JP5946014B2 - 燃料電池ユニット - Google Patents

Description

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスにより発電を行う燃料電池ユニットに関する。

近年、燃料ガス（水素含有ガス）と酸化剤ガス（酸素含有ガス）とを反応させて電力を得ることができる燃料電池セルをケーシング内に複数配列し、それら複数の燃料電池セルに燃料ガスと酸化剤ガスとを供給して発電する燃料電池ユニットが提案されている。この種の燃料電池ユニットとして、発電反応に使用されなかった燃料ガスと酸化剤ガスとをケーシング内で燃焼させ、発生した燃焼ガスを利用して、その熱によりセルの発電反応に使用する酸化剤ガスを加熱する熱交換器をケーシング外に備えたものが知られている。また、ケーシングの上面を覆うように熱交換器を固定配置し、熱交換器によって覆われたケーシングの外面とケーシングを覆う熱交換器の外面との間を連結するようそれぞれに設けられた開口を介して燃焼ガスをケーシングから熱交換器に導入することで、発生した燃焼ガスをすぐに熱交換器における熱交換に利用できるよう熱交換効率を向上させた燃料電池ユニットも知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２０１２−０１４９２１号公報

上述した燃焼ガスにより酸化剤ガスを加熱する熱交換器を備えた燃料電池ユニットにおいては、高温である燃焼ガスが熱交換器で酸化剤ガスと熱交換する際、上流から下流に流れるにつれ温度が低下していく。そのため、熱交換器にて燃焼ガスの流れ方向に温度分布が生じてしまう。温度分布により熱交換器では低温の領域ができるのに対し、ケーシングは熱交換器の温度分布とは異なり全体的に高温であるため、熱交換器の低温の領域とケーシングとの接触部にて熱膨張量に差が生じる。酸化剤ガスを熱交換器からケーシング内へ導入する連絡流路を、熱交換器の温度分布の低温側から垂直方向真下に延ばしてケーシングと接続する場合、熱交換器の低温側よりもケーシングの熱膨張量の方が大きくなるため、連絡流路とケーシングとの接続部の位置が、熱交換器と連絡流路との接続部の真下から熱膨張する方向に相対的にずれてしまう。この相対的なずれにより、連絡流路が歪むとともに各接続部に応力による負荷がかかるおそれがある。さらに、連絡流路を介しケーシング内へ導入される酸化剤ガスは比較的低温であるため、連絡流路も比較的低温となる。比較的低温である連絡流路に対し、上述した通りケーシングは全体的に高温であるため、連絡流路とケーシングとの接続部にてケーシングとの間の熱膨張量に差が生じる。この熱膨張量の差により、連絡流路とケーシングとの接続部に応力による負荷がさらにかかるおそれがある。これら連絡流路の各接続部にかかる負荷によって各接続部にてクラックや割れ等の破損が生じた場合、酸化剤ガスが漏れてしまうおそれがある。その場合、安定して酸化剤ガスが供給されないため、酸化剤ガスが不足する状態での無理な発電による燃料電池セルの劣化や破損も起こり得、燃料電池ユニットの発電反応が安定せず寿命も短くなってしまうことが懸念される。

そこで、本発明は、ケーシングを覆うように熱交換器を配置し、熱交換器によって覆われたケーシングの外面とケーシングを覆う熱交換器の外面との間を連結するようそれぞれに設けられた開口を介して燃焼ガスをケーシングから熱交換器に導入する構成を有する燃料電池ユニットにおいて生じる上述した課題を解決するためになされたものであり、ケーシングと熱交換器との間及び連絡流路とケーシングとの間における熱膨張量の差による連絡流路の破損を防ぎ、酸化剤ガスを安定して燃料電池セルに供給することが可能な燃料電池ユニットを提供することを目的とする。

