JP2012014921A - 燃料電池装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発電性能を確保しながら、装置のコンパクト化を達成することができる燃料電池装置を提供する。
【解決手段】燃料電池装置は、複数の燃料電池セルにより燃料ガスと発電用空気（酸化剤ガス）が反応して発電する燃料電池セル集合体１２と、発電用空気を供給し且つ燃料電池セル集合体の外側面にこの発電用空気を吹出すための複数の吹出口を備えた発電用空気供給路と、残余の燃料ガスを燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼室１８と、燃焼ガスと発電用空気との間で熱交換を行う熱交換器２２と、を有し、燃料電池セル集合体１２は、ほぼ直方体形状であり、上面と、長辺側面と短辺側面とからなる外側面を有し、発電用空気供給路の複数の吹出口が、燃料電池セル集合体の長辺側面に沿って配置され、熱交換器が、燃料電池セル集合体の短辺側面に沿って配置されている。
【選択図】図１０

Description

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガス（空気）により発電を行う燃料電池装置に関する。

固体電解質型燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell：以下「ＳＯＦＣ」とも言う）は、電解質として酸化物イオン導電性固体電解質を用い、その両側に電極を取り付け、一方の側に燃料ガスを供給し、他方の側に酸化剤ガス（空気、酸素等）を供給して、比較的高温で発電反応を生じさせて発電を行う燃料電池装置である。

この燃料電池装置（ＳＯＦＣ）は、具体的には、燃料ガスと酸化剤ガス（空気、酸素等）とが一端側から他端側へと流れることによって作動する複数の燃料電池セルを備えた燃料電池セル集合体を有し、外部から原料ガスである被改質ガス（都市ガス等）が供給され、その都市ガス等を改質触媒が収められた改質器に導入し、水素リッチな燃料ガスに改質した後に、燃料電池セル集合体へと供給している。

燃料電池装置においては、燃料ガスのうち発電反応に使用されなかった残余の燃料ガスを燃焼させて燃焼ガスとして外部に排出し、一方、燃料ガスと酸化剤ガスの何れか一方を外部ガスとして、燃料電池セル集合体の外部に供給するようになっている。このとき、外部ガスは、燃料電池セルを冷やさないように、出来る限り、高温にすることが望ましい。さらに、燃料電池セル集合体の内部に供給する燃料ガスと酸化剤ガスの他方のガス（内部ガス）も同様に高温にすることが好ましい。

特許文献１には、外部ガスである酸素含有ガス（空気）を燃焼ガスと熱交換して加熱するために、発電・燃焼室の４側面とハウジングとの４側面との間に、燃焼ガス流路と酸素含有ガス流路を配置して、熱交換部を形成した燃料電池装置が提案されている。

特開２００４−３１９４６２号公報

しかしながら、上述した特許文献１に示された従来の燃料電池装置においては、発電・燃焼室から大気へ直接的な放熱を抑制して、排熱を利用して、外部ガスを予熱するようにしたことは、有効であるが、熱交換部が、発電・燃焼室の４側面に形成されているため、装置の幅及び奥行きが大型化してしまうという問題がある。特に、燃料電池装置を家庭用として使用する場合には、燃料電池装置は住宅間の狭いスペースに配置されるので、装置の薄型化が必要となり、このような装置の小型化（コンパクト化）は、燃料電池装置を実用化する際に、重要な解決課題となっている。

そこで、本発明は、従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、発電性能を確保しながら、装置のコンパクト化を達成することができる燃料電池装置を提供することを目的としている。

上記の目的を達成するために、本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスにより発電を行う燃料電池装置において、電気的に接続された複数の燃料電池セルを有し、これらの燃料電池セルにより燃料ガスと酸化剤ガスが反応して発電する燃料電池セル集合体と、燃料ガス又は酸化剤ガスの何れか一方のガスを供給し且つ燃料電池セル集合体の外側面にこのガスを吹出すための複数の吹出口を備えたガス供給路と、燃料ガスのうち発電に使用されなかった残余の燃料ガスを燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼部と、この燃焼部において生成された燃焼ガスと、燃料ガス又は酸化剤ガスの少なくとも何れか一方のガスとの間で熱交換を行う熱交換器と、を有し、燃料電池セル集合体は、ほぼ直方体形状であり、上面と、長辺側面と短辺側面とからなる外側面を有し、ガス供給路の複数の吹出口が、燃料電池セル集合体の長辺側面に沿って配置され、熱交換器が、燃料電池セル集合体の短辺側面に沿って配置されていることを特徴としている。
このように構成された本発明においては、燃料ガス又は酸化剤ガスの何れか一方のガスを供給するガス供給路の複数の吹出口が燃料電池セル集合体の長辺側面に沿って配置されているので、ほぼ直方体形状である燃料電池セル集合体の厚みの薄い方向に燃料ガス又は酸化剤ガスの何れか一方のガスが（外部ガスとして）吹き出され、これにより、燃料電池セルの全てに燃料ガス又は酸化剤ガスの何れか一方のガスを行き渡らせることができる。一方、燃料ガス又は酸化剤ガスの何れか一方のガスを燃料電池セル集合体の短辺側面へ向けて吹き出しても、燃料電池セル集合体の厚みの厚い方向に燃料ガス又は酸化剤ガスの何れか一方のガスが吹き出されるので、燃料電池セルの全てに燃料ガス又は酸化剤ガスの何れか一方のガスを行き渡らせることが困難である。そこで、本発明においては、燃料電池セル集合体の短辺側面に沿って熱交換器を配置するようにした。この結果、本発明によれば、燃料ガス又は酸化剤ガスの何れか一方のガスを燃料電池セルの全てに行き渡らせることにより発電性能を確保しながら、熱交換器の配置を工夫することにより、燃料電池装置のコンパクト化を達成することができる。

