特許 6960886 燃料電池モジュール及び燃料電池システム

(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】6960886

(24)【登録日】2021年10月14日

(45)【発行日】2021年11月5日

(54)【発明の名称】燃料電池モジュール及び燃料電池システム

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/2425 20160101AFI20211025BHJP

   H01M 8/12 20160101ALI20211025BHJP

   H01M 8/0232 20160101ALI20211025BHJP

   H01M 8/2465 20160101ALI20211025BHJP

   H01M 8/1213 20160101ALI20211025BHJP

   H01M 8/0247 20160101ALI20211025BHJP

   H01M 8/248 20160101ALI20211025BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/2425

   H01M8/12 101

   H01M8/12 102Z

   H01M8/0232

   H01M8/2465

   H01M8/1213

   H01M8/0247

   H01M8/248

【請求項の数】5

【全頁数】12

(21)【出願番号】特願2018-117520(P2018-117520)

(22)【出願日】2018年6月21日

(65)【公開番号】特開2019-220368(P2019-220368A)

(43)【公開日】2019年12月26日

【審査請求日】2020年11月30日

(73)【特許権者】

【識別番号】000005326

【氏名又は名称】本田技研工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100077665

【弁理士】

【氏名又は名称】千葉 剛宏

(74)【代理人】

【識別番号】100116676

【弁理士】

【氏名又は名称】宮寺 利幸

(74)【代理人】

【識別番号】100191134

【弁理士】

【氏名又は名称】千馬 隆之

(74)【代理人】

【識別番号】100136548

【弁理士】

【氏名又は名称】仲宗根 康晴

(74)【代理人】

【識別番号】100136641

【弁理士】

【氏名又は名称】坂井 志郎

(74)【代理人】

【識別番号】100180448

【弁理士】

【氏名又は名称】関口 亨祐

(72)【発明者】

【氏名】戸田 茂

(72)【発明者】

【氏名】小泉 淳

【審査官】 浅野 裕之

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００６−０６６２５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６０−２３５３６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−３３１８６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−２５９４７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−２１０２６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−０３０４８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−２３３３４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−０９３８６１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−２２６６９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−１５６２２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−２５９６３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−０９７０３９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ８／００〜８／２４９５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

電解質・電極接合体を有し燃料ガスと酸化剤ガスを利用して発電する複数の発電セルを備えた燃料電池モジュールであって、
前記複数の発電セルは、円周上に積層され且つ周方向に積層荷重が付与されており、
前記複数の発電セルの各々は、互いに交差する方向に延在する第１プレート部と第２プレート部とを有するＶ字状に構成される導電性を有するベースプレートを備え、
前記複数の発電セルにおいて互いに隣接する発電セルの間に、前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスのうち一方のガスを流す第１反応ガス流路が設けられ、
前記ベースプレートには外側に突出する突起が設けられ、前記突起により前記第１反応ガス流路が確保されており、
前記突起に絶縁体が設けられている、燃料電池モジュール。

【請求項2】

請求項１記載の燃料電池モジュールにおいて、
前記第１プレート部と前記第２プレート部の各々に、前記突起が設けられている、燃料電池モジュール。

【請求項3】

請求項１又は２記載の燃料電池モジュールにおいて、
前記第１反応ガス流路のガス流れ方向と直交する方向に間隔を置いて、前記ガス流れ方向に延在して、複数の前記突起が設けられている、燃料電池モジュール。

【請求項4】

請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池モジュールにおいて、
前記絶縁体は、前記突起にコーティングされている、燃料電池モジュール。

【請求項5】

燃料電池モジュールを備えた燃料電池システムであって、
前記燃料電池モジュールは、電解質・電極接合体を有し燃料ガスと酸化剤ガスを利用して発電する複数の発電セルを備え、
前記複数の発電セルは、円周上に積層され且つ周方向に積層荷重が付与されており、
前記複数の発電セルの各々は、互いに交差する方向に延在する第１プレート部と第２プレート部とを有するＶ字状に構成される導電性を有するベースプレートを備え、
前記複数の発電セルにおいて互いに隣接する発電セルの間に、前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスのうち一方のガスを流す第１反応ガス流路が設けられ、
前記ベースプレートには外側に突出する突起が設けられ、前記突起により前記第１反応ガス流路が確保されており、
前記突起に絶縁体が設けられている、燃料電池システム。

