JP5424983B2 - 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

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備え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複数個立設させた状態で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を水蒸気と反応させて燃料ガス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９は従来の燃料電池モジュール６０を示す外観斜視図であり、収納容器６１よりセルスタック装置６８を後方に引出した状態を示している。

セルスタック装置６８は、複数の燃料電池セル６２を配列してなるセルスタック６３を有しており、セルスタック６３の上方にはＵの字状の改質器６５が配置されている。改質器６５において、原燃料供給管６７より供給された原燃料は、気化部６９を通り、改質部７０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。そして気化部６９と改質部７０とからなる改質器６５にて生成された燃料ガスは、燃料ガス供給管６６を介してマニホールド６４に供給され、マニホールド６４から各燃料電池セル６２に燃料ガスが供給される。このような構成により、セルスタック装置６８が構成されている。

特開２００７−５９３７７号公報

ところで、上述の燃料電池モジュール６０においては、改質器６５で生成された燃料ガスが、マニホールド６４の一端部側に接続された燃料ガス供給管６６よりマニホールド６４内に供給されることから、燃料ガス供給管６６より遠い位置に配置された燃料電池セル６２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６３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、発電効率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ことを目的とする。

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るセルスタックと、前記燃料電池セルの一端部を固定するとともに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、前記セルスタックの他端部側に離間して配置された、前記マニホールドに供給する前記燃料ガスを生成するための改質器とを具備し、前記燃料電池セルの他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装置であって、前記改質器は、外部より供給される原燃料を温度の上昇した原燃料ガスとするとともに、該原燃料ガスを送出するための原燃料ガス送出口を備える気化室と、前記燃料電池セルの配列方向に沿った中央部に前記気化室より送出された前記原燃料ガスが流入するための原燃料ガス流入口を備え、内部に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前記燃料ガスを送出するための燃料ガス送出口を備えてなる改質室とを有しており、前記マニホールドは、前記燃料電池セルの配列方向に沿った両端部に、前記改質室より送出された燃料ガスが流入するための燃料ガス流入口を有し、それぞれの前記燃料ガス送出口とそれぞれの前記燃料ガス流入口とが、燃料ガス供給管により接続されていることを特徴とする。

また、本発明のセルスタック装置は、前記気化室が、前記改質室の上面に接して配置されており、前記気化室の前記原燃料ガス送出口と前記改質器の前記原燃料ガス流入口とが直接つながっていてもよい。

また、本発明のセルスタック装置は、前記気化室の前記原燃料ガス送出口と、前記改質室の前記原燃料ガス流入口とが連結部材により接続されていてもよい。

また、本発明のセルスタック装置は、前記気化室の前記燃料電池セルの配列方向に沿った両側部に、外部より供給される原燃料が流入するための原燃料流入口がそれぞれ設けられているとともに、前記燃料電池セルの配列方向に沿った中央部に前記原燃料ガス送出口が設けられていてもよい。

また、本発明のセルスタック装置は、前記気化室に加熱手段を備えていてもよい。

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を特徴とする。

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を特徴とする。

本発明のセルスタック装置によれば、各燃料電池セルに対して十分な量の燃料ガスを供給することができ、発電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。また、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、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実施形態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断面図である。 本発明の他の実施形態のセルスタック装置の一部を抜粋して示す斜視図である。 図３に示すセルスタック装置の一部を示す断面図である。 本発明のさらに他の実施形態のセルスタック装置の一部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実施形態を分解して示す外観斜視図である。 図６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実施形態を示す概略構成図である。 従来のセルスタック装置の一実施形態を分解して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実施形態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。

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（図示せず）を配置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の一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の他端部側に、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、マニホールド４の燃料電池セル２の配列方向（以下、セル配列方向と略す場合がある。）に沿った両端部に設けられたそれぞれの燃料ガス流入口１７と、改質器６のセル配列方向に沿った両端部に設けられたそれぞれの燃料ガス送出口１４（図２参照）とを接続する燃料ガス供給管８を具備する。なお、マニホールド４の燃料電池セル２の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の側面のうち燃料電池セル２の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、電流引出部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）が長手方向に流れ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の他端部側において、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（改質室１０、気化室１１）の温度を効率よく上昇させることができる。