本発明は、燃料ガス及び酸化剤ガスを利用して発電反応を生じる燃料電池セルと、発電反応に利用されなかった燃料ガス及び酸化剤ガスを燃焼させる燃焼部と、 前記燃料電池セルと前記燃焼部とを内包する箱形状のケーシングと、 前記燃焼部で生じた燃焼ガスを前記ケーシングの外部に排出するよう前記ケーシングに設けられた燃焼ガス排出口と、前記燃焼ガス排出口から排出された燃焼ガスを導入する燃焼ガス導入部を有し、前記ケーシングの外面を覆うよう前記ケーシングに固定され、外部から前記燃焼ガスとは別経路で取り込んだ前記酸化剤ガスと前記ケーシングから導入した前記燃焼ガスとの間で熱交換する熱交換器と、加熱された前記酸化剤ガスを前記熱交換器から前記ケーシング内部へと導くよう前記熱交換器と前記ケーシングとの間を連絡する連絡流路と、を備え、前記熱交換器は、一方側端部側に前記燃焼ガス導入部を具備し、他方側端部側に導入した前記燃焼ガスを前記熱交換器外に排出する開口を具備する、燃料電池ユニットにおいて、 前記ケーシングと前記熱交換器とは、前記熱交換器によって覆われた前記ケーシングの外面と前記ケーシングを覆う前記熱交換器の外面との間に設けられた前記燃焼ガス排出口と前記燃焼ガス導入部とを連結する連結部と、前記燃焼ガス導入口の近傍に配置された前記連絡流路と、で互いに連結されて固定されていることを特徴とする燃料電池ユニットである。

このように構成された本発明においては、連絡流路はケーシングから熱交換器へ燃焼ガスを導入する燃焼ガス導入部の近傍に配置されるので、ケーシングと略同一温度となる燃焼ガス導入部の近傍、つまり、熱交換器とケーシングとの接触部にて熱膨張量に大きな差が生じない領域に連絡流路は配置されることになる。それにより、ケーシングと熱交換器との熱膨張量に差が生じる領域に連絡流路が配置された場合に比べ、熱交換器と連絡流路との接続部の熱膨張による位置の変化の大きさと、連絡流路とケーシングとの接続部の熱膨張による位置の変化の大きさとの間に、ずれが生じにくい。そのため、熱交換器と連絡流路との接続部に対する、連絡流路とケーシングとの接続部の相対的な位置が変化しにくく、連絡流路が歪まず、各接続部分に応力による負荷がかかることが防止される。従って、この負荷によって生じる各接続部分におけるクラックや割れ等の破損、ならびに、その破損が生じた場合に起こり得る酸化剤ガスの漏れが防止される。燃料電池セルへ酸化剤ガスを安定して供給することができるため、発電反応が安定するとともに長寿命の燃料電池ユニットを得ることが可能となる。

本発明は、好ましくは、ケーシング内には、連絡流路のケーシングとの接続部と、燃料電池セルと、の間を遮蔽する遮蔽板が配置されている方がよい。

このように構成された本発明においては、ケーシング内には、連絡流路のケーシングとの接続部と、燃料電池セルとの間に遮蔽板が配置されているため、ケーシングを加熱する燃料電池セルの発電による熱、燃料ガスと酸化剤ガスとの燃焼による熱、及び、燃焼により発生する高温の燃焼ガスから接続部が遮蔽され、接続部におけるケーシングの温度が高温になりにくい。そのため、接続部において、比較的低温である連絡流路とケーシングとの温度差が抑えられ、連絡流路とケーシングとの間の熱膨張量の差も抑えられる。従って、連絡流路とケーシングとの間の熱膨張量の差によって接続部に応力による負荷がかかることが防止されるとともに、負荷による接続部の破損及びその破損により生じる酸化剤ガスの漏れがより確実に防止される。燃料電池セルへ酸化剤ガスを安定して供給することができるため、発電反応が安定するとともに長寿命の燃料電池ユニットを得ることが可能となる。

本発明の燃料電池ユニットによれば、ケーシングと熱交換器との間及び連絡流路とケーシングとの間での熱膨張量の差による連絡流路の破損が防止される。従って、不安定な酸化剤ガスの供給によって発生する燃料電池セルの劣化や破損を防ぐことができ、発電反応が安定するとともに長寿命の燃料電池ユニットを得ることが可能となる。

