(57)【要約】【課題】  発電・燃焼室における配管数を低減し、発電温度を容易に保持でき、簡単な構造で小型化できる発電性能及び耐久性が良好な燃料電池を提供する。【解決手段】  燃料電池において、複数の固体電解質形燃料電池セルを一列に配列したセルスタックを複数配列させたセルスタック集合体と、各燃料電池セルに燃料ガスを供給するべく１つの燃料ガスマニホールドと、セルスタック集合体の上方に設けた改質器とを有し、改質器が、往路ケース、連結ケース及び復路ケースを具備する略Ｕ字形状でありかつその一部に改質触媒を収容し、往路ケースに被改質ガスが供給されかつ復路ケースから燃料ガスが送出される。【選択図】  図１
2006331881.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハウジング内に設けた発電・燃焼室内にて、複数の固体電解質形燃料電池セルを前後方向に一列に配列したセルスタックを、左右方向に複数配列させたセルスタック集合体と、
前記セルスタック集合体の各燃料電池セルに燃料ガスを供給するべく該各燃料電池セルを装着した１つの燃料ガスマニホールドと、
前記セルスタック集合体の上方に設けた改質器とを有し、
前記改質器が、水平面内で互いに平行に配置される往路ケース及び復路ケースと、該往路ケースと該復路ケースの端部同士を連結する連結ケースとを具備する略Ｕ字形状でありかつその一部に改質触媒を収容し、該往路ケースに被改質ガスが供給されかつ該復路ケースから燃料ガスが送出されることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記セルスタック集合体が、前記セルスタックを同数ずつ含む左側セルスタック群と右側セルスタック群とから構成され、いずれか一方のセルスタック群の上方にて前記往路ケースが前後方向に延在し、他方のセルスタック群の上方にて前記復路ケースが前後方向に延在することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記セルスタック集合体の含むセルスタックの数が２つまたは４つであることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記発電・燃焼室の上側に配置された酸素含有ガス室から該発電・燃焼室内に垂下する複数の酸素含有ガス導入管を有し、該複数の酸素含有ガス導入管の一部が前記往路ケースと前記復路ケースの間を通り前記セルスタック間に挿入配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項５】
前記複数の酸素含有ガス導入管の別の一部が、前記セルスタック集合体の左右外側にそれぞれに挿入配置されていることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記酸素含有ガス導入管が挿入配置されていない前記セルスタック間に断熱材を配置したことを特徴とする請求項４または５に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記改質器の一部に気化部が設けられていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項８】
前記セルスタック集合体の前後方向端部にて前記燃料ガスマニホールドと連通して立設された燃料ガス導入ケースと、
前記改質器の前記復路ケースと前記燃料ガス導入ケースの上部とを連結する燃料ガス移送管とを有することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関し、特に、発電・燃焼室内に、複数の固体電解質形燃料電池セルを装着した燃料ガスマニホールドと、被改質ガスを燃料ガスへ改質する改質器とを有する燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
次世代エネルギーとして、近年、固体電解質形燃料電池セルをハウジング内に複数収容した燃料電池が種々提案されている。固体電解質形燃料電池セルは、例えば、酸素側電極の表面に固体電解質、燃料側電極を順次形成して構成されており、燃料側電極側に燃料（水素）を流し、酸素側電極側に空気（酸素）を流して発電される。
【０００３】
従来、固体電解質形燃料電池セルの一端部を燃料ガスマニホールドの天板に立設し、燃料ガスマニホールド上に複数の燃料電池セルからなる１つのセルスタックを設け、このセルスタックの上方に改質器を設けた燃料電池が知られている（特許文献１参照）。さらに、本出願人は、複数のセルスタックをそれぞれ燃料ガスマニホールドに立設し、複数のセルスタックの上方にそれぞれ改質器を設けた燃料電池についても出願した（特許文献２参照）。
【０００４】
