(57)【要約】      （修正有）【課題】最適な触媒環境を得ることができる燃料電池組立体を提供する。【解決手段】発電・燃焼室を規定するハウジングと、該ハウジング内に配設されたセルスタックと、触媒収納ケース７８ａと、該触媒収納ケース７８ａに付設された被改質ガス供給管８２ａ、燃料ガス供給管８０ａとを具備する固体燃料電池組立体において、触媒収納ケース７８ａ内には改質触媒が収容されており、触媒収納ケース７８ａに温度検出手段１０５を設け、該温度検出手段１０５を、ハウジング外の測定装置に接続してなる。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電室を規定するハウジングと、該ハウジング内に配設されたセルスタックと、前記ハウジング内に配設された触媒収納ケースと、該触媒収納ケースに付設されたガス導入手段と、前記触媒収納ケースに付設されたガス導出手段とを具備する燃料電池組立体において、前記触媒収納ケース内には改質触媒及び／又は脱硫触媒が収容されており、前記ガス導入手段を通して前記触媒収納ケースに導入された原料ガスが前記触媒の作用を受け、前記ガス導出手段を通して前記セルスタックに供給されるとともに、前記触媒収納ケースに温度検出手段及び／又は圧力検出手段を設け、該温度検出手段及び／又は圧力検出手段を、前記ハウジング外の測定装置に接続してなることを特徴とする燃料電池組立体。
【請求項２】
前記温度検出手段は、前記触媒収納ケースの触媒における原料ガス入口部及び／又は原料ガス出口部に設けられていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池組立体。
【請求項３】
前記触媒収納ケースは水気化部を有しており、前記触媒収納ケースの触媒における原料ガス入口部の温度が設定温度範囲よりも高い場合には、前記触媒収納ケースの水気化部への水供給量を増加させるように制御する制御装置を具備することを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池組立体。
【請求項４】
前記触媒収納ケースの触媒における原料ガス出口部の温度が設定温度範囲よりも低い場合には、前記触媒収納ケースの触媒への酸素源供給量を増加させるように制御する制御装置を具備することを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池組立体。
【請求項５】
前記セルスタックで用いられなかった余剰燃料ガスが燃焼し、該燃焼ガスにより前記触媒収納ケースが加熱されることを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池組立体。
【請求項６】
前記触媒収納ケースの触媒における原料ガス出口部の温度が、設定温度範囲よりも低い場合には、燃料利用率を低下させるように制御する制御装置を具備することを特徴とする請求項５記載の燃料電池組立体。
【請求項７】
前記触媒収納ケースの触媒における原料ガス入口部及び原料ガス出口部の温度が、設定温度範囲よりも高い場合には空気利用率を低下させ、設定温度範囲よりも低い場合には空気利用率を向上させるように制御する制御装置を具備することを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池組立体。
【請求項８】
発電室を規定するハウジングと、該ハウジング内に配設されたセルスタックと、前記ハウジング内に配設された触媒収納ケースと、該触媒収納ケースに付設されたガス導入手段と、前記触媒収納ケースに付設されたガス導出手段とを具備する燃料電池組立体において、前記触媒収納ケース内には改質触媒及び／又は脱硫触媒が収容されており、前記ガス導入手段を通して前記触媒収納ケースに導入された原料ガスが前記触媒の作用を受け、前記ガス導出手段を通して前記セルスタックに供給されるとともに、前記ガス導入手段に圧力検出手段を設け、該圧力検出手段をハウジング外の測定装置に接続してなり、前記圧力検出手段により検出された圧力が設定圧力範囲よりも高い場合には、前記触媒収納ケースの触媒への酸素源供給量を増加させるように制御する制御装置を具備することを特徴とする燃料電池組立体。
【請求項９】
前記触媒収納ケースは、余剰燃料ガスの燃焼炎に曝されることを特徴とする請求項１乃至８のうちいずれかに記載の燃料電池組立体。
【請求項１０】
前記触媒収納ケースは実質上細長く延在せしめられており、前記セルスタックの上方に位置することを特徴とする請求項１乃至９のうちいずれかに記載の燃料電池組立体。
【請求項１１】
負荷変動することを特徴とする請求項１乃至１０のうちいずれかに記載の燃料電池組立体。
【請求項１２】
分散型発電用として用いられることを特徴とする請求項１乃至１１のうちいずれかに記載の燃料電池組立体。
【請求項１３】
家庭用として用いられることを特徴とする請求項１乃至１２のうちいずれかに記載の燃料電池組立体。
【請求項１４】
発電温度が８００℃以下であることを特徴とする請求項１乃至１３のうちいずれかに記載の燃料電池組立体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原料ガスが触媒の作用によって改質及び／又は脱硫されてセルスタックに供給される形態の燃料電池組立体に関し、特にハウジング内で余剰燃料ガスが燃焼して触媒収納ケースを加熱する燃料電池組立体に関する。
【背景技術】
【０００２】
次世代エネルギーとして、近年、固体高分子形、リン酸形、溶融炭酸塩形及び固体酸化物形等の種々の型の燃料電池発電システムが提案されている。
【０００３】
従来、固体高分子形燃料電池では、発電素子が収容されたハウジングと、ハウジング外に配設された改質装置とを具備しており、発電素子に供給された燃料ガスのうち余剰の燃料ガスを改質装置内に導入して燃焼させ、改質装置内の改質器を加熱していた。また、余剰の燃料ガスの燃焼だけでは改質器を十分に加熱することができないため、別個に外部から燃料ガスを改質装置内に導入し、燃焼させ、改質器の温度が一定になるように加熱されていた。
【０００４】
一方、固体酸化物形燃料電池発電システムは、作動温度が高いが、発電効率が高い、排熱利用が可能である等の利点を有しており、研究開発が推し進められている。
【０００５】
燃料電池発電システムの典型例においては、下記特許文献１に開示されている如く、発電・燃焼室を規定するハウジングとこのハウジング内に配設されたセルスタックとを含む燃料電池組立体を備えている（例えば、特許文献１参照）。そして、近時においては、燃料電池組立体にガス導入手段及びガス導出手段が付設された収納ケースも配設することが提案されている。収納ケース内には適宜の改質触媒が収容され、ガス導入手段を通して原料ガスが収納ケースに導入され、触媒の作用を受け、そして燃料ガスがガス導出手段を通してセルスタックに供給される。セルスタックには空気でよい酸素含有ガスも供給され、各セルにおいて所要発電反応が生成されて発電される。
