燃料電池モジュール
【課題】セルスタックを改質器と共に収納した燃料電池モジュールにおける酸化ガスの逆流を抑制し、各セルスタック流路へ均等にガスを供給する。
【解決手段】燃料電池モジュール１００は、収納容器１１０に、電池セル２００の複数を直列に配列したセルスタックと、発電に消費される水素ガスを生成する改質器１２０とを収容する。電池セル２００は、鉛直方向に立設され、改質器１２０から供給を受けた水素ガスが通過する燃料ガス流路２１２をセル内部を貫通させて備えると共に、燃料ガス流路２１２の流路末端に浮き子式の弁体３００を有する。弁体３００は、弁体３００に作用する重力と燃料ガス流路２１２を通過する排ガスが弁体３００に及ぼす押し上げ力との関係により、燃料ガス流路２１２の通過ガス流量が少ないほど燃料ガス流路２１２の流路末端から収納容器１１０の内部に排出される排ガスの排出速度を高めるよう、排ガス流量を調整する。
【解決手段】燃料電池モジュール１００は、収納容器１１０に、電池セル２００の複数を直列に配列したセルスタックと、発電に消費される水素ガスを生成する改質器１２０とを収容する。電池セル２００は、鉛直方向に立設され、改質器１２０から供給を受けた水素ガスが通過する燃料ガス流路２１２をセル内部を貫通させて備えると共に、燃料ガス流路２１２の流路末端に浮き子式の弁体３００を有する。弁体３００は、弁体３００に作用する重力と燃料ガス流路２１２を通過する排ガスが弁体３００に及ぼす押し上げ力との関係により、燃料ガス流路２１２の通過ガス流量が少ないほど燃料ガス流路２１２の流路末端から収納容器１１０の内部に排出される排ガスの排出速度を高めるよう、排ガス流量を調整する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セルスタックと改質器を筐体の内部に収納してなる燃料電池モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の燃料電池モジュールは、セルスタックが備える複数の発電セルに、セルスタックと共に筐体に収容した改質器で生成した燃料ガスを供給する。こうして供給された燃料ガスは、発電セルにて消費され、未消費の燃料ガスは、排ガスとして発電セルから筐体の内部に排出される。燃料電池の一つである固体酸化物型燃料電池は、その作動温度が７００〜１０００℃と比較的高温であるため、その排熱を利用して、改質器による改質反応を促進させることができる。
【０００３】
その一方、筐体内の発電セルには、別系統にて酸素含有の酸化ガス、具体的には空気が供給されるので、筐体内には、酸化ガスと未消費の燃料ガスである排ガスが混在することになる。このため、この排ガスを筐体内で燃焼させてその熱で改質器の昇温を図ることも提案されている（例えば、特許文献１）。
【０００４】
改質器からセルスタックへは、通常、要求負荷に対応したガス量の燃料ガスが供給される。セルスタックは、複数の発電セル数を備えることから、ガス供給量をセル数で均等割した供給量（以下、均等供給量）がそれぞれの発電セルに供給されることが望ましい。ところが、各発電セルは、セルスタックにおいてその配列位置が相違することから、各発電セルには、均等供給量からずれたガス量の燃料ガスが供給される。例えば、セルスタックにおける配列位置によりガスが最も行き渡りにくい発電セルでは、均等供給量より少ないガス量の燃料ガスが供給され、ガスが最も行き渡りやすい発電セルでは、均等供給量を超えるガス量の燃料ガスが供給されることになり、発電セルの配列位置に応じた供給バラツキが生じる。こうした供給バラツキを、発電セルへのガス流入側で抑制することも提案されている（例えば、特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−２２５４５４号公報
【特許文献２】特開２００７−３１７５４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、セルスタックに含まれる発電セルは、均一な発電状況下で運転されることは希であり、高負荷、或いは低負荷での運転が続くことが多々ある。通常の負荷もしくは高負荷での運転下では、各発電セルへの燃料ガスの供給量自体が多いことから、セル配列位置によりガス供給量が最小となる発電セルであってもガス供給量が確保される。このため、セル配列位置による上記したガス供給バラツキの影響はさほど問題とならない。ところが、低負荷下での運転では、そもそもガス供給量自体が少ないので、その分、セル配列位置による上記したガス供給バラツキの影響が顕著となり、セル配列位置により均等供給量より少ないガス量の燃料ガスが供給される発電セルでは、セルにおける流路を通過する燃料ガスの流量や流速が大きく下がる。このため、筐体内の酸化ガス（空気）が電池セルにおける燃料ガスの流路に逆流することが起き得、こうした酸化ガス逆流は、セル配列位置に応じてガス供給量が少なくなる発電セルほど起き易くなる。上記した特許文献では、こうした低負荷運転時のガス供給挙動に対しての対処が十分とは言えないため、その改善が要望されるに到った。以下、この点につき、説明する。
【０００７】
酸化ガスの逆流が起きると、その逆流ガス量に相当する量だけ、発電セルへの燃料ガスの供給が減るので、セル配列位置によりガス供給量最小となる発電セルでは燃料ガスの供給量は更に低減する。そして、ガス供給量最小の発電セル以外の発電セル、具体的には、セル配列位置によりガス供給量が多くなりがちな発電セルでは、低負荷に対応した均等割供給量を超える燃料ガスが供給されてしまい、未消費のまま排出されてしまう燃料ガスが増える。よって、燃料ガスの利用率が低下する。なお、こうした問題は、セルスタックの発電セルが固体酸化物型の電池セルである燃料電池モジュールに限らず、改質器とセルスタックとを筐体に収納して、排ガスを筐体の内部に排出する燃料電池モジュールに共通する問題であった。
【０００８】
本発明は、上記した課題を踏まえ、複数の発電セルを備えるセルスタックを改質器と共に筐体の内部に収納した燃料電池モジュールにおける酸化ガスの逆流を抑制して、燃料ガスの利用率の向上を図ることをその目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記した目的の少なくとも一部を達成するために、本発明は、以下の適用例として実施することができる。
【００１０】
[適用１：燃料電池モジュール]
発電単位となる発電セルの複数を配列して備えるセルスタックと、前記発電セルでの発電に消費される燃料ガスを生成する改質器とを筐体の内部に収容した燃料電池モジュールであって、
前記発電セルは、
前記改質器から供給を受けた前記燃料ガスが通過する燃料ガス流路をセル内部を貫通させて備えると共に、前記燃料ガス流路の流路末端に流量調整部を備え、
該流量調整部は、
前記燃料ガス流路を通過するガス流量が少ないほど前記流路末端から前記筐体の内部に排出される排ガスの排出速度を高める排ガス排出経路を形成して、前記排ガスの流量を調整する
ことを要旨とする。
【００１１】
上記構成の燃料電池モジュールは、筐体にセルスタックと改質器とを収容し、セルスタックの各発電セルは、セル内部を貫通する燃料ガス流路を有する。改質器の生成した燃料ガスは、発電セルに供給されセルの燃料ガス流路を通過し、発電セルでの発電で消費され、未消費の燃料ガスは、排ガスとして、燃料ガス流路をその流路末端まで通過する。この排ガスは、燃料ガス流路を通過するガス流量が少なくても流路末端から筐体の内部に排出される排ガスの排出速度が低くならないよう流路末端の流量調整部が形成した排ガス排出経路を通って筐体の内部に排出される。このため、低負荷運転であるために燃料ガスの総供給量が少ない状況下においては、セル配列位置によりガス供給量がより少なくなる発電セル、例えば、ガス供給量が最小の発電セルであっても、排ガスは、高い排出速度で流路末端から筐体の内部に排出されるので、この供給量最小の発電セルの燃料ガス流路には、筐体内の酸化ガスが逆流しがたくなる。このガス供給量最小の発電セル以外の発電セルでは、ガス供給量最小の発電セルより多くの量の燃料ガスが燃料ガス流路を通過するので、排ガスの排出速度は供給量最小の発電セルより遅くなるものの、燃料ガス流路の通過ガス量が多いことから、やはり、筐体内の酸化ガスは逆流し難いことになる。この結果、上記構成の燃料電池モジュールによれば、このガス供給量最小の発電セルを含む各発電セルにおける酸化ガスの逆流を抑制できることから、発電セルの燃料ガス流路を通過する燃料ガスが発電のために消費される機会を確保でき、燃料ガスの利用率の向上を図ることができる。
