(57)【要約】【課題】発電量の変化に抗して、燃料電池セル群収容室の温度を一定に維持して発電適温に維持することができる固体酸化物を利用する燃料電池式の発電装置を実現する。【解決手段】  固体酸化物型の燃料電池を用いる発電装置であって、予熱装置を通過してから燃料電池セル群に有酸素ガスを供給する第１通路３４と、予熱装置を通過しないで燃料電池セル群に有酸素ガスを供給する第２通路１０７を備えている。  発電量が多くて発電熱とオフガス燃焼熱が大きい場合は、第２通路１０７の利用度を高めることによって過熱を防止する。発電量が小さくて発電熱とオフガス燃焼熱が小さい場合は、第１通路３４の利用度を高めることによって熱自立を実現する。【選択図】  図６
2006120623.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体酸化物型の燃料電池を用いる発電装置であり、
予熱装置を通過してから燃料電池セル群に有酸素ガスを供給する第１通路と、
予熱装置を通過しないで燃料電池セル群に有酸素ガスを供給する第２通路と、
を備えていることを特徴とする発電装置。
【請求項２】
第１通路と第２通路の分岐点に、第１通路と第２通路の流量比を調整する分流手段、
を備えていることを特徴とする請求項１の発電装置。
【請求項３】
第１通路の流量を調整する第１調整手段と、
第２通路の流量を調整する第２調整手段と、
を備えていることを特徴とする請求項１の発電装置。
【請求項４】
燃料電池セル群は、複数のグループに分割されて配置されており、
第１通路と第２通路は、各々のグループに有酸素ガスを供給するように分岐していることを特徴とする請求項１から３のいずれかの発電装置。
【請求項５】
燃料電池セル群の中心に位置するグループには、第１通路に比して第２通路の流量比が大きく、燃料電池セル群の周辺に位置するグループには、第１通路に比して第２通路の流量比が小さい関係に調整されていることを特徴とする請求項４の発電装置。
【請求項６】
第１通路と第２通路から有酸素ガスを供給される各々のグループにおいて第１通路と第２通路は合流してから有酸素ガスを燃料電池セルに供給するように配置されており、
グループの中心部の燃料電池セルには第１通路から供給される有酸素ガスに対する第２通路から供給される有酸素ガスの割合が多い有酸素ガスを供給し、グループの周辺部の燃料電池セルには第１通路から供給される有酸素ガスに対する第２通路から供給される有酸素ガスの割合が少ない有酸素ガスを供給するように、第１通路と第２通路の合流位置が調整されていることを特徴とする請求項４または５の発電装置。
【請求項７】
第１通路と第２通路から有酸素ガスを供給される各々のグループにおいて第１通路と第２通路は合流してから有酸素ガスを燃料電池セルに供給するように配置されており、
高温となる部位の燃料電池セルには、第１通路から供給される有酸素ガスに対する第２通路から供給される有酸素ガスの割合が多い有酸素ガスを供給し、低温となる部位の燃料電池セルには、第１通路から供給される有酸素ガスに対する第２通路から供給される有酸素ガスの割合が少ない有酸素ガスを供給するように、第１通路と第２通路の合流位置が調整されていることを特徴とする請求項４または５のいずれかの発電装置。
【請求項８】
第１通路と第２通路から供給する有酸素ガスを混合した有酸素ガスの温度を、発電量が小さい時には高め、発電量が大きい時には低めることを特徴とする請求項１から７のいずれかの発電装置。
【請求項９】
第１通路と第２通路から供給する有酸素ガスを混合した有酸素ガスの温度を、燃料電池セルの温度が低い時には高め、燃料電池セルの温度が高い時には低めることを特徴とする請求項１から７のいずれかの発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物を利用する燃料電池によって発電する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体酸化物を利用する燃料電池は効率が高く、数キロワットから数十キロワットの発電装置に適しているものと期待されている。
固体酸化物を利用する燃料電池セルは、８００℃程度の高温環境下で効率よく発電することから、燃料電池セル群を収容する室内の温度を８００℃程度の高温に維持することが重要である。セル群収容室の温度が低下すると発電効率が落ちてしまう。
燃料電池は、炭化水素系ガスを改質した改質ガスを利用する。炭化水素系ガスを改質ガスに改質する反応は吸熱反応であり、改質器を加熱し続けなければ、改質反応を持続することができない。
セル群収容室には、改質ガスと有酸素ガスが送り込まれ、両者が反応することによって発電する。その反応は発熱反応であり、その発熱を利用することによって、セル群収容室と改質器を加熱することができる。
燃料電池セルは、その特性上、送り込まれた改質ガスの全部を消費することができず、燃料電池セルを通過してしまう改質ガス（オフガス）の量をゼロにはできない。オフガスを燃焼させれば燃焼熱を得ることができる。その燃焼熱を利用することによって、セル群収容室と改質器を加熱することができる。
【０００３】
発電反応に伴う発電熱と、ゼロにはすることができないオフガスの燃焼熱だけで、セル群収容室を発電に適した高温に維持することができ、改質器を改質反応に適した高温に維持することができれば、セル群収容室を発電適温に維持し、改質器を改質適温に維持するためだけに利用する燃料が必要とされない。加熱のためだけの燃料を必要としないで、セル群収容室を発電適温に維持し、改質器を改質適温に維持できることを「熱自立」するという。熱自立できる固体酸化物型の燃料電池を利用する発電装置の実現が望まれている。
【０００４】
本発明者らは、熱自立できる固体酸化物型の燃料電池を利用する発電装置を完成した。その構造が特許文献１に開示されている。ただし特許文献１はまだ公開されていない。
特許文献１の発電装置では、発電反応に伴う発電熱とオフガスの燃焼熱を効率的に利用することによって、熱自立することに成功している。
【０００５】
図１は、特許文献１の発電装置のシステム構成を示している。発電反応に伴う発電熱とオフガスの燃焼熱で加熱された高温の排気ガスは、排気通路５８に送り出される。高温の排気ガスは、最初に、燃料ガスを改質する改質器１８を加熱する。高温の排気ガスは、次に、熱交換装置１００によって、セル群収容室４４に送り込む有酸素ガスを予熱する。高温の排気ガスは、さらに、熱交換装置１０２によって、改質器１８に送り込む燃料ガスと水蒸気を予熱する。
図１において、図示１２０はセル群収容室４４に有酸素ガスを送り込む有酸素ガス供給装置を示し、図示１２２は燃料ガス供給装置を示し、図示１２４は燃料ガスの改質に必要な水分の供給装置を示し、図示２６は予熱された燃料ガスと水蒸気の供給通路を示し、図示１４は燃料電池セル群を示している。
【０００６】
図２と図３は、特許文献１の発電装置の要部を示している。セル群収容室４４には、燃料電池セル群１４が５グループに分割されて収容されている。図示１８は、燃料ガスの改質器である。改質器１８で得られた改質ガスは、燃料電池セル群１４の内部に送り込まれる。有酸素ガス供給装置（例えば送風装置）１２０から送り込まれた有酸素ガス（例えば空気）は、供給管５０を経て、燃料電池セル群１４の各グループの下方から燃料電池セル群１４の各グループに向けて吹出す。燃料電池セル群１４の内部に送りこまれた改質ガスと、燃料電池セル群１４の外面に吹付けられた有酸素ガスは反応し、電気と熱を生み出す。燃料電池セル群１４を通過した改質ガス（オフガス）は、燃料電池セル群から吹出す時に燃焼し、燃焼熱を発生する。発電熱と燃焼熱によって、高温の排気ガスが生成する。高温の排気ガスは、改質器１８を加熱し、排気通路５８に送り出される。
有酸素ガス供給装置（具体的には空気の送風装置）１２０から送りだされた有酸素ガス（具体的には空気）をセル群収容室４４に送り込む有酸素ガス通路３４と、排気通路５８の間には、熱交換装置１００が設けられている。熱交換装置１００は、高温の排気ガスが通過する室４６（排気通路５８の一部）と、有酸素ガスが通路する室４８（有酸素ガス通路３４の一部）と、両者間で熱交換するフィンで構成されている。高温の排気ガスは、熱交換装置１００によって、セル群収容室４４に送り込む有酸素ガスを予熱する。
さらに、排気通路５８と、燃料ガスと水蒸気を改質器１８に送り込む供給通路２６の間には、熱交換装置１０２が設けられている。高温の排気ガスは、熱交換装置１０２によって、改質器１８に送り込む燃料ガスと水蒸気を予熱する。
特許文献１の発電装置は、発電反応に伴う発電熱とオフガスの燃焼熱を、吸熱反応によって冷却される改質器１８を加熱し、改質器１８に送り込む燃料ガスと水蒸気を予熱することに利用することによって、改質器１８を改質適温に維持することを可能とする。しかも、発電反応に伴う発電熱とオフガスの燃焼熱を、セル群収容室４４に送り込む有酸素ガスの予熱に利用することによって、セル群収容室４４を発電適温に維持することに成功している。特許文献１の発電装置は、熱効率が高く、熱自立することに成功している。