本発明の一実施形態における燃料電池モジュールの外観を示す斜視図。 図１の中央近傍における断面図であって、図１のＡ方向から見た断面を示す断面図。 図１の中央近傍における断面図であって、図１のＢ方向から見た断面を示す断面図。 図１のケーシングから一部の外板を取り除いた状態を示す斜視図。 図２に相当する、発電用空気及び燃焼ガスの流れを示す模式図。 図３に相当する、発電用空気及び燃焼ガスの流れを示す模式図。 本発明の一実施形態における燃料電池セルスタックの構成を示す斜視図。 本発明の一実施形態における燃料電池セルユニットを示す部分断面図。 本発明の一実施形態に用いられる熱交換器の内部及び熱交換器に通じる流路を示す平面図。 本発明の一実施形態に用いられる連絡流路と熱交換器の低温側に設けられた連絡流路とを比較するための模式図。 図１０の熱交換器及びケーシングにて熱膨張が生じた際の連絡流路の状態を示す模式図。

以下、添付図面を参照して本発明の一実施形態について説明する。
図１は本発明の一実施形態における燃料電池モジュール（燃料電池ユニット）の外観を示す斜視図である。図１に示す燃料電池モジュール２は、固体電解質型燃料電池システムの一部を構成するものである。固体電解質型燃料電池システムは、燃料電池モジュール２と、図示しない補機ユニットとを備える。

なお、図１においては、燃料電池モジュール２の高さ方向をｙ軸方向としている。このｙ軸に直交する平面に沿ってｘ軸及びｚ軸を定義し、燃料電池モジュール２の短手方向に沿った方向をｘ軸方向とし、燃料電池モジュール２の長手方向に沿った方向をｚ軸方向としている。図２以降において図中に記載しているｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸は、図１におけるｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸を基準としている。また、ｚ軸の負方向に沿った方向をＡ方向とし、ｘ軸の正方向に沿った方向をＢ方向としている。

図１に示すように、燃料電池モジュール２は、燃料電池セル集合体（詳細は後述する）を内部に設けたケーシング５６と、ケーシング５６の上面に接触して設けられ発電用空気（酸化剤ガス）を加熱する熱交換器２２とを備える。ケーシング５６の内部は密封空間となっており、被改質ガス供給管６０及び水供給管６２が繋げられている。一方、熱交換器２２には、発電用空気導入管７４と、燃焼ガス排出管８２とが繋げられている。

被改質ガス供給管６０は、ケーシング５６の内部に都市ガス等の被改質ガスを供給する管路である。水供給管６２は、被改質ガスを燃料ガスに水蒸気改質する際に用いられる水を供給する管路である。発電用空気導入管７４は、改質後の燃料ガスと発電反応を起こさせるための発電用空気を供給する管路である。燃焼ガス排出管８２は、発電反応後の燃料ガスを燃焼した結果生じる燃焼ガスをケーシング５６外部へ排出する管路である。

次に、図２は燃料電池モジュール２をその中央近傍において図１のＡ方向から見た断面図、図３は燃料電池モジュール２をその中央近傍において図１のＢ方向から見た断面図、図４は図１に示す燃料電池モジュール２から燃料電池セル集合体を覆うケーシング５６の一部を取り外した状態を示す斜視図である。図２〜図４を参照しながら、燃料電池モジュール２の内部について説明する。

図２〜図４に示すように、燃料電池モジュール２はその内部に、燃料電池セル集合体１２と、燃料電池セル集合体１２が発電を行う発電室１０と、燃料電池セル集合体１２の上方に形成された燃焼室１８と、燃焼室１８の上方に配置された改質ユニット２０と、改質ユニット２０の上方に形成される整流板２１を有する。また、燃料電池セル集合体１２の真下にはマニホールド６８が設けられている。

