JP5062948B2

JP5062948B2 - 燃料電池発電装置

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Publication number: JP5062948B2
Application number: JP2004213416A
Authority: JP
Inventors: 正明小畑; 高志重久; 成門高橋
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2004-07-21
Filing date: 2004-07-21
Publication date: 2012-10-31
Anticipated expiration: 2024-07-21
Also published as: JP2006032290A

Description

本発明は、ハウジング内に複数の発電ユニットを備えてなる燃料電池発電装置に関する。

燃料電池発電装置は、電解質層を燃料極と空気極で挟持した構造の単電池に、反応ガスとして燃料極に水素を含む燃料ガスを、また空気極に酸素を含む空気を供給し、電気化学反応により電気エネルギーを得るものである。通常、１つの単電池で得られる発生電圧は１Ｖに満たない低電圧であり、また発生電流も電極面積により制限を受けて少ない。

そこで、実用の燃料電池発電装置においては、複数の単電池を電気的に直列接続して発電部を構成し、さらに、複数の発電部を電気的に接続する手法がとられる。この際、各発電部からの発生電力を有効に活用するには、各発電部の電池反応が均一であることが必要になる。燃料電池の電池反応は直流電流量に比例するため、各発電部の発生電力を均一にするためには、各発電部への反応ガスの供給量の差を少なく、望ましくは等量にすることが重要となる。

また、一部の発電部への燃料ガス供給量が少なくなった場合、その発電部では燃料枯れが起こり、単電池が酸化により破損してしまう恐れも生じるため、各発電部への反応ガスの供給量に差があってはならない。各発電部への反応ガス供給配管に、例えば質量流量計等の精密流量制御装置を配置することにより、容易に各発電部に等量の反応ガスを供給することはできる。

しかしながら、これらの精密流量制御装置は高価であり、広い設置スペースが必要となり、また制御系が複雑になるという問題がある。

これらの問題を解決するために、各発電部への流量差が生じる原因となる各発電部の圧力損失差を制御する装置を設けた燃料電池発電装置（例えば、特許文献１参照）、各発電部の圧力損失を調整するための流量調整用手動弁を設けた燃料電池発電装置（例えば、特許文献２参照）等が提案されている。
特開平９−２５９９０７号公報特開２０００−４０５１８号公報

上記特許文献１に開示されている燃料電池発電装置においては、高価な質量流量計を使用しないためコスト的には有利であるが、各発電部ごとに圧力損失を補償する機構を設置せねばならないため、省スペース化、制御系の簡易化の点で問題がある。

また、上記特許文献２に開示されている燃料電池発電装置においては、低コスト化、省スペース化、制御系の簡易化の点では効果はあるものの、運転中における、例えば、反応ガスの脈動等による供給状態の変動、単電池の通気率等の変化による発電部の圧力損失の変動等に対応することができないという問題がある。特に、固体酸化物型燃料電池の場合には、運転中の発電部は通常６００℃以上の高温となるため、発電部中を流れる反応ガスの温度変化、体積変化により圧力損失も変化するため、対応はさらに困難となる。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、複数の燃料電池発電部に、流量制御装置や圧力損失差を制御する装置等を個々に用いることなく、反応ガス等の流体を、供給量の差を少なく分配、望ましくは等量分配できる、低コスト、省スペースで、かつ制御が簡易な燃料電池発電体を提供することを目的とする。

本発明は、複数の単電池を電気的に接続してなる発電部と、内部に改質触媒を収容してなり、燃料ガス供給装置より供給される被改質ガスを改質して前記発電部に燃料ガスを供給するための改質器とを備えてなる発電ユニットの複数個を電気的に直列に接続してなるとともに、前記改質器自体の圧力損失が、前記発電部の圧力損失よりも大きいことを特徴とする。

発電部には、燃料ガスが分配されて供給されるが、本発明の燃料電池発電装置では、改質器自体の圧力損失が、発電部の圧力損失よりも大きいことから、各発電部に圧力損失差があったとしても、その圧力損失差を小さくでき、燃料ガスを各発電部にほぼ均等に供給することができる。

また、改質器は、固定された圧力損失を有するため、従来のような複雑な制御を必要とせず、流体を各発電部に均等に供給することができる。

このような燃料電池発電装置では、複数の発電部が電気的に直列に接続されている。即ち、各発電部が並列に接続されている場合、各発電部にはそれぞれ異なる電流が発生するため、それぞれの電流に見合うだけの燃料ガス量を発電部ごとに制御して供給する必要があるが、複数の発電部が直列に接続されている場合は、各発電部には同一電流が流れ、その電流を発生させるためには、それぞれの発電部に等量の燃料ガスを供給する必要がある。もし、取出電流に対応する燃料ガスを供給できない場合にはいわゆる燃料枯れ等が発生し、発電部の破損等が生じる虞がある。破損が生じなくても出力低下を招く。本発明では、上記したように、改質器が固定値の圧力損失を有するため、各発電部に等量の燃料ガスを供給でき、各発電部が電気的に直列に接続されている場合に好適に用いることができる。

