、酸素含有ガス供給管１３、マニホールド１０を抜粋して示す外観斜視図であり、図４は図２に示すＡ−Ａ線断面におけるセルスタック（燃料電池セル９）、燃料ガス供給管１２および酸素含有ガス供給管１３を抜粋して示す断面図である。なお、図３に示す、改質器１１、セルスタック（燃料電池セル９）、マニホールド１０および燃料ガス供給管１２により、セルスタック装置２６が構成されている。

図３に示すセルスタック装置２６においては、図２に示すモジュール１における平面形状が円形状に形成された発電室８にあわせて、改質器１１およびマニホールド１０が平面形状が円形状（内部が中空の円柱状）に形成されている。そして、柱状の燃料電池セル９の複数個が、集電部材（図３においては図示せず、図４参照。）を介して平面形状が円形状の発電室８の壁面に沿って周回状（環状）に配列され、その下端部がガラスシール材等の絶縁性接合材によりマニホールド１０に固定されている。

すなわち、収納容器２、改質器１１、マニホールド１０および発電室８が、それぞれ平面形状が円形状に形成され、また燃料電池セル９が環状に配置されている（図４参照）ことから、セルスタックにおける温度分布を均一に近づけることができる。それにより、セルスタック（セルスタック装置２６）の発電効率を向上することができる。

また、モジュール１を上述のような構成とすることにより、セルスタックにおける温度分布のみならず、発電室８内の温度分布も均一に近づけることができる。それにより、収納容器２やマニホールド１０において局所的な熱応力や温度差が生じることを抑制することができる。それゆえ、セルスタックとマニホールド１０の接合部が破損することを抑制することができ、セルスタック装置２６の耐久性を向上することができるとともに、収納容器２の耐久性を向上することができる。

ここで、下端部側に酸素含有ガス供給口２５を備えている酸素含有ガス供給管１３が、マニホールド１０の上面中央部と接続されるように配置されている。それにより、平面形状が円形状の発電室８の壁面に沿って周回状（環状）に配列された各燃料電池セル９（セルスタック）により均一に酸素含有ガスを供給することができ、セルスタック（セルスタック装置２６）の発電効率を向上することができる。

また、図３には示していないが、酸素含有ガス供給管１３の内部に配置され、改質器１１にて生成された燃料ガスをマニホールド１０に供給するための燃料ガス供給管１２が、改質器１１の下面中央部とマニホールド１０の上面中央部とを接続するように設けられている。それにより、マニホールド１０に供給された燃料ガスが、効率よくセルスタックを構成するそれぞれの燃料電池セル９に供給されることから、それぞれの燃料電池セル９に供給される燃料ガスの流配を均一に近づけることができ、セルスタック（セルスタック装置２６）の発電効率を向上することができる。

なお、燃料電池セル９としては、各種燃料電池セルが知られているが、モジュール１を収納してなる燃料電池装置を小型化する上で、固体酸化物形燃料電池セルとすることができる。それにより、燃料電池装置を小型化することができるとともに、家庭用燃料電池で求められる変動する負荷に追従する負荷追従運転を行なうことができる。

以下に、図２および図３に示す柱状の燃料電池セル９について、図４を用いて説明する。図４においては、一対の対向する平坦面を有し、内部に燃料ガスを流すための内部を貫通する燃料ガス流路２８（図４に示す燃料電池セル９においては６個）を備える柱状の導電性支持体２７（以下、支持体２７と略す場合がある）の一方の平坦面上に燃料側電極層２９、固体電解質層３０及び酸素側電極層３１を順次積層してなり、他方の平坦面上にはインターコネクタ３２が設けられて構成されている中空平板型の燃料電池セル９を示している。

このような燃料電池セル９の複数個を、隣接する燃料電池セル９間に集電部材３４を介装して電気的に直列に接続してセルスタックが形成される。なお、複数個の燃料電池セル９を周回状（環状）に配置してなるセルスタックにおいては、セルスタックを構成する集電部材３４の１つを、それぞれが接合されていない端部集電部材３５とすることにより、セルスタックの発電により生じた電流を効率よく引出すことができる。なお、内部が中空で円柱状の収納容器２においては、端部集電部材３５に接合され、外部に電流を引出すための電流引出し部（図示せず）を、収納容器２の上面側から挿出する構成とすることにより、モジュール１の製造（組立作業）を容易にすることができる。

