WO2017057151A1 - 燃料電池用改質器、燃料電池モジュールおよび燃料電池装置 - Google Patents

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真紀 末廣
鈴木　雅人
小田　智之
悠大 原
信裕 小林
紀子 大日
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京セラ株式会社
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    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell reformer, a fuel cell module, and a fuel cell device.
  • a reformer is disposed above a plurality of cell stacks, and the reformer has a U-shape.
  • a vaporization unit that vaporizes water to generate water vapor
  • a vaporization unit And a reforming unit that steam-reforms the raw fuel gas using the generated steam.
  • the raw fuel gas supply pipe and the water supply pipe are connected to the vaporizer connected to the upstream side of the reformer, and the steam generated in the vaporizer and the raw fuel gas are mixed and supplied to the reformer.
  • the raw fuel gas is reformed in the mass part.
  • the fuel cell reformer of the present disclosure is a fuel cell reformer that generates a reformed gas by reacting raw fuel with steam.
  • the fuel cell reformer comprises: A vaporizing section for vaporizing water into water vapor; A reforming unit that reacts water vapor generated in the vaporization unit with raw fuel to generate a reformed gas.
  • the water supply pipe which has the surrounding wall part which was arrange
  • the fuel cell module of the present disclosure includes the fuel cell reformer described above, A cell stack that generates electricity by reacting the reformed gas generated by the fuel cell reformer with an oxygen-containing gas is housed.
  • the fuel cell device of the present disclosure is provided in the outer case.
  • An auxiliary machine for operating the fuel cell module is housed.
  • FIG. 2A is a side view of the cell stack device shown in FIG. 1
  • FIG. 2B is a partially enlarged plan view of a portion A surrounded by a dotted frame in FIG. 2A.
  • FIG. 6A is a perspective view
  • FIG. 6B is a perspective view
  • FIG. 6B is a plan view, showing the reformer housed in the module shown in FIG. It is the enlarged view which looked at the cylindrical part vicinity of the water supply pipe
  • FIG. 12A is a perspective view and FIG. 12B is a plan view showing another example of the reformer housed in the module shown in FIG. It is a perspective view which extracts and shows the internal structure of the other example of the reformer accommodated in the module shown in FIG. It is a perspective view which extracts and shows the internal structure of the other example of the reformer accommodated in the module shown in FIG.
  • FIG. 1 is a perspective view showing an external appearance of an example of a cell stack device constituting a fuel cell module provided with a fuel cell reformer of the present embodiment
  • FIG. 2 shows the cell stack device shown in FIG. 2A is a side view of the cell stack device
  • FIG. 2B is an enlarged cross-sectional view of a part A surrounded by a dotted frame in FIG. 2A.
  • description will be made mainly using solid oxide fuel cells as cells.
  • FIGS. 1, 2A, and 2B two cell stacks 2 are juxtaposed.
  • the cell stacks 2 are arranged in a row (X direction shown in FIG. 1) in a state where the fuel cells 3 having gas flow paths 15 through which fuel gas flows from one end to the other end are erected. Further, the adjacent fuel cells 3 are electrically connected in series via the conductive member 6. Further, in the cell stack 2, the lower end of the fuel cell 3 is fixed to the manifold 4 with an insulating adhesive 9.
  • the fuel cell 3 is a hollow plate type having a plurality of gas passages through which fuel gas flows in the longitudinal direction, and on the surface of the support having the gas passages.
  • a solid oxide fuel cell 3 in which a fuel electrode layer, a solid electrolyte layer, and an oxygen electrode layer are sequentially laminated is illustrated. Further, an oxygen-containing gas flows between the fuel cells 3.
  • the configuration of the fuel cell 3 will be described later.
  • the fuel cell 3 can be, for example, a flat plate type or a cylindrical type, and the shape of the cell stack device 1 can be changed as appropriate.
  • a cell stack support (hereinafter sometimes abbreviated as “stack support”) 7 electrically connected to the fuel cell 3 located on the outermost side of the cell stack 2 via a conductive member 6.
  • stack support 7 has been placed.
  • a protective cover can be provided outside the stack support 7. The protective cover protects the stack support 7 and the cell stack 2 against contact with a heat insulating material arranged around the cell stack 2 and external impact.
  • the stack support 7 is connected to a conductive portion 8 that protrudes outside the cell stack 2.
  • the cell stack apparatus 1 includes two cell stacks 2, the number can be changed as appropriate.
  • the cell stack device 1 may include only one cell stack 2.
  • the cell stack apparatus 1 can also include a reformer described later.
  • the manifold 4 stores a fuel gas to be supplied to the fuel cell 3 and includes a gas case having an opening on the upper surface, and a frame body that fixes the fuel cell 3 inside and is fixed to the gas case. ing.
  • One end of the fuel cell 3 (lower end in FIG. 2A) is surrounded by a frame, and the outer periphery of the lower end of the fuel cell 3 is fixed by an insulating adhesive 9 filled inside the frame. Yes. That is, the cell stack 2 accommodates the plurality of fuel cells 3 side by side inside the frame and is bonded to the frame by the insulating adhesive 9.
  • the insulating adhesive 9 is made of a material such as glass, and a material added with a predetermined filler in consideration of the thermal expansion coefficient can be used.
  • a gas flow pipe 5 through which fuel gas generated by a reformer described later flows is connected to the upper surface of the manifold 4.
  • the fuel gas is supplied to the manifold 4 through the gas flow pipe 5, and is supplied from the manifold 4 to the gas flow path 15 provided inside the fuel battery cell 3.
  • the fuel battery cell 3 has one flat surface of a columnar conductive support body (hereinafter sometimes abbreviated as “support body”) 14 having a pair of opposed flat surfaces.
  • a columnar shape (hollow flat plate shape or the like) in which a fuel-side electrode layer 10, a solid electrolyte layer 11, and an air-side electrode layer 12 are sequentially laminated.
  • An interconnector 13 is provided on the other flat surface of the fuel cell 3, and a P-type semiconductor layer 16 is provided on the outer surface (upper surface) of the interconnector 13.
  • the conductive member 6 and the stack support 7 are not shown.
  • the support may also serve as a fuel-side electrode layer, and a cell may be formed by sequentially laminating the solid electrolyte layer 11 and the air-side electrode layer 12 on the surface thereof.
  • porous conductive ceramics for example, ZrO 2 in which a rare earth element oxide is dissolved (referred to as stabilized zirconia, partially stabilized). And Ni and / or NiO.
  • the solid electrolyte layer 11 has a function as an electrolyte that bridges electrons between the fuel-side electrode layer 10 and the air-side electrode layer 12.
  • a gas barrier property for preventing leakage between the fuel gas and the oxygen-containing gas and for example, it is made of ZrO 2 in which 3 to 15 mol% of a rare earth element oxide is dissolved.
  • the air-side electrode layer 12 is not particularly limited as long as it is generally used.
  • the air-side electrode layer 12 can be formed from a conductive ceramic made of a so-called ABO 3 type perovskite oxide.
  • the air-side electrode layer 12 is required to have gas permeability, and the open porosity can be set to 20% or more, particularly 30 to 50%.
  • the support 14 has gas permeability in order to allow the fuel gas to pass through to the fuel side electrode layer 10, and further has conductivity in order to conduct through the interconnector 13. Therefore, as the support 14, conductive ceramics, cermet, or the like can be used.
  • the support 14 In producing the fuel cell 3, when producing the support 14 by co-firing with the fuel-side electrode layer 10 or the solid electrolyte layer 11, the support 14 is formed from an iron group metal component and a specific rare earth oxide. be able to.
  • the columnar (hollow flat plate) support 14 is a plate-like piece elongated in the standing direction (Y direction shown in FIG. 1) and has flat ends. It has a surface and both sides of a semicircular shape. Further, since the support 14 has gas permeability, it can have an open porosity of 20% or more, particularly 25 to 50%. Moreover, the electrical conductivity can be 300 S / cm or more, in particular 440 S / cm or more. Furthermore, the shape of the support 14 may be a columnar shape, and may be a cylindrical shape.
  • An example of the P-type semiconductor layer 16 is a layer made of a transition metal perovskite oxide. Specifically, a material having higher electron conductivity than the material constituting the interconnector 13, for example, LaMnO 3 -based oxide, LaFeO 3 -based oxide, LaCoO 3 -based oxide in which Mn, Fe, Co, etc. exist at the B site. P-type semiconductor ceramics made of at least one oxide or the like can be used. The thickness of such a P-type semiconductor layer 16 can generally be in the range of 30 to 100 ⁇ m.
