JP5495544B2

JP5495544B2 - 燃料電池モジュールおよび燃料電池装置

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Publication number: JP5495544B2
Application number: JP2008320542A
Authority: JP
Inventors: 孝小野; 光博中村
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2008-12-17
Filing date: 2008-12-17
Publication date: 2014-05-21
Anticipated expiration: 2028-12-17
Also published as: JP2010146783A

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立設し電気的に直列に接続してなるセルスタックと、セルスタックを構成する燃料電池セルを固定するとともに、燃料電池セルに反応ガスを供給するマニホールドとを有する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）。そして、上記特許文献１に記載の燃料電池モジュールにおいては、燃料電池セルに反応ガス（酸素含有ガス等）を導入するための反応ガス導入部材が設けられており、反応ガス導入部材の下端部側に、燃料電池セルの下端部側に反応ガス（酸素含有ガス等）を導入するための反応ガス導入口が設けられている。
特開２００７−５９３７７号公報

ところで、燃料電池セルの発電に伴いセルスタック（燃料電池セル）に熱が生じるが、その発電により生じた熱は、隣接する燃料電池セル間等から放熱される。

しかしながら、特に燃料電池セルを複数並設し電気的に直列に接続してなるセルスタックにおいては、セルスタックの配列方向の端部側に配置される燃料電池セルは熱を放散しやすいが、セルスタックの配列方向の中央部側に配置される燃料電池セルは熱を放散しにくいため、セルスタック全体として、中央部側の温度が高く、端部側の温度が低いという、燃料電池セルの配列方向において不均一な温度分布を生じることとなる。

そして、セルスタックの温度分布が燃料電池セルの配列方向において不均一な温度分布となる場合においては、セルスタックを構成する各燃料電池セルに供給される燃料ガスの流れにばらつきが生じ、セルスタックの発電量が低下する、またはセルスタックを構成する一部の燃料電池セルの劣化が早まるといったおそれがあった。

それゆえ本発明は、セルスタックの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、内部に第１の反応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電気的に直列に接続してなるセルスタックと、該セルスタックを構成する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前記第１の反応ガスを供給するマニホールドとを具備するセルスタック装置を収納容器内に収納してなり、該収納容器は、内壁と外壁とを有する二重壁構造で、前記内壁と前記外壁との間を第２の反応ガスの流路とし、前記内壁には、前記流路につながって前記燃料電池セルの配列方向に沿った側面側より前記燃料電池セルの下端部へ前記第２の反応ガスを導入するための反応ガス導入部材を備えてなる燃料電池モジュールにおいて、前記反応ガス導入部材は、内部に前記燃料電池セルの配列方向における両端にそれぞれに反応ガス流通阻止部材を有し、該反応ガス流通阻止部材の間が、前記燃料電池セルの配列方向における前記セルスタックの幅よりも狭い幅とされており、前記流路を流れた前記第２の反応ガスは、前記反応ガス流通阻止部材の間であって、前記セルスタックの前記燃料電池セルの配列方向における中央部と向かい合う位置で上方から下方に向けて形成された第１導入流路を流れるとともに、該第１導入流路の下端に、前記燃料電池セルの配列方向における前記セルスタックの幅に対応した幅を有する第２導入流路が接続されており、該第２導入流路に、当該第２導入流路に流れた前記第２の反応ガスを前記燃料電池セルの下端部へ導入するための反応ガス導入口が設けられてい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、燃料電池セルの下端部に、温度の低い第２の反応ガスを供給するための反応ガス導入部材が、内部に燃料電池セルの配列方向における両端にそれぞれ反応ガス流通阻止部材を有し、該反応ガス流通阻止部材の間が、燃料電池セルの配列方向におけるセルスタックの幅よりも狭く、前記第２の反応ガスは、燃料電池セルの配列方向に沿った中央部と向かい合う位置で上方より下方に向けて形成された第１導入流路を流れることから、燃料電池セルの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る。