また、本発明の燃料電池発電装置は、前記燃料ガス供給装置と前記改質器とを接続する被改質ガス供給管自体の圧力損失が、前記発電部の圧力損失よりも大きいことを特徴とする。それにより、各発電部に圧力損失差があったとしても、その圧力損失差を小さくでき、燃料ガスや空気等の反応ガス、水蒸気等の気体、あるいは水等の液体からなる流体を各発電部にほぼ均等に供給することができる。特に、被改質ガス供給管の圧力損失が、各発電部の圧力損失の差よりも大きい場合が望ましく、この場合には、各発電部への燃料ガスの均等分配の効果が大きくなる。さらに、被改質ガス供給管の圧力損失が、各発電部の圧力損失の最小値より大きい場合に、その効果は特に大きくなる。

さらに、本発明の燃料電池発電装置は、被改質ガス供給管に層流素子を設けることができる。このような燃料電池発電装置では、発電部に供給される燃料ガスのガス流れの乱れが少なくなり、発電量が安定するためさらに望ましい。

さらに、本発明の燃料電池発電装置は、燃料ガス供給装置に主供給配管が接続され、該主供給配管と複数の被改質ガス供給管とが接続されているとともに、主供給配管に流量調整装置が設けられており、該流量調整装置の下流側に、被改質ガスを加湿するための加湿
装置が設けられていることを特徴とする。このような燃料電池発電装置では、燃料ガスを各発電部に分配する主供給配管に流量調整装置を設け、この流量調整装置により、各発電部に分配される燃料ガスの合計量を調整するだけで良い。分配した燃料ガスを各発電部に供給する被改質ガス供給管の圧力損失を各発電部の圧力損失、あるいは、各発電部の圧力損失差よりも大きくすることにより、分配した燃料ガスを各発電部に供給する各被改質ガス供給管の個々に、流量制御装置や圧力損失差を制御する装置を配置しなくても、各発電部へ分配される燃料ガスの量の差を少なくし、あるいは等量とすることができる。

また、流量調整装置の下流側に、燃料ガスを加湿するための加湿装置が設けられている。燃料ガスを各発電部に分配する主供給配管には、水蒸気改質を行うための水蒸気を付加、混合するため、加湿装置が設けられているが、この加湿装置は、圧力損失が小さいこと、安定した水蒸気分圧が得られるという点から、液滴状の温水の中を燃料ガスが通過する型式のものが好適である。この場合は、加湿装置により、水蒸気改質を行うために必要な水蒸気が付加、混合されれば、発電部への水分の供給は不要となる。

本発明の燃料電池発電装置では、改質器自体の圧力損失が、発電部の圧力損失よりも大きいことから、各発電部に圧力損失差があったとしても、その圧力損失差を小さくでき、燃料ガスを各発電部にほぼ均等に供給することができる。これにより、複数の発電部に、流量制御装置や圧力損失差を制御する装置等を個々に用いることなく、燃料ガスの供給量の差を少なく分配、望ましくは等量分配することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明の燃料電池発電装置の好適実施形態として、固体酸化物型燃料電池を例として説明する。

本発明の燃料電池発電装置は、電解質層を燃料極と空気極で挟持した構造の単電池（以下セルということもある）を複数電気的に直列接続して構成された複数の発電部（以下セルスタックということもある）と、該セルスタックに改質ケースと燃料ガスケース等を装着して構成された発電ユニットと、電気的に直列接続された複数のセルスタック、熱交換装置、燃料ガス導入管、断熱材等で構成された燃料電池組立体とを具備しており、さらに
、燃料電池組立体の各発電部に、燃料ガスを等量供給する燃料ガス供給装置とを具備するものである。

（燃料電池組立体）
先ず、燃料電池組立体について説明する。燃料電池組立体は図１、２及び図３を参照して説明すると、略直方体形状のハウジング２を具備している。このハウジング２の６個の壁面の外面には適宜の断熱材から形成された断熱壁（遮熱部材）、即ち上断熱壁４、下断熱壁６、右側断熱壁８、左側断熱壁９、前断熱壁１０及び後断熱壁１１が配設されている。ハウジング２内には発電・燃焼室１２が規定されている。

前断熱壁１０及び／又は後断熱壁１１は着脱自在或いは開閉自在に装着されており、前断熱壁１０及び／又は後断熱壁１１を離脱或いは開動せしめることによって発電・燃焼室１２内にアクセスすることができる。所望ならば、各断熱壁の外面に金属板製でよい外壁を配設することができる。

ハウジング２内の上端部には空気室（ガス室）１６が配設されている。空気室１６は上下方向寸法が比較的小さい直方体形状のケース１７内に規定されている。空気室１６には、発電・燃焼室に向かって空気（酸素含有ガス）を送り込むための空気導入管（ガス供給手段）２２の上端が連通している。空気導入管２２は複数本あり、その形状は円筒や中空板構造などが考えられる。図１、２では円筒の空気導入管２２を記載した。空気導入管２２は後述するセルスタック間に配置されており、セルの下端部において開口し、この開口部から空気が噴出する構造となっている。空気導入管２２はセラミックスなどの耐熱性の高い材料で作製するのが好適である。

そして、空気室１６には、低温ガス供給管１８が設けられており、この低温ガス供給管１８は、上断熱壁４を貫通し、外部に延設されている。

この低温ガス供給管１８は、空気室１６内に供給されるガスと同一種、即ち、低温の空気を空気室１６内に供給するものであり、低温ガス供給管１８により供給される空気は、予熱された空気の温度よりも低温である必要がある。特には、室温程度が望ましい。

