燃料電池モジュール
【課題】起動時間の短縮を図りつつ、安定した発電性能を発揮することができる燃料電池モジュールを提供する。
【解決手段】水蒸気を生成する上部気化器５ｂと、水蒸気及び水素含有燃料を用いて改質ガスを発生させる改質器２と、改質ガスを用いて発電を行うセルスタック３と、上部気化器５ｂ、改質器２及びセルスタック３を内部に収納するとともに、セルスタック３の排ガスを外部へ流通させる排ガス流路を内部に形成する筐体７と、を備え、改質器２は、セルスタック３よりも下流側の排ガス流路内であってセルスタック３よりも上方に配置され、上部気化器５ｂは、セルスタック３よりも下流側の排ガス流路内であって改質器２及びセルスタック３と離間した状態で改質器２と同一の高さ又は改質器２よりも上方に配置される。
【解決手段】水蒸気を生成する上部気化器５ｂと、水蒸気及び水素含有燃料を用いて改質ガスを発生させる改質器２と、改質ガスを用いて発電を行うセルスタック３と、上部気化器５ｂ、改質器２及びセルスタック３を内部に収納するとともに、セルスタック３の排ガスを外部へ流通させる排ガス流路を内部に形成する筐体７と、を備え、改質器２は、セルスタック３よりも下流側の排ガス流路内であってセルスタック３よりも上方に配置され、上部気化器５ｂは、セルスタック３よりも下流側の排ガス流路内であって改質器２及びセルスタック３と離間した状態で改質器２と同一の高さ又は改質器２よりも上方に配置される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池モジュールとしては、例えば特許文献１に記載されたものが知られている。特許文献１記載の燃料電池モジュールは、水素含有燃料を用いて改質ガスを生成するための気化部及び改質部を有する改質器、及び改質ガスを用いて発電を行うセルスタックが筐体内部に収容され、モジュール化されて構成されている。気化部（改質器）は、セルスタック上方に配置され、筐体外部より原燃料ガス及び水を供給するための供給管がそれぞれ接続されている。筐体内部には、セルスタックの排ガスを筐体外部へ流す排ガス流路が形成されている。排ガス流路内には、排ガス流路を流れる排ガスと供給管を流れる原燃料ガス又は水とで熱交換を行うための熱交換部が配置されている。
【０００３】
また、気化器をセルスタックの側方に配置させた燃料電池モジュールが知られている（例えば、特許文献２参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−８０２６０号公報
【特許文献２】ＷＯ２００９／０２８１６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献２記載の燃料電池モジュールにあっては、燃料電池モジュールの起動時において、排ガスが排ガス流路を流通する際に排ガス流路を画成する壁面と熱交換し、排ガスの熱量が壁面に奪われるため、排ガスの持つ熱量が低下する。このため、排ガスと気化器とが十分な熱交換を行うことができない場合がある。したがって、燃料電池モジュールの起動時間が長くなるおそれがある。
【０００６】
上記課題を解決するために、特許文献１記載の燃料電池モジュールのように、気化器と改質器とを一体的に構成してセルスタックの上方に配置することによってセルスタックからの排ガスをなるべく早期に気化器に到達させることが考えられる。しかしながら気化器は動作することによって周囲より低温化するため、特許文献１記載の燃料電池モジュールの構成を採用した場合、燃料電池モジュールの定常運転時において気化器が改質部又はセルスタックを冷却し発電性能を低下させるおそれがある。
【０００７】
そこで、本発明はこのような課題を解決するためになされたものであって、起動時間の短縮を図りつつ、安定した発電性能を発揮することができる燃料電池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】
【０００８】
すなわち本発明に係る燃料電池モジュールは、水蒸気を生成する第１気化器と、前記水蒸気及び水素含有燃料を用いて改質ガスを発生させる改質器と、前記改質ガスを用いて発電を行うセルスタックと、前記第１気化器、前記改質器及び前記セルスタックを内部に収納するとともに、前記セルスタックの排ガスを外部へ流通させる排ガス流路を内部に形成する筐体と、を備え、前記改質器は、前記セルスタックよりも下流側の前記排ガス流路内であって前記セルスタックよりも上方に配置され、前記第１気化器は、前記セルスタックよりも下流側の前記排ガス流路内であって前記改質器及び前記セルスタックと離間した状態で前記改質器と同一の高さ又は前記改質器よりも上方に配置されることを特徴として構成される。
【０００９】
本発明に係る燃料電池モジュールでは、筐体内部に第１気化器、改質器及びセルスタックが収容され、改質器は、セルスタックよりも下流側の排ガス流路内であってセルスタックよりも上方に配置され、第１気化器は、セルスタックよりも下流側の排ガス流路内であって改質器及びセルスタックと離間した状態で改質器と同一の高さ又は改質器よりも上方に配置される。このように構成することで、セルスタックの排ガスが筐体等と熱交換する前に第１気化器へ到達するため、第１気化器に十分な熱を与えることができる。このため、起動時間の短縮を図ることが可能となる。さらに、第１気化器が改質器及びセルスタックと離間した状態で配置されているため、第１気化器において水気化がなされた際に、輻射冷却によって改質器及びセルスタックが冷却されることを緩和することができる。このため、定常運転時において安定した発電性能を発揮することができる。
【００１０】
ここで、前記第１気化器と前記改質器との間には断熱部材が配置されてもよい。このように構成することで、第１気化器が排ガスの対流熱伝達のみで加熱されるとともに、気化器と改質器及びセルスタックとが直線上に隣接しないため、輻射冷却によって改質器及びセルスタックが冷却されることを一層緩和することができる。
【００１１】
さらに、前記セルスタック、前記改質器及び前記第１気化器よりも下流側の前記排ガス流路内であって、前記セルスタックの下方に配置され、前記第１気化器に水又は水蒸気を供給する第２気化器を備えてもよい。このように構成することで、第２気化器で加熱された水又は水蒸気を第１気化器へ供給することができるので、第１気化器での気化を効率良く行うことができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、起動時間の短縮を図りつつ、安定した発電性能を発揮することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１実施形態に係る燃料電池モジュールを示す概略ブロック図である。
【図２】第１実施形態に係る燃料電池モジュールの内部を説明する断面図である。
