JP5418848B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、反応ガスにより作動する複数の単セルを備えた燃料電池に関する。

従来から、燃料電池の一種として、反応ガスにより作動する複数の単セルを備えた固体電解質形燃料電池（以下、「ＳＯＦＣ」ともいう）がある。この固体電解質形燃料電池は、単セルのアノード電極に燃料ガスとしての水素ガスを供給し、カソード電極に酸化剤ガスとしての空気を供給することで、発電反応を起こすことができるように構成されている。そして、この燃料電池は、通常、複数の単セルが並設されてなるセルスタックを有している。

このような固体電解質形燃料電池として、例えば、有底筒状の多孔質支持体の外周面に空気電極と固体電解質と燃料電極とを形成してなる燃料電池セル（素子）と、この燃料電池セルの筒内空間に挿入されたガス供給管と、を有するものがある（例えば、下記特許文献１参照）。この燃料電池は、ガス供給管の軸方向に沿って複数の円形穴が互いに間隔をおいて形成されている。この燃料電池は、反応ガスの一方を、ガス供給管末端のガス供給穴及び円形穴から単セルの筒内空間に供給するものである。一方、反応ガスの他方は、単セル有底部周辺の容器底面に形成された穴から単セルの周囲に向けて供給されている。

別な固体電解質形燃料電池としては、複数の単セルが収容される発電室（セル室）の壁面に配設され発電室内に突出した空気供給管を有し、空気供給管に形成された複数の噴出穴から単セルに向けて空気を送出するものが提案されている（例えば、下記特許文献２参照）。この燃料電池は、空気供給管に複数の噴出穴を開口しており、セルスタックの最も前側に配設された空気供給管及び最も後側に配設された空気供給管に、より多くの噴出穴を開口することで、この領域に供給される空気の供給量を増加させている。

更に別な固体電解質形燃料電池としては、複数の単セルが並設されてなるセルスタックを両側面から挟むように反応ガス導入部材を配設するものも提案されている（例えば、下記特許文献３参照）。この燃料電池は、反応ガス導入部材の下部に設けられた複数の導入開口から発電室内に空気を排出し、セルスタックの側面に空気を噴き当てるように構成されている。

特開平３−２８０３５９号公報 特開２００８−３００２７６号公報 特開２００８−３４２０５号公報

ところで、燃料電池は、安定した発電反応を効率よく行うことが求められている。この要求を満たす方法の１つとして、セルスタックを構成する単セルの各々に対し、反応ガスを均等に供給することが挙げられる。セルスタックは、単セルを列状に配置してなる列状セル群を複数準備し、その複数の列状セル群を並設し、単セルを平面視マトリクス状に配置することで構成されるのが一般的である。セルスタックを構成する単セルの各々に反応ガスを均等に供給するためには、このように平面視マトリクス状に行列配置された単セルの全てに過不足無く反応ガスを行き渡らせることが必要である。

単セルそれぞれに着目すれば、反応ガスの一方である第一反応ガス（例えば、燃料ガス）を通すための内部流路が形成され、反応ガスの他方である第二反応ガス（例えば、空気）は単セルの周囲に供給されている。従って、セルスタックを構成する単セルに過不足無く反応ガスを行き渡せるということは、それぞれの単セルの内部流路に対して第一反応ガスを行き渡らせるということと、それぞれの単セルの周囲に第二反応ガスを行き渡らせるということとを両立させることを意味するものである。

この観点から従来の技術を検討すると、上記特許文献１に記載の燃料電池は、単セルの内部流路（筒内空間）に第一反応ガスを行き渡らせることに留意しているものの、単セルの内部流路にガス供給管を配設する必要がある。このような配設作業では、燃料電池の組み立て時に、単セルとガス供給管とが衝突し、単セルを破損する等の不具合が生じるおそれがある。また、単セルの周囲には、単セルの下方から第二反応ガスを供給することにしているが、多くの単セルが行列配置された場合にどのようにムラ無く第二反応ガスを供給するかについては検討がなされておらず、実際には十分に第二反応ガスが供給されない領域が出てくるものと推察される。

上記特許文献２に記載の燃料電池は、単セルの内部流路に対して、単セルの一端側（下端側）から第一反応ガスを供給し、単セルの一端側から他端側（上端側）に第一反応ガスを通している。従って、上記特許物件１に提案されているようなガス供給管が不要となるため、その観点からの課題は解決されている。一方、単セルの周囲に対しては、横から空気供給管を差し込んで配設し、その空気供給管から第二反応ガスとしての空気を供給している。また、特定の領域において空気供給管に形成される噴出穴の数を増減させることで、その特定の領域に対する第二反応ガスの供給量を調整するものとしている。このことは、セルスタックに第二反応ガスを供給するためのガス供給ゾーンの中において第二反応ガスが不足しがちな特定の領域に対して、第二反応ガスを直接的に供給することができるという観点からは優れた技術である。しかしながら、セルスタックは多くの単セルを行列配置して形成されるものであるから、ガス供給ゾーンの中において第二反応ガスが不足しがちな領域はセルスタック内において３次元的に様々な場所に出現するものと考えられる。その場合に、空気供給管を単セルの間の空間に差し込むという技術で対応しようとすれば、第二反応ガスが本来は不足していない領域を空気供給管が通らざるを得ない場合もあり、第二反応ガスの流れを阻害するおそれが新たに生じる。

上記特許文献３に記載の燃料電池は、上記特許文献２に記載の燃料電池と同様に、単セルの内部流路に対して、単セルの一端側（下端側）から第一反応ガスを供給し、単セルの一端側から他端側（上端側）に第一反応ガスを通している。従って、上記特許物件１に提案されているようなガス供給管が不要となるため、その観点からの課題は解決されている。一方、単セルの周囲に対しては、上から反応ガス導入部材を差し込んで配設し、その反応ガス導入部材から第二反応ガスとしての空気を供給している。そのため、セルスタック内において第二反応ガスが不足しがちな領域全てに反応ガス導入部材を設ける必要があり、部材の増加に伴う重量的・コスト的なデメリットや、第二反応ガスの流れの阻害に関するデメリットが生じることが想定される。また、複数の単セルに沿ってそれらの間に反応ガス導入部材を差し込む際に、単セルに反応ガス導入部材が接触して単セルが破損するおそれも増大する。

本発明は、このような事情に鑑みなされたものであり、組み立て時に単セルを破損するおそれを極力低減することが可能であると共に、セルスタックを構成する単セルそれぞれに対して、簡易な構成で反応ガスを均等に効率よく供給することが可能な燃料電池を提供することを目的とする。

この目的を達成するために本発明に係る燃料電池は、燃料ガス及び酸化剤ガスの一方が第一反応ガスとし、他方が第二反応ガスとして供給されることで発電する燃料電池である。この燃料電池は、セルスタックと、そのセルスタックの外側に立設される第一の側壁とを備える。セルスタックは、単セルが複数集められ、それぞれの単セルの主軸方向が互いに沿うように立設されている。集められた複数の単セルの少なくとも一部が列を成すように配置されて、複数の列状セル群を構成している。単セルは、その内部に第一反応ガスを通すための内部流路が形成され、内部流路の一端側から他端側に向かう主軸方向に沿って第一反応ガスが通されると共に、その外周部分に第二反応ガスが接触されることで発電反応を起こすものである。第一の側壁には、複数の列状セル群それぞれに第二反応ガスを供給する複数の穴が形成されている。第一の側壁は、一対の第一領域と、この一対の第一領域の間に形成される第二領域とを有しており、複数の列状セル群が並設されている方向に沿って並存するように形成されている。

この燃料電池は、複数の列状セル群に第二反応ガスを供給するための穴が第１の側壁に形成されているため、第二反応ガスを供給するための部材を第１の側壁から突出させる必要がない。したがって、単セルの組み立て時等に、第二反応ガスを供給するための部材に単セルが干渉することを防止することができる。

更にこの燃料電池では、第一領域全体の面積に対する当該領域内に形成されている穴の開口面積の総和の比を示す第一開口率が、第二領域全体の面積に対する当該領域内に形成されている穴の開口面積の総和の比を示す第二開口率よりも高くなるように構成している。第一の側壁に形成されている各領域全体の面積に対する穴の開口面積の総和の比である開口率に着目することで、第一領域及び第二領域の形成態様にかかわらず、第一領域から供給される第二反応ガスを第二領域から供給される第二反応ガスよりも確実に多くなるように構成することができる。

