JP2010080260A - 燃料電池モジュールおよび燃料電池装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発電効率を向上することができる燃料電池モジュールおよび燃料電池装置を提供する。
【解決手段】複数の燃料電池セル３をマニホールド４に立設してなるセルスタック装置１０と、セルスタック装置１０の上方に配置され燃料電池セル３に供給する燃料ガスを生成するための気化部７および改質部８を備える改質器６とを収納容器２に設けられた発電室１３内に収納するとともに、収納容器２の外部より原燃料ガスおよび水を気化部７にそれぞれ供給するための供給管と、発電室１３内の排ガスを収納容器２の外部に流すための排ガス流路２０とを具備するとともに、供給管のうち少なくとも一方の供給管が、その一部に、排ガス流路２０を流れる排ガスと供給管を流れる原燃料ガスまたは水とで熱交換を行うための排ガス流路２０内に配置された熱交換部４５を備えることから、気化部７の周囲の温度が低下することを抑制でき、発電効率を向上させることができる。
【選択図】図４

Description

本発明は、収納容器内に複数個の柱状の燃料電池セルを収納してなる燃料電池モジュールおよびそれを具備する燃料電池装置に関する。

近年、次世代エネルギーとして、水素含有ガスと空気（酸素含有ガス）とを用いて電力を得ることができる燃料電池セルを複数個並設し電気的に直列に接続してなるセルスタックを、燃料電池セルにガスを供給するマニホールドに固定し、それを収納してなる燃料電池モジュールや燃料電池モジュールを収納してなる燃料電池装置が種々提案されている。

そのような燃料電池モジュールとしては、例えば、直方体状の収納容器内に設けられた発電室内に、燃料電池セルを複数個並設し電気的に直列に接続してマニホールドに固定してなるセルスタック装置と、燃料電池セルに供給する水素含有ガスを生成するための気化部と改質部とを備える改質器とを収納してなる燃料電池モジュールが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００７−５９３７７号公報

ところで、セルスタック装置の上方に配置され、燃料電池セルに供給する水素含有ガスを生成するための気化部と改質部とを備える改質器を収納容器内に収納した場合に、例えば改質部で水蒸気改質を行うために、収納容器の外部から供給される水を気化部にて気化させる場合において、水の気化に伴う吸熱反応により、気化部の周囲の温度が低下し、発電室内に温度分布が生じる場合があり、発電効率が低下するおそれがあった。

また、気化部の下方に位置する燃料電池セルの温度が低下し、燃料電池セルの配列方向に沿って温度分布が生じ、それに伴い発電効率が低下するおそれもあった。

それゆえ本発明は、気化部の周囲における温度低下を抑制し、発電室内の温度分布を均一に近づけることが可能な燃料電池モジュールおよびそれを具備する燃料電池装置を提供することを目的とする。

本発明の燃料電池モジュールは、収納容器内に設けられた発電室内に、内部に燃料ガスを流通させるためのガス流路を有する柱状の燃料電池セルを複数個立設して電気的に直列に接続してなるセルスタックおよび該セルスタックを構成する前記燃料電池セルを固定するとともに、前記燃料電池セルに燃料ガスを供給するマニホールドを具備するセルスタック装置と、該セルスタック装置の上方に配置され前記燃料電池セルに供給する燃料ガスを生成するための気化部および改質部を備える改質器とを収納するとともに、前記収納容器の外部より原燃料ガスおよび水を前記気化部にそれぞれ供給するための供給管と、前記収納容器内に設けられ前記発電室内の排ガスを前記収納容器の外部へ流すための排ガス流路とを具備してなる燃料電池モジュールであって、前記供給管のうち少なくとも一方の供給管は、その一部に、該排ガス流路を流れる排ガスと前記供給管を流れる原燃料ガスまたは水とで熱交換を行うための前記排ガス流路内に配置された熱交換部を備えることを特徴とする。

このような燃料電池モジュールにおいては、収納容器の外部より原燃料ガスおよび水を気化部（改質器）にそれぞれ供給するための供給管のうち、少なくとも一方の供給管は、その一部に、排ガス流路を流れる排ガスと供給管を流れる原燃料ガスまたは水とで熱交換を行うための排ガス流路内に配置された熱交換部を備えることから、熱交換部を流れる間に原燃料ガスまたは水の温度が上昇することとなる。

