CN108155405A - 燃料电池电堆装置以及燃料电池装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种燃料电池电堆装置，可应用于装置的小型化，不需要将废气送出至燃烧部的配管。具体而言，具备：第1分流器(2a)，连接于第1电堆(10a)所具备的多个燃料电池单电池上端，从上方向第1电堆所具备的多个燃料电池单电池供给从重整器(12)供给的燃料气体；及第2分流器(2b)，连接于第2电堆(10b)所具备的多个燃料电池单电池下端，回收从第1电堆排出的燃料气体，同时从下方向第2电堆所具备的多个燃料电池单电池供给回收的燃料气体。

Description

燃料电池电堆装置以及燃料电池装置
技术领域
本发明涉及一种燃料电池电堆装置以及燃料电池装置。尤其涉及一种通过对原料气体进行重整而得到的燃料气体与氧化剂气体的反应来进行发电的燃料电池电堆装置以及燃料电池装置。
背景技术
固体氧化物型燃料电池装置(Solid Oxide Fuel Cell：以下也称为“SOFC”)是具备由固体电解质及电极等所构成的燃料电池单电池的燃料电池装置，固体电解质作为电解质而具有氧化物离子导电性，电极配置在固体电解质的两侧。另外，固体氧化物型燃料电池装置是如下取出电力的装置，在模块容器内配设多个该燃料电池单电池，向燃料电池单电池的一个电极(燃料极) 供给燃料气体，向另一个电极(空气极)供给氧化剂气体(空气、氧气等)，通过发电反应来进行发电。相对于高分子电解质型燃料电池装置等其他燃料电池装置，固体氧化物型燃料电池装置例如以700～1000℃左右的比较高的温度进行工作。
作为用于固体氧化物型燃料电池装置的燃料电池单电池，已周知专利文献1所记载的平圆筒型单电池、专利文献2所记载的圆筒型单电池、专利文献3所记载的圆筒横条型等。
但是，作为这样的燃料电池装置，要求较高的燃料利用率(Uf)、较高的发电效率。于是，为了提高燃料利用率及发电效率，提出了如专利文献4、专利文献5所记载的两层结构的级联型燃料电池装置，将燃料电池单电池排列分割为2个单电池群而分别作为第一层、第二层，将在第一层的燃料电池单电池的发电中残余的燃料气体供向第二层的燃料电池单电池而促进燃料气体的级联利用。
专利文献1：日本国特开2015-082389号公报
专利文献2：日本国专利5234554号公报
专利文献3：日本国特开平7-130385号公报
专利文献4：日本国特开2016-100136号公报
专利文献5：日本国特开2016-100138号公报
发明内容
但是，难以将这样的两层结构的级联型燃料电池应用于使用现有的筒状燃料电池单电池的燃料电池电堆及燃料电池装置。之所以这样，是因为会使燃料电池装置的结构变复杂，产生燃料电池装置的小型化受阻等的问题。
尤其，燃料电池装置中，通过燃烧未使用于发电的燃料气体(废气) 来加热重整器，重整器中将原料气体重整为含氢的燃料气体。但是，在想要应用两层结构的燃料电池时，当从燃料电池单电池的下方将燃料气体供向一次侧的燃料电池单电池时，在一次侧的燃料电池单电池中未使用的燃料气体在燃料电池单电池的上方发生折返。该燃料气体供向二次侧的燃料电池单电池。因此，虽然废气从二次侧的燃料电池单电池的下方排放，但是在这样的情况下，需要将废气送出至设置在现有燃料电池单电池上方的燃烧部的配管。
本发明是鉴于上述问题而进行的。所要解决的技术问题是提供一种如下简易装置，在使用柱状燃料电池单电池的两层结构的级联型燃料电池电堆装置中，抑制复杂化且也可以应用于小型化。尤其，其目的在于提供一种不需要将废气送出至燃烧部的配管的燃料电池电堆装置。
本发明是一种燃料电池电堆装置，通过燃料气体与氧化剂气体的反应来进行发电，其特征为，具备：多个柱状燃料电池单电池，在内部具有在长度方向上延伸的气体流路；多个电堆，具备相对于长度方向分别相互平行配置的多个燃料电池单电池，而且，包括在正交于长度方向的方向上排列的第1电堆及第2电堆；重整器，将原料气体重整为含氢的燃料气体；第1分流器，连接于第1电堆所具备的多个燃料电池单电池上端，从上方向第1电堆所具备的多个燃料电池单电池供给从重整器供给的燃料气体；及第2分流器，连接于第2 电堆所具备的多个燃料电池单电池下端，回收从第1电堆排出的燃料气体，同时从下方向第2电堆所具备的多个燃料电池单电池供给回收的燃料气体。
根据上述结构的本发明，由于是在第1单电池群中使用的残余的燃料气体流入第2单电池群而进一步被消耗的结构，因此能够提高燃料利用率。另外，由于将在第1单电池群中使用的残余燃料气体，能够不使用特别的配管、燃料气体分配器而供向第2单电池群，因此能够容易对燃料电池电堆进行小型化。
另外，根据本发明，由于从第1电堆的上端供给燃料气体，从第2电堆的下端供给通过第2分流器回收的燃料气体，因此能够从第2电堆的上端排出废气。由此，能够不设置新的配管而将废气输送至燃烧部。
本发明中，优选如下，多个电堆仅由第1电堆及第2电堆所构成，第 1电堆及第2电堆构成为多个燃料电池单电池一列排列。
根据本发明，由于仅由2列电堆所构成，因此能够对燃料电池电堆装置进行小型化。
本发明中，优选如下，重整器设置在第2电堆上方。
根据本发明，不需要将现有的燃料电池装置的结构变大而构成级联型燃料电池。
本发明所涉及的燃料电池装置的一个形态是一种燃料电池装置，具备柱状的多个燃料电池单电池，通过在内部流路中流动的燃料气体与供向外表面的氧化剂气体来进行发电，多个燃料电池单电池由第1单电池群与第2单电池群所构成，包含于第1单电池群及第2单电池群的多个燃料电池单电池，各自的内部流路连通于第2分流器内部而被竖立设置，包含于第1单电池群的多个燃料电池单电池的上端，内部流路连通于第1分流器内部而被固定，包含于第2 单电池群的燃料电池单电池上端被开放，以便从上端排出未使用于发电的燃料气体而进行燃烧。
根据本形态，由于是在第1单电池群中使用的燃料气体供向第2单电池群而进一步在第2单电池群中被消耗的结构，因此能够提高燃料利用率。另外，能够不需要使用特别的配管、燃料气体分配器而将第1单电池群中使用的燃料气体供向第2单电池群，因此能够容易对燃料电池电堆进行小型化。
另外，在本发明的一个形态中，包含于第1单电池群的燃料电池单电池的长度方向的长度小于包含于第2单电池群的燃料电池单电池的长度方向的长度。
根据本形态，通过使包含于第1单电池群的燃料电池单电池的长度方向的长度较短，从而能够使在第1单电池群中的平均单电池电压与在第2单电池群中的平均单电池电压大致相同。虽然第1单电池群因水蒸气部分压力较低而存在单电池电位变高的倾向，但是能够通过缩短单电池的长度来减少电极面积，而增加过电压，因此能够调整电位。因此，能够确保燃料电池单电池的耐久性。
另外，在本发明的一个形态中，优选如下，供向第1分流器的燃料气体构成为，在以包含于第1单电池群的燃料电池单电池内部流路、第2分流器、包含于第2单电池群的燃料电池单电池内部流路的顺序流动之后排出。
根据本形态，通过在第1单电池群中消耗燃料气体，之后在第2单电池群中消耗燃料气体而排出，从而能够燃烧未使用气体。因此，容易将电堆装置安装于具备重整器的燃料电池模块。
另外，在本发明的一个形态中，优选如下，串联电连接包含于第1单电池群的多个燃料电池单电池，串联电连接包含于第2单电池群的多个燃料电池单电池，串联电连接第1单电池群与第2单电池群。
根据本形态，由于能够通过电流来规定第1单电池群中的燃料利用率及第2单电池群中的燃料利用率，因此能够实现燃料电池装置的高效化。
另外，在本发明的一个形态中，优选如下，串联电连接包含于第1单电池群的多个燃料电池单电池，串联电连接包含于第2单电池群的多个燃料电池单电池，并联电连接第1单电池群与第2单电池群。
根据本形态，由于并联连接第1单电池群与第2单电池群，因此第1 单电池群中流动的电流与第2单电池群中流动的电流趋于平衡，以便各自的电位成为等电位。由此，能够提供耐久性较高的燃料电池装置。
另外，在本发明的一个形态中，优选如下，当俯视时，第1分流器具有：在由多个燃料电池单电池所构成的单电池群的长边方向上延伸存在的两个区域，多个燃料电池单电池相对于与燃料电池单电池的长度方向正交的面以矩形形状配置；及在单电池群的短边方向上延伸存在的一个区域，在长边方向上延伸存在的两个区域在中间隔着在短边方向上延伸存在的一个区域而相互连接。
根据本形态，由于燃烧从第2单电池群排出的未使用气体的区域配置在燃料电池电堆装置的大致中央部分，因此能够降低散热。其结果，能够实现燃料电池电堆装置的高效化。