更にこの燃料電池では、多くの第二反応ガスを供給する領域である第一領域の配置を工夫することで、列状セル群が複数並設されてなるセルスタックの全体に第二反応ガスを行き渡らせている。具体的には、一対の第一領域が第二領域を挟むように、一対の第一領域のそれぞれがセルスタックの外側に位置するように配置している。このように一対の第一領域で第二領域を挟むように構成すると、セルスタックの外側に多くの第二反応ガスが供給される。内部流路の一端側から他端側へと第一反応ガスを流して発電反応を起こす単セルを集めてセルスタックを構成すると、単セルの外側に供給される第二反応ガスも一端側から他端側へと流すことになる。本発明者らの知見によれば、このように第二反応ガスを流すために、セルスタックを構成する単セルの一端側に向けて第二反応ガスを均等に吹き付けると、セルスタックの中央側には第二反応ガスが十分に供給される一方で、セルスタックの外側では第二反応ガスが不足してしまう状況が生じることが判明した。そこで、セルスタックの外側に多くの第二反応ガスを供給するため、一対の第一領域が第二領域を挟むように構成し、簡易な構成で第二反応ガスを均等に効率よく供給するものとしている。

また、本発明に係る燃料電池では、複数の穴は、第一の開口面積で開口されてなる第一の穴と、第一の開口面積よりも小さい第二の開口面積で開口されてなる第二の穴とを含み、少なくとも第一領域においては第一の穴と第二の穴とが形成され、第一の穴は単セルの一端側に、第二の穴は単セルの他端側に、それぞれ形成されていることも好ましい。

この好ましい態様では、第一領域に形成される穴の開口面積を互いに異ならせるようにし、第一の開口面積で開口されてなる第一の穴と、第一の開口面積よりも小さい第二の開口面積で開口されてなる第二の穴とを形成している。従って、単セルの一端側に形成された第一の穴からは多くの第二反応ガスが供給されることで、第一領域に対向するセルスタックの部位に供給する第二反応ガスの量を確保し、上述したような第一領域から多くの第二反応ガスが供給される効果を確保している。一方、単セルの他端側に形成された第二の穴からは、第二反応ガスの速度を速めて供給することができる。従って、列状セル群の奥側に位置し、第一の側壁からは離れた位置に配置された単セルに第二反応ガスを確実に供給することができる。このように、セルスタックを構成する単セルの他端側、すなわちセルスタックの上部に流速の速い第二反応ガスを供給するのは、セルスタックの上部に第二反応ガスが供給され難い領域が形成されやすいことを本発明者らが見出したことによるものである。

また、本発明に係る燃料電池では、セルスタックの外側において、列状セル群に含まれる単セルが列を成して並ぶ方向である整列方向に沿い且つ主軸方向に沿って立設され、ガス供給ゾーンの一側面を形成する第二の側壁を備え、セルスタックの外側において第二の側壁に対向配置される複数のセルは、列を成すように配置されて外側列状セル群を形成しており、第一領域における第一の穴及び第二の穴は、少なくとも第二の側壁と外側列状セル群との間の領域に向けて第二反応ガスを供給するように形成されていることも好ましい。

セルスタックが収容されている発電室といった収容室では、例えば第一の側壁の中央付近に設けられた穴から噴出された第二反応ガスは、収容室内の空間に拡散する。この拡散によって、その穴付近である収容室中央側の列状セル群に含まれる単セルには十分な反応ガスが供給される。一方で、第二の側壁の近傍付近に設けられた穴から噴出されたガスは、第二の側壁が抵抗となるために、収容室の中央方向に偏って拡散する傾向がある。そのため、第二の側壁と、外側列状セル群を構成する複数の単セルとの間に形成される領域には、第二反応ガスが供給され難く、反応ガス不足が生じ易くなることも考えられる。外側列状セル群を構成する複数の単セルに、他の列状セル群を構成する単セルと同様に均等な第二反応ガスを供給することが難しい場合が生じる。

そこでこの好ましい態様では、第一領域における第一の穴及び第二の穴を、第二の側壁と外側列状セル群との間の領域に向けて第二反応ガスを供給するように形成するものとしている。上述したように第二の反応ガスが不足しがちな領域に対応した位置に第二の穴を形成し、速度の速い第二の反応ガスを供給することで、この領域の反応ガス不足を確実に回避することができる。

また、本発明に係る燃料電池では、複数の穴は、第一の開口面積よりも小さく第二の開口面積よりも大きな第三の開口面積で開口されてなる第三の穴を含み、第一領域における第三の穴は、第一の穴が形成されている高さと第二の穴が形成されている高さとの間の高さにおいて、少なくとも第二の側壁と外側列状セル群との間の領域に向けて第二反応ガスを供給するように形成されていることも好ましい。

この好ましい態様では、第一の穴から第二反応ガスが供給される領域と、第二の穴から第二反応ガスが供給される領域との間の領域に、第三の穴から第二反応ガスを供給するこことができる。第二反応ガスの量的供給を担保する第一の穴と、第二反応ガスをより奥側の単セルまで届かせることを担保する第二の穴との間に第三の穴を形成することで、この領域における第二反応ガスの不足を確実に回避することができる。第三の穴の開口面積は、第一の開口面積よりも小さく第二の開口面積よりも大きいので、第二反応ガスの不足を補うことが可能な速度及び量で供給することができる。

本発明によれば、組み立て時に単セルを破損するおそれを極力低減することが可能であると共に、セルスタックを構成する単セルそれぞれに対して、簡易な構成で反応ガスを均等に効率よく供給することが可能な燃料電池を提供することができる。

本願発明の実施形態である燃料電池を含む燃料電池システムの全体構成を示す概略構成図である。 図１に示す燃料電池モジュールを、カバー部材を外した状態で示す斜視図である。 図２に示す燃料電池モジュールを矢印Ａ方向と垂直な面に沿って切った断面図である。 図２に示す燃料電池モジュールを矢印Ｂ方向と垂直な面に沿って切った断面の一部を模式的に示す断面模式図ある。 図１に示す燃料電池システムの制御的な構成を示すブロック図である。 図１に示す燃料電池システムの起動時における各部の温度や各部の制御電圧を示すグラフである。 本発明の他の実施形態に係る燃料電池の一部を模式的に示す断面模式図ある。

次に、本発明の実施形態に係る燃料電池について図面を参照して説明する。なお、以下に記載される実施形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をこれらの実施形態にのみ限定するものではない。したがって、本発明は、その要旨を逸脱しない限り、様々な形態で実施することができる。

図１は、本願発明の実施形態である燃料電池を含む燃料電池システムの全体構成を示す概略構成図である。図２は、図１に示す燃料電池モジュールを、カバー部材を外した状態で示す斜視図である。図３は、図２に示す燃料電池モジュールを矢印Ａ方向と垂直な面に沿って切った断面図である。図４は、図２に示す燃料電池モジュールを矢印Ｂ方向と垂直な面に沿って切った断面の一部を模式的に示す断面模式図である。図５は、図１に示す燃料電池システムの制御的な構成を示すブロック図である。図６は、図１に示す燃料電池システムの起動時における各部の温度や各部の制御電圧を示すグラフである。なお、前記各図では、説明を判り易くするため、各部材の厚さやサイズ、拡大・縮小率等は、実際のものとは一致させずに記載した。

図１に示すように、本発明に係る燃料電池を含む燃料電池システムＦＣＳは、燃料電池モジュールＦＣＭと、補器ユニットＡＤＵと、貯水タンクＷＰ２と、温水製造装置ＨＷとを備えている。