【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及び燃料電池システムに関する。

【背景技術】

【0002】

通常、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は、固体電解質に酸化物イオン導電体、例えば、安定化ジルコニアを用いている。固体電解質の両面にアノード電極とカソード電極とを配設した電解質・電極接合体は、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持されている。

【0003】

固体酸化物形燃料電池を用いた燃料電池モジュールは、一般に、電解質・電極接合体とセパレータとが所定数だけ積層された平板積層型（下記特許文献１）と、円筒型（下記特許文献２）とに大別される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特表２０１０−５４１１４６号公報

【特許文献2】特開２０１５−１８６２２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

平板積層型では、構造上、セパレータと呼ばれる部品を有するとともに、発電セル間の電気的接続とガスシールの確保のために積層体の両端部に設けたエンドプレート同士をボルトで締め付けて積層荷重を付与している。このため、部品点数が多く、熱容量も大きく、起動速度が上げにくい。ガスシール構造も複雑である。円筒型では、電気的な接続が複雑になり、さらにスペース効率も上げにくい。

【0006】

本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、従来構造と比較して、部品点数を削減でき、起動速度を向上させやすく、ガスシール構造を簡易にすることができ、スペース効率を上げやすい燃料電池モジュール及び燃料電池システム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】

本発明の第１の態様は、電解質・電極接合体を有し燃料ガスと酸化剤ガスを利用して発電する複数の発電セルを備えた燃料電池モジュールであって、前記複数の発電セルは、円周上に積層され且つ周方向に積層荷重が付与されており、前記複数の発電セルの各々は、互いに交差する方向に延在する第１プレート部と第２プレート部とを有するＶ字状に構成される導電性を有するベースプレートを備え、前記複数の発電セルにおいて互いに隣接する発電セルの間に、前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスのうち一方のガスを流す第１反応ガス流路が設けられ、前記ベースプレートには外側に突出する突起が設けられ、前記突起により前記第１反応ガス流路が確保されており、前記突起に絶縁体が設けられている、燃料電池モジュールである。

【0008】

本発明の第２の態様は、燃料電池モジュールを備えた燃料電池システムであって、前記燃料電池モジュールは、電解質・電極接合体を有し燃料ガスと酸化剤ガスを利用して発電する複数の発電セルを備え、前記複数の発電セルは、円周上に積層され且つ周方向に積層荷重が付与されており、前記複数の発電セルの各々は、互いに交差する方向に延在する第１プレート部と第２プレート部とを有するＶ字状に構成される導電性を有するベースプレートを備え、前記複数の発電セルにおいて互いに隣接する発電セルの間に、前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスのうち一方のガスを流す第１反応ガス流路が設けられ、前記ベースプレートには外側に突出する突起が設けられ、前記突起により前記第１反応ガス流路が確保されており、前記突起に絶縁体が設けられている、燃料電池システムである。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、複数の発電セルが円周上に積層されているため、エンドプレートやボルトで積層荷重を付与する従来の平板積層型と異なり、部品点数を削減でき、熱容量を減少させることで、起動速度を向上させやすい。また、発電セル間のガスシールが不要であり、ガスシール構造も簡易にすることができる。各発電セルはＶ字状に構成されているため、スペース効率を上げやすい。さらに、発電セルを構成するベースプレートに形成した突起に絶縁体を設けたため、第１反応ガス流路の確保と、互いに隣接するベースプレート間の短絡とを、簡易な構成で実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】燃料電池モジュールを備えた燃料電池システムの概略構成図である。

【図2】燃料電池システムの水平方向の断面図である。

【図3】発電セルの構成説明図である。

【図4】図４Ａは、発電セルの製造方法の第１説明図である。図４Ｂは、発電セルの製造方法の第２説明図である。図４Ｃは、発電セルの製造方法の第３説明図である。

【図5】発電セル同士の電気的接続を説明する図である。

【図6】円環構造体と締付部材を示す模式図である。

【図7】下部プレート（中間プレート）の斜視図である。

【図8】燃料電池モジュールの鉛直方向の断面図である。

【図9】他の構成に係る燃料電池モジュールの断面図である。

【図10】図９に示す燃料電池モジュールのベースプレートの斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、本発明に係る燃料電池モジュール及び燃料電池システムについて好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照しながら説明する。

