特開 2024-143505 燃料電池モジュール及び燃料電池装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024143505

(43)【公開日】2024-10-11

(54)【発明の名称】燃料電池モジュール及び燃料電池装置

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04014 20160101AFI20241003BHJP

   H01M 8/0612 20160101ALI20241003BHJP

   H01M 8/04 20160101ALI20241003BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04014

H01M8/0612

H01M8/04 Z

H01M8/04 J

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023056227

(22)【出願日】2023-03-30

(71)【出願人】

【識別番号】000006633

【氏名又は名称】京セラ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100147485

【弁理士】

【氏名又は名称】杉村 憲司

(74)【代理人】

【識別番号】230118913

【弁護士】

【氏名又は名称】杉村 光嗣

(74)【代理人】

【識別番号】100132045

【弁理士】

【氏名又は名称】坪内 伸

(72)【発明者】

【氏名】内 一隆

【テーマコード（参考）】

5H127

【Ｆターム（参考）】

5H127AC15

5H127BA05

5H127BA13

5H127BA32

5H127BA37

5H127BA43

5H127BA44

5H127BA47

5H127BB02

5H127BB12

5H127BB24

5H127BB27

5H127CC18

5H127EE02

5H127EE12

5H127EE15

5H127EE25

5H127EE29

(57)【要約】

【課題】エネルギー効率を向上する。
【解決手段】燃料電池モジュール１０は燃料電池セルスタック１１と燃焼器１２と第１の流路１３と第２の流路１４とを有する。第１の流路１３の第１の端を燃料電池セルスタック１１の未反応の燃料ガスの排出口２７に接続する。第２の流路１４の第２の端を燃焼器１２における未反応の燃料ガスの導入口に接続する。第１の流路１３の一部及び第２の流路１４の一部が熱交換部２９を構成する。熱交換部２９の少なくとも一部が燃料電池セルスタック１１及び燃焼器１２の間の第１の空間に位置する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料ガス及び酸化剤ガスの電気化学反応により発電する複数の燃料電池セルを有する燃料電池セルスタックと、
第１の方向から見て前記燃料電池セルスタックと少なくとも一部が重なるように位置し、該燃料電池セルスタックにおいて未反応の燃料ガスを燃焼させる燃焼器と、
前記燃料電池セルスタックにおける前記未反応の燃料ガスの排出口に第１の端が接続される第１の流路と、
前記燃焼器における前記未反応の燃料ガスの導入口に第２の端が接続される第２の流路と、を備え、
前記第１の流路の一部及び前記第２の流路の一部が、該第１の流路及び該第２の流路に流れる流体を熱交換させる熱交換部を構成し、
前記熱交換部の少なくとも一部が、前記燃料電池セルスタック及び前記燃焼器の間の第１の空間に位置する
燃料電池モジュール。

【請求項2】

請求項１に記載の燃料電池モジュールにおいて、
前記熱交換部における前記第１の端とは逆側の部分が前記第１の空間の外に位置する
燃料電池モジュール。

【請求項3】

請求項１又は２に記載の燃料電池モジュールにおいて、
前記熱交換部を第１の方向から見て、前記燃焼器と重なり且つ前記第１の流路が露出する面積は、該燃焼器と重なり且つ第２の流路が露出する面積より広い
燃料電池モジュール。

【請求項4】

請求項１又は２に記載の燃料電池モジュールにおいて、
前記熱交換部を第１の方向の逆方向から見て、前記燃料電池セルスタックと重なり且つ前記第２の流路が露出する面積は、前記燃料電池セルスタックと重なり且つ第１の流路が露出する面積より広い
燃料電池モジュール。

【請求項5】

請求項１又は２に記載の燃料電池モジュールにおいて、
前記第２の流路の少なくとも一部は、前記第１の流路に挟まれる
燃料電池モジュール。

【請求項6】

請求項１又は２に記載の燃料電池モジュールにおいて、
前記燃焼器及び前記熱交換部の間に一部が位置し、前記酸化剤ガスを前記燃料電池セルスタックに供給する第３の流路を、更に備える
燃料電池モジュール。

【請求項7】

請求項１又は２に記載の燃料電池モジュールにおいて、
前記燃焼器の前記第１の方向側に位置し、前記燃焼器にて加熱される前記改質器を、更に備え、
前記改質器は、原燃料ガスを改質することにより前記燃料ガスを生成する改質部と前記改質部に水蒸気を供給するために水を気化する気化部とを、前記第１の方向に交差する第２の方向に並ぶように有し、
前記熱交換部は、前記第２の方向における前記改質部側に位置する
燃料電池モジュール。

【請求項8】

請求項１又は２に記載の燃料電池モジュールにおいて、
前記第１の流路から前記第２の流路に流れる流体を熱媒と熱交換させる熱交換器を、更に備える
燃料電池モジュール。

【請求項9】

請求項１又は２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動作させる補助機能を備える補機と、を備える
燃料電池装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、燃料電池モジュール及び燃料電池装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

改質器、燃焼器、及び燃料電池セルスタックを備える燃料電池モジュールが知られている。燃料電池モジュールでは、エネルギーを有効活用するために、高温化が必要な低温のガスを高温の排気ガスと熱交換させることが提案されている（特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０２２－１１９３６０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

