JP5512156B2 - 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、固体酸化物形燃料電池は比較的高温（例えば、６００℃以上）で運転するため、燃料電池の発電に伴う排熱を、上記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、気化部および改質部を備える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酸化物形燃料電池が提案されてきた（特許文献１等）。

ところで、固体酸化物形燃料電池の発電中には、その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。この場合には、固体酸化物形燃料電池では、例えば、次のような問題があった。セルスタックの比較的高温な領域では、発電された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。さらに、気化部および改質部を備える改質器と複数個のセルスタックとが一体的に筐体内に収容された固体酸化物形燃料電池では、その運転中において、各セルスタックと改質器との間における熱交換量が相違することにより、各セルスタック同士の間においてその運転温度が不均一となる場合があった。これまで、こうした問題について、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２００７−５９３７７号公報 特開２００２−２８９２５０号公報 特開２００５−２３５５２６号公報

本発明は、気化部および改質部を備える改質器と複数個のセルスタックとが一体的に配置された固体酸化物形燃料電池において、運転中の各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および該気化部から供給された前記原燃料ガスを改質して燃料ガスを生成する改質部を備える改質器と、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、前記改質器および前記セルスタックを収容するとともに、前記燃料電池セルの配列方向に沿って設けられた第１および第２の側面を有する筐体と、外部から該筐体内に導入され、前記セルスタックに供給される酸化ガスを流すための酸化ガス流路とを備え、前記気化部及び前記改質部は、前記複数個のセルスタックの上方の位置に略水平に配置されており、前記複数個のセルスタックは、前記気化部の下方に配置された第１のセルスタックと、前記気化部の下方には配置されていない第２のセルスタックとを含み、前記第１のセルスタックは、前記第１の側面の側に配置されるとともに、前記第２のセルスタックは、前記第２の側面の側に配置されており、前記酸化ガス流路は、前記第１の側面の側に設けられた第１側面酸化ガス流路と前記第２の側面の側に設けられた第２側面酸化ガス流路とのうち、少なくとも前記第２側面酸化ガス流路を含むとともに、前記第２のセルスタックから酸化ガスへの熱伝達量が、前記第１のセルスタックから酸化ガスへの熱伝達量より多くなるように、前記第１の側面の側と前記第２の側面の側とで非対称に形成された第１の流路構成と、前記第２のセルスタックから前記筐体外部への熱伝達量が、前記第１のセルスタックから前記筐体外部への熱伝達量より多くなるように、前記第１の側面の側と前記第２の側面の側とで非対称に形成された第２の流路構成とのうち、少なくともいずれかの流路構成を有する、固体酸化物形燃料電池。
この固体酸化物形燃料電池によれば、第１の流路構成を有する酸化ガス流路においては、気化部により冷却されて運転温度が比較的低くなる第１のセルスタックより、比較的運転温度が高くなる第２のセルスタックが、より冷却される。また、第２の流路構成を有する酸化ガス流路においては、第１のセルスタックが配置される側の保温性が向上するため、第１のセルスタックから筐体外部への放熱が低減される。すなわち、比較的運転温度が高くなる第２のセルスタックが、より冷却される。従って、改質器と複数個のセルスタックとが一体的に筐体内に配置された固体酸化物形燃料電池において、第１または第２の流路構成を有する酸化ガス流路を用いることにより、その運転中の各セルスタック間における温度分布の不均一性が改善される。

［適用例２］
適用例１に記載の固体酸化物形燃料電池であって、前記第１の流路構成を有する前記酸化ガス流路は、前記第１側面酸化ガス流路および前記第２側面酸化ガス流路を備えるとともに、前記第２側面酸化ガス流路が、前記第１側面酸化ガス流路よりも上下方向に長い、固体酸化物形燃料電池。
この固体酸化物形燃料電池によれば、流路の長さの差の分だけ、第１のセルスタックから第１側面酸化ガス流路へと伝達される熱量より、第２のセルスタックから第２側面酸化ガス流路へと伝達される熱量が増大する。従って、比較的運転温度が高くなる第２のセルスタックが、より冷却されることとなり、改質器と複数個のセルスタックとが一体的に筐体内に配置された固体酸化物形燃料電池において、その運転中の各セルスタック間における温度分布の不均一性が改善される。

［適用例３］
適用例１に記載の固体酸化物形燃料電池であって、前記第１の流路構成を有する前記酸化ガス流路は、前記第２側面酸化ガス流路を備え、かつ前記第１側面酸化ガス流路を備えていない、固体酸化物形燃料電池。
この固体酸化物形燃料電池によれば、第２側面酸化ガス流路によって、比較的運転温度が高くなる第２のセルスタックが冷却される。従って、改質器と複数個のセルスタックとが一体的に筐体内に配置された固体酸化物形燃料電池において、運転中の各セルスタック間における温度分布の不均一性が改善される。

［適用例４］
適用例１に記載の固体酸化物形燃料電池であって、前記第２の流路構成を有する前記酸化ガス流路は、前記第１側面酸化ガス流路および前記第２側面酸化ガス流路を備えるとともに、前記第１側面酸化ガス流路が、前記筐体の前記第１の側面の内側に設けられた外側流路と、前記外側流路より内側に設けられた内側流路とを有する、固体酸化物形燃料電池。
この固体酸化物形燃料電池によれば、第１側面側において、外側流路を設けることにより、筐体外部への放熱が抑制され、第１のセルスタック側の保温性が向上する。従って、第１のセルスタック側からの放熱量を第２のセルスタック側からの放熱量より低減でき、改質器と複数個のセルスタックとが一体的に筐体内に配置された固体酸化物形燃料電池において、運転中の各セルスタック間における温度分布の不均一性が改善される。

［適用例５］
適用例１ないし適用例４のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池であって、前記酸化ガス流路は、前記第１と第２のセルスタックの間において、上方から下方へと垂下され、前記酸化ガスを前記第１と第２のセルスタックを構成する前記燃料電池セルの下端部側に供給するための酸化ガス導入部材を備え、前記複数の燃料電池セルのそれぞれには、前記燃料ガスを上方へと誘導するガス流路が設けられ、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って互いに並列に配置され、前記セルスタックのそれぞれの上端には、前記燃料電池セルで利用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、前記酸化ガス流路は、前記第１の流路構成または前記第２の流路構成において、前記第２のセルスタックの下方からの熱伝達量より、前記第２のセルスタックの上方からの熱伝達量の方が多くなるように形成されている、固体酸化物形燃料電池。
この固体酸化物形燃料電池によれば、燃焼部によって運転温度が比較的高くなる傾向にある第２のセルスタックの上端部側を、運転温度が比較的低くなる傾向にある下端部側より酸化ガス流路への熱伝達量を多くすることで冷却できるため、改質器と複数個のセルスタックとが一体的に筐体内に配置された固体酸化物形燃料電池において、運転中の各セルスタックにおける温度分布が改善されるとともに、第２のセルスタックの上下方向における温度分布が改善される。

［適用例６］
適用例５に記載の固体酸化物形燃料電池であって、前記酸化ガス流路は、前記第２側面酸化ガス流路と前記酸化ガス導入部材とを接続する中間酸化ガス流路を含み、前記第２側面酸化ガス流路と、前記中間酸化ガス流路とのそれぞれに、前記酸化ガスを外部から導入するための酸化ガス導入口が設けられている、固体酸化物形燃料電池。
この固体酸化物形燃料電池によれば、酸化ガス出口配管に流入する酸化ガスの温度を中間酸化ガス流路に設けられたガス導入口から流入する酸化ガスによって低下させることができる。従って、第１と第２のセルスタックの酸化ガス出口配管と対向するそれぞれの側面側を、より冷却することができる。

［適用例７］
適用例５または適用例６に記載の固体酸化物形燃料電池であって、前記第２側面酸化ガス流路は、その内側に、前記酸化ガスを、前記燃焼部と対向する領域に誘導した後、下方へと誘導し、折り返して再び上方へと誘導する流路壁を有する、固体酸化物形燃料電池。
この固体酸化物形燃料電池によれば、酸化ガスを熱媒体として、第２のセルスタックにおける比較的温度が高くなる領域から比較的温度が低くなる領域へと熱を伝達できる。従って、運転中の第２のセルスタックの上下方向における温度分布が改善される。

