JP5495167B2 - 燃料電池モジュール - Google Patents

Description

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとが一端側から他端側へと流れることによって作動する複数の燃料電池セルを含む燃料電池モジュールに関する。

燃料ガスと酸化剤ガスとが一端側から他端側へと流れることによって作動する複数の燃料電池セルを含む燃料電池モジュールにおいては、外部から被改質ガスとしての都市ガス等が供給され、その都市ガス等を改質触媒が収められた改質器に導入し、水素リッチな燃料ガスに改質した後に複数の燃料電池セルへと供給している。そして、複数の燃料電池セルそれぞれにおいて燃料ガスと酸化剤ガスとが一端側から他端側に流れることで発電反応を行っている。この発電反応に寄与しなかった残余の燃料ガスと残余の酸化剤ガスとは、燃料電池セルの他端側において混合して燃焼するように構成されている。この燃焼が確実に行われていないと、燃料ガスがそのまま外部へ放出されることになるため、燃料ガスの着火判定の技術が提案されている（例えば、下記特許文献１参照）。

また、このような燃料電池モジュールを提案したものとして、下記特許文献２が開示されている。
特開２００８−１３５２６８号公報 特開２００２−２８９２４４号公報

上記特許文献１に記載されている燃料電池は、着火手段としてバーナーといった直接的に火炎を発生させるものを想定している。その上で、バーナーのような着火手段を用いた場合に、その火炎によって燃料電池セルにおける着火判定が誤ってしまうことを回避するための方策を提案している。

ところで、燃料ガスと酸化剤ガスとの燃焼を誘起させるためには、着火手段として直接的に火炎を発生させず、燃焼を誘起するための火花を発生する着火プラグを用いることも考えられる。むしろ、バーナーのように直接的な火炎によって着火させるよりも、火花によって着火させる方が着火のためにのみ用いるエネルギーが少なくて済むという利点がある。しかしながら、火花では、一度に多くの燃料電池セルに着火させることはできないため、何らかの工夫をする必要がある。また、各燃焼電池セルにおいて着火したことを確実に把握することが、いわゆる生ガスと呼ばれる未燃焼の燃料ガスを外部に放出しないために重要である。

そこで本発明では、燃料電池セルにおいて発電反応に寄与しなかった残余の燃料ガスと残余の酸化剤ガスとを混合して燃焼する燃料電池モジュールであって、その燃焼を誘起するための手段として着火プラグを用いて確実に燃焼を行わせると共に、その燃焼を確実に確認できる燃料電池モジュールを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明に係る燃料電池モジュールは、燃料ガス流路を内部に有すると共に前記燃料ガス流路の出口より残余の燃料ガスを放出し、燃料電池セル集合体を構成する複数の燃料電池セルと、前記燃料電池セル集合体の上部に配置され、被改質ガスを改質して燃料ガスとする改質触媒を含む少なくとも一つの改質器と、前記改質器から供給される燃料ガスを、前記複数の燃料電池セルそれぞれに供給するガスタンクと、を備える燃料電池モジュールであって、前記複数の燃料電池セルの上部に、発電反応に寄与しなかった残余の燃料ガスと残余の酸化剤ガスとが混合して燃焼する燃焼部が形成され、前記燃焼部における燃焼を誘起する火花を発生する着火プラグと、前記燃焼部における燃焼を検知する燃焼検知部と、を備え、前記複数の燃料電池セルは、それらの少なくとも一部が列を成すように配置され、前記着火プラグは、列を成すように配置された複数の燃料電池セルを構成する一の燃料電池セルの先端上部に配置され、前記燃焼検知部は、列を成すように配置された複数の燃料電池セルを構成する他の燃料電池セルの先端上部に配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、燃料電池セルにおいて発電反応に寄与しなかった残余の燃料ガスと残余の酸化剤ガスとを混合して燃焼する燃料電池モジュールであって、その燃焼を誘起するための手段として着火プラグを用い、確実に燃焼を行わせると共に、その燃焼を確実に確認できる燃料電池モジュールを提供することができる。

本発明を実施するための最良の形態を説明するのに先立って、本発明の作用効果について説明する。本発明者らは着火手段として着火プラグを用いるにあたって、列状に配置された複数の燃料電池セルの、一端側に着火して他端側まで順に着火を引き継いで行く火移りの手法を採用することに着目した。本発明において「列」とは、直線的な列であっても湾曲を成す列であってもよく、隣接する燃料電池セルへ着火を引き継ぐことができる状態に配置されていることを指しており、例えば蛇行して列を成しているようなものや、行列状に配置されているものの一部分も含む概念である。

