JP2011070982A - セルスタック装置およびこれを用いた燃料電池モジュールならびに燃料電池装置 - Google Patents

Abstract

【課題】セルスタックを構成する各燃料電池セルに効率よく燃料ガスを供給することができるセルスタック装置および燃料電池モジュールならびに燃料電池装置を提供する。
【解決手段】本発明のセルスタック装置１は、燃料電池セル２を複数個配列して電気的に接続してなり、燃料電池セル２の一端部側で燃焼させる構成のセルスタック３と、両端部に燃料ガス流入口を備えたマニホールド４と、セルスタック３の一端部側に離間して配置され、原燃料ガス昇温部１２および改質触媒１４を備える改質部を備える改質器６と、中央部の外面において、改質器６と接合され、両端部に設けられた燃料ガス供給口１１を備える燃料ガス分岐流路１０と、燃料ガス供給口１１および燃料ガス流入口を接続する燃料ガス供給管８と、を備えることから、セルスタック３を構成する各燃料電池セルに十分な量の燃料ガスを供給することができ、発電効率の向上したセルスタック装置とすることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池セルに供給する燃料ガスを生成するための改質器と燃料電池セルに燃料ガスを供給するためのマニホールドとを具備するセルスタック装置およびこれを用いた燃料電池モジュールならびに燃料電池装置に関する。

近年、次世代エネルギーとして、燃料ガス（水素含有ガス）と空気（酸素含有ガス）とを用いて電力を得ることができる燃料電池セルを複数個配列してなるセルスタックと、該セルスタックに供給する燃料ガスを生成するための改質器とを備えるセルスタック装置や、該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（例えば、特許文献１参照。）。

ところで、燃料電池セルに供給する燃料ガスを生成するにあたっては、例えば、天然ガス等の炭化水素系ガスと水蒸気とを反応させて燃料ガスを生成する水蒸気改質法等が知られており、そのような改質反応を行うための改質器も種々提案されている。

図１０は従来の燃料電池モジュール７０を示す外観斜視図であり、収納容器７１よりセルスタック装置８０を後方に引出した状態を示している。

セルスタック装置８０は、複数の燃料電池セル７２を配列してなるセルスタック７３を有しており、セルスタック７３の上方にはＵの字状の改質器７５が配置されている。改質器７５は、気化部７８と改質触媒を備える改質部７９とを具備し、原燃料供給管７７より供給された原燃料は、気化部７８を通り、改質部７９内にて水蒸気改質等の改質反応により燃料ガス（水素含有ガス）に改質される。そして、気化部７８と改質部７９を具備する改質器７５にて生成された燃料ガスは、燃料ガス供給管７６を介してマニホールド７４に供給され、マニホールド７４から各燃料電池セル７２に燃料ガスが供給されるようになっている。

特開２００７−５９３７７号公報

しかしながら、上述の燃料電池モジュール７０においては、改質器７５により生成された燃料ガスが、マニホールド７４の一端部とだけ接続された燃料ガス供給管７６によりマニホールド７４内に供給されることから、燃料ガス供給管７６より遠い位置に配置された燃料電池セル７２に十分な量の燃料ガスを供給することができず、セルスタック装置８０の発電効率が低下するおそれがあった。

それゆえ、本発明においては、セルスタックを構成する各燃料電池セルに効率よく燃料ガスを供給することができるセルスタック装置およびこれを用いた燃料電池モジュールならびに燃料電池装置を提供することにある。

すなわち、本発明のセルスタック装置は、内部に燃料ガス流路を有し、燃料ガスと酸素含有ガスとで発電する柱状の燃料電池セルを、複数個立設させた状態で配列して電気的に接続してなり、前記燃料電池セルの一端部側で発電に使用されなかった前記燃料ガスを燃焼させる構成のセルスタックと、前記燃料電池セルの他端部を固定するとともに、前記燃料電池セルの配列方向に沿った両端部に燃料ガス流入口を備え、前記燃料電池セルに前記燃料ガスを供給するためのマニホールドと、前記燃料電池セルの一端部側と離間して配置されており、外部より供給される原燃料に熱を与えて温度の上昇した原燃料ガスを生成するための原燃料ガス昇温部および該原燃料ガス昇温部から送られる前記原燃料ガスを前記燃料ガスに改質するための改質触媒を備える改質部を有する改質器と、前記燃料電池セルの一端部側と離間して配置されており、前記燃料電池セルの配列方向に沿った両端部に燃料ガス流出口を備え、前記燃料電池セルの配列方向に沿った中央部に前記改質器で改質された前記燃料ガスが供給される燃料ガス供給口を備える燃料ガス分岐流路と、該燃料ガス分岐流路の前記両端部に設けられた前記燃料ガス流出口と、前記マニホールドの前記両端部に設けられた前記燃料ガス流入口とをそれぞれ接続する燃料ガス供給管と、を備えることを特徴とする。

このようなセルスタック装置においては、燃料ガス分岐流路によって、改質器で生成された燃料ガスを分岐してマニホールドの両端部から燃料ガスを供給することができる。そのため、セルスタックを構成する各燃料電池セルに十分な量の燃料ガスを供給することができる。また、改質器で改質された燃料ガスは、燃料ガス分岐流路のうち燃料電池セルの配列方向に沿った中央部に設けられた燃料ガス供給口より供給されるため、マニホールドの両端部へ供給する燃料ガスの量を均一に近づけることができる。そのため、発電効率の向上したセルスタック装置とすることができる。

