JP2010198896A - セルスタック装置、燃料電池モジュールおよび燃料電池装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池セルの劣化を抑制できるとともに、長寿命化を図ることができ、メンテナンス性の向上したセルスタック装置、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】中空平板状の燃料電池セル２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るセルスタック３と、燃料電池セル２に燃料ガスを供給するためのマニホールド４と、セルスタック３の上方に配置され、気化部とその両側に改質触媒を備える改質部とを有する改質器６とを具備し、それぞれの改質部とマニホールド４とが燃料ガス供給管８，９により接続されるとともに、燃料ガス供給管８，９に、燃料ガスの流量を調整するための燃料ガス流量調整手段（流量調整弁）１０，１１を備えることから、燃料電池セル２の劣化を抑制でき、改質器６の寿命を延ばすことができるとともに、メンテナンス性を向上することができる。
【選択図】図１

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を具備するセルスタック装置、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、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水素含有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を水蒸気と反応させて水素を生成する水蒸気改質法が知られており、そのような改質を行うための改質器も種々提案されている。

図８は従来の燃料電池モジュール８０を示す外観斜視図であり、収納容器８１内に複数の燃料電池セル８２を配列してなるセルスタック８４を収納して燃料電池モジュール８０が構成されている。

ここで、セルスタック８４の上方にはＵの字状の改質器８５が配置されており、原燃料供給管８７より供給された原燃料は、改質器８５内にて水蒸気改質等の改質反応が行なわれて燃料ガス（水素含有ガス）に改質される。そして改質器８５にて生成された燃料ガスは、燃料ガス供給管８６を介してマニホールド８３に供給され、マニホールド８３から各燃料電池セル８２に水素含有ガスが供給される。このような構成により、セルスタック装置８８が構成されている。

ところで、上述の燃料電池モジュール８０においては、改質器８５で生成された燃料ガスが、マニホールド８３の一端側に接続された燃料ガス供給管８６よりマニホールド８３内に供給されることから、燃料ガス供給管８６より遠い位置に配置された燃料電池セル８２に十分な燃料ガスを供給することができず、燃料電池セル８２が劣化するおそれやセルスタック８４の発電効率が低下するおそれがあった。

それゆえ、本出願人は、筒状の容器の中央部に、原燃料が供給される原燃料供給口が設けられた気化部を有し、容器の両側部に、気化部より流入した原燃料を燃料ガスに改質する改質触媒を備えるとともに燃料ガスを送出する燃料ガス送出口が設けられた改質部をそれぞれ有する改質器を先に出願している。

特開２００７−５９３７７号公報

しかしながら、筒状の容器の中央部に気化部を有し、容器の両側部に改質部を備えた改質器においては、一方の改質部に備える改質触媒が劣化した場合に、精製度の低い燃料ガスが燃料電池セルに供給され、それにより燃料電池セルが劣化するおそれがある。

また、この場合に他方の改質部が正常に改質反応を行なうことができる場合であっても、改質器の交換等を行なう必要が生じる。それにより、本来まだ改質器の使用が可能な状態の際に改質器を交換することから、改質器の長寿命化を図ることができず、またメンテナンス性が悪いという問題があった。

それゆえ、本発明においては、筒状の容器の中央部に気化部を有し、容器の両側部に改質部を備えた改質器を具備するセルスタック装置において、燃料電池セルの劣化を抑制することができ、また改質器の寿命を向上するとともに、メンテナンス性が向上したセルスタック装置、燃料電池モジュールおよび燃料電池装置を提供することにある。

本発明のセルスタック装置は、内部にガス流路を有する中空平板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るセルスタックと、前記燃料電池セルの下端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ためのマニホールドと、前記セルスタックの上方に配置される改質器とを具備するセルスタック装置であって、前記改質器は、筒状の容器の中央部に、原燃料が供給される原燃料供給口が設けられた気化部を有し、前記容器の両側部に、前記気化部より流入した前記原燃料を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し、それぞれの前記改質部と前記マニホールドとが燃料ガス供給管により接続されるとともに、該燃料ガス供給管に、前記燃料ガスの流量を調整するための燃料ガス流量調整手段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、改質器の改質部とマニホールドとを接続する燃料ガス供給管に、燃料ガスの流量を調整するための燃料ガス流量調整手段を備えることから、改質部に備えられる改質触媒が劣化したと判断される場合に、燃料ガス流量調整手段を作動させることにより、マニホールドに精製度の低い燃料ガスが供給されることを抑制（停止）することができる。

