(57)【要約】    【課題】  燃料電池スタック１における高温部と低温部との温度差を縮小する。    【解決手段】  燃料電池スタック１若しくはそのセルグループ１Ａ、１Ｂの側面図に沿って配置される酸化剤供給部材７を構成する扁平容器の流路断面の幅を、流路幅変更部材２１などにより、上下方向又は横方向に連続的に変化させる。又は、燃料電池スタック１の側面部に沿う排気流路１４の流路幅、あるいは、酸化剤流路１７の流路幅を、上下方向又は横方向に連続的に変化させる。【選択図】  図１
2015138580.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素富化燃料と酸化剤とを反応させて発電を行う複数の燃料電池セルの集合体である燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックの上端部から排出されるオフガスを燃焼させて前記燃料電池スタックを高温状態に維持するオフガス燃焼部と、
前記燃料電池スタックに前記酸化剤を供給するため、前記燃料電池スタック若しくはその一部を構成するセルグループの側面部に沿って配置される扁平容器からなり、扁平容器の上端部側に酸化剤導入口を有し、下端部側に酸化剤噴出口を有する酸化剤供給部材と、
前記燃料電池スタックの側面部に対向する側板を少なくとも有して前記燃料電池スタック及び前記オフガス燃焼部を内包する上部開放の燃焼室区画部材と、
前記燃焼室区画部材の側板の外側に配置される側板を少なくとも有して前記燃焼室区画部材の側板との間に前記オフガスの燃焼による排気ガスを上から下へ流通させる排気流路を形成する排気流路区画部材と、
前記排気流路区画部材の側板の外側に配置される側板を少なくとも有して前記排気流路区画部材の側板との間に前記酸化剤供給部材への酸化剤を下から上へ流通させる酸化剤流路を形成する酸化剤流路区画部材と、
を含んで構成され、
前記酸化剤供給部材の扁平容器の流路断面の幅、前記燃焼室区画部材の側板と前記排気流路区画部材の側板との距離である前記排気流路の流路幅、及び、前記排気流路区画部材の側板と前記酸化剤流路区画部材の側板との距離である前記酸化剤流路の流路幅のうち、少なくとも１つは、
前記燃料電池スタックの側面部に沿う上下方向、及び、前記燃料電池スタックの側面部に沿う横方向の少なくとも一方に連続的に異ならせてあることを特徴とする、燃料電池装置。
【請求項２】
前記酸化剤供給部材の扁平容器の流路断面の幅は、扁平容器の上下方向及び横方向の少なくとも一方に連続的に異ならせてあることを特徴とする、請求項１記載の燃料電池装置。
【請求項３】
前記酸化剤供給部材の扁平容器の流路断面の幅は、扁平容器の上端部から下端部側へ次第に広くなるように形成されることを特徴とする、請求項２記載の燃料電池装置。
【請求項４】
前記酸化剤供給部材の扁平容器の流路断面の幅は、扁平容器の上端部から下端部側へ次第に広くなった後、再び狭くなるように形成されることを特徴とする、請求項３記載の燃料電池装置。
【請求項５】
前記酸化剤供給部材の扁平容器の流路断面の幅は、扁平容器の横方向に中央部から両端部側へ次第に広くなるように形成されることを特徴とする、請求項２〜請求項４のいずれか１つに記載の燃料電池装置。
【請求項６】
前記酸化剤供給部材の扁平容器の流路断面の幅は、定格運転時の燃料電池スタックにおける上下方向の温度分布に従って、高温部ほど、狭くなるように、上下方向に異ならせてあることを特徴とする、請求項２記載の燃料電池装置。
【請求項７】
前記酸化剤供給部材の扁平容器の流路断面の幅は、定格運転時の燃料電池スタックにおける横方向の温度分布に従って、高温部ほど、狭くなるように、横方向に異ならせてあることを特徴とする、請求項２又は請求項６記載の燃料電池装置。
【請求項８】
前記酸化剤供給部材の扁平容器の流路断面の幅を異ならせるため、前記酸化剤供給部材の扁平容器内に挿入配置される流路幅変更部材を設けたことを特徴とする、請求項２〜請求項７のいずれか１つに記載の燃料電池装置。
【請求項９】
前記酸化剤供給部材の扁平容器の流路断面の幅の幅を異ならせるため、前記酸化剤供給部材の扁平容器の壁部を傾斜させることを特徴とする、請求項２〜請求項７のいずれか１つに記載の燃料電池装置。
【請求項１０】
前記燃焼室区画部材の側板と前記排気流路区画部材の側板との距離である前記排気流路の流路幅は、排気ガスの流れ方向である前記側板に沿う上下方向、及び、排気ガスの流れ方向と直交する前記側板に沿う横方向の少なくとも一方に連続的に異ならせてあることを特徴とする、請求項１記載の燃料電池装置。
【請求項１１】
前記排気流路の流路幅は、前記上下方向に、前記燃料電池スタックの上下方向の部位に対応して、上端部側から下端部側へ次第に広くなるように形成されることを特徴とする、請求項１０記載の燃料電池装置。
【請求項１２】
前記排気流路の流路幅は、前記横方向に、前記燃料電池スタックの横方向の部位に対応して、中央部側から両端部側へ次第に広くなるように形成されることを特徴とする、請求項１０又は請求項１１記載の燃料電池装置。
【請求項１３】
前記排気流路の流路幅は、定格運転時の前記燃料電池スタックにおける上下方向の温度分布に従って、高温部ほど、狭くなるように、上下方向に異ならせてあることを特徴とする、請求項１０記載の燃料電池装置。
【請求項１４】
前記排気流路の流路幅は、定格運転時の前記燃料電池スタックにおける横方向の温度分布に従って、高温部ほど、狭くなるように、横方向に異ならせてあることを特徴とする、請求項１０又は請求項１３記載の燃料電池装置。
【請求項１５】
前記排気流路の流路幅を異ならせるため、前記排気流路内に挿入配置される流路幅変更部材を設けたことを特徴とする、請求項１０〜請求項１４のいずれか１つに記載の燃料電池装置。
【請求項１６】
前記排気流路の流路幅を異ならせるため、前記排気流路を構成する燃焼室区画部材及び排気流路区画部材のうち少なくとも一方の側板を傾斜させることを特徴とする、請求項１０〜請求項１４のいずれか１つに記載の燃料電池装置。
【請求項１７】