  • the interconnector 13 can use a lanthanum chromite-based perovskite oxide (LaCrO 3 -based oxide) or a lanthanum strontium titanium-based perovskite oxide (LaSrTiO 3 -based oxide). These materials have conductivity and are not reduced or oxidized even when they come into contact with a fuel gas (hydrogen-containing gas) and an oxygen-containing gas (air or the like).
  • the interconnector 13 is dense to prevent leakage of both the fuel gas flowing through the gas flow path 15 formed in the support 14 and the oxygen-containing gas flowing outside the support 14. It suffices to have a relative density of 93% or more, particularly 95% or more.
  • the conductive member and the stack support 7 interposed for electrically connecting the fuel cells 3 are required for a member made of an elastic metal or alloy, or a felt made of metal fiber or alloy fiber. It can comprise from the member which surface-treated.
  • FIG. 3 is an external perspective view showing an example of a fuel cell module (hereinafter abbreviated as a module) including the cell stack device 18 of the present embodiment
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of the module shown in FIG.
  • the cell stack device 18 of the present embodiment is stored inside the storage container 19.
  • a reformer 20 for generating fuel gas to be supplied to the fuel cell 3 is disposed above the cell stack device 18.
  • the reformer 20 can have a structure capable of performing steam reforming, which is a reforming reaction with good reforming efficiency.
  • the reformer 20 includes a vaporization unit 21 for vaporizing water and a reforming unit 22 in which a reforming catalyst (not shown) for reforming raw fuel into fuel gas is disposed. .
  • FIG. 3 shows a state in which a part (front and rear surfaces) of the storage container 19 is removed and the cell stack device 18 stored inside is taken out rearward.
  • the cell stack device 18 can be slid and stored in the storage container 19.
  • an oxygen-containing gas supply member 24 is disposed inside the storage container 19.
  • the oxygen-containing gas supply member 24 is disposed between the cell stacks 2 juxtaposed on the manifold 4, and the supplied oxygen-containing gas flows between the fuel cells 3 from the lower end portion toward the upper end portion.
  • the storage container 19 constituting the module 17 has a double structure having an inner wall 25 and an outer wall 26, and an outer frame of the storage container 19 is formed by the outer wall 26.
  • a storage chamber 27 for storing the cell stack device 18 is formed.
  • the storage container 19 includes an oxygen-containing gas introduction unit 28 for introducing an oxygen-containing gas introduced from the outside into the storage chamber 27.
  • the oxygen-containing gas introduced into the oxygen-containing gas introduction part 28 flows upward through an oxygen-containing gas circulation part 29 formed between the inner wall 25 and the outer wall 26 and connected to the oxygen-containing gas introduction part 28. Subsequently, the oxygen-containing gas flows through the oxygen-containing gas distribution unit 30 connected to the oxygen-containing gas circulation unit 29.
  • An oxygen-containing gas supply member 24 that is a gas supply unit is inserted through the inner wall 25 and fixed to the oxygen-containing gas distribution unit 30.
  • the oxygen-containing gas supply member 24 includes an oxygen-containing gas inlet (not shown) through which an oxygen-containing gas flows into the upper end side and a flange portion 31, and contains oxygen at the lower end portion of the fuel cell 3 at the lower end portion.
  • An oxygen-containing gas outlet 32 for introducing gas is provided. Thereby, the oxygen-containing gas distribution part 30 and the oxygen-containing gas supply member 24 are connected.
  • a heat insulating member 33 is disposed between the flange portion 31 and the inner wall 25.
  • the oxygen-containing gas supply member 24 is arranged so as to be positioned between two cell stacks 2 juxtaposed inside the storage container 19, but is appropriately arranged depending on the number of cell stacks 2. can do.
  • two oxygen-containing gas supply members 24 can be provided, and the cell stack 2 can be disposed so as to be sandwiched from both sides.
  • the temperature in the module 17 is kept high so that the heat in the module 17 is extremely dissipated and the temperature of the fuel cell 3 (cell stack 2) is lowered and the power generation amount is not reduced.
  • a heat insulation member 33 for maintaining the temperature is provided as appropriate.
  • the heat insulating member 33 may be disposed in the vicinity of the cell stack 2, and in particular, is disposed on the side of the cell stack 2 along the arrangement direction of the fuel cells 3. Furthermore, a heat insulating member 33 having a width equal to or greater than the width along the arrangement direction of the fuel cells 3 on the side of the cell stack 2 may be disposed.
  • the heat insulating member 33 can also be arranged on both sides of the cell stack 2. Thereby, it can suppress effectively that the temperature of the cell stack 2 falls. Furthermore, the oxygen-containing gas introduced from the oxygen-containing gas supply member 24 can be prevented from leaking from the side of the cell stack 2, and the flow of oxygen-containing gas between the fuel cells 3 constituting the cell stack 2 can be reduced. Can be increased.
  • the heat insulating members 33 arranged on both sides of the cell stack 2 adjust the flow of the oxygen-containing gas supplied to the fuel cell 3, and in the longitudinal direction of the cell stack 2 and the stacking direction of the fuel cell 3.
  • An opening 34 for reducing variation (unevenness) in the temperature distribution is provided.
  • An exhaust gas inner wall 35 is provided inside the inner wall 25 along the arrangement direction of the fuel cells 3, and the space between the inner wall 25 and the exhaust gas inner wall 35 on the side of the storage chamber 27 is the storage chamber.
  • 27 is an exhaust gas circulation part 36 in which the exhaust gas in 27 flows downward from above.
  • an exhaust gas collecting unit 37 connected to the exhaust gas circulation unit 36 is provided below the storage chamber 27 and above the oxygen-containing gas introduction unit 28.
  • the exhaust gas collecting unit 37 communicates with an exhaust hole 38 provided at the bottom of the storage container 19.
  • a heat insulating member 33 is also disposed on the cell stack 2 side of the exhaust gas inner wall 35.
  • the exhaust gas generated by the operation of the module 17 flows through the exhaust gas circulation section 36 and the exhaust gas collection section 37 and is then exhausted from the exhaust hole 38.
  • the exhaust hole 38 may be formed by cutting out a part of the bottom of the storage container 19 or may be formed by providing a tubular member.
  • thermocouple 39 for measuring the temperature in the vicinity of the cell stack 2 is provided inside the oxygen-containing gas supply member 24, and the temperature measuring unit 40 is the central portion in the longitudinal direction of the fuel cell 3 and the fuel cell. 3 are arranged so as to be located at the center in the arrangement direction.
  • the module 17 having the above-described configuration allows the fuel gas and the oxygen-containing gas that have not been used for power generation discharged from the gas flow path 15 in the fuel cell 3 to be converted into the upper end of the fuel cell 3 and the reformer 20.
  • the temperature of the fuel cell 3 can be raised and maintained.
  • positioned above the fuel cell 3 (cell stack 2) can be warmed, and the reformer 20 can perform a reforming reaction efficiently.
  • the temperature in the module 17 becomes about 500 to 800 ° C. with the combustion and power generation of the fuel cell 3.
  • each flow path through which the oxygen-containing gas flows can have a structure in which the oxygen-containing gas flows efficiently. That is, in the module 17 shown in FIG. 4, it is introduced into the oxygen-containing gas introduction section 28, flows on both sides of the storage chamber 27, and is introduced into the oxygen-containing gas supply member 24 through the oxygen-containing gas distribution section 30.
  • a structure in which the oxygen-containing gas flows efficiently and is evenly distributed can be employed.
  • the width W2 of the oxygen-containing gas circulation part 29 is narrower than the width W1 of the oxygen-containing gas introduction part 28. Therefore, the oxygen-containing gas introduced into the oxygen-containing gas introduction unit 28 can be efficiently flowed to the oxygen-containing gas circulation unit 29.
  • the width W2 of the oxygen-containing gas circulation part 29 is a width that does not block even if the inner wall 25 or the outer wall 26 is deformed due to deterioration of the storage container 19 over time, accumulation of stress strain due to temperature rise / fall, etc.
  • the width can be set to 1/3 to 1/30 of the width W1 of the oxygen-containing gas introduction portion 28.
  • the width W1 of the oxygen-containing gas introduction part 28 is not particularly limited, but if it is too large, there is a problem that the module becomes large.
