JP2002343408A - 燃料電池を含む発電炉 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 比較的簡単な構造で各セパレータをそれぞれ
電気的に絶縁する。 【解決手段】 発電炉１０は、（ｎ＋１）枚の発電セル
１２及びｎ枚のセパレータ１３が積層された燃料電池１
１と、この燃料電池１１を収容しかつ燃料電池１１を保
温可能な囲繞体２６とを備える。セパレータ１３のセパ
レータ用燃料入口１８ａには金属製の燃料供給分岐管２
３の一端が接続され、セパレータ用酸化剤入口１９ａに
は金属製の酸化剤供給分岐管２４の一端が接続される。
また囲繞体２６の側壁には、発電セル１２の積層方向に
延びて形成されかつ燃料供給分岐管２３と酸化剤供給分
岐管２４が通過可能なスリット２９が形成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固体電解質層を燃
料極層及び酸化剤極層により挟持して構成された発電セ
ルを有する燃料電池に関する。更に詳しくは、燃料電池
を囲繞体に収容することにより構成された発電炉に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、固体電解質膜の両面に燃料極及び
空気極がそれぞれ設けられ、ディストリビュータが固体
電解質膜と同一組成の材料からなる基体部と、基体部表
面に設けられ導電性材料からなる導電部とにより構成さ
れ、固体電解質膜が基体部を介してインターコネクタに
接合され、更に空気極及び燃料極が導電部を介してイン
ターコネクタに電気的に接続された固体電解質形燃料電
池が開示されている（特開平５−１８２６８０号）。こ
のように構成された固体電解質形燃料電池では、ディス
トリビュータの基体部が固体電解質膜と同じ収縮挙動を
示すため、共焼結時や稼働時の昇降温に対して、ディス
トリビュータの固体電解質膜からの剥離を防止でき、デ
ィストリビュータの固体電解質膜に対する反りを防止で
きる。また上記基体部は固体電解質膜の材料と同一のジ
ルコニアを主成分とする材料が用いられるため、電気絶
縁体となる。この結果、ディストリビュータの表裏の導
通は導電部を介して行われるようになっている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来の特
開平５−１８２６８０号公報に示された固体電解質形燃
料電池では、発電に寄与しないディストリビュータの基
体部が固体電解質膜に接合されるため、発電に寄与する
固体電解質膜の表面積を狭め、発電効率が低下する不具
合があった。本発明の第１の目的は、発電セルの表面を
全て発電に寄与させることができ、比較的簡単な構造で
各セパレータをそれぞれ電気的に絶縁することができ
る、燃料電池を含む発電炉を提供することにある。本発
明の第２の目的は、比較的簡単な構造で発電セルに供給
する燃料ガス及び酸化剤ガスをそれぞれ予熱できる、燃
料電池を含む発電炉を提供することにある。本発明の第
３の目的は、各燃料供給分岐管及び各酸化剤供給分岐管
を通る燃料ガス及び酸化剤ガスの流量を容易にかつ正確
に調整できる、燃料電池を含む発電炉を提供することに
ある。本発明の第４の目的は、囲繞体のスリットから外
部に漏れるガスを最小限に抑えることができる、燃料電
池を含む発電炉を提供することにある。本発明の第５の
目的は、組立工数を低減できるとともに、保守点検の作
業性を向上できる、燃料電池を含む発電炉を提供するこ
とにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】請求項１に係る発明は、
図１に示すように、燃料電池１１と、この燃料電池１１
を収容しかつ燃料電池１１を保温可能に構成された囲繞
体２６とを備えた燃料電池を含む発電炉である。燃料電
池は、固体電解質層１２ａとこの固体電解質層１２ａの
両面に配設された燃料極層１２ｂ及び酸化剤極層１２ｃ
とからなり（ｎ＋１）枚（ｎは正の整数である。）積層
された発電セル１２と、ｉ番目（ｉ＝１，２，…，ｎ）
の発電セル１２の燃料極層１２ｂとこの燃料極層１２ｂ
に隣接する（ｉ＋１）番目の発電セル１２の酸化剤極層
１２ｃとの間にそれぞれ１枚ずつ合計ｎ枚介装され金属
材料により板状に形成されたセパレータ１３とを備え、
ｎ枚のセパレータ１３が、燃料ガスをセパレータ１３外
周部分に形成されたセパレータ用燃料入口１７ａから導
入してセパレータ１３の燃料極層１２ｂへの対向面に形
成されたセパレータ用燃料出口１８ｂから吐出させるセ
パレータ用燃料通路１８と、酸化剤ガスをセパレータ１
３外周部分に形成されたセパレータ用酸化剤入口１９ａ
から導入してセパレータ１３の酸化剤極層１２ｃへの対
向面に形成されたセパレータ用酸化剤出口１９ｂから吐
出させるセパレータ用酸化剤通路１９とをそれぞれ有
し、各セパレータ用燃料入口１８ａに金属製の燃料供給
分岐管２３の一端がそれぞれ接続され、各セパレータ用
酸化剤入口１９ａに金属製の酸化剤供給分岐管２４の一
端が接続される。囲繞体２６は、この囲繞体２６の側壁
に発電セル１２の積層方向に延びて形成され燃料供給分
岐管２３と酸化剤供給分岐管２４が通過可能なスリット
２９を有する。

