JP5376400B2

JP5376400B2 - 燃料電池システム

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Publication number: JP5376400B2
Application number: JP2009160447A
Authority: JP
Inventors: 直樹渡邉; 陽祐赤木; 修一郎西願; 暢夫井坂
Original assignee: Toto Ltd
Current assignee: Toto Ltd
Priority date: 2009-07-07
Filing date: 2009-07-07
Publication date: 2013-12-25
Anticipated expiration: 2029-07-07
Also published as: JP2011018456A

Description

本発明は、複数の燃料電池セルを備える燃料電池システムに関する。

従来、このような燃料電池システムの一例として、下記特許文献１に記載のものが提案されている。下記特許文献１に記載の燃料電池システムは、複数の燃料電池セルと改質器とを備えるものである。より具体的には、同文献図４に示されるように、ハウジング内に複数の燃料電池セルを配置してセルスタックとなし、セルスタックの上方には改質器が設けられている。改質器には被改質ガスが供給され、改質器内で改質されて燃料ガスとされた後、セルスタック下方の燃料ガスマニホールドに供給される。燃料ガスマニホールドに供給された燃料ガスは各燃料電池セルに供給される。

特開２００５−１５８５２７号公報

ところで、改質器によって被改質ガスの改質が行われる場合、改質器内の改質反応は発熱反応である部分酸化改質反応や、熱自立反応であるオートサーマル改質反応や、吸熱反応である水蒸気改質反応が進行する。部分酸化改質反応の場合は、改質器から供給される燃料ガスは高温のガスとなっており、改質器から燃料ガスマニホールドへと燃料ガスを搬送する燃料ガス供給管も高温状態となっている。オートサーマル改質反応の場合は、熱自立反応であるもののセルスタック上部でオフガスが燃焼する燃焼熱を改質器が受け取って改質反応を進行させるため、改質器から供給される燃料ガスはやはり高温のガスとなっており、改質器から燃料ガスマニホールドへと燃料ガスを搬送する燃料ガス供給管も高温状態となっている。水蒸気改質反応の場合は、吸熱反応であるもののやはりセルスタック上部でオフガスが燃焼する燃焼熱を改質器が受け取って改質反応を進行させるため、改質器から供給される燃料ガスはやはり高温のガスとなっており、改質器から燃料ガスマニホールドへと燃料ガスを搬送する燃料ガス供給管も高温状態となっている。従って、空間効率を考慮してセルスタックの近傍に燃料ガス供給管を配設した場合、燃料ガス供給管の高温化がセルスタックに与える影響を考慮しなければならない。

これに対して上記特許文献１に記載の技術では、改質器に被改質ガスを供給する被改質ガス供給管と、改質器から燃料ガスマニホールドへ燃料ガスを供給する燃料ガス供給管とを、セルスタックの集合体側面に交互に配設し、比較的低温の被改質ガス供給管及び比較的高温の燃料ガス供給管からの影響を中和させ、セルスタック集合体の周囲における温度差を低減するものとしている（上記特許文献１の段落番号００６７〜００６８参照）。

しかしながら、上記特許文献１に記載の技術では、各被改質ガス供給管に最も近接した燃料電池セルや、各燃料ガス供給管に最も近接した燃料電池セルは、それぞれ被改質ガス供給管や燃料ガス供給管との熱の授受を直接行うものであって、それらからの熱的な影響は避けられず、燃料電池セルの発電性能の均質化は図れない場合も想定される。また、上記特許文献１に記載の技術は、複数の改質器を設けて、複数の被改質ガス供給管及び複数の燃料ガス供給管を設けることが必要となるため、燃料電池システムとしては複雑なものとなってしまい、部品点数の増加や重量の増大が避けられない。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料電池セル及び改質器を備える燃料電池システムであって、改質器から燃料電池セルへ向けて燃料ガスを供給する際の燃料電池セルへ与える熱影響を低減させることが可能な燃料電池システムを提供することにある。

上記課題を解決するために本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとが一端側から他端側へと流れることにより作動する複数の燃料電池セルと、前記複数の燃料電池セルの他端側に対向配置され、被改質ガスを改質して燃料ガスとする改質器と、前記改質器に被改質ガスを供給する流入配管部と、前記改質器から燃料ガスを前記複数の燃料電池セルの一端へ送り出す流出配管部とを有するガス配管と、を備える燃料電池システムであって、前記燃料電池セルの他端と前記改質器との間に、前記複数の燃料電池セルからの燃料オフガスと酸化剤オフガスとが混合して燃焼する燃焼部が形成され、前記改質器は前記燃焼部からの熱を受けて前記被改質ガスの改質を行い、前記複数の燃料電池セルの少なくとも一部が列状に配置され、当該列状配置された燃料電池セルと所定間隔をおいて且つ当該列状配置された燃料電池セルが延びる方向に沿って前記流出配管部が配置されており、前記列状配置された燃料電池セルと前記流出配管部との間に、前記流出配管部と前記列状配置された燃料電池セルとの間の熱の授受を分散するための温度勾配緩和手段が設けられ、当該温度勾配緩和手段は、前記燃料電池セルの一端側から他端側に至るように且つ列状配置方向に沿うように配置され、前記改質器を支持する部材として兼用されていることを特徴とする。

