JP2011029201A

JP2011029201A - Fuel battery and method of operating the same

Info

Publication number: JP2011029201A
Application number: JP2010224921A
Authority: JP
Inventors: Takashi Ono; 孝小野
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2010-10-04
Filing date: 2010-10-04
Publication date: 2011-02-10

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel battery having an ignition source suppressed in degradation caused by oxidation or the like without influencing peripheral equipment, and a method of operating the same. <P>SOLUTION: In the fuel battery, a plurality of fuel battery cells 62 are contained in a housing 2, and gas led out through the inside of the fuel battery cells 62 is burnt by reacting with gas existing outside the fuel battery cells 62. Ceramic heaters for ignition 85, 95, 97 are contained in the housing 2. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池及び燃料電池の運転方法に関し、特に家庭用、店舗用として好適に用いられる燃料電池及び燃料電池の運転方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell and a fuel cell operation method, and more particularly to a fuel cell and a fuel cell operation method that are suitably used for home use and store use.

次世代エネルギーとして、近年、固体高分子型、リン酸型、溶融炭酸塩型及び個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。 In recent years, various types of fuel cell power generation systems such as solid polymer type, phosphoric acid type, molten carbonate type, and solid electrolyte type have been proposed as next-generation energy. In particular, the solid oxide fuel cell power generation system has an operating temperature as high as about 1000 ° C., but has advantages such as high power generation efficiency and use of exhaust heat, and research and development are being promoted.

燃料電池発電システムの典型例においては、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燃料電池セルとを含む燃料電池が装備されている。かかる燃料電池には、セルに燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段、セルに空気を供給するための空気供給手段、及び発電・燃焼室から燃焼ガスを排出するための燃焼ガス排出手段も付設されている。 In a typical example of the fuel cell power generation system, a fuel cell including a housing that defines a power generation chamber and fuel cells arranged in the housing is provided. Such a fuel cell also includes a fuel gas supply means for supplying fuel gas to the cell, an air supply means for supplying air to the cell, and a combustion gas discharge means for discharging the combustion gas from the power generation / combustion chamber. It is attached.

このような燃料電池では、発電部から排出される未反応燃料と未反応空気が反応して燃焼されるが、燃料電池の起動の際に燃焼させるためには、燃料ガスと空気だけでなく、着火源が必要となる（例えば、特許文献１参照）。従来、着火源として、点火プラグやニクロム線等の金属系ヒータなどが用いられていた。 In such a fuel cell, unreacted fuel and unreacted air discharged from the power generation unit react and burn, but not only fuel gas and air but also combustion when starting the fuel cell, An ignition source is required (see, for example, Patent Document 1). Conventionally, metal heaters such as spark plugs and nichrome wires have been used as ignition sources.

特開２００３−２４９２５６号公報JP 2003-249256 A

しかしながら、点火プラグを着火源として使用した場合、以下の問題点が明らかとなった。即ち、イグナイタなどの点火プラグを使用する際、端子間に高電圧を早い周期で発生させるためノイズが発生するが、このノイズが燃料電池に付随するインバータやシーケンサなどの電子機器の誤動作を引き起こす可能性がある。 However, when the spark plug is used as an ignition source, the following problems have been clarified. That is, when using a spark plug such as an igniter, noise is generated because a high voltage is generated between terminals at an early cycle. This noise may cause malfunction of electronic devices such as inverters and sequencers attached to the fuel cell. There is sex.

また、点火プラグや金属系ヒータなどの着火源は、未反応ガスへの着火後に燃焼ガスに曝されるが、点火プラグ、金属系ヒータ自体は金属材料であるため、長時間高温の燃焼ガスに曝されると、酸化などにより劣化が激しく、寿命が短いという問題があった。 In addition, ignition sources such as spark plugs and metal heaters are exposed to combustion gas after ignition of unreacted gas. However, since the spark plug and metal heater itself are a metal material, the combustion gas remains hot for a long time. When exposed to water, there is a problem that the deterioration is severe due to oxidation or the like and the life is short.

本発明は、周辺機器への影響を及ぼすことがなく、酸化などによる劣化が小さい着火源を有する燃料電池及び燃料電池の運転方法を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a fuel cell having an ignition source that does not affect peripheral devices and is less deteriorated due to oxidation or the like, and a method for operating the fuel cell.

本発明の燃料電池では、ハウジング内に複数の燃料電池セルを収容してなり、前記燃料電池セル内を通過して導出されるガスと、前記燃料電池セル外のガスが反応して燃焼する燃料電池であって、前記ハウジング内に着火用セラミックヒータが収容されており、該着火用セラミックヒータは、前記燃料電池セルのガス導出側端近傍に設けられていることを特徴とする。セラミックヒータは１０００℃程度の高温になり着火源として十分機能し、しかも、従来用いられていた点火プラグ等で問題となったようなノイズは発生しないので、周辺機器への影響はなく、燃料電池の着火源として好適に用いることができる。また、
着火後、セラミックヒータは高温の燃焼ガス雰囲気に曝されるが、セラミックヒータの外郭は高温雰囲気でも耐食性にすぐれたセラミックスであるため、長時間高温燃焼ガスに曝されても、材料劣化がほとんどなく寿命が長くなり、結果として燃料電池自体の寿命が長くなる。 In the fuel cell of the present invention, a plurality of fuel cells are housed in a housing, and the fuel that is derived by passing through the fuel cells and the gas outside the fuel cells reacts and burns In the battery, an ignition ceramic heater is accommodated in the housing, and the ignition ceramic heater is provided in the vicinity of a gas outlet side end of the fuel cell. The ceramic heater becomes a high temperature of about 1000 ° C and functions well as an ignition source. Moreover, since there is no noise that has become a problem with conventional spark plugs, there is no effect on peripheral equipment and fuel. It can be suitably used as a battery ignition source. Also,
After ignition, the ceramic heater is exposed to a high-temperature combustion gas atmosphere, but the ceramic heater has excellent corrosion resistance even in a high-temperature atmosphere, so there is almost no material deterioration even when exposed to high-temperature combustion gas for a long time. The service life is increased, and as a result, the service life of the fuel cell itself is increased.

また、着火用セラミックヒータは、燃料電池セルのガス導出側端近傍に設けられていることを特徴とする。例えば、セラミックヒータは、燃料電池セル内を通過して導出されるガスと前記燃料電池セル外部のガスの混合雰囲気中に設けられている。また、セラミックヒータは、燃料電池セル内を通過して導出されるガス導出方向側に設けられている。このような燃料電池では、着火用セラミックヒータにより確実に着火できる。 Further, the ceramic heater for ignition is provided in the vicinity of the gas outlet side end of the fuel battery cell. For example, the ceramic heater is provided in a mixed atmosphere of a gas led out through the fuel cell and a gas outside the fuel cell. Further, the ceramic heater is provided on the gas outlet direction side which is led out through the fuel cell. In such a fuel cell, ignition can be ensured by the ceramic heater for ignition.

