JP2017139169A - 燃料電池装置 - Google Patents

Abstract

【課題】加熱による劣化を伴うことなく、セルスタックの端部と中央部とにおける温度差を抑制することが可能な燃料電池装置を提供する。【解決手段】ケーシング１０は、セルスタックＣＳの端部と対向配置される端部側流路である第２流路３１１ｂと、端部側流路よりも中央部寄りの位置でセルスタックＣＳと対向配置される中央部側流路である第３流路３１１ｃと、を有する。第２流路３１１ｂを流れる流体の流速は、第３流路３１１ｃを流れる流体の流速よりも小さい。【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池装置に関する。

燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて電気化学反応を生じさせ、電力を発生させる燃料電池装置の研究開発が進められている。その発電効率は非常に高く、また、発電に伴って排出するガスは環境への影響が小さいことから、燃電池装置は次世代の発電装置として注目されている。

このような燃料電池装置では、単セル等と称される発電素子を多数用いてセルスタックを構成することが一般的となっている。各単セルの発電量は微小であるが、多数の単セルを電気的に直列に接続することにより、セルスタック全体では大きな電力を発生させることが可能となる。セルスタックを構成する単セルの数が多いほど、セルスタックが発電可能な電力は大きい。

燃料電池装置の動作時、セルスタックは、電気化学反応の反応熱に伴って昇温する。このため、単セルを多数用いて構成することによってセルスタックが大型化すると、セルスタック内において温度差が生じることがある。すなわち、セルスタックの中央部は、端部と比較して外部に放熱し難いため、端部よりも高温となることがある。セルスタック内において生じるこのような温度差は、セルスタックの発電性能の低下を招く。

このような課題に対し、下記特許文献１では、セルスタック内の温度を均一にするための手段を備えた燃料電池装置が提案されている。詳細には、当該燃料電池装置は、セルスタックと対向する端部にバーナーを備えている。セルスタックの端部がバーナーによって加熱されて昇温することにより、セルスタック内における温度差が抑制される。

特開２００８−２１８２７７号公報

上記特許文献１に記載の燃料電池装置では、セルスタック内の温度差を抑制するために外部から加熱を行うことにより、セルスタックが過度に昇温するおそれがあった。セルスタックが過度に昇温すると、単セルを構成している金属材料の劣化が進行し、セルスタックの寿命が短くなってしまう。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、加熱による劣化を伴うことなく、セルスタックの端部と中央部とにおける温度差を抑制することが可能な燃料電池装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る燃料電池装置は、燃料電池装置（ＦＣ，ＦＣＡ）であって、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給され、電力を発生させるセルスタック（ＣＳ）と、前記セルスタックを収容するケーシング（１０）と、を備える。前記ケーシングは、前記セルスタックの端部と対向配置される端部側流路（３１１ｂ）と、前記端部側流路よりも中央部寄りの位置で前記セルスタックと対向配置される中央部側流路（３１１ｃ）と、を有する。前記端部側流路を流れる流体の流速は、前記中央部側流路を流れる流体の流速よりも小さい。

上記構成によれば、セルスタックは、セルスタックと対向配置される端部側流路及び中央部側流路を流れる流体によって冷却される。詳細には、端部側流路及び中央部側流路の壁面は、発電に伴い高温になったセルスタックから輻射熱が伝達されて昇温するが、端部側流路及び中央部側流路を流れる流体がこれらの壁面から熱を奪う。この結果、端部側流路及び中央部側流路の壁面を介して、セルスタックが流体によって冷却される。

端部側流路を流れる流体の流速は、中央部側流路を流れる流体の流速よりも小さい。したがって、端部側流路における壁面と流体との間の熱伝達係数は、中央部側流路における壁面と流体との間の熱伝達係数よりも小さくなる。これにより、セルスタックの中央部と比べて温度が低くなる傾向がある端部では、流体による冷却を中央部寄りの位置と比べて緩和することができる。この結果、加熱による劣化を伴うことなく、セルスタックの端部と中央部とにおける温度差を抑制することが可能となる。

