JP6329025B2 - 燃料電池モジュールおよび燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池モジュールおよび燃料電池システムに関する。

燃料電池システムの一形式として、特許文献１に示されているものが知られている。燃料電池システムは、特許文献１の図４に示すように、固体酸化物形燃料電池２、脱硫器４、改質器６及び燃焼部８を備え、燃料ガス供給流路１６に上流側改質器８２が設けられ、燃料ガス供給流路１６を流れる原燃料ガスは上流側改質器８２を通して脱硫器４に流れ、この脱硫器４にて脱硫処理された燃料ガスが燃料ガス送給流路１８を通して改質器６に送給されるようになっている。

また、純水ポンプ２２は純水供給流路２４を介して蒸発器８４に接続され、この蒸発器８４の排出側が第１水蒸気流路８６を介して燃料ガス送給流路１８の第１水蒸気混合部８８に接続されるとともに、第２水蒸気流路９０を介して燃料ガス供給流路１６の第２水蒸気混合部９２に接続されている。また、脱硫器４および蒸発器８４は高温断熱部３２外に配設されるとともに、固体酸化物形燃料電池２、改質器６及び燃焼部８は高温断熱部３２内に配設されている。

特許第４９１１９２７号公報

上述した特許文献１に記載の燃料電池システムは、蒸発器が高温断熱部外に配設されているため、蒸発器を加熱するための加熱手段を別途設ける必要があり、熱効率が悪化するという問題があった。さらに、上述した特許文献１に記載の燃料電池システムは、第１水蒸気流路８６および第２水蒸気流路９０を設けているため、比較的構造が複雑となり放熱抑制のため構造が複雑となったり、構造を容易にすると放熱を抑制できないで熱効率が悪化したりするといった問題があった。

そこで、本発明は、上述した問題を解消するためになされたもので、燃料電池モジュールおよび燃料電池システムにおいて、構造の複雑化を招くことなく、熱効率を高く維持することを目的とする。

上記の課題を解決するため、請求項１に係る燃料電池モジュールは、アノードガスとカソードガスとにより発電する燃料電池と、改質水から水蒸気を生成する蒸発部と、改質用原料と蒸発部から供給される水蒸気とから水素を生成する第一改質部と、第一改質部から供給される水素を使用することにより改質用原料に含まれる硫黄成分を除去して導出する脱硫器と、脱硫器にて硫黄成分が除去された改質用原料からアノードガスを生成して燃料電池に供給する第二改質部と、燃料電池から導出されるアノードオフガスを燃焼して燃焼熱を生成する燃焼部と、を備えた燃料電池モジュールであって、蒸発部、第一改質部、脱硫器、および第二改質部は、この順番に直列に連結され、少なくとも蒸発部、第二改質部、燃料電池および燃焼部は、燃料電池モジュールに設けられ断熱材料からなる断熱部材によって区画されている第一収容室に収容され、少なくとも脱硫器は、第一収容室とは断熱材料からなる隔壁によって断熱されている第二収容室に収容されている。

これによれば、第一収容室において燃焼部で発生した燃焼熱が、蒸発部における水蒸気の生成、および第二改質部における改質反応に有効利用することができる。また、第二収容室においては、第一収容室内の熱が隔壁を介して伝熱可能である（放熱、輻射熱）ため、脱硫器の加熱に有効利用することができる。さらに、第一改質部が比較的高温である第一収容室に収容されている場合であっても、第一改質部は蒸発部と脱硫器との間に連結配設されているため、第一改質部の温度は蒸発部と脱硫器との間の温度となる。また、第一改質部が比較的低温である第二収容室に収容されている場合であっても、第一改質部は蒸発部と脱硫器との間に連結配設されているため、第一改質部の温度は脱硫器と同程度の温度となる。その結果、燃焼部で発生した燃焼熱は、第一改質部および第二改質部の両方においてすなわち燃料電池モジュール全体として効率よく利用することができる。したがって、燃料電池モジュールにおいて、構造の複雑化を招くことなく、熱効率を高く維持するが可能となる。

本発明の一実施形態における燃料電池システムの概要図である。 図１に示す燃料電池モジュールの断面図である。 図１および図２に示す燃料電池モジュールの内部（特に断面部材、発電部）を示す右側面図である。 図１および図２に示す燃料電池モジュールの内部（特にケーシング、断面部材）を示す上面図である。 図１および図２に示す燃料電池モジュールの一の変形例の内部（特にケーシング、断面部材）を示す上面図である。 図１および図２に示す燃料電池モジュールの他の変形例の内部（特にケーシング、断面部材）を示す上面図である。 図１および図２に示す燃料電池モジュールの他の変形例の内部（特にケーシング、断面部材）を示す背面図である。

