JP4475861B2 - 固体電解質型燃料電池ユニット - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は固体電解質燃料電池（ＳＯＦＣ）ユニットの構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体電解質燃料電池は開発段階であり未だ実用に到っていない。現在開発が進められている円筒型固体電解質燃料電池の基本的構造には、図１０、図１１及び図１２に示すＡ型式及び図１３及び図１４に示すＢ型式とがあるが、それぞれ以下に述べる技術的問題がある。
【０００３】
（１）Ａ型固体電解質燃料電池
（１．１）Ａ型固体電解質燃料電池の構造と技術
▲１▼電池ユニットの構造
固体電解質燃料電池は高温（５００〜１，０００°Ｃ、電解質がＹＳＺ（Ｙｔｔｒｉａ Ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ Ｚｉｒｃｏｎｉａ）の場合は９００〜１，０００°Ｃ）で運転するので、耐火材及び保温材で内貼りされた容器（ケーシング）に収納される。図１０において、８０はその容器（ケーシング）を示し、ケーシング８０の下部は空気室管板８２、燃料室管板８１で仕切られ、上部は排ガス室管板８５で仕切られている。
【０００４】
空気室管板８２によって空気室８４が仕切られており、空気室８４に供給された反応用空気は、空気室管板８２と排ガス室管板８５の間に設置された電池セル管８９内を流れ、排ガス室管板８５で仕切られた排ガス室８６に到る。空気室管板８２と燃料室管板８１の間に仕切られた燃料室８３に供給された燃料ガスは燃料室管板８１の電池セル管８９周りの間隙及び分散孔より電池室８８に分散供給される。
電池反応後の排ガスは排ガス室管板８５の電池セル管８９周りの間隙を通り排ガス室８６に流入したあと、排ガス管８７より排出する。排ガス中の未反応可燃成分は排ガス室８６において流入した排空気中の残存酸素と反応する。このため排ガス室温度は電池室温度以上の高温になるので周壁は該高温に耐える耐熱材料を使用する。
【０００５】
▲２▼電池セル管の構造及び材料
図１１に示すように、電池セル管８９は強度部材である基体管９０上に空気極（正極）９１、電解質９２、燃料極（負極）９３のそれぞれ数μｍ〜１００μｍ厚の薄膜が積層され電池セルが形成されている。空気極９１を厚くし基体管９０を兼ねる構造の電池セル管とすることも可能である。
基体管９０はガス透過性の酸化雰囲気における高温耐性を有する材料、空気極９１および燃料極９３は電子導伝性（導電性）及びガス透過性を有し、それぞれ酸化雰囲気及び還元雰囲気における高温耐性のある材料、電解質９２は酸素イオン導伝性を有し電子導伝性がなく緻密構造でガス透過性のない酸化雰囲気及び還元雰囲気における高温耐性を有する材料が、それぞれ使用される。
【０００６】
▲３▼電池反応
（電気の発生）
電解質９２がＹＳＺの場合では、電解質９２は酸素イオン導伝性を有し、電池セル管８９内の空気中酸素が、外部回路から空気極９１に流入する電子を電解質界面で受取り、酸素イオン（Ｏ2-）となって電解質を燃料極（負極）へ移動する。酸素イオン（Ｏ2-）は電解質と燃料極界面で電子を放出し、燃料（Ｈ2、ＣＯ等）と反応する。放出された電子は外部回路を経て空気極（正極）に流れ、この外部回路に負荷を接続することにより電力が得られる。
【０００７】
電極における反応は次の通り表すことができる。
すなわち、空気極（正極）では、１／２ Ｏ2 ＋ ２ｅ- → Ｏ2-、燃料極（負極）では、Ｈ2 ＋ Ｏ2-→ Ｈ2Ｏ ＋ ２ｅ-とＣＯ ＋ Ｏ2-→ ＣＯ2 ＋２ｅ-である。
電池セルで発生する電気は、通常、電圧０．３〜１ボルト（Ｖ）、電流密度０．３〜１アンペア（Ａ／ｃｍ2）の直流電気であり、電力密度は０．２〜０．７Ｗ／ｃｍ2程度である。
【０００８】
（反応熱の除去）
電池反応（発電）には、束縛エネルギー及び内部抵抗（ジュール熱）による熱発生が伴い（以下反応熱と総称する）、通常この反応熱量は発電電力量と凡そ同等レベルである。所定の電池作動温度（Ｔｏｐ）で連続して安定な発電を継続するためには、所定量の燃料及び反応空気の供給と、反応生成物及び未反応物の排出と、この反応熱の余剰量の連続的排出を行って、電池作動条件を一定に保持することが必要である。電池部温度を一定に保持するための余剰反応熱排出の方法には次の i）〜 iv）の４方法がある。
i）内部改質（吸熱反応）による反応熱の吸収
固体電解質燃料電池における電池反応に有効な燃料成分はＨ2及びＣＯであるので、例えばメタンが燃料であればメタン（ＣＨ4）を改質して、ＣＯとＨ2にすることが必要である。この反応は次の通り吸熱反応であるので、この改質反応を電池部近傍で行わせる（内部改質）ことにより、反応熱の一部を燃料に回収することができる。
ＣＨ4＋Ｈ2Ｏ → ＣＯ＋３Ｈ2−２０６．２５ｋＪ／ｍｏｌ
一方、メタンの低位発熱量は８０１ｋＪ／１ｍｏｌであり、その約５０％が反応熱になるとすれば、反応熱量は約４００ｋＪ／１ｍｏｌであるので、内部改質だけでは温度制御はできない。
【０００９】
ii） 燃料及び反応空気の供給温度の低下
燃料Ｗｆ（ｋｇ）及び空気Ｗａ（ｋｇ） を所定の電池作動温度（Ｔｏｐ）以下の温度（Ｔｆｉ、Ｔａｉ）で供給することにより吸熱手段となる。
Ｑａｆ＝Ｗａ×Ｃａ×（Ｔｏｐ−Ｔａｉ）＋Ｗｆ×Ｃｆ×（Ｔｏｐ−Ｔｆｉ）、
ここで、Ｃａ及びＣｆはそれぞれ空気及び燃料の比熱である。
内部改質を行い燃料及び空気の低温供給により反応熱吸収（温度制御）を行う場合の必要空気温度は、空気量が理論空気比の場合、約４００℃の低温で供給することが必要になり、このような低い温度では電解機能が著しく低下する。
この結果、電池反応が抑制され発電量が減少する（効率が低下する）ので、電池の大型化を要する（電池面積当りの発電量減少の問題）。このように燃料及び空気の供給温度は、電池反応部の温度が所定の電池作動温度（Ｔｏｐ）レベルに維持できることが必要であり、電池部供給温度を適正温度以下に低下することは合理的な手段とはならない。
【００１０】
iii） 反応空気量の増加
ii）のように供給空気温度の低下には制限が伴うので、供給空気温度と電池作動温度との差を少なくして、即ち、外部で空気を加熱して、供給空気量の増加により吸熱量を増加する方法がある。即ち、電池からの排ガス（又は排空気）の保有熱を利用して、供給空気温度を電池作動温度より若干低い温度まで上げて供給する方法である。
しかし、この方法においては、供給空気量の増加により電池部から外部に排出される熱量（排ガスの顕熱）が増加するので、電池反応に利用されるエネルギーが減少し発電効率が低下する（燃料供給量あたりの発電量の減少）。
【００１１】
iv） 冷却媒体による熱除去
電池内部に第三の熱除去媒体を用いた熱交換器を設置し、その熱除去媒体により熱除去する方法や、蒸気の注入方法の適用も可能であるが、何れにおいても、上記ii）の温度低下やiii）の電池部から外部への排出熱量増加による発電効率の低
下が伴う。
【００１２】
▲４▼電池セルの接続構造
電池セル管における発生電気は電圧が低く（１Ｖ以下）出力も小さいので、電池セル管列を構成し、隣接する電池セル管８９をコネクターバー（電気的接続要素）９４により直列接続し所要の電圧に上げる。このため図１２に示すように、電池セル管８９の燃料極９１及び電解質９２の一部を、コネクターバー（電気的接続要素）９４をそれらに接触することなく挿入できる程度の幅に切り欠き、該部の空気極９１と隣接する電池セル管８９の燃料極９３をコネクターバー９４で接続する。
【００１３】
電池作動温度が高く（前記の通り、ＹＳＺの場合は９００〜１，０００℃）、電池セル管間の間隔は運転条件に応じ変化する（運転時と停止時では間隔が大きく異なる）ので、コネクターバー９４は導電性、還元雰囲気における高温耐性、及び温度変化に対する伸縮性を有する材質・材料でなければならない。このような過酷な運用に絶え得る材料としてニッケルフェルトやニッケルメッシュ等が用いられている。電池ユニットは多数の電池セル管列（アレイ）を並列に設置して構成される。このような電気的接続によりセル発生電力は所定の電圧および電流となり電池ユニット出力として外部に供給される。
【００１４】
（１．２） Ａ型固体電解質燃料電池の問題点
この電池ユニット構造においては、電池反応に伴う発生熱量の合理的除去（有効利用）ができないので、供給空気量の増加や燃料及び空気の供給温度の低下により、余剰反応熱の吸収と排出を行わなければならない。このため、電池の発電効率低下と排ガス量の増加（発電量減少（効率低下）分が排ガス顕熱量の増加となる）を伴う問題があった。即ち、
▲１▼空気の外部加熱による効率低下の問題
電池室８８において、空気加熱器が電池の極近傍に設置されていないので、電池反応による発生熱を電池内部で吸収し空気加熱に利用することができない。従って、電池室８８外部に空気加熱器を設置して、空気を予め電池作動温度に近い温度に加熱して電池に供給することが必要である。このため、単位流量当りの空気の反応熱吸収量（冷却効果）は小さく、反応熱排出のために空気量の増加が必要となる。空気量の増加は、即ち、排ガス量の増加と排ガス損失の増加となり、電池の発電量減少、効率低下となる。
