JP5343111B2

JP5343111B2 - 燃料電池

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Publication number: JP5343111B2
Application number: JP2011182818A
Authority: JP
Inventors: 孝小野
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2004-07-13
Filing date: 2011-08-24
Publication date: 2013-11-13
Anticipated expiration: 2025-07-13
Also published as: JP2012023043A

Description

本発明は、ハウジング内に、ガス通路を有する複数の燃料電池セルを収納するとともに、燃料電池セルのガス通路に燃料ガスを供給する燃料ガスケースと、燃料電池セルの外部に酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給手段と、燃料電池セルのガス通路内に供給する燃料ガスを生成するための改質ケースとを具備する燃料電池に関する。

次世代エネルギーとして、近年、固体高分子形、リン酸形、溶融炭酸塩形及び固体電解質形等の種々の形の燃料電池発電システムが提案されている。特に、固体電解質形燃料電池発電システムは、作動温度が高いが、発電効率が高い、排熱利用が可能である等の利点を有しており、研究開発が推し進められている。

燃料電池発電システムの典型例においては、下記特許文献１に記載されているように、発電・燃焼室を規定するハウジングと、このハウジング内に配設されたセルスタックとを含む燃料電池組立体が装備されている。かかる燃料電池組立体には、セルスタックに燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段、セルスタックに空気を供給するための空気供給手段、及び発電・燃焼室から燃焼ガスを排出するための燃焼ガス排出手段も付設されている。

特開２０００−１８２６４１号公報

上述した燃料電池では発電する場合、セルスタックを収納する発電室内の中心部温度が所望の発電室温度以上に上昇する現象が発生する場合がある。これは、燃料電池セルに電流を流して発電させることにより、燃料電池セルの発電部分にジュール熱と反応熱が発生し、その熱が燃料電池セル集合体の中心部（発電室の中心部）に留まることから発生する現象である。従って、燃料電池運転時の発電室内では、燃料電池セル集合体の中心部の温度が高く、周辺部は温度が低いといった温度分布が発生する。本発明者の実験では、燃料電池セル２００本で１ＫＷ発電するため、５０本の燃料電池セルからなるスタックを４列配列して燃料電池セル集合体を構成した場合、燃料電池セル集合体の中央部と外周部の温度差は２００℃にも達していた。

このような燃料電池セル集合体では、温度の低い外周部よりも温度の高い中央部の方が、例えば燃料電池セルの一部を構成する構成部材、燃料電池セル間を電気的に接続する集電部材、さらには、集電部材と燃料電池セルとの間の接合材料が熱により経時的に劣化し易く、燃料電池の寿命は中央部の燃料電池セルの状態に支配され、燃料電池の寿命が短くなる傾向にあった。

一般に、固体電解質形燃料電池は、温度が高いと発電性能が高く、逆に温度が低いと発電性能も低くなる傾向があるので、燃料電池の運転において、発電温度、即ち燃料電池セル集合体（発電室）の温度は重要な設計要素となる。従って、発電する際、燃料電池セル集合体の中央部と外周部において、温度分布があると、燃料電池セル集合体の中心部では発電効率が高いものの、外周部では発電効率が低くなり、全体としての発電効率は、発電効率が低い燃料電池セル集合体の外周部に支配され低下するという問題があった。即ち、
発電効率を高めるためには、燃料電池セル集合体の中央部、外周部の温度をほぼ等しくすることが最も望ましい。

このような問題は、１０ＫＷ以下の燃料電池、特に家庭用として用いられる燃料電池において顕著であった。即ち、家庭用で用いられる燃料電池は小型で高効率化が要求されるため、燃料電池セル間の間隔が短く、燃料電池セルの密集度が高いため、燃料電池セル集合体内で温度分布が生じやすい。

本発明は、燃料電池セル集合体の温度をほぼ均一に制御できる燃料電池を提供することを目的とする。

本発明の燃料電池は、ハウジング内に、燃料ガスケースと、該燃料ガスケース上に２列並列して配置されており、ガス通路を有する複数の燃料電池セルが所定間隔をおいて配列されてなるセルスタックと、前記ハウジング内の上部に配置され、外部から酸素含有ガスが供給される酸素含有ガス室と、該酸素含有ガス室から垂下して、前記セルスタック間に配置され、前記燃料電池セルの外部に酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給手段と、前記２列並列された前記セルスタックの上方に配置され、Ｕ字状でかつ前記燃料ガスケースを介して前記燃料電池セルのガス通路内に供給する燃料ガスを生成するための改質ケースと、を備えるとともに、前記酸素含有ガス供給手段は、中空板状であって、側面の下端部に噴出孔を有しており、該噴出孔の形成ピッチが、セルスタックの両端部よりも中央部において短いとともに、前記Ｕ字状の改質ケースの間を垂下して、前記セルスタック間に配置されていることを特徴とする。