燃料電池モジュールでは、更なるエネルギー効率の向上が求められている。

【0005】

従って、上記のような従来技術の問題点に鑑みてなされた本開示の目的は、本開示の構成を用いない場合と比べてエネルギー効率を向上する燃料電池モジュールを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上述した諸課題を解決すべく、第１の観点による燃料電池モジュールは、
燃料ガス及び酸化剤ガスの電気化学反応により発電する複数の燃料電池セルを有する燃料電池セルスタックと、
第１の方向から見て前記燃料電池セルスタックと少なくとも一部が重なるように位置し、該燃料電池セルスタックにおいて未反応の燃料ガスを燃焼させる燃焼器と、
前記燃料電池セルスタックにおける前記未反応の燃料ガスの排出口に第１の端が接続される第１の流路と、
前記燃焼器における前記未反応の燃料ガスの導入口に第２の端が接続される第２の流路と、を備え、
前記第１の流路の一部及び前記第２の流路の一部が、該第１の流路及び該第２の流路に流れる流体を熱交換させる熱交換部を構成し、
前記熱交換部の少なくとも一部が、前記燃料電池セルスタック及び前記燃焼器の間の第１の空間に位置する。

【0007】

第２の観点による燃料電池装置は、
燃料ガス及び酸化剤ガスの電気化学反応により発電する複数の燃料電池セルを有する燃料電池セルスタックと、第１の方向から見て前記燃料電池セルスタックと少なくとも一部が重なるように位置し、該燃料電池セルスタックにおいて未反応の燃料ガスを燃焼させる燃焼器と、前記燃料電池セルスタックにおける前記未反応の燃料ガスの排出口に第１の端が接続される第１の流路と、前記燃焼器における前記未反応の燃料ガスの導入口に第２の端が接続される第２の流路とを有し、前記第１の流路の一部及び前記第２の流路の一部が、該第１の流路及び該第２の流路に流れる流体を熱交換させる熱交換部を構成し、前記熱交換部の少なくとも一部が、前記燃料電池セルスタック及び前記燃焼器の間の第１の空間に位置する燃料電池セルスタックと、
前記燃料電池モジュールを動作させる補助機能を備える補機と、を備える。

【発明の効果】

【0008】

上記のように構成された本開示に係る燃料電池モジュールによれば、エネルギー効率が向上する。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】第１の実施形態に係る燃料電池モジュールの内部構成図である。

【図2】図１における第１の流路及び第２の流路の外観斜視図である。

【図3】図１における第１の空間を説明するための外観斜視図である。

【図4】図１における熱交換部を第１の方向から見た図である。

【図5】図１における熱交換部を第１の方向の逆方向から見た図である。

【図6】図２の第１の扁平部及び第２の扁平部の屈曲箇所を展開した状態で並べた内部構造を説明するための図である。

【図7】第２の実施形態に係る燃料電池モジュールの内部構成図である。

【図8】図７における第１の流路及び第２の流路の外観斜視図である。

【図9】図８における第１の流路の外観斜視図である。

【図10】図８における第２の流路の外観斜視図である。

【図11】第３の実施形態に係る燃料電池モジュールの内部構成図である。

【図12】図１１を第２の方向に沿って見た内部構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本開示を適用した燃料電池モジュールの実施形態について、図面を参照して説明する。

【0011】

図１に示すように、本開示の第１の実施形態に係る燃料電池モジュール１０は、燃料電池セルスタック１１、燃焼器１２、第１の流路１３、及び第２の流路１４を含んで構成される。燃料電池モジュール１０は、更に、改質器１５、第３の流路１６、第１の熱交換器１７、第２の熱交換器１８、気液分離器１９、リサイクル流路２０、及び筐体２１を含んで構成されてよい。前述のように、第１の熱交換器１７は、燃料電池モジュール１０に含まれる構成であってよく、燃料電池モジュール１０外に含まれる構成であってよい。

【0012】

燃料電池モジュール１０を含む燃料電池装置では、設置時における地表に対する姿勢が定められている。本願明細書において、地表に対して定められた姿勢において鉛直上方となる燃料電池装置内の燃料電池モジュール１０における方向を、第１の方向と呼ぶ。

【0013】

燃料電池モジュール１０において、第１の方向に向かって、燃料電池セルスタック１１、燃焼器１２、及び改質器１５が、並ぶように位置してよい。したがって、燃焼器１２は燃料電池セルスタック１１の第１の方向側に位置してよい。又、改質器１５は、燃焼器１２の第１の方向側に位置してよい。このような配置により、燃料電池セルスタック１１、燃焼器１２、及び改質器１５は、第１の方向から見て、少なくとも一部が重なってよい。

【0014】

改質器１５は、少なくとも改質部２２を有する。改質器１５は、燃焼器１２にて加熱されてよい。改質器１５は、更に気化部２３を有してよい。改質部２２及び気化部２３は、第１の方向に交差する第２の方向に並んでよい。第２の方向は、例えば、第１の方向に垂直な方向である。

【0015】

改質部２２は、改質触媒を収容する。改質部２２は、原燃料ガスを、水蒸気を用いて改質することにより水素を含む燃料ガスを生成する。改質部２２には、気化部２３を介して原燃料ガス及び水蒸気が供給されてよい。気化部２３は、改質部２２に水蒸気を供給するために水を気化してよい。原燃料ガスは、例えば、都市ガス等の軽質炭化水素ガスである。原燃料ガスは、改質器１５に供給される前に、脱硫器２４により脱硫されてよい。