それにより、燃料電池セルに精製度の低い燃料ガスが供給されることを抑制（停止）でき、燃料電池セルが劣化することを抑制できる。

また、一方の改質部に備えられた改質触媒が劣化したと判断できるとともに、他方の改質部に備えられた改質触媒は正常に改質反応を行なうことができると判断される場合においては、一方の改質部より送出される燃料ガスがマニホールドに供給されることを抑制（停止）するとともに、他方の改質部より送出される燃料ガスを燃料電池セルに供給することができる。それにより、片方の改質部に備えられた改質触媒が劣化した場合であっても、他方の改質部をそのまま継続して使用することができることから、改質器の寿命を向上することができる。それにより、メンテナンス性を向上することができる。

また、本発明のセルスタック装置は、前記気化部は、気化させて前記原燃料と混合するための水が供給される水供給口を備えることが好ましい。

このようなセルスタック装置においては、気化部が、気化させて原料と混合するための水が供給される水供給口を備えることから、改質器において改質効率のよい水蒸気改質反応を行なうことができる。

また、本発明のセルスタック装置は、それぞれの前記改質部に、該改質部の温度を測定するための改質部温度計測手段が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、改質部にて水蒸気改質を行なう場合において、水蒸気改質反応は吸熱反応であることから、改質部の温度が所定の温度以上となった場合に、改質触媒が劣化していると判断することができる。ここで、それぞれの改質部に、改質部の温度を測定するための改質部温度計測手段が配置されていることから、改質触媒の劣化を的確に把握することができる。

本発明の燃料電池モジュールは、前記セルスタック装置を収納容器内に収納して成ることから、燃料電池セルの劣化を抑制することができるとともに、改質器の寿命を向上することができ、またメンテナンス性が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、前記燃料ガス流量調整手段の作動を制御するための制御装置とを具備してなる燃料電池装置であって、前記制御装置は、前記改質部温度計測手段により測定される一方の前記改質部の温度が所定の温度以上となった場合に、前記一方の改質部より前記マニホールドに供給される燃料ガスを停止するように前記燃料ガス流量調整手段の作動を制御す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、制御装置は、改質部温度計測手段により測定される一方の改質部の温度が所定の温度以上となった場合に、その一方の改質部に備える改質触媒が劣化していると判断する。そして、その一方の改質部に備える改質触媒が劣化していると判断された場合には、精製度の低い燃料ガスがマニホールドに供給されないように、一方の改質部よりマニホールドに供給される燃料ガスを停止するように燃料ガス流量調整手段の作動を制御する。

それにより、マニホールド（燃料電池セル）に精製度の低い燃料ガスが供給されることを停止することができることから、燃料電池セルの劣化を抑制することができるとともに、改質器の寿命を向上することができ、またメンテナンス性が向上した燃料電池装置とすることができる。

また、本発明の燃料電池装置は、前記改質器の交換時期を示す警報装置を備えるとともに、前記制御装置は、前記一方の改質部より前記マニホールドに供給される燃料ガスを停止するように前記燃料ガス流量調整手段を作動させた場合に、前記警報装置を作動させるように制御することが好ましい。

上述したように一方の改質部が備える改質触媒が劣化し、他方の改質部が備える改質触媒が正常に改質反応を行なうことができる場合において、他方の改質部にて改質反応を行なわせることにより、継続して燃料電池装置を稼働させることができるが、片方の改質部だけを作動させている場合には、改質効率が低下するため、燃料電池装置の発電効率が低下するおそれがある。

それゆえ、改質器の交換時期を示す警報装置を備えるとともに、制御装置は、一方の改質部よりマニホールドに供給される燃料ガスを停止するように燃料ガス流量調整手段を作動させた場合に、改質器の交換時期を示す警報装置を作動させるように制御することにより、改質器の交換時期を適切に把握することができる。

本発明の燃料電池装置は、上記の燃料電池モジュールと、前記燃料ガス流量調整手段の作動を制御するための制御装置とを具備してなる燃料電池装置であって、前記制御装置は、前記改質部温度計測手段により測定されるそれぞれの前記改質部の温度が所定の温度以上となった場合に、前記燃料電池装置の運転を停止するように制御す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、両方の改質部が備える改質触媒が劣化した場合に、継続して燃料電池装置を稼働させると、燃料電池装置が故障するおそれがある。

それゆえ、制御装置は、それぞれの改質部の温度が所定の温度以上となった場合に、燃料電池装置の運転を停止するように制御することにより、燃料電池装置の故障を抑制することができる。

