JPWO2017038782A1 - 燃料電池モジュールおよび燃料電池装置 - Google Patents

Abstract

本発明の燃料電池モジュールは、収納容器と、セルスタックと、改質器と、酸素含有ガス供給部とを備える。セルスタックは、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、収納容器内に収納されている。改質器は、収納容器内の、セルスタックの上方に配設され、燃料電池セルに供給される燃料ガスを生成する。酸素含有ガス供給部は、燃料電池セルの配列方向に沿ってセルスタックおよび改質器に対向して配設され、燃料電池セルに供給される酸素含有ガスが上方から下方に向けて流れるガス流路を有する。さらに酸素含有ガス供給部は、ガス流路が、第１領域と、該第１領域よりも、酸素含有ガスが流れる方向および燃料電池セルの配列方向に垂直な方向の流路幅が広い第２領域とを有する。

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（たとえば、特許文献１参照）。

上記の収納容器においては、燃料電池セルに供給する燃料ガスを生成する改質器、燃料電池セルに酸素含有ガスを供給するための流路、および燃料電池セルから排出される排ガスを収納容器の外部に排出するための流路が設けられている。

特開２００７−５９３７７号公報

本開示の燃料電池モジュールは、収納容器と、セルスタックと、改質器と、酸素含有ガス供給部とを備えている。前記セルスタックは、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、前記収納容器内に収納されている。前記改質器は、前記収納容器内の、前記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。前記酸素含有ガス供給部は、前記燃料電池セルの配列方向に沿って前記セルスタックおよび前記改質器に対向して配設され、前記燃料電池セルに供給される酸素含有ガスが上方から下方に向けて流れるガス流路を有する。さらに前記酸素含有ガス供給部は、前記ガス流路が、第１領域と、該第１領域よりも、酸素含有ガスが流れる方向および前記燃料電池セルの配列方向に垂直な方向の流路幅が広い第２領域とを有する。

本開示の燃料電池装置は、上記燃料電池モジュールと、該燃料電池モジュールを収納する外装ケースと、を含む。

本発明の目的、特色、および利点は、下記の詳細な説明と図面とから、より明確になるであろう。
本実施形態の燃料電池モジュールに収納される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、図２Ａは側面図、図２Ｂは図２Ａの一部を抜粋して上方から見た拡大断面図である。 本実施形態の燃料電池モジュール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。 他の実施形態の燃料電池モジュール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、図６Ａは斜視図、図６Ｂは平面図である。 本実施形態のセルスタック装置の上方に、図６Ａ，６Ｂに示す改質器を備える構成の一例を示す側面図である。 他の実施形態の燃料電池モジュール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排ガス回収部の底面を一部抜粋して示す平面図である。 本実施形態の燃料電池装置の一例を概略的に示す分解斜視図である。

以下、図面を参考にして、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は本実施形態の一例の燃料電池モジュールを構成するセルスタック装置の一例を示す外観斜視図であり、図２は図１に示すセルスタック装置を示し、図２Ａは側面図、図２Ｂは図２Ａの一部を抜粋して上方から見た拡大断面図である。

図１、図２Ａ、図２Ｂに示すセルスタック装置１においては、セルスタック２が２つ並置されている。セルスタック２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一列に配列（図１で示すＸ方向）されている。また、隣接する燃料電池セル３間を導電部材６を介して電気的に直列に接続している。さらに、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を２つ備えている。

なお、図１および図２Ａ、図２Ｂ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１５を複数有する中空平板型で、ガス流路１５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装置においては、燃料電池セル３は、たと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（以下、「スタック支持部材」と略記する場合がある）７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の外側に突出する電流引出部８が接続されている。

なお、図１および図２Ａ、図２Ｂ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る。たとえばセルスタック装置１は、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は、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２Ａ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、熱膨張係数を加味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。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より燃料電池セル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２Ｂ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（以下、「支持体」と略記する場合がある）１４の一方の平坦面上に燃料側電極層１０、固体電解質層１１および空気側電極層１２を順次積層してなる柱状（中空平板状等）からなる。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１０を兼ねるものとし、その表面に固体電解質層１１および空気側電極層１２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、たとえば希土類元素酸化物が固溶した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および空気側電極層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、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、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、たとえば、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から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、開気孔率を２０％以上、特に３０〜５０％の範囲とすることができる。

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しており、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を有している。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を形成してもよい。また、図２Ｂ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以上とすることができる。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、たとえば、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の範囲とすることができる。

