JP2013033592A

JP2013033592A - 燃料電池組立体

Info

Publication number: JP2013033592A
Application number: JP2011167818A
Authority: JP
Inventors: Kazumasa Marutani; 和正丸谷
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2011-07-29
Filing date: 2011-07-29
Publication date: 2013-02-14

Abstract

【課題】酸素含有ガスである空気の予熱機能を有しつつ、最外筐体の表面からの放熱によるエネルギの損失を抑えることができる燃料電池組立体を提供する。
【解決手段】通気性を有する多孔質セラミックス壁からなる断熱筐体６の内部空間に、発電筐体４を収容し、多孔質セラミックス壁の内壁面と発電筐体４の間に空間を設ける。金属壁からなる金属筐体７４の内部空間に断熱筐体６を収容し、金属壁の内壁面と断熱筐体６の間に空間に設ける。コンプレッサから金属筐体７４の断熱筐体６との間の空間７１に対して空気が供給されると、供給された空気は、多孔質セラミックス壁を厚み方向に透過して取り込まれ、燃料電池セルに供給される。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池セルに燃料ガスと酸素含有ガスとを供給して発電する燃料電池組立体に関する。

次世代エネルギとして、近年、固体高分子形、リン酸形、溶融炭酸塩形および固体電解質形などの種々の形式の燃料電池発電システムが提案されている。特に、固体電解質形燃料電池発電システムは、作動温度が７００〜１０００℃程度と比較的高いが、発電効率が高く、排熱も利用できるなどの利点を有しており、研究開発が推し進められている。

固体電解質形燃料電池発電システムの典型例においては、セルスタック、セルスタックに炭化水素ガスを含む燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段、セルスタックに酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス供給手段、セルスタックの燃焼によって生じる排ガスを排気するための排ガス排気手段、燃料ガスおよび排ガスを燃焼させるための燃焼手段、熱交換手段、燃料ガス中の炭化水素を改質し水素を含む改質ガスを生成する燃料改質手段を具備する固体電解質形燃料電池組立体が備えられている。

このような固体電解質形燃料電池組立体は、燃料ガス供給手段により供給される燃料ガスを燃焼室に設けられた燃料改質手段により改質反応させ、得られた改質ガスと酸素含有ガスとをセルスタックに供給して電気化学反応させて発電する。電気化学反応において未反応の改質ガスと酸素含有ガスを燃焼室にて燃焼させる。この燃焼によって得られる燃焼ガスは高温であり、熱交換手段によって、外部から供給される酸素含有ガスとの間で熱交換される。酸素含有ガスは、セルスタックに供給されるまでの間に熱交換手段によって予熱される。

また固体電解質形燃料電池組立体の起動時には、燃料ガスを燃焼手段によって燃焼させることで固体電解質形燃料電池組立体を作動温度まで昇温させる。

特開２００６−３３１８８１号公報

従来の固体電解質形燃料電池組立体は、熱交換手段において、内側に高温の排ガスを流過させ、熱交換のための壁部を介した外側に低温の酸素含有ガスを流過させることで、熱交換しながらも組立体外表面の温度を低温に保ち、さらに外表面を断熱部材で囲うことにより外部への放熱を抑え、熱エネルギの損失を低減させようとするものである。しかしながら、排ガスとの熱交換によって、下流における酸素含有ガスは、４００〜５００℃にまで温度上昇し、断熱材で覆っていても高温となった酸素含有ガスから外部への放熱は避けられず、熱エネルギの損失が十分に低減できていないという問題がある。

