燃料電池モジュール
【課題】高出力化に伴い小型化された燃料電池モジュールにおいても、確実に水素リッチな改質ガスを燃料電池スタックに供給することが可能な燃料電池モジュールを提供する。
【解決手段】双方の燃料電池スタックの１ａ、１ｂの放熱を受熱して燃料ガスを改質するスタック間改質器２８を配置するとともに、一方の燃料電池スタック１ａ、１ｂの放熱を受熱して燃料ガスを改質する外周改質器２９を配置しており、且つ燃料ガスを外周改質器２９、スタック間改質器２８にと順に導入した後に、各々燃料電池スタック１ａ、１ｂの燃料極層３へと供給するように、燃料配管３１ａ〜３１ｄによって外周改質器２９の排出口とスタック間改質器２８の導入口を接続するとともに、スタック間改質器２８の排出口と各々燃料電池スタック１ａ，１ｂの燃料極層３とを接続する。
【解決手段】双方の燃料電池スタックの１ａ、１ｂの放熱を受熱して燃料ガスを改質するスタック間改質器２８を配置するとともに、一方の燃料電池スタック１ａ、１ｂの放熱を受熱して燃料ガスを改質する外周改質器２９を配置しており、且つ燃料ガスを外周改質器２９、スタック間改質器２８にと順に導入した後に、各々燃料電池スタック１ａ、１ｂの燃料極層３へと供給するように、燃料配管３１ａ〜３１ｄによって外周改質器２９の排出口とスタック間改質器２８の導入口を接続するとともに、スタック間改質器２８の排出口と各々燃料電池スタック１ａ，１ｂの燃料極層３とを接続する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電セルとセパレータとを交互に積層した燃料電池スタックの高出力化に伴い小型化した燃料電池モジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料の有する化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する燃料電池モジュールは、高効率でクリーンな発電装置として注目されている。そして、この燃料電池モジュールは、箱型の缶体内に、酸化物イオン導電体から成る固体電解質層の両面に空気極層（カソード）と燃料極層（アノード）とが配置された発電セルと、セパレータとを交互に積層した燃料電池スタックを配置するとともに、発電時に改質ガスを生成する改質器、発電時に水蒸気を生成する水気化器を配置することによって概略構成されている。
【０００３】
この燃料電池スタックは、発電時に、反応用ガスとして上記空気極層側に酸化剤ガス（酸素) が、また上記燃料極層側に燃料ガス（ＣＨ4等を含有する都市ガス）を上記改質器によって改質した改質ガス (Ｈ2、ＣＯ、ＣＯ2、Ｈ2Ｏ等) が供給される。
【０００４】
これにより、上記発電セル内において、上記空気極層側に供給された酸素は、上記空気極層内の気孔を通って上記固体電解質層との界面近傍に到達し、この部分で上記空気極層から電子を受け取って酸化物イオン（Ｏ2-）にイオン化される。この酸化物イオンは、上記燃料極層に向かって上記固体電解質層内を拡散移動する。そして、上記燃料極層との界面近傍に到達した酸化物イオンは、この部分で改質ガスと反応して反応生成物（Ｈ2Ｏ、ＣＯ2等）を生じ、上記燃料極層に電子を放出する。尚、電極反応で生じた電子は、別ルートの外部負荷にて起電力として取り出すことができる。
【０００５】
さて、近年の燃料電池モジュールは、発電セルの大型化に伴い高出力化が進み、単位容積あたりの出力密度が従来の燃料電池スタックよりも大きくなり、この結果、従来の燃料電池モジュールよりも小型化することが可能となった。
【０００６】
例えば、本発明者が発明した従来の５ｋＷ（ＤＣ６３００Ｗ）級燃料電池モジュールの場合、φ１２０ｍｍの発電セルとセパレータとを交互に複数積層して燃料電池スタックが構成されており、この燃料電池スタックが缶体内に縦横２行２列、高さ方向２段と計８個設置されていた。また、このφ１２０ｍｍの発電セルの出力密度は、約０．２Ｗ／ｃｍ２であった。
【０００７】
これに対し、本発明者が発明した近年の５ｋＷ級燃料電池モジュールの場合、φ１７０ｍｍの発電セルとセパレータを交互に複数積層して燃料電池スタックが構成されており、当該燃料電池スタックが缶体内に縦横１行２列、高さ方向１段と計２個設置されている。このように、発電セルの口径が大きくなり、且つ出力密度が０．４〜０．５Ｗ／ｃｍ２に向上して燃料電池スタック自体の大きさが大きくなっているものの、燃料電池スタックの設置数が少なくなっていることにより、燃料電池モジュールが全体として小型化されている。
【０００８】
ここで、上記燃料電池モジュールは、高効率発電を実施するためには、燃料ガスを高温雰囲気にある改質器に導入して、高い転化率で改質することにより得られる水素リッチな改質ガスを生成する必要がある。そのため、従来の燃料電池モジュールにおいては、上記改質器を燃料電池スタック近傍でも特に燃料電池スタックの放熱を受熱し易い燃料電池スタック同士の対向側面間に十字状の改質器を配置するとともに、最上段の燃料電池スタックから最下段の燃料電池スタックまで延在する高さに配置することによって、水素リッチな改質ガスを生成していた。
【０００９】
ところが、近年の燃料電池モジュールは、小型化されているために、従来の燃料電池モジュールと同様に燃料電池スタックの放熱を受熱し易い燃料電池スタック同士の間に配置するだけでは、全体的な改質触媒の容量および受熱面積が小さいため、水素リッチな改質ガスを生成することができなくなる可能性があった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、このような従来の課題に鑑みて成されたもので、高出力化に伴い小型化された燃料電池モジュールにおいても、確実に水素リッチな改質ガスを燃料電池スタックに供給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課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の燃料電池モジュールは、箱型の缶体内部に、固体電解質層の一方の表面に燃料極層が配置され、他方の表面に酸化剤極層が配置された発電セルとセパレータとを交互に積層した直方体状の燃料電池スタックを複数配置するとともに、上記燃料極層に改質された燃料ガスおよび上記酸化剤極層に酸化剤ガスを供給することにより発電反応を生じる燃料電池モジュールにおいて、上記燃料電池スタックが平面視において横方向に１行、縦方向に２列配置されるとともに、上記燃料電池スタック同士の間に、発電時に双方の燃料電池スタックの放熱を受熱して上記燃料ガスを改質する第１の改質器が配置され、それぞれの上記燃料電池スタックの上記第１の改質器が配置された面を除く外周面の少なくとも一面と上記缶体との間に、発電時に当該燃料電池スタックの放熱を受熱して上記燃料ガスを改質する第２の改質器が配置されており、且つ上記燃料ガスが上記第２の改質器に導入された後に、上記第１の改質器に導入されて各々燃料電池スタックの燃料極層へと供給されるように、燃料配管によって第２の改質器の排出口と第１の改質器の導入口が接続され、第１の改質器の排出口と各々燃料電池スタックの燃料極層とが接続されていることを特徴とするものである。
【００１２】
また、請求項２に記載の燃料電池モジュールは、請求項１に記載の燃料電池モジュールにおいて、上記缶体におけるそれぞれの上記燃料電池スタックの上記第１および第２の改質器が配置された面を除く外周面の少なくとも一面と対向する位置に、起動時に上記缶体内に向けて放射熱を放射する起動用加熱手段が配置されるとともに、それぞれの上記燃料電池スタックと上記起動用加熱手段との間に、上記第１の改質器に比べて上記燃料電池スタックの放熱の受熱面積が小さく、起動時に上記起動用加熱手段の放熱を受熱して上記燃料ガスを改質する第３の改質器が配置されており、且つ上記燃料ガスが上記第３の改質器に導入された後に上記第２の改質器に導入されるように、上記燃料配管によって第３の改質器の排出口と第２改質器の導入口が接続されていることを特徴とするものである。
