JP6871150B2 - 燃料電池モジュール、及び燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、燃料電池モジュール、及び燃料電池システムに関する。

燃料電池セルを複数積層したセルスタックを有する燃料電池モジュールは、発電効率が高く、排熱も回収可能であることが知られている。このセルスタックが有する燃料電池セルは、例えば固体酸化物燃料電池セルであり、酸化物イオンの伝導性を高めるために、６００℃〜１０００℃の高温で動作する。このような高温により電極反応が速くなり、燃料電池セルの電極材料として、貴金属を必ずしも用いる必要がなくなる。

このセルスタックでは、中央に配置された燃料電池セルは放熱されにくく、端に配置された燃料電池セルは放熱されやすいことから、中央の温度が高く端側の温度が低くなる。このため、セルスタックの中央部の温度を燃料電池セルが劣化しない範囲に維持すると、端側の燃料電池セルの発電効率が低下してしまう。このような不均一な温度分布を改善するため、セルスタックに供給する酸素含有ガスをセルスタックの側面の中央部に沿って流すことにより、セルスタックの中央部の温度上昇を抑制する導入板が設けられている。また、導入板の中央部に配置された熱電対の測定温度に基づき、導入板内を流れる酸素含有ガスの流量を調整することにより、セルスタックの温度を制御する技術が知られている。

ところが、導入板内を流れる酸素含有ガスの対流により熱電対に熱が伝導し、酸素含有ガスの流量により熱電対の測定値が変化してしまう。これにより、熱電対の測定温度とセルスタックの温度との相関が低下してしまい、セルスタックの温度制御の精度が低下してしまう恐れがある。

また、導入板の内部に熱電対を設置する場合、酸素含有ガスは４００℃以上に予熱されているため、金属で構成される熱電対は自重によりクリープ変形してしまう。

特開２００８−１５９３６２号公報 特開２０１０−１４６７８３号公報 特開２０１７−８４６６１号公報

発明が解決しようとする課題は、より高精度にセルスタックの温度制御が可能な燃料電池モジュール、及び燃料電池システムを提供することである。

本実施形態による燃料電池モジュールは、第１方向に向けて燃料ガスが流通する燃料極側の燃料ガス流路と、第１方向に向けて酸素含有ガスが流通する酸化剤極側の酸素含有ガス流路とを有する燃料電池セルを複数積層した第１セルスタックと、第１セルスタックの燃料ガス流路及び酸素含有ガス流路それぞれの下流側から排出された未反応ガスを燃焼させ、燃焼ガスを生成する燃焼室と、燃焼室内の燃焼ガスの下流側に配置され、炭化水素系の原料を改質して燃料ガスを生成する改質器と、燃焼室内を経由する流路を介して導入した酸素含有ガスを、酸素含有ガス流路それぞれの上流側に導入する中空の構造体であって、第１セルスタックにおける燃料電池セルの積層方向の側面に配置される導入板と、導入板の内部に配置された温度センサと、を備え、導入板は、導入板の内部に、積層方向の中央部側からそれぞれ積層方向の両端部に接するまで延びる複数の板状の邪魔構造部を有し、温度センサは、導入板の積層方向の端部側であり、邪魔構造部の上面に配置される。

本発明によれば、より高精度にセルスタックの温度制御が可能となる。

燃料電池システムの構成と燃料電池モジュールの断面を示す図。 燃料電池モジュールの構成の一部を示す概略図。 第１実施形態に係る導入板の構成例を示す模式図。 温度センサに基づく制御処理例を示すフローチャート。 各実施形態における端部温度、最高温度、中央部温度、下端温度を示す図。 第２実施形態に係る導入板の構成例を示す模式図。 第３実施形態に係る導入板の構成例を示す模式図。 第４実施形態に係る導入板の構成例を示す模式図。 第５実施形態に係る導入板の構成例を示す模式図。 第６実施形態に係る導入板の構成例を示す模式図。

以下、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態は、本発明の実施形態の一例であって、本発明はこれらの実施形態に限定して解釈されるものではない。また、本実施形態で参照する図面において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号又は類似の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する場合がある。また、図面の寸法比率は説明の都合上実際の比率とは異なる場合や、構成の一部が図面から省略される場合がある。
（第１実施形態）

まず、図１及び図２に基づき、先ず燃料電池システム１の全体構成を説明する。図１は、燃料電池システム１の構成と燃料電池モジュール１０の断面を示す図である。図２は、燃料電池モジュール１０の構成の一部を示す概略図である。この図１及び図２に示すように、燃料電池システム１は、炭化水素系の燃料を改質して生成された燃料ガス及び酸素含有ガスを用いて発電を行うシステムであり、燃料電池モジュール１０と、温度センサ２０と、送風部３０と、制御部４０とを備えて構成されている。

燃料電池モジュール１０は、燃料ガスとしての水素含有ガスと、酸素含有ガスとを用いて発電を行うモジュールである。なお、燃料電池モジュール１０の詳細な構成は後述する。また、燃料電池モジュール１０は、ホットモジュールと呼ばれることがある。

温度センサ２０は、例えば、熱電対である。本実施形態に係る温度センサ２０は、燃料電池モジュール１０内の２箇所に配置されている。例えば温度センサ２０は、後述する燃料電池モジュール１０における導入板１１０の邪魔構造部１２０の端部と、導入板１１０の中央部の２箇所に配置される。なお、温度センサ２０は、邪魔構造部１２０の端部の１箇所のみに配置してもよい。

送風部３０は、例えばブロワであり、酸素含有ガスを燃料電池モジュール１０に送風する。制御部４０は、例えばＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）を有して構成され、燃料電池モジュール１０の内部に配置された温度センサ２０の温度情報に基づき、送風部３０の送風量を制御する。なお、制御部４０の詳細な構成は後述する。

