JP5448249B2

JP5448249B2 - 燃料電池

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Publication number: JP5448249B2
Application number: JP2010049575A
Authority: JP
Inventors: 修一郎西願; 泰一郎坂本
Original assignee: Toto Ltd
Current assignee: Toto Ltd
Priority date: 2010-03-05
Filing date: 2010-03-05
Publication date: 2014-03-19
Anticipated expiration: 2030-03-05
Also published as: JP2011187233A

Description

本発明は、反応ガス（発電用ガス）により作動する複数の燃料電池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燃料電池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ＳＯＦＣは、通常、発電室内に配設された複数の燃料電池セルを備え、当該発電室内に供給された酸化剤ガスとしての空気を当該燃料電池セルのカソード電極に供給し、当該燃料電池セルのアノード電極には、ガスマニホールドを介して供給される燃料ガスとしての水素ガスを供給することで、発電反応を起こすことができるように構成されている。

このようなＳＯＦＣとして、例えば、ガス分散室と、当該ガス分散室の上部に配設され且つ内部に複数の燃料電池セルが立設された発電室と、前記ガス分散室と発電室との間に配設され且つ当該ガス分散室に供給された燃料ガスを前記発電室に流通させる通気孔が形成された下部隔壁を備え、前記ガス分散室に供給された燃料ガスを、当該通気孔を介して前記燃料電池セルのアノード電極に供給するものが紹介されている。（例えば、特許文献１参照）。

ところで、ＳＯＦＣでは、燃料電池セルに対する燃料枯れや発熱温度ムラが生じると、当該燃料電池セルの寿命の低下や、破損に繋がる虞があり、これらを解消するためには、複数の燃料電池セルの全てに対し反応ガス（発電用ガス）を均等に供給することが重要であることが知られている。また、ＳＯＦＣでは、発電に要するエネルギーをできるだけ削減することが要求されており、この要求には、前記燃料電池セルに必要最低限の反応ガスを供給することで対処している。したがって、ガス分散室（ガスマニホールド）内の反応ガスの供給量を多くする、あるいは反応ガスの供給圧力を高くすることができず、ガス分散室（ガスマニホールド）内に反応ガスを均等に分散（拡散）させることがより困難となっている。

そこで、複数の燃料電池セルがガスマニホールド上に配設されてなり、当該ガスマニホールドに燃料ガスを供給するガス供給管を当該ガスマニホールドの天板（上面）に接続した構成を備え、前記ガス供給管から供給された燃料ガスを前記ガスマニホールドの内側底面に吹き付けることで、当該燃料ガスを前記ガスマニホールド内に分散させ、前記燃料電池セルのアノード電極に前記燃料ガスをほぼ均等に供給するようにした燃料電池も紹介されている。（例えば、特許文献２参照）。

特開２００６−６６３８７号公報特開２００８−６６１２７号公報

しかしながら、特許文献１に記載された燃料電池は、前記ガス分散室に対し、当該ガス分散室の底面の略中央部に連通された１つの燃料ガス供給管から燃料ガスを供給する構造を有しているため、当該燃料ガスは、前記燃料ガス供給管からの到達位置が遠くなる程、流速が遅くなり、当該ガス分散室の隅々まで十分に燃料ガスを到達させることが困難である。したがって、前記ガス分散室と発電室との間に配設された下部隔壁に形成されている通気孔のうち、前記ガス分散室の中央部付近に形成されている通気孔から供給される燃料ガスによって発電を行う燃料電池セルに対しては、十分な燃料ガスを供給することが可能であるが、前記ガス分散室の中央部から遠い位置に形成されている通気孔から供給される燃料ガスによって発電を行う燃料電池セルに対しては、十分な燃料ガスを供給することが困難である。このため、全ての燃料電池セルに対して燃料ガスを均等に供給することができなくなる虞がある。

