JP5947226B2 - 燃料電池モジュール - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池モジュールに関する。

従来の燃料電池モジュールとして、特許文献１及び特許文献２に示す燃料電池用筐体に、改質器とセルスタックとを収納して構成したものが知られている。この燃料電池用筐体は、改質器とセルスタックとを収納する収納室と、収納室の外側に形成された排ガス流路と、排ガス流路の外側に形成された酸化剤流路と、上方の酸化剤流路から収納室へ向かって下方へ延びる酸化剤供給部材を備えている。排ガス流路は、収納室の側方においてセルスタック上端部の燃焼部から発生する排ガスを下方へ通過させる部分を有している。また、酸化剤供給部材は、セルスタックを含む発電ユニットを設置する発電ユニット設置面と平行、かつセルの積層方向と直交する方向に並べられたセルスタックの間の隙間に入り込むように配置され、当該隙間から各セルスタックに対して酸化剤を供給するように、先端部に貫通孔を有している。

特開２０１０−０４４９９０号公報 特開２０１０−２３８４３０号公報

しかしながら、従来の燃料電池モジュールは、セルスタックに酸化剤を供給するための酸化剤供給部材が必要であった。従って、収納室の上方に配置されている上壁部に、酸化剤供給部材を配置するための大きな開口部を形成する必要があった。また、このような開口部と酸化剤供給部材との間の気密性を確保するために、また、酸化剤を供給するための先端部の貫通孔以外の部位から酸化剤が供給されることを防止するために、フランジ板やシール材が必要となっていた。以上によって、燃料電池モジュールの製造コストや材料コストが上がってしまうという問題があった。以上より、構造を簡単にすると共にコストを低減することのできる燃料電池モジュールが求められていた。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、構造を簡単にすると共にコストを低減し易く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。

本発明の一側面に係る燃料電池モジュールは、水素含有ガス及び酸化剤を用いて発電を行うセルが複数連結したセルスタックを含む発電ユニットと、発電ユニットを収納する筐体と、を備える燃料電池モジュールであって、筐体は、発電ユニット設置面と第１の側壁部とを有し、発電ユニットを収納する収納室と、第１の側壁部を介して収納室よりも外側に形成され、酸化剤を通過させる酸化剤流路と、を有し、収納室と酸化剤流路とを連通し、酸化剤をセルスタックへ供給する貫通孔が形成されている。

本発明の一側面に係る燃料電池モジュールによれば、収納室と酸化剤流路を連通し、酸化剤をセルスタックへ供給する貫通孔が形成されている。酸化剤流路は、収納室よりも外側に配置されているため、セルスタックへ酸化剤を供給する際は、筐体内において、外側から内側へ向かって酸化剤が流れる構成となる。これによって、従来の燃料電池モジュールにおいて用いられていた、一対のセルスタックの隙間に挿入される酸化剤供給部材が不要とされる。従って、収納室の上方に配置される上壁部に酸化剤供給部材を挿入するための開口部が不要とされ、気密性確保のための部品・作業も不要とされる。このように、部品点数を減少させることが可能になり、コストを低減することができる。また、酸化剤供給部材を挿入する作業・気密性を確保するための作業が不要となるため、コストを低減することができる。以上によって、燃料電池モジュールの構造を簡単にすると共にコストを低減し易くできる。

本発明によれば、燃料電池モジュールの構造を簡単にすると共にコストを低減し易くなる。

本発明の実施形態に係る燃料電池モジュールの概略構成図である。 図１に示すＩＩ―ＩＩ線に沿った断面図である。 本実施形態に係る燃料電池モジュールを一部破断した斜視図である。 変形例に係る流路形成部の構成を示す図である。 変形例に係る燃料電池モジュールの概略構成図である。 図５に示すＶＩ−ＶＩ線に沿った断面図である。 図５に示す燃料電池モジュールを一部破断した斜視図である。 変形例に係る燃料電池モジュールの概略構成図である。 図８に示すＩＸ−ＩＸ線に沿った断面図である。 変形例に係る燃料電池モジュールの概略構成図である。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

図１及び図２に示されるように、燃料電池モジュール１は、水素含有燃料を用いて水素含有ガスＨＧを発生させる改質器２と、水素含有ガスＨＧ及び酸化剤ＯＸを用いて発電を行うセルスタック３と、水を気化させることによって改質器２へ供給される水蒸気を生成する水気化部４と、改質器２、セルスタック３、及び水気化部４を収納する筐体６と、を備える。図１及び図２では図示されていないが、燃料電池モジュール１の下方には、ポンプ等の補機や制御機器等を収納する筐体が設けられる。

水素含有燃料として、例えば、炭化水素系燃料が用いられる。炭化水素系燃料として、分子中に炭素と水素とを含む化合物（酸素等、他の元素を含んでいてもよい）若しくはそれらの混合物が用いられる。炭化水素系燃料として、例えば、炭化水素類、アルコール類、エーテル類、バイオ燃料が挙げられ、これらの炭化水素系燃料は従来の石油・石炭等の化石燃料由来のもの、合成ガス等の合成系燃料由来のもの、バイオマス由来のものを適宜用いることができる。具体的には、炭化水素類として、メタン、エタン、プロパン、ブタン、天然ガス、ＬＰＧ（液化石油ガス）、都市ガス、タウンガス、ガソリン、ナフサ、灯油、軽油が挙げられる。アルコール類として、メタノール、エタノールが挙げられる。エーテル類として、ジメチルエーテルが挙げられる。バイオ燃料として、バイオガス、バイオエタノール、バイオディーゼル、バイオジェットが挙げられる。

