JP2011129489A - 燃料電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池セルにおける温度差を小さくすることができる燃料電池モジュールを提供する。
【解決手段】 燃料電池モジュール（２００）は、ケーシング内に、燃料電池セル（１０）を複数積層してなる燃料電池スタック（２０）と、燃料電池スタックにおける燃料電池セルの積層方向に沿った側面側に配置され、燃料電池セルの発電に供される酸化剤ガスを、それぞれの燃料電池セルの一端側から他端側に沿って流した後に、それぞれの燃料電池セルの他端側に供給するための酸化剤ガス導入部材と、それぞれの燃料電池セルの一端側に配置された改質器と、それぞれの燃料電池セルの一端側と改質器との間に配置された燃焼部と、を備え、酸化剤ガス導入部材は、それぞれの燃料電池セルの他端側と対応する部位に比較して一端側と対応する部位において高い熱伝導率を有することを特徴とするものである。
【選択図】 図５

Description

本発明は、燃料電池モジュールに関する。

燃料電池は、一般的には水素および酸素を燃料として電気エネルギを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れており、また高いエネルギ効率を実現できることから、今後のエネルギ供給システムとして広く開発が進められてきている。

燃料電池は、一般的には、複数の燃料電池セルを積層して燃料電池スタックを構成し、大きな出力を得ている。特許文献１には、燃料電池セルの積層体の上部に改質器を配置した改質器一体型の燃料電池が開示されている。この技術において、酸化剤ガスは、反応ガス導入部材内を流れて各燃料電池セルの下端に導入される。

特開２００７−５９３７７号公報

ところで、特許文献１に係る技術のように、燃料電池セルの一端側にて発電に供されなかった燃料オフガスを燃焼させる構成の燃料電池モジュールにおいては、燃料電池セルの一端側の温度が高く、他端側の温度が低いという温度差を生じる場合がある。さらに、燃料電池セルの発電に供される酸化剤ガスを燃料電池セルの他端側に供給する構成の燃料電池モジュールにおいては、燃料電池セルの他端側の温度が低下し、燃料電池セルの上下方向における温度差が大きくなるおそれがある。

本発明は、燃料電池セルにおける温度差を小さく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する。

本発明に係る第１の燃料電池モジュールは、ケーシング内に、酸化剤ガスと燃料ガスとで発電を行う燃料電池セルを複数積層してなる燃料電池スタックと、燃料電池スタックにおける燃料電池セルの積層方向に沿った側面側に配置され、燃料電池セルの発電に供される酸化剤ガスを、それぞれの燃料電池セルの一端側から他端側に沿って流した後に、それぞれの燃料電池セルの他端側に供給するための酸化剤ガス導入部材と、それぞれの燃料電池セルの一端側に配置された改質器と、それぞれの燃料電池セルの一端側と改質器との間に配置され、燃料電池セルの発電に供されなかった酸化剤オフガスを用いて、燃料電池セルの発電に供されなかった燃料オフガスを燃焼させる燃焼部と、を備え、酸化剤ガス導入部材は、それぞれの燃料電池セルの他端側と対応する部位に比較して燃料電池セルの一端側と対応する部位において高い熱伝導率を有することを特徴とするものである。

本発明に係る第１の燃料電池モジュールによれば、それぞれの燃料電池セルの一端側と酸化剤ガス導入部材内を流れる酸化剤ガスとの熱交換を促進させることができる。それにより、それぞれの燃料電池セルの一端側の熱によって酸化剤ガス導入部材内を流れる酸化剤ガスを効率よく加熱することができる。その結果、加熱された酸化剤ガスが他端側に供給されることから、他端側の温度を上昇させることができる。また、酸化剤ガス導入部材は、それぞれの燃料電池セルの他端側と対応する部位に比較して燃料電池セルの一端側と対応する部位において高い熱伝導率を有する、すなわち燃料電池セルの他端側と対応する部位における熱伝導率が、燃料電池セルの一端側と対応する部位における熱伝導率よりも低いことから、燃料電池セルの他端側においては、酸化剤ガス導入部材内を流れる酸化剤ガスと燃料電池セルとの熱交換を抑制することができる。その結果、効率よく加熱された酸化剤が他端側に供給されるとともに、他端側の温度低下を抑制することができることから、燃料電池セルの一端側から他端側の方向における温度差を小さくすることができる。

上記構成において、酸化剤ガス導入部材は、それぞれの燃料電池セルの一端側において、フィン、酸化剤ガス導入部材の流路を複数に仕切る仕切り部材、およびディンプルの少なくとも一つを有していてもよい。

本発明に係る第２の燃料電池モジュールは、ケーシング内に、酸化剤ガスと燃料ガスとで発電を行う燃料電池セルを複数積層してなる燃料電池スタックと、燃料電池スタックにおける燃料電池セルの積層方向に沿った側面側に配置され、燃料電池セルの発電に供される酸化剤ガスを、それぞれの燃料電池セルの一端側から他端側に沿って流した後に、それぞれの燃料電池セルの他端側に供給するための酸化剤ガス導入部材と、それぞれの燃料電池セルの一端側に配置された改質器と、それぞれの燃料電池セルの一端側と改質器との間に配置され、燃料電池セルの発電に供されなかった酸化剤オフガスを用いて、燃料電池セルの発電に供されなかった燃料オフガスを燃焼させる燃焼部と、燃料電池スタックにおける燃料電池セルの積層方向に沿った両側面側に配置された内部断熱部材と、を備え、酸化剤ガス導入部材側に配置された内部断熱部材が、それぞれの燃料電池セルの他端側と対応する部位に比較して燃料電池セルの一端側と対応する部位において高い熱伝導率を有することを特徴とするものである。

