JP6259128B2 - モジュールおよびモジュール収容装置 - Google Patents

Description

本発明は、モジュールおよびモジュール収容装置に関する。

近年、次世代エネルギーとして、セルの１種である燃料電池セルを複数個配列してなるセルスタックを備え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が種々提案されている（例えば、特開２００７−５９３７７号公報参照）。

上記の収納容器においては、燃料電池セルに酸素含有ガスを供給するための流路、および燃料電池セルから排出される排ガスを収納容器の外部に排出するための流路が設けられている。

また、近年、セルの１種として、固体酸化物形の電解質膜を備える電解セル（ＳＯＥＣ）を用いる高温水蒸気電解法も提唱されている。

ところで、上述のモジュールにおいては、発電効率または電解効率を向上すべく、セルを収納する収納室内に供給されるガスおよびセルから排出されるガスが、効率よく流れることができる流路構造を有していることが求められている。

本発明の一態様のモジュールは、収納容器内に、複数個のセルを配列してなるセルスタックを備えるセルスタック装置を収納してなり、前記収納容器は、前記セルスタック装置を収納する収納室と、該収納室の下方に設けられた、前記収納室内に供給する第１のガスを導入するための第１ガス導入部と、前記収納室の側方に設けられた、前記第１ガス導入部につながる第１ガス流通部とを備えるとともに、前記セルの配列方向に直交する断面において、前記第１ガス流通部の幅が、前記第１ガス導入部の幅よりも狭い。

また、本発明の一態様のモジュール収容装置は、上記のモジュールと、該モジュールを作動させるための補機と、これらモジュールおよび補機を収容する外装ケースとを備える。

本実施形態のモジュールに収納されるセルスタック装置の一例を示す斜視図である。 図１に示すセルスタック装置を示し、（ａ）側面図、（ｂ）（ａ）の点線枠で囲った部分の一部拡大平面図である。 本実施形態のモジュールの一例を示す斜視図である。 図３に示すモジュールの断面図である。 本実施形態のモジュールの他の一例を示す断面図である。 図５に示すモジュールに収納された改質器を抜粋して示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は平面図である。 本実施形態のセルスタック装置の上方に、図６に示す改質器を備える構成の一例を示す側面図である。 本実施形態のモジュールのさらに他の一例を示す断面図である。 本実施形態のモジュールの排ガス回収部の底面を一部抜粋して示す平面図である。 本実施形態の燃料電池装置の一例を概略的に示す分解斜視図である。

以下、図面を用いて本実施形態のモジュールおよびモジュール収容装置について説明する。なお、異なる図中の共通の構成要素については、同一の符号を付与するものとする。

図１は、本実施形態のモジュールを構成するセルスタック装置の一例を示す外観斜視図であり、図２は、図１に示すセルスタック装置を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）の点線枠で囲った部分の一部を拡大して示す断面図である。また、以降の図において、セルとして主に固体酸化物形の燃料電池セルを用いて説明し、セルとして水素を生成することが可能な電解セルを用いる場合において、燃料電池セルと異なる構成についてのみ、別途説明するものとする。

図１、図２に示すセルスタック装置１においては、内部を燃料ガスが一端から他端に流通するガス流路１５を有する燃料電池セル３を立設させた状態で一列に配列（図１で示すＸ方向）し、隣接する燃料電池セル３間が導電部材６を介して電気的に直列に接続されているとともに、燃料電池セル３の下端を絶縁性接着材９でマニホールド４に固定してなるセルスタック２を２つ備えている。

なお、セルとして電解セルを用いる場合には、ガス流路１５に水蒸気を流し、また電解反応で生じた水素を回収すべく、セルの上端もガラスシール材等の絶縁性接着材にてマニホールドに固定されている。

なお、図１、２においては、燃料電池セル３として、内部を燃料ガスが長手方向に流通するガス流路を複数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の燃料電池セル３を例示している。なお、燃料電池セル３の間に酸素含有ガスが流通する。燃料電池セル３の構成については後述する。なお、本実施形態の燃料電池装置においては、燃料電池セル３は、例えば平板型または円筒型とすることもでき、あわせてセルスタック装置１の形状も適宜変更することができる。

また、セルスタック２の最も外側に位置する燃料電池セル３に導電部材６を介して電気的に接続されたセルスタック支持部材７（以下、スタック支持部材７と略することがある。）が設けられている。スタック支持部材７の外側には保護カバーを設けることもできる。保護カバーは、セルスタック２の周囲に配置された断熱材との接触または外部からの衝撃に対して、スタック支持部材７およびセルスタック２を保護する。また、スタック支持部材７にはセルスタック２の外側に突出する導電部８が接続されている。

なお、図１、２においては、セルスタック装置１が２つのセルスタック２を備えている場合を示しているが、適宜その個数は変更することができ、例えばセルスタック２を１つだけ備えていてもよい。また、セルスタック装置１を、後述する改質器を含むものとすることもできる。

また、マニホールド４は燃料電池セル３に供給する燃料ガスを貯留し、開口部を上面に有するガスケースと、内側に燃料電池セル３を固定するとともに、ガスケースに固定される枠体とを備えている。

燃料電池セル３の一端部（図２の下端部）は枠体で囲まれており、枠体の内側に充填された絶縁性接着材９で燃料電池セル３の下端部の外周が固定されている。つまり、セルスタック２は、枠体の内側に複数の燃料電池セル３を並べて収容し、絶縁性接着材９で枠体に接着されている。なお、絶縁性接着材９は、ガラス等の材料からなり、熱膨張係数を加味して所定のフィラーを添加したものを用いることができる。

