特許 6030547 燃料電池モジュール

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6030547

(24)【登録日】2016年10月28日

(45)【発行日】2016年11月24日

(54)【発明の名称】燃料電池モジュール

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04 20160101AFI20161114BHJP

   H01M 8/0612 20160101ALI20161114BHJP

   H01M 8/04225 20160101ALI20161114BHJP

   H01M 8/04302 20160101ALI20161114BHJP

   H01M 8/12 20160101ALI20161114BHJP

   C01B 3/38 20060101ALI20161114BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/04 Z

   H01M8/06 G

   H01M8/04 J

   H01M8/04 X

   H01M8/12

   C01B3/38

【請求項の数】8

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2013-508950(P2013-508950)

(86)(22)【出願日】2012年4月6日

(86)【国際出願番号】JP2012059547

(87)【国際公開番号】WO2012137931

(87)【国際公開日】20121011

【審査請求日】2015年4月1日

(31)【優先権主張番号】特願2011-84580(P2011-84580)

(32)【優先日】2011年4月6日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000006633

【氏名又は名称】京セラ株式会社

(72)【発明者】

【氏名】横山 翔

(72)【発明者】

【氏名】水野 康

(72)【発明者】

【氏名】山本 暁

【審査官】 笹岡 友陽

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００７−００５１３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０１−２４８４７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−０１４４９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−２３８４４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−０８０１７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−２２０５７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−２０７４４６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ８／００− ８／２４

Ｃ０１Ｂ ３／３８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

水蒸気を生成する気化器と、
前記水蒸気及び水素含有燃料を用いて改質ガスを発生させる改質器と、
前記改質ガスを用いて発電を行うセルスタックと、
前記気化器、前記改質器及び前記セルスタックを内部に収納するとともに、前記セルスタックの排ガスを外部へ排出させる排ガス流路を画成する壁部を内部に有する筐体と、
を備え、
前記壁部は、前記改質器及び前記セルスタックを内部に収納する収容室を画成するインナ壁部と、前記インナ壁部の外側に前記インナ壁部から離間して対向配置されたアウタ壁部とを有し、前記インナ壁部と前記アウタ壁部との間に前記収容室に連通する排ガス流路を画成し、
前記気化器は、前記排ガス流路内であって前記改質器及び前記セルスタックより下方の位置に前記改質器と離間して配置され、且つ前記アウタ壁部と離間して配置され、
前記気化器が、前記筐体の下部に収容されており、
前記筐体の下部が前記気化器を収納する排気箱を構成し、
前記排気箱は、前記排ガス流路から排ガスが流入する流入部と、前記流入部から流入した排ガスを前記排気箱の外部へ排出する排出部と、前記流入部と前記排出部との間で排ガスの流路を該排気箱の内部に形成する板部とを備える、燃料電池モジュール。

【請求項2】

前記排気箱は、鉛直方向に対向する蓋部及び底部を有し、
前記板部は、該板部の両側端部が前記蓋部及び前記底部にそれぞれ連結されて前記排気箱の内部に立設されており、
前記気化器は、前記板部により形成される排ガスの流路内に配置されている、請求項１に記載の燃料電池モジュール。

【請求項3】

前記排気箱には、前記板部が、前記排出部を挟むように対向して複数配置されている請求項２に記載の燃料電池モジュール。

【請求項4】

前記気化器と前記セルスタックとの間には断熱部材が配置される請求項１〜３の何れか一項に記載の燃料電池モジュール。

【請求項5】

前記気化器を加熱する加熱部を更に備える請求項１〜４の何れか一項に記載の燃料電池モジュール。

【請求項6】

前記気化器の温度に基づいて前記加熱部の作動を制御する制御部を更に備える請求項５に記載の燃料電池モジュール。

【請求項7】

前記制御部が、起動時において、前記加熱部の作動後であって、前記気化器の温度が所定の閾値よりも高い場合に、前記気化器に水が注入されるように制御する、請求項６に記載の燃料電池モジュール。

【請求項8】

前記制御部が、前記気化器の温度が第１の閾値よりも低い場合に前記加熱部が作動し、前記気化器の温度が前記第１の閾値よりも高い第２の閾値よりも高い場合には前記加熱部が停止するように前記加熱部を制御する、請求項６又は７に記載の燃料電池モジュール。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の一形態は、燃料電池モジュールに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、燃料電池モジュールとしては、例えば特許文献１に記載されたものが知られている。特許文献１記載の燃料電池モジュールは、水素含有燃料を用いて改質ガスを生成するための気化部及び改質部を有する改質器、及び改質ガスを用いて発電を行うセルスタックが筐体内部に収容され、モジュール化されて構成されている。気化部（改質器）は、セルスタック上方に配置され、筐体外部より原燃料ガスおよび水を供給するための供給管がそれぞれ接続されている。筐体内部には、セルスタックの排ガスを筐体外部へ流す排ガス流路が形成されている。排ガス流路内には、排ガス流路を流れる排ガスと供給管を流れる原燃料ガス又は水とで熱交換を行うための熱交換部が配置されている。