【特許文献１】特願２００４−４１９３７号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１の発電装置は、熱効率が高く、熱自立することに成功している。しかしながら、発電量の変化に抗して、セル群収容室４４を発電適温に維持するための改良を必要としている。
特許文献１の発電装置は、熱自立のために、発電反応に伴う発電熱とオフガスの燃焼熱（以下では発電熱と燃焼熱という）を利用している。発電熱と燃焼熱は発電量に依存して変化する。発電量が大きな状態では、発電熱と燃焼熱がともに大きい。発電量が小さな状態では、発電熱と燃焼熱がともに小さい。この結果、セル群収容室４４の温度は、発電量の変化に伴って変化してしまう。
図４は、横軸に発電量を示し、縦軸にセル群収容室の温度を示している。１０kWの発電時にセル群収容室の温度が７５０℃となるように設計すると、５kWの発電時にはセル群収容室の温度が５００℃以下にまで低下してしまう。発電量の低下に追従してセル群収容室の温度まで低下してしまうと、下記の問題が発生する。
（１）図５は、燃料電池セル群で発電する電力の電圧-電流密度カーブ（右下がりのカーブ）と、発電密度-電流密度カーブ（左下がりのカーブ）を示している。いずれのカーブも、セル群収容室の温度が低下すると低下してしまう。セル群収容室の温度が低下すると、発電効率が低下してしまう。
（２）電力需要の変動に追従して発電量を変化させると、発電装置に加熱と冷却の熱サイクルがかかる。加熱と冷却の熱サイクルが繰返されることによって、発電装置の劣化が促進される。
（３）電力需要の増大に追従して発電量を増大させようとしても、セル群収容室の温度を上昇させるのに時間がかかり、電力需要の増大に追従することが難しい。
特許文献１の発電装置は、一定の発電量で運転し続ける場合には、セル群収容室を発電適温に維持して熱自立することを可能としている。しかしながら、発電量が時間的に変化する運転が実行される場合に備えて、発電量の変化に抗してセル群収容室の温度を一定に維持するための改良を必要としている。
本発明では、発電量の変化に抗してセル群収容室を発電適温に維持して熱自立できる発電装置を実現する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
発電熱と燃焼熱を効率的に活用すると、発電装置が熱自立することが可能となる。発電熱と燃焼熱の利用効率を高めると、発電量が大きくて発電熱と燃焼熱がともに大きい場合のみならず、発電量が小さくて発電熱と燃焼熱がともに小さい状態でも熱自立させることが可能となる。本発明では、発電熱と燃焼熱の利用効率を高めることによって、発電量を低下させた状態でも熱自立可能な発電装置を実現し、それを利用する。
発電量を低下させた状態でも熱自立可能な発電装置を実現すると、発電量を増加させたために発電熱と燃焼熱が大きくなった場合には、セル群収容室が過熱されてしまうことになる。本発明の発電装置は、過熱防止機構を備えている。
本発明の発電装置は、固体酸化物型の燃料電池を用いる発電装置であり、発電量の変化に抗してセル群収容室を発電適温に維持するために、予熱装置を通過してから燃料電池セル群に有酸素ガスを供給する第１通路と、予熱装置を通過しないで燃料電池セル群に有酸素ガスを供給する第２通路を備えている。
【０００９】
本発明の発電装置では、発電量が小さいときには予熱装置を通過する第１通路を主に利用する。予熱した有酸素ガスを主にしてセル群収容室に送り込むために、発電熱と燃焼熱がともに小さい状態でもセル群収容室を発電適温に維持することができる。一方、発電量が大きいときには予熱装置を通過しない第２通路の利用度を高める。相対的に多くの予熱されていない有酸素ガスがセル群収容室に送り込まれるために、発電熱と燃焼熱がともに大きい状態でもセル群収容室が過熱するのを防止し、発電適温に維持することができる。
【００１０】
第１通路と第２通路の分岐点に、第１通路と第２通路の流量比を調整する分流手段を備えていることが好ましい。
流量比を調整可能な分流手段を備えていると、発電量に応じて流量比を調整することによって、発電量の変化に抗してセル群収容室を発電適温に維持することができる。あるいは、燃料電池セル群収容室の温度を計測し、計測結果によって流量比を調整してもよい。
流量比を調整する方式にすると、セル群収容室に送り込む有酸素ガスの総量は、一つの装置で制御できることから、制御しやすいという利点も得られる。
【００１１】
流量比を調整する分流手段の代わりに、第１通路の流量を調整する第１調整手段と、第２通路の流量を調整する第２調整手段を用いてもよい。
第１調整手段と第２調整手段を逆に連動（一方の流量を上げれば他方を下げるように連動させる）して作動させると、第１通路と第２通路の流量比を調整することができる。あるいはそれぞれの流量を独自に制御してもよい。例えば、発電量に応じて第１通路の流量を調整し、セル群収容室の温度に応じて第２通路の流量を調整してもよい。あるいはそれぞれの流量を連動（一方の流量を上げれば他方も上げる）して作動させることも可能である。発電に必要とされる以上の量の有酸素ガス量を燃料電池セル群収容室に送り込んでも特に問題はない。燃料電池セル群収容室に送り込む有酸素ガス量を増やせば、セル群収容室の温度を下げることができる。第１通路の流量と第２通路の流量を連動して調整するようにしても、発電適温に維持することができる。
第１通路と第２通路を分岐型とするのか、あるいは独立型とするのかは、適宜に選択することができる。
【００１２】
燃料電池セル群は、複数のグループに分割されて、セル群収容室内に配置されていることが多い。この場合、第１通路と第２通路の各々が、各々のグループに有酸素ガスを供給するように分岐していることが好ましい。
グループ単位に分岐していれば、燃料電池セルに供給する有酸素ガスの温度を、グループ単位で調整することが可能となる。
【００１３】
第１通路と第２通路の各々が、各々のセルグループ用に分岐している場合、燃料電池セル群の中心に位置するセルグループには、第１通路の流量に比して第２通路の流量が相対的に大きく、燃料電池セル群の周辺に位置するセルグループには、第１通路の流量に比して第２通路の流量が相対的に小さい関係に調整しておくことが好ましい。
燃料電池セル群の中心に位置するセルグループは熱がこもり易く過熱されやすい。そのセルグループには第１通路の流量に比して第２通路の流量が相対的に大きい有酸素ガスを供給するようにすると、比較的低温の有酸素ガスを供給することができ、過熱を防止することができる。
燃料電池セル群の周辺に位置するセルグループは熱が逃げやすく冷却されやすい。そのグループには第１通路の流量に比して第２通路の流量が相対的に小さい有酸素ガスを供給するようにすると、比較的高温の有酸素ガスを供給することができ、発電適温にまで加熱することができる。
第１通路と第２通路を、各々のセルグループ用に分岐させることによって、発電量の変化に起因する温度変化のみならず、セル群収容室内の位置関係の不均一性に起因する温度変化にも対策することが可能となる。
【００１４】
第１通路と第２通路の各々が、各々のセルグループ用に分岐している場合、第１通路と第２通路から有酸素ガスを供給される各々のグループにおいて第１通路と第２通路は合流してから有酸素ガスを燃料電池セルに供給するように配置されており、グループの中心部の燃料電池セルには第１通路から供給される有酸素ガスに対する第２通路から供給される有酸素ガスの割合が多い有酸素ガスを供給し、グループの周辺部の燃料電池セルには第１通路から供給される有酸素ガスに対する第２通路から供給される有酸素ガスの割合が少ない有酸素ガスを供給するように、第１通路と第２通路の合流位置が調整されていることが好ましい。
個別のセルグループにおいても、その中心部に位置する燃料電池セルは熱がこもりやすく過熱されやすい。このような燃料電池セルには第１通路から供給される有酸素ガスに対する第２通路から供給される有酸素ガスの割合が多い有酸素ガスを供給するようにすると、比較的低温の有酸素ガスを供給することができ、過熱を防止することができる。
セルグループの周辺部に位置する燃料電池セルは熱が逃げやすく冷却されやすい。このような燃料電池セルには第１通路から供給される有酸素ガスに対する第２通路から供給される有酸素ガスの割合が少ない有酸素ガスを供給するようにすると、比較的高温の有酸素ガスを供給することができ、発電適温にまで加熱することができる。
上記した構成によれば、各々のセルグループにおける温度勾配を抑制することが可能であり、効率的な発電を行うことができる。
【００１５】