【図３】第２実施形態に係る燃料電池モジュールの内部を説明する断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１５】
（第１実施形態）
図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池モジュールを示す概略ブロック図である。図１に示すように、本実施形態の燃料電池モジュール１は、改質器２、セルスタック３、燃焼部４、下部気化器（第２気化器）５ａ、上部気化器（第１気化器）５ｂ、及び筐体７を備えている。筐体７は、例えば直方体状を呈する金属製の箱体が採用され、その内部に改質器２、セルスタック３、燃焼部４、下部気化器５ａ及び上部気化器５ｂを収容する。
【００１６】
燃料電池モジュール１は、水素含有燃料及び酸化剤を用いて、セルスタック３にて発電を行う。セルスタック３は、ＳＯＦＣ（Solid Oxide Fuel Cells）と称される複数のセルの積層体を有している。各セルは、固体酸化物である電解質が燃料極と酸化剤極との間に配置されることで構成されている。電解質は、例えばイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等からなり、高温下で酸化物イオンを伝導する。燃料極は、例えばニッケルとＹＳＺとの混合物からなり、酸化物イオンと改質ガス中の水素とを反応させて、電子及び水を発生させる。酸化剤極は、例えばランタンストロンチウムマンガナイトからなり、酸化剤中の酸素と電子とを反応させて、酸化物イオンを発生させる。
【００１７】
水素含有燃料として、例えば、炭化水素系燃料が用いられる。炭化水素系燃料として、分子中に炭素と水素とを含む化合物（酸素等、他の元素を含んでいてもよい）若しくはそれらの混合物が用いられる。炭化水素系燃料として、例えば、炭化水素類、アルコール類、エーテル類又はバイオ燃料が挙げられ、これらの炭化水素系燃料は従来の石油・石炭等の化石燃料由来のもの、合成ガス等の合成系燃料由来のもの、又はバイオマス由来のものを適宜用いることができる。具体的には、炭化水素類として、メタン、エタン、プロパン、ブタン、天然ガス、ＬＰＧ（液化石油ガス）、都市ガス、タウンガス、ガソリン、ナフサ、灯油又は軽油が挙げられる。
【００１８】
なお、アルコール類として、メタノール又はエタノールが挙げられる。エーテル類として、ジメチルエーテルが挙げられる。バイオ燃料として、バイオガス、バイオエタノール、バイオディーゼル又はバイオジェットが挙げられる。酸化剤として、例えば、空気、純酸素ガス（通常の除去手法で除去が困難な不純物を含んでもよい）又は酸素富化空気が用いられる。
【００１９】
改質器２は、燃料ブロワ１０に接続されており、燃料ブロワ１０により水素含有燃料が供給されるとともに、上部気化器５ｂに接続されており、気化された水が供給される。改質器２は、供給される水素含有燃料及び水を用いて改質ガスを発生させる。改質器２は、改質触媒を用いた改質反応により、水素含有燃料を改質して改質ガスを発生させる。改質器２での改質方式は、特に限定されず、例えば、水蒸気改質、部分酸化改質、自己熱改質、その他の改質方式を採用できる。改質器２は、後述する燃焼熱によって加熱され得るようにセルスタック３の上側に配置されている。改質器２は、改質ガスをセルスタック３の燃料極へ供給する。
【００２０】
セルスタック３は、改質器２からの改質ガス、及び図示しない空気ブロワ等により供給された酸化剤を用いて発電を行う。このセルスタック３は、発電に用いられなかった改質ガス及び酸化剤をオフガスとして、燃焼部４へ供給する。
【００２１】
燃焼部４は、セルスタック３から供給されるオフガスを燃焼させ、改質器２を加熱する。この燃焼部４は、セルスタック３の上部に位置している。燃焼部４の燃焼で発生した排ガスは、排ガス配管４ａを介して筐体７外へ排気される。排ガス配管４ａには、燃焼触媒４ｂが設けられており、排気される排ガスが当該燃焼触媒４ｂにより燃焼処理される。また、排ガス配管４ａには熱交換部９０が接続されており、排ガスの熱が図示しない貯湯水等と熱交換することにより回収される構成とされている。
【００２２】
下部気化器５ａ及び上部気化器５ｂは、供給される水を加熱し気化させ、改質器２に供給される水蒸気を生成する。下部気化器５ａは、水ポンプ８に接続されており、水ポンプ８により水が供給される。下部気化器５ａは、水又は水蒸気を上部気化器５ｂへ供給する。上部気化器５ｂは、生成した水蒸気を改質器２へ供給する。この下部気化器５ａ及び上部気化器５ｂにおける水の加熱は、排ガスの熱を回収することで行われる。
【００２３】
ここで、下部気化器５ａ及び上部気化器５ｂの配置を詳細に説明する。図２は、図１に示す燃料電池モジュール１の内部流路及び構成要素の配置を説明する断面図である。図２に示すように、筐体７は、改質器２及びセルスタック３を収納するための内部空間を有する。筐体７は、セルスタック３及び改質器２を収納する収納室１１と、収納室１１よりも外側に形成され、セルスタック３からのオフガスの燃焼による排ガスＥＧを通過させる排ガス流路１２、及び酸化剤ＯＸを通過させる酸化剤流路１３と、収納室１１、排ガス流路１２及び酸化剤流路１３を画成する各壁部と、を備える。なお、以下の説明においては、セルスタック３の各セルの積層方向に沿った方向（図面垂直方向）を筐体７の「長さ方向Ｄ１」とし、水平方向において各セルの積層方向と直交する方向を筐体７の「幅方向Ｄ２」とし、鉛直方向を筐体７の「上下方向Ｄ３」として以下の説明を行う。本実施形態では、収納室１１、排ガス流路１２、酸化剤流路１３、及びこれらを形成する各壁部は、長さ方向Ｄ１から見て左右対称な構造となっている。
【００２４】
収納室１１は、幅方向Ｄ２に互いに対向する第１側壁部１６，１７、及び第１側壁部１６，１７の各下端部に連結される第１底壁部１８によって画成される。収納室１１では、セルスタック３を支持する台座４１が第１底壁部１８に配置される。なお、第１底壁部１８と台座４１との間に断熱材が配置されていてもよい。燃焼部４で発生した排ガスＥＧを通過させるため、収納室１１の上端部は開口している。すなわち、収納室１１の少なくとも燃焼部４より上方側の空間は、排ガスＥＧが流通するため、実質的には「排ガス流路」である。
【００２５】
改質器２は、収納室１１の一部である「排ガス流路」においてセルスタック３よりも下流側であって、セルスタックの上方側に配置されている。上部気化器５ｂは、セルスタック３及び改質器２と離間して収納室１１の上端部付近に配置されている。すなわち、上部気化器５ｂは、収納室１１の一部である「排ガス流路」においてセルスタック３及び改質器２よりも下流側であって、改質器２よりも上方側に配置されている。改質器２と上部気化器５ｂとの間には、改質器２と上部気化器５ｂとの熱のやり取りを遮断する断熱部材９が配置されている。
【００２６】