【００１２】
上記した燃料電池は、次のような態様とすることができる。例えば、前記改質器については、これを前記筐体の天井側に位置させて収容し、前記筐体に収容された前記セルスタックについては、その有する発電セルを、前記燃料ガス流路の少なくとも前記流路末端を含む流路部位を前記筐体の内部において鉛直方向に延ばした上で、前記流路末端を前記改質器の側に位置させて配列する。そして、前記流量調整部については、これを、前記燃料ガス流路に入り込み該流路内において上下動可能な流路内駒と、該流路内駒と一体とされ前記燃料ガスの非供給時には前記流路末端を閉塞する閉塞体とを備えた浮き子式の弁体とする。この浮き子式の弁体は、前記燃料ガス流路を前記流路末端にて前記筐体の内部に繋ぐ隙間を、前記流路内駒の上下動に併せて閉塞体により形成し、弁体に作用する重力と前記燃料ガス流路を通過する前記排ガスが前記弁体に及ぼす押し上げ力との関係により前記隙間を調整して、前記排ガスの流量調整を図る。
【００１３】
こうすれば、浮き子式の弁体を燃料ガス流路の流路末端に設けるという単純な構成で、発電セルの燃料ガス流路への酸化ガスの逆流抑制を図った上で、燃料ガスの利用率を高めることができる。
【００１４】
この場合、前記弁体については、これを、前記燃料ガスの非供給時にあっても前記流路末端の一部部位を前記筐体の内部に繋ぐリーク経路を前記閉塞体に有するものとできる。こうすれば、より低負荷なためにガス供給量が一層と少なくなって、燃料ガス流路を通過する排ガスが弁体に及ぼす押し上げ力が重力より小さい場合でも、燃料ガス流路を通過する排ガスの一部をリーク経路を経て筐体の内部にリークできる。また、この際のガス通過経路は閉塞体に形成されたリーク経路であって、当然にその経路断面積も小さいことから、リークの際のガスの排出速度も確保できる。よって、より低負荷運転の際にあっても、発電セルの燃料ガス流路への酸化ガスの逆流抑制を図った上で、燃料ガスの利用率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施例の燃料電池モジュール１００を鉛直に断面視してその構成を概略的に示す概略断面図である。
【図２】電池セル２００を概略的に示す斜視図である。
【図３】電池セル２００をその中央にて縦断面視して示す説明図である。
【図４】弁体３００を側面視して示す説明図である。
【図５】弁体３００による排ガス排出の様子を説明する説明図である。
【図６】変形例の浮き子式の弁体３００Ａを側面視と底面視にて示す説明図である。
【図７】弁体３００による流路末端の他の閉塞状況と排ガス排出の様子を説明する説明図である。
【図８】他の変形例の浮き子式の弁体３００Ｂを側面視にて示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について、その実施例を図面に基づき説明する。図１は実施例の燃料電池モジュール１００を鉛直に断面視してその構成を概略的に示す概略断面図である。以下では、紙面に向かって左側、右側、上側、下側が、それぞれ、燃料電池モジュール１００の左側、右側、上側、下側であるものとし、紙面手前側が燃料電池モジュール１００の前側、紙面奥側が燃料電池モジュール１００の後側として説明する。
【００１７】
燃料電池モジュール１００は、断熱性部材によって形成された略直方体状の収納容器１１０の内部に、セルスタック１０２と改質器１２０とを収容して備える。セルスタック１０２は、酸素イオンもしくは水素イオンの伝導性を有する固体酸化物を電解質（固体電解質）とする固体酸化物型燃料電池セル（以下、単に電池セル２００と称する）を発電単位とし、この電池セル２００を複数を直列に配列して備える。そして、燃料電池モジュール１００は、収納容器１１０の容器側壁に、原料導入流路１２４と酸化ガス流入路１６０と燃焼オフガス排出路１６２とを備え、収納容器１１０の内部に、改質器１２０にて改質生成された燃料ガス（本実施例では、水素ガス）を電池セル２００に供給するための供給流路１２２と、当該流路末端に位置してそれぞれの電池セル２００に水素ガスを分配供給するマニホールド１３０とを有する。供給流路１２２とマニホールド１３０は、金属製の板材によって収納容器１１０内を区画することで形成されている。
【００１８】
こうした流路構成を有する燃料電池モジュール１００は、酸化ガス流入路１６０から、酸素を含有する酸化ガス（本例では、空気）を収納容器１１０の内部に導入する。導入された酸化ガスは、収納容器１１０の各部に行き渡り、電池セル２００の後述のカソード２３０に供給される。また、燃料電池モジュール１００は、原料導入流路１２４から、原燃料と改質用水とを改質器１２０に導入する。ここで、原燃料とは、改質器１２０における水蒸気改質に供される燃料であり、本実施例では、メタン（ＣＨ4）を含有するガスを用いる。原燃料としては、その他にも、プロパン、ブタン、灯油、ナフサ等の炭化水素系燃料や、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル等の燃料を用いることができる。改質用水とは、この原燃料の水蒸気改質に供される水分（水蒸気）である。改質器１２０は、供給を受けた原材料を改質して水素リッチな水素ガスを生成し、その生成した水素ガスを、既述した供給流路１２２とマニホールド１３０を経て、電池セル２００に供給する。電池セル２００に供給された水素ガスの内、未消費の水素ガスは、電池セル２００から収納容器１１０の内部に排ガスとして排出され、この排ガスは、収納容器１１０内の酸化ガスと共に燃焼して燃焼オフガス排出路１６２から収納容器１１０の外部に排出される。
【００１９】
改質器１２０は、原料導入流路１２４から供給流路１２２に掛けて収納容器１１０の天井側において容器左右方向に延びて配設され、そのケーシングは、例えば、ステンレス鋼のような金属材料によって形成されている。そして、この改質器１２０は、原料導入流路１２４の側を気化部とし、供給流路１２２の側を改質部とし、気化部の内部には、セラミックスボール（例えば、Ａｌ2Ｏ3やＺｒＯ2）を収容する。改質部の内部には、触媒が塗布されたセラミックスボールを収容する。これにより、改質器１２０は、原料導入流路１２４から供給された原燃料と改質用水とを気化部にて気化した後、改質部にて水素リッチな水素ガスを改質生成する。つまり、原料導入流路１２４から供給された原燃料と改質用水とが、後述する排ガスの燃焼熱と電池セル２００の発電による発熱とを受けて加熱される。この加熱により、原料導入流路１２４の側の気化部では、原燃料が水蒸気改質反応に適した温度まで昇温されるとともに、改質用水が気化されて水蒸気が発生する。こうして加熱された水蒸気を含む原燃料のことを、以下では、原燃料ガスという。上述したように、気化部には、セラミックスボールが収容されており、これにより原燃料ガスの昇温が補助される。
【００２０】
一方、気化部下流の改質部は、水蒸気改質反応を促進するための触媒が塗布された上記のセラミックスボールに気化部から供給を受けた原燃料ガスを接触させ、約６００℃の温度でこの原燃料ガスを改質し、水素を含有する燃料ガス（水素ガス）を生成する。この改質反応は、吸熱反応であり、後述する排ガスの燃焼熱と電池セル２００の発電による発熱とが利用される。上記の触媒としては、ルテニウム系触媒やニッケル系触媒を用いることができる。改質器１２０の改質部によって生成された燃料ガスは、供給流路１２２を経てマニホールド１３０に流入し、このマニホールド１３０からそれぞれの電池セル２００に分配供給される。なお、改質器１２０は、図示するように容器左右方向に延びた上、紙面奥側のモジュール後側から紙面手前側のモジュール前側に掛けても延びている。
【００２１】
