JP5545599B2

JP5545599B2 - 燃料電池セル集合体

Info

Publication number: JP5545599B2
Application number: JP2010222857A
Authority: JP
Inventors: 修一郎西願; 泰一郎坂本; 茂安藤
Original assignee: Toto Ltd
Current assignee: Toto Ltd
Priority date: 2010-09-30
Filing date: 2010-09-30
Publication date: 2014-07-09
Anticipated expiration: 2030-09-30
Also published as: JP2012079518A

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集合体に関する。

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酸化物形燃料電池（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、ガス通路が形成されているセルを具備し、該セルが貫通穴を有する金属板にガスタイトに固定されている燃料電池組立体において、セルと金属板の間には電気的に絶縁する接着層を備えた燃料電池セルと金属板との接合構造が紹介されている。（例えば特許文献１参照）。

特開２００６−３２１０２号公報

従来のやり方ではマニホールド上に配置されるセル本数密度を増やすと金属製天板などの金属部とセルのマニホールド側端部に放電を起こす可能性があることが今回初めて分かった。

本発明は、このような事情に鑑みなされたものでありそこで今回は燃料電池セル集合体の小型化を図ると同時に、その際に発生するセルのガスマニホールド側の端部とガスマニホールドの金属部との間での放電を防止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、内部に燃料通路を備え、前記燃料通路側から順に燃料極、電解質、空気極が配置されるとともに、それぞれが電気的に接続された複数の燃料電池セルと、
前記複数の燃料電池セルへ燃料を供給する、前記燃料電池セルの配置部側に金属部を有するガスマニホールドと、
前記ガスマニホールドに絶縁部を介して前記燃料電池セルが配置される
燃料電池セル集合体であって、
前記金属部に対向する位置に燃料電池セルが配置され、
対向する前記金属部と前記燃料電池セルの間の放電を防止する放電防止部を備えることを特徴とする
燃料電池セル集合体である。

この構成を備えた燃料電池セル集合体は、
燃料電池セル集合体の小型化を図ると同時に、その際に発生するセルのガスマニホールド側の端部とガスマニホールドの金属部との間での放電を防止する。

また、前記金属部が前記ガスマニホールドの天板であり、
前記放電防止部が前記天板裏面よりも延出し、天板と燃料電池セルとの放電を防止する第２放電部をさらに備え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により、セルと金属部分が対向していなくても、電圧が高い場合放電する可能性が高くなる。今回第2放電部を備えることによりガスマニホールド内での放電をより確実に防止することができる。

前記絶縁部が前記放電防止部と前記第2放電防止部を一体的に備えるとともに、
前記放電防止部および前記第2放電防止部が前記燃料電池セルを包囲するように形成される。
よって一体的に形成したので施工性が楽になるとともに放電防止性能もさらに向上することができる。

本発明によれば、燃料電池セルとガスマニホールドの絶縁性確保、燃料電池セルの容易組み立て性を両立できる燃料電池セル集合体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セル集合体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集合体の一部、シール部、及び絶縁部を示す斜視図である。図６は、本発明での絶縁部を示す断面拡大図である。図７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８は、図７に示すガスマニホールド内部を示す斜視図である。の一部を模式的に拡大して示す図である

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集合体の一部、及びシール部を示す斜視図、図６は、図２に示す燃料電池モジュールのシール部、及び燃料電池セル集合体の絶縁部構造の一部を示す断面拡大図、図７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、図８は、ガスマニホールドの内部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、ガスマニホールドの絶縁部である支持部材６８及び上支持部材１００により各々支持されている。これらの支持部材６８及び上支持部材１００には、後述する内側電極端子８６が挿入可能な挿入孔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被支持部である内側電極端子８６とを備えている。また、内側電極端子８６は耐酸化性の金属または合金を材料としている。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が形成されており、燃料ガス流路９８には支持部材６８、及び上支持部材１００に挿入するための燃料ガス流路である管路部１２０が形成され、管路部１２０の先端には開口部１２１が形成されている。さらにまた、内側電極端子８６の端面は結晶化ガラスシール材を押しつぶすための押さえる面９９として形成されている。

