JP7016789B2 - 燃料電池モジュールおよび燃料電池装置 - Google Patents

Description

本開示は、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、燃料ガス（水素含有ガス）と空気（酸素含有ガス）とを用いて電力を得ることができる燃料電池セルを備えるセルスタック装置が収納装置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。

燃料電池モジュールは、収納容器内にセルスタック装置が収納された構成であり、セルスタック装置に酸素含有ガスを供給するための流路および外部へと排気ガスを排出するための流路のすべてが、予め収納容器内に形成されている（たとえば、特許文献１参照）。

特開２０１２－２８０９９号公報

本開示の一つの態様の燃料電池モジュールは、収納容器と、該収納容器内に設けられた収納室に収納され、燃料ガスと酸素含有ガスとで発電を行なう複数の燃料電池セルが配列され、互いに電気的に接続されてなるセルスタックと、を備える。前記収納容器は、前記酸素含有ガスが流れる第１ガス流路と、該第１ガス流路と隣接して配設され、前記収納室より排出される排ガスが流れる第２ガス流路と、前記第１ガス流路と前記第２ガス流路とを区画する流路区画部と、を備える。該流路区画部が前記第１ガス流路内部および前記第２ガス流路内部に向かってそれぞれ凸となる凸部を有し、前記第１ガス流路内部に向かって凸となる凸部と、前記第２ガス流路内部に向かって凸となる凸部とが、互いにずれた位置に設けられ、前記第１ガス流路および前記第２ガス流路は、前記凸部に沿って蛇行する蛇行流路とされる。

また、本開示の一つの態様の燃料電池装置は、上記の燃料電池モジュールと、該燃料電池モジュールを作動させるための補機と、前記燃料電池モジュールおよび前記補機を収容する外装ケースとを備える。

本実施形態の燃料電池モジュール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一例を示す分解斜視図である。 他の実施形態の燃料電池モジュールの一例を示す断面図である。 さらに他の実施形態の燃料電池モジュールの一例を示す断面図である。 さらに他の実施形態の燃料電池モジュールの一例を示す断面図である。 さらに他の実施形態の燃料電池モジュールの一例を示す上部拡大断面図である。 さらに他の実施形態の燃料電池モジュールの一例を示す断面図である。 さらに他の実施形態の燃料電池モジュールの一例を示す断面図である。 さらに他の実施形態の燃料電池モジュールの一例を示す断面図である。 さらに他の実施形態の燃料電池モジュールの一例を示す断面図である。 さらに他の実施形態の燃料電池モジュールの一部を抜粋した一例を示す側面図である。 さらに他の実施形態の燃料電池モジュールの一部を抜粋した他の一例を示す側面図である。 さらに他の実施形態の燃料電池モジュールの一部を抜粋したさらに他の一例を示す断面図である。 さらに他の実施形態の燃料電池モジュールの一部を抜粋したさらに他の一例を示す側面図である。 さらに他の実施形態の燃料電池モジュールの一部を抜粋したさらに他の一例を示す、図１３Ｂとは異なる視点の側面図である。 本実施形態の燃料電池装置の一例を示す透過斜視図である。

本実施形態の燃料電池モジュールは、収納容器内部の収納室内に、燃料ガスと酸素含有ガスとで発電を行なう複数の燃料電池セルが、互いに電気的に接続されてなるセルスタックを収納して構成されている。

図１は、本実施形態の一例を示す燃料電池モジュール１の断面図であり、図２は、燃料電池モジュール１の分解斜視図である。

図１，２に示すセルスタック装置１０は、内部を燃料ガスが一端から他端に流通するガス流路を有する中空平板型の柱状の燃料電池セル３を立設させた状態で一列に配列し、配列方向に隣接する燃料電池セル３間が導電部材を介して電気的に直列に接続されている。燃料電池セル３の下端は絶縁性接着材でマニホールド９に固定してなる一列のセルスタック４が配設されている。なお、燃料電池セル３としては、柱状のものであればよく、例えば円筒型や横縞型にも適用できる。

セルスタック４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１８が配置されてセルスタック装置１０とされ、収納容器２内に収納されている。

改質器１８は、原燃料供給管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１８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であってもよい。改質器１８は、水を気化させるための気化部１８ａと、原燃料を燃料ガスに改質するための改質触媒が配置された改質部１８ｂとを備えている。

収納容器２は、一面が開口した箱体２１と、箱体２１の開口２１ａを塞ぐ蓋体２２とからなる。本実施形態では、箱体２１は、直方体形状であり、直方体の６面のうち、最も面積の大きな一対の面の一方の面が開口している。開口２１ａに対向する他方の面２１ｂが、箱体２１の底面２１ｂであり、その他の４つの面が箱体２１の側面である。

燃料電池モジュール１は、その動作時において、図２に示すように、セルスタック４の下方にマニホールド９が位置し、セルスタック４の上方に改質器１８が位置する。セルスタック４の燃料電池セル３の配列方向側から見たとき、箱体２１の開口２１ａと底面２１ｂとは、それぞれ左右方向、すなわち側方に位置する。また、蓋体２２は、開口２１ａを塞ぐので、動作時には、蓋体２２と底面２１ｂとが、それぞれ側方に位置することになる。

本実施形態の燃料電池モジュール１においては、改質器１８とセルスタック４（燃料電池セル３）との間に燃焼部２０が設けられている。燃料電池セル３において発電に使用されなかった燃料ガスを燃焼部２０で燃焼させることにより、改質器１８の温度、収納容器２内の温度を効率よく上昇させることができる。

燃料電池モジュール１における酸素含有ガスおよび排ガスの流れについて、それぞれの流路の構成とともに説明する。本実施形態では、酸素含有ガスは、燃料電池モジュール１の外部に存在する空気である。この空気を外部から燃料電池モジュール内へと供給するための管状の導入部２３が蓋体２２の外表面に設けられている。