それにより、温められた原燃料ガスまたは水が気化部に供給されることから、気化部で水を気化させる際の吸熱反応により、気化部の周囲の温度が低下することを抑制することができ、発電室内の温度分布を均一に近づけることができる。また、あわせて気化部の下方に位置する燃料電池セルの温度低下を抑制することができることから、燃料電池セルの配列方向における温度分布を均一に近づけることができる。さらに、少なくとも一方の供給管の一部に備える熱交換部が排ガス流路内に配置されていることから、供給管を流れる原燃料ガスまたは水の熱交換において、発電室内の温度への影響を減らすことができる。それゆえ、発電効率が向上した燃料電池モジュールとすることができる。

また、本発明の燃料電池モジュールは、前記熱交換部が蛇行流路であることが好ましい。

このような燃料電池モジュールにおいては、熱交換部を蛇行流路とすることにより、排ガス流路を流れる排ガスと、熱交換部を構成する供給管を流れる原燃料ガスまたは水とで効率よく熱交換を行うことができる。それにより、気化部の周囲の温度低下をより抑制することができることから、発電効率が向上した燃料電池モジュールとすることができる。

また、本発明の燃料電池モジュールは、前記排ガス流路が、少なくとも前記燃料電池セルの配列方向に沿う側部に対応して設けられているとともに、前記熱交換部が、前記燃料電池セルの配列方向における中央部に対応して配置されていることが好ましい。

複数の燃料電池セルをマニホールドに立設してなるセルスタック装置においては、燃料電池セルの配列方向における中央部（側）の温度が、燃料電池セルの配列方向における端部（側）の温度に比べて高温となる場合がある。このようなセルスタック装置においては、各燃料電池セルに供給される燃料ガスの量にバラツキが生じ、発電効率が低下するおそれがある。

それゆえ、排ガス流路を、少なくとも燃料電池セルの配列方向に沿う側部に対応して設けるとともに、熱交換部を燃料電池セルの配列方向における中央部に対応して配置することにより、気化部の周囲の温度低下を抑制するとともに、燃料電池セルの配列方向における温度分布も均一に近づけることができ、発電効率が向上した燃料電池モジュールとすることができる。

また、本発明の燃料電池モジュールは、前記セルスタック装置が、前記燃料電池セルの上端部側で、前記ガス流路より排出される燃料ガスを燃焼させるように構成されているとともに、前記熱交換部が、前記燃料電池セルの長手方向における中央部から上端部の間の部位に対応して配置されていることが好ましい。

燃料電池セルの上端部側で、ガス流路より排出される燃料ガスを燃焼させる構成のセルスタック装置においては、燃料電池セルの長手方向において中央部（側）から上端部（側）にかけての温度が高温となり、燃料電池セルの長手方向において温度分布が生じる場合がある。このような燃料電池セルにおいては、高温の部位に電流が集中し、電流が集中した部位の劣化が早まるおそれがある。

それゆえ、少なくとも一方の供給管の一部が備える熱交換部を排ガス流路内に配置する場合において、燃料電池セルの長手方向における中央部から上端部の間に対応した部位に熱交換部を配置することで、気化部の周囲の温度低下を抑制するとともに、燃料電池セルの長手方向における温度分布も均一に近づけることができ、発電効率が向上した燃料電池モジュールとすることができる。

また、本発明の燃料電池モジュールは、原燃料ガスおよび水を前記気化部にそれぞれ供給するための前記供給管が、ともにその一部が前記排ガス流路内に配置された前記熱交換部を備えるとともに、少なくとも一方の前記供給管が備える前記熱交換部が、前記燃料電池セルの配列方向に沿う側部に対応して配置されていることが好ましい。

このような燃料電池モジュールにおいては、原燃料ガスおよび水を供給するためのそれぞれの供給管の一部が排ガス流路内に配置されているとともに、少なくとも一方の供給管の一部が備える熱交換部が、燃料電池セルの配列方向に沿う側部に対応して配置されていることから、原燃料ガスおよび水の両方の温度を上昇させることができ、気化部の周囲の温度が低下することを抑制することができ、あわせて気化部の下方に位置する燃料電池セルの温度低下を抑制することができる。

さらに、少なくとも一方の供給管の一部が備える熱交換部が、燃料電池セルの配列方向に沿う側部に対応して配置されていることから、燃料電池セルの配列方向における温度分布をさらに均一に近づけることができる。