本発明によれば、加熱による劣化を伴うことなく、セルスタックの端部と中央部とにおける温度差を抑制することが可能な燃料電池装置を提供することができる。

第１実施形態に係る燃料電池装置の内部を示す模式図である。 図１に示される燃料電池装置におけるガス及び水の流れを示す説明図である。 図１に示される燃料電池装置における輻射熱の伝達を示す説明図である。 第２実施形態に係る燃料電池装置の内部を示す模式図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。

図１に示されるように、第１実施形態に係る燃料電池装置ＦＣは、セルスタックＣＳと、ケーシング１０と、燃料ガス供給部２０と、第１空気供給部３１と、第２空気供給部３２と、燃焼部４０と、燃焼ガス排出部５０と、を備えている。まず、図１を参照しながら、セルスタックＣＳ及びケーシング１０の構成について説明する。

セルスタックＣＳは、複数の単セルＣを上下方向に積層させることによって構成されている。図１では、一部の単セルＣのみを図示している。各単セルＣは、固体酸化物形燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell：ＳＯＦＣ）であり、電極として正極（アノードまたは燃料極とも言い、Ａｎとも記す）と負極（カソードまたは空気極とも言い、Ｃａとも記す）と、を有している。複数の単セルＣは、全て電気的に直列に接続されている。各単セルＣの正極及び負極は、いずれも導電性セラミックスで形成されている。正極と負極との間には、イオン伝導性を有する固体電解質が設けられている。セルスタックＣＳは、ベースプレートＢＰ上に立設されている。

ケーシング１０は、セルスタックＣＳを収容する筐体である。ケーシング１０は、第１筒状体１０１と、第２筒状体１０２と、第３筒状体１０３と、第４筒状体１０４と、第５筒状体１０５と、下部筒状体１０８と、を有している。第１筒状体１０１、第２筒状体１０２、第３筒状体１０３、第４筒状体１０４、第５筒状体１０５及び下部筒状体１０８は、いずれも金属製で略円筒状に形成されており、それぞれの中心軸が同軸となるように配置されている。

第１筒状体１０１は、上端を塞ぐ天板部１０１ａと、円筒状の円筒部１０１ｂと、を有している。第１筒状体１０１は、ベースプレートＢＰ上に立設されたセルスタックＣＳをその内部に収容しており、その下端がベースプレートＢＰ上に当接して固定されている。円筒部１０１ｂの下部には、後述する第１空気供給部３１の吹出口３１３が形成されている。

第２筒状体１０２は、円筒状に形成され、その下端がベースプレートＢＰ上に当接して固定されている。第２筒状体１０２は、円筒部１０１ｂの外側面と所定の距離を保つように、円筒部１０１ｂを覆っている。これにより、第２筒状体１０２の内側面と円筒部１０１ｂの外側面との間に隙間が形成されている。この隙間は、後述する空気流路３１１の第３流路３１１ｃとなる。

第３筒状体１０３は、その上端から下端まで径がほぼ一様の筒状に形成されている。第３筒状体１０３は、第２筒状体１０２の外側に配置されている。第３筒状体１０３は、第２筒状体１０２の外側面と所定の距離を保つように、その外側面を覆っている。これにより、第３筒状体１０３の内側面と第２筒状体１０２の外側面との間に隙間が形成されている。この隙間は、後述する燃焼ガス流路５０２の第１流路５０２ａとなる。

第４筒状体１０４は、その下端にフランジ部１０４ａを有する筒状に形成されており、第３筒状体１０３の外部に配置されている。このフランジ部１０４ａは、ケーシング１０の固定に利用される。第４筒状体１０４は、第３筒状体１０３の外側面と所定の距離を保つように、その外側面を覆っている。これにより、第４筒状体１０４の内側面と第３筒状体１０３の外側面との間に隙間が形成されている。この隙間は、後述する燃焼ガス流路５０２の第３流路５０２ｃとなる。第４筒状体１０４の下部の内部には、円板状の底板１０４ｂが配置されている。底板１０４ｂは、第４筒状体１０４の内部を上下に区画している。