  • the width W2 (one W2 is not shown) of the oxygen-containing gas circulation part 29 located on each side of the storage chamber 27 can have a width difference within a range of ⁇ 10%.
  • the oxygen-containing gas introduced into the oxygen-containing gas introduction portion 28 flows in substantially the same amount to each side of the storage chamber 27.
  • the width W4 of the oxygen-containing gas supply member 24 is narrower than the width W3 of the oxygen-containing gas distribution unit 30. Therefore, the oxygen-containing gas introduced into the oxygen-containing gas distribution unit 30 can be efficiently flowed to the oxygen-containing gas supply member 24.
  • the width W4 of the oxygen-containing gas supply member 24 is a width that does not block even when the oxygen-containing gas supply member 24 is deformed due to deterioration with time, accumulation of stress strain due to temperature rise / fall, etc.
  • the width of the contained gas distribution unit 30 may be 1/2 to 1/30 of the width W3.
  • the width W3 of the oxygen-containing gas distribution unit 30 is not particularly limited, but if it is too large, there is a problem that the module becomes large. In determining the width, the pressure loss of the oxygen-containing gas outlet 32 is also taken into consideration.
  • exhaust gas such as fuel gas and oxygen-containing gas not used for power generation, combustion gas generated by burning the fuel gas, and the like are generated.
  • This exhaust gas is also efficiently discharged outside the storage container 19, and as a result, the oxygen-containing gas is efficiently supplied to the fuel cell 3.
  • the width W5 of the exhaust gas circulation part 36 provided on the side of the storage chamber 27 is narrower than the width W6 of the exhaust gas collection part 37 provided below the storage chamber 27. It has become. As a result, the exhaust gas that has flowed through the exhaust gas circulation portion 36 on each side of the storage chamber 27 is efficiently mixed in the exhaust gas collecting portion 37 and efficiently exhausted to the outside through the exhaust holes 38.
  • the width W5 of the exhaust gas circulation section 36 is a width that is not blocked even if the exhaust gas circulation section 36 is deformed due to deterioration with time, accumulation of stress strain due to temperature rise / fall, etc., that is, 1 of the width W6 of the exhaust gas collection section 37.
  • the width can be set to / 3 to 1/30.
  • the width W6 of the exhaust gas collecting unit 37 is not particularly limited, but if it is too large, there is a problem that the module becomes large.
  • the width W5 (one W5 is not shown) of the exhaust gas circulation part 36 located in each side of the storage chamber 27 can make the difference of each width within a range of ⁇ 10%. Thereby, almost the same amount of exhaust gas in the storage chamber 27 flows to each side of the storage chamber 27.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing another example of the module of the present embodiment.
  • the module 41 shown in FIG. 5 includes four cell stack devices 43 in the storage chamber 42, and an exhaust gas circulation member 44 is provided between the cell stack devices 43.
  • the difference is that one reformer 45 is provided above the four cell stacks as shown in FIG.
  • the fuel cell 3 Since the exhaust gas stays at the upper end side of the fuel gas, the fuel gas that has not been used for power generation cannot be burned well and there is a risk of misfire. In particular, when misfire occurs, the temperature of the fuel cell does not increase or cannot be maintained at a high temperature. As a result, the power generation amount of the fuel cell 3 (cell stack device 43) May decrease.
  • This exhaust gas circulation member 44 is formed of a cylindrical container, and has an exhaust gas inlet 46 communicating with the storage chamber 42 on both sides at the upper end, and a discharge port 47 as a lower end is provided below the storage chamber 42. It communicates with the exhaust gas collecting part 37.
  • FIG. 5 although the example which formed the waste gas distribution
  • either the exhaust gas circulation part 36 or the exhaust gas circulation member 44 is arranged on the side of each cell stack device 43, and the exhaust gas that has not been used for power generation constitutes each cell stack device 43.
  • the gas flows efficiently to the exhaust gas circulation part 36 or the exhaust gas circulation member 44 on the side close to the cell stack 2.
  • the width W7 of the exhaust gas circulation member 44 is narrower than the width W6 of the exhaust gas collection part 37 provided below the storage chamber 42.
  • the width W7 of the exhaust gas circulation member 44 can be set to 1/3 to 1/30 of the width W6 of the exhaust gas collecting portion 37.
  • the width W6 of the exhaust gas collecting unit 37 is not particularly limited, but if it is too large, there is a problem that the module becomes large.
  • each exhaust gas circulation member 44 can make the difference of each width within a range of ⁇ 10%. Thereby, substantially the same amount of exhaust gas flows through each exhaust gas circulation member 44.
  • FIGS. 6A and 6B are a perspective view and a plan view, respectively, showing the reformer accommodated in the module shown in FIG. 5, and FIG. 7 shows the vicinity of the cylindrical portion 48a of the water supply pipe 48 in FIG.
  • FIG. 8 is an enlarged view as viewed from the left side of 6B, and FIG. 8 is a side view showing an example of a configuration including the reformer shown in FIGS. 6A and 6B above the cell stack device of the present embodiment.
  • the reformer 45 includes a vaporizer 45a that vaporizes water to generate steam, and a reformer that steam-reforms the raw fuel using the steam generated in the vaporizer 45a. 45b.
  • the vaporizer 45a includes a vaporizer forward path 45a1 in which water vapor flows from one end to the other end, and a vaporizer return path 45a2 in which water vapor flows from the other end to the one end.
  • the vaporization part forward path 45a1 includes a cylindrical part 48a that protrudes from one end along the vaporization part forward path 45a1, and a water supply part 48b that is connected to the one end part and supplies water to the cylindrical part 48a. I have.
  • the cylindrical part 48a is provided so that it may protrude inside from the pipe body which comprises the vaporization part 45a, and the separate structure which connected the water supply pipe 48 which is the water supply part 48b to this cylindrical part 48a coaxially.
  • the reforming unit 45b is a reforming unit forward path 45b1 in which a reformed gas generated by reforming the raw fuel supplied from the raw fuel supply pipe 23 which is a raw fuel supply unit flows from one end side to the other end side. And a reforming part return path 45b2 in which the reformed gas flows from the other end side to the one end side.
  • a reformed gas outlet pipe 49 for leading the reformed gas is connected to the reformer return path 45b2.
  • the water supply pipe 48, the raw fuel supply pipe 23, and the reformed gas outlet pipe 49 are connected to one side of the reformer 45.
  • the other end side of the vaporization section forward path 45a1 and the other end side of the vaporization section return path 45a2 are connected by a connection path (hereinafter referred to as “vaporization section connection path”) 45c1, and the vaporization section return path 45a2.
  • vaporization section connection path Is connected to one end side of the reforming section forward path 45b1 by a connecting path (hereinafter referred to as "vaporization reforming section connecting path") 45c2, and the other end side of the reforming section outbound path 45b1 and the reforming section return path 45b2.
  • a connecting path (hereinafter referred to as “reforming part connecting path”) 45c3, and a vaporizing part forward path 45a1, a vaporizing part return path 45a2, a reforming part forward path 45b1, and a reforming part.
  • the return path 45b2 is juxtaposed so that the sides face each other.
  • the water supply pipe 48 is provided with a plurality of water discharge holes 48a1 in the upper part of a cylindrical part 48a which is a peripheral wall part of a part inserted into the vaporization part forward path 45a1. Thereby, it flows out, disperse
  • Such a water supply pipe 48 can also be suitably used to uniformly supply water to the reformer 20 of the module 17 shown in FIG.
  • the water supplied to the vaporization part forward passage 45a1 overflows from the water discharge holes 48a1 and 48a2 of the cylindrical part 48a, flows out while being dispersed along the peripheral surface of the cylindrical part 48a,
  • the tubular part 48a and water can be directly heat-exchanged.
  • the vaporization of water is promoted, and the supplied water can be efficiently vaporized.
  • water vapor is discharged from the water discharge holes 48a1 and 48a2 and flows while being distributed along the peripheral surface of the cylindrical portion 48a.
  • the steam generated in this manner sequentially flows through the vaporization part connection path 45c1, the vaporization part return path 45a2, the vaporization reforming part connection path 45c2, and the reforming part forward path 45b1. Further, in the vaporization reforming unit connection path 45c2, raw fuel is supplied from the raw fuel supply pipe 23, which is the raw fuel supply unit 23b, and is mixed with water vapor in the vaporization reforming unit connection path 45c2, and the reforming unit forward path 45b1 is modified. The reformed gas (fuel gas) containing hydrogen is reformed while flowing through the mass portion connecting path 45c3 and the reforming section return path 45b2, and is derived from the reformed gas outlet pipe 49.