また、本発明のセルスタック装置において、前記改質器は、前記燃料電池セルの配列方向に沿った中央部に配置された前記原燃料ガス昇温部と、該原燃料ガス昇温部の前記燃料電池セルの配列方向に沿った両側に配置された前記改質触媒を備える第１改質部と、前記セルスタックの上方に配置され、前記各第１改質部に接続された燃料ガス混合部とを備えるとともに、該燃料ガス混合部が前記燃料ガス分岐流路の前記燃料ガス供給口と接続されていることが好ましい。

このようなセルスタック装置においては、改質器が、燃料電池セルの配列方向に沿った中央部に配置された原燃料ガス昇温部と、原燃料ガス昇温部の両側に配置された改質触媒を備える第１改質部と、燃料電池セルの配列方向に沿って設けられ、各第１改質部に接続された燃料ガス混合部とを備えることから、均質な燃料ガスを効率よく生成することができる。また、原燃料ガス昇温部の両側に第１改質部を配置した場合、各第１改質部を流れる原燃料ガスの量が異なるおそれがあり、この場合に、各第１改質部で生成される燃料ガスの量やガス濃度が異なるおそれがあるが、燃料電池セルの配列方向に沿って設けられ、各第１改質部と接続された燃料ガス混合部をさらに備えることから、一方の第１改質部にて生成された燃料ガスと他方の第１改質部にて生成された燃料ガスとを混合することができるため、燃料ガス分岐流路へ供給する燃料ガスの量やガス濃度が異なることを防ぐことができる。そのため、燃料ガス分岐流路の両端部からマニホールドの両端部へ供給される燃料ガスの量やガス濃度を均一に近づけることができ、セルスタック装置の発電効率を向上させることができる。

さらに、本発明のセルスタック装置において、前記燃料ガス混合部にも前記改質触媒が備えられていることが好ましい。

このようなセルスタック装置においては、燃料ガス混合部にも改質触媒が備えられていることから、改質触媒の量を増加させることができ、改質効率を向上させることができることから、セルスタック装置の発電効率を向上させることができる。

さらにまた、本発明のセルスタック装置において、前記燃料ガス混合部が前記第１改質部および前記原燃料ガス昇温部の下方に接して配置されており、前記燃料ガス分岐流路が前記燃料ガス混合部の下方に接して配置されていることが好ましい。

このようなセルスタック装置においては、発電に使用されなかった燃料ガスを燃焼させることにより生じた燃焼熱を利用して、燃料ガス分岐流路内を流れる燃料ガスを効率的に温めることができる。そのため、温度が上昇した燃料ガスを燃料電池セルに供給できることから、発電効率の向上したセルスタック装置とすることができる。

さらにまた、本発明のセルスタック装置は、前記燃料ガス混合部が前記第１改質部および前記原燃料ガス昇温部の下方に接して配置されており、前記燃料ガス分岐流路が前記燃料ガス混合部の下方に離間して配置されていることが好ましい。

このようなセルスタック装置においては、発電に使用されなかった燃料ガスを燃焼させることにより生じた燃焼熱を利用して、燃料ガス分岐流路内を流れる燃料ガスを効率的に温めることができるとともに、燃焼熱と接する燃料ガス分岐流路および燃料ガス混合部の表面積を増加させることができ、より効率的に原燃料ガスや燃料ガスを温めることができる。それにより、発電効率の向上したセルスタック装置とすることができる。

さらにまた、本発明のセルスタック装置は、前記燃料ガス混合部が前記第１改質部および前記原燃料ガス昇温部の上方に接して配置されており、前記燃料ガス分岐流路が前記燃料ガス混合部の上方に接して配置されていることが好ましい。

このようなセルスタック装置においては、燃焼熱により第１改質部および原燃料ガス昇温部を温めることができ、原燃料を効率的に温めて原燃料ガスを生成することができるとともに、原燃料ガスを効率的に燃料ガスへ改質することができ、発電効率の向上したセルスタック装置とすることができる。

さらにまた、本発明のセルスタック装置は、前記燃料ガス混合部が前記第１改質部および前記原燃料ガス昇温部の上方に接して配置されており、前記燃料ガス分岐流路が前記燃料ガス混合部の上方に離間して配置されていることが好ましい。

このようなセルスタック装置においては、燃料ガス分岐流路および燃料ガス混合部の表面積を増加させることができ、より効率的に燃料ガスを温めることができる。それにより、発電効率の向上したセルスタック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、上記のセルスタック装置を収納容器内に収納してなることから、発電効率の向上した燃料電池モジュールとすることができる。

本発明の燃料電池装置は、上記の燃料電池モジュールと、セルスタック装置を作動させるための補機とを、外装ケース内に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。