以下、本発明による燃料電池モジュールおよび燃料電池システムの一実施形態について説明する。燃料電池システムは、発電ユニット１０および貯湯槽２１を備えている。発電ユニット１０は、筐体１０ａ、燃料電池モジュール１１（３０）、熱交換器１２、インバータ装置１３、水タンク１４、制御装置１５を備えている。燃料電池モジュール１１（３０）、熱交換器１２、インバータ装置１３、水タンク１４、制御装置１５は、筐体１０ａ内に収容されている。

燃料電池モジュール１１は、後述するように燃料電池装置４５を少なくとも含んで構成されるものである。燃料電池モジュール１１は、改質用原料、改質水およびカソードエアが供給されている。具体的には、燃料電池モジュール１１は、一端が供給源Ｇｓに接続されて改質用原料が供給される改質用原料供給管１１ａの他端が接続されている。改質用原料供給管１１ａは、原料ポンプ１１ａ１が設けられている。さらに、燃料電池モジュール１１は、一端が水タンク１４に接続されて改質水が供給される水供給管１１ｂの他端が接続されている。水供給管１１ｂは、改質水ポンプ１１ｂ１が設けられている。さらに、燃料電池モジュール１１は、一端がカソードエアブロワ１１ｃ１に接続されてカソードエアが供給されるカソードエア供給管１１ｃの他端が接続されている。

熱交換器１２は、燃料電池モジュール１１から排気される燃焼排ガスが供給されるとともに貯湯槽２１からの貯湯水が供給され、燃焼排ガスと貯湯水とが熱交換する熱交換器である。具体的には、貯湯槽２１は、貯湯水を貯湯するものであり、貯湯水が循環する（図にて矢印の方向に循環する）貯湯水循環ライン２２が接続されている。貯湯水循環ライン２２上には、下端から上端に向かって順番に貯湯水循環ポンプ２２ａおよび熱交換器１２が配設されている。熱交換器１２は、燃料電池モジュール１１からの排気管１１ｄが接続（貫設）されている。熱交換器１２は、水タンク１４に接続されている凝縮水供給管１２ａが接続されている。

熱交換器１２において、燃料電池モジュール１１からの燃焼排ガスは、排気管１１ｄを通って熱交換器１２内に導入され、貯湯水との間で熱交換が行われ凝縮されるとともに冷却される。凝縮後の燃焼排ガスは排気管１１ｄを通って外部に排出される。また、凝縮された凝縮水は、凝縮水供給管１２ａを通って水タンク１４に供給される。なお、水タンク１４は、凝縮水をイオン交換樹脂によって純水化するようになっている。
上述した熱交換器１２、貯湯槽２１および貯湯水循環ライン２２から、排熱回収システム２０が構成されている。排熱回収システム２０は、燃料電池モジュール１１の排熱を貯湯水に回収して蓄える。

さらに、インバータ装置１３は、燃料電池装置４５から出力される直流電圧を入力し所定の交流電圧に変換して、交流の系統電源１６ａおよび外部電力負荷１６ｃ（例えば電化製品）に接続されている電源ライン１６ｂに出力する。また、インバータ装置１３は、系統電源１６ａからの交流電圧を電源ライン１６ｂを介して入力し所定の直流電圧に変換して補機（各ポンプ、ブロワなど）や制御装置１５に出力する。なお、制御装置１５は、補機を駆動して燃料電池システムの運転を制御する。

燃料電池モジュール３０は、固体酸化物形の燃料電池モジュールである。図２−図４に示すように、燃料電池モジュール３０は、燃料電池装置４５を発電させる発電部４０、発電部４０を収容するモジュールケース部５０、第一流路６０および第二流路７０を備えている。なお、本明細書においては説明の便宜上、図２における上側および下側をそれぞれ燃料電池モジュール３０の上方および下方とし、同じく左側および右側をそれぞれ燃料電池モジュール３０の左側方および右側方とし、同じく紙面手前側および紙面奥側を、それぞれ燃料電池モジュール３０の前方および後方として説明する。また、図３および図４には、各方向を示す矢印を示している。