［適用例８］
適用例５に記載の固体酸化物形燃料電池であって、前記第１の流路構成を有する前記酸化ガス流路は、前記燃焼部の外周に配置される外周配管を有し、該外周配管は、少なくとも、前記第２の側面に沿って配置される第２側面配管と、前記第２側面配管の一端側に接続され、前記第１の側面側に延びる水平配管とを備えるとともに、前記外周配管は、前記第２のセルスタック側の端部が前記酸化ガスの入口として構成されるとともに、前記第１のセルスタック側に配置される端部が前記酸化ガスの出口として構成されている、固体酸化物形燃料電池。
この固体酸化物形燃料電池によれば、酸化ガス流路（外周配管）中を流れる酸化ガスは、第２のセルスタックの側から第１のセルスタックの側へと、燃焼部の熱を受けて昇温されながら流れる。従って、第２のセルスタックから酸化ガス流路（外周配管）へと伝達される熱量が、第１のセルスタックから酸化ガス流路（外周配管）へと伝達される熱量より増大する。即ち、比較的運転温度が高くなる第２のセルスタックが、より冷却されることとなり、運転中の各セルスタック間における温度分布の不均一性が改善される。

［適用例９］
適用例５ないし適用例７のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池であって、前記酸化ガス流路は、下流側の流路断面積より上流側の流路断面積の方が大きい、固体酸化物形燃料電池。
この燃料電池によれば、酸化ガス流路における酸化ガスの流速は下流側ほど速くなるため、酸化ガス流路の下流側ほど、酸化ガスがセルスタックから受ける熱伝達量が増加する。従って、酸化ガス流路によって、比較的高温となるセルスタックの上端部をより冷却することができ、運転中の各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。

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、固体酸化物形燃料電池、その固体酸化物形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実施例における固体酸化物形燃料電池の構成を示す概略図。 第１実施例における固体酸化物形燃料電池の構成を示す概略図。 第１のセルスタックの構成を示す概略図。 （Ａ），（Ｂ）はそれぞれ、運転中の第１と第２のセルスタックにおける温度分布を説明するための模式図。 第２実施例における固体酸化物形燃料電池の構成を示す概略図。 第２実施例における固体酸化物形燃料電池の他の構成例を示す概略図。 第３実施例における固体酸化物形燃料電池の構成を示す概略図。 第３実施例の固体酸化物形燃料電池における第２側面酸化ガス流路内に設けられた流路壁の構成を示す概略図。 第３実施例における固体酸化物形燃料電池の他の構成例を示す概略図。 第３実施例の固体酸化物形燃料電池の他の構成例における第１側面酸化ガス流路内の流路壁の構成を示す概略図。 第４実施例における固体酸化物形燃料電池の構成を示す概略図。 第４実施例の固体酸化物形燃料電池における酸化ガスの流れと、酸化ガスへの熱伝達とを説明するための模式図。 第５実施例における固体酸化物形燃料電池の構成を示す概略図。 第６実施例における固体酸化物形燃料電池の構成を示す概略図。 第６実施例における固体酸化物形燃料電池の構成を示す概略図。 第７実施例における固体酸化物形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は、本発明の一実施例としての固体酸化物形燃料電池（以下、「燃料電池」と略す場合がある。）の構成を示す概略図である。図１は、燃料電池１０００を正面方向に沿って見たときの図であり、図２は、燃料電池１０００を上方から重力方向に沿って見たときの図である。より具体的には、図１は、図２に示す１−１切断における概略断面図であり、図２は、図１に示す２−２切断における概略断面図である。図１及び図２には、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。なお、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。矢印ｚの示す方向と反対の方向が重力方向である。

この燃料電池１０００は、外部から水素含有ガス（燃料ガス）を生成するための水蒸気改質に用いられる原燃料と、酸素含有ガス（酸化ガス）との供給を受けて発電する固体酸化物形燃料電池である。燃料電池１０００には、改質器２００と、第１と第２のセルスタック１００，１１０とが、略直方体形状の筐体５００の内部空間である発電室５５０に一体的に配置されている。改質器２００は、外部から供給された原燃料を水蒸気改質し燃料ガスを生成する装置である。２つのセルスタック１００，１１０はそれぞれ、水素と酸素の電気化学反応によって発電する複数の中空平板状の燃料電池セル１２０が矢印ｙの方向に沿って集電部材（図１及び図２においては図示せず）を介して配列されている。

なお、図１及び図２では、改質器２００の改質部（後述）として機能する部位にクロスハッチングを付し、気化部（後述）として機能する部位及び２つの配管２１１，２２１（後述）に斜線ハッチングを付してある。また、図２では、２つのセルスタック１００，１１０は、一点鎖線によって図示されている。

改質器２００は、第１と第２のセルスタック１００，１１０の上方において水平に配置されており（図１）、重力方向に沿って見たときに、燃料電池１０００の正面方向に開いた略コの字形状を有している（図２）。より具体的には、改質器２００は、矢印ｙの方向に沿って互いに平行に延びる略四角柱形状を有する第１と第２の本体部２１０，２２０と、燃料電池１０００の背面側において第１と第２の本体部の端部を連結する第３の本体部２３０とを備える。なお、第１の本体部２１０は、図１及び図２の紙面に向かって右側に配置され、第２の本体部２２０は、紙面に向かって左側に配置されている。

第１の本体部２１０には、燃料電池１０００の正面側の面に、燃料電池１０００の外部から原燃料と改質反応に用いられる水分（以後、「改質用水」と呼ぶ）とを導入するための原料導入配管２１１が設けられている。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。なお、本実施例の燃料電池１０００では、原燃料として、メタン（ＣＨ₄）含有ガスを用いているが、その他の原燃料として、プロパン、ブタン、灯油、ナフサ等の炭化水素燃料や、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル等の含酸素燃料を用いることもできる。また、第２の本体部２２０の正面側の端部には、重力方向に延びる配管２２１が設けられている。配管２２１は、燃料ガスマニホールド部２４０（後述）に接続されている。

ここで、図２には、改質器２００内部における原料および改質反応によって生成された燃料ガスの流れが矢印で図示されている。原料導入配管２１１から供給された原料は、第１の本体部２１０の上流側（斜線ハッチングが付された部位）において加熱され、改質用水が気化するとともに、原燃料が改質反応に適した温度にまで昇温される。以後、当該斜線ハッチングが付された部位を「気化部」と呼ぶ。なお、気化部は、その下流側の内部に原燃料を昇温するためのセラミックスボール（例えばＡｌ₂Ｏ₃、ＺｒＯ₂）などが収容されているものとしても良い。

水蒸気を含む昇温された原燃料ガスは、第１の本体部２１０の下流側から第３の本体部２３０を介して第２の本体部２２０へと流れる。原燃料ガスは、この第１の本体部２１０の下流側及び第２と第３の本体部２２０，２３０（クロスハッチングが付された部位）において、燃料ガスを生成するための水蒸気改質に供される。以後、当該クロスハッチングが付された部位を「改質部」と呼ぶ。なお、この改質部の内部には、水蒸気改質を促進するためのルテニウム系触媒やニッケル系触媒などの触媒が配置されている。水素を含む燃料ガスは、配管２２１へと流れる。以後、配管２２１を「燃料ガス配管２２１」と呼ぶ。

図３は、第１のセルスタック１００の構成を示す概略図であり、図１に示す３−３切断に相当する断面を示している。図３には、図１及び図２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。なお、第２のセルスタック１１０の構成も第１のセルスタック１００と同様であるため、その説明及び図示は省略する。

第１のセルスタック１００の各燃料電池セル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、発電された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。なお、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。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。各燃料電池セル１２０は、カソード２２と集電部材４２とが接するように連続的に配置され、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、気孔率が１０〜５０％の多孔質部材で構成されており、ガス流路孔３６内部からアノード２１へと燃料ガスを透過させることができる。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、燃料電池１０００における反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）と排ガスの流路について、図１及び図２を用いて以下に説明する。なお、図１には、燃料ガス及び酸化ガスの流れを示す実線矢印が図示されており、排ガスの流れを示す破線矢印が図示されている。