【0016】

燃料電池セルスタック１１は、複数の燃料電池セルを含む。燃料電池セルは、燃料ガス及び酸化剤ガスの電気化学反応により発電する。燃料電池セルでは、供給される燃料ガスの全量及び酸化剤ガスの全量が電気化学反応を起こすわけではなく、未反応の燃料ガス及び酸化剤ガスを排出する。本願明細書において、未反応の燃料ガスを燃料オフガスと呼ぶこともある。又、本願明細書において未反応の酸化剤ガスを酸化剤オフガスと呼ぶこともある。

【0017】

燃料電池セルは扁平形状であってよい。扁平形状の燃料電池セルは、積層されていてよい。燃料電池セルスタック１１において、燃料ガス導入口２５、酸化剤ガス導入口２６、燃料オフガス排出口２７、及び酸化剤オフガス排出口２８は積層方向における両端面の少なくとも一方に設けられていてよい。例えば、燃料ガス導入口２５、酸化剤ガス導入口２６、燃料オフガス排出口２７、及び酸化剤オフガス排出口２８は、第１の流路１３、第２の流路１４、及び第３の流路１６の取付け作業を容易にするために、積層方向における一方の端面に設けられてよい。燃料ガス導入口２５、酸化剤ガス導入口２６、燃料オフガス排出口２７、及び酸化剤オフガス排出口２８は、第１の流路１３、第２の流路１４、及び第３の流路１６同士の干渉を抑制するために、積層方向における両方の端面に設けられてよい。積層方向は、第１の方向に垂直であってよい。又は、積層方向は、第１の方向に平行であってよい。

【0018】

燃料ガス導入口２５は、改質部２２から供給される燃料ガスを各燃料電池セルに導入してよい。酸化剤ガス導入口２６は、酸化剤ガスを各燃料電池セルに導入してよい。酸化剤ガスは、例えば、空気等の酸素含有ガスであり、ブロワ等を用いて燃料電池モジュール１０内に導入されてよい。燃料オフガス排出口２７は、各燃料電池セルにおける燃料オフガスを排出してよい。酸化剤オフガス排出口２８は、各燃料電池セルにおける酸化剤オフガスを排出してよい。

【0019】

燃焼器１２は、上述のように、第１の方向から見て、燃料電池セルスタック１１と少なくとも一部が重なるように位置する。燃焼器１２は、燃料電池セルスタック１１から排出される燃料オフガスを、酸化剤オフガスを用いて燃焼させる。

【0020】

第１の流路１３は、燃料オフガス排出口２７に接続される第１の端を有する。第１の流路１３は、第１の端の反対側の端において、後述するように、第１の熱交換器１７に接続されてよい。第１の流路１３は、内空を有する管であってよい。第１の流路１３は、後述するように、内空を有する扁平な板状部分を有してよい。

【0021】

第２の流路１４は、燃焼器１２における燃料オフガスの導入口に接続される第２の端を有する。第２の流路１４は、第２の端の反対側の端において、後述するように、気液分離器１９に接続されてよい。第２の流路１４は、内空を有する管であってよい。第２の流路１４は、後述するように、内空を有する扁平な板状部分を有してよい。

【0022】

第１の流路１３の一部及び第２の流路１４の一部が、第１の流路１３及び第２の流路１４を流れる流体を熱交換させる熱交換部２９を構成してよい。熱交換部２９は、熱交換部２９の構成範囲外の、第１の流路１３及び第２の流路１４の部分に比べて、熱交換させる熱量を増加させる構造を有してよい。

【0023】

例えば、熱交換部２９は、図２に示すように、第１の流路１３の一部及び第２の流路１４の一部で互いに対向する部分の面積を他の部分の面積より拡大させた構造を有してよい。具体的な構造を以下に説明する。

【0024】

第１の流路１３は、第１の接続部３０、第１の扁平部３１、第２の接続部３２を有してよい。第１の接続部３０及び第２の接続部３２は、円筒状であってよい。第１の扁平部３１は、内空を有する扁平状であってよい。第１の扁平部３１は屈曲していてよく、湾曲していてよく、折返していてよい。第１の実施形態において、第１の扁平部３１は、なす角度が９０度となるように屈曲された箇所を有する。第１の扁平部３１の主面とは、第１の扁平部３１における最大面積である面を意味する。第１の扁平部３１の軸に対する主面の幅は、第１の接続部３０及び第２の接続部３２それぞれの軸に対する直径よりも長くてよい。

【0025】

第１の接続部３０は、互いの内空が連通するように第１の扁平部３１に接続されてよい。第１の接続部３０における、第１の扁平部３１と接続する端の反対の端が、第１の流路１３全体における第１の端であってよい。第２の接続部３２は、第１の接続部３０とは離れた位置で、互いの内空が連通するように、第１の扁平部３１に接続されてよい。第２の接続部３２における、第１の扁平部３１に接続される端とは反対の端が、第１の流路１３全体における第１の端の反対の端であってよい。

【0026】

第２の流路１４は、第３の接続部３３、第２の扁平部３４、第４の接続部３５を有してよい。第３の接続部３３及び第４の接続部３５は、円筒状であってよい。第２の扁平部３４は、内空を有する扁平状であってよい。第２の扁平部３４は屈曲していてよく、湾曲していてよく、折返していてよい。第１の実施形態において、第２の扁平部３４は、なす角度が９０度となるように屈曲された箇所を有する。第２の扁平部３４の軸に対する主面の幅は、第３の接続部３３及び第４の接続部３５それぞれの軸に対する直径よりも長くてよい。第２の扁平部３４の主面とは、第２の扁平部３４における最大面積である面を意味する。