燃料電池モジュールＦＣＭは、図１〜図３及び図５に示すように、燃料電池ＦＣと、改質器ＲＦと、制御ボックスＣＢと、一酸化炭素検知器ＣＯＤと、可燃ガス検知器ＧＤ１とを備えている。この燃料電池モジュールＦＣＭは、カバー部材１００（図３に、その外形を二点鎖線で示す）を有している。このカバー部材１００は、正面側の側壁と、長手方向の一対の側壁と、背面側の側壁と、天井とによって直方体状に形成されている。そして、各側壁の下端部には、フランジ部が形成されている。そのフランジ部をベース部材２に当接させることで、カバー部材とベース部材２とによって密閉される空間が形成されている。カバー部材とベース部材２とはボルト１０１によって固定されている。そのボルト１０１がカバー部材１００に設けられた取り付け穴を貫通し、ベース部材２に設けられた取り付け穴２ａを貫通することで固定されている。

カバー部材１００とベース部材２とによって形成される内部空間は、仕切り板１５によって二つの空間に分離されている。この分離されている空間のうち、上部に位置している空間には、燃料電池ＦＣと及び改質器ＲＦが配設されている。一方、下部に位置している空間は、排気ガス室１７である。この仕切り板１５は、ベース部材２に設けられた支持部材１５ａに戴置され、ベース部材２と所定距離を保って保持されている。支持部材１５ａは、仕切り板１５を長手方向の両端において支持するように一対設けられている。従って、一対の支持部材１５ａ、１５ａ間には隙間１５ｂ（流入口）が形成されている。カバー部材の壁面に設けられた排気ガス通路を通った排気ガスは、この隙間１５ｂから排気ガス室１７へと導入される。排気ガス室１７へと導入された排気ガスは、排気口から外部へと排出される。

また、仕切り板１５には、ガスタンク３が載置されている。燃料電池ＦＣは、このガスタンク３上に配設されている。燃料電池ＦＣは、固体電解質形燃料電池である。図１〜図３に示すように、燃料電池ＦＣは発電室ＦＣ１と燃焼室ＦＣ２とを備えている。発電室ＦＣ１には、複数本の単セル４が立設配置されてなるセルスタック３０が配設されている。具体的には、セルスタック３０は、図２に示す矢印Ｂ方向に複数本（本実施の形態では、図３に示すように８本）の単セル４が列状に配設されている。この単セル４の列が、図２に示す矢印Ａ方向に複数本（図４では簡易的に８列を示している）配設されている。

単セル４は、中空の円筒形を成している。単セル４は、電解質を挟んで内側に燃料極が設けられ、外側に空気極が設けられているものである。単セル４は、燃料極側に燃料ガスを通し、空気極側に酸化剤ガスとしての空気を通すことで発電反応を起こすことができるように構成されている。なお、本実施形態では、ガスタンク３から燃料ガスが、各々の単セル４の燃料極に供給されるようになっている。後に詳述するように、空気供給穴７２３ａから空気が、各々の空気極に供給されるようになっている。なお、本実施形態では、単セル４の管内（燃料極）を流れるガスは、都市ガス等を改質した改質ガスや水素等の燃料ガスであり、単セル４の管外（空気極）を流れるガスは、酸素を含む空気等の酸化剤ガスである。

本実施形態の燃料電池ＦＣは、固体電解質形燃料電池（ＳＯＦＣ）である。従って、電解質を構成する材料としては、例えば、Ｙ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニア、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリア、Ｓｒ、Ｍｇから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレートといった酸素イオン導電性酸化物を用いている。

燃料極を構成する材料としては、例えば、Ｎｉと、ＣａやＹ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニアとの混合体、Ｎｉと、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリアとの混合体、Ｎｉと、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｕから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレートとの混合体といった材料が用いられる。

空気極を構成する材料としては、例えば、Ｓｒ、Ｃａから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンマンガナイト、Ｓｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンフェライト、Ｓｒ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンコバルタイト、銀といった材料が用いられる。もっとも、電解質や燃料極及び空気極を構成する材料はこれらに限られるものではない。

発電室ＦＣ１において発電された電気は、電力取出ラインＥＰ１によって発電電力として取り出されて利用される。燃焼室ＦＣ２は、発電室ＦＣ１の上部に位置し、発電室ＦＣ１に配置された単セル４によって発電反応に利用された残余の燃料ガスを燃焼させる部分である。燃焼室ＦＣ２において燃料ガスが燃焼した結果生じる排気ガスは、改質器ＲＦと熱交換をした後に、後述する排気ガス室１７に送られ、温水製造装置ＨＷへと供給される。温水製造装置ＨＷへと供給された排気ガスは更に熱交換を行い、水道水を昇温して温水とした後に外部へと排出される。

改質器ＲＦは、被改質ガスを改質して燃料ガスとし、燃料電池ＦＣの発電室ＦＣ１へと供給する部分である。被改質ガスの改質態様としては、部分酸化改質反応（ＰＯＸ；Ｐａｒｔｉａｌ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ Ｒｅｆｏｒｍｉｎｇ）、オートサーマル改質反応（ＡＴＲ；Ａｕｔｏ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｒｅｆｏｒｍｉｎｇ）、水蒸気改質反応（ＳＲ；Ｓｔｅａｍ Ｒｅｆｏｒｍｉｎｇ）があり、運転状況に応じて選択的に実行される。改質器ＲＦは、改質部ＲＦ１と、蒸発部ＲＦ２とを備えている。

改質部ＲＦ１は、補器ユニットＡＤＵ側から供給される被改質ガスと空気、及び蒸発部ＲＦ２から供給される水蒸気を用いて被改質ガスを改質して燃料ガスとする部分である。これらの被改質ガスと空気及び水蒸気は、燃料電池モジュールＦＣＭの長手方向一端部に配設された配管６Ｃを介して供給される。この改質部ＲＦ１には、改質触媒が封入されている。改質触媒としては、アルミナの球体表面にニッケルを付与したもの、アルミナの球体表面にルテニウムを付与したもの、が適宜用いられる。本実施形態の場合、これらの改質触媒は球体である。また、改質部ＲＦ１には、改質器ＲＦにおいて改質された燃料ガスをガスタンク３に供給するための配管６Ｄが連通されている。この配管６Ｄは、燃料電池モジュールＦＣＭの長手方向他端（配管６Ｃと対向した位置）に配設されている。

改質部ＲＦ１に供給される都市ガス及び空気は、供給管６Ａを通って燃料電池モジュールＦＣＭ内に導入される。また、蒸発部ＲＦ２から供給される水蒸気は、改質部ＲＦ１に供給管６Ｂを通って燃料電池モジュールＦＣＭ内に導入される。供給管６Ａ及び供給管６Ｂは、仕切り板１５を挟んで配管６Ｃとは反対側に設けられている混合室１５ｃに繋がっている。供給管６Ａから供給される都市ガス及び空気と、供給管６Ｂから供給される水蒸気とは、混合室１５ｃにおいて混合され、配管６Ｃへと供給される。なお、蒸発部ＲＦ２は、補器ユニットＡＤＵ側から供給される純水を蒸発させて水蒸気とし、その水蒸気を改質部ＲＦ１に供給する部分である。

改質器ＲＦの上方には、流路部材７が設けられている。流路部材７は、側壁７１（第一の側壁）及び側壁７２（第一の側壁）と、空気分配室７３と、空気集約室７４及び７５と、空気流路管７６ａ、７６ｂ、７７ａ及び７７ｂと、側壁７８（第二の側壁）及び側壁７９（第二の側壁）を有している。流路部材７は、長手方向に側壁７１及び７２が、短手方向に側壁７８及び７９が、それぞれ配置され、それらの部材によって箱状となるように形成されている。流路部材７は、改質器ＲＦ及びセルスタック３０を覆うように、仕切り板１５に立設されている。

空気分配室７３は、側壁７９の外側上方に取り付けられている。即ち、空気分配室７３は、側壁７１及び７２と側壁７８及び７９とによって形成される箱状体の外側且つ短手側の上方に取り付けられている。空気分配室７３には、ここに空気を供給するための空気供給管７Ａが連通されている。また、空気分配室７３には、空気流路管７６ａ、７６ｂ、７７ａ及び７７ｂ連通されている。

空気流路管７６ａ及び７６ｂは、側壁７１及び７２と側壁７８及び７９とによって形成される箱状体の内側且つ長手側の上方に、側壁７１に沿うように配置されている。空気流路管７６ａは、側壁７１側に、空気流路管７６ｂは、空気流路管７６ａよりも内側に、それぞれ配置されている。空気流路管７６ａ及び７６ｂの一端は側壁７９を貫通して空気分配室７３に連通されており、他端は空気集約室７４に連通されている。したがって、空気分配室７３に流入した空気は、空気流路管７６ａ及び７６ｂを通り、空気集約室７４へと流れ込んで再合流する。