【００１３】
さらに、請求項３に記載の燃料電池モジュールは、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、上記第３の改質器が上記燃料電池スタックの高さ方向の中央部近傍に配置されていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１に記載の燃料電池モジュールによれば、燃料電池スタックを平面視において横方向に１行、縦方向に２列配置するとともに、発電時に双方の上記燃料電池スタックの放熱を受熱して燃料ガスを改質する第１の改質器を配置し、発電時に一方の上記燃料電池スタックの放熱を受熱して上記燃料ガスを改質する少なくとも２つの第２の改質器を配置しているために、燃料電池モジュール全体としての改質触媒の容量および受熱面積を増加させることが可能となる。この結果、小型化された燃料電池モジュールにおいても、水素リッチな改質ガスを生成することが可能となる。
【００１５】
ところで、燃料電池モジュールに複数の改質器が配置されている場合、上記燃料ガスは、初期段階で最も温度が高い改質器において改質されると、その後、この改質器より温度が低い改質器に導入されても、改質がそれ以上進まないばかりか、低い温度での平衡組成へと逆改質反応が生じることがある。そのため、燃料配管によって第１の改質器、第２の改質器の順番で接続すると、第１の改質器において改質ガスを生成することが可能であるものの、第２の改質器における不十分な改質、さらには逆改質反応により、水素リッチな改質ガスを生成することができなくなる可能性がある。
【００１６】
これに対し、本発明の燃料電池モジュールは、燃料配管によって一方の燃料電池スタックのみの放熱を受熱している第２の改質器、双方の燃料電池スタックの放熱を受熱している第１の改質器、燃料電池スタックの燃料極層の順に接続しているために、燃料ガスは、第２改質器において殆ど改質ガスに改質された後に、第２の改質器より温度の高い第１の改質器においてより一層改質される。これにより、小型化された燃料電池モジュールにおいて、確実に水素リッチな改質ガスを生成することが可能となり、この結果、この水素リッチな改質ガスを燃料電池スタックの燃料極層へと供給する事が可能となる。
【００１７】
一方、請求項２に記載の燃料電池モジュールによれば、起動時に上記缶体内に向けて放射熱を放射する起動用加熱手段を配置するとともに、起動時に上記起動用加熱手段の放熱を受熱して上記燃料ガスを改質する第３の改質器を配置しているために、起動用加熱手段によって第３の改質器を加熱することにより、起動後早期段階で改質ガスを生成することが可能となる。そして、その改質ガスを燃料極層に供給することにより、当該燃料極層を還元状態に保つことができることから、燃料電池スタックの温度が３００℃以上になった際に生じる燃料極層の酸化を防止することが可能となる。
【００１８】
さらに、第３の改質器は、燃料電池スタックの温度が発電可能な温度に到達して発電が始まり、起動用加熱手段が停止しても、当該起動用加熱手段と燃料電池スタックとの間に配置されているために、燃料電池スタックの放熱を受熱することが可能である。これにより、第１の改質器に比べて燃料電池スタックの放熱の受熱面積が小さく温度が低いため、水素リッチな改質ガスを生成することができないものの、燃料ガスを予熱することが可能となるとともに一部の燃料ガスを改質することが可能となる。
【００１９】
さらに、請求項３に記載の燃料電池モジュールによれば、燃料電池スタックの中でもジュール熱が発散し難く、特にセル温度が高温状態にある燃料電池スタックの高さ方向の中央部近傍に、第３の改質器を配置しているために、この第３の改質器の改質反応は吸熱反応であり、発電時に第３の改質器が改質反応を行うことにより、燃料電池スタックの高さ方向の中央部近傍の熱を効果的に吸熱する。これにより、燃料電池スタックの高さ方向の温度分布が均一化されて、燃料電池スタック全体としての発電の効率化が図れると共に、高温下において生じ易い電極層の剥離等、発電セルの破損を防止することができ、燃料電池の耐久性を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明に係る燃料電池モジュールの一実施形態を示す斜視図である。
【図２】図１のスタック間改質器、外周改質器、起動用改質器および燃料配管の取り回しを示す斜視図である。
【図３】図１の平面図である。
【図４】図１の底面図である。
【図５】図１の燃料電池スタックの主要部を示す拡大図である。
【図６】図５のセパレータを示す平面図である。
【図７】図１の赤外線バーナの説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図１は、本発明に係る燃料電池モジュールの一実施形態を示すもので、図中符号１ａ，１ｂは燃料電池スタックである。
この燃料電池スタック１ａ、１ｂは、図５に示すように、固体電解質層２の一方の面に燃料極層３が配置されるとともに、他方の面に空気極層４が配置された発電セル５とセパレータ６とを交互に複数配置することにより構成されており、且つ燃料極層３とセパレータ６との間には、燃料極集電体７が配置されるとともに、空気極層４とセパレータ６との間には、空気極集電体８が配置されている。
【００２２】
ここで、この固体電解質層２は、イットリアを添加した安定化ジルコニア（ＹＳＺ）あるいはランタンガレート材料（ＬａＧａＯ3）等で円板状に構成され、燃料極層３はＮｉ等の金属あるいはＮｉ−ＹＳＺ等のサーメットで円状に形成され、空気極層４はＬａＭｎＯ3、ＬａＣｏＯ3等で円状に形成されている。また、燃料極集電体７はＮｉ等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で円形に構成され、空気極集電体８はＡｇ等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で円形に構成されている。
【００２３】
さらに、セパレータ６は、図６に示すように、厚さ数ｍｍの略方形状のステンレス製の板材で構成されており、上述した発電セル５、各集電体７、８が積層される中央のセパレータ本体と９、このセパレータ本体９より面方向に延設されて、当該セパレータ本体９の対向縁部を２箇所で支持する一対のセパレータアーム１０、１１とで構成されている。
【００２４】
そして、セパレータ本体９は、集電体７、８を介して発電セル５間を電気的に接続すると共に、発電セル５に対して反応用ガスを供給する機能を有し、その内部に燃料ガスをセパレータ６の縁部から導入してセパレータ６の燃料極集電体７に対向する面の中央部の吐出口１２から噴出させる燃料ガス通路１３と、酸化剤ガス（空気）をセパレータ６の縁部から導入してセパレータ６の空気極集電体８に対向する面の中央部の吐出口１４から噴出させる酸化剤ガス通路１５とを有する。
【００２５】
また、各セパレータアーム１０、１１は、それぞれセパレータ本体９の外周辺に沿って僅かな隙間を持って対向角隅部に延設される細長帯状として積層方向に可撓性を持たせた構造とされると共に、これらセパレータアーム１０、１１の端部１６、１７に板厚方向に貫通する一対のガス孔１８、１９が設けられている。
一方のガス孔１８はセパレータ６の燃料ガス通路１３に連通し、他方のガス孔１９はセパレータ６の酸化剤ガス通路１５に連通し、各々のガス孔１８、１９からこれらのガス通路１３、１５通して各発電セル５の各電極３、４面に燃料ガスや酸化剤ガスを供給するようになっている。
【００２６】
そして、図５に示すように、各セパレータ６の本体９間に、それぞれ発電セル５および集電体７、８を介在させるとともに、各セパレータ６のガス孔１８、１９間に各々絶縁性のマニホールドリング２０を介在させることによって、ガス孔１８およびマニホールドリング２０によって燃料ガスマニホールド２１が構成され、ガス孔１９およびマニホールドリング２０によって空気マニホールド２２が構成されている。
【００２７】