発電部４０は、蒸発部４１、第一改質部４２、脱硫器４３、第二改質部４４、燃料電池装置４５、燃焼部４６である燃焼空間Ｒおよび断熱部材４７を備えている。蒸発部４１、第一改質部４２および第二改質部４４は、燃料電池装置４５の上方に位置するように配設されている。また、燃焼空間Ｒ（燃焼部４６）は、蒸発部４１、第一改質部４２および第二改質部４４と、燃料電池装置４５との間に配設されている。

蒸発部４１には、改質用原料供給管１１ａの他端および水供給管１１ｂの他端が接続されている。蒸発部４１は、後述する燃焼ガスにより加熱されて、水供給管１１ｂを介して供給された改質水を蒸発させて水蒸気（改質用水蒸気）を生成して導出するものである。また、蒸発部４１は、改質用原料供給管１１ａを介して供給された改質用原料を予熱するものである。そして、蒸発部４１は、改質水を蒸発させて生成された水蒸気（改質用水蒸気）と予熱された改質用原料を混合して第一改質部４２へ導出するものである。改質用原料としては天然ガス、ＬＰＧなどの改質用気体燃料、灯油、ガソリン、メタノールなどの改質用液体燃料があり、本実施形態においては天然ガスにて説明する。
蒸発部４１の内部温度は、発電運転中においてはほぼ１００℃である。

第一改質部４２は、改質用原料と水蒸気（改質用水蒸気）とから水素を生成するものである。具体的には、第一改質部４２は、後述する燃焼ガスにより加熱されて水蒸気改質反応に必要な熱が供給されることで、蒸発部４１から供給された混合ガス（改質用原料、改質用水蒸気）から水素を生成して導出するものである。第一改質部４２内には、触媒（例えば、ＲｕまたはＮｉ系の触媒）が充填されており、混合ガスが触媒によって反応し改質されて水素ガスと一酸化炭素ガスが生成されている（いわゆる水蒸気改質反応）。これと同時に、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素と水蒸気が反応して、水素ガスと二酸化炭素とに変成するいわゆる一酸化炭素シフト反応が生じている。なお、水蒸気改質反応は吸熱反応であり、一酸化炭素シフト反応は発熱反応である。

第一改質部４２の内部温度は、例えば１００〜３００℃が好ましい。改質触媒は温度が高くなるに従って改質反応率が高くなり生成される水素量が多くなるため、第一改質部４２の内部温度は、所定の改質反応率となるように設定される。所定の改質反応率は、脱硫器４３で必要な水素量に相当する値に設定されるのが好ましい。

第一改質部４２では、改質用原料の比較的少量である一部が改質される。よって、第一改質部４２から導出されるガスは、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気、未改質の改質用原料である天然ガス（メタンガス）、改質に使用されなかった改質水（水蒸気）を含んでいる。

第一改質部４２は、所定時間が経過した時点以降に所定の改質反応率を確保する経時特性となるように構成されるのが好ましい。第一改質部４２は脱硫器を流通していない改質用原料が供給されるため、改質触媒が硫黄による被毒を受ける。脱硫するために必要とされる水素濃度は１％程度のため、多少の改質触媒劣化による反応率の低下は問題ないが、経時的に反応率が低下する。目標耐久年後に必要水素濃度が得られるように運転温度、容量、改質触媒を設定することで耐久性を確保することが可能となる。硫黄被毒による劣化モードに対して、反応率の低下が所定の反応率で飽和するような改質触媒が好ましい。

脱硫器４３は、改質用原料中の硫黄分（例えば、硫黄化合物）を除去して第二改質部４４に供給するものである。脱硫器４３内には、触媒および超高次脱硫剤が収容されている。触媒においては、硫黄化合物と水素とが反応して硫化水素が発生する。例えば、触媒は、ニッケル−モリブデン系、コバルト−モリブデン系である。超高次脱硫剤としては、例えば銅−亜鉛系脱硫剤、銅−亜鉛−アルミニウム系脱硫剤などを用いることができる。超高次脱硫剤は、触媒にて硫黄化合物から変換された硫化水素を取り込んで除去する。このような超高次脱硫剤は、２００〜３００℃（例えば２５０〜３００℃）の高温状態で優れた脱硫作用を発揮する。したがって、脱硫器４３は、内部が２００〜３００℃（例えば２５０〜３００℃）の高温状態となる箇所（例えば、後述する第二収容室Ｒ２）に配置されている。

脱硫器４３には、第一改質部４２から導出されるガスに含まれている水素、第一改質部４２から導出されるガスに含まれている未改質の改質用原料が少なくとも供給される。その結果、脱硫器４３においては、改質用原料中の硫黄化合物が水素と反応して硫化水素が発生し、その硫化水素が超高次脱硫剤によって除去される。

