JP5725443B2 - 燃料電池モジュール - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池モジュールに係わり、特に、水蒸気改質された燃料により発電を行う燃料電池モジュールに関する。

固体電解質型燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell：以下「ＳＯＦＣ」とも言う）は、電解質として酸化物イオン導電性固体電解質を用い、その両側に電極を取り付け、一方の側に燃料ガスを供給し、他方の側に酸化剤（空気、酸素等）を供給して、比較的高温で発電反応を生じさせて発電を行う燃料電池装置である。

この燃料電池装置（ＳＯＦＣ）は、具体的には、燃料ガスと酸化剤（空気、酸素等）とが一端側から他端側へと流れることによって作動する複数の燃料電池セルを含む燃料電池モジュールを備え、外部から燃料である被改質ガス（都市ガス等）が供給され、その都市ガス等を改質触媒が収められた改質器に導入し、水素リッチな燃料ガスに改質した後に複数の燃料電池セルへと供給している。

一方、燃料電池装置においては、改質器により水蒸気改質して燃料ガスを生成しているが、特許文献１には、蒸発器により水を加熱して水蒸気にして、被改質ガスと共に改質器に供給し、改質器にて水蒸気改質を行って燃料ガスを生成するようにした燃料電池装置が記載されている。

さらに、特許文献２には、水及び被改質ガスを改質容器内の一部に設けられた気化室（蒸発器）に供給し、気化室で水を蒸発させることにより、被改質ガスの改質に必要量の水蒸気を供給する改質装置が記載されている。

特開２００８−１４７２００号公報 特開２００８−７３４９号公報

しかしながら、上述した従来の燃料電池装置（特許文献１）においては、蒸発器で生成した水蒸気を改質器へ供給する経路の耐食性が問題となる場合があった。すなわち、高温の水蒸気を金属製の配管で改質器に供給すると、配管の腐食が生じるおそれがあった。

一方、特許文献２に記載されたように、水又は水蒸気を被改質ガスと混合すれば、水蒸気のみを配管で改質器に供給する場合に比べ、配管の腐食を軽減することができる。しかしながら、このように対応した場合には、被改質ガスを安定的に蒸発器に供給し続けることが困難となる場合がある。すなわち、蒸発器において、水の突沸等により急激に多量の水蒸気が発生して蒸発器内の水蒸気分圧が急激に上昇し、それにより、被改質ガスが蒸発器に流入できなくなり、必要量の被改質ガスを供給できなくなるという課題があった。

そこで、本発明は、従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、水蒸気と被改質ガスとを蒸発器で混合して配管の腐食を防止しながらも、被改質ガスを安定的に蒸発器へ供給することができる燃料電池モジュールを提供することを目的としている。

上記の目的を達成するために、本発明は、被改質ガスを水蒸気改質して燃料ガスを生成する改質器と、前記改質器で生成した燃料ガスの供給を受けて発電を行う燃料電池とを有する燃料電池モジュールであって、その内部で水を加熱する加熱容器を有し前記改質器で使用する水蒸気を生成する蒸発器と、前記加熱容器内に被改質ガスを供給する被改質ガス供給管と、前記加熱容器内に水を供給する水供給管とを備え、前記被改質ガス供給管及び水供給管は、前記加熱容器内の同一空間であり多数の粒状体が収容された緩衝空間に連通するよう接続されていることを特徴とする。

このように構成された本発明においては、水供給管から蒸発器の加熱容器内の緩衝空間に供給された水の突沸等により、水蒸気分圧の急激な上昇が生じても、そこに収容されている粒状体が緩衝材となって被改質ガス供給管への影響が緩和される。従って、加熱容器１５ｃ内の水蒸気分圧の上昇によって、被改質ガス供給管から加熱容器内への被改質ガスの供給が阻害される事態を防止し、被改質ガスを安定的に蒸発器へ供給することができる。

本発明において、好ましくは、前記加熱容器の底面で、前記水供給管から水が滴下する範囲に、少なくとも一つの粒状体が配置されている。

水供給管から蒸発器の加熱容器の底面に滴下した水が球状になると、その体積に対し表面積が小さいため突沸の原因となったり、蒸発に時間を要することで被改質ガスとの混合がスムースに行えなくなるといった事態が生じる。本発明によれば、水供給管より滴下した水は、粒状体に接触し、その表面を伝って広がることで、表面積が大きくなり蒸発しやすくなるため、突沸が抑制されて被改質ガスをさらに安定的に蒸発器へ供給することができるとともに、水蒸気と被改質ガスとを良好に混合することができる。