本発明のセルスタック装置によれば、燃料ガス分岐流路によって改質器で改質された燃料ガスを分岐してマニホールドの両端部より燃料ガスを供給することができ、セルスタックを構成する各燃料電池セルに十分な量の燃料ガスを供給することができる。また、改質器で改質された燃料ガスは、燃料ガス分岐流路のうち燃料電池セルの配列方向に沿った中央部に設けられた燃料ガス供給口より供給されるため、マニホールドの両端部へ供給する燃料ガスの量やガス濃度を均一化することができる。そのため、発電効率の向上したセルスタック装置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、発電効率の向上したセルスタック装置を収納容器内に収納してなることから、発電効率の向上した燃料電池モジュールとすることができる。さらに、本発明の燃料電池装置は、発電効率の向上した燃料電池モジュールと、前記セルスタック装置を作動させるための補機とを、外装ケース内に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。

本発明のセルスタック装置の一例を示す外観斜視図である。 図１に示すセルスタック装置の改質器と燃料ガス分岐流路を抜粋して示す断面図である。 本発明の他の一例であるセルスタック装置の改質器と燃料ガス分岐流路を抜粋して示す断面図である。 本発明のさらに他の一例であるセルスタック装置を示す外観斜視図である。 図４に示すセルスタック装置の改質器と燃料ガス分岐流路を抜粋して示す断面図である。 本発明のさらに他の一例であるセルスタック装置の改質器と燃料ガス分岐流路を抜粋して示す断面図である。 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７に示す燃料電池モジュールの断面図である。 本発明の燃料電池装置の一例を示す構成図である。 従来のセルスタック装置の一例を示す外観斜視図である。

図１は、本発明のセルスタック装置の一例を示す外観斜視図である。図２は、図１に示すセルスタック装置１を構成する改質器６、原燃料供給管７、燃料ガス分岐流路１０および燃料ガス供給管８の一部を抜粋して示す断面図である。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。

図１に示すセルスタック装置１は、内部に燃料ガス流路(図示せず)を有する燃料電池セル２を複数個立設させた状態で、燃料電池セル２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なるセルスタック３を、セルスタック３を構成する燃料電池セル２の他端部を燃料電池セル２に燃料ガスを供給するマニホールド４に絶縁性の接着材により固定し、燃料電池セル２の一端部側に、燃料電池セル２と離間して改質器６を配置するとともに、改質器６の下面に接するように配置された燃料ガス分岐流路１０が設けられている。燃料ガス分岐流路１０は、燃料電池セル２の配列方向（以下、セル配列方向と略す場合がある。）に沿った両端部に燃料ガス流出口１１を有している。また、マニホールド４のセル配列方向に沿った両端部には、内部に燃料ガスが流入するための燃料ガス流入口１８が設けられており、燃料ガス分岐流路１０に設けられたそれぞれの燃料ガス流出口１１とマニホールド４に設けられたそれぞれの燃料ガス流入口１８とが、燃料ガス供給管８により接続されている。

なお、ここでいうマニホールド４のセル配列方向に沿った端部とは、セルスタック３の端部からマニホールド４の端部までの空間およびマニホールド４の側面のうちセル配列方向と直交する側面を意味し、燃料ガス分岐流路１０のセル配列方向に沿った端部とは、燃料ガス分岐流路１０のセル配列方向に沿った端部の底面および燃料ガス分岐流路１０の側面のうちセル配列方向と直交する側面を意味する。また、セルスタック３の両端部には、燃料電池セル２の発電により生じた電流を収集して外部に引き出すための、電流引き出し部９を有する導電部材５が配置されている。

ここで、燃料電池セル２としては、内部を燃料ガス（水素含有ガス）が燃料電池セル２の長手方向における一端部から他端部に流れる燃料ガス流路を有する中空平板状で、支持体の表面に、燃料側電極層、固体電解質層および酸素側電極層を順に設けてなる固体酸化物形の燃料電池セル２を例示している。

また、セルスタック装置１は、燃料電池セル２の一端部側において、燃料電池セル２の発電に使用されなかった燃料ガスを燃焼させる構成とされている。それにより、後述する改質器６や燃料ガス分岐流路１０の温度を効率よく上昇させることができる。

図２において、セルスタック３の一端部側と離間して配置される改質器６は、箱状の形状をしており、外部より供給される原燃料に熱を与えて温度の上昇した原燃料ガスとするための原燃料ガス昇温部１２と、原燃料ガス昇温部１２の両側に配置され内部に原燃料ガスを燃料ガスに改質するための改質触媒１４を備える第１改質部１３と、第１改質部１３を流れた燃料ガスを、後述する燃料ガス分岐流路１０のセル配列方向に沿った中央部の上面に設けられた燃料ガス供給口１６に向けて流すとともに、改質触媒１４を備える第２改質部を有する燃料ガス混合部１５とを備えている。なお、燃料ガス混合部１５の改質触媒を備える部位が第２改質部となっている。

なお、図２に示す改質器６において、一方の改質部（第１改質部１３および第２改質部）２８および他方の改質部（第１改質部１３および第２改質部）２９は、改質器６の両側に左右対称となるように設けられていることが好ましい。それにより、改質器６において、原燃料ガスを効率よく燃料ガスに改質することができる。なお、左右に設けられた一方の改質部２８と他方の改質部２９との容積および内部に配置される改質触媒１４の量が同じとなれば左右対称でなくともよい。

原燃料ガス昇温部１２は、上面中央部に外部より原燃料ガス昇温部１２に原燃料を供給するための原燃料供給管７が接続されており、外部より供給された原燃料は、原燃料ガス昇温部１２にて熱が与えられることで温度の上昇した原燃料ガスとされた後、原燃料ガス昇温部１２の両側方に設けられた第１改質部１３に向けて流れる。