本発明に係る燃料電池モジュールは、燃料ガス流路を内部に有すると共に前記燃料ガス流路の出口より残余の燃料ガスを放出し、燃料電池セル集合体を構成する複数の燃料電池セルと、前記燃料電池セル集合体の上部に配置され、被改質ガスを改質して燃料ガスとする改質触媒を含む少なくとも一つの改質器と、前記改質器から供給される燃料ガスを、前記複数の燃料電池セルそれぞれに供給するガスタンクと、を備える燃料電池モジュールであって、前記複数の燃料電池セルの上部に、発電反応に寄与しなかった残余の燃料ガスと残余の酸化剤ガスとが混合して燃焼する燃焼部が形成され、前記燃焼部における燃焼を誘起する火花を発生する着火プラグと、前記燃焼部における燃焼を検知する燃焼検知部と、を備え、前記複数の燃料電池セルは、それらの少なくとも一部が列を成すように配置され、前記着火プラグは、列を成すように配置された複数の燃料電池セルを構成する一の燃料電池セルの先端上部に配置され、前記燃焼検知部は、列を成すように配置された複数の燃料電池セルを構成する他の燃料電池セルの先端上部に配置されていることを特徴とする。

本発明では、燃焼部における燃焼を誘起する火花を発生する着火プラグと燃焼部における燃焼を検知する燃焼検知部と、を互いに離隔し、一方を列状に配列されている複数の燃料電池セルの一端側に配置し、他方を他端側に配置するものとしている。従って、着火プラグによって発生された火花で誘起された燃焼が一端側の燃料電池セルの先端側で開始されると、その燃焼状態は隣接する燃料電池セルへと順次引き継がれる。他端側の燃料電池セルの先端上部には燃焼検知部が配置されているので、その他端側の燃料電池セルの先端において燃焼状態を確認することで、一端側から他端側に至る複数の燃料電池セルの燃焼状態を確認することができる。

また本発明に係る燃料電池モジュールでは、前記ガスタンクには一端側に前記改質器を経由して燃料ガスが供給され、この供給された燃料ガスは他端側へと流れるように構成されており、前記着火プラグは、前記ガスタンクの一端側に配置された燃料電池セルの先端上部に配置され、前記燃焼検知部は、前記ガスタンクの他端側に配置された燃料電池セルの先端上部に配置されていることも好ましい。

この好ましい態様では、ガスタンクの一端側に配置された燃料電池セルの先端上部に着火プラグが配置されているので、ガスタンクの一端側に配置された燃料電池セルにおいて燃焼が開始され、他端側へと隣接する燃料電池セルに火移りしていくように構成されている。他端側に配置された燃料電池セルの先端上部には燃焼検知部が配置されているので、ガスタンクの一端側から他端側へと順に火移りすることで伝播した燃焼が他端側に到達したことを確実に検知することができる。

また本発明に係る燃料電池モジュールでは、前記ガスタンクは、前記複数の燃料電池セルに対して順次燃料ガスを供給するように構成され、その先端上部に前記着火プラグが配置されてなる燃料電池セルは、その先端上部に前記燃焼検知部が配置されてなる燃料電池セルよりも、先に燃料ガスが供給される位置に配置されていることも好ましい。

この好ましい態様では、先に燃料ガスが供給される燃料電池セルの先端上部に着火プラグが配置されているので、燃料ガスの供給順に応じて燃焼を進行させることができる。また、燃焼検知部が配置されている燃料電池セルは、後に燃料ガスが供給される燃料電池セルであるので、燃料ガスの供給に伴って順に火移りして伝播した燃焼が到達したことを確実に検知することができる。

以下、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。

図１は、本発明に係る燃料電池モジュールの一実施形態である燃料電池モジュールＦＣを示す斜視図であって、カバー部材を取り外した状態を示す図である。図２は、燃料電池モジュールＦＣの断面図であって、図１の矢印Ａ方向において、燃料電池モジュールＦＣの中央近傍における断面図である。図３は、燃料電池モジュールＦＣの断面図であって、図１の矢印Ｂ方向において、燃料電池モジュールＦＣの中央近傍における断面図である。尚、図２及び図３においては、断面のハッチングを省略している。

カバー部材（図１，３に明示しない。図２にその外形を二点鎖線で示す）は、正面側の側壁と、長手方向の一対の側壁と、背面側の側壁と、天井とによって直方体状に形成される。各側壁の下端部には、フランジ部が形成され、そのフランジ部をベース部材２に当接させることで、カバー部材とベース部材２とによって密閉される空間が形成されている。カバー部材とベース部材２とはボルト（図示しない）によって固定され、そのボルトがカバー部材に設けられた取り付け穴を貫通し、ベース部材２に設けられた取り付け穴２ａを貫通することで固定されている。

