特開 2024-146892 電気化学反応モジュール

(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】P2024146892

(43)【公開日】2024-10-15

(54)【発明の名称】電気化学反応モジュール

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04007 20160101AFI20241004BHJP

   H01M 8/04 20160101ALI20241004BHJP

   C25B 15/021 20210101ALI20241004BHJP

   C25B 15/08 20060101ALI20241004BHJP

   C25B 1/04 20210101ALI20241004BHJP

   C25B 9/00 20210101ALI20241004BHJP

   C25B 9/77 20210101ALI20241004BHJP

   C25B 9/67 20210101ALI20241004BHJP

   H01M 8/12 20160101ALN20241004BHJP

   C25B 9/23 20210101ALN20241004BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04007

H01M8/04 Z

C25B15/021

C25B15/08 302

C25B1/04

C25B9/00 A

C25B9/77

C25B9/67

H01M8/12 101

C25B9/23

【審査請求】未請求

【請求項の数】12

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2024054067

(22)【出願日】2024-03-28

(31)【優先権主張番号】P 2023058470

(32)【優先日】2023-03-31

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(71)【出願人】

【識別番号】000004260

【氏名又は名称】株式会社デンソー

(74)【代理人】

【識別番号】110001128

【氏名又は名称】弁理士法人ゆうあい特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】川島 健司

(72)【発明者】

【氏名】長田 康弘

(72)【発明者】

【氏名】小代 卓史

【テーマコード（参考）】

4K021

5H126

5H127

【Ｆターム（参考）】

4K021AA01

4K021BA02

4K021BC01

4K021BC05

4K021CA08

4K021CA12

4K021DB04

4K021DB43

4K021DB53

4K021DC03

4K021EA06

5H126BB06

5H127AA06

5H127AA07

5H127AC15

5H127BA05

5H127BA13

5H127BA32

5H127BA36

5H127BA37

5H127BA57

5H127BB02

5H127BB12

5H127BB27

5H127BB37

5H127CC19

5H127EE02

5H127EE03

5H127EE29

5H127EE30

(57)【要約】

【課題】反応機器の内側から効率よく加熱可能な電気化学反応モジュールを提供する。
【解決手段】電気化学反応モジュールは、酸化剤となる第１ガスと還元剤となる第２ガスとの電気化学反応により電気エネルギを出力する、若しくは、還元剤となる第１ガスおよび酸化剤となる第２ガスを入力として第２ガスの電気分解により燃料を出力する反応機器（１０）を備える。電気化学反応モジュールは、反応機器（１０）に第１ガスを導く第１ガス流路（２０）と、反応機器（１０）に第２ガスを導く第２ガス流路（３０）と、反応機器（１０）から排出されるオフガスが流れるオフガス流路部（６０）と、を備える。
第１ガス流路（２０）および第２ガス流路（３０）それぞれは、オフガス流路部（６０）に隣接して配置されてオフガス流路部（６０）の熱を受ける受熱部（３３、２２２）を含んでいる。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

電気化学反応モジュールであって、
酸化剤となる第１ガスと還元剤となる第２ガスとの電気化学反応により電気エネルギを出力する、若しくは、還元剤となる第１ガスおよび酸化剤となる第２ガスを入力として第２ガスの電気分解により燃料を出力する反応機器（１０、１０Ａ）と、
前記反応機器に第１ガスを導く第１ガス流路（２０）と、
前記反応機器に第２ガスを導く第２ガス流路（３０、４０）と、
前記反応機器から排出されるオフガスが流れるオフガス流路部（６０、６０Ａ）と、を備え、
前記第１ガス流路および前記第２ガス流路それぞれは、前記オフガス流路部に隣接して配置されて前記オフガス流路部の熱を受ける受熱部（３３、２２２、４３）を含んでいる、電気化学反応モジュール。

【請求項2】

前記第１ガス流路は、前記受熱部よりも下流側の部位（２３）が、前記反応機器と対向するように配置されている、請求項１に記載の電気化学反応モジュール。

【請求項3】

前記反応機器は、前記電気化学反応により電気エネルギを出力する燃料電池（１０）であり、
前記オフガス流路部（６０）には、前記反応機器から排出されるオフガスを燃焼させて燃焼ガスを生成し、当該燃焼ガスを燃焼ガス流路（６４）に導出させる燃焼部（６３２）が設けられており、
前記第１ガス流路および前記第２ガス流路それぞれは、前記燃焼部に隣接して配置されて前記燃焼部の熱を受ける前記受熱部（３３、２２２）を含んでいる、請求項１に記載の電気化学反応モジュール。

【請求項4】

前記反応機器は、前記燃焼部に対して所定の間隔をあけて配置されており、
前記第１ガス流路は、前記反応機器のうち、前記燃焼部の熱を受ける部位以外の他の部位の少なくとも一部を囲むように配置されている、請求項３に記載の電気化学反応モジュール。

【請求項5】

前記燃焼部と前記反応機器との間には、前記燃焼部の熱が前記反応機器に伝わることを抑える伝熱抑制部（６３１、ＳＰ、ＰＳ、２４）が設けられている、請求項３に記載の電気化学反応モジュール。

【請求項6】

前記伝熱抑制部は、前記オフガス流路部（６０）の少なくとも一部を含んで構成されており、
前記オフガス流路部の一部（６３１）は、前記反応機器と前記燃焼部との間に配設されている、請求項５に記載の電気化学反応モジュール。

【請求項7】

前記オフガス流路部は、前記反応機器から排出されるオフガスを第１ガスおよび第２ガスの一方と熱交換させる熱交換部（６９）が含まれている、請求項６に記載の電気化学反応モジュール。

【請求項8】

前記反応機器と前記燃焼部とは、前記第１ガス流路、前記第２ガス流路、および前記燃焼部のうち互いに隣接する位置での各々の並び方向に直交する直交方向において、互いに重なり合わないように前記並び方向においてずれた位置に配置されている、請求項３に記載の電気化学反応モジュール。

【請求項9】

前記反応機器は、前記電気分解により燃料を出力する電解装置（１０Ａ）である、請求項１に記載の電気化学反応モジュール。

【請求項10】

前記第１ガス流路に隣接して配置されて前記第１ガス流路を流れる第１ガスの温度を調整する温調ガスが流れる温調ガス流路（６５）を備え、
前記温調ガス流路は、前記第１ガス流路を流れる第１ガスと温調ガスとを熱交換可能なように、前記第１ガス流路に隣接して配置されている、請求項１ないし９のいずれか１つに記載の電気化学反応モジュール。

【請求項11】

前記温調ガス流路は、前記反応機器の周囲に温調ガスが導入されるように、前記反応機器の収容空間（ＢＳ）に接続されている、請求項１０に記載の電気化学反応モジュール。

【請求項12】

前記反応機器に導入される第１ガスの温度が目標温度に維持されるように、前記温調ガス流路を流れる温調ガスと前記第１ガス流路を流れる第１ガスとの熱交換量を調整する調整部（６６１、６７１、６８）を備える、請求項１１に記載の電気化学反応モジュール。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、電池化学反応モジュールに関する。

【背景技術】

【0002】

燃料電池は、起動時に発電可能な所望の温度に昇温させる必要がある。セルスタックを昇温させるための構成として、燃料電池からの排ガスを燃焼させて燃焼部、燃焼部で生じた燃焼ガスによって燃料電池に供給する酸化剤ガスおよび燃料ガスを含む反応ガスを加熱して、燃料電池を内側から加熱するものが知られている（例えば、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２０１６－２４８７１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１に記載の燃料電池モジュールは、最も高温となる燃焼部の外側に燃料ガスの流通路が形成され、当該燃料ガスの流通路の外側に酸化剤ガスの流通路が形成されている。このような構成では、燃焼部の熱が、燃料ガス、酸化剤ガスの順に伝わることになり、燃料ガスの加熱が充分だとしても、酸化剤ガスの加熱が不充分となってしまう。この場合、燃料電池の内側からの加熱効率が悪くなることで、燃料電池の昇温に長時間を要する。このような課題は、燃料電池を反応機器として備える燃料電池モジュールに限らず、還元剤となる第１ガスおよび酸化剤となる第２ガスを入力として第２ガスの電気分解により燃料を生成する電解装置を反応機器として備えるモジュールにおいても生ずる。また、反応機器から排出される高温のオフガスの熱を利用して反応機器に供給するガスを昇温させる構成であれば、燃焼部の有無によらず、同様の課題が生じ得る。なお、以下では、燃料電池および電解装置の一方を反応機器として含むモジュールについて、電気化学反応モジュールとも呼ぶ、

【0005】

本開示は、反応機器の内側から効率よく加熱可能な電気化学反応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】