このような燃料電池では、２列のセルスタックの間に酸素含有ガス供給手段を配設することにより、それぞれのセルスタックの両端部よりも中央部に酸素含有ガスを多く供給することができ、それぞれのセルスタックの中心部と外周部における温度を均一化できる。これにより、発電室内の温度分布が低減されることになり、燃料電池セルの構成部材の劣化を防止できるとともに、発電効率を向上できる。また、セルスタックは２列であるためハウジング内を簡素化できる。

本発明の燃料電池は、酸素含有ガス供給手段により供給される酸素含有ガス供給量が、それぞれのセルスタックの外周部よりも中央部が多いため、セルスタックの中心部と外周部における温度を均一化でき、これにより、発電室内の温度分布が低減されることになり、発電効率を向上できるとともに、燃料電池自体の寿命を向上できる。

燃料電池の参考実施形態を示す断面図。空気室内から見た空気供給管の配設パターンを示すもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は分解斜視図。図１の燃料電池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。空気供給管の内径を変更した参考形態を示すもので、空気室内から見た空気供給管の配設パターンを示す平面図。中空板状の空気供給管を用いた参考形態を示すもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は中央部において噴出孔形成ピッチが短い中空板状の空気供給管を示す斜視図、（ｃ）は中央部における噴出孔の孔径が大きい中空板状の空気供給管を示す斜視図。２列のセルスタックの外側に空気供給管列を配設した参考形態を示すもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図。２列のセルスタック間に空気供給管列を配設した本発明の形態を示す平面図。

以下、燃料電池を図１、２及び図３を参照して説明する。図示の燃料電池は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（図示せず）及び後断熱壁（図示せず）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。

前断熱壁及び／又は後断熱壁は着脱自在或いは開閉自在に装着されており、前断熱壁及び／又は後断熱壁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（酸素含有ガス室）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）を送り込むための多数の空気供給管（酸素含有ガス供給手段）２２ａの上端が連通している。空気供給管２２ａａの形状は円筒や中空板構造などが考えられる。図１、２では円筒の空気供給管２２ａａを記載した。空気供給管２２ａ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。空気供給管２２ａａ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。

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（図示せず）及び後蓄熱壁（図示せず）、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、４４ｅ、４４ｆは、密度が前記断熱材４、６、８、９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と蓄熱壁４４ａ、４４ｂ、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の密度は０．２６ｇ／ｃｍ^３以下、蓄熱壁４４ａ、４４ｂ、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（酸素含有ガス室）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、上述した空気供給管２２ａａ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、空気供給管２２ａａが配設されている。

そして、図２に示すように、酸素含有ガス供給手段である同一内径の空気供給管２２ａａを多数有しており、これらの空気供給管２２ａａは、燃料電池セル集合体Ａの外周部よりも中央部に多く配設されている。これにより、空気供給管２２ａａにより供給される空気供給量は、燃料電池セル集合体Ａの外周部よりも中央部が多くなっている。

即ち、複数の燃料電池セル６２が一列に配設されてセルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄが構成され、複数のセルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄが、複数の燃料電池セル６２が行列をなすように（燃料電池セルの配列方向と直角をなす方向に）所定間隔を置いて配列されており、セルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄ間に空気供給管２２ａにより空気が供給されるように構成されている。

複数の空気供給管２２ａは、それぞれのセルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄ間、及びセルスタック６０ａ、６０ｄの外側（燃料電池セル集合体Ａの外側）に、かつ燃料電池セル６２の配列方向に一列に配設されており、両側（燃料電池セル集合体Ａの外側）に配置された空気供給管２２ａのピッチ（配設間距離）は同一であり、セルスタック６０ａ、６０ｂ間、セルスタック６０ｃ、６０ｄ間に配置された空気供給管２２ａａのピッチは、その燃料電池セルの配列方向中央部が、その両側（図２の上下）におけるピッチよりも狭くされ、セルスタック６０ｂ、６０ｃ間に配置された空気供給管２２ａのピッチは、その燃料電池セルの配列方向中央部が、その両側（図２の上下）におけるピッチよりも狭くされ、かつ、ピッチの狭い範囲がセルスタック６０ａ、６０ｂ間、セルスタック６０ｃ、６０ｄ間よりも広い領域とされている。空気供給管２２ａａの配設間距離は、中央部にいくほど短い方が望ましい。