また、インターコネクタ３２の外面（上面）にはＰ型半導体３２を設けることもできる。集電部材３４または端部集電部材３５を、Ｐ型半導体３２を介してインターコネクタ３２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。

このような燃料電池セル９においては、燃料電池セル９の上端部側にて、燃料ガス流路２８から排出され、燃料電池セル９の発電で使用されなかった燃料ガスを燃焼させる構成とすることができる。それにより、燃料電池セル９の温度を上昇させるまたは高温に維持することができるとともに、改質器１１の温度を上昇させることができ、改質器１１での改質反応を効率よく行なうことができる。

以下に、図４において示す燃料電池セル９を構成する各部材について説明する。

支持体２７は、燃料ガスを燃料側電極層２９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３２を介して集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２７としては、かかる要求を満足するものを材質として採用する必要があり、例えば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。

燃料側電極層２９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、例えば希土類元素が固溶しているＺｒＯ_２（安定化ジルコニアと称する）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３０は、電極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。

酸素側電極層３１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。酸素側電極層３１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。

インターコネクタ３２は、導電性セラミックスから形成することができるが、燃料ガス（水素含有ガス）および酸素含有ガス（空気等）と接触するため、耐還元性及び耐酸化性を有することが必要であり、それゆえ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）が好適に使用される。インターコネクタ３２は支持体２７に形成された燃料ガス流路２８を流通する燃料ガス、および支持体２７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。

なお、燃料電池セル９を作製するにあたり、燃料側電極層２９または固体電解質層３０との同時焼成により支持体２７を作製する場合においては、鉄族金属成分（またはその酸化物）と特定希土類酸化物とから支持体２７を形成することが好ましい。また、支持体２７は、所要ガス透過性を備えるために開気孔率が３０％以上、特に３５〜５０％の範囲にあるのが好適であり、そしてまたその導電率は５０Ｓ／ｃｍ以上、より好ましくは３００Ｓ／ｃｍ以上、特に好ましくは４４０Ｓ／ｃｍ以上とすることがよい。

さらに、Ｐ型半導体層３３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３２を構成する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）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３３の厚みは、一般に、３０〜１００μｍの範囲にあることが好ましい。

なお、図示はしていないが、固体電解質層３０と酸素側電極層３１との間に、固体電解質層３０と酸素側電極層３１との接合を強固とするとともに、固体電解質層３０の成分と酸素側電極層３１の成分とが反応して電気抵抗の高い反応層が形成されることを抑制する目的で、Ｃｅ（セリウム）と他の希土類元素（ＳｍやＧｄ等）とを含有する組成にて形成される中間層を備えることもできる。

さらに、図示はしていないが、インターコネクタ３２と支持体２７との間に、インターコネクタ３２と支持体２７との間の熱膨張差を軽減する等のために、燃料側電極層２９と類似した組成の密着層を設けることもできる。

上述したセルスタック装置２６においては、改質器１１にて改質効率のよい水蒸気改質を行なうことにより、燃料電池セル９に効率よく燃料ガスを供給することができる。ここで、改質器１１を平面形状が円形状（内部が中空の円柱状）とすることにより、水蒸気改質に伴う吸熱や発熱による温度変化の影響が、セルスタックを構成する特定の燃料電池セル９にのみ影響することを抑制することができ、各燃料電池セル９に略均等に影響することとなる。それにより、セルスタックの温度分布を均一に近づけることができ、セルスタック（セルスタック装置２６）の発電効率を向上することができる。

ここで、改質器１１は、水蒸気改質に伴う吸熱反応の温度変化の影響が、セルスタック（燃料電池セル９）に及ぶことを抑制できる構成とすることが好ましい。

図５は、図２に示す改質器１１を示す分解斜視図であり、（ａ）は改質器１１を構成する気化部、原燃料供給管３および酸素含有ガス供給管１３の一部を示し、（ｂ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ線断面図を示している。なお、（ａ）においては、気化部を構成する上蓋をはずした状態を示している。また、図６は改質器１１を示す分解斜視図であり、（ａ）は改質器１１を構成する改質部および酸素含有ガス供給管１３の一部を示し、（ｂ）は（ａ）におけるＣ−Ｃ線断面図を示している。