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。

また、結晶化ガラスシール材３０１は内側電極端子８６の押さえる面９９により押さえられ、燃料電池セルユニット１６と支持部材６８をシールしている。押さえる面９９により結晶化ガラスシール材を押しつぶし、結晶化ガラスシール材の接着面積を広げることにより、濡れ性が悪いという問題を解決することができる。すなわち、シール面全体に結晶化ガラスシール材が濡れ広がることから接着面積が増加し、シールされる部材との接合強度を上げることができる。よって濡れ性が悪いという不具合を解消することができる。なお、本実施例で用いているガラスシール材はＳｉＯ_２、Ｂ_２Ｏ_３、ＭｇＯ、ＣａＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｎａ_２Ｏ、Ｋ_２Ｏなどを成分とした結晶化ガラスである。

さらにまた、ガラスシール材３０１は、ガスマニホールド６６の外部にあたる支持部材６８の上面６８ｂに配置される。ガラスシール材３０１がガスマニホールド６６の外部に配置されることにより、押さえる面９９も同様にガスマニホールド外部に配置でき、シール材が開口部を一部覆うことがなく、また塞ぐこともないので、燃料ガスを乱れなくセル内部へ供給することができる。

また、特に本実施例においては、押さえる面９９が燃料電池セルユニット１６の底面に備えられている。燃料電池セルユニット１６の底面に押さえ面９９が備えられていることにより、燃料電池セルユニット１６の底面を利用しての結晶化ガラスシール材を押さえる荷重をかけることができる。よって燃料電池セル間に別途押さえ部を設ける必要がなく、燃料電池セル間距離を縮めることができ燃料電池セル集合体の小型化に寄与する。

さらにまた、燃料電池セルユニット１６の管路部１２０はガラスシール材３０１及び支持部材６８の第二開口部である挿入孔６８ａに挿入するように配置され、燃料電池セルユニット１６の管路部の開口部１２１は支持部材６８の下面６８ｃの下方に配置される。燃料電池セルユニット１６の開口部１２１がガラスシール材３０１の下方にあることより、結晶化ガラスシール材が開口部１２１を一部覆うことがなく、また塞ぐこともないので、燃料ガスを乱れなくセル内部へ供給することができる。

また、結晶化ガラスシール材３０２は支持部材６８の下面６８ｃにより押さえられ、支持部材６８とガスマニホールド６６の配置部１６０をシールしている。下面６８ｃにより結晶化ガラスシール材を押しつぶし、結晶化ガラスシール材の接着面積を広げることにより、濡れ性が悪いという問題を解決することができる。すなわち、シール面全体に結晶化ガラスシール材が濡れ広がることから接着面積が増加し、シールされる部材との接合強度を上げることができる。よって濡れ性が悪いという不具合を解消することができる。

さらにまた、結晶化ガラスシール材３０２は、ガスマニホールド６６の金属製の配置部１６０に配置される。ガラスシール材３０２が配置部１６０に配置されることにより、押さえ部１７０ｂも同様にガスマニホールド外部に配置でき、ガスマニホールド外部にシール部や押さえ部を配置でき、シール部がガスマニホールド内にないため、ガスマニホールド内の燃料ガス流体の乱れを起こしにくく、セルへガスをスムーズに供給することができる。

また、図６に示す本発明における絶縁部である支持部材に６８ついて次に説明する。本実施例では、支持部材６８が天板の配置部１６０と端部電極端子の段部面である上端面９０ｃとで挟持されるように配置される。支持部材６８が天板の配置部１６０と端部電極端子の段部面である上端面９０ｃとで挟持されるように配置されることにより、端部に電極端子を有し、容易に直列および並列に接続できる組み立て性に優れた燃料電池セルを、ガスマニホールドの割れを防止するためにガスマニホールド天板を金属製としたガスマニホールドに設置する際にガスマニホールド内に埋没させることなく、燃料電池セルを直列及び並列に接続することができる。