カバー部材とベース部材２とによって形成される内部空間は、仕切り板１５によって二つの空間に分離されている。仕切り板１５によって分離されている空間の内、燃料電池セルスタック４００が配置されている空間が発電室１６である。仕切り板１５によって分離されている空間の内、他方の空間が排気ガス室１７である。尚、カバー部材の内壁面と仕切り板１５とは、直接若しくは何らかの密着用部材（例えば、可撓性のある薄板部材）を介して間接的に密着している。

仕切り板１５は、ベース部材２に設けられた支持部材１５ａに戴置され、ベース部材２と所定距離を保って保持されている。支持部材１５ａは、仕切り板１５を長手方向の両端において支持するように一対設けられている。従って、一対の支持部材１５ａ，１５ａ間には隙間１５ｂが形成されている。カバー部材の壁面に設けられた排気ガス通路（図示しない）を通った排出ガスは、この隙間１５ｂから排気ガス室１７へと導入される。

仕切り板１５にはガスタンク３が載置されている。ガスタンク３には、燃料電池セルスタック４００が１０個並べて配置されており、ガスタンク３から燃料ガスが、それぞれの燃料電池セルスタック４００を構成する燃料電池セル４に供給される。

より具体的には、ガスタンク３の上面には、燃料電池セルスタック４００の下支持板４００ｂとほぼ同じ形状の開口部（図示しない）が設けられており、その開口部に下支持板４００ｂを密接させてガスタンク３と各燃料電池セルスタック４００とが接続されている。従って、燃料電池セルスタック４００を構成する燃料電池セル４は、その先端部分を上部側に向けてガスタンク３に立設されている。

各燃料電池セル４は、管状であり、燃料電池セル４の管内を燃料電池セル４の一方の端部から他方の端部へと流れるガスと、その管外を一方の端部から他方の端部へと流れるガスの作用により作動する。本実施形態では、燃料電池セル４の管内を流れるガスは、水素又は炭化水素燃料等を改質した改質ガス等の燃料ガスであり、燃料電池セル４の管外を流れるガスは、酸素を含む空気等の酸化剤ガスである。

ここで、燃料電池セル４を含む燃料電池セルユニット３０について、図４を参照しながら説明する。図４に示すように、燃料電池セルユニット３０は、燃料電池セル４によって形成され且つ上下方向に延びる管状構造体であり、円筒形の燃料電池セル４と、燃料電池セル４の一方の端部４ａに取付けられた内側電極端子４０と、他方の端部４ｂに取付けられた外側電極端子４２と、を有している。

燃料電池セル４は、円筒形の内側の電極層４４と、円筒形の外側の電極層４８と、これらの電極層４４、４８の間に配置された円筒形の電解質層４６と、内側の電極層４４の内側に構成される貫通流路５０とを有している。また、燃料電池セル４の一方の端部４ａに、内側の電極層４４が電解質層４６及び外側の電極層４８に対して露出した内側電極露出周面４４ａと、電解質層４６が外側の電極層４８に対して露出した電解質露出周面４６ａとが設けられている。燃料電池セル４の他方の端部４ｂは、外側の電極層４８が露出した外側電極露出周面４８ａによって構成されている。貫通流路５０は、燃料ガス流路として機能する。内側電極露出周面４４ａは、内側の電極層４４と電気的に通じる内側電極外周面でもある。外側電極露出周面４８ａは、外側の電極層４８と電気的に通じる外側電極外周面でもある。

内側の電極層４４は、例えば、Ｎｉと、ＣａやＹ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニアとの混合体、Ｎｉと、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリアとの混合体、Ｎｉと、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｕから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレートとの混合体、の少なくとも一種から形成される。電解質層４６は、例えば、Ｙ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニア、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリア、Ｓｒ、Ｍｇから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレート、の少なくとも一種から形成される。外側の電極層４８は、例えば、Ｓｒ、Ｃａから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンマンガナイト、Ｓｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンフェライト、Ｓｒ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれる少なくとも一種をドープしたサマリウムコバルト、銀、などの少なくとも一種から形成される。この場合、内側の電極層４４が燃料極になり、外側の電極層４８が空気極になる。内側の電極層４４の厚さは、例えば、１ｍｍであり、電解質層４６の厚さは、例えば、３０μｍであり、外側の電極層４８の厚さは、例えば、３０μｍであり、その外径は、例えば、１〜１０ｍｍである。

