JP7397631B2 - 燃料電池モジュール - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池モジュールに関する。

近年、燃料電池モジュールをコンパクトな構成にするために、例えば、特許文献１に記載されているように、燃料電池セルスタックと、改質器と、燃焼器と筐体内に配置する構成が知られている。また、例えば、特許文献２に記載されているように、固体酸化物形燃料電池セルを用いた燃料電池モジュールの構成として、複数の燃料電池セルスタックを直列に配置して燃料利用率Ｕｆを向上する、カスケード式の構成が用いられている。

特開２０１７－５０１９２号公報 特開２０１６－１００１３６号公報

ここで、特許文献１に記載されているような燃料電池モジュールに、特許文献２に記載されているようなカスケード式の燃料電池セルスタックを適用しようとする場合には、筐体内に複数の燃料電池セルスタックを収容するため、筐体が強大化してしまい、筐体からの放熱量が増大し、発電効率が低下してしまうという問題がある。

本発明は、上記の課題に鑑みなされたものであり、カスケード式の燃料電池セルスタックの構成を採用した場合であっても、コンパクトな燃料電池モジュールを提供することである。

本発明の燃料電池モジュールは、複数の燃料電池セルスタックと、ハウジングと、ハウジングの内部に配置され、原燃料ガスを改質して、水素を含有する燃料ガスを生成する改質器と、ハウジングの内部に配置され、複数の燃料電池セルスタックで発電に使用されなかった燃料ガスを燃焼させ、改質器を加熱する燃焼器と、を備え、複数の燃料電池セルスタックは、燃料ガスが供給される第１の燃料電池セルスタックと、第１の燃料電池セルスタックから排出された燃料ガスが供給される第２の燃料電池セルスタックと、を含み、第１の燃料電池セルスタック及び第２の燃料電池セルスタックは、ハウジングの外部に配置されている、ことを特徴とする。
上記構成の本発明によれば、第１の燃料電池セルスタック及び第２の燃料電池セルスタックがハウジングの外部に配置されているため、カスケード式の燃料電池セルスタックの構成を採用した場合であっても、ハウジングを小型化することができる。

本発明において、好ましくは、さらに、ハウジングの外部に配置され、第１の燃料電池セルスタックで使用された燃料ガスを再生する燃料ガス再生器を備え、第１の燃料電池セルスタックから燃料ガス再生器へ燃料ガスを供給する第１の燃料流路と、燃料ガス再生器から第２の燃料電池セルスタックへ燃料ガスを供給する第２の燃料流路は、ハウジングを貫通していない。
燃料ガス再生器は燃料ガスに含まれる水蒸気を凝縮するため、高温下での駆動に適していない。これに対して、上記構成の本発明によれば、燃料ガス再生器がハウジングの外部に配置されているため、燃料ガス再生器が燃焼器の高温に曝されるのを防止し、燃料ガス再生器の駆動性能が低下するのを防止できる。また、第１の燃料電池セルスタック及び第２の燃料電池セルスタックがハウジング内に配置されていると、第１の燃料電池セルスタックと燃料ガス再生器とを結ぶ第１の燃料流路、及び、燃料ガス再生器と第２の燃料電池セルスタックとを結ぶ第２の燃料流路がハウジングを貫通することになるが、この場合には、貫通部の構成が複雑になるとともに貫通部の強度やシール性が低下するという問題があった。これに対して、本発明によれば、第１の燃料電池セルスタック、第２の燃料電池セルスタック、及び、燃料ガス再生器がハウジングの外部に配置されているため、第１の燃料流路及び第２の燃料流路がハウジングを貫通することがなく、構成が複雑にならず、強度やシール性の低下を防止できる。

本発明において、好ましくは、さらに、脱硫器を備え、脱硫器へ燃料ガスを還流する還流ガス流路は第２の燃料流路から分岐されている。
上記構成の本発明によれば、脱硫器へ燃料ガスを還流する還流ガス流路が、燃料ガス再生器で再生処理が行われた燃料ガスが流れる第２の燃料流路から分岐しているため、水素濃度が高い燃料ガスを脱硫器に供給することができる。

本発明において、好ましくは、第１の燃料流路に設けられ、第１の燃料電池セルスタックに供給される酸化剤ガスの間で熱交換する熱交換部を備える。
燃料再生器では、燃料ガスに含まれる水蒸気の凝縮が行われる。このため、燃料再生器に供給される燃料ガスが熱を保持していても、その熱を有効利用することができない。これに対して、上記構成の本発明によれば、第１の燃料電池セルスタックにおいて発電に使用されなかった燃料ガスと酸化剤ガスとの間で熱交換を行うため、燃料電池モジュールにおける熱効率を向上することができる。