本発明に係る第２の燃料電池モジュールによれば、それぞれの燃料電池セルの一端側と酸化剤ガス導入部材内を流れる酸化剤ガスとの熱交換を促進させることができる。それにより、それぞれの燃料電池セルの一端側の熱によって酸化剤ガス導入部材内を流れる酸化剤ガスを効率よく加熱することができる。その結果、加熱された酸化剤ガスが他端側に供給されることから、他端側の温度を上昇させることができる。また、酸化剤ガス導入部材側に配置された内部断熱部材が、それぞれの燃料電池セルの他端側と対応する部位に比較して燃料電池セルの一端側と対応する部位において高い熱伝導率を有する、すなわち燃料電池セルの他端側と対応する部位における熱伝導率が、燃料電池セルの一端側と対応する部位における熱伝導率よりも低いことから、燃料電池セルの他端側においては、酸化剤ガス導入部材内を流れる酸化剤ガスと燃料電池セルとの熱交換を抑制することができる。その結果、効率よく加熱された酸化剤ガスが他端側に供給されるとともに、他端側の温度低下を抑制することができることから、燃料電池セルの一端側から他端側の方向における温度差を小さくすることができる。

また、上記構成において、酸化剤ガス導入部材側に配置された内部断熱部材が、それぞれの燃料電池セルの他端側より一端側に向けて、漸次熱伝導率が高くなるように構成されていてもよい。

本発明に係る第３の燃料電池モジュールは、ケーシング内に、酸化剤ガスと燃料ガスとで発電を行う燃料電池セルを複数積層してなる燃料電池スタックと、それぞれの燃料電池セルの一端側に配置された改質器と、それぞれの燃料電池セルの一端側と改質器との間に配置され、燃料電池セルの発電に供されなかった酸化剤オフガスを用いて、燃料電池セルの発電に供されなかった燃料オフガスを燃焼させる燃焼部と、燃料電池スタックにおける燃料電池セルの積層方向に沿った側面側に配置され、燃料電池セルの発電に供される酸化剤ガスを、改質器、燃焼部、それぞれの燃料電池セルの一端側から他端側に沿ってこの順に流した後に燃料電池セルの他端側に供給するための酸化剤ガス導入部材と、を備え、酸化剤ガス導入部材は、燃料電池スタックの側面側に突出する突出部を備えることを特徴とするものである。

本発明に係る第３の燃料電池モジュールによれば、酸化剤ガス導入部材に燃料電池セルの積層方向に沿った側面側に突出する突出部を設けることによって、突出部において燃料電池スタックと酸化剤ガス導入部材内を流れる酸化剤ガスとの熱交換を促進することができる。その結果、酸化剤ガス導入部材内を流れる酸化剤ガスを燃料電池スタックの熱でより加熱することができる。それにより、酸化剤ガス導入部材内を流れる酸化剤ガスの温度が上昇することから、燃料電池スタックにおいて、燃料電池セルの一端側から他端側における温度差を小さくすることができる。

本発明によれば、燃料電池セルにおける温度差を小さく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。

図１は、燃料電池セルの断面を含む部分斜視図である。 図２（ａ）は、燃料電池スタックを説明するための一部を抜粋して示す斜視図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）にて示す集電体の平面図である。 図３（ａ）および図３（ｂ）は、改質器、燃料電池スタックが固定されるマニホールド、およびターミナルを説明するための図であり、図３（ａ）は一方側より見た斜視図、図３（ｂ）は他方側より見た斜視図である。 図４は、改質器の詳細を説明するための斜視図である。 図５は、例１に係る燃料電池モジュールの全体構成を説明するための断面図である。 図６（ａ）は、酸化剤ガス導入部材および改質器を抜粋して示す斜視図である。図６（ｂ）は、酸化剤ガス導入部材の斜視図である。図６（ｃ）は、仕切り部材を有する高熱伝導率部を酸化剤ガス導入部材の上端側から見た断面図である。図６（ｄ）は、フィンを有する高熱伝導率部を酸化剤ガス導入部材を上端側から見た断面図である。 図７は、例２に係る燃料電池モジュールの全体構成を説明するための断面図である。 図８は、例３に係る燃料電池モジュールの全体構成を説明するための断面図である。 図９は、例３に係る燃料電池モジュールの効果を説明するためのグラフである。 図１０は、例３の変形例１に係る燃料電池モジュールの全体構成を説明するための断面図である。 図１１は、例４に係る燃料電池モジュールの全体構成を説明するための断面図である。 図１２は、例５に係る燃料電池モジュールの全体構成を説明するための断面図である。 図１３（ａ）は、例５に係る酸化剤ガス導入部材の斜視図である。図１３（ｂ）は、酸化剤ガス導入部材を燃料電池スタックの積層方向から見た断面図である。 図１４は、例５の変形例１に係る燃料電池モジュールの全体構成を説明するための断面図である。 図１５は、例６に係る燃料電池モジュールの全体構成を説明するための断面図である。

以下、本発明を実施するための形態を説明する。

図１は、燃料電池セル１０の断面を含む部分斜視図である。図１に示すように、燃料電池セル１０は、平板柱状の全体形状を有する。ガス透過性を有する導電性支持体１１の内部に、軸方向に沿って貫通する複数の燃料ガス通路１２が形成されている。導電性支持体１１の外周面における一方の平面上に、燃料極１３、固体電解質１４、および酸素極１５が順に積層されている。酸素極１５に対向する他方の平面上には、接合層１６を介してインターコネクタ１７が設けられ、その上に接触抵抗低減用のＰ型半導体層１８が設けられている。