セルスタック１０２は、改質器１２０の下方において、複数の電池セル２００を容器左右方向に延びるよう直列に配列して備える。個々の電池セル２００は、マニホールド１３０に固定部材１３２にて下端側で固定され、マニホールド１３０から改質器１２０に向けて鉛直に立設されている。固定部材１３２は、絶縁性を有する材料から形成さて、電池セル２００のそれぞれを、セル下端にてマニホールド１３０に気密に固定する。こうして固定された個々の電池セル２００は、図示するように容器左右方向に延びて並んだ上、紙面奥側のモジュール後側から紙面手前側のモジュール前側に掛けても延び、改質器１２０と後述する所定の間隙を隔てている。なお、既述した改質器１２０とその下方に位置するセルスタック１０２とは、モジュール前後方向に複数対、設けることもできる。
【００２２】
次に、電池セル２００の構成について説明する。図２は電池セル２００を概略的に示す斜視図、図３は電池セル２００をその中央にて縦断面視して示す説明図である。図示するように、電池セル２００は、多孔質基材２１０と、固体電解質２２０と、カソード２３０と、インターコネクタ２４０と、集電保持材２５０とを有する。多孔質基材２１０は、小判状の断面の平板状の部材であって耐食性を有する金属多孔体から形成され、鉛直方向に延びてセルを貫通する複数の燃料ガス流路２１２を一列に並べて備える。この場合、多孔質基材２１０の両端の燃料ガス流路２１２は、カソード２３０の端部側に位置して発電量が他の部位に比して低下するため、小径の流路とされている。多孔質基材２１０は、燃料ガス流路２１２をその下端にてマニホールド１３０と連通させているので、改質器１２０の生成した水素ガスは、マニホールド１３０から燃料ガス流路２１２に流路下端から入り込んで当該流路を通過し、未消費の水素ガス（排ガス）は、燃料ガス流路２１２の上端側の流路末端から収納容器１１０の内部に排出される。電池セル２００は、図１に示すように、燃料ガス流路２１２の流路末端に浮き子式の後述の弁体３００を有するので、排ガスは、この弁体３００での流量調整を受けた上で、燃料ガス流路２１２の流路末端から収納容器１１０の内部に排出される。このガス排出の様子については、後述する。
【００２３】
この多孔質基材２１０は、燃料ガス流路２１２の側の部位で気孔が粗くて気孔率が高く、インターコネクタ２４０の側の部位で気孔が密となるようにされており、燃料ガス流路２１２を通過する水素ガスを、固体電解質２２０に拡散供給する。本実施例では、多孔質基材２１０から固体電解質２２０に水素ガスを直接供給するので、この多孔質基材２１０は、固体電解質２２０に接合しカソード２３０に対向する領域をアノードとして機能させる。この場合、固体電解質２２０を挟んでカソード２３０に対向するアノードを多孔質基材２１０とは別部材から形成し、このアノードを多孔質基材２１０に組み込むこともできる。
【００２４】
インターコネクタ２４０は、電池セル２００ごとの集電体であって平板状をなし、多孔質基材２１０の一方の平面に装着される。このインターコネクタ２４０は、電池セルごとの集電体であって、隣り合うセル間に配設された導電性の集電保持材２５０と協働して、電池セル２００のそれぞれを電気的に直流に接続する。集電保持材２５０は、熱による電池セル２００の変形を吸収すべくバネ様の形状とされ、電池セル２００を鉛直に立設した姿勢で保持する。
【００２５】
固体電解質２２０は、インターコネクタ２４０を除く範囲において多孔質基材２１０をその外周にて取り囲むよう形成され、湾曲端部の側にて、インターコネクタ２４０と接合する。カソード２３０は、平板状をなし、多孔質基材２１０の他方の平面の側において、固体電解質２２０に接合する。
【００２６】
上記構成の電池セル２００は、固体電解質２２０の一方の電極面に多孔質基材２１０の燃料ガス流路２１２をその下端から通過する水素ガス（燃料ガス）の供給を受け、固体電解質２２０の他方の電極面には、収納容器１１０の内部に入り込んだ空気の供給をカソード２３０を介して受ける。これにより、電池セル２００は、供給された水素ガスを消費して発電し、その発電電力は、セルスタック１０２の両端の電池セル２００から収納容器１１０の外部に延びる配線１７２により、負荷１７０に通電される。この場合、配線１７２は、絶縁部材１７４にて気密に収納容器１１０に装着されて容器外部に延びている。そして、電池セル２００の発電に供されなかった未消費の水素ガスは、既述したように排ガスとして、燃料ガス流路２１２の流路末端から収納容器１１０の内部に排出され、収納容器１１０の内部に存在する酸化ガスと混じり合う。
【００２７】
次に、電池セル２００が有する弁体３００について説明する。図４は弁体３００を側面視して示す説明図、図５は弁体３００による排ガス排出の様子を説明する説明図である。弁体３００は、図１に示すように電池セル２００における燃料ガス流路２１２の流路末端に装着される。弁体３００は、円筒状の駒部３０２と上面板３０４との間に閉塞体３０５を備え、これらを一体化させている。弁体３００は、後述するように排ガスの燃焼部位に位置することから、耐熱性を有するセラミックの一体焼成品（図４（Ａ）参照）とできるほか、駒部３０２と上面板３０４と閉塞体３０５とを一体とした金属製の弁体３００とした上で、上面板３０４の下面縁部の表面と閉塞体３０５の傾斜面および下面縁部の表面にセラミック製の薄膜３０６を焼結形成した形態とすることもできる（図４（Ｂ）参照）。このセラミック製の薄膜３０６は、金属製の弁体３００が多孔質基材２１０に直接接しないようにできる膜厚で焼結形成すればよく、後述の排ガス燃焼に伴う焼き付けも防止できる。この場合、図４（Ｂ）において、薄膜３０６については、上記各面に加え、図中点線で示しように、薄膜３０６を駒部３０２の外周側面の全域に形成することが焼き付け防止効果の向上の上から望ましい。
【００２８】
上記構成の弁体３００は、浮き子式の弁体として機能する。つまり、駒部３０２は、鉛直方向にマニホールド１３０から延びる燃料ガス流路２１２に入り込み当該流路内において上下動する。この駒部３０２と一体の閉塞体３０５は、その下端面にて、水素ガスの非供給時（例えば、モジュール運転停止時）には燃料ガス流路２１２の流路末端を閉塞する。そして、弁体３００は、燃料ガス流路２１２を流路末端にて収納容器１１０の内部に繋ぐ隙間Ｐを駒部３０２の上下動に併せて閉塞体３０５により形成する。この隙間Ｐは、既述した排ガスが燃料ガス流路２１２の流路末端から収納容器１１０の内部に排出される際の排出経路となり、弁体３００に作用する重力と燃料ガス流路２１２を通過する排ガスが弁体３００に及ぼす押し上げ力との関係により調整される。燃料電池モジュール１００は、弁体３００の近傍に、図示しないスパーク電極を備え、運転始動時、或いは運転開始後の所定時間の経過後に、このスパーク電極を火花放電するので、燃料ガス流路２１２の流路末端の弁体３００にて形成された隙間Ｐから排出された排ガスは、着火燃焼し、その燃焼熱は、既述したように改質器１２０の加熱に用いられる。こうして排ガスが燃焼した後の燃焼オフガスは、収納容器１１０に設けた燃焼オフガス排出路１６２（図１参照）を経て燃料電池モジュール１００の外部に排出される。
【００２９】
電池セル２００に装着済みの弁体３００は、図１に示したように、改質器１２０の下方に位置するので、この改質器１２０にて、電池セル２００の燃料ガス流路２１２から飛び出さないようにされている。この場合、弁体３００の飛び出し防止を図るストッパーを多孔質基材２１０の上端に設けることもできる。
【００３０】
既述した隙間Ｐの形成の様子は、図５に示されており、負荷１７０の要求負荷が低負荷であると、負荷に応じて改質器１２０からマニホールド１３０を経てそれぞれの電池セル２００に供給され、それぞれの電池セル２００における燃料ガス流路２１２を通過するガス流量は少なくなる。よって、弁体３００を押し上げるよう作用する押し上げ力は小さくなるので、弁体３００に作用する重力との関係から、燃料ガス流路２１２からの排ガスの排出経路たる隙間Ｐは、狭くなって、この隙間Ｐを通過する排ガスの排出速度は高まる。つまり、弁体３００は、燃料ガス流路２１２を通過するガス流量が少ないほど、燃料ガス流路２１２の流路末端から収納容器１１０の内部に排出される排ガスの排出速度が高くなるよう隙間Ｐを形成して排ガス流量を調整する。このため、低負荷運転であるために燃料ガス（水素ガス）の総供給量が少ない状況下においては、セルスタック１０２における電池セル２００の配列位置によりガス供給量がより少なくなる電池セル２００、例えば、ガス供給量が最小の電池セル２００であっても、排ガスは、高い排出速度で燃料ガス流路２１２の流路末端から収納容器１１０の内部に排出される。この結果、この供給量最小の電池セル２００であってさえ、その燃料ガス流路２１２には、高い排出速度での排ガス排出により収納容器１１０の内部の酸化ガス（空気）が逆流しがたくなる。
