JP6406704B2 - 燃料電池モジュール - Google Patents

Description

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を複数積層した燃料電池スタックが、筐体内に収容される燃料電池モジュールに関する。

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。固体電解質の両側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（以下、ＭＥＡともいう）は、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持されている。燃料電池は、通常、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燃料電池スタックとして使用されている。

ＳＯＦＣでは、運転温度が比較的高温であるため、筐体内に発電室を有する場合、前記発電室の上部が下部よりも高温になり易い。特に、筐体の発電室に配置されているスタックの上方に燃焼部が配置されていると、前記発電室の下部よりも該発電室の上部が相当に高温となり、溶接部や取り付け部に劣化が惹起するおそれがある。

そこで、筐体の耐久性の向上及び長寿命化を図るために、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池装置が知られている。この燃料電池装置では、第１Ｕ板部材と第２Ｕ板部材とを有する筐体を具備している。第１Ｕ板部材は、上向きに開放する第１上面開口部、互いに対向する２個の第１側壁、第１側壁の下部同士を繋ぐ第１底壁をもつＵ字形状をなしている。第２Ｕ板部材は、上向きに開放する第２上面開口部、互いに対向する２個の第２側壁、第２側壁の下部同士を繋ぐ第２底壁をもつＵ字形状をなしている。

そして、筐体は、第１上面開口部及び第２上面開口部が上側となるように、第１Ｕ板部材及び第２Ｕ板部材が、これらの厚み方向に隙間を介して積層されて形成されている。さらに、カソードガス流路及び排ガス流路のうちの少なくとも一方の少なくとも一部は、第１側壁及び第２側壁が互いに対面して形成された側隙間流路と、第１底壁及び第２底壁が互いに対面して形成され且つ側隙間流路に連通する底隙間流路とを備えている。

上記の特許文献１では、具体的には、筐体の側隙間流路及び底隙間流路にカソードガス流路が形成されるとともに、前記カソードガス流路の内側に沿って排ガス流路が形成されている。このため、排ガス流路を流れる排ガスでカソードガス流路のカソードガスが予熱される一方、相対的に低温の空気である前記カソードガスが筐体の外面側を流れるため、放熱を抑制できる、としている。

特開２０１３−１３１３２９号公報

しかしながら、燃料電池モジュールの構成部品には、耐熱温度がモジュール表面温度よりも低温に設定されている部品がある。排ガス燃焼器の加熱源、例えば、グロープラグ（加熱部材）では、固定用フランジ部の内部部品（配線の接合部）の耐熱温度が低いため、モジュール表面温度に晒されて前記固定用フランジ部が劣化し易い。従って、グロープラグの耐久性が低下し、寿命が低下するという問題がある。

本発明は、この種の問題を解決するものであり、コンパクトな構成で、筐体外部への放熱が抑制されるとともに、加熱部材の固定用フランジ部を容易且つ確実に冷却することが可能な燃料電池モジュールを提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池モジュールは、燃料電池スタック、改質器、空気予熱器、排ガス燃焼器及び起動用燃焼器を備え、これらが筐体内に収容されている。燃料電池スタックは、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を複数積層している。改質器は、炭化水素を主体とする原燃料を改質し、燃料電池スタックに供給される燃料ガスを生成している。

空気予熱器は、燃焼ガスとの熱交換により酸化剤ガスを昇温させるとともに、燃料電池スタックに酸化剤ガスを供給している。排ガス燃焼器は、燃料電池スタックから排出される燃料ガスである燃料排ガスと酸化剤ガスである酸化剤排ガスとを燃焼させ、燃焼ガスを発生させている。起動用燃焼器は、原燃料と酸化剤ガスとを燃焼させて燃焼ガスを発生させている。

筐体は、それぞれの内部が中空に形成され、筐体外壁面を構成する複数の面部材を有し、各面部材の内部を連続して連通する単一の流体流路が形成されている。そして、流体流路の流体入口が設けられ、流体が最初に流通される第１の面部材には、排ガス燃焼器の加熱源を構成して筐体の内部に挿入される加熱部材の固定用フランジ部が配設されている。

また、燃料電池モジュールでは、第１の面部材には、起動用燃焼器の加熱源を構成して筐体の内部に挿入される加熱部材の固定用フランジ部が配設されることが好ましい。このため、昇温される前の比較的低温の流体は、第１の面部材内を流通し、加熱部材の固定用フランジ部の熱を除去することができる。