燃料ガス通路１２に水素を含む燃料ガスが供給されることによって、燃料極１３に水素が供給される。一方、燃料電池セル１０の周囲に酸素を含む酸化剤ガスが供給されることによって、酸素極１５に酸素が供給される。それにより、酸素極１５及び燃料極１３において下記の電極反応が生じることによって発電が行われる。発電反応は、例えば、６００℃〜１０００℃で行われる。
酸素極：１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２−（固体電解質）
燃料極：Ｏ^２−（固体電解質）＋Ｈ_２→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻

酸素極１５の材料は、耐酸化性を有し、気相酸素が固体電解質１４との界面に到達できるように多孔質である。固体電解質１４は、酸素極１５から燃料極１３へ酸素イオンＯ^２−を移動させる機能を有する。固体電解質１４は、酸素イオン導電性酸化物によって構成される。また、固体電解質１４は、燃料ガスと酸化剤ガスとを物理的に隔離するため、酸化／還元雰囲気中において安定でありかつ緻密質である。燃料極１３は、還元雰囲気中で安定でありかつ水素との親和性を有するとともに多孔質の材料によって構成される。インターコネクタ１７は、燃料電池セル１０同士を電気的に直列に接続するために設けられており、燃料ガスと酸素含有ガスとを物理的に隔離するために緻密質である。

例えば、酸素極１５は、電子およびイオンの双方の導電性が高いランタンコバルタイト系のペロブスカイト型複合酸化物等から形成される。固体電解質１４は、イオン導電性の高いＹ_２Ｏ_３を含有するＺｒＯ_２（ＹＳＺ）等によって形成される。燃料極１３は、電子導電性の高いＮｉとＹ_２Ｏ_３を含有するＺｒＯ_２（ＹＳＺ）との混合物等によって形成される。インターコネクタ１７は、電子導電性の高い、アルカリ土類酸化物を固溶したＬａＣｒＯ_３等によって形成される。これらの材料は、相互に熱膨張率が近いものが好適である。

図２（ａ）は、燃料電池スタック２０を説明するための一部を抜粋して示す斜視図である。燃料電池スタック２０においては、複数の燃料電池セル１０が一列に積層されて構成されている。この場合、各燃料電池セル１０は、酸素極１５側とインターコネクタ１７側が対向するように積層される。

各燃料電池セル１０の間には、集電体３０が配置されている。集電体３０は、隣接する燃料電池セル１０を電気的に直列に接続している。図２（ｂ）は、集電体３０の一例を示す平面図である。集電体３０は、隣接する一方の燃料電池セル１０の酸素極１５に接する第１集電体片３１と、一方の燃料電池セル１０から隣接する他方の燃料電池セル１０へと傾斜して延びる第２集電体片３２と、他方の燃料電池セル１０のインターコネクタ１７に接する第３集電体片３３と、他方の燃料電池セル１０から一方の燃料電池セル１０へ傾斜して延びる第４集電体片３４と、を基本構成要素とする。第２集電体片３２の一方端は第１集電体片３１に接続し、他方端は第３集電体片３３に接続している。第４集電体片３４の一方端は第３集電体片３３に接続し、他方端は第１集電体片３１に接続している。このような基本構成要素が燃料電池セル１０の軸方向に複数連結されて、集電体３０が構成される。

第２集電体片３２および第４集電体片３４は、屈曲部（本例では２箇所）を有している。屈曲部を有することにより、第２集電体片３２および第４集電体片３４は、バネとしての機能を有する。すなわち、集電体３０はバネ構造を有している。バネ構造を有することによって集電体３０は、燃料電池セル１０に対する良好な密着性および燃料電池セル１０の変形に対する良好な追従性を有する。また、バネ構造を有することによって、第１集電体片３１と第３集電体片３３との間に隙間が形成されることから、集電体３０は、通気性を有する。

図３（ａ）および図３（ｂ）は、改質器４０、燃料電池スタック２０が固定されるマニホールド５０、およびターミナルを説明するための斜視図である。マニホールド５０上に２組の燃料電池スタック２０が配置され、燃料電池スタック２０の上方に改質器４０が配置されている。

２組の燃料電池スタック２０は、それぞれを構成する燃料電池セル１０の積層方向が略平行になるように並列配置されている。なお、燃料電池スタック２０の組数は限定されない。改質器４０は、一方の燃料電池スタック２０の上方を燃料電池セル１０の積層方向に沿って延び、他方の燃料電池スタック２０の上方を燃料電池セル１０の積層方向に沿ってコ字状に折り返す。図３（ｂ）に示すように、改質器４０の出口とマニホールド５０の入口とは、燃料ガス配管６０によって接続されている。

図３（ａ）に示すように、一方の燃料電池スタック２０における燃料電池セル１０の積層方向のプラス側の端部には、第１ターミナル７０が配置されている。他方の燃料電池スタック２０における燃料電池セル１０の積層方向のマイナス側の端部には、第２ターミナル７１が配置されている。図３（ｂ）に示すように、一方の燃料電池スタック２０のマイナス側の端部と他方の燃料電池スタック２０のプラス側の端部とは、第３ターミナル７２によって、電気的に直列に接続されている。第１ターミナル７０および第２ターミナル７１と負荷とを電気的に接続することによって、燃料電池スタック２０の発電により生じた電力を用いて負荷に供給することができる。

