JP5620174B2

JP5620174B2 - 燃料電池モジュールおよび燃料電池装置

Info

Publication number: JP5620174B2
Application number: JP2010164379A
Authority: JP
Inventors: 孝小野; 光博中村; 高橋　成門; 成門高橋
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2010-07-21
Filing date: 2010-07-21
Publication date: 2014-11-05
Anticipated expiration: 2030-07-21
Also published as: JP2012028099A

Description

本発明は、収納容器内に複数個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、次世代エネルギー生成装置として、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、および天然ガス等の原燃料を燃料ガスに改質するための改質器等を収納容器内に収納してなる燃料電池モジュール、燃料電池モジュールを外装ケース内に収納してなる燃料電池装置が種々提案されている。

このような燃料電池モジュールにおいては、燃料電池セルの発電に使用されなかった燃料ガスを燃焼させて、改質器にて効率よく改質反応を行なうとともに、燃料電池モジュール内を高温に維持することで、高効率の発電を行なうことができる。

ところで、このような燃料電池モジュールにおいては、原燃料を改質する際、および発電で使用されなかった燃料ガスを燃焼させる際の不完全燃焼等により、一酸化炭素を含有する排ガスを生じる場合がある。

それゆえ、一酸化炭素を含有する排ガスが燃料電池装置の外部に排気されないように、排ガスを排気するための排ガス流路の流入口または排ガス流路中に第１の排ガス処理装置を備えるとともに、排気ガスの排気孔内または排気孔に接続される第２の排ガス処理装置を備え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。）。

特開２００９−１１０６７５号公報

特許文献１に記載の燃料電池モジュールにおいては、排ガス処理装置を２つ備えることにより、燃料電池モジュール内で生じた排ガスを効率よく浄化することができるものの、第１の排ガス処理装置が排ガス流路の流入口または排ガス流路中に配置されていることから、排ガスの浄化に伴う熱を、燃料電池セルの発電に効率よく利用できない点で改善の余地がある。

そこで、本発明の目的は、発電効率の向上した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にある。

本発明の燃料電池モジュールは、収納容器内に、酸素含有ガスと燃料ガスとを用いて発電を行う燃料電池セルの複数個を配列してなるセルスタックと、前記燃料電池セルの一端を固定するとともに、前記酸素含有ガスまたは前記燃料ガスを前記燃料電池セルに供給するためのガスケースと、前記セルスタックとは反対側で前記ガスケースに当接して設けられ、前記燃料電池セルの発電に使用されなかった排ガスを浄化するための燃焼触媒を有する排ガス処理器と、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方に前記セルスタックから離間して設けられた第１断熱部材と、前記セルスタックと前記第１断熱部材との間に設けられ、前記セルスタックに前記酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス供給部と、前記酸素含有ガス供給部に隣接して設けられ、前記燃料電池セルの発電に使用されなかった排ガスを前記排ガス処理器に供給するための排ガス供給部と、を備えることを特徴とする。

また本発明の燃料電池モジュールは、前記収納容器が、前記第１断熱部材から外方に離間して設けられ、前記収納容器内に供給された前記酸素含有ガスを前記酸素含有ガス供給部に導くための酸素含有ガス導出部と、前記ガスケースとは反対側で前記排ガス処理器に当接して設けられ、貫通孔が形成された第２断熱部材と、前記排ガス処理器で浄化された排ガスを前記収納容器の外部に排出する排気部であって、前記酸素含有ガス導出部に隣接して設けられ、前記第２断熱部材の前記貫通孔を介して前記排ガス処理器に接続される第１排気部と、前記第１排気部とは反対側で前記酸素含有ガス導出部に隣接して設けられ、前記第１排気部に接続される第２排気部とを有する排気部と、を備えていてもよい。