蓋体２２は、酸素含有ガスおよび収納室１１より排出される排ガスのうちいずれか一方のガスが流れる第１ガス流路２４を備えている。また本実施形態においては、さらに第１ガス流路２４と隣接して配設され、酸素含有ガスおよび排ガスのうちいずれか他方のガスが流れる第２ガス流路２５を備えている。なお、後述する第２断熱材４１を第１ガス流路２４と隙間を空けて配置することで、第２ガス流路２５に代えて該隙間を酸素含有ガスおよび排ガスのうちいずれか他方のガスが流れる第５ガス流路とすることもできる。なお、本実施形態においては、外方側に設けられるガス流路を第１ガス流路２４とし、第１ガス流路２４には、酸素含有ガスである空気が流れる。また、内方側、すなわち箱体２１側に設けられるガス流路を第２ガス流路２５とし、第２ガス流路２５には、排ガスが流れる。なお、図において、蓋体２２の外側（外面側）に第１ガス流路２４、内側（箱体２１側）に第２ガス流路２５を設けた例を示しているが、第１ガス流路と第２ガス流路とを蓋体２２の外側（外面側）または、蓋体２２の内側（箱体２１側）に設けた構成とすることもできる。

本実施形態において、蓋体２２は、箱体２１の開口２１ａを塞ぐための平板状の蓋体本体２２ａと、蓋体本体２２ａの、外方に臨む外面側に設けられ、第１ガス流路２４を規定する第１流路部材２４ａと、箱体２１に臨む内面側に設けられ、第２ガス流路２５を規定する第２流路部材２５ａと、によって構成されている。第１流路部材２４ａおよび第２流路部材２５ａは、いずれも略矩形板状の部材であり、４辺において、第１流路部材２４ａの第１面（一方の主面）２４ａａ側および第２流路部材２５ａの第１面（一方の主面）２５ａａ側に流路幅分だけ立設する部分が設けられている。立設する４辺部分を蓋体本体２２ａの内面または外面に接合することにより、蓋体本体２２ａと第１流路部材２４ａとの間隙が第１ガス流路２４となり、蓋体本体２２ａと第２流路部材２５ａとの間隙が第２ガス流路２５となる。つまり本実施形態において、蓋体本体２２ａが第１ガス流路２４と第２ガス流路２５とを区画する流路区画部である。

本実施形態の燃料電池モジュール１では、平板状の蓋体本体２２ａに、第１流路部材２４ａと第２流路部材２５ａを、間隙を設けるように重ね合わせて接合することにより、容易に空気の流路と排ガスの流路とを形成することができる。また、蓋体２２に、ガス流路を設けたことにより、箱体２１に設けられるガス流路を少なくすることができ、箱体２１の構成を簡単な構成とすることができる。

本実施形態では、空気を導入するための導入部２３は、第１ガス流路２４に連通されている。導入部２３は、例えば、蓋体２２の下方端部に設けられ、導入部２３から導入された空気は、第１ガス流路２４を下方から上方に向かって流れる。なお、第１ガス流路２４を蛇行流路にすることもできる。そして、第１ガス流路２４の上方端部において、収納容器２の内部、すなわち蓋体２２よりも内方に空気を流入させるために、蓋体本体２２ａの上方端部には、厚み方向（左右方向）に貫通する孔、スリットなどの流入口２２ｂが設けられる。本実施形態においては、流入口２２ｂとして、セルスタック４の燃料電池セル３の配列方向に沿って並列に配置された複数の貫通孔が設けられている。複数の貫通孔を設けた構成とすることによって、機械的強度の低下を抑制し、十分な量の空気を蓋体２２よりも内方に流入させることができる。

流入口２２ｂから収納容器２の内部に流入した空気は、改質器１８の上方において、箱体２１内に形成された第３ガス流路２６を介して、改質器１８、セルスタック４を越えて箱体２１の底面側へと流れる。なお、第３ガス流路２６は、箱体２１の内側面のうち、改質器１８に対向する内側面、すなわち動作時に上部に位置する内側面に平行な板状部材からなる第３流路部材２６ａによって規定される。

第３ガス流路２６は、流れ方向下流側であって、改質器１８およびセルスタック４と底面２１ｂとの間の位置において、酸素含有ガス導入板２７に接続される。酸素含有ガス導入板２７は、例えば、２つの板状部材を、隙間を空けて外周を接合したものであって、第３ガス流路２６と連通する部分とセルスタック４に対して酸素含有ガスである空気を供給するための酸素含有ガス導入口２７ａのみが開放され、それ以外は閉塞されている。

第３ガス流路２６は、燃料電池セル３の長手方向一端側である上方側に設けられており、導入部２３および酸素含有ガス導入口２７ａは、燃料電池セル３の長手方向他端側である下方側に設けられている。

酸素含有ガス導入板２７は、第３流路部材２６ａに設けられた連通孔２６ｂにおいて、第３ガス流路２６と接続され、第３ガス流路２６を流れる空気が連通孔２６ｂを通って、酸素含有ガス導入板２７内に流入する。

本実施形態では、第３ガス流路２６は、第１ガス流路２４から酸素含有ガス導入板２７までを接続する主流路部分２６ｃと、酸素含有ガス導入板２７と主流路部分２６ｃとが接続する位置からさらに箱体２１の底面２１ｂ側へと延びる延設部分２６ｄとを有している。なお、延設部分２６ｄを設けずに、第３ガス流路２６が、主流路部分２６ｃのみで構成されるようにしてもよい。

酸素含有ガス導入板２７に流入した空気は、箱体２１の底面２１ｂに沿って下方に向かって流れ、流れ方向下流端部に設けられた酸素含有ガス導入口２７ａから吐出され、セルスタック４の燃料電池セル３間に供給される。酸素含有ガス導入板２７の下端は、マニホールド９にまで延設されており、酸素含有ガス導入口２７ａから吐出された空気は、セルスタック４の、マニホールド９に固定された下方端部付近に供給される。酸素含有ガス導入板２７の下端が、マニホールド９にまで延設されていることで、酸素含有ガス導入板２７が熱により変形したとしても、マニホールド９に当接するためそれ以上の変形を抑制することができる。さらに、酸素含有ガス導入板２７の下端は、あらかじめマニホールド９の縁部に当接させるように構成してもよい。これにより、熱等に起因する酸素含有ガス導入板２７の変形や移動をより抑制できるとともに、当接するマニホールド９の位置を、より確実に固定することができるようになる。したがって、本実施形態の燃料電池モジュール１は、輸送等を行っても、セルスタック装置１０がしっかり固定され、振動や揺れ等による移動が防止されている。