  • the vaporization section forward path 45a1, the vaporization section return path 45a2, the reforming section forward path 45b1, the reforming section return path 45b2, the vaporization section connection path 45c1, the vaporization reforming section connection path 45c2, and the reforming section connection path 45c3 have a rectangular cross section. It consists of a tube.
  • partition plates 45a11 and 45a21 are respectively provided in the vaporization section forward path 45a1 and the vaporization section return path 45a2, and the space between these partition plates 45a11 and 45a21 is a vaporization chamber.
  • the distal end portion (tubular portion) of the water supply pipe 48 is located on the upstream side of the partition plate 45a11, and supplies water to the position in front of the vaporization chamber via the water discharge holes 48a1 and 48a2.
  • the diameter of the water discharge holes 48a1 and 48a2 is made smaller than the diameter of the ceramic balls, so that the ceramic balls enter the water supply pipe 48 from the water discharge holes 48a1 and 48a2. Can be prevented. With this configuration, it is possible to fill the ceramic balls into a region further upstream than the partition plate 45a11 without promoting or providing the partition plate 45a11 disposed on the upstream side, thereby promoting water vaporization.
  • the hole diameter of each of the water discharge holes 48a1 and 48a2 when the particle diameter of the ceramic ball is 2 mm to 4 mm, for example, 1.5 mm to 3.5 mm is selected.
  • partition plates 45b11 and 45b21 are also arranged in the reforming unit forward path 45b1 and the reforming unit return path 45b2, respectively, and the reforming unit forward path 45b1, the reforming unit connection path 45c3, and the reforming unit 45b21 located between the partition plates 45b11 and 45b21,
  • the quality part return path 45b2 is a reforming chamber.
  • a reforming catalyst is accommodated in the reforming chamber.
  • the partition plates 45b11 and 45b21 are configured so that gas such as water vapor, raw fuel, and reformed gas can pass but the reforming catalyst cannot pass.
  • the arrangement of the partition plates 45b11 and 45b21 can be appropriately changed according to the structure of the reformer, the structure of the cell stack described later, and the like.
  • a raw fuel supply pipe 23 which is a raw fuel supply part 23b for supplying raw fuel, to a vaporization reforming part connection path 45c2 between the vaporization part 45a and the reforming part 45b. ,It is connected.
  • the raw fuel supply pipe 23 is connected to the vaporization reforming part connection path 45c2 on the downstream side of the vaporization part forward path 45a1 to which the water supply pipe 48 is connected.
  • the point where the fuel is supplied and the point where the raw fuel is supplied are located through a space between the tube constituting the vaporizer forward path 45a1 and the tube constituting the vaporizer return path 45a2.
  • the length in the flow direction is long. Therefore, even when the raw fuel is at a low temperature, when the raw fuel is additionally mixed, the supplied water is almost vaporized, and the temperature of a part of the reformer 45 (the vaporization section forward path 45a1) is suppressed. it can. Thereby, the reforming efficiency can be improved.
  • the reformed gas (fuel gas) generated by the reformer 45 is supplied to the two manifolds 4 by the reformed gas outlet pipe 49, and the fuel battery cell 3 is connected via the manifold 4. Is supplied to a gas flow path provided in the interior.
  • the reformed gas generated by the reformer 45 is supplied to the two manifolds 4 via the distributor 70 by the reformed gas outlet pipe 49 as shown in FIG.
  • the reformed gas outlet pipe 49 has a U-shaped first reformed gas outlet pipe 49a from the reformer 45 to the distributor 70 and a second modified gas extending from the distributor 70 to the two lower manifolds 4 respectively.
  • a quality gas outlet pipe 49b a quality gas outlet pipe 49b.
  • the lengths of the first reformed gas outlet pipe 49a and the second reformed gas outlet pipe 49b are set to the same length in consideration of pressure loss in order to supply the reformed gas to the manifold 4 evenly.
  • each of the vaporization section forward path 45a1, the vaporization section return path 45a2, the reforming section forward path 45b1, and the reforming section return path 45b2 is disposed above each cell stack corresponding to one cell stack. ing. Thereby, each of the vaporization part going path 45a1, the vaporization part return path 45a2, the reforming part going path 45b1, and the reforming part return path 45b2 can be heated efficiently.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view showing still another example of the fuel cell module of the present embodiment.
  • the module 50 shown in FIG. 9 does not include the exhaust gas circulation member 44 disposed between the cell stack devices, and the fuel cell 3 is located above the storage chamber 42.
  • An exhaust gas recovery unit 51 that recovers exhaust gas discharged further is provided, which is different in that the exhaust gas recovery unit 51 and the exhaust gas circulation unit 36 are connected.
  • the exhaust gas flowing through the exhaust gas circulation member 44 is an oxygen-containing gas supplied from the outside. Therefore, there is room for improvement in terms of heat exchange between the oxygen-containing gas supplied from the outside and the exhaust gas discharged from the fuel cell 3.
  • an exhaust gas recovery unit 51 that recovers the exhaust gas discharged from the fuel cell 3 is provided above the storage chamber 42, and the exhaust gas recovery unit 51 and the exhaust gas circulation unit 36 are connected to each other.
  • the entire amount of exhaust gas discharged from the fuel battery cell 3 can exchange heat with the oxygen-containing gas supplied from the outside.
  • the oxygen-containing gas whose temperature has risen can be supplied to the fuel battery cell 3, and as a result, the power generation efficiency can be improved.
  • the exhaust gas recovered by the exhaust gas recovery unit 51 can be configured to efficiently flow to the exhaust gas circulation unit 36.
  • the width W5 of the exhaust gas circulation part 36 provided on the side of the storage chamber 42 is narrower than the width W8 of the exhaust gas recovery part 51.
  • the exhaust gas recovered in the exhaust gas recovery part 51 efficiently flows into the exhaust gas circulation part 36 on each side of the storage chamber 42.
  • heat exchange with the oxygen-containing gas is improved, and power generation efficiency is improved.
  • the width W5 of the exhaust gas circulation part 36 can be set to 1/3 to 1/30 of the width W8 of the exhaust gas recovery part 51.
  • the width W8 of the exhaust gas recovery unit 51 is not particularly limited, but if it is too large, there is a problem that the module becomes large.
  • a recovery hole 52 connected to the storage chamber 42 is provided on the bottom surface of the exhaust gas recovery unit 51. Thereby, the exhaust gas discharged into the storage chamber 42 flows into the exhaust gas recovery part 51 through the recovery hole 52.
  • FIG. 10 is a plan view showing a part of the bottom surface of the exhaust gas recovery unit 51.
  • the reformer 45 is indicated by a dotted line so that the positional relationship with the reformer 45 can be understood.
  • the recovery hole 52 provided in the bottom surface of the exhaust gas recovery unit 51 may be provided to face the reformer 45.
  • the reforming efficiency can be improved by heating the reformer 45 with the combustion heat generated by burning the exhaust gas discharged from the fuel cells 3. Therefore, the exhaust gas (combustion exhaust gas) discharged from the fuel cell 3 may flow to the exhaust gas recovery unit 51 after flowing around the reformer 45.
  • the recovery hole 52 is provided to face the reformer 45.
  • exhaust gas (combustion exhaust gas) discharged from the fuel cell 3 efficiently flows around the reformer 45 and then flows to the exhaust gas recovery unit 51.
  • the temperature of the reformer 45 can be raised efficiently, and the reforming efficiency can be improved.
  • FIG. 10 an example in which the same number of recovery holes 52 are provided facing the vaporization section forward path 45 a 1, the vaporization section return path 45 a 2, the reforming section forward path 45 b 1, and the reforming section return path 45 b 2 in the reformer 45.
  • the number of recovery holes 52 is not limited to this.
  • the temperature of the vaporization section forward path 45a1 is lowered due to an endothermic reaction accompanying the vaporization of water, and as a result, the temperature of the cell stack 2 located therebelow may also be lowered.
  • the number of the recovery holes 52 facing the vaporization part forward path 45a1 may be increased.
  • recovery holes 52 can be set suitably.
  • FIG. 11 is an exploded perspective view showing an example of a fuel cell device that houses any one of the modules 17, 41, and 50 and auxiliary equipment for operating each module in the outer case. In FIG. 11, a part of the configuration is omitted.