【0012】

図１に示す燃料電池システム１０は、発電を行う燃料電池モジュール１２と、燃料電池モジュール１２に燃料ガスを供給する改質器１４と、燃料電池モジュール１２から排出された空気（酸化剤ガス／カソード排ガス）と燃料ガス（アノード排ガス）とを燃焼させる燃焼器１６と、空気を燃焼ガスと熱交換させて空気を予熱する熱交換器１８とを備える。

【0013】

図２に示すように、燃料電池モジュール１２は、固体酸化物形燃料電池として構成されており、燃料ガスと酸化剤ガスの電気化学反応により発電する複数の発電セル２０を備える。複数の発電セル２０は、円周上に積層され且つ周方向に締付荷重（積層荷重）が付与されている。各発電セル２０は、Ｖ字状に構成されており、Ｖ字状の頂点が燃料電池モジュール１２の中心に向けて配置されている。複数の発電セル２０が円周上に配置されることにより、円環構造体２２が構成されている。具体的には、図１に示すように、２つの円環構造体２２が設けられている。以下、必要に応じて、一方の円環構造体２２を「第１円環構造体２２Ａ」と呼び、他方の円環構造体２２を「第２円環構造体２２Ｂ」と呼ぶ。

【0014】

図３に示すように、各発電セル２０は、互いに交差する方向に延在する第１プレート部２４ａと第２プレート部２４ｂとを有するＶ字状のベースプレート２４と、ベースプレート２４に支持された電解質・電極接合体２８とを有する。ベースプレート２４は、導電性を有する部材であり、例えば、金属板からなる。ベースプレート２４は、四角形状のプレートをＶ字状に折り曲げて形成したものである。ベースプレート２４のＶ字角度θ（第１プレート部２４ａと第２プレート部２４ｂとのなす角）は、例えば、１〜４５度に設定される。ベースプレート２４のＶ字角度θは、６０度以下であることが好ましく、４５度以下であることがより好ましく、３０度以下であることがより好ましく、１５度以下であることがさらに好ましい。

【0015】

電解質・電極接合体２８は、Ｖ字状のベースプレート２４の内側に配置されている。具体的に、第１プレート部２４ａ及び第２プレート部２４ｂの互いに対向する内面にそれぞれ電解質・電極接合体２８が配置されている。電解質・電極接合体２８は、電解質３０（固体電解質）と、電解質３０の一方面に設けられたアノード電極３２と、電解質３０の他方面に設けられたカソード電極３４とを有する。電解質３０は、例えば、安定化ジルコニア等の酸化物イオン導電体で構成されている。アノード電極３２及びカソード電極３４は、電気及びイオン導電性の良好な多孔性セラミックスで構成されている。

【0016】

アノード電極３２がベースプレート２４の内面に形成されている。カソード電極３４は、Ｖ字状のベースプレート２４の内側を向いている。ベースプレート２４の内側で、一方の電解質・電極接合体２８のカソード電極３４と、他方の電解質・電極接合体２８のカソード電極３４とが互いに対向している。

【0017】

図４Ａ〜図４Ｃを参照して、発電セル２０の製造方法の一例を示す。図４Ａにおいて、四角形状の導電性を有する平坦なプレートに、例えば、レーザ加工により多数の孔部２５が、プレートの一方側と他方側の各所定範囲に穿孔されて、Ｖ字状に折り曲げられる前のベースプレート２４が形成される。次に、多数の孔部２５が形成された領域に、図４Ｂに示すように、２つの電解質・電極接合体２８が形成される。多数の孔部２５は、燃料ガスをアノード電極３２へと導く燃料ガス導入孔である。次に、図４Ｃのように、電解質・電極接合体２８が内側に配置されるように、ベースプレート２４を中央部で折り曲げる。これにより、Ｖ字状の発電セル２０が製造される。なお、ベースプレート２４は、上記の構成に限らず、焼結金属等により構成されてもよい。

【0018】

図２において、複数の発電セル２０において互いに隣接する発電セル２０の間に、燃料ガスを流す燃料ガス流路３８（第１反応ガス流路）が設けられている。互いに隣接する発電セル２０は、周方向に所定の間隔を置いて配置されている。互いに隣接する発電セル２０間に燃料ガス流路３８を確保するとともに、互いに隣接するベースプレート２４間での短絡を防止するために、発電セル２０間には絶縁性を有する複数のスペーサ４４が配置されている。スペーサ４４は、燃料ガス流路３８内への燃料ガスの流入、及び燃料ガス流路３８からの燃料ガスの排出を妨げないように、点状又は線状に配置されている。