筐体５００の発電室５５０の底部には、平板状の断熱材である床断熱材６００が配置され、その上に燃料ガスマニホールド部２４０が積層されている。この燃料ガスマニホールド部２４０の内部には、燃料ガスが流入する燃料ガス室２４５が設けられており、上述した燃料ガス配管２２１が接続されている。２つのセルスタック１００，１１０は、この燃料ガスマニホールド部２４０の上において、燃料電池セル１２０の配列方向が矢印ｙの方向と一致するように載置されている。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は、燃料ガスマニホールド部２４０の上面に設けられた貫通孔２４６を介して燃料ガス室２４５と接続されている。この構成により、改質器２００で生成された燃料ガスは、燃料ガス配管２２１を介して燃料ガスマニホールド部２４０の燃料ガス室２４５へと流入する。燃料ガス室２４５の燃料ガスは、各燃料電池セル１２０のガス流路孔３６へと流入し、発電反応に供されつつ上方へと流れる。

一方、筐体５００には、その上面部５１０や、互いに対向する第１と第２の側面部５２０，５３０、底面部５４０の各壁面を多重構造とすることによって、酸化ガス（酸素含有ガス、例えば空気等。）のための流路や、電気化学反応で消費されなかった燃料ガスを燃焼して生じる排ガスを排出する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。上面部５１０は、外側の上面部外壁５１２と内側の上面部内壁５１４を有しており、上面部外壁５１２と上面部内壁５１４との間には、酸化ガスが流入する酸化ガス室３１０が設けられている。筐体５００の底面部５４０も同様に、外側（下側）の底面部外壁５４２と内側（上側）の底面部内壁５４４とを有しており、底面部外壁５４２と底面部内壁５４４との間には、排ガスが流入する排ガス室４００が設けられている。なお、底面部内壁５４４の上面には、床断熱材６００が配置されている。また、底面部外壁５４２のほぼ中央には、排ガス室４００の排ガスを燃料電池１０００の外部へと誘導するための排ガス配管４０１が接続されている。

筐体５００の右側の第１の側面部５２０は、中央隔壁５２２と、流路外壁５２４と、流路内壁５２６とを有する。中央隔壁５２２は、上面部内壁５１４から、底面部外壁５４２まで延びる壁面を構成する。流路外壁５２４は、中央隔壁５２２の外側において、上面部外壁５１２から下方に延びる隔壁である。流路外壁５２４と中央隔壁５２２との間には、酸化ガスを流すための第１側面酸化ガス流路３２０が形成されている。第１側面酸化ガス流路３２０は上方において、酸化ガス室３１０と接続する。流路内壁５２６は、中央隔壁５２２より内側において、底面部内壁５４４から上方に延びる隔壁である。流路内壁５２６と中央隔壁５２２との間には、排ガス室４００と接続する排ガス流路４１０が形成されている。なお、流路内壁５２６の上端は、２つのセルスタック１００，１１０の上端と同程度もしくはそれ以上の高さであり、発電室５５０の上方において、排ガス流路４１０と発電室５５０とは、つながっている。

筐体５００の左側の第２の側面部５３０も、第１の側面部５２０と同様に、中央隔壁５３２と、流路外壁５３４と、流路内壁５３６とを有しており、各隔壁５３２，５３４，５３６の間に、第２側面酸化ガス流路３３０と、排ガス流路４１０とが形成されている。なお、第１側面酸化ガス流路３２０と第１のセルスタック１００との間の距離は、第２側面酸化ガス流路３３０と第２のセルスタック１１０との間の距離とほぼ同じである。

ここで、第１側面酸化ガス流路３２０及び第２側面酸化ガス流路３３０には、外部から酸化ガスの供給を受けるための酸化ガス導入口３２１，３３１が、それぞれの下端に設けられている。なお、第１側面酸化ガス流路３２０の下端及び第２側面酸化ガス流路３３０の下端はそれぞれ、各セルスタック１００，１１０の中央部より高い位置に設けられており、第１側面酸化ガス流路３２０の下端は、第２側面酸化ガス流路３３０の下端より上側に位置している。即ち、２つの側面酸化ガス流路３２０，３３０は、酸化ガス導入口３２１，３３１の設けられている位置の高さもそれぞれ異なり、非対称に形成されている。各酸化ガス導入口３２１，３３１から、第１側面酸化ガス流路３２０または第２側面酸化ガス流路３３０に供給された酸化ガスは、酸化ガス室３１０において混合される。

発電室５５０のほぼ中央には、酸化ガス室３１０と接続された酸化ガス導入部材３００が設けられている。具体的には、酸化ガス導入部材３００は、その上端が上面部内壁５１４に接続されており、改質器２００の第１と第２の本体部２１０，２２０の間及び２つのセルスタック１００，１１０の間のほぼ中央を通って、発電室５５０の下方に向かって垂下されている。なお、酸化ガス導入部材３００の下端には、各セルスタック１００，１１０の側面下端部側に向かって開口する開口部３０５が設けられている。

酸化ガス室３１０の酸化ガスは、酸化ガス導入部材３００の内部を上方から下方に向けて流れ、開口部３０５を介して、第１と第２のセルスタック１００，１１０のそれぞれの側面下端部へと供給される。ここで、酸化ガス室３１０は、第１側面酸化ガス流路３２０または第２側面酸化ガス流路３３０と、酸化ガス導入部材３００とを接続する中間酸化ガス流路であると解釈することもできる。

さらに、第１と第２のセルスタック１００，１１０のそれぞれの側面下端部へと供給された酸化ガスの一部は、集電部材４２（図３）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、発電反応に供されつつ流れる。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、酸化ガス導入部材３００の外表面に沿って、セルスタック１００，１１０の下端部側から上端部側へと流れる。

以後、本明細書においては、酸化ガス導入口３２１，３３１から、２つの側面酸化ガス流路３２０，３３０及び酸化ガス室３１０、酸化ガス導入部材３００の開口部３０５までを含む酸化ガスの流路を、単に「酸化ガス流路」と呼ぶ。なお、図１に示す燃料電池１０００においては、酸化ガス流路は、酸化ガス導入口３２１より導入された酸化ガスが、第１側面酸化ガス流路３２０、酸化ガス室３１０を介して、酸化ガス導入部材３００の開口部３０５より各セルスタック１００，１１０に供給される第１の酸化ガス流路と、酸化ガス導入口３３１より導入された酸化ガスが、第２側面酸化ガス流路３３０、酸化ガス室３１０を介して、酸化ガス導入部材３００の開口部３０５より各セルスタック１００，１１０に供給される第２の酸化ガス流路とを備えて構成されている。

ところで、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排出されている。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の上端部と改質器２００の第１と第２の本体部２１０，２２０の底面との間において混合される。燃料電池１０００の起動時において、２つのセルスタック１００，１１０の上端部で、この混合ガスが点火手段（図示せず）によって着火して燃焼する。本明細書では、この燃焼反応に供される２つのセルスタック１００，１１０の上端部と改質器２００の第１と第２の本体部２１０，２２０の底面との間の領域を「燃焼部」と呼ぶ。改質器２００の気化部及び改質部は、この燃焼部における燃焼反応の発熱を利用して、改質用水の気化及び原燃料ガスの水蒸気改質を行う。燃焼後の排ガスは、改質器２００の底面や、側面及び上面に沿って流れ、左右の各側面方向に設けられた排ガス流路４１０へと流入し、排ガス室４００を経て、排ガス配管４０１から、燃料電池１０００の外部へと排出される。