本発明の燃料電池装置は、外装ケース内に、上記のうちいずれかに記載の燃料電池モジュールを収納してなることを特徴とする
このような燃料電池装置においては、外装ケース内に、気化部の周囲の温度低下を抑制し、発電効率が向上した燃料電池モジュールを収納してなることから、発電効率の向上した燃料電池装置とすることができる。

本発明の燃料電池モジュールは、収納容器内に設けられた発電室内に、内部に燃料ガスを流通させるためのガス流路を有する柱状の燃料電池セルを複数個立設して電気的に直列に接続してなるセルスタックおよび該セルスタックを構成する前記燃料電池セルを固定するとともに、前記燃料電池セルに燃料ガスを供給するマニホールドを具備するセルスタック装置と、該セルスタック装置の上方に配置され前記燃料電池セルに供給する燃料ガスを生成するための気化部および改質部を備える改質器とを収納するとともに、前記収納容器の外部より原燃料ガスおよび水を前記気化部にそれぞれ供給するための供給管と、前記収納容器内に設けられ前記発電室内の排ガスを前記収納容器の外部へ流すための排ガス流路とを具備してなる燃料電池モジュールであって、前記供給管のうち少なくとも一方の供給管は、その一部に、該排ガス流路を流れる排ガスと前記供給管を流れる原燃料ガスまたは水とで熱交換を行うための前記排ガス流路内に配置された熱交換部を備えることから、気化部の周囲の温度低下をより抑制することができ、発電効率を向上することができる。またあわせて、本発明の燃料電池モジュールを外装ケース内に収納することにより、発電効率の向上した燃料電池装置とすることができる。

図１は、本発明の燃料電池モジュール１（以下、モジュールという場合がある。）の一例を示す外観斜視図である。なお、以降の図において同一の部材については同一の番号を付するものとする。

モジュール１は、内部にガス流路を有する柱状の燃料電池セル３の複数個を立設させた状態で所定間隔をおいて配列し、隣接する燃料電池セル３間に集電部材（図示せず）を介して電気的に直列に接続してセルスタック５を構成するとともに、燃料電池セル３の下端をガラスシール材等の絶縁性接合材（図示せず）で、燃料電池セル３に水素含有ガス（燃料ガス）を供給するマニホールド４に固定してなるセルスタック装置１０を、直方体状の収納容器２の発電室内に収納して構成されている。なお、収納容器２の構成は、図２および図３を用いて説明するものとする。

なお図１においては、燃料電池セル３として、内部を水素含有ガス（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、一対の対向する平坦面を有するとともに、内部にガス流路を有する支持体の一方側の平坦面に、燃料側電極層、固体電解質層および酸素側電極層を順に積層してなり、他方側の平坦面にインターコネクタを積層してなる固体酸化物形燃料電池セル３を例示している。

また図１においては、燃料電池セル３の発電で使用する燃料ガスを得るために、天然ガス等の原燃料を改質して燃料ガスを生成するための改質器６をセルスタック５（燃料電池セル３）の上方に配置している。なお、改質器６は、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成とすることが好ましく、水を気化させるための気化部７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８とを備えている。そして、改質器６で生成された燃料ガスは、ガス流通管９によりマニホールド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。

また、図１においては、収納容器２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１０を後方に取り出した状態を示している。ここで、図１に示したモジュール１においては、セルスタック装置１０を、収納容器２内にスライドして収納することが可能である。

図２は、図１で示すモジュール１の断面図である。モジュール１を構成する収納容器２は、内壁１１と外壁１２とを有する二重構造で、外壁１２により収納容器２の外枠が形成されるとともに、内壁１１によりセルスタック５（セルスタック装置１０）を収納する発電室１３が形成されている。さらにモジュール１（収納容器２）においては、内壁１１と外壁１２との間を、燃料電池セル３に導入する酸素含有ガスが流通する酸素含有ガス流路１９としている。

ここで内壁１１に、内壁１１の上面よりセルスタック５の側面側にまで延び、セルスタック５の配列方向における幅に対応する幅を有し、内壁１１と外壁１２とで形成される酸素含有ガス流路１９に通じて、セルスタック５に酸素含有ガスを導入するための酸素含有ガス導入部材１４が備えられている。なお酸素含有ガス導入部材１４の構成によっては、酸素含有ガス導入部材１４を内壁１１の側面側よりセルスタック５の側面側までに延びる構成としてもよい。また、酸素含有ガス導入部材１４の下端部側（マニホールド４に立設した燃料電池セル３の下端部側と対向する領域）に、燃料電池セル３に酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス導入口１５が設けられている。

