JP6339355B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池に関する。

燃料電池として、固体電解質（固体酸化物）を用いた固体酸化物形燃料電池（以下、「ＳＯＦＣ」とも記す）が知られている。このＳＯＦＣでは発電単位として、例えば、固体電解質層の一方側、他方側それぞれに燃料極および空気極を設けた燃料電池セルを用い、酸化剤ガス（通常空気）と燃料ガス（都市ガス等）を供給して、発電を行う。

所望の電力を得るために、この燃料電池セルを複数直列に配置し、燃料電池スタックとする。ＳＯＦＣは高温（例えば、約６００℃〜９００℃程度）で運転する必要があり、一般に、燃料電池スタックは、断熱容器内に収納される（例えば、特許文献１〜４参照）。

ここで、起動時において、固体酸化物燃料電池スタックを起動用ガスバーナーにより加熱することがある。起動用ガスバーナーから発生する燃焼ガスは、断熱容器に形成されたガス流路から断熱容器外に排出する。従来、断熱容器の上部および下部に形成された直線流路を用いて、燃焼ガスを断熱容器外に排出していた。即ち、燃焼ガスを断熱容器内部で上から下へ流し、断熱材下部を貫通して、燃焼ガスを外部へ排気する。もしくは、断熱材上部を貫通して、燃焼ガスを外部へ排気する。

特開２００２−２８００４１号公報 ＷＯ２００９／０１６８５７号公報 特開２０１０−２５７７３２号公報 特開２００９−２４５６８６号公報

しかし、これらの方法では、起動後の起動用ガスバーナーを切った状態において、断熱容器内部から持ち出される熱量が大きくなり易い。即ち、断熱容器内部の高温の雰囲気ガスが、断熱容器の上部および下部に形成された直線流路より放出される可能性がある。この結果、断熱容器内部、ひいては固体酸化物燃料電池スタックの温度が低下し、燃料電池の性能が低下する畏れがある。
本発明は、起動用ガスバーナーからの燃焼ガスを断熱容器外に排出するための流路に起因する発電時の断熱容器内の温度低下を低減することを目的とする。

（１）本発明の一態様に係る燃料電池は、
発電反応により電力を発生する燃料電池スタックと、
起動時に前記燃料電池スタックを加熱するガスバーナーと、
断熱材が配置される断熱部と、前記断熱材で囲まれ、前記燃料電池スタックおよび前記ガスバーナーが配置される内部空間と、前記断熱部および前記内部空間を外部から密閉する密閉容器と、を有する断熱容器と、
前記ガスバーナーからの燃焼ガスを前記内部空間から前記断熱部を経由して前記断熱容器の外部に排出する燃焼ガス排出流路と、
前記燃焼ガス排出流路に接続され、前記断熱容器の外壁に設置されて前記断熱容器の外部に開口する燃焼ガス排出開口部と、
前記燃料電池スタックからの排ガスを、排ガス燃焼部を介して、前記断熱容器の外部に、排出するための燃料電池スタック用排気構造と、
を有する燃料電池であって、
前記燃焼ガス排出開口部は、前記断熱容器の鉛直方向における下側部に設置されてなり、
前記燃焼ガス排出流路は、
前記断熱部内に形成され、かつ、前記内部空間の鉛直方向における上側部に接続され、第１の方向に向かい配置される第１燃焼ガス流路と、
前記断熱部内に形成され、かつ、前記第１燃焼ガス流路に接続され、鉛直方向における上方から下方に向かう第２の方向に配置される、第２燃焼ガス流路と、を有する
ことを特徴とする。

起動時において、燃料電池スタックはガスバーナーによって加熱される。このとき、ガスバーナーからの燃焼ガスは、「断熱部内に形成され、かつ、前記内部空間の鉛直方向における上側部に接続され、第１の方向に向かい配置される第１燃焼ガス流路」、「前記断熱部内に形成され、かつ、前記第１燃焼ガス流路に接続され、鉛直方向における上方から下方に向かう第２の方向に配置される、第２燃焼ガス流路」を含む燃焼ガス排出流路を経由して、内部空間から外部に排出される。