図５および図６に示す改質器１１においては、水を気化させるための気化部３６を、改質反応を行なう改質部４２の上方に配置していることから、気化部３６における水の気化に伴う吸熱による温度低下の影響がセルスタックに及ぼす影響を抑制することができる。

なお、改質器１１にて水蒸気改質を行なうにあたって、原燃料供給管３から天然ガス等の原燃料および水を供給する。この場合において、原燃料供給管３を２重管として、原燃料と水とを別々の管から供給することもできる。なお、図５（ａ）においては、原燃料供給管３から天然ガス等の原燃料および水を供給する場合を示している。

酸素含有ガス供給管１３の内部に配置された原燃料供給管３から供給される原燃料および水は、原燃料供給管３と気化部３６とを連通する原燃料流通口４１を介して、気化部３６の中央部に設けられた原燃料受け部３７に供給される。それにより、原燃料供給管３から供給された原燃料および水は、一旦、原燃料受け部３７に貯えられる。原燃料受け部３７に貯えられた原燃料および水は、原燃料受け部３７に設けられた原燃料送出口４０から、その一端が原燃料受け部３７に接続され原燃料供給管３から供給された原燃料を周縁に流すための渦巻状の気化部流路３８に流れる。この場合において、原燃料受け部３７に貯えられた水の一部は、水蒸気として気化部流路３８に流すこともできる。原燃料受け部３７を上述の構成とすることで、原燃料受け部３７が、原燃料供給管３と気化部３６とを接続する原燃料送出部としての機能を有する。

なお、原燃料受け部３７は、例えばその高さを気化部流路３８を構成する壁の高さよりも低くし、原燃料受け部３７に貯えられた水を水蒸気に気化させた後、原燃料受け部３７の上方から、気化部流路３８に流すように構成することもできる。この場合においては、原燃料受け部３７の上端が原燃料送出口４０となる。

また、原燃料供給管３は、原燃料供給管３の開放された一端が原燃料受け部３７の底面と間隔をあけて位置するように配置するほか、原燃料供給管３の一端部に原燃料送出口（孔等）を設け、一端を原燃料受け部３７の底面と接合した構成とすることもできる。なお、図５（ａ）においては、原燃料供給管３の開放された一端が原燃料受け部３７の底面と間隔をあけて位置するように配置した状態を示している。

同様に、原燃料供給管３から供給される天然ガス等の原燃料も気化部流路３８に流れる。気化部流路３８を渦巻状とすることにより、気化部流路３８の長さを長くすることができ、効率よく水を水蒸気に気化させることができるとともに、水蒸気と原燃料とを効率よく混合することができる。なお、以下、水蒸気が混合された原燃料を原燃料ガスという場合がある。気化部流路３８を周縁側に流れた原燃料（原燃料ガス）は、気化部流路３８の周縁側（他端部側）に設けられた原燃料ガス流出口３９を介して改質部４２に流れる。なお、気化部流路３８に、水を効率よく気化させるためのセラミックボール等を配置することもできる。なお、気化部流路３８は、原燃料と水蒸気とを効率よく周縁側に流すために、周縁部に向けて下がるように傾斜する構成とすることもできる。

原燃料ガス流出口３９を流れた原燃料ガスは改質部４２の周縁側に流れる。改質部４２は、原燃料ガス流出口３９を介して改質部４２の周縁側に流入した原燃料ガスを中央部側に向けて流すための渦巻状の改質部流路４３を備えている。なお、改質部４２の上面は、気化部３６の底面により塞がれている。

改質部流路４３内には、原燃料ガスを燃料ガスに改質するための改質触媒を備えている（図示せず）。改質触媒としては、改質効率や耐久性に優れた改質触媒を用いることが好ましく、例えば、γ−アルミナやα−アルミナやコージェライト等の多孔質担体にＲｕ、Ｐｔ等の貴金属やＮｉ、Ｆｅ等の卑金属を担持させた改質触媒等を用いることができる。