本発明のセルスタック装置は、内部にガス流路を有する中空平板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るセルスタックと、前記燃料電池セルの下端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ためのマニホールドと、前記セルスタックの上方に配置される改質器とを具備するセルスタック装置であって、前記改質器は、筒状の容器の中央部に、原燃料が供給される原燃料供給口が設けられた気化部を有し、前記容器の両側部に、前記気化部より流入した原燃料を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し、それぞれの前記改質部と前記マニホールドとが燃料ガス供給管により接続されるとともに、該燃料ガス供給管に、前記燃料ガスの流量を調整するための燃料ガス流量調整手段を備えることから、燃料電池セルの劣化を抑制することができるとともに、改質器の寿命を向上することができ、またメンテナンス性を向上することができる。また、上記のセルスタック装置を備えることにより、燃料電池セルの劣化を抑制することができるとともに、改質器の寿命を向上することができ、またメンテナンス性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一部を抜粋して示す分解斜視図である。 図２に示す改質器の平面図である。 本発明のセルスタック装置の他の一例を示す外観斜視図である。 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５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１の外観斜視図であり、図２は図１に示す改質器６および燃料ガス供給管８，９を抜粋し、改質器６の上蓋をはずした状態の分解斜視図であり、図３は図２で示す改質器６の平面図である。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、内部にガス流路を有する燃料電池セル２を複数個立設させた状態で、間に集電部材（図は省略）を介装して電気的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の下端を燃料電池セル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（セルスタック３）の上方に改質器６を配置するとともに、マニホールド４の両端部に、改質器６のそれぞれの燃料ガス送出口と接続される燃料ガス供給管８，９を具備する。なお、ここでいう端部とは、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の側面のうち燃料電池セル２配列方向と直交する側面を意味する。なお、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１４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）が長手方向に流通する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燃料電池セル２を例示している。

上述のセルスタック３の上方に配置される改質器６は、筒状の容器内の中央部に原燃料が供給される原燃料供給口が設けられた気化部１５を有し、原燃料供給口に原燃料供給管７が接続されている。また、容器の両側部（すなわち気化部１５の両側）に改質触媒１９を備える改質部１７を有しており、それぞれの改質部１７の気化部１５と反対側の端部側に、原燃料を改質して生成される燃料ガスを送出するための燃料ガス送出口を有し、この燃料ガス送出口に燃料ガス供給管８，９が接続されている。なお、気化部１５と改質部１７とは、通気性のある壁１６で分離されている。また、改質器６とマニホールド４とが、２本の燃料ガス供給管８，９により接続されていることから、改質器６とマニホールド４とを強固に接続することができる。

また、図２および図３で示した改質器６においては、原燃料が改質器６内を流れる流路が蛇行流路となるように、気化部１５および改質部１７に仕切板１８が配置されている。

ここで、セルスタック３の発電に伴って、セルスタック３の中央部側の温度が高く、端部側の温度が低いという温度分布を生じる場合がある。それゆえ、仕切板１８を燃料電池セル２の幅方向に沿って配置することにより、原燃料は温度の高い方から低い方へと流れることとなり、原燃料が繰返し温度変化することを抑制でき、改質効率を向上することができる。あわせて、仕切板１８を伝熱性の高い部材とすることで、原燃料や改質触媒１９への伝熱を促進することができ、改質効率を向上することができる。

また、図２および図３に示した改質器６においては、気化部１５から改質部１７の燃料ガス送出口までを１つの流路構造としている例を示している。このように、気化部１５から改質部１７の燃料ガス送出口までを１つの流路構造とすることにより、原燃料の偏流の発生を抑制（防止）することができる。それにより、効率よく原燃料を改質することができる。

なお、改質器６の大きさや改質触媒１９の性能や量に基づいて、原燃料が流れる流路の一部のみを蛇行流路とすることもできるほか、蛇行流路を設けないように構成することもできる。

それにより、原燃料が流れる流路を長くすることができ、気化部１５の両側に改質部１７を備える構成の改質器６において、効率よく原燃料を改質することができる。

なお、改質部１７の内部に備える改質触媒１９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−アルミナやα−アルミナや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、改質触媒１９は、改質部１７にて行なう改質反応にあわせて、適宜一般的に知られている改質触媒を用いることができる。

上述のセルスタック装置１においては、原燃料供給管７を介して供給される天然ガスや灯油等の原燃料を改質し、改質反応により得られる燃料ガス（水素含有ガス）を、燃料ガス供給管８，９を介してマニホールド４に供給し、マニホールド４に供給された燃料ガスが燃料電池セル２に供給される。一方、燃料電池セル２の外側より酸素含有ガスが供給される。それにより燃料電池セル２において発電が行なわれる。

ところで、上述したような気化部１５の両側に改質部１７を備える改質器６においては、一方の改質部１７に備える改質触媒１９が劣化した場合に、精製度の低い燃料ガスがマニホールド４を介して燃料電池セル２に供給され、それにより燃料電池セル２が劣化するおそれがある。

また、一方の改質部１７に備える改質触媒１９が劣化した場合であっても、他方の改質部１７に備える改質触媒１９が劣化していない場合には、他方の改質部１７にて正常に改質反応を行なうことができるが、一方の改質部１７に備える改質触媒１９が劣化することにより、改質器６を交換する必要が生じ、改質器６の長寿命化を図ることができず、またメンテナンス性が悪いという問題もある。