また本発明の燃料電池モジュールは、前記収納容器が、前記第１断熱部材から外方に離間して設けられ、前記収納容器内に供給された前記酸素含有ガスを前記酸素含有ガス供給部に導くための酸素含有ガス導出部と、前記排ガス処理器で浄化された排ガスを前記収納容器の外部に排出する排気部であって、前記セルスタックと前記第１断熱部材との間で、前記排ガス供給部とは反対側で前記酸素含有ガス供給部に隣接して設けられ、前記排ガス処理器に接続される第１排気部と、前記酸素含有ガス導出部に隣接して設けられ、前記第１排気部に接続される第２排気部とを有する排気部と、を備えていてもよい。

本発明の燃料電池装置は、外装ケースと、該外装ケース内に収納される上記のうちいずれかに記載の燃料電池モジュールと、該燃料電池モジュールを作動させるための補機とを具備することを特徴とする。

本発明の燃料電池モジュールによれば、排ガス処理器がセルスタックとは反対側でガスケースに当接して設けられるので、燃料電池モジュール内で生じた排ガスを効率よく浄化することができるとともに、排ガスの浄化に伴う熱がガスケースに効率よく伝熱されることで、ガスケースの温度を上げることができる。これによって、セルスタックの温度を上げることができるので電池電圧が上がり、発電効率を向上することができる。

また、外装ケース内に当該燃料電池モジュールと、当該燃料電池モジュールを作動させるための補機とを収納することで、発電効率の向上した燃料電池装置とすることができる。

本発明の実施の一形態に係る燃料電池モジュール１の構成を示す分解斜視図である。図１に示す燃料電池モジュール１の構成を示す断面図である。本発明の実施の他の形態に係る燃料電池モジュール５１の構成を示す断面図である。燃料電池モジュール５１が備える排ガス処理器７３の構成を示す断面図である。本発明の実施の一形態に係る燃料電池装置１００の構成を示す斜視図である。

図１は、本発明の実施の一形態に係る燃料電池モジュール１の構成を示す分解斜視図である。なお、以降の図において同一の部材については同一の参照符号を付すものとする。

図１に示す燃料電池モジュール１においては、収納容器２の内部に設けられた発電室内に、内部にガスが流通するガス流路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間に集電部材を配置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でマニホールド（ガスケース）６に固定してなるセルスタック４（セルスタック装置９）を収納して構成されている。なお、図１においては収納容器２の内部に、セルスタック４を１つのみ収納する場合を示している。また、セルスタック４の両端部側には、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５が配置されている。

なお、図１においては、燃料電池セル３として、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型で、ガス流路を有する支持体の表面に、燃料極層、固体電解質層および酸素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。

本実施形態の燃料電池モジュール１では、燃料電池セル３の発電で使用する燃料ガスを得るために、原燃料供給管１０を介して供給される天然ガス、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７がセルスタック４（燃料電池セル３）の上方に配置されている。そして、改質器７で生成された燃料ガスは、燃料ガス流通管８を介してマニホールド６に供給され、マニホールド６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９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９に改質器７を含むこともできる。

なお、改質器７において水蒸気改質を行なう場合には、改質器７の内部に水を気化させるための気化部と、原燃料と水蒸気とで水蒸気改質を行なう改質触媒を備える改質部とを備えていることが好ましく、例えば気化部と改質部とを連続するように配置するほか、改質器７の中央部側に気化部を配置し、その両端側に改質部を配置してなる改質器７とすることもでき、この場合、それぞれの改質部とマニホールド６とをそれぞれ燃料ガス流通管８にて接続することもできる。

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９を後方に取り出した状態を示している。ここで、図１に示した燃料電池モジュール１においては、セルスタック装置９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、図１に示した収納容器２においては、収納容器２の底面に、燃料電池セル３に供給する酸素含有ガス（通常は空気である）を供給するための酸素含有ガス供給管１１と、燃料電池セル３の発電等により生じた排ガスを収納容器２の外部に排気するための排気管１２とが接続されている。図１では酸素含有ガス供給管１１と排気管１２とを二重管としているが、別々に設けても構わない。

