JP5063048B2

JP5063048B2 - 燃料電池

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Publication number: JP5063048B2
Application number: JP2006205105A
Authority: JP
Inventors: 成門高橋
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2006-07-27
Filing date: 2006-07-27
Publication date: 2012-10-31
Anticipated expiration: 2026-07-27
Also published as: JP2008034205A

Description

本発明は、複数の燃料電池セルを電気的に接続してなるセルスタックと、該セルスタックと所定間隔を置いて設けられた改質器とを具備する燃料電池に関する。

図１５は、従来の固体酸化物形燃料電池１００の典型例を示す概略断面図である（特許文献１、２等）。

発電室１１１を内包する略直方体の金属製ケーシング１１０の４側面ないしは２側面に、熱交換器１２０ａ、１２０ｂが配置されている。発電室１１１内には、例えば燃料電池セルを一列に配列したセルスタック８０が４列と、それらの上方にそれぞれ配置された改質器７１と、セルスタック８０をそれぞれ装着したマニホールド７２とが設けられている。マニホールド７２は燃料ガスケースである。発電室１１１の上には酸素含有ガス室１４０が配置され、酸素含有ガス室１４０から発電室１１１内に複数の酸素含有ガス導入管１４１が垂下し、それぞれセルスタック間に配置されている。マニホールド７２と下壁との間、並びに発電室１１１と熱交換器１２０ａ、１２０ｂとの間には、断熱材６１、６２が配置される。図示しないが、ケーシング１１０の外側にも適宜断熱材が配置され、さらにこれら全体が適宜の筐体に収容されて燃料電池組立体を構成する。

酸素含有室１４０の底板１４２は、熱交換器１２０ａ、１２０ｂ及び発電室１１１の上面に載置固定され、この底板１４２の周縁はケーシング１１０の外方にフランジ状に突出している。底板１４２のフランジ部分はガスシールのためにケーシング１１０と溶接されている。酸素含有室１４０の側面及び上面を形成する部材は、この底板１４２の上に載置固定され、複数の酸素含有ガス導入管１４１はこの底板１４２に取り付けられている。

図１５において、酸素含有ガス（例えば、空気）は外部から取り入れられ、ケーシング１１０の下壁から熱交換器１２０ａ、１２０ｂの酸素含有ガス流路（外側流路）に入り、下方から上方へ通過して酸素含有ガス室１４０へと流入する（白矢印）。一方、図示しない被改質ガス供給管により外部から被改質ガス（例えば都市ガス等の炭化水素ガス）が改質器７１に供給され、改質触媒により水素リッチな燃料ガスに改質されて図示しない配管を通してマニホールド７２へ送られる。

そして、酸素含有ガス導入管１４１により供給される酸素含有ガスと、マニホールド７２から供給される燃料ガスを利用してセルスタック８０において発電反応が生じ、図示しない出力手段により電流が出力される。発電反応後の排ガスは、発電室１１１の上部から熱交換器１２０ａ、１２０ｂの排ガス流路（内側流路）に入り、上方から下方へと通過してケーシング１１０の下壁から流出する（黒矢印）。熱交換器１２０ａ、１２０ｂ内では酸素含有ガス流路と排ガス流路とが隣接することにより熱交換が行われ、排ガスの熱により酸素含有ガスが予熱される。

斯かる燃料電池１００において発電が行われる際には発電室１１１内は７００〜１０００℃程度の高温に保持される。
特開２００５−１２３０１４号公報特開２００５−１５８５２６号公報

図１５に示すような従来の燃料電池１００の改質器７１では、改質効率の向上の観点から、一般に吸熱反応である水蒸気改質が行われるため、改質器７１温度は低下する傾向にある。特に、発電効率を高めるべく負荷追従運転を行った場合、夜間等では発電量が少ないため、改質器温度が低下し、改質効率が低下するという問題があった。

本発明は、改質器の改質効率を向上できる燃料電池を提供することを目的とする。

本発明の第１の燃料電池は、複数の燃料電池セルを電気的に接続してなるセルスタックと、該セルスタックと所定間隔を置いて設けられた改質器と、該改質器に設けられ、かつ前記セルスタック側に向けて延設された伝熱板とを具備するとともに、前記伝熱板は、前記セルスタックの側面まで延設されており、前記セルスタックの側面と所定間隔を置いて対面していることを特徴とする。

このような燃料電池では、高温となるセルスタックの輻射熱を、伝熱板を介して改質器に伝導させることができ、改質器を高温に維持することができる。従って、例えば、水蒸気改質法により、温度が低下する傾向にある改質器を高温に維持することができ、改質性能を向上することができる。伝熱板の形状は、波板タイプ、フィンタイプ等の表面積を大きくする形状を用いることができる。

