JP2020027790A - 燃料電池装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料処理器とマニホールドを連結する配管を短くできる燃料電池装置を提供する。【解決手段】燃料電池装置１００は、燃料電池セル１０、マニホールド２、及び燃料処理器７０を備えている。マニホールド２は、ガス供給室２１及びガス回収室２２を有する。マニホールド２は、燃料電池セル１０の基端部１０１を支持する。燃料処理器７０は、ガス供給室２１に供給される燃料ガスを生成する。燃料電池セル１０は、第１及び第２ガス流路を有する。第１及び第２ガス流路は、燃料電池セルの基端部から先端部に延びる。第１ガス流路はガス供給室２１と連通し、第２ガス流路はガス回収室２２と連通する。第１及び第２ガス流路は、燃料電池セルの先端部において互いに連通する。燃料処理器７０は、生成した燃料ガスをガス供給室２１へと排出する第１排出部７３を有する。第１排出部７３は、燃料電池セル１０の先端面１０３よりもマニホールド２側に配置される。【選択図】図７

Description

本発明は、燃料電池装置に関するものである。

燃料電池装置は、燃料電池セル、マニホールド、及び燃料処理器を備えている。例えば特許文献１に開示された燃料電池装置では、燃料処理器の一例である改質器によって原料ガスを改質して燃料ガスを生成する。改質器によって生成された燃料ガスは、マニホールドに供給される。マニホールドから上方に延びる燃料電池セルは、マニホールドから供給された燃料ガスを使用して発電する。使用後の燃料ガスは燃料電池セルの上端部で燃焼する。改質器は、この燃焼熱を利用するため、燃料電池セルの上方に配置されている。

特許第４９８６３７７号公報

省スペース化、又は燃料ガスの放熱抑制の観点から、燃料処理器とマニホールドとを連結する配管を短くすることが望ましい。そこで、本発明の課題は、燃料処理器とマニホールドを連結する配管を短くすることができる燃料電池装置を提供することにある。

本発明のある側面に係る燃料電池装置は、燃料電池セルと、マニホールドと、燃料処理器と、を備えている。マニホールドは、ガス供給室及びガス回収室を有する。また、マニホールドは、燃料電池セルの基端部を支持する。燃料処理器は、ガス供給室に供給される燃料ガスを生成する。燃料電池セルは、少なくとも１つの第１ガス流路と、少なくとも１つの第２ガス流路とを有する。第１ガス流路は、ガス供給室と連通する。第１ガス流路は、燃料電池セルの基端部から先端部に延びる。第２ガス流路は、ガス回収室と連通する。第２ガス流路は、燃料電池セルの基端部から先端部に延びる。第２ガス流路は、燃料電池セルの先端部において第１ガス流路と連通する。燃料処理器は、生成した燃料ガスをガス供給室へと排出する第１排出部を有する。第１排出部は、燃料電池セルの先端面よりもマニホールド側に配置される。

この構成によれば、燃料処理器の第１排出部は、燃料電池セルの先端面よりもマニホールド側に配置されている。このため、例えば、燃料電池セルがマニホールドから上方に延びる場合においては、燃料処理器を燃料電池セルの上方に配置するような従来の燃料電池装置に比べて、燃料処理器の第１排出部をマニホールドに近付けることができる。このため、燃料処理器とマニホールドとを連結する配管を短くすることができる。なお、配管を短くするとは、配管の設置自体を省略することも含む概念である。

好ましくは、燃料電池セルは、マニホールドから延びる支持基板と、支持基板に支持される発電素子部とを有する。

好ましくは、燃料処理器は、マニホールドの底面と対向するように配置される。すなわち、燃料電池セルがマニホールドから上方に延びる場合、燃料処理器は、マニホールドの下方に配置される。

好ましくは、燃料処理器は、燃料電池セルの側面及び主面の少なくとも一方と対向するように配置される。すなわち、燃料電池セルがマニホールドから上方に延びる場合、燃料処理器は、燃料電池セルの側方に配置される。

好ましくは、燃料処理器は、ガス回収室からのオフガスを燃焼する燃焼部と、燃焼部からのガスを排出する第２排出部と、を有する。第２排出部は、水平面よりも下方を向く。この構成によれば、第２排出部から排出された水によって排気管が閉塞することを防止できる。

好ましくは、燃料処理器は、ガス回収室からのオフガスを燃焼する燃焼部と、燃焼部からのガスを排出する第２排出部と、第２排出部から延びる排気管と、を有する。排気管は、水平面よりも下方を向く。この構成によれば、第２排出部から排出された水によって排気管が閉塞することを防止できる。

好ましくは、燃料電池装置は、燃料処理器の第１排出部とマニホールドのガス供給室とを連結する燃料ガス供給管をさらに備える。

好ましくは、燃料処理器のガス排出部は、マニホールドのガス供給室と直接連結される。

本発明によれば、燃料処理器とマニホールドを連結する配管を短くすることができる。

燃料電池装置の斜視図。 マニホールドの断面図。 マニホールドの上面図。 セルスタック装置の断面図。 燃料電池セルの斜視図。 燃料電池セルの断面図。 燃料電池装置の概略図。 変形例に係る燃料電池装置の概略図。 変形例に係る燃料電池装置の概略図。 変形例に係る燃料電池装置の概略図。 変形例に係る燃料電池装置の概略図。 変形例に係る燃料電池装置の概略図。 変形例に係る燃料電池装置の概略図。 変形例に係る燃料電池装置の概略図。 変形例に係る燃料電池装置の概略図。 変形例に係る燃料電池装置の概略図。 変形例に係るセルスタック装置の断面図。 変形例に係るセルスタック装置の断面図。