改質部流路４３は、その一端が、上方から改質器１１の中央部を貫通するように設けられた酸素含有ガス供給管１３の近傍に位置するように設けられている。酸素含有ガス供給管１３の内部には、その上端が改質部４２の内部に位置し、改質部４２にて生成された燃料ガスをマニホールド１０に供給するための燃料ガス供給管１２が配置されている。

なお、燃料ガス供給管１２は、改質部流路４３にて生成された燃料ガスを燃料ガス供給管１２内に流すための燃料ガス流入口４５を備えており、燃料ガス流入口４５と改質部４２（改質部流路４３）とが、燃料ガス流入部４４により接続されている。それにより、改質部流路４３にて生成された燃料ガスは、燃料ガス流入部４４を介して燃料ガス供給管１２に流れた後、マニホールド１０を介して燃料電池セル９に供給される。なお、改質部流路４３は、原燃料ガスを効率よく燃料ガス流入部４４に流すために、中央部に向けて下がるように傾斜する構成とすることもできる。

また、酸素含有ガス供給管１３の内部に配置された燃料ガス供給管１２は、その上端が、気化部３６の底面と接合されるように配置されてもよく、また気化部３６の底面と間隔をあけて位置するように配置してもよい。なお、図６（ｂ）においては、燃料ガス供給管１２を、その上端が気化部３６の底面と間隔をあけて位置するように配置した例を示している。

このように、改質器１１を、上方に配置され、渦巻状の気化部流路３８を備える気化部３６と、気化部３６の下方に配置され、渦巻状の改質部流路４３を備える改質部４２とから構成することにより、効率よく改質反応を行なうことができるとともに、気化部３６における水の気化に伴う吸熱による温度低下の影響が、セルスタック（燃料電池セル９）に及ぶことを抑制できる。このような改質器１１を備えることにより、発電効率や耐久性の向上したモジュール１とすることができる。

図７は、本発明の燃料電池モジュールの他の一例を概略的に示す断面図である。図７に示すモジュール４６は、図２に示すモジュール１と対比して、酸素含有ガス供給管１３の下端部がマニホールド１０に接続されていない点で異なる。

すなわち、図７に示すモジュール４６においては、酸素含有ガス供給管１３の下端部が開放端となっており、酸素含有ガス供給管１３の下端と、燃料ガス供給管１２との間が、発電室８内に酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス供給口４７としての機能を有する。

このようなモジュール４６においても、酸素含有ガスが酸素含有ガス供給管１３内を流れる間に、発電室８内の熱および燃料ガス供給管１２内を流れる燃料ガスとで熱交換されることとなり、燃料電池セル９の下端部側に供給される酸素含有ガスの温度を効率よく上昇させることができることから、燃料電池セル９の上下方向における温度分布を均一に近づけることができ、燃料電池セル９の発電効率を向上することができる。

図８は、本発明の燃料電池モジュールの他の一例を概略的に示す断面図である。図８に示すモジュール４８は、図２に示すモジュール１と対比して、酸素含有ガス供給管１３が、収納容器２内に位置する原燃料供給管３および燃料ガス供給管１２の内部に配置されている点で異なる。

図８に示すモジュール４８においては、酸素含有ガス供給管１３は、上端部側に第２の流路１７を流れた酸素含有ガスを酸素含有ガス供給管１３内に流すための酸素含有ガス流入口５０を備えており、酸素含有ガス流入口５０と第２の流路１７とが、酸素含有ガス流通路４９により接続されている。それにより第２の流路１７を流れた酸素含有ガスは、酸素含有ガス流通路４９を介して、酸素含有ガス供給管１３内に流れる。なお、酸素含有ガス供給管１３は、原燃料供給管３から供給される原燃料との混合を防止すべく、上端が密閉された形状とすることが好ましい。この場合において酸素含有ガス供給管１３の上端は、収納容器２の外部に突出するように配置されていてもよい。なお、酸素含有ガス流通路４９が、第２の流路１７と酸素含有ガス供給管１３とを接続する酸素含有ガス流入部としての機能を有する。