そこで、図１に示すセルスタック装置１においては、改質部１７とマニホールド４とを接続する燃料ガス供給管８，９に、改質部１７よりマニホールド４に供給される燃料ガスの流量を調整するための燃料ガス流量調整手段として、流量調整弁１０，１１をそれぞれ備えている。

それゆえ、例えば図１において左側に位置する改質部１７が備える改質触媒１９が劣化したと判断される場合には、流量調整弁１０を作動させることで、マニホールド４に供給される燃料ガスを停止（もしくは減少）することができる。

それにより、燃料電池セル２に精製度の低い燃料ガスが供給されることを抑制でき、燃料電池セル２が劣化することを抑制（防止）することができる。また、この場合において図１において右側に位置する改質部１７が備える改質触媒１９が正常に改質反応を行なうことができる場合においては、流量調整弁１１を作動させることなく、そのまま継続して改質反応を行なうことで、右側に位置する改質部１７にて生成された燃料ガスは、燃料ガス供給管９を流れてマニホールド４に供給された後、燃料電池セル２に供給される。

それゆえ、改質器６を交換することなく燃料電池セル２の発電を継続して行なうことができ、改質器６の寿命を延ばすことができるとともに、改質器６の交換作業の回数を減らすことができることから、メンテナンス性を向上することができる。

なお、流量調整弁１０，１１としては、燃料ガス供給管８，９を流れる燃料ガスの流量を調整することができるものであればよく、例えば燃料ガス供給管８，９を流れる燃料ガスの流量そのものを調整できる電磁弁や、燃料ガス供給管８，９を介してマニホールド４に供給される燃料ガスを停止することができるバタフライ弁等を適宜用いることができる。

ところで、改質器６において効率のよい改質反応である水蒸気改質を行なうにあたっては、気化部１５に水を供給して気化させ、気化させた水と原燃料とを混合させることが好ましい。それゆえ、気化部１５には、気化させて原燃料と混合するための水が供給される水が供給される水供給口を備えるとともに、水供給口には水供給管が接続されていることが好ましい（図示せず）。それにより、改質部１７で効率のよい水蒸気改質反応を行なうことができ、発電効率を向上することができる。

ここで、水蒸気改質反応は吸熱反応であることから、改質触媒１９が劣化すると、水蒸気改質反応の程度が低くなり、改質部１７の温度が上昇することとなる。そして、改質器６に水を供給した後に、改質部１７の温度が所定の温度を超える場合には、改質触媒１９が劣化していると判断することができる。

それゆえ、それぞれの改質部１７には、それぞれの改質部１７の温度を測定するための改質部温度計測手段１２，１３が配置されている。それにより、改質部温度計測手段１２，１３が計測する温度に基づいて、改質触媒１９の劣化を判断することができる。なお、改質部温度計測手段１２，１３としては、例えば熱電対や温度センサ等を用いることができる。

図４は、本発明のセルスタック装置の他の一例を示す外観斜視図であり、流量調整弁１０，１１に、流量調整弁１０，１１を動作させるための動作手段２１，２２が接続されている。

ここで、改質部１７での改質反応により生成され、燃料ガス供給管８，９を流れる燃料ガスが高温となる場合がある。それゆえ、流量調整弁１０，１１は耐熱性の高い部材とすることが好ましい。

しかしながら、耐熱性の高い流量調整弁１０，１１（例えば、バタフライ弁等）を用いる場合に、別途流量調整弁１０，１１を動作させるための動作手段を設け、その動作手段を作動させることにより、流量調整弁１０，１１を作動させることが望ましい場合がある。

それゆえ、図４に示すセルスタック装置２０においては、流量調整弁１０，１１を作動させるための動作手段２１，２２がそれぞれの流量調整弁１０，１１に接続されている。なお、この構成においては、燃料ガス流量調整手段は、流量調整弁１０，１１と動作手段２１，２２とから構成される。そして、動作手段２１，２２を作動させることで、流量調整弁１０，１１を作動させることができる。

それにより、上述のセルスタック装置１と同様に、燃料電池セル２が劣化することを抑制（防止）することができ、改質器６の寿命を延ばすことができるとともに、メンテナンス性を向上することができる。なお、動作手段２１，２２としては、流量調整弁１０，１１を作動させることができればよく、例えば流量調整弁１０，１１がバタフライ弁の場合に、そのバタフライ弁を回転させることができるものであればよく、図４においては回転動作を行なうことができる棒状の部材を示している。