排ガス流路１２は、収納室１１を画成する壁部と、幅方向Ｄ２において第１側壁部１６，１７の外側にそれぞれ配置される第２側壁部２１，２２と、第１側壁部１６，１７の上端部よりも上側に配置される第１上壁部２３と、第１底壁部１８よりも下側に配置される第２底壁部２４と、によって画成される。
【００２７】
第１上壁部２３は第２側壁部２１，２２の上端部に連結され、第２底壁部２４は第２側壁部２１，２２の下端部に連結される。第２側壁部２１，２２は、第１側壁部１６，１７から離間して対向するように配置される。第１上壁部２３は、収納室１１の上端部から離間した位置に、収納室１１の上端部と対向するように配置される。第２底壁部２４は、第１底壁部１８から離間して対向するように配置される。
【００２８】
排ガス流路１２は、収納室１１の上側の開口部と第１上壁部２３との間に形成される排ガス流路１２Ａ，１２Ｂと、第２側壁部２１，２２と第１側壁部１６，１７との間に形成される排ガス流路１２Ｃ，１２Ｄと、第２底壁部２４と第１底壁部１８との間に形成される排ガス流路１２Ｅ，１２Ｆと、を有する。排ガス流路１２Ａ，１２Ｂは、燃焼部４からの排ガスＥＧを排ガス流路１２Ｃ，１２Ｄへ導く。排ガス流路１２Ｃ，１２Ｄは、排ガスＥＧを下方へ通過させ、当該排ガスＥＧの熱を外側の酸化剤流路１３Ｃ，１３Ｄを流れる酸化剤ＯＸに供給する。排ガス流路１２Ｅ，１２Ｆは、排ガスＥＧを排ガス配管４ａへ向かって水平方向に通過させる。
【００２９】
下部気化器５ａは、排ガス流路１２Ｅ，１２Ｆに配置されている。すなわち、下部気化器５ａは、改質器２及び上部気化器５ｂよりも下流側であって、セルスタック３の下方側に配置されている。
【００３０】
酸化剤流路１３は、排ガス流路１２を画成する壁部と、幅方向Ｄ２において第２側壁部２１，２２の外側にそれぞれ配置される第３側壁部２６，２７と、第１上壁部２３よりも上側に配置される第２上壁部２８と、第２底壁部２４よりも下側に配置される第３底壁部２９と、によって画成される。
【００３１】
第２上壁部２８は第３側壁部２６，２７の上端部に連結され、第３底壁部２９は第３側壁部２６，２７の下端部に連結される。第３側壁部２６，２７は、第２側壁部２１，２２から離間して対向するように配置される。第２上壁部２８は、第１上壁部２３から離間して対向するように配置される。第３底壁部２９は、第２底壁部２４から離間して対向するように配置される。
【００３２】
第１上壁部２３には、その中央部に酸化剤供給部材３６が設けられている。酸化剤供給部材３６は、第１上壁部２３から下方向に延在し、セルスタック３に酸化剤ＯＸを供給する。酸化剤供給部材３６は、一対のセルスタック３の間の隙間に入り込むように延びており、内部に酸化剤流路１３Ｋを画成するとともに、先端部に貫通孔３７，３８を有している。
【００３３】
酸化剤流路１３は、第２上壁部２８と第１上壁部２３との間に形成される酸化剤流路１３Ａ，１３Ｂと、第３側壁部２６，２７と第２側壁部２１，２２との間に形成される酸化剤流路１３Ｃ，１３Ｄと、第３底壁部２９と第２底壁部２４との間に形成される酸化剤流路１３Ｇ，１３Ｈと、を有する。酸化剤流路１３Ｇ，１３Ｈは、給気管４ｃからの酸化剤ＯＸを水平方向に広がるように通過させ、酸化剤流路１３Ｃ，１３Ｄへ導く。酸化剤流路１３Ｃ，１３Ｄは、酸化剤ＯＸを上方へ通過させ、当該酸化剤ＯＸを内側の排ガス流路１２Ｃ，１２Ｄを流れる排ガスＥＧの熱によって加熱する。酸化剤流路１３Ａ，１３Ｂは、酸化剤ＯＸを幅方向Ｄ２における外側から内側へ向かって通過させ、酸化剤供給部材３６の酸化剤流路１３Ｋへ流して貫通孔３７，３８へ導く。
【００３４】
第３底壁部２９には、図示されない酸化剤供給部から酸化剤流路１３に酸化剤を流入させるための給気管４ｃが設けられている。また、第２底壁部２４には、排ガス流路１２からの排ガスを排気する排ガス配管４ａが設けられている。
【００３５】
次に、改質ガス、酸化剤ＯＸ、及び排ガスＥＧの流れについて説明する。
【００３６】
外部から供給される水素含有燃料、並びに下部気化器５ａ及び上部気化器５ｂからの水蒸気を用いて改質器２で発生した改質ガスは、改質器２と台座４１とを接続する図示しないパイプを通過して台座４１に流れ込み、台座４１からセルスタック３の各セルに供給される。改質ガスは、セルスタック３を下方から上方へ向かって流れ、一部はオフガスとして燃焼部４での燃焼に用いられる。酸化剤ＯＸは、外部から給気管４ｃを介して供給され、酸化剤流路１３Ｇ，１３Ｈにて水平方向に広がり、内側を流れる排ガスＥＧで加熱されながら酸化剤流路１３Ｃ，１３Ｄを上方へ向かって通過する。酸化剤ＯＸは、酸化剤流路１３Ａ，１３Ｂを通過し、酸化剤供給部材３６の酸化剤流路１３Ｋを流れて、貫通孔３７，３８を通過してセルスタック３へ供給され、一部は燃焼部４での燃焼に用いられる。燃焼部４で発生した排ガスＥＧは、収納室１１を上方に向けて流通し、改質器２を加熱した後、上部気化器５ｂに到達して上部気化器５ｂを加熱する。その後、排ガス流路１２Ａ，１２Ｂで排ガス流路１２Ｃ，１２Ｄに導かれ、外側を流れる酸化剤ＯＸに熱を供給しながら排ガス流路１２Ｃ，１２Ｄを下方へ向かって通過する。排ガスＥＧは、底部まで達すると排ガス流路１２Ｅ，１２Ｆへ流れ込み、下部気化器５ａに熱を供給しながら排ガス流路１２Ｅ，１２Ｆを通過する。排ガス流路１２Ｅ，１２Ｆを通過した排ガスＥＧは、排ガス配管４ａから排気される。
【００３７】
以上、第１実施形態に係る燃料電池モジュール１では、筐体７内部に上部気化器５ｂ、改質器２及びセルスタック３が収容され、改質器２は、収納室１１におけるセルスタック３よりも下流側の排ガス流路内であってセルスタック３よりも上方に配置され、上部気化器５ｂは、収納室１１におけるセルスタック３よりも下流側の排ガス流路内であって改質器２及びセルスタック３と離間した状態で改質器２よりも上方に配置される。このように構成することで、セルスタック３の排ガスが筐体７等と熱交換する前に上部気化器５ｂへ到達するため、上部気化器５ｂに十分な熱を与えることができる。このため、起動時間の短縮を図ることが可能となる。さらに、上部気化器５ｂが改質器２及びセルスタック３と離間した状態で配置されているため、上部気化器５ｂにおいて水気化がなされた際に、輻射冷却によって改質器及びセルスタックが冷却されることを緩和することができる。このため、定常運転時において安定した発電性能を発揮することができる。
【００３８】
また、第１実施形態に係る燃料電池モジュール１によれば、上部気化器５ｂと改質器２との間には断熱部材９が配置されているため、上部気化器５ｂが排ガスの対流熱伝達のみで加熱されるとともに、上部気化器５ｂと改質器２及びセルスタック３とが直線上に隣接しないため、輻射冷却によって改質器２及びセルスタック３が冷却されることを一層緩和することができる。
【００３９】