さらに、燃料電池モジュールでは、流体は、燃料電池スタックに供給される前の燃料ガス又は酸化剤ガスの少なくとも一方であることが好ましい。従って、流体流路を燃料ガス又は酸化剤ガスが流通することにより、断熱層が形成され、筐体の外部への放熱が抑制される。しかも、燃料ガス又は酸化剤ガスは、熱を吸収して昇温された後、燃料電池スタックに供給されるため、前記燃料電池スタックの起動性が有効に向上する。

さらにまた、燃料電池モジュールでは、第１の面部材の内部には、流体を固定用フランジ部に案内するためのガイド板が配置されることが好ましい。これにより、第１の面部材の内部に供給された流体は、固定用フランジ部に向かって確実に流通することができ、前記固定用フランジ部を効率的に冷却することが可能になる。

また、燃料電池モジュールでは、第１の面部材以外の少なくとも１つの面部材の内部には、流体流路の流路長を長尺化させるための蛇行流路用仕切り板が配置されることが好ましい。このため、流体流路を流通する流体の受熱時間が長くなるため、良好に昇温された前記流体を燃料電池スタックに供給することができる。

さらに、燃料電池モジュールでは、流体流路は、空気予熱器に最も近接する第２の面部材に流体出口を有することが好ましい。従って、流体流路を流通して昇温された流体である酸化剤ガスは、空気予熱器に供給されることにより、迅速に所望の温度まで昇温された後、燃料電池スタックに供給される。しかも、流体出口と空気予熱器との距離が短尺化され、これらを接続する配管が有効に短尺化されるため、経済的であるとともに、前記配管を通過する際の放熱量が削減される。

さらにまた、燃料電池モジュールでは、筐体は、６つの面部材を有する立方体形状又は直方体形状であることが好ましい。その際、流体流路は、空気予熱器に最も近接する第２の面部材に流体出口を有するとともに、第１の面部材及び前記第２の面部材以外の少なくとも２つ乃至４つの面部材の内部に、前記流体流路が形成されることが好ましい。

これにより、流体流路は、６つの面部材の中、少なくとも４つの面部材の内部に形成されるため、筐体内部に発生する熱は、前記流体流路を流通する流体によって効率的に受熱することが可能になる。このため、筐体内に配置されていた断熱材を削減することができ、燃料電池モジュール全体の小型化及びコストダウンが容易に図られる。

また、燃料電池モジュールは、水を蒸発させるとともに、水蒸気を改質器に供給する蒸発器を備えることが好ましい。その際、燃料電池スタック、改質器、空気予熱器、排ガス燃焼器、起動用燃焼器及び蒸発器が組み付けられた燃料電池ユニットを形成するとともに、前記燃料電池ユニットは、筐体の第３の面部材にのみ固定されることが好ましい。

従って、燃料電池ユニットは、筐体の第３の面部材のみで締結されており、前記燃料電池ユニットと前記筐体とは、個別に熱変形することができ、熱応力集中を抑制することが可能になる。

さらに、燃料電池モジュールでは、流体流路は、流体が第１の面部材の内部に最初に供給され、次いで、第３の面部材の内部に供給されることが好ましい。これにより、比較的低温の流体を第３の面部材の内部に供給することができ、前記第３の面部材と燃料電池ユニットとの締結部を良好に冷却することが可能になる。

さらにまた、燃料電池モジュールでは、燃料電池ユニットの外形形状は、筐体の内形形状と相似形であることが好ましい。このため、各面部材の内部を流通する流体によって、燃料電池ユニットの周囲に放出される熱を良好に受熱することができ、熱効率の向上が容易に図られる。

本発明によれば、筐体の内部には、単一の流体流路が形成され、第１の面部材には、前記流体流路に導入された全ての流体が最初に供給されている。このため、昇温される前の比較的低温の流体は、第１の面部材内を流通して加熱部材の固定用フランジ部の熱を除去することができる。従って、コンパクトな構成で、筐体外部への放熱が抑制されるとともに、加熱部材の固定用フランジ部を容易且つ確実に冷却することが可能になる。

本発明の実施形態に係る燃料電池モジュールの一部分解斜視説明図である。 前記燃料電池モジュールの概略構成説明図である。 前記燃料電池モジュールを構成する筐体の内部を流通する空気の流れ説明図である。 前記筐体の、図２中、ＩＶ−ＩＶ線断面図である。