空気流路管７７ａ及び７７ｂは、側壁７１及び７２と、側壁７８及び７９とによって形成される箱状体の内側且つ長手側の上方に、側壁７２に沿うように配置されている。空気流路管７７ａは、側壁７２側に、空気流路管７７ｂは、空気流路管７７ａよりも内側に、それぞれ配置されている。空気流路管７７ａ及び７７ｂの一端は、側壁７９を貫通して空気分配室７３に連通されており、他端は、空気集約室７５に連通されている。したがって、空気分配室７３に流入した空気は、空気流路管７７ａ及び７７ｂを通り、空気集約室７５へと流れ込んで再合流する。

空気集約室７４及び７５は、側壁７８の内側上方に取り付けられている。即ち、空気集約室７４及び７５は、側壁７１及び７２と、側壁７８及び７９とによって形成される箱状体の内側且つ短手側の上方に取り付けられている。空気集約室７４は、側壁７１と密着するように配置されており、空気集約室７４に流れ込んだ空気、側壁７１へと流れ出すように構成されている。一方、空気集約室７５は、側壁７２と密着するように配置されており、空気集約室７５に流れ込んだ空気は、側壁７２へと流れ出すように構成されている。

側壁７１及び７２は、それぞれが二重壁構造となっていて、各々の内部を空気が流れることができるように構成されている。なお、本実施形態では、側壁７１及び７２は、互いに対向配置され、互いに対称な構造を有しているため、側壁７１の構造を中心として説明し、側壁７２については、括弧内に記載した符号をもって、その説明に替えるものとする。

側壁７１（７２）は、セルスタック３０に対向する壁面７１３（７２３）を備えている。図４に示されるように、壁面７１３（７２３）には、空気を噴出して単セル４に空気を供給するための第一の穴としての空気供給穴７１３ａ（７２３ａ）、第二の穴としての空気供給穴７１４ａ（７２４ａ）、及び第三の穴としての空気供給穴７１５ａ（７２５ａ）が開口されている。このように、空気供給穴７１３ａ（７２３ａ）、７１４ａ（７２４ａ）、及び７１５ａ（７２５ａ）を側壁７１（７２）に形成しているので、セルスタック３０に空気を供給するための部材を側壁７１（７２）から突出させる必要がない。したがって、単セル４の組み立て時等に、単セル４が空気を供給するための部材に干渉することがない。

空気供給穴７１３ａ（７２３ａ）は、特に図４に示すように、セルスタック３０の下部に相当する位置に、水平方向（図２に示す矢印Ａ方向）に互いに所定の間隔をおいて開口されている。具体的には、空気供給穴７１３ａ（７２３ａ）は、側壁７１（７２）に沿って並設されている単セル４同士の間に形成される空間Ｓ１に対向する位置、側壁７８とセルスタック３０の側壁７８に最も近い列との間に形成される空間Ｓ２に対向する位置、及び、側壁７９とセルスタック３０の側壁７９に最も近い列との間に形成される空間Ｓ３に対向する位置に形成されている。なお、本実施形態では、空気供給穴７１３ａ（７２３ａ）は、壁面７１３（７２３）に対し垂直な方向（空気が噴出する方向）に投影した際に、単セル４に干渉しないように形成した。

セルスタック３０に第二反応ガスとしての空気を供給するにあたっては、セルスタック３０に含まれる複数の単セル４それぞれに発電反応が起きるように、それぞれの単セル４の周囲に空気が行き渡るように供給する必要がある。図４に示した本実施形態では、第二反応ガスとしての空気を供給するためのガス供給ゾーンを、単セル４の一端側（下端側）の下ラインＤＬから単セル４の他端側（上端側）の上ラインＵＬの間に設定している。セルスタック３０を取り囲む方向においては、側壁７８のセルスタック３０側の壁面における横ラインＳＬ１から側壁７９のセルスタック３０側の壁面における横ラインＳＬ２の間に設定している。

上述した各空間Ｓ１及び各空間Ｓ２は、セルスタック３０に第二反応ガスとしての空気を供給するガス反応ゾーンの内部に含まれるものである。従って、空間Ｓ１は、隣接する単セル４の間の空間であって、その下側が下ラインＤＬによって画定され、その上側が上ラインＵＬによって画定される空間となっている。また、空間Ｓ２は、単セル４と壁面７８（７９）との間の空間であるから、単セル４と横ラインＳＬ１（ＳＬ２）との間の空間であって、その下側が下ラインＤＬによって画定され、その上側が上ラインＵＬによって画定される空間となっている。

空気供給穴７１４ａ（７２４ａ）は、特に図４に示すように、空間Ｓ２及びＳ３に各々対向する位置であって、セルスタック３０の上部に相当する位置に形成されている。なお、本実施形態では、空気供給穴７１４ａ（７２４ａ）は、空気供給穴７１３ａ（７２３ａ）よりも小さい径で形成した。従って、空気供給穴７１４ａ（７２４ａ）の開口面積は、空気供給穴７１３ａ（７２３ａ）の開口面積よりも小さくなっている。

空気供給穴７１５ａ（７２５ａ）は、特に図４に示すように、空間Ｓ２及びＳ３に各々対向し且つセルスタック３０の高さ方向中央部に相当する位置、側壁７８に最も近い位置に配設されている単セル４と、この単セル４に隣接した単セル４との間に形成される空間Ｓ１に対向し且つセルスタック３０の高さ方向中央部に相当する位置、及び、側壁７９に最も近い位置に配設されている単セル４と、この単セル４に隣接した単セル４との間に形成される空間Ｓ１に対向し且つセルスタック３０の高さ方向中央部に相当する位置に形成されている。なお、本実施形態では、空気供給穴７１５ａ（７２５ａ）は、空気供給穴７１３ａ（７２３ａ）よりも小さい径であり、且つ空気供給穴７１４ａ（７２４ａ）よりも大きい径となるように形成した。従って、空気供給穴７１５ａ（７２５ａ）の開口面積は、空気供給穴７１３ａ（７２３ａ）の開口面積よりは小さく、空気供給穴７１４ａ（７２４ａ）の開口面積よりは大きくなっている。

このように、側壁７１（７２）には、図２に示す矢印Ａ方向の端部Ｘ（図４に矢印Ｘで示す領域（第一領域））に、空気供給穴７１３ａ（７２３ａ）、７１４ａ（７２４ａ）、及び７１５ａ（７２５ａ）が形成されている。一方の端部Ｘは、側壁７１（７２）の一部であって、図４に示す両矢印Ｘの一端を通る垂線である横ラインＳＬ１と両矢印Ｘの他端を通る垂線との間の領域であって、その下側が下ラインＤＬによって画定され、その上側が上ラインＵＬによって画定される領域となっている。他方の端部Ｘは、側壁７１（７２）の一部であって、図４に示す両矢印Ｘの一端を通る垂線と両矢印Ｘの他端を通る垂線である横ラインＳＬ２との間の領域であって、その下側が下ラインＤＬによって画定され、その上側が上ラインＵＬによって画定される領域となっている。

側壁７１（７２）にはまた、図２に示す中央部Ｙ（図４に矢印Ｙで示す領域（第二領域））に、空気供給穴７１３ａ（７２３ａ）が形成されている。中央部Ｙは、側壁７１（７２）の一部であって、図４に示す両矢印Ｙの一端を通る垂線と両矢印Ｙの他端を通る垂線との間の領域であって、その下側が下ラインＤＬによって画定され、その上側が上ラインＵＬによって画定される領域となっている。

側壁７１（７２）は、一方の端部Ｘに形成されている空気供給穴７１３ａ（７２３ａ）、７１４ａ（７２４ａ）、及び７１５ａ（７２５ａ）の開口面積を合算して得られる合算開口面積が、中央部Ｙに形成されている空気供給穴７１３ａ（７２３ａ）の開口面積を合算して得られる合算開口面積よりも大きい。このため、セルスタック３０の図４でいう中央部（中央部Ｙ（第二領域）に対向する領域）よりも端部（端部Ｘ（第一領域）に対向する領域）に空気を多く供給することができる。したがって、通常、空気不足になり易いセルスタック３０の端部に、中央部と同等の空気を供給することができる。