【００１５】
▲２▼燃料の外部加熱による効率低下の問題
空気と同様に、電池室８８において、燃料加熱器が電池の極近傍に設置されていないので、電池反応による発生熱を電池内部で吸収し燃料および改質のために混入される蒸気の加熱に利用することができない。従って、電池室８８外部に燃料加熱器を設置して、燃料及び改質用蒸気を予め電池作動温度に近い温度に加熱して電池に供給することが必要である。このため、燃料及び改質用蒸気の反応熱吸収量（冷却効果）は小さく、反応熱排出のために空気量の増加が必要となる。空気量の増加は、即ち、排ガス量の増加と排ガス損失の増加となり、電池の発電量減少、効率低下となる。
【００１６】
▲３▼外部改質方式に伴う問題
固体電解質燃料電池では燃料極にＮｉ等の改質触媒を用いることにより、電池反応部において改質反応（熱的には吸熱反応である）が生じるので、電池反応による発生熱の一部を燃料の改質に使って化学エネルギーに変換することができるが、この電池ユニット構造では、入口側の燃料温度が低く温度勾配があるので、電極にＮｉ等の改質触媒を使用しても十分な改質機能は得られず、改質したガス（ＣＯ、Ｈ2）を電池管に供給することが必要であり、別置きの改質器を電池室８８外部や一部を電池セル管列間（電池反応部から離れた位置）に設置せざるを得ない。
【００１７】
即ち、電池の燃料極９３の改質機能が低いか無いので、別置きの改質装置が必要である。また、改質吸熱反応に電池反応熱を利用できないので、その分反応熱排出のための空気量増加が必要となり、排ガスの顕熱損失が増加し、発電量（即ち発電効率）が低下する。
別置きの改質装置が必要となると、設備が増加するとともに、複雑化しコストアップとなる等の基本的問題が存在する。
【００１８】
▲４▼空気量増加に伴う問題
空気量の増加は顕熱損失の増大と発電効率の低下だけでなく、入口側空気および入口側燃料の温度が低いことにより、電池反応が緩慢となり電池の大型化が必要であり、また、外部空気加熱器及び外部燃料加熱器の設置が必要であるとともに、送風設備が大型化する。
このように、Ａ型固体電解質燃料電池ユニットにはユニット構造に関する本質的不具合がある。
【００１９】
（２）Ｂ型固体電解質燃料電池
（２．１）Ｂ型固体電解質燃料電池の構造と技術
▲１▼電池ユニットの構造
固体電解質燃料電池は高温（５００〜１，０００℃、電解質がＹｔｔｒｉａ Ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ Ｚｉｒｃｏｎｉａ（ＹＳＺ） の場合は９００〜１，０００℃）で作動するので、耐火材及び保温材で内貼りされたケーシングに収納される。
図１３において、５０はケーシングで、ケーシング５０の下部は空気室管板５８、排空気室管板５７、上部は排ガス室管板５１、燃料ガス室管板５２で区分されている。空気室６０に供給された反応用空気は排空気室５９及び排空気室管板５７を貫通する分散空気孔から電池室６１に供給される。
【００２０】
燃料ガスは燃料ガス供給管５５を経て燃料室５３に供給される。図１４に示すように電池セル管６２は２重管構造になっており、燃料ガスは内管７０を下降し下端部でＵターンし外管７１とのアニュラー部を上昇する。この外管内を上昇中に電池セル管６２の外側を上昇する空気と電池反応し、燃料排ガスは排ガス室５４に流入し排ガス管５６を経て電池ユニット外部に排出される。一方、反応済み空気は電池室６１の上部で排空気管６３に流入し下部の排空気室５９に到る。
【００２１】
▲２▼電池セル管の構造及び材料
図１４に示すように、電池セル管６２は二重管構造であり、強度部材である外管（基体管）７１上に、数μｍ〜１００μｍ厚の燃料極（負極）７２、電解質７３、空気極（正極）７５の各薄膜が積層される。この燃料電池では、電池セルが基体管上にリング状に構成され、電池セル管６２の空気極７５はインターコネクター７４により隣接の電池セル管６２の燃料極７２に接続される。各電池セル管６２の燃料極７２は電解質７３、空気極７５は絶縁保護材７６で絶縁されている。内管７０は燃料ガスを下降させ加熱する機能を有する。
【００２２】
外管（基体管）７１はガス透過性の還元雰囲気における高温耐性、燃料極７２および空気極７５は電子導伝性（導電性）を有し，それぞれ還元雰囲気及び酸化雰囲気における高温耐性を持つガス透過性材料が使用される。
電解質７３は酸素イオン導伝性を有し電子導伝性がなく緻密構造でガス透過性のない材料である。
このように電池セル管６２の基本構造は管内に燃料ガス、管外側に空気が供給される構造であり、電池セルがリング状に直列に形成される点を除けば、Ａ型燃料電池と基本的に同じである。
【００２３】
▲３▼電池反応
１本の電池セル管６２に電池セルがリング状に配置され電気的にシリーズに接続されているが、電池セル管６２の構造はＡ型燃料電池と同様であり電池反応も同じである。即ち、電解質がＹＳＺの場合では電解質７３は酸素イオン導伝性を有し、電池セル管６２の外側の空気中酸素が外部回路から空気極７５に流入する電子を受取り電解質界面で酸素イオン（Ｏ2-）となって電解質７３を燃料極（負極）７２へ移動する。酸素イオン（Ｏ2-）は電解質７３と燃料極７２界面で電子を放出し、管内の燃料ガス（Ｈ2、ＣＯ等）と反応する。放出された電子は外部回路を経て空気極（正極）７５に流れ電流が発生する。この外部回路に負荷を接続することにより電力が得られる。
電池セル管６２で発生する電気はＡ型の場合と同じく、通常電圧０．３〜１ボルト（Ｖ）、電流密度０．３〜１アンペア（Ａ）の直流電気であり、電力密度は０．２〜０．７Ｗ／ｃｍ2程度である。１本の電池セル管に形成される電池セル数により電池セル管当たりの電圧が決まる。
【００２４】
▲４▼電池セルの接続構造
電池セルにおける発生電気は電圧が低く出力も小さいので、電池セル管６２上のセルの空気極７５と隣接セルの燃料極７２をインターコネクター（セル電気的接続要素）７４により電気的に直列に接続する。隣接セルの燃料極７２同士、空気極７５同士はそれぞれ電解質７３および絶縁保護部材７６で電気的に分離され、燃料ガス及び空気の透過防止が図られている。電池セル管６２の端部において燃料極７２と隣接電池セル管の空気極７５を、インターコネクター（接続要素）７４により直列に接続し所要の電圧に上げる。
【００２５】
図１４に一部を示すように、電池セル管６２には通常数十のセルが形成され直列接続されるので、電池セル管当りの発生電圧はＡ型の場合の数十倍である。電池ユニットの電力を所定の電圧にするため所定数の電池セル管が排ガス室で導電線により電気的に直列接続され、複数の電池セル管グループ（アレイ）が電気的に並列に構成され電池ユニットを構成する。このような電気的接続によりセル発生電力は所定の電圧および電流となり電池ユニット出力として取出される。
【００２６】
（２．２） Ｂ型固体電解質燃料電池の問題点
▲１▼空気供給方式に付随する問題
Ｂ型電池ユニットは電池セル管６２が二重管構造になっており、供給された燃料は内管を下降する間に反応熱を吸熱し外管７１入口では燃料の改質反応及び電池反応に必要な温度に昇温することができ、電池部で改質反応（吸熱反応）による吸熱効果が得られるので、その分だけ反応熱排出のための空気量を低減することができる。
しかし、空気は空気室から電池部に直接供給されるので、空気は電池作動温度に近い温度で供給することが必要であり、そのため単位空気量当りの反応熱の吸収能力は小さく空気量の増加が必要である。
このため、空気加熱器の設置が必要であること、排気ガス顕熱損失が増加し、電池発電力量が減少するので発電効率が低下すること、送風設備が大型化すること、別置き空気加熱器の設置が必要なこと、燃料性状によっては十分に内部改質が行われず部分別置き改質装置が必要になる、などの問題がある。
【００２７】
【発明が解決しようとする課題】
従来の固体電解質燃料電池ユニットが前記した問題点を有していたことに鑑み、本発明は発電効率を低下させることなく低温空気を用いて反応熱除去を行なうことを可能とした構造の固体電解質燃料電池ユニットを提供することを課題としている。
【００２８】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するため、本発明は請求項１に記載の固体電解質燃料電池ユニットを提供する。この固体電解質燃料電池ユニットでは、反応空気加熱分散管を電池セル管群中に分散配置しているので、低温空気を供給して反応熱除去ができ、反応熱除去のための空気量増加が減少し効率低下が無いこと、また、空気は電池室内に放出される前に反応空気加熱分散管内で加熱されて適正温度となり効率低下が無く、空気の適正分散（空気量の適性分布）が可能であり効率低下が無い。
また、この固体電解質燃料電池ユニットでは、電池セル管を二重管構造としているので、低温燃料の供給による反応熱除去ができ、このため、反応熱除去のための空気量増加が減少し効率低下が無く、更に、燃料は電池反応部供給前に適正温度となり効率低下が無く、燃料量の適正分布が可能であり効率低下が無い。