本発明の目的は、酸素含有ガスの予熱機能を有しつつ、最外表面からの放熱によるエネルギの損失を抑えることができる燃料電池組立体を提供することである。

本発明は、水素を含む燃料ガスおよび酸素含有ガスを用いる電気化学反応により発電する燃料電池セルと、
排ガスを排気する排気手段であって、金属壁からなり、当該金属壁の内面との間に第１間隙が設けられるように、前記燃料電池セルが内部空間に配設された第１金属筐体と、前記第１金属筐体の内部空間と外部空間とを連通し、前記第１金属筐体内の排ガスを前記外部空間へと排気する排気部とを有する排気手段と、
前記燃料ガスの供給源から前記燃料電池セルに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記酸素含有ガスの供給源から前記燃料電池セルに酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給手段であって、厚み方向の通気性を有する多孔質セラミックス壁からなり、当該多孔質セラミックス壁の内面との間に第２間隙が設けられるように、前記第１金属筐体が内部空間に配設された断熱筐体と、金属壁からなり、当該金属壁の内面との間に第３間隙が設けられるように、前記断熱筐体が内部空間に配設された第２金属筐体と、前記第３間隙と外部空間とを連通し、前記酸素含有ガスの供給源から前記第３間隙に対して前記酸素含有ガスを供給するための第１供給部と、前記酸素含有ガスの供給源から前記第１供給部を介して前記第３間隙に供給され、前記多孔質セラミックス壁を通過した酸素含有ガスを、前記断熱筐体内から前記燃料電池セルに供給するための第２供給部とを有する酸素含有ガス供給手段と、を備えることを特徴とする燃料電池組立体である。

また本発明は、水素を含む燃料ガスおよび酸素含有ガスを用いる電気化学反応により発電する燃料電池セルと、
排ガスを排気する排気手段であって、金属壁からなり、当該金属壁の内面との間に第１間隙が設けられるように、前記燃料電池セルが内部空間に配設された第１金属筐体と、前記第１金属筐体の内部空間と外部空間とを連通し、前記第１金属筐体内の排ガスを外部空間へと排気する排気部とを有する排気手段と、
前記燃料ガスの供給源から前記燃料電池セルに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記酸素含有ガスの供給源から前記燃料電池セルに酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給手段であって、金属壁からなり、当該金属壁の内面との間に第２間隙が設けられるように、前記第１金属筐体が内部空間に配設された第３金属筐体と、厚み方向の通気性を有する多孔質セラミックス壁からなり、当該多孔質セラミックス壁の内面との間に第３間隙が設けられるように、前記第３金属筐体が内部空間に配設された断熱筐体と、前記断熱筐体の前記第３間隙内を吸気して減圧することで、前記酸素含有ガスを当該多孔質セラミックス壁に通過させ、通過した前記酸素含有ガスを加圧して前記第２間隙内に給気する加減圧手段と、前記第２間隙内に給気された前記酸素含有ガスを前記燃料電池セルに供給するための第２供給部とを有する酸素含有ガス供給手段と、を備えることを特徴とする燃料電池組立体である。

また本発明は、前記断熱筐体の多孔質セラミックス壁の内壁面に接するように設けられる、板状部材からなる抵抗部材であって、厚み方向の通気抵抗が前記多孔質セラミックス壁の厚み方向の通気抵抗よりも高い抵抗部材を備えることを特徴とする。

また本発明は、前記抵抗部材は、金属製の板状部材からなり、厚み方向に貫通する貫通孔が複数設けられることを特徴とする。

本発明によれば、排ガスを外部空間へと排気する排気手段は、第１金属筐体の金属壁の内壁面との間に間隙が設けられるように、燃料電池セルおよび燃焼手段を第１金属筐体の内部空間に配設し、前記間隙を流過する排ガスを排気部によって外部空間へと排気する。

また、酸素含有ガス供給手段は、通気性を有する多孔質セラミックス壁からなる断熱筐体の内部空間に、前記第１金属筐体を配設し、多孔質セラミックス壁の内壁面と第１金属筐体の間に間隙を設け、金属壁からなる第２金属筐体の内部空間に断熱筐体を配設し、金属壁の内壁面と断熱筐体の間に間隙を設ける。酸素含有ガスの供給源から第２金属筐体の前記断熱筐体との間の間隙に対して前記酸素含有ガスが供給されると、供給された酸素含有ガスは、多孔質セラミックス壁内を熱交換しながら厚み方向に透過する。この際、低温で供給された酸素含有ガスの熱交換上流部が前記断熱筐体の外表面に位置することになるので、筐体の外表面の温度と室温（外部温度）との温度差を小さくでき、放熱を効率的に抑制できる。さらに多孔質セラミック壁内の熱交換は、多孔質セラミックス壁の熱伝導率が小さいものの熱伝達面積を３次元的に確保できることから効率的に行われる。