図４は、改質器４０の詳細を説明するための斜視図である。改質器４０は、入口側から、投入口部材４１、蒸発部４２、加熱部４３および改質部４４が順に接続された構造を有する。投入口部材４１には、炭化水素系燃料および改質水が供給される。炭化水素系燃料としては、例えば都市ガス等を用いることができる。本例において、投入口部材４１は２重管構造を有している。投入口部材４１の内側の管内に改質水が投入され、内側の管と外側の管との間に炭化水素系燃料が投入される。

蒸発部４２は、後述する燃料オフガスの燃焼熱を利用して改質水を蒸発させる空間部である。本例において、投入口部材４１の内側の管は、蒸発部４２に至るまで延びている。投入口部材４１に投入された改質水は、投入口部材４１の内側の管の先端から流出して、蒸発部４２内において蒸発する。その後、改質水（水蒸気）は、加熱部４３に流入する。投入口部材４１に投入された炭化水素系燃料は、蒸発部４２内に流入した後、加熱部４３に流入する。

加熱部４３は、燃料オフガスの燃焼熱によって改質水および炭化水素系燃料を加熱する空間部である。加熱部４３には、例えば、セラミックスボールが封入されている。改質部４４は、改質水と炭化水素系燃料との水蒸気改質反応を生じさせる空間部である。改質部４４には、例えば、Ｎｉ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｐｔ等の改質触媒が塗布されたセラミックスボールが封入されている。

図５は、本例に係る燃料電池モジュール２００の全体構成を説明するための断面図である。燃料電池モジュール２００は、酸化剤ガスが流動するための流路を形成する２重壁からなるケーシング８０内に配置され、マニホールド５０の下部に配置される下部断熱部材８１および燃料電池セル１０の積層方向に沿って配置される側部断熱部材８２によって、図３（ａ）および図３（ｂ）の燃料電池スタック２０、改質器４０、マニホールド５０等を収納する空間を形成している。なお、本例において、後述する酸化剤ガス導入部材１００と複数の燃料電池セル１０との間には、第１内部断熱部材８３が配置されている。また、複数の燃料電池セル１０と側部断熱部材８２との間には、第２内部断熱部材８４が配置されている。本例においては、燃料電池セル１０の改質器４０側を上方とし、マニホールド５０側を下方とする。

ケーシング８０の酸化剤ガスの入口は、ケーシング８０の底面に設けられている。酸化剤ガスは、ケーシング８０の底部に設けられた酸化剤ガスＢＯＸを介してケーシング８０の側部の流路を通って、各燃料電池スタック２０の上方に流れる。その後、酸化剤ガスは、一方の燃料電池スタック２０と他方の燃料電池スタック２０との間に配置された酸化剤ガス導入部材１００内を下方に流動し、各燃料電池スタック２０の下端側から供給される。図４で説明したように、燃料ガスはマニホールド５０から各燃料電池セル１０の燃料ガス通路１２へ供給される。それにより、各燃料電池セル１０において発電が行われる。

燃料電池セル１０において発電に供されなかった燃料ガス（燃料オフガス）と発電に供されなかった酸化剤ガス（酸化剤オフガス）とは、各燃料電池セル１０の上端において合流する。燃料オフガスには発電に供されなかった水素等の可燃物が含まれていることから、燃料オフガスは、酸化剤オフガスに含まれる酸素を利用して燃焼する。本例においては、燃料電池セル１０の上端と改質器４０との間において燃料オフガスが燃焼する部位を燃焼部９０と称する。燃焼部９０の燃焼熱は、改質器４０の改質反応に利用される。それにより、改質器４０における改質反応が促進される。

燃焼部９０における燃焼後の燃料オフガスおよび酸化剤オフガス（以下、燃焼オフガスと称する）は、燃焼オフガス導出流路（酸化剤ガス導入部材１００と改質器４０との間に形成された第１燃焼オフガス導出流路８５および側部断熱部材８２と改質器４０との間に形成された第２燃焼オフガス導出流路８６）を流れる。第１燃焼オフガス導出流路８５を通過した燃焼オフガスは、ケーシング８０の内壁の上面と改質器４０の上面との間に形成された上部燃焼オフガス流路８７に導出され、その後、側部断熱部材８２とケーシング８０との間に形成された側部燃焼オフガス流路８８を下方に流れる。第２燃焼オフガス導出流路８６を通過した燃焼オフガスは、側部燃焼オフガス流路８８に流入し、側部燃焼オフガス流路８８を下方に流れる。側部燃焼オフガス流路８８を流れた燃焼オフガスは、下部断熱部材８１と酸化剤ガスＢＯＸとの間に形成された燃焼オフガスＢＯＸに流入する。その後、燃焼オフガスは、燃料電池モジュール２００の外部に排出される。

図６（ａ）は、酸化剤ガス導入部材１００および改質器４０を抜粋して示す斜視図である。本例において、酸化剤ガス導入部材１００は、改質器４０のうち一方の燃料電池スタック２０の上方部分と他方の燃料電池スタック２０の上方部分とに挟まれるように、ケーシング８０内に配置されている。酸化剤ガス導入部材１００の上端は、改質器４０より上方に突出し、ケーシング８０の上方側を酸化剤ガスが流れるための流路に接続されている。酸化剤ガス導入部材１００の下端は、複数の燃料電池セル１０の下端近傍まで延びている。