第２筒状体１０２、第３筒状体１０３及び第４筒状体１０４のそれぞれの上端部の上方には、円環状の環状内蓋１０６が配置されている。環状内蓋１０６は、第２筒状体１０２の内側面及び第４筒状体１０４の外側面に対して固定され、第２筒状体１０２と第４筒状体１０４との間に形成される空間を覆っている。環状内蓋１０６は、その下面が第３筒状体１０３上端との間に隙間を空けて配置されることで、第２筒状体１０２と第３筒状体１０３との間に形成されている隙間と、第３筒状体１０３と第４筒状体１０４との間に形成されている隙間と、を連通させている。

第５筒状体１０５は、第４筒状体１０４の外部に配置され、第４筒状体１０４の上部の外側を覆っている。第５筒状体１０５は、第４筒状体１０４の外側面と所定の距離を保つように、その外側面を覆っている。これにより、第５筒状体１０５の内側面と第４筒状体１０４の外側面との間に隙間が形成されている。この隙間は、後述する空気流路３１１の第１流路３１１ａとなる。

第５筒状体１０５の上端部は、上面蓋１０７によって覆われている。前述した環状内蓋１０６は、上面蓋１０７の下面との間に隙間を形成するように配置されている。この隙間は、後述する空気流路３１１の第２流路３１１ｂとなる。

下部筒状体１０８は、第３筒状体１０３の下部の内部に配置され、その上端がベースプレートＢＰの下面に当接して固定されている。また、下部筒状体１０８は、その外側面が第３筒状体１０３の内側面との間に隙間を形成するように配置されている。この隙間は、後述する燃焼ガス流路５０２の第１流路５０２ａとなる。また、下部筒状体１０８の下部には、後述する燃焼ガス排出部５０の燃焼ガス排出口５０１が形成されている。

次に、図１及び図２を参照しながら、燃料ガス供給部２０、第１空気供給部３１、第２空気供給部３２、燃焼部４０及び燃焼ガス排出部５０の構成について説明する。

燃料ガス供給部２０は、水供給管２０１と、都市ガス供給管２４０と、改質ユニット２０２と、燃料ガス供給管２０３と、脱硫器２０４（図２参照）と、を有している。

水供給管２０１は、その内部に水を流す配管である。水供給管２０１は、ケーシング１０の第４筒状体１０４を貫通し、改質ユニット２０２まで延びるように形成されている。

都市ガス供給管２４０は、炭化水素ガスを含む都市ガスをその内部に流す配管である。都市ガスは、都市ガス供給管２４０の上流において脱硫器２０４を通過する際に、セルスタックＣＳの発電性能の低下を招く硫黄成分が除去される。都市ガス供給管２４０は、都市ガスに加えて空気を流すこともできる。都市ガス供給管２４０は、水供給管２０１よりも上方の位置でケーシング１０の第４筒状体１０４を貫通し、改質ユニット２０２まで延びるように形成されている。

改質ユニット２０２は、下部筒状体１０８を囲むように円環状に形成されている。改質ユニット２０２は、その中心軸が第１筒状体１０１等の中心軸と同軸となるように配置されている。改質ユニット２０２は、下部筒状体１０８と第３筒状体１０３との間に形成される隙間に配置されている。また、改質ユニット２０２は、その内周側の側面が下部筒状体１０８の外側面との間に隙間を形成するとともに、その外周側の側面が第３筒状体１０３の内側面と当接するように配置されている。

また、改質ユニット２０２は、その内部に水蒸発器２０６と、改質器２０８と、を有している。後述するように、改質ユニット２０２は、水蒸発器２０６及び改質器２０８を内部に収めることでユニット化されている。水供給管２０１及び都市ガス供給管２４０は、この改質ユニット２０２に接続されている。詳細には、水供給管２０１及び都市ガス供給管２４０は、改質ユニット２０２の水蒸発器２０６に接続されている。

燃料ガス供給管２０３は、改質ユニット２０２に接続され、改質ユニット２０２から排出される燃料ガスをその内部に流す配管である。燃料ガス供給管２０３は、改質ユニット２０２から水平方向に延び、さらに上方のベースプレートＢＰまで延びるように形成されている。