次に、燃料電池モジュール１０の詳細な構成を説明する。図１及び図２に示すように、燃料電池モジュール１０は、第１セルスタック１０２ａと、第２セルスタック１０２ｂと、改質器１０６と、マニホールド１０８と、導入板１１０と、収納容器１１２と、を備えて構成されている。

第１セルスタック１０２ａは、下部から上部に向けて燃料ガス及び酸素含有ガスそれぞれが流通するガス流路を有する燃料電池セル１０３を複数積層して構成される。本実施形態においては、燃料電池セル１０３は、例えば５００〜１０００℃の高温で動作する固体酸化物燃料電池セルで構成されている。これらの複数の燃料電池セル１０３のそれぞれは電気的に接続されている。また、燃料電池セル１０３のそれぞれは、燃料極と、酸化剤極とを、有する。そして、これら複数の燃料電池セル１０３は、化学式１で示す反応により発電する。

燃料ガスは、例えば水素含有ガスであり、燃料極側の燃料ガス流路を下部から上部に向けて流れ、燃料極反応をおこす。酸素含有ガスは、酸化剤極側の酸素含有ガス流路を下部から上部に向けて流れ、酸化剤極反応をおこす。

（化学式１）
燃料極反応：Ｈ_２ ＋ Ｏ^２−→ ２Ｈ^＋ ＋ ２ｅ−
ＣＯ ＋ Ｏ^２− → ＣＯ_２ ＋ ２ｅ−
酸化剤極反応：Ｏ_２＋ ４ｅ− → ２Ｏ^２−

第２セルスタック１０２ｂは、第１セルスタック１０２ａと同等の構成である。すなわち、第２セルスタック１０２ｂは、下部から上部に向けて燃料ガス及び酸素含有ガスそれぞれが流通する燃料ガス流路及び酸素含有ガス流路を有する燃料電池セル１０３を第１セルスタック１０２ａの積層方向に沿って複数積層し、第１セルスタック１０２ａと並列に配置されている。ここで、燃料電池セル１０３の積層方向をＸ方向とし、Ｘ方向を含む平面においてＸ方向と直交する方向をＹ方向とし、Ｘ方向及びＹ方向に直交し、燃料ガス流路内を燃料ガスが流れる方向をＺ方向とする。すなわち、水平面と直交するＺ方向が本実施形態に係る第１方向に対応する。また、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸内の２つの座標を比較する場合に、Ｚ座標の値の大きい方を第１方向側、上側、上部、上などと呼び、Ｚ座標の値の小さい方を第１方向の反対側、下側、下部、下などと呼ぶこととする。

燃焼室１０４は、第１セルスタック１０２ａの燃料ガス流路及び酸素含有ガス流路の上部から排出された水素含有ガスの未反応ガスと、第２セルスタック１０２ｂの燃料ガス流路及び酸素含有ガス流路の上部から排出された水素含有ガスの未反応ガスとを、同じ空間内で燃焼させる。すなわち、第１セルスタック１０２ａのガス流路の上部から排出された未反応ガスと、第２セルスタック１０２ｂのガス流路の上部から排出された未反応ガスとを、同じ空間内で燃焼させるため、第１セルスタック１０２ａの未反応ガスと、第２セルスタック１０２ｂの未反応ガスをそれぞれ別の燃焼室で燃焼させる場合よりも、燃焼性が向上する。これにより、第１セルスタック１０２ａの未反応ガスと、第２セルスタック１０２ｂの未反応ガスとを異なる燃焼室１０４で燃焼させる場合よりも、燃焼室１０４の温度が向上する。このように、燃料電池モジュール１０全体の熱の利用効率があがり、燃料電池モジュール１０の発電性能が向上する。なお、未反応ガスは、燃料電池セル１０３で消費されなかった水素含有ガス及び酸素含有ガスの内の少なくとも一方を意味する。

改質器１０６は、燃焼室１０４の上部に配置され、炭化水素系の原料を改質して燃料ガスを生成する。改質器１０６には、燃料配管４が接続されおり、この燃料配管４を介して、天然ガスなどの炭化水素系の原料燃料が供給される。すなわち、改質器１０６は、例えば４００〜７００℃で機能し、不図示の水供給管を介して供給された水と、燃料配管４を介して供給された炭化水素系の原料燃料とを用いて、水素含有ガスを生成する。改質器１０６の内部に備える改質触媒は、例えばアルミナやコージェライト等の多孔質担体にＲｕ、Ｐｔ等の貴金属やＮｉ、Ｆｅ等の卑金属を担持させた改質触媒等である。

マニホールド１０８は、その上面に第１セルスタック１０２ａと第２セルスタック１０２ｂとを配置している。マニホールド１０８の内部は中空状の構造であり、改質器１０６から水素含有ガスが不図示のガス配管を介して供給されている。そして、マニホールド１０８は、第１セルスタック１０２ａ、及び第２セルスタック１０２ｂそれぞれが有する複数の燃料電池セル１０３内の燃料極側のガス流路に水素含有ガスを供給する。

導入板１１０は、第１セルスタック１０２ａ及び第２セルスタック１０２ｂの対向する側面間に配置され、酸素含有ガスを第１セルスタック１０２ａ及び第２セルスタック１０２ｂそれぞれが有する複数の燃料電池セル１０３内の酸化剤極側のガス流路に水素含有ガスを供給する。
この導入板１１０の第１セルスタック１０２ａ及び第２セルスタック１０２ｂの対向する側面に対応する領域の外形幅は、第１セルスタック１０２ａ及び第２セルスタック１０２ｂの積層方向の幅に対応している。すなわち、導入板１１０の第１セルスタック１０２ａ及び第２セルスタック１０２ｂの対向する側面に沿った領域の外形幅は、第１セルスタック１０２ａ及び第２セルスタック１０２ｂの積層方向の幅と同等である。導入板１１８の外形の高さはセルと同等である。また、導入板１１０内の積層方向における構造が中央部を中心に左右対称に構成され、中央部に酸素含有ガスを集める構造を有している。これにより、導入板１１０は、酸素含有ガスの吸熱作用により、第１セルスタック１０２ａ及び第２セルスタック１０２ｂの温度分布を均一化させるように作用する。導入板１１０の詳細な構成は後述する。