【特許文献１】特開２０００−１４９９７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、固体酸化物形燃料電池では、ハウジング内に改質器（触媒収納ケース）を配設した場合、燃料電池の発電熱や排ガスにより改質器を加熱し、改質器内の触媒により原料ガスを改質し、燃料ガスとしてセルスタックに供給されることになるが、発電による熱量や排ガスにより改質器を加熱するため、改質器の加熱状況を制御することが困難であり、これにより原料ガスの改質性能が変化し、発電性能に大きな影響を与えるという問題があった。
【０００７】
特に、燃料電池の発電量を電力需要に応じて変動させる（負荷変動）場合には、発電による熱量が変動し、また、排ガス量も変動するため、改質器の加熱状態が変動し、最適な改質器環境を得ることが困難であった。
【０００８】
また、近年では、ハウジング内で燃料ガスを燃焼させることが行われているが、この場合には、負荷変動により燃焼ガスによる熱量が変動し、最適な触媒環境を得ることが困難であった。
【０００９】
本発明の燃料電池組立体は、最適な触媒環境を得ることができる燃料電池組立体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の燃料電池組立体は、発電室を規定するハウジングと、該ハウジング内に配設されたセルスタックと、前記ハウジング内に配設された触媒収納ケースと、該触媒収納ケースに付設されたガス導入手段と、前記触媒収納ケースに付設されたガス導出手段とを具備する燃料電池組立体において、前記触媒収納ケース内には改質触媒及び／又は脱硫触媒が収容されており、前記ガス導入手段を通して前記触媒収納ケースに導入された原料ガスが前記触媒の作用を受け、前記ガス導出手段を通して前記セルスタックに供給されるとともに、前記触媒収納ケースに温度検出手段及び／又は圧力検出手段を設け、該温度検出手段及び／又は圧力検出手段を、前記ハウジング外の測定装置に接続してなることを特徴とする。
【００１１】
このような燃料電池組立体では、触媒収納ケースに、温度検出手段及び／又は圧力検出手段を設けたため、燃料電池の発電量を電力需要に応じて変動させた場合でも、また、燃焼ガスにより触媒収納ケースを加熱する場合でも、触媒収納ケース内の温度分布や圧力分布を把握することができ、最適な触媒環境を得ることができる。例えば、触媒収納ケース内に異常な温度分布が発生した場合、後述するように、発電量、燃料利用率、空気利用率等を変化させることによって、最適な触媒環境に制御することができる。また、触媒収納ケース内に異常な圧力分布が発生した場合には、燃料供給量、水蒸気量等を変化させることによって、最適な触媒環境に制御することができ、その時の燃料電池の状況に応じた最適な触媒環境を提供できる。また、異常が発生しないように触媒収納ケースを監視、制御できると共に、異常発生時に運転条件制御による改善が困難な場合には非常停止を行うこともできる。
【００１２】
また、本発明の燃料電池組立体は、前記温度検出手段は、前記触媒収納ケースの触媒における原料ガス入口部及び／又は原料ガス出口部に設けられていることを特徴とする。
【００１３】
触媒が原料ガスに作用する上で、触媒の原料ガス入口部〜原料ガス出口部間では触媒反応により発熱、吸熱が発生するためさまざまな温度分布が起こりえる。このとき、触媒性能、寿命などに重要となるのは原料ガス入口部と原料ガス出口部の温度である。これらのうち少なくとも一方の温度を検出し、運転制御へフィードバックすることで、最適な触媒環境を得ることができる。
【００１４】
また、本発明の燃料電池組立体では、前記触媒収納ケースの温度検出手段により原料ガス入口部の温度が設定温度範囲から逸脱していることを検出した場合には、前記原料ガス入口部の温度が設定温度範囲に収まるように運転条件制御し、もしくは、運転停止することができる。
【００１５】
前述のように、触媒の原料ガス入口部の温度が触媒性能、寿命に与える影響は大きい。例えば、改質触媒おいては、固体電解質形燃料電池の運転状態によっては触媒収納ケースに許容範囲以上の温度変動が生じてしまう場合があり、この温度変動によって触媒の原料ガス入口部が過剰に温度上昇すると炭素析出を引き起こすことがある。しかし、温度検出手段により検出された触媒の原料ガス入口部の温度が所定上限値より高い場合には、運転制御へフィードバックし運転条件を変更することで、設定温度範囲に収めることができる。
【００１６】
もしくは、運転停止を実施することで触媒の劣化を防止し、安全に運転を停止することができる。
【００１７】
本発明の燃料電池組立体は、前記触媒収納ケースは水気化部を有しており、前記触媒収納ケースの触媒における原料ガス入口部の温度が設定温度範囲よりも高い場合には、前記触媒収納ケースの水気化部への水供給量を増加させるように制御する制御装置を具備することを特徴とする。
【００１８】
触媒の入口過昇温に対する具体的な運転制御方法として、原料ガスと水蒸気を触媒にて作用させる（改質）ことで発電に必要な燃料を生成しているが、改質用に供給している水量を増加させることで、水気化部における水気化に伴う吸熱によって隣接する触媒の原料ガス入口部の温度を低下させるとともに、触媒に供給される原料ガスと水蒸気との混合ガス温度を低下させることで、炭素析出を防止することができる。
【００１９】
また、本発明の燃料電池組立体では、前記触媒収納ケースの温度検出手段により前記触媒の原料ガス出口部の温度が設定温度範囲から逸脱していることを検出した場合には、触媒の原料ガス出口部の温度が設定温度範囲に収まるように運転条件制御、もしくは、運転停止することができる。
【００２０】
前述のように、触媒の原料ガス出口部の温度も触媒性能、寿命に与える影響は大きい。例えば、改質触媒おいては、運転状態によっては触媒収納ケースに許容範囲以上の温度変動が生じてしまう場合があり、この温度変動によって触媒の原料ガス出口部の温度が過剰に上昇すると焼結を引き起こし、触媒劣化してしまうことがある。逆に、触媒の原料出口部の温度が所定温度よりも低下すると、所定の改質反応が行われず燃料電池へ多量の炭化水素が供給されることになり、燃料電池へ炭素析出が発生する可能性がある。しかし、触媒の原料ガス出口部の温度が設定温度範囲から逸脱していることを検出した場合には、運転制御へフィードバックし運転条件を変更することで、設定温度範囲に収めることができる。もしくは、運転停止を実施することで触媒の劣化を防止し、安全に運転を停止することができる。
【００２１】
本発明の燃料電池組立体は、前記触媒収納ケースの触媒における原料ガス出口部の温度が設定温度範囲よりも低い場合には、前記触媒収納ケースの触媒への酸素源供給量を増加させるように制御する制御装置を具備することを特徴とする。
【００２２】
原料ガス出口部の温度低下に対する具体的な運転制御方法として、触媒への酸素源、例えば水蒸気や空気量を増加させたり、上記したように、触媒収納ケースに水気化部を有する場合には、水気化部への水量を増加させることで、改質反応の転化率を高め、燃料電池への炭化水素供給量を減らすことができ、炭素析出を防止することができる。
【００２３】
酸素源として、水蒸気と空気を用いることができる。原料ガス出口部の温度低下に対する具体的な運転制御方法として、通常改質反応は水蒸気と炭化水素を吸熱反応させる水蒸気改質法で行うが、触媒の原料ガス出口部の温度が低下し所定の改質反応が得られない場合には、炭化水素中に所定量の空気を混合させ改質触媒に供給し、空気と炭化水素を発熱反応させる部分酸化反応を併発させることで、触媒の熱量不足を補うとともに、酸素源増加により炭素析出を防止することができる。
