(57)【要約】【課題】周辺機器への影響を及ぼすことがなく、酸化などによる劣化が小さい着火源を有する燃料電池及び燃料電池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を収容してなり、燃料電池セル６２内を通過して導出されるガスと、燃料電池セル６２外のガスが反応して燃焼する燃料電池であって、ハウジング２内に着火用セラミックヒータ８５、９５、９７が収容されている。【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り、前記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が反応して燃焼する燃料電池であって、前記ハウジング内に着火用セラミックヒータが収容されており、該着火用セラミックヒータは、前記燃料電池セルのガス導出側端近傍でかつ前記燃料電池セル内を通過して導出されたガスの燃焼炎に直接曝されない位置に設けられていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記着火用セラミックヒータは、前記燃料電池セルのガス導出方向における延長線上から離間した位置に設けられてい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】
前記燃料電池セル近傍に断熱材が配置されており、該断熱材に前記着火用セラミックヒータが設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記着火用セラミックヒータは、前記ハウジングの壁に形成された貫通孔を介して外部から着脱可能に設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれかに記載の燃料電池。
【請求項５】
前記燃料電池セルの近傍に改質器が設けられており、前記着火用セラミックヒータが、前記燃料電池セルと前記改質器との間に設けられていることを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれかに記載の燃料電池。
【請求項６】
前記着火用セラミックヒータは、着火時に、前記燃料電池セルのガス導出側へ突出可能に構成されていることを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれかに記載の燃料電池。
【請求項７】
前記ハウジング内には燃焼を感知する熱センサが設けられていることを特徴とする請求項１乃至６のうちいずれかに記載の燃料電池。
【請求項８】
前記ハウジング内には予備の着火用セラミックヒータが設けられていることを特徴とする請求項１乃至７のうちいずれかに記載の燃料電池。
【請求項９】
ハウジング内に複数の燃料電池セルからなるセルスタックを複数収容してなり、前記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が反応して燃焼する燃料電池の運転方法であって、それぞれの前記セルスタックに一定時間をおいて着火することを特徴とする燃料電池の運転方法。
【請求項１０】
隣設するセルスタックに順次着火することを特徴とする請求項９記載の燃料電池の運転方法。
【請求項１１】
ハウジング内には複数のセルスタックが整列しており、該整列したセルスタックの一方側から着火することを特徴とする請求項９又は１０記載の燃料電池の運転方法。
【請求項１２】
複数のセルスタックにはそれぞれガスが供給されるように構成されており、着火時にそれぞれの前記セルスタックに一定時間をおいてガスが供給されることを特徴とする請求項９乃至１１のうちいずれかに記載の燃料電池の運転方法。
【請求項１３】
着火用セラミックヒータにより着火されることを特徴とする請求項１０乃至１２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、燃料電池及び燃料電池の運転方法に関し、特に家庭用、店舗用として好適に用いられる燃料電池及び燃料電池の運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
次世代エネルギーとして、近年、固体高分子型、リン酸型、溶融炭酸塩型及び個体電解質型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。特に、固体電解質型燃料電池発電システムは、作動温度が１０００℃程度と高いが、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。
【０００３】
燃料電池発電システムの典型例においては、発電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燃料電池セルとを含む燃料電池が装備されている。かかる燃料電池には、セルに燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段、セルに空気を供給するための空気供給手段、及び発電・燃焼室から燃焼ガスを排出するための燃焼ガス排出手段も付設されている。
【０００４】
このような燃料電池では、発電部から排出される未反応燃料と未反応空気が反応して燃焼されるが、燃料電池の起動の際に燃焼させるためには、燃料ガスと空気だけでなく、着火源が必要となる（例えば、特許文献１参照）。従来、着火源として、点火プラグやニクロム線等の金属系ヒータなどが用いられていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−２４９２５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、点火プラグを着火源として使用した場合、以下の問題点が明らかとなった。即ち、イグナイタなどの点火プラグを使用する際、端子間に高電圧を早い周期で発生させるためノイズが発生するが、このノイズが燃料電池に付随するインバータやシーケンサなどの電子機器の誤動作を引き起こす可能性がある。