また、第１導入流路を流れた第２の反応ガスが、燃料電池セルの配列方向におけるセルスタックの幅に対応した幅を有する第２導入流路を流れた後に、反応ガス導入口を介して燃料電池セルの下端部に導入されることから、燃料電池セルに十分な量の第２の反応ガスを導入することができる。

それにより、燃料電池セルの配列方向における温度分布、すなわちセルスタック全体としての温度分布を均一に近づけることができることから、セルスタックの発電量が低下することを抑制でき、発電効率を向上することができる。さらには、セルスタックを構成する一部の燃料電池セルの劣化が早まることを抑制することができる。

また、本発明の燃料電池モジュールは、前記第１導入流路は、前記セルスタックの前記燃料電池セルの配列方向に沿った側面側から見たときに、前記第１導入流路の外形が左右対称であるとともに、該第１の導入流路の中央線と前記セルスタックの前記燃料電池セルの配列方向における中央を上下方向に引いた中央線とが重なるような位置関係に、前記第１導入流路と前記セルスタックとが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、左右対称の第１導入流路の中央部とセルスタックの中央部とが向かい合う配置関係となる。それにより、セルスタックの中央部の温度を効果的に低下させることができる。それにより、セルスタックの発電量が低下することを抑制でき、発電効率を向上することができる。

また、本発明の燃料電池モジュールは、前記反応ガス導入部材は、前記セルスタックと向かい合う面の幅が、上方から下方まで前記燃料電池セルの配列方向における前記セルスタックの幅以上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、反応ガス導入部材における燃料電池セルの配列方向における端部側において、燃料電池セルの発電等により生じる熱が輻射熱となり、セルスタックにおける燃料電池セルの配列方向における端部側の温度を上昇させることができる。それにより、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、セルスタックの発電量が低下することを抑制でき、発電効率を向上することができる。

また、本発明の燃料電池モジュールは、前記反応ガス導入口が、前記反応ガス導入部材の前記セルスタックと向かい合う面に、前記燃料電池セルの配列方向に沿って複数個設けら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、反応ガス導入部材のセルスタックと向かい合う面に、燃料電池セルの配列方向に沿って、反応ガス導入口が複数個設けられていることから、燃料電池セルの下端部に第２の反応ガスを効率よく導入することができ、セルスタックの発電効率を向上することができる。

また、本発明の燃料電池モジュールは、前記反応ガス導入部材は、前記燃料電池セルの配列方向における前記セルスタックの幅に対応した幅を有するとともに、上端が前記内壁に接続され、下端が前記第１導入流路に接続された第３導入流路を備え、該第３導入流路の下端が前記燃料電池セルの上端以上の高さに位置することが好ましい。

このような燃料電池モジュールにおいては、収納容器の内壁と外壁との間を流れる第２の反応ガスが、セルスタックの幅に対応した幅を有する第３導入流路を流れた後に、第１導入流路に流れ、続いて第２導入流路を流れた後に、燃料電池セルに供給されることになる。それにより、第２の反応ガスの流れにおいて圧損を低下させることができ、セルスタックの発電効率を向上することができる。

また、本発明の燃料電池モジュールは、前記第１導入流路の幅が、前記セルスタックの前記燃料電池セルの配列方向における幅の１０〜９０％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、第１導入流路の幅が、セルスタックの燃料電池セルの配列方向における幅の１０〜９０％であることから、セルスタックにおける燃料電池セルの配列方向における中央部側の温度を低下させることができるとともに、燃料電池セルの配列方向における端部側の温度が低下することを効率よく抑制することができる。それにより、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。

また、本発明の燃料電池モジュールは、前記反応ガス導入口から前記第２導入流路の上端までの長さが、前記反応ガス導入口から前記燃料電池セルの上端までの長さの５〜６０％以下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、反応ガス導入口から第２導入流路の上端までの長さが、反応ガス導入口から燃料電池セルの上端までの長さの５〜６０％以下となるように配置されていることから、第１導入流路を流れた第２の反応ガスを、第２導入流路の燃料電池セルの配列方向に沿った端部側に効率よく流すことができる。それにより、各燃料電池セルに十分な量の第２の反応ガスを導入することができることから、セルスタックの発電量が低下することを抑制でき、発電効率を向上することができる。