内側電極端子４０は、内側電極露出周面４４ａを全周にわたって外側から覆うように配置され且つそれと電気的に接続された本体部分４０ａと、本体部分４０ａから燃料電池セル４の長手方向に延びる管状部分４０ｂとを有している。本体部分４０ａ及び管状部分４０ｂは、円筒形であり且つ同心に配置され、管状部分４０ｂの管径は、本体部分４０ａの管径よりも細くなっている。管状部分４０ｂは、貫通流路５０と連通し且つ外部と通じる接続流路４０ｃを有している。本体部分４０ａと管状部分４０ｂとの間の段部４０ｄは、内側の電極層４４の端面４４ｂと当接している。

外側電極端子４２は、外側電極露出周面４８ａを全周にわたって外側から覆うように配置され且つそれと電気的に接続された本体部分４２ａと、本体部分４２ａから燃料電池セル４の長手方向に延びる管状部分４２ｂとを有している。本体部分４２ａ及び管状部分４２ｂは、円筒形であり且つ同心であり、管状部分４２ｂの管径は、本体部分４２ａの管径よりも細くなっている。管状部分４２ｂは、貫通流路５０と連通し且つ外部と通じる接続流路４２ｃを有している。本体部分４２ａと管状部分４２ｂとの間の段部４２ｄは、環状の絶縁部材５２を介して外側の電極層４８、電解質層４６及び内側の電極層４４の端面４４ｃと当接している。

内側電極端子４０の全体形状と外側電極端子４２の全体形状とは同一である。また、内側電極端子４０と燃料電池セル４、及び、外側電極端子４２と燃料電池セル４とは、その全周にわたって導電性のシール材５４によってシールされ且つ固定されている。シール材５４は、例えば、銀、銀とガラスの混合物、金、ニッケル、銅、チタンなどを含む各種ロウ材である。

内側電極端子４０の接続流路４０ｃ、燃料電池セル４の貫通流路５０、及び外側電極端子４２の接続流路４２ｃは、燃料電池セルユニット３０の管内流路３０ｃを構成する。

続いて、燃料電池セルユニット３０を含む燃料電池セルスタック４００について、図５を参照しながら説明する。燃料電池セルスタック４００は、１６本の燃料電池セルユニット３０と、上支持板４００ａと、下支持板４００ｂと、接続部材４００ｃと、外部端子４００ｄとを備えている。

上支持板４００ａ及び下支持板４００ｂは矩形であり、それぞれ、燃料電池セルユニット３０を２列×８行で支持するように燃料電池セルユニット３０の管状部分４０ｂ、４２ｂに嵌合する貫通孔（図に明示しない）を有している。上支持板４００ａ及び下支持板４００ｂは、電気絶縁性材料で形成されており、例えば、耐熱性のセラミックスで形成されている。具体的には、アルミナ、ジルコニア、スピネル、フォルステライト、マグネシア、チタニアなどを用いることが好ましい。

１６本の燃料電池セルユニット３０は、それらが電気的に直列に接続されるように配列されている。詳細には、燃料電池セルユニット３０は、隣接した燃料電池セルユニット３０の内側電極端子４０が交互に上側及び下側に配置されるように配列されている。更に、１６本の燃料電池セルユニット３０を電気的に直列に接続するための接続部材４００ｃが設けられている。接続部材４００ｃは、隣接した１つの内側電極端子４０と１つの外側電極端子４２とを電気的に接続する。直列に接続された１６本の燃料電池セルユニット３０の両端部の内側電極端子４０及び外側電極端子４２にはそれぞれ、外部と電気的な接続を行うための外部端子４００ｄが設けられている。接続部材４００ｃ、外部端子４００ｄは、例えば、ステンレス鋼、ニッケル基合金、クロム基合金などの耐熱金属や、ランタンクロマイトなどのセラミック材料で形成される。各燃料電池セルスタック４００の外部端子４００ｄは電気的に直列に接続されていて、その両端には電極棒１３，１４に接続されている。

図４及び図５を参照しながら説明したように、燃料電池セルスタック４００において、燃料電池セルユニット３０の内側電極端子４０が設けられている端部４ａと外側電極端子４２が設けられている端部４ｂとは上下交互になるように配置されている。

ここで、図１〜３に戻り、燃料電池モジュールＦＣの説明を続ける。本実施形態では、燃料電池セルスタック４００の上方に位置するように、改質器５が配置されている。改質器５には、配管６Ｃと配管６Ｄとが繋がれていて、これらの配管６Ｃ及び配管６Ｄによって、改質器５は燃料電池セルスタック４００と所定間隔をおいて上方に位置するように保持されている。配管６Ｃは、改質器５に被改質ガスとしての都市ガス、空気、及び水蒸気を供給するための配管であって、仕切り板１５に対して立設されている。配管６Ｄは、改質器５において改質された燃料ガスをガスタンク３に供給するための配管であって、ガスタンク３に対して立設されている。