  • the fuel cell device 53 shown in FIG. 11 divides the inside of an exterior case composed of a column 54 and an exterior plate 55 into upper and lower portions by a partition plate 56, and the upper side serves as a module storage chamber 57 for storing the above-described modules.
  • the lower side is configured as an auxiliary equipment storage chamber 58 for storing auxiliary equipment for operating each module. Auxiliaries stored in the auxiliary machine storage chamber 58 are not shown.
  • the partition plate 56 is provided with an air circulation port 59 for allowing the air in the auxiliary machine storage chamber 58 to flow toward the module storage chamber 57, and a part of the exterior plate 55 constituting the module storage chamber 57 includes An exhaust port 60 for exhausting air in the module storage chamber 57 is provided.
  • the form provided with the cell stack device in which one reformer 45 is disposed above the four cell stacks 2 has been described.
  • a cell stack apparatus in which one reformer is disposed above the cell stack 2 may be used, and a cell stack apparatus in which one reformer is disposed above five or more cell stacks may be used.
  • the shape of the reformer may be changed as appropriate.
  • one cell stack may be arranged in one manifold, or three or more in one manifold.
  • the cell stack may be arranged.
  • the fuel cell 3 called a so-called vertical stripe type has been described, but a fuel cell having a plurality of power generation element portions provided on a support, generally called a horizontal stripe type, can also be used.
  • FIG. 12 is a perspective view showing another example of the reformer housed in the module shown in FIG. 5, FIG. 12A is a perspective view of the reformer, and FIG. 12B is a reformer.
  • FIG. The reformer 145 of this embodiment is different from the reformer 45 of FIGS. 6A and 6B housed in the module 41 shown in FIG. 5 in the configuration of the vaporization unit and the water supply pipe. Below, it demonstrates centering on a different part from the reformer 45 shown in FIG.
  • the vaporizer 145a provided in the reformer 145 includes a vaporizer forward path 145a1 and a vaporizer return path 145a2 that communicates with the vaporizer forward path 145a1 and in which water vapor flows from one end to the other end.
  • a water supply pipe 148 is inserted from one end of the vaporization section forward path 145a1 into the inside.
  • the water supply pipe 148 is disposed from the vaporization section forward path 145a1 to the vaporization section return path 145a2 via the vaporization section connection path 145c1 which is a part of the vaporization section 145a.
  • the water supply pipe 148 is arranged in the water supply part 148a protruding outward from one end of the vaporization part forward path 145a1, the first cylindrical part 148b disposed in the vaporization part forward path, and the vaporization part connection path 145c1.
  • a second cylindrical part 148c provided and a third cylindrical part 148d disposed in the vaporization part return path 145a2 are provided. That is, the water supply pipe 148 is disposed from the vaporization part forward path 145a1 to the vaporization part return path 145a2.
  • the shape of the entire water supply pipe 148 disposed inside the vaporizing section 145a is J-shaped or U-shaped in a plan view when the reformer 145 is viewed from above.
  • a plurality of water discharge holes 148d1 are provided in the upper part (the front side perpendicular to the paper surface of FIG. 12) of the third cylindrical part 148d in the vaporization part return path 145a2. Note that a plurality of water discharge holes may be provided on both sides of the middle portion in the vertical direction. Further, the tip 148e of the water supply pipe 148 is closed. Furthermore, although the water discharge hole 148d1 is provided only in the third cylindrical portion 148d, it may be provided over the second cylindrical portion 148c and the first cylindrical portion 148b.
  • the water supplied to the water supply pipe 148 overflows from the water discharge hole 148d1 of the third cylindrical portion 148d.
  • the overflowing water flows while being dispersed along the peripheral surface of the third cylindrical portion 148d, so that the water supply pipe 148 and the water can be directly heat-exchanged.
  • the vaporization of water is promoted, and the supplied water can be efficiently vaporized.
  • the raw fuel and steam are mixed in the vaporization reforming unit connection path 145c and reformed while flowing through the reforming section forward path 145b1, the reforming section connection path 145c3, and the reforming section return path 145b2, and the reformed gas containing hydrogen (Fuel gas) is generated and led out from the reformed gas lead-out pipe 49.
  • the reformed gas containing hydrogen Fluel gas
  • the cross section is a rectangular tube.
  • a partition plate 145a21 is provided in the vaporization portion return path 145a2, and a space between the partition plates 145a21 is defined as a vaporization chamber from one end side of these vaporization section outward paths, and a tip end portion 148e of the water supply pipe 148 is a partition plate. It is located upstream of 145a21.
  • the water supplied to the water supply pipe 148 is sufficiently heated by the relatively long water supply pipe 148 disposed in the vaporization section forward path 145a1, the vaporization section connection path 145c1, and the vaporization section return path 145a2.
  • the vaporization section return path 145a2 By being vaporized, it can be discharged as high-temperature water vapor from the water discharge hole 148d1. Therefore, even if the raw fuel supplied from the raw fuel supply pipe 23 connected by the vaporization reforming part connection path 145c2 on the downstream side of the vaporization part return path 145a2 is low in temperature, the temperature drop in the reformer is suppressed. Therefore, the reforming efficiency can be improved.
  • FIG. 13 is a perspective view showing an internal structure of still another example of the reformer housed in the module shown in FIG.
  • the reformer 245 of the present embodiment differs from the above-described reformer shown in FIG. 12 in the configuration of the water supply pipe and the fuel supply pipe. Note that portions corresponding to those in the above-described embodiment are given the same reference numerals.
  • the double pipe 248 that serves as a water supply pipe and a raw fuel supply pipe has an outer pipe and an inner pipe.
  • the double pipe 248 circulates the raw fuel in the inner pipe and is an outer flow path of the inner pipe and the outer pipe. Water is circulated between them.
  • a double pipe 248 that is inserted into the reformer 145 from one end side of the vaporization section forward path is disposed in the vaporization section forward path and a supply section 248a that protrudes outward from one end portion of the vaporization section forward path 145a1.
  • the shape of the entire double pipe 248 is J-shaped or U-shaped in plan view.
  • the end 248e of the double pipe 248 is closed between the inner pipe and the outer pipe, although the inner pipe is open.
  • the water supplied to the flow path outside the double pipe 248 is heated as it flows through the first double pipe part 248b, the second double pipe part 248c, and the third double pipe part 248d. Thereafter, water flows out from the water discharge hole 248d1 opened only in the outer pipe of the third double pipe portion 248d and becomes water vapor, or water vapor is discharged while flowing through each double pipe portion. It is discharged from the hole 248d1.
  • the fuel gas supplied to the inner pipe of the double pipe 248 is heated while flowing through the first double pipe part 248b, the second double pipe part 248c, and the third double pipe part 248d. Flows out from the open end 248e of the double pipe.
  • the raw fuel flowing out from the end 248e of the double pipe is mixed with the water vapor generated in the vaporization section 145a, and then, through the vaporization reforming section connection path 145c2, the reforming section forward path 145b1 and the reforming section connection path 145c3. Then, the reformed gas is reformed via the reforming part return path 145b2 and is led out from the reformed gas outlet pipe 49 as a reformed gas.
  • FIG. 14 is a perspective view showing an extracted internal structure of still another example of the reformer housed in the module shown in FIG.
  • the reformer 345 of the present embodiment is different from the above-described reformer shown in FIG. 13 in the configuration of the water supply pipe. Note that portions corresponding to those in the above-described embodiment are given the same reference numerals.
  • the water supply pipe 348 shown in FIG. 14 is supplied outside the reformer 345 by mixing water supplied to the reformer 345 and raw fuel in advance. That is, the water supply pipe 348 is a common pipe that supplies water and raw fuel together, and the number of pipes connected to the reformer 345 can be reduced.
  • the water supply pipe 348 includes a water supply part 348a protruding outward from one end of the vaporization part forward path 145a1, a first cylindrical part 348b disposed in the vaporization part forward path, and a vaporization part connection path 145c1.
  • the second cylindrical portion 348c is disposed, and the third cylindrical portion 348d is disposed in the vaporization portion return path 145a2.
  • the water supply pipe 348 is disposed from the vaporization section forward path 145a1 to the vaporization section return path 145a2.
  • the shape of the entire water supply pipe 348 disposed inside the vaporizing unit 145a is J-shaped or U-shaped in plan view. Note that the end 348e of the water supply pipe 348 is closed.