また、本発明の燃料電池モジュールは、前記第１導入流路の幅が、上方から下方まで同じ幅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、第１導入流路の幅が、上方から下方まで同じ幅であることから、セルスタックの中央部の温度を効果的に低下させることができる。それにより、セルスタックの発電量が低下することを抑制でき、発電効率を向上することができるとともに、セルスタックを構成する一部の燃料電池セルの劣化が早まることを抑制することができる。

また、本発明の燃料電池装置は、上述のうちいずれかの燃料電池モジュールと、前記セルスタックを動作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。

本発明の燃料電池モジュールは、内部に第１の反応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電気的に直列に接続してなるセルスタックと、該セルスタックを構成する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前記第１の反応ガスを供給するマニホールドとを具備するセルスタック装置を収納容器内に収納してなり、該収納容器は、内壁と外壁とを有する二重壁構造で、前記内壁と前記外壁との間を第２の反応ガスの流路とし、前記内壁には、前記流路につながって前記燃料電池セルの配列方向に沿った側面側より前記燃料電池セルの下端部へ前記第２の反応ガスを導入するための反応ガス導入部材を備えてなる燃料電池モジュールにおいて、前記反応ガス導入部材は、内部に前記燃料電池セルの配列方向における両端にそれぞれ反応ガス流通阻止部材を有し、該反応ガス流通阻止部材の間が、前記燃料電池セルの配列方向における前記セルスタックの幅よりも狭い幅とされており、前記流路を流れた前記第２の反応ガスは、前記反応ガス流通阻止部材の間であって、前記セルスタックの前記燃料電池セルの配列方向における中央部と向かい合う位置で上方から下方に向けて形成された第１導入流路を流れるとともに、該第１導入流路の下端に、前記燃料電池セルの配列方向における前記セルスタックの幅に対応した幅を有する第２導入流路が接続されており、該第２導入流路に、当該第２導入流路に流れた前記第２の反応ガスを前記燃料電池セルの下端部へ導入するための反応ガス導入口が設けられていることを特徴とする。

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。

図１に示すモジュール１においては、収納容器２の内部に、内部を第１の反応ガスが流通するガス流路（図示せず）を有する柱状の燃料電池セル３を立設させた状態で配列し、隣接する燃料電池セル３間に集電部材（図１においては図示せず）を介して電気的に直列に接続するとともに、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）でマニホールド４に固定してなるセルスタック５（セルスタック装置１２）を収納して構成されている。なお、セルスタック５の両端部には、セルスタック４（燃料電池セル３）の発電により生じた電流を集電して外部に引き出すための、電流引き出し部を有する導電部材が配置されている（図示せず）。

なお、図１においては、燃料電池セル３として、内部を第１の反応ガス（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型で、ガス流路を有する支持体の表面に、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。以降の説明の説明において、特に断りのない限り第１の反応ガスを燃料ガス（水素含有ガス）とし、後述する第２の反応ガスを酸素含有ガスとして説明する。

さらに図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（第１の反応ガス）を得るために、原燃料供給管１０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造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、燃料ガス流通管９を介してマニホールド４に供給され、マニホールド４より燃料電池セル３の内部に設けられたガス流路に供給される。なお、セルスタック装置１２の構成は、燃料電池セル３の種類や形状により、適宜変更することができ、例えばセルスタック装置１２に改質器６を含むこともできる。

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１２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１２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。

なお、収納容器２の内部には、マニホールド４に並置されたセルスタック５の間に配置され、第２の反応ガス（酸素含有ガス）が燃料電池セル３の側方を下端部から上端部に向けて流れるように、反応ガス導入部材１１が配置されている。なお、反応ガス導入部材１１については後述する。

ここで、燃料電池セル３のガス流路より排出される余剰な燃料ガスと酸素含有ガスとを燃料電池セル３の上端部側で燃焼させることにより、燃料電池セル３の温度を上昇させることができ、セルスタック装置１２の起動を早めることができる。あわせて、燃料電池セル３（セルスタック５）の上方に配置された改質器６を温めることができ、改質器６で効率よく改質反応を行なうことができる。