燃料電池セル群の近傍には、高温となるオフガス燃焼部が配置されることが多い。オフガス燃焼部の燃焼熱によっても、燃料電池セル群は加熱される。このような場合には、燃料電池セル群の温度分布は、発電熱がこもることによって中心部が高温となる温度分布と、オフガスの燃焼熱によってオフガス燃焼部の近傍が高温となる温度分布が重畳した分布となる。それによって、セルグループの中心部よりもオフガス燃焼部に近い位置が最も高温となり、セルグループの周辺部のうちオフガス燃焼部から離れた位置が最も低温となる。このような場合には、燃料電池セル群とオフガス燃焼部が配置される位置関係から、セルグループにおいて高温となる部位と低温となる部位を判別しておいて、高温となる部位の燃料電池セルには低温の空気を供給し、低温となる部位の燃料電池セルには高温の空気を供給することが好ましい。
上記した発電装置において、第１通路と第２通路の各々が、各々のセルグループ用に分岐している場合、第１通路と第２通路から有酸素ガスを供給される各々のグループにおいて第１通路と第２通路は合流してから有酸素ガスを燃料電池セルに供給するように配置されており、高温となる部位の燃料電池セルには、第１通路から供給される有酸素ガスに対する第２通路から供給される有酸素ガスの割合が多い有酸素ガスを供給し、低温となる部位の燃料電池セルには、第１通路から供給される有酸素ガスに対する第２通路から供給される有酸素ガスの割合が少ない有酸素ガスを供給するように、第１通路と第２通路の合流位置が調整されていることが好ましい。
セルグループにおいて高温となる部位の燃料電池セルには、第１通路から供給される有酸素ガスに対する第２通路から供給される有酸素ガスの割合が多い有酸素ガスを供給するようにすると、比較的低温の有酸素ガスを供給することができ、過熱を防止することができる。
セルグループにおいて低温となる部位の燃料電池セルには、第１通路から供給される有酸素ガスに対する第２通路から供給される有酸素ガスの割合が少ない有酸素ガスを供給するようにすると、比較的高温の有酸素ガスを供給することができ、発電適温にまで加熱することができる。
燃料電池セル群とオフガス燃焼部が配置される位置関係に起因する燃料電池セル群の温度勾配を抑制することができ、効率的な発電を行うことができる。
【００１６】
第１通路と第２通路から供給する有酸素ガスを混合した有酸素ガスの温度を、発電量が小さい時には高め、発電量が大きい時には低めることが好ましい。発電量に依存して混合有酸素ガスの温度を変化させる方式によると、制御を非常に単純化することができる。
あるいは、燃料電池セルの温度が低い時には混合有酸素ガスの温度を高め、燃料電池セルの温度が高い時には混合有酸素ガスの温度を低めるようにしてもよい。検出した温度によって燃料電池セルの温度をフィードバック制御することができ、燃料電池セルを発電適温に正確に維持しやすい。
いずれの場合にも、第１通路と第２通路がそれぞれにセル群収容室に有酸素ガスを供給する方式でもよいし、第１通路と第２通路が合流してからセル群収容室に有酸素ガスを供給する方式でもよい。前者によると、セル群収容室内の温度分布を均質化するのに有利であるが、後者の方式でも、発電量の変化に抗してセル群収容室を発電適温に維持することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の好適な実施形態を説明する。
（形態１）  燃料電池セル群は、複数のグループに分割されて配置されている。第２通路は、各セルグループに向けて分岐している。中心に位置するセルグループへの分岐通路の流量は、周辺に位置するセルグループへの分岐通路の流量よりも大きくなるように調整されている。
（形態２）  燃料電池セル群は、複数のグループに分割されて配置されている。中心に位置するセルグループに対してだけ第２通路が用意されている、周辺に位置するセルグループに対する第２通路は省略されている。
（形態３）  第２通路は、燃料電池セル群の各グループに向けて分岐しており、分岐部に可変絞りが配置されている。燃料電池セル群の各グループに温度検出装置が設けられている。温度検出装置が検出した温度が高ければ可変絞りが開けられ、温度検出装置が検出した温度が低ければ可変絞りが閉じられる。この制御は、燃料電池セル群のグループ毎に実施される。
（形態４）第１通路の流量は、発電量に応じて調整される。
（形態５）混合有酸素ガスの総量は、発電量に応じて調整される。
【実施例】
【００１８】
（第１実施例）
本発明を具現化した発電装置の第１実施例を、図面を参照しながら説明する。図６は本実施例に係わる発電装置のシステム図であり、図７は発電ユニットの縦断面図であり、図８は図７のVIII−VIII線縦断面図であり、図９は図７のIX−IX線断面図である。
図６に示すように、本実施例では、送風装置（有酸素ガス供給装置の一例）１２０から送風された空気（有酸素ガスの一例）が、三方弁（分流手段の一例）１０６によって、２つの通路３４，１０７に分岐される。一方の通路３４は、後記するように予熱した空気をセル群収容室４４に供給する。他方の通路１０７は、後記するように予熱しない空気をセル群収容室４４に供給する。以下では、通路３４を予熱空気通路３４（請求項でいう第１通路の一例であり、有酸素ガス通路でもある）といい、通路１０７を非予熱空気通路１０７（請求項でいう第２通路の一例であり、有酸素ガス通路でもある）という。予熱空気通路３４は熱交換装置１００（有酸素ガスの予熱装置の一例）を通過し、非予熱空気通路１０７は熱交換装置１００をバイパスする。三方弁１０６は、予熱空気通路３４と非予熱空気通路１０７の流量比が可変であり、非予熱空気通路１０７を閉じて全量を予熱空気通路３４に流す状態から、非予熱空気通路１０７に一部を流す状態まで変化する。三方弁１０６は制御装置７０に接続されている。その他は図１と同じであり、重複説明を省略する。
図７〜図９に示すように、発電ユニット１０は、内側から外側に向かって第１室（内室であり、改質器とセル群を収容するセル群収容室でもある）４４、第２室（中間室）４６、第３室（外室）４８からなる３重構造となっており、中心部の第１室４４とその外側の第２室４６を仕切る内仕切壁３６と、第２室４６とその外側の第３室４８を仕切る外仕切壁３８と、第３室４８と外部を仕切る外壁４０を有している。外壁４０は断熱部材４２で覆われている。
発電ユニット１０の中心部の第１室４４内には、複数本のセルスタック１４と、酸素を含む空気をセルスタック群１４に供給する空気供給部材１６と、燃料ガスを水素や一酸化炭素等に改質する改質器１８等が配設されている。
【００１９】
図８に明瞭に示されるように、燃料電池セル１２の断面は楕円形状であり、複数のセル１２が直線状に整列することによって１本のセルスタック１４を構成している。それぞれのセルスタック１４は、水平方向に長く伸びている。複数本のセルスタック１４（図８では図の明瞭化のために６本となっているが、実際にはもっと多い）が水平方向に平行に配置されており、それが垂直方向に５段にわかれている。図８では、３０本のセルスタックが６本で１クループを構成して、５グループに分かれて５段に配置されている様子が示されている。
図１０は、図８に示すセル１２ないしセルスタック１４の拡大断面図を示す。図１０に示すように、セル１２の内部に配置されている燃料極１２ａは楕円柱形状に形成され、その周面の半分強が固体電解質層１２ｂで覆われ、固体電解質層１２ｂの更に外側を酸素極１２ｃが覆っている。燃料極１２ａの周面の酸素極１２ｃと反対側はインターコネクタ１２ｄで覆われている。燃料極１２ａの内部には長手方向に貫通する５本の改質ガス通路２０が並列に形成されている。
燃料極１２ａは多孔質であり、ニッケル（Ｎｉ）を主成分とするニッケル／ＹＳＺサーメット（混合焼結体）からなる。固体電解質層１２ｂは緻密質であり、ジルコニア（ＺｒＯ２）にイットリア（Ｙ２Ｏ３）を加えた混合物からなる。酸素極１２ｃは多孔質であり、ペロブスカイト型酸化物であるＬＳＭ（Ｌａ１−ｘＳｒｘＭｎＯ３）からなる。インターコネクタ１２ｄは導電性セラミックからなる。
隣接する燃料電池セル１２の一方のセル１２の酸素極１２ｃと他方のセル１２のインターコネクタ１２ｄとの間に、集電部材２２が介装されている。集電部材２２は、蛇腹状に折畳まれた導電性金属部材である。一方のセル１２の酸素極１２ｃは、集電部材２２とインターコネクタ１２ｄを介して、他方のセル１２の燃料極１２ａに電気的に接続されている。多数個の燃料電池セル１２が直列に接続されてセルスタック１４が形成されている。蛇腹状の集電部材２２は、空気が通過することを禁止しない。
【００２０】
図７から図９に示すように、燃料電池セル１２の改質ガス通路２０が略水平面内を伸びるようにセルスタック１４が配列されている。改質ガス通路２０が同一水平面内を伸びる複数本のセルスタック１４によって１つのグループが構成されている。セルスタック１４のグループを上段から順に、１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅという。