  • the water supplied through the water supply pipe 348 is heated as it flows through the first cylindrical portion 348b, the second cylindrical portion 348c, and the third cylindrical portion 348d. Thereafter, water flows out from the water discharge hole 348d1 provided in the third cylindrical portion 348d and becomes water vapor or is discharged from the water discharge hole 348d1 as water vapor flows through each cylindrical portion. .
  • the water vapor is discharged from the water discharge hole 348d1 in a state of being mixed with the raw fuel.
  • the reforming efficiency can be improved because the steam and raw fuel are discharged from the water discharge hole in a well-mixed state and then flow to the reforming section.
  • Fuel cell module 20 45, 145, 245, 345 Reformer 21, 45a, 145a Vaporizer 22, 45b, 145b Reformer 48, 148, 348 Water supply pipe 53 Fuel cell device

Abstract

本発明の燃料電池用改質器は、水を水蒸気に気化するための気化部と、気化部で発生した水蒸気と原燃料とを反応させて改質ガスを生成する改質部と、気化部内に延びて配置され、該気化部内で水を吐出する水吐出孔が上部に設けられた周壁部を有する水供給管と、を備え、原燃料を水蒸気と反応させて水蒸気を含む改質ガスを生成する。この構成により、発電効率または電解効率を向上させることができる。また、本発明の燃料電池モジュールおよび燃料電池装置は、前記燃料電池用改質器を含み、同様の効果を奏する。

Description

燃料電池用改質器、燃料電池モジュールおよび燃料電池装置
　本発明は、燃料電池用改質器、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た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１，２を参照）。
　セルスタック装置は、複数のセルスタックの上方に改質器を配置するとともに、該改質器がＵ字状をなしており、水を気化して水蒸気を生成する気化部と、該気化部で発生した水蒸気を用いて原燃料ガスを水蒸気改質する改質部とを備えている。原燃料ガス供給管および水供給管が、改質器の上流側に連なる気化部に接続され、気化部で発生した水蒸気と原燃料ガスとが混合されて、改質部に供給され、この改質部で原燃料ガスが改質されるように構成されている。
国際公開第２０１５／０８０２３０号 特開２００７－３１４３９９号公報
　本開示の燃料電池用改質器は、原燃料を水蒸気と反応させて改質ガスを生成する燃料電池用改質器である。該燃料電池用改質器は、
　水を水蒸気に気化するための気化部と、
　前記気化部で発生した水蒸気と原燃料とを反応させて改質ガスを生成する改質部とを備えている。さらに、
　前記気化部内に延びて配置され、該気化部内で水を吐出する水吐出孔が上部に設けられた周壁部を有する水供給管を備えている。
　また、本開示の燃料電池モジュールは、上記の燃料電池用改質器と、
　前記燃料電池用改質器によって生成された改質ガスと酸素含有ガスとを反応させて発電するセルスタックとを収納してなることを特徴とする。
　さらに、本開示の燃料電池装置は、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補機とを収納してなることを特徴とする。
　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用改質器を備えた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の外観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はセルスタック装置の側面図、図２Ｂは図２Ａの点線枠で囲った部分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。 図５に示す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。 水供給管の筒状部付近を図６の左側方から見た拡大図である。 本実施形態のセルスタック装置の上方に、図６に示す改質器を備える構成の一例を示す側面図である。 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。 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。 図５に示すモジュールに収納された改質器の他の一例を抜粋して示し、図１２Ａは斜視図、図１２Ｂは平面図である。 図５に示すモジュールに収納された改質器の他の一例の内部構造を抜粋して示す斜視図である。 図５に示すモジュールに収納された改質器の他の一例の内部構造を抜粋して示す斜視図である。
　以下、図面を参考にして、本実施形態の燃料電池用改質器、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用改質器を備えた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の外観を示す斜視図であり、図２は、図１に示すセルスタック装置を示し、図２Ａはセルスタック装置の側面図、図２Ｂは図２Ａの点線枠で囲った部分Ａの一部を拡大して示す断面図である。なお、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２Ａ，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、セルスタック２は、燃料電池セル３の下端が絶縁性接着材９でマニホールド４に固定されている。
　なお、図１、図２Ａ，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た固体酸化物形の燃料電池セル３を例示している。また、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。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体（以下、「スタック支持体」と略することがある。）７が配置されている。スタック支持体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、スタック支持体７およびセルスタック２を保護する。また、スタック支持体７にはセルスタック２の外側に突出する導電部８が接続されている。
　なお、図１、図２Ａ，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。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」と略す場合がある。）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を順次積層した柱状（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て、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、スタック支持体７の記載を省略している。また、支持体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ているＺｒＯ２（安定化ジルコニアと称し、部分安定化も含む）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する。また同時に、燃料ガスと酸素含有ガスとのリークを防止するためのガス遮断性を有することが必要とされ、たとえば３～１５モル％の希土類元素酸化物が固溶したＺｒＯ２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ＡＢＯ３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を形成することができる。
　また、図２Ａ，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、平坦な両端面と半円形状の両側方とを有する。また、支持体１４は、ガス透過性を備えるために、開気孔率が２０％以上、特には２５～５０％の範囲とすることができる。また、その導電率は３００Ｓ／ｃｍ以上、特には４４０Ｓ／ｃｍ以上とすることができる。さらに、支持体１４の形状は柱状であればよく、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ＬａＭｎＯ３系酸化物、ＬａＦｅＯ３系酸化物、ＬａＣｏＯ３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の範囲内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（ＬａＣｒＯ３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（ＬａＳｒＴｉＯ３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、の両者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している構成とすることができる。
　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およびスタック支持体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な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１８を備える燃料電池モジュール（以下、モジュールと略す）の一例を示す外観斜視図であり、図４は図３に示されるモジュールの断面図である。
　図３に示すモジュール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１８が収納されている。なお、セルスタック装置１８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１に示す改質器２０においては、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構造とすることができる。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１８を後方に取り出した状態を示している。ここで、図３に示したモジュール１７においては、セルスタック装置１８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、供給された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、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１８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、内壁２５と外壁２６との間に形成された、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、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、断熱部材３３が配置されている。
　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、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減少しないように、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。さらに、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を配置してもよい。なお、断熱部材３３は、セルスタック２の両側方に配置することもできる。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の側方より漏出することを抑制でき、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、増量することができる。
