JP4704696B2 - 発電装置 - Google Patents
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Description
本発明は、固体酸化物を利用する燃料電池によって発電する装置に関する。
固体酸化物を利用する燃料電池は効率が高く、数キロワットから数十キロワットの発電装置に適しているものと期待されている。
固体酸化物を利用する燃料電池は、８００℃程度の高温環境下で効率よく発電することから、燃料電池セル群を収容する室内の温度分布が極めて重要である。そこには、下記のような事象に対処しなければならない。
個々の燃料電池セルの発電電圧は微小であり、多数個の燃料電池セルを直列に接続して配列しなければならない。
個々の燃料電池に、燃料ガスと有酸素ガス（通常は空気）を供給しなければならない。
多数用いられている燃料電池セルの中の最低温度のものでも、効率よく発電する温度に維持しなければならない。
その温度は８００℃程度の高温であり、その温度に耐えられる材質が限られてくる。
燃料電池セル群の温度差が大きいと、高温部の温度はさらに高くなるために、その高温に耐えられる材質がさらに限られてしまう。
そこで、燃料電池セル群の温度差ができるだけ小さく抑えられる構造設計が極めて重要となる。
同一燃料電池セル内に生じる温度差についても同様であり、その温度差をできるだけ小さく抑えられる構造設計が重要となる。
固体酸化物を利用する燃料電池は、８００℃程度の高温環境下で効率よく発電することから、燃料電池セル群を収容する室内の温度分布が極めて重要である。そこには、下記のような事象に対処しなければならない。
個々の燃料電池セルの発電電圧は微小であり、多数個の燃料電池セルを直列に接続して配列しなければならない。
個々の燃料電池に、燃料ガスと有酸素ガス（通常は空気）を供給しなければならない。
多数用いられている燃料電池セルの中の最低温度のものでも、効率よく発電する温度に維持しなければならない。
その温度は８００℃程度の高温であり、その温度に耐えられる材質が限られてくる。
燃料電池セル群の温度差が大きいと、高温部の温度はさらに高くなるために、その高温に耐えられる材質がさらに限られてしまう。
そこで、燃料電池セル群の温度差ができるだけ小さく抑えられる構造設計が極めて重要となる。
同一燃料電池セル内に生じる温度差についても同様であり、その温度差をできるだけ小さく抑えられる構造設計が重要となる。
特許文献１に、固体酸化物形の燃料電池を利用して発電する装置のレイアウトが記載されている。これを図１１に示す。発電装置１００の下部に燃料電池セル群収容室１１８が配置され、中間高さに燃焼室１２２が配置され、上部に熱交換室１２４が配置されている。燃料電池セル群収容室１１８は断熱材１０６によって保温されている。
図示１０８は燃料ガスの受入れ口であり、受入れられた燃料ガスは、分配管１１２で燃料ガス通路１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃ、１１４ｄに分配される。燃料ガス通路１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃ、１１４ｄは、燃料電池セル１１６ａ，１１６ｂ，１１６ｃ，１１６ｄを貫通しており、筒状の燃料電池セル１１６ａ，１１６ｂ，１１６ｃ，１１６ｄの内側に形成されている燃料極に燃料ガスを供給する。燃料ガス通路１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃ、１１４ｄは、垂直方向上方に伸びている。
筒状の燃料電池セル１１６ａ，１１６ｂ，１１６ｃ，１１６ｄの外側に酸素極が配置されており、その酸素極に有酸素ガス（この場合は空気）を供給する有酸素ガス通路１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃが、燃料電池セル１１６ａ，１１６ｂ，１１６ｃ，１１６ｄの間隙に挿入されている。有酸素ガス通路１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃはパイプ状であり、垂直方向に伸びており、下端から有酸素ガスを噴出する。有酸素ガスを噴出す様子が矢印１１０で図示されている。有酸素ガス受入れ口１０４から、加圧された有酸素ガスが受入れられる。
筒状の燃料電池セル１１６ａ，１１６ｂ，１１６ｃ，１１６ｄの外側に形成されている酸素極に送り込まれた酸素は、イオン化した状態で、筒状の燃料電池セル１１６ａ，１１６ｂ，１１６ｃ，１１６ｄの中間に形成されている固体電解質を通過し、筒状の燃料電池セル１１６ａ，１１６ｂ，１１６ｃ，１１６ｄの内側に形成されている燃料極に移動し、そこで燃料ガスと反応して、酸素極と燃料極の間に電位差を発生させる。
筒状の燃料電池セル１１６ａ，１１６ｂ，１１６ｃ，１１６ｄの内側に送り込まれた燃料ガスの一部は、酸素と反応することなく筒状の燃料電池セル１１６ａ，１１６ｂ，１１６ｃ，１１６ｄを通過する。有酸素ガス通路１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃから送り込まれた有酸素ガスの一部も消費されないで、燃料電池セル群収容室１１８から上方に戻っていく。発電に利用されなかった燃料ガスと有酸素ガスは燃焼室１２２で燃焼し、高温の燃焼排ガスを生成する。高温の燃焼排ガスは、熱交換室１２４に送り込まれ、有酸素ガス受入れ口１０４から送り込まれた有酸素ガスを加熱し、自らは冷却されて排気口１０２から排気される。
図示１０８は燃料ガスの受入れ口であり、受入れられた燃料ガスは、分配管１１２で燃料ガス通路１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃ、１１４ｄに分配される。燃料ガス通路１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃ、１１４ｄは、燃料電池セル１１６ａ，１１６ｂ，１１６ｃ，１１６ｄを貫通しており、筒状の燃料電池セル１１６ａ，１１６ｂ，１１６ｃ，１１６ｄの内側に形成されている燃料極に燃料ガスを供給する。燃料ガス通路１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃ、１１４ｄは、垂直方向上方に伸びている。
筒状の燃料電池セル１１６ａ，１１６ｂ，１１６ｃ，１１６ｄの外側に酸素極が配置されており、その酸素極に有酸素ガス（この場合は空気）を供給する有酸素ガス通路１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃが、燃料電池セル１１６ａ，１１６ｂ，１１６ｃ，１１６ｄの間隙に挿入されている。有酸素ガス通路１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃはパイプ状であり、垂直方向に伸びており、下端から有酸素ガスを噴出する。有酸素ガスを噴出す様子が矢印１１０で図示されている。有酸素ガス受入れ口１０４から、加圧された有酸素ガスが受入れられる。
筒状の燃料電池セル１１６ａ，１１６ｂ，１１６ｃ，１１６ｄの外側に形成されている酸素極に送り込まれた酸素は、イオン化した状態で、筒状の燃料電池セル１１６ａ，１１６ｂ，１１６ｃ，１１６ｄの中間に形成されている固体電解質を通過し、筒状の燃料電池セル１１６ａ，１１６ｂ，１１６ｃ，１１６ｄの内側に形成されている燃料極に移動し、そこで燃料ガスと反応して、酸素極と燃料極の間に電位差を発生させる。
筒状の燃料電池セル１１６ａ，１１６ｂ，１１６ｃ，１１６ｄの内側に送り込まれた燃料ガスの一部は、酸素と反応することなく筒状の燃料電池セル１１６ａ，１１６ｂ，１１６ｃ，１１６ｄを通過する。有酸素ガス通路１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃから送り込まれた有酸素ガスの一部も消費されないで、燃料電池セル群収容室１１８から上方に戻っていく。発電に利用されなかった燃料ガスと有酸素ガスは燃焼室１２２で燃焼し、高温の燃焼排ガスを生成する。高温の燃焼排ガスは、熱交換室１２４に送り込まれ、有酸素ガス受入れ口１０４から送り込まれた有酸素ガスを加熱し、自らは冷却されて排気口１０２から排気される。
燃料電池セル１１６（以下では共通事象を説明するために添字を省略する）は、その特性上、送り込まれた燃料ガスの全部を消費することができず、燃料電池セル１１６を通過する燃料ガスをゼロにはできない。図１１に示した構造は、この通過燃料ガスを巧みに利用し、熱交換室１２４に送り込まれる有酸素ガスを予熱する。
予熱された有酸素ガスを燃料電池セル群収容室１１８に送り込むと、燃料ガスと有酸素ガスが反応するときに生じる発熱と相俟って、燃料電池セル群収容室１１８を発電に適した高温に維持することができる。
特開２００３−２３４１２２号公報
予熱された有酸素ガスを燃料電池セル群収容室１１８に送り込むと、燃料ガスと有酸素ガスが反応するときに生じる発熱と相俟って、燃料電池セル群収容室１１８を発電に適した高温に維持することができる。
図１１に示したレイアウトは極めて優れたものであるが、改良の余地を残している。それは、燃料電池セル群収容室１１８内の温度差が比較的大きいことである。
燃料電池セル群収容室１１８に送り込まれた燃料ガスと有酸素ガスは、燃料電池セル１１６の内外面に沿って下方から上方に流れる。燃料電池セル１１６は、燃料ガスと有酸素ガスが反応することによって発熱体となっている。垂直方向に伸びる発熱体に沿ってガスが下方から上方に流れると、下方から上方に流れるガスが徐々に加熱されていく。図１２のカーブＣ１は、横軸に燃料電池セル１１６の長さをとり、縦軸に燃料電池セル１１６の温度を測定した一例を示しており、燃料電池セル１１６の上端と下端では約１５０℃の温度差が生じる。燃料電池セル１１６の下端を発電効率の高い８００℃程度に調温すると、燃料電池セル１１６の上端では９５０℃程度の高温となり、その高温に耐えられる材質の選定がひどく難しくなる。
本発明では、燃料電池セル群収容室内の温度差を抑制するレイアウトを創作する。局部的に加熱されることがない発電装置を実現する。
燃料電池セル群収容室１１８に送り込まれた燃料ガスと有酸素ガスは、燃料電池セル１１６の内外面に沿って下方から上方に流れる。燃料電池セル１１６は、燃料ガスと有酸素ガスが反応することによって発熱体となっている。垂直方向に伸びる発熱体に沿ってガスが下方から上方に流れると、下方から上方に流れるガスが徐々に加熱されていく。図１２のカーブＣ１は、横軸に燃料電池セル１１６の長さをとり、縦軸に燃料電池セル１１６の温度を測定した一例を示しており、燃料電池セル１１６の上端と下端では約１５０℃の温度差が生じる。燃料電池セル１１６の下端を発電効率の高い８００℃程度に調温すると、燃料電池セル１１６の上端では９５０℃程度の高温となり、その高温に耐えられる材質の選定がひどく難しくなる。