ところで、この燃料電池１０００では、筐体５００の外表面が断熱材５０５によって被覆されており、これによって燃料電池１０００の外部への放熱が低減されている。また、燃料電池１０００では、発電室５５０の各部に適宜、断熱材が配置されているものとしても良い。例えば、各セルスタック１００，１１０と各流路内壁５２６，５３６との間に、断熱材が配置されるものとしても良い。また、第２のセルスタック１１０と酸化ガス導入部材３００との間や、第１のセルスタック１００と酸化ガス導入部材３００との間に断熱材が全体もしくは一部に設置されても良い。発電室５５０の各部に配置されたこれらの断熱材は、発電反応で消費されなかった酸化ガスが、燃焼部における燃料ガスの燃焼にも利用されることなく排ガス流路４１０に流入することを抑制する、即ち、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、これらの断熱材は、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。

図４（Ａ），（Ｂ）はそれぞれ、運転中の燃料電池１０００における第１と第２のセルスタック１００，１１０の温度分布を説明するための模式図である。図４（Ａ），（Ｂ）にはそれぞれ、第１の側面部５２０の側から燃料電池１０００を見たときの第１と第２のセルスタック１００，１１０が模式的に示されている。なお、図４（Ａ），（Ｂ）には、第１と第２のセルスタック１００，１１０のそれぞれの上方に配置されている改質器２００の第１又は第２の本体部２１０，２２０が一点鎖線で図示されている。また、図４（Ａ）には、第１側面酸化ガス流路３２０と、酸化ガス導入口３２１と、酸化ガス室３１０とが二点鎖線で図示され、図４（Ｂ）には、第２側面酸化ガス流路３３０と、酸化ガス導入口３３１と、酸化ガス室３１０とが二点鎖線で図示されている。さらに、図４（Ａ），（Ｂ）には、酸化ガス導入部材３００が二点鎖線で図示されている。

一般に、複数の燃料電池セル１２０が配列されたセルスタックでは、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と第２のセルスタック１００，１１０においても、燃料電池セル１２０の配列方向の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、各セルスタック１００，１１０の上端部において、発電反応に供されることのなかった燃料ガスを燃焼させることに伴い、２つのセルスタック１００，１１０は、その上端部側が高温となる。具体的には、運転中の各セルスタック１００，１１０において、上述の温度分布に従って、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。

各セルスタック１００，１１０で温度分布が不均一になると、各セルスタック１００，１１０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、例えば、酸化クロム（Ｃｒ₂Ｏ₃）などの酸化被膜の生成が促進されてしまう。酸化被膜の生成が促進されると、各燃料電池セル１２０同士の間の接触抵抗が増大し、発電された電気の集電効率が低下する。また、当該高温領域では、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。さらに、一般に、運転温度が比較的高い領域では発電量が増大するため、当該領域における構成部材の劣化が促進される可能性がある。それゆえ、運転中の各セルスタック１００，１１０の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。

ところで、改質器２００は、燃料電池１０００の運転中には、各セルスタック１００，１１０の上端部側より低い温度で作動する。具体的には、改質器２００は、２つのセルスタック１００，１１０の運転温度や燃焼反応の反応熱を利用することによって、気化部が、１００℃〜２００℃程度で作動し、吸熱反応である水蒸気改質反応が行われる改質部が、約６００℃程度で作動する。即ち、燃料電池１０００の運転中には、改質器２００は、２つのセルスタック１００，１１０（特には上端部側）に対して冷却部として機能する。従って、この燃料電池１０００では、改質器２００によって、２つのセルスタック１００，１１０の上端部側が、他の部位に比較して著しく高温となることが抑制される。

また、この燃料電池１０００では、酸化ガス導入口３２１，３３１から温度の低い酸化ガス（室温の酸化ガス等）が供給される。酸化ガスは、２つの側面酸化ガス流路３２０，３３０や、酸化ガス室３１０、酸化ガス導入部材３００において流路外部との熱交換により昇温されて、２つのセルスタック１００，１１０の側面下端部側から供給される。即ち、２つの側面酸化ガス流路３２０，３３０や、酸化ガス室３１０、酸化ガス導入部材３００も、燃料電池１０００の運転中に、２つのセルスタック１００，１１０に対して冷却部として機能する。特に、この燃料電池１０００では、もっとも低温となる酸化ガスの入口である酸化ガス導入口３２１，３３１が、各セルスタック１００，１１０の比較的高温となる上端部側に配置されている。従って、この燃料電池１０００では、酸化ガスによって、さらに、２つのセルスタック１００，１１０の上端部側が、他の部位に比較して著しく高温となることが抑制される。さらに、この燃料電池１０００では、酸化ガス導入部材３００が、第１と第２のセルスタック１００，１１０の間において上端部側から下端部側へと垂下されている。そのため、酸化ガス導入部材３００中の酸化ガスを熱媒体として、第１と第２のセルスタック１００，１１０の上端部側の熱を、比較的運転温度が低くなる下端部側へと伝達することができ、第１と第２のセルスタック１００，１１０の上下方向における温度分布の不均一性が改善される。

ところで、上述したように、改質器２００では、気化部と改質部とで作動温度が異なる。また、第１のセルスタック１００は、気化部を有する第１の本体部２１０の下方に配置され、第２のセルスタック１１０は、気化部を有さない第２の本体部２２０の下方に配置されている。従って、第１と第２のセルスタック１００，１１０同士の間で、改質器２００の気化部または改質部から受ける冷却効果が不均一となり、第１と第２のセルスタック１００，１１０同士の間における運転温度が不均一となる可能性がある。即ち、第２のセルスタック１１０が、気化部の下方に配置された第１のセルスタック１００より運転温度が高温となり、第２のセルスタック１１０の劣化が促進されてしまう可能性がある。また、２つのセルスタック１００，１１０の運転温度にばらつきがあると、燃料電池１０００の全体としての発電効率が低下する原因となる。

しかし、この燃料電池１０００では、第２側面酸化ガス流路３３０の下端の位置が、第１側面酸化ガス流路３２０の下端の位置より低い構成としている。この構成によって、第２側面酸化ガス流路３３０の流路面積が、第１側面酸化ガス流路３２０の流路面積より多くなる。即ち、この面積差の分だけ、第２のセルスタック１１０から第２側面酸化ガス流路３３０へと伝達される熱量が、第１のセルスタック１００から第１側面酸化ガス流路３２０へと伝達される熱量より多くなる。従って、第２のセルスタック１１０が、第１のセルスタック１００よりも冷却され、第１と第２のセルスタック１００，１１０の間における運転中の温度分布の不均一性が改善される。

このように、この燃料電池１０００によれば、改質器２００や、酸化ガス流路を流れる酸化ガスによって、運転中の各セルスタック１００，１１０の上下方向における温度分布の不均一性が改善される。また、この燃料電池１０００では、第２のセルスタック１１０からの熱伝達量が、第１のセルスタック１００からの熱伝達量より多くなるように、第１側面酸化ガス流路３２０と第２側面酸化ガス流路３３０とが非対称に形成されている。そのため、各セルスタック１００，１１０の間における運転中の温度分布の不均一性が改善される。

B．第２実施例：
図５は、本発明の第２実施例としての燃料電池１０００Ａの構成を示す概略図である。図５は、第１の側面部５２０側の酸化ガス流路（図１における第１側面酸化ガス流路３２０）が設けられていない点と、第２側面酸化ガス流路３３０の下端と酸化ガス導入口３３１の位置が異なる点以外は、図１とほぼ同じである。なお、この燃料電池１０００Ａの構成は、以下に説明する点以外は、第１実施例の燃料電池１０００と同様である。

この燃料電池１０００Ａでは、第１側面酸化ガス流路３２０が設けられておらず、酸化ガス室３１０は、第２側面酸化ガス流路３３０側から酸化ガス導入部材３００が設けられた中央部までしか設けられていない。即ち、この燃料電池１０００Ａでは、第２のセルスタック１１０側にのみ酸化ガス流路が設けられている構成（即ち、第２の酸化ガス流路のみを備える構成）となり、酸化ガス流路は、第２のセルスタック１１０からの熱伝達量が、第１のセルスタック１００からの熱伝達量より多くなる。従って、改質器２００の冷却効果により、比較的運転温度が高くなる傾向にある第２のセルスタック１１０を、比較的運転温度が低くなる傾向にある第１のセルスタック１００より冷却することができ、運転中の燃料電池１０００Ａにおける各セルスタック１００，１１０間の温度分布の不均一性が改善される。