第１空気供給部３１は、空気流路３１１と、第１空気導入管３１２と、吹出口３１３と、を有している。

空気流路３１１は、第１流路３１１ａ、第２流路３１１ｂ及び第３流路３１１ｃを有している。第１流路３１１ａは、第４筒状体１０４と第５筒状体１０５との間に形成された隙間である。第２流路３１１ｂは、環状内蓋１０６と上面蓋１０７との間に形成された隙間である。第３流路３１１ｃは、第１筒状体１０１と第２筒状体１０２との間に形成された隙間である。

第１流路３１１ａと第２流路３１１ｂとは連続して形成されている。また、第２流路３１１ｂと第３流路３１１ｃとは連続して形成されている。これにより、第２流路３１１ｂを介して第１流路３１１ａから第３流路３１１ｃに連続する流路が形成されている。

第１空気導入管３１２は、第５筒状体１０５の外側面に接続される配管である。第１空気導入管３１２は、空気流路３１１の第１流路３１１ａに連通している。

吹出口３１３は、第１筒状体１０１を貫通する孔である。吹出口３１３は、第１筒状体１０１の下部に、周方向に互いに間隔をあけて複数設けられている。

第２空気供給部３２は、第２空気導入管３２１と、吹出管３２２と、を有している。

第２空気導入管３２１は、空気をその内部に流す配管である。第２空気導入管３２１は、ケーシング１０の底板１０４ｂを下方から貫通して下部筒状体１０８の内部に延びている。第２空気導入管３２１は、その上端近傍に螺旋状の螺旋部３２１ａが形成されている。

吹出管３２２は、第２空気導入管３２１と連通している配管である。吹出管３２２は、第１筒状体１０１の内部において、ベースプレートＢＰから上方に向けて突出するように設けられている。吹出管３２２は、第２空気導入管３２１を流れる空気を第１筒状体１０１の内部に吹き出す。

燃焼部４０は、燃焼室４０１と、バーナー４０２と、イグナイタ４０３と、を有している。

燃焼室４０１は、下部筒状体１０８の内部に形成された空間である。燃焼室４０１の上部はベースプレートＢＰによって区画され、その下部は底板１０４ｂによって区画されている。

バーナー４０２は、セルスタックＣＳにおける電気化学反応に用いられなかった残余の燃料ガスをその内部に流し、下端から燃焼室４０１内に供給する筒状の部材である。バーナー４０２は、ベースプレートＢＰから下方の燃焼室４０１内に向けて突出し、第２空気導入管３２１の螺旋部３２１ａに覆われるように設けられている。

イグナイタ４０３は、着火装置である。イグナイタ４０３は、ケーシング１０の底板１０４ｂを貫通して燃焼室４０１内に臨出するよう設けられている。イグナイタ４０３は、高電圧が印加されることで火花放電を発生させ、燃焼室４０１内の燃料ガスに着火して燃焼させる。このような残余の燃料ガスの燃焼により、燃焼室４０１内で燃焼ガスが発生する。

燃焼ガス排出部５０は、燃焼ガス排出口５０１と、燃焼ガス流路５０２と、燃焼ガス排出管５０３と、を有している。

燃焼ガス排出口５０１は、下部筒状体１０８を貫通する孔である。燃焼ガス排出口５０１は、下部筒状体１０８の下部に、周方向に互いに間隔をあけて複数設けられる。

燃焼ガス流路５０２は、第１流路５０２ａ、第２流路５０２ｂ及び第３流路５０２ｃを有している。

第１流路５０２ａは、下部筒状体１０８と第３筒状体１０３との間に形成された隙間と、第２筒状体１０２と第３筒状体１０３との間に形成された隙間である。第２流路５０２ｂは、環状内蓋１０６と第３筒状体１０３上端との間に形成された隙間である。
第３流路５０２ｃは、第３筒状体１０３と第４筒状体１０４との間に形成された隙間である。