一方の端部Ｘ全体の面積に対して、一方の端部Ｘ内に形成されている穴の開口面積の比を第一開口率とすると、図４に示す実施形態の第一開口率は式（１）によって求められる。
第一開口率＝（空気供給穴７１３ａの開口面積×３＋空気供給穴７１４ａの開口面積＋空気供給穴７１５ａの開口面積×２）／一方の端部Ｘ全体の面積 （１）

中央部Ｙ全体の面積に対して、中央部Ｙ内に形成されている穴の開口面積の比を第二開口率とすると、図４に示す実施形態の第二開口率は式（２）によって求められる。
第二開口率＝（空気供給穴７１３ａの開口面積×３）／中央部Ｙ全体の面積 （２）

上述したように第一開口率及び第二開口率を算出すると、第二開口率よりも第一開口率が大きくなるように形成されている。従って、より大きな開口率である第一開口率となるように空気供給穴７１３ａ，７１５ａ，７１４ａが形成されている一方の端部Ｘからは、中央部Ｙよりも多くの空気が供給される。

なお、本実施形態では、図４に示すように、発電室ＦＣ１の図２に示す矢印Ａ方向の長さを３等分したうち、両側の領域を端部Ｘ，Ｘとし、一対の端部Ｘ，Ｘに挟まれた領域を中央部Ｙとした。即ち、図２に示す矢印Ａ方向において、各々の端部Ｘの長さ＝中央部Ｙの長さとなるように設定した。

さらに、側壁７１（７２）は、端部Ｘに形成されている空気供給穴７１３ａ（７２３ａ）の合算開口面積が、端部Ｘに形成されている空気供給穴７１５ａ（７２５ａ）の合算開口面積よりも大きく、この空気供給穴７１５ａ（７２５ａ）の合算開口面積は、端部Ｘに形成されている空気供給穴７１４ａ（７２４ａ）合算開口面積よりも大きくなっている。即ち、端部Ｘでは、上部に行くほど、空気供給穴の合算開口面積が小さくなっている。このため、空気は、セルスタック３０の下部よりも高さ方向中央部、高さ方向中央部よりも上部に速く到達するため、セルスタック３０の端部の上部に供給される空気は、下部に供給された空気の流れに左右されることが殆どなく、セルスタック３０の端部の上部に確実に到達するため、空気をより効率よく供給することができる。したがって、セルスタック３０の全体に空気をさらに均等に供給することができる。

さらにまた、側壁７１（７２）の中央部Ｙの上部及び高さ方向の中央部には、空気供給穴が形成されていない。このため、セルスタック３０の中央部（中央部Ｙに対向する領域）に供給された空気が、セルスタック３０の端部（端部Ｘに対向する領域）に供給される空気の進行を妨げることが殆どなく、空気をセルスタック３０の端部の上部に確実に到達させることができる。また、セルスタック３０の中央部の上部には、セルスタック３０の端部の上部に供給された空気が流れ易くなるため、セルスタック３０の中央部の上部にも空気を供給することができる。したがって、セルスタック３０の全体に空気をさらに均等に供給することができる。

なお、側壁７２の燃焼室ＦＣ２に対応する部分には、点火装置挿入穴７２４が設けられ、燃焼ガスと空気との燃焼を開始させるための点火装置が点火装置挿入穴７２４から燃焼室ＦＣ２に突出されている。この点火装置により燃料ガスと空気とが混合して燃焼し、各々の単セル４は、燃焼室ＦＣ２によって上方から加熱される。また、空気供給穴７１３ａ（７２３ａ）、７１４ａ（７２４ａ）、及び７１５ａ（７２５ａ）を介して流れ込む空気も、空気流路管７６ａ、７６ｂ、７７ａ、７７ｂ、側壁７１及び７２を通る間に、燃焼室ＦＣ２における燃焼によって加熱される。

制御ボックスＣＢは、燃料電池システム制御部をその内部に収納し、操作装置や表示装置、報知装置が設けられているものである。

一酸化炭素検知器ＣＯＤは、本来排気ガス通路等を経て外部に排出される排気ガス中のＣＯが、燃料電池モジュールＦＣＭ及び補器ユニットＡＤＵを覆う外部ハウジング（図示せず）へ漏れたかどうかを検知するためのものである。可燃ガス検知器ＧＤ１は、ガス漏れを検知するためのもので、燃料電池モジュールＦＣＭ及び補器ユニットＡＤＵに取り付けられている。

補器ユニットＡＤＵは、燃料電池モジュールＦＣＭに水、被改質ガス、及び空気を供給するための補器を備えるユニットである。補器ユニットＡＤＵは、空気供給部として空気ブロワや流量調整弁等を含む流量調整ユニットＡＰ１ａ及びＡＰ１ｂと、電磁弁ＡＰ２と、燃料供給部として燃料ポンプや流量調整弁等を含む流量調整ユニットＦＰ１と、脱硫器ＦＰ２と、ガス遮断弁ＦＰ４及びＦＰ５と、水供給部として水ポンプや流量調整弁等を含む流量調整ユニットＷＰ１と、可燃ガス検知器ＧＤ２と、を備えている。

外部の空気供給源から供給される空気は、電磁弁ＡＰ２が閉じていれば流量調整ユニットＡＰ１ａ、ＡＰ１ｂに供給されず、電磁弁ＡＰ２が開いていれば流量調整ユニットＡＰ１ａ、ＡＰ１ｂに供給される。流量調整ユニットＡＰ１ａによって流量調整された空気は改質用空気として、ヒータＡＨ１によって昇温され、被改質ガスとの混合部ＭＶに供給される。流量調整ユニットＡＰ１ｂによって流量調整された空気は発電用空気として、ヒータＡＨ２によって昇温され、燃料電池モジュールＦＣＭの発電室ＦＣ１に供給される。発電室ＦＣ１に供給された発電用空気は、単セル４の空気極に供給される。

外部の燃料供給源から供給される都市ガスは、２連電磁弁であるガス遮断弁ＦＰ４及びガス遮断弁ＦＰ５によってその流入が制御される。ガス遮断弁ＦＰ４、ＦＰ５のいずれもが開いていれば、都市ガスは脱硫器ＦＰ２に供給され、ガス遮断弁ＦＰ４、ＦＰ５のいずれかが閉じていれば、都市ガスは遮断される。脱硫器ＦＰ２に供給された都市ガスは、硫黄成分を除去されて被改質ガスとなり、流量調整ユニットＦＰ１に供給される。流量調整ユニットＦＰ１によって流量調整された被改質ガスは、改質用空気との混合部ＭＶに供給される。混合部ＭＶにおいて混合された被改質ガスと改質用空気とは、燃料電池モジュールＦＣＭの改質器ＲＦに供給される。

外部の水供給源から供給される水道水は、純水とされてから貯水タンクＷＰ２に貯水される。貯水タンクＷＰ２に貯水されている純水は、流量調整ユニットＷＰ１によって流量が調整されて燃料電池モジュールＦＣＭの改質器ＲＦへと供給される。

可燃ガス検知器ＧＤ２は、燃料供給部としての系統であるガス遮断弁ＦＰ５、ガス遮断弁ＦＰ４、脱硫器ＦＰ２、流量調整ユニットＦＰ１において、ガス漏れが発生していわゆる生ガスが外部に放出されないか検知するためのセンサである。

次に、本実施形態に係る燃料電池ＦＣを有する燃料電池システムＦＣＳの制御的な構成について説明する。図５に示すように、燃料電池システムＦＣＳは、燃料電池モジュールＦＣＭと、燃料電池モジュールＦＣＭに空気を供給する空気供給部ＡＰと、燃料電池モジュールＦＣＭに燃料ガスとなる被改質ガスを供給する燃料供給部ＦＰと、燃料電池モジュールＦＣＭに水を供給する水供給部ＷＰと、燃料電池モジュールＦＣＭから電力を取り出す電力取出部ＥＰとを備えている。空気供給部ＡＰ、燃料供給部ＦＰ、水供給部ＷＰ、及び電力取出部ＥＰは補器ユニットＡＤＵに収められている。