また、この燃料電池１０００Ａでは、第２側面酸化ガス流路３３０の酸化ガス導入口３３１が、第１実施例の燃料電池１０００（図１）より上側の位置に設けられている。即ち、酸化ガス導入口３３１が、第２のセルスタック１１０の上端部により近い位置に設けられている。従って、発電反応に供されることのなかった燃料ガスを燃焼させることに伴い、燃料電池１０００Ａの運転中に最も高温となる傾向にある第２のセルスタック１１０の上端部側を、外部から供給された温度の低い酸化ガスによって、より冷却することが可能となる。

図６は、第２実施例における燃料電池の他の構成例を示す概略図である。図６は、第２側面酸化ガス流路３３０の下端と酸化ガス導入口３３１の位置が異なる点以外は、図５とほぼ同じである。なお、この燃料電池１０００ａの構成は、以下に説明する点以外は、第２実施例の燃料電池１０００Ａと同様である。この燃料電池１０００ａでは、第２側面酸化ガス流路３３０の下端が第２のセルスタック１１０の下端より下側に位置しており、その位置に酸化ガス導入口３３１が設けられている。図６の燃料電池１０００ａでは、第２側面酸化ガス流路３３０の流路面積が、図５の燃料電池１０００Ａより大きい。従って、第２側面酸化ガス流路３３０への熱伝達量が増加するため、第２側面酸化ガス流路３３０において、より高い温度に昇温された酸化ガスを第１と第２のセルスタック１００，１１０へと供給することが可能である。ただし、第２のセルスタック１１０の上端部側をより冷却したい場合には、図５の燃料電池１０００Ａの構成が好ましく、酸化ガスをより昇温したい場合には、図６の燃料電池１０００ａの構成が好ましい。

このように、第２実施例の燃料電池１０００Ａ，１０００ａでは、第２のセルスタック１１０からの熱伝達量が、第１のセルスタック１００からの熱伝達量より多くなるように、酸化ガス流路が非対称に形成されている。そのため、各セルスタック１００，１１０の間における運転中の温度分布の不均一性が改善される。

C．第３実施例：
図７は、本発明の第３実施例としての燃料電池１０００Ｂの構成を示す概略図である。図７は、第２側面酸化ガス流路３３０の下端の位置が異なる点と、酸化ガス導入口３３１の位置が異なる点と、第２側面酸化ガス流路３３０内に流路壁３４０が設けられている点以外は、図５とほぼ同じである。なお、この燃料電池１０００Ｂの構成は、以下に説明する点以外は、第２実施例の燃料電池１０００Ａと同様である。

この燃料電池１０００Ｂでは、第２側面酸化ガス流路３３０の下端が、第２のセルスタック１１０の下端より下方に位置している。また、酸化ガス導入口３３１は、第２のセルスタック１１０の中央部と同程度の高さの位置に設けられている。第２側面酸化ガス流路３３０に設けられた流路壁３４０は、中央隔壁５３２と流路外壁５３４とに接合された壁面として構成されている。

図８は、第２側面酸化ガス流路３３０内に設けられた流路壁３４０の構成を示す概略図であり、図７に示す８−８切断における概略断面図である。なお、図８には、第２のセルスタック１１０の位置を一点鎖線によって図示してあり、酸化ガス導入口３３１が設けられている位置をニ点鎖線によって図示してある。また、図８には、酸化ガスの流れを示す矢印を図示してある。

流路壁３４０は、第１と第２の流路壁３４１，３４２を有している。第１の流路壁３４１は、上に開いた略コの字形状を有し、酸化ガス導入口３３１を囲むように設けられている。第２の流路壁３４２は、下に開いた略コの字形状を有し、第１の流路壁３４１を囲むように設けられている。より具体的には、第１の流路壁３４１の２つの上端部３４１ｅは、第２のセルスタック１１０の上端部の近傍に位置しており、第１の流路壁３４１の下底部３４１ｂ（下方の略水平な壁面）は、酸化ガス導入口３３１のほぼ直下に位置している。また、第２の流路壁３４２の２つの下端部３４２ｅは、第２のセルスタック１１０の下端近傍に位置しており、上底部３４２ｂ（上方の略水平な壁面）は、第２のセルスタック１１０の上端より上側に位置している。なお、第２の流路壁３４２の２つの側壁部３４２ｓ（重力方向に延びる２つの壁面）はそれぞれ、第２のセルスタック１１０の上端部側において紙面に向かって中央側に折れ曲がり、上底部３４２ｂと連結されている。

この流路壁３４０の構成により、酸化ガス導入口３３１から第２側面酸化ガス流路３３０に供給された酸化ガスは、第１の流路壁３４１の２つの側壁部３４１ｓ（矢印ｚ方向に延びる２つの壁面）に誘導されて第２のセルスタック１１０の上端部側に流れる。さらに、酸化ガスは、第２の流路壁３４２の上底部３４２ｂによって、紙面に向かって左右の方向にそれぞれ分岐し、２つの側壁部３４２ｓに誘導されて第２のセルスタック１１０の下端部側へと流れる。第２側面酸化ガス流路３３０の下端まで流れた酸化ガスは、２つの側壁部３４２ｓに沿って折り返し、再び第２のセルスタック１１０の上端部側へと流れ、酸化ガス室３１０へと流入する。

このように、この燃料電池１０００Ｂでは、流路壁３４０によって、運転中に比較的高温となる第２のセルスタック１１０の上端部から比較的低温となる下端部へと、酸化ガスを熱媒体として、熱を伝達させることができる。即ち、燃料電池１０００Ｂでは、酸化ガス流路が、第２のセルスタック１１０の下端部からの熱伝達量より、第２のセルスタック１１０の上端部からの熱伝達量の方が多くなるように形成されている。従って、運転中の第２のセルスタック１１０における温度分布が改善される。

図９及び図１０は、第３実施例における燃料電池の他の構成例を示す概略図である。図９は、流路壁３４０ｂを備える第１側面酸化ガス流路３２０が追加されている点と、第１側面酸化ガス流路３２０と連結するように酸化ガス室３１０が延長されている点以外は、ほぼ図７と同じである。なお、第１側面酸化ガス流路３２０の下端の位置は、第２側面酸化ガス流路３３０の下端の位置より上側に位置している。図１０は、図９の１０−１０切断における概略断面図であり、第１側面酸化ガス流路３２０における流路壁３４０ｂの構成を示す概略図である。流路壁３４０ｂは、第１側面酸化ガス流路３２０の下端の位置に応じて、第２の流路壁３４２の下端部３４２ｅの位置が異なる点以外は、第２側面酸化ガス流路の流路壁３４０（図８）と同じである。

このように、流路壁３４０ｂを有する第１側面酸化ガス流路３２０を設けることによって、運転中の第１のセルスタック１００の上下方向における温度分布を改善することができる。また、第１側面酸化ガス流路３２０は、第２側面酸化ガス流路３３０より流路面積が小さく形成されているため、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不均一性も改善することができる。なお、第１側面酸化ガス流路３２０の流路壁３４０ｂは、第２側面酸化ガス流路３３０の流路壁３４０とは異なる構成であっても良い。

D．第４実施例：
図１１は、本発明の第４実施例としての燃料電池１０００Ｃの構成を示す概略図である。図１１は、酸化ガス室３１０の上方に第２の酸化ガス導入口３１１が設けられている点以外は、図７とほぼ同じである。なお、この燃料電池１０００Ｃの構成は、以下に説明する点以外は、第３実施例の燃料電池１０００Ｂと同様である。

第２の酸化ガス導入口３１１は、酸化ガス室３１０の右側端部において、酸化ガス導入部材３００と対向して設けられている。なお、第２の酸化ガス導入口３１１には、第２側面酸化ガス流路３３０に設けられた酸化ガス導入口３３１と同様に、外部から温度の低い酸化ガス（室温の酸化ガス等）が供給される。