第１改質部１３は、内部に改質触媒１４を備え、改質器６の上面に沿って設けられており、原燃料ガス昇温部１２から送出された原燃料ガスは、内部に備えた改質触媒１４により燃料ガスに改質されつつ、改質器６のセル配列方向に沿った両端部に向けて流れる。

燃料ガス混合部１５は、第１改質部１３および原燃料ガス昇温部１２の下面に接して配置され、燃料ガス混合部１５（改質器６）の下面中央部にて、後述する燃料ガス分岐流路１０の燃料ガス供給口１６と接続される。第１改質部１３を流れた燃料ガスは、改質器６の両側方より燃料ガス供給口１６（改質器６のセル配列方向における中央部）に向けて流れる。

燃料ガス分岐流路１０は、燃料ガス混合部１５（改質器６）の下面に接するように配置されるとともに、上面の中央部に燃料ガス供給口１６が設けられ、改質器６（燃料ガス混合部１５）と燃料ガス供給口１６とが接続されており、セル配列方向に沿った両端部に燃料ガス流出口１１が設けられている。燃料ガス混合部１５に設けられたそれぞれの第２改質部から送出される混合された燃料ガスは、燃料ガス供給口１６を介して燃料ガス分岐流路１０に流入し、燃料ガス分岐流路１０の両端部に設けられ燃料ガス流出口１１へ向けて流れる。そして、燃料ガス分岐流路１０を流れた燃料ガスは、燃料ガス流出口１１に接続された燃料ガス供給管８を流れ、マニホールド４に供給される。

なお、原燃料ガス昇温部１２の両側部および燃料ガス混合部１５のセル配列方向に沿った中央部に図２において破線で示した通気性のある壁が設けられている。具体的には金属製のメッシュ等を用いることができる。

外部より原燃料ガス昇温部１２に供給される原燃料としては、都市ガス等の炭化水素系ガスや灯油等の液体燃料があげられる。なお、原燃料として炭化水素系ガス等の気体燃料を用いた場合には、原燃料ガスは原燃料ガス昇温部１２にて熱が与えられ温度の上昇した原燃料ガスとなる。

ここで、図１０に示したように従来のセルスタック装置８０においては、従来の改質器７５により生成された燃料ガスが、マニホールド７３の一端部とだけ接続された燃料ガス供給管７６よりマニホールド７４内に供給されることから、燃料ガス供給管７６より遠い位置に配置された燃料電池セル７２に十分な燃料ガスを供給することができず、セルスタック装置８０の発電効率が低下するおそれがあった。

本発明のセルスタック装置１は、改質器６を流れた燃料ガスを、セル配列方向の両端部側に向けて流すとともに、燃料ガス流出口１１および燃料ガス供給管８を介して、マニホールド４の両端部に設けられたそれぞれの燃料ガス流入口１８に流すための燃料ガス分岐流路１０を有することから、各燃料電池セル２に十分な量の燃料ガスを供給することができる。

さらに、本発明のセルスタック装置１は、改質器６の両側方に設けられたそれぞれの改質部（一方の改質部２８および他方の改質部２９）を流れた燃料ガスを、燃料ガス混合部１５および燃料ガス分岐流路１０内、特には燃料ガス供給口１６近傍にて十分に混合することできるから、マニホールド４の両側部より供給される燃料ガスの量やガス濃度のばらつきを抑制することができる。それにより、発電効率の向上したセルスタック装置１とすることができる。

また、燃料ガス分岐流路１０が改質器６の下面と接するように配置されることから、燃料電池セル２の一端部側（燃料ガス分岐流路１０の下方側）において、燃料電池セル２の発電に使用されなかった燃料ガスを燃焼させることにより生じる燃焼熱により、効果的に燃料ガス分岐流路１０を流れる燃料ガスを温めることができる。それにより、温度の上昇した燃料ガスをマニホールドの両端部に供給することができ、セルスタック装置１の発電効率を向上させることができる。

さらに、改質器６がそれぞれ一方の改質部２８、他方の改質部２９を有することから、効率よく改質を行なうことができる。それにより、セルスタック装置１の発電効率を向上させることができる。

また、燃料ガス分岐流路１０が改質器６の下面と接するように配置されることから、改質器６と燃料ガス分岐流路１０とを一体的に作製することができ、セルスタック装置１の製造工程を簡略化することができる。なお、改質器６の作製方法としては、箱状の部材の内部に原燃料ガス昇温部１２、第１改質部１３、燃料ガス混合部１５および燃料ガス分岐流路１０を仕切るように、仕切り板を設けて作製してもよく、改質器６と燃料ガス分岐流路１０とを別途作製し、溶接等により接合して作製してもよい。

なお、改質触媒１４としては、改質効率や耐久性に優れた改質触媒を用いることが好ましく、例えば、γ−アルミナ、α−アルミナまたはコージェライト等の多孔質担体にＲｕ、Ｐｔ等の貴金属やＮｉ、Ｆｅ等の卑金属を担持させた改質触媒等を用いることができる。

