JP6075766B2 - セルスタック装置、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、セルスタック装置、燃料電池モジュールおよび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）と酸素含有ガス（空気）とを用いて電力を得ることができる燃料電池セル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装置においては、発電に使用されなかった燃料ガスを燃料電池セルの上方で燃焼させることで、燃料電池セルの温度を高温に保持し、効率のよい発電を行なうことが知られている。

また、このような燃料電池セルにおいては、燃料電池装置の起動時や、負荷の急激な変動や、夜間等の低出力時において、失火が生じる場合があり、この場合に燃料電池の発電効率が低下するおそれがある。それゆえ、上述の失火を抑制すべく、燃料電池セルの上端に流路部材を設けた構成が例示されている。

特開２００７−５９３７７号公報 特開２０１１−１３４５４２号公報

しかしながら、上述の特許文献２の構成では、各燃料電池セルに流路部材を設ける必要があり、構成が複雑となるといった課題があり、より簡単な構成で失火を抑制できる燃料電池装置が求められている。

それゆえ、本発明の目的は、失火を抑制でき、長期信頼性が向上したセルスタック装置、燃料電池モジュールおよび燃料電池装置を提供することにある。

本発明のセルスタック装置は、燃料ガスと酸素含有ガスとで発電を行なうとともに、内部を長手方向に貫通するガス流路を有し、上端側で発電で使用されなかった前記燃料ガスを燃焼させる構成の燃料電池セルを複数個と、前記ガス流路に連通し該ガス流路に燃料ガスを供給するマニホールドとを備えてなり、前記燃料電池セルは、前記ガス流路の上端が高さ方向において異なる位置となるように配置されていることを特徴とする。

また、本発明の燃料電池モジュールは、収納容器内に、上記のセルスタック装置を収納してなるとともに、該セルスタック装置における前記燃料電池セルが、前記ガス流路のうち最も下方に位置する前記ガス流路が高温側に位置するように配置されていることを特徴とする。

さらに、本発明の燃料電池装置は、外装ケース内に上記の燃料電池モジュールを収納してなることを特徴とする。

本発明のセルスタック装置は、内部を長手方向に貫通するガス流路を有する燃料電池セルを複数個備えるとともに、燃料電池セルが、ガス流路の上端が高さ方向において異なる位置となるように配置されていることから、上端が上方に位置するガス流路で失火が生じたとしても、上端が下方に位置するガス流路で燃焼が生じている場合には、その燃焼熱や燃焼炎により、失火したガス流路を再着火させることができることから、長期信頼性が向上したセルスタック装置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、収納容器内に、上記のセルスタック装置を収納してなるとともに、該セルスタック装置における燃料電池セルが、ガス流路のうち最も下方に位置するガス流路が高温側に位置するように配置されていることから、失火を抑制することができ、長期信頼性が向上した燃料電池モジュールとすることができる。

さらに、本発明の燃料電池装置は、外装ケース内に上記の燃料電池モジュールを収納してなることから、長期信頼性の向上した燃料電池装置とすることができる。

本実施形態のセルスタック装置の一例を備える燃料電池モジュール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の断面図である。 （ａ）は図１に示すセルスタック装置の側面図であり、（ｂ）は（ａ）で示すセルスタック装置の一部を抜粋して示す平面図である。 本実施形態のセルスタック装置の他の一例を示す外観斜視図である。 本実施形態の燃料電池モジュールの他の一例を示す断面図である。 本実施形態の燃料電池装置の一例を概略的に示す分解斜視図である。

