JP5408609B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

この発明は、燃料電池に関する。

燃料電池には、炭化水素の改質反応により得られた水素含有ガス（燃料ガス）の供給を受けて、水素と酸素との電気化学反応によって発電するものがある。燃料電池の中でも、固体電解質形燃料電池は比較的高温（例えば、６００℃以上）で発電を行うため、燃料電池の発電に伴う排熱を、改質反応を行うための改質器の加熱に利用する場合がある。これまで、燃料電池の排熱の利用効率を向上するとともに、燃料電池の小型化を実現するために、改質器と、複数の燃料電池セルが集電部材を間に介して配列されたセルスタックとを一体的に筐体内に配置した固体電解質形燃料電池が提案されてきた（特許文献１等）。

ところで、燃料電池の発電中には、セルスタックにおける温度分布が不均一となる場合がある。すると、例えば、固体電解質形燃料電池では、次のような問題がある。即ち、セルスタックにおける比較的高温な領域では、発電電気を集電するための集電部材の表面の酸化が促進されるため、当該領域における集電部材の抵抗が増大してしまう。また、当該領域における集電部材を構成する組成の一部が飛散して燃料電池セルのカソード側の電極に付着し、電極の劣化が引きおこされる可能性が増大してしまう。これまで、上述のような改質器とセルスタックとを一体的に筐体内に配置した燃料電池において、運転中のセルスタックの温度分布を略均一化することについて、十分な工夫がなされてこなかったのが実情であった。

特開２００６−３３１８８１号公報 特開２００７−５９３７７号公報 特開２００３−３１７７４６号公報

本発明は、改質器とセルスタックとが一体的に配置された燃料電池において、運転中におけるセルスタックの温度分布を改善する技術を提供することを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］
外部から導入される水を気化させるとともに、外部から導入される原燃料を昇温して、水蒸気を含む原燃料ガスを生成する気化部と、前記気化部から供給された前記原燃料ガスを水蒸気改質して燃料ガスを生成する改質部とを備える改質器と、前記燃料ガスを上方へ誘導するガス流路が設けられた複数の燃料電池セルを配列してなる複数個のセルスタックと、前記改質器と前記複数個のセルスタックとを収納する筐体とを備え、前記複数個のセルスタックは、前記燃料電池セルの配列方向に沿う側部が互いに向かい合うように並列に配置され、前記複数個のセルスタックのそれぞれの上端部には、前記燃料電池セルの電気化学反応で消費されなかった前記燃料ガスを燃焼させる燃焼部が設けられており、前記気化部は、前記燃焼部の上方に配置されるとともに、前記改質部は隣り合う前記セルスタックの間に配置されている、燃料電池。
この原燃料を水蒸気改質して用いる構成の燃料電池によれば、その運転中において、気化部及び改質部を備える改質器が、燃焼部やセルスタックからの熱を改質反応に利用する。また、改質反応の一種である水蒸気改質反応は吸熱反応であることから、外部から導入される水を気化させる気化部及び水蒸気改質を行う改質部は、燃料電池内部において冷却部としても機能する。従って、改質器とセルスタックとが一体的に筐体内に配置され、小型化された燃料電池において、運転中におけるセルスタックの温度分布を改善することができる。

［適用例２］
適用例１に記載の燃料電池であって、前記気化部は、前記複数個のセルスタックの上方に、当該複数個のセルスタックのそれぞれに対応して配置されている、燃料電池。
この燃料電池によれば、複数個のセルスタックのそれぞれに対して気化部が設けられるため、気化部における水の気化に伴う吸熱により、セルスタックの上端部における温度が著しく高温になることを抑制することができる。また、各セルスタック間において運転温度の不均一さが生じることを抑制できる。従って、改質器とセルスタックとが一体的に筐体内に配置され、小型化された燃料電池において、運転中におけるセルスタックの上下方向における温度分布を改善することができる。

［適用例３］
適用例１または適用例２に記載の燃料電池であって、前記改質部は、隣り合う前記セルスタック間で、かつ前記燃料電池セルの配列方向におけるほぼ中央において、前記セルスタックの上方側から垂下して配置されている、燃料電池。
この燃料電池によれば、一般に運転中の温度が比較的高くなるセルスタックにおいて、燃料電池セルの配列方向におけるほぼ中央の領域を、吸熱反応である水蒸気改質を行う改質部によって冷却することができる。また、燃焼部の熱により比較的高温となるセルスタックの上端部側の領域を改質部によって冷却できる。従って、改質器とセルスタックとが一体的に筐体内に配置され、小型化された燃料電池において、運転中におけるセルスタックの燃料電池セルの配列方向における温度分布を改善することができる。

［適用例４］
適用例３に記載の燃料電池であって、前記筐体内に、隣り合う前記セルスタックと、２つの該セルスタックの上方に、当該２つのセルスタックのそれぞれに対応して配置される前記気化部と、隣り合う２つの前記セルスタックの間に配置される前記改質部とを１組として、複数組が配置されている、燃料電池。
この燃料電池によれば、隣り合う２つのセルスタックと、隣り合う２つのセルスタックの上方に、当該２つのセルスタックのそれぞれに対応して配置される気化部と、隣り合う２つのセルスタックの間に配置される改質部とを１組とする。即ち、この燃料電池では、各組のセルスタックに対して１つの改質部が配置される。従って、各組のセルスタックを均等に冷却することができ、気化部と改質部とセルスタックとが一体的に筐体内に配置され、小型化された燃料電池において、運転中におけるセルスタックの温度分布を改善することができる。

［適用例５］
適用例１ないし適用例４のいずれかに記載の燃料電池であって、前記筐体内に、前記複数個のセルスタックの下方に配置され、前記燃料電池セルの前記ガス流路に、前記燃料ガスを供給するための燃料ガスマニホールド部と、前記燃料ガスマニホールド部と前記改質部とを接続する燃料ガス配管とを備え、前記燃料ガス配管は、隣り合う前記セルスタックの間のほぼ中央を通っている、燃料電池。
この燃料電池によれば、燃料ガス配管に流入した燃料ガスが、隣り合うセルスタックのそれぞれの熱を受けるため、燃料ガスマニホールド部に到達するまでに温度が低下してしまうことを抑制できる。従って、高温の燃料ガスを燃料ガスマニホールド部に供給することができることから、セルスタックを構成する燃料電池セルの下端部側の温度を上昇させることができ、運転中におけるセルスタックの上下方向における温度分布を改善することができる。

［適用例６］
適用例１ないし適用例５のいずれかに記載の燃料電池であって、前記燃焼部からの排ガスを排出するための排ガス流路を備え、前記気化部の少なくとも一部は、前記排ガス流路内に配置されている、燃料電池。
この燃料電池によれば、気化部が、燃焼部やセルスタックの熱に加えて、排ガスの熱を利用することができる。また、気化部が排ガス流路内に配置された領域だけ、気化部の熱交換面積が増加し、その冷却効果が向上する。そのため、運転中のセルスタックの上端部側の領域を冷却でき、運転中のセルスタックにおける上下方向の温度分布を改善することができる。

［適用例７］
適用例１ないし適用例６のいずれかに記載の燃料電池であって、前記気化部と前記改質部との間に接続された第２の改質部を備えるとともに、前記第２の改質部は、前記燃焼部の上方で、かつ前記気化部の上方の部位に配置されている、燃料電池。
この燃料電池によれば、第２の改質部が追加された分だけ、改質効率が向上する。また、第２の改質部の冷却機能によって、セルスタックの上端部側の領域における運転温度が著しく高くなることを抑制できる。従って、運転中のセルスタックにおける上下方向の温度分布を改善することができる。