本発明では、燃料電池セル群収容室内の温度差を抑制するレイアウトを創作する。局部的に加熱されることがない発電装置を実現する。
本発明は、固体酸化物形の燃料電池を用いる発電装置に関する。この発電装置は、燃料極と固体電解質と酸素極と燃料ガス通路を有する燃料電池セルを複数個備えている。燃料電池セル群の燃料ガス通路は略同一平面内を伸びるように配列されており、略同一平面内を伸びるように配列された燃料電池セル群の燃料ガス通路内の燃料ガスの流通方向は同一方向であり、燃料ガス通路が略同一平面内を伸びる複数の燃料電池セル群は平行に配列されており、燃料電池セル群は、燃料ガス通路内の燃料ガスの流通方向が少なくとも１列おきに交互になるように配列されている。
燃料電池セルは燃料ガス通路の上流から下流に向けて徐々に加熱されてゆくため、上流側と下流側の温度差が大きくなる。従来では、燃料電池セルの上流側を発電効率の高い温度に調温すると、下流側の温度が高温になりすぎてしまい、燃料電池セル群収容室内の温度差が大きくなる。燃料電池セル収容室内の温度の均一化が図れず、発電効率の向上が困難である。また、燃料電池セル群収容室内の部材の選定も困難である。
燃料電池セル群の燃料ガス通路内の燃料ガスの流通方向が逆向きであると、燃料電池セルの温度勾配も逆向きとなる。隣合う燃料電池セル群が、燃料ガスの流通方向が逆向きになるように配置されると、一方の燃料電池セル群の燃料ガス通路の上流側と、他方の燃料電池セル群の燃料ガス通路の下流側が近接して配置されることとなる。すると、一方の燃料電池セル群の下流側の高温から、他方の燃料電池セル群の燃料ガス通路の上流側の低温へ熱が移動し、一方の燃料電池セル群の下流側の高温と、他方の燃料電池セル群の燃料ガス通路の上流側の低温が相殺され、燃料電池セル群の上流と下流との温度差は小さくなる。従って、燃料電池セルの上流側を発電効率の高い温度に調温して発電を行っても、下流側が過剰に高温になることを防止することができる。燃料電池セル群収容室内の温度の均一化を実現することができ、発電効率の高い温度での発電が可能となる。また、燃料電池セル群収容室内の部材の選定の自由度が向上する。
なお、燃料ガス通路が略同一面内を伸びるような燃料電池セル群の配列については、燃料電池セル群が厳密に同一平面内に配列される必要はなく、燃料電池セル群が１つの塊を形成するように配列されていれば、多少の位置のずれは許容される。
燃料電池セルは燃料ガス通路の上流から下流に向けて徐々に加熱されてゆくため、上流側と下流側の温度差が大きくなる。従来では、燃料電池セルの上流側を発電効率の高い温度に調温すると、下流側の温度が高温になりすぎてしまい、燃料電池セル群収容室内の温度差が大きくなる。燃料電池セル収容室内の温度の均一化が図れず、発電効率の向上が困難である。また、燃料電池セル群収容室内の部材の選定も困難である。
燃料電池セル群の燃料ガス通路内の燃料ガスの流通方向が逆向きであると、燃料電池セルの温度勾配も逆向きとなる。隣合う燃料電池セル群が、燃料ガスの流通方向が逆向きになるように配置されると、一方の燃料電池セル群の燃料ガス通路の上流側と、他方の燃料電池セル群の燃料ガス通路の下流側が近接して配置されることとなる。すると、一方の燃料電池セル群の下流側の高温から、他方の燃料電池セル群の燃料ガス通路の上流側の低温へ熱が移動し、一方の燃料電池セル群の下流側の高温と、他方の燃料電池セル群の燃料ガス通路の上流側の低温が相殺され、燃料電池セル群の上流と下流との温度差は小さくなる。従って、燃料電池セルの上流側を発電効率の高い温度に調温して発電を行っても、下流側が過剰に高温になることを防止することができる。燃料電池セル群収容室内の温度の均一化を実現することができ、発電効率の高い温度での発電が可能となる。また、燃料電池セル群収容室内の部材の選定の自由度が向上する。
なお、燃料ガス通路が略同一面内を伸びるような燃料電池セル群の配列については、燃料電池セル群が厳密に同一平面内に配列される必要はなく、燃料電池セル群が１つの塊を形成するように配列されていれば、多少の位置のずれは許容される。
本発明の発電装置はさらに、燃料電池セル群の燃料ガス通路の開放端の近傍にオフガス燃焼部が形成されており、燃料電池セル群のオフガス燃焼部と、この燃料電池セル群と燃料ガスの流通方向が逆向きに配置されて隣接する燃料電池セル群の酸素極との間に邪魔板が配設されていることを特徴とする。
隣合う燃料電池セル群が燃料ガスの流通方向が逆向きになるように配置されていると、燃料ガス通路の開放端近傍のオフガス燃焼部においてオフガスを燃焼させた時の燃焼排ガスが燃料電池セル群間に侵入して、燃料電池セルが過熱されてしまったり、酸素極が還元されてしまったりする不具合が生じる可能性がある。本発明では、邪魔板によって、燃焼排ガスが燃料電池セル群間に侵入することを抑制することができる。燃焼排ガスが酸素極を還元してしまうことを防止することができる。
隣合う燃料電池セル群が燃料ガスの流通方向が逆向きになるように配置されていると、燃料ガス通路の開放端近傍のオフガス燃焼部においてオフガスを燃焼させた時の燃焼排ガスが燃料電池セル群間に侵入して、燃料電池セルが過熱されてしまったり、酸素極が還元されてしまったりする不具合が生じる可能性がある。本発明では、邪魔板によって、燃焼排ガスが燃料電池セル群間に侵入することを抑制することができる。燃焼排ガスが酸素極を還元してしまうことを防止することができる。
また、本発明の発電装置では、燃料電池セル群の燃料ガス通路は略同一水平面内を伸びており、複数の燃料電池セル群は垂直方向に多段に配列されており、燃料ガスを改質する１対の改質器を備えており、１対の改質器は、多段に配列された複数の燃料電池セル群を燃料ガス通路の両端部側から挟んで配置されていることが好ましい。
発電に利用されなかった燃料ガスのオフガスと有酸素ガスのオフガスを燃焼させると、燃焼熱が発生する。本発明のように、燃料電池セル群の燃料ガス通路が略水平面内を伸びるように燃料電池セル群を配列し、燃料電池セル群の燃料ガス通路の向きが交互になるように垂直方向に多段に配列して、燃料電池セル群の両端部側に１対の改質器を配置すれば、燃焼熱を効果的に利用して改質反応を促進することができる。
また、各燃料電池セルの下流側から発生する燃焼排ガスは高温であり、高温のまま排出しようとすると、燃焼排ガスの排気通路となる部材に高い耐熱性が要求される。本発明のように、燃焼熱を改質反応に利用することによって、燃焼排ガスの温度を低下することができ、燃焼排ガスの排気通路となる部材の選択の自由度が上がる。
発電に利用されなかった燃料ガスのオフガスと有酸素ガスのオフガスを燃焼させると、燃焼熱が発生する。本発明のように、燃料電池セル群の燃料ガス通路が略水平面内を伸びるように燃料電池セル群を配列し、燃料電池セル群の燃料ガス通路の向きが交互になるように垂直方向に多段に配列して、燃料電池セル群の両端部側に１対の改質器を配置すれば、燃焼熱を効果的に利用して改質反応を促進することができる。
また、各燃料電池セルの下流側から発生する燃焼排ガスは高温であり、高温のまま排出しようとすると、燃焼排ガスの排気通路となる部材に高い耐熱性が要求される。本発明のように、燃焼熱を改質反応に利用することによって、燃焼排ガスの温度を低下することができ、燃焼排ガスの排気通路となる部材の選択の自由度が上がる。
さらに、本発明の発電装置では、有酸素ガス供給部材は燃料電池セル群の下方に配置されており、有酸素ガス供給部材の燃料電池セル群に対向する複数箇所に、有酸素ガス供給口が形成されていることが好ましい。
燃料電池セルの上流側から下流側へ有酸素ガスが流れると、有酸素ガスは燃料電池セルによって加熱されながら流れるため、燃料電池セルに生じる温度差をさらに大きくしてしまう。
燃料電池セル群の下方に有酸素ガス供給部材が配置されており、有酸素ガス供給部材の上部の燃料電池セル群に対向する複数箇所に形成された有酸素ガス供給口から有酸素ガスが放出されると、燃料電池セルの下方から上方へ向けて有酸素ガスが流れ、温度勾配に交差する有酸素ガスの流れが生じる。これによって、燃料電池セルの全体を加熱前の有酸素ガスで冷却することができる。上下の燃料電池セル群の間に有酸素ガス供給部材が配置されているため、燃料電池セルによって加熱された有酸素ガスは直上の有酸素ガス供給部材に上昇を阻まれ、水平方向に流れる。この流れによって、オフガスの燃焼によって発生する燃焼排ガスが燃料電池セル群間に侵入することが阻まれ、燃焼排ガスも有酸素ガスの流れに沿って水平に流れる。これによって、垂直方向に配列された燃料電池セル群の両端部側に配置された改質器に向かう燃焼排ガスの流れが形成される。燃焼排ガスを積極的に改質器へ向って流れるようにすることによって、改質器を効果的に加熱することができ、燃焼排ガスが燃料電池セル群間に侵入することを防止することができる。
燃料電池セルの上流側から下流側へ有酸素ガスが流れると、有酸素ガスは燃料電池セルによって加熱されながら流れるため、燃料電池セルに生じる温度差をさらに大きくしてしまう。
燃料電池セル群の下方に有酸素ガス供給部材が配置されており、有酸素ガス供給部材の上部の燃料電池セル群に対向する複数箇所に形成された有酸素ガス供給口から有酸素ガスが放出されると、燃料電池セルの下方から上方へ向けて有酸素ガスが流れ、温度勾配に交差する有酸素ガスの流れが生じる。これによって、燃料電池セルの全体を加熱前の有酸素ガスで冷却することができる。上下の燃料電池セル群の間に有酸素ガス供給部材が配置されているため、燃料電池セルによって加熱された有酸素ガスは直上の有酸素ガス供給部材に上昇を阻まれ、水平方向に流れる。この流れによって、オフガスの燃焼によって発生する燃焼排ガスが燃料電池セル群間に侵入することが阻まれ、燃焼排ガスも有酸素ガスの流れに沿って水平に流れる。これによって、垂直方向に配列された燃料電池セル群の両端部側に配置された改質器に向かう燃焼排ガスの流れが形成される。燃焼排ガスを積極的に改質器へ向って流れるようにすることによって、改質器を効果的に加熱することができ、燃焼排ガスが燃料電池セル群間に侵入することを防止することができる。
本発明の発電装置では、燃料電池セル群を構成する複数の燃料電池セルの端部と改質器を接続して、改質された燃料ガスを燃料電池セル群の各燃料ガス通路内に供給するマニホールドを備えており、マニホールドは、燃料電池セルが並列する方向に伸びていることが好ましい。
燃料電池セルの端部と改質器を接続するマニホールドは、改質器と燃料電池セル群の上流側の端面との間に配設されて、各燃料電池セルとそれぞれ接続されるものであってもよいし、並列する燃料電池セル群の端部を貫通して接続するものであってもよい。