以下、本発明に係る燃料電池装置の実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお、本実施形態では、燃料電池セルの一例として固体酸化物形燃料電池セル（ＳＯＦＣ）を用いて説明する。図１は燃料電池装置を示す斜視図、図２はマニホールドの断面図である。なお、図１及び図２において、いくつかの燃料電池セルの記載を省略している。

［燃料電池装置］
図１に示すように、燃料電池装置１００は、マニホールド２と、複数の燃料電池セル１０と、燃料処理器７０とを備えている。

［マニホールド］
図２に示すように、マニホールド２は、燃料電池セル１０にガスを供給するように構成されている。また、マニホールド２は、燃料電池セル１０から排出されたガスを回収するように構成されている。マニホールド２は、ガス供給室２１とガス回収室２２とを有している。ガス供給室２１には、燃料処理器７０から燃料ガスが供給される。ガス回収室２２は、各燃料電池セル１０にて使用された燃料ガスを回収する。

マニホールド２は、マニホールド本体部２３と、仕切板２４とを有している。マニホールド本体部２３は、内部に空間を有している。マニホールド本体部２３は、直方体状である。

図３に示すように、マニホールド本体部２３の天板部２３１には、複数の貫通孔２３２が形成されている。各貫通孔２３２は、マニホールド本体部２３の長さ方向（ｚ軸方向）に間隔をあけて並んでいる。各貫通孔２３２は、マニホールド本体部２３の幅方向（ｙ軸方向）に延びている。各貫通孔２３２は、ガス供給室２１及びガス回収室２２と連通している。なお、各貫通孔２３２は、ガス供給室２１と連通する部分とガス回収室２２と連通する部分とに分かれていてもよい。

仕切板２４は、マニホールド本体部２３の空間をガス供給室２１とガス回収室２２とに仕切っている。詳細には、仕切板２４は、マニホールド本体部２３の略中央部において、マニホールド本体部２３の長さ方向に延びている。仕切板２４は、マニホールド本体部２３の空間を完全に仕切っている必要は無く、仕切板２４とマニホールド本体部２３との間に隙間が形成されていてもよい。

図２に示すように、ガス供給室２１の底面には、ガス供給口２１１が形成されている。また、ガス回収室２２の底面には、ガス排出口２２１が形成されている。ガス供給口２１１は、例えば、燃料電池セル１０の配列方向（ｚ軸方向）において、マニホールド２の中心Ｃよりも第１端部２０１側に配置されている。一方、ガス排出口２２１は、例えば、燃料電池セル１０の配列方向（ｚ軸方向）において、マニホールド２の中心Ｃよりも第２端部２０２側に配置されている。

［燃料電池セル］
図４は、セルスタック装置の断面図を示している。なお、セルスタック装置は、複数の燃料電池セル１０とマニホールド２とから構成されている。図４に示すように、燃料電池セル１０は、マニホールド２から上方に延びている。燃料電池セル１０は、基端部１０１がマニホールド２に取り付けられている。すなわち、マニホールド２は、各燃料電池セル１０の基端部１０１を支持している。本実施形態では、燃料電池セル１０の基端部１０１は下端部を意味し、燃料電池セル１０の先端部１０２は上端部を意味する。

図１に示すように、各燃料電池セル１０は、主面同士が対向するように並べられている。また、各燃料電池セル１０は、マニホールド２の長さ方向（ｚ軸方向）に沿って間隔をあけて並べられている。すなわち、燃料電池セル１０の配列方向は、マニホールド２の長さ方向に沿っている。なお、各燃料電池セル１０は、マニホールド２の長さ方向に沿って等間隔に配置されていなくてもよい。

図４及び図５に示すように、燃料電池セル１０は、支持基板４と、複数の発電素子部５と、連通部材３と、を有している。各発電素子部５は、支持基板４の第１主面４５及び第２主面４６に支持されている。なお、第１主面４５に形成される発電素子部５の数と第２主面４６に形成される発電素子部５の数とは、互いに同じであってもよいし異なっていてもよい。また、各発電素子部５の大きさは、互いに異なっていてもよい。

［支持基板］
支持基板４は、マニホールド２から上下方向に延びている。詳細には、支持基板４は、マニホールド２から上方に延びている。支持基板４は、扁平状であり、基端部４１と先端部４２とを有している。基端部４１及び先端部４２は、支持基板４の長さ方向（ｘ軸方向）における両端部である。本実施形態では、支持基板４の基端部４１は下端部を意味し、支持基板４の先端部４２は上端部を意味する。

支持基板４の基端部４１は、マニホールド２に取り付けられる。例えば、支持基板４の基端部４１は、接合材などによってマニホールド２の天板部２３１に取り付けられる。詳細には、支持基板４の基端部４１は、天板部２３１に形成された貫通孔２３４に挿入されている。なお、支持基板４の基端部４１は、貫通孔２３４に挿入されていなくてもよい。このように支持基板４の基端部４１がマニホールド２に取り付けられることによって、支持基板４の基端部４１は、ガス供給室２１及びガス回収室２２と連結している。