また、特許文献２に記載された燃料電池は、前記ガス供給管が前記ガスマニホールドの天板の一端に接続されているため、当該燃料ガスは、当該ガスマニホールドの内側底面の燃料ガス吹き付け位置からの到達位置が遠くなる程、流速が遅くなり、当該ガスマニホールド全体にわたって燃料ガスを均等に到達させることが困難である。したがって、前記燃料ガス吹き付け位置から近い位置に配設されている燃料電池セルに対しては、十分な燃料ガスを供給することが可能であるが、前記燃料ガス吹き付け位置から遠い位置に配設されている燃料電池セルに対しては、十分な燃料ガスを供給することが困難である。このため、全ての燃料電池セルに対して燃料ガスを均等に供給することができなくなる虞がある。

ガスマニホールド全体にわたって燃料ガスを均等に到達させることを目的として、本出願人は、複数の噴出孔が形成された内部ガス供給配管を前記ガスマニホールドの内部に配設した構造を発明した。
この構成を備えた燃料電池は、複数の噴出孔が形成された内部ガス供給配管が前記ガスマニホールドの内部に配設されているため、当該噴出孔を当該ガスマニホールド内の任意の位置に配設することができる。したがって、前記ガスマニホールド内の任意の位置に噴出孔を位置させることができるので、当該ガスマニホールド内に反応ガスを行き渡らせるために適切な位置に噴出孔を設けることができる。また、前記内部ガス供給配管内に供給された反応ガスは、当該内部ガス供給配管内を軸芯方向に進むため、供給された当初のエネルギーを保った状態で、前記複数の噴出孔から噴出され、当該内部ガス供給配管内に対する反応ガスの供給位置から各々の噴出孔までの距離による反応ガスの流速の変化（距離によるエネルギーのロス）を抑制することができる。したがって、各々の噴出孔から反応ガスを均等に噴出させることができる。さらに、前記反応ガスを噴出孔から噴出させることで、オリフィス効果により、反応ガスによる気流を発生させることができ、当該反応ガスを効率よく分散させることができる。以上から、反応ガスは、前記ガスマニホールド全体にわたって均等に分散された後、前記支持部材に形成された貫通孔を介して燃料電池セルの反応ガス流路に供給されるため、全ての燃料電池セルに対し、反応ガスをより均等に供給することができる。
これにより、特許文献１及び特許文献２に開示されたいずれの構造と比較しても、ガスマニホールド内のガス分散性を向上することができた。しかし、ガスマニホールド壁面がガスの流れに与える影響等により、ガスマニホールド内にはガスの到達しにくい部分と到達しやすい部分とが生じ得る。その結果、場所による反応ガス濃度の勾配が生じ、局所的に供給量の低い部分を生じる、という現象がみられた。
特に、ガスマニホールドの上面視長手方向、即ち内部ガス供給配管の軸方向においては、距離が長いため、上記ガス濃度の勾配に起因する供給量のばらつきが顕著に生じてしまう場合がある。
このように、内部ガス供給配管を配置した構造においても、燃料電池セルへの燃料ガス供給量を更に均等に近づける余地がある。

本発明は、このような事情に鑑みなされたものであり、ガスマニホールド内に配置した内部ガス供給配管の噴出孔から噴出した反応ガスを、ガスマニホールド全体にわたってより均等に到達させることができ、全ての燃料電池セルに対し、前記反応ガスを均等に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本発明は、内部に反応ガス流路が形成されてなる複数の燃料電池セルと、内部に反応ガスを収容するガスマニホールドと、前記ガスマニホールドに配設されて前記複数の燃料電池セルの前記反応ガス流路方向一端を支持すると共に、当該ガスマニホールド内に収容された反応ガスを前記各々の反応ガス流路に供給する貫通孔が形成された支持部材と、前記ガスマニホールド内に配置され、前記反応ガスを噴出する複数の噴出孔が形成された内部ガス供給管と、を備えた燃料電池であって、前記ガスマニホールド内は、隔壁によって複数の空間に区画されており、それぞれの前記各空間において、前記噴出孔からの前記反応ガスの噴出、及び複数の前記貫通孔に対する前記反応ガスの供給が行われ、前記隔壁は、前記内部ガス供給管の軸方向に対して垂直に設けられ、前記反応ガスが前記隔壁を通過して、隣接する前記空間へ出入りする流れを妨げるように配置されることを特徴とする燃料電池を提供するものである。