另外，在本发明的一个形态中，优选如下，第1分流器由多个分流器所构成。
根据本形态，通过设置多个分流器，从而使燃料电池装置的组装变得容易。
另外，在本发明的一个形态中，优选如下，在包含于第2单电池群的多个燃料电池单电池的上方，具有向第1分流器供给燃料气体的重整器，在包含于第2单电池群的多个燃料电池单电池与重整器之间设置有燃烧部。
根据本形态，由于能够将燃烧部的热高效地传递到重整器，因此能够提供高效率的燃料电池装置。
另外，本发明所涉及的燃料电池装置的一个形态是一种燃料电池装置，具备柱状的多个燃料电池单电池，通过在内部流路中流动的燃料气体与供向外表面的氧化剂气体来进行发电，多个燃料电池单电池由第1单电池群与第2 单电池群所构成，包含于第1单电池群的多个燃料电池单电池，各自的内部流路连通于分流器内部而被竖立设置，包含于第2单电池群的多个燃料电池单电池，介由绝缘性的连通构件在燃料电池单电池的长度方向上设置在包含于第1 单电池群的多个燃料电池单电池的上方，包含于第2单电池群的多个燃料电池单电池的内部流路，介由绝缘性的连通构件连通于包含于第1单电池群的多个燃料电池单电池的内部流路，串联电连接包含于第1单电池群的多个燃料电池单电池，串联电连接包含于第2单电池群的多个燃料电池单电池，电连接第1 单电池群与第2单电池群。
根据本形态，由于串联电连接第1单电池群，串联电连接第2单电池群，电连接第1单电池群与第2单电池群，因此能够在较大地确保发电面积的同时使电流分布趋于均匀，而且，由于能够实现级联型燃料电池装置，因此能够提供高效率且高耐久性的燃料电池装置。
另外，在本发明的一个形态中，优选如下，串联电连接第1单电池群与第2单电池群。
根据本形态，由于能够通过电流来规定第1单电池群中的燃料利用率及第2单电池群中的燃料利用率，因此能够实现燃料电池装置的高效化。
另外，在本发明的一个形态中，优选如下，并联电连接第1单电池群与第2单电池群。
根据本形态，由于并联连接第1单电池群与第2单电池群，因此第1 单电池群中流动的电流与第2单电池群中流动的电流趋于平衡，以便各自的电位成为等电位。由此，能够提供耐久性较高的燃料电池装置。
另外，在本发明的一个形态中，优选如下，包含于第1单电池群的燃料电池单电池的长度方向的长度小于包含于第2单电池群的燃料电池单电池的长度方向的长度。
根据本形态，通过缩小包含于第1单电池群的燃料电池单电池的长度方向的长度，从而能够使第1单电池群中的平均单电池电压与第2单电池群中的平均单电池电压大致相同。虽然第1单电池群因水蒸气部分压力较低而存在单电池电位变高的倾向，但是能够通过缩短燃料电池单电池的长度来减少电极面积，因此能够通过增加过电压来调整电位。因此，能够确保燃料电池单电池的耐久性。
另外，在本发明的一个形态中，优选如下，通过一个绝缘性的连通构件来接合包含于第1单电池群的多个燃料电池单电池中的2个以上的燃料电池单电池。
根据本形态，通过使第2单电池群的单电池数量相同于第1单电池群的单电池数量或比属于第1单电池群的燃料电池单电池数量更少，从而能够进一步提高燃料利用率。另外，由于能够使第1单电池群中的燃料利用率与第2 单电池群中的燃料利用率近似，因此能够大致相同地对齐能斯特损失，能够消除发热的不均。
另外，本发明所涉及的燃料电池装置的一个形态是一种燃料电池装置，具备柱状的多个燃料电池单电池，通过在内部流路中流动的燃料气体与供向外表面的氧化剂气体来进行发电，多个燃料电池单电池由第1单电池群与第2 单电池群所构成，离开排列有第1单电池群与第2单电池群，包含于第1单电池群的多个燃料电池单电池，以内部流路连通于第1分流器内部的方式下端被连接固定，同时以内部流路连通于第2分流器内部的方式上端被连接固定，包含于第2单电池群的多个燃料电池单电池，以内部流路连通于第2分流器内部的方式上端被连接固定，同时以内部流路连通于第3分流器内部的方式下端被连接固定，供向第1分流器的燃料气体构成为，在以包含于第1单电池群的多个燃料电池单电池内部流路、第2分流器、包含于第2单电池群的多个燃料电池单电池内部流路、第3分流器的顺序流动之后排出，包含于第2单电池群的多个燃料电池单电池的数量构成为，与包含于第1单电池群的燃料电池单电池的数量相同或比包含于第1单电池群的燃料电池单电池的数量更少。
根据本形态，由于是第1单电池群中使用的燃料气体在第2单电池群中流动而进一步被消耗的结构，因此能够提高燃料电池装置的燃料利用率。由于不需要较大地改变单电池的排列而分两阶段消耗燃料气体，因此能够提供发电效率较高、制造容易的燃料电池装置。
另外，在本发明的一个形态中，优选如下，离开设置有第1分流器与第3分流器。
根据本形态，由于是在使单电池彼此离开的同时使分流器也彼此离开的配置，因此能够提供制造时的组装容易的燃料电池装置。
另外，在本发明的一个形态中，优选如下，第1分流器与第3分流器作为一个容器而呈一体地构成，在容器的内部，分离向包含于第1单电池群的多个燃料电池单电池供给燃料气体的第1分流器与向外部排出从包含于第2单电池群的多个燃料电池单电池排出的燃料气体的第3分流器。
根据本形态，能够将多个分流器作为一个容器而构成，因此能够提供制造容易的燃料电池装置。
另外，在本发明的一个形态中，优选如下，串联电连接包含于第1单电池群的多个燃料电池单电池，串联电连接包含于第2单电池群的多个燃料电池单电池，串联电连接第1单电池群与第2单电池群。
根据本形态，由于能够通过电流来规定第1单电池群中的燃料利用率及第2单电池群中的燃料利用率，因此能够实现燃料电池装置的高效化。
另外，在本发明的一个形态中，优选如下，串联电连接包含于第1单电池群的多个燃料电池单电池，串联电连接包含于第2单电池群的多个燃料电池单电池，并联电连接第1单电池群与第2单电池群。
根据本形态，由于并联连接第1单电池群与第2单电池群，因此第1 单电池群中流动的电流与第2单电池群中流动的电流趋于平衡，以便各自的电位成为等电位。因此，能够确保燃料电池单电池的耐久性。
根据本发明，能够提供一种两层结构的级联型的燃料电池电堆装置以及燃料电池装置，其为抑制装置的复杂化且也可以应用于小型化的简易结构，使用了柱状的燃料电池单电池。尤其，根据本发明，能够提供一种不需要将废气送出至燃烧部的配管的燃料电池电堆装置以及燃料电池装置。
附图说明
图1是用于说明本发明的燃料电池电堆装置的基本结构的侧视图。
图2是说明本发明的燃料电池电堆装置的燃料消耗的图。
图3是表示从第1电堆侧观察的本发明的第1实施方式所涉及的燃料电池电堆装置的立体图。
图4是表示从第2电堆侧观察的本发明的第1实施方式所涉及的燃料电池电堆装置的立体图。
图5是表示从第1电堆侧观察的本发明的第1实施方式所涉及的燃料电池电堆装置的侧视图。
图6是表示从第2电堆侧观察的本发明的第1实施方式所涉及的燃料电池电堆装置的侧视图。
图7是本发明的第1实施方式所涉及的燃料电池电堆装置的俯视图。
图8是构成本发明的第1实施方式所涉及的燃料电池电堆装置的第1电堆的局部水平剖视图。
图9是本发明的第1实施方式所涉及的燃料电池电堆装置的铅垂剖视图。
图10是本发明的第1实施方式所涉及的燃料电池电堆装置的第1分流器的铅垂剖视图。
图11是本发明的第1实施方式所涉及的燃料电池电堆装置的第1电堆的燃料电池单电池下端与第2分流器的连接部的放大剖视图。
图12是表示本发明的第2实施方式所涉及的燃料电池单电池的图。
图13是表示本发明的第2实施方式所涉及的燃料电池单电池的图。
图14是表示本发明的第2实施方式所涉及的燃料电池电堆装置的侧视图。
图15是表示本发明的第2实施方式所涉及的燃料电池电堆装置的侧视图。
图16是表示本发明的第2实施方式所涉及的燃料电池电堆装置的侧视图。
图17是表示本发明的第3实施方式所涉及的燃料电池电堆装置的侧视图。
图18是表示本发明的第3实施方式所涉及的燃料电池电堆装置的侧视图。
图19是表示本发明的第3实施方式所涉及的燃料电池电堆装置的侧视图。
图20是表示本发明的第4实施方式所涉及的燃料电池电堆装置的侧视图。
符号说明
