JP6622046B2 - 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、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、セルの１種である燃料電池セルを複数個配列してなるセルスタックを備えるセルスタック装置を収納容器内に収納してなる燃料電池モジュールが種々提案されている

燃料電池モジュールにおいては、燃料電池セルから排出される余剰の燃料ガスを燃焼させる燃焼部が設けられ、燃焼によって発生した熱を、水素生成のための改質反応を行う改質器の加熱などに利用している（例えば、特許文献１参照）。

また、特許文献２に記載されているように、改質器は、外部から水が供給され、供給された水を気化する気化部と、改質触媒を備える改質部と、これらを連結する連結路と、連結路に接続された原燃料供給部とを備える構成であり、特許文献２の図１などに記載されているように全体としてＷ字状に形成されている。

特開２０１３−１９１３１８号公報 国際公開２０１５／０８０２３０号

燃焼部は、燃料電池モジュールの起動時には、温度が低い状態であり、燃焼が開始しにくく、起動後の発電中では、温度が低下することによって失火しやすい。

本発明の目的は、燃焼部での燃焼が改善された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である。

本発明の燃料電池モジュールは、収納容器と、
前記収納容器内に収納され、複数の柱状の燃料電池セルが予め定める配列方向に沿って設けられてなり、それぞれが並置された複数のセルスタックと、
前記収納容器内の、各セルスタックの上方に配設され、前記燃料電池セルに供給される燃料ガスを生成する改質器と、
前記セルスタックの側方であって、前記予め定める配列方向に沿って前記セルスタックに対向して配設される第１断熱材と、
該第１断熱材上であって、前記改質器との間に配設された第２断熱材と、を含み、
前記セルスタックと、前記改質器と、前記第２断熱材とで囲まれた空間が、前記燃料電池セルより排出される余剰の燃料ガスを燃焼する燃焼部とされている、
ことを特徴とする。

また、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と、
該燃料電池モジュールの運転を行なうための補機と、を収納してなることを特徴とする。

本発明の燃料電池モジュールによれば、第２断熱材を配設することにより、燃料電池セルと改質器との間において、燃料電池セルから排出される余剰の燃料ガスの拡散を抑えて燃焼させることができるので、当該余剰の燃料ガスの燃焼が改善されることにより温度低下が抑制されて、発電効率が向上する。

また本発明の燃料電池装置によれば、上記燃料電池モジュールを備えるので、燃焼が改善され、発電効率が向上した燃料電池装置とすることができる。

本実施形態の燃料電池モジュールを構成するセルスタックを含むセルスタック装置の一例を示す斜視図である。 図１に示すセルスタック装置を示し、（ａ）側面図、（ｂ）（ａ）の破線で囲った部分Ａの一部拡大平面図である。 本実施形態の燃料電池モジュールの一例を示す斜視図である。 図３に示す燃料電池モジュールの断面図である。 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モジュールのさらに他の一例を示す断面図である。 図５に示す燃料電池モジュールに収納された改質器を抜粋して示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は平面図である。 セルスタック装置の上方に、図７に示す改質器を備える構成の一例を配列方向から見た概略図である。 本実施形態の燃料電池装置の一例を概略的に示す斜視図である。

以下、図面を用いて本実施形態の燃料電池モジュールおよび燃料電池装置について説明する。なお、異なる図中の共通の構成要素については、同一の符号を付与するものとする。

図１は、本実施形態の燃料電池モジュールを構成するセルスタックを含むセルスタック装置の一例を示す斜視図である。図２は、図１に示すセルスタック装置を示し、（ａ）は側面図、（ｂ）は（ａ）の破線で囲った部分Ａの一部を拡大して示す平面図である。また、以降の図において、セルとして主に固体酸化物形の燃料電池セルを用いて説明する。

図１、図２に示すセルスタック装置１においては、内部を燃料ガスが一端から他端に流通するガス流路１５を有する燃料電池セル３を立設させた状態で配列方向（図１で示すＸ方向）に沿って一列に配列し、Ｘ方向に隣接する燃料電池セル３間が導電部材６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の下端を絶縁性接着材９でマニホールド４に固定してなるセルスタック２が２つ並置されている。

なお、図１、２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ガス流路を複数有する中空平板型で、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。なお、本実施形態の燃料電池モジュールにおいては、燃料電池セル３は、例えば平板型や円筒型とすることもでき、あわせてセルスタック装置１の形状も適宜変更することができる。