【０００５】この請求項１に記載された燃料電池を含む
発電炉では、燃料供給分岐管２３及び酸化剤供給分岐管
２４の他端は囲繞体の外方にそれぞれ位置するため、こ
れらの分岐管２３，２４の他端は燃料電池１１の発電運
転時であってもほぼ常温に保たれる。この結果、これら
の分岐管２３，２４の他端に接続される配管部材は樹脂
等の耐熱温度が低く電気絶縁性を有する材質のものを用
いることができるので、比較的簡単な構造で各セパレー
タ１３を電気的に絶縁することができる。

【０００６】請求項２に係る発明は、請求項１に係る発
明であって、更に図１に示すように、燃料供給分岐管２
３の他端が囲繞体２６外で燃料用管継手３１を介して燃
料供給メイン管３３に接続され、酸化剤供給分岐管２４
の他端が囲繞体２６外で酸化剤用管継手３２を介して酸
化剤供給メイン管３４に接続され、燃料用管継手３１又
は燃料供給メイン管３３のいずれか一方又は双方が電気
絶縁樹脂により形成され、酸化剤用管継手３２又は酸化
剤供給メイン管３４のいずれか一方又は双方が電気絶縁
樹脂により形成されたことを特徴とする。この請求項２
に記載された燃料電池を含む発電炉では、燃料用管継手
３１又は燃料供給メイン管３３のいずれか一方又は双方
が電気絶縁樹脂により形成されているため、各セパレー
タ１３及び燃料用端板１７が燃料供給メイン管３３によ
り電気的に短絡されることはない。また酸化剤用管継手
３２又は酸化剤供給メイン管３４のいずれか一方又は双
方を電気絶縁樹脂により形成されているため、各セパレ
ータ１３及び酸化剤用端板１６が酸化剤供給メイン管３
４により電気的に短絡されることはない。燃料用管継手
３１、燃料供給メイン管３３、酸化剤用管継手３２及び
酸化剤供給メイン管３４は囲繞体２６外に位置し、ほぼ
常温に保たれているので、これらの管継手３１，３２及
びメイン管３３，３４が軟化することはない。

【０００７】請求項３に係る発明は、請求項１又は２に
係る発明であって、更に図１及び図２に示すように、燃
料供給分岐管２３が燃料電池１１の周囲に巻回されかつ
囲繞体２６内に収容された燃料予熱部２３ｃを有し、酸
化剤供給分岐管２４が燃料電池１１の周囲に巻回されか
つ囲繞体２６内に収容された酸化剤予熱部２４ｃを有す
ることを特徴とする。この請求項３に記載された燃料電
池を含む発電炉では、燃料ガス及び酸化剤ガスが燃料予
熱部２３ｃ及び酸化剤予熱部２４ｃをそれぞれ通過する
ときに、発電セル１２から排出された高温の排ガスによ
りそれぞれ予熱される。この結果、最適な温度の燃料ガ
ス及び酸化剤ガスを発電セル１２に供給することができ
る。

【０００８】請求項４に係る発明は、請求項１ないし３
いずれかに係る発明であって、更に図１に示すように、
囲繞体２６外の燃料供給分岐管２３に流量計３５ａ及び
流量調整弁３５ｂが設けられ、囲繞体２６外の酸化剤供
給分岐管２４に流量計３５ａ及び流量調整弁３５ｂが設
けられたことを特徴とする。この請求項４に記載された
燃料電池を含む発電炉では、ほぼ常温に保たれている囲
繞体２６外の燃料供給分岐管２３に流量計３５ａ及び流
量調整弁３５ｂを設けたので、耐熱性を有する流量計及
び流量調整弁を用いずに、各燃料供給分岐管２３を通る
燃料ガスの流量をほぼ一定の温度で正確に調整できる。
またほぼ常温に保たれている囲繞体２６外の酸化剤供給
分岐管２４に流量計３５ａ及び流量調整弁３５ｂを設け
たので、耐熱性を有する流量計及び流量調整弁を用いず
に、各酸化剤供給分岐管２４を通る酸化剤ガスの流量を
ほぼ一定の温度で正確に調整できる。

【０００９】請求項５に係る発明は、請求項１ないし４
いずれかに係る発明であって、更に図３に示すように、
スリット２９が燃料供給分岐管２３と酸化剤供給分岐管
２４の通過する部分を除いて閉止部材３６により塞がれ
たことを特徴とする。この請求項５に記載された燃料電
池を含む発電炉では、スリット２９が閉止部材３６によ
り塞がれるので、囲繞体２６の外部に漏れるガスを最小
限に抑えることができる。

【００１０】請求項６に係る発明は、請求項１ないし５
いずれかに係る発明であって、更に図１に示すように、
囲繞体２６が燃料電池１１の外周面及び上面を覆うケー
ス２８を有し、このケース２８が燃料電池１１と分離し
て引上げ可能に構成されたことを特徴とする。この請求
項６に記載された燃料電池を含む発電炉では、燃料電池
１１を組立てた後に、この燃料電池１１にケース２８を
被せるだけで発電炉１０が完成するので、発電炉１０の
組立工数を低減できる。またケース２８を引上げるだけ
で燃料電池１１を点検できるので、燃料電池１１の保守
点検の作業性を向上できる。