【0027】

第３の接続部３３は、互いの内空が連通するように第２の扁平部３４に接続されてよい。第３の接続部３３における、第２の扁平部３４と接続する端の反対の端が、第２の流路１４全体における第２の端であってよい。第４の接続部３５は、第３の接続部３３とは離れた位置で、互いの内空が連通するように、第２の扁平部３４に接続されてよい。第４の接続部３５における、第２の扁平部３４に接続される端とは反対の端が、第２の流路１４全体における第２の端の反対の端であってよい。

【0028】

第１の扁平部３１の及び第２の扁平部３４は、互いの主面が平行且つ対向するように位置してよい。第１の扁平部３１及び第２の扁平部３４は、面接触していてよい。又は、第１の扁平部３１及び第２の扁平部３４の間には、隙間が設けられてもよい。又は、第１の扁平部３１及び第２の扁平部３４は、熱交換部２９が隔壁方式の熱交換器又はプレート式熱交換器を構成するように形成されてよい。更に、第１の扁平部３１及び第２の扁平部３４には、内部及び外部の少なくとも一方に伝熱用のプレートフィンが設けられてよい。

【0029】

熱交換部２９の構成範囲外の第１の流路１３及び第２の流路１４の部分に比べて、熱交換させる熱量を増加させる構造は、上述の構造に限定されず他の構造であってよい。熱交換部２９は、第１の流路１３の一部及び第２の流路１４の一部を他の部分よりも近接させたり、互いに対向する部分の面積を他の部分より拡大させた構造を有してよい。

【0030】

図１に示すように、熱交換部２９の少なくとも一部が、燃料電池セルスタック１１及び燃焼器１２の間の第１の空間に位置してよい。図３に示すように、第１の空間ｓ１は、燃料電池セルスタック１１及び燃焼器１２の間において、第１の方向から見て燃料電池セルスタック１１及び燃焼器１２が互いに重複する領域により構成される空間である。図１に示すように、熱交換部２９の第１の端とは逆側の部分、言換えると、熱交換部２９における第２の接続部３２及び第４の接続部３５側の部分が、第１の空間ｓ１の外に位置してよい。熱交換部２９は、第２の方向における改質部２２側に位置してよい。

【0031】

図４に示すように、熱交換部２９を第１の方向から見て、燃焼器１２と重なり且つ第１の流路１３が露出する面積ｓ１１は、燃焼器１２と重なり且つ第２の流路１４が露出する面積ｓ１２より広くてよい。図５に示すように、熱交換部２９を第１の方向の逆方向から見て、燃料電池セルスタック１１と重なり且つ第２の流路１４が露出する面積ｓ２２は、燃料電池セルスタック１１と重なり且つ第１の流路１３が露出する面積ｓ２１より広くてよい。

【0032】

図６に示すように、第１の扁平部３１及び第２の扁平部３４の内部には、流路を長くするように仕切板３６が設けられてよい。仕切板３６は、第１の扁平部３１及び第２の扁平部３４の主面に垂直な方向から見て、第１の扁平部３１及び第２の扁平部３４内の同じ位置に設けられてよい。

【0033】

図１に示すように、第３の流路１６は、燃料電池セルスタック１１の酸化剤ガス導入口２６に接続されてよい。第３の流路１６は、酸化剤ガスを燃料電池セルスタック１１に供給してよい。

【0034】

第１の熱交換器（熱交換器）１７は、第１の流路１３から第２の流路１４に流れる流体、具体的には、燃料オフガスを熱媒と熱交換させてよい。熱媒は、例えば、水である。第１の熱交換器１７は、気液分離器１９を介して第２の流路１４に接続されてよい。

【0035】

第２の熱交換器１８は、第３の流路１６に流れる流体、具体的には酸化剤ガスと、燃焼器１２から排出される排ガスとを熱交換させてよい。

【0036】

気液分離器１９は、第１の熱交換器１７において冷却されることにより液化した液体を燃料オフガスから分離してよい。燃料オフガスには水蒸気が含まれており、冷却することにより液化した液体は、例えば水である。

【0037】

リサイクル流路２０は、第２の流路１４を燃料ガスの供給経路のいずこかに接続してよい。燃料ガスの供給経路は、脱硫器２４の上流側の経路から改質器１５を介して燃料ガス導入口２５に接続するまでの経路を意味する。したがって、リサイクル流路２０は、脱硫器２４の上流に接続されてよく、下流に接続されてよい。

【0038】

筐体２１は、少なくとも燃料電池セルスタック１１、燃焼器１２、第１の流路１３、及び第２の流路１４を収容してよい。第１の実施形態において、筐体２１は、更に、改質器１５、第３の流路１６、第２の熱交換器１８、及びリサイクル流路２０を収容してよい。筐体２１は、第１の熱交換器１７を収容しなくてよい。言換えると、第１の熱交換器１７は、筐体２１の外部に設けられてよい。筐体２１内壁前面に亘って断熱材が設けられてよい。

