JP2004319462A - 燃料電池組立体 - Google Patents

Abstract

【課題】比較的コンパクトに構成することができるにもかかわらず、発電・燃焼室から大気への直接的放熱を効果的に抑制し、排熱を高効率で利用して酸素含有ガス及び／又は燃料ガスを予熱することができる燃料電池組立体を提供する。
【解決手段】燃焼ガス排出手段の燃焼ガス流路１４を少なくとも部分的に発電・燃焼室の周囲に配置すると共に、燃料ガス供給手段の燃料ガス流路５８、６２と酸素含有ガス供給手段の酸素含有ガス流路１６との少なくとも一方を少なくとも部分的に発電・燃焼室の周囲に配置する。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池組立体、更に詳しくは発電・燃焼室内に配設されたセルスタックに燃料ガスと酸素含有ガスとを供給して発電せしめると共に、発電・燃焼室内において燃料ガスを燃焼せしめる形態の燃料電池組立体に関する。

次世代エネルギーとして、近年、固体高分子型、リン酸型、溶融炭酸塩型及び固体電解質型等の種々の型の燃料電池発電システムが提案されている。特に、固体電解質型燃料電池発電システムは、作動温度が１０００℃程度と高いが、発電効率が高い、排熱が利用できる等の利点を有しており，研究開発が推し進められている。

固体電解質型燃料電池発電システムの典型例においては、下記特許文献１に開示されている如く、発電・燃焼室、この発電・燃焼室内に配設されたセルスタック、セルスタックに接続され且つ発電・燃焼室から延出する延出部を有する一対の電力取り出し部材、セルスタックに燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段、セルスタックに酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス供給手段、発電・燃焼室内から燃焼ガスを排出するための燃焼ガス排出手段、及び熱交換手段を具備する固体電解質型燃料電池組立体が装備されている。発電・燃焼室から排出される燃焼ガスが熱交換手段を通して排出されると共に、酸素含有ガスが熱交換手段を通してセルスタックに供給され、かくして酸素含有ガスが予熱される。
特開２０００−１４９９７６号公報

而して、上述した従来の固体電解質型燃料電池組立体には次のとおりの解決すべき問題が存在する。

第一に、熱交換手段が発電・燃焼室の上方に発電・燃焼室とは別個に配設されており、これに起因して組立体の嵩が比較的大きくなる。そしてまた、発電・燃焼室の周壁を通して大気に放熱される熱が相当大きく、排熱利用が充分ではない。

第二に、燃料ガスとしては、通常、都市ガスを改質することによって得られる水素リッチなガスを使用しているが、適宜の触媒を都市ガスに作用せしめる改質は吸熱反応であり、改質のためには都市ガスを加熱することが必要である。然るに、発電・燃焼室における熱が改質のために利用されておらず、この点からも排熱利用が充分ではない。

第三に、セルスタックにおいて発電された電力を取り出すための一対の電力取り出し部材は、高導電性であることが重要であり、通常，熱伝導率も高い。それ故に、セルスタックに接続された内側端から発電・燃焼室外まで延びる一対の電力取り出し部材を通して、発電・燃焼室内の熱が大気に相当放熱され、この点からも排熱利用が充分でない。

本発明は上記事実に鑑みてなされたものであり、その第一の技術的課題は、比較的コンパクトに構成することができるにもかかわらず、発電・燃焼室から大気への直接的放熱を効果的に抑制し、排熱を高効率で利用して酸素含有ガス及び／又は燃料ガスを予熱することができる、新規且つ改良された燃料電池組立体を提供することである。

本発明の第二の技術的課題は、燃料ガスを得るための改質に発電・燃焼室における熱が効果的に利用される、新規且つ改良された燃料電池組立体を提供することである。

本発明の第三の技術的課題は、一対の電極取り出し部材を介した発電・燃焼室から大気への放熱が充分に抑制された，新規且つ改良された燃料電池組立体を提供することである。

本発明の第一の局面においては、上記第一の技術的課題を達成するために、燃焼ガス排出手段の燃焼ガス流路を少なくとも部分的に発電・燃焼室の周囲に配置すると共に、燃料ガス供給手段の燃料ガス流路と酸素含有ガス供給手段の酸素含有ガス流路との少なくとも一方を少なくとも部分的に発電・燃焼室の周囲に配置する。かくして、燃焼ガスと燃料ガス及び／又は酸素含有ガスとの熱交換に発電・燃焼室の周囲を効果的に利用し、これによって全体の嵩を必要最小限にせしめることを可能にする。また、発電・燃焼室から大気への放熱を充分に抑制する。

