JP2008300275A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】熱交換を維持しながら、従来よりも小さくできる燃料電池を提供する。
【解決手段】本発明による燃料電池(1)では、一連の燃料電池セル(4)を収容するセル室(6a,6b)が、底壁(8)、側壁(10a〜10e)及び上壁(12)によって形成される。側壁(10a〜10e)は多重壁構造であり、近位側空間(18)と遠位側空間(20)とが構成される。燃料電池セル(4)は上下に延びる管状構造体を形成し、管状構造体(4)の上方に、燃焼部(24)が設けられ、燃焼部(24)から排出された排出ガスは、近位側空間(18)の中を上方から下方に流れる。側壁(10c〜10e)の遠位側空間(20)の近位側空間側の壁から延び且つ遠位側空間(20)とセル室(6a,6b)とを連通させる連通路(22)が設けられ、空気を管状構造体(4)に向かって送出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体酸化物形の燃料電池（ＳＯＦＣ）に関し、更に詳細には、管状構造体を形成する燃料電池セルを有する固体酸化物形の燃料電池に関する。

従来から、管状の燃料電池セルを有する固体酸化物形の燃料電池セルが知られている。燃料電池は、燃料極と空気極とを有し、燃料極に水素を含む燃料ガスを作用させ、且つ、空気極に酸素を含む空気を作用させることによって作動させる。固体酸化物形の燃料電池は、５００〜１０００℃の高温で作動するので、燃料ガス及び空気を温める必要がある。特に、空気は大気を利用する場合が多いので、空気を効率的に温めることが１つの課題である。このため、熱効率を考慮した燃料電池の構造が採用されている（例えば、特許文献１及び２参照）。

かかる燃料電池の構造の一例を、特許文献１に記載されている燃料電池を参照して説明する。図１４は、特許文献１に記載された燃料電池の断面図である。特許文献１に記載されている燃料電池２００では、複数の燃料電池セル２０２がセル室２０４内に配置され、燃料ガスが、燃料電池セル２０２の管内を下方から上方に流れる。燃料電池セル２０２において作用しなかった燃料ガスと空気とを、管状の燃料電池セル２０２の上方、即ち、燃焼部２０４ａで燃焼させ、高温の排出ガスを生じさせる。また、燃料電池セル２０２を包囲する側壁２０６は、３重壁構造であり、それにより、燃料電池セル２０２に近い方に位置する近位側空間２０８と、この近位側空間２０８と隣接し且つ燃料電池セル２０２から遠い方に位置する遠位側空間２１０とが構成されている。燃焼部２０４ａで生じた高温の排出ガスは、燃焼部２０４ａから近位側空間２０８に流入し、近位側空間２０８を上方から下方に流れ、外部に排出される。一方、低温の空気は、遠位側空間２１０を下方から上方に流れ、近位側空間２０８内を流れる高温の排出ガスと熱交換を行い、それにより、空気の温度を上昇させる。側壁２０６の３重壁構造によって形成された近位側空間２０８と遠位側空間２１０を利用することにより、効率的な熱交換を行うことができる。いったん上方に流れた空気は、空気室２１２に貯められ、次いで、燃料電池セル２０２と燃料電池セル２０２又は側壁２０６との間を下方に延びる空気導入管２１４によって、空気を燃料電池セル２０２の下方に供給する。供給された空気は、管状の燃料電池セル２０２の外側を下方から上方に流れる。

特開２００５−６３９３２号公報（図１４参照） 特開２００５−１２３０１４号公報（図１参照）

上述した従来の燃料電池２００は、側壁２０６の近位側空間２０８及び遠位側空間２１０を利用した効率的な熱交換が行われている。しかしながら、空気室２１２が燃料電池セル２０２全体の上にわたって配置されているので、燃料電池２００の上下方向寸法が大きくなっている。

そこで、本発明は、熱交換を維持しながら、従来の燃料電池よりも上下方向寸法を小さくすることが可能な燃料電池を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明による燃料電池は、空気と燃料ガスにより作動する一連の燃料電池セルと、一連の燃料電池セルを収容するセル室を形成する底壁、側壁及び上壁と、を有し、少なくとも１つの燃料電池セルは、上下方向に延びる管状構造体を形成し、側壁は、多重壁構造であり、それにより、セル室に近い方に位置する近位側空間と、近位側空間と隣接し且つセル室から遠い方に位置する遠位側空間とが構成され、管状構造体の上方に、管状構造体の管外を流れる空気及び燃料ガスの一方と管状構造体の管内を流れる空気及び燃料ガスの他方とを燃焼させて排出ガスを生じさせる燃焼部が設けられ、側壁の近位側空間は、燃焼部と連通し、それにより、燃焼部の排出ガスが近位側空間に流入して近位側空間内を上方から下方に流れ、更に、側壁の遠位側空間の近位側空間側の壁から延び且つ遠位側空間とセル室とを連通させるための連通路を有し、連通路は、管状構造体の管外に流すための空気及び燃料ガスの一方を遠位側空間から管状構造体に向かって送出することを特徴としている。

このように構成された燃料電池では、燃料電池セルによって形成され且つ上下方向に延びる管状構造体の上方に、管状構造体の管外を流れる空気（又は燃料ガス）と管状構造体の管内を流れる燃料ガス（又は空気）とを燃焼させて排出ガスを生じさせる燃焼部が設けられ、燃焼部から排出された高温の排出ガスが、側壁内の近位側空間を上方から下方に流れる。また、低温の空気（又は燃料ガス）は、側壁の遠位側空間内に流れ、遠位側空間と隣接した近位側空間を流れる排出ガスとの間で熱交換を行う。熱交換により温められた空気（又は燃料ガス）は、遠位側空間内に貯められ、その後、遠位側空間の近位側空間側の壁から延びる連通路を通って、管状構造体に向かって送出される。燃料電池セル全体の上に配置されていた従来技術の空気室を省略することができるので、燃料電池の上下方向寸法を小さくすることができる。