起動後（燃料電池の発電時）において、ガスバーナーは停止され、内部空間内に燃焼ガスが排出されなくなる。このとき、内部空間内の雰囲気は燃料電池スタックにより加熱され、密度の低い雰囲気ガス（高温、例えば、約６５０℃程度）が内部空間の上部へ移動し、密度の高い雰囲気ガス（低温、例えば、約５００℃程度）が内部空間の下部へ移動する。

このとき、次のようにして、内部空間から熱が放出され、その内部の温度が低下することが抑制される。
１）内部空間の上部に集まった高温の雰囲気ガスは、外部に排出され難い。高温の雰囲気ガスは、燃焼ガス排出流路を通って、外部に出る可能性は小さい。即ち、第１、第２燃焼ガス流路で方向が変わるので、雰囲気ガスが燃焼ガス排出流路に沿って流れ難い。また、高温の雰囲気ガスはより上方に向かう傾向があるため、鉛直方向における上方から下方に向かう方向に配置される、第２燃焼ガス流路を下方に移動し難い。
２）高温の雰囲気ガスの周囲は断熱材で囲まれているので、雰囲気ガスからの熱放散は小さい。

（２）前記第１燃焼ガス流路および前記第２燃焼ガス流路は、複数の板状の断熱部材を積層して構成されても良い。
複数の板状の断熱部材を用いて、第１燃焼ガス流路および前記第２燃焼ガス流路を容易に形成できる。

（３）前記断熱部が、
前記第１燃焼ガス流路に対応する貫通孔と前記第２燃焼ガス流路の内壁面に対応する側面とを有する第１断熱部材と、
前記第２燃焼ガス流路に対応する貫通孔を有する第２断熱部材と、
前記第２燃焼ガス流路の内壁面に対応する側面を有する第３断熱部材と、を有しても良い。
第１〜第３断熱部材に貫通孔を形成し、積層することで、第１燃焼ガス流路および前記第２燃焼ガス流路を容易に形成できる。

（４）前記燃焼ガス排出流路は、
前記第２燃焼ガス流路と接続し、前記第２の方向と異なる方向である第３の方向に向かい配置される、第３燃焼ガス流路をさらに有しても良い。
燃焼ガス排出流路が、第１、第２、第３の方向と、方向を変えることから、内部空間内の雰囲気ガスがより燃焼ガス排出流路を通過し難くなる。第１、第２、第３の方向は、例えば、順に略水平方向、略垂直方向、および略水平方向を採用できる。

（５）前記第１燃焼ガス流路と前記内部空間との接続部が、前記内部空間の鉛直方向での最上部よりも、鉛直方向の下側に引き下がるように、前記第１燃焼ガス流路と前記内部空間とが、接続されても良い。
第１燃焼ガス流路と内部空間との接続部が、内部空間の鉛直方向での最上部よりも、鉛直方向の下側に引き下がっていることから、内部空間の最上部に溜まった高温の雰囲気ガスが第１燃焼ガス流路に入り難くなる。

（６）前記内部空間において、
前記燃料電池スタックよりも鉛直方向で下側に、前記ガスバーナーが、配置されても良い。
ガスバーナーが、燃料電池スタックよりも鉛直方向で下側に配置されることで、ガスバーナーによる燃料電池スタックの加熱が容易になる。

（７）前記内部空間において、
少なくとも排ガス燃焼部（即ち、接触燃焼部または触媒燃焼部）が、前記燃料電池スタックよりも鉛直方向で下側に配置され、かつ前記排ガス燃焼部よりも鉛直方向で下側に、前記ガスバーナーが、配置されても良い。
起動時にガスバーナーが排ガス燃焼部を効率的に加熱できる。

