JP2005158524A

JP2005158524A - 燃料電池組立体

Info

Publication number: JP2005158524A
Application number: JP2003396204A
Authority: JP
Inventors: Masaaki Obata; 正明小畑; Shoji Yamashita; 祥二山下; Takashi Ono; 孝小野
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2003-11-26
Filing date: 2003-11-26
Publication date: 2005-06-16
Anticipated expiration: 2023-11-26
Also published as: JP4986376B2

Abstract

【課題】内部ガス出口側端面のクラック発生を抑制できる燃料電池組立体を提供する。
【解決手段】ハウジング２と、該ハウジング２内に配設され、かつ複数の燃料電池セルを電気的に接続してなるセルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄと、該セルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄの燃料電池セル６２内部にガスを供給するための内部ガス供給手段と、セルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄの燃料電池セル６２外部にガスを供給するための空気導入管２２とを具備する燃料電池組立体であって、セルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄの周りの空間にガス流変更部材７７を配置してなるとともに、該ガス流変更部材７７の先端ｍが燃料電池セルの内部ガス出口側端面ｎよりも低い位置に存在する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ハウジングと、該ハウジング内に配設され、かつ複数の燃料電池セルを電気的に接続してなるセルスタックと、該セルスタックの燃料電池セル内部にガスを供給するための内部ガス供給手段と、前記セルスタックの燃料電池セル外部にガスを供給するための外部ガス供給手段とを具備する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システムは、作動温度が１０００℃と高いが、発電効率が高い、排熱利用が可能であ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。

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に開示されているが如く、ハウジングと、このハウジング内に配設された複数の燃料電池セルとを具備し、燃料電池セル間にガス流変更部材を配置した燃料電池組立体が装備されている。この燃料電池組立体では、燃料電池セルの上下端部が、ハウジング内に配置された一対の仕切板に固定されており、燃料電池セル間に位置する上下の仕切板にはそれぞれ貫通孔が形成され、上下の仕切板間における燃料電池セル間にはセラミックチューブが配置されている（特許文献１参照）。

このような燃料電池組立体では、燃料ガスが下側仕切板の貫通孔から燃料電池セル間に導入され、燃料電池セル間を通過し、上側仕切板の貫通孔及び上側仕切板のセル挿入孔と燃料電池セルとの隙間を通過し、燃料電池セル内を通過した空気と混合燃焼し、ハウジング外に排出される。燃料電池セルの燃料極には、燃料電池セル間に配置されたセラミックチューブにより強制的に燃料ガスを供給することができる。
特開平１１−２１４０２６号公報

しかしながら、従来の燃料電池組立体では、燃料電池セルの内部ガス出口側端面にクラックが発生する場合があり、この場合には、発電性能が低下するという問題があった。即ち、従来の燃料電池組立体では、上側仕切板の貫通孔、及び上側仕切板のセル挿入孔と燃料電池セルとの隙間を上方（燃料電池セルの内部ガス出口側端面）に向けて燃料ガスが通過するため、燃料電池セルの空気導出側端面への回りこみが発生し、燃料ガスと空気の混合により生じる燃焼状態が不安定となり、燃料電池セルの空気導出側端面の温度分布が不安定となり、燃料電池セルの空気導出側端部にクラックが発生するという問題があった。

本発明は、内部ガス出口側端部におけるクラック発生を抑制できる燃料電池組立体を提供することを目的とする。

本発明者等は、上記課題を解決すべく鋭意研究の結果、セルスタックの周りの空間に、酸素含有ガス、或いは燃料ガスの流れを規制するガス流変更部材を配置し、このガス流変更部材の先端を燃料電池セルの内部ガス出口側端面よりも低い位置とすることにより、ガス流変更部材の先端よりも高い位置では外部ガスが流れる空間が広くなり、ガス流の流速が遅くなり、燃料電池セルの内部ガス出口側端面への回りこみが抑制され、例えば、外部ガスが酸素含有ガスである場合には燃料極や燃料極支持体のＮｉの酸化が抑制され、熱膨張が抑制されることにより、クラックの発生が抑制される。

さらに、外部ガスが酸素含有ガスである場合には、外部ガスが流れる空間が広くなることによる酸素分圧の低下、流速が遅くなることによる燃料電池セル内部への酸素の拡散速度の低下等から、燃料極支持体のＮｉの酸化速度自体が低下し、クラックの発生が抑制される効果もある。