【0039】

以上のような構成の第１の実施形態の燃料電池モジュール１０は、燃料電池セルスタック１１、第１の方向から見て燃料電池セルスタック１１と少なくとも一部が重なる燃焼器１２、燃料電池セルスタック１１における未反応の燃料ガスの排出口に第１の端が接続される第１の流路１３、燃焼器１２における未反応の燃料ガスの導入口に第２の端が接続される第２の流路１４とを備え、第１の流路１３の一部及び第２の流路１４の一部が当該第１の流路１３及び当該第２の流路１４に流れる流体を熱交換させる熱交換部２９を構成し、熱交換部２９の少なくとも一部が燃料電池セルスタック１１及び燃焼器１２の間の第１の空間ｓ１に位置する。このような構成により、燃料電池モジュール１０は、燃料電池セルスタック１１及び燃焼器１２における熱により、熱交換部２９の放熱による熱損失を低減させ得る。

【0040】

又、燃料電池モジュール１０では、熱交換部２９における第１の端とは逆側の部分が第１の空間ｓ１の外に位置する。このような構成により、燃料電池モジュール１０は、熱交換部２９における第１の熱交換器１７に接続される側の部分を燃焼器１２から離し得る。したがって、燃料電池モジュール１０は、第１の流路１３から第１の熱交換器１７に流入する流体の温度を、熱交換部２９全体が第１の空間ｓ１に位置する構成に比べて、低下させ得る。その結果、燃料電池モジュール１０は、第１の熱交換器１７における熱媒の突沸を抑制し得る。又、上記構成により、熱交換部２９を大型化、言換えると、第１の扁平部３１及び第２の扁平部３４が互いに対向する面積を拡大し得る。

【0041】

又、燃料電池モジュール１０では、熱交換部２９を第１の方向から見て、燃焼器１２と重なり且つ第１の流路１３が露出する面積ｓ１１は、当該燃焼器１２と重なり且つ第２の流路１４が露出する面積ｓ１２より広い。このような構成により、燃料電池モジュール１０は、燃料電池セルスタック１１のジュール熱より高温の燃焼器１２に、第１の流路１３を第２の流路１４よりも加熱させ得る。したがって、燃料電池モジュール１０は、熱交換部２９の第１の流路１３における放熱による熱損失を低減させ得る。

【0042】

又、燃料電池モジュール１０では、熱交換部２９を第１の方向の逆方向から見て、燃料電池セルスタック１１と重なり且つ第２の流路１４が露出する面積ｓ２２は、燃料電池セルスタック１１と重なり且つ第１の流路１３が露出する面積ｓ２１より広い。このような構成により、燃料電池モジュール１０は、燃料電池セルスタック１１のジュール熱により、熱交換部２９の第２の流路１４における放熱による熱損失を低減させ得る。又、このような構成により、燃料電池モジュール１０は、熱交換部２９の第１の流路１３における燃料電池セルスタック１１のジュール熱の影響を低減させるので、第１の流路１３から第１の熱交換器１７に流入する流体の温度を、低下させ得る。その結果、燃料電池モジュール１０は、第１の熱交換器１７における熱媒の突沸を更に抑制し得る。

【0043】

又、燃料電池モジュール１０は、燃焼器１２の第１の方向側に位置し、燃焼器１２にて加熱される改質器１５を備え、改質器１５は改質部２２と気化部２３とを第１の方向に交差する第２の方向に並ぶように有し、熱交換部２９は第２の方向における改質部２２側に位置する。このような構成により、燃料電池モジュール１０は、吸熱による温度低下が気化部２３より小さな改質部２２側に熱交換部２９が位置するので、気化部２３側に位置する構成に比べて熱交換部２９からの熱損失をより低減させ得る。

【0044】

又、燃料電池モジュール１０は、第１の流路１３から第２の流路１４に流れる流体を熱媒と熱交換させる第１の熱交換器１７を備える。このような構成により、燃料電池モジュール１０は、熱媒を用いて高温で熱回収させ得る。

【0045】

次に、本開示の第２の実施形態を説明する。第２の実施形態では、熱交換部の構造が第１の実施形態と異なっている。以下に、第１の実施形態と異なる点を中心に第２の実施形態について説明する。なお、第１の実施形態と同じ構成を有する部位には同じ符号を付す。

【0046】

図７に示すように、第２の実施形態に係る燃料電池モジュール１００は、燃料電池セルスタック１１、燃焼器１２、第１の流路１３０、及び第２の流路１４０を含んで構成される。燃料電池モジュール１００は、更に、改質器１５、第３の流路１６、第１の熱交換器１７、第２の熱交換器１８、気液分離器１９、リサイクル流路２０、及び筐体２１を含んで構成されてよい。第２の実施形態において、燃料電池セルスタック１１、燃焼器１２、改質器１５、第３の流路１６、第１の熱交換器１７、第２の熱交換器１８、気液分離器１９、リサイクル流路２０、及び筐体２１の構造及び機能は、第１の実施形態と同じである。

【0047】

第１の流路１３０は、第１の実施形態と類似して、燃料オフガス排出口２７に接続される第１の端を有する。第１の流路１３０は、第１の実施形態と類似して、第１の端の反対側の端において、第１の熱交換器１７に接続されてよい。

【0048】

第２の流路１４０は、第１の実施形態と類似して、燃焼器１２における燃料オフガスの導入口に接続される第２の端を有する。第２の流路１４０は、第１の実施形態と類似して、第２の端の反対側の端において、気液分離器１９に接続されてよい。第２の流路１４の少なくとも一部は、第１の実施形態と異なり、第１の流路１３に挟まれてよい。第２の流路１４の少なくとも一部が第１の流路１３に挟まれる構成の具体例は、後に説明される。