酸化剤として、例えば、空気、純酸素ガス（通常の除去手法で除去が困難な不純物を含んでもよい）、酸素富化空気が用いられる。

改質器２は、供給される水素含有燃料を用いて水素含有ガスＨＧとして改質ガスを発生させる。改質器２は、改質触媒を用いた改質反応により、水素含有燃料を改質して水素含有ガスＨＧとして改質ガスを発生させる。改質器２での改質方式は、特に限定されず、例えば、水蒸気改質器分酸化改質、自己熱改質、その他の改質方式を採用できる。改質器２は、後述する燃焼熱によって加熱され得るようにセルスタック３の上側に配置されている。すなわち、セルスタック３の燃料極側に導入された水素含有ガスＨＧのオフガス（未反応改質ガス）は、空気極等の酸化剤極側に導入された空気等の酸化剤のうちの未反応酸素（未反応酸化剤ガス）と共に燃焼させられ、改質器２は、この燃焼熱によって加熱される。改質器２は、水素含有ガスＨＧをセルスタック３の燃料極へ供給する。

セルスタック３は、ＳＯＦＣ（Solid Oxide Fuel Cells）と称される複数のセルの積層体を有している。各セルは、固体酸化物である電解質が燃料極と酸化剤極との間に配置されることで構成されている。電解質は、例えばイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等からなり、高温下で酸化物イオンを伝導する。燃料極は、例えばニッケルとＹＳＺとの混合物からなり、酸化物イオンと水素含有ガスＨＧ中の水素とを反応させて、電子及び水を発生させる。酸化剤極は、例えばランタンストロンチウムマンガナイトからなり、酸化剤ＯＸ中の酸素と電子とを反応させて、酸化物イオンを発生させる。本実施形態では、セルスタック３は、台座７の上面において、当該セルスタック３を含む発電ユニットを設置する発電ユニット設置面と平行かつ各セルの積層方向と直交する方向に向かい合うように二列に配置される。ただし、セルスタック３は一列に配置されてもよい。セルスタック３が二列に配置されている場合、当該二つのセルスタック３が、燃料電池モジュール１の発電ユニットを構成する。セルスタック３が一つの場合は、当該一つのセルスタック３が燃料電池モジュール１の発電ユニットを構成し、セルスタック３が三つ以上の場合は、当該三つ以上のセルスタック３が燃料電池モジュール１の発電ユニットを構成する。発電ユニットは、台座７を介して第１の底壁部１８に設置されているため、本実施形態では、当該第１の底壁部１８が発電ユニットの設置される発電ユニット設置面に該当する。なお、セルスタック３は、複数のセルを連結したものであればよく、セルの形状は特に限定されず、積層可能な形状でなくともよい。本実施形態ではセルの積層体であるセルスタック３を例にして説明するものとし、「セルの連結方向」を「積層方向」と称して以下の説明を行う。

台座７と改質器２とは、パイプ８で接続されている。改質器２から供給された水素含有ガスＨＧは、台座７を介してセルスタック３の各セルに供給される。セルスタック３で反応しなかった水素含有ガスＨＧ及び酸化剤ＯＸは、セルスタック３の上部の燃焼部９で燃焼する。燃焼部９でのオフガスの燃料により、改質器２が加熱されると共に排ガスＥＧが発生する。

水気化部４は、供給される水を加熱し気化させることによって、改質器２に供給される水蒸気を生成する。水気化部４で生成された水蒸気は、例えば、第１の底壁部１８を貫通して水気化部４と改質器２とを接続する配管（不図示）を用いて、改質器２へ供給される。水気化部４における水の加熱は、例えば、改質器２の熱、燃焼部９の熱、あるいは排ガスＥＧの熱を回収する等、燃料電池モジュール１内で発生した熱を用いてもよい。本実施形態では、水気化部４は、底部の排ガス流路に配置され、排ガスＥＧの熱を回収する構成となっている。

筐体６は、改質器２、セルスタック３、及び水気化部４を収納するための内部空間を有する、直方体状の金属製の箱体である。筐体６は、セルスタック３を収納する収納室１１と、収納室１１よりも外側に形成され、セルスタック３からのオフガスの燃焼による排ガスＥＧを通過させる排ガス流路１２、酸化剤ＯＸを通過させる酸化剤流路１３と、収納室１１や排ガス流路１２や酸化剤流路１３を形成する各壁部と、を備える。また、収納室１１の下方に、受熱体としての水気化部４が配置される受熱体収納室６０が形成される。なお、以下の説明においては、セルスタック３の各セルの積層方向に沿った方向を筐体６の「長さ方向Ｄ１」とし、水平方向（セルスタック３を含む発電ユニットが設置される発電ユニット設置面と平行な方向）において各セルの積層方向と直交する方向を筐体６の「幅方向Ｄ２」とし、鉛直方向を筐体６の「上下方向Ｄ３」として以下の説明を行う

収納室１１は、幅方向Ｄ２に互いに対向する第１の側壁部１６，１７、及び第１の側壁部１６，１７の各下端部に連結される第１の底壁部１８の内側に形成される。収納室１１では、台座７が第１の底壁部１８に配置される。なお、第１の底壁部１８と台座７との間に断熱材が配置されていてもよい。燃焼部９で発生した排ガスＥＧを通過させるため、収納室１１の上端部は開口している。受熱体収納室６０は、第１の底壁部１８、第２の底壁部２４、及び第２の側壁部２１，２２の内側に形成される。

排ガス流路１２は、幅方向Ｄ２において第１の側壁部１６，１７の外側にそれぞれ配置される第２の側壁部２１，２２と、第１の側壁部１６，１７の上端部よりも上側に配置される第１の上壁部２３と、第１の底壁部１８よりも下側に配置される第２の底壁部２４と、によって形成される。

第１の上壁部２３は第２の側壁部２１，２２の上端部に連結され、第２の底壁部２４は第２の側壁部２１，２２の下端部に連結される。第２の側壁部２１，２２は、第１の側壁部１６，１７から離間して対向するように配置される。第１の上壁部２３は、収納室１１の上端部から離間しており、当該収納室１１の上端部に形成される開口部分と対向するように配置される。第２の底壁部２４は、第１の底壁部１８から離間して対向するように配置される。