一方、酸素含有ガス供給管１３下端部側に、酸素含有ガス供給管１３内を流れた酸素含有ガスを発電室８内に供給するための酸素含有ガス供給口５１を備えており、酸素含有ガス供給口５１と発電室８とが、酸素含有ガス供給路５２により接続されている。それにより、酸素含有ガス供給管１３内を流れた酸素含有ガスは、酸素含有ガス供給路５２を介して、燃料電池セル９の下端部側に供給される。

このようなモジュール４８においても、酸素含有ガスが酸素含有ガス供給管１３内を流れる間に、発電室８内の熱および燃料ガス供給管１２内を流れる燃料ガスとで熱交換されることとなり、燃料電池セル９の下端部側に供給される酸素含有ガスの温度を効率よく上昇させることができることから、燃料電池セル９の上下方向における温度分布を均一に近づけることができ、燃料電池セル９の発電効率を向上することができる。

図９は、図８に示す改質器５３を示す分解斜視図であり、（ａ）は改質器５３を構成する気化部、原燃料供給管３および酸素含有ガス供給管１３の一部を示し、（ｂ）は（ａ）におけるＤ−Ｄ線断面図を示している。なお、（ａ）においては、気化部を構成する上蓋をはずした状態を示している。また、図１０は改質器５３を示す分解斜視図であり、（ａ）は改質器５３を構成する改質部、燃料ガス供給管１２および酸素含有ガス供給管１３の一部を示し、（ｂ）は（ａ）におけるＥ−Ｅ線断面図を示している。なお、図９においては、酸素含有ガス供給管１３が原燃料供給管３の内部に配置され、図１０のおいては酸素含有ガス供給管１３が燃料ガス供給管１２の内部に配置されている。

なお、図９および図１０に示す改質器５３のうち、気化部流路３８、原燃料ガス流出口３９、改質部流路４３は、図５および図６に示す改質器１１と同じ構成である。

図９および図１０に示す改質器５３においても、水を気化させるための気化部５４を、改質反応を行なう改質部５５の上方に配置していることから、気化部５４における水の気化に伴う吸熱による温度低下の影響がセルスタックに及ぼす影響を抑制することができる。

また、改質器５３にて水蒸気改質を行なうにあたっても、原燃料供給管３から天然ガス等の原燃料および水を供給する。この場合においても、原燃料と水とを別々の管から供給することもできる。なお、図９（ａ）においては、原燃料供給管３から天然ガス等の原燃料および水を供給する場合を示している。

原燃料供給管３から供給される原燃料および水は、原燃料供給管３の下端部に設けられた原燃料供給口５６から、気化部５４の中央部に設けられた原燃料受け部３７に供給される。それにより、原燃料供給管３から供給された原燃料および水は、一旦、原燃料受け部３７に貯えられる。原燃料受け部３７に貯えられた原燃料および水は、原燃料受け部３７に設けられた原燃料送出口４０から、その一端が原燃料受け部３７に接続され原燃料供給管３から供給された原燃料を周縁に流すための渦巻状の気化部流路３８に流れる。この場合において、原燃料受け部３７に貯えられた水の一部は、水蒸気として気化部流路３８に流すこともできる。原燃料受け部３７を上述の構成とすることで、原燃料受け部３７が、原燃料供給管３と気化部３６とを接続する原燃料送出部としての機能を有する。

なお、原燃料受け部３７は、例えばその高さを気化部流路３８を構成する壁の高さよりも低くし、原燃料受け部３７に貯えられた水を水蒸気に気化させた後、原燃料受け部３７の上方から、気化部流路３８に流すように構成することもできる。この場合においては、原燃料受け部３７の上端が原燃料送出口４０となる。

また、原燃料供給管３は、原燃料供給管３の開放された一端が原燃料受け部３７の底面と間隔をあけて位置するように配置するほか、原燃料供給管３の一端部に原燃料送出口（孔等）を設け、一端を原燃料受け部３７の底面と接合した構成とすることもできる。なお、図９（ａ）においては、原燃料供給管３の開放された一端が原燃料受け部３７の底面と間隔をあけて位置するように配置した（原燃料供給管３の下端を原燃料受け部３７に接合した）状態を示している。