この構成を備えた燃料電池は、前記ガスマニホールド内に、前記内部ガス供給配管の軸方向に対して垂直に配置された隔壁により複数の空間に区画されており、噴出孔から噴出した反応ガスは各空間において分散される。従来はガスマニホールド壁面の影響等により、ガス量の勾配がガスマニホールド全体に渡って生じるため、勾配自体は小さいがガス供給量の少ないセル群と多いセル群が存在していたが、本発明によれば、区画された空間同士の間をまたぐ気体の流れが遮断されるため、勾配に起因したガス量の差は各空間に独立して生じる。その結果、ガスマニホールド内のガス供給量の勾配を無視できる程度まで低減することができる。即ち、噴出孔から噴出した反応ガスをガスマニホールド全体よりも小さな空間で分散することできるため、当該反応ガスを効率よく全体に分散させることができる。以上から、反応ガスは、前記ガスマニホールド全体にわたって均等に分散された後、前記支持部材に形成された貫通孔を介して燃料電池セルの反応ガス流路に供給されるため、全ての燃料電池セルに対し、反応ガスをより均等に供給することができる。

前記支持部材は、前記ガスマニホールドと一体的に形成されていてもよく、当該ガスマニホールドとは別体に形成されていてもよい。

また、本発明に係る燃料電池は、前記ガスマニホールドは、前記支持部材側から見た平面視で略長方形を有し、前記内部ガス供給配管は、その軸芯が、前記略長方形の長辺方向に沿って配設されており、各セルへの反応ガス供給を均等に行うことができる

そしてまた、本発明に係る燃料電池は、それぞれの前記各空間における前記噴出孔の開口面積の合計が、それぞれの前記各空間における前記貫通孔の開口面積の合計に比例するよう、前記噴出孔が配置されるように構成することができる。このように配置することで、各空間に対し、それぞれ貫通孔の開口面積に比例した量、即ち、各空間からセルに供給する反応ガスの必要量に比例した量のガスが供給される。これにより、特定の空間においてガス供給量が過剰になったり、不足したりすることを抑えることができる。

また、本発明に係る燃料電池は、前記各噴出孔の開口形状はすべて同一であり、互いに隣接する前記各噴出孔は、前記内部ガス供給配管の軸方向に沿って均等な第一の所定間隔をもって離間して形成されており、互いに隣接する前記各隔壁は、均等な第二の所定間隔をもって、離間して互いに平行に配置されており、前記第二の所定間隔の大きさは、前記第一の所定間隔の大きさの整数倍で構成することができる。このように構成することで、各空間の形状、それぞれの空間における噴出孔の配置、数をそれぞれ同一とすることができる。これにより、各空間におけるガス量の分布がそれぞれ同じになるため、ガスマニホールド全体における供給量のばらつきを更に低減することができる。

そしてまた、本発明に係る燃料電池は、前記隔壁が、前記ガスマニホールドを形成する底板、及び前記支持部材のいずれに対しても当接することで、前記支持部材を下方から支持されるように構成することができる。このように構成することで、隔壁が支持部材を下方から支持する機能を有することができ、高温環境の中で鉛直下方の荷重を受けることにより生じるおそれのある支持部材の変形を抑えることができる。

また、本発明に係る燃料電池は、前記内部ガス供給配管が、前記隔壁によって支持されるように構成することができる。このように構成することで、隔壁が内部ガス供給配管を支持する機能を有することができ、高温の燃料ガスが供給により高温になった内部ガス供給配管の自重による変形を抑えることができる。