図１及び図２に示すように、本発明の実施形態に係る燃料電池モジュール１０は、定置用の他、車載用等の種々の用途に用いられる。燃料電池モジュール１０は、燃料電池ユニット１２を備え、前記燃料電池ユニット１２が筐体１４内に収容される。

燃料電池ユニット１２は、燃料電池スタック１６、改質器１８、空気予熱器２０、排ガス燃焼器２２、起動用燃焼器２４及び蒸発器２６が組み付けられるとともに、全体として略直方体形状（又は略立方体形状）に構成される。実質的には、空気予熱器２０及び蒸発器２６は、矢印Ｂ方向外方に突出する（図１参照）。

燃料電池スタック１６は、燃料ガス（水素ガスにメタン、一酸化炭素が混合した気体）と酸化剤ガス（空気）との電気化学反応により発電する。燃料電池スタック１６は、図１に示すように、平板状の固体酸化物形燃料電池２８を備え、複数の前記燃料電池２８は、鉛直方向（矢印Ａ方向）（又は水平方向）に積層される。

燃料電池２８の積層方向両端には、エンドプレート３０ａ、３０ｂが配置され、前記燃料電池２８に積層方向に沿って締め付け荷重を付与する。燃料電池２８の積層方向両端には、出力端子３２ａ、３２ｂが設けられ、外部に電力を供給することができる。

燃料電池２８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る電解質の両面に、カソード電極及びアノード電極が設けられた電解質・電極接合体（ＭＥＡ）を備える。電解質・電極接合体の両側には、カソードセパレータとアノードセパレータとが配設される。カソードセパレータには、カソード電極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路が形成されるとともに、アノードセパレータには、アノード電極に燃料ガスを供給する燃料ガス流路が形成される。

図１及び図２に示すように、改質器１８は、燃料電池スタック１６に隣接して配置されるとともに、前記改質器１８の内部には、排ガス燃焼器２２が配置される。改質器１８は、炭化水素を主体とする原燃料（例えば、都市ガス）と水蒸気との混合ガスを改質し、燃料電池スタック１６に供給される燃料ガスを生成する。排ガス燃焼器２２は、燃料電池スタック１６から排出される燃料ガスである燃料排ガスと酸化剤ガスである酸化剤排ガスとを燃焼させ、燃焼ガスを発生させる。

改質器１８には、燃料電池スタック１６とは反対側に隣接して空気予熱器２０及び起動用燃焼器２４が配置されるとともに、前記空気予熱器２０には、蒸発器２６が積層される。空気予熱器２０は、燃焼ガスとの熱交換により酸化剤ガスを昇温させるとともに、燃料電池スタック１６に前記酸化剤ガスを供給する。起動用燃焼器２４は、原燃料（燃料ガス）と酸化剤ガスとを燃焼させて燃焼ガスを発生させる。蒸発器２６は、水を蒸発させるとともに、水蒸気を改質器１８に供給する。

筐体１４は、それぞれの内部が中空に形成される複数、例えば、６つの面部材を備え、燃料電池ユニット１２と相似形である略直方体形状（又は略立方体形状）を有する。６つの面部材は、前面部材（第１の面部材）３４、後面部材３６、右面部材３８、左面部材（第２の面部材）４０、下面部材（第３の面部材）４２及び上面部材４４である。前面部材３４、後面部材３６、右面部材３８、左面部材４０、下面部材４２及び上面部材４４は、長方形状又は正方形状を有する。前面部材３４、後面部材３６、右面部材３８、左面部材４０、下面部材４２及び上面部材４４の内部には、連続して連通する単一の空気流路（流体流路）４６が形成される（図３参照）。

図４に示すように、前面部材３４は、例えば、２枚の板材３４ａ、３４ｂを接合しており、内部には、第１空間４６ａが形成される。図１に示すように、前面部材３４には、第１フランジ部（固定用フランジ部）５０ａと第２フランジ部（固定用フランジ部）５０ｂとが装着（ねじ止め）される。第１フランジ部５０ａには、第１グロープラグ（加熱部材）５２ａが保持されるとともに、第２フランジ部５０ｂには、第２グロープラグ（加熱部材）５２ｂが保持される。第１グロープラグ５２ａは、排ガス燃焼器２２に挿入され、燃料排ガスと酸化剤排ガスとの混合ガスを点火させる。第２グロープラグ５２ｂは、起動用燃焼器２４に挿入され、原燃料と酸化剤ガスとの混合ガスを点火させる。