本発明において、好ましくは、第１の燃料電池セルスタックと、第２の燃料電池セルスタックとは、それぞれの一面が対向するように配置されており、第１の燃料電池セルスタック及び第２の燃料電池セルスタックの対向する面に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給又は排出する流路が接続されている。
上記構成の本発明によれば、燃料ガス及び酸化剤ガスを供給又は排出する流路が、第１の燃料電池セルスタック及び第２の燃料電池セルスタックの対向する面に接続されているため、燃料ガス及び酸化剤ガスを供給又は排出する流路を集中して配置することができ、燃料電池モジュールをコンパクトに構成することができる。

本発明によれば、カスケード式の燃料電池セルスタックの構成を採用した場合であっても、コンパクトな燃料電池モジュールを提供することができる。

本発明の第１実施形態による燃料電池モジュールの構成を示すブロック図である。 本発明の第１実施形態による燃料電池モジュールの構成を示す斜視図である。 本発明の第１実施形態による燃料電池モジュールの構成を示す正面図である。 本発明の第１実施形態による燃料電池モジュールの構成を示す側面図である。 図４に示す燃料電池モジュール１の蒸発器及びハウジングの鉛直断面図である。 本発明の第２実施形態による燃料電池モジュールの構成を示すブロック図である。 本発明の第２実施形態による燃料電池モジュールの構成を示す斜視図である。 本発明の第２実施形態による燃料電池モジュールの構成を示す側面図である。 本発明の第３実施形態による燃料電池モジュールの構成を示すブロック図である。

＜第１実施形態＞
以下、本発明の第２実施形態による燃料電池モジュールについて、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１～図４は、本発明の第１実施形態による燃料電池モジュールの構成を示し、図１はブロック図、図２は斜視図、図３は正面図、図４は側面図である。また、図５は図４に示す燃料電池モジュール１の蒸発器及びハウジングの鉛直断面図である。

図１～図５に示すように、本発明の第１実施形態による燃料電池モジュール１は、発電反応を行う第１の燃料電池セルスタック２と、第２の燃料電池セルスタック３と、蒸発器４と、ハウジング６と、ハウジング６の内部に配置された改質器８と、ハウジング６の内部に配置された燃焼器１０と、燃料再生器（燃料ガス再生器）１２とを備える。蒸発器４は、ハウジング６の上方に配置されており、ハウジング６は第１の燃料電池セルスタック２及び第２の燃料電池セルスタック３の上方に配置されている。第１の燃料電池セルスタック２及び第２の燃料電池セルスタック３は、燃料再生器１２の上方に配置されており、第１の燃料電池セルスタック２及び第２の燃料電池セルスタック３のそれぞれの燃料電池セルが平行になるように横方向に並んでいる。

蒸発器４には、水を供給するための水供給用配管２０と、原燃料ガスを供給するための原燃料ガス供給用配管２１と、排気ガスを排出するための排気ガス排出管２３が接続されている。また、蒸発器４には、ハウジング６から蒸発器４へ排気ガスを供給する排気ガス配管２６と、蒸発器４から改質器８へ混合ガスを供給する混合ガス導管２８とが接続されている。排気ガス配管２６と混合ガス導管２８とは二重管構造になっており、排気ガス配管２６の内側に混合ガス導管２８が配置されている。

蒸発器４は、内部空間が上方の蒸発室４ａと、下方の加熱室４ｂとに区切られている。蒸発室４ａには、水供給用配管２０から水が供給されるとともに、原燃料ガス供給用配管２１を介して原燃料ガスが供給される。また、加熱室４ｂには、排気ガス配管２６を通じて排気ガスが供給される。そして、蒸発器４は、排気ガス配管２６を通じて加熱室４ｂに供給された排気ガスの熱により、水供給用配管２０から蒸発室４ａに供給された水を蒸発させて水蒸気を生成すると共に、この水蒸気を原燃料ガス供給用配管２１から供給された原燃料ガスと混合するように構成されている。蒸発器４において水蒸気と混合された原燃料ガスは、混合ガス導管２８を通じて改質器８に供給される。なお、水を加熱した排気ガスは排気ガス排出管２３を通じて外部に排出される。