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および燃料ガス供給管８を抜粋して示す断面図である。

図２において、セルスタック３の他端部側にセルスタック３と離間して配置される改質器６は、外部より供給される原燃料を温度の上昇した原燃料ガスとする気化室１１と、原燃料ガスを燃料ガスに改質するための改質室１０を備えている。

気化室１１は、箱状の容器から構成され、上面中央部に外部より供給される原燃料が供給される原燃料流入口１６が設けられており、底面中央部に気化室１１内にて生成された温度の上昇した原燃料ガスを送出するための原燃料ガス送出口１２が設けられている。

改質室１０は、箱状の容器から構成され、上面中央部に、気化室１１にて生成された温度の上昇した原燃料ガスが流入するための原燃料ガス流入口１３が設けられており、内部に原燃料ガス流入口１３より流入した原燃料ガスを燃料ガスに改質するための改質触媒１５を備えるとともに、容器のセル配列方向に沿った両端部に、生成された燃料ガスを送出するための燃料ガス送出口１４が設けられている。

また、気化室１１は、原燃料ガス送出口１２と改質室１０の原燃料ガス流入口１３とが平面視において、同じ位置となるように改質室１０の上面に接して配置され、気化室１１の原燃料ガス送出口１２と、改質室１０の原燃料ガス流入口１３とが直接つながっている。そして気化室１１の原燃料流入口１６に原燃料供給管７が接続され、改質室１０のそれぞれの燃料ガス送出口１４に、マニホールド４のそれぞれの燃料ガス流入口１７（図１参照）と接続するための燃料ガス供給管８が接続されている。なお、気化室１１の原燃料ガス送出口１２と改質室１０の原燃料ガス流入口１３とは、通気性のある壁（図示せず）で分離されている。

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。原燃料は、原燃料供給手段から原燃料供給管７に供給され、気化室１１内で温度の上昇した原燃料ガスとされて、原燃料ガス送出口１２および原燃料ガス流入口１３を介して改質室１０内に流れる。改質室１０に流れた原燃料ガスは、セル配列方向に沿った両端部に位置する燃料ガス送出口１４に向けて流れ、改質室１０を流れる間に改質触媒１５により燃料ガスに改質される。改質室１０にて生成された燃料ガスは、燃料ガス供給管８を流れてマニホールド４のセル配列方向に沿った両端部に設けられた燃料ガス送出口１７を介して、セルスタック３における各燃料電池セル２に供給される。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、原燃料ガスは炭化水素系ガスを意味し、原燃料として供給された炭化水素系ガスは、気化室１１内で温められ、温められた炭化水素系ガスが原燃料ガスとして改質室１０に供給される。

図１および図２に示す本発明のセルスタック装置１は、一方の燃料ガス供給管８の他端を一方の燃料ガス流入口１７と接続し、他方の燃料ガス供給管８の他端を他方の燃料ガス流入口１８と接続することで、改質室１０において生成された燃料ガスは、マニホールド４の両端部側よりセルスタック３を構成する各燃料電池セル２に供給されることとなる。それにより、セルスタック３を構成する各燃料電池セル２に十分量の燃料ガスを供給することができ、セルスタック３の発電効率を向上させることができる。すなわち、セルスタック３の発電効率を向上することができる。

また、改質室１０（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により接続されていることから、改質室１０（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、セルスタック装置１の機械的強度を向上させることができる。

なお、改質室１０の内部に備える改質触媒１５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。

ここで、従来の燃料電池モジュール６０（図９参照）では、気化部６９が燃料電池セル６２の上方に所定の間隔をあけて（離間して）設けられていることから、温度の低い原燃料が気化部６９に供給された場合、気化部６９の下方に位置する燃料電池セル６２の温度が低下し、セルスタック６３の発電効率が低下するおそれがあった。

それに対して、図１に示すセルスタック装置１においては、気化室１１が改質室１０の上方に配置されていることから、温度が低い原燃料が供給された場合においても、気化室１１の下方に位置する燃料電池セル２の温度の低下を低減し、セルスタック３の発電効率を向上させることができる。