例えば、図９は、特許文献２に記載された燃料電池の主要部を示したものである。１つのセルスタックは、複数の燃料電池セルを一列に配列させて形成される。発電・燃焼室内に、複数のセルスタック１４１、１４２、１４３、１４４が複数の燃料ガスマニホールド１６１、１６２、１６３、１６４上にそれぞれ立設されている。また、複数のセルスタックの上方には、複数の改質器１３１、１３２、１３３、１３４がそれぞれ配置されている。各改質器には被改質ガスが供給され、改質された後の燃料ガスは、各改質器から各燃料ガスマニホールドへ移送される。このような燃料電池では、複数の改質器の各々に対して複数の被改質ガス供給管１１１、１１２、１１３、１１４により被改質ガスをそれぞれ供給し、複数の改質器からの燃料ガスを複数の改質ガス供給管１２２、１２３、１２４等により複数の燃料ガスマニホールドにそれぞれ供給する。そして各燃料ガスマニホールドから各セルスタックに燃料ガスが供給される。
【特許文献１】特開２００４−３１９４２０号公報
【特許文献２】特開２００５−９３０８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の燃料電池では、各セルスタック毎に被改質ガス供給管、改質器及び燃料ガス供給管を設けていたため、配管数が多く、小型化を達成できず、構造が複雑であるという問題があった。さらに、それぞれの被改質ガス供給管からそれぞれの改質器に供給されるガス量、それぞれの改質器からそれぞれの燃料ガスマニホールドに供給されるガス量が不均一となる虞があり、結果的に各セルスタックへ供給される燃料ガス量が不均一となる虞があった。それにより、燃料電池の性能や耐久性に悪影響を与える虞があった。
【０００６】
また、各セルスタック毎に燃料ガスマニホールドに設けていたため、燃料ガスマニホールドが邪魔になり、セルスタック間の距離を狭めることができず、セル間間隔が広くなり、熱が放散しやすくなり、発電しうる温度に保持することが困難であるという問題があった。また、小型化を達成できないという問題もあった。さらに、各燃料ガスマニホールドへの配管が複雑であるとともに、燃料ガスマニホールドへのガス供給量が不均一となり、燃料電池の性能や耐久性に悪影響を与える虞があった。
【０００７】
本発明の目的は、発電・燃焼室における配管数を低減し、発電温度を容易に保持できるようにするとともに、簡単な構造で小型化を達成できる発電性能及び耐久性が良好な燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するべく本発明は、以下の構成を提供する。
（１）請求項１に係る燃料電池は、ハウジング内に設けた発電・燃焼室内にて、複数の固体電解質形燃料電池セルを前後方向に一列に配列したセルスタックを、左右方向に複数配列させたセルスタック集合体と、前記セルスタック集合体の各燃料電池セルに燃料ガスを供給するべく該各燃料電池セルを装着した１つの燃料ガスマニホールドと、前記セルスタック集合体の上方に設けた改質器とを有し、前記改質器が、水平面内で互いに平行に配置される往路ケース及び復路ケースと、該往路ケースと該復路ケースの端部同士を連結する連結ケースとを具備する略Ｕ字形状でありかつその一部に改質触媒を収容し、該往路ケースに被改質ガスが供給されかつ該復路ケースから燃料ガスが送出されることを特徴とする。
【０００９】
（２）請求項２に係る燃料電池は、請求項１において、前記セルスタック集合体が、前記セルスタックを同数ずつ含む左側セルスタック群と右側セルスタック群とから構成され、いずれか一方のセルスタック群の上方にて前記往路ケースが前後方向に延在し、他方のセルスタック群の上方にて前記復路ケースが前後方向に延在することを特徴とする。
【００１０】
（３）請求項３に係る燃料電池は、請求項２において、前記セルスタック集合体の含むセルスタックの数が２つまたは４つであることを特徴とする。
【００１１】
（４）請求項４に係る燃料電池は、請求項１〜３のいずれかにおいて、前記発電・燃焼室の上側に配置された酸素含有ガス室から該発電・燃焼室内に垂下する複数の酸素含有ガス導入管を有し、該複数の酸素含有ガス導入管の一部が前記往路ケースと前記復路ケースの間を通り前記セルスタック間に挿入配置されていることを特徴とする。
【００１２】
（５）請求項５に係る燃料電池は、請求項４において、前記複数の酸素含有ガス導入管の別の一部が、前記セルスタック集合体の左右外側にそれぞれに挿入配置されていることを特徴とする。
【００１３】
（６）請求項６に係る燃料電池は、請求項４または５において、前記酸素含有ガス導入管が挿入配置されていない前記セルスタック間に断熱材を配置したことを特徴とする。
【００１４】
（７）請求項７に係る燃料電池は、請求項１〜６のいずれかにおいて、前記改質器の一部に気化部が設けられていることを特徴とする。
【００１５】
（８）請求項８に係る燃料電池は、請求項１〜７のいずれかにおいて、前記セルスタック集合体の前後方向端部にて前記燃料ガスマニホールドと連通して立設された燃料ガス導入ケースと、前記改質器の前記復路ケースと前記燃料ガス導入ケースの上部とを連結する燃料ガス移送管とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