インターコネクタ１３は、上述したとおり、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）を使用することができる。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もされない。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あればよく、９３％以上、特に９５％以上の相対密度を有することができる。

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を備えてなる燃料電池モジュールの一例を示す外観斜視図であり、図４は図３に示す燃料電池モジュールの断面図である。

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。

また、図３に示す改質器２０は、原燃料供給管２３を介して供給される天然ガスまたは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。改質器２０は、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、酸素含有ガス供給部材２４が配置されている。酸素含有ガス供給部材２４は、マニホールド４上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間を下端部から上端部に向けて流れる。

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とを有する二重構造で、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とつながる酸素含有ガス流通部２９を上方に向けて流れる。酸素含有ガスは、続いて収納室２７の上方における内壁２５と外壁２６とにより設けられ、酸素含有ガス流通部２９とつなが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、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。酸素含有ガス供給部材２４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。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との間には断熱部材３３が配置されている。

ここで、改質器と酸素含有ガス供給部材との熱交換によって、改質器の温度が低下してしまうおそれがある。このように、改質器の温度が低下した場合、改質器における改質効率が低下するおそれがあり、ひいては発電効率が低下する場合がある。

そこで、本実施形態の燃料電池モジュール１７においては、酸素含有ガス供給部材２４は、ガス流路が、第１領域と、該第１領域よりも、酸素含有ガスが流れる方向および燃料電池セルの配列方向に垂直な方向の流路幅が広い第２領域とを有している。具体的には、酸素含有ガス供給部材２４は、２つの燃料電池セル３間に配置され、ガス流路の第１領域を構成する第１供給部分２４ａと、改質器２０と対向する部分の間に設けられ、第１供給部分２４ａに同一軸線上で連なり、上端に前述のフランジ部３１が形成されて、ガス流路の第２領域を構成する第２供給部分２４ｂとを有する。第１供給部分２４ａは、酸素含有ガスが流れる方向および燃料電池セル３の配列方向に垂直な方向（図４の左右方向）に流路幅Ｗ４を有する。第２供給部分２４ｂは、第１供給部分２４ａの流路幅Ｗ４よりも広い流路幅Ｗ１４を有する。第１供給部分２４ａの流路幅Ｗ４は、たとえば１ｍｍ〜１０ｍｍであり、第２供給部分２４ｂの流路幅Ｗ１４は、たとえば５ｍｍ〜３０ｍｍである。第２供給部分２４ｂの下端部には、酸素含有ガスが流れる方向の下流側になるにつれて、流路幅が上記の流路幅Ｗ１４から第１供給部分２４ａの流路幅Ｗ４に減少する傾斜部２４ｂ１が形成され、傾斜部２４ｂ１の下端が第１供給部分２４ａの上端に連なり、第１供給部分２４ａと第２供給部分２４ｂとによって連続したガス流路が形成される。このようなガス流路において、第１供給部分２４ａの流路幅Ｗ４に対する第２供給部分２４ｂの流路幅Ｗ１４の比（Ｗ１４／Ｗ４）は、１．５〜１０に設定される。

上記のように酸素含有ガス供給部材２４は、第１供給部分２４ａの流路幅Ｗ４よりも第２供給部分２４ｂの流路幅Ｗ１４が大きく構成されるので、改質器２０との熱交換によって改質器２０の温度低下が抑制される。これは、第１供給部分２４ａと第２供給部分２４ｂとを流れる酸素含有ガスの流速を変えることで、酸素含有ガス供給部材２４の外側との熱交換量を変えることによる。すなわち、改質器２０と対向する第２供給部分２４ｂの流路幅Ｗ１４を大きくすることで、酸素含有ガスの流速を遅くでき、それにより熱交換量を下げることができる。これによって、改質器２０における改質効率の低下を防止することができ、発電効率を向上させることができる。また、後述するが、燃料電池セル３の上方で、発電に使用されなかった燃料ガスを燃焼させる場合には、燃焼部近傍の温度低下が抑制されるため、燃焼性を向上させることもできる。

第１供給部分２４ａの２つのセルスタック２に対向する側面には、セルスタック２側に突出する少なくとも３つの突出部２４ａ１がそれぞれ設けられる。各３つの突出部２４ａ１のうち、上下に配置される少なくとも２つの突出部２４ａ１１は、断熱部材３３を保持し、中間に配置される突出部２４ａ１２は、断熱部材３３を保持せずに開口部３４内の空間に突出している。このような断熱部材３３を保持しない突出部２４ａ１２によって、開口部３４内におけるセルスタック２の側方から漏出する空気のセルスタック２間への戻りや対流が改善され、さらにセルスタック２の温度分布を均一化することができる。