【００２１】
図７に示すように、セルスタック１４ａの上流側（図７の右側）は、マニホールド２４ａを介して、改質器１８ａに接続されている。改質器１８ａとマニホールド２４ａは配管３０ａによって接続されている。セルスタック１４ｃと１４ｅも同様にして改質器１８ａに接続されている。セルスタック１４ｂの上流側（図７の左側）は、マニホールド２４ｂを介して、改質器１８ｂに接続されている。改質器１８ｂとマニホールド２４ｂは配管３０ｂによって接続されている。セルスタック１４ｄも同様にして改質器１８ｂに接続されている。
セルスタック１４ａ、１４ｃ、１４ｅの改質ガス通路２０には、改質器１８ａで改質された改質ガスが送り込まれる。セルスタック１４ａ、１４ｃ、１４ｅの改質器１８ａから遠い方の端部では改質ガス通路２０が開放されており、発電のために消費されなかった改質ガス（オフガス）が放出される。放出点の近傍にスパーク電極６０が配置されており、放出されたオフガスは燃焼する。セルスタック１４ｂ、１４ｄの改質ガス通路２０には、改質器１８ｂで改質されたガスが送り込まれる。セルスタック１４ｂ、１４ｄの改質器１８ｂから遠い方の端部では改質ガス通路２０が開放されており、発電のために消費されなかったガス（オフガス）が放出される。放出点の近傍にスパーク電極６０が配置されており、放出されたオフガスは燃焼する。セルスタック１４ａ、１４ｃ、１４ｅは、マニホールド２４ａ、２４ｃ、２４ｅによって片持ち状に支持され、セルスタック１４ｂ、１４ｄは、マニホールド２４ｂ、２４ｄによって片持ち状に支持されている。
セルスタック１４ａ、１４ｃ、１４ｅと、セルスタック１４ｂ、１４ｄは、反対方向に伸びている。上下方向に多段に配列されているセルスタック１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅは、上下方向において、交互に反対向きに配列されている。
セルスタック１４に供給される改質ガスの例えば８０％が発電に利用される場合、発電に利用されなかった２０％の改質ガス（オフガス）は、改質ガス通路２０を通過して先端から流出する。また、セルスタック１４に供給される空気の例えば２０％が発電に利用される場合、発電に利用されなかった８０％の空気は、セルスタック１４の集電部材２２の隙間をすり抜けてセルスタック１４の先端側へ誘導される。各セルスタック１４の先端近傍にはスパーク電極６０が配設されている。スパーク電極６０が火花放電することによって、セルスタック１４の先端から流出するオフガスが、セルスタック１４の先端側へ誘導される空気によって燃焼する。改質器１８はセルスタック１４の先端に近接していることから、オフガスの燃焼によって発生する燃焼熱を、改質反応の吸熱反応に効率よく利用することができる。
【００２２】
一対の改質器１８ａ、１８ｂは、基本的に同一構成を備えている。以下では添字を省略して共通に説明する。改質器１８は、金属製の薄い箱形状のケーシングと、その内で蛇行する通路（図示省略）で形成されており、この通路内に改質触媒が充填されている。図７に示すように、一対の改質器１８ａ、１８ｂは、セルスタック１４群を挟んで、平行に配設されている。一対の改質器１８ａ、１８ｂは、上部の２箇所の角部で２本の渡り配管２８ａ、２８ｂによって接続されている。燃料ガス導入管２６から送られた燃料ガスは一方の改質器１８ａに導入され、渡り配管２８ａを経て、他方の改質器１８ｂに導入される。改質器１８ａ、１８ｂ内に導入された燃料ガスは、改質触媒によって、改質器１８ａ、１８ｂ内を通過する間に主に水素や一酸化炭素からなる改質ガスに改質される。なお、渡り配管２８ｂは、２つの改質器１８ａ、１８ｂの出口圧力の均衡を調整するために配設されている。
【００２３】
図７、図８に示すように、空気供給部材１６は浅い箱形状の部材であり、上面に複数の空気供給口１６ｆが形成されている。空気供給部材１６の両サイド（改質器１８側）には略水平に伸びる邪魔板５２ａ、５２ｂが形成されている。邪魔板５２ａは、上段の燃料電池セル１２の上流側（基端側）に向けて取付けられており、水平に伸びている。邪魔板５２ｂは、上段の燃料電池セル１２の下流側（先端側）に向けて取付けられており、端部が若干上向きに取付けられている。空気供給部材１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅは、セルスタック１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅのそれぞれの下方に配設されており、５つの空気供給部材１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅが上下方向に５段に配設されている。各空気供給部材１６の両端部は、夫々空気供給管５０ａ、５０ｂに連通している。空気供給管５０ａ、５０ｂは金属製であり、図７と図８に示すように、上下方向に伸びており、上端は第３室（外室）４８に開口している。第３室４８の下方は、予熱空気通路３４と連通しており、予熱空気通路３４によって外部から導入された空気は、第３室４８を通過してから一対の空気供給管５０a、５０bのいずれかに流入する。第３室（外室）４８は、予熱空気通路３４の一部を構成する。
上下５段の空気供給部材１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅは、両端が空気供給管５０ａ、５０ｂによって支持されており、強度が高い。図９に示すように、セルスタック１４の改質ガス通路２０は左右方向に伸びており、空気供給部材１６は、上下方向に伸びている。両持ち状の空気供給部材１６と、片持ち状のセルスタック１４が交差する位置関係におかれている。
片持ち状のセルスタック１４は、両持ち状の空気供給部材１６に対してパッキンを介して載置されており、片持ち状のセルスタック１４が水平に伸びる姿勢で安定的に支持されている。片持ち状のセルスタック１４が不用意に傾くことはない。
【００２４】
第３室４８（外室であり、予熱空気通路３４の一部）と第２室４６（中間室であり、排気通路５８の一部）を仕切る外仕切壁３８の４つの外周面には、図７から図９に示すフィン５４が取付けられている。特に図９に示すように、フィン５４は横方向に長尺な金属製板部材を略蛇腹形状に折畳んで形成されている。外側は外壁４０の内面に接触しており、内側は外仕切壁３８の外面に接触している（図７〜図９ではフィン５４の形状を明瞭にするため、フィン５４と壁面を離して示している）。なお、放熱を防止するために、フィン５４と外壁４０の内面が、断熱材を介して接触する構成であってもよい。図７と図８に示すように、外仕切壁３８の４つの外周面には、複数のフィン５４が上下方向に取付けられて外周面を覆っている。図示はしていないが、上下のフィン５４は、ピッチを半分ずらして取付けられている。このようにフィン５４が取付けられているため、外仕切壁３８とフィン５４と外壁４０によって、外仕切壁３８の４つの外周面と外壁４０の内面との間の全体に亘って、上下方向に伸びる細い角柱形状の通路が複数本形成される。
図７から図９に示すように、外仕切壁３８の４つの内周面にも、フィン５４と同様にフィン５６が取付けられている。フィン５６の形状もフィン５４と同様である。このようにフィン５６が取付けられているため、外仕切壁３８とフィン５６と内仕切壁３６によって、外仕切壁３８の４つの内周面と内仕切壁３６の外面との間の全体に亘って、上下方向に伸びる細い角柱形状の通路が複数本形成される。フィン５４は第３室４８のサイズを規定し、フィン５６は第２室４６のサイズを規定する。
【００２５】
図７と図８に示すように、外仕切壁３８は、第２室４６の底板から下方に伸びる固定用壁３８ａによって外壁４０の底板に固定されている。第２室４６の底板は第３室４８の底板から持ち上げられている。両底板間の間隙は第３室４８の一部を構成する。固定用壁３８ａには複数個の穴３８ｂが形成されており、空気の流通が自在となっている。内仕切壁３６も、第１室４４の底板から下方に伸びる固定用壁３６ａによって外仕切壁３８の底板に固定されている。第１室４４の底板は第２室４６の底板から持ち上げられている。両底板間の間隙は第２室４６の一部を構成する。固定用壁３６ａにも複数個の穴３６ｂが形成されており、排気ガスの流通が自在となっている。
外壁４０の底板と外仕切壁３８の底板の間は、第３室４８の一部であり、そこに予熱空気通路３４が連通している。外仕切壁３８の底板と内仕切壁３６の底板の間は、第２室４６の一部であり、そこに排気通路５８が連通している。
【００２６】
第３室４８（予熱空気通路３４の一部）は、発電ユニット１０の６面（４側面と上面と底面）において、第２室４６（排気通路５８の一部）を取り囲んでおり、第２室４６は、発電ユニット１０の６面（４側面と上面と底面）において、第１室（セル群収容室）４４を取り囲んでいる。