図２においては、酸素含有ガス導入部材１４が、収納容器２の内部に横並びに並置された２つのセルスタック５（セルスタック装置１０）間に位置するように配置されているが、セルスタック５（セルスタック装置１０）の数により、例えば酸素含有ガス導入部材１４をセルスタック５の両側面側から挟み込むように配置してもよい。具体的には、セルスタック５（セルスタック装置１０）を１つだけ収納する場合には、酸素含有ガス導入部材１４を２つ設け、セルスタック５を両側面側から挟み込むように配置することができる。

また発電室１３内には、モジュール１内の熱が極端に放散され、燃料電池セル３（セルスタック５）の温度が低下して発電量が低減しないよう、モジュール１内の温度を高温に維持するための断熱材１６が適宜設けられている。

断熱材１６は、セルスタック５の近傍に配置することが好ましく、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５の側面側に配置するとともに、セルスタック５の側面の外形と同等またはそれ以上の大きさを有する断熱材１６を配置することが好ましい。なお、好ましくは、断熱材１６はセルスタック５の両側面側に配置することが好ましい。それにより、セルスタック５の温度が低下することを効果的に抑制できる。さらには、酸素含有ガス導入部材１４より供給される酸素含有ガスが、セルスタック５の側面側より排出されることを抑制でき、セルスタック５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、酸素含有ガス導入部材１４に近接して配置する断熱材１６の下端側には、酸素含有ガスを燃料電池セル３の下端部側に供給するための切り欠き部を有していることが好ましい。

また、燃料電池セル３の配列方向に沿う内壁１１の内側に、排ガス用内壁１７が設けられおり、内壁１１と排ガス用内壁１７との間が、発電室１３内の排ガスを収納容器２の外部へ流す（排気する）ための排ガス流路２０とされている。なお、排ガス流路２０は、燃料電池セル３の配列方向に沿う側部と対応して形成される側部流路２１と、発電室１３の底部側を流れる底部流路２２とから構成され、底部流路２２が収納容器２の底部に設けられた排気孔１８と通じている。

それにより、酸素含有ガスは、主に酸素含有ガス流路１９を流れる間に、排ガス流路２０（側部流路２１）を流れる排ガスとで熱交換されることとなり、高温の酸素含有ガスを燃料電池セル３に供給することができることから、発電効率の高いモジュール１とすることができる。

図３は、本発明の燃料電池モジュールにおける他の一例を示した断面図である。図３示すモジュール２３においては、収納容器２４は、外壁２８により外枠が形成され、外壁２８の内側に所定間隔をあけて第１の壁２９が形成されており、第１の壁２９の内側に所定間隔をあけて第２の壁３０が設けられており、第２の壁３０の内側に所定間隔をあけて第３の壁３１が設けられている。そしてこれらの壁により、セルスタック５（セルスタック装置１０）を収納する発電室３５が形成されている。なお、セルスタック５（燃料電池セル２５）の上方には、改質器２７が配置されている。

なお、図３に示した収納容器２４においては、第１の壁２９の上端部が第２の壁３０に接続されており、第２の壁３０が収容容器２４の上壁（外壁２８）と接続されており、第３の壁３１の上端部が第１の壁２９と第２の壁３０との接続部よりも収納容器２４の上壁側にて第２の壁３０と接続されている。なお、第３の壁３１の上端部を収納容器２４の上壁２８と接続させることもできる。

そして、外壁２８と第１の壁２９とで形成された空間が第１の流路３２となり、第２の壁３０と第３の壁３１とで形成された空間が第２の流路３３となり、第１の壁２９と第２の壁３０とで形成された空間が第３の流路３４となる。

ここで、第１の流路３２および第２の流路３３は、それぞれ収納容器２４の底部から供給される酸素含有ガスの流路として形成され、第２の流路３３を流れる酸素含有ガスが、酸素含有ガス導入口３７より燃料電池セル２５に供給される。

また、第３の流路３４は発電室３５内の排ガスを収納容器２４の外部に流す（排気する）ための排ガス流路３４として形成されている。なお、排ガス流路３４は、燃料電池セル２５の配列方向に沿う側部と対応して形成される側部流路３８と、発電室３５の底部側を流れる底部流路３９とから構成され、底部流路３９が収納容器２４の底部に設けられた排気孔３６と通じている。