また、本発明の燃料電池では、着火用セラミックヒータは、燃料電池セルのガス導出方向における延長線上から離間した位置に設けられていることを特徴とする。また、燃料電池セル近傍に断熱材が配置されており、該断熱材にセラミックヒータが設けられていることを特徴とする。このような燃料電池では、セラミックヒータが燃焼炎に直接曝されないため、セラミックヒータの劣化を防止できる。 In the fuel cell of the present invention, the ignition ceramic heater is provided at a position spaced from the extension line in the gas lead-out direction of the fuel cell. In addition, a heat insulating material is disposed in the vicinity of the fuel cell, and a ceramic heater is provided on the heat insulating material. In such a fuel cell, since the ceramic heater is not directly exposed to the combustion flame, deterioration of the ceramic heater can be prevented.

さらに、本発明の燃料電池では、着火用セラミックヒータは、ハウジングの壁を貫通して設けられていることを特徴とする。このような燃料電池では、セラミックヒータへの配線が簡単になるので構造を簡略化できる。また、着火用セラミックヒータは、ハウジングの壁に形成された貫通孔を介して外部から着脱可能に設けられていることを特徴とする。このような燃料電池では、破損時等に容易に取り外し、新たなセラミックヒータを設置することができ、メンテナンスが容易となる。 Furthermore, in the fuel cell of the present invention, the ceramic heater for ignition is provided so as to penetrate the wall of the housing. In such a fuel cell, since the wiring to the ceramic heater is simplified, the structure can be simplified. Further, the ceramic heater for ignition is detachably provided from the outside through a through hole formed in the wall of the housing. In such a fuel cell, it can be easily removed at the time of breakage or the like, and a new ceramic heater can be installed, so that maintenance becomes easy.

また、本発明の燃料電池では、燃料電池セルの近傍に改質器が設けられており、セラミックヒータが、前記燃料電池セルと前記改質器との間に設けられていることを特徴とする。このような燃料電池では、燃料電池セルと改質器との間の燃料ガス濃度の高い部分に着火用セラミックヒータを設けることができるため、着火をスムーズに行うことができる。 In the fuel cell of the present invention, a reformer is provided in the vicinity of the fuel cell, and a ceramic heater is provided between the fuel cell and the reformer. . In such a fuel cell, the ignition ceramic heater can be provided in a portion where the fuel gas concentration between the fuel cell and the reformer is high, so that ignition can be performed smoothly.

さらに、本発明の燃料電池では、燃料電池セルの近傍に改質器が設けられており、着火用セラミックヒータが、前記改質器の前記燃料電池セル側の面に設けられていることを特徴とする。このような燃料電池では、着火用セラミックヒータの設置が容易となるとともに、確実に着火できる。 Further, in the fuel cell of the present invention, a reformer is provided in the vicinity of the fuel cell, and an ignition ceramic heater is provided on the surface of the reformer on the fuel cell side. And In such a fuel cell, the ceramic heater for ignition can be easily installed and can be ignited reliably.

また、本発明の燃料電池では、着火用セラミックヒータは、着火時に、燃料電池セルのガス導出側近傍へ突出可能に構成されている。このような燃料電池では、着火時のみセラミックヒータが燃焼炎近傍に存在し、その後、燃焼炎から離れるため、着火用セラミックヒータの劣化を防止できる。 Further, in the fuel cell of the present invention, the ignition ceramic heater is configured to be able to protrude to the vicinity of the gas outlet side of the fuel cell at the time of ignition. In such a fuel cell, the ceramic heater is present in the vicinity of the combustion flame only at the time of ignition, and then separated from the combustion flame, so that the deterioration of the ceramic heater for ignition can be prevented.

さらに、本発明の燃料電池では、ハウジング内には、燃焼を感知する熱センサが設けられていることを特徴とする。このような燃料電池では、着火用セラミックヒータによる着火が行われたか否かを熱センサにより確認できるため、不燃ガスの漏出を防止でき、安全性を確保できる。 Furthermore, the fuel cell of the present invention is characterized in that a thermal sensor for detecting combustion is provided in the housing. In such a fuel cell, since it can be confirmed by a thermal sensor whether or not ignition by the ignition ceramic heater has been performed, leakage of non-combustible gas can be prevented and safety can be ensured.

また、本発明の燃料電池では、ハウジング内には予備の着火用セラミックヒータが設けられていることを特徴とする。このような燃料電池では、一方の着火用セラミックヒータが劣化したとしても、他方の着火用セラミックヒータを用いて着火することができる。 In the fuel cell of the present invention, a preliminary ignition ceramic heater is provided in the housing. In such a fuel cell, even if one ignition ceramic heater deteriorates, it can be ignited using the other ignition ceramic heater.

本発明の燃料電池の運転方法では、ハウジング内に複数の燃料電池セルからなるセルスタックを複数収容してなり、前記燃料電池セル内を通過して導出されるガスと、前記燃料
電池セル外のガスが反応して燃焼する燃料電池の運転方法であって、それぞれの前記セルスタックに一定時間をおいて着火することを特徴とする。このような燃料電池の運転方法では、複数のセルスタックに一挙に同時に着火することなく、複数のセルスタックに一定のタイムラグをおいて着火していくことになるため、多量のガスが一挙に燃焼することを避けることができ、安全性を高めることができる。 In the method for operating a fuel cell according to the present invention, a plurality of cell stacks each including a plurality of fuel cells are accommodated in a housing, and the gas led out through the fuel cells and the outside of the fuel cells. A method of operating a fuel cell in which gas reacts and burns, wherein each of the cell stacks is ignited after a certain time. In such a fuel cell operation method, a plurality of cell stacks are ignited with a certain time lag without igniting a plurality of cell stacks at the same time. Can be avoided and can increase safety.

また、本発明の燃料電池の運転方法は、隣設するセルスタックに順次着火することを特徴とする。また、ハウジング内には複数のセルスタックが整列しており、該整列したセルスタックの一方側から着火することを特徴とする。この場合には、例えば、１個の着火用セラミックヒータにより、１個のセルスタックに着火すると、着火したセルスタックから隣設するセルスタックへと着火し、全てのセルスタックに順次着火することができる。 The fuel cell operating method of the present invention is characterized in that the adjacent cell stack is sequentially ignited. A plurality of cell stacks are aligned in the housing, and ignition is performed from one side of the aligned cell stacks. In this case, for example, when one cell stack is ignited by one ignition ceramic heater, the ignited cell stack is ignited to the adjacent cell stack, and all the cell stacks are sequentially ignited. it can.