【0003】

また、特許文献２記載の燃料電池モジュールは、筐体内に改質器と、酸素を含有する酸化ガスと改質器で生成された燃料ガスとで発電を行なう燃料電池セルと、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ている。改質器は、気化部と改質部とに区画されることで構成されている。改質器は、気化部が燃料電池セルの上端近傍に配置され、改質部が燃料電池セルの下端部近傍に位置するように燃料電池セルに沿って設けられている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１０−８０２６０号公報

【特許文献2】特開２０１１−０１４４９５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、特許文献１及び特許文献２記載の燃料電池モジュールでは、気化器と改質器とが近接して、又は一体的に構成されセルスタックとともに筐体内に収容されているため、気化器の吸熱の影響により改質部又及びセルスタックが冷却されるおそれがある。冷却によりセルスタックの温度が低下すると発電時のセル電圧の低下の原因となる。また冷却により改質器の温度が低下すると燃料が未改質の状態でセルスタックに供給される、いわゆるスリップの原因となる。そのため、特許文献１記載の燃料電池モジュールの構成を採用した場合、燃料電池モジュールの発電性能を低下させるおそれがある。

【0006】

そこで、本発明の一側面はこのような課題を解決するためになされたものであって、安定した発電性能を発揮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。

【課題を解決するための手段】

【0007】

すなわち本発明の一側面に係る燃料電池モジュールは、水蒸気を生成する気化器と、水蒸気及び水素含有燃料を用いて改質ガスを発生させる改質器と、改質ガスを用いて発電を行うセルスタックと、気化器、改質器及びセルスタックを内部に収納するとともに、セルスタックの排ガスを外部へ排出させる排ガス流路を画成する壁部を内部に有する筐体と、を備え、壁部は、改質器及びセルスタックを内部に収納する収容室を画成するインナ壁部と、インナ壁部の外側にインナ壁部から離間して対向配置されたアウタ壁部とを有し、インナ壁部とアウタ壁部との間に収容室に連通する排ガス流路を画成し、気化器は、排ガス流路内であって改質器及びセルスタックより下方の位置に改質器と離間して配置されることを特徴として構成される。

【0008】

本発明の一側面に係る燃料電池モジュールでは、筐体内部に気化器、改質器及びセルスタックが収容され、気化器は、排ガス流路内であって改質器及びセルスタックより下方の位置に改質器と離間して配置され、且つアウタ壁部と離間して配置される。このように気化器が改質器と離間して配置されることにより、気化器の輻射冷却によって改質器が冷却されることを緩和することができる。このため、安定した発電性能を発揮することができる。さらに、気化器がアウタ壁部と離間して配置されることにより、アウタ壁部の外部からの吸熱による気化器の冷却を緩和することができる。このため、気化器による水蒸気の生成が効率的に行われ、安定した発電性能を発揮することができる。

【発明の効果】

【0009】

本発明の一側面によれば、安定した発電性能を発揮することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】第１実施形態に係る燃料電池モジュールを示す概略ブロック図である。

【図2】第１実施形態に係る燃料電池モジュールの内部を説明する断面図である。

【図3】（ａ）は第１実施形態に係る燃料電池モジュールの排気箱の内部構成を説明する断面図であり、（ｂ）は（ａ）のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図であり、（ｃ）は（ａ）のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。

【図4】排気箱５０の斜視図である。

【図5】起動時における制御部９による気化器の温度制御を説明するフローチャートである。

【図6】運転時における制御部９による気化器の温度制御を説明するフローチャートである。

【図7】（ａ）は第２実施形態に係る燃料電池モジュールの排気箱の内部構成を説明する断面図であり、（ｂ）は（ａ）のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図であり、（ｃ）は（ａ）のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。

【図8】（ａ）は第３実施形態に係る燃料電池モジュールの排気箱の内部構成を説明する断面図であり、（ｂ）は（ａ）のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図であり、（ｃ）は（ａ）のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

【0012】

（第１実施形態）
図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池モジュールを示す概略ブロック図である。図１に示すように、本実施形態の燃料電池モジュール１は、改質器２、セルスタック３、燃焼部４、気化器５、断熱部材６，及び筐体７を備えている。筐体７は、例えば直方体状を呈する金属製の箱体が採用され、その内部に改質器２、セルスタック３、燃焼部４、気化器５、及び断熱部材６を収容する。