【0006】

請求項１に記載の発明は、
電気化学反応モジュールであって、
酸化剤となる第１ガスと還元剤となる第２ガスとの電気化学反応により電気エネルギを出力する、若しくは、還元剤となる第１ガスおよび酸化剤となる第２ガスを入力として第２ガスの電気分解により燃料を出力する反応機器（１０、１０Ａ）と、
反応機器に第１ガスを導く第１ガス流路（２０）と、
反応機器に第２ガスを導く第２ガス流路（３０）と、
反応機器から排出されるオフガスが流れるオフガス流路部（６０、６０Ａ）と、を備え、
第１ガス流路および第２ガス流路それぞれは、オフガス流路部に隣接して配置されてオフガス流路部の熱を受ける受熱部（３３、２２２、４３）を含んでいる。

【0007】

このように、第１ガス流路および第２ガス流路それぞれがオフガス流路部に隣接して配置されていれば、オフガス流路部の熱によって第１ガスおよび第２ガスの双方を充分に加熱することができる。これによると、第１ガスおよび第２ガスそれぞれの熱によって反応機器の内側から効率よく加熱することができる。このことは、反応機器の昇温に要する時間の短縮に寄与する。

【0008】

なお、各構成要素等に付された括弧付きの参照符号は、その構成要素等と後述する実施形態に記載の具体的な構成要素等との対応関係の一例を示すものである。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】第１実施形態に係る燃料電池モジュールを含むシステムの概略構成図である。

【図2】第１実施形態に係る燃料電池モジュールの模式的な縦断面図である。

【図3】燃料電池モジュールの容器内でのセルスタックの配置態様を示す模式的な横断面図である。

【図4】燃料電池の起動時の作動を説明するための説明図である。

【図5】温調ガスを用いた酸化剤ガスの温度調整を説明するための説明図である。

【図6】吸熱処理の流れを示すフローチャートである。

【図7】放熱処理の流れを示すフローチャートである。

【図8】熱源となるオフガス燃焼器の燃焼部から燃料電池への熱の伝わり方を説明するための説明図である。

【図9】第２実施形態に係る燃料電池モジュールの縦断面の半分を示す模式的な断面図である。

【図10】第３実施形態に係る燃料電池モジュールの縦断面の半分を示す模式的な断面図である。

【図11】第４実施形態に係る燃料電池モジュールの縦断面の半分を示す模式的な断面図である。

【図12】第５実施形態に係る水電解モジュールの模式的な縦断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本開示の実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の実施形態において、先行する実施形態で説明した事項と同一もしくは均等である部分には、同一の参照符号を付し、その説明を省略する場合がある。また、実施形態において、構成要素の一部だけを説明している場合、構成要素の他の部分に関しては、先行する実施形態において説明した構成要素を適用することができる。以下の実施形態は、特に組み合わせに支障が生じない範囲であれば、特に明示していない場合であっても、各実施形態同士を部分的に組み合わせることができる。

【0011】

（第１実施形態）
本実施形態について、図１～図８を参照して説明する。本実施形態では、図１に示すように、本開示の電気化学反応モジュールを固体酸化物型の燃料電池１０を備える燃料電池モジュール１に適用した例について説明する。

【0012】

燃料電池モジュール１は、燃料処理系統および電池系統を含み、これらを断熱材で覆うことで高温に保持するホットモジュールである。燃料電池モジュール１は、固体酸化物型の燃料電池１０、空気予熱器２２、改質器３３、オフガス燃焼器６３、容器７０を含んでいる。本実施形態では、燃料電池１０が、酸化剤となる第１ガスと還元剤となる第２ガスとの電気化学反応により電気エネルギを出力する“反応機器”に対応している。

【0013】

固体酸化物型の燃料電池１０は、一般的にＳＯＦＣ（Solid Oxide Fuel Cell の略）とも呼ばれ、作動温度が高温（例えば、５００℃～１０００℃）となるものである。燃料電池１０は、還元剤となる燃料ガスおよび酸化剤となる酸化剤ガス（本例では空気中の酸素）の電気化学反応により電気エネルギを出力する燃料電池セルを複数有している。以下、燃料電池セルを単にセルと呼ぶ。なお、本実施形態では、酸化剤ガスが“第１ガス”に対応し、燃料ガスが“第２ガス”に対応している。

【0014】

セルは、電解質体、カソードを構成する空気極、アノードを構成する燃料極、空気流路や燃料流路を形成する図示しないセパレータを含んで構成されている。セルは、水素および一酸化炭素を燃料ガスとしている。この燃料ガスは、改質用原料である都市ガス（すなわち、メタンを主成分とするガス）を改質して生成される。なお、使用する改質用原料は、都市ガス以外の炭化水素系のガスやアンモニア等のように改質により水素を生成するガスが採用されていてもよい。なお、改質原料は、炭化水素系のガスやアンモニアに水素を混合した混合ガスであってもよい。

【0015】

セルは、以下の反応式Ｆ１、Ｆ２に示す水素および酸素の電気化学反応により外部回路に対して電気エネルギを出力する。

【0016】

（燃料極）２Ｈ_２＋２Ｏ^２－→２Ｈ_２Ｏ＋４ｅ^－ …（Ｆ１）

【0017】

（空気極）Ｏ_２＋４ｅ^－→２Ｏ^２－ …（Ｆ２）
また、セルは、以下の反応式Ｆ３、Ｆ４に示す一酸化炭素および酸素の電気化学反応により外部回路に対して電気エネルギを出力する。

【0018】

（燃料極）２ＣＯ＋２Ｏ^２－→２ＣＯ_２＋４ｅ^－ …（Ｆ３）

【0019】

（空気極）Ｏ_２＋４ｅ^－→２Ｏ^２－ …（Ｆ４）
燃料電池１０が出力する電力は、インバータＩＮＶ等の電力変換器を介して負荷機器やバッテリに供給される。燃料電池１０は、所定数のセルを積層して構成されるセルスタックＣＳを複数備える。セルスタックＣＳは、平板型のセルが所定の積層方向に積層されている。セルスタックＣＳを構成する所定数のセルは、電気的に直列に接続されている。セルスタックＣＳは、所定数のセルを一列に積層した積層体である。

【0020】

図１および図２に示すように、燃料電池１０は、空気予熱器２２、改質器３３、オフガス燃焼器６３等とともに断熱性を有する容器７０の内側に配置されている。容器７０の内側における燃料電池１０の配置形態については後述する。

【0021】

燃料電池１０には、空気の流通経路である空気経路２０が接続されている。空気経路２０は、燃料電池１０に酸化剤ガスを導く“酸化剤ガス流路”を構成するものであって、配管等によって構成される。空気経路２０には、燃料電池１０に空気を圧送する圧送ブロワ２１、燃料電池１０に供給する空気を加熱する空気予熱器２２、スタック温調器２３が設けられている。

【0022】

圧送ブロワ２１は、大気中の空気を吸い込んで燃料電池１０に供給する酸化剤ポンプである。圧送ブロワ２１は、後述の電子制御部１００からの制御信号によって作動が制御される電動式のブロワで構成されている。

【0023】

空気予熱器２２は、燃料電池１０の発電時に、圧送ブロワ２１から圧送された空気をオフガス燃焼器６３およびオフガス燃焼器６３で生成された燃焼ガスと熱交換させて加熱する熱交換器である。空気予熱器２２は、燃料電池１０に供給する空気と燃料ガスとの温度差を縮小して、燃料電池１０の発電効率の向上を図るために設けられている。

【0024】

具体的には、空気予熱器２２は、後述する燃焼ガス経路６４およびオフガス燃焼器６３に隣接して配置されている。空気予熱器２２は、燃焼ガスの熱を受ける上流側予熱器２２１、上流側予熱器２２１の下流側に配置されてオフガス燃焼器６３の熱を受ける下流側予熱器２２２を有している。本実施形態では、下流側予熱器２２２が、オフガス燃焼器６３の燃焼部６３２の熱を受ける“受熱部”を構成している。

【0025】

スタック温調器２３は、空気予熱器２２を通過した空気が流れるように、空気予熱器２２と燃料電池１０との間に接続されている。これにより、スタック温調器２３は、セルスタックＣＳに供給される前の酸化剤ガスが流れる。

【0026】

スタック温調器２３は、空気経路２０における空気予熱器２２の下流側予熱器２２２よりも下流側の部位である。スタック温調器２３は、燃料電池１０のセルスタックＣＳと熱交換可能なようにセルスタックＣＳと所定間隔をあけて対向して配置されている。スタック温調器２３およびセルスタックＣＳは、燃料電池１０の起動時にスタック温調器２３の熱が輻射伝熱によってセルスタックＣＳ側に伝わる。また、スタック温調器２３およびセルスタックＣＳは、燃料電池１０の発電時にセルスタックＣＳの熱がスタック温調器２３側に輻射伝熱によって伝わる。