燃料電池セル３間に供給された空気は、燃料電池セル３において、改質器１８からマニホールド９を介して供給される燃料ガスとともに発電反応に供され、各燃料電池セル３において発電される。

発電反応で使用されなかった燃料ガスと空気とは、セルスタック４と改質器１８との間の燃焼部２０において、例えば、着火ヒータなどの着火装置によって着火して燃焼され、高温の排ガスを生じる。排ガスは、第２流路部材２５ａの上方に設けられた連通孔２５ｂを介して第２ガス流路２５に流入し、蓋体本体２２ａに沿って下方に流れる。前述のように、外部から流入した空気は、第１ガス流路２４を上方に向かって流れ、排ガスは、第１ガス流路２４に隣接する第２ガス流路２５を下方に向かって流れ、この間に蓋体本体２２ａを挟んで比較的低温の空気と比較的高温の排ガスとの間で熱交換され、空気が暖められるとともに排ガスが冷却される。

熱交換された排ガスは、第２ガス流路２５の下流端部である下方側端部において、第１ガス流路２４の流れ方向に直交するように第１ガス流路２４を横切る排出部３１を介して第１ガス流路２４の外方へと排出される。

排出部３１から排出された排ガスは、熱交換器に供給される。熱交換器では、外部より供給される水とで熱交換を行い、加熱された湯水は例えば給湯装置に利用され、排ガスを熱交換することにより生じる凝縮水は、その後改質器１８での水蒸気改質に再利用される。なお、本実施形態では、第１ガス流路２４のさらに外方に第４ガス流路３２が設けられており、排出部３１から排出された排ガスは、第４ガス流路３２に流入し、第４ガス流路３２に沿って上方に流れる。第４ガス流路３２には、例えば、燃焼部２０でも燃焼されなかった未燃焼ガスを燃焼させるための燃焼触媒を配置し、未燃焼ガスが燃料電池モジュール１から外部へと排出されないようにすることもできる。第４ガス流路３２は、第１ガス流路２４、第２ガス流路２５と同様に、第４流路部材３２ａによって規定される。

第４ガス流路３２に沿って上方に流れた排ガスは、第４ガス流路３２の下流側端部である上方側端部において、熱交換器との接続管３３と連通し、接続管３３を介して熱交換器に供給される。

また収納容器２内には、燃料電池モジュール１内の熱が極端に放散され、燃料電池セル３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１内の温度を高温に維持するための断熱材が適宜設けられている。

第１断熱材４０は、箱体２１の底面２１ｂと酸素含有ガス導入板２７との間に、底面２１ｂ全体を覆うように設けられる。第２断熱材４１は、セルスタック４と第２ガス流路２５の第２流路部材２５ａとの間に設けられる。第３断熱材４２は、動作時にマニホールド９の下方側となる位置に設けられる。図１に示すように、セルスタック４は、動作時に左右側および下方側となる位置に設けられた第１断熱材４０、第２断熱材４１および第３断熱材４２によって三方を囲まれ、さらに、上方には、燃焼部２０が設けられるので、熱の放散による燃料電池セル３の温度低下が抑制される。

さらに、酸素含有ガス導入板２７とセルスタック４との間には、セルスタック４の配列方向に沿って延びる帯状の第４断熱材４３ａが、上下に間隔を空けて２本平行に配置されている。酸素含有ガス導入板２７のセルスタック４に対向する面には、第４断熱材４３ａを固定するための断熱材固定部材２７ｂが取り付けられており、第４断熱材４３ａはこの断熱材固定部材２７ｂにより、高さ位置が位置決めされている。また、第２断熱材４１とセルスタック４との間にも、帯状の第４断熱材４３ｂが、上下に間隔を空けて２本平行に配置されている。第２断熱材４１のセルスタック４に対向する面には、溝状凹部４１ａが設けられており、第４断熱材４３ｂはこの溝状凹部４１ａに嵌入されて、高さ位置が位置決めされている。これにより、第４断熱材４３ａ，４３ｂは、輸送状態もしくは稼動状態において、セルスタック装置１０を、適切な位置で支持できるようになっている。

本実施形態では、箱体２１は、開口２１ａにおいて外方に延びる外フランジ部２１ｃを有している。外フランジ部２１ｃは、矩形状の開口２１ａの四辺全体から外方に延びていてもよく、対向する２つの辺から互いに逆方向に外方に延びていてもよく、１つの辺から、または３つの辺から外方にそれぞれ延びていてもよい。

蓋体本体２２ａの外形は、開口２１ａとほぼ同じか、開口２１ａよりも大きく、かつ開口２１ａを含んで外フランジ部２１ｃの外形と同じか、外フランジ部２１ｃの外形よりも小さい。外フランジ部２１ｃと蓋体本体２２ａの外周部とを例えば、ボルトなどによって締結させる他、溶接することで容易にかつ強固に箱体２１と蓋体２２とを固定することができる。

図３は、他の実施形態の燃料電池モジュール１Ａの断面図である。上記では、酸素含有ガス導入板２７に流入した空気は、流れ方向下流端部に設けられた酸素含有ガス導入口２７ａのみから吐出され、セルスタック４の燃料電池セル３間に供給される構成であるが、本実施形態では、たとえば、第１ガス流路２４の途中において、酸素含有ガス導入板２７に流れる空気を分流する分流部３４を設け、酸素含有ガス導入板２７を介さずに、酸素含有ガス導入口２７ａ以外からもセルスタック４の燃料電池セル３間に空気を供給するように構成される。分流部３４以外の構成については、図１に示した実施形態と同様であるので、説明は省略する。

分流部３４は、第２ガス流路２５および第２断熱材４１を左右方向に貫通するように設けられる。また、分流部３４が設けられる高さ位置は、燃料電池セル３の高さの１／２となる位置よりも高い位置であってもよい。このような高さ位置とすることで、セルスタック４の上部側に、酸素含有ガス導入口２７ａから吐出される空気よりも相対的に低温の空気が供給される。それにより、比較的高温の燃料電池セル３の上部から中間部にかけての温度を低下させることができ、燃料電池セル３およびセルスタック４において、上下方向に温度分布を均一化することができる。