即ち、本発明の第一の局面によれば、上記第一の技術的課題を達成する燃料電池組立体として、発電・燃焼室と、該発電・燃焼室内に配設されたセルスタックと、該セルスタックに燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段と、該セルスタックに酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス供給手段と、該発電・燃焼室内から燃焼ガスを排出するための燃焼ガス排出手段とを具備する燃料電池組立体において、
該燃焼ガス排出手段の燃焼ガス流路は、該発電・燃焼室の周囲に配設された熱交換部を含み、該燃料ガス供給手段の燃料ガス流路と該酸素含有ガス手段の酸素含有ガス流路との少なくとも一方も、該発電・燃焼室の周囲に配設された熱交換部を含む、ことを特徴とする燃料電池組立体が提供される。

本発明の第二の局面においては、上記第二の技術的課題を達成するために、燃料ガス改質手段を発電・燃焼室内に配設する。かくして、発電・燃焼室内の熱を燃料ガスの改質に効果的に利用する。

即ち、本発明の第二の局面によれば、上記第二の技術的課題を達成する燃料電池組立体として、発電・燃焼室と、該発電・燃焼室内に配設されたセルスタックと、該セルスタックに燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段と、該セルスタックに酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス供給手段と、該発電・燃焼室内から燃焼ガスを排出するための燃焼ガス排出手段とを具備する燃料電池組立体において、
該燃料ガス供給手段は該発電・燃焼室内に配設された燃料ガス改質手段を含んでいる、ことを特徴とする燃料電池組立体が提供される。

本発明の第三の局面においては，上記第三の技術的課題を達成するために、酸素含有ガス供給手段の酸素含有ガス流路と燃料ガス供給手段の燃料ガス流路との少なくとも一方を、一対の電力取り出し部材の少なくとも一方の、発電・燃焼室から延出する延出部に沿って延在せしめる。かくして、一対の電力取り出し部材を通した発電・燃焼室からの放熱を抑制する。

即ち、本発明の第三の局面によれば、上記第三の技術的課題を達成する燃料電池組立体として、発電・燃焼室と、該発電・燃焼室内に配設されたセルスタックと、該セルスタックに接続され且つ該発電・燃焼室から延出する延出部を有する一対の電力取り出し部材と、該セルスタックに燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段と、該セルスタックに酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス供給手段と、該発電・燃焼室内から燃焼ガスを排出するための燃焼ガス排出手段とを具備する燃料電池組立体において、
該酸素含有ガス供給手段の酸素含有ガス流路と該燃料ガス供給手段の燃料ガス流路との少なくとも一方は、該一対の電力取り出し部材の少なくとも一方の該延出部に沿って延びる付加熱交換部を含む、ことを特徴とする燃料電池組立体が提供される。

好ましくは、該発電・燃焼室は全体として略直方体形状であり、該燃焼ガス流路の該熱交換部は該発電・燃焼室の４側面に沿って延在せしめられており、該燃料ガス流路と該酸素含有ガス流路との少なくとも一方の該熱交換部は該燃焼ガス流路の該熱交換部に隣接して且つ該発電・燃焼室の４側面に沿って延在せしめられている。或いは、該燃焼ガス流路の該熱交換部は該発電・燃焼室の側面全体に渡って連続して延在せしめられており、該燃焼ガス流路の該熱交換部には整流板が配設され、そしてまた該燃料ガス流路と該酸素含有ガス流路との少なくとも一方の該熱交換部は該発電・燃焼室の側面全体に渡って連続して延在せしめられており、該燃料ガス流路と該酸素含有ガス流路との少なくとも一方の該熱交換部には整流板が配設されていることも好適である。該整流板は全体として螺旋状に延在せしめられているのが好ましい。該セルスタックは該発電・燃焼室の下部乃至中間部に配設されており、燃焼は該発電・燃焼室の上部で行われ、燃焼ガスは該燃焼ガス流路の該熱交換部を下降し、該酸素含有ガス流路は該燃焼ガス流路の該熱交換部の外側を延在せしめられている熱交換部を含み、酸素含有ガスは該熱交換部を上昇せしめられるのが好適である。好ましくは、該燃料ガス流路は該発電・燃焼室に沿って延びる第一の熱交換部と第二の熱交換部とを含み、燃料ガスは該第一の熱交換部を上昇せしめられて、該発電・燃焼室内の該燃料ガス改質手段に導入され、次いで該燃料ガス改質手段から該第二の熱交換部を下降せしめられて該セルスタックに供給される。該電力取り出し部材の該延出部は棒形状であり、該付加熱交換部は該延出部の周囲を延びるのが好適である。

本発明の燃料電池組立体によれば、比較的コンパクトに構成することができるにもかかわらず、発電・燃焼室から大気への直接的放熱を効果的に抑制し、排熱を高効率で利用して酸素含有ガス及び／又は燃料ガスを予熱することができる。