【００１１】

【発明の実施の形態】次に本発明の第１の実施の形態を
図面に基づいて説明する。図１及び図２に示すように、
発電炉は１０は燃料電池１１と、この燃料電池１１を収
容しかつ燃料電池１１を保温可能に構成された囲繞体２
６とを備える。発電セル１２は円板状の固体電解質層１
２ａと、この固体電解質層１２ａの両面に配設された円
板状の燃料極層１２ｂ及び空気極層１２ｃ（酸化剤極
層）とからなり、燃料電池１１は上記発電セル１２を
（ｎ＋１）枚積層することにより構成される。ここで、
ｎは正の整数である。上からｉ番目（ｉ＝１，２，…，
ｎ）の発電セル１２の燃料極層１２ｂとこの燃料極層１
２ｂに隣接する上から（ｉ＋１）番目の発電セル１２の
空気極層１２ｃとの間には金属材料により形成されたセ
パレータ１３がそれぞれ１枚ずつ合計ｎ枚介装される。
また上からｉ番目の発電セル１２の燃料極層１２ｂと上
からｊ番目（ｊ＝１，２，…，ｎ）のセパレータ１３と
の間には円板状に形成されかつ導電性を有する多孔質の
燃料極集電体１４が介装され、上から（ｉ＋１）番目の
発電セル１２の空気極層１２ｃと上からｊ番目のセパレ
ータ１３との間には円板状に形成されかつ導電性を有す
る多孔質の空気極集電体１５（酸化剤極集電体）が介装
される。更に上から１番目（最上段）の発電セル１２の
空気極層１２ｃには空気極集電体１５を介して金属材料
により形成された単一の空気用端板１６（酸化剤用端
板）が積層され、上から（ｎ＋１）番目（最下段）の発
電セル１２の燃料極層１２ｂには燃料極集電体１４を介
して金属材料により形成された単一の燃料用端板１７が
積層される。上記セパレータ１３、空気用端板１６及び
燃料用端板１７は燃料極層１２ｂ等の直径を１辺の長さ
とする正方形板状にそれぞれ形成される。なお、固体電
解質層、燃料極層、空気極層、燃料極集電体及び空気極
集電体は円板状ではなく、四角形板状、六角形板状、八
角形板状等の多角形板状に形成してもよい。また、セパ
レータ、空気用端板及び燃料用端板は正方形板状ではな
く、円板状、或いは長方形板状、六角形板状、八角形板
状等の多角形板状に形成してもよい。更に上からｊ番目
のセパレータとは、上からｉ番目の発電セルと上から
（ｉ＋１）番目の発電セルとの間に位置するセパレータ
を意味する。

【００１２】固体電解質層１２ａは次の一般式（１）等
で示される酸化物イオン伝導体により形成される。 Ｌｎ１ Ａ Ｇａ Ｂ１ Ｂ２ Ｂ３ Ｏ ……（１） 燃料極層１２ｂはＮｉ等の金属材料により多孔質に形成
され、更に空気極層１２ｃは次の一般式（２）等で示さ
れる酸化物イオン伝導体により多孔質に形成される。 Ｌｎ２_1-x Ｌｎ３_x Ｅ_1-y Ｃｏ_y Ｏ_3+d ……（２） この発電セル１２を有する燃料電池１１は固体酸化物形
燃料電池と呼ばれる。上記一般式（１）において、Ｌｎ
１はＬａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ及びＳｍからなる群より選
ばれた１種又は２種以上の元素であり、ＡはＳｒ，Ｃａ
及びＢａからなる群より選ばれた１種又は２種以上の元
素であり、Ｂ１はＭｇ，Ａｌ及びＩｎからなる群より選
ばれた１種又は２種以上の元素であり、Ｂ２はＣｏ，Ｆ
ｅ，Ｎｉ及びＣｕからなる群より選ばれた１種又は２種
以上の元素であり、Ｂ３はＡｌ，Ｍｇ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｆ
ｅ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｍｎ及びＺｒからなる群より選ばれた
１種又は２種以上の元素である。また上記一般式（２）
において、Ｌｎ２はＬａ又はＳｍのいずれか一方又は双
方の元素であり、Ｌｎ３はＢａ，Ｃａ又はＳｒのいずれ
か一方又は双方の元素であり、ＥはＦｅ又はＣｕのいず
れか一方又は双方の元素である。なお、発電セルの固体
電解質層をイオン交換樹脂膜により形成し、燃料極層及
び空気極層を触媒金属粉末若しくは白金担持カーボン粉
末とポリテトラフルオロエチレンとイオン交換樹脂との
混合物により形成してもよい。このように構成された発
電セルを有する燃料電池は固体高分子電解質形燃料電池
と呼ばれる。

【００１３】セパレータ１３、空気用端板１６及び燃料
用端板１７はステンレス鋼、ニッケル基合金又はクロム
基合金により形成される。また燃料極集電体１４はステ
ンレス鋼、ニッケル基合金又はクロム基合金、或いはニ
ッケル、銀又は銅により多孔質に形成され、空気極集電
体１５はステンレス鋼、ニッケル基合金又はクロム基合
金、或いは銀又は白金により多孔質に形成される。