［適用例８］
適用例１ないし適用例７のいずれかに記載の燃料電池であって、隣り合う前記セルスタックのそれぞれに前記酸化ガスを供給するための酸化ガス配管を複数備え、前記酸化ガス配管は、前記改質部に対して前記燃料電池セルの配列方向の両側に、それぞれ前記筐体の上方より垂下して配置されるとともに、前記セルスタックのそれぞれの下方から前記酸化ガスを供給する、燃料電池。
この燃料電池によれば、複数の酸化ガス配管は、酸化ガスを、熱交換させながら上方から下方へと誘導することができる。従って、運転温度が比較的高いセルスタックの上端部側から、比較的運転温度が低い下端部側へと、酸化ガスを熱媒体として、熱を伝達させることができる。また、複数の酸化ガス配管はそれぞれ、改質部に対して燃料電池セルの配列方向の両側に設けられている。従って、比較的運転温度が低くなる当該領域において、上記熱伝達を行うことができ、運転中におけるセルスタックの温度分布をより改善することができる。

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池、その燃料電池を備えた燃料電池システム、その燃料電池システムを搭載した車両等の形態で実現することができる。

第１実施例における燃料電池の構成を示す概略図。 第１実施例における燃料電池の構成を示す概略図。 第１実施例における燃料電池の構成を示す概略図。 セルスタックの構成を示す概略図。 （Ａ）は第１実施例における改質器の構成を示す概略斜視図、（Ｂ）は（Ａ）に示す改質器のＢ−Ｂ切断における概略断面図。 原燃料ガス及び燃料ガスの流れを説明するための模式図。 酸化ガス及び排ガスのためのガス流路の構成を説明するための概略図。 酸化ガスダクトの構成及び酸化ガスダクトと改質器との配置関係を説明するための概略斜視図。 運転中の燃料電池におけるセルスタックの温度分布を説明するための模式図。 第２実施例における燃料電池の構成を示す概略図。 第２実施例における燃料電池の構成を示す概略図。 第２実施例における燃料電池の構成を示す概略図。 （Ａ）は改質部の内部構成を示す概略図、（Ｂ）は（Ａ）に示す水平本体部（気化部）のＢ−Ｂ切断における概略断面図。 第３実施例における燃料電池の構成を示す概略図。 第３実施例における燃料電池の構成を示す概略図。 第３実施例における燃料電池の構成を示す概略図。 （Ａ）は図１６に示す気化部のＡ−Ａ切断における概略断面図、（Ｂ１）は（Ａ）に示す気化部のＢ１−Ｂ１切断における概略断面図、（Ｂ２）は（Ａ）に示す気化部のＢ２−Ｂ２切断における概略断面図。 第４実施例における燃料電池の構成を示す概略図。 第５実施例における燃料電池の構成を示す概略図。 第５実施例における燃料電池の構成を示す概略図。 第５実施例における燃料電池の構成を示す概略図。 第６実施例における燃料電池の構成を示す概略図。

A．第１実施例：
図１及び図２，図３は、本発明の一実施例としての燃料電池の構成を示す概略図である。図１〜図３はそれぞれ、異なる方向から燃料電池１０００を見たときの図であり、各図が対応するように三次元方向を示す矢印ｘ，ｙ，ｚが示されている。図１は、燃料電池１０００の正面図である。図１では、矢印ｙの示す方向は、紙面奥行き方向と一致しており、矢印ｘは、紙面に対して右方向を示し、矢印ｚは、紙面に対して上方向を示している。なお、矢印ｚの示す方向は、重力方向とは反対の方向である。図２は、図１の紙面に対して右側の側面から燃料電池１０００を見た右側面図である。図３は、図１及び図２の紙面に対して上方から燃料電池１０００を見たときの上面図である。

なお、図１〜図３では、説明の便宜上、燃料電池１０００の筐体５００及び筐体５００に設けられた後述するガス流路が破線で図示されており、図２及び図３には、酸化ガス供給配管６００及び排ガス配管７３０の図示は省略されている。また、図３では、図１及び図２にハッチングを付して実線により図示された燃料ガスマニホールド部３００と床断熱材４００とが破線で図示されている。さらに、図３では、２つのセルスタック１００，１１０が配置されている領域が一点鎖線で図示されている。

この燃料電池１０００は、外部から供給された原燃料を改質して生成された水素含有ガス（燃料ガス）と、外部から供給された酸化ガス（酸素、空気等）との電気化学反応によって発電する固体電解質形燃料電池である。燃料電池１０００は、筐体５００の内部空間５５０に、複数個の燃料電池セル１２０が集電部材（図１〜図３においては図示せず）を介して配列された第１と第２のセルスタック１００，１１０と、原燃料を改質する改質器２００とが一体的に配置されている。

図４は、２つのセルスタック１００，１１０の構成を示す概略図であり、図２に示す４−４切断に相当する断面を示している。図４には、図３の三次元方向を示す矢印ｘ，ｙ，ｚと対応する矢印ｘ，ｙ，ｚが図示されている。２つのセルスタック１００，１１０を構成する各燃料電池セル１２０は、固体電解質１０と、アノード２１と、カソード２２と、支持基材３０と、インターコネクタ４０とで構成され、各燃料電池セル１２０の間には、集電部材４２が配置されている。より具体的には、中空平板状の支持基材３０の第１の面３１と、その湾曲した２つの側面３３とをアノード２１が被覆し、アノード２１の外表面を固体電解質１０が被覆している。カソード２２は、支持基材３０の第１の面３１側の固体電解質１０上に配置されている。支持基材３０の第２の面３２には、発電電気を集電するためのインターコネクタ４０が積層されている。インターコネクタ４０は、燃料ガスと酸化ガスとを分離し、混合しない役割を果たしている。なお、固体電解質１０の両端部とアノード２１の両端部は、インターコネクタ４０に接合されている。

各セルスタック１００，１１０では、各燃料電池セル１２０のカソード２２と集電部材４２とが直接的に面するように配置され、各燃料電池セル１２０は、電気的に直列に接続される。なお、支持基材３０の内部には、矢印ｚ方向に延びる燃料ガスのための複数の（図では４本の）ガス流路孔３６が設けられている。支持基材３０は、ガス流路孔３６内部からアノード２１へと水素を透過させることができるよう多孔質（例えば、気孔率が１０〜５０％程度）に形成されている。また、集電部材４２は、その内部に中空部４３を有している。中空部４３は、酸化ガスのための流路として機能する（後述）。

ここで、筐体５００内の底部には、平板状の床断熱材４００と、同じく平板状の燃料ガスマニホールド部３００とが配置されているが、２つのセルスタック１００，１１０は燃料ガスマニホールド部３００の上面に配置される（図１〜図３）。２つのセルスタック１００，１１０はそれぞれ、燃料電池セル１２０の配列方向に沿った側面部が互いに向かい合うように並列に配置される。なお、燃料ガスマニホールド部３００は、内部に燃料ガスが流入するガス室３１０を有しており、ガス室３１０と、各燃料電池セル１２０のガス流路孔３６とは接続される。