改質された燃料ガスを燃料電池セル群の各燃料ガス通路内に供給するマニホールドは、燃料電池セルの端部と改質器を接続し、燃料電池セルが並列する方向に伸びている。このため、マニホールドによって燃焼排ガスの流れが形成され、燃焼排ガスが、隣接する燃料電池セルの上流側と改質器の間に誘導される。この燃焼排ガスによって改質器を効果的に加熱することができ、熱効率がさらに向上する。
燃料電池セルの端部と改質器を接続するマニホールドは、改質器と燃料電池セル群の上流側の端面との間に配設されて、各燃料電池セルとそれぞれ接続されるものであってもよいし、並列する燃料電池セル群の端部を貫通して接続するものであってもよい。
改質された燃料ガスを燃料電池セル群の各燃料ガス通路内に供給するマニホールドは、燃料電池セルの端部と改質器を接続し、燃料電池セルが並列する方向に伸びている。このため、マニホールドによって燃焼排ガスの流れが形成され、燃焼排ガスが、隣接する燃料電池セルの上流側と改質器の間に誘導される。この燃焼排ガスによって改質器を効果的に加熱することができ、熱効率がさらに向上する。
以下、本発明の好適な実施形態を説明する。
（形態１） 有酸素ガスは空気である。
（形態２） 空気通路はパイプ形状であり、燃料ガス通路と直行する向きに伸びるように配置されており、空気は下流端から放出される。
（形態３） 空気通路は高さの低い箱状であり、その片面に空気供給口が多数形成されており、空気通路が伸びる方向の両側面に邪魔板が形成されている。
（形態１） 有酸素ガスは空気である。
（形態２） 空気通路はパイプ形状であり、燃料ガス通路と直行する向きに伸びるように配置されており、空気は下流端から放出される。
（形態３） 空気通路は高さの低い箱状であり、その片面に空気供給口が多数形成されており、空気通路が伸びる方向の両側面に邪魔板が形成されている。
（第１実施例）
本発明を具現化した発電装置の第１実施例を、図面を参照しながら説明する。図１は、本実施例に係る発電装置の縦断面図であり、図２は図１のII−II線縦断面図であり、図３は図１のIII−III線横断面図であり、図４は図２の部分断面拡大図である。
図１から図３に示すように、発電ユニット１０は、内側から外側に向かって第１室４４、第２室４６、第３室４８からなる３重構造となっており、中心部の第１室４４とその外側の第２室４６を仕切る内仕切壁３６と、第２室４６とその外側の第３室４８を仕切る外仕切壁３８と、第３室４８と外部を仕切る外壁４０を有している。外壁４０は断熱部材４２で覆われている。
発電ユニット１０の中心部の第１室４４内には、燃料電池セル１２の複数個が配列されて構成されている燃料電池セル群１４と、酸素を含む空気を燃料電池セル群１４に供給する空気供給部材１６と、予備改質ガス内に含まれるメタンを燃料となる水素や一酸化炭素等に改質する改質器１８と、改質された燃料ガスを燃料電池セル群１４に供給するマニホールド２４等が配設されている。予備改質ガスは、発電ユニット１０の外部に配置された予備改質器（図示省略）によって、炭素数２以上のプロパン等のガスを主にメタンや水素や一酸化炭素等に改質したガスである。
本発明を具現化した発電装置の第１実施例を、図面を参照しながら説明する。図１は、本実施例に係る発電装置の縦断面図であり、図２は図１のII−II線縦断面図であり、図３は図１のIII−III線横断面図であり、図４は図２の部分断面拡大図である。
図１から図３に示すように、発電ユニット１０は、内側から外側に向かって第１室４４、第２室４６、第３室４８からなる３重構造となっており、中心部の第１室４４とその外側の第２室４６を仕切る内仕切壁３６と、第２室４６とその外側の第３室４８を仕切る外仕切壁３８と、第３室４８と外部を仕切る外壁４０を有している。外壁４０は断熱部材４２で覆われている。
発電ユニット１０の中心部の第１室４４内には、燃料電池セル１２の複数個が配列されて構成されている燃料電池セル群１４と、酸素を含む空気を燃料電池セル群１４に供給する空気供給部材１６と、予備改質ガス内に含まれるメタンを燃料となる水素や一酸化炭素等に改質する改質器１８と、改質された燃料ガスを燃料電池セル群１４に供給するマニホールド２４等が配設されている。予備改質ガスは、発電ユニット１０の外部に配置された予備改質器（図示省略）によって、炭素数２以上のプロパン等のガスを主にメタンや水素や一酸化炭素等に改質したガスである。
図２に明瞭に示されるように、燃料電池セル１２の断面は楕円形状であり、複数の燃料電池セル１２（図２では図の明瞭化のために６本となっているが、実際にはもっと多い）が平行に配置されている。燃料電池セル１２は、水平方向に長く伸びている。
図４は、図２に示す燃料電池セル群１４の断面の拡大図である。図４に示すように、燃料極１２ａは楕円柱形状に形成され、その周面の半分強が固体電解質層１２ｂで覆われ、固体電解質層１２ｂの更に外側を酸素極１２ｃが覆っている。燃料極１２ａの周面の酸素極１２ｃと反対側はインターコネクタ１２ｄで覆われている。燃料極１２ａの内部には長手方向に貫通する５本の燃料ガス通路２０が並列に形成されている。
燃料極１２ａは多孔質であり、ニッケル（Ｎｉ）を主成分とするニッケル／ＹＳＺサーメット（混合焼結体）からなる。固体電解質層１２ｂは緻密質であり、ジルコニア（ＺｒＯ２）にイットリア（Ｙ２Ｏ３）を加えた混合物からなる。酸素極１２ｃは多孔質であり、ペロブスカイト型酸化物であるＬＳＭ（Ｌａ１−ｘＳｒｘＭｎＯ３）からなる。インターコネクタ１２ｄは導電性セラミックからなる。
隣合う燃料電池セル１２の一方の酸素極１２ｃと他方の燃料電池セル１２のインターコネクタ１２ｄとの間に、集電部材２２が介装されている。集電部材２２は、蛇腹状に折畳まれた導電性金属部材である。一方の燃料電池セル１２の酸素極１２ｃは、集電部材２２とインターコネクタ１２ｄを介して、他方の燃料電池セル１２の燃料極１２ａに電気的に接続されている。多数本の燃料電池セル１２が直列に接続されて燃料電池セル群１４が形成されている。蛇腹状の集電部材２２は、空気が通過することを禁止しない。
図４は、図２に示す燃料電池セル群１４の断面の拡大図である。図４に示すように、燃料極１２ａは楕円柱形状に形成され、その周面の半分強が固体電解質層１２ｂで覆われ、固体電解質層１２ｂの更に外側を酸素極１２ｃが覆っている。燃料極１２ａの周面の酸素極１２ｃと反対側はインターコネクタ１２ｄで覆われている。燃料極１２ａの内部には長手方向に貫通する５本の燃料ガス通路２０が並列に形成されている。
燃料極１２ａは多孔質であり、ニッケル（Ｎｉ）を主成分とするニッケル／ＹＳＺサーメット（混合焼結体）からなる。固体電解質層１２ｂは緻密質であり、ジルコニア（ＺｒＯ２）にイットリア（Ｙ２Ｏ３）を加えた混合物からなる。酸素極１２ｃは多孔質であり、ペロブスカイト型酸化物であるＬＳＭ（Ｌａ１−ｘＳｒｘＭｎＯ３）からなる。インターコネクタ１２ｄは導電性セラミックからなる。
隣合う燃料電池セル１２の一方の酸素極１２ｃと他方の燃料電池セル１２のインターコネクタ１２ｄとの間に、集電部材２２が介装されている。集電部材２２は、蛇腹状に折畳まれた導電性金属部材である。一方の燃料電池セル１２の酸素極１２ｃは、集電部材２２とインターコネクタ１２ｄを介して、他方の燃料電池セル１２の燃料極１２ａに電気的に接続されている。多数本の燃料電池セル１２が直列に接続されて燃料電池セル群１４が形成されている。蛇腹状の集電部材２２は、空気が通過することを禁止しない。
燃料電池セル群１４は、燃料電池セル１２の燃料ガス通路２０が略水平面内を伸びるように配列されており、複数本の燃料電池セル１２の燃料ガス通路２０が略水平面内を伸びている。燃料ガス通路が同一水平面内を伸びる燃料電池セル群１４が、垂直方向に５段に配列されている。燃料電池セル群１４を上段から順に、１４ａ、１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅということにする。
図１と図３に示すように、燃料電池セル群１４ａの上流側（図１の右側）は、マニホールド２４ａを介して、改質器１８ａに接続されている。改質器１８ａとマニホールド２４ａは配管３０ａによって接続されている。燃料電池セル群１４ｃと１４ｅも同様にして改質器１８ａに接続されている。燃料電池セル群１４ｂの上流側（図１の左側）は、マニホールド２４ｂを介して、改質器１８ｂに接続されている。改質器１８ｂとマニホールド２４ｂは配管３０ｂによって接続されている。燃料電池セル群１４ｄも同様にして改質器１８ｂに接続されている。
燃料電池セル群１４ａ、１４ｃ，１４ｅの燃料ガス通路２０には、改質器１８ａで改質された燃料ガスが送り込まれる。燃料電池セル群１４ａ、１４ｃ，１４ｅの改質器１８ａから遠い方（下流側）の端部では燃料ガス通路２０が開放されており、発電のために消費されなかった燃料ガスが放出される。燃料電池セル群１４ｂ，１４ｄの燃料ガス通路２０には、改質器１８ｂで改質された燃料ガスが送り込まれる。燃料電池セル群１４ｂ，１４ｄの改質器１８ｂから遠い方（下流側）の端部では燃料ガス通路２０が開放されており、発電のために消費されなかった燃料ガスが放出される。燃料電池セル群１４ａ、１４ｃ，１４ｅは、マニホールド２４ａ，２４ｃ，２４ｅによって片持ち状に支持され、燃料電池セル群１４ｂ，１４ｄは、マニホールド２４ｂ，２４ｄによって片持ち状に支持されている。
燃料電池セル群１４ａ、１４ｃ，１４ｅと、燃料電池セル群１４ｂ，１４ｄは、反対方向に伸びている。上下方向に多段に配列されている燃料電池セル群１４ａ、１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ、１４ｅは、上下方向において、交互に反対向きに配列されている。
燃料電池セル群１４ａ、１４ｃ，１４ｅの燃料ガス通路２０には、改質器１８ａで改質された燃料ガスが送り込まれる。燃料電池セル群１４ａ、１４ｃ，１４ｅの改質器１８ａから遠い方（下流側）の端部では燃料ガス通路２０が開放されており、発電のために消費されなかった燃料ガスが放出される。燃料電池セル群１４ｂ，１４ｄの燃料ガス通路２０には、改質器１８ｂで改質された燃料ガスが送り込まれる。燃料電池セル群１４ｂ，１４ｄの改質器１８ｂから遠い方（下流側）の端部では燃料ガス通路２０が開放されており、発電のために消費されなかった燃料ガスが放出される。燃料電池セル群１４ａ、１４ｃ，１４ｅは、マニホールド２４ａ，２４ｃ，２４ｅによって片持ち状に支持され、燃料電池セル群１４ｂ，１４ｄは、マニホールド２４ｂ，２４ｄによって片持ち状に支持されている。
燃料電池セル群１４ａ、１４ｃ，１４ｅと、燃料電池セル群１４ｂ，１４ｄは、反対方向に伸びている。上下方向に多段に配列されている燃料電池セル群１４ａ、１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ、１４ｅは、上下方向において、交互に反対向きに配列されている。