ハウジング６は金属製の容器からなり、内側の下部に燃焼器１０が配置され、燃焼器１０の上方に改質器８が配置されている。このハウジング６は第１の燃料電池セルスタック２及び第２の燃料電池セルスタック３の上方に配置されている。第１の燃料電池セルスタック２及び第２の燃料電池セルスタック３、蒸発器４、ハウジング６、及び燃料再生器１２は、断熱材（図示せず）によって包囲されているとともに、第１の燃料電池セルスタック２とハウジング６との間にも断熱材が設けられているため、第１の燃料電池セルスタック２は、ハウジング６から熱的に隔離されている。この第１の燃料電池セルスタック２及びハウジング６を包囲している断熱材は、燃料電池モジュール１の最表面を構成しており、断熱材の外側を覆う金属製の容器等は設けられていてもよいが、設けられていなくてもよい。

ハウジング６は、二重壁構造となっており内壁と外壁の間に空気流路６Ａが形成されている。ハウジング６の天面には空気供給パイプ２４が接続されており、外部から空気供給パイプ２４を通じて酸化剤ガスとしての空気が供給される。空気流路６Ａに供給された空気（酸化剤ガス）は、空気流路６Ａを流れる間に、燃焼器１０の燃焼熱により加熱される。空気流路６Ａ内において加熱された空気は、酸化剤ガス供給流路３２を介して第１の燃料電池セルスタック２に供給される。

ハウジング６と第１の燃料電池セルスタック２との間には、改質器８から第１の燃料電池セルスタック２の燃料ガスを供給する燃料供給流路３０が設けられ、ハウジング６の空気流路６Ａから加熱された空気を第１の燃料電池セルスタック２に供給する酸化剤ガス供給流路３２が設けられている。また、ハウジング６と第１の燃料電池セルスタック２との間には、第１の燃料電池セルスタック２において発電に使用されなかったオフガスである残燃料ガスを燃焼器１０に供給するための燃料排出流路３４と、第２の燃料電池セルスタック３において発電に使用されなかった酸化剤ガスを燃焼器１０に供給するための酸化剤ガス排出流路３６が接続されている。燃料供給流路３０、酸化剤ガス供給流路３２、燃料排出流路３４、及び、酸化剤ガス排出流路３６は配管内に形成されており、その一部がハウジング６の外部に位置している。

改質器８には、改質触媒（図示せず）が充填されており、蒸発器４から混合ガス導管２８を通じて水蒸気が混合された原燃料ガスが供給され、燃焼器１０の燃焼熱により原燃料ガスを水蒸気改質して、水素を豊富に含む燃料ガスを生成するように構成されている。改質器８において生成された燃料ガスは第１の燃料電池セルスタック２に送られ、第１の燃料電池セルスタック２及び第２の燃料電池セルスタック３において発電に使用される。この燃料ガスは、改質器８と第１の燃料電池セルスタック２の間に延びる燃料供給流路３０を介して第１の燃料電池セルスタック２に供給される。ここで、改質器８はハウジング６内に収容され、ハウジング６は断熱材によって包囲されているので、燃料ガスを供給する燃料供給流路３０は、ハウジング６及び断熱材を貫通して第１の燃料電池セルスタック２へ延びている。

燃焼器１０は、第１の燃料電池セルスタック２及び第２の燃料電池セルスタック３において発電に使用されずに残った残余燃料ガス及び残余空気を燃焼させるように構成されている。第１の燃料電池セルスタック２及び第２の燃料電池セルスタック３において発電に使用されずに残った燃料は、燃焼器１０と第２の燃料電池セルスタック３の間に延びる燃料排出流路３４を介して燃焼器１０へ排出される。この燃料排出流路３４も、ハウジング６及び断熱材を貫通して第２の燃料電池セルスタック３から燃焼器１０へ延びている。燃焼器１０へ排出された残余燃料は、燃焼器１０によって燃焼され、燃焼器１０の上方に配置された改質器８を加熱する。これにより、改質器８内の改質触媒（図示せず）が水蒸気改質可能な温度に加熱される。

一方、発電用の酸化剤ガスである空気も外部から空気供給パイプ２４を通じてハウジング６に供給され、空気流路６Ａを通る間に燃焼器１０の燃焼熱によって加熱され、高温になった状態で第１の燃料電池セルスタック２へ供給される。ハウジング６において加熱された発電用の空気は、ハウジング６から延びる酸化剤ガス供給流路３２を介して第１の燃料電池セルスタック２に供給される。この酸化剤ガス供給流路３２も、ハウジング６を包囲する断熱材を貫通してハウジング６から第１の燃料電池セルスタック２へ延びている。

