JP5231100B2 - 固体酸化物形燃料電池システム - Google Patents

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Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池セルを用いて発電する固体酸化物形燃料電池システムに関する。
燃料電池セルとして固体酸化物形燃料電池セルを用いた固体酸化物形燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この固体酸化物形燃料電池システムでは、燃料電池セルの複数個が所定方向に配設された燃料電池スタックを備え、複数の燃料電池セルの内部にガス流路が設けられ、複数の燃料電池セルの間を複数のセル間流路とし、各セル間流路は隣接する燃料電池セル間を延びている。この燃料電池スタックに関連して、第１及び第２分配送給部が設けられ、第１分配送給部は燃料ガスを複数の燃料電池セルのガス流路に分配送給し、また第２分配送給部は酸素含有ガスを複数のセル間流路に分配送給するように構成されている。
このような固体酸化物形燃料電池システムでは、作動温度が高いと発電性能は向上するが、この作動温度が高くなると燃料電池セル自体の劣化速度が速くなり、このようなことから、燃料電池セル自体の温度を適切に管理して燃料電池反応が行われている。
特開２００５−１５８５２６号公報
このような固体酸化物形燃料電池システムでは、燃料電池スタック自体の温度分布が大きく、このことに起因して発電性能及び耐久性の両面において更なる改善が求められていた。すなわち、燃料電池スタックの一部において作動温度が低くなり過ぎると、発電性能が低下し、発電の出力密度及び発電効率が充分に得られない。また、燃料電池スタックの一部において作動温度が高くなり過ぎると、燃料電池セルの劣化速度が速くなり、その寿命が短くなる。このようなことから、発電性能及び耐久性を高めるために、燃料電池スタックの温度分布を縮小することが望まれている。
一般に、固体酸化物形燃料電池スタックでは、燃料電池反応による発電の際に発熱し、この発熱の冷却は、作動温度よりも低い温度の酸素含有ガス（例えば、空気）、燃料ガスにより行われ、燃料電池反応のために導入される酸素含有ガス及び燃料ガスとの間の熱交換により行われる。酸素含有ガスは、燃料電池反応の反応ガスとして燃料電池スタックに導入され、燃料電池スタックの空気入口部から空気出口部に向けて温度が上昇する傾向にある。固体酸化物形燃料電池スタック自体の熱伝導率が低いと、作動の温度分布は更に大きくなるが、その熱伝導率が高くても相当の作動の温度分布が生じる。また、燃料ガスは、燃料電池セルの燃料入口部から燃料出口部にかけて消費されるが、その燃料ガス濃度と燃料電池セルにおける作動の温度差に基づいて、燃料電池セルの各部で電流密度に分布が生じる。この電流密度は発電分布とも関連し、このようなことに起因して、燃料電池セルの燃料入口部から燃料出口部の範囲における温度差（燃料電池セル内の温度差）が生じる。また、固体酸化物形燃料電池スタックでは、燃料電池セルが配設される所定方向における両端部は中央部に比して放熱面積が大きくなり、このことに起因して、その両端部は中央部に比して温度が低下する傾向にある。また、燃料電池セルの劣化などによって、燃料電池セルごとに発電性能に差が生じた場合、熱量が燃料電池セルごとにばらつくことになり、このようなことも温度差発生の原因となる。
本発明の目的は、燃料電池スタックの温度分布を縮小し、これによって燃料電池スタックの発電性能及び耐久性を高めることができる固体酸化物形燃料電池システムを提供することである。
本発明の請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池システムは、柱状の燃料電池セルの複数個が所定方向に配設された燃料電池スタックと、前記複数の燃料電池セルの内部に設けられたガス流路に燃料ガスを分配送給するための第１分配送給部と、前記複数の燃料電池セルの間を複数のセル間流路として酸素含有ガスを分配送給するための第２分配送給部と、を備え、前記第１分配送給部に送給された燃料ガスは前記第１分配送給部にて分配されて前記複数の燃料電池セルの前記ガス流路に送給され、前記第２分配送給部に送給された酸素含有ガスは前記第２分配送給部で分配されて前記複数のセル間流路に送給される固体酸化物形燃料電池システムであって、
前記燃料電池スタックの少なくとも片方の側面側には、前記所定方向に伸びる空間を形成するための空間形成部材が設けられ、前記空間形成部材は断熱材から構成され、前記燃料電池スタックの両側面における前記空間を除く部分は、断熱材により覆われており、
前記空間と前記複数のセル間流路との間には、ガス透過性を有する仕切り部材が配設され、前記仕切り部材によって、前記複数のセル間流路から前記空間に流れる酸素含有ガスの流量割合が設定され、