一対の改質器１８ａ、１８ｂは、基本的に同一構成を備えている。以下で添字を省略した共通に説明する。改質器１８は、金属製の薄い箱形状のケーシングと、その内で蛇行する経路（図示省略）が形成されており、この経路内に改質触媒が充填されている。図１に示すように、一対の改質器１８ａ，１８ｂは、燃料電池セル群１４群を挟んで、平行に配設されている。一対の改質器１８ａ，１８ｂは、上部の２箇所の角部で２本の渡り配管２８ａ，２８ｂによって接続されている。燃料ガス導入管２６から送られた予備改質ガスは一方の改質器１８ａに導入され、渡り配管２８ａを経て、他方の改質器１８ｂにも導入される。改質器１８ａ，１８ｂ内に導入された予備改質ガス中のメタンは、改質触媒によって、改質器１８内を通過する間に主に水素や一酸化炭素からなる燃料ガスに改質される。なお、渡り配管２８ｂは、２つの改質器１８ａ，１８ｂの出口圧力の均衡を調整するために配設されている。
図１〜図３に示すように、空気供給部材１６は浅い箱形状の部材であり、上面に複数の空気供給口１６ｆが形成されている。空気供給部材１６の両側面には略水平に伸びる邪魔板５２ａ，５２ｂが形成されている。邪魔板５２ａは、上段の燃料電池セル１２の上流側に向けて取付けられており、水平に伸びている。邪魔板５２ｂは、上段の燃料電池セル１２の下流側に向けて取付けられており、端部が若干上向きに取付けられている。空気供給部材１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄ，１６ｅは、燃料電池セル群１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅのそれぞれの下方に配設されており、５つの空気供給部材１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄ，１６ｅが上下方向に５段に配設されている。各空気供給部材１６の両端部は夫々空気供給管５０に連通している。空気供給管５０は金属製であり、図１と図２に示すように、上下方向に伸びており、上端は第３室４８に開口している。第３室４８の下方は、空気導入管３４と連通しており、空気導入管３４によって外部から導入された空気は、第３室４８を通過して一対の空気供給管５０，５０のいずれかに流入し、上下５段の空気供給部材１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄ，１６ｅのいずれかの上面から、直近上部の燃料電池セル群１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅに空気を供給する。
上下５段の空気供給部材１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄ，１６ｅは、両端が空気供給管５０によって支持されており、強度が高い。
図１〜図３に示すように、燃料電池セル群１４の燃料ガス通路２０は左右方向に伸びており、空気供給部材１６は、上下方向に伸びている。両持ち状の空気供給部材１６と、片持ち状の燃料電池セル群１４が交差する位置関係におかれている。
上下５段の空気供給部材１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄ，１６ｅは、両端が空気供給管５０によって支持されており、強度が高い。
図１〜図３に示すように、燃料電池セル群１４の燃料ガス通路２０は左右方向に伸びており、空気供給部材１６は、上下方向に伸びている。両持ち状の空気供給部材１６と、片持ち状の燃料電池セル群１４が交差する位置関係におかれている。
片持ち状の燃料電池セル群１４は、両持ち状の空気供給部材１６に対してパッキン６２を介して載置されており、片持ち状の燃料電池セル群１４は水平に伸びる姿勢で安定的に支持されている。片持ち状の燃料電池セル群１４が不用意に傾くことはない。
第３室４８と第２室４６を仕切る外仕切壁３８の４つの外周面には、図１から図３に示すフィン５４が取付けられている。特に図３に示すように、フィン５４は横方向に長尺な金属製板部材を略蛇腹形状に折畳んで形成されている。外側は外壁４０の内面に接触しており、内側は外仕切壁３８の外面に接触している（図１〜図３ではフィン５４の形状を明瞭にするため、フィン５４と壁面を離して示している）。なお、放熱を防止するために、フィン５４と外壁４０の内面が、断熱材を介して接触する構成であってもよい。図１と図２に示すように、外仕切壁３８の４つの外周面には、複数のフィン５４が上下方向に取付けられて外周面を覆っている。図示はしていないが、上下のフィン５４は、ピッチを半分ずらして取付けられている。このようにフィン５４が取付けられているため、外仕切壁３８とフィン５４と外壁４０によって、外仕切壁３８の４つの外周面と外壁４０の内面との間の全体に亘って、上下方向に伸びる細い角柱形状の通路が複数本形成される。
図１から図３に示すように、外仕切壁３８の４つの内周面にも、フィン５４と同様にフィン５６が取付けられている。フィン５６の形状もフィン５４と同様である。このようにフィン５６が取付けられているため、外仕切壁３８とフィン５６と内仕切壁３６によって、外仕切壁３８の４つの内周面と内仕切壁３６の外面との間の全体に亘って、上下方向に伸びる細い角柱形状の通路が複数本形成される。フィン５４は第３室４８のサイズを規定し、フィン５６は第２室４６のサイズを規定する。
図１から図３に示すように、外仕切壁３８の４つの内周面にも、フィン５４と同様にフィン５６が取付けられている。フィン５６の形状もフィン５４と同様である。このようにフィン５６が取付けられているため、外仕切壁３８とフィン５６と内仕切壁３６によって、外仕切壁３８の４つの内周面と内仕切壁３６の外面との間の全体に亘って、上下方向に伸びる細い角柱形状の通路が複数本形成される。フィン５４は第３室４８のサイズを規定し、フィン５６は第２室４６のサイズを規定する。
図１と図２に示すように、外仕切壁３８は、側壁の下端から下方に伸びる固定用壁３８ａによって外壁４０の底板に固定されている。第２室４６の底板は第３室４８の底板から持ち上げられている。両底板の間隙は第３室４８の一部を構成する。固定用壁３８ａには複数個の穴３８ｂが形成されており、空気の流通が自在となっている。内仕切壁３６も、側壁の下端から下方に伸びる固定用壁３６ａによって外仕切壁３８の底板に固定されている。第１室４４の底板は第２室４６の底板から持ち上げられている。両底板の間隙は第２室４６の一部を構成する。固定用壁３６ａにも複数個の穴３６ｂが形成されており、空気の流通が自在となっている。
外壁４０の底板と外仕切壁３８の底板の間は、第３室４８の一部であり、そこに空気導入管３４が連通している。外仕切壁３８の底板と内仕切壁３６の底板の間は、第２室４６の一部であり、そこに燃焼排ガス導出管５８が連通している。
外壁４０の底板と外仕切壁３８の底板の間は、第３室４８の一部であり、そこに空気導入管３４が連通している。外仕切壁３８の底板と内仕切壁３６の底板の間は、第２室４６の一部であり、そこに燃焼排ガス導出管５８が連通している。
第３室４８は、発電ユニット１０の６面（４側面と上面と底面）において、第２室４６を取り囲んでおり、第２室４６は、発電ユニット１０の６面（４側面と上面と底面）において、第１室４４を取り囲んでいる。
第３室４８は、外部から取り込まれた空気が通過する。第２室４６は、第１室４４で生成された燃焼排ガスが通過する。第１室４４は燃料電池セル群収容室として利用される。
空気は空気通過室４８を下方から上方に移動する。燃焼排ガスは燃焼排ガス通過室４６を上方から下方に通過する。通過方向が逆であり、両者の間で活発な熱交換が行われる。
燃料電池セル群収容室４４の外形はほぼ立方体である。燃焼排ガス通過室４６の外形もほぼ立方体である。空気通過室４８の外形もほぼ立方体である。発電ユニット１０は、最小表面積で最大容積を収容する６面体であり、放熱量が少ない。
後記するように、燃料電池セル群収容室４４は最も高温であり、燃焼排ガス通過室４６は２番目に高温であり、空気通過室４８が３番目に高温である。最も高温な燃料電池セル群収容室４４を、２番目に高温な燃焼排ガス通過室４６で取り囲み、その外側を３番目に高温な空気通過室４８で取り囲む構造となっている。最も高温に維持する必要がある燃料電池セル群収容室４４を最も内側に配置することによって、燃料電池セル群収容室４４を最も高温に維持しやすい最適な構造となっている。
第３室４８は、外部から取り込まれた空気が通過する。第２室４６は、第１室４４で生成された燃焼排ガスが通過する。第１室４４は燃料電池セル群収容室として利用される。
空気は空気通過室４８を下方から上方に移動する。燃焼排ガスは燃焼排ガス通過室４６を上方から下方に通過する。通過方向が逆であり、両者の間で活発な熱交換が行われる。
燃料電池セル群収容室４４の外形はほぼ立方体である。燃焼排ガス通過室４６の外形もほぼ立方体である。空気通過室４８の外形もほぼ立方体である。発電ユニット１０は、最小表面積で最大容積を収容する６面体であり、放熱量が少ない。
後記するように、燃料電池セル群収容室４４は最も高温であり、燃焼排ガス通過室４６は２番目に高温であり、空気通過室４８が３番目に高温である。最も高温な燃料電池セル群収容室４４を、２番目に高温な燃焼排ガス通過室４６で取り囲み、その外側を３番目に高温な空気通過室４８で取り囲む構造となっている。最も高温に維持する必要がある燃料電池セル群収容室４４を最も内側に配置することによって、燃料電池セル群収容室４４を最も高温に維持しやすい最適な構造となっている。
発電ユニット１０内の動作を説明する。
燃料ガス導入管２６から改質器１８ａ，１８ｂに送られた予備改質ガスは、改質器１８ａ，１８ｂ内で、水素と一酸化炭素を含む燃料ガスに改質され、各マニホールド２４に送られる。改質された燃料ガスは、各マニホールド２４から各燃料電池セル１２へ送られ、各燃料電池セル１２内の燃料ガス通路２０に流入する。
空気導入管３４から第３室４８に送られた空気は、フィン５４の間をすり抜けて上部に達し、外壁４０の上面に沿って流れ、第３室４８に開口している空気供給管５０内に流入する。空気は、空気供給管５０を下方に移動しながら、５つの空気供給部材１６に流入し、全ての空気供給口１６ｆから流出する。流出する空気は、上方向、若しくは斜め上方向に上昇し、すぐ上の燃料電池セル群１４の下側全体に分散される。
酸素は、イオン化して固体電解質を通過して燃料極に至り、水素または一酸化炭素と反応し、酸素極と燃料極の間に電位差を発生させる。すなわち、発電する。
燃料ガス導入管２６から改質器１８ａ，１８ｂに送られた予備改質ガスは、改質器１８ａ，１８ｂ内で、水素と一酸化炭素を含む燃料ガスに改質され、各マニホールド２４に送られる。改質された燃料ガスは、各マニホールド２４から各燃料電池セル１２へ送られ、各燃料電池セル１２内の燃料ガス通路２０に流入する。