また、反応空気加熱分散管及び電池セル管の固定支持部以外の管板貫通部は熱伸び差を許容するシール構造としているので、完全なシールが行われるとともに各管の熱応力が防止され信頼性が向上する。具体的には、熱膨張差等による前記反応空気加熱分散管群の熱応力による損傷を防止できる。また、このシール構造を低温の空気室および燃料室に設けた構造とすることによって、シールリングは金属材料の使用が可能である。
以上の性能向上により未利用燃料量が減少し、排ガスと排空気の混合による温度上昇は僅少となるので、空気室、燃料室、排ガス室、及び電池室を上部よりこの順に配置して４室構造とした電池ユニット構造の適用が可能であり、空気加熱器及び燃料加熱器が不要となるので、電池ユニットがシンプルでコンパクトとなる。
【００２９】
本発明によるこの固体電解質燃料電池ユニットにおいて、請求項２に記載のように反応空気加熱分散管の入口にオリフィスを設置した構成とすると、供給空気の適正分散が可能となって好ましい。
【００３２】
また、本発明は前記課題を解決するため、請求項３に記載の固体電解質燃料電池ユニットを提供する。この固体電解質燃料電池ユニットでは、内管外面に燃料改質触媒を塗布しているので燃料に対する改質機能が向上する。更に、別置き（外部）燃料加熱器が不要であり電池ユニットがシンプルとなる。
【００３４】
また、請求項５に記載の排ガスと排空気を混合しないように燃料室、排ガス室、電池室、排空気室、及び空気室を上部よりこの順に配置した電池ユニット構造としたものでは、空気室を最下部に、排空気室をその上に隣接して設けることにより、同等以上の機能を保持することができる。
【００３５】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態による排ガス排空気混合型燃料電池ユニットの構造を、燃料電池ユニットの全体構造を示す図１と、燃料電池ユニットの上部構造を示す図２によって説明する。
燃料電池ユニットの燃料電池を収納する容器（ケーシング）１は、空気室管板３、燃料室管板４及び排ガス室管板５により、空気室６、燃料室７、排ガス室８及び電池室９の４室に仕切られている。各管板３、４、５はケーシング１にガスタイトに取り付けられる。図１は、容器（ケーシング）１内に内部ケーシング２を有する二重ケーシング構造の例を示す。内部ケーシング２は耐火材で構成され、内部ケーシング２とケーシング１の間は保温層又は断熱層である。
【００３６】
空気室管板３、燃料室管板４及び排ガス室管板５を貫通し電池セル管１０群中を電池室９下部に延びた両端開放の反応空気加熱分散管１１が設置されていいる。空気供給管１２を経て空気室６に供給された空気は、反応空気加熱分散管１１に分散され、電池室９の下部で電池室９に加熱された空気を分散放出する。反応済み（排）空気は後記するように二重管構造とした電池セル管１０の外管周りの間隙から排ガス室８に流入する。
【００３７】
電池セル管１０は内管２０と外管２１を有する二重管構造であり、その内管２０は燃料室管板４及び排ガス室管板５を貫通し電池室９に、外管２１は排ガス室管板５を貫通し電池室９にそれぞれ延びている。内管２０は両端開放されており、燃料供給管１３により燃料室７に供給された燃料は、内管２０に分散され内管２０を下降し下端部で放出され、外管２１とのアニュラー部を電池反応をしつつ上昇し、排ガス室８に放出される。排ガスは排ガス室８で排空気と混合し排ガス管１４を経て外部に排出される。
燃料電池ユニット内の電池セル管１０と反応空気加熱分散管１１の配置の一例を図３に示してある。
【００３８】
次に、各室管板を反応空気加熱分散管１１、電池セル管１０（内管２０と外管２１）が貫通する部分の構造を図４〜図７を用いて説明する。
反応空気加熱分散管１１の空気室管板３及び燃料室管板４貫通部は、図４、図５に示されているようにフレキシブルシールリング１５、１６により、排ガス室管板５貫通部はリジッドシールリング１７により、それぞれガスタイトにシールされ、空気と燃料の混合や燃料と排ガスとの混合は完全に防止されている。反応空気加熱分散管１１はこのリジッドシールリング１７を介して燃料ガス室管板５に支持されて吊下げられ、空気室管板３及び燃料室管板４貫通部は熱伸び差による熱応力が発生しないフレキシブルシールリング１５、１６によるシール構造になっている。
【００３９】
図６、図７に示されているように、電池セル管１０の内管２０は燃料室管板４貫通部においてリジッドシールリング１８を介して燃料室管板４にガスタイトに支持され吊下げられる。
外管２１は排ガス室管板５貫通部において、外管２１に固着されたスペーサー１９を介して排ガス室管板５に固定されて吊下げられる。電池室９からの排空気はこのスペーサー１９部の間隙から排ガス室８に流入する。このため外管貫通部周囲の間隙は排空気の流速が適正速度に保持されるように同心円状に設けられる。上記の通り、排ガス室管板５の外管２１貫通部を除き、各管の管板貫通部は完全にガスシールされると共に、熱応力が発生しないシールおよび支持構造になっている。
【００４０】
以上説明した第１実施形態による固体電解質燃料電池ユニットでは、反応空気加熱分散管１１を電池室９内に分散配置したことにより、空気加熱器を経ない低温空気を直接供給しても、反応空気加熱分散管１１内を流れることによって電池反応熱を吸熱して電池室９への供給前に適正温度レベルに上げることができる。従って電池性能の低下を伴うことなく反応熱の吸熱除去（温度制御）が可能である。この結果、反応熱排出のための空気量増加が不要となり効率低下を避けることができる。
【００４１】
更に、電池セル管１０を二重管とし内管２０に燃料加熱機能を持たせたことにより、燃料加熱器を経ない低温燃料を供給しても、電池セル管１０内で電池反応熱を吸熱して電池反応部（内管２０の下端部）に到達前に適正温度レベルに到達する。従って電池性能の低下を伴うことなく、反応熱の吸熱除去（温度制御）が可能である。この結果、反応熱排出のための空気量増加が不要となり効率低下を避けることができる。
【００４２】
（参考実施形態）
本発明の参考実施形態による排ガス排空気分離型燃料電池ユニットの構造を、燃料電池ユニットの全体構造を示す図８と、燃料電池ユニットの上部構造を示す図９によって説明する。
排ガス中に未反応燃料成分が多量に含まれる場合は、排ガスと排空気を混合すると燃焼反応により排ガス室温度が上昇し排ガス室や排ガス管を焼損する可能性があるので、排ガス室と排空気室を分離することが必要である。この参考施形態はこのための電池ユニット構造にかかるものである。
【００４３】
燃料電池ユニットは、燃料電池を収納する容器（ケーシング）１を、空気室管板３、排空気室管板３０、燃料室管板４及び排ガス室管板５により、空気室６、排空気室３１、燃料室７、排ガス室８及び電池室９の５室に仕切られている。各管板３、４、５、３０はケーシング１にガスタイトに取り付けられる。図８は内部ケーシング２を有する二重ケーシング構造の例を示す。内部ケーシング２は耐火材で構成され、内部ケーシング２とケーシング１の間は保温層又は断熱層である。
【００４４】
空気室管板３及び排空気室管板３０を貫通し電池セル管１０群中を電池室９の上部に延びた両端開放の反応空気加熱分散管１１が設置されている。空気供給管１２を経て空気室６に供給された空気は反応空気加熱分散管１１に流入され、電池室９の上部で加熱された空気を分散放出する。反応済み空気（排空気）は排空気室管板３０に分散設置された排気孔３３から排空気室３１に流入し、排空気管３４で電池ユニット外部に排出される。
【００４５】
電池セル管１０は内管２０と外管２１を有する二重管構造であり、その内管２０は燃料室管板４を貫通し、外管２１は排ガス室管板５を貫通し電池室９に延びている。燃料供給管１３により燃料室７に供給された燃料は、内管２０に分散され内管２０を下降し下端部で放出され反転して、外管２１とのアニュラー部を電池反応をしつつ上昇し、排ガス室８に放出される。排ガスは排ガス室８から排ガス管１４を経て外部に排出される。
【００４６】
反応空気加熱分散管１１の空気室管板３貫通部は図５に示すと同様、リジッドシールリング１７によりガスタイトにシールされて支持され、排空気室管板３０貫通部３２は、図４に示すと同様、フレキシブルシールリング１５によりガスタイトにシールされるので、空気と排空気との混合は完全に防止されている。電池室９からの排空気は排空気室管板３０に分散設置された小孔である排気孔３３から排空気室３１に流入する。
【００４７】
内管２０は、燃料室管板４の貫通部において図６に示すと同様、リジッドシールリング１８を介して燃料室管板４にガスタイトに固定し吊下げられる。
外管２１は排ガス室管板５貫通部において、図５に示すと同様、リジッドシールリング１７を介して排ガス室管板５にガスタイトに固定し吊下げられる。
上記の通り、排空気室管板３０に設けられた排空気孔を除き、各室の管板貫通部は完全にガスシールされると共に、熱応力が発生しないシールおよび支持構造になっている。