図１２は、燃料電池１０００Ｃにおける酸化ガスの流れと、各セルスタック１００，１１０から酸化ガス流路への熱伝達を説明するための模式図である。図１２では、図１１と同様な方向から燃料電池１０００Ｃを見たときの、酸化ガス流路と２つのセルスタック１００，１１０とが模式的に図示されている。なお、図１２では、便宜上、第２側面酸化ガス流路３３０の内部に設けられた流路壁３４０の図示は省略されている。

燃料電池１０００Ｃには、酸化ガス導入口３３１から第２側面酸化ガス流路３３０に、例えば室温Ｔ₀の酸化ガスが供給される。第３実施例で説明したように、第２側面酸化ガス流路３３０において酸化ガスは、第２のセルスタック１１０からの熱を受けて昇温された状態（温度Ｔ₁）で、酸化ガス室３１０へと流入する。ここで、酸化ガス室３１０は、第２の酸化ガス導入口３１１からも、例えば室温Ｔ₀の酸化ガスが供給される。従って、酸化ガス室３１０では、温度Ｔ₁の酸化ガスと室温Ｔ₀の酸化ガスとが混合されるため、温度Ｔ₁より低温（温度Ｔ₂）の酸化ガスが酸化ガス導入部材３００へと流入する。酸化ガス導入部材３００では、温度Ｔ₂の酸化ガスは、２つのセルスタック１００，１１０のそれぞれの内側の側面から熱を受けつつ下方へと流れる。

即ち、この燃料電池１０００Ｃでは、第２の酸化ガス導入口３１１を設けることにより、酸化ガス導入部材３００に流入する酸化ガスの温度を低下させ、２つのセルスタック１００，１１０（特には温度の高い上端部側）から酸化ガス導入部材３００を流れる酸化ガスに伝達される熱量を増大させている。これによって、２つのセルスタック１００，１１０のうち、特には、内側の側面上端部側の部位は、酸化ガス導入部材３００によって、より冷却される。

このように、第４実施例の燃料電池１０００Ｃでは、第３実施例の燃料電池１０００Ｂよりも、酸化ガス流路が第２のセルスタック１１０の下端部から受ける熱伝達量より、上端部から受ける熱伝達量が多くなるように形成されている。従って、運転中の第２のセルスタック１１０における上下方向の温度分布が、さらに改善される。

E．第５実施例：
図１３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１３は、第１側面酸化ガス流路３２０Ｄの構成が異なる点以外は、図１とほぼ同じである。なお、この燃料電池１０００Ｄの構成は、以下に説明する点以外は、第１実施例の燃料電池１０００と同様である。

この燃料電池１０００Ｄでは、筐体５００の第１の側面部５２０の流路外壁５２４が、底面部外壁５４２まで延びており、第１の側面部５２０の前面を被覆している。また、第１の側面部５２０の流路外壁５２４と中央隔壁５２２との間には、流路隔壁５２８が設けられている。流路隔壁５２８は、上方において上面部外壁５１２と接合された隔壁であり、その下端は、底面部内壁５４４と同程度の高さの位置まで延びている。即ち、第５実施例の第１側面酸化ガス流路３２０Ｄは、流路隔壁５２８によって区切られた、外側の流路層３２３と、内側の流路層３２５とを有する２層構造となる。

第１側面酸化ガス流路３２０Ｄは、酸化ガス導入口３２１が、外側の流路層３２３の上端に設けられている。これによって、酸化ガス導入口３２１から供給された酸化ガスは、外側の流路層３２３を上方から下方へと流れ、流路隔壁５２８の下端において折り返し、内側の流路層３２５を下方から上方へと流れ、酸化ガス室３１０へと流入する。このように、この燃料電池１０００Ｄでは、第１の側面部５２０を被覆する多層構造の酸化ガス流路が設けられるため、第１の側面部５２０における保温性が向上する。従って、第１側面酸化ガス流路３２０Ｄにおいて酸化ガスが受ける熱量が外部へと放熱されてしまうことを抑制でき、その分だけ、第１のセルスタック１００から酸化ガス流路（第１の酸化ガス流路）へと伝達される熱量が低減される。

このように、第５実施例の燃料電池１０００Ｄでは、第１側面酸化ガス流路３２０Ｄと第２側面酸化ガス流路３３０とが、改質器２００の気化部が配置されて比較的運転温度が低くなる傾向にある第１のセルスタック１００側の保温性が向上するように非対称に形成されている。従って、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不均一性を低減でき、運転中の燃料電池１０００Ｄにおける温度分布を改善することができる。

F．第６実施例：
図１４，図１５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１４は、燃料電池１０００Ｅを正面側から見たときの概略図であり、２つの側面酸化ガス流路３２０，３３０に換えて、発電室５５０に酸化ガスが流れる外周配管３５０が設けられている点以外は、ほぼ図１３と同じである。図１５は、図１４のＡ−Ａ切断における燃料電池１０００Ｅの概略断面図である。図１５には、改質器２００が配置されている領域を二点鎖線で図示してあり、外周配管３５０における酸化ガスの流れを示す矢印を図示してある。なお、この燃料電池１０００Ｅの構成は、以下に説明する点以外は、第５実施例の燃料電池１０００Ｄと同様である。

外周配管３５０は、第１と第２のセルスタック１００，１１０のそれぞれの上端部を囲むように、発電室５５０内に略水平に配置された正面側に開いた略コの字形状の配管である。より具体的には、外周配管３５０は、第１と第２の側面部５２０，５３０に沿って略水平方向に延びる略四角柱形状を有する第１と第２の側面配管３５２，３５３を備える。また、外周配管３５０は、燃料電池１０００Ｅの背面側において、第１と第２の側面配管３５２，３５３のそれぞれの端部を連結する水平配管３５４を備える。

なお、第１と第２の側面配管３５２，３５３はそれぞれ、２つの流路内壁５２６，５３６の上端と、改質器２００の底面との間に配置されている。また、第１のセルスタック１００と第１の側面配管３５２と間の距離と、第２のセルスタック１１０と第２の側面配管３５３との間の距離とはほぼ等しい。

第２の側面部５３０側に配置された第２の側面配管３５３の正面側の面には、外部から酸化ガスの供給を受けるための酸化ガス導入口３５１が設けられている。一方、第１の側面部５２０側に配置された第１の側面配管３５２の正面側の端部には、上方の酸化ガス室３１０と接続するための連結配管３５５が設けられている。これによって、酸化ガス導入口３５１から外周配管３５０へと流入した酸化ガスは、第２の側面配管３５３、水平配管３５４、第１の側面配管３５２の順に流れ、連結配管３５５を介して酸化ガス室３１０へと流入する。即ち、この外周配管３５０は、第２の側面部５３０側が入口側となり、第１の側面部５２０側が出口側となるように、非対称な流路として設けられている。

ここで、外周配管３５０を流れる酸化ガスは、第１と第２のセルスタック１００，１１０の上端部における熱と、燃料ガスの燃焼による反応熱とで昇温される。即ち、この外周配管３５０は、２つのセルスタック１００，１１０の上端部を冷却する冷却部としても機能する。なお、この燃料電池１０００Ｅでは、第２のセルスタック１１０から、第１のセルスタック１００の順で、２つのセルスタック１００，１１０の上端部からの熱が外周配管３５０を流れる酸化ガスへと伝達される。従って、第２のセルスタック１１０側ほど外周配管３５０へと伝達される熱量が多くなる。

このように、この燃料電池１０００Ｅの外周配管３５０は、第２のセルスタック１１０からの熱伝達量が、第１のセルスタック１００からの熱伝達量より多くなるように、非対称に設けられている。この構成によって、比較的運転温度が低くなる傾向にある第１のセルスタック１００より、比較的運転温度が高くなる傾向にある第２のセルスタック１１０が、酸化ガス流路を流れる酸化ガスによって、より冷却される。従って、運転中の燃料電池１０００Ｅにおいて、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不均一性が改善される。

また、外周配管３５０は、２つのセルスタック１００，１１０の上端部の外周に設けられているため、２つのセルスタック１００，１１０の下端部から受ける熱伝達量より、上端部から受ける熱伝達量の方が多くなる。従って、運転中の第１と第２のセルスタック１００，１１０のそれぞれにおける上下方向の温度分布の不均一性が改善される。