【００２４】
また、本発明の燃料電池組立体は、前記セルスタックで用いられなかった余剰燃料ガスが燃焼し、該燃焼ガスにより前記触媒収納ケースが加熱されることを特徴とする。このような燃料電池組立体では、触媒収納ケースを効率良く加熱することができるが、触媒収納ケースに温度分布や圧力分布が生じやすいため、本発明を効果的に用いることができる。
【００２５】
また、本発明の燃料電池組立体は、余剰燃料ガスが燃焼し、該燃焼ガスにより触媒収納ケースを加熱する場合において、前記触媒収納ケースの触媒における原料ガス出口部の温度が設定温度範囲よりも低い場合には、燃料利用率を低下させるように制御する制御装置を具備することを特徴とする。
【００２６】
触媒の原料ガス出口部の温度低下に対する具体的な運転制御方法として、発電に使用する燃料の利用率を低下させるように制御することで、同じ出力を出すためにより多くの燃料が必要となってしまうが、余剰燃料量が増加するため、実質的に燃焼熱量が増加することになり、触媒の原料ガス出口部の温度を上昇することができる。
【００２７】
また、本発明の燃料電池組立体は、前記触媒収納ケースの触媒における原料ガス入口部及び原料ガス出口部の温度が設定温度範囲よりも高い場合には空気利用率を低下させ、設定温度範囲よりも低い場合には空気利用率を増加させるように制御する制御装置を具備することを特徴とする。
【００２８】
原料ガス入口部及び原料ガス出口部の温度に対する具体的な運転制御方法として、触媒収納ケースの温度検出手段により検出された各部温度が所定上限値より高い場合には、発電に使用する空気の利用率を低下させるように制御し、発電用空気の供給量を増加させ燃料電池組立体全体を冷却することで、各部の温度を低下させ、触媒過昇温を防止することができる。また、触媒収納ケースの温度検出手段により検出された各部温度が所定下限値より低い場合には、発電に使用する空気の利用率を向上させるように制御し、発電用空気の供給量を減少させ燃料電池組立体全体を昇温することで、各部の温度を上昇させ、改質不良などを防止することができる。
【００２９】
本発明の燃料電池組立体は、発電室を規定するハウジングと、該ハウジング内に配設されたセルスタックと、前記ハウジング内に配設された触媒収納ケースと、該触媒収納ケースに付設されたガス導入手段と、前記触媒収納ケースに付設されたガス導出手段とを具備する燃料電池組立体において、前記触媒収納ケース内には改質触媒及び／又は脱硫触媒が収容されており、前記ガス導入手段を通して前記触媒収納ケースに導入された原料ガスが前記触媒の作用を受け、前記ガス導出手段を通して前記セルスタックに供給されるとともに、前記ガス導入手段に圧力検出手段を設け、該圧力検出手段をハウジング外の測定装置に接続してなり、前記圧力検出手段により検出された圧力が設定圧力範囲よりも高い場合には、前記触媒収納ケースの触媒への酸素源供給量を増加させるように制御する制御装置を具備することを特徴とする。
【００３０】
圧力検出手段により上記部分の圧力損失を検出することで、改質器、燃料電池での炭素析出状態を監視することができる。例えば、触媒収納ケース内部で炭素析出が発生すると、炭素により流路が狭められるために必然的に圧力損失が増加し、系外排気される大気圧との差圧が大きくなる。これにより、検出される圧力損失が大きくなれば運転上好ましくない状態が発生していると判断することができるようになる。
【００３１】
本発明は、この際に、前記圧力検出手段により検出された圧力が設定圧力範囲よりも高い場合には、前記触媒収納ケースの触媒への酸素源供給量を増加させるように制御する制御装置を具備することを特徴とする。即ち、触媒収納ケースの圧力検出手段により検出された圧力値が所定上限値より高い場合には、一時的に酸素源である水蒸気や空気量を増加させた後、もとの条件に戻した際に所定上限値以下になるように制御する。例えば、改質触媒上で炭素析出などが発生し、ガス流路閉塞の前兆として改質部の圧力損失上昇が圧力検出手段により検知された場合、一時的に水、空気などの酸素源供給量を増加することで、析出炭素と酸素源のガス化反応を促進し析出炭素の除去を行う。これにより、触媒寿命を延長し長期にわたり信頼性を確保することができる。
【００３２】
また、触媒収納ケースの圧力検出手段により検出された値が所定範囲外となった場合には、燃料電池システムの稼動を緊急停止することもできる。検出手段によりあらかじめ設定された範囲を超えた値を検出した場合には、システム異常発生と判断し事故などに至る前に緊急停止を行うことで、安全性に優れた燃料電池システムとすることができる。
【００３３】
また、本発明の燃料電池組立体は、セルスタックで用いられなかった余剰燃料ガスが燃焼し、該燃焼ガスにより触媒収納ケースが加熱されることを特徴とする。また、触媒収納ケースは、余剰燃料ガスの燃焼炎に曝されることを特徴とする。
【００３４】
このような燃料電池組立体では、触媒収納ケースを効率良く加熱することができるが、触媒収納ケースに温度分布や圧力分布が生じやすいため、本発明を効果的に用いることができる。
【００３５】
さらに、触媒収納ケースは実質上細長く延在せしめられており、セルスタックの上方に位置することを特徴とする。このような燃料電池組立体では、触媒収納ケースを燃焼ガスに効果的に曝すことが可能な構造であるだけでなく、燃料ガスと改質触媒を効率よく接触させることができる。
【００３６】
また、本発明の燃料電池組立体は、負荷変動することを特徴とする。家庭用等の５ｋＷ以下の分散型発電用として用いられることが望ましい。このような燃料電池組立体では、負荷変動により、発電熱や燃焼ガスによる触媒収納ケースの加熱量も変動するため、また、小型のハウジングとなり、ハウジング内の温度変化も生じやすいため、本発明を好適に用いることができる。
【００３７】
さらに、本発明の燃料電池組立体では、発電温度が８００℃以下であることを特徴とする。このような燃料電池組立体では、発電温度が低いため、そもそも触媒収納用ケースの加熱量が低いため、本発明を好適に用いることができる。
【００３８】
また、本発明の燃料電池組立体では、触媒収納ケースには、ガス導入手段が接続された部分から、水気化部、改質触媒部、改質ガス予熱部が順次設けられていることが望ましい。このような燃料電池組立体では、水気化部との一体化構造による小型化が可能となると共に、改質触媒部下流に設置された改質ガス予熱部により改質ガス温度を上昇させ、セルへの改質ガス供給温度を高め、低負荷運転時などの発電部温度が低下しやすい状態においても熱自立運転を可能とすることができる。
【００３９】
さらに、本発明の燃料電池組立体では、改質触媒部入口近傍に水気化部が設置されており、該改質触媒部の前段にて原料ガスと水蒸気とを混合することができる。このような燃料電池組立体では、改質触媒入口部近傍に水気化部を設置する事で燃料ガスの過昇温による炭素析出を防止することができる。
【００４０】
また、本発明の燃料電池組立体では、触媒収納ケース外面に温度検出手段を設け、ハウジング外の測定装置と接続することができる。このような燃料電池組立体では、触媒収納ケース内部の正確な温度は検出できないが、触媒収納ケースの内部と外壁の温度差を予め見積もっておくことで、非常に簡便に触媒収納ケースの温度を把握することができる。