さらに、第１実施形態に係る燃料電池モジュール１によれば、セルスタック３、改質器２及び上部気化器５ｂよりも下流側の排ガス流路１２内であって、セルスタック３の下方に配置され、上部気化器５ｂに水又は水蒸気を供給する下部気化器５ａを備えているため、下部気化器５ａで加熱された水又は水蒸気を上部気化器５ｂへ供給することができる。よって、上部気化器５ｂでの気化を効率良く行うことができる。
【００４０】
（第２実施形態）
第２実施形態に係る燃料電池モジュールは、第１実施形態に係る燃料電池モジュール１とほぼ同様に構成されるものであり、酸化剤供給流路１３の経路のみが相違する。以下では説明理解の容易性を考慮して、第１実施形態に係る燃料電池モジュール１との相違点を中心に説明し、重複する説明は省略する。
【００４１】
図３は、本実施形態に係る燃料電池モジュールの内部流路及び構成要素の配置を説明する断面図である。図３に示すように、第２上壁部２８には、酸化剤流路１３に酸化剤を流入させるための給気管４ｃが設けられている。また、第１側壁部１６，１７には挿通口１６ａ、１７ａが形成されている。酸化剤流路１３Ｃ，１３Ｄには、挿通口１６ａ、１７ａから収納室１１へ連通する酸化剤流路１３Ｌ，１３Ｍが形成されている。上部気化器５ｂは、セルスタック３及び改質器２と離間して収納室１１の上端部付近に配置されている。上部気化器５ｂは、収納室１１の一部である「排ガス流路」においてセルスタック３及び改質器２よりも下流側であって、改質器２よりも上方側に配置されている。改質器２と上部気化器５ｂとの間には、改質器２と上部気化器５ｂとの熱のやり取りを遮断する断熱部材９が配置されている。その他の構成は第１実施形態と同様である。
【００４２】
次に、酸化剤ＯＸ及び排ガスＥＧの流れについて説明する。
【００４３】
酸化剤ＯＸは、外部から給気管４ｃを介して供給され、酸化剤流路１３Ａ，１３Ｂにて水平方向に広がり、内側を流れる排ガスＥＧで加熱されながら酸化剤流路１３Ｃ，１３Ｄを下方へ向かって通過する。酸化剤ＯＸは、酸化剤流路１３Ｌ，１３Ｍから挿通口１６ａ，１７ａを通過してセルスタック３へ供給され、一部は燃焼部４での燃焼に用いられる。燃焼部４で発生した排ガスＥＧは、収納室１１を上方に向けて流通し、改質器２を加熱した後、上部気化器５ｂに到達して上部気化器５ｂを加熱する。その後、排ガス流路１２Ａ，１２Ｂで排ガス流路１２Ｃ，１２Ｄに導かれ、外側を流れる酸化剤ＯＸに熱を供給しながら排ガス流路１２Ｃ，１２Ｄを下方へ向かって通過する。排ガスＥＧは、底部まで達すると排ガス流路１２Ｅ，１２Ｆへ流れ込み、下部気化器５ａに熱を供給しながら排ガス流路１２Ｅ，１２Ｆを通過する。排ガス流路１２Ｅ，１２Ｆを通過した排ガスＥＧは、排ガス配管４ａから排気される。
【００４４】
以上、第２実施形態に係る燃料電池モジュールでは、筐体７内部に上部気化器５ｂ、改質器２及びセルスタック３が収容され、改質器２は、収納室１１におけるセルスタック３よりも下流側の排ガス流路内であってセルスタック３よりも上方に配置され、上部気化器５ｂは、収納室１１におけるセルスタック３よりも下流側の排ガス流路内であって改質器２及びセルスタック３と離間した状態で改質器２よりも上方に配置される。このように構成することで、セルスタック３の排ガスが筐体７等と熱交換する前に上部気化器５ｂへ到達するため、上部気化器５ｂに十分な熱を与えることができる。このため、起動時間の短縮を図ることが可能となる。さらに、上部気化器５ｂが改質器２及びセルスタック３と離間した状態で配置されているため、上部気化器５ｂにおいて水気化がなされた際に、輻射冷却によって改質器及びセルスタックが冷却されることを緩和することができる。このため、定常運転時において安定した発電性能を発揮することができる。
【００４５】
また、第２実施形態に係る燃料電池モジュールによれば、上部気化器５ｂと改質器２との間には断熱部材９が配置されているため、上部気化器５ｂが排ガスの対流熱伝達のみで加熱されるとともに、上部気化器５ｂと改質器２及びセルスタック３とが直線上に隣接しないため、輻射冷却によって改質器２及びセルスタック３が冷却されることを一層緩和することができる。
【００４６】
さらに、第２実施形態に係る燃料電池モジュールによれば、セルスタック３、改質器２及び上部気化器５ｂよりも下流側の排ガス流路１２内であって、セルスタック３の下方に配置され、上部気化器５ｂに水又は水蒸気を供給する下部気化器５ａを備えているため、下部気化器５ａで加熱された水又は水蒸気を上部気化器５ｂへ供給することができる。よって、上部気化器５ｂでの気化を効率良く行うことができる。
【００４７】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変形し、又は他のものに適用したものであってもよい。
【００４８】
例えば、上記実施形態では、上部気化器５ｂは、収納室１１の一部である「排ガス流路」においてセルスタック３及び改質器２よりも下流側であって、改質器２よりも上方側に配置されている例を説明したが、上部気化器５ｂは、改質器２と離間した状態で改質器２と同一の高さの位置に配置されていてもよい。
【００４９】
また、上記実施形態では、下部気化器５ａを備える場合を説明したが、必要に応じて下部気化器５ａを備えずに構成してもよい。
【００５０】
また、上記実施形態では、断熱部材９を備える場合を説明したが、必要に応じて断熱部材９を備えずに構成してもよい。
【００５１】
さらに、上記実施形態では、燃料ブロア１０が改質器２に接続される例を説明したが、燃料ブロア１０が下部気化器５ａに接続されていてもよい。
【符号の説明】
【００５２】
１…燃料電池モジュール、２…改質器、３…セルスタック、５ａ…下部気化器（第２気化器）、５ｂ…上部気化器（第１気化器）、７…筐体、９…断熱部材、１１…収納室（一部は排ガス流路）、１２…排ガス流路。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池モジュールとしては、例えば特許文献１に記載されたものが知られている。特許文献１記載の燃料電池モジュールは、水素含有燃料を用いて改質ガスを生成するための気化部及び改質部を有する改質器、及び改質ガスを用いて発電を行うセルスタックが筐体内部に収容され、モジュール化されて構成されている。気化部（改質器）は、セルスタック上方に配置され、筐体外部より原燃料ガス及び水を供給するための供給管がそれぞれ接続されている。筐体内部には、セルスタックの排ガスを筐体外部へ流す排ガス流路が形成されている。排ガス流路内には、排ガス流路を流れる排ガスと供給管を流れる原燃料ガス又は水とで熱交換を行うための熱交換部が配置されている。
【０００３】
また、気化器をセルスタックの側方に配置させた燃料電池モジュールが知られている（例えば、特許文献２参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−８０２６０号公報
