特許 6867401 燃料電池モジュールおよび燃料電池装置

(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】6867401

(24)【登録日】2021年4月12日

(45)【発行日】2021年4月28日

(54)【発明の名称】燃料電池モジュールおよび燃料電池装置

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04 20160101AFI20210419BHJP

   H01M 8/04014 20160101ALI20210419BHJP

   H01M 8/0606 20160101ALI20210419BHJP

   H01M 8/2475 20160101ALI20210419BHJP

   H01M 8/2484 20160101ALI20210419BHJP

   H01M 8/2465 20160101ALI20210419BHJP

   H01M 8/12 20160101ALN20210419BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/04 Z

   H01M8/04 N

   H01M8/04014

   H01M8/0606

   H01M8/2475

   H01M8/2484

   H01M8/2465

   !H01M8/12 101

   !H01M8/12 102C

   !H01M8/12 102B

【請求項の数】9

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2018-547808(P2018-547808)

(86)(22)【出願日】2017年10月27日

(86)【国際出願番号】JP2017039009

(87)【国際公開番号】WO2018079751

(87)【国際公開日】20180503

【審査請求日】2019年4月3日

(31)【優先権主張番号】特願2016-213769(P2016-213769)

(32)【優先日】2016年10月31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

(73)【特許権者】

【識別番号】000109026

【氏名又は名称】ダイニチ工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100075557

【弁理士】

【氏名又は名称】西教 圭一郎

(72)【発明者】

【氏名】中村 光博

(72)【発明者】

【氏名】嶌田 光隆

(72)【発明者】

【氏名】山内 亨祐

(72)【発明者】

【氏名】岡田 道忠

【審査官】 西井 香織

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１５−１１５２０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１４／１３２５６２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００６−３１８６７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１２／１４１３０４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１１−００９０３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００９／１１９６１５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１６−１７７９０５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−１９１８９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１６−１００２７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１６−１５７５７１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ８／０４ − ８／０６６８

Ｈ０１Ｍ ８／１２

Ｈ０１Ｍ ８／２４６５

Ｈ０１Ｍ ８／２４７５

Ｈ０１Ｍ ８／２４８４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

酸素含有ガスと燃料ガスとで発電を行なう燃料電池セルを複数配列してなるセルスタックと、各燃料電池セルに燃料ガスを供給するマニホールドと、原燃料を改質して前記燃料ガスを生成する改質器と、を備えるセルスタック装置と、
前記酸素含有ガスが流通する酸素含有ガス流路と、
前記酸素含有ガスを前記複数の燃料電池セルのそれぞれに供給する酸素含有ガス導入板と、
前記セルスタック装置および前記酸素含有ガス導入板を収容する収納室を備える収納容器と、
前記収納容器の外部から前記収納室内に挿入された複数の挿入部材と、を備え、
前記挿入部材は、前記収納容器の一面より挿入されている、燃料電池モジュール。

【請求項2】

前記収納容器は直方体状であって、一面が開口した箱体と該開口を塞ぐ蓋体とからなり、
前記挿入部材は前記蓋体より挿入されている、請求項１に記載の燃料電池モジュール。

【請求項3】

前記酸素含有ガス導入板は、前記セルスタック装置に対して、前記挿入部材の挿入側と反対側に設けられている、請求項１または２記載の燃料電池モジュール。

【請求項4】

前記酸素含有ガス流路は、前記酸素含有ガス導入板の導入部とつながり、
前記酸素含有ガスが、前記酸素含有ガス導入板の前記導入部の周囲を流れた後に、前記酸素含有ガス導入板に流れるように設けられている、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。

【請求項5】

前記酸素含有ガス流路は、前記セルスタック装置の下方を流れる第１流路と、第１流路とつながり前記セルスタック装置の側方を流れる第２流路とを備え、
前記第１流路を流れた酸素含有ガスが、前記第２流路における前記セルスタック装置の側方中央部に導入されるように設けられている、請求項１〜４のいずれか１つに記載の燃料電池モジュール。

【請求項6】

前記改質器は、改質用水を気化させる気化部および気化した水蒸気により原燃料を改質する改質部を備え、
前記酸素含有ガス導入板は、前記改質器の気化部近傍に、前記燃料電池セルの発電に使用されなかった排ガスを、前記セルスタック装置と反対側に流通させる貫通口を有しており、
前記貫通口とつながり、前記セルスタック装置の側方に沿って設けられた第１の排ガス流路を有する、請求項１〜５のいずれか１つに記載の燃料電池モジュール。