また、本発明の第１の燃料電池は、前記伝熱板は、前記セルスタックの側面まで延設されており、前記セルスタックの側面と所定間隔を置いて対面していることによって、セルスタックの輻射熱をより有効に吸収し、伝熱板を介して改質器に伝導させることができ、改質器を高温に維持しやすくできる。

さらに、本発明の燃料電池は、複数の前記セルスタックを有するとともに、前記伝熱板は、前記複数のセルスタックを挟むように対向して設けられていることを特徴とする。このような燃料電池では、セルスタックからの輻射熱を逃すことなくより有効に吸収することができる。

また、本発明の燃料電池は、前記セルスタックと前記改質器との間は、前記燃料電池セルに供給された燃料ガスの燃焼領域とされていることを特徴とする。

このような燃料電池では、セルスタックの輻射熱のみならず、燃料ガスの燃焼熱を伝熱板を介して改質器に伝導させることができ、改質器を高温に維持することができるとともに、セルスタックにおける温度勾配を均一化することができる。また、起動時には、燃焼熱を伝熱板を介してセルスタックへ輻射することができ、セルスタックを加熱させ、起動時間を短縮することができる。

さらに、本発明の第２の燃料電池は、前記セルスタックの上方に所定間隔を置いて前記改質器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では、熱が上方に伝導することに起因して改質器温度をさらに高温に維持することができる。

また、本発明の第２の燃料電池は、前記伝熱板には、厚み方向に貫通する排ガス通路を有することを特徴とする。このよう燃料電池では、余剰の燃料ガス、酸素含有ガス、燃焼領域で発生した燃焼ガス等の排ガスが、伝熱板の排ガス通路を介して外部に排出されるため、排ガスの排出を促進できるとともに、高温の排ガスが改質器及び伝熱板に沿って流れるため、排ガスの熱を有効に改質器に伝導することができる。

また、本発明の燃料電池は、前記改質器は、前記伝熱板により前記セルスタックと所定間隔を置いて支持固定されていることを特徴とする。このような燃料電池では、伝熱板により改質器が支持固定されるため、別個に支持固定する部材を不要とすることができる。

本発明の燃料電池は、高温となるセルスタックの輻射熱を、伝熱板を介して改質器に伝導させることができ、改質器を高温に維持することができる。従って、例えば、水蒸気改質法により、温度が低下する傾向にある改質器を高温に維持することができ、改質性能を向上することができる。

本発明の固体酸化物形の燃料電池は、分散型発電用、特に０．５〜１．５ｋＷの負荷追従運転を行う家庭用燃料電池に好適に用いられるものである。

図１は、本発明の燃料電池の一実施形態の外観斜視図である。燃料電池１は、略直方体のケーシング１０を具備し、ケーシング１０は発電室１７を内包する。図１には示していないが、発電室１７内には、複数の固体酸化物形燃料電池セルを一列に配列したセルスタックと共に、マニホールド（燃料ガスケース）及び／または改質器等からなる燃料電池セルスタック装置（この詳細については後述する）が配置される。以下、ケーシング１０について、図中の両矢印で示す方向をそれぞれ前後方向、左右方向として説明する。

ケーシング１０は、左側壁１１、右側壁１２、前側壁１５及び後側壁１６の４つの側壁と、上壁１３及び下壁１４の６つの壁部材から構成される。ケーシング１０は、金属（合金）製の板または箱を成形加工することにより作製できる。前側壁１５以外の壁部材は一体成型または接合されており、前側壁１５のみが開閉可能である。図１では、前側壁１５を開いた状態を示している。尚、図１では、前側壁１５のみが開閉可能とされているが、別の実施例として、下壁１４のみまたは後側壁１６のみを開閉可能としてもよい。また、前後側壁の双方を開閉可能としてもよい。図１の例では、前側壁１５を開いた状態で発電室１７内の種々の構成要素の修理・交換等を行う。白抜き矢印はセルスタックの挿入方向を示している。前側壁１５には配管用開口５１が穿設されており、これを通して発電室１７内に種々のガスを供給するガス供給管を設置することができる。ガス供給管は、例えば燃料ガス供給管または被改質ガス供給管であり、必要に応じて水若しくは水蒸気供給管も設置される。

左右側壁１１、１２の下端には、発電室１７内のセルスタック周囲に供給される反応ガスの入口流路ケース２１が設けられる。反応ガス入口流路ケース２１は、ケーシング１０の前後方向全体に亘って延在する細長い形状であり後端部に反応ガス供給管２２が接続されている。反応ガスは、例えば酸素含有ガスである。さらに、各反応ガス入口流路ケース２１の内側に隣接して排ガス出口流路ケース３２が設けられる。排ガス出口流路ケース３２もまた、ケーシング１０の前後方向全体に亘って延在する細長い形状であり前端部に排ガス排出管３３が接続されている。排ガスは、主に、発電に使用されなかった酸素含有ガス、燃料ガス及びこれらを燃焼した燃焼ガスからなる。