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１３と外壁１４とを有する二重構造で、外壁１４により収納容器２の外枠が形成されるとともに、内壁１３によりセルスタック５（セルスタック装置１２）を収納する発電室１５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１３と外壁１４との間を、燃料電池セル３に導入する酸素含有ガス（第２の反応ガス）が流通する反応ガス流路としている。

ここで内壁１３には、内壁１３の上面よりセルスタック５の側面側にまで延び、内壁１３と外壁１４とで形成される反応ガス流路に通じて、セルスタック５に酸素含有ガスを導入するための反応ガス導入部材１１が備えられている。また、反応ガス導入部材１１の下端に、燃料電池セル３の下端部に第２の反応ガスを導入するための反応ガス導入口１６が設けられている。なお、図２においては、底部が開口で、その開口部が反応ガス導入口１６として構成されている反応ガス導入部材１１を示しており、第２の反応ガスは、反応ガス導入口１６（開口）より、発電室１５の底面側に供給された後、燃料電池セル３の下端部に供給される。

図２においては、反応ガス導入部材１１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間に位置するように配置されているが、セルスタック５の数により、例えば反応ガス導入部材１１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１２）を１つだけ収納する場合には、反応ガス導入部材１１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１５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１７が適宜設けられている。

断熱材１７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１７を配置することが好ましい。なお、好ましくは、断熱材１７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、反応ガス導入部材１１より導入される第２の反応ガス（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。

また、燃料電池セル３の配列方向に沿った内壁１３の内側には、排ガス用内壁１８が設けられており、内壁１３と排ガス用内壁１８との間が、発電室１５内の排ガスが上方から下方に向けて流れる排ガス流路とされている。なお、排ガス流路は、収納容器２の底部に設けられた排気孔１９と通じている。

それにより、モジュール１の稼動（起動処理時、発電時、停止処理時）に伴って生じる排ガスは、排ガス流路を流れた後、排気孔１９より排気される構成となっている。なお、排気孔１９は収納容器２の底部の一部を切り欠くようにして形成してもよく、また管状の部材を設けることにより形成してもよい。

図３は、図２に示した燃料電池モジュール１の他の一例を示す断面図であり、図３に示す燃料電池モジュール２０においては、反応ガス導入部材２１のセルスタック５と向かい合う面に、燃料電池セル３の配列方向に沿って反応ガス導入口２２が設けられている例を示している。

このような燃料電池モジュール２０においては、反応ガス導入部材２１内を流れる酸素含有ガス（第２の反応ガス）を、燃料電池セル３の下端部に効率よく供給することができる。

ここで、セルスタック５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に配置される燃料電池セル３は放熱しやすく、セルスタック５を構成する燃料電池セル３の配列方向の中央部側に配置される燃料電池セル３は放熱しにくい。それゆえ、セルスタック５全体として中央部側の温度が高く、端部側の温度が低いという、燃料電池セル３の配列方向において不均一な温度分布を生じる場合がある。

ここで、セルスタック５の温度分布が燃料電池セル３の配列方向において不均一な温度分布となる場合においては、セルスタック５を構成する各燃料電池セル３にマニホールド４から供給される燃料ガス（第１の反応ガス）の流れにばらつきが生じ、セルスタック５（燃料電池セル３）の発電量が低下する、またはセルスタック５を構成する一部の燃料電池セル３の劣化が早まるといったおそれがある。

図４は、図１および図２で示す反応ガス導入部材１１を抜粋して示す斜視図である。図３に示す反応ガス導入部材１１は、燃料電池セル３の配列方向におけるセルスタック５の幅に対応した幅を有している。そして、反応ガス導入部材１１は、燃料電池セル３の配列方向にけるセルスタック５の幅よりも狭い幅を有し、内壁１３と外壁１４とで形成される反応ガス流路を流れた酸素含有ガス（第２の反応ガス）を、セルスタック５の燃料電池セル３の配列方向における中央部と向かい合う位置で上方から下方に向けて流すための第１導入流路２３と、第１導入流路２３の下端に接続され、燃料電池セル３の配列方向におけるセルスタック５の幅に対応した幅を有する第２導入流路２４とを備えており、第１導入流路２３を介して第２導入流路２４を流れる酸素含有ガスは、反応ガス導入部材１１の底部に設けられた反応ガス導入口１６を介して、マニホールド４に立設した燃料電池セル３の下端部に導入される。