図４は、さらに他の実施形態の燃料電池モジュール１Ｂの断面図である。上記のように燃料電池モジュール１は、収納容器２の内部に断熱材を設けているが、本実施形態では、さらに収納容器２の外表面に断熱材を設ける。外表面に断熱材を設けることで、収納容器２の外表面からの熱の放散が抑制される。外表面に設けた断熱材以外の構成については、図１に示した実施形態と同様であるので、説明は省略する。

収納容器２の外表面に設けられる断熱材は、外フランジ部２１ｃに沿って箱体２１の外側面を覆う外側断熱材を含む。外側断熱材には、箱体２１の外フランジ部２１ｃに沿って設けられる箱外側断熱材４４と、蓋体２２の外周に沿って設けられる蓋外側断熱材４５とが含まれる。箱体２１の外フランジ部２１ｃは箱外側断熱材４４と蓋外側断熱材４５とによって両側から挟まれており、外フランジ部２１ｃの先端には、断熱材を設けていない。

燃料電池モジュール１Ｂの動作時には、収納容器２の内部は、５００～８００℃程度となり、収納容器２についても加熱され、熱膨張が生じる。外フランジ部２１ｃは、外方に向かってさらに延びるように熱膨張することになるので、例えば外フランジ部２１ｃの先端に断熱材を設けていると、熱膨張した外フランジ部２１ｃによって断熱材が破損してしまう。

本実施形態では、箱外側断熱材４４と蓋外側断熱材４５とが、外フランジ部２１ｃを両側から挟み込むように配置しているので、外フランジ部２１ｃが熱膨張しても断熱材が破損することを抑制することができる。なお、箱外側断熱材４４と蓋外側断熱材４５とは、外フランジ部２１ｃが熱膨張できる空間を有していれば、その厚みは外フランジ部２１ｃの高さ方向よりも厚くてもよい。

外側断熱材は、外フランジ部２１ｃに沿って配置されるもの以外に、箱体２１の底面を覆うように設けられる底面外側断熱材４６をさらに含んでいてもよい。

また、本実施形態の変形例として、燃料電池モジュール１Ｂは、外側断熱材と箱体２１との間にさらに副断熱材を備えていてもよい。副断熱材は、外側断熱材よりも耐熱性に優れた材料で構成されており、このように副断熱材を用いることで外側断熱材には比較的耐熱温度の低い材料を用いることができる。外側断熱材は、例えば、グラスウールやロックウールなどで構成されていてもよく、副断熱材は、例えば、アルミナ・シリカを主成分としたセラミックファイバーなどで構成されていてもよい。

図５は、さらに他の実施形態の燃料電池モジュール１Ｃの断面図である。上記の実施形態では、第２ガス流路２５は、蓋体本体２２ａの内方側、すなわち蓋体本体２２ａの箱体２１側に設けられ、第１ガス流路２４は、外方側に設けられる構成であるが、本実施形態では、第１ガス流路２４および第２ガス流路２５のいずれも蓋体本体２２ａの内方側、すなわち箱体２１側に設けられている。なお、本実施形態においては、第１流路部材２４ａが流路区画部である。第１ガス流路２４および第２ガス流路２５以外の構成については、図１に示した実施形態と同様であるので、説明は省略する。

第１ガス流路２４および第２ガス流路２５をこのような構成とすることで、第１ガス流路２４と第２ガス流路２５とは、蓋体本体２２ａに対して同じ側から溶接されることになるので、作業性を向上させることができる。ここで、第１ガス流路２４および第２ガス流路２５の双方を、蓋体本体２２ａの外方側、すなわち第４ガス流路３２側に設けても同様の効果を得ることができるが、本実施形態のように第１ガス流路２４および第２ガス流路２５を蓋体本体２２ａの内方側に設けた場合、第１ガス流路２４を流れる酸素含有ガスは収納容器２内にて熱交換されることになるので、収納容器２外部への放熱を抑えることができるため、セルスタック４へ供給する空気の温度をより上昇させることができる。

図６は、さらに他の実施形態の燃料電池モジュール１Ｄの上部拡大断面図である。本実施形態は、上記の実施形態とは、第３ガス流路２６の構成が異なっており、以下では第３ガス流路２６について説明し、その他の部分については、説明を省略する。図６における実施形態では、流入口２２ｂは、第１ガス流路２４を規定する蓋体本体２２ａの上方端部に設けられた第１貫通孔２２ｃと、第３流路部材２６ａのうち第１貫通孔と対向する部分に設けられた第２貫通孔２６ｇとを含む。また、蓋体本体２２ａの上方端部と第３流路部材２６ａとが当接することで、第１ガス流路２４と第３ガス流路２６との間、すなわち蓋体２２と箱体２１とのシール性を担保している。そして、第３ガス流路２６のうち、特に主流路部分２６ｃの上流側の端部２６ｅ、すなわち、第１ガス流路２４と接続する側の端部において、下流側の端部よりも流路断面積を大きくしている。この構成により、流入口２２ｂの周囲、本実施形態では流入口２２ｂの上下方向において、蓋体本体２２ａと第３流路部材２６ａとが当接する領域を大きく確保できるためシール性を向上することができる。さらに、流入口２２ｂが、複数の貫通孔である場合、いくつかの貫通孔をリベットが挿通する挿通孔とすることにより、蓋体本体２２ａと第１流路部材２４ａ、第３流路部材２６ａ等とを大きな当接力で固定することができ、シール性をさらに向上させることができる。

第３ガス流路２６の主流路部分２６ｃを構成する複数の第３ガス流路壁である上部側面２１ｄ及び第３流路部材２６ａが、流路内に向かって其々凸となり当接する当接部２６ｆが設けられていてもよい。この構成により、第３ガス流路の剛性が上がり、第３ガス流路２６が変形することを抑制できる。