【発明の効果】
【００４１】
本発明の燃料電池組立体は、触媒収納ケース内の温度分布や圧力分布を把握することができ、これにより、例えば、燃料電池の発電量を電力需要に応じて変動させた場合でも、また、燃焼ガスにより触媒収納ケースを加熱する場合でも、最適な触媒環境を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４２】
本発明の燃料電池組立体を図１、２及び図３を参照して説明すると、略直方体形状のハウジング２を具備している。このハウジング２の６個の壁面の外面には適宜の断熱材から形成された断熱壁（遮熱部材）、即ち上断熱壁４、下断熱壁６、右側断熱壁８、左側断熱壁９、前断熱壁１０及び後断熱壁１１が配設されている。ハウジング２内には発電・燃焼室１２が規定されている。
【００４３】
前断熱壁１０及び／又は後断熱壁１１は着脱自在或いは開閉自在に装着されており、前断熱壁１０及び／又は後断熱壁１１を離脱或いは開動せしめることによって発電・燃焼室１２内にアクセスすることができる。所望ならば、各断熱壁の外面に金属板製でよい外壁を配設することができる。
【００４４】
ハウジング２内の上端部には空気室（ガス室）１６が配設されている。空気室１６は上下方向寸法が比較的小さい直方体形状のケース１７内に規定されている。空気室１６には、発電・燃焼室に向かって空気（酸素含有ガス）を送り込むための空気導入管（ガス供給手段）２２の上端が連通している。空気導入管２２は複数本あり、その形状は円筒や中空板構造などが考えられる。図１、２では円筒の空気導入管２２を記載した。空気導入管２２は後述するセルスタック間に配置されており、セルの下端部において開口し、この開口部から空気が噴出する構造となっている。空気導入管２２はセラミックスなどの耐熱性の高い材料で作製するのが好適である。
【００４５】
空気室１６には、低温ガス供給管１８が設けられており、この低温ガス供給管１８は、上断熱壁４を貫通し、外部に延設されている。
【００４６】
この低温ガス供給管１８は、空気室１６内に供給されるガスと同一種、即ち、低温の空気を空気室１６内に供給するものであり、低温ガス供給管１８により供給される空気は、予熱された空気の温度よりも低温である必要がある。特には、室温程度が望ましい。
【００４７】
低温ガス供給管１８は、図２に示すように、発電ユニット５６ａ、５６ｂ、５６ｃ及び５６ｄ、即ち、燃料電池セル集合体の中央部を冷却するような空気室１６の位置に接続されている。言い換えれば、発電ユニット５６ａ、５６ｂ、５６ｃ及び５６ｄ間に配設された空気導入管２２のケース１７側板への開口部集合体中央に対して、対向するケース１７側板の位置に開口するように低温ガス供給管１８が設けられている。
【００４８】
ハウジング２の両側部、更に詳しくは右側断熱壁８の内側及び左側断熱壁９の内側には、全体として平板形状である熱交換器２４が配設されている。熱交換器２４の各々は実質上鉛直に延在する中空平板形態のケース２６から構成されている。
【００４９】
かかるケース２６内にはその横方向中間に位置する仕切板２８が配設されており、ケース２６内は内側に位置する排出路３０と外側に位置する流入路３２とに区画されている。排出路３０内には上下方向に間隔をおいて３枚の仕切壁３４及び３６が配置されている。更に詳述すると、排出路３０内には、その前縁はケース２６の前壁（図示していない）から後方に離隔して位置するがその後縁はケース２６の後壁（図示していない）に接続されている形態の仕切壁３４と、その前縁はケース２６の前壁に接続されているがその後縁はケース２６の後壁から前方に離隔して位置せしめられている仕切壁３６とが交互に配置されており、かくして燃焼ガス排出路３０はジグザグ形態にせしめられている。なお、所望ならばジグザグ形態の流路以外の形態でも良い。
【００５０】
同様に、流入路３２内にも上下方向に間隔をおいて３枚の仕切壁３８及び４０、即ちその前縁はケース２６の前壁（図示していない）から後方に離隔して位置するがその後縁はケース２６の後壁（図示していない）に接続されている形態の仕切壁３８と、その前縁はケース２６の前壁に接続されているがその後縁はケース２６の後壁から前方に離隔して位置せしめられている仕切壁４０とが交互に配置されており、かくして流入路３２もジグザグ形態にせしめられている。なお、所望ならばジグザグ形態の流路以外の形態でも良い。
【００５１】
ケース２６の内側壁の上端部には排出開口４２が形成されており、排出路３０は排出開口４２を介して発電・燃焼室１２と連通せしめられている。図示の実施形態においては、熱交換器２４の各々の発電・燃焼室１２側、即ち、燃料電池セル側、及び燃料電池セルの上下には、蓄熱材からなる蓄熱壁（遮熱部材）が配置されている。即ち右側蓄熱壁４４ａ、左側蓄熱壁４４ｂ、前蓄熱壁４４ｃ及び後蓄熱壁４４ｄ、下蓄熱壁４４ｅ、上蓄熱壁４４ｆが、セル集合体を取り囲むように配設されている。かかる右側蓄熱壁４４ａ、左側蓄熱壁４４ｂの上部には、排出開口４２の下縁と実質上同高に位置して開口する開口部４５が形成されており、排出開口４２は開口部４５を通して発電・燃焼室１２に連通せしめられている。
【００５２】
ハウジング２の６個の壁面の外面に形成された断熱壁４、６、８、９、１０、１１は、アルミナ／シリカ系の汎用断熱材から形成されており、セル集合体を取り囲むように形成された蓄熱壁４４ａ、４４ｂ、４４ｃ、４４ｄ、４４ｅ、４４ｆは、密度が前記断熱材４、６、８、９、１０、１１より大きいアルミナ純度の高い断熱材から形成されている。断熱壁４、６、８、９、１０、１１と蓄熱壁４４ａ、４４ｂ、４４ｃ、４４ｄ、４４ｅ、４４ｆは同一材料から形成されていても良いが、蓄熱材の密度は断熱材よりも大きいことが望ましい。断熱壁４、６、８、９、１０、１１の密度は０．２６ｇ／ｃｍ３以下、蓄熱壁４４ａ、４４ｂ、４４ｃ、４４ｄ、４４ｅ、４４ｆの密度は０．３２ｇ／ｃｍ３以下で、両者の熱伝導率は０．１〜０．４Ｗ／（ｍ・Ｋ）であることが望ましい。
【００５３】
ケース２６の上壁における外側部には流入開口４８が形成されており、流入路３２はかかる流入開口４８を介して空気室１６に連通せしめられている。熱交換器２４、流入開口４８は、ガス供給流路を構成している。流入路３２の各々の後方には上下方向に細長く延びる二重筒体５０（図１にその上端部のみを図示している）が配設されており、かかる二重筒体５０は外側筒部材５２と内側筒部材５４とから構成されている。排出路３０の下端部は外側筒部材５２と内側筒部材５４との間に規定されている排出路の下端部に接続されており、流入路３２の下端部は内側筒部材５４内に規定されている流入路に接続されている。
【００５４】
上述した発電・燃焼室の下部には４個の発電ユニット５６ａ、５６ｂ、５６ｃ及び５６ｄが配置されている。発電ユニット５６ａ、５６ｂ、５６ｃ及び５６ｄは、夫々、上述した空気導入管２２間に位置せしめられている。言い換えれば、発電ユニット５６ａ、５６ｂ、５６ｃ及び５６ｄ間に、空気導入管２２が配設されている。図１、２と共に、図３、４を参照して説明を続けると、発電ユニット５６ａは前後方向（図１において紙面に垂直な方向）に細長く延びる直方体形状の燃料ガスケース５８ａを具備している。
【００５５】