空気導入管３４から第３室４８に送られた空気は、フィン５４の間をすり抜けて上部に達し、外壁４０の上面に沿って流れ、第３室４８に開口している空気供給管５０内に流入する。空気は、空気供給管５０を下方に移動しながら、５つの空気供給部材１６に流入し、全ての空気供給口１６ｆから流出する。流出する空気は、上方向、若しくは斜め上方向に上昇し、すぐ上の燃料電池セル群１４の下側全体に分散される。
酸素は、イオン化して固体電解質を通過して燃料極に至り、水素または一酸化炭素と反応し、酸素極と燃料極の間に電位差を発生させる。すなわち、発電する。
発電時、燃料ガスは上流から下流へ向かって燃料電池セル群１４内を水平に流れる。燃料ガスは上流から下流へ流れる間に発電熱によって徐々に加熱されていく。従来のように、燃料電池セル群１４を縦に配設して燃料ガスを下方から上方へ流し、空気も下方から上方へ流して発電を行うと、燃料ガスも空気も下方から上方へ流れる間に発電熱で加熱され、燃料電池セル群１４の上部と下部の温度差が例えば１５０℃近く生じてしまう。発電効率を考慮すると、下方の低温側の作動温度が、最適作動温度である例えば８００℃になるように調整しなければならない。すると、上方の高温側の動作温度が９５０℃にまで上昇してしまう。この高温に対する熱耐久性を確保するためには、燃料電池セル１２の近傍に配設される部材の熱耐久性を確保しなければならず、コストアップは避けられない。熱耐久性を重視すれば、上方の高温側の作動温度が、最適作動温度である８００℃になるように調整しなければならない。すると、下方の低温側の動作温度が６５０℃にまで低下してしまい、発電効率の低下は否めない。
本実施例の燃料電池では、燃料電池セルが水平方向に伸びているのに対し、空気が上方に移動する関係が得られ、燃料電池セルの温度勾配に交差する有酸素ガスの流れが生み出される。燃料電池セルを冷却する空気に燃料電池を冷却した熱が累積していくことが抑制され、燃料電池セルの上流端と下流端の温度差が小さくなる。さらに、燃料電池セル群は１段毎に燃料ガス通路の向きが交互になるように配列されている。即ち、燃料電池セルの低温な上流側と高温な下流側が垂直方向に交互に配置されている。従って、上下方向の温度差が相殺され、燃料電池セルの上流側と下流側の温度差がさらに小さくなる。図１２のカーブＣ２はカーブＣ１の燃料電池セルと逆向きに配置された燃料電池セルの温度分布を示している。カーブＣ３は本実施例の燃料電池セルの温度分布を示す。実験によるとカーブＣ３に示すように、燃料電池セルの上流端と下流端の温度差はほぼなくなり、燃料電池セルの温度差は３０℃程度に抑制され、第１室４４内の温度差が減少する。
本実施例の燃料電池では、燃料電池セルが水平方向に伸びているのに対し、空気が上方に移動する関係が得られ、燃料電池セルの温度勾配に交差する有酸素ガスの流れが生み出される。燃料電池セルを冷却する空気に燃料電池を冷却した熱が累積していくことが抑制され、燃料電池セルの上流端と下流端の温度差が小さくなる。さらに、燃料電池セル群は１段毎に燃料ガス通路の向きが交互になるように配列されている。即ち、燃料電池セルの低温な上流側と高温な下流側が垂直方向に交互に配置されている。従って、上下方向の温度差が相殺され、燃料電池セルの上流側と下流側の温度差がさらに小さくなる。図１２のカーブＣ２はカーブＣ１の燃料電池セルと逆向きに配置された燃料電池セルの温度分布を示している。カーブＣ３は本実施例の燃料電池セルの温度分布を示す。実験によるとカーブＣ３に示すように、燃料電池セルの上流端と下流端の温度差はほぼなくなり、燃料電池セルの温度差は３０℃程度に抑制され、第１室４４内の温度差が減少する。
本実施例では、燃料電池セル群１４の下方に配置されている空気供給部材１６の広い範囲に空気供給口が分散配置されており、燃料電池セル群１４の下側全体に空気が分散して供給される。これもまた、燃料電池セル群１４の上流から下流に至るまで一様温度に冷却するのに有利である。
本実施例では、加熱されやすい燃料電池セル群１４の下流側に多量の空気が供給され、加熱されにくい燃料電池セル群１４の上流側に少量の空気が供給されるように、空気供給口１６ｆの密度と開口面積が調整されている。これもまた、燃料電池セル群１４の温度分布を一様化するのに寄与している。
本実施例では、加熱されやすい燃料電池セル群１４の下流側に多量の空気が供給され、加熱されにくい燃料電池セル群１４の上流側に少量の空気が供給されるように、空気供給口１６ｆの密度と開口面積が調整されている。これもまた、燃料電池セル群１４の温度分布を一様化するのに寄与している。
本実施例では、燃料電池セル群１４の直下に熱伝導性の高い金属で形成された空気供給部材１６が配置されている。空気供給部材１６は熱伝導性が高く、加熱されやすい燃料電池セル群１４の下流側から加熱されにくい燃料電池セル群１４の上流側に伝熱する。燃料電池セル群１４の近傍に伝熱部材を配置することもまた、燃料電池セル群１４の温度分布を一様化するのに寄与している。
熱伝導性の空気供給部材１６と燃料電池セル群１４の間には、パッキン６２が介在しており、直接には接触していない。それでも、熱伝導性の空気供給部材１６は、燃料電池セル群１４の上流側と下流側の温度差を小さく抑える。加熱されやすい燃料電池セル群１４の下流側では、輻射が活発に起こって熱伝導性の空気供給部材１６に熱を伝える。燃料電池セル群１４の下流側の温度は低下する。輻射によって加熱された熱伝導性の空気供給部材１６は、熱伝導によって低温部を加熱する。加熱された空気供給部材１６は、相対的に低温な燃料電池セル群１４の上流側に向けて輻射し、燃料電池セル群１４の上流部を加熱する。熱伝導性の空気供給部材１６が燃料電池セル群１４に直接には接触していなくても、近接して位置しているために、熱伝導性の空気供給部材１６は、燃料電池セル群１４の高温部から低温部に伝えられる熱エネルギーの移動を促進する。
熱伝導性の空気供給部材１６と燃料電池セル群１４の間には、パッキン６２が介在しており、直接には接触していない。それでも、熱伝導性の空気供給部材１６は、燃料電池セル群１４の上流側と下流側の温度差を小さく抑える。加熱されやすい燃料電池セル群１４の下流側では、輻射が活発に起こって熱伝導性の空気供給部材１６に熱を伝える。燃料電池セル群１４の下流側の温度は低下する。輻射によって加熱された熱伝導性の空気供給部材１６は、熱伝導によって低温部を加熱する。加熱された空気供給部材１６は、相対的に低温な燃料電池セル群１４の上流側に向けて輻射し、燃料電池セル群１４の上流部を加熱する。熱伝導性の空気供給部材１６が燃料電池セル群１４に直接には接触していなくても、近接して位置しているために、熱伝導性の空気供給部材１６は、燃料電池セル群１４の高温部から低温部に伝えられる熱エネルギーの移動を促進する。
本実施例では、燃料電池セル群１４が垂直方向に５段に配列されている。上下方向に隣接する燃料電池セル群１４の間は、空気供給部材１６と邪魔板５２ａ，５２ｂによって仕切られており、下段の燃料電池セル群１４を冷却することによって自らは加熱された空気で上段の燃料電池セル群１４を冷却するものではない。各段の燃料電池セル群１４毎に、冷却兼発電用の空気が送られてくる。熱環境が等しい燃料電池セル群１４が上下方向に５段に配列されるだけであり、燃料電池セル群収容室４４内の上下方向の温度差も抑制される。
本実施例では、空気供給部材１６がガス流遮断板を兼用している。余分な部材を利用しないで、空気供給部材１６がガス流遮断板を形成することができる。空気供給部材１６がガス流遮断板を兼用するほど広く広がっているために、空気供給部材１６から供給される空気が燃料電池セル群１４の全体を加熱前の空気で一様によく冷却する。
燃料電池セル１２に供給される燃料ガスの例えば８０％が発電に利用される場合、発電に利用されなかった２０％の燃料ガス（オフガス）は、燃料ガス通路２０を通過して先端から流出する。また、燃料電池セル１２に供給される空気の例えば２０％が発電に利用される場合、発電に利用されなかった８０％の空気は、燃料電池セル群１４の集電部材２２の隙間をすり抜ける。この空気は邪魔板５２ｂに沿って燃料電池セル１２の下流側へ誘導される。
各燃料電池セル１２の先端近傍には夫々スパーク電極６０が配設されている。スパーク電極６０が火花放電することによって、燃料電池セル１２の先端から流出する燃料ガスのオフガスと、燃料電池セル１２の下流側へ誘導される空気のオフガスが燃焼する。改質器１８は燃料電池セル１２の先端に近接していることから、燃料ガスのオフガスと空気のオフガスとの燃焼によって発生する燃焼熱を改質反応の吸熱反応に効率よく利用することができる。
燃焼排ガスは極めて高温であり、そのままでは熱交換器に投入しがたい。それほどの高温に耐えられる熱交換器は材質が限られ、高価である。本実施例では、燃焼熱でまず改質器１８を加熱する。改質反応は吸熱反応であり、燃焼排ガスの熱は吸熱に利用される。燃焼熱でまず改質器１８を加熱するために、燃焼排ガスの温度は低下する。このために、第２室４６を流れる燃焼排ガスの温度は適度に冷却されており、仕切り壁３６，３８に特別の材料を使わなくてもすむ。
本実施例では、改質器１８と各燃料電池セル１２との間にマニホールド２４が配置されている。燃焼排ガスは改質器１８に向かって流れ、マニホールド２４によって、燃焼排ガスが燃料電池セル群１４間に進入することが阻まれ、改質器１８に沿って流れる。この作用によって、燃料電池セル１２が燃焼排ガスによって過熱されることを防止し、燃焼排ガスによって改質器１８を効果的に加熱して、改質反応を促進することができる。
各燃料電池セル１２の先端近傍には夫々スパーク電極６０が配設されている。スパーク電極６０が火花放電することによって、燃料電池セル１２の先端から流出する燃料ガスのオフガスと、燃料電池セル１２の下流側へ誘導される空気のオフガスが燃焼する。改質器１８は燃料電池セル１２の先端に近接していることから、燃料ガスのオフガスと空気のオフガスとの燃焼によって発生する燃焼熱を改質反応の吸熱反応に効率よく利用することができる。
燃焼排ガスは極めて高温であり、そのままでは熱交換器に投入しがたい。それほどの高温に耐えられる熱交換器は材質が限られ、高価である。本実施例では、燃焼熱でまず改質器１８を加熱する。改質反応は吸熱反応であり、燃焼排ガスの熱は吸熱に利用される。燃焼熱でまず改質器１８を加熱するために、燃焼排ガスの温度は低下する。このために、第２室４６を流れる燃焼排ガスの温度は適度に冷却されており、仕切り壁３６，３８に特別の材料を使わなくてもすむ。