収納容器１１２は、外壁１１２ａと内壁１１２ｂとを有する二重構造であり、外壁１１２ａと内壁１１２ｂとの間が、導入板１１０に酸素含有ガスを供給するガス流路１１２ｃになっている。すなわち、送風部３０とガス流路１１２ｃとはガス配管２を介して連通している。また、収納容器１１２における内壁１１２ｂの上面の中央部より下部に延びる中空状の導入部材１１４が構成されている。この導入部材１１４と導入板１１０は連通している。これにより、導入部材１１４は、ガス流路１１２ｃから供給された酸素含有ガスを導入板１１０に導入する。また、第１セルスタック１０２ａと第２セルスタック１０２ｂの燃焼ガスは、排気流路１１２ｄから排出される。

図１及び図２を参照にしつつ、図３に基づき、導入板１１０の詳細な構成例を説明する。図３は、第１実施形態に係る導入板１１０の構成例を示す模式図である。この図３に示すように、導入板１１０は、内部が中空状の板状の構造体であり、第１導入板部１１６と、第２導入板部１１８と、邪魔構造部１２０と、整流構造部１２２と、供給孔部１２４と、を有する。

第１導入板部１１６は、収納容器１１２の導入部材１１４（図１）と連通している。この第１導入板部１１６は、外形幅が第１セルスタック１０２ａ及び第２セルスタック１０２ｂの積層方向の幅よりも狭く、燃焼室１０４内に配置され、収納容器１１２の導入部材１１４から酸素含有ガスが供給される。すなわち、第１導入板部１１６を流れる酸素含有ガスには、燃焼室１０４内の燃焼ガスから熱が伝導される。これにより、酸素含有ガスの温度は、第１セルスタック１０２ａ及び第２セルスタック１０２ｂの中央部の表面温度よりも低い温度であり、且つ第１セルスタック１０２ａ及び第２セルスタック１０２ｂの発電効率の低下を抑制可能な温度範囲まで上昇する。なお、第１導入板部１１６はネジ止めや溶接によって収納容器１１２の導入部材１１４に接続されている。

第２導入板部１１８は、外形幅が第１セルスタック１０２ａ及び第２セルスタック１０２ｂの積層方向の幅に対応し、第１セルスタック１０２ａ及び第２セルスタック１０２ｂの側面間に配置され、第１導入板部１１６と積層方向の中央部における上部において接続される。なお、第１導入板部１１６と第２導入板部１１８とは、一対の板状部材で構成されている。

邪魔構造部１２０（邪魔板）は、第２導入板部１１８の内部空間に配置され、中央部に酸素含有ガスを下部側に流通させる開口部を有し、第２導入板部１１８の積層方向の両端部まで延びる２つの板状の構造体１２０ａ、１２０ｂを有する。この邪魔構造部１２０により、酸素含有ガスは第１セルスタック１０２ａ及び第２セルスタック１０２ｂの積層方向中央に集められる。これにより、第１セルスタック１０２ａ及び第２セルスタック１０２ｂの積層方向における中央部から酸素含有ガスへ伝導する熱の伝導量は、第１セルスタック１０２ａ及び第２セルスタック１０２ｂの積層方向における端部から酸素含有ガスへ伝導する熱の伝導量よりも増加する。これから分かるように、邪魔構造部１２０は、第１セルスタック１０２ａ及び第２セルスタック１０２ｂの温度分布を均一化させるように作用する。

また、板状の構造体１２０ａ、１２０ｂは、開口部から両端部に向かうに従い下降するように構成されている。邪魔構造部１２０の上面には、第１導入板部１１６の上部から挿入された熱電対２０ａが載置されている。このように、開口部から両端部に向かうに従い下降するように構成されているので、第１導入板部１１６から熱電対２０ａを挿入する際の操作性をより向上させている。さらにまた、熱電対２０ａの先端は酸素含有ガスがほとんど流れない邪魔構造部１２０の端部の上に位置するので、第１セルスタック１０２ａ及び第２セルスタック１０２ｂから伝わる輻射熱による温度をより高精度に測定可能となる。また、第２導入板部１１８の中央部には、熱電対２０ｂが配置されている。なお、熱電対２０ｂは、例えば測定温度のデータを得るための予備測定に用いられる。

図３に示すように、整流構造部１２２（整流板）は、第２導入板部１１８内の開口部の鉛直下方の領域を少なくとも含んで配置されている。より詳細には、本実施形態に係る整流構造部１２２は、中央付近に２枚の板状構造物１２２ａ、１２２ｂと、両端に２の板状構造物１２２ｃ、１２２ｄを有する。これにより、中央部の板状構造物１２２ａ、１２２ｂは、中央に集中した空気の流れを両端に分散させる。すなわち、開口部から流入した酸素含有ガスの流れは、両端に分散される。両端の２枚の板状構造物１２２ｃ、１２２ｄは、両端に向かう空気の流れが端に集まらないように調整する。これにより、酸素含有ガスは、より均一に分散して第２導入板部１１８の下部に流れる。なお、板状の構造体１２０ａ、１２０ｂ及び板状構造物１２２ａ、１２２ｂ、１２２ｃ、１２２ｄは部品として、溶接などにより導入板１１０に固定されている。