さらに、本発明の燃料電池の運転方法は、複数のセルスタックにはそれぞれガスが供給されるように構成されており、着火時にそれぞれの前記セルスタックに一定時間をおいてガスが供給されることを特徴とする。このような燃料電池の運転方法では、例えば、１個のセラミックヒータにより、１個のセルスタックに着火すると、着火したセルスタックから隣設するセルスタックへと着火していき、全てのセルスタックに順次着火することができるが、その時間差をそれぞれのセルスタックへのガス供給により制御できるため、着火タイミングを性格に制御でき、安全性をより確実とすることができる。 Furthermore, the fuel cell operating method of the present invention is configured such that gas is supplied to each of the plurality of cell stacks, and the gas is supplied to each of the cell stacks at a certain time during ignition. It is characterized by. In such a fuel cell operation method, for example, when one cell stack is ignited by one ceramic heater, the ignited cell stack is ignited to the adjacent cell stack, and all the cell stacks are ignited. Although the ignition can be performed sequentially, the time difference can be controlled by supplying the gas to each cell stack, so that the ignition timing can be accurately controlled and the safety can be further ensured.

本発明の燃料電池では、着火源として着火用セラミックヒータを用いたため、着火源として十分機能するとともに、従来の点火プラグ等で問題となったようなノイズは発生しないので、周辺機器への影響はなく、燃料電池の着火源として好適に用いることができる。また、着火後、セラミックヒータは高温の燃焼ガス雰囲気に曝されることもあるが、セラミックヒータの外郭は高温雰囲気でも耐食性にすぐれたセラミックスであるため、長時間高温燃焼ガスに曝されても、材料劣化がほとんどなく寿命が長くなり、結果として燃料電池自体の寿命を長くできる。 In the fuel cell of the present invention, the ceramic heater for ignition is used as an ignition source, so that it functions sufficiently as an ignition source and does not generate noise that causes problems with conventional spark plugs, etc. There is no influence and it can be suitably used as an ignition source for a fuel cell. In addition, after ignition, the ceramic heater may be exposed to a high-temperature combustion gas atmosphere, but the outer shell of the ceramic heater is a ceramic with excellent corrosion resistance even in a high-temperature atmosphere, so even if it is exposed to high-temperature combustion gas for a long time, There is almost no material deterioration and the life is extended. As a result, the life of the fuel cell itself can be extended.

また、本発明の燃料電池の運転方法では、複数のセルスタックに一挙に同時に着火することなく、一定のタイムラグをおいて着火することになるため、多量のガスが一挙に燃焼を開始することを避けることができ、安全性を高めることができる。 Further, in the fuel cell operation method of the present invention, a plurality of cell stacks are ignited at a constant time lag without being ignited simultaneously, so that a large amount of gas starts to be combusted all at once. It can be avoided and safety can be increased.

本発明の燃料電池の好適実施形態を示す断面図。Sectional drawing which shows suitable embodiment of the fuel cell of this invention. 図１の平面図。The top view of FIG. 図１の燃料電池に使用されている発電ユニット集合体を示す斜面図。FIG. 2 is a perspective view showing a power generation unit assembly used in the fuel cell of FIG. 1. 図３の発電ユニットを示す斜視図。The perspective view which shows the electric power generation unit of FIG. 図３のセルスタックを示す断面図。Sectional drawing which shows the cell stack of FIG. 図１のセラミックヒータ近傍を示す拡大断面図。The expanded sectional view which shows the ceramic heater vicinity of FIG. セラミックヒータの他の配置形態を示す説明図。Explanatory drawing which shows the other arrangement | positioning form of a ceramic heater. セラミックヒータのさらに他の配置形態を示す説明図。Explanatory drawing which shows the further another arrangement | positioning form of a ceramic heater.

本発明の燃料電池を図１、２及び図３を参照して説明すると、図示の燃料電池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。 The fuel cell of the present invention will be described with reference to FIGS. 1, 2, and 3. The illustrated fuel cell includes a housing 2 having a substantially rectangular parallelepiped shape. The six wall surfaces of the housing 2 are heat insulating walls formed of an appropriate heat insulating material, that is, an upper heat insulating wall 4, a lower heat insulating wall 6, a right heat insulating wall 8, a left heat insulating wall 9, a front heat insulating wall 10, and a rear heat insulating wall. 11 is disposed. A power generation / combustion chamber 12 is defined in the housing 2.

前断熱壁１０及び／又は後断熱壁１１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。 The front heat insulation wall 10 and / or the rear heat insulation wall 11 is detachably or removably attached, and the front heat insulation wall 10 and / or the rear heat insulation wall 11 is detached or opened to access the power generation / combustion chamber 12. be able to. If desired, an outer wall, which may be made of a metal plate, can be disposed on the outer surface of each heat insulating wall.

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。 An air chamber (gas chamber) 16 is disposed at the upper end of the housing 2. The air chamber 16 is defined in a rectangular parallelepiped case 17 having a relatively small vertical dimension. The air chamber 16 communicates with an air introduction pipe (gas supply means) 22 for sending air (oxygen-containing gas) toward the power generation / combustion chamber. There are a plurality of air introduction pipes 22 and the shape thereof may be a cylinder or a hollow plate structure. The air introduction pipe 22 is disposed between the cell stacks described later, and has an opening at the lower end portion of the cell, and air is ejected from the opening portion. The air introduction tube 22 is preferably made of a material having high heat resistance such as ceramics.

そして、本発明の燃料電池では、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。 In the fuel cell of the present invention, the air chamber 16 is provided with a low-temperature gas supply means including a low-temperature gas supply pipe 18. The low-temperature gas supply pipe 18 penetrates the upper heat insulating wall 4 and extends to the outside. It is installed.

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。 The low-temperature gas supply pipe 18 supplies the same type of gas as that supplied into the air chamber 16, that is, low-temperature air, into the air chamber 16. The air supplied through the low-temperature gas supply pipe 18 is It must be cooler than the temperature of the preheated air. In particular, about room temperature is desirable.

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。 As shown in FIG. 2, the low temperature gas supply pipe 18 is connected to a position of the air chamber 16 that cools the power generation units 56a, 56b, 56c, and 56d, that is, the central portion of the fuel cell assembly. In other words, the air introduction pipe 22 disposed between the power generation units 56a, 56b, 56c, and 56d has a low temperature so as to open at the position of the opposing case 17 side plate with respect to the center of the opening assembly to the case 17 side plate. A gas supply pipe 18 is provided.

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。 A heat exchanger 24 having a flat plate shape as a whole is disposed on both sides of the housing 2, more specifically, inside the right heat insulating wall 8 and inside the left heat insulating wall 9. Each of the heat exchangers 24 is constituted by a case 26 having a hollow flat plate shape extending substantially vertically.