燃料ガス室を規定している燃料ガスケース５８ａの上面上にはセルスタック６０ａが装着されている。セルスタック６０ａは上下方向に細長く延びる直立セル６２を燃料ガスケース５８ａの長手方向（即ち前後方向）に複数個縦列配置して構成されている。図５に明確に図示する如く、セル６２の各々は電極支持基板６４、内側電極層である燃料極層６６、固体電解質層６８、外側電極層である酸素極層７０、及びインターコネクタ７２から構成されている。
【００５６】
電極支持基板６４は上下方向に細長く延びる柱状の板状片であり、その断面形状は平坦な両面と半円形状の両側面を有する。電極支持基板６４にはこれを鉛直方向に貫通する複数個（図示の場合は６個）の燃料ガス通路７４が形成されている。電極支持基板６４の各々は燃料ガスケース５８ａの上壁上に、例えば耐熱性に優れたセラミック接着剤によって接合される。
【００５７】
燃料ガスケース５８ａの上壁には図１において紙面に垂直な方向に間隔をおいて左右方向に延びる複数個のスリット（図示していない）が形成されており、電極支持基板６４の各々に形成されている燃料ガス通路７４がスリットの各々に従って燃料ガス室に連通せしめられる。
【００５８】
インターコネクタ７２は電極支持基板６４の片面（図５のセルスタック６０ａにおいて上面）上に配設されている。燃料極層６６は電極支持基板６４の他面（図５のセルスタック６０ａにおいて下面）及び両側面に配設されており、その両端はインターコネクタ７２の両端に接合せしめられている。固体電解質層６８は燃料極層６６の全体を覆うように配設され、その両端はインターコネクタ７２の両端に接合せしめられている。酸素極層７０は、固体電解質層６８の主部上、即ち電極支持基板６４の他面を覆う部分上に配置され、電極支持基板板６４を挟んでインターコネクタ７２に対向して位置せしめられている。
【００５９】
セルスタック６０ａにおける隣接するセル６２間には集電部材７６が配設されており、一方のセル６２のインターコネクタ７２と他方のセル６２の酸素極層７０とを接続している。セルスタック６０ａの両端、即ち図５において上端及び下端に位置するセル６２の片面及び他面にも集電部材７６が配設されている。セルスタック６０ａの両端に位置する集電部材７６には電力取出手段（図示していない）が接続されており、かかる電力取出手段はハウジング２の前断熱壁１０、後断熱壁１１、または下断熱材６を通してハウジング２外に延在せしめられている。所望ならば、セルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄの各々に電力取出手段を配設することに代えて、適宜の接続手段によってセルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄを相互に直列接続し、４個のセルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄに関して共通の電力取出手段を配設することもできる。
【００６０】
セル６２について更に詳述すると、電極支持基板６４は燃料ガスを燃料極層６６まで透過させるためにガス透過性であること、そしてまたインターコネクタ７２を介して集電するために導電性であることが要求され、かかる要求を満足する多孔質の導電性セラミック（若しくはサーメット）から形成することができる。
【００６１】
燃料極層６６及び／又は固体電解質層６８との同時焼成によりセル６２を製造するためには、鉄属金属成分と特定希土類酸化物とから電極支持基板６４を形成することが好ましい。所要ガス透過性を備えるために開気孔率が３０％以上、特に３５乃至５０％の範囲にあるのが好適であり、そしてまたその導電率は３００Ｓ／ｃｍ以上、特に４４０Ｓ／ｃｍ以上であるのが好ましい。
【００６２】
燃料極層６６は多孔質の導電性セラミック、例えば希土類元素が固溶しているＺｒＯ２（安定化ジルコニアと称されている）とＮｉ及び／又はＮｉＯとから形成することができる。
【００６３】
固体電解質層６８は、電極間の電子の橋渡しをする電解質としての機能を有していると同時に、燃料ガスと空気とのリークを防止するためにガス遮断性を有するものであることが必要であり、通常、３〜１５モル％の希土類元素が固溶したＺｒＯ２から形成されている。
【００６４】
酸素極層７０は所謂ＡＢＯ３型のペロブスカイト型酸化物からなる導電セラミックから形成することができる。酸素極層７０はガス透過性を有していることが必要であり、開気孔率が２０％以上、特に３０〜５０％の範囲にあることが好ましい。
【００６５】
インターコネクタ７２は導電性セラミックから形成することができるが、水素ガスでよい燃料ガス及び空気と接触するため、耐還元性及び耐酸化性を有することが必要であり、このためにランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物（ＬａＣｒＯ３系酸化物）が好適に使用される。インターコネクタ７２は電極支持基板６４に形成された燃料ガス通路７４を通る燃料ガス及び電極支持基板６４の外側を流動する空気のリークを防止するために緻密質でなければならず、９３％以上、特に９５％以上の相対密度を有していることが望まれる。
【００６６】
集電部材７６は弾性を有する金属又は合金から形成された適宜の形状の部材或いは金属繊維又は合金繊維から成るフェルトに所要表面処理を加えた部材から構成することができる。
【００６７】
図４を参照して説明を続けると、発電ユニット５６ａは、セルスタック６０ａの上方を前後方向に細長く延びる長方体形状（或いは円筒形状）であるのが好都合である触媒収納ケース７８ａも具備している。触媒収納ケース７８ａの前面には燃料ガス送給管８０ａ（ガス導出手段）の一端即ち上端が接続されている。
【００６８】
燃料ガス送給管８０ａは下方に延び、次いで湾曲して後方に延び、燃料ガス送給管８０ａの他端は上記燃料ガスケース５８ａの前面に接続されている。触媒収納ケース７８ａの後面には被改質ガス供給管８２ａ（ガス導入手段）の一端が接続されている。被改質ガス供給管８２ａは触媒収納ケースから下方に延び、ハウジング２の下を通ってハウジング２外に延出している。
【００６９】
被改質ガス供給管８２ａは都市ガス等の炭化水素ガスでよい被改質ガス供給源（図示していない）に接続されており、被改質ガス供給管８２ａを介して触媒収納ケース７８ａに被改質ガス（原料ガスということもある）が供給される。触媒収納ケース７８ａ内には原料ガスを水素リッチな燃料ガスに改質するための適宜の改質触媒が収容されている。
【００７０】
図示の実施形態においては、触媒収納ケース７８ａは燃料ガス送給管８０ａを介して燃料ガスケース５８ａに接続され、これによって所要位置に保持されているが、所要ならば、図４に二点鎖線で図示する如く、例えば上記被改質ガス供給管８２ａの下面と燃料ガスケース５８ａの後端部下面或いは後面との間に適宜の支持部材８４ａを付設することもできる。
【００７１】
触媒収納ケース７８ａ内には、図６に示すように、脱硫された都市ガスでよい原料ガスを水素リッチな燃料ガスに改質するのに適した触媒が充填された改質触媒部１０２ａが設けられている。都市ガスを水素リッチな燃料ガスに改質するのに適した触媒としては、例えばニッケル−アルミナ触媒を挙げることができる。所望ならば、触媒収納ケース７８ａ内に改質触媒に加えて或いはこれに代えて脱硫触媒を充填することもできる（改質触媒に代えて脱硫触媒を充填する場合には、触媒収納ケース７８ａの下流に別個に改質手段を配設することが必要である）。