本発明によれば、ガスマニホールド全体にわたって反応ガスを均等に到達させることができ、全ての燃料電池セルに対し、前記反応ガスを均等に供給することが可能であり、発電を効率よく行うことができ、寿命が長く、信頼性の高い燃料電池を提供することができる。

図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池を含む燃料電池システムを示す全体構成図である。図２は、図１に示す燃料電池の燃料電池モジュールを示す正面断面図である。図３は、図２に示すIII−III線に沿った断面図である。図４は、図２に示す燃料電池の構成要素である燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。図５は、図４に示す複数の燃料電池セルユニットから構成された燃料電池セルスタックを示す斜視図である。図６は、図２に示す燃料電池の構成要素であるガスマニホールドを示す斜視図である。図７は、図３に示す燃料電池モジュールの一部を模式的に拡大して示す図である。図８は、本発明の実施形態に係る燃料電池モジュールの構成要素であるガスマニホールド、及びその内部構造を示す斜視図である。図９は、図８に示したガスマニホールド、及びその内部構造を示す断面図である。

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、本発明の実施形態に係る燃料電池を含む燃料電池システムを示す全体構成図、図２は、図１に示す燃料電池の燃料電池モジュールを示す正面断面図、図３は、図２に示すIII−III線に沿った断面図、図４は、図２に示す燃料電池の構成要素である燃料電池セルユニットを示す部分断面図、図５は、図４に示す複数の燃料電池セルユニットから構成された燃料電池セルスタックを示す斜視図、図６は、図２に示す燃料電池の構成要素であるガスマニホールドを示す斜視図である。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に示す燃料電池システムＦＣＳは、燃料電池１と、補機ユニット４とを備えて構成されている。

燃料電池１は、燃料電池モジュール２と、燃料電池モジュール２に接続され且つ燃料電池モジュール２から排出された排気ガスが供給される温水製造装置５０と、温水製造装置５０に接続され且つ温水製造装置５０に水道水を供給する水供給源２４と、燃料電池モジュール２に配設され、燃料電池モジュール２に供給される燃料ガスの供給量等を制御するための制御ボックス５２と、燃料電池モジュール２に接続され且つ燃料電池モジュール２により発電された電力を外部に供給するための電力取出部（電力変換部）であるインバータ５４とを備えている。なお、温水製造装置５０では、水供給源２４から供給された水道水が排気ガスの熱により温水となり、図示しない外部の給湯器の貯湯タンクへ供給されるようになっている。

補機ユニット４は、水道等の水供給源２４からの水を貯水してフィルターにより純水とする純水タンク２６と、この純水タンク２６から供給される水の流量を調整する水流量調整ユニット２８と、都市ガス等の燃料ガス（被改質ガス）を供給する燃料供給源３０と、燃料供給源３０から供給された燃料ガスを遮断するガス遮断弁３２と、前記燃料ガスから硫黄を除去するための脱硫器３６と、前記燃料ガスの流量を調整する燃料流量調整ユニット３８と、酸化剤である空気を供給する空気供給源４０と、空気供給源４０から供給される空気を遮断する電磁弁４２と、前記空気の流量を調整する改質用空気流量調整ユニット４４及び発電用空気流量調整ユニット４５と、燃料流量調整ユニット３８から供給された燃料ガスと改質用空気流量調整ユニット４４から供給された改質用空気とを混合する混合部４６とを備えている。

なお、本実施形態に係る燃料電池システムでは、改質器２０に供給される改質用空気や発電室１０に供給される発電用空気を加熱して起動時の昇温を効率よく行うためのヒータ等の加熱手段や、改質器２０を別途加熱する加熱手段は設けられていない。