前記排気流路区画部材の側板と前記酸化剤流路区画部材の側板との距離である前記酸化剤流路の流路幅は、酸化剤の流れ方向である前記側板に沿う上下方向、及び、酸化剤の流れ方向と直交する前記側板に沿う横方向の少なくとも一方に連続的に異ならせてあることを特徴とする、請求項１記載の燃料電池装置。
【請求項１８】
前記酸化剤流路の流路幅は、前記上下方向に、前記燃料電池スタックの上下方向の部位に対応して、上端部側から下端部側へ次第に広くなるように形成されることを特徴とする、請求項１７記載の燃料電池装置。
【請求項１９】
前記酸化剤流路の流路幅は、前記横方向に、前記燃料電池スタックの横方向の部位に対応して、中央部側から両端部側へ次第に広くなるように形成されることを特徴とする、請求項１７又は請求項１８記載の燃料電池装置。
【請求項２０】
前記酸化剤流路の流路幅は、定格運転時の前記燃料電池スタックにおける上下方向の温度分布に従って、高温部ほど、狭くなるように、上下方向に異ならせてあることを特徴とする、請求項１７記載の燃料電池装置。
【請求項２１】
前記酸化剤流路の流路幅は、定格運転時の前記燃料電池スタックにおける横方向の温度分布に従って、高温部ほど、狭くなるように、横方向に異ならせてあることを特徴とする、請求項１７又は請求項２０記載の燃料電池装置。
【請求項２２】
前記酸化剤流路の流路幅を異ならせるため、前記酸化剤流路内に挿入配置される流路幅変更部材を設けたことを特徴とする、請求項１７〜請求項２１のいずれか１つに記載の燃料電池装置。
【請求項２３】
前記酸化剤流路の流路幅を異ならせるため、前記酸化剤流路を構成する排気流路区画部材及び酸化剤流路区画部材のうち少なくとも一方の側板を傾斜させることを特徴とする、請求項１７〜請求項２１のいずれか１つに記載の燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池装置に関し、特に固体酸化物形の燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池装置は、燃料電池システムの中核をなすもので、水素富化燃料（純水素を含む）と酸化剤（一般に空気）とを反応させて発電を行う複数の燃料電池セルの集合体である燃料電池スタックと、燃料電池スタックの上端部から排出されるオフガスを燃焼させて燃料電池スタックを高温状態に維持するオフガス燃焼部と、燃料電池スタック及びオフガス燃焼部を取り囲む筐体と、を含んで構成される。
【０００３】
一方、燃料電池スタックに酸化剤を供給するための酸化剤供給部材は、燃料電池スタック若しくはその一部を構成するセルグループの側面部に沿って配置される扁平容器からなり、扁平容器の上端部側に酸化剤導入口を有し、下端部側に酸化剤噴出口を有している。
【０００４】
また、前記筐体は、燃料電池スタックの側面部に対向する側板を少なくとも有して燃料電池スタック及びオフガス燃焼部を内包する上部開放の燃焼室区画部材と、燃焼室区画部材の側板の外側に配置される側板を少なくとも有して燃焼室区画部材の側板との間に前記オフガスの燃焼による排気ガスを上から下へ流通させる排気流路を形成する排気流路区画部材と、排気流路区画部材の側板の外側に配置される側板を少なくとも有して排気流路区画部材の側板との間に前記酸化剤供給部材への酸化剤を下から上へ流通させる酸化剤流路を形成する酸化剤流路区画部材と、を含んで構成される。
【０００５】
ところで、上記のような燃料電池装置では、燃料電池スタックの上端部側でオフガスを燃焼させる構成のため、燃料電池スタックの上端部側の温度が高く、下端部側の温度が低いという上下方向の温度差を生じる。また、酸化剤供給部材によって燃料電池スタックの下端部側に酸化剤を供給する構成のため、燃料電池スタックの下端部の温度は更に低下し、上下方向の温度差は更に大きくなる。
【０００６】
そこで、特許文献１に記載の技術では、燃料電池セルの上下方向の温度差を小さくするため、酸化剤供給部材は、燃料電池スタックの下端部側と対応する部位に比較して、燃料電池スタックの上端部側と対応する部位において、高い熱伝導率を有する構成としている。具体的には、酸化剤供給部材の上端部側に燃料電池スタックの上端部側との熱交換を促進するようにフィン、ディンプル等を設けている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１１−１２９４８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１に記載の技術では、燃料電池スタックの上端部（高温部）に対応する酸化剤供給部材の特定部位にのみ、熱伝導率を高める構造を設けており、「高温部」の全域に対応させて、同一の形状のフィン、ディンプル等を設けている。
このため、上下方向の温度分布の均一化には限度があった。すなわち、「高温部」においても温度分布が存在し、また「高温部」以外においても温度分布が存在しているが、これらについては、温度分布の均一化を図ることができなかった。
【０００９】
また、燃料電池スタックには上下方向のみならず、横方向の温度分布（横方向中央部が高温で、両端部にいくほど低温）も存在しており、これには対応できなかった。
【００１０】
本発明は、このような実状に鑑み、燃料電池スタックの温度分布をより効果的に均一化することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の課題を解決するために、本発明は、酸化剤供給部材の扁平容器の流路断面の幅（流路幅）、燃焼室区画部材の側板と排気流路区画部材の側板との距離である排気流路の流路幅、及び、排気流路区画部材の側板と酸化剤流路区画部材の側板との距離である酸化剤流路の流路幅のうち、少なくとも１つを、燃料電池スタックの側面部に沿う上下方向、及び、燃料電池スタックの側面部に沿う横方向の少なくとも一方に連続的に異ならせる構成とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、酸化剤や排気ガスの流路幅を上下方向に連続的に異ならせ、例えば上端部側から下端部側へ流路幅を次第に広くすることで、上端部側で流路幅を狭くして酸化剤や排気ガスの流速を高め、熱交換効率を向上させることにより、燃料電池スタックの上端部（高温部）の熱を酸化剤や排気ガスにより相対的に多く奪って、燃料電池スタックの上下方向の温度分布の均一化を図ることができる。