排ガス流路１２は、収納室１１の上側の開口部と第１の上壁部２３との間に形成される排ガス流路１２Ａ，１２Ｂと、第２の側壁部２１，２２と第１の側壁部１６，１７との間に形成される排ガス流路１２Ｃ，１２Ｄと、受熱体収納室６０内に形成されており第２の底壁部２４と第１の底壁部１８との間に形成される排ガス流路１２Ｅ，１２Ｆと、を有する。排ガス流路１２Ａ，１２Ｂは、燃焼部９からの排ガスＥＧを排ガス流路１２Ｃ，１２Ｄへ導く。排ガス流路１２Ｃ，１２Ｄは、排ガスＥＧを下方へ通過させ、当該排ガスＥＧの熱を外側の酸化剤流路１３Ｃ，１３Ｄを流れる酸化剤ＯＸに供給する。排ガス流路１２Ｅ，１２Ｆは、排ガスＥＧを排気管３２へ向かって水平方向（セルスタック３を含む発電ユニットが設置される発電ユニット設置面と平行な方向）に通過させ、当該排ガスＥＧの熱を水気化部４に供給する。

酸化剤流路１３は、幅方向Ｄ２において第２の側壁部２１，２２の外側にそれぞれ配置される第３の側壁部２６，２７と、第１の上壁部２３よりも上側に配置される第２の上壁部２８と、第２の底壁部２４よりも下側に配置される第３の底壁部２９と、によって形成される。

第２の上壁部２８は第３の側壁部２６，２７の上端部に連結され、第３の底壁部２９は第３の側壁部２６，２７の下端部に連結される。第３の側壁部２６，２７は、第２の側壁部２１，２２から離間して対向するように配置される。第２の上壁部２８は、第１の上壁部２３から離間して対向するように配置される。第３の底壁部２９は、第２の底壁部２４から離間して対向するように配置される。

酸化剤流路１３は、第２の上壁部２８と第１の上壁部２３との間に形成される酸化剤流路１３Ａ，１３Ｂと、第３の側壁部２６，２７と第２の側壁部２１，２２との間に形成される酸化剤流路１３Ｃ，１３Ｄと、第２の側壁部２１，２２から第１の側壁部１６，１７へ向かって延びる酸化剤流路１３Ｅ，１３Ｆ（詳細については後述）と、を有する。酸化剤流路１３Ａ，１３Ｂは、給気管３１からの酸化剤ＯＸを水平方向（セルスタック３を含む発電ユニットが設置される発電ユニット設置面と平行な方向）に広がるように通過させ、酸化剤流路１３Ｃ，１３Ｄへ導く。酸化剤流路１３Ｃ，１３Ｄは、酸化剤ＯＸを下方へ通過させ、当該酸化剤ＯＸを内側の排ガス流路１２Ｃ，１２Ｄを流れる排ガスＥＧの熱によって加熱する。酸化剤流路１３Ｅ，１３Ｆは、酸化剤ＯＸを幅方向Ｄ２における外側から内側へ向かって通過させ、第１の側壁部１６，１７に形成された貫通孔４７，４８へ導く。

第２の上壁部２８には、図示されない酸化剤供給部から酸化剤流路１３に酸化剤を流入させるための給気管３１が設けられている。また、第２の底壁部２４には、排ガス流路１２からの排ガスを排気する排気管３２が設けられている。

側壁部１６，１７，２１，２２，２６，２７、上壁部２３，２８、及び底壁部１８，２４，２９は、長さ方向Ｄ１における筐体６の端部６ａ，６ｂにまで延びている。筐体６の長さ方向Ｄ１の両端部には、それぞれ端壁部３３，３４が設けられている。第３の側壁部２６，２７、第２の上壁部２８、第３の底壁部２９、及び端壁部３３，３４は、燃料電池モジュール１の外殻を構成し、互いの接続部におけるシール性が確保されており、筐体６内の気密性が確保されている。

次に、水素含有ガスＨＧ、酸化剤ＯＸ、及び排ガスＥＧの流れについて説明する。

外部から供給される水素含有燃料及び水気化部４からの水蒸気を用いて改質器２で発生した水素含有ガスＨＧは、パイプ８を通過して台座７に流れ込み、台座７からセルスタック３の各セルに供給される。水素含有ガスＨＧは、セルスタック３を下方から上方へ向かって流れ、一部はオフガスとして燃焼部９での燃焼に用いられる。酸化剤ＯＸは、外部から給気管３１を介して供給され、酸化剤流路１３Ａ，１３Ｂにて水平方向（セルスタック３を含む発電ユニットが設置される発電ユニット設置面と平行な方向）に広がり、内側を流れる排ガスＥＧで加熱されながら酸化剤流路１３Ｃ，１３Ｄを下方へ向かって通過する。酸化剤ＯＸは、酸化剤流路１３Ｅ，１３Ｆを通過し、第２の側壁部２１，２２から第１の側壁部１６，１７へ向かって外側から内側へ流れる。酸化剤ＯＸは、貫通孔４７，４８を通過してセルスタック３へ供給され、一部は燃焼部９での燃焼に用いられる。燃焼部９で発生した排ガスＥＧは、排ガス流路１２Ａ，１２Ｂで排ガス流路１２Ｃ，１２Ｄに導かれ、外側を流れる酸化剤ＯＸに熱を供給しながら排ガス流路１２Ｃ，１２Ｄを下方へ向かって通過する。排ガスＥＧは、底部まで達すると排ガス流路１２Ｅ，１２Ｆへ流れ込み、水気化部４に熱を供給しながら排ガス流路１２Ｅ，１２Ｆを通過する。排ガス流路１２Ｅ，１２Ｆを通過した排ガスＥＧは、排気管３２から排気される。