【特許文献２】ＷＯ２００９／０２８１６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献２記載の燃料電池モジュールにあっては、燃料電池モジュールの起動時において、排ガスが排ガス流路を流通する際に排ガス流路を画成する壁面と熱交換し、排ガスの熱量が壁面に奪われるため、排ガスの持つ熱量が低下する。このため、排ガスと気化器とが十分な熱交換を行うことができない場合がある。したがって、燃料電池モジュールの起動時間が長くなるおそれがある。
【０００６】
上記課題を解決するために、特許文献１記載の燃料電池モジュールのように、気化器と改質器とを一体的に構成してセルスタックの上方に配置することによってセルスタックからの排ガスをなるべく早期に気化器に到達させることが考えられる。しかしながら気化器は動作することによって周囲より低温化するため、特許文献１記載の燃料電池モジュールの構成を採用した場合、燃料電池モジュールの定常運転時において気化器が改質部又はセルスタックを冷却し発電性能を低下させるおそれがある。
【０００７】
そこで、本発明はこのような課題を解決するためになされたものであって、起動時間の短縮を図りつつ、安定した発電性能を発揮することができる燃料電池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】
【０００８】
すなわち本発明に係る燃料電池モジュールは、水蒸気を生成する第１気化器と、前記水蒸気及び水素含有燃料を用いて改質ガスを発生させる改質器と、前記改質ガスを用いて発電を行うセルスタックと、前記第１気化器、前記改質器及び前記セルスタックを内部に収納するとともに、前記セルスタックの排ガスを外部へ流通させる排ガス流路を内部に形成する筐体と、を備え、前記改質器は、前記セルスタックよりも下流側の前記排ガス流路内であって前記セルスタックよりも上方に配置され、前記第１気化器は、前記セルスタックよりも下流側の前記排ガス流路内であって前記改質器及び前記セルスタックと離間した状態で前記改質器と同一の高さ又は前記改質器よりも上方に配置されることを特徴として構成される。
【０００９】
本発明に係る燃料電池モジュールでは、筐体内部に第１気化器、改質器及びセルスタックが収容され、改質器は、セルスタックよりも下流側の排ガス流路内であってセルスタックよりも上方に配置され、第１気化器は、セルスタックよりも下流側の排ガス流路内であって改質器及びセルスタックと離間した状態で改質器と同一の高さ又は改質器よりも上方に配置される。このように構成することで、セルスタックの排ガスが筐体等と熱交換する前に第１気化器へ到達するため、第１気化器に十分な熱を与えることができる。このため、起動時間の短縮を図ることが可能となる。さらに、第１気化器が改質器及びセルスタックと離間した状態で配置されているため、第１気化器において水気化がなされた際に、輻射冷却によって改質器及びセルスタックが冷却されることを緩和することができる。このため、定常運転時において安定した発電性能を発揮することができる。
【００１０】
ここで、前記第１気化器と前記改質器との間には断熱部材が配置されてもよい。このように構成することで、第１気化器が排ガスの対流熱伝達のみで加熱されるとともに、気化器と改質器及びセルスタックとが直線上に隣接しないため、輻射冷却によって改質器及びセルスタックが冷却されることを一層緩和することができる。
【００１１】
さらに、前記セルスタック、前記改質器及び前記第１気化器よりも下流側の前記排ガス流路内であって、前記セルスタックの下方に配置され、前記第１気化器に水又は水蒸気を供給する第２気化器を備えてもよい。このように構成することで、第２気化器で加熱された水又は水蒸気を第１気化器へ供給することができるので、第１気化器での気化を効率良く行うことができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、起動時間の短縮を図りつつ、安定した発電性能を発揮することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１実施形態に係る燃料電池モジュールを示す概略ブロック図である。
【図２】第１実施形態に係る燃料電池モジュールの内部を説明する断面図である。
【図３】第２実施形態に係る燃料電池モジュールの内部を説明する断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１５】
（第１実施形態）
図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池モジュールを示す概略ブロック図である。図１に示すように、本実施形態の燃料電池モジュール１は、改質器２、セルスタック３、燃焼部４、下部気化器（第２気化器）５ａ、上部気化器（第１気化器）５ｂ、及び筐体７を備えている。筐体７は、例えば直方体状を呈する金属製の箱体が採用され、その内部に改質器２、セルスタック３、燃焼部４、下部気化器５ａ及び上部気化器５ｂを収容する。
【００１６】
燃料電池モジュール１は、水素含有燃料及び酸化剤を用いて、セルスタック３にて発電を行う。セルスタック３は、ＳＯＦＣ（Solid Oxide Fuel Cells）と称される複数のセルの積層体を有している。各セルは、固体酸化物である電解質が燃料極と酸化剤極との間に配置されることで構成されている。電解質は、例えばイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等からなり、高温下で酸化物イオンを伝導する。燃料極は、例えばニッケルとＹＳＺとの混合物からなり、酸化物イオンと改質ガス中の水素とを反応させて、電子及び水を発生させる。酸化剤極は、例えばランタンストロンチウムマンガナイトからなり、酸化剤中の酸素と電子とを反応させて、酸化物イオンを発生させる。
【００１７】
水素含有燃料として、例えば、炭化水素系燃料が用いられる。炭化水素系燃料として、分子中に炭素と水素とを含む化合物（酸素等、他の元素を含んでいてもよい）若しくはそれらの混合物が用いられる。炭化水素系燃料として、例えば、炭化水素類、アルコール類、エーテル類又はバイオ燃料が挙げられ、これらの炭化水素系燃料は従来の石油・石炭等の化石燃料由来のもの、合成ガス等の合成系燃料由来のもの、又はバイオマス由来のものを適宜用いることができる。具体的には、炭化水素類として、メタン、エタン、プロパン、ブタン、天然ガス、ＬＰＧ（液化石油ガス）、都市ガス、タウンガス、ガソリン、ナフサ、灯油又は軽油が挙げられる。
【００１８】
なお、アルコール類として、メタノール又はエタノールが挙げられる。エーテル類として、ジメチルエーテルが挙げられる。バイオ燃料として、バイオガス、バイオエタノール、バイオディーゼル又はバイオジェットが挙げられる。酸化剤として、例えば、空気、純酸素ガス（通常の除去手法で除去が困難な不純物を含んでもよい）又は酸素富化空気が用いられる。