図５（Ａ）は、改質器２００の構成を示す概略斜視図である。図５（Ａ）には、図４の三次元方向を示す矢印ｘ，ｙ，ｚに対応する矢印ｘ，ｙ，ｚが図示されている。改質器２００は、矢印ｙ方向（燃料電池セル１２０の配列方向）に沿って延びる略四角柱形状を有する第１と第２の水平本体部２１２，２１４と、矢印ｚ方向（燃料電池セル１２０の長手方向）に沿って延びる略四角柱形状を有する垂直本体部２５０とを備える。第１と第２の水平本体部２１２，２１４は互いにほぼ同じサイズを有しており、矢印ｘの方向に並列に配置される。垂直本体部２５０は、第１と第２の水平本体部２１２，２１４の間のほぼ中央の位置に、垂直本体部２５０の上面と、第１と第２の水平本体部２１２，２１４の上面とが、ほぼ同じ高さとなるように配置される。垂直本体部２５０と、各水平本体部２１２，２１４とは、連結配管２３１によって、固定される。即ち、改質器２００では、２つの水平本体部２１２，２１４が、垂直本体部２５０を中心に対称に配置され、垂直本体部２５０は、２つの水平本体部２１２，２１４の間から重力方向に垂下された構造である。垂直本体部２５０の底面側には、燃料ガス配管２６０が接続されている。燃料ガス配管２６０は、略Ｌ字状の配管であり、改質部２５０の底面側から矢印ｙ（セルスタック１００，１１０における一端側）の方向に延びた後、ほぼ直角に折れ曲がって、その先端が燃料ガスマニホールド部３００と接続される。

２つの水平本体部２１２，２１４にはそれぞれ、正面側（紙面手前側）の面に、燃料電池１０００の外部から原燃料と原燃料の改質反応（水蒸気改質）に用いられる水（以後、「改質用水」と呼ぶ）とを導入するための原料導入配管２３３が設けられている。この改質器２００では、２つの水平本体部２１２，２１４が、改質用水を気化させるとともに、原燃料を改質反応に適した温度にまで昇温して、水蒸気を含む原燃料ガスを生成する気化部として機能する。以後、第１と第２の水平本体部２１２，２１４をそれぞれ、「第１の気化部２１２」及び「第２の気化部２１４」とも呼ぶ。なお、本実施例の燃料電池１０００では、原燃料として、都市ガスなどのメタン（ＣＨ₄）含有ガスが用いられる。以後、原燃料及び改質用水を含む改質に用いられる原料を単に「原料」と呼ぶ。

垂直本体部２５０は、２つの気化部２１２，２１４から供給される昇温された水蒸気を含む原燃料ガスを用いて、水蒸気改質により水素を生成する改質部として機能する。以後、垂直本体部２５０を、「改質部２５０」とも呼ぶ。改質部２５０の内部には、ルテニウム系触媒やニッケル系触媒などが配置されており、改質部２５０に供給された原燃料ガスの改質反応が促進される。

図５（Ｂ）は、図５（Ａ）に示すＢ−Ｂ切断における改質器２００の断面を示す概略断面図であり、第１の気化部２１２の内部構造が模式的に示されている。図５（Ｂ）には、図５（Ａ）の三次元方向を示す矢印ｘ，ｙ，ｚに対応する矢印ｘ，ｙ，ｚが図示されており、第１のセルスタック１００が、燃料電池１０００における配置位置と同様な位置に破線で図示されている。なお、第２の気化部２１４の内部構造も第１の気化部２１２と同様であるため、図示及び説明は省略する。

第１の気化部２１２は、隔壁２２３によって上下二層に仕切られた内部空間２２１，２２５を有している。原料導入配管２３３は、重力方向下側の内部空間２２１（以後、「下層室２２１」と呼ぶ）と接続されている。下層室２２１は、原料導入配管２３３との接続部と反対の端部側において、重力方向上側の内部空間２２５（以後、「上層室２２５」と呼ぶ）と連通している。上層室２２５は、改質部２５０と連通する連結配管２３１と接続されている。この構成により、原料導入配管２３３から供給された原料は、下層室２２１を通過して上層室２２５へと流入し、連結配管２３１を介して改質部２５０へと供給される。なお、下層室２２１や上層室２２５には、原燃料を昇温させるためのＡｌ₂Ｏ₃などのセラミックスボールなどが封入されているものとしても良い。

ところで、２つの気化部２１２，２１４は、後述するように、その下方における燃料ガスの燃焼反応や２つのセルスタック１００，１１０における発電反応の反応熱を利用して、原料を昇温・加熱する。即ち、２つの気化部２１２，２１４は、下方から熱を与えられる。従って、第１の気化部２１２では、上述の二層構造により、下層室２２１内に原料を十分に行き渡らせることができ、その昇温機能が向上されている。

改質器２００は、筐体５００の内部の上方に、支持部材（図示せず）によって固定的に配置される（図１〜図３）。具体的には、２つの気化部２１２，２１４がそれぞれ、２つのセルスタック１００，１１０の上方に配置され、改質部２５０が、２つのセルスタック１００，１１０の間に垂下して配置される。即ち、改質部２５０は、セルスタック１００，１１０の上方側より垂下して配置されている。ところで、筐体５００の内部には、酸化ガスを２つのセルスタック１００，１１０に供給するための酸化ガスダクト６４０（破線で図示）が、改質部２５０に対して燃料電池セル１２０の配列方向の両側に設けられている。そこで、燃料ガス配管２６０は、酸化ガスダクト６４０との接触をさけるために、改質部２５０の中心より、右側面方向（矢印ｘの方向）に寄った位置に設けられている（ただし、セルスタック１００，１１０の間のほぼ中央を通っている）。

なお、各気化部２１２，２１４の上面の燃料電池セル１２０の配列方向に沿った長さと、各セルスタック１００，１１０における燃料電池セル１２０の配列方向における長さとは、ほぼ同じである。矢印ｚ方向に沿ってみると、各セルスタック１００，１１０の上面は、２つの気化部２１２，２１４の底面によって覆われる。また、改質部２５０は、矢印ｙ方向において、各セルスタック１００，１１０を構成する燃料電池セル１２０の配列方向におけるほぼ中央部に位置している。さらに、改質部２５０と、２つのセルスタック１００，１１０のそれぞれとの間の距離は、ほぼ等しい（図１）。

図６は、燃料電池１０００における原燃料ガス及び燃料ガスの流れを説明するための模式図である。図６は、以下の点以外は、図１とほぼ同じである。即ち、図６は、改質器２００と、２つのセルスタック１００，１１０と、燃料ガスマニホールド部３００以外の図示が省略されている。また、図６は、２つの気化部２１２，２１４の内部構造及び各燃料電池セル１２０に設けられたガス流路孔３６が破線で図示され、原燃料ガス及び燃料ガスの流れを示す矢印が追加されている。なお、図６には、図５の三次元方向を示す矢印ｘ，ｙ，ｚと対応する矢印ｘ，ｙ，ｚが図示されている。

改質器２００の改質部２５０は、２つの気化部２１２，２１４からそれぞれ、連結配管２３１を介して、昇温された原燃料ガスの供給を受ける。改質部２５０の水蒸気改質で生成された水素を含む燃料ガスは、燃料ガス配管２６０を介して燃料ガスマニホールド部３００へと供給される。さらに、燃料ガスは、燃料ガスマニホールド部３００のガス室３１０から、２つのセルスタック１００，１１０の各燃料電池セル１２０に設けられたガス流路孔３６へと供給される。ガス流路孔３６に供給された燃料ガスは、各燃料電池セル１２０において発電反応に供されつつ、上方へと流れ、２つのセルスタック１００，１１０の上端部から、２つの気化部２１２，２１４の下方に排出される。

図７は、燃料電池１０００に設けられた酸化ガス及び排ガスのためのガス流路の構成を説明するための概略図である。図７は、改質器２００が一点鎖線で図示されている点と、筐体５００及び後述する酸化ガスのためのガス流路が実線で図示されている点と、排ガスのためのガス流路が破線で図示されている点と、ガスの流れを示す矢印が追加されている点以外は、図１とほぼ同じである。