前記第２分配送給部にて分配されて前記複数のセル間流路を流れる酸素含有ガスは、その一部が前記複数のセル間流路を下流側に流れ、その残部が前記仕切り部材を通して前記空間に流入し、前記空間内を流れた後前記仕切り部材を通して再び前記複数のセル間流路に流入して下流側に流れることを特徴とする。
また、本発明の請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池システムでは、 柱状の燃料電池セルの複数個が所定方向に配設された燃料電池スタックと、前記複数の燃料電池セルの内部に設けられたガス流路に燃料ガスを分配送給するための第１分配送給部と、前記複数の燃料電池セルの間を複数のセル間流路として酸素含有ガスを分配送給するための第２分配送給部と、を備え、前記第１分配送給部に送給された燃料ガスは前記第１分配送給部にて分配されて前記複数の燃料電池セルの前記ガス流路に送給され、前記第２分配送給部に送給された酸素含有ガスは前記第２分配送給部で分配されて前記複数のセル間流路に送給される固体酸化物形燃料電池システムであって、
前記燃料電池スタックの少なくとも片方の側面側には、前記所定方向に伸びる空間を形成するための空間形成部材が設けられ、前記空間形成部材は断熱材から構成され、前記燃料電池スタックの両側面における前記空間を除く部分は、断熱材により覆われてり、
前記空間における酸素含有ガスの流れ方向の長さは、前記燃料電池スタックの前記所定方向の中央部がその両端部よりも長くなっており、
前記第２分配送給部にて分配されて前記複数のセル間流路を流れる酸素含有ガスは、その一部が前記複数のセル間流路を下流側に流れ、その残部が前記空間に流入し、前記空間内を流れた後再び前記複数のセル間流路に流入して下流側に流れることを特徴とする。
また、本発明の請求項３に記載の固体酸化物形燃料電池システムは、柱状の燃料電池セルの複数個が所定方向に配設された燃料電池スタックと、前記複数の燃料電池セルの内部に設けられたガス流路に燃料ガスを分配送給するための第１分配送給部と、前記複数の燃料電池セルの間を複数のセル間流路として酸素含有ガスを分配送給するための第２分配送給部と、を備え、前記第１分配送給部に送給された燃料ガスは前記第１分配送給部にて分配されて前記複数の燃料電池セルの前記ガス流路に送給され、前記第２分配送給部に送給された酸素含有ガスは前記第２分配送給部で分配されて前記複数のセル間流路に送給される固体酸化物形燃料電池システムであって、
前記燃料電池スタックの少なくとも片方の側面側には、前記所定方向に沿って上下方向に間隔をおいて複数の空間を形成するための空間形成部材が設けられ、前記空間形成部材は断熱材から構成され、前記燃料電池スタックの両側面における前記複数の空間を除く部分は、断熱材により覆われており、
前記第２分配送給部により前記複数のセル間流路に分配されて流れた酸素含有ガスは、その一部が前記複数のセル間流路を下流側に流れ、その残部が前記複数の空間のうち上流側にある一の空間に流れた後再び前記複数のセル間流路に流れ、また前記複数のセル間流路にて合流した酸素含有ガスの一部は、前記複数のセル間流路を下流側に流れ、その残部は、前記一の空間の下流側にて隣接する他の空間に流れた後再び前記複数のセル間流路を下流側に流れることを特徴とする。
また、本発明の請求項４に記載の固体酸化物形燃料電池システムでは、前記燃料電池スタックの前記複数のセル間流路と前記空間との間には、ガス透過性を有する仕切り部材が配設されていることを特徴とする。
また、本発明の請求項５に記載の固体酸化物形燃料電池システムでは、前記仕切り部材は、６００℃の環境において１ｃｍ2当たり１００Ｎｃｍ3／分の空気を流したときに１０〜２００Ｐａの圧力損失が生じる断熱材料から形成されていることを特徴とする。
更に、本発明の請求項６に記載の固体酸化物形燃料電池システムでは、前記燃料電池スタックの前記複数のセル間流路を流れる酸素含有ガスの流量と、前記空間を流れる酸素含有ガスの流量との比は、前記空間における酸素含有ガスの流れ方向に見て中央部位置にて１：９〜７：３であることを特徴とする。
本発明の請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、燃料電池スタックの少なくとも片方の側面側に空間を形成するための空間形成部材が設けられ、燃料電池スタックの両側面のこの空間を除く部分が断熱材で覆われているので、複数のセル間流路を流れる酸素含有ガス（例えば、空気）の一部は複数のセル間流路を下流側に流れ、その残部は空間に流れた後に再び複数のセル間流路に流れる。そして、この空間を流れる酸素含有ガスは空間を流れる間に温度の均一化が図られ、その後に複数のセル間流路に流れるので、この酸素含有ガスの温度均一化により燃料電池スタックの温度分布のバラツキが抑制され、これによって、燃料電池スタックの発電性能及び耐久性を高めることができる。
