特許 7508352 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】

(24)【登録日】2024-06-21

(45)【発行日】2024-07-01

(54)【発明の名称】燃料電池モジュール

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/0662 20160101AFI20240624BHJP

   H01M 8/2432 20160101ALI20240624BHJP

   H01M 8/2483 20160101ALI20240624BHJP

   H01M 8/04746 20160101ALI20240624BHJP

   H01M 8/0438 20160101ALI20240624BHJP

   H01M 8/04014 20160101ALI20240624BHJP

   H01M 8/0612 20160101ALI20240624BHJP

   H01M 8/0247 20160101ALI20240624BHJP

   H01M 8/12 20160101ALN20240624BHJP

【ＦＩ】

H01M8/0662

H01M8/2432

H01M8/2483

H01M8/04746

H01M8/0438

H01M8/04014

H01M8/0612

H01M8/0247

H01M8/12 101

H01M8/12 102A

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2020202421

(22)【出願日】2020-12-07

(65)【公開番号】P2022090193

(43)【公開日】2022-06-17

【審査請求日】2023-07-20

(73)【特許権者】

【識別番号】519322392

【氏名又は名称】森村ＳＯＦＣテクノロジー株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001911

【氏名又は名称】弁理士法人アルファ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】赤木 陽祐

【審査官】加藤 昌人

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１４－１６３３１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－１４２９３５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－０８５９２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－１５３６７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１４／１１５５０２（ＷＯ，Ａ１）

(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】

電解質層と前記電解質層を挟んで互いに対向する空気極および燃料極とを含む単セルをそれぞれ有する複数の発電単位を備える燃料電池スタックであって、各前記発電単位における前記燃料極に面する燃料室にガスを供給する燃料極側ガス供給マニホールドと、各前記発電単位における前記燃料室からガスを排出する燃料極側ガス排出マニホールドと、各前記発電単位における前記空気極に面する空気室にガスを供給する空気極側ガス供給マニホールドと、各前記発電単位における前記空気室からガスを排出する空気極側ガス排出マニホールドと、が形成された、燃料電池スタックと、
ガスを燃焼させる燃焼器と、
前記燃料電池スタックの前記燃料極側ガス排出マニホールドと前記燃焼器とを接続する燃料極側ガス排出流路と、
前記燃料電池スタックの前記空気極側ガス排出マニホールドと前記燃焼器とを接続する空気極側ガス排出流路と、
を備える燃料電池モジュールにおいて、
前記燃料極側ガス排出流路と前記空気極側ガス排出流路との少なくとも一方である特定ガス排出流路に、
前記特定ガス排出流路内のガスを冷却する冷却機構と、
前記冷却機構の下流側に配置され、前記特定ガス排出流路内のガスの圧力を調整する圧力制御機構と、
が設けられており、
前記冷却機構と前記圧力制御機構とは、少なくとも前記燃料極側ガス排出流路に設けられ、
前記燃料電池モジュールは、さらに、
原燃料ガスの脱硫を行う脱硫器と、
前記燃料極側ガス排出流路における前記冷却機構より下流側の位置と前記脱硫器とを接続する分岐流路と、
を備える、
ことを特徴とする燃料電池モジュール。

【請求項2】

電解質層と前記電解質層を挟んで互いに対向する空気極および燃料極とを含む単セルをそれぞれ有する複数の発電単位を備える燃料電池スタックであって、各前記発電単位における前記燃料極に面する燃料室にガスを供給する燃料極側ガス供給マニホールドと、各前記発電単位における前記燃料室からガスを排出する燃料極側ガス排出マニホールドと、各前記発電単位における前記空気極に面する空気室にガスを供給する空気極側ガス供給マニホールドと、各前記発電単位における前記空気室からガスを排出する空気極側ガス排出マニホールドと、が形成された、燃料電池スタックと、
ガスを燃焼させる燃焼器と、
前記燃料電池スタックの前記燃料極側ガス排出マニホールドと前記燃焼器とを接続する燃料極側ガス排出流路と、
前記燃料電池スタックの前記空気極側ガス排出マニホールドと前記燃焼器とを接続する空気極側ガス排出流路と、
を備える燃料電池モジュールにおいて、
前記燃料極側ガス排出流路と前記空気極側ガス排出流路との少なくとも一方である特定ガス排出流路に、
前記特定ガス排出流路内のガスを冷却する冷却機構と、
前記冷却機構の下流側に配置され、前記特定ガス排出流路内のガスの圧力を調整する圧力制御機構と、
が設けられており、
前記燃料電池モジュールは、さらに、
水を蒸発させる蒸発器と、
前記蒸発器において蒸発した水を利用して原燃料ガスを改質する改質器と、
を備え、
前記冷却機構は、前記蒸発器に供給される水と前記特定ガス排出流路内のガスとの間で熱交換を行う熱交換部を含む、
ことを特徴とする燃料電池モジュール。

【請求項3】

請求項１または請求項２に記載の燃料電池モジュールにおいて、さらに、
前記燃料電池スタックの前記燃料極側ガス供給マニホールドに接続された燃料極側ガス供給流路と、
前記燃料電池スタックの前記空気極側ガス供給マニホールドに接続された空気極側ガス供給流路と、
少なくとも前記空気極側ガス供給流路と前記空気極側ガス供給マニホールドと各前記発電単位の前記空気室と前記空気極側ガス排出マニホールドと前記空気極側ガス排出流路とを含む空気極側ガス流路と、少なくとも前記燃料極側ガス供給流路と前記燃料極側ガス供給マニホールドと各前記発電単位の前記燃料室と前記燃料極側ガス排出マニホールドと前記燃料極側ガス排出流路とを含む燃料極側ガス流路と、の少なくとも一方の圧力を測定する圧力測定部と、
前記圧力測定部による圧力測定結果に基づき、前記圧力制御機構を制御する制御部と、
を備える、
ことを特徴とする燃料電池モジュール。

【請求項4】

請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の燃料電池モジュールにおいて、
前記冷却機構は、前記空気極側ガス供給マニホールドに供給するためのガスと、前記燃料極側ガス供給マニホールドに供給するためのガスと、の少なくとも一方と前記特定ガス排出流路内のガスとの間で熱交換を行う熱交換部を含む、
ことを特徴とする燃料電池モジュール。

【請求項5】

請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の燃料電池モジュールにおいて、
各前記発電単位は、さらに、貫通孔が形成され、前記貫通孔を取り囲む部分が前記単セルの周縁部に接合され、前記空気極に面する空気室と前記燃料極に面する燃料室とを区画する第１のセパレータを有する、
ことを特徴とする燃料電池モジュール。

【請求項6】

請求項５に記載の燃料電池モジュールにおいて、
各前記発電単位は、さらに、
前記単セルに電気的に接続された導電性のインターコネクタと、
貫通孔が形成され、前記貫通孔を取り囲む部分が前記インターコネクタの周縁部と接合され、前記空気室と前記燃料室との一方と、他の前記発電単位における前記空気室と前記燃料室との他方と、を区画する第２のセパレータと、
を有する、
ことを特徴とする燃料電池モジュール。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本明細書によって開示される技術は、燃料電池モジュールに関する。

【背景技術】

【0002】

水素と酸素との電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池の種類の１つとして、固体酸化物形の燃料電池（以下、「ＳＯＦＣ」という。）が知られている。ＳＯＦＣは、例えば、燃料電池スタックと燃焼器とを備える燃料電池モジュールの形態で利用される。

【0003】

燃料電池スタックは、複数の発電単位を備える構造体である。各発電単位は、電解質層と、電解質層を挟んで互いに対向する空気極および燃料極とを含む燃料電池単セル（以下、単に「単セル」という。）を有する。また、燃料電池スタックには、各発電単位における燃料極に面する燃料室にガス（燃料ガス）を供給する燃料極側ガス供給マニホールドと、各発電単位における燃料室からガス（燃料オフガス）を排出する燃料極側ガス排出マニホールドと、各発電単位における空気極に面する空気室にガス（酸化剤ガス）を供給する空気極側ガス供給マニホールドと、各発電単位における空気室からガス（酸化剤オフガス）を排出する空気極側ガス排出マニホールドとが形成されている。

【0004】

燃焼器は、燃料極側ガス排出流路を介して、燃料電池スタックの燃料極側ガス排出マニホールドと接続されており、かつ、空気極側ガス排出流路を介して、燃料電池スタックの空気極側ガス排出マニホールドと接続されている。各マニホールドを介して燃料電池スタックから排出されたガス（燃料オフガスおよび酸化剤オフガス）は、燃焼器に導入され、燃焼器内で混合されて燃焼される（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２０１９－９１６８３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