筐体５００は、略直方体形状を有する中空の箱体である。筐体５００は、その上面部５１０や、側面部５２０、底面部５３０の各壁面を多重構造とすることによって、酸化ガスのための流路や、燃料電池セル１２０での反応に供されることのなかった燃料ガスを燃焼させた後の燃焼ガスを含む排ガスのための流路が形成されている。具体的には、各流路は、以下のように形成されている。

底面部５３０は、外界と接する外壁５３１と、その内側の第１の隔壁５３２と、さらに、その上方の第２の隔壁５３４とを有する。外壁５３１と第１の隔壁５３２との間には、酸化ガスが流入する空間である底面部酸化ガス室６１０が形成されており、第１の隔壁５３２と第２の隔壁５３４との間には、排ガスが流入する空間である排ガス流路室７２０が形成されている。底面部酸化ガス室６１０及び排ガス流路室７２０にはそれぞれ、酸化ガス供給配管６００及び排ガス配管７３０とが接続されている。なお、第２の隔壁５３４には、床断熱材４００を介して燃料ガスマニホールド部３００及び２つのセルスタック１００，１１０が載置されている。

紙面に向かって筐体５００の左右に位置する２つの側面部５２０はそれぞれ、外部と接する外壁５２１と、その内側の第１の隔壁５２２と、さらに、その内側の第２の隔壁５２４とを有している。外壁５２１と第１の隔壁５２２との間には、底面部酸化ガス室６１０と連通する側面部酸化ガス流路６２０が形成されている。また、第１の隔壁５２２と第２の隔壁５２４との間には、排ガス流路室７２０と連通する排ガス流路７１０が形成されている。

なお、第２の隔壁５２４の上端は、２つのセルスタック１００，１１０の上端と同程度の高さとなるように配置され、排ガス流路７１０は、上方において、内部空間５５０と連通している。また、２つの気化部２１２，２１４の一部は、内部空間５５０から、第２の隔壁５２４を越えて排ガス流路７１０の上方にまで張り出している。第２の隔壁５２４と２つのセルスタック１００，１１０との間にはそれぞれ、適宜、断熱材が配置されるものとしても良い。なお、この断熱材は、発電反応で消費されなかった酸化ガスが、後述する燃焼部において改質ガスとの燃焼にも利用されることなく、排ガス流路７１０から流出してしまう、未反応酸化ガスのショートカットを抑制する役割を果たす。また、当該断熱材は、未反応酸化ガスのショートカットによって、局部的に空気利用率が上昇し、酸化ガスが不足してしまうことに伴って発生する、カソード材料の還元によるセルスタックの耐久性低下を抑制する役割も果たす。

上面部５１０は、外部と接する外壁５１１と、その内側の隔壁５１２とを有し、外壁５１１と隔壁５１２との間には、側面部酸化ガス流路６２０と連通する上面部酸化ガス室６３０が形成されている。上面部酸化ガス室６３０のほぼ中央には、酸化ガスを内部空間５５０に供給するために内部空間５５０に（セルスタック１００，１１０の間に延びるように）垂下された酸化ガスダクト６４０が接続されている。

図８は、酸化ガスダクト６４０の構成及び酸化ガスダクト６４０と改質器２００との配置関係を説明するための概略斜視図である。図８は、酸化ガスダクト６４０が追加されている点以外は、ほぼ図５（Ａ）と同じである。また、図８に図示された酸化ガスダクト６４０と改質器２００との位置関係は、筐体５００内部における両者の位置関係と同様である。さらに、図８には、酸化ガスの流れを示す矢印が図示されている。

酸化ガスダクト６４０は、上方に開いた略「コ」の字型の配管である。即ち、酸化ガスダクト６４０は、重力方向に延びる第１と第２の配管部６４１，６４２と、矢印ｙの示す方向（燃料電池セル１２０の配列方向）に延び、第１と第２の配管部６４１，６４２を連結する第３の配管部６４３とを有する。第１と第２の配管部６４１，６４２の端部はそれぞれ、筐体５００の上面部酸化ガス室６３０と接続される。第１と第２の配管部６４１，６４２の間には、改質器２００の改質部２５０が配置され、改質部２５０の下端部側には、第３の配管部６４３が位置する。それにより、複数の酸化ガス配管６４１，６４２が、改質部２５０に対して燃料電池セル１２０の配列方向の両側に、筐体５００の上方より垂下して配置されている。また、第３の配管部６４３の２つのセルスタック１００，１１０と面する各壁面には、貫通孔である開口部６４５が設けられている。

ここで、図７及び図８を用いて、燃料電池１０００における酸化ガス及び排ガスの流れを説明する。酸素含有ガスである酸化ガスは、酸化ガス供給配管６００を介して燃料電池１０００の外部から底面部酸化ガス室６１０へと供給される。底面部酸化ガス室６１０の酸化ガスは、側面部酸化ガス流路６２０を介して上面部酸化ガス室６３０へと流入する。なお、側面部酸化ガス流路６２０において酸化ガスは、排ガス流路７１０の排ガスとの間で熱交換をして昇温される。また、上面部酸化ガス室６３０において酸化ガスは、改質器２００や内部空間５５０との間で熱交換をし、さらに、昇温される。上面部酸化ガス室６３０の酸化ガスは、酸化ガスダクト６４０へと流入し、重力方向へと流れ、開口部６４５から各セルスタック１００，１１０の下端部側より流出する。酸化ガスダクト６４０から流出した酸化ガスの一部は、２つのセルスタック１００，１１０の集電部材４２に設けられたスリットを介して集電部材４２の中空部４３へと流入し、中空部４３の内部を下方から上方へと流れる。集電部材４２の中空部４３に流入しなかった酸化ガスは、２つのセルスタック１００，１１０や、酸化ガスダクト６４０、改質部２５０の外表面に沿って、内部空間５５０の下端部側から上端部側へと流れる。

上述したように、２つのセルスタック１００，１１０の上端部からは、発電反応に供されることのなかった燃料ガスが流出している（図６）。即ち、発電反応に供されることのなかった燃料ガスと酸化ガスとは、２つのセルスタック１００，１１０の上端部と２つの気化部２１２，２１４の底面との間（「燃焼部」と呼ぶ）において混合され、点火手段（図示せず）によって着火して燃焼する。２つの気化部２１２，２１４は、この燃焼部における燃焼反応の発熱を利用して、原燃料及び改質用水を加熱する。燃焼後の排ガスは、２つの気化部２１２，２１４の底面、側面及び上面に沿って排ガス流路７１０へと流入し、排ガス流路室７２０へと流れ、排ガス配管７３０を介して燃料電池１０００の外部へと排出される。

図９は、運転中の燃料電池１０００における第１のセルスタック１００の温度分布を説明するための模式図である。図９は、図２と同じ方向から燃料電池１０００を見たときの第１のセルスタック１００が模式的に示されている。また、図９には、燃料電池１０００において、改質器２００が配置される位置が一点鎖線で図示されており、酸化ガスダクト６４０が配置される位置が破線で図示されている。なお、以下の温度分布についての説明は、第２のセルスタック１１０についても同様である。

一般に、複数の燃料電池セル１２０を配列してなるセルスタックでは、運転中の動作温度は、燃料電池セル１２０の配列方向における中央部が高くなる傾向にある。従って、第１のセルスタック１００においても、燃料電池セル１２０の配列方向における中央部が高温となり、配列方向の端部が低温となる。また、燃料電池１０００では、セルスタック１００の上端部と気化部２１２との間で燃料ガスと酸化ガスとを燃焼させる。そのため、第１のセルスタック１００では、燃料電池セル１２０の上端部側が高温となる。具体的には、第１のセルスタック１００では、運転中に、５００℃〜１１００℃の範囲で運転温度のばらつきが発生する可能性がある。