【請求項7】

前記セルスタック装置の下方に、排ガス処理用の燃焼触媒を有する排ガス処理室が配設され、
前記第１の排ガス流路は、前記排ガス処理室とつながっている、請求項６に記載の燃料電池モジュール。

【請求項8】

前記セルスタック装置の側方における前記改質器の気化部側に、前記排ガス処理室を流過した排ガスを、前記収納容器の側面に沿って上方に向かって流通させる第２の排ガス流路を有し、該第２の排ガス流路上部に、前記排ガスを外部に流出させる排ガス流出口が設けられている、請求項７に記載の燃料電池モジュール。

【請求項9】

請求項１〜８のいずれか１つに記載の燃料電池モジュールと、前記燃料電池モジュールを作動させるための補機とを外装ケースに内に収容してなる、燃料電池装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、燃料電池モジュールおよび燃料電池装置に関する。

【背景技術】

【0002】

収納容器内に、水素含有ガスである燃料ガスと、酸素含有ガスである空気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積層したセルスタックを備える燃料電池モジュールと、該燃料電池モジュールが知られている。また、およびその動作に必要な補機類を外装ケース等の筐体に収容した燃料電池装置が、種々提案されている（たとえば、特許文献１，２を参照。）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】国際公開第２００９／１１９６１５号

【特許文献2】特開２００９−１５８１２１号公報

【発明の概要】

【0004】

本開示の燃料電池モジュールは、
酸素含有ガスと燃料ガスとで発電を行なう燃料電池セルを複数配列してなるセルスタックと、各燃料電池セルに燃料ガスを供給するマニホールドと、原燃料を改質して前記燃料ガスを生成する改質器と、を備えるセルスタック装置と、
前記酸素含有ガスが流通する酸素含有ガス流路と、
前記酸素含有ガスを前記複数の燃料電池セルのそれぞれに供給する酸素含有ガス導入板と、
前記セルスタック装置および前記酸素含有ガス導入板を収容する収納室を備える収納容器と、
前記収納容器の外部から前記収納室内に挿入された複数の挿入部材と、を備え、
前記挿入部材が、前記収納容器の一面より挿入されている燃料電池モジュールである。

【0005】

また、本開示の燃料電池装置は、前記燃料電池モジュールと、前記燃料電池モジュールを作動させるための補機と、これらを収容する外装ケースと、を備える。

【図面の簡単な説明】

【0006】

本開示の目的、特色、および利点は、下記の詳細な説明と図面とから、より明確になるであろう。

【図1】実施形態の燃料電池モジュールの構成を示す外観斜視図である。

【図2】上記燃料電池モジュールの分解斜視図である。

【図3】上記燃料電池モジュールの内部構成を示す縦方向の断面図である。

【図4】上記燃料電池モジュールの二重容器のアウターカバーの内側に設けられる、空気流路の構成を示す図である。

【図5】上記燃料電池モジュール内部の酸素含有ガス導入板の形状を説明する半断面図である。

【図6】上記燃料電池モジュールの二重容器の底部に設けられた排ガス処理室の構成を説明する半断面図である。

【図7】本開示の燃料電池モジュールを用いた燃料電池装置の概略構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0007】

図１は一実施形態の燃料電池モジュールを側方から見た外観斜視図であり、図２は燃料電池モジュール１０の分解斜視図、図３はその断面図である。なお、図２は、モジュール組み立て作業のために、燃料電池モジュール１０を作業台等に容器の開口である大形開口１ｃを上にして載置した状態、いわゆる「横倒し」あるいは「寝かせた」状態を示している。組み立て後に輸送や使用される場合は、図１，図３のように、容器開口を側面にしてセルスタック２Ａを正立させた状態、すなわち立てた状態で用いられる。また、図中の符号ＨＥは熱交換器である。

【0008】

図に示す実施形態の燃料電池モジュール１０は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）である。組み立て後の完成図である図１および図３に示すように、収納容器１は、インナーケース１Ｂとアウターカバー１Ａとの間にガス流路が形成された二重構造である。収納容器１の内側には、底部断熱材６および側部断熱材７Ａ，７Ｂ等から構成される内側断熱材を配設されて、その内部の中央空間に、発電室１１Ａと燃焼室１１Ｂとが設けられる。発電室１１Ａと燃焼室１１Ｂの中には、セルスタック２Ａ，マニホールド２Ｂおよび改質器２Ｃ等からなるセルスタック装置２が収容される。なお、発電室１１Ａと燃焼室１１Ｂとで収納室１２となる。