発電室１０に設けられる燃料電池セル集合体１２は、複数の燃料電池セルユニット１６により構成される燃料電池セルスタック１４を、長手方向（Ａ方向）に向けて複数配列したものであり、ケーシング５６により全体が覆われている。また、図４に示すように、燃料電池セル集合体１２は、全体としてＢ方向よりＡ方向の方が長い略直方体形状であり、改質ユニット２０側の上面、マニホールド６８側の下面、図４のＡ方向に沿って延びる長辺側面と、図４のＢ方向に沿って延びる短辺側面と、を備えている。

改質ユニット２０は、ケーシング５６の内部に導かれた被改質ガス供給管６０及び水供給管６２がともに繋がれている。より具体的には、図３に示すように、改質ユニット２０の上流端である図中右側の端部に繋がれている。水供給管６２から供給された水は、改質ユニット２０内の上流端に設けられた蒸発混合器２０ａによって蒸発される。さらに、蒸発混合器２０ａは、この水蒸気と、被改質ガスと空気とを改質反応の種類に応じて適宜混合する。
改質ユニット２０内の蒸発混合器２０ａの下流側には、改質器２０ｂが設けられている。改質器２０ｂは、水蒸気改質により被改質ガスを燃料ガスへと改質し、この燃料ガスを改質ユニット２０の下流端に接続された燃料供給管６６の上端へ導入する。この燃料供給管６６の下端側６６ａは、マニホールド６８内に入り込むように配置されている。

燃料電池セル集合体１２の真下に設けられるマニホールド６８の内部には、燃料供給管６６の下端側６６ａが挿入されている。燃料供給管６６の下端側６６ａの外周には、長手方向（Ａ方向）に沿って図示しない複数の小穴が形成されている。改質ユニット２０で改質された燃料ガスは、マニホールド６８の長手方向における一端側（図３における左端）から他端側（図３における右端）に向けて導入され、これら複数の小穴（図示せず）によってマニホールド６８内の他端側に向けて順次供給されるようになっている。マニホールド６８に供給された燃料ガスは、燃料電池セル集合体１２を構成する各燃料電池セルユニット１６の内側にある燃料ガス流路（詳細は後述する）内に供給され、燃料電池セルユニット１６内を上昇して、燃焼室１８に至るようになっている。

燃料電池セル集合体１２の上方の燃焼室１８では、発電反応に使用されなかった燃料ガスと発電用空気とが燃焼することで、燃焼ガスが発生する。この燃焼ガスは、燃焼室１８内を上昇し、改質ユニット２０の周囲を経て、整流板２１に至る。改質ユニット２０は燃焼ガスにより加熱され、蒸発混合器２０ａによる水の蒸発及び改質器２０ｂによる水蒸気改質を行う。また、整流板２１には、燃焼ガスを集合させる開口２１ａが形成されており、燃焼ガスをケーシング５６の外部へと導く。

続いて、発電用空気を燃料電池モジュール２の内部へ供給するための構造を、図２〜図６及び図９を参照しながら説明する。図５は図２に対応する模式図であり発電用空気及び燃焼ガスの流れを示す図、図６は図３に対応する模式図であり同様に発電用空気及び燃焼ガスの流れを示す図である。図９は本発明の一実施形態に用いられる熱交換器の内部を示す平面図である。これらの図に示すように、改質ユニット２０の上方のケーシング５６上面に、熱交換器２２が設けられている。熱交換器２２には、複数の燃焼ガス配管７０と、この燃焼ガス配管７０の周囲に形成された発電用空気流路７２とが設けられている。