第１の燃料電池セルスタック２は、平板型セルスタックであり、複数の長方形の平板型燃料電池セル２ａを横方向に積層して構成されている。第１の燃料電池セルスタック２は、ハウジング６の外部に独立して設けられている。各燃料電池セル２ａは、酸化物イオン導電体で構成された平板状の電解質の両面に、燃料極及び空気極（酸化剤ガス極）の電極を夫々設けることにより構成され、各燃料電池セル２ａの間にはセパレータ２ｂが配置されている。また、積層された複数の燃料電池セル２ａの一端にはトップエンドプレート２ｃが配置され、他端にはボトムエンドプレート２ｄが配置されている。このように複数の燃料電池セル２ａを積層して得られた第１の燃料電池セルスタック２の内部には、各燃料電池セル２ａに燃料ガスを供給するための燃料ガス供給流路（図示せず）と、酸化剤ガスである空気を供給するための酸化剤ガス供給流路（図示せず）が形成されている。

トップエンドプレート２ｃには、燃料供給流路３０と、酸化剤ガス供給流路３２と、第２の燃料電池セルスタック３に延びる中間酸化剤ガス流路３８と、燃料再生器１２に延びる第１の中間燃料流路４０と、が接続されている。トップエンドプレート２ｃにおいて、燃料供給流路３０及び第１の中間燃料流路４０は各燃料電池セル２ａに燃料ガスを供給するための燃料ガス供給流路に接続されており、酸化剤ガス供給流路３２及び中間酸化剤ガス流路３８が、各燃料電池セル２ａに酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給流路に接続されている。各燃料電池セル２ａには、燃料供給流路３０及び酸化剤ガス供給流路３２を通じて燃料ガス及び酸化剤ガスが供給され、燃料電池セルによる発電が行われる。第１の燃料電池セルスタック２において発電に使用されなかった残余燃料ガスは第１の中間燃料流路４０に排出されて燃料再生器１２に供給され、第１の燃料電池セルスタック２において発電に使用されなかった酸化剤ガスは、中間酸化剤ガス流路３８に排出されて第２の燃料電池セルスタック３に供給される。トップエンドプレート２ｃは、第２の燃料電池セルスタック３と対向する側に設けられており、このトップエンドプレート２ｃの第２の燃料電池セルスタック３と対向する面に燃料供給流路３０、酸化剤ガス供給流路３２、中間酸化剤ガス流路３８、及び、第１の中間燃料流路４０が接続されている。

燃料再生器１２は、第１の燃料電池セルスタック２において発電に使用されなかった燃料ガスを再生する。具体的には、燃料ガスに含まれる水蒸気を凝縮させる。燃料再生器１２には、第１の燃料電池セルスタック２から延びる第１の中間燃料流路４０と、第２の燃料電池セルスタック３へ延びる第２の中間燃料流路４２が接続されている。第１の中間燃料流路４０を通じて第１の燃料電池セルスタック２から供給された燃料ガスは再生処理が行われ、第２の中間燃料流路４２を通じて第２の燃料電池セルスタック３へ供給される。

第２の燃料電池セルスタック３は、平板型セルスタックであり、複数の長方形の平板型燃料電池セル２ａを横方向に積層して構成されている。第２の燃料電池セルスタック３は、ハウジング６の外部に独立して設けられている。各燃料電池セル３ａは、酸化物イオン導電体で構成された平板状の電解質の両面に、燃料極及び空気極（酸化剤ガス極）の電極を夫々設けることにより構成され、各燃料電池セル３ａの間にはセパレータ３ｂが配置されている。また、積層された複数の燃料電池セル３ａの一端にはトップエンドプレート３ｃが配置され、他端にはボトムエンドプレート３ｄが配置されている。このように複数の燃料電池セル３ａを積層して得られた第２の燃料電池セルスタック３の内部には、各燃料電池セル３ａに燃料ガスを供給するための燃料ガス供給流路（図示せず）と、酸化剤ガスである空気を供給するための酸化剤ガス供給流路（図示せず）が形成されている。

トップエンドプレート３ｃには、燃料再生器１２から延びる第２の中間燃料流路４２と、第１の燃料電池セルスタック２から延びる中間酸化剤ガス流路３８と、燃料排出流路３４と、酸化剤ガス排出流路３６と、が接続されている。トップエンドプレート３ｃにおいて、第２の中間燃料流路４２及び燃料排出流路３４は各燃料電池セル３ａに燃料ガスを供給するための燃料ガス供給流路に接続されており、中間酸化剤ガス流路３８及び酸化剤ガス排出流路３６が、各燃料電池セル３ａに酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給流路に接続されている。各燃料電池セル３ａには、第２の中間燃料流路４２及び中間酸化剤ガス流路３８を通じて燃料ガス及び酸化剤ガスが供給され、燃料電池セルによる発電が行われる。第２の燃料電池セルスタック３において発電に使用されなかった残余燃料ガスは燃料排出流路３４に排出されて燃焼器１０に供給され、第２の燃料電池セルスタック３において発電に使用されなかった酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出流路３６に排出されて燃焼器１０に供給される。トップエンドプレート３ｃは、第１の燃料電池セルスタック２と対向する側に設けられており、このトップエンドプレート３ｃの第１の燃料電池セルスタック２と対向する面に第２の中間燃料流路４２、中間酸化剤ガス流路３８、燃料排出流路３４、及び、酸化剤ガス排出流路３６が接続されている。