本発明では、流出配管部と燃料電池セルとの間に温度勾配緩和手段を設けることで、列状配置された燃料電池セルと流出配管部との間の熱の授受を分散することが可能となり、簡単な構成で流出配管部から燃料電池セルへの局所的な熱影響を緩和することができる。例えば、一の改質器から延出する一の流出配管部を構成したとしても、その一本の流出配管部から列状配置された燃料電池セルへの局所的な熱影響を緩和することができる。更に、温度勾配緩和手段は、燃料電池セルの一端側から他端側に至るように且つ列状配置方向に沿うように配置されているので、流出配管部側に臨む燃料電池セルそれぞれと流出配管部との間に温度勾配緩和手段が介在するように構成することができる。従って、流出配管部から燃料電池セルへと伝わる熱は温度勾配緩和手段で調整され、その結果、温度勾配が緩和された熱が各燃料電池セルへと伝えられる。そのため、流出配管部から燃料電池セルへの局所的な熱影響を排除することができる。

また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記温度勾配緩和手段は、前記列状配置された燃料電池セルの一方の端に配置された燃料電池セル近傍から他方の端に配置された燃料電池セル近傍まで至るように、列状配置方向に沿って配置されていることも好ましい。

本発明のこの好ましい態様では、温度勾配緩和手段が、列状配置された燃料電池セルの一方の端に配置された燃料電池セル近傍から他方の端に配置された燃料電池セル近傍まで至るように配置されているので、流出配管部と一方の端に配置された燃料電池セルとの間にも、流出配管部と他方の端に配置された燃料電池セルとの間にも、実質的に温度勾配緩和手段が介在するように配置することができる。従って、流出配管部から燃料電池セルへと伝わる熱を確実に温度勾配緩和手段で調整し、その結果、温度勾配が緩和された熱を各燃料電池セルへと伝えることができる。

また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記温度勾配緩和手段は、前記流出配管部及び前記改質器の少なくとも一方に繋げられることで支持されていることも好ましい。

本発明のこの好ましい態様では、別途固定用の部材を設けることなく温度勾配緩和手段を固定することができるので、流出配管部から燃料電池セルへ伝わる熱に対して新たな外乱要因を与えることを回避することができ、温度勾配緩和手段の機能を確実に発揮させることができる。

また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記複数の燃料電池セルの少なくとも一部が列状配置され、当該列状配置された燃料電池セルと所定間隔をおいて且つ当該列状配置された燃料電池セルが延びる方向に沿って前記流入配管部が配置され、当該列状配置された燃料電池セルと前記流入配管部との間に、当該列状配置された燃料電池セルと前記流入配管部との間の熱の授受を分散するための第二の温度勾配緩和手段が設けられていることも好ましい。

本発明のこの好ましい態様では、流入配管部と燃料電池セルとの間に第二の温度勾配緩和手段を設けることで、列状配置された燃料電池セルと流入配管部との間の熱の授受を分散することが可能となり、簡単な構成で流入配管部から燃料電池セルへの局所的な熱影響を緩和することができる。更に、本発明のこの好ましい態様では、複数の燃料電池セル全体の熱バランスを良好に保つことができるものである。流入配管部は改質器へと被改質ガスを供給する部分であり、流出配管部は改質器から燃料ガスを燃料電池セルへと供給する部分であるため、流入配管部は低温傾向にあり流出配管部は高温傾向にある。そのため、複数の燃料電池セルを行列配置し、一方の列状配置された燃料電池セル側に流入配管部を配置し、他方の列状配置された燃料電池セル側に流出配管部を配置すると、燃料電池セル全体としては比較的低温の流入配管部と比較的高温の流出配管部とに挟まれて温度バランスが悪化することが想定される。このように想定される状態に対して本発明のこの好ましい態様では、複数の燃料電池セルに対して流出配管部との間に温度勾配緩和手段を設ける一方で、流入配管部との間にも第二の温度勾配緩和手段を設けることで、流出配管部及び流入配管部と複数の燃料電池セルとの間の熱の授受を緩慢なものとすることができ、複数の燃料電池セル全体の温度をより均一なものとすることができる。