【0013】

燃料電池モジュール１は、水素含有燃料及び酸化剤を用いて、セルスタック３にて発電を行う。セルスタック３は、ＳＯＦＣ（Solid Oxide Fuel Cells）と称される複数のセルの積層体を有している。各セルは、固体酸化物である電解質が燃料極と酸化剤極との間に配置されることで構成されている。電解質は、例えばイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等からなり、高温下で酸化物イオンを伝導する。燃料極は、例えばニッケルとＹＳＺとの混合物からなり、酸化物イオンと改質ガス中の水素とを反応させて、電子及び水を発生させる。酸化剤極は、例えばランタンストロンチウムマンガナイトからなり、酸化剤中の酸素と電子とを反応させて、酸化物イオンを発生させる。

【0014】

水素含有燃料として、例えば、炭化水素系燃料が用いられる。炭化水素系燃料として、分子中に炭素と水素とを含む化合物（酸素等、他の元素を含んでいてもよい）若しくはそれらの混合物が用いられる。炭化水素系燃料として、例えば、炭化水素類、アルコール類、エーテル類又はバイオ燃料が挙げられ、これらの炭化水素系燃料は従来の石油・石炭等の化石燃料由来のもの、合成ガス等の合成系燃料由来のもの、又はバイオマス由来のものを適宜用いることができる。具体的には、炭化水素類として、メタン、エタン、プロパン、ブタン、天然ガス、ＬＰＧ（液化石油ガス）、都市ガス、タウンガス、ガソリン、ナフサ、灯油又は軽油が挙げられる。

【0015】

なお、アルコール類として、メタノール又はエタノールが挙げられる。エーテル類として、ジメチルエーテルが挙げられる。バイオ燃料として、バイオガス、バイオエタノール、バイオディーゼル又はバイオジェットが挙げられる。酸化剤として、例えば、空気、純酸素ガス（通常の除去手法で除去が困難な不純物を含んでもよい）又は酸素富化空気が用いられる。

【0016】

改質器２は、図示しない燃料ブロワに接続されており、燃料ブロワにより水素含有燃料が供給されるとともに、気化器５に接続されており、気化された水が供給される。改質器２は、供給される水素含有燃料及び水を用いて改質ガスを発生させる。改質器２は、改質触媒を用いた改質反応により、水素含有燃料を改質して改質ガスを発生させる。改質器２での改質方式は、特に限定されず、例えば、水蒸気改質、部分酸化改質、自己熱改質、その他の改質方式を採用できる。改質器２は、後述する燃焼熱によって加熱され得るようにセルスタック３の上側に配置されている。改質器２は、改質ガスをセルスタック３の燃料極へ供給する。

【0017】

セルスタック３は、改質器２からの改質ガス、及び図示しない空気ブロワ等により供給された酸化剤を用いて発電を行う。このセルスタック３は、発電に用いられなかった改質ガス及び酸化剤をオフガスとして、燃焼部４へ供給する。

【0018】

燃焼部４は、セルスタック３から供給されるオフガスを燃焼させ、改質器２を加熱する。この燃焼部４は、セルスタック３の上部に位置している。燃焼部４の燃焼で発生した排ガスは、排ガス配管４ａを介して筐体７外へ排気される。排ガス配管４ａには、燃焼触媒４ｂが設けられており、排気される排ガスが当該燃焼触媒４ｂにより燃焼処理される。また、排ガス配管４ａには熱交換部１０が接続されており、排ガスの熱が図示しない貯湯水等と熱交換することにより回収される構成とされている。

【0019】

気化器５は、供給される水を加熱し気化させ、改質器２に供給される水蒸気を生成する。気化器５は、図示しない水ポンプに接続されており、水ポンプにより水が供給される。気化器５は、生成した水蒸気を改質器２へ供給する。気化器５には、気化器５を加熱するヒータ（加熱部）８が設けられている。加熱部８は、制御部９に接続されており、制御部９からの信号に基づいて動作する。制御部９は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えており、通常のコンピュータデバイスとして構成されている。この気化器５における水の加熱は、加熱部８による熱又は排ガスの熱により行われる。

【0020】

断熱部材６は、セルスタック３と気化器５との間に配置され、セルスタック３と気化器５との間の熱のやり取りを遮断する。

【0021】

ここで、気化器５の配置を詳細に説明する。図２は、図１に示す燃料電池モジュール１の内部流路及び構成要素の配置を説明する断面図である。図２に示すように、筐体７は、改質器２及びセルスタック３を収納するための内部空間を有する。筐体７は、セルスタック３及び改質器２を収納する収納室１１と、収納室１１よりも外側に形成され、セルスタック３からのオフガスの燃焼による排ガスＥＧを通過させる排ガス流路１２、及び酸化剤ＯＸを通過させる酸化剤流路１３と、収納室１１、排ガス流路１２及び酸化剤流路１３を画成する各壁部と、を備える。なお、以下の説明においては、セルスタック３の各セルの積層方向に沿った方向（図面垂直方向）を筐体７の「長さ方向Ｄ１」とし、水平方向において各セルの積層方向と直交する方向を筐体７の「幅方向Ｄ２」とし、鉛直方向を筐体７の「上下方向Ｄ３」として以下の説明を行う。本実施形態では、収納室１１、排ガス流路１２、酸化剤流路１３、及びこれらを形成する各壁部は、長さ方向Ｄ１から見て左右対称な構造となっている。