それにより、反応ガス導入部材１１において、セルスタック５の温度よりも低い温度の酸素含有ガスの熱が、まずセルスタック５の燃料電池セル３の配列方向における中央部と向かい合う面を上方から下方へと流れる間に、セルスタック５の燃料電池セル３の配列方向における中央部に伝熱し、セルスタック５の燃料電池セル３の配列方向における中央部側の温度を下げることができる。

ここで、内壁１３と外壁１４とで形成される反応ガス流路を流れる酸素含有ガスは、第２導入流路２４に向けて流れる際に、反応ガス導入部材１１の燃料電池セル３の配列方向における端部側を流れないこととなる。

それにより、酸素含有ガスは、反応ガス導入部材１１におけるセルスタック５の燃料電池セル３の配列方向における端部側を流れないことから、セルスタック５の燃料電池セル３の配列方向における端部側の温度が低下することを抑制できる（すなわち端部側の温度を上昇させることができる）。

それにより、セルスタック５の燃料電池セル３の配列方向における中央部側の温度が低下して、端部側の温度が上昇することから、セルスタック５全体としての温度分布を均一に近づけることができ、セルスタック５の発電量が低下することを抑制でき、発電効率を向上することができる。あわせて、セルスタック５を構成する一部の燃料電池セル３の劣化が早まることを抑制することができる。

ところで、反応ガス導入部材１１は、第１導入流路２３および第２導入流路２４を備える形状であればよく、例えばＴ字状の部材を上下に逆とした形状とすることもできる。それにより、燃料電池セル３の配列方向における中央部側の温度を下げることができる。

ここで、セルスタック５における燃料電池セル３の配列方向に沿った温度分布において、一端側から他端側に向けて山なりの温度分布となるが、この山なりの温度分布はほぼ左右対称となる場合がある。

それゆえ、第１導入流路２３の外形を、セルスタック５の燃料電池セル３の配列方向に沿った側面側から見たときに左右対称の形状とし、さらに、この第１導入流路２３の中央線が、セルスタック５の燃料電池セル３の配列方向における中央を上下方向に引いた中央線と重なるような位置関係となるように第１導入流路２３とセルスタック５とを配置することが好ましい。

それにより、左右対称の第１導入流路２３の中央部とセルスタック５の中央部とが向かい合う配置関係となるとともに、第１導入流路２３が左右対称の形状であることから、セルスタック５の中央部側の温度を効果的に低下させることができ、特に山なりとなっている温度分布を均一に近づけることができる。

また、反応ガス導入部材１１の外形を、反応ガス導入部材１１のセルスタック５と向かい合う面の幅を、上方から下方まで燃料電池セル３の配列方向におけるセルスタック５の幅以上とする形状とした場合（例えば、図４に示すような直方体状の形状）においては、燃料電池セル３の配列方向における端部側において、燃料電池セル３の発電で生じる熱や、余剰の燃料ガスを燃料電池セル３の上端部側で燃焼させる場合に生じる燃焼熱が、反応ガス導入部材１１に伝熱するとともに、その伝熱した熱が輻射熱となり、セルスタック５における燃料電池セル３の配列方向における端部側の温度を上昇させることができる。それゆえ、反応ガス導入部材１１の外形を、反応ガス導入部材１１のセルスタック５と向かい合う面の幅を、上方から下方まで燃料電池セル３の配列方向におけるセルスタック５の幅以上の形状とすることが好ましく、以降の図に示す反応ガス導入部材については、上述の形状にて示すものとする。

