(57)【要約】【課題】電力需要が急激に高くなる場合でも、急激な電力需要に迅速に対応できる燃料電池及びその運転方法を提供する。【解決手段】ハウジング２内に複数の燃料電池セル６２を収容してなる燃料電池であって、ハウジング２内に、複数の燃料電池セル６２で発生した電力を用いて発熱するヒータ９５を具備する燃料電池であり、複数の燃料電池セル６２で発生した電力を用いて、ハウジング２内に配置されたヒータ９５を発熱させることを特徴とする燃料電池の運転方法である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハウジング内に複数の燃料電池セルを収容してなる燃料電池であって、前記ハウジング内に、前記複数の燃料電池セルで発生した電力を用いて発熱するヒータを具備することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
燃料電池セル内を通過して導出されるガスと、前記燃料電池セル外のガスとが反応して燃焼することを特徴とする請求項1記載の燃料電池。
【請求項３】
ハウジング内に複数の燃料電池セルを収容してなる燃料電池の運転方法であって、前記複数の燃料電池セルで発生した電力を用いて、前記ハウジング内に配置されたヒータを発熱させることを特徴とする燃料電池の運転方法。
【請求項４】
燃料電池の発電量が需要電力量を上回った場合に、前記燃料電池の余剰発電電力を、ヒータを発熱させることにより消費させることを特徴とする請求項３記載の燃料電池の運転方法。
【請求項５】
燃料電池の起動時に、ヒータを発熱させることを特徴とする請求項３記載の燃料電池の運転方法。
【請求項６】
ハウジング内の温度が低い場合であって、該ハウジング内の温度を定常運転時の温度まで昇温する場合に、ヒータを発熱させることを特徴とする請求項3乃至５のうちいずれかに記載の燃料電池の運転方法。
【請求項７】
電力需要が少ない夜間時に、ヒータを発熱させることを特徴とする請求項3乃至６のうちいずれかに記載の燃料電池の運転方法。
【請求項８】
燃料電池セル内を通過して導出されるガスと、前記燃料電池セル外のガスとが反応して燃焼することを特徴とする請求項3乃至７のうちいずれかに記載の燃料電池の運転方法。
【請求項９】
ヒータを発熱させる時間は、１日のうち一定時間帯に固定して設定されていることを特徴とする請求項３乃至８のうちいずれかに記載の燃料電池の運転方法。
【請求項１０】
一定期間内の高電力使用パターンを学習し、一定期間のうちの一定時間帯にヒータを発熱させることを特徴とする請求項３乃至９のうちいずれかに記載の燃料電池の運転方法。
【請求項１１】
燃料電池として固体電解質形燃料電池を用い、分散型発電を行うことを特徴とする請求項３乃至１０のうちいずれかに記載の燃料電池の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ハウジング内に複数の燃料電池セルを収容してなる燃料電池及びその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、固体電解質を用いた燃料電池は作動温度が６００〜１０００℃と高いため、この温度まで燃料電池セルを加熱する必要があり、実質的に発電するまでの時間が長いという問題があった。このような問題を解決するため、従来、収納容器の外部に酸素含有ガス（空気）を予熱する予熱器を設け、この予熱器で酸素含有ガスを加熱した後、セルスタックに供給し、これによりセルを加熱し、起動時間を短縮させることが提案されている。
【０００３】
また、発電に用いられなかった燃料ガスと酸素含有ガスを燃焼させ、この高温の燃焼ガスを収納容器外部まで配管により引き回し、酸素含有ガスを収納容器内部に供給するための配管に沿わせて熱交換を行い、燃焼ガスを有効に用いて酸素含有ガスを予熱することが提案されている。
【０００４】
さらに、近年では、収納容器内に酸素含有ガスを加熱するバーナを設け、このバーナで酸素含有ガスを加熱し、この予熱された酸素含有ガスをセルスタックに供給することが行われている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
さらにまた、近年では、起動時間を短縮させるため、燃料電池セルを加熱する起動用バーナを設けたものが知られている（例えば、特許文献２〜４参照）。
【特許文献１】特開２０００−１４９９７６号
【特許文献２】２００４−１１９３１６号公報
【特許文献３】２００３−２８２１２９号公報
【特許文献４】２００３−２４９２５０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、上記特許文献１〜４に記載された燃料電池では、燃料電池セルを加熱して起動を早くすることはできるものの、外部負荷（電力需要）に対して迅速に負荷変動することができないという問題があった。また、起動する際にも、別個に燃料ガスを供給して燃焼する起動用バーナが必要であるという問題があった。
【０００７】