なお、図４においては、酸素含有ガス供給部材２４が、収納容器１９の内部に並置された２つのセルスタック２間に位置するように配置されているが、セルスタック２の数により、適宜配置することができる。たとえば、収納容器１９内にセルスタック２を１つだけ収納する場合には、酸素含有ガス供給部材２４を２つ設け、セルスタック２を両側方から挟み込むように配置することができる。

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部材３３が適宜設けられている。

断熱部材３３は、セルスタック２の近傍に配置してもよく、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部材３３を配置することもできる。なお、断熱部材３３は、セルスタック２の両側方に配置してもよい。それにより、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部材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のばらつき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側にも断熱部材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（図４の上下方向）の中央部でかつ燃料電池セル３の配列方向（図４の紙面に垂直方向）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燃料ガスと酸素含有ガスとを燃料電池セル３の上端と改質器２０との間で燃焼させることにより、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、燃料電池セル３（セルスタック２）の上方に配置された改質器２０を温めることができ、改質器２０で効率よく改質反応を行なうことができる。なお、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の発電効率を向上させるにあたり、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できる。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してもよい。

したがって、本実施形態の燃料電池モジュール１７においては、まず酸素含有ガス導入部２８の流路幅Ｗ１と、酸素含有ガス流通部２９の流路幅Ｗ２とを比較した場合に、酸素含有ガス流通部２９の流路幅Ｗ２が、酸素含有ガス導入部２８の流路幅Ｗ１よりも狭くなっている。それにより、酸素含有ガス導入部２８に導入された酸素含有ガスを、効率よく酸素含有ガス流通部２９に流すことができる。

ここで、酸素含有ガス流通部２９の流路幅Ｗ２は、収納容器１９の経時劣化により内壁２５や外壁２６が変形しても閉塞されない幅とすることができ、酸素含有ガス導入部２８の流路幅Ｗ１と比較して、１／３〜１／３０の範囲とすることができる。なお、酸素含有ガス導入部２８の流路幅Ｗ１については特に制限はないが、大きすぎると燃料電池モジュール１７が大型化する問題がある。

なお、収納室２７のそれぞれの側方に位置する酸素含有ガス流通部２９の流路幅Ｗ２は、それぞれを比較した場合に±１０％の範囲内とすることができる。それにより、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のそれぞれの側方にほぼ同じ量が流れる。

次に、図４、図５に示すように、酸素含有ガス分配部３０の流路幅Ｗ３と酸素含有ガス供給部材２４の流路幅（内幅）Ｗ４とを比較した場合に、酸素含有ガス供給部材２４の第１供給部分２４ａにおける流路幅Ｗ４が、酸素含有ガス分配部３０の流路幅Ｗ３よりも狭くなっている。それにより、酸素含有ガス分配部３０に導入された酸素含有ガスを、効率よく酸素含有ガス供給部材２４に流すことができる。

ここで、酸素含有ガス供給部材２４の流路幅Ｗ４は、経時劣化により酸素含有ガス供給部材２４が変形しても閉塞されない幅とすることができ、酸素含有ガス分配部３０の流路幅Ｗ３と比較して、１／２〜１／３０の範囲とすることができる。なお、酸素含有ガス分配部３０の流路幅Ｗ３については特に制限はないが、大きすぎると燃料電池モジュール１７が大型化する問題がある。なお上記流路幅を決定するにあたっては、酸素含有ガス流出口３２の圧力損失を考慮して決定することができる。

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。

それゆえ、本実施形態の燃料電池モジュール１７においては、収納室２７の側方に設けられた排ガス流通部３６の流路幅Ｗ５と、収納室２７の下方に設けられた排ガス収集部３７の流路幅Ｗ６とを比較した場合に、排ガス流通部３６の流路幅Ｗ５が、排ガス収集部３７の流路幅Ｗ６よりも狭くなっている。それにより、収納室２７のそれぞれの側方における排ガス流通部３６を流れた排ガスが、排ガス収集部３７にて効率よく混合され、排気孔３８を介して外部に効率よく廃棄される。

ここで、排ガス流通部３６の流路幅Ｗ５は、経時劣化により排ガス流通部３６が変形しても閉塞されない幅とすることができ、排ガス収集部３７の流路幅Ｗ６と比較して、１／３〜１／３０の範囲とすることができる。なお、排ガス流通部３６の流路幅Ｗ６については特に制限はないが、大きすぎると燃料電池モジュール１７が大型化する問題がある。