第二改質部４４は、脱硫器４３を通過して供給される改質用原料と水蒸気（改質用水蒸気）とから改質ガス（特許請求の範囲のアノードガスに相当；以下、アノードガスとする。）を生成するものである。具体的には、第二改質部４４は、後述する燃焼ガスにより加熱されて水蒸気改質反応に必要な熱が供給されることで、蒸発部４１から供給された混合ガス（改質用原料、改質用水蒸気）からアノードガスを生成して導出するものである。第二改質部４４内には、触媒（例えば、ＲｕまたはＮｉ系、Ｐｔ系、Ｒｈ系の触媒）が充填されており、混合ガスが触媒によって反応し改質されて水素ガスと一酸化炭素ガスが生成されている（いわゆる水蒸気改質反応）。これと同時に、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素と水蒸気が反応して、水素ガスと二酸化炭素とに変成するいわゆる一酸化炭素シフト反応が生じている。これら生成されたガス（アノードガス）は燃料電池装置４５に導出されるようになっている。アノードガスは、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気、未改質の天然ガス（メタンガス）、改質に使用されなかった改質水（水蒸気）を含んでいる。なお、水蒸気改質反応は吸熱反応であり、一酸化炭素シフト反応は発熱反応である。
第二改質部４４の内部温度は、例えば３００〜６００℃が好ましい。

燃料電池モジュール３０は、少なくとも燃料電池４５ａの発電中において、蒸発部４１、第一改質部４２および脱硫器４３、第二改質部４４の内部温度がこの順番に高くなるとともに、第一改質部４２および脱硫器４３の内部温度が同等となるように、構成されるのが好ましい。

燃料電池装置４５は、燃料電池４５ａおよびマニホールド４５ｂを備えている。燃料電池４５ａは、アノードガスとカソードガスとにより発電するものである。カソードガスは、酸化剤ガスである。酸化剤ガスは、本実施形態において、空気である。燃料電池４５ａは、燃料極、空気極（酸化剤極）、及び両極の間に介装された電解質からなる複数のセルが図３における前後方向に沿って積層されて構成されている。本実施形態の燃料電池は、固体酸化物形燃料電池であり、電解質として固体酸化物の一種である酸化ジルコニウムを使用している。燃料電池４５ａの燃料極には、燃料として水素、一酸化炭素、メタンガスなどが供給される。動作温度は４００〜１０００℃程度である。

セルの燃料極側には、燃料であるアノードガスが流通する燃料流路（図示なし）が形成されている。セルの空気極側には、カソードガスである空気（カソードエア）が流通する空気流路（図示なし）が形成されている。

燃料電池４５ａは、マニホールド４５ｂ上に設けられている。マニホールド４５ｂには、第一改質部４２からのアノードガスが改質ガス供給管４４ａを介して供給される。燃料流路は、その下端（一端）がマニホールド４５ｂの燃料導出口に接続されており、その燃料導出口から導出されるアノードガスが下端から導入され上端から導出されるようになっている。一方、カソードエアは、空気流路の下端から導入され上端から導出されるようになっている。

燃料電池４５ａにおいては、燃料極に供給されたアノードガスと空気極に供給されたカソードガスによって発電が行われる。すなわち、燃料極では、下記化１及び化２に示す反応が生じ、空気極では、下記化３に示す反応が生じている。すなわち、空気極で生成した酸化物イオン（Ｏ^２−）が、電解質を透過し、燃料極で水素と反応することにより電気エネルギーを発生させている。したがって、燃料流路及び空気流路からは、発電に使用されなかったアノードガス及びカソードガスが導出する。
（化１）
Ｈ_２＋Ｏ^２−→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻
（化２）
ＣＯ＋Ｏ^２−→ＣＯ_２＋２ｅ⁻
（化３）
１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２−

そして、燃料流路及び空気流路から導出した、発電に使用されなかったアノードガス（アノードオフガス）は、燃焼空間Ｒにて、発電に使用されなかったカソードガス（カソードオフガス）によって燃焼され、その燃焼ガス（火炎４６ａ）によって蒸発部４１及び第一改質部４２が加熱される。さらに、燃焼ガスは、発電部４０内を動作温度に加熱している。このように、燃焼空間Ｒが、燃料電池４５ａからのアノードオフガスと燃料電池４５ａからのカソードオフガスとを燃焼して、少なくとも蒸発部４１および第二改質部４４を加熱する燃焼部４６である。燃焼部４６は、アノードオフガスを燃焼して燃焼熱を生成する。