図２は、図１に示す燃料電池モジュール１の構成を示す断面図である。本実施形態の燃料電池モジュール１は、収納容器２内に、セルスタック４と、ガスケースであるマニホールド６と、排ガス処理器２３とを収納してなる。セルスタック４は、酸素含有ガスと燃料ガスとを用いて発電を行う燃料電池セル３の複数個を配列してなる。マニホールド６は、燃料電池セル３の一端を固定するとともに、燃料ガスを燃料電池セル３に供給する。排ガス処理器２３は、セルスタック４とは反対側でマニホールド６に当接して設けられ、燃料電池セル３の発電に使用されなかった排ガスを浄化するための燃焼触媒を有する。

収納容器２は、外壁１３にて収納容器２の外枠が形成され、内部に燃料電池セル３（セルスタック装置９）を収納する発電室３２が形成されている。本実施形態の燃料電池モジュール１においては、改質器７とセルスタック４（燃料電池セル３）との間（セルスタック４の上端側）の燃焼部３１で、燃料電池セル３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、改質器７の温度、発電室３２内の温度を効率よく上昇させることができることで、改質器７における水蒸気改質の改質効率を向上することができ、それにより発電効率を向上することができる。

燃料電池モジュール１においては、改質器７における水蒸気改質反応の状況、燃焼部３１での余剰の燃料ガスの燃焼状態によっては、不完全燃焼等を生じる場合があり、この場合に一酸化炭素を含有する排ガスが生じる場合がある。

本実施形態の燃料電池モジュール１において、マニホールド６に当接して設けられる排ガス処理器２３は、一酸化炭素を含有する排ガスを浄化（無害化）するための燃焼触媒を有する。燃焼触媒としては、一般的に公知のものを使用することができるほか、改質器７での改質反応温度、燃料電池セル３の発電温度等に基づいて、適宜設定することができ、例えば、γ−アルミナ、α−アルミナおよびコージェライト等のいずれか一種の多孔質担体に、白金またはパラジウム等の貴金属類の触媒を担持させた燃焼触媒を用いることができる。

なお、排ガス処理器２３としては、例えば、燃焼触媒をケース内に収納してなる形状、ハニカム型の燃焼触媒（以下、「ハニカム触媒」と略す）とすることもできる。ハニカム触媒としては、設定される温度範囲（作動温度）にあわせて適宜選択して用いることができ、例えばメタルハニカム触媒等を用いることができる。

本実施形態の燃料電池モジュール１では、排ガス処理器２３がセルスタック４とは反対側でマニホールド６に当接して設けられるので、収納容器２内で生じた排ガスを浄化することができるとともに、排ガスの浄化に伴う熱がマニホールド６に効率よく伝熱されることで、マニホールド６の温度を上げることができる。これによって、セルスタック４の温度を上げることができるので電池電圧が上がり、発電効率を向上することができる。

また、本実施形態の燃料電池モジュール１において、収納容器２内には、図２に示すように、燃料電池セル３の配列方向に沿った両側部の外壁１３の内側に所定間隔をあけて第１の壁１４が配置されており、第１の壁１４の内側に所定間隔をあけて第２の壁１５が配置されており、第２の壁１５の内側に所定間隔をあけて第３の壁１６が配置されており、第３の壁１６の内側に所定間隔をあけて第４の壁１７が配置されており、さらに第２の壁１５と第３の壁１６との間には第１断熱部材２８が配置されている。また、収納容器２内には、マニホールド６とは反対側で排ガス処理器２３に当接して、貫通孔３９が形成された第２断熱部材２９が設けられている。