次に、燃料電池モジュール２の内部構造について説明する。燃料電池モジュール２は、図１〜図３に示すように、ハウジング６を備え、このハウジング６の内部は、密封空間８となっている。この密封空間８の下方部分である発電室１０には、燃料ガス（改質ガス）と酸化ガス（空気）とにより発電反応を行う燃料電池セル集合体１２が配置されている。また、密封空間８の発電室１０の上方には、燃焼室１８が形成され、この燃焼室１８では、発電反応に使用されなかった残余の燃料ガスと残余の空気とが燃焼し、排気ガスを生成するようになっている。この燃焼室１８の上方には、燃料ガス（被改質ガス）を改質する改質器２０が配置され、前記残余ガスの燃焼熱によって改質器２０を改質反応が可能な温度となるように加熱している。さらに、この改質器２０の上方には、燃焼熱を受けて空気を加熱するための空気用熱交換器２２が配置されている。また、密封空間８の発電室１０の下方には、ガスマニホールド６６が形成されている。

燃料電池セル集合体１２は、１０個の燃料電池セルスタック１４を備えている。この燃料電池セルスタック１４は、図５に示すように、１６本の燃料電池セルユニット１６を備えており、この構成により、燃料電池セル集合体１２は、１６０本の燃料電池セルユニット１６を有することになる。また、燃料電池セルユニット１６の下端側及び上端側は、セラミック製の支持部材６８及び１００により各々支持されている。これらの支持部材６８及び１００には、後述する内側電極端子８６が貫通可能な貫通孔６８ａ及び１００ａが各々形成されている。

燃料電池セルユニット１６は、燃料電池セル８４と、この燃料電池セル８４の上下方向端部に各々接続された内側電極端子８６とを備えている。燃料電池セル８４は、上下方向に延びる管状構造体であり、内部に燃料ガス流路８８を形成する円筒形の内側電極層９０と、円筒形の外側電極層９２と、内側電極層９０と外側電極層９２との間にある電解質層９４とを備えている。内側電極層９０は、燃料ガスが通過する燃料極（アノード極）であり、外側電極層９２は、空気と接触する空気極（カソード極）となっている。内側電極端子８６の上部９０ａは、電解質層９４と外側電極層９２に対して露出された外周面９０ｂと上端面９０ｃとを有している。この内側電極端子８６は、導電性のシール材９６を介して外周面９０ｂと接続され、上端面９０ｃとは直接接触することにより、内側電極層９０と電気的に接続されている。また、内側電極端子８６の中心部には、内側電極層９０の燃料ガス流路８８と連通する燃料ガス流路９８が形成されている。

また、各々の燃料電池セルユニット１６には、集電体１０２及び外部端子１０４が取り付けられている。この集電体１０２は、内側電極端子８６と電気的に接続される燃料極用接続部１０２ａと、外側電極層９２の外周面全体と電気的に接続される空気極用接続部１０２ｂとにより一体的に形成されている。外部端子１０４は、隣接する燃料電池セルスタック１４の端にある燃料電池セルユニット１６の外部端子１０４（図示せず）に接続され、１６０本の燃料電池セルユニット１６の全てが直列接続されるようになっている。

改質器２０には、その上流端側に純水を導入するための純水導入管６０と、改質される燃料ガスと改質用空気を導入するための被改質ガス導入管６２が取り付けられている。改質器２０の内部には、上流側から順に、蒸発部２０ａ、改質部２０ｂが形成されており、改質部２０ｂには、改質触媒が充填されている。この改質器２０に導入された水蒸気（純水）が混合された燃料ガス及び空気は、改質器２０内に充填された改質触媒により改質される。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や、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。また、この改質器２０の下流端側には、下方に延びる燃料ガス供給管６４が接続されている。

空気用熱交換器２２は、上流側に空気集約室７０、下流側に２つの空気分配室７２を備え、これらの空気集約室７０と空気分配室７２は、６個の空気流路管７４により接続されている。ここで、図３に示すように、３個の空気流路管７４が一組（７４ａ、７４ｂ、７４ｃ、７４ｄ、７４ｅ、７４ｆ）となっており、空気集約室７０内の空気が各組の空気流路管７４からそれぞれの空気分配室７２へ流入する。この空気用熱交換器２２の６個の空気流路管７４内を流れる空気は、燃焼室１８で燃焼して上昇する排気ガスにより予熱される。空気分配室７２の各々には、空気導入管７６が接続され、この空気導入管７６は、下方に延び、その下端側が、発電室１０の下方空間に連通し、発電室１０に余熱された空気を導入する。