【００４８】
以上のように構成された参考実施形態による燃料電池ユニットは、燃料室７、排ガス室８、電池室９、排空気室３１及び空気室６に分離されたガスタイトな構造であり、燃料と空気の混合を完全に防止し燃焼による損失や高温発生を防止し、燃料及び空気の電池反応への利用率向上が図られている。
また、電池セル管１０及び反応空気加熱分散管１１の各管板貫通部において、固定支持部以外はフレキシブルシール構造にしているので、何れの管も熱膨張差による熱応力発生が防止され電池セル管１０の損傷を防止することができる。
【００４９】
この参考実施形態による燃料電池ユニットにおいては、排空気（通常供給量の５０％以上の未反応酸素を含有する）室３１と排ガス（通常供給量の５〜２０％の未反応燃料を含有する）室８が分離され、排空気と排ガスが混合しない構造であるので、未反応成分の燃焼反応が生じることがなく異常高温になることがない。従って排ガス室８の温度上昇抑制のための空気量増加が不要であり、空気量の低減による効率向上が可能である。
【００５０】
なお、空気比を２〜３と大きくする基本的理由は前述したように、空気量増加により反応熱の排出量を増加し電池温度を所定レベルに保持するためであり、電池反応に伴う反応熱や燃焼による発熱が少なければ、空気量の低減が可能となり効率向上が可能となる。
【００５１】
また、反応空気加熱分散管１１を電池室９内に分散配置したことにより、空気加熱器を経ない低温空気を直接供給しても、電池反応熱の吸熱により電池室９内への供給前に適正温度レベルに上げることができる。従って電池性能の低下を伴うことなく反応熱の吸熱除去（温度制御）が可能である。この結果、反応熱排出のための空気量増加が不要となり効率低下を避けることができる。
【００５２】
更に、電池セル管１０を二重管とし、その内管２０に燃料加熱機能を持たせたことにより、燃料加熱器を経ない低温燃料を供給しても、電池反応熱を吸熱して電池反応部（内管下端部）に到達前に適正温度レベルに到達させることができる。従って電池性能の低下を伴うことなく、反応熱の吸熱除去（温度制御）が可能である。この結果、反応熱排出のための空気量増加が不要となり効率低下を避けることができる。
【００５３】
以上、本発明による固体電解質燃料電池ユニットを図示した実施の形態に基づいて説明したが、本発明がこれらの実施形態に限定されず、本発明の範囲内で種々の変形、変更を加えてよいことはいうまでもない。
【００５４】
例えば、燃料極に改質触媒機能を有する材料を使用して改質機能を持たせる他に、電池セル管１０の内管２０の外面に改質触媒機能を有する材料を塗布又は混合する構成とすれば、電池セル管１０内における内部改質機能が向上するので、改質し難い広範な燃料に対して完全内部改質が可能となる。
また、反応空気加熱分散管１１の入口にオリフィスを設置する等により電池室９内への空気の適正分散が可能となる。こうして別置き（外部）空気加熱器が不要であり電池ユニットがシンプルとなるなどの効果がある。
【００５５】
【発明の効果】
以上説明したとおり、本発明による固体電解質燃料電池ユニットでは、反応空気加熱分散管を電池セル管群中に分散配置したことにより、低温空気を供給して反応熱除去ができ、このため、反応熱除去のための空気量増加が減少し効率低下が無いこと、また、空気は電池室内に放出される前に反応空気加熱分散管内で加熱されて適正温度となり効率低下が無く、空気の適正分散（空気量の適性分布）が可能であり効率低下が無い。
また、本発明による固体電解質燃料電池ユニットでは、電池セル管を二重管構造としてあるので、低温燃料の供給による反応熱除去ができる。このため、反応熱除去のための空気量増加が減少し効率低下が無い。更に、燃料は電池反応部供給前に適正温度となり効率低下が無く、燃料量の適正分布が可能であり効率低下が無い。
また、反応空気加熱分散管及び電池セル管の固定支持部以外の管板貫通部を熱伸び差を許容するシール構造としてあるので、完全なシールが行われると共に各管の熱応力が防止され信頼性が向上する。具体的には、熱膨張差等による前記反応空気加熱分散管群の熱応力による損傷を防止できる。また、このシール構造を低温の空気室および燃料室としているので、シールリングは金属材料の使用が可能である。
以上の性能向上により未利用燃料量が減少し、排ガスと排空気の混合による温度上昇は僅少となるので、上部から空気室、燃料室、排ガス室、及び電池室をこの順に配置して４室構造とした電池ユニット構造の適用が可能であり、空気加熱器及び燃料加熱器が不要となるので、電池ユニットがシンプルでコンパクトとなる。
【００５６】
また、この本発明による固体電解質燃料電池ユニットにおいて、反応空気加熱分散管の入口にオリフィスを設置したものでは、供給空気の適正分散が可能である。
【００５８】
また、本発明による固体電解質燃料電池ユニットにおいて、電池セル管の内管に燃料改質触媒を塗布したものでは、電池セル管における改質機能が向上する。更に、別置き（外部）燃料加熱器が不要であり電池ユニットがシンプルとなる。
【００６０】
また、排ガスと排空気を混合しないように燃料室、排ガス室、電池室、排空気室、及び空気室を上部よりこの順に配置した電池ユニット構造としたものでは、空気室を最下部に排空気室をその上に隣接して設けることにより、同等以上の機能を保持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１実施形態による電池ユニットの全体構造を示す斜視図。
【図２】 図１に示した電池ユニットの上部構造を示す側断面面。
【図３】 本発明の第１実施形態による燃料電池ユニット内の電池管１０と反応空気加熱分散管１１の配置例を示す平面図。
【図４】 反応空気加熱分散管の空気室管板及び燃料室管板貫通部の構造（フレキシブルシール）を示す図面で、（ａ）は平面図、（ｂ）は縦断面図。
【図５】 反応空気加熱分散管の排ガス室管板貫通構造を示す図面で、（ａ）は平面図、（ｂ）は縦断面図。
【図６】 電池セル管内管の燃料室管板貫通部構造を示す図面で、（ａ）は平面図、（ｂ）は縦断面図。
【図７】 電池セル管外管の排ガス室管板貫通部構造を示す図面で、（ａ）は平面図、（ｂ）は縦断面図。
【図８】 本発明の参考実施形態による電池ユニットの全体構造を示す斜視図。
【図９】 図８に示した電池ユニットの上部構造を示す側断面図。
【図１０】 電池ユニットの側断面
【図１１】 電池セル管の構造を示す図面で、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は横断面図。
【図１２】 電池セル管間の電気的接続構造を示す横断面面。
【図１３】 燃料電池ユニットの全体構造を示す側断面面。
【図１４】 電池セルの構造示す縦断面面。
【符号の説明】
１ 容器（ケーシング）
２ 内部ケーシング
３ 空気室管板
４ 燃料室管板
５ 排ガス室管板
６ 空気室
７ 燃料室
８ 排ガス室
９ 電池室
１０ 電池セル管
１１ 反応空気加熱分散管
１２ 空気供給管
１３ 燃料供給管
１４ 排ガス管
１５ フレキシブルシールリング
１６ フレキシブルシールリング
１７ リジッドシールリング
１８ リジッドシールリング
１９ スペーサ
２０ 内管
２１ 外管
３０ 排空気室管板
３１ 排空気室
３２ 貫通部
３３ 排気孔
３４ 排空気管
５０ 容器（ケーシング）
５１ 排ガス室管板
５２ 燃料ガス室管板
５３ 燃料室
５４ 排ガス室
５５ 燃料ガス供給管
５６ 排ガス管
５７ 排空気室管板
５８ 空気室管板
５９ 排空気室
６０ 空気室
６１ 電池室
６２ 電池セル管
６３ 排空気管
７０ 内管
７１ 外管（基体管）
７２ 燃料極
７３ 電解質
７４ インターコネクター
７５ 空気極
７６ 絶縁保護材
８０ 容器（ケーシング）
８１ 燃料室管板
８２ 空気室管板
８３ 燃料室
８４ 空気室
８５ 排ガス室管板
８６ 排ガス室
８７ 排ガス管
８８ 電池室
８９ 電池セル管
９０ 基体管
９１ 空気極
９２ 電解質
９３ 燃料極
９４ コネクターバー
【発明の属する技術分野】
本発明は固体電解質燃料電池（ＳＯＦＣ）ユニットの構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体電解質燃料電池は開発段階であり未だ実用に到っていない。現在開発が進められている円筒型固体電解質燃料電池の基本的構造には、図１０、図１１及び図１２に示すＡ型式及び図１３及び図１４に示すＢ型式とがあるが、それぞれ以下に述べる技術的問題がある。
【０００３】
（１）Ａ型固体電解質燃料電池
（１．１）Ａ型固体電解質燃料電池の構造と技術
▲１▼電池ユニットの構造
固体電解質燃料電池は高温（５００〜１，０００°Ｃ、電解質がＹＳＺ（Ｙｔｔｒｉａ Ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ Ｚｉｒｃｏｎｉａ）の場合は９００〜１，０００°Ｃ）で運転するので、耐火材及び保温材で内貼りされた容器（ケーシング）に収納される。図１０において、８０はその容器（ケーシング）を示し、ケーシング８０の下部は空気室管板８２、燃料室管板８１で仕切られ、上部は排ガス室管板８５で仕切られている。