低温ガス供給管１８は、図２に示すように、発電ユニット５６ａ、５６ｂ、５６ｃ及び５６ｄ、即ち、燃料電池セル集合体の中央部を冷却するような空気室１６の位置に接続されている。言い換えれば、発電ユニット５６ａ、５６ｂ、５６ｃ及び５６ｄ間に配設された空気導入管２２のケース１７側板への開口部集合体中央に対して、対向するケース１７側板の位置に開口するように低温ガス供給管１８が設けられている。

ハウジング２の両側部、更に詳しくは右側断熱壁８の内側及び左側断熱壁９の内側には、全体として平板形状である熱交換器２４が配設されている。熱交換器２４の各々は実質上鉛直に延在する中空平板形態のケース２６から構成されている。

かかるケース２６内にはその横方向中間に位置する仕切板２８が配設されており、ケース２６内は内側に位置する排出路３０と外側に位置する流入路３２とに区画されている。排出路３０内には上下方向に間隔をおいて３枚の仕切壁３４及び３６が配置されている。更に詳述すると、排出路３０内には、その前縁はケース２６の前壁（図示していない）から後方に離隔して位置するがその後縁はケース２６の後壁（図示していない）に接続されている形態の仕切壁３４と、その前縁はケース２６の前壁に接続されているがその後縁はケース２６の後壁から前方に離隔して位置せしめられている仕切壁３６とが交互に配置されており、かくして燃焼ガス排出路３０はジグザグ形態にせしめられている。なお、所望ならばジグザグ形態の流路以外の形態でも良い。

同様に、流入路３２内にも上下方向に間隔をおいて３枚の仕切壁３８及び４０、即ちその前縁はケース２６の前壁（図示していない）から後方に離隔して位置するがその後縁はケース２６の後壁（図示していない）に接続されている形態の仕切壁３８と、その前縁はケース２６の前壁に接続されているがその後縁はケース２６の後壁から前方に離隔して位置せしめられている仕切壁４０とが交互に配置されており、かくして流入路３２もジグザグ形態にせしめられている。なお、所望ならばジグザグ形態の流路以外の形態でも良い。

ケース２６の内側壁の上端部には排出開口４２が形成されており、排出路３０は排出開口４２を介して発電・燃焼室１２と連通せしめられている。図示の実施形態においては、熱交換器２４の各々の発電・燃焼室１２側、即ち、燃料電池セル側、及び燃料電池セルの上下には、蓄熱材からなる蓄熱壁（遮熱部材）が配置されている。即ち右側蓄熱壁４４ａ、左側蓄熱壁４４ｂ、前蓄熱壁４４ｃ及び後蓄熱壁４４ｄ、下蓄熱壁４４ｅ、上断熱壁４４ｆが、セル集合体を取り囲むように配設されている。かかる右側蓄熱壁４４ａ、左側蓄熱壁４４ｂの上部には、排出開口４２の下縁と実質上同高に位置して開口する開口部４５が形成されており、排出開口４２は開口部４５を通して発電・燃焼室１２に連通せしめられている。

ハウジング２の６個の壁面の外面に形成された断熱壁４、６、８、９、１０、１１は、アルミナ／シリカ系の汎用断熱材から形成されており、セル集合体を取り囲むように形成された蓄熱壁４４ａ、４４ｂ、４４ｃ、４４ｄ、４４ｅ、４４ｆは、密度が前記断熱材４、６、８、９、１０より大きいアルミナ純度の高い断熱材から形成されている。断熱壁４、６、８、９、１０、１１と蓄熱壁４４ａ、４４ｂ、４４ｃ、４４ｄ、４４ｅ、４４ｆは同一材料から形成されていても良いが、蓄熱材の密度は断熱材よりも大きいことが望ましい。断熱壁４、６、８、９、１０、１１の密度は０．２６ｇ／ｃｍ^３以下、蓄熱壁４４ａ、４４ｂ、４４ｃ、４４ｄ、４４ｅ、４４ｆの密度は０．３２ｇ／ｃｍ^３以下で、両者の熱伝導率は０．１〜０．４Ｗ／（ｍ・Ｋ）であることが望ましい。

ケース２６の上壁における外側部には流入開口４８が形成されており、流入路３２はかかる流入開口４８を介して空気室１６に連通せしめられている。熱交換器２４、流入開口４８は、ガス供給流路を構成している。流入路３２の各々の後方には上下方向に細長く延びる二重筒体５０（図１にその上端部のみを図示している）が配設されており、かかる二重筒体５０は外側筒部材５２と内側筒部材５４とから構成されている。排出路３０の下端部は外側筒部材５２と内側筒部材５４との間に規定されている排出路の下端部に接続されており、流入路３２の下端部は内側筒部材５４内に規定されている流入路に接続されている。

而して、図示の燃料電池組立体における上述したとおりの構成は、本出願人の出願にかかる特願２００３−２９５７９０号の明細書及び図面に開示されている燃料電池組立体と実質上同一であるので、上述した構成の詳細については上記特願２００３−２９５７９０号の明細書及び図面に委ね、本明細書においては説明を省略する。