ガスマニホールド６６は、特に図６に示すように、底面６７が略長方形状を呈する略直方体形状を有しており、このガスマニホールド６６の上部には、燃料電池セルスタック１４を支持するための板状の支持部材６８が配設されている。この支持部材６８には、ガスマニホールド６６に収容された燃料ガスを各々の燃料電池セル８４の燃料ガス流路８８に供給するための貫通孔６９が形成されている。なお、支持部材６８は、底面６７に対向して配設されており、これにより底面６７は、支持部材６８に対向配置された対向壁となっている。

また、ガスマニホールド６６の内部には、ガスマニホールド６６内に燃料ガスを供給するための内部ガス供給配管６３が、底面６７及び支持部材６８の各々と所定の間隔をおいて配設されている。この内部ガス供給配管６３は、軸芯方向に垂直な断面形状が円形を有し、当該軸芯が、ガスマニホールド６６の長手方向（前記略長方形の長辺方向）に沿って、底面６７と平行に延びており、図２、図３及び図７に示すように、支持部材６８からの距離が、底面６７からの距離よりも長くなる位置（高さ）に配設されている。また、内部ガス供給配管６３の一端は、図２に示すように、改質器２０の下流端側に接続された燃料ガス供給管６４に接続されており、内部ガス供給配管６３には、改質器２０から燃料ガス供給管６４を介して燃料ガスが供給されるようになっている。一方、内部ガス供給配管６３の他端は、図２及び図６に示すように、ガスマニホールド６６の内壁（図２でいう右側の内壁）に固定されている。

さらにまた、内部ガス供給配管６３には、内部ガス供給配管６３内に供給された燃料ガス（改質された燃料ガス）を底面６７に向けて垂直に噴出するための複数の噴出孔６５が形成されている。これらの噴出孔６５は、図２、図３及び図７に示すように、内部ガス供給配管６３の下面に、互いに間隔をおいて軸芯方向に沿って一直線上に形成されている。

なお、このガスマニホールド６６の下方には、排気ガス室７８が形成されており、ハウジング６の長手方向に沿った面である前面６ａと後面６ｂの内側には、上下方向に延びる排気ガス通路８０（図３参照）が形成されている。この排気ガス通路８０の上端側は、空気用熱交換器２２が配置された空間と連通し、下端側は、排気ガス室７８と連通している。また、排気ガス室７８の下面のほぼ中央には、排気ガス排出管８２が接続され、この排気ガス排出管８２の下流端は、温水製造装置５０に接続されている。そしてまた、燃焼室１８には、燃料ガスと空気との燃焼を開始するための点火装置８３が設けられている。

本実施形態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２０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（１）に示す反応が進行する。
Ｃ_ｍＨ_ｎ＋ｘＯ_２ → aＣＯ_２＋ｂＣＯ＋ｃＨ_２（１）
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２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。

水蒸気改質反応（ＳＲ）は、改質器２０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（２）に示す反応が進行する。
Ｃ_ｍＨ_ｎ＋ｘＨ_２Ｏ → aＣＯ_２＋ｂＣＯ＋ｃＨ_２（２）
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。