さらに酸素含有ガスは、第１金属筐体の金属壁を介して排気ガスと熱交換して予熱され、燃料電池セルに供給される。このようにして酸素含有ガスを効率的に予熱しつつ、燃料電池組立体の最外表面からの放熱によるエネルギの損失を抑えることができる。

また本発明によれば、燃焼手段で燃焼によって生じた排ガスを外部空間へと排気する排気手段は、第１金属筐体の金属壁の内壁面との間に間隙が設けられるように、燃料電池セルおよび燃焼手段を第１金属筐体の内部空間に配設し、前記空間を流過する排ガスを排気部によって外部空間へと排気する。

また、酸素含有ガス供給手段は、金属壁からなる第３金属筐体の内部空間に第１金属筐体を配設し、当該金属壁の内壁面と第１金属筐体の間に間隙を設け、多孔質セラミックス壁からなる断熱筐体の内部空間に第３金属筐体を配設し、多孔質セラミックス壁の内壁面と第３金属筐体の間に間隙を設ける。断熱筐体の前記第３筐体との間の間隙内が吸気されて減圧され、加圧により前記第３金属筐体の前記第１金属筐体との間の間隙内に給気する。

加減圧手段で減圧されると、酸素含有ガスは、多孔質セラミックス壁内を熱交換しながら厚み方向に透過する。この際、低温で供給された酸素含有ガスの熱交換上流部が前記断熱筐体の外表面に位置することになるので、断熱筐体の外表面の温度と室温（外部温度）との温度差を小さくでき放熱を効率的に抑制できる。さらに多孔質セラミックス壁内の熱交換は、多孔質セラミックス壁の熱伝導率が小さいものの熱伝達面積を３次元的に確保できることから効率的に行われる。

さらに酸素含有ガスは、加圧されて第１金属筐体と第３金属筐体の間隙に供給され、第１金属筐体の金属壁を介して排ガスと熱交換して予熱され、燃料電池セルに供給される。このようにして酸素含有ガスを効率的に予熱しつつ、燃料電池組立体の外表面からの放熱によるエネルギーの損失を抑えることができる。

また本発明によれば、前記断熱筐体の多孔質セラミックス壁の内壁面に接するように板状部材からなる抵抗部材が設けられ、厚み方向に貫通する貫通孔が複数設けられることで、抵抗部材を含めた多孔質セラミックス壁の厚み方向の通気抵抗が、断熱筐体とその内部空間の金属筐体との間に設けられた間隙内の流れ方向の通気抵抗に対し、十分に高くなるように構成される。

これにより、酸素含有ガスは、抵抗部材から均等に噴出し第１金属筐体の金属壁に吹き付けられるので、第１金属筐体の金属壁を介して行われる排気ガスと酸素含有ガスとの熱交換効率を向上させることができる。

本発明の第１実施形態である固体電解質形燃料電池組立体１００の構成を示す概略断面図である。セルスタック３２ａ，３２ｂのスタック構成を示す概略図である。透過抵抗部材７２を示す概略図である。本発明の第２実施形態である固体電解質形燃料電池組立体１０１の構成を示す概略断面図である。

以下、本発明の固体電解質形燃料電池組立体の好適な実施形態を図示した図面を参照して、実施形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の第１実施形態である固体電解質形燃料電池組立体１００の構成を示す概略断面図である。固体電解質形燃料電池組立体（以下では単に「組立体」という）１００は、最も外側に、全体を囲う金属筐体７４（第２金属筐体）を具備し、この金属筐体７４の内部空間に、断熱筐体６と発電筐体４（第１金属筐体）とをさらに具備している。この発電筐体４は、耐熱性金属から構成される。断熱筐体６は、多孔質セラミックス壁からなり、筐体状に形成される。したがって、金属筐体７４の内側に、金属筐体７４の内壁面と間隙を空けて、筐体状の断熱筐体６が設けられ、筐体状の断熱筐体６の内側に、断熱筐体６の内壁面と間隙を空けて、発電筐体４が設けられる。発電筐体４の内部には、セルスタック３２ａ，３２ｂ、ガスタンク３０、改質装置５４、燃焼手段１０が設けられる。