図１は、本実施形態の燃料電池モジュール（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り、図２は図１の断面図であり、図３（ａ）は図１に示すセルスタック装置の側面図であり、図３（ｂ）は（ａ）で示すセルスタック装置の一部を抜粋して示す平面図である。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においては、収納容器２の内部に、内部を燃料ガスが流通する燃料ガス流路（図示せず）を有する燃料電池セル３を立設させた状態で一列に配列し、隣接する燃料電池セル３間が集電部材（図１においては図示せず）を介して電気的に直列に接続されているとともに、燃料電池セル３の下端をガラスシール材等の絶縁性接合材（図示せず）でマニホールド４に固定してなるセルスタック５を２つ備えるセルスタック装置１２を収納してなる。また、セルスタック５の上方には、燃料電池セル３に供給する燃料ガスを生成するための改質器６が配置されている。なお、セルスタック５の両端部には、セルスタック４（燃料電池セル３）の発電により生じた電気を集電して外部に引き出すための、電気引き出し部を有する導電部材が配置されている（図示せず）。なお、図１においては、セルスタック装置１２が２つのセルスタック５を備えている場合を示しているが、適宜その個数は変更することができ、例えばセルスタック５を１つだけ備えていてもよい。また、セルスタック装置１２を、改質器６を含むものとすることもできる。

また、図１においては、燃料電池セル３として、内部を燃料ガスが長手方向に流通する燃料ガス流路を複数有する中空平板型で、燃料ガス流路を有する支持体の表面に、燃料極層、固体電解質層および酸素極層を順に積層してなる固体酸化物形の燃料電池セル３を例示している。なお、燃料電池セル３の間に酸素含有ガスが流通する。燃料電池セル３の構
成については後述する。

また、本実施形態の燃料電池装置においては、燃料電池セル３が固体酸化物形の燃料電池セルであればよく、例えば平板型や円筒型とすることもでき、あわせて収納容器２の形状も適宜変更することができる。

また、図１に示す改質器６においては、原燃料供給管１０を介して供給される天然ガスや灯油等の原燃料を改質して燃料ガスを生成する。なお、改質器６は、効率のよい改質反応である水蒸気改質を行うことができる構造とすることが好ましく、水を気化させるための気化部７と、原燃料を燃料ガスに改質するための改質触媒（図示せず）が配置された改質部８とを備えている。そして、改質器６で生成された燃料ガスは、燃料ガス流通管９を介してマニホールド４に供給され、マニホールド４より燃料電池セル３の内部に設けられた燃料ガス流路に供給される。

また図１においては、収納容器２の一部（前後面）を取り外し、内部に収納されるセルスタック装置１２を後方に取り出した状態を示している。ここで、図１に示したモジュール１においては、セルスタック装置１２を、収納容器２内にスライドして収納することが可能である。

なお、収納容器２の内部には、マニホールド４に並置されたセルスタック５の間に配置され、酸素含有ガスが燃料電池セル３の側方を下端部から上端部に向けて流れるように、酸素含有ガス導入部材１１が配置されている。

図２に示すように、モジュール１を構成する収納容器２は、内壁１３と外壁１４とを有する二重構造で、外壁１４により収納容器２の外枠が形成されるとともに、内壁１３によりセルスタック装置１２を収納する発電室１５が形成されている。さらに収納容器２においては、内壁１３と外壁１４との間を、燃料電池セル３に導入する酸素含有ガスが流通する酸素含有ガス流路２１としている。

ここで、収納容器２内には、収納容器２の上部より、上端側に酸素含有ガスが流入するための酸素含有ガス流入口（図示せず）とフランジ部２６とを備え、下端部に燃料電池セル３の下端部に酸素含有ガスを導入するための酸素含有ガス流出口１６が設けられてなる酸素含有ガス導入部材１１が、内壁１３を貫通して挿入されて固定されている。なお、フランジ部２６と内壁１３との間には断熱部材１７が配置されている。

なお、図２においては、酸素含有ガス導入部材１１が、収納容器２の内部に並置された２つのセルスタック５間に位置するように配置されているが、セルスタック５の数により、適宜配置することができる。例えば、収納容器２内にセルスタック５を１つだけ収納する場合には、酸素含有ガス導入部材１１を２つ設け、セルスタック５を両側面側から挟み込むように配置することができる。

また発電室１５内には、モジュール１内の熱が極端に放散され、燃料電池セル３（セルスタック５）の温度が低下して発電量が低減しないよう、モジュール１内の温度を高温に維持するための断熱部材１７が適宜設けられている。