また、収納容器２内には、発電室３２の上方に発電室３２を形成するための上壁３３が設けられており、第２断熱部材２９の外側に所定間隔をあけて底壁３４が第２の壁１５の下方端部に接続されて設けられており、底壁３４と外壁１３（収納容器２の底壁）との間には仕切壁３４ａが第１の壁１４の下方端部に接続されて設けられている。また、収納容器２内には、第２断熱部材２９と底壁３４との間に、排ガス処理器２３で浄化され第２断熱部材２９の貫通孔３９を介して排出される排ガスが流れ込む排ガス導出部２４が形成されている。またさらに、収納容器２の底部には、酸素含有ガスを収納容器２内に供給するための酸素含有ガス供給管１１が接続されており、この酸素含有ガス供給管１１より供給される酸素含有ガスが流れ込む酸素含有ガス導入部１８が、底壁３４と仕切壁３４ａとの間に形成されている。また、収納容器２の底部には、酸素含有ガス導入部１８の下部における仕切壁３４ａと外壁１３との間に排ガス収集部２７が設けられ、この排ガス収集部２７に流れ込んだ収納容器２内の排ガスが排気管１２から外部に排気されるようになっている。なお、発電室３２は、上壁３３と第４の壁１７と第２断熱部材２９とで囲まれた空間となる。また、燃料電池セル３（セルスタック４）の側面には、断熱部材３０が配置されている。

このような収納容器２においては、セルスタック４を構成する燃料電池セル３の配列方向に沿った両側部と、該両側部に対向する収納容器２の外壁１３との間に、酸素含有ガスおよび排ガスを流すための流路を備えている。具体的には、第３の壁１６と第４の壁１７とで形成された空間からなる流路が、セルスタック４に酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス供給部２１となり、第１の壁１４と第２の壁１５とで形成された空間からなる流路が、酸素含有ガス供給管１１から酸素含有ガス導入部１８に供給された酸素含有ガスを、酸素含有ガス供給部２１に導く酸素含有ガス導出部１９となる。なお、上壁３３と外壁１３（収納容器２の上壁）との間には、酸素含有ガス導出部１９と酸素含有ガス供給部２１とを連結する酸素含有ガス連結部２０が形成されている。

また、第１断熱部材２８と第３の壁１６とで形成された空間からなる流路が、燃料電池セル３の発電に使用されなかった排ガスを排ガス処理器２３に供給するための排ガス供給部２２となる。また、第２の壁１５と第１断熱部材２８とで形成された空間からなる流路が、排ガス処理器２３で浄化され貫通孔３９を介して排ガス導出部２４に排出された排ガスを、収納容器２の外部に排出する排気部を構成する第１排気部２５となる。さらに、外壁１３と第１の壁１４とで形成された空間からなる流路が、第１排気部２５に接続され、第１排気部２５を流れる排ガスを、収納容器２の外部に排出する排気部を構成する第２排気部２６となる。

このような収納容器２においては、酸素含有ガス供給管１１より供給される酸素含有ガスは、酸素含有ガス導入部１８に流れ込み、続いて酸素含有ガス導出部１９を上方に向かって流れる。酸素含有ガス導出部１９を上方に向かって流れた酸素含有ガスは、上壁３３に形成された第１流路開口部３５を介して酸素含有ガス連結部２０に流れ込み、続いて上壁３３に形成された第２流路開口部３６を介して酸素含有ガス供給部２１に流れる。酸素含有ガス供給部２１を下方に向かって流れた酸素含有ガスは、第４の壁１７に形成された酸素含有ガス吹き出し開口部３７を介して、発電室３２内の燃料電池セル３に供給される。

また、収納容器２においては、燃料電池セル３の発電に使用されなかった排ガスは、燃焼部３１で燃焼された後、酸素含有ガス供給部２１を貫通して設けられている第１排出開口部３８を介して排ガス供給部２２に流れ込み、排ガス供給部２２を下方に向かって流れる。排ガス供給部２２を下方に向かって流れた排ガスは、排ガス処理器２３に供給される。排ガス処理器２３に供給された排ガスは、燃焼触媒により浄化されて第２断熱部材２９の貫通孔３９を介して排ガス導出部２４に流れ込み、続いて第１排気部２５を上方に向かって流れる。第１排気部２５を上方に向かって流れた排ガスは、酸素含有ガス導出部１９を貫通して設けられている第２排出開口部４０を介して第２排気部２６に流れ込み、第２排気部２６を下方に向かって流れる。第２排気部２６を下方に向かって流れた排ガスは、排ガス収集部２７に流れ込み、この排ガス収集部２７から排気管１２を介して収納容器２の外部に排出される。