なお、上記の流量調整弁１０，１１や動作手段２１，２２の動作については後述する。

図５は、収納容器２４内に、上述したセルスタック装置２０を収納してなる本発明の燃料電池モジュール２３（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、図５においては、改質器６を収納容器２４の上壁の内面に接続しており、セルスタック装置２０としては、改質器６を取り外した状態を示している。

また、図５に示すモジュール２３においては、収納容器２４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２０（図５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、動作手段２１，２２は収納容器２４の外部より挿入され、流量調整弁１０，１１に接続されている。以下に、モジュール２３を構成する収納容器２４について説明する。

図６は、モジュール２３の一例を概略的に示す断面図である。モジュール２３を構成する収納容器２４は、外壁２５にて収納容器２４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３２が形成されている。

このような収納容器２４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２４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２４は、外壁２５の内側に所定間隔をあけて第１の壁２６が形成されており、第１の壁２６の内側に所定間隔をあけて第２の壁２７が配置されており、さらに第２の壁２７の内側に所定間隔をあけて第３の壁２８が配置されている。

それにより、外壁２５と第１の壁２６とで形成された空間が第１の流路２９となり、第２の壁２７と第３の壁２８とで形成された空間が第２の流路３０となり、第１の壁２６と第２の壁２７とで形成された空間が第３の流路３１となる。

なお、図６に示した収納容器２４においては、第１の壁２６の上端部が第２の壁２７に接続されており、第２の壁２７が収容容器２４の上壁（外壁２５）と接続されており、第３の壁２８の上端部が第２の壁２７と接続されている。

また、収納容器２４の底部には、空気（酸素含有ガス）を収納容器２４内に供給するための空気供給管３３が接続されており、空気供給管３３より供給される空気は空気導入部３８に流れる。空気導入部３８は空気導入口３９により第１の流路２９とつながっているため、空気導入部３８を流れる空気は、空気導入口３９を通して、第１の流路２９に流れる。第１の流路２９を上方に向けて流れた空気は、第２の壁２７に設けられた空気流通口３４を通して、第２の流路３０に流れる。そして、第２の流路３０を下方に向けて流れた空気は、第３の壁２８に設けられた空気吹き出し口３７を通して、発電室３２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の上端部側で余剰の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２７に設けられた排ガス流通口３５を通して第３の流路３１に流入する。そして、第３の流路３１を下方に向けて流れた排ガスは、排ガス収集口４１を通して排ガス収集部４０に流れた後、排ガス収集部４０に接続された排ガス排気管４２を通して収納容器２４の外部に排気される。

それゆえ、空気導入管３３より供給される空気は、空気導入部３８を流れる間に、排ガス収集部４０を流れる排ガスと熱交換され、第１の流路２９を流れる間に、第３の流路３１を流れる排ガスと熱交換され、第２の流路３０を流れる間に、発電室３２内の熱とで熱交換されることとなる。

なお、図６において、空気導入管３３の内部に排ガス排気管４２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４２の内部に空気導入管３３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３３と排ガス排気管４２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６に示すモジュール２３においては、第３の流路３１のうち、第２の壁２７側に断熱材３６（図中において断熱材３６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の流路３０を流れる空気と第３の流路３１を流れる排ガスとの熱交換を抑制することができ、第２の流路３０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、燃料電池セル２に供給される空気の温度が低下することを抑制でき、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２３とすることができる。

なお、第３の流路３１に配置される断熱材３６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の流路３０を流れる空気と第３の流路３１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３６は、第３の流路３１以外にも、収納容器２４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６においては、第３の流路３１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２４の上壁（外壁２５）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３６においては、空気吹き出し口３７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３７より発電室３２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。

セルスタック装置２０を上述のような収納容器の発電室３２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２３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２３とセルスタック装置２０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２３を収納し、下側の部屋にセルスタック装置２０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７は、本発明の燃料電池装置を具備する燃料電池システムの構成の一例を示した構成図である。

本発明の燃料電池装置は、図７においては発電を行なう発電ユニットに相当し、熱交換後の湯水を貯湯する貯湯ユニット、これらのユニット間を水が循環するための循環配管とあわせて、燃料電池システムが構成されている。

図７に示す燃料電池システムは、上述した燃料電池セル２、天然ガスや灯油等の原燃料を供給する原燃料供給手段４３、酸素含有ガスを燃料電池セル２に供給するための酸素含有ガス供給手段４４、原燃料と水蒸気により水蒸気改質する改質器６、燃料電池セル２の発電に伴って生じる排ガスと水とで熱交換を行なう熱交換器５４を具備している。

また、図７に示す燃料電池システムにおいては、燃料電池セル２の複数個、改質器６、上述した改質器６のそれぞれの改質部１７の温度を測定するための改質部温度計測手段１２，１３、燃料ガス供給管８，９、燃料ガス供給管８，９を流れる燃料ガスの流量を調整する流量調整弁１０，１１が収納容器２４内に収納されてモジュール２３が構成されており、図７においては二点鎖線にて示している。