断熱部材１７は、セルスタック５の近傍に配置することが好ましく、特には、燃料電池セル３の配列方向に沿ってセルスタック５の側面側に配置するとともに、セルスタック５の側面における燃料電池セル３の配列方向に沿った幅と同等またはそれ以上の幅を有する断熱部材１７を配置することが好ましい。なお、セルスタック５の両側面側に断熱部材１７を配置することが好ましい。それにより、セルスタック５の温度が低下することを効果
的に抑制できる。さらには、酸素含有ガス導入部材１１より導入される酸素含有ガスが、セルスタック５の側面側より排出されることを抑制でき、セルスタック５を構成する燃料電池セル３間の酸素含有ガスの流れを促進することができる。なお、セルスタック５の両側面側に配置された断熱部材１７においては、燃料電池セル３に供給される酸素含有ガスの流れを調整し、セルスタック５の長手方向および燃料電池セル３の積層方向における温度分布を低減するための開口部１８が設けられている。

また、燃料電池セル３の配列方向に沿った内壁１３の内側には、排ガス用内壁１９が設けられており、内壁１３と排ガス用内壁１９との間が、発電室１５内の排ガスが上方から下方に向けて流れる排ガス流路２２とされている。なお、排ガス流路２２は、収納容器２の底部に設けられた排気孔２０と通じている。また、排ガス用内壁１９のセルスタック５側にも断熱部材１７が設けられている。

それにより、モジュール１の稼動（起動処理時、発電時、停止処理時）に伴って生じる排ガスは、排ガス流路２２を流れた後、排気孔２０より排気される構成となっている。なお、排気孔２０は収納容器２の底部の一部を切り欠くようにして形成してもよく、また管状の部材を設けることにより形成してもよい。

なお、酸素含有ガス導入部材１１の内部には、セルスタック５近傍の温度を測定するための熱電対２４が、その測温部２３が燃料電池セル３の長手方向の中央部でかつ燃料電池セル３の配列方向における中央部に位置するように配置されている。

また、上述の構成のモジュール１においては、燃料電池セル３における燃料ガス流路より排出される発電に使用されなかった燃料ガスと酸素含有ガスとを燃料電池セル３の上端と改質器６との間で燃焼させることにより、燃料電池セル３の温度を上昇・維持させることができる。あわせて、燃料電池セル３（セルスタック５）の上方に配置された改質器６を温めることができ、改質器６で効率よく改質反応を行なうことができる。なお、通常発電時においては、上記燃焼や燃料電池セル３の発電に伴い、モジュール１内の温度は５００〜８００℃程度となる。

なお、図２に示しているように、本実施形態のセルスタック装置１２においては、燃料電池セル３は、ガス流路の上端が高さ方向において異なる位置となるように配置されており、詳細は後述する。

図３は、図１に示す本実施形態のセルスタック装置１２の一例を示したものであり、（ａ）はセルスタック装置１２を概略的に示す側面図、（ｂ）は（ａ）のセルスタック装置１２の一部を拡大した平面図であり、（ａ）で示した点線枠で囲った部分を抜粋して示している。なお、（ｂ）において（ａ）で示した点線枠で囲った部分に対応する部分を明確とするために矢印にて示している。

図３に示すセルスタック装置１２においては、燃料電池セル３の複数個を、それぞれの燃料電池セル３間に集電部材３８を介して立設させた状態で配列して、電気的に直列に接続してセルスタック５を形成し、各燃料電池セル３の下端部が、燃料電池セル３に燃料ガスを供給するマニホールド４に固定されて構成されている。

また、セルスタック装置１２は、端部に配置された集電部材３８を介して燃料電池セル３の配列方向の両端からセルスタック５を挟持するように、マニホールド４に下端が固定された導電部材２７を具備している。

図３（ａ）に示す導電部材２７においては、燃料電池セル３の配列方向に沿って外側に
向けて延びた形状で、セルスタック５（燃料電池セル３）の発電により生じる電流を引出すための電流引出し部２８が設けられている。

以下、図３に示す燃料電池セル３を用いて、燃料電池セル３の構成を説明する。

燃料電池セル３は、一対の対向する平坦面をもつ柱状の導電性支持体３５（以下、支持体３５と略す場合がある。）の一方側の平坦面上に燃料極層３１と、固体電解質層３２と、酸素極層３３とが順に積層されて構成されている。なお、燃料極層３１、固体電解質層３２および酸素極層３３がこの順に積層された部位において、燃料電池セル３に供給される燃料ガスと酸素含有ガスとで発電する。