図３に示すように、熱交換器２２の上面における一端側（図３における右端）には、発電用空気導入管７４が取り付けられている。この発電用空気導入管７４により、図示しない発電用空気流量調整ユニットから、発電用空気が熱交換器２２内に導入されるようになっている。一方、熱交換器２２の上側の他端側（図３及び図９における左端）には、図２及び図９に示すように、発電用空気流路７２の出口ポート７６ａが一対形成されている。この出口ポート７６ａは、一対の連絡流路７６つながっている。さらに、ケーシング５６の幅方向（Ｂ方向）における両側には、連絡流路７６とケーシング５６とを接続する接続部７９ｃと、燃料電池セル集合体１２との間を遮蔽する遮蔽板８０が長手方向（Ａ方向）にわたって形成されている。遮蔽板８０とケーシング５６との間の空間は、熱交換器２２から供給された発電用空気を燃料電池セルユニット１６に導く発電用空気供給路７７として利用されている。

図２及び図５に示すように、遮蔽板８０とケーシング５６との間の空間である発電用空気供給路７７は、発電用空気流路７２の出口ポート７６ａから連絡流路７６を介して、発電用空気が供給されるようになっている。この発電用空気供給路７７は、遮蔽版８０と同様に、燃料電池セル集合体１２の長手方向に沿って形成されている。さらに、図５及び図６に示すように、その下方側であり且つ燃料電池セル集合体１２の下方側に対応する位置に、発電室１０内の各燃料電池セルユニット１６に向けて発電用空気を吹き出すための複数の吹出口７８ａ、７８ｂが形成されている。これらの吹出口７８ａ、７８ｂから吹き出す発電用空気は、各燃料電池セルユニット１６の外側に沿って、下方から上方へ流れるようになっている。

続いて、燃料ガスと発電用空気とが燃焼して生成される燃焼ガスを排出するための構造を図２〜図６及び図９を参照しながら説明する。燃焼室１８では、発電反応に使用されなかった燃料ガスと発電用空気とが燃焼することで、燃焼ガスが発生する。この燃焼ガスは、燃焼室１８内を上昇し、改質ユニット２０の周囲を経て整流板２１に至る。図２、図５及び図６に示すように、整流板２１には、燃焼ガスを集合させる開口２１ａが設けられている。

開口２１ａを通じて集合した燃焼ガスは、熱交換器２２の他端側（図６及び図９における左端）の下方で、ケーシング５６内と連通するように開口された開口部である燃焼ガス導入部８１へと導かれる。図６及び図９に示すように、熱交換器２２内には、発電用空気流路７２内の発電用空気を熱交換により加熱するための複数の燃焼ガス配管７０が設けられており、燃焼ガス導入部８１と連通している。これらの燃焼ガス配管７０の下流端側には、燃焼ガス排出管８２が接続され、燃焼ガスが外部に排出されるようになっている。なお、燃焼ガス導入部８１が、ケーシング５６の上面と熱交換器２２との固定部であり、ケーシング５６の上面と熱交換器２２の下面との溶接等による直接の固定は燃焼ガス導入部８１以外では行われない。燃焼ガス導入部８１以外では、ケーシング５６と熱交換器２２とは連絡流路７６を介して固定されている。詳しくは、熱交換器２２の側面と出口ポート７６ａとを接続する接続部７９ａ、出口ポート７６ａと連絡流路７６とを接続する接続部７９ｂ、ならびに、連絡流路７６とケーシング５６の側面とを接続する接続部７９ｃが、それぞれ溶接等により固定されている。

次に、図７は本発実施形態における燃料電池セルスタック１４を示す斜視図である。図７を参照しながら燃料電池セルスタック１４について説明する。図７に示すように、燃料電池セルスタック１４は、１６本の燃料電池セルユニット１６から構成され、これらの燃料電池セルユニット１６の下端側及び上端側が、それぞれ、セラミック製のマニホールド上板６８ａ及び上支持板１００により支持されている。これらのマニホールド上板６８ａ及び上支持板１００には、内側電極端子８６が貫通可能な貫通穴がそれぞれ形成されている。

また、燃料電池セルユニット１６には、集電体１０２及び外部端子１０４が取り付けられている。この集電体１０２は、燃料極である内側電極層９０に取り付けられた内側電極端子８６と、隣接する燃料電池セルユニット１６の空気極である外側電極層９２の外周面とを電気的に接続するものである。