【００１３】
また、酸化剤や排気ガスの流路幅を横方向に連続的に異ならせ、例えば横方向中央部側から両端部側へ流路幅を次第に広くすることで、中央部側で流路幅を狭くして酸化剤や排気ガスの流速を高め、熱交換効率を向上させることにより、燃料電池スタックの横方向中央部（高温部）の熱を酸化剤や排気ガスにより相対的に多く奪って、燃料電池スタックの横方向の温度分布の均一化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１実施形態を示す燃料電池装置の概略正面図
【図２】第１実施形態の燃料電池装置の概略平面図
【図３】第１実施形態の燃料電池装置の概略側面図
【図４】酸化剤供給部材の構造例１〜４を示す概略断面図
【図５】構造例１、２の具体例を示す斜視図
【図６】酸化剤供給部材内の酸化剤の温度特性を示す図
【図７】構造例３の具体例を示す斜視図
【図８】構造例３の別の具体例を示す斜視図
【図９】構造例４の具体例を示す斜視図
【図１０】酸化剤供給部材の構造例５〜７を示す概略平面図
【図１１】構造例５の具体例を示す斜視図
【図１２】構造例７の具体例を示す斜視図
【図１３】構造例１、２と構造例５との組み合わせの具体例を示す斜視図
【図１４】構造例４と構造例７との組み合わせの具体例を示す斜視図
【図１５】本発明の第２実施形態を示す燃料電池装置の概略正面図
【図１６】本発明の第３実施形態を示す燃料電池装置の概略正面図
【図１７】第３実施形態の燃料電池装置の概略平面図
【図１８】第３実施形態での流路幅変更部材の概略斜視図
【図１９】本発明の第４実施形態を示す燃料電池装置の概略正面図
【図２０】第４実施形態の燃料電池装置の概略平面図
【図２１】第４実施形態での流路幅変更部材の概略斜視図
【図２２】本発明の第５実施形態での流路幅変更部材の概略斜視図
【図２３】本発明の第６実施形態を示す燃料電池装置の概略正面図
【図２４】本発明の第７実施形態を示す燃料電池装置の概略平面図
【図２５】本発明の第８実施形態を示す燃料電池装置の概略正面図
【図２６】第８実施形態の燃料電池装置の概略平面図
【図２７】本発明の第９実施形態を示す燃料電池装置の概略正面図
【図２８】第９実施形態の燃料電池装置の概略平面図
【図２９】第９実施形態での流路幅変更部材の概略斜視図
【図３０】本発明の第１０実施形態を示す燃料電池装置の概略正面図
【図３１】第１０実施形態の燃料電池装置の概略平面図
【図３２】第１０実施形態での流路幅変更部材の概略斜視図
【図３３】本発明の第１１実施形態での流路幅変更部材の概略斜視図
【図３４】本発明の第１２実施形態を示す燃料電池装置の概略正面図
【図３５】本発明の第１３実施形態を示す燃料電池装置の概略平面図
【図３６】本発明の第１４実施形態を示す燃料電池装置の概略正面図
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
図１は本発明の第１実施形態を示す燃料電池装置の概略正面図、図２は同上の燃料電池装置の概略平面図、図３は同上の燃料電池装置の概略側面図である。
【００１６】
本実施形態の燃料電池装置は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）方式であり、筐体（１１、１２、１３）内に、複数の燃料電池セルの集合体である燃料電池スタック１、オフガス燃焼部３、燃料改質器５、及び、酸化剤供給部材７を備える。
【００１７】
筐体としては、最内側の燃焼室区画部材１１と中間の排気流路区画部材１２と最外側の酸化剤流路区画部材１３とが設けられる。
燃焼室区画部材１１は、正面視で、左右一対の側板１１ａ、１１ｂと底板１１ｃとを有し、上部開放のチャンネル状に形成されている。この燃焼室区画部材１１内に燃料電池スタック１、オフガス燃焼部３、燃料改質器５、及び、酸化剤供給部材７が配置される。
排気流路区画部材１２は、正面視で、左右一対の側板１２ａ、１２ｂと底板１２ｃと天板１２ｄとを有し、箱状に形成されている。
酸化剤流路区画部材１３は、正面視で、左右一対の側板１３ａ、１３ｂと底板１３ｃと天板１３ｄとを有し、箱状に形成されている。
【００１８】
燃料電池スタック１は、複数の固体酸化物形燃料電池セルを集合し電気的に直列（及び並列）に接続してなる集合体であり、燃焼室区画部材１１の底部に配置される台座２上に立設されている。
各燃料電池セルは、上下方向に延びるセル支持体の表面に、アノード（燃料極）、固体酸化物からなる電解質、カソード（酸化剤極）を積層してなる。セル支持体は、その延在方向に沿って内部に燃料通路が形成されると共に、多孔質である。よって、アノードにはセル支持体内部から水素富化燃料が供給される。カソードには外部から酸化剤（一般に空気）が供給される。
【００１９】
電解質は、高温下で酸化物イオンを伝導する。アノードは、酸化物イオンと燃料中の水素とを反応させて、電子及び水を発生させる。カソードは、酸化剤中の酸素と電子とを反応させて、酸化物イオンを発生させる。
従って、各燃料電池セルのカソードにて、下記（１）式の電極反応が生起され、アノードにて、下記（２）式の電極反応が生起されて、発電がなされる。
カソード：  １／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｏ２−（電解質）    ・・・（１）
アノード：  Ｏ２−（電解質）＋Ｈ２→Ｈ２Ｏ＋２ｅ−   ・・・（２）
【００２０】
燃料電池装置には上記のような燃料電池セルが多数備えられ、これらは電気的に直列（及び並列）に接続されて、燃料電池セルの集合体である燃料電池スタック１を構成している。本実施形態では、燃料電池スタック１を構成する多数の燃料電池セルは、２つのグループ、すなわち第１セルグループ１Ａと第２セルグループ１Ｂとに分けられている。
【００２１】