1-燃料电池单电池(单电池)；1a-燃料电池单电池；1b-燃料电池单电池； 2a-(第1)分流器；2b-(第2)分流器；2b1-室；2b2-室；10a-第1电堆(单电池群)；10b-第2电堆(单电池群)；12-重整器；12A-蒸发部；12B-重整部； 13A-供给管；13B-供给管；14-连接部；18-燃烧部；20-分配管；20A-开口；22- 框体；22A-开口；24-壳体；24A-开口；30-集电构件；30a-端部集电构件；30b- 端部集电构件；32-连结集电构件；34-导电性支撑基板；34A-气体流路；36-燃料侧电极层；38-固体电解质层；40-空气侧电极层；42-内部连线；44-P型半导体层；46-绝热材料；50-框体；50a-下方框体；50b-上方框体；50c-第1开口； 50d-第2开口；50e-突出部；52-第1壳体；52a-开口；52b-应力吸收机构；54- 第2壳体；54a-开口；56a-玻璃密封件；56b-玻璃密封件；60-隔板；60A-表面； 60B-表面；60a-空气流通路；60b-上部贯穿孔；60c-下部贯穿孔；60d-下端喷出孔；60e-第1空气喷出孔；60f-第2空气喷出孔；90-绝热材料；92-内侧壳体； 92a-排气排出孔；94-外侧壳体；96-排气流路；98-空气流路；100-燃料电池电堆装置；1001-单电池；1002a-分流器；1002b-分流器；1003-燃料极；1004-金属盖； 1005-玻璃材料；1006-绝缘性支撑构件；1007-玻璃环；1008-空气极；1009-集电体；1010a-单电池群；1010b-单电池群；1011-重整器；1020-燃料气体供给管； 1100-燃料电池电堆；1101-单电池本体；1102-盖；1102b-圆环部；1103-燃料气体流路(气体流路、内部流路)；1104-内侧电极层；1105-电解质层；1106-外侧电极层；1107-燃料气体流路；1108-银焊剂；1109-玻璃密封件；1200-燃料电池电堆装置；1201a-单电池；1201b-单电池；1202a-分流器；1204-金属盖；1206- 绝缘性支撑构件；1207-玻璃环；1208-空气极；1209-集电体；1210a-单电池群；1210b-单电池群；1220-燃料气体供给管；1300a-燃料电池电堆装置；1300b-燃料电池电堆装置；1300c-燃料电池电堆装置；1301-单电池；1302a-分流器；1302b- 分流器；1302c-分流器；1320a-燃料气体供给管；1320b-燃料气体排出管；1401- 燃料电池电堆；1402-分流器；1402a-第1供给室；1402b-第2供给室；1450a- 第1排出管；1450b-第2排出管；1451-有底盖；1452-连通盖。
具体实施方式
以下，使用附图对本说明书所公开的发明的实施方式进行详细说明。通过以下说明，显然本领域技术人员可发现本发明的更多的改良及其他的实施方式。从而，以下的说明应理解为仅作为例示，其提供的目的是向本领域技术人员示教执行本发明所最佳的形态。在不脱离本发明的精髓的情况下，可对其结构及/或功能的详细内容进行实质变更。
首先，对本发明的基本结构进行说明。图1是本发明的燃料电池电堆装置100的侧视图。如图1所示，燃料电池电堆装置100由内部设置有气体流路的多个柱状单电池1、分流器2b、分流器2a所构成。多个单电池1将一端侧 (图1中的下端侧)全部竖立设置于一个分流器2b而被支撑固定。在此，多个单电池1构成为，在另一端侧(图1中的上端侧)设置分流器2a，分为固定于该分流器2a的单电池群10a与并未连接于分流器2a的另一端侧开放的单电池群 10b。将多个单电池1以电串联的方式分别连接(未图示)。
图1所示的箭头表示燃料气体的流动。向分流器2a内部供给燃料气体，燃料气体从单电池群10a的另一端侧流向一端侧。之后到达分流器2b内部的燃料气体在分流器2b内分散。之后燃料气体从单电池群10b的一端侧朝着另一端侧流动，之后从单电池群10b的另一端侧排出到燃料电池电堆装置100的外部。
在此，关于燃料的消耗，用图2(A)及图2(B)进行说明。
如图2(A)所记载，当通过单电池群10a及单电池群10b这两阶段消耗燃料气体而进行发电时，当将供向分流器2a的燃料气体作为100将单电池群10a 中消耗的量作为40时，由于单电池群10a计算成40/100＝0.4，因此单电池群10a 的燃料利用率(Uf)成为40％。而且，从单电池群10a排出的未使用的燃料气体成为60，这部分供向单电池群10b。当将单电池群10b中消耗的量作为与单电池群10a相同的40时，由于40/60＝0.666…，因此单电池群10b的燃料利用率为约67％。
与此相对，在并不通过两阶段进行发电时，即在通过一阶段进行发电时，当同样地将燃料气体作为100将单电池群中消耗的量作为80时，计算成80/100＝0.8，燃料利用率Uf成为80％。
当燃料利用率成为80％以上时，由于水蒸气部分压力变得非常高，因此单电池的电动势降低。即，由于受能斯特损失的影响，因此燃料电池单电池的电位具有降低的倾向，发电效率降低。另外，如果燃料利用率变得过高，则单电池的电极变得容易氧化，单电池的耐久性变差。
根据以上这点，通过多个单电池由单电池群10a及单电池群10b所构成而进行发电，以便燃料气体的利用成为两阶段，从而关于各单电池群，能够在较低地维持燃料利用率的同时作为燃料电池电堆装置整体而提高燃料利用率 (即发电效率)。
并且，在本说明书中，虽然有时将为了实现燃料气体的级联利用而分离成两层结构的单电池群中的上游侧的单电池群10a称为“第1层单电池群”、“第1电堆”、“第1单电池群”或“1次侧单电池群”以及将下游侧的单电池群10b称为“第2层单电池群”、“第2电堆”、“第2单电池群”或“2次侧单电池群”，但是都是相同意思。
如以上所述，做成如下单电池群的两层结构，使燃料气体从另一端侧的分流器(图1中的上端侧)流入，通过一端侧(图1中的下端侧)的分流器汇集未使用气体，而供向开放侧的单电池群。由此，不会较大地限制或阻碍多个单电池的排列、单电池彼此的串联电连接、发电用空气的流动等，而且，通过对上游侧及下游侧的单电池根数的简单调整，能够提供将现有的燃料电池装置的结构可直接应用的燃料利用率较高的燃料电池电堆装置。
另外，通过在燃烧从燃料电池电堆装置排出的废气的燃烧区域中配置重整器、蒸发器，从而能够应用与现有的燃料电池装置相同的配置构成。因此，还可以应对具有1kw左右的输出性能的小型燃料电池装置，能够提供高效率且高耐久性的燃料电池系统。
以下，对本发明的第1实施方式所涉及的燃料电池电堆装置进行说明。图3是表示从第1电堆侧观察的本发明的第1实施方式所涉及的燃料电池电堆装置的立体图。图4是表示从第2电堆侧观察的本发明的第1实施方式所涉及的燃料电池电堆装置的立体图。图5是表示从第1电堆侧观察的本发明的第1 实施方式所涉及的燃料电池电堆装置的侧视图。图6是表示从第2电堆侧观察的本发明的第1实施方式所涉及的燃料电池电堆装置的侧视图。图7是本发明的第1实施方式所涉及的燃料电池电堆装置的俯视图。图8是构成本发明的第1实施方式所涉及的燃料电池电堆装置的第1电堆的局部水平剖视图。图9是本发明的第1实施方式所涉及的燃料电池电堆装置的铅垂剖视图。图10是本发明的第1实施方式所涉及的燃料电池电堆装置的第1分流器的铅垂剖视图。图11 是本发明的第1实施方式所涉及的燃料电池电堆装置的第1电堆的燃料电池单电池下端与第2分流器的连接部的放大剖视图。并且，图4～图6中省略了隔板。
如图3～图9所示，燃料电池电堆装置100具备：第1电堆10a；第2 电堆10b，由多个柱状燃料电池单电池1所构成；第1分流器2a，设置在第1 电堆10a的上方；第2分流器2b，设置在第1电堆10a、第2电堆10b的下方；及重整器12，设置在第2电堆10b的上方，具有填充有重整催化剂的重整部B。重整器12与第1分流器2a介由连接部14被连接成燃料气体可移动。另外，在第1电堆10a与第2电堆10b之间设置有隔板60。如图9所示，燃料电池电堆装置100被绝热材料90所包围。在绝热材料90的外周设置有内侧壳体92，而且，在内侧壳体92的外周安装有外侧壳体94。在内侧壳体92与绝热材料90之间形成有排气流路96。另外，在内侧壳体92与外侧壳体94之间形成有空气流路98。在隔板60的上端连接有内侧壳体92。在内侧壳体92的下面形成有排气排出孔92a，其连通于排气流路96且延伸至外侧壳体94的外部。另外，在外侧壳体94的下面形成有空气流入孔(未图示)，其连通于空气流路98且延伸至外侧壳体94的外部。
第1电堆10a如下，多个柱状燃料电池单电池1a在水平方向(与长度方向正交的方向、横向)上一列排列，在燃料电池单电池1a内部形成有在长度方向上延伸的气体流路(内部流路)。另外，第2电堆10b也与第1电堆10a 同样，多个柱状燃料电池单电池1b在水平方向上一列排列，在燃料电池单电池 1b内部形成有在长度方向上延伸的气体流路。