なお、流量調整弁１０，１１を動作させるための動作手段２１，２２はモジュール２３を構成する収納容器２４よりも外側に延びて配置されるため、図７においてはモジュール２３を示す二点鎖線の枠外に配置して説明する。

また、主に改質部温度計測手段１２，１３、動作手段２１，２２（流量調整弁１０，１１）の動作や、後述する警報装置５８の動作を制御する制御装置５３が配置されている。

また、図７に示す燃料電池装置（発電ユニット）においては、熱交換器５４での熱交換により生成された凝縮水を処理するための凝縮水処理装置６０、熱交換器５４で生成された凝縮水を凝縮水処理装置６０に供給するための凝縮水供給管６１が設けられており、凝縮水処理装置６０にて純水に処理された凝縮水は、水タンク５０に貯水された後、水ポンプ５９により改質器６に供給される。

一方、凝縮水処理装置６０に供給される凝縮水の量が少ない場合や凝縮水処理装置６０で処理された後の凝縮水の純度が低い場合においては、外部より供給される水（水道水等）を純水に処理して改質器６に供給することもでき、図７においては外部から供給される水を純水に処理する手段として各外部水処理装置を具備している。

ここで、外部より供給される水を改質器６に供給するための各外部水処理装置としては、水を浄化するための活性炭フィルタ装置４７、逆浸透膜装置４８および浄化された水を純水にするためのイオン交換樹脂装置４９の各装置のうち、少なくともイオン交換樹脂装置４９（好ましくは全ての装置）を具備する。そして、イオン交換樹脂装置４９にて生成された純水は水タンク５０に貯水される。なお、図７に示す燃料電池装置（発電ユニット）おいては、外部より供給される水の量を調整するための給水弁４６が設けられている。また、凝縮水処理装置６０と水タンク５０とがタンク連結管５９にて連結されている。なお、凝縮水のみを改質器６に供給する場合には、凝縮水処理装置６０と改質器６とを水ポンプ５１を介して接続することも可能である。

また、改質器６に供給する水を処理するための各外部水処理装置および凝縮水処理装置を一点鎖線により囲って示している。なお、改質器６と各水処理装置とを接続する給水管４５、タンク連結管５９、凝縮水供給管６１も含めて水供給装置Ｘとして示している。

さらに図７に示す燃料電池装置は、燃料電池セル２にて発電された直流電力を交流電力に切り替え外部負荷に供給するためのパワーコンディショナ５２、熱交換器５４の出口に設けられ熱交換器５４の出口を流れる水（循環水流）の水温を測定するための出口水温センサ５５が設けられており、循環ポンプ５６とあわせて発電ユニットが構成されている。そして、これら発電ユニットを構成する各装置を、外装ケース内に収納することで、設置や持ち運び等が容易な燃料電池装置とすることができる。また図示していないが、原燃料供給手段４３と改質器６との間に、原燃料を加湿するための原燃料加湿器を設けることも可能である。なお、貯湯ユニットは、熱交換後の湯水を貯湯するための貯湯タンク５８を具備して構成されている。

なお、図中の矢印は、原燃料、酸素含有ガス、水の流れ方向を示したものであり、また破線は制御装置５８に伝送される主な信号経路、または制御装置５８より伝送される主な信号経路を示している。

ここで、図７に示した燃料電池システムの動作方法について説明する。燃料電池セル２の発電に用いられる燃料ガスを生成するために水蒸気改質を行なうにあたり、改質器６で使用される主な水（純水）は、熱交換器５４において燃料電池セル２の稼動に伴って生じた排ガスと循環配管５７を流れる水との熱交換により生成される凝縮水が用いられる。熱交換器５４にて生成された凝縮水は、凝縮水供給管６１を流れて凝縮水処理装置６０に供給される。凝縮水処理装置６０に備える凝縮水処理手段（イオン交換樹脂等）にて処理された凝縮水（純水）は、タンク連結管５９を介して水タンク５０に供給される。水タンク５０に貯水された水は、水ポンプ５１により改質器６に供給され、原燃料供給手段４３より供給される原燃料とで水蒸気改質が行われ、生成された燃料ガスが燃料ガス供給管８，９、マニホールド４を介して燃料電池セル２に供給される。燃料電池セル２においては、燃料ガスと酸素含有ガス供給手段４４より供給される酸素含有ガスとを用いて発電が行われる。以上の一連の動作により、凝縮水を有効に利用して水自立運転を行なうことができる。