本発明によれば、改質器から燃料電池セルへ向けて燃料ガスを供給する際の燃料電池セルへ与える熱影響を低減させることが可能な燃料電池システムを提供することができる。

本願発明の実施形態に係る燃料電池モジュールを示す正面図である。本願発明の実施形態に係る燃料電池モジュールを示す斜視図である。本願発明の実施形態に係る燃料電池モジュールを示す側面図である。本願発明の実施形態に係る燃料電池モジュールを構成する燃料電池セルユニットを説明するための図である。図３において、温度緩和部材が配置されている近傍を平面視した模式的な図である。図１〜図３に示す燃料電池モジュールを含む燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。

図１は、本発明に係る燃料電池システムを構成する燃料電池モジュールの一実施形態を示す正面図である。また、図２は、カバー部材を外して示す燃料電池モジュールの斜視図であり、図３は、カバー部材を外して示す燃料電池モジュールの側面図である。以下の説明では、図１〜図３を適宜参照しながら説明する。

図１に示すように、燃料電池モジュールＦＣＭは、カバー部材１とベース部材２とによって密閉される空間内に１０個の燃料電池セルスタック４００を並べて配置している。従って、この燃料電池モジュールＦＣＭでは、カバー部材１とベース部材２とによって、燃料電池セル４等が内包される容器が形成されている。各燃料電池セルスタック４００には、１６個の燃料電池セル４が２列になって配置されている。これらの燃料電池セル４は、電気的に直列に接続されている。

各燃料電池セル４は、管状であり、燃料電池セル４の管内を燃料電池セル４の一端（図１〜３においては、図中下方の端）から他端（図１〜３においては、図中上方の端）へと流れるガスと、その管外を一端から他端へと流れるガスの作用により作動する。本実施形態では、燃料電池セル４の管内を流れるガスは、水素又は炭化水素燃料等を改質した改質ガス等の燃料ガスであり、燃料電池セル４の管外を流れるガスは、酸素を含む空気等の酸化剤ガスである。

燃料電池セルユニット３０について、図４を参照しながら説明する。図４は、燃料電池セルユニット３０を示す部分断面図である。図４に示すように、燃料電池セルユニット３０は、燃料電池セル４によって形成され且つ上下方向に延びる管状構造体であり、円筒形の燃料電池セル４と、燃料電池セル４の一方の端部４ａに取付けられた内側電極端子４０と、他方の端部４ｂに取付けられた外側電極端子４２と、を有している。

燃料電池セル４は、円筒形の内側の電極層４４と、円筒形の外側の電極層４８と、これらの電極層４４、４８の間に配置された円筒形の電解質層４６と、内側の電極層４４の内側に構成される貫通流路５０とを有している。また、燃料電池セル４の一方の端部４ａに、内側の電極層４４が電解質層４６及び外側の電極層４８に対して露出した内側電極露出周面４４ａと、電解質層４６が外側の電極層４８に対して露出した電解質露出周面４６ａとが設けられている。燃料電池セル４の他方の端部４ｂは、外側の電極層４８が露出した外側電極露出周面４８ａによって構成されている。

内側の電極層４４は、例えば、Ｎｉと、ＣａやＹ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニアとの混合体、Ｎｉと、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリアとの混合体、Ｎｉと、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｕから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレートとの混合体、の少なくとも一種から形成される。電解質層４６は、例えば、Ｙ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニア、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリア、Ｓｒ、Ｍｇから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレート、の少なくとも一種から形成される。外側の電極層４８は、例えば、Ｓｒ、Ｃａから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンマンガナイト、Ｓｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンフェライト、Ｓｒ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンコバルタイト、銀、などの少なくとも一種から形成される。この場合、内側の電極層４４が燃料極になり、外側の電極層４８が空気極になる。内側の電極層４４の厚さは、例えば、１ｍｍであり、電解質層４６の厚さは、例えば、３０μｍであり、外側の電極層４８の厚さは、例えば、３０μｍであり、その外径は、例えば、１〜１０ｍｍである。

内側電極端子４０は、内側電極外周面４４ａを全周にわたって外側から覆うように配置され且つそれと電気的に接続された本体部分４０ａと、本体部分４０ａから燃料電池セル４の長手方向に延びる管状部分４０ｂとを有している。本体部分４０ａ及び管状部分４０ｂは、円筒形であり且つ同心に配置され、管状部分４０ｂの管径は、本体部分４０ａの管径よりも細くなっている。管状部分４０ｂは、貫通流路５０と連通し且つ外部と通じる接続流路４０ｃを有している。本体部分４０ａと管状部分４０ｂとの間の段部４０ｄは、内側の電極層４４の端面４４ｂと当接している。