酸素含有ガスおよび排ガスの流れが前述のように構成された燃料電池モジュール１において、酸素含有ガス供給管１１より供給される酸素含有ガスは、酸素含有ガス導入部１８を流れる間に、酸素含有ガス導入部１８に隣接する排ガス収集部２７および排ガス導出部２４を流れる排ガスと熱交換され、酸素含有ガス導出部１９を流れる間に、酸素含有ガス導出部１９に隣接する第１排気部２５および第２排気部２６を流れる排ガスと熱交換され、酸素含有ガス供給部２１を流れる間に、酸素含有ガス供給部２１に隣接する排ガス供給部２２を流れる排ガスおよび発電室３２内の熱と熱交換されることになる。これによって、燃料電池セル３における発電時に用いる酸素含有ガスの温度を上げることができるので、セルスタック４の温度を上げることができて電池電圧が上がり、発電効率を向上することができる。

図３は、本発明の実施の他の形態に係る燃料電池モジュール５１の構成を示す断面図である。図４は、燃料電池モジュール５１が備える排ガス処理器７３の構成を示す断面図である。

燃料電池モジュール５１においては、収納容器５２の内部に設けられた発電室８２内に、複数の燃料電池セル５３を立設させた状態で配列し、隣接する燃料電池セル３間に集電部材を配置して電気的に直列に接続するとともに、燃料電池セル５３の下端をマニホールド５６に固定してなるセルスタック５４を収納して構成されている。

また、本実施形態の燃料電池モジュール５１では、燃料電池セル５３の発電で使用する燃料ガスを得るために、原燃料を改質して燃料ガスを生成するための改質器５７がセルスタック５４の上方に配置されている。改質器５７で生成された燃料ガスは、マニホールド５６に供給され、マニホールド５６より燃料電池セル５３の内部に設けられたガス流路に供給される。そして、収納容器２においては、収納容器２の底面に、燃料電池セル５３に供給する酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス供給管６１と、燃料電池セル５３の発電等により生じた排ガスを収納容器５２の外部に排気するための排気管６２とが接続されている。

本実施形態の燃料電池モジュール５１は、収納容器５２内に、セルスタック５４と、マニホールド５６と、排ガス処理器７３とを収納してなる。セルスタック５４は、酸素含有ガスと燃料ガスとを用いて発電を行う燃料電池セル５３の複数個を配列してなる。マニホールド５６は、燃料電池セル５３の一端を固定するとともに、燃料ガスを燃料電池セル５３に供給する。排ガス処理器７３は、前述した燃料電池モジュール１に備えられる排ガス処理器２３と同様に、セルスタック５４とは反対側でマニホールド５６に当接して設けられ、燃料電池セル５３の発電に使用されなかった排ガスを浄化するための燃焼触媒を有する。

収納容器５２は、外壁６３にて収納容器５２の外枠が形成され、内部に燃料電池セル５３を収納する発電室８２が形成されている。本実施形態の燃料電池モジュール５１においては、改質器５７とセルスタック５４との間（セルスタック５４の上端側）の燃焼部８１で、燃料電池セル５３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、改質器５７の温度、発電室８２内の温度を効率よく上昇させることができる。

本実施形態の燃料電池モジュール５１において、マニホールド５６に当接して設けられる排ガス処理器７３は、一酸化炭素を含有する排ガスを浄化するための燃焼触媒を有する。そして、排ガス処理器７３は、図４に示すように、後述する排ガス供給部７２より排ガス供給開口部７３０を介して供給される排ガスが流れる複数の流路７３１が、層状に、燃料電池セル５３の配列方向に対して平行に設けられている。この複数の流路７３１は、連通開口部７３２を介して互いに連通状態になっており、各流路７３１を流れる排ガスは、各流路７３１に対応して設けられる第１排出開口部７３３を介して、後述する第１排気部７４に排出される。なお、排ガス処理器７３において、燃焼触媒は、排ガスが流れる複数の流路７３１内に配置されている。