図１では、発電室１７の内部全体が明示されていないが、上壁１３から垂下する反応ガス導入部材４０の一部が現れている。また、右側壁１２（左側壁１１についても同様）の内側に設置される排ガス用内壁３１も現れている。排ガス用内壁３１の内部に形成される排ガス流通空間は排ガス出口流路ケース３２と連通している。これらについては、後に詳述する。

本発明の燃料電池は基本的に左右対称構造とすることが、安定した発電出力を得る上で好適である。

尚、以下の説明では、反応ガス供給管２２から酸素含有ガスを供給し、前側壁の配管用開口５１に配置されるガス供給管から燃料ガス（または燃料ガスに改質される被改質ガス）を供給する場合について説明するが、これは使用する燃料電池セルにおける酸素極と燃料極の構造に依存するものであり、別の種類の燃料電池セルでは、逆に反応ガス供給管２２から燃料ガス（または被改質ガス）を供給し、配管用開口５１のガス供給管から酸素含有ガスを供給する場合もある。本発明は、いずれの場合にも適用可能である。従って、反応ガスとしては、酸素含有ガスの場合も燃料ガス（または被改質ガス）の場合もある。

図２は、図１の燃料電池の前側壁１５を除いたケーシング１０の一部切り欠き斜視図である。ケーシングの左側壁１１、右側壁１２及び上壁１３は、互いに所定間隔を空けて並設された外殻部材１１ａ、１２ａ、１３ａと内殻部材１１ｂ、１２ｂ、１３ｂとにより連続的な反応ガス流通空間２０を形成する中空壁である。なお、外殻部材１１ａ、１２ａ、１３ａは、１枚の板を折り曲げ成形して一体的なものとしてもよく、あるいは、３枚の板を接合して形成してもよい。内殻部材１１ｂ、１２ｂ、１３ｂについても同様である。

図２では、外殻部材１１ａ、１２ａ、１３ａの一部を切り欠いて内殻部材１１ｂ及び１３ｂを露出させて示している。外殻部材１１ａ、１２ａ、１３ａ、内殻部材１１ｂ、１２ｂ、１３ｂは、それぞれ左右上下方向に平行な断面形状がコ字状であり、すなわちドーム状に形成されている。よって、中空壁全体が断面コ字状すなわちドーム状となる。

さらに、左側壁１１（右側壁１２についても同様）における反応ガス流通空間内には、外殻部材１１ａと内殻部材１１ｂとの間に横架される複数の部分的仕切り板２４が上下方向に所定間隔を空けて互い違いに設けられており、これにより蛇行流路が形成されている。蛇行流路の下端は、反応ガス入口流路ケース２１の上面上に位置する。この部分において、反応ガス入口流路ケース２１の上壁には複数の流入スリット２３が適宜穿設されている。

またさらに、上壁１３の内殻部材１３ｂには、発電室１７内に垂下する反応ガス導入部材４０と連通する連通孔４３が穿設されている。図２には現れていないが、上壁１３の中央に対して左右対称に一対の反応ガス導入部材４０が設けられており、各々につき２つの連通孔４３を具備するので、連通孔４３は合計４つある。

図２のケーシング１０について、反応ガス供給管２２から供給された反応ガスの流れを説明する（白矢印）。反応ガスは、反応ガス入口流路ケース２１内に入り、流入スリット２３を通って反応ガス流通空間の蛇行流路に入る。そして蛇行流路を蛇行しつつ下方から上方へ上昇していく。蛇行流路の上端に達すると上壁１３の反応ガス流通空間に入り、上壁１３の内殻部材１３ｂの連通孔４３を通って反応ガス導入部材４０内に流入し、反応ガス導入部材４０の下部に設けられた導入開口４２から発電室１７内に放出される。

図３は、図１のＸ断面を概略的に示す図である。外殻部材１１ａ、１２ａ、１３ａと内殻部材１１ｂ、１２ｂ、１３ｂとにより形成された中空壁である反応ガス流通空間２０については、図２で説明した通りである（但し、反応ガス流通空間２０の幅については誇張して示している。以下同様の断面図において同じ）。反応ガス導入部材４０は、互いに所定間隔を空けて並設された一対の板部材４１ａ、４１ｂにより反応ガス導入空間４４を形成しており、反応ガス導入空間４４の下部において一方の板部材４１ａに導入開口４２を設けている。図示の例では、反応ガス導入部材４０が上壁中央に対して左右対称に両側にそれぞれ設けられているため、導入開口４２は、一対の板部材のうち中央側の板部材４１ａに穿設され、発電室１７の中央に向かって反応ガスを放出するようにしている。図３中、白矢印は反応ガスの流れを、黒矢印は排ガスの流れを概略的に示している。