（８）少なくとも前記前記燃料電池スタックおよび前記ガスバーナーを覆う内部容器をさらに具備しても良い。
内部空間の密閉性をより向上できる。

（９）前記ガスバーナーから、炎が放出されても良い。
例えば、ガスコンロのように炎を用いて、燃料電池スタックを加熱できる。

本発明によれば、起動用ガスバーナーからの燃焼ガスを断熱容器外に排出するための流路に起因する発電時の断熱容器内の温度低下を低減できる。

一実施形態に係る燃料電池モジュール１００を表す斜視図である。 燃料電池モジュール１００を表す側部断面図である。 断熱部材Ｐ１の（ａ）正面および（ｂ）断面を表す図である。 断熱部材Ｐ２の（ａ）正面および（ｂ）断面を表す図である。 断熱部材Ｐ３の（ａ）正面および（ｂ）断面を表す図である。 断熱部材Ｐ１〜Ｐ３を組み合わせた状態を表す断面図である。 変形例１に係る燃料電池モジュール１００ａを表す側部断面図である。 変形例２に係る燃料電池モジュール１００ｂを表す側部断面図である。 変形例３に係る燃料電池モジュール１００ｃを表す斜視図である。 変形例４に係る燃料電池モジュール１００ｄを表す側部断面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１、図２はそれぞれ、本発明の一実施形態に係る燃料電池モジュール１００を表す斜視図、および側部断面図である。なお、斜視図では、判り易さのための構成の一部の記載を省略している。

燃料電池モジュール１００は、燃料電池スタック１１０、断熱容器１２０、補助器１３０、ガスバーナー１７０、燃焼ガス排出流路１８０、燃焼ガス排出開口部１８５を有する。

燃料電池スタック１１０は、燃料ガス（例えば、都市ガス）と酸化剤ガス（例えば、空気）との供給を受けて発電を行う。
断熱容器１２０は、燃料電池スタック１１０を収納する容器である。燃料電池スタック１１０は、例えば、７００℃程度の高温にて稼働されるため、発電効率および安全性の観点から、断熱容器１２０に収納される。

補助器１３０は、改質器１５０、排ガス燃焼部１４０を有する。燃料電池スタック１１０の下方に補助器１３０が配置され、更に、補助器１３０の下方にガスバーナー１７０が配置されている。排ガス燃焼部１４０は、燃料電池スタック１１０から排出されるガス（後述する残余のガス）を燃焼させる。改質器１５０は、燃料ガスの改質を行う。

ガスバーナー１７０は、燃料電池モジュール１００の起動時に、燃料電池スタック１１０および補助器１３０を加熱する加熱器である。
燃焼ガス排出流路１８０、燃焼ガス排出開口部１８５は、ガスバーナー１７０からの燃焼ガスＧ５を断熱容器１２０の外部に排出する排出経路である。

以下、各構成について詳細に説明する。
（燃料電池スタック１１０の詳細）
燃料電池スタック１１０は、発電単位である板状の燃料電池セル４０が板厚方向（図１、図２の上下方向：積層方向）に複数個積層されたものである。
この燃料電池スタック１１０の外周縁部には、燃料電池スタック１１０を積層方向に貫く複数（この実施形態では８つ）の貫通孔１９が設けられており、この貫通孔１９には、各燃料電池セル４０を一体に固定するボルト２１が配置され、ボルト２１にはナット２３が螺合している。

貫通孔１９のうち、いくつかの所定の貫通孔１９（図１では各辺の中央の４箇所）は、ボルト２１との間に筒状の空間（貫通流路）２５（２５ａ〜２５ｄ）を有するように大径に形成されている。この貫通流路２５は、後述するガス（燃料ガスや酸化剤ガス）の流路として利用される。

なお、この貫通流路２５は、燃料電池スタック１１０の積層方向に延びるマニホールドであり、後述する様に、この内部マニホールド（詳しくは貫通流路２５ｃ、２５ｄ）を利用して、排ガス燃焼部１４０に残余の燃料ガスや残余の酸化剤ガスが供給される。

また、燃料電池スタック１１０の積層方向の一方の側（図１、図２の下方）に、ボルト２１で囲まれる中央部分に、補助器１３０が近接して配置されている。

（補助器１３０の詳細）
補助器１３０は、上側燃焼部１４１と下側燃焼部１４２との間に改質器１５０が積層して配置されたものであり、上側燃焼部１４１と下側燃焼部１４２とは連通孔１４３により連通している。