燃料電池モジュールの運転の際には、例えば、燃料電池スタック内部の温度制御のために、空気極側ガス供給マニホールドに供給されるガスの流量や燃料極側ガス供給マニホールドに供給されるガスの流量が増減される。このようなガス流量の増減に伴い、燃料電池スタックの各発電単位において空気極側ガス流路の圧力と燃料極側ガス流路の圧力との差が大きくなると、各発電単位において空気極側ガス流路または燃料極側ガス流路を構成する部材が変形し、空気極側ガス流路または燃料極側ガス流路の圧損が大きくなってガス分配性が悪化し、単セルの性能低下や劣化、破損を引き起こすおそれがある。なお、このような課題は、ＳＯＦＣに限らず、他のタイプの燃料電池の燃料電池モジュールにも共通の課題である。

【0007】

本明細書では、上述した課題を解決することが可能な技術を開示する。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本明細書に開示される技術は、例えば、以下の形態として実現することが可能である。

【0009】

（１）本明細書に開示される燃料電池モジュールは、燃料電池スタックを備える。燃料電池スタックは、電解質層と前記電解質層を挟んで互いに対向する空気極および燃料極とを含む単セルをそれぞれ有する複数の発電単位を備える。燃料電池スタックには、各前記発電単位における前記燃料極に面する燃料室にガスを供給する燃料極側ガス供給マニホールドと、各前記発電単位における前記燃料室からガスを排出する燃料極側ガス排出マニホールドと、各前記発電単位における前記空気極に面する空気室にガスを供給する空気極側ガス供給マニホールドと、各前記発電単位における前記空気室からガスを排出する空気極側ガス排出マニホールドとが形成されている。また、燃料電池モジュールは、ガスを燃焼させる燃焼器と、前記燃料電池スタックの前記燃料極側ガス排出マニホールドと前記燃焼器とを接続する燃料極側ガス排出流路と、前記燃料電池スタックの前記空気極側ガス排出マニホールドと前記燃焼器とを接続する空気極側ガス排出流路とを備える。前記燃料極側ガス排出流路と前記空気極側ガス排出流路との少なくとも一方である特定ガス排出流路に、前記特定ガス排出流路内のガスを冷却する冷却機構と、前記冷却機構の下流側に配置され、前記特定ガス排出流路内のガスの圧力を調整する圧力制御機構と、が設けられている。

【0010】

このように、本燃料電池モジュールでは、燃料極側ガス排出流路と空気極側ガス排出流路との少なくとも一方である特定ガス排出流路に、特定ガス排出流路内のガスを冷却する冷却機構が設けられているため、特定ガス排出流路における冷却機構の下流側に、特定ガス排出流路内のガスの圧力を調整するための圧力制御機構として、特別な耐熱性能を有さない汎用的な圧力制御機構を設けることができる。また、本燃料電池モジュールでは、圧力制御機構によって特定ガス排出流路内のガスの圧力を調整することにより、各発電単位における空気極側ガス流路の圧力と燃料極側ガス流路の圧力との差が過大となることを抑制することができる。従って、本燃料電池モジュールによれば、空気極側ガス流路と燃料極側ガス流路との圧力差に起因して各発電単位における空気極側ガス流路または燃料極側ガス流路を構成する部材が変形し、各発電単位における空気極側ガス流路または燃料極側ガス流路の圧損が大きくなってガス分配性が悪化することを抑制することができ、ひいては、ガス分配性悪化に伴う単セルの性能低下や劣化、破損の発生を抑制することができる。

【0011】

（２）上記燃料電池モジュールにおいて、さらに、前記燃料電池スタックの前記燃料極側ガス供給マニホールドに接続された燃料極側ガス供給流路と、前記燃料電池スタックの前記空気極側ガス供給マニホールドに接続された空気極側ガス供給流路と、少なくとも前記空気極側ガス供給流路と前記空気極側ガス供給マニホールドと各前記発電単位の前記空気室と前記空気極側ガス排出マニホールドと前記空気極側ガス排出流路とを含む空気極側ガス流路と、少なくとも前記燃料極側ガス供給流路と前記燃料極側ガス供給マニホールドと各前記発電単位の前記燃料室と前記燃料極側ガス排出マニホールドと前記燃料極側ガス排出流路とを含む燃料極側ガス流路と、の少なくとも一方の圧力を測定する圧力測定部と、前記圧力測定部による圧力測定結果に基づき、前記圧力制御機構を制御する制御部と、を備える構成としてもよい。本燃料電池モジュールによれば、圧力制御機構を用いて各発電単位における空気極側ガス流路の圧力と燃料極側ガス流路の圧力との差が過大となることを効果的に抑制することができ、ガス分配性悪化に伴う単セルの性能低下や劣化、破損の発生を効果的に抑制することができる。

【0012】

（３）上記燃料電池モジュールにおいて、前記冷却機構と前記圧力制御機構とは、少なくとも前記燃料極側ガス排出流路に設けられ、前記燃料電池モジュールは、さらに、原燃料ガスの脱硫を行う脱硫器と、前記燃料極側ガス排出流路における前記冷却機構より下流側の位置と前記脱硫器とを接続する分岐流路と、を備える構成としてもよい。本燃料電池モジュールによれば、燃料電池スタックから排出されたガスを原燃料ガスの脱硫のために利用することができ、システム効率を向上させることができる。

【0013】

（４）上記燃料電池モジュールにおいて、前記冷却機構は、前記空気極側ガス供給マニホールドに供給するためのガスと、前記燃料極側ガス供給マニホールドに供給するためのガスと、の少なくとも一方と前記特定ガス排出流路内のガスとの間で熱交換を行う熱交換部を含む構成としてもよい。本燃料電池モジュールでは、熱交換部において、空気極側ガス供給マニホールドに供給するためのガスと燃料極側ガス供給マニホールドに供給するためのガスとの少なくとも一方が、特定ガス排出流路内のガスの熱を奪うことによって、特定ガス排出流路内のガスが冷却される。従って、本燃料電池モジュールによれば、冷却機構による特定ガス排出流路内のガスの冷却を実現しつつ、冷却機構を設けたことに伴う燃料電池モジュール全体としての熱効率の低下を抑制することができる。

【0014】

（５）上記燃料電池モジュールにおいて、さらに、水を蒸発させる蒸発器と、前記蒸発器において蒸発した水を利用して原燃料ガスを改質する改質器と、を備え、前記冷却機構は、前記蒸発器に供給される水と前記特定ガス排出流路内のガスとの間で熱交換を行う熱交換部を含む構成としてもよい。本燃料電池モジュールでは、熱交換部において、蒸発器に供給される水が、特定ガス排出流路内のガスの熱を奪うことによって、特定ガス排出流路内のガスが冷却される。従って、本燃料電池モジュールによれば、冷却機構による特定ガス排出流路内のガスの冷却を実現しつつ、冷却機構を設けたことに伴う燃料電池モジュール全体としての熱効率の低下を抑制することができる。

【0015】

（６）上記燃料電池モジュールにおいて、各前記発電単位は、さらに、貫通孔が形成され、前記貫通孔を取り囲む部分が前記単セルの周縁部に接合され、前記空気極に面する空気室と前記燃料極に面する燃料室とを区画する第１のセパレータを有する構成としてもよい。本燃料電池モジュールでは、単セルに接合された第１のセパレータの変形に伴うガス分配性の悪化が発生しやすい構成が採用されているが、圧力制御機構を用いて各発電単位における空気極側ガス流路の圧力と燃料極側ガス流路の圧力との差が過大となることを抑制できるため、該圧力差に起因する第１のセパレータの変形を抑制することができ、ガス分配性悪化に伴う単セルの性能低下や劣化、破損の発生を抑制することができる。

【0016】

（７）上記燃料電池モジュールにおいて、各前記発電単位は、さらに、前記単セルに電気的に接続された導電性のインターコネクタと、貫通孔が形成され、前記貫通孔を取り囲む部分が前記インターコネクタの周縁部と接合され、前記空気室と前記燃料室との一方と、他の前記発電単位における前記空気室と前記燃料室との他方と、を区画する第２のセパレータと、を有する構成としてもよい。本燃料電池モジュールでは、インターコネクタに接合された第２のセパレータの変形に伴うガス分配性の悪化が発生しやすい構成が採用されているが、圧力制御機構を用いて各発電単位における空気極側ガス流路の圧力と燃料極側ガス流路の圧力との差が過大となることを抑制できるため、該圧力差に起因する第２のセパレータの変形を抑制することができ、ガス分配性悪化に伴う単セルの性能低下や劣化、破損の発生を抑制することができる。

【0017】

なお、本明細書に開示される技術は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池モジュールおよびその製造方法等の形態で実現することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】第１実施形態における燃料電池モジュール１０の構成を模式的に示す説明図