なお、図示していないが、原燃料ガス昇温部１２はセラミックボール等を備えることが好ましい。それにより、原燃料ガス昇温部１２内の表面積を増加させることができ、効率的に原燃料を温度の上昇した原燃料ガスとすることができるほか、改質部（一方の改質部２８および他方の改質部２９）にて水蒸気改質を行なうために、原燃料ガス昇温部１２内に水を供給する場合には、水を効率よく昇温させ、水蒸気に気化させることができる。また、原燃料ガス昇温部１２の両側部および燃料ガス混合部のセル配列方向に沿った中央部に金属製のメッシュ等からなる通気性の壁を設けた例を示したが、通気性の壁は、改質触媒１４がセルスタック装置１を運搬する際等に、移動することを抑制するように適宜設ければよい。

また、セルスタック装置１においては、第１改質部１３および燃料ガス混合流路１５の全域に改質触媒１４を設けた例を示したが、第１改質部１３および燃料ガス混合流路１５の全域に改質触媒１４を設けなくともよい。改質触媒１４の量は、必要な燃料ガスの量に応じて適宜設定すればよい。

図３は本発明の他の一例のセルスタック装置を構成する改質器２０、原燃料供給管７、燃料ガス分岐流路２１および燃料ガス供給管８の一部を抜粋して示す断面図である。

図３に示すセルスタック装置１７は、改質器２０の下方に燃料ガス分岐流路２１を配置し、改質器２０（燃料ガス混合部１５）のセル配列方向に沿った中央部と、燃料ガス分岐流路２１の上面中央部に設けられた燃料ガス供給口１６とを連結部材１９で接続している。それにより、改質器２０および燃料ガス分岐流路２１における、発電に使用されなかった燃料ガスを燃焼させることにより生じた燃焼熱と接する面積を増加させることができ、さらに改質器２０および燃料ガス分岐流路２１を温めることができる。そのため、燃料電池セル２に温度の上昇した燃料ガスを供給することができ、セルスタック装置１７の発電効率をさらに向上させることができる。

より具体的には、図３に示したセルスタック装置１７においては、改質器６（燃料ガス混合部１５）の下面に燃料ガス分岐流路１０が接するように配置されたセルスタック装置１に比べ、改質器２０の底面積、燃料ガス分岐流路２１の改質器２０の底面積に対応する面積および連結部材１９の表面積に相当する面積を増加することができる。

なお、図３に示す改質器２０においては、第１改質部１３のみに改質触媒１４を備えた例を示したが、燃料ガス混合部１５に改質触媒１４を備え、第２改質部（図示せず）を設けてもよい。それにより、さらに原燃料ガスを燃料ガスに改質することができ、発電効率の向上したセルスタック装置１９とすることができる。

図４は、本発明のセルスタック装置のさらに他の一例を示す斜視図であり、図５は、図４に示すセルスタック装置２３を構成する改質器２４、原燃料供給管７、燃料ガス分岐流路２５および燃料ガス供給管８の一部を抜粋して示す断面図である。

図５に示す改質器２４は、セル配列方向に沿った中央部に原燃料ガス昇温部１２を有し、第１改質部１３が原燃料ガス昇温部１２の両側方に改質器２４の下面に沿って設けられており、さらに、第１改質部１３の上面に接するように燃料ガス混合部１５が配置されている。原燃料ガス昇温部１２より送出された原燃料ガスは、第１改質部１３をセル配列方向に沿った両端部に向けて流れ、内部に改質触媒１４を備えた燃料ガス混合部１５（第２改質部）をセル配列方向に沿った中央部の上面に向けて流れている。

燃料ガス分岐流路２５は、改質器２４の上面に接するように配置され、セル配列方向に沿った中央部下面に設けられた燃料ガス供給口１６と改質器２４（燃料ガス混合部１５）とが接続されており、セル配列方向に沿った両端部に燃料ガス流出口１１が設けられている。それぞれの改質部（一方の改質部２８および他方の改質部２９）にて生成された燃料ガスは、燃料ガス供給口１６を介して燃料ガス分岐流路２５の中央部に流入する。なお、燃料ガス混合部１５と燃料ガス分岐流路２５にて一方の改質部（第１改質部１３および第２改質部）２８および他方の改質部（第１改質部１３および第２改質部）２９にて生成された燃料ガスが混合される。より詳しくは、燃料ガス混合部１５および燃料ガス分岐流路２５における接続部（燃料ガス供給口１６）近傍にて燃料ガスが混合される。混合された燃料ガスは、燃料ガス分岐流路２５の両端部に設けられたそれぞれの燃料ガス流出口１１に向けて流れ、燃料ガス供給管８を流れた後、マニホールド４に供給される。なお、燃料ガス供給口１６の径は、原燃料供給管７より大きい径を有しており、平面視して原燃料供給管７と同心円状に設けられている。また、図４で示すように、燃料ガス供給管８は燃料ガス混合部１５を貫通して第１改質部１３に接続されている。

ここで、改質器２４において水蒸気改質をする場合において、原燃料供給管７に原燃料および水を供給し、原燃料ガス昇温部１２にて、原燃料に熱を与えて温度の上昇した原燃料ガスとするとともに、水を水蒸気に気化させて、それぞれの改質部２８、２９に原燃料ガスおよび水蒸気を供給し、所定の改質触媒１４により水蒸気改質を行なう。その際、原燃料ガス昇温部１２の温度が水を水蒸気に気化させるのに十分な温度でないと、気化されていない水が改質部に供給されてしまい、改質触媒１４の気孔中に水が入り込むこみ、それにより、改質触媒１４中の水の気化に伴って改質触媒１４が破損することにより、改質触媒１４を劣化させてしまうおそれがある。