図６（ｂ）は、酸化剤ガス導入部材１００の斜視図である。酸化剤ガス導入部材１００は、中空空間を有する平たい箱形状を有している。中空空間は、酸化剤ガスが流れるための流路として機能する。これ以後、中空空間を、酸化剤ガス導入流路と称する。酸化剤ガス導入部材１００は、上端部に、酸化剤ガス導入流路に酸化剤ガスが流入するための開口部を有している。本例において、上端部の開口部は、酸化剤ガス導入部材１００の上端部全面に形成されている。酸化剤ガス導入部材１００の燃料電池スタック２０側の側壁のうち下端部には、酸化剤ガス出口１０１が、燃料電池セル１０の積層方向に沿って所定間隔を空けて複数形成されている。それにより、酸化剤ガス出口１０１から排出された酸化剤ガスは、各燃料電池セル１０の下端部側に導入される。すなわち、酸化剤ガス導入部材１００の酸化剤ガス流路は、酸化剤ガスを、燃料電池スタック２０の第１側面側において改質器４０、燃焼部９０、それぞれの燃料電池セル１０の一端側（上端側）から他端側（下端側）に沿ってこの順に流した後に燃料電池セル１０の下端側に供給するための流路である。

酸化剤ガス導入部材１００は、燃料電池セル１０の他端側（下端側）と対応する部位に比較して、燃料電池セル１０の一端側（上端側）と対応する部位において高い熱伝導率を有する高熱伝導率部１２０を備えている。図６（ｃ）は、高熱伝導率部１２０を酸化剤ガス導入部材１００の上端側から見た断面図である。高熱伝導率部１２０は、酸化剤ガス導入流路の流路を複数に仕切る仕切り部材１２１を有する。すなわち、高熱伝導率部１２０は、いわゆるマイクロチャンネル構造を有している。この場合、高熱伝導率部１２０は、他の部分に比較して大きな伝熱面積を有する。それにより、高熱伝導率部１２０は、他の部分に比較して高い熱伝導率を有する。なお、仕切り部材１２１によって、酸化剤ガス導入流路内を流れる酸化剤ガスは整流される。

本例に係る燃料電池モジュール２００によれば、燃焼部９０および燃料電池セル１０の上端部と酸化剤ガス導入部材１００を流れる酸化剤ガスとの間の熱交換によって酸化剤ガスを加熱することができる。それにより、加熱された酸化剤ガスを各燃料電池セル１０の下端に導入させることができることから、各燃料電池セル１０の下端側の温度が上昇する。その結果、燃料電池セル１０の上下方向の温度差を小さくすることができる。また、酸化剤ガス導入部材１００の下端側（燃料電池セル１０の下端側と対応する部位）に比較して上端側（燃料電池セル１０の上端側と対応する部位）において高い熱伝導率を有する、すなわち酸化剤ガス導入部材１００の下端側が上端側に比較して熱伝導率が低いことから、燃料電池セル１０の下端側においては、燃料電池セル１０と酸化剤ガス導入部材１００を流れる酸化剤ガスとの熱交換を抑制することができる。それにより、燃料電池セル１０の下端側の温度低下を抑制することができることから、燃料電池セル１０の上下方向の温度差を小さくすることができる。

なお、高熱伝導率部１２０は、他の部分に比較して大きな熱伝導率を有する構成であれば、仕切り部材１２１以外の構成を有していてもよい。例えば、図６（ｄ）に示すように、高熱伝導率部１２０は、フィン１２２を有していてもよい。あるいは、高熱伝導率部１２０は、ディンプルを有していてもよい。例えば、ディンプルは、酸化剤ガス導入部材１００の燃料電池スタック２０側の側壁の内面に形成されていればよい。

また、高熱伝導率部１２０の仕切り部材１２１、フィン１２２およびディンプルは、酸化剤ガス導入部材１００の燃料電池スタック２０側の側壁の外面に配置されていてもよい。

続いて、本発明の例２に係る燃料電池モジュール２００ａについて説明する。図７は、燃料電池モジュール２００ａの全体構成を説明するための断面図である。燃料電池モジュール２００ａは、燃料電池スタック２０を１組有する点と、改質器４０の代わりに改質器４０ａを有する点と、第２内部断熱部材８４を有しない点とにおいて、図５に示す燃料電池モジュール２００と異なる。改質器４０ａは、図４に示す改質器４０において、一方の燃料電池スタック２０の上方に位置する部分のみを備える構成を有する。

本例に係る燃料電池モジュール２００ａにおいても、燃焼部９０および燃料電池セル１０の上端部と酸化剤ガス導入部材１００を流れる酸化剤ガスとの間の熱交換によって酸化剤ガスを加熱することができる。それにより、加熱された酸化剤ガスを各燃料電池セル１０の下端に導入させることができることから、各燃料電池セル１０の下端側の温度が上昇する。その結果、燃料電池セル１０の上下方向の温度差を小さくすることができる。

なお、燃料電池モジュール２００ａにおいて、２つの酸化剤ガス導入部材１００のうちいずれか一方の酸化剤ガス導入部材１００が高熱伝導率部１２０を有していればよい。ただし、両方の酸化剤ガス導入部材１００が高熱伝導率部１２０を有している方が、燃料電池セル１０における上下方向の温度差をより小さくできる点で、好ましい。

続いて、本発明の例３に係る燃料電池モジュール２００ｂについて説明する。図８は、燃料電池モジュール２００ｂの全体構成を説明するための断面図である。燃料電池モジュール２００ｂは、酸化剤ガス導入部材１００の代わりに酸化剤ガス導入部材１００ｂを備える点と、第１内部断熱部材８３の代わりに第１内部断熱部材８３ｂを備える点と、において、図５に示す燃料電池モジュール２００と異なる。酸化剤ガス導入部材１００ｂは、仕切り部材１２１を有さない点において、酸化剤ガス導入部材１００と異なる。