なお、気化部５４の他の構成については、図５に示した気化部３６と同様の構成である。

図１０に示す改質部５５においては、気化部５４の原燃料ガス流出口３９から供給される原燃料ガスを、改質部流路４３に備える改質触媒にて燃料ガスに改質して、上端部が改質部５５の内部に配置された燃料ガス供給管１２に供給される。なお、燃料ガス供給管１２は、改質部流路４３にて生成された燃料ガスが流入するための燃料ガス流入口４４を備え、改質部５５と燃料ガス供給管１２とが燃料ガス流入口４４を介して接続されている。図１０に示す改質部５５においては、燃料ガス流入口４４が燃料ガス流入部としての機能を有している。なお、燃料ガス流入部として、改質部流路４３にて生成された燃料ガスを一端収集したのち、燃料ガス流入口４４に流すための燃料ガス受け部を設けることもできる。

なお、図１０に示す改質部５５においては、燃料ガス供給管１２の上端が、気化部３６の底面と接合されるように配置されている例を示している。なお、改質部５５の他の構成については、図６に示した改質部４２と同様の構成である。

このように、改質器５３を、上方に配置され、渦巻状の気化部流路３８を備える気化部５４と、気化部５４の下方に配置され、渦巻状の改質部流路４３を備える改質部５５とから構成することにより、効率よく改質反応を行なうことができるとともに、気化部５４における水の気化に伴う吸熱による温度低下の影響が、セルスタック（燃料電池セル９）に及ぶことを抑制できる。このような改質器５３を備えることにより、発電効率や耐久性の向上したモジュール４８とすることができる。

図１１は、図１０に示す改質部５５の他の一例を示す分解斜視図であり、（ａ）は改質部、燃料ガス供給管１２および酸素含有ガス供給管１３の一部を示し、（ｂ）は（ａ）におけるＦ−Ｆ線断面図を示している。なお、酸素含有ガス供給管１３が燃料ガス供給管１２の内部に配置されている。

図１１に示す改質部５７は、図１０に示す改質部５５と対比して、燃料ガス供給管１２の上端部が、気化部５４の底面に接続されていない点で異なる。

すなわち、図１１に示す改質部５７においては、燃料ガス供給管１２の上端部が開放端となっており、燃料ガス供給管１２の上端と、酸素含有ガス供給管１３との間が、燃料ガス流入口５８としての機能を有する。このような改質部５７においても、改質部流路４３にて生成された燃料ガスを効率よく燃料ガス供給管１２に供給することができる。

図１２は、外装ケース内に図２で示したモジュール１と、モジュール１を動作させるための補機（図示せず）とを収納してなる本発明の燃料電池装置の一例を概略的に示す斜視図である。なお、図１２においては一部構成を省略して示している。

図１２に示す燃料電池装置５９は、外装板６０と蓋部材６１とからから構成される平面形状が円形状（内部が中空の円柱状）の外装ケース内を仕切板６２により上下に区画し、その上方側を上述したモジュール１を収納するモジュール収納室６３とし、下方側をモジュール１を動作させるための補機を収納する補機収納室６４として構成されている。なお、補機収納室６４に収納する補機を省略して示している。

また、仕切板６２には、補機収納室６４の空気をモジュール収納室６３側に流すための空気流通口６５が設けられており、モジュール収納室６３を構成する蓋部材６１（上蓋）の一部に、モジュール収納室６３内の空気を排気するための排気口６６が設けられている。

このような燃料電池装置５９においては、発電効率の向上したモジュール１を収納してなることから、発電効率の向上した燃料電池装置５９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、上述の説明においてモジュール１を円筒状の形状のモジュール１を用いて説明したが、上下方向に長い四角柱状とすることもできる。この場合においても、燃料電池セル９は発電室８の壁面に沿って周回状に配置されていることが好ましく、外装ケースはモジュール１の形状と併せて上下方向に長い四角柱状とすることが好ましい。