【0009】

なお、発電室１１Ａと燃焼室１１Ｂとは一体化されていてもよい。また、底部断熱材６、側部断熱材７Ａ，７Ｂの「底部」、「側部」とは、組み立て後の稼動状態を示す図１，図３において底部側、側部側に位置するという意味である。図２のように組み立て中の場合は、底部断熱材６は横倒しになったセルスタック２Ａの側方に位置する。側部断熱材７Ａは、横倒しになったセルスタック２Ａの下側に相当する、インナーケース１Ｂの箱体底部１ｄ側の底面側に位置する。側部断熱材７Ｂは、横倒しになったセルスタック２Ａ上側の蓋体であるクローズドプレート５側に位置する。

【0010】

この燃料電池モジュールは、収納容器１の外部から収納室１２内に、燃料電池モジュール１０の動作に必要な熱電対３３，３４，３５等のセンサや着火ヒーター３２等の挿入部材が、収納容器１の一面より挿入されている。本実施形態では、挿入部材は、収納容器１の開口面である大形開口１ｃを蓋するクローズドプレート５を貫通して設けられた各貫通孔を介して挿入されている。すなわち、本実施形態では第１貫通孔〜第５貫通孔等を介して挿入されている。これら挿入部材の取り付け作業が、燃料電池モジュール１０を組立途中で移動させたり向きを変えたりすることなく行えるようになっている。なお、収納容器１の形状は、図に示す直方体形状のほか、多角柱状とすることもできる。

【0011】

また、収納容器１として、図２に示すような一面が大きく開口する箱体である二重構造の収納容器１を用いている。この箱体の上面に位置する大形開口１ｃは、図のように横倒しにしたセルスタック装置２を大形開口１ｃの上側から挿入できる大きさとされている。言い換えれば、大形開口１ｃは、その開口長さまたは開口径（対角長さともいう）が、マニホールド２Ｂおよび改質器２Ｃを含むセルスタック装置２の側面サイズより大きくなっている。

【0012】

すなわち、大形開口１ｃは、セルスタック装置２のセル配列の側方側から見た装置投影面の最大長さまたは最大横断径より大きくなっている。これにより、セルスタック装置２を、箱体である収納容器１内で移動させたりすることなく、収納容器１内の所定の位置に、一度の作業で容易に収容することができる。

【0013】

上記燃料電池モジュール１０の構成と製造方法および組み立て順について説明する。

【0014】

燃料電池モジュール１０は、図２の分解斜視図に下から順に示すように、収納容器１と、側部断熱材７Ａと、酸素含有ガス導入板３と、保持用断熱材８Ａ，８Ｂと、セルスタック装置２と、底部断熱材６と、側部断熱材７Ｂと、セルスタック保持用断熱材８Ｃ，８Ｄと、ペーパーガスケット４とクローズドプレート５と、を備えている。収納容器１は、アウターカバー（１Ａ）とインナーケース（１Ｂ）とを備えている。

【0015】

側部断熱材７Ａは、側部断熱材の一方である箱体底面側をなしている。酸素含有ガス導入板３は、燃料電池セルに酸素含有ガスを供給する。セルスタック保持用断熱材８Ａ，８Ｂは、酸素含有ガス導入板３の上面に配置されたリブ状である。

【0016】

セルスタック装置２は、セルスタック２Ａおよび改質器２Ｃを含む。底部断熱材６は、セルスタック装置２の側方に位置するマニホールド２Ｂ側に配設される。側部断熱材７Ｂは、側部断熱材の他方側に位置する箱体開口側をなしている。

【0017】

セルスタック保持用断熱材８Ｃ，８Ｄは、側部断熱材７Ｂの下面側に取り付けられるとともにセルスタック保持用断熱材８Ａ，８Ｂと対をなしている。インナーケース１Ｂは、ペーパーガスケット４とクローズドプレート５とで蓋をされている。なお、一部の部材を省略してもよく、また他の部材を追加してもよい。

【0018】

そして、収納容器１のインナーケース１Ｂ内に収容される、セルスタック装置２を含む各部材は、インナーケース１Ｂのセルスタック装置挿入用の大形開口１ｃより小さなサイズとされている。すなわち、酸素含有ガス導入板３、底部断熱材６、側部断熱材７Ａ，７Ｂ、セルスタック保持用断熱材８Ａ，８Ｂ，８Ｃ，８Ｄ等は、インナーケース１Ｂのセルスタック装置挿入用の大形開口１ｃより小さなサイズとされている。

【0019】

これら各部材は、大形開口１ｃから、開口から見た箱体の底面に相当する箱体底部１ｄに向けて、容易に挿入できるようになっている。そのため、図２に示すように下から順に積み重ねていくことで、燃料電池モジュール１０を容易に組み立てることができる。