【００１９】
改質器２は、燃料ブロワ１０に接続されており、燃料ブロワ１０により水素含有燃料が供給されるとともに、上部気化器５ｂに接続されており、気化された水が供給される。改質器２は、供給される水素含有燃料及び水を用いて改質ガスを発生させる。改質器２は、改質触媒を用いた改質反応により、水素含有燃料を改質して改質ガスを発生させる。改質器２での改質方式は、特に限定されず、例えば、水蒸気改質、部分酸化改質、自己熱改質、その他の改質方式を採用できる。改質器２は、後述する燃焼熱によって加熱され得るようにセルスタック３の上側に配置されている。改質器２は、改質ガスをセルスタック３の燃料極へ供給する。
【００２０】
セルスタック３は、改質器２からの改質ガス、及び図示しない空気ブロワ等により供給された酸化剤を用いて発電を行う。このセルスタック３は、発電に用いられなかった改質ガス及び酸化剤をオフガスとして、燃焼部４へ供給する。
【００２１】
燃焼部４は、セルスタック３から供給されるオフガスを燃焼させ、改質器２を加熱する。この燃焼部４は、セルスタック３の上部に位置している。燃焼部４の燃焼で発生した排ガスは、排ガス配管４ａを介して筐体７外へ排気される。排ガス配管４ａには、燃焼触媒４ｂが設けられており、排気される排ガスが当該燃焼触媒４ｂにより燃焼処理される。また、排ガス配管４ａには熱交換部９０が接続されており、排ガスの熱が図示しない貯湯水等と熱交換することにより回収される構成とされている。
【００２２】
下部気化器５ａ及び上部気化器５ｂは、供給される水を加熱し気化させ、改質器２に供給される水蒸気を生成する。下部気化器５ａは、水ポンプ８に接続されており、水ポンプ８により水が供給される。下部気化器５ａは、水又は水蒸気を上部気化器５ｂへ供給する。上部気化器５ｂは、生成した水蒸気を改質器２へ供給する。この下部気化器５ａ及び上部気化器５ｂにおける水の加熱は、排ガスの熱を回収することで行われる。
【００２３】
ここで、下部気化器５ａ及び上部気化器５ｂの配置を詳細に説明する。図２は、図１に示す燃料電池モジュール１の内部流路及び構成要素の配置を説明する断面図である。図２に示すように、筐体７は、改質器２及びセルスタック３を収納するための内部空間を有する。筐体７は、セルスタック３及び改質器２を収納する収納室１１と、収納室１１よりも外側に形成され、セルスタック３からのオフガスの燃焼による排ガスＥＧを通過させる排ガス流路１２、及び酸化剤ＯＸを通過させる酸化剤流路１３と、収納室１１、排ガス流路１２及び酸化剤流路１３を画成する各壁部と、を備える。なお、以下の説明においては、セルスタック３の各セルの積層方向に沿った方向（図面垂直方向）を筐体７の「長さ方向Ｄ１」とし、水平方向において各セルの積層方向と直交する方向を筐体７の「幅方向Ｄ２」とし、鉛直方向を筐体７の「上下方向Ｄ３」として以下の説明を行う。本実施形態では、収納室１１、排ガス流路１２、酸化剤流路１３、及びこれらを形成する各壁部は、長さ方向Ｄ１から見て左右対称な構造となっている。
【００２４】
収納室１１は、幅方向Ｄ２に互いに対向する第１側壁部１６，１７、及び第１側壁部１６，１７の各下端部に連結される第１底壁部１８によって画成される。収納室１１では、セルスタック３を支持する台座４１が第１底壁部１８に配置される。なお、第１底壁部１８と台座４１との間に断熱材が配置されていてもよい。燃焼部４で発生した排ガスＥＧを通過させるため、収納室１１の上端部は開口している。すなわち、収納室１１の少なくとも燃焼部４より上方側の空間は、排ガスＥＧが流通するため、実質的には「排ガス流路」である。
【００２５】
改質器２は、収納室１１の一部である「排ガス流路」においてセルスタック３よりも下流側であって、セルスタックの上方側に配置されている。上部気化器５ｂは、セルスタック３及び改質器２と離間して収納室１１の上端部付近に配置されている。すなわち、上部気化器５ｂは、収納室１１の一部である「排ガス流路」においてセルスタック３及び改質器２よりも下流側であって、改質器２よりも上方側に配置されている。改質器２と上部気化器５ｂとの間には、改質器２と上部気化器５ｂとの熱のやり取りを遮断する断熱部材９が配置されている。
【００２６】
排ガス流路１２は、収納室１１を画成する壁部と、幅方向Ｄ２において第１側壁部１６，１７の外側にそれぞれ配置される第２側壁部２１，２２と、第１側壁部１６，１７の上端部よりも上側に配置される第１上壁部２３と、第１底壁部１８よりも下側に配置される第２底壁部２４と、によって画成される。
【００２７】
第１上壁部２３は第２側壁部２１，２２の上端部に連結され、第２底壁部２４は第２側壁部２１，２２の下端部に連結される。第２側壁部２１，２２は、第１側壁部１６，１７から離間して対向するように配置される。第１上壁部２３は、収納室１１の上端部から離間した位置に、収納室１１の上端部と対向するように配置される。第２底壁部２４は、第１底壁部１８から離間して対向するように配置される。
【００２８】
排ガス流路１２は、収納室１１の上側の開口部と第１上壁部２３との間に形成される排ガス流路１２Ａ，１２Ｂと、第２側壁部２１，２２と第１側壁部１６，１７との間に形成される排ガス流路１２Ｃ，１２Ｄと、第２底壁部２４と第１底壁部１８との間に形成される排ガス流路１２Ｅ，１２Ｆと、を有する。排ガス流路１２Ａ，１２Ｂは、燃焼部４からの排ガスＥＧを排ガス流路１２Ｃ，１２Ｄへ導く。排ガス流路１２Ｃ，１２Ｄは、排ガスＥＧを下方へ通過させ、当該排ガスＥＧの熱を外側の酸化剤流路１３Ｃ，１３Ｄを流れる酸化剤ＯＸに供給する。排ガス流路１２Ｅ，１２Ｆは、排ガスＥＧを排ガス配管４ａへ向かって水平方向に通過させる。
【００２９】
下部気化器５ａは、排ガス流路１２Ｅ，１２Ｆに配置されている。すなわち、下部気化器５ａは、改質器２及び上部気化器５ｂよりも下流側であって、セルスタック３の下方側に配置されている。
【００３０】
酸化剤流路１３は、排ガス流路１２を画成する壁部と、幅方向Ｄ２において第２側壁部２１，２２の外側にそれぞれ配置される第３側壁部２６，２７と、第１上壁部２３よりも上側に配置される第２上壁部２８と、第２底壁部２４よりも下側に配置される第３底壁部２９と、によって画成される。
【００３１】
第２上壁部２８は第３側壁部２６，２７の上端部に連結され、第３底壁部２９は第３側壁部２６，２７の下端部に連結される。第３側壁部２６，２７は、第２側壁部２１，２２から離間して対向するように配置される。第２上壁部２８は、第１上壁部２３から離間して対向するように配置される。第３底壁部２９は、第２底壁部２４から離間して対向するように配置される。
【００３２】