【０００４】
空気室管板８２によって空気室８４が仕切られており、空気室８４に供給された反応用空気は、空気室管板８２と排ガス室管板８５の間に設置された電池セル管８９内を流れ、排ガス室管板８５で仕切られた排ガス室８６に到る。空気室管板８２と燃料室管板８１の間に仕切られた燃料室８３に供給された燃料ガスは燃料室管板８１の電池セル管８９周りの間隙及び分散孔より電池室８８に分散供給される。
電池反応後の排ガスは排ガス室管板８５の電池セル管８９周りの間隙を通り排ガス室８６に流入したあと、排ガス管８７より排出する。排ガス中の未反応可燃成分は排ガス室８６において流入した排空気中の残存酸素と反応する。このため排ガス室温度は電池室温度以上の高温になるので周壁は該高温に耐える耐熱材料を使用する。
【０００５】
▲２▼電池セル管の構造及び材料
図１１に示すように、電池セル管８９は強度部材である基体管９０上に空気極（正極）９１、電解質９２、燃料極（負極）９３のそれぞれ数μｍ〜１００μｍ厚の薄膜が積層され電池セルが形成されている。空気極９１を厚くし基体管９０を兼ねる構造の電池セル管とすることも可能である。
基体管９０はガス透過性の酸化雰囲気における高温耐性を有する材料、空気極９１および燃料極９３は電子導伝性（導電性）及びガス透過性を有し、それぞれ酸化雰囲気及び還元雰囲気における高温耐性のある材料、電解質９２は酸素イオン導伝性を有し電子導伝性がなく緻密構造でガス透過性のない酸化雰囲気及び還元雰囲気における高温耐性を有する材料が、それぞれ使用される。
【０００６】
▲３▼電池反応
（電気の発生）
電解質９２がＹＳＺの場合では、電解質９２は酸素イオン導伝性を有し、電池セル管８９内の空気中酸素が、外部回路から空気極９１に流入する電子を電解質界面で受取り、酸素イオン（Ｏ2-）となって電解質を燃料極（負極）へ移動する。酸素イオン（Ｏ2-）は電解質と燃料極界面で電子を放出し、燃料（Ｈ2、ＣＯ等）と反応する。放出された電子は外部回路を経て空気極（正極）に流れ、この外部回路に負荷を接続することにより電力が得られる。
【０００７】
電極における反応は次の通り表すことができる。
すなわち、空気極（正極）では、１／２ Ｏ2 ＋ ２ｅ- → Ｏ2-、燃料極（負極）では、Ｈ2 ＋ Ｏ2-→ Ｈ2Ｏ ＋ ２ｅ-とＣＯ ＋ Ｏ2-→ ＣＯ2 ＋２ｅ-である。
電池セルで発生する電気は、通常、電圧０．３〜１ボルト（Ｖ）、電流密度０．３〜１アンペア（Ａ／ｃｍ2）の直流電気であり、電力密度は０．２〜０．７Ｗ／ｃｍ2程度である。
【０００８】
（反応熱の除去）
電池反応（発電）には、束縛エネルギー及び内部抵抗（ジュール熱）による熱発生が伴い（以下反応熱と総称する）、通常この反応熱量は発電電力量と凡そ同等レベルである。所定の電池作動温度（Ｔｏｐ）で連続して安定な発電を継続するためには、所定量の燃料及び反応空気の供給と、反応生成物及び未反応物の排出と、この反応熱の余剰量の連続的排出を行って、電池作動条件を一定に保持することが必要である。電池部温度を一定に保持するための余剰反応熱排出の方法には次の i）〜 iv）の４方法がある。
i）内部改質（吸熱反応）による反応熱の吸収
固体電解質燃料電池における電池反応に有効な燃料成分はＨ2及びＣＯであるので、例えばメタンが燃料であればメタン（ＣＨ4）を改質して、ＣＯとＨ2にすることが必要である。この反応は次の通り吸熱反応であるので、この改質反応を電池部近傍で行わせる（内部改質）ことにより、反応熱の一部を燃料に回収することができる。
ＣＨ4＋Ｈ2Ｏ → ＣＯ＋３Ｈ2−２０６．２５ｋＪ／ｍｏｌ
一方、メタンの低位発熱量は８０１ｋＪ／１ｍｏｌであり、その約５０％が反応熱になるとすれば、反応熱量は約４００ｋＪ／１ｍｏｌであるので、内部改質だけでは温度制御はできない。
【０００９】
ii） 燃料及び反応空気の供給温度の低下
燃料Ｗｆ（ｋｇ）及び空気Ｗａ（ｋｇ） を所定の電池作動温度（Ｔｏｐ）以下の温度（Ｔｆｉ、Ｔａｉ）で供給することにより吸熱手段となる。
Ｑａｆ＝Ｗａ×Ｃａ×（Ｔｏｐ−Ｔａｉ）＋Ｗｆ×Ｃｆ×（Ｔｏｐ−Ｔｆｉ）、
ここで、Ｃａ及びＣｆはそれぞれ空気及び燃料の比熱である。
内部改質を行い燃料及び空気の低温供給により反応熱吸収（温度制御）を行う場合の必要空気温度は、空気量が理論空気比の場合、約４００℃の低温で供給することが必要になり、このような低い温度では電解機能が著しく低下する。
この結果、電池反応が抑制され発電量が減少する（効率が低下する）ので、電池の大型化を要する（電池面積当りの発電量減少の問題）。このように燃料及び空気の供給温度は、電池反応部の温度が所定の電池作動温度（Ｔｏｐ）レベルに維持できることが必要であり、電池部供給温度を適正温度以下に低下することは合理的な手段とはならない。
【００１０】
iii） 反応空気量の増加
ii）のように供給空気温度の低下には制限が伴うので、供給空気温度と電池作動温度との差を少なくして、即ち、外部で空気を加熱して、供給空気量の増加により吸熱量を増加する方法がある。即ち、電池からの排ガス（又は排空気）の保有熱を利用して、供給空気温度を電池作動温度より若干低い温度まで上げて供給する方法である。
しかし、この方法においては、供給空気量の増加により電池部から外部に排出される熱量（排ガスの顕熱）が増加するので、電池反応に利用されるエネルギーが減少し発電効率が低下する（燃料供給量あたりの発電量の減少）。
【００１１】
iv） 冷却媒体による熱除去
電池内部に第三の熱除去媒体を用いた熱交換器を設置し、その熱除去媒体により熱除去する方法や、蒸気の注入方法の適用も可能であるが、何れにおいても、上記ii）の温度低下やiii）の電池部から外部への排出熱量増加による発電効率の低
下が伴う。
【００１２】
▲４▼電池セルの接続構造
電池セル管における発生電気は電圧が低く（１Ｖ以下）出力も小さいので、電池セル管列を構成し、隣接する電池セル管８９をコネクターバー（電気的接続要素）９４により直列接続し所要の電圧に上げる。このため図１２に示すように、電池セル管８９の燃料極９１及び電解質９２の一部を、コネクターバー（電気的接続要素）９４をそれらに接触することなく挿入できる程度の幅に切り欠き、該部の空気極９１と隣接する電池セル管８９の燃料極９３をコネクターバー９４で接続する。
【００１３】
電池作動温度が高く（前記の通り、ＹＳＺの場合は９００〜１，０００℃）、電池セル管間の間隔は運転条件に応じ変化する（運転時と停止時では間隔が大きく異なる）ので、コネクターバー９４は導電性、還元雰囲気における高温耐性、及び温度変化に対する伸縮性を有する材質・材料でなければならない。このような過酷な運用に絶え得る材料としてニッケルフェルトやニッケルメッシュ等が用いられている。電池ユニットは多数の電池セル管列（アレイ）を並列に設置して構成される。このような電気的接続によりセル発生電力は所定の電圧および電流となり電池ユニット出力として外部に供給される。
【００１４】
（１．２） Ａ型固体電解質燃料電池の問題点
この電池ユニット構造においては、電池反応に伴う発生熱量の合理的除去（有効利用）ができないので、供給空気量の増加や燃料及び空気の供給温度の低下により、余剰反応熱の吸収と排出を行わなければならない。このため、電池の発電効率低下と排ガス量の増加（発電量減少（効率低下）分が排ガス顕熱量の増加となる）を伴う問題があった。即ち、
▲１▼空気の外部加熱による効率低下の問題
電池室８８において、空気加熱器が電池の極近傍に設置されていないので、電池反応による発生熱を電池内部で吸収し空気加熱に利用することができない。従って、電池室８８外部に空気加熱器を設置して、空気を予め電池作動温度に近い温度に加熱して電池に供給することが必要である。このため、単位流量当りの空気の反応熱吸収量（冷却効果）は小さく、反応熱排出のために空気量の増加が必要となる。空気量の増加は、即ち、排ガス量の増加と排ガス損失の増加となり、電池の発電量減少、効率低下となる。
【００１５】
▲２▼燃料の外部加熱による効率低下の問題
空気と同様に、電池室８８において、燃料加熱器が電池の極近傍に設置されていないので、電池反応による発生熱を電池内部で吸収し燃料および改質のために混入される蒸気の加熱に利用することができない。従って、電池室８８外部に燃料加熱器を設置して、燃料及び改質用蒸気を予め電池作動温度に近い温度に加熱して電池に供給することが必要である。このため、燃料及び改質用蒸気の反応熱吸収量（冷却効果）は小さく、反応熱排出のために空気量の増加が必要となる。空気量の増加は、即ち、排ガス量の増加と排ガス損失の増加となり、電池の発電量減少、効率低下となる。
【００１６】
▲３▼外部改質方式に伴う問題