本発明において、好ましくは、燃料電池セル集合体は、ケーシングの壁面により覆われており、熱交換器の外側面がケーシングの壁面の少なくとも一部を兼ねている。
燃料電池セル集合体は、長辺側面に沿って配置された吹出口により燃料ガス又は酸化剤ガスの何れか一方のガスが吹き出されるので、長辺側面の近傍の燃料電池セルは冷却され易いが、短辺側面の近傍の燃料電池セルは燃料ガス又は酸化剤ガスの何れか一方のガスが行き渡り難いので冷却され難くなり、その結果、燃料電池セル集合体が、長手方向（長辺側面方向）に沿って温度差が生じ、燃料電池セル集合体が発電性能を十分に発揮できなくなる恐れがある。これに対し、本発明においては、熱交換器の外側面を燃料電池セル集合体を覆うケーシングの壁面の少なくとも一部を兼ねるようにしているので、短辺側面の近傍の燃料電池セルからの熱を熱交換器により奪い易くなり、その結果、燃料電池セル集合体における長手方向に沿って生じる温度差を低減することができる。

本発明において、好ましくは、ガス供給路の吹出口は、燃料電池セル集合体の長辺側面の両側に設けられており、これらの吹出口から燃料電池セル集合体の長辺側面の両側に向かって外部ガスを供給する。
このように構成された本発明においては、長辺側面の両側に設けられた吹出口から燃料電池セル集合体の長辺側面の両側に向かって燃料ガス又は酸化剤ガスの何れか一方のガスを供給するようにしているので、長辺側面の両側から燃料電池セル集合体に吹く付けられた燃料ガス又は酸化剤ガスの何れか一方のガスは、燃料電池セル集合体の内部で緩衝して、短辺側面の方向に流出する。その結果、本発明によれば、燃料電池セル集合体の短辺側面近傍にある燃料電池セルが冷却され、燃料電池セル集合体における長手方向に沿って生じる温度差を低減することができる。

本発明は、好ましくは、更に、熱交換器に燃料ガス又は酸化剤ガスの何れか一方のガスを導入するガス導入管を有し、このガス導入管のガス導入口が燃料電池セル集合体の短辺側面の近傍に設けられている。
このように構成された本発明においては、熱交換器に燃料ガス又は酸化剤ガスの何れか一方のガスを導入するガス導入管のガス導入口が燃料電池セル集合体の短辺側面の近傍に設けられているので、このガス導入口により熱交換器内に導入される燃料ガス又は酸化剤ガスの何れか一方のガスにより、燃料電池セル集合体の短辺側面の近傍の燃料電池セルが効率良く冷却され、これにより、本発明によれば、燃料電池セル集合体における長手方向に沿って生じる温度差を低減することができる。

本発明において、好ましくは、ガス導入管のガス導入口は、熱交換器の燃焼部から遠い側寄りに設けられている。
このように構成された本発明においては、ガス導入管のガス導入口が熱交換器の燃焼部から遠い側寄りに設けられているので、熱交換器において、比較的低温であるガス導入口が設けられた部分が、比較的高温となる燃焼部に近い部分から遠く離れ、これにより、局所的な冷却を防止すると共に、温度差が大きな場合に生じる破損の恐れを防止することができる。

本発明において、好ましくは、熱交換器は、燃料電池セル集合体の上面と短辺側面に亘って設けられている。
このように構成された本発明においては、熱交換器が、燃料電池セル集合体の上面と短辺側面に亘って設けられているので、燃焼ガスと、燃料ガス又は酸化剤ガスの少なくとも何れか一方のガスとが熱交換を行なう距離を長く取ることができ、これにより、燃料ガス又は酸化剤ガスの少なくとも何れか一方のガスを容易に高温にすることができる。