さらに、燃料電池セルスタック１４の端に位置する２個の燃料電池セルユニット１６の上側端及び下側端の内側電極端子８６には、それぞれ外部端子１０４が接続されている。これらの外部端子１０４は、隣接する燃料電池セルスタック１４の端にある燃料電池セルユニット１６の外部端子１０４に接続され、１６０本の燃料電池セルユニット１６の全てが直列接続されるようになっている。

次に、図８は本実施形態の燃料電池セルユニット１６を示す部分断面図である。図８を参照しながら燃料電池セルユニット１６について説明する。図８に示すように、燃料電池セルユニット１６は、燃料電池セル８４と、この燃料電池セル８４の上下方向端部にそれぞれ接続された内側電極端子８６を備えている。

燃料電池セル８４は、上下方向に延びる管状構造体であり、内部に燃料ガス流路８８を形成する円筒形の内側電極層９０と、円筒形の外側電極層９２と、内側電極層９０と外側電極層９２との間にある電解質層９４とを備えている。この内側電極層９０は、燃料ガスが通過する燃料極であり、（−）極となり、一方、外側電極層９２は、空気と接触する空気極であり、（＋）極となっている。

燃料電池セルユニット１６の上端側と下端側に取り付けられた内側電極端子８６は、同一構造であるため、ここでは、上端側に取り付けられた内側電極端子８６について具体的に説明する。内側電極層９０の上部９０ａは、電解質層９４と外側電極層９２に対して露出された外周面９０ｂと上端面９０ｃとを備えている。内側電極端子８６は、導電性のシール材９６を介して内側電極層９０の外周面９０ｂと接続され、さらに、内側電極層９０の上端面９０ｃとは直接接触することにより、内側電極層９０と電気的に接続されている。内側電極端子８６の中心部には、内側電極層９０の燃料ガス流路８８と連通する連通流路９８が形成されている。

続いて、連絡流路７６の配置について図９〜図１１を参照しながら説明する。図１０は本発明の一実施形態に用いられる連絡流路と熱交換器の低温側に設けられた連絡流路とを比較するための模式図、図１１は図１０の熱交換器及びケーシングにて熱膨張が生じた際の連絡流路の状態を示す模式図である。上述した本実施形態の燃料電池モジュール２によれば、図９に示すように、連絡流路７６は燃焼ガス導入部８１の近傍、即ち、熱交換器２２における燃焼ガスの上流側（図９における左端）に配置される。また、上述した本実施形態に用いられる熱交換器２２において、燃焼ガスは、高温のケーシング５６内から燃焼ガス導入部８１を経て燃焼ガス配管７０を流れて、発電用空気流路７２を通過する発電用空気と熱交換し、燃焼ガス排出管８２から排出される。そのため、燃焼ガスの温度は燃焼ガス導入部８１で最も高く、下流側（図９における右端）に流れるにつれ温度が低下していく。この燃焼ガスの温度分布と同様に、熱交換器２２も、燃焼ガス導入部８１近傍で最も温度が高くなり、燃焼ガスの下流側（図９における右端）に向けて温度が低下していく。

ここで、図１０及び図１１にて、上述した本実施形態における連絡流路７６と、比較例である連絡流路１０６とを比較する。図１０（ａ）に示すように、上述した本実施形態における連絡流路７６は燃焼ガス導入部８１の近傍、即ち熱交換器２２の高温側に設けられているのに対して、比較例である図１０（ｂ）の連絡流路１０６は熱交換器２２の燃焼ガスの流れ方向の下流側、即ち低温側に設けられている。なお、連絡流路１０６は図示しない出口ポートにより連絡流路７６と同様に熱交換器２２とつながっている。また、熱交換器２２の側面と出口ポート（図示なし）とは接続部１０９ａにて、出口ポート（図示なし）と連絡流路１０６とは接続部１０９ｂにて、ならびに、連絡流路１０６とケーシング５６の側面とは接続部１０９ｃにて、それぞれ接続される。