また、マニホールド４の上面には、後述する改質器にて生成された燃料ガスが流通するガス流通管８が接続されている。なお、セルを電解セルとして用いる場合には、このガス流通管８内に水蒸気を流すことができる。これら燃料ガスまたは水蒸気は、ガス流通管８を介してマニホールド４に供給され、マニホールド４から燃料電池セル３の内部に設けられたガス流路１５に供給される。

ここで、燃料電池セル３は、図２（ｂ）に示すように、一対の対向する平坦面をもつ柱状の導電性支持基板１４（以下、支持基板１４と略す場合がある）の一方の平坦面上に燃料側電極層１０、固体電解質層１１及び空気側電極層１２を順次積層してなる柱状（中空平板状等）からなる。また、燃料電池セル３の他方の平坦面上にはインターコネクタ１３が設けられており、インターコネクタ１３の外面（上面）にはＰ型半導体層１６が設けられている。Ｐ型半導体層１６を介して、導電部材６をインターコネクタ１３に接続させることで、両者の接触がオーム接触となり、電位降下を少なくし集電性能の低下を有効に回避することが可能となる。なお、図１では導電部材６、スタック支持部材７の記載を省略している。また、支持基板は燃料側電極層を兼ねるものとし、その表面に固体電解質層および空気側電極層を順次積層してセルを構成することもできる。

燃料側電極層１０は、一般的に公知のものを使用することができ、多孔質の導電性セラミックス、例えば希土類元素酸化物が固溶しているＺｒＯ_２（安定化ジルコニアと称し、部分安定化も含むものとする）とＮｉおよび／またはＮｉＯとから形成することができる。

固体電解質層１１は、燃料側電極層１０、空気側電極層１２間の電子の橋渡しをする電解質としての機能を有していると同時に、燃料ガスと酸素含有ガスとのリークを防止するためにガス遮断性を有することが必要とされ、３〜１５モル％の希土類元素酸化物が固溶したＺｒＯ_２から形成される。なお、上記特性を有する限りにおいては、他の材料等を用いて形成してもよい。

空気側電極層１２は、一般的に用いられるものであれば特に制限はなく、例えば、いわゆるＡＢＯ_３型のペロブスカイト型酸化物からなる導電性セラミックスから形成することができる。空気側電極層１２はガス透過性を有していることが必要であり、開気孔率が２０％以上、特に３０〜５０％の範囲にあることが好ましい。

支持基板１４としては、燃料ガスを燃料側電極層１０まで透過するためにガス透過性であること、さらには、インターコネクタ１３を介して導電するために導電性であることが要求される。したがって、支持基板１４としては、導電性セラミックスまたはサーメット等を用いることができる。燃料電池セル３を作製するにあたり、燃料側電極層１０または固体電解質層１１との同時焼成にて支持基板１４を作製する場合においては、鉄族金属成分と特定希土類酸化物とから支持基板１４を形成することが好ましい。また、図２に示した燃料電池セル３において、柱状（中空平板状）の支持基板１４は、立設方向（図１に示すＹ方向）に細長く延びる板状片であり、平坦な両面と半円形状の両側面を有する。また、支持基板１４は、ガス透過性を備えるために開気孔率が３０％以上、特に３５〜５０％の範囲にあるのが好適であり、そしてまたその導電率は３００Ｓ／ｃｍ以上、特に４４０Ｓ／ｃｍ以上であるのが好ましい。また、支持基板１４の形状は柱状であれば良く、円筒状であってもよい。

Ｐ型半導体層１６としては、遷移金属ペロブスカイト型酸化物からなる層を例示することができる。具体的には、インターコネクタ１３を構成する材料よりも電子伝導性が大きいもの、例えば、ＢサイトにＭｎ、Ｆｅ、Ｃｏなどが存在するＬａＭｎＯ_３系酸化物、ＬａＦｅＯ_３系酸化物、ＬａＣｏＯ_３系酸化物などの少なくとも一種からなるＰ型半導体セラミックスを使用することができる。このようなＰ型半導体層１６の厚みは、一般に、３０〜１００μｍの範囲にあることが好ましい。

インターコネクタ１３は、上述したとおり、ランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物（ＬａＣｒＯ_３系酸化物）、もしくは、ランタンストロンチウムチタン系のペロブスカイト型酸化物（ＬａＳｒＴｉＯ_３系酸化物）が好適に使用される。これらの材料は、導電性を有し、かつ燃料ガス（水素含有ガス）および酸素含有ガス（空気等）と接触しても還元も酸化もされない。また、インターコネクタ１３は支持基板１４に形成されたガス流路１１を流通する燃料ガス、および支持基板１４の外側を流通する酸素含有ガスのリークを防止するために緻密質でなければならず、９３％以上、特に９５％以上の相対密度を有していることが好ましい。

そして、燃料電池セル３を電気的に接続するために介装される導電部材およびセルスタック支持部材７は、弾性を有する金属または合金からなる部材あるいは金属繊維または合金繊維から成るフェルトに所要の表面処理を加えた部材から構成することができる。

図３は、本実施形態のセルスタック装置１８を備えてなるモジュール（燃料電池モジュール）の一例を示す外観斜視図であり、図４は図３の断面図である。なお以降の説明において、断面図とは、燃料電池セル３の配列方向に直交する断面図を意味している。