また、セルスタック２の最も外側に位置する燃料電池セル３に導電部材６を介して電気的に接続されたセルスタック支持部材７（以下、スタック支持部材７と略することがある。）が配置されている。スタック支持部材７の外側には保護カバーを設けることもできる。保護カバーは、セルスタック２の周囲に配置された断熱材との接触や外部からの衝撃に対して、スタック支持部材７およびセルスタック２を保護する。また、スタック支持部材７にはセルスタック２の配列方向外方に突出する導電部８が接続されている。

なお、図１、２においては、セルスタック装置１が２つのセルスタック２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２を１つだけ備えていてもよい。また、セルスタック装置１を、後述する改質器を含むものとすることもできる。

また、マニホールド４は燃料電池セル３に供給する燃料ガスを貯留し、開口部を上面に有するガスケースと、内側に燃料電池セル３を固定するとともに、ガスケースに固定される枠体とを備えている。

燃料電池セル３の一端部（図２の下端部）は枠体で囲まれており、枠体の内側に充填された絶縁性接着材９で燃料電池セル３の下端部の外周が枠体に固定されている。つまり、セルスタック２は、枠体の内側に複数の燃料電池セル３を並べて収容し、絶縁性接着材９で枠体に接着されている。なお、絶縁性接着材９は、ガラス等の材料からなり、熱膨張係数を考慮して所定のフィラーを添加したものを用いることができる。

また、マニホールド４の上面には、後述する改質器にて生成された燃料ガスが流通するガス流通管５が接続されている。これら燃料ガスは、ガス流通管５を介してマニホールド４に供給され、マニホールド４のガスケースから燃料電池セル３の内部に設けられたガス流路１５に供給される。

ここで、燃料電池セル３は、図２（ｂ）に示すように、一対の対向する平坦面をもつ柱状の導電性支持体１４（以下、支持体１４と略す場合がある）の一方の平坦面上に燃料側電極層１０、固体電解質層１１及び空気側電極層１２を順次積層してなる柱状（中空平板状等）に設けられる。また、燃料電池セル３の他方の平坦面上にはインターコネクタ１３が設けられており、インターコネクタ１３の外面（上面）にはＰ型半導体層１６が設けられている。Ｐ型半導体層１６を介して、導電部材６をインターコネクタ１３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。なお、図１では導電部材６、スタック支持部材７の記載を省略している。また、支持体１４は燃料側電極層を兼ねるものとし、その表面に固体電解質層および空気側電極層を順次積層してセルを構成することもできる。

燃料側電極層１０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、例えば希土類元素酸化物が固溶しているＺｒＯ_２（安定化ジルコニアと称し、部分安定化も含むものとする）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１１は、燃料側電極層１０、空気側電極層１２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、例えば、３〜１５モル％の希土類元素酸化物が固溶した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、ＺｒＯ_２以外の他の材料等を用いて形成してもよい。

空気側電極層１２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によって形成することができる。空気側電極層１２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。

支持体１４としては、燃料ガスを燃料側電極層１０まで透過するためにガス透過性を有すること、さらには、インターコネクタ１３を介して導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１４としては、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。燃料電池セル３を作製するにあたり、燃料側電極層１０または固体電解質層１１との同時焼成により支持体１４を作製する場合においては、鉄族金属成分と特定希土類酸化物とから支持体１４を形成することが好ましい。また、図２に示した燃料電池セル３において、柱状（中空平板状）の支持体１４は、立設方向（図１に示すＹ方向）に細長く延びる板状片であり、平坦な両面と半円形状の両側面を有する。また、支持体１４は、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３００Ｓ／ｃｍ以上、特に４４０Ｓ／ｃｍ以上であるのが好ましい。また、支持体１４の形状は柱状であれば良く、円筒状であってもよい。

Ｐ型半導体層１６としては、遷移金属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１３を構成する材料よりも電子伝導性が大きいもの、例えば、ＢサイトにＭｎ、Ｆｅ、Ｃｏなどが存在するＬａＭｎＯ_３系酸化物、ＬａＦｅＯ_３系酸化物、ＬａＣｏＯ_３系酸化物などの少なくとも一種からなるＰ型半導体セラミックスを使用することができる。このようなＰ型半導体層１６の厚みは、一般に、３０〜１００μｍの範囲にあることが好ましい。

インターコネクタ１３は、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）、もしくは、ランタンストロンチウムチタン系のペロブスカイト型酸化物（ＬａＳｒＴｉＯ_３系酸化物）が好適に使用される。これらの材料は、導電性を有し、かつ燃料ガス（水素含有ガス）および酸素含有ガス（空気等）と接触しても還元も酸化に対する耐性を有する。また、インターコネクタ１３は支持体１４に形成されたガス流路１５を流通する燃料ガス、および支持体１４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。