【０００７】
また、点火プラグや金属系ヒータなどの着火源は、未反応ガスへの着火後に燃焼ガスに曝されるが、点火プラグ、金属系ヒータ自体は金属材料であるため、長時間高温の燃焼ガスに曝されると、酸化などにより劣化が激しく、寿命が短いという問題があった。
【０００８】
本発明は、周辺機器への影響を及ぼすことがなく、酸化などによる劣化が小さい着火源を有する燃料電池及び燃料電池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】
【０００９】
本発明の燃料電池では、ハウジング内に複数の燃料電池セルを収容してなり、前記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が反応して燃焼する燃料電池であって、前記ハウジング内に着火用セラミックヒータが収容されており、該着火用セラミックヒータは、前記燃料電池セルのガス導出側端近傍に設けられていることを特徴とする。セラミックヒータは１０００℃程度の高温になり着火源として十分機能し、しかも、従来用いられていた点火プラグ等で問題となったようなノイズは発生しないので、周辺機器への影響はなく、燃料電池の着火源として好適に用いることができる。また、
着火後、セラミックヒータは高温の燃焼ガス雰囲気に曝されるが、セラミックヒータの外郭は高温雰囲気でも耐食性にすぐれたセラミックスであるため、長時間高温燃焼ガスに曝されても、材料劣化がほとんどなく寿命が長くなり、結果として燃料電池自体の寿命が長くなる。
【００１０】
また、着火用セラミックヒータは、燃料電池セルのガス導出側端近傍に設けられていることを特徴とする。例えば、セラミックヒータは、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部のガスの混合雰囲気中に設けられている。また、セラミックヒータは、燃料電池セル内を通過して導出されるガス導出方向側に設けられている。このような燃料電池では、着火用セラミックヒータにより確実に着火できる。
【００１１】
また、本発明の燃料電池では、着火用セラミックヒータは、燃料電池セルのガス導出方向における延長線上から離間した位置に設けられていることを特徴とする。また、燃料電池セル近傍に断熱材が配置されており、該断熱材にセラミックヒータが設けられていることを特徴とする。このような燃料電池では、セラミックヒータが燃焼炎に直接曝されないため、セラミックヒータの劣化を防止できる。
【００１２】
さらに、本発明の燃料電池では、着火用セラミックヒータは、ハウジングの壁を貫通して設けられていることを特徴とする。このような燃料電池では、セラミックヒータへの配線が簡単になるので構造を簡略化できる。また、着火用セラミックヒータは、ハウジングの壁に形成された貫通孔を介して外部から着脱可能に設けられていることを特徴とする。このような燃料電池では、破損時等に容易に取り外し、新たなセラミックヒータを設置することができ、メンテナンスが容易となる。
【００１３】
また、本発明の燃料電池では、燃料電池セルの近傍に改質器が設けられており、セラミックヒータが、前記燃料電池セルと前記改質器との間に設けられていることを特徴とする。このような燃料電池では、燃料電池セルと改質器との間の燃料ガス濃度の高い部分に着火用セラミックヒータを設けることができるため、着火をスムーズに行うことができる。
【００１４】
さらに、本発明の燃料電池では、燃料電池セルの近傍に改質器が設けられており、着火用セラミックヒータが、前記改質器の前記燃料電池セル側の面に設けられていることを特徴とする。このような燃料電池では、着火用セラミックヒータの設置が容易となるとともに、確実に着火できる。
【００１５】
また、本発明の燃料電池では、着火用セラミックヒータは、着火時に、燃料電池セルのガス導出側近傍へ突出可能に構成されている。このような燃料電池では、着火時のみセラミックヒータが燃焼炎近傍に存在し、その後、燃焼炎から離れるため、着火用セラミックヒータの劣化を防止できる。
【００１６】
さらに、本発明の燃料電池では、ハウジング内には、燃焼を感知する熱センサが設けられていることを特徴とする。このような燃料電池では、着火用セラミックヒータによる着火が行われたか否かを熱センサにより確認できるため、不燃ガスの漏出を防止でき、安全性を確保できる。
【００１７】
また、本発明の燃料電池では、ハウジング内には予備の着火用セラミックヒータが設けられていることを特徴とする。このような燃料電池では、一方の着火用セラミックヒータが劣化したとしても、他方の着火用セラミックヒータを用いて着火することができる。
【００１８】
本発明の燃料電池の運転方法では、ハウジング内に複数の燃料電池セルからなるセルスタックを複数収容してなり、前記燃料電池セル内を通過して導出されるガスと、前記燃料
電池セル外のガスが反応して燃焼する燃料電池の運転方法であって、それぞれの前記セルスタックに一定時間をおいて着火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、複数のセルスタックに一挙に同時に着火することなく、複数のセルスタックに一定のタイムラグをおいて着火していくことになるため、多量のガスが一挙に燃焼することを避けることができ、安全性を高めることができる。
【００１９】