本発明において、好ましくは、熱交換器は、燃焼ガスが流れるほぼ直線状に延びた燃焼ガス流路と、この燃焼ガス流路に対して複数回交差するように燃料ガス又は酸化剤ガスの少なくとも何れか一方のガスの流れをガイドするガイド手段を備えている。
このように構成された本発明においては、熱交換器の燃焼ガス流路がぼぼ直線状に延びるので、流路抵抗が小さくなり、燃焼部から円滑に燃焼ガスを排出して、燃焼を促進する共に、ガイド手段により、燃焼ガス流路に対して複数回交差するように燃料ガス又は酸化剤ガスの少なくとも何れか一方のガスの流れをガイドしているので、熱交換を効率良く行なうことができる。

本発明の燃料電池装置によれば、発電性能を確保しながら、装置のコンパクト化を達成することができる。

本発明の一実施形態による燃料電池装置を示す全体構成図である。 本発明の一実施形態による燃料電池装置のハウジングが外された状態の燃料電池モジュールを示す斜視図である。 本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュールを図２のＡ方向から見た断面図である。 本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュールを図２のＢ方向から見た断面図である。 本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池セルユニットを示す正面図である。 図２に示す燃料電池モジュールから燃料電池セル集合体を覆うケーシングを取り外した状態を示す燃料電池モジュールの斜視図である。 図６に示す燃料電池モジュールにおける蒸発混合器を示す斜視図である。 本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュールの熱交換器を上方から見た概略平面図である。 本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュールの熱交換器を示す概略側面図である。 本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュールを図２のＢ方向から見た概略図である。 本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュールを図２のＡ方向から見た概略図である。 本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュールの燃料電池セル集合体を覆うケーシングの一部及び熱交換器を示す斜視図である。 本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュールの熱交換器に設けられた流路抵抗付与部材（有孔板）の第１例を示す平面図である。 本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュールの熱交換器に設けられた流路抵抗付与部材（有孔板）の第２例を示す平面図である。 本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュールの燃料電池セル集合体を上方から見たときの発電用空気の流れを示す概略図である。

次に、添付図面を参照して、本発明の一実施形態による燃料電池装置である固体電解質型燃料電池（以下「燃料電池装置」又は「ＳＯＦＣ」と言う。）を説明する。
図１は、本発明の一実施形態によるＳＯＦＣを示す全体構成図である。この図１に示すように、本発明の一実施形態によるＳＯＦＣ１は、燃料電池モジュール２と、補機ユニット４を備えている。

燃料電池モジュール２は、ハウジング６を備え、このハウジング６内部には、断熱材（図示せず）を介して密封空間８が形成されている。この密閉空間８の下方部分である発電室１０には、燃料ガスと酸化剤ガス（空気）とにより発電反応を行う燃料電池セル集合体１２が配置されている。
この燃料電池セル集合体１２は、図６に示すように、１０個の燃料電池セルスタック１４を備え、この燃料電池セルスタック１４は、１６本の燃料電池セルユニット１６（図５参照）から構成されている。このように、燃料電池セル集合体１２は、１６０本の燃料電池セルユニット１６を有し、これらの燃料電池セルユニット１６の全てが直列接続されている。

燃料電池モジュール２の密封空間８の上述した発電室１０の上方には、燃焼室１８が形成され、この燃焼室１８で、発電反応に使用されなかった残余の燃料ガスと残余の酸化剤ガス（空気）とが燃焼し、燃焼ガス（排気ガス）を生成するようになっている。
また、この燃焼室１８の上方には、燃料ガス（原料ガス）を改質する改質器２０が配置され、上述した燃焼ガスの燃焼熱によって改質器２０を改質反応が可能な温度となるように加熱している。さらに、この改質器２０の上方には、詳細は後述する、燃焼ガスの熱により外部から導入される酸化剤ガス（発電用空気）を加熱する熱交換器２２が配置されている。

次に、補機ユニット４は、水道等の水供給源２４からの水を貯水してフィルターにより純水とする純水タンク２６と、この貯水タンクから供給される水の流量を調整する水流量調整ユニット２８（モータで駆動される「水ポンプ」等）を備えている。また、補機ユニット４は、都市ガス等の燃料供給源３０から供給された燃料ガスを遮断するガス遮断弁３２と、燃料ガスから硫黄を除去するための脱硫器３６と、燃料ガスの流量を調整する燃料流量調整ユニット３８（モータで駆動される「燃料ポンプ」等）を備えている。さらに、補機ユニット４は、空気供給源４０から供給される酸化剤ガスである空気を遮断する電磁弁４２と、空気の流量を調整する改質用空気流量調整ユニット４４（モータで駆動される「空気ブロア」等）及び発電用空気流量調整ユニット４５（モータで駆動される「空気ブロア」等）と、改質器２０に供給される改質用空気を加熱する第１ヒータ４６と、発電室に供給される発電用空気を加熱する第２ヒータ４８とを備えている。これらの第１ヒータ４６と第２ヒータ４８は、起動時の昇温を効率よく行うために設けられているが、省略しても良い。