燃料電池モジュールＦＣＭ、空気供給部ＡＰ、燃料供給部ＦＰ、水供給部ＷＰ、及び電力取出部ＥＰは、燃料電池システム制御部ＣＳから出力される制御信号に基づいて制御される。燃料電池システム制御部ＳＣは、ＣＰＵ、ＲＯＭ及びＲＡＭといったメモリ、及び制御信号やセンサ信号を授受するためのインターフェイスによって構成されている。燃料電池システム制御部ＳＣには、操作装置ＣＳ１、表示装置ＣＳ２、及び報知装置ＣＳ３が取り付けられている。操作装置ＣＳ１から入力される操作指示信号は、燃料電池システム制御部ＣＳに出力され、燃料電池システム制御部ＣＳは、その操作指示信号に基づいて、燃料電池モジュールＦＣＭ等を制御する。燃料電池システム制御部ＣＳが制御した情報や、所定の警告情報は、表示装置ＣＳ２及び報知装置ＣＳ３に出力される。燃料電池システム制御部ＣＳは、制御ボックスＣＢに収められており、操作装置ＣＳ１、表示装置ＣＳ２、報知装置ＣＳ３は、図示しないボックスに収められている。

燃料電池システム制御部ＣＳには、燃料電池システムＦＣＳの各所に設けられたセンサからセンサ信号が出力される。燃料電池システム制御部ＣＳに信号を出力するセンサとしては、改質器温度センサＤＳ１、スタック温度センサＤＳ２、排気温度センサＤＳ３、改質器内圧力センサＤＳ４、水位センサＤＳ５、水流量センサＤＳ６、燃料流量センサＤＳ７、改質用空気流量センサＤＳ８、発電用空気流量センサＤＳ９、電力状態検出部ＤＳ１０、貯湯状態検出センサＤＳ１１、一酸化炭素検出センサＤＳ１２、可燃ガス検出センサＤＳ１３が設けられている。

改質器温度センサＤＳ１は、改質器ＲＦの温度を測定するためのセンサであって、本実施形態の場合は２つ設けられている。スタック温度センサＤＳ２は、発電室ＦＣ１に配置されている単セル４の温度を測定するためのセンサであって、複数の単セル４からなるセルスタックの近傍に配置されている。排気温度センサＤＳ３は、燃焼室ＦＣ２から排出される排気ガスの温度を測定するためのセンサであって、燃焼室ＦＣ２から改質器ＲＦ近傍を通って温水製造装置ＨＷに至る経路に配置されている。改質器内圧力センサＤＳ４は、改質器ＲＦ内の圧力を測定するためのセンサである。

水位センサＤＳ５は、貯水タンクＷＰ２の水位を測定するためのセンサであって、本実施形態の場合は４つ設けられている。水流量センサＤＳ６は、補器ユニットＡＤＵから燃料電池モジュールＦＣＭへと供給される純水の流量を測定するためのセンサである。燃料流量センサＤＳ７は、補器ユニットＡＤＵから燃料電池モジュールＦＣＭへと供給される被改質ガスの流量を測定するためのセンサである。改質用空気流量センサＤＳ８は、補器ユニットＡＤＵから燃料電池モジュールＦＣＭの改質器ＲＦへと供給される改質用空気の流量を測定するためのセンサである。発電用空気流量センサＤＳ９は、補器ユニットＡＤＵから燃料電池モジュールＦＣＭへと供給される発電用空気の流量を測定するためのセンサである。

電力状態検出部ＤＳ１０は、センシング手段の集合体であって、燃料電池モジュールＦＣＭから取り出す発電電力の状態を検出する部分である。貯湯状態検出センサＤＳ１１は、センシング手段の集合体であって、温水製造装置ＨＷの貯湯状態を検出する部分である。

一酸化炭素検出センサＤＳ１２は、一酸化炭素検知器ＣＯＤに備えられているセンサであって、燃料電池モジュールＦＣＭ内における一酸化炭素のハウジング内への漏れを検出するセンサである。可燃ガス検出センサＤＳ１３は、可燃ガス検知器ＧＤ１、ＧＤ２に備えられているセンサであって、燃料電池モジュールＦＣＭ及び補器ユニットＡＤＵ内における可燃ガスの漏洩を検出するセンサである。

続いて、燃料電池システムＦＣＳの起動時（起動モード）における各種改質反応の切り替えについて図６を参照しながら説明する。本実施例における燃料電池システムＦＣＳの起動モードにおいては、燃焼運転と、部分酸化改質反応（ＰＯＸ）と、第１オートサーマル改質反応（ＡＴＲ１）と、第２オートサーマル改質反応（ＡＴＲ２）と、水蒸気改質反応（ＳＲ）とを順次切り替えながら改質反応を進行している。

部分酸化改質反応（ＰＯＸ）は、改質器ＳＲに被改質ガスと空気とを供給して行う改質反応であって、化学反応式（３）に示す反応が進行する。
ＣｍＨｎ＋ｘＯ２ → aＣＯ２＋ｂＣＯ＋ｃＨ２ （３）

この部分酸化改質反応（ＰＯＸ）は発熱反応であるので起動性が高く、燃料電池システムＦＣＳの起動当初において好適な改質反応である。但し、部分酸化改質反応（ＰＯＸ）は、水素収率が理論上少なく、発熱反応を制御するのも難しいことから、燃料電池モジュールＦＣＭへ熱供給が必要な起動当初においてのみ利用されるのが好ましい改質反応である。なお、部分酸化改質反応（ＰＯＸ）のみに着目すれば、空間速度を高く設定するので、例えば改質器ＲＦを分割形成して部分酸化改質反応（ＰＯＸ）専用の改質器を設ける場合には、その専用の改質器を小型化することができる。

水蒸気改質反応（ＳＲ）は、改質器ＳＲに被改質ガスと水蒸気とを供給して行う改質反応であって、化学反応式（４）に示す反応が進行する。
ＣｍＨｎ＋ｘＨ２Ｏ → aＣＯ２＋ｂＣＯ＋ｃＨ２ （４）

水蒸気改質反応（ＳＲ）は、水素収率が最も高く、高効率な反応である。ただし、水蒸気改質反応（ＳＲ）は、吸熱反応であるので熱源が必要であり、燃料電池システムＦＣＳの起動当初よりはある程度温度が上昇した段階において好適な改質反応である。なお、水蒸気改質反応（ＳＲ）のみに着目すれば、空間速度を低く設定するので、改質器ＲＦが大型化する傾向にある。

第１オートサーマル改質反応（ＡＴＲ１）と第２オートサーマル改質反応（ＡＴＲ２）とからなるオートサーマル改質反応（ＡＴＲ）は、部分酸化改質反応（ＰＯＸ）と水蒸気改質反応（ＳＲ）とが併用された改質反応であって、改質器ＲＦに被改質ガスと空気と水蒸気とを供給して行われる改質反応であり、化学反応式（５）に示す反応が進行する。
ＣｍＨｎ＋ｘＯ２＋ｙＨ２Ｏ → aＣＯ２＋ｂＣＯ＋ｃＨ２ （５）

オートサーマル改質反応（ＡＴＲ）は、水素収率が部分酸化改質反応（ＰＯＸ）と水蒸気改質反応（ＳＲ）との併用であり、反応熱のバランスが取り易く、部分酸化改質反応（ＰＯＸ）と水蒸気改質反応（ＳＲ）とを繋ぐ反応として好適な改質反応である。本実施例の場合は、水を少なく供給して部分酸化改質反応（ＰＯＸ）により近い第１オートサーマル改質反応（ＡＴＲ１）を先に行い、温度が上昇した後に水を増やすように供給して水蒸気改質反応（ＳＲ）により近い第２オートサーマル改質反応（ＡＴＲ２）を後に行っている。

次に、燃料電池システムＦＣＳの起動モードについて説明する。図６は、横軸に起動開始後の経過時間を取り、左縦軸には各部の温度を取っている。制御電圧であるため特段の目盛りは付していないが、各種電圧及び温度は、図中上方に行くほど高くなる（供給量が増える）ように示している。