第１内部断熱部材８３ｂは、燃料電池セル１０の下端側に比較して上端側の熱伝導率が高い断熱部材である。本例においては、第１内部断熱部材８３ｂは、燃料電池セル１０の下端側から上端側にかけて段階的に（漸次）熱伝導率が高くなっている。具体的には、第１内部断熱部材８３ｂは、上下方向において２分割されている。上側の第１内部断熱部材８３ｂの熱伝導率は、下側の第１内部断熱部材８３ｂの熱伝導率に比較して高い。この場合、酸化剤ガス導入部材１００ｂ内を流れる酸化剤ガスと燃料電池セル１０との熱交換が、燃料電池セル１０の他端側（下端側）に対応する部位に比較して一端側（上端側）に対応する部位において効率よく行われることになる。

本例に係る燃料電池モジュール２００ｂによれば、燃料電池セル１０の上端側の熱を、第１内部断熱部材８３ｂの熱伝導率が高い部分（上側部分）を介して、酸化剤ガス導入部材１００ｂに効率よく伝熱することができる。また、酸化剤ガス導入部材１００ｂに伝熱した熱によって酸化剤ガス導入部材１００ｂを流れる酸化剤ガスを加熱することができる。それにより、燃料電池セル１０における上下方向の温度差を小さくすることができる。また、酸化剤ガス導入部材１００ｂを流れる酸化剤ガスは、燃料電池セル１０の下端側に対応する部位が上端側に対応する部位に比較して熱伝導率が低いことから、燃料電池セル１０の下端側においては、燃料電池セル１０と酸化剤ガス導入部材１００ｂを流れる酸化剤ガスとの熱交換を抑制することができる。それにより、燃料電池セル１０の下端側の温度低下を抑制することができることから、燃料電池セル１０の上下方向の温度差を小さくすることができる。

図９は、燃料電池モジュール２００ｂの効果を説明するためのグラフである。比較例に係る燃料電池モジュール３００は、一様な熱伝導率を有する第１内部断熱部材を有する点において、燃料電池モジュール２００ｂと異なる。燃料電池モジュール２００ｂと燃料電池モジュール３００とを比較した場合、燃料電池モジュール２００ｂの燃料電池セル１０の下端側温度は上昇し、上端側温度は低下している。その結果、燃料電池セル１０における上下方向の温度差が小さくなっている。

（変形例１）
第１内部断熱部材８３ｂの分割数は、特に限定されない。また、第２内部断熱部材８４は、第１内部断熱部材８３ｂと同様の構成を有していてもよい。図１０は、例３の変形例１に係る燃料電池モジュール２００ｂの全体構成を説明するための断面図である。本変形例に係る燃料電池モジュール２００ｂは、第１内部断熱部材８３ｂが燃料電池スタック２０の下端側から上端側にかけて段階的に（漸次）熱伝導率が高くなるように５分割されている点と、第２内部断熱部材８４の代わりに第２内部断熱部材８４ｂを備える点と、において、図８に示す燃料電池モジュール２００ｂと異なる。第２内部断熱部材８４ｂは、第１内部断熱部材８３ｂと同様に、燃料電池セル１０の下端側から上端側にかけて段階的に（漸次）熱伝導率が高くなるように５分割されている。

本変形例に係る燃料電池モジュール２００ｂにおいても、燃料電池セル１０の上端側の熱を、第１内部断熱部材８３ｂの熱伝導率が高い部分（上側部分）を介して、酸化剤ガス導入部材１００ｂに効率よく伝熱することができる。それにより、燃料電池セル１０の上下方向の温度差を小さくすることができる。

なお、例３および例３の変形例１に係る燃料電池モジュール２００ｂにおいて、第１内部断熱部材８３ｂおよび第２内部断熱部材８４ｂは、燃料電池セル１０の下端側から上端側にかけて徐々に熱伝導率が高くなる構成を有していてもよい。

（変形例２）
また、側部断熱部材８２も、燃料電池セル１０の下端側から上端側にかけて段階的にまたは徐々に熱伝導率が高くなる構成を有していてもよい。この構成によれば、燃料電池セル１０の上端側の熱を、側部断熱部材８２の熱伝導率が高い部分（上側部分）を介して、外部に放熱することができる。それにより、燃料電池セル１０の上下方向の温度差を小さくすることができる。

なお、例３、例３の変形例１および変形例２に係る燃料電池モジュール２００ｂは、酸化剤ガス導入部材１００ｂの代わりに例１に係る酸化剤ガス導入部材１００を備えていてもよい。

続いて、本発明の例４に係る燃料電池モジュール２００ｃについて説明する。図１１は、燃料電池モジュール２００ｃの全体構成を説明するための断面図である。燃料電池モジュール２００ｃは、酸化剤ガス導入部材１００の代わりに酸化剤ガス導入部材１００ｂを備える点と、第１内部断熱部材８３の代わりに第１内部断熱部材８３ｂを備える点と、において、図７に示す燃料電池モジュール２００と異なる。

本例に係る燃料電池モジュール２００ｃにおいても、燃料電池セル１０の上端側の熱を、第１内部断熱部材８３ｂの熱伝導率が高い部分（上側部分）を介して、酸化剤ガス導入部材１００ｂに効率よく伝熱することができる。また、酸化剤ガス導入部材１００ｂに伝熱した熱によって酸化剤ガス導入部材１００ｂを流れる酸化剤ガスを加熱することができるとともに、燃料電池セル１０の下端側においては、燃料電池セル１０と酸化剤ガス導入部材１００ｂを流れる酸化剤ガスとの熱交換を抑制することができる。それにより、燃料電池セル１０における上下方向の温度差を小さくすることができる。