【0022】

収納室１１は、幅方向Ｄ２に互いに対向する第１側壁部１６，１７、及び第１側壁部１６，１７の各下端部に連結される第１底壁部１８によって画成される。以下では、収容室１１を画成する第１側壁部１６，１７及び第１底壁部１８をインナ壁部と称する。第１底壁部１８の上方には、断熱部材６が配置され、断熱部材６の上方にはセルスタック３を支持する台座４１が配置される。燃焼部４で発生した排ガスＥＧを通過させるため、収納室１１の上端部は開口している。すなわち、収納室１１の少なくとも燃焼部４より上方側の空間は、排ガスＥＧが流通するため、実質的には「排ガス流路」である。

【0023】

改質器２は、収納室１１の一部である「排ガス流路」においてセルスタック３よりも下流側であって、セルスタックの上方側に配置されている。

【0024】

排ガス流路１２は、収納室１１を画成するインナ壁部と、幅方向Ｄ２において第１側壁部１６，１７の外側にそれぞれ配置される第２側壁部２１，２２と、第１側壁部１６，１７の上端部よりも上側に配置される第１上壁部２３と、第１底壁部１８よりも下側に配置される第２底壁部２４と、によって画成される。以下では、第２側壁部２１，２２、第１上壁部２３及び第２底壁部２４をアウタ壁部と称する。

【0025】

第１上壁部２３は第２側壁部２１，２２の上端部に連結され、第２底壁部２４は第２側壁部２１，２２の下端部に連結される。第２側壁部２１，２２は、第１側壁部１６，１７から離間して対向するように配置される。

【0026】

排ガス流路１２は、収納室１１の上側の開口部と第１上壁部２３との間に形成される排ガス流路１２Ａ，１２Ｂと、第２側壁部２１，２２と第１側壁部１６，１７との間に形成される排ガス流路１２Ｃ，１２Ｄと、第２底壁部２４と第１底壁部１８との間に形成される排ガス流路１２Ｅ，１２Ｆと、を有する。排ガス流路１２Ａ，１２Ｂは、燃焼部４からの排ガスＥＧを排ガス流路１２Ｃ，１２Ｄへ導く。排ガス流路１２Ｃ，１２Ｄは、排ガスＥＧを下方へ通過させ、当該排ガスＥＧの熱を外側の酸化剤流路１３Ｃ，１３Ｄを流れる酸化剤ＯＸに供給する。排ガス流路１２Ｅ，１２Ｆは、排ガスＥＧを排ガス配管４ａへ向かって水平方向に通過させる。このように、排ガス流路１２は、インナ壁部と、インナ壁部の外側にインナ壁部から離間して対向配置されたアウタ壁部とを有し、インナ壁部とアウタ壁部との間に収容室１１に連通するように形成されている。

【0027】

酸化剤流路１３は、排ガス流路１２を画成する壁部と、幅方向Ｄ２において第２側壁部２１，２２の外側にそれぞれ配置される第３側壁部２６，２７と、第１上壁部２３よりも上側に配置される第２上壁部２８と、第２底壁部２４よりも下側に配置される第３底壁部２９と、によって画成される。

【0028】

第２上壁部２８は第３側壁部２６，２７の上端部に連結され、第３底壁部２９は第３側壁部２６，２７の下端部に連結される。第３側壁部２６，２７は、第２側壁部２１，２２から離間して対向するように配置される。第２上壁部２８は、第１上壁部２３から離間して対向するように配置される。第３底壁部２９は、第２底壁部２４から離間して対向するように配置される。

【0029】

第１上壁部２３には、その中央部に酸化剤供給部材３６が設けられている。酸化剤供給部材３６は、第１上壁部２３から下方向に延在し、セルスタック３に酸化剤ＯＸを供給する。酸化剤供給部材３６は、一対のセルスタック３の間の隙間に入り込むように延びており、内部に酸化剤流路１３Ｋを画成するとともに、先端部に貫通孔３７，３８を有している。

【0030】

酸化剤流路１３は、第２上壁部２８と第１上壁部２３との間に形成される酸化剤流路１３Ａ，１３Ｂと、第３側壁部２６，２７と第２側壁部２１，２２との間に形成される酸化剤流路１３Ｃ，１３Ｄと、第３底壁部２９と第２底壁部２４との間に形成される酸化剤流路１３Ｇ，１３Ｈと、を有する。酸化剤流路１３Ｇ，１３Ｈは、給気管４ｃからの酸化剤ＯＸを水平方向に広がるように通過させ、酸化剤流路１３Ｃ，１３Ｄへ導く。酸化剤流路１３Ｃ，１３Ｄは、酸化剤ＯＸを上方へ通過させ、当該酸化剤ＯＸを内側の排ガス流路１２Ｃ，１２Ｄを流れる排ガスＥＧの熱によって加熱する。酸化剤流路１３Ａ，１３Ｂは、酸化剤ＯＸを幅方向Ｄ２における外側から内側へ向かって通過させ、酸化剤供給部材３６の酸化剤流路１３Ｋへ流して貫通孔３７，３８へ導く。