【００３１】
このガス供給量最小の電池セル２００以外の電池セル２００では、ガス供給量最小の電池セル２００より多くの量の燃料ガスが燃料ガス流路２１２を通過するので、上記した隙間Ｐは供給量最小の電池セル２００より広くなって、排ガスの排出速度は供給量最小の電池セル２００より遅くなる。ところが、ガス供給量最小の電池セル２００以外の電池セル２００では、燃料ガス流路２１２の通過ガス量が多いことから、やはり、収納容器１１０の内部の酸化ガス（空気）は逆流し難いことになる。負荷１７０の要求負荷が高負荷であれば、そもそも燃料ガス流路２１２の通過ガス量が多いことから、隙間Ｐが広くなって排出速度が遅くなっても、収納容器１１０の内部の酸化ガス（空気）は逆流し難いことになる。これらの結果、一方の側から水素ガスが供給流路１２２を経て供給されるマニホールド１３０に対して、セルスタック１０２が電池セル２００を直列に配列したために、その配列位置により水素ガスの供給量に違いがあっても、ガス供給量最小の電池セル２００を含む各電池セル２００における酸化ガスの逆流を抑制できる。よって、本実施例の燃料電池モジュール１００によれば、電池セル２００の燃料ガス流路２１２を通過する水素ガス（燃料ガス）が発電のために消費される機会を確保でき、燃料ガスの利用率の向上を図ることができる。
【００３２】
また、本実施例の燃料電池モジュール１００によれば、電池セル２００におけるアノードの側では、多孔質基材２１０の燃料ガス流路２１２において水素ガス（燃料ガス）と逆流した酸化ガスとの混在を抑制できる。このため、アノードの側となる多孔質基材２１０の劣化についても、これを抑制できる。
【００３３】
しかも、本実施例の燃料電池モジュール１００では、電池セル２００が備えるそれぞれの燃料ガス流路２１２に弁体３００を装着するという単純な構成で、燃料ガス流路２１２への酸化ガスの逆流抑制を図った上で、燃料ガスの利用率を高めることができる。
【００３４】
次に、変形例について説明する。図６は変形例の浮き子式の弁体３００Ａを側面視と底面視にて示す説明図である。図示するように、この弁体３００Ａは、上面板３０４から閉塞体３０５に掛けてリーク部３０８を有する。このリーク部３０８は、上面板３０４と閉塞体３０５をその一部においてスリット状に切欠形成したガス流路であり、改質器１２０からの水素ガス（燃料ガス）の非供給時にあっても、燃料ガス流路２１２の一部部位をその流路末端において収納容器１１０の内部に繋ぐ。しかも、このリーク部３０８は、スリット状であるため、これを通過するガスの速度を高める。このため、この変形例の弁体３００Ａを有する燃料電池モジュール１００では、負荷１７０の要求負荷がより低負荷なためにガス供給量が一層と少なくなって、燃料ガス流路２１２を通過する排ガスが弁体３００Ａに及ぼす押し上げ力が重力より小さい場合でも、燃料ガス流路２１２を通過する排ガスの一部を、大きな速度でリーク部３０８を経て収納容器１１０の内部にリークできる。よって、変形例の弁体３００Ａを有する燃料電池モジュール１００によれば、より低負荷運転の際にあっても、電池セル２００の燃料ガス流路２１２への酸化ガスの逆流抑制を図った上で、燃料ガスの利用率を高めることができる。
【００３５】
図７は既述した弁体３００による流路末端の他の閉塞状況と排ガス排出の様子を説明する説明図である。図示するように、この場合の弁体３００は、燃料ガス流路２１２に入り込んで上下動する駒部３０２と一体の閉塞体３０５の傾斜面にて、燃料ガス流路２１２の流路末端の閉塞と開放を図る。つまり、流路末端にて燃料ガス流路２１２を収納容器１１０の内部に弁体３００が繋ぐ隙間Ｐは、駒部３０２の上下動に併せて閉塞体３０５の傾斜面により形成される。このようにして閉塞体３０５の傾斜面で形成される隙間Ｐにあっても、その隙間Ｐは、負荷１７０の要求負荷が低負荷であれば狭くなって、この隙間Ｐを通過する排ガスの排出速度は高まるので、既述した効果を奏することができる。
【００３６】
図８は他の変形例の浮き子式の弁体３００Ｂを側面視にて示す説明図である。図示するように、この弁体３００Ｂは、駒部３０２をその下端側ほど小径のテーパー状とした点に特徴がある。この弁体３００Ｂによれば、燃料ガス流路２１２の流路末端への組み込み側である駒部３０２の下端側が先細りしていることから、２１２への組み付け性が向上すると共に、ガス燃焼による焼き付け回避の上からも好ましい。加えて、流路末端に向けて燃料ガス流路２１２を流れて弁体３００Ｂを押し上げようとする排ガスの圧力損失も抑制でき、ガス通過の上から望ましい。
【００３７】
以上、本発明の実施の形態を実施例にて説明したが、本発明は上記した実施例や変形例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態様にて実施することが可能である。例えば、上記の実施例では、燃料ガス流路２１２をその全域において鉛直方向に延ばしたが、燃料ガス流路２１２を、その流路末端において鉛直方向に延びるようにできる。この場合、スプリングを併用して弁体３００を燃料ガス流路２１２の流路末端に向けて付勢するようにすれば、燃料ガス流路２１２の流路末端が向く方向の自由度が高まるので、電池セル２００の配置を鉛直方向以外の方向とすることもできる。
【００３８】
加えて、図６に示したリーク部３０８については、駒部３０２と閉塞体３０５の繋ぎ箇所から上面板３０４の上面に掛けてテーパー状に延びるものとしたり、閉塞体３０５と上面板３０４を貫通する小径の貫通孔とすることもできる。
【符号の説明】
【００３９】
１００…燃料電池モジュール
１０２…セルスタック
１１０…収納容器
１２０…改質器
１２２…供給流路
１２４…原料導入流路
１３０…マニホールド
１３２…固定部材
１６０…酸化ガス流入路
１６２…燃焼オフガス排出路
１７０…負荷
１７２…配線
１７４…絶縁部材
２００…電池セル
２１０…多孔質基材
２１２…燃料ガス流路
２２０…固体電解質
２３０…カソード
２４０…インターコネクタ
２５０…集電保持材
３００…弁体
３００Ａ〜３００Ｂ…弁体
３０２…駒部
３０４…上面板
３０５…閉塞体
３０６…薄膜
３０８…リーク部
Ｐ…隙間
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セルスタックと改質器を筐体の内部に収納してなる燃料電池モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の燃料電池モジュールは、セルスタックが備える複数の発電セルに、セルスタックと共に筐体に収容した改質器で生成した燃料ガスを供給する。こうして供給された燃料ガスは、発電セルにて消費され、未消費の燃料ガスは、排ガスとして発電セルから筐体の内部に排出される。燃料電池の一つである固体酸化物型燃料電池は、その作動温度が７００〜１０００℃と比較的高温であるため、その排熱を利用して、改質器による改質反応を促進させることができる。
【０００３】
その一方、筐体内の発電セルには、別系統にて酸素含有の酸化ガス、具体的には空気が供給されるので、筐体内には、酸化ガスと未消費の燃料ガスである排ガスが混在することになる。このため、この排ガスを筐体内で燃焼させてその熱で改質器の昇温を図ることも提案されている（例えば、特許文献１）。
【０００４】