本発明において、好ましくは、前記水供給管及び被改質ガス供給管の少なくとも一方の先端部が、網状部材で覆われている。

このように構成された本発明においては、緩衝空間に配置された粒状体が、水供給管、被改質ガス供給管に詰まることを網状部材により防止することができる。従って、水又は被改質ガスの緩衝空間への供給をスムースなものとし、水又は水蒸気と被改質ガスとをさらに良好に混合させることができる。

本発明において、好ましくは、前記水供給管及び被改質ガス供給管の一方の先端部は、他方の先端部よりも前記加熱容器の中央部寄りに位置するよう配置され、前記双方の先端部の間には少なくとも一つの粒状体が配置されている。

このように構成された本発明においては、水供給管の先端部から供給された水が緩衝空間で蒸発して水蒸気分圧が急激に高まっても、被改質ガス供給管の先端部との間に配置された粒状体により、その影響を確実に緩和し、被改質ガス供給管から緩衝空間内へ安定的に被改質ガスを供給することができる。

本発明の燃料電池モジュールによれば、水蒸気と被改質ガスとを蒸発器で混合して配管の腐食を防止しながらも、被改質ガスを安定的に蒸発器へ供給することができる燃料電池モジュールを提供することができる。

本発明の一実施形態によるカバー部材が外された状態の燃料電池モジュールを示す斜視図である。 本発明の一実施形態による燃料電池モジュールを図１のＡ方向から見た断面図である。 本発明の一実施形態による燃料電池モジュールを図１のＢ方向から見た断面図である。 本発明の一実施形態による燃料電池モジュールの燃料電池セルユニットを示す正面図である。 本発明の一実施形態による燃料電池モジュールの燃料電池セルスタックを示す斜視図である。 本発明の一実施形態による燃料電池モジュールの蒸発器を示す斜視図である。 図６に示す蒸発器のＸ−Ｘ断面図及びＹ−Ｙ断面図である。 図６に示す蒸発器に用いられる網状部材を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態による燃料電池モジュールを説明する。
図１は本発明の一実施形態によるカバー部材が外された状態の燃料電池モジュールを示す斜視図であり、図２は本発明の一実施形態による燃料電池モジュールを図１のＡ方向から見た断面図であり、図３は本発明の一実施形態による燃料電池モジュールを図１のＢ方向から見た断面図である。

カバー部材（図１及び図３には明示せず、図２にその外形を二点鎖線で示す）は、正面側の側壁と、長手方向の一対の側壁と、背面側の側壁と、天井とによって直方体状に形成される。各側壁の下端部には、フランジ部が形成され、そのフランジ部をベース部材２に当接させることで、カバー部材とベース部材２とによって密閉される空間が形成されている。カバー部材とベース部材２とはボルト（図示せず）によって固定され、そのボルトがカバー部材に設けられた取り付け穴を貫通し、ベース部材２に設けられた取り付け穴２ａを貫通することで固定されている。

カバー部材とベース部材２とによって形成される内部空間は、仕切り板１５によって二つの空間に分離されている。仕切り板１５によって分離されている空間の内、燃料電池本体である燃料電池セルスタック９０が配置されている空間が発電室１６である。仕切り板１５によって分離されている空間の内、他方の空間が排出ガス室１７（排出ガス室）である。尚、カバー部材の内壁面と仕切り板１５とは、直接若しくは何らかの密着用部材（例えば、可撓性のある薄板部材）を介して間接的に密着している。

仕切り板１５は、ベース部材２に設けられた支持部材１５ａに戴置され、ベース部材２と所定距離を保って保持されている。支持部材１５ａは、仕切り板１５を長手方向の両端において支持するように一対設けられている。従って、一対の支持部材１５ａ，１５ａ間には隙間１５ｂ（流入口）が形成されている。カバー部材の壁面に設けられた排気ガス通路（図示しない）を通った排出ガスは、この隙間１５ｂから排出ガス室１７へと導入される。排出ガス室１７へと導入された排出ガスは、排気口１１（流出口）から外部へと排出される。