これら燃料排出流路３４及び酸化剤ガス排出流路３６も、ハウジング６を包囲する断熱材を貫通して第１の燃料電池セルスタック２から燃焼器１０へ延びている。燃焼器１０へ排出された残余空気は、燃焼器１０における燃焼に使用される。燃焼により生成された燃焼ガスは、排気ガスとして排気ガス配管２６を通じて蒸発器４に排出される。蒸発器４に排出された排気ガスは、水を蒸発するのに用いられた後に、排気ガス排出管２３から外部に排出される。

次に、本発明の実施例による燃料電池モジュール１の作用を説明する。
まず、燃料電池モジュール１の起動時においては、原燃料ガス供給用配管２１を介して原燃料ガスが蒸発器４に供給されると共に、空気供給パイプ２４を介して発電用の空気がハウジング６に供給される。供給された原燃料ガスは、蒸発器４の蒸発室４ａを通って混合ガス導管２８に流入し、さらに、改質器８の中に流入する。なお、燃料電池モジュール１の起動初期においては、改質器８の温度が低いため、原燃料ガスを改質する反応は発生しない。改質器８に流入した原燃料ガスは、燃料供給流路３０を通って第１の燃料電池セルスタック２の内部に流入する。第１の燃料電池セルスタック２内に流入した原燃料ガスは、内部の流路を通り、第１の中間燃料流路４０を介して燃料再生器１２に供給される。なお、燃料電池モジュール１の起動初期においては、第１の燃料電池セルスタック２の温度が低いため、第１の燃料電池セルスタック２において発電反応は発生しない。
そして、燃料再生器１２に流入した原燃料ガスは、実質的に再生処理が行われることなく、第２の中間燃料流路４２を通じて第２の燃料電池セルスタック３の内部に流入する。第２の燃料電池セルスタック３内に流入した原燃料ガスは、内部の流路を通り、燃料排出流路３４を通じて燃焼器１０に供給される。

一方、空気供給パイプ２４を介してハウジング６に供給された空気は、ハウジング６の空気流路６Ａを通り、さらに、酸化剤ガス供給流路３２を通って第１の燃料電池セルスタック２の内部に流入する。第１の燃料電池セルスタック２内に流入した空気は内部の流路を通り、中間酸化剤ガス流路３８を通じて第２の燃料電池セルスタック３の内部に流入する。第２の燃料電池セルスタック３内に流入した空気は内部の流路を通り、酸化剤ガス排出流路３６を通じて燃焼器１０に供給される。なお、燃料電池モジュール１の起動初期においては、第２の燃料電池セルスタック３の温度が低いため、第２の燃料電池セルスタック３において発電反応は発生しない。

燃料排出流路３４を通って燃焼器１０に流入した原燃料ガスは、酸化剤ガス排出流路３６を介して燃焼器１０に流入した酸化剤ガスとともにハウジング６の内部空間に噴出される。そして、ハウジング６内に噴出した原燃料ガスがセラミックヒータにより点火され、燃焼器１０において原燃料ガスが酸化剤ガスとともに燃焼され、燃焼熱を生成するようになる。

燃焼器１０が点火されると、その上方に配置された改質器８が加熱され、内部の改質触媒の温度が上昇する。また、燃焼により生成される燃焼ガスにより、ハウジング６の空気流路６Ａが加熱され、内部を流れる空気が加熱される。改質器８及び空気流路６Ａにおいて急加熱された燃料ガス及び酸化剤ガスは、燃料供給流路３０及び酸化剤ガス供給流路３２をそれぞれ通過する。

ハウジング６内で生成された燃焼ガスは、排気ガス配管２６を通って排気ガスとして蒸発器４に流入する。蒸発器４内に流入した排気ガスは、水供給用配管２０を通じて蒸発器４に供給された水を蒸発させて水蒸気を発生させた後、排気ガス排出管２３から排出される。