燃焼部４６（燃焼空間Ｒ）は、可燃性ガスと酸化剤ガスとを燃焼するものである。可燃性ガスは、燃えるガスであり、本実施形態では改質用燃料、アノードオフガス、一酸化炭素などである。すなわち、燃焼部４６は、燃料電池４５ａから導出されるアノードオフガスを燃焼させるものである。そして、燃焼部４６は、アノードオフガスを燃焼させ、燃焼排ガスを発生する。その燃焼排ガスは後述する第二筒部材５２の外部（大気）へ排気される。

上述した蒸発部４１、第一改質部４２、脱硫器４３、および第二改質部４４は、Ｕ字状に一体的に形成されたケーシング８０に形成されている。ケーシング８０は金属製である。金属は、例えば炭素鋼または合金鋼である。ケーシング８０は、左右フレーム部８０ａ，８０ｂおよび左右フレーム部８０ａ，８０ｂの後端部を一体的に連結する連結フレーム部８０ｃを備えている。各フレーム８０ａ〜８０ｃは、内部が空洞である断面方形状に形成されている。ケーシング８０は、それぞれ区画された４つの部屋８１〜８４を備えている。４つの部屋８１〜８４は、この順番に直列に配設されており、気体が流通可能に区画されている。第一の部屋８１に蒸発部４１が形成され、第二の部屋８２に第一改質部４２が形成され、第三の部屋８３に脱硫器４３が形成され、そして第四の部屋８４に第二改質部４４が形成されている。蒸発部４１および第一改質部４２は左フレーム部８０ａに設けられ、脱硫器４３は連結フレーム部８０ｃに設けられ、第二改質部４４は右フレーム部８０ｂに設けられている。このように、蒸発部４１、第一改質部４２、脱硫器４３、および第二改質部４４は、この順番に直列に連結されている。さらに、蒸発部４１、第一改質部４２、脱硫器４３、および第二改質部４４は、伝熱可能な構造により連結されている。

断熱部材４７は、燃料電池４５ａと燃料電池４５ａ（ひいては発電部４０または燃料電池モジュール３０）の外部とを断熱するものである。断熱部材４７は、例えば高い断熱性を有するセラッミクス等の断熱材料によって形成されている。断熱部材４７は、上述した発電部４０（脱硫器４３を除く）を収容する収容部４７ａおよび後壁部４７ｂから構成されている。

収容部４７ａは、底壁部４７ａ１、および左右側壁部４７ａ２，４７ａ３から構成されており、上方に向けて開放する断面Ｕ字形状（図２参照）に形成されている。左右側壁部４７ａ２，４７ａ３は、底壁部４７ａ１の左右端部から立設されている。収容部４７ａの内側部には、蒸発部４１、第一改質部４２および燃料電池装置４５が配設されている。収容部４７ａの内側部は、第一収容室Ｒ１である。第一収容室Ｒ１は、燃料電池モジュール３０に設けられ断熱材料からなる収容部４７ａすなわち断熱部材４７によって区画されている。少なくとも蒸発部４１、第二改質部４４、燃料電池４７ａおよび燃焼部４６は、第一収容室Ｒ１に収容されている。収容部４７ａの内側部の底面には、燃料電池装置４５の底面が当接している。発電部４０の外壁面の一部は、断熱部材４７の外壁面４７ｃによって形成されている。

後壁部４７ｂは、収容部４７ａの後端全面を覆うように形成されており、収容部４７ａの後端に接続されている。後壁部４７ｂ内部には、凹部４７ｂ１が形成されており、凹部４７ｂ１の内側部は、第二収容室Ｒ２である。第二収容室Ｒ２は、第一収容室Ｒ１とは断熱材料からなる隔壁４７ｂ２によって断熱されている。隔壁４７ｂ２は、後壁部４７ｂの一部である。少なくとも脱硫器４３は、第二収容室Ｒ２に収容されている。

モジュールケース部５０は、第一筒部材５１、第二筒部材５２、第一蓋部材５３、第二蓋部材５４、および第一連通管部材５５を備えている。部材５１〜５５は金属製である。金属は、例えば炭素鋼または合金鋼である。部材５１〜５５は、例えば、プレス加工や溶接によって形成されている。