配管６Ｃを通して改質器５に供給される都市ガス及び空気は、被改質ガス供給管６Ａを通って燃料電池モジュールＦＣ内に導入される。また、配管６Ｃを通して改質器５に供給される水蒸気は、水蒸気供給管６Ｂを通って燃料電池モジュールＦＣ内に導入される。被改質ガス供給管６Ａ及び水蒸気供給管６Ｂは、仕切り板１５を挟んで配管６Ｃとは反対側に設けられている混合室１５ｃに繋がっている。被改質ガス供給管６Ａから供給される都市ガス及び空気と、水蒸気供給管６Ｂから供給される水蒸気とは、この混合室１５ｃにおいて混合され、配管６Ｃへと供給される。

図１〜３には明示しないが本実施形態では、被改質ガス供給管６Ａと水蒸気供給管６Ｂとのそれぞれに電磁弁が取り付けられていて、それぞれの電磁弁は制御部としてのＣＰＵから出力される指示信号に応じて開閉し、改質器５に供給する被改質ガスと空気と水蒸気の比率を変更可能なように構成されている。

改質器５に導入された被改質ガスとしての都市ガス（水蒸気が混合されている場合もあり）及び空気（被改質ガスのみの場合もあり）は、改質器５内に収められている改質触媒によって改質される。改質された燃料ガスは、配管６Ｄを通ってガスタンク３へと供給される。改質器５に対して配管６Ｃが繋がっている部分と、改質器５に対して配管６Ｄが繋がっている部分とは、長手方向において一端近傍と他端近傍とに引き離されている。これによって、改質器５に供給された燃料ガス及び空気は改質触媒に十分に触れることが可能となる。

改質器５には、改質触媒が封入されている。改質触媒としては、アルミナの球体表面にニッケルを付与したもの、アルミナの球体表面にルテニウムを付与したもの、が適宜用いられる。これらの改質触媒は球体である。

本実施形態では、改質器５及び各燃料電池セルスタック４００を覆うように、流路部材７が設けられている。流路部材７は、空気流路外壁７１，７２と、空気分配室７３と、空気集約室７４，７５と、空気流路管７６ａ，７６ｂ，７７ａ，７７ｂと、外壁７８，７９を有している。流路部材７は、長手方向に空気流路外壁７１，７２が、短手方向に外壁７８，７９が、それぞれ配置され、それらの部材によって箱状となるように形成されている。流路部材７は、改質器５及び各燃料電池セルスタック４００を覆うように、仕切り板１５に立設されている。続く説明では、流路部材７の仕切り板１５に当接する側を下方とし、その下方と反対側を上方として説明する。

空気分配室７３は、外壁７９の外側上方に取り付けられている。すなわち、空気分配室７３は、空気流路外壁７１，７２と外壁７８，７９とによって形成される箱状体の外側且つ短手側の上方に取り付けられている。空気分配室７３には、空気供給管７Ａが繋がれており、酸化剤ガスとしての空気が供給される。空気分配室７３には、空気流路管７６ａ，７６ｂ，７７ａ，７７ｂも繋がれている。

空気流路管７６ａ，７６ｂは、空気流路外壁７１，７２と外壁７８，７９とによって形成される箱状体の内側且つ長手側の上方に、空気流路外壁７１に沿うように配置されている。空気流路管７６ａは、空気流路外壁７１側に、空気流路管７６ｂは、空気流路管７６ａよりも内側に、それぞれ配置されている。空気流路管７６ａ，７６ｂの一端は外壁７９を貫通して空気分配室７３に繋がれており、他端は空気集約室７４に繋がれている。従って、空気分配室７３に流入した空気は、空気流路管７６ａ，７６ｂを通り、空気集約室７４へと流れ込んで再合流する。

空気流路管７７ａ，７７ｂは、空気流路外壁７１，７２と外壁７８，７９とによって形成される箱状体の内側且つ長手側の上方に、空気流路外壁７２に沿うように配置されている。空気流路管７７ａは、空気流路外壁７２側に、空気流路管７７ｂは、空気流路管７７ａよりも内側に、それぞれ配置されている。空気流路管７７ａ，７７ｂの一端は外壁７９を貫通して空気分配室７３に繋がれており、他端は空気集約室７５に繋がれている。従って、空気分配室７３に流入した空気は、空気流路管７７ａ，７７ｂを通り、空気集約室７５へと流れ込んで再合流する。