第１流路５０２ａと第２流路５０２ｂとは連続して形成されている。また、第２流路５０２ｂと第３流路５０２ｃとは連続して形成されている。これにより、第２流路５０２ｂを介して第１流路５０２ａから第３流路５０２ｃに連続する流路が形成されている。

燃焼ガス排出管５０３は、ケーシング１０の第４筒状体１０４の外側面に接続される配管である。燃焼ガス排出管５０３は、燃焼ガス流路５０２の第３流路５０２ｃと連通している。

次に、図１及び図２を参照しながら、燃料電池装置ＦＣの動作について説明する。

燃料電池装置ＦＣの起動工程の際など、セルスタックＣＳや改質器２０８の温度が低い状態にあるときは、燃料ガス供給部２０は、都市ガス及び空気を改質ユニット２０２に供給する。都市ガス及び空気は、都市ガス供給管２４０によって改質ユニット２０２に供給され、まず水蒸発器２０６に導入される。そして、水蒸発器２０６を通過した都市ガス及び空気は改質器２０８に導入される。

改質器２０８は、その内部に改質触媒が配置されている。改質器２０８において、都市ガスに含まれる炭化水素ガスと、空気に含まれる酸素とによる部分酸化改質が行われる。この部分酸化改質により、水素を含む燃料ガスが生成される。部分酸化改質は発熱反応であることから、改質器２０８において生成される燃料ガスも高温となる。このようにして高温になった燃料ガスが、セルスタックＣＳを構成する単セルＣの正極Ａｎに供給されることで、セルスタックＣＳが加熱されて昇温し、燃料電池装置ＦＣの迅速な起動に寄与する。

一方、第１空気供給部３１の第１空気導入管３１２によってケーシング１０内に導入される空気は、図１に示されるように、空気流路３１１の第１流路３１１ａを上方に流れる。第１流路３１１ａを流れ終えた空気は、次に、第２流路３１１ｂにおいてその向きを下方に変え、さらに第３流路３１１ｃを下方に流れる。第３流路３１１ｃを流れて第１筒状体１０１の下部に至った空気は、吹出口３１３から第１筒状体１０１の内部に向けて吹き出し、セルスタックＣＳを構成する燃料電池セルの負極Ｃａに供給される。

後述するように、空気流路３１１を流れる空気は、高温の燃焼ガスを熱源として加熱され、昇温する。このようにして高温になった空気が、セルスタックＣＳを構成する単セルＣの負極Ｃａに供給されることで、セルスタックＣＳが加熱されて昇温し、燃料電池装置ＦＣの迅速な起動に寄与する。

また、第２空気供給部３２の第２空気導入管３２１によってケーシング１０内に導入される空気は、図１に示されるように、螺旋部３２１ａを上方へと流れる。この空気は、バーナー４０２の周囲を旋回しながら流れることにより、バーナー４０２から熱を受けて温度が上昇する。一方、バーナー４０２は、螺旋部３２１ａを流れる空気に熱を奪われることで、過度な昇温が抑制される。第２空気導入管３２１を通過し、温度が上昇した空気は、吹出管３２２から第１筒状体１０１の内部に吹き出され、セルスタックＣＳを構成する燃料電池セルの負極Ｃａに供給される。

セルスタックＣＳでは、以上のように供給される燃料ガスと空気を用いて電気化学反応を生じさせ、発電を行う。セルスタックＣＳにおける電気化学反応に用いられなかった残余の燃料ガスは、バーナー４０２から燃焼室４０１内に吹き出され、イグナイタ４０３によって着火されて燃焼する。この燃焼の結果として、燃焼室４０１内に高温の燃焼ガスが発生する。

燃焼室４０１内で発生した高温の燃焼ガスは、燃焼ガス排出口５０１から排出され、燃焼ガス流路５０２の第１流路５０２ａに流入する。第１流路５０２ａには改質ユニット２０２が配置されており、燃焼ガスは改質ユニット２０２の側面に沿って上方に流れる。これにより、高温の燃焼ガスによって改質ユニット２０２の改質器２０８が加熱され、昇温する。