ここで、燃料電池スタック１への水素富化燃料の供給は、台座２側（燃料電池スタック１の下端部側）からなされ、台座２は燃料分配機能を有している。水素富化燃料としては、燃料改質器５から改質燃料が供給される。
燃料電池スタック１への酸化剤（一般に空気）の供給は、後に詳述する酸化剤供給部材７を介してなされる。本実施形態では、酸化剤供給部材７は、燃料電池スタック１内、すなわち第１及び第２セルグループ１Ａ、１Ｂ間に臨んでいる。言い換えれば、燃料電池スタック１は、酸化剤供給部材７によって、第１セルグループ１Ａと第２セルグループ１Ｂとに分割されている。
【００２２】
オフガス燃焼部３は、燃料電池スタック１での余剰の水素富化燃料（発電未反応ガスとして排出されるオフガス）を余剰の酸化剤の存在下で燃焼させ、燃料電池スタック１及び燃料改質器５を高温状態に維持する。ここで、燃料電池スタック１の上端部が燃料電池スタック１からのオフガスの排出部となり、このオフガスは着火デバイス（図示せず）により着火されて燃焼する。従って、燃料電池スタック１の上端部側がオフガス燃焼部３となる。オフガス燃焼部３での燃焼熱により燃料電池スタック１は発電可能な高温状態に維持される。燃焼によって生成された高温の排気ガスは燃焼室区画部材１１上部の開放部から燃焼室区画部材１１の側板１１ａ、１１ｂと排気流路区画部材１２の側板１２ａ、１２ｂとの間に形成される排気流路１４を経て排気出口１５より筐体外に排出される。その廃熱は適宜熱利用される。
【００２３】
燃料改質器５は、改質触媒を用いた改質反応により、水素含有燃料を改質して、水素富化燃料（改質ガス）を生成する。このため、燃料改質器５には筐体外の燃料ポンプ（図示せず）により燃料が供給される。
【００２４】
水素含有燃料（原燃料）としては、一般に炭化水素系燃料が用いられる。ここでいう炭化水素系燃料とは、分子中に炭素と水素とを含む化合物（酸素等、他の元素を含んでいてもよい）若しくはそれらの混合物をいい、例えば、炭化水素類、アルコール類、エーテル類、バイオ燃料が挙げられる。具体的には、炭化水素類として、メタン、エタン、プロパン、ブタン、天然ガス、ＬＰＧ（液化石油ガス）、都市ガス、ガソリン、ナフサ、灯油、軽油が挙げられる。アルコール類として、メタノール、エタノールが挙げられる。エーテル類として、ジメチルエーテルが挙げられる。バイオ燃料として、バイオガス、バイオエタノール、バイオディーゼル、バイオジェットが挙げられる。
【００２５】
燃料改質器５での改質方式は、特に限定されず、例えば、水蒸気改質（ＳＲ）、部分酸化改質（ＰＯＸ）、自己熱改質（ＡＴＲ）、その他の改質方式を採用できる。水蒸気改質を用いる場合は、燃料改質器５内の入口側（又はこれとは別）に水気化部を設け、筐体外から供給される水を気化して、水蒸気を生成する。
【００２６】
本実施形態の燃料改質器５は、オフガス燃焼部３での燃焼熱によって加熱されるように、燃焼室区画部材１１内で燃料電池スタック１の上方に配置される。
また、本実施形態の燃料改質器５は、酸化剤供給部材７のレイアウトのため、間隔をあけて平行に配置される２つの筒形燃料改質器により構成される。この場合、２つの筒形燃料改質器は燃料が並列に流れるように接続してもよいし、折り返して直列に流れるように接続してもよい。
燃料改質器５の出口側からは、生成された改質燃料の供給管（図示せず）が導出され、燃料電池スタック１の台座（燃料分配部）２に接続されている。
【００２７】
酸化剤供給部材７は、燃料電池スタック１に酸化剤を供給するため、燃料電池スタック１を構成する第１及び第２セルグループ１Ａ、１Ｂ間に、これらの側面部に沿って配置される扁平容器を主体として構成される。この扁平容器は、上面が開口し、両側面が扁平面をなして各セルグループ１Ａ、１Ｂの側面部に相対する矩形の容器である。
【００２８】
酸化剤供給部材７は、排気流路区画部材１２の天板１２ｄに予め形成されたスリットより燃焼室区画部材１１内に挿入され、上端部側の開口部は酸化剤導入口８として酸化剤流路区画部材１３内（排気流路区画部材１２と酸化剤流路区画部材１３との間）に開口している。
排気流路区画部材１２と酸化剤流路区画部材１３との間には、筐体外の酸化剤ポンプ（図示せず）により、酸化剤流路区画部材１３の底板１３ｃに設けた酸化剤入口１６を介して、酸化剤が供給される。酸化剤は、排気流路区画部材１２の側板１２ａ、１２ｂと酸化剤流路区画部材１３の側板１３ａ、１３ｂとの間に形成される酸化剤流路１７を下から上へ流れて、酸化剤供給部材７内に流入する。
【００２９】
酸化剤供給部材７の下端部側には、酸化剤供給部材７を構成する扁平容器の底部近傍の両側面に、複数の酸化剤噴出口９が形成され、両側面の酸化剤噴出口９より各セルグループ１Ａ、１Ｂに酸化剤を供給するように構成されている。
従って、酸化剤供給部材７は、扁平容器の上端部側に酸化剤導入口８を有し、下端部側に酸化剤噴出口９を有する。酸化剤は、酸化剤供給部材７の酸化剤導入口８より流入して、扁平容器内を上から下へ流れ、酸化剤噴出口９から噴出して、各セルグループ１Ａ、１Ｂのカソードに供給される。
【００３０】
上記のような燃料電池装置では、燃料電池スタック１の上端部側でオフガスを燃焼させる構成のため、燃料電池スタック１の上端部側の温度が高く、下端部側の温度が低いという上下方向の温度差を生じる。また、酸化剤供給部材７によって燃料電池スタック１の下端部側に酸化剤を供給する構成のため、燃料電池スタック１の下端部の温度は更に低下し、上下方向の温度差は更に大きくなる。
また、燃料電池スタック１には上下方向のみならず、横方向の温度差（横方向中央部が高温で、両端部にいくほど放熱により低温）も存在する。これは、横方向両端部は、横方向中央部と比較して放熱しやすいからである。
【００３１】
上記のような燃料電池スタック１の温度差を縮小するための酸化剤供給部材７の流路構造について、以下に説明する。
図４は酸化剤供給部材の構造例１〜４を示す概略断面図である。
従来例では、酸化剤供給部材７の扁平容器の流路断面の幅（流路幅）Ｗは、扁平容器の上端部側から下端部側まで、一定である。
【００３２】
構造例１では、従来例に対し、酸化剤供給部材７の扁平容器内に流路幅変更部材２１を挿入配置してある。