図４および図５に示したセルスタック装置２３においては、原燃料ガス昇温部１２を発電に使用されなかった燃料ガスを燃焼させて生じる燃焼熱により直接温めることができるため、原燃料ガス昇温部１２に供給された原燃料を効率よく温度の上昇した原燃料ガスとするとともに、水を水蒸気に効率よく気化することができ、効率のよい改質を行なうことができるとともに、改質触媒１４の劣化を抑制することができる。それにより、セルスタック装置２３の発電効率を向上させることができる。

なお、原燃料ガス昇温部１２に水を供給するにあたり、原燃料供給管７とは別に水供給管を設けることもできる。この場合、原燃料供給管７と水供給管を２重管とすることが好ましい。

ここで、セルスタック３の発電に伴って、セルスタック３のセル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温度分布を生じる場合がある。その場合においても、セル配列方向の中央部に設けられた原燃料ガス昇温部１２における原燃料を温度の上昇した原燃料ガスとするとするための吸熱や、水が気化する際の気化熱等により、セルスタック３のセル配列方向における中央部の温度を低下させることができ、セルスタック３の燃料電池セル２の配列方向における温度分布を抑制することができる。それにより、温度の高い燃料電池セル２に生じる電流集中を抑制することができ、燃料電池セル２の劣化を抑制することができる。そのため、発電効率の向上したセルスタック装置２３とすることができる。

また燃料ガス混合部１５の上方に接するように燃料ガス分岐流路２５が設けられていることから、改質器２４と燃料ガス分岐流路２５を一体化することができ、セルスタック装置２３の製造工程を簡略化することができる。

なお、改質器２４の作製方法としては、箱状の部材の内部に仕切り部材等により原燃料ガス昇温部１２、第１改質部１３、燃料ガス混合部１５および燃料ガス分岐流路２５が設けられるように、仕切り板を設けて作製してもよく、改質器６と燃料ガス分岐流路１０とを別途作製し、溶接等により接合して作製してもよい。また、燃料ガス供給管８を改質器２４の内部（第１改質部１３および燃料ガス混合部１５）を貫通するように設けてもよく、改質器２４の外側に設けてもよい。

なお、原燃料ガス昇温部１２が水を気化するために十分な温度かどうかを確認するために熱電対等を設けてもよい。

図６は、本発明のさらに他の一例を示すセルスタック装置２６を構成する改質器２４、原燃料供給管７、燃料ガス分岐流路２５および燃料ガス供給管８の一部を抜粋して示す断面図である。

セルスタック装置２６は、燃料ガス分岐流路２７が改質器２４の上方に離間して配置されており、改質器２４の上面中央部と、燃料ガス分岐流路２７のセル配列方向における中央部下面に設けられた燃料ガス供給口１６とが連結部材１９によって接続されており、燃料ガス分岐流路２７の燃料ガス流入口１１に接続された燃料ガス供給管８が、改質器２４のセル配列方向に沿った外側に設けられている。

それにより、改質器２４および燃料ガス分岐流路２７における発電に使用されなかった燃料ガスを燃焼させることにより生じた燃焼熱と接する面積を増加させることができ、さらに改質器２４および燃料ガス分岐流路２７を温めることができる。そのため、燃料電池セル２に温度の上昇した燃料ガスを供給することができ、セルスタック装置２６の発電効率をさらに向上させることができる。

より具体的には、図６に示したセルスタック装置２６においては、改質器２４（燃料ガス混合部１５）の上面に燃料ガス分岐流路２５が接するように配置されたセルスタック装置２３に比べ、改質器２４の上面積、燃料ガス分岐流路２７の改質器２４の上面積に対応する面積および連結部材１９の表面積に相当する面積を増加することができる。

図７は、収納容器３１内に、上述したセルスタック装置１を収納してなる本発明の燃料電池モジュール３０（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。図７に示すモジュール３０においては、収納容器３１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（図７においては改質器６を取りはずして示している）を後方に取り出した状態を示している。なお、改質器６は収納容器３１の上壁の内面に接続されている。以下に、まずモジュール３０を構成する収納容器３１について説明する。

図８は、モジュール３０の一例を概略的に示す断面図である。モジュール３０を構成する収納容器３１は、外壁３２にて収納容器３１の外枠が形成され、内部に燃料電池セル２（セルスタック３）を収納する発電室４９が形成されている。

このような収納容器３１においては、セルスタック３を構成する燃料電池セル２の配列方向に沿う側部と、該側部に対向する収納容器３１の外壁との間に、空気や排ガスを流すための流路を備えている。

ここで、収納容器３１は、外壁３２の内側に所定間隔をあけて第１の壁３３が形成されており、第１の壁３３の内側に所定間隔をあけて第２の壁３４が配置されており、さらに第２の壁３４の内側に所定間隔をあけて第３の壁３５が配置されている。