【0019】

円環構造体２２の内周部において、複数の発電セル２０の内端間に、燃料ガスを燃料ガス流路３８へと導く燃料ガス入口３８ａが形成されている。従って、円環構造体２２の内周部には、複数の燃料ガス入口３８ａが周方向に間隔を置いて形成されている。円環構造体２２の外周部において、複数の発電セル２０の外端間に、燃料ガスを円環構造体２２の径方向外側へと排出する燃料ガス出口３８ｂが形成されている。従って、円環構造体２２の外周部には、複数の燃料ガス出口３８ｂが周方向に間隔を置いて形成されている。

【0020】

図２において、各発電セル２０の内側（Ｖ字状のベースプレート２４の内側）に、酸化剤ガスを流す酸化剤ガス流路４０（第２反応ガス流路）が設けられている。酸化剤ガス流路４０の各々は、複数の発電セル２０からなる円環構造体２２の軸方向に沿って延在している。酸化剤ガス流路４０は、円環構造体２２を軸方向に貫通して設けられている。円環構造体２２の外周部において、ベースプレート２４の外端間に、酸化剤ガスを円環構造体２２の径方向外側へと排出する酸化剤ガス出口４０ｂが形成されている。従って、円環構造体２２の外周部には、複数の酸化剤ガス出口４０ｂが周方向に間隔を置いて形成されている。

【0021】

各発電セル２０の内側には、互いに対向する２つの電解質・電極接合体２８（カソード電極３４）に当接する三角形状の集電体４２が配置されている。集電体４２は、ガス透過性を有し且つ導電性を有する部材により構成されており、例えば、メッシュ状部材や、加工により多数の孔部を設けた金属プレートを折り曲げて三角柱状に構成したものが挙げられる。集電体４２が周方向の締付荷重を受けている。

【0022】

図５に、複数の発電セル２０の電気的接続を示す。互いに隣接する発電セル２０において、一方の発電セル２０のベースプレート２４と、他方の発電セル２０の集電体４２とが、通電部材４６により電気的に接続されている。複数の発電セル２０における一端の発電セル２０には正極端子４８ａが設けられ、他端の発電セル２０には負極端子４８ｂが設けられている。

【0023】

図２において、円環構造体２２の外周には、円周上に配置された複数の発電セル２０に周方向の締付荷重を付与する締付部材５０が設けられている。締付部材５０は、円環構造体２２の外周に沿って周方向にベルト状に延在する部材である。図６に模式的に示すように、締付部材５０の幅Ｗは、円環構造体２２の軸方向長さＬ（高さ）よりも小さい。これにより、円環構造体２２の外周部に設けられた燃料ガス出口３８ｂ及び酸化剤ガス出口４０ｂ（図２参照）が締付部材５０により塞がれることが防止されている。

【0024】

図１において、複数の円環構造体２２（第１円環構造体２２Ａ及び第２円環構造体２２Ｂ）は、円環構造体２２の軸方向（鉛直方向）に沿って積層されている。複数の円環構造体２２の酸化剤ガス流路４０は、軸方向に互いに連通している。第１円環構造体２２Ａの底部（底面）には、下部プレート５２が配置されている。第２円環構造体２２Ｂの上部（上面）には上部プレート５４が配置されている。第１円環構造体２２Ａと第２円環構造体２２Ｂとの間には、中間プレート５６が配置されている。下部プレート５２、上部プレート５４及び中間プレート５６は、円盤状に形成されている。下部プレート５２、上部プレート５４及び中間プレート５６は、絶縁体により構成されており、あるいは、少なくとも発電セル２０との接触部分が絶縁体で覆われている。

【0025】

下部プレート５２及び中間プレート５６には、周方向に並んだ複数の酸化剤ガス流路４０にそれぞれ連通する複数のガス連通孔５８が設けられている。下部プレート５２のガス連通孔５８は、熱交換器１８の内部（流路）と、発電セル２０内の酸化剤ガス流路４０とを連通させる。中間プレート５６のガス連通孔５８は、第１円環構造体２２Ａの酸化剤ガス流路４０と、第２円環構造体２２Ｂの酸化剤ガス流路４０とを連通させる。