流路幅変更部材２１は、酸化剤供給部材７の幅方向中央部に挿入され、流路を第１セルグループ側の流路と第２セルグループ側の流路とに分けている。
また、流路幅変更部材２１は、正面視の断面形状が下向きの２等辺三角形であり、各流路の流路幅を扁平容器の上端部側で狭め、下端部側で広くしている。すなわち、流路幅は、扁平容器の上端部から下端部へ次第に広くなるように形成される。
【００３３】
構造例１によれば、流路幅を上下方向に連続的に異ならせ、上端部から下端部側へ流路幅を次第に広くすることで、上端部側で流路幅を狭くして酸化剤の流速を高め、熱交換効率を向上させることができる。すなわち、高温側である燃料電池スタックの上端部側から酸化剤により熱を十分に奪うことができる。下端部側では流路幅を広くして酸化剤の流速を低下させ、熱交換効率を低下させることができる。すなわち、低温側である燃料電池スタックの下端部側から酸化剤により熱を余り奪わないようにすることができる。これらにより、燃料電池スタックの上端部側の高温部と下端部側の低温部との温度差を縮小し、燃料電池スタックの上下方向の温度分布を全体的に滑らかに均一化できる。
また、構造例１によれば、流路幅を異ならせるため、酸化剤供給部材７の扁平容器内に挿入配置される流路幅変更部材２１を用いる構成とすることにより、外形状を変更することなく、実施できるという利点がある。
【００３４】
構造例１は、具体的には、例えば図５のような組立構造で実現できる。尚、流路幅変更部材２１の下端部と扁平容器の底部との間には、隙間があってもよいし、互いに当接していてもよい。また、流路幅変更部材２１の下端部に突き当て用の平坦部を形成するようにしてもよい。
【００３５】
構造例２は、基本的には構造例１と同じであるが、従来例及び構造例１と比較して、酸化剤供給部材７を広幅化してある。また、酸化剤供給部材７の広幅化に対応して、流路幅変更部材２１も広幅化してある。
酸化剤供給部材７を広幅化することで、セルグループ１Ａ、１Ｂと酸化剤供給部材７との間隔を狭めることができ、セルグループ１Ａ、１Ｂに供給された酸化剤と酸化剤供給部材７内の酸化剤との熱交換がより向上される。セルグループ１Ａと１Ｂとの間隔はコンパクト化と製造上の観点からほぼ一定である。
但し、単に酸化剤供給部材７の幅を広めた場合、酸化剤供給部材７内部の酸化剤のガス流速が低下することで、熱伝導率が低下することから、流路幅変更部材２１を挿入配置することは、内部のガス流速の低下を抑制するという利点もある。
【００３６】
構造例３では、流路幅は、扁平容器の上端部から下端部側へ次第に広くなった後、再び狭くなるように形成される。このため、構造例３の流路幅変更部材２３は、正面視の断面形状が、下向きの２等辺三角形の頂点側に上向きの比較的小さな二等辺三角形を連ねた形状である。
このようにした理由について述べる。
図６は、横軸を酸化剤供給部材における酸化剤の流路での酸化剤導入口からの距離として、縦軸に、酸化剤供給部材内の酸化剤の温度、及び、燃料電池スタックの温度を示している。
これからわかるように、酸化剤供給部材の下端部側では、酸化剤の温度が燃料電池スタックの温度を上回る。このため、酸化剤供給部材の下端部側では、熱交換効率を上げて、酸化剤の熱を燃料電池スタックに与えるようにすることが望ましい。よって、酸化剤供給部材の下端側では、流路幅を次第に狭くして、酸化剤の流速を上げることにより、熱交換効率を向上させるのである。
【００３７】
構造例３は、具体的には、例えば図７又は図８のような組立構造で実現できる。図７では、流路幅変更部材２３の上側部分２３ａと下側部分２３ｂとを挿入側部材に一体化している。図８では、流路幅変更部材２３の上側部分２３ａを挿入側部材とし、流路幅変更部材２３の下側部分２３ｂは扁平容器の底部に形成している。尚、図８において、流路幅変更部材２３の上側部分２３ａと下側部分２３ｂとの間には、隙間があってもよいし、互いに当接していてもよい。
【００３８】
構造例４は、流路幅を異ならせるため、酸化剤供給部材７の扁平容器の壁部（側面）を傾斜させて、傾斜面２４としたものである。具体的には、酸化剤供給部材７の両側面を下側にいくほど外側に傾斜させて、流路幅を扁平容器の上端部から下端部側へ次第に広くするようにしている。
このようにしても、流路幅を上下方向に連続的に異ならせ、上端部から下端部側へ流路幅を次第に広くすることで、上端部側で流路幅を狭くして酸化剤の流速を高め、熱交換効率を向上させることができる。すなわち、高温側である燃料電池スタックの上端部側から酸化剤により熱を十分に奪うことができる。下端部側では流路幅を広くして酸化剤の流速を低下させ、熱交換効率を低下させることができる。すなわち、低温側である燃料電池スタックの下端部側から酸化剤により熱を余り奪わないようにすることができる。これらにより、燃料電池スタックの上下方向の温度分布を均一化できる。
また、構造例４によれば、流路幅を異ならせるため、酸化剤供給部材７の扁平容器の壁部を傾斜させる構成とすることにより、部品点数を増加させることなく、実施できるという利点がある。
【００３９】
構造例４は、具体的には、例えば図９のようにして実現できる。ここで、酸化剤供給部材７の下端部側では、扁平容器の壁部を傾斜させず、垂直にしている。これは、酸化剤噴出口９の形成面を傾斜させないようにして、噴出方向を水平（燃料電池スタックの側面部に対し直角）に保つためである。
【００４０】
尚、上記の構造例１〜４では酸化剤供給部材７において左右のセルグループ１Ａ、１Ｂに対応する各流路は対称に形成しているが、左右の流路を互いに異ならせて形成してもよい。例えば、燃料改質器５が折り返し型で、一方の上流側に水気化部を配置する場合、水気化部の下側のセルグループの方が他のセルグループより低温となる。このような場合に左右で流路幅を適切に異ならせることで、温度分布の均一化をより促進できる。
【００４１】
次に、酸化剤供給部材７の扁平容器の流路断面の幅（流路幅）を扁平容器の横方向に連続的に変化させる構造例について説明する。
図１０は酸化剤供給部材の構造例５〜７を示す概略平面図である。
【００４２】
構造例５では、酸化剤供給部材７の扁平容器内に流路幅変更部材２５を挿入配置してある。