第一筒部材５１は、筒状に形成されて、発電部４０を囲むように配設されている。具体的には、第一筒部材５１は、断面略方形状に形成された周側壁５１ａと、両端にそれぞれ形成された開口部５１ｂと、を有している。周側壁５１ａ内面は、発電部４０の外壁面に空間Ｓ１をおいて対向している（図２参照）。また、第一筒部材５１は、長穴５１ｃおよび複数の突起部５１ｄをさらに有している。

長穴５１ｃは、周側壁５１ａの上側壁にて貫通し、かつ、前後方向に沿って長く形成されている。また、突起部５１ｄは、周側壁５１ａの左右および下側壁に内側に向けて所定の間隔にて突出して複数形成されている。突起部５１ｄの各突起端面が、断熱部材４７の外壁面４７ｃにそれぞれ当接する。これにより、外壁面４７ｃと周側壁５１ａ内面との間に空間Ｓ１が形成される。

また、モジュールケース部５０は、ガス導入部材５７をさらに有している。ガス導入部材５７は、筒状に形成されて、第一筒部材５１の上側壁から垂下するように配設されている。ガス導入部材５７は、筒部５７ａ、導入口５７ｂおよび導出口５７ｃを有している。筒部５７ａの上端部が長穴５１ｃに気密的に接続されている。導入口５７ｂは、第一筒部材５１の周側壁５１ａ外面と第二筒部材５２の周側壁５１ａ内面との間（空間Ｓ２）に連通する。また、導出口５７ｃは、筒部５７ａの下端部にて、燃料電池４５ａの下方に向けて開口するように形成されている。

第二筒部材５２は、図２に示すように、筒状に形成されて、第一筒部材５１を囲むように配設されている。第二筒部材５２は、具体的には、断面略方形状に形成された周側壁５２ａと、両端にそれぞれ形成された開口部５２ｂと、を有している。周側壁５２ａ内面は、第一筒部材５１の周側壁５１ａ外面に空間Ｓ２をおいて対向している（図２参照）。

第一蓋部材５３は、第一筒部材５１の一方（本実施形態では前方）の開口部５１ｂおよび第二筒部材５２の一方の開口部５２ｂを塞ぐように形成され、第一筒部材５１の一方の開口部５１ｂおよび第二筒部材５２の一方の開口部５２ｂに気密に接合（例えば、かしめ接合）されている。第二蓋部材５４は、第一筒部材５１の他方（本実施形態においては後方）の開口部５１ｂおよび第二筒部材５２の他方の開口部５２ｂを塞ぐように形成され、第一筒部材５１の他方の開口部５１ｂおよび第二筒部材５２の他方の開口部５２ｂに気密に接合（例えば、かしめ接合）されている。

第一連通管部材５５は、管状に形成されて、発電部４０の外壁面と第一筒部材５１の周側壁５１ａ内面との間（空間Ｓ１）と、第二筒部材５２の外部（大気）とを連通する。なお、第一筒部材５１の周側壁５１ａ外面と第二筒部材５２の周側壁５２ａ内面との間（空間Ｓ２）は、第二連通管部材（図示省略）によって第二筒部材５２の外部（大気）と連通する。

第一流路６０は、発電部４０の外壁面と第一筒部材５１の周側壁５１ａ内面との間（空間Ｓ１）に形成され、アノードガス、カソードガスおよび燃焼排ガスのうち一のガスが流通するものである。本実施形態においては、第一流路６０には、燃焼排ガスが流通する。すなわち、第一流路６０は、燃焼排ガス流路である。燃焼排ガスは、図２に実線の矢印にて示すように、燃焼部４６から第一流路６０および第一連通管部材５５を介して第二筒部材５２の外部（大気）に排気される。

第二流路７０は、第一筒部材５１の周側壁５１ａ外面と第二筒部材５２の周側壁５２ａ内面との間（空間Ｓ２）に形成され、アノードガス、カソードガスおよび燃焼排ガスのうち他のガスが流通するものである。本実施形態においては、第二流路７０には、カソードガスが流通する。すなわち、第二流路７０は、カソードガス流路である。カソードガスは、図２に破線の矢印にて示すように、第二連通管部材に連通する第二流路７０およびガス導入部材５７を介して、燃料電池４５ａの空気流路の下端に供給される。