【００７２】
触媒収納ケース７８ａには被改質ガス供給管８２ａと水供給管（図示していない）が接続されており、燃料ガス、及び水が水気化部１０９ａに供給される。水気化部１０９ａにて供給された水の気化が行われ同時に供給されている原料ガス（被改質ガスということもある）と混合され改質触媒１０２ａへ供給される。水気化部１０９ａは水の気化熱により原料ガス温度の過昇温を防止する事で原料ガスの熱分解により発生する炭素析出を未然に防ぎ、改質触媒部１０２ａにて所望の温度分布を得ることができる。
【００７３】
また、水気化部１０９ａを改質触媒部１０２ａ入口近傍に隣接するように別構造体として設け、水蒸気を改質触媒部１０２ａ前段にて噴出させ混合することでも同様の効果が得られる。水気化部１０９ａはいかなる構造でも良いが、内部に熱容量増加のためにセラミックスなどの耐熱部材を充填しておくことが好ましい。改質触媒１０２ａにて触媒作用を受け改質ガスへ変質した後、改質ガス予熱部１１０ａへ供給される。改質ガス予熱部１１０ａは、改質ガスをさらに加熱することで発電部へ供給する改質ガス温度を高くすることで、熱自立運転を容易にすることができる。このような構造は低負荷運転などの発電部での発熱量が少なくなる状態でより効果を発揮する。改質ガス予熱部１１０ａはいかなる構造でも良いが、内部に熱容量増加のためにセラミックスなどの耐熱部材を充填しておくことが好ましい。改質ガスは改質ガス予熱部１１０ａから燃料ガス送給管８０ａを通して燃料ガスケース（図示していない）へと供給される。
【００７４】
また、ハウジング２内に触媒収納ケース７８ａを設置する事で燃焼・発電室１２の温度分布の影響を強く受ける為、改質条件等が変化し、ひいては燃料電池全体の熱バランスを崩してしまう虞がある。したがって、触媒収納ケース７８ａ内の温度や圧力の状態を正確に把握する事が重要となる。
【００７５】
本発明では、触媒収納ケース７８ａ内に、温度検出手段１０５を配設し、温度検出手段１０５をハウジング外部の測定装置（図示せず）に接続することにより、触媒の使用状態を正確に把握できる。
【００７６】
即ち、触媒収納ケース７８ａ内の温度検出手段１０５により、触媒の温度を検知することができ、さらに複数の温度検出手段を収容することにより触媒の温度分布を正確に把握することができ、適切な運転状態を実現する事ができる。温度検出手段としては熱電対、放射温度計等を挙げることができ、これらがケーブルによりハウジング外部の測定装置に接続されている。
【００７７】
尚、触媒収納ケース７８ａ内の温度検出手段１０５の代わりに圧力検出手段を設けることができる。これにより、触媒収納ケース７８ａ内の圧力を検知することができ、適切な運転状態を実現する事が出来る。圧力検出手段としては微差圧計等を挙げることができる。例えば、触媒収納ケース７８ａ内に先端が開口した配管を設け、この配管をハウジング外の測定装置まで引き出して接続して構成される。
【００７８】
このような燃料電池組立体では、触媒収納ケース７８ａ内に、温度検出手段１０５及び／又は圧力検出手段を設けたため、触媒収納ケース７８ａ内の温度や圧力を把握することができ、これにより、例えば、燃料電池の発電量を電力需要に応じて変動させた場合でも、また、燃焼ガスにより触媒収納ケースを加熱する場合でも、最適な触媒環境を得ることができる。
【００７９】
例えば、触媒収納ケース内に異常な温度分布が発生した場合、発電量、燃料利用率、空気利用率などを変化させることによって制御したり、異常な圧力分布が発生した場合には、燃料供給量、水蒸気量等を変化させることによって制御することができ、その時の燃料電池の状況に応じた最適な触媒環境を提供できる。また、このような異常が発生しないように触媒収納ケースの監視、制御を行うことができると共に、異常発生時に運転条件制御による改善が困難な場合には非常停止を行うこともできる。
【００８０】
図６を用いて詳細に説明する。温度検出手段１０５は、触媒収納ケース７８ａの改質触媒部１０２ａ（触媒）における原料ガス入口部ａ及び原料ガス出口部ｂに設けることができる。図６では、温度検出手段１０５を原料ガス出口部ｂに設けた例を記載している。触媒収納ケース７８ａの改質触媒部１０２ａは、触媒収納ケース７８ａ内をメッシュで仕切り、そのメッシュ間に触媒が収納されて構成されており、触媒の原料ガスが導入される入口側が原料ガス入口部ａとされ、原料ガスが導出される出口側が原料ガス出口部ｂとされている。
【００８１】
触媒の原料ガス入口部ａの温度は触媒性能、寿命に与える影響は大きい。例えば、改質触媒おいては、固体電解質形燃料電池の運転状態によっては触媒収納ケースに許容範囲以上の温度変動が生じてしまう場合があり、この温度変動によって触媒の原料ガス入口部ａが過剰に温度上昇すると炭素析出を引き起こすことがある。そこで、本発明では、触媒収納ケース７８ａの触媒における原料ガス入口部ａの温度が設定温度範囲よりも高い場合には、制御装置１３０により、触媒収納ケース７８ａの水気化部１０９ａへの水供給量を増加させるように制御する。
【００８２】
例えば、通常条件では水蒸気と原料ガス中の炭素の比率であるＳ／Ｃを１．５〜３．５程度に設定しているが、原料ガス入口部ａの温度が設定温度範囲より高いことを検出した時点で、水気化部１０９ａへの水量を増加させることでＳ／Ｃを２．５〜４．５程度になるように制御を行う。
【００８３】
このように改質用に供給している水量を増加させることで、水気化部１０９ａにおける水気化に伴う吸熱によって隣接する触媒の原料ガス入口部ａの温度を低下させるとともに、触媒に供給される混合ガス温度を低下させることで、炭素析出を防止することができる。
【００８４】
また、触媒の原料ガス出口部ｂの温度が設定温度範囲から逸脱していることを検出した場合には、触媒の原料ガス出口部ｂの温度が設定温度範囲に収まるように運転条件制御、もしくは、運転停止する。例えば、原料ガス出口部ｂの温度が、設定温度範囲よりも低い場合には、制御装置１３０により、触媒への酸素源を増加させるように制御する。
【００８５】
例えば、通常条件ではＳ／Ｃを１．５〜３．５程度に設定されているが、原料ガス出口部ｂの温度が設定より低いことを検出した時点で、Ｓ／Ｃを２．５〜４．５程度になるように制御を行う。Ｓ／Ｃを増加させるためには水気化部１０９ａへの水量を増加させるが、気化熱量増加により原料ガス出口部ｂの温度がさらに低下する場合もある。したがって、水蒸気量増加の代わりに酸素源として空気を供給することも可能である。この場合には、逆火や炭素析出が発生しないように酸素と原料ガス中の炭素の比率であるＯ２／Ｃを０．１〜１．０程度に設定する。
【００８６】
このように、触媒への酸素源、例えば水蒸気や空気量を増加させることで、改質反応の転化率を高め、燃料電池への炭化水素供給量を減らすことができ、炭素析出を防止することができる。尚、上記設定条件は一例であり、設定温度範囲、供給水量設定値は任意に変更することができる。
【００８７】