流路幅変更部材２５は、酸化剤供給部材７の幅方向中央部に挿入され、流路を第１セルグループ側の流路と第２セルグループ側の流路とに分けている。
また、流路幅変更部材２５は、平面視の断面形状が菱形であり、各流路の流路幅を扁平容器の横方向中央部で狭め、横方向両端部側で広くしている。すなわち、流路幅は、扁平容器の横方向に中央部から両端部側へ次第に広くなるように形成される。
【００４３】
構造例５によれば、流路幅を横方向に連続的に異ならせ、横方向中央部から両端部側へ流路幅を次第に広くすることで、横方向中央部側で流路幅を狭くして酸化剤の流速を高め、熱交換効率を向上させることができる。すなわち、高温側である燃料電池スタックの横方向中央部側から酸化剤により熱を十分に奪うことができる。横方向両端部側では流路幅を広くして酸化剤の流速を低下させ、熱交換効率を低下させることができる。すなわち、低温側である燃料電池スタックの横方向両端部側から酸化剤により熱を余り奪わないようにすることができる。これらにより、燃料電池スタックの横方向中央部側の高温部と横方向両端部側の低温部との温度差を縮小し、燃料電池スタックの横方向の温度分布を全体的に滑らかに均一化できる。
構造例５は、具体的には、例えば図１１のような組立構造で実現できる。
【００４４】
構造例６は、構造例５を基本としつつ、流路幅変更部材２６の形状変更により、前後、左右に非対称に形成したものである。すなわち、構造例５では、セルグループ１Ａ、１Ｂに対応する２つの流路は互いに対称（前後対称）に形成し、各流路については左右対称に形成している。これに対し、構造例６では、いずれについても非対称としている。これは、前述した水気化部の配置などによって、高温部の位置が変わる場合に、実際の高温部の位置に合わせて、流路幅が最適になるようにするためである。
【００４５】
構造例７は、流路幅を横方向に異ならせるため、酸化剤供給部材７の扁平容器の壁部（側面）を横方向に傾斜させて、傾斜面２７としたものである。具体的には、酸化剤供給部材９の両側面を横方向両端部から横方向両端部にいくほど内側に傾斜させて、流路幅を扁平容器の横方向中央部から両端部側へ次第に広くするようにしている。
このようにしても、流路幅を横方向に連続的に異ならせ、横方向中央部から両端部側へ流路幅を次第に広くすることで、横方向中央部側で流路幅を狭くして酸化剤の流速を高め、熱交換効率を向上させることができる。すなわち、高温側である燃料電池スタックの横方向中央部側から酸化剤により熱を十分に奪うことができる。横方向両端部側では流路幅を広くして酸化剤の流速を低下させ、熱交換効率を低下させることができる。すなわち、低温側である燃料電池スタックの横方向両端部側から酸化剤により熱を余り奪わないようにすることができる。これらにより、燃料電池スタックの横方向の温度分布を均一化できる。
【００４６】
構造例７は、具体的には、例えば図１２のようにして実現できる。ここで、酸化剤供給部材７の下端部側では、扁平容器の壁部を傾斜させず、平坦にしている。これは、酸化剤噴出口９の形成面を傾斜させないようにして、噴出方向を適正（燃料電池スタックの側面部に対し直角）に保つためである。
【００４７】
次に、酸化剤供給部材７の扁平容器の流路断面の幅（流路幅）を扁平容器の上下方向に連続的に変化させると共に扁平容器の横方向に連続的に変化させる構造例について説明する。
かかる構造例は、図４の構造例１〜４と図１０の構造例５〜７とを組み合わせることで実現できる。
【００４８】
図１３は、構造例１、２と構造例５との組み合わせの具体例を示す斜視図である。
本組み合わせ例での流路幅変更部材３１は、上端部側の断面形状が菱形で、下端部側の断面形状が線形であり、これらの中間部では断面形状が連続的に変化するようになっている。
これによれば、酸化剤供給部材７の扁平容器の流路断面の幅（流路幅）は、扁平容器の上端部から下端部側へ次第に広くなると共に、扁平容器の横方向に中央部から両端部側へ次第に広くなる。
従って、燃料電池スタックの上端部側かつ横方向中央部側に対応する部位の流路幅を狭くして、当該部位での酸化剤の流速を高め、当該部位での熱交換効率を向上させることができる。よって、燃料電池スタックの上下方向及び横方向の温度差を縮小することができる。
【００４９】
図１４は、構造例４と構造例７との組み合わせの具体例を示す斜視図である。
本組み合わせ例での酸化剤供給部材７の側面部の傾斜面３２は、下端部側から上端部側へ向かって内側へ傾斜すると共に、横方向両端部から中央部へ向かって内側へ傾斜している。
これによれば、酸化剤供給部材７の扁平容器の流路断面の幅（流路幅）は、扁平容器の上端部から下端部側へ次第に広くなると共に、扁平容器の横方向に中央部から両端部側へ次第に広くなる。
従って、燃料電池スタックの上端部側かつ横方向中央部側に対応する部位の流路幅を狭くして、当該部位での酸化剤の流速を高め、当該部位での熱交換効率を向上させることができる。よって、燃料電池スタックの上下方向及び横方向の温度差を縮小することができる。
【００５０】
尚、ここでは代表的な組み合わせ例のみを説明したが、図４の構造例１〜４（及びその変形例）と、図１０の構造例５〜７（及びその変形例）とを適宜組み合わせ得ることは言うまでもない。
【００５１】
次に本発明の第２実施形態について説明する。
図１５は本発明の第２実施形態を示す燃料電池装置の概略正面図である。
本実施形態では、酸化剤供給部材７は、２つに分けて設けられ、複数の燃料電池セルの集合体である燃料電池スタック１を挟むように、その左右両方の側面部に沿って配置されている。
このような配置の場合も、各酸化剤供給部材７の扁平容器の流路断面の幅（流路幅）を、扁平容器の上下方向及び横方向の少なくとも一方に連続的に異ならせることで、燃料電池スタック１の上下方向及び／又は横方向の温度差を縮小することができる。そして、燃料電池スタック１の温度分布の均一化によって、発電効率等を改善することができる。尚、図１５で使用される流路幅変更部材２１’は、正面視の断面形状が下向きの直角三角形である。
【００５２】