【0031】

第３底壁部２９には、図示されない酸化剤供給部から酸化剤流路１３に酸化剤を流入させるための給気管４ｃが設けられている。また、第２底壁部２４には、排ガス流路１２からの排ガスを排気する排ガス配管４ａが設けられている。

【0032】

次に、改質ガス、酸化剤ＯＸ、及び排ガスＥＧの流れについて説明する。

【0033】

外部から供給される水素含有燃料、及び気化器５からの水蒸気を用いて改質器２で発生した改質ガスは、改質器２と台座４１とを接続する図示しないパイプを通過して台座４１に流れ込み、台座４１からセルスタック３の各セルに供給される。改質ガスは、セルスタック３を下方から上方へ向かって流れ、一部はオフガスとして燃焼部４での燃焼に用いられる。酸化剤ＯＸは、外部から給気管４ｃを介して供給され、酸化剤流路１３Ｇ，１３Ｈにて水平方向に広がり、内側を流れる排ガスＥＧで加熱されながら酸化剤流路１３Ｃ，１３Ｄを上方へ向かって通過する。酸化剤ＯＸは、酸化剤流路１３Ａ，１３Ｂを通過し、酸化剤供給部材３６の酸化剤流路１３Ｋを流れて、貫通孔３７，３８を通過してセルスタック３へ供給され、一部は燃焼部４での燃焼に用いられる。燃焼部４で発生した排ガスＥＧは、収納室１１を上方に向けて流通し、改質器２を加熱する。その後、排ガス流路１２Ａ，１２Ｂで排ガス流路１２Ｃ，１２Ｄに導かれ、外側を流れる酸化剤ＯＸに熱を供給しながら排ガス流路１２Ｃ，１２Ｄを下方へ向かって通過する。排ガスＥＧは、底部まで達すると排ガス流路１２Ｅ，１２Ｆへ流れ込み、気化器５に熱を供給しながら排ガス流路１２Ｅ，１２Ｆを通過する。排ガス流路１２Ｅ，１２Ｆを通過した排ガスＥＧは、排ガス配管４ａから排気される。

【0034】

筐体７の下部であって、収容室１１の下方に位置する排ガス流路１２Ｅ，１２Ｆには、気化器５が設けられている。以下では、排ガス流路１２Ｅ，１２Ｆを画成する第２底壁部２４及び第１底壁部１８をそれぞれ底部及び蓋部とし、第２側壁部２１，２２の下端部を側部とする箱体を排気箱５０と称し、気化部５の詳細を説明する。排気箱５０の蓋部と側部との間には隙間が設けられており、排ガス流路１２Ｃ、１２Ｄを流通した排ガスが、排気箱５０へ流入するための流入部を形成している。図３（ａ）は、図２に示す排気箱５０の内部構成を説明する断面図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図、図３（ｃ）は、図３（ａ）のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。図３（ａ）〜（Ｃ）に示すように、排気箱５０は、排ガス配管（排出部）４ａ、気化器５、及び仕切り板（板部）５１を有している。

【0035】

気化器５は、水を気化するための内部空間を有する管状体である。気化器５は、屈曲部を２箇所有しており、上下方向（Ｄ３方向）からみて略Ｕ字状に屈曲されて構成される。すなわち、気化器５は、一方の端部から屈曲部まで長さ方向Ｄ１に延びる第１気化器と、屈曲部間に幅方向Ｄ２へ延びる第２気化器と、第１気化器に対向配置され屈曲部から他方の端部まで長さ方向Ｄ１に延びる第３気化器を備えている。気化器５は、上下方向（Ｄ３方向）からみてセルスタック３と重なるように配置されている。また、気化器５は、第１気化器と第３気化器との間に排ガス配管４ａが介在するように配置されている。気化器５は、第２底壁部２４と所定の間隔ｄを有して配置される。すなわち、気化器５は、第２底壁部２４と離間して配置される。所定の間隔ｄは、例えば５ｍｍ程度にすることができるが、排ガスＥＧが流通可能な間隔である限り特に限定されない。