本実施例では、改質器１８と各燃料電池セル１２との間にマニホールド２４が配置されている。燃焼排ガスは改質器１８に向かって流れ、マニホールド２４によって、燃焼排ガスが燃料電池セル群１４間に進入することが阻まれ、改質器１８に沿って流れる。この作用によって、燃料電池セル１２が燃焼排ガスによって過熱されることを防止し、燃焼排ガスによって改質器１８を効果的に加熱して、改質反応を促進することができる。
燃料電池セル１２の電気化学反応が効率よく進行する環境温度は約８００℃の高温である。この環境温度が低下すれば、発電効率は低下する。従って、供給する空気の温度を予加熱しておく必要がある。
上昇した燃焼排ガスは、第１室４４の上面に沿って第２室４６に流入する。第２室４６内に流入した燃焼排ガスは、上下方向に伸びる複数の細い角柱形状の通路を下方向に通過して第２室４６の下部に流入し、燃焼排ガス導出管５８から外部に導出される。
このとき、空気導入管３４から導入された予加熱された空気（約２００℃）は第３室４８内に流入し、上下方向に伸びる複数の細い角柱形状の通路を上方向に通過している。従って、第２室４６を通過する燃焼排ガスと、第３室４８を通過する空気との間で熱交換が行われる。外仕切板３８の両面に取付けられたフィン５４，５６によって、熱交換率は更に高められる。この熱交換によって、空気を約６５０℃まで予加熱しておくことができる。なお、約５００℃まで温度低下した燃焼排ガスは、発電ユニット１０の外部に配設された、図示しない予備改質器の加熱に利用することができ、さらには空気の予熱に利用することもできる。
上昇した燃焼排ガスは、第１室４４の上面に沿って第２室４６に流入する。第２室４６内に流入した燃焼排ガスは、上下方向に伸びる複数の細い角柱形状の通路を下方向に通過して第２室４６の下部に流入し、燃焼排ガス導出管５８から外部に導出される。
このとき、空気導入管３４から導入された予加熱された空気（約２００℃）は第３室４８内に流入し、上下方向に伸びる複数の細い角柱形状の通路を上方向に通過している。従って、第２室４６を通過する燃焼排ガスと、第３室４８を通過する空気との間で熱交換が行われる。外仕切板３８の両面に取付けられたフィン５４，５６によって、熱交換率は更に高められる。この熱交換によって、空気を約６５０℃まで予加熱しておくことができる。なお、約５００℃まで温度低下した燃焼排ガスは、発電ユニット１０の外部に配設された、図示しない予備改質器の加熱に利用することができ、さらには空気の予熱に利用することもできる。
本実施例では、燃料と空気のオフガスが燃焼する位置が、上下方向において、交互に反対側に位置する関係に設定されている。このために、燃料電池セル群収容室４４内の温度分布は、水平方向にも上下方向にも均質化されている。燃料電池セル群収容室４４内の最大温度差でも５０℃程度であり、燃料電池セル群収容室４４内の温度は８００〜８５０℃の範囲に抑えられる。
また、最も高温な燃料電池セル群収容室４４を２番目に高温な燃焼排ガス通過室４６で取り囲み、その外側を３番目に高温な空気通過室４８で取り囲む構造となっているために、燃料電池セル群収容室４４を高温に維持しやすい。そのために、発電に伴って発生する熱と、燃料と空気のオフガスの燃焼熱だけで、燃料電池セル群収容室４４内の温度を発電適温である８００〜８５０℃に維持することができる。
以上の実施例では、筒状の燃料極を燃料ガス通路が貫通している燃料電池セルの例を説明したが、燃料極と燃料ガス通路の関係はそれに限らない。例えば、ポーラスの物質の中に燃料ガス通路を設け、その表面に、内側から、燃料極、固体電解質、酸素極の順に積層された積層構造を付着したような燃料電池セルであってもよい。要は、燃料極と固体電解質と酸素極の積層体の燃料極側に燃料ガスが供給され、酸素極側に有酸素ガスが供給されるものであり、かつ、燃料電池セルの外側に供給される有酸素ガスが、前記積層体を通して燃料電池セル側に用意されている燃料ガス通路に侵入するものであれば足りる。
（第２実施例）
本発明を具現化した発電装置の第２実施例を、図面を参照しながら説明する。図５は、本実施例に係る発電装置の要部の縦断面を模式化した図である。本実施例は、第１実施例の発電装置と、燃料電池セル群収容室内の構成が異なっている。従って、主に、燃料電池セル群収容室内について説明し、第１実施例と同様である部分の説明や図示を省略する。
本実施例の発電ユニット２００は、内部に改質器を備えておらず、外部に設けられた図示しない改質器において、主に水素と一酸化炭素からなる燃料ガスに改質したものを発電に利用する。改質された燃料ガスは、燃料ガスの受入れ口２０８ａ，２０８ｂから導入される。受入れ口２０８ａから受入れられた燃料ガスは、マニホールド２１２ａで燃料電池セル２１６ａ，２１６ｃに分配され、受入れ口２０８ｂから受入れられた燃料ガスは、マニホールド２１２ｂで燃料電池セル２１６ｂ，２１６ｄに分配される。燃料電池セル２１６ａ，２１６ｂ，２１６ｃ，２１６ｄは、マニホールド２１２ａ，２１２ｂによってそれぞれの端部を支持されて、水平に伸びるように配設されている。燃料電池セル２１６ａ，２１６ｂ，２１６ｃ，２１６ｄは、燃料ガス通路の向きが交互になるように配列されている。
本発明を具現化した発電装置の第２実施例を、図面を参照しながら説明する。図５は、本実施例に係る発電装置の要部の縦断面を模式化した図である。本実施例は、第１実施例の発電装置と、燃料電池セル群収容室内の構成が異なっている。従って、主に、燃料電池セル群収容室内について説明し、第１実施例と同様である部分の説明や図示を省略する。
本実施例の発電ユニット２００は、内部に改質器を備えておらず、外部に設けられた図示しない改質器において、主に水素と一酸化炭素からなる燃料ガスに改質したものを発電に利用する。改質された燃料ガスは、燃料ガスの受入れ口２０８ａ，２０８ｂから導入される。受入れ口２０８ａから受入れられた燃料ガスは、マニホールド２１２ａで燃料電池セル２１６ａ，２１６ｃに分配され、受入れ口２０８ｂから受入れられた燃料ガスは、マニホールド２１２ｂで燃料電池セル２１６ｂ，２１６ｄに分配される。燃料電池セル２１６ａ，２１６ｂ，２１６ｃ，２１６ｄは、マニホールド２１２ａ，２１２ｂによってそれぞれの端部を支持されて、水平に伸びるように配設されている。燃料電池セル２１６ａ，２１６ｂ，２１６ｃ，２１６ｄは、燃料ガス通路の向きが交互になるように配列されている。
空気供給パイプ群２２０ａ，２２０ｂ，２２０ｃ，２２０ｄは、燃料電池セル群２２６ａ，２２６ｂ，２２６ｃ，２２６ｄの下方にそれぞれ５本の空気供給パイプが水平に並列配置されて構成されており、空気供給パイプ群２２０ａ，２２０ｂ，２２０ｃ，２２０ｄは燃料ガス通路と直交する関係で配置されている。各空気供給パイプは、図示しない空気供給管（第１実施例参照）に接続されており、第１実施例と同様に燃料電池セル群収容室２１８の外部から取入れられた空気が予加熱されて空気供給管より分配される。各空気供給パイプ群２２０ａ，２２０ｂ，２２０ｃ，２２０ｄの下流端から空気が噴出されると、煙突効果によって空気は真直ぐ上昇するか若しくは斜め上方向へ上昇する。上昇した空気は、燃料電池セル群２２６ａ，２２６ｂ，２２６ｃ，２２６ｄの下側全体に拡散して酸素極に空気ガスを供給する。
発電に利用されなかった燃料ガスのオフガスと空気のオフガスが燃焼して発生する高温の燃焼排ガスは、燃料電池セル群２２６ａ，２２６ｂ，２２６ｃ，２２６ｄの下側全体に拡散して上昇する空気の流れによって燃料電池セル群収容室２１８の内壁の方へ追いやられ、内壁に沿って矢印２０６に示すように上昇し、第１実施例と同様に空気の予加熱に利用された後に排出される。
発電に利用されなかった燃料ガスのオフガスと空気のオフガスが燃焼して発生する高温の燃焼排ガスは、燃料電池セル群２２６ａ，２２６ｂ，２２６ｃ，２２６ｄの下側全体に拡散して上昇する空気の流れによって燃料電池セル群収容室２１８の内壁の方へ追いやられ、内壁に沿って矢印２０６に示すように上昇し、第１実施例と同様に空気の予加熱に利用された後に排出される。
本実施例では、燃料電池セル群が、１段毎に燃料ガス通路の向きが交互になるように垂直方向に配列されて、燃料電池セルの低温な上流側と高温な下流側が交互に配置されている。従って、燃料電池セルの上下方向の温度差が相殺され、燃料電池セルの上流側と下流側の温度差が小さくなる。また、空気供給パイプから噴出した空気は真直ぐ上昇するか若しくは斜め上方向へ上昇して燃料電池セルの下側全体に亘って拡散することから、燃料電池セルが水平方向に伸びているのに対し、空気が上方に移動する関係が得られ、燃料電池セルの温度勾配に交差する空気の流れが生み出される。以上のことから、燃料電池セル群収容室内の温度差が減少する。
また、上昇する空気の流れによって、燃焼排ガスが燃料電池セル群の下方に侵入することが阻まれる。このことから、高温の燃焼排ガスによって燃料電池セル群が過熱されてしまうことが防止されるとともに、燃料電池セルの酸素極が燃焼排ガスによって還元されてしまうことが防止される。発電効率の高い温度での発電が容易となる。
また、上昇する空気の流れによって、燃焼排ガスが燃料電池セル群の下方に侵入することが阻まれる。このことから、高温の燃焼排ガスによって燃料電池セル群が過熱されてしまうことが防止されるとともに、燃料電池セルの酸素極が燃焼排ガスによって還元されてしまうことが防止される。発電効率の高い温度での発電が容易となる。
（第３実施例）
本発明を具現化した発電装置の第３実施例を図面を参照しながら説明する。図６は本実施例に係る発電装置の要部の縦断面を模式化した図である。本実施例は、第２実施例と類似しているため、第２実施例と同様の部材等については、同一符号を用いて説明し、重複説明は省略している。
本実施例の発電ユニット２３０は、第２実施例の発電ユニット２００の空気供給パイプ群２２０ａ，２２０ｂ，２２０Ｃ，２２０ｄの下方に、夫々邪魔板２３２ａ，２３２ｂ，２３２ｃ，２３２ｄが配設された構成となっている。邪魔板２３２ａ，２３２ｂ，２３２ｃ，２３２ｄは、空気供給パイプ群２２０ａ，２２０ｂ，２２０ｃ，２２０ｄが伸びる方向に水平に伸びる金属製の板部材であり、両側は斜め上方向に広がるように屈曲している。
本発明を具現化した発電装置の第３実施例を図面を参照しながら説明する。図６は本実施例に係る発電装置の要部の縦断面を模式化した図である。本実施例は、第２実施例と類似しているため、第２実施例と同様の部材等については、同一符号を用いて説明し、重複説明は省略している。
本実施例の発電ユニット２３０は、第２実施例の発電ユニット２００の空気供給パイプ群２２０ａ，２２０ｂ，２２０Ｃ，２２０ｄの下方に、夫々邪魔板２３２ａ，２３２ｂ，２３２ｃ，２３２ｄが配設された構成となっている。邪魔板２３２ａ，２３２ｂ，２３２ｃ，２３２ｄは、空気供給パイプ群２２０ａ，２２０ｂ，２２０ｃ，２２０ｄが伸びる方向に水平に伸びる金属製の板部材であり、両側は斜め上方向に広がるように屈曲している。