G.第７実施例：
図１６は、本発明の第７実施例としての燃料電池１０００Ｆの構成を示す概略図である。図１６は、第１側面酸化ガス流路３２０Ｆ及び第２側面酸化ガス流路３３０Ｆの構成が異なる点以外は、図１とほぼ同じである。なお、第７実施例の燃料電池１０００Ｆの他の構成は、第１実施例の燃料電池１０００と同様である。

この燃料電池１０００Ｆの２つの側面酸化ガス流路３２０Ｆ，３３０Ｆはそれぞれ、下端の位置が２つのセルスタック１００，１１０の下端部と同程度の高さとなるように設けられており、それぞれの下端に酸化ガス導入口３２１，３３１が設けられている。なお、第７実施例の燃料電池１０００Ｆでは、２つの酸化ガス導入口３２１，３３１にはそれぞれ、同じ圧力で、同じ流量の酸化ガスが供給されるものとする。

ここで、２つのセルスタック１００，１１０の下端部近傍の高さにおける第１側面酸化ガス流路３２０Ｆの流路断面積をＳ１とし、同程度の高さにおける第２側面酸化ガス流路３３０Ｆの流路断面積をＳ２とする。また、２つのセルスタック１００，１１０の上端部近傍の高さにおける第１側面酸化ガス流路３２０Ｆの流路断面積をＳ３とし、同程度の高さにおける第２側面酸化ガス流路３３０Ｆの流路断面積をＳ４とする。このとき、各流路断面積Ｓ１〜Ｓ４は、Ｓ１＞Ｓ３，Ｓ２＞Ｓ４，Ｓ１＞Ｓ２，Ｓ３＞Ｓ４の関係を満たす。即ち、２つの側面酸化ガス流路３２０Ｆ，３３０Ｆはそれぞれ、下流側ほど流路断面積が小さくなるように形成されている（Ｓ１＞Ｓ３，Ｓ２＞Ｓ４）。また、第１側面酸化ガス流路３２０Ｆと第２側面酸化ガス流路３３０Ｆとは、流路断面積に関して非対称に形成され、流路全体の流路断面積を平均したときに、第１側面酸化ガス流路３２０Ｆの流路断面積が第２側面酸化ガス流路３３０Ｆの流路断面積より大きくなる（Ｓ１＞Ｓ２，Ｓ３＞Ｓ４）。

２つの側面酸化ガス流路３２０Ｆ，３３０Ｆではそれぞれ、下流側（セルスタック１００，１１０の上端部側）の流路断面積が小さくなっているため、酸化ガスの流速が下流側ほど速くなる。これに伴って、２つの側面酸化ガス流路３２０Ｆ，３３０Ｆを流れる酸化ガスへの熱伝達量は、各セルスタック１００，１１０の上端部からの熱伝達量が、各セルスタック１００，１１０の下端部からの熱伝達量より多くなる。従って、運転中の各セルスタック１００，１１０における上下方向における温度分布の不均一性が改善される。

また、第１側面酸化ガス流路３２０Ｆの流路断面積は、流路全体において、第２側面酸化ガス流路３３０Ｆの流路断面積より大きく形成されている。そのため、第２側面酸化ガス流路３３０Ｆを流れる酸化ガスが第２のセルスタック１１０から受ける熱伝達量は、第１側面酸化ガス流路３２０Ｆを流れる酸化ガスが第１のセルスタック１００から受ける熱伝達量より多くなる。さらに、この流路構成によって、筐体５００の第１の側面部５２０側の保温性が向上し、第１の側面部５２０から外部への放熱量が低減される。即ち、この流路構成によって、第２のセルスタック１１０が、第１のセルスタック１００よりも冷却されやすくなる。

このように、第７実施例の燃料電池１０００Ｆによれば、２つの側面酸化ガス流路３２０Ｆ，３３０Ｆの流路断面積をガスの流れに対して下流側ほど小さくすることにより、運転中のセルスタック１００，１１０の上下方向における温度分布を改善することができる。また、２つの側面酸化ガス流路３２０Ｆ，３３０Ｆを、第２のセルスタック１１０からの熱伝達量が多くなるように、流路断面積に関して非対称に形成することにより、運転中の燃料電池１０００Ｆにおいて、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不均一性を改善することができる。

H．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。

H1．変形例１：
上記実施例において、改質器２００には、原料として、原燃料と改質用水とが供給されていた。しかし、原燃料としては、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ているため、外部から水も合わせて供給されていると解釈できる。

H2．変形例２：
上記実施例において、燃料電池１０００，１０００Ａ〜１０００Ｆ，１０００ａ，１０００ｂのそれぞれは、２つのセルスタック１００，１１０を備えていた。しかし、燃料電池には、さらに複数のセルスタックが設けられるものとしても良い。

H3．変形例３：
上記実施例において、酸化ガス流路の流路形状や、酸化ガスの流れ方向を非対称とすることにより、各セルスタック１００，１１０から受ける熱量に差を生じさせていた。しかし、酸化ガス流路は、他の方法によって、各セルスタック１００，１１０からの熱伝達量に差が生じるように、非対称に形成されるものとしても良い。例えば、各セルスタック１００，１１０に対する距離が非対称になるように酸化ガス流路が設けられているものとしても良い。即ち、第２側面酸化ガス流路３３０と第２のセルスタック１１０と間の距離が、第１側面酸化ガス流路３２０と第１のセルスタック１００との間の距離より大きくなるように、酸化ガス流路を形成するものとしても良い。また、第２側面酸化ガス流路３３０より、第１側面酸化ガス流路３２０が、高い温度の酸化ガスを供給されるものとしても良い。あるいは、第２側面酸化ガス流路３３０の酸化ガスの流量より、第１側面酸化ガス流路３２０の酸化ガスの流量が多くなるように、酸化ガスを供給するものとしても良い。

H4．変形例４：
上記実施例において、酸化ガス流路は、燃焼部近傍における温度が著しく高くなることを抑制するために、第２のセルスタック１１０の下端部からの熱伝達量より、第２のセルスタック１１０の上端部からの熱伝達量が多くなるように形成されていた。しかし、燃焼部は、省略されるものとしても良く、酸化ガス流路は、第２のセルスタック１１０の下端部からの熱伝達量が、第２のセルスタック１１０の上端部からの熱伝達量より多くなるように形成されていても良い。例えば、上記第１実施例において、酸化ガス導入口３３１が第２のセルスタック１１０の下端より下方に設けられているものとしても良い。また、上記第６実施例において、外周配管３５０が、第２のセルスタック１１０の下方に配置されているものとしても良い。

H5．変形例５：
上記第４実施例において、第２の酸化ガス導入口３１１は、酸化ガス導入部材３００と対向するように上方に設けられていた。しかし、第２の酸化ガス導入口３１１は、他の位置に設けられていても良い。ただし、第２の酸化ガス導入口３１１は、酸化ガス導入部材３００により近い位置に設けられることが好ましい。これによって、酸化ガス導入部材３００に流入する酸化ガスの温度をより低下させることができ、より、２つのセルスタック１００，１１０の上端部側を冷却することができる。

H6．変形例６：
上記第６実施例において、外周配管３５０は、その形状が左右対称に設けられており、酸化ガスの流れが非対称となるように設けられていた。しかし、外周配管３５０は、その形状が非対称となるように設けられても良い。即ち、第１のセルスタック１００の側ほど、第２のセルスタック１１０の側より、その表面積が少なくなるように設けられるものとしても良い。また、第１の側面配管３５２が省略されるものとしても良い。さらに、第２のセルスタック１１０の側ほど流路断面積が大きくなるように設けられるものとしても良い。

H7．変形例７：
上記第１実施例において、第１側面酸化ガス流路３２０は、第２側面酸化ガス流路３３０より酸化ガスの放熱性が低減するように設けられているものとしても良い。具体的には、第１の側面部５２０の流路外壁５２４を、第２の側面部５３０の流路外壁５３４より熱伝達率の低い部材で構成するものとしても良いし、第１の側面部５２０側の断熱材５０５の厚みを第２の側面部５３０側より厚くするものとしても良い。