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。 A partition plate 28 located in the middle in the lateral direction is disposed in the case 26, and the inside of the case 26 is partitioned into a discharge path 30 positioned on the inner side and an inflow path 32 positioned on the outer side. Three partition walls 34 and 36 are arranged in the discharge path 30 at intervals in the vertical direction. More specifically, in the discharge passage 30, the front edge is located rearwardly away from the front wall (not shown) of the case 26, but the rear edge is the rear wall (not shown) of the case 26. And a partition wall 36 whose front edge is connected to the front wall of the case 26 but whose rear edge is spaced forward from the rear wall of the case 26. Are alternately arranged, and thus the combustion gas discharge passage 30 is zigzag-shaped. If desired, a form other than the zigzag flow path may be used.

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。 Similarly, the three partition walls 38 and 40, that is, the front edges thereof are also spaced apart from the front wall (not shown) of the case 26 in the inflow path 32 with a space in the vertical direction. The rear wall is connected to the rear wall (not shown) of the case 26, and the front edge of the partition wall 38 is connected to the front wall of the case 26. The partition walls 40 spaced apart from the front are alternately arranged, and thus the inflow passage 32 is also zigzag-shaped. If desired, a form other than the zigzag flow path may be used.

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。 A discharge opening 42 is formed at the upper end of the inner wall of the case 26, and the discharge path 30 is communicated with the power generation / combustion chamber 12 through the discharge opening 42. In the illustrated embodiment,
A heat insulating member 44 is disposed between each of the heat exchangers 24 and the power generation / combustion chamber 12, and the upper end of the heat insulating member 44 is substantially the same height as the lower edge of the discharge opening 42. The discharge opening 42 is communicated with the power generation / combustion chamber 12 through a space left above the heat insulating member 44.

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。 An inflow opening 48 is formed on the outer side of the upper wall of the case 26, and the inflow path 32 is communicated with the air chamber 16 through the inflow opening 48. The heat exchanger 24 and the inflow opening 48 constitute heated gas supply means. A double cylinder 50 (only the upper end portion thereof is shown in FIG. 1) extending in the vertical direction is disposed behind each of the heat exchangers 24. The double cylinder 50 is an outer cylinder. The member 52 and the inner cylinder member 54 are configured. The lower end of the discharge path 30 is connected to the lower end of the discharge path defined between the outer cylinder member 52 and the inner cylinder member 54, and the lower end of the inflow path 32 is defined in the inner cylinder member 54. Connected to the inflow channel.

而して、図示の燃料電池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。 Thus, the configuration as described above in the illustrated fuel cell is substantially the same as the fuel cell disclosed in the specification and drawings of Japanese Patent Application No. 2003-295790 relating to the applicant's application. The details of the configuration are left to the specification and drawings of the above Japanese Patent Application No. 2003-295790, and the description is omitted in this specification.

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。 Four power generation units 56a, 56b, 56c and 56d are arranged in the lower part of the above-described power generation / combustion chamber. The power generation units 56a, 56b, 56c, and 56d are respectively positioned between the air introduction pipes 22 described above. In other words, the air introduction pipe 22 is disposed between the power generation units 56a, 56b, 56c and 56d. 3 and 4 together with FIGS. 1 and 2, the power generation unit 56a includes a rectangular parallelepiped fuel gas case 58a extending in the front-rear direction (direction perpendicular to the paper surface in FIG. 1). .

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。 A cell stack 60a is mounted on the upper surface of the fuel gas case 58a that defines the fuel gas chamber. The cell stack 60a is configured by arranging a plurality of upright cells 62 extending in the vertical direction in the longitudinal direction of the fuel gas case 58a (that is, in the front-rear direction). As clearly shown in FIG. 5, each cell 62 includes an electrode support substrate 64, a fuel electrode layer 66 that is an inner electrode layer, a solid electrolyte layer 68, an oxygen electrode layer 70 that is an outer electrode layer, and an interconnector 72. Has been.

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。 The electrode support substrate 64 is a plate-like piece that is elongated in the vertical direction, and has both flat surfaces and both sides of a semicircular shape. The electrode support substrate 64 is formed with a plurality (six in the illustrated example) of fuel gas passages 74 penetrating the electrode support substrate 64 in the vertical direction. Each of the electrode support substrates 64 is bonded to the upper wall of the fuel gas case 58a by, for example, a ceramic adhesive having excellent heat resistance.

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。 On the upper wall of the fuel gas case 58a, a plurality of slits (not shown) extending in the left-right direction are formed at intervals in a direction perpendicular to the paper surface in FIG. A fuel gas passage 74 is communicated with the fuel gas chamber according to each of the slits.

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。 The interconnector 72 is disposed on one side of the electrode support substrate 64 (upper surface in the cell stack 60a in FIG. 5). The fuel electrode layer 66 is disposed on the other surface (the lower surface in the cell stack 60a of FIG. 5) and both side surfaces of the electrode support substrate 64, and both ends thereof are joined to both ends of the interconnector 72. The solid electrolyte layer 68 is disposed so as to cover the entire fuel electrode layer 66, and both ends thereof are joined to both ends of the interconnector 72. The oxygen electrode layer 70 is disposed on the main part of the solid electrolyte layer 68, that is, on the portion covering the other surface of the electrode support substrate 64, and is positioned to face the interconnector 72 with the electrode support substrate plate 64 interposed therebetween. Yes.

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。 A current collecting member 76 is disposed between adjacent cells 62 in the cell stack 60a, and connects the interconnector 72 of one cell 62 and the oxygen electrode layer 70 of the other cell 62. Current collecting members 76 are disposed on both ends of the cell stack 60a, that is, on one side and the other side of the cell 62 positioned at the upper end and the lower end in FIG. Electric power extraction means (not shown) is connected to the current collecting members 76 located at both ends of the cell stack 60a. The electric power extraction means is connected to the front heat insulation wall 10 and / or the rear heat insulation wall 11 of the housing 2, or The outer heat insulating wall 6 extends outside the housing 2. If desired, the cell stacks 60a, 60b, 60c and 60d are connected in series with each other by appropriate connection means instead of disposing the power extraction means in each of the cell stacks 60a, 60b, 60c and 60d. Common power extraction means may be provided for the cell stacks 60a, 60b, 60c and 60d.

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。 More specifically about the cell 62, the electrode support substrate 64 is gas permeable to allow fuel gas to permeate to the anode layer 66, and is also conductive to collect current through the interconnector 72. Can be formed from a porous conductive ceramic (or cermet) that satisfies such requirements.