【0027】

スタック温調器２３は、燃料電池１０のうち、輻射によって燃焼部６３２の熱を受ける部位以外の他の部位の少なくとも一部を囲むように配置されている。具体的には、スタック温調器２３は、後述の温調経路６５と燃料電池１０との間に配置される上流温調部２３１、燃料電池１０を介して上流温調部２３１と向かい合う下流温調部２３２、上流温調部２３１と下流温調部２３２とを接続する中間温調部２３３を有する。

【0028】

上流温調部２３１は、空気予熱器２２を通過した空気が流入する。中間温調部２３３は、上流温調部２３１を通過した空気が流入する。上流温調部２３１は、燃料電池１０における燃焼部６３２の熱を受ける部位以外の一面と対向するように配置されている。また、上流温調部２３１は、後述の温調経路６５に隣接して配置されている。上流温調部２３１を流れる空気は、温調経路６５を流れる温調ガスと熱交換によって所望の温度に調整される。

【0029】

下流温調部２３２は、中間温調部２３３を通過した空気が流入する。下流温調部２３２は、燃料電池１０を挟んで上流温調部２３１の反対側に配置されている。下流温調部２３２は、燃料電池１０における上流温調部２３１と対向する上流対向面の裏側となる下流対向面と対向するように配置されている。

【0030】

中間温調部２３３は、一端部が上流温調部２３１に接続されて上流温調部２３１を通過した空気が流入する。中間温調部２３３は、他端部が下流温調部２３２に接続されて下流温調部２３２に空気を導出する。中間温調部２３３は、燃料電池１０における燃焼部６３２の熱を受ける部位の裏側となる中間対向面と対向するように配置されている。換言すれば、中間温調部２３３は、燃料電池１０を介して燃焼部６３２と向かい合う位置に配置されている。

【0031】

また、燃料電池１０は、改質用原料や燃料ガスの流通経路である燃料経路３０が接続されている。燃料経路３０は、燃料電池１０に燃料ガスを導く“燃料ガス流路”を構成するものであって、配管等によって構成される。燃料経路３０には、上流側から順に、燃料ポンプ３１、改質器３３が設けられている。本実施形態では、燃料経路３０が、反応機器に第２ガスを導く“第２ガス流路”を構成している。

【0032】

燃料ポンプ３１は、燃料電池１０側に向けて改質用原料を供給するためのポンプである。燃料ポンプ３１は、後述の電子制御部１００からの制御信号によって作動が制御される電動ポンプで構成されている。

【0033】

改質器３３は、燃料ポンプ３１から供給された改質用原料を、水蒸気を用いて改質して燃料ガスを生成するものである。改質器３３は、例えば、ロジウムやルテニウム等の貴金属を含む水蒸気改質触媒を含んで構成されている。

【0034】

具体的には、改質器３３は、改質用原料および水蒸気を混合した混合ガスを燃焼ガスと熱交換させて加熱するとともに、以下の反応式Ｆ５に示す改質反応、および反応式Ｆ６に示すシフト反応により燃料ガス（水素、一酸化炭素）を生成する。

【0035】

ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ_２ …（Ｆ５）
ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋Ｈ_２ …（Ｆ６）
ここで、改質器３３における水蒸気改質は吸熱反応であり、高温となる条件下にて改質率が向上する特性を有している。本実施形態の改質器３３は、オフガス燃焼器６３およびオフガス燃焼器６３で生成された燃焼ガスから受熱可能なように、オフガス燃焼器６３および燃焼ガス経路６４に隣接して配置されている。本実施形態では、改質器３３が、燃料経路３０においてオフガス燃焼器６３の燃焼部６３２の熱を受ける“受熱部”を構成している。

【0036】

図示しないが、燃料経路３０には、燃料ポンプ３１と改質器３３との間に水供給経路が接続されている。改質器３３には、水供給経路に設けられた気化器で生成される水蒸気が供給されるようになっている。

【0037】

また、燃料電池１０には、燃料電池１０から排出するオフガスが流れるオフガス経路６０が接続されている。具体的には、燃料電池１０には、燃料電池１０から排出される酸化剤オフガスが流れるオフ空気流路６１が接続されるとともに、燃料電池１０から排出される燃料オフガスが流れるオフ燃料流路６２が接続されている。本実施形態では、オフガス経路６０が“オフガス流路部”を構成している。

【0038】

オフガス経路６０には、オフガス燃焼器６３が接続されている。オフガス燃焼器６３は、混合部６３１および燃焼部６３２を含んでいる。混合部６３１は、燃料電池１０から排出されるオフガスを混合させるものである。混合部６３１は、オフガス経路６０の一部を構成している。燃焼部６３２は、燃料電池１０から排出されるオフガスを燃焼させて高温の燃焼ガスを生成し、当該燃焼ガスを燃焼ガス経路６４に導出させるものである。

【0039】

本実施形態の燃焼部６３２は、オフ燃焼ガスに含まれる未反応燃料を燃焼させる燃焼触媒を有する触媒燃焼器として構成されている。燃焼触媒としては、例えば、未反応燃料を酸化する酸化触媒等が挙げられる。

【0040】

オフガス燃焼器６３には、高温の燃焼ガスを流通させる燃焼ガス経路６４が接続されている。燃焼ガス経路６４は、オフガス燃焼器６３で生成された燃焼ガスが導入される“燃焼ガス流路”を構成している。燃焼ガス経路６４は、内部を流れる燃焼ガスの熱を有効活用すべく、改質器３３、空気予熱器２２等が隣接して配置されている。

【0041】

ここで、燃料電池モジュール１には、空気経路２０に隣接して温調経路６５が設けられている。温調経路６５には、空気経路２０を流れる空気の温度を調整するための温調ガスが流通する経路である。本実施形態では、温調経路６５が“温調ガス流路”を構成している。

【0042】

温調経路６５には、可燃ガス導入路６６および低温ガス導入路６７が接続されている。また、温調経路６５には、可燃ガスを燃焼させて高温の温調ガスを生成するガスバーナ６８が配置されている。

【0043】

可燃ガス導入路６６は、温調経路６５に可燃ガスを導く流路である。可燃ガス導入路６６には、可燃ガス導入路６６への可燃ガスの供給量を調整するガス調整部６６１が配置されている。

【0044】

低温ガス導入路６７は、温調経路６５に低温の温調ガスとして空気を導く流路である。低温ガス導入路６７には、低温ガス導入路６７への空気の供給量を調整する空気調整部６７１が配置されている。

【0045】

本実施形態の燃料電池モジュール１は、可燃ガス導入路６６から温調経路６５へ導入した可燃ガスをガスバーナ６８で燃焼させたり、低温ガス導入路６７から温調経路６５へ空気を導入させたりすることによって適温の温調ガスを生成可能に構成されている。

【0046】

温調経路６５は、燃焼部６３２から受熱した後の空気経路２０を流れる空気と温調ガスとを熱交換可能なように、少なくとも一部が、空気経路２０における下流側予熱器２２２の下流側に隣接して配置されている。本実施形態では、ガス調整部６６１、空気調整部６７１、ガスバーナ６８が、燃料電池１０に導入される空気の温度が目標温度に維持されるように、温調経路６５を流れる温調ガスと空気経路２０を流れる空気との熱交換量を調整する“調整部”を構成している。

【0047】

また、温調経路６５は、燃料電池１０の周囲に温調ガスが導入されるように、燃料電池１０の電池収容空間ＢＳに接続されている。これによると、温調ガスの熱を燃料電池１０の温度調整にも有効活用することが可能になっている。

【0048】

燃料電池１０、空気予熱器２２、改質器３３、オフガス燃焼器６３は、断熱性を有する容器７０の内側に配置されている。容器７０は、燃料電池モジュール１の外殻を形成する。以下、容器７０および容器７０の内側における各種機器の配置態様等について図２、図３を参照しつつ説明する。

【0049】

図２に示すように、容器７０は、多重の筒構造になっており、その内部に円柱状の空間とドーナツ状の空間が形成されている。具体的には、容器７０は、略円形状の上壁部Ｗｕ、略円形状の下壁部Ｗｄ、筒形状の内筒部Ｗｉ、筒形状の外筒部Ｗｏを有する。上壁部Ｗｕは、容器７０における天板を構成している。下壁部Ｗｄは、容器７０における底板を構成している。内筒部Ｗｉおよび外筒部Ｗｏは、容器７０における側壁を構成している。内筒部Ｗｉおよび外筒部Ｗｏは、この順序で筒径（すなわち、外径）が大きくなっている。内筒部Ｗｉおよび外筒部Ｗｏは、軸心ＣＬが一致するように配置されている。なお、内筒部Ｗｉは、ガスバーナ６８を収容可能な大きさになっている。外筒部Ｗｏは、内筒部Ｗｉとの間にセルスタックＣＳを収容可能な大きさになっている。

【0050】

内筒部Ｗｉの内側には、温調経路６５が形成されている。上壁部Ｗｕには、内筒部Ｗｉの内側を覆う部位にガスバーナ６８が取り付けられている。内筒部Ｗｉの下方側には、温調経路６５を流れる温調ガスを内筒部Ｗｉと外筒部Ｗｏとの間に形成される燃料電池１０の電池収容空間ＢＳに導くための連通路ＰＧが形成されている。