上記の第１及び第２実施形態（図１〜図１５）は、燃料電池スタック１の温度分布に従って、高温部と低温部との温度差を縮小するように、酸化剤供給部材７の扁平容器の流路幅を設定するものであり、一般に燃料電池スタック１の上端部側及び横方向中央部側が高温となることから、これに従って温度差を縮小するように流路幅を設定する。
これらの実施において、より高い効果を得るためには、燃料電池スタック１の温度分布の均一化に際して、燃料電池装置の定格運転時における燃料電池スタック１の実際の温度分布を測定し、これに従って、流路幅を設定することが望ましい。
すなわち、酸化剤供給部材７の扁平容器の流路断面の幅（流路幅）は、定格運転時の燃料電池スタック１における上下方向の温度分布に従って、高温部ほど、狭くなるように、上下方向に異ならせる。
また、酸化剤供給部材７の扁平容器の流路断面の幅（流路幅）は、定格運転時の燃料電池スタック１における横方向の温度分布に従って、高温部ほど、狭くなるように、横方向に異ならせる。
【００５３】
尚、上記の第１実施形態（図１）においては、燃料電池スタック１を２つのセルグループに分割し、これらの間に酸化剤供給部材７を配置したが、燃料電池スタック１を３つのセルグループに分割し、それぞれの間に酸化剤供給部材７を配置してもよい。
また、上記の第２実施形態（図１５）においては、２個の酸化剤供給部材７を燃料電池スタック１の両側面に配置したが、これに加え、燃料電池スタック１を２つのセルグループに分割し、これらの間にも酸化剤供給部材７を配置するようにしてもよい。
【００５４】
次に、燃料電池スタック１の温度差を縮小するため、排気流路１４の構造を改良した実施形態（第３〜第８実施形態）について、説明する。
【００５５】
排気流路１４は、燃焼室区画部材１１の側板１１ａ、１１ｂと排気流路区画部材１２の側板１２ａ、１２ｂとの間に形成され、オフガス燃焼部３でのオフガスの燃焼による排気ガスを上から下へ流通させる。
従来においては、排気流路１４の流路幅（流路断面の幅；側板１１ａ、１１ｂと側板１２ａ、１２ｂとの距離）は、排気ガスの流れ方向である側板１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂに沿う上下方向に、上端部側から下端部側まで、一定である。また、排気ガスの流れ方向と直交する側板１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂに沿う横方向にも、中央部側から両端部側まで、一定である。
このような従来構造に対し、本発明の第３〜第８実施形態では、排気流路１４の流路幅を上下方向及び横方向の少なくとも一方に連続的に異ならせる。
【００５６】
図１６は第３実施形態を示す燃料電池装置の概略正面図、図１７は同上の概略平面図である。
第３実施形態（図１６、図１７）では、燃焼室区画部材１１の側板１１ａ、１１ｂと排気流路区画部材１２の側板１２ａ、１２ｂとの間の排気流路１４に、流路幅変更部材４１を挿入配置してある。図１８に流路幅変更部材４１の概略斜視図を示す。
【００５７】
流路幅変更部材４１は、外側の排気流路区画部材１２の側板１２ａ、１２ｂに取付けられて、内側の燃焼室区画部材１１の側板１１ａ、１１ｂとの間に流路幅が変更された排気流路１４を形成する。
流路幅変更部材４１は、正面視の断面形状が下向きの直角三角形であり、排気流路１４の流路幅を上端部側で狭め、下端部側で広くしている。すなわち、流路幅は、排気流路１４の上端部側から下端部側へ次第に広くなるように形成される。
【００５８】
本実施形態によれば、排気流路１４の流路幅を上下方向に連続的に異ならせ、特に燃料電池スタック１の上下方向の部位に対応させて、上端部側から下端部側へ流路幅を次第に広くすることで、上端部側で流路幅を狭くして排気ガスの流速を高め、熱交換効率を向上させることができる。すなわち、高温側である燃料電池スタック１の上端部側から排気ガスにより熱を十分に奪うことができる。下端部側では流路幅を広くして排気ガスの流速を低下させ、熱交換効率を低下させることができる。すなわち、低温側である燃料電池スタック１の下端部側から排気ガスにより熱を余り奪わないようにすることができる。これらにより、燃料電池スタック１の上端部側の高温部と下端部側の低温部との温度差を縮小し、燃料電池スタック１の上下方向の温度分布を全体的に滑らかに均一化できる。
また、本実施形態によれば、流路幅を異ならせるため、排気流路１４内に挿入配置される流路幅変更部材４１を用いる構成とすることにより、筐体形状を変更することなく、実施できるという利点がある。
【００５９】
尚、本実施形態では、燃料電池スタック１の一方の側面部（第１セルグループ１Ａ側）に対応する排気流路１４（及び流路幅変更部材４１）と、燃料電池スタック１の他方の側面部（第２セルグループ１Ｂ側）に対応する排気流路１４（及び流路幅変更部材４１）とは、左右対称に形成した。しかし、左右の排気流路１４を互いに異ならせて形成してもよい。例えば、燃料改質器５が折り返し型で、一方の上流側に水気化部を配置する場合、水気化部の下側のセルグループの方が他のセルグループより低温となる。このような場合に左右で流路幅を適切に異ならせることで、温度分布の均一化をより促進することができる。このことは以下の実施形態においても同様である。
【００６０】
次に本発明の第４実施形態について説明する。
図１９は本発明の第４実施形態を示す燃料電池装置の概略正面図、図２０は同上の燃料電池装置の概略平面図である。
本実施形態では、燃焼室区画部材１１の側板１１ａ、１１ｂと排気流路区画部材１２の側板１２ａ、１２ｂとの間の排気流路１４に、流路幅変更部材４２を挿入配置してある。図２１に流路幅変更部材４２の概略斜視図を示す。
【００６１】
流路幅変更部材４２は、外側の排気流路区画部材１２の側板１２ａ、１２ｂに取付けられて、内側の燃焼室区画部材１１の側板１１ａ、１１ｂとの間に流路幅が変更された排気流路１４を形成する。
流路幅変更部材４２は、平面視の断面形状が内向きの二等辺三角形であり、排気流路１４の流路幅を横方向中央部側で狭め、両端部側で広くしている。すなわち、流路幅は、排気流路１４の横方向中央部側から両端部側へ次第に広くなるように形成される。