燃料電池セル６２は、燃料ガス通路７４が長さ方向に貫通して設けられており、該燃料電池セル６２は、後述するように、燃料ガスケース５８ａの上面上に立設して設けられている。

空気供給管２２ａａの接続構造を具体的に説明すると、図２（ｂ）に示すように、空気供給管２２ａａが一列に配設された状態で、その一端部が板状体１７ａに固定された配管集合体１８を複数作製するとともに、空気室１６を構成するケース１７のセルスタック側の壁１７ｂに、セルスタック間の空間に位置する部分にスリット１７ｃをそれぞれ形成し、該スリット１７ｃに配管集合体１８の空気供給管２２ａをそれぞれ挿入し、配管集合体
１８の板状体１７ａをセルスタック壁１７ｂの上面に当接し固定されている。

空気供給管２２ａａは断面がリング状をなしており、円筒状とされ、空気供給管２２ａａ内部を上から下へと空気を供給し、燃料電池セル６２内部を下から上へと燃料ガスが供給される。

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（一列）して構成されている。図５に明確に図示する如く、中空平板状のセル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。燃料電池セル６２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、後断熱壁、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のセル６２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８００℃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の前断熱壁或いは後断熱壁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、空気供給管２２ａ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、空気供給管２２ａ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。

また、空気室１６内の空気温度は、熱交換器２４を通過して予熱された空気であるため、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を延ばすことができる。

さらに、ハウジング２内であってセル集合体の周囲に、右側蓄熱壁４４ａ、左側蓄熱壁４４ｂ、前蓄熱壁及び後蓄熱壁、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、前断熱壁及び後断熱壁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、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。

そして、空気供給管２２ａａを、燃料電池セル集合体Ａの外周部よりも中央部に多く配設したため、空気供給量を燃料電池セル集合体Ａの外周部よりも中央部を多くし、燃料電池セル集合体Ａの中心部の温度を外周部よりも低温の空気により効果的に冷却し、燃料電池セル集合体Ａの中心部と外周部における温度を均一化でき、燃料電池セル集合体Ａ内の温度分布が低減され、寿命を向上できるとともに、発電効率を向上できる。

尚、燃料電池セル集合体Ａの中心部とは、複数の燃料電池セルが１列に配列されたセルスタックを、３列以上配列した場合には、中央列のセルスタックにおける中央の燃料電池セル及びその近傍をいうもので、その中央部を取り巻くように外周部が形成されるものである。

特に、多数の燃料電池セル６２を集電部材７６により電気的に接続したが、このような燃料電池では、燃料電池セル集合体Ａが加熱されやすいため、好適に用いることができる。

以上、添付図面を参照して参考形態について詳細に説明したが、かかる参考形態に限定されるものではなく、種々の変形乃至修正が可能であることは多言するまでもない。

例えば、セルスタックの上方に特定の改質ケースを備えた燃料電池組立体に関連せしめて説明したが、改質ケースがセルスタックの上方以外の場合でも適用することが出来る。また、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。

また、上記形態では、同一内径の空気供給管２２ａを用いて、配設パターンを変更することにより、燃料電池セル集合体Ａの温度の均一化を図ったが、図６に示すように、多数の空気供給管２２ｂを燃料電池セル集合体Ａに均等に配設するとともに、燃料電池セル集合体Ａの中央部に配設された空気供給管２２ｂによる空気供給量を、燃料電池セル集合体Ａの外周部に配設された空気供給管２２ｂによる空気供給量よりも多くするようにしてもよい。