次に、燃料電池モジュール２には、排気ガスが供給される温水製造装置５０が接続されている。この温水製造装置５０には、水供給源２４から水道水が供給され、この水道水が排気ガスの熱により温水となり、図示しない外部の給湯器の貯湯タンクへ供給されるようになっている。
また、燃料電池モジュール２には、燃料ガスの供給量等を制御するための制御ボックス５２が取り付けられている。
さらに、燃料電池モジュール２には、燃料電池モジュールにより発電された電力を外部に供給するための電力取出部（電力変換部）であるインバータ５４が接続されている。

次に、図２乃至図４、図６、図７により、本発明の実施形態によるＳＯＦＣの燃料電池モジュール２の内部構造を説明する。図２は本発明の一実施形態による燃料電池装置のハウジング６が取り外された状態の燃料電池モジュール２を示す斜視図であり、図３は本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュール２を図２のＡ方向から見た断面図であり、図４は本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュール２を図２のＢ方向から見た断面図であり、図６は図２に示す燃料電池モジュールから燃料電池セル集合体を覆うケーシングを取り外した状態を示す燃料電池モジュールの斜視図であり、図７は図６に示す燃料電池モジュールにおける蒸発混合器を示す斜視図である。

先ず、図２乃至図４に示すように、燃料電池モジュール２の燃料電池セル集合体１２は、ケーシング５６により、全体が覆われている。ここで、図６に示すように、燃料電池セル集合体１２は、Ｂ方向よりＡ方向の方が長いほぼ直方体形状であり、上面１２ａ、下面１２ｂ、図２のＡ方向に沿って延びる長辺側面１２ｃと、図２のＢ方向に沿って延びる短辺側面１２ｄを備えている。

次に、燃料電池モジュール２内の密封空間８内の最下方部分には、蒸発混合器５８が燃料電池セル集合体１２の長辺側面１２ｃに沿って設けられている。この蒸発混合器５８は、後述するように、燃焼ガスにより加熱して、水を水蒸気にすると共に、この水蒸気と、被改質ガスである燃料ガス（都市ガス）と酸化剤ガスである空気とを混合するためのものである。この蒸発混合器５８の一端側には、図２、図４、図７に示すように、被改質ガス供給管６０と、水供給管６２が接続され、被改質ガス供給管６０は、燃料流量調整ユニット３８及び改質用空気流量調整ユニット４４から、被改質ガス（燃料ガス）及び改質用空気を導入するようになっている。

蒸発混合器５８の他端側には、図４に示すように、燃料供給管６４の下端が接続され、この燃料供給管６４の上端は、改質器２０の上流端に接続され、この燃料供給管６４により、燃料ガスが蒸発混合器５８から改質器２０へ供給されるようになっている。また、改質器２０の下流端には燃料供給管６６の上端が接続され、この燃料供給管６６の下端側６６ａは、燃料ガスタンク６８内に進入して、水平方向に延びている。

燃料ガスタンク６８は、図３及び図４に示すように、燃料電池セル集合体１２の真下に設けられている。また、燃料ガスタンク６８内に挿入された燃料供給管６６の下端側６６ａの外周には、長手方向（Ａ方向）に沿って複数の小穴（図示せず）が形成されており、改質器２０で改質された燃料ガスが、燃料ガスタンク６８内に長手方向に均一に供給されるようになっている。燃料ガスタンク６８に供給された燃料ガスは、後述するように、燃料電池セルユニット１６の内側にある燃料ガス流路８８（図５参照）内に供給され、燃料電池セルユニット１６内を上昇して、燃焼室１８に至るようになっている。

次に、発電用空気を燃料電池モジュール２へ供給するための構造を説明する。先ず、図２乃至４に示すように、改質器２０の上方に、燃料電池モジュール２の燃料電池セル集合体１２の上面１２ａ及び短辺側面１２ｄ（図２及び図４の右側短辺側面）に沿って、上述した熱交換器２２が設けられている。熱交換器２２には、詳細は後述する複数の燃焼ガス配管７０と、この燃焼ガス配管７０の周囲に形成された発電用空気流路７２が設けられている。

なお、本実施形態においては、熱交換器２２は、燃料電池セル集合体１２の上面１２ａ及び右側の短辺側面１２ｄに沿って設けるようにしているが、これに限らず、熱交換器２２を、右側の短辺側面１２ｄのみに沿って設けても良いし、右側及び左側の両方の短辺側面１２ｄのみに沿って設けても良いし、さらに、上面１２ａ及び両側の短辺側面１２ｄに沿って設けるようにしても良い。