本実施形態に係る燃料電池モジュール１は、筐体６をシンプルな構造とすることで、コストダウンを図ることが可能となっている。また、燃料電池モジュール１は、排ガスＥＧと水気化部４との間の熱交換を効率よく行うことができる構造を採用している。このような効果を奏するために、筐体６は、第２の側壁部２１，２２から第１の側壁部１６，１７へ向かう酸化剤流路１３Ｅ，１３Ｆを形成する流路形成部４０，４１と、酸化剤流路１３Ｅ，１３Ｆと収納室１１とを連通する貫通孔４７，４８と、排ガスＥＧを集めて排ガス流路１２Ｅ，１２Ｆへ流入させる入口部５０と、排ガスＥＧを集めて排ガス流路１２Ｅ，１２Ｆから排気する排気管３２と、を備えている。当該構造の斜視図を図３に示す。以下の説明は、図１、図２及び図３を参照して説明する。なお、図３においては、流路形成部４０側の様子のみが示されているが、流路形成部４１側も同様の構成を有している。

貫通孔４７，４８は、セルスタック３における各セルに酸化剤を供給できるように、長さ方向Ｄ１に沿って複数形成されている。貫通孔４７，４８は、幅方向Ｄ２から見て、セルスタック３の下側の領域と重なるように配置されている（図２参照）。なお、図においては説明のために貫通孔４７，４８が大きく示されている。貫通孔４７，４８の形状や配置パターンは、セルスタック３にあわせて適宜変更してもよい。

流路形成部４０，４１は、貫通孔４７，４８を介して酸化剤をセルスタック３に供給するために、排ガス流路１２Ｃ，１２Ｄ中を横切るように酸化剤流路１３Ｅ，１３Ｆを形成する機能と、排ガス流路１２Ｃ，１２Ｄの一部の領域を塞ぐことによって排ガスＥＧを集める入口部５０を形成する機能を有している。流路形成部４０，４１は、少なくとも貫通孔４７，４８に対応する位置に形成されると共に、長さ方向Ｄ１の全範囲において排ガス流路１２Ｃ，１２Ｄを塞がないように形成される。本実施形態では、流路形成部４０，４１は、第１の側壁部１６，１７の下側の領域に、矩形状に形成される。また、流路形成部４０，４１は、筐体６の一端部６ａ側においては当該一端部６ａまで延びている。他端部６ｂ側においては、入口部５０を確保するように、当該他端部６ｂから離間している。

流路形成部４０，４１は、第２の側壁部２１，２２に形成された開口部４２，４３と、当該開口部４２，４３の縁部と収納室１１の第１の側壁部１６，１７とを連結する周壁部４４，４６と、を有している。開口部４２，４３は、少なくとも貫通孔４７，４８に対向する位置に形成される。本実施形態では、開口部４２，４３は、第１の側壁部１６，１７の下側の領域に、矩形状に形成される。また、開口部４２，４３は、筐体６の一端部６ａ側においては当該一端部６ａまで延びており、他端部６ｂ側においては当該他端部６ｂから離間している。周壁部４４，４６は、開口部４２，４３の縁部から第１の側壁部１６，１７へ向かって略垂直に延びている。周壁部４４，４６は、貫通孔４７，４８の周りを囲むように形成される。このような構成によって、貫通孔４７，４８周辺の第１の側壁部１６，１７の側面１６ａ，１７ａの一部（周壁部４４，４６で取り囲まれた部分）が外側の第２の側壁部２１，２２から露出する構成となる。周壁部４４，４６は、排ガス流路１２Ｃ，１２Ｄと、当該排ガス流路１２Ｃ，１２Ｄを横切るように形成された酸化剤流路１３Ｅ，１３Ｆと、を仕切る機能を有している。また、周壁部４４，４６の上壁部４４ｂ，４６ｂは、排ガス流路１２Ｃ，１２Ｄを上方から下方へ向かって流れる排ガスＥＧの流れを妨げることによって、入口部５０へ導く。

入口部５０は、筐体６の他端部６ｂの端壁部３４と、周壁部４４の端壁部４４ａとの間に形成される。すなわち、入口部５０は、受熱体収納室６０の長さ方向Ｄ１における他端部６ｂ側に配置されている。これによって、入口部５０は、筐体６の他端部６ｂ側に排ガスＥＧを集め、下側の排ガス流路１２Ｅ，１２Ｆへ流入させる。排気管３２は、筐体６の一端部６ａ付近に配置される。すなわち、排気管３２は、受熱体収納室６０の長さ方向Ｄ１における一端部６ａ側に配置されている。排気管３２は、他端部６ｂ側から排ガス流路１２Ｅ，１２Ｆを流れて来た排ガスＥＧを集めて、排気する。排ガス流路１２Ｅ，１２Ｆ内には、水気化部４が、一端部６ａから他端部６ｂへ向かって延びるように配置されている。このように、排気管３２が排ガス流路１２Ｅ，１２Ｆにおける一端部６ａ側に配置され、入口部５０が排ガス流路１２Ｅ，１２Ｆにおける他端部６ｂ側に配置されているため、排ガスＥＧが排ガス流路１２Ｅ，１２Ｆ内を流れる距離（すなわち排ガスＥＧと水気化部４の接触時間）を十分に確保することができる。従って、排ガスＥＧは水気化部４と十分に熱交換を行った後に排気管３２から排気される。なお、図３には示されていないが、排ガス流路１２Ｄ側にも同様の入口部５０が形成されている。

次に、本実施形態に係る燃料電池モジュール１の作用・効果について説明する。

まず、比較のために特許文献１に示す燃料電池モジュールの構成を説明する。燃料電池モジュールの筐体は、酸化剤供給部材を用いてセルスタックに酸化剤を供給する。酸化剤供給部材は、一対のセルスタックの間の隙間に入り込むように延びており、内部に酸化剤流路を有すると共に、先端部に貫通孔を有している。また、給気管が底壁（第３の底壁部２９に相当）に形成されており、底壁（第３の底壁部２９に相当）と底壁（第２の底壁部２４に相当）の間が酸化剤流路として機能する。側壁側の排ガス流路内には排ガスの流れを妨げるものはなく、当該排ガス流路は、広い流路面積を有する。