构成第1电堆10a的各自燃料电池单电池1a的上端，连接成燃料气体可向第1分流器2a移动。另外，构成第1电堆10a的各自燃料电池单电池1a 的下端，连接成燃料气体可向第2分流器2b的短边方向一侧移动。构成第2电堆10b的各自燃料电池单电池1b的下端，连接成燃料气体可向第2分流器2b 的短边方向另一侧移动。构成第2电堆10b的各自燃料电池单电池1b的上端被开放，在第2电堆10的上端与重整器12之间，形成有从第2电堆10b排放的气体燃烧的燃烧部18。
向重整器12供给原料气体及水(或水蒸气)。重整器12利用燃烧部 18的热将供给的燃料气体重整为含氢的燃料气体。被重整器12所重整的燃料气体介由连接部14供向第1分流器2a。供向第1分流器2a的燃料气体送往构成第1电堆10a的燃料电池单电池1a，在燃料电池单电池1a的内部流路中朝着下方流动。此时，通过第1电堆10a的燃料电池单电池1a来进行发电。
从第1电堆10a的燃料电池单电池1a排出的燃料气体被第2分流器 2b所回收。被第2分流器2b所回收的燃料气体供向构成第2电堆10b的燃料电池单电池1b的内部流路，在内部流路中朝着上方流动。此时，通过第2电堆10b 的燃料电池单电池1b来进行发电。
通过第2电堆10b的燃料电池单电池1b的燃料气体排出到第2电堆 10b上方的燃烧部18。之后，排出到燃烧部18的未使用于发电的燃料气体被点燃而燃烧。并且，本实施方式中，燃料电池单电池群仅包含1个第1电堆10a、 1个第2电堆10b而构成。但是，既可以设置2个以上第1电堆，还可以设置2 个以上第2电堆，还可以在第2电堆的下游设置第3电堆。
如图8所示，第1电堆10a构成为如下，隔着间隔呈一列地配置有多个燃料电池单电池1a，在邻接的燃料电池单电池1a之间配置有集电构件30。由此，串联电连接多个燃料电池单电池1a。另外，在位于第1电堆10a的最外侧的燃料电池单电池1a上粘接有端部集电构件30a。另外，与此同样，在位于第2 电堆10b的最外侧的燃料电池单电池1b上粘接有端部集电构件30b。在燃料电池电堆装置100的一侧，第1电堆10a的端部集电构件30a介由连结集电构件 32连接于第2电堆10b的端部集电构件30b。由此，串联连接构成第1电堆10a 的燃料电池单电池1a与构成第2电堆10b的燃料电池单电池1b。而且，从燃料电池电堆装置100的另一侧的第1电堆10a的端部集电构件30a、第2电堆10b 的端部集电构件30b取出发电的电流。并且，本实施方式中，虽然串联连接构成第1电堆10a的燃料电池单电池1a与构成第2电堆10b的燃料电池单电池1b，但是还可以并联连接。
在各燃料电池单电池1a的内部形成有从一端贯穿至另一端的气体流路(内部流路)。燃料电池单电池1a具备：柱状导电性支撑基板34，具有一对相对的平坦面；燃料侧电极层36，形成在支撑基板34的一个平坦面上；固体电解质层38，形成于燃料侧电极层36的外面；及空气侧电极层40，形成于固体电解质层38的外面。另外，在燃料电池单电池1a的另一个平坦面上设置有内部连线42。
在支撑基板34的内部，在两端部之间的跨度上形成有用于在长度方向上使燃料气体流动的气体流路34A。在内部连线42的外面设置有P型半导体层44。内部连线42介由P型半导体层44连接于集电构件30。
燃料侧电极层36例如由Ni和掺杂有从Ca或Y、Sc等稀土类元素中选择的至少一种元素的氧化锆的混合体、Ni和掺杂有从稀土类元素中选择的至少一种元素的二氧化铈的混合体、Ni和掺杂有从Sr、Mg、Co、Fe、Cu中选择的至少一种元素的镓酸镧的混合体中的至少一种形成。
固体电解质层38例如由掺杂有从Y、Sc等稀土类元素中选择的至少一种元素的氧化锆、掺杂有从稀土类元素中选择的至少一种元素的二氧化铈、掺杂有从Sr、Mg中选择的至少一种元素的镓酸镧中的至少一种形成。
空气侧电极层40例如由掺杂有从Sr、Ca中选择的至少一种元素的锰酸镧、掺杂有从Sr、Co、Ni、Cu中选择的至少一种元素的铁酸镧、掺杂有从Sr、Fe、Ni、Cu中选择的至少一种元素的钴酸镧、银等中的至少一种形成。
作为支撑基板34可使用开口率较高的导电性陶瓷、金属陶瓷等，以便具有燃料气体透过至燃料侧电极层36的气体透过性。并且，支撑基板34的形状既可以是柱状，还可以是圆筒状。
作为P型半导体层44例如可使用在B侧存在Mn、Fe、Co等的由 LaMnO3类氧化物、LaFeO3类氧化物、LaCoO3类氧化物等中至少一种所构成的 P型半导体陶瓷。
内部连线11可使用镧铬类的钙钛矿型氧化物(LaCrO3类氧化物)或镧锶钛类的钙钛矿型氧化物(LaSrTiO3类氧化物)等。
虽然第1电堆10a的结构与第2电堆10b的结构在燃料电池单电池的数量、燃料电池单电池的排列方向的长度上不同，但是其他结构相同。如图3～图6所示，第1电堆10a、第2电堆10b配置成各自的燃料电池单电池1a、1b 的排列方向呈平行。如图9所示，构成第1电堆10a的燃料电池单电池1a的长度方向的长度(高度)大于构成第2电堆10b的燃料电池单电池1b的长度方向的长度。
构成第1电堆10a的燃料电池单电池1a的数量少于构成第2电堆10b 的燃料电池单电池1b的数量。因此，第1电堆10a的燃料电池单电池1a的排列方向的长度(横向长度)小于第2电堆10b的横向长度。并且，在以下的说明中，将该燃料电池单电池1a、1b的排列方向简单地称为排列方向。
第1电堆10a的重整器12上游侧(图3中的右手前侧)的排列方向一个端部的位置与第2电堆10b的重整器12上游侧的排列方向一个端部的位置在排列方向上对齐。与此相对，第1电堆10a的排列方向另一个端部的位置比第2电堆10b的排列方向另一个端部的位置更靠近排列方向内侧。如图5所示，在第1电堆10a的排列方向的另一个端部侧，在相当于第2电堆10b的排列方向另一个端部的位置与第1电堆10a的排列方向另一个端部之间设置有绝热材料46。
构成第2电堆10b的燃料电池单电池1b的上方被开放，在第2电堆 10b的上方形成有燃烧部18。在燃烧部18燃烧在发电中未使用的燃料气体。
如图3～图7、图9所示，重整器12具备蒸发部12A、重整部12B。从外部通过供给管13A、13B向重整器12供给原料气体、水或水蒸气。蒸发部 12A利用燃烧部18的燃烧热加热水来生成水蒸气。
重整部12B中填充有用于重整混合气体的重整催化剂。作为重整催化剂适合使用在氧化铝的球体表面赋予镍的物质，或在氧化铝的球体表面赋予钌的物质。重整部12B利用燃烧部18的燃烧热通过水蒸气对供给的原料气体进行重整，从而重整为含氢的燃料气体。如图7所示，重整部12B并不位于第1电堆10a的上方，而是仅位于第2电堆10b的上方。而且，本实施方式中，重整器12整体并不位于第1电堆10a的上方，位于仅覆盖第2电堆10b上方的位置 (即，蒸发部12A、周围的凸缘等也仅位于第2电堆10b的上方)。重整器12 被保持成底面呈水平。重整器12比第1分流器2a及第2分流器2b更位于上方。
如图10所示，第1分流器2a具备框体22、壳体24、分配管20。框体22呈中空结构，下端面上形成有与壳体24的形状大致相同形状的开口22A。第1分流器2a被保持成框体22的底面呈水平。
壳体24上形成有与构成第1电堆10a的燃料电池单电池1a的截面形状大致相同形状的多个开口24A。构成第1电堆10a的全部燃料电池单电池1a 的上端连接于形成在壳体24上的开口24A。壳体24安装于形成在框体22上的开口22A。并且，包括第1分流器2a的框体22与壳体24的连接结构的第1分流器2a与燃料电池单电池1a上端部的连接结构，相同于第2分流器2b与燃料电池单电池1a下端部的连接结构，在以后进行详细叙述。
分配管20的上游端部以燃料气体可移动的方式连接于连接部14，供给重整后的燃料气体。分配管20上在长度方向上隔着间隔形成有多个开口20A。多个开口20A越靠近上游侧则开口面积越大。由此，到第1分流器2a的下游侧端部为止均等地分配燃料气体，向构成第1电堆10a的各燃料电池单电池1a均等地供给燃料气体。即，分配管20作为用于向第1燃料电池单电池1a均等地供给燃料气体的分配机构而发挥功能。并且，作为分配机构，并不局限于本实施方式的结构，例如还可以是如下结构等，在第1分流器2a内以堵塞内部流路的方式设置多个隔板，在这些多个隔板上设置朝着顶端变大的开口。