一方で、凝縮水の生成量が少ない場合や、凝縮水処理装置６０にて処理された凝縮水の純度が低い場合においては、外部より供給される水（水道水等）を用いることもできる。

この場合においては、まず制御装置５８より発信される信号に基づいて、給水弁４６（例えば、電磁弁等）が開放され、水道水等の外部から供給される水が、給水管４５を通して活性炭フィルタ装置４７に供給される。活性炭フィルタ装置４７にて処理された水は、続いて逆浸透膜装置４８に供給される。逆浸透膜装置４８にて処理された水は、引き続きイオン交換樹脂装置４９に供給され、イオン交換樹脂装置４９で処理されることにより生成された純水が、水タンク５０に貯水される。水タンク５０に貯水された純水は、上述した動作により、燃料電池セル３の発電に利用される。

なお、改質器６にて部分酸化改質やオートサーマル改質を行なう場合においては、燃料電池セル２（モジュール２３）に酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給手段４４が改質器６に酸素含有ガスを供給するように構成することもできる。

ところで、上述したように改質器６が、気化部１５とその両側に改質触媒を備える改質部１１をそれぞれ有する形状の改質器６の場合において、一方の改質部１７の改質触媒１９が劣化したと判断される場合には、一方の改質部１７で生成される精製度の低い燃料ガスが燃料電池セル２に供給されることで燃料電池セル２が劣化するおそれがある。また、他方の改質部１７が備える改質触媒１９が正常に改質反応を行なうことができる場合には、片方の改質部１１の改質反応を継続し、一方の改質部１７よりマニホールド４に供給される燃料ガスを停止するように制御することで、改質器６の寿命を延ばすことができるとともに、メンテナンス性を向上することができる。

特に改質器６（改質部１１）で水蒸気改質を行う場合には、水蒸気改質反応は吸熱反応であることから、改質触媒１９が劣化すると、水蒸気改質反応の程度が低くなり、改質部１７の温度が上昇することとなる。そして、改質器６に水を供給した後に、改質部１７の温度が所定の温度を超える場合には、改質触媒１９が劣化していると判断することができる。

それゆえ、制御装置５８は、それぞれの改質部１７の温度を測定する改質部温度計測手段１２，１３より伝送される一方の改質部１７の温度が所定の温度を超えた場合に、改質触媒１９が劣化していると判断し、その一方の改質部１７よりマニホールド４に供給される燃料ガスを抑制（停止）するように、動作手段２１，２２を動作させる信号を発信する。それにより、流量調整弁１０，１１が作動し、改質触媒１９が劣化した改質部１７からの燃料ガスの供給を抑制することができ、燃料電池セル２が劣化することを抑制できる。

なお、燃料電池セル２への影響が少ない流量で、改質触媒１９が劣化した改質部１７からの燃料ガスを継続して供給することも可能であるが、燃料電池セル２が劣化することを効率よく抑制するにあたっては、制御装置５８は、一方の改質部１７が備える改質触媒１９が劣化していると判断された場合には、その一方の改質部１７よりマニホールド４に供給される燃料ガスを停止するように、動作手段２１，２２を動作させる信号を発信することが好ましい。

具体的には、例えば制御装置５８は、改質部温度計測手段１２より伝送される改質部１７（図４における左側の改質部１７）の温度が、８００℃以上となった場合に改質触媒１９が劣化していると判断する。この場合、制御装置５８は動作手段２１を動作させる信号を発信し、流量調整弁１０を作動させて、左側の改質部１７よりマニホールド４に供給される燃料ガスを停止するように制御する。それにより、精製度の低い燃料ガスが燃料電池セル２に供給されることを停止でき、燃料電池セル２が劣化することを抑制できる。

一方で、この場合に改質部温度計測手段１３により伝送される改質部１７（図４における右側の改質部１７）の温度が、８００℃未満の場合には改質触媒１９は劣化していないと判断し、動作手段２２を動作させる信号は発信しない。

それにより、一方の改質部１７の改質触媒１９が劣化し、他方の改質部１７の改質触媒１９が劣化していない場合には、他方の改質部１７により生成された燃料ガスを燃料電池セル２に供給することで、継続して燃料電池セル２の運転を行なうことができる。それゆえ、改質器６の寿命を延ばすことができ、メンテナンス性を向上することができる。

ただし、一方の改質部１７のみで改質反応を行なう場合、両方の改質部１７で改質反応を行なっている場合に比べると改質効率が低下し、燃料電池セル２の発電効率が低下するおそれがある。

それゆえ、改質器６の交換時期を示す警報装置５８を備えるとともに、制御装置５３は、燃料ガスの供給を停止するように流量調整弁１０，１１を作動させた場合（もしくは動作手段２１，２２を作動させた場合）に、警報装置５８を作動させるように制御することが好ましい。それにより、改質器６の交換時期を適切に把握することができる。