図３に示すモジュール１７においては、収納容器１９の内部に、本実施形態のセルスタック装置１８が収納されている。なお、セルスタック装置１８の上方には、燃料電池セル３に供給する燃料ガスを生成するための改質器２０が配置されている。

また、図３に示す改質器２０においては、原燃料供給管２３を介して供給される天然ガスまたは灯油等の原燃料を改質して燃料ガスを生成する。なお、改質器２０は、改質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２１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２２とを備えている。

また図３においては、収納容器１９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１８を後方に取り出した状態を示している。ここで、図３に示したモジュール１７においては、セルスタック装置１８を、収納容器１９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１９の内部には、マニホールド４に並置されたセルスタック２の間に配置され、第１ガスである酸素含有ガスが燃料電池セル３間を下端部から上端部に向けて流れるように、第１ガス供給部である酸素含有ガス供給部材２４が配置されている。

図４に示すように、モジュール１７を構成する収納容器１９は、内壁２５と外壁２６とを有する二重構造で、外壁２６にて収納容器１９の外枠が形成されるとともに、内壁２５にてセルスタック装置１８を収納する収納室２７が形成されている。

ここで、収納容器１９は、外部から導入される酸素含有ガスを収納室２７に導入するための第１ガス導入部である酸素含有ガス導入部２８を備えている。酸素含有ガス導入部２８に導入された酸素含有ガスは、収納室２７の側方における内壁２５と外壁２６とで設けられ、酸素含有ガス導入部２８とつながる第１ガス流通部である酸素含有ガス流通部２９を上方に向けて流れる。続いて収納室２７の上方における内壁２５と外壁２６とで設けられ、酸素含有ガス流通部２９とつながる第１ガス分配部である酸素含有ガス分配部３０を流れる。そして、酸素含有ガス分配部３０には、上端側に酸素含有ガスが流入するための酸素含有ガス流入口（図示せず）とフランジ部３１とを備え、下端部に燃料電池セル３の下端部に酸素含有ガスを導入するための酸素含有ガス流出口３２が設けられてなる酸素含有ガス供給部である酸素含有ガス供給部材２４が、内壁２５を貫通して挿入されて固定されている。それにより、酸素含有ガス分配部３０と酸素含有ガス供給部材２４とがつながっている。なお、フランジ部３１と内壁２５との間には断熱部材３３が配置されている。

なお、図４においては、酸素含有ガス供給部材２４が、収納容器１９の内部に並置された２つのセルスタック２間に位置するように配置されているが、セルスタック２の数にあわせて、適宜配置することができる。例えば、収納容器１９内にセルスタック２を１つだけ収納する場合には、酸素含有ガス供給部材２４を２つ設け、セルスタック２を両側面側から挟み込むように配置することができる。

また収納室２７内には、モジュール１７内の熱が極端に放散され、燃料電池セル３（セルスタック２）の温度が低下して発電量が低減しないよう、モジュール１７内の温度を高温に維持するための断熱部材３３が適宜設けられている。

断熱部材３３は、セルスタック２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２の側面側に配置するとともに、セルスタック２の側面における燃料電池セル３の配列方向に沿った幅と同等またはそれ以上の幅を有する断熱部材３３を配置することが好ましい。なお、セルスタック２の両側面側に断熱部材３３を配置することが好ましい。それにより、セルスタック２の温度が低下することを効果的に抑制できる。さらには、酸素含有ガス供給部材２４から導入される酸素含有ガスが、セルスタック２の側面側から排出されることを抑制でき、セルスタック２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。なお、セルスタック２の両側面側に配置された断熱部材３３においては、燃料電池セル３に供給される酸素含有ガスの流れを調整し、セルスタック２の長手方向および燃料電池セル３の配列方向における温度分布を低減するための開口部３４が設けられている。

また、燃料電池セル３の配列方向に沿った内壁２５の内側には、排ガス用内壁３５が設けられており、収納室２７の側方における内壁２５と排ガス用内壁３５との間が、収納室２７内の排ガスが上方から下方に向けて流れる排ガス流通部３６とされている。

また、収納室２７の下方であって、酸素含有ガス導入部２８の上方には、排ガス流通部３６とつながる排ガス収集部３７が設けられている。排ガス収集部３７は、収納容器１９の底部に設けられた排気孔３８と通じている。また、排ガス用内壁３５のセルスタック２側にも断熱部材３３が設けられている。

それにより、モジュール１７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、排ガス流通部３６、排ガス収集部３７を流れた後、排気孔３８から排気される構成となっている。なお、排気孔３８は収納容器１９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て形成してもよい。

また、酸素含有ガス供給部材２４の内部には、セルスタック２近傍の温度を測定するための熱電対３９が、その測温部４０が燃料電池セル３の長手方向の中央部でかつ燃料電池セル３の配列方向における中央部に位置するように配置されている。

また、上述の構成のモジュール１７においては、燃料電池セル３におけるガス流路１５から排出される発電に使用されなかった燃料ガスと酸素含有ガスとを燃料電池セル３の上端と改質器２０との間で燃焼させることで、燃料電池セル３の温度を上昇・維持させることができる。あわせて、燃料電池セル３（セルスタック２）の上方に配置された改質器２０を温めることができ、改質器２０で効率よく改質反応を行なうことができる。なお、通常発電時においては、上記燃焼および燃料電池セル３の発電に伴い、モジュール１７内の温度は５００〜８００℃程度となる。