第２金属筐体７４には、第２金属筐体７４と断熱筐体６との間に設けられた空間７１（第３間隙）と外部空間とを連通するための連通路であって、その空間７１に、外部から空気（酸素含有ガス）を取り込むための取込部２６が設けられる。取込部２６は、たとえばコンプレッサなどの空気を加圧して空間７１に供給することができる加圧装置に接続される。

断熱筐体６は、多孔質セラミックス壁からなる板状部材が組み合わされて筐体状に形成されており、多孔質セラミックス壁は、厚み方向に通気性を有するものである。空間７１に供給された空気は、所定の圧力に加圧され、断熱筐体６を厚み方向に通過して断熱筐体６と発電筐体４との間の空間７０（第２間隙）に供給される。発電筐体４の内部に設けられたセルスタック３２ａ，３２ｂへ空気を供給するための供給路１（第２供給部）が、空間７０と連通し、空間７０に供給された空気は、この供給路１を通ってセルスタック３２ａ，３２ｂに供給される。

一方で、燃料ガスは、図示しない配管などを通って、改質装置５４に供給され、改質装置５４内で改質反応によって水素含有ガスに改質される。改質装置５４は、ガスタンク３０に図示しない配管などによって接続され、ガスタンク３０からセルスタック３２ａ，３２ｂに、改質された水素含有ガスが供給される。

セルスタック３２ａ，３２ｂでは、酸素含有ガスである空気と、改質された水素含有ガスとを用いた電気化学反応により発電する。この電気化学反応で未反応の酸素含有ガスおよび水素含有ガスは、排ガスとして排気するが、そのまま排気するのではなく、未反応の酸素および水素を燃焼手段１０で燃焼させたのちに外部に排気する。

セルスタック３２ａ，３２ｂおよびガスタンク３０は、断熱材層８によって外表面が覆われており、断熱材層８と発電筐体４の内壁面との間には、空間１４（第１間隙）が形成される。この空間１４は、燃焼手段１０と連通するとともに、排気管２４を介して、外部空間にも連通する。燃焼された排ガスは、燃焼手段１０から空間１４を流過し、排気管２４を通って外部空間へと排気される。

このとき、空間１４を流過する排ガスと、空間７０を流過する空気とは発電筐体４の壁部を介して熱交換を行い、燃焼によって温度が上昇した排ガスから、空気への熱移動が生じて、空気が加熱される。予め加熱された空気が、供給路１を通ってセルスタック３２ａ，３２ｂに供給されるので、外部からの空気の供給によってセルスタック３２ａ，３２ｂの温度が低下することを抑えることができる。

また、空気の外部空間からの取り込みは、断熱筐体６の壁部全体の外表面から内部に向かう空気の流れによるので、熱交換によって供給される空気の温度が上昇したとしても、断熱筐体６の外表面の温度上昇を抑えることができるので、酸素含有ガスである空気の予熱を行っても、この加熱された空気の放熱による熱エネルギの損失を抑えることができる。

以下では、さらに第１実施形態の組立体１００について、各構成を詳細に説明する。
断熱材層８と発電筐体４との間の空間１４は、燃焼手段１０で燃焼された排ガスが流過する流路（以下では「排ガス流路１４」ともいう）であり、排ガス流路１４は発電筐体４の２側面と上下面の計４面に沿って延在している。また、発電筐体４と断熱筐体６との間の空間７０は、酸素含有ガスである空気が流過する流路（以下では「空気流路７０」ともいう）であり、空気流路７０は、排ガス流路１４の外側を、発電筐体４の壁部を介して隣接し、２側面と上下面の計４面に沿って延在している。排ガス流路１４と空気流路７０とは熱交換部を構成する。排ガス流路１４の下部において、その中央から外部空間に延びる排気管２４は、適宜の配管部材から形成することができる。