また、本発明の燃料電池の運転方法は、隣設するセルスタックに順次着火することを特徴とする。また、ハウジング内には複数のセルスタックが整列しており、該整列したセルスタックの一方側から着火することを特徴とする。この場合には、例えば、１個の着火用セラミックヒータにより、１個のセルスタックに着火すると、着火したセルスタックから隣設するセルスタックへと着火し、全てのセルスタックに順次着火することができる。
【００２０】
さらに、本発明の燃料電池の運転方法は、複数のセルスタックにはそれぞれガスが供給されるように構成されており、着火時にそれぞれの前記セルスタックに一定時間をおいてガスが供給され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、例えば、１個のセラミックヒータにより、１個のセルスタックに着火すると、着火したセルスタックから隣設するセルスタックへと着火していき、全てのセルスタックに順次着火することができるが、その時間差をそれぞれのセルスタックへのガス供給により制御できるため、着火タイミングを性格に制御でき、安全性をより確実とすることができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の燃料電池では、着火源として着火用セラミックヒータを用いたため、着火源として十分機能するとともに、従来の点火プラグ等で問題となったようなノイズは発生しないので、周辺機器への影響はなく、燃料電池の着火源として好適に用いることができる。また、着火後、セラミックヒータは高温の燃焼ガス雰囲気に曝されることもあるが、セラミックヒータの外郭は高温雰囲気でも耐食性にすぐれたセラミックスであるため、長時間高温燃焼ガスに曝されても、材料劣化がほとんどなく寿命が長くなり、結果として燃料電池自体の寿命を長くできる。
【００２２】
また、本発明の燃料電池の運転方法では、複数のセルスタックに一挙に同時に着火することなく、一定のタイムラグをおいて着火することになるため、多量のガスが一挙に燃焼を開始することを避けることができ、安全性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【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の燃料電池に使用されている発電ユニット集合体を示す斜面図。
【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】図１のセラミックヒータ近傍を示す拡大断面図。
【図７】セラミックヒータの他の配置形態を示す説明図。
【図８】セラミックヒータのさらに他の配置形態を示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本発明の燃料電池を図１、２及び図３を参照して説明すると、図示の燃料電池は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個の壁面には適宜の断熱材料から形成された断熱壁、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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。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。
【００２７】
そして、本発明の燃料電池では、空気室１６に、低温ガス供給管１８からなる低温ガス供給手段が設けられており、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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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の各々と発電・燃焼室１２との間には断熱部材４４が配設されているが、かかる断熱部材４４の上端は排出開口４２の下縁と実質上同高乃至これより幾分下方に位置せしめられており、排出開口４２は断熱部材４４の上方に残留せしめられている空間を通して発電・燃焼室１２に連通せしめられている。
【００３４】
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、加熱ガス供給手段を構成している。熱交換器２４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。
【００３５】
而して、図示の燃料電池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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
電極支持基板６４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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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及び／又は後断熱壁１１、または、下断熱壁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。
【００４２】
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。
【００４３】
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４４０Ｃ／ｃｍ以上であるのが好ましい。