また、本発明の燃料電池組立体によれば、燃料ガスを得るための改質に発電・燃焼室における熱が効果的に利用される。

更に、本発明の固体電解質型燃料電池組立体によれば、一対の電極取り出し部材を介した発電・燃焼室から大気への放熱が充分に抑制される。

以下、本発明に従って構成された固体電解質型燃料電池組立体の好適実施形態を図示している添付図面を参照して、更に詳細に説明する。

図１、図２及び図３を参照して説明すると、図示の組立体は全体を番号２で示すハウジングを具備しており、このハウジング２は耐熱性金属から構成された外枠体４とこの外枠体４の内面に配設された断熱材層６とから構成されている。断熱材層６は適宜のセラミックから形成することができる。

ハウジング２内には、更に、断熱材層８によって略直方体形状の発電・燃焼室１０が区画されている。そして、発電・燃焼室１０の４側面とハウジング２の４側面との間には、耐熱金属板から形成することができる仕切り手段１２によって、横断面形状が正方形乃至長方形である中空燃焼ガス流路１４と中空酸素含有ガス流路１６が規定されている。燃焼ガス流路１４は発電・燃焼室１０の４側面に沿って延在せしめられており、酸素含有ガス流路１６は燃焼ガス流路１４の外側をこれに隣接して発電・燃焼室１０の４側面に沿って延在せしめられている。後に更に詳述するとおり、発電・燃焼室１０の４側面に沿って延在する燃焼ガス流路１４は熱交換部を構成し、同様に発電・燃焼室１０の４側面に沿って延びる酸素含有ガス流路１６も熱交換部を構成する。発電・燃焼室１０の上面とハウジング２の上面との間には仕切り手段１２によって中空箱形状の酸素含有ガスマニホルド１８が規定されている。図２から明確に理解されるとおり、酸素含有ガス流路１６の上端は酸素含有ガスマニホルド１８に連通せしめられている。発電・燃焼室１０の下面とハウジング２の下面との間には、仕切り手段１２によって中空箱形状の燃焼ガスマニホルド２０と中空箱形状の酸素含有ガスマニホルド２２が規定されている。酸素含有ガスマニホルド２２は燃焼ガスマニホルド２０に隣接してその下方に配置されている。図２から明確に理解される如く、燃焼ガス流路１４の下端は燃焼ガスマニホルド２０に連通せしめられており、酸素含有ガス流路１６の下端は酸素含有ガスマニホルド２２に連通せしめられている。

図１及び図２を参照することによって理解される如く、燃焼ガスマニホルド２０には、その中央部から下方に延びる燃焼ガス排出路２４が接続されている。燃焼ガス排出路２４は適宜の配管部材から形成することができる。酸素含有ガスマニホルド２２には、対角線上に位置する２個の部位（後述する電力取り出し部材６４が配置されている部位）の各々に、適宜の配管部材から形成することができる酸素含有ガス流路２６が接続されている。酸素含有ガス流路２６は適宜の配管手段(図示していない)を介して酸素含有ガス供給源２８に接続されており、酸素含有ガス供給源２８から酸素含有ガス流路２６に例えば空気でよい酸素含有ガスが送給される。酸素含有ガス流路２６は、後に更に言及する如く付加熱交換部を構成する。

図１及び図２に図示する如く、上記発電・燃焼室１０の下端部には、仕切り手段１２によって燃料ガスマニホルド３０が区画されている。そして、この燃料ガスマニホルド３０上には図２において左右方向に間隔をおいて複数個(図示の場合は４個)のセルスタック３２ａ、３２ｂ 、３２ｃ 及び３２ｄが配設されている。図１及び図２と共に図４を参照して説明を続けると、セルスタック３２ａ、３２ｂ、３２ｃ及び３２ｄの各々は、鉛直方向、即ち図２において上下方向、図４において紙面に垂直な方向に細長く延在するセル３４を図２において紙面に垂直な方向、図４において上下方向に複数個（図示の場合は５個）配置して構成されている。図４に明確に図示する如く、セル３４の各々は電極支持基板３６、内側電極層である燃料極層３８、固体電解質層４０、外側電極層である酸素極層４２、及びインターコネクタ４４から構成されている。図１及び図２から明確に理解される如く、セルスタック３２ａ、３２ｂ、３２ｃ及び３２ｄを構成するセル３４は発電・燃焼室１０の上端までは延びておらず、セルスタック３２ａ、３２ｂ、３２ｃ及び３２ｄは発電・燃焼室１０の下部乃至中間部に配設されている。

電極支持基板３６は鉛直方向に細長く延びる板状片であり、平坦な両面と半円形状の両側面を有する。電極支持基板３６にはこれを鉛直方向に貫通する複数個（図示の場合は４個）のガス通路４６が形成されている。電極支持基板３６の各々は燃料ガスマニホルド３０の上壁上に、例えば耐熱性に優れたセラミック接着剤によって接合される。燃料ガスマニホルド３０の上壁には図２において左右方向及び紙面に垂直な方向に間隔をおいて左右方向に延びる複数個(図示の場合は２０個)のスリット(図示していない)が形成されており、電極支持基板３６の各々に形成されているガス通路４６がスリットの各々に連通せしめられる。