そして、燃料電池セル３を電気的に接続するために介装される導電部材６およびセルスタック支持部材７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成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。

図３は、本実施形態のセルスタック装置１を備えてなる燃料電池モジュール１７の一例を示す外観斜視図であり、図４は断面図である。

図３に示す燃料電池モジュール１７においては、収納容器１９の内部に、本実施形態のセルスタック装置１が収納されている。なお、セルスタック装置１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２０が配置されている。

改質器２０は、原燃料供給管２３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２０は、改質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２１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２２とを備えている。

また図３においては、収納容器１９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１を後方に取り出した状態を示している。ここで、図３に示した燃料電池モジュール１７においては、セルスタック装置１を、収納容器１９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１９の内部には、マニホールド４に並置されたセルスタック２の間に配置され、酸素含有ガスが燃料電池セル３間を流れるように、酸素含有ガス供給部材２４が配置されている。

図４に示すように、燃料電池モジュール１７を構成する収納容器１９は、内壁２５と外壁２６と有する二重構造で、外壁２６により収納容器１９の外枠が形成されるとともに、内壁２５によりセルスタック装置１を収納する収納室２７が形成されている。

ここで、収納容器１９は、外部より導入される酸素含有ガスを収納室２７に導入するための第１ガス導入部である酸素含有ガス導入部２８を備えている。酸素含有ガス導入部２８に導入された酸素含有ガスは、収納室２７の側方における内壁２５と外壁２６とにより設けられ、酸素含有ガス導入部２８と連通する酸素含有ガス流通部２９を上方に向けて流れる。続いて収納室２７の上方における内壁２５と外壁２６とにより形成され、酸素含有ガス流通部２９と連通する酸素含有ガス分配部３０を流れる。そして、酸素含有ガス分配部３０には、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３１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３２が設けられてなるガス供給部である酸素含有ガス供給部材２４が、内壁２５を貫通して挿入されて固定されている。それにより、酸素含有ガス分配部３０と酸素含有ガス供給部材２４とがつながっている。なお、フランジ部３１と内壁２５との間には断熱材３３が配置されている。酸素含有ガス供給部材２４は、燃料電池セル３の配列方向に沿ってセルスタック２および改質器２０に対向して配設され、内部を酸素含有ガスが上下方向に流れる。

また収納室２７内には、燃料電池モジュール１７内の熱が極端に放散され、燃料電池セル３（セルスタック２）の温度が低下して発電量が低減しないよう、燃料電池モジュール１７内の温度を高温に維持するための断熱材３３が適宜設けられている。

断熱材３３は、セルスタック２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２の側方に配置するとともに、セルスタック２の側方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材３３を配置することが好ましい。あわせて、セルスタック２の配列方向両端側に設けられ、セルスタック２を挟み込むように断熱材３３を配置することが好ましい。セルスタック２の周囲を断熱材３３に取り囲むことで、セルスタック２の温度が低下することを効果的に抑制できる。さらには、酸素含有ガス供給部材２４より導入される酸素含有ガスが、セルスタック２の側方より排出されることを抑制でき、セルスタック２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２の両側方に配置された断熱材３３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２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３４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２５の内側には、排ガス用内壁３５が設けられており、収納室２７の側方における内壁２５と排ガス用内壁３５との間が、収納室２７内の排ガスが上方から下方に向けて流れる排ガス流通部３６とされている。

また、収納室２７の下方であって、酸素含有ガス導入部２８の上方には、排ガス流通部３６とつながる排ガス収集部３７が設けられている。排ガス収集部３７は、収納容器１９の底部に設けられた排気孔３８と通じている。また、排ガス用内壁３５のセルスタック２側にも断熱材３３が設けられている。

それにより、燃料電池モジュール１７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、排ガス流通部３６、排ガス収集部３７を流れた後、排気孔３８より排気される構成となっている。なお、排気孔３８は収納容器１９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。

また、酸素含有ガス供給部材２４の内部には、セルスタック２近傍の温度を測定するための熱電対３９が、その測温部４０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、上述の構成の燃料電池モジュール１７においては、燃料電池セル３におけるガス流路１５より排出される発電に使用されなかった余剰の燃料ガスと酸素含有ガスとを燃焼させるための燃焼部５０が、セルスタック２と改質器２０との間隙に設けられ、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、燃焼熱によって燃焼部５０の上方に配置された改質器２０を加熱することができ、改質器２０で効率よく改質反応を行なうことができる。燃焼部５０には、例えばバーナーや着火ヒータなどの着火装置が設けられており、余剰のガスに着火して燃焼させている。