上述した発電・燃焼室の下部には４個の発電ユニット５６ａ、５６ｂ、５６ｃ及び５６ｄが配置されている。発電ユニット５６ａ、５６ｂ、５６ｃ及び５６ｄは、夫々、上述した空気導入管２２間に位置せしめられている。言い換えれば、発電ユニット５６ａ、５６ｂ、５６ｃ及び５６ｄ間に、空気導入管２２が配設されている。図１、２と共に、図３、４を参照して説明を続けると、発電ユニット５６ａは前後方向（図１において紙面に垂直な方向）に細長く延びる直方体形状の燃料ガスケース５８ａを具備している。

燃料ガス室を規定している燃料ガスケース５８ａの上面上にはセルスタック６０ａが装着されている。セルスタック６０ａは上下方向に細長く延びる直立セル６２を燃料ガスケース５８ａの長手方向（即ち前後方向）に複数個縦列配置して構成されている。図５に明確に図示する如く、セル６２の各々は電極支持基板６４、内側電極層である燃料極層６６、固体電解質層６８、外側電極層である酸素極層７０、及びインターコネクタ７２から構成されている。

電極支持基板６４は上下方向に細長く延びる柱状の板状片であり、その断面形状は平坦な両面と半円形状の両側面を有する。電極支持基板６４にはこれを鉛直方向に貫通する複数個（図示の場合は６個）の燃料ガス通路７４が形成されている。電極支持基板６４の各々は燃料ガスケース５８ａの上壁上に、例えば耐熱性に優れたセラミック接着剤によって接合される。

燃料ガスケース５８ａの上壁には図１において紙面に垂直な方向に間隔をおいて左右方向に延びる複数個のスリット（図示していない）が形成されており、電極支持基板６４の各々に形成されている燃料ガス通路７４がスリットの各々に従って燃料ガス室に連通せしめられる。

インターコネクタ７２は電極支持基板６４の片面（図５のセルスタック６０ａにおいて上面）上に配設されている。燃料極層６６は電極支持基板６４の他面（図５のセルスタック６０ａにおいて下面）及び両側面に配設されており、その両端はインターコネクタ７２の両端に接合せしめられている。固体電解質層６８は燃料極層６６の全体を覆うように配設され、その両端はインターコネクタ７２の両端に接合せしめられている。酸素極層７０は、固体電解質層６８の主部上、即ち電極支持基板６４の他面を覆う部分上に配置され、電極支持基板板６４を挟んでインターコネクタ７２に対向して位置せしめられている。

セルスタック６０ａにおける隣接するセル６２間には集電部材７６が配設されており、一方のセル６２のインターコネクタ７２と他方のセル６２の酸素極層７０とを接続している。セルスタック６０ａの両端、即ち図５において上端及び下端に位置するセル６２の片面及び他面にも集電部材７６が配設されている。セルスタック６０ａの両端に位置する集電部材７６には電力取出手段（図示していない）が接続されており、かかる電力取出手段はハウジング２の前断熱壁１０、後断熱壁１１、または下断熱材６を通してハウジング２外に延在せしめられている。所望ならば、セルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄの各々に電力取出手段を配設することに代えて、適宜の接続手段によってセルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄを相互に直列接続し、４個のセルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄに関して共通の電力取出手段を配設することもできる。

セル６２について更に詳述すると、電極支持基板６４は燃料ガスを燃料極層６６まで透過させるためにガス透過性であること、そしてまたインターコネクタ７２を介して集電するために導電性であることが要求され、かかる要求を満足する多孔質の導電性セラミック（若しくはサーメット）から形成することができる。

燃料極層６６及び／又は固体電解質層６８との同時焼成によりセル６２を製造するためには、鉄属金属成分と特定希土類酸化物とから電極支持基板６４を形成することが好ましい。所要ガス透過性を備えるために開気孔率が３０％以上、特に３５乃至５０％の範囲にあるのが好適であり、そしてまたその導電率は３００Ｓ／ｃｍ以上、特に４４０Ｓ／ｃｍ以上であるのが好ましい。

燃料極層６６は多孔質の導電性セラミック、例えば希土類元素が固溶しているＺｒＯ_２（安定化ジルコニアと称されている）とＮｉ及び／又はＮｉＯとから形成することができる。

固体電解質層６８は、電極間の電子の橋渡しをする電解質としての機能を有していると同時に、燃料ガスと空気とのリークを防止するためにガス遮断性を有するものであることが必要であり、通常、３〜１５モル％の希土類元素が固溶したＺｒＯ_２から形成されている。

酸素極層７０は所謂ＡＢＯ_３型のペロブスカイト型酸化物からなる導電セラミックから形成することができる。酸素極層７０はガス透過性を有していることが必要であり、開気孔率が２０％以上、特に３０〜５０％の範囲にあることが好ましい。

インターコネクタ７２は導電性セラミックから形成することができるが、水素ガスでよい燃料ガス及び空気と接触するため、耐還元性及び耐酸化性を有することが必要であり、このためにランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物（ＬａＣｒＯ_３系酸化物）が好適に使用される。インターコネクタ７２は電極支持基板６４に形成された燃料ガス通路７４を通る燃料ガス及び電極支持基板６４の外側を流動する空気のリークを防止するために緻密質でなければならず、９３％以上、特に９５％以上の相対密度を有していることが望まれる。

集電部材７６は弾性を有する金属又は合金から形成された適宜の形状の部材或いは金属繊維又は合金繊維から成るフェルトに所要表面処理を加えた部材から構成することができる。