【0026】

図７に示すように、下部プレート５２の中心部には、改質器１４（図１参照）が挿通される中心孔６０が設けられている。複数のガス連通孔５８は、中心孔６０を囲んで、周方向に間隔を置いて設けられている。各ガス連通孔５８は、中心孔６０側に向かって幅が小さくなる三角形状に構成されている。中間プレート５６も、下部プレート５２と同様に構成されている。各ガス連通孔５８の形状は、三角形状に限らず、円形状や四角形状であってもよい。

【0027】

図８に示すように、第１円環構造体２２Ａと下部プレート５２との間、及び第２円環構造体２２Ｂと上部プレート５４との間には、それぞれ、反応ガスの漏れを防止する弾性材からなるガスケット６２、６４が挟持されている。また、第１円環構造体２２Ａと中間プレート５６との間、及び第２円環構造体２２Ｂと中間プレート５６との間には、それぞれ、反応ガスの漏れを防止する弾性材からなるガスケット６６が挟持されている。

【0028】

ガスケット６２、６６は、円盤状に形成されており、下部プレート５２及び中間プレート５６と同様に、周方向に間隔を置いて複数のガス連通孔６８が形成されている。上方のガスケット６４は、円盤状に形成されるとともに、下方に突出する円環状突起６５が設けられている。円環状突起６５により、改質器１４が傾くことが防止されるとともに、改質器１４と円環構造体２２の内周部（ベースプレート２４の内端）とが接触することが防止されている。円環状突起６５に代えて、ガスケット６４とは別体のリング状スペーサが配置されてもよい。

【0029】

図１において、複数の発電セル２０からなる円環構造体２２の内側に、原料ガスを燃料ガスに改質する改質器１４が配置されている。原料ガスは、例えば、炭化水素を含む都市ガス（メタンガス等）である。改質器１４は、中空円筒状に構成されている。改質器１４のハウジング１５（周壁）は、メッシュ状又は多孔状に構成されており、ガス透過性を有する。ハウジング１５は、例えば、金属部材により構成される。

【0030】

改質器１４の内部には、図示しないが、改質触媒が充填されている。改質触媒としては、Ｒｕ（ルテニウム）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｐｔ（白金）、Ｒｈ（ロジウム）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｉｒ（イリジウム）又はＦｅ（鉄）の少なくとも１種類の触媒金属を使用する。改質器１４は、原料ガスと空気（部分酸化用空気。以下、「ＰＯＸ空気」という）との混合ガスを部分酸化改質し、燃料電池モジュール１２に供給される燃料ガスを生成する。図示しないが、改質器１４は、ヒータやスパークプラグ等の点火装置を有する。

【0031】

燃焼器１６は、燃料電池モジュール１２を囲む円環状に構成されている。燃焼器１６は燃焼室１６ａを有し、燃焼室１６ａ内で、燃料電池モジュール１２から排出される燃料ガスと酸化剤ガス（空気中の酸素）とを燃焼させる。燃焼器１６は、燃料電池モジュール１２の外周部に対向する内側隔壁１７（第１隔壁）を有する。燃焼室１６ａは、内側隔壁１７の内側に形成されている。

【0032】

熱交換器１８は、燃料電池モジュール１２に供給する空気を予熱する空気予熱器である。熱交換器１８は、燃焼室１６ａを囲む円環状に構成されている。熱交換器１８は、燃焼室１６ａで発生する燃焼ガスと、燃料電池モジュール１２に供給される空気との間で熱交換を行うことにより、空気を加熱（予熱）する。内側隔壁１７を介して、燃焼ガスと空気との熱交換が行われる。熱交換器１８は、燃焼室１６ａの外周部に対向する外側隔壁１９（第２隔壁）を有する。熱交換器１８の外側には、断熱材７２が設けられている。熱交換器１８の上部には、図示しないポンプや、ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）等が配置されている。