図１及び図３に示すように、前面部材３４の第１空間４６ａには、空気（流体）を第１フランジ部５０ａ及び第２フランジ部５０ｂに案内するためのガイド板５４ａ、５４ｂが水平方向に延在し且つ互いに千鳥状に配置される。前面部材３４の外面（板材３４ａ）上部側には、外部から空気を導入するための空気流入管５６が設けられる。前面部材３４の内面（板材３４ｂ）下部側には、第１空間４６ａに連通する第１配管５８ａの一端が接続されるとともに、前記第１配管５８ａの他端は、下面部材４２に接続される。

図１及び図２に示すように、下面部材４２は、例えば、２枚の板材４２ａ、４２ｂを接合しており、内部には、第２空間４６ｂが形成される。第２空間４６ｂは、第１配管５８ａを介して第１空間４６ａに連通する。下面部材４２には、複数の孔部６０がシール部材６１を介して第２空間４６ｂから閉塞されて設けられる。孔部６０に挿入されるボルト６２は、支持プレート６４のねじ穴６６に螺合する（図２参照）。支持プレート６４上には、燃料電池ユニット１２が載置され、前記燃料電池ユニット１２は、下面部材４２のみに固定される。

下面部材４２の後面部材３６側の端縁部には、第２空間４６ｂに連通する第２配管５８ｂの一端が接続されるとともに、前記第２配管５８ｂの他端は、右面部材３８の下部側に接続される。図２及び図４に示すように、右面部材３８は、例えば、２枚の板材３８ａ、３８ｂを接合しており、内部には、第３空間４６ｃが形成される。第３空間４６ｃは、第２配管５８ｂを介して第２空間４６ｂに連通する。

図１及び図３に示すように、右面部材３８の第３空間４６ｃには、空気流路４６の流路長を長尺化させるための蛇行流路用の第１仕切り板６８ａが配置される。第１仕切り板６８ａは、第３空間４６ｃの略中間高さ位置で水平方向（矢印Ｂ方向）に延在する。右面部材３８の後面部材３６側の上端縁部には、第３空間４６ｃに連通する第３配管５８ｃの一端が接続されるとともに、前記第３配管５８ｃの他端は、後面部材３６の矢印Ｃ方向一端の上部側に接続される。

図４に示すように、後面部材３６は、例えば、２枚の板材３６ａ、３６ｂを接合しており、内部には、第４空間４６ｄが形成される。第４空間４６ｄは、第３配管５８ｃを介して第３空間４６ｃに連通する。図１及び図３に示すように、後面部材３６の第４空間４６ｄには、空気流路４６の流路長を長尺化させるための蛇行流路用の第２仕切り板６８ｂが配置される。第２仕切り板６８ｂは、第４空間４６ｄの水平方向略中央位置で鉛直方向（矢印Ａ方向）に延在する。

後面部材３６の矢印Ｃ方向他端の上部側には、第４空間４６ｄに連通する第４配管５８ｄの一端が接続されるとともに、前記第４配管５８ｄの他端は、左面部材４０の矢印Ｂ方向一端の上部側に接続される。

図４に示すように、左面部材４０は、例えば、２枚の板材４０ａ、４０ｂを接合しており、内部には、第５空間４６ｅが形成される。第５空間４６ｅは、第４配管５８ｄを介して第４空間４６ｄに連通する。図１及び図３に示すように、左面部材４０の第５空間４６ｅには、空気流路４６の流路長を長尺化させるための蛇行流路用の第３仕切り板６８ｃが配置される。第３仕切り板６８ｃは、第５空間４６ｅの水平方向略中央位置で鉛直方向（矢印Ａ方向）に延在する。

左面部材４０の矢印Ｂ方向他端の上部側には、第５空間４６ｅに連通する長尺な第５配管５８ｅの一端が接続されるとともに、前記第５配管５８ｅの他端は、空気予熱器２０の空気供給配管（図示せず）に接続される。

空気流路４６は、前面部材３４の第１空間４６ａ、下面部材４２の第２空間４６ｂ、右面部材３８の第３空間４６ｃ、後面部材３６の第４空間４６ｄ及び左面部材４０の第５空間４６ｅを一体に連結して構成される。