なお図４において、第１導入流路２３を形成するにあたり（すなわち酸素含有ガスが燃料電池セル３の配列方向における端部側を流れないようにするにあたり）、反応ガス導入部材１１の内部（端部側）に、反応ガス流通阻止部材２５を設けている。反応ガス流通阻止部材２５としては、耐熱性に優れたものであればよく、例えば、鉄やステンレス等の金属や、断熱材、セラミックス等により形成することができる。また、反応ガス導入部材１１の内部には、反応ガス流通阻止部材２５を固定するための固定部材を設けることが好ましい。さらに、第１導入流路２３を形成するにあたり、例えば、反応ガス導入部材１１の内壁同士を接合することにより形成することもできる。

また、第１導入流路２３は、上方から下方まで同じ幅であることが好ましく、図４においては、上方から下方まで同じ幅である第１導入流路２３を示している。それにより、燃料電池セル３の配列方向における中央部側に位置する燃料電池セル３の温度を効果的に低下させることができ、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。

なお、第２導入流路２４については、燃料電池セル３の配列方向に沿って一端から他端まで同じ幅とすることが好ましく、図４においては、燃料電池セル３の配列方向に沿って一端から他端まで同じ幅の第２導入流路２４を示している。

第２導入流路２４を上述した形状とすることにより、第１導入流路２３を介して第２導入流路２４に流れる酸素含有ガスの流れにむらが生じることを抑制できる。例えば、第２導入流路２４の一端側に酸素含有ガスが多く流れるといったことを抑制できる。それにより、セルスタック５を構成する各燃料電池セル３に十分な量の酸素含有ガスを導入することができることから、セルスタック５の発電量が低下することを抑制でき、発電効率を向上することができる。

図５は、図３で示す反応ガス導入部材２１を抜粋して示す斜視図であり、セルスタック５と向かい合う面に、燃料電池セル３の配列方向に沿って（第２導入流路２４に沿って）、複数個の反応ガス導入口２２を設けているほかは、上述した図４で示した反応ガス導入部材１１と同様である。

ここで図５に示す反応ガス導入部材２１において、セルスタック５と向かい合う面に、燃料電池セル３の配列方向に沿って（第２導入流路２４に沿って）、複数個の反応ガス導入口２２を備えることにより、マニホールド４に立設した燃料電池セル３の下端部に効率よく酸素含有ガスを供給することができる。それにより、セルスタック５の発電効率を向上することができる。

なお、図５においては、複数個の反応ガス導入口２２を、燃料電池セル３の配列方向における中央部側の間隔が狭く、端部側の間隔が広くなるように設けた例を示しているが、燃料電池セル３の配列方向に沿って等間隔となるように配置することもできる。

図６は、反応ガス導入部材の他の一例を示す斜視図であり、図６に示す反応ガス導入部材２６においては、燃料電池セル３の配列方向におけるセルスタック５の幅に対応した幅を有するとともに、上端が内壁１３に接続され、下端が第１導入流路２３に接続された第３導入流路２７を備えている。すなわち、反応ガス導入部材２６における酸素含有ガスの流路がＨを左右に９０°回転させた形状となっている。

それにより、内壁１３と外壁１４との間を流れる酸素含有ガスが、第３導入流路２７を介して第１導入流路２３に流れ、続いて第２導入流路２４を流れた後に、反応ガス導入口２２を介して燃料電池セル３に導入される。それにより、酸素含有ガスの流れにおいて圧損を低下させることができ、セルスタック５の発電効率を向上することができる。

なお、第３導入流路２７は、その第３導入流路２７の下端が、燃料電池セル３の上端以上の高さに位置するように設定することで、燃料電池セル３の配列方向における温度分布を効率よく均一に近づけることができる。

図７は、図３で示したセルスタック装置１２の一部および反応ガス導入部材２１（図５参照）を抜粋して示す側面図（説明図）である。

反応ガス導入部材２１における第１導入流路２３は、セルスタック５における燃料電池セル３の配列方向における中央部側の温度を低下させるとともに、端部側の温度の低下を抑える（端部側の燃料電池セル３の温度が上昇するようにする）形状とすることが好ましい。