図４を参照して説明を続けると、発電ユニット５６ａは、セルスタック６０ａの上方を前後方向に細長く延びる長方体形状（或いは円筒形状）であるのが好都合である改質ケース７８ａも具備している。改質ケース７８ａの前面には燃料ガス送給管８０ａの一端即ち上端が接続されている。

燃料ガス送給管８０ａは下方に延び、次いで湾曲して後方に延び、燃料ガス送給管８０ａの他端は上記燃料ガスケース５８ａの前面に接続されている。改質ケース７８ａの後面には被改質ガス供給管８２ａの一端が接続されている。被改質ガス供給管８２ａは改質ケースから下方に延び、ハウジング２の下を通ってハウジング２外に延出している。

被改質ガス供給管８２ａは都市ガス等の炭化水素ガスでよい被改質ガス供給源（図示していない）に接続されており、被改質ガス供給管８２ａを介して改質ケース７８ａに被改質ガスが供給される。改質ケース７８ａ内には燃料ガスを水素リッチな燃料ガスに改質するための適宜の改質触媒が収容されている。

図示の実施形態においては、改質ケース７８ａは燃料ガス送給管８０ａを介して燃料ガスケース５８ａに接続され、これによって所要位置に保持されているが、所要ならば、図４に二点鎖線で図示する如く、例えば上記被改質ガス供給管８２ａの下面と燃料ガスケース５８ａの後端部下面或いは後面との間に適宜の支持部材８４ａを付設することもできる。

図３において説明すると、発電ユニット５６ｃは上述した発電ユニット５６ａと実質上同一であり、発電ユニット５６ｂ及び５６ｄは、発電ユニット５６ａ及び５６ｃに対して前後方向が逆に配置されていること、従って改質ケース７８ｂ及び７８ｄと燃料ガスケース５８ｂ及び５８ｄとを接続する燃料ガス送給管（図示していない）が後側に配置され、被改質ガス供給管８２ｂ及び８２ｄが改質ケースから下方に延び、ハウジング２の下を通ってハウジング２外に延出している。

上述したとおりの燃料電池組立体においては、被改質ガスが被改質ガス供給管８２ａ、８２ｂ、８２ｃ、８２ｄを介して改質ケース７８ａ、７８ｂ、７８ｃ及び７８ｄに供給され、改質ケース７８ａ、７８ｂ、７８ｃ及び７８ｄ内において水素リッチな燃料ガスに改質された後に、燃料ガス送給管８０ａ、８０ｂ、８０ｃ、８０ｄを通して燃料ガスケース５８ａ、５８ｂ、５８ｃ及び５８ｄ内に規定されている燃料ガス室に供給され、次いでセルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄに供給される。

セルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄの各々においては、酸素極において、
１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２−（固体電解質）
の電極反応が生成され、燃料極において、
Ｏ^２−（固体電解質）＋Ｈ_２→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻
の電極反応が生成されて発電される。

発電に使用されることなくセルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄから上方に流動した燃料ガス及び空気は、起動時に発電・燃焼室１２内に配設されている点火手段（図示していない）によって点火されて燃焼される。周知の如く、セルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄにおける発電に起因して、そしてまた燃料ガスと空気との燃焼に起因して発電・燃焼室１２内は例えば１０００℃程度の高温になる。改質ケース７８ａ、７８ｂ、７８ｃ及び７８ｄは発電・燃焼室１２内に配設され、セルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄの直ぐ上方に位置せしめられており、燃焼炎によって直接的にも加熱され、かくして発電・燃焼室１２内に生成される高温が被改質ガスの改質に効果的に利用される。

発電・燃焼室１２内に生成された燃焼ガスは熱交換器２４に形成されている排出開口４２から排出路３０に流入し、ジグザグ状に延在する排出路３０を流動した後に二重筒体５０の外側筒部材５２と内側筒部材５４との間に規定されている排出路を通して排出される。燃焼ガスが二重筒体５０における排出路を流動する際には、二重筒体５０における流入路を空気が流動し、燃焼ガスと空気との間で熱交換が行われる。

そしてまた、燃焼ガスが熱交換器２４の排出路３０をジグザグ状に流動せしめられる際には、空気が熱交換器２４の流入路３２をジグザグ状に対向するように流動せしめられる。かくして燃焼ガスと空気との間で効果的に熱交換されて空気が予熱される。

長期間に渡って発電を遂行することによってセルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄの一部或いは全部が劣化した場合には、ハウジング２の前断熱壁１０或いは後断熱壁１１を離脱或いは開動せしめ、発電ユニット５６ａ、５６ｂ、５６ｃ及び５６ｄの一部或いは全部をハウジング２内から取り出す。

そして、発電ユニット５６ａ、５６ｂ、５６ｃ及び５６ｄの一部或いは全部を新しいものに交換して、或いは発電ユニット５６ａ、５６ｂ、５６ｃ及び５６ｄの一部或いは全部におけるセルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄのみを新しいものに交換して、再びハウジング２内の所要位置に装着すればよい。発電ユニット５６ａ、５６ｂ、５６ｃ及び５６ｄの一部あるいは全部における改質ケース７８ａ、７８ｂ、７８ｃ及び７８ｄ内に収容されている改質触媒を交換することが必要な場合にも、発電ユニット５６ａ、５６ｂ、５６ｃ及び５６ｄの一部或いは全部をハウジング２内から取り出し、発電ユニット５６ａ、５６ｂ、５６ｃ及び５６ｄの一部或いは全部における改質ケース７８ａ、７８ｂ、７８ｃ及び７８ｄ自体を新しいものに或いは改質ケース７８ａ、７８ｂ、７８ｃ及び７８ｄ内の改質触媒のみを新しいものに交換すればよい。