第３室４８は、三方弁１０６から予熱空気通路３４へ送られた空気が通過する。第２室４６は、第１室４４で生成された排気ガスが通過する。第１室４４は燃料電池セル群１４と改質器１８の収容室として利用される。
空気は第３室４８を下方から上方に移動する。排気ガスは第２室４６を上方から下方に通過する。通過方向が逆であり、両者の間で活発な熱交換が行われる。両者間に熱交換装置（空気の予熱装置）１００が形成されていることが理解される。
第１室４４の外形はほぼ立方体である。第２室４６の外形もほぼ立方体である。第３室４８の外形もほぼ立方体である。発電ユニット１０は、最小表面積で最大容積を収容する６面体であり、放熱量が少ない。
後記するように、第１室４４は最も高温であり、第２室４６は２番目に高温であり、第３室４８が３番目に高温である。最も高温な第１室４４を、２番目に高温な第２室４６で取り囲み、その外側を３番目に高温な第３室４８で取り囲む構造となっている。最も高温に維持する必要がある第１室４４を最も内側に配置することによって、燃料電池セル１４と改質器１８を収納する第１室４４を最も高温に維持しやすい構造となっている。
【００２７】
図７に示すように、三方弁１０６から分岐した非予熱空気通路１０７は、第３室４８をバイパスして第１室４４内に導入される。発電ユニット１０の上面には、非予熱空気通路１０７から左右に広がる分配ダクト７６が形成されている。分配ダクト７６は、一対の空気供給管７８ａ、７８ｂに連通している。図８によく示されているように、空気供給管７８ａは空気供給管５０ａの内部を下方に伸びており、空気供給管７８ｂは空気供給管５０ｂの内部を下方に伸びている。
空気供給管７８ａからは、空気供給部材８４ｂ、８４ｃ、８４ｄが分岐している。空気供給管７８ｂからは、空気供給部材８６ｂ、８６ｃ、８６ｄが分岐している。空気供給部材８４ｂ、８６ｂはそれぞれ空気供給部材１６ｂの内部を伸び、先端が空気供給部材１６ｂの長手方向（空気供給管５０ａと５０ｂを結ぶ方向）における中央付近まで達している。空気供給部材８４ｃ、８６ｃはそれぞれ空気供給部材１６ｃの内部を伸び、先端が空気供給部材１６ｃの長手方向における中央付近まで達している。空気供給部材８４ｄ、８６ｄはそれぞれ空気供給部材１６ｄの内部を伸び、先端が空気供給部材１６ｄの長手方向における中央付近まで達している。空気供給部材８４ｂ、８４ｃ、８４ｄはそれぞれ先端に空気供給口８４ｆを備えている。空気供給部材８６ｂ、８６ｃ、８６ｄはそれぞれ先端に空気供給口８６ｆを備えている。空気供給部材８４ｂ、８６ｂは空気供給部材１６ｂの内部に予熱されていない空気を吹き出し、空気供給部材８４ｃ、８６ｃは空気供給部材１６ｃの内部に予熱されていない空気を吹き出し、空気供給部材８４ｄ、８６ｄは空気供給部材１６ｄの内部に予熱されていない空気を吹き出す。空気供給部材１６ｂ、１６ｃ、１６ｄは、空気供給部材８４ｂ、８４ｃ、８４ｄ、８６ｂ、８６ｃ、８６ｄから供給される予熱されていない空気と、空気供給管５０ａ、５０ｂから供給される予熱された空気を混合し、混合された空気をセルスタック１４ｂ、１４ｃ、１４ｄに吹きだす。三方弁１０６で分岐した非予熱空気は、空気供給部材１６ｂ、１６ｃ、１６ｄの内部で予熱空気と合流する。
空気供給部材１６ａ、１６ｅには、空気供給部材８４ａ、８４ｅ、８６ａ、８６ｅに相当するものが設けられていない。空気供給部材１６ａ、１６ｅには、予熱された空気のみが供給される。
【００２８】
図７に示すように、空気供給部材８４ｂは空気供給部材１６ｂの幅方向（図７の左右方向）に関してセルスタック１４ｂの下流寄り（図７の右寄り）の位置に配置され、空気供給部材８４ｃは空気供給部材１６ｃの幅方向に関してセルスタック１４ｃの下流寄り（図７の左寄り）の位置に配置され、空気供給部材８４ｄは空気供給部材１６ｄの幅方向に関してセルスタック１４ｄの下流寄り（図７の右寄り）の位置に配置されている。図７には示されていないが、空気供給部材８６ｂも空気供給部材１６ｂの幅方向に関してセルスタック１４ｂの下流寄りの位置に配置され、空気供給部材８６ｃも空気供給部材１６ｃの幅方向に関してセルスタック１４ｃの下流寄りの位置に配置され、空気供給部材８６ｄも空気供給部材１６ｄの幅方向に関してセルスタック１４ｄの下流寄りの位置に配置されている。
【００２９】
空気供給部材１６ａ、１６ｅが空気を吹きつけているセルスタック１４ａ、１４ｅは、セルスタック群１４ａ〜１４ｅの周辺に配置されている。周辺に配置されているセルスタック１４ａ、１４ｅは、冷却されやすい。冷却されやすいセルスタック１４ａ、１４ｅには、予熱された空気のみが供給される。その一方において、予熱された空気と予熱されていない空気を混合した空気を吹き出す空気供給部材１６ｂ、１６ｃ、１６ｄはそれぞれ、セルスタック１４ｂ、１４ｃ、１４ｄに混合空気を吹き出す。セルスタック１４ｂ、１４ｃ、１４ｄは、セルスタック群１４ａ〜１４ｅの中心に配置されている。中心に配置されているセルスタック１４ｂ、１４ｃ、１４ｄは、熱がこもりやすい。過熱しやすいセルスタック１４ｂ、１４ｃ、１４ｄには、混合空気が供給される。
冷却されやすいセルスタック１４ａ、１４ｅには十分に予熱された空気が供給され、熱がこもりやすいセルスタック１４ｂ、１４ｃ、１４ｄには適度に予熱された混合空気が供給される。この結果、冷却されやすいセルスタック１４ａ、１４ｅと、熱がこもりやすいセルスタック１４ｂ、１４ｃ、１４ｄの温度差を小さく抑制できる。
本実施例では、予熱された空気を供給する空気供給部材１６がセルのグループに向けて分岐し、予熱されていない空気を供給する空気供給部材８４、８６がセルのグループに向けて分岐している。冷却されやすいセルスタックには予熱されていない空気を供給する分岐通路が省略されており、冷却されやすいセルスタックには十分に予熱された空気が供給される。過熱されやすいセルスタックには予熱されていない空気を供給する分岐通路が形成されており、過熱しやすいセルスタックには適温に冷やされた混合空気が供給される。セルスタック１４ａ〜１４ｅの温度差が抑制され、全部のセルスタックを発電適温に維持することが可能となる。
【００３０】
図８に示すように本実施例では、空気供給部材１６ｂ、１６ｃ、１６ｄの長手方向における中央付近に位置する空気供給口８４ｆ、８６ｆから予熱されていない空気が供給され、予熱された空気と空気供給部材１６ｂ、１６ｃ、１６ｄの内部で混合する。従って、空気供給部材１６ｂ、１６ｃ、１６ｄの長手方向における中央付近では予熱されていない空気の割合が多く、長手方向における端部付近では予熱されていない空気の割合が少ない。これによって、セルスタック群１４ｂ、１４ｃ、１４ｄのうち、熱がこもりやすい中央付近に位置するセルスタックには低温の空気が供給され、熱がこもりにくい周辺部に位置するセルスタックには高温の空気が供給される。セルスタック１４ｂ、１４ｃ、１４ｄの幅方向（空気供給部材１６ｂ、１６ｃ、１６ｄの長手方向に相当する）における温度勾配が抑制され、セルスタック全体を発電適温に維持することができる。
【００３１】
図７に示すように本実施例では、空気供給部材１６ｂ、１６ｃ、１６ｄの幅方向に関して、空気供給部材８４ｂ、８４ｃ、８４ｄ、８６ｂ、８６ｃ、８６ｄがセルスタック１４ｂ、１４ｃ、１４ｄの下流寄りの位置に配置されており、予熱されていない空気はセルスタック１４ｂ、１４ｃ、１４ｄの下流寄りに位置する空気供給口８４ｆ、８６ｆから空気供給部材１６ｂ、１６ｃ、１６ｄの内部に供給される。従って、空気供給部材１６ｂ、１６ｃ、１６ｄの幅方向に関して、セルスタック１４ｂ、１４ｃ、１４ｄの下流寄りの位置では予熱されていない空気の割合が多く、セルスタック１４ｂ、１４ｃ、１４ｄの上流寄りの位置では予熱されていない空気の割合が少ない。これによって、セルスタック１４ｂ、１４ｃ、１４ｄの下流側には低温の空気が供給され、上流側には高温の空気が供給される。セルスタック１４ｂ、１４ｃ、１４ｄは、下流にオフガス燃焼部を備えており、燃焼熱による加熱によって、下流側の温度は高温となり、上流側の温度は低温となる。本実施例では、高温となるセルスタック１４ｂ、１４ｃ、１４ｄの下流側には低温の空気が供給され、低温となるセルスタック１４ｂ、１４ｃ、１４ｄの上流側には高温の空気が供給される。これによって、セルスタック１４ｂ、１４ｃ、１４ｄの長手方向（空気供給部材１６ｂ、１６ｃ、１６ｄの幅方向に相当する）の温度勾配が抑制され、セルスタック全体を発電適温に維持することができる。
【００３２】
発電ユニット１０の外部に導かれた排気ガスは熱交換装置１０２に導かれ、燃料ガスと水蒸気を予熱する。熱交換装置１０２は、燃料ガスと水蒸気の予熱装置として機能する。予熱された燃料ガスと水蒸気が通路２６から改質器１８に導入される。
【００３３】
発電ユニット１０内の動作を説明する。