また、外部ガスが燃料ガスである場合には、燃料ガスの、燃料電池セルの内部ガス出口側端面への回りこみが防止できることから、外部ガスの燃料ガスと内部ガスの酸素含有ガスの混合により生じる燃焼状態が安定するため、燃料電池セルの内部ガス出口側端面の温度分布が安定し、温度変化によるクラックの発生を抑制できることを見出し、本発明に至った。

また、ガス流変更部材の先端が燃料電池セルの内部ガス出口側端面と同一位置又は低い位置に存在する場合であって、ガス流変更部材の先端角部が面取りされている場合や、ガス流変更部材の先端が曲面状である場合も、上記と同様、外部ガスの燃料電池セルの内部ガス出口側端面への回りこみが防止できることから、クラックの発生を抑制できることを見出し、本発明に至った。

即ち、本発明の燃料電池組立体は、ハウジングと、該ハウジング内に配設され、かつ複数の燃料電池セルを電気的に接続してなるセルスタックと、該セルスタックの燃料電池セル内部にガスを供給するための内部ガス供給手段と、前記セルスタックの燃料電池セル外部にガスを供給するための外部ガス供給手段とを具備する燃料電池組立体であって、前記セルスタックの周りの空間にガス流変更部材を配置してなるとともに、該ガス流変更部材の先端が前記燃料電池セルの内部ガス出口側端面よりも低い位置に存在することを特徴とする。

このような燃料電池組立体では、セルスタックの周りの空間にガス流変更部材を配置することにより、ガス流変更部材が配置された部分は外部ガスが通らないため、セルスタック、即ち燃料電池セル間に外部ガスが強制的に供給され、発電時、外部ガスが酸素含有ガスの場合には、酸素供給のための加圧装置の小型化が可能となり、また、外部ガスが燃料ガスの場合には、燃料利用率が向上することになり、運転コストの低下に効果がある。

そして、ガス流変更部材の先端は、燃料電池セルの内部ガス出口側端面よりも低い位置に存在するため、ガス流変更部材の先端上方では、外部ガスがガス流変更部材の上方に拡散するため、燃料電池セルの内部ガス出口側端面への回りこみが抑制され、例えば、外部ガスが酸素含有ガスである場合には燃料極や燃料極支持体のＮｉの酸化が抑制され、熱膨張が抑制されることにより、クラックの発生が抑制され、また、外部ガスが燃料ガスである場合には、外部ガスの燃料ガスと内部ガスの酸素含有ガスの混合により生じる燃焼状態が安定するため、燃料電池セルの内部ガス出口側端面の温度分布が安定し、温度変化によるクラックの発生を抑制できる。

さらに、本発明の燃料電池組立体は、ハウジングと、該ハウジング内に配設され、かつ複数の燃料電池セルを電気的に接続してなるセルスタックと、該セルスタックの燃料電池セル内部にガスを供給するための内部ガス供給手段と、前記セルスタックの燃料電池セル外部にガスを供給するための外部ガス供給手段とを具備する燃料電池組立体であって、前記セルスタックの周りの空間にガス流変更部材を配置してなるとともに、該ガス流変更部材の先端が前記燃料電池セルの内部ガス出口側端面と同一位置又は低い位置に存在し、かつ前記ガス流変更部材の先端角部を面取りしたり、前記ガス流変更部材の先端を曲面状としてなることを特徴とする。

このような燃料電池組立体でも、上記と同様の作用効果を有するが、特に、ガス流変更部材の先端が燃料電池セルの内部ガス出口側端面と同一位置に存在する場合であっても、燃料電池セルの内部ガス出口側端面への回りこみが抑制され、熱膨張が抑制されることにより、クラックの発生が抑制される。

また、本発明の燃料電池組立体は、ハウジング内に複数のセルスタックを有し、隣設するセルスタックの内部ガス出口側端部間が開口しており、該内部ガス出口側端部間にガス流変更部材が配置されていることを特徴とする。このような燃料電池組立体では、従来のような仕切板が配置されておらず、セルスタックの内部ガス出口側端部間が開口しており、その間にガス流変更部材が配置されているため、燃料電池セルの発電面積を従来よりも広げることができるとともに、燃料電池セル間のガス流をガス流変更部材により制御できる。

また、本発明の燃料電池組立体は、ガス流変更部材は燃料電池セルよりも熱伝導率が低いことを特徴とする。このような燃料電池組立体では、ガス流変更部材の伝熱、あるいは放熱作用による燃料電池セルの温度低下が少なく、安定した発電が可能となる。

さらに、本発明の燃料電池組立体は、ガス流変更部材は無機材料からなることを特徴とする。このような燃料電池組立体では、ガス流変更部材と燃料電池セルが接触した場合にも、短絡による装置破壊を防止することができる。無機材料としては、熱伝導率が低く、断熱性、耐熱性に優れたセラミックスボード、セラミックス繊維等が好適である。