さらに、燃料電池セル３の他方側の平坦面上にはインターコネクタ３４が設けられており、支持体３５の内部には、燃料ガスを流すための燃料ガス流路３６が複数設けられている。

また、インターコネクタ３４の外面（上面）にはＰ型半導体層３７を設けることもでき、図３（ｂ）においてはＰ型半導体層３７を設けた例を示している。集電部材３８を、Ｐ型半導体層３７を介してインターコネクタ３４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。

また、支持体３５を、燃料極層３１を兼ねるものとし、その一方側表面上に固体電解質層３２および酸素極層３３を順次積層して燃料電池セル３を構成することもできる。

以下に、図３に示す燃料電池セル３を構成する各部材について説明する。

燃料極層３１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し、部分安定化ジルコニアも含む。）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３２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。

酸素極層３３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。酸素極層３３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３４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、耐還元性およ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３４は支持体３５に形成されたガス流路１７を流通する燃料ガス、および燃料電池セル３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。

支持体３５としては、燃料ガスを燃料極層３１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３４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３５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。

ちなみに、燃料電池セル３を作製するにあたり、燃料極層３１または固体電解質層３２との同時焼成により支持体３５を作製する場合においては、Ｎｉ等の鉄属金属成分とＹ_２Ｏ_３等の特定希土類酸化物とから支持体３５を形成することが好ましい。また、支持体３５は、燃料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、好ましくは３００Ｓ／ｃｍ以上、特には４４０Ｓ／ｃｍ以上であるのが好ましい。

さらに、Ｐ型半導体層３７としては、遷移金属の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３４を構成するランタンクロマイト系のペロブスカイト酸化物（ＬａＣｒＯ_３）よりも電子伝導性の高いもの、例えばＡサイトにＳｒ（ストロンチウム）とＬａ（ランタン）が共存するＬａＳｒＣｏＦｅＯ_３系酸化物（例えばＬａＳｒＣｏＦｅＯ_３）、ＬａＭｎＯ_３系酸化物（例えばＬａＳｒＭｎＯ_３）、ＬａＦｅＯ_３系酸化物（例えばＬａＳｒＦｅＯ_３）、ＬａＣｏＯ_３系酸化物（例えばＬａＳｒＣｏＯ_３）の少なくとも１種から構成することが好ましく、特に６００〜１０００℃程度の作動温度での電気伝導性が高いという点からＬａＳｒＣｏＦｅＯ_３系酸化物から構成することが特に好ましい。なお、ＢサイトにＣｏとともにＦｅ、Ｍｎが存在してもよいこのようなＰ型半導体層３７の厚みは、一般に、３０〜１００μｍの範囲にあることが好ましい。

そして、それぞれの燃料電池セル３は集電部材３８を介して電気的に直列に接続される。なお、集電部材３８は、弾性を有する金属または合金からなる部材あるいは金属繊維または合金繊維からなるフェルトに所要の表面処理を加えた部材から構成することができる。

また、燃料電池装置の発電中に、高温な酸化雰囲気に曝されることから、Ｃｒを含有する合金を用いて作製することが好ましい。さらに、集電部材３８の表面の一部、好ましくは全体を希土類元素を含有するペロブスカイト型酸化物等を用いてコーティングすることが好ましい。

なお、集電部材３８の長手方向の長さおよび幅方向の長さは発電部の長手方向の長さおよび幅方向の長さと同等以上の長さとすることが好ましい。それにより、発電により生じた電流を効率よく集電することができる。

ところで、上述したセルスタック装置の運転中において、燃料電池セル３の上端側で、燃料ガス流路３６より排出される発電に使用されなかった燃料ガスを燃焼させるが、燃料電池装置の起動時や、負荷の急激な変動や、夜間等の低出力時において、失火が生じる場合があり、失火に伴って燃料電池セル３の温度や改質器６の温度が上昇せず、発電ができない状態となり、長期信頼性が低下するおそれがある。