セルスタックの温度分布が不均一になると、第１のセルスタック１００の比較的高温な領域では、各燃料電池セル１２０のインターコネクタ４０や集電部材４２の表面において構成部材の一部が酸化した酸化被膜（例えば、酸化クロム（Ｃｒ₂Ｏ₃）などの被膜）の生成が促進されてしまう。すると、各燃料電池セル１２０同士の間の接触抵抗が増大する。また、当該領域では、各燃料電池セル１２０のインターコネクタ４０や集電部材４２の構成部材の一部（例えば、Ｃｒ）が飛散してカソード２２に付着し、カソード２２の劣化が引きおこされてしまう。また、一般に、運転温度が比較的高い領域では、発電量も増大する。そのため、当該領域における構成部材の劣化が促進される場合がある。このように、第１のセルスタック１００における温度分布が不均一となると、比較的高温となる領域の劣化が局所的に促進され、燃料電池１０００の劣化の原因となる。

しかし、この燃料電池１０００では、第１のセルスタック１００において最も高温となる可能性が高い燃料電池セル１２０の配列方向におけるほぼ中央部において、上方から下方に垂下するように、改質部２５０が配置される。一般に、改質部２５０の動作温度は約６００℃程度であり、水蒸気改質反応は吸熱反応である。即ち、改質部２５０は、第１のセルスタック１００に対して冷却部として機能する。

また、この燃料電池１０００では、第１のセルスタック１００の上方に、その燃料電池セル１２０の配列方向に沿って、第１の気化部２１２が配置されている。燃料電池１０００の運転中における温度が第１のセルスタック１００より低い第１の気化部２１２は、第１のセルスタック１００に対して冷却部として機能し、その冷却効果は、第１のセルスタック１００の燃料電池セル１２０の配列方向に沿って略均一に及ぶ。即ち、第１の気化部２１２によって、第１のセルスタック１００の上端における局所的な昇温を抑制することができる。

なお、図５（Ｂ）で説明したように、第１の気化部２１２は、上層室２２５と下層室２２１との二層構造によって、原燃料ガス及び改質用水の配流性を向上させ、下層室２２１の全体に原燃料ガス及び改質用水を行き渡らせている。これによって、この第１の気化部２１２では、下層室２２１における温度分布がより均一化されており、第１のセルスタック１００の燃料電池セル１２０の配列方向に沿った上端部側に対する冷却効果が向上する。

さらに、この燃料電池１０００では、酸化ガスダクト６４０を流れる酸化ガスは、第１のセルスタック１００の上端部側から下端部側へと流れ、開口部６４５から第１のセルスタック１００に向かって流出する。従って、第１のセルスタック１００の運転中の温度分布が、その上下方向に不均一になった場合には、酸化ガスは、第１のセルスタック１００の上端部側の熱を下端部側へと伝達する熱媒体として機能する。即ち、酸化ガスによって、第１のセルスタック１００の上下方向における運転温度の不均一さを緩和することができる。あわせて、第１の気化部２１２により、第１のセルスタック１００の上端部側の温度が低下することから、第１のセルスタック１００の上下方向における温度分布のばらつきを抑制することができる。

ここで、この燃料電池１０００では、２つのセルスタック１００，１１０のそれぞれの上方に２つの気化部２１２，２１４が配置されている。また、２つのセルスタック１００，１１０は、改質部２５０及び酸化ガスダクト６４０を挟んでほぼ対称に配置されている（図１）。そのため、第１と第２のセルスタック１００，１１０にはそれぞれ、２つの気化部２１２，２１４及び改質部２５０による冷却効果や、酸化ガスダクト６４０による加熱効果がほぼ均等に及ぶ。即ち、第１と第２のセルスタック１００，１１０の間における温度分布のばらつきの発生が抑制されている。

また、この燃料電池１０００では、２つのセルスタック１００，１１０のそれぞれに、酸化ガスダクト６４０や、燃料ガスマニホールド部３００から、酸化ガス及び燃料ガスがほぼ均等に供給される。従って、２つのセルスタック１００，１１０の間における供給ガス量の差によって、両者の間の発電量が不均一となり、動作温度にばらつきが生じてしまうことを抑制できる。

このように、この燃料電池１０００によれば、改質器２００や、酸化ガスダクト６４０の配置構成によって、各セルスタック１００，１１０における運転中の温度分布のばらつきの発生を抑制できる。また、各セルスタック１００，１１０の間における動作温度のばらつきの発生を抑制できる。即ち、改質器２００と２つのセルスタック１００，１１０とが一体的に筐体５００内に配置された燃料電池１０００において、運転中のセルスタック１００，１１０の温度分布を改善することができる。

B．第２実施例：
図１０及び図１１，図１２は、本発明の第２実施例としての燃料電池の構成を示す概略図である。図１０〜図１２はそれぞれ、酸化ガスダクト６４０Ａ及び改質器２００Ａの構成が異なる点と、酸化ガスダクト６４０Ａが実線及びハッチングにより図示されている点と、図１２において、改質部２５０が破線で図示されている点以外は、図１〜図３とほぼ同じである。

この燃料電池１０００Ａの改質器２００Ａでは、改質部２５０に接続された燃料ガス配管２６０Ａが、改質部２５０の底面の中央部から重力方向に直線的に延びて、燃料ガスマニホールド部３００と接続されている。また、酸化ガスダクト６４０Ａの第３の配管部６４３には、燃料ガス配管２６０Ａを通すための貫通孔６４６が設けられている。このように、この燃料ガス配管２６０Ａであれば、改質部２５０と燃料ガスマニホールド部３００とを最短距離で接続できるため、燃料ガス配管２６０Ａにおいて燃料ガス（改質ガス）の温度が低下してしまうことを抑制できる。

また、燃料ガス配管２６０Ａは、２つのセルスタック１００，１１０の間のほぼ中央に設けられており、２つのセルスタック１００，１１０のそれぞれから熱を受けることができる。さらに、燃料ガス配管２６０Ａは、酸化ガスダクト６４０によって囲まれているため、上方で熱せられた酸化ガスから熱を受けることもできる。即ち、燃料ガス配管２６０Ａでは、燃料ガスを昇温させることも可能である。このように、燃料ガス配管２６０Ａによれば、２つのセルスタック１００，１１０に供給される燃料ガスの温度低下が抑制されるため、２つのセルスタック１００，１１０を構成する燃料電池セル１２０の下端部側に温度の高い燃料ガスを供給でき、運転中のセルスタック１００，１１０における上下方向の温度分布がさらに改善される。

図１３（Ａ），（Ｂ）は、改質部２５０の内部構成を説明するための概略図である。図１３（Ａ）には、図１０と同様な方向から見たときの改質器２００Ａが図示されており、改質部２５０の一部領域Ａの内部構造が図示されている。この改質部２５０の内部には、改質反応を促進するための触媒として略球体状のペレット触媒２７０が封入されている。

ここで、比較例として、内部にペレット触媒が封入され、原燃料ガスが略水平方向に流れる改質部を想定する。ペレット触媒は、経年変化によって微粉化して重力方向に堆積してしまう場合がある。すると、この比較例の改質部の内部では、微粉化したペレット触媒の堆積により、重力方向上側より下側の方が触媒量が増大するとともに、原燃料ガスの圧力損失も増大する。この場合には、原燃料ガスの流量は、比較的圧力損失が低く、触媒量が少ない重力方向上側の方が増大することとなり、改質効率が低下してしまう可能性がある。しかし、本実施例の改質部２５０では、重力方向に沿って原燃料ガスが流れる。従って、ペレット触媒２７０が微粉化して堆積した場合でも、その堆積層に向かって原燃料ガスが流れるため、改質効率が低下することが抑制される。