熱交換器２２の短辺側面１２ｄに沿って設けられた部分の下端の一端側には、図２に示すように、発電用空気導入管７４の導入口７４ａが取り付けられており、この発電用空気導入管７４により、発電用空気流量調整ユニット４５から、発電用空気が、熱交換器２２内に導入されるようになっている。

また、図４及び図８に示すように、熱交換器２２の上側の他端側には、発電用空気流路７２の出口ポート７２ａが形成され、さらに、図３に示すように、燃料電池モジュール２のケーシング５６の幅方向（Ｂ方向：短辺側面方向）の両側の外側には、発電用空気供給路７６が形成され、上述した発電用空気流路７２の出口ポート７２ａから、発電用空気が供給されるようになっている。この発電用空気供給路７６は、燃料電池セル集合体１２の長手方向（長辺側面１２ｃ方向）に沿って形成され、さらに、その下方側であり且つ燃料電池セル集合体１２の下方側に対応する位置に、発電室１０内の燃料電池セル集合体１２の各燃料電池セルユニット１６に向けて発電用空気を吹き出すための複数の吹出口７８が、長手方向に沿って、等間隔に、形成されている。これらの吹出口７８から吹き出された発電用空気は、各燃料電池セルユニット１６の外側に沿って、下方から上方へ流れるようになっている。

次に、燃料ガスと発電用空気（酸化剤ガス）が燃焼して生成される燃焼ガスを排出するための構造を説明する。上述したように、熱交換器２２内には、燃焼室１８で燃料ガスと発電用空気（酸化剤ガス）が燃焼して生成された燃焼ガスを排出するための複数の燃焼ガス配管７０が設けられている。図４に示すように、これらの燃焼ガス配管７０の下流端側には、燃料電池セル集合体１２の下方に位置し長手方向に延びる燃焼ガス排出室８０が形成され、燃焼ガス配管７０の下端側と燃焼ガス排出室８０が接続されている。なお、この燃焼ガス排出室８０内に、上述した蒸発混合器５８が配置され、この蒸発混合器５８内の燃料ガスが、高温の燃焼ガスにより、長手方向に沿って、加熱されるようになっている。さらに、燃焼ガス排出室８０の下面には、燃焼ガス排出管８２が接続され、燃焼ガスが外部に排出されるようになっている。

次に図５により燃料電池セルユニット１６について説明する。図５は、本発明の一実施形態によるＳＯＦＣの燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。
図５に示すように、燃料電池セルユニット１６は、燃料電池セル８４と、この燃料電池セル８４の上下方向端部にそれぞれ接続された内側電極端子８６とを備えている。
燃料電池セル８４は、上下方向に延びる管状構造体であり、内側（内部）に燃料ガス流路８８を形成する円筒形の内側電極層９０と、円筒形の外側電極層９２と、内側電極層９０と外側電極層９２との間にある電解質層９４とを備えている。この内側電極層９０は、燃料ガスが通過する燃料極であり、（−）極となり、一方、外側電極層９２は、空気と接触する空気極であり、（＋）極となっている。

燃料電池セル１６の上端側と下端側に取り付けられた内側電極端子８６は、同一構造であるため、ここでは、上端側に取り付けられた内側電極端子８６について具体的に説明する。内側電極層９０の上部９０ａは、電解質層９４と外側電極層９２に対して露出された外周面９０ｂと上端面９０ｃとを備えている。内側電極端子８６は、導電性のシール材９６を介して内側電極層９０の外周面９０ｂと接続され、さらに、内側電極層９０の上端面９０ｃとは直接接触することにより、内側電極層９０と電気的に接続されている。内側電極端子８６の中心部には、内側電極層９０の燃料ガス流路８８と連通する燃料ガス流路９８が形成されている。

内側電極層９０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ドとの混合体、の少なくとも一種から形成される。

電解質層９４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。

外側電極層９２は、例えば、Ｓｒ、Ｃａから選ばれた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から選ばれた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から選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンコバルタイト、銀、などの少なくとも一種から形成される。

次に、図２、図８乃至図１４により、熱交換器２２の詳細構造を説明する。図８は本実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュールの熱交換器を上方から見た概略平面図であり、図９は本実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュールの熱交換器を示す概略側面図であり、図１０は本実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュールを図２のＢ方向から見た概略図であり、図１１は本実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュールを図２のＡ方向から見た概略図であり、図１２は本実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュールの燃料電池セル集合体を覆うケーシングの一部及び熱交換器を示す斜視図であり、図１３は本実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュールの熱交換器に設けられた流路抵抗付与部材（有孔板）の第１例を示す平面図であり、図１４は本実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュールの熱交換器に設けられた流路抵抗付与部材（有孔板）の第２例を示す平面図である。