改質ケース７８ａ、７８ｂ、７８ｃ及び７８ｄ内の改質触媒の交換を充分容易に遂行し得るようになすために、所望ならば改質ケース７８ａ、７８ｂ、７８ｃ及び７８ｄの一部を開閉自在な扉にせしめることができる。

一方、空気は二重筒体５０の内側筒部材５４内に規定されている流入路を通して熱交換器２４の流入路３２に供給され、熱交換器２４を通過して予熱（加熱）された空気は、空気室１６に一旦貯留され、空気導入管２２を通って燃焼・発電室１２のセルスタック間に供給される。この際、空気導入管２２はセルスタック６０の燃料電池セル６２の上端の燃料ガス通路７４近傍で燃焼する燃焼ガス雰囲気中を通過する。従って、空気室１６の予熱空気はセルスタック６０上部の燃焼領域でさらに加熱され、高温に暖められた空気がセルに供給される。

通常運転時は前記熱交換器２４で予熱された空気が空気室１６に導入され、この空気室１６から空気導入管２２を用いて燃焼・発電室１２へ空気が導入されるが、発電室の温度が想定以上に上昇した場合は、前記熱交換器２４を通らない低温ガス供給管１８を通ってきた低温の空気が空気室１６に導入され、熱交換器２４を通過して予熱された空気と混合されて、空気室１６の空気温度がある程度低下する。この空気を発電室１２、即ち、セルスタック間に供給することにより、通常運転時より温度の低い空気がセルスタック間に導入されるので、発電室１２、即ち燃料電池セルの過度に上昇した温度が低下されるので、発電室内の温度を適宜にコントロールできる良好な燃料電池組立体が提供される。

また、空気室１６内の空気温度は、低温ガス供給管１８から供給された外気と、熱交換器２４を通過して予熱された空気と混合されるため、室温ほど低温の空気ではないので、熱い燃料電池セル６０に供給しても、燃料電池セル６０のクラックや熱衝撃破壊を引き起こすなどの不具合を避けることが出来るので、燃料電池発電システム全体の機能劣化が抑えられ寿命が延ばすことができる。

さらに、低温ガス供給管１８による低温ガスの供給を、空気供給管２２の開口部中央部に向けて供給することにより、さらに、両側の熱交換器から加熱された空気を開口部中央部に向けて供給することにより、最も加熱しやすいセル集合体の中央部に空気供給管２２により供給される空気を最も低温とでき、中央部から離れるに従って高い温度とすることができ、最適な冷却手段とすることができる。

また、ハウジング２内であってセル集合体の周囲に、蓄熱壁４４ａ、左側蓄熱壁４４ｂ、前蓄熱壁４４ｃ及び後蓄熱壁４４ｄ、下蓄熱壁４４ｅ、上断熱壁４４ｆを、ハウジング２の外面に上断熱壁４、下断熱壁６、右側断熱壁８、左側断熱壁９、前断熱壁１０及び後断熱壁１１を配置することにより、セル周囲の高温の熱を蓄熱壁により蓄熱するとともに、外部への熱放散を蓄熱壁及び断熱材と併せて効果的に抑制することができ、分散型発電用の燃料電池組立体において、発熱量の少ない部分負荷運転時においても、有効に発電温度を維持できる。

即ち、分散型発電用の燃料電池組立体では発電量は少ないため小型であり、定常運転時には熱自立し、効果的に発電するが、燃料ガス量を少なくして発電量を少なくした場合、発熱量が少なくなり、熱自立しなくなる傾向にあるが、本発明では、断熱壁によりハウジング内に熱を有効に閉じ込め、定常運転時の高温の熱を蓄熱壁に吸収させ、部分負荷運転し発熱量が少なくなった場合に熱を放散させ、ハウジング内の温度を有効に維持できる。

尚、本発明では、改質ケースはセルスタックの上方以外の場合でも、改質ケースをハウジング内に設けない場合であっても良い。

そして、本発明では、被改質ガス供給管８２ａ〜８２ｄは、ハウジング２の外部において、燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置９１に接続されている。この燃料ガス供給装置９１により、被改質ガスが各改質ケース７８ａ〜ｄを介して各セルスタック６０ａ〜ｄに等量分配され、供給される。

なお、上記形態では、空気室に低温ガス供給手段を設け、空気供給管により、燃料電池セルの外面に空気を供給する場合について説明したが、空気供給管により燃料電池セルの内部に空気を供給するようにしても良いことは勿論である。尚、この場合、燃料電池セルの内側には空気極が、外側には燃料極が形成されることは言うまでもない。

続いて、燃料ガス供給装置９１について説明する。

図６は、同一仕様の４つの発電ユニット５６ａ〜５６ｄに、水素を含む燃料ガスを分配して供給する燃料ガス供給装置９１の要部配管系統図である。主供給配管１００には、バルブ１０１及び流量調整器１０２が設けられている。