このように構成される燃料電池モジュール１０の動作について、以下に説明する。

燃料電池モジュール１０の起動時には、空気及び原燃料が起動用燃焼器２４に供給される。具体的には、例えば、都市ガス（ＣＨ₄、Ｃ₂Ｈ₆、Ｃ₃Ｈ₈、Ｃ₄Ｈ₁₀を含む）等の原燃料と空気とは、起動用燃焼器２４に供給されるとともに、前記原燃料と前記空気との混合ガスは、第２グロープラグ５２ｂの作用下に点火されることにより、燃焼が開始されて燃焼ガスが生成される。

燃焼ガスは、空気予熱器２０の燃焼ガス配管（図示せず）に供給されるとともに、前記空気予熱器２０には、酸化剤ガスとしての空気が供給されている。具体的には、図１及び図３に示すように、空気流入管５６から前面部材３４の第１空間４６ａに空気が導入される。

第１空間４６ａでは、空気は、上方から下方に向かって流通するとともに、ガイド板５４ａ、５４ｂの案内作用下に、第１フランジ部５０ａ及び第２フランジ部５０ｂに集中するように移動する。第１空間４６ａの下部に移動した空気は、第１配管５８ａを通って下面部材４２の第２空間４６ｂに導入される。空気は、第２空間４６ｂ内で矢印Ｂ方向に沿って流通した後、第２配管５８ｂを通って右面部材３８の第３空間４６ｃに導入される。

第３空間４６ｃでは、空気が第１仕切り板６８ａの作用下に蛇行しながら上方向に移動し、第３配管５８ｃを通って後面部材３６の第４空間４６ｄに導入される。第４空間４６ｄに導入された空気は、下方に移動した後、第２仕切り板６８ｂの作用下に上方に移動して、第４配管５８ｄを通って左面部材４０の第５空間４６ｅに導入される。第５空間４６ｅに導入された空気は、下方に移動した後、第３仕切り板６８ｃの作用下に上方に移動し、第５配管５８ｅを通って空気予熱器２０の空気供給配管（図示せず）に導入される。

空気予熱器２０では、空気流路４６を流通した空気が燃焼ガスにより加熱（熱交換）され、高温になった空気は、燃料電池スタック１６の酸化剤ガス系流路に供給される。従って、燃料電池スタック１６は、加熱された高温の空気により昇温される。また、燃焼ガスは、改質器１８の昇温用熱源として使用された後、外部に排出される。なお、燃焼ガスは、蒸発器２６の昇温用熱源として使用することもできる。

燃料電池スタック１６及び改質器１８が、それぞれ設定温度に昇温されると、起動用燃焼器２４への原燃料及び空気の供給が停止される。一方、蒸発器２６には、水と原燃料とが供給される。これにより、水が蒸発して水蒸気が生成され、この水蒸気と原燃料との混合ガスは、改質器１８に導入される。改質器１８では、混合ガスが水蒸気改質され、Ｃ₂₊の炭化水素が除去（改質）されてメタンを主成分とする改質ガスが得られる。

改質ガスは、燃料電池スタック１６の燃料ガス系流路に供給されるとともに、空気予熱器２０で昇温された空気は、前記燃料電池スタック１６の酸化剤ガス系流路に供給される。このため、各燃料電池２８では、酸素と空気との化学反応により発電が行われる。

燃料電池スタック１６から排出される燃料ガスである燃料排ガスと酸化剤ガスである酸化剤排ガスとは、排ガス燃焼器２２に導入される。この排ガス燃焼器２２では、燃料排ガスと酸化剤排ガスとが燃焼され、燃焼ガスが発生する。排ガス燃焼器２２では、第１グロープラグ５２ａが必要に応じて駆動され、燃料排ガスと酸化剤排ガスとの混合ガスが着火される。

この場合、本実施形態では、筐体１４の内部には、単一の空気流路４６が形成されるとともに、前面部材３４には、前記空気流路４６に導入された全ての空気が最初に供給されている。このため、昇温される前の比較的低温の空気は、前面部材３４内の第１空間４６ａを流通し、第１グロープラグ（加熱部材）５２ａの第１フランジ部５０ａ及び第２グロープラグ（加熱部材）５２ｂの第２フランジ部５０ｂの熱を良好に除去することができる。