さらに、当接部２６ｆは、改質器１８の中心軸Ｓを通り前記第３ガス流路２６に向かって垂直に延びる面に対しずれていてもよい。この構成により、高温の改質器１８と最も近接し改質器が持つ熱の影響を受けやすい位置である中心軸Ｓを通り前記第３ガス流路２６に向かって垂直に延びる面に対しずれているので、当接部２６ｆが熱変形するリスクを減らし、第３ガス流路２６の耐久性をさらに向上できる。すなわち、当接部２６ｆが熱変形し、流路幅が狭くなることを抑制できる。

当接部２６ｆは、紙面に直交する方向に沿って、複数が並んで設けられていてもよい。また、当接部２６ｆは、紙面に平行な方向（左右方向）に複数が並んで設けられていてもよい。

図７は、さらに他の実施形態の燃料電池モジュール１Ｅの断面図である。本実施形態は、上記の実施形態とは、第２流路部材２５ａの代わりに、第２断熱材４１と蓋体本体２２ａとの間に排ガスが流れる第５ガス流路を備えており、さらに第２断熱材４１は、第５ガス流路を流れる排ガスの流れを蛇行させる整流部を備えている点で異なる。なお、他の部位については、上記の実施形態と同じ参照符号を付して説明は省略する。例えば、第２断熱材４１に、蓋体本体２２ａに当接する整流部４１ｂを設けることにより整流部４１ｂと、蓋体本体２２ａと、第２断熱材４１とで囲まれた空間が、第５ガス流路となる。なお、図７で示すように、整流部４１ｂは第２断熱材４１から蓋部本体側に突出した凸形状の部分であってもよい。

上記の実施形態では、第２流路部材２５ａを蓋体本体２２ａに接合するための組み立て工程が必要となる。これに対して、本実施形態では、予め整流部４１ｂが形成された第２断熱材４１を準備しておけば、第２断熱材４１を配置する工程自体は変わらないので、上方から下方に流れる排ガス流路の組み立て工程を削減することができ、燃料電池モジュール１Ｅを容易に組み立て、製造することができる。

図８は、さらに他の実施形態の燃料電池モジュール１Ｆの断面図である。本実施形態は、上記の実施形態とは、第１流路部材２４ａおよび第２流路部材２５ａの形状が異なっており、他の部位については、上記の実施形態と同じ参照符号を付して説明は省略する。

図８で示すように、流路区画部である第１流路部材２４ａが第１ガス流路２４内部に向かって凸となる凸部（第１凸部２４ｃ）を有する。この構成により、例えば本実施形態のように、第１ガス流路２４と第２ガス流路２５を隔てる流路区画部の表面積を大きくできるため、熱伝導による排ガスと酸素含有ガスの熱交換をより効率良く行うことができる。なお、流路区画部が第２流路部材２５ａに向かって凸となっていてもよい。

さらに、第１凸部２４ｃが蓋体本体２２ａに当接していてもよい。この構成により、蓋体本体２２ａと流路区画部である第１流路部材２４ａとが接触することで熱伝導により排ガスと酸素含有ガスの熱交換をより効率良く行うことができる。

また、本実施形態では、第２流路部材２５ａが第２ガス流路２５内部に向かって凸となる凸部（第２凸部２５ｃ）を有する。

さらに、図８で示すように、第１ガス流路２４および第２ガス流路２５は、凸部（第１凸部２４ｃ、第２凸部２５ｃ）に沿って蓋体本体２２ａの箱体２１に臨む面を左右方向に蛇行する蛇行流路とすることができる。具体的には、第１流路部材２４ａには、第１ガス流路２４が蛇行流路となるように、蛇行する第１凸部２４ｃが形成されている。第２流路部材２５ａには、第２ガス流路２５が蛇行流路となるように、蛇行する第２凸部２５ｃが形成されている。なお、第１凸部２４ｃは、第１ガス流路２４内部方向の蓋体本体２２ａに向かって凸であり、第２凸部２５ｃは、第２ガス流路２５内部方向の第１流路部材２４ａに向かって凸である。また、第１凸部２４ｃと第２凸部２５ｃとは、同じ位置には形成されておらず互いに上下方向にずれた位置に形成されている。具体的には、第１凸部２４ｃは、蓋体本体２２ａに当接し、第２凸部２５ｃは、第１流路部材２４ａの第１凸部２４ｃが形成されていない平坦部分に当接する。言い換えれば、第１ガス流路２４と第２ガス流路２５のうち対向している部分の流路の上下方向がずれている。

第１ガス流路２４および第２ガス流路２５は、それぞれ、上方側流路と下方側流路とに分けることもできる。上方側流路の流路断面積をＳｕとし、下方側流路の流路断面積をＳｄとすると、その大小関係は、Ｓｄ＞Ｓｕとなっている。すなわち、第２ガス流路２５の最も下方側であり下流側の流路２５における流路断面積Ｓｄが、上方側流路２５における流路断面積Ｓｕより大きい。この構成により、排ガスが流れる第２ガス流路２５の最も下流の流路断面積を大きくすることができるため、排ガスの滞留を抑制できる。さらに、第１ガス流路２４の最も下方側であり上流側の流路２４における流路断面積Ｓｄが、上方側流路２４における流路断面積Ｓｕより大きい。この構成により、第１ガス流路２４内部に酸素含有ガスが滞留しやすくなり、効率的に排ガスと酸素含有ガスとで熱交換を行うことができる。

図９は、さらに他の実施形態の燃料電池モジュール１Ｇの断面図である。本実施形態は、上記の実施形態とは、箱体２１のフランジ部の形状が異なっており、他の部位については、上記の実施形態と同じ参照符号を付して説明は省略する。箱体２１は、開口２１ａにおいて内方に延びる内フランジ部２１ｅを有しており、蓋体２２は、内フランジ部２１ｅに、ねじ、ボルト－ナット、リベットなどの固定部材で固定される。なお、内フランジ部２１ｅの大きさが、第３ガス流路２６を塞いでしまうような場合は、内フランジ部２１ｅにも、流入口２２ｂを設ければよい。

上記のように外フランジ部２１ｃは、熱膨張によって伸縮してしまうので箱外側断熱材４４と蓋外側断熱材４５とを両側から挟み込むように配置している。この場合、外フランジ部２１ｃからの放熱を効果的に抑制することが難しい。本実施形態のように、内フランジ部２１ｅとすることで、フランジ部からの放熱を抑制して燃料電池モジュール１Ｇの温度低下を抑制することができる。