【図2】第１実施形態における燃料電池スタック１００の外観構成を示す斜視図

【図3】図２のＩＩＩ－ＩＩＩの位置における燃料電池スタック１００のＸＺ断面構成を示す説明図

【図4】図２のＩＶ－ＩＶの位置における燃料電池スタック１００のＹＺ断面構成を示す説明図

【図5】図３に示す断面と同一の位置における互いに隣接する２つの発電単位１０２のＸＺ断面構成を示す説明図

【図6】図４に示す断面と同一の位置における互いに隣接する２つの発電単位１０２のＹＺ断面構成を示す説明図

【図7】第２実施形態における燃料電池モジュール１０ａの構成を模式的に示す説明図

【図8】第３実施形態における燃料電池モジュール１０ｂの構成を模式的に示す説明図

【図9】第４実施形態における燃料電池モジュール１０ｃの構成を模式的に示す説明図

【発明を実施するための形態】

【0019】

Ａ．実施形態：
Ａ－１．燃料電池モジュール１０の構成：
図１は、第１実施形態における燃料電池モジュール１０の構成を模式的に示す説明図である。燃料電池モジュール１０は、燃料電池スタック１００と、その他の装置とを備える。以下では、まず燃料電池スタック１００の構成について説明し、その後、燃料電池モジュール１０を構成する他の装置の構成について説明する。

【0020】

Ａ－２．燃料電池スタック１００の構成：
図２は、第１実施形態における燃料電池スタック１００の外観構成を示す斜視図であり、図３は、図２のＩＩＩ－ＩＩＩの位置における燃料電池スタック１００のＸＺ断面構成を示す説明図であり、図４は、図２のＩＶ－ＩＶの位置における燃料電池スタック１００のＹＺ断面構成を示す説明図である。各図には、方向を特定するための互いに直交するＸＹＺ軸が示されている。本明細書では、便宜的に、Ｚ軸正方向を上方向と呼び、Ｚ軸負方向を下方向と呼ぶものとするが、燃料電池スタック１００は実際にはそのような向きとは異なる向きで設置されてもよい。

【0021】

燃料電池スタック１００は、複数の発電単位１０２と、一対のエンドプレート１０４，１０６とを備える。複数の発電単位１０２は、所定の配列方向（本実施形態では上下方向）に並べて配置されている。一対のエンドプレート１０４，１０６は、複数の発電単位１０２から構成される集合体を上下から挟むように配置されている。

【0022】

燃料電池スタック１００を構成する各層（発電単位１０２、エンドプレート１０４，１０６）の周縁部には、上下方向に貫通する複数の孔が形成されており、各層に形成され互いに対応する孔同士が上下方向に連通して、一方のエンドプレート１０４から他方のエンドプレート１０６にわたって上下方向に延びる連通孔１０８を構成している。以下の説明では、連通孔１０８を構成するために燃料電池スタック１００の各層に形成された孔も、連通孔１０８と呼ぶ場合がある。

【0023】

各連通孔１０８には上下方向に延びるボルト２２が挿通されており、ボルト２２とボルト２２の両側に嵌められたナット２４とによって、燃料電池スタック１００は締結されている。なお、図３および図４に示すように、ナット２４と各エンドプレート１０４，１０６（または後述するガス通路部材２７）との間には、絶縁シート２６が介在している。

【0024】

各ボルト２２の軸部の外周面と各連通孔１０８の内周面との間には、空間が確保されている。図２および図３に示すように、１つのボルト２２（ボルト２２Ａ）と、そのボルト２２Ａが挿通された連通孔１０８とにより形成された空間は、燃料電池スタック１００の外部から酸化剤ガスＯＧ（例えば空気）が導入され、その酸化剤ガスＯＧを各発電単位１０２の空気室１６６に供給するガス流路である空気極側ガス供給マニホールド１６１として機能し、他の１つのボルト２２（ボルト２２Ｂ）と、そのボルト２２Ｂが挿通された連通孔１０８とにより形成された空間は、各発電単位１０２の空気室１６６から排出されたガスである酸化剤オフガスＯＯＧを燃料電池スタック１００の外部へと排出する空気極側ガス排出マニホールド１６２として機能する。また、図２および図４に示すように、他の１つのボルト２２（ボルト２２Ｄ）と、そのボルト２２Ｄが挿通された連通孔１０８とにより形成された空間は、燃料電池スタック１００の外部から燃料ガスＦＧ（例えば水素リッチなガス）が導入され、その燃料ガスＦＧを各発電単位１０２の燃料室１７６に供給する燃料極側ガス供給マニホールド１７１として機能し、他の１つのボルト２２（ボルト２２Ｅ）と、そのボルト２２Ｅが挿通された連通孔１０８とにより形成された空間は、各発電単位１０２の燃料室１７６から排出されたガスである燃料オフガスＦＯＧを燃料電池スタック１００の外部へと排出する燃料極側ガス排出マニホールド１７２として機能する。

【0025】

燃料電池スタック１００には、４つのガス通路部材２７が設けられている。各ガス通路部材２７は、中空筒状の本体部２８と、本体部２８の側面から分岐した中空筒状の分岐部２９とを有している。分岐部２９の孔は本体部２８の孔と連通している。各ガス通路部材２７の本体部２８の孔は、各ガス通路部材２７の設置位置に設けられた各マニホールド１６１，１６２，１７１，１７２に連通している。

【0026】

（エンドプレート１０４，１０６の構成）
一対のエンドプレート１０４，１０６は、略矩形の平板形状の導電性部材であり、例えばステンレスにより形成されている。上側のエンドプレート１０４は、燃料電池スタック１００のプラス側の出力端子として機能し、下側のエンドプレート１０６は、燃料電池スタック１００のマイナス側の出力端子として機能する。

【0027】

（発電単位１０２の構成）
図５は、図３に示す断面と同一の位置における互いに隣接する２つの発電単位１０２のＸＺ断面構成を示す説明図であり、図６は、図４に示す断面と同一の位置における互いに隣接する２つの発電単位１０２のＹＺ断面構成を示す説明図である。

【0028】

図５および図６に示すように、発電単位１０２は、単セル１１０と、単セル用セパレータ１２０と、空気極側フレーム部材１３０と、空気極側集電体１３４と、燃料極側フレーム部材１４０と、燃料極側集電体１４４と、一対のインターコネクタ１５０と、一対のＩＣ用セパレータ１８０とを備えている。単セル用セパレータ１２０、ＩＣ用セパレータ１８０、空気極側フレーム部材１３０、燃料極側フレーム部材１４０の周縁部には、上述したボルト２２が挿通される連通孔１０８に対応する孔が形成されている。

【0029】

インターコネクタ１５０は、略矩形の平板形状の導電性部材であり、例えばステンレスにより形成されている。また、ＩＣ用セパレータ１８０は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の貫通孔１８１が形成されたフレーム状の部材であり、例えばステンレスにより形成されている。ＩＣ用セパレータ１８０における貫通孔１８１を取り囲む部分は、例えば溶接により、インターコネクタ１５０の周縁部と接合されている。インターコネクタ１５０は、発電単位１０２間の電気的導通を確保する。また、インターコネクタ１５０およびＩＣ用セパレータ１８０は、空気室１６６と燃料室１７６との一方と、他の発電単位１０２における空気室１６６と燃料室１７６との他方とを区画する。なお、本実施形態では、２つの発電単位１０２が隣接して配置されている場合、インターコネクタ１５０およびＩＣ用セパレータ１８０の１つの組合せは、隣接する２つの発電単位１０２に共有されている。すなわち、ある発電単位１０２における上側のインターコネクタ１５０およびＩＣ用セパレータ１８０の組合せは、その発電単位１０２の上側に隣接する他の発電単位１０２における下側のインターコネクタ１５０およびＩＣ用セパレータ１８０の組合せと同一部材である。ＩＣ用セパレータ１８０は、特許請求の範囲における第２のセパレータに相当する。

【0030】

単セル１１０は、電解質層１１２と、電解質層１１２を挟んで上下方向に互いに対向する空気極（カソード)１１４および燃料極（アノード）１１６とを備える。電解質層１１２は、略矩形の平板形状部材であり、緻密な層である。電解質層１１２は、例えば、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）等の固体酸化物により形成されている。このように、本実施形態の単セル１１０は、電解質として固体酸化物を用いる固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）である。空気極１１４は、略矩形の平板形状部材であり、多孔質な層である。空気極１１４は、例えば、ペロブスカイト型酸化物（例えばＬＳＣＦ（ランタンストロンチウムコバルト鉄酸化物））により形成されている。燃料極１１６は、略矩形の平板形状部材であり、多孔質な層である。燃料極１１６は、例えば、Ｎｉと酸化物イオン伝導性セラミックス粒子（例えば、ＹＳＺ）とからなるサーメットにより形成されている。