このようにして構成された燃料電池スタック１ａ、１ｂは、図３に示すように、内部缶体２３と外部缶体２４との間に断熱材２５配して構成された缶体２６によって覆われており、内部缶体２３の中央部に、縦横方向に２行１列に並べて配置され、各燃料電池スタック１ａ、１ｂが互いの間に隙間を空けて、図１に示す架台２７に載置された状態で配置されている。
【００２８】
一方、これらの燃料電池スタック１ａ，１ｂ同士の間には、図３に示すように、スタック間改質器（第１の改質器）２８が配置されている。このスタック間改質器２８は、図１に示すように、燃料電池スタック１ａ、１ｂの高さ方向の上端部から下端部まで延在する高さを有している。
【００２９】
また、図３に示すように、燃料電池スタック１ａの図中上方側の外周面と缶体２６との間および燃料電池スタック１ｂの図中下方側の外周面と缶体２６との間には、外周改質器（第２の改質器）２９が配置されている。この外周改質器２９も、スタック間改質器２８と同様に、図１に示すように、燃料電池スタック１ａ、１ｂの高さ方向の上端部から下端部まで延在する高さを有している。
【００３０】
さらに、図３に示すように、燃料電池スタック１ａの図中下方側の外周面と缶体２６との間および燃料電池スタック１ｂの図中上方側の外周面と缶体２６との間には、起動用改質器（第３の改質器）３０が配置されている。この起動用改質器３０は、スタック間および外周改質器２８、２９に比べて、燃料電池スタック１ａ、１ｂとの対向面の面積が小さく構成されるとともに、図１に示すように、燃料電池スタック１ａ、１ｂの高さ方向の中央部近傍に配置されている。
【００３１】
そして、これらの改質器２８、２９、３０の内部には、炭化水素用のＮｉ（ニッケル）系、或いはＲｕ（ルテニウム）系の改質触媒が充填されている。
【００３２】
また、これらの改質器２８、２９、３０は、図２に示すように、燃料配管３１ａ〜３１ｄによって缶体２６の外部と起動用改質器２８の導入口、起動用改質器２８の排出口と外周改質器２７の導入口、外周改質器２７の排出口とスタック間改質器２６の導入口、スタック間改質器２６と燃料ガスマニホールド２１とがそれぞれ接続されている。
【００３３】
他方、図３に示すように、缶体２６におけるに起動用改質器３０の対向面には、缶体２６内に向けて放熱する起動用の赤外線バーナ（起動用加熱手段）３２が背面側を断熱材２５に埋没した状態で設置されている。そして、この赤外線バーナ３２は、図７に示すように、細長箱形に形成されたＳＵＳ製の内箱３３と、その前面開口部に取り付けられた多孔質セラミックス製板材の燃焼プレート３４と、内箱３３の背面部に形成されたガス導入口３５に接続されたバーナ用燃焼ガスを供給する供給配管３６とによって構成されている。この内箱３３は、その背面部に一回り大きい同形状のＳＵＳ製の外箱３７が重ねられるとともに、これら内箱３３と外箱３７は、それぞれの周縁部に設けたフランジ３８、３９が重なり合って一体的に固定されることにより、両者の間に空気流路４０が形成されている。
【００３４】
さらに、この空気流路４０には、空気配管４１ａ〜４１ｂによって缶体２６の外部と空気流路４０、空気流路４０と空気マニホールド２２とがそれぞれ接続されている。
これによって、供給配管３６から混合ガスが供給されることにより、内箱３３は混合ガスが充満した燃焼用の混合ガス室として機能するとともに、起動時に空気配管４１ａから空気流路４０に空気が供給されることにより、空気流路４０の空気が加熱されることから、各赤外線バーナ３２と外箱３７とによってそれぞれ起動用空気加熱器４２が構成されている。また、各外箱３７は、それぞれ赤外線バーナ３２の冷却機構としても機能する。
【００３５】
また、図１および図４に示すように、燃料電池スタック１ａ、１ｂと赤外線バーナ３２との間に、気化筒４３が配置されている。この気化筒４３は、燃料電池スタック１ａ、１ｂ高さ方向の上端部から下端部まで延在する高さを有している。
【００３６】
さらに、図４に示すように、缶体２６の下部には、発電時に缶体２６内に放出された高温の排ガスを排出する排出口４８が設けられており、当該排出口４８には水気化器４４が配置されている。
【００３７】
そして、この水気化器４４には、水配管４５が接続されており、当該水配管４５によって缶体２６の外部と水気化器４５が接続されるとともに、当該水配管４５は、図１および図３に示すように、缶体２５の断熱材２５に囲われ、缶体２５の全面を沿うようにして設けられている。さらに、水気化器４４には、水蒸気配管４６ａが接続されており、当該水蒸気配管４６ａによって水気化器４４の排出口と気化筒４３の導入口とが接続されている。
【００３８】
また、気化筒４３には、水蒸気配管４６ｂが接続されており、当該水蒸気配管４６ｂによって気化筒４３の排出口と起動用改質器３０の上流に設けられた燃料混合部４７とが接続されている。
【００３９】
次いで、本実施形態の燃料電池モジュールの起動時の運転方法について説明する。
まず、赤外線バーナ３２を起動し缶体２６内を温度上昇させるとともに、これと並行して、燃料ガスを燃料配管３１ａの導入口に、純水を水配管４５に、外部空気を空気配管４１ａの導入口にそれぞれ供給する。
【００４０】
すると、水配管４５に供給された水は、水気化器４４を介して、水蒸気配管４６ａに供給された後に、気化筒４３に供給される。そして、赤外線バーナ３２の放熱を受熱して昇温された気化筒４３によって水蒸気となる。その後、水蒸気配管４６ｂに供給された上記水蒸気は、燃料混合部４７へと供給された後に、燃料混合部４７において燃料ガスと混合される。
一方、燃料配管３１ａに供給された燃料ガスは、上記水蒸気と混合されつつ、起動用改質器３０に導入される。
【００４１】
これにより、燃料配管３１ａに供給された水蒸気と混合した燃料ガスは、燃料電池スタック１ａ，１ｂの放熱を受熱して昇温された起動用改質器３０において改質されて改質ガスとなり、当該改質ガスが、外周改質器２９およびスタック間改質器２８を介して、燃料配管３１ｄによって燃料ガスマニホールド２１へと供給される。そして、燃料ガスマニホールド２１からセパレータ６の燃料ガス通路１３を通じて吐出口１２に至り、この吐出口１２から燃料極集電体７を拡散移動し、さらに、燃料極層３から固体電解質層２に向けて移動する。
【００４２】
以上のように、上記燃料電池モジュールにおいては、赤外線バーナ３２によって起動用改質器３０を加熱することにより、起動後早期段階で改質ガスを生成することが可能となる。そして、その改質ガスを燃料極層３に供給することにより、当該燃料極層３を還元状態に保つことができることから、燃料電池スタック１ａ、１ｂの温度が３００℃以上になった際に生じる燃料極層３の酸化を防止することが可能となる。
【００４３】
なお、起動後早期段階において、起動用改質器３０よりも外周改質器２９およびスタック間改質器２８の方が低温であり、起動用改質器３０で生成された改質ガスが外周改質器２９およびスタック間改質器２８内で逆改質反応が生じ、起動用改質器３０で生成された改質ガスより、水素プアな改質ガスが燃料極層３に供給されるために、燃料極層３が酸化すると懸念される。しかしながら、起動後早期段階において、外周改質器２９およびスタック間改質器２８は、温度が低すぎるが故に改質触媒の活性が小さくなるために、逆改質反応が生じても燃料極層の酸化を防止するのに充分な改質ガスを燃料極層に供給することが可能である。
【００４４】
その後、燃料電池スタック１ａ、１ｂは、赤外線バーナ３２の放熱によって昇温された缶体２６内の大気の熱を受熱するとともに、燃料電池スタック１ａ、１ｂに供給された高温の改質ガスの熱を受熱することにより昇温され、スタック温度が５００℃に到達することにより起動して発電反応が開始される。
【００４５】
そして、燃料電池スタック１ａ、１ｂは、発電反応を開始すると、当該発電反応は発熱反応であることから、発電反応の熱によって７００℃以上に昇温される。また、それに伴い、改質器２８、２９、３０も燃料電池スタック１ａ、１ｂの放熱によって、改質可能な温度に昇温されることから、赤外線バーナ３２が停止される。
【００４６】
次に、本実施形態の燃料電池モジュールの発電時の運転方法を説明する。