上記各実施形態の変形例として、第１ガス流路２４の上流側に、結露水を貯める貯水部２４ｄが設けられていてもよい。導入部２３を第１ガス流路２４の上流側端部でなく、上流側端部よりも少し下流側に接続することにより、上流側端部において、袋小路状の貯水部２４ｄを設けることができる。燃料電池モジュールのシャットダウン等の停止時において、収納容器内のガスが第１ガス流路２４を逆流するおそれがある。この場合に、収納容器内のガスには水分が含まれており、収納容器内のガスが第１ガス流路２４を逆流する間に、このガスの温度が低下し、結露が生じる可能性がある。結露水が導入部２３をさらに逆流すると、その上流側にある空気ブロワやセンサ類等の外部装置の故障の原因となる。貯水部２４ｄは、第１ガス流路２４において、鉛直方向下方端部に位置しており、生じた結露水が、自重によって貯水部２４ｄに流れ込み、さらに重力に反して結露水が、貯水部２４ｄから第１ガス流路２４を逆流することもないので、結露水が外部装置へと進入することを抑制することができる。

図１０は、さらに他の実施形態の燃料電池モジュール１Ｈの断面図である。図１１は、さらに他の実施形態の燃料電池モジュール１Ｈの一部を抜粋して示す側面図である。本実施形態は、上記の実施形態とは、第４ガス流路３２が、内部に排ガス中の未燃焼成分を燃焼させるための燃焼触媒３５が配置された、排ガス処理室とされている点で異なる。以下では第４ガス流路３２について説明し、その他の部分については、説明を省略する。

本実施形態では、第４ガス流路３２は、第１流路部材２４ａの外方に臨む外面に設けられ、第４ガス流路３２を規定する第４流路部材３２ａによって構成されている。第４流路部材３２ａは、略矩形形状の部材であり、４辺において、第１面（一方の主面）３２ａａ側に第４ガス流路３２の流路幅分だけ立設する部分が設けられている。第４流路部材３２ａは、立設する４辺部分を第１流路部材２４ａの外方に臨む外面に接合する。第４流路部材３２ａは、燃料電池モジュール１Ｈの外方側の開口を覆っている。これにより、第１流路部材２４ａと第４流路部材３２ａとの間隙が第４ガス流路３２となる。すなわち、酸素含有ガスが流れる第１ガス流路２４は、比較的温度の高い排ガスが流れる第４ガス流路３２と第２ガス流路２５との間に設けられていることから、酸素含有ガスと排ガスとで効率良く熱交換を行うことができる。また、排出部３１の、燃料電池モジュール１Ｈの外方側の開口が、排ガス処理室である第４ガス流路３２の排ガス流入口３６となる。

第４ガス流路３２の内部には、排ガス中の未燃焼成分を燃焼させるための燃焼触媒が配置されている。燃焼触媒３５としては、たとえばγ－アルミナやα－アルミナやコージェライト等の多孔質担体に白金やパラジウム等の貴金属類等の触媒を担持させたものを使用することができる。第４ガス流路３２内に流入した排ガスは、燃焼触媒３５によって未燃焼成分が燃焼されて浄化される。排ガスは、燃焼触媒３５によって燃焼された後、第４ガス流路３２の下流側端部に設けられた接続管３３を介して、第４ガス流路３２の外部に排出される。接続管３３の、燃料電池モジュール１Ｈの内方側の開口が、排ガス処理室である第４ガス流路３２の排ガス流出口３７となる。

本実施形態の燃料電池モジュール１Ｈでは、第４ガス流路３２は、第４ガス流路３２における排ガスの流れ方向の上流側に配設されるヒータ３８を備える。燃焼触媒３５は、ヒータ３８よりも、第４ガス流路３２における排ガスの流れ方向の下流側に配設されている。このような構成によれば、ヒータ３８によって昇温された排ガスが燃焼触媒３５を通過するので、燃焼触媒３５を均一に加熱することができる。これにより、燃焼触媒３５の活性を高めることができる。ひいては、排ガスと酸素含有ガスとの熱交換効率をさらに向上させることができる。また、ヒータ３８が燃焼触媒３５に直接に接触していないので、燃焼触媒の過加熱を抑制し、燃焼触媒３５の劣化や破損を抑制することができる。なお、ヒータ３８は設けない構成とすることもできる。

図１０に示すように、燃料電池モジュール１Ｈでは、対向する第１流路部材２４ａの第１面２４ａａと第４流路部材３２ａの第１面３２ａａとの間に、仕切部材３９が設けられている。仕切部材３９は、第４ガス流路３２を、排ガス流入口３６を含む第１流路部分３２ｂと、排ガス流出口３７を含む第２流路部分３２ｃとに分割している。仕切部材３９には、排ガス流通部３９ａが設けられている。第１流路部分３２ｂと第２流路部分３２ｃとは、排ガス流通部３９ａを介してのみ連通している。

図１１に示すように、第４ガス流路３２は、側面視したときに、排ガス流入口３６および排ガス流出口３７が、燃料電池モジュール１Ｈの高さ方向に延びる、第４ガス流路３２の第１の中心線（図１１のＡ－Ａ線、以下Ａと略す。）に対して、同じ側に位置し、排ガス流通部３９ａが、第１の中心線Ａに対して、排ガス流入口３６および排ガス流出口３７とは異なる側に位置している。これにより、排ガス流入口３６から、排ガス流通部３９ａを介して、排ガス流出口３７に至る排ガス流を蛇行させ、排ガス流の長さを長くすることができるので、第４ガス流路３２を流れる排ガスと第１ガス流路２４を流れる酸素含有ガスとの熱交換を行うことが可能な領域を増やすことができる。

ここで、改質器１８の気化部１８ａにおける水の気化は吸熱反応であるので、気化部１８ａで水を気化させることにより、気化部１８ａの周囲の温度、特に気化部１８ａの下方に位置する燃料電池セル３の温度が低下するおそれがある。それに伴い、燃料電池セル３の配列方向におけるセルスタック４の温度分布が不均一になり、ひいてはセルスタック４の発電量が低下する、あるいはセルスタック４が破損するおそれがある。