ここで、燃料電池セル３の発電効率を向上するにあたり、酸素含有ガスが流れる各流路は、酸素含有ガスが効率よく流れる構造とすることが好ましい。すなわち、図４に示すモジュール１７においては、酸素含有ガス導入部２８に導入され、収納室２７の両側方を流れて、酸素含有ガス分配室３０を介して酸素含有ガス供給部材２４に導入される酸素含有ガスが効率よく流れ、かつ均等に分配されるような構造とすることが好ましい。

従って、本実施形態のモジュール１７においては、燃料電池セル３の配列方向に直交する断面において、まず酸素含有ガス導入部２８の幅Ｗ１と、酸素含有ガス流通部２９の幅Ｗ２とを比較した場合に、酸素含有ガス流通部２９の幅Ｗ２が、酸素含有ガス導入部２８の幅Ｗ１よりも狭くなっている。それにより、酸素含有ガス導入部２８に導入された酸素含有ガスを、効率よく酸素含有ガス流通部２９に流すことができる。

ここで、酸素含有ガス流通部２９の幅Ｗ２は、収納容器１９の経時劣化により内壁２５および外壁２６が変形しても閉塞されない幅とすることが好ましく、酸素含有ガス導入部２８の幅Ｗ１と比較して、１／３〜１／３０の範囲とすることができる。なお、酸素含有ガス導入部２８の幅Ｗ１については特に制限はないが、大きすぎるとモジュールが大型化する問題がある。

なお、収納室２７のそれぞれの側方に位置する酸素含有ガス流通部２９の幅Ｗ２は、それぞれを比較した場合に±１０％の範囲内とすることが好ましい。それにより、酸素含有ガス導入部２８に導入された酸素含有ガスは、収納室２７のそれぞれの側方にほぼ同じ量が流れることとなる。

次に、酸素含有ガス分配部３０の幅Ｗ３と酸素含有ガス供給部材２４の幅（内幅）Ｗ４とを比較した場合に、酸素含有ガス供給部材２４の幅Ｗ４が、酸素含有ガス分配部３０の幅Ｗ３よりも狭くなっている。それにより、酸素含有ガス分配部３０に導入された酸素含有ガスを、効率よく酸素含有ガス供給部材２４に流すことができる。

ここで、酸素含有ガス供給部材２４の幅Ｗ４は、経時劣化により酸素含有ガス供給部材２４が変形しても閉塞されない幅とすることが好ましく、酸素含有ガス分配部３０の幅Ｗ３と比較して、１／２〜１／３０の範囲とすることができる。なお、酸素含有ガス分配部３０の幅Ｗ３については特に制限はないが、大きすぎるとモジュールが大型化する問題がある。なお上記幅を決定するにあたっては、酸素含有ガス流出口３２の圧損も考慮することが好ましい。

なお、上記の酸素含有ガス導入部２８、酸素含有ガス流通部２９、酸素含有ガス分配部３０はそれぞれ奥行き（燃料電池セル３の配列方向Ｘ）の長さが同程度であるのが好ましい。また酸素含有ガス供給部材２４の奥行きは、酸素含有ガス分配部３０よりも短くてもよいが、上記効果を得ることができる範囲内にて設定すればよい。

一方、収納室２７においては、発電に利用されなかった燃料ガスおよび酸素含有ガス、その燃料ガスを燃焼して生じる燃焼ガス等の排ガス等が生じる。この排ガスについても、効率よく収納容器１９の外部に排出することで、結果的に燃料電池セル３に効率よく酸素含有ガスが供給されることとなる。

それゆえ、本実施形態のモジュール１７においては、収納室２７の側方に設けられた排ガス流通部３６の幅Ｗ５と、収納室２７の下方に設けられた排ガス収集部３７の幅Ｗ６とを比較した場合に、排ガス流通部３６の幅Ｗ５が、排ガス収集部３７の幅Ｗ６よりも狭くなっている。それにより、収納室２７のそれぞれの側方における排ガス流通部３６を流れた排ガスが、排ガス収集部３７にて効率よく混合され、排気孔３８を介して外部に効率よく廃棄されることとなる。

ここで、排ガス流通部３６の幅Ｗ５は、経時劣化により排ガス流通部３６が変形しても閉塞されない幅とすることが好ましく、排ガス収集部３７の幅Ｗ６と比較して、１／３〜１／３０の範囲とすることができる。なお、排ガス収集部３６の幅Ｗ６については特に制限はないが、大きすぎるとモジュールが大型化する問題がある。

なお、収納室２７のそれぞれの側方に位置する排ガス流通部３６の幅Ｗ５は、それぞれを比較した場合に±１０％の範囲内とすることが好ましい。それにより、収納室２７における排ガスが、収納室２７のそれぞれの側方にほぼ同じ量が流れることとなる。

なお、上記の排ガス流通部３６、排ガス収集部３７はそれぞれ奥行き（燃料電池セル３の配列方向Ｘ）の長さが同程度であるのが好ましい。

また、上記モジュール１７の収納室２７にセルとして水蒸気と電圧を加えることで水素を生成することができる電解セルを配列してなる電解セルスタック装置を収納してなる電解モジュールとすることもできる。この場合、水蒸気から水素が生成される際の副産物として酸素が電解セルから排出される。しかしながら、収納室２７に高濃度の酸素が存在すると、何らかの衝撃等により発火するおそれや、また電解セル自身が酸化により劣化するおそれがある。