【００１４】図１に示すように、セパレータ１３には、
燃料ガスをセパレータ１３外周部分から導入してセパレ
ータ１３の燃料極集電体１４に対向する面から吐出させ
るセパレータ用燃料通路１８と、空気（酸化剤ガス）を
セパレータ１３外周部分から導入してセパレータ１３の
空気極集電体１５に対向する面から吐出させるセパレー
タ用空気通路１９（セパレータ用酸化剤通路）とが形成
される。セパレータ用燃料通路１８は、セパレータ１３
の外周部分に臨むセパレータ用燃料入口１８ａと、セパ
レータ１３に隣接する燃料極集電体１４の中央に臨むセ
パレータ用燃料出口１８ｂと、セパレータ１３内に設け
られ上記セパレータ用燃料入口１８ａ及びセパレータ用
燃料出口１８ｂを連通するセパレータ用燃料連通孔１８
ｃとを有する。またセパレータ用空気通路１９は、セパ
レータ１３の外周部分に臨むセパレータ用空気入口１９
ａと、セパレータ１３に隣接する空気極集電体１５の中
央に臨むセパレータ用空気出口１９ｂと、セパレータ１
３内に設けられ上記セパレータ用空気入口１９ａ及びセ
パレータ用空気出口１９ｂを連通するセパレータ用空気
連通孔１９ｃとを有する。なお、セパレータ用燃料通路
１８とセパレータ用空気通路１９は互いに連通しないよ
うに構成される。

【００１５】空気用端板１６には、空気を空気用端板１
６外周部分から導入して空気用端板１６の空気極集電体
１５に対向する面から吐出させる端板用空気通路２１
（端板用酸化剤通路）が形成され、燃料用端板１７に
は、燃料ガスを燃料用端板１７外周部分から導入して燃
料用端板１７の燃料極集電体１４に対向する面から吐出
させる端板用燃料通路２２が形成される。端板用空気通
路２１は、空気用端板１６の外周部分に臨む端板用空気
入口２１ａと、空気用端板１６に隣接する空気極集電体
１４の中央に臨む端板用空気出口２１ｂと、空気用端板
１６内に設けられ上記端板用空気入口２１ａ及び端板用
空気出口２１ｂを連通する端板用空気連通孔２１ｃとを
有する。また端板用燃料通路２２は燃料用端板１７の外
周部分に臨む端板用燃料入口２２ａと、空気用端板１７
に隣接する燃料極集電体１４の中央に臨む端板用燃料出
口２２ｂと、燃料用端板２２内に設けられ上記端板用燃
料入口２２ａ及び端板用燃料出口２２ｂを連通する端板
用燃料連通孔２２ｃとを有する。

【００１６】上記各セパレータ用燃料入口１８ａ及び端
板用燃料入口２２ａには、金属製の燃料供給分岐管２３
の一端がそれぞれ接続され、各セパレータ用空気入口１
９ａ及び端板用空気入口２１ａには、金属製の空気供給
分岐管２４（酸化剤供給分岐管）の一端がそれぞれ接続
される（図１及び図２）。燃料電池１１を保温可能に収
容する囲繞体２６は、燃料電池１１の下面を覆うベース
２７と、このベース２７に載せられ燃料電池１１の外周
面及び上面を覆うケース２８とを備える（図１及び図
３）。ベース２７は壁内部にベース用空洞部２７ａを有
するベース用中空壁２７ｂと、ベース用空洞部２７ａに
充填されたベース用断熱材２７ｃとを有し、ケース２８
は壁内部にケース用空洞部２８ａを有するケース用中空
壁２８ｂと、ケース用空洞部２８ａに充填されたケース
用断熱材２８ｃとを有する（図１）。またケース２８の
側壁にはスリット２９が形成される。スリット２９は、
この実施の形態では、ケース２８の一方の側壁に発電セ
ル１２の積層方向に延びて形成された燃料用スリット２
９ａと、ケース２８の他方の側壁に発電セル１２の積層
方向に延びる空気用スリット２９ｂ（酸化剤用スリッ
ト）とを有する（図１及び図３）。上記燃料用スリット
２９ａからは燃料供給分岐管２３が通過可能に構成さ
れ、空気用スリット２９ｂからは空気供給分岐管２４が
通過可能に構成される。なお、上記ケース２８はベース
２７及び燃料電池１１と分離して引上げ可能に構成され
る。

【００１７】また燃料供給分岐管２３の他端は囲繞体２
６外で燃料用管継手３１を介して燃料供給メイン管３３
に接続され、空気供給分岐管２４の他端は囲繞体２６外
で空気用管継手３２（酸化剤用管継手）を介して空気供
給メイン管３４（酸化剤供給メイン管）に接続される
（図１）。上記燃料用管継手３１及び空気用継手３２と
しては、エルボやチーズ等が挙げられる。また燃料供給
分岐管２３、空気供給分岐管２４、燃料供給メイン管３
３及び空気供給メイン管３４はステンレス鋼、ニッケル
基合金又はクロム基合金などの金属材料により形成さ
れ、上記燃料用管継手３１及び空気用管継手３２はナイ
ロン、テフロン（デュポン社の商品名）等の電気絶縁樹
脂により形成される。なお、金属製の燃料用管継手と電
気絶縁樹脂製の燃料用メイン管を用いてもよく、電気絶
縁樹脂製の燃料用管継手と電気絶縁樹脂製の燃料用メイ
ン管を用いてもよい。また金属製の空気用管継手と電気
絶縁樹脂製の空気用メイン管を用いてもよく、電気絶縁
樹脂製の空気用管継手と電気絶縁樹脂製の空気用メイン
管を用いてもよい。