外側電極端子４２は、外側電極外周面４８を全周にわたって外側から覆うように配置され且つそれと電気的に接続された本体部分４２ａと、本体部分４２ａから燃料電池セル４の長手方向に延びる管状部分４２ｂとを有している。本体部分４２ａ及び管状部分４２ｂは、円筒形であり且つ同心であり、管状部分４２ｂの管径は、本体部分４２ａの管径よりも細くなっている。管状部分４２ｂは、貫通流路５０と連通し且つ外部と通じる接続流路４２ｃを有している。本体部分４２ａと管状部分４２ｂとの間の段部４２ｄは、環状の絶縁部材５２を介して外側の電極層４８、電解質層４６及び内側の電極層４４の端面４４ｃと当接している。

内側電極端子４０の全体形状と外側電極端子４２の全体形状とは同一である。また、内側電極端子４０と燃料電池セル４、及び、外側電極端子４２と燃料電池セル４とは、その全周にわたって導電性のシール材５４によってシールされ且つ固定されている。シール材５４は、例えば、銀、銀とガラスの混合物、金、ニッケル、銅、チタンなどを含む各種ロウ材である。

内側電極端子４０の接続流路４０ｃ、燃料電池セル４の貫通流路５０、及び外側電極端子４２の接続流路４２ｃは、燃料電池セルユニット３０の管内流路３０ｃを構成する。

図１〜図３に戻り、燃料電池セルスタック４００について説明する。燃料電池セルスタック４００は、１６本の燃料電池セルユニット３０と、上支持板４００ａと、下支持板４００ｂと、接続部材（図に明示しない）と、外部端子（図に明示しない）とを備えている。

上支持板４００ａ及び下支持板４００ｂは矩形であり、それぞれ、燃料電池セルユニット３０を２行×８列で支持するように燃料電池セルユニット３０の管状部分４０ｂ、４２ｂに嵌合する貫通孔（図に明示しない）を有している。上支持板４００ａ及び下支持板４００ｂは、電気絶縁性材料で形成されており、例えば、耐熱性のセラミックスで形成されている。具体的には、アルミナ、ジルコニア、スピネル、フォルステライト、マグネシア、チタニアなどを用いることが好ましい。

１６本の燃料電池セルユニット３０は、それらが電気的に直列に接続されるように配列されている。詳細には、燃料電池セルユニット３０は、隣接した燃料電池セルユニット３０の内側電極端子４０が交互に上側及び下側に配置されるように配列されている。更に、１６本の燃料電池セルユニット３０を電気的に直列に接続するための接続部材（図に明示しない）が設けられている。接続部材（図に明示しない）は、隣接した１つの内側電極端子４０と１つの外側電極端子４２とを電気的に接続する。直列に接続された１６本の燃料電池セルユニット３０の両端部の内側電極端子４０及び外側電極端子４２にはそれぞれ、外部と電気的な接続を行うための外部端子（図に明示しない）が設けられている。接続部材（図に明示しない）、外部端子（図に明示しない）は、例えば、ステンレス鋼、ニッケル基合金、クロム基合金などの耐熱金属や、ランタンクロマイトなどのセラミック材料で形成される。各燃料電池セルスタック４００の外部端子（図に明示しない）は電気的に直列に接続されていて、その一方の端は電極棒１３に接続され、他方の端は図示しない電極棒に接続されている。

上述したように、燃料電池セルスタック４００において、燃料電池セルユニット３０の内側電極端子４０が設けられている端部４ａと外側電極端子４２が設けられている端部４ｂとは上下交互になるように配置されている。従って、燃料電池セル４の内外におけるガスの流れを説明した際の、一端とは燃料電池セル４の端部４ａ及び端部４ｂの内、ガスタンク３側に配置される端部を指し示すものであり、他端とは燃料電池セル４の端部４ａ及び端部４ｂの内、改質器５側に配置される端部を指し示すものである。

カバー部材１は、正面側の側壁（図示しない）と、燃料電池スタックセルスタック４００の配列方向の側壁１０１，１０２と、背面側の側壁１０３と、天井１０４とによって直方体状に形成されている。側壁１０１の下端部には、フランジ部１ａが形成されている。カバー部材１のフランジ部１ａをベース部材２に当接させることで、カバー部材１とベース部材２とによって密閉される空間が形成されている。

カバー部材１とベース部材２とによって形成される内部空間は、仕切板１５によって二つの空間に分離されている。仕切板１５によって分離されている空間の内、燃料電池セルスタック４００が配置されている空間が発電室である。仕切板１５によって分離されている空間の内、他方の空間が排気ガス室である。

仕切板１５にはガスタンク３が載置されている。ガスタンク３には、燃料電池セルスタック４００が１０個並べて配置されており、ガスタンク３から燃料ガスが、それぞれの燃料電池セルスタック４００を構成する燃料電池セル４に供給される。