本実施形態の燃料電池モジュール５１では、排ガス処理器７３がセルスタック５４とは反対側でマニホールド５６に当接して設けられるので、収納容器５２内で生じた排ガスを効率よく浄化することができるとともに、排ガスの浄化に伴う熱がマニホールド５６に効率よく伝熱されることで、マニホールド５６の温度を上げることができる。これによって、セルスタック５４の温度を上げることができるので電池電圧が上がり、発電効率を向上することができる。

また、本実施形態の燃料電池モジュール５１において、収納容器５２内には、図３に示すように、燃料電池セル５３の配列方向に沿った両側部の外壁６３の内側に所定間隔をあけて第１の壁６４が配置されており、第１の壁６４の内側に所定間隔をあけて第２の壁６５が配置されており、第２の壁６５の内側に所定間隔をあけて第３の壁６６が配置されており、第３の壁６６の内側に所定間隔をあけて第４の壁６７が配置されており、さらに第１の壁６４と第２の壁６５との間には第１断熱部材７８が配置されている。また、収納容器５２内には、マニホールド５６とは反対側で排ガス処理器７３に当接して第２断熱部材７９が設けられている。

また、収納容器５２内には、発電室８２の上方に発電室８２を形成するための上壁８３が設けられており、上壁８３と改質器５７との間には仕切壁８３ａが第１断熱部材７８の上方端部に接続されて設けられており、第２断熱部材７９の外側に所定間隔をあけて底壁８４が第１の壁６４の下方端部に接続されて設けられている。また、収納容器５２の底部には、酸素含有ガスを収納容器５２内に供給するための酸素含有ガス供給管６１が接続されており、この酸素含有ガス供給管６１より供給される酸素含有ガスが流れ込む酸素含有ガス導入部６８が、底壁８４の外側における底壁８４と外壁６３との間に形成されている。また、収納容器５２の底部には、酸素含有ガス導入部６８の上部における第２断熱部材７９と底壁８４との間に排ガス収集部７６が設けられ、この排ガス収集部７６に流れ込んだ収納容器５２内の排ガスが排気管６２から外部に排気されるようになっている。なお、発電室８２は、上壁８３と第３の壁６６と第２断熱部材７９とで囲まれた空間となる。また、燃料電池セル５３の側面には、断熱部材８０が配置されている。

このような収納容器５２においては、セルスタック５４を構成する燃料電池セル５３の配列方向に沿った両側部と、該両側部に対向する収納容器５２の外壁６３との間に、酸素含有ガスおよび排ガスを流すための流路を備えている。具体的には、第２の壁６５と第３の壁６６とで形成された空間からなる流路が、セルスタック５４に酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス供給部７１となり、外壁６３と第１の壁６４とで形成された空間からなる流路が、酸素含有ガス供給管６１から酸素含有ガス導入部６８に供給された酸素含有ガスを、酸素含有ガス供給部７１に導く酸素含有ガス導出部６９となる。なお、上壁８３と外壁６３（収納容器５２の上壁）との間には、酸素含有ガス導出部６９と酸素含有ガス供給部７１とを連結する酸素含有ガス連結部７０が形成されている。

また、第３の壁６６と第４の壁６７とで形成された空間からなる流路が、燃料電池セル５３の発電に使用されなかった排ガスを排ガス処理器７３に供給するための排ガス供給部７２となる。また、第１断熱部材７８と第２の壁６５とで形成された空間からなる流路が、排ガス処理器７３で浄化されて排ガス処理器７３の第１排出開口部７３３より排出された排ガスを、収納容器５２の外部に排出する排気部を構成する第１排気部７４となる。さらに、第１の壁６４と第１断熱部材７８とで形成された空間からなる流路が、第１排気部７４に接続され、第１排気部７４を流れる排ガスを、収納容器５２の外部に排出する排気部を構成する第２排気部７５となる。