ガスタンク３０に接続され、外部から供給される燃料ガスを改質反応させるためのガス改質装置５４は、断面が四角形状の中空ダクト部材から構成されている。かかる中空ダクト部材の内部に、たとえば都市ガス、天然ガスなど炭化水素ガスを含む燃料ガスを改質して水素を発生させるための改質触媒が収容されている。収容される改質触媒は、公知のものを用いることができる。

図２は、セルスタック３２ａ，３２ｂのスタック構成を示す概略図である。セルスタック３２ａ，３２ｂの各々は、鉛直方向、すなわち図１においては、紙面向かって上下方向、図２においては、紙面に垂直な方向に細長く延在するセル３４を、図１においては、紙面に垂直な方向、図２においては、紙面向かって上下方向に複数個（図２に示す例では９個）配置して構成されている。図２に示すように、セル３４の各々は電極支持基板３６、内側電極層である燃料極層３８、固体電解質層４０、外側電極層である酸素極層４２、およびインターコネクタ４４から構成されている。図１に示すように、セルスタック３２ａおよび３２ｂを構成するセル３４は発電筐体４の略中間部に配設されている。

電極支持基板３６は、鉛直方向に細長く延びる板状片であり、平坦な２主面と半円形状の２側面を有する。電極支持基板３６には、これを鉛直方向に貫通する複数個（図２に示す例では６個）のガス通路４６が形成されている。セルスタック３２ａ，３２ｂの各々はガスタンク３０の壁上に、例えば耐熱性に優れたガラスやセラミック等からなる接着剤によって接合される。具体的には、ガスタンク３０の上壁には開口部が形成されており、この開口部にセルスタック３２ａ，３２ｂの一端部が挿入された状態で接着剤によって接合される。電極支持基板３６の各々に形成されているガス通路４６は、ガスタンク３０内に連通している。

インターコネクタ４４は、電極支持基板３６の１つの主面（図２に示すセル３４では紙面向かって上側の主面）上に配設されている。燃料極層３８は電極支持基板３６のもう１つの主面（図２に示すセル３４では下側の主面）およ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４４の両端に接合されている。固体電解質層４０は燃料極層３８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４４の両端に接合されている。酸素極層４２は、固体電解質層４０の主部上、すなわち電極支持基板３６の他方主面を覆う部分上に配置され、電極支持基板３６を挟んでインターコネクタ４４に対向して位置している。

セルスタック３２ａ，３２ｂの各々における隣接するセル３４同士の間には集電部材４８が配設されており、隣接するセル３４の一方のセル３４のインターコネクタ４４と他方のセル３４の酸素極層４２とを電気的に接続している。セルスタック３２ａ、３２ｂの各々において両端、すなわち図２において上端および下端に位置するセル３４にも集電部材４８が配設されている。

そして、セルスタック３２ａ，３２ｂの一方端（図２において下端）に配設されたセル３４は、導電部材５０によって接続されている。さらに、セルスタック３２ａの他方端（図２において上端）に配設されたセル３４には導電部材５０が接続され、セルスタック３２ｂの一方端（図２において上端）に配設されたセル３４にも導電部材５０が接続されている。このようにして、全てのセル３４が電気的に直列接続される。

セル３４についてさらに詳述すると、電極支持基板３６は、燃料ガスを燃料極層３８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４４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またはサーメットによって形成することができる。

燃料極層３８および固体電解質層４０との同時焼成により電極支持基板３６を製造する場合に、鉄属金属成分と特定希土類酸化物とから電極支持基板３６を形成することが好ましい。所望のガス透過性を備えるために、開気孔率が２５％以上、特に２５〜５０％の範囲にあるのが好適であり、そして導電率は３００Ｓ／ｃｍ以上、特に４４０Ｓ／ｃｍ以上であるのが好ましい。燃料極層３８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（安定化ジルコニアと称されている）とＮｉまたはＮｉＯの少なくとも１つとから形成することができる。固体電解質層４０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ともに、燃料ガスと酸素含有ガス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る。固体電解質層４０は、たとえば、３〜１５モル％の希土類元素が固溶したＺｒＯ_２から形成されている。酸素極層４２は所謂ＡＢＯ_３型のペロブスカイト型酸化物からなる導電製セラミックから形成することができる。酸素極層４２はガス透過性を有していることが必要であり、開気孔率が２０％以上、特に３０〜５０％の範囲にあることが好ましい。インターコネクタ４４は導電性セラミックから形成することができるが、水素含有ガスおよび酸素含有ガスと接触するため、耐還元性および耐酸化性を有することが必要である。