インターコネクタ４４は電極支持基板３６の片面（図４のセルスタック３２ａにおいて上面）上に配設されている。燃料極層３８は電極支持基板３６の他面（図４のセルスタック３２ａにおいて下面）及び両側面に配設されており、その両端はインターコネクト４４の両端に接合せしめられている。固体電解質層４０は燃料極層３８の全体を覆うように配設され、その両端はインターコネクタ４４の両端に接合せしめられている。酸素極層４２は、固体電解質層４０の主部上、即ち電極支持基板３６の他面を覆う部分上、に配置され、電極支持基板板３６を挟んでインターコネクト４４に対向して位置せしめられている。

セルスタック３２ａ、３２ｂ、３２ｃ及び３２ｄの各々における隣接するセル３４間には集電部材４８が配設されており、一方のセル３４のインターコネクタ４４と他方のセル３４の酸素極層４２とを接続している。セルスタック３２ａ、３２ｂ、３２ｃ及び３２ｄの各々において両端、即ち図４において上端及び下端に位置するセル３４の片面及び他面にも集電部材４８が配設されている。そして、セルスタック３２ａ及び３２ｂの片端（図４において下端）に配設された集電部材４８は導電部材５０によって接続され、セルスタック３２ｂ及び３２ｃの他端（図４において上端）に配設された集電部材４８も導電部材５０によって接続され、セルスタック３２ｃ及び３２ｄの片端（図４において下端）に配設された集電部材４８も導電部材５０によって接続されている。更に、セルタック３２ａの他端（図４において上端）に配設された集電部材４８には導電部材５０が接続され、セルスタック３２ｄの片端（図４において上端）に配設された集電部材４８にも導電部材５０が接続されている。かくして、全てのセル３４が電気的に直列接続されている。

セル３４について更に詳述すると、電極支持基板３６は燃料ガスを燃料極層３８まで透過させるためにガス透過性であること、そしてまたインターコネクタ４４を介して集電するために導電性であることが要求され、かかる要求を満足する多孔質の導電性セラミック（若しくはサーメット）から形成することができる。燃料極層３８及び／又は固体電解質層４０との同時焼成により電極支持基板３６を製造するためには、鉄属金属成分と特定希土類酸化物とから電極支持基板３６を形成することが好ましい。所要ガス透過性を備えるために開気孔率が３０％以上、特に３５乃至５０％の範囲にあるのが好適であり、そしてまたその導電率は３００Ｓ／ｃｍ以上、特に４４０Ｃ／ｃｍ以上であるのが好ましい。燃料極層３８は多孔質の導電性セラミック、例えば希土類元素が固溶しているＺｒＯ_２ （安定化ジルコニアを称されている）とＮｉ及び／又はＮｉＯとから形成することができる。固体電解質層４０は、電極間の電子の橋渡しをする電解質としての機能を有していると同時に、燃料ガスと酸素含有ガスとのリークを防止するためにガス遮断性を有するものであることが必要であり、通常、３〜１５モル％の希土類元素が固溶したＺｒＯ_２ から形成されている。酸素極層４２は所謂ＡＢＯ_３ 型のペロブスカイト型酸化物からなる導電セラミックから形成することができる。酸素極層４２はガス透過性を有していることが必要であり、開気孔率が２０％以上、特に３０内５０％の範囲にあることが好ましい。インターコネクタ４４は導電性セラミックから形成することができるが、水素ガスでよい燃料ガス及び空気でよい酸素含有ガスと接触するため、耐還元性及び耐酸化性を有することが必要であり、このためにランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物（ＬａＣｒＯ_３ 系酸化物）が好適に使用される。インターコネクト４４は電極支持基板３６に形成された燃料通路４６を通る燃料ガス及び電極支持基板３６の外側を流動する酸素含有ガスのリークを防止するために緻密質でなければならず、９３％以上、特に９５％以上の相対密度を有していることが望まれる。集電部材４８は弾性を有する金属又は合金から形成された適宜の形状の部材或いは金属繊維又は合金繊維から成るフェルトに所要表面処理を加えた部材から構成することができる。導電部材５０は適宜の金属又は合金から形成することができる。

図１、図２及び図４を参照して説明を続けると、発電・燃焼室１０内に配設されているセルスタック３２ａ、３２ｂ、３２ｃ及び３２ｄ間の各々には、図２において紙面に垂直な方向に間隔をおいて図２において上下に延びる複数個の酸素含有ガス供給管５２が配設されている。かかる酸素含有ガス供給管５２の各々の上端部は、発電・燃焼室１０の上壁を貫通して上述した酸素含有ガスマニホルド１８内に延出せしめられている。酸素含有ガス供給管５２の下端は燃料ガスマニホルド３０の上面よりも幾分上方に位置せしめられている。