连接部14无接缝地与重整器12、第1分流器2a呈一体地构成，相互的内部流路连接成燃料气体可移动。另外，连接部14具有从重整器12朝着第1 分流器2a向下方倾斜的弯曲形状。
如图9所示，第2分流器2b具有框体50、第1壳体52、第2壳体54。框体50的下方框体50a与上方框体50b相连接，内部形成有空间。在上方框体 50b的宽度方向两侧以在长度方向上延伸且在宽度方向上排列的方式平行形成有第1开口50c与第2开口50d。另外，在上方框体50b的宽度方向中央，以在长度方向上延伸的方式形成有朝着下方突出的突出部50e。在框体50的第1开口50c安装有第1壳体52，在第2开口50d安装有第2壳体54。
第1壳体52上形成有与构成第1电堆10a的燃料电池单电池1a的截面形状呈大致相同形状的多个开口52a。在构成第1电堆10a的多个燃料电池单电池1a的下端，连接有形成在第1壳体52上的开口52a。另外，第2壳体54 上形成有与构成第2电堆10b的燃料电池单电池1b的截面形状呈大致相同形状的多个开口54a。构成第2电堆10b的多个燃料电池单电池1b的下端，连接于形成在第2壳体54上的开口54a。
如图11所示，在第2分流器2b上形成有应力吸收机构52b。应力吸收机构52b形成于第1壳体52，第1壳体52是形成第2分流器2b的构件中的构成第1电堆10a的多个燃料电池单电池1a被连接的构件。应力吸收机构52b 形成在连接第1壳体52的燃料电池单电池1a的开口52a周围。应力吸收机构 52b构成为，第1壳体52的开口52a的周围部位以蛇腹形状形成。另外，形成第1壳体52的应力吸收机构52b的部位的板厚，小于构成第2分流器2b的其他部位即小于框体50的板厚。由此，应力吸收机构52b可发生弹性变形，由于通过第1分流器2a及第2分流器2b来固定第1电堆10a的各个燃料电池单电池 1a的两端，因此能够吸收在燃料电池单电池1a上产生的应力。
并且，这样的应力吸收机构不仅设置在构成第1电堆10a的燃料电池单电池1a的下端与第2分流器2b的连接部，而且还设置在构成第1电堆10a 的燃料电池单电池1a的上端与第1分流器2a的连接部。但是，不需要将应力吸收机构设置于燃料电池单电池1a与第1分流器2a、第2分流器2b的连接部这双方，还可以仅设置于一方。当仅设置于一方时，优选设置于燃料电池单电池 1a的上端与第1分流器2a的连接部。
如图9所示，第1壳体52配置成外周缘与框体50的第1开口50c的缘部不会重合，通过玻璃密封件56a连接第1壳体52的外周缘与第1开口50c 的缘部。另外，第1壳体52的内周侧的圆筒状部位的内面与燃料电池单电池1a 下端部的外面被玻璃密封件56b所连接。
隔板60例如由不锈钢等的具有耐热性的中空板材所构成，形成有用于向内部供给空气的空气流通路60a。隔板60的上端连接于内侧壳体92的上面，空气流通路60a连通于空气流路98。由此，介由空气流路98从上端向空气流通路60a供给发电用空气。隔板60的下端从比重整器12更靠近上方的高度位置在上下方向上延伸至第1电堆10a及第2电堆10b的下端部附近。由此，隔板 60能够分开第1分流器2a与第1电堆10a的连接部和燃烧部18之间，能够降低施加于连接部的热的影响。
隔板60上形成有贯穿相对的表面60A、60B之间的上部贯穿孔60b、下部贯穿孔60c。上部贯穿孔60b形成在比燃烧部18更靠近上方的高度位置。另外，下部贯穿孔60c形成在比燃烧部18更靠近下方且位于第1电堆10a与第 2电堆10b的中间的高度位置附近。通过上部贯穿孔60b及下部贯穿孔60c，第 1电堆10a侧的空间与第2电堆10b侧的空间相连通。
另外，在隔板60的下端部形成有下端喷出孔60d。在隔板60的第1 电堆10a侧的表面60A上形成有第1空气喷出孔60e，在隔板60的第2电堆10b 侧的表面60B上形成有第2空气喷出孔60f。第1空气喷出孔60e形成在相当于第1电堆10a下部的高度位置。第2空气喷出孔60f形成在相当于第2电堆10b 下部的高度位置。这些第1及第2空气喷出孔60e、60f既可以是多个开口，还可以是单一的开口。形成在第2电堆10b侧的表面60B上的第2空气喷出孔60f的总面积，大于形成在第1电堆10a侧的表面60A上的第1空气喷出孔60e的总面积。供向隔板60的空气流通路60a的空气，比第1电堆10a更朝着第2电堆10b大量喷出。
而且，在隔板60的第2电堆10b侧的表面60B上，朝着燃烧部18 形成有第3空气喷出孔60g。第3空气喷出孔60g形成在相当于燃烧部18的高度位置。由此，供向隔板60的空气流通路60a的空气，通过第3空气喷出孔60g 朝着燃烧部18喷出。
并且，本实施方式中，虽然在隔板60的相对的表面60A、60B这双方上设置有空气喷出孔60e、60f，但是并不局限于此，还可以仅设置在第2电堆10b侧的表面60B上。
以下，对本实施方式的燃料电池电堆装置100中的燃料气体及水(水蒸气)、发电用空气(氧化剂气体)的流动进行说明。
原料气体及水(水蒸气)通过供给管13A、13B从外部供向燃料电池电堆装置100的重整器12。供向重整器12的水，在重整器12的蒸发部12A利用燃烧部18的热而发生蒸发。之后，原料气体及水蒸气送往重整部12B。原料气体及水蒸气是在重整部12B利用燃烧部18的热而重整为含氢的燃料气体。
在重整器12被重整的燃料气体介由连接部14供向第1分流器2a的分配管20。供向分配管20的燃料气体通过开口20A喷出到框体22内。在此，由于开口20A越靠近上游侧则开口面积越大，因此燃料气体均匀地喷出到框体 22内。而且，喷出到框体22内的燃料气体从上端送入构成第1电堆10a的各个燃料电池单电池1a的内部流路。燃料气体从燃料电池单电池1a的上端朝着下端流通，从下端排放到第2分流器2b内。此时，各个燃料电池单电池1a进行发电。
在第2分流器2b的上面形成有向下方突出的突出部50e。该突出部 50e作为减小流路面积的流路阻力而发挥功能。因此，排放到第2分流器2b的燃料气体，在第2分流器2b的上游侧的室2b1中分散，之后流入下游侧的室2b2。
流入室2b2的燃料气体，从下端送往构成第2电堆10b的燃料电池单电池1b的内部流路。送入燃料电池单电池1b的燃料气体在内部流路内从下端朝着上端流动。此时，各个燃料电池单电池1b进行发电。
通过构成第2电堆10b的燃料电池单电池1b的发电中未使用的燃料气体，从燃料电池单电池1b的上端排放到燃烧部18。排放到燃烧部18的燃料气体被燃烧，此时产生的热用于加热重整器12。
在燃烧部18燃烧燃料气体而发生的排气朝着上方上升。此时，由于隔板60上形成有上部贯穿孔60b，因此排气在第1电堆10a侧及第2电堆10b 侧扩散，在第1电堆10a侧及第2电堆10b侧的排气的温差变小。之后，排气在排气流路96中朝着下方流动。此时，在排气流路96中流动的排气与空气流路98中流动的发电用空气之间发生热交换，从而能够加热发电用空气。之后，排气从排气排出孔92a排出到外侧壳体94的外部。
接下来，发电用空气从外部通过空气流入孔流入空气流路98。送入空气流路98内的空气在空气流路98中朝着上方流动。此时，与在排气流路96中流动的排气发生热交换，从而空气被加热。到达空气流路98上部的空气从隔板 60的上端送到空气流通路60a。
送入空气流通路60a的发电用空气，通过第1及第2空气喷出孔60e、 60f及下端喷出孔60d朝着第1电堆10a及第2电堆10b喷出。此时，由于形成在第2电堆10b侧的表面60B上的第2空气喷出孔60f的总面积大于形成在第1 电堆10a侧的表面60A上的第1空气喷出孔60e的总面积，因此朝着第2电堆 10b喷出比第1电堆10a更多的空气。
在此，由于在隔板60上形成有下部贯穿孔60c，因此第1电堆10a 侧的空气与第2电堆10b侧的空气发生混合。由此，能够抑制发电用空气的温度不均。
另外，送入空气流通路60a的发电用空气从第3空气喷出孔60g朝着燃烧部18喷出。由此，能够在燃烧部18中完全燃烧发电中未使用的燃料气体。
如以上说明，根据本实施方式，能够发挥以下的作用效果。
根据本实施方式，由于是第1电堆10a中使用的燃料气体流入第2电堆10b 而进一步被消耗的两阶段消耗燃料气体的结构，因此能够提高燃料利用率。另外，由于不需要较大地改变燃料电池单电池1a、1b的排列而两阶段消耗燃料气体，因此能够提供发电效率较高、制造容易的燃料电池电堆装置。
另外，根据本实施方式，由于从第1电堆10a的上端供给燃料气体，从第2电堆10b的下端供给通过第2分流器2a回收的燃料气体，因此能够从第 2电堆10a的上端排出废气。由此，能够不设置新的配管而将废气输送至燃烧部 18。