図１３（Ｂ）は、図１３（Ａ）に示すＢ−Ｂ切断における第１の気化部２１２Ａの断面を示す概略断面図である。この改質器２００Ａの２つの気化部２１２Ａ，２１４Ａは、以下に説明する点以外は、第１実施例の２つの気化部２１２，２１４と同様であり、上層室２２５と下層室２２１とを有する二層構造（図５（Ｂ））である。図１３（Ｂ）には、下層室２２１の内部及び原料導入配管２３３Ａの断面が図示されており、原燃料ガス及び改質用水の流れを示す矢印が図示されている。なお、第２の気化部２１４Ａの内部構成も第１の気化部２１２Ａと同様であるため、図示及び説明は省略する。

この第１の気化部２１２Ａの下層室２２１に接続された原料導入配管２３３Ａは、比較的径の大きい外側配管２３３ａの中に比較的径の小さい内側配管２３３ｂが挿入された２重構造を有する配管である。なお、内側配管２３３ｂは、下層室２２１の燃料電池セル１２０の配列方向に沿った中央付近まで延び、外側配管２３３ａは、その半分程度の位置まで延びている。

この原料導入配管２３３Ａでは、外側配管２３３ａと内側配管２３３ｂとの間を原燃料ガスが流れ、内側配管２３３ｂの内部を改質用水が流れる。内側配管２３３ｂには、外側配管２３３ａから露出した部位の側面に、スリットが形成されている（図示せず）。改質用水は、内側配管２３３ｂの端部及びスリットから下層室２２１の内部に供給される。一方、原燃料は、内側配管２３３ｂのスリットより手前に位置する外側配管２３３ａの端部から下層室２２１の内部に供給される。

即ち、この原料導入配管２３３Ａによれば、比較的拡散性の低い改質用水を、比較的拡散性の高い原燃料ガスより、下層室２２１の奥まった位置まで、誘導することができる。即ち、下層室２２１における改質用水の配流性が向上されている。また、原料導入配管２３３Ａによれば、改質用水を、比較的加熱温度が高くなる中央付近まで確実に到達させることができる。従って、改質用水の気化効率を向上させることができ、さらに、熱源である第１のセルスタック１００に対する冷却効果を向上させることができる。

このように、第２実施例の燃料電池１０００Ａによれば、運転中におけるセルスタック１００，１１０の温度分布を、より改善することができる。

C．第３実施例：
図１４及び図１５，図１６は、本発明の第３実施例としての燃料電池の構成を示す概略図である。図１４〜図１６は、改質器２００Ｂの構成が異なる点と、改質器２００Ｂの構成の変更に伴い、排ガス流路７１０のサイズが変更されている点と、酸化ガスダクト６４０Ａが破線で図示されている点以外は、図１０〜図１２とほぼ同じである。第３実施例の改質器２００Ｂは、２つの気化部２１２Ｂ，２１４Ｂのそれぞれの端部２１６が、重力方向に延び、排ガス流路７１０の内部まで延長されている。この端部２１６を、以後、「延長気化部２１６」と呼ぶ。

図１７（Ａ），（Ｂ１），（Ｂ２）は、第１の気化部２１２Ｂの内部構成を示す概略断面図である。図１７（Ａ）は、図１６に示すＡ−Ａ切断における第１の気化部２１２Ｂの概略断面図であり、図１７（Ｂ１），（Ｂ２）はそれぞれ、図１７（Ａ）に示されたＢ１−Ｂ１切断及びＢ２−Ｂ２切断における概略断面図である。図１７（Ａ），（Ｂ１），（Ｂ２）には、図１４〜図１６に示された矢印ｘ，ｙ，ｚと対応する矢印ｘ，ｙ，ｚが図示されている。また、図１７（Ａ），（Ｂ１），（Ｂ２）には、原燃料、改質用水および原燃料ガスの流れを示す矢印が図示されている。さらに、図１７（Ａ）には、第１のセルスタック１００の一部と、排ガス流路７１０を形成するための隔壁５２４の一部とが図示されている。なお、第２の気化部２１４Ｂの内部構成は、第１の気化部２１２Ｂと同様であるため、その図示及び説明は省略する。

第１の気化部２１２Ｂは、第２実施例の第１の気化部２１２Ａと同様に、二層構造を有しており、下層室２２１と上層室２２５とを有するが、下層室２２１と上層室２２５とは、断熱板２２３Ｂによって仕切られている。断熱板２２３Ｂは、延長気化部２１６まで延び、その端部は隔壁２２６に接合されている。隔壁２２６は、延長気化部２１６の内部空間において、重力方向に垂下されており、延長気化部２１６の内部空間を水平方向に二層に仕切っている。以後、延長気化部２１６の第１のセルスタック１００側の内部空間を「第１の内部空間２１６ａ」と呼び、その外側の内部空間を「第２の内部空間２１６ｂ」と呼ぶ。第１の内部空間２１６ａは、下層室２２１と空間的に連続しており、第２の内部空間２１６ｂは、上層室２２５と空間的に連続している。また、第１と第２の内部空間２１６ａ，２１６ｂは、延長気化部２１６の下端において互いに連通している。

第１の気化部２１２Ｂでは、原料導入配管２３３Ａから供給された原燃料及び改質用水は、下層室２２１から、第１の内部空間２１６ａへと流れ、延長気化部２１６の下端において折り返し、第２の内部空間２１６ｂを介して、上層室２２５へと流れる。この第１の気化部２１２Ｂでは、下層室２２１において、第１のセルスタック１００の上端部における燃料ガスと酸化ガスとの燃焼反応による反応熱を利用して、原燃料及び改質用水を加熱する。また、延長気化部２１６において、燃焼反応の反応熱に加えて、排ガス流路７１０へと流れる排ガスの有する熱を利用して、原燃料及び改質用水を加熱する。

このように、この第１の気化部２１２Ｂでは、延長気化部２１６が設けられている分だけ、熱交換が行われる面積が増大している。従って、第１の気化部２１２Ｂにおける加熱効率が向上するとともに、第１の気化部２１２Ｂの第１のセルスタック１００に対する冷却効果が向上する。

ここで、上層室２２５の改質部２５０へと向かう出口側、すなわち下層室２２１（気化部）と改質部２５０との間には、水蒸気改質反応を促進するための触媒が配置された触媒領域２７２（第２の改質部）が接続されている。触媒としては、例えば、ハニカム触媒が用いられるものとしても良い。即ち、この第１の気化部２１２Ｂは、水蒸気改質が行われる改質部としての機能も有している。触媒領域２７２において改質反応に供されることのなかった原燃料ガスは、連結配管２３１を介して改質部２５０へと流入し、改質部２５０において改質反応に供される。このように、第１の気化部２１２Ｂが改質部としての機能を有することによって、改質器２００Ｂにおける改質効率は向上する。なお、触媒領域２７２は省略されても良い。

このように、第３実施例の燃料電池１０００Ｂによれば、２つの気化部２１２Ｂ，２１４Ｂに設けられた延長気化部２１６によって、さらに、運転中におけるセルスタック１１０の温度分布が改善される。

D．第４実施例：
図１８は、本発明の第４実施例としての燃料電池の構成を示す概略図である。図１８は、第３と第４のセルスタック１３０，１４０が追加されるとともに、改質器２００Ａ及び酸化ガスダクト６４０Ａが、１つずつ追加されている点と、筐体５００及びガス流路の図示が省略されている点以外は、図１０とほぼ同じである。