【0051】

内筒部Ｗｉは、第１内筒壁Ｗｉ１と第２内筒壁Ｗｉ２とを有する二重壁構造になっている。第１内筒壁Ｗｉ１および第２内筒壁Ｗｉ２との間に形成される隙間流路は、上方部分が空気予熱器２２を構成し、下方部分がスタック温調器２３の上流温調部２３１を構成している。なお、第１内筒壁Ｗｉ１および第２内筒壁Ｗｉ２との間に形成される隙間流路には、上壁部Ｗｕには、第１内筒壁Ｗｉ１および第２内筒壁Ｗｉ２との間の隙間流路に対応する位置に、空気経路２０を構成する配管が接続されている。

【0052】

下壁部Ｗｄは、第１下壁Ｗｄ１と第２下壁Ｗｄ２とを有する二重壁構造になっている。第１下壁Ｗｄ１および第２下壁Ｗｄ２との間に形成される隙間流路は、第１内筒壁Ｗｉ１および第２内筒壁Ｗｉ２との間に形成される隙間流路に接続されている。第１下壁Ｗｄ１および第２下壁Ｗｄ２との間に形成される隙間流路は、スタック温調器２３の中間温調部２３３を構成している。

【0053】

外筒部Ｗｏは、第１外筒壁Ｗｏ１と第２外筒壁Ｗｏ２とを有する二重壁構造になっている。第１外筒壁Ｗｏ１および第２外筒壁Ｗｏ２との間に形成される隙間流路は、スタック温調器２３の下流温調部２３２を構成している。第１外筒壁Ｗｏ１および第２外筒壁Ｗｏ２との間には、空気が流れる流路を外流路２３２ａと内流路２３２ｂに分ける分離板ＤＶが配置されている。下流温調部２３２は、中間温調部２３３から流入した空気が、外流路２３２ａを通過した後に内流路２３２ｂに流れるように折り返しを有する流路構造になっている。このような流路構造になっていれば、下流温調部２３２の内流路２３２ｂと外流路２３２ａとで空気の流れが向かい合わせとなり、下流温調部２３２の温度が均一化される。この結果、セルスタックＣＳの外側部分での温度ムラが抑制される。

【0054】

内筒部Ｗｉと外筒部Ｗｏとの間に形成される空間は、下方部分が燃料電池１０を収容する電池収容空間ＢＳを構成し、上方部分が改質器３３、オフガス燃焼器６３等を収容する機器収容空間ＤＳを構成している。電池収容空間ＢＳおよび機器収容空間ＤＳとの間には、仕切板ＳＰが配置されている。

【0055】

電池収容空間ＢＳには、例えば、図３に示すように、複数のセルスタックＣＳが容器７０の軸心ＣＬを中心に放射状に配置されている。複数のセルスタックＣＳは、電池収容空間ＢＳにおいて、軸心ＣＬの周方向に等間隔あけて配置されている。なお、複数のセルスタックＣＳ同士の間隔は、一致している必要はなく、一部が異なっていてもよい。

【0056】

複数のセルスタックＣＳには、それぞれ、空気経路２０を構成する配管、燃料経路３０を構成する配管、オフ燃料流路６２を構成する配管が接続されている。また、複数のセルスタックＣＳは、電池収容空間ＢＳにオフ空気を排出するようになっている。このため、電池収容空間ＢＳは、オフ空気流路６１の一部を構成している。

【0057】

機器収容空間ＤＳには、改質器３３、オフガス燃焼器６３、燃焼ガス経路６４、断熱材ＨＩ等が配置されている。具体的には、機器収容空間ＤＳには、内筒部Ｗｉにおける空気予熱器２２を構成する部位に隣接してオフガス燃焼器６３が配置され、オフガス燃焼器６３の外側に改質器３３が隣接して配置されている。換言すれば、燃料電池モジュール１は、酸化剤ガスが流れる空気予熱器２２および燃料ガスが流れる改質器３３それぞれが、オフガス燃焼器６３に隣接して配置されている。

【0058】

オフガス燃焼器６３は、燃焼部６３２の熱が燃料電池１０に伝わるのを抑えるために、燃焼部６３２と燃料電池１０とを間に混合部６３１が配置されている。本実施形態では、仕切板ＳＰおよび混合部６３１が燃焼部６３２の熱が燃料電池１０に伝わることを抑える“伝熱抑制部”として機能している。

【0059】

また、燃料電池１０と燃焼部６３２とは、空気予熱器２２、燃焼部６３２、改質器３３の並び方向に直交する直交方向において、互いに重なり合わないように並び方向においてずれた位置に配置されている。

【0060】

本実施形態の空気予熱器２２、燃焼部６３２、改質器３３は、容器７０の軸心ＣＬが延びる軸方向に直交する方向に配置されている。このため、燃料電池１０および燃焼部６３２は、空気予熱器２２、燃焼部６３２、改質器３３の並び方向である軸方向においてずれた位置に配置されている。具体的には、燃料電池１０は、燃焼部６３２よりも容器７０の軸心ＣＬから離れた位置にオフセットして配置されている。

【0061】

次に、燃料電池モジュール１を含むシステムの電子制御部１００について説明する。電子制御部１００は、プロセッサ、メモリを含むマイクロコンピュータと、その周辺回路で構成されている。電子制御部１００は、メモリに記憶された制御プログラムに基づいて各種演算、処理を行い出力側に接続された各種制御機器の作動を制御する。

【0062】

電子制御部１００の入力側には、電池温度センサ、改質温度センサ、火炎検出器を含むセンサ群が接続されており、当該センサ群の検出結果が電子制御部１００に入力されるようになっている。また、電子制御部１００には、インバータＩＮＶ、図示しない操作パネル等が接続されている。操作パネルには、燃料電池１０の発電をオンオフするためのスタートスイッチ、燃料電池１０の作動状態を表示するディスプレイ等が設けられている。インバータＩＮＶは、セルから掃引する電池を制御するための電流掃引機器である。

【0063】

一方、電子制御部１００の出力側には、制御機器として、圧送ブロワ２１、燃料ポンプ３１、ガスバーナ６８、空気調整部６７１、ガス調整部６６１等が接続されている。これら制御機器は、電子制御部１００から出力される制御信号に応じて、その作動が制御される。

【0064】

次に、燃料電池モジュール１を含むシステムの全体的な作動について説明する。スタートスイッチがオンされると、電子制御部１００は、燃料電池１０を含む各種機器を適温に暖機させる起動処理を実行する。

【0065】

例えば、電子制御部１００は、起動処理において、圧送ブロワ２１および燃料ポンプ３１を作動させる。燃料電池１０の起動段階では、燃料電池１０の温度が低く、燃料ガスおよび酸化剤ガスの電気化学反応が生じ難い。このため、燃料電池１０に供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスは燃料電池１０をそのまま通過し、オフガス燃焼器６３で燃焼される。オフガス燃焼器６３では、高温の燃焼ガスが生成される。

【0066】

図４に示すように、燃料電池１０は、燃焼部６３２の熱が輻射伝熱によって、燃料電池１０における燃焼部６３２に近接する部位に伝わることで昇温する。但し、燃料電池１０と燃焼部６３２との間には、混合部６３１が介在しているので、燃料電池１０における燃焼部６３２に近接する部位が過度に加熱されることは抑制される。

【0067】

燃料経路３０を流れる燃料は、改質器３３を通過する際に、燃焼ガスおよび燃焼部６３２の熱が対流伝熱によって伝わることで昇温する。改質器３３で昇温した燃料ガスは、燃料電池１０に供給される。燃料電池１０は、その内側を通過する燃料ガスの熱が対流伝熱によって伝わることで昇温する。

【0068】

空気経路２０を流れる空気は、空気予熱器２２を通過する際に、燃焼ガスおよび燃焼部６３２の熱が対流伝熱によって伝わることで昇温する。空気予熱器２２で昇温した空気は、スタック温調器２３を介して、燃料電池１０に供給される。燃料電池１０は、その内側を通過する空気の熱が対流伝熱によって伝わることで昇温する。

【0069】

また、燃料電池１０は、スタック温調器２３を通過する空気の熱が輻射伝熱によって伝わることで昇温する。具体的には、燃料電池１０は、燃料電池１０における燃焼部６３２に近接する部位以外の部位が、上流温調部２３１、中間温調部２３３、下流温調部２３２の熱が輻射伝熱として伝わることで昇温する。

【0070】

ここで、燃料電池１０は、燃焼部６３２から受熱する部位とスタック温調器２３から受熱する部位との温度差が大きいと、各部位の温度差によって生ずる熱応力によって燃料電池１０が破損する虞がある。