【0031】

単セル用セパレータ１２０は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の貫通孔１２１が形成されたフレーム状の部材であり、例えばステンレスにより形成されている。単セル用セパレータ１２０における貫通孔１２１を取り囲む部分は、例えばロウ材を含む接合部１２４により、単セル１１０（電解質層１１２）の周縁部と接合されている。単セル用セパレータ１２０により、空気極１１４に面する空気室１６６と燃料極１１６に面する燃料室１７６とが区画される。単セル用セパレータ１２０は、特許請求の範囲における第１のセパレータに相当する。

【0032】

空気極側フレーム部材１３０は、中央付近に略矩形の空気室用孔１３１が形成されたフレーム状の部材であり、例えばマイカ等の絶縁体により形成されている。空気極側フレーム部材１３０によって、発電単位１０２に含まれる一対のＩＣ用セパレータ１８０間が電気的に絶縁され、その結果、一対のインターコネクタ１５０間が電気的に絶縁される。空気極側フレーム部材１３０には、空気極側ガス供給マニホールド１６１と空気室１６６とを連通する酸化剤ガス供給連通流路１３２と、空気室１６６と空気極側ガス排出マニホールド１６２とを連通する酸化剤ガス排出連通流路１３３とが形成されている。

【0033】

燃料極側フレーム部材１４０は、中央付近に略矩形の燃料室用孔１４１が形成されたフレーム状の部材であり、例えばステンレスにより形成されている。燃料極側フレーム部材１４０には、燃料極側ガス供給マニホールド１７１と燃料室１７６とを連通する燃料ガス供給連通流路１４２と、燃料室１７６と燃料極側ガス排出マニホールド１７２とを連通する燃料ガス排出連通流路１４３とが形成されている。

【0034】

空気極側集電体１３４は、空気室１６６内に配置されている。空気極側集電体１３４は、複数の略四角柱状の集電体要素１３５から構成されており、例えばステンレスにより形成されている。空気極側集電体１３４は、空気極１１４とインターコネクタ１５０とを電気的に接続する。ただし、燃料電池スタック１００において最も上に位置する発電単位１０２は上側のインターコネクタ１５０を備えていないため、当該発電単位１０２における空気極側集電体１３４は、空気極１１４とエンドプレート１０４とを電気的に接続する（図３および図４参照）。

【0035】

燃料極側集電体１４４は、燃料室１７６内に配置されている。燃料極側集電体１４４は、インターコネクタ対向部１４６と、電極対向部１４５と、電極対向部１４５とインターコネクタ対向部１４６とをつなぐ連接部１４７とを備えており、例えば、ニッケルやニッケル合金、ステンレス等により形成されている。電極対向部１４５は、燃料極１１６の表面に接触しており、インターコネクタ対向部１４６は、インターコネクタ１５０の表面に接触しており、その結果、燃料極側集電体１４４は、燃料極１１６とインターコネクタ１５０とを電気的に接続する。ただし、燃料電池スタック１００において最も下に位置する発電単位１０２は下側のインターコネクタ１５０を備えていないため、当該発電単位１０２における燃料極側集電体１４４は、燃料極１１６とエンドプレート１０６とを電気的に接続する（図３および図４参照）。なお、電極対向部１４５とインターコネクタ対向部１４６との間には、例えばマイカにより形成されたスペーサ１４９が配置されている。

【0036】

Ａ－３．燃料電池モジュール１０における燃料電池スタック１００以外の装置の構成：
次に、燃料電池モジュール１０における燃料電池スタック１００以外の装置の構成について説明する。図１に示すように、燃料電池モジュール１０は、蒸発器３１０および改質・加熱器３３０を含む補助器３００と、各装置間を結ぶ各種流路とを備える。補助器３００は、燃料電池スタック１００と共に、断熱材３５０によって囲まれた断熱空間３５１に収容されている。なお、図１では、便宜的に、燃料極側のガス（原燃料ガスＲＦＧ、燃料ガスＦＧおよび燃料オフガスＦＯＧを含む）の流れを一点鎖線で示し、空気極側のガス（酸化剤ガスＯＧおよび酸化剤オフガスＯＯＧを含む）の流れを実線で示し、排ガスＥＧの流れを破線で示し、水の流れを二点鎖線で示している。

【0037】

蒸発器３１０は、内部に空間が形成された箱形部材であり、例えば金属により形成されている。蒸発器３１０は、純水ＰＷを蒸発させて水蒸気を生成するための装置である。蒸発器３１０には、純水ＰＷを導入するための純水導入流路２５１が接続されている。純水導入流路２５１は、主として配管により構成されており、純水導入流路２５１上には、イオン交換樹脂２５２と、浄水タンク・フロート２５４と、流量制御機構２５６とが設けられている。給水源から純水導入流路２５１に供給された水ＷＡは、イオン交換樹脂２５２においてカルシウムイオン等の除去が行われ、浄水タンク・フロート２５４において浄化・貯留され、流量制御機構２５６により制御された流量で、純水ＰＷとして蒸発器３１０に導入される。

【0038】

また、蒸発器３１０には、原燃料ガスＲＦＧを導入するための原燃料ガス導入流路２６１が接続されている。原燃料ガス導入流路２６１は、主として配管により構成されており、原燃料ガス導入流路２６１上には、流量制御機構２６２と、水素添加脱硫器２６４とが設けられている。ガス源から原燃料ガス導入流路２６１に供給された原燃料ガスＲＦＧは、水素添加脱硫器２６４において硫黄成分を除去された状態で、流量制御機構２６２により制御された流量で蒸発器３１０に導入される。

【0039】

また、蒸発器３１０には、改質・加熱器３３０のハウジング３３５（後述）から蒸発器３１０へ排ガスＥＧを送り出すための排ガス中継流路２２６と、蒸発器３１０から改質・加熱器３３０の改質器３３１（後述）へ混合ガスを送り出すための混合ガス流路２２８と、蒸発器３１０から排ガスＥＧを排出するための排ガス排出流路２２３とが接続されている。これらの流路は、主として配管により構成されている。

【0040】

改質・加熱器３３０は、改質器３３１と、燃焼器３３３と、ハウジング３３５とを備える。ハウジング３３５は、例えば金属により形成された密閉型の容器であり、改質器３３１および燃焼器３３３を収容している。ハウジング３３５は、内壁３３６と外壁３３７とを有する二重壁構造に構成されており、内壁３３６と外壁３３７との間に形成された空気流路３３８には、伝熱用フィン３３９が配置されている。なお、図１では、便宜的に、伝熱用フィン３３９の一部の図示を省略している。ハウジング３３５には、酸化剤ガスＯＧ（空気）を導入するための空気導入流路２７１が接続されている。空気導入流路２７１は、主として配管により構成されており、空気導入流路２７１上には流量制御機構２７２が設けられている。空気導入流路２７１に供給された酸化剤ガスＯＧは、流量制御機構２７２により制御された流量でハウジング３３５の空気流路３３８に導入される。また、ハウジング３３５には、燃料電池スタック１００の空気極側ガス供給マニホールド１６１に向けて酸化剤ガスＯＧを送り出すための空気極側ガス供給流路６１が接続されている。空気極側ガス供給流路６１は、主として配管により構成されている。

【0041】

改質器３３１は、内部に空間が形成された箱形部材であり、例えば金属により形成されている。改質器３３１は、原燃料ガスＲＦＧを改質して燃料ガスＦＧを生成するための装置である。改質器３３１内には、改質反応を促進させる触媒が配置されていてもよい。上述したように、改質器３３１には、蒸発器３１０から改質器３３１へ混合ガスを送り出すための混合ガス流路２２８が接続されている。また、改質器３３１には、燃料電池スタック１００の燃料極側ガス供給マニホールド１７１に向けて燃料ガスＦＧを送り出すための燃料極側ガス供給流路７１が接続されている。燃料極側ガス供給流路７１は、主として配管により構成されている。

【0042】

燃焼器３３３は、内部に空間が形成された箱形部材であり、例えば金属により形成されている。燃焼器３３３は、酸化剤オフガスＯＯＧおよび燃料オフガスＦＯＧを燃焼させるための装置である。燃焼器３３３内には、酸化剤オフガスＯＯＧおよび燃料オフガスＦＯＧの燃焼を促進させる触媒が配置されていてもよい。燃焼器３３３には、燃料電池スタック１００の空気極側ガス排出マニホールド１６２から酸化剤オフガスＯＯＧが送り出される空気極側ガス排出流路２４０と、燃料電池スタック１００の燃料極側ガス排出マニホールド１７２から燃料オフガスＦＯＧが送り出される燃料極側ガス排出流路２３０とが接続されている。これらの流路は、主として配管により構成されている。燃料極側ガス排出流路２３０の構成については、後に詳述する。