このような特性を備える必要があることから、インターコネクタ４４としては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４４は電極支持基板３６に形成された燃料通路４６を通る燃料ガスおよび電極支持基板３６の外側を流動する酸素含有ガスのリークを防止するために緻密質でなければならず、９３％以上、特に９５％以上の相対密度を有していることが望まれる。集電部材４８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。導電部材５０は適宜の金属又は合金から形成することができる。なお、本形態では、セル３４の形状は限定されるものではなく、円筒状、平板状、中空平板状などの形状のものを使用できる。

上述したとおり組立体１００においては、燃料ガス供給源から適宜の配管を介して都市ガスなどの燃料ガスが、改質装置５４に隣接して具備される燃料ガス加湿装置へ送給され、送給された燃料ガスは、燃料ガス加湿装置にて加湿された後、燃料ガス改質装置５４内に導入される。燃料ガス改質手段５４内で水素を含む改質ガスに改質された後、適宜の配管手段を介してガスタンク３０内に進入する。次いで、セル３４の各々の電極支持基板３６に形成されているガス通路４６の下端に導入され、ガス通路４６を流れる。

酸素含有ガス供給源は、取込部２６を介して酸素含有ガス、たとえば空気を送給する。取込部２６に送給された酸素含有ガスは、金属筐体７４と断熱筐体６との間に設けられた空間７１（以下では「空気供給空間７１」ともいう）に充満した後、断熱筐体６を厚み方向に通過して空気流路７０内に進入する。しかる後に、供給路１を通って、セル３４の各々に供給される。

各々のセル３４においては、酸素極層４２で下記式（１）の電極反応が生じ、また燃料極層３８では下記式（２）の電極反応が生じて発電される。
酸素極：１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２−（固体電解質） …（１）
燃料極：Ｏ^２−（固体電解質）＋Ｈ_２→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻ …（２）

セル３４において、電極反応に使用されなかった燃料ガスおよび空気は、燃焼手段１０へと排出される。燃焼手段１０は、加熱ヒータ、バーナーなどの着火装置を備えており、排ガスとなった燃料ガスは、着火装置によって着火され、燃焼する。排ガスの燃焼によって、燃焼手段１０は、例えば１０００℃程度の高温になる。

燃焼手段での燃料ガスの燃焼によって生じた燃焼ガスは、排ガスとして、排ガス流路１４に排出され、排ガス流路１４を通って排気管２４に至り、排気管２４から発電筐体４の外部へと排気される。なお、燃料ガスが、燃焼しないものであってもよい。

取込部２６を介して取り込まれた低温（室温）の酸素含有ガスは、断熱筐体６を通過する際の気体透過抵抗が、空気供給空間７１内および空気流路７０内の気体通気抵抗に比べて充分に大きくなるように、断熱筐体６の材質、空気供給空間７１内および空気流路７０の大きさを調整する。たとえば、断熱筐体６を厚み方向に透過する気体の透過抵抗に対して、空気供給空間７１内および空気流路７０内を流過する気体の通気抵抗を１／１０以下となるように設定することが好ましい。

断熱筐体６は、上記のように多孔質セラミックス壁からなり、たとえば、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２を主成分とするセラミックス材料などを用いることができる。多孔質セラミックス壁の熱伝導率は、０．１Ｗ／ｍ・Ｋ以下が好ましく、より好ましくは０．０１Ｗ／ｍ・Ｋ以下である。