空気集約室７４，７５は、外壁７８の内側上方に取り付けられている。すなわち、空気集約室７４，７５は、空気流路外壁７１，７２と外壁７８，７９とによって形成される箱状体の内側且つ短手側の上方に取り付けられている。空気集約室７４は空気流路外壁７１と密着するように配置されており、空気集約室７４に流れ込んだ空気は空気流路外壁７１へと流れ出すように構成されている。一方、空気集約室７５は空気流路外壁７２と密着するように配置されており、空気集約室７５に流れ込んだ空気は空気流路外壁７２へと流れ出すように構成されている。

空気流路外壁７１，７２は、それぞれが二重壁構造となっていて、それぞれの内部を空気が流れることができるように構成されている。より具体的には、空気流路外壁７１は、上方から三室に分割された構造となっており、上方から順に、第一室７１１、第二室７１２、第三室７１３として形成されている。空気集約室７４から流れ込んだ空気は、第一室７１１に流れ込んだ後、第二室７１２に流れ込み、その後第三室７１３に流れ込む。同様に、空気流路外壁７２も、上方から三室に分割された構造となっており、上方から順に、第一室７２１、第二室７２２、第三室７２３として形成されている。空気集約室７５から流れ込んだ空気は、第一室７２１に流れ込んだ後、第二室７２２に流れ込み、その後第三室７２３に流れ込む。

第三室７１３，７２３にはそれぞれ、所定間隔をおいて複数の空気流入孔７１３ａ，７２３ａが形成されている。空気流入孔７１３ａ，７２３ａは、燃料電池セルスタック４００が連設されている方向に、各燃料電池セル４間の間隙に向かう位置であって、燃料電池セル４に対する上下方向の位置が略同一となるように、複数個形成されている。

空気流路外壁７１，７２に流れ込んだ空気は、空気流入孔７１３ａ，７２３ａを通って発電室１６内の燃料電池セル４近傍へと流れ込むように構成されている。空気流入孔７１３ａ，７２３ａを通って流れ込んだ空気は、燃料電池セル４の外側を通って各燃料電池セル４の下方から上方へと流れる。各燃料電池セル４の上方に至った空気は、各燃料電池セル４の管内流路を通った燃料ガスと合わせて燃焼される。

各燃料電池セルスタック４００の上方は、空気と燃料ガスとが混合して燃焼する燃焼部１８となっている。燃料ガスは、ガスタンク３から、燃料電池セルユニット３０の管内流路３０ｃを通り、燃焼部１８に向けて上昇する。また、燃料電池セル４の外側を流れる空気も、燃焼部１８に向けて上昇する。空気流路外壁７２の燃焼部１８に対応する部分には点火装置挿入穴７２４が設けられ、燃焼ガスと空気との燃焼を開始させるための点火プラグＦＰが点火装置挿入穴７２４から燃焼部１８に突出されている。この点火プラグＦＰが発生する火花により、燃料ガスと空気とが混合した混合気の燃焼が誘起され点火されて燃焼する。燃料電池セルスタック４００を構成する燃料電池セル４は、燃焼部１８によって上方から加熱される。また、空気流入孔７１３ａ，７２３ａを通って流れ込む空気も、上述したように空気流路管７６ａ，７６ｂ，７７ａ，７７ｂ、空気流路外壁７１，７２を通る間に、燃焼部１８における燃焼によって加熱される。

燃焼部１８において、燃料ガスと空気とが混合して燃焼したことにより発生した排出ガスは、隙間１５ｂから排出ガス室１７へと流入する。より具体的には、燃焼部１８において、燃料ガスと空気とが混合して燃焼したことにより発生した排出ガスは、カバー部材（図１，３に明示しない。図２にその外形を二点鎖線で示す）に形成された排出ガス流路（図に明示しない）を通って下方に向い、隙間１５ｂから排出ガス室１７へと流入する。排出ガス室１７に流入した排出ガスは、排気口１１から外部へ排出される。

点火装置挿入穴７２４と対向する部分における空気流路外壁７１には、燃焼検知部挿入穴７２５が設けられている。この燃焼検知部挿入穴７２５には、燃焼検知部ＦＳが挿入され、燃焼部１８に突出されている。燃焼検知部ＦＳは、温度センサやフレームロッドによって構成されている。燃焼検知部ＦＳを温度センサによって構成した場合には、その部分の温度上昇を計測することで燃焼が行われていることを検知する。燃焼検知部ＦＳをフレームロッドによって構成した場合には、その部分に火炎が発生していることを検知することで燃焼が行われていることを検知する。