このような収納容器５２においては、酸素含有ガス供給管６１より供給される酸素含有ガスは、酸素含有ガス導入部６８に流れ込み、続いて酸素含有ガス導出部６９を上方に向かって流れる。酸素含有ガス導出部６９を上方に向かって流れた酸素含有ガスは、酸素含有ガス連結部７０に流れ込み、続いて上壁８３に形成された流路開口部８６を介して酸素含有ガス供給部７１に流れる。酸素含有ガス供給部７１を下方に向かって流れた酸素含有ガスは、第４の壁６７に形成され、かつ排ガス供給部７２を貫通して設けられている酸素含有ガス吹き出し開口部８７を介して、発電室８２内の燃料電池セル５３に供給される。

また、収納容器５２においては、燃料電池セル５３の発電に使用されなかった排ガスは、燃焼部８１で燃焼された後、排ガス供給部７２に流れ込み、排ガス供給部７２を下方に向かって流れる。排ガス供給部７２を下方に向かって流れた排ガスは、排ガス処理器７３に供給される。排ガス処理器７３に供給された排ガスは、燃焼触媒により浄化されて第１排出開口部７３３を介して第１排気部７４に流れ込み、第１排気部７４を上方に向かって流れる。第１排気部７４を上方に向かって流れた排ガスは、第２排出開口部８５を介して第２排気部７５に流れ込み、第２排気部７５を下方に向かって流れる。第２排気部７５を下方に向かって流れた排ガスは、排ガス収集部７６に流れ込み、この排ガス収集部７６から排気管６２を介して収納容器５２の外部に排出される。

酸素含有ガスおよび排ガスの流れが前述のように構成された燃料電池モジュール５１においては、酸素含有ガス供給管６１より供給される酸素含有ガスは、酸素含有ガス導入部６８を流れる間に、酸素含有ガス導入部６８に隣接する排ガス収集部７６を流れる排ガスと熱交換され、酸素含有ガス導出部６９を流れる間に、酸素含有ガス導出部６９に隣接する第２排気部７５を流れる排ガスと熱交換され、酸素含有ガス供給部７１を流れる間に、酸素含有ガス供給部７１に隣接する第１排気部７４および排ガス供給部７２を流れる排ガスと熱交換されることになる。これによって、燃料電池セル５３における発電時に用いる酸素含有ガスの温度を上げることができるので、セルスタック５４の温度を上げることができて電池電圧が上がり、発電効率を向上することができる。

図５は、本発明の実施の一形態に係る燃料電池装置１００の構成を示す斜視図である。なお、図５においては一部構成を省略して示している。

図５に示す燃料電池装置１００は、支柱９１と外装板９２とから構成される外装ケース内を仕切板９３により上下に区画し、その上方側を前述した燃料電池モジュール１，５１を収納するモジュール収納室９４とし、下方側を燃料電池モジュール１，５１を動作させるための補機類を収納する補機収納室９５として構成されている。なお、補機収納室９５に収納する補機類を省略して示している。

また、仕切板９３は、補機収納室９５の空気をモジュール収納室９４側に流すための空気流通口９６が設けられており、モジュール収納室９４を構成する外装板９２の一部に、モジュール収納室９４内の空気を排気するための排気口９７が設けられている。

このような燃料電池装置１００においては、前述したように、発電効率が向上した燃料電池モジュール１，５１をモジュール収納室９４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１００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、本発明は前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。

例えば、前述した燃料電池モジュール１，５１においては、発電室内に１つのセルスタックが収納されたモジュールとして説明したが、発電室内に２つのセルスタックを収納してなるモジュールとすることもできる。

この場合には、収納容器の内部に、内部を燃料ガスが流通するガス流路を有する柱状の燃料電池セルを立設させた状態で配列し、隣接する燃料電池セル間に集電部材を配置して電気的に直列に接続してなるセルスタックの２つが、マニホールドにガラスシール材等の絶縁性接合材にて並置状態で固定されて、セルスタック装置が構成される。