燃料ガス供給装置１２２から取り込まれた燃料ガスと、水供給装置１２４から送りこまれた水は、熱交換装置（予熱装置）１０２内で予熱されて混合され、燃料ガス導入管２６へ送られる。燃料ガス導入管２６から改質器１８ａ、１８ｂに送られた水蒸気と燃料ガスの混合ガスは、改質器１８ａ、１８ｂ内で、水素と一酸化炭素を含む改質ガスに改質され、各マニホールド２４に送られる。改質された改質ガスは、各マニホールド２４から各燃料電池セル１２へ送られ、各燃料電池セル１２内の改質ガス通路２０に流入する。
送風装置（有酸素ガス供給手段の一例）１２０から送り込まれた空気は、三方弁１０６によって予熱空気通路３４と非予熱空気通路１０７の２通路に分岐される。予熱空気通路３４の空気は、第３室４８に送られ、フィン５４の間をすり抜けて上部に達し、外壁４０の上面の下側を流れた後に、第３室４８に開口している空気供給管５０a、５０b内に流入する。空気供給管５０a、５０bへ流入した予熱空気は下方へ移動し、空気供給部材１６へ送られる。第３室４８のフィン５４の間をすり抜ける際に空気が加熱されるため、第３室４８とフィン５４をまとめて予熱装置１００ということができる。
非予熱空気通路１０７の空気は、分配ダクト７６を通過し、空気供給管７８a、７８bに流入する。空気供給管７８a、７８bへ流入した空気は下方へ移動し、空気供給部材８４b、８４c、８４d、８６ｂ、８６ｃ、８６ｄへ送られる。空気供給部材８４b、８４c、８４d内の空気は空気供給口８４ｆから流出し、空気供給部材８６b、８６c、８６d内の空気は空気供給口８６ｆから流出し、空気供給部材１６b、１６c、１６d内で予熱空気と合流する。合流した後の空気は、空気供給部材１６ｂ、１６ｃ、１６ｄの上面から、直近上部のセルスタック１４ｂ、１４ｃ、１４ｄに空気を供給する。
空気供給部材１６a、１６eには三方弁１０６において予熱空気通路３４に分岐された予熱空気のみが流入し、空気供給部材１６a、１６eの上面に形成された空気供給口１６ｆから、直近上部のセルスタック１４a、１４eに空気を供給する。
空気供給口１６ｆから流出する空気は、上方向、若しくは斜め上方向に上昇し、すぐ上のセルスタック１４の下側全体に分散される。酸素は、イオン化して固体電解質１２ｂを通過して燃料極１２ａに至り、水素または一酸化炭素と反応し、酸素極１２ｃと燃料極１２aの間に電位差を発生させる。すなわち、発電する。
【００３４】
燃料電池セル１２に供給される改質ガスの例えば８０％が発電に利用される場合、発電に利用されなかった２０％のオフガスは、燃料ガス通路２０を通過してセルスタック１４の先端から流出する。また、燃料電池セル１２に供給される空気の例えば２０％が発電に利用される場合、発電に利用されなかった８０％の空気は、セルスタック１４の集電部材２２の隙間をすり抜ける。この空気は邪魔板５２ｂに沿ってセルスタック１４の先端側へ誘導される。
各セルスタック１４の先端近傍には夫々スパーク電極６０が配設されている。スパーク電極６０が火花放電することによって、各セルスタック１４の先端から流出するオフガスが、各セルスタック１４の先端側へ誘導される空気によって燃焼する。改質器１８はセルスタック１４の先端に近接していることから、オフガスの燃焼によって発生する燃焼熱を改質反応の吸熱反応に効率よく利用することができる。
オフガスの燃焼ガスと、改質ガスと酸素が反応するときの反応熱で加熱されたガスとの混合ガス（排気ガスという）は、極めて高温であり、そのままでは熱交換装置に投入しがたい。それほどの高温に耐えられる熱交換装置は材質が限られ、高価である。本実施例では、オフガスの燃焼熱でまず改質器１８を加熱する。改質反応は吸熱反応であり、燃焼熱は吸熱に利用される。燃焼熱でまず改質器１８を加熱するために、排気ガスの温度は低下する。このために、第２室４６を流れる排気ガスの温度は適度に冷却されており、仕切り壁３６、３８に特別の材料を使わなくてもすむ。
【００３５】
燃料電池セル１２の電気化学反応が効率よく進行する環境温度は約８００℃の高温である。この環境温度が低下すれば、発電効率は低下する。
改質器１８を加熱することによって第一次的に冷却された排気ガスは、第１室４４の上面に沿って第２室４６に流入する。第２室４６内に流入した排気ガスは、上下方向に伸びる複数の細い角柱形状の通路を下方向に通過して第２室４６の下部に流入し、排気通路５８から外部に導出される。
このとき、予熱空気通路３４から導入された空気が第３室４８内に流入し、上下方向に伸びる複数の細い角柱形状の通路を上方向に通過している。従って、第２室４６を通過する排気ガスと、第３室４８を通過する空気との間で熱交換が行われる。外仕切板３８の両面に取付けられたフィン５４、５６によって、熱交換率は更に高められる。この熱交換によって、空気を約６５０℃まで予加熱しておくことができる。一方、空気を余熱した排気ガスは、空気を余熱することによって第二次的に冷却され、約５００℃程度まで冷却される。排気ガスは、なおも高温であり、発電ユニット１０の外部に配設されている熱交換装置（燃焼ガスと水分の予熱装置）１０２の加熱に利用することができる。
一方で非予熱空気通路１０７を経由する空気は、加熱されないままに非予熱空気通路１０７を通過し、室温の状態でセル群収容室４４内へ供給される。
【００３６】
図７に示すように、本実施例では、発電ユニット１０内部にセルスタック群１４が５段に配置されている。中間の段ほど高温となりやすい。従来の技術では図２、図３に示すように、空気供給管５０から供給される予熱空気は、上下方向に５段のセルスタック群に対して等しく供給されていたため、中間段のセルスタックが高温となる傾向にあった。本実施例では、空気供給管７８が空気供給部材８４ｂ、８４ｃ、８４ｄに連通しているため、セルスタック１４a、１４eには予熱空気通路３４の予熱空気のみが供給されるが、セルスタック１４ｂ、１４ｃ、１４ｄには非予熱空気通路１０７と予熱空気通路３４からの混合空気が供給される。非予熱空気通路１０７からの非予熱空気が混合することにより中間段のセルスタック群が過剰に高温となるのを抑制することができる。セルスタック１４a〜１４eの発電時の温度分布は一様化される。
【００３７】
燃料電池セル１２の電気化学反応が効率よく進行する環境温度は約８００℃の高温である。温度が低下すれば、発電効率は低下する。従来の技術では、予熱空気のみを供給していたため、発電量が減少するとセル内部の温度も低下してしまい、燃料電池の効率低下を引き起こし、発電量の変化に対応できなかった。
本実施例では、発電量が大きな状態では、三方弁１０６によって、予熱空気の流入量を減少させ、非予熱空気の流入量を増加させるよう設定されている。発電量が小さい状態では、三方弁１０６によって、予熱空気の流入量を増加させ、非予熱空気の流入量を減少させる。
図１１（Ａ）は発電量と、全供給空気量に対する非予熱空気通路１０７からの非予熱空気の流入量の割合を示した図である。５kWの発電量では非予熱空気の流入量を０％とし、全量を予熱空気とする。１０kWの発電量では非予熱空気の流入量を２５％とする。
図１１（Ｂ）は図１１（Ａ）に従って非予熱空気の比率を調節した場合に、空気供給材１６ｂ、１６ｃ、１６ｄから供給される空気の温度である。５kWの場合では全供給空気を予熱空気通路３４へ送るよう設定するため、セルスタック１４へ供給される空気の温度は約６４０℃となる。１０kWの場合では全供給空気の２５％を非予熱空気とするため、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄから供給される供給空気の温度は約４７５℃となる。三方弁１０６にて非予熱空気と予熱空気の流量比を調節することによってセルスタック１４へ供給する空気の温度を変化させ、発電量の増減に抗して発電ユニット内の温度を一定に保つことが可能となる。実験によって、図１１の関係に従うと、発電量が５kW〜１０kWのいずれの状態においても、セル群収容室４４を約８００℃に維持できることが確認できた。
【００３８】
本実施例では、オフガスが燃焼する位置が、上下方向において、交互に反対側に位置する関係に設定されている。このために、燃料電池セル群を収納する第１室４４内の温度分布は、水平方向にも上下方向にも均質化されている。最大温度差でも５０℃程度であり、第１室４４内の温度は８００〜８５０℃の範囲に抑えられる。
【００３９】
また、最も高温な第１室４４を２番目に高温な第２室４６で取り囲み、その外側を３番目に高温な第３室４８で取り囲む構造となっているために、第１室４４を高温に維持しやすい。そのために、発電に伴って発生する熱と、オフガスの燃焼熱だけで、燃料電池セル群を収容する第１室４４内の温度を発電適温である８００〜８５０℃に維持することができる。すなわち、熱自立することができる。発電量を５kWにまで低下させても熱自立することができる。
【００４０】