【００４４】
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（安定化ジルコニアを称されている）とＮｉ及び／又はＮｉＯとから形成することができる。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
そして、本発明の燃料電池では、図１、図６に示すように、着火用セラミックヒータ８５は、ハウジング壁である右側断熱壁８、熱交換器２４、断熱部材４４を貫通して設けられている。言い換えれば、図１に示したように、セルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ、６０ｄのうち、最も端に存在するセルスタック６０ｄ近傍に、セラミックヒータ８５が設けられている。具体的には、着火用セラミックヒータ８５は、右側断熱壁８、熱交換器２４、断熱部材４４を貫通する筒状容器８６内に収容され、燃料電池セル上方に設けられた改質器７８と燃料電池セル６２との間に位置している。このセラミックヒータ８５は、筒状容器８６を介して外部から着脱可能に設けられている。筒状容器８６の外側には開閉用の外側蓋が配置されており、内部のガスが漏出しないように構成されている。この外側蓋を挿通して外部からセラミックヒータ８５に通電可能に構成されている。
【００５５】
また、セラミックヒータ８５は、例えば、Ｗ、Ｍｏ等からなる発熱体を、アルミナ、炭化珪素、窒化珪素等のセラミックで被覆して構成されている。
【００５６】
セラミックヒータ８５は、燃料電池セル６２の近傍、即ち、燃料電池セル６２内を通過して導出される燃料ガスのガス導出方向側に設けられており、燃焼炎に直接曝されない位置に位置している。言い換えれば、セラミックヒータ８５は、燃料電池セルのガス導出方向における延長線Ｌ上から離間した位置に設けられている。
【００５７】
尚、着火時に、燃料電池セル６２のガス導出側近傍、言い換えると、燃料電池セル内を通過して導出されるガスと燃料電池セル外のガスの混合ガス側に突出するように構成、即ち、セラミックヒータ８５は着火時には燃料電池セル６２のガス導出側近傍に突出するが、着火後は、筒状容器８６内に収容されるように構成することが望ましい。これにより燃
焼ガスへの接触が抑制され、劣化を防止できる。さらに、筒状容器８６の内部側に開閉可能な内側蓋を設け、着火後にはセラミックヒータ８５を収容した状態で筒状容器８６が内側蓋で密閉されるように構成することにより、さらにセラミックヒータ８５の劣化を防止できる。尚、突出可能に形成することなく、当初から燃料電池セルのガス導出側近傍、例えば、燃料電池セル内を通過して導出されるガスと燃料電池セル外部のガスの混合雰囲気中に固定されていても、着火可能である。
【００５８】
また、ハウジング内には、図２に示したように、燃料電池セル内を通過して導出されるガスと燃料電池セル外のガスの混合ガスの燃焼を感知する、例えば熱電対等の熱センサ８９が設けられている。この熱センサ８９は、セラミックヒータ８５とほぼ同高さに並設されており、セラミックヒータ８５と同様、右側断熱壁８、熱交換器２４、断熱部材４４を貫通する筒状容器９１内に収容され、外部の制御装置と接続されている。
【００５９】
図７は、セラミックヒータの他の配置形態を示すもので、この形態では、セルスタック６０ｄ近傍に、セルスタック６０ｄの上端面よりも、少々高い断熱材９３が並設されており、この断熱材９３の上端面にセラミックヒータ９５が設けられている。このような形態では、燃焼炎にセラミックヒータ９５が直接曝されないため、セラミックヒータ９５の劣化を防止できる。尚、図１に示すような断熱部材４４をセルスタック６０ｄの近傍に配置し、貫通孔を設け、この貫通孔内にセラミックヒータ９５を設けても良い。
【００６０】
図８は、セラミックヒータのさらに他の配置形態を示すもので、この形態では、燃料電池セル６０ｄ上方の改質器７８ｄの下面、即ち、セルスタック６０ｄとの対向面に、セラミックヒータ９７が配置されている。このような燃料電池でも、確実に着火できる。
【００６１】
尚、上記図１、図６、図７、図８の形態では、セルスタック６０ｄのガス導出側近傍のみにセラミックヒータ８５、９５、９７を設けた例を示したが、セルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃのどのセルスタックの上でもかまわない。また、１個のセラミックヒータだけでなく、複数のセラミックヒータを設けても良い。  このような燃料電池では、定常状態では、空気と燃料電池セルを通過した燃料ガスが反応燃焼して燃焼ガスが発生するが、温度が室温などの低い場合、例えば、起動時などでは、燃焼させるために着火源が必要となる。本発明においては、セルスタック６０ｄと改質ケース７８ｄとの間の位置にセラミックヒータ８５、９５、９７を設置し、このセラミックヒータ８５、９５、９７の発熱を燃焼の着火源とするものである。セラミックヒータ８５、９５、９７は１０００℃程度の高温になり、着火源として十分機能する。しかも、作動時に他の機器に影響するようなノイズを発生しないので、燃料電池発電システムの着火源として良好である。また、燃焼した後、着火源は高温の燃焼雰囲気に曝される場合もあるが、セラミックヒータ８５、９５、９７の外郭は高温雰囲気でも耐食性にすぐれたセラミックであるため、長時間高温燃焼ガスに曝されても、材料劣化がほとんどなく寿命が長くなり、結果として燃料電池発電システム自体の寿命が長くなる。万一、セラミックヒータ８５、９５、９７が破損したとしても、例えば、図１、図６の形態では、ハウジングの外部から簡単に脱着・挿入できるので、メンテナンスコストも抑えられる。さらに、予備のセラミックヒータを設けることにより、使用中のセラミックヒータ８５、９５、９７が破損したとしても、予備のセラミックヒータを使用でき、燃料電池の起動をスムーズに行うことができる。