それにより、外壁３２と第１の壁３３とで形成された空間が第１の収納容器流路３６となり、第２の壁３４と第３の壁３５とで形成された空間が第２の収納容器流路３７となり、第１の壁３３と第２の壁３４とで形成された空間が第３の収納容器流路３８となる。

なお、図８に示した収納容器３１においては、第１の壁３３の上端部が第２の壁３４に接続されており、第２の壁３４が収容容器３１の上壁（外壁３２）と接続されており、第３の壁３５の上端部が第２の壁３４と接続されている。

また、収納容器３１の底部には、空気（酸素含有ガス）を収納容器３１内に供給するための空気供給管３９が接続されており、空気供給管３９より供給される空気は空気導入部４０に流れる。空気導入部４０は空気導入口４１により第１の収納容器流路３６とつながっているため、空気導入部４０を流れる空気は、空気導入口４１を通して、第１の収納容器流路３６に流れる。第１の収納容器流路３６を上方に向けて流れた空気は、第２の壁３４に設けられた空気流通口４２を通して、第２の収納容器流路３７に流れる。そして、第２の収納容器流路３７を下方に向けて流れた空気は、第３の壁３５に設けられた空気吹き出し口４３を通して、発電室４９内に供給される。

一方、燃料電池セル２より排出される排ガスや、燃料電池セル２の上端部側で発電に使用されなかった燃料ガスを燃焼させることにより生じる排ガスは、第２の壁３４に設けられた排ガス流通口４４を通して第３の収納容器流路３８に流入する。そして、第３の収納容器流路３８を下方に向けて流れた排ガスは、排ガス収集口４５を通して排ガス収集部４６に流れた後、排ガス収集部４６に接続された排ガス排気管４７を通して収納容器３１の外部に排気される。

それゆえ、空気導入管３９より供給される空気は、空気導入部４０を流れる間に、排ガス収集部４６を流れる排ガスと熱交換され、第１の収納容器流路３６を流れる間に、第３の収納容器流路３８を流れる排ガスと熱交換され、第２の収納容器流路３７を流れる間に、発電室４９内の熱とで熱交換されることとなる。

なお、図８において、空気導入管３９の内部に排ガス排気管４７が位置するように設けた例を示しているが、排ガス排気管４７の内部に空気導入管３９が位置するように設けることもでき、さらには、空気導入管３９と排ガス排気管４７とは、それぞれ位置をずらして設けることもできる。

ここで、図８に示すモジュール３０においては、第３の収納容器流路３８のうち、第２の壁３８側に断熱材４８（図中において断熱材４８は斜線にて示している）が固着して配置されている。それにより、第２の収納容器流路３７を流れる空気と第３の収納容器流路３８を流れる排ガスとの熱交換を抑制することができ、第２の収納容器流路３７を流れる空気の温度が低下することを抑制できる。それにより、高温の空気を燃料電池セル２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３０とすることができる。

なお、第３の収納容器流路３８に配置される断熱材４８は、好ましくは、セルスタック３を構成する燃料電池セル２の配列方向に沿う側部の外形以上の大きさとすることが好ましい。それにより、第２の収納容器流路３７を流れる空気と第３の収納容器流路３８を流れる排ガスとの熱交換を効率よく抑制することができる。

また断熱材４８は、第３の収納容器流路３８以外にも、収納容器３１内の熱が極端に放熱され、燃料電池セル２（セルスタック３）の温度が低下して発電量が低減しないように適宜設けることができ、図７においては、第３の収納容器流路３８以外に、マニホールド４の底部と、燃料電池セル２（セルスタック３）の両側面側と、収納容器３１の上壁（外壁３２）と改質器６との間とに設けている例を示している。

ここで、セルスタック３（燃料電池セル２）の両側面側に配置されている断熱材４８においては、空気吹き出し口３６に対応して、空気を燃料電池セル２側に流すための孔が設けられている。

そして空気吹き出し口４３より発電室４９内に供給された空気は、燃料電池セル２の下端側から上端部側に向けて流れることとなり、効率よく燃料電池セル２の発電を行なうことができる。

図７および図８に示すモジュール３０においては、発電効率の向上したセルスタック装置１を上述のような収納容器の発電室４９内に収納することにより、発電効率の向上したモジュール３０とすることができる。

そして、本発明においては上述したモジュール３０とセルスタック装置１を動作させるための補機とを外装ケース内に収納することで、本発明の燃料電池装置とすることができる。なお、外装ケースは仕切部材により上下に区分し、上側の部屋にモジュール３０を収納し、下側の部屋にセルスタック装置１を動作させるための補機を収納することで、コンパクトな燃料電池装置とすることができる。

図９は、外装ケース内に図８で示したモジュール３０と、モジュール３０を動作させるための補機（図示せず）とを収納してな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。なお、図９においては一部構成を省略して示している。

図９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３０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３０を動作させるための補機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に収納する補機を省略して示している。

また、仕切板５８には、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、発電効率の向上したモジュール３０をモジュール収納室５９に収納し、モジュール３０を動作させるための補機を補機収納室６０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。

例えば、原燃料ガス昇温部１２に接続された原燃料供給管７に、原燃料または水を原燃料ガス昇温部１２の両側方に設けられたそれぞれの改質部２８、２９側に流すための流通方向調整部材を設けることも可能である。