・請求項１に係る燃料電池は、発電・燃焼室内にて、左右方向に複数列配置させたセルスタック集合体の上方に設けた改質器が、略Ｕ字形状を形成する往路ケース、連結ケース及び復路ケースを具備し、その一部に改質触媒を収容し、往路ケースに被改質ガスが供給され、復路ケースから改質された燃料ガスが送出される。すなわち、被改質ガスが往路ケースから連結ケースへ、そして復路ケースへと流れる過程で、改質触媒により改質されて燃料ガスとなり送出される。従って、被改質ガスから燃料ガスへと改質する工程のガス経路が１つの略Ｕ字形状の改質器に統合される。これにより、従来技術における如く複数の配管でそれぞれ被改質ガスを分配供給する場合の供給量の不均一を解消できる。この結果、不均一なガス分配に起因する不具合を生じない。また、複数の複雑な配管を簡略化できることによりコストも低減される。
【００１７】
また、改質器を略Ｕ字形状としたことにより、互いに平行に配置される往路ケースと復路ケースの間に、酸素含有ガス導入管を通すためのスペースが確保できる。これは、発電・燃焼室の上側に設けた酸素含有ガス室から酸素含有ガスを発電・燃焼室内に導入する場合に有用である。
【００１８】
さらに、改質器を略Ｕ字形状としたことにより、往路ケースと復路ケースが平行に、すなわち隣り合って配置されることになる。例えば、往路ケースの一部に水を供給して水蒸気を発生させる気化部を設けると、その下方に位置するセルスタック群の温度低下を生じやすいが、往路ケースと隣り合う復路ケースは高温に保持されているため、気化部による温度低下を補い緩和する作用がある。
【００１９】
さらに、発電・燃焼室では、発電に供せられなかった燃料ガス及び酸素含有ガスが燃焼されて燃焼ガスが生じ、発電・燃焼室から排出されるが、改質器を略Ｕ字形状としたことにより、セルスタック集合体の前後左右からだけでなく、略Ｕ字形状の改質器の中央のスペースからも排出することができ、効率的である。
【００２０】
また、セルスタック集合体を１つの燃料ガスマニホールドに装着することにより、セルスタック同士の間隔を狭め、燃料電池セルの配設密度を高めることができ、発電温度を容易に保持できるとともに、小型化できる。また、改質器により改質された燃料ガスを、燃料ガスマニホールドに集約して供給し、燃料電池セル内に供給することができる。これにより、複数の燃料ガスマニホールドに分割して供給する必要がないため、燃料ガスの供給量が不均一になることがない。結果的に、燃料電池セルへの燃料ガス供給のムラを解消できる。よって、燃料電池の性能や耐久性に与える悪影響を低減できる。複数の複雑な配管を排除できるためコストも低減できる。
【００２１】
・請求項２に係る燃料電池は、請求項１においてさらに、セルスタック集合体が、左右方向の中央で左側セルスタック群と右側セルスタック群に分けられ、それぞれ同じ個数のセルスタックを含む。言い換えるならば、セルスタック集合体が全部で偶数個のセルスタックを有する。そして、いずれか一方のセルスタック群の上方に往路ケースが、他方のセルスタック群の上方に復路ケースが延在する。これにより、セルスタック集合体全体の上方を略Ｕ字形状の改質器でバランスよく覆うことができ、発電・燃焼室内での温度維持に寄与し、温度の不均一を防ぐことができる。
【００２２】
・請求項３に係る燃料電池は、請求項２においてさらに、セルスタック集合体の含むセルスタックの数が２列または４列である。すなわち、左側と右側のセルスタック群にそれぞれ１列または２列のセルスタックが含まれる。実用上、最も一般的な容量の１つである１ｋＷ分の燃料電池セルを１つの燃料ガスマニホールドに装着する場合、１列ではセルスタックの長さが長くなり、燃料電池の全体形状が極めて長い直方体となるので放熱面積が大きくなり、熱自立に不利となる。従って、燃料電池セルの全体数が同じ場合は、２列、４列とすることにより長さを減じ、放熱面積が最小に近い全体形状を実現できる。これにより熱放散を低減する。
【００２３】
・請求項４に係る燃料電池は、請求項１〜３のいずれかにおいて、発電・燃焼室の上側に配置された酸素含有ガス室から垂下する複数の酸素含有ガス導入管の一部が往路ケースと復路ケースの間のスペースを通り、セルスタック間に挿入配置されている。本発明では、発電・燃焼室におけるセルスタック集合体と天井との間に往路ケースと復路ーケースが介在するため、酸素含有ガス導入管を上方から垂下させる箇所がある程度制限されるが、略Ｕ字形状の改質器の中央スペースを利用することにより、高温の酸素含有ガスを速やかにセルスタック間に導入することができる。
【００２４】
・請求項５に係る燃料電池では、請求項４においてさらに、複数の酸素含有ガス導入管の別の一部が、セルスタック集合体の左右外側にそれぞれに挿入配置されている。すなわち、中央の２つのセルスタック間と、左右両端のセルスタックの外側に酸素含有ガス導入管が挿入配置される。本発明では、酸素含有ガス導入管が減数されるので、コストが低減される。