なお本実施例の図８では、空気供給管７８ａから空気供給部材８４ｂ、８４ｃ、８４ｄがそれぞれ異なる高さで分岐し、空気供給管７８ｂから空気供給部材８６ｂ、８６ｃ、８６ｄがそれぞれ異なる高さで分岐する例を説明しているが、例えば図１７に示すように、空気供給部材８４ｃ、８６ｃの高さまで空気供給管７８ａ、７８ｂ内を流れてから、空気供給部材８４ｂ、８４ｃ、８４ｄ、８６ｂ、８６ｃ、８６ｄのそれぞれに分岐するようにしてもよい。空気供給管７８ａ、７８ｂを流れる空気は、空気供給管７８ａ、７８ｂを下方に流れる間も予熱されないことが好ましいが、実際には空気供給管５０ａ、５０ｂを流れる空気との熱交換によってわずかに予熱される。空気供給管５０ａ、５０ｂ内での流路長が長いほど、空気供給管５０ａ、５０ｂを流れる空気との熱交換がなされるため、図８に示す例では、空気供給部材８４ｂ、８６ｂを流れる空気が最も低温であり、空気供給部材８４ｄ、８６ｄを流れる空気が最も高温であり、空気供給部材８４ｃ、８６ｄを流れる空気は両者の中間の温度となってしまう。セルスタック１４のうちで、最も高温となるのはセルスタック１４ｃであるから、予熱されていない空気の温度としては、空気供給部材８４ｃ、８６ｃを流れる空気が最も低温であることが好ましい。図１７に示す例では、空気供給部材８４ｃ、８６ｃを流れる空気は、空気供給管５０ａ、５０ｂ内での流路長が最も短いため、空気供給部材８４ｂ、８４ｄ、８６ｂ、８６ｄを流れる空気に比べて低温となる。これによって、セルスタック１４ｃに最も低温の空気を供給することが可能となり、セルスタック１４の高さ方向の温度のばらつきを抑制することができる。
【００４１】
あるいは図１８に示すように、空気供給管７８ａ、７８ｂを、空気供給管５０ａ、５０ｂの内部で空気供給管５０ａ、５０ｂに沿って下方に伸ばすことなく、空気供給部材８４ｃ、８６ｃの高さで外部から貫通させて、空気供給部材８４ｂ、８４ｃ、８４ｄ、８６ｂ、８６ｃ、８６ｄに予熱されていない空気を供給してもよい。このような構成とすることによっても、空気供給管５０ａ、５０ｂ内での流路長の違いから、空気供給部材８４ｃ、８６ｃを流れる空気を、空気供給部材８４ｂ、８４ｄ、８６ｂ、８６ｄを流れる空気に比べて低温とすることができる。セルスタック１４ｃに最も低温の空気を供給することが可能となり、セルスタック１４の高さ方向の温度のばらつきを抑制することができる。
【００４２】
（第２実施例）
本発明を具現化した発電装置の第２実施例を、図面を参照しながら説明する。なお第１実施例と重複する説明は繰り返さない。
図１２は、第２実施例に係る発電装置の空気供給系を示す図であり、図１３は第２実施例に係わる発電装置のシステム図である。
図１２に示すように、非予熱空気のダクト７６の左端から、５本の空気供給管８３a、８３b、８３c、８３d、８３eが伸びている。空気供給管８３a、８３b、８３c、８３d、８３eは、左側の空気供給管５０a（明瞭化のために図示しない）の内部を下方へ伸びている。左側の５本の空気供給管８３a、８３b、８３c、８３d、８３eの先端は、上下５段の空気供給部材１６a、１６b、１６c、１６d、１６eの各々に対応する高さにおいて開口しており、空気供給材１６a、１６b、１６c、１６d、１６eに非予熱空気を吹き込む。空気供給管８３a、８３b、８３c、８３d、８３eの上端には、ダクト７６を外すと交換可能なしぼり８０a、８０b、８０c、８０d、８０eが配設されている。
非予熱空気のダクト７６の右端からも、５本の空気供給管８５a、８５b、８５c、８５d、８５eが伸びている（明瞭化のために図１２では図示しないが、図１３には示されている）。右側の５本の空気供給管８５a、８５b、８５c、８５d、８５eは、右側の空気供給管５０ｂの内部を下方へ伸びている。右側の５本の空気供給管８５a、８５b、８５c、８５d、８５eの先端も、上下５段の空気供給部材１６a、１６b、１６c、１６d、１６eの各々に対応する高さにおいて開口しており、空気供給材１６a、１６b、１６c、１６d、１６eに非予熱空気を吹き込む。右側の５本の空気供給管８５a、８５b、８５c、８５d、８５eの上端には、ダクト７６を外すと交換可能な位置にしぼり８２a、８２b、８２c、８２d、８２eが配設されている。通路自体の系統図は、図１３に示されている。
【００４３】
本実施例では非予熱空気の供給管を５本の分岐通路に分け、しぼり８０a、８０b、８０c、８０d、８０eと、しぼり８２a、８２b、８２c、８２d、８２eを配設することで、非予熱空気の供給量がセルスタックの段毎に調整可能となっている。しぼり８０、８２はダクト７６内に配設されているため外部からの調節が容易であり、過熱しやすい段に対する非予熱空気の供給量を増大し、加熱されにくい段に対する非予熱空気の供給量を減少させることによって、セル群の段毎の温度分布が一様化される流量分布に調整しやすい。
【００４４】
（第３実施例）
本発明を具現化した発電装置の第３実施例を、図面を参照しながら説明する。なお第１実施例と重複する説明は繰り返さない。
図１４は第３実施例に係わる発電装置のシステム図である。図１４に示すように、各段のセルスタック１４a、１４b、１４c、１４d、１４eの上部に、発電時のセルの温度を測定する熱電対７２a、７２b、７２c、７２d、７２eが配置されている。
図１２と同様に、非予熱空気の供給管は、左側に空気供給管８３a、８３b、８３c、８３d、８３eが配置されており、右側に空気供給管８５a、８５b、８５c、８５d、８５eが配置されている。
【００４５】
左側の空気供給管８３a、８３b、８３c、８３d、８３eの入口に、可変絞り１１０a、１１０b、１１０c、１１０d、１１０eが設けられており、右側の空気供給管８３a、８３b、８３c、８３d、８３eの入口に、可変絞り１１２a、１１２b、１１２c、１１２d、１１２eが設けられている。
図１５に示すように、熱電対７２a、７２b、７２c、７２d、７２eは制御装置７０に接続されており、制御装置７０は可変絞り１１０a〜１１０e、１１２a〜１１２eを制御する。
【００４６】
三方弁１０６が、予熱空気と非予熱空気に分流し、予熱空気と非予熱空気をセル群収容室に送り込む。予熱空気と非予熱空気の流量比を発電量に応じて変化させることによって、発電量の変動に抗して、セル群収容室の平均温度をほぼ一定に維持し、発電適温に保つことができる。
しかしながら、厳密に温度分布を測定すると、セルスタック群の段ごとの温度分布が一様とならないことがある。中心近傍の段では高温になりやすく、最上段と最下段の段では低温になりやすい傾向にある。本実施例では、各段のセルスタックに設けられた熱電対７２a〜７２eによって各段のセルスタックの温度を求め、温度が高い場合には対応する可変絞りを開けて非予熱空気の供給量を増加させ、温度が低い場合には減少させる。即ち、熱電対７２a〜７２eによって測定された温度に基づいて、可変絞り１１０a〜１１０e、１１２a〜１１２eをフィードバック制御する。
この結果、セル群収容室の平均温度が発電量の変動に抗してほぼ一定に維持されて発電適温に保たれるのみならず、各段毎の温度分布も一様化される。
この実施例では、三方弁１０６によって予熱空気と非予熱空気に分流される流量比が発電量に応じて調節されるが、可変絞り１１０a〜１１０e、１１２a〜１１２eについては対応するセルスタック群の温度に応じて調節される。
可変絞り１１０a〜１１０e、１１２a〜１１２eは、ダクト７６を外せば点検可能な位置に配置されている。しかも、非予熱空気が通過する低温環境で用いられる。特に高い耐熱性が必要とされない。
【００４７】
（第４実施例）
本発明を具現化した発電装置の第４実施例を、図面を参照しながら説明する。なお第１実施例と重複する説明は繰り返さない。
図１６に示すように発電ユニット２１０は、内側から外側に向かって、第１室（セル群収容室）４４、第２室（排気通路の一部）４６、第３室（予熱空気通路の一部）４８からなる３重構造となっており、中心部の第１室４４とその外側の第２室４６を仕切る内仕切壁３６と、第２室４６とその外側の第３室４８を仕切る外仕切壁３８と、第３室４８と外部を仕切る外壁４０を有している。外壁４０は断熱部材４２で覆われている。
発電ユニット２１０の中心部の第１室４４内には、複数の燃料電池セル１２が直線状に配列されて構成されているセルスタック２１４ａ、２１４ｂ、２１４ｃ、２１４ｄと、空気（有酸素ガスの一例）をセルスタック２１４ａ、２１４ｂ、２１４ｃ、２１４ｄに供給する予熱空気供給管２１６と、非予熱空気供給管２８１と、燃料となる水素や一酸化炭素等の改質ガスをセルスタック２１４ａ、２１４ｂ、２１４ｃ、２１４ｄに供給するマニホールド２２４ａ、２２４ｂ、２２４ｃ、２２４ｄ等が配設されている。改質ガスは、発電ユニット２１０の外部に配置された改質器（図示省略）によって、プロパンやメタン等の燃料ガスを水素や一酸化炭素に改質したガスである。
【００４８】
セルスタック２１４ａ、２１４ｂ、２１４ｃ、２１４ｄは、燃料電池セル１２の改質ガス通路２０が略垂直平面内を伸びるように配列されており、複数本のセルスタック２１４の改質ガス通路２０が同一垂直平面内を伸びている。燃料ガス通路が同一垂直平面内を伸びるセルスタック２１４ａ、２１４ｂ、２１４ｃ、２１４ｄが、水平方向に４列に配列されている。