図３に示すように、左右側壁の内殻部材１１ｂ、１２ｂの各々の発電室１７側には、所定間隔を空けて排ガス用内壁３１がそれぞれ並設されている。これにより、排ガス流通空間３０が形成される（但し、排ガス流通空間３０の幅については誇張して示している。以下同様の断面図において同じ）。排ガス流通空間３０の上部は、発電室１７と連通している。排ガス流通空間３０内にも、反応ガス流通空間２０と同様に蛇行流路が設けられている。すなわち、左右側壁の内殻部材１１ｂ、１２ｂの各々と排ガス用内壁３１との間に横架される複数の部分的仕切り板３４を上下方向に所定間隔を空けて互い違いに設けることにより蛇行流路を形成している。これについては、後述する図５において詳細に示す。

左側壁の貫通孔５２は、反応ガス流通空間２０及び排ガス流通空間３０の双方を密閉状態に保持したまま貫通している。貫通孔５２にはヒーターや温度センサを挿通し、発電室１７内まで到達させることができる。貫通孔５２は、左右側壁の少なくとも一方に１または複数設ければよい。例えば、必要に応じて一方の側壁に２つ設けてもよく、両側に１つずつ設けてもよい。

図３では、発電室１７内に配置される構成要素の一例を概略的に点線で示している。中央には２つのセルスタック８０が並置され、それらの上方に改質器７１が適宜の支持手段により配置されている。各セルスタック８０はマニホールド７２の上面に装着され、マニホールド７２の上面を通して燃料ガスがセルスタック８０の各燃料電池セルの燃料極に供給される。反応ガス導入部材４０と排ガス用内壁３１との間及びマニホールド７２と下壁１４との間には適宜断熱材６１、６２が充填されている。

そして、本発明では、改質器７１には、２枚の伝熱板８２がセルスタック８０側に向けて延設されており、セルスタック８０の側面まで延設され、セルスタック８０の側面と所定間隔Ｌを置いて対面している。２枚の伝熱板８２は、セルスタック８０と、その上方に位置する改質器７１との間の燃焼領域Ｆを介して、２つのセルスタック８０を挟むように対向して設けられている。

このような燃料電池では、高温となるセルスタック８０の輻射熱、及び燃料ガスの燃焼熱を、伝熱板８２を介して改質器７１に伝導させることができ、改質器７１を高温に維持することができる。従って、例えば、水蒸気改質法により、温度が低下する傾向にある改質器7１を高温に維持することができ、改質性能を向上することができる。また、起動時には、燃焼熱を伝熱板８２を介してセルスタック８０へ輻射することができ、セルスタック８０を加熱させ、起動時間を短縮することができる。また、伝熱板８２間を酸素含有ガスの通路とすることができ、酸素含有ガス利用率を向上できる。

伝熱板８２には、厚み方向に貫通する排ガス通路８２ａが形成されており、余剰の燃料ガス、酸素含有ガス、燃焼領域で発生した燃焼ガス等の排ガスが、伝熱板８２の排ガス通路８２ａを介して外部に排出されるため、排ガスの排出を促進できるとともに、高温の排ガスが改質器７１及び伝熱板８２に沿って流れるため、排ガスの熱を有効に改質器７１に伝導することができる。伝熱板８２のセルスタック側には、絶縁層が形成されていることが望ましい。これにより、通常耐熱性金属等からなる伝熱板８２による燃料電池セル同士の導通を阻止することができる。伝熱板８２の改質器７１への接合部分は、熱伝導性の良好なペーストを用いて接合することが望ましい。伝熱板８２の形状は、波板タイプ、フィンタイプ等の表面積を大きくする形状を用いることができる。

ここで、燃料電池１における発電時のガスの流れを概略説明する。例えば、ガス供給管により被改質ガスを改質器７１に供給し、改質触媒により改質された水素リッチな燃料ガスがマニホールド７２に送られ、さらにマニホールド７２からセルスタック８０の燃料電池セルの燃料極に対して供給される。一方、反応ガス供給管から酸素含有ガスが供給され、反応ガス流通空間及び反応ガス導入部材を通って発電室１７内（伝熱板８２間）に供給され（すなわち燃料電池セルの酸素極に対して供給され）、燃料電池反応により発電が行われる。