【００６２】
本実施形態によれば、排気流路１４の流路幅を横方向に連続的に異ならせ、特に燃料電池スタック１の横方向の部位に対応させて、横方向中央部側から両端部側へ流路幅を次第に広くすることで、横方向中央部側で流路幅を狭くして排気ガスの流速を高め、熱交換効率を向上させることができる。すなわち、高温側である燃料電池スタック１の横方向中央部側から排気ガスにより熱を十分に奪うことができる。横方向両端部側では流路幅を広くして排気ガスの流速を低下させ、熱交換効率を低下させることができる。すなわち、低温側である燃料電池スタック１の横方向両端部側から排気ガスにより熱を余り奪わないようにすることができる。これらにより、燃料電池スタック１の横方向中央部側の高温部と横方向両端部側の低温部との温度差を縮小し、燃料電池スタック１の横方向の温度分布を全体的に滑らかに均一化できる。
【００６３】
尚、本実施形態では、排気流路１４（及び流路幅変更部材４２）は、横方向に左右対称に形成し、横方向中央位置が最小幅となっている。これは横方向中央位置が最も温度が高い部位（最高温部）であることを前提にしている。しかし、前述した水気化部の配置などによって、最高温部の位置が横方向中央位置からずれることがある。このような場合は、最高温部の位置に合わせて、最小幅の位置を設定するのが望ましい。従って、排気流路１４の流路幅は必ずしも横方向に左右対称とする必要はない。このことは以下の実施形態においても同様である。
【００６４】
次に本発明の第５実施形態について説明する。
図２２は第５実施形態での流路幅変更部材４３の概略斜視図である。この場合の燃料電池装置の概略正面図は図１６と同じであり、概略平面図は図２０と同じである。
本実施形態の流路幅変更部材４３は、上端部側の断面形状が二等辺三角形で、下端部側の断面形状が線形であり、これらの中間部では断面形状が連続的に変化するようになっている。
【００６５】
これによれば、排気流路１４の流路幅は、排気流路１４の上端部側から下端部側へ次第に広くなると共に、排気流路１４の横方向に中央部側から両端部側へ次第に広くなる。
従って、燃料電池スタック１の上端部側かつ横方向中央部側に対応する部位の流路幅を狭くして、当該部位での排気ガスの流速を高め、当該部位での熱交換効率を向上させることができる。よって、燃料電池スタック１の上下方向及び横方向の温度差を縮小することができる。
【００６６】
次に本発明の第６実施形態について説明する。
図２３は本発明の第６実施形態を示す燃料電池装置の概略正面図である。
本実施形態は、排気流路１４の流路幅を上下方向に異ならせるため、燃焼室区画部材１１の側板１１ａ、１１ｂを傾斜させたものである。具体的には、燃焼室区画部材１１の側板１１ａ、１１ｂを上側にいくほど外側に傾斜させて、流路幅を上端部側で狭くし、上端部側から下端部側へ次第に広くなるようにしている。
【００６７】
このようにしても、排気流路１４の流路幅を上下方向に連続的に異ならせ、特に燃料電池スタック１の上下方向の部位に対応させて、上端部側から下端部側へ流路幅を次第に広くすることで、上端部側で流路幅を狭くして排気ガスの流速を高め、熱交換効率を向上させることができる。すなわち、高温側である燃料電池スタック１の上端部側から排気ガスにより熱を十分に奪うことができる。下端部側では流路幅を広くして排気ガスの流速を低下させ、熱交換効率を低下させることができる。すなわち、低温側である燃料電池スタック１の下端部側から排気ガスにより熱を余り奪わないようにすることができる。これらによって、燃料電池スタック１の上下方向の温度分布を均一化できる。
また、本実施形態によれば、流路幅を異ならせるため、排気流路１４を構成する燃焼室区画部材１１の側板１１ａ、１１ｂを傾斜させる構成とすることにより、部品点数を増加させることなく、実施できるという利点がある。
【００６８】
尚、燃焼室区画部材１１の側板１１ａ、１１ｂを傾斜（上側を外側に傾斜）させる構成に加え、あるいは、当該構成に代えて、排気流路区画部材１２の側板１２ａ、１２ｂを傾斜（上側を内側に傾斜）させる構成としてもよい。
【００６９】
次に本発明の第７実施形態について説明する。
図２４は本発明の第７実施形態を示す燃料電池装置の概略平面図である。
本実施形態は、排気流路１４の流路幅を横方向に異ならせるため、燃焼室区画部材１１の側板１１ａ、１１ｂ、及び、排気流路区画部材１２の側板１２ａ、１２ｂを横方向に傾斜させたものである。具体的には、燃焼室区画部材１１の側板１１ａ、１１ｂについては、横方向中央部を稜線として外側に山型に傾斜させ、排気流路区画部材１２の側板１２ａ、１２ｂについては、横方向中央部を稜線として内側に山型に傾斜させてある。これにより、側板１１ａ、１１ｂと側板１２ａ、１２ｂとの間の排気流路１４の流路幅を横方向中央部で狭くし、横方向中央部から両端部側へ次第に広くするようにしている。
【００７０】
このようにしても、排気流路１４の流路幅を横方向に連続的に異ならせ、特に燃料電池スタック１の横方向の部位に対応させて、横方向中央部から両端部側へ流路幅を次第に広くすることで、横方向中央部側で流路幅を狭くして排気ガスの流速を高め、熱交換効率を向上させることができる。すなわち、高温側である燃料電池スタック１の横方向中央部側から排気ガスにより熱を十分に奪うことができる。横方向両端部側では流路幅を広くして排気ガスの流速を低下させ、熱交換効率を低下させることができる。すなわち、低温側である燃料電池スタック１の横方向両端部側から排気ガスにより熱を余り奪わないようにすることができる。これらによって、燃料電池スタック１の横方向の温度分布を均一化できる。
ここでは、燃焼室区画部材１１の側板１１ａ、１１ｂと排気流路区画部材１２の側板１２ａ、１２ｂとの両方を山型に傾斜させる構成としたが、いずれか一方を傾斜させる構成としてもよい。
【００７１】
尚、上記の第６実施形態（図２３）と第７実施形態（図２４）とを組み合わせ、燃焼室区画部材１１の側板１１ａ、１１ｂ及び／又は排気流路区画部材１２の側板１２ａ、１２ｂの傾斜構造により、排気流路１４の流路幅を上