より具体的には、ガスタンク３の上面には、燃料電池セルスタック４００の下支持板４００ｂとほぼ同じ形状の開口部（図示しない）が設けられており、その開口部に下支持板４００ｂを密接させてガスタンク３と各燃料電池セルスタック４００とが接続されている。従って、燃料電池セルスタック４００を構成する燃料電池セル４は、その先端部分を上部側に向けてガスタンク３に立設されている。

一方、各燃料電池セルスタック４００の上方は、空気と燃料ガスとが混合して燃焼する燃焼部１８となっている。燃料ガスは、ガスタンク３から、燃料電池セルユニット３０の管内流路３０ｃを通り、燃焼部１８に向けて上昇する。また、燃料電池セル４の外側を流れる空気も、燃焼部１８に向けて上昇する。背面側の側壁１０２において燃焼部１８に対応する部分には、燃焼ガスと空気との燃焼を開始させるための点火装置１９が設けられている。点火装置１９により燃料ガスと空気とが混合して燃焼する。燃料電池セルスタック４００を構成する燃料電池セル４は、燃焼部１８によって上方から加熱される。

燃料ガスとなる被改質ガスは、燃料ガス供給管８を通って燃料電池モジュールＦＣＭ内に導入される。燃料ガス供給管８は、仕切板１５に対して立設された配管６Ａ（流入配管部）を介して改質器５に繋がっている。燃料ガス供給管８から導入された被改質ガス（都市ガス等）は、水蒸気等を適宜混合され、配管６Ａを通って改質器５へと導入される。改質器５に導入された燃料ガスは、改質器５内に収められている改質触媒によって改質される。改質された燃料ガスは、配管６Ｂ（流出配管部）を通ってガスタンク３へと供給される。改質器５に封入されている改質触媒としては、アルミナの球体表面にニッケルを付与したもの、アルミナの球体表面にルテニウムを付与したもの、が適宜用いられる。

改質器５に対して配管６Ａが繋がっている部分と、改質器５に対して配管６Ｂが繋がっている部分とは、長手方向において一端近傍と他端近傍とに引き離されている。これによって、改質器５に供給された燃料ガスは改質触媒に十分に触れることが可能となる。また、配管６Ａ，６Ｂは、燃料電池セル４の長手方向からみて改質器５の投影領域内において一直線状に設けられている。つまり、配管６Ａ，６Ｂは、改質器５の上方側から見て改質器５からはみ出さない領域に設けられている。

また、カバー部材１の側壁１０１，１０２，１０３、及び天井１０４は、二重壁構造になっており、その二重壁の間の空間を気体が通過可能なように構成されている。側壁１０２の内部空間と、天井１０４の内部空間と、側壁１０３の内部空間とはそれぞれ繋がっている。側壁１０２の下部には空気供給管１０が連通されていて、空気が供給されるように構成されている。

側壁１０２に供給された空気は、天井１０４から側壁１０３へと流れ、その流れる過程において発電室内から伝わる熱によって加熱されるように構成されている。側壁１０３へ流れ込んだ空気は、空気流路１０３ａに流れ込むように構成されている。空気流路１０３ａは、側壁１０１から側壁１０２へ向けて延びるように形成され、側壁１０３の内側において仕切板１５の上面近傍に沿って配置されている。空気流路１０３ａには所定間隔をおいて、空気流入孔１０３ｂが設けられている。

側壁１０３から空気流路１０３ａに流れ込んだ空気は、空気流入孔１０３ｂを通って発電室内へと流れ込むように構成されている。空気流入孔１０３ｂを通って発電室内へと流れ込んだ空気は、燃料電池セル４の外側の通路を通って各燃料電池セル４の下方から上方へと流れる。各燃料電池セル４の上方に至った空気は、各燃料電池セル４の管内流路を通った燃料ガスと合わせて燃焼される。

側壁１０３の内側上端には、排気ガス流出スリット１０３ｃが設けられている。各燃料電池セル４の上方において燃料ガスと空気とが燃焼して発生した排気ガスは、排気ガス流出スリット１０３ｃを通って側壁１０３の内部空間に入る。側壁１０３へと入り込んだ排気ガスは、側壁１０３の内部空間を下方へと流れ、排気ガス室１７へと至って一時的に貯留される。排気ガス室１７へと至った排気ガスは、排気ガス管１１を通って燃料電池モジュールＦＣＭの外部へと排出される。

燃料電池セルスタック４００として行列配置されている燃料電池セルユニット３０（燃料電池セル４）の、長手側で最も外側に列状配置される燃料電池セルユニット３０（燃料電池セル４）の近傍には温度勾配緩和手段としての温度緩和部材７０，７１が配置されている。