発電に使用されなかった燃料ガス及び酸素含有ガスは、発電室１７の上方に流動し、点火されて燃焼され、排ガスとなる。セルスタック８０における発電に起因して、そしてまた燃料ガスと酸素含有ガスとの燃焼に起因して発電室１７内は例えば７００〜１０００℃程度の高温になる。そして、高温の排ガスは、排ガス流通空間３０へその上端から入り、蛇行流路を下降し、排出スリット３５から排ガス出口流路ケース３２に入り、排ガス排出管から排出される。高温の排ガスが蛇行流路を下降する一方で、隣接する反応ガス流通空間２０の蛇行流路を上昇する低温の反応ガスは排ガスの熱により予熱され、熱交換が行われる。

図４（ａ）は、図１〜図３に示した反応ガス導入部材４０を発電室外側から観た斜視図であり、図４（ｂ）は、同じく発電室中央側から観た斜視図である。反応ガス導入部材４０は一対の板部材４１ａ、４１ｂで挟まれた中空空間をもつ平たい箱を立てた形状であり、発電室内ではその長手方向がセルスタックの燃料電池セルの配列方向に沿うように設置される。上端には、反応ガス流通空間との連通孔４３が開口している。上端中央部の凹部４５は、図３を参照すると明らかな通り、排ガスが発電室中央部から排ガス流通空間へと通り抜けるための通路となるために設けられている。発電室中央側に向く面４１ａの下部には、反応ガスを放出するための導入開口４２が適宜穿設される。従来の反応ガス導入管は一般にセラミック製であったが、反応ガス導入部材４０は金属材料から作製できる。

図５（ａ）は、排ガス用内壁３１、排ガス出口流路ケース３２及び排ガス排出管３３の部分について、発電室外側から観た斜視図であり、図５（ｂ）は、同じく発電室中央側から観た斜視図である。排ガス用内壁３１は平板であり、その両端には、排ガス流通空間の幅を規定する折り曲げ部３１ａが形成されている。これらの折り曲げ部３１ａの縁部は、左側壁または右側壁の内殻部材へ接合される。排ガス流通空間内には、複数の部分的仕切り板３４を上下方向に所定間隔を空けて互い違いに設けることにより蛇行流路が形成されている。蛇行流路の下端は、排ガス出口流路ケース３２の上面上にあり、この部分において排ガス出口流路ケース３２の上壁には複数の排出スリット３５が適宜穿設されている。これらの部品はいずれも金属材料から作製できる。

図５（ａ）中の黒矢印は、排ガスの流れを示す。排ガス流通空間の上端から流入し、蛇行流路を下降して排出スリット３５を通り、排ガス出口流路ケース３２内に入り、排ガス排出管３３から排出される。

図６は、本発明の燃料電池の別の実施形態における、図３に相当する断面図である。本実施形態では、上壁の内殻部材１３ａから垂下する反応ガス導入部材４０’が上壁中央位置に１つだけ設けられている。図６の反応ガス導入部材４０’は、反応ガス導入空間を形成する一対の板部４１ａ、４１ｂの下部の双方に導入開口４２ａ、４２ｂが穿設されている。これにより、発電室中央から両側へ向かって反応ガスが放出される（白矢印）。尚、別の実施形態として、反応ガス導入部材４０’は、その長さ方向に直線状に延びる複数の管部材を、適宜の間隔を空けて配置して設けることもできる。

図７は、図６の実施形態における反応ガス導入部材４０’の外観斜視図である。この反応ガス導入部材４０’は発電室中央に設けられるので、図４の実施形態とは異なり、上端に排ガス通路となる凹部を設ける必要がない。従って、反応ガス流通空間との連通孔４３も１つであり、長手方向に連続的に延在する。図７では、導入開口４２ｂは片側のみ現れているが、反対側にも同様に設けられている。導入開口４２ａ、４２ｂは、セルスタックのセル配列方向中央部に多く反応ガスを供給できるように、導入開口４２ａ間、導入開口４２ｂ間の形成距離が中央部が短くなっている。これにより、より高温となりやすいセルスタック中央部を冷却することができる。

そして、この実施形態では、図３の実施形態と同様に、改質器７１には、２枚の伝熱板８２がセルスタック８０側に向けて延設されており、セルスタック８０の側面まで延設され、セルスタック８０の側面と所定間隔Ｌを置いて対面している。２枚の伝熱板８２は、セルスタック８０と、その上方に位置する改質器７１との間の燃焼領域を介して、２つのセルスタック８０を挟むように対向して設けられている。

このような燃料電池でも、高温となるセルスタック８０の輻射熱、及び燃料ガスの燃焼熱を、伝熱板８２を介して改質器７１に伝導させることができ、改質器７１を高温に維持することができる。また、起動時には、燃焼熱を伝熱板８２を介してセルスタック８０へ輻射することができ、セルスタック８０を加熱させ、起動時間を短縮することができる。また、伝熱板８２間を酸素含有ガスの通路とすることができ、酸素含有ガス利用率を向上できる。