図２を参照することによって理解される如く、発電・燃焼室１０の上端部においては４側面において断熱材層８が存在せず、発電・燃焼室１０は横方向に拡張されて、上記燃焼ガス流路１４の上端に連通せしめられている。そして、発電・燃焼室１０の上端部における拡張部には燃料ガス改質手段５４が配設されている。図示の実施形態における燃料ガス改質手段５４は、発電・燃焼室１０の上端部における拡張部に沿って4角形状に延びる中空ダクト部材から構成されている。かかる中空ダクト部材内には都市ガスでよい燃料ガスを改質して水素リッチなガスにせしめるためのそれ自体は周知のものでよい触媒(図示していない)が収容されている。

図３に図示するとおり、発電・燃焼室１０を規定している断熱部材８の外側４角部には、発電・燃焼室１０に沿って上下方向に延びる接続部材５６が配設されている。接続部材５６の各々には２個の貫通孔５８が形成されており、かかる貫通孔５８の上端は燃料ガス改質手段５４に連通せしめられている。貫通孔５８の下端はハウジング２の下壁を貫通してハウジング２外に延出している接続管（図示していない）を介して燃料ガス供給源（図示していない）に接続されている。後に更に言及する如く、貫通孔５８は燃料ガス流路の第一の熱交換部を構成する。更に、発電・燃焼室１０を規定している断熱部材８の４外側面の中央部にも上下方向に延びる接続部材６０が配設されている。接続部材６０の各々にも２個の貫通孔６２が形成されており、かかる貫通孔６２の上端は燃料ガス改質手段５４に連通せしめられ、下端は断熱部材８を貫通して発電・燃料室１０内に延びる連結部材(図示していない)を介して燃料ガスマニホルド３０に連通せしめられている。後に更に言及する如く、貫通孔６２は燃料ガス流路の第二の熱交換部を構成する。

図２及び図３に図示する如く、組立体には一対の電力取り出し部材６４が配設されている。導電性に優れた金属から形成することができる電力取り出し部材６４の各々は、発電・燃焼室１０を区画している断熱部材８を通って延び、そして更に、その延出部(即ちハウジング2を貫通して延びる部分)は酸素含有ガス流路２６を挿通してハウジング２外に延出せしめられている。図２に明確に図示する如く、電力取り出し部材６４は燃料ガスマニホルド３０及び燃焼ガスマニホルド２０も貫通して延びているが、燃料ガスマニホルド３０及び燃焼ガスマニホルド２０には仕切り手段６６及び６８によって電力取り出し部材６４が挿通することができる貫通穴が規定されている。一対の電力取り出し部材６４の上端はセルスタック３２ａ、３２ｂ、３２ｃ及び３２ｄに電気的に接続されている。更に詳しくは、一方の電力取り出し部材６４の上端は、適宜の接続片(図示していない)を介して、図４においてセルスタック３２ａの上方に位置する導電部材５０に接続され、他方の電力取り出し部材６４の上端は、適宜の接続片(図示していない)を介して、図４においてセルスタック３２ｄの上方に位置する導電部材５０に接続されている。

上述したとおりの固体電解質型燃料電池組立体においては、燃料ガス供給源(図示していない)から燃料ガス流路の第一の熱交換部即ち貫通孔５８の下端に、都市ガスでよい燃料ガスが送給される。そして、かかる燃料ガスが貫通孔５８を上昇して燃料ガス改質手段５４内に導入される。燃料ガス改質手段５４内で水素リッチなガスに改質された後、燃料ガス流路の第二の熱交換部即ち貫通孔６２を下降して燃料ガスマニホルド３０内に進入する。次いで、セル３４の各々の電極支持基板３６に形成されているガス通路４６の下端に導入され、ガス通路４６を上昇する。従って、燃料ガス供給源、貫通孔５８(燃料ガス流路の第一の熱交換部)、燃料ガス改質手段５４、貫通孔６２(燃料ガス流路の第二の熱交換部)、及び燃料ガスマニホルド３０は燃料ガス供給手段を構成する。一方、酸素含有ガス供給源２８は2個の酸素含有ガス流路２６に空気でよい酸素含有ガスを送給する。酸素含有ガス流路２６に送給された酸素含有ガスは、酸素含有ガスマニホルド２２内に進入し、次いで酸素含有ガス流路１６を通って上昇して酸素含有ガスマニホルド１８内に進入する。しかる後に、酸素含有ガス供給管５２を通って流下し、酸素含有ガス供給管５２の下端から発電・燃焼室１０の下端部に排出されて発電・燃焼室１０内を上昇し、かくしてセル３４の各々に供給される。従って、酸素含有ガス供給源２８、酸素含有ガス流路２６、酸素含有ガスマニホルド２２、酸素含有ガス流路１６、酸素含有ガスマニホルド１８及び酸素含有ガス供給管５２は酸素含有ガス供給手段を構成する。セル３４の各々においては、酸素極層４２で下記式（１）の電極反応が生成され、また燃料極層３８では下記式（２）の電極反応が生成されて発電される。そして、生成された電力は一対の電力取り出し部材６４を通して取り出される。