また、本発明の燃料電池組立体は、ガス流変更部材がセラミックス製断熱材からなることを特徴とする。セラミックス製断熱材は加工が容易であるため、ガス流変更部材として複雑な形状が要求される場合にも容易に対応でき、また、セラミック製断熱材は軽量であるので、燃料電池組立体の総重量を軽量化することもでき、燃料電池組立体の組立作業の容易化、架台等の構造部材の簡略化等によるコストダウンの効果がある。

さらに、本発明の燃料電池組立体は、セルスタックは、複数の燃料電池セルを、その間に板状集電部材を介して縦列配置してなることを特徴とする。このような燃料電池組立体では、燃料電池組立体の内部構造を単純にすることができ、また、燃料電池セルの配置数により、出力値を容易に変更することもできる。

また、本発明の燃料電池組立体は、燃料電池セルが、ガス流路を有する支持基板の主面に固体電解質、電極を形成してなることを特徴とする。

本発明の燃料電池組立体では、セルスタックの周りの空間にガス流変更部材を配置することにより、ガス流変更部材が配置された部分は外部ガスが通らないため、セルスタック、即ち燃料電池セル間に外部ガスが強制的に供給され、発電性能を向上できるとともに、ガス流変更部材の先端は、燃料電池セルの内部ガス出口側端面よりも低い位置に存在するため、ガス流変更部材の先端上方では、外部ガスがガス流変更部材の上方に拡散し、燃料電池セルの内部ガス出口側端面への回りこみが抑制され、内部ガス出口側端面の酸化還元が抑制され、熱膨張差によるクラックの発生を抑制できる。

以下、本発明の燃料電池組立体を図示している添付図面を参照して、更に詳述する。

図１、２及び図３を参照して説明すると、図示の燃料電池組立体は略直方体形状のハウジング２を具備している。このハウジング２の６個の壁面には適宜の断熱材料から形成された断熱壁、即ち上断熱壁４、下断熱壁６、右側断熱壁８、左側断熱壁９、前断熱壁１０及び後断熱壁１１が配設されている。ハウジング２内には発電・燃焼室１２が規定されている。

前断熱壁及び／又は後断熱壁は着脱自在或いは開閉自在に装着されており、前断熱壁１０及び／又は後断熱壁１１を離脱或いは開動せしめることによって発電・燃焼室１２内にアクセスすることができる。所望ならば、各断熱壁の外面に金属板製でよい外壁を配設することができる。

ハウジング２内の上端部には空気室（ガス室）１６が配設されている。空気室１６は上下方向寸法が比較的小さい直方体形状のケース１７内に規定されている。空気室１６には、発電・燃焼室に向かって空気（酸素含有ガス）を送り込むための空気導入管（ガス供給手段）２２が連通している。空気導入管２２は複数本あり、その形状は円筒や中空板構造などが考えられる。空気導入管２２は後述するセルスタック間に配置されており、セルの下端部において開口し、この開口部から空気が噴出する構造となっている。空気導入管２２はセラミックスなどの耐熱性の高い材料で作製するのが好適である。

そして、本発明の燃料電池組立体では、空気室１６に、低温ガス供給管１８からなる低温ガス供給手段が設けられており、この低温ガス供給管１８は、上断熱壁４を貫通し、外部に延設されている。

この低温ガス供給管１８は、空気室１６内に供給されるガスと同一種、即ち、低温の空気を空気室１６内に供給するものであり、低温ガス供給管１８により供給される空気は、予熱された空気の温度よりも低温である必要がある。特には、室温程度が望ましい。

低温ガス供給管１８は、図２に示すように、発電ユニット５６ａ、５６ｂ、５６ｃ及び５６ｄ、即ち、燃料電池セル集合体の中央部を冷却するような空気室１６の位置に接続されている。言い換えれば、発電ユニット５６ａ、５６ｂ、５６ｃ及び５６ｄ間に配設された空気導入管２２のケース１７側板への開口部集合体中央に対して、対向するケース１７側板の位置に開口するように低温ガス供給管１８が設けられている。

ハウジング２の両側部、更に詳しくは右側断熱壁８の内側及び左側断熱壁９の内側には、全体として平板形状である熱交換器２４が配設されている。熱交換器２４の各々は実質上鉛直に延在する中空平板形態のケース２６から構成されている。