なお、警報装置５８としては、例えばブザーや、改質器６の交換時期を示すランプ等を適宜用いることができ、燃料電池装置に備え付けられた液晶表示等に改質器６の交換時期を示す表示を行なうようにしてもよい。

さらに、両方の改質部１７が備える改質触媒１９が劣化と判断される場合に、そのまま運転を継続すると、燃料電池装置が故障するおそれがある。それゆえ、制御装置５３は、改質部温度計測手段１２，１３により測定されるそれぞれの改質部１７の温度が、所定の温度以上（例えば８００℃以上）となった場合には、燃料電池装置の運転を停止するように制御することが好ましい。それにより、燃料電池装置が故障することを抑制できる。

なお、この場合において制御装置５３は、改質器６の交換時期（もしくは燃料電池装置の運転停止の状態）を示すよう、制御装置５８を作動させるように制御することもできる。

なお、燃料電池装置の停止は、まず制御装置５３は、改質器６に供給する原燃料の供給量を減らす信号を原燃料供給手段４３に発信する。原燃料の供給量の減少に伴い、モジュール２３の温度が低下する。モジュール２３の温度が第１の温度まで低下すると、制御装置５３は、原燃料供給手段４３の動作と水供給装置Ｘ（水ポンプ５１）の動作を停止する制御を行なう。それにより、モジュール２３の温度がさらに低下する。モジュール２３の温度が、第１の温度よりも低い第２の温度まで低下した場合に、制御装置５３は、酸素含有ガス供給手段４４の動作を停止する制御を行なう。それにより、燃料電池装置を停止することができる。なお、モジュール２３の温度とは、収納容器２４内に複数個の燃料電池セル２からなるセルスタック３が収納されている場合には、セルスタック３の中心温度とすることができる。また第１の温度と第２の温度は、モジュール２３の構造や改質器６等に基づいて適宜設定することができ、例えば第１の温度を３００〜５００℃、第２の温度を５０〜１５０℃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の例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、制御装置５３の流量調整弁１０，１１の作動の制御について、改質器６にて水蒸気改質を行なう場合について説明したが、改質器６において部分酸化改質を行なう場合にも同様の制御をすることができる。なお、この場合には、改質部６に供給される酸素含有ガスの供給量等も勘案して、流量調整弁１０，１１の作動制御条件を適宜設定することができる。

１、２０：セルスタック装置
２：燃料電池セル
３：セルスタック
４：マニホールド
６：改質器
７：原燃料供給管
８、９：燃料ガス供給管
１０、１１：流量調整弁
１２、１３：改質部温度計測手段
１５：気化部
１７：改質部
１９：改質触媒
２１，２２：動作手段
２３：燃料電池モジュール
２４：収納容器

Claims (7)

1. 内部にガス流路を有する中空平板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るセルスタックと、前記燃料電池セルの下端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ためのマニホールドと、前記セルスタックの上方に配置される改質器とを具備するセルスタック装置であって、前記改質器は、筒状の容器の中央部に、原燃料が供給される原燃料供給口が設けられた気化部を有し、前記容器の両側部に、前記気化部より流入した前記原燃料を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し、それぞれの前記改質部と前記マニホールドとが燃料ガス供給管により接続されるとともに、該燃料ガス供給管に、前記燃料ガスの流量を調整するための燃料ガス流量調整手段を備えることを特徴とするセルスタック装置。
2. 前記気化部は、気化させて前記原燃料と混合するための水が供給される水供給口を備え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. それぞれの前記改質部に、該改質部の温度を測定するための改質部温度計測手段が配置さ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. 請求項３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燃料電池モジュール。
5. 請求項４に記載の燃料電池モジュールと、前記燃料ガス流量調整手段の作動を制御するための制御装置とを具備してなる燃料電池装置であって、前記制御装置は、前記改質部温度計測手段により測定される一方の前記改質部の温度が所定の温度以上となった場合に、前記一方の改質部より前記マニホールドに供給される燃料ガスを停止するように前記燃料ガス流量調整手段の作動を制御することを特徴とする燃料電池装置。
6. 前記改質器の交換時期を示す警報装置を備えるとともに、前記制御装置は、前記一方の改質部より前記マニホールドに供給される燃料ガスを停止するように前記燃料ガス流量調整手段を作動させた場合に、前記警報装置を作動させるように制御することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池装置。
7. 請求項４に記載の燃料電池モジュールと、前記燃料ガス流量調整手段の作動を制御するための制御装置とを具備してなる燃料電池装置であって、前記制御装置は、前記改質部温度計測手段により測定されるそれぞれの前記改質部の温度が所定の温度以上となった場合に、前記燃料電池装置の運転を停止するように制御することを特徴とする燃料電池装置。
   
   
   
   
   
   

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