即ち、図６に示すように、複数の空気供給管２２ｂを、それぞれのセルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ、６０ｄ間、及びセルスタック６０ａ、６０ｄの外側（燃料電池セル集合体Ａの外側）に、かつ燃料電池セル６２の配列方向に一列に均等のピッチ（空気供給管２２ｂの中心点間距離が同一）で配設されており、両側（燃料電池セル集合体Ａの外側）に配置された空気供給管２２ａｂの内径（図６では外形形状のみ記載）は同一であり、セルスタック６０ａ、６０ｂ間、セルスタック６０ｃ、６０ｄ間に配置された空気供給管２２ｂの内径は、その燃料電池セル６２の配列方向中央部の４本の空気供給管２２ｂが大きく、その両側（図６の上下）の２本が小さくされ、セルスタック６０ｂ、６０ｃ間に配置された空気供給管２２ｂの内径は、その燃料電池セル６２の配列方向中央部の６本が大きく、その両側（図６の上下）の１本が小さくされている。

このような燃料電池でも、上記形態と同様にして作製することができ、上記形態とほぼ同様の効果を得ることができる。さらに、この場合には、配設ピッチが同一であるため、上記図２の形態よりも作製が容易となる。

また、上記形態では、図２に示したように、複数の円筒状の空気供給管２２ａを一列に配列し、これをセルスタック間等に配置したが、図７に示すように、複数の円筒状の空気供給管の代わりに中空板状の空気供給管２２ｃを用いても良い。

この中空板状の空気供給管２２ｃには、図７（ｂ）、（ｃ）に示すように、側面に多数の噴出孔１１１が形成されており、中空板状の空気供給管２２ｃ内部の空気が、噴出孔１１１を介してセルスタックの燃料電池セル６２間に向けて噴出されるようになっている。

即ち、それぞれのセルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ、６０ｄ間、及びセルスタック６０ａ、６０ｄの外側（燃料電池セル集合体Ａの外側）に、かつ燃料電池セル６２の配列方向に延びる中空板状の一枚の空気供給管２２ｃが配置されており、両側（燃料電池セル集合体Ａの外側）に配置された中空板状の空気供給管２２ａｃには、その片側側面に均等のピッチで噴出孔１１１が形成されており、セルスタック６０ａ、６０ｂ間、セルスタッ
ク６０ｃ、６０ｄ間に配置された中空板状の空気供給管２２ａｃには、その両側側面に噴出孔が形成されており、図７（ｂ）に示すように、燃料電池セル６２の配列方向中央部に位置する噴出孔１１１の形成ピッチが短くされ、さらにセルスタック６０ｂ、６０ｃ間に配置された空気供給管２２ａｃには、その両側側面に噴出孔が形成されており、図示しないが、セルスタック６０ａ、６０ｂ間、セルスタック６０ｃ、６０ｄ間に配置された空気供給管２２ａよりも広い範囲で、燃料電池セル６２の配列方向中央部に位置する噴出孔１１１の形成ピッチが短くされている。尚、図７（ｃ）に示すように、噴出孔１１１の孔径を変化させても良い。空気供給方向及び供給量を波線の矢印で示す。

このような燃料電池であっても、上記形態と同様の効果を得ることができるとともに、空気供給管２２ｃを５枚配置するだけであり、ハウジング内が簡略化されるとともに、作製も容易となる。

また、上記形態では、ハウジング内に、燃料電池セル６２を所定間隔で一列に配列したセルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ、６０ｄを、４列配列した燃料電池セル集合体Ａを有する場合について説明したが、図８に示すように、ハウジング内に、燃料電池セル６２を所定間隔で一列に配列したセルスタック１２０ａ、１２０ｂを、２列配列した燃料電池セル集合体Ａを有する場合であっても良い。この場合には、空気供給管２２ａを燃料電池セル集合体Ａの外側（２つのスタックを介して対向する位置）に、燃料電池セル６２の配列方向に所定間隔を置いて一列に配列するとともに、その空気供給管列の中央部における空気供給管ピッチを短くし、並設されたセルスタック１２０ａ、１２０ｂの中央部に、燃料電池セル集合体Ａの外側から空気を多く供給することにより、上記形態と同様の効果を得ることができる。

この場合には、ハウジング内が簡素化されるとともに、セルスタック１２０ａ、１２０ｂ間に空気供給管を配置しないため、図８（ｂ）に示すように、２つのセルスタック１２０ａ、１２０ｂ上方に配置される１つの改質ケース１７８を共用することができる。さらに、２つのセルスタック１２０ａ、１２０ｂを１つの燃料ガスケース１５８に設けることも可能である。