起動時と同様にして、燃料ガスを燃料配管３１ａの導入口に、純水を水配管４５に、外部空気を空気配管４１ａの導入口にそれぞれ供給する。
【００４７】
すると、水配管４５に供給された水は、缶体２６内の大気の熱を受熱して１５０℃程度まで昇温された断熱材２５によって水と水蒸気が混合された状態となり、水気化器４４へと供給される。そして、缶体２６内の高温の排ガスによって加熱された水気化器４４によって完全に水蒸気となる。その後、水蒸気配管４６ａに供給された水蒸気は、缶体２６内の大気の熱を吸熱した気化筒４３によってさらに加熱される。そして、水蒸気配管４７ｂに供給された水蒸気は、燃料混合部４７に供給された後に、燃料混合部４７において燃料ガスと混合される。
一方、燃料配管３１ａに供給された燃料ガスは、上記水蒸気と混合されつつ、起動用改質器３０に導入される。
【００４８】
これにより、燃料配管３１ａに供給された水蒸気と混合した燃料ガスは、燃料電池スタック１ａ，１ｂの放熱を受熱して昇温された起動用改質器３０において予熱されるとともに一部改質されて改質ガスとなり、燃料配管３１ｂによって燃料電池スタック１ａ，１ｂそれぞれの放熱を受熱して起動用改質器３０より高温に昇温された外周改質器２９に供給されて、当該外周改質器２９においてその殆どが改質される。その後、燃料配管３１ｃによって燃料電池スタック１ａ，１ｂの放熱を受熱して外周改質器２９より高温に昇温されたスタック間改質器２８に供給され、当該スタック間改質器２８よってより一層改質された後に、燃料配管３１ｄによって燃料ガスマニホールド２１へと供給される。そして、燃料ガスマニホールド２１からセパレータ６の燃料ガス通路１３を通じて吐出口１２に至り、この吐出口１２から燃料極集電体７を拡散移動し、さらに、燃料極層３から固体電解質層２に向けて移動する。
【００４９】
他方、空気配管４１ａに供給された空気は、空気配管４１ａから各起動用空気加熱器４２に供給されて、赤外線バーナ３２を冷却しつつ直接的に加熱された後に、空気配管４１ｂによって燃料電池スタック１ａ、１ｂの空気マニホールド２２に供給される。そして、空気マニホールド２２からセパレータ６の酸化剤ガス通路１５を通じて吐出口１４に至り、この吐出口１４から空気極集電体８を拡散移動し、さらに、空気極層４において空気中の酸素が電子を受け取って酸化物イオンとなる。この酸化物イオンは、燃料極層３に向かって固体電解質層２内を拡散移動し、これによって、燃料極層３との界面近傍に到達した酸化物イオンは、この部分で改質ガスと反応して水蒸気などの反応生成物を生じ、燃料極層３に電子を放出する。そして、この電子が、別ルートの外部負荷にて起電力として取り出される。
【００５０】
以上の構成からなる燃料電池モジュールによれば、スタック間改質器２８、２つの外周改質器２９を配置しているために、燃料電池モジュール全体としての改質触媒の容量および受熱面積を増加させることが可能となる。この結果、小型化された燃料電池モジュールにおいても、水素リッチな改質ガスを生成することが可能となる。
【００５１】
また、起動用改質器３０、外周改質器２９およびスタック間改質器２８、燃料ガスマニホールド２１を、燃料配管３１ａ〜３１ｄによって起動用改質器３０、外周改質器２９、スタック間改質器２８、燃料ガスマニホールド２１の順番に接続しているために、上記燃料ガスは、起動用改質器３０において予熱されるとともに一部改質され、起動用改質器３０より温度の高い外周改質器２９においてその殆どが改質された後に、スタック間改質器２８においてより一層改質される。この結果、小型化された燃料電池モジュールにおいて、確実に水素リッチな改質ガスを生成することが可能となり、この水素リッチな改質ガスを燃料電池スタック１ａ、１ｂの燃料極層３に供給する事が可能となる。
【００５２】
さらに、燃料電池スタック１ａ、１ｂの中でもジュール熱が発散し難く、特にセル温度が高温状態にある燃料電池スタック１ａ、１ｂの高さ方向の中央部近傍に、起動用改質器３０を配置すると、当該起動用改質器３０の改質反応は吸熱反応であることから、発電時に起動用改質器３０が改質反応を行なうことにより、燃料電池スタック１ａ、１ｂの高さ方向の中央部近傍の熱を効果的に吸熱する。これにより、燃料電池スタック１ａ、１ｂの高さ方向の温度分布が均一化されて、燃料電池スタック１ａ、１ｂ全体としての発電の効率化が図れると共に、高温下において生じ易い電極層３、４の剥離等、発電セル５の破損を防止することができ、燃料電池モジュールの耐久性を向上することが可能となる。
【実施例】
【００５３】
本実施形態の燃料電池モジュールにおいて、スタック間改質器２８の排出口に温度計を設置して温度を測定した。
【００５４】
この際、上記実施形態の燃料電池モジュールと比較するために、スタック間改質器２８、外周改質器２９、起動用改質器３０の順に燃料配管３１ａ〜３１ｄを接続して、起動用改質器３０の排出口に温度計を設置して温度を測定した。
【００５５】
すると、上記燃料電池モジュールの起動用改質器３０の排出口の温度は６１０℃〜６３０℃となり、本実施形態スタック間改質器２８の排出口の温度は７００℃となった。
【００５６】
この結果、燃料配管３１ａ〜３１ｄによって燃料電池スタック１ａ、１ｂの放熱を受熱し難い改質器から受熱し易い改質器へと順番に接続することにより、燃料電池スタック１ａ、１ｂに温度の高い改質ガス、即ち確実に水素リッチな改質ガスを供給することが可能であることが実証された。
【符号の説明】
【００５７】
１ａ〜１ｂ 燃料電池スタック
２ 固体電解質層
３ 燃料極層
４ 空気極層
２６ 缶体
２８ スタック間改質器（第１の改質器）
２９ 外周改質器（第２の改質器）
３０ 起動用改質器（第３の改質器）
３１ａ〜３１ｄ 燃料配管
３２ 赤外線バーナ（起動用加熱手段）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電セルとセパレータとを交互に積層した燃料電池スタックの高出力化に伴い小型化した燃料電池モジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料の有する化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する燃料電池モジュールは、高効率でクリーンな発電装置として注目されている。そして、この燃料電池モジュールは、箱型の缶体内に、酸化物イオン導電体から成る固体電解質層の両面に空気極層（カソード）と燃料極層（アノード）とが配置された発電セルと、セパレータとを交互に積層した燃料電池スタックを配置するとともに、発電時に改質ガスを生成する改質器、発電時に水蒸気を生成する水気化器を配置することによって概略構成されている。
【０００３】
この燃料電池スタックは、発電時に、反応用ガスとして上記空気極層側に酸化剤ガス（酸素) が、また上記燃料極層側に燃料ガス（ＣＨ4等を含有する都市ガス）を上記改質器によって改質した改質ガス (Ｈ2、ＣＯ、ＣＯ2、Ｈ2Ｏ等) が供給される。
【０００４】
これにより、上記発電セル内において、上記空気極層側に供給された酸素は、上記空気極層内の気孔を通って上記固体電解質層との界面近傍に到達し、この部分で上記空気極層から電子を受け取って酸化物イオン（Ｏ2-）にイオン化される。この酸化物イオンは、上記燃料極層に向かって上記固体電解質層内を拡散移動する。そして、上記燃料極層との界面近傍に到達した酸化物イオンは、この部分で改質ガスと反応して反応生成物（Ｈ2Ｏ、ＣＯ2等）を生じ、上記燃料極層に電子を放出する。尚、電極反応で生じた電子は、別ルートの外部負荷にて起電力として取り出すことができる。
【０００５】
さて、近年の燃料電池モジュールは、発電セルの大型化に伴い高出力化が進み、単位容積あたりの出力密度が従来の燃料電池スタックよりも大きくなり、この結果、従来の燃料電池モジュールよりも小型化することが可能となった。
【０００６】