かかるケース２６内にはその横方向中間に位置する仕切板２８が配設されており、ケース２６内は内側に位置する排出路３０と外側に位置する流入路３２とに区画されている。排出路３０内には上下方向に間隔をおいて３枚の仕切壁３４及び３６が配置されている。更に詳述すると、排出路３０内には、その前縁はケース２６の前壁（図示していない）から後方に離隔して位置するがその後縁はケース２６の後壁（図示していない）に接続されている形態の仕切壁３４と、その前縁はケース２６の前壁に接続されているがその後縁はケース２６の後壁から前方に離隔して位置せしめられている仕切壁３６とが交互に配置されており、かくして燃焼ガス排出路３０はジグザグ形態にせしめられている。なお、所望ならばジグザグ形態の流路以外の形態でも良い。

同様に、流入路３２内にも上下方向に間隔をおいて３枚の仕切壁３８及び４０、即ちその前縁はケース２６の前壁（図示していない）から後方に離隔して位置するがその後縁はケース２６の後壁（図示していない）に接続されている形態の仕切壁３８と、その前縁はケース２６の前壁に接続されているがその後縁はケース２６の後壁から前方に離隔して位置せしめられている仕切壁４０とが交互に配置されており、かくして流入路３２もジグザグ形態にせしめられている。なお、所望ならばジグザグ形態の流路以外の形態でも良い。

ケース２６の内側壁の上端部には排出開口４２が形成されており、排出路３０は排出開口４２を介して発電・燃焼室１２と連通せしめられている。図示の実施形態においては、熱交換器２４の各々と発電・燃焼室１２との間には断熱部材４４が配設されているが、かかる断熱部材４４の上端は排出開口４２の下縁と実質上同高乃至これより幾分下方に位置せしめられており、排出開口４２は断熱部材４４の上方に残留せしめられている空間を通して発電・燃焼室１２に連通せしめられている。

ケース２６の上壁における外側部には流入開口４８が形成されており、流入路３２はかかる流入開口４８を介して空気室１６に連通せしめられている。熱交換器２４、流入開口４８は、加熱ガス供給手段を構成している。熱交換器２４の各々の後方には上下方向に細長く延びる二重筒体５０（図１にその上端部のみを図示している）が配設されており、かかる二重筒体５０は外側筒部材５２と内側筒部材５４とから構成されている。排出路３０の下端部は外側筒部材５２と内側筒部材５４との間に規定されている排出路の下端部に接続されており、流入路３２の下端部は内側筒部材５４内に規定されている流入路に接続されている。

而して、図示の燃料電池組立体における上述したとおりの構成は、本出願人の出願にかかる特願２００３−２９５７９０号の明細書及び図面に開示されている燃料電池組立体と実質上同一であるので、上述した構成の詳細については上記特願２００３−２９５７９０号の明細書及び図面に委ね、本明細書においては説明を省略する。

上述した発電・燃焼室の下部には４個の発電ユニット５６ａ、５６ｂ、５６ｃ及び５６ｄが配置されている。発電ユニット５６ａ、５６ｂ、５６ｃ及び５６ｄは、夫々、上述した空気導入管２２間に位置せしめられている。言い換えれば、発電ユニット５６ａ、５６ｂ、５６ｃ及び５６ｄ間に、空気導入管２２が配設されている。図１、２と共に、図３を参照して説明を続けると、発電ユニット５６ａは前後方向（図１において紙面に垂直な方向）に細長く延びる直方体形状の燃料ガスケース５８ａを具備している。

燃料ガス室を規定している燃料ガスケース５８ａの上面上にはセルスタック６０ａが装着されている。セルスタック６０ａは上下方向に細長く延びる板状でかつ柱状の直立セル６２を燃料ガスケース５８ａの長手方向（即ち前後方向）に複数個縦列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６２の各々は電極支持基板６４、内側電極層である燃料極層６６、固体電解質層６８、外側電極層である酸素極層７０、及びインターコネクタ７２から構成されている。

電極支持基板６４は上下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６４にはこれを鉛直方向に貫通する複数個（図示の場合は６個）の燃料ガス通路７４が形成されている。電極支持基板６４の各々は燃料ガスケース５８ａ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。

燃料ガスケース５８ａの上壁には図１において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６４の各々に形成されている燃料ガス通路７４がスリットの各々に従って燃料ガス室に連通せしめられる。

インターコネクタ７２は電極支持基板６４の片面上に配設されている。燃料極層６６は電極支持基板６４の他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タ７２の両端に接合せしめられている。固体電解質層６８は燃料極層６６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７２の両端に接合せしめられている。酸素極層７０は、固体電解質層６８の主部上、即ち電極支持基板６４の他面を覆う部分上に配置され、電極支持基板板６４を挟んでインターコネクタ７２に対向して位置せしめられている。