【0071】

このことを考慮し、電子制御部１００は、燃料電池１０の各部位の温度差を抑えるために、図５に示すように、吸熱処理および放熱処理といった温調ガスによる空気の温度調整を実行するようになっている。

【0072】

吸熱処理は、空気経路２０を流れる空気から温調ガスに熱を移動させて、空気経路２０を流れる空気の温度上昇を抑える処理である。以下、電子制御部１００が実行する吸熱処理の一例について、図６を参照しつつ説明する。

【0073】

図６に示すように、電子制御部１００は、ステップＳ１００にて、電池温度センサ等によって燃料電池１０へ流入する空気の温度を検出する。そして、電子制御部１００は、ステップＳ１１０にて、空気の温度が所定の高温閾値以上であるか否かを判定する。高温閾値は、例えば、燃料電池１０における燃焼部６３２から受熱する部位の温度を基準に設定される。

【0074】

空気の温度が高温閾値未満の場合、空気経路２０を流れる空気が過度に高温になっている状態ではないと予測される。このため、空気の温度が高温閾値未満の場合、電子制御部１００は、ステップＳ１２０にて、温調経路６５に供給する空気の流量を維持する。

【0075】

一方、空気の温度が高温閾値以上の場合、空気経路２０を流れる空気が過度に高温になっている状態であると予測される。このため、電子制御部１００は、ステップＳ１３０にて、温調経路６５に供給する空気の流量を増加させる。これによると、空気経路２０を流れる空気と温調経路６５を流れる空気との熱交換が促進され、空気経路２０を流れる空気から温調ガスへの熱の移動量が増える。この結果、空気経路２０を流れる空気の温度が低下して、空気経路２０を流れる空気が過度に高温になっている状態が改善される。

【0076】

また、放熱処理は、温調ガスから空気経路２０を流れる空気に熱を移動させて、空気経路２０を流れる空気の温度上昇を促す処理である。以下、電子制御部１００が実行する放熱処理の一例について、図７を参照しつつ説明する。

【0077】

図７に示すように、電子制御部１００は、ステップＳ２００にて、電池温度センサ等によって燃料電池１０へ流入する空気の温度を検出する。そして、電子制御部２００は、ステップＳ２１０にて、空気の温度が所定の低温閾値未満であるか否かを判定する。低温閾値は、例えば、燃料電池１０における燃焼部６３２から受熱する部位の温度を基準に設定される。なお、制御ハンチングを抑えるために、低温閾値は、高温閾値よりも低い値に設定される。

【0078】

空気の温度が低温閾未満の場合、空気経路２０を流れる空気が過度に低温になっている状態であると予測される。このため、電子制御部１００は、ステップＳ２２０にて、例えば、温調経路６５に可燃ガスを供給するとともに当該可燃ガスをガスバーナ６８で燃焼させることで、温調ガスの熱源をオンする。これによると、空気経路２０を流れる空気と温調経路６５を流れる空気との熱交換が促進され、空気経路２０を流れる空気から温調ガスから空気経路２０への熱の移動量が増える。この結果、空気経路２０を流れる空気が昇温して、空気経路２０を流れる空気が過度に低温になっている状態が改善される。

【0079】

温調ガスの熱源をオンした後、電子制御部２００は、ステップＳ２３０にて、空気の温度が所定の低温閾値未満であるか否かを判定する。この結果、空気の温度が低温閾未満の場合はステップＳ２２０に戻り、空気経路２０を流れる空気の加熱を継続する。

【0080】

一方、空気の温度が低温閾値以上である場合、空気経路２０を流れる空気が過度に低温になっている状態ではないと予測される。このため、ステップＳ２１０またはステップＳ２３０で空気の温度が低温閾値以上と判定されると、電子制御部１００は、ステップＳ２４０に移行し、温調経路６５への可燃ガスの供給を停止して温調ガスの熱源をオフする。

【0081】

本実施形態の燃料電池モジュール１は、吸熱処理および放熱処理といった温調ガスによる空気の温度調整によって、燃焼部６３２から受熱する部位とスタック温調器２３から受熱する部位との温度差が縮小されようになっている。なお、吸熱処理および放熱処理は、燃料電池１０の起動時だけでなく、発電時に実行されるようになっていてもよい。

【0082】

このような起動処理によって、セルスタックＣＳが燃料電池１０の発電に適した温度（例えば、５００℃以上）に達すると、電子制御部１００は、燃料電池１０に発電動作を行わせる発電処理を実行する。例えば、電子制御部１００は、発電処理時に、燃料電池１０に対して発電に適した量の空気および燃料ガスが供給されるように圧送ブロワ２１、燃料ポンプ３１等を制御する。

【0083】

以上説明した燃料電池モジュール１は、燃料電池１０と、酸化剤ガス流路としての空気経路２０と、燃料ガス流路としての燃料経路３０と、オフガスを燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼部６３２と、を備える。そして、空気経路２０および燃料経路３０それぞれは、燃焼部６３２に隣接して配置されて燃焼部６３２の熱を受ける“受熱部”を含んでいる。

【0084】

このように、燃料経路３０よび空気経路２０それぞれが燃焼部６３２に隣接して配置されていれば、図４に示すように、燃焼部６３２の熱を対流伝熱によって、燃料電池１０へ導く空気および燃料ガスの双方を充分に加熱することができる。そして、燃焼部６３２の熱で充分に加熱された燃料ガスおよび酸化剤ガスが燃料電池１０に供給されることで、図８に示すように、燃料ガスおよび酸化剤ガスそれぞれの熱が対流伝熱によって燃料電池１０の内側に伝えられる。このように、本実施形態の燃料電池モジュール１は、燃料電池１０の内側から効率よく加熱することができるので、燃料電池１０を短時間で所望の温度に昇温させることができる。

【0085】

また、本実施形態の燃料電池モジュール１は、以下の特徴を備える。

【0086】

（１）空気経路２０は、“受熱部”を構成する空気予熱器２２よりも下流側の部位となるスタック温調器２３が、燃料電池１０と対向するように配置されている。これによると、燃料ガスおよび酸化剤ガスそれぞれの熱によって燃料電池１０の内側を加熱するだけでなく、スタック温調器２３から燃料電池１０への輻射伝熱によって燃料電池１０の外側を加熱することができる。特に、空気経路２０における燃料電池１０に対向するスタック温調器２３には、燃焼部６３２の熱によって充分に加熱された後の空気流れるので、空気経路２０から燃料電池１０への輻射伝熱によって燃料電池１０外側を充分に加熱することができる。このように、燃料電池１０の内側および外側を加熱可能になっていれば、燃料電池１０の昇温に要する時間を短縮することができる。

【0087】

（２）燃料電池１０は、燃焼部６３２に対して所定の間隔をあけて配置されている。空気経路２０は、燃料電池１０のうち、燃焼部６３２の熱を受ける部位以外の他の部位の少なくとも一部を囲むように配置されている。具体的には、空気経路２０に設けられたスタック温調器２３は、燃料電池１０を介して上流温調部２３１と向かい合う下流温調部２３２、上流温調部２３１と下流温調部２３２とを接続する中間温調部２３３を有する。中間温調部２３３は、燃料電池１０を介して燃焼部６３２と向かいう合う位置に配置されている。

【0088】

従来技術の如く、単に、燃焼部６３２が燃料電池１０の上部に配置されている構造になっていると、燃焼部６３２で生ずる火炎からの輻射伝熱によって燃料電池１０の上部が集中して加熱されることで、燃料電池１０の上下の温度差が拡大してしまう。このことは、熱応力による燃料電池１０の破損を招く要因となることから好ましくない。

【0089】

これに対して、本実施形態の燃料電池モジュール１は、燃料電池１０のうち、燃焼部６３２の熱を受ける部位以外の部位が、空気経路２０のうち、燃焼部６３２の熱によって昇温した後の空気が流れるスタック温調器２３で囲まれている。これによると、スタック温調器２３の熱を輻射伝熱によって、燃料電池１０における燃焼部６３２の熱を受ける部位以外の部位を昇温させることができる。この結果、燃料電池１０における燃焼部６３２に対向する部位と他の部位との温度差を縮小させることができ、熱応力による燃料電池１０の破損を回避することができる。

【0090】

（３）燃焼部６３２と燃料電池１０との間には、燃焼部６３２の熱が燃料電池１０に伝わることを抑える伝熱抑制部が設けられている。これによれば、燃料電池１０の一部が燃焼部６３２の熱によって過度に加熱されることを抑制することができるので、燃料電池１０を保護しつつ、燃料電池１０を適温に昇温または維持させることができる。

【0091】

（４）上記の伝熱抑制部は、燃料電池１０から排出されるオフガスを混合させる混合部６３１を含んでいる。この混合部６３１は、オフガス経路６０の一部を構成している。そして、混合部６３１は、燃料電池１０と燃焼部６３２との間に配設されている。このように、オフガス経路６０の一部である混合部６３１を伝熱抑制部として機能するように配置すれば、専用品の追加が必要なく、簡易な態様で、燃料電池１０を保護しつつ、燃料電池１０を適温に昇温させることができる。