なお、収納室２７のそれぞれの側方に位置する排ガス流通部３６の流路幅Ｗ５は、それぞれを比較した場合に±１０％の範囲内とすることができる。それにより、収納室２７における排ガスが、収納室２７のそれぞれの側方にほぼ同じ量が流れる。

また、上記燃料電池モジュール１７の収納室２７にセルとして水蒸気と電圧を加えることにより水素を生成することができる電解セルを配列してなる電解セルスタック装置を収納してなる電解モジュールとすることもできる。この場合、水蒸気より水素が生成される際の副産物として酸素が電解セルより排出される。しかしながら、収納室２７に高濃度の酸素が存在すると、何らかの衝撃等により発火するおそれや、また電解セル自身が酸化により劣化するおそれがある。

それゆえ、この場合において、第１ガスとして空気を用い、収納室２７内を空気でパージする（言い換えれば高濃度の酸素と入れ替える）ことで、発火のおそれや、電解セルの劣化を抑制することができる。すなわち、この場合においては、高濃度の酸素を含むガスが排ガスとなる。このように、電解セルスタック装置を備える電解モジュールにおいても、効率（電解効率）のよいモジュールとすることができる。

図５は、本実施形態の他の一例の燃料電池モジュール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を備える点、各セルスタック装置４３の間に排ガス流通部材４４が設けられている点、図６に示すように４つのセルスタックの上方に１つの改質器４５が設けら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る。それゆえ、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の上端側で、発電に使用されなかった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の燃料電池装置では、燃料電池セル３の上端側に排ガスが滞留することで、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、隣接するセルスタック装置４３の間に、発電に使用されなかった排ガスを排出するための排ガス流通部材４４が設けられている。

この排ガス流通部材４４は、筒状の容器からなり、上端部に収納室４２と連通する排ガス流入口４６を両側方に備えるとともに、下端である排出口４７が収納室４２の下方に設けられた排ガス収集部３７と連通している。なお、図５においては、外観が直方体状でかつ筒状、すなわち四角筒体を成す容器にて排ガス流通部材４４を形成した例を示しているが、円筒状の容器を複数配列した構成としてもよい。

すなわち、それぞれのセルスタック装置４３の側方には、排ガス流通部３６もしくは排ガス流通部材４４のいずれかが配置されており、発電で使用されなかった排ガスは、それぞれのセルスタック装置４３を構成するセルスタック２にとって近い側の排ガス流通部３６、または排ガス流通部材４４に効率よく流れる。

それにより、燃料電池セル３の上端側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の上方で燃焼させ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。

なお、排ガス流通部材４４の流路幅Ｗ７と、収納室４２の下方に設けられた排ガス収集部３７の流路幅Ｗ６とを比較した場合に、排ガス流通部材４４の流路幅Ｗ７が、排ガス収集部３７の流路幅Ｗ６よりも狭くなっている。それにより、排ガス流通部材４４を流れた排ガスが、排ガス収集部３７にて効率よく混合され、排気孔３８を介して外部に排出される。

具体的には、排ガス流通部材４４の流路幅Ｗ７は、排ガス収集部３７の流路幅Ｗ６と比較して、１／３〜１／３０の範囲とすることができる。なお、排ガス収集部３７の流路幅Ｗ６については特に制限はないが、大きすぎると燃料電池モジュール４１が大型化する問題がある。

なお、それぞれの排ガス流通部材４４の流路幅Ｗ７は、それぞれを比較した場合に±１０％の範囲内とすることができる。それにより、それぞれの排ガス流通部材４４にほぼ同じ量の排ガスが流れる。

図６Ａ、図６Ｂは図５に示す燃料電池モジュールに収納された改質器を拡大して示す斜視図および平面図であり、図７は本実施形態のセルスタック装置の上方に図６Ａ、図６Ｂに示す改質器を備える構成の一例を示す側面図である。