本発明の燃料電池の実施形態において、好ましくは、連通路は、側壁の遠位側空間の下方から延び、更に好ましくは、側壁の遠位側空間は、その下方に空気及び燃料ガスの上記一方を貯めるための室を有し、連通路は、室から延びる。

また、本発明の燃料電池の実施形態において、好ましくは、遠位側空間は、管状構造体の管外に流すための空気及び燃料ガスの上記一方が下方から上方に流れる第１の領域と、第１の領域と連通し且つ第１の領域から流入した空気及び燃料ガスの一方が上方から下方に流れる第２の領域と、を有し、連通路は、第２の領域から延びる。

この燃料電池の実施形態において、好ましくは、近位側空間は、排出ガスが上方から下方にジグザグ式に流れる通路を構成するように仕切られ、遠位側空間の第１の領域は、空気及び燃料の前記一方が下方から上方にジグザク式に流れる通路を構成するように仕切られ、遠位側空間の第２の領域は、空気及び燃料の前記一方が上方から下方にジグザグ式に流れる通路を構成するように仕切られ、近位側空間の通路を横方向に流れる排出ガスと、遠位側空間の第１の領域及び第２の領域の通路を横方向に流れる空気とが、対向流を構成する。

また、本発明の燃料電池の実施形態において、好ましくは、一連の燃料電池セルは、燃料電池セルを互いに接続することによって形成された燃料電池セルスタックを互いに接続することによって構成され、燃焼部は、燃料電池セルスタックの燃焼室として構成される。

また、本発明の燃料電池の実施形態において、好ましくは、空気及び燃料ガスの上記一方は空気であり、上記他方は燃料ガスである。

以上説明した通り、本発明による燃料電池によれば、熱交換を維持しながら、従来の燃料電池よりも上下方向寸法を小さくすることができる。

以下、図面を参照して本発明による燃料電池の実施形態を説明する。

図１は、本発明による燃料電池を部分的に破断した概略的な斜視図である。

図１に示すように、本発明による燃料電池１は、断熱材２で覆われ、前後方向Ａに対して左右方向Ｂに長く且つ一定の高さを有する直方体形状を有している。以下の説明において、高さ方向を上下方向Ｃと称し、前後方向Ａと左右方向Ｂを、横方向と総称する。

燃料電池１は、一連の燃料電池セル４が収容される２つのセル室、即ち、左セル室６ａ及び右セル室６ｂを有し、それぞれのセル室６ａ、６ｂは、底壁８、側壁１０ａ〜１０ｅ及び上壁１２によって区分されている。側壁１０ａ〜１０ｅは、２つの前壁１０ａ（左セル室６ａの前壁１０ａは図示せず）と、２つの後壁１０ｂと、左壁１０ｃと、右壁１０ｄと、中央壁１０ｅとからなる。図１には図示していないが、燃料電池セル４と側壁１０ａ〜１０ｅとの間には、断熱材２が配置されている（図６及び図７参照）。

１つのセル室６ａ、６ｂ内には、１０個の燃料電池セルスタック１４が、５列（前後方向Ａ）×２列（左右方向Ｂ）に配置され、各燃料電池セルスタック１４は、４列（前後方向Ａ）×５列（左右方向Ｂ）に配置された２０本の燃料電池セル４を有している。従って、各セル室６ａ、６ｂには、２００本の燃料電池セル４が配置されている。これらの燃料電池セル４は、電気的に直列に接続されている。

各燃料電池セル４は、管状であり、燃料電池セル４の管内を流れるガスと、その管外を流れるガスの作用により作動する。本実施形態では、燃料電池セル４の管内を流れるガスは、水素又は炭化水素燃料等を改質した改質ガス等の燃料ガスであり、燃料電池セル４の管外を流れるガスは、酸素を含む空気である。

燃料ガスは、燃料ガス供給管１６を通して燃料電池セル４の管内にその下方から供給される。また、側壁１０ａ〜１０ｅはそれぞれ、多重壁構造を有し、セル室６ａ、６ｂに近い方の近位側空間１８と、セル室６ａ、６ｂから遠い方の遠位側空間２０とが形成されている。空気は、前壁１０ａ及び後壁１０ｂの遠位側空間２０内に下方から供給され、次いで、左壁１０ｃ、右壁１０ｄ及び中央壁１０ｅの遠位側空間２０を上方から下方に流れ、空気送出管２２を通してセル室６ａ、６ｂ内の燃料電池セル４の下方に向かって送出され、次いで、燃料電池セル４の管外を下方から上方に流れる。燃料電池セル４で使用されずに余った燃料ガス及び空気は、燃料電池セル４の上方に設けられた燃焼室２４で燃焼させられ、それによって生じた排出ガスは、上壁１２の上方の排出ガス空間２６及び側壁１０ａ〜１０ｅの近位側空間１８を通して下方に排出される。

次に、図２〜図５を参照して、燃料電池セル４を互いに接続することによって形成された燃料電池セルスタックを説明する。図２は、燃料電池セルスタックの斜視図である。図３は、燃料電池セルユニットの断面図である。図４は、燃料ガス供給部を部分的に破断した燃料電池セルスタックユニットの側面図であり、図５は、図４の燃料電池セルスタックユニットを部分的に破断した正面図である。

図２に示すように、燃料電池セルスタック１４は、各々が上下方向に延びる燃料電池セル４を有する２０本の燃料電池セルユニット３０と、燃料電池セルユニット３０の下端部３０ａに取付けられた下支持板３２ａと、燃料電池セルユニット３０の上端部３０ｂに取付けられた上支持板３４ａとを有している。下支持板３２ａの下には、フランジ３２ｂが取付けられている。また、上支持板３４ａの上には、燃焼室２４を構成する環状の燃焼ボックス３６が取付けられている。