また、触媒収納ケース７８ａの触媒における原料ガス出口部ｂの温度が、設定温度範囲よりも低い場合には、制御装置１３０により、燃料利用率を低下させるように制御する。例えば、通常条件での燃料利用率は６０〜９０％程度に設定されているが、原料ガス出口部ｂの温度が設定より低いことを検出した時点で、燃料利用率を２０〜６０％程度になるように制御を行う。これにより、同じ発電量を行う場合でも燃料利用率が低いことで通常条件よりも多くの燃料供給が必要となるが、発電に利用されない余剰燃料量が通常１０〜４０％に対して４０〜８０％に増加されるため、燃焼熱量が増加し触媒収納ケース７８ａの温度を上昇させることができる。
【００８８】
このように、発電に使用する燃料の利用率を低下させるように制御することで、余剰燃料量が増加するため、実質的に燃焼熱量が増加することになり、触媒収納ケース７８ａの外側から燃焼ガスにより加熱され、触媒の原料ガス出口部ｂの温度を上昇することができる。尚、上記設定条件は一例であり、設定温度範囲、燃料利用率設定値は任意に変更することができる。尚、燃料利用率は、供給される全燃料ガス量に対する発電に利用される燃料ガス量の割合として定義される。
【００８９】
触媒における原料ガス入口部ａ及び原料ガス出口部ｂの両側の温度が、設定温度範囲よりも高い場合、即ち、触媒収納ケース７８ａ全体の温度が高い場合には空気利用率を低下させ、低い場合には空気利用率を増加させるように制御装置１３０により制御する。原料ガス入口部ａ及び原料ガス出口部ｂの両側の温度が所定上限値より高い場合には、発電に使用する空気の利用率を低下させるように制御し、発電用空気の供給量を増加させ燃料電池組立体全体を冷却することで、各部の温度を低下させ、触媒過昇温を防止することができる。また、各部温度が所定下限値より低い場合には、発電に使用する空気の利用率を向上させるように制御し、発電用空気の供給量を減少させ燃料電池組立体全体を昇温することで、各部の温度を上昇させ、改質不良などを防止することができる。尚、空気利用率は、供給される全空気量に対する発電に利用される空気量の割合として定義される。
【００９０】
例えば、通常条件での空気利用率は２０〜４０％程度に設定されているが、原料ガス入口部ａ及び原料ガス出口部ｂの両側の温度が所定上限値より高いことを検出した時点で、空気利用率を５〜２０％程度になるように制御を行う。これにより、空気の熱伝達増加により燃料電池組立体全体を冷却することができる。反対に原料ガス入口部ａ及び原料ガス出口部ｂの両側の温度が所定下限値より低いことを検出した時点で、空気利用率を３５〜６０％程度になるように制御を行う。これにより、空気の熱伝達減少により燃料電池組立体全体を加熱することができる。
【００９１】
圧力検出手段は、温度検出手段１０５と同様にして設けることができるが、図７に示すように、被改質ガス供給管８２ａを上方に引き出し、この先端部に圧力検出手段１３５を設けることができる。このような圧力検出手段１３５によれば、容易に触媒収納ケース７８ａ内の圧力を検出できる。そして、圧力検出手段１３５により検出された圧力が設定圧力範囲よりも高い場合には、制御装置１３０により、前記触媒収納ケースの触媒への酸素源、例えば水蒸気や空気量を増加させるように制御する。これにより、例えば、改質触媒上で炭素析出などが発生し、ガス流路閉塞の前兆として改質部の圧力損失上昇が圧力検出手段により検知された場合、一時的に水、空気などの酸素源量を増加することで、析出炭素と酸素源のガス化反応を促進し析出炭素の除去を行うことができ、これにより、触媒寿命を延長し長期にわたり信頼性を確保することができる。
【００９２】
このような触媒収納ケース７８ａ内の触媒は、後述する方法にて、一定時間経過後に交換されたり、触媒収納ケース内に導入される原料ガスの積算流量が一定となった場合に交換される。さらに、触媒の劣化を示すような特異な温度分布が発生した場合にも交換される。また、触媒収納ケース７８ａの交換時期を知らせる表示器を、目に留まりやすいところに配置することにより、燃料電池性能の劣化を防止できる。交換は、前述したように、前断熱壁１０、又は後断熱壁１１をはずして行うことができる。
【００９３】
図３に示すように、発電ユニット５６ｃは上述した発電ユニット５６ａと実質上同一であり、発電ユニット５６ｂ及び５６ｄは、発電ユニット５６ａ及び５６ｃに対して前後方向が逆に配置されていること、従って触媒収納ケース７８ｂ及び７８ｄと燃料ガスケース５８ｂ及び５８ｄとを接続する燃料ガス送給管（図示していない）が後側に配置され、被改質ガス供給管８２ｂ及び８２ｄが触媒収納ケースから下方に延び、ハウジング２の下を通ってハウジング２外に延出している。
【００９４】
被改質ガス供給管８２a〜８２ｄは、ハウジング２の外部において、被改質ガスを供給する被改質ガス供給装置９１に接続されている。この被改質ガス供給装置９１により、被改質ガスが被改質ガス供給管８２a〜８２ｄに所定圧力で供給される。
【００９５】
上述したとおりの燃料電池組立体においては、被改質ガスが被改質ガス供給管８２ａ、８２ｂ、８２ｃ、８２ｄを介して改質ケース７８ａ、７８ｂ、７８ｃ及び７８ｄに供給され、触媒収納ケース７８ａ、７８ｂ、７８ｃ及び７８ｄ内において水素リッチな燃料ガスに改質された後に、燃料ガス送給管８０ａ、８０ｂ、８０ｃ、８０ｄを通して燃料ガスケース５８ａ、５８ｂ、５８ｃ及び５８ｄ内に規定されている燃料ガス室に供給され、次いでセルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄに供給される。
【００９６】
セルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄの各々においては、酸素極において、
１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｏ２−（固体電解質）
の電極反応が生成され、燃料極において、
Ｏ２−（固体電解質）＋Ｈ２→Ｈ２Ｏ＋２ｅ−
の電極反応が生成されて発電される。
【００９７】
発電に使用されることなくセルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄから上方に流動した燃料ガス及び空気は、起動時に発電・燃焼室１２内に配設されている点火手段（図示していない）によって点火されて燃焼される。周知の如く、セルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄにおける発電に起因して、そしてまた燃料ガスと空気との燃焼に起因して発電・燃焼室１２内は例えば８００℃程度の高温になる。触媒収納ケース７８ａ、７８ｂ、７８ｃ及び７８ｄは発電・燃焼室１２内に配設され、セルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄの直ぐ上方に位置せしめられており、燃焼炎によって直接的にも加熱され、かくして発電・燃焼室１２内に生成される高温が被改質ガスの改質に効果的に利用される。
【００９８】
発電・燃焼室１２内に生成された燃焼ガスは熱交換器２４に形成されている排出開口４２から排出路３０に流入し、ジグザグ状に延在する排出路３０を流動した後に二重筒体５０の外側筒部材５２と内側筒部材５４との間に規定されている排出路を通して排出される。燃焼ガスが二重筒体５０における排出路を流動する際には、二重筒体５０における流入路を空気が流動し、燃焼ガスと空気との間で熱交換が行われる。
【００９９】