必要な所定の圧力に調整された、都市ガス、プロパンガス等の水素を含む燃料ガスは、バルブ１０１を開くことにより主供給配管１００に供給される。供給された燃料ガスは、主供給配管１００に配置された流量調整器１０２により、４つの発電ユニット１０７ａ〜１０７ｄ全体で必要な量に調整された後、図６の場合には、水蒸気改質を行うための加湿器１０３を通して水蒸気と混合され、分流器１０４にて、被改質ガス供給管（以下の説明において分配供給配管という）１０５ａ〜１０５ｄに分配され、各発電ユニット５６ａ〜５６ｄに供給される。

燃料電池セル６２の気孔率の差、セル中の燃料ガス通路を流れる燃料ガスの温度変化、体積変化の状態の差により、それぞれのセルスタック６０ａ〜６０ｄの圧力損失は異なる。従来の燃料ガス供給装置では、この各セルスタックの圧力損失の差が各分配供給配管への燃料の等量分配を困難にし、圧力損失の大きなセルスタックへ供給される燃料量よりも
圧力損失の小さなセルスタックへ供給される燃料量が多くなることは避けられず、その対策として、各分配供給配管に、流量制御装置、あるいは圧力損失差を制御する装置を配置していた。

本発明では、セルスタック６０ａ〜６０ｄの圧力損失の差の影響を減らすために、各発電ユニット５６を構成する改質ケース７８の圧力損失を、セルスタック６０ａ〜６０ｄの圧力損失よりも大きくしたものであり、これにより、各分配供給配管１０５ａ〜１０５ｄのそれぞれに流量調整装置等を配置しなくても、主供給配管１００に供給された燃料ガスを、各分配供給配管１０５ａ〜１０５ｂへ、供給量の差を少なく分配することができる。

さらに加えて、本発明では、セルスタック６０ａ〜６０ｄの圧力損失の差の影響を減らすために、分配供給配管１０５ａ〜１０５ｄの圧力損失を、セルスタック６０ａ〜６０ｄの圧力損失よりも大きくすることもでき、これにより、各分配供給配管１０５ａ〜１０５ｄのそれぞれに流量調整装置等を配置しなくても、主供給配管１００に供給された燃料ガスを、各分配供給配管１０５ａ〜１０５ｂへ、供給量の差を少なく分配することができる。
尚、分配供給配管１０５ａ〜１０５ｄの圧力損失を、セルスタック６０ａ〜６０ｄの圧力損失よりも大きくしたが、分配供給配管１０５ａ〜１０５ｄの圧力損失を、セルスタック６０ａ〜６０ｄの圧力損失の差よりも大きくすることによっても、上記した効果を得ることができる。

即ち、各セルスタック６０ａ〜６０ｄの圧力損失以上に分配供給配管１０５ａ〜１０５ｄの圧力損失を大きなものにすれば、その分配供給配管１０５ａ〜１０５ｄでの圧力損失の作用が大きくなり、セルスタック６０ａ〜６０ｄの圧力損失バラツキがあったとしても影響が小さくなる。

例えば、二つのセルスタックの圧力損失が０．１１ｋＰａ、０．１４ｋＰａとすると、そのバラツキは０．０３ｋＰａになる。この二つのセルスタックに対して、計２５０ｃｃの燃料を流したとすると、各セルスタックに供給される燃料量は１４０ｃｃ、１１０ｃｃとなり、その差は３０ｃｃとなる。ここで、分配供給配管の圧力損失を両セルスタックの圧力損失差０．０３ｋＰａの１０倍の０．３ｋＰａにすると、分配供給配管とセルスタックの合計の圧力損失はそれぞれ０．４１、０．４４ｋＰａとなり、上記と同様に２５０ｃｃの燃料を流した場合、各セルスタックに供給される燃料は１２９、１２１ｃｃとなりバラツキを８ｃｃに抑えることができる。

セルスタックの圧力損失に対する分配供給配管の圧力損失の大きさの比は特に制限するものではないが、小さいと分配量の差を少なくする効果が小さくなり、逆に大きいと燃料ガスの供給圧を高めるための加圧ポンプの設置等が必要になり、コストアップ、大型化等の問題が生じるため、これらの問題が起こらない範囲で適宜設定する必要がある。

圧力損失の大きさは、分配供給配管の圧力損失が各セルスタックの圧力損失バラツキの１０倍以上、できれば２０倍以上が望ましい。

分配供給配管、及び発電ユニットの圧力損失は、分流器１０４と分配供給配管１０５との接続部に取り付けた圧力測定口１１１、及び各分配供給配管１０５ａ〜１０５ｄと各セルスタック６０ａ〜６０ｄとの接続部に取り付けた圧力測定口に圧力計を装着して、セルスタックの排ガス出口側を開放状態にして燃料ガスを流し、各圧力測定口の圧力を測定し、その差から求めることができる。

圧力損失は流量により変化するため、いくつかのセルスタックを任意に選択し、そのセルスタックについて、燃料電池発電装置の運転条件の範囲でセルスタックの流量と圧力損
失の関係、及びセルスタックの圧力損失のばらつきを調べ、その結果から、分配供給配管の圧力損失の値を決定すれば良い。

分配供給配管の圧力損失を高めるには、配管径を細くする方法、配管内に気体の流れを妨害する物を充填する方法、配管を屈曲させる方法、配管を長くする方法等の一般的な方法が使用できる。

同一仕様のセルスタックを電気的に直列接続した型式仕様の燃料電池発電装置では、上記の方法で、一度分配供給配管の圧力損失の値を決定すれば、該同型式仕様の燃料電池発電装置には、共通してこの分配供給配管が使用できる。