另外，本实施方式中，多个燃料电池单电池1a、1b仅由分别一列配置而构成的第1电堆10a及第2电堆10b所构成。这样，根据本实施方式，由于仅由2列电堆10a、10b所构成，因此能够对燃料电池电堆装置进行小型化。
接下来，对本发明的第2实施方式所涉及的燃料电池电堆装置进行说明。
首先，参照图12及图13对在本发明的第2实施方式中使用的燃料电池单电池进行说明。
燃料电池单电池
图12是表示构成本发明的第2实施方式中的燃料电池电堆装置的燃料电池单电池(以下，简单地称为单电池)的图。图13是单电池端部的放大剖视图。
如图12所示，单电池1001具备：单电池本体1101；及分别连接于该单电池本体1101两端部的连接电极部即盖1102(也称为金属盖)。
如图13所示，当作为支撑体而具有导电支撑体时的单电池本体1101 是在上下方向上延伸的管状结构体，具备：在内部形成作为气体通路的燃料气体流路1103(也称为内部流路)的圆筒形的燃料极层即内侧电极层1104；设置在内侧电极层1104外周的圆筒形的固体电解质层即电解质层1105；及设置在电解质层1105外周的圆筒形的空气极(氧化剂气体极)层即外侧电极层1106。该内侧电极层1104是多孔质体，作为构成单电池本体1101的支撑体而发挥功能，同时在内部构成燃料气体流动的气体通路。内侧电极层1104是燃料极，为(-) 极，另一方面，外侧电极层1106是接触空气的空气极，为(+)极。
内侧电极层1104例如由Ni和掺杂有从Ca或Y、Sc等稀土类元素中选择的至少一种元素的氧化锆的混合体、Ni和掺杂有从稀土类元素中选择的至少一种元素的二氧化铈的混合体、Ni和掺杂有从Sr、Mg、Co、Fe、Cu中选择的至少一种元素的镓酸镧的混合体中的至少一种形成。本实施方式中，内侧电极层1104由Ni/YSZ所构成。
并且，作为支撑体还可以使用多孔质的绝缘性支撑体，此时，在绝缘性支撑体的外侧作为内侧电极层而形成燃料极层。
电解质层1105沿着内侧电极层1104的外周面在整周的跨度上形成，下端在比内侧电极层1104的下端更靠上方的位置结束，上端在比内侧电极层 1104的上端更靠近下方的位置结束。电解质层1105例如由掺杂有从Y、Sc等稀土类元素中选择的至少一种元素的氧化锆、掺杂有从稀土类元素中选择的至少一种元素的二氧化铈、掺杂有从Sr、Mg中选择的至少一种元素的镓酸镧中的至少一种形成。
外侧电极层1106沿着电解质层1105的外周面在整周的跨度上形成，下端在比电解质层1105的下端更靠上方的位置结束，上端在比电解质层1105 的上端更靠近下方的位置结束。外侧电极层1106例如由掺杂有从Sr、Ca中选择的至少一种元素的锰酸镧、掺杂有从Sr、Co、Ni、Cu中选择的至少一种元素的铁酸镧、掺杂有从Sr、Fe、Ni、Cu中选择的至少一种元素的钴酸镧、银等中的至少一种形成。
接下来，虽然对盖1102进行说明，但是由于安装于单电池本体1101 的上端侧与下端侧的盖1102呈相同结构，因此在此对安装于单电池本体1101 下端侧的盖1102进行具体说明。
盖1102(金属盖)被设置成分别包围单电池本体1101的上下端部，电连接于单电池本体1101的内侧电极层1104，作为向外部引出内侧电极层1104 的连接电极而发挥功能。如图13所示，设置在单电池本体1101下端的盖1102 具有：圆筒状的第1圆筒部1102a；从第1圆筒部1102a的上端朝着外侧延伸的圆环状的圆环部1102b；及从圆环部1102b的外周朝着上方延伸的第2圆筒部 1102c。在盖1102的第1圆筒部1102a的中心部，形成有连通于内侧电极层1104 的燃料气体流路1103的燃料气体流路1107。燃料气体流路1107是以从盖1102 的中心在单电池本体1101的轴线方向上延伸的方式设置的细长管路。
盖1102如下，在由铁素体类不锈钢或奥氏体类不锈钢所构成的本体的内周面及外周面上涂层有铬氧化物(本实施方式中是Cr2O3)，而且，外周面上涂层有MnCo2O4。加之，被涂层的MnCo2O4层的外周面上设置有Ag集电膜。并且，本实施方式中，虽然在盖1102的外周面整体的跨度上设置有Ag集电膜，但是还可以仅设置于一部分。
在盖1102的第2圆筒部1102c的内侧与单电池本体1101的内侧电极层1104的端部外周面之间的空间中配置有银焊剂1108。通过在组装单电池1100 之后进行烧成而烧结银焊剂1108，电、机械接合内侧电极层1104与盖1102。另外，在盖1102的第2圆筒部1102c的内周面与电解质层1105的下端部外周面之间，设置有由玻璃材料构成的玻璃密封件1109。相对于单电池1100的外部空间，通过该玻璃密封件1109对盖1102与内侧电极层1104之间的空间进行气密密封。
燃料电池电堆装置
图14(A)及图14(B)是表示本实施方式中的燃料电池电堆装置的图。关于上述的图1的燃料电池电堆装置100的单电池群排列的结构，在燃料电池电堆装置1100的宽度方向(短边方向)上以单电池群1010a、单电池群1010b、单电池群1010a的顺序划分排列，图14(A)中右侧的单电池群1010a与左侧的单电池群1010a在图14的纸面里侧相连。因此，连接固定有配置于单电池群 1010a的多个单电池1001的分流器1002b在俯视时呈U字状的形状(图14(B))。
单电池1001呈圆筒形状，具备电连接于燃料极1003两端的金属盖 1004，金属盖1004被单电池1001及玻璃材料1005(图13～图15中未图示) 所密封。单电池1001介由绝缘性支撑构件1006(也称为衬套)竖立设置于分流器1002b，被玻璃环1007气密固定。另外，单电池1001的一部分的另一端侧介由绝缘性支撑构件1006配置于俯视时呈U字状的分流器1002a的下方，被玻璃环1007气密接合。
多个单电池1001彼此的电连接如下，介由集电体1009电串联金属盖 1004与空气极1008的端部。在此，如果考虑单电池1001内的电流分布，则优选相对于燃料气体的流动方向将集电体设置在单电池1001的下游侧。因此，在燃料气体从另一端侧向一端侧(图14(A)中从上端侧朝着下端侧)流动的单电池群1010a中，优选在一端侧(下端侧)设置集电体1009。另一方面，在燃料气体从一端侧向另一端侧的方向(图14(A)中从下端侧朝向上端侧的方向) 流动的单电池群1010b中，优选在另一端侧设置集电体1009。另外，单电池群1010a与单电池群1010b的电连接如下，由于需要连接配置于单电池群1010a的单电池1001的一端侧与配置于单电池群1010b的单电池1001的另一端侧，因此需要用在从一端侧到另一端侧的跨度上的长距离的集电体来进行连接，所以从防止单电池1001短路的观点考虑，使单电池群1010a与单电池群1010b的单电池之间离开即可。
如图14(B)所示，被重整器1011重整的燃料气体从连接于俯视时呈U字状的分流器1002a的燃料气体供给管1020供给，在U字状的分流器1002a 内部分散，在连接成与U字状的分流器1002a连通的上游侧的单电池群1010a 的气体流路中，从另一端侧流向一端侧。从单电池群1010a排出的发电中未使用的燃料气体，在分流器1002b中汇集，在另一端侧开放的下游侧的单电池群 1010b的气体流路中，从一端侧流向另一端侧而从单电池群1010b的上端排出。
另外，如图14(C)所示，还可以是将长方体形状的分流器1002a分割成2个而配置在另一端侧的结构。通过分配从重整器1011导出的燃料气体而分别供向分流器2b的燃料气体供给管1020，从而能够从单电池群1010a向下游侧的单电池群1010b依次供给燃料气体。
另一方面，发电用空气从单电池1001的下方供向(图14(A)的虚线箭头)作为单电池群1010a或单电池群1010b而竖立设置的多个圆筒状的单电池1001的侧面。供给的发电用空气从单电池1001的一端侧流向另一端侧，在另一端侧开放的下游侧的单电池群1010b的上端部，与未使用气体发生混合而燃烧。
在此，由于发电用空气难以在构成在另一端侧设置分流器1002a的上游侧单电池群1010a的多个单电池1001的间隙中流动，因此如果考虑空气流动，则优选使上游侧的单电池群1010a与下游侧的单电池群1010b仅离开规定距离。