それにより、酸素含有ガスは、第１の流路３２を流れる間に、第３の流路（排ガス流路）３４を流れる排ガスとで熱交換され、第２の流路３３を流れる間に、発電室３５内の熱とで熱交換されることとなり、高温の酸素含有ガスを燃料電池セル２５に供給することができることから、発電効率の高いモジュール２３とすることができ、セルスタックを１列だけ収納する場合において特に有用となる。

なお、モジュール２３においても、収納容器２４内の熱が極端に放熱され、燃料電池セル２５（セルスタック）の温度が低下して発電量が低減しないように、セルスタックの両側面側および底面側（マニホールド２６の下方）に断熱材４０が配置されている。

また第２の流路３３を構成する第２の壁３０側に、第２の流路３３を流れる酸素含有ガスと第３の流路３４を流れる排ガスとでの熱交換を抑制するための熱交換抑制部材４１が配置されている。それにより、第２の流路３３を流れる酸素含有ガスの温度が低下することを抑制でき、燃料電池セル２５の発電効率が低下することを抑制できる。

ところで、図１に示したように、気化部７と改質触媒を備える改質部８を備える改質器６をセルスタック装置１０の上方に配置する燃料電池モジュールにおいて、改質部８で水蒸気改質を行うために、収納容器２の外部から供給される水を気化部７にて気化する場合に、水の気化に伴う吸熱反応により、気化部７の周囲の温度が低下し、発電室１３内に温度分布が生じる場合がある。またあわせて、気化部７の下方に位置する燃料電池セル３の温度が低下し、燃料電池セル３の配列方向に沿って温度分布が生じる場合がある。そして、これらの温度分布が生じることにより、例えばセルスタック５を構成する各燃料電池セル３に供給される燃料ガスの量にばらつきが生じ、発電効率が低下するおそれがある。

図４は、本発明の燃料電池モジュールの他の一例を示す分解斜視図である。なお、燃料電池モジュールとして、図１および図２に示したタイプの燃料電池モジュールを用いている。モジュール４２は、収納容器２の外部より原燃料ガスおよび水を気化部７に供給するためのそれぞれの供給管（第１の供給管４３と第２の供給管４４）を備えている。なお、図４において、第２の供給管４４は、外部から挿入され直接改質器６に接続されている。

ここで、第１の供給管４３の一部に、排ガス流路２０（底部流路２２）を流れる排ガスと第１の供給管４３を流れる原燃料ガスまたは水とで熱交換を行うための排ガス流路２０を構成する底部流路２２内に配置された熱交換部４５を備えている。なお、図４において、熱交換部４５を破線にて囲って示す。

ここで、第１の供給管４３の一部に設けられた熱交換部４５が排ガス流路２０（底部流路２２）内に配置されていることから、第１の供給管４３を流れる原燃料ガスまたは水と、排ガス流路２０（底部流路２２）を流れる排ガスとで熱交換を行うことができる。それにより、熱交換部４５を流れる間に、原燃料ガスまたは水の温度が上昇することから、温められた原燃料ガスまたは水が気化部７に供給されることとなる。

それにより、気化部７で水を気化させる際の吸熱反応により、気化部７の周囲の温度が低下することを抑制でき、発電室１３内の温度分布や、燃料電池セル３の配列方向における温度分布を均一に近づけることができる。それゆえ、発電効率が向上したモジュール４２とすることができる。

また第１の供給管４３の一部に設けられた熱交換部４５が排ガス流路２０（底部流路２２）内に配置されていることから、熱交換部４５を流れる原燃料ガスまたは水の熱交換において、発電室１３内の温度への影響を減らすことができる。それゆえ、発電効率が向上したモジュール４２とすることができる。

なお、図４において、熱交換部４５は蛇行流路にて構成されている。それにより、排ガス流路２０（底部流路２２）内を流れる排ガスと、熱交換部４５を流れる原燃料ガスまたは水とで効率よく熱交換を行うことができる。それにより、気化部７の周囲の温度が低下することをより抑制することができ、発電効率が向上したモジュール４２とすることができる。

なお、図４において蛇行流路は、底部流路２２の大きさに基づき、その折り返し回数や、流路の長さ（折り返すまでの長さ等）を適宜設定することができ、図４においては、３回折り返した形状の熱交換部４５を示している。