【００２５】
・請求項６に係る燃料電池では、請求項４または５において、酸素含有ガス導入管が挿入配置されていないセルスタック間に断熱材を配置している。これらのセルスタック群の上方には改質器の往路ケースまたは復路ケースが延在するため、酸素含有ガス導入管を挿入配置できない。よって、この空きスペースを断熱材で充填することにより、セルスタック間を通る無駄な空気の流路を塞ぎ、１つのセルスタック内の燃料電池セル間の空気の流れを促進することができる。また、セルスタック間に断熱材を配置することにより、セルスタック自体が発電時に発生する反応熱、ジュール熱を外部に逃がすことを防ぎ、熱自立運転に寄与する。
【００２６】
・請求項７に係る燃料電池では、改質器の一部に気化部が設けられている。セルスタック集合体上方における燃焼熱を有効に利用して、改質に必要な水蒸気を発生させるための気化熱のための熱量を安定して得ることができる。
【００２７】
・請求項８に係る燃料電池では、請求項１〜７のいずれかにおいて、セルスタック集合体の前後方向端部にて燃料ガスマニホールドと連通して立設された燃料ガス導入ケースを設け、改質器の復路ケースと燃料ガス導入ケースの上部とを連結する燃料ガス移送管とを有する。すなわち、燃料ガス移送管は、セルスタック集合体の上方に水平方向に延在することになる。従って、改質器で改質された燃料ガスは、燃料ガス移送管を通る間に十分に加熱されて燃料ガス導入ケース内に流入し、燃料ガス導入ケース内を鉛直方向に降下して燃料ガスマニホールドへと流入する。燃料ガス導入ケースは、発電・燃焼室内で温度低下の生じやすい角部に位置している。従って、燃料ガス導入ケース内を高温の燃料ガスが降下することによりその周囲の温度を上げる作用がある。この結果、発電・燃焼室内の温度分布が低減し、発電効率が向上する。
【００２８】
・また、本発明では、改質器の往路ケース及び復路ケースが、左右方向の幅に比べて上下方向の厚さが比較的薄い箱型形状であることが好適である。このような形状とすることにより、セルスタック集合体の上方で燃焼する燃焼ガスにより改質器を効率的に加熱することができる。
【００２９】
・さらに、燃料ガスマニホールドと連通して立設された燃料ガス導入ケースが、左右方向の幅に比べて前後方向の厚さが比較的薄い箱型形状であることが好適である。このような形状とすることにより、燃料ガスが燃料ガス導入ケース内で幅全体に均一に拡散しつつ降下する。これにより、幅広の燃料ガスマニホールドに対して燃料ガスをほぼ均一に供給することができ、結果的に燃料電池セルへの燃料ガス供給のムラを解消できる。
【００３０】
・また、燃料ガスマニホールドが、左右方向の幅に比べて上下方向の厚さが比較的薄い箱型形状であることが好適である。このような形状とすることにより、燃料ガスマニホールドの容積が小さくなるので発電・燃焼室全体の体積も小さくなり、熱自立的に有利にできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下、本発明による燃料電池の実施例を示す図面を参照して、実施の形態を説明する。
図１は、本発明の燃料電池の一実施例を示す縦断面図である。本明細書では、図１の紙面に向かって左及び右を燃料電池１の左側及び右側としこの方向を左右方向と称し、紙面に垂直な方向を前後方向と称することとする。図２は、図１の燃料電池の中央部に設けた発電・燃焼室内を概略的に示す斜視図である。
【００３２】
図１に示すように、図示の燃料電池１は、略直方体形状のハウジング２を具備する。このハウジング２の外壁を形成する６面には、適宜の断熱材料である左側外断熱壁３ａ、右側外断熱壁３ｂ、上側外断熱壁３ｃ、下側外断熱壁３ｄ、前側外断熱壁（図示せず）及び後側外断熱壁（図示せず）が配設されている。ハウジング２内の中央部には発電・燃焼室８が設けられている。前側外断熱壁及び／又は後側外断熱壁は、着脱自在或いは開閉自在に装着されており、発電・燃焼室８内に交換・修理のためにアクセスできる。一実施例として、各外断熱壁の外周面上を金属板製カバーにて覆ってもよい。
【００３３】
図１の燃料電池１は、概ね左右対称な構造を有する。発電・燃焼室８の周囲は、上側を除いた５面に、適宜の断熱材料である左側内断熱壁４ａ、右側内断熱壁４ｂ、下側内断熱壁４ｃ、前側内断熱壁（図示せず）及び後側内断熱壁（図示せず）が配設されている。発電・燃焼室８の上側には隔壁板４６を介して上部ガス室ケース４１が配置されており、その内部に上部ガス室４２を形成する。そして、左側内断熱壁４ａと左側外断熱壁３ａとの間、並びに、右側内断熱壁４ｂと右側外断熱壁３ｂとの間には、それぞれ熱交換器７０ａ、７０ｂが設けられている。２つの熱交換機７０ａ、７０ｂの上端も、隔壁板４６を介して上部ガス室４２と区画されている。下側内断熱壁４ｃと下側外断熱壁３ｄとの間には、底板４０が配設されている。