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、燃料電池モジュール１７内の温度は５００〜８００℃程度となる。

ここで、燃料電池セル３の発電効率を向上するにあたり、酸素含有ガスが流れる各流路は、酸素含有ガスが効率よく流れる構造とすることが好ましい。すなわち、図４に示す燃料電池モジュール１７においては、酸素含有ガス導入部２８に導入され、収納室２７の両側方を流れて、酸素含有ガス分配部３０を介して酸素含有ガス供給部材２４に導入される酸素含有ガスが効率よく流れ、かつ均等に分配されるような構造とすることが好ましい。

一方、収納室２７においては、発電に利用されなかった燃料ガスや酸素含有ガス、その燃料ガスを燃焼部５０で燃焼して生じる燃焼ガス等の排ガス等が生じる。この排ガスについても、効率よく収納容器１９の外部に排出することで、結果的に燃料電池セル３に効率よく酸素含有ガスが供給されることとなる。

本実施形態の燃料電池モジュール１７では、断熱材３３のうち、セルスタック２の側方に配置される断熱材（以下第１断熱材という）３３ａに加えて、さらに、第１断熱材３３ａ上であって、改質器２０との間に第２断熱材５１が配設される。上記のように、燃料電池セル３と改質器２０との間には、燃焼部５０が設けられ、余剰の燃料ガスが燃焼するよう構成されている。燃焼部５０は、壁部材などで空間が仕切られているのではなく、燃料電池セル３から排出される余剰の燃料ガスが、燃料電池セル３と改質器２０との間に充満し、着火装置で着火して燃料ガスを燃焼させている。なお、第２断熱材５１は、全ての第１断熱材３３ａ上に配置する必要はなく、例えば、本実施形態のように、セルスタック２の側方であって、セルスタック装置１の外方側の側方に配置された第１断熱材３３ａ上に、第２段熱材５１を配設すればよい。

このような燃焼部５０では、燃料電池セル３と改質器２０との間に排出された余剰の燃料ガスは拡散しやすく、排出量が多くないと着火しにくかったり、燃焼部５０におけるガス濃度が低下することによって、失火してしまう場合がある。第１断熱材３３ａ上であって、改質器２０との間に第２断熱材５１を配設することにより、第２断熱材５１がガスの拡散を抑制し、同じ排出量であっても第２断熱材を配設しない構成に比べて、燃焼部５０におけるガス濃度を高くすることができ、容易に着火することができる。また、燃焼部５０におけるガス濃度の低下を抑制して失火を防ぐことができる。これにより、余剰の燃料ガスの燃焼が改善され、温度低下が抑制されて、燃料電池モジュール１７の発電効率が向上する。

第１断熱材３３ａ上であって、改質器２０との間に第２断熱材５１を配設すれば、第２断熱材５１を配設しない構成に比べて着火を容易にし、失火を抑えられるので、第２断熱材５１の形状、配設位置などは特に限定されないが、例えば、立方体または直方体形状で、図４に示す断面図における幅が第１断熱材３３ａの幅と同じかそれ以上であって、高さが燃料電池セル３と改質器２０との間の距離と同じかそれ以下であり、長さは、改質器２０の構成にあわせて、セルスタック２の長さと同じ長さかそれ以下もしくはそれ以上に設定できる。なお、第２断熱材５１は燃料電池セル３上に直接かからない大きさとするのが好ましい。なお、配列方向の最も外側に配置された燃料電池セル３側は、セルスタック２の外側（Ｘ方向の外側）にも開放空間を有し、より失火しやすいため、第２の断熱材５１は、配列方向の最も外側に配置された燃料電池セル３側に載置することが好ましい。

また、第２断熱材５１は、改質器２０に当接していてもよく、また当接していなくてもよい。第２断熱材５１が改質器２０に当接している場合は、第２断熱材５１の上面と改質器２０の下面とを固定する。なお第２断熱材５１の下面は、第１断熱材３３ａと当接していればよい。

また、第２断熱材５１は、改質器２０に当接する場合において、第２断熱材５１と改質器２０との固定は、たとえば、接着剤で固定してもよく、単に改質器２０と第１断熱材３３ａとで挟み込んで固定してもよい。第２断熱材５１の材料は、断熱材３３と同じあってもよく、異なっていてもよい。さらに、燃焼部５０の燃焼によって第２断熱材５１が燃焼しないように、難燃性を有していてもよい。