改質器からセルスタックへは、通常、要求負荷に対応したガス量の燃料ガスが供給される。セルスタックは、複数の発電セル数を備えることから、ガス供給量をセル数で均等割した供給量（以下、均等供給量）がそれぞれの発電セルに供給されることが望ましい。ところが、各発電セルは、セルスタックにおいてその配列位置が相違することから、各発電セルには、均等供給量からずれたガス量の燃料ガスが供給される。例えば、セルスタックにおける配列位置によりガスが最も行き渡りにくい発電セルでは、均等供給量より少ないガス量の燃料ガスが供給され、ガスが最も行き渡りやすい発電セルでは、均等供給量を超えるガス量の燃料ガスが供給されることになり、発電セルの配列位置に応じた供給バラツキが生じる。こうした供給バラツキを、発電セルへのガス流入側で抑制することも提案されている（例えば、特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−２２５４５４号公報
【特許文献２】特開２００７−３１７５４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、セルスタックに含まれる発電セルは、均一な発電状況下で運転されることは希であり、高負荷、或いは低負荷での運転が続くことが多々ある。通常の負荷もしくは高負荷での運転下では、各発電セルへの燃料ガスの供給量自体が多いことから、セル配列位置によりガス供給量が最小となる発電セルであってもガス供給量が確保される。このため、セル配列位置による上記したガス供給バラツキの影響はさほど問題とならない。ところが、低負荷下での運転では、そもそもガス供給量自体が少ないので、その分、セル配列位置による上記したガス供給バラツキの影響が顕著となり、セル配列位置により均等供給量より少ないガス量の燃料ガスが供給される発電セルでは、セルにおける流路を通過する燃料ガスの流量や流速が大きく下がる。このため、筐体内の酸化ガス（空気）が電池セルにおける燃料ガスの流路に逆流することが起き得、こうした酸化ガス逆流は、セル配列位置に応じてガス供給量が少なくなる発電セルほど起き易くなる。上記した特許文献では、こうした低負荷運転時のガス供給挙動に対しての対処が十分とは言えないため、その改善が要望されるに到った。以下、この点につき、説明する。
【０００７】
酸化ガスの逆流が起きると、その逆流ガス量に相当する量だけ、発電セルへの燃料ガスの供給が減るので、セル配列位置によりガス供給量最小となる発電セルでは燃料ガスの供給量は更に低減する。そして、ガス供給量最小の発電セル以外の発電セル、具体的には、セル配列位置によりガス供給量が多くなりがちな発電セルでは、低負荷に対応した均等割供給量を超える燃料ガスが供給されてしまい、未消費のまま排出されてしまう燃料ガスが増える。よって、燃料ガスの利用率が低下する。なお、こうした問題は、セルスタックの発電セルが固体酸化物型の電池セルである燃料電池モジュールに限らず、改質器とセルスタックとを筐体に収納して、排ガスを筐体の内部に排出する燃料電池モジュールに共通する問題であった。
【０００８】
本発明は、上記した課題を踏まえ、複数の発電セルを備えるセルスタックを改質器と共に筐体の内部に収納した燃料電池モジュールにおける酸化ガスの逆流を抑制して、燃料ガスの利用率の向上を図ることをその目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記した目的の少なくとも一部を達成するために、本発明は、以下の適用例として実施することができる。
【００１０】
[適用１：燃料電池モジュール]
発電単位となる発電セルの複数を配列して備えるセルスタックと、前記発電セルでの発電に消費される燃料ガスを生成する改質器とを筐体の内部に収容した燃料電池モジュールであって、
前記発電セルは、
前記改質器から供給を受けた前記燃料ガスが通過する燃料ガス流路をセル内部を貫通させて備えると共に、前記燃料ガス流路の流路末端に流量調整部を備え、
該流量調整部は、
前記燃料ガス流路を通過するガス流量が少ないほど前記流路末端から前記筐体の内部に排出される排ガスの排出速度を高める排ガス排出経路を形成して、前記排ガスの流量を調整する
ことを要旨とする。
【００１１】
上記構成の燃料電池モジュールは、筐体にセルスタックと改質器とを収容し、セルスタックの各発電セルは、セル内部を貫通する燃料ガス流路を有する。改質器の生成した燃料ガスは、発電セルに供給されセルの燃料ガス流路を通過し、発電セルでの発電で消費され、未消費の燃料ガスは、排ガスとして、燃料ガス流路をその流路末端まで通過する。この排ガスは、燃料ガス流路を通過するガス流量が少なくても流路末端から筐体の内部に排出される排ガスの排出速度が低くならないよう流路末端の流量調整部が形成した排ガス排出経路を通って筐体の内部に排出される。このため、低負荷運転であるために燃料ガスの総供給量が少ない状況下においては、セル配列位置によりガス供給量がより少なくなる発電セル、例えば、ガス供給量が最小の発電セルであっても、排ガスは、高い排出速度で流路末端から筐体の内部に排出されるので、この供給量最小の発電セルの燃料ガス流路には、筐体内の酸化ガスが逆流しがたくなる。このガス供給量最小の発電セル以外の発電セルでは、ガス供給量最小の発電セルより多くの量の燃料ガスが燃料ガス流路を通過するので、排ガスの排出速度は供給量最小の発電セルより遅くなるものの、燃料ガス流路の通過ガス量が多いことから、やはり、筐体内の酸化ガスは逆流し難いことになる。この結果、上記構成の燃料電池モジュールによれば、このガス供給量最小の発電セルを含む各発電セルにおける酸化ガスの逆流を抑制できることから、発電セルの燃料ガス流路を通過する燃料ガスが発電のために消費される機会を確保でき、燃料ガスの利用率の向上を図ることができる。
【００１２】
上記した燃料電池は、次のような態様とすることができる。例えば、前記改質器については、これを前記筐体の天井側に位置させて収容し、前記筐体に収容された前記セルスタックについては、その有する発電セルを、前記燃料ガス流路の少なくとも前記流路末端を含む流路部位を前記筐体の内部において鉛直方向に延ばした上で、前記流路末端を前記改質器の側に位置させて配列する。そして、前記流量調整部については、これを、前記燃料ガス流路に入り込み該流路内において上下動可能な流路内駒と、該流路内駒と一体とされ前記燃料ガスの非供給時には前記流路末端を閉塞する閉塞体とを備えた浮き子式の弁体とする。この浮き子式の弁体は、前記燃料ガス流路を前記流路末端にて前記筐体の内部に繋ぐ隙間を、前記流路内駒の上下動に併せて閉塞体により形成し、弁体に作用する重力と前記燃料ガス流路を通過する前記排ガスが前記弁体に及ぼす押し上げ力との関係により前記隙間を調整して、前記排ガスの流量調整を図る。
【００１３】
こうすれば、浮き子式の弁体を燃料ガス流路の流路末端に設けるという単純な構成で、発電セルの燃料ガス流路への酸化ガスの逆流抑制を図った上で、燃料ガスの利用率を高めることができる。
【００１４】
この場合、前記弁体については、これを、前記燃料ガスの非供給時にあっても前記流路末端の一部部位を前記筐体の内部に繋ぐリーク経路を前記閉塞体に有するものとできる。こうすれば、より低負荷なためにガス供給量が一層と少なくなって、燃料ガス流路を通過する排ガスが弁体に及ぼす押し上げ力が重力より小さい場合でも、燃料ガス流路を通過する排ガスの一部をリーク経路を経て筐体の内部にリークできる。また、この際のガス通過経路は閉塞体に形成されたリーク経路であって、当然にその経路断面積も小さいことから、リークの際のガスの排出速度も確保できる。よって、より低負荷運転の際にあっても、発電セルの燃料ガス流路への酸化ガスの逆流抑制を図った上で、燃料ガスの利用率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施例の燃料電池モジュール１００を鉛直に断面視してその構成を概略的に示す概略断面図である。
【図２】電池セル２００を概略的に示す斜視図である。
【図３】電池セル２００をその中央にて縦断面視して示す説明図である。
【図４】弁体３００を側面視して示す説明図である。
【図５】弁体３００による排ガス排出の様子を説明する説明図である。
【図６】変形例の浮き子式の弁体３００Ａを側面視と底面視にて示す説明図である。
【図７】弁体３００による流路末端の他の閉塞状況と排ガス排出の様子を説明する説明図である。