【0049】

第１の流路１３０の一部及び第２の流路１４０の一部が、第１の実施形態と類似して、第１の流路１３０及び第２の流路１４０を流れる流体を熱交換させる熱交換部２９０を構成してよい。例えば、熱交換部２９０は、図８に示すように、第１の流路１３０の一部及び第２の流路１４０の一部で互いに対向する部分の面積を他の部分の面積より拡大させた構造を有してよい。具体的な構造を以下に説明する。

【0050】

図９に示すように、第１の流路１３０は、第１の接続部３０、第１の扁平部３１０、第２の接続部３２を有してよい。第２の実施形態において、第１の扁平部３１０は、なす角度が９０度となるように屈曲された箇所と、折返し箇所とを有する。より具体的には、第１の扁平部３１０は、主面の垂直な方向から見てＵ字形状になるように折返し、２本の脚部の一方を他方より突出させた形状で、当該一方を他方側に向けて直角に屈曲させた構造である。

【0051】

図１０に示すように、第２の流路１４０は、第３の接続部３３、第２の扁平部３４０、第４の接続部３５を有してよい。第２の実施形態において、第２の扁平部３４０は、なす角度が９０度となるように屈曲された箇所を有する。第２の扁平部３４０の一部は、第１の実施形態と異なり、第１の扁平部３１０における折返し箇所に挟まれていてよい。

【0052】

図８に示すように、第１の扁平部３１０及び第２の扁平部３４０は、互いの主面が平行且つ対向するように位置してよい。上述のように、折返し箇所を有する第１の扁平部３１０は、折返しにより重なる部分において第２の扁平部３４０を挟んでよい。このように、第２の流路１４０の少なくとも一部である第２の扁平部３４０の一部は、第１の流路１３０である第１の扁平部３１０の一部により挟まれてよい。

【0053】

以上のような構成の第２の実施形態の燃料電池モジュール１００も、燃料電池セルスタック１１、第１の方向から見て燃料電池セルスタック１１と少なくとも一部が重なる燃焼器１２、燃料電池セルスタック１１における未反応の燃料ガスの排出口に第１の端が接続される第１の流路１３０、燃焼器１２における未反応の燃料ガスの導入口に第２の端が接続される第２の流路１４０とを備え、第１の流路１３０の一部及び第２の流路１４０の一部が当該第１の流路１３０及び当該第２の流路１４０に流れる流体を熱交換させる熱交換部２９を構成し、熱交換部２９の少なくとも一部が燃料電池セルスタック１１及び燃焼器１２の間の第１の空間ｓ１に位置する。このような構成により、燃料電池モジュール１００も、第１の実施形態に類似して、燃料電池セルスタック１１及び燃焼器１２における熱により、熱交換部２９の放熱による熱損失を低減させ得る。

【0054】

又、燃料電池モジュール１００でも、熱交換部２９における第１の端とは逆側の部分が第１の空間ｓ１の外に位置する。したがって、燃料電池モジュール１００も、第１の実施形態に類似して、第１の熱交換器１７における熱媒の突沸を抑制し得る。又、燃料電池モジュール１００も、第１の実施形態に類似して、熱交換部２９を大型化させ得る。

【0055】

又、燃料電池モジュール１００でも、熱交換部２９０を第１の方向から見て、燃焼器１２と重なり且つ第１の流路１３０が露出する面積ｓ１１は、当該燃焼器１２と重なり且つ第２の流路１４０が露出する面積ｓ１２より広い。したがって、燃料電池モジュール１００も、第１の実施形態に類似して、熱交換部２９０の第１の流路１３における放熱による熱損失を低減させ得る。

【0056】

又、燃料電池モジュール１００でも、熱交換部２９０は第２の方向における改質部２２側に位置する。このような構成により、燃料電池モジュール１００も、第１の実施形態に類似して、熱交換部２９０が第２の方向において気化部２３側に位置する構成に比べて熱交換部２９０の熱損失をより低減させ得る。

【0057】

又、燃料電池モジュール１００も、第１の流路１３０から第２の流路１４０に流れる流体を熱媒と熱交換させる第１の熱交換器１７を備える。このような構成により、燃料電池モジュール１００も、第１の実施形態に類似して、熱媒を用いて高温で熱回収させ得る。

【0058】

又、燃料電池モジュール１００では、第２の流路１４０の少なくとも一部は、第１の流路１３０に挟まれる。このような構成により、燃料電池モジュール１００は、第１の実施形態に比べて、第１の流路１３０を流動する流体の熱を更に、第２の流路１４０に伝熱し得る。

【0059】

次に、本開示の第３の実施形態を説明する。第３の実施形態では、第３の流路の構造が第１の実施形態と異なっている。以下に、第１の実施形態と異なる点を中心に第３の実施形態について説明する。なお、第１の実施形態と同じ構成を有する部位には同じ符号を付す。

【0060】

図１１に示すように、第３の実施形態に係る燃料電池モジュール１０１は、燃料電池セルスタック１１、燃焼器１２、第１の流路１３、及び第２の流路１４を含んで構成される。燃料電池モジュール１０１は、更に、改質器１５、第３の流路１６１、第１の熱交換器１７、気液分離器１９、リサイクル流路２０、及び筐体２１を含んで構成されてよい。第３の実施形態において、燃料電池セルスタック１１、燃焼器１２、第１の流路１３、及び第２の流路１４、改質器１５、第１の熱交換器１７、気液分離器１９、リサイクル流路２０、及び筐体２１の構造及び機能は、第１の実施形態と同じである。