本実施例では、空気供給パイプ群２２０ａ，２２０ｂ，２２０ｃ，２２０ｄから噴出した空気は、煙突効果によって真上若しくは斜め上方向に上昇し、燃料電池セル群２２６ａ，２２６ｂ，２２６ｃ，２２６ｄの下側全体に亘って拡散する。拡散した空気の一部は燃料ガスのオフガスとともに燃焼する。残りの空気はさらに上昇し、邪魔板２３２ａ，２３２ｂ、２３２ｃ，２３２ｄの下面に到達すると、この下面に沿って燃料電池セル群収容室２１８の内壁の方へ流れ、内壁に沿って矢印２０６に示す燃焼排ガスとともに上昇し、第１実施例と同様に空気の予加熱に利用された後に排出される。
上下方向に隣接する燃料電池セル群間は、空気供給パイプ群と邪魔板によって仕切られており、下段の燃料電池セル群を冷却することによって自らは加熱された空気が、さらに上昇して上段の燃料電池セル群を冷却することはない。各段の燃料電池セル群毎に、冷却兼発電用の空気が送られてくる。熱環境が等しい燃料電池セル群が上下方向に４段に配列されるだけであり、燃料電池セル群収容室内の上下方向の温度差も抑制される。
また、燃料電池セル群の下方に広がる邪魔板によって、燃焼排ガスが燃料電池セル群の下方に侵入することが阻まれる。このことから、燃焼排ガスによって、燃料電池セル群が過熱されたり、燃料電池セルの酸素極が燃焼排ガスによって還元されたりすることを防止する。
また、燃料電池セル群の下方に広がる邪魔板によって、燃焼排ガスが燃料電池セル群の下方に侵入することが阻まれる。このことから、燃焼排ガスによって、燃料電池セル群が過熱されたり、燃料電池セルの酸素極が燃焼排ガスによって還元されたりすることを防止する。
（第４実施例）
本発明を具現化した発電装置の第４実施例を図面を参照しながら説明する。図７は本実施例に係る発電装置の要部の縦断面を模式化した図である。本実施例は、第３実施例と類似しているため、第３実施例と同様の部材等については、同一符号を用いて説明し、重複説明は省略している。
本実施例の発電ユニット２７０は、第３実施例の発電ユニット２３０の燃料電池セル群収容室２１８内に、予備改質された予備改質ガスを燃料ガスに改質する１対の改質器２７２ａ，２７２ｂが配設された構成となっている。改質器２７２ａ，２７２ｂは、燃料電池セル２１６ａ，２１６ｂ，２１６ｃ，２１６ｄの両端部側に配置されている。改質器２７２ａ，２７２ｂについては、第１実施例の改質器１８ａ，１８ｂと同様であるため、説明を省略する。
本発明を具現化した発電装置の第４実施例を図面を参照しながら説明する。図７は本実施例に係る発電装置の要部の縦断面を模式化した図である。本実施例は、第３実施例と類似しているため、第３実施例と同様の部材等については、同一符号を用いて説明し、重複説明は省略している。
本実施例の発電ユニット２７０は、第３実施例の発電ユニット２３０の燃料電池セル群収容室２１８内に、予備改質された予備改質ガスを燃料ガスに改質する１対の改質器２７２ａ，２７２ｂが配設された構成となっている。改質器２７２ａ，２７２ｂは、燃料電池セル２１６ａ，２１６ｂ，２１６ｃ，２１６ｄの両端部側に配置されている。改質器２７２ａ，２７２ｂについては、第１実施例の改質器１８ａ，１８ｂと同様であるため、説明を省略する。
改質器は燃料電池セルの下流端に近接していることから、燃料ガスのオフガスと空気のオフガスとの燃焼によって発生する燃焼熱を改質反応の吸熱反応に効率よく利用することができる。また、燃焼時に発生する燃焼排ガスは高温であるが、燃焼熱を改質反応に利用するため、燃焼排ガスの温度を空気の予加熱に利用することができる程度まで低下することができる。
また、本実施例では、第３実施例で述べた、空気供給パイプ群から噴出する空気の流れによって、燃焼排ガスは改質器へ押付けられ、改質器に沿って矢印２７６に示すように上昇するため、燃焼排ガスが、空気供給パイプ群や、燃料電池セル群を過熱したり、燃料電池セルの酸素極を還元したりしてしまうおそれはない。
また、本実施例では、第３実施例で述べた、空気供給パイプ群から噴出する空気の流れによって、燃焼排ガスは改質器へ押付けられ、改質器に沿って矢印２７６に示すように上昇するため、燃焼排ガスが、空気供給パイプ群や、燃料電池セル群を過熱したり、燃料電池セルの酸素極を還元したりしてしまうおそれはない。
（第５実施例）
本発明を具現化した発電装置の第５実施例を図面を参照しながら説明する。図８は本実施例に係る発電装置の要部の縦断面を模式化した図である。本実施例は、第３実施例と類似しているため、第３実施例と同様の部材等については、同一符号を用いて説明し、重複説明は省略している。
本実施例の発電ユニット３１０は、第３実施例の発電ユニット２３０の空気供給パイプ群２２０ａ，２２０ｂ，２２０ｃ，２２０ｄと、邪魔板２３２ａ，２３２ｂ、２３２ｃ，２３２ｄに代えて、空気供給板３３０ａ，３３０ｂ，３３０ｃ，３３０ｄが配設されている。空気供給板３３０ａ，３３０ｂ，３３０ｃ，３３０ｄは浅い箱形状の部材であり、上面に複数の空気供給口が形成されている。空気供給板３３０ａ，３３０ｂ，３３０ｃ，３３０ｄの夫々の両側面には斜め上方向に広がる邪魔板が形成されている。空気供給板３３０ａ，３３０ｂ，３３０ｃ，３３０ｄは、燃料電池セル群２２６ａ，２２６ｂ，２２６ｃ，２２６ｄのそれぞれの下方に配設されている。空気供給板３３０ａ，３３０ｂ，３３０ｃ，３３０ｄの両端部は、第１実施例の空気供給部材１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄ，１６ｅと同様に、夫々図示しない空気供給管に連通している。空気供給管や空気供給板３３０ａ，３３０ｂ，３３０ｃ，３３０ｄまでの空気の供給経路等の詳細については、第１実施例と同様であり、ここでは説明を省略する。
本発明を具現化した発電装置の第５実施例を図面を参照しながら説明する。図８は本実施例に係る発電装置の要部の縦断面を模式化した図である。本実施例は、第３実施例と類似しているため、第３実施例と同様の部材等については、同一符号を用いて説明し、重複説明は省略している。
本実施例の発電ユニット３１０は、第３実施例の発電ユニット２３０の空気供給パイプ群２２０ａ，２２０ｂ，２２０ｃ，２２０ｄと、邪魔板２３２ａ，２３２ｂ、２３２ｃ，２３２ｄに代えて、空気供給板３３０ａ，３３０ｂ，３３０ｃ，３３０ｄが配設されている。空気供給板３３０ａ，３３０ｂ，３３０ｃ，３３０ｄは浅い箱形状の部材であり、上面に複数の空気供給口が形成されている。空気供給板３３０ａ，３３０ｂ，３３０ｃ，３３０ｄの夫々の両側面には斜め上方向に広がる邪魔板が形成されている。空気供給板３３０ａ，３３０ｂ，３３０ｃ，３３０ｄは、燃料電池セル群２２６ａ，２２６ｂ，２２６ｃ，２２６ｄのそれぞれの下方に配設されている。空気供給板３３０ａ，３３０ｂ，３３０ｃ，３３０ｄの両端部は、第１実施例の空気供給部材１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄ，１６ｅと同様に、夫々図示しない空気供給管に連通している。空気供給管や空気供給板３３０ａ，３３０ｂ，３３０ｃ，３３０ｄまでの空気の供給経路等の詳細については、第１実施例と同様であり、ここでは説明を省略する。
本実施例では、上下方向に隣接する燃料電池セル群間は、空気供給パイプ群と邪魔板によって仕切られており、下段の燃料電池セル群を冷却することによって自らは加熱された空気が、さらに上昇して上段の燃料電池セル群を冷却することはない。各段の燃料電池セル群毎に、冷却兼発電用の空気が送られてくる。熱環境が等しい燃料電池セル群が上下方向に４段に配列されるだけであり、燃料電池セル群収容室内の上下方向の温度差も抑制される。
また、本実施例では、燃料電池セル群の下方に空気供給板が広がっているため、空気供給板が燃焼排ガスが燃料電池セル群間に侵入することを阻む。これによって、空気供給版から供給される空気によって燃料電池セル群の全体を加熱前の空気で一様によく冷却することができるとともに、燃焼排ガスが燃料電池セルの酸素極を還元してしまうことを防止することができる。
また、本実施例では、燃料電池セル群の下方に空気供給板が広がっているため、空気供給板が燃焼排ガスが燃料電池セル群間に侵入することを阻む。これによって、空気供給版から供給される空気によって燃料電池セル群の全体を加熱前の空気で一様によく冷却することができるとともに、燃焼排ガスが燃料電池セルの酸素極を還元してしまうことを防止することができる。
（第６実施例）
本発明を具現化した発電装置の第６実施例を、図面を参照しながら説明する。図９は、本実施例に係る発電装置の要部の縦断面を模式化した図である。本実施例は、第１実施例の発電装置と、燃料電池セル群収容室内の構成が異なっている。従って、主に、燃料電池セル群収容室内について説明し、第１実施例と同様である部分の説明や図示を省略する。
本実施例の発電ユニット３５０は、内部に改質器を備えておらず、外部に設けられた図示しない改質器において、主に水素と一酸化炭素からなる燃料ガスに改質したものを発電に利用する。改質された燃料ガスは、燃料ガスの受入れ口３５８ａ，３５８ｂから導入される。受入れ口３５８ａから受入れられた燃料ガスは、マニホールド３６２ａで燃料電池セル３６６ａ，３６６ｃに分配され、受入れ口３５８ｂから受入れられた燃料ガスは、マニホールド３６２ｂで燃料電池セル３６６ｂ，３６６ｄに分配される。燃料電池セル３６６ａ，３６６ｃは、マニホールド３６２ａによってそれぞれの端部を支持されて、下方に伸びるように配設されている。燃料電池セル３６６ｂ，３６６ｄは、マニホールド３６２ｂによってそれぞれの端部を支持されて、上方に伸びるように配設されている。燃料電池セル３６６ａ，３６６ｂ，３６６ｃ，３６６ｄは、燃料ガス通路の向きが交互になるように配列されている。
本発明を具現化した発電装置の第６実施例を、図面を参照しながら説明する。図９は、本実施例に係る発電装置の要部の縦断面を模式化した図である。本実施例は、第１実施例の発電装置と、燃料電池セル群収容室内の構成が異なっている。従って、主に、燃料電池セル群収容室内について説明し、第１実施例と同様である部分の説明や図示を省略する。
本実施例の発電ユニット３５０は、内部に改質器を備えておらず、外部に設けられた図示しない改質器において、主に水素と一酸化炭素からなる燃料ガスに改質したものを発電に利用する。改質された燃料ガスは、燃料ガスの受入れ口３５８ａ，３５８ｂから導入される。受入れ口３５８ａから受入れられた燃料ガスは、マニホールド３６２ａで燃料電池セル３６６ａ，３６６ｃに分配され、受入れ口３５８ｂから受入れられた燃料ガスは、マニホールド３６２ｂで燃料電池セル３６６ｂ，３６６ｄに分配される。燃料電池セル３６６ａ，３６６ｃは、マニホールド３６２ａによってそれぞれの端部を支持されて、下方に伸びるように配設されている。燃料電池セル３６６ｂ，３６６ｄは、マニホールド３６２ｂによってそれぞれの端部を支持されて、上方に伸びるように配設されている。燃料電池セル３６６ａ，３６６ｂ，３６６ｃ，３６６ｄは、燃料ガス通路の向きが交互になるように配列されている。