蒸発器４において水蒸気が生成されるようになると、原燃料ガスと水蒸気の混合ガスが、改質器８に供給されるようになる。また、改質器８の温度が十分に上昇すると、改質触媒により水蒸気改質反応が誘発されて、原燃料ガスから水素ガスを豊富に含む燃料ガスが生成される。生成された燃料ガスは、第１の燃料電池セルスタック２に供給される。第１の燃料電池セルスタック２の温度が十分に上昇すると、燃料ガスと、ハウジング６において加熱された空気により発電反応が発生するようになる。第１の燃料電池セルスタック２の温度が発電可能な温度まで上昇した状態において、第１の燃料電池セルスタック２から電力が取り出され、発電が開始される。
また、第１の燃料電池セルスタック２において発電が開始されると、第１の燃料電池セルスタック２から第１の中間燃料流路４０を介して燃料再生器１２に供給される燃料ガスの水蒸気濃度が一層高くなる。燃料再生器１２はこのような燃料ガスに含まれる水蒸気を凝縮して、燃料ガスにおける水素ガスの含有率を向上する（再生処理）。そして、このような再生処理が行われ、水素ガスを含む燃料ガスが第２の燃料電池セルスタック３に供給されると、第２の燃料電池セルスタック３においても、燃料ガスと、第１の燃料電池セルスタック２から排出された空気により発電反応が発生するようになり、第２の燃料電池セルスタック３から電力が取り出され、発電が開始される。

本実施形態によれば、以下の効果が奏される。
本実施形態では、第１の燃料電池セルスタック２及び第２の燃料電池セルスタック３が、ハウジング６の外部に配置されているため、カスケード式の燃料電池セルスタック２、３の構成を採用した場合であっても、ハウジング６を小型化することができる。

また、燃料再生器１２は燃料ガスに含まれる水蒸気を凝縮するため、高温下での駆動に適していない。これに対して、本実施形態では、燃料再生器１２がハウジング６の外部に配置されているため、燃料再生器１２が燃焼器１０の高温に曝されるのを防止し、燃料再生器１２の駆動性能が低下するのを防止できる。また、第１の燃料電池セルスタック及び第２の燃料電池セルスタックがハウジング内に配置されていると、第１の燃料電池セルスタックと燃料ガス再生器とを結ぶ第１の燃料流路、及び、燃料ガス再生器と第２の燃料電池セルスタックとを結ぶ第２の燃料流路がハウジングを貫通することになるが、この場合には、貫通部の構成が複雑になるとともに貫通部の強度やシール性が低下するという問題があった。これに対して、本実施形態では、第１の燃料電池セルスタック２、第２の燃料電池セルスタック３、及び、燃料再生器１２がハウジング６の外部に配置されているため、第１の中間燃料流路４０及び第２の中間燃料流路４２がハウジング６を貫通することがなく、構成が複雑にならず、強度やシール性の低下を防止できる。

また、本実施形態では、燃料供給流路３０、酸化剤ガス供給流路３２、中間酸化剤ガス流路３８、及び、第１の中間燃料流路４０が、第１の燃料電池セルスタック２のトップエンドプレート２ｃの第２の燃料電池セルスタック３と対向する面に接続さており、また、第２の中間燃料流路４２、中間酸化剤ガス流路３８、燃料排出流路３４、及び、酸化剤ガス排出流路３６が、第２の燃料電池セルスタック３のトップエンドプレート３ｃの第１の燃料電池セルスタック２と対向する面に接続されている。このため、燃料ガス及び酸化剤ガスを供給又は排出する流路を集中して配置することができ、燃料電池モジュール１をコンパクトに構成することができる。

＜第２実施形態＞
以下、本発明の第２実施形態による燃料電池モジュールについて、図面を参照しながら詳細に説明する。
図６～図８は、本発明の第２実施形態による燃料電池モジュールの構成を示し、図６はブロック図、図７は斜視図、図８は側面図である。なお、以下の説明において、第１実施形態と同様の構成については、同じ符号を付して詳細な説明を省略する。
図６～図８に示すように、第２実施形態による燃料電池モジュール１０１は、脱硫器１１４を有し、これにともなうガス流路の構成が第１実施形態と異なっている。

脱硫器１１４には、原燃料ガスを供給するための原燃料ガス供給用配管１２２と、脱硫器１１４から脱硫処理が行われた原燃料ガスを蒸発器４に供給するための原燃料ガス供給流路１２１と、第２の中間燃料流路４２から分岐した還流ガス流路１４４とが接続されている。なお、還流ガス流路１４４が原燃料ガス供給用配管に合流、接続されたのち、脱硫器１１４に接続される構造でも構わない。還流ガス流路１４４は、第２の中間燃料流路４２のハウジング６の外部に位置する部分から分岐している。脱硫器１１４には、原燃料ガス供給流路１２１から原燃料ガスが供給されるとともに、還流ガス流路１４４から水素を含有する残燃料ガスの一部が供給される。脱硫器１１４は、水添脱硫反応により原燃料ガスに含まれる硫黄成分を脱硫する。脱硫処理が行われた原燃料ガスは、原燃料ガス供給流路１２１を介して蒸発器４の蒸発室４ａに供給される。原燃料ガス供給流路１２１は配管内に形成されている。