改質ユニット２０２の側面を通過した第１流路５０２ａの燃焼ガスは、空気流路３１１の第３流路３１１ｃを流れる空気と、第２筒状体１０２を挟んで逆向きに流れる。これにより、第３流路３１１ｃを流れる空気は、第２筒状体１０２を介して高温の燃焼ガスによって加熱され、昇温する。

第１流路５０２ａを通過した燃焼ガスは、第２流路５０２ｂにおいてその向きを下方に変え、次に第３流路５０２ｃを下方に流れる。第３流路５０２ｃの燃焼ガスは、空気流路３１１の第１流路３１１ａを流れる空気と、第４筒状体１０４を挟んで逆向きに流れる。これにより、第１流路３１１ａを流れる空気は、第４筒状体１０４を介して高温の燃焼ガスによって加熱され、昇温する。

第３流路５０２ｃをさらに下方に流れた燃焼ガスは、改質ユニット２０２の外側面が当接する第３筒状体１０３の下部に沿って流れる。これにより、改質ユニット２０２の水蒸発器２０６は、第３筒状体１０３を介して高温の燃焼ガスによって加熱され、昇温する。

第３流路５０２ｃを流れ終えた燃焼ガスは、燃焼ガス排出管５０３を介してケーシング１０から排出される。この燃焼ガスは、図２に示される排熱回収器５０４を通過することによって熱を回収され、低温になって排出される。

燃料電池装置ＦＣの運転に伴い、セルスタックＣＳや改質器２０８が所定温度まで昇温した後は、燃料ガス供給部２０は、空気に代えて、あるいは空気に加えて、水供給管２０１に水を流して改質ユニット２０２に供給する。都市ガスとともに改質ユニット２０２に供給された供給された水は、まず水蒸発器２０６に導入される。前述したように水蒸発器２０６は燃焼ガスによって加熱されて昇温していることから、水蒸発器２０６に導入された水は加熱されて蒸発し、水蒸気となる。

水蒸発器２０６において発生した水蒸気は、都市ガスとともに改質器２０８に導入される。改質器２０８では、その内部の改質触媒により、水蒸気と、都市ガスに含まれる炭化水素ガスとによる水蒸気改質が行われ、水素を含む燃料ガスが生成される。水蒸気改質は、部分酸化改質に比べて水素の収率が高い改質反応である。改質器２０８は、燃焼ガス流路５０２を流れる高温の燃焼ガスから熱の供給を受けることで、吸熱反応である水蒸気改質を行っている。

セルスタックＣＳや改質器２０８が高温となり、燃料電池装置ＦＣがセルスタックＣＳからの電力の取り出しが可能な発電行程（換言すれば、定常運転）に移行する際は、改質器２０８における水蒸気改質により水素リッチな燃料ガスを生成可能な状態となっている。このような燃料ガスの供給を受けることにより、燃料電池装置ＦＣは高効率で発電を行うことが可能となる。

発電に伴い、セルスタックＣＳは高温となって輻射熱を発する。この輻射熱は、ケーシング１０に伝達され、第１筒状体１０１等の温度が上昇する。第１筒状体１０１の円筒部１０１ｂの外側面と第２筒状体１０２の内側面との間を流れる空気は、第１筒状体１０１からの熱伝達によってさらに高温になる。すなわち、当該空気は、燃焼ガスに加えて、セルスタックＣＳからの輻射熱を熱源として加熱される。

次に、図３を参照しながら、燃料電池装置ＦＣにおける熱伝達について説明する。図３は、セルスタックＣＳが発する輻射熱を破線の矢印によって示している。

図３に示されるように、ケーシング１０の環状内蓋１０６は、上面蓋１０７の下面との間に、空気流路３１１の第２流路３１１ｂとなる隙間を形成するように配置されている。詳細には、環状内蓋１０６は、セルスタックＣＳの上端部ＣＳ１から下方に距離Ｈだけ離間した位置に配置されている。これにより、第２流路３１１ｂは、セルスタックＣＳの上端部ＣＳ１と対向配置され、第３流路３１１ｃは、第２流路３１１ｂよりも中央部寄りの位置ＣＳ２までの範囲でセルスタックＣＳと対向配置される。第２流路３１１ｂの流路断面積は、第３流路３１１ｃの流路断面積よりも大きい。