本実施形態の燃料電池モジュール１Ｈでは、図１１に示すように、排ガス流通部３９ａおよびヒータ３８は、第１の中心線Ａに対して、排ガス流入口３６および排ガス流出口３７よりも、改質器１８の気化部１８ａに近接する位置に設けられている。ここで、第２流路部分３２ｃの、排ガス流通部３９ａの近傍に位置する領域は、燃焼触媒３５による排ガスの燃焼が活発に進行するため、温度が高くなる。それゆえ、排ガス流通部３９ａを気化部１８ａに近接して配設することにより、気化部１８ａの周囲を温めることができる。それによって、燃料電池セル３の配列方向におけるセルスタック４の温度分布を均一に近づけることができる。さらに、気化部１８ａに近接して配設されたヒータ３８によって、気化部１８ａの周囲を温めることができるので、燃料電池セル３の配列方向におけるセルスタック４の温度分布を均一に近づけることができる。なお、燃焼触媒３５の配置は、排ガス流通部３９ａを通過した排ガスのすべてが燃焼触媒３５を流過するように配置することがよい。

仕切部材３９の構成は、図１０，１１に示した、第１流路部材２４ａの外方に臨む外面、および第４流路部材３２ａの第１流路部材２４ａに臨む内面に対して垂直に立設する構成に限定されるものではない。仕切部材３９は、第１流路部材２４ａの外方に臨む外面、および第４流路部材３２ａの内方に臨む内面の少なくとも一方に対して傾斜している構成であってもよい。

図１１に示した第４ガス流路３２では、ヒータ３８は、第１流路部分３２ｂに配設されているが、ヒータ３８は、第４ガス流路３２における排ガスの流れ方向において、燃焼触媒３５よりも上流に配設され、かつ第１の中心線Ａに対して、排ガス流入口３６および排ガス流出口３７よりも気化部１８ａに近接して配設されてさえいればよい。ヒータ３８は、たとえば第２流路部分３２ｃに配設されていてもよく、第１流路部分３２ｂと第２流路部分３２ｃとにわたって配設されていてもよい。

また、燃料電池モジュール１Ｈでは、図１１に示すように、排ガス流出口３７の開口面積を、排ガス流入口３６の開口面積よりも大きくしている。これにより、第４ガス流路３２における圧力損失を低減し、第４ガス流路３２における排ガス流量を増大させることができる。ひいては、第４ガス流路３２を流れる排ガスと第１ガス流路２４を流れる酸素含有ガスとの熱交換効率を向上させることができる。排ガス流入口３６および排ガス流出口３７は、排ガス流出口３７の開口面積が排ガス流入口３６の開口面積よりも大きければよく、排ガス流入口３６および排ガス流出口３７の開口形状は、図１１に示した正方形状に限定されるものではない。排ガス流入口３６および排ガス流出口３７の開口形状は、たとえば、円形状、矩形状であってもよく、その他の形状であってもよい。なお、排ガス流通部３９ａの開口面積は、少なくとも排ガス流入口３６の開口面積よりも大きいことがよい。

図１２は、本実施形態の変形例の一部を抜粋して示す側面図である。燃料電池モジュール１Ｈは、図１２に示すように、排ガス流入口３６および排ガス流出口３７が、第１の中心線Ａと直交し、燃料電池セル３の配列方向に延びる、第４ガス流路３２の第２の中心線（図１２のＢ－Ｂ線、以下Ｂと略す。）に対して、同じ側に位置し、排ガス流通部３９ａが、第２の中心線Ｂに対して、排ガス流入口３６および排ガス流出口３７とは異なる側に位置している構成であってもよい。このような構成であっても、排ガス流入口３６から、排ガス流通部３９ａを介して、排ガス流出口３７に至る排ガス流を蛇行させ、排ガス流の長さを長くすることができるので、第４ガス流路３２を流れる排ガスと第１ガス流路２４を流れる酸素含有ガスとの熱交換を行うことが可能な領域を増やすことができる。また、気化部１８ａに近接して配置されたヒータ３８によって、気化部１８ａの周囲を温めることができるので、燃料電池セル３の配列方向におけるセルスタック４の温度分布を均一に近づけることができる。なお、本実施形態において排ガス流出口３７と接続する接続管３３は、第２の中心線Ｂに対して、排ガス流入口３６および排ガス流出口３７とは異なる側まで延びて熱交換器と接続していてもよい。

図１３Ａは、本実施形態の他の変形例の一部を抜粋して示す断面図である。図１３Ｂは、本実施形態の他の変形例の一部を抜粋して示す側面図である。図１３Ｃは、本実施形態の他の変形例の一部を抜粋して示す、図１３Ｂとは異なる視点の側面図である。本変形例の燃料電池モジュール１Ｈでは、図１３Ａに示すように、第４ガス流路３２の内部に粒状の燃焼触媒３５、第１網状部材４７、および第２網状部材４８が設けられている。図１３Ｂは、燃料電池モジュール１Ｈの一部を外方側から見た側面図である。図１３Ｃは、燃料電池モジュール１Ｈの内方側から第４流路部材３２ａ、燃焼触媒３５、第１網状部材４７、および第２網状部材４８を見た側面図である。

本変形例では、第４流路部材３２ａは、縦長の略矩形形状の部材であり、４辺において、第１面３２ａａ側に第４ガス流路３２の流路幅分だけ立設する部分が設けられている。この立設する部分には、外方に延びる外周フランジ部３２ａｂが設けられている。外周フランジ部３２ａｂを第１流路部材２４ａの外方に臨む外面に接合することにより、第１流路部材２４ａと第４流路部材３２ａとの間隙が第４ガス流路３２となる。外周フランジ部３２ａｂと第１流路部材２４ａとは、例えば溶接によって接合されていてもよい。

第４ガス流路３２の内部には、網目状の第１網状部材４７が配設されている。第４ガス流路３２は、第１網状部材４７によって、排ガス流入口３６を含む第１流路部分３２ｂと、排ガス流出口３７を含み、第１流路部分３２ｂの上方に位置している第２流路部分３２ｃとに分割されている。