なお、第１内部断熱部材８３ｂは、燃料電池セル１０の下端側から上端側にかけて徐々に熱伝導率が高くなる構成を有していてもよい。また、側部断熱部材８２が、燃料電池セル１０の下端側から上端側にかけて段階的にまたは徐々に熱伝導率が高くなる構成を有していてもよい。また、燃料電池モジュール２００ｃは、酸化剤ガス導入部材１００ｂの代わりに例２に係る酸化剤ガス導入部材１００を備えていてもよい。

続いて、本発明の例５に係る燃料電池モジュール２００ｄについて説明する。図１２は、燃料電池モジュール２００ｄの全体構成を説明するための断面図である。燃料電池モジュール２００ｄは、酸化剤ガス導入部材１００の代わりに酸化剤ガス導入部材１００ｄを備える点において、図５に示す燃料電池モジュール２００と異なる。酸化剤ガス導入部材１００ｄは、仕切り部材１２１を有さない点と、酸化剤ガス導入流路が燃料電池スタック２０の燃料電池セル１０の積層方向に沿った側面側に突出する突出部１４０を有する点と、において、酸化剤ガス導入部材１００と異なる。

図１３（ａ）は、酸化剤ガス導入部材１００ｄの斜視図である。突出部１４０には、整流部材１４１が配置されている。図１３（ｂ）は、酸化剤ガス導入部材１００ｄを燃料電池セル１０の積層方向から見た断面図である。整流部材１４１は、酸化剤ガス導入流路内を流れる酸化剤ガスの流れを突出部１４０内の燃料電池スタック２０側の壁面（以下、突出部１４０内の壁面と称する）に近づける機能を有する。整流部材１４１としては、この機能を有するものであれば、特に限定されない。本例において、整流部材１４１は、燃料電池セル１０の積層方向に軸方向を有する棒部材である。この場合、棒部材より上流側の酸化剤ガスは、棒部材に当たった後には突出部１４０内の壁面近くを流れる。なお、棒部材の材質は特に限定されず、例えば多孔質であってもよい。

本例に係る燃料電池モジュール２００ｄによれば、突出部１４０を有することにより、燃料電池セル１０と酸化剤ガス導入部材１００ｄを流れる酸化剤ガスとの熱交換を促進させることができる。それにより、加熱された酸化剤ガスを各燃料電池セル１０の下端に導入させることができることから、燃料電池セル１０の上下方向の温度差を小さくすることができる。なお、突出部１４０は、燃料電池セル１０の下端側には位置しないように（下端側より上方に位置するように）設けることもできる。例えば、酸化剤ガス出口１０１よりも上方に位置するように設けることができる。この場合、燃料電池セル１０の下端側においては、燃料電池セル１０と酸化剤ガス導入部材１００ｄ（突出部１４０）を流れる酸化剤ガスとの熱交換を抑制することができる。それにより、燃料電池セル１０における上下方向の温度差を小さくすることができる。

また、燃料電池モジュール２００ｄによれば、整流部材１４１を有することにより、突出部１４０内を流れる酸化剤ガスを燃料電池スタック２０により近づけることができる。それにより、酸化剤ガスの加熱を促進させることができる。

なお、図１３（ｂ）に示すように、突出部１４０の燃料電池スタック２０側の壁厚は、酸化剤ガス導入部材１００ｄの突出部以外の部分の燃料電池スタック２０側の壁厚に比較して大きい。それにより、突出部１４０の壁厚の大きい部分における燃料電池セル１０の積層方向における伝熱も促進させることができる。その結果、突出部１４０内を流れる酸化剤ガスにおいて、燃料電池セル１０の積層方向における温度差を小さくすることができる。それにより、燃料電池スタック２０の燃料電池セル１０の積層方向における温度差を小さくすることができる。

なお、本例に係る燃料電池モジュール２００ｄの第１内部断熱部材８３および側部断熱部材８２が、例３に係る構成としてもよい。

（変形例１）
図１４は、例５の変形例１に係る燃料電池モジュール２００ｄの全体構成を説明するための断面図である。本変形例に係る燃料電池モジュール２００ｄは、酸化剤ガス導入部材１００ｄの突出部１４０が、さらに上端まで延在している点において、図１２の燃料電池モジュール２００ｄと異なる。

本変形例に係る燃料電池モジュール２００ｄによれば、突出部１４０の燃焼部９０の側方に延在している部分および突出部１４０の第１燃焼オフガス導出流路８５の側方に延在している部分において、燃焼部９０と酸化剤ガス導入部材１００ｄを流れる酸化剤ガスとの間の熱交換を促進することができる。それにより、酸化剤ガス導入部材１００ｄを流れる酸化剤ガスをより加熱することができる。その結果、より高温になった酸化剤ガスを各燃料電池セル１０の下端に導入させることができることから、燃料電池セル１０の上下方向の温度差をより小さくすることができる。

続いて、本発明の例６に係る燃料電池モジュール２００ｅについて説明する。図１５は、燃料電池モジュール２００ｅの全体構成を説明するための断面図である。燃料電池モジュール２００ｅは、酸化剤ガス導入部材１００の代わりに酸化剤ガス導入部材１００ｄを備える点において、図７に示す燃料電池モジュール２００と異なる。なお、本例においても、酸化剤ガス導入部材１００ｄは、燃料電池スタック２０の側面側に突出した突出部１４０を有している。