ここで、改質室１０において水蒸気改質を行なう場合は、原燃料供給管７に原燃料および水を供給し、気化室１１にて水を水蒸気に気化させる。なお、原燃料は気化室１１内を
流れる間に、温度の上昇した原燃料ガスとなる。温度の上昇した原燃料ガスと水蒸気とは、原燃料ガス送出口１２および原燃料流入口１３を介して改質室１０に流れ、改質室１０にて改質触媒１５により水蒸気改質が行なわれる。その際、気化室１１の大きさ（体積）が不十分であると、水が十分に水蒸気に気化されず、改質室１０に気化していない水が供給されてしまい、その水が改質触媒１５の気孔中に入り込む場合がある。ここで、改質触媒１５に入り込んだ水は、改質触媒１５の温度上昇に伴って気化するが、その際改質触媒１５が破損するおそれがあり、結果的に改質触媒１５を劣化させてしまうおそれがある。

ここで、図１に示すセルスタック装置１においては、改質室１０と気化室１１と分離して設ける（図１においては、改質室１０の上方に気化室１１を配置している。）ことにより、気化室１１を十分な大きさを有する構成とすることができ、気化室１１にて効率よく水を気化させることができる。それにより、改質室１０に気化されていない水が供給されることを低減し、改質触媒１５の劣化を低減することができる。

なお、気化室１１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重管としてもよい。

また、改質器６において改質室１０と気化室１１とを分離した構成とすることで、セルスタック３の上面全体にわたって改質室１０を設けることができることから、改質室１０内に収納可能な改質触媒１５の量を増加することができ、燃料電池セル２に改質が十分に行なわれた燃料ガスを供給することができる。

ここで、セルスタック３の発電に伴って、セルスタック３のセル配列方向における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。その場合においても、気化室１１が改質室１０の中央部の上面に接するように配置することにより、原燃料である液体燃料や水が気化する際の気化熱により、セルスタック３の中央部側の温度を低下させることができ、セルスタック３のセル配列方向における温度分布を低減することができる。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低減することができ、燃料電池セル２の劣化を低減することができる。それにより、発電効率の向上した（長期信頼性の向上した）セルスタック装置１とすることができる。

なお、図示していないが、気化室１１は箱状の容器内に、セラミックボール等を備えてもよい。それにより、気化室１１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、水を効率よく水蒸気に気化させることができる。

また、セルスタック装置１では、気化室１１が改質室１０の上面に接するように配置した例を示したが、改質室１０の側面に接するように配置してもよく、改質室１０の底面に接するように配置してもよい。

図３は、本発明の他の一例のセルスタック装置の一部を抜粋して示す外観斜視図であり、図４は図３に示す改質器１８および燃料ガス供給管８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１９は、改質室１０と気化室１１とが離間して配置され、改質室１０の原燃料ガス流入口１３と気化室１１の原燃料ガス送出口１２とが連結部材２０により接続されていること以外は図１および図２に示すセルスタック装置１と同じ構成である。

図３に示すセルスタック装置１９は、改質室１０の原燃料流入口１３と気化室１１の原燃料ガス送出口１２とが連結部材２０により接続されていることから、料電池セル２の他
端部側で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と接する気化室１１および改質室１０の表面積を増加させることができ、より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。

より具体的には、図３に示したセルスタック装置１９においては、改質室１０の上面に気化室１１が接するように配置されたセルスタック装置１に比べ、気化室１１の底面積、改質室１０の気化室１１の底面積に対応する面積および連結部材２０の表面積に相当する面積を増加させることができる。

それにより、十分に温度が上昇した原燃料ガスを改質室１０に供給することができ、改質室１０において効率よく改質反応を行なうことができ、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５は、本発明のさらに他の一例のセルスタック装置の一部を抜粋して示す断面図である。

図５に示すセルスタック装置２１は、原燃料流入口２３を気化室１１の上面のセル配列方向に沿った両端部にそれぞれ設け、それぞれの原燃料流入口２３に原燃料供給管２２を接続し、気化室１１内に加熱手段２４を備えるとともに、気化室１１の原燃料ガス送出口１２近傍、改質室１０内における燃料ガス送出口１４近傍にそれぞれ温度計測手段の測温部が位置するように、温度計測手段２６ａ、２６ｂを設けたこと以外は図４に示すセルスタック装置１９と同じ構成である。