空気供給パイプ群３７０ａ，３７０ｂ，３７０ｃ，３７０ｄは、燃料電池セル群３７６ａ，３７６ｂ，３７６ｃ，３７６ｄの図中左側にそれぞれ５本（図示省略）の空気供給パイプが燃料電池セル群３７６ａ，３７６ｂ，３７６ｃ，３７６ｄに平行に配置されて構成されている。各空気供給パイプは、図示しない空気供給管（第１実施例参照）に接続されており、第１実施例と同様に燃料電池セル群収容室３６８の外部から取入れられた空気が予加熱されて空気供給管より分配される。
各空気供給パイプ群３７０ａ，３７０ｂ，３７０ｃ，３７０ｄの下流端から空気が噴出されると、空気は図中右側の燃料電池セル３６６ａ，３６６ｂ，３６６ｃ，３６６ｄに沿って上流側から下流側へ向かって流れる。このとき、燃料ガスも燃料電池セル３６６ａ，３６６ｂ，３６６ｃ，３６６ｄの燃料ガス通路内を上流側から下流側に向かって流れている。空気と燃料ガスは燃料電池セル３６６ａ，３６６ｃの内外を下方に向かって流れ、燃料電池セル３６６ｂ，３６６ｄの内外を上方に向かって流れ、反応が進むにつれて加熱されていく。燃料電池セル３６６ａ，３６６ｃの反応が進む方向と燃料電池セル３６６ｂ，３６６ｄの反応が進む方向は逆向きであり、燃料電池セルの温度勾配は逆向きとなっている。このため、隣り合う燃料電池セル間において、一方の燃料電池セルの下流側の高温部から他方の燃料電池セルの上流側の低温部へ熱の移動が起こり、燃料電池セル３６６ａ，３６６ｂ，３６６ｃ，３６６ｄの上流側と下流側との温度差は相殺され、燃料電池セル群収容室３６８内の温度分布は均一化する。
空気と燃料ガスは燃料電池セルに沿って流れ、燃料電池セル群収容室の内壁に沿って燃料電池セル群収容室外へ流れる流れが形成される。燃料電池セルの下流端から発生する燃焼排ガスも、空気と燃料ガスの流れとともに矢印３５６で示される燃料電池セル群収容室外へ流れる流れが形成され、空気と燃料ガスの流れによって燃料電池セル群間への侵入は阻まれる。
各空気供給パイプ群３７０ａ，３７０ｂ，３７０ｃ，３７０ｄの下流端から空気が噴出されると、空気は図中右側の燃料電池セル３６６ａ，３６６ｂ，３６６ｃ，３６６ｄに沿って上流側から下流側へ向かって流れる。このとき、燃料ガスも燃料電池セル３６６ａ，３６６ｂ，３６６ｃ，３６６ｄの燃料ガス通路内を上流側から下流側に向かって流れている。空気と燃料ガスは燃料電池セル３６６ａ，３６６ｃの内外を下方に向かって流れ、燃料電池セル３６６ｂ，３６６ｄの内外を上方に向かって流れ、反応が進むにつれて加熱されていく。燃料電池セル３６６ａ，３６６ｃの反応が進む方向と燃料電池セル３６６ｂ，３６６ｄの反応が進む方向は逆向きであり、燃料電池セルの温度勾配は逆向きとなっている。このため、隣り合う燃料電池セル間において、一方の燃料電池セルの下流側の高温部から他方の燃料電池セルの上流側の低温部へ熱の移動が起こり、燃料電池セル３６６ａ，３６６ｂ，３６６ｃ，３６６ｄの上流側と下流側との温度差は相殺され、燃料電池セル群収容室３６８内の温度分布は均一化する。
空気と燃料ガスは燃料電池セルに沿って流れ、燃料電池セル群収容室の内壁に沿って燃料電池セル群収容室外へ流れる流れが形成される。燃料電池セルの下流端から発生する燃焼排ガスも、空気と燃料ガスの流れとともに矢印３５６で示される燃料電池セル群収容室外へ流れる流れが形成され、空気と燃料ガスの流れによって燃料電池セル群間への侵入は阻まれる。
（第７実施例）
本発明を具現化した発電装置の第７実施例を図面を参照しながら説明する。図１０は本実施例に係る発電装置の要部の縦断面を模式化した図である。本実施例は、第９実施例と類似しているため、第９実施例と同様の部材等については、同一符号を用いて説明し、重複説明は省略している。
本実施例の発電ユニット３８０は、第２実施例の発電ユニット３５０の空気供給パイプ群３７０ａ，３７０ｂ，３７０Ｃ，３７０ｄの下流側に、夫々邪魔板３８２ａ，３８２ｂ，３８２ｃ，３８２ｄが配設された構成となっている。邪魔板３８２ａ，３８２ｂ，３８２ｃ，３８２ｄは、空気供給パイプ群３７０ａ，３７０ｂ，３７０ｃ，３７０ｄが伸びる方向に伸び、途中から図中右側の燃料電池セル３６６ａ，３６６ｂ，３６６ｃ，３６６ｄに向かって屈曲した形状の金属製の板部材である。
本発明を具現化した発電装置の第７実施例を図面を参照しながら説明する。図１０は本実施例に係る発電装置の要部の縦断面を模式化した図である。本実施例は、第９実施例と類似しているため、第９実施例と同様の部材等については、同一符号を用いて説明し、重複説明は省略している。
本実施例の発電ユニット３８０は、第２実施例の発電ユニット３５０の空気供給パイプ群３７０ａ，３７０ｂ，３７０Ｃ，３７０ｄの下流側に、夫々邪魔板３８２ａ，３８２ｂ，３８２ｃ，３８２ｄが配設された構成となっている。邪魔板３８２ａ，３８２ｂ，３８２ｃ，３８２ｄは、空気供給パイプ群３７０ａ，３７０ｂ，３７０ｃ，３７０ｄが伸びる方向に伸び、途中から図中右側の燃料電池セル３６６ａ，３６６ｂ，３６６ｃ，３６６ｄに向かって屈曲した形状の金属製の板部材である。
空気と燃料ガスは、燃料電池セル３６６ａ，３６６ｃの内外を下方に向かって流れ、燃料電池セル３６６ｂ，３６６ｄの内外を上方に向かって流れ、燃料電池セル群収容室３６８外へ流れる。燃焼排ガスは、空気と燃料ガスの流れとともに矢印３５６のように燃料電池セル群収容室３６８外へ流れる。本実施例では、邪魔板３８２ａ，３８２ｂ，３８２ｃ，３８２ｄが配設されているため、各空気供給パイプ群３７０ａ，３７０ｂ，３７０ｃ，３７０ｄの下流端から噴出される空気を図中右側の燃料電池セル３６６ａ，３６６ｂ，３６６ｃ，３６６ｄに沿わせやすい。また、邪魔板３８２ａ，３８２ｂ，３８２ｃ，３８２ｄによって、燃焼排ガスの燃料電池セル群間への侵入がより効果的に阻まれる。
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
（第１実施例）
１０：発電ユニット
１２：燃料電池セル、１２ａ：燃料極、１２ｂ：固体電解質層、１２ｃ：酸素極、１２ｄ：インターコネクタ
１４：燃料電池セル群
１６：空気供給部材、１６ｆ：空気供給口
１８：改質器、１８ａ、１８ｂ
２０：燃料ガス通路
２２：集電部材
２４：マニホールド
２６：燃料ガス導入管
２８：渡り配管、２８ａ，２８ｂ
３０：配管
３２：配管
３４：空気導入管
３６：内仕切壁
３８：外仕切壁
４０：外壁
４２：断熱部材
４４：第１室
４６：第２室
４８：第３室
５０：空気供給管
５２：邪魔板
５４：フィン
５６：フィン
５８：燃焼排ガス導出管
６０：スパーク電極
６２：パッキン
２００：発電ユニット（第２実施例）
２０６：燃料排ガスの流れ
２０８：燃料ガス受入れ口
２１２：マニホールド
２１６：燃料電池セル
２１８：燃料電池セル群収容室
２２０：空気供給パイプ群
２２６：燃料電池セル群
２３０：発電ユニット（第３実施例）
２３２：邪魔板
２７０：発電ユニット（第４実施例）
２７２：改質器
２７６：燃料排ガスの流れ
３１０：発電ユニット（第５実施例）
３３０：空気供給板
３５０：発電ユニット（第６実施例）
３５６：燃料排ガスの流れ
３５８：燃料ガス受入れ口
３６２：マニホールド
３６６：燃料電池セル
３６８：燃料電池セル群収容室
３７０：空気供給パイプ群
３７６：燃料電池セル群
３８０：発電ユニット（第７実施例）
３８２：邪魔板
１０：発電ユニット
１２：燃料電池セル、１２ａ：燃料極、１２ｂ：固体電解質層、１２ｃ：酸素極、１２ｄ：インターコネクタ
１４：燃料電池セル群
１６：空気供給部材、１６ｆ：空気供給口
１８：改質器、１８ａ、１８ｂ
２０：燃料ガス通路
２２：集電部材
２４：マニホールド
２６：燃料ガス導入管
２８：渡り配管、２８ａ，２８ｂ
３０：配管
３２：配管
３４：空気導入管
３６：内仕切壁
３８：外仕切壁
４０：外壁
４２：断熱部材
４４：第１室
４６：第２室
４８：第３室
５０：空気供給管
５２：邪魔板
５４：フィン
５６：フィン
５８：燃焼排ガス導出管
６０：スパーク電極
６２：パッキン
２００：発電ユニット（第２実施例）
２０６：燃料排ガスの流れ
２０８：燃料ガス受入れ口
２１２：マニホールド
２１６：燃料電池セル
２１８：燃料電池セル群収容室
２２０：空気供給パイプ群
２２６：燃料電池セル群
２３０：発電ユニット（第３実施例）
２３２：邪魔板
２７０：発電ユニット（第４実施例）
２７２：改質器
２７６：燃料排ガスの流れ
３１０：発電ユニット（第５実施例）
３３０：空気供給板
３５０：発電ユニット（第６実施例）
３５６：燃料排ガスの流れ
３５８：燃料ガス受入れ口
３６２：マニホールド
３６６：燃料電池セル
３６８：燃料電池セル群収容室
３７０：空気供給パイプ群
３７６：燃料電池セル群
３８０：発電ユニット（第７実施例）
３８２：邪魔板
Claims (4)
- 固体酸化物形の燃料電池を用いる発電装置であり、
燃料極と固体電解質と酸素極と燃料ガス通路を有する燃料電池セルを複数個備えており、
燃料電池セル群の燃料ガス通路は略同一平面内を伸びるように配列されており、
略同一平面内を伸びるように配列された燃料電池セル群の燃料ガス通路内の燃料ガスの流通方向は同一方向であり、
燃料ガス通路が略同一平面内を伸びる複数の燃料電池セル群は平行に配列されており、
燃料電池セル群は、燃料ガス通路内の燃料ガスの流通方向が少なくとも１列おきに交互になるように配列されており、
燃料電池セル群の燃料ガス通路の開放端の近傍にはオフガス燃焼部が形成されており、
燃料電池セル群のオフガス燃焼部と、その燃料電池セル群と燃料ガスの流通方向が逆向きに配置されて隣接する燃料電池セル群の酸素極との間に邪魔板が配設されていることを特徴とする発電装置。 - 燃料電池セル群の燃料ガス通路は略同一水平面内を伸びており、複数の燃料電池セル群は垂直方向に多段に配列されており、燃料ガスを改質する１対の改質器を備えており、１対の改質器は、多段に配列された複数の燃料電池セル群を燃料ガス通路の両端部側から挟んで配置されていることを特徴とする請求項１の発電装置。
- 有酸素ガス供給部材は燃料電池セル群の下方に配置されており、有酸素ガス供給部材の燃料電池セル群に対向する複数箇所に、有酸素ガス供給口が形成されていることを特徴とする請求項２の発電装置。
- 燃料電池セル群を構成する複数の燃料電池セルの端部と改質器を接続して、改質された燃料ガスを燃料電池セル群の各燃料ガス通路内に供給するマニホールドを備えており、マニホールドは、燃料電池セルが並列する方向に伸びていることを特徴とする請求項２または３の発電装置。
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