図１０（ａ）のように連絡流路７６が燃焼ガス導入部８１の近傍、即ち熱交換器２２の高温側に設けられた構成の場合、熱交換器２２及びケーシング５６にて熱膨張が生じると、熱交換器２２の高温側と略同じ温度で全体的に高温であるケーシング５６との間における熱膨張量の差が小さいため、図１１（ａ）に示すように、連絡流路７６の接続部７９ａ、７９ｂの熱膨張による位置の変化の大きさと、接続部７９ｃの熱膨張による変化の大きさとの間にずれが生じにくい。そのため、上述した本実施形態における連絡流路７６において、接続部７９ａ、７９ｂに対する接続部７９ｃの相対的な位置が変化しにくい。一方、図１０（ｂ）のように連絡流路１０６が熱交換器２２の燃焼ガスの流れ方向の下流側、即ち低温側に設けられた構成の場合、熱交換器２２の低温側と、熱交換器の高温側と略同じ温度で全体的に高温であるケーシング５６との間における熱膨張量の差が小さくないため、図１１（ｂ）に示すように、連絡流路１０６の接続部１０９ａ、１０９ｂの熱膨張による位置の変化の大きさと、接続部１０９ｃの熱膨張による変化の大きさとの間にずれが生じやすい。このずれ長ΔＬによって、比較例である連絡流路７６においては、接続部７９ａ、７９ｂに対する接続部７９ｃの相対的な位置が変化する。

上述した通り、本実施形態の燃料電池モジュールにおける連絡流路７６の配置によれば、ケーシング５６と熱交換器２２との熱膨張量に差が生じる熱交換器２２の下流側の領域に連絡流路が配置された場合に比べ、ケーシング５６と熱交換器２２との熱膨張量が略等しくなるよう、ケーシング５６の上面と熱交換器２２の下面とを燃焼ガス導入部８１で接続してケーシング５６内部の上面側と熱交換器２２の燃焼ガス導入部８１との温度が略等しい状態にある構成において、熱交換器２２の燃焼ガス導入部８１に近い上流側の領域に連絡流路７６が配置された場合の方が、熱交換器２２と連絡流路７６との接続部７９ａ、７９ｂに対する、連絡流路７６とケーシング５６との接続部７９ｃの相対的な位置が変化しにくい。そのため、連絡流路７６が歪まず、各接続部分７９ａ、７９ｂ、７９ｃに応力による負荷がかかることが防止される。従って、この負荷によって生じる各接続部分７９ａ、７９ｂ、７９ｃにおけるクラックや割れ等の破損、ならびに、その破損が生じた場合に起こり得る発電用空気の漏れが防止される。燃料電池セルへ発電用空気を安定して供給することができるため、発電反応が安定するとともに長寿命の燃料電池ユニットを得ることが可能となる。また、燃焼ガス導入部８１がケーシング５６の上面と熱交換器２２との固定部であり、溶接等による直接的な固定は熱交換器２２とケーシング５６との間で熱膨張量に大きな差が生じない燃焼ガス導入部８１以外では行われないため、熱膨張量の差により固定部が破損することがない。