固体電解質燃料電池では燃料極にＮｉ等の改質触媒を用いることにより、電池反応部において改質反応（熱的には吸熱反応である）が生じるので、電池反応による発生熱の一部を燃料の改質に使って化学エネルギーに変換することができるが、この電池ユニット構造では、入口側の燃料温度が低く温度勾配があるので、電極にＮｉ等の改質触媒を使用しても十分な改質機能は得られず、改質したガス（ＣＯ、Ｈ2）を電池管に供給することが必要であり、別置きの改質器を電池室８８外部や一部を電池セル管列間（電池反応部から離れた位置）に設置せざるを得ない。
【００１７】
即ち、電池の燃料極９３の改質機能が低いか無いので、別置きの改質装置が必要である。また、改質吸熱反応に電池反応熱を利用できないので、その分反応熱排出のための空気量増加が必要となり、排ガスの顕熱損失が増加し、発電量（即ち発電効率）が低下する。
別置きの改質装置が必要となると、設備が増加するとともに、複雑化しコストアップとなる等の基本的問題が存在する。
【００１８】
▲４▼空気量増加に伴う問題
空気量の増加は顕熱損失の増大と発電効率の低下だけでなく、入口側空気および入口側燃料の温度が低いことにより、電池反応が緩慢となり電池の大型化が必要であり、また、外部空気加熱器及び外部燃料加熱器の設置が必要であるとともに、送風設備が大型化する。
このように、Ａ型固体電解質燃料電池ユニットにはユニット構造に関する本質的不具合がある。
【００１９】
（２）Ｂ型固体電解質燃料電池
（２．１）Ｂ型固体電解質燃料電池の構造と技術
▲１▼電池ユニットの構造
固体電解質燃料電池は高温（５００〜１，０００℃、電解質がＹｔｔｒｉａ Ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ Ｚｉｒｃｏｎｉａ（ＹＳＺ） の場合は９００〜１，０００℃）で作動するので、耐火材及び保温材で内貼りされたケーシングに収納される。
図１３において、５０はケーシングで、ケーシング５０の下部は空気室管板５８、排空気室管板５７、上部は排ガス室管板５１、燃料ガス室管板５２で区分されている。空気室６０に供給された反応用空気は排空気室５９及び排空気室管板５７を貫通する分散空気孔から電池室６１に供給される。
【００２０】
燃料ガスは燃料ガス供給管５５を経て燃料室５３に供給される。図１４に示すように電池セル管６２は２重管構造になっており、燃料ガスは内管７０を下降し下端部でＵターンし外管７１とのアニュラー部を上昇する。この外管内を上昇中に電池セル管６２の外側を上昇する空気と電池反応し、燃料排ガスは排ガス室５４に流入し排ガス管５６を経て電池ユニット外部に排出される。一方、反応済み空気は電池室６１の上部で排空気管６３に流入し下部の排空気室５９に到る。
【００２１】
▲２▼電池セル管の構造及び材料
図１４に示すように、電池セル管６２は二重管構造であり、強度部材である外管（基体管）７１上に、数μｍ〜１００μｍ厚の燃料極（負極）７２、電解質７３、空気極（正極）７５の各薄膜が積層される。この燃料電池では、電池セルが基体管上にリング状に構成され、電池セル管６２の空気極７５はインターコネクター７４により隣接の電池セル管６２の燃料極７２に接続される。各電池セル管６２の燃料極７２は電解質７３、空気極７５は絶縁保護材７６で絶縁されている。内管７０は燃料ガスを下降させ加熱する機能を有する。
【００２２】
外管（基体管）７１はガス透過性の還元雰囲気における高温耐性、燃料極７２および空気極７５は電子導伝性（導電性）を有し，それぞれ還元雰囲気及び酸化雰囲気における高温耐性を持つガス透過性材料が使用される。
電解質７３は酸素イオン導伝性を有し電子導伝性がなく緻密構造でガス透過性のない材料である。
このように電池セル管６２の基本構造は管内に燃料ガス、管外側に空気が供給される構造であり、電池セルがリング状に直列に形成される点を除けば、Ａ型燃料電池と基本的に同じである。
【００２３】
▲３▼電池反応
１本の電池セル管６２に電池セルがリング状に配置され電気的にシリーズに接続されているが、電池セル管６２の構造はＡ型燃料電池と同様であり電池反応も同じである。即ち、電解質がＹＳＺの場合では電解質７３は酸素イオン導伝性を有し、電池セル管６２の外側の空気中酸素が外部回路から空気極７５に流入する電子を受取り電解質界面で酸素イオン（Ｏ2-）となって電解質７３を燃料極（負極）７２へ移動する。酸素イオン（Ｏ2-）は電解質７３と燃料極７２界面で電子を放出し、管内の燃料ガス（Ｈ2、ＣＯ等）と反応する。放出された電子は外部回路を経て空気極（正極）７５に流れ電流が発生する。この外部回路に負荷を接続することにより電力が得られる。
電池セル管６２で発生する電気はＡ型の場合と同じく、通常電圧０．３〜１ボルト（Ｖ）、電流密度０．３〜１アンペア（Ａ）の直流電気であり、電力密度は０．２〜０．７Ｗ／ｃｍ2程度である。１本の電池セル管に形成される電池セル数により電池セル管当たりの電圧が決まる。
【００２４】
▲４▼電池セルの接続構造
電池セルにおける発生電気は電圧が低く出力も小さいので、電池セル管６２上のセルの空気極７５と隣接セルの燃料極７２をインターコネクター（セル電気的接続要素）７４により電気的に直列に接続する。隣接セルの燃料極７２同士、空気極７５同士はそれぞれ電解質７３および絶縁保護部材７６で電気的に分離され、燃料ガス及び空気の透過防止が図られている。電池セル管６２の端部において燃料極７２と隣接電池セル管の空気極７５を、インターコネクター（接続要素）７４により直列に接続し所要の電圧に上げる。
【００２５】
図１４に一部を示すように、電池セル管６２には通常数十のセルが形成され直列接続されるので、電池セル管当りの発生電圧はＡ型の場合の数十倍である。電池ユニットの電力を所定の電圧にするため所定数の電池セル管が排ガス室で導電線により電気的に直列接続され、複数の電池セル管グループ（アレイ）が電気的に並列に構成され電池ユニットを構成する。このような電気的接続によりセル発生電力は所定の電圧および電流となり電池ユニット出力として取出される。
【００２６】
（２．２） Ｂ型固体電解質燃料電池の問題点
▲１▼空気供給方式に付随する問題
Ｂ型電池ユニットは電池セル管６２が二重管構造になっており、供給された燃料は内管を下降する間に反応熱を吸熱し外管７１入口では燃料の改質反応及び電池反応に必要な温度に昇温することができ、電池部で改質反応（吸熱反応）による吸熱効果が得られるので、その分だけ反応熱排出のための空気量を低減することができる。
しかし、空気は空気室から電池部に直接供給されるので、空気は電池作動温度に近い温度で供給することが必要であり、そのため単位空気量当りの反応熱の吸収能力は小さく空気量の増加が必要である。
このため、空気加熱器の設置が必要であること、排気ガス顕熱損失が増加し、電池発電力量が減少するので発電効率が低下すること、送風設備が大型化すること、別置き空気加熱器の設置が必要なこと、燃料性状によっては十分に内部改質が行われず部分別置き改質装置が必要になる、などの問題がある。
【００２７】
【発明が解決しようとする課題】
従来の固体電解質燃料電池ユニットが前記した問題点を有していたことに鑑み、本発明は発電効率を低下させることなく低温空気を用いて反応熱除去を行なうことを可能とした構造の固体電解質燃料電池ユニットを提供することを課題としている。
【００２８】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するため、本発明は請求項１に記載の固体電解質燃料電池ユニットを提供する。この固体電解質燃料電池ユニットでは、反応空気加熱分散管を電池セル管群中に分散配置しているので、低温空気を供給して反応熱除去ができ、反応熱除去のための空気量増加が減少し効率低下が無いこと、また、空気は電池室内に放出される前に反応空気加熱分散管内で加熱されて適正温度となり効率低下が無く、空気の適正分散（空気量の適性分布）が可能であり効率低下が無い。
また、この固体電解質燃料電池ユニットでは、電池セル管を二重管構造としているので、低温燃料の供給による反応熱除去ができ、このため、反応熱除去のための空気量増加が減少し効率低下が無く、更に、燃料は電池反応部供給前に適正温度となり効率低下が無く、燃料量の適正分布が可能であり効率低下が無い。
また、反応空気加熱分散管及び電池セル管の固定支持部以外の管板貫通部は熱伸び差を許容するシール構造としているので、完全なシールが行われるとともに各管の熱応力が防止され信頼性が向上する。具体的には、熱膨張差等による前記反応空気加熱分散管群の熱応力による損傷を防止できる。また、このシール構造を低温の空気室および燃料室に設けた構造とすることによって、シールリングは金属材料の使用が可能である。
以上の性能向上により未利用燃料量が減少し、排ガスと排空気の混合による温度上昇は僅少となるので、空気室、燃料室、排ガス室、及び電池室を上部よりこの順に配置して４室構造とした電池ユニット構造の適用が可能であり、空気加熱器及び燃料加熱器が不要となるので、電池ユニットがシンプルでコンパクトとなる。
【００２９】
本発明によるこの固体電解質燃料電池ユニットにおいて、請求項２に記載のように反応空気加熱分散管の入口にオリフィスを設置した構成とすると、供給空気の適正分散が可能となって好ましい。