また、この空間と燃料電池スタックの複数のセル間流路との間にガス透過性の仕切り部材が配設されているので、この仕切り部材を適切に選択することによって、空間に流入する酸素含有ガスの流量を制御し、酸素含有ガスの複数のセル間流路を下流側に流れる流量と空間を流れる流量とを適正割合に管理することができる。
また、本発明の請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、燃料電池スタックの少なくとも片方の側面側には空間を形成するための空間形成部材が設けられ、燃料電池スタックの両側面のこの空間を除く部分が断熱材で覆われ、この空間における酸素含有ガスの流れ方向の長さは、燃料電池スタックの所定方向の中央部がその両端部よりも長くなっているので、この空間の長さの長い中央部に接するセル間流路は、その長さの短い両端部に接するセル間流路に比して酵素含有ガスの分配流量が多くなり、このように空間の酸素含有ガスの流れ方向の長さを変えることによって、それに対応するセル間流路を流れる酸素含有ガスの流量を調整することができる。
一般的に、燃料電池スタックの燃料電池セルが配設される所定方向における両端部はその中央部に比して放熱が大きくなり、両端部付近においては温度（所謂、セル温度）が低下する傾向にあるが、上述したように、燃料電池スタックの両端部に対応する空間の部位の長さを短くすることによって、かかる両端部の空間を流れる酸素含有ガスの流量を、その中央部の空間を流れる流量よりも少なくすることができる。その結果、燃料電池スタックの両端部が相対的に低温になることを回避することができ、燃料電池スタックの温度分布の均一化を図り、燃料電池スタックの発電性能及び耐久性を高めることができる。
また、本発明の請求項３に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、燃料電池スタックの少なくとも片方の側面側には、所定方向に沿って上下方向（換言すると、酸素含有ガスの流れ方向）に間隔をおいて複数の空間を形成するための空間形成部材が設けられ、燃料電池スタックの両側面のこの空間を除く部分が断熱材で覆われているので、第２分配送給部によりセル間流路に分配された酸素含有ガスの一部は、複数のセル間流路を下流側に流れ、その残部は、複数の空間のうち上流側にある一の空間を流れた後、再び複数のセル間流路に流れ、また複数のセル間流路にて合流した酸素含有ガスの一部は、複数のセル間流路を下流側に流れ、その残部は、一の空間に隣接する他の空間に流れた後、再び前記複数のセル間流路を下流側に流れる。このように複数の空間を酸素含有ガスが流れる間に温度の均一化が図られ、その後に複数のセル間流路に分配されるので、このように構成しても燃料電池スタックの温度分布のバラツキが抑制され、燃料電池スタックの発電性能及び耐久性を高めることができる。
また、本発明の請求項４に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、燃料電池スタックの複数のセル間流路と空間との間にガス透過性の仕切り部材が配設されているので、空間に流入する酸素含有ガスの流量を制御し、酸素含有ガスの複数のセル間流路を流れる流量と空間を流れる流量とを適正割合に管理することができる。
また、本発明の請求項５に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、仕切り部材は、６００℃の環境において１ｃｍ2当たり１００Ｎｃｍ3／分の空気を流したときに１０〜２００Ｐａの圧力損失が生じる断熱材料から形成されているので、酸素含有ガスの複数のセル間流路を流れる流量と空間を流れる流量とを所望の通りの適正割合に保つことができる。
更に、本発明の請求項６に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、燃料電池スタックの複数のセル間流路を流れる酸素含有ガスの流量と、空間を流れる酸素含有ガスの流量との比は、空間における酸素含有ガスの流れ方向に見て中央部位置にて１：９〜７：３であるので、セル間流路への酸素含有ガスの流量不足を回避しながら燃料電池スタックのより一層の温度均一化を図ることができる。
以下、添付図面を参照して、本発明に従う固体酸化物形燃料電池システムについて説明する。
第１の実施形態
まず、図１〜図４を参照して、第１の実施形態の固体酸化物形燃料電池システムについて説明する。図１は、第１の実施形態の固体酸化物形燃料電池システムを簡略的に示す断面図であり、図２は、図１の固体酸化物形燃料電池システムの燃料電池スタックを側面から見た断面図であり、図３は、図１の固体酸化物形燃料電池システムを正面から見た断面図であり、図４は、図３におけるＩＶ−ＩＶ線による断面図である。