仕切り板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、燃料電池本体となる燃料電池セルスタック９０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９０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９０の下支持板９０ｂ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９０ｂを密接させてガスタンク３と各燃料電池セルスタック９０とが接続されている。従って、燃料電池セルスタック９０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。

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の一方の端部から他方の端部へと流れるガスと、その管外を一方の端部から他方の端部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（発電用空気）である。

次に、燃料電池セル４を含む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、本発明の一実施形態による燃料電池モジュールの燃料電池セルユニットを示す正面図である。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に取り付けられた内側電極端子４０と、他方の端部４ｂに取り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。貫通流路５０は、燃料ガス流路として機能する。内側電極露出周面４４ａは、内側の電極層４４と電気的に通じる内側電極外周面でもある。外側電極露出周面４８ａは、外側の電極層４８と電気的に通じる外側電極外周面でもある。

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、内側電極露出周面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、外側電極露出周面４８ａ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。

続いて、燃料電池セルユニット３０を含む燃料電池セルスタック９０について、図５を参照しながら説明する。図５は、本発明の一実施形態による燃料電池モジュールの燃料電池セルスタックを示す斜視図である。燃料電池セルスタック９０は、１６本の燃料電池セルユニット３０と、上支持板９０ａと、下支持板９０ｂと、接続部材９０ｃと、外部端子９０ｄとを備えている。

上支持板９０ａ及び下支持板９０ｂは矩形であり、それぞれ、燃料電池セルユニット３０を２列×８行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９０ａ及び下支持板９０ｂ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９０ｃが設けられている。接続部材９０ｃ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９０ｄが設けられている。接続部材９０ｃ、外部端子９０ｄ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９０の外部端子９０ｄは電気的に直列に接続されていて、その両端には電極棒１３，１４に接続されている。

図４及び図５を参照しながら説明したように、燃料電池セルスタック９０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。

ここで、図１〜３に戻り、説明を続ける。更に、引き続く説明においては、図６乃至図８も参照する。図６は本発明の一実施形態による燃料電池モジュールの蒸発器を示す斜視図であり、図７は図６に示す蒸発器のＸ−Ｘ断面図及びＹ−Ｙ断面図であり、図８は図６に示す蒸発器に用いられる網状部材を示す図である。図３に示すように、本実施形態では、燃料電池セルスタック９０の上方に位置するように、改質器５が配置されている。改質器５には、配管６Ｃ（管路）と配管６Ｄとが繋がれていて、これらの配管６Ｃ及び配管６Ｄによって、改質器５は燃料電池セルスタック９０と所定間隔をおいて上方に位置するように保持されている。配管６Ｃは、改質器５に被改質ガスとしての都市ガス及び水蒸気を供給するための配管であって、仕切り板１５に対して立設されている。配管６Ｄは、改質器５において改質された燃料ガスをガスタンク３に供給するための配管であって、ガスタンク３に対して立設されている。

蒸発器１９は内部に空間を有する直方体形状の加熱容器１５ｃを有し、その側面１５ｃ１に被改質ガス供給管６Ａ及び水供給管６Ｂが接続され、それぞれの管路は加熱容器１５ｃの内部に連通している。図７に詳細に示すように、被改質ガス供給管６Ａは、その先端部６Ａ１が加熱容器１５ｃの内面と略面一となる位置で側面１５ｃに接続されている一方、水供給管６Ｂは、その先端部６Ｂ１が加熱容器１５ｃのさらに中央部寄りに位置するよう挿入して接続されている。これにより、被改質ガス供給管６Ａからは被改質ガスである都市ガスが、水供給管６Ｂからは水が、加熱容器１５ｃ内の同一空間に供給される。

詳細には、被改質ガス供給管６Ａ及び水供給管６Ｂは、いずれも、粒状体であるセラミックボールＣＢが多数収容された加熱容器１５ｃ内の緩衝空間ＢＳに連通している。特に、水供給管６Ｂの先端部６Ｂ１から加熱容器１５ｃの底面１５ｃ２に矢印Ｗ１、Ｗ２のように水が滴下し得る範囲Ｓには、少なくとも一つのセラミックボール（ＣＢ１、ＣＢ２等）を配置している。また、上述したように、水供給管６Ｂの先端部６Ｂ１は、被改質ガス供給管６Ａの先端部６Ａ１よりも加熱容器１５ｃの中央部寄りに位置しているが、両者の間にも少なくとも一つのセラミックボール（ＣＢ３、ＣＢ４等）を配置している。本実施形態では、セラミックボールＣＢは球状を成しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、種々の形状をとりうる。