【0043】

Ａ－４．燃料電池モジュール１０の動作：
次に、燃料電池モジュール１０の動作について説明する。図１に示すように、空気導入流路２７１を介して改質・加熱器３３０のハウジング３３５に形成された空気流路３３８内に導入された酸化剤ガスＯＧは、燃焼器３３３によって生成された燃焼熱（排ガスＥＧ）によって加熱されつつ空気流路３３８内を流れ、空気極側ガス供給流路６１を介して燃料電池スタック１００の空気極側ガス供給マニホールド１６１に供給される。図３および図５に示すように、空気極側ガス供給マニホールド１６１に供給された酸化剤ガスＯＧは、空気極側ガス供給マニホールド１６１から、各発電単位１０２の酸化剤ガス供給連通流路１３２を介して空気室１６６に供給される。また、図１に示すように、原燃料ガス導入流路２６１を介して蒸発器３１０に原燃料ガスＲＦＧが供給されると共に、純水導入流路２５１を介して蒸発器３１０に純水ＰＷが供給されると、蒸発器３１０において、排ガス中継流路２２６を介して導入された排ガスＥＧの熱を利用して純水ＰＷを蒸発させることにより水蒸気が生成されると共に、この水蒸気が原燃料ガスＲＦＧと混合される。水蒸気と混合された原燃料ガスＲＦＧは、混合ガス流路２２８を介して蒸発器３１０から改質器３３１に導入され、改質器３３１において水蒸気改質され、その結果、水素リッチな燃料ガスＦＧが生成される。生成された燃料ガスＦＧは、燃料極側ガス供給流路７１を介して燃料電池スタック１００の燃料極側ガス供給マニホールド１７１に供給される。図４および図６に示すように、燃料極側ガス供給マニホールド１７１に供給された燃料ガスＦＧは、燃料極側ガス供給マニホールド１７１から、各発電単位１０２の燃料ガス供給連通流路１４２を介して燃料室１７６に供給される。

【0044】

各発電単位１０２の空気室１６６に酸化剤ガスＯＧが供給され、燃料室１７６に燃料ガスＦＧが供給されると、各発電単位１０２の単セル１１０において酸化剤ガスＯＧに含まれる酸素と燃料ガスＦＧに含まれる水素との電気化学反応による発電が行われる。この発電反応は発熱反応である。各発電単位１０２において、単セル１１０の空気極１１４は空気極側集電体１３４を介して一方のインターコネクタ１５０に電気的に接続され、燃料極１１６は燃料極側集電体１４４を介して他方のインターコネクタ１５０に電気的に接続されている。また、燃料電池スタック１００に含まれる複数の発電単位１０２は、電気的に直列に接続されている。そのため、燃料電池スタック１００の出力端子として機能するエンドプレート１０４，１０６から、各発電単位１０２において生成された電気エネルギーが取り出される。なお、ＳＯＦＣは、比較的高温（例えば７００℃から１０００℃）で発電が行われる。

【0045】

図１、図３および図５に示すように、各発電単位１０２の空気室１６６から酸化剤ガス排出連通流路１３３を介して空気極側ガス排出マニホールド１６２に排出された酸化剤オフガスＯＯＧは、空気極側ガス排出流路２４０を介して燃焼器３３３に導入される。また、図１図４および図６に示すように、各発電単位１０２の燃料室１７６から燃料ガス排出連通流路１４３を介して燃料極側ガス排出マニホールド１７２に排出された燃料オフガスＦＯＧは、燃料極側ガス排出流路２３０を介して燃焼器３３３に導入される。燃焼器３３３に導入された酸化剤オフガスＯＯＧおよび燃料オフガスＦＯＧは、燃焼器３３３において混合されて燃焼され、その後、排ガスＥＧとして排ガス中継流路２２６を介して蒸発器３１０へと排出される。なお、燃焼器３３３において発生する熱により、改質器３３１における改質反応が促進されると共に、燃料電池スタック１００が加熱される。蒸発器３１０に導入された排ガスＥＧは、排ガス排出流路２２３を介して貯湯ユニット２９０に排出され、給水源から給水用流路２５９を介して貯湯ユニット２９０に供給された水ＷＡの加熱に利用される。

【0046】

Ａ－５．燃料極側ガス排出流路２３０の詳細構成：
次に、燃料極側ガス排出流路２３０の詳細構成について説明する。上述したように、燃料極側ガス排出流路２３０は、燃料電池スタック１００の燃料極側ガス排出マニホールド１７２と燃焼器３３３とを接続する流路である。図１に示すように、燃料極側ガス排出流路２３０は、ドレイナー２３４と、圧力制御機構２３６と、燃料電池スタック１００の燃料極側ガス排出マニホールド１７２とドレイナー２３４とを接続する第１配管２３１と、ドレイナー２３４と圧力制御機構２３６とを接続する第２配管２３５と、圧力制御機構２３６と燃焼器３３３とを接続する第３配管２３７とを有している。なお、第３配管２３７上には、ブロワＢＬが設けられている。

【0047】

ここで、本実施形態では、燃料極側ガス排出流路２３０の一部が、断熱材３５０によって囲まれた断熱空間３５１の外部に配置されている。より具体的には、第１配管２３１における下流側の一部と、ドレイナー２３４と、第２配管２３５と、圧力制御機構２３６と、第３配管２３７における上流側の一部とが、断熱空間３５１の外部に配置されている。上述した第１配管２３１における下流側の一部は、断熱空間３５１の外部に配置されているため、燃料極側ガス排出流路２３０内のガスを冷却する冷却機構２３２として機能する。すなわち、燃料電池スタック１００の燃料極側ガス排出マニホールド１７２から排出された比較的高温の（例えば、６００℃～７００℃程度の）燃料オフガスＦＯＧは、燃料極側ガス排出流路２３０を構成する第１配管２３１に導入され、第１配管２３１における断熱空間３５１の外部に配置された部分（冷却機構２３２）において、所定の温度以下（例えば１００℃以下）に冷却される。冷却機構２３２において冷却されることにより発生した凝縮水は、ドレイナー２３４において除去される。なお、ドレイナー２３４において除去された凝縮水は、凝縮水回収流路２５８を介して、純水導入流路２５１上のイオン交換樹脂２５２に導入される。燃料極側ガス排出流路２３０は、特許請求の範囲における特定ガス排出流路に相当する。

【0048】

圧力制御機構２３６は、圧力制御弁により構成され、燃料極側ガス排出流路２３０内の燃料オフガスＦＯＧの圧力を調整する装置である。圧力制御機構２３６は、冷却機構２３２およびドレイナー２３４の下流側に位置している。また、燃料電池モジュール１０は、燃料極側ガス流路の圧力を測定する燃料極側圧力計２３８と、空気極側ガス流路の圧力を測定する空気極側圧力計２４８とを備える。ここで、燃料極側ガス流路は、燃料極側においてガスが流れる流路を意味し、少なくとも燃料極側ガス供給流路７１と燃料極側ガス供給マニホールド１７１と各発電単位１０２の燃料室１７６と燃料極側ガス排出マニホールド１７２と燃料極側ガス排出流路２３０とを含む流路である。なお、本実施形態では、燃料極側ガス流路は、原燃料ガス導入流路２６１における流量制御機構２６２より下流側から、混合ガス流路２２８、燃料極側ガス供給流路７１および各発電単位１０２の燃料室１７６を経て燃焼器３３３まで至るガス流路の全体である。また、空気極側ガス流路は、空気極側においてガスが流れる流路を意味し、少なくとも空気極側ガス供給流路６１と空気極側ガス供給マニホールド１６１と各発電単位１０２の空気室１６６と空気極側ガス排出マニホールド１６２と空気極側ガス排出流路２４０とを含む流路である。なお、本実施形態では、空気極側ガス流路は、空気導入流路２７１における流量制御機構２７２より下流側から、空気流路３３８、空気極側ガス供給流路６１および各発電単位１０２の空気室１６６を経て燃焼器３３３まで至るガス流路の全体である。本実施形態では、燃料極側圧力計２３８は、燃料極側ガス流路の内、燃料極側ガス排出流路２３０に設けられており、空気極側圧力計２４８は、空気極側ガス流路の内、空気極側ガス排出流路２４０に設けられている。燃料極側圧力計２３８および空気極側圧力計２４８は、特許請求の範囲における圧力測定部に相当する。