このうち、改質器１５０は、燃料電池スタック１１０に供給される原燃料ガス（都市ガス）を水素リッチの燃料ガス（改質ガス）に改質する板状の装置である。この改質器１５０の上流側（図２左側）は、外部から原燃料ガス（都市ガス）Ｇ１が供給される原燃料ガス導入流路１５１と、外部から改質水Ｌが供給される改質水導入流路１５２とに接続されている。一方、改質器１５０の下流側は、連結部材１５３の連結流路１５４を介して、ボルト２１が貫通される（燃料ガスの供給用の）貫通流路２５ｂに接続されている。

また、排ガス燃焼部１４０は、発電後に各燃料電池セル４０より排出される残余のガス、即ち発電に使用されなかった残余の燃料ガスＧ１２と酸化剤ガスとを反応させて燃焼させる板状の装置であり、この排ガス燃焼部１４０内で燃焼によって生じた排ガスＧ３は、排出流路１４８から外部に排出される。
なお、排ガス燃焼部１４０内には、上述した燃焼を促進させる（例えば、Ｐｔ、Ｐｄからなる）燃焼触媒が配置され、接触燃焼部、あるいは触媒（燃焼）部として機能する。

上側燃焼部１４１の上流側は、貫通流路２５ｃ、２５ｄに接続される。上側燃焼部１４１は、連結部材１４４の連結流路１４５を介して、（残余の燃料ガスの排出用の）貫通流路２５ｄに接続される。また、上側燃焼部１４１は、（残余の酸化剤ガスの排出用の）貫通流路２５ｃに接続される。

下側燃焼部１４２に、排ガス排出用の排出流路１４８が設けられる。即ち、燃料電池スタック１１０からの排ガス（燃料電池スタック１１０の内部において発電反応で利用された反応ガスの残りの排気ガス）は、排ガス燃焼部１４０および排出流路１４８を介して、断熱容器１２０の外部に、内部空間１２３を経由することなく、排出される。排ガス燃焼部１４０および排出流路１４８は、燃料電池スタック１１０からの排ガスを排気する燃料電池スタック用排気構造を構成する。

酸化剤ガス導入流路１６２は、外部から酸化剤ガスＧ２を導入する。酸化剤ガス導入流路１６２は、連結部材１６２内の連結流路（図示せず）を介して、（酸化剤ガスＧ２の供給用の）貫通流路２５ａに接続されている。このとき、酸化剤ガスＧ２は、改質器１５０の外部を通る。

ガスバーナー１７０には、原燃料ガス（都市ガス）と酸化剤ガスとの混合気Ｇ４を供給する混合気供給流路１７１が接続されている。ガスバーナー１７０の上部で混合気Ｇ４が燃焼し、炎が発生する。この炎により、燃料電池スタック１１０および補助器１３０が加熱される。
ガスバーナー１７０は、燃料電池スタック１１０より下方に配置されており、燃料電池スタック１１０を効率的に加熱できる。

燃焼後の燃焼ガスＧ５は、内部空間１２３に放出され、燃焼ガス排出流路１８０を経由して、燃焼ガス排出開口部１８５から断熱容器１２０の外部に排出される。

燃焼ガス排出流路１８０は、ガスバーナー１７０からの燃焼ガスＧ５を内部空間１２３から断熱部１２２を経由して断熱容器１２０の外部に排出する。燃焼ガス排出流路１８０は、略クランク状であり、燃焼ガス流路１８１〜１８３に区分される。

燃焼ガス流路１８１は、内部空間１２３の鉛直方向における上側部（内部空間１２３の上半分）に接続され、第１の方向（ここでは、略水平方向）に向かい配置される。即ち、燃焼ガス流路１８１内の燃焼ガスＧ５は略水平方向に流れる。

燃焼ガス流路１８１と内部空間１２３との接続部は、内部空間１２３の鉛直方向での最上部１２３Ｈよりも、鉛直方向の下側に引き下がるように、燃焼ガス流路１８１と内部空間１２３とが、接続されている。即ち、燃焼ガス流路１８１は、最上部１２３Ｈよりも、高さＨだけ低い箇所で内部空間１２３に接続されている。この結果、最上部１２３Ｈに溜まった高温の雰囲気ガスが燃焼ガス流路１８１に入り難くなり、高温の雰囲気ガスが燃焼ガス排出流路１８０を経由して外部に排出されることを防止できる。