【００３４】
２つの熱交換器７０ａと７０ｂは、左右方向の幅に比べて上下方向及び前後方向の長さが長い直方体形状の中空筐体を具備し、互いに左右対称な構造である。熱交換機７０ａについて説明すると、中空筐体内部は鉛直隔壁７４により縦割りされ、外側の流入路７５と内側の排出路７６に区画されている。流入路７５の下端には、外部から供給される酸素含有ガス（例えば空気）が流入する流入部７７が設けられ、排出路７６の下端には、外部へ排出するべき燃焼ガスを熱交換器７１から排出する排出部７８が設けられている。熱交換器７０ａの後方には、上下方向に細長く延びる二重筒体５０（図１にはその上端部のみが現れている）が配設されている。二重筒体５０の内側の流入用筒体５４は流入部７７と接続され、酸素含有ガス供給管（図示せず）が接続される。二重筒体５０の外側の排出用筒体５２は、熱交換器７０ａの排出部７８と接続されている。
【００３５】
熱交換器７０ａの流入路７５及び排出路７６の各々には、５枚の水平隔壁７３により上下方向に６つの階層からなるジグザグ形状の流路が形成されている。流入路７５については、例えば、外部から供給され流入部７７から熱交換器７０ａに流入した低温の酸素含有ガスが、１階層目では後から前へ、２階層目では前から後へとジグザグ状に流れながら上昇し、６階層目の上端に設けた流入開口４５から上部ガス室４２へと流入する。一方、排出路７６については、例えば発電・燃焼室８から排出開口７２を通って６階層目に流入した高温の燃焼ガスが後から前へ、５階層目では前から後へとジグザグ状に流れながら降下し、１階層目の後端部に設けた排出部７８から熱交換器７０ａを出て、排出用筒体５２を通って外部へ排出される。従って、この過程において鉛直隔壁７４を介して低温の酸素含有ガスと高温の燃焼ガスとの間で熱交換が行われ、その結果、酸素含有ガスが予熱される。このようにして燃焼ガスからの排熱回収が行われる。
【００３６】
上部ガス室４２へ流入した酸素含有ガスは、３つの酸素含有ガス導入管４３ａ、４３ｂ、４３ｃにより発電・燃焼室８内に導入される。酸素含有ガス導入管４３ａ、４３ｂ、４３ｃの上端は、隔壁板４６上に固定された酸素含有ガス導入管集合金具４７ａ、４７ｂ、４７ｃにそれぞれ取り付けられ、上部ガス室４２内に開口している。一方、下端は発電・燃焼室８内に垂下し開口している。この下端から酸素含有ガスを放出する。また、酸素含有ガス導入管４３ａ、４３ｂ、４３ｃの周囲は適宜の断熱材５ａ、５ｂ、５ｃで覆われている。これにより、高温の燃焼領域に挿通される酸素含有ガス導入管４３ａ、４３ｂ、４３ｃの熱による劣化を防止できる。酸素含有ガス導入管の詳細については、後述する図５で説明する。
【００３７】
発電・燃焼室８内の底面上には、１つの燃料ガスマニホールド６１が設置されている。燃料ガスマニホールド６１は、前後方向に長く延びる直方体形状である。また好適には、左右方向の幅に比べて上下方向の厚さが比較的薄い平たい箱型形状である。燃料ガスマニホールド６１の天板上には、発電反応を行う４列のセルスタック３０ｂ、３０ａ、３１ａ、３１ｂが左右方向に所定間隔で配置されており、セルスタック集合体を形成している。図２に示すように、各セルスタックは、複数の燃料電池セルを含み、これらを前後方向に所定間隔で配列させている。１つの燃料電池セルは上下方向に細長い略平板形状である。セルスタックの構造の詳細は、後述する図８で説明する。
【００３８】
各燃料電池セルは、燃料ガスマニホールド６１の天板上に穿設された各スリット上にそれぞれ装着されることにより、燃料ガスマニホールド６１から燃料ガスを供給される。図示の例では、燃料ガスマニホールド６１内には２つの燃料ガス室６２ａ、６２ｂが設けられており、燃料ガス室６２ａは、左側２つのセルスタック３０ａ、３０ｂへ燃料ガスを供給し、燃料ガス室６２ｂは、右側２つのセルスタック３１ａ、３１ｂへ燃料ガスを供給する。別の実施例として、２つの燃料ガス室６２ａと６２ｂの間の仕切り壁に適宜の数及び形状の連通孔を形成してもよい。この場合には、燃料ガスの分配性がさらに良好となる。
【００３９】
さらに、改質器１０がセルスタック集合体の上方に設けられている。改質器１０は、外部から供給される被改質ガスを水素リッチな燃料ガスへと改質して燃料ガスとし、燃料ガスマニホールド６１へ送出する役割を担う。
【００４０】
図２を参照して改質器１０について説明する。改質器１０は、水平面内で互いに平行に配置される往路ケース１２と復路ケース１４を具備する。さらに往路ケース１２と復路ケース１４の端部同士を連結する連結ケース１３とを具備する略Ｕ字形状である。従って、往路ケース１２と復路ケース１４との間には、適宜の間隔の中央スペースが存在する。尚、改質器１０の往路ケース１２は、左側２つのセルスタック３０ａ、３０ｂの上方に位置し、一方、復路ケース１４は右側２つのセルスタック３１ａ、３１ｂの上方に位置することが好適である。連結ケースは、セルスタック集合体の後端側の上方に位置する。連結ケース１３は、発電・燃焼室８の底部に固定された支持具１７の上端に取り付けられ、支持されている。改質器１０は、この連結ケース１３を取り付けた支持具１７と、後述する燃料ガス導入ケース１６により所定の位置に保持されている。