図１及び図２において、図示の固体酸化物形燃料電池システムは、燃料電池反応を行う固体酸化物形燃料電池スタック２と、この燃料電池スタック２に供給される燃料ガスを改質するための改質器４とを備え、燃料電池スタック２及び改質器４が遮熱壁６で規定された高温空間８内に収容され、この高温空間８内には、燃料電池スタック２と遮熱壁６との間を断熱するための断熱材７（図３参照）が配設されている。
この燃料電池スタック２は、柱状の燃料電池セル１０の複数個を所定方向（図１及び図２において左右方向）に配設して構成されている。複数の燃料電池セル１０の内部にはガス流路（図示せず）が設けられ、各ガス流路は燃料電池セル１０の内部を下端から上端まで直線状に延びている。また、隣接する燃料電池セル１０の間をセル間流路１２とし、各セル間流路１２は隣接する燃料電池セル１０の間を下から上に向けて直線状に延びている。隣接する燃料電池セル１０の間、すなわちセル間流路１２には、これらを電気的に接続するセル間接続材１４が配設されている。このような燃料電池セル１０は、酸素イオンを伝導する固体電解質の両側に燃料ガス及び酸素含有ガス（例えば、空気）中の酸素をそれぞれ酸化、還元する機能を有する電極を取り付けており、電解質の材料としてはイットリアをドープしたジルコニアが用いられる。
改質器４は、脱硫処理された燃料ガスを改質反応させて水素及び一酸化炭素を含むガスに改質するものである。燃料供給源（図示せず）から供給される燃料ガスが燃料供給流路１６を通して改質器４に供給されるとともに、水供給源（図示せず）から供給される水または水蒸気が改質器４に供給され、この改質器４において水蒸気を用いた燃料ガスの改質反応が行われる。
燃料電池スタック２に関連して、改質された燃料ガスを分配送給するための第１分配送給部１８と、酸素含有ガス（例えば、空気）を分配送給するための第２分配送給部２０が設けられている。第１分配送給部１８は、燃料電池スタック２の一端から他端（図２において左端から図２において右端）まで延びる細長い第１分配ハウジング２２を備え、この第１分配ハウジング２２の他端部に流入部２４が設けられている。また、この第１分配ハウジング２２の上端面には燃料電池セル１０の各々に対応して接続管２６が設けられ、これら接続管２６が対応する燃料電池セル１０のガス流路（図示せず）に接続されている。このように構成されているので、改質器４にて改質された改質燃料ガスは燃料ガス送給流路２８を通して流入部２４から第１分配ハウジング２２内に流入し、この第１分配ハウジング２２から各接続管２６に分配されて燃料電池セル１０のガス流路を図１及び図２において下から上に向けて流れる。
また、第２分配送給部２０は、第１分配送給部１８と燃料電池スタック２との間に配設された第２分配ハウジング３０を備え、この第２分配ハウジング３０も燃料電池スタック２の上記一端から上記他端まで延びており、その一端部に流入部３２が設けられている。また、第２分配ハウジング３０の上面には、セル間流路１２の各々に対応して分配流出開口（図示せず）が設けられている。このように構成されているので、空気ファン３４により供給された酸素含有ガスとしての空気は、空気送給流路３６を通して流入部３２から第２分配ハウジング３０に流入し、この第２分配ハウジング３０から各分配流出開口を通して分配されて対応するセル間流路１２を図１及び図２において下から上に向けて流れる。なお、この第２分配送給部２０は、このような構成に限定されず、例えば、燃料電池スタック２と平行に一対の送給プレートを配設し、酸素含有ガスを一対の送給プレート間を通して送給し、それらの下端開口から複数のセル間流路１２に送給するようにしてもよい。
燃料電池スタック２の上端部には排気部３８が設けられ、複数のセル間流路１２を流れる酸素含有ガス及び複数の燃料電池セル１０を流れる燃料ガス（燃料電池反応により反応ガスとなるが、反応しない燃料ガスが一部残留している）が排気部３８内に排出され、この排気部３８内にて、反応ガス中に残存する燃料ガスが酸素含有ガス中の酸素によって燃焼され、このように燃焼された反応ガスが燃焼ガス排出流路４０を通して外部に排出される。
この固体酸化物形燃料電池システムでは、燃料電池スタック２の温度分布のバラツキを抑制するために、次の通りに構成されている。図３及び図４を参照して、この第１の実施形態では、燃料電池スタック２の両方の側面側に空間４２，４４が設けられ、これら空間４２，４４は、図３において左右対称に形成されている。断熱材７の内側には、燃料電池スタック２の片面の一部を囲むように断熱プレート（断熱材）４６，４８，５０，５２が設けられ、これら断熱プレート４６，４８，５０，５２の開口を覆うように断熱プレート（断熱材）５４が設けられ、断熱プレート４６，４８，５０，５２，５４によって密閉された空間４２が規定されている。このように構成されているので、断熱プレート４６，４８，５０，５２，５４により空間形成部材が構成される。また、燃料電池スタック２の他面側に設けられた空間４４も、上述した空間４２と同様に、空間形成部材を構成する断熱プレート（断熱材）（図３において断熱プレート４８，５２，５４のみを示す）により規定されている。なお、燃料電池スタック２の両面における空間４２，４４を除く部分は、断熱プレート（断熱材）５５により覆われて密封されている。