上述した説明から明らかなように、本実施形態に係る燃料電池モジュール３０（燃料電池システム）は、アノードガスとカソードガスとにより発電する燃料電池４５ａと、改質水から水蒸気を生成する蒸発部４１と、改質用原料と蒸発部４１から供給される水蒸気とから水素を生成する第一改質部４２と、第一改質部４２から供給される水素を使用することにより改質用原料に含まれる硫黄成分を除去して導出する脱硫器４３と、脱硫器４３にて硫黄成分が除去された改質用原料からアノードガスを生成して燃料電池４５ａに供給する第二改質部４４と、燃料電池４５ａから導出されるアノードオフガスを燃焼して燃焼熱を生成する燃焼部４６と、を備えた燃料電池モジュール３０であって、蒸発部４１、第一改質部４２、脱硫器４３、および第二改質部４４は、この順番に直列に連結され、少なくとも蒸発部４１、第二改質部４４、燃料電池４５ａおよび燃焼部４６は、燃料電池モジュール３０に設けられ断熱材料からなる断熱部材によって区画されている第一収容室Ｒ１に収容され、少なくとも脱硫器４３は、第一収容室Ｒ１とは断熱材料からなる隔壁によって断熱されている第二収容室Ｒ２に収容されている。

これによれば、第一収容室Ｒ１において燃焼部４６で発生した燃焼熱が、蒸発部４１における水蒸気の生成、および第二改質部４４における改質反応に有効利用することができる。また、第二収容室Ｒ２においては、第一収容室Ｒ１内の熱が隔壁を介して伝熱可能である（放熱、輻射熱）ため、脱硫器４３の加熱に有効利用することができる。さらに、第一改質部４２が比較的高温である第一収容室Ｒ１に収容されている場合であっても、第一改質部４２は蒸発部４１と脱硫器４３との間に連結配設されているため、第一改質部４２の温度は蒸発部４１と脱硫器４３との間の温度となる。また、第一改質部４２が比較的低温である第二収容室Ｒ２に収容されている場合であっても、第一改質部４２は蒸発部４１と脱硫器４３との間に連結配設されているため、第一改質部４２の温度は脱硫器４３と同程度の温度となる。その結果、燃焼部４６で発生した燃焼熱は、第一改質部４２および第二改質部４４の両方においてすなわち燃料電池モジュール３０全体として効率よく利用することができる。したがって、燃料電池モジュール３０において、構造の複雑化を招くことなく、熱効率を高く維持するが可能となる。
また、燃料電池モジュール３０において、部材点数が比較的多くコスト高・大型化となる従来のものと比較して、低コスト化、小型化を図ることができる。

また、燃料電池モジュール３０において、蒸発部４１、第一改質部４２、脱硫器４３および第二改質部４４は、伝熱可能な構造により連結されている。
これによれば、蒸発部４１、第一改質部４２、脱硫器４３および第二改質部４４のそれぞれの間の熱は、伝熱可能な構造を介しても移動することが可能となり、蒸発部４１から第二改質部４４まで適切な熱勾配を成り行きで形成することができる。

また、燃料電池モジュール３０において、第一改質部４２は、第一収容室Ｒ１に収容されている。
これによれば、第一改質部４２が比較的高温である第一収容室Ｒ１に収容されている場合であっても、第一改質部４２の温度は確実に蒸発部４１と脱硫器４３との間の温度とすることが可能となる。

また、燃料電池モジュール３０において、第一改質部４２は、第二収容室Ｒ２に収容されている。
これによれば、第一改質部４２が比較的低温である第二収容室Ｒ２に収容されている場合であっても、第一改質部４２の温度は確実に脱硫器４３と同程度の温度とすることが可能となる。

また、燃料電池モジュール３０において、燃料電池モジュール３０は、少なくとも燃料電池４５ａの発電中において、蒸発部４１、第一改質部４２および脱硫器４３、第二改質部４４の内部温度がこの順番に高くなるとともに、第一改質部４２および脱硫器４３の内部温度が同等となるように、構成されている。
これによれば、蒸発部４１から第二改質部４４まで適切な熱勾配を成り行きで確実に形成することができる。よって、燃料電池モジュール３０において高い熱効率を得ることができる。

また、燃料電池モジュール３０において、第一改質部４２は、所定時間が経過した時点以降に所定の改質反応率を確保する経時特性となるように構成されている。
これによれば、所定時間を経過した時点以降においても、脱硫器４３に必要な水素量を供給することが可能となり、その結果、第二改質部４４ひいては燃料電池４５ａの寿命を延ばすことが可能となる。