まず、改質用空気を増やすように流量調整ユニットＡＰ１ａ、電磁弁ＡＰ２、ヒータＡＨ１、及び混合部ＭＶを制御し、改質器ＲＦに空気を供給する。また、被改質ガスの供給を増やすように流量調整ユニットＦＰ１、ガス遮断弁ＦＰ４、ＦＰ５、及び混合部ＭＶを制御し、改質器ＲＦに被改質ガスを供給する。このように、空気と被改質ガスを供給し、点火装置挿入穴７２４を介して点火装置によって着火して燃焼運転を実行する。この時、発電室ＦＣ１には、前述したように、空気供給穴７１３ａ（７２３ａ）、７１４ａ（７２４ａ）、及び７１５ａ（７２５ａ）から発電用の空気が供給される。

各々の空気供給穴７１３ａ（７２３ａ）から噴出された空気は、空間Ｓ１〜Ｓ３のうち、セルスタック３０の下部に相当する位置に向けて噴出され、各々の単セル４に均等に供給される。この空気は上昇流となり、単セル４の上方にも供給される。

各々の空気供給穴７１５ａ（７２５ａ）から噴出された空気は、空間Ｓ２及びＳ３と、側壁７８に最も近い位置に配設されている単セル４と、この単セル４に隣接した単セル４との間に形成される空間Ｓ１、及び、側壁７９に最も近い位置に配設されている単セル４と、この単セル４に隣接した単セル４との間に形成される空間Ｓ１のうち、セルスタック３０の高さ方向中央部に相当する位置に向けて噴出される。空気供給穴７１５ａ（７２５ａ）から噴出された空気は、空気供給穴７１３ａ（７２３ａ）から噴出された空気よりも高速で奥まで流れ、空気供給穴７１５ａ（７２５ａ）から中央部Ｙに供給された空気の流れに殆ど影響されることなく、空気不足になり易い端部Ｘに配設されている単セル４に空気を供給する。また、空気供給穴７１５ａ（７２５ａ）から噴出された空気は、上昇流となり、単セル４の上方にも供給される。

空気供給穴７１４ａ（７２４ａ）から噴出された空気は、空間Ｓ２及びＳ３のうち、セルスタック３０の上部に相当する位置に向けて噴出される。空気供給穴７１４ａ（７２４ａ）から噴出された空気は、空気供給穴７１３ａ（７２３ａ）、７１５ａ（７２５ａ）から噴出された空気よりも高速で奥まで流れ、中央部Ｙに供給された空気の流れに殆ど影響されることなく、セルスタック３０のうち、特に空気不足になり易い側壁７８に最も近い列の上部、及び側壁７９に最も近い列の上部に空気を確実に供給する。

このように、本実施形態に係る燃料電池ＦＣでは、側壁７１（７２）に、空気供給穴７１３ａ（７２３ａ）、７１４ａ（７２４ａ）、７１５ａ（７２５ａ）の各々を、前述したサイズ及びレイアウトで形成したため、空気不足になり易い領域の空気不足を補うことができ、セルスタック３０の全体に空気を効率よく均等に供給することができると共に、個々の単セル４の上下方向にも効率よく均等に供給されることになる。したがって、空気を供給するために必要なパワーを削減できると共に、優れた発電性能を発揮することができる。この発電用空気は、後に詳述する部分酸化改質反応運転（ＰＯＸ運転）、第１オートサーマル改質反応（ＡＴＲ１）、第２オートサーマル改質反応（ＡＴＲ２）、水蒸気改質反応（ＳＲ）の際も同様に均等に供給される。

なお、燃焼運転の実行は、燃焼室ＦＣ２の温度を上昇させて、空気と燃料ガスを自然着火させることで行ってもよい。また、発電室ＦＣ１上方の燃焼室ＦＣ２においては、改質器ＲＦを通過した燃料ガスと発電用空気とが混合して燃焼しており、燃焼室ＦＣ２の温度が徐々に上昇する。

続いて、改質器ＲＦの温度が約３００℃程度になると、部分酸化改質反応（ＰＯＸ）が進行する。部分酸化改質反応（ＰＯＸ）は発熱反応なので、各部の温度が上昇する。部分酸化改質反応（ＰＯＸ）を開始してから所定時間が経過した後、改質用空気の供給量を更に増やして部分酸化改質反応（ＰＯＸ）をより進行させる。

続いて、改質器ＲＦの温度が約６００℃以上になり、且つセルスタック３０の温度が約２５０℃を超えたことを条件として、第１オートサーマル改質反応（ＡＴＲ１）へと移行させる。第１オートサーマル改質反応（ＡＴＲ１）では、改質器ＲＦに供給する改質用空気の流量を減らし、改質器ＲＦに供給する被改質ガスの流量はそのまま維持し、極微量な純水を改質器ＲＦに供給する。オートサーマル改質反応（ＡＴＲ）は、部分酸化改質反応（ＡＴＲ）と水蒸気改質反応（ＳＲ）とを混合した反応であって、熱的に内部バランスが取れるので改質器ＲＦ内では熱自立しながら反応が進行する。また、第１オートサーマル改質反応（ＡＴＲ１）は、空気が比較的多く部分酸化改質反応（ＰＯＸ）に近い反応であり、発熱が支配的な反応となっている。

続いて、改質器ＲＦの温度が６００℃以上となり、且つセルスタック３０の温度が約４００℃を超えたことを条件として、第２オートサーマル改質反応（ＡＴＲ２）へと移行させる。第２オートサーマル改質反応（ＡＴＲ２）では、改質器ＲＦに供給する改質用空気の流量を減らし、改質器ＲＦに供給する被改質ガスの流量も減らし、微量な純水を改質器ＲＦに供給する。第２オートサーマル改質反応（ＡＴＲ２）は、空気が比較的少なく水が多いため水蒸気改質反応（ＳＲ）に近い反応であり、吸熱が支配的な反応となっている。しかしながら、発電室ＦＣ１内の温度が約４００℃を超えているため、吸熱反応が支配的であっても大幅な温度低下を招くことはない。

続いて、改質器ＲＦの温度が６５０℃以上となり、且つセルスタック３０の温度が約６００℃を超えたことを条件として、水蒸気改質反応（ＳＲ）へと移行させる。水蒸気改質反応（ＳＲ）では、改質器ＲＦに供給する改質用空気は遮断し、改質器ＲＦに供給する被改質ガスの流量を減らし、所定量の純水を改質器ＲＦに供給する。この水蒸気改質反応（ＳＲ）は、吸熱反応であるので、燃焼室ＦＣ２からの燃焼熱による熱バランスをとりながら反応が進行する。この段階では、既に起動の最終段階であるため、発電室ＦＣ１内が十分高温に昇温されているので、吸熱反応を主体としても大幅な温度低下を招くことはない。また水蒸気改質反応（ＳＲ）が進行しても燃焼室ＦＣ２では継続して燃焼反応が持続する。

上述したように着火から燃焼工程の進行に合わせて改質工程を切り替えていくことで、発電室ＦＣ１内の温度が徐々に上昇する。発電室ＦＣ１の温度が、燃料電池モジュールＦＣＭを安定的に作動させる定格温度（約７００℃）よりも低い所定の発電温度に達したら、燃料電池モジュールＦＣＭを含む電気回路を閉じる。それにより、燃料電池モジュールＦＣＭは発電を開始し、回路に電流が流れて外部に電力を供給することができる。単セル４の発電により、単セル４自体も発熱し、更に、単セル４の温度が上昇する。その結果、燃料電池モジュールＦＣＭを作動させる定格温度、例えば７００〜８００℃になる。

その後、定格温度を維持するために、単セル４で消費される燃料ガス及び空気の量よりも多い量の燃料ガス及び空気を供給し、燃焼室ＦＣ２での燃焼を継続させる。なお、発電中は、改質効率の高い水蒸気改質反応（ＳＲ）で発電が進行する。水蒸気改質反応（ＳＲ）自体は、厳密には４００〜８００℃程度で行われるが、単セル４との組み合わせにおいては５００〜７００℃程度で反応が進行する。