これらの空間４２，４４は、燃料電池スタック２における図３及び図４において上下方向（すなわち、上記所定方向に沿って上下方向）中間部に配設され、燃料電池スタック２の一端から他端まで所定方向に延び、燃料電池スタック２の実質上全幅（燃料電池セルの配設方向）にわたって設けられている。このように空間４２，４４を設けることによって、複数のセル間流路１２を流れる酸素含有ガスの一部が空間４２，４４に一時的に流入し、また流入した酸素含有ガスは空間４２，４４内を下流側に流れて複数のセル間流路１２に合流した後、セル間流路１２を下流側に流れる。
このように空間４２，４４を設けた場合、空間４２、４４を流れる流量とセル間流路１２を流れる流量を適正割合に設定するために、燃料電池スタック２の片面と一方の空間４２との間、またその他面と他方の空間４４との間に、ガス透過性を有する仕切り部材５６を設けることができる。なお、仕切り部材５６は断熱性のシート状部材から構成される。仕切り部材５６は、６００℃の環境において１ｃｍ2当たり１００Ｎｃｍ2／分の酸素含有ガス（例えば、空気）を流したときに１０〜２００Ｐａの圧力損失が生じる材料、より好ましくは３０〜８０Ｐａの圧力損失が生じる材料から形成される。この圧力損失が１０Ｐａより小さいと、セル間流路１２を流れる酸素含有ガスの多くが空間４２，４４を通して流れ、セル間流路１２において酸素含有ガスの不足が生じるおそれがあり、一方この圧力損失が２００Ｐａを超えると、空間４２，４４に流入する酸素含有ガスが少なくなり、酸素含有ガスによる燃料電池スタック２の温度均一化の効果が少なくなる。このような材料は、２０℃の環境において１ｃｍ2当たり１００Ｎｃｍ3／分の酸素含有ガス（例えば、空気）を流したときに２〜４０Ｐａの圧力損失が生じる。このような特性を有する仕切り部材５６としては、繊維状アルミナシリカ材から形成されたシート部材を好都合に用いることができる。
このような仕切り部材５６を設けることによって、燃料電池スタック２の複数のセル間流路１２を流れる酸素含有ガスの流量と、空間４２，４４を流れる酸素含有ガスの流量との比は、空間４２，４４における酸素含有ガスの流れ方向に見て中央部位置、すなわち図３において一点鎖線Ｐで示す位置にて１：９〜７：３である、更には２：８〜５：５であるのが好ましい。この比が１：９よりも小さくなると、セル間流路１２を流れる酸素含有ガスの量が少なくなり、セル間流路１２において酸素含有ガスの不足が生じるおそれがあり、一方この比が７：３を超えると、空間４２，４４に流入する酸素含有ガスが少なくなり、酸素含有ガスによる燃料電池スタック２の温度均一化の効果が少なくなる。
上述した固体酸化物形燃料電池システムでは、燃料電池スタック２の両方の側面側に空間形成部材により空間４２，４４が設けられているので、複数のセル間流路１２を流れる酸素含有ガスは、その一部が複数のセル間流路１２を下流側に流れ、かく流れる酸素含有ガス中の酸素が燃料電池セル１０内のガス流路（図示せず）を流れる燃料ガス（改質燃料ガス）との間の燃料電池反応に用いられる。また、この酸素含有ガスの残部がセル間流路１２から仕切り部材５６を通して空間４２，４４に流入し、この空間４２，４４内を流通する間に温度の均一化が図られる。そして、温度の均一化された酸素含有ガスが仕切り部材５６を通して再び複数のセル間流路１２に戻され、これらセル間流路１２を下流側に排気部３８に流れる。このように空間４２，４４において酸素含有ガスの温度均一化が図られた後にセル間流路１２に戻されるので、燃料電池スタック２に生じる温度分布が縮小され、これによって、燃料電池スタック２の作動温度が均一化され、燃料電池スタックの発電性能及び耐久性を高めることができる。
また、燃料電池スタック２の複数のセル間流路１２と空間４２，４４との間に仕切り部材５６が介在されているので、空間４２，４４に流入する酸素含有ガスの流量を制御し、酸素含有ガスの複数のセル間流路１２を流れる流量と空間４２，４４を流れる流量とを適正割合に管理することができ、複数のセル間流路１２を流れる酸素含有ガスの流量不足による燃料電池反応の低下、部分的な冷却不足による温度上昇などの発生を抑えることができる。
第２の実施形態
次いで、図５及び図６を参照して、第２の実施形態の固体酸化物形燃料電池システムについて説明する。図５は、第２の実施形態の固体酸化物形燃料電池システムを正面から見た断面図であり、図６は、図５の固体酸化物形燃料電池システムを側面から見た断面図である。なお、以下の実施形態において、上述した第１の実施形態と実質上同一の部材には同一の参照番号を付し、その説明を省略する。