燃焼ガス流路１８２は、燃焼ガス流路１８１に接続され、鉛直方向における上方から下方に向かう第２の方向に配置される。即ち、燃焼ガス流路１８１内の燃焼ガスＧ５は略垂直方向下方に流れる。

燃焼ガス流路１８３は、燃焼ガス流路１８２と接続し、第２の方向と異なる方向である第３の方向（ここでは、略水平方向）に向かい配置される。即ち、燃焼ガス流路１８３内の燃焼ガスＧ５は略水平方向に流れる。

燃焼ガス排出開口部１８５は、燃焼ガス排出流路１８０に接続され、断熱容器１２０（密閉容器１２１）の外壁に設置されて断熱容器１２０の外部に開口する。燃焼ガス排出開口部１８５は、断熱容器１２０の鉛直方向における下側部（断熱容器１２０の下半分）に設置される。

起動時において、燃料電池スタック１１０はガスバーナー１７０によって加熱される。このとき、ガスバーナー１７０からの燃焼ガスＧ５は、燃焼ガス排出流路１８０を経由して、内部空間１２３から外部に排出される。

起動後（燃料電池の発電時）において、ガスバーナー１７０は停止され、内部空間１２３内にガスバーナー１７０からの燃焼ガスＧ５が排出されなくなる。このとき、内部空間１２３内の雰囲気は、次のように、燃料電池スタック１１０により加熱され、対流することで、内部空間１２３の上部（特に、最上部１２３Ｈ）には、常に比較的高温の雰囲気ガスが滞留する。

燃料電池スタック１１０に近い雰囲気ガスは、加熱され、比較的高温となる。この比較的高温の雰囲気ガス（比較的密度が低い）は内部空間１２３の上部（特に、最上部１２３Ｈ）へと移動する。一方、燃料電池スタック１１０から遠い雰囲気ガスは、さほど加熱されず、比較的低温となる。比較的高温の雰囲気ガスは、内部空間１２３の上部に移動したことで、燃料電池スタック１１０から離れ、冷却され易くなり、その後、内部空間１２３の上部から下降する。このように、燃料電池スタック１１０の雰囲気ガスは、加熱されて上昇し、その後、冷却されて下降することを繰り返す（熱対流）。この結果、起動後（燃料電池の発電時）において、内部空間１２３の上部（特に、最上部１２３Ｈ）には、入れ替わり立ち替わり、常に比較的高温の雰囲気ガスが滞留することになる。

ここで、仮に、この比較的高温の雰囲気ガスが、燃焼ガス排出流路１８０を経由して、内部空間１２３から排出されるならば、内部空間１２３の温度が低下することになる。

しかし、燃焼ガス排出流路１８０の配置の関係で、次のように、比較的高温の雰囲気ガスが、燃焼ガス排出流路１８０を経由して排出されることが抑制される。即ち、高温の雰囲気ガスが、燃焼ガス排出流路１８０を通って、外部に出る可能性は小さい。

まず、燃焼ガス流路１８１〜１８３で方向が変わるので、雰囲気ガスが燃焼ガス排出流路１８０に沿って流れ難い。また、高温の雰囲気ガスはより上方に向かう傾向があるため、鉛直方向における上方から下方に向かう方向に配置される、燃焼ガス流路１８２を下方に移動し難い。このように、燃焼ガス排出流路１８０がクランク状であり、かつ下方に向かう比較的長い流路を有していることで、高温の雰囲気ガスが燃焼ガス排出流路１８０を通り難くなっている。

この結果、起動後に燃焼ガス排出流路１８０を物理的に閉鎖しなくても、内部空間１２３の温度の低下は抑制される。即ち、起動前後での燃焼ガス排出流路１８０の開閉が不要なので、燃料電池モジュール１００の構造の簡素化、低コスト化、と効率的な動作の両立が容易となる。

なお、高温の雰囲気ガス（内部空間１２３）の周囲は断熱材で囲まれているので、雰囲気ガスからの熱放散は小さい。

（断熱容器１２０の詳細）
この断熱容器１２０は、密閉容器１２１、断熱部１２２、内部空間１２３を有する。

密閉容器１２１は、例えば、ステンレス等の金属からなる箱体（筐体）である。密閉容器１２１は、その内部（内部空間１２３）にガスを閉じこめることができるガスタイトな構造（密閉構造）である。