【0092】

（５）燃料電池１０と燃焼部６３２とは、燃料経路３０、空気経路２０、および燃焼部６３２のうち各々の並び方向に直交する直交方向において、互いに重なり合わないように前記並び方向においてずれた位置に配置されている。このように、燃料電池１０と燃焼部６３２とのレイアウトを工夫することによっても、燃焼部６３２の熱によって燃料電池１０が偏った温度分布になることを抑えることができる。

【0093】

（６）燃料電池モジュール１は、空気経路２０に隣接して配置されて空気経路２０を流れる空気の温度を調整する温調ガスが流れる温調経路６５が設けられている。そして、温調経路６５は、燃焼部６３２から受熱した後の空気と温調ガスとを熱交換可能なように、少なくとも一部が、空気経路２０における空気予熱器２２の下流側に隣接して配置されている。これによると、温調ガスとの熱交換によって空気経路２０を流れる空気の温度を調整して、燃料電池１０へ適温の空気を供給することができる。

【0094】

（７）温調経路６５は、燃料電池１０の周囲に温調ガスが導入されるように、燃料電池１０を収容する電池収容空間ＢＳに接続されている。これによると、空気経路２０を流れる空気と熱交換後の温調ガスの熱を対流伝熱によって燃料電池１０に伝えて燃料電池１０を外側から昇温させることができる。

【0095】

（８）燃料電池モジュール１は、燃料電池１０に導入される空気の温度が目標温度に維持されるように、温調経路６５を流れる温調ガスと空気経路２０を流れる空気との熱交換量を調整する“調整部”を備える。これによると、燃料電池１０へ適温の空気を供給して、燃料電池１０の内側から燃料電池１０の温度を適温に調整することができる。

【0096】

（第２実施形態）
次に、第２実施形態について、図９を参照して説明する。本実施形態では、第１実施形態と異なる部分について主に説明する。

【0097】

図９に示すように、本実施形態のオフガス燃焼器６３は、燃焼部６３２が触媒燃焼によってオフガスを燃焼させるものではなく、点火プラグ６３３を有し、当該点火プラグ６３３によってオフガスを燃焼させるように構成されている。本実施形態では、点火プラグ６３３によってオフガスを燃焼させるオフガス燃焼器６３を例示しているが、オフガス燃焼器６３は、自己着火によってオフガスを燃焼させるものであってもよい。自己着火型のオフガス燃焼器６３については、点火プラグ６３３は必須ではない。

【0098】

また、オフガス燃焼器６３は、混合部６３１が省略されている。その代わり、燃焼部６３２と燃料電池１０との間には、燃焼部６３２の熱が燃料電池１０に伝わることを抑制するために、燃焼部６３２と燃料電池１０とを離す離隔空間ＰＳが形成されている。この離隔空間ＰＳが設けられていることで、燃焼部６３２と燃料電池１０との間に充分な距離Ｌが確保されている。本実施形態では離隔空間ＰＳが“伝熱抑制部”を構成している。

【0099】

その他については、第１実施形態と同様である。本実施形態の燃料電池モジュール１は、第１実施形態と共通の構成または均等な構成から奏される効果を第１実施形態と同様に得ることができる。

【0100】

また、本実施形態の燃料電池モジュール１は、以下の特徴を備える。

【0101】

（１）本実施形態の伝熱抑制部は、燃料電池１０と燃焼部６３２とを離す離隔空間ＰＳを含んでいる。これによれば、専用品の追加が必要なく、簡易な態様で、燃料電池１０を保護しつつ、燃料電池１０を適温に昇温させることができる。

【0102】

（第３実施形態）
次に、第３実施形態について、図１０を参照して説明する。本実施形態では、第２実施形態と異なる部分について主に説明する。

【0103】

図１０に示すように、本実施形態の燃料電池モジュール１は、第２実施形態で説明した離隔空間ＰＳに対応する位置に、空気経路２０の一部が遮熱部位２４として配設されている。

【0104】

燃焼部６３２の熱は、遮熱部位２４を介して燃料電池１０に伝わる。このため、遮熱部位２４によって、燃焼部６３２の熱が燃料電池１０に伝わることが抑制される。本実施形態では遮熱部位２４が“伝熱抑制部”を構成している。

【0105】

その他については、第１実施形態と同様である。本実施形態の燃料電池モジュール１は、第１実施形態と共通の構成または均等な構成から奏される効果を第１実施形態と同様に得ることができる。

【0106】

また、本実施形態の燃料電池モジュール１は、以下の特徴を備える。

【0107】

（１）本実施形態の伝熱抑制部は、燃料電池１０と燃焼部６３２との配設された空気経路２０の一部によって構成されている。これによれば、専用品の追加が必要なく、簡易な態様で、燃料電池１０を保護しつつ、燃料電池１０を適温に昇温させることができる。特に、本例の構成は、空気経路２０における燃焼部６３２からの受熱面積を拡大させることができるので、燃焼部６３２の熱によって空気経路２０を流れる空気を充分に昇温させることが可能となる。

【0108】

（第４実施形態）
次に、第４実施形態について、図１１を参照して説明する。本実施形態では、第１実施形態と異なる部分について主に説明する。

【0109】

図１１に示すように、本実施形態の燃料電池モジュール１は、オフガス経路６０の一部を構成する混合部６３１が、燃料電池１０とオフガス燃焼器６３との間に配置されている。混合部６３１は、オフガス燃焼器６３の熱を受けることで昇温する。混合部６３１の温度が高くなり過ぎると、オフガスが自着火する虞がある。混合部６３１でオフガスが自着火すると、その熱が燃料電池１０に伝わってしまう。このことは、燃料電池１０が偏った温度分布になる要因となることから好ましくない。

【0110】

このことを考慮して、オフガス経路６０には、燃料電池１０から排出されるオフガスと燃料経路３０を流れる燃料ガスと熱交換させる熱交換部６９が設けられている。本実施形態の熱交換部６９は、混合部６３１に流入する前のオフガスを低温の燃料ガスと熱交換させて冷却する冷却として機能する。なお、熱交換部６９は、混合部６３１に流入する前のオフガスを低温の酸化剤ガスと熱交換させるように構成されていてもよい。また、熱交換部６９は、混合部６３１に流入して混合されたオフガスを低温の燃料ガスおよび酸化剤ガスの少なくとも一方と熱交換させるように構成されていてもよい。

【0111】

また、本実施形態の下流温調部２３２は、内流路２３２ｂが省略され、外流路２３２ａおよび外流路２３２ａを通過した燃料ガスを燃料電池１０に導くガス配管を有する流路構造になっている。これによっても、輻射伝熱によってセルスタックＣＳの外側部分を昇温させることができる。

【0112】

その他については、第１実施形態と同様である。本実施形態の燃料電池モジュール１は、第１実施形態と共通の構成または均等な構成から奏される効果を第１実施形態と同様に得ることができる。

【0113】

オフガス経路６０は、燃料電池１０から排出されるオフガスを酸化剤となる空気および還元剤となる燃料ガスの少なくとも一方と熱交換させる熱交換部６９が含まれている。これによれば、オフガス経路６０を流れるオフガスの温度を適切に調整して、意図しないオフガスの自着火を抑制することができる。熱交換部６９は、オフガス経路６０における混合部６３１の上流側に構成されていてもよいし、オフガス経路６０における混合部６３１に構成されていてもよい。

【0114】

（第５実施形態）
次に、第５実施形態について、図１２を参照して説明する。本実施形態では、第１実施形態と異なる部分について主に説明する。

【0115】

本実施形態では、図１２に示すように、本開示の電気化学反応モジュールを固体酸化物型の電解装置１０Ａを備える水電解モジュール１Ａに適用した例について説明する。

【0116】

水電解モジュール１Ａは、固体酸化物型の電解装置１０Ａ、空気予熱器２２、気化器４３、容器７０を含んでいる。本実施形態では、電解装置１０Ａが、還元剤となる第１ガスおよび酸化剤となる第２ガスを入力として燃料を出力する“反応機器”に対応している。

【0117】

固体酸化物型の電解装置１０Ａは、一般的にＳＯＥＣ（Solid Oxide Electrolysis Cell の略）とも呼ばれ、作動温度が高温（例えば、５００℃～１０００℃）となるものである。電解装置１０Ａは、還元剤となる空気および酸化剤となる水蒸気を入力として、水蒸気を酸素と水素に分離する電解セルを複数有している。なお、本実施形態では、空気が“第１ガス”に対応し、水蒸気が“第２ガス”に対応している。

【0118】

電解セルは、電解質体、カソード、アノード、空気流路や水蒸気流路を形成する図示しないセパレータを含んで構成されている。電解セルは、電気エネルギによって水蒸気を水素と酸素に分離して、水素を燃料として出力する。