それゆえ、図２に示したように、本実施形態のセルスタック装置１２においては、燃料電池セル３は、燃料ガス流路３６の上端が高さ方向において異なる位置となるように配置されている。具体的には、図１〜図３に示したセルスタック装置１２においては、それぞれの燃料電池セル３が有する複数の燃料ガス流路３６のそれぞれの上端が、酸素含有ガス導入部材１１側が低くなっており、酸素含有ガス導入部材１１と反対側が高くなるようになっている。

それにより、例えば、各燃料ガス流路３６の失火を抑制できるほか、上端が上方に位置
する燃料ガス流路３６（言い換えれば、酸素含有ガス導入部材１１と反対側に位置する燃料ガス流路３６。）で失火が生じたとしても、上端が下方に位置する燃料ガス流路３６（言い換えれば、酸素含有ガス導入部材１１側に位置する燃料ガス流路３６。）で燃焼が生じている場合には、その燃焼熱の一部が、酸素含有ガス導入部材１１と反対側に位置する燃料ガス流路３６側に流れるほか、燃焼炎の一部も酸素含有ガス導入部材１１と反対側に位置する燃料ガス流路３６に揺らぐこととなる。それにより、酸素含有ガス導入部材１１と反対側に位置する燃料ガス流路３６の上端側で再着火させることができる。それゆえ、燃料ガス流路３６の上端の位置を同一の位置としたセルスタック装置に比べて、長期信頼性を向上することができる。

なお、このような燃料電池セル３は、複数のガス流路３６において少なくとも一端側（酸素含有ガス導入部材１１側）が、他端側（酸素含有ガス導入部材１１と反対側）よりも低い位置となるようになっていればよいが、失火した燃料ガス流路３６を効率よく再着火させるにあたり、複数の燃料ガス流路３６を、一端側より他端側に向けて順に上端の位置が異なっている、すなわち一端側より他端側に傾斜していることが好ましい。それにより、より効率よく失火を抑制するまたは再着火することができる。

それゆえ、図２に示すセルスタック装置１２においては、燃料電池セル３をマニホールド４に対して垂直となるように配置したうえで、燃料電池セル３の上端側を斜めに切ったような形状とした例を示しているが、例えば燃料電池セル３自体は上端が平坦となる形状として、その燃料電池セル３をマニホールド４に対して斜めになるように固定した形状としてもよい。

また、複数の燃料ガス流路３６において、周囲の温度が高い側が低い位置となるように設けることが好ましい。上端の位置が低い燃料ガス流路３６を周囲の温度が高い側に配置することで、上端の位置が低い燃料ガス流路３６での失火を抑制でき、また再着火しやすくすることで、複数の燃料ガス流路３６全体の失火抑制や再着火を容易に行なうことができる。

それゆえ、上述の説明においては、複数の燃料ガス流路３６において、酸素含有ガス導入部材１１側に位置する燃料ガス流路３６の上端が低い位置となるように設けた例を用いて説明したが、例えば酸素含有ガス導入部材１１と反対側の周囲の温度が高い構成のセルスタック装置１２の場合には、酸素含有ガス導入部材１１と反対側の燃料ガス流路３６の上端が低い位置となるように設けることもできる。

図４は、本実施形態のセルスタック装置の他の一例を示す外観斜視図である。図４においては、マニホールド４０上に円筒状の燃料電池セル４１を１５本配列してなるセルスタック装置３９を示している。なお、円筒状の燃料電池セル４１については、内部に長手方向に貫通する燃料ガス流路４２を１つ有しており、この燃料ガス流路４２側から、燃料極層、固体電解質層および酸素極層が順に積層されてなる固体酸化物形の燃料電池セル４１を示している。また、図４において、各燃料電池セル４１を電気的に接続する集電部材や導電部材は省略している。

このような内部に燃料ガス流路４２を１つだけ有する円筒状の燃料電池セル４１においても、図１〜図３にて説明した燃料電池セル３と同様に、燃料電池セル４１の上端側で、発電に使用されなかった燃料ガスを燃焼させることにより、燃料電池セル４１の温度を高温に維持することができる。