【0033】

上記のように構成される燃料電池モジュール１２を備えた燃料電池システム１０の作用について、以下に説明する。

【0034】

燃料電池システム１０の運転時には、改質器１４に原料ガス及びＰＯＸ空気が供給されるとともに、熱交換器１８に酸化剤ガスとしての空気が供給される。都市ガス（ＣＨ₄、Ｃ₂Ｈ₆、Ｃ₃Ｈ₈、Ｃ₄Ｈ₁₀を含む）等の原料ガスは、改質器１４内で部分酸化改質されて、水素及び一酸化炭素を含む改質ガスである燃料ガスが得られる。改質器１４内で行われる部分酸化反応は発熱反応であるため、起動時間を短縮しやすい。改質器１４で生成された燃料ガスは、改質器１４の外側に配置された円環構造体２２（複数の発電セル２０）に向かって放射状に改質器１４から流出し、発電セル２０間に形成された燃料ガス流路３８へと供給される。そして、燃料ガスは、ベースプレート２４に設けられた多数の孔部２５（図３参照）を介してアノード電極３２へと供給される。

【0035】

一方、熱交換器１８に供給された空気は、燃焼器１６内の燃焼ガスにより加熱（熱交換）される。高温になった空気は、燃料電池モジュール１２の酸化剤ガス流路４０へと供給される。具体的に、高温になった空気は、第１円環構造体２２Ａの下部に設けられた下部プレート５２のガス連通孔５８を介して、第１円環構造体２２Ａを構成する複数の発電セル２０の内側に形成された酸化剤ガス流路４０へと流入する。空気はさらに、中間プレート５６のガス連通孔５８を介して第２円環構造体２２Ｂを構成する複数の発電セル２０の内側に形成された酸化剤ガス流路４０へと流入する。これにより、空気がカソード電極３４へと供給される。

【0036】

従って、燃料電池モジュール１２における各発電セル２０では、燃料ガスと空気の電気化学反応により発電が行われる。アノード電極３２及びカソード電極３４で消費されなかった燃料ガス及び空気は、燃料電池モジュール１２（第１円環構造体２２Ａ及び第２円環構造体２２Ｂ）の外周部（燃料ガス出口３８ｂ及び酸化剤ガス出口４０ｂ）から導出されて、燃焼器１６へと導入される。これにより、燃焼器１６の燃焼室１６ａでは、燃料ガスと空気とが混合されて燃焼され、燃焼ガスが発生する。燃焼ガスの熱は、内側隔壁１７を介して熱交換器１８内を流れる空気へと伝達される。

【0037】

この燃料電池モジュール１２及び燃料電池システム１０は、以下の効果を奏する。

【0038】

複数の発電セル２０が円周上に積層されているため、エンドプレートやボルトで積層荷重を付与する従来の平板積層型と異なり、部品点数を削減でき、熱容量を減少させることで、起動速度を向上させやすい。また、発電セル２０間のガスシールが不要であり、ガスシール構造も簡易にすることができる。各発電セル２０はＶ字状に構成されているため、スペース効率を上げやすい。

【0039】

複数の発電セル２０の各々は、互いに交差する方向に延在する第１プレート部２４ａと第２プレート部２４ｂとを有するＶ字状のベースプレート２４を有する。第１プレート部２４ａ及び第２プレート部２４ｂの互いに対向する内面にそれぞれ電解質・電極接合体２８が配置されている。この構成により、発電出力の向上が図られる。

【0040】

複数の発電セル２０において互いに隣接する発電セル２０の間に、燃料ガス及び酸化剤ガスのうち一方のガスを流す第１反応ガス流路が設けられている。また、複数の発電セル２０の各々の内側に、燃料ガス及び酸化剤ガスのうち他方のガスを流す第２反応ガス流路が設けられている。この構成により、従来のバイポーラセパレータが不要であり、簡素な構造とすることができる。

【0041】

複数の発電セル２０からなる円環構造体２２の内側に、原料ガスを燃料ガスに改質する改質器１４が配置されており、第１反応ガス流路は、燃料ガスが供給される燃料ガス流路３８である。この構成により、各燃料ガス流路３８への燃料ガスの分配性の向上（ガス分配不均一の低減）が図られる。また、燃料ガスマニホールドである燃料ガス流路３８の長さを比較的短くすることが可能であり、発電領域（電解質・電極接合体２８）が熱源である改質器１４に近いため、起動時間の短縮化が図られる。

【0042】

複数の発電セル２０の各々の内側には、互いに対向する２つの電解質・電極接合体２８に当接する三角形状の集電体４２が配置されており、集電体４２が周方向の締付荷重を受けている。この構成により、集電体４２が荷重受け部材を兼ねるため、構造の合理化が図られる。