それゆえ、この場合において、第１ガスとして空気を用い、収納室２７内を空気でパージする（言い換えれば高濃度の酸素と入れ替える）ことで、発火のおそれや、電解セルの劣化を抑制することができる。すなわち、この場合においては、高濃度の酸素を含むガスが排ガスとなる。このように、電解セルスタック装置を備える電解モジュールにおいても、効率（電解効率）のよいモジュールとすることができる。

図５は、本実施形態のモジュールの他の一例を示す断面図である。

図５に示すモジュール４１は、図４に示すモジュール１７と比較して、収納室４２内に４つのセルスタック装置４３を備える点、各セルスタック装置４３の間に排ガス流通部材４４が設けられている点、図６に示すように４つのセルスタックの上方に１つの改質器４５が設けられている点で異なっている。なお、図４に示すモジュール１７と同じ構成については同じ符号を用い、説明は省略する。

収納室４２内に複数のセルスタック装置４３を収納してなる場合には、特に中央部側に位置するセルスタック装置４３における燃料電池セル３から、収納室４２の側方に位置する排ガス流通部３６までの距離が長くなってしまい、中央部側に位置するセルスタック装置４３における燃料電池セル３から排出される排ガスを、効率よく外部に排出することが難しい場合がある。

特に燃料電池セル３の上端側で、発電に使用されなかった燃料ガスを燃焼させて、その燃焼熱によって燃料電池セル３の温度を高温に維持する構成の燃料電池装置では、燃料電池セル３の上端側に排ガスが滞留することで、発電に使用されなかった燃料ガスをうまく燃焼させることができず、失火するおそれがある。特に失火を生じた場合には、燃料電池セルの温度が上昇せず、もしくは高温に維持することができず、結果として燃料電池セル３（セルスタック装置４３）の発電量が低下してしまうおそれがある。

それゆえ、図５に示す本実施形態のモジュール４１においては、上記の排ガス流通部３６に加えて、隣接するセルスタック装置４３の間に、発電に使用されなかった排ガスを排出するための排ガス流通部材４４が設けられている。

この排ガス流通部材４４は、筒状の容器からなり、上端部に収納室４２と連通する排ガス流入口４６を両側方に備えるとともに、下端である排出口４７が収納室４２の下方に設けられた排ガス収集部３７と連通している。なお、図５においては、直方体状でかつ筒状の容器にて排ガス流通部材４４を形成した例を示しているが、円筒状の容器を複数配列した構成としてもよい。

すなわち、それぞれのセルスタック装置４３の側方には、排ガス流通部３６もしくは排ガス流通部材４４のいずれかが配置されており、発電で使用されなかった排ガスは、それぞれのセルスタック装置４３を構成するセルスタック２にとって近い側の排ガス流通部３６、または排ガス流通部材４４に効率よく流れることとなる。

それにより、燃料電池セル３の上端側に排ガスが滞留することを抑制でき、排ガスを効率よく排気することができるとともに、燃料電池セル３の上方で燃焼させる構成のセルスタック装置４３においては、失火を抑制することができることから、発電量が向上したモジュール４１とすることができる。

なお、排ガス流通部材４４の幅Ｗ７と、収納室４２の下方に設けられた排ガス収集部３７の幅Ｗ６とを比較した場合に、排ガス流通部材４４の幅Ｗ７が、排ガス収集部３７の幅Ｗ６よりも狭くなっている。それにより、排ガス流通部材４４を流れた排ガスが、排ガス収集部３７にて効率よく混合され、排気孔３８を介して外部に廃棄されることとなる。

具体的には、排ガス流通部材４４の幅Ｗ７は、排ガス収集部３７の幅Ｗ６と比較して１／３〜１／３０の範囲とすることができる。なお、排ガス収集部３７の幅Ｗ６については特に制限はないが、大きすぎるとモジュールが大型化する問題がある。

なお、それぞれの排ガス流通部材４４の幅Ｗ７は、それぞれを比較した場合に±１０％の範囲内とすることが好ましい。それにより、それぞれの排ガス流通部材４４にほぼ同じ量の排ガスが流れることとなる。

また、排ガス流通部材４４を筒状の容器から構成する場合は、排ガス流通部材４４、排ガス収集部３７はそれぞれ奥行き（燃料電池セル３の配列方向Ｘ）の長さが同程度であるのが好ましい。

図６は図５に示すモジュールに収納された改質器を抜粋して示す斜視図であり、図７は、本実施形態のセルスタック装置の上方に図６に示す改質器を備える構成の一例を示す側面図である。

図５のモジュール４１においては、４つのセルスタック２の上方に、図６に示すＷ字状（ミアンダ形状）の改質器４５を備えている。

改質器４５は、図６（ａ）、（ｂ）に示したように、水を気化して水蒸気を生成する気化部４５ａと該気化部４５ａで発生した水蒸気を用いて原燃料を水蒸気改質する改質部４５ｂとを具備している。