【0119】

具体的には、電解セルは、電源ＰＷから電力が供給されることで、以下の反応式Ｆ７～Ｆ９に示す水蒸気の電気分解により水素および酸素を分離して出力する。

【0120】

（アノード）２Ｏ^２－→Ｏ_２＋４ｅ^－ …（Ｆ７）
（カソード）Ｈ_２Ｏ＋２ｅ^－→Ｈ_２＋Ｏ^２－ …（Ｆ８）
（全体）２Ｈ_２Ｏ→２Ｈ_２＋Ｏ_２ …（Ｆ９）

【0121】

電解装置１０Ａは、所定数の電解セルを積層して構成される。電解装置１０Ａは、燃料電池１０と同様にセルスタックＣＳとして構成されている。電解装置１０Ａを構成する所定数の電解セルは、電気的に直列に接続されている。

【0122】

電解装置１０Ａには、空気の流通経路である空気経路２０が接続されている。空気経路２０は、電解装置１０Ａに還元剤となるガスを導く“還元剤ガス流路”を構成する。空気経路２０には、電解装置１０Ａに空気を圧送する圧送ブロワ２１、電解装置１０Ａに供給する空気を加熱する空気予熱器２２、スタック温調器２３が設けられている。圧送ブロワ２１、空気予熱器２２、スタック温調器２３は、第１実施形態で説明したものと同様に構成されている。本実施形態では、空気経路２０が、反応機器に第１ガスを導く“第１ガス流路”を構成している。

【0123】

また、電解装置１０Ａは、水経路４０が接続されている。水経路４０は、電解装置１０Ａに酸化剤となる水蒸気を導く“酸化剤ガス流路”を構成するものであって、配管等によって構成される。水経路４０には、上流側から順に、水ポンプ４１、気化器４３が設けられている。本実施形態では、水経路４０が、反応機器に第２ガスを導く“第２ガス流路”を構成している。

【0124】

水ポンプ４１は、電解装置１０Ａ側に向けて水を供給するためのポンプである。水ポンプ４１は、例えば、電動ポンプで構成されている。なお、市水を利用する場合、水ポンプ４１は不要である。

【0125】

気化器４３は、水ポンプ４１から供給された水を気化させるものである。気化器４３は、電解装置１０Ａから排出されるオフガスから受熱可能なように、オフガス経路６０に隣接して配置されている。本実施形態では、気化器４３が、燃料経路３０においてオフガスの熱を受ける“受熱部”を構成している。

【0126】

また、電解装置１０Ａには、電解装置１０Ａから排出するオフガスが流れるオフガス経路６０Ａが接続されている。具体的には、電解装置１０Ａには、電解装置１０Ａから排出される高温の酸素が流れる酸素流路６１Ａが接続されるとともに、電解装置１０Ａから排出される高温の水素が流れる水素流路６２Ａが接続されている。本実施形態では、オフガス経路６０Ａが“オフガス流路部”を構成している。

【0127】

オフガス経路６０Ａは、電解装置１０Ａにて昇温された水素および酸素が流れる。オフガス経路６０Ａは、水素および酸素といったオフガスの熱を有効活用すべく、気化器４３、空気予熱器２２等が隣接して配置されている。なお、本実施形態のオフガス経路６０Ａには、第１実施形態で説明したオフガス燃焼器６３が設けられていない。

【0128】

ここで、水電解モジュール１Ａには、空気経路２０に隣接して温調経路６５が設けられている。温調経路６５には、空気経路２０を流れる空気の温度を調整するための温調ガスが流通する経路である。本実施形態では、温調経路６５が“温調ガス流路”を構成している。この温調経路６５は、可燃ガス導入路６６および低温ガス導入路６７が接続されている。また、温調経路６５には、可燃ガスを燃焼させて高温の温調ガスを生成するガスバーナ６８が配置されている。そして、水電解モジュール１Ａは、可燃ガス導入路６６から温調経路６５へ導入した可燃ガスをガスバーナ６８で燃焼させたり、低温ガス導入路６７から温調経路６５へ空気を導入させたりすることによって適温の温調ガスを生成可能に構成されている。

【0129】

可燃ガス導入路６６は、温調経路６５に可燃ガスを導く流路である。可燃ガス導入路６６には、可燃ガス導入路６６への可燃ガスの供給量を調整するガス調整部６６１が配置されている。また、低温ガス導入路６７は、温調経路６５に低温の温調ガスとして空気を導く流路である。低温ガス導入路６７には、低温ガス導入路６７への空気の供給量を調整する空気調整部６７１が配置されている。

【0130】

温調経路６５は、空気経路２０を流れる空気と温調ガスとを熱交換可能なように、少なくとも一部が、空気経路２０における下流側予熱器２２２の下流側に隣接して配置されている。本実施形態では、ガス調整部６６１、空気調整部６７１、ガスバーナ６８が、燃料電池１０に導入される空気の温度が目標温度に維持されるように、温調経路６５を流れる温調ガスと空気経路２０を流れる空気との熱交換量を調整する“調整部”を構成している。

【0131】

その他については、第１実施形態と同様である。本実施形態の水電解モジュール１Ａは、第１実施形態と共通の構成または均等な構成から奏される効果を第１実施形態と同様に得ることができる。

【0132】

本実施形態の水電解モジュール１Ａは、以下の特徴を備える。
（１）本実施形態の水電解モジュール１Ａは、電解装置１０Ａと、第１ガス流路としての空気経路２０と、第２ガス流路としての水経路４０と、電解装置１０Ａから排出されるオフガスが流れるオフガス経路６０Ａと、を備える。そして、空気経路２０および水経路４０それぞれは、オフガス経路６０Ａに隣接して配置されてオフガス経路６０Ａの熱を受ける“受熱部”を含んでいる。

【0133】

このように、水経路４０よび空気経路２０それぞれがオフガス経路６０Ａに隣接して配置されていれば、オフガス経路６０Ａの熱を対流伝熱によって、電解装置１０Ａへ導く空気および水蒸気の双方を充分に加熱することができる。そして、オフガス経路６０Ａの熱で充分に加熱された水蒸気および空気が電解装置１０Ａに供給されることで、水蒸気および空気それぞれの熱が対流伝熱によって電解装置１０Ａの内側に伝えられる。このように、本実施形態の水電解モジュール１Ａは、電解装置１０Ａの内側から効率よく加熱することができるので、電解装置１０Ａを短時間で所望の温度に昇温させることができる。

【0134】

（２）空気経路２０は、“受熱部”を構成する空気予熱器２２よりも下流側の部位となるスタック温調器２３が、電解装置１０Ａと対向するように配置されている。これによると、水蒸気および酸化剤ガスそれぞれの熱によって電解装置１０Ａの内側を加熱するだけでなく、スタック温調器２３から電解装置１０Ａへの輻射伝熱によって電解装置１０Ａの外側を加熱することができる。

【0135】

（３）水電解モジュール１Ａは、空気経路２０に隣接して配置されて空気経路２０を流れる空気の温度を調整する温調ガスが流れる温調経路６５が設けられている。そして、温調経路６５は、空気経路２０を流れる空気と温調ガスとを熱交換可能なように、空気経路２０に隣接して配置されている。これによると、温調ガスとの熱交換によって空気経路２０を流れる空気の温度を調整して、電解装置１０Ａへ適温の空気を供給することができる。

【0136】

（４）温調経路６５は、電解装置１０Ａの周囲に温調ガスが導入されるように、電解装置１０Ａを収容する収容空間ＢＳに接続されている。これによると、空気経路２０を流れる空気と熱交換後の温調ガスの熱を対流伝熱によって電解装置１０Ａに伝えて電解装置１０Ａを外側から昇温させることができる。

【0137】

（５）水電解モジュール１Ａは、電解装置１０Ａに導入される空気の温度が目標温度に維持されるように、温調経路６５を流れる温調ガスと空気経路２０を流れる空気との熱交換量を調整する“調整部”を備える。これによると、電解装置１０Ａへ適温の空気を供給して、電解装置１０Ａの内側から電解装置１０Ａの温度を適温に調整することができる。

【0138】

（第４実施形態の変形例）
第４実施形態では、水蒸気を電気分解して水素を燃料として出力する電解装置１０Ａについて説明したが、電解装置１０Ａへ供給するガス等は、上述したものに限定されない。電解装置１０Ａは、例えば、水蒸気および二酸化炭素の混合ガスを電気分解してメタンを燃料として出力するように構成されていてもよい。この場合は、水蒸気および二酸化炭素の混合ガスが“第２ガス”に対応する。

【0139】

第４実施形態では、電解装置１０Ａに対して還元剤として空気が供給されるようになっているが、電解装置１０Ａへ供給するガス等は、上述したものに限定されない。電解装置１０Ａは、例えば、アノードに対して、空気の代わりに窒素がパージガスとして供給されるように構成されていてもよい。この場合は、窒素が“第１ガス”に対応する。