なお、本実施形態では、還流ガス流路１４４を第２の中間燃料流路４２から分岐しているが、燃料供給流路３０、第１の中間燃料流路４０、又は燃料排出流路３４から分岐することも可能である。このような場合においても、還流ガス流路１４４はハウジング６の外部において分岐することが好ましい。

本実施形態によれば、第１実施形態で奏される作用効果に加えて、以下の効果が奏される。
本実施形態によれば、脱硫器１１４へ燃料ガスを還流する還流ガス流路１４４が、燃料再生器１２で再生処理が行われた燃料ガスが流れる第２の中間燃料流路４２から分岐されているため、水素濃度が高い燃料ガスを脱硫器１１４に供給することができる。

＜第３実施形態＞
以下、本発明の第３実施形態による燃料電池モジュールについて、図面を参照しながら詳細に説明する。
図９は、本発明の第３実施形態による燃料電池モジュールの構成を示すブロック図である。なお、以下の説明において、第１、２実施形態と同様の構成については、同じ符号を付して詳細な説明を省略する。本実施形態では、第１の燃料電池セルスタック２から燃料再生器１２に燃料ガスを供給するための第１の中間燃料流路にサブ熱交換器２５０が設けられている。

図９に示すように、第３実施形態による燃料電池モジュール２０１は、第２実施形態の構成に加えてサブ熱交換器２５０を備える。このサブ熱交換器２５０はハウジング６の外部に設けられている。

第１の燃料電池セルスタック２には、第１、２実施形態と同様に、燃料供給流路３０、酸化剤ガス供給流路３２、及び中間酸化剤ガス流路３８が接続されている。さらに、本実施形態では、第１の燃料電池セルスタック２には、第１の上流側中間燃料流路２４０Ａが接続されている。第１の上流側中間燃料流路２４０Ａは、サブ熱交換器２５０まで延びている。
サブ熱交換器２５０には第１の上流側中間燃料流路２４０Ａ及び第１の下流側中間燃料流路２４０Ｂが接続されており、第１の下流側中間燃料流路２４０Ｂは燃料再生器１２まで延びている。燃料再生器１２には、第１の下流側中間燃料流路２４０Ｂ及び第２の中間燃料流路４２が接続されており、第２の中間燃料流路４２は第２の燃料電池セルスタック３に接続されている。このように、本実施形態では、第１の燃料電池セルスタック２から燃料再生器１２まで燃料ガスを供給するための第１の中間燃料流路にサブ熱交換器２５０が設けられている。

また、サブ熱交換器２４０には、空気供給パイプ２２４と、空気供給管２２５とが接続されている。空気供給パイプ２２４は、サブ熱交換器２４０からハウジング６まで延びており、ハウジング６内の空気流路６Ａと連通している。空気供給管２２５を通じて外部から酸化剤ガスとしての空気が供給される。サブ熱交換器２４０は、空気供給管２２５を通じて供給された空気と、第１の上流側中間燃料流路２４０Ａを通じて供給された燃料ガスとの間で熱交換を行う。サブ熱交換器２５０において熱交換された空気は、空気供給パイプ２２４を通じてハウジング６の空気流路６Ａに供給される。なお、サブ熱交換器２５０の構成は、特に限定されず、空気と還流ガスとの間で熱交換できる構成であればよい。

次に、本発明の第３実施形態による燃料電池モジュール２０１の作用を説明する。
本実施形態では、第１の燃料電池セルスタック２から排出された燃料ガスが第１の上流側中間燃料流路２４０Ａを通じてサブ熱交換器２５０に供給される。そして、サブ熱交換器２５０において燃料ガスと、空気供給管２２５から供給された空気との間で熱交換が行われ、燃料ガスの熱が空気へ伝達される。サブ熱交換器２５０において熱交換された燃料ガスは、第１の下流側中間燃料流路２４０Ｂを通じて燃料再生器１２に送られ、再生処理が行われる。そして、再生処理が行われた燃料ガスは第２の中間燃料流路４２を通じて第２の燃料電池セルスタック３に供給されるとともに、燃料ガスの一部が第２の中間燃料流路４２から分岐する還流ガス流路１４４を通じて脱硫器１１４に供給される。