ところで、円筒状の燃料電池セル４１においても上述と同様に失火の問題が生じ、それにより長期信頼性が低下するおそれがある。それゆえ、円筒状の燃料電池セル４１であっ
ても、上述と同様に失火を抑制するもしくは失火した場合において再着火が容易なセルスタック装置とすることが好ましい。

ここで、図１〜図３に示したセルスタック装置１２においては、各燃料電池セル３が複数の燃料ガス流路３６を有していることから、各燃料電池セル３のそれぞれにおいて、失火を抑制することや、再着火を容易に行なうことができる。これに対して、燃料ガス流路４２を１つしか有しない円筒状の燃料電池セル４１においては、それぞれの燃料電池セル４１だけでは、失火を抑制することや、再着火を容易に行なうことが難しい場合がある。

それゆえ、図４に示したセルスタック装置３９においては、燃料電池セル４１を１５本配置するとともに、マニホールド４０の中央部側に位置する燃料電池セル４１と端部側に位置する（図４において手前側または奥側）に位置する燃料電池セル４１とで長さを変更することで、燃料電池セル４１が、燃料ガス流路４２の上端が高さ方向において異なる位置となるように配置している。具体的には、図４においては、マニホールド４０の中央部側に位置する燃料電池セル４１の長さを短くし、燃料ガス流路４２の上端が低くなるように配置している。

それにより、各燃料電池セル４１における燃料ガス流路４２の失火を抑制できるほか、上端が上方に位置する燃料ガス流路４２（言い換えれば、図４において端部側に位置する燃料電池セル４１）で失火が生じたとしても、上端が下方に位置する燃料ガス流４２（言い換えれば、マニホールド４０の中央部側に位置する燃料電池セル４１。）で燃焼が生じている場合には、その燃焼熱の一部が、他の燃料電池セル４１側に流れやすくなり、場合によっては燃焼炎の一部も他の燃料電池セル４１に揺らぎやすくなり、端部側に位置する燃料ガス流路４２の上端側で再着火させることができる。それゆえ、燃料ガス流路４２の上端の位置を同一の位置としたセルスタック装置に比べて、長期信頼性を向上することができる。

ちなみに、図４においては、マニホールド４０の最も中央部側に位置する燃料電池セル４１の長さを最も短くし、端部側に向かうについて徐々に燃料電池セル４１の長さが長くなるように配置している例を示している。

また、以上の説明においては、燃料電池セル３、４１をそれぞれ行列状に配置してなるセルスタック装置１２を示したが、例えば燃料電池セルを周回状に配置したセルスタック装置にも適用することができる。

図５は、本実施形態のモジュールの他の一例を示す断面図であり、図２に示すモジュール１の断面図と比較して、燃料電池セル３の上方に着火装置４３を備えている。

上述のような各セルスタック装置を収納してなるモジュールにおいては、各燃料ガス流路３６より排出される発電に使用されなかった燃料ガスを効率よく燃焼させるにあたり、着火装置４３を備えていることが好ましい。着火装置を作動させることにより、各燃料ガス流路３６より排出される発電に使用されなかった燃料ガスを効率よく燃焼させることができる。なお、着火装置４３としては、例えば着火ヒーターやバーナー等、適宜使用することができる。

ところで、このような着火装置４３を全ての燃料電池セル３や全ての燃料ガス流路３６上に配置することは、その構造上やコスト面からも困難である。それゆえ、着火装置４３の数を少なくし、また各燃料ガス流路３６において失火を抑制する、または再着火を容易に行なうにあたっては、着火装置４３は、燃料ガス流路３６のうち、上端が最も下方に位置する燃料ガス流路３６の上方に備えることが好ましい。

それにより、上端が最も下方に位置する燃料ガス流路３６の失火を抑制でき、かつ再着火を容易に行なうことができることから、それよりも上方に位置する燃料ガス流路３６の失火も効率よく抑制でき、あわせて再着火もより容易に行なうことができる。なお、図５においては、上端が最も下方に位置する燃料ガス流路３６の上方に着火装置４３を配置した例を示している。

図６は、外装ケース内に図１で示した燃料電池モジュール１と、燃料電池モジュール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実施形態の燃料電池装置の一例を示す分解斜視図である。なお、図６においては一部構成を省略して示している。