比較例に係る燃料電池モジュールは、酸化剤供給部材を有するため、収納室の上方に配置される上壁部（第１の上壁部２３）に、酸化剤供給部材を挿入するための開口部を形成する必要があった。開口部を有する板部材を他の壁部とは別途準備する必要があり、更に筐体に組み付ける必要があった。また、このような開口部と他の壁部や酸化剤供給部材との間の気密性を確保するために、また、酸化剤を供給するための先端部の貫通孔以外の部位から酸化剤が供給されることを防止するために、フランジ板やシール材が必要となっていた。また、開口部を有する板部材を正確に取り付けなくては、酸化剤供給部材を組み付けたときに酸化剤がセルスタックの意図した位置（例えば、酸化剤供給部材の貫通孔の位置がずれて、セルとセルの間に酸化剤を供給できない）に供給されない可能性がある。従って、酸化剤供給部材の製作精度が要求されると同時に組み立て精度も要求され、組み立てコストが上昇する。以上によって、燃料電池モジュールの製造コストや材料コストが上がってしまうという問題があった。更に、セルスタックの上側から酸化剤供給部材を挿入する必要があるため、当該酸化剤供給部材を回避しつつも燃焼熱を得ることができるように、改質器の形状を、酸化剤供給部材を挟み込むような角形Ｕ字状に形成する必要があった。このような形状によれば、改質器の形状が複雑になり、溶接箇所が増加してしまうと共に溶接線長が長くなってしまうという問題が生じる。

本実施形態に係る燃料電池モジュール１では、筐体６は、セルスタック３を収納する収納室１１と、収納室１１よりも外側に形成され、酸化剤を通過させる酸化剤流路１３と、を有している。また、収納室１１を構成する第１の側壁部１６，１７には、収納室１１と酸化剤流路１３とを連通し、酸化剤をセルスタック３へ供給する貫通孔４７，４８が形成されている。酸化剤流路１３は、収納室１１よりも外側に配置されているため、セルスタック３へ酸化剤ＯＸを供給する際は、筐体６内において、外側から内側へ向かって酸化剤ＯＸが流れる構成となる。これによって、従来の燃料電池モジュールにおいて用いられていた、一対のセルスタック３の隙間に挿入される酸化剤供給部材３６が不要とされる。従って、収納室１１の上方に配置される第１の上壁部２３に酸化剤供給部材３６を挿入するための開口部が不要とされ、気密性確保のための部品・作業も不要とされる。このように、部品点数を減少させることが可能になり、コストを低減することができる。また、酸化剤供給部材３６を挿入する作業・気密性を確保するための作業が不要となるため、コストを低減することができる。また、セルスタック３の上側に配置される改質器２も、酸化剤供給部材３６を回避するための構造とする必要がなくなるため、構造をシンプルにすることが可能となり、コストを低減することができる。本実施形態では、改質器２は、長方形状のシンプルな形状となっている。以上によって、燃料電池モジュール１の構造を簡単にすると共にコストを低減することができる。

また、燃料電池モジュール１において、筐体６は、当該第１の側壁部１６，１７との間で排ガス流路１２Ｃ，１２Ｄを形成する第２の側壁部２１，２２と、第２の側壁部２１，２２との間で酸化剤流路１３Ｃ，１３Ｄを形成する第３の側壁部２６，２７と、酸化剤流路１３Ｅ，１３Ｆを形成する流路形成部４０，４１と、を有している。第１の側壁部１６，１７と第２の側壁部２１，２２との間に排ガス流路１２Ｃ，１２Ｄが形成され、第２の側壁部２１，２２と第３の側壁部２６，２７との間に酸化剤流路１３Ｃ，１３Ｄが形成される。これによって、排ガスＥＧと酸化剤ＯＸとの間で熱交換を行うことができる。流路形成部４０，４１は、酸化剤流路１３Ｃ，１３Ｄと排ガス流路１２Ｃ，１２Ｄとを仕切っている第２の側壁部２１，２２に開口部４２，４３を形成し、貫通孔４７，４８を取り囲むように開口部４２，４３と第１の側壁部１６，１７を連結する周壁部４４，４６を形成することで構成されている。これによって、第２の側壁部２１，２２から第１の側壁部１６，１７の貫通孔４７，４８へ向かって、排ガス流路１２Ｃ，１２Ｄ内を横切るような酸化剤流路１３Ｅ，１３Ｆを形成することができる。これによって、第２の側壁部２１，２２と第３の側壁部２６，２７との間に形成されている酸化剤流路１３Ｃ，１３Ｄ内を通過することで排ガスＥＧと熱交換された酸化剤ＯＸを、貫通孔４７，４８を介してセルスタック３へ供給することが可能となる。

また、貫通孔４７，４８は、セルスタック３を挟んで、当該セルスタック３の両側に形成されている。これによって、セルスタック３の両側から酸化剤を供給することが可能となる。

また、特許文献１に示す燃料電池モジュールでは、側壁側の排ガス流路が広い流路面積を有しているため、排ガスは、出来る限り距離が短くなるような経路で排気管へ向かって流れる。従って、側壁側の排ガス流路を流れる排ガスは、底壁側の排気管寄りに流れ、当該排気管から近い位置で、底壁側の排ガス流路に流れ込む。底壁側の排ガス流路に流れ込んだ排ガスは、直ちに排気管から排気される。従って、排ガスが底壁側排ガス流路を流れる距離、すなわち排ガスと水気化部との接触時間が短くなってしまい、排ガスと水気化部との間で効率よく熱交換が行われない。