【0020】

また、酸素含有ガス導入板３は、インナーケース１Ｂの内壁に設けられた酸素含有ガス流路である第３流路１５の酸素含有ガス導出口１ｅから挿入される。続いて、酸素含有ガス導入板３は、この側部断熱材７Ａの上側に載置され、その導入部３ｄ側の基端部３ｂを、図３に示すように、酸素含有ガス導出口１ｅに、溶接やねじ止め等（図示省略）により固定される。

【0021】

ここで、酸素含有ガス導入板３を溶接にて固定する場合は、セルスタック装置２が溶接による熱的影響を受けることがなく、また気密を保持することが容易になるという利点がある。これは、酸素含有ガス導入板３を溶接によって固定した後に、セルスタック装置２を挿入するためである。また、酸素含有ガス導入板３が、セルスタック装置２に対して、センサや補機類の挿入側となるクローズドプレート５と反対側に設けられているため、これらの挿入作業の邪魔になることがない。なお、酸素含有ガス導入板３の固定方法は、溶接だけに限定されるものではなく、たとえば、ねじ止めにより固定してもよい。

【0022】

そして、セルスタック装置２が収容され組み上がった状態で、燃料電池モジュール１０の上面となるクローズドプレート５から、ペーパーガスケット４および側部断熱材７Ｂを通して、セルスタック装置２の近傍まで貫通する複数の貫通孔、この例では貫通孔２１〜２７が設けられる。

【0023】

各貫通孔２１〜２７のうち、貫通孔２１は、改質器２Ｃの気化部２Ｃ１に原燃料を供給する原燃料供給管、すなわちこの例では、原燃料供給管として改質用水も同時に供給する二重管式ガス継手３１の挿通に使用される。

【0024】

貫通孔２２は着火ヒーター３２の挿通に使用される。貫通孔２３は改質器２Ｃの気化部２Ｃ１に配設する熱電対３３の挿通に使用される。貫通孔２４は改質器２Ｃの改質部２Ｃ２に配設する熱電対３４の挿通に使用される。貫通孔２５はセルスタック２Ａの温度を検出する熱電対３５の挿通に使用される。

【0025】

また、貫通孔２６，２７に挿通されているのは、セルスタック２Ａの積層方向両端部から電気を取り出すためのバスバー３６，３７である。これらバスバー３６，３７は、セルスタック２Ａの積層方向両端に配置されたエンドコレクター（図示せず）に、モジュール組み立て前に予め取り付けられている。

【0026】

バスバー３６，３７は、先に述べた側部断熱材７Ｂ，ペーパーガスケット４およびクローズドプレート５を燃料電池モジュール１０に組み込む際、それぞれに予め設けられている、連通した場合に貫通孔を形成する穴（図２参照。たとえば、貫通孔２６形成用の３つの穴２６，２６，２６等）をバスバー３６に挿通しながら、各部材を組み付ける。それにより、図１のような、各バスバー３６，３７の端子部がクローズドプレート５の表面から突き出る状態に、燃料電池モジュール１０を組み上げることができる。なお、上述の各貫通孔は、挿入部材の数にあわせて適宜変更することができ、一部を省略できるほか、他の貫通孔を設けてもよい。

【0027】

ここで、前述のような燃料電池モジュールの組み立てにおいては、セルスタックを容器に収容した後に、該セルスタックの周囲にセンサやヒーター、着火手段等を取り付ける作業が行われる。これらの作業は、収納容器内の狭い空間内で、セルスタック等に傷を付けないように慎重に行う必要があるため、時間がかかることから、モジュール生産の効率の点で改善の余地があった。

【0028】

これに対して、本開示の燃料電池モジュールおよび燃料電池装置によれば、燃料電池モジュールおよびこれを用いた燃料電池装置を、効率良く組み立てることができる。すなわち、本実施形態の燃料電池モジュール１０は、図２のように燃料電池モジュール１０を「寝かせた」状態で、あるいは、図１のように燃料電池モジュール１０を「立てた」状態のいずれの態様でも、容易にかつ短時間で組み付けることができる。すなわち、二重管式ガス継手３１，着火ヒーター３２等や各部の温度測定に用いられる熱電対等のセンサ類等、燃料電池モジュール１０内のセルスタック２Ａ近傍に配置する必要のある挿入部材を、先に述べたような収納容器１の開口を蓋した状態で各貫通孔から挿入する。それにより、本開示の燃料電池モジュール１０は、容易にかつ短時間で組み付けることができる。