ここで、本実施形態においては、加熱容器１５ｃ内は仕切られておらず、一つの空間のみが形成されているが、上流側／下流側、または上方／下方などで適宜仕切りを設けて分割してもかまわない。但し、その場合にも、被改質ガス供給管６Ａ及び水供給管６Ｂは、内部にセラミックボールＣＢが配置された同一空間に連通するよう接続する必要がある。

被改質ガス供給管６Ａの先端部６Ａ１は、緩衝空間ＢＳから網状部材２０によって覆われている。図８に詳細に示すように、網状部材２０は、円環状の枠体２０ａと、枠体２０ａ内で線材を交差させることで形成された網２０ｂと、線材の間に形成される通気孔２０ｃから成り、ステンレス等の耐熱性の高い金属で形成されている。この網状部材で被改質ガス供給管６Ａの先端部６Ａ１を覆うことにより、通気孔２０ｃを介して緩衝空間ＢＳへの都市ガスの供給を可能としながらも、緩衝空間ＢＳのセラミックボールＣＢが被改質ガス供給管６Ａ内へ侵入することによる目詰まりを防止することができる。

図２及び図３に示すように、蒸発器１５ｃは排出ガス室１７内に配置されているため、後述する燃焼部１８から排出される排出ガスに曝されて高温となる。従って、水供給管６Ｂによって加熱容器１５ｃ内の緩衝空間ＢＳに供給された水も加熱され、蒸発して水蒸気となる。この水蒸気は、被改質ガス供給管６Ａから緩衝空間ＢＳに供給される都市ガスと混合され、この混合ガスは加熱容器内１５ｃで加熱されたあと、加熱容器１５ｃの上面に接続された配管６Ｃを通して改質器５に供給される。このとき、水蒸気と都市ガスはセラミックボールＣＢの間隙を流れることで撹拌されて一層混合されるとともに、熱伝導性の高いセラミックボールの表面から受熱し、効率良く加熱される。水蒸気を都市ガスと混合することで、配管６Ｃ内の腐食を軽減することができる。

各図面には明示しないが、本実施形態では、被改質ガス供給管６Ａと水供給管６Ｂとのそれぞれに電磁弁が取り付けられていて、それぞれの電磁弁は制御部としてのＣＰＵから出力される指示信号に応じて開閉し、改質器５に供給する被改質ガスと空気と水蒸気の比率を変更可能なように構成されている。

改質器５に導入された被改質ガスとしての都市ガスは、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６Ｄを通ってガスタンク３へと供給される。改質器５に対して配管６Ｃが繋がっている部分と、改質器５に対して配管６Ｄ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及び空気は改質触媒に十分に触れることが可能となる。

改質器５には、改質触媒が封入されている。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。これらの改質触媒は球体である。

本実施形態では、改質器５及び各燃料電池セルスタック９０を覆うように、流路部材７が設けられている。流路部材７は、空気流路外壁７１，７２と、空気分配室７３と、空気集約室７４，７５と、空気流路管７６ａ，７６ｂ，７７ａ，７７ｂと、外壁７８，７９を有している。流路部材７は、長手方向に空気流路外壁７１，７２が、短手方向に外壁７８，７９が、それぞれ配置され、それらの部材によって箱状となるように形成されている。流路部材７は、改質器５及び各燃料電池セルスタック９０を覆うように、仕切り板１５に立設されている。続く説明では、流路部材７の仕切り板１５に当接する側を下方とし、その下方と反対側を上方として説明する。

空気分配室７３は、外壁７９の外側上方に取り付けられている。すなわち、空気分配室７３は、空気流路外壁７１，７２と外壁７８，７９とによって形成される箱状体の外側且つ短手側の上方に取り付けられている。空気分配室７３には、空気供給管７Ａが繋がれており、酸化剤ガスとしての空気が供給される。空気分配室７３には、空気流路管７６ａ，７６ｂ，７７ａ，７７ｂも繋がれている。