また、空気供給管２２５を通じてサブ熱交換器２５０に供給された空気は、サブ熱交換器２５０において還流ガスと熱交換することにより加熱される。そして、サブ熱交換器２５０において加熱された空気は、空気供給パイプ２２４を通じてハウジング６に送られる。ハウジング６に供給された空気は、空気流路６Ａにおいて燃焼器１０で発生した燃焼排ガスとの間で熱交換され、酸化剤ガス供給流路３２を通じて燃料電池セルスタック２に供給される。このように、本実施形態では、酸化剤ガスを燃料電池セルスタック２まで供給するための酸化剤ガス流路では、サブ熱交換器２５０及びハウジング６の二か所において熱交換が行われる。

本実施形態によれば、第１実施形態で奏される効果に加えて、以下の効果が奏される。
本実施形態では、第１の燃料電池セルスタック２から燃料再生器１２まで燃料ガスを供給する第１の中間燃料流路にサブ熱交換器２５０が設けられており、このサブ熱交換器において第１の燃料電池セルスタック２に供給される空気との間で熱交換が行われる。これにより、燃料ガスの熱により空気を加熱することができ、燃料電池モジュール２０１の熱効率を向上することができる。

１ 燃料電池モジュール
２ 第１の燃料電池セルスタック
２ａ 燃料電池セル
２ｂ セパレータ
２ｃ トップエンドプレート
２ｄ ボトムエンドプレート
３ 第２の燃料電池セルスタック
３ａ 燃料電池セル
３ｂ セパレータ
３ｃ トップエンドプレート
３ｄ ボトムエンドプレート
４ 蒸発器
４ａ 蒸発室
４ｂ 加熱室
６ ハウジング
６Ａ 空気流路
８ 改質器
１０ 燃焼器
１２ 燃料再生器
２０ 水供給用配管
２１ 原燃料ガス供給用配管
２３ 排気ガス排出管
２４ 空気供給パイプ
２６ 排気ガス配管
２８ 混合ガス導管
３０ 燃料供給流路
３２ 酸化剤ガス供給流路
３４ 燃料排出流路
３６ 酸化剤ガス排出流路
３８ 中間酸化剤ガス流路
４０ 第１の中間燃料流路
４２ 第２の中間燃料流路
１０１ 燃料電池モジュール
１１４ 脱硫器
１２１ 原燃料ガス供給流路
１２２ 原燃料ガス供給用配管
１４４ 還流ガス流路

Claims (3)

1. 複数の燃料電池セルスタックと、
   ハウジングと、
   前記ハウジングの内部に配置され、原燃料ガスを改質して、水素を含有する燃料ガスを生成する改質器と、
   前記ハウジングの内部に配置され、前記複数の燃料電池セルスタックで発電に使用されなかった燃料ガスを燃焼させ、前記改質器を加熱する燃焼器と、
   を備え、
   前記複数の燃料電池セルスタックは、
   前記燃料ガスが供給される第１の燃料電池セルスタックと、
   前記第１の燃料電池セルスタックから排出された前記燃料ガスが供給される第２の燃料電池セルスタックと、を含み、
   前記第１の燃料電池セルスタック及び前記第２の燃料電池セルスタックは、前記ハウジングの外部に配置されており、
   さらに、前記ハウジングの外部に配置され、前記第１の燃料電池セルスタックで使用された燃料ガスを再生する燃料ガス再生器を備え、
   前記第１の燃料電池セルスタックから前記燃料ガス再生器へ燃料ガスを供給する第１の燃料流路と、前記燃料ガス再生器から前記第２の燃料電池セルスタックへ燃料ガスを供給する第２の燃料流路は、前記ハウジングを貫通しておらず、
   さらに、前記ハウジングの外部の前記第１の燃料流路に設けられ、前記第１の燃料電池セルスタックに供給される酸化剤ガスとの間で熱交換する第１の熱交換部と、前記第１の熱交換部の下流かつ前記ハウジングの内部に配置され、前記燃焼器で燃焼された燃焼排ガスと前記酸化剤ガスとの間で熱交換する第２の熱交換部と、を備える、ことを特徴とする燃料電池モジュール。
2. さらに、脱硫器を備え、
   前記脱硫器へ燃料ガスを還流する還流ガス流路は前記第２の燃料流路から分岐されている、請求項１に記載の燃料電池モジュール。
3. 前記第１の燃料電池セルスタックと、前記第２の燃料電池セルスタックとは、それぞれの一面が対向するように配置されており、
   前記第１の燃料電池セルスタック及び前記第２の燃料電池セルスタックの前記対向する面に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給又は排出する流路が接続されている、
   請求項１に記載の燃料電池モジュール。

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