【0029】

したがって、本実施形態の燃料電池モジュール１０の製造では、セルスタック装置２を、挿入部材の取り付けのために容器内で移動させる必要がなく、容器内の所定の位置に、一度の作業で、簡単に収めることができる。しかも、配管や配線等の接続作業は、作業スペースが充分にある蓋側から行うことができるため、これらの作業を手早く容易に完了することができる。よって、本実施形態の燃料電池モジュール１０の製造は、モジュール生産の効率を向上させることができる。

【0030】

つぎに、前述のようにして組み立てられ、この収納容器１内に収容された、燃料電池モジュール１０の各装置および部材について、図４〜図６を加えて説明する。図４は、燃料電池モジュールの二重容器のアウターカバーの内側に設けられる、空気流路の構成を示す図である。図５は、燃料電池モジュール内部の酸素含有ガス導入板の形状を説明する半断面図である。図６は、燃料電池モジュールの二重容器の底部に設けられた排ガス処理室の構成を説明する半断面図である。

【0031】

収納容器１内の、図３における下側の発電室１１Ａと上側の燃焼室１１Ｂを合わせた収納室１２に収容されたセルスタック装置２は、先にも述べたように、セルスタック２Ａ，マニホールド２Ｂおよび改質器２Ｃを組み合わせて構成されている。なお収納室１２とは、インナーケース１Ｂと、側部断熱材７Ａ，７Ｂと、底部断熱材６とで囲まれた空間を言う。

【0032】

セルスタック２Ａは、内部を燃料ガスが、稼動時の上下方向に相当する長手方向に流通する燃料ガス流路（図示せず）を有する中空平板型の柱状燃料電池セルを立設させた状態で一列に配列し、隣接する燃料電池セル間が集電部材（図示せず）を介して電気的に直列に接続されている。なお、燃料電池セルとしては、柱状のものであればよく、たとえば円筒型や横縞型にも適用できる。

【0033】

セルスタック２Ａは、図３のように、収納室１２における発電室１１Ａ内に収納されており、これを構成する各燃料電池セルの下端は、ガラスシール材等の絶縁性接合材（図示せず）でマニホールド２Ｂに固定されている。

【0034】

セルスタック２Ａの上方、すなわち組み立て前の横倒し状態の図２では側方に、天然ガスや灯油等の原燃料を改質して燃料電池セルに供給する燃料ガスを生成するための改質器２Ｃが配設されている。この改質器２Ｃで生成された燃料ガスが、燃料ガス供給管２ｄ（図３参照）を通じてマニホールド２Ｂに供給される。

【0035】

マニホールド２Ｂに供給された燃料ガスは、セルスタック２Ａの内部に設けられたガス流路を下端より上端に向けて流れる。各燃料電池セルでは、この燃料ガスと、側方に位置する酸素含有ガス導入板３の吐出口３ｃから供給される酸素含有ガスとで、発電が行なわれる。

【0036】

なお、セルスタック装置２においては、各セルスタック２Ａの上端において燃料ガス流路の終端より排出される、発電に寄与しなかった余剰の燃料ガスと酸素含有ガスとを燃焼させて、改質器２Ｃの加熱および原燃料の改質に利用している。すなわち、混合された余剰の燃料ガスと酸素含有ガスとは、セルスタック２Ａと改質器２Ｃの間に位置する燃焼部１１ｃにおいて、着火ヒーター３２により着火して燃焼され、その燃焼熱が改質器２Ｃの加熱および原燃料の改質に利用されている。そのため、収納室１２における、セルスタック２Ａより改質器２Ｃ側の高温の上側空間を燃焼室１１Ｂ、セルスタック２Ａ側の低温の下側空間を発電室１１Ａと呼称している。

【0037】

つぎに、断熱材は、セルスタック装置２の周囲に配置され、このセルスタック装置２の断熱および位置固定と、収納室１２である発電室１１Ａ，燃焼室１１Ｂを形成する。断熱材は、図３に示すように、セルスタック装置２の側方に配置される大形の側部断熱材７Ａ，７Ｂと、その内側でセルスタック装置２を挟み込むように両側から支持するセルスタック保持用断熱材８Ａ，８Ｃおよび８Ｂ，８Ｄと、セルスタック装置２の下側に配置される底部断熱材６と、からなる。なお、断熱材としては、一般的に使用される断熱材料を用いることができ、たとえば、アルミナ系、シリカ系、アルミナシリカ系材料から構成された断熱材を用いることができる。