空気流路管７６ａ，７６ｂは、空気流路外壁７１，７２と外壁７８，７９とによって形成される箱状体の内側且つ長手側の上方に、空気流路外壁７１に沿うように配置されている。空気流路管７６ａは、空気流路外壁７１側に、空気流路管７６ｂは、空気流路管７６ａよりも内側に、それぞれ配置されている。空気流路管７６ａ，７６ｂの一端は外壁７９を貫通して空気分配室７３に繋がれており、他端は空気集約室７４に繋がれている。従って、空気分配室７３に流入した空気は、空気流路管７６ａ，７６ｂを通り、空気集約室７４へと流れ込んで再合流する。

空気流路管７７ａ，７７ｂは、空気流路外壁７１，７２と外壁７８，７９とによって形成される箱状体の内側且つ長手側の上方に、空気流路外壁７２に沿うように配置されている。空気流路管７７ａは、空気流路外壁７２側に、空気流路管７７ｂは、空気流路管７７ａよりも内側に、それぞれ配置されている。空気流路管７７ａ，７７ｂの一端は外壁７９を貫通して空気分配室７３に繋がれており、他端は空気集約室７５に繋がれている。従って、空気分配室７３に流入した空気は、空気流路管７７ａ，７７ｂを通り、空気集約室７５へと流れ込んで再合流する。

空気集約室７４，７５は、外壁７８の内側上方に取り付けられている。すなわち、空気集約室７４，７５は、空気流路外壁７１，７２と外壁７８，７９とによって形成される箱状体の内側且つ短手側の上方に取り付けられている。空気集約室７４は空気流路外壁７１と密着するように配置されており、空気集約室７４に流れ込んだ空気は空気流路外壁７１へと流れ出すように構成されている。一方、空気集約室７５は空気流路外壁７２と密着するように配置されており、空気集約室７５に流れ込んだ空気は空気流路外壁７２へと流れ出すように構成されている。

空気流路外壁７１，７２は、それぞれが二重壁構造となっていて、それぞれの内部を空気が流れることができるように構成されている。より具体的には、空気流路外壁７１は、上方から三室に分割された構造となっており、上方から順に、第一室９１、第二室９２、第三室９３として形成されている。空気集約室７４から流れ込んだ空気は、第一室９１に流れ込んだ後、第二室９２に流れ込み、その後第三室９３に流れ込む。同様に、空気流路外壁７２も、上方から三室に分割された構造となっており、上方から順に、第一室９４、第二室９５、第三室９６として形成されている。空気集約室７５から流れ込んだ空気は、第一室９４に流れ込んだ後、第二室９５に流れ込み、その後第三室９６に流れ込む。

第三室９３，９６にはそれぞれ、所定間隔をおいて複数の空気流入孔９３ａ，９６ａが形成されている。空気流入孔９３ａ，９６ａは、燃料電池セルスタック９０が連設されている方向に、各燃料電池セル４間の間隙に向かう位置であって、燃料電池セル４に対する上下方向の位置が略同一となるように、複数個形成されている。

空気流路外壁７１，７２に流れ込んだ空気は、空気流入孔９３ａ，９６ａを通って発電室１６内の燃料電池セル４近傍へと流れ込むように構成されている。空気流入孔９３ａ，９６ａを通って流れ込んだ空気（発電用空気）は、燃料電池セル４の外側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（発電用空気）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。

各燃料電池セルスタック９０の上方は、空気（発電用空気）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。空気流路外壁７２の燃焼部１８に対応する部分には点火装置挿入穴９７が設けられ、燃焼ガスと空気との燃焼を開始させるための点火装置（図示しない）が点火装置挿入穴９７から燃焼部１８に突出されている。この点火装置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９０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。また、空気流入孔９３ａ，９６ａを通って流れ込む空気も、上述したように空気流路管７６ａ，７６ｂ，７７ａ，７７ｂ、空気流路外壁７１，７２を通る間に、燃焼部１８における燃焼によって加熱される。

本実施形態による燃料電池モジュール１０２においては、被改質ガス供給管６Ａ及び水供給管６Ｂは、加熱容器１５ｃ内の同一空間であり多数のセラミックボールＣＢが収容された緩衝空間ＢＳに連通するよう接続されているため、水供給管６Ｂから蒸発器１９の加熱容器１５ｃ内の緩衝空間ＢＳに供給された水の突沸等により、水蒸気分圧の急激な上昇が生じても、そこに収容されているセラミックボールＣＢが緩衝材となって被改質ガス供給管６Ａへの影響が緩和される。従って、加熱容器１５ｃ内の水蒸気分圧の上昇によって、被改質ガス供給管６Ａから加熱容器１５ｃ内への都市ガスの供給が阻害される事態を防止し、都市ガスを安定的に蒸発器１９へ供給することができる。