そしてまた、燃焼ガスが熱交換器２４の排出路３０をジグザグ状に流動せしめられる際には、空気が熱交換器２４の流入路３２をジグザグ状に対向するように流動せしめられる。かくして燃焼ガスと空気との間で効果的に熱交換されて空気が予熱される。
【０１００】
長期間に渡って発電を遂行することによってセルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄの一部或いは全部が劣化した場合には、ハウジング２の前断熱壁１０或いは後断熱壁１１を離脱或いは開動せしめ、発電ユニット５６ａ、５６ｂ、５６ｃ及び５６ｄの一部或いは全部をハウジング２内から取り出す。
【０１０１】
そして、発電ユニット５６ａ、５６ｂ、５６ｃ及び５６ｄの一部或いは全部を新しいものに交換して、或いは発電ユニット５６ａ、５６ｂ、５６ｃ及び５６ｄの一部或いは全部におけるセルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄのみを新しいものに交換して、再びハウジング２内の所要位置に装着すればよい。発電ユニット５６ａ、５６ｂ、５６ｃ及び５６ｄの一部あるいは全部における触媒収納ケース７８ａ、７８ｂ、７８ｃ及び７８ｄ内に収容されている改質触媒を交換することが必要な場合にも、発電ユニット５６ａ、５６ｂ、５６ｃ及び５６ｄの一部或いは全部をハウジング２内から取り出し、発電ユニット５６ａ、５６ｂ、５６ｃ及び５６ｄの一部或いは全部における触媒収納ケース７８ａ、７８ｂ、７８ｃ及び７８ｄ自体を新しいものに或いは触媒収納ケース７８ａ、７８ｂ、７８ｃ及び７８ｄ内の改質触媒のみを新しいものに交換すればよい。
【０１０２】
触媒収納ケース７８ａ、７８ｂ、７８ｃ及び７８ｄ内の改質触媒の交換を充分容易に遂行し得るようになすために、所望ならば触媒収納ケース７８ａ、７８ｂ、７８ｃ及び７８ｄの一部を開閉自在な扉にせしめることができる。
【０１０３】
一方、空気は二重筒体５０の内側筒部材５４内に規定されている流入路を通して熱交換器２４の流入路３２に供給され、熱交換器２４を通過して予熱（加熱）された空気は、空気室１６に一旦貯留され、空気導入管２２を通って燃焼・発電室１２のセルスタック間に供給される。この際、空気導入管２２はセルスタック６０の燃料電池セル６２の上端の燃料ガス通路７４近傍で燃焼する燃焼ガス雰囲気中を通過する。従って、空気室１６の予熱空気はセルスタック６０上部の燃焼領域でさらに加熱され、高温に暖められた空気がセルに供給される。
【０１０４】
通常運転時は前記熱交換器２４で予熱された空気が空気室１６に導入され、この空気室１６から空気導入管２２を用いて燃焼・発電室１２へ空気が導入されるが、発電室の温度が想定以上に上昇した場合は、前記熱交換器２４を通らない低温ガス供給管１８を通ってきた低温の空気が空気室１６に導入され、熱交換器２４を通過して予熱された空気と混合されて、空気室１６の空気温度がある程度低下する。この空気を発電室１２、即ち、セルスタック間に供給することにより、通常運転時より温度の低い空気がセルスタック間に導入されるので、発電室１２、即ち燃料電池セルの過度に上昇した温度が低下されるので、発電室内の温度を適宜にコントロールできる良好な燃料電池組立体が提供される。
【０１０５】
また、空気室１６内の空気温度は、低温ガス供給管１８から供給された外気と、熱交換器２４を通過して予熱された空気と混合されるため、室温ほど低温の空気ではないので、熱い燃料電池セル６０に供給しても、燃料電池セル６０のクラックや熱衝撃破壊を引き起こすなどの不具合を避けることが出来るので、燃料電池全体の機能劣化が抑えられ寿命を延ばすことができる。
【０１０６】
さらに、低温ガス供給管１８による低温ガスの供給を、空気供給管２２の開口部中央部に向けて供給することにより、さらに、両側の熱交換器から加熱された空気を開口部中央部に向けて供給することにより、最も加熱しやすいセル集合体の中央部に空気供給管２２により供給される空気を最も低温とでき、中央部から離れるに従って高い温度とすることができ、最適な冷却手段とすることができる。
【０１０７】
また、ハウジング２内であってセル集合体の周囲に、右側蓄熱壁４４ａ、左側蓄熱壁４４ｂ、前蓄熱壁４４ｃ及び後蓄熱壁４４ｄ、下蓄熱壁４４ｅ、上蓄熱壁４４ｆを、ハウジング２の外面に上断熱壁４、下断熱壁６、右側断熱壁８、左側断熱壁９、前断熱壁１０及び後断熱壁１１を配置することにより、セル周囲の高温の熱を蓄熱壁により蓄熱するとともに、外部への熱放散を蓄熱壁及び断熱材と併せて効果的に抑制することができ、分散型発電用の燃料電池組立体において、発熱量の少ない部分負荷運転時においても、有効に発電温度を維持できる。
【０１０８】
即ち、分散型発電用の燃料電池組立体では発電量は少ないため小型であり、定常運転時には熱自立し、効果的に発電するが、燃料ガス量を少なくして発電量を少なくした場合、発熱量が少なくなり、熱自立しなくなる傾向にあるが、本発明では、断熱壁によりハウジング内に熱を有効に閉じ込め、定常運転時の高温の熱を蓄熱壁に吸収させ、部分負荷運転し発熱量が少なくなった場合に熱を放散させ、ハウジング内の温度を有効に維持できる。
【０１０９】
尚、本発明では、触媒収納ケースはセルスタックの上方以外に設けても良い。
【０１１０】
また、上記形態では、空気室に低温ガス供給手段を設け、空気供給管により、燃料電池セルの外面に空気を供給する場合について説明したが、空気供給管により燃料電池セルの内部に空気を供給するようにしても良いことは勿論である。尚、この場合、燃料電池セルの内側には空気極が、外側には燃料極が形成されることは言うまでもない。
【０１１１】
尚、上記形態では、図１乃至図７に示す燃料電池組立体について説明したが、特に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【０１１２】
【図１】本発明の燃料電池組立体の好適実施形態を示す断面図。
【図２】図１の平面図。
【図３】図１の燃料電池組立体に使用されている発電ユニット集合体を示す斜視図。
【図４】図３の発電ユニットを示す斜視図。
【図５】図３のセルスタックを示す断面図。
【図６】触媒収納ケースを示す一部断面図である。
【図７】他の触媒収納ケースを示す一部断面図である。
【符号の説明】
【０１１３】
２：ハウジング
１２：発電・燃焼室
１６：空気室（ガス室）
２２：空気供給管（ガス供給管）
２４：熱交換器
５６ａ、５６ｂ、５６ｃ及び５６ｄ：発電ユニット
５８ａ、５８ｂ、５８ｃ及び５８ｄ：燃料ガスケース
６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄ：セルスタック
６２：燃料電池セル
７８ａ、７８ｂ、７８ｃ及び７８ｄ：触媒収納ケース
８０ａ：燃料ガス供給管（ガス導出手段）
８２ａ：被改質ガス供給管（ガス導入手段）
１０２ａ：改質触媒部
１０５：温度検出手段
１０９ａ：水気化混合部
１１０ａ：改質ガス予熱部
１３０：制御装置
１３５：圧力検出手段
ａ：触媒の原料ガス入口部
ｂ：触媒の原料ガス出口部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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