先ず、図２、図８、図９に示すように、熱交換器２２内には、複数の燃焼ガス配管７０は、流路抵抗を小さくするために、ほぼ直線状に延びるように配置されている。さらに、これらの燃焼ガス配管７０が直線状に延びる方向に対して直角方向に延びる複数（具体的には７枚）のガイド板１００が取り付けられている。これらのガイド板１００は、燃焼ガス配管７０の長手方向に沿って、ほぼ等間隔に、千鳥状に配置されている。これらのガイド板１００は、燃焼ガス配管７０を支持する支持部材としても機能している。これらのガイド板１００を設けることにより、発電用空気流路７２は、蛇行した流路となり、発電用空気は、燃焼ガス配管７０と複数回交差して流れるようになっている。

次に、図１０に示すように、熱交換器２２の燃焼ガス配管７０の上流側には、燃焼ガス入口ポート１０２が形成され、燃焼室１８で生成された燃焼ガスが、燃焼室１８より低圧の燃焼ガス入口ポート１０２に向かって、流れるようになっている。本実施形態においては、この燃焼ガス入口ポート１０２と、燃焼室１８との間に、流路抵抗付与部材である有孔板１０４が設けられている。また、この有孔板１０４は、図１２に示すように、ケーシング５６及び熱交換器２２の一部として形成されている。
さらに、本実施形態においては、熱交換器２２の外側面が、燃料電池セル集合体１２を覆うケーシング５６の壁面の少なくとも一部を兼ねている。

この有孔板１０４には、複数の貫通孔１０６が形成されている。この貫通孔１０６の形成位置は、図１１に示すように、改質器２０の上方で且つ改質器２０に対向する位置である。

次に、流路抵抗付与部材である有孔板１０４について、図１３及び図１４により、詳細に説明する。図１３に示すように、第１例である、有孔板１０４は、長手方向に沿って形成された複数の貫通孔１０６、即ち、４個の貫通孔１０６ａ，１０６ｂ，１０６ｃ，１０６ｄが形成されている。これらの貫通孔１０６は、燃焼ガス入口ポート１０２から近いもの（１０６ａ）ほど、開口面積が小さくなり、遠いもの（１０６ｄ）ほど、開口面積が大きくなるように設定されている。これにより、例えば、開口面積が小さい貫通孔１０６ａにおいては、通過する燃焼ガス及び燃料電池セルユニット１６による発電反応に使用されなかった残余の発電用空気に対する流路抵抗が大きくなり、流量が減少し、一方、開口面積が大きな貫通孔１０６ｄにおいては、通過する燃焼ガス及び発電用空気に対する流路抵抗が小さくなり、流量が増大する。

同様に、図１４に示すように、第２例である、有孔板１０４は、長手方向に沿って同一開口面積の貫通孔１０６が複数個形成されている。この第２例においては、燃焼ガス入口ポート１０２から近いほど、貫通孔１０６の数が少なく、遠いほど、貫通孔１０６の数が多くなるように設定されている。これにより、第１例と同様に、燃焼ガス入口ポート１０２から近い貫通孔１０６においては、開口面積の総量が小さくなるので、通過する燃焼ガス及び発電用空気に対する流路抵抗が大きくなり、流量が減少し、一方、燃焼ガス入口ポート１０２から遠き貫通孔１０６においては、開口面積の総量が大きくなるので、通過する燃焼ガス及び発電用空気に対する流路抵抗が小さくなり、流量が増大する。

ここで、上述した流路抵抗付与部材である有孔板１０４を設けた理由を説明する。従来の燃料電池装置においては、このような有孔板は設けられていなかったので、例えば、図１０に示す構造であり且つ有孔板１０４が存在しない装置の場合には、燃焼室１８で生成された燃焼ガス及び発電用空気は、低圧である熱交換器２２の燃焼ガス入口ポート１０２に向けた偏った流れとなり、図１０の右側の場所にある複数の燃料電池セルには、発電用空気が流れ難くなり、その結果、その場所に燃料電池セルユニット１６による発電反応の効率が低下することになる。このように、有孔板を設けない場合には、発電用空気の流れが不均一となり、燃料電池装置の発電効率が低下するといった問題があった。

上述した本実施形態によれば、燃焼室１８と燃焼ガス入口ポート（排出口）１０２との間に、この燃焼ガス入口ポート１０２から近い部分では燃焼ガス入口ポート１０２から遠い部分に比べて、燃焼ガス及び発電用空気（外部ガス）が通過し難くなるようにした有孔板（流路抵抗付与部材）１０４が配置されているので、流路抵抗付与部材が無い場合に生じる、燃焼ガス及び発電用空気の流れが燃焼ガス入口ポート１０２の方向へ指向する指向性が弱められる。その結果、本実施形態によれば、燃焼ガス及び発電用空気が燃焼ガス入口ポート１０２へ向けて偏って流れる（偏流が生じる）ことを防止し、それにより、複数の燃料電池セルへ発電用空気を均一に供給して、燃料電池装置の発電効率を向上させることができる。