温度緩和部材７０は、配管６Ａと、配管６Ａ側に列状配置（図１において、図中左端に奥行方向（図に垂直方向）に列状配置）されている燃料電池セルユニット３０（燃料電池セル４）との間に配置されている。温度緩和部材７０は、ステンレスといった金属材料によって構成され、遮蔽板７０１と、上支持部７０２、下支持部７０３とを備えている。

遮蔽板７０１は、その直近において列状配置されている燃料電池セルユニット３０（燃料電池セル４）の一端側（図中下端）から他端側（図中上端）に至るように形成されている。遮蔽板７０１はまた、その直近において列状配置されている燃料電池セルユニット３０（燃料電池セル４）の列状配置方向に沿うように形成されている。遮蔽板７０１は、その直近において列状配置されている燃料電池セルユニット３０（燃料電池セル４）の、一方の端に配置された燃料電池セルユニット３０（燃料電池セル４）から他方の端に配置された燃料電池セルユニット３０（燃料電池セル４）まで至るように、列状配置方向に沿って配置されている。

遮蔽板７０１の上端には上支持部７０２が一体的に繋がれている。上支持部７０２は、配管６Ａに繋がれて固定されている。遮蔽板７０１の下端には下支持部７０３が一体的に繋がれている。下支持部７０３は、ガスタンク３を避けて仕切板１５に固定可能なように折り曲げられている。尚、本実施形態において上支持部７０２を配管６Ａに固定したけれども、上支持部７０２を改質器５に繋げて固定することも好ましい。

続いて、温度緩和部材７１は、配管６Ｂと、配管６Ｂ側に列状配置（図１において、図中右端に奥行方向（図に垂直方向）に列状配置）されている燃料電池セルユニット３０（燃料電池セル４）との間に配置されている。温度緩和部材７１は、ステンレスといった金属材料によって構成され、遮蔽板７１１と、上支持部７１２、下支持部７１３とを備えている。

遮蔽板７１１は、その直近において列状配置されている燃料電池セルユニット３０（燃料電池セル４）の一端側（図中下端）から他端側（図中上端）に至るように形成されている。遮蔽板７１１はまた、その直近において列状配置されている燃料電池セルユニット３０（燃料電池セル４）の列状配置方向に沿うように形成されている。遮蔽板７１１は、その直近において列状配置されている燃料電池セルユニット３０（燃料電池セル４）の、一方の端に配置された燃料電池セルユニット３０（燃料電池セル４）から他方の端に配置された燃料電池セルユニット３０（燃料電池セル４）まで至るように、列状配置方向に沿って配置されている。

より具体的には、図３において最も左端（一方の端）に配置されている燃料電池セルユニット３０（燃料電池セル４）の近傍であってやや内側から、同図において最も右端（他方の端）に配置されている燃料電池セルユニット３０（燃料電池セル４）の近傍であってやや外側まで至るように形成されている。図３に示すように、遮蔽板７１１には切り欠き部７１１ａが設けられており、同図正面から見た場合に左端の燃料電池セルユニット３０（燃料電池セル４）が見通せるように構成されている。これは、図３において最も右端（他方の端）に配置されている燃料電池セルユニット３０（燃料電池セル４）と電極棒１３とを電気的に接続するための接続部材２３が設けられており、この接続部材２３と温度緩和部材７１とが接触しないように設けられているものである。

図５に、図３の温度緩和部材７１が設けられている近傍を平面視（図３において上方視）した場合の模式的な配置図を示す。図５に示すように、温度緩和部材７１を構成する遮蔽板７１１には切り欠き部７１１ａが設けられており、左端の燃料電池セルユニット３０（燃料電池セル４）には遮蔽板７１１が掛からず、左端の燃料電池セルユニット３０（燃料電池セル４）と電極棒１３とを繋ぐ接続部材２３が遮蔽板７１１と干渉しないように構成されている。このように構成しても、列状配置されている燃料電池セルユニット３０（燃料電池セル４）と遮蔽板７１１と配管６Ｂとはそれぞれ所定間隔をおくように配置されているので、配管６Ｂと列状配置されている燃料電池セルユニット３０（燃料電池セル４）との間には遮蔽板７１１が介在することになる。そのため、例えば配管６Ｂから発せられる熱は遮蔽板７１１によってその温度勾配が緩和され、列状配置されている燃料電池セルユニット３０（燃料電池セル４）それぞれへ伝わる熱の温度ムラが極力低減されるように構成されている。尚、上述した温度緩和部材７０についても同様である。

遮蔽板７１１の上端には上支持部７１２が一体的に繋がれている。上支持部７１２は、配管６Ｂに繋がれて固定されている。遮蔽板７１１の下端には下支持部７１３が一体的に繋がれている。下支持部７１３は、ガスタンク３を避けて仕切板１５に固定可能なように折り曲げられている。尚、本実施形態において上支持部７１２を配管６Ｂに固定したけれども、上支持部７１２を改質器５に繋げて固定することも好ましい。