【００１８】一方、燃料供給分岐管２３は、燃料用管継
手３１に接続された分岐管燃料導入部２３ａと、セパレ
ータ用燃料入口１８ａ又は端板用燃料入口２２ａに接続
された分岐管燃料排出部２３ｂと、分岐管燃料導入部２
３ａ及び分岐管燃料排出部２３ｂを連通し燃料電池１１
の周囲に巻回されかつ囲繞体２６内に収容された燃料予
熱部２３ｃとを有する（図１及び図２）。また空気供給
分岐管２４は、空気用管継手３２に接続された分岐管空
気導入部２４ａと、セパレータ用空気入口１９ａ又は端
板用空気入口２１ａに接続された分岐管空気排出部２４
ｂと、分岐管空気導入部２４ａ及び分岐管空気排出部２
４ｂを連通し燃料電池１１の周囲に巻回されかつ囲繞体
２６内に収容された空気予熱部２４ｃ（酸化剤予熱部）
を有する。燃料供給分岐管２３のうち囲繞体２６外に位
置する分岐管燃料導入部２３ａには流量計３５ａ及び流
量調整弁３５ｂが設けられる（図１）。また空気供給分
岐管２４のうち囲繞体２６外に位置する分岐管空気導入
部２４ａにも流量計３５ａ及び流量調整弁３５ｂが設け
られる。

【００１９】スリット２９は燃料供給分岐管２３と空気
供給分岐管２４の通過する部分を除いて閉止部材３６に
より塞がれる。閉止部材３６は、この実施の形態では、
燃料用スリット２９ａのうち燃料供給分岐管２３の通過
する部分を除く部分を塞ぐ燃料用閉止部材３７と、空気
用スリット２９ｂのうち空気供給分岐管２４の通過する
部分を除く部分を塞ぐ空気用閉止部材３８（酸化剤用閉
止部材）とを有する（図３）。燃料用閉止部材３７は、
鉛直方向に延びる単一の燃料用鉛直溝３７ｃが形成され
た燃料用鉛直板３７ａと、水平方向に延びる（ｎ＋１）
本の燃料用水平溝３７ｄが形成された燃料用水平板３７
ｂとを有する。また空気用閉止部材３８は、鉛直方向に
延びる単一の空気用鉛直溝３８ｃが形成された空気用鉛
直板３８ａと、水平方向に延びる（ｎ＋１）本の空気用
水平溝３８ｄが形成された空気用水平板３８ｂとを有す
る。燃料用鉛直溝３７ｃの幅及び各燃料用水平溝３７ｄ
の幅は燃料用スリット２９ａを通過する分岐管燃料導入
部２３ａの直径より僅かに大きく形成され、空気用鉛直
溝３８ｃ及び各空気用水平溝３８ｄの幅は空気用スリッ
ト２９ｂを通過する分岐管空気導入部２４ａの直径より
僅かに大きく形成される。更に上記燃料用鉛直板３７
ａ、燃料用水平板３７ｂ、空気用鉛直板３８ａ及び空気
用水平板３８ｂはセラミック板等の電気絶縁性及び耐熱
性を有する板により形成される。なお、図１の符号４１
は燃料用端板２２に電気的に接続された第１電極端子で
あり、図１及び図３の符号４２は空気用端板２１に電気
的に接続された第２電極端子である。また図１の符号４
３は上記電極端子４１，４２と囲繞体２６とを電気的に
絶縁し内部のガスの漏れを阻止する絶縁シール部材であ
る。更に図１の符号４３は囲繞体２６の上壁に形成され
た排気孔であり、この排気孔４４には囲繞体２６内のガ
スを排出する排気管４５が接続される。

【００２０】このように構成された発電炉１０の動作を
説明する。燃料ガス（Ｈ₂、ＣＯ等）を燃料供給メイン
管３３に導入すると、この燃料ガスは燃料供給分岐管２
３及びセパレータ用燃料通路１８を通ってセパレータ用
燃料出口１８ｂから燃料極集電体１４の中央に向って吐
出するとともに、燃料供給分岐管２３及び端板用燃料通
路２２を通って端板用燃料出口２２ｃから燃料極集電体
１４の中央に向って吐出する。これにより燃料ガスは燃
料極集電体１４内の気孔を通過して燃料極層１２ｂの中
央に速やかに供給され、更に燃料極層１２ｂの中央から
外周縁に向って流れる。同時に空気を空気供給メイン管
３４に導入すると、この空気は空気供給分岐管２４及び
セパレータ用空気通路１９を通ってセパレータ用空気出
口１９ｂから空気極集電体１５の中央に向って吐出する
とともに、空気供給分岐管２４及び端板用空気通路２１
を通って端板用空気出口２１ｂから空気極集電体１５の
中央に向って吐出する。これにより空気は空気極集電体
１５内の気孔を通過して空気極層１２ｃの中央に速やか
に供給され、更に空気極層１２ｃの中央から外周縁に向
って流れる。

【００２１】空気極層１２ｃに供給された空気は空気極
層１２ｃ内の気孔を通って固体電解質層１２ａとの界面
近傍に到達し、この部分で空気中の酸素は空気極層１２
ｃから電子を受け取って、酸化物イオン（Ｏ^2-）にイオ
ン化される。この酸化物イオンは燃料極層１２ｂの方向
に向って固体電解質層１２ａ内を拡散移動し、燃料極層
１２ｂとの界面近傍に到達すると、この部分で燃料ガス
と反応して反応生成物（Ｈ₂Ｏ、ＣＯ₂等）を生じ、燃料
極層１２ｂに電子を放出する。この電子を燃料極集電体
１４により取り出すことにより電流が発生し、電力が得
られる。