１、４６、４８：燃料電池モジュール
２：収納容器
３：原燃料供給管
８：発電室
９：燃料電池セル
１０：マニホールド
１１、５３：改質器
１２：燃料ガス供給管
１３：酸素含有ガス供給管
１６：第１の流路
１７：第２の流路
１８：酸素含有ガス流入口
１９：第３の流路
２５、４７、５１：酸素含有ガス供給口
２６：セルスタック装置
３６、５４：気化部
３７：原燃料受け部
４２、５５、５７：改質部
５９：燃料電池装置

Claims (10)

1. 収納容器内に設けられた発電室内に、燃料ガスと酸素含有ガスとで発電する柱状の燃料電池セルを複数個立設させた状態で配列して電気的に接続してなるセルスタックと、前記燃料電池セルの下端部を固定するとともに前記燃料電池セルに前記燃料ガスを供給するためのマニホールドと、前記セルスタックの上方に配置された、前記マニホールドに供給する前記燃料ガスを生成するための改質器とを収納してなる燃料電池モジュールであって、
   前記マニホールドと前記改質器とを接続する燃料ガス供給管と、前記酸素含有ガスを前記発電室内に供給するための酸素含有ガス供給口を下端部側に備える酸素含有ガス供給管とを備え、前記燃料ガス供給管が前記酸素含有ガス供給管の内部に配置されている、または前記酸素含有ガス供給管が前記燃料ガス供給管の内部に配置されていることを特徴とする燃料電池モジュール。
2. 前記燃料電池セルが、前記発電室の壁面に沿って周回状に配列されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池モジュール。
3. 前記発電室の平面形状が円形状であるとともに、前記燃料電池セルが前記発電室の壁面に沿って環状に配列されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池モジュール。
4. 前記改質器および前記マニホールドの平面形状が円形状であって、前記収納容器の外部から挿入されて前記改質器の上面中央部に接続された、前記改質器に原燃料を供給するための原燃料供給管を備えるとともに、前記燃料ガス供給管が、前記改質器の下面中央部と前記マニホールドの上面中央部とを接続していることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池モジュール。
5. 前記改質器が、前記原燃料と水とで水蒸気改質を行なう改質器であって、上方に配置された前記水を気化させるための気化部と、該気化部の下方に配置された、前記原燃料と前記気化部で気化された水蒸気とで水蒸気改質を行なう改質部とを備えるとともに、前記気化部が、前記原燃料供給管から中央部に供給された前記原燃料を周縁側に向けて流すための渦巻状の気化部流路を備え、前記改質部が、前記気化部流路から周縁側に供給された前記原燃料を中央部側に向けて流すための渦巻き状の改質部流路を備えることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池モジュール。
6. 前記収納容器は、該収納容器の下方側から供給される酸素含有ガスを上方へ流すための、前記収納容器の外壁と該外壁の内側に所定間隔をあけて配置された内壁とで形成された第１の流路と、該第１の流路を通って上方に流れた酸素含有ガスを前記収納容器の外壁に沿って中央部側へ流すための、前記収納容器の外壁と該外壁の内側に所定間隔をあけて配置された内壁とで形成された第２の流路と、前記第１の流路と隣接し、前記発電室内の排ガスを上方から下方へ流すための、前記内壁と該内壁の内側に所定間隔をあけて配置された排ガス用内壁とで形成された第３の流路とを備えることを特徴とする請求項１乃至請求項５のうちいずれかに記載の燃料電池モジュール。
7. 前記酸素含有ガス供給管が、前記第２の流路とつながって、前記改質器の上方から前記改質器を貫通して配置されていることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池モジュール。
8. 前記収納容器内に位置する前記原燃料供給管および前記燃料ガス供給管が、前記酸素含有ガス供給管の内部に配置されており、
   前記原燃料供給管と前記気化部とが、原燃料送出部を介して接続されているとともに、前記改質部と前記燃料ガス供給管とが、燃料ガス流入部を介して接続されていることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池モジュール。
9. 前記酸素含有ガス供給管が、前記収納容器内に位置する前記原燃料供給管および前記燃料ガス供給管の内部に配置されており、
   前記原燃料供給管と前記気化部とが、原燃料送出部を介して接続されているとともに、前記改質部と前記燃料ガス供給管とが、燃料ガス流入部を介して接続されていることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池モジュール。
10. 請求項１乃至請求項９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。

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