酸素極： １／２Ｏ_２ ＋２ｅ⁻ → Ｏ^２−（固体電解質） ・・・（１）
燃料極： Ｏ^２−（固体電解質）＋Ｈ_２ → Ｈ_２ Ｏ＋２ｅ⁻ ・・・（２）

セル３４における電極支持基板３６のガス通路４６を流動する燃料ガスの、電極反応に使用されなかった燃料ガスは、電極支持基板３４の上端から発電・燃焼室１０内に流出せしめられる。発電・燃焼室１０内に流出せしめられた燃料ガスは流出と同時に燃焼せしめられる。発電・燃焼室１０内には適宜の着火手段（図示していない）が配設されており、燃料ガスが発電・燃焼室１０に流出され始めると着火手段が作動せしめられて燃焼が開始される。酸素含有ガス供給管５２を通して発電・燃焼室１０に供給された酸素含有ガス中の酸素で電極反応に使用されなかったものは燃焼に利用される。発電・燃焼室１０内は、セル３４での発電及び燃焼ガスの燃焼に起因して例えば１０００℃程度の高温になる。

発電・燃焼室１０内での燃料ガスの燃焼によって生成された燃焼ガスは、発電・燃焼室１０の上端部における拡張部から燃焼ガス流路１４に排出され、燃焼ガス流路１４を通って流下して燃焼ガスマニホルド２０に進入し、そして燃焼ガス排出路２４を通ってハウジング２から排出される。従って、燃焼ガス流路１４、燃焼ガスマニホルド２０及び燃焼ガス排出路２４は燃焼ガス排出手段を構成する。

而して、本発明に従って構成された上述したとおりの固体電解質型燃料電池組立体においては、次のとおりの事実が注目されるべきである。発電・燃焼室１０内で生成された高温の燃焼ガスは、燃焼ガス流路１４及び燃焼ガスマニホルド２０を通して排出される。一方、酸素含有ガスは燃焼ガスマニホルド２０に隣接してその下方に配置された酸素含有ガスマニホルド２２及び燃焼ガス流路１４に隣接してその外側に配置された酸素含有ガス流路１６を通して供給される。従って、排出される燃焼ガスと供給される酸素含有ガスとの間で効果的に熱交換が遂行される。また、燃料ガスも燃焼ガス流路１４に隣接して配設された貫通孔５８及び６２を通して供給され、従って燃焼ガスと燃料ガスとの間でも効果的に熱交換が遂行される。発電・燃焼室１０の４側面は燃焼ガス流路１４、燃料ガス流路を構成する貫通孔５８及び６２並びに酸素含有ガス流路16によって囲繞されている。また、発電・燃焼室１０の上面は酸素含有ガスマニホルド１８に覆われ、発電・燃焼室１０の下面は燃焼ガスマニホルド２０及び酸素含有ガスマニホルド２２によって覆われている。それ故に、発電燃焼室１０内の熱が直接的に大気に放熱されることが効果的に抑制される。

燃料ガス供給手段における燃料ガス改質手段５４は発電・燃焼室１０の上部に配設されており、従って発電・燃焼室１０内の熱が燃料ガス改質手段５４内の燃料ガスに充分に伝達され、改質作用が効率的に遂行される。燃料ガスが貫通孔５８内を流動して燃焼ガス流路14内を流動する燃焼ガスを熱交換されることによっても、改質作用が助長される。更に、一対の電力取り出し部材６４の延出部は酸素含有ガス流路２６(付加熱交換部)を挿通して延びている。従って、酸素含有ガスが電力取り出し部材６４の延出部に沿って流動し、電力取り出し部材６４の延出部を効果的に冷却する。かくして、電力取り出し部材６４を介して発電・燃焼室１０内の熱が大気に放熱されることも効果的に抑制される。