【図８】他の変形例の浮き子式の弁体３００Ｂを側面視にて示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について、その実施例を図面に基づき説明する。図１は実施例の燃料電池モジュール１００を鉛直に断面視してその構成を概略的に示す概略断面図である。以下では、紙面に向かって左側、右側、上側、下側が、それぞれ、燃料電池モジュール１００の左側、右側、上側、下側であるものとし、紙面手前側が燃料電池モジュール１００の前側、紙面奥側が燃料電池モジュール１００の後側として説明する。
【００１７】
燃料電池モジュール１００は、断熱性部材によって形成された略直方体状の収納容器１１０の内部に、セルスタック１０２と改質器１２０とを収容して備える。セルスタック１０２は、酸素イオンもしくは水素イオンの伝導性を有する固体酸化物を電解質（固体電解質）とする固体酸化物型燃料電池セル（以下、単に電池セル２００と称する）を発電単位とし、この電池セル２００を複数を直列に配列して備える。そして、燃料電池モジュール１００は、収納容器１１０の容器側壁に、原料導入流路１２４と酸化ガス流入路１６０と燃焼オフガス排出路１６２とを備え、収納容器１１０の内部に、改質器１２０にて改質生成された燃料ガス（本実施例では、水素ガス）を電池セル２００に供給するための供給流路１２２と、当該流路末端に位置してそれぞれの電池セル２００に水素ガスを分配供給するマニホールド１３０とを有する。供給流路１２２とマニホールド１３０は、金属製の板材によって収納容器１１０内を区画することで形成されている。
【００１８】
こうした流路構成を有する燃料電池モジュール１００は、酸化ガス流入路１６０から、酸素を含有する酸化ガス（本例では、空気）を収納容器１１０の内部に導入する。導入された酸化ガスは、収納容器１１０の各部に行き渡り、電池セル２００の後述のカソード２３０に供給される。また、燃料電池モジュール１００は、原料導入流路１２４から、原燃料と改質用水とを改質器１２０に導入する。ここで、原燃料とは、改質器１２０における水蒸気改質に供される燃料であり、本実施例では、メタン（ＣＨ4）を含有するガスを用いる。原燃料としては、その他にも、プロパン、ブタン、灯油、ナフサ等の炭化水素系燃料や、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル等の燃料を用いることができる。改質用水とは、この原燃料の水蒸気改質に供される水分（水蒸気）である。改質器１２０は、供給を受けた原材料を改質して水素リッチな水素ガスを生成し、その生成した水素ガスを、既述した供給流路１２２とマニホールド１３０を経て、電池セル２００に供給する。電池セル２００に供給された水素ガスの内、未消費の水素ガスは、電池セル２００から収納容器１１０の内部に排ガスとして排出され、この排ガスは、収納容器１１０内の酸化ガスと共に燃焼して燃焼オフガス排出路１６２から収納容器１１０の外部に排出される。
【００１９】
改質器１２０は、原料導入流路１２４から供給流路１２２に掛けて収納容器１１０の天井側において容器左右方向に延びて配設され、そのケーシングは、例えば、ステンレス鋼のような金属材料によって形成されている。そして、この改質器１２０は、原料導入流路１２４の側を気化部とし、供給流路１２２の側を改質部とし、気化部の内部には、セラミックスボール（例えば、Ａｌ2Ｏ3やＺｒＯ2）を収容する。改質部の内部には、触媒が塗布されたセラミックスボールを収容する。これにより、改質器１２０は、原料導入流路１２４から供給された原燃料と改質用水とを気化部にて気化した後、改質部にて水素リッチな水素ガスを改質生成する。つまり、原料導入流路１２４から供給された原燃料と改質用水とが、後述する排ガスの燃焼熱と電池セル２００の発電による発熱とを受けて加熱される。この加熱により、原料導入流路１２４の側の気化部では、原燃料が水蒸気改質反応に適した温度まで昇温されるとともに、改質用水が気化されて水蒸気が発生する。こうして加熱された水蒸気を含む原燃料のことを、以下では、原燃料ガスという。上述したように、気化部には、セラミックスボールが収容されており、これにより原燃料ガスの昇温が補助される。
【００２０】
一方、気化部下流の改質部は、水蒸気改質反応を促進するための触媒が塗布された上記のセラミックスボールに気化部から供給を受けた原燃料ガスを接触させ、約６００℃の温度でこの原燃料ガスを改質し、水素を含有する燃料ガス（水素ガス）を生成する。この改質反応は、吸熱反応であり、後述する排ガスの燃焼熱と電池セル２００の発電による発熱とが利用される。上記の触媒としては、ルテニウム系触媒やニッケル系触媒を用いることができる。改質器１２０の改質部によって生成された燃料ガスは、供給流路１２２を経てマニホールド１３０に流入し、このマニホールド１３０からそれぞれの電池セル２００に分配供給される。なお、改質器１２０は、図示するように容器左右方向に延びた上、紙面奥側のモジュール後側から紙面手前側のモジュール前側に掛けても延びている。
【００２１】
セルスタック１０２は、改質器１２０の下方において、複数の電池セル２００を容器左右方向に延びるよう直列に配列して備える。個々の電池セル２００は、マニホールド１３０に固定部材１３２にて下端側で固定され、マニホールド１３０から改質器１２０に向けて鉛直に立設されている。固定部材１３２は、絶縁性を有する材料から形成さて、電池セル２００のそれぞれを、セル下端にてマニホールド１３０に気密に固定する。こうして固定された個々の電池セル２００は、図示するように容器左右方向に延びて並んだ上、紙面奥側のモジュール後側から紙面手前側のモジュール前側に掛けても延び、改質器１２０と後述する所定の間隙を隔てている。なお、既述した改質器１２０とその下方に位置するセルスタック１０２とは、モジュール前後方向に複数対、設けることもできる。
【００２２】
次に、電池セル２００の構成について説明する。図２は電池セル２００を概略的に示す斜視図、図３は電池セル２００をその中央にて縦断面視して示す説明図である。図示するように、電池セル２００は、多孔質基材２１０と、固体電解質２２０と、カソード２３０と、インターコネクタ２４０と、集電保持材２５０とを有する。多孔質基材２１０は、小判状の断面の平板状の部材であって耐食性を有する金属多孔体から形成され、鉛直方向に延びてセルを貫通する複数の燃料ガス流路２１２を一列に並べて備える。この場合、多孔質基材２１０の両端の燃料ガス流路２１２は、カソード２３０の端部側に位置して発電量が他の部位に比して低下するため、小径の流路とされている。多孔質基材２１０は、燃料ガス流路２１２をその下端にてマニホールド１３０と連通させているので、改質器１２０の生成した水素ガスは、マニホールド１３０から燃料ガス流路２１２に流路下端から入り込んで当該流路を通過し、未消費の水素ガス（排ガス）は、燃料ガス流路２１２の上端側の流路末端から収納容器１１０の内部に排出される。電池セル２００は、図１に示すように、燃料ガス流路２１２の流路末端に浮き子式の後述の弁体３００を有するので、排ガスは、この弁体３００での流量調整を受けた上で、燃料ガス流路２１２の流路末端から収納容器１１０の内部に排出される。このガス排出の様子については、後述する。
【００２３】
この多孔質基材２１０は、燃料ガス流路２１２の側の部位で気孔が粗くて気孔率が高く、インターコネクタ２４０の側の部位で気孔が密となるようにされており、燃料ガス流路２１２を通過する水素ガスを、固体電解質２２０に拡散供給する。本実施例では、多孔質基材２１０から固体電解質２２０に水素ガスを直接供給するので、この多孔質基材２１０は、固体電解質２２０に接合しカソード２３０に対向する領域をアノードとして機能させる。この場合、固体電解質２２０を挟んでカソード２３０に対向するアノードを多孔質基材２１０とは別部材から形成し、このアノードを多孔質基材２１０に組み込むこともできる。
【００２４】
インターコネクタ２４０は、電池セル２００ごとの集電体であって平板状をなし、多孔質基材２１０の一方の平面に装着される。このインターコネクタ２４０は、電池セルごとの集電体であって、隣り合うセル間に配設された導電性の集電保持材２５０と協働して、電池セル２００のそれぞれを電気的に直流に接続する。集電保持材２５０は、熱による電池セル２００の変形を吸収すべくバネ様の形状とされ、電池セル２００を鉛直に立設した姿勢で保持する。
【００２５】