供給孔部１２４は、開口部から流入した酸素含有ガスを第１セルスタック１０２ａ及び第２セルスタック１０２ｂに供給する。より詳細には、第２導入板部１１８における第１セルスタック１０２ａ及び第２セルスタック１０２ｂに対向する両側面に供給孔部１２４の複数の供給孔１２６が設けられている。供給孔１２６の直径は、例えば１ｍｍ程度である。これら複数の供給孔１２６は、整流構造部１２２よりも下部の位置に、積層方向に沿って設けられている。これにより、整流構造部１２２により分散された酸素含有ガスを第１セルスタック１０２ａ及び第２セルスタック１０２ｂの下部から供給可能となる。また、これらの複数の供給孔１２６が絞り要素となり、各供給孔１２６に酸素含有ガスが流れ込む過程において、酸素含有ガスの流れがさらに分散し、第１セルスタック１０２ａ及び第２セルスタック１０２ｂに対する酸素含有ガスによる予熱効率をさらに向上させる。

ここで、制御部４０の構成例をより詳細に説明する。制御部４０は、例えば熱電対２０ａの測定温度と、燃料電池モジュール１０内における第１セルスタック１０２ａ及び第２セルスタック１０２ｂの温度との関係を示す温度テーブルを記憶している。この制御部４０は、この温度テーブルを用いて、熱電対２０ａの測定温度に基づき、第１セルスタック１０２ａ及び第２セルスタック１０２ｂの温度、例えばセルスタックの最高温度、セルスタックの中央部温度などを推定する。そして、制御部４０は、推定した温度の少なくとも一つが所定の温度になるように送風部３０の送風量を制御する。なお、熱電対２０ｂは、導入板１１０内の中央部温度を測定するために用いられている。また、第１セルスタック１０２ａ及び第２セルスタック１０２ｂの積層方向の両端部には、燃料電池セル１０３の発電により生じた電流を収集して外部に引き出すための、ブスバーが配置されている。

高温の計測対象物を測定する方法として、絶縁被覆を施した熱電対を計測対象物に設置する方法も知られている。ところが、第１セルスタック１０２ａ及び第２セルスタック１０２ｂの内部に、絶縁被覆を施した熱電対を配置する隙間を構成するのは困難である。このため、絶縁被覆を施した熱電対を第１セルスタック１０２ａ及び第２セルスタック１０２ｂの内部に設置しようとすると、コスト増加となったり、設置に時間がかかったりする。

次に、第１実施形態の作用について説明する。

まず、酸素含有ガスの流れを説明する。制御部４０の制御により送風部３０は、収納容器１１２にガス配管２を介して酸素含有ガスを供給する。送風部３０から供給された酸素含有ガスは、収納容器１１２内のガス流路１１２ｃを経由して導入部材１１４に流入する。導入部材１１４に流入した酸素含有ガスは、順に、第１導入板部１１６、第２導入板部１１８の中流部に配置された邪魔構造部１２０の開口部に流入する。開口部に流入した酸素含有ガスは、整流構造部１２２で分散され下流端の供給孔部１２４から流出する。

供給孔部１２４から流出した酸素含有ガスは、第１セルスタック１０２ａ及び第２セルスタック１０２ｂの下端のセル入口において第１セルスタック１０２ａ及び第２セルスタック１０２ｂに供給されて、各燃料電池セル１０３の酸化剤極側のガス流路を介して酸化剤極に供給される。酸化剤極に到達した酸素含有ガスの一部は、上述の化学式１で示したように、燃料極から放出された電子を受け取ることで酸化物イオンとなる。酸化物イオンは、電解質を通して燃料極に移動する。燃料極に移動した酸化物イオンは、水素含有ガス中の水素および一酸化炭素と反応することで電子を発生させる。これにより、燃料電池セル１０３が発電する。

発電に用いられなかった余剰の酸素含有ガスは未反応ガスとして、第１セルスタック１０２ａ及び第２セルスタック１０２ｂのセル出口において排出されて、燃焼室１０４に流入する。燃焼室１０４に流入した酸素含有ガスは、燃焼室１０４に流入した未反応の水素含有ガスと反応して燃焼する。燃焼で生じた燃焼ガスは、収納容器１１２内の排気流路１１２ｄを通って収納容器１１２の外部に排出される。

次に、水素含有ガスの流れを説明する。改質器１０６にガス配管４を介して燃料として例えば天然ガスを供給する。改質器１０６は、不図示の水配管を介して供給された水を気化することで水蒸気を発生させ、発生した水蒸気を触媒で天然ガスと反応させることで水素含有ガスを生成する。生成された水素含有ガスは、ガス通流管を経由してマニホールド１０８に到達する。マニホールド１０８において、水素含有ガスは、セル入口から第１セルスタック１０２ａ及び第２セルスタック１０２ｂに供給され、各燃料電池セル１０３の燃料極側のガス流路を介して燃料極に供給される。燃料極に到達した水素含有ガスの一部は、上述の化学式１式で示したように、燃料極での反応によって電子を発生させる。発電に用いられなかった余剰の水素含有ガスは未反応ガスとして、燃焼室１０４において燃焼した後に排気流路１１２ｄを通って外部に排出される。