図５に示すセルスタック装置２１は、原燃料流入口２３を気化室１１の上面の両端部にそれぞれ設けたことにより、原燃料供給管２２より供給される原燃料は、気化室１１の両端部から底面中央部に設けられた原燃料ガス送出口１２に向けて流れることとなる。それにより、より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、水を効率よく水蒸気に気化することができる。そのため、改質室１０において効率よく改質反応を行なうことができ、発電効率の向上したセルスタック装置２１とすることができる。

また、原燃料流入口２３と原燃料送出口1２とが平面視して同等の位置にない（鉛直線
状にない）ことから、改質室１０に原燃料が直接流入することを低減することができる。

なお、気化室１１のセル配列方向に沿った端部とは、気化室１１の上面におけるセル配列方向に沿った端部側および気化室１１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、原燃料が気化室１１内を流れる距離が長くなることから、気化室１１にて効率よく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とともに、気化されていない水が、改質室１０内に配置された改質触媒１５の気孔中に入り込むことを低減することができ、それにより、改質触媒１５中の水の気化に伴って改質触媒１５が破損することを低減することができる。それにより、発電効率の向上した（長期信頼性の向上した）セルスタック装置２１とすることができる。

さらに、気化室１１内に加熱手段２４を備えることから、燃料電池装置の起動時等や低出力作動時等の低温で作動している場合においても、気化室１１を効率よく温めることができ、より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、水を効率よく水蒸気に気化することができる。

なお、加熱手段２４は電気ヒータ等の一般的に知られているものを用いることができ、
温度計測手段２６ａ、２６ｂとしては熱電対等の温度センサを用いることができる。そして、本発明の燃料電池セルスタック装置を備える燃料電池装置においては、加熱手段２４の動作を制御する制御装置を備え、制御装置が温度計測手段２６ａ、２６ｂの計測値に基づいて加熱手段２４の動作を制御する。以下に加熱手段２４の制御方法について例を示す。

燃料電池装置の起動時において、改質器２５にて水蒸気改質を行なう場合に、加熱手段２４を作動させ、温度測定手段２６ａが測定する気化室１１の温度が第１の所定の温度に達すると気化室１１に水を供給する。なお、第１の所定の温度とは、水を効率よく水蒸気に気化させることができる温度であればよく、例えば１２０℃〜３５０℃程度で適宜設定することができる。

なお、改質室１０の温度（改質触媒１５の温度）が、水蒸気改質可能な温度に達していない場合には、気化室１１にて生成された水蒸気を用いた水蒸気改質を行なうことが困難となるため、あわせて温度計測手段２６ｂが測定する改質室１１の温度が水蒸気改質可能な温度となった後に、気化室１１に水を供給してもよい。

また、改質室１０の温度（改質触媒１５の温度）が、気化室１１にて生成された水蒸気が水に凝縮する温度範囲にある場合には、改質触媒１５の劣化が生じるおそれがあるため、温度計測手段２６ｂが測定する温度が、水蒸気が水に凝縮しない温度となった後に、気化室１１に水を供給してもよい。

一方、気化室１１の温度が上昇すると、加熱手段２４を作動させなくとも水を気化させることができることから、制御装置は、温度測定手段２６ｂが測定する気化室１１の温度が、第１の所定の温度よりも高く設定された第２の所定の温度に達すると、加熱手段２４の動作を停止するように制御してもよい。それにより、セルスタック装置２１（燃料電池装置）の発電効率を向上することができる。

なお、第２の所定の温度は、気化室１１に供給された水が安定して気化することができる温度とすればよく、例えば３５０℃〜６００℃程度で適宜設定することができる。

ここで、水蒸気改質反応は吸熱反応であるために、改質室１０の温度が低下しやすい。そのため、気化室１１に加熱手段２４を備えることにより、効率よく原燃料を温度の上昇した燃料ガスとすることができ、温度の上昇した燃料ガスが改質室１０に流れることで、改質室１０（改質触媒１５）の温度の低下を低減することができる。それにより、効率よく水蒸気改質を行なうことができ、発電効率の向上したセルスタック装置２２とすることができる。なお、改質室１０（改質触媒１５）の温度の低下を低減する目的で、改質室１０に加熱手段を設けることもできる。