図５及び図６において、この第２の実施形態においては、空間に関連して改良が施されている。更に説明すると、この実施形態では、断熱材７Ａの内面、すなわち燃料電池スタック２と対向する面にくぼみ部６２，６４が設けられ、その片面に対向する内面のくぼみ部６２によって一方の空間４２Ａが規定され、その他面に対向する内面のくぼみ部６４によって他方の空間４４Ａが規定されている。すなわち、この断熱材７Ａ（くぼみ部６２，６４）により空間形成部材を構成している。そして、断熱材７Ａのくぼみ部６２，６４により空間４２Ａ，４４Ａを規定することによって、空間４２Ａ，４４Ａを規定するための専用の空間形成部材を省略することができ、固体酸化物形燃料電池システム自体の構成を簡単にすることができる。
第２の実施形態においても、空間４２Ａ，４４Ａは、燃料電池スタック２における図５及び図６において上下方向（すなわち、燃料電池セル１０が配設される所定方向に沿って上下方向）中間部に配設され、燃料電池スタック２の一端から他端まで上記所定方向に延び、燃料電池スタック２の実質上全幅（燃料電池セルの配設方向）にわたって設けられている。
この空間４２Ａ，４４Ａに関連して、更に、この空間４２Ａ，４４Ａにおける酸素含有ガスの流れ方向（図５及び図６において上下方向）の長さは、燃料電池スタック２の所定方向（図５において紙面に垂直な方向、図６において左右方向）の中央部がその両端部よりも長くなっている。この形態では、図６に示すように、空間４２Ａ，４４Ａの燃料電池セルの配設方向における両端部において、上下方向の幅が上端側及び下端側において両側に向けてテーパ状に漸減するように形成され、このように形成することによって、空間４２Ａ，４４Ａの長さ（図５及び図６において上下方向の長さ）が、燃料電池スタック２の所定方向の中央部がその両端部よりも長くなっている。なお、上述するような構成に限定されず、空間４２Ａ，４４Ａの両端部において、上下方向の幅が上端側及び下端側において弧状に漸減するようにしてもよく、或いは空間４２Ａ，４４Ａの両端部において、それらの上端側及び下端側のいずれか一方においてテーパ状に又は弧状に漸減するようにしてもよい。この第２の実施形態のその他の構成は、上述した第１の実施形態と実質上同一である。
この第２の実施形態においては、空間４２Ａ，４４Ａにおける酸素含有ガスの流れ方向の長さ（図５及び図６において上下方向の長さ）は、燃料電池スタック２の所定方向の中央部がその両端部よりも長くなっているので、この空間４２Ａ，４４Ａの長さの長い中央部に接するセル間流路１２は、その長さの短い両端部に接するセル間流路１２に比して酸素含有ガスの分配流量が多くなり、空間４２Ａ，４４Ａの酸素含有ガスの流れ方向の長さを変えることによって、それに対応するセル間流路１２を流れる酸素含有ガスの流量を調整することができる。
第２の実施形態の燃料電池スタック２では、燃料電池セルの配設方向における両端部はその中央部に比して放熱が大きくなり、両端部付近においては温度（所謂、セル温度）が低下する傾向にあるが、上述したように構成することによって、燃料電池スタック２の両端部のセル間流路を流れる酸素含有ガスの流量が少なくなり、その結果、燃料電池スタック２の両端部が相対的に低温になることを回避でき、燃料電池スタックの温度分布の均一化を図ることができる。
この第２の実施形態では、第１の実施形態と同様に、燃料電池スタック２の複数のセル間流路１２と空間４２Ａ，４４Ａとの間に仕切り部材５６を設け、この仕切り部材５６によって、複数のセル間流路１２を流れる酸素含有ガスの流量と空間４２Ａ，４４Ａを流れる酸素混合ガスの流量とを管理しているが、空間４２Ａ，４４Ａの流れ方向の長さを適宜設定することによってこれらの流量を管理できる場合、上述した仕切り部材５６を省略してもよい。
第３の実施形態
次に、図７及び図８を参照して、第３の実施形態の固体酸化物形燃料電池システムについて説明する。図７は、第３の実施形態の固体酸化物形燃料電池システムを正面から見た断面図であり、図８は、図７の固体酸化物形燃料電池システムを側面から見た断面図である。
図７及び図８において、この第３の実施形態でも、空間に関連して改良が施されている。更に説明すると、この実施形態では、燃料電池スタック２の両方の側面側に、燃料電池セル１０が配設された所定方向（図７において紙面に垂直な方向、図８において左右方向）に沿って上下方向、すなわち酸素含有ガスの流れ方向に間隔をおいて複数の空間が設けられている。なお、図７及び図８においては、燃料電池スタック２の両方の側面側に、それぞれ２つの空間を設けている例を示している。なお、以降の説明においては、酸素含有ガスの流れ方向に沿って上流側を第１空間（４２Ｂ，４４Ｂ）、下流側を第２空間（４３Ｂ，４５Ｂ）として説明する。