【００２２】一方、金属製の各燃料供給分岐管２３が電
気絶縁樹脂製の燃料用管継手３１を介して金属製の単一
の燃料供給メイン管３３に接続され、金属製の各空気供
給分岐管２４が電気絶縁樹脂製の空気用管継手３２を介
して金属製の単一の空気供給メイン管３４に接続されて
いるため、各セパレータ１３、空気用端板１６及び燃料
用端板１７が燃料供給メイン管３３及び空気供給メイン
管３４により電気的に短絡されることはない。即ち、単
一の燃料供給メイン管３３に燃料用管継手３１及び燃料
供給分岐管２３を介して接続された各セパレータ１３及
び燃料用端板１７はそれぞれ電気的に絶縁され、空気供
給メイン管３４に空気用管継手３２及び空気供給分岐管
２４を介して接続された各セパレータ１３及び空気用端
板１６はそれぞれ電気的に絶縁される。また上述のよう
に燃料用管継手３１及び空気用管継手３２を耐熱温度の
比較的低い樹脂により形成しても、これらの管継手３
１，３２は発電運転時に６００℃以上と高温になる囲繞
体２６の内部ではなく、発電運転時であっても常温（１
５℃程度）である囲繞体２６の外部に位置するため、こ
れらの管継手３１，３２が軟化したり、或いは劣化する
ことはない。

【００２３】燃料ガス及び空気は燃料予熱部２３ｃ及び
空気予熱部２４ｃをそれぞれ通過するときに、発電セル
１２から排出された高温の排ガスによりそれぞれ予熱さ
れるので、最適な温度の燃料ガス及び空気を発電セル１
２に供給することができる。なお、発電運転時におい
て、分岐管燃料導入部２３ａには常に常温の燃料ガスが
流れ、分岐管空気導入部２４ａには常に常温の空気が流
れているため、囲繞体２６内が上述のように高温になっ
ても、その熱が金属製の分岐管燃料導入部２３ａや分岐
管空気導入部２４ａを伝わって上記管継手３１，３２に
達することはない。

【００２４】また流量計３５ａ及び流量調整弁３５ｂは
ほぼ常温に保たれている囲繞体２６外の分岐管燃料導入
部２３ａと分岐管空気導入部２４ａとにそれぞれ設けら
れているので、耐熱性を有する流量計及び流量調整弁を
用いずに、各燃料供給分岐管２３を通る燃料ガス及び各
空気供給分岐管２４を通る空気の流量をほぼ一定の温度
でそれぞれ正確に調整できる。更にスリット２９が閉止
部材３６により塞がれているので、即ち燃料用スリット
２９ａが燃料用閉止部材３７により塞がれ、かつ空気用
スリット２９ｂが空気用閉止部材３８により塞がれてい
るので、発電セル１２から排出された排出ガスが囲繞体
２６の外部に漏れるのを最小限に抑えることができる。

【００２５】またベース２７上で燃料電池１１を組立て
た後、或いは燃料電池１１を組立ててベース２７に載せ
た後に、この燃料電池１１にケース２８を被せるという
比較的簡単な作業で発電炉１０が完成するので、発電炉
１０の組立工数を低減できる。更に燃料電池を運転して
所定時間経過後に点検する場合、ケース２８を引上げる
だけで燃料電池１１を点検できるので、燃料電池１１の
保守点検の作業性を向上できる。

【００２６】図４は本発明の第２の実施の形態を示す。
図４において図３と同一符号は同一部品を示す。この実
施の形態では、ケース２８の側壁に単一のスリット６９
が形成される。このスリット６９は、この実施の形態で
は、ケース２８の一方の側壁に発電セル１２の積層方向
に延びて形成される。燃料供給分岐管２３の分岐管燃料
導入部２３ａと空気供給分岐管２４の分岐管空気導入部
２４ａは、燃料電池を中心に同一方向に設けられ、上記
単一のスリット６９から通過可能に構成される。

【００２７】一方、スリット６９は燃料供給分岐管２３
と空気供給分岐管２４の通過する部分を除いて閉止部材
７６により塞がれる。閉止部材７６は、この実施の形態
では、鉛直方向に延びる単一の鉛直溝７６ｃが形成され
た鉛直板７６ａと、水平方向に延びる２×（ｎ＋１）本
の水平溝７６ｄが形成された水平板７６ｂとを有する。
鉛直溝７６ｃの幅及び各水平溝７６ｄの幅はスリット６
９を通過する分岐管燃料導入部２３ａ及び分岐管空気導
入部２４ａの直径より僅かに大きく形成される。更に上
記鉛直板７６ａ及び水平板７６ｂはセラミック板等の電
気絶縁性及び耐熱性を有する板により形成される。上記
以外は第１の実施の形態と同一に構成される。

【００２８】このように構成された発電炉では、ケース
２８に単一のスリット６９が形成され、閉止部材７６が
単一の鉛直板７６ａ及び単一の水平板７６ｂにより構成
されるため、第１の実施の形態より部品点数及び組立工
数を低減できる。上記以外の動作は第１の実施の形態と
略同様であるので、繰返しの説明を省略する。