【００６２】
上述したとおりの燃料電池においては、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。
【００６３】
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。
【００６４】
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セラミックヒータ８５、９５、９７によって点火されて燃焼される。
【００６５】
具体的に説明すると、起動時には、セルスタック６０ｄの上方に配置されたセラミックヒータ８５、９５、９７により、セルスタック６０ｄを構成する燃料電池セル、即ち、セル内部を導出される燃料ガスとセル外部を流れる空気の混合ガスに着火され、この後、一定時間後に隣設するセルスタック６０ｃに着火し、その後、一定時間後にセルスタック６０ｂ、さらにその後セルスタック６０ａに順次着火される。即ち、整列した４つのセルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄの一方側から順次着火される。順次着火する方法は、端に設けられたセルスタック６０ｄに着火し、自然着火することも可能であるが、一定時間をおいて確実に着火するには、セルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄにそれぞれ被改質ガスを供給する被改質ガス供給管８２ａ、８２ｂ、８２ｃ、８２ｄによる被改質ガスの供給を一定のタイムラグをおいて供給することが望ましい。
【００６６】
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７００〜１０００℃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。  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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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５
６ａ、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。
【００７０】
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。
【００７１】
さらに、多数回に渡って起動を繰り返すことによってセラミックヒータ８５、９５、９７が劣化した場合には、筒状容器８６の外側蓋を開いて、内部のセラミックヒータ８５、９５、９７を交換することができる。また、熱センサ８９も同様である。
【００７２】
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。
【００７３】
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を通らず低温ガス供給管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が提供される。
【００７４】
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、燃料電池発電システム全体の機能劣化が抑えられ寿命が延ばすことができる。
【００７５】
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、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。
【００７６】
以上、添付図面を参照して本発明の好適実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる実施形態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ことは多言するまでもない。
【００７７】
例えば、セルスタックの上方に特定の改質ケースを備えた燃料電池組立体に関連せしめて本発明を説明したが、改質ケースがセルスタックの上方以外の場合でも、本発明を適用することが出来る。
【００７８】
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、本発明は、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。
【００７９】
また、上記形態では、空気室に低温ガス供給手段を設けた例について説明したが、燃料ガス室に低温ガス供給手段を設け、燃料ガスにより燃料電池セルを冷却するようにしてもよいことは勿論である。
【符号の説明】
【００８０】
２：ハウジング
１２：発電・燃焼室
１６：空気室（ガス室）
１８：低温ガス供給管
２２：空気導入管（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
８５、９５、９７：着火用セラミックヒータ
【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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【図８】
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