【0036】

仕切板５１の両側端部は、排気箱５０の蓋部及び底部にそれぞれ連結されて排気箱５０の内部に立設されている。仕切板５１は、第１気化器の内側及び第２気化器の内側に沿って、排ガス配管４ａを挟むように対向して２つ設けられている。２つの仕切板５１は、水平方向に互いに対向している。仕切板５１は、第２底壁部２４に立設され、その上端側が第１底壁部１８に接続され、気化器５の内側に沿って、長さ方向Ｄ１に延在する。仕切り板５１は更に、第２側壁部２１，２２と連結される第２側壁部２５に連結され、第２側壁部２５と対向する第２側壁部２６と連結されない非連結部５２を有する。このように、仕切板５１は、排気箱５０の内部空間を仕切るように配置され、流入部と排出部との間の排ガス流路を形成する。排ガス配管４ａは、鉛直方向からみて２つの仕切板５１の間に設けられている。

【0037】

次に、排気箱５０の内部における、排ガスＥＧの流れについて説明する。図４は、排気箱内部における排ガスＥＧの流れを示している。排気箱５０は、排ガス流路１２Ｃ、１２Ｄを通過して排気箱５０内部に流入した排ガスＥＧを通過させる排ガス流路１４を備える。

【0038】

排ガス流路１４は、第１底壁部１８、第２側壁部２１，２２、第２底壁部２４、及び仕切り板５１との間に形成される排ガス流路１４Ａ、１４Ｂと、第１底壁部１８、互いに対向する仕切り板５１及び第２底壁部２４により形成される排ガス流路１４Ｃとを備えている。排ガス流路１２Ｃ，１２Ｄを下方へ向かって流入する排ガスＥＧは、排気箱５０の鉛直方向下向きに流入し、排ガス流路１４Ａ，１４Ｂを通過する。この際、排ガスＥＧは、気化器５を加熱しながら気化器５と第２底壁部２４との隙間を通過する。排ガスＥＧが仕切り板５１の設けられない非連結部５２に到達すると、排ガス流路１４Ａ，１４Ｂを通過した排ガスＥＧが合流し、排ガス流路１４Ｃを通過する。排ガス流路１４Ｃを通過した排ガスＥＧは、排ガス配管４ａから排気される。

【0039】

次に、気化器５の構成について説明する。気化器５には、加熱部８、水配管５４、及び温度計５３が挿入されている。水配管５４は気化器５の内部へ水ＷＡを供給する。水配管５４からは水ポンプにより水ＷＡが注入される。注入された水ＷＡは、気化器５内部を通過する際に気化器５の熱により加熱され、水蒸気として気化器５の出口側に設けられる水配管５４から排出される。このため、水ＷＡの流通方向は、気化器５の出口側において排ガス流路１４Ｂを通過する排ガスＥＧと対向流となる。

【0040】

加熱部８は、気化器５を加熱する装置であり、例えば電圧を印加させることにより作動する。温度計５３は、気化器５の温度を測定し、図示しない電気配線によって温度情報を制御部９に出力する。

【0041】

制御部９は、温度計５３により取得した気化器５の温度に基づいて加熱部８の作動を制御する。燃料電池モジュール１の起動時における制御部９による加熱部８の制御処理を図５に示すフローチャートを参照して説明する。まず、制御部９は、燃料電池モジュール１の起動開始指令を取得すると（Ｓ１）、作動信号を加熱部８に送信し、加熱部８を作動させる（Ｓ２）。次に、制御部９は温度計５３より温度情報を取得し、気化器５の温度が所定の温度（例えば１００℃）より高いか否かを判断する（Ｓ３）。制御部９は、気化器の温度が所定の温度より高いと判断した場合には、水ポンプを作動させ水ＷＡを気化器５に注入する（Ｓ４）。一方、制御部９は、Ｓ３において気化器の温度が所定の温度以下と判断した場合には、Ｓ３の処理に移行して気化器５の温度が所定の温度より高くなるまで所定時間毎に繰り返し判断を行う。

【0042】

次に、燃料電池モジュール１の運転時における制御部９による加熱部８の制御処理を図６に示すフローチャートを参照して説明する。制御部９は、図６は以下に示す処理を所定の時間間隔で実行する。まず、制御部９は温度計５３より気化器５の温度情報を取得し（Ｓ１１）、気化器５の温度が第１の閾値Ｔｍｉｎより高いか否かを判断する（Ｓ１２）。気化器５の温度が第１の閾値Ｔｍｉｎより低い場合には、制御部９は作動信号を加熱部８に送信し、加熱部８を作動させ（Ｓ１３）、その後処理を終了する。一方、気化器５の温度が第１の閾値Ｔｍｉｎ以上である場合には、制御部９は気化器５の温度が第２の閾値Ｔｍａｘより高いか否かを判断する（Ｓ１４）。第２の閾値Ｔｍａｘは、第１の閾値Ｔｍｉｎよりも高い閾値である。気化器５の温度が第２の閾値Ｔｍａｘより高い場合には、制御部９は停止信号を加熱部８に送信し、加熱部８を停止させ（Ｓ１５）、その後処理を終了する。一方、気化器５の温度が第２の閾値Ｔｍａｘ以下である場合には、制御部９はそのまま処理を終了する。