【００４１】
好適には、図２に示すように、往路ケース１２と復路ケース１４が前後方向に長く延びる直方体形状であり、左右方向の幅に比べて上下方向の厚さが比較的薄い平たい箱型形状である。往路ケース１２の前端面へは被改質ガス供給管１１と水供給管１９とが接続され、これらにより被改質ガス及び水がそれぞれ供給される。被改質ガスは、都市ガス等の炭化水素ガスでよい。供給されたガスは、改質器１０の往路ケース１２内を前から後へと流れ、連結ケース１３内を通過して復路ケース１４内を後から前へと流れる。すなわち、図中破線矢印で示すように、Ｕ字形状を描くようにガスが流れる。
【００４２】
図２では、酸素含有ガス導入管は省略されているが、図１における中央の酸素含有ガス導入管４３ｂは、略Ｕ字形状の改質器１０の往路ケース１２と復路ケース１４の間のスペースを通って挿入配置されている。また、図１における左右の酸素含有ガス導入管４３ａ、４３ｃはそれぞれ、セルスタック集合体の左右外側に挿入配置されている。
【００４３】
一般的には、本発明におけるセルスタック集合体は、左右方向に複数のセルスタックを配列させてなる。同時に、セルスタック集合体は、同数ずつセルスタックを含む左側セルスタック群と右側セルスタック群とから構成されていることが好適である。すなわち、本発明の好適なセルスタック集合体は、偶数個のセルスタックを含むことになる。そして、いずれか一方のセルスタック群の上方に改質器１０の往路ケース１２が延在し、他方のセルスタック群の上方に改質器１０の復路ケース１４が延在する。図１及び図２の例では、セルスタック集合体が４つのセルスタックを含むが、これに限定されない。さらに、別の実施例として、左側セルスタック群と右側セルスタック群の各々に含まれるセルスタック数が必ずしも同数ずつでなくともよい。例えば、左側が３つ、右側が２つのごとくである。
【００４４】
さらに、図２に示すように、復路ケース１４の前端面には前後方向に延在する燃料ガス移送管１５の一端が連結されている。燃料ガス移送管１５の他端は、上下方向に延びる直方体形状の燃料ガス導入ケース１６の上部に連結されている。
【００４５】
燃料ガス導入ケース１６は、燃料ガスマニホールド６１上に立設されている。燃料ガス導入ケース１６は、左右方向の幅に比べて前後方向の厚さが薄い平たい箱形形状である。左右方向の幅は、図示の例では燃料ガスマニホールド６１の幅のほぼ半分であるが、被改質ガス供給管１１や水供給管１９の配置に支障とならなければ、さらに幅を拡張してもよい。燃料ガス導入ケース１６の下端１６ａは燃料ガスマニホールド６１と連通しており、例えば、燃料ガスマニホールド６１の天板６１ａの一部に穿設した連通孔６１ｂ上に立設する。
【００４６】
従って、改質器１０から送出された燃料ガスは、燃料ガス移送管１５を通って燃料ガス導入ケース１６内に流入し、矢印で示すように鉛直方向に降下して燃料ガスマニホールド６１へ流入する。燃料ガスは、燃料ガス導入ケース１６の幅全体に均一に拡散しつつ降下する。燃料ガスマニホールド６１内に流入した燃料ガスは、矢印で示すように各燃料ガス室へと流れていく。
【００４７】
図３は、図２のＡ断面図であり、改質器１０の横断面の一例を示す。改質器１０の往路ケース１２内に形成されたガス室１２ａには、被改質ガスと水の流入部側に空洞の気化部１２ｂが設けられる。気化部１２ｂでは水が水蒸気とされ、水蒸気が被改質ガスと混合される。このときの気化熱として燃焼ガスの熱量が利用される。気化部１２ｂには、例えばジルコニア球等の耐熱性球体が充填され、球体の間隙をガスが流通する際に発生する乱流により水蒸気と被改質ガスが十分に混合され、かつ予熱される。続いて、連結ケース１３内のガス室１３ａを通り、復路ケース１４へと流入する。復路ケース１４内に形成されたガス室１４ａには、改質触媒１４ｂが収容されており、水素リッチな燃料ガスへと改質される。そして、復路ケース１４から送出された燃料ガスは、燃料ガス移送管１５を経て燃料ガス導入ケース１６へと流入し、降下する。図中、破線矢印は、被改質ガスまたは燃料ガス及び水または水蒸気の流れを示す。
【００４８】
図４は、図２のＢ断面図であり、燃料ガスマニホールド６１の横断面の一例を示す。燃料ガスマニホールド６１の前端近傍には燃料ガス導入室６２ｃが設けられる。燃料ガス導入室６２ｃの天井の一部に、燃料ガス導入ケースとの連通孔が設けられている。燃料ガス導入室６２ｃと各燃料ガス室６２ａ、６２ｂとはそれぞれ燃料ガス導入口６３ａ、６３ｂを介して連通している。燃料ガス導入室６２ｃは、燃料ガスの流れの不均一を緩和する緩衝室としての役割を果たし、均一化された燃料ガスが均等に各燃料ガス室６２ａ、６２ｂ内に流入することになる。図中、破線矢印は、燃料ガスの流れを示す。別の実施例として、２つの燃料ガス室６２ａと６２ｂの間の仕切り壁に適宜の数及び形状の連通孔を形成してもよい。この場合には、２つの燃料ガス室６２ａと６２ｂの間で燃料ガスが流通可能であるため、燃料ガスの分配性がさらに良好となる。