例えば、本発明者が発明した従来の５ｋＷ（ＤＣ６３００Ｗ）級燃料電池モジュールの場合、φ１２０ｍｍの発電セルとセパレータとを交互に複数積層して燃料電池スタックが構成されており、この燃料電池スタックが缶体内に縦横２行２列、高さ方向２段と計８個設置されていた。また、このφ１２０ｍｍの発電セルの出力密度は、約０．２Ｗ／ｃｍ２であった。
【０００７】
これに対し、本発明者が発明した近年の５ｋＷ級燃料電池モジュールの場合、φ１７０ｍｍの発電セルとセパレータを交互に複数積層して燃料電池スタックが構成されており、当該燃料電池スタックが缶体内に縦横１行２列、高さ方向１段と計２個設置されている。このように、発電セルの口径が大きくなり、且つ出力密度が０．４〜０．５Ｗ／ｃｍ２に向上して燃料電池スタック自体の大きさが大きくなっているものの、燃料電池スタックの設置数が少なくなっていることにより、燃料電池モジュールが全体として小型化されている。
【０００８】
ここで、上記燃料電池モジュールは、高効率発電を実施するためには、燃料ガスを高温雰囲気にある改質器に導入して、高い転化率で改質することにより得られる水素リッチな改質ガスを生成する必要がある。そのため、従来の燃料電池モジュールにおいては、上記改質器を燃料電池スタック近傍でも特に燃料電池スタックの放熱を受熱し易い燃料電池スタック同士の対向側面間に十字状の改質器を配置するとともに、最上段の燃料電池スタックから最下段の燃料電池スタックまで延在する高さに配置することによって、水素リッチな改質ガスを生成していた。
【０００９】
ところが、近年の燃料電池モジュールは、小型化されているために、従来の燃料電池モジュールと同様に燃料電池スタックの放熱を受熱し易い燃料電池スタック同士の間に配置するだけでは、全体的な改質触媒の容量および受熱面積が小さいため、水素リッチな改質ガスを生成することができなくなる可能性があった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、このような従来の課題に鑑みて成されたもので、高出力化に伴い小型化された燃料電池モジュールにおいても、確実に水素リッチな改質ガスを燃料電池スタックに供給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課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の燃料電池モジュールは、箱型の缶体内部に、固体電解質層の一方の表面に燃料極層が配置され、他方の表面に酸化剤極層が配置された発電セルとセパレータとを交互に積層した直方体状の燃料電池スタックを複数配置するとともに、上記燃料極層に改質された燃料ガスおよび上記酸化剤極層に酸化剤ガスを供給することにより発電反応を生じる燃料電池モジュールにおいて、上記燃料電池スタックが平面視において横方向に１行、縦方向に２列配置されるとともに、上記燃料電池スタック同士の間に、発電時に双方の燃料電池スタックの放熱を受熱して上記燃料ガスを改質する第１の改質器が配置され、それぞれの上記燃料電池スタックの上記第１の改質器が配置された面を除く外周面の少なくとも一面と上記缶体との間に、発電時に当該燃料電池スタックの放熱を受熱して上記燃料ガスを改質する第２の改質器が配置されており、且つ上記燃料ガスが上記第２の改質器に導入された後に、上記第１の改質器に導入されて各々燃料電池スタックの燃料極層へと供給されるように、燃料配管によって第２の改質器の排出口と第１の改質器の導入口が接続され、第１の改質器の排出口と各々燃料電池スタックの燃料極層とが接続されていることを特徴とするものである。
【００１２】
また、請求項２に記載の燃料電池モジュールは、請求項１に記載の燃料電池モジュールにおいて、上記缶体におけるそれぞれの上記燃料電池スタックの上記第１および第２の改質器が配置された面を除く外周面の少なくとも一面と対向する位置に、起動時に上記缶体内に向けて放射熱を放射する起動用加熱手段が配置されるとともに、それぞれの上記燃料電池スタックと上記起動用加熱手段との間に、上記第１の改質器に比べて上記燃料電池スタックの放熱の受熱面積が小さく、起動時に上記起動用加熱手段の放熱を受熱して上記燃料ガスを改質する第３の改質器が配置されており、且つ上記燃料ガスが上記第３の改質器に導入された後に上記第２の改質器に導入されるように、上記燃料配管によって第３の改質器の排出口と第２改質器の導入口が接続されていることを特徴とするものである。
【００１３】
さらに、請求項３に記載の燃料電池モジュールは、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、上記第３の改質器が上記燃料電池スタックの高さ方向の中央部近傍に配置されていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１に記載の燃料電池モジュールによれば、燃料電池スタックを平面視において横方向に１行、縦方向に２列配置するとともに、発電時に双方の上記燃料電池スタックの放熱を受熱して燃料ガスを改質する第１の改質器を配置し、発電時に一方の上記燃料電池スタックの放熱を受熱して上記燃料ガスを改質する少なくとも２つの第２の改質器を配置しているために、燃料電池モジュール全体としての改質触媒の容量および受熱面積を増加させることが可能となる。この結果、小型化された燃料電池モジュールにおいても、水素リッチな改質ガスを生成することが可能となる。
【００１５】
ところで、燃料電池モジュールに複数の改質器が配置されている場合、上記燃料ガスは、初期段階で最も温度が高い改質器において改質されると、その後、この改質器より温度が低い改質器に導入されても、改質がそれ以上進まないばかりか、低い温度での平衡組成へと逆改質反応が生じることがある。そのため、燃料配管によって第１の改質器、第２の改質器の順番で接続すると、第１の改質器において改質ガスを生成することが可能であるものの、第２の改質器における不十分な改質、さらには逆改質反応により、水素リッチな改質ガスを生成することができなくなる可能性がある。
【００１６】
これに対し、本発明の燃料電池モジュールは、燃料配管によって一方の燃料電池スタックのみの放熱を受熱している第２の改質器、双方の燃料電池スタックの放熱を受熱している第１の改質器、燃料電池スタックの燃料極層の順に接続しているために、燃料ガスは、第２改質器において殆ど改質ガスに改質された後に、第２の改質器より温度の高い第１の改質器においてより一層改質される。これにより、小型化された燃料電池モジュールにおいて、確実に水素リッチな改質ガスを生成することが可能となり、この結果、この水素リッチな改質ガスを燃料電池スタックの燃料極層へと供給する事が可能となる。
【００１７】
一方、請求項２に記載の燃料電池モジュールによれば、起動時に上記缶体内に向けて放射熱を放射する起動用加熱手段を配置するとともに、起動時に上記起動用加熱手段の放熱を受熱して上記燃料ガスを改質する第３の改質器を配置しているために、起動用加熱手段によって第３の改質器を加熱することにより、起動後早期段階で改質ガスを生成することが可能となる。そして、その改質ガスを燃料極層に供給することにより、当該燃料極層を還元状態に保つことができることから、燃料電池スタックの温度が３００℃以上になった際に生じる燃料極層の酸化を防止することが可能となる。
【００１８】
さらに、第３の改質器は、燃料電池スタックの温度が発電可能な温度に到達して発電が始まり、起動用加熱手段が停止しても、当該起動用加熱手段と燃料電池スタックとの間に配置されているために、燃料電池スタックの放熱を受熱することが可能である。これにより、第１の改質器に比べて燃料電池スタックの放熱の受熱面積が小さく温度が低いため、水素リッチな改質ガスを生成することができないものの、燃料ガスを予熱することが可能となるとともに一部の燃料ガスを改質することが可能となる。
【００１９】