断熱部１２２は、密閉容器１２１の内部の断熱材が配置される部位であり、断熱部１２２は、内部空間１２３を熱タイト（断熱構造）とする。

内部空間１２３は、密閉容器１２１内の断熱材（断熱部１２２）で囲まれる略直方体形状の空間である。内部空間１２３内に、各装置（補助器１３０、燃料電池スタック１１０）が配置される。

断熱部１２２は、板状の断熱部材Ｐ１〜Ｐ６を組み合わせて構成できる。これら断熱部材Ｐ１〜Ｐ６は、断熱材として、例えば、二酸化ケイ素、炭化ケイ素、ケイ酸ジルコニウムの混合物を成形して用いることができる。断熱部材Ｐ１〜Ｐ４、Ｐ５、Ｐ６は、それぞれ内部空間１２３を囲む４つの側板、底板、上板に対応する。

この内、断熱部材Ｐ１は、３つの断熱部材Ｐ１１〜Ｐ１３を積層して形成される。図３〜図５はそれぞれ断熱部材Ｐ１１〜Ｐ１３の（ａ）正面および（ｂ）断面を表す。図６は、３つの断熱部材Ｐ１１〜Ｐ１３を積層した状態を表す。

断熱部材Ｐ１１〜Ｐ１３はそれぞれ、燃焼ガス流路１８１〜１８３に対応する貫通孔Ｈ１１〜Ｈ３１を有する。
燃焼ガス流路１８２は、貫通孔Ｈ１２の両側に断熱部材Ｐ１１、Ｐ１３の側面が配置されることで構成される。即ち、断熱部材Ｐ１１、Ｐ１３の側面は燃焼ガス流路１８２の内壁面に対応する。

断熱部材Ｐ１１〜Ｐ１３はそれぞれ、混合気供給流路１７１に対応する貫通孔Ｈ１２〜Ｈ３２をも有する。
断熱部材Ｐ１１〜Ｐ１３に貫通孔Ｈ１１〜Ｈ３１、Ｈ１２〜Ｈ３２を形成し、積層することで、燃焼ガス流路１８１〜１８３を容易に形成できる。

以上のように、上記実施形態では、断熱部１２２の内部に、鉛直方向に長いクランク形状（または略Ｌ字形状、略コ字型形状）の燃焼ガス排出流路１８０を配置している。

（燃料電池モジュール１００の動作）
燃料電池モジュール１００の動作について説明する。
（１）起動時
燃料電池モジュール１００の起動時には、混合気Ｇ４が混合気供給流路１７１を介してガスバーナー１７０に供給され、混合気Ｇ４が燃焼することによって、燃料電池スタック１１０等が加熱される。
ガスバーナー１７０の燃焼ガスＧ５は、内部空間１２３に排出され、燃焼ガス排出流路１８０を経由し、燃焼ガス排出開口部１８５から外部に放出される。

（２）発電時
燃料電池モジュール１００によって発電を行う場合には、ガスバーナー１７０での加熱は停止される。
また、酸化剤ガスＧ２は、酸化剤ガス導入流路１６１から導入され、燃料電池スタック１１０の所定の貫通流路２５ａを経由して、各燃料電池セル４０に供給される。

また、酸化剤ガスの供給と同時に、原燃料ガス（都市ガス）Ｇ１は、原燃料ガス導入流路１５１を介して改質器１５０に導入されるとともに、改質水Ｌは、改質水導入流路１５２を介して改質器１５０内に導入され、改質器１５０内にて原燃料ガスの改質が行われる。

改質された原燃料ガス（燃料ガス）は、連結流路１５４を介して燃料電池スタック１１０の所定の貫通流路２５ｂに導入され、貫通流路２５ｂから各燃料電池セル４０に供給される。

そして、各燃料電池セル４０内にて、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電が行われ、発電後の排ガス（残余の燃料ガスと酸化剤ガス）は、それぞれ所定の貫通流路２５ｃ、２５ｄに導入される。即ち、残余の燃料ガスは貫通流路２５ｄに、残余の酸化剤ガスは貫通流路２５ｃに導入される。