支持基板４は、複数の第１ガス流路４３と、複数の第２ガス流路４４とを有している。第１ガス流路４３は、支持基板４内を上下方向に延びている。すなわち、第１ガス流路４３は、支持基板４の長さ方向（ｘ軸方向）に延びている。第１ガス流路４３は、支持基板４を貫通している。各第１ガス流路４３は、支持基板４の幅方向（ｙ軸方向）において互いに間隔をあけて配置されている。なお、各第１ガス流路４３は、等間隔に配置されていることが好ましい。支持基板４は、長さ方向（ｘ軸方向）よりも幅方向（ｙ軸方向）の寸法の方が長くてもよい。

図４に示すように、隣り合う第１ガス流路４３のピッチｐ１は、例えば、１〜５ｍｍ程度である。この隣り合う第１ガス流路４３のピッチｐ１は、第１ガス流路４３の中心間の距離である。例えば、第１ガス流路４３のピッチｐ１は、基端部４１、中央部、及び先端部４２のそれぞれにおいて測定したピッチの平均値とすることができる。

第１ガス流路４３は、燃料電池セル１０の基端部１０１から先端部１０２に向かって延びている。燃料電池セル１０をマニホールド２に取り付けた状態において、第１ガス流路４３は、基端部１０１側において、ガス供給室２１と連通している。

第２ガス流路４４は、支持基板４内を上下方向に延びている。すなわち、第２ガス流路４４は、支持基板４の長さ方向（ｘ軸方向）に延びている。第２ガス流路４４は、第１ガス流路４３と実質的に平行に延びている。

第２ガス流路４４は、支持基板４を貫通している。各第２ガス流路４４は、支持基板４の幅方向（ｙ軸方向）において互いに間隔をあけて配置されている。なお、各第２ガス流路４４は、等間隔に配置されていることが好ましい。

隣り合う第２ガス流路４４のピッチｐ２は、例えば、１〜５ｍｍ程度である。この隣り合う第２ガス流路４４のピッチｐ２は、第２ガス流路４４の中心間の距離である。例えば、第２ガス流路４４のピッチｐ２は、基端部４１、中央部、及び先端部４２のそれぞれにおいて測定したピッチの平均値とすることができる。なお、各第２ガス流路４４間のピッチｐ２は、各第１ガス流路４３間のピッチｐ１と実質的に等しいことが好ましい。

第２ガス流路４４は、燃料電池セル１０の先端部１０２から基端部１０１に向かって延びている。燃料電池セル１０をマニホールド２に取り付けた状態において、第２ガス流路４４は、基端部１０１側において、マニホールド２のガス回収室２２と連通している。

隣り合う第１ガス流路４３と第２ガス流路４４とのピッチｐ０は、例えば、１〜１０ｍｍ程度である。この隣り合う第１ガス流路４３と第２ガス流路４４とのピッチｐ０は、第１ガス流路４３の中心と第２ガス流路４４の中心との距離である。例えば、ピッチｐ０は、支持基板４の第１端面４１１において測定することができる。

隣り合う第１ガス流路４３と第２ガス流路４４とのピッチｐ０は、隣り合う第１ガス流路４３のピッチｐ１よりも大きい。また、隣り合う第１ガス流路４３と第２ガス流路４４とのピッチｐ０は、隣り合う第２ガス流路４４のピッチｐ２よりも大きい。

第１ガス流路４３と第２ガス流路４４とは、燃料電池セル１０の先端部１０２側において互いに連通している。詳細には、第１ガス流路４３と、第２ガス流路４４とが、連通部材３の連通流路３０を介して連通している。

第１ガス流路４３及び第２ガス流路４４は、第１ガス流路４３内におけるガスの圧力損失が第２ガス流路４４内におけるガスの圧力損失よりも小さくなるように構成されている。なお、本実施形態のように第１ガス流路４３及び第２ガス流路４４のそれぞれが複数本ある場合、各第１ガス流路４３内におけるガスの圧力損失の合計が、各第２ガス流路４４内におけるガスの圧力損失の合計よりも小さくなるように、第１ガス流路４３及び第２ガス流路４４が構成される。

例えば、各第１ガス流路４３の流路断面積は、各第２ガス流路４４の流路断面積よりも大きくすることができる。なお、第１ガス流路４３の数と第２ガス流路４４との数とが異なる場合は、各第１ガス流路４３の流路断面積の合計値が、各第２ガス流路４４の流路断面積の合計値よりも大きくすることができる。

特に限定されるものではないが、各第２ガス流路４４の流路断面積の合計値は、各第１ガス流路４３の流路断面積の合計値の２０〜９５％程度とすることができる。なお、第１ガス流路４３の流路断面積は、例えば、０.５〜２０ｍｍ^２程度とすることができる。また、第２ガス流路４４の流路断面積は、例えば、０.１〜１５ｍｍ^２程度とすることができる。

なお、第１ガス流路４３の流路断面積は、第１ガス流路４３が延びる方向（ｘ軸方向）と直交する面（ｙｚ平面）で切断した切断面における第１ガス流路４３の流路断面積を言う。また、第１ガス流路４３の流路断面積は、基端部４１側の任意の箇所における流路断面積と、中央部の任意の箇所における流路断面積と、先端部４２側の任意の箇所における流路断面積との平均値とすることができる。

また、第２ガス流路４４の流路断面積は、第２ガス流路４４が延びる方向（ｘ軸方向）と直交する面（ｙｚ平面）で切断した切断面における第２ガス流路４４の流路断面積を言う。また、第２ガス流路４４の流路断面積は、基端部４１側の任意の箇所における流路断面積と、中央部の任意の箇所における流路断面積と、先端部４２側の任意の箇所における流路断面積との平均値とすることができる。