また、本実施例では、係止部である支持部材６８に遮蔽部である、下方絶縁部１３０が形成されている。ガスマニホールド内側に向けて突出する下方絶縁部１３０が形成されていることにより、絶縁部をガスマニホールド天板の決められた位置に配置することができ、燃料電池セルをガスマニホールドに均等に配置することができる。さらに遮蔽部側の端部は前記燃料電池セルのガスマニホールド側端部よりも、よりガスマニホールド側内部に配置される。よって、さらにガスマニホールド内での放電をより確実に防止することができる。
なお係止部により天板裏側へ絶縁部を上下方向にずれることなく配置することができる。
ここで下方絶縁部は放電防止部と第2放電防止部が一体的に形成されている。

さらにまた、本実施例では、下方絶縁部１３０が管路で形成されている。下方絶縁部１３０が管路で形成されていることにより、ガスマニホールドの開口部２０１と管路部１２０を確実に連通させることができ、ガスマニホールドから燃料電池セルへの燃料ガスの流れを乱すことがないため、燃料電池セルへガス供給をスムーズに行うことができる。

また、本実施例では、ＣＬ４が形成されている。ＣＬ４が形成されていることによりシール材で絶縁部が固定されていない組立中においても、絶縁部がガスマニホールドから抜けることを防止することができ、さらに絶縁部を確実にガスマニホールド天板に位置決めできることができるので、位置決め性と組立性を両立することができる。

さらにまた、本実施例では、下方絶縁部１３０は開口部１２１の下方、且つガスマニホールド内部２００まで形成されている。下方絶縁部１３０が開口部１２１の下方、且つガスマニホールド内部２００まで形成されていることにより燃料電池セルとガスマニホールド天面との絶縁距離を内側面まで配置されていない物に比べ延ばすことができ、燃料電池セルからの放電による電気的ショートを防ぐことができる。また、燃料電池セル集合体を長期運転した際に析出する炭素による電気的ショートの可能性を抑えることができる。

また、支持部材６８は絶縁性を高めるために、高さ方向に延長することができる。高さ方向に延長することにより、絶縁部を横方向に大きくすることなく、ガスマニホールドと燃料電池との離間距離を延ばすことができ、セル集合体の絶縁性と小型化を両立することができる。

また、本実施例では、１つの燃料電池セルを備えた燃料電池セルユニット１６に対し、１つの支持部材６８が備えられている。１つの燃料電池セルを備えた燃料電池セルユニット１６に対し、１つ支持部材６８が備えられていることにより、燃料電池セルごとにシール部を備えることができ、ガスマニホールド天板全体をセラミックで作製した時に比べ、１シール部あたりのシール距離を短くすることができるので、シール難易度を下げシール精度を上げることができる。

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８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８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８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８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。

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、３０１、３０２…結晶化ガラスシール材

Claims

内部に燃料通路を備え、前記燃料通路側から順に燃料極、電解質、空気極が配置されるとともに、それぞれが電気的に接続された複数の燃料電池セルと、
前記複数の燃料電池セルが設置された金属製の天板を有するガスマニホールドと、
前記複数の燃料電池セルを前記ガスマニホールドの天板に支持する支持部材と、を備えた燃料電池セル集合体であって、
前記支持部材は絶縁性部材であり、前記燃料電池セルの電極端子が挿入される挿入口を有するとともに、前記ガスマニホールドの天板を貫通して前記ガスマニホールドの内側に突出する下方絶縁部を有し、
前記下方絶縁部の端部は、前記燃料電池セルの電極端子の端部よりも前記ガスマニホールドの内側に配置されていることを特徴とする燃料電池セル集合体。
請求項１において、
前記支持部材が有する前記挿入口は、前記下方絶縁部において内部に燃料が通過する管路であることを特徴とする燃料電池集合体。
請求項１又は請求項２において、
前記支持部材と前記燃料電池セル、及び前記支持部材と前記ガスマニホールドの天板は、それぞれシール材によって固定されていることを特徴とする燃料電池集合体。