さらに、請求項３に記載の燃料電池モジュールによれば、燃料電池スタックの中でもジュール熱が発散し難く、特にセル温度が高温状態にある燃料電池スタックの高さ方向の中央部近傍に、第３の改質器を配置しているために、この第３の改質器の改質反応は吸熱反応であり、発電時に第３の改質器が改質反応を行うことにより、燃料電池スタックの高さ方向の中央部近傍の熱を効果的に吸熱する。これにより、燃料電池スタックの高さ方向の温度分布が均一化されて、燃料電池スタック全体としての発電の効率化が図れると共に、高温下において生じ易い電極層の剥離等、発電セルの破損を防止することができ、燃料電池の耐久性を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明に係る燃料電池モジュールの一実施形態を示す斜視図である。
【図２】図１のスタック間改質器、外周改質器、起動用改質器および燃料配管の取り回しを示す斜視図である。
【図３】図１の平面図である。
【図４】図１の底面図である。
【図５】図１の燃料電池スタックの主要部を示す拡大図である。
【図６】図５のセパレータを示す平面図である。
【図７】図１の赤外線バーナの説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図１は、本発明に係る燃料電池モジュールの一実施形態を示すもので、図中符号１ａ，１ｂは燃料電池スタックである。
この燃料電池スタック１ａ、１ｂは、図５に示すように、固体電解質層２の一方の面に燃料極層３が配置されるとともに、他方の面に空気極層４が配置された発電セル５とセパレータ６とを交互に複数配置することにより構成されており、且つ燃料極層３とセパレータ６との間には、燃料極集電体７が配置されるとともに、空気極層４とセパレータ６との間には、空気極集電体８が配置されている。
【００２２】
ここで、この固体電解質層２は、イットリアを添加した安定化ジルコニア（ＹＳＺ）あるいはランタンガレート材料（ＬａＧａＯ3）等で円板状に構成され、燃料極層３はＮｉ等の金属あるいはＮｉ−ＹＳＺ等のサーメットで円状に形成され、空気極層４はＬａＭｎＯ3、ＬａＣｏＯ3等で円状に形成されている。また、燃料極集電体７はＮｉ等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で円形に構成され、空気極集電体８はＡｇ等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で円形に構成されている。
【００２３】
さらに、セパレータ６は、図６に示すように、厚さ数ｍｍの略方形状のステンレス製の板材で構成されており、上述した発電セル５、各集電体７、８が積層される中央のセパレータ本体と９、このセパレータ本体９より面方向に延設されて、当該セパレータ本体９の対向縁部を２箇所で支持する一対のセパレータアーム１０、１１とで構成されている。
【００２４】
そして、セパレータ本体９は、集電体７、８を介して発電セル５間を電気的に接続すると共に、発電セル５に対して反応用ガスを供給する機能を有し、その内部に燃料ガスをセパレータ６の縁部から導入してセパレータ６の燃料極集電体７に対向する面の中央部の吐出口１２から噴出させる燃料ガス通路１３と、酸化剤ガス（空気）をセパレータ６の縁部から導入してセパレータ６の空気極集電体８に対向する面の中央部の吐出口１４から噴出させる酸化剤ガス通路１５とを有する。
【００２５】
また、各セパレータアーム１０、１１は、それぞれセパレータ本体９の外周辺に沿って僅かな隙間を持って対向角隅部に延設される細長帯状として積層方向に可撓性を持たせた構造とされると共に、これらセパレータアーム１０、１１の端部１６、１７に板厚方向に貫通する一対のガス孔１８、１９が設けられている。
一方のガス孔１８はセパレータ６の燃料ガス通路１３に連通し、他方のガス孔１９はセパレータ６の酸化剤ガス通路１５に連通し、各々のガス孔１８、１９からこれらのガス通路１３、１５通して各発電セル５の各電極３、４面に燃料ガスや酸化剤ガスを供給するようになっている。
【００２６】
そして、図５に示すように、各セパレータ６の本体９間に、それぞれ発電セル５および集電体７、８を介在させるとともに、各セパレータ６のガス孔１８、１９間に各々絶縁性のマニホールドリング２０を介在させることによって、ガス孔１８およびマニホールドリング２０によって燃料ガスマニホールド２１が構成され、ガス孔１９およびマニホールドリング２０によって空気マニホールド２２が構成されている。
【００２７】
このようにして構成された燃料電池スタック１ａ、１ｂは、図３に示すように、内部缶体２３と外部缶体２４との間に断熱材２５配して構成された缶体２６によって覆われており、内部缶体２３の中央部に、縦横方向に２行１列に並べて配置され、各燃料電池スタック１ａ、１ｂが互いの間に隙間を空けて、図１に示す架台２７に載置された状態で配置されている。
【００２８】
一方、これらの燃料電池スタック１ａ，１ｂ同士の間には、図３に示すように、スタック間改質器（第１の改質器）２８が配置されている。このスタック間改質器２８は、図１に示すように、燃料電池スタック１ａ、１ｂの高さ方向の上端部から下端部まで延在する高さを有している。
【００２９】
また、図３に示すように、燃料電池スタック１ａの図中上方側の外周面と缶体２６との間および燃料電池スタック１ｂの図中下方側の外周面と缶体２６との間には、外周改質器（第２の改質器）２９が配置されている。この外周改質器２９も、スタック間改質器２８と同様に、図１に示すように、燃料電池スタック１ａ、１ｂの高さ方向の上端部から下端部まで延在する高さを有している。
【００３０】
さらに、図３に示すように、燃料電池スタック１ａの図中下方側の外周面と缶体２６との間および燃料電池スタック１ｂの図中上方側の外周面と缶体２６との間には、起動用改質器（第３の改質器）３０が配置されている。この起動用改質器３０は、スタック間および外周改質器２８、２９に比べて、燃料電池スタック１ａ、１ｂとの対向面の面積が小さく構成されるとともに、図１に示すように、燃料電池スタック１ａ、１ｂの高さ方向の中央部近傍に配置されている。
【００３１】
そして、これらの改質器２８、２９、３０の内部には、炭化水素用のＮｉ（ニッケル）系、或いはＲｕ（ルテニウム）系の改質触媒が充填されている。
【００３２】
また、これらの改質器２８、２９、３０は、図２に示すように、燃料配管３１ａ〜３１ｄによって缶体２６の外部と起動用改質器２８の導入口、起動用改質器２８の排出口と外周改質器２７の導入口、外周改質器２７の排出口とスタック間改質器２６の導入口、スタック間改質器２６と燃料ガスマニホールド２１とがそれぞれ接続されている。
【００３３】
他方、図３に示すように、缶体２６におけるに起動用改質器３０の対向面には、缶体２６内に向けて放熱する起動用の赤外線バーナ（起動用加熱手段）３２が背面側を断熱材２５に埋没した状態で設置されている。そして、この赤外線バーナ３２は、図７に示すように、細長箱形に形成されたＳＵＳ製の内箱３３と、その前面開口部に取り付けられた多孔質セラミックス製板材の燃焼プレート３４と、内箱３３の背面部に形成されたガス導入口３５に接続されたバーナ用燃焼ガスを供給する供給配管３６とによって構成されている。この内箱３３は、その背面部に一回り大きい同形状のＳＵＳ製の外箱３７が重ねられるとともに、これら内箱３３と外箱３７は、それぞれの周縁部に設けたフランジ３８、３９が重なり合って一体的に固定されることにより、両者の間に空気流路４０が形成されている。
【００３４】
さらに、この空気流路４０には、空気配管４１ａ〜４１ｂによって缶体２６の外部と空気流路４０、空気流路４０と空気マニホールド２２とがそれぞれ接続されている。
これによって、供給配管３６から混合ガスが供給されることにより、内箱３３は混合ガスが充満した燃焼用の混合ガス室として機能するとともに、起動時に空気配管４１ａから空気流路４０に空気が供給されることにより、空気流路４０の空気が加熱されることから、各赤外線バーナ３２と外箱３７とによってそれぞれ起動用空気加熱器４２が構成されている。また、各外箱３７は、それぞれ赤外線バーナ３２の冷却機構としても機能する。
【００３５】
また、図１および図４に示すように、燃料電池スタック１ａ、１ｂと赤外線バーナ３２との間に、気化筒４３が配置されている。この気化筒４３は、燃料電池スタック１ａ、１ｂ高さ方向の上端部から下端部まで延在する高さを有している。