次に、上述した本実施形態による燃料電池装置の作用（動作）を説明する。先ず、本実施形態による燃料電池装置においては、発電用空気（酸化剤ガス）を外部ガスとして供給する発電用空気供給路７６の複数の吹出口７８が、燃料電池セル集合体１２の長辺側面１２ｃに沿って配置されているので、ほぼ直方体形状である燃料電池セル集合体１２の厚みの薄い方向（Ｂ方向）に発電用空気（酸化剤ガス）が吹き出され、これにより、燃料電池セル１２の全てに発電用空気（酸化剤ガス）を行き渡らせることができる。一方、発電用空気（酸化剤ガス）を燃料電池セル集合体１２の短辺側面へ向けて吹き出しても、燃料電池セル集合体１２の厚みの厚い方向（Ａ方向）に発電用空気（酸化剤ガス）が吹き出されるので、燃料電池セル１２の全てに発電用空気（酸化剤ガス）を行き渡らせることが困難である。そこで、本実施形態においては、燃料電池セル集合体１２の短辺側面１２ｄに沿って熱交換器２２を配置するようにした。この結果、本実施形態による燃料電池装置によれば、発電用空気（酸化剤ガス）を燃料電池セル８４の全てに行き渡らせることにより発電性能を確保しながら、熱交換器２２の配置を工夫することにより、燃料電池装置のコンパクト化を達成することができる。

次に、本実施形態において、燃料電池セル集合体１２は、長辺側面１２ｃに沿って配置された吹出口７８により発電用空気（酸化剤ガス）が吹き出されるので、長辺側面１２ｃの近傍の燃料電池セル８４は冷却され易いが、短辺側面１２ｄの近傍の燃料電池セル８４は発電用空気（酸化剤ガス）が行き渡り難いので冷却され難くなり、その結果、燃料電池セル集合体１２が、長手方向（長辺側面方向）に沿って温度差が生じ、燃料電池セル集合体１２が発電性能を十分に発揮できなくなる恐れがある。これに対し、本実施形態においては、熱交換器２２の外側面を燃料電池セル集合体１２を覆うケーシング５６の壁面の少なくとも一部を兼ねるようにしているので、短辺側面１２ｄの近傍の燃料電池セル８４からの熱を熱交換器２２により奪い易くなり、その結果、燃料電池セル集合体１２における長手方向に沿って生じる温度差を低減することができる。

次に、本実施形態において、燃料電池セル集合体１２の長辺側面１２ｃの両側に設けられた吹出口７８から燃料電池セル集合体１２の長辺側面１２ｃの両側に向かって発電用空気（酸化剤ガス）を供給するようにしているので、図１５に示すように、長辺側面１２ｃの両側から燃料電池セル集合体１２に吹く付けられた発電用空気（酸化剤ガス）は、燃料電池セル集合体１２の内部で緩衝して、短辺側面１２ｄの方向に流出すると共に上方へ流出する。その結果、本実施形態による燃料電池装置によれば、燃料電池セル集合体１２の短辺側面１２ｄ近傍にある燃料電池セル８４が冷却され、燃料電池セル集合体１２における長手方向に沿って生じる温度差を低減することができる。

次に、本実施形態においては、熱交換器に発電用空気（酸化剤ガス）を導入する発電用空気導入管７４の導入口７４ａが燃料電池セル集合体１２の短辺側面１２ｄの近傍に設けられているので、この導入口７４ａにより熱交換器２２内に導入される発電用空気（酸化剤ガス）により、燃料電池セル集合体１２の短辺側面１２ｄの近傍の燃料電池セル８４が効率良く冷却され、これにより、本実施形態によれば、燃料電池セル集合体１２における長手方向に沿って生じる温度差を低減することができる。

次に、本実施形態においては、発電用空気導入管７４の導入口７４ａが熱交換器の燃焼室１８から遠い側寄りに設けられているので、熱交換器２２において、比較的低温である導入口７４ａが設けられた部分が、比較的高温となる燃焼室１８に近い部分から遠く離れ、これにより、局所的な冷却を防止すると共に、温度差が大きな場合に生じる破損の恐れを防止することができる。

次に、本実施形態においては、熱交換器２２が、燃料電池セル集合体１２の上面１２ａと短辺側面１２ｄに亘って設けられているので、燃焼ガスと発電用空気（酸化剤ガス）とが熱交換を行なう距離を長く取ることができ、これにより、発電用空気（酸化剤ガス）を容易に高温にすることができる。