次に、熱の流れを説明する。導入部材１１４及び第１導入板部１１６に流入した酸素含有ガスは、先ず、燃焼室１０４内を通ることで、輻射や熱交換によって燃焼室１０４内の燃焼ガスの熱を吸収する。熱を吸収することで、酸素含有ガスは予熱される。このとき、導入部材１１４及び第１導入板部１１６の外形幅がセルスタックの外形幅より小さいことで、第１セルスタック１０２ａ及び第２セルスタック１０２ｂから排出される未反応ガスが同一の燃焼室１０４内で燃焼する。これにより、容積がより大きな燃焼室１０４内において、第１セルスタック１０２ａ及び第２セルスタック１０２ｂから排出された余剰の酸素含有ガスと水素含有ガスとが十分に混合されて良好に燃焼する。さらに、燃焼室１０４内を通過する導入部材１１４及び第１導入板部１１６の外形幅がセルスタックの外形幅より小さいことで、燃焼室１０４からの吸熱量を低減することができ、燃焼温度が高くなり、良好に燃焼する。
セルスタック酸素含有ガスと水素含有ガスとがより効率的に燃焼するので、各燃料電池セル１０３が十分に加熱され、燃料電池セル１０３の発電効率が向上する。また、酸素含有ガスと水素含有ガスとがより効率的に燃焼するので、改質器１０６も十分に加熱され水素含有ガスをより効率的に生成可能となる。さらにまた、第１導入板部１１６の外形幅がセルスタック１０２ａ、１０２ｂの外形幅より狭いことで、酸素含有ガスの流れがセルスタック１０２ａ、１０２ｂの積層方向の中央に集中し、セルスタック１０２ａ、１０２ｂを均一に冷却可能となる。

次に、図４に基づき、制御処理の一例を説明する。図４は、温度センサ２０に基づく制御処理例を示すフローチャートである。ここでは、邪魔構造部１２０の端部に配置された熱電対２０ａのみを利用した酸素含有ガスの流量制御を説明する。また、水素含有ガスの流量が毎分２リットルであり、水の供給流量が毎分４．８シーシーであり、スタック電流が１０．８アンペアである場合に関して説明する。

先ず、制御部４０は、熱電対２０ａにより計測された温度を取得する（ステップＳ１００）。制御部４０は、計測した温度に基づき、温度変換テーブルを用いて第１セルスタック１０２ａ及び第２セルスタック１０２ｂの推定温度として、例えば第１セルスタック１０２ａ及び第２セルスタック１０２ｂの最高温度を取得する。

次に、制御部４０は、推定温度が目標温度、例えば７３５〜７４５℃よりも低いか否かを判定する（ステップＳ１０２）。制御部４０は、低いと判定した場合（ステップＳ１０２のＹＥＳ）には、送風部３０からの酸素含有ガスの供給量を減少させる（ステップＳ１０４）。一定時間経過後に、制御部４０は、発電を終了するか否かを判定し（ステップＳ１０８）、終了しない場合（ステップＳ１０８のＮＯ）に、ステップＳ１００からの処理を繰り返す。一方で、終了する場合（ステップＳ１０８のＹＥＳ）に、全体処理を終了する。

一方で、制御部４０は、推定温度が目標温度以上であった場合（ステップＳ１０２のＮＯ）には、送風部３０からの酸素含有ガスの供給量を増加させ、（ステップＳ１０４）。一定時間経過後に、ステップＳ１０８の処理を行う。このように、制御部４０は、温度センサ２０の温度に基づき酸素含有ガスの供給量を制御することで、第１セルスタック１０２ａ及び第２セルスタック１０２ｂの温度が目標温度、例えば最高温度が７３５〜７４５℃になるように制御する。

図５は、各実施形態における導入板内の両端部の端部温度、セルスタック１０２ａ、１０２ｂの最高温度、導入板内の中央部の中央部温度、導入板内の下端部の下端温度を示す図である。図５は、水素含有ガスの流量が毎分２リットルであり、酸素含有ガスの流量が毎分４２リットルであり、水の供給流量が毎分４．８シーシーであり、スタック電流が１０．８アンペアである場合の温度である。本実施形態に係る導入板１１０内の両端部の端部温度は６９０℃であり、セルスタックの最高温度は７６８℃であり、導入板１１０内の中央部の中央温度は６７５℃であり、導入板１１０内の下端温度は６５５℃であった。なお、端部温度は熱電対２０ａで測定され、最高温度は不図示の熱電対で測定され、中央温度は熱電対２０ｂで測定され、下端温度は熱電対２０ｃ（例えば図６）で測定されたものである。

この図５に示すように、酸素含有ガスの流量が毎分４２リットルである場合、スタック最高温度は７６８度であるが、酸素含有ガスの流量を制御することにより、７３５〜７４５℃の間に制御されている。このように、制御部４０が、邪魔構造部１２０の端部に配置された熱電対２０ａの温度に基づき、送風部３０からの酸素含有ガスの供給量を制御することにより、セルスタック１０２ａ、１０２ｂの温度を所定値に制御可能となる。

以上述べたように、本実施形態によれば、邪魔構造部１２０が熱電対２０ａをガイドする事によって、熱電対がクリープ現象によって重力に負けて垂れ下がっても、温度計測部である熱電対２０ａの先端の位置を固定する事ができる。また、温度センサ２０を邪魔構造部１２０の端部に配置することで、セルスタック１０２ａ、１０２ｂからの輻射熱を受けた導入板１１０の温度を計測可能となる。これにより、セルスタック１０２ａ、１０２ｂから絶縁距離がとられている導入板１１０の内部に温度センサ２０を配置しても、セルスタック１０２ａ、１０２ｂの温度、例えば最高温度を推定することができる。これにより、第１セルスタック１０２ａ及び第２セルスタック１０２ｂの温度をより高精度に制御可能である。