【0038】

図示左側の大形の側部断熱材７Ｂの内側面でかつセルスタック装置２側には、溝状凹部７ｃ，７ｃが形成されている。セルスタック保持用断熱材８Ｃ，８Ｄは、これら溝状凹部７ｃ，７ｃに嵌入され、所定の適切な位置で、セルスタック装置２を支持するようになっている。一方で、セルスタック保持用断熱材８Ａ，８Ｂは、酸素が入ガス導入板３に設けられた断熱材固定部材９により保持され、所定の適切な位置で、セルスタック装置２を支持するようになっている。

【0039】

底部断熱材６，側部断熱材７Ａの外側と、外壁に相当する二重容器であるアウターカバー１Ａ、内壁に相当するインナーケース１Ｂとの間には、各流路が設けられている。たとえば、図３に示すような、セルスタック装置２に酸素含有ガスを供給する流路１３，１４，１５が設けられている。

【0040】

また、セルスタック装置２から排出される燃焼排ガスを、排ガス処理室１８またはモジュール外の熱交換器等へ輸送するための流路１６，１７および１９等が設けられている。なお、各断面図は模式図であるため、流路の厚みを実際より誇張して描いており、流路の、容器の厚み方向である紙面表裏方向の重なりや蛇行、迂回等、三次元的な形状を、必ずしも反映させているものではない。また、他の部材の厚みや寸法も、実際のものとは異なる。

【0041】

酸素含有ガス流路１３，１４，１５は、酸素含有ガス流入管１３ａと、第１の酸素含有ガス流路（第１流路１３）と、第２の酸素含有ガス流路（第２流路１４）と、第３の酸素含有ガス流路（第３流路１５および空気溜まり）と、から構成されている。

【0042】

酸素含有ガス流入管１３ａは、図示しない空気ブロア等の補機から送給される酸素含有ガスを受け入れる。第１の酸素含有ガス流路は、容器底部に設けられている。第２の酸素含有ガス流路は、後述の第１の排ガス流路１７（排ガスポケット）と対向して排ガスとの熱交換を主に担う。第３の酸素含有ガス流路は、容器上部で酸素含有ガスをさらに加温する。

【0043】

上部の第３流路１５には、図３に示すように、この第３流路１５から下方のマニホールド２Ｂ部位に向けて垂下する、酸素含有ガス導入板３が接続されている。加温された酸素含有ガスは、柱状のセルスタック２Ａの下端部近くまで送給され、ここからセルスタック２Ａの下端部に向けて、直接的に供給される。また、セルスタック２Ａの下端部に供給された酸素含有ガスは、各燃料電池セルの柱状の外形に沿って、セルスタック２Ａの上端の燃焼室１２の方向へ移動する。

【0044】

第２流路１４と第３流路１５について、図４を用いて、より詳しく説明する。図４は、収納容器１のアウターカバー１Ａを取り外した状態を示している。容器底部の第１流路１３を経由した酸素含有ガス（空気：白抜き矢印）は、底部の中央側から、幅広の燃料電池モジュール１０側面のインナーケース１Ｂの箱体底部１ｄを流れる第２流路１４に流入する。

【0045】

第２流路１４に流入した酸素含有ガスは、上方に向かって流れる間にこの箱体底部１ｄを挟んでその内側に配設された第１の排ガス流路１７（図３参照）内を流れる高温の排ガスとの熱交換により暖められる。第２流路１４を流れた酸素含有ガスは、容器上部に設けられた第３流路１５に流入する。

【0046】

また、第３流路１５中に設けられた、酸素含有ガス導入板３のスリット状の導入部３ｄの周囲には、図４に示すような、平面視略コの字状の整流板１５ａが配設されている。それにより、モジュール箱体側面のインナーケース１Ｂの箱体底部１ｄから箱体上面に廻り込んだ酸素含有ガスが、酸素含有ガス導入板３のスリット状の導入部３ｄに、直接的に到達しないようになっている。

【0047】

すなわち、この整流板１５ａは、酸素含有ガス導入板３に導入される酸素含有ガスを、図示白抜き矢印のように導入部３ｄの周囲を迂回させて流すためのものである。これにより、箱体上面における酸素含有ガスの流路長が延長されるとともに、この整流板１５ａを迂回している間に、側面で暖められた酸素含有ガスがさらに暖められる。また、セルスタック２Ａに供給される酸素含有ガスの温度が上昇することから、発電効率を向上させる効果がある。

【0048】

なお、インナーケース１Ｂ上面の第３流路１５の整流板１５ａの構成は一例であり、必ずしもこの構成とする必要はない。同様の整流板で形状や流路を変更してもよく、あるいは、流路そのものが、酸素含有ガス導入板３の導入部３ｄを迂回する形状とされていてもよい。