さらに、本実施形態においては、熱交換器２２の燃焼ガス配管７０がぼぼ直線状に延びるので、流路抵抗が小さくなり、燃焼室１８から円滑に燃焼ガスを排出して、燃焼を促進する共に、ガイド板１００により、燃焼ガス配管７０に対して複数回交差するように発電用空気（酸化剤ガス）の流れをガイドしているので、熱交換を効率良く行なうことができる。

上述した本実施形態による燃料電池装置においては、燃料電池セル集合体１２の燃料電池セル８４の外側に供給される外部ガスは、発電用空気（酸化剤ガス）であり、一方、燃料電池セル８４の内部を流れる内部ガスは、燃料ガスである。しかしながら、本実施形態は、これに限定されず、外部ガスとして、燃料ガスを使用し、一方、燃料電池セル８４の内部を流れる内部ガスとして、発電用空気（酸化剤ガス）を使用するようにしても良い。

さらに、上述した本実施形態による燃料電池装置においては、蒸発混合器５８が燃料電池セル集合体１２の下方に配置されているが、本実施形態は、これに限定されず、蒸発混合器５８を、燃料電池セル集合体１２の短辺側面１２ｄに沿って配置された熱交換器２２内に配置するようにしても良い。この場合には、熱交換器２２内において、外部ガス（燃料ガス又は発電用空気）及び蒸発混合器５８内の燃料ガスの両方が、燃焼ガスにより、加熱される。

１ 燃料電池装置（ＳＯＦＣ）
２ 燃料電池モジュール
６ ハウジング
８ 密封空間
１０ 発電室
１２ 燃料電池セル集合体
１４ 燃料電池セルスタック
１６ 燃料電池セルユニット
１８ 燃焼室
２０ 改質器
２２ 熱交換器
５６ ケーシング
５８ 蒸発混合器
６０ 被改質ガス供給管
６２ 水供給管
６４，６６ 燃料供給管
６８ 燃料ガスタンク
７０ 燃料ガス配管
７２ 発電用空気流路
７２ａ 出口ポート
７４ 発電用空気導入管
７４ａ 導入口
７６ 発電用空気供給路
７８ 吹出口
８０ 燃焼ガス排出室
８２ 燃焼ガス排出管
８４ 燃料電池セル
１００ ガイド板
１０２ 燃焼ガス入口ポート
１０４ 有孔板（流路抵抗付与部材）
１０６ 貫通孔

Claims (7)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスにより発電を行う燃料電池装置において、
   電気的に接続された複数の燃料電池セルを有し、これらの燃料電池セルにより燃料ガスと酸化剤ガスが反応して発電する燃料電池セル集合体と、
   燃料ガス又は酸化剤ガスの何れか一方のガスを供給し且つ上記燃料電池セル集合体の外側面にこのガスを吹出すための複数の吹出口を備えたガス供給路と、
   上記燃料ガスのうち発電に使用されなかった残余の燃料ガスを燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼部と、
   この燃焼部において生成された燃焼ガスと、燃料ガス又は酸化剤ガスの少なくとも何れか一方のガスとの間で熱交換を行う熱交換器と、を有し、
   上記燃料電池セル集合体は、ほぼ直方体形状であり、上面と、長辺側面と短辺側面とからなる外側面を有し、
   上記ガス供給路の複数の吹出口が、上記燃料電池セル集合体の長辺側面に沿って配置され、
   上記熱交換器が、上記燃料電池セル集合体の短辺側面に沿って配置されていることを特徴とする燃料電池装置。
2. 上記燃料電池セル集合体は、ケーシングの壁面により覆われており、上記熱交換器の外側面が上記ケーシングの壁面の少なくとも一部を兼ねている請求項１に記載の燃料電池装置。
3. 上記ガス供給路の吹出口は、上記燃料電池セル集合体の長辺側面の両側に設けられており、これらの吹出口から燃料電池セル集合体の長辺側面の両側に向かって上記外部ガスを供給する請求項１に記載の燃料電池装置。
4. 更に、上記熱交換器に上記燃料ガス又は酸化剤ガスの何れか一方のガスを導入するガス導入管を有し、このガス導入管のガス導入口が燃料電池セル集合体の上記短辺側面の近傍に設けられている請求項１に記載の燃料電池装置。
5. 上記ガス導入管のガス導入口は、上記熱交換器の上記燃焼部から遠い側寄りに設けられている請求項４に記載の燃料電池装置。
6. 上記熱交換器は、上記燃料電池セル集合体の上面と短辺側面に亘って設けられている請求項１に記載の燃料電池装置。
7. 上記熱交換器は、上記燃焼ガスが流れるほぼ直線状に延びた燃焼ガス流路と、この燃焼ガス流路に対して複数回交差するように上記燃料ガス又は酸化剤ガスの少なくとも何れか一方のガスの流れをガイドするガイド手段を備えている請求項６に記載の燃料電池装置。

Images