図５の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６Ａ、図６Ｂ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６Ａ、図６Ｂに示したように、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気化部往路４５ａ１と、水蒸気が他端側より一端側に流れる気化部復路４５ａ２とを備えている。また、気化部往路４５ａ１には、内部に一端部から気化部往路４５ａ１に沿って突出する筒状部４８ａと、一端部に接続され、筒状部４８ａに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４８を同軸に接続した別体構造のほか、水供給部４８ｂである水供給管４８を外部より内部に挿入して、水供給管４８の一部が筒状部４８ａとなる一体構造であってもよい。以下の説明においては、水供給管４８が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とを備えている。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６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、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を順に流れる。また、気化改質部連結路４５ｃ２では、原燃料供給部２３ｂである原燃料供給管２３から原燃料が供給され、気化改質部連結路４５ｃ２で水蒸気と混合され、改質部往路４５ｂ１、改質部連結路４５ｃ３、改質部復路４５ｂ２を流れる間に改質され、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、軸線に垂直な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、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おり、水供給管４８の先端部（筒状部）は仕切板４５ａ１１の上流側に位置し、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、たとえば平均粒径が１ｍｍ以上１０ｍｍ以下の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多孔性板状体によって形成されている。なお、これら仕切板４５ａ１１，４５ａ２１は、改質器の構造や、後述する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１ｃ３、改質部復路４５ｂ２が改質室とされている。この改質室には、たとえば平均粒径が１ｍｍ以上１０ｍｍ以下の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、多孔性板状体によって構成されている。なお、これら仕切板４５ｂ１１，４５ｂ２１は、改質器の構造や、後述する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との間で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部２３ｂである原燃料供給管２３が接続されている。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位置しており、また、水蒸気の流れ方向で見れば、流れ方向の長さが長い。したがって、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ときには、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、改質効率を向上させることができる。

そして、図７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により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１５に供給される。

なお、改質器４５で生成された改質ガスは、図７に示すように、改質ガス導出管４９により、分配器５０を介して２つのマニホールド４に供給される。すなわち、改質ガス導出管４９は、改質器４５から分配器５０までのＵ字状の第１改質ガス導出管４９ａと、分配器５０から下方の２つのマニホールド４にそれぞれ延びる第２改質ガス導出管４９ｂとを具備している。第１改質ガス導出管４９ａ、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、圧力損失を考慮して、同じ長さとされている。

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のそれぞれは、１つのセルスタック２と対応して、セルスタック２の上方に配置されている。それにより、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（たとえば水供給管４８、仕切板４５ａ１１，４５ａ２１，４５ｂ１１，４５ｂ２１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。

図８は、本実施形態のさらに他の燃料電池モジュールの一例を示す断面図である。図８に示す燃料電池モジュール１５０は、図５に示す燃料電池モジュール４１と比較して、各セルスタック装置４３の間に配置された排ガス流通部材４４を設けておらず、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５１を備えており、排ガス回収部５１と排ガス流通部３６とがつながっている点で異なっている。

図５に示す燃料電池モジュール４１においては、燃料電池セル３より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るメリットはあるものの、排ガス流通部材４４を流れる排ガスは、外部より供給される酸素含有ガスと熱交換されないことから、外部より供給される酸素含有ガスと、燃料電池セル３より排出される排ガスとの熱交換の点で改善の余地がある。

そこで、図８に示す燃料電池モジュール１５０においては、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５１を設け、該排ガス回収部５１と排ガス流通部３６とがつながっていることで、燃料電池セル３より排出される排ガスの全量が、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、結果として発電効率を向上させることができる。

ここで、排ガス回収部５１に回収された排ガスは、効率よく排ガス流通部３６に流れる構成としてもよい。それゆえ、本実施形態の燃料電池モジュール１５０においては、収納室４２の側方に設けられた排ガス流通部３６の流路幅Ｗ５と、排ガス回収部５１の流路幅Ｗ８とを比較した場合に、排ガス流通部３６の流路幅Ｗ５が、排ガス回収部５１の流路幅Ｗ８よりも狭くなっている。それにより、排ガス回収部５１に回収された排ガスが、収納室４２のそれぞれの側方における排ガス流通部３６に効率よく流れる。それにより、酸素含有ガスとの熱交換が向上し、発電効率を向上させることができる。

ここで、排ガス流通部３６の流路幅Ｗ５は、排ガス回収部５１の流路幅Ｗ８と比較して、１／３〜１／３０の範囲とすることができる。なお、排ガス回収部５１の流路幅Ｗ８については特に制限はないが、大きすぎると燃料電池モジュール１５０が大型化する問題がある。

また、この排ガス回収部５１の底面には、収納室４２とつながる回収孔５２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５２を介して排ガス回収部５１に流れる。