【００３２】
また、本発明は前記課題を解決するため、請求項３に記載の固体電解質燃料電池ユニットを提供する。この固体電解質燃料電池ユニットでは、内管外面に燃料改質触媒を塗布しているので燃料に対する改質機能が向上する。更に、別置き（外部）燃料加熱器が不要であり電池ユニットがシンプルとなる。
【００３４】
また、請求項５に記載の排ガスと排空気を混合しないように燃料室、排ガス室、電池室、排空気室、及び空気室を上部よりこの順に配置した電池ユニット構造としたものでは、空気室を最下部に、排空気室をその上に隣接して設けることにより、同等以上の機能を保持することができる。
【００３５】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態による排ガス排空気混合型燃料電池ユニットの構造を、燃料電池ユニットの全体構造を示す図１と、燃料電池ユニットの上部構造を示す図２によって説明する。
燃料電池ユニットの燃料電池を収納する容器（ケーシング）１は、空気室管板３、燃料室管板４及び排ガス室管板５により、空気室６、燃料室７、排ガス室８及び電池室９の４室に仕切られている。各管板３、４、５はケーシング１にガスタイトに取り付けられる。図１は、容器（ケーシング）１内に内部ケーシング２を有する二重ケーシング構造の例を示す。内部ケーシング２は耐火材で構成され、内部ケーシング２とケーシング１の間は保温層又は断熱層である。
【００３６】
空気室管板３、燃料室管板４及び排ガス室管板５を貫通し電池セル管１０群中を電池室９下部に延びた両端開放の反応空気加熱分散管１１が設置されていいる。空気供給管１２を経て空気室６に供給された空気は、反応空気加熱分散管１１に分散され、電池室９の下部で電池室９に加熱された空気を分散放出する。反応済み（排）空気は後記するように二重管構造とした電池セル管１０の外管周りの間隙から排ガス室８に流入する。
【００３７】
電池セル管１０は内管２０と外管２１を有する二重管構造であり、その内管２０は燃料室管板４及び排ガス室管板５を貫通し電池室９に、外管２１は排ガス室管板５を貫通し電池室９にそれぞれ延びている。内管２０は両端開放されており、燃料供給管１３により燃料室７に供給された燃料は、内管２０に分散され内管２０を下降し下端部で放出され、外管２１とのアニュラー部を電池反応をしつつ上昇し、排ガス室８に放出される。排ガスは排ガス室８で排空気と混合し排ガス管１４を経て外部に排出される。
燃料電池ユニット内の電池セル管１０と反応空気加熱分散管１１の配置の一例を図３に示してある。
【００３８】
次に、各室管板を反応空気加熱分散管１１、電池セル管１０（内管２０と外管２１）が貫通する部分の構造を図４〜図７を用いて説明する。
反応空気加熱分散管１１の空気室管板３及び燃料室管板４貫通部は、図４、図５に示されているようにフレキシブルシールリング１５、１６により、排ガス室管板５貫通部はリジッドシールリング１７により、それぞれガスタイトにシールされ、空気と燃料の混合や燃料と排ガスとの混合は完全に防止されている。反応空気加熱分散管１１はこのリジッドシールリング１７を介して燃料ガス室管板５に支持されて吊下げられ、空気室管板３及び燃料室管板４貫通部は熱伸び差による熱応力が発生しないフレキシブルシールリング１５、１６によるシール構造になっている。
【００３９】
図６、図７に示されているように、電池セル管１０の内管２０は燃料室管板４貫通部においてリジッドシールリング１８を介して燃料室管板４にガスタイトに支持され吊下げられる。
外管２１は排ガス室管板５貫通部において、外管２１に固着されたスペーサー１９を介して排ガス室管板５に固定されて吊下げられる。電池室９からの排空気はこのスペーサー１９部の間隙から排ガス室８に流入する。このため外管貫通部周囲の間隙は排空気の流速が適正速度に保持されるように同心円状に設けられる。上記の通り、排ガス室管板５の外管２１貫通部を除き、各管の管板貫通部は完全にガスシールされると共に、熱応力が発生しないシールおよび支持構造になっている。
【００４０】
以上説明した第１実施形態による固体電解質燃料電池ユニットでは、反応空気加熱分散管１１を電池室９内に分散配置したことにより、空気加熱器を経ない低温空気を直接供給しても、反応空気加熱分散管１１内を流れることによって電池反応熱を吸熱して電池室９への供給前に適正温度レベルに上げることができる。従って電池性能の低下を伴うことなく反応熱の吸熱除去（温度制御）が可能である。この結果、反応熱排出のための空気量増加が不要となり効率低下を避けることができる。
【００４１】
更に、電池セル管１０を二重管とし内管２０に燃料加熱機能を持たせたことにより、燃料加熱器を経ない低温燃料を供給しても、電池セル管１０内で電池反応熱を吸熱して電池反応部（内管２０の下端部）に到達前に適正温度レベルに到達する。従って電池性能の低下を伴うことなく、反応熱の吸熱除去（温度制御）が可能である。この結果、反応熱排出のための空気量増加が不要となり効率低下を避けることができる。
【００４２】
（参考実施形態）
本発明の参考実施形態による排ガス排空気分離型燃料電池ユニットの構造を、燃料電池ユニットの全体構造を示す図８と、燃料電池ユニットの上部構造を示す図９によって説明する。
排ガス中に未反応燃料成分が多量に含まれる場合は、排ガスと排空気を混合すると燃焼反応により排ガス室温度が上昇し排ガス室や排ガス管を焼損する可能性があるので、排ガス室と排空気室を分離することが必要である。この参考施形態はこのための電池ユニット構造にかかるものである。
【００４３】
燃料電池ユニットは、燃料電池を収納する容器（ケーシング）１を、空気室管板３、排空気室管板３０、燃料室管板４及び排ガス室管板５により、空気室６、排空気室３１、燃料室７、排ガス室８及び電池室９の５室に仕切られている。各管板３、４、５、３０はケーシング１にガスタイトに取り付けられる。図８は内部ケーシング２を有する二重ケーシング構造の例を示す。内部ケーシング２は耐火材で構成され、内部ケーシング２とケーシング１の間は保温層又は断熱層である。
【００４４】
空気室管板３及び排空気室管板３０を貫通し電池セル管１０群中を電池室９の上部に延びた両端開放の反応空気加熱分散管１１が設置されている。空気供給管１２を経て空気室６に供給された空気は反応空気加熱分散管１１に流入され、電池室９の上部で加熱された空気を分散放出する。反応済み空気（排空気）は排空気室管板３０に分散設置された排気孔３３から排空気室３１に流入し、排空気管３４で電池ユニット外部に排出される。
【００４５】
電池セル管１０は内管２０と外管２１を有する二重管構造であり、その内管２０は燃料室管板４を貫通し、外管２１は排ガス室管板５を貫通し電池室９に延びている。燃料供給管１３により燃料室７に供給された燃料は、内管２０に分散され内管２０を下降し下端部で放出され反転して、外管２１とのアニュラー部を電池反応をしつつ上昇し、排ガス室８に放出される。排ガスは排ガス室８から排ガス管１４を経て外部に排出される。
【００４６】
反応空気加熱分散管１１の空気室管板３貫通部は図５に示すと同様、リジッドシールリング１７によりガスタイトにシールされて支持され、排空気室管板３０貫通部３２は、図４に示すと同様、フレキシブルシールリング１５によりガスタイトにシールされるので、空気と排空気との混合は完全に防止されている。電池室９からの排空気は排空気室管板３０に分散設置された小孔である排気孔３３から排空気室３１に流入する。
【００４７】
内管２０は、燃料室管板４の貫通部において図６に示すと同様、リジッドシールリング１８を介して燃料室管板４にガスタイトに固定し吊下げられる。
外管２１は排ガス室管板５貫通部において、図５に示すと同様、リジッドシールリング１７を介して排ガス室管板５にガスタイトに固定し吊下げられる。
上記の通り、排空気室管板３０に設けられた排空気孔を除き、各室の管板貫通部は完全にガスシールされると共に、熱応力が発生しないシールおよび支持構造になっている。
【００４８】
以上のように構成された参考実施形態による燃料電池ユニットは、燃料室７、排ガス室８、電池室９、排空気室３１及び空気室６に分離されたガスタイトな構造であり、燃料と空気の混合を完全に防止し燃焼による損失や高温発生を防止し、燃料及び空気の電池反応への利用率向上が図られている。
また、電池セル管１０及び反応空気加熱分散管１１の各管板貫通部において、固定支持部以外はフレキシブルシール構造にしているので、何れの管も熱膨張差による熱応力発生が防止され電池セル管１０の損傷を防止することができる。
【００４９】
この参考実施形態による燃料電池ユニットにおいては、排空気（通常供給量の５０％以上の未反応酸素を含有する）室３１と排ガス（通常供給量の５〜２０％の未反応燃料を含有する）室８が分離され、排空気と排ガスが混合しない構造であるので、未反応成分の燃焼反応が生じることがなく異常高温になることがない。従って排ガス室８の温度上昇抑制のための空気量増加が不要であり、空気量の低減による効率向上が可能である。