セルスタック６０ａにおける隣接するセル６２間には集電部材７６が配設されており、一方のセル６２のインターコネクタ７２と他方のセル６２の酸素極層７０とを接続している。セルスタック６０ａの両端、即ち図４において上端及び下端に位置するセル６２の片面及び他面にも集電部材７６が配設されている。セルスタック６０ａの両端に位置する集電部材７６には導電部材が接続されており、かかる導電部材により、セルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄは相互に直列接続されている。

セル６２について更に詳述すると、電極支持基板６４は燃料ガスを燃料極層６６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７２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６６及び／又は固体電解質層６８との同時焼成によりセル６２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６４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６６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６８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、燃料ガスと空気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７０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７０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３０〜５０％の範囲にあることが好ましい。

インターコネクタ７２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。インターコネクタ７２は電極支持基板６４に形成された燃料ガス通路７４を通る燃料ガス及び電極支持基板６４の外側を流動する空気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７６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できる。

そして、本発明の燃料電池組立体では、図１，４，５に示すように、セルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄの周りの空間にガス流変更部材７７が配置されており、ガス流変更部材７７のガス導出方向の先端は燃料電池セル６２の内部ガス出口側端面ｎよりも低い位置、即ち奥まって存在している。このガス流変更部材７７は、セルスタック間及びセルスタックと断熱壁８，９，１０，１１との間に配置されており、上方から見てセルスタックを除く発電・燃焼室１２全体に配設されており、これにより燃料電池セル間に強制的に酸素含有ガスを供給できる。

また、ハウジング２内には複数のセルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄが配置され、隣設するセルスタックの内部ガス出口側端部間は開口しており、言い換えると、従来のような燃料電池セル６２の上端部を支持する仕切板は配置されておらず、隣設するセルスタックの内部ガス出口側端部間にガス流変更部材７７が配置されている。さらに言い換えると、燃料電池セルの内部ガス出口側端近傍までガス流変更部材７７の上端が位置しており、これにより燃料電池セルの発電領域をセル先端近傍まで拡張できる。

また、ガス流変更部材７７のガス導出方向の先端面ｍは曲面状に形成されている。尚、ガス流変更部材７７のガス導出方向の先端面ｍは、図５（ｂ）に示すように平坦状であってもよく、また、図５（ｃ）に示すように、平坦状の先端面ｍと側面との先端角部が面取りされていても良いが、酸素含有ガスのガス流をセル間からセルスタック間により滑らかに導入するという点から、先端面ｍは曲面状又は面取りされているものが良く、特には先端面ｍは曲面状であることが望ましい。尚、ガス流変更部材７７の下端側については曲面状である必要性はない。

ガス流変更部材７７の材質は特に規定するものではないが、燃料電池セル６２の周囲に密接、或いは接触して配置されることから絶縁性であることが望ましい。また、熱伝導率は低い方が良い。熱伝導率が高いと、燃料電池セル６２から熱が奪われ易くなり、発電効率が低下してしまうからである。耐高温性を有し、かつ絶縁性、低熱伝導性という点から、ガス流変更部材７７は、セラミックスボード、セラミックス繊維等の無機材料であることが好ましく、軽量性、加工性等を考慮するとセラミック製断熱材が好適である。

ガス流変更部材７７として無機材料、特にセラミックス製断熱材から構成することにより、ガス流変更部材７７と燃料電池セルとが接触した場合にも短絡を防止できる。特に、セラミックス製断熱材は加工が容易であるため、ガス流変更部材の形状が複雑な場合にも容易に対応ができ、また、セラミック製断熱材は軽量であるので、燃料電池組立体の総重量を軽量化することもでき、燃料電池組立体の組立作業の容易化、架台等の構造部材の簡略化等によるコストダウンの効果がある。

セラミック製断熱材としては、一例をあげれば、シリカ、アルミナ、マグネシア、ジルコニア等の成分、あるいはこれらの混合成分を含むセラミックスの短繊維、或いは長繊維を成形した成形断熱材や、これらを綿状に集合させた不定形断熱材等があるが、ガス流変更部材７７の形状や、耐熱温度等を考慮して、好適のものを選択すれば良い。

ガス流変更部材７７は燃料電池セルよりも熱伝導率が低いことが望ましい。これにより、ガス流変更部材７７の伝熱、あるいは放熱作用による燃料電池セルの温度低下が少なく、安定した発電が可能となる。

また、空気導入管２２の先端部は、ガス流変更部材７７を貫通し、ガス流変更部材７７から下方に突出しており、その先端から空気が供給されるようになっている。これにより、空気導入管２２の先端から供給された空気が、ガス流変更部材７７の存在により強制的にセル間に供給され、発電性能を向上できる。

