JP2005158526A

JP2005158526A - 燃料電池組立体及びその運転方法

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Publication number: JP2005158526A
Application number: JP2003396206A
Authority: JP
Inventors: 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: JP4863600B2

Abstract

【課題】燃料電池セル集合体及びその近傍の温度上昇を抑制できる燃料電池発電組立体及びその運転方法を提供する。
【解決手段】ハウジング２内に、加熱された空気が加熱ガス供給手段により供給される空気室１６と、該空気室１６から加熱された空気が供給されて発電する複数の燃料電池セル６２とを具備する燃料電池組立体であって、空気室１６内のガス種と同一で、かつ空気室１６内の加熱された空気よりも低温の空気を空気室１６に供給する低温ガス供給管１８を、空気室１６への加熱ガス供給手段とは別個に設けた。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池組立体、更に詳しくは固体電解質型燃料電池発電システムの如き燃料電池発電システムの構成に好適に使用される燃料電池組立体及びその運転方法に関する。

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に記載されているように、発電室を規定するハウジングと、このハウジング内に配設されたセルスタックとを含む燃料電池組立体が装備されている。かかる燃料電池組立体には、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、セルスタックに空気を供給するための空気供給手段が付設されている。
特開２０００−１８２６４１号公報

しかしながら、上述した特許文献１のような燃料電池組立体において、燃料電池セルに電流を流して発電する場合、セルスタックを収納する発電室内の温度が所望の発電室温度以上に上昇する現象が発生する場合がある。これは、燃料電池セルに電流を流して発電させることにより、燃料電池セルの発電部分にジュール熱と反応熱が発生し、その熱が燃料電池セルの密集する発電室内に留まることから発生する現象である。

この温度上昇を防ぐために、発電室内の燃料電池セル間に外部から冷却された（室温）空気を直接供給することが考えられるが、低温の空気を燃料電池セル近傍に流すと、熱い燃料電池セルが急激に冷却されることにより、セル表面に引っ張り応力が発生してクラックが発生する、といった危険性がある。燃料電池セルのクラック発生は即座に燃料電池発電システム全体の機能劣化等に繋がるので避けなければならない。

本発明は、燃料電池セル集合体及びその近傍の温度上昇を抑制できる燃料電池発電組立体及びその運転方法を提供することを目的とする。

本発明者は、鋭意研究の結果、熱交換されて加熱された燃料ガス又は酸素含有ガスが一旦収容されるガス室に、収容されるガスと同一種で、低温のガスを供給し、ガス室内の温度を低下させることにより、燃料電池セル集合体及びその近傍の温度を、セルにクラック等を発生させることなく、有効に低下させることが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、ハウジング内に、加熱された燃料ガス又は酸素含有ガスが加熱ガス供給手段により供給されるガス室と、該ガス室から加熱された燃料ガス又は酸素含有ガスが供給されて発電する複数の燃料電池セルとを具備する燃料電池組立体であって、前記ガス室内の加熱された燃料ガス又は酸素含有ガスよりも低温のガスを前記ガス室に供給する低温ガス供給手段を、前記ガス室への加熱ガス供給手段とは別個に設けたことを特徴とする。

本発明の燃料電池組立体の運転方法は、ハウジング内に、加熱された燃料ガス又は酸素含有ガスが加熱ガス供給手段により供給されるガス室と、該ガス室から加熱された燃料ガス又は酸素含有ガスが供給されて発電する複数の燃料電池セルとを具備する燃料電池組立体の運転方法であって、前記ハウジング内の燃料電池セル集合体及び／又はその近傍の温度が所望温度以上になった場合に、前記ガス室に、かつ前記ガス室内の加熱された燃料ガス又は酸素含有ガスよりも低温のガスを供給し、前記ガス室内のガス温度を低温に調節した後、該低温に調節された燃料ガス又は酸素含有ガスを前記燃料電池セルに供給することを特徴とする。低温ガス供給手段により供給されるガス種は、加熱ガス供給手段により供給されるガス種と同一が望ましい。

このような燃料電池組立体では、通常運転時は、例えば熱交換器で予熱された燃料ガスや酸素含有ガスがガス室に導入され、このガス室からガス供給手段を用いて発電室の燃料電池セル集合体へガスが導入されるが、燃料電池セル集合体及び／又はその近傍の温度が想定以上に上昇した場合は、低温ガス供給手段により低温のガスをガス室に供給し、加熱（予熱）された燃料ガス又は酸素含有ガスと混合されて、ガス室の温度をある程度低下させ、この低温のガスを燃料電池セルに供給することができ、発電室（燃料電池セル集合体及びその近傍）の過度な温度上昇が抑制され、発電室内の温度を適宜にコントロールできる。

また、予熱された燃料ガスや酸素含有ガスと低温ガス供給手段により供給された低温のガスが混合されるため、この混合ガスはそれほど低温ではなく、熱い燃料電池セルに供給しても、燃料電池セルに熱応力がそれほど発生せず、熱衝撃によるクラック発生等を抑制でき、燃料電池発電システム全体の機能劣化が抑えられ寿命を延ばすことができる。

また、本発明の燃料電池組立体は、ガス室に加熱された酸素含有ガスが供給されるとともに、低温ガス供給手段は酸素含有ガスの供給手段であることを特徴とする。ガス室内のガスは、燃料電池セル間に供給されることが望ましい。このような燃料電池組立体では、ハウジングの気密構造をさほど完全にしなくても、燃料電池セルの外側が酸素含有ガスであるため、ハウジング外にもれても安全であり、低コストで安全な燃料電池組立体を供給できる。