従って、燃料電池モジュール１０は、コンパクトな構成で、筐体１４外部への放熱が抑制されるとともに、第１フランジ部５０ａ及び第２フランジ部５０ｂを容易且つ確実に冷却することが可能になる。これにより、第１フランジ部５０ａ及び第２フランジ部５０ｂは、耐熱温度以下に保持することができ、第１グロープラグ５２ａ及び第２グロープラグ５２ｂを長期間に亘って良好に使用することが可能になり、長寿命化を図ることができるという効果が得られる。

また、流体は、燃料電池スタック１６に供給される前の空気（酸化剤ガス）である。このため、空気流路４６を空気が流通することにより、空気断熱層が形成され、筐体１４の外部への放熱が抑制される。しかも、空気は、熱を吸収して昇温された後、燃料電池スタック１６に供給されるため、前記燃料電池スタック１６の起動性が有効に向上する。

なお、流体としては、燃料電池スタック１６に供給される前の原燃料（燃料ガス）を用いてもよい。流体流路を原燃料が流通することにより、ガス断熱層が形成され、筐体１４の外部への放熱が抑制されるとともに、燃料電池スタック１６の起動性が有効に向上するという利点が得られる。

さらに、前面部材３４の第１空間４６ａには、空気を第１フランジ部５０ａ及び第２フランジ部５０ｂに案内するためのガイド板５４ａ、５４ｂが配置されている。従って、前面部材３４の第１空間４６ａに供給された空気は、第１フランジ部５０ａ及び第２フランジ部５０ｂに向かって確実に流通することができ、前記第１フランジ部５０ａ及び前記第２フランジ部５０ｂを効率的に冷却することが可能になる。

さらにまた、筐体１４では、前面部材３４以外の少なくとも１つの面部材、本実施形態では、後面部材３６、右面部材３８及び左面部材４０には、空気流路４６の流路長を長尺化させるための第１仕切り板６８ａ〜第３仕切り板６８ｃが配置されている。これにより、空気流路４６を流通する空気の受熱時間が長くなるため、良好に昇温された前記空気を燃料電池スタック１６に供給することができる。

また、空気流路４６は、空気予熱器２０に最も近接する左面部材４０に空気出口である第５配管５８ｅを有している。このため、空気流路４６を流通して昇温された空気は、空気予熱器２０に供給されることにより、迅速に所望の温度まで昇温された後、燃料電池スタック１６に供給されている。しかも、空気出口と空気予熱器２０との距離が短尺化され、これらを接続する第５配管５８ｅが有効に短尺化されるため、経済的であるとともに、前記第５配管５８ｅを通過する際の放熱量が削減される。

さらに、筐体１４は、６つの面部材である前面部材３４、後面部材３６、右面部材３８、左面部材４０、下面部材４２及び上面部材４４を有する略立方体形状又は略直方体形状である。その際、空気流路４６は、空気予熱器２０に最も近接する左面部材４０に空気出口を有するとともに、前面部材３４、後面部材３６、右面部材３８、左面部材４０及び下面部材４２の内部に、前記空気流路４６が形成されている。なお、空気流路４６は、少なくとも３つの面部材〜６つの面部材の内部に形成されることが好ましい。

従って、筐体１４の内部に発生する熱は、空気流路４６を流通する空気により効率的に受熱することが可能になる。これにより、筐体１４内に配置されていた断熱材を削減することができ、燃料電池モジュール１０全体の小型化及びコストダウンが容易に図られる。

さらにまた、燃料電池モジュール１０は、水を蒸発させるとともに、水蒸気を改質器１８に供給する蒸発器２６を備えている。その際、燃料電池スタック１６、改質器１８、空気予熱器２０、排ガス燃焼器２２、起動用燃焼器２４及び蒸発器２６が組み付けられた燃料電池ユニット１２が形成されている。そして、燃料電池ユニット１２は、筐体１４の下面部材４２にのみ固定されている。

このため、燃料電池ユニット１２は、筐体１４の下面部材４２のみで締結されており、前記燃料電池ユニット１２と前記筐体１４とは、個別に熱変形することができ、熱応力集中を確実に抑制することが可能になる。

また、空気流路４６は、空気が前面部材３４の第１空間４６ａに最初に供給され、次いで、下面部材４２の第２空間４６ｂに供給されている。従って、比較的低温の空気を下面部材４２の第２空間４６ｂに供給することができ、前記下面部材４２と燃料電池ユニット１２とを締結するボルト（締結部）６２を良好に冷却することが可能になる。