図５に示すように、支持基板４は、第１主面４５と、第２主面４６とを有している。第１主面４５と第２主面４６とは、互いに反対を向いている。第１主面４５及び第２主面４６は、各発電素子部５を支持している。第１主面４５及び第２主面４６は、支持基板４の厚さ方向（ｚ軸方向）を向いている。また、支持基板４の各側面４７は、支持基板４の幅方向（ｙ軸方向）を向いている。各側面４７は、湾曲していてもよい。図１に示すように、各支持基板４は、第１主面４５と第２主面４６とが対向するように配置されている。

図５に示すように、支持基板４は、発電素子部５を支持している。支持基板４は、電子伝導性を有さない多孔質の材料によって構成される。支持基板４は、例えば、ＣＳＺ（カルシア安定化ジルコニア）から構成される。または、支持基板４は、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹＳＺ（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）とから構成されてもよいし、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹ_２Ｏ_３（イットリア）とから構成されてもよいし、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）とＭｇＡｌ_２Ｏ_４（マグネシアアルミナスピネル）とから構成されてもよい。支持基板４の気孔率は、例えば、２０〜６０％程度である。この気孔率は、例えば、アルキメデス法、又は微構造観察により測定される。

支持基板４は、緻密層４８によって覆われている。緻密層４８は、第１ガス流路４３及び第２ガス流路４４から支持基板４内に拡散されたガスが外部に排出されることを抑制するように構成されている。本実施形態では、緻密層４８は、支持基板４の第１主面４５、第２主面４６、及び各側面４７を覆っている。なお、本実施形態では、緻密層４８は、後述する電解質７と、インターコネクタ９１とによって構成されている。緻密層４８は、支持基板４よりも緻密である。例えば、緻密層４８の気孔率は、０〜７％程度である。

［発電素子部］
複数の発電素子部５が、支持基板４の第１主面４５及び第２主面４６に支持されている。各発電素子部５は、支持基板４の長さ方向（ｘ軸方向）に配列されている。詳細には、各発電素子部５は、支持基板４上において、基端部４１から先端部４２に向かって互いに間隔をあけて配置されている。すなわち、各発電素子部５は、支持基板４の長さ方向（ｘ軸方向）に沿って、間隔をあけて配置されている。なお、各発電素子部５は、後述する電気的接続部９によって、互いに直列に接続されている。

発電素子部５は、支持基板４の幅方向（ｙ軸方向）に延びている。発電素子部５は、支持基板４の幅方向において第１部分５１と第２部分５２とに区画される。なお、第１部分５１と第２部分５２との厳密な境界はない。例えば、燃料電池セル１０をマニホールド２に取り付けた状態において、支持基板４の長さ方向視（ｘ軸方向視）において、ガス供給室２１とガス回収室２２との境界と重複する部分を、第１部分５１と第２部分５２との境界部とすることができる。

支持基板４の厚さ方向視（ｚ軸方向視）において、第１ガス流路４３は、発電素子部５の第１部分５１と重複している。また、支持基板４の厚さ方向視（ｚ軸方向視）において、第２ガス流路４４は、発電素子部５の第２部分５２と重複している。なお、複数の第１ガス流路４３のうち、一部の第１ガス流路４３が第１部分５１と重複していなくてもよい。同様に、複数の第２ガス流路４４のうち、一部の第２ガス流路４４が第２部分５２と重複していなくてもよい。

図６は、第１ガス流路４３に沿って切断した燃料電池セル１０の断面図である。なお、第２ガス流路４４に沿って切断した燃料電池セル１０の断面図は、第２ガス流路４４の流路断面積が異なる以外は、図６と同じである。

発電素子部５は、燃料極６、電解質７、及び空気極８を有している。また、発電素子部５は、反応防止膜１１をさらに有している。燃料極６は、電子伝導性を有する多孔質の材料から構成される焼成体である。燃料極６は、燃料極集電部６１と燃料極活性部６２とを有する。

燃料極集電部６１は、凹部４９内に配置されている。凹部４９は、支持基板４に形成されている。詳細には、燃料極集電部６１は、凹部４９内に充填されており、凹部４９と同様の外形を有する。各燃料極集電部６１は、第１凹部６１１及び第２凹部６１２を有している。燃料極活性部６２は、第１凹部６１１内に配置されている。詳細には、燃料極活性部６２は、第１凹部６１１内に充填されている。

燃料極集電部６１は、例えば、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹＳＺ（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）とから構成され得る。或いは、燃料極集電部６１は、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹ_２Ｏ_３（イットリア）とから構成されてもよいし、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＣＳＺ（カルシア安定化ジルコニア）とから構成されてもよい。燃料極集電部６１の厚さ、及び凹部４９の深さは、５０〜５００μｍ程度である。

燃料極活性部６２は、例えば、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹＳＺ（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）とから構成され得る。或いは、燃料極活性部６２は、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＧＤＣ（ガドリニウムドープセリア）とから構成されてもよい。燃料極活性部６２の厚さは、５〜３０μｍである。

電解質７は、燃料極６上を覆うように配置されている。詳細には、電解質７は、一のインターコネクタ９１から他のインターコネクタ９１まで長さ方向に延びている。すなわち、支持基板４の長さ方向（ｘ軸方向）において、電解質７とインターコネクタ９１とが交互に配置されている。また、電解質７は、支持基板４の第１主面４５、第２主面４６、及び各側面４７を覆っている。