【００２９】なお、上記第１及び第２の実施の形態で
は、酸化剤ガスとして空気を用いたが、酸素又はその他
の酸化剤ガスを用いてもよい。また、上記第１及び第２
の実施の形態では、燃料供給分岐管の他端を囲繞体外で
燃料用管継手を介して燃料供給メイン管に接続し、酸化
剤供給分岐管の他端を囲繞体外で酸化剤用管継手を介し
て酸化剤供給メイン管に接続したが、各燃料供給分岐管
の他端を囲繞体外で単一の燃料用ディストリビュータに
接続し、各空気供給分岐管の他端を囲繞体外で単一の空
気用ディストリビュータ（酸化剤用ディストリビュー
タ）に接続してもよい。この場合、燃料供給分岐管及び
酸化剤供給分岐管の他端は燃料電池の発電運転時であっ
てもほぼ常温に保たれるので、樹脂等の耐熱温度が低く
電気絶縁性を有する材質のものを用いることができる。
上記燃料用ディストリビュータは発電セルの積層方向に
延びかつ燃料ガスを各燃料供給分岐管を通って各セパレ
ータ用燃料通路に供給するために設けられ、上記空気用
ディストリビュータは発電セルの積層方向に延びかつ空
気を各空気供給分岐管を通って各セパレータ用空気通路
に供給するために設けられる。更に、本明細書におい
て、セパレータの外周部分、空気用端板（酸化剤用端
板）の外周部分及び燃料用端板の外周部分とは、これら
の外周面のみならず、外周面近傍を含む意味に用いられ
る。

【００３０】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、セ
パレータ用燃料入口に燃料供給分岐管を接続し、セパレ
ータ用酸化剤入口に酸化剤供給分岐管を接続し、燃料電
池を収容しかつ燃料電池を保温可能な囲繞体に、上記燃
料供給分岐管及び酸化剤供給分岐管の通過可能なスリッ
トを形成したので、燃料供給分岐管及び酸化剤供給分岐
管の他端は囲繞体の外方にそれぞれ位置し、これらの分
岐管の他端は燃料電池の発電運転時であってもほぼ常温
に保たれる。この結果、これらの分岐管の他端に接続さ
れる配管部材は樹脂等の耐熱温度が低く電気絶縁性を有
する材質のものを用いることができるので、比較的簡単
な構造で各セパレータを電気的に絶縁することができ
る。

【００３１】また燃料供給分岐管の他端を囲繞体外で燃
料用管継手を介して燃料供給メイン管に接続し、酸化剤
供給分岐管の他端を囲繞体外で酸化剤用管継手を介して
酸化剤供給メイン管に接続し、燃料用管継手又は燃料供
給メイン管のいずれか一方又は双方を電気絶縁樹脂によ
り形成し、更に酸化剤用管継手又は酸化剤供給メイン管
のいずれか一方又は双方を電気絶縁樹脂により形成すれ
ば、各セパレータが燃料供給メイン管により電気的に短
絡されることはなく、各セパレータが酸化剤供給メイン
管により電気的に短絡されることはない。この結果、各
セパレータはそれぞれ電気的に絶縁される。また燃料用
管継手、燃料供給メイン管、酸化剤用管継手及び酸化剤
供給メイン管は囲繞体外に位置し、ほぼ常温に保たれて
いるので、これらの管継手及びメイン管が軟化すること
はない。また発電に寄与しないディストリビュータの基
体部が固体電解質膜に接合されるため、発電に寄与する
固体電解質膜の表面積を狭め、発電効率が低下する従来
の固体電解質型燃料電池と比較して、本発明では、発電
セルの表面を全て発電に寄与させることができるので、
発電効率を向上できる。

【００３２】また燃料供給分岐管が燃料電池の周囲に巻
回されかつ囲繞体内に収容された燃料予熱部を有し、酸
化剤供給分岐管が燃料電池の周囲に巻回されかつ囲繞体
内に収容された酸化剤予熱部を有すれば、燃料ガス及び
酸化剤ガスが燃料予熱部及び酸化剤予熱部をそれぞれ通
過するときに、発電セルから排出された高温の排ガスに
よりそれぞれ予熱される。この結果、最適な温度の燃料
ガス及び酸化剤ガスを発電セルに供給することができ
る。また囲繞体外の燃料供給分岐管に流量計及び流量調
整弁を設け、囲繞体外の酸化剤供給分岐管に流量計及び
流量調整弁を設ければ、流量計及び流量調整弁がほぼ常
温に保たれるので、耐熱性を有する流量計や調整弁を用
いずに、各燃料供給分岐管を通る燃料ガスの流量及び各
酸化剤供給分岐管を通る酸化剤ガスの流量をほぼ一定の
温度でそれぞれ正確に調整できる。

【００３３】またスリットのうち燃料供給分岐管と酸化
剤供給分岐管の通過する部分を除いて閉止部材により塞
げば、囲繞体の外部に漏れるガスを最小限に抑えること
ができる。更に囲繞体が燃料電池の外周面及び上面を覆
うケースを有し、このケースを燃料電池と分離して引上
げ可能に構成すれば、燃料電池を組立てた後に、この燃
料電池にケースを被せるだけで発電炉が完成するので、
発電炉の組立工数を低減できるとともに、ケースを引上
げるだけで燃料電池を点検でき、燃料電池の保守点検の
作業性を向上できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明第１実施形態の燃料電池を含む発電炉を
示す縦断面図。