すなわち、第２流路３１１ｂ及び第３流路３１１ｃの壁面である第１筒状体１０１の円筒部１０１ｂのうち、第２流路３１１ｂに対応する壁面３１１１はセルスタックＣＳの上端部ＣＳ１と対向しており、第３流路３１１ｃに対応する壁面３１１２はセルスタックＣＳの中央部寄りの位置と対向している。

このような構成によれば、セルスタックＣＳは、セルスタックＣＳと対向配置される第２流路３１１ｂ及び第３流路３１１ｃを流れる流体によって冷却される。詳細には、第２流路３１１ｂ及び第３流路３１１ｃの壁面３１１１，３１１２は、発電に伴い高温になったセルスタックＣＳから輻射熱が伝達されて昇温するが、第２流路３１１ｂ及び第３流路３１１ｃを流れる空気がこれらの壁面３１１１，３１１２から熱を奪う。この結果、第２流路３１１ｂ及び第３流路３１１ｃの壁面３１１１，３１１２を介して、セルスタックＣＳが空気によって冷却される。

第２流路３１１ｂを流れる空気の流速は、第３流路３１１ｃを流れる空気の流速よりも小さい。したがって、第２流路３１１ｂにおける壁面３１１１と空気との間の熱伝達係数は、第３流路３１１ｃにおける壁面３１１２と空気との間の熱伝達係数よりも小さくなる。これにより、セルスタックＣＳの中央部と比べて温度が低くなる傾向がある上端部ＣＳ１では、空気による冷却を中央部寄りの位置と比べて緩和することができる。この結果、加熱による劣化を伴うことなく、セルスタックＣＳの上端部ＣＳ１と中央部とにおける温度差を抑制することが可能となる。

尚、前述した距離Ｈは、セルスタックＣＳの上端部ＣＳ１と、上端部ＣＳ１よりも中央部寄りの位置ＣＳ２との温度差に基づいて適宜設定することが好ましい。具体的には、仮に、第３流路３１１ｃがセルスタックＣＳの上端部ＣＳ１と対応する高さまで延びていた場合に（すなわち、距離Ｈが０であった場合に）、上端部ＣＳ１との温度差が５％程度となる位置を位置ＣＳ２とし、その位置ＣＳ２まで第２流路３１１ｂを配置するように距離Ｈを設定することが好ましい。

また、第２流路３１１ｂ及び第３流路３１１ｃは連続して形成されている。更に、第２流路３１１ｂの断面積は、第３流路３１１ｃの断面積よりも大きい。この構成によれば、連続して形成された第２流路３１１ｂ及び第３流路３１１ｃに空気を供給することによって、第２流路３１１ｂを流れる空気の流速を、第３流路３１１ｃを流れる空気の流速よりも小さくすることが可能となる。この結果、加熱による劣化を伴うことなく、セルスタックＣＳの上端部ＣＳ１と中央部とにおける温度差を抑制することが可能となる。

また、第２流路３１１ｂ及び第３流路３１１ｃに、セルスタックＣＳに供給する空気が流れるように構成されている。

空気は酸素ガスを含有するため、セルスタックＣＳの各単セルＣのカソードＣａに供給する酸化剤ガスとして用いることができる。一般的に、このようにセルスタックＣＳに供給される空気の流量は、改質器２０８に供給される空気の流量よりも大きくなる。

したがって、この構成によれば、比較的大きな流量でセルスタックＣＳに供給される空気を用いてセルスタックＣＳの冷却を行うため、第２流路３１１ｂと第３流路３１１ｃとにおける空気の流速差を大きくすることができる。これにより、セルスタックＣＳの中央部と比べて温度が低くなる傾向がある上端部ＣＳ１では、空気による冷却を中央部寄りの位置と比べて確実に緩和することができる。この結果、加熱による劣化を伴うことなく、セルスタックＣＳの上端部ＣＳ１と中央部とにおける温度差を抑制することが可能となる。