電解質７は、支持基板４よりも緻密である。例えば、電解質７の気孔率は、０〜７％程度である。電解質７は、イオン伝導性を有し且つ電子伝導性を有さない緻密な材料から構成される焼成体である。電解質７は、例えば、ＹＳＺ（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）から構成され得る。或いは、ＬＳＧＭ（ランタンガレート）から構成されてもよい。電解質７の厚さは、例えば、３〜５０μｍ程度である。

反応防止膜１１は、緻密な材料から構成される焼成体である。反応防止膜１１は、平面視において、燃料極活性部６２と略同一の形状である。反応防止膜１１は、電解質７を介して、燃料極活性部６２と対応する位置に配置されている。反応防止膜１１は、電解質７内のＹＳＺと空気極８内のＳｒとが反応して電解質７と空気極８との界面に電気抵抗が大きい反応層が形成される現象の発生を抑制するために設けられている。反応防止膜１１は、例えば、ＧＤＣ＝（Ｃｅ，Ｇｄ）Ｏ_２（ガドリニウムドープセリア）から構成され得る。反応防止膜１１の厚さは、例えば、３〜５０μｍ程度である。

空気極８は、反応防止膜１１上に配置されている。空気極８は、電子伝導性を有する多孔質の材料から構成される焼成体である。空気極８は、例えば、ＬＳＣＦ＝（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ_３（ランタンストロンチウムコバルトフェライト）から構成され得る。或いは、ＬＳＦ＝（Ｌａ，Ｓｒ）ＦｅＯ_３（ランタンストロンチウムフェライト）、ＬＮＦ＝Ｌａ（Ｎｉ，Ｆｅ）Ｏ_３（ランタンニッケルフェライト）、ＬＳＣ＝（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ_３（ランタンストロンチウムコバルタイト）等から構成されてもよい。また、空気極８は、ＬＳＣＦから構成される第１層（内側層）とＬＳＣから構成される第２層（外側層）との２層によって構成されてもよい。空気極８の厚さは、例えば、１０〜１００μｍである。

［電気的接続部］
電気的接続部９は、隣り合う発電素子部５を電気的に接続するように構成されている。電気的接続部９は、インターコネクタ９１及び空気極集電膜９２を有する。インターコネクタ９１は、第２凹部６１２内に配置されている。詳細には、インターコネクタ９１は、第２凹部６１２内に埋設（充填）されている。インターコネクタ９１は、電子伝導性を有する緻密な材料から構成される焼成体である。インターコネクタ９１は、支持基板４よりも緻密である。例えば、インターコネクタ９１の気孔率は、０〜７％程度である。インターコネクタ９１は、例えば、ＬａＣｒＯ_３（ランタンクロマイト）から構成され得る。或いは、（Ｓｒ，Ｌａ）ＴｉＯ_３（ストロンチウムチタネート）から構成されてもよい。インターコネクタ９１の厚さは、例えば、１０〜１００μｍである。

空気極集電膜９２は、隣り合う発電素子部５のインターコネクタ９１と空気極８との間を延びるように配置される。例えば、図６の左側に配置された発電素子部５の空気極８と、図６の右側に配置された発電素子部５のインターコネクタ９１とを電気的に接続するように、空気極集電膜９２が配置されている。空気極集電膜９２は、電子伝導性を有する多孔質の材料から構成される焼成体である。

空気極集電膜９２は、例えば、ＬＳＣＦ＝（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ_３（ランタンストロンチウムコバルトフェライト）から構成され得る。或いは、ＬＳＣ＝（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ_３（ランタンストロンチウムコバルタイト）から構成されてもよい。或いは、Ａｇ（銀）、Ａｇ−Ｐｄ（銀パラジウム合金）から構成されてもよい。空気極集電膜９２の厚さは、例えば、５０〜５００μｍ程度である。

［連通部材］
図４に示すように、連通部材３は、支持基板４の先端部４２に取り付けられている。そして、連通部材３は、第１ガス流路４３と第２ガス流路４４とを連通させる連通流路３０を有している。詳細には、連通流路３０は、各第１ガス流路４３と各第２ガス流路４４とを連通する。連通流路３０は、各第１ガス流路４３から各第２ガス流路４４まで延びる空間によって構成されている。連通部材３は、支持基板４に接合されていることが好ましい。また、連通部材３は、支持基板４と一体的に形成されていることが好ましい。連通流路３０の数は、第１ガス流路４３の数よりも少ない。本実施形態では、一本の連通流路３０のみによって、複数の第１ガス流路４３と複数の第２ガス流路４４とが連通されている。

連通部材３は、例えば、多孔質である。また、連通部材３は、その外側面を構成する緻密層３１を有している。緻密層３１は、連通部材３の本体よりも緻密に形成されている。例えば、緻密層３１の気孔率は、０〜７％程度である。この緻密層３１は、連通部材３と同じ材料や、上述した電解質７に使用される材料、結晶化ガラス等によって形成することができる。