第１上壁部２３には、その中央部に酸化剤供給部材３６が設けられている。酸化剤供給部材３６は、第１上壁部２３から下方向に延在し、セルスタック３に酸化剤ＯＸを供給する。酸化剤供給部材３６は、一対のセルスタック３の間の隙間に入り込むように延びており、内部に酸化剤流路１３Ｋを画成するとともに、先端部に貫通孔３７，３８を有している。
【００３３】
酸化剤流路１３は、第２上壁部２８と第１上壁部２３との間に形成される酸化剤流路１３Ａ，１３Ｂと、第３側壁部２６，２７と第２側壁部２１，２２との間に形成される酸化剤流路１３Ｃ，１３Ｄと、第３底壁部２９と第２底壁部２４との間に形成される酸化剤流路１３Ｇ，１３Ｈと、を有する。酸化剤流路１３Ｇ，１３Ｈは、給気管４ｃからの酸化剤ＯＸを水平方向に広がるように通過させ、酸化剤流路１３Ｃ，１３Ｄへ導く。酸化剤流路１３Ｃ，１３Ｄは、酸化剤ＯＸを上方へ通過させ、当該酸化剤ＯＸを内側の排ガス流路１２Ｃ，１２Ｄを流れる排ガスＥＧの熱によって加熱する。酸化剤流路１３Ａ，１３Ｂは、酸化剤ＯＸを幅方向Ｄ２における外側から内側へ向かって通過させ、酸化剤供給部材３６の酸化剤流路１３Ｋへ流して貫通孔３７，３８へ導く。
【００３４】
第３底壁部２９には、図示されない酸化剤供給部から酸化剤流路１３に酸化剤を流入させるための給気管４ｃが設けられている。また、第２底壁部２４には、排ガス流路１２からの排ガスを排気する排ガス配管４ａが設けられている。
【００３５】
次に、改質ガス、酸化剤ＯＸ、及び排ガスＥＧの流れについて説明する。
【００３６】
外部から供給される水素含有燃料、並びに下部気化器５ａ及び上部気化器５ｂからの水蒸気を用いて改質器２で発生した改質ガスは、改質器２と台座４１とを接続する図示しないパイプを通過して台座４１に流れ込み、台座４１からセルスタック３の各セルに供給される。改質ガスは、セルスタック３を下方から上方へ向かって流れ、一部はオフガスとして燃焼部４での燃焼に用いられる。酸化剤ＯＸは、外部から給気管４ｃを介して供給され、酸化剤流路１３Ｇ，１３Ｈにて水平方向に広がり、内側を流れる排ガスＥＧで加熱されながら酸化剤流路１３Ｃ，１３Ｄを上方へ向かって通過する。酸化剤ＯＸは、酸化剤流路１３Ａ，１３Ｂを通過し、酸化剤供給部材３６の酸化剤流路１３Ｋを流れて、貫通孔３７，３８を通過してセルスタック３へ供給され、一部は燃焼部４での燃焼に用いられる。燃焼部４で発生した排ガスＥＧは、収納室１１を上方に向けて流通し、改質器２を加熱した後、上部気化器５ｂに到達して上部気化器５ｂを加熱する。その後、排ガス流路１２Ａ，１２Ｂで排ガス流路１２Ｃ，１２Ｄに導かれ、外側を流れる酸化剤ＯＸに熱を供給しながら排ガス流路１２Ｃ，１２Ｄを下方へ向かって通過する。排ガスＥＧは、底部まで達すると排ガス流路１２Ｅ，１２Ｆへ流れ込み、下部気化器５ａに熱を供給しながら排ガス流路１２Ｅ，１２Ｆを通過する。排ガス流路１２Ｅ，１２Ｆを通過した排ガスＥＧは、排ガス配管４ａから排気される。
【００３７】
以上、第１実施形態に係る燃料電池モジュール１では、筐体７内部に上部気化器５ｂ、改質器２及びセルスタック３が収容され、改質器２は、収納室１１におけるセルスタック３よりも下流側の排ガス流路内であってセルスタック３よりも上方に配置され、上部気化器５ｂは、収納室１１におけるセルスタック３よりも下流側の排ガス流路内であって改質器２及びセルスタック３と離間した状態で改質器２よりも上方に配置される。このように構成することで、セルスタック３の排ガスが筐体７等と熱交換する前に上部気化器５ｂへ到達するため、上部気化器５ｂに十分な熱を与えることができる。このため、起動時間の短縮を図ることが可能となる。さらに、上部気化器５ｂが改質器２及びセルスタック３と離間した状態で配置されているため、上部気化器５ｂにおいて水気化がなされた際に、輻射冷却によって改質器及びセルスタックが冷却されることを緩和することができる。このため、定常運転時において安定した発電性能を発揮することができる。
【００３８】
また、第１実施形態に係る燃料電池モジュール１によれば、上部気化器５ｂと改質器２との間には断熱部材９が配置されているため、上部気化器５ｂが排ガスの対流熱伝達のみで加熱されるとともに、上部気化器５ｂと改質器２及びセルスタック３とが直線上に隣接しないため、輻射冷却によって改質器２及びセルスタック３が冷却されることを一層緩和することができる。
【００３９】
さらに、第１実施形態に係る燃料電池モジュール１によれば、セルスタック３、改質器２及び上部気化器５ｂよりも下流側の排ガス流路１２内であって、セルスタック３の下方に配置され、上部気化器５ｂに水又は水蒸気を供給する下部気化器５ａを備えているため、下部気化器５ａで加熱された水又は水蒸気を上部気化器５ｂへ供給することができる。よって、上部気化器５ｂでの気化を効率良く行うことができる。
【００４０】
（第２実施形態）
第２実施形態に係る燃料電池モジュールは、第１実施形態に係る燃料電池モジュール１とほぼ同様に構成されるものであり、酸化剤供給流路１３の経路のみが相違する。以下では説明理解の容易性を考慮して、第１実施形態に係る燃料電池モジュール１との相違点を中心に説明し、重複する説明は省略する。
【００４１】
図３は、本実施形態に係る燃料電池モジュールの内部流路及び構成要素の配置を説明する断面図である。図３に示すように、第２上壁部２８には、酸化剤流路１３に酸化剤を流入させるための給気管４ｃが設けられている。また、第１側壁部１６，１７には挿通口１６ａ、１７ａが形成されている。酸化剤流路１３Ｃ，１３Ｄには、挿通口１６ａ、１７ａから収納室１１へ連通する酸化剤流路１３Ｌ，１３Ｍが形成されている。上部気化器５ｂは、セルスタック３及び改質器２と離間して収納室１１の上端部付近に配置されている。上部気化器５ｂは、収納室１１の一部である「排ガス流路」においてセルスタック３及び改質器２よりも下流側であって、改質器２よりも上方側に配置されている。改質器２と上部気化器５ｂとの間には、改質器２と上部気化器５ｂとの熱のやり取りを遮断する断熱部材９が配置されている。その他の構成は第１実施形態と同様である。
【００４２】
次に、酸化剤ＯＸ及び排ガスＥＧの流れについて説明する。
【００４３】
酸化剤ＯＸは、外部から給気管４ｃを介して供給され、酸化剤流路１３Ａ，１３Ｂにて水平方向に広がり、内側を流れる排ガスＥＧで加熱されながら酸化剤流路１３Ｃ，１３Ｄを下方へ向かって通過する。酸化剤ＯＸは、酸化剤流路１３Ｌ，１３Ｍから挿通口１６ａ，１７ａを通過してセルスタック３へ供給され、一部は燃焼部４での燃焼に用いられる。燃焼部４で発生した排ガスＥＧは、収納室１１を上方に向けて流通し、改質器２を加熱した後、上部気化器５ｂに到達して上部気化器５ｂを加熱する。その後、排ガス流路１２Ａ，１２Ｂで排ガス流路１２Ｃ，１２Ｄに導かれ、外側を流れる酸化剤ＯＸに熱を供給しながら排ガス流路１２Ｃ，１２Ｄを下方へ向かって通過する。排ガスＥＧは、底部まで達すると排ガス流路１２Ｅ，１２Ｆへ流れ込み、下部気化器５ａに熱を供給しながら排ガス流路１２Ｅ，１２Ｆを通過する。排ガス流路１２Ｅ，１２Ｆを通過した排ガスＥＧは、排ガス配管４ａから排気される。