図６に示す燃料電池装置４４は、支柱４５と外装板４６から構成される外装ケース内を仕切板４７により上下に区画し、その上方側を上述した燃料電池モジュール１を収納するモジュール収納室４８とし、下方側を燃料電池モジュール１を動作させるための補機を収納する補機収納室４９として構成されている。なお、補機収納室４９に収納する補機を省略して示している。

また、仕切板４７には、補機収納室４９の空気をモジュール収納室４８側に流すための空気流通口５０が設けられており、モジュール収納室４８を構成する外装板４６の一部に、モジュール収納室４８内の空気を排気するための排気口５１が設けられている。

このような燃料電池装置４４においては、上述したように、発電効率の向上した燃料電池モジュール１をモジュール収納室４８に収納し、燃料電池モジュール１を動作させるための補機を補機収納室４９に収納して構成されることにより、発電効率の向上した燃料電池装置４４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、セルスタック装置１２を構成するセルスタック５において、燃料電池セル３の配列方向の中央部側の温度が高く、端部側の温度が低くなる温度分布を生じる場合には、着火装置４３は、燃料電池セル３の配列方向の最も中央部に位置する燃料電池セル３の上方であって、かつ上端が最も下方に位置する燃料ガス流路３６の上方にのみ配置することもできる。

また、例えば、図１〜図３に示したセルスタック装置１２においても、図４に示したセルスタック装置３９と同様に、マニホールド４の中央部側に位置する燃料電池セル３（すなわち燃料電池セル３の配列方向における中央部に位置する燃料電池セル３）における燃料ガス流路３６が最も低い位置となるように各燃料電池セル３を配置することができる。それにより、セルスタック装置１２を構成する各燃料電池セル３について、効率よく失火を抑制できるほか、再着火を容易に行なうことができる。

また、上述の例ではいわゆる縦縞型と呼ばれる燃料電池セル３を用いて説明したが、一般に横縞型と呼ばれる複数の発電素子部を支持体上に設けてなる横縞型の燃料電池セルを用いることもできる。

１：燃料電池モジュール
２：収納容器
３、４１：燃料電池セル
４、４０：マニホールド
５：セルスタック
１２、３９：セルスタック装置
３６、４２：燃料ガス流路
４３：着火装置
４４：燃料電池装置

Claims (7)

1. 燃料ガスと酸素含有ガスとで発電を行なうとともに、内部を長手方向に貫通するガス流路を有し、上端側で発電で使用されなかった前記燃料ガスを燃焼させる構成の燃料電池セルを複数個と、前記ガス流路に連通し該ガス流路に燃料ガスを供給するマニホールドとを備えてなり、前記燃料電池セルは、前記ガス流路の上端が高さ方向において異なる位置となるように配置されていることを特徴とするセルスタック装置。
2. 前記燃料電池セルが内部を長手方向に貫通するガス流路を複数有する筒状であって、それぞれの前記燃料電池セルが、それぞれの該燃料電池セルにおける複数のガス流路の上端が異なる位置となるように設けられていることを特徴とする請求項１に記載のセルスタック装置。
3. それぞれの前記燃料電池セルにおける複数のガス流路の上端が、一端側より他端側に傾斜していることを特徴とする請求項２に記載のセルスタック装置。
4. 前記燃料電池セルが内部を長手方向に貫通するガス流路を１つ有する筒状であって、複数の前記燃料電池セルが、それぞれ上端が異なる位置となるように配置されていることを特徴とする請求項１に記載のセルスタック装置。
5. 収納容器内に、請求項１乃至請求項４のうちいずれかに記載のセルスタック装置を収納してなるとともに、該セルスタック装置における前記燃料電池セルが、前記ガス流路のうち最も下方に位置する前記ガス流路が高温側に位置するよう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。
6. 前記ガス流路のうち、上端が最も下方に位置する前記ガス流路の上方に着火装置を備えることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池モジュール。
7. 外装ケース内に、請求項５または請求項６に記載の燃料電池モジュールを収納してなることを特徴とする燃料電池装置。