即ち、例えば、燃料電池が家庭で使用される場合、図６に示すように、電力を非常に多く使用する朝食時間帯と夕食時間帯が存在し、一方で電力を殆ど使用しない夜中や昼間の時間帯が存在するが、電力需要にかかわらず、一定の発電量を発電する発電システムでは、電力を殆ど使用しない夜中や昼間では無駄な発電をすることになる。このため、使用する燃料ガスの量も多くなり、コストが高く、しかもＣＯ２排出量も多くなるという問題があった。
【０００８】
一方、電力需要に追従して発電量を変化させて運転する発電システムでは、部分負荷運転時において電力需要が高くなる時に、燃料電池による発電が間に合わず、急激な電力需要に対応しきれないという問題があった。
【０００９】
本発明は、電力需要が急激に高くなる場合でも、急激な電力需要に迅速に対応できる燃料電池及びその運転方法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】
本発明の燃料電池は、ハウジング内に複数の燃料電池セルを収容してなる燃料電池であって、前記ハウジング内に、前記複数の燃料電池セルで発生した電力を用いて発熱するヒータを具備することを特徴とする。ここで、燃料電池セル内を通過して導出されるガスと、前記燃料電池セル外のガスとが反応して燃焼することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の燃料電池の運転方法は、ハウジング内に複数の燃料電池セルを収容してなる燃料電池の運転方法であって、前記複数の燃料電池セルで発生した電力を用いて、前記ハウジング内に配置されたヒータを発熱させることを特徴とする。
【００１２】
このような燃料電池の運転方法では、例えば、燃料電池の発電量が需要電力量を上回る場合に、また燃料電池の起動時に、またハウジング内の温度が低い場合に、該ハウジング内の温度を定常運転時の温度まで昇温する場合に、さらに電力需要が少ない夜間時に、ヒータを発熱させ、高電力需要に備える。即ち、本発明では、電力需要が急激に高くなる、例えば朝食時間帯の所定時間前の、夜中の低電力需要時間帯に、燃料電池セルで発電した電力を用いてヒータを発熱させ、ハウジング内の発電室を加熱し、加速度的に燃料電池セルの発電量を増加させ、朝食時間帯の急激な電力需要に備えることができる。
【００１３】
ここで、燃料電池の起動時とは、ハウジング内の温度（発電室温度）は、時間とともに高くなっていき、これに伴い、発電量も高くなるが、本発明では、発電室温度がある値になるまでは、燃料電池セルで発電した電力の全て、若しくは一部を、ヒータを加熱するための電力として使用し、発電室の加熱に使用するもので、これにより、加速度的に発電室温度を加熱できる。即ち、燃料電池セルで発電した電力はヒータに優先的に使用することにより、外部に電力を供給しながら徐々に発電室内を加熱する場合よりも、急激な電力使用時間帯に短時間で対応できる。
【００１４】
また、ハウジング内の温度が低い場合で、該ハウジング内の温度を定常運転時の発電室温度まで昇温する場合とは、例えば、夕食時間の所定時間前は昼間であり、通常電力需要が少ないが、この時間帯に、燃料電池セルで発電した電力を用いてヒータを発熱させ、ハウジング内の発電室を加熱し、夕食時間帯の急激な電力需要に備えることができる。
【００１５】
また、通常、夜中では電力需要は低いため、ベースロード運転を行うが、その際にも需要電力よりも大きな電力を発電し、この余剰電力を用いてヒータを発熱させることもできる。
【００１６】
ヒータを発熱させる時間は、１日のうち一定時間帯に固定して設定したり、一定期間内の高電力使用パターンを学習し、一定期間のうちの一定時間帯にヒータを発熱させることができる。１日のうち一定時間帯に固定してヒータを発熱させる場合は、複雑な学習機能を有することなく、生活パターンがほぼ決まっている家庭等において有効に用いることができる。一方、学習機能を有する場合には、電力需要に対してより細かな運転方法を採用できる。
【００１７】
また、本発明の燃料電池の運転方法は、燃料電池セル内を通過して導出されるガスと、前記燃料電池セル外のガスとが反応して燃焼することを特徴とする。このような燃料電池の運転方法では燃焼熱を運転温度に利用できるので高効率運転が可能となる。
【００１８】
また、以下の様な運転方法も出来る。部分負荷運転が長時間続くなどして、ハウジング内の温度（発電室温度）が定常運転時の発電室温度より低下している状態において、それまでより大きな需要電力が必要となった場合、初期の発電室温度が低いため、出力が要求値に達しても発電効率の低い時間が長く続くという現象があった。これはランニングコストが高くなるという問題に繋がる。
【００１９】
これを解消するため、本発明においては、部分負荷運転が長時間続くなどして、発電室温度が定常運転時の発電室温度より低下している状態において、それまでより大きな需要電力が必要となった場合、要求電力量以上の発電を行い、燃料電池の発電量から要求電力量を差し引いた余剰電力を上述のヒータで消費させる。余剰電力をヒータで消費させる理由は、第一に系統電力に逆潮させないようにすること、第二に発電室温度を余剰電力で速やかに上昇させることにある。この様な運転方法により、発電室温度が速やかに上がり発電効率の高い運転が可能となり、ランニングコストが安く抑えられる。
【００２０】