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。 In order to manufacture the cell 62 by co-firing with the fuel electrode layer 66 and / or the solid electrolyte layer 68, it is preferable to form the electrode support substrate 64 from the iron group metal component and the specific rare earth oxide. In order to provide the required gas permeability, it is preferable that the open porosity is in the range of 30% or more, in particular 35 to 50%, and the conductivity is also 300 S / cm or more, in particular 440 C / cm or more. Is preferred.

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。 The fuel electrode layer 66 can be formed of a porous conductive ceramic, for example, ZrO ₂ (referred to as stabilized zirconia) in which a rare earth element is dissolved and Ni and / or NiO.

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。 The solid electrolyte layer 68 has a function as an electrolyte for bridging electrons between electrodes, and at the same time needs to have a gas barrier property in order to prevent leakage between fuel gas and air. In general, it is formed from ZrO ₂ in which ₃ to 15 mol% of a rare earth element is dissolved.

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。 The oxygen electrode layer 70 can be formed of a conductive ceramic made of a so-called ABO ₃ type perovskite oxide. The oxygen electrode layer 70 is required to have gas permeability, and the open porosity is preferably 20% or more, particularly preferably in the range of 30 to 50%.

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。 Although the interconnector 72 can be formed from a conductive ceramic, it needs to have a reduction resistance and an oxidation resistance in order to come into contact with a fuel gas and air that may be hydrogen gas. A perovskite oxide (LaCrO ₃ oxide) is preferably used. The interconnector 72 must be dense in order to prevent leakage of fuel gas passing through the fuel gas passage 74 formed in the electrode support substrate 64 and air flowing outside the electrode support substrate 64, and is 93% or more. In particular, it is desired to have a relative density of 95% or more.

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。 The current collecting member 76 can be composed of a member having an appropriate shape formed of a metal or alloy having elasticity, or a member obtained by adding a required surface treatment to a felt made of metal fiber or alloy fiber.

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。 Continuing the description with reference to FIG. 4, the power generation unit 56 a also includes a reforming case 78 a that is preferably a rectangular shape (or a cylindrical shape) that extends elongated in the front-rear direction above the cell stack 60 a. ing. One end, that is, the upper end of the fuel gas supply pipe 80a is connected to the front surface of the reforming case 78a.

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。 The fuel gas supply pipe 80a extends downward, then curves and extends rearward, and the other end of the fuel gas supply pipe 80a is connected to the front surface of the fuel gas case 58a. One end of a reformed gas supply pipe 82a is connected to the rear surface of the reforming case 78a. The to-be-reformed gas supply pipe 82 a extends downward from the reforming case, and extends under the housing 2 and out of the housing 2.

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。 The to-be-reformed gas supply pipe 82a is connected to a to-be-reformed gas supply source (not shown) which may be a hydrocarbon gas such as city gas, and is connected to the reforming case 78a through the to-be-reformed gas supply pipe 82a. A gas to be reformed is supplied. An appropriate reforming catalyst for reforming the fuel gas into a hydrogen-rich fuel gas is accommodated in the reforming case 78a.

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。 In the illustrated embodiment, the reforming case 78a is connected to the fuel gas case 58a via the fuel gas supply pipe 80a and is held in a required position by this, but if necessary, the two-dot chain line in FIG. For example, an appropriate support member 84a can be provided between the lower surface of the reformed gas supply pipe 82a and the lower surface or rear surface of the rear end portion of the fuel gas case 58a.

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。 Referring to FIG. 3, the power generation unit 56c is substantially the same as the power generation unit 56a described above, and the power generation units 56b and 56d are disposed in the front-rear direction opposite to the power generation units 56a and 56c. Fuel gas supply pipes (not shown) connecting the quality cases 78b and 78d and the fuel gas cases 58b and 58d are arranged on the rear side, and the reformed gas supply pipes 82b and 82d are located downward from the reforming case. It extends under the housing 2 and extends out of the housing 2.

そして、本発明の燃料電池では、図１、図６に示すように、着火用セラミックヒータ８５は、ハウジング壁である右側断熱壁８、熱交換器２４、断熱部材４４を貫通して設けられている。言い換えれば、図１に示したように、セルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ、６０ｄのうち、最も端に存在するセルスタック６０ｄ近傍に、セラミックヒータ８５が設けられている。具体的には、着火用セラミックヒータ８５は、右側断熱壁８、熱交換器２４、断熱部材４４を貫通する筒状容器８６内に収容され、燃料電池セル上方に設けられた改質器７８と燃料電池セル６２との間に位置している。このセラミックヒータ８５は、筒状容器８６を介して外部から着脱可能に設けられている。筒状容器８６の外側には開閉用の外側蓋が配置されており、内部のガスが漏出しないように構成されている。この外側蓋を挿通して外部からセラミックヒータ８５に通電可能に構成されている。 In the fuel cell of the present invention, as shown in FIGS. 1 and 6, the ceramic heater 85 for ignition is provided through the right heat insulating wall 8, the heat exchanger 24, and the heat insulating member 44 that are housing walls. Yes. In other words, as shown in FIG. 1, among the cell stacks 60a, 60b, 60c, and 60d, the ceramic heater 85 is provided in the vicinity of the cell stack 60d that exists at the end. Specifically, the ceramic heater 85 for ignition is housed in a cylindrical container 86 that penetrates the right heat insulating wall 8, the heat exchanger 24, and the heat insulating member 44, and a reformer 78 provided above the fuel cell. It is located between the fuel battery cells 62. The ceramic heater 85 is detachably provided from the outside via a cylindrical container 86. An outer lid for opening and closing is disposed on the outside of the cylindrical container 86 so that the gas inside does not leak out. The ceramic heater 85 can be energized from the outside through the outer lid.

また、セラミックヒータ８５は、例えば、Ｗ、Ｍｏ等からなる発熱体を、アルミナ、炭化珪素、窒化珪素等のセラミックで被覆して構成されている。 The ceramic heater 85 is configured by covering a heating element made of, for example, W, Mo or the like with a ceramic such as alumina, silicon carbide, or silicon nitride.

セラミックヒータ８５は、燃料電池セル６２の近傍、即ち、燃料電池セル６２内を通過して導出される燃料ガスのガス導出方向側に設けられており、燃焼炎に直接曝されない位置に位置している。言い換えれば、セラミックヒータ８５は、燃料電池セルのガス導出方向における延長線Ｌ上から離間した位置に設けられている。 The ceramic heater 85 is provided in the vicinity of the fuel battery cell 62, that is, on the gas outlet direction side of the fuel gas that passes through the fuel battery cell 62 and is not directly exposed to the combustion flame. Yes. In other words, the ceramic heater 85 is provided at a position separated from the extension line L in the gas lead-out direction of the fuel cell.