図５及び図６は本発明に従って構成された固体電解質型燃料電池組立体の他の実施形態を図示している。図５及び図６に図示する実施形態においては、接続部材５６及び接続部材６０の厚さ方向寸法が低減せしめられており、発電・燃焼室１０の側面に沿って延在せしめられている燃焼ガス流路１４は発電・燃焼室１０の側面全体に渡って連続せしめられている。そして、かかる燃焼ガス流路１４内には全体として螺旋状に延在する整流板７０が配設されている。従って、発電・燃焼室１０から排出される燃焼ガスは、整流板７０に案内されて燃焼ガス流路１４を螺旋状に流動して下降し燃焼ガスマニホルド２０に流入する。図５及び図６に図示する実施形態においては、更に、発電・燃焼室１０の側面に沿って延在せしめられている酸素含有ガス流路１６も発電・燃焼室１０の側面全体に渡って連続せしめられている。そして、かかる酸素含有ガス流路１６内にも全体として螺旋状に延在する整流板７２が配設されている。従って、酸素含有ガスは整流板７２に案内されて酸素含有ガス流路１６を螺旋状に流動して上昇し、酸素含有ガスマニホルド１８に流入する。側面全体に渡って連続せしめられている酸素含有ガス流路１６における４角部での酸素含有ガスの周方向への流動を助長するために、４角部の外側を規定する仕切り手段１２の横断面形状は円弧形状にせしめられている。所望ならば、酸素含有ガス流路１６における４角部の内側を規定する仕切り手段１２の横断面形状も円弧形状にせしめることができる。また、燃焼ガス流路１４における４角部に関しても、その外側及び／又は内側を規定する仕切り手段１２の横断面形状を円弧形状にせしめることもできる。更に、燃焼ガス流路１４における燃焼ガスの螺旋状流動を円滑にせしめるために、所望ならば燃焼ガス流路１４の横断面形状を円環形状にせしめることもできる。同様に、酸素含有ガス流路１６における酸素含有ガスの螺旋状流動を円滑にせしめるために、所望ならば酸素含有ガス流路１６の横断面形状を円環形状にせしめることもできる。図５及び図６に図示する実施形態における上述した構成以外は、図１乃至図４に図示する実施形態と実質上同一である。図５及び図６に図示する実施形態においては、燃焼ガスは燃焼ガス流路１４内を全体として螺旋状に流動し、従って単純な軸線方向流動に比べて流動長さ及び流動時間が相当延長せしめられ、同様に酸素含有ガスも酸素含有ガス流路１６内を全体として螺旋状に流動し、従って単純な軸線方向流動に比べて流動長さ及び流動時間が相当延長せしめられ、かくして熱交換率が相当向上せしめられることが注目されるべきである。

以上、本発明に従って構成された固体電解質型燃料電池組立体の好適実施形態について添付図面を参照して詳細に説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変形乃至修正が可能であることが理解されるべきである。例えば、図示の実施形態においては発電・燃焼室の周囲に燃焼ガス流路、酸素含有流路及び燃料ガス流路を夫々1層毎配設しているが、燃焼ガス流路、酸素含有流路及び燃料ガス流路の少なくとも1個を複数層配列することもできる。また、図示の実施形態においては、電力取り出し部材の延出部を酸素含有ガス流路内に挿通せしめることによって、酸素含有ガスが電力取り出し部材の延出部に沿って流動してこれを冷却するようにせしめているが、所望ならば、電力取り出し部材の延出部を中空にせしめ、かかる中空部を酸素含有ガス流路の一部とすることによって、酸素含有ガスが電力取り出し部材の延出部に沿って流動してこれを冷却するようにせしめることもできる。更に、図示の実施形態においては電力取り出し部材の延出部に沿って酸素含有ガスを流動せしめることによって電力取り出し部材の延出部を冷却しているが、電力取り出し部材の延出部に沿って燃料有ガスを流動せしめることによって電力取り出し部材の延出部を冷却することもできる。

本発明に従って構成された固体電解質型燃料電池組立体の好適実施形態を、一部を切り欠いて示す斜面図。 図１に示す固体電解質型燃料電池組立体の縦断面図。 図１に示す固体電解質型燃料電池組立体の横断面図。 図１に示す固体電解質型燃料電池におけるセルスタックを示す横断面図。 本発明に従って構成された固体電解質型燃料電池組立体の他の好適実施形態を、一部を切り欠いて示す斜面図。 図５に示す固体電解質型燃料電池組立体の横断面図。

符号の説明

２：ハウジング
１０：発電・燃焼室
１４：燃焼ガス流路(熱交換部)
１６：酸素含有ガス流路（熱交換部）
１８：酸素含有ガスマニホルド
２０：燃焼ガスマニホルド
２２：酸素含有ガスマニホルド
２４：燃焼ガス排出路
２６：酸素含有ガス流路(付加熱交換部)
３０：燃料ガスマニホルド
３２ａ：セルスタック
３２ｂ：セルスタック
３２ｃ：セルスタック
３２ｄ：セルスタック
３４：セル
５２：酸素含有ガス供給管
５４：燃料ガス改質手段
５８：貫通孔(燃料ガス流路・第一の熱交換部)
６２：貫通孔(燃料ガス流路・第二の熱交換部)
６４：電力取り出し部材
７０：整流板
７２：整流板

Claims (14)