なお流通方向調整部材としては、底部を有する筒状の容器の左右に穴を有する部材のほか、先端が二手に分かれたパイプ等、適宜左右２方向に空気を流すことのできる部材とすることができる。

また、この場合において流通調整方向部材の吹き出し口は、原燃料ガス昇温部１２の下面と対向しないように設けることが好ましい。それにより、原燃料ガス昇温部１２の一部の温度が急激に低下し、原燃料ガス昇温部１２での水の気化効率が悪くなることを抑制できる。

また例えば、収納容器３１は、外壁３２と第１の壁３３とで第１の収納容器流路３６を形成し、第４の壁３４と第３の壁３５とで第２の収納容器流路３７を形成し、第１の壁３３と第２の壁３４とで第３の収納容器流路３８を形成していればよく、適宜空気流通口４７や排ガス流通口４９の位置を変更することもできる。

また、例えば第１の壁３３と第２の壁３４との間に第１の収納容器流路３６と第２の収納容器流路３７とをつなぐ空気流通路を設けてもよく、第２の壁３４と第３の壁３５との間に、発電室４９と第３の収納容器流路３８とをつなぐ排ガス流通路を設けてもよい。

１、１７、２３、２６、７８：セルスタック装置
２、７２：燃料電池セル
３、７３：セルスタック
４、７４：マニホールド
６、２０、２４、７５：改質器
７、７６：原燃料供給管
８、７６：燃料ガス供給管
１０、２１、２５、２７：燃料ガス分岐流路
１１：燃料ガス流出口
１３：第１改質部
１４：改質触媒
１５：燃料ガス混合部
１６：燃料ガス供給口
１８：燃料ガス流入口
１９：連結部材
２８：一方の改質部
２９：他方の改質部
３０、７０：燃料電池モジュール
５５：燃料電池装置

Claims (9)

1. 内部に燃料ガス流路を有し、燃料ガスと酸素含有ガスとで発電する柱状の燃料電池セルを、複数個立設させた状態で配列して電気的に接続してなり、前記燃料電池セルの一端部側で発電に使用されなかった前記燃料ガスを燃焼させる構成のセルスタックと、
   前記燃料電池セルの他端部を固定するとともに、前記燃料電池セルの配列方向に沿った両端部に燃料ガス流入口を備え、前記燃料電池セルに前記燃料ガスを供給するためのマニホールドと、
   前記燃料電池セルの一端部側と離間して配置されており、外部より供給される原燃料に熱を与えて温度の上昇した原燃料ガスを生成するための原燃料ガス昇温部および該原燃料ガス昇温部から送られる前記原燃料ガスを前記燃料ガスに改質するための改質触媒を備える改質部を有する改質器と、
   前記燃料電池セルの一端部側と離間して配置されており、前記燃料電池セルの配列方向に沿った両端部に燃料ガス流出口を備え、前記燃料電池セルの配列方向に沿った中央部に前記改質器で改質された前記燃料ガスが供給される燃料ガス供給口を備える燃料ガス分岐流路と、
   該燃料ガス分岐流路の前記両端部に設けられた前記燃料ガス流出口と、前記マニホールドの前記両端部に設けられた前記燃料ガス流入口とをそれぞれ接続する燃料ガス供給管と、を備えることを特徴とするセルスタック装置。
2. 前記改質器は、前記燃料電池セルの配列方向に沿った中央部に配置された前記原燃料ガス昇温部と、該原燃料ガス昇温部の前記燃料電池セルの配列方向に沿った両側に配置された前記改質触媒を備える第１改質部と、前記セルスタックの上方に配置され、前記各第１改質部に接続された燃料ガス混合部とを備えるとともに、該燃料ガス混合部が前記燃料ガス分岐流路の前記燃料ガス供給口と接続されていることを特徴とする請求項１に記載のセルスタック装置。
3. 前記燃料ガス混合部にも前記改質触媒が備えられていることを特徴とする請求項２に記載のセルスタック装置。
4. 前記燃料ガス混合部が前記第１改質部および前記原燃料ガス昇温部の下方に接して配置されており、前記燃料ガス分岐流路が前記燃料ガス混合部の下方に接して配置されていることを特徴とする請求項３に記載のセルスタック装置。
5. 前記燃料ガス混合部が前記第１改質部および前記原燃料ガス昇温部の下方に接して配置されており、前記燃料ガス分岐流路が前記燃料ガス混合部の下方に離間して配置されていることを特徴とする請求項３に記載のセルスタック装置。
6. 前記燃料ガス混合部が前記第１改質部および前記原燃料ガス昇温部の上方に接して配置されており、前記燃料ガス分岐流路が前記燃料ガス混合部の上方に接して配置されていることを特徴とする請求項３に記載のセルスタック装置。
7. 前記燃料ガス混合部が前記第１改質部および前記原燃料ガス昇温部の上方に接して配置されており、前記燃料ガス分岐流路が前記燃料ガス混合部の上方に離間して配置されていることを特徴とする請求項３に記載のセルスタック装置。
8. 請求項１乃至請求項７のいずれかに記載のセルスタック装置を収納容器内に収納してなることを特徴とする燃料電池モジュール。
9. 請求項８に記載の燃料電池モジュールと、前記セルスタック装置を作動させるための補機とを、外装ケース内に収納してなることを特徴とする燃料電池装置。

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