尚、着火時に、燃料電池セル６２のガス導出側近傍、言い換えると、燃料電池セル内を通過して導出されるガスと燃料電池セル外のガスの混合ガス側に突出するように構成、即ち、セラミックヒータ８５は着火時には燃料電池セル６２のガス導出側近傍に突出するが、着火後は、筒状容器８６内に収容されるように構成することが望ましい。これにより燃
焼ガスへの接触が抑制され、劣化を防止できる。さらに、筒状容器８６の内部側に開閉可能な内側蓋を設け、着火後にはセラミックヒータ８５を収容した状態で筒状容器８６が内側蓋で密閉されるように構成することにより、さらにセラミックヒータ８５の劣化を防止できる。尚、突出可能に形成することなく、当初から燃料電池セルのガス導出側近傍、例えば、燃料電池セル内を通過して導出されるガスと燃料電池セル外部のガスの混合雰囲気中に固定されていても、着火可能である。 In addition, at the time of ignition, it is configured to project in the vicinity of the gas outlet side of the fuel cell 62, in other words, to protrude to the mixed gas side of the gas derived through the fuel cell and the gas outside the fuel cell, that is, The ceramic heater 85 protrudes in the vicinity of the gas outlet side of the fuel cell 62 at the time of ignition, but it is desirable that the ceramic heater 85 be accommodated in the cylindrical container 86 after ignition. Thereby, contact with combustion gas is suppressed and degradation can be prevented. Further, an inner lid that can be opened and closed is provided on the inner side of the cylindrical container 86, and the cylindrical container 86 is sealed with the inner lid in a state in which the ceramic heater 85 is accommodated after ignition. 85 deterioration can be prevented. In addition, without being formed so as to protrude, it is fixed from the beginning in the vicinity of the gas outlet side of the fuel cell, for example, in the mixed atmosphere of the gas led out through the fuel cell and the gas outside the fuel cell. Even it can be ignited.

また、ハウジング内には、図２に示したように、燃料電池セル内を通過して導出されるガスと燃料電池セル外のガスの混合ガスの燃焼を感知する、例えば熱電対等の熱センサ８９が設けられている。この熱センサ８９は、セラミックヒータ８５とほぼ同高さに並設されており、セラミックヒータ８５と同様、右側断熱壁８、熱交換器２４、断熱部材４４を貫通する筒状容器９１内に収容され、外部の制御装置と接続されている。 Further, in the housing, as shown in FIG. 2, for example, a thermal sensor 89 such as a thermocouple that senses combustion of a mixed gas of a gas derived through the inside of the fuel cell and a gas outside the fuel cell. Is provided. The heat sensor 89 is arranged in parallel at almost the same height as the ceramic heater 85 and is housed in a cylindrical container 91 that penetrates the right heat insulating wall 8, the heat exchanger 24, and the heat insulating member 44, as with the ceramic heater 85. And connected to an external control device.

図７は、セラミックヒータの他の配置形態を示すもので、この形態では、セルスタック６０ｄ近傍に、セルスタック６０ｄの上端面よりも、少々高い断熱材９３が並設されており、この断熱材９３の上端面にセラミックヒータ９５が設けられている。このような形態では、燃焼炎にセラミックヒータ９５が直接曝されないため、セラミックヒータ９５の劣化を防止できる。尚、図１に示すような断熱部材４４をセルスタック６０ｄの近傍に配置し、貫通孔を設け、この貫通孔内にセラミックヒータ９５を設けても良い。 FIG. 7 shows another arrangement of ceramic heaters. In this embodiment, a heat insulating material 93 that is slightly higher than the upper end surface of the cell stack 60d is juxtaposed in the vicinity of the cell stack 60d. A ceramic heater 95 is provided on the upper end surface of 93. In such a form, since the ceramic heater 95 is not directly exposed to the combustion flame, deterioration of the ceramic heater 95 can be prevented. 1 may be disposed near the cell stack 60d, a through hole may be provided, and a ceramic heater 95 may be provided in the through hole.

図８は、セラミックヒータのさらに他の配置形態を示すもので、この形態では、燃料電池セル６０ｄ上方の改質器７８ｄの下面、即ち、セルスタック６０ｄとの対向面に、セラミックヒータ９７が配置されている。このような燃料電池でも、確実に着火できる。 FIG. 8 shows still another arrangement form of the ceramic heater. In this form, the ceramic heater 97 is arranged on the lower surface of the reformer 78d above the fuel cell 60d, that is, on the surface facing the cell stack 60d. Has been. Even such a fuel cell can reliably ignite.

尚、上記図１、図６、図７、図８の形態では、セルスタック６０ｄのガス導出側近傍のみにセラミックヒータ８５、９５、９７を設けた例を示したが、セルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃのどのセルスタックの上でもかまわない。また、１個のセラミックヒータだけでなく、複数のセラミックヒータを設けても良い。このような燃料電池では、定常状態では、空気と燃料電池セルを通過した燃料ガスが反応燃焼して燃焼ガスが発生するが、温度が室温などの低い場合、例えば、起動時などでは、燃焼させるために着火源が必要となる。本発明においては、セルスタック６０ｄと改質ケース７８ｄとの間の位置にセラミックヒータ８５、９５、９７を設置し、このセラミックヒータ８５、９５、９７の発熱を燃焼の着火源とするものである。セラミックヒータ８５、９５、９７は１０００℃程度の高温になり、着火源として十分機能する。しかも、作動時に他の機器に影響するようなノイズを発生しないので、燃料電池発電システムの着火源として良好である。また、燃焼した後、着火源は高温の燃焼雰囲気に曝される場合もあるが、セラミックヒータ８５、９５、９７の外郭は高温雰囲気でも耐食性にすぐれたセラミックであるため、長時間高温燃焼ガスに曝されても、材料劣化がほとんどなく寿命が長くなり、結果として燃料電池発電システム自体の寿命が長くなる。万一、セラミックヒータ８５、９５、９７が破損したとしても、例えば、図１、図６の形態では、ハウジングの外部から簡単に脱着・挿入できるので、メンテナンスコストも抑えられる。さらに、予備のセラミックヒータを設けることにより、使用中のセラミックヒータ８５、９５、９７が破損したとしても、予備のセラミックヒータを使用でき、燃料電池の起動をスムーズに行うことができる。 1, 6, 7, and 8, the ceramic heaters 85, 95, and 97 are provided only in the vicinity of the gas outlet side of the cell stack 60 d, but the cell stacks 60 a, 60 b, It can be on any cell stack of 60c. In addition to a single ceramic heater, a plurality of ceramic heaters may be provided. In such a fuel cell, in a steady state, air and the fuel gas that has passed through the fuel cell react and burn to generate combustion gas. However, when the temperature is low such as room temperature, for example, at the time of start-up, the fuel gas is burned. Therefore, an ignition source is required. In the present invention, ceramic heaters 85, 95, 97 are installed between the cell stack 60d and the reforming case 78d, and the heat generated by the ceramic heaters 85, 95, 97 is used as an ignition source for combustion. is there. The ceramic heaters 85, 95, and 97 reach a high temperature of about 1000 ° C. and function sufficiently as an ignition source. Moreover, since noise that affects other devices during operation is not generated, it is a good ignition source for the fuel cell power generation system. In addition, after combustion, the ignition source may be exposed to a high-temperature combustion atmosphere, but the outer shell of the ceramic heaters 85, 95, and 97 is a ceramic that has excellent corrosion resistance even in a high-temperature atmosphere, and therefore, high-temperature combustion gas for a long time. Even when exposed to the above, there is almost no material deterioration and the life is extended, and as a result, the life of the fuel cell power generation system itself is extended. Even if the ceramic heaters 85, 95, and 97 are damaged, for example, in the embodiment shown in FIGS. 1 and 6, since the housing can be easily attached / detached / inserted from the outside, the maintenance cost can be reduced. Furthermore, by providing a spare ceramic heater, even if the ceramic heaters 85, 95, 97 in use are damaged, the spare ceramic heater can be used, and the fuel cell can be started up smoothly.