そして、改質器は一方のセルスタックの一端側より他端側へ延び、他端側で折り返して他方のセルスタックの一端側へ延びる折り返し構造とされており、改質器において、効率のよい改質反応である水蒸気改質を行なうべく、水を気化させるための気化部と、原燃料を燃料ガスに改質するための改質触媒が配置された改質部とすることができる。また、収納容器の内部には、マニホールドに並置された２つのセルスタックの間に配置され、酸素含有ガスが燃料電池セルの側方を下端部から上端部に向けて流れるように、酸素含有ガス導入部材が配置される。

さらにまた、発電室内に３つ以上のセルスタックを収納してなるモジュールとすることもできる。この場合には、隣接するセルスタックの間にそれぞれ酸素含有ガス導入部材を配置するようにすればよい。

また、前述した燃料電池モジュール１，５１においては、燃料電池セルの形状が中空平板形状であるとして説明したが、燃料電池セルの形状は、円筒形状等の他の形状のものでも構わない。

１，５１燃料電池モジュール
２，５２収納容器
３，５３燃料電池セル
４セルスタック
６，５６マニホールド
７，５７改質器
１９，６９酸素含有ガス導出部
２１，７１酸素含有ガス供給部
２２，７２排ガス供給部
２３，７３排ガス処理器
２５，７４第１排気部
２６，７５第２排気部
２８，７８第１断熱部材
２９，７９第２断熱部材
３９貫通孔
１００燃料電池装置

Claims

収納容器内に、
酸素含有ガスと燃料ガスとを用いて発電を行う燃料電池セルの複数個を配列してなるセルスタックと、
前記燃料電池セルの一端を固定するとともに、前記酸素含有ガスまたは前記燃料ガスを前記燃料電池セルに供給するためのガスケースと、
前記セルスタックとは反対側で前記ガスケースに当接して設けられ、前記燃料電池セルの発電に使用されなかった排ガスを浄化するための燃焼触媒を有する排ガス処理器と、
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方に前記セルスタックから離間して設けられた第１断熱部材と、
前記セルスタックと前記第１断熱部材との間に設けられ、前記セルスタックに前記酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス供給部と、
前記酸素含有ガス供給部に隣接して設けられ、前記燃料電池セルの発電に使用されなかった排ガスを前記排ガス処理器に供給するための排ガス供給部と、
を備えることを特徴とする燃料電池モジュール。
前記収納容器が、
前記第１断熱部材から外方に離間して設けられ、前記収納容器内に供給された前記酸素含有ガスを前記酸素含有ガス供給部に導くための酸素含有ガス導出部と、
前記ガスケースとは反対側で前記排ガス処理器に当接して設けられ、貫通孔が形成された第２断熱部材と、
前記排ガス処理器で浄化された排ガスを前記収納容器の外部に排出する排気部であって、前記酸素含有ガス導出部に隣接して設けられ、前記第２断熱部材の前記貫通孔を介して前記排ガス処理器に接続される第１排気部と、前記第１排気部とは反対側で前記酸素含有ガス導出部に隣接して設けられ、前記第１排気部に接続される第２排気部とを有する排気部と、を備え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。
前記収納容器が、
前記第１断熱部材から外方に離間して設けられ、前記収納容器内に供給された前記酸素含有ガスを前記酸素含有ガス供給部に導くための酸素含有ガス導出部と、
前記排ガス処理器で浄化された排ガスを前記収納容器の外部に排出する排気部であって、前記セルスタックと前記第１断熱部材との間で、前記排ガス供給部とは反対側で前記酸素含有ガス供給部に隣接して設けられ、前記排ガス処理器に接続される第１排気部と、前記酸素含有ガス導出部に隣接して設けられ、前記第１排気部に接続される第２排気部とを有する排気部と、を備え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。
外装ケースと、
該外装ケース内に収納される請求項１〜３のいずれか１つに記載の燃料電池モジュールと、
該燃料電池モジュールを作動させるための補機とを具備することを特徴とする燃料電池装置。