【0049】

また、燃料電池モジュール１０は、燃料極側圧力計２３８および空気極側圧力計２４８による圧力測定結果に基づき、圧力制御機構２３６を制御する制御部２８０を備える。制御部２８０は、燃料極側ガス流路の圧力と空気極側ガス流路の圧力との差が過大とならないように、圧力制御機構２３６を制御する。例えば、燃料電池スタック１００の温度を下げるために、空気極側ガス供給マニホールド１６１に供給されるガスの流量が増やされると、空気極側ガス流路の圧力が高くなる。その結果、燃料極側ガス流路の圧力と空気極側ガス流路の圧力との差が過大となることが予測される場合には、制御部２８０は、圧力制御機構２３６を構成する弁を閉じる方向に動作させることにより、燃料極側ガス流路の圧力を高くして、燃料極側ガス流路の圧力と空気極側ガス流路の圧力との差が過大となることを抑止する。反対に、燃料電池スタック１００の温度を上げるために、空気極側ガス供給マニホールド１６１に供給されるガスの流量が減らされると、空気極側ガス流路の圧力が低くなる。その結果、燃料極側ガス流路の圧力と空気極側ガス流路の圧力との差が過大となることが予測される場合には、制御部２８０は、圧力制御機構２３６を構成する弁を開く方向に動作させることにより、燃料極側ガス流路の圧力を低くして、燃料極側ガス流路の圧力と空気極側ガス流路の圧力との差が過大となることを抑止する。

【0050】

なお、本実施形態では、燃料極側ガス排出流路２３０における冷却機構２３２より下流側（本実施形態では、圧力制御機構２３６より下流側）の位置と、水素添加脱硫器２６４とを接続する分岐流路２４２が設けられている。分岐流路２４２上には、ブロワＢＬが設けられている。この分岐流路２４２を介して燃料オフガスＦＯＧが水素添加脱硫器２６４に供給され、水素添加脱硫器２６４における脱硫処理に利用される。なお、本実施形態では、分岐流路２４２上にブロワＢＬが設けられているため、水素添加脱硫器２６４に流す燃料オフガスと燃焼器３３３に流す燃料オフガスとの分配を制御することができる。

【0051】

Ａ－６．第１実施形態の効果：
以上説明したように、本実施形態の燃料電池モジュール１０は、燃料電池スタック１００を備える。燃料電池スタック１００は、電解質層１１２と電解質層１１２を挟んで互いに対向する空気極１１４および燃料極１１６とを含む単セル１１０をそれぞれ有する複数の発電単位１０２を備える。燃料電池スタック１００には、各発電単位１０２における燃料室１７６にガスを供給する燃料極側ガス供給マニホールド１７１と、各発電単位１０２における燃料室１７６からガスを排出する燃料極側ガス排出マニホールド１７２と、各発電単位１０２における空気室１６６にガスを供給する空気極側ガス供給マニホールド１６１と、各発電単位１０２における空気室１６６からガスを排出する空気極側ガス排出マニホールド１６２とが形成されている。また、燃料電池モジュール１０は、ガスを燃焼させる燃焼器３３３と、燃料電池スタック１００の燃料極側ガス排出マニホールド１７２と燃焼器３３３とを接続する燃料極側ガス排出流路２３０と、燃料電池スタック１００の空気極側ガス排出マニホールド１６２と燃焼器３３３とを接続する空気極側ガス排出流路２４０とを備える。また、燃料極側ガス排出流路２３０には、燃料極側ガス排出流路２３０内のガスを冷却する冷却機構２３２と、冷却機構２３２の下流側に配置され、燃料極側ガス排出流路２３０内のガスの圧力を調整する圧力制御機構２３６とが設けられている。

【0052】

このように、本実施形態の燃料電池モジュール１０では、燃料極側ガス排出流路２３０に、燃料極側ガス排出流路２３０内のガスを冷却する冷却機構２３２が設けられているため、燃料極側ガス排出流路２３０における冷却機構２３２の下流側に、燃料極側ガス排出流路２３０内のガスの圧力を調整するための圧力制御機構２３６として、特別な耐熱性能を有さない汎用的な圧力制御機構２３６を設けることができる。また、本実施形態の燃料電池モジュール１０では、圧力制御機構２３６によって燃料極側ガス排出流路２３０内のガスの圧力を調整することにより、各発電単位１０２における空気極側ガス流路の圧力と燃料極側ガス流路の圧力との差が過大となることを抑制することができる。従って、本実施形態の燃料電池モジュール１０によれば、空気極側ガス流路と燃料極側ガス流路との圧力差に起因して各発電単位１０２における空気極側ガス流路または燃料極側ガス流路を構成する部材が変形し、各発電単位１０２における空気極側ガス流路または燃料極側ガス流路の圧損が大きくなってガス分配性が悪化することを抑制することができ、ひいては、ガス分配性悪化に伴う単セル１１０の性能低下や劣化、破損の発生を抑制することができる。

【0053】

また、本実施形態の燃料電池モジュール１０は、さらに、燃料電池スタック１００の燃料極側ガス供給マニホールド１７１に接続された燃料極側ガス供給流路７１と、燃料電池スタック１００の空気極側ガス供給マニホールド１６１に接続された空気極側ガス供給流路６１とを備える。また、燃料電池モジュール１０は、少なくとも空気極側ガス供給流路６１と空気極側ガス供給マニホールド１６１と各発電単位１０２の空気室１６６と空気極側ガス排出マニホールド１６２と空気極側ガス排出流路２４０とを含む空気極側ガス流路の圧力を測定する空気極側圧力計２４８と、少なくとも燃料極側ガス供給流路７１と燃料極側ガス供給マニホールド１７１と各発電単位１０２の燃料室１７６と燃料極側ガス排出マニホールド１７２と燃料極側ガス排出流路２３０とを含む燃料極側ガス流路の圧力を測定する燃料極側圧力計２３８と、空気極側圧力計２４８および燃料極側圧力計２３８による圧力測定結果に基づき、圧力制御機構２３６を制御する制御部２８０とを備える。そのため、本実施形態の燃料電池モジュール１０によれば、圧力制御機構２３６を用いて各発電単位１０２における空気極側ガス流路の圧力と燃料極側ガス流路の圧力との差が過大となることを効果的に抑制することができ、ガス分配性悪化に伴う単セル１１０の性能低下や劣化、破損の発生を効果的に抑制することができる。

【0054】

また、本実施形態の燃料電池モジュール１０は、さらに、原燃料ガスＲＦＧの脱硫を行う水素添加脱硫器２６４と、燃料極側ガス排出流路２３０における冷却機構２３２より下流側の位置と水素添加脱硫器２６４とを接続する分岐流路２４２とを備える。そのため、本実施形態の燃料電池モジュール１０によれば、燃料電池スタック１００から排出された燃料オフガスＦＯＧを原燃料ガスＲＦＧの脱硫のために利用することができ、システム効率を向上させることができる。

【0055】

また、本実施形態の燃料電池モジュール１０では、各発電単位１０２は、さらに、単セル用セパレータ１２０を有する。単セル用セパレータ１２０には、貫通孔１２１が形成されており、単セル用セパレータ１２０における貫通孔１２１を取り囲む部分が単セル１１０の周縁部に接合されており、その結果、単セル用セパレータ１２０は、空気室１６６と燃料室１７６とを区画している。本実施形態の燃料電池モジュール１０では、単セル１１０に接合された単セル用セパレータ１２０の変形に伴うガス分配性の悪化が発生しやすい構成であるが、圧力制御機構２３６を用いて各発電単位１０２における空気極側ガス流路の圧力と燃料極側ガス流路の圧力との差が過大となることを抑制できるため、該圧力差に起因する単セル用セパレータ１２０の変形を抑制することができ、ガス分配性悪化に伴う単セル１１０の性能低下や劣化、破損の発生を抑制することができる。

【0056】

また、本実施形態の燃料電池モジュール１０では、各発電単位１０２は、さらに、ＩＣ用セパレータ１８０を有する。ＩＣ用セパレータ１８０には、貫通孔１８１が形成されており、ＩＣ用セパレータ１８０における貫通孔１８１を取り囲む部分がインターコネクタ１５０の周縁部に接合されており、その結果、ＩＣ用セパレータ１８０は、空気室１６６と燃料室１７６との一方と、他の発電単位１０２における空気室１６６と燃料室１７６との他方とを区画している。本実施形態の燃料電池モジュール１０では、インターコネクタ１５０に接合されたＩＣ用セパレータ１８０の変形に伴うガス分配性の悪化が発生しやすい構成であるが、圧力制御機構２３６を用いて各発電単位１０２における空気極側ガス流路の圧力と燃料極側ガス流路の圧力との差が過大となることを抑制できるため、該圧力差に起因するＩＣ用セパレータ１８０の変形を抑制することができ、ガス分配性悪化に伴う単セル１１０の性能低下や劣化、破損の発生を抑制することができる。

【0057】

なお、燃料極側ガス排出流路２３０の冷却機構２３２による燃料オフガスＦＯＧの冷却は、燃料オフガスＦＯＧに含まれる水蒸気が凝縮する温度以下まで冷却することが好ましい。このようにすれば、燃料オフガスＦＯＧに含まれる水分を除去することができ、燃料オフガスＦＯＧの燃料濃度が高くなって燃焼器３３３における燃焼性能が良好となる。