余剰の燃料ガスは、燃料オフガスとして燃料電池セル６２のガス流路より排出され、一方余剰の空気は、酸素オフガスとして排出され、燃料オフガスと酸素オフガスは、燃料電池セル６２の上方で混合し燃焼する。この際、酸素オフガスの濃度が高くなる燃料電池セル６２の上端部の縁近くで燃料極、及び導電性支持体の酸化反応が起こり、燃料電池セル６２が破損するという問題が起こることがあるが、本発明では、セルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄの周りの空間にガス流変更部材７７が配置されており、ガス流変更部材７７のガス導出方向の先端面ｍは燃料電池セル６２の内部ガス出口側端面ｎよりも低い位置に存在しているため、燃料電池セル６２の間の空間を流通してきた空気が、再度、セルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄ間の空間にも広がって流れることになるため、燃料電池セル６２上端部の酸素分圧が低くなり、燃料極、及び導電性支持体の酸化反応を抑制することができる。

また、流路が広がることにより流速も遅くなり酸素の拡散速度が小さくなるため、燃料極、及び導電性支持体の酸化反応をさらに抑制することができる。

図３を参照して説明を続けると、発電ユニット５６ａは、セルスタック６０ａの上方を前後方向に細長く延びる長方体形状（或いは円筒形状）であるのが好都合である改質ケース７８ａも具備している。改質ケース７８ａの前面には燃料ガス送給管８０ａの一端即ち上端が接続されている。

燃料ガス送給管８０ａは下方に延び、次いで湾曲して後方に延び、燃料ガス送給管８０ａの他端は上記燃料ガスケース５８ａの前面に接続されている。改質ケース７８ａの後面には被改質ガス供給管８２ａの一端が接続されている。被改質ガス供給管８２ａは改質ケースから下方に延び、ハウジング２の下を通ってハウジング２外に延出している。

被改質ガス供給管８２ａは都市ガス等の炭化水素ガスでよい被改質ガス供給源（図示していない）に接続されており、被改質ガス供給管８２ａを介して改質ケース７８ａに被改質ガスが供給される。改質ケース７８ａ内には燃料ガスを水素リッチな燃料ガスに改質するための適宜の改質触媒が収容されている。

図示の実施形態においては、改質ケース７８ａは燃料ガス送給管８０ａを介して燃料ガスケース５８ａに接続され、これによって所要位置に保持されているが、所要ならば、図３に二点鎖線で図示する如く、例えば上記被改質ガス供給管８２ａの下面と燃料ガスケース５８ａの後端部下面或いは後面との間に適宜の支持部材８４ａを付設することもできる。

図３において説明すると、発電ユニット５６ｃは上述した発電ユニット５６ａと実質上同一であり、発電ユニット５６ｂ及び５６ｄは、発電ユニット５６ａ及び５６ｃに対して前後方向が逆に配置されていること、従って改質ケース７８ｂ及び７８ｄと燃料ガスケース５８ｂ及び５８ｄとを接続する燃料ガス送給管（図示していない）が後側に配置され、被改質ガス供給管８２ｂ及び８２ｄが改質ケースから下方に延び、ハウジング２の下を通ってハウジング２外に延出している。

上述したとおりの燃料電池組立体においては、被改質ガスが被改質ガス供給管８２ａ、８２ｂ、８２ｃ、８２ｄを介して改質ケース７８ａ、７８ｂ、７８ｃ及び７８ｄに供給され、改質ケース７８ａ、７８ｂ、７８ｃ及び７８ｄ内において水素リッチな燃料ガスに改質された後に、燃料ガス送給管８０ａ、８０ｂ、８０ｃ、８０ｄを通して燃料ガスケース５８ａ、５８ｂ、５８ｃ及び５８ｄ内に規定されている燃料ガス室に供給され、次いでセルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄに供給される。

セルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄの各々においては、酸素極において、
１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２−（固体電解質）
の電極反応が生成され、燃料極において、
Ｏ^２−（固体電解質）＋Ｈ_２→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻
の電極反応が生成されて発電される。

発電に使用されることなくセルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄから上方に流動した燃料ガス及び空気は、起動時に発電・燃焼室１２内に配設されている点火手段（図示していない）によって点火されて燃焼される。周知の如く、セルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄにおける発電に起因して、そしてまた燃料ガスと空気との燃焼に起因して発電・燃焼室１２内は例えば１０００℃程度の高温になる。改質ケース７８ａ、７８ｂ、７８ｃ及び７８ｄは発電・燃焼室１２内に配設され、セルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄの直ぐ上方に位置せしめられており、燃焼炎によって直接的にも加熱され、かくして発電・燃焼室１２内に生成される高温が被改質ガスの改質に効果的に利用される。