【００３６】
さらに、図４に示すように、缶体２６の下部には、発電時に缶体２６内に放出された高温の排ガスを排出する排出口４８が設けられており、当該排出口４８には水気化器４４が配置されている。
【００３７】
そして、この水気化器４４には、水配管４５が接続されており、当該水配管４５によって缶体２６の外部と水気化器４５が接続されるとともに、当該水配管４５は、図１および図３に示すように、缶体２５の断熱材２５に囲われ、缶体２５の全面を沿うようにして設けられている。さらに、水気化器４４には、水蒸気配管４６ａが接続されており、当該水蒸気配管４６ａによって水気化器４４の排出口と気化筒４３の導入口とが接続されている。
【００３８】
また、気化筒４３には、水蒸気配管４６ｂが接続されており、当該水蒸気配管４６ｂによって気化筒４３の排出口と起動用改質器３０の上流に設けられた燃料混合部４７とが接続されている。
【００３９】
次いで、本実施形態の燃料電池モジュールの起動時の運転方法について説明する。
まず、赤外線バーナ３２を起動し缶体２６内を温度上昇させるとともに、これと並行して、燃料ガスを燃料配管３１ａの導入口に、純水を水配管４５に、外部空気を空気配管４１ａの導入口にそれぞれ供給する。
【００４０】
すると、水配管４５に供給された水は、水気化器４４を介して、水蒸気配管４６ａに供給された後に、気化筒４３に供給される。そして、赤外線バーナ３２の放熱を受熱して昇温された気化筒４３によって水蒸気となる。その後、水蒸気配管４６ｂに供給された上記水蒸気は、燃料混合部４７へと供給された後に、燃料混合部４７において燃料ガスと混合される。
一方、燃料配管３１ａに供給された燃料ガスは、上記水蒸気と混合されつつ、起動用改質器３０に導入される。
【００４１】
これにより、燃料配管３１ａに供給された水蒸気と混合した燃料ガスは、燃料電池スタック１ａ，１ｂの放熱を受熱して昇温された起動用改質器３０において改質されて改質ガスとなり、当該改質ガスが、外周改質器２９およびスタック間改質器２８を介して、燃料配管３１ｄによって燃料ガスマニホールド２１へと供給される。そして、燃料ガスマニホールド２１からセパレータ６の燃料ガス通路１３を通じて吐出口１２に至り、この吐出口１２から燃料極集電体７を拡散移動し、さらに、燃料極層３から固体電解質層２に向けて移動する。
【００４２】
以上のように、上記燃料電池モジュールにおいては、赤外線バーナ３２によって起動用改質器３０を加熱することにより、起動後早期段階で改質ガスを生成することが可能となる。そして、その改質ガスを燃料極層３に供給することにより、当該燃料極層３を還元状態に保つことができることから、燃料電池スタック１ａ、１ｂの温度が３００℃以上になった際に生じる燃料極層３の酸化を防止することが可能となる。
【００４３】
なお、起動後早期段階において、起動用改質器３０よりも外周改質器２９およびスタック間改質器２８の方が低温であり、起動用改質器３０で生成された改質ガスが外周改質器２９およびスタック間改質器２８内で逆改質反応が生じ、起動用改質器３０で生成された改質ガスより、水素プアな改質ガスが燃料極層３に供給されるために、燃料極層３が酸化すると懸念される。しかしながら、起動後早期段階において、外周改質器２９およびスタック間改質器２８は、温度が低すぎるが故に改質触媒の活性が小さくなるために、逆改質反応が生じても燃料極層の酸化を防止するのに充分な改質ガスを燃料極層に供給することが可能である。
【００４４】
その後、燃料電池スタック１ａ、１ｂは、赤外線バーナ３２の放熱によって昇温された缶体２６内の大気の熱を受熱するとともに、燃料電池スタック１ａ、１ｂに供給された高温の改質ガスの熱を受熱することにより昇温され、スタック温度が５００℃に到達することにより起動して発電反応が開始される。
【００４５】
そして、燃料電池スタック１ａ、１ｂは、発電反応を開始すると、当該発電反応は発熱反応であることから、発電反応の熱によって７００℃以上に昇温される。また、それに伴い、改質器２８、２９、３０も燃料電池スタック１ａ、１ｂの放熱によって、改質可能な温度に昇温されることから、赤外線バーナ３２が停止される。
【００４６】
次に、本実施形態の燃料電池モジュールの発電時の運転方法を説明する。
起動時と同様にして、燃料ガスを燃料配管３１ａの導入口に、純水を水配管４５に、外部空気を空気配管４１ａの導入口にそれぞれ供給する。
【００４７】
すると、水配管４５に供給された水は、缶体２６内の大気の熱を受熱して１５０℃程度まで昇温された断熱材２５によって水と水蒸気が混合された状態となり、水気化器４４へと供給される。そして、缶体２６内の高温の排ガスによって加熱された水気化器４４によって完全に水蒸気となる。その後、水蒸気配管４６ａに供給された水蒸気は、缶体２６内の大気の熱を吸熱した気化筒４３によってさらに加熱される。そして、水蒸気配管４７ｂに供給された水蒸気は、燃料混合部４７に供給された後に、燃料混合部４７において燃料ガスと混合される。
一方、燃料配管３１ａに供給された燃料ガスは、上記水蒸気と混合されつつ、起動用改質器３０に導入される。
【００４８】
これにより、燃料配管３１ａに供給された水蒸気と混合した燃料ガスは、燃料電池スタック１ａ，１ｂの放熱を受熱して昇温された起動用改質器３０において予熱されるとともに一部改質されて改質ガスとなり、燃料配管３１ｂによって燃料電池スタック１ａ，１ｂそれぞれの放熱を受熱して起動用改質器３０より高温に昇温された外周改質器２９に供給されて、当該外周改質器２９においてその殆どが改質される。その後、燃料配管３１ｃによって燃料電池スタック１ａ，１ｂの放熱を受熱して外周改質器２９より高温に昇温されたスタック間改質器２８に供給され、当該スタック間改質器２８よってより一層改質された後に、燃料配管３１ｄによって燃料ガスマニホールド２１へと供給される。そして、燃料ガスマニホールド２１からセパレータ６の燃料ガス通路１３を通じて吐出口１２に至り、この吐出口１２から燃料極集電体７を拡散移動し、さらに、燃料極層３から固体電解質層２に向けて移動する。
【００４９】
他方、空気配管４１ａに供給された空気は、空気配管４１ａから各起動用空気加熱器４２に供給されて、赤外線バーナ３２を冷却しつつ直接的に加熱された後に、空気配管４１ｂによって燃料電池スタック１ａ、１ｂの空気マニホールド２２に供給される。そして、空気マニホールド２２からセパレータ６の酸化剤ガス通路１５を通じて吐出口１４に至り、この吐出口１４から空気極集電体８を拡散移動し、さらに、空気極層４において空気中の酸素が電子を受け取って酸化物イオンとなる。この酸化物イオンは、燃料極層３に向かって固体電解質層２内を拡散移動し、これによって、燃料極層３との界面近傍に到達した酸化物イオンは、この部分で改質ガスと反応して水蒸気などの反応生成物を生じ、燃料極層３に電子を放出する。そして、この電子が、別ルートの外部負荷にて起電力として取り出される。
【００５０】
以上の構成からなる燃料電池モジュールによれば、スタック間改質器２８、２つの外周改質器２９を配置しているために、燃料電池モジュール全体としての改質触媒の容量および受熱面積を増加させることが可能となる。この結果、小型化された燃料電池モジュールにおいても、水素リッチな改質ガスを生成することが可能となる。
【００５１】
また、起動用改質器３０、外周改質器２９およびスタック間改質器２８、燃料ガスマニホールド２１を、燃料配管３１ａ〜３１ｄによって起動用改質器３０、外周改質器２９、スタック間改質器２８、燃料ガスマニホールド２１の順番に接続しているために、上記燃料ガスは、起動用改質器３０において予熱されるとともに一部改質され、起動用改質器３０より温度の高い外周改質器２９においてその殆どが改質された後に、スタック間改質器２８においてより一層改質される。この結果、小型化された燃料電池モジュールにおいて、確実に水素リッチな改質ガスを生成することが可能となり、この水素リッチな改質ガスを燃料電池スタック１ａ、１ｂの燃料極層３に供給する事が可能となる。