H8．変形例８：
上記第７実施例において、燃料電池１０００Ｆには、第１側面酸化ガス流路３２０Ｆと第２側面酸化ガス流路３３０Ｆとが設けられていた。しかし、第１側面酸化ガス流路３２０Ｆは省略されるものとしても良い。また、２つの側面酸化ガス流路３２０Ｆ，３３０Ｆの下端の位置が非対称に形成されても良い。このような構成であっても、運転中のセルスタック１００，１１０の上下方向における温度分布及びセルスタック１００，１１０同士の間における温度分布の不均一性を改善することができる。なお、運転中のセルスタック１００，１１０の上下方向における温度分布の不均一性を改善することのみを目的とする場合には、２つの側面酸化ガス流路３２０Ｆ，３３０Ｆは流路断面積に関して対称に形成されるものとしても良い。

H9．変形例９：
上記実施例の酸化ガス流路の構成は、各実施例の構成に限定されることなく、各実施例の流路構成を適宜組み合わせることも可能である。具体的には、第７実施例の燃料電池１０００Ｆにおいて、２つの側面酸化ガス流路３２０Ｆ，３３０Ｆの内部に第３実施例のように流路壁を設けるものとしても良い。また、第７実施例の燃料電池１０００Ｆにおいて、酸化ガス室３１０に第４実施例で説明した第２の酸化ガス導入口３１１が設けられるものとしても良い。

１０…固体電解質
２１…アノード
２２…カソード
３０…支持基材
３１〜３３…支持基材の面
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…セルスタック
１２０…燃料電池セル
２００…改質器
２１０，２２０，２３０…第１ないし第３の本体部
２１１…原料導入配管
２２１…燃料ガス配管
２４０…燃料ガスマニホールド部
２４５…燃料ガス室
２４６…貫通孔
３００…酸化ガス導入部材
３０５…開口部
３１０…酸化ガス室
３１１…第２の酸化ガス導入口
３２０，３２０Ｄ，３２０Ｆ…第１側面酸化ガス流路
３２１…酸化ガス導入口
３２３，３２５…流路層
３３０，３３０Ｆ…第２側面酸化ガス流路
３３１…酸化ガス導入口
３４０，３４０ｂ…流路壁
３４１…第１の流路壁
３４１ｂ…下底部
３４１ｅ…上端部
３４１ｓ…側壁部
３４２…第２の流路壁
３４２ｂ…上底部
３４２ｅ…下端部
３４２ｓ…側壁部
３５０…外周配管
３５１…酸化ガス導入口
３５２，３５３…第１と第２の側面配管
３５４…水平配管
３５５…連結配管
４００…排ガス室
４０１…排ガス配管
４１０…排ガス流路
５００…筐体
５０５…断熱材
５１０…上面部
５１２…上面部外壁
５１４…上面部内壁
５２０…第１の側面部
５２２…中央隔壁
５２４…流路外壁
５２６…流路内壁
５２８…流路隔壁
５３０…第２の側面部
５３２…中央隔壁
５３４…流路外壁
５３６…流路内壁
５４０…底面部
５４２…底面部外壁
５４４…底面部内壁
５５０…発電室
６００…床断熱材
１０００，１０００Ａ〜１０００Ｆ，１０００ａ，１０００ｂ…固体酸化物形燃料電池

Claims (9)

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および該気化部から供給された前記原燃料ガスを改質して燃料ガスを生成する改質部を備える改質器と、
   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、
   前記改質器および前記セルスタックを収容するとともに、前記燃料電池セルの配列方向に沿って設けられた第１および第２の側面を有する筐体と、
   外部から該筐体内に導入され、前記セルスタックに供給される酸化ガスを流すための酸化ガス流路と、
   を備え、
   前記気化部及び前記改質部は、前記複数個のセルスタックの上方の位置に略水平に配置されており、
   前記複数個のセルスタックは、前記気化部の下方に配置された第１のセルスタックと、前記気化部の下方には配置されていない第２のセルスタックとを含み、
   前記第１のセルスタックは、前記第１の側面の側に配置されるとともに、前記第２のセルスタックは、前記第２の側面の側に配置されており、
   前記酸化ガス流路は、前記第１の側面の側に設けられた第１側面酸化ガス流路と前記第２の側面の側に設けられた第２側面酸化ガス流路とのうち、少なくとも前記第２側面酸化ガス流路を含むとともに、
   前記第２のセルスタックから酸化ガスへの熱伝達量が、前記第１のセルスタックから酸化ガスへの熱伝達量より多くなるように、前記第１の側面の側と前記第２の側面の側とで非対称に形成された第１の流路構成と、前記第２のセルスタックから前記筐体外部への熱伝達量が、前記第１のセルスタックから前記筐体外部への熱伝達量より多くなるように、前記第１の側面の側と前記第２の側面の側とで非対称に形成された第２の流路構成とのうち、少なくともいずれかの流路構成を有する、固体酸化物形燃料電池。
2. 請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池であって、
   前記第１の流路構成を有する前記酸化ガス流路は、前記第１側面酸化ガス流路および前記第２側面酸化ガス流路を備えるとともに、前記第２側面酸化ガス流路が、前記第１側面酸化ガス流路よりも上下方向に長い、固体酸化物形燃料電池。
3. 請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池であって、
   前記第１の流路構成を有する前記酸化ガス流路は、前記第２側面酸化ガス流路を備え、かつ前記第１側面酸化ガス流路を備えていない、固体酸化物形燃料電池。
4. 請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池であって、
   前記第２の流路構成を有する前記酸化ガス流路は、前記第１側面酸化ガス流路および前記第２側面酸化ガス流路を備えるとともに、前記第１側面酸化ガス流路が、前記筐体の前記第１の側面の内側に設けられた外側流路と、前記外側流路より内側に設けられた内側流路とを有する、固体酸化物形燃料電池。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池であって、
   前記酸化ガス流路は、前記第１と第２のセルスタックの間において、上方から下方へと垂下され、前記酸化ガスを前記第１と第２のセルスタックを構成する前記燃料電池セルの下端部側に供給するための酸化ガス導入部材を備え、
   前記複数の燃料電池セルのそれぞれには、前記燃料ガスを上方へと誘導するガス流路が設けられ、
   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って互いに並列に配置され、
   前記セルスタックのそれぞれの上端には、前記燃料電池セルで利用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、
   前記酸化ガス流路は、前記第１の流路構成または前記第２の流路構成において、前記第２のセルスタックの下方からの熱伝達量より、前記第２のセルスタックの上方からの熱伝達量の方が多くなるように形成されている、固体酸化物形燃料電池。
6. 請求項５に記載の固体酸化物形燃料電池であって、
   前記酸化ガス流路は、前記第２側面酸化ガス流路と前記酸化ガス導入部材とを接続する中間酸化ガス流路を含み、
   前記第２側面酸化ガス流路と、前記中間酸化ガス流路とのそれぞれに、前記酸化ガスを外部から導入するための酸化ガス導入口が設けられている、固体酸化物形燃料電池。
7. 請求項５または請求項６に記載の固体酸化物形燃料電池であって、
   前記第２側面酸化ガス流路は、その内側に、前記酸化ガスを、前記燃焼部と対向する領域に誘導した後、下方へと誘導し、折り返して再び上方へと誘導する流路壁を有する、固体酸化物形燃料電池。
8. 請求項５に記載の固体酸化物形燃料電池であって、
   前記第１の流路構成を有する前記酸化ガス流路は、前記燃焼部の外周に配置される外周配管を有し、
   該外周配管は、少なくとも、前記第２の側面に沿って配置される第２側面配管と、前記第２側面配管の一端側に接続され、前記第１の側面側に延びる水平配管とを備えるとともに、
   前記外周配管は、前記第２のセルスタック側の端部が前記酸化ガスの入口として構成されるとともに、前記第１のセルスタック側に配置される端部が前記酸化ガスの出口として構成されている、固体酸化物形燃料電池。
9. 請求項５ないし請求項７のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池であって、
   前記酸化ガス流路は、下流側の流路断面積より上流側の流路断面積の方が大きい、固体酸化物形燃料電池。

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