温度センサ２０を邪魔構造部１２０の端部に配置することで、導入板１１０の上部から温度センサ２０を配置する際の操作性が向上する。特に、邪魔構造部１２０が開口部から両端部に向かうに従い下降するように構成されているので、第１導入板部１１６から温度センサ２０を挿入する際の操作性を向上させている。このように、温度センサ２０を邪魔構造部１２０の端部に配置することで、セルスタック１０２ａ、１０２ｂからの輻射熱を受けた導入板１１０の温度を計測可能とすると共に、導入板１１０の上部から温度センサ２０を配置する際の操作性も向上させている。

第１導入板部１１６の外形幅をセルスタック１０２ａ、１０２ｂの外形幅より小さくすることで、燃焼室１０４における未反応ガスの燃焼性を向上でき、また、燃焼室１０４の冷却を抑制できる。また、邪魔構造部１２０により酸素含有ガスの流れを積層方向の中央に集中させることで、セルスタック１０２ａ、１０２ｂの積層方向の中央部の温度を抑制できるので、セルスタック１０２ａ、１０２ｂを高耐久化させることができる。

また、供給孔部１２４を酸素含有ガスの流量に対して小さな複数個の供給孔１２６によって構成することとした。これにより、複数の供給孔１２６が絞り要素となり、酸素含有ガスの流れがさらに分散しやすくなり、酸素含有ガスによるセルスタック１０２ａ、１０２ｂ全体の予熱効率がさらに向上する。

（第２実施形態）
第２実施形態に係る伝導板は、内端部が屈曲した邪魔構造部１２８と、凹部形状の整流構造部１３２ａとを備えることで、第１実施形態に係る燃料電池システム１と相違する。ここでは、第１実施形態と相違する点について説明する。

図６は、第２実施形態に係る導入板１１０の構成例を示す模式図である。図６に示すように、実施形態に係る邪魔構造部１２８は、第２導入板部１１８の内部空間に配置され、中央部に酸素含有ガスを下部側に流通させる開口部を有し、第２導入板部１１８の積層方向の両端部まで延びる２つの板状の構造体１２８ａ、１２８ｂと、開口部において、下流側に屈曲している内端部１３０ａ、１３０ｂとを有する。より具体的には、邪魔構造部１２８の開口部における内端部１３０ａ、１３０ｂは、邪魔構造部１２８の他の部分に対して下流側に９０°屈曲している。

図６に示すように、凹部形状の整流板１３２ａは、中央に集中した酸素含有ガスの流れを受けるように、開口部に面する位置において下流側に凹入している。このように、整流構造部１３２ａ、１３２ｃ、１３２ｄは、邪魔構造部１２８の内端部１３０ａ、１３０ｂとの間に、蛇行する流路を形成している。この流路は、最も高温のセルスタック１０２ａ、１０２ｂの中央付近において、邪魔構造部１２８によって中央に集中した酸素含有ガス４を蛇行させる。

図５に示すように、第２実施形態に係る燃料電池モジュール１０の端部温度は７３１℃であり、最高温度は７７３℃であり、中央温度は６６３℃であり、第１実施形態に係る燃料電池モジュール１０よりも最高温度と端部温度との温度差が狭まっている。これは、上記したように、セルスタック１０２ａ、１０２ｂの中央付近で空気が蛇行する冷却効果が第１実施形態に係る燃料電池モジュール１０よりも大きいためだと考えられる。また、下端温度７１２℃が導入板１１０内の中央温度６６３℃よりも高くなっている。これも、上記したように、セルスタック１０２ａ、１０２ｂの中央付近で空気が蛇行する冷却効果が第１実施形態に係る燃料電池モジュール１０よりも大きいためだと考えられる。

本実施形態によれば、酸素含有ガスを蛇行させることにより、セルスタック１０２ａ、１０２ｂの中央部で酸素含有ガスが予熱される時間、すなわちセルスタック１０２ａ、１０２ｂの中央部が冷却される時間は長くなる。これにより、酸素含有ガスの予熱を更に促進させることができ、また、セルスタック１０２ａ、１０２ｂの中央部の温度を更に抑制できる。したがって、本実施形態によれば、発電効率を更に向上できるとともに、セルスタック１０２ａ、１０２ｂを更に高耐久化できる。
（第３実施形態）
図７は、第３実施形態に係る導入板１１０の構成例を示す模式図である。第３実施形態に係る整流構造部１３６ｂ、ｃは、第２実施形態の整流構造部１３２ｂ、ｃ（図６）に対して、積層方向の内方および下流側に直線状に延びている点が異なる。

図５に示すように、第３実施形態に係る燃料電池モジュール１０の端部温度は７０６℃であり、最高温度は７５３℃であり、中央温度は６６２℃であり、最高温度と端部温度との温度差が、第２実施形態に係る燃料電池モジュール１０とほぼ同等である。また、第２実施形態に係る燃料電池モジュール１０と同様に、下端温度６８５℃が中央温度６６２℃よりも高くなっている。これも、上述のように、セルスタック１０２ａ、１０２ｂの中央付近で空気が蛇行する冷却効果が第１実施形態に係る燃料電池モジュール１０よりも大きいためだと考えられている。

本実施形態によれば、整流構造部１３６ｂ、ｃの形状が屈曲していない滑らかな直線状であるため、整流構造部１３６ｂ、ｃを低コストで製造できるとともに、酸素含有ガスの圧損を抑制できる。圧損を抑制することで、酸素含有ガスを送り込む送風部３０（図１）の消費電力を削減でき、燃料電池システム１全体としての発電効率を更に向上できる。

（第４実施形態）
図８は、第４実施形態に係る導入板１１０の構成例を示す模式図である。第４実施形態に係る供給孔部１２４の供給孔１２６ｂの内径の大きさを変更した点で、第３実施形態の供給孔部１２４と相違する。すなわち、第３実施形態の燃料電池モジュール１０に対して、中央側の複数の供給孔１２６ｂの内径がそれ以外の供給孔１２６ａの内径より大きい点が異なる。