［燃料処理器］
図７に示すように、燃料処理器７０は、マニホールド２のガス供給室２１に供給される燃料ガスを生成する。例えば、燃料処理器７０は、改質器である。燃料処理器７０は、原料ガス（天然ガス、液化石油ガス、灯油など）を改質して燃料ガス（水素含有ガス）を生成する。例えば、下記（１）式及び（２）式に示すように、都市ガスの主成分であるメタン（ＣＨ_４）及び水蒸気から、燃料ガス（水素含有ガス）を生成する。
ＣＨ_４＋２Ｈ_２Ｏ→４Ｈ_２＋ＣＯ_２ ・・・（１）
ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ→３Ｈ_２＋ＣＯ ・・・（２）

燃料処理器７０は、二重円筒式である。燃料処理器７０は、燃料電池セル１０が延びる方向（ｘ軸方向）に延びている。本実施形態では燃料電池セル１０及び燃料処理器７０は、上下方向に延びている。なお、燃料処理器７０は、長さ方向（ｘ軸方向）の寸法の方が、幅方向（ｙ軸方向）の寸法よりも長い。

燃料処理器７０は、改質部７１と燃焼部７２とを有している。燃料処理器７０の内側の円筒内が燃焼部７２を構成している。そして、燃料処理器７０の内側の円筒と外側の円筒との間の空間が改質部７１を構成している。

改質部７１内には触媒が収容されている。改質部７１は、原料ガス供給管Ｐ１および水蒸気供給管Ｐ２が連結されている。この原料ガス供給管Ｐ１を介して、改質部７１内に原料ガスが供給される。また、水蒸気供給管Ｐ２を介して、改質部７１内に水蒸気が供給される。この改質部７１内において、原料ガスを改質して燃料ガスを生成する。

燃焼部７２は、ガス回収室２２から排出されたオフガスを燃焼するように構成されている。詳細には、燃焼部７２は、バーナ７２１を有している。バーナ７２１には、オフガス供給管Ｐ３及び空気供給管Ｐ４が連結されている。オフガス供給管Ｐ３は、マニホールド２のガス回収室２２とバーナ７２１とを連結している。詳細には、オフガス供給管Ｐ３は、ガス排出口２２１と、バーナ７２１とを連結している。このオフガス供給管Ｐ３を介して、ガス回収室２２内のオフガスがガス回収室２２内から排出される。バーナ７２１は、オフガスに空気を混合させて燃焼させる。

燃料処理器７０は、マニホールド２の底面と対向するように配置されている。本実施形態では、燃料処理器７０は、マニホールド２の下方に配置されている。すなわち、マニホールド２から各燃料電池セル１０が上方に延びている場合は、燃料処理器７０はマニホールド２の下方に配置される。

燃料処理器７０は、第１排出部７３を有している。本実施形態において、第１排出部７３は、燃料処理器７０に形成された開口部である。詳細には、第１排出部７３は、燃料処理器７０の改質部７１に形成された開口部である。第１排出部７３は、生成した燃料ガスをガス供給室２１へと排出する。詳細には、第１排出部７３は、第１排出部７３とガス供給室２１とを連結する燃料ガス供給管Ｐ５を介して、ガス供給室２１へ燃料ガスを排出する。

第１排出部７３は、燃料処理器の軸方向端面に形成されている。第１排出部７３は、マニホールド２側に開口している。すなわち、第１排出部７３は、マニホールド２側を向いている。そして、燃料ガス供給管Ｐ５は、第１排出部７３とガス供給口２１１との間を直線的に延びている。第１排出部７３は、燃料電池セル１０の先端面１０３よりもマニホールド２側に配置されている。本実施形態のように、燃料電池セル１０の先端部１０２が上端部であり、基端部１０１が下端部である場合、第１排出部７３は、燃料電池セル１０の先端面１０３よりも下方に配置されている。そして、第１排出部７３とマニホールド２との距離は、燃料電池セル１０の先端面１０３とマニホールド２との距離よりも短い。このような配置とすることによって、第１排出部７３とマニホールド２との距離を短縮することができ、燃料ガス供給管Ｐ５を短くすることができる。なお、各燃料電池セル１０の先端面１０３の位置が互いに異なる場合、最もマニホールド２から遠い位置にある先端面１０３を基準とする。

燃料処理器７０は、第２排出部７４を有している。本実施形態では、第２排出部７４は、筒状の部材であるが、単なる開口であってもよい。第２排出部７４は、燃焼部７２からのガスを排出する。第２排出部７４は、水平面よりも下方を向いている。なお本実施形態では、第２排出部７４は、真下を向いているが、第２排出部７４の排出方向は、水平面よりも下方を向いていればよい。例えば、第２排出部７４の排出方向と水平面とのなす角度が３度以上とすることが好ましい。

このように、第２排出部７４を下方に向けることで、次の効果を得ることができる。すなわち、上記実施形態では、第１ガス流路４３を流れたガスのうち未反応のガスは第２ガス流路４４を流れ、第２ガス流路４４を流れたガスのうちさらに未反応のガスは、マニホールド２のガス回収室２２にて回収される。このため、上記実施形態に係る燃料電池セル１０は、ガスの使用効率を向上させることができる。このようにガスの使用効率が向上するため、本実施形態に係る燃料電池セル１０から排出されるオフガスの温度は、一般的な燃料電池セルに比べて低い。このようにオフガスの温度が低温の場合、オフガス内の水蒸気が凝縮することによって生じた水が、第２排出部７４から延びる排気管内を閉塞させるおそれがある。これに対し、上記実施形態に係る燃料処理器７０では、第２排出部７４を下方に向けているため、発生した水によって排気管内が閉塞されることを防止することができる。