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２０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（３）に示す反応が進行する。
Ｃ_ｍＨ_ｎ＋ｘＯ_２＋ｙＨ_２Ｏ → aＣＯ_２＋ｂＣＯ＋ｃＨ_２（３）
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。なお、本実施形態では、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。先ず、改質用空気を増やすように発電用空気流量調整ユニット４５、電磁弁４２及び混合部４６を制御し、改質器２０に空気を供給する。また、発電室１０には、前述したように、空気導入管７６から発電用の空気が供給される。そしてまた、燃料ガスの供給を増やすように燃料流量調整ユニット３８、及び混合部４６を制御し、改質器２０に被改質ガスを供給し、改質器２０へ送り込まれた被改質ガス及び改質用空気は、改質器２０、燃料ガス供給管６４、内部ガス供給配管６３、ガスマニホールド６６を介して、各々の貫通孔６９から各燃料電池セルユニット１６内に送り込まれる。各燃料電池セルユニット１６内に送り込まれた被改質ガス及び改質用空気は、各燃料電池セルユニット１６の下端に形成されている燃料ガス流路９８から燃料ガス流路８８を通過し、上端に形成されている燃料ガス流路９８から夫々流出する。その後、点火装置８３によって、燃料ガス流路９８上端から流出した被改質ガスに着火して燃焼運転を実行する。これにより、燃焼室１８内で被改質ガスが燃焼され、上述した部分酸化改質反応（ＰＯＸ）が発生する。

その後、改質器２０の温度が約６００℃以上になり、且つ燃料電池セル集合体１２の温度が約２５０℃を超えたことを条件として、前述した第１オートサーマル改質反応（ＡＴＲ１）へと移行させ、燃料電池セル集合体１２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。この時、水流量調整ユニット２８、燃料流量調整ユニット３８及び改質用空気流量調整ユニット４４により、被改質ガスと改質用空気と水蒸気とを予め混合したガスを改質器２０に供給する。次いで、改質器２０の温度が６５０℃以上となり、且つ燃料電池セル集合体１２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。

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１０内の温度が徐々に上昇する。発電室１０の温度が、燃料電池モジュール２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２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２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。燃料電池セル８４の発電により、燃料電池セル８４自体も発熱し、燃料電池セル８４の温度が上昇するため、燃料電池モジュール２を作動させる定格温度、例えば７００〜８００℃になる。

この着火から燃焼工程において、燃料ガス供給管６４を介して、内部ガス供給配管６３に供給された被改質ガス及び改質ガス（燃料ガス）は、各々の噴出孔６５からガスマニホールド６６内に噴出される。この時、内部ガス供給配管６３は、ガスマニホールド６６の内部に配設されており、ガスマニホールド６６内は、外部よりも高温となっているため、ガス供給配管をガスマニホールドの外部に配設した場合に比べ、燃料ガスの放熱を低下させることができる。したがって、当該ガスマニホールドへの反応ガス供給時における当該反応ガスの放熱を低下させることができる。このため、燃料電池セル８４に高温の燃料ガスを供給することができ、燃料電池セル８４の温度上昇を促進させる、あるいは、温度低下を抑制させることができるため、発電を効率よく行わせることができる。

図８は、本発明の実施形態に係る燃料電池モジュールの構成要素であるガスマニホールド、及びその内部構造を示す斜視図であり、図９はその断面図である。尚、図８においては内部の構成を明確に示すため、支持部材６８等、一部の構成要素を省略して示している。
本実施形態では、等間隔で配置された隔壁２０１によって、ガスマニホールド６６内互いに略同一形状である１０個の空間２０２に分割されており、内部ガス供給配管６３は隔壁２０１を貫いて配置されている。図面においては明確に表していないが、内部ガス供給配管に等間隔に離間して形成された噴出孔６５は、それぞれの空間２０２において１個ずつ存在するように形成されている。
各空間２０２における噴出孔６５の個数は、１個に限らず、２個以上でもよい。このとき、互いに隣接する隔壁２０１の間隔が、互いに隣接する噴出孔６５の間隔の整数倍になるよう配置することが望ましい。