図５に示すように、積層方向中央のセルに多くの空気が供給されるが、第３実施形に係る燃料電池モジュール１０と同等の蛇行流路を備えているため、下端温度は６７７℃と第３実施形に係る燃料電池モジュール１０と同程度であり、下端温度６７７℃は中央温度６３７℃よりも高くなっている。これも、上記したように、セルスタック１０２ａ、１０２ｂの中央付近で空気が蛇行する冷却効果が第１実施形態に係る燃料電池モジュール１０よりも大きいためだと考えられる。

第４実施形態によれば、内径が大きい積層方向の中央側の供給孔１２６ｂは、積層方向の中央の燃料電池セル１０３により多くの酸素含有ガスを供給できる。したがって、第４実施形態によれば、セルスタック１０２ａ、１０２ｂの積層方向の中央部の温度を更に抑制できるので、第３の実施形態と比べて更に高耐久化できる。また、供給孔の内径が大きいことで圧損を低減できるので、酸素含有ガスを送り込む送風部３０の消費電力を削減でき、燃料電池システム１全体としての発電効率を更に向上できる。

（第５実施形態）
図９は、第５実施形態に係る導入板１１０の構成例を示す模式図である。第５実施形態に係る燃料電池モジュール１０は、第４実施形態に係る燃料電池モジュール１０に対して、邪魔構造部１３８の構造物１３８ａ、１３８ｂおよび整流構造部１３２ａ、１４０ａ、１４０ｂがプレス加工によって隔壁と一体成形されている点が異なる。なお、プレス加工は、２つの隔壁の一方および双方のいずれに行ってもよい。すなわち、導入板１１０は、一対の板状部材を有し、邪魔構造部１３８の構造物１３８ａ、１３８ｂ及び整流構造部１３２ａ、１４０ａ、１４０ｂの少なくとも一部は、一対の板状部材の少なくとも一方の板状部材から他方の板状部材に突出しかつ接触するように構成されている。また、プレス加工しやすいように、整流構造部１４０ａ、１４０ｂは円形をしている。

図５に示すように、第５実施形態に係る燃料電池モジュール１０の端部温度は７１４℃であり、最高温度は７８６℃であり、中央温度は７１１℃であり、端部温度のほうが中央温度よりも、最高温度に近くなっている。第４実施形態に係る燃料電池モジュール１０と同様に、下端温度７２５℃が中央温度７１１℃よりも高くなっている。これは、上述したように、セルスタック１０２ａ、１０２ｂの中央付近で空気が蛇行する冷却効果が第１実施形態に係る燃料電池モジュール１０よりも大きいためだと考えられている。

本実施形態によれば、円形の整流構造部１４０ａ、１４０ｂにより、空気の流れが集中し、下流では分散する。圧損を低減できるので、酸素含有ガスを送り込む送風部３０の消費電力を削減でき、燃料電池システム１全体としての発電効率を更に向上できる。また、円形の整流構造部１４０ａ、１４０ｂは、熱応力や高温化における耐久性も優れており、導入板１１０を熱変形させにくく、セルスタック１０２ａ、１０２ｂに導入板１１０が接触して、セルスタック１０２ａ、１０２ｂが劣化するリスクをより小さくできる。

また、邪魔構造部１３８の構造物１３８ａ、１３８ｂおよび整流構造部１３２ａ、１４０ａ、１４０ｂをプレス成形体とすることで邪魔構造部１３８の構造物１３８ａ、１３８ｂおよび整流構造部１３２ａ、１４０ａ、１４０ｂを溶接する場合に比べて、導入板１１０を安価に製造できる。また、導入板１１０全体を同一の材料により構成されるので、より熱応力や高温化における耐久性が優れている。

（第６実施形態）
図１０は、第６実施形態に係る導入板１１０の構成例を示す模式図である。第６実施形態に係る燃料電池モジュール１０は、第５実施形態に係る燃料電池モジュール１０に対して、Ｌ字形状の補強部材１４２、１４４を更に有する点で相違する。Ｌ字形状の補強部材１４２、１４４は導入板１１０の中流部と下流部の表面と裏面との計４つ溶接されている。上側のＬ字形状の補強部材１４２はセルスタック１０２ａ、１０２ｂの上端よりも低い位置に溶接されている。また、下側のＬ字形状の補強部材１４４は供給孔１２６を塞がないように、供給孔１２６よりも上に溶接されている。導入板１１０はセルスタック１０２ａ、１０２ｂの積層方向の中心に対して左右対称構造を有し、導入板１１０の厚さ方向の中心に対しても対称な構造を有している。

本実施形態によれば、Ｌ字形状の補強部材１４２、１４４が溶接されているため、導入板１１０が熱応力により曲がることを抑制できる。これにより、導入板１１０の変形によるセルスタック１０２ａ、１０２ｂとの短絡を抑制でき、セルスタック１０２ａ、１０２ｂが高耐久化できる。なお、補強部材１４２、１４４の溶接箇所は９０度に曲がっている箇所を導入板１１０と溶接する事によって、補強部材１４２、１４４が曲がりにくくなり、さらに導入板１１０も曲がりにくくしている。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施することが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１：燃料電池システム、１０：燃料電池モジュール、２０：温度センサ、３０：送風部、４０：制御部、１０２ａ：第１セルスタック、１０２ｂ：第２セルスタック、１０３：燃料電池セル、１０４：燃焼室、１０６：改質器、１０８：マニホールド、１１０：導入板、１１２：収納容器、１１４：導入部材、１１６：第１導入板部、１１８：第２導入板部、１２０：邪魔構造部、１２２：整流構造部、１２４：供給孔部、１２６、１２６ａ、１２６ｂ：供給孔、１４２、１４４：Ｌ字形状の補強部材