尚、この図８からも理解されるように、燃料電池セル集合体Ａの中央部は、２列のセルスタック１２０ａ、１２０ｂを有する場合であっても存在するもので、セルスタックを２列形成した場合には、それぞれのセルスタックの中央のセル及びその近傍をいうもので、この中央部のセル配列方向両側に、中央部を介して対向するように外周部が形成される。

特にセルスタックを３列以上配列した場合には、燃料電池セル集合体Ａの中央部が加熱しやすいため、好適に用いることができる。一方、図８に示すような場合であっても、セルスタック間距離を狭め、燃料電池セル間距離を狭め、ハウジングの小型化が図られており、この場合にも、セルスタック１２０ａ、１２０ｂの中央部が加熱し易くなるため、本発明を好適に用いることができる。

また、図９に示すように、２つのセルスタック１２０ａ、１２０ｂ間にのみ、空気供給管２２ａを所定間隔をおいて配列した一列の空気供給管列を配置し、その中央部における空気供給管ピッチを狭くすることによっても、上記形態と同様の効果を得ることができる。この場合には、２つのセルスタック１２０ａ、１２０ｂの上方に配置される改質ケースをＵ字状とし、その間に空気供給管２２ａを配置することにより、１つの改質ケースを共用することができる。さらにまた、１つの燃料ガスケースに２つのセルスタックを設けることもできる。

なお、図８、９の場合には、円筒状の空気供給管２２ａを用いて、空気供給管ピッチを
変更することにより、燃料電池セルへの空気供給量を制御した例について説明したが、空気供給管を等ピッチで配列し、その内径を変更することにより、燃料電池セルへの空気供給量を制御することもできる、さらに、図７に示したように、中空板状の空気供給管を用いることもできる。この場合には、２枚の中空板状の空気供給管を、２つのセルスタックに沿って配設し、もしくはセルスタック間に中空板状の空気供給管を配設することにより、中空板状の空気供給管に沿ったセルスタックの燃料電池セルに空気を供給することができ、多数の円筒状の空気供給管をハウジング内に設ける場合と比較して製造が容易となり、ハウジング内を簡略化できる。

さらに、上記形態では、燃料電池セルの上方で燃料ガスと空気が反応して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本発明を適用できるが、燃焼させるタイプの場合には、ハウジング内がより高温となりやすいため、本発明を好適に用いることができる。

また、上記形態では、円筒状の空気供給管を用いて、最下端の開口から空気を下方に向けて供給する場合について説明したが、側方に配置されている燃料電池セルに空気を噴出するため、円筒状の空気供給管の側面から空気が噴出されるようにしても良い。

また、上記形態では、空気を空気供給管を用いて上方から下方に向けて供給する場合について説明したが、本発明では、下方から上方に向けて供給する場合であっても良い。

２：ハウジング
１２：発電・燃焼室
１６：空気室（ガス室）
１７ａ：板状体
１７ｂ：ケース１７のセルスタック側壁
１７ｃ：セルスタック側壁のスリット
２２ａ、２２ｂ、２２ｃ：空気供給管（ガス供給管）
２４：熱交換器
６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄ、１２０ａ、１２０ｂ：セルスタック
６２：燃料電池セル
７４：燃料ガス通路
７８ａ、７８ｂ、７８ｃ及び７８ｄ、１７８：改質ケース
Ａ：燃料電池セル集合体

Claims

ハウジング内に、
燃料ガスケースと、
該燃料ガスケース上に２列並列して配置されており、ガス通路を有する複数の燃料電池セルが所定間隔をおいて配列されてなるセルスタックと、
前記ハウジング内の上部に配置され、外部から酸素含有ガスが供給される酸素含有ガス室と、
該酸素含有ガス室から垂下して、前記セルスタック間に配置され、前記燃料電池セルの外部に酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給手段と、
前記２列並列された前記セルスタックの上方に配置され、Ｕ字状でかつ前記燃料ガスケースを介して前記燃料電池セルのガス通路内に供給する燃料ガスを生成するための改質ケースと、
を備えるとともに、
前記酸素含有ガス供給手段は、中空板状であって、側面の下端部に噴出孔を有しており、該噴出孔の形成ピッチが、セルスタックの両端部よりも中央部において短いとともに、前記Ｕ字状の改質ケースの間を垂下して、前記セルスタック間に配置されていることを特徴とする燃料電池。