【００４９】
図５は、図１の燃料電池の酸素含有ガス導入管の装着形態の一例を示す分解斜視図である。尚、図５では、４つのセルスタック３０ａ〜３１ｂが現れるように、図２における燃料ガス導入ケース１６の図示を省略している。図１も参照して説明すると、隔壁板４６は、発電・燃焼室８と上部ガス室４２との間に介在し、３つの酸素含有ガス導入管４３ａ、４３ｂ、４３ｃをそれぞれ通すための開口４８ａ、４８ｂ、４８ｃを穿設している。隔壁板４６の左右端部には、各熱交換器と連通する流入開口４５もそれぞれ穿設されている。
【００５０】
図５に示すように、例えば酸素含有ガス導入管４３ａは、複数の管体を前後方向に一列に配列させた集合体として形成され、各管体の上端が平板状の集合金具４７ａに穿設した複数の取付孔にそれぞれ取り付けられている。また、一列に配列した複数の管体は、１つの直方体形状の断熱材５ａの中に挿通されている。そして、酸素含有ガス導入管４３ａを開口４８ａに通した状態で、集合金具４７ａが隔壁板４６の上面上に固定される。他の酸素含有ガス導入管４３ｂ、４３ｃについても同様である。組み立てられた状態では、両側の２つの酸素含有ガス導入管４３ａと４３ｃがセルスタック集合体の左右両側のセルスタック３０ｂと３１ｂのそれぞれの外側に配置される。一方、中央の酸素含有ガス導入管４３ｂは、略Ｕ字形状の改質器１０の中央スペースを通って中央のセルスタック３０ａと３１ａの間に配置される。尚、上記形態では、酸素含有ガス導入間４３ａ等により、上方から下方に酸素含有ガスを供給した場合について説明したが、酸素含有ガスを発電・燃焼室８の底面側からすなわち下方から上方に供給するようにしてもよい。
【００５１】
再び図１を参照する。左右方向に複数配列したセルスタック同士の間に、酸素含有ガス導入管が挿入配置されていない場合、例えばセルスタック３０ａと３０ｂの間、及びセルスタック３１ａと３１ｂの間には、断熱材６ａ、６ｂがそれぞれ配置されている。このようなセルスタック間の上方には、改質器１０の往路ケース１２または復路ケース１４があるため、上方から酸素含有ガス導入管を垂下させることができない。このような空間を断熱材６ａ、６ｂで塞ぐことにより不都合な空気の流れを阻止して、熱放散を防ぐことができる。図６Ｂは、断熱材６ａ、６ｂの形状の一例を示す斜視図である。セルスタック間に挿入される部分は、セルスタック同士の間隔と同程度の厚さをもつ平板形状であり、後端部に下方に延びる延長部分６ａ１、６ｂ１を設けている。この延長部分により燃料ガスマニホールド６１の後面側における左右方向の空気の流れを遮断することができる。
【００５２】
図７は、本発明の燃料電池の別の実施例を示す。前述の図１の実施例では、セルスタック集合体が４つのセルスタックを含んでいたが、図７の燃料電池１ａでは、セルスタック集合体が２つのセルスタック３０ａ、３１ａを含む。この場合、左側のセルスタック３０ａの上方に改質器１０の往路ケース１２が延在し、右側のセルスタック３１ａの上方に復路ケース１４が延在する。
【００５３】
図７のセルスタック集合体が、図１の実施例と同数の燃料電池セルを含むとすれば、図７の燃料電池１ａのセルスタック集合体は、図１の燃料電池１のセルスタック集合体よりも前後方向に長くなる。また、左右１つずつのセルスタックしかないため、図６Ａに示したセルスタック間の断熱材は設けられていない。その他の構成要素は、図１の燃料電池１と同じである。
【００５４】
以上の通り、本発明では、概ね左右対称の略Ｕ字形状の改質器がセルスタック集合体の上方に配置される関係上、セルスタック集合体が同数ずつのセルスタックを含む左側セルスタック群と右側セルスタック群から構成されることが好ましい。しかしながら、セルスタック集合体に含まれるセルスタック数は、実施例に示した２つまたは４つに限定されない。
【００５５】
ここで、参考のために図８を参照して本発明の実施例におけるセルスタックの構成の一例を示す。図８は、例えば図１に示したセルスタック３０ａの横断面図である。各燃料電池セル３２は電極支持基板３３、内側電極層である燃料極層３４、固体電解質層３５、外側電極層である酸素極層３６、及びインターコネクタ３７から構成されている。電極支持基板３３は上下方向に細長く延びる板状片であり、平坦な両面と半円形状の両側面を有する。電極支持基板３３にはこれを鉛直方向に貫通する複数個（図示の場合は４個）の燃料ガス通路３８が形成されている。電極支持基板３３の各々は、例えば燃料ガスマニホールドの上面に設けたスリットに対応するように配置され、耐熱性に優れたセラミック接着剤によって接合される。このスリットを通して燃料ガスが燃料ガス通路３８へ送られる。
【００５６】