図９は排ガス回収部の底面の一部を拡大して示す平面図であり、改質器４５との位置関係が分かるように、改質器４５を破線で示している。図９に示すように、排ガス回収部５１の底面に設けられた複数の回収孔５２は、改質器４５と対向して設けてもよい。上述したように燃料電池セル３より排出される排ガスを燃焼させて生じる燃焼熱で改質器４５を加熱することで、改質効率を向上させることができる。したがって、燃料電池セル３より排出される排ガス（燃焼排ガス）は、改質器４５の周囲を流れた後に、排ガス回収部５１に流れてもよい。

そこで、本実施形態の燃料電池モジュール１５０においては、回収孔５２を、改質器４５と対向して設けている。それにより、燃料電池セル３より排出される排ガス（燃焼排ガス）が効率よく改質器４５の周囲を流れた後に、排ガス回収部５１に流れる。それにより、改質器４５の温度を効率よく向上させることができ、改質効率を向上させることができる。

なお、図９においては、改質器４５における気化部往路４５ａ１、気化部復路４５ａ２、改質部往路４５ｂ１、改質部復路４５ｂ２のそれぞれに対向して同じ数（本実施形態では６）の回収孔５２を設けた例を示しているが、回収孔５２の数はこれに限られるものではない。

たとえば、改質器４５において、気化部往路４５ａ１は水の気化に伴う吸熱反応により温度が低下し、ひいてはその下方に位置するセルスタック２の温度も低下するおそれがあることから、気化部往路４５ａ１の温度を上昇させるべく、気化部往路４５ａ１に対向する回収孔５２の数を多くしてもよい。なお、回収孔５２の数や配置は適宜設定することができる。

図１０は、外装ケース内に燃料電池モジュール１７，４１，１５０のいずれかと、各燃料電池モジュール１７，４１，１５０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を概略的に示す分解斜視図である。なお、図１０においては一部構成を省略して示している。

図１０に示す燃料電池装置５３は、複数（本実施形態では４つ）の支柱５４と外装板５５とを含んで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、その上方側を上述した各燃料電池モジュール１７，４１，１５０を収納するモジュール収納室５７とし、下方側を各燃料電池モジュール１７，４１，１５０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の空気をモジュール収納室５７側に流すための空気流通口５９が仕切板５６を厚み方向に貫通して設けられており、モジュール収納室５７を外囲する外装板５５の一部（すなわち、平面視で一辺を成す部分）には、その上部寄り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、該外装板５５の一部を厚み方向に貫通して設けられている。

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１７，４１，１５０のいずれかを外装ケース内に収納することにより、発電効率が向上された燃料電池装置５３を実現することができる。

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。たとえば、上述の実施形態の燃料電池モジュール４１，１５０では、４個のセルスタック２の上方に１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、たとえば、２個または３個のセルスタック２の上方に１個の改質器４５を配置したセルスタック装置でもよく、さらに、５個以上のセルスタック２の上方に１個の改質器４５を配置したセルスタック装置でもよい。この場合、改質器４５の形状は適宜変更すればよい。

さらに、上述の実施形態では、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を配置してもよく、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を配置してもよい。

さらに、上述の実施形態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。

２ セルスタック
３，４５ 燃料電池セル
１７，４１，１５０ 燃料電池モジュール
１９ 収納容器
２０ 改質器
２４ 酸素含有ガス供給部
５３ 燃料電池装置

Claims (5)

1. 収納容器と、
   該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るセルスタックと、
   前記収納容器内の、前記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、
   前記燃料電池セルの配列方向に沿って前記セルスタックおよび前記改質器に対向して配設され、前記燃料電池セルに供給される酸素含有ガスが上方から下方に向けて流れるガス流路を有する酸素含有ガス供給部と、を備え、
   該酸素含有ガス供給部は、前記ガス流路が、第１領域と、該第１領域よりも、酸素含有ガスが流れる方向および前記燃料電池セルの配列方向に垂直な方向の流路幅が広い第２領域とを有する、
   ことを特徴とする燃料電池モジュール。
2. 前記ガス流路の前記第２領域は、前記改質器に対向した位置に設けられることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池モジュール。
3. 前記第１領域の流路幅に対する前記第２領域の流路幅の比が、１．５〜１０であ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. 前記第１領域の前記セルスタックに対向する面に、前記セルスタックに向けて突出する突出部が少なくとも３つ以上設けられており、少なくとも２つ以上の該突出部が、前記セルスタックと前記酸素含有ガス供給部との間に配設された断熱部材を保持するとともに、前記断熱部材を保持する前記突出部の間に位置する少なくとも１つの前記突出部が、前記断熱部材を保持していな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. 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と、
   前記燃料電池モジュールを収納する外装ケースと、を含むことを特徴とする燃料電池装置。