上述したとおりの燃料電池においては、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。 In the fuel cell as described above, the gas to be reformed is supplied to the reforming cases 78a, 78b, 78c and 78d via the gas to be reformed supply pipes 82a, 82b, 82c and 82d, and the reforming cases 78a and 78b. , 78c and 78d, the fuel gas chamber is defined in the fuel gas cases 58a, 58b, 58c and 58d through the fuel gas feed pipes 80a, 80b, 80c and 80d after being reformed into hydrogen-rich fuel gas. And then to the cell stacks 60a, 60b, 60c and 60d.

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。 In each of the cell stacks 60a, 60b, 60c and 60d, at the oxygen electrode,
1 / 2O ₂ + 2e ⁻ → O ²⁻ (solid electrolyte)
The electrode reaction of
O ²⁻ (solid electrolyte) + H ₂ → H ₂ O + 2e ⁻
The electrode reaction is generated and power is generated.

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セラミックヒータ８５、９５、９７によって点火されて燃焼される。 The fuel gas and air that have flowed upward from the cell stacks 60a, 60b, 60c, and 60d without being used for power generation are ignited by the ceramic heaters 85, 95, and 97 disposed in the power generation / combustion chamber 12 at the time of startup. And burned.

具体的に説明すると、起動時には、セルスタック６０ｄの上方に配置されたセラミックヒータ８５、９５、９７により、セルスタック６０ｄを構成する燃料電池セル、即ち、セル内部を導出される燃料ガスとセル外部を流れる空気の混合ガスに着火され、この後、一定時間後に隣設するセルスタック６０ｃに着火し、その後、一定時間後にセルスタック６０ｂ、さらにその後セルスタック６０ａに順次着火される。即ち、整列した４つのセルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄの一方側から順次着火される。順次着火する方法は、端に設けられたセルスタック６０ｄに着火し、自然着火することも可能であるが、一定時間をおいて確実に着火するには、セルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄにそれぞれ被改質ガスを供給する被改質ガス供給管８２ａ、８２ｂ、８２ｃ、８２ｄによる被改質ガスの供給を一定のタイムラグをおいて供給することが望ましい。 More specifically, at the time of start-up, the ceramic heaters 85, 95, and 97 disposed above the cell stack 60d are used to form the fuel cell constituting the cell stack 60d, that is, the fuel gas led out of the cell and the outside of the cell. After that, the adjacent cell stack 60c is ignited after a certain time, and then the cell stack 60b and then the cell stack 60a are sequentially ignited after a certain time. That is, the four cell stacks 60a, 60b, 60c, and 60d that are aligned are sequentially ignited from one side. The method of sequentially igniting can ignite the cell stack 60d provided at the end and spontaneously ignite, but in order to reliably ignite after a certain time, the cell stacks 60a, 60b, 60c and 60d It is desirable to supply the gas to be reformed by the gas to be reformed supply pipes 82a, 82b, 82c and 82d for supplying the gas to be reformed with a certain time lag.

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７００〜１０００℃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。 As is well known, the power generation / combustion chamber 12 has a high temperature of, for example, about 700 to 1000 ° C. due to power generation in the cell stacks 60a, 60b, 60c and 60d, and also due to combustion of fuel gas and air. . The reforming cases 78a, 78b, 78c and 78d are disposed in the power generation / combustion chamber 12, and are positioned immediately above the cell stacks 60a, 60b, 60c and 60d, and are directly heated by the combustion flame. Thus, the high temperature generated in the power generation / combustion chamber 12 is effectively used for reforming the reformed gas. The combustion gas generated in the power generation / combustion chamber 12 flows into the discharge passage 30 from the discharge opening 42 formed in the heat exchanger 24, and flows through the discharge passage 30 extending in a zigzag shape. 50 is discharged through a discharge passage defined between the outer cylinder member 52 and the inner cylinder member 54. When the combustion gas flows through the discharge path in the double cylinder 50, air flows through the inflow path in the double cylinder 50, and heat exchange is performed between the combustion gas and air.

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。 Further, when the combustion gas is caused to flow in the exhaust passage 30 of the heat exchanger 24 in a zigzag manner, the air is caused to flow in the inflow passage 32 of the heat exchanger 24 in a zigzag manner. Thus, heat is effectively exchanged between the combustion gas and air to preheat the air.

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。 When part or all of the cell stacks 60a, 60b, 60c and 60d deteriorates due to power generation over a long period of time, the front heat insulation wall 10 or the rear heat insulation wall 11 of the housing 2 is detached or opened. Part or all of the power generation units 56 a, 56 b, 56 c and 56 d are taken out from the housing 2.

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５
６ａ、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。 Then, replace some or all of the power generation units 56a, 56b, 56c and 56d with new ones, or only the cell stacks 60a, 60b, 60c and 60d in some or all of the power generation units 56a, 56b, 56c and 56d. May be replaced with a new one and mounted again at a required position in the housing 2. Even when it is necessary to replace the reforming catalyst accommodated in the reforming cases 78a, 78b, 78c and 78d in some or all of the power generation units 56a, 56b, 56c and 56d, the power generation units 56a, 56b , 56c and 56d are removed from the housing 2 to generate a power generation unit 5
The reforming cases 78a, 78b, 78c and 78d in some or all of 6a, 56b, 56c and 56d are replaced with new ones or only the reforming catalysts in the reforming cases 78a, 78b, 78c and 78d are replaced with new ones. do it.