この燃料電池１０００Ｃでは、同一の筐体５００の内部空間５５０に、４つのセルスタック１００，１１０，１３０，１４０が配置され、さらに、各セルスタック１００，１１０，１３０，１４０の上方に２つの気化部２１２，２１４のうちのいずれかが配置されている。また、第１と第２のセルスタック１００，１１０の間と、第３と第４のセルスタック１３０，１４０の間とにそれぞれ、改質部２５０が配置されている。すなわち、隣り合う２つのセルスタックと、２つのセルスタックの上方に、当該２つのセルスタックのそれぞれに対応して配置される気化部と、隣り合う２つのセルスタックの間に配置される改質部とを１組として、筐体５００内に２組が配置されている。なお、４つのセルスタック１００，１１０，１３０，１４０は、矢印ｘ方向に並列に燃料ガスマニホールド部３００の上に載置されている。第２と第３のセルスタック１１０，１３０の間には、断熱材が配置されるものとしても良い。

このような構成であっても、改質器２００Ａや酸化ガスダクト６４０Ａによって、各セルスタック１００，１１０，１３０，１４０の運転中の温度分布は、第２実施例と同様に改善される。

E．第５実施例：
図１９及び図２０，図２１は、本発明の第５実施例としての燃料電池１０００Ｄの構成を示す概略図である。図１９〜図２１は、改質器２００Ａに換えて、改質器２００Ｄが設けられている点と、酸化ガスダクト６４０Ａの第２の配管部６４２のサイズが変更されている点以外は、図１０〜図１２とほぼ同じである。なお、図２１では、改質器２００Ｄの気化部として機能する部位と各配管には斜線ハッチングを付し、水蒸気改質が行われる改質部として機能する部位にはクロスハッチングを付してある。また、図２１には、原燃料、原燃料ガス及び燃料ガスの流れを示す矢印が図示されている。

この燃料電池１０００Ｄの改質器２００Ｄは、以下に説明する点以外は、第２実施例の改質器２００Ａと同様である。第５実施例の改質器２００Ｄの、第１と第２の水平本体部２１２Ｄ，２１４Ｄは単層構造であり、第１と第２の水平本体部２１２Ｄ，２１４Ｄの背面側の端部は、第３の水平本体部２１８によって連結されている。即ち、第１ないし第３の本体部２１２Ｄ，２１４Ｄ，２１８は、矢印ｚの方向に沿って見たときに、正面側に開いた略「コ」の字形状を有している。また、第１の水平本体部２１２Ｄと垂直本体部２５０とは、直接的には接続されておらず、垂直本体部２５０は、連結配管２３１Ｄによって、第２の水平本体部２１４Ｄとのみ直接的に接続されている。連結配管２３１Ｄは、略クランク形状を有しており、第２の水平本体部２１４Ｄの正面側の端部（原料供給側）と垂直本体部２５０の上端部側とで接続されている。

この構成により、原料導入配管２３３から改質器２００Ｄに供給された原燃料及び改質用水は、第１の水平本体部２１２Ｄの正面側端部から背面側端部へ向かって流れ、第３の水平本体部２１８を経て、第２の水平本体部２１４Ｄへと流れる。さらに、原燃料ガス（燃料ガスも含む）は、第２の水平本体部２１４Ｄの背面側端部から正面側端部へと流れ、連結配管２３１Ｄを経て垂直本体部２５０の上端部側へと流れ、垂直本体部２５０の下端へと流れる。

ところで、この改質器２００Ｄでは、第１の水平本体部２１２Ｄの前段側（上流側）は、改質用水を気化するとともに、原燃料ガスを加熱するための気化部として機能する。また、第１の水平本体部２１２Ｄの後段側と、第２の水平本体部２１４Ｄと、第３の水平本体部２１８と、垂直本体部２５０とは、内部に水蒸気改質反応を促進するための触媒が配置され、改質部として機能する。なお、第１ないし第３の水平本体部２１２Ｄ，２１４Ｄ，２１８における気化部と改質部との境界の位置は、他の位置であるとしても良い。また、第１ないし第３の水平本体部２１２Ｄ，２１４Ｄ，２１８にはハニカム触媒が配置され、垂直本体部２５０にはペレット触媒が配置されるものとしても良い。

この第５実施例の燃料電池１０００Ｄの構成によれば、運転中に比較的高温となる第１と第２のセルスタック１００，１１０の上端部近傍や、第１と第２のセルスタック１００，１１０の間であって、燃料電池セル１２０の配列方向におけるほぼ中央部に、比較的低温で動作する改質器２００Ｄが配置される。従って、上記第１ないし第４実施例と同様に、改質器２００Ｄの配置構成によって、運転中の燃料電池１０００Ｄにおけるセルスタックの温度分布が改善される。ただし、この第５実施例では、第１のセルスタック１００の上方には、気化部及び改質部が配置され、第２のセルスタック１１０の上方には、改質部のみが配置されている。従って、改質器２００Ｄによって、第１と第２のセルスタック１００，１１０に及ぶ冷却効果は、均等ではない。即ち、この点で改質器２００Ｄの構成より、第１実施例ないし第３実施例の改質器２００，２００Ａ，２００Ｂの構成の方が好ましい。

F．第６実施例：
図２２は、本発明の第６実施例としての燃料電池１０００Ｅの構成を示す概略図である。図２２は、改質器２００Ｅの第１ないし第３の本体部２１２Ｄ，２１４Ｄ，２１８においてハッチングが付された領域が異なる点以外は、ほぼ図２１と同じである。即ち、この燃料電池１０００Ｅの改質器２００Ｅでは、第１ないし第３の本体部２１２Ｄ，２１４Ｄ，２１８が気化部として機能し、垂直本体部２５０が改質部として機能する。なお、この燃料電池１０００Ｅの他の構成は、第５実施例の燃料電池１０００Ｄと同じである（図１９，図２０）。

第６実施例の燃料電池１０００Ｅの構成によれば、２つのセルスタック１００，１１０のそれぞれの上方に１つの気化部が配置され、当該気化部によって、各セルスタック１００，１１０の上端部が冷却される。また、２つのセルスタック１００，１１０の間に配置された改質部によって、各セルスタック１００，１１０の燃料電池セル１２０の配列方向におけるほぼ中央の領域を冷却することができる。従って、運転中の燃料電池１０００Ｅにおけるセルスタック１００，１１０の温度分布が改善される。

G．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

G1．変形例１：
上記実施例において、燃料電池１０００〜１０００Ｅはそれぞれ、固体電解質形燃料電池であった。しかし、燃料電池としては、固体電解質形燃料電池に限らず、種々のタイプの燃料電池に本発明を適用することが可能である。なお、気化部や改質部より平均運転温度が高くなるタイプの燃料電池ほど、本発明の効果を得ること可能である。

G2．変形例２：
上記実施例において、２つの気化部２１２，２１４には、原料として、原燃料と改質用水とが供給されるが、原料としては、液体の炭化水素が供給されるものとしてもよい。なお、この場合、外部から供給される原燃料に水が含まれるため、外部から水もあわせて供給されていることとなる。即ち、気化部２１２，２１４は、水を含む原燃料と酸化ガスとの供給を受けて、原燃料中の水を気化させるとともに、原燃料を昇温して、水蒸気を含む原燃料ガスを生成する機能を有する。