気化部４５ａは、水蒸気が一端側から他端側に流れる気化部往路４５ａ１と、水蒸気が他端側から一端側に流れる気化部復路４５ａ２とを備えている。また、気化部往路４５ａ１には、内部に一端部から気化部往路４５ａ１に沿って突出する筒状部４８ａと、一端部に接続され、筒状部４８ａに水を供給する水供給部４８ｂとを備えている。なお、筒状部４８ａは、気化部を構成する管体から内側に突出するように設けて、この筒状部４８ａに水供給部４８ｂである水供給管を接続するほか、水供給部４８ｂである水供給管を外部から内部に挿入して、水供給管の一部が筒状部４８ａとなる構成であってもよい。以下の説明においては、水供給管４６が外部から内部に挿入した構成を用いて説明する。

また、改質部４５ｂは、原燃料供給部である原燃料供給管２３から供給された原燃料を改質して生成された改質ガスが一端側から他端側に流れる改質部往路４５ｂ１と、改質ガスが他端側から一端側に流れる改質部復路４５ｂ２とを備えており、改質部復路４５ｂ２には、改質ガスを導出するための改質ガス導出管４９が接続されている。図６に示す改質器４５において、水供給管４８、原燃料供給管２３および改質ガス導出管４９は、改質器４５の一方側に接続されている。

さらに改質器４５においては、気化部往路４５ａ１の他端側と気化部復路４５ａ２の他端側とが連結路（以下、気化部連結路という。）４５ｃ１で連結され、気化部復路４５ａ２の一端側と改質部往路４５ｂ１の一端側とが連結路（以下、気化改質部連結路という。）４５ｃ２で連結され、改質部往路４５ｂ１の他端側と改質部復路４５ｂ２の他端側とが連結路（以下、改質部連結路という。）４５ｃ３で連結されており、気化部往路４５ａ１と、気化部復路４５ａ２と、改質部往路４５ｂ１と、改質部復路４５ｂ２とが、側方が対向するように並置されている。

改質器４５では、気化部往路４５ａ１に供給された水が水蒸気となり、気化部連結路４５ｃ１、気化部復路４５ａ２、気化改質部連結路４５ｃ２、改質部往路４５ｂ１を順に流れ、また、気化改質部連結路４５ｃ２では、原燃料供給部２３ｂである原燃料供給管２３から原燃料が供給され、気化改質部連結路４５ｃ２で水蒸気と混合され、改質部往路４５ｂ１、改質部連結路４５ｃ３、改質部復路４５ｂ２を流れる間に改質され、水素を含む改質ガス（燃料ガス）が生成され、改質ガス導出管４９から導出される。

気化部往路４５ａ１、気化部復路４５ａ２、改質部往路４５ｂ１、改質部復路４５ｂ２、気化部連結路４５ｃ１、気化改質部連結路４５ｃ２、改質部連結路４５ｃ３は、横断面が矩形状の管体から構成されている。

また、気化部往路４５ａ１および気化部復路４５ａ２内に、仕切板４５ａ１１、４５ａ２１がそれぞれ設けられ、これらの仕切板４５ａ１１、４５ａ２１間が気化室とされており、水供給管４８の先端部（筒状部）は仕切板４５ａ１１の上流側に位置し、気化室手前の位置に水を供給している。気化室内には、気化を促進するためセラミックボールが収納されており、仕切板４５ａ１１、４５ａ２１は、水蒸気は通過するが、セラミックボールは通過しないように形成されている。なお、これら仕切板４５ａ１１、４５ａ２１は、改質器の構造や、後述するセルスタックの構造等に応じて適宜配置を変更することができる。

さらに、改質部往路４５ｂ１および改質部復路４５ｂ２内にも、それぞれ仕切板４５ｂ１１、４５ｂ２１が配置され、仕切板４５ｂ１１、４５ｂ２１間に位置する改質部往路４５ｂ１、改質部連結路１ｃ３、改質部復路４５ｂ２が改質室とされ、この改質室には改質触媒が収納されている。仕切板４５ｂ１１、４５ｂ２１は、水蒸気、原燃料、改質ガス等のガスは通過できるが、改質触媒は通過できないように構成されている。なお、これら仕切板４５ｂ１１、４５ｂ２１は、改質器の構造や、後述するセルスタックの構造等に応じて適宜配置を変更することができる。

このような改質器４５においては、気化部４５ａと改質部４５ｂとの間である気化改質部連結路４５ｃ２に、原燃料を供給する原燃料供給部２３ｂである原燃料供給管２３が接続されている。このような改質器４５においては、原燃料供給管２３が、水供給管４８が接続された気化部往路４５ａ１よりも下流側の気化改質部連結路４５ｃ２に接続されているため、水が供給される地点と原燃料が供給される地点とが、気化部往路４５ａ１を構成する管体と気化部復路４５ａ２を構成する管体との間の空間を介しており、また、水蒸気の流れ方向で見れば、流れ方向の長さが長い。従って、原燃料が低温であったとしても、原燃料が追加混合される時には、供給された水は殆ど気化しており、改質器４５の一部（気化部往路４５ａ１）における低温化を抑制できる。それにより、改質効率を向上することができる。

なお、水供給管４８と原燃料供給管２３とを二重配管の構造として、それぞれを気化部往路４５ａ１に接続してもよい。

そして、図７に示すように、改質器４５で生成された改質ガス（燃料ガス）は、改質ガス導出管４９によって２つのマニホールド４に供給され、マニホールド４を介して燃料電池セル３の内部に設けられたガス流路に供給される。