また、本発明の燃料電池組立体は、ハウジング内に熱交換器を有しており、該熱交換器により燃焼ガスと熱交換されて予熱された燃料ガス又は酸素含有ガスがガス室に供給されることを特徴とする。このような燃料電池組立体では、ハウジングの外に別途設置された熱交換器で熱交換する形態に比べて、配管での熱ロスが低減されるので熱交換効率が向上され、熱自立発電に好適なハウジング構造が供給できる。

さらに、本発明の燃料電池組立体は、低温ガス供給手段が低温ガス供給管を具備しており、該低温ガス供給管が、主としてハウジング内の燃料電池セル集合体の中央部を冷却するようなガス室の位置に接続されていることを特徴とする。ガス室には、燃料電池セル集合体に加熱された燃料ガス又は酸素含有ガスを供給する複数のガス供給管が連通しており、該連通部分の中央部と対向するガス室の位置に、低温ガス供給管が連通していることが望ましい。このような燃料電池組立体では、燃料電池セル集合体の中央部が最も加熱しやすいが、この部分を最も冷却できるため、燃料電池セルの温度均一化を図ることができる。

本発明の燃料電池組立体においては、通常運転時は、例えば熱交換器で予熱された燃料ガスや酸素含有ガスがガス室に導入され、このガス室からガス供給手段を用いて発電室の燃料電池セル集合体へガスが導入されるが、燃料電池セル集合体及び／又はその近傍の温度が想定以上に上昇した場合は、低温ガス供給手段により低温のガスをガス室に供給し、加熱（予熱）された燃料ガス又は酸素含有ガスと混合されて、ガス室の温度をある程度低下させ、この低温のガスを燃料電池セルに供給することができ、発電室（燃料電池セル集合体及びその近傍）の過度な温度上昇が抑制され、発電室内の温度を適宜にコントロールできる。

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、４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５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（図５のセルスタック６０ａにおいて上面）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（図５のセルスタック６０ａ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５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には電力取出手段（図示していない）が接続されており、かかる電力取出手段はハウジング２の前断熱壁１０及び／又は後断熱壁１１、または、下断熱壁６を通してハウジング２外に延在せしめられている。所望ならば、セルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄの各々に電力取出手段を配設することに代えて、適宜の接続手段によってセルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄを相互に直列接続し、４個のセルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄに関して共通の電力取出手段を配設することもできる。

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することができる。

図４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４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の前断熱壁１０或いは後断熱壁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を通らず低温ガス供給管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、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。

また、上記形態では、空気室に低温ガス供給手段を設けた例について説明したが、燃料ガス室に低温ガス供給手段を設け、燃料ガスにより燃料電池セルを冷却するようにしてもよいことは勿論である。

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３の発電ユニットを示す斜視図。図３のセルスタックを示す断面図。

符号の説明

２：ハウジング
１２：発電・燃焼室
１６：空気室（ガス室）
１８：低温ガス供給管
２２：空気導入管（ガス供給管）
２４：熱交換器
５６ａ、５６ｂ、５６ｃ及び５６ｄ：発電ユニット
５８ａ、５８ｂ、５８ｃ及び５８ｄ：燃料ガスケース
６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄ：セルスタック
６２：燃料電池セル
７８ａ、７８ｂ、７８ｃ及び７８ｄ：改質ケース

Claims

ハウジング内に、加熱された燃料ガス又は酸素含有ガスが加熱ガス供給手段により供給されるガス室と、該ガス室から加熱された燃料ガス又は酸素含有ガスが供給されて発電する複数の燃料電池セルとを具備する燃料電池組立体であって、前記ガス室内の加熱された燃料ガス又は酸素含有ガスよりも低温のガスを前記ガス室に供給する低温ガス供給手段を、前記ガス室への加熱ガス供給手段とは別個に設けたことを特徴とする燃料電池組立体。
ガス室に加熱された酸素含有ガスが供給されるとともに、低温ガス供給手段は酸素含有ガスの供給手段であることを特徴とする請求項1記載の燃料電池組立体。
ガス室内のガスは、燃料電池セル間に供給されることを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池組立体。
ハウジング内に熱交換器を有しており、該熱交換器により熱交換された燃料ガス又は酸素含有ガスがガス室に供給され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。
低温ガス供給手段は低温ガス供給管を具備しており、該低温ガス供給管が、主としてハウジング内の燃料電池セル集合体の中央部を冷却するようなガス室の位置に接続されている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。
ガス室には、燃料電池セル集合体に加熱された燃料ガス又は酸素含有ガスを供給する複数のガス供給管が連通しており、該連通部分の中央部と対向するガス室の位置に、低温ガス供給管が連通していることを特徴とする請求項５記載の燃料電池組立体。
ハウジング内に、加熱された燃料ガス又は酸素含有ガスが加熱ガス供給手段により供給されるガス室と、該ガス室から加熱された燃料ガス又は酸素含有ガスが供給されて発電する複数の燃料電池セルとを具備する燃料電池組立体の運転方法であって、前記ハウジング内の燃料電池セル集合体及び／又はその近傍の温度が所望温度以上になった場合に、前記ガス室に、前記ガス室内の加熱された燃料ガス又は酸素含有ガスよりも低温のガスを供給し、前記ガス室内のガス温度を低温に調節した後、該低温に調節された燃料ガス又は酸素含有ガスを前記燃料電池セルに供給することを特徴とする燃料電池組立体の運転方法。