図５は、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。図５に示す燃料電池モジュール４１は、図４に示す燃料電池モジュール１７と比較して、収納室４２内に４つのセルスタック装置４３を収納している点、収納室４２の上方に、燃料電池セル３より排出される排ガスを回収する排ガス回収部６１を備えており、排ガス回収部６１と排ガス流通部３６とがつながっている点、４つのセルスタックの上方にわたって図７に示すような１つの改質器４５が設けられている点、セルスタック装置４３間に第１断熱材３３ｂが配置されている点で異なっている。なお、図４に示す燃料電池モジュール１７と同じ構成については同じ符号を用い、説明は省略する。

収納室４２内に複数のセルスタック装置４３を収納してなる場合には、特に中央部側に位置するセルスタック装置４３における燃料電池セル３から、収納室４２の側方に位置する排ガス流通部３６までの距離が長くなってしまい、中央部側に位置するセルスタック装置４３における燃料電池セル３から排出される排ガスを、効率よく外部に排出することが難しい場合がある。

特に燃料電池セル３の上方の燃焼部５０において、発電に使用されなかった余剰の燃料ガスを燃焼させて、その燃焼熱によって燃料電池セル３の温度を高温に維持する構成では、燃料電池セル３の上方に排ガスが滞留することで、燃焼部５０で、発電に使用されなかった燃料ガスをうまく燃焼させることができず、失火するおそれがある。特に失火を生じた場合には、燃料電池セル３の温度が上昇せず、もしくは高温に維持することができず、結果として燃料電池セル３（セルスタック装置４３）の発電量が低下してしまうおそれがある。

それゆえ、図５に示す本実施形態の燃料電池モジュール４１においては、上記の排ガス流通部３６に加えて、収納室４２の上方に、燃料電池セル３より排出される排ガスを回収する排ガス回収部６１を設け、該排ガス回収部６１と排ガス流通部３６とをつなげることで、燃料電池セル３から排出される排ガスを、効率よく外部に排出することができ、燃料電池セル３より排出される排ガスが、外部より供給される酸素含有ガスと熱交換することができる。それにより、温度の上昇した酸素含有ガスを燃料電池セル３に供給できることとなり、発電効率を向上させることができる。

また、この排ガス回収部６１の底面には、収納室４２とつながる回収孔６２が設けられている。それにより、収納室４２に排出された排ガスは、回収孔６２を介して排ガス回収部６１に流れることとなる。

本実施形態の燃料電池モジュール４１によれば、燃料電池セル３の上方に排ガスが滞留することを抑制でき、排ガスを効率よく排気することができるとともに、燃料電池セル３の上方に燃焼部５０を有する構成のセルスタック装置４３においては、失火を抑制することができることから、発電量が向上した燃料電池モジュール４１とすることができる。

本実施形態の燃料電池モジュール４１でも図４に示した実施形態の燃料電池モジュール１７と同様に、第１断熱材３３ａおよび３３ｂ上であって、改質器２０との間に第２断熱材５１を配設する。これにより、第２断熱材５１が燃焼部５０におけるガスの拡散を抑制し、第２断熱材を配設しない構成に比べて、燃焼部５０におけるガス濃度を高くすることができ、容易に着火することができる。また、燃焼部５０におけるガス濃度の低下を抑制して失火を防ぐことができる。これにより、余剰の燃料ガスの燃焼が改善され、温度低下が抑制されて、燃料電池モジュール４１の発電効率が向上する。なお、図５においては、セルスタック装置４３間における第１断熱材３３ｂ上および並列方向における最も外側のセルスタック２の側方に位置する第１断熱材３３ａ上に第２断熱材５１を設けている例を示している。

図７は、図５に示す燃料電池モジュール４１に収納された改質器４５を抜粋して示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は平面図である。図８は、セルスタック装置４３の上方に、図７に示す改質器４５を備える構成の一例を配列方向から見た概略図である。

図５に示す燃料電池モジュール４１においては、４つのセルスタック２の上方に、図７に示すＷ字状（ミアンダ形状）の改質器４５を備えている。

改質器４５は、図７（ａ）、（ｂ）に示すように、水を気化して水蒸気を生成する気化部４５ａと該気化部４５ａで発生した水蒸気を用いて原燃料を水蒸気改質する改質部４５ｂとを具備している。