なお、改質器４５で生成された改質ガスは、図７に示すように、改質ガス導出管４９から、分配器５０を介して２つのマニホールド４に供給される。すなわち、改質ガス導出管４９は、改質器４５から分配器５０までのＵ字状の第１改質ガス導出管４９ａと、分配器５０から下方の２つのマニホールド４にそれぞれ延びる第２改質ガス導出管４９ｂとを具備している。第１改質ガス導出管４９ａ、第２改質ガス導出管４９ｂの長さは、改質ガスをマニホールド４に均等に供給すべく、同じ長さ（圧力損失）とされている。

なお、改質器４５において、気化部往路４５ａ１、気化部復路４５ａ２改質部往路４５ｂ１、改質部復路４５ｂ２のそれぞれは、１つのセルスタックと対応して、セルスタックの上方に配置されている。それにより、気化部往路４５ａ１、気化部復路４５ａ２改質部往路４５ｂ１、改質部復路４５ｂ２のそれぞれを効率よく加熱することができる。

また、他の構成（例えば水供給管４８、仕切板の場所等）は適宜変更可能であり、これらの例に限られるものではない。

図８は、本実施形態の燃料電池モジュールのさらに他の一例を示す断面図である。

図８に示すモジュール５０は、図５に示すモジュール４１と比較して、各セルスタック装置の間に配置された排ガス流通部材４４を設けておらず、収納室４２の上方に、燃料電池セル３から排出される排ガスを回収する排ガス回収部５１を備えており、排ガス回収部５１と排ガス流通部３６とがつながっている点で異なっている。

図５に示すモジュール４１においては、燃料電池セル３から排出される排ガスを効率よく外部に排出することができるメリットはあるものの、排ガス流通部材４４を流れる排ガスは、外部から供給される酸素含有ガスと熱交換されないことから、外部から供給される酸素含有ガスと、燃料電池セル３から排出される排ガスとの熱交換の点で改善の余地がある。

そこで、図８に示すモジュール５０においては、収納室４２の上方に、燃料電池セル３から排出される排ガスを回収する排ガス回収部５１を設け、該排ガス回収部５１と排ガス流通部３６とがつながっていることで、燃料電池セル３から排出される排ガスの全量が、外部から供給される酸素含有ガスと熱交換することができる。それにより、温度の上昇した酸素含有ガスを燃料電池セル３に供給できることとなり、発電効率を向上させることができる。

ここで、排ガス回収部５１に回収された排ガスは、効率よく排ガス流通部３６に流れる構成とすることが好ましい。それゆえ、本実施形態のモジュール５０においては、収納室４２の側方に設けられた排ガス流通部３６の幅Ｗ５と、排ガス回収部５１の幅Ｗ８とを比較した場合に、排ガス流通部３６の幅Ｗ５が、排ガス回収部５１の幅Ｗ８よりも狭くなっている。それにより、排ガス回収部５１に回収された排ガスが、収納室４２のそれぞれの側方における排ガス流通部３６に効率よく流れることとなる。それにより、酸素含有ガスとの熱交換が向上し、発電効率を向上することができる。

ここで、排ガス流通部３６の幅Ｗ５は、排ガス回収部５１の幅Ｗ８と比較して、１／３〜１／３０の範囲とすることができる。なお、排ガス回収部５１の幅Ｗ８については特に制限はないが、大きすぎるとモジュールが大型化する問題がある。

なお、上記の排ガス流通部３６、排ガス回収部５１はそれぞれ奥行き（燃料電池セル３の配列方向Ｘ）の長さが同程度であるのが好ましい。

また、この排ガス回収部５１の底面には、収納室４２とつながる回収孔５２が設けられている。それにより、収納室４２に排出された排ガスは、回収孔５２を介して排ガス回収部５１に流れることとなる。

図９は排ガス回収部５１の底面を一部抜粋して示す平面図を示しており、改質器４５との位置関係が分かるように、改質器４５を破線で示している。

図９に示すように、排ガス回収部５１の底面に設けられた回収孔５２は、少なくとも一部、好ましくはすべての回収孔５２が改質器４５と対向して設けられていることが好ましい。上述したように燃料電池セル３から排出される排ガスを燃焼させて生じる燃焼熱で改質器４５を加熱することで、改質効率を向上することができる。従って、燃料電池セル３から排出される排ガス（燃焼排ガス）は、改質器４５の周囲を流れた後に、排ガス回収部５１に流れることが好ましい。

そこで、図９においては、全ての回収孔５２を、改質器４５と対向して設けている例を示している。それにより、燃料電池セル３から排出される排ガス（燃焼排ガス）が効率よく改質器４５の周囲を流れた後に、排ガス回収部５１に流れることとなる。それにより、改質器４５の温度を効率よく向上することができ、改質効率を向上することができる。

なお、図９においては、改質器４５における気化部往路４５ａ１、気化部復路４５ａ２、改質部往路４５ｂ１、改質部復路４５ｂ２のそれぞれに対向して同じ数の回収孔５１を設けた例を示しているが、回収孔５１の数はこれに限られるものではない。

例えば、改質器４５において、気化部往路４５ａ１は水の気化に伴う吸熱反応により温度が低下し、ひいてはその下方に位置するセルスタック２の温度も低下するおそれがあることから、気化部往路４５ａ１の温度を上昇させるべく、気化部往路４５ａ１に対向する回収孔５１の数を多くしてもよい。なお、回収孔５１の数および配置は適宜設定することができる。