伝熱板８２には、厚み方向に貫通する排ガス通路８２ａが形成されており、余剰の燃料ガス、酸素含有ガス、燃焼領域で発生した燃焼ガス等の排ガスが、伝熱板８２の排ガス通路８２ａを介して外部に排出されるため、排ガスの排出を促進できるとともに、高温の排ガスが改質器７１及び伝熱板８２に沿って流れるため、排ガスの熱を有効に改質器７１に伝導することができる。伝熱板８２のセルスタック側には、絶縁層が形成されていることが望ましい。これにより、通常耐熱性金属等からなる伝熱板８２による燃料電池セル同士の導通を阻止することができる。

図８は、本発明の燃料電池のさらに別の実施形態の外観斜視図である。図９は、図８のＹ断面を概略的に示す図である。図１に示した実施形態との相違点は、ケーシング１０の下壁部分に排ガス出口貯留室３６と、反応ガス入口貯留室２６とを設けたことである。排ガス出口貯留室３６は発電室１７の直下に設けられ、その左右両側において左右側壁に設けられた排ガス流通空間３０とそれぞれ連通する。また、前端部に排ガス排出管３３が接続されている。

反応ガス入口貯留室２６は、排ガス出口貯留室３６の直下に設けられ、その左右両側において左右側壁の設けられた反応ガス流通空間２０とそれぞれ連通する。また、その後端部に反応ガス供給管２２が接続されている。白矢印で反応ガスの流れを示すように、反応ガス供給管２２から供給された反応ガスは、一旦、反応ガス入口貯留室２６の大空間に入った後、左右側壁の狭い反応ガス流通空間２０へと入る。圧損の低い大空間から圧損の高い小空間へ流れ込むことにより均一な流れが確保される。この効果により、本実施形態では蛇行流路を省くことが可能となる（もちろん、任意に設けてもよい）。また、反応ガス入口貯留室２６は排ガス出口貯留室３６の大空間の直下に設けられるため反応ガスが高温の排ガスから熱を与えられ、予熱された状態で左右側壁の反応ガス流通空間２０を上昇することとなり両側壁における熱損失が低減される。

その他の点については、図１〜図５に示した実施形態と同様である。左右側壁の反応ガス流通空間２０を上昇した反応ガスは、上壁の内殻部材１３ａに穿設された連通孔から反応ガス導入部材４０に流入し、その下部の導入開口４２から発電室１７内に放出される。

そして、この実施形態でも、図３に示したように、改質器７１には、２枚の伝熱板８２がセルスタック８０側に向けて延設されている。

図１０は、本発明による燃料電池のさらに別の実施形態の外観斜視図である。前後方向及び左右方向については図１と同様とする。図１０では、ケーシング１０の前側壁(図示せず)を開け、内部に収容されている燃料電池セルスタック装置２を前方に取り出した状態を示している。尚、図１０では、燃料電池セルスタック装置を理解し易くするため、伝熱板の記載は省略した。

図１１は、図１０の燃料電池についての図９に相当する断面図である（ただし、燃料電池セルスタック装置を収容した状態で示している）。

図１１に示すケーシング１０は、図９に示した実施形態の変形形態であり、下壁部分に、中央で分離された２つの排ガス出口貯留室３６ａ、３６ｂと、２つの反応ガス入口貯留室２６ａ、２６ｂとがそれぞれ設けられている。

左側の排ガス出口貯留室３６ａは、左側壁の排ガス流通空間３０と連通し、右側の排ガス出口貯留室３６ｂは、右側壁の排ガス流通空間３０と連通する。各排ガス出口貯留室３６ａ、３６ｂの後端部に排ガス排出管３３がそれぞれ接続されている。

また、左側の反応ガス入口貯留室２６ａは、左側壁の反応ガス流通空間２０と連通し、右側の反応ガス入口貯留室２６ｂは、右側壁の反応ガス流通空間２０と連通する。各反応ガス出口貯留室２６ａ、２６ｂの前端部に反応ガス供給管２２がそれぞれ接続されている。

図１１のケーシング１０は、その他の点については図６に示した実施形態と同様である。左右側壁の反応ガス流通空間２０を上昇した反応ガスは、上壁の内殻部材１３ａに穿設された連通孔から反応ガス導入部材４０に流入し、その下部から発電室１７内に放出される。

そして、この実施形態では、図３の実施形態と同様に、改質器７１には、２枚の伝熱板８２がセルスタック８０側に向けて延設されており、セルスタック８０の側面まで延設され、セルスタック８０の側面と所定間隔Ｌを置いて対面している。２枚の伝熱板８２は、セルスタック８０と、その上方に位置する改質器７１との間の燃焼領域を介して、２つのセルスタック８０を挟むように対向して設けられている。さらに、この実施形態では、２枚の伝熱板８２は、マニホールド７２まで延設され、例えば、伝熱板８２の下端部がＬ形状に折曲されマニホールド７２にねじ等により固定されている。従って、改質器７１は、伝熱板８２により、セルスタック８０と所定間隔を置いた状態でマニホールド７２に支持固定されている。