ここで、図６を参照しながら、複数の燃料電池セル４に対して、どのような位置に点火プラグＦＰと燃焼検知部ＦＳとを配置するかを説明する。図６は、複数の燃料電池セル４からなる燃料電池セル集合体に対して、点火プラグＦＰと燃焼検知部ＦＳとを配置する際の位置を説明するための平面図である。図６に示すように、点火プラグＦＰと燃焼検知部ＦＳとはそれぞれ一対設けられている。一対の点火プラグＦＰと一対の燃焼検知部ＦＳとは互いに対向する位置に配置されており、その間には列状に配列された複数の燃料電池セル４が存在する。

図６に示すような配置にする場合の燃焼の進行について、図７を参照しながら説明する。図７に示すように、複数の燃料電池セル４を列状に配置した燃料電池セル列４Ｌの、一端側４Ｌａに点火プラグＦＰが配置され、他端側４Ｌｂに燃焼検知部ＦＳが配置されている。改質器５によって供給される燃料ガスは、ガスタンク３の一端側（燃料電池セル列４Ｌの一端側４Ｌａに対応する側）からガスタンク３内に導入され、ガスタンク３の他端側（燃料電池セル列４Ｌの他端側４Ｌｂに対応する側）へと流れる。

点火プラグＦＰと燃焼検知部ＦＳとの配置関係に着目すれば、点火プラグＦＰと燃焼検知部ＦＳとは、列状に配列されている複数の燃料電池セル４からなる燃料電池セル列４Ｌを挟んで互いに離隔して配置されている。また、ガスタンク３との関係に着目すれば、ガスタンク３の一端側である燃料電池セル列４Ｌの一端側４Ｌａに配置されている燃料電池セル４の先端上部に点火プラグＦＰが配置され、ガスタンク３の他端側である燃料電池セル列４Ｌの他端側４Ｌｂに配置されている燃料電池セル４の先端上部に燃焼検知部ＦＳが配置されている。また、ガスタンク３からの燃料ガスの供給に着目すれば、ガスタンク３は、燃料電池セル列４Ｌの一端側４Ｌａから他端側４Ｌｂへと順次燃料ガスを供給するように構成されており、その先端上部に点火プラグＦＰが配置されてなる燃料電池セル４（一端側４Ｌａ側の燃料電池セル４）は、その先端上部に燃焼検知部ＦＳが配置されてなる燃料電池セル４（他端側４Ｌｂ側の燃料電池セル４）よりも先に燃料ガスが供給される。

上述したような構成とすることで、燃料電池セル列４Ｌを構成する燃料電池セル４は、図中矢印Ｃ方向に順次火移りしながら着火していく。従って、この燃料電池セル列４Ｌを挟んで点火プラグＦＰと燃焼検知部ＦＳとを配置することで、火移りを利用して燃料電池セル列４Ｌを構成する燃料電池セル４それぞれに確実に点火させることができ、それら全ての燃料電池セル４に点火したことを燃焼検知部ＦＳによって確実に検知することができる。

火移りによって燃料電池セル４に順次点火する態様は、図７に示したような直線的な態様に限られるものではなく、燃料電池セル４を行列配置した場合であっても、隣接する燃料電池セル４に順次火移りしていくものである。従って、例えば、図８に示すように、一対の点火プラグＦＰの配置はそのままに、燃焼検知部ＦＳを一対の点火プラグＦＰの間の位置であって、平面視において複数の燃料電池セル４を挟んで反対側の位置に一つ設けることも好ましい態様である。このように行列配置された複数の燃料電池セル４の長辺側の一辺に点火プラグＦＰを一対設け、その一辺に対向する辺に燃焼検知部ＦＳを設けることで、複数の燃料電池セル４の長辺側の一辺から対向する辺に向う火移りを検知して、全ての燃料電池セル４が着火した否かの判断に用いることができる。

更に、図９に示すように、行列配置された複数の燃料電池セル４の長辺側の一辺の中央近傍に点火プラグＦＰを一つ設け、その一辺に対向する辺に一対の燃焼検知部ＦＳを設けることで、複数の燃料電池セル４の長辺側の一辺から対向する辺に向う火移りを検知して、全ての燃料電池セル４が着火した否かの判断に用いることもできる。また、図１０に示すように、行列配置された複数の燃料電池セル４の長辺側の一辺の一端側に点火プラグＦＰを一つ設け、他端側に燃焼検知部ＦＳを一つ設けることも好ましい態様である。この場合、燃焼検知部ＦＳの先端を、行列配置された複数の燃料電池セル４の短辺側の中央近傍まで延伸することが好ましい。