　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（むら）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が配設されている。
　それにより、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、上述の構成のモジュール１７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の温度を上昇させ維持することができるように構成されている。これにより、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、モジュール１７内の温度は５００～８００℃程度になる。
　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、とすることができる。
　すなわち、本実施形態のモジュール１７においては、酸素含有ガス流通部２９の幅Ｗ２が、酸素含有ガス導入部２８の幅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の幅Ｗ２は、収納容器１９の経時劣化、温度の上昇・下降による応力歪の蓄積等により内壁２５や外壁２６が変形しても閉塞されない幅、具体的には、酸素含有ガス導入部２８の幅Ｗ１の１／３～１／３０の幅とすることができる。なお、酸素含有ガス導入部２８の幅Ｗ１については特に制限はないが、大きすぎるとモジュール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の幅Ｗ２（一方のＷ２は非表示）は、互いの幅の差を±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、本実施形態では、酸素含有ガス供給部材２４の幅Ｗ４が、酸素含有ガス分配部３０の幅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の幅Ｗ４は、経時劣化、温度の上昇・下降による応力歪の蓄積等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、具体的には、酸素含有ガス分配部３０の幅Ｗ３の１／２～１／３０の幅とすることができる。なお、酸素含有ガス分配部３０の幅Ｗ３については特に制限はないが、大きすぎるとモジュールが大型化する問題がある。また、上記幅を決定するにあたっては、酸素含有ガス流出口３２の圧力損失も考慮する。
　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。
　そのために、本実施形態のモジュール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の幅Ｗ５は、収納室２７の下方に設けられた排ガス収集部３７の幅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排気される。
　ここで、排ガス流通部３６の幅Ｗ５は、経時劣化、温度の上昇・下降による応力歪の蓄積等により排ガス流通部３６が変形しても閉塞されない幅、すなわち排ガス収集部３７の幅Ｗ６の１／３～１／３０の幅とすることができる。なお、排ガス収集部３７の幅Ｗ６については特に制限はないが、大きすぎるとモジュール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の幅Ｗ５（一方のＷ５は非表示）は、互いの幅の差を±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。
　図５は、本実施形態のモジュールの他の一例を示す断面図である。図５に示すモジュール４１は、図４に示すモジュール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５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を収納する場合には、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。
　たとえば、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、燃料電池セルの温度が上昇しないか、あるいは、高温に維持することができない場合があり、この場合、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。
　これを解消するため、図５に示す本実施形態のモジュール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、直方体状でかつ筒状の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または排ガス流通部材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。また、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、発電量が向上する。
　なお、排ガス流通部材４４の幅Ｗ７は、収納室４２の下方に設けられた排ガス収集部３７の幅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の幅Ｗ７は、排ガス収集部３７の幅Ｗ６の１／３～１／３０の幅とすることができる。なお、排ガス収集部３７の幅Ｗ６については特に制限はないが、大きすぎるとモジュール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の幅Ｗ７（１つのみ表示）は、互いの幅の差を±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、それぞれ図５に示すモジュールに収納された改質器を抜粋して示す斜視図および平面図であり、図７は水供給管４８の筒状部４８ａ付近を図６Ａ，６Ｂの左側方から見た拡大図であり、図８は、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。
　図５のモジュール４１においては、４つのセルスタック２の上方に、図６Ａ，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、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とを備えている。
　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６Ａ，６Ｂ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。
　水供給管４８は、気化部往路４５ａ１内に挿入される部位の周壁部である筒状部４８ａの上部に複数の水吐出孔４８ａ１が設けられている。それにより、筒状部４８ａの周面に沿って分散しながら流出し、筒状部４８ａと水とを直接熱交換させることができる。さらに、上下方向の中間部の両側には、複数の水吐出孔４８ａ２を設けてもよい。それにより、効率よく水を吐出することができる。また、筒状部４８ａの先端部は、端壁部４８ａ３に閉塞されていてもよい。それにより、筒状部４８ａを流れる水を、より筒状部４８ａの周面に沿って分散しながら流出させることができる。このような水供給管４８は、前述の図３に示すモジュール１７の改質器２０に水を均一に供給するためにも、好適に用いることができる。
　改質器４５では、気化部往路４５ａ１に供給された水は、筒状部４８ａの各水吐出孔４８ａ１，４８ａ２から溢れ出て、筒状部４８ａの周面に沿って分散しながら流出し、筒状部４８ａと水とを直接熱交換させることができる。これによって水の気化が促進されて、供給された水を効率よく気化させることができる。また、筒状部４８ａ内にて水が気化された場合には、各水吐出孔４８ａ１，４８ａ２から水蒸気が吐出され、筒状部４８ａの周面に沿って分散しながら流れる。こうして生成された水蒸気は、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、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いる。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、各水吐出孔４８ａ１，４８ａ２を介して水を供給している。
　これによって、気化部往路４５ａ１の仕切板４５ａ１１よりも上流側の領域での局所的な温度低下が防がれ、温度分布のばらつきを防いで、温度分布の均一化が図られる。また温度分布が均一化されることによって、失火の発生も防がれ、発電効率または改質効率の向上を図ることができる。さらに、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、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。
　また、気化部４５ａにおいて、水吐出孔４８ａ１，４８ａ２の孔径を、セラミックボールの粒径よりも小さな径とすることによって、セラミックボールが水吐出孔４８ａ１，４８ａ２から水供給管４８内に入ってしまうことを防止できる。この構成により、上流側に配置される仕切板４５ａ１１をなくすかあるいは設けたままで、該仕切板４５ａ１１よりもさらに上流側の領域内までセラミックボールを充填し、水の気化を促進することができる。このような各水吐出孔４８ａ１，４８ａ２の孔径は、セラミックボールの粒径が２ｍｍ～４ｍｍの場合、たとえば１．５ｍｍ～３．５ｍｍが選ばれる。
　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４５ｃ３、改質部復路４５ｂ２が改質室とされている。この改質室には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、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いる。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）の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により、分配器７０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７０までのＵ字状の第１改質ガス導出管４９ａと、分配器７０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とを備えている。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つのセルスタックに対応して、各セルスタック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９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９に示すモジュール５０は、図５に示すモジュール４１と比較して、各セルスタック装置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った。
　そこで、図９に示すモジュール５０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に流れる構成とすることができる。本実施形態のモジュール５０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の幅Ｗ５は、排ガス回収部５１の幅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。結果、酸素含有ガスとの熱交換が向上し、発電効率が向上する。
　ここで、排ガス流通部３６の幅Ｗ５は、排ガス回収部５１の幅Ｗ８の１／３～１／３０とすることができる。なお、排ガス回収部５１の幅Ｗ８については特に制限はないが、大きすぎるとモジュール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１０は、排ガス回収部５１の底面を一部抜粋して示す平面図を示しており、改質器４５との位置関係が分かるように、改質器４５を点線で示している。
　図１０に示すように、排ガス回収部５１の底面に設けられた回収孔５２は、改質器４５と対向して設けてもよい。先に述べ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。そのために、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。