固体電解質２２０は、インターコネクタ２４０を除く範囲において多孔質基材２１０をその外周にて取り囲むよう形成され、湾曲端部の側にて、インターコネクタ２４０と接合する。カソード２３０は、平板状をなし、多孔質基材２１０の他方の平面の側において、固体電解質２２０に接合する。
【００２６】
上記構成の電池セル２００は、固体電解質２２０の一方の電極面に多孔質基材２１０の燃料ガス流路２１２をその下端から通過する水素ガス（燃料ガス）の供給を受け、固体電解質２２０の他方の電極面には、収納容器１１０の内部に入り込んだ空気の供給をカソード２３０を介して受ける。これにより、電池セル２００は、供給された水素ガスを消費して発電し、その発電電力は、セルスタック１０２の両端の電池セル２００から収納容器１１０の外部に延びる配線１７２により、負荷１７０に通電される。この場合、配線１７２は、絶縁部材１７４にて気密に収納容器１１０に装着されて容器外部に延びている。そして、電池セル２００の発電に供されなかった未消費の水素ガスは、既述したように排ガスとして、燃料ガス流路２１２の流路末端から収納容器１１０の内部に排出され、収納容器１１０の内部に存在する酸化ガスと混じり合う。
【００２７】
次に、電池セル２００が有する弁体３００について説明する。図４は弁体３００を側面視して示す説明図、図５は弁体３００による排ガス排出の様子を説明する説明図である。弁体３００は、図１に示すように電池セル２００における燃料ガス流路２１２の流路末端に装着される。弁体３００は、円筒状の駒部３０２と上面板３０４との間に閉塞体３０５を備え、これらを一体化させている。弁体３００は、後述するように排ガスの燃焼部位に位置することから、耐熱性を有するセラミックの一体焼成品（図４（Ａ）参照）とできるほか、駒部３０２と上面板３０４と閉塞体３０５とを一体とした金属製の弁体３００とした上で、上面板３０４の下面縁部の表面と閉塞体３０５の傾斜面および下面縁部の表面にセラミック製の薄膜３０６を焼結形成した形態とすることもできる（図４（Ｂ）参照）。このセラミック製の薄膜３０６は、金属製の弁体３００が多孔質基材２１０に直接接しないようにできる膜厚で焼結形成すればよく、後述の排ガス燃焼に伴う焼き付けも防止できる。この場合、図４（Ｂ）において、薄膜３０６については、上記各面に加え、図中点線で示しように、薄膜３０６を駒部３０２の外周側面の全域に形成することが焼き付け防止効果の向上の上から望ましい。
【００２８】
上記構成の弁体３００は、浮き子式の弁体として機能する。つまり、駒部３０２は、鉛直方向にマニホールド１３０から延びる燃料ガス流路２１２に入り込み当該流路内において上下動する。この駒部３０２と一体の閉塞体３０５は、その下端面にて、水素ガスの非供給時（例えば、モジュール運転停止時）には燃料ガス流路２１２の流路末端を閉塞する。そして、弁体３００は、燃料ガス流路２１２を流路末端にて収納容器１１０の内部に繋ぐ隙間Ｐを駒部３０２の上下動に併せて閉塞体３０５により形成する。この隙間Ｐは、既述した排ガスが燃料ガス流路２１２の流路末端から収納容器１１０の内部に排出される際の排出経路となり、弁体３００に作用する重力と燃料ガス流路２１２を通過する排ガスが弁体３００に及ぼす押し上げ力との関係により調整される。燃料電池モジュール１００は、弁体３００の近傍に、図示しないスパーク電極を備え、運転始動時、或いは運転開始後の所定時間の経過後に、このスパーク電極を火花放電するので、燃料ガス流路２１２の流路末端の弁体３００にて形成された隙間Ｐから排出された排ガスは、着火燃焼し、その燃焼熱は、既述したように改質器１２０の加熱に用いられる。こうして排ガスが燃焼した後の燃焼オフガスは、収納容器１１０に設けた燃焼オフガス排出路１６２（図１参照）を経て燃料電池モジュール１００の外部に排出される。
【００２９】
電池セル２００に装着済みの弁体３００は、図１に示したように、改質器１２０の下方に位置するので、この改質器１２０にて、電池セル２００の燃料ガス流路２１２から飛び出さないようにされている。この場合、弁体３００の飛び出し防止を図るストッパーを多孔質基材２１０の上端に設けることもできる。
【００３０】
既述した隙間Ｐの形成の様子は、図５に示されており、負荷１７０の要求負荷が低負荷であると、負荷に応じて改質器１２０からマニホールド１３０を経てそれぞれの電池セル２００に供給され、それぞれの電池セル２００における燃料ガス流路２１２を通過するガス流量は少なくなる。よって、弁体３００を押し上げるよう作用する押し上げ力は小さくなるので、弁体３００に作用する重力との関係から、燃料ガス流路２１２からの排ガスの排出経路たる隙間Ｐは、狭くなって、この隙間Ｐを通過する排ガスの排出速度は高まる。つまり、弁体３００は、燃料ガス流路２１２を通過するガス流量が少ないほど、燃料ガス流路２１２の流路末端から収納容器１１０の内部に排出される排ガスの排出速度が高くなるよう隙間Ｐを形成して排ガス流量を調整する。このため、低負荷運転であるために燃料ガス（水素ガス）の総供給量が少ない状況下においては、セルスタック１０２における電池セル２００の配列位置によりガス供給量がより少なくなる電池セル２００、例えば、ガス供給量が最小の電池セル２００であっても、排ガスは、高い排出速度で燃料ガス流路２１２の流路末端から収納容器１１０の内部に排出される。この結果、この供給量最小の電池セル２００であってさえ、その燃料ガス流路２１２には、高い排出速度での排ガス排出により収納容器１１０の内部の酸化ガス（空気）が逆流しがたくなる。
【００３１】
このガス供給量最小の電池セル２００以外の電池セル２００では、ガス供給量最小の電池セル２００より多くの量の燃料ガスが燃料ガス流路２１２を通過するので、上記した隙間Ｐは供給量最小の電池セル２００より広くなって、排ガスの排出速度は供給量最小の電池セル２００より遅くなる。ところが、ガス供給量最小の電池セル２００以外の電池セル２００では、燃料ガス流路２１２の通過ガス量が多いことから、やはり、収納容器１１０の内部の酸化ガス（空気）は逆流し難いことになる。負荷１７０の要求負荷が高負荷であれば、そもそも燃料ガス流路２１２の通過ガス量が多いことから、隙間Ｐが広くなって排出速度が遅くなっても、収納容器１１０の内部の酸化ガス（空気）は逆流し難いことになる。これらの結果、一方の側から水素ガスが供給流路１２２を経て供給されるマニホールド１３０に対して、セルスタック１０２が電池セル２００を直列に配列したために、その配列位置により水素ガスの供給量に違いがあっても、ガス供給量最小の電池セル２００を含む各電池セル２００における酸化ガスの逆流を抑制できる。よって、本実施例の燃料電池モジュール１００によれば、電池セル２００の燃料ガス流路２１２を通過する水素ガス（燃料ガス）が発電のために消費される機会を確保でき、燃料ガスの利用率の向上を図ることができる。
【００３２】
また、本実施例の燃料電池モジュール１００によれば、電池セル２００におけるアノードの側では、多孔質基材２１０の燃料ガス流路２１２において水素ガス（燃料ガス）と逆流した酸化ガスとの混在を抑制できる。このため、アノードの側となる多孔質基材２１０の劣化についても、これを抑制できる。
【００３３】
しかも、本実施例の燃料電池モジュール１００では、電池セル２００が備えるそれぞれの燃料ガス流路２１２に弁体３００を装着するという単純な構成で、燃料ガス流路２１２への酸化ガスの逆流抑制を図った上で、燃料ガスの利用率を高めることができる。
【００３４】
次に、変形例について説明する。図６は変形例の浮き子式の弁体３００Ａを側面視と底面視にて示す説明図である。図示するように、この弁体３００Ａは、上面板３０４から閉塞体３０５に掛けてリーク部３０８を有する。このリーク部３０８は、上面板３０４と閉塞体３０５をその一部においてスリット状に切欠形成したガス流路であり、改質器１２０からの水素ガス（燃料ガス）の非供給時にあっても、燃料ガス流路２１２の一部部位をその流路末端において収納容器１１０の内部に繋ぐ。しかも、このリーク部３０８は、スリット状であるため、これを通過するガスの速度を高める。このため、この変形例の弁体３００Ａを有する燃料電池モジュール１００では、負荷１７０の要求負荷がより低負荷なためにガス供給量が一層と少なくなって、燃料ガス流路２１２を通過する排ガスが弁体３００Ａに及ぼす押し上げ力が重力より小さい場合でも、燃料ガス流路２１２を通過する排ガスの一部を、大きな速度でリーク部３０８を経て収納容器１１０の内部にリークできる。よって、変形例の弁体３００Ａを有する燃料電池モジュール１００によれば、より低負荷運転の際にあっても、電池セル２００の燃料ガス流路２１２への酸化ガスの逆流抑制を図った上で、燃料ガスの利用率を高めることができる。