【００５０】
なお、空気比を２〜３と大きくする基本的理由は前述したように、空気量増加により反応熱の排出量を増加し電池温度を所定レベルに保持するためであり、電池反応に伴う反応熱や燃焼による発熱が少なければ、空気量の低減が可能となり効率向上が可能となる。
【００５１】
また、反応空気加熱分散管１１を電池室９内に分散配置したことにより、空気加熱器を経ない低温空気を直接供給しても、電池反応熱の吸熱により電池室９内への供給前に適正温度レベルに上げることができる。従って電池性能の低下を伴うことなく反応熱の吸熱除去（温度制御）が可能である。この結果、反応熱排出のための空気量増加が不要となり効率低下を避けることができる。
【００５２】
更に、電池セル管１０を二重管とし、その内管２０に燃料加熱機能を持たせたことにより、燃料加熱器を経ない低温燃料を供給しても、電池反応熱を吸熱して電池反応部（内管下端部）に到達前に適正温度レベルに到達させることができる。従って電池性能の低下を伴うことなく、反応熱の吸熱除去（温度制御）が可能である。この結果、反応熱排出のための空気量増加が不要となり効率低下を避けることができる。
【００５３】
以上、本発明による固体電解質燃料電池ユニットを図示した実施の形態に基づいて説明したが、本発明がこれらの実施形態に限定されず、本発明の範囲内で種々の変形、変更を加えてよいことはいうまでもない。
【００５４】
例えば、燃料極に改質触媒機能を有する材料を使用して改質機能を持たせる他に、電池セル管１０の内管２０の外面に改質触媒機能を有する材料を塗布又は混合する構成とすれば、電池セル管１０内における内部改質機能が向上するので、改質し難い広範な燃料に対して完全内部改質が可能となる。
また、反応空気加熱分散管１１の入口にオリフィスを設置する等により電池室９内への空気の適正分散が可能となる。こうして別置き（外部）空気加熱器が不要であり電池ユニットがシンプルとなるなどの効果がある。
【００５５】
【発明の効果】
以上説明したとおり、本発明による固体電解質燃料電池ユニットでは、反応空気加熱分散管を電池セル管群中に分散配置したことにより、低温空気を供給して反応熱除去ができ、このため、反応熱除去のための空気量増加が減少し効率低下が無いこと、また、空気は電池室内に放出される前に反応空気加熱分散管内で加熱されて適正温度となり効率低下が無く、空気の適正分散（空気量の適性分布）が可能であり効率低下が無い。
また、本発明による固体電解質燃料電池ユニットでは、電池セル管を二重管構造としてあるので、低温燃料の供給による反応熱除去ができる。このため、反応熱除去のための空気量増加が減少し効率低下が無い。更に、燃料は電池反応部供給前に適正温度となり効率低下が無く、燃料量の適正分布が可能であり効率低下が無い。
また、反応空気加熱分散管及び電池セル管の固定支持部以外の管板貫通部を熱伸び差を許容するシール構造としてあるので、完全なシールが行われると共に各管の熱応力が防止され信頼性が向上する。具体的には、熱膨張差等による前記反応空気加熱分散管群の熱応力による損傷を防止できる。また、このシール構造を低温の空気室および燃料室としているので、シールリングは金属材料の使用が可能である。
以上の性能向上により未利用燃料量が減少し、排ガスと排空気の混合による温度上昇は僅少となるので、上部から空気室、燃料室、排ガス室、及び電池室をこの順に配置して４室構造とした電池ユニット構造の適用が可能であり、空気加熱器及び燃料加熱器が不要となるので、電池ユニットがシンプルでコンパクトとなる。
【００５６】
また、この本発明による固体電解質燃料電池ユニットにおいて、反応空気加熱分散管の入口にオリフィスを設置したものでは、供給空気の適正分散が可能である。
【００５８】
また、本発明による固体電解質燃料電池ユニットにおいて、電池セル管の内管に燃料改質触媒を塗布したものでは、電池セル管における改質機能が向上する。更に、別置き（外部）燃料加熱器が不要であり電池ユニットがシンプルとなる。
【００６０】
また、排ガスと排空気を混合しないように燃料室、排ガス室、電池室、排空気室、及び空気室を上部よりこの順に配置した電池ユニット構造としたものでは、空気室を最下部に排空気室をその上に隣接して設けることにより、同等以上の機能を保持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１実施形態による電池ユニットの全体構造を示す斜視図。
【図２】 図１に示した電池ユニットの上部構造を示す側断面面。
【図３】 本発明の第１実施形態による燃料電池ユニット内の電池管１０と反応空気加熱分散管１１の配置例を示す平面図。
【図４】 反応空気加熱分散管の空気室管板及び燃料室管板貫通部の構造（フレキシブルシール）を示す図面で、（ａ）は平面図、（ｂ）は縦断面図。
【図５】 反応空気加熱分散管の排ガス室管板貫通構造を示す図面で、（ａ）は平面図、（ｂ）は縦断面図。
【図６】 電池セル管内管の燃料室管板貫通部構造を示す図面で、（ａ）は平面図、（ｂ）は縦断面図。
【図７】 電池セル管外管の排ガス室管板貫通部構造を示す図面で、（ａ）は平面図、（ｂ）は縦断面図。
【図８】 本発明の参考実施形態による電池ユニットの全体構造を示す斜視図。
【図９】 図８に示した電池ユニットの上部構造を示す側断面図。
【図１０】 電池ユニットの側断面
【図１１】 電池セル管の構造を示す図面で、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は横断面図。
【図１２】 電池セル管間の電気的接続構造を示す横断面面。
【図１３】 燃料電池ユニットの全体構造を示す側断面面。
【図１４】 電池セルの構造示す縦断面面。
【符号の説明】
１ 容器（ケーシング）
２ 内部ケーシング
３ 空気室管板
４ 燃料室管板
５ 排ガス室管板
６ 空気室
７ 燃料室
８ 排ガス室
９ 電池室
１０ 電池セル管
１１ 反応空気加熱分散管
１２ 空気供給管
１３ 燃料供給管
１４ 排ガス管
１５ フレキシブルシールリング
１６ フレキシブルシールリング
１７ リジッドシールリング
１８ リジッドシールリング
１９ スペーサ
２０ 内管
２１ 外管
３０ 排空気室管板
３１ 排空気室
３２ 貫通部
３３ 排気孔
３４ 排空気管
５０ 容器（ケーシング）
５１ 排ガス室管板
５２ 燃料ガス室管板
５３ 燃料室
５４ 排ガス室
５５ 燃料ガス供給管
５６ 排ガス管
５７ 排空気室管板
５８ 空気室管板
５９ 排空気室
６０ 空気室
６１ 電池室
６２ 電池セル管
６３ 排空気管
７０ 内管
７１ 外管（基体管）
７２ 燃料極
７３ 電解質
７４ インターコネクター
７５ 空気極
７６ 絶縁保護材
８０ 容器（ケーシング）
８１ 燃料室管板
８２ 空気室管板
８３ 燃料室
８４ 空気室
８５ 排ガス室管板
８６ 排ガス室
８７ 排ガス管
８８ 電池室
８９ 電池セル管
９０ 基体管
９１ 空気極
９２ 電解質
９３ 燃料極
９４ コネクターバー
Claims (3)
- 空気室、燃料室、排ガス室および電池室を上部よりこの順に有するケーシングと、
前記ケーシング内に配置されて前記空気室と前記燃料室とを仕切る空気室管板と、
前記ケーシング内に配置されて前記燃料室と前記排ガス室とを仕切る燃料室管板と、
前記ケーシング内に配置されて前記排ガス室と前記電池室とを仕切ると共に前記排ガス室と前記電池室との連通部を有する前記排ガス室管板と、
外管および内管から成る二重管構造を有すると共に前記外管の外面に電池セルを構成し、上端部にて前記排ガス室管板に吊り下げ支持されて前記排ガス室に開口すると共に下端部にて封止される前記外管と上端部にて前記燃料室管板に吊り下げ支持されて前記燃料室に開口すると共に下端部にて前記外管の内部に開口する前記内管とから成る電池セル管と、
前記電池室に前記電池セル管を複数配置して成る電池セル管群と、
上端部にて前記空気室管板に吊り下げ支持されて前記空気室に開口すると共に前記燃料室管板および前記排ガス室管板を貫通して下端部にて前記電池室に挿入されて開口し、前記電池室にて前記電池セル管群の間に配置される複数の反応空気加熱分散管とを備える固体電解質型燃料電池ユニットであって、
前記反応空気加熱分散管が、前記空気室管板に固定されると共に、前記燃料室管板との貫通部および前記排ガス室管板との貫通部に熱伸び差を許容するシール構造をそれぞれ有し、且つ、同反応空気加熱分散管内に前記空気室から供給した低温空気を前記電池室内で電池反応熱を利用して適正レベルに加熱して同電池室内に放出させるようにした構造をもつことを特徴とする固体電解質型燃料電池ユニット。 - 前記反応空気加熱分散管の入口にオリフィスを設けて空気分配機能を向上させたことを特徴とする請求項１に記載の固体電解質型燃料電池ユニット。
- 前記電池セル管の内管の外面に改質触媒を塗布したことを特徴とする請求項１に記載の固体電解質型燃料電池ユニット。
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