気化部４５ａは、水蒸気が一端側より他端側に流れる管体の気化部往路４５ａ１と、水蒸気が他端側より一端側に流れる管体の気化部復路４５ａ２とを備えている。また、気化部往路４５ａ１には、一端部から気化部往路４５ａ１に沿って内部に突出する筒状部４８ａと、一端部に接続され、筒状部４８ａに外部から水を供給する水供給部４８ｂとを備えている。なお、筒状部４８ａは、気化部４５ａを構成する管体より内側に突出するように設けて、この筒状部４８ａに水供給部４８ｂである水供給管を接続する構成であってもよく、水供給管４８を外部より内部に挿入して、外部に露出する一部が水供給部４８ｂとなり、水供給管４８の挿入された一部が筒状部４８ａとなる構成であってもよい。以下の説明においては、水供給管４８を外部より内部に挿入した構成を用いて説明する。

また、改質部４５ｂは、原燃料供給部である原燃料供給管２３より供給された原燃料を改質して生成された改質ガスが一端側より他端側に流れる改質部往路４５ｂ１と、改質ガスが他端側より一端側に流れる改質部復路４５ｂ２とを備えており、改質部復路４５ｂ２には、改質ガスを導出するための改質ガス導出管４９が接続されている。図７に示す改質器４５において、水供給管４８、原燃料供給管２３および改質ガス導出管４９は、いずれも改質器４５の一方側に接続されている。

さらに改質器４５においては、気化部往路４５ａ１の他端側と気化部復路４５ａ２の他端側とが連結路（以下、気化部連結路という。）４５ｃ１で連結され、気化部復路４５ａ２の一端側と改質部往路４５ｂ１の一端側とが連結路（以下、気化改質部連結路という。）４５ｃ２で連結され、改質部往路４５ｂ１の他端側と改質部復路４５ｂ２の他端側とが連結路（以下、改質部連結路という。）４５ｃ３で連結されており、気化部往路４５ａ１と、気化部復路４５ａ２と、改質部往路４５ｂ１と、改質部復路４５ｂ２とが、側方が対向するように並置されている。

改質器４５では、気化部往路４５ａ１に供給された水が水蒸気となり、気化部連結路４５ｃ１、気化部復路４５ａ２、気化改質部連結路４５ｃ２、改質部往路４５ｂ１を順に流れ、また、気化改質部連結路４５ｃ２には、原燃料供給管２３が挿入され、外部に露出する一部が原燃料供給部２３ｂであり、原燃料供給管２３の挿入された一部が筒状部２３ａである。

原燃料供給部２３ｂから原燃料が供給されると、筒状部２３ａから気化改質部連結路４５ｃ２に導入されて水蒸気と混合され、改質部往路４５ｂ１、改質部連結路４５ｃ３、改質部復路４５ｂ２を流れる間に改質反応によって、水素を含む改質ガス（燃料ガス）が生成され、改質ガス導出管４９から導出される。

気化部往路４５ａ１、気化部復路４５ａ２、改質部往路４５ｂ１、改質部復路４５ｂ２、気化部連結路４５ｃ１、気化改質部連結路４５ｃ２、改質部連結路４５ｃ３は、横断面が矩形状の管体から構成されている。

また、気化部往路４５ａ１および気化部復路４５ａ２内には、流路を仕切る仕切板４５ａ１１、４５ａ２１がそれぞれ設けられ、これらの仕切板４５ａ１１、４５ａ２１間が気化室とされている。水供給管４８の筒状部４８ａは、仕切板４５ａ１１の上流側近傍にまで延び、気化室手前の位置に水を供給している。気化室内には、気化を促進するためセラミックボールが収納されており、仕切板４５ａ１１、４５ａ２１は、水蒸気は通過するが、セラミックボールは通過しないように形成されている。なお、これら仕切板４５ａ１１、４５ａ２１は、改質器の構造やセルスタックの構造等に応じて適宜配置を変更することができる。

さらに、改質部往路４５ｂ１および改質部復路４５ｂ２内にも、それぞれ流路を仕切る仕切板４５ｂ１１、４５ｂ２１が配置され、仕切板４５ｂ１１、４５ｂ２１間に位置する改質部往路４５ｂ１、改質部連結路４５ｃ３、改質部復路４５ｂ２が改質室とされ、この改質室に改質触媒が収納されている。仕切板４５ｂ１１、４５ｂ２１は、水蒸気、原燃料、改質ガス等のガスは通過できるが、改質触媒は通過できないように構成されている。なお、これら仕切板４５ｂ１１、４５ｂ２１は、改質器の構造やセルスタックの構造等に応じて適宜配置を変更することができる。