図３に示すように、燃料電池セルユニット３０は、燃料電池セル４によって形成され且つ上下方向に延びる管状構造体であり、円筒形の燃料電池セル４と、燃料電池セル４の一方の端部４ａに取付けられた内側電極端子４０と、他方の端部４ｂに取付けられた外側電極端子４２とを有している。

燃料電池セル４は、円筒形の内側の電極層４４と、円筒形の外側の電極層４８と、これらの電極層４４、４８の間に配置された円筒形の電解質層４６と、内側の電極層４４の内側に構成される貫通流路５０とを有している。また、燃料電池セル４の一方の端部４ａに、内側の電極層４４が電解質層４６及び外側の電極層４８に対して露出した内側電極露出周面４４ａと、電解質層４６が外側の電極層４８に対して露出した電解質露出周面４６ａとが設けられている。燃料電池セル４の他方の端部４ｂは、外側の電極層４８が露出した外側電極露出周面４８ａによって構成されている。

内側の電極層４４は、例えば、Ｎｉと、ＣａやＹ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニアとの混合体、Ｎｉと、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリアとの混合体、Ｎｉと、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｕから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレートとの混合体、の少なくとも一種から形成される。電解質層４６は、例えば、Ｙ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニア、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリア、Ｓｒ、Ｍｇから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレート、の少なくとも一種から形成される。外側の電極層４８は、例えば、Ｓｒ、Ｃａから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンマンガナイト、Ｓｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンフェライト、Ｓｒ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれる少なくとも一種をドープしたサマリウムコバルト、銀、などの少なくとも一種から形成される。この場合、内側の電極層４４が燃料極になり、外側の電極層４８が空気極になる。内側の電極層４４の厚さは、例えば、１ｍｍであり、電解質層４６の厚さは、例えば、３０μｍであり、外側の電極層４８の厚さは、例えば、３０μｍであり、その外径は、例えば、１〜１０ｍｍである。

内側電極端子４０は、内側電極外周面４４ａを全周にわたって外側から覆うように配置され且つそれと電気的に接続された本体部分４０ａと、本体部分４０ａから燃料電池セル４の長手方向に延びる管状部分４０ｂとを有している。本体部分４０ａ及び管状部分４０ｂは、円筒形であり且つ同心に配置され、管状部分４０ｂの管径は、本体部分４０ａの管径よりも細くなっている。管状部分４０ｂは、貫通流路５０と連通し且つ外部と通じる接続流路４０ｃを有している。本体部分４０ａと管状部分４０ｂとの間の段部４０ｄは、内側の電極層４４の端面４４ｂと当接している。

外側電極端子４２は、外側電極外周面４８を全周にわたって外側から覆うように配置され且つそれと電気的に接続された本体部分４２ａと、本体部分４２ａから燃料電池セル４の長手方向に延びる管状部分４２ｂとを有している。本体部分４２ａ及び管状部分４２ｂは、円筒形であり且つ同心であり、管状部分４２ｂの管径は、本体部分４２ａの管径よりも細くなっている。管状部分４２ｂは、貫通流路５０と連通し且つ外部と通じる接続流路４２ｃを有している。本体部分４２ａと管状部分４２ｂとの間の段部４２ｄは、環状の絶縁部材５２を介して外側の電極層４８、電解質層４６及び内側の電極層４４の端面４４ｃと当接している。

内側電極端子４０の全体形状と外側電極端子４２の全体形状とは同一である。また、内側電極端子４０と燃料電池セル４、及び、外側電極端子４２と燃料電池セル４とは、その全周にわたって導電性のシール材５４によってシールされ且つ固定されている。シール材５４は、例えば、銀、銀とガラスの混合物、銀、金、ニッケル、銅、チタンなどを含む各種ロウ材である。

内側電極端子４０の接続流路４０ｃ、燃料電池セル４の貫通流路５０、及び外側電極端子４２の接続流路４２ｃは、燃料電池セルユニット３０の管内流路３０ｃを構成する。

図２に示すように、下支持板３２ａ及び上支持板３４ａは矩形であり、それぞれ、燃料電池セルユニット３０を４列×５列で支持するように燃料電池セルユニット３０の管状部分４０ｂ、４２ｂに嵌合する貫通孔３２ｃ、３４ｃを有している。支持板３２ａ、３４ａは、電気絶縁性材料で形成されており、例えば、耐熱性のセラミックスで形成されている。具体的には、アルミナ、ジルコニア、スピネル、フォルステライト、マグネシア、チタニアなどを用いることが好ましい。なお、支持板３２ａ、３４ａの材質は、その熱膨張係数が燃料電池スタック１４を構成する各部材の熱膨張係数と近似した材質がより好ましい。

２０本の燃料電池セルユニット３０は、それらが電気的に直列に接続されるように配列されている。詳細には、燃料電池セルユニット３０は、隣接した燃料電池セルユニット３０の内側電極端子４０が交互に上側及び下側に配置されるように配列されている。図２において、内側電極端子４０が上側に配置される燃料電池セルユニット３０を符号「ａ」で示し、内側電極端子４０が下側に配置される燃料電池セルユニット３０を符号「ｂ」で示す。更に、２０本の燃料電池セル３０を電気的に直列に接続するための接続部材５６が、支持板３２ａ、３４ａに設けられている。接続部材５６は、隣接した１つの内側電極端子４０と１つの外側電極端子４２とを電気的に接続する。直列に接続された２０本の燃料電池セルユニット３０の両端部の内側電極端子４０及び外側電極端子４２にはそれぞれ、外部と電気的な接続を行うための内側電極外部端子５８ａ及び外側電極外部端子５８ｂが設けられている。接続部材５６、内側電極外部端子５８ａ及び外側電極外部端子５８ｂは、例えば、ステンレス鋼、ニッケル基合金、クロム基合金などの耐熱金属や、ランタンクロマイトなどのセラミック材料で形成される。

フランジ３２ｂは、例えば、ロウ付けにより又はガラスを用いて下支持板３２ａに取付けられ、燃料電池セルユニット３０の接続流路４０ｃ、４２ｃと連通する開口３２ｄと、取付け孔３２ｅとを有している。