【0058】

また、燃料極側ガス排出流路２３０を構成する第３配管２３７の内の断熱空間３５１内に位置する部分の長さは、長い方が好ましい。該部分の長さが長いと、断熱空間３５１内の熱（例えば、燃料電池スタック１００から放射される熱）によって該部分を流れる燃料オフガスＦＯＧの温度を上昇させることができるため、燃焼器３３３に導入される燃料オフガスＦＯＧの温度低下に伴う効率の低下を抑制することができる。例えば、燃料極側ガス排出流路２３０を構成する第３配管２３７の内の断熱空間３５１内に位置する部分の長さを、第３配管２３７の内の断熱空間３５１外に位置する部分と第２配管２３５の長さとの合計長さより長くしてもよい。また、燃料極側ガス排出流路２３０を構成する第３配管２３７の内の断熱空間３５１内に位置する部分は、第１配管２３１の内の断熱空間３５１内に位置する部分に近接して並行するように配置されることが好ましい。第１配管２３１の内の断熱空間３５１内に位置する部分には、比較的高温の燃料オフガスＦＯＧが流れている。そのため、第３配管２３７の内の断熱空間３５１内に位置する部分を第１配管２３１の内の断熱空間３５１内に位置する部分に近接して並行するように配置すると、第１配管２３１の内の断熱空間３５１内に位置する部分を流れる燃料オフガスＦＯＧの熱によって第３配管２３７の内の断熱空間３５１内に位置する部分を流れる燃料オフガスＦＯＧの温度を上昇させることができ、燃焼器３３３に導入される燃料オフガスＦＯＧの温度低下に伴う効率の低下を抑制することができる。あるいは、燃料極側ガス排出流路２３０を構成する第３配管２３７における一部を、断熱材３５０内を延伸させる等して、断熱するようにしてもよい。

【0059】

Ｂ．第２実施形態：
図７は、第２実施形態における燃料電池モジュール１０ａの構成を模式的に示す説明図である。以下では、第２実施形態の燃料電池モジュール１０ａの構成のうち、上述した第１実施形態の燃料電池モジュール１０と同一の構成については、同一の符号を付すことによってその説明を適宜省略する。

【0060】

第２実施形態の燃料電池モジュール１０ａは、燃料極側ガス排出流路２３０における冷却機構２３２ａの構成が、第１実施形態の燃料電池モジュール１０と異なっている。具体的には、第２実施形態の燃料電池モジュール１０ａでは、燃料極側ガス排出流路２３０における冷却機構２３２ａが、熱交換部２３３を含んでいる。すなわち、本実施形態では、酸化剤ガスＯＧをハウジング３３５に導入するための空気導入流路２７１ａの一部が、燃料極側ガス排出流路２３０を構成する第１配管２３１における断熱空間３５１の外部に配置された部分に近接して並行するように配置されている。これにより、第１配管２３１の該部分（空気導入流路２７１ａに並行する部分）が、酸化剤ガスＯＧ（空気極側ガス供給マニホールド１６１に供給するためのガス）と燃料極側ガス排出流路２３０内の燃料オフガスＦＯＧとの間で熱交換を行う熱交換部２３３として機能する。熱交換部２３３においては、酸化剤ガスＯＧと燃料オフガスＦＯＧとの熱交換が行われ、圧力制御機構２３６に導入される燃料オフガスＦＯＧの温度が低下すると共に、ハウジング３３５に導入される酸化剤ガスＯＧの温度が上昇する。

【0061】

このように、本実施形態の燃料電池モジュール１０ａでは、燃料極側ガス排出流路２３０に設けられた冷却機構２３２ａが、空気極側ガス供給マニホールド１６１に供給するためのガス（酸化剤ガスＯＧ）と燃料極側ガス排出流路２３０内のガス（燃料オフガスＦＯＧ）との間で熱交換を行う熱交換部２３３を含む。そのため、熱交換部２３３において、空気極側ガス供給マニホールド１６１に供給するためのガスが、燃料極側ガス排出流路２３０内のガスの熱を奪うことによって、燃料極側ガス排出流路２３０内のガスが冷却される。従って、本実施形態の燃料電池モジュール１０ａによれば、冷却機構２３２ａによる燃料極側ガス排出流路２３０内のガスの冷却を実現しつつ、冷却機構２３２ａを設けたことに伴う燃料電池モジュール１０ａ全体としての熱効率の低下を抑制することができる。

【0062】

Ｃ．第３実施形態：
図８は、第３実施形態における燃料電池モジュール１０ｂの構成を模式的に示す説明図である。以下では、第３実施形態の燃料電池モジュール１０ｂの構成のうち、上述した第１実施形態の燃料電池モジュール１０と同一の構成については、同一の符号を付すことによってその説明を適宜省略する。

【0063】

第３実施形態の燃料電池モジュール１０ｂは、燃料極側ガス排出流路２３０における冷却機構２３２ｂの構成が、第１実施形態の燃料電池モジュール１０と異なっている。具体的には、第３実施形態の燃料電池モジュール１０ｂでは、燃料極側ガス排出流路２３０における冷却機構２３２ｂが、熱交換部２３３ｂを含んでいる。すなわち、本実施形態では、水ＷＡを蒸発器３１０に供給するための純水導入流路２５１ｂの一部が、燃料極側ガス排出流路２３０を構成する第１配管２３１における断熱空間３５１の外部に配置された部分に近接して並行するように配置されている。これにより、第１配管２３１の該部分（純水導入流路２５１ｂに並行する部分）が、蒸発器３１０に供給される水ＷＡと燃料極側ガス排出流路２３０内の燃料オフガスＦＯＧとの間で熱交換を行う熱交換部２３３ｂとして機能する。熱交換部２３３ｂにおいては、水ＷＡと燃料オフガスＦＯＧとの熱交換が行われ、圧力制御機構２３６に導入される燃料オフガスＦＯＧの温度が低下すると共に、蒸発器３１０に導入される水ＷＡ（純水ＰＷ）の温度が上昇する。

【0064】

このように、本実施形態の燃料電池モジュール１０ｂでは、燃料極側ガス排出流路２３０に設けられた冷却機構２３２ｂが、蒸発器３１０に供給される水ＷＡと燃料極側ガス排出流路２３０内のガス（燃料オフガスＦＯＧ）との間で熱交換を行う熱交換部２３３ｂを含む。そのため、熱交換部２３３ｂにおいて、蒸発器３１０に供給される水ＷＡが、燃料極側ガス排出流路２３０内のガスの熱を奪うことによって、燃料極側ガス排出流路２３０内のガスが冷却される。従って、本実施形態の燃料電池モジュール１０ｂによれば、冷却機構２３２ｂによる燃料極側ガス排出流路２３０内のガスの冷却を実現しつつ、冷却機構２３２ｂを設けたことに伴う燃料電池モジュール１０ｂ全体としての熱効率の低下を抑制することができる。

【0065】

Ｄ．第４実施形態：
図９は、第４実施形態における燃料電池モジュール１０ｃの構成を模式的に示す説明図である。以下では、第４実施形態の燃料電池モジュール１０ｃの構成のうち、上述した第１実施形態の燃料電池モジュール１０と同一の構成については、同一の符号を付すことによってその説明を適宜省略する。

【0066】

第４実施形態の燃料電池モジュール１０ｃは、燃料極側ガス排出流路２３０における冷却機構２３２ｃの構成が、第１実施形態の燃料電池モジュール１０と異なっている。具体的には、第４実施形態の燃料電池モジュール１０ｃでは、燃料極側ガス排出流路２３０における冷却機構２３２ｃが、熱交換部２３３ｃを含んでいる。すなわち、本実施形態では、原燃料ガスＲＦＧを蒸発器３１０に導入するための原燃料ガス導入流路２６１ｃの一部が、燃料極側ガス排出流路２３０を構成する第１配管２３１における断熱空間３５１の外部に配置された部分に近接して並行するように配置されている。これにより、第１配管２３１の該部分（原燃料ガス導入流路２６１ｃに並行する部分）が、原燃料ガスＲＦＧ（燃料極側ガス供給マニホールド１７１に供給するためのガス）と燃料極側ガス排出流路２３０内の燃料オフガスＦＯＧとの間で熱交換を行う熱交換部２３３ｃとして機能する。熱交換部２３３ｃにおいては、原燃料ガスＲＦＧと燃料オフガスＦＯＧとの熱交換が行われ、圧力制御機構２３６に導入される燃料オフガスＦＯＧの温度が低下すると共に、蒸発器３１０に導入される原燃料ガスＲＦＧの温度が上昇する。