また、図７に示すように、圧力損失を高めた分配供給配管と共に、分配供給配管１０５ａ〜１０５ｄに、セルスタック６０ａ〜６０ｄの圧力損失よりも大きな圧力損失を有する圧力損失発生装置（圧損付加器ということもある）１０６ａ〜１０６ｄを配置しても良い。圧損付加器１０６ａ〜１０６ｄに層流素子を使用すると、分配供給配管１０５ａ〜１０５ｄを流れる燃料ガスの流れの乱れが少ないため、好適である。尚、各セルスタックの圧力損失差よりも大きな圧力損失を有する圧力損失発生装置を設けても良い。

燃料ガスを主供給配管１００に流すバルブ１０１は、手動駆動型、空気圧駆動型、電磁式駆動型等特に指定するものではないが、遠隔操作性、開度を大きく取れ圧力損失が少なく、またコスト等を考えると、空気圧駆動型が望ましい。

流量調整器（流量計）１０２についても、その型式については、体積流量計、質量流量計、差圧式流量計等特に指定するものではないが、小型で、低コストの点から、差圧式流量計が望ましい。

また、水蒸気改質を行うために燃料を加湿する方法としては、容器に水を収容し、この水の温度を制御し、この温水の中を燃料ガスを通すことで、露点により加湿を行うバブリング方式、所定の量に流量制御した水を高温部に供給し、すべて気化し、燃料ガスと混合することで加湿を行う直接方式、加湿器の水に超音波振動を加えることで、水蒸気を発生させ、その水蒸気を燃料ガスに混合させることで加湿を行う超音波方式等が知られており、これらの方式で共通している温水は、電気ヒーターや燃料電池に用いられる燃料ガスあるいは余剰のオフガスを用い加熱される。

本発明においては、必要に応じ配置される加湿器１０３の方式については特に制限するものではないが、バブリング方式では、燃料ガスと温水の接触時間を長くする必要があるため、温水の深くから燃料ガスを供給する必要があり、都市ガス等の家庭に供給されるガスの圧力では温水の深い位置からは供給できず、ガスの圧力を昇圧するために別途ガスコンプレッサーが必要になり、コストがかかる。直接方式では水の流量を制御しなくてはならず、微小流量制御のポンプはコストがかかる。超音波方式も超音波発生装置のコストがかかる問題や加湿量の制御が困難である。

本発明の加湿器１０３としては、燃料電池の熱源との熱交換により、温まった温水を液滴状（シャワー、噴霧）にし、この液滴状の温水の中を燃料ガスを通して燃料ガスを加湿する方法が、圧力損失も少なく、また飽和水蒸気圧の中を燃料ガスが通過し、しかも気液の接触状態が良好であるため、安定した水蒸気分圧の燃料が得られるため好適である。

酸素を含む空気等を分配して供給する装置も、上記の、水素を含む燃料ガスを分配して供給する装置と同様の構成を有するものであってもよい。

また、水蒸気、あるいは水を各発電部に供給する水分供給装置も、上記の反応ガス供給装置と同様の構成を有するものであっても良い。

本発明の燃料電池発電装置の好適実施形態を示す断面図。図１の平面図。図１の燃料電池組立体に使用されている発電ユニット集合体を示す斜視図。図３の発電ユニットを示す斜視図。図３のセルスタックを示す断面図。燃料ガス供給装置の要部配管系統図。燃料ガス供給装置の他の形態を示す要部配管系統図。

符号の説明

５６ａ、５６ｂ、５６ｃ及び５６ｄ：発電ユニット
５８ａ、５８ｂ、５８ｃ及び５８ｄ：燃料ガスケース
６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄ：セルスタック（発電部）
６２：燃料電池セル
７８ａ、７８ｂ、７８ｃ及び７８ｄ：改質ケース
９１：燃料ガス供給装置
１００：主供給配管
１０２：流量計（流量調整装置）
１０３：加湿器
１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃ及び１０５ｄ：分配供給配管（被改質ガス供給管）
１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ及び１０６ｄ：圧損付加器（圧力損失発生装置）

Claims

複数の単電池を電気的に接続してなる発電部と、内部に改質触媒を収容してなり、燃料ガス供給装置より供給される被改質ガスを改質して前記発電部に燃料ガスを供給するための改質器とを備えてなる発電ユニットの複数個を電気的に直列に接続してなるとともに、前記改質器自体の圧力損失が、前記発電部の圧力損失よりも大きいことを特徴とする燃料電池発電装置。
前記燃料ガス供給装置と前記改質器とを接続する被改質ガス供給管自体の圧力損失が、前記発電部の圧力損失よりも大きいことを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電装置。
前記被改質ガス供給管に層流素子が設けられていることを特徴とする請求項２記載の燃料電池発電装置。
前記燃料ガス供給装置に主供給配管が接続され、該主供給配管と複数の前記被改質ガス供給管とが接続されているとともに、前記主供給配管に流量調整装置が設けられており、該流量調整装置の下流側に、被改質ガスを加湿するための加湿装置が設けられていることを特徴とする請求項２または３に記載の燃料電池発電装置。
前記加湿装置が、液滴状の温水中を燃料ガスが通過する構造であることを特徴とする請求項４記載の燃料電池発電装置。