セルスタック３２ａ，３２ｂおよび燃焼手段１０で発生した熱は、高温側から低温側、すなわち中央から外側へと移動しようとする。筐体状の断熱筐体６では、多孔質セラミックス壁を内側から外側へ向かって厚み方向に熱伝導により熱が移動するが、これと対向するように多孔質セラミックス壁内を通過する空気で、移動する熱を回収する。この熱回収を低温で供給される空気の予熱に再利用することで、供給される空気の熱交換の上流部となる断熱筐体６外表面の温度を低温に保つことができる。このため燃料電池組立体の全外表面にわたって、表面温度と室温（外部温度）との温度差を小さくでき、放熱によるエネルギの損失を低減することができる。

図３は、透過抵抗部材７２を示す概略図である。透過抵抗部材７２は、断熱筐体６の空気流路７０側内壁面に設けられる金属製の板状部材である。透過抵抗部材７２には、厚み方向に貫通する貫通孔７３が、面方向に一様に分布するように設けられる。図３に示す例では、貫通孔７３は、縦方向および横方向にそれぞれ一定間隔で設けているが、これに限らず、千鳥状に設けてもよい。

透過抵抗部材７２は、これを含めた多孔質セラミックス壁の厚み方向の通気抵抗が、断熱筐体６とその内部空間の金属筐体４２との間に設けられた間隙内の流れ方向の通気抵抗に対し、十分に高くなるように構成されることによって、透過抵抗部材７２の全面にわたって均等に空気を噴出させることができる。また、噴出した空気は、透過抵抗部材７２に対向する発電筐体４の外壁面に吹き付けられ、この外壁面における熱交換効率を向上させることができる。

さらに、透過抵抗部材７２を金属製とすることで、発電筐体４の外壁面から透過抵抗部材７２への輻射による伝熱量を高め、断熱筐体６を透過してくる空気との熱交換量を積極的に高めることにより、空気の温度をさらに上昇させることができる。

図４は、本発明の第２実施形態である固体電解質形燃料電池組立体１０１の構成を示す概略断面図である。

第１実施形態では、断熱筐体６の外側から空気を加圧して厚み方向に透過させる構成であったが、第２実施形態では、最も外側の金属筐体７４を用いず吸引により空気を取り込む構成とする。第１実施形態と異なる構成は、上記のように金属筐体７４を用いないことと、断熱筐体６と発電筐体４との間に、金属筐体２（第３金属筐体）を設けることである。断熱筐体６と金属筐体２との間に空間７５（第３間隙）を設け、この空間７５を減圧することにより断熱筐体６の外側にある外気を、断熱筐体６を厚み方向に透過させて取り込むことができる。なお、第２実施形態において、第１実施形態と同一の構成については、同じ参照符号を付して説明は省略する。

減圧により外気を吸引するための空間７５（以下では「減圧空間７５」ともいう）は、加減圧手段であるコンプレッサ３１によって内部の空気を吸引して減圧する。したがって、断熱筐体６は、コンプレッサ３１の吸気口と接続するための吸引部７６を備える。吸引部７６は、管状部材からなり、コンプレッサ３１と減圧空間７５とを連通させる。

また、金属筐体２と発電筐体４との間にも空間１６（第２間隙）が設けられ、コンプレッサ３１で吸引された空気は、この空間１６に排出される。コンプレッサ３１から排出された空気が排気される空間１６は、空気をセルスタック３２ａ，３２ｂに供給するための供給路（以下では「空気供給路１６」ともいう）として、第１実施形態の空気流路７０と同様の機能を有する。金属筐体２には、コンプレッサ３１の排気口と接続するための給気部７７を備える。給気部７７は、管状部材からなり、コンプレッサ３１と減圧空間７５とを連通させる。

発電筐体４およびその内部空間に収容されるセルスタック３２ａ，３２ｂ、ガスタンク３０、燃焼手段１０、改質装置５４などは第１実施形態と同様の構成である。したがって、発電筐体４の内部には、排ガス流路１４が形成されており、燃焼手段１０で生じた排ガスは、この排ガス流路１４を流過し、排気管２４から発電筐体４の外部へと排気される。