［発電方法］
上述したように構成された燃料電池装置１００では、燃料処理器７０によって生成された燃料ガスをマニホールド２のガス供給室２１に供給するとともに、燃料電池セル１０を空気などの酸素を含むガスに曝す。すると、空気極８において下記（３）式に示す化学反応が起こり、燃料極６において下記（４）式に示す化学反応が起こり、電流が流れる。
（１／２）・Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２− …（３）
Ｈ_２＋Ｏ^２−→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻ …（４）

詳細には、ガス供給室２１に供給された燃料ガスは、各燃料電池セル１０の第１ガス流路４３内を流れ、各発電素子部５の燃料極６において、上記（４）式に示す化学反応が起こる。各燃料極６において未反応であった燃料ガスは、第１ガス流路４３を出て連通部材３の連通流路３０を介して第２ガス流路４４へ供給される。そして、第２ガス流路４４へ供給された燃料ガスは、再度、燃料極６において上記（４）式に示す化学反応が起こる。第２ガス流路４４を流れる過程において燃料極６において未反応であった燃料ガスは、マニホールド２のガス回収室２２へ回収される。

［変形例］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。

変形例１
上記実施形態では、燃料ガス供給管Ｐ５を介して燃料処理器７０の第１排出部７３とマニホールド２のガス供給室２１とが連結しているが、燃料ガス供給管Ｐ５の設置を省略してもよい。すなわち、燃料処理器７０の第１排出部７３とマニホールド２にガス供給室２１とが直接連結されていてもよい。

変形例２
上記実施形態では、マニホールド２の底面に、ガス供給口２１１及びガス排出口２２１が形成されているが、ガス供給口２１１及びガス排出口２２１の形成位置はこれに限定されない。例えば、ガス供給口２１１及びガス排出口２２１の少なくとも一方は、マニホールド２の側面に形成されていてもよいし、マニホールド２の上面に形成されていてもよい。

変形例３
上記実施形態では、燃料処理器７０は、改質器によって構成されているが、これに限定されない。例えば、燃料処理器７０は、改質器に加えて、ＣＯ変性器及びＣＯ浄化器などを有していてもよい。ＣＯ変性器は、改質器で発生した一酸化炭素および水から二酸化炭素及び水素を生成するように構成されている。また、ＣＯ浄化器は、改質器で発生した一酸化炭素に酸素を加えて、二酸化炭素へ変化させるように構成されている。

変形例４
上記実施形態では、燃料処理器７０の第１排出部７３はマニホールド２側に開口しているが、これに限定されない。例えば、図８に示すように、第１排出部７３は、マニホールド２と反対側に開口していてもよい。この場合、燃料ガス供給管Ｐ５は、第１排出部７３から折り返してマニホールド２に向かうように折り曲げられている。

変形例５
上記実施形態では、燃料処理器７０は、燃料電池セル１０が延びる方向に延びているが、これに限定されない。例えば、図９に示すように、燃料処理器７０は、燃料電池セル１０が延びる方向と交差する方向（ｙ軸方向又はｚ軸方向）に延びていてもよい。詳細には、燃料電池セル１０が上下方向に延びる場合、燃料処理器７０は水平方向に延びていてもよい。この場合、第１排出部７３は、交差する方向に開口している。すなわち、第１排出部７３は、燃料処理器７０が延びる方向に開口している。なお、図１０に示すように、第１排出部７３は、マニホールド２側に開口していてもよい。すなわち、第１排出部７３は、燃料処理器７０の外周面に形成されていてもよい。

変形例６
上記実施形態では、燃料処理器７０の第２排出部７４が下方を向いているが、これに限定されない。例えば、図９及び図１０に示すように、第２排出部７４は、水平方向を向いていてもよい。この場合、第２排出部７４に接続される排気管Ｐ６を下方に向けることが好ましい。この排気管Ｐ６が水平面となす角度は３度以上であることが好ましい。

変形例７
上記実施形態では、燃料処理器７０は、マニホールド２の底面と対向するように配置されているが、燃料処理器７０の配置はこれに限定されない。例えば、図１１に示すように、燃料処理器７０は、燃料電池セル１０の側面および主面の少なくとも一方と対向するように配置されていてもよい。このとき、燃料処理器７０の一部が燃料電池セル１０の先端面１０３よりも上方に配置されていてもよい。

図１１において、燃料処理器７０の第１排出部７３はマニホールド２側に開口しているが、これに限定されない。例えば、図１２に示すように、第１排出部７３は、マニホールド２と反対側に開口していてもよい。この場合、燃料ガス供給管Ｐ５は、第１排出部７３から折り返してマニホールド２に向かうように折り曲げられている。

また、図１１、図１２において、燃料処理器７０は、燃料電池セル１０が延びる方向に延びているが、これに限定されない。例えば、図１３に示すように、燃料処理器７０は、燃料電池セル１０が延びる方向と交差する方向（ｙ軸方向又はｚ軸方向）に延びていてもよい。詳細には、燃料電池セル１０が上下方向に延びる場合、燃料処理器７０は水平方向に延びていてもよい。この場合、第１排出部７３は、交差する方向に開口している。すなわち、第１排出部７３は、燃料処理器７０が延びる方向に開口している。なお、図１４に示すように、第１排出部７３は、燃料処理器７０の外周面に開口していてもよい。