ところで、改質器６にて部分酸化改質（オートサーマル改質を含む）を行う場合においては、第１の供給管４３または第２の供給管４４に酸素含有ガスを流すこともできる。

具体的には、例えば第１の供給管４３に原燃料ガスを流す場合においては、第１の供給管４３に酸素含有ガスを流すとともに、第２の供給管４４に水を流す構成とすることができる。また、第１の供給管４３に水を流す場合においては、第２の供給管４４に原燃料ガスおよび酸素含有ガスを流す構成とすることができる。

図５は、本発明の燃料電池モジュールの他の一例を示す分解斜視図である。なお、燃料電池モジュールとして、図１および図２に示したタイプの燃料電池モジュールを用いている。モジュール４６は、収納容器２の外部より原燃料ガスおよび水を気化部７に供給するためのそれぞれの供給管（第１の供給管４７と第２の供給管４８）を備えている。なお、第１の供給管４７は、収納容器２の燃料電池セル３の配列方向に沿う側部側の外部より挿入されており、第２の供給管４８は、外部から挿入され直接改質器６に接続されている。

ここで、第１の供給管４７の一部に、側部流路２１を流れる排ガスと、第１の供給管４７を流れる原燃料ガスまたは水とで熱交換を行うための、燃料電池セル３の配列方向に沿う側部に対応した排ガス流路２０（側部流路２１）に配置された熱交換部４９を備えている。なお、図５において、熱交換部４９を一点鎖線にて囲って示す。

ここで、第１の供給管４７の一部に設けられた熱交換部４９が側部流路２１内に配置されていることから、第１の供給管４７を流れる原燃料ガスまたは水と、側部流路２１を流れる排ガスとで熱交換を行うことができる。それにより、熱交換部４９を流れる間に、原燃料ガスまたは水の温度が上昇することから、温められた原燃料ガスまたは水が気化部７に供給されることとなる。

それにより、気化部７で水を気化させる際の吸熱反応により、気化部７の周囲の温度が低下することを抑制でき、発電室１３内の温度分布や、燃料電池セル３の配列方向における温度分布を均一に近づけることができる。それゆえ、発電効率が向上したモジュール４６とすることができる。

また熱交換部４９が側部流路２１（排ガス流路２０）内に配置されていることから、熱交換部４９を流れる原燃料ガスまたは水の熱交換において、発電室１３内の温度への影響を減らすことができる。それゆえ、発電効率が向上したモジュール４７とすることができる。

なお、上述したように、気化部７の周囲の温度が低下することをより抑制するにあたり、熱交換部４９を蛇行流路とすることができ、側部流路２１の大きさに基づき、その折り返し回数や、流路の長さ（折り返すまでの長さ等）を適宜設定することができる。

なお、図４の説明において詳述したように、改質器６にて部分酸化改質（オートサーマル改質を含む）を行なう場合において、例えば第１の供給管４７に原燃料ガスを流す場合においては、第１の供給管４７に酸素含有ガスを流すとともに、第２の供給管４８に水を流す構成とすることができる。また、第１の供給管４７に水を流す場合においては、第２の供給管４８に原燃料ガスおよび酸素含有ガスを流す構成とすることができる。

ところで、燃料電池セル３を複数個立設して電気的に直列に接続してなるセルスタック５（セルスタック装置１０）において、セルスタック５を構成する燃料電池セル３の配列方向の端部（側）は、隣接する燃料電池セル３が少ない、もしくは存在しないこととなり放熱されやすいのに対し、燃料電池セル３の配列方向における中央部（側）は両側に多数の燃料電池セル３が配置されているため放熱されにくい。それゆえ、燃料電池セル３の配列方向における中央部の温度が高く、端部の温度が低いという不均一な温度分布が生じ、それに伴い、セルスタック５を構成する各燃料電池セル３に流入する燃料ガスの量にばらつきが生じ、発電効率が低下するおそれがある。

それゆえ、第１の供給管４７の一部に設けられた熱交換部４９を燃料電池セル３の配列方向に沿う側部流路２１内に配置する場合において、熱交換部４９を燃料電池セル３の配列方向における中央部に対応して配置することが好ましい。

それにより、側部流路２１における燃料電池セル３の配列方向における中央部を流れる排ガスの温度が、熱交換部４９を流れる原燃料ガスまたは水とで熱交換されることで低下する、または熱交換部４９を流れる温度の低い原燃料ガスまたは水の熱がセルスタック５に伝熱することにより、燃料電池セル３の配列方向における中央部の温度を低下することができ、燃料電池セル３の配列方向における温度分布を均一に近づけることができる。それにより、発電効率を向上することができる。