【００５２】
さらに、燃料電池スタック１ａ、１ｂの中でもジュール熱が発散し難く、特にセル温度が高温状態にある燃料電池スタック１ａ、１ｂの高さ方向の中央部近傍に、起動用改質器３０を配置すると、当該起動用改質器３０の改質反応は吸熱反応であることから、発電時に起動用改質器３０が改質反応を行なうことにより、燃料電池スタック１ａ、１ｂの高さ方向の中央部近傍の熱を効果的に吸熱する。これにより、燃料電池スタック１ａ、１ｂの高さ方向の温度分布が均一化されて、燃料電池スタック１ａ、１ｂ全体としての発電の効率化が図れると共に、高温下において生じ易い電極層３、４の剥離等、発電セル５の破損を防止することができ、燃料電池モジュールの耐久性を向上することが可能となる。
【実施例】
【００５３】
本実施形態の燃料電池モジュールにおいて、スタック間改質器２８の排出口に温度計を設置して温度を測定した。
【００５４】
この際、上記実施形態の燃料電池モジュールと比較するために、スタック間改質器２８、外周改質器２９、起動用改質器３０の順に燃料配管３１ａ〜３１ｄを接続して、起動用改質器３０の排出口に温度計を設置して温度を測定した。
【００５５】
すると、上記燃料電池モジュールの起動用改質器３０の排出口の温度は６１０℃〜６３０℃となり、本実施形態スタック間改質器２８の排出口の温度は７００℃となった。
【００５６】
この結果、燃料配管３１ａ〜３１ｄによって燃料電池スタック１ａ、１ｂの放熱を受熱し難い改質器から受熱し易い改質器へと順番に接続することにより、燃料電池スタック１ａ、１ｂに温度の高い改質ガス、即ち確実に水素リッチな改質ガスを供給することが可能であることが実証された。
【符号の説明】
【００５７】
１ａ〜１ｂ 燃料電池スタック
２ 固体電解質層
３ 燃料極層
４ 空気極層
２６ 缶体
２８ スタック間改質器（第１の改質器）
２９ 外周改質器（第２の改質器）
３０ 起動用改質器（第３の改質器）
３１ａ〜３１ｄ 燃料配管
３２ 赤外線バーナ（起動用加熱手段）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
箱型の缶体内部に、固体電解質層の一方の表面に燃料極層が配置され、他方の表面に酸化剤極層が配置された発電セルとセパレータとを交互に積層した直方体状の燃料電池スタックを複数配置するとともに、上記燃料極層に改質された燃料ガスおよび上記酸化剤極層に酸化剤ガスを供給することにより発電反応を生じる燃料電池モジュールにおいて、
上記燃料電池スタックが平面視において横方向に２行、縦方向に１列配置されるとともに、
上記燃料電池スタック同士の間に、発電時に双方の燃料電池スタックの放熱を受熱して上記燃料ガスを改質する第１の改質器が配置され、
それぞれの上記燃料電池スタックの上記第１の改質器が配置された面を除く外周面の少なくとも一面と上記缶体との間に、発電時に当該燃料電池スタックの放熱を受熱して上記燃料ガスを改質する第２の改質器が配置されており、
且つ上記燃料ガスが上記第２の改質器に導入された後に、上記第１の改質器に導入されて各々燃料電池スタックの燃料極層へと供給されるように、燃料配管によって第２の改質器の排出口と第１の改質器の導入口が接続され、第１の改質器の排出口と各々燃料電池スタックの燃料極層とが接続されていることを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項２】
上記缶体におけるそれぞれの上記燃料電池スタックの上記第１および第２の改質器が配置された面を除く外周面の少なくとも一面と対向する位置に、起動時に上記缶体内に向けて放射熱を放射する起動用加熱手段が配置されるとともに、
それぞれの上記燃料電池スタックと上記起動用加熱手段との間に、上記第１の改質器に比べて上記燃料電池スタックの放熱の受熱面積が小さく、起動時に上記起動用加熱手段の放熱を受熱して上記燃料ガスを改質する第３の改質器が配置されており、
且つ上記燃料ガスが上記第３の改質器に導入された後に上記第２の改質器に導入されるように、上記燃料配管によって第３の改質器の排出口と第２改質器の導入口が接続されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池モジュール。
【請求項３】
上記第３の改質器は、上記燃料電池スタックの高さ方向の中央部近傍に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池モジュール。
【請求項１】
箱型の缶体内部に、固体電解質層の一方の表面に燃料極層が配置され、他方の表面に酸化剤極層が配置された発電セルとセパレータとを交互に積層した直方体状の燃料電池スタックを複数配置するとともに、上記燃料極層に改質された燃料ガスおよび上記酸化剤極層に酸化剤ガスを供給することにより発電反応を生じる燃料電池モジュールにおいて、
上記燃料電池スタックが平面視において横方向に２行、縦方向に１列配置されるとともに、
上記燃料電池スタック同士の間に、発電時に双方の燃料電池スタックの放熱を受熱して上記燃料ガスを改質する第１の改質器が配置され、
それぞれの上記燃料電池スタックの上記第１の改質器が配置された面を除く外周面の少なくとも一面と上記缶体との間に、発電時に当該燃料電池スタックの放熱を受熱して上記燃料ガスを改質する第２の改質器が配置されており、
且つ上記燃料ガスが上記第２の改質器に導入された後に、上記第１の改質器に導入されて各々燃料電池スタックの燃料極層へと供給されるように、燃料配管によって第２の改質器の排出口と第１の改質器の導入口が接続され、第１の改質器の排出口と各々燃料電池スタックの燃料極層とが接続されていることを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項２】
上記缶体におけるそれぞれの上記燃料電池スタックの上記第１および第２の改質器が配置された面を除く外周面の少なくとも一面と対向する位置に、起動時に上記缶体内に向けて放射熱を放射する起動用加熱手段が配置されるとともに、
それぞれの上記燃料電池スタックと上記起動用加熱手段との間に、上記第１の改質器に比べて上記燃料電池スタックの放熱の受熱面積が小さく、起動時に上記起動用加熱手段の放熱を受熱して上記燃料ガスを改質する第３の改質器が配置されており、
且つ上記燃料ガスが上記第３の改質器に導入された後に上記第２の改質器に導入されるように、上記燃料配管によって第３の改質器の排出口と第２改質器の導入口が接続されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池モジュール。
【請求項３】
上記第３の改質器は、上記燃料電池スタックの高さ方向の中央部近傍に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池モジュール。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１１−１５９４４３（Ｐ２０１１−１５９４４３Ａ）
【公開日】平成２３年８月１８日（２０１１．８．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１８６３８（Ｐ２０１０−１８６３８）
【出願日】平成２２年１月２９日（２０１０．１．２９）
【出願人】（０００００６２６４）三菱マテリアル株式会社 (4,417)
【出願人】（０００１５６９３８）関西電力株式会社 (1,442)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年８月１８日（２０１１．８．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１月２９日（２０１０．１．２９）
【出願人】（０００００６２６４）三菱マテリアル株式会社 (4,417)
【出願人】（０００１５６９３８）関西電力株式会社 (1,442)
【Ｆターム（参考）】
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