なお、セルスタック装置１、１９，２１においては、気化室１１を、気化室１１のセル配列方向における長さが、改質室１０のセル配列方向における長さよりも短い構成とした例を示したが、改質室１０のセル配列方向における長さより長くすることもできる。その場合においても、十分な大きさを有する気化室１１とすることができ、効率よく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、効率よく水を水蒸気に気化させることができる。

図６は、収納容器２８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２７（以下、モジュールという場合がある。）の一実施形態を示す外観斜視図である。なお、図６においては、改質器６を収納容器２８の上壁の内面に接続しており、セルスタック装置１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６に示すモジュール２７においては、収納容器２８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６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。以下に、モジュール２３を構成する収納容器２８について説明する。

図７は、モジュール２７の一例を概略的に示す断面図である。モジュール２７を構成する収納容器２８は、外壁２５にて収納容器２８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２８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２８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２８は、外壁３０の内側に所定間隔をあけて第１の壁３１が形成されており、第１の壁３１の内側に所定間隔をあけて第２の壁３２が配置されており、さらに第２の壁３２の内側に所定間隔をあけて第３の壁３３が配置されている。

それにより、外壁３０と第１の壁３１とで形成された空間が第１の流路３４となり、第２の壁３２と第３の壁３３とで形成された空間が第２の流路３５となり、第１の壁３１と第２の壁３２とで形成された空間が第３の流路３６となる。

なお、図７に示した収納容器２８においては、第１の壁３１の上端部が第２の壁３２に接続されており、第２の壁３２が収容容器３０の上壁（外壁４８）と接続されており、第３の壁３３の上端部が第２の壁３２と接続されている。

また、収納容器２８の底部には、空気（酸素含有ガス）を収納容器２８内に供給するための空気供給管３７が接続されており、空気供給管３７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３４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３４に流れる。第１の流路３４を上方に向けて流れた空気は、第２の壁３２に設けられた空気流通口４０を通して、第２の流路３５に流れる。そして、第２の流路３５を下方に向けて流れた空気は、第３の壁３３に設けられた空気吹き出し口４１を通して、発電室４２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３２に設けられた排ガス流通口４３を通して第３の流路３６に流入する。そして、第３の流路３６を下方に向けて流れた排ガスは、排ガス収集口４４を通して排ガス収集部４５に流れた後、排ガス収集部４５に接続された排ガス排気管４６を通して収納容器２８の外部に排気される。

それゆえ、空気導入管３７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４５を流れる排ガスと熱交換され、第１の流路３４を流れる間に、第３の流路３６を流れる排ガスと熱交換され、第２の流路３５を流れる間に、発電室４２内の熱とで熱交換されることとなる。

なお、図７において、空気導入管３７の内部に排ガス排気管４６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４６の内部に空気導入管３７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３７と排ガス排気管４６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７に示すモジュール２７においては、第３の流路３６のうち、第２の壁２７側に断熱材４７（図中において断熱材４７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３５を流れる空気と第３の流路３６を流れる排ガスとの熱交換を低減することができ、第２の流路３５を流れる空気の温度が低下することを低減できる。

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低減でき、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２７とすることができる。

なお、第３の流路３６に配置される断熱材４７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してもよい。それにより、第２の流路３５を流れる空気と第３の流路３６を流れる排ガスとの熱交換を効率よく低減することができる。

また断熱材４７は、第３の流路３６以外にも、収納容器２８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の流路３６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２８の上壁（外壁４８）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４７においては、空気吹き出し口４１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４１より発電室４７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。

そして、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４２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２７とすることができる。

図８は、外装ケース内に図７で示したモジュール２７と、モジュール２７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実施形態を示す分解斜視図である。なお、図８においては一部構成を省略して示している。

図８に示す燃料電池装置５０は、支柱５１と外装板５２から構成される外装ケース内を仕切板５３により上下に区画し、その上方側を上述したモジュール２７を収納するモジュール収納室５４とし、下方側をモジュール２７（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補機収納室５５として構成されている。それにより、コンパクトな燃料電池装置５０とすることができる。なお、補機収納室５５に収納する補機を省略して示している。

また、仕切板５３には、補機収納室５５の空気をモジュール収納室５４側に流すための空気流通口５６が設けられており、モジュール収納室５４を構成する外装板５２の一部に、モジュール収納室５４内の空気を排気するための排気口５７が設けられている。