燃焼ボックス３６は、上支持板３４ａと同じ矩形の輪郭を有する環状の側板３６ａを有し、側板３６ａと上支持板３４ａとによって、燃焼室２４が構成されている。側板３６ａの各辺の上縁３６ｂには、切欠き３６ｃが設けられている。燃焼ボックス３６は、例えば、ロウ付けにより又はガラスを用いて上支持板３４ａに取付けられている。

かくして、燃料ガスは、フランジ３２ｂの開口３２ｄの下方から、燃料電池セルユニット３０の管内流路３０ｃを通って、燃焼室２４に流入することが可能である。また、燃料電池セル４の外側を流れる空気は、燃焼ボックス３６の切欠き３６ｃを通って、燃焼室２４に流入することが可能である。燃焼室２４内には、燃焼ガスと空気との燃焼を開始させるための点火装置５９が設けられており、かかる点火装置５９は、例えば、スパークプラグ又はヒーターである。点火装置５９と同時に燃焼触媒を用いても良い。

図１、図４及び図５に示すように、燃料電池セルスタックユニット６０が、前後方向Ａに整列した５つの燃料電池セルスタック１４と、燃料ガスを燃料電池セルスタック１４に供給するための燃料ガスマニホールド６２とによって構成されている。図４及び図５は、図１の左セル室６ａ又は右セル室６ｂの右側の燃料電池セルスタックユニット６０を示し、図示していない左側の燃料電池セルスタックユニット６０は、右側の燃料電池セルスタックユニット６０と同様の構造を有している。

燃料ガスマニホールド６２は、５つの燃料電池セルスタック１４の下にガスケット６２ａを介して取付けられた中空且つ密封の燃料ガスボックス６４と、燃料ガスを燃料ガスボックス６４内に供給するため燃料ガス供給管１６とを有している。燃料ガスボックス６４は、前後方向Ａに延び、５つの燃料電池セルスタック１４のフランジ３２ｂが取付けられるフランジ部６４ａを有している。フランジ部６４ａは、フランジ３２ｂの取付け孔３２ｅと整列する取付け孔６４ｂを有している。燃料ガスボックス６４は、上向きの開口６４ｃを有し、それにより、燃料ガスボックス６４の内部と燃料電池セルユニット３０の管内流路３０ｃとが連通している。燃料ガス供給管１６は、燃料ガスボックス６４の前後方向中央において、燃料電池セルスタック１４と側壁１０ｃ、１０ｄ、１０ｅとの間を上方から下方に延び、燃料ガスボックス６４に向かって曲げられ、燃料ガスボックス６４の内部と連通するように燃料ガスボックス６４に連結されている。燃料ガスボックス６４の内部は、燃料ガスを貯めるための燃料ガス空間６４ｄを構成する。

燃料ガスボックス６４上に配置された燃料電池セルスタック１４の燃料電池セル４を直列に接続するために、隣接した内側電極外部端子５８ａと外側電極外部端子５８ｂとの間に、それらを電気的に接続するための接続部材６８ａが取付けられている。また、左セル室６ａ内又は右セル室６ｂにおいて、右側の燃料電池セルスタックユニット６０の燃料電池セル４と左側の燃料電池セルスタックユニット６０の燃料電池セル４とを直列に接続するために、右側の燃料電池セルスタックユニット６０の最も後側の燃料電池セルスタック１４の外側電極外部端子５８ｂと、左側の燃料電池セルスタックユニット６０の最も後側の燃料電池セルスタック１４の内側電極外部端子５８ａとを電気的に接続するための接続部材６８ｂが、それらの間に取付けられている。

図１に示すように、２つの燃料電池セルスタックユニット６０が、１つのセル室６ａ、６ｂに配列され且つ底壁８の上に固定される。また、２つの燃料電池セルスタックユニット６０の上に上壁１２が取付けられる。上壁１２は、各燃料電池セルスタック１４の燃焼室２４と連通する貫通孔１２ａを有し、それにより、燃焼室２４で生じた排気ガスが上壁１２の上方の排出ガス空間２６に流れることを可能にする。この排出ガス空間２６は、上壁１２よりも上まで延びる側壁１０ａ〜１０ｅと、その上に配置される上板６６によって閉じられている。２つの燃料電池セルスタックユニット６０の燃料ガスボックス６４の間には、断熱材２が配置されることが好ましい（図７参照）。

次に、図１、図６〜図１１を参照して、側壁を説明する。図６は、図１の燃料電池の線６−６における断面図である。図７は、図１の燃料電池の線７−７における断面図である。図８は、部分的に破断した前壁の後方からの斜視図であり、図９は、部分的に破断した前壁の前方からの斜視図である。また、図１０は、部分的に破断した左壁の右方からの斜視図であり、図１１は、部分的に破断した左壁の左方からの斜視図である。

先ず、図６、図８及び図９を参照して、前壁１０ａ及び後壁１０ｂを説明する。前壁１０ａ及び後壁１０ｂは、同様の構造を有しており、３重壁構造を有している。

図６、図８及び図９に示すように、前壁１０ａ及び後壁１０ｂはそれぞれ、互いに間隔をおいて平行に配置された３つの壁プレート８０ａ、８０ｂ、８０ｃと、その上面、側面及び下面に密封式に固定された周囲プレート８０ｄとを有している。３つの壁プレートは、セル室６ａ、６ｂに近いほうから順番に、近位プレート８０ａ、中央プレート８０ｂ、及び遠位プレート８０ｃからなる。周囲プレート８０ｄは、壁プレート８０ａ、８０ｂ、８０ｃと別に設けられてもよいし、任意の壁プレート８０ａ、８０ｂ、８０ｃと一体に設けられてもよい。３つの壁プレート８０ａ、８０ｂ、８０ｃの上縁は、上壁１２よりも高く且つ互いに同じレベルに位置するが、近位プレート８０ａ及び中央プレート８０ｂは、遠位プレート８０ｃよりも下方に延びる延長部分８０ｅを有している。近位プレート８０ａと中央プレート８０ｂとの間には、セル室６ａ、６ｂに近いほうの近位側空間１８が構成され、中央プレート８０ｂと遠位プレート８０ｃとの間には、セル室６ａ、６ｂから遠い方の遠位側空間２０が構成される。