さらに、本発明の燃料電池の運転方法は、固体電解質形燃料電池を用い、分散型発電を行うことを特徴とする。固体電解質形燃料電池を用いるため、高効率の発電を行うことができ、さらには燃料としてメタン、ＣＯ等も用いることができ、燃料処理部が簡素化でき、低コストの分散型発電を行うことが可能となる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の燃料電池の運転方法では、電力需要が急激に高くなる、例えば朝食時間帯の所定時間前の、夜中の低電力需要時間帯に、燃料電池セルで発電した電力を用いてヒータを発熱させ、ハウジング内の発電室を加熱し、加速度的に燃料電池セルの発電量を増加させ、朝食時間帯の急激な電力需要に備えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明の発電部を有する燃料電池（以下、燃料電池組立体ともいう）は図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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
そして、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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
而して、図示の燃料電池組立体における上述したとおりの構成は、本出願人の出願にかかる特願２００３−２９５７９０号の明細書及び図面に開示されている燃料電池組立体と実質上同一であるので、上述した構成の詳細については上記特願２００３−２９５７９０号の明細書及び図面に委ね、本明細書においては説明を省略する。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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改質ケース７８ａも具備している。改質ケース７８ａの前面には燃料ガス送給管８０ａの一端即ち上端が接続されている。
【００４９】
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。改質ケース７８ａの後面には被改質ガス供給管８２ａの一端が接続されている。被改質ガス供給管８２ａは改質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。
【００５０】
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を介して改質ケース７８ａに被改質ガスが供給される。改質ケース７８ａ内には燃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。
【００５１】
図示の実施形態においては、改質ケース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。
【００５２】
図３において説明すると、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、従って改質ケース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が改質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。
【００５３】
被改質ガス供給管８２a〜８２ｄは、ハウジング２の外部において、燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置９１に接続されている。この燃料ガス供給装置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。
【００５４】
そして、本発明の燃料電池では、ハウジング２内の右側蓄熱壁４４ａ、左側蓄熱壁４４ｂには、Ｗ、Ｍｏなどからなる６本のヒータ９５が、高さ方向に所定間隔を置いて（図１の紙面に対して垂直方向に）それぞれ設けられている。これらのヒータ９５は、燃料電池セル６２の側方に位置する右側蓄熱壁４４ａ、左側蓄熱壁４４ｂに設けられている。これらのヒータ９５の両端には、制御装置（図示せず）に連結され、複数の燃料電池セル６２で発生した電力を用いて発熱するように構成されている。
【００５５】
ヒータ９５は、燃料電池の起動時に、又はハウジング内の発電室温度が低い場合であって、定常運転時の発電室温度まで昇温する場合に、さらに電力需要が少ない夜間時に、発熱させるように制御される。
【００５６】
本発明では、電力需要が急激に高くなる、例えば朝食時間帯の所定時間前の、夜中の低電力需要時間帯に、燃料電池セルで発電した電力を用いてヒータを発熱させ、ハウジング内の発電・燃焼室１２を加熱し、加速度的に燃料電池セルの発電量を増加させ、朝食時間帯の急激な電力需要に備えることができる。
【００５７】