また、本発明に係る燃料電池ＦＣは、例えば、図７に示すように、側壁７１（７２）の、中央部Ｙの単セル４の下部に相当する位置には、空気供給穴７１３ａ（７２３ａ）よりも径が小さい空気供給穴７１３ｂ（７２３ｂ）を形成してもよい。この構成の場合も、端部Ｘに形成されている空気供給穴７１３ａ（７２３ａ）の合算開口面積は、中央部Ｙに形成されている空気供給穴７１３ｂ（７２３ｂ）の合算開口面積よりも大きくなり、前記と同様の効果を得ることができる。

そしてまた、本実施形態では、側壁７１（７２）の空間Ｓ１〜Ｓ３に対向する位置に空気供給穴を形成した場合について説明したが、これに限らず、空気供給穴は、端部Ｘに形成されている空気供給穴の合算開口面積が、中央部Ｙに形成されている空気供給穴の合算開口面積よりも大きいという条件を満たしていれば、例えば、空気供給穴を空気の噴出方向に投影した際に、単セル４に対向する位置や、一部が単セル４に重なる位置等、任意の位置に形成することができる。

また、本実施形態では、壁面７１３（７２３）に対し垂直な方向（側壁７８及び７９に対し平行な方向）に空気が噴出されるによう、各々の空気供給穴を形成した場合について説明したが、これに限らず、例えば、空気供給穴は、ここから噴出される空気が、壁面７１３（７２３）に対し斜め方向に噴出されるよう、空気供給穴を画定する内壁を壁面７１３（７２３）に対し斜めに形成してもよい。この場合、各々の単セル４は、空気供給穴から噴出される空気の噴出方向に沿って、壁面７１３（７２３）に対し斜めに列状に配設すればよい。

さらにまた、本実施形態では、側壁７１及び側壁７２の両方に空気供給穴を形成した場合について説明したが、これに限らず、空気供給穴は、所望により、側壁７１または側壁７２の一方にのみ形成してもよい。

そしてまた、本実施形態では、円筒形状の単セル４を配設した場合について説明したが、これに限らず、単セル４は、例えば、平板型であってもよい。

また、本実施形態では、壁面７１３（７２３）に空気供給穴を形成した場合について説明したが、これに限らず、燃料電池ＦＣの構成によっては、壁面７１３（７２３）に空気供給穴を形成する代わりに、燃料電池ＦＣのアノード電極に燃料ガスとしての水素ガスを供給するための穴を形成してもよい。

２：ベース部材
２ａ：取り付け穴
３：ガスタンク
４：単セル
６Ａ：供給管
６Ｂ：供給管
６Ｃ：配管
６Ｄ：配管
７：流路部材
７Ａ：空気供給管
１５：板
１５ａ：支持部材
１５ｂ：隙間
１５ｃ：混合室
１７：排気ガス室
３０：セルスタック
７１：側壁
７２：側壁
７３：空気分配室
７４：空気集約室
７５：空気集約室
７６ａ：空気流路管
７６ｂ：空気流路管
７７ａ：空気流路管
７７ｂ：空気流路管
７８：側壁
７９：側壁
１００：カバー部材
１０１：ボルト
７１３：壁面
７１３ａ：空気供給穴
７１３ｂ：空気供給穴
７１４ａ：空気供給穴
７１５ａ：空気供給穴
７２３ａ：空気供給穴
７２４：点火装置挿入穴
ＡＤＵ：補器ユニット
ＡＨ１：ヒータ
ＡＨ２：ヒータ
ＡＰ：空気供給部
ＡＰ１ａ：流量調整ユニット
ＡＰ１ｂ：流量調整ユニット
ＡＰ２：電磁弁
ＣＢ：制御ボックス
ＣＯＤ：一酸化炭素検知器
ＣＳ：燃料電池システム制御部
ＣＳ１：操作装置
ＣＳ２：表示装置
ＣＳ３：報知装置
ＤＬ：下ライン
ＤＳ１：改質器温度センサ
ＤＳ１０：電力状態検出部
ＤＳ１１：貯湯状態検出センサ
ＤＳ１２：一酸化炭素検出センサ
ＤＳ１３：可燃ガス検出センサ
ＤＳ２：スタック温度センサ
ＤＳ３：排気温度センサ
ＤＳ４：改質器内圧力センサ
ＤＳ５：水位センサ
ＤＳ６：水流量センサ
ＤＳ７：燃料流量センサ
ＤＳ８：改質用空気流量センサ
ＤＳ９：発電用空気流量センサ
ＥＰ：電力取出部
ＥＰ１：電力取出ライン
ＦＣ：燃料電池
ＦＣ１：発電室
ＦＣ２：燃焼室
ＦＣＭ：燃料電池モジュール
ＦＣＳ：燃料電池システム
ＦＰ：燃料供給部
ＦＰ１：流量調整ユニット
ＦＰ２：脱硫器
ＦＰ４：ガス遮断弁
ＦＰ５：ガス遮断弁
ＧＤ１：可燃ガス検知器
ＧＤ２：可燃ガス検知器
ＨＷ：温水製造装置
ＭＶ：混合部
ＲＦ：改質器
ＲＦ１：改質部
ＲＦ２：蒸発部
Ｓ１：空間
Ｓ２：空間
Ｓ３：空間
ＳＣ：燃料電池システム制御部
ＳＬ１：横ライン
ＳＬ２：横ライン
ＳＲ：改質器
ＵＬ：上ライン
ＷＰ：水供給部
ＷＰ１：流量調整ユニット
ＷＰ２：貯水タンク
Ｘ：端部（第一領域）
Ｙ：中央部（第二領域）

Claims (4)

1. 燃料ガス及び酸化剤ガスの一方が第一反応ガスとし、他方が第二反応ガスとして供給されることで発電する燃料電池であって、
   その内部に前記第一反応ガスを通すための内部流路が形成され、前記内部流路の一端側から他端側に向かう主軸方向に沿って前記第一反応ガスが通されると共にその外周部分に前記第二反応ガスが接触されることで発電反応を起こす単セルが複数集められて形成されてなるセルスタックと、
   前記セルスタックの外側に前記主軸方向に沿って立設される第一の側壁と、を備え、
   前記セルスタックに集められたそれぞれの前記単セルの前記主軸方向が互いに沿うように前記単セルが立設され、集められた複数の前記単セルの少なくとも一部が列を成すように配置されて複数の列状セル群を構成し、
   前記第一の側壁には、前記複数の列状セル群それぞれに前記第二反応ガスを供給する複数の穴が形成され、
   前記第一の側壁は、一対の第一領域と、この一対の第一領域の間に形成される第二領域とを有しており、
   前記複数の列状セル群が並設されている方向に沿って並存するように形成され、
   前記第一領域全体の面積に対する当該領域内に形成されている前記穴の開口面積の総和の比を示す第一開口率が、前記第二領域全体の面積に対する当該領域内に形成されている前記穴の開口面積の総和の比を示す第二開口率よりも高いことを特徴とする燃料電池。
2. 前記複数の穴は、第一の開口面積で開口されてなる第一の穴と、前記第一の開口面積よりも小さい第二の開口面積で開口されてなる第二の穴とを含み、
   少なくとも前記第一領域においては前記第一の穴と前記第二の穴とが形成され、前記第一の穴は前記一端側に、前記第二の穴は前記他端側に、それぞれ形成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記セルスタックの外側において、前記列状セル群に含まれる前記単セルが列を成して並ぶ方向である整列方向に沿い且つ前記主軸方向に沿って立設され、前記ガス供給ゾーンの一側面を形成する第二の側壁を備え、
   前記セルスタックの外側において前記第二の側壁に対向配置される複数の前記セルは、列を成すように配置されて外側列状セル群を形成しており、
   前記第一領域における前記第一の穴及び前記第二の穴は、少なくとも前記第二の側壁と前記外側列状セル群との間の領域に向けて前記第二反応ガスを供給するように形成されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
4. 前記複数の穴は、前記第一の開口面積よりも小さく前記第二の開口面積よりも大きな第三の開口面積で開口されてなる第三の穴を含み、
   前記第一領域における前記第三の穴は、前記第一の穴が形成されている高さと前記第二の穴が形成されている高さとの間の高さにおいて、少なくとも前記第二の側壁と前記外側列状セル群との間の領域に向けて前記第二反応ガスを供給するように形成されていることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池。

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