続いて、図６を参照しながら燃料電池モジュールＦＣＭを用いた燃料電池システムＦＣＳの構成について説明する。図６は、燃料電池システムＦＣＳの制御的な構成を示すブロック図である。図６に示すように、燃料電池システムＦＣＳは、燃料電池モジュールＦＣＭと、燃料電池モジュールＦＣＭに空気を供給する空気供給部ＡＰと、燃料電池モジュールＦＣＭに燃料ガスとなる被改質ガスを供給する燃料供給部ＦＰと、燃料電池モジュールＦＣＭに水を供給する水供給部ＷＰと、燃料電池モジュールＦＣＭから電力を取り出す電力取出部ＥＰとを備えている。空気供給部ＡＰ、燃料供給部ＦＰ、水供給部ＷＰ、及び電力取出部ＥＰは補器ユニットＡＤＵに収められている。

燃料電池モジュールＦＣＭ、空気供給部ＡＰ、燃料供給部ＦＰ、水供給部ＷＰ、及び電力取出部ＥＰは、燃料電池システム制御部ＣＳから出力される制御信号に基づいて制御される。燃料電池システム制御部ＳＣは、ＣＰＵ、ＲＯＭ及びＲＡＭといったメモリ、及び制御信号やセンサ信号を授受するためのインターフェイスによって構成されている。燃料電池システム制御部ＳＣには、操作装置ＣＳ１、表示装置ＣＳ２、及び報知装置ＣＳ３が取り付けられている。

操作装置ＣＳ１から入力される操作指示信号は燃料電池システム制御部ＣＳに出力され、燃料電池システム制御部ＣＳは、その操作指示信号に基づいて、燃料電池モジュールＦＣＭ等を制御する。燃料電池システム制御部ＣＳが制御した情報や、所定の警告情報は、表示装置ＣＳ２及び報知装置ＣＳ３に出力される。操作装置ＣＳ１、表示装置ＣＳ２、及び報知装置ＣＳ３の具体的なハードウェア構成は特に限定されるものではなく、必要となる機能に応じて最適なハードウェア構成が選択される。一例としては、操作装置ＣＳ１として、キーボード、マウス、タッチパネルといったハードウェアが用いられる。表示装置ＣＳ２としては、ＣＲＴディスプレイ、液晶ディスプレイといった表示系のハードウェアが用いられる。報知装置ＣＳ３としては、スピーカー、点灯器といったハードウェアが用いられる。

燃料電池システム制御部ＣＳには、燃料電池システムＦＣＳの各所に設けられたセンサからセンサ信号が出力される。燃料電池システム制御部ＣＳに信号を出力するセンサとしては、改質器温度センサＤＳ１、スタック温度センサＤＳ２、排気温度センサＤＳ３、改質器内圧力センサＤＳ４、水位センサＤＳ５、水流量センサＤＳ６、燃料流量センサＤＳ７、改質用空気流量センサＤＳ８、発電用空気流量センサＤＳ９、電力状態検出部ＤＳ１０、貯湯状態検出センサＤＳ１１、一酸化炭素検出センサＤＳ１２、可燃ガス検出センサＤＳ１３が設けられている。

改質器温度センサＤＳ１は、改質器５の温度を測定するためのセンサであって、本実施形態の場合は２つ設けられている。スタック温度センサＤＳ２は、発電室に配置されている燃料電池セル４の温度を測定するためのセンサであって、複数の燃料電池セル４からなる燃料電池セルスタック４００近傍に配置されている。排気温度センサＤＳ３は、燃焼部１８から排出される排気ガスの温度を測定するためのセンサであって、燃焼部１８から改質器５近傍を通って温水製造装置（図示しない）に至る経路に配置されている。改質器内圧力センサＤＳ４は、改質器５内の圧力を測定するためのセンサである。なお、ここでは改質器５内の圧力をセンサで測定するようにしているが、改質器５の前段で燃料と水が混合される部分の圧力を検出するものであっても良い。

水位センサＤＳ５は、貯水タンク（図示しない）の水位を測定するためのセンサであって、本実施形態の場合は４つ設けられている。水流量センサＤＳ６は、補器ユニットＡＤＵから燃料電池モジュールＦＣＭへと供給される純水の流量を測定するためのセンサである。燃料流量センサＤＳ７は、補器ユニットＡＤＵから燃料電池モジュールＦＣＭへと供給される被改質ガスの流量を測定するためのセンサである。改質用空気流量センサＤＳ８は、補器ユニットＡＤＵから燃料電池モジュールＦＣＭの改質器５へと供給される改質用空気の流量を測定するためのセンサである。発電用空気流量センサＤＳ９は、補器ユニットＡＤＵから燃料電池モジュールＦＣＭへと供給される発電用空気の流量を測定するためのセンサである。