また、加熱容器１５ｃの底面１５ｃ２で、水供給管６Ｂから水が滴下する範囲Ｓに、少なくとも一つのセラミックボール（ＣＢ１、ＣＢ２等）が配置されている。水供給管６Ｂから蒸発器１９の加熱容器１５ｃの底面１５ｃ２に滴下した水が球状になると、その体積に対し表面積が小さいため突沸の原因となったり、蒸発に時間を要することで都市ガスとの混合がスムースに行えなくなるといった事態が生じる。本実施形態によれば、水供給管６Ｂより滴下した水は、範囲Ｓに配置されたセラミックボール（ＣＢ１、ＣＢ２等）に接触して、その表面を伝って広がることで、表面積が大きくなり蒸発しやすくなるため、突沸が抑制されて都市ガスをさらに安定的に蒸発器へ供給することができるとともに、水蒸気と被改質ガスとを良好に混合することができる。

水供給管６Ｂの先端部６Ｂ１は、被改質ガス供給管６Ａの先端部６Ａ１よりも加熱容器１５ｃの中央部寄りに位置するよう配置され、双方の先端部の間には少なくとも一つのセラミックボール（ＣＢ３、ＣＢ４等）を配置したことで、水供給管６Ｂの先端部６Ｂ１から供給された水が緩衝空間ＢＳで蒸発して水蒸気分圧が急激に高まっても、被改質ガス供給管の先端部との間に配置されたセラミックボール（ＣＢ３、ＣＢ４等）により、その影響を確実に緩和し、被改質ガス供給管６Ｂから緩衝空間ＢＳ内へ安定的に都市ガスを供給することができる。尚、先端部を加熱容器１５ｃの中央部よりに位置させる配管として、上記とは逆に被改質ガス供給管６Ａを選択してもよい。

４ 燃料電池セル
５ 改質器
６Ａ 被改質ガス供給管
６Ａ１ 被改質ガス供給管の先端部
６Ｂ 水供給管
６Ｂ１ 水供給管の先端部
１５ｃ 加熱容器
１６ 発電室
１７ 排出ガス室
１９ 蒸発器
２０ 網状部材
３０ 燃料電池セルユニット
９０ 燃料電池セルスタック（燃料電池）
１０２ 燃料電池モジュール
ＢＳ 緩衝空間
ＣＢ セラミックボール（粒状体）

Claims (4)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとにより発電を行う複数の燃料電池セルが配列された燃料電池セルスタックと、前記燃料電池スタックの上方において前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとを燃焼させる燃焼部と、を有する燃料電池モジュールであって、
   前記燃料電池モジュールは、被改質ガスを水蒸気改質反応により前記燃料ガスに改質するために必要な水蒸気を、内部で水を蒸発させることで生成する加熱容器を有し、
   前記加熱容器は、前記複数の燃料電池セルが配列された前記燃料電池セルスタックの長手方向に延在するとともに、前記燃焼部から排出される排出ガスに曝され、
   前記加熱容器は内部に、前記被改質ガスを供給する被改質ガス供給管と、前記水を供給する水供給管と、生成された前記水蒸気と前記燃料ガスとの混合ガスが排出される排出口と、を備え、
   前記被改質ガス供給管及び前記水供給管は、前記加熱容器の内部に収容された多数の粒状体により、前記加熱容器の内部の水蒸気分圧の上昇を緩和する緩衝空間に連通するように、前記加熱容器内の同一の側面において接続され、
   前記被改質ガス供給管及び前記水供給管は、前記排出口と前記加熱容器の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とを特徴とする燃料電池モジュール。
2. 前記加熱容器の底面で、前記水供給管から水が滴下する範囲に、少なくとも一つの粒状体が配置されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池モジュール。
3. 前記水供給管及び前記被改質ガス供給管の少なくとも一方の先端部が、網状部材で覆われていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池モジュール。
4. 前記水供給管及び前記被改質ガス供給管の一方の先端部は、他方の先端部よりも前記加熱容器の中央部寄りに位置するよう配置され、前記双方の先端部の間には少なくとも一つの粒状体が配置されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池モジュール。

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