【００３５】
図７は既述した弁体３００による流路末端の他の閉塞状況と排ガス排出の様子を説明する説明図である。図示するように、この場合の弁体３００は、燃料ガス流路２１２に入り込んで上下動する駒部３０２と一体の閉塞体３０５の傾斜面にて、燃料ガス流路２１２の流路末端の閉塞と開放を図る。つまり、流路末端にて燃料ガス流路２１２を収納容器１１０の内部に弁体３００が繋ぐ隙間Ｐは、駒部３０２の上下動に併せて閉塞体３０５の傾斜面により形成される。このようにして閉塞体３０５の傾斜面で形成される隙間Ｐにあっても、その隙間Ｐは、負荷１７０の要求負荷が低負荷であれば狭くなって、この隙間Ｐを通過する排ガスの排出速度は高まるので、既述した効果を奏することができる。
【００３６】
図８は他の変形例の浮き子式の弁体３００Ｂを側面視にて示す説明図である。図示するように、この弁体３００Ｂは、駒部３０２をその下端側ほど小径のテーパー状とした点に特徴がある。この弁体３００Ｂによれば、燃料ガス流路２１２の流路末端への組み込み側である駒部３０２の下端側が先細りしていることから、２１２への組み付け性が向上すると共に、ガス燃焼による焼き付け回避の上からも好ましい。加えて、流路末端に向けて燃料ガス流路２１２を流れて弁体３００Ｂを押し上げようとする排ガスの圧力損失も抑制でき、ガス通過の上から望ましい。
【００３７】
以上、本発明の実施の形態を実施例にて説明したが、本発明は上記した実施例や変形例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態様にて実施することが可能である。例えば、上記の実施例では、燃料ガス流路２１２をその全域において鉛直方向に延ばしたが、燃料ガス流路２１２を、その流路末端において鉛直方向に延びるようにできる。この場合、スプリングを併用して弁体３００を燃料ガス流路２１２の流路末端に向けて付勢するようにすれば、燃料ガス流路２１２の流路末端が向く方向の自由度が高まるので、電池セル２００の配置を鉛直方向以外の方向とすることもできる。
【００３８】
加えて、図６に示したリーク部３０８については、駒部３０２と閉塞体３０５の繋ぎ箇所から上面板３０４の上面に掛けてテーパー状に延びるものとしたり、閉塞体３０５と上面板３０４を貫通する小径の貫通孔とすることもできる。
【符号の説明】
【００３９】
１００…燃料電池モジュール
１０２…セルスタック
１１０…収納容器
１２０…改質器
１２２…供給流路
１２４…原料導入流路
１３０…マニホールド
１３２…固定部材
１６０…酸化ガス流入路
１６２…燃焼オフガス排出路
１７０…負荷
１７２…配線
１７４…絶縁部材
２００…電池セル
２１０…多孔質基材
２１２…燃料ガス流路
２２０…固体電解質
２３０…カソード
２４０…インターコネクタ
２５０…集電保持材
３００…弁体
３００Ａ〜３００Ｂ…弁体
３０２…駒部
３０４…上面板
３０５…閉塞体
３０６…薄膜
３０８…リーク部
Ｐ…隙間
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電単位となる発電セルの複数を配列して備えるセルスタックと、前記発電セルでの発電に消費される燃料ガスを生成する改質器とを筐体の内部に収容した燃料電池モジュールであって、
前記発電セルは、
前記改質器から供給を受けた前記燃料ガスが通過する燃料ガス流路をセル内部を貫通させて備えると共に、前記燃料ガス流路の流路末端に流量調整部を備え、
該流量調整部は、
前記燃料ガス流路を通過するガス流量が少ないほど前記流路末端から前記筐体の内部に排出される排ガスの排出速度を高める排ガス排出経路を形成して、前記排ガスの流量を調整する
燃料電池モジュール。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池モジュールであって、
前記改質器を前記筐体の天井側に位置させて収容し、
前記筐体に収容された前記セルスタックは、前記燃料ガス流路の少なくとも前記流路末端を含む流路部位を前記筐体の内部において鉛直方向に延ばした上で、前記流路末端を前記改質器の側に位置させて前記発電セルを配列して備え、
前記流量調整部は、前記燃料ガス流路に入り込み該流路内において上下動可能な流路内駒と、該流路内駒と一体とされ前記燃料ガスの非供給時には前記流路末端を閉塞し、前記燃料ガス流路を前記流路末端にて前記筐体の内部に繋ぐ隙間を前記流路内駒の上下動に併せて形成する閉塞体とを備えた浮き子式の弁体を有し、該弁体に作用する重力と前記燃料ガス流路を通過する前記排ガスが前記弁体に及ぼす押し上げ力との関係により前記隙間を調整して、前記排ガスの流量調整を図る
燃料電池モジュール。
【請求項３】
前記弁体は、前記燃料ガスの非供給時にあっても前記流路末端の一部部位を前記筐体の内部に繋ぐリーク経路を前記閉塞体に有する請求項２に記載の燃料電池モジュール。
【請求項１】
発電単位となる発電セルの複数を配列して備えるセルスタックと、前記発電セルでの発電に消費される燃料ガスを生成する改質器とを筐体の内部に収容した燃料電池モジュールであって、
前記発電セルは、
前記改質器から供給を受けた前記燃料ガスが通過する燃料ガス流路をセル内部を貫通させて備えると共に、前記燃料ガス流路の流路末端に流量調整部を備え、
該流量調整部は、
前記燃料ガス流路を通過するガス流量が少ないほど前記流路末端から前記筐体の内部に排出される排ガスの排出速度を高める排ガス排出経路を形成して、前記排ガスの流量を調整する
燃料電池モジュール。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池モジュールであって、
前記改質器を前記筐体の天井側に位置させて収容し、
前記筐体に収容された前記セルスタックは、前記燃料ガス流路の少なくとも前記流路末端を含む流路部位を前記筐体の内部において鉛直方向に延ばした上で、前記流路末端を前記改質器の側に位置させて前記発電セルを配列して備え、
前記流量調整部は、前記燃料ガス流路に入り込み該流路内において上下動可能な流路内駒と、該流路内駒と一体とされ前記燃料ガスの非供給時には前記流路末端を閉塞し、前記燃料ガス流路を前記流路末端にて前記筐体の内部に繋ぐ隙間を前記流路内駒の上下動に併せて形成する閉塞体とを備えた浮き子式の弁体を有し、該弁体に作用する重力と前記燃料ガス流路を通過する前記排ガスが前記弁体に及ぼす押し上げ力との関係により前記隙間を調整して、前記排ガスの流量調整を図る
燃料電池モジュール。
【請求項３】
前記弁体は、前記燃料ガスの非供給時にあっても前記流路末端の一部部位を前記筐体の内部に繋ぐリーク経路を前記閉塞体に有する請求項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８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１３−２６１３２（Ｐ２０１３−２６１３２Ａ）
【公開日】平成２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１６２０３１（Ｐ２０１１−１６２０３１）
【出願日】平成２３年７月２５日（２０１１．７．２５）
【出願人】（０００００４６９５）株式会社日本自動車部品総合研究所 (1,981)
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月２５日（２０１１．７．２５）
【出願人】（０００００４６９５）株式会社日本自動車部品総合研究所 (1,981)
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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