変形例８
上記実施形態では、マニホールド本体部２３の幅方向（ｙ軸方向）において、燃料処理器７０の中心軸がマニホールド２の仕切板２４と実質的に一致するように配置されているが、これに限定されない。例えば、図１５に示すように、マニホールド本体部２３の幅方向（ｙ軸方向）において、燃料処理器７０の中心軸がガス供給室２１側に寄っていてもよいし、図１６に示すように、ガス回収室２２側に寄っていてもよい。なお、燃料処理器７０の中心軸は、燃料電池セル１０の配列方向（ｚ軸方向）において、マニホールド２の中心から外れていてもよい。例えば、燃料処理器７０の中心軸は、燃料電池セル１０の配列方向（ｚ軸方向）において、マニホールド２の中心Ｃよりも第１端部２０１側に配置されていてもよいし、マニホールド２の中心Ｃよりも第２端部２０２側に配置されていてもよい。

変形例９
上記実施形態では、第１ガス流路４３と第２ガス流路４４とは、連通部材３が有する連通流路３０によって連通されていたが、この構成に限定されない。例えば、図１７に示すように、支持基板４が、内部に連通流路３０を有していてもよい。この場合、燃料電池装置１００は、連通部材３を備えていなくてもよい。この支持基板４内に形成された連通流路３０によって、第１ガス流路４３と第２ガス流路４４とが連通されている。

変形例１０
図１８に示すように、支持基板４は、第１支持基板４ａと第２支持基板４ｂとに分かれていてもよい。この場合、第１支持基板４ａに第１ガス流路４３が形成され、第２支持基板４ｂに第２ガス流路４４が形成される。

変形例１１
上記実施形態では、支持基板４は、複数の第１ガス流路４３を有しているが、１つの第１ガス流路４３のみを有していてもよい。同様に、支持基板４は、複数の第２ガス流路４４を有しているが、１つの第２ガス流路４４のみを有していてもよい。

変形例１２
上記実施形態では、燃料電池セル１０はマニホールド２から上方に延びるように構成されているが、これに限定されない。例えば、燃料電池セル１０は、マニホールド２から下方に延びていてもよい。この場合、燃料処理器７０は、例えばマニホールド２の上方に配置される。また、マニホールド２の底面は上方を向いている。

変形例１３
上記実施形態のマニホールド２では、１つのマニホールド本体部２３を仕切板２４で仕切ることによって、ガス供給室２１とガス回収室２２とを画定しているが、マニホールド２の構成はこれに限定されない。例えば、２つのマニホールド本体部２３によってマニホールド２を構成することもできる。この場合、１つのマニホールド本体部２３がガス供給室２１を有し、別のマニホールド本体部２３がガス回収室２２を有している。

変形例１４
上記実施形態の燃料電池セル１０は、各発電素子部５が支持基板４の長さ方向（ｘ軸方向）に配列されている、いわゆる横縞型の燃料電池セルであるが、燃料電池セル１０の構成はこれに限定されない。例えば、燃料電池セル１０は、支持基板４の第１主面４５に１つの発電素子部５が支持された、いわゆる縦縞型の燃料電池セルであってもよい。この場合、支持基板４の第２主面４６に一つの発電素子部５が支持されていてもよいし、支持されていなくてもよい。

２ マニホールド
２１ ガス供給室
２２ ガス回収室
１０ 燃料電池セル
１０３ 先端面
４３ 第１ガス流路
４４ 第２ガス流路
７０ 燃料処理器
７２ 燃焼部
７３ 第１排出部
７４ 第２排出部

Claims (7)

1. 燃料電池セルと、
   ガス供給室及びガス回収室を有し、前記燃料電池セルの基端部を支持するマニホールドと、
   前記ガス供給室に供給される燃料ガスを生成する燃料処理器と、
   を備え、
   前記燃料電池セルは、
   前記ガス供給室と連通し、前記燃料電池セルの基端部から先端部に延びる少なくとも１つの第１ガス流路と、
   前記ガス回収室と連通し、前記燃料電池セルの基端部から先端部に延びて前記燃料電池セルの先端部において前記第１ガス流路と連通する、少なくとも１つの第２ガス流路と、
   を有し、
   前記燃料処理器は、前記生成した燃料ガスを前記ガス供給室へと排出する第１排出部を有し、
   前記第１排出部は、前記燃料電池セルの先端面よりも前記マニホールド側に配置される、
   燃料電池装置。
   
2. 前記燃料処理器は、前記マニホールドの底面と対向するように配置される、
   請求項１に記載の燃料電池装置。
   
3. 前記燃料処理器は、前記燃料電池セルの側面及び主面の少なくとも一方と対向するように配置される、
   請求項１に記載の燃料電池装置。
   
4. 前記燃料処理器は、前記ガス回収室からのオフガスを燃焼する燃焼部と、前記燃焼部からのガスを排出する第２排出部と、を有し、
   前記第２排出部は、水平面よりも下方を向く、
   請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池装置。
   
5. 前記燃料処理器は、前記ガス回収室からのオフガスを燃焼する燃焼部と、前記燃焼部からのガスを排出する第２排出部と、前記第２排出部から延びる排気管と、を有し、
   前記排気管は、水平面よりも下方を向く、
   請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池装置。
   
6. 前記燃料処理器の第１排出部と前記マニホールドのガス供給室とを連結する燃料ガス供給管をさらに備える、
   請求項１から５のいずれかに記載の燃料電池装置。
   
7. 前記燃料処理器の第１排出部は、前記マニホールドのガス供給室と直接連結される、
   請求項１から５のいずれかに記載の燃料電池装置。

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