近位プレート８０ａの上壁１２よりも高い位置に上開口８１ａを有している。かくして、近位側空間１８は、上壁１２の上方の排出ガス空間２６と連通している。

また、底壁８は、板状であり、前壁１０ａの延長部分８０ｅが嵌合する孔８ａを有し、底壁８の下面８ｂには、排出ガスボックス８２が密封式に取付けられ、その内部に排出ガスを集合させる排出ガス集合空間８２ａを構成している。前壁１０ａの延長部分８０ｅは、下開口８１ｂを有し且つ底壁８を貫通している。かくして、近位側空間１８は、排出ガスボックス８２内の排出ガス集合空間８２ａと連通している。排出ガスボックス８２は、排出ガスを排出するための排出開口８２ｂを有し、この排出開口８２ｂは、例えば、給湯用の熱交換器（図示せず）に接続されている。

また、空気を供給するための空気供給管８４が、遠位側空間２０と連通するように前壁１０ａの下部に連結され、空気を左壁１０ｃ、右壁１０ｄ又は中央壁１０ｅに案内するための空気案内管８６（図１参照）が、遠位側空間２０と連通するように前壁１０ａ及び後壁１０ｂの上部に連結されている。

後述するように、排出ガスが前壁１０ａ及び後壁１０ｂの近位側空間１８内を上方から下方に流れ、空気が遠位側空間２０内を下方から上方に流れる。かくして、前壁１０ａ及び後壁１０ｂの遠位側空間２０は、空気が下方から上方に流れる第１の領域２０ａを構成する。

図８に示すように、前壁１０ａの近位側空間１８は、排出ガスが上方から下方にジグザグ式に流れる通路８８ａを構成するように仕切られている。詳細には、近位側空間１８を上下に仕切るように左右方向に延びる複数の仕切りプレート９０ａ、９０ｂが設けられ、左端が開口する仕切りプレート９０ａと、右端が開口する仕切りプレート９０ｂが交互に配置されている。

また、図９に示すように、前壁１０ａの遠位側空間２０ａは、空気が下方から上方にジグザグ式に流れる通路８８ｂを構成するように仕切られている。詳細には、遠位側空間２０を上下に仕切るように左右方向に延びる複数の仕切りプレート９０ｃ、９０ｄが設けられ、左端が開口する仕切りプレート９０ｃと、右端が開口する仕切りプレート９０ｄが交互に配置されている。

近位側空間１８内の仕切りプレート９０ａ、９０ｂと、遠位側空間２０ａ内の仕切りプレート９０ｃ、９０ｄは、同じ高さレベルに配置されている。また、通路８８ａ、８８ｂ内を左右方向に流れる燃料ガス及び空気の流れが対向流となるように、仕切りプレート９０ａ〜９０ｄが配置されている。即ち、本実施形態では、仕切りプレート９０ａ、９０ｃが同じ高さレベルに配置され、仕切りプレート９０ｂ、９０ｄが同じ高さレベルに配置される。仕切りプレート９０ａ〜９０ｄは、近位側空間１８及び遠位側空間２０ａの高さ方向全体にわたって設けられることが好ましい。

次に、図７、図１０及び図１１を参照して、左壁１０ｃ及び右壁１０ｄを説明する。左壁１０ｃ及び右壁１０ｄは、同様の構造を有しており、３重壁構造を有している。また、左壁１０ｃ及び右壁１０ｄは、前壁１０ａ及び後壁１０ｂの構造と同様の構造を有し、空気供給管８４を削除し、空気をセル室内に送出するための空気送出管２２を追加したことが異なっている。従って、前壁１０ａ及び後壁１０の構成要素と同様の左壁１０ｃ及び右壁１０ｄの構成要素に、前壁１０ａ及び後壁１０ｂの構成要素と同じ参照符号を付して、それらの説明を省略する。

図１に示すように、空気を前壁１０ａ及び／又は後壁１０ｂから案内するための空気案内管８６が、左壁１０ｃの遠位側空間２０と連通するように左壁１０ｃの上部に連結され、図７に示すように、空気送出管２２が、遠位側空間２０の近位側空間側の壁プレート、即ち、中央プレート８０ｂから近位側空間１８を越えるように延びている。詳細には、空気送出管２２は、中央プレート８０ｂの下方から近位プレート８０ａを貫通して延び、遠位側空間２０とセル室６a、６ｂとを連通し、空気を遠位側空間２０から燃料電池セル４に向かって送出するための連通路を構成している。空気送出管２２から送出された空気は、燃料電池セル４の外側電極露出周面４８ａ全体に行き渡ることが好ましく、空気は、燃料電池セル４の下半分の任意の箇所、特に、下方に送出されることが好ましい。

後述するように、左壁１０ｃ及び右壁１０ｄの近位側空間１８内を排出ガスが上方から下方に流れ、前壁１０ａ又は後壁１０ｂからの空気が遠位側空間２０内を上方から下方に流れる。かくして、左壁１０ｃ及び右壁１０ｄの遠位側空間２０は、空気が上方から下方に流れる第２の領域２０ｂを構成する。