このような燃料電池でも、高温となるセルスタック８０の輻射熱、及び燃料ガスの燃焼熱を、伝熱板８２を介して改質器７１に伝導させることができ、改質器７１を高温に維持することができる。また、起動時には、燃焼熱を伝熱板８２を介してセルスタック８０へ輻射することができ、セルスタック８０を加熱させ、起動時間を短縮することができる。また、伝熱板８２間を酸素含有ガスの通路とすることができ、酸素含有ガス利用率を向上できる。さらに、伝熱板８２により改質器７１が支持固定されるため、別個に支持固定する部材を不要とすることができる。

次に、本発明の燃料電池における燃料電池セルスタック装置について説明する。

再び図１０を参照すると、ケーシング１０内に収容される燃料電池セルスタック装置２は、複数の燃料電池セル８１を一列に配列したセルスタック８０ａ、８０ｂを有する。これら２つのセルスタック８０ａ、８０ｂは、セル配列方向を平行として並置され、マニホールド７２上に固定されている。マニホールド７２は、その内部空間に燃料ガスを収容する燃料ガスケースである。セルスタック８０ａ、８０ｂのセル配列方向の端部には電流取り出し部材９１ａが設けられ、前方に延びている。

改質器７１は、セルスタック８０ａ、８０ｂの上方に配置され、被改質ガス供給管７１ａ及び水供給管７１ｂが後端部に連結されている。また、改質器７１の後端部近傍からは、マニホールド７１へ向かって燃料ガス送出管７１ｃが延び、マニホールド７１の上面に接続されている。改質器７１の前端部からは温度センサ７１ｄが挿入されている。

次に、図１２を参照して改質器７１について説明する。

図１２は、図１０に示した改質器７１の概略的な横断面図である。改質器７１は、前後方向に長く延びる略直方体形状の第１ケース７１ｆと第２ケース７１ｈとを互いに平行に配置させて形成される。さらに、双方のケースの前端部同士は、中空の連結部７１ｇにより連結されており、内部空間は連通している。よって、改質器７１の全体形状は略Ｕ字状である。

ここで図１０を再び参照すると、第１ケース７１ｆはセルスタック８０ａの上方に、第２ケース７１ｈはセルスタック８０ｂの上方に位置しており、セルスタックからの排熱を改質器７１の温度保持のために有効利用できる。また、図１０に示す通り、ケーシング１０の上壁から垂下する反応ガス導入部材４０は、発電室１７内において、第１ケース７１ｆと第２ケース７１ｈの間の空間を通るように配置される。なお、改質器７１に接続または挿入されるガス供給管やセンサは、ケーシング１０内部から外部へ延びている。ケーシング１０にはこれらのガス供給管やセンサを挿通させるための孔が適宜設けられている。

図１２を参照すると、第１ケース７１ｆの後端部へは被改質ガス供給管７１ａと水供給管７１ｂとが接続され、これらにより被改質ガス及び水がそれぞれ供給される。被改質ガスは、都市ガス等の炭化水素ガスでよい。水は、精製された純水である。被改質ガスは第１ケース７１ｆに流入し、気化室７１ｆ１から混合室７１ｆ２へと流れる。一方、水供給管７１ｂは第１ケース７１ｆの気化室７１ｆ１内に深く延びており、その先端から水が流出して気化室７１ｆ２内で蒸気となり、混合室７１ｆ２へと流れる。なお、気化室７１ｆ１と混合室７１ｆ２とは、通気性のある壁で分離されている。

そして、ジルコニア球が充填された混合室７１ｆ２において被改質ガスと蒸気とが混合される。混合されたガスは連結部７１ｇを通り第２ケース７１ｈへ入る。第２ケース７１ｈ内には改質触媒７１ｈ１が充填されている。ここで水蒸気改質反応が行われ、炭化水素ガスが水素に転化することにより水素リッチな燃料ガスが得られる。燃料ガスは、第２ケース７１ｈの後端部近傍の下面に接続された燃料ガス送出管７１ｃへと送り出される。また、燃料ガスの一部は、第２ケース７１ｈの後端部に接続されたサンプル管７１ｅから取り出されて分析され、そのデータは発電条件の制御のために用いられる。

第１ケース７１ｆ及び第２ケース７１ｈのそれぞれ温度検出のために、改質器７１の前端部から一対のセンサ７１ｄが挿入配置されている。

尚、上記形態では、伝熱板８２は、セルスタック８０の側面まで延設した形態について説明したが、本発明では、図１３（ａ）に示すように、改質器７１とセルスタック８０の間（燃焼領域Ｆ）だけ、伝熱板８２を設けても良い。この場合であっても、燃焼領域の排ガスの熱を改質器７１に有効に伝導させることができる。