【0140】

（他の実施形態）
以上、本開示の代表的な実施形態について説明したが、本開示は、上述の実施形態に限定されることなく、例えば、以下のように種々変形可能である。

【0141】

上述の実施形態のスタック温調器２３は、燃料電池１０のうち、燃焼部６３２の熱を受ける部位以外の他の部位を囲むために、上流温調部２３１、下流温調部２３２、中間温調部２３３を有しているが、これに限定されない。スタック温調器２３は、例えば、下流温調部２３２および中間温調部２３３が省略されていてもよい。また、下流温調部２３２は、外流路２３２ａを通過した空気が折り返して内流路２３２ｂに流入する流路構造になっているものを例示したが、これに限らず、例えば、外流路２３２ａだけを有する流路構造になっていてもよい。なお、スタック温調器２３は、燃料電池モジュール１に必須の構成ではなく、省略されていてもよい。すなわち、空気経路２０は、受熱部を構成する空気予熱器２２よりも下流側が、燃料電池１０と対向しないように配置されていてもよい。

【0142】

上述の実施形態の如く、燃料電池モジュール１は、燃焼部６３２と燃料電池１０との間に、燃焼部６３２の熱が燃料電池１０に伝わることを抑える伝熱抑制部が設けられていることが望ましいが、そのようになっていなくてもよい。なお、オフガス燃焼器６３は、必須ではなく、省略されていてもよい。

【0143】

上述の実施形態の如く、燃料電池１０と燃焼部６３２とは、燃料経路３０、空気経路２０、および燃焼部６３２のうち互いに隣接する位置での各々の並び方向においてずれた位置に配置されていることが望ましいが、そのようになっていなくてもよい。

【0144】

上述の如く、燃料電池モジュール１には、空気経路２０を流れる空気の温度を調整する温調ガスが流れる温調経路６５が設けられていることが望ましいが、温調経路６５は省略されていてもよい。なお、温調経路６５が設けられている場合、温調経路６５は、燃料電池１０が収容される電池収容空間ＢＳに接続されていなくてもよい。また、温調経路６５は、吸熱処理および放熱処理の一方を実行可能に構成されていてもよい。

【0145】

上述の実施形態の燃料電池モジュール１は、改質器３３を備えているが、これに限定されない。燃料ガスは燃料電池１０の内部での酸化改質反応等によっても生成可能であるため、改質器３３は、燃料電池モジュール１に必須の構成ではなく、省略されていてもよい。なお、燃料電池モジュール１は、改質用燃料原料ではなく、燃料ガスが供給されるようになっていてもよい。この場合も改質器３３は不要である。

【0146】

上述の実施形態では、ガスバーナ６８で可燃ガスを燃焼させることで、高温の温調ガスを生成するようになっているが、これに限定されず、電気ヒータ等によって高温の温調ガスを生成するようになっていてもよい。

【0147】

上述の実施形態では、複数のセルスタックＣＳが、電池収容空間ＢＳに放射状に配置されているものを例示したが、セルスタックＣＳの配置形態は、これに限定されない。複数のセルスタックＣＳは、例えば、軸心ＣＬに沿って並んで配置されていてもよい。この場合、電池収容空間ＢＳは、セルスタックＣＳの配置に合わせた形状になっていてもよい。また、電池収容空間ＢＳに配置するセルスタックＣＳの数は、上述したものに限定されない。例えば、電池収容空間ＢＳに単一のセルスタックＣＳが配置されていてもよい。

【0148】

上述の実施形態では、本開示の燃料電池モジュール１を固体酸化物型の燃料電池１０を備える燃料電池モジュール１を含むシステムに適用した例について説明したが、燃料電池モジュール１の適用対象はこれに限定されない。燃料電池モジュール１は、例えば、固体電解質膜を有する燃料電池（すなわち、ＰＥＦＣ）等の他の燃料電池を備えるシステムに広く適用できる。

【0149】

上述の実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。

【0150】

上述の実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されない。

【0151】

上述の実施形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その形状、位置関係等に限定されない。

【0152】

［本開示の観点］
［第１の観点］
電気化学反応モジュールであって、
酸化剤となる第１ガスと還元剤となる第２ガスとの電気化学反応により電気エネルギを出力する、若しくは、還元剤となる第１ガスおよび酸化剤となる第２ガスを入力として第２ガスの電気分解により燃料を出力する反応機器（１０、１０Ａ）と、
前記反応機器に第１ガスを導く第１ガス流路（２０）と、
前記反応機器に第２ガスを導く第２ガス流路（３０、４０）と、
前記反応機器から排出されるオフガスが流れるオフガス流路部（６０）と、を備え、
前記第１ガス流路および前記第２ガス流路それぞれは、前記オフガス流路部に隣接して配置されて前記オフガス流路部の熱を受ける受熱部（３３、２２２、４３）を含んでいる、電気化学反応モジュール。

【0153】

［第２の観点］
前記第１ガス流路は、前記受熱部よりも下流側の部位（２３）が、前記反応機器と対向するように配置されている、第１の観点に記載の電気化学反応モジュール。

【0154】

［第３の観点］
前記反応機器は、前記電気化学反応により電気エネルギを出力する燃料電池（１０）であり、
前記オフガス流路部（６０）には、前記反応機器から排出されるオフガスを燃焼させて燃焼ガスを生成し、当該燃焼ガスを燃焼ガス流路（６４）に導出させる燃焼部（６３２）が設けられており、
前記第１ガス流路および前記第２ガス流路それぞれは、前記燃焼部に隣接して配置されて前記燃焼部の熱を受ける前記受熱部（３３、２２２）を含んでいる、第１または第２の観点に記載の電気化学反応モジュール。

【0155】

［第４の観点］
前記反応機器は、前記燃焼部に対して所定の間隔をあけて配置されており、
前記酸化剤ガス流路は、前記反応機器のうち、前記燃焼部の熱を受ける部位以外の他の部位の少なくとも一部を囲むように配置されている、第３の観点に記載の電気化学反応モジュール。

【0156】

［第５の観点］
前記燃焼部と前記反応機器との間には、前記燃焼部の熱が前記反応機器に伝わることを抑える伝熱抑制部（６３１、ＳＰ、ＰＳ、２４）が設けられている、第３または第４の観点に記載の電気化学反応モジュール。

【0157】

［第６の観点］
前記伝熱抑制部は、前記オフガス流路部（６０、６０Ａ）の少なくとも一部を含んで構成されており、
前記オフガス流路部の一部（６３１）は、前記反応機器と前記燃焼部との間に配設されている、第５の観点に記載の電気化学反応モジュール。

【0158】

［第７の観点］
前記オフガス流路部は、前記反応機器から排出されるオフガスを第１ガスおよび第２ガスの一方と熱交換させる熱交換部（６９）が含まれている、第６の観点に記載の電気化学反応モジュール。

【0159】

［第８の観点］
前記反応機器と前記燃焼部とは、前記第１ガス流路、前記第２ガス流路、および前記燃焼部のうち互いに隣接する位置での各々の並び方向に直交する直交方向において、互いに重なり合わないように前記並び方向においてずれた位置に配置されている、第３ないし第７の観点のいずれか１つに記載の電気化学反応モジュール。

【0160】

［第９の観点］
前記反応機器は、前記電気分解により燃料を出力する電解装置（１０Ａ）である、第１または第２の観点に記載の電気化学モジュール。

【0161】

［第１０の観点］
前記第１ガス流路に隣接して配置されて前記第１ガス流路を流れる第１ガスの温度を調整する温調ガスが流れる温調ガス流路（６５）を備え、
前記温調ガス流路は、前記第１ガス流路を流れる第１ガスと温調ガスとを熱交換可能なように、前記第１ガス流路に隣接して配置されている、第１ないし第９の観点のいずれか１つに記載の電気化学モジュール。

【0162】

［第１１の観点］
前記温調ガス流路は、前記反応機器の周囲に温調ガスが導入されるように、前記反応機器の収容空間（ＢＳ）に接続されている、第１０の観点に記載の電気化学反応モジュール。

【0163】

［第１２の観点］
前記反応機器に導入される第１ガスの温度が目標温度に維持されるように、前記温調ガス流路を流れる温調ガスと前記第１ガス流路を流れる第１ガスとの熱交換量を調整する調整部（６６１、６７１、６８）を備える、第１１の観点に記載の電気化学反応モジュール。

【符号の説明】

【0164】

１ 燃料電池モジュール
１Ａ 水電解モジュール
１０ 燃料電池
１０Ａ 電解装置
２０ 空気経路（酸化剤ガス流路）
２２２ 下流側予熱器（受熱部）
３０ 燃料経路（燃料ガス流路）
３３ 改質器（受熱部）
６３ オフガス経路（オフガス流路部）
６４ 燃焼ガス経路（燃焼ガス流路）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】