さらに、燃料電池ユニット１２の外形形状は、筐体１４の内形形状と相似形である。これにより、前面部材３４、後面部材３６、右面部材３８、左面部材４０及び下面部材４２の内部を流通する空気によって、燃料電池ユニット１２の周囲に放出される熱を良好に受熱することができ、熱効率の向上が容易に図られる。

１０…燃料電池モジュール １２…燃料電池ユニット
１４…筐体 １６…燃料電池スタック
１８…改質器 ２０…空気予熱器
２２…排ガス燃焼器 ２４…起動用燃焼器
２６…蒸発器 ２８…燃料電池
３４…前面部材 ３６…後面部材
３８…右面部材 ４０…左面部材
４２…下面部材 ４４…上面部材
４６…空気流路 ４６ａ〜４６ｅ…空間
５０ａ、５０ｂ…フランジ部 ５２ａ、５２ｂ…グロープラグ
５４ａ、５４ｂ…ガイド板 ５６…空気流入管
５８ａ〜５８ｅ…配管 ６８ａ〜６８ｃ…仕切り板

Claims (10)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を複数積層した燃料電池スタックと、
   炭化水素を主体とする原燃料を改質し、前記燃料電池スタックに供給される前記燃料ガスを生成する改質器と、
   燃焼ガスとの熱交換により前記酸化剤ガスを昇温させるとともに、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する空気予熱器と、
   前記燃料電池スタックから排出される前記燃料ガスである燃料排ガスと前記酸化剤ガスである酸化剤排ガスとを燃焼させ、前記燃焼ガスを発生させる排ガス燃焼器と、
   前記原燃料と前記酸化剤ガスとを燃焼させて前記燃焼ガスを発生させる起動用燃焼器と、
   を備え、これらが筐体内に収容される燃料電池モジュールであって、
   前記筐体は、それぞれの内部が中空に形成され、筐体外壁面を構成する複数の面部材を有し、
   各面部材の内部を連続して連通する単一の流体流路が形成されるとともに、
   前記流体流路の流体入口が設けられ、流体が最初に流通される第１の面部材には、前記排ガス燃焼器の加熱源を構成して前記筐体の内部に挿入される加熱部材の固定用フランジ部が配設されることを特徴とする燃料電池モジュール。
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の面部材には、前記起動用燃焼器の加熱源を構成して前記筐体の内部に挿入される加熱部材の固定用フランジ部が配設されることを特徴とする燃料電池モジュール。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池モジュールにおいて、前記流体は、前記燃料電池スタックに供給される前の前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスの少なくとも一方であることを特徴とする燃料電池モジュール。
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、前記第１の面部材の内部には、前記流体を前記固定用フランジ部に案内するためのガイド板が配置されることを特徴とする燃料電池モジュール。
5. 請求項４記載の燃料電池モジュールにおいて、前記第１の面部材以外の少なくとも１つの前記面部材の内部には、前記流体流路の流路長を長尺化させるための蛇行流路用仕切り板が配置されることを特徴とする燃料電池モジュール。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記流体流路は、前記空気予熱器に最も近接する第２の面部材に流体出口を有することを特徴とする燃料電池モジュール。
7. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記筐体は、６つの前記面部材を有する立方体形状又は直方体形状であり、
   前記流体流路は、前記空気予熱器に最も近接する第２の面部材に流体出口を有するとともに、
   前記第１の面部材及び前記第２の面部材以外の少なくとも２つ乃至４つの前記面部材の内部に、前記流体流路が形成されることを特徴とする燃料電池モジュール。
8. 請求項７記載の燃料電池モジュールにおいて、水を蒸発させるとともに、水蒸気を前記改質器に供給する蒸発器を備え、
   前記燃料電池スタック、前記改質器、前記空気予熱器、前記排ガス燃焼器、前記起動用燃焼器及び前記蒸発器が組み付けられた燃料電池ユニットを形成するとともに、
   前記燃料電池ユニットは、前記筐体の第３の面部材にのみ固定されることを特徴とする燃料電池モジュール。
9. 請求項８記載の燃料電池モジュールにおいて、前記流体流路は、前記流体が前記第１の面部材の内部に最初に供給され、次いで、前記第３の面部材の内部に供給されることを特徴とする燃料電池モジュール。
10. 請求項８又は９記載の燃料電池モジュールにおいて、前記燃料電池ユニットの外形形状は、前記筐体の内形形状と相似形であることを特徴とする燃料電池モジュール。

Images