図１０及び図１１に示すように、４本の空気送出管２２が、左壁１０ｃに設けられ、前後方向Ａに配列された５つの燃料電池セルスタック１４の間に１つずつ左右方向Ｂに延びている（図６参照）。空気送出管２２の先端部２２ａは閉じられ、空気を前後方向Ａに噴出させるための横噴出孔２２ｂを空気送出管２２の両側に有している。空気送出管２２は、燃料電池セル４を越えるように左右方向Ｂに延びている。また、横噴出孔２２ｂは、それから噴出される空気が各燃料電池セル４を包囲するように、左右方向ｂに整列した燃料電池セル４の間、最も左方の燃料電池セル４よりも左側及び最も右方の燃料電池セルよりも右側に配置されることが好ましい。最も前側の空気送出管２２は、更に、空気を前方且つ斜め上方に噴出させるための上斜め噴出孔２２ｃを有していることが好ましい。また、最も後側の空気送出管２２は、更に、空気を後方且つ斜め上方に噴出させるための上斜め噴出孔２２ｃを有していることが好ましい。

図１０に示すように、左壁１０ｃの近位側空間１８は、排出ガスが上方から下方にジグザグ式に流れる通路９４ａを構成するように仕切られている。詳細には、近位側空間１８を上下に仕切るように前後方向に延びる複数の仕切りプレート９６ａ、９６ｂが設けられ、後端が開口する仕切りプレート９６ａと、前端が開口する仕切りプレート９６ｂが交互に配置されている。

また、図１１に示すように、左壁１０ｃの遠位側空間２０ｂは、空気が上方から下方にジグザグ式に流れる通路９４ｂを構成するように仕切られている。詳細には、遠位側空間２０ｂを上下に仕切るように前後方向に延びる複数の仕切りプレート９６ｃ、９６ｄが設けられ、後端が開口する仕切りプレート９６ｃと、前端が開口する仕切りプレート９６ｄが交互に配置されている。

近位側空間１８内の仕切りプレート９６ａ、９６ｂと、遠位側空間２０ｂ内の仕切りプレート９６ｃ、９６ｄは、同じ高さレベルに配置されている。また、通路９４ａ、９４ｂ内を前後方向に流れる燃料ガス及び空気の流れが対向流となるように、仕切りプレート９６ａ〜９６ｄが配置されている。即ち、本実施形態では、仕切りプレート９６ａ、９６ｄが同じ高さレベルに配置され、仕切りプレート９６ｂ、９６ｃが同じ高さレベルに配置されている。仕切りプレート９６ａ〜９６ｄは、近位側空間１８及び遠位側空間２０ｂの上方から空気送出管２２の高さレベルよりも少し上の高さレベルにわたって設けられ、空気送出管２２よりも下の遠位側空間２０ｂは空気を貯めるための空間又は空気室９８として機能することが好ましい。

次に、中央壁１０ｅを説明する。図７に示すように、中央壁１０ｅは、４重壁構造を有しているが、左壁１０ｃと右壁１０ｄの遠位プレート８０ｃ同士を合わせてそれらを結合させた状態で、遠位プレート８０ｃを省略した構造と同様の構造を有している。従って、左壁１０ｃ及び右壁１０ｄの構成要素と同様の中央壁１０ｅの構成要素に、左壁１０ｃ及び右壁１０ｄの構成要素と同じ参照符号を付して、それらの説明を省略する。かくして、遠位側空間２０（２０ｂ）は、２つの中央プレート８０ｂの間に構成される。

次に、本発明による燃料電池の動作を説明する。

先ず、燃料電池１を温めるために、燃料電池１を含む回路に負荷をかけない状態、即ち、燃料電池１を含む回路を開いた状態で、燃料電池１に燃料ガスと空気を供給する。この段階では、燃料ガスと空気が存在しても、回路に電流が流れないので、燃料電池は、発電を行わない。

詳細には、燃料ガスを供給する。具体的には、燃料ガスを燃料ガス供給管１６に供給して、燃料ガスボックス６４内の燃料ガス空間６４ｄに貯める。それにより、各燃料電池セルユニット３０への均一且つ一様な燃料ガスの供給を確保する。燃料ガス空間６４ｄに溜まった燃料ガスが、燃料電池セルユニット３０の管内流路３０ｃを通って流れ、内側電極層４４に作用する。作用しなかった燃料ガスが、燃焼室２４に達する。

また、大気中の空気を供給する。具体的には、大気中の空気をブロア等によって空気供給管８４に供給し、前壁１０ａ及び後壁１０ｂの遠位側空間２０ａの中を下方から上方に流す。次いで、空気を、空気案内管８６を通して、左壁１０ｃ、右壁１０ｄ、中央壁１０ｅの遠位側空間２０ｂに案内し、遠位側空間２０ｂの中を上方から下方に流す。空気は、遠位側空間２０ｂ内の空気空間又は空気室９８にいったん貯められる。それにより、各空気送出管２２への均一且つ一様な空気の送出を確保する。空気は、空気送出管２２の横噴出孔２２ｂ及び上斜め噴出孔２２ｃから、各燃料電池セル４を包囲するように噴出され、セル室６ａ、６ｂ内を概略的には下方から上方に流れる。それにより、セル室内に空気をまんべんなく分散させることができ、外側の電極層（空気極）４８における空気の作用を促進させることができる。特に、燃料電池セル４の径が１〜１０ｍｍであり、燃料電池セル４の間隔が０．５〜５ｍｍである場合、燃料電池セル４の間にも十分に空気を供給することができる。また、空気送出管２２に横噴出孔だけを設けると、セル室６ａ、６ｂの隅の方に空気が流れにくいので、上斜め噴出孔２２ｃを設けることにより、セル室６ａ、６ｂの隅の方への空気の流れを引き起こすのがよい。空気は、外側電極層４８と作用する。作用しなかった空気は、燃焼ボックス３６の切欠き３６ｅから燃焼室２４に達する。

次いで、スパークプラグ又はヒーター等の点火装置５９を用いて、燃焼室２４内で、燃焼ガスと空気とを燃焼させる。それにより生じた排出ガスは、高温になる。排出ガスは、上壁１２の貫通孔１２ａを通って、排出ガス空間２６に流入し、次いで、側壁１０ａ〜１０ｅの上開口８１ａから近位側空間１８に流入し、近位側空間１８内を上方から下方に流れる。次いで、排出ガスは、側壁１０ａ〜１０ｅの下開口８１ｂから排出ガス集合空間８２ａに流入し、排出開口８２ｂから排出される。