【0049】

また、モジュール箱体の側面のインナーケース１Ｂの箱体底部１ｄ側の第２流路１４も、実施形態での開示例に限定されるものではなく、たとえば、図４に二点鎖線で表示した直線Ｆ，Ｆの位置に、それぞれ、追加の整流板等を設置してもよい。このように、幅広のモジュール箱体側面のインナーケース１Ｂの箱体底部１ｄに、この側面を流れる酸素含有ガスを、中央の高温領域に向けて集める整流板を設置することにより、このモジュール箱体の側面を流れる酸素含有ガスの温度を、より上げることができる。

【0050】

さらに、箱体底面の第１流路１３上、たとえば、底面の点線で表示した直線Ｇ，Ｇの位置に、上記追加の整流板と同様の整流板等を配置してもよく、その整流板は、図のように第２流路１４に対する空気出口（空気流出口）を中央側に絞る流路形状としてもよい。このように、整流板等の形状や流路配置は、適宜変更することができる。

【0051】

つぎに、前述のように温度の上昇した酸素含有ガスをセルスタック２Ａに供給する酸素含有ガス導入板３は、たとえば薄い板状部材を２枚用いて中空の厚板状に成型される。具体的には、セルスタック２Ａのセル配列方向長さに相当する板幅を有している。

【0052】

図３では上側の、酸素含有ガス流入側の第３流路１５側の基端部３ｂは、先述の図４のように、導入板幅方向にスリット状に開口する導入部３ｄとなっている。図３では下側の、セルスタック２Ａ側の先端部３ａには、その先端の縁部より少し距離をおいた位置に、酸素含有ガス吐出口３ｃが設けられている。

【0053】

酸素含有ガス吐出口３ｃは、一方の薄板状部材を貫通する小孔状で、通常、幅方向に所定の間隔を開けて複数個形成されている。これにより、酸素含有ガス導入板３は、前述のように第２流路１４および第３流路１５で温められた酸素含有ガスを、柱状のセルスタック２Ａの下端部に、効率的に供給することができる。

【0054】

また、図５の一部断面図に示すように、酸素含有ガス導入板３における導入部３ｄ側または基端部３ｂ側の上部には、排ガス流通口３ｆとして貫通口が設けられている。排ガス流通口３ｆは、セルスタック２Ａ上部の燃焼室１１Ｂで発生する燃焼排ガスを、第１の排ガス流路１７の上部空間１６に向けて、酸素含有ガス導入板３の幅広面に直交する方向に通過させて、セルスタック装置２と反対側に流通させる。排ガス流通口３ｆは、改質器２Ｃの気化部２Ｃ１側（図示右側）および改質部２Ｃ２側（図示左側）にそれぞれ設けられている。

【0055】

なお、本実施形態においては、排ガス流通口３ｆは、改質器２Ｃの気化部２Ｃ１側と改質部２Ｃ２側の２箇所に設けられているが、少なくとも気化部２Ｃ１側に設けられていればよい。これにより、高温の排ガスは改質器２Ｃの気化部２Ｃ１近傍を流れるため、気化部２Ｃ１の温度を高温に維持することができる。

【0056】

つぎに、酸素含有ガス導入板３を貫通する排ガス流通口３ｆ，３ｆ（図５参照）を通過した高温の燃焼排ガス（以下、排ガス）は、側部断熱材７Ａ上側の空間である上部空間１６に排出される。続いて、排ガスは、その空間に連通する側面の第１の排ガス流路１７（インナーケース１Ｂ内側の排ガスポケット）を経由して、収納容器１底部の排ガス処理室１８に導入される。排ガスは、この排ガス処理室１８内で処理される。

【0057】

排ガス処理室１８は、モジュールの収納容器１の底部に沿って、改質器２Ｃの改質部２Ｃ２側（図示奥側で左側）から気化部２Ｃ１側（図示手前で右側）にかけて設けられている。その内部には、図６のモジュール底部の一部断面図に示すように、排ガス再加熱用のヒーター４１と、排ガスを浄化する燃焼触媒４２とが配設されている。なお、本実施形態においてヒーター４１は、挿入部材とは異なる面から挿入された例を示しているが、挿入部材と同様に、クローズドプレート５を貫通して設けてもよく、また設けなくてもよい。

【0058】

また、先の第１の排ガス流路１７を経由した排ガスは、図６の黒塗り矢印に示すように、排ガス処理室１８の一方側（図示奥側で左側）に設けられた排ガス導入口１８ａから排ガス処理室１８内に導入される。続いて、排ガスは、排ガス処理室１８内を奥側から手前側に向かう一方向の流れとして処理され、処理後の排ガスが、白抜き矢印で示すように、他方側（図示手前で右側）に設けられた排ガス導出口１８ｂから導出される。