インターコネクタ３７は電極支持基板３３の片面上に配設されている。燃料極層３４は電極支持基板３３の他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３７の両端に接合されている。固体電解質層３５は燃料極層３４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３７の両端に接合されている。酸素極層３６は、固体電解質層３５の主部上、即ち電極支持基板３３の他面を覆う部分上に配置され、電極支持基板板３３を挟んでインターコネクタ３７に対向する位置にある。
【００５７】
セルスタック３０ａにおける隣接する燃料電池セル３２間には集電部材３９が配設されており、一方の燃料電池セル３２のインターコネクタ３７と他方の燃料電池セル３２の酸素極層３６とを接続している。セルスタック３０ａの両端、即ち図８において上端及び下端に位置するセルの片面及び他面にも集電部材が配設されている。セルスタックの両端に位置する集電部材には電力取出手段（図示せず）が接続されており、かかる電力取出手段はハウジングを貫通してハウジング外に延在させられる。
【００５８】
図１及び図２を再び参照して、本発明の燃料電池における発電時の工程を説明する。上述したとおりの燃料電池１においては、被改質ガスが被改質ガス供給管１１を介して改質器１０に供給され、改質器１０内において水素リッチな燃料ガスに改質された後に、燃料ガス移送管１５及び燃料ガス導入ケース１６を介して燃料ガスマニホールド６１内に規定されている燃料ガス室６２ａ、６２ｂに供給され、次いでセルスタックに供給される。
【００５９】
一方、空気でよい酸素含有ガスは、二重筒体５０の流入用筒体５４から流入部７７を通して熱交換器７１の流入路７５に供給され、次いで上部ガス室４２から酸素含有ガス導入管４３ａ等により発電・燃焼室８内で噴射される。セルスタック３０ａ〜３１ｂ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。
【００６０】
セルスタック３０ａ〜３１ｂにおける発電に使用されなかった燃料ガス及び酸素含有ガスは、発電・燃焼室８の上方に流動し、適宜の位置に配設されている点火手段（図示せず）によって点火されて燃焼される。周知の如く、セルスタックにおける発電に起因して、そしてまた燃料ガスと酸素含有ガスとの燃焼に起因して発電・燃焼室８内は例えば７００〜１０００℃程度の高温になる。そして、発電・燃焼室８の天井面近傍に開口する排出開口７２を通して燃焼ガスが熱交換器７１の排出路７６へ流入する。そして、排出部７８を経て排出用筒体５２から排出される。
【００６１】
斯かる発電時の工程において、改質器１０は発電・燃焼室８内に配設され、セルスタック３０ａ〜３０ｄの直ぐ上方に位置することから、燃焼炎による直接的な加熱も含め、発電・燃焼室８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。
【００６２】
以上、添付図面を参照して本発明の好適な実施例について詳細に説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変形乃至修正が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の燃料電池の実施例を示す縦断面図である。
【図２】図１の燃料電池の一部である発電・燃焼室内を概略的に示す斜視図である。
【図３】図２のＡ断面図である。
【図４】図２のＢ断面図である。
【図５】図１の燃料電池の酸素含有ガス導入管の装着形態を示す分解斜視図である。
【図６Ａ】図１の燃料電池の発電・燃焼室内の断熱材の装着形態を示す斜視図である。
【図６Ｂ】図６Ａの断熱材の全体斜視図である。
【図７】本発明の燃料電池の他の形態を示す縦断面図である。
【図８】図２のセルスタックを示す断面図である。
【図９】従来の燃料電池の形態を一部省略して示す斜視図である。
【符号の説明】
【００６４】
１  燃料電池
２  ハウジング
６ａ、６ｂ  セルスタック間断熱材
８  発電・燃焼室
１０  改質器
１１  被改質ガス供給管
１２  往路ケース
１２ａ  ガス室
１２ｂ  気化部
１２ｃ  改質触媒
１３  連結ケース
１３ａ  ガス室
１４  復路ケース
１４ｂ  改質触媒
１５  燃料ガス移送管
１６  燃料ガス導入ケース
１９  水供給管
３０ａ、３０ｂ、３１ａ、３１ｂ  セルスタック
３２  燃料電池セル
４２  上部ガス室
４３ａ、４３ｂ、４３ｃ  酸素含有ガス導入管
６１  燃料ガスマニホールド
【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６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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