排出ガスが、近位側空間１８内を流れるとき、遠位側空間２０内を流れる空気と熱交換を行い、空気が暖められる。詳細には、空気は、前壁１０ａ及び後１０ｂの遠位側空間２０ａ内を流れるとき、通路８８ｂに沿ってジグザグ式に流れる。このとき、排出ガスは、中央プレート８０ｂの反対側で、通路８８ａに沿ってジグザグ式に流れている。通路８８ｂを流れる空気と、通路８８ａを流れる排出ガスとは、通路８８ａ、８８ｂ全体にわたって対向流を構成するので、排出ガスの熱が効率的に空気に伝達される。特に、空気供給管８４から入ってきた最も温度の低い空気が、排出ガスの熱によって温められる。

次いで、ある程度温められた空気が、左壁１０ｃ、右壁１０ｄ、中央壁１０ｅの遠位側空間内を流れるとき、通路９４ｂに沿ってジグザグ式に流れる。このとき、排出ガスは、中央プレート８０ｂの反対側で、通路９４ａに沿ってジグザグ式に流れている。通路９４ｂを流れる空気と、通路９４ａを流れる排出ガスとは、通路９４ａ、９４ｂ全体にわたって対向流を構成していないが、通路９４ａ、９４ｂのうちの横方向に流れる部分で対向流を構成している。それにより、排出ガスの熱がある程度、効率的に伝達される。

空気が温められることにより、セル室６ａ、６ｂ内の温度が徐々に上昇する。セル室６ａ、６ｂ内及び燃料電池セル４の温度が、燃料電池１を安定的に作動させる定格温度よりも低い所定の発電温度に達したら、燃料電池１を含む回路を閉じる。それにより、燃料電池１は発電を開始し、回路に電流が流れる。燃料電池の発電により、燃料電池セル４自体も発熱し、更に、燃料電池セル４の温度が上昇する。その結果、燃料電池１を作動させる定格温度、例えば、６００〜８００℃になる。

その後、定格温度を維持するために、燃料電池セル４で消費される燃料ガス及び空気の量よりも多い量の燃料ガス及び空気を供給し、燃焼室２４での燃焼を継続させる。

なお、燃料ガスは、炭化水素系の都市ガスやプロパンガス等を水蒸気改質反応させた改質ガスであることが好ましい。この改質反応は、吸熱反応であるので、高温の排出ガスを、改質反応に必要な熱の熱源として使用することが好ましい。

本発明の実施形態である燃料電池１を、従来技術の燃料電池２００と比較すると、側壁１０ａ〜１０ｅを利用して、排出ガスと空気の熱交換を行うことは共通する。しかしながら、従来技術の燃料電池の空気室２１２に相当する部分が、本発明の燃料電池１では、側壁１０ａ〜１０ｅに組み込まれている。その結果、本発明の燃料電池１は、熱交換を維持しながら、従来の燃料電池２００よりも上下方向寸法を小さくすることができる。

図１２及び図１３はそれぞれ、左壁の変形例を示す右方からの斜視図である。図１２及び図１３に示すように、空気送出管２２は、遠位側空間２０の近位側空間側の壁プレート、即ち、中央プレート８０ｂから近位側空間１８を越えるように延び、遠位側空間２０とセル室６a、６ｂとを連通し、空気を遠位側空間２０から燃料電池セル４に向かって送出するための連通路を構成している。また、左壁１００、１０２はそれぞれ、空気送出管２２と干渉しないように形状決めされた近位プレート１００ａ、１０２ａ及び周囲プレート１００ｂ、１０２ｂとを有している。詳細には、近位プレート１００ａ、１０２ａは、左壁１００、１０２の上面から下方に且つ空気送出管２２よりも上方まで延び、空気送出管２２を避けて更に下方に延びる延長部１００ｃ、１０２ｃを有している。図１２に示す左壁１００では、延長部１００ｃは、空気送出管２２よりも前方又は後方に１つ設けられ、図１３に示す左壁１０２では、延長部１０２ｃは、更に、空気送出管２２の間に設けられている。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は、以上の実施の形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。

上記実施形態では、燃料電池セル４の管内を流れるガスは、水素又は炭化水素燃料等を改質した改質ガス等の燃料ガスであり、燃料電池セル４の管外を流れるガスは、酸素を含む空気であったが、管内を流れるガスと管外を流れるガスを交換してもよい。

また、上記実施形態では、空気は、前壁１０ａ、後壁１０ｂ、左壁１０ｃ、右壁１０ｄ及び中央壁１０ｅの遠位側空間２０を通してセル室６ａ、６ｂ内の燃料電池セル４に向かって送出されたが、空気がこれらの壁１０ａ〜１０ｅの任意の近位側空間１８内を流れる燃焼ガスと熱交換が行われれば、すべての壁１０ａ〜１０ｅを３又は４重壁構造にしたり、第１の領域及び第２の領域を設けたりする必要はない。例えば、左壁１０ｃ、右壁１０ｄ及び中央壁１０ｅに近位側空間１８及び遠位側空間２０を設け、且つ、前壁１０ａ及び後壁１０ｂに近位側空間１８だけを設け又は前壁１０ａ及び後壁１０ｂを断熱材で構成することにより、空気を左壁１０ｃ、右壁１０ｄ及び中央壁１０ｅだけで温めてもよい。

上記実施形態では、左壁１０ｃ、右壁１０ｄ及び中央壁１０ｅの遠位側空間２０の下方に空気室９８を設けたけれども、仕切りプレート９６ｃ、９６ｄを使用しないで、遠位側空間２０全体を空気室９８として使用してもよい。この場合、遠位側空間２０の近位側空間側の壁プレート、即ち、中央プレート８０ｂから連通路が延びる箇所は上方であってもよい。例えば、空気送出管２２が遠位側空間２０の上方から近位側空間を越えた後、下方に向かって延び、燃料電池セル４の下方に空気を送出してもよい。また、左壁１０ｃ、右壁１０ｄ及び中央壁１０ｅの遠位側空間２０に供給される空気は、前壁１０ａ、後壁１０ｂにおいて温められていることが好ましい。