また、上記形態では、セルスタック８０の両側に対向するように、伝熱板８２を設けたが、図１３（ｂ）に示すように、セルスタック８０の片側にのみ設けても熱を改質器７１に伝導させることができる。さらに、セルスタック８０を囲むように、伝熱板８２を設けることにより、さらに熱を改質器７１に伝導させることができる。

さらに、上記形態では、セルスタック８０の上方に改質器７１を設けた形態について説明したが、図１４に示すように、セルスタック８０の側方に改質器７１を設けた場合にも、本発明を適用できる。即ち、セルスタック８０の上方に余剰の燃料ガス、酸素含有ガス、燃焼ガスが排出されるが、図１４（ａ）は、改質器７１に伝熱板８２がセルスタックの上部に沿うように横方向に延設され、（ｂ）は、改質器７１に伝熱板８２がセルスタックの上方の燃焼領域に沿うように横方向に延設され、（ｃ）は、改質器７１に伝熱板８２がセルスタックの上方の燃焼領域、セルスタック全体に沿うように横方向に延設され、（ｄ）は、改質器７１に伝熱板８２がセルスタックの下部に沿うように横方向に延設されている。このような燃料電池でも、熱を改質器７１に伝導させることができる。

また、上記形態では、余剰の燃料ガスが燃焼する場合について説明したが、燃焼しない場合であっても、上記と同様の効果を有することができる。

本発明の燃料電池の一実施形態の外観斜視図である図１の燃料電池の前壁を除いたケーシングの一部切り欠き斜視図である。（ａ）は、図１のＸ断面を概略的に示す図であり、（ｂ−１）は伝熱板の配置状態を示す概念図、（ｂ−２）は（ｂ−１）の側面図である。（ａ）は、反応ガス導入部材の一方の側から観た斜視図であり、（ｂ）は、同じく他方の側から観た斜視図である。（ａ）は、排ガス用内壁、排ガス出口流路ケース及び排ガス排出管の部分について、発電室の外側に向く側から観た斜視図であり、（ｂ）は、同じく発電室の中央側から観た斜視図である。（ａ）は、本発明の燃料電池の別の実施形態における、図３（ａ）に相当する断面図であり、（ｂ−１）は伝熱板の配置状態を示す概念図、（ｂ−２）は（ｂ−１）の側面図である。図６の実施形態における反応ガス導入部材の外観斜視図である。本発明の燃料電池のさらに別の実施形態の外観斜視図である。図８のＹ断面を概略的に示す図である。本発明の燃料電池のさらに別の実施形態の外観斜視図である。（ａ）は、図１０の燃料電池についての図９に相当する断面図であり、（ｂ−１）は伝熱板の配置状態を示す概念図、（ｂ−２）は（ｂ−１）の側面図である。図１０に示した改質器の概略的な横断面図である。（ａ）は、伝熱板を燃焼領域の両側に設けた場合の概念図であり、（ｂ）は伝熱板をセルスタックの片側にのみ設けた場合の概念図である。（ａ）〜（ｄ）は、改質器をセルスタックの側方に設けた場合の概念図である。従来の燃料電池モジュールの典型例を示す概略断面図である。

符号の説明

１燃料電池
８１燃料電池セル
８０セルスタック
７１改質器
８２伝熱板
８２ａ排ガス通路

Claims

複数の燃料電池セルを電気的に接続してなるセルスタックと、該セルスタックと所定間隔を置いて設けられた改質器と、該改質器に設けられ、かつ前記セルスタック側に向けて延設された伝熱板とを具備するとともに、前記伝熱板は、前記セルスタックの側面まで延設されており、前記セルスタックの側面と所定間隔を置いて対面していることを特徴とする燃料電池。
複数の前記セルスタックを有するとともに、前記伝熱板は、前記複数のセルスタックを挟むように対向して設けられていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
前記セルスタックと前記改質器との間は、前記燃料電池セルに供給された燃料ガスの燃焼領域とされていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。
複数の燃料電池セルを電気的に接続してなるセルスタックと、該セルスタックと所定間隔を置いて設けられた改質器と、該改質器に設けられ、かつ前記セルスタック側に向けて延設された伝熱板とを具備するとともに、前記セルスタックの上方に所定間隔を置いて前記改質器が設けられており、前記伝熱板には、厚み方向に貫通する排ガス通路を有することを特徴とする燃料電池。
前記改質器は、前記伝熱板により前記セルスタックと所定間隔を置いて支持固定されていることを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれかに記載の燃料電池。