【0043】

燃料電池システム１０は、燃料電池モジュール１２から排出される燃料ガスと酸化剤ガスとを燃焼させる燃焼器１６と、燃焼器１６で発生する燃焼ガスと燃料電池モジュール１２に供給される酸化剤ガスとの間で熱交換を行うことにより酸化剤ガスを予熱する熱交換器１８と、を備える。そして、燃焼器１６は燃料電池モジュール１２を囲み、熱交換器１８は燃焼器１６を囲む。この構成により、燃焼器１６が燃料電池モジュール１２を外側から囲んでいるため、燃料電池モジュール１２を効率的に加温・保温することができる。また、熱交換器１８が燃焼器１６を囲んでいるため、燃料電池モジュール１２に供給する酸化剤ガスを効率的に加温することができる。さらに、燃料電池システム１０の運転時、外周側ほど温度が低いため、熱交換器１８の外側に配置する断熱材７２を比較的薄くでき、断熱材７２の使用量の削減が図られる。

【0044】

燃料電池モジュール１２は、複数の発電セル２０からなる円環構造体２２を複数備え、複数の円環構造体２２は、円環構造体２２の軸方向に沿って積層される。円環構造体２２には、燃料ガスと酸化剤ガスのうち一方のガスを流す複数の反応ガス流路が複数の発電セル２０の内側に設けられる。複数の反応ガス流路の各々は、円環構造体２２の軸方向に沿って延在している。この構成により、発電出力を容易に増大させることができる。また、異なる出力でも部品を共用することができる。

【0045】

上述した燃料電池システム１０において、図９に示す他の構成の燃料電池モジュール８０が採用されてもよい。この燃料電池モジュール８０では、各ベースプレート２４には外側に突出する突起８２が設けられ、突起８２により燃料ガス流路３８（第１反応ガス流路）が確保されている。

【0046】

図１０に示すように、第１プレート部２４ａと第２プレート部２４ｂの各々に、突起８２が設けられている。燃料ガス流路３８のガス流れ方向（円環構造体２２の径方向）と直交する方向（円環構造体２２の軸方向）に間隔を置いて、当該ガス流れ方向に延在して、複数（２つ）の突起８２が設けられている。突起８２間に燃料ガス流路３８が形成される。突起８２は、プレス成形によってベースプレート２４に形成されている。従って、突起８２の反対側（裏側）には、凹部８４が形成されている。第１プレート部２４ａと第２プレート部２４ｂのどちらか一方のみに突起８２が設けられてもよい。

【0047】

各突起８２には、セラミックス等で構成された絶縁体８６が設けられている。従って、互いに隣接するベースプレート２４の突起８２は、絶縁体８６を介して当接する。絶縁体８６は、突起８２の少なくとも頂部を覆って設けられている。絶縁体８６は、突起８２にコーティングされている。なお、絶縁体８６は、接着剤等により突起８２に接合されたものであってもよい。

【0048】

この燃料電池モジュール８０によれば、発電セル２０を構成するベースプレート２４に形成した突起８２に絶縁体８６を設けたため、第１反応ガス流路（燃料ガス流路３８）の確保と、互いに隣接するベースプレート２４間の短絡とを、簡易な構成で実現することができる。

【0049】

第１プレート部２４ａと第２プレート部２４ｂの各々に、突起８２が設けられているため、第１反応ガス流路（燃料ガス流路３８）の流路断面積を確保しやすい。

【0050】

第１反応ガス流路（燃料ガス流路３８）のガス流れ方向と直交する方向に間隔を置いて、ガス流れ方向に延在して、複数の突起８２が設けられているため、第１反応ガス流路（燃料ガス流路３８）におけるガスの流れを阻害することがない。

【0051】

絶縁体８６は、突起８２にコーティングされているため、絶縁体８６を突起８２に簡易に一体化することができる。

【0052】

本発明は上述した実施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において、種々の改変が可能である。

【符号の説明】

【0053】

１０…燃料電池システム １２、８０…燃料電池モジュール
１４…改質器 １６…燃焼器
１８…熱交換器 ２０…発電セル
２２…円環構造体 ２４…ベースプレート
２４ａ…第１プレート部 ２４ｂ…第２プレート部
２８…電解質・電極接合体 ３８…燃料ガス流路（第１反応ガス流路）
４０…酸化剤ガス流路（第２反応ガス流路） ４２…集電体
８２…突起 ８６…絶縁体

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】