第１網状部材４７は、図１３Ａに示すように、第４流路部材３２ａの第１面３２ａａに沿って延びる第１部分４７ａと、第１流路部材２４ａと第４流路部材３２ａとの間に延びる第２部分４７ｂとを有している。第１部分４７ａは、例えば溶接等によって第４流路部材３２ａの第１面３２ａａに接合されている。第２部分４７ｂは、第１流路部材２４ａ側の端部が第１流路部材２４ａに当接している。

第２流路部分３２ｃには、図１３Ａに示すように、粒状の燃焼触媒３５が、排ガス流出口３７の上端よりも上方の高さ位置まで充填されていてもよい。第１網状部材４７の網目は、第２流路部分３２ｃに充填された粒状の燃焼触媒３５が、第１網状部材４７を通過し、第１流路部分３２ｂに向かって落下しない程度の径であればよい。第１網状部材４７を構成する材料としては、例えば、耐熱性を有するステンレス等の金属材料を用いることができる。

第４流路部材３２ａの第１面３２ａａには、網目状の第２網状部材４８が、排ガス流出口３７を覆うように配設されている。これにより、粒状の燃焼触媒３５が、排ガス流出口３７から外部に向かって移動することを抑制することができる。第２網状部材４８は、第４流路部材３２ａの内面に溶接されていてもよい。また、第２網状部材４８の網目は、第２流路部分３２ｃに充填された粒状の燃焼触媒３５が、第２網状部材４８を通過しない程度の径であればよい。第２網状部材４８を構成する材料としては、例えば、耐熱性を有するステンレス等の金属材料を用いることができる。

本変形例によれば、排ガス流入口３６から第４流路３２に流入した排ガスは、第４流路３２内を均等に流れ排ガス流出口３７へと向かう。排ガスは第２流路部分３２ｃに充填された、粒状の燃焼触媒３５の全体を通過するため、燃焼触媒３５全体を効率よく利用することができる。また、燃焼触媒３５は、第１網状部材４７によって保持、および位置決めされるので、第４ガス流路３２内に、燃焼触媒３５を収容する触媒ケースを設ける必要がない。これにより、第４ガス流路３２の構造が簡素化され、燃料電池モジュール１Ｈの組立性が向上する。

図１４は、外装ケース内に燃料電池モジュールと、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本実施形態の燃料電池装置の一例を示す透過斜視図である。なお、図１４においては一部構成を省略して示している。

燃料電池装置５３は、支柱５４と外装板５５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、その上側を上述の燃料電池モジュール１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ，１Ｆ，１Ｇ，１Ｈを収納するモジュール収納室５７とし、下側を燃料電池モジュール１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ，１Ｆ，１Ｇ，１Ｈを動作させるための補機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に収納する補機を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、モジュール収納室５７を構成する外装板５５の一部にモジュール収納室５７内の空気を排気するための排気口６０が設けられている。

以上、本開示について詳細に説明したが、本開示は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本開示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。

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ，１Ｆ，１Ｇ，１Ｈ 燃料電池モジュール
２ 収納容器
３ 燃料電池セル
４ セルスタック
２１ 箱体
２２ 蓋体
２２ａ 蓋体本体
２４ 第１ガス流路
２５ 第２ガス流路
２６ 第３ガス流路
３２ 第４ガス流路
５３ 燃料電池装置
５４ 支柱
５５ 外装板
５６ 仕切板
５７ モジュール収納室
５８ 補機収納室
５９ 空気流通口
６０ 排気口

Claims (8)

1. 収納容器と、
   該収納容器内に設けられた収納室に収納され、燃料ガスと酸素含有ガスとで発電を行なう複数の燃料電池セルが配列され、互いに電気的に接続されてなるセルスタックと、を備え、
   前記収納容器は、
   前記酸素含有ガスが流れる第１ガス流路と、
   該第１ガス流路と隣接して配設され、前記収納室より排出される排ガスが流れる第２ガス流路と、
   前記第１ガス流路と前記第２ガス流路とを区画する流路区画部と、をさらに備え、
   該流路区画部が前記第１ガス流路内部および前記第２ガス流路内部に向かってそれぞれ凸となる凸部を有し、
   前記第１ガス流路内部に向かって凸となる凸部と、前記第２ガス流路内部に向かって凸となる凸部とが、互いにずれた位置に設けられ、
   前記第１ガス流路および前記第２ガス流路は、前記凸部に沿って蛇行する蛇行流路とされていることを特徴とする燃料電池モジュール。
2. 前記第２ガス流路は前記第１ガス流路よりも前記セルスタック側に設けら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. 前記第１ガス流路、前記第２ガス流路および前記流路区画部が、前記収納容器の内側に設けられていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池モジュール。
4. 前記第１ガス流路の上流側の流路断面積が下流側の流路断面積より大きく、
   前記第２ガス流路の下流側の流路断面積が上流側の流路断面積より大きいことを特徴とする請求項１～３のいずれか１つに記載の燃料電池モジュール。
5. 前記酸素含有ガスを前記セルスタックに供給する酸素含有ガス導入口を有する酸素含有ガス導入板と、
   前記第１ガス流路の下流側の一端と、前記酸素含有ガス導入板の上流側の一端とを連通する第３ガス流路と、をさらに備え、
   前記第３ガス流路は、前記第１ガス流路と接続する上流側の流路断面積が、下流側の流路断面積よりも大きいことを特徴とする請求項１～４のいずれか１つに記載の燃料電池モジュール。
6. 前記第３ガス流路は、対向する複数の第３ガス流路壁によって規定され、
   対向する其々の該第３ガス流路壁が前記第３ガス流路内部に向かって其々凸となり当接する当接部を有す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. 前記第３ガス流路は、前記第１ガス流路から前記酸素含有ガス導入板までを接続する主流路部分と、前記酸素含有ガス導入板と前記主流路部分とが接続する位置よりも下流側に延びる延設部分とを有することを特徴とする請求項５または６に記載の燃料電池モジュール。
8. 請求項１～７のうちいずれか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を作動させるための補機と、前記燃料電池モジュールおよび前記補機を収容する外装ケースとを備える燃料電池装置。

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