【0059】

そして、図６において、手前側（図示右側）の排ガス導出口１８ｂから上方に導出された排ガスは、図５に示すように、改質器２Ｃの気化部２Ｃ１側（図示手前で右側）に設けられた第２の排ガス流路１９により、収納容器１の幅狭側面の内側を上に向かって流れる。続いて、排ガスは、第２の排ガス流路１９の上部に設けられた、熱交換器接続口である排ガス流出口２０から、燃料電池モジュール１０の外部に設けられた熱交換器ＨＥへと流れる。

【0060】

なお、排ガス処理室１８の排ガスの流れを、図６に図示したものとは逆の、手前側から奥側に向かう一方向の流れとすることもできる。その場合は、排ガス導入口１８ａを排ガス処理室１８の他方側（図示手前で右側）に設け、排ガス導出口１８ｂを排ガス処理室１８の一方側（図示奥側で左側）に設ければよい。その場合、排ガス再加熱用のヒーター４１は図示手前側に、排ガスを浄化する燃焼触媒４２は図示奥側に配設される。また、第２の排ガス流路１９および排ガス流出口２０は、図示では見えない奥側の収納容器１の幅狭側面に設けられるとともに、モジュール外部の熱交換器ＨＥも、収納容器１の奥側に配設される。

【0061】

以上の構成により、本実施形態の燃料電池モジュール１０は、モジュールの筐体を途中で移動させたり向きを変えたりすることなく、補機類やセンサ等を簡単に取り付けすることができる。したがって、モジュール組み立てにかかる時間やコストを低減することができる。また、セルスタック２Ａに供給される酸素含有ガスの温度が上昇することから、燃料電池の発電効率を向上させることができる。

【0062】

しかも、燃料電池モジュール１０と熱交換器ＨＥとが、該燃料電池モジュール１０の長手方向に並んで配置されるため、モジュール幅を小さく設計することが可能である。したがって、薄形でコンパクトな燃料電池モジュールとすることができる。

【0063】

つぎに、図７は、燃料電池モジュール１０と、この燃料電池モジュール１０を作動させるための補機とを、外装ケース５０に内に収納した燃料電池装置６０の一例を示す透過斜視図である。なお、図７においては、モジュールの運転に用いる補機や、各種センサ類、配管・配線等と、外装板である化粧パネルとを図示していない。

【0064】

燃料電池装置６０は、各支柱５１と外装板（図示省略）から構成される外装ケース５０内に、前記実施形態の燃料電池モジュール１０を収容したものである。この外装ケース５０内には、図示した燃料電池モジュール１０の他、蓄熱用のタンク、発電した電力を外部に供給するためのパワーコンディショナ、ポンプやコントローラ等の補機類が配設される。

【0065】

このような燃料電池装置６０においては、１つの外装ケース５０内に、コンパクトな燃料電池モジュール１０および熱交換器、各種補機類等を収納することで、外装ケース５０の高さや幅を小さくでき、それにより燃料電池装置全体を小型化することができる。

【0066】

しかも、前述のような薄形の燃料電池モジュール１０を使用した場合、燃料電池装置全体がスリム化され、戸建て住宅の軒下等、奥行きのとれない細長いスペースにも設置することも可能である。したがって、本実施形態の燃料電池装置６０は、装置設置場所の選択の幅が広く、設置の自由度の高い燃料電池装置とすることができる。

【0067】

以上、発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明は上述の実施の形態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。

【0068】

また、セルスタックの形状も、列状のものに限られるものではなく、他の配列のセルスタックを有するセルスタック装置を用いることもできる。また、収納容器も、そのセルスタック装置の形状や外形に合わせて、直方体状、円筒状のほか、立方体状や角柱状等であってもよい。

【0069】

本発明は、その精神または主要な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形態で実施できる。したがって、前述の実施形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、本発明の範囲は請求の範囲に示すものであって、明細書本文には何ら拘束されない。さらに、請求の範囲に属する変形や変更は全て本発明の範囲内のものである。

【符号の説明】

【0070】

１ 収納容器
１ｃ 大形開口
２ セルスタック装置
２Ａ セルスタック
２Ｂ マニホールド
２Ｃ 改質器
３ 酸素含有ガス導入板
３ｄ 導入部
１０ 燃料電池モジュール
１３ 第１流路
１４ 第２流路
１５ 第３流路
１７ 第１の排ガス流路
１８ 排ガス処理室
１９ 第２の排ガス流路
２０ 排ガス流出口
６０ 燃料電池装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】