【0061】

第３の流路１６１は、第１の実施形態に類似して、燃料電池セルスタック１１の酸化剤ガス導入口２６に接続されてよい。第３の流路１６１は、第１の実施形態に類似して、酸化剤ガスを燃料電池セルスタック１１に供給してよい。第３の流路１６１は、第１の実施形態と異なり、一部が燃焼器１２及び熱交換部２９の間に位置してよい。具体的には、図１１、１２に示すように、第３の流路１６１は、第１の方向側から筐体２１内に貫通する流路部分と、第２の方向から見て、改質器１５及び燃焼器１２の周囲を囲繞する流路部分と、燃料電池セルスタック１１に接続する流路部分とを有してよい。当該囲繞する流路部分が燃焼器１２及び熱交換部２９の間に位置してよい。

【0062】

以上のような構成の第３の実施形態の燃料電池モジュール１０１も、燃料電池セルスタック１１、第１の方向から見て燃料電池セルスタック１１と少なくとも一部が重なる燃焼器１２、燃料電池セルスタック１１における未反応の燃料ガスの排出口に第１の端が接続される第１の流路１３、燃焼器１２における未反応の燃料ガスの導入口に第２の端が接続される第２の流路１４とを備え、第１の流路１３の一部及び第２の流路１４の一部が当該第１の流路１３及び当該第２の流路１４に流れる流体を熱交換させる熱交換部２９を構成し、熱交換部２９の少なくとも一部が燃料電池セルスタック１１及び燃焼器１２の間の第１の空間ｓ１に位置する。このような構成により、燃料電池モジュール１０１も、第１の実施形態に類似して、燃料電池セルスタック１１及び燃焼器１２における熱により、熱交換部２９の放熱による熱損失を低減させ得る。

【0063】

又、燃料電池モジュール１０１でも、熱交換部２９における第１の端とは逆側の部分が第１の空間ｓ１の外に位置する。したがって、燃料電池モジュール１０１も、第１の実施形態に類似して、第１の熱交換器１７における熱媒の突沸を抑制し得る。又、燃料電池モジュール１０１も、第１の実施形態に類似して、熱交換部２９を大型化させ得る。

【0064】

又、燃料電池モジュール１０１でも、熱交換部２９を第１の方向から見て、燃焼器１２と重なり且つ第１の流路１３が露出する面積ｓ１１は、当該燃焼器１２と重なり且つ第２の流路１４が露出する面積ｓ１２より広い。したがって、燃料電池モジュール１０１も、第１の実施形態に類似して、熱交換部２９の第１の流路１３における放熱による熱損失を低減させ得る。

【0065】

又、燃料電池モジュール１０１でも、熱交換部２９を第１の方向の逆方向から見て、燃料電池セルスタック１１と重なり且つ第２の流路１４が露出する面積ｓ２２は、燃料電池セルスタック１１と重なり且つ第１の流路１３が露出する面積ｓ２１より広い。燃料電池モジュール１０１も、第１の実施形態に類似して、第１の熱交換器１７における熱媒の突沸を更に抑制し得る。

【0066】

又、燃料電池モジュール１０１でも、熱交換部２９は第２の方向における改質部２２側に位置する。このような構成により、燃料電池モジュール１０１も、第１の実施形態に類似して、熱交換部２９が第２の方向において気化部２３側に位置する構成に比べて熱交換部２９の熱損失をより低減させ得る。

【0067】

又、燃料電池モジュール１０１も、第１の流路１３から第２の流路１４に流れる流体を熱媒と熱交換させる第１の熱交換器１７を備える。このような構成により、燃料電池モジュール１０１も、第１の実施形態に類似して、熱媒を用いて高温で熱回収させ得る。

【0068】

又、燃料電池モジュール１０１は、燃焼器１２及び熱交換部２９の間に一部が位置し、酸化剤ガスを燃料電池セルスタック１１に供給する第３の流路１６１を備える。このような構成により、燃料電池モジュール１０は、燃料電池セルスタック１１に供給する酸化剤ガスを、燃料電池セルスタック１１から流出させた直後の燃料オフガスを用いて加熱し得る。

【0069】

又、上記の燃料電池モジュール１００、１０１は、燃料電池モジュール１００、１０１を動作させる補助機能を備える補機と、ともに、燃料電池装置を構成してよい。補機は、燃料電池モジュール１００、１０１の動作の開始及び停止を指示するプロセッサを含んで構成されてよい。

【0070】

一実施形態において、（１）燃料電池モジュールは、
燃料ガス及び酸化剤ガスの電気化学反応により発電する複数の燃料電池セルを有する燃料電池セルスタックと、
第１の方向から見て前記燃料電池セルスタックと少なくとも一部が重なるように位置し、該燃料電池セルスタックにおいて未反応の燃料ガスを燃焼させる燃焼器と、
前記燃料電池セルスタックにおける前記未反応の燃料ガスの排出口に第１の端が接続される第１の流路と、
前記燃焼器における前記未反応の燃料ガスの導入口に第２の端が接続される第２の流路と、を備え、
前記第１の流路の一部及び前記第２の流路の一部が、該第１の流路及び該第２の流路に流れる流体を熱交換させる熱交換部を構成し、
前記熱交換部の少なくとも一部が、前記燃料電池セルスタック及び前記燃焼器の間の第１の空間に位置する。