次に、残余の燃料ガスは、貫通流路２５ｄから上側燃焼部１４１に導入されるとともに、残余の酸化剤ガスは、貫通流路２５ｃから上側燃焼部１４１に導入され、この上側燃焼部１４１内で残余の燃料ガスＧ１２と残余の酸化剤ガスとが燃焼する。なお、上側燃焼部１４１は、連通孔１４３を介して下側燃焼部１４２と連通しているので、下側燃焼部１４２においても、同様に残余の燃料ガスと残余の酸化剤ガスとが燃焼する。

そして、残余の燃料ガスと残余の酸化剤ガスとが燃焼して生じた排ガスＧ３は、排出流路１４８から、内部空間１２３を経ること無く、外部に排出される。

このとき、内部空間１２３内の雰囲気ガスは、燃料電池スタック１１０および補助器１３０によって加熱され、対流することで、比較的高温の雰囲気ガス（比較的低密度）が内部空間１２３の上部に滞留するようになる。

この比較的高温の雰囲気ガスは、燃焼ガス排出流路１８０が、鉛直方向に長い略クランク形状（後述の略Ｌ字形状、略コ字型形状も可）であることから、燃焼ガス排出流路１８０を流れ難くなっている。即ち、燃焼ガス排出流路１８０の方向が一定で無く、複数箇所で方向が変化しており、また、鉛直下方向の燃焼ガス流路１８２があるため、比較的高温の雰囲気ガスは燃焼ガス排出流路１８０を通過し難い。

起動時では、内部空間１２３で燃焼ガスＧ５が発生しているため、燃焼ガスＧ５は強制的に燃焼ガス排出流路１８０を通過させられる。しかし、発電時には、内部空間１２３でのガスの発生は基本的に無いので、雰囲気ガスが燃焼ガス排出流路１８０を通過することは無い。

このように内部空間１２３からの熱の逃げが少ないため、ガスバーナーが停止された発電時においても、内部空間１２３は高温雰囲気が保たれ、熱自立状態を維持可能となる。

（変形例１）
図７は、変形例１に係る燃料電池モジュール１００ａを表す側部断面図である。
燃料電池モジュール１００ａの燃焼ガス排出流路１８０ａは、略Ｌ字状であり、燃焼ガス流路１８１、１８２ａを有し、燃焼ガス流路１８３に対応する要素を有しない。ここでは、燃焼ガス排出開口部１８５ａの位置は重力方向（鉛直下方向）である。燃料電池モジュール１００ａでは、燃料電池モジュール１００に比べて、重力方向（鉛直下方向）の燃焼ガス流路１８２ａの距離をより長くとることができるので、内部空間１２３内の温度低下をより低減できる。

（変形例２）
図８は、変形例２に係る燃料電池モジュール１００ｂを表す側部断面図である。
燃料電池モジュール１００ｂの燃焼ガス排出流路１８０ｂは、略コ字状であり、燃焼ガス流路１８１ｂ〜１８３ｂを有する。
燃焼ガス排出開口部１８５ｂの位置は、混合気供給流路１７１より低い。燃料電池モジュール１００ｂでは、燃料電池モジュール１００に比べて、重力方向（鉛直下方向）の燃焼ガス流路１８２ｂの距離をより長くとることができ、さらに燃焼ガス排出流路１８０ｂ全体の流路も長くなるので、内部空間１２３内の温度低下をより低減できる。

（変形例３）
図９は、変形例３に係る燃料電池モジュール１００ｃを表す斜視図である。鉛直方向の同じ高さに、混合気供給流路１７１と燃焼ガス排出開口部１８５ｃを並んで配置してもよい。

（変形例４）
図１０は、変形例４に係る燃料電池モジュール１００ｄを表す側部断面図である。
燃料電池モジュール１００ｄの断熱容器１２０ｄは、断熱部１２２の内部に内部容器１２４を有する。即ち、密閉容器１２１と内部容器１２４の間に断熱部１２２が配置される。内部容器１２４は、例えば、金属で構成できる。