このような改質器４５においては、気化部４５ａと改質部４５ｂとの間にある気化改質部連結路４５ｃ２に、原燃料を供給する原燃料供給管２３が挿入されている。このような改質器４５においては、原燃料供給管２３が、水供給管４８が接続された気化部往路４５ａ１よりも下流側の気化改質部連結路４５ｃ２に接続されているため、水が供給される地点と原燃料が供給される地点とが、気化部往路４５ａ１を構成する管体と気化部復路４５ａ２を構成する管体との間の空間を介しており、また、水蒸気の流れ方向で見れば、流れ方向の長さが長い。従って、原燃料が低温であったとしても、原燃料が追加混合される時には、供給された水は殆ど気化しており、改質器４５の一部（気化部往路４５ａ１）における低温化を抑制できる。それにより、改質効率を向上することができる。

そして、図８に示すように、改質器４５で生成された改質ガス（燃料ガス）は、改質ガス導出管４９から導出されたのち、２つのマニホールド４に供給され、マニホールド４を介して燃料電池セル３の内部に設けられたガス流路に供給される。

なお、改質器４５で生成された改質ガスは、図８に示すように、改質ガス導出管４９から導出され、分配器６３によって２分されて２つのマニホールド４にそれぞれ供給される。すなわち、改質ガス導出管４９は、改質器４５から分配器６３までのＵ字状の第１改質ガス導出管４９ａと、分配器６３から下方の２つのマニホールド４にそれぞれ延びる２本の第２改質ガス導出管４９ｂとを具備している。２本の第２改質ガス導出管４９ｂの長さは、改質ガスをマニホールド４に均等に供給すべく、同じ長さ（圧力損失）とされている。

なお、改質器４５において、気化部往路４５ａ１、気化部復路４５ａ２、改質部往路４５ｂ１、改質部復路４５ｂ２は、４つのセルスタック２のうちの１つのセルスタック２のそれぞれに対応して、各セルスタック２の上方に配置されている。各セルスタック２と気化部往路４５ａ１、気化部復路４５ａ２、改質部往路４５ｂ１、改質部復路４５ｂ２との間の間隙は、燃焼部５０が設けられており、これにより、気化部往路４５ａ１、気化部復路４５ａ２、改質部往路４５ｂ１、改質部復路４５ｂ２のそれぞれを効率よく加熱することができる。また、他の構成（例えば水供給管４８、仕切板の場所等）は適宜変更可能であり、これらの例に限られるものではない。

本実施形態の燃料電池モジュール４１でも、図４に示した燃料電池モジュール１７と同様に、第２断熱材５１は、改質器４５に当接していてもよい。そして、第２断熱材５１が改質器４５に当接している場合、第２断熱材５１は、改質器４５を支持する支持部材としても機能する。図７に示したような形状の改質器４５では、改質器４５が撓み易い。改質器４５が撓むと、最も低い部分に原燃料供給管２３から供給された原燃料、水供給管４８から供給された水が溜まってしまい、十分に気化できなかったり、溜まった部分の温度が低下してしまう。第２断熱材５１を配設することで、改質器４５を支持し、改質器４５が撓むことを抑制することができる。また、水導入部側である水供給管４８が接続された部位は、特に温度が低下しやすく、失火が生じやすい。それゆえ、第２の断熱材５１は、水導入部側に設けることが好ましい。

図６は、本実施形態の燃料電池モジュールのさらに他の一例を示す断面図である。図６に示す燃料電池モジュール４４は、図５に示す燃料電池モジュール４１と比較して、並置されるセルスタック装置４３の間に配置される第２断熱材５２が異なっている。なお、図５に示す燃料電池モジュール４１と同じ構成については同じ符号を用い、説明は省略する。

並置されるセルスタック装置４３の間と改質器４５との間に配設される本実施形態の第２断熱材５２は、上記の第１断熱材３３ｂすなわち、セルスタック装置４３間に配置される第１断熱材３３ｂの上方を跨いで配設され、第２断熱材５２の下部は、第１断熱材３３ｂの上部と一体的に接続される。なお、セルスタック装置４３の並列方向の両端に位置する第２断熱材５１は、図４に示す構成と同様である。

ここで、第１断熱材３３ｂおよび第２断熱材５２は、同じ材料を用いて同じ熱伝導率を有していてもよいが、第１断熱材３３ｂは、下部の熱伝導率よりも上部の熱伝導率が高く、第２断熱材５２の熱伝導率は、第１断熱材３３ｂの上部の熱伝導率よりも低い構成とすることが好ましい。熱伝導率をこのように異ならせることで、燃焼部５０で発生する熱は、第２断熱材５２によって断熱されて移動しにくく、セルスタック２の上部では熱を移動しやすくし、下部では熱の移動を抑制することで、セルスタック２における温度分布が改善されて、燃料電池モジュール４４の発電効率が向上する。