図１０は、外装ケース内にモジュール１７、４１、５０のいずれかと、各モジュールを動作させるための補機とを収納してなる燃料電池装置の一例を示す分解斜視図である。なお、図１０においては一部構成を省略して示している。

図１０に示す燃料電池装置５３は、支柱５４と外装板５５とから構成される外装ケース内を仕切板５６により上下に区画し、その上方側を上述した各モジュールを収納するモジュール収納室５７とし、下方側を各モジュールを動作させるための補機類を収納する補機収納室５８として構成されている。なお、補機収納室５８に収納する補機類は省略して示している。

また、仕切板５６には、補機収納室５８の空気をモジュール収納室５７側に流すための空気流通口５９が設けられており、モジュール収納室５７を構成する外装板５７の一部に、モジュール収納室５７内の空気を排気するための排気口６０が設けられている。

このような燃料電池装置では、上述したような各モジュールを外装ケース内に収納することにより、発電効率を向上した燃料電池装置５３とすることができる。

以上、本発明の一態様について詳細に説明したが、上述の実施の形態に限定されるものではなく、種々の変更、改良等が可能である。

例えば、上記形態のモジュール４１、５０では、４個のセルスタック２の上方に１個の改質器４５を配置したセルスタック装置を具備する形態について説明したが、例えば、２個または３個のセルスタック２の上方に１個の改質器を配置したセルスタック装置でも良く、さらに、５個以上のセルスタックの上方に１個の改質器を配置したセルスタック装置でも良い。この場合、改質器の形状は適宜変更すればよい。

さらに、１個のマニホールド４に２個のセルスタック２を配置した形態について説明したが、１個のマニホールドに１個のセルスタックを配置しても良く、また、１個のマニホールドに３個以上のセルスタックを配置しても良い。

さらに、上述の例ではいわゆる縦縞型と呼ばれる燃料電池セル３を用いて説明したが、一般に横縞型と呼ばれる複数の発電素子部を支持体上に設けてなる横縞型の燃料電池セルを用いることもできる。

例えば、上記形態では燃料電池セル３、燃料電池セルスタック装置１、モジュール１７、４１、５０ならびに燃料電池装置５３について説明したが、セルに水蒸気と電圧とを付与して水蒸気（水）を電気分解することにより、水素と酸素（Ｏ_２）を生成する電解セル（ＳＯＥＣ）およびこの電解セルを備える電解セルスタック装置および電解モジュールならびに電解装置にも適用することができる。

１、４３：セルスタック装置
２：セルスタック
３：セル
１７、４１、５０：モジュール
１９：収納容器
２０、４５：改質器
２４：酸素含有ガス供給部
２７、４２：収納室
２８：酸素含有ガス導入部
２９：酸素含有ガス流通部
３０：酸素含有ガス分配部
３６：排ガス流通部
３７：排ガス収集部
４４：排ガス流通部材
５１：排ガス回収部
５２：回収孔
５３：燃料電池装置

Claims (6)

1. 収納容器と、前記収納容器内に収容され、複数個のセルを配列してなるセルスタックを備える複数のセルスタック装置と、備えるモジュールであって、
   前記収納容器は、
   前記複数のセルスタック装置を収納する収納室と、
   該収納室の下方に設けられた、前記収納室内に供給する第１のガスを導入するための第１ガス導入部と、
   前記収納室の側方と上方に設けられた、前記第１ガス導入部につながる第１ガス流通部と、
   前記収納室の側方であって前記第１ガス流通部の近傍に位置した、前記セルから排出される排ガスが流通する排ガス流通部と、
   前記収納室の上方であって前記第１ガス流通部の近傍に位置した、前記セルから排出される排ガスを回収するとともに前記排ガス流通部につながる排ガス回収部と、を備え、
   前記セルの配列方向に直交する断面において、前記第１ガス流通部の幅が、前記第１ガス導入部の幅よりも狭く、
   前記収納容器は、前記複数のセルスタック装置間には、前記排ガスを流通させる構造を有しない、モジュール。
2. 前記収納室の上方に、前記第１ガス流通部につながって前記第１ガスを分配するための第１ガス分配部と、該第１ガス分配部につながって前記収納室内に前記第１ガスを供給するための第１ガス供給部とを備え、
   前記セルの配列方向に直交する断面において、前記第１ガス供給部の幅が、前記第１ガス分配部の幅よりも狭い請求項１に記載のモジュール。
3. 前記収納室の下方に位置した、前記排ガス流通部につながる排ガス収集部を備え、
   前記セルの配列方向に直交する断面において、前記排ガス流通部の幅が、前記排ガス収集部の幅よりも狭い請求項１または請求項２に記載のモジュール。
4. 前記セルの配列方向に直交する断面において、前記排ガス流通部の幅が、前記排ガス回収部の幅よりも狭い請求項１乃至３のいずれかに記載のモジュール。
5. 前記セルが燃料電池セルであり、前記第１のガスが酸素含有ガスであり、
   前記セルスタックの上方に、前記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、
   前記排ガス回収部の底面に、前記セルから排出される排ガスを回収するための回収孔を備えるとともに、該回収孔の少なくとも一部が前記改質器に対向して設けられている請求項１乃至４のいずれかに記載の燃料電池モジュール。
6. 請求項１乃至請求項５のうちいずれかに記載のモジュールと、該モジュールを作動させるための補機と、前記モジュールおよび前記補機を収容する外装ケースとを備えるモジュール収容装置。

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