【0071】

（２）上記（１）の燃料電池モジュールでは、
前記熱交換部における前記第１の端とは逆側の部分が前記第１の空間の外に位置する。

【0072】

（３）上記（１）又は（２）の燃料電池モジュールでは、
前記熱交換部を第１の方向から見て、前記燃焼器と重なり且つ前記第１の流路が露出する面積は、該燃焼器と重なり且つ第２の流路が露出する面積より広い。

【0073】

（４）上記（１）乃至（３）の燃料電池モジュールでは、
前記熱交換部を第１の方向の逆方向から見て、前記燃料電池セルスタックと重なり且つ前記第２の流路が露出する面積は、前記燃料電池セルスタックと重なり且つ第１の流路が露出する面積より広い。

【0074】

（５）上記（１）乃至（４）の燃料電池モジュールでは、
前記第２の流路の少なくとも一部は、前記第１の流路に挟まれる。

【0075】

（６）上記（１）乃至（５）の燃料電池モジュールは、
前記燃焼器及び前記熱交換部の間に一部が位置し、前記酸化剤ガスを前記燃料電池セルスタックに供給する第３の流路を、更に備える。

【0076】

（７）上記（１）乃至（６）の燃料電池モジュールは、
前記燃焼器の前記第１の方向側に位置し、前記燃焼器にて加熱される前記改質器を、更に備え、
前記改質器は、原燃料ガスを改質することにより前記燃料ガスを生成する改質部と前記改質部に水蒸気を供給するために水を気化する気化部とを、前記第１の方向に交差する第２の方向に並ぶように有し、
前記熱交換部は、前記第２の方向における前記改質部側に位置する。

【0077】

（８）上記（１）乃至（７）の燃料電池モジュールでは、
前記第１の流路から前記第２の流路に流れる流体を熱媒と熱交換させる熱交換器を、更に備える。

【0078】

（９）燃料電池装置は、上記（１）乃至（８）のいずれか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動作させる補助機能を備える補機と、
を備える。

【0079】

本開示に係る実施形態について説明する図は模式的なものである。図面上の寸法比率等は、現実のものとは必ずしも一致していない。

【0080】

本開示に係る実施形態について、諸図面及び実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形又は改変を行うことが可能であることに注意されたい。従って、これらの変形又は改変は本開示の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各構成部等に含まれる機能等は論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の構成部等を１つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。

【0081】

例えば、第１の実施形態、第２の実施形態、及び第３の実施形態において、燃料電池モジュール１０、１００、１０１に、リサイクル流路２０が設けられなくてよい。又、第１の実施形態、第２の実施形態、及び第３の実施形態において、改質器１５に気化部２３を設けずに、改質器１５とは別に気化器が設けられてよい。当該気化器は改質器１５より第１の方向側に設けられてよい。気化器を改質器１５より第１の方向側に設けることにより、気化部２３を設ける構成に比べて第２の方向における温度差が低減するので、熱交換部２９、２９０の放熱による熱損失の低減の確実性を向上させ得る。

【0082】

本開示に記載された構成要件の全て、及び／又は、開示された全ての方法、又は、処理の全てのステップについては、これらの特徴が相互に排他的である組合せを除き、任意の組合せで組み合わせることができる。又、本開示に記載された特徴の各々は、明示的に否定されない限り、同一の目的、同等の目的、又は類似する目的のために働く代替の特徴に置換することができる。したがって、明示的に否定されない限り、開示された特徴の各々は、包括的な一連の同一、又は、均等となる特徴の一例にすぎない。

【0083】

さらに、本開示に係る実施形態は、上述した実施形態のいずれの具体的構成にも制限されるものではない。本開示に係る実施形態は、本開示に記載された全ての新規な特徴、又は、それらの組合せ、あるいは記載された全ての新規な方法、又は、処理のステップ、又は、それらの組合せに拡張することができる。

【0084】

本開示において「第１」及び「第２」等の記載は、当該構成を区別するための識別子である。本開示における「第１」及び「第２」等の記載で区別された構成は、当該構成における番号を交換することができる。例えば、第１の流路は、第２の流路と識別子である「第１」と「第２」とを交換することができる。識別子の交換は同時に行われる。識別子の交換後も当該構成は区別される。識別子は削除してよい。識別子を削除した構成は、符号で区別される。本開示における「第１」及び「第２」等の識別子の記載のみに基づいて、当該構成の順序の解釈、小さい番号の識別子が存在することの根拠に利用してはならない。

【符号の説明】

【0085】

１０、１００、１０１ 燃料電池モジュール
１１ 燃料電池セルスタック
１２ 燃焼器
１３、１３０ 第１の流路
１４、１４０ 第２の流路
１５ 改質器
１６ 第３の流路
１７ 第１の熱交換器
１８ 第２の熱交換器
１９ 気液分離器
２０ リサイクル流路
２１ 筐体
２２ 改質部
２３ 気化部
２４ 脱硫器
２５ 燃料ガス導入口
２６ 酸化剤ガス導入口
２７ 燃料オフガス排出口
２８ 酸化剤オフガス排出口
２９、２９０ 熱交換部
３０ 第１の接続部
３１、３１０ 第１の扁平部
３２ 第２の接続部
３３ 第３の接続部
３４、３４０ 第２の扁平部
３５ 第４の接続部
３６ 仕切板
ｓ１ 第１の空間

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】