【００４４】
以上、第２実施形態に係る燃料電池モジュールでは、筐体７内部に上部気化器５ｂ、改質器２及びセルスタック３が収容され、改質器２は、収納室１１におけるセルスタック３よりも下流側の排ガス流路内であってセルスタック３よりも上方に配置され、上部気化器５ｂは、収納室１１におけるセルスタック３よりも下流側の排ガス流路内であって改質器２及びセルスタック３と離間した状態で改質器２よりも上方に配置される。このように構成することで、セルスタック３の排ガスが筐体７等と熱交換する前に上部気化器５ｂへ到達するため、上部気化器５ｂに十分な熱を与えることができる。このため、起動時間の短縮を図ることが可能となる。さらに、上部気化器５ｂが改質器２及びセルスタック３と離間した状態で配置されているため、上部気化器５ｂにおいて水気化がなされた際に、輻射冷却によって改質器及びセルスタックが冷却されることを緩和することができる。このため、定常運転時において安定した発電性能を発揮することができる。
【００４５】
また、第２実施形態に係る燃料電池モジュールによれば、上部気化器５ｂと改質器２との間には断熱部材９が配置されているため、上部気化器５ｂが排ガスの対流熱伝達のみで加熱されるとともに、上部気化器５ｂと改質器２及びセルスタック３とが直線上に隣接しないため、輻射冷却によって改質器２及びセルスタック３が冷却されることを一層緩和することができる。
【００４６】
さらに、第２実施形態に係る燃料電池モジュールによれば、セルスタック３、改質器２及び上部気化器５ｂよりも下流側の排ガス流路１２内であって、セルスタック３の下方に配置され、上部気化器５ｂに水又は水蒸気を供給する下部気化器５ａを備えているため、下部気化器５ａで加熱された水又は水蒸気を上部気化器５ｂへ供給することができる。よって、上部気化器５ｂでの気化を効率良く行うことができる。
【００４７】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変形し、又は他のものに適用したものであってもよい。
【００４８】
例えば、上記実施形態では、上部気化器５ｂは、収納室１１の一部である「排ガス流路」においてセルスタック３及び改質器２よりも下流側であって、改質器２よりも上方側に配置されている例を説明したが、上部気化器５ｂは、改質器２と離間した状態で改質器２と同一の高さの位置に配置されていてもよい。
【００４９】
また、上記実施形態では、下部気化器５ａを備える場合を説明したが、必要に応じて下部気化器５ａを備えずに構成してもよい。
【００５０】
また、上記実施形態では、断熱部材９を備える場合を説明したが、必要に応じて断熱部材９を備えずに構成してもよい。
【００５１】
さらに、上記実施形態では、燃料ブロア１０が改質器２に接続される例を説明したが、燃料ブロア１０が下部気化器５ａに接続されていてもよい。
【符号の説明】
【００５２】
１…燃料電池モジュール、２…改質器、３…セルスタック、５ａ…下部気化器（第２気化器）、５ｂ…上部気化器（第１気化器）、７…筐体、９…断熱部材、１１…収納室（一部は排ガス流路）、１２…排ガス流路。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水蒸気を生成する第１気化器と、
前記水蒸気及び水素含有燃料を用いて改質ガスを発生させる改質器と、
前記改質ガスを用いて発電を行うセルスタックと、
前記第１気化器、前記改質器及び前記セルスタックを内部に収納するとともに、前記セルスタックの排ガスを外部へ流通させる排ガス流路を内部に形成する筐体と、
を備え、
前記改質器は、前記セルスタックよりも下流側の前記排ガス流路内であって前記セルスタックよりも上方に配置され、
前記第１気化器は、前記セルスタックよりも下流側の前記排ガス流路内であって前記改質器及び前記セルスタックと離間した状態で前記改質器と同一の高さ又は前記改質器よりも上方に配置されること、
を特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項２】
前記第１気化器と前記改質器との間には断熱部材が配置される請求項１に記載の燃料電池モジュール。
【請求項３】
前記セルスタック、前記改質器及び前記第１気化器よりも下流側の前記排ガス流路内であって、前記セルスタックの下方に配置され、前記第１気化器に水又は水蒸気を供給する第２気化器を備える請求項１又は２に記載の燃料電池モジュール。
【請求項１】
水蒸気を生成する第１気化器と、
前記水蒸気及び水素含有燃料を用いて改質ガスを発生させる改質器と、
前記改質ガスを用いて発電を行うセルスタックと、
前記第１気化器、前記改質器及び前記セルスタックを内部に収納するとともに、前記セルスタックの排ガスを外部へ流通させる排ガス流路を内部に形成する筐体と、
を備え、
前記改質器は、前記セルスタックよりも下流側の前記排ガス流路内であって前記セルスタックよりも上方に配置され、
前記第１気化器は、前記セルスタックよりも下流側の前記排ガス流路内であって前記改質器及び前記セルスタックと離間した状態で前記改質器と同一の高さ又は前記改質器よりも上方に配置されること、
を特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項２】
前記第１気化器と前記改質器との間には断熱部材が配置される請求項１に記載の燃料電池モジュール。
【請求項３】
前記セルスタック、前記改質器及び前記第１気化器よりも下流側の前記排ガス流路内であって、前記セルスタックの下方に配置され、前記第１気化器に水又は水蒸気を供給する第２気化器を備える請求項１又は２に記載の燃料電池モジュール。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１２−２２１６５９（Ｐ２０１２−２２１６５９Ａ）
【公開日】平成２４年１１月１２日（２０１２．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−８４５８２（Ｐ２０１１−８４５８２）
【出願日】平成２３年４月６日（２０１１．４．６）
【出願人】（０００００４４４４）ＪＸ日鉱日石エネルギー株式会社 (1,898)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月１２日（２０１２．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月６日（２０１１．４．６）
【出願人】（０００００４４４４）ＪＸ日鉱日石エネルギー株式会社 (1,898)
【Ｆターム（参考）】
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