発電・燃焼室１２内に生成された燃焼ガスは熱交換器２４に形成されている排出開口４２から排出路３０に流入し、ジグザグ状に延在する排出路３０を流動した後に二重筒体５０の外側筒部材５２と内側筒部材５４との間に規定されている排出路を通して排出される。燃焼ガスが二重筒体５０における排出路を流動する際には、二重筒体５０における流入路を空気が流動し、燃焼ガスと空気との間で熱交換が行われる。

そしてまた、燃焼ガスが熱交換器２４の排出路３０をジグザグ状に流動せしめられる際には、空気が熱交換器２４の流入路３２をジグザグ状に流動せしめられる。かくして燃焼ガスと空気との間で効果的に熱交換されて空気が予熱される。

長期間に渡って発電を遂行することによってセルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄの一部或いは全部が劣化した場合には、ハウジング２の前壁１０或いは後壁１１を離脱或いは開動せしめ、発電ユニット５６ａ、５６ｂ、５６ｃ及び５６ｄの一部或いは全部をハウジング２内から取り出す。

そして、発電ユニット５６ａ、５６ｂ、５６ｃ及び５６ｄの一部或いは全部を新しいものに交換して、或いは発電ユニット５６ａ、５６ｂ、５６ｃ及び５６ｄの一部或いは全部におけるセルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄのみを新しいものに交換して、再びハウジング２内の所要位置に装着すればよい。発電ユニット５６ａ、５６ｂ、５６ｃ及び５６ｄの一部あるいは全部における改質ケース７８ａ、７８ｂ、７８ｃ及び７８ｄ内に収容されている改質触媒を交換することが必要な場合にも、発電ユニット５６ａ、５６ｂ、５６ｃ及び５６ｄの一部或いは全部をハウジング２内から取り出し、発電ユニット５６ａ、５６ｂ、５６ｃ及び５６ｄの一部或いは全部における改質ケース７８ａ、７８ｂ、７８ｃ及び７８ｄ自体を新しいものに或いは改質ケース７８ａ、７８ｂ、７８ｃ及び７８ｄ内の改質触媒のみを新しいものに交換すればよい。

改質ケース７８ａ、７８ｂ、７８ｃ及び７８ｄ内の改質触媒の交換を充分容易に遂行し得るようになすために、所望ならば改質ケース７８ａ、７８ｂ、７８ｃ及び７８ｄの一部を開閉自在な扉にせしめることができる。

一方、空気は二重筒体５０の内側筒部材５４内に規定されている流入路を通して熱交換器２４の流入路３２に供給され、熱交換器２４を通過して予熱（加熱）された空気は、空気室１６に一旦貯留され、空気導入管２２を通って燃焼・発電室１２のセルスタック間に供給される。この際、空気導入管２２はセルスタック６０の燃料電池セル６２の上端の燃料ガス通路７４近傍で燃焼する燃焼ガス雰囲気中を通過する。従って、空気室１６の予熱空気はセルスタック６０上部の燃焼領域でさらに加熱され、高温に暖められた空気がセルに供給される。

通常運転時は前記熱交換器２４で予熱された空気が空気室１６に導入され、この空気室１６から空気導入管２２を用いて燃焼・発電室１２へ空気が導入されるが、発電室の温度が想定以上に上昇した場合は、前記熱交換器２４を通らない低温ガス供給管１８を通ってきた低温の空気が空気室１６に導入され、熱交換器２４を通過して予熱された空気と混合されて、空気室１６の空気温度がある程度低下する。この空気を発電室１２、即ち、セルスタック間に供給することにより、通常運転時より温度の低い空気がセルスタック間に導入されるので、発電室１２、即ち燃料電池セルの過度に上昇した温度が低下されるので、発電室内の温度を適宜にコントロールできる良好な燃料電池組立体が提供される。

また、空気室１６内の空気温度は、低温ガス供給管１８から供給された外気と、熱交換器２４を通過して予熱された空気と混合されるため、室温ほど低温の空気ではないので、熱い燃料電池セル６０に供給しても、燃料電池セル６０のクラックや熱衝撃破壊を引き起こすなどの不具合を避けることが出来るので、燃料電池発電システム全体の機能劣化が抑えられ寿命が延ばすことができる。