なお、燃料電池セル３の配列方向における中央部とは、セルスタック５の中央部に位置する燃料電池セル３のほか、その近傍に位置する燃料電池セル３を含むこともでき、あらかじめ、セルスタック５（セルスタック装置１０）における温度分布を調査することにより、適宜設定することができる。

また、燃料電池セル３の上端部側で、ガス流路より排出される燃料ガス（余剰の燃料ガス）を燃焼させる構成のセルスタック５（セルスタック装置１０）においては、燃料電池セル３の長手方向における中央部から上端部にかけての温度が高く、下端部の温度が低いという、燃料電池セル３の長手方向における温度分布が生じる場合がある。

そして、燃料電池セル３の長手方向に温度分布が生じた場合においては、高温の部位に電流が集中することにより、電流が集中した部位の劣化が早まるおそれがある。

それゆえ、第１の供給管４７の一部に設けられた熱交換部４９を、燃料電池セル３の配列方向に沿う側部流路２１内に配置する場合において、熱交換部４９を燃料電池セル３の長手方向における中央部から上端部の間の部位に対応して配置することが好ましい。

それにより、燃料電池セル３の長手方向における温度分布を均一に近づけることができ、発電効率を向上することができる。

なお、燃料電池セル３の長手方向における中央部とは、燃料電池セル３の長手方向における中央部のほか、その近傍の部位を含むこともでき、あらかじめ、燃料電池セル３の長手方向における温度分布を調査することにより、適宜設定することができる。

図６は、本発明の燃料電池モジュールの他の一例を示す分解斜視図である。なお、燃料電池モジュールとして、図１および図２に示したタイプの燃料電池モジュールを用いている。

モジュール５０は、収納容器２の外部より原燃料ガスおよび水を気化部７に供給するためのそれぞれの供給管（第１の供給管５１と第２の供給管５３）を備えている。なお、図６において、なお、第２の供給管５３は、収納容器２の燃料電池セル３の配列方向に沿う側部側の外部より挿入されている。

気化部７の周囲の温度が低下することをより効率よく抑制するにあたっては、気化部７に原燃料ガスまたは水を供給するための第１の供給管５１の一部に設けられた熱交換部５２（図中において破線で囲って示す。）および第２の供給管５３の一部に設けられた熱交換部５４（図中において一点鎖線で囲って示す。）のそれぞれを排ガス流路２０内に配置することが好ましい。また、この場合において、少なくとも一方の供給管の一部に設けられた熱交換部を、燃料電池セル３の配列方向に沿う側部に対応して配置する、すなわち側部流路２１内に配置することが好ましく、図６においては、第２の供給管５３の一部に設けられた熱交換部５４を側部流路２１内に配置している。

それにより、気化部７に供給する原燃料ガスおよび水のそれぞれの温度を上昇させることができ、気化部７の周囲の温度が低下することを抑制でき、発電室１３内の温度分布や、燃料電池セル３の配列方向における温度分布を均一に近づけることができる。

さらに、少なくとも一方の供給管の一部に設けられた熱交換部が、燃料電池セル３の配列方向に沿う側部に対応して配置されている、すなわち側部流路２１内に配置されていることから、燃料電池セル３の配列方向における温度分布を均一に近づけることができる。それにより、発電効率を向上することができる。

なお、燃料電池セル３の配列方向に沿う両方の側部流路２１内に、それぞれの供給管の一部に設けられた熱交換部を配置することもできる。それにより、燃料電池セル３の配列方向における温度分布や燃料電池セル３の長手方向における温度分布を、さらに均一に近づけることができ、発電効率をさらに向上することができる。

また、側部流路２１内に熱交換部を配置するにあたっては、上述したように燃料電池セル３の配列方向における中央部と対応し、さらに燃料電池セル３の長手方向における中央部から上端部の間の部位に対応して熱交換部を配置することにより、さらに燃料電池セル３の配列方向および長手方向における温度分布を均一に近づけることができ、モジュール５０の発電効率をさらに向上することができる。なお、この場合において第１の供給管５１および第２の供給管５３に流すガスの種類や水については、上述したとおりである。