另外，在俯视时，如图14(D)的虚线箭头所示，在U字状的分流器 2b中，发电用空气难以在向燃料电池电堆的短边方向延伸的区域正下方流动，因此优选将用于向多个单电池1001供给发电用空气的空气供给孔不仅设置在燃料电池电堆的长边侧，而是还设置在短边侧而供给发电用空气。
燃料气体通过分流器1002a，在上游侧的单电池群1010a中消耗于发电反应。在发电反应中未消耗而残存的未使用气体，通过分流器1002b供向下游侧的单电池群1010b，进一步在下游侧的单电池群1010b中消耗于发电反应。
另外，如图15所示，还可以是将长方体形状的分流器1002a配置在俯视时的中央的另一端侧的结构。通过分配从重整器1011导出的燃料气体而分别供向分流器1002a的燃料气体供给管1020，能够从单电池群1010a向下游侧的单电池群1010b依次供给燃料气体。
如以上所述，做成如下单电池群的两层结构，使燃料气体从另一端侧的分流器流入，通过用一端侧的分流器汇集未使用气体，而供向开放侧的单电池群，从而不会较大地限制或阻碍多个单电池的排列、单电池彼此的串联电连接、发电用空气的流动等，而且，通过对上游侧及下游侧的单电池根数的简单调整，能够提供将现有的燃料电池模块的结构可直接应用的燃料利用率较高的燃料电池电堆。
另外，通过在燃烧从燃料电池电堆排出的废气的燃烧区域中配置重整器、蒸发器，从而能够应用与现有的燃料电池模块相同的配置构成。因此，还可以应对具有1kw左右的输出性能的小型燃料电池装置，能够提供高效率且高耐久性的燃料电池系统。
接下来，使用图16对本发明的第2实施方式所涉及的燃料电池电堆装置进行说明。
图16所记载的燃料电池电堆装置1200如下，对圆筒形状的单电池 1201a及单电池1201b介由绝缘性支撑构件1206(也称为衬套)在单电池1201a 及单电池1201b的长度方向上进行层叠，通过玻璃环1207进行接合。单电池 1201a介由绝缘性支撑构件1206竖立设置于分流器1202a，被玻璃环1207密封固定。
单电池彼此的电连接如下，通过集电体1209串联连接设置于一个单电池的金属盖1204与邻接的单电池的空气极1208端部。构成燃料电池电堆装置1200的多个单电池由位于下段单电池群1210a及位于其上方的上段单电池群 1210b所构成。如图16(A)、(B)、(C)及(D)所示，沿着长边方向串联连接作为位于下段的单电池群1210a而排列的单电池1201a(参照图16(A))，而且，串联连接端部的单电池1201a中在短边方向上相邻的单电池1201a(参照图16(B))。另外，通过位于下段单电池群1210a的上端部的集电体来串联连接下段单电池1201a与上段单电池1201b(参照图16(C))，与下段同样，也串联电连接位于上段单电池群1210b的单电池1201b(参照图16(D))。并且，电力取出线设置在单电池1201a端部及单电池1201b端部。
在此，如果考虑单电池1201a及单电池1201b中的电流分布，则相对于燃料气体的流动方向优选在下游侧进行集电。
燃料气体从燃料气体供给管1220供向分流器1202a，通过下段单电池群1210a而经过被绝缘性支撑构件1206连通的流路，而流向上段单电池群 1210b。
另外，在单电池1201a及单电池1201b的彼此之间，发电用空气从下段侧流向上段侧，在燃料电池电堆1200的上部与未使用的燃料气体发生混合而燃烧。
通过重整器得到的含氢的燃料气体，通过分流器1202a而在下段单电池群1210a中因发电反应而被消耗。发电反应中未消耗而残存的未使用气体通过绝缘性支撑构件1206供向上段的单电池群1210b，进一步通过发电反应被消耗。
另外，如图16(E)所示，还可以如下构成，对于下段的2个单电池群1210a配置1个绝缘性支撑构件1206，排列多个在绝缘性衬套1206上层叠1 根上段的单电池群1210b的结构。重整器中得到的含氢的燃料气体从分流器 1202a分配至下段的各单电池1201a，通过绝缘性支撑构件1206供向上段的单电池群1210b，进一步在发电反应中消耗。
这样，通过在单电池的长度方向上层叠单电池1201a及单电池1201b，使电流路径形成为从下段朝向上段，从而能够在较大地确保发电面积的同时使电流分布趋于均匀，而且，由于能够构成两层结构的级联型燃料电池，因此能够提供高效率且高耐久性的燃料电池电堆。
接下来，使用图17及图18表示本发明的第3实施方式所涉及的燃料电池电堆装置。
图17及图18所记载的燃料电池电堆装置1300a及燃料电池电堆装置 1300b所具备的圆筒形状的单电池1301具有电连接于燃料极(未图示)两端的金属盖1304，金属盖1304构成为被单电池1301及玻璃材料(未图示)气密固定。单电池1301介由绝缘性支撑构件1306竖立设置于分流器1302a、1302b，被玻璃环1307密封固定。
本实施方式中的多个单电池1301作为沿向燃料电池电堆装置的长边方向的单电池列群而构成，通过在两个短边方向上平行配置该单电池列群来构成燃料电池电堆装置。
在图17所示的燃料电池电堆装置1300a中，在单电池列群中的一方连接于分流器1302a，另一端的单电池列群连接于不是分流器1302a的其他分流器1302b。下端连接于各自分流器的两个单电池列群，介由设置在上方的分流器 1302c而相互连接。
另外，多个单电池1301彼此如下，介由集电体1309串联电连接一个单电池的金属盖1304和与此相邻的单电池的空气极(未图示)端部。如果考虑单电池1301内的电流分布，则相对于燃料气体的流动方向优选在下游侧进行集电。因此，优选如下，在两个单电池列群中，在成为燃料气体流路的上游侧的单电池列群中在另一端侧(上端侧)配置集电体，在成为燃料流路的下游侧的单电池列群中在一端侧(下端侧)配置集电体。
另外，被重整器重整的含氢的燃料气体从分流器1302a的燃料气体供给管1320a供给，在分流器1302a的内部分散，在与分流器1302a连通连接的上游侧的单电池列群的气体流路中从一端侧流向另一端侧。通过上游侧的单电池列群的燃料气体，通过上方的分流器1302c而在下游侧的单电池列群的气体流路中从另一端侧流向一端侧，而且在分流器1302b中汇集未使用气体而从燃料气体排出管1320b排出。
这样，从一个单电池列群的一端侧的分流器供给燃料气体，在另一端侧的分流器中汇集未使用气体而向其他单电池群供给未使用气体，通过做成这样的结构，从而不会较大地限制或阻碍多个单电池的排列、单电池彼此的串联电连接、发电用空气的流动等，而且，通过对上游侧及下游侧的单电池根数的简单调整，能够提供将现有的燃料电池模块的结构可直接应用的燃料利用率较高的燃料电池电堆装置。
相对于图17所示的燃料电池电堆装置1300a的单电池列群沿着单电池排列的长边方向(列方向)分别被分割的结构，图18所示的燃料电池电堆装置1300b沿着单电池排列的短边方向(行方向)分割为单电池群。与燃料电池电堆装置1300a同样，分别连接于下方的分流器的单电池群介由配置在上方的分流器而连接有气体流路。
同样，从一个单电池列群的一端侧的分流器供给燃料气体，在另一端侧的分流器中汇集未使用气体而向其他单电池群供给未使用气体，通过做成这样的结构，从而不会较大地限制或阻碍多个单电池的排列、单电池彼此的串联电连接、发电用空气的流动等，而且，通过对上游侧及下游侧的单电池根数的简单调整，能够提供将现有的燃料电池模块的结构可直接应用的燃料利用率较高的燃料电池电堆。
另外，如图19所示，也可以在单电池1301的两端配置分流器1302a、 1302b而构成燃料电池电堆装置1300c。通过连结管连结汇集燃料电池电堆装置 1300c上游侧的单电池列群的另一端侧分流器1302c与汇集燃料电池电堆装置 1300c下游侧的单电池列群的另一端侧分流器1302c。通过重整器得到的含氢的燃料气体从燃料电池电堆装置1300c的分流器1302a通过上游侧的单电池列群而汇集于上游侧的单电池列群的另一端侧分流器1302c，通过连结管流入燃料电池电堆装置1300c下游侧的单电池列群，通过下游侧的单电池列群汇集于燃料电池电堆装置1300c的一端侧分流器1302b而排出。
接下来，使用图20表示本发明的第4实施方式所涉及的燃料电池电堆装置。图20(A)是剖视观察本发明的第4实施方式所涉及的燃料电池电堆侧面的剖视图，图20(B)是本发明的第4实施方式所涉及的燃料电池电堆的俯视图。
如图20(A)及(B)所示，分流器的内部分割成第1供给室1402a 及第2供给室1402b，另一端侧开口的第1排出管1450a及封闭另一端侧而具备可喷出燃料的孔的第2排出管1450b分别被设置成连通于第2供给室1402b。在连通于第1供给室1402a且具备第1排出管1450a的部分，设置有单电池1401 上游侧的单电池列群，与分流器呈气密地通过玻璃材料固定上游侧的单电池列群的一端侧。