1. 発電・燃焼室と、該発電・燃焼室内に配設されたセルスタックと、該セルスタックに燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段と、該セルスタックに酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス供給手段と、該発電・燃焼室内から燃焼ガスを排出するための燃焼ガス排出手段とを具備する燃料電池組立体において、
   該燃焼ガス排出手段の燃焼ガス流路は、該発電・燃焼室の周囲に配設された熱交換部を含み、該燃料ガス供給手段の燃料ガス流路と該酸素含有ガス手段の酸素含有ガス流路との少なくとも一方も、該発電・燃焼室の周囲に配設された熱交換部を含む、ことを特徴とする燃料電池組立体。
2. 該発電・燃焼室は全体として略直方体形状であり、該燃焼ガス流路の該熱交換部は該発電・燃焼室の４側面に沿って延在せしめられており、該燃料ガス流路と該酸素含有ガス流路との少なくとも一方の該熱交換部は該燃焼ガス流路の該熱交換部に隣接して且つ該発電・燃焼室の４側面に沿って延在せしめられている、請求項１記載の燃料電池組立体。
3. 該燃焼ガス流路の該熱交換部は該発電・燃焼室の側面全体に渡って連続して延在せしめられており、該燃焼ガス流路の該熱交換部には整流板が配設されている、請求項１の燃料電池組立体。
4. 該燃料ガス流路と該酸素含有ガス流路との少なくとも一方の該熱交換部は該発電・燃焼室の側面全体に渡って連続して延在せしめられており、該燃料ガス流路と該酸素含有ガス流路との少なくとも一方の該熱交換部には整流板が配設されている、請求項１の燃料電池組立体。
5. 該整流板は全体として螺旋状に延在せしめられている、請求項３又は４記載の燃料電池組立体。
6. 該セルスタックは該発電・燃焼室の下部乃至中間部に配設されており、燃焼は該発電・燃焼室の上部で行われ、燃焼ガスは該燃焼ガス流路の該熱交換部を下降する、請求項１〜５までのいずれかに記載の燃料電池組立体。
7. 該酸素含有ガス流路は該燃焼ガス流路の該熱交換部に隣接して延在せしめられている熱交換部を含み、酸素含有ガスは該熱交換部を上昇せしめられる、請求項６記載の燃料電池組立体。
8. 該発電・燃焼室の上部内には燃料ガス改質手段が配設されており、該燃料ガス流路は該発電・燃焼室に沿って延びる第一の熱交換部と第二の熱交換部とを含み、燃料ガスは該第一の熱交換部を上昇せしめられて該燃料ガス改質手段に導入され、次いで該燃料ガス改質手段から該第二の熱交換部を下降せしめられて該セルスタックに供給される、請求項６又は７記載の燃料電池組立体。
9. 該セルスタックに接続され且つ該発電・燃焼室から延出する延出部を有する一対の電力取り出し部材を具備し、該酸素含有ガス流路と燃料ガス流路との少なくとも一方は、該一対の電力取り出し部材の少なくとも一方の該延出部に沿って延びる付加熱交換部を含む、請求項１〜８までのいずれかに記載の燃料電池組立体。
10. 該電力取り出し部材の該延出部は棒形状であり、該付加熱交換部は該延出部の周囲を延びる、請求項９記載の燃料電池組立体。
11. 発電・燃焼室と、該発電・燃焼室内に配設されたセルスタックと、該セルスタックに燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段と、該セルスタックに酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス供給手段と、該発電・燃焼室内から燃焼ガスを排出するための燃焼ガス排出手段とを具備する燃料電池組立体において、
    該燃料ガス供給手段は該発電・燃焼室内に配設された燃料ガス改質手段を含んでいる、ことを特徴とする燃料電池組立体。
12. 該発電・燃焼室の下部乃至中間部に該セルスタックが配設され、燃焼は該発電・燃焼室の上部で行われ、該燃料ガス改質手段は該発電・燃焼室の上部内に配設されている、請求項１１記載の燃料電池組立体。
13. 発電・燃焼室と、該発電・燃焼室内に配設されたセルスタックと、該セルスタックに接続され且つ該発電・燃焼室から延出する延出部を有する一対の電力取り出し部材と、該セルスタックに燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段と、該セルスタックに酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス供給手段と、該発電・燃焼室内から燃焼ガスを排出するための燃焼ガス排出手段とを具備する燃料電池組立体において、
    該酸素含有ガス供給手段の酸素含有ガス流路と該燃料ガス供給手段の燃料ガス流路との少なくとも一方は、該一対の電力取り出し部材の少なくとも一方の該延出部に沿って延びる付加熱交換部を含む、ことを特徴とする燃料電池組立体。
14. 該電力取り出し部材の該延出部は棒形状であり、該付加熱交換部は該延出部の周囲を延びる、請求項１３記載の燃料電池組立体。

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