本実施形態に係る燃料電池モジュール１によれば、排ガス流路１２は、排ガスＥＧを集めて排ガス流路１２Ｅ，１２Ｆへ流入させる入口部５０と、排ガスＥＧを集めて排ガス流路１２Ｅ，１２Ｆから排気する排気管３２と、を有している。このような構成により、排ガス流路１２Ｃ，１２Ｄの流路面積が広い場合であっても、当該排ガス流路１２Ｃ，１２Ｄを通過する排ガスＥＧは、入口部５０において集められた状態で排ガス流路１２Ｅ，１２Ｆへ流入し、排ガス流路１２Ｅ，１２Ｆ内では少なくとも入口部５０と排気管３２との間を通過するように流れる。従って、入口部５０と排気管３２と間の距離を長くすることで、排ガスＥＧが水気化部４と接触する時間を長くすることができる。これによって、排ガスＥＧと水気化部４との間の熱交換効率が上がり、排ガスＥＧの熱を有効に利用することができる。

また、排気管３２は受熱体収納室６０における一端部６ａ側に配置されると共に、入口部５０は受熱体収納室６０における他端部６ｂ側に配置される。このような構成によって、入口部５０と排気管３２との間の距離、すなわち排ガスＥＧと水気化部４との接触時間を長くすることができる。

また、筐体６は、排ガス流路１２Ｃ，１２Ｄ内に形成され、第２の側壁部２１，２２から第１の側壁部１６，１７へ向かって延びる上壁部４４ｂ，４６ｂを有している。上壁部４４ｂ，４６ｂで排ガス流路１２Ｃ，１２Ｄの一部を塞ぐことで、排ガス流路１２Ｃ，１２Ｄを流れる排ガスＥＧは、上壁部４４ｂ，４６ｂで妨げられるため、塞がれていない部分へ向かって流れる。すなわち、当該塞がれていない部分である端壁部３４と端壁部４４ｂとの間の領域を、排ガスＥＧを集める入口部５０として構成することができる。これによって、入口部５０を簡単な構成で形成することが可能となる。

また、このような構成によれば、流路形成部４０，４１の端壁部４４ａ，４６ａは排ガスを集める入口部５０を構成し、上壁部４４ｂ，４６ｂは排ガスの流れを妨げて入口部５０へ導く壁部を構成している。このように、貫通孔４７，４８へ酸化剤ＯＸを導くための流路形成部４０，４１が、排ガス流路１２Ｃ，１２Ｄの一部を塞いで排ガスを入口部５０へ導く部分として同時に機能することができる。

本発明は上述の実施形態に限定されるものではない。

例えば、上述の実施形態では、台座７の上にセルスタック３を二列並べていたが、セルスタック３は一列のみであってもよい。すなわち、一列のセルスタック３に対し、貫通孔４７，４８の両方から酸化剤ＯＸを供給してもよい。すなわち、一列のセルスタック３を挟むように左右対称に貫通孔４７，４８が当該セルスタック３の両側に設けられ、一列のセルスタック３に対して両側から酸化剤が供給される構成としてもよい。また、上述の実施形態では、貫通孔４７，４８の両方から酸化剤ＯＸを供給できる構造となっていたが、貫通孔４７，４８の何れか一方のみから供給する構造であってもよい。例えば、セルスタック３を一列とし、当該一列のセルスタック３に対して一方向からのみ酸化剤ＯＸを供給してもよい。なお、この場合、流路形成部４０，４１はあってもよいが、貫通孔４８（または貫通孔４７のいずれか）は設けられない。また、他の流路や壁部構造も（長さ方向Ｄ１から見て）左右対称な構造でなくともよい。また、外側の酸化剤流路から貫通孔を介してセルスタック３に酸化剤を供給できるものであれば、筐体における流路の構成や壁部の構成も、燃料電池モジュールに応じて適宜変更してもよい。

また、上述の実施形態では、流路形成部４０，４１で酸化剤流路１３Ｅ，１３Ｆを形成する構成となっていが、収納室１１の外側の酸化剤流路と収納室１１とが連通され、酸化剤ＯＸをセルスタック３へ供給できる構造であれば特に限定されない。例えば、第１の側壁部１６，１７及び第２の側壁部２１，２２にパイプを貫通させ、酸化剤流路１３Ｃ，１３Ｄと収納室１１とを連通してもよい。また、流路形成部の大きさや形状や位置を変更してもよい。

また、上述の実施形態では、水気化部４がセルスタック３の下側の排ガス流路に配置されていたが、水気化部４の位置は、特に限定されない。例えば、水気化部が改質器と一体化された構成としてもよい。

また、図４に示すように、貫通孔４７は、第１の側壁部１６に形成されていてもよく、第２の側壁部２１に形成されていてもよい。具体的に、図４（ａ）に示す構成は図１と同様な構成であり、貫通孔４７は、第１の側壁部１６に形成されている。開口部４２は、第２の側壁部２１において、貫通孔４７と対向する位置に形成されている。排ガス流路と酸化剤流路とを仕切る周壁部４４は、貫通孔４７の周りを囲むように、開口部４２の縁部と第１の側壁部１６とを連結している。図４（ａ）の構成を、後述の図１０の構成に適用してもよい。一方、図４（ｂ）に示す構成では、貫通孔４７は、第２の側壁部２１に形成されている。開口部４２は、第１の側壁部１６において、貫通孔４７と対向する位置に形成されている。排ガス流路と酸化剤流路とを仕切る周壁部４４は、貫通孔４７の周りを囲むように、開口部４２の縁部と第２の側壁部２１とを連結している。図４（ｂ）の構成を、図１の構成及び後述の図５，８の構成に適用してもよい。