第１空間４２Ｂ，４４Ｂ及び第２空間４３Ｂ，４５Ｂは、第１の実施形態と同様に、断熱プレート（断熱材）７２，７４，７６，７８により規定され、また燃料電池スタック２の両面における第１空間４２Ｂ，４４Ｂ及び第２空間４３Ｂ，４５Ｂを除く部分は、断熱プレート（断熱材）８０により覆われて密封されている。なお、第３の実施形態においては、上記断熱プレート（断熱材）が空間形成部材の役割を果たしている。
第１空間４２Ｂ，４４Ｂ及び第２空間４３Ｂ，４５Ｂは、第２の実施形態と同様の形状をし、第１空間４２Ｂ，４４Ｂ及び第２空間４３Ｂ，４５Ｂにおける酸素含有ガスの流れ方向の長さは、燃料電池スタック２の上記所定方向の中央部がその両端部よりも長くなっており、従って、第１空間４２Ｂ，４４Ｂ及び第２空間４３Ｂ，４５Ｂは、第２の実施形態における空間４２Ａ，４４Ａと同様の作用効果が達成される。第３の実施形態の固体酸化物形燃料電池システムにおけるその他の構成は、上述した第１の実施形態と実質上同一である。
この第３の実施形態の固体酸化物形燃料電池システムにおいては、燃料電池スタック２の両方の側面側に、上記所定方向に沿って上下方向に間隔をおいて第１空間４２Ｂ，４４Ｂ及び第２空間４３Ｂ，４５Ｂが設けられているので、第２分配送給部２０により分配送給された酸素含有ガスの一部は、燃料電池スタック２の複数のセル間流路１２を下流側に流れ、その残部は、第１空間４２Ｂ，４４Ｂに流入し、かく流入した酸素含有ガスはこの第１空間４２Ｂ，４４Ｂを流れる間に温度の均一化が図られた後、再び複数のセル間流路１２に流れる。そして、このようにしてセル間流路１２を流れる酸素含有ガスの一部は、複数のセル間流路１２を更に下流側に流れ、その残部は、第２空間４３Ｂ，４５Ｂに流入し、かく流入した酸素含有ガスはこの第２空間４３Ｂ，４５Ｂを流れる間に温度の均一化が図られた後、再び複数のセル間流路１２に流れ、これらセル間流路１２を通して排気部３８に流れる。このように第１空間４２Ｂ，４４Ｂ及び第２空間４３Ｂ，４５Ｂにおいて酸素含有ガスの温度均一化が図られた後にセル間流路１２に戻されるので、燃料電池スタック２に生じる温度分布がより効果的に縮小され、これによって、燃料電池スタック２の作動温度が一層均一化される。
この第３の実施形態においても、第１及び第２の実施形態と同様に、燃料電池スタック２の複数のセル間流路１２と第１空間４２Ｂ，４４Ｂとの間に、またこれらセル間流路１２と第２空間４３Ｂ，４５Ｂとの間に、ガス透過性の仕切り部材を設けるようにしてもよい。
以上、本発明に従う固体酸化物形燃料電池システムの実施形態について説明したが、本発明はこれら実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変形乃至修正が可能である。
例えば，上述した第３の実施形態では、燃料電池スタックの両方の側面側に所定方向に沿って上下方向（換言すると、酸素含有ガスの流れ方句）に間隔をおいて二つの空間（第１及び第２空間）を設けているが、このような空間は、上記所定方向に沿って上下方向に間隔をおいて三つ以上設けるようにしてもよい。
また、例えば、上述した第１〜第３の実施形態では、酸素含有ガスの流れが安定するように燃料電池スタックの両方の側面側に空間を設けているが、かかる空間は必ず両方の側面側に設ける必要はなく、その片方の側面側に空間を設けることによって所望の効果を得ることができる。
第１の実施形態の固体酸化物形燃料電池システムを簡略的に示す断面図。 図１の固体酸化物形燃料電池システムの燃料電池スタックを側面から見た断面図。 図１の固体酸化物形燃料電池システムを正面から見た断面図。 図３におけるＩＶ−ＩＶ線による断面図。 第２の実施形態の固体酸化物形燃料電池システムを正面から見た断面図。 図５の固体酸化物形燃料電池システムを側面から見た断面図。 第３の実施形態の固体酸化物形燃料電池システムを正面から見た断面図。 図７の固体酸化物形燃料電池システムを側面から見た断面図。
符号の説明
２ 燃料電池スタック
７，７Ａ 断熱材
１０ 燃料電池セル
１２ セル間流路
１４ セル間接続材
１８ 第１分配送給部
２０ 第２分配送給部
４２，４２Ａ，４４，４４Ａ 空間
４２Ｂ，４４Ｂ 第１空間
４３Ｂ，４５Ｂ 第２空間
５６ 仕切り部材

Claims (6)

  1. 柱状の燃料電池セルの複数個が所定方向に配設された燃料電池スタックと、前記複数の燃料電池セルの内部に設けられたガス流路に燃料ガスを分配送給するための第１分配送給部と、前記複数の燃料電池セルの間を複数のセル間流路として酸素含有ガスを分配送給するための第２分配送給部と、を備え、前記第１分配送給部に送給された燃料ガスは前記第１分配送給部にて分配されて前記複数の燃料電池セルの前記ガス流路に送給され、前記第２分配送給部に送給された酸素含有ガスは前記第２分配送給部で分配されて前記複数のセル間流路に送給される固体酸化物形燃料電池システムであって、