電力状態検出部ＤＳ１０は、センシング手段の集合体であって、燃料電池モジュールＦＣＭから取り出す発電電力の状態を検出する部分である。貯湯状態検出センサＤＳ１１は、センシング手段の集合体であって、温水製造装置（図示しない）の貯湯状態を検出する部分である。

一酸化炭素検出センサＤＳ１２は、一酸化炭素検知器ＣＯＤに備えられているセンサであって、燃料電池モジュールＦＣＭ内における一酸化炭素のハウジング内への漏れを検出するセンサである。可燃ガス検出センサＤＳ１３は、可燃ガス検知器（図示しない）に備えられているセンサであって、燃料電池モジュールＦＣＭ及び補器ユニットＡＤＵ内における可燃ガスの漏洩を検出するセンサである。

１：カバー部材
１ａ：フランジ部
２：ベース部材
３：ガスタンク
４：燃料電池セル
４ａ：端部
４ｂ：端部
５：改質器
６Ａ：配管
６Ｂ：配管
８：燃料ガス供給管
１０：空気供給管
１１：排気ガス管
１３：電極棒
１５：仕切板
１７：排気ガス室
１８：燃焼部
１９：点火装置
２１：温度センサ
３０：燃料電池セルユニット
３０ｃ：管内流路
４０：内側電極端子
４０ａ：本体部分
４０ｂ：管状部分
４０ｃ：接続流路
４０ｄ：段部
４２：外側電極端子
４２ａ：本体部分
４２ｂ：管状部分
４２ｃ：接続流路
４２ｄ：段部
４４：電極層
４４ａ：内側電極露出周面
４４ａ：内側電極外周面
４４ｂ：端面
４４ｃ：端面
４６：電解質層
４６ａ：電解質露出周面
４８：電極層
４８：外側電極外周面
４８：電極層
４８ａ：外側電極露出周面
５０：貫通流路
５２：絶縁部材
５４：シール材
１０１，１０２，１０３：側壁
１０３ａ：空気流路
１０３ｂ：空気流入孔
１０３ｃ：排気ガス流出スリット
１０４：天井
４００：燃料電池セルスタック
４００ａ：上支持板
４００ｂ：下支持板
２３：接続部材
７０，７１：温度緩和部材
７０１：遮蔽板
７０２：上支持部
７０３：下支持部
７１１：遮蔽板
７１１ａ：切り欠き部
７１２：上支持部
７１３：下支持部

Claims

燃料ガスと酸化剤ガスとが一端側から他端側へと流れることにより作動する複数の燃料電池セルと、
前記複数の燃料電池セルの他端側に対向配置され、被改質ガスを改質して燃料ガスとする改質器と、
前記改質器に被改質ガスを供給する流入配管部と、前記改質器から燃料ガスを前記複数の燃料電池セルの一端へ送り出す流出配管部とを有するガス配管と、を備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池セルの他端と前記改質器との間に、前記複数の燃料電池セルからの燃料オフガスと酸化剤オフガスとが混合して燃焼する燃焼部が形成され、前記改質器は前記燃焼部からの熱を受けて前記被改質ガスの改質を行い、
前記複数の燃料電池セルの少なくとも一部が列状に配置され、当該列状配置された燃料電池セルと所定間隔をおいて且つ当該列状配置された燃料電池セルが延びる方向に沿って前記流出配管部が配置されており、
前記列状配置された燃料電池セルと前記流出配管部との間に、前記流出配管部と前記列状配置された燃料電池セルとの間の熱の授受を分散するための温度勾配緩和手段が設けられ、当該温度勾配緩和手段は、前記燃料電池セルの一端側から他端側に至るように且つ列状配置方向に沿うように配置され、前記改質器を支持する部材として兼用されていることを特徴とする燃料電池システム。
前記温度勾配緩和手段は、前記列状配置された燃料電池セルの一方の端に配置された燃料電池セル近傍から他方の端に配置された燃料電池セル近傍まで至るように、列状配置方向に沿って配置されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
前記温度勾配緩和手段は、前記流出配管部及び前記改質器の少なくとも一方に繋げられることで支持されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
前記複数の燃料電池セルの少なくとも一部が列状配置され、当該列状配置された燃料電池セルと所定間隔をおいて且つ当該列状配置された燃料電池セルが延びる方向に沿って前記流入配管部が配置され、当該列状配置された燃料電池セルと前記流入配管部との間に、当該列状配置された燃料電池セルと前記流入配管部との間の熱の授受を分散するための第二の温度勾配緩和手段が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。