それゆえ、第１導入流路２３の燃料電池セル３の配列方向に沿った幅（Ｗ２）は、セルスタック５の燃料電池セル３の配列方向における幅（Ｗ２）の幅の１０〜９０％となるように適宜設定することが好ましく、さらには５０〜７５％となるように設定することが好ましい。具体的には、幅が３ｍｍの燃料電池セル３を間隔をあけて７０本立設し、セルスタック５の燃料電池セル３の配列方向に沿った幅（Ｗ２）が３００ｍｍとなるセルスタック装置１２においては、第１導入流路２３の幅（Ｗ２）を、３０ｍｍ〜２７０ｍｍとすることができ、特に、１５０ｍｍ〜２２５ｍｍとなるように設定することが好ましい。

それにより、セルスタック５における燃料電池セル３の配列方向における中央部側の温度を低下することができるとともに、燃料電池セル３の配列方向における端部側の温度が低下することを効率よく抑制する（すなわち、端部側の温度を上昇させる）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。

図８は、図３で示したセルスタック装置１２の一部および反応ガス導入部材２１（図５参照）を抜粋して示す側面図（説明図）である。

反応ガス導入部材２１における第２導入流路２４は、セルスタック５を構成する各燃料電池セル３に十分な量の酸素含有ガスを導入するとともに、第１導入流路２３の大きさ（燃料電池セル３の長手方向に沿った長さ）をできるだけ大きくすることができる形状とすることが好ましい。

それゆえ、第２導入流路２４は、反応ガス導入口２２から第２導入流路２４の上端までの長さ（ｈ１）が、反応ガス導入口２２から燃料電池セル３の上端までの長さ（ｈ２）の５〜６０％以下となるように適宜設定することが好ましく、さらには５〜４０％となるように設定することが好ましい。なお、燃料電池セル３の上端とは、反応ガス導入口２２において燃料電池セル３の上端と同じ位置となる部位を意味する。

なお、反応ガス導入口２２からの高さとは、反応ガス導入口２２の燃料電池セル３の長手方向における中央部からの高さを意味するものとする。

具体的には、反応ガス導入口２２から燃料電池セル３の上端までの長さが１５０ｍｍであるモジュール１においては、反応ガス導入口２２から第２導入流路２４の上端までの長さを７．５ｍｍ〜９０ｍｍとすることができ、特には７．５ｍｍ〜６０ｍｍとなるように設定することが好ましい。

それにより、第１導入流路２３を流れた酸素含有ガスを、第２導入流路２４の燃料電池セル３の配列方向に沿った端部側に効率よく流すことができる。それにより、各燃料電池セル３に十分な量の酸素含有ガスを導入することができ、セルスタック５（燃料電池セル３）の発電量が低下することを抑制でき、発電効率を向上することができる。

図９は、本発明の燃料電池装置２８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２８は、支柱２９と外装板３０から構成される外装ケース内を仕切板３１により上下に区画し、その上方側を上述した燃料電池モジュール１を収納するモジュール収納室３２とし、下方側を燃料電池モジュール１を動作させるための補機類を収納する補機収納室３３として構成されている。なお、補機収納室３３に収納する補機類を省略して示している。

また、仕切板３１は、補機収納室３３の空気をモジュール収納室３２側に流すための空気流通口３４が設けられており、モジュール収納室３２を構成する外装板３０の一部に、モジュール収納室３２内の空気を排気するための排気口３５が設けられている。

このような燃料電池装置２８においては、上述したように、発電効率が向上した燃料電池モジュール１をモジュール収納室３２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２８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、燃料電池セル３を、内部を第２の反応ガスである酸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型とすることもできる。この場合においては、内壁１３と外壁１４とで形成される反応ガス流路を第１の反応ガスである燃料ガスが流通する流路とし、反応ガス導入部材１１より各燃料電池セル３に燃料ガスを供給し、マニホールド４（燃料電池セル３）に酸素含有ガスを供給する構成となる。この場合においても、上述と同様に、セルスタック５全体としての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。