    前記燃料電池スタックの少なくとも片方の側面側には、前記所定方向に伸びる空間を形成するための空間形成部材が設けられ、前記空間形成部材は断熱材から構成され、前記燃料電池スタックの両側面における前記空間を除く部分は、断熱材により覆われており、
    前記空間と前記複数のセル間流路との間には、ガス透過性を有する仕切り部材が配設され、前記仕切り部材によって、前記複数のセル間流路から前記空間に流れる酸素含有ガスの流量割合が設定され、
    前記第２分配送給部にて分配されて前記複数のセル間流路を流れる酸素含有ガスは、その一部が前記複数のセル間流路を下流側に流れ、その残部が前記仕切り部材を通して前記空間に流入し、前記空間内を流れた後前記仕切り部材を通して再び前記複数のセル間流路に流入して下流側に流れることを特徴とする固体酸化物形燃料電池システム。
  2. 柱状の燃料電池セルの複数個が所定方向に配設された燃料電池スタックと、前記複数の燃料電池セルの内部に設けられたガス流路に燃料ガスを分配送給するための第１分配送給部と、前記複数の燃料電池セルの間を複数のセル間流路として酸素含有ガスを分配送給するための第２分配送給部と、を備え、前記第１分配送給部に送給された燃料ガスは前記第１分配送給部にて分配されて前記複数の燃料電池セルの前記ガス流路に送給され、前記第２分配送給部に送給された酸素含有ガスは前記第２分配送給部で分配されて前記複数のセル間流路に送給される固体酸化物形燃料電池システムであって、
    前記燃料電池スタックの少なくとも片方の側面側には、前記所定方向に伸びる空間を形成するための空間形成部材が設けられ、前記空間形成部材は断熱材から構成され、前記燃料電池スタックの両側面における前記空間を除く部分は、断熱材により覆われており、
    前記空間における酸素含有ガスの流れ方向の長さは、前記燃料電池スタックの前記所定方向の中央部がその両端部よりも長くなっており、
    前記第２分配送給部にて分配されて前記複数のセル間流路を流れる酸素含有ガスは、その一部が前記複数のセル間流路を下流側に流れ、その残部が前記空間に流入し、前記空間内を流れた後再び前記複数のセル間流路に流入して下流側に流れることを特徴とする固体酸化物形燃料電池システム。
  3. 柱状の燃料電池セルの複数個が所定方向に配設された燃料電池スタックと、前記複数の燃料電池セルの内部に設けられたガス流路に燃料ガスを分配送給するための第１分配送給部と、前記複数の燃料電池セルの間を複数のセル間流路として酸素含有ガスを分配送給するための第２分配送給部と、を備え、前記第１分配送給部に送給された燃料ガスは前記第１分配送給部にて分配されて前記複数の燃料電池セルの前記ガス流路に送給され、前記第２分配送給部に送給された酸素含有ガスは前記第２分配送給部で分配されて前記複数のセル間流路に送給される固体酸化物形燃料電池システムであって、
    前記燃料電池スタックの少なくとも片方の側面側には、前記所定方向に沿って上下方向に間隔をおいて複数の空間を形成するための空間形成部材が設けられ、前記空間形成部材は断熱材から構成され、前記燃料電池スタックの両側面における前記複数の空間を除く部分は、断熱材により覆われており、
    前記第２分配送給部により前記複数のセル間流路に分配されて流れた酸素含有ガスは、その一部が前記複数のセル間流路を下流側に流れ、その残部が前記複数の空間のうち上流側にある一の空間に流れた後再び前記複数のセル間流路に流れ、また前記複数のセル間流路にて合流した酸素含有ガスの一部は、前記複数のセル間流路を下流側に流れ、その残部は、前記一の空間の下流側にて隣接する他の空間に流れた後再び前記複数のセル間流路を下流側に流れることを特徴とする固体酸化物形燃料電池システム。
  4. 前記燃料電池スタックの前記複数のセル間流路と前記空間との間には、ガス透過性を有する仕切り部材が配設されていることを特徴とする請求項２又は３に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
  5. 前記仕切り部材は、６００℃の環境において１ｃｍ2当たり１００Ｎｃｍ3／分の空気を流したときに１０〜２００Ｐａの圧力損失が生じる断熱材料から形成されていることを特徴とする請求項１又は４に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
  6. 前記燃料電池スタックの前記複数のセル間流路を流れる酸素含有ガスの流量と、前記空間を流れる酸素含有ガスの流量との比は、前記空間における酸素含有ガスの流れ方向に見て中央部位置にて１：９〜７：３であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池システム。
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