（その他の実施形態）
本発明の実施形態は上記の実施形態に限られず拡張、変更可能であり、拡張、変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。

１００ 燃料電池モジュール
１１０ 燃料電池スタック
１９ 貫通孔
２１ ボルト
２３ ナット
２５(２５ａ〜２５ｄ） 貫通流路
４０ 燃料電池セル
１２０ 断熱容器
１２１ 密閉容器
１２２ 断熱部
１２３ 内部空間
１２３Ｈ 最上部
１２４ 内部容器
１３０ 補助器
１４０ 排ガス燃焼部
１４１ 上側燃焼部
１４２ 下側燃焼部
１４３ 連通孔
１４４ 連結部材
１４５ 連結流路
１４８ 排出流路
１５０ 改質器
１５１ 原燃料ガス導入流路
１５２ 改質水導入流路
１５３ 連結部材
１５４ 連結流路
１６１ 酸化剤ガス導入流路
１６２ 連結部材
１７０ ガスバーナー
１７１ 混合気供給流路
１８０ 燃焼ガス排出流路
１８１〜１８３ 燃焼ガス流路
１８５ 燃焼ガス排出開口部
Ｇ１ 原燃料ガス
Ｇ２ 酸化剤ガス
Ｇ３ 排ガス
Ｇ４ 混合気
Ｇ５ 燃焼ガス
Ｌ 改質水

Claims (6)

1. 発電反応により電力を発生する燃料電池スタックと、
   原燃料ガスと酸化剤ガスとの混合気を燃焼することで、起動時に前記燃料電池スタックを加熱するガスバーナーと、
   断熱材が配置される断熱部と、前記断熱材で囲まれ、前記燃料電池スタックおよび前記ガスバーナーが配置される内部空間と、前記断熱部および前記内部空間を外部から密閉する密閉容器と、を有する断熱容器と、
   前記ガスバーナーで燃焼された混合気である燃焼ガスを前記内部空間から前記断熱部を経由して前記断熱容器の外部に排出する燃焼ガス排出流路と、
   前記燃焼ガス排出流路に接続され、前記断熱容器の外壁に設置されて前記断熱容器の外部に開口する燃焼ガス排出開口部と、
   前記燃焼ガス排出流路とは別に設けられ、かつ、前記燃料電池スタックからの排ガスを、排ガス燃焼部を介して、前記断熱容器の外部に、排出するための燃料電池スタック用排気構造と、
   を有する燃料電池であって、
   前記燃焼ガス排出開口部は、前記断熱容器の鉛直方向における下側部に設置されてなり、
   前記燃焼ガス排出流路は、
   前記断熱部内に形成され、かつ、前記内部空間の鉛直方向における上側部に接続され、第１の方向に向かい配置される第１燃焼ガス流路と、
   前記断熱部内に形成され、かつ、前記第１燃焼ガス流路に接続され、鉛直方向における上方から下方に向かう第２の方向に配置される、第２燃焼ガス流路と、を有する
   ことを特徴とする燃料電池。
2. 前記第１燃焼ガス流路および前記第２燃焼ガス流路は、複数の板状の断熱部材を積層して構成されてなる
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記断熱部が、
   前記第１燃焼ガス流路に対応する貫通孔と前記第２燃焼ガス流路の内壁面に対応する側面とを有する第１断熱部材と、
   前記第２燃焼ガス流路に対応する貫通孔を有する第２断熱部材と、
   前記第２燃焼ガス流路の内壁面に対応する側面を有する第３断熱部材と、を有する
   ことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
4. 前記燃焼ガス排出流路は、
   前記第２燃焼ガス流路と接続し、前記第２の方向と異なる方向である第３の方向に向かい配置される、第３燃焼ガス流路をさらに有する
   ことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の燃料電池。
5. 前記第１燃焼ガス流路と前記内部空間との接続部が、前記内部空間の鉛直方向での最上部よりも、鉛直方向の下側に引き下がるように、前記第１燃焼ガス流路と前記内部空間とが、接続されてなる
   ことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の燃料電池。
6. 前記内部空間において、
   前記燃料電池スタックよりも鉛直方向で下側に、前記ガスバーナーが、配置されてなる
   ことを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の燃料電池。

Images