　本実施形態のモジュール５０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の温度を効率よく上昇させることができ、もって改質効率を向上させることができる。
　なお、図１０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１１は、外装ケース内にモジュール１７、４１、５０のいずれかと、各モジュールを動作させるための補機とを収納する燃料電池装置の一例を示す分解斜視図である。なお、図１１においては一部構成を省略して示している。
　図１１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、その上方側を上述した各モジュールを収納するモジュール収納室５７とし、下方側を、各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。
　このような燃料電池装置では、上述したような各モジュールを外装ケース内に収納することにより、発電効率が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。
　たとえば、上記形態のモジュール４１、５０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備えた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よい。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個のマニホールドに１個のセルスタックを配置してもよく、また、１個のマニホールドに３個以上のセルスタックを配置してもよい。
　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た燃料電池セルを用いることもできる。
　図１２は、図５に示すモジュールに収納された改質器の他の一例を抜粋して示す斜視図であり、図１２Ａは、改質器の斜視図であり、図１２Ｂは、改質器の平面図である。本実施形態の改質器１４５は、図５に示されるモジュール４１に収納された図６Ａ、６Ｂの改質器４５と比較して、気化部と、水供給管の構成が異なっている。以下においては、図６に示す改質器４５と異なる部分を中心に説明する。
　改質器１４５に設けられた気化部１４５ａは、気化部往路１４５ａ１と、気化部往路１４５ａ１と連通するとともに、水蒸気が他端側より一端側に流れる気化部復路１４５ａ２とを備えている。また、気化部往路１４５ａ１の一端部から内部に水供給管１４８が挿通されている。水供給管１４８は、気化部往路１４５ａ１から気化部１４５ａの一部である気化部連結路１４５ｃ１を経由して気化部復路１４５ａ２にわたって配設されている。
　水供給管１４８は、気化部往路１４５ａ１の一端部から外側に突き出ている水供給部１４８ａと、気化部往路内に配設された第１筒状部１４８ｂと、気化部連結路１４５ｃ１内に配設された第２筒状部１４８ｃと、気化部復路１４５ａ２内に配設された第３筒状部１４８ｄを備えている。すなわち、水供給管１４８は、気化部往路１４５ａ１から気化部復路１４５ａ２にわたって配設される。気化部１４５ａ内部に配設されている水供給管１４８全体の形状は、改質器１４５を上から見た平面視において、Ｊ字状、あるいはＵ字状である。
　ここで、気化部復路１４５ａ２内の第３筒状部１４８ｄの周壁部の上部（図１２の紙面に垂直手前側）に複数の水吐出孔１４８ｄ１が設けられている。なお、上下方向の中間部の両側に、複数の水吐出孔が設けられてもよい。また、水供給管１４８の先端部１４８ｅは、閉塞されている。さらに、水吐出孔１４８ｄ１は、第３筒状部１４８ｄにだけ設けられているが、第２筒状部１４８ｃ、第１筒状部１４８ｂにわたって設けてもよい。
　改質器１４５の気化部復路１４５ａ２において、水供給管１４８に供給された水は、第３筒状部１４８ｄの水吐出孔１４８ｄ１から溢れ出る。溢れ出た水は、第３筒状部１４８ｄの周面に沿って分散しながら流れることで、水供給管１４８と水とを直接熱交換させることができる。これによって水の気化が促進されて、供給された水を効率よく気化させることができる。
　また、筒状部１４８ｂ～１４８ｄ内にて水が気化された場合には、各水吐出孔１４８ｄ１，１４８ｄ２から水蒸気が吐出され、第３筒状部１４８ｄの周面に沿って分散しながら流れる。こうして生成された水蒸気は、気化改質部連結路１４５ｃ２、改質部往路１４５ｂ１を流れる。また、気化改質部連結路１４５ｃ２では、原燃料供給管２３から原燃料が供給される。気化改質部連結路１４５ｃにて原燃料と水蒸気とが混合され、改質部往路１４５ｂ１、改質部連結路１４５ｃ３、改質部復路１４５ｂ２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。
　なお、気化部往路１４５ａ１、気化部連結路１４５ｃ１、気化部復路１４５ａ２、気化改質部連結路１４５ｃ２、改質部往路１４５ｂ１、改質部連結路１４５ｃ３、改質部復路１４５ｂ２は、この順で連通し、横断面は、矩形状の管体である。
　また、気化部復路１４５ａ２内に、仕切板１４５ａ２１が設けられ、これらの気化部往路の一端側から、仕切板１４５ａ２１間が気化室とされており、水供給管１４８の先端部１４８ｅは、仕切板１４５ａ２１の上流側に位置している。
　このような改質器１４５において、水供給管１４８に供給された水は、気化部往路１４５ａ１、気化部連結路１４５ｃ１、気化部復路１４５ａ２に配設された比較的長い水供給管１４８によって十分加熱されて気化することで、水吐出孔１４８ｄ１から高温の水蒸気として吐出させることができる。そのため、気化部復路１４５ａ２よりも下流側の気化改質部連結路１４５ｃ２で接続された原燃料供給管２３より供給された原燃料が低温であったとしても、改質器における温度低下を抑制することができるので、改質効率を向上させることができる。また、水蒸気の発生効率が向上するので、より多くの改質水を改質器１４５に供給できる。また、改質器１４５で改質されたガスの品質が向上するので、燃料電池セルを長期間わたって安定的に稼動させることができる。
　図１３は、図５に示すモジュールに収納された改質器のさらに他の一例の内部構造を抜粋して示す斜視図である。本実施の形態の改質器２４５は、図１２に示される前述の改質器と比較して、水供給管および燃料供給管の構成が異なっている。なお、前述の実施形態と対応する部分は、同一の参照符を付してある。
　水供給管と原燃料供給管とをかねる二重配管２４８は、外管と内管とを有し、内管内に原燃料を流通させるとともに、外側の流路である、内管と外管の間に水を流通させるものである。気化部往路の一端側から改質器１４５の内部に挿通される二重配管２４８は、気化部往路１４５ａ１の一端部から外側に突き出ている供給部２４８ａと、気化部往路内に配設された第１二重配管部分２４８ｂと、気化部連結路１４５ｃ１内に配設された第２二重配管部分２４８ｃと気化部復路１４５ａ２内に配設された第３二重配管部分２４８ｄからなる。二重配管２４８全体の形状は、平面視において、Ｊ字状、あるいはＵ字状である。また、二重配管２４８の端部２４８ｅは、内管は、開放されているが、内管と外管の間は閉塞されている。
　二重配管２４８の外側の流路に供給された水は、第１二重配管部分２４８ｂ、第２二重配管部分２４８ｃ、第３二重配管部分２４８ｄを流れるにしたがって加熱される。その後、第３二重配管部分２４８ｄの外管のみに開口された水吐出孔２４８ｄ１から水が流れ出し、水蒸気となるかもしくは、各二重配管部分を流れる間に水蒸気となるかして、水吐出孔２４８ｄ１から吐出される。
　また、二重配管２４８の内管に供給された燃料ガスは、第１二重配管部分２４８ｂ、第２二重配管部分２４８ｃ、第３二重配管部分２４８ｄを流通する間に加熱され、内管が開放された二重配管の端部２４８ｅから流出する。
　二重配管の端部２４８ｅから流出した原燃料は、気化部１４５ａで発生した水蒸気と混合しながら、気化改質部連結路１４５ｃ２を経由して、改質部往路１４５ｂ１、改質部連結路１４５ｃ３、改質部復路１４５ｂ２を経て改質され、改質ガスとして、改質ガス導出管４９から導出される。
　気化部往路１４５ａ１から気化部復路１４５ａ２にわたって設けられた二重配管２４８により、温度の高い原燃料と水蒸気とが合流するので、改質部１４５ｂでの温度の低下を抑制することができるので、改質効率を向上させることができる。
　また、図１４は、図５に示すモジュールに収納された改質器のさらに他の一例の内部構造を抜粋して示す斜視図である。本実施の形態の改質器３４５は、図１３に示される前述の改質器と比較して、水供給管の構成が異なっている。なお、前述の実施形態と対応する部分は、同一の参照符を付してある。
　図１４に示す水供給管３４８は、図示はしないが、改質器３４５の外部で、改質器３４５に供給される水と原燃料とが予め混合されて供給されるものである。すなわち、水供給管３４８は、水と原燃料とを一緒に供給する共用管であり、改質器３４５に接続される管の数を減らすことができる。
　この水供給管３４８は、気化部往路１４５ａ１の一端部から外側に突き出ている水供給部３４８ａと、気化部往路内に配設された第１筒状部３４８ｂと、気化部連結路１４５ｃ１内に配設された第２筒状部３４８ｃと、気化部復路１４５ａ２内に配設された第３筒状部３４８ｄから構成される。水供給管３４８は、気化部往路１４５ａ１から気化部復路１４５ａ２にわたって配設される。気化部１４５ａ内部に配設されている水供給管３４８全体の形状は、平面視において、Ｊ字状、あるいはＵ字状である。なお、水供給管３４８の端部３４８ｅは閉塞されている。
　このような水供給管３４８で供給される水は、第１筒状部３４８ｂと、第２筒状部３４８ｃと、第３筒状部３４８ｄを流れるにしたがって加熱される。その後、第３筒状部３４８ｄに設けられた水吐出孔３４８ｄ１から水が流れ出し、水蒸気となるかもしくは、各筒状部を流れる間に水蒸気となるかして、水吐出孔３４８ｄ１から吐出される。特に、各筒状部を流れる間に水蒸気となった場合には、水蒸気は原燃料と混合された状態で水吐出孔３４８ｄ１から吐出される。これにより、水蒸気と原燃料とが混合状態が良い状態で水吐出孔から吐出され、続いて改質部に流れることから、改質効率を向上させることができる。
　本発明は、その精神または主要な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形態で実施できる。したがって、前述の実施形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、本発明の範囲は請求の範囲に示すものであって、明細書本文には何ら拘束されない。さらに、請求の範囲に属する変形や変更は全て本発明の範囲内のものである。
　２　セルスタック
　１７，４１，５０　燃料電池モジュール
　２０，４５，１４５，２４５，３４５　改質器
　２１，４５ａ，１４５ａ　気化部
　２２，４５ｂ，１４５ｂ　改質部
　４８，１４８，３４８　水供給管
　５３　燃料電池装置

Claims (7)

  1. 　原燃料を水蒸気と反応させて改質ガスを生成する燃料電池用改質器であって、
    　水を水蒸気に気化するための気化部と、
    　前記気化部で発生した水蒸気と原燃料とを反応させて改質ガスを生成する改質部と、
    　前記気化部内に延びて配置され、該気化部内で水を吐出する水吐出孔が上部に設けられた周壁部を有する水供給管と、を含むことを特徴とする燃料電池用改質器。
  2. 　前記水吐出孔は、前記周壁部の、上下方向の中間部にも設けられることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用改質器。
  3. 　前記水供給管は、その先端部が閉塞されていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池用改質器。
  4. 　前記気化部には、粒状のセラミックボールが収納され、
    　前記水吐出孔は、前記セラミックボールの粒径よりも小さい孔径を有する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用改質器。
  5. 　前記気化部は、
    　気化部往路と、
    　該気化部往路と連通するとともに、水蒸気が他端側から一端側に流れる気化部復路と、を含み、
    　前記水供給管は、前記気化部往路の内部に挿通され、前記気化部往路から前記気化部復路にわたって配設されていることを特徴とする請求項１～４のいずれか一つに記載の燃料電池用改質器。
  6. 　請求項１～５のいずれか１つに記載の燃料電池用改質器と、
    　前記燃料電池用改質器によって生成された改質ガスと酸素含有ガスとを反応させて発電するセルスタックとを収納してなることを特徴とする燃料電池モジュール。
  7. 　外装ケース内に、
    　請求項６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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