而且，上游侧的单电池列群的另一端侧被有底盖1451密封，将单电池1401的下游侧的单电池列群设置于与第2供给室1402b连通的第2排出管 1450b，与分流器呈密封地通过玻璃材料固定下游侧的单电池列群的一端侧，在下游单电池的另一端侧配置有具有气体流路的连通盖1452。从重整器11供给的燃料气体流入分流器的第1供给室1402a，在上游侧的单电池列群与第1排出管 1450a之间从一端侧流向另一端侧，未使用气体从第1排出管1450a的开口部流入上游单电池并流向第2供给管1450b。在第2供给管1450b中汇集的未使用气体流向供给管，在下游侧的单电池列群之间从一端侧流向另一端侧，之后从具有气体流路的连通盖1452排出。

Claims (21)

1.一种燃料电池电堆装置，通过燃料气体与氧化剂气体的反应来进行发电，其特征为，具备：
多个柱状燃料电池单电池，在内部具有在长度方向上延伸的气体流路；
多个电堆，具备相对于所述长度方向分别相互平行配置的所述多个燃料电池单电池，而且，包括在正交于所述长度方向的方向上排列的第1电堆及第2电堆；
重整器，将原料气体重整为含氢的燃料气体；
第1分流器，连接于所述第1电堆所具备的所述多个燃料电池单电池上端，从上方向所述第1电堆所具备的所述多个燃料电池单电池供给从所述重整器供给的燃料气体；
及第2分流器，连接于所述第2电堆所具备的所述多个燃料电池单电池下端，回收从所述第1电堆排出的燃料气体，同时从下方向所述第2电堆所具备的所述多个燃料电池单电池供给回收的燃料气体。
2.根据权利要求1所述的燃料电池电堆，其特征为，所述多个电堆仅由所述第1电堆及所述第2电堆所构成，所述第1电堆及所述第2电堆构成为所述多个燃料电池单电池一列排列。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池电堆装置，其特征为，所述重整器设置在所述第2电堆上方。
4.一种燃料电池装置，其特征为，
具备柱状的多个燃料电池单电池，通过在内部流路中流动的燃料气体与供向外表面的氧化剂气体来进行发电，
所述多个燃料电池单电池由第1单电池群与第2单电池群所构成，
包含于所述第1单电池群及所述第2单电池群的所述多个燃料电池单电池，各自的内部流路连通于第2分流器内部而被竖立设置，
包含于所述第1单电池群的所述多个燃料电池单电池的上端，内部流路连通于第1分流器内部而被固定，
包含于所述第2单电池群的所述燃料电池单电池上端被开放，以便从所述上端排出未使用于发电的燃料气体而进行燃烧。
5.根据权利要求4所述的燃料电池装置，其特征为，包含于所述第1单电池群的所述燃料电池单电池的长度方向的长度小于包含于所述第2单电池群的所述燃料电池单电池的长度方向的长度。
6.根据权利要求4或5所述的燃料电池装置，其特征为，供向所述第1分流器的燃料气体构成为，在以包含于所述第1单电池群的所述燃料电池单电池内部流路、所述第2分流器、包含于所述第2单电池群的所述燃料电池单电池内部流路的顺序流动之后排出。
7.根据权利要求4至6中任意1项所述的燃料电池装置，其特征为，
串联电连接包含于所述第1单电池群的所述多个燃料电池单电池，
串联电连接包含于所述第2单电池群的所述多个燃料电池单电池，
串联电连接所述第1单电池群与所述第2单电池群。
8.根据权利要求4至6中任意1项所述的燃料电池装置，其特征为，
串联电连接包含于所述第1单电池群的所述多个燃料电池单电池，
串联电连接包含于所述第2单电池群的所述多个燃料电池单电池，
并联电连接所述第1单电池群与所述第2单电池群。
9.根据权利要求4至8中任意1项所述的燃料电池装置，其特征为，当俯视时，所述第1分流器具有：在由多个燃料电池单电池所构成的单电池群的长边方向上延伸存在的两个区域，多个燃料电池单电池相对于与所述燃料电池单电池的所述长度方向正交的面以矩形形状配置；及在所述单电池群的短边方向上延伸存在的一个区域，在所述长边方向上延伸存在的两个区域在中间隔着在所述短边方向上延伸存在的一个区域而相互连接。
10.根据权利要求4至8中任意1项所述的燃料电池装置，其特征为，所述第1分流器由多个分流器所构成。
11.根据权利要求4至10中任意1项所述的燃料电池装置，其特征为，在包含于所述第2单电池群的所述多个燃料电池单电池的上方，具有向所述第1分流器供给燃料气体的重整器，在包含于所述第2单电池群的所述多个燃料电池单电池与所述重整器之间设置有燃烧部。
12.一种燃料电池装置，其特征为，
具备柱状的多个燃料电池单电池，通过在内部流路中流动的燃料气体与供向外表面的氧化剂气体来进行发电，
所述多个燃料电池单电池由第1单电池群与第2单电池群所构成，
包含于所述第1单电池群的所述多个燃料电池单电池，各自的内部流路连通于分流器内部而被竖立设置，
包含于所述第2单电池群的所述多个燃料电池单电池，介由绝缘性的连通构件在所述燃料电池单电池的长度方向上设置在包含于所述第1单电池群的所述多个燃料电池单电池的上方，
包含于所述第2单电池群的所述多个燃料电池单电池的内部流路，介由绝缘性的连通构件连通于包含于所述第1单电池群的所述多个燃料电池单电池的内部流路，
串联电连接包含于所述第1单电池群的所述多个燃料电池单电池，
串联电连接包含于所述第2单电池群的多个所述燃料电池单电池，
电连接所述第1单电池群与所述第2单电池群。
13.根据权利要求12所述的燃料电池装置，其特征为，串联电连接所述第1单电池群与所述第2单电池群。
14.根据权利要求12所述的燃料电池装置，其特征为，并联电连接所述第1单电池群与所述第2单电池群。
15.根据权利要求12至14中任意1项所述的燃料电池装置，其特征为，包含于所述第1单电池群的所述燃料电池单电池的长度方向的长度小于包含于所述第2单电池群的所述燃料电池单电池的长度方向的长度。
16.根据权利要求12至13中任意1项所述的燃料电池装置，其特征为，通过一个绝缘性的连通构件来接合包含于所述第1单电池群的所述多个燃料电池单电池中的2个以上的燃料电池单电池。
17.一种燃料电池装置，其特征为，
具备柱状的多个燃料电池单电池，通过在内部流路中流动的燃料气体与供向外表面的氧化剂气体来进行发电，
所述多个燃料电池单电池由第1单电池群与第2单电池群所构成，
离开排列有所述第1单电池群与所述第2单电池群，
包含于所述第1单电池群的所述多个燃料电池单电池，以内部流路连通于第1分流器内部的方式下端被连接固定，同时以内部流路连通于第2分流器内部的方式上端被连接固定，
包含于所述第2单电池群的所述多个燃料电池单电池，以内部流路连通于第2分流器内部的方式上端被连接固定，同时以内部流路连通于第3分流器内部的方式下端被连接固定，
供向所述第1分流器的燃料气体构成为，在以包含于所述第1单电池群的所述多个燃料电池单电池内部流路、所述第2分流器、包含于所述第2单电池群的所述多个燃料电池单电池内部流路、所述第3分流器的顺序流动之后排出，
包含于所述第2单电池群的所述多个燃料电池单电池的数量构成为，与包含于所述第1单电池群的所述燃料电池单电池的数量相同或比包含于第1单电池群的所述燃料电池单电池的数量更少。
18.根据权利要求17所述的燃料电池装置，其特征为，离开设置有所述第1分流器与所述第3分流器。
19.根据权利要求17或18所述的燃料电池装置，其特征为，所述第1分流器与所述第3分流器作为一个容器而呈一体地构成，在容器的内部，分离向包含于所述第1单电池群的所述多个燃料电池单电池供给燃料气体的所述第1分流器与向外部排出从包含于所述第2单电池群的所述多个燃料电池单电池排出的燃料气体的所述第3分流器。
20.根据权利要求17至19中任意1项所述的燃料电池装置，其特征为，
串联电连接包含于所述第1单电池群的所述多个燃料电池单电池，
串联电连接包含于所述第2单电池群的所述多个燃料电池单电池，
串联电连接所述第1单电池群与所述第2单电池群。
21.根据权利要求17至19中任意1项所述的燃料电池装置，其特征为，
串联电连接包含于所述第1单电池群的所述多个燃料电池单电池，
串联电连接包含于所述第2单电池群的所述多个燃料电池单电池，
并联电连接所述第1单电池群与所述第2单电池群。
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