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。 In order to be able to perform the replacement of the reforming catalyst in the reforming cases 78a, 78b, 78c and 78d sufficiently easily, a part of the reforming cases 78a, 78b, 78c and 78d can be opened and closed if desired. It can be put on the door.

さらに、多数回に渡って起動を繰り返すことによってセラミックヒータ８５、９５、９７が劣化した場合には、筒状容器８６の外側蓋を開いて、内部のセラミックヒータ８５、９５、９７を交換することができる。また、熱センサ８９も同様である。 Furthermore, when the ceramic heaters 85, 95, and 97 are deteriorated by repeating the activation many times, the outer lid of the cylindrical container 86 is opened and the ceramic heaters 85, 95, and 97 inside are replaced. Can do. The same applies to the thermal sensor 89.

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。 On the other hand, air is supplied to the inflow path 32 of the heat exchanger 24 through the inflow path defined in the inner cylinder member 54 of the double cylinder 50, and is preheated (heated) through the heat exchanger 24. Is temporarily stored in the air chamber 16 and supplied between the cell stacks of the combustion / power generation chamber 12 through the air introduction pipe 22. At this time, the air introduction pipe 22 passes through the combustion gas atmosphere that burns in the vicinity of the fuel gas passage 74 at the upper end of the fuel cell 62 of the cell stack 60. Accordingly, the preheated air in the air chamber 16 is further heated in the combustion region above the cell stack 60, and the air heated to a high temperature is supplied to the cell.

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が提供される。 During normal operation, air preheated by the heat exchanger 24 is introduced into the air chamber 16, and air is introduced from the air chamber 16 into the combustion / power generation chamber 12 using the air introduction pipe 22. When the temperature rises more than expected, the low-temperature air that has passed through the low-temperature gas supply pipe 18 without passing through the heat exchanger 24 is introduced into the air chamber 16 and preheated through the heat exchanger 24. And the air temperature of the air chamber 16 is reduced to some extent. By supplying this air between the power generation chambers 12, that is, between the cell stacks, air having a lower temperature than that during normal operation is introduced between the cell stacks. Therefore, a good fuel cell capable of appropriately controlling the temperature in the power generation chamber is provided.

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。 Moreover, since the air temperature in the air chamber 16 is mixed with the outside air supplied from the low temperature gas supply pipe 18 and the air preheated through the heat exchanger 24, the air temperature is not as low as room temperature. Even if the fuel cell 60 is supplied to the hot fuel cell 60, it is possible to avoid problems such as cracks and thermal shock destruction of the fuel cell 60, so that the function deterioration of the entire fuel cell power generation system can be suppressed and the life can be extended. .

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。 Furthermore, by supplying the supply of the low temperature gas from the low temperature gas supply pipe 18 toward the central portion of the opening of the air supply pipe 22, the air supply pipe 22 supplies the low temperature gas supply pipe 18 to the central portion of the cell assembly that is most easily heated. The air can be at the lowest temperature, and the temperature can be increased as the distance from the center increases. Thus, an optimum cooling means can be obtained.

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。 The preferred embodiments of the present invention have been described in detail above with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to such embodiments, and various modifications and corrections can be made without departing from the scope of the present invention. It goes without saying that this is possible.

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。 For example, the present invention has been described in relation to a fuel cell assembly having a specific reforming case above the cell stack. However, the present invention can be applied even when the reforming case is not located above the cell stack. I can do it.

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。 Further, in the above embodiment, a case has been described in which low temperature gas supply means is provided in the air chamber and air is supplied to the outer surface of the fuel cell by the air supply pipe. However, the present invention provides the inside of the fuel cell by the air supply pipe. Of course, air may be supplied to the air. In this case, it goes without saying that an air electrode is formed inside the fuel cell and a fuel electrode is formed outside.

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。 Further, in the above embodiment, an example in which the low temperature gas supply means is provided in the air chamber has been described. However, it is of course possible to provide the low temperature gas supply means in the fuel gas chamber and cool the fuel cell with the fuel gas. It is.

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
８５、９５、９７：着火用セラミックヒータ 2: Housing 12: Power generation / combustion chamber 16: Air chamber (gas chamber)
18: Low temperature gas supply pipe 22: Air introduction pipe (gas supply pipe)
24: Heat exchangers 56a, 56b, 56c and 56d: Power generation units 58a, 58b, 58c and 58d: Fuel gas cases 60a, 60b, 60c and 60d: Cell stack 62: Fuel cell 78a, 78b, 78c and 78d: Modified Quality case 85, 95, 97: Ceramic heater for ignition

Claims

A fuel cell comprising a plurality of fuel cells housed in a housing, wherein a gas derived from passing through the fuel cells and a gas outside the fuel cells react and burn, wherein the housing An ignition ceramic heater is accommodated in the ignition heater, and the ignition ceramic heater is directly exposed to a combustion flame of the gas derived near the gas outlet side end of the fuel cell and through the fuel cell. A fuel cell, characterized in that the fuel cell is provided at a position where it is not.

2. The fuel cell according to claim 1, wherein the ignition ceramic heater is provided at a position separated from an extension line in the gas lead-out direction of the fuel cell.

The fuel cell according to claim 1 or 2, wherein a heat insulating material is disposed in the vicinity of the fuel cell, and the ceramic heater for ignition is provided on the heat insulating material.

4. The fuel cell according to claim 1, wherein the ceramic heater for ignition is detachably provided from the outside through a through hole formed in a wall of the housing.

The reformer is provided in the vicinity of the fuel battery cell, and the ceramic heater for ignition is provided between the fuel battery cell and the reformer. A fuel cell according to any one of the above.

The fuel cell according to any one of claims 1 to 5, wherein the ceramic heater for ignition is configured to be able to protrude toward a gas outlet side of the fuel cell at the time of ignition.

The fuel cell according to claim 1, wherein a thermal sensor for detecting combustion is provided in the housing.

8. The fuel cell according to claim 1, wherein a preliminary ignition ceramic heater is provided in the housing.

A fuel cell in which a plurality of cell stacks composed of a plurality of fuel cells are accommodated in a housing, and the gas derived through the fuel cells and the gas outside the fuel cells react and burn A method of operating a fuel cell, characterized in that each cell stack is ignited after a certain time.

The fuel cell operating method according to claim 9, wherein the adjacent cell stacks are sequentially ignited.

The fuel cell operating method according to claim 9 or 10, wherein a plurality of cell stacks are aligned in the housing, and ignition is performed from one side of the aligned cell stacks.

The gas is supplied to each of the plurality of cell stacks, and the gas is supplied to each of the cell stacks at a predetermined time when ignited. A method for operating the fuel cell according to claim 1.

The method for operating a fuel cell according to any one of claims 10 to 12, wherein the fuel cell is ignited by an ignition ceramic heater.