本例に係る燃料電池モジュール２００ｅにおいても、突出部１４０を有することにより、燃料電池スタック２０と酸化剤ガス導入部材１００ｄを流れる酸化剤ガスとの熱交換を促進させることができる。それにより、加熱された酸化剤ガスを各燃料電池セル１０の下端に導入させることができることから、燃料電池セル１０の上下方向の温度差を小さくすることができる。

なお、酸化剤ガス導入部材１００ｄの突出部１４０は、例えば図１４の場合と同様に、上端まで延在していてもよい。また、２つの酸化剤ガス導入部材１００ｄのうちいずれか一方の酸化剤ガス導入部材１００ｄが突出部１４０を有していてもよい。ただし、両方の酸化剤ガス導入部材１００ｄが突出部１４０を有している方が、燃料電池セル１０における上下方向の温度差をより小さくできる点で、好ましい。

また、本例に係る燃料電池モジュール２００ｅの第１内部断熱部材８３および側部断熱部材８２が、例４に係る構成としてもよい。

１０ 燃料電池セル
２０ 燃料電池スタック
３０ 集電体
４０ 改質器
４２ 蒸発部
５０ マニホールド
６０ 燃料ガス配管
７０ 第１ターミナル
８０ ケーシング
８１ 下部断熱部材
８２ 側部断熱部材
８３ 第１内部断熱部材
８４ 第２内部断熱部材
８５ 第１燃焼オフガス導出流路
８６ 第２燃焼オフガス導出流路
８７ 上部燃焼オフガス流路
８８ 側部燃焼オフガス流路
９０ 燃焼部
１００ 酸化剤ガス導入部材
１２０ 高熱伝導率部
１２１ 仕切り部材
１２２ フィン
１４０ 突出部
１４１ 整流部材
２００ 燃料電池モジュール

Claims (5)

1. ケーシング内に、
   酸化剤ガスと燃料ガスとで発電を行う燃料電池セルを複数積層してなる燃料電池スタックと、
   該燃料電池スタックにおける前記燃料電池セルの積層方向に沿った側面側に配置され、前記燃料電池セルの発電に供される酸化剤ガスを、それぞれの前記燃料電池セルの一端側から他端側に沿って流した後に、それぞれの前記燃料電池セルの他端側に供給するための酸化剤ガス導入部材と、
   それぞれの前記燃料電池セルの一端側に配置された改質器と、
   それぞれの前記燃料電池セルの一端側と前記改質器との間に配置され、前記燃料電池セルの発電に供されなかった酸化剤オフガスを用いて、前記燃料電池セルの発電に供されなかった燃料オフガスを燃焼させる燃焼部と、を備え、
   前記酸化剤ガス導入部材は、それぞれの前記燃料電池セルの他端側と対応する部位に比較して前記燃料電池セルの一端側と対応する部位において高い熱伝導率を有することを特徴とする燃料電池モジュール。
2. 前記酸化剤ガス導入部材は、それぞれの前記燃料電池セルの一端側と対応する部位において、フィン、前記酸化剤ガス導入部材の流路を複数に仕切る仕切り部材、およびディンプルの少なくとも一つを有す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. ケーシング内に、
   酸化剤ガスと燃料ガスとで発電を行う燃料電池セルを複数積層してなる燃料電池スタックと、
   該燃料電池スタックにおける前記燃料電池セルの積層方向に沿った側面側に配置され、前記燃料電池セルの発電に供される酸化剤ガスを、それぞれの前記燃料電池セルの一端側から他端側に沿って流した後に、それぞれの前記燃料電池セルの他端側に供給するための酸化剤ガス導入部材と、
   それぞれの前記燃料電池セルの一端側に配置された改質器と、
   それぞれの前記燃料電池セルの一端側と前記改質器との間に配置され、前記燃料電池セルの発電に供されなかった酸化剤オフガスを用いて、前記燃料電池セルの発電に供されなかった燃料オフガスを燃焼させる燃焼部と、
   前記燃料電池スタックにおける前記燃料電池セルの積層方向に沿った両側面側に配置された内部断熱部材と、を備え、
   前記酸化剤ガス導入部材側に配置された前記内部断熱部材が、それぞれの前記燃料電池セルの他端側と対応する部位に比較して前記燃料電池セルの一端側と対応する部位において高い熱伝導率を有することを特徴とする燃料電池モジュール。
4. 前記酸化剤ガス導入部材側に配置された前記内部断熱部材が、それぞれの前記燃料電池セルの他端側より一端側に向けて、漸次熱伝導率が高くなるように構成されていることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池モジュール。
5. ケーシング内に、
   酸化剤ガスと燃料ガスとで発電を行う燃料電池セルを複数積層してなる燃料電池スタックと、
   それぞれの前記燃料電池セルの一端側に配置された改質器と、
   それぞれの前記燃料電池セルの一端側と前記改質器との間に配置され、前記燃料電池セルの発電に供されなかった酸化剤オフガスを用いて、前記燃料電池セルの発電に供されなかった燃料オフガスを燃焼させる燃焼部と、
   前記燃料電池スタックにおける前記燃料電池セルの積層方向に沿った側面側に配置され、前記燃料電池セルの発電に供される酸化剤ガスを、前記改質器、前記燃焼部、それぞれの前記燃料電池セルの一端側から他端側に沿ってこの順に流した後に前記燃料電池セルの他端側に供給するための酸化剤ガス導入部材と、を備え、
   該酸化剤ガス導入部材は、前記燃料電池スタックの前記側面側に突出する突出部を備えることを特徴とする燃料電池モジュール。

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