G3．変形例３：
上記実施例において２つの気化部２１２，２１４はそれぞれ、２つのセルスタック１００，１１０の上面を覆うように配置されていた（図３）。しかし、２つの気化部２１２，２１４はそれぞれ、２つのセルスタック１００，１１０の上面の一部のみを覆うように設けられるものとしても良い。例えば、２つのセルスタック１００，１１０の燃料電池セル１２０の配列方向における中央近傍のみを覆うように配置されるものとしても良い。

G4．変形例４：
上記実施例において、改質部２５０は、２つのセルスタック１００，１１０の間のほぼ中央において、上方から垂下されていた。しかし、改質部２５０は、２つのセルスタック１００，１１０の間において垂下されていなくとも良く、２つのセルスタック１００，１１０の間における他の位置に配置されるものとしても良い。改質部２５０は、例えば、２つのセルスタック１００，１１０における上端部側の間に、略水平方向に延びる略四角柱形状として配置され、セルスタック１００，１１０の上方を冷却するものとしても良い。

G5．変形例５：
上記第４実施例以外の実施例では、２個のセルスタック１００，１１０に対して、１個の改質部２５０が設けられていた。また、上記第４実施例では、４個のセルスタック１００，１１０，１３０，１４０に対して２個の改質部２５０が設けられていた。燃料電池には、さらに複数のセルスタックと、改質部との組が設けられるものとしても良い。即ち、燃料電池には、上述したように、隣り合う２つのセルスタックと、隣り合う２つのセルスタックの上方に、当該２つのセルスタックのそれぞれに対応して配置される気化部と、隣り合う２つのセルスタックの間に配置される改質部２５０とを１組として、３組以上を配置しても良い。なお、燃料電池には、セルスタックが奇数個設けられるものとしても良く、改質部も、セルスタックの個数にかかわらず追加されるものとしても良い。また、隣り合う２個のセルスタック１００，１１０の間に２個の改質部２５０が配置されるものとしても良い。

G6．変形例６：
上記実施例では、酸化ガスダクト６４０，６４０Ａによって、各セルスタック１００，１１０に酸化ガスが供給されていたが、酸化ガスダクト６４０，６４０Ａは他の構成を有するものとしても良い。例えば、酸化ガスダクト６４０の第１と第２の配管部６４１，６４２は第３の配管部６４３によって連結されていたが、第３の配管部６４３は省略され、第１と第２の配管部６４１，６４２はそれぞれ分離しているものとしても良い。あるいは、第１と第２の配管部６４１，６４２のいずれかが省略されても良く、さらに複数の酸化ガスのための配管部が垂下されても良い。また、酸化ガスダクト６４０は、他の位置に配置されるものとしても良い。例えば、改質部２５０とセルスタック１００との間に配置されるものとしても良い。

G7．変形例７：
上記実施例において、第１と第２の気化部２１２，２１４は、それぞれ二層構造であったが、単層構造であっても良い。

１０…固体電解質
２１…アノード
２２…カソード
３０…支持基材
３１…第１の面
３２…第２の面
３３…側面
３６…ガス流路孔
４０…インターコネクタ
４２…集電部材
４３…中空部
１００，１１０，１３０，１４０…セルスタック
１２０…燃料電池セル
２００，２００Ａ，２００Ｂ，２００Ｄ，２００Ｅ…改質器
２１２，２１４，２１２Ａ，２１４Ａ，２１２Ｂ，２１４Ｂ，２１２Ｄ，２１４Ｄ…水平本体部
２１６…延長気化部
２１６ａ，２１６ｂ…内部空間
２１８…第３の水平本体部
２２１…下層室
２２３…隔壁
２２３Ｂ…断熱板
２２５…上層室
２２６…隔壁
２３１，２３１Ｄ…連結配管
２３３，２３３Ａ…原料導入配管
２３３ａ…外側配管
２３３ｂ…内側配管
２５０…垂直本体部（改質部）
２６０，２６０Ａ…燃料ガス配管
２７０…ペレット触媒
２７２…触媒領域
３００…燃料ガスマニホールド部
３１０…ガス室
４００…床断熱材
５００…筐体
５１０…上面部
５２０…側面部
５３０…底面部
５１１，５２１，５３１…外壁
５１２，５２２，５２４，５３２，５３４…隔壁
５５０…内部空間
６００…酸化ガス供給配管
６１０…底面部酸化ガス室
６２０…側面部酸化ガス流路
６３０…上面部酸化ガス室
６４０，６４０Ａ…酸化ガスダクト
６４１，６４２，６４３…配管部
６４５…開口部
６４６…貫通孔
７１０…排ガス流路
７２０…排ガス流路室
７３０…排ガス配管
１０００，１０００Ａ〜１０００Ｅ…燃料電池

Claims (8)

1. 外部から導入される水を気化させるとともに、外部から導入される原燃料を昇温して、水蒸気を含む原燃料ガスを生成する気化部と、前記気化部から供給された前記原燃料ガスを水蒸気改質して燃料ガスを生成する改質部とを備える改質器と、
   前記燃料ガスを上方へ誘導するガス流路が設けられた複数の燃料電池セルを配列してなる複数個のセルスタックと、
   前記改質器と前記複数個のセルスタックとを収納する筐体と、
   を備え、
   前記複数個のセルスタックは、前記燃料電池セルの配列方向に沿う側部が互いに向かい合うように並列に配置され、
   前記複数個のセルスタックのそれぞれの上端部には、前記燃料電池セルの電気化学反応で消費されなかった前記燃料ガスを燃焼させる燃焼部が設けられており、
   前記気化部は、前記燃焼部の上方に配置されるとともに、前記改質部は隣り合う前記セルスタックの間に配置されている、燃料電池。
2. 請求項１に記載の燃料電池であって、
   前記気化部は、前記複数個のセルスタックの上方に、当該複数個のセルスタックのそれぞれに対応して配置されている、燃料電池。
3. 請求項１または請求項２に記載の燃料電池であって、
   前記改質部は、隣り合う前記セルスタック間で、かつ前記燃料電池セルの配列方向におけるほぼ中央において、前記セルスタックの上方側から垂下して配置されている、燃料電池。
4. 請求項３に記載の燃料電池であって、
   前記筐体内に、隣り合う前記セルスタックと、２つの該セルスタックの上方に、当該２つのセルスタックのそれぞれに対応して配置される前記気化部と、隣り合う２つの前記セルスタックの間に配置される前記改質部とを１組として、複数組が配置されている、燃料電池。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の燃料電池であって、
   前記筐体内に、
   前記複数個のセルスタックの下方に配置され、前記燃料電池セルの前記ガス流路に、前記燃料ガスを供給するための燃料ガスマニホールド部と、
   前記燃料ガスマニホールド部と前記改質部とを接続する燃料ガス配管と、
   を備え、
   前記燃料ガス配管は、隣り合う前記セルスタックの間のほぼ中央を通っている、燃料電池。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の燃料電池であって、
   前記燃焼部からの排ガスを排出するための排ガス流路を備え、
   前記気化部の少なくとも一部は、前記排ガス流路内に配置されている、燃料電池。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の燃料電池であって、
   前記気化部と前記改質部との間に接続された第２の改質部を備えるとともに、
   前記第２の改質部は、前記燃焼部の上方で、かつ前記気化部の上方の部位に配置されている、燃料電池。
8. 請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の燃料電池であって、
   隣り合う前記セルスタックのそれぞれに前記酸化ガスを供給するための酸化ガス配管を複数備え、
   前記酸化ガス配管は、前記改質部に対して前記燃料電池セルの配列方向の両側に、それぞれ前記筐体の上方より垂下して配置されるとともに、前記セルスタックのそれぞれの下方から前記酸化ガスを供給する、燃料電池。

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