さらに、低温ガス供給管１８による低温ガスの供給を、空気供給管２２の開口部中央部に向けて供給することにより、さらに、両側の熱交換器から加熱された空気を開口部中央部に向けて供給することにより、最も加熱しやすいセル集合体の中央部に空気供給管２２により供給される空気を最も低温とでき、中央部から離れるに従って高い温度とすることができ、最適な冷却手段とすることができる。

以上、添付図面を参照して本発明の好適実施形態につい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は多言するまでもない。

例えば、セルスタックの上方に特定の改質ケースを備えた燃料電池組立体に関連せしめて本発明を説明したが、改質ケースがセルスタックの上方以外の場合でも、本発明を適用することが出来る。

また、上記形態では、空気室に低温ガス供給手段を設け、空気供給管により、燃料電池セルの外面に空気を供給する場合について説明したが、本発明は、空気供給管により燃料電池セルの内部に空気を供給するようにしても良いことは勿論である。尚、この場合、燃料電池セルの内側には空気極が、外側には燃料極が形成されることは言うまでもない。

さらに、上記形態では、空気導入管２２により空気をセル間に供給したが、特に空気導入管を用いる必要はなく、燃料電池セル間に空気を供給できれば良い。

本発明の燃料電池組立体の好適実施形態を示す断面図。図１の平面図。図１の燃料電池組立体に使用されている発電ユニット集合体を示す斜面図。図１の２つのセルスタックが電気的に直列に接続された状態を示す断面図。ガス流変更部材を説明するための説明図であり、（ａ）はセルスタック間に先端が曲面状のガス流変更部材を配置した状態を示す説明図、（ｂ）はガス流変更部材の先端面が平坦状の場合を示す側面図、（ｃ）はガス流変更部材の先端角部が面取りされている状態を示す側面図。

符号の説明

２：ハウジング
１２：発電・燃焼室
２２：空気供給管
５６ａ、５６ｂ、５６ｃ及び５６ｄ：発電ユニット
６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄ：セルスタック
６２：燃料電池セル
７６：集電部材
７７：ガス流変更部材
７８ａ、７８ｂ、７８ｃ及び７８ｄ：改質ケース

Claims

ハウジングと、該ハウジング内に配設され、かつ複数の燃料電池セルを電気的に接続してなるセルスタックと、該セルスタックの燃料電池セル内部にガスを供給するための内部ガス供給手段と、前記セルスタックの燃料電池セル外部にガスを供給するための外部ガス供給手段とを具備する燃料電池組立体であって、前記セルスタックの周りの空間にガス流変更部材を配置してなるとともに、該ガス流変更部材の先端が前記燃料電池セルの内部ガス出口側端面よりも低い位置に存在することを特徴とする燃料電池組立体。
ハウジングと、該ハウジング内に配設され、かつ複数の燃料電池セルを電気的に接続してなるセルスタックと、該セルスタックの燃料電池セル内部にガスを供給するための内部ガス供給手段と、前記セルスタックの燃料電池セル外部にガスを供給するための外部ガス供給手段とを具備する燃料電池組立体であって、前記セルスタックの周りの空間にガス流変更部材を配置してなるとともに、該ガス流変更部材の先端が前記燃料電池セルの内部ガス出口側端面と同一位置又は低い位置に存在し、かつ前記ガス流変更部材の先端角部を面取りしてなることを特徴とする燃料電池組立体。
ハウジングと、該ハウジング内に配設され、かつ複数の燃料電池セルを電気的に接続してなるセルスタックと、該セルスタックの燃料電池セル内部にガスを供給するための内部ガス供給手段と、前記セルスタックの燃料電池セル外部にガスを供給するための外部ガス供給手段とを具備する燃料電池組立体であって、前記セルスタックの周りの空間にガス流変更部材を配置してなるとともに、該ガス流変更部材の先端が前記燃料電池セルの内部ガス出口側端面と同一位置又は低い位置に存在し、かつ前記ガス流変更部材の先端を曲面状としてなることを特徴とする燃料電池組立体。
ハウジング内に複数のセルスタックを有し、隣設するセルスタックの内部ガス出口側端部間が開口しており、該内部ガス出口側端部間にガス流変更部材が配置されていることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれかに記載の燃料電池組立体。
ガス流変更部材は燃料電池セルよりも熱伝導率が低いことを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれかに記載の燃料電池組立体。
ガス変更部材は無機材料からなることを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれかに記載の燃料電池組立体。
セルスタックは、複数の燃料電池セルを、その間に板状集電部材を介して縦列配置してなることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の燃料電池組立体。
燃料電池セルが、ガス流路を有する支持基板の主面に固体電解質、電極を形成してなることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の燃料電池組立体。