【0043】

以上、第１実施形態に係る燃料電池モジュール１では、筐体７内部に気化器５、改質器２及びセルスタック３が収容され、気化器５は、排ガス流路内であって改質器２及びセルスタック３より下方の位置に改質器２と離間して配置され、且つ第２底壁部２４と離間して配置される。このように気化器５が改質器２と離間して配置されることにより、気化器５の輻射冷却によって改質器２が冷却されることを緩和することができる。このため、安定した発電性能を発揮することができる。さらに、気化器５が排ガス流路を画成する第２底壁部２４と離間して配置されることにより、排ガス流路外からの吸熱による気化器５の冷却を緩和することができる。このため、気化器５による水蒸気の生成が効率的に行われ、安定した発電性能を発揮することができる。

【0044】

ところで、セルスタック３の温度低下は発電時のセル電圧が低下させ発電効率を低下させるとともに、同一出力で発電する際に掃引電流値が大きく（高電流密度）なりセルスタック３の劣化を早める原因となる。また、改質器２の温度低下は燃料が未改質のままセルスタック３に流入する、いわゆるスリップの原因となる。第１実施形態に係る燃料電池モジュール１では、気化器５をセルスタック５と第２底壁部２４を介して離間して配置し、セルスタック３の温度低下を抑制することで、発電効率を向上させることができる。また、気化器５を改質器２と離間して配置し、改質器２の温度低下を抑制することで、燃料スリップによるセルスタック３の損傷を防止することができる。

【0045】

また、第１実施形態に係る燃料電池モジュール１によれば、気化器５とセルスタック３との間には断熱部材６が配置されることで、断熱部材６がセルスタック３と気化器５との間の熱交換を抑制するため、気化器５の輻射冷却によってセルスタック３が冷却されることを一層緩和することができる。

【0046】

また、第１実施形態に係る燃料電池モジュール１によれば、気化器５を加熱する加熱部８を更に備えることで、セルスタック３の排ガスの熱量が変化した場合にも加熱部８の温度を適切に制御することができる。また、気化器５の温度を測定し、気化器５の温度と所定の閾値とに基づいて加熱部８の作動を制御してもよい。本実施形態によれば、排ガスと気化器５との接触距離を長く確保することにより排ガスが持つ熱の利用効率を高めることができる。このため、起動時および／または通常運転時において、加熱部８の動作頻度を抑制することができる。これにより、発電に必要な加熱部８の消費電力を低減し、燃料電池システムの発電効率を高めることができる。

【0047】

（第２実施形態）
第２実施形態に係る燃料電池モジュールは、第１実施形態に係る燃料電池モジュール１とほぼ同様に構成されるものであり、排気箱５０の構成のみが相違する。本実施形態では、排気箱５０に代えて排気箱５０Ａを備える。以下では説明理解の容易性を考慮して、第１実施形態に係る燃料電池モジュール１との相違点を中心に説明し、重複する説明は省略する。

【0048】

図７は、本実施形態に係る燃料電池モジュールが備える排気箱５０Ａの構成を示している。図７（ａ）は、排気箱５０Ａの内部構成を説明する断面図であり、図７（ｂ）は、図７（ａ）のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図、図７（ｃ）は、図７（ａ）のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。図７（ａ）〜（Ｃ）に示すように、排気箱５０Ａは、排ガス配管４ａ、気化器５Ａ、及び仕切り板５１Ａを有している。

【0049】

図７（ｂ）、（ｃ）に示すように、排気箱５０には、直方体型の気化器５が配置される。気化器５は、第２底壁部２４と所定の間隔ｄを有して配置される。すなわち、気化器５は、第２底壁部２４と離間して配置される。所定の間隔ｄは、例えば５ｍｍ程度にすることができるが、排ガスＥＧが流通可能な間隔である限り特に限定されない。

【0050】

仕切板５１Ａは、気化器５の外側に沿って、気化器５及び排ガス配管４ａを挟むように対向して２つ設けられている。仕切板５１Ａは、第２底壁部２４に立設され、その上端側が第１底壁部１８に接続され、気化器５の内側に沿って、長さ方向Ｄ１に延在する。仕切り板５１Ａは更に、第２側壁部２１，２２と連結される第２側壁部２５に連結され、第２側壁部２５と対向する第２側壁部２６と連結されない非連結部５２を有する。

【0051】

次に、排気箱５０Ａの内部における、排ガスＥＧの流れは第１実施形態と同様であるので、詳細な説明は省略する。本実施形態における排気箱５０Ａにおいても、排ガス流路１２Ｃ，１２Ｄを下方へ向かって流入する排ガスＥＧは、排気箱５０Ａの鉛直方向下向きに流入する。そして、排ガスＥＧは、仕切り板５１と第２側壁部２１，２２とにより形成される排ガス流路を通過する。その後、仕切り板５１の設けられない非連結部５２に到達した排ガスＥＧは、気化器５を加熱しながら気化器５と第２底壁部２４との隙間を通過した後に排ガス配管４ａから排気される。このため、水ＷＡは、排ガスＥＧと対向流となる。