Claims (14)

1. 第１方向に向けて燃料ガスが流通する燃料極側の燃料ガス流路と、前記第１方向に向けて酸素含有ガスが流通する酸化剤極側の酸素含有ガス流路とを有する燃料電池セルを複数積層した第１セルスタックと、
   前記第１セルスタックの前記燃料ガス流路及び前記酸素含有ガス流路それぞれの下流側から排出された未反応ガスを燃焼させ、燃焼ガスを生成する燃焼室と、
   前記燃焼室内の前記燃焼ガスの下流側に配置され、炭化水素系の原料を改質して前記燃料ガスを生成する改質器と、
   前記燃焼室内を経由する流路を介して導入した酸素含有ガスを、前記酸素含有ガス流路それぞれの上流側に導入する中空の構造体であって、前記第１セルスタックにおける前記燃料電池セルの積層方向の側面に配置される導入板と、
   前記導入板の内部に配置された温度センサと、を備え、
   前記導入板は、前記導入板の内部に、前記積層方向の中央部側からそれぞれ前記積層方向の両端部に接するまで延びる複数の板状の邪魔構造部を有し、
   前記温度センサは、前記導入板の前記積層方向の端部側であり、前記邪魔構造部の上面に配置される、燃料電池モジュール。
2. 前記板状の邪魔構造部の前記中央部側は、前記積層方向の端部より前記燃料ガスの上流側に配置される、請求項１に記載の燃料電池モジュール。
3. 前記導入板は、
   前記邪魔構造部の前記積層方向の中央部に形成される開口部から流入する前記酸素含有ガスの流れを分散させる整流構造部を更に有する、請求項１又は２に記載の燃料電池モジュール。
4. 前記整流構造部は、外周面が曲面である構造部を有する、請求項３に記載の燃料電池モジュール。
5. 前記第１方向に向けて燃料ガスが流通する燃料極側の燃料ガス流路と、前記第１方向に向けて酸素含有ガスが流通する酸化剤極側の酸素含有ガス流路とを有する燃料電池セルを前記第１セルスタックの積層方向に沿って複数積層し、前記第１セルスタックと並列に配置された第２セルスタックを更に備え、
   前記燃焼室は、前記第１セルスタックの前記燃料ガス流路及び前記酸素含有ガス流路それぞれの下流側から排出された未反応ガスと、前記第２セルスタックの前記燃料ガス流路及び前記酸素含有ガス流路それぞれの下流側から排出された未反応ガスとを、同一空間内で燃焼させ、
   前記導入板は、
   外形幅が前記第１セルスタック及び前記第２セルスタックの前記積層方向の幅よりも狭く、前記燃焼室内に配置され、前記酸素含有ガスを導入する第１導入板部と、
   外形幅が前記第１セルスタック及び前記第２セルスタックの前記積層方向の幅に対応し、前記第１セルスタック及び前記第２セルスタックの対向する側面間に配置され、前記積層方向の前記中央部の前記第１方向側において前記第１導入板部から前記酸素含有ガスが導入される第２導入板部と、を更に有し、
   前記第２導入板部内に前記邪魔構造部及び前記整流構造部が構成されている、請求項３又は４に記載の燃料電池モジュール。
6. 前記邪魔構造部は、前記開口部において下流側に屈曲し、
   前記整流構造部は、前記開口部の下流側に配置された凹部の形状である、請求項５に記載の燃料電池モジュール。
7. 前記導入板は、一対の板状部材を有し、前記邪魔構造部及び整流構造部の少なくとも一部は、一対の板状部材の少なくとも一方の板状部材から他方の板状部材に突出しかつ接触する、請求項５又は６に記載の燃料電池モジュール。
8. 前記導入板は、前記開口部から流入した前記酸素含有ガスを前記第１セルスタック及び前記第２セルスタックに供給する供給孔部を更に有し、
   前記供給孔部が有する複数の供給孔は、前記第２導入板部における前記第１セルスタック及び前記第２セルスタックに対向する両側面の前記整流構造部よりも前記酸素含有ガスの下流側の位置に、前記積層方向に沿って設けられている、請求項５乃至７のいずれか一項に記載の燃料電池モジュール。
9. 前記供給孔のち前記第２導入板部における中央部の供給孔の内径は、前記第２導入板部における端部側の供給孔の内径よりも大きい請求項８に記載の燃料電池モジュール。
10. 前記導入板と、前記第１セルスタック及び前記第２セルスタックの前記積層方向に沿った側面間に配置されたＬ字形状の補強部材を更に備える、請求項５乃至９のいずれか一項に記載の燃料電池モジュール。
11. 前記第１セルスタック及び前記第２セルスタックを前記第１方向側の面に配置し、ガス配管を介して前記改質器から供給された前記燃料ガスを前記第１セルスタック及び前記第２セルスタックの燃料ガス流路それぞれの上流側から供給するマニホールドを更に備える、請求項５乃至１０のいずれか一項に記載の燃料電池モジュール。
12. 前記第１セルスタック、前記第２セルスタック、前記燃焼室、前記改質器、前記導入板、前記温度センサ、及び前記マニホールドを内包し、
    内壁の上面の中央部より前記第１方向の反対側に延びる導入部材を介して前記第１導入板部に前記酸素含有ガスを導入する収納容器を更に備える請求項１１に記載の燃料電池モジュール。
13. 請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の燃料電池モジュールと、
    前記導入板に酸素含有ガスを送風する送風部と、
    前記温度センサの測定温度に基づき、前記送風部を制御する制御部と、を備える燃料電池システム。
14. 前記制御部は、前記測定温度に基づき、第１セルスタックの温度を推定する、請求項１３に記載の燃料電池システム。

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