カバー部材を外して示す燃料電池モジュールの斜視図である。 図１に示す燃料電池モジュールの断面図である。 図１に示す燃料電池モジュールの断面図である。 燃料電池セルユニットを説明するための図である。 燃料電池セルスタックを説明するための図である。 点火プラグと燃焼検知部の配置を説明するための図である。 点火プラグによる着火と燃焼検知部による燃焼検知の原理を説明する図である。 点火プラグと燃焼検知部の配置を説明するための図である。 点火プラグと燃焼検知部の配置を説明するための図である。 点火プラグと燃焼検知部の配置を説明するための図である。

符号の説明

２：ベース部材
２ａ：穴
３：ガスタンク
４：燃料電池セル
４ａ：端部
４ｂ：端部
５：改質器
６Ａ：被改質ガス供給管
６Ｂ：水蒸気供給管
６Ｃ：配管
６Ｄ：配管
７：流路部材
７Ａ：空気供給管
１３，１４：電極棒
１５：板
１５ａ：支持部材
１５ｂ：隙間
１５ｃ：混合室
１６：発電室
１７：排気ガス室
１８：燃焼部
３０：燃料電池セルユニット
３０ｃ：管内流路
４０：内側電極端子
４０ａ：本体部分
４０ｂ：管状部分
４０ｃ：接続流路
４０ｄ：段部
４２：外側電極端子
４２ａ：本体部分
４２ｂ：管状部分
４２ｃ：接続流路
４２ｄ：段部
４４：電極層
４４ａ：内側電極露出周面
４４ｂ：端面
４４ｃ：端面
４６：電解質層
４６ａ：電解質露出周面
４８：電極層
４８ａ：外側電極露出周面
５０：貫通流路
５２：絶縁部材
５４：シール材
７１：空気流路外壁
７２：空気流路外壁
７３：空気分配室
７４：空気集約室
７５：空気集約室
７６ａ，７６ｂ，７７ａ，７７ｂ：空気流路管
７６ａａ，７６ｂａ，７７ａａ，７７ｂａ：下面
７８：外壁
７９：外壁
４００：燃料電池セルスタック
４００ａ：上支持板
４００ｂ：下支持板
４００ｃ：接続部材
４００ｄ：外部端子
７１１：第一室
７１２：第二室
７１３：第三室
７１３ａ，７２３ａ：空気流入孔
７２１：第一室
７２２：第二室
７２３：第三室
７２４：点火装置挿入穴
ＦＣ：燃料電池モジュール

Claims (3)

1. 燃料ガス流路を内部に有すると共に前記燃料ガス流路の出口より残余の燃料ガスを放出し、燃料電池セル集合体を構成する複数の燃料電池セルと、
   前記燃料電池セル集合体の上部に配置され、被改質ガスを改質して燃料ガスとする改質 触媒を含む少なくとも一つの改質器と、
   前記改質器から供給される燃料ガスを、前記複数の燃料電池セルそれぞれに供給するガスタンクと、を備える燃料電池モジュールであって、
   前記複数の燃料電池セルの上部であって前記改質器の下部に、発電反応に寄与しなかった残余の燃料ガスと残余の 酸化剤ガスとが混合して燃焼する燃焼部が形成され、
   前記燃焼部における燃焼を誘起する火花を発生する着火プラグと、
   前記燃焼部における燃焼を検知する燃焼検知部と、を備え、
   前記複数の燃料電池セルは、それらの少なくとも一部が列を成すように配置され、
   前記着火プラグは、列を成すように配置された複数の燃料電池セルを構成する一の燃料電池セルの先端上部に配置され、前記燃焼検知部は、列を成すように配置された複数の燃 料電池セルを構成する他の燃料電池セルの先端上部に配置されており、
   前記ガスタンクには一端側に前記改質器を経由して燃料ガスが供給され、この供給された燃料ガスは他端側へと流れるように構成されており、
   前記着火プラグは、前記ガスタンクの一端側に配置された燃料電池セルの先端上部に配置され、
   前記着火プラグと前記燃焼検知部とは、前記着火プラグが配置された位置から前記ガスタンクの他端側に向かう方向に、前記列を成すように配置された複数の燃料電池セルを挟んで互いに離隔して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. 前記燃焼検知部は、前記ガスタンクの他端側に配置された燃料電池セルの先端上部に配置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. 前記ガスタンクは、前記複数の燃料電池セルに対して順次燃料ガスを供給するように構成され、
   その先端上部に前記着火プラグが配置されてなる燃料電池セルは、その先端上部に前記燃焼検知部が配置されてなる燃料電池セルよりも、先に燃料ガスが供給される位置に配置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。

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