本実施形態では、図８に示すように、内部ガス供給配管６３の軸に対し垂直に隔壁２０１を設けることで、噴出孔６５から噴出された燃料ガスが各空間２０２同士の間をまたぐ気体の流れが遮断されるため、勾配に起因したガス量の差は各空間２０２に独立して生じる。これにより、ガスマニホールド６６内のガス供給量の勾配を無視できる程度まで低減することができ、燃料ガスをさらに効率よく全体に分散することができる。また、隔壁２０１の数は図に示したものに限らず、内部ガス供給配管６３に設けた噴出孔６５の数やガスマニホールド６６の形状等に合わせ任意に変更することができる。

また、本実施形態では、図９に示すように隔壁２０１が支持部材６８を下方から支持する機能も有するため、鉛直下方の荷重による支持部材６８の変形を抑制することができる。また、隔壁２０１は内部ガス供給配管６３を支持する機能も有するため、高温燃料ガスによる内部ガス供給配管６３の変形を抑制することもできる。

さらにまた、本実施形態では、内側電極層９０が燃料極（アノード極）であり、外側電極層９２が空気極（カソード極）である燃料電池セル８４を配設した場合について説明したが、これに限らず、所望により、内側電極層９０が空気極（カソード極）であり、外側電極層９２が燃料極（アノード極）である燃料電池セルを配設してもよい。そして、この場合は、内部ガス供給配管６３に空気（酸化剤ガス）を供給すればよい。

１…燃料電池、２…燃料電池モジュール、１０…発電室、１６…燃料電池セルユニット、２０…改質器、６３…内部ガス供給配管、６５、１６５…噴出孔、６６…ガスマニホールド、６７…底面、６８…支持部材、６９…貫通孔、８８…燃料ガス流路、１６３…枝管、ＦＣＳ…燃料電池システム、２０１…隔壁、２０２…空間

Claims

内部に反応ガス流路が形成されてなる複数の燃料電池セルと、
内部に反応ガスを収容するガスマニホールドと、
前記ガスマニホールドに配設されて前記複数の燃料電池セルの前記反応ガス流路方向一端を支持すると共に、当該ガスマニホールド内に収容された反応ガスを前記各々の反応ガス流路に供給する貫通孔が形成された支持部材と、
前記ガスマニホールド内に配置され、前記反応ガスを噴出する複数の噴出孔が形成された内部ガス供給管と、
を備えた燃料電池であって、
前記ガスマニホールド内は、隔壁によって複数の空間に区画されており、それぞれの前記各空間において、前記噴出孔からの前記反応ガスの噴出、及び複数の前記貫通孔に対する前記反応ガスの供給が行われ、
前記隔壁は、
前記内部ガス供給管の軸方向に対して垂直に設けられ、
前記反応ガスが前記隔壁を通過して、隣接する前記空間へ出入りする流れを妨げるように配置されることを特徴とする燃料電池。
前記ガスマニホールドは、前記支持部材側から見た平面視で略長方形を有し、
前記内部ガス供給配管は、その軸芯が、前記略長方形の長辺方向に沿って配設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。
それぞれの前記各空間における前記噴出孔の開口面積の合計が、
それぞれの前記各空間における前記貫通孔の開口面積の合計に比例するよう、
前記噴出孔が配置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。
前記各噴出孔の開口形状はすべて同一であり、
互いに隣接する前記各噴出孔は、前記内部ガス供給配管の軸方向に沿って均等な第一の所定間隔をもって離間して形成されており、
互いに隣接する前記各隔壁は、均等な第二の所定間隔をもって、離間して互いに平行に配置されており、
前記第二の所定間隔の大きさは、前記第一の所定間隔の大きさの整数倍であることを特徴とする
請求項３記載の燃料電池。
前記隔壁が、前記ガスマニホールドを形成する底板、及び前記支持部材のいずれに対しても当接することで、
前記支持部材を下方から支持していることを特徴とする、
請求項１から請求項４のいずれかに記載の燃料電池。
前記内部ガス供給配管が、前記隔壁によって支持されていることを特徴とする、
請求項１から請求項５のいずれかに記載の燃料電池。