また、図５〜図７に示すような燃料電池モジュール２００に係る構成を採用してもよい。図５〜図７に示す燃料電池モジュール２００においては、第３の底壁部２９は省略されており第２の底壁部が最も下側の面として構成されている。また、燃料電池モジュール２００では、排ガス流路１２Ｅ，１２Ｆに水気化部４が配置されていない。また、図１に示す実施形態では、排ガスＥＧを集める入口部を一箇所としていたが、図５〜図７に示す燃料電池モジュール２００では、流路形成部４０，４１を一端部６ａからも離間させることによって、一端部６ａ側においても入口部５１を形成している。排気管３２の位置を長さ方向Ｄ１における略中央位置に設定しているが、水気化器４を配置しておらず熱交換効率を考慮する必要がないことから、排気管３２の位置は任意に決定することができる。また、図５〜７に示すような構成では、全貫通孔と一つの開口部とを一つの周壁部で囲むように連結させて一つの流路形成部を備えた形態を示すが、同一の高さに複数の貫通孔および複数の開口部を備え、複数の周壁部で囲むように連結させて、複数の流路形成部を備えてもよい。この場合、周壁部と他の周壁部の間が排ガスＥＧの入口部となる。特に、排ガス流路１２Ｅ、１２Ｆに水気化器４を備えない構成においては、熱交換効率を考慮する必要がないことから、このように複数の周壁部で連結させることにより、排ガス流路１２に流れる排ガスＥＧの流れを均一に近づけることができ、酸化剤流路１３を流れる酸化剤との熱交換を促進することができる。

また、図５〜図７に示す実施形態では、上側から給気管３１を介して酸化剤が導入されていた。しかし、図５〜図７に示す筐体６を更にもう一重の筐体で覆い、当該筐体の下部に給気管を設けることで、下方から酸化剤を導入してもよい。

また、図８及び図９に示すような燃料電池モジュール３００に係る構成を採用してもよい。燃料電池モジュール３００は、図５〜図７に示す燃料電池モジュール２００に対し、流路形成部４０，４１よりも高い位置に流路形成部４０，４１が更に形成されている。上側の流路形成部４０，４１も、下側の流路形成部４０，４１と同様に開口部４２，４３、周壁部４４，４６、貫通孔４７，４８を備えている。下側の流路形成部４０，４１の貫通孔４７，４８により、下部から酸化剤を供給することで、セル全体に酸化剤を供給することができる。一方、上側の流路形成部４０，４１の貫通孔４７，４８のように、下側領域以外の位置から酸化剤を供給することで、セルの局所的な発熱を抑制し、セル全体の温度を好適に維持することができる。従って、セルの発熱分布に応じて貫通孔４７，４８の位置や貫通孔４７，４８の孔径を決めることにより、発電ユニットの超寿命化を図ることができる。このように、セル温度の好適化を図るための酸化剤供給位置の調整を自由度を持たせて行うことが可能となる。流路形成部４０，４１及び貫通孔４７，４８によって酸化剤供給を行う構成を採用することにより、自由度の高い酸化剤供給位置の調整を、溶接箇所やコストを過大にすることなく実現できる。このように、本実施形態によれば、コストを低減し易くなっている。

燃料電池モジュール３００では、収納室１１の上端部からは内側へ向かって延びる折込部１１ａが形成されている。このように、収納室１１の上端部は折り込まれていてもよい。なお、図８の折込部１１ａは改質器２の上方で折り込まれているが、改質器２の下方で折り込まれていてもよい。また、図１および図５に示すように折込部１１ａを省略してもよい。

また、図１０に示すような燃料電池モジュール４００に係る構成を採用してもよい。燃料電池モジュール４００は、両外側からのみならず、酸化剤供給部材３６を用いてセルスタック３に酸化剤ＯＸを供給する。酸化剤供給部材３６は、第１の上壁部２３から挿入されて、一対のセルスタック３の間の隙間に入り込むように延びており、内部に酸化剤流路１３Ｋを有すると共に、先端部に貫通孔３７，３８を有している。改質器１０２の形状は、酸化剤供給部材３６を挟み込むような角形Ｕ字状に形成されている。酸化剤供給部材３６の貫通孔３７，３８は、セルスタック３の下側領域から酸化剤を供給できる。酸化剤流路１３Ｅ，１３Ｆを形成する流路形成部４０，４１及び貫通孔４７，４８は、酸化剤供給部材３６の貫通孔３７，３８よりも高い位置に形成されており、セルスタック３の上側領域に酸化剤を供給できる。貫通孔４７，４８は第２の側壁部２１，２２に形成され、開口部４２，４３は第１の側壁部１６，１７に形成されている。酸化剤供給部材３６の貫通孔３７，３８により、下部から酸化剤を供給することで、セル全体に酸化剤を供給することができる。一方、上側の流路形成部４０，４１の貫通孔４７，４８のように、下側領域以外の位置から酸化剤を供給することで、セルの冷却効果を得ることができる。従って、セルの発熱分布に応じて貫通孔の位置を決めることができる。このように、セル温度の好適化を図るための酸化剤供給位置の調整を自由度を持たせて行うことが可能となる。流路形成部４０，４１及び貫通孔４７，４８によって酸化剤供給を行う構成を採用することにより、自由度の高い酸化剤供給位置の調整を、溶接箇所やコストを過大にすることなく実現できる。このように、本実施形態によれば、コストを低減し易くなっている。

なお、酸化剤供給部材３６の貫通孔３７，３８によって下側領域から酸化剤を供給し、貫通孔４７，４８によって下側領域以外の上側の位置から酸化剤を供給していた。これに変えて、酸化剤供給部材３６の貫通孔３７，３８の位置を上側の位置（図１０の貫通孔４７，４８の高さ位置）に設定し、貫通孔４７，４８の位置を下側の位置（図１０の貫通孔３７，３８の高さ位置）に設定してもよい。