【0052】

以上、第２実施形態に係る燃料電池モジュール１においても、第１実施形態に係る燃料電池モジュール１と同様の効果を奏する。更に、本実施形態によれば、このように、水ＷＡの流通方向と排ガスＥＧの流通方向が対向流となるので熱効率を向上させることでき、エネルギー効率良く気化器を加熱することが可能となる。

【0053】

（第３実施形態）
第３実施形態に係る燃料電池モジュールは、第２実施形態に係る燃料電池モジュール１とほぼ同様に構成されるものであり、排気箱５０Ａの構成のみが相違する。本実施形態では、排気箱５０Ａに代えて排気箱５０Ｂを備える。以下では説明理解の容易性を考慮して、第２実施形態に係る燃料電池モジュールとの相違点を中心に説明し、重複する説明は省略する。

【0054】

図８は、本実施形態に係る燃料電池モジュールが備える排気箱５０Ｂの構成を示している。図８（ａ）は、排気箱５０Ｂの内部構成を説明する断面図であり、図８（ｂ）は、図８（ａ）のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図、図８（ｃ）は、図６（ａ）のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。図８（ａ）〜（Ｃ）に示すように、排気箱５０Ｂは、排ガス配管４ａ、気化器５Ａ、及び仕切り板５１Ａを有している。

【0055】

仕切板５１Ａは、気化器５の外側に沿って、気化器５及び排ガス配管４ａを挟むように対向して２つ設けられている。排ガス配管４ａは、排気箱５０Ｂの略中央位置に設けられている。仕切板５１Ａは、第２底壁部２４に立設され、その上端側が第１底壁部１８に接続され、気化器５の内側に沿って、長さ方向Ｄ１に延在する。仕切り板５１Ａは更に、第２側壁部２１，２２と連結される第２側壁部２５に連結されない非連結部５５、及び第２側壁部２５と対向する第２側壁部２６と連結されない非連結部５２を有する。

【0056】

次に、排気箱５０Ｂの内部における、排ガスＥＧの流れは第１及び第２実施形態と同様であるので、詳細な説明は省略する。本実施形態における排気箱５０Ｂにおいても、排ガス流路１２Ｃ，１２Ｄを下方へ向かって流入する排ガスＥＧは、排気箱５０Ｂの鉛直方向下向きに流入する。そして、排ガスＥＧは、仕切り板５１と第２側壁部２１，２２とにより形成される排ガス流路を通過する。その後、仕切り板５１の設けられない非連結部５２、５５に到達した排ガスＥＧは、気化器５を加熱しながら気化器５と第２底壁部２４との隙間を通過した後に排ガス配管４ａから排気される。

【0057】

以上、第３実施形態に係る燃料電池モジュールにおいても、第１実施形態にかかる燃料電池モジュールと同様の効果を奏する。本実施形態のように、排ガス配管４ａを排気箱５０Ｂの略中央位置に配置し、仕切板５１Ａを気化器５及び排ガス配管４ａを挟むように対向して２つ設けることで、排ガスと気化器５との接触距離が長く確保されるような流路を形成することができる。

【0058】

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変形し、又は他のものに適用したものであってもよい。

【0059】

例えば、上記実施形態では、断熱部材６を備える場合を説明したが、必要に応じて断熱部材６を備えずに構成してもよい。図５および図６に示したフローチャートは、第１実施形態として説明したが、第２実施形態および第３実施形態に当該制御フローを適用してもよい。

【0060】

また、上記実施形態では、気化器５に加熱部８、制御部９、及び温度計５３を備える場合を説明したが、必要に応じて加熱部８、制御部９、及び温度計５３を備えずに構成してもよい。また、気化器５は、その一部又は全体が上下方向（Ｄ３方向）からみてセルスタック３と重ならないように配置されていてもよい。

【0061】

また、筐体７の形状は各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変更することができる。例えば、第１側壁部１６，１７の上端部には内側へ向かって水平に延びる折込部が形成され、収納室１１の上端部が折り込まれていてもよい。また、上記実施形態では、上側から酸化剤が導入されていた。しかし、筐体７を更にもう一重の筐体で覆い、当該筐体の下部に給気管を設けることで、下方から酸化剤を導入してもよい。

【符号の説明】

【0062】

１…燃料電池モジュール、２…改質器、３…セルスタック、５，５Ａ…気化器、６…断熱部材、７…筐体、８…加熱部、９…制御部、１１…収納室（一部は排ガス流路）、１２，１４…排ガス流路、５３…温度計。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】