また、本実施形態にかかる燃料電池システムにおいて、上記燃料電池モジュール３０を備えている。
これによれば、上記燃料電池モジュール３０と同様の作用・効果を有する。

なお、上述した実施形態においては、ケーシング８０は、第一改質部４２が第一収容室Ｒ１に収容されるように構成されていたが、ケーシング８０は、図５に示すように、第一改質部４２が第二収容室Ｒ２に収容されるように構成するようにしてもよい。具体的には、蒸発部４１は左フレーム部８０ａに設け、第一改質部４２および脱硫器４３は連結フレーム部８０ｃに設け、第二改質部４４は右フレーム部８０ｂに設けるようにすればよい。

また、上述した実施形態においては、ケーシング８０の連結フレーム部８０ｃは、直線状に形成しているが、上方に開放されたＵ字状に形成してもよい。この場合、ケーシング８０の連結フレーム部１８０ｃは、図６および図７に示すように、上方に開放されたＵ字状に形成されており、左右フレーム部１８０ｃ１，１８０ｃ２および左右フレーム部１８０ｃ１，１８０ｃ２の下端部を連結する連結フレーム部１８０ｃ３を備えている。この連結フレーム部１８０ｃに脱硫器４３が形成されている。なお、連結フレーム部１８０ｃに第一改質部４２および脱硫器４３を形成するようにしてもよい。

また、上述した実施形態においては、ケーシング８０を水平に置くようにしたが、垂直に置くようにしてもよい。この場合、右フレーム部８０ｂが下方になるように配置されるのが好ましい。

また、上述した実施形態においては、空間Ｓ１に第一流路６０を形成するとともに空間Ｓ２に第二流路７０を形成するようにしたが、空間Ｓ１を省略するとともに空間Ｓ２に第一および第二流路６０，７０を形成するようにしてもよい。

１１，３０…燃料電池モジュール、４０…発電部、４１…蒸発部、４２…第一改質部、４３…脱硫器、４４…第二改質部、４５…燃料電池装置、４５ａ…燃料電池、４６…燃焼部、４７…断熱部材、４７ａ…収容部、４７ｂ…後壁部、４７ｂ１…隔壁、５０…モジュールケース部、５１…第一筒部材、５２…第二筒部材、５３…第一蓋部材、５４…第二蓋部材、６０…第一流路、７０…第二流路、Ｒ１…第一収容室、Ｒ２…第二収容室、Ｓ１，Ｓ２…空間。

Claims (7)

1. アノードガスとカソードガスとにより発電する燃料電池と、
   改質水から水蒸気を生成する蒸発部と、
   改質用原料と前記蒸発部から供給される前記水蒸気とから水素を生成する第一改質部と、
   前記第一改質部から供給される前記水素を使用することにより前記改質用原料に含まれる硫黄成分を触媒により除去して導出する脱硫器と、
   前記脱硫器にて前記硫黄成分が除去された前記改質用原料から前記アノードガスを生成して前記燃料電池に供給する第二改質部と、
   前記燃料電池から導出されるアノードオフガスを燃焼して燃焼熱を生成する燃焼部と、を備えた燃料電池モジュールであって、
   前記蒸発部、前記第一改質部、前記脱硫器、および前記第二改質部は、この順番に直列に連結され、
   少なくとも前記蒸発部、前記第二改質部、前記燃料電池および前記燃焼部は、前記燃料電池モジュールに設けられ断熱材料からなる断熱部材によって区画されている第一収容室に収容され、
   少なくとも前記脱硫器は、前記第一収容室とは断熱材料からなる隔壁によって断熱されている第二収容室に収容されている燃料電池モジュール。
2. 前記蒸発部、前記第一改質部、前記脱硫器および前記第二改質部は、伝熱可能な構造により連結されている請求項１記載の燃料電池モジュール。
3. 前記第一改質部は、前記第一収容室に収容されている請求項１または請求項２記載の燃料電池モジュール。
4. 前記第一改質部は、前記第二収容室に収容されている請求項１または請求項２記載の燃料電池モジュール。
5. 前記燃料電池モジュールは、少なくとも前記燃料電池の発電中において、前記蒸発部、前記第一改質部および前記脱硫器、前記第二改質部の内部温度がこの順番に高くなるとともに、前記第一改質部および前記脱硫器の内部温度が同等となるように、構成されている請求項１乃至請求項４の何れか一項記載の燃料電池モジュール。
6. 前記第一改質部は、所定時間が経過した時点以降に所定の改質反応率を確保する経時特性となるように構成されている請求項１乃至請求項５の何れか一項記載の燃料電池モジュール。
7. 請求項１乃至請求項６の何れか一項記載の燃料電池モジュールを備えている燃料電池システム。
   

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