図９は、外装ケース内に燃料電池モジュール１７，４１，４４のいずれかと、各燃料電池モジュールを動作させるための補機とを収納してなる燃料電池装置５３の一例を示す斜視図である。なお、図９においては一部構成を省略して示している。

図９に示す燃料電池装置５３は、支柱５４と外装板５５とから構成される外装ケース内を仕切板５６により上下に区画し、その上方側空間を、上述した各燃料電池モジュール１７，４１，４４のいずれかを収納する燃料電池モジュール収納室５７とし、下方側空間を、各燃料電池モジュールを動作させるための補機類を収納する補機収納室５８として構成されている。なお、補機収納室５８に収納する補機類の図示は省略して示している。

また、仕切板５６には、補機収納室５８の空気を燃料電池モジュール収納室５７側に流すための空気流通口５９が設けられており、燃料電池モジュール収納室５７を構成する外装板５５の一部には、燃料電池モジュール収納室５７内の空気を外部に排気するための排気口６０が設けられている。

このような燃料電池装置５３では、上述したような各燃料電池モジュール１７，４１，４４のいずれかを外装ケース内に収納することにより、発電効率を向上した燃料電池装置５３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、上記形態の燃料電池モジュール４１では、４個のセルスタック２の上方に２個の改質器４５を配置したセルスタック装置を具備する形態について説明したが、例えば、１個または３個以上のセルスタック２の上方に１個の改質器を配置したセルスタック装置でも良い。この場合、改質器の形状は適宜変更すればよい。

さらに、１個のマニホールド４に２個のセルスタック２を配置した形態について説明したが、１個のマニホールド４に１個のセルスタック２を配置しても良く、また、１個のマニホールド４に３個以上のセルスタック２を配置しても良い。

さらに、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。

１，４３ セルスタック装置
２ セルスタック
３ 燃料電池セル
４ マニホールド
５ ガス流通管
６ 導電部材
７ セルスタック支持部材
８ 導電部
１７，４１，４４ 燃料電池モジュール
１９ 収納容器
２０ 改質器
２１ 気化部
２２ 改質部
２３ 原燃料供給管
２３ａ 筒状部
２３ｂ 原燃料供給部
２４ 酸素含有ガス供給部材
２４ａ 切り欠き部
２４ｂ 閉塞部
２８ 酸素含有ガス導入部
２９ 酸素含有ガス流通部
３０ 酸素含有ガス分配部
３２ 酸素含有ガス流出口
３３ 断熱材
３３ａ，３３ｂ 第１断熱材
４４ 排ガス流通部材
４５ 改質器
４５ａ 気化部
４５ｂ 改質部
４８ 水供給管
４８ａ 筒状部
４８ｂ 水供給部
４９ 改質ガス導出管
４９ａ 第１改質ガス導出管
４９ｂ 第２改質ガス導出管
５０ 燃焼部
５１，５２ 第２断熱材
５３ 燃料電池装置

Claims (4)

1. 収納容器と、
   前記収納容器内に収納され、複数の柱状の燃料電池セルが予め定める配列方向に沿って設けられてなり、それぞれが並置された複数のセルスタックと、
   前記収納容器内の、各セルスタックの上方に配設され、前記燃料電池セルに供給される燃料ガスを生成する改質器と、
   前記セルスタックの側方であって、前記予め定める配列方向に沿って前記セルスタックに対向して配設される第１断熱材と、
   該第１断熱材上であって、前記改質器との間に配設された第２断熱材と、を含み、
   前記セルスタックと、前記改質器と、前記第２断熱材とで囲まれた空間が、前記燃料電池セルより排出される余剰の燃料ガスを燃焼する燃焼部とされており、
   前記第２断熱材は、下部が前記第１断熱材と一体的に接続され、
   前記第１断熱材は、下部の熱伝導率よりも前記第１断熱材の上部の熱伝導率が高く、
   前記第２断熱材の熱伝導率は、前記第１断熱材の上部の熱伝導率よりも低いことを特徴とする燃料電池モジュール。
2. 前記第２断熱材は、前記予め定める配列方向の最も外側にも配置された燃料電池セル側に配設されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池モジュール。
3. 前記改質器は水蒸気改質可能とされているとともに、該改質器に水を導入する水導入部が接続されており、
   前記第２断熱材が、前記水導入部側に設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池モジュール。
4. 外装ケース内に、
   請求項１〜３のいずれか１つに記載の燃料電池モジュールと、
   該燃料電池モジュールの運転を行なうための補機と、を収納してなることを特徴とする燃料電池装置。

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