また、上記実施形態では、空気を遠位側空間２０から燃料電池セル４の下方に送出するための連通路を、遠位側空間２０から延びる空気送出管２２としたが、図１２及び図１３に示した変形例では、空気送出管２２を省略して、スリットや孔を設けてもよい。この場合、連通路は、左壁１００、１０２の周囲プレート１００ｂ、１０２ｂ等によって構成され、遠位側空間２０の近位側空間側の壁プレート、即ち、中央プレート８０ｂから近位側空間１８を越えるように延びる。

上記実施形態では、燃料電池セルスタック１４には、５列×４列の燃料電池セル４が配列されていたけれども、１列×１列を含む任意の数の列を採用することができる。しかしながら、燃料電池セル４が複数列×複数列で配列されていることが好ましい。

また、上記実施形態では、燃料電池セル４を断面が円の円筒形としたが、管内のガスと管外のガスを反応させる管状構造体が形成されれば、円筒形以外の形態であってもよいし、２つ以上の燃料電池セルによって管状構造体が形成されてもよい。具体的には、１つ又は２つ以上の燃料電池セルによって形成される管状構造体の断面が扁平状、あるいは楕円状のフラットチューブ形、断面が多角形の角筒形などの形態であってもよい。

本発明による燃料電池を部分的に破断した概略的な斜視図である。 燃料電池モジュールの斜視図である。 燃料電池セルユニットの断面図である。 燃料ガス供給部を部分的に破断した燃料電池セルスタックユニットの側面図である。 図４の燃料電池セルスタックユニットを部分的に破断した正面図である。 図１の燃料電池の線６−６における断面図である。 図１の燃料電池の線７−７における断面図である。 部分的に破断した前壁の後方からの斜視図である。 部分的に破断した前壁の前方からの斜視図である。 部分的に破断した左壁の右方からの斜視図である。 部分的に破断した左壁の左方からの斜視図である。 左壁の変形例を示す右方からの斜視図である。 左壁の変形例を示す右方からの斜視図である。 従来技術の燃料電池の概略図である。

符号の説明

１ 燃料電池
４ 燃料電池セル
６ａ、６ｂ セル室
８ 底壁
１０ａ〜１０ｅ 側壁
１２ 上壁
１４ 燃料電池セルスタック
１８ 近位側空間
２０ 遠位側空間
２０ａ 第１の領域
２０ｂ 第２の領域
２２ 空気送出管（連通路）
２４ 燃焼室
８８ａ、８８ｂ 通路
９０ａ、９０ｂ、９０ｃ、９０ｄ 仕切りプレート
９４ａ、９４ｂ 通路
９６ａ、９６ｂ、９６ｃ、９６ｄ 仕切りプレート
９８ 空気室
１００、１０２ 左壁

Claims (7)

1. 空気と燃料ガスにより作動する一連の燃料電池セルと、
   前記一連の燃料電池セルを収容するセル室を形成する底壁、側壁及び上壁と、を有し、
   少なくとも１つの前記燃料電池セルは、上下方向に延びる管状構造体を形成し、
   前記側壁は、多重壁構造であり、それにより、前記セル室に近い方に位置する近位側空間と、前記近位側空間と隣接し且つ前記セル室から遠い方に位置する遠位側空間とが構成され、
   前記管状構造体の上方に、前記管状構造体の管外を流れる空気及び燃料ガスの一方と前記管状構造体の管内を流れる空気及び燃料ガスの他方とを燃焼させて排出ガスを生じさせる燃焼部が設けられ、
   前記側壁の近位側空間は、前記燃焼部と連通し、それにより、前記燃焼部の排出ガスが前記近位側空間に流入して、前記近位側空間内を上方から下方に流れ、
   更に、前記側壁の遠位側空間の近位側空間側の壁から延び且つ前記遠位側空間と前記セル室とを連通させるための連通路を有し、前記連通路は、前記管状構造体の管外に流すための空気及び燃料ガスの前記一方を前記遠位側空間から前記管状構造体に向かって送出することを特徴とする燃料電池。
2. 前記連通路は、前記側壁の遠位側空間の下方から延びることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記側壁の遠位側空間は、その下方に空気及び燃料ガスの前記一方を貯めるための室を有し、前記連通路は、前記室から延びることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
4. 前記遠位側空間は、前記管状構造体の管外に流すための空気及び燃料ガスの前記一方が下方から上方に流れる第１の領域と、前記第１の領域と連通し且つ前記第１の領域から流入した空気及び燃料ガスの前記一方が上方から下方に流れる第２の領域と、を有し、前記連通路は、前記第２の領域から延びることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池。
5. 前記近位側空間は、排出ガスが上方から下方にジグザグ式に流れる通路を構成するように仕切られ、
   前記遠位側空間の第１の領域は、空気及び燃料の前記一方が下方から上方にジグザク式に流れる通路を構成するように仕切られ、
   前記遠位側空間の第２の領域は、空気及び燃料の前記一方が上方から下方にジグザグ式に流れる通路を構成するように仕切られ、
   前記近位側空間の通路を横方向に流れる排出ガスと、前記遠位側空間の第１の領域及び第２の領域の通路を横方向に流れる空気とが、対向流を構成することを特徴とする、請求項４に記載の燃料電池。
6. 前記一連の燃料電池セルは、燃料電池セルを互いに接続することによって形成された燃料電池セルスタックを互いに接続することによって構成され、前記燃焼部は、前記燃料電池セルスタックの燃焼室として構成されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
7. 空気及び燃料ガスの前記一方は空気であり、前記他方は燃料ガスであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。

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