【0067】

このように、本実施形態の燃料電池モジュール１０ｃでは、燃料極側ガス排出流路２３０に設けられた冷却機構２３２ｃが、燃料極側ガス供給マニホールド１７１に供給するためのガス（原燃料ガスＲＦＧ）と燃料極側ガス排出流路２３０内のガス（燃料オフガスＦＯＧ）との間で熱交換を行う熱交換部２３３ｃを含む。そのため、熱交換部２３３ｃにおいて、燃料極側ガス供給マニホールド１７１に供給するためのガスが、燃料極側ガス排出流路２３０内のガスの熱を奪うことによって、燃料極側ガス排出流路２３０内のガスが冷却される。従って、本実施形態の燃料電池モジュール１０ｃによれば、冷却機構２３２ｃによる燃料極側ガス排出流路２３０内のガスの冷却を実現しつつ、冷却機構２３２ｃを設けたことに伴う燃料電池モジュール１０ｃ全体としての熱効率の低下を抑制することができる。

【0068】

Ｅ．変形例：
本明細書で開示される技術は、上述の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態に変形することができ、例えば次のような変形も可能である。

【0069】

上記実施形態における燃料電池モジュール１０の構成や燃料電池モジュール１０を構成する各部分の構成は、あくまで一例であり、種々変形可能である。例えば、上記実施形態では、燃料極側ガス排出流路２３０上に冷却機構２３２および圧力制御機構２３６が設けられているが、燃料極側ガス排出流路２３０上に代えて、あるいは燃料極側ガス排出流路２３０上と共に、空気極側ガス排出流路２４０上に冷却機構および圧力制御機構が設けられていてもよい。燃料極側ガス排出流路２３０および空気極側ガス排出流路２４０の内、冷却機構および圧力制御機構が設けられた流路が、特許請求の範囲における特定ガス排出流路に相当する。なお、一般に、燃料極側ガス流路におけるガス流量は空気極側ガス流路におけるガス流量より小さいことが多いため、燃料電池モジュール１０の熱効率の低下を抑制するという観点からは、燃料極側ガス排出流路２３０のみに冷却機構２３２および圧力制御機構２３６が設けられることが好ましい。

【0070】

上記実施形態における冷却機構２３２の構成は、あくまで一例であり、種々変形可能である。例えば、上記第２－４実施形態では、冷却機構２３２として、酸化剤ガスＯＧ、水ＷＡ、または、原燃料ガスＲＦＧとの熱交換を行う熱交換部２３３を含む構成を採用しているが、冷却機構２３２として、他の流体との熱交換を行う熱交換部を含む構成を採用してもよい。また、上記実施形態では、圧力制御機構２３６が圧力制御弁により構成されているが、圧力制御機構２３６が他の構成であってもよい。

【0071】

上記実施形態では、燃料極側圧力計２３８が、燃料極側ガス流路における燃料極側ガス排出流路２３０の位置に設けられているが、燃料極側ガス流路における燃料極側圧力計２３８の設置位置は任意に変更可能である。例えば、燃料極側圧力計２３８が、原燃料ガス導入流路２６１における流量制御機構２６２より下流側で、かつ、水素添加脱硫器２６４より上流側の位置に設けられてもよい。同様に、上記実施形態では、空気極側圧力計２４８が、空気極側ガス流路における空気極側ガス排出流路２４０の位置に設けられているが、空気極側ガス流路における空気極側圧力計２４８の設置位置は任意に変更可能である。例えば、空気極側圧力計２４８が、空気導入流路２７１における流量制御機構２７２より下流側で、かつ、断熱材３５０（断熱空間３５１）の外部の位置に設けられてもよい。また、燃料極側圧力計２３８と空気極側圧力計２４８とのいずれか一方のみが設けられるとしてもよい。このような構成であっても、例えばガス流量と圧力変化との関係を予め特定しておくことにより、圧力計による圧力測定結果に基づき圧力制御機構２３６を適切に制御することができる。

【0072】

上記実施形態では、分岐流路２４２が、燃料極側ガス排出流路２３０における冷却機構２３２および圧力制御機構２３６より下流側の位置と水素添加脱硫器２６４とを接続するように設けられているが、分岐流路２４２が、燃料極側ガス排出流路２３０における冷却機構２３２より下流側で、かつ、圧力制御機構２３６より上流側の位置と水素添加脱硫器２６４とを接続するように設けられてもよい。

【0073】

上記実施形態では、各発電単位１０２が単セル用セパレータ１２０とＩＣ用セパレータ１８０とを備えているが、各発電単位１０２が単セル用セパレータ１２０とＩＣ用セパレータ１８０との一方または両方を備えていないとしてもよい。例えば、各発電単位１０２がＩＣ用セパレータ１８０を備えず、インターコネクタ１５０が発電単位１０２の周縁部（Ｚ軸方向視で空気極側フレーム部材１３０や燃料極側フレーム部材１４０と重なる部分）まで延伸していてもよい。

【0074】

上記実施形態では、水素添加脱硫器２６４に燃料オフガスを供給するためのブロワＢＬが分岐流路２４２上に設けられているが、該ブロワＢＬが原燃料ガス導入流路２６１上における流量制御機構２６２と水素添加脱硫器２６４との間に設けられてもよい。あるいは、該ブロワＢＬの設置を省略してもよい。該ブロワＢＬの設置を省略した場合でも、分岐流路２４２の配管の内径を燃料極側ガス排出流路２３０の第３配管２３７の内径より小さくすることにより、水素添加脱硫器２６４に流すオフガスと燃焼器３３３に流すオフガスとの分配を制御することができる。

【0075】

上記第２実施形態から上記第４実施形態では、熱交換部２３３，２３３ｂ、２３３ｃが断熱空間３５１の外部に配置されているが、熱交換部２３３，２３３ｂ、２３３ｃの一部または全部が断熱空間３５１内に配置されていてもよい。

【0076】

上記実施形態では、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）を例に説明したが、本明細書に開示される技術は、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）といった他のタイプの燃料電池にも適用可能である。

【符号の説明】

【0077】

１０：燃料電池モジュール ２２：ボルト ２４：ナット ２６：絶縁シート ２７：ガス通路部材 ２８：本体部 ２９：分岐部 ６１：空気極側ガス供給流路 ７１：燃料極側ガス供給流路 １００：燃料電池スタック １０２：発電単位 １０４：エンドプレート １０６：エンドプレート １０８：連通孔 １１０：単セル １１２：電解質層 １１４：空気極 １１６：燃料極 １２０：単セル用セパレータ １２１：貫通孔 １２４：接合部 １３０：空気極側フレーム部材 １３１：空気室用孔 １３２：酸化剤ガス供給連通流路 １３３：酸化剤ガス排出連通流路 １３４：空気極側集電体 １３５：集電体要素 １４０：燃料極側フレーム部材 １４１：燃料室用孔 １４２：燃料ガス供給連通流路 １４３：燃料ガス排出連通流路 １４４：燃料極側集電体 １４５：電極対向部 １４６：インターコネクタ対向部 １４７：連接部 １４９：スペーサ １５０：インターコネクタ １６１：空気極側ガス供給マニホールド １６２：空気極側ガス排出マニホールド １６６：空気室 １７１：燃料極側ガス供給マニホールド １７２：燃料極側ガス排出マニホールド １７６：燃料室 １８０：ＩＣ用セパレータ １８１：貫通孔 ２２３：排ガス排出流路 ２２６：排ガス中継流路 ２２８：混合ガス流路 ２３０：燃料極側ガス排出流路 ２３１：第１配管 ２３２：冷却機構 ２３３：熱交換部 ２３４：ドレイナー ２３５：第２配管 ２３６：圧力制御機構 ２３７：第３配管 ２３８：燃料極側圧力計 ２４０：空気極側ガス排出流路 ２４２：分岐流路 ２４８：空気極側圧力計 ２５１：純水導入流路 ２５２：イオン交換樹脂 ２５４：浄水タンク・フロート ２５６：流量制御機構 ２５８：凝縮水回収流路 ２５９：給水用流路 ２６１：原燃料ガス導入流路 ２６２：流量制御機構 ２６４：水素添加脱硫器 ２７１：空気導入流路 ２７２：流量制御機構 ２８０：制御部 ２９０：貯湯ユニット ３００：補助器 ３１０：蒸発器 ３３０：改質・加熱器 ３３１：改質器 ３３３：燃焼器 ３３５：ハウジング ３３６：内壁 ３３７：外壁 ３３８：空気流路 ３３９：伝熱用フィン ３５０：断熱材 ３５１：断熱空間 ＢＬ：ブロワ ＥＧ：排ガス ＦＧ：燃料ガス ＦＯＧ：燃料オフガス ＯＧ：酸化剤ガス ＯＯＧ：酸化剤オフガス ＰＷ：純水 ＲＦＧ：原燃料ガス ＷＡ：水

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】