また、上述した本実施形態の燃料電池モジュール２によれば、ケーシング５６内には、連絡流路７６とケーシング５６との接続部７９ｃと、燃料電池セル集合体１２との間に遮蔽板８０が配置されている。具体的には、遮蔽板８０は、図１におけるｙ軸方向（高さ方向）では改質器２０ｂ及びセル集合体１２よりも高い位置からセル集合体１２の下端に渡って配置され、ｚ軸方向（水平方向）においてはセルスタック１４の配列長より長い範囲で配置されており、前記接続部７９ｃを覆うようにケーシング５６の側面と平行に立設されている。また、遮蔽板８０の端部には対応するケーシング５６の側面まで伸びる周壁８０ａが設けられており、遮蔽板８０とその周壁８０ａによって、遮蔽板８０より接続部７９ｃ側の空間と発電室１０とが区画されている。遮蔽板８０により、発電室１０における発電や燃焼室１８における燃焼による輻射熱が遮蔽され、さらに遮蔽板８０とその周壁８０ａとで区画したことにより、燃焼室１８における燃焼により発生する高温の燃焼ガスから接続部７９ｃが遮蔽され、接続部７９ｃにおけるケーシング５６の温度が高温になりにくい。そのため、接続部７９ｃにおいて、比較的低温である連絡流路７６とケーシング５６との温度差が抑えられ、連絡流路７６とケーシング５６との間の熱膨張量の差も抑えられる。従って、連絡流路７６とケーシング５６との間の熱膨張量の差によって接続部７９ｃに応力による負荷がかかることが防止されるとともに、負荷による接続部７９ｃの破損及びその破損により生じる発電用空気の漏れがより確実に防止される。燃料電池セルへ酸化剤ガスを安定して供給することができるため、発電反応が安定するとともに長寿命の燃料電池ユニットを得ることが可能となる。

２…燃料電池モジュール（燃料電池ユニット）
１０…発電室
１２…燃料電池セル集合体
１４…燃料電池セルスタック
１６…燃料電池セルユニット
１８…燃焼室
２０…改質ユニット
２０ａ…蒸発混合器
２０ｂ…改質器
２１…整流板
２１ａ…開口
２２…熱交換器
５６…ケーシング
６０…被改質ガス供給管
６２…水供給管
６６…燃料供給管
６６ａ…下端側
６８…燃料ガスタンク
６８ａ…燃料ガスタンク上板
７０…燃焼ガス配管
７２…発電用空気流路
７４…発電用空気導入管
７６…連絡流路
７６ａ…出口ポート
７７…発電用空気供給路
７８ａ、７８ｂ…吹出口
７９ａ、７９ｂ、７９ｃ…接続部
８０…遮蔽板
８０ａ…周壁
８１…燃焼ガス導入部
８２…燃焼ガス排出管
８４…燃料電池セル
８６…内側電極端子
８８…燃料ガス流路
９０…内側電極層
９０ａ…上部
９０ｂ…外周面
９０ｃ…上端面
９２…外側電極層
９４…電解質層
９６…シール材
９８…連通流路
１００…上支持板
１０２…集電体
１０４…外部端
１０６…連絡流路
１０９ａ、１０９ｂ、１０９ｃ…接続部

Claims (2)

1. 燃料ガス及び酸化剤ガスを利用して発電反応を生じる燃料電池セルを複数備えた燃料電池ユニットにおいて、
   発電反応に利用されなかった燃料ガス及び酸化剤ガスを燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼部と、
   前記燃料電池セルと前記燃焼部とを内包し、前記燃焼ガスを外部に排出する燃焼ガス排出口を有する箱形状のケーシングと、
   前記ケーシングから取り込んだ前記燃焼ガスと、外部から取り込んだ前記酸化剤ガスとを熱交換させる、前記ケーシングの外面を覆うように配置される熱交換器と、
   前記熱交換により加熱された前記酸化剤ガスを前記熱交換器から前記ケーシング内部へ導入するための、前記熱交換器と前記ケーシングとの間を連絡する連絡流路と、を有し、
   前記熱交換器は、一方の端部側に前記燃焼ガス排出口を介して前記ケーシングの内部の前記燃焼ガスを取り込む燃焼ガス導入部と、他方の端部側に導入した前記燃焼ガスを前記熱交換器外に排出する開口と、を有し、
   前記ケーシングと前記熱交換器とは、前記ケーシングの外面と前記熱交換器の外面との間に位置する前記燃焼ガス排出口と前記燃焼ガス導入部とを連結する連結部において固定されるとともに、前記連絡流路により互いに連結されて固定され、
   前記連絡流路は、前記熱交換器の前記燃焼ガス導入部の近傍に配置されていることを特徴とする燃料電池ユニット。
2. 前記ケーシングと前記熱交換器とは、前記連結部において直接溶接固定されている請求項１に記載の燃料電池ユニット。

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