【図２】その燃料電池の要部分解斜視図。

【図３】その燃料電池の燃料供給分岐管及び空気供給分
岐管を含む囲繞体の要部斜視図。

【図４】本発明の第２実施形態を示す図３に対応する要
部斜視図。

【符号の説明】 １０ 発電炉 １１ 燃料電池 １２ 発電セル １２ａ 固体電解質層 １２ｂ 燃料極層 １２ｃ 空気極層（酸化剤極層） １３ セパレータ １８ セパレータ用燃料通路 １８ａ セパレータ用燃料入口 １８ｂ セパレータ用燃料出口 １９ セパレータ用空気通路（セパレータ用酸化剤通
路） １９ａ セパレータ用空気入口（セパレータ用酸化剤入
口） １９ｂ セパレータ用空気出口（セパレータ用酸化剤出
口） ２３ 燃料供給分岐管 ２３ｃ 燃料予熱部 ２４ 空気供給分岐管（酸化剤供給分岐管） ２４ｃ 空気予熱部（酸化剤予熱部） ２６ 囲繞体 ２８ ケース ２９，６９ スリット ３１ 燃料用管継手 ３２ 空気用管継手（酸化剤用管継手） ３３ 燃料用メイン管 ３４ 空気用メイン管 ３５ａ 流量計 ３５ｂ 流量調整弁 ３６，７６ 閉止部材

フロントページの続き Ｆターム(参考） 5H026 AA06 CC06 CV01 CX10 EE02

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料電池(11)と、前記燃料電池(11)を収
   容しかつ前記燃料電池(11)を保温可能に構成された囲繞
   体(26)とを備えた燃料電池を含む発電炉であって、 前記燃料電池(11)は、固体電解質層(12a)とこの固体電
   解質層(12a)の両面に配設された燃料極層(12b)及び酸化
   剤極層(12c)とからなり（ｎ＋１）枚（ｎは正の整数で
   ある。）積層された発電セル(12)と、 ｉ番目（ｉ＝１，２，…，ｎ）の発電セル(12)の燃料極
   層(12b)とこの燃料極層(12b)に隣接する（ｉ＋１）番目
   の発電セル(12)の酸化剤極層(12c)との間にそれぞれ１
   枚ずつ合計ｎ枚介装され金属材料により板状に形成され
   たセパレータ(13)とを備え、 前記ｎ枚のセパレータ(13)が、燃料ガスをセパレータ(1
   3)外周部分に形成されたセパレータ用燃料入口(18a)か
   ら導入して前記セパレータ(13)の前記燃料極層(12b)へ
   の対向面に形成されたセパレータ用燃料出口(18b)から
   吐出させるセパレータ用燃料通路(18)と、酸化剤ガスを
   前記セパレータ(13)外周部分に形成されたセパレータ用
   酸化剤入口(19a)から導入して前記セパレータ(13)の酸
   化剤極層(12c)への対向面に形成されたセパレータ用酸
   化剤出口(19b)から吐出させるセパレータ用酸化剤通路
   (19)とをそれぞれ有し、 前記各セパレータ用燃料入口(18a)に金属製の燃料供給
   分岐管(23)の一端がそれぞれ接続され、 前記各セパレータ用酸化剤入口(19a)及び前記端板用酸
   化剤入口(21a)に金属製の酸化剤供給分岐管(24)の一端
   が接続され、 前記囲繞体は、この囲繞体(26)の側壁に前記発電セル(1
   2)の積層方向に延びて形成され前記燃料供給分岐管(23)
   と前記酸化剤供給分岐管(24)が通過可能なスリット(29)
   を有することを特徴とする燃料電池を含む発電炉。
2. 【請求項２】 燃料供給分岐管(23)の他端が囲繞体(26)
   外で燃料用管継手(31)を介して燃料供給メイン管(33)に
   接続され、 酸化剤供給分岐管(24)の他端が前記囲繞体(26)外で酸化
   剤用管継手(32)を介して酸化剤供給メイン管(34)に接続
   され、 前記燃料用管継手(31)又は前記燃料供給メイン管(33)の
   いずれか一方又は双方が電気絶縁樹脂により形成され、 前記酸化剤用管継手(32)又は前記酸化剤供給メイン管(3
   4)のいずれか一方又は双方が電気絶縁樹脂により形成さ
   れた請求項１記載の燃料電池を含む発電炉。
3. 【請求項３】 燃料供給分岐管(23)が燃料電池(11)の周
   囲に巻回されかつ囲繞体(26)内に収容された燃料予熱部
   (23c)を有し、酸化剤供給分岐管(24)が前記燃料電池(1
   1)の周囲に巻回されかつ前記囲繞体(26)内に収容された
   酸化剤予熱部(24c)を有する請求項１又は２記載の燃料
   電池を含む発電炉。
4. 【請求項４】 囲繞体(26)外の燃料供給分岐管(23)に流
   量計(35a)及び流量調整弁(35b)が設けられ、囲繞体(26)
   外の酸化剤供給分岐管(24)に流量計(35a)及び流量調整
   弁(35b)が設けられた請求項１ないし３いずれか記載の
   燃料電池を含む発電炉。
5. 【請求項５】 スリット(29)が燃料供給分岐管(23)と酸
   化剤供給分岐管(24)の通過する部分を除いて閉止部材(3
   6)により塞がれた請求項１ないし４いずれか記載の燃料
   電池を含む発電炉。
6. 【請求項６】 囲繞体(26)が燃料電池(11)の外周面及び
   上面を覆うケース(28)を有し、前記ケース(28)が前記燃
   料電池(11)と分離して引上げ可能に構成された請求項１
   ないし５いずれか記載の燃料電池を含む発電炉。