また、第３流路３１１ｃは、第２流路３１１ｂの下流側に形成されている。さらに、第２流路３１１ｂは、上方に向かって流れる空気を下方に折り返して第３流路３１１ｃに流すように形成されている。この構成によれば、セルスタックＣＳからの輻射熱によって加熱された空気が、自然対流によって第２流路３１１ｂに留まり易くなる。このため、第２流路３１１ｂを流れる空気の流速を、第３流路３１１ｃを流れる空気の流速よりも確実に小さくすることができる。この結果、加熱による劣化を伴うことなく、セルスタックＣＳの上端部ＣＳ１と中央部とにおける温度差を抑制することが可能となる。

続いて、第２実施形態に係る燃料電池装置ＦＣＡについて、図４を参照しながら説明する。この燃料電池装置ＦＣＡは、第１実施形態と同様に、燃料ガス及び酸化剤ガスによって電力を発生させる発電装置である。燃料電池装置ＦＣＡは、輻射遮蔽板１０９を備えている点で第１実施形態と異なる。燃料電池装置ＦＣＡのうち、第１実施形態と同一の構成については同一の符号を付して、説明を適宜省略する。

輻射遮蔽板１０９は、ステンレス等、耐熱性が高い金属材料によって形成された部材である。輻射遮蔽板１０９は、金属板を環状に加工することによって形成されている。また、輻射遮蔽板１０９は、その中心軸が第１筒状体１０１等の中心軸と同軸となるように配置されている。

輻射遮蔽板１０９は、第２流路３１１ｂにおいて、セルスタックＣＳの上端部ＣＳ１と対応する位置に配置されている。また、輻射遮蔽板１０９は、その一側面をセルスタックＣＳ側に向けて配置されている。

このように形成された燃料電池装置ＦＣＡによれば、セルスタックＣＳが発する輻射熱の伝達を輻射遮蔽板１０９によって遮蔽することが可能となる。これにより、セルスタックＣＳの中央部と比べて温度が低くなる傾向がある上端部ＣＳ１では、空気による冷却を中央部寄りの位置と比べて緩和することができる。この結果、加熱による劣化を伴うことなく、セルスタックＣＳの上端部ＣＳ１と中央部とにおける温度差を抑制することが可能となる。

以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。前述した各具体例が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。

１０：ケーシング
１０９：輻射遮蔽板
３１１ｂ：第２流路（端部側流路）
３１１ｃ：第３流路（中央部側流路）
ＣＳ：セルスタック
ＦＣ，ＦＣＡ：燃料電池装置

Claims (6)

1. 燃料電池装置（ＦＣ，ＦＣＡ）であって、
   燃料ガス及び酸化剤ガスが供給され、電力を発生させるセルスタック（ＣＳ）と、
   前記セルスタックを収容するケーシング（１０）と、を備え、
   前記ケーシングは、前記セルスタックの端部と対向配置される端部側流路（３１１ｂ）と、前記端部側流路よりも中央部寄りの位置で前記セルスタックと対向配置される中央部側流路（３１１ｃ）と、を有し、
   前記端部側流路を流れる流体の流速は、前記中央部側流路を流れる流体の流速よりも小さい、燃料電池装置。
2. 前記端部側流路及び前記中央部側流路は連続して形成されており、
   前記端部側流路の断面積は、前記中央部側流路の断面積よりも大きい、請求項１に記載の燃料電池装置。
3. 前記端部側流路及び前記中央部側流路に、前記セルスタックに供給する空気が流れるように構成されている、請求項２に記載の燃料電池装置。
4. 前記端部側流路は、屈曲していることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池装置。
5. 前記中央部側流路は、前記端部側流路の下流側に形成されており、
   前記端部側流路は、上方に向かって流れる空気を下方に折り返して前記中央部側流路に流すように形成されている、請求項４に記載の燃料電池装置。
6. 輻射熱の伝達を抑制する輻射遮蔽板（１０９）が前記端部側流路に配置されている、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の燃料電池装置。

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