また、上述の説明において、収納容器２内に収納するセルスタック５を２つ並置してなるセルスタック装置１３を用いて説明したが、例えばセルスタック５を１つだけ配置してなるセルスタック装置を収納することもできる。この場合においては、反応ガス導入部材１１を、セルスタック５の両側面側に位置するように設けることができる。

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。図２に示した反応ガス導入部材の斜視図である。図３に示した反応ガス導入部材の斜視図である。反応ガス導入部材の他の一例を示す斜視図である。本発明の燃料電池モジュールの一例において、一部を抜粋して示す側面図である。本発明の燃料電池モジュールの一例において、一部を抜粋して示す側面図である。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：燃料電池モジュール
３：燃料電池セル
１１、２１、２６：反応ガス導入部材
１６、２２：反応ガス導入口
２０、２３：第１導入流路
２１、２４：第２導入流路
２７：第３導入流路
２８：燃料電池装置

Claims

内部に第１の反応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電気的に直列に接続してなるセルスタックと、該セルスタックを構成する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前記第１の反応ガスを供給するマニホールドとを具備するセルスタック装置を収納容器内に収納してなり、該収納容器は、内壁と外壁とを有する二重壁構造で、前記内壁と前記外壁との間を第２の反応ガスの流路とし、前記内壁には、前記流路につながって前記燃料電池セルの配列方向に沿った側面側より前記燃料電池セルの下端部へ前記第２の反応ガスを導入するための反応ガス導入部材を備えてなる燃料電池モジュールにおいて、前記反応ガス導入部材は、内部に前記燃料電池セルの配列方向における両端にそれぞれ反応ガス流通阻止部材を有し、該反応ガス流通阻止部材の間が、前記燃料電池セルの配列方向における前記セルスタックの幅よりも狭い幅とされており、前記流路を流れた前記第２の反応ガスは、前記反応ガス流通阻止部材の間であって、前記セルスタックの前記燃料電池セルの配列方向における中央部と向かい合う位置で上方から下方に向けて形成された第１導入流路を流れるとともに、該第１導入流路の下端に、前記燃料電池セルの配列方向における前記セルスタックの幅に対応した幅を有する第２導入流路が接続されており、該第２導入流路に、当該第２導入流路に流れた前記第２の反応ガスを前記燃料電池セルの下端部へ導入するための反応ガス導入口が設けられていることを特徴とする燃料電池モジュール。
前記第１導入流路は、前記セルスタックの前記燃料電池セルの配列方向に沿った側面側から見たときに、前記第１導入流路の外形が左右対称であるとともに、該第１の導入流路の中央線と前記セルスタックの前記燃料電池セルの配列方向における中央を上下方向に引いた中央線とが重なるような位置関係に、前記第１導入流路と前記セルスタックとが配置されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池モジュール。
前記反応ガス導入部材は、前記セルスタックと向かい合う面の幅が、上方から下方まで前記燃料電池セルの配列方向における前記セルスタックの幅以上であ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。
前記反応ガス導入口が、前記反応ガス導入部材の前記セルスタックと向かい合う面に、前記燃料電池セルの配列方向に沿って複数個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のうちいずれかに記載の燃料電池モジュール。
前記反応ガス導入部材は、前記燃料電池セルの配列方向における前記セルスタックの幅
に対応した幅を有するとともに、上端が前記内壁に接続され、下端が前記第１導入流路に接続された第３導入流路を備え、該第３導入流路の下端が前記燃料電池セルの上端以上の高さに位置す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。
前記第１導入流路の幅が、前記セルスタックの前記燃料電池セルの配列方向における幅の１０〜９０％であることを特徴とする請求項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。
前記反応ガス導入口から前記第２導入流路の上端までの長さが、前記反応ガス導入口から前記燃料電池セルの上端までの長さの５〜６０％以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項６のうちいずれかに記載の燃料電池モジュール。
前記第１導入流路の幅が、上方から下方まで同じ幅であることを特徴とする請求項１乃至請求項７のうちいずれかに記載の燃料電池モジュール。
請求項１乃至請求項８のうちいずれかに記載の燃料電池モジュールと、前記セルスタック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。