【００４９】
セルスタック２１４ａ、２１４ｂ、２１４ｃ、２１４ｄの改質通路２０には、それぞれのマニホールド２２４ａ、２２４ｂ、２２４ｃ、２２４ｄから改質ガスが送り込まれる。セルスタック２１４ａ、２１４ｂ、２１４ｃ、２１４ｄの上方の端部では改質ガス通路２０が開放されており、発電のために消費されなかったオフガスが放出され、燃焼される。
【００５０】
予熱空気の供給管２１６は細長い円筒状の部材であり、上端部は第３室４８の上部に連通し、下端部は第１室４４内のセルスタック２１４ａ、２１４ｂ、２１４ｃ、２１４ｄの下端部付近まで伸びている。空気供給管２１６の下端部には空気供給口２１６ｆが形成されている。空気供給管２１６は隣接するセルスタックの間に配列される。予熱空気通路３４によって外部から導入された空気は、外仕切壁３８とフィン５４と外壁４０によって形成される細い角柱形状の通路を通り、第３室４８の上部から空気供給管２１６の上端へ流入する。予熱された空気は空気供給管２１６を通って空気供給口２１６ｆからセルスタック２１４ａ、２１４ｂ、２１４ｃ、２１４ｄへ供給される。
非予熱空気の供給管２８１は細長い円筒状の部材であり、上端部がセルスタック２１４２１４ｂと２１４ｃの間に配置されており、下端部はユニット２１０の外部まで伸び、非予熱空気通路１０７を経て三方弁１０６に接続されている。非予熱空気の供給管２８１の上端部には空気供給口２８１ｆが形成されている。
【００５１】
発電ユニット２１０内の動作を説明する。
水素と一酸化炭素を含む改質ガスは、燃料ガス導入管２６からマニホールド２２４ａ、２２４ｂ、２２４ｃ、２２４ｄへ供給され、マニホールド２２４ａ、２２４ｂ、２２４ｃ、２２４ｄから各燃料電池セルスタック２１４ａ、２１４ｂ、２１４ｃ、２１４ｄへ送られ、各燃料電池セル１２内の改質ガス通路２０に流入する。三方弁１０６によって、予熱空気通路３４に送られた空気は、第３室４８を通過する間に予熱され、予熱空気の供給管２１６へ流入する。予熱された空気は、空気供給管２１６内を上端部から下端部へ向かって移動し、空気供給口２１６ｆから流出する。流出する空気は、第３室４８を通過する間にフィン５４で予熱されており、空気供給管２１６を下降する間に排気ガスでさらに加熱されることによって高温となっている。三方弁１０６によって非予熱空気通路１０７に送られた非予熱空気は、空気供給管２８１を通過して空気供給口２８１ｆから流出する。空気供給口２１６ｆ、２８１ｆから噴出した空気は、対流によって斜め上方向に上昇し、セルスタック２１４ａ、２１４ｂ、２１４ｃ、２１４ｄと接触しながら、燃料電池セル１２の下端から上端、すなわち改質ガス通路２０の上流側から下流側へ分散される。
空気中の酸素は、イオン化して固体電解質を通過して燃料極に至り、水素または一酸化炭素と反応し、酸素極と燃料極の間に電位差を発生させる。すなわち、発電する。
【００５２】
改質ガスは燃料電池セルの下端部から上端部へ向かって垂直に流れる。改質ガスは燃料電池セルの下端部から上端部へ流れる間に発電熱によって徐々に加熱されていく。
セルスタック２１４ａ、２１４ｂ、２１４ｃ、２１４ｄを通過したオフガスは、セルスタック２１４ａ、２１４ｂ、２１４ｃ、２１４ｄの先端から流出して燃焼する。第３室４８の上部と空気供給管２１６は、セルスタック２１４ａ、２１４ｂ、２１４ｃ、２１４ｄの先端に近接していることから、オフガスの燃焼熱を空気の予熱に利用することができる。空気の予熱に利用された排気ガスは排気通路５８を通りユニット外部へ送られる。
【００５３】
オフガスが燃焼した排気ガスは、約９００℃以上の高温であり、第３室４８を通過する空気を予熱する。外仕切板３８の両面に取付けられたフィン５４、５６によって、熱交換率が高められている。この熱交換によって、予熱空気を約６５０℃まで予加熱しておくことができる。
【００５４】
予熱された空気は、第３室４８の上部から空気供給管２１６へ流入し、空気供給口２１６ｆから燃料電池セル１２へ供給される。第３室４８の上部および空気供給管２１６の上部は、セルスタック２１４に近接していることから、予熱空気はさらに加熱され、高温の空気を酸素極に供給することができる。
三方弁１０６から非予熱空気通路１０７へ送られた空気は予熱装置を通らず、非予熱空気供給通路２８１を通過し、非予熱空気供給口２１８ｆから供給される。加熱された空気のみでなく、非予熱空気をも供給することによって、ユニット内２１０内の温度が過熱されるのを防止する。特に熱がこもりやすい中心近傍に、非予熱空気が送り込まれることから、中心近傍の過熱を防止することができる。
三方弁１０６によって、非予熱空気通路１０７と予熱空気通路３４に分流する割合が調節可能であるため、発電量の変化に抗して、ユニット２１０内の温度を一定に保つことが可能となる。
【００５５】
以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
例えば、三方弁によって第１通路と第２通路に分岐とするのではなく、第１通路と第２通路の流量を独立に調整可能としてもよい。また、発電量に基づいて流量調整を行う方式と、セルの温度に基づいて流量調整を行う方式を併用することもできる。
本実施例では、第１通路と第２通路がそれぞれにセル収容室に挿入され、セル収容室内の温度分布を均質化しているが、セル群収容室の外部で第１通路と第２通路を合流させてもよい。それだけでも、発電量の変化に抗してセル群収容室の平均温度をほぼ一定に維持して発電適温に維持することが可能となる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数の目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】従来の発電装置のシステム構成を示す図。
【図２】従来の発電ユニットの縦断面を示す図。
【図３】従来の発電ユニットの別の縦断面を示す図。
【図４】従来の発電装置の発電量とセル室の温度の関係を示す図。
【図５】発電装置の発電特性と温度の関係を示す図。
【図６】第１実施例の発電装置のシステム構成を示す図。
【図７】第１実施例の発電ユニットの縦断面を示す図。
【図８】第１実施例の発電ユニットの別の縦断面を示す図。
【図９】第１実施例の発電ユニットの横断面を示す図。
【図１０】燃料電池セルの拡大断面を示す図。
【図１１】（Ａ）は発電量と非予熱空気の割合の関係を示す図であり、（Ｂ）は予熱空気と非予熱空気の混合空気の温度と発電量の関係を示す図。
【図１２】第２実施例の発電ユニットの空気供給系を示す図。
【図１３】第２実施例の空気供給系のシステム構成を示す図。
【図１４】第３実施例の空気供給系のシステム構成を示す図。
【図１５】第３実施例の空気供給系の制御ブロック図。
【図１６】第４実施例の発電発電ユニットの縦断面を示す図。
【図１７】第１実施例の１つの変形例の発電ユニットの縦断面を示す図。
【図１８】第１実施例の他の１つの変形例の発電ユニットの縦断面を示す図。
【符号の説明】
【００５７】
１０・・・発電ユニット
１２・・・燃料電池セル
１４・・・セルスタック
１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅ・・・セルスタックのグループ
１６・・・予熱された空気の供給部材
１８・・・改質器
３４・・・予熱空気通路
８４、８６・・・予熱されていない空気の供給部材
１０７・・非予熱空気通路
１００・・熱交換装置（空気の予熱装置であり有酸素ガスの予熱装置でもある）
１０２・・熱交換装置（燃料ガスと水分の予熱装置でもある）
【図１】
2006120623.tif 000003
【図２】
2006120623.tif 000004
【図３】
2006120623.tif 000005
【図４】
2006120623.tif 000006
【図５】
2006120623.tif 000007
【図６】
2006120623.tif 000008
【図７】
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【図８】
2006120623.tif 000010
【図９】
2006120623.tif 000011
【図１０】
2006120623.tif 000012
【図１１】
2006120623.tif 000013
【図１２】
2006120623.tif 000014
【図１３】
2006120623.tif 000015
【図１４】
2006120623.tif 000016
【図１５】
2006120623.tif 000017
【図１６】
2006120623.tif 000018
【図１７】
2006120623.tif 000019
【図１８】
2006120623.tif 000020