図７は、本発明の燃料電池装置５３の一例を示す分解斜視図である。なお、図７においては一部構成を省略して示している。

図６に示す燃料電池装置５５は、支柱５６と外装板５７から構成される外装ケース内を仕切板５８により上下に区画し、その上方側を上述したモジュール１を収納するモジュール収納室５９とし、下方側をモジュール１を動作させるための補機類を収納する補機収納室６０として構成されている。なお、補機収納室６０に収納する補機類を省略して示している。

また、仕切板５８は、補機収納室６０の空気をモジュール収納室５９側に流すための空気流通口６１が設けられており、モジュール収納室５９を構成する外装板５７の一部に、モジュール収納室５９内の空気を排気するための排気口６２が設けられている。

このような燃料電池装置５５においては、上述したように、発電効率が向上したモジュール１をモジュール収納室５９内に収納して構成されることにより、発電効率の向上した燃料電池装置５５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。

上述の説明において、第１の供給管および第２の供給管のうち少なくとも一方の供給管の一部に設けられた熱交換部を排ガス流路２０内に配置する場合において、さらに効率よく熱交換を行なうにあたり、熱交換部を構成する供給管にフィン等を設けることもできる。それにより、排ガス流路２０内を流れる排ガスと、熱交換部を流れる原燃料ガスまたは水とでさらに効率よく熱交換を行うことができ、気化部７の周囲の温度が低下することをさらに効率よく抑制することができることから、発電効率をさらに向上することができる。

本発明の燃料電池モジュールの一例を示す外観斜視図である。 図１に示した燃料電池モジュールの断面図である。 本発明の燃料電池モジュールの他の一例を示す断面図である。 本発明の燃料電池モジュールのさらに他の一例を抜粋して示す分解斜視図である。 本発明の燃料電池モジュールのさらに他の一例を抜粋して示す分解斜視図である。 本発明の燃料電池モジュールのさらに他の一例を抜粋して示す分解斜視図である。 本発明の燃料電池装置の一例を示す分解斜視図である。

符号の説明

１、２３、４２、４６、５０：燃料電池モジュール
３：燃料電池セル
６：改質器
７：気化部
８：改質部
２０、３４：排ガス流路
２１、３８：側部流路
２２、３９：底部流路
４３、４７、５１：第１の供給管
４４、４８、５３：第２の供給管
４５、４９、５２、５４：熱交換部
５５：燃料電池装置

Claims (6)

1. 収納容器内に設けられた発電室内に、内部に燃料ガスを流通させるためのガス流路を有する柱状の燃料電池セルを複数個立設して電気的に直列に接続してなるセルスタックおよび該セルスタックを構成する前記燃料電池セルを固定するとともに、前記燃料電池セルに燃料ガスを供給するマニホールドを具備するセルスタック装置と、該セルスタック装置の上方に配置され前記燃料電池セルに供給する燃料ガスを生成するための気化部および改質部を備える改質器とを収納するとともに、前記収納容器の外部より原燃料ガスおよび水を前記気化部にそれぞれ供給するための供給管と、前記収納容器内に設けられ前記発電室内の排ガスを前記収納容器の外部へ流すための排ガス流路とを具備してなる燃料電池モジュールであって、前記供給管のうち少なくとも一方の供給管は、その一部に、該排ガス流路を流れる排ガスと前記供給管を流れる原燃料ガスまたは水とで熱交換を行うための前記排ガス流路内に配置された熱交換部を備えることを特徴とする燃料電池モジュール。
2. 前記熱交換部が蛇行流路であ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. 前記排ガス流路が、少なくとも前記燃料電池セルの配列方向に沿う側部に対応して設けられているとともに、前記熱交換部が、前記燃料電池セルの配列方向における中央部に対応して配置されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池モジュール。
4. 前記セルスタック装置が、前記燃料電池セルの上端部側で、前記ガス流路より排出される燃料ガスを燃焼させるように構成されているとともに、前記熱交換部が、前記燃料電池セルの長手方向における中央部から上端部の間の部位に対応して配置されていることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池モジュール。
5. 原燃料ガスおよび水を前記気化部にそれぞれ供給するための前記供給管が、ともにその一部が前記排ガス流路内に配置された前記熱交換部を備えるとともに、少なくとも一方の前記供給管が備える前記熱交換部が、前記燃料電池セルの配列方向に沿う側部に対応して配置されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のうちいずれかに記載の燃料電池モジュール。
6. 外装ケース内に、請求項１乃至請求項５のうちいずれかに記載の燃料電池モジュール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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