このような燃料電池装置５０においては、上述したように、発電効率の向上した燃料電
池モジュール２７をモジュール収納室５４に収納し、燃料電池モジュール２７を動作させるための補機を補機収納室５５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５０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、気化室１１の上面中央部に接続された原燃料供給管７に、気化室１１の両端部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。この場合においては、気化室１１を流れる原燃料や水の距離を長くすることができ、原燃料を効率よく温度の上昇した原燃料ガスとすることができるほか、効率よく水を水蒸気に気化させることができる。

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、気化室１１の底面と対向しないように設けてもよい。それにより、気化室１１の一部の温度が急激に低下し、気化室１１において、原燃料を温度の上昇した原燃料とすることが難しくなることや、水の気化効率を向上することができる。さらには、改質室１０における改質効率を向上させることができる。

また、改質室１１の燃料電池セル２の配列方向に沿った中央部の外面に気化室より送出された原燃料ガスが流入するための原燃料ガス流入口１３を備える例をセルスタック装置１９で示したが、例えば、改質室１１の中央部（改質室１１内部）まで連結部材２０を挿入してもよい。その場合は、連結部材２０の改質室１１側の先端を封止し、原燃料が燃料電池セルの配列方向に流れるように、孔を設けることで効率よく原燃料を供給することができる。

また、例えば、収納容器２８は、外壁３０と第１の壁３１とで第１の流路３４を形成し、第２の壁３２と第３の壁３３とで第２の流路３５を形成し、第１の壁３１と第２の壁３２とで第３の流路３６を形成していればよく、適宜空気流通口４１や排ガス流通口４３の位置を変更することもできる。

また、例えば第１の壁３１と第２の壁３２との間に第１の流路３４と第２の流路３５とをつなぐ空気流通路を設けてもよく、第２の壁３２と第３の壁３３との間に、発電室４２と第３の流路３３とをつなぐ排ガス流通路を設けてもよい。

１、１９、２１、６８：セルスタック装置
２、６２：燃料電池セル
３、６３：セルスタック
４、６４：マニホールド
６、１８、２５、６５：改質器
７、２３、６６：原燃料供給管
８、６６：燃料ガス供給管
１０：改質室
１１：気化室
１２：原燃料ガス送出口
１３：原燃料ガス流入口
１４：燃料ガス送出口
１５：改質触媒
１６：原燃料流入口
１７：燃料ガス流入口
２０：連結部材
２４：加熱手段
２６ａ、２６ｂ：温度測定手段
２７、６０：燃料電池モジュール
５０：燃料電池装置

Claims (7)

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るセルスタックと、前記燃料電池セルの一端部を固定するとともに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、前記セルスタックの他端部側に離間して配置された、前記マニホールドに供給する前記燃料ガスを生成するための改質器とを具備し、前記燃料電池セルの他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装置であって、前記改質器は、外部より供給される原燃料を温度の上昇した原燃料ガスとするとともに、該原燃料ガスを送出するための原燃料ガス送出口を備える気化室と、前記燃料電池セルの配列方向に沿った中央部に前記気化室より送出された前記原燃料ガスが流入するための原燃料ガス流入口を備え、内部に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前記燃料ガスを送出するための燃料ガス送出口を備えてなる改質室とを有しており、
   前記マニホールドは、前記燃料電池セルの配列方向に沿った両端部に、前記改質室より送出された燃料ガスが流入するための燃料ガス流入口を有し、
   それぞれの前記燃料ガス送出口とそれぞれの前記燃料ガス流入口とが、燃料ガス供給管により接続されていることを特徴とするセルスタック装置。
2. 前記気化室が、前記改質室の上面に接して配置されており、前記気化室の前記原燃料ガス送出口と前記改質室の前記原燃料ガス流入口とが直接つながっ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. 前記気化室の前記原燃料ガス送出口と、前記改質室の前記原燃料ガス流入口とが連結部材により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。
4. 前記気化室は、前記燃料電池セルの配列方向に沿った両側部に、外部より供給される原燃料が流入するための原燃料流入口がそれぞれ設けられているとともに、前記燃料電池セルの配列方向に沿った中央部に前記原燃料ガス送出口が設けられていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のセルスタック装置。
5. 前記気化室に加熱手段を備えることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のセルスタック装置。
6. 請求項１乃至請求項５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。
7. 請求項６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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