ここで、燃料電池の起動時とは、ハウジング内の発電室温度は、時間とともに高くなっていき、これに伴い、発電量も高くなるが、本発明では、発電室温度が一定となるまでは、燃料電池セルで発電した電力の全て、若しくは一部を外部負荷として使用せずに、ヒータを加熱するための電力として使用し、発電室の加熱に使用するもので、ヒータに電力を使用する際には、優先的にヒータに発電電力を用い、ヒータに使用する電力を全て燃料電池から供給することにより、外部に電力を供給しながら徐々に発電室内を加熱する場合よりも、急激な電力使用時間帯に短時間で対応できる。
【００５８】
また、夜中では電力需要は低いため、ベースロード運転を行うが、その際に需要電力よりも大きな電力を発電し、この余剰電力を用いてヒータを発熱させることもできる。
【００５９】
ヒータを発熱させる時間は、１日のうち一定時間帯に固定して設定したり、一定期間内の高電力使用パターンを学習し、一定期間のうちの一定時間帯にヒータを発熱させることができる。１日のうち一定時間帯に固定してヒータを発熱させる場合は、複雑な学習機能を有することなく、生活パターンがほぼ決まっている家庭等において有効に用いることができる。一方、学習機能を有する場合には、電力需要に対してより細かな運転方法を採用できる。
【００６０】
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、改質ケース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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。改質ケース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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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改質ケース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改質ケース７８ａ、７８ｂ、７８ｃ及び７８ｄ自体を新しいものに或いは改質ケース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。
【００６７】
改質ケース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、所望ならば改質ケース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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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が延ばすことができる。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
尚、本発明では、改質ケースはセルスタックの上方以外の場合でも、改質ケースをハウジング内に設けない場合であっても良い。
【００７５】
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。
【００７６】
（運転方法）
分散型発電を行う家庭等において、図６に示すように、電力需要は、朝食時及び夕食時の時間帯に非常に多く、夜中や昼間の時間帯では極端に少なくなり、３００Ｗ以下の使用電力が数時間以上継続する。電力需要が非常に多い場合は、燃料電池における発電量（最大出力）よりも多い部分については、電力会社からの電力で賄うことになる。
【００７７】
そして、本発明においては、電力使用量が少ない時間帯において、電力使用量が多い時間帯（最大出力の時間帯、例えば朝食時間帯）の所定時間前の、夜中の低電力需要時間帯に、燃料電池セルで発電した電力で、かつ外部に供給されない余剰の電力を用いてヒータを発熱させ、ハウジング内の発電室を加熱し、加速度的に燃料電池セルの発電量を増加させ、朝食時間帯の急激な電力需要に備えることができる。
【００７８】
例えば、朝食時間帯や夕食時間帯では、３０分前に燃料電池セルで発電した電力で、外部に供給されない余剰の電力を用いてヒータを発熱させ、ハウジング内の発電室を加熱し、高電力を発生させられる環境を作り、朝食時間帯や夕食時間帯の急速な高電力に迅速に対応できる。
【００７９】
尚、上記形態では、図１乃至図５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】
【００８０】
【図１】本発明の燃料電池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】電力需要の変化を示すグラフである。
【符号の説明】
【００８１】
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：改質ケース
９１：燃料ガス供給装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2006100006.tif 000006
【図５】
2006100006.tif 000007
【図６】
2006100006.tif 000008