燃料電池モジュール４００では、収納室１１の上端部からは内側へ向かって延びる折込部１１ａが形成されている。このように、収納室１１の上端部は折り込まれていてもよい。また、図１０の折込部１１ａは改質器２の上方で折り込まれているが、改質器２の下方で折り込まれていてもよい。また、図１および図５に示すように折込部１１ａを省略してもよい。周壁部４４，４６の下辺部は延長部６２を有し、第３の側壁部２６，２７に突き当てられている。なお、このような延長部６２のような構成を図５〜図７の燃料電池モジュール２００にも適用してよい。

上述の図１〜図１０に示すように流路形成部が、一連である必要なく、同じ高さ位置において複数の区画に分割されていてもよい。例えば、図６に示す流路形成部４０が、長さ方向Ｄ１において、複数の領域に分割されていてもよい。貫通孔４７，４８は、直線的または等間隔に並んでいる必要はなく、どのようなパターン・間隔・形状で形成してもよい。

また、本発明においては、改質器及び水気化部は必須の構成要件ではなく、適宜省略してもよい。

１，２００，３００，４００…燃料電池モジュール、２…改質器、３…セルスタック、４…水気化部、６…筐体、１１…収納室、１２…排ガス流路、１３…酸化剤流路、１６，１７…第１の側壁部、２１，２２…第２の側壁部、２６，２７…第３の側壁部、３２…排気管、４０，４１…流路形成部、４２，４３…開口部、４４，４６…周壁部、４４ｂ，４６ｂ…上壁部、５０…入口部。

Claims (5)

1. 水素含有ガス及び酸化剤を用いて発電を行うセルが複数連結したセルスタックを含む発電ユニットと、
   前記発電ユニットを収納する筐体と、を備える燃料電池モジュールであって、
   前記筐体は、
   前記発電ユニットが設置される発電ユニット設置面と第１の側壁部とを有し、前記発電ユニットを収納する収納室と、
   前記第１の側壁部を介して前記収納室よりも外側に形成され、前記酸化剤を通過させる酸化剤流路と、
   前記収納室と前記酸化剤流路との間に形成され、前記セルスタックからのオフガスの燃焼による排ガスを通過させる排ガス流路と、
   一対の前記第１の側壁部の外側に配置され、当該一対の第１の側壁部との間で前記排ガス流路を形成する一対の第２の側壁部と、
   前記一対の第２の側壁部の外側に配置され、当該一対の第２の側壁部との間で前記酸化剤流路を形成する一対の第３の側壁部と、
   前記排ガス流路内に、前記第２の側壁部から前記第１の側壁部へ向かって延びる前記酸化剤流路を形成する流路形成部と、を有し、
   前記一対の第１の側壁部の少なくとも一方は、前記収納室と前記酸化剤流路とを連通し、前記酸化剤を前記セルスタックへ供給する貫通孔を備え、
   前記流路形成部は、
   前記一対の第２の側壁部において、少なくとも前記貫通孔に対向する位置に設けられる開口部と、
   前記貫通孔の周りを囲むように前記開口部の縁部と前記第１の側壁部とを連結し、前記排ガス流路と前記酸化剤流路とを仕切る周壁部と、を含む燃料電池モジュール。
2. 水素含有ガス及び酸化剤を用いて発電を行うセルが複数連結したセルスタックを含む発電ユニットと、
   前記発電ユニットを収納する筐体と、を備える燃料電池モジュールであって、
   前記筐体は、
   前記発電ユニットが設置される発電ユニット設置面と第１の側壁部とを有し、前記発電ユニットを収納する収納室と、
   前記第１の側壁部を介して前記収納室よりも外側に形成され、前記酸化剤を通過させる酸化剤流路と、
   前記収納室と前記酸化剤流路との間に形成され、前記セルスタックからのオフガスの燃焼による排ガスを通過させる排ガス流路と、
   一対の前記第１の側壁部の外側に配置され、当該一対の第１の側壁部との間で前記排ガス流路を形成する一対の第２の側壁部と、
   前記一対の第２の側壁部の外側に配置され、当該一対の第２の側壁部との間で前記酸化剤流路を形成する一対の第３の側壁部と、
   前記排ガス流路内に、前記第１の側壁部から前記第２の側壁部へ向かって延びる前記酸化剤流路を形成する流路形成部と、を有し、
   前記一対の第２の側壁部の少なくとも一方は、前記収納室と前記酸化剤流路とを連通し、前記酸化剤を前記セルスタックへ供給する貫通孔を備え、
   前記流路形成部は、
   前記一対の第１の側壁部において、少なくとも前記貫通孔に対向する位置に設けられる開口部と、
   前記貫通孔の周りを囲むように前記開口部の縁部と前記第２の側壁部とを連結し、前記排ガス流路と前記酸化剤流路とを仕切る周壁部と、を含む燃料電池モジュール。
3. 前記筐体の長さ方向に沿って、複数の前記貫通孔を備える請求項１又は２に記載の燃料電池モジュールであって、
   前記流路形成部は、
   前記一対の第２又は第１の側壁部において、少なくとも前記複数の貫通孔に対向する位置に設けられる前記開口部と、
   前記複数の貫通孔の周りを囲むように前記開口部の縁部と前記第１又は第２の側壁部とを連結し、前記排ガス流路と前記酸化剤流路とを仕切る前記周壁部と、を含み、前記排ガス流路の一部の領域を塞ぐことによって前記排ガスを集める入口部を形成する請求項１又は２に記載の燃料電池モジュール。
4. 前記第１の側壁部は、セルの連結方向と平行かつ前記発電ユニット設置面と非対向に位置し、前記発電ユニットを介して一対に備えられる請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池モジュール。
5. 前記発電ユニットは、前記発電ユニット設置面と平行かつ前記セルの連結方向と直交する方向に配置される、少なくとも二つの前記セルスタックを含む、
   前記少なくとも二つのセルスタックの間の隙間には、当該セルスタックに前記酸化剤を供給する酸化剤供給部材が配置されている請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃料電池モジュール。

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