空気供給路１６を流過する空気は、発電筐体４の壁部を介して排ガス流路１４を流過する排ガスと熱交換し、空気が加熱されて予熱が行われる。

本実施形態では、コンプレッサ３１の吸引により酸素含有ガスとして外気を取り込むので、断熱筐体６で予熱された後の酸素含有ガスが、筐体外のコンプレッサ３１を通過することによるエネルギ損失が発生してしまうが、第１実施形態のような最も外側の金属筐体７４が不要であるので、組立体１０１全体の大きさは第１実施形態の組立体１００に比べて小さくすることができ、燃料電池の設置面積を小さくすることができる。

２，７４金属筐体
４発電筐体
６断熱筐体
１０燃焼手段
３１コンプレッサ
３４セル
５４改質装置
７２透過抵抗部材
１００固体電解質形燃料電池組立体

Claims

水素を含む燃料ガスおよび酸素含有ガスを用いる電気化学反応により発電する燃料電池セルと、
排ガスを排気する排気手段であって、金属壁からなり、当該金属壁の内面との間に第１間隙が設けられるように、前記燃料電池セルが内部空間に配設された第１金属筐体と、前記第１金属筐体の内部空間と外部空間とを連通し、前記第１金属筐体内の排ガスを前記外部空間へと排気する排気部とを有する排気手段と、
前記燃料ガスの供給源から前記燃料電池セルに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記酸素含有ガスの供給源から前記燃料電池セルに酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給手段であって、厚み方向に通気性を有する多孔質セラミックス壁からなり、当該多孔質セラミックス壁の内面との間に第２間隙が設けられるように、前記第１金属筐体が内部空間に配設された断熱筐体と、金属壁からなり、当該金属壁の内面との間に第３間隙が設けられるように、前記断熱筐体が内部空間に配設された第２金属筐体と、前記第３間隙と外部空間とを連通し、前記酸素含有ガスの供給源から前記第３間隙に対して前記酸素含有ガスを供給するための第１供給部と、前記酸素含有ガスの供給源から前記第１供給部を介して前記第３間隙に供給され、前記多孔質セラミックス壁を通過した酸素含有ガスを、前記断熱筐体内から前記燃料電池セルに供給するための第２供給部とを有する酸素含有ガス供給手段と、を備えることを特徴とする燃料電池組立体。
水素を含む燃料ガスおよび酸素含有ガスを用いる電気化学反応により発電する燃料電池セルと、
排ガスを排気する排気手段であって、金属壁からなり、当該金属壁の内面との間に第１間隙が設けられるように、前記燃料電池セルが内部空間に配設された第１金属筐体と、前記第１金属筐体の内部空間と外部空間とを連通し、前記第１金属筐体内の排ガスを前記外部空間へと排気する排気部とを有する排気手段と、
前記燃料ガスの供給源から前記燃料電池セルに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記酸素含有ガスの供給源から前記燃料電池セルに酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給手段であって、金属壁からなり、当該金属壁の内面との間に第２間隙が設けられるように、前記第１金属筐体が内部空間に配設された第３金属筐体と、厚み方向の通気性を有する多孔質セラミックス壁からなり、当該多孔質セラミックス壁の内面との間に第３間隙が設けられるように、前記第３金属筐体が内部空間に配設された断熱筐体と、前記断熱筐体の前記第３間隙内を吸気して減圧することで、前記酸素含有ガスを当該多孔質セラミックス壁に通過させ、通過した前記酸素含有ガスを加圧して前記第２間隙内に給気する加減圧手段と、前記第２間隙内に給気された前記酸素含有ガスを前記燃料電池セルに供給するための第２供給部とを有する酸素含有ガス供給手段と、を備えることを特徴とする燃料電池組立体。
前記断熱筐体の多孔質セラミックス壁の内壁面に接するように設けられる、板状部材からなる抵抗部材であって、厚み方向の通気抵抗が前記多孔質セラミックス壁の厚み方向の通気抵抗よりも高い抵抗部材を備えることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池組立体。
前記抵抗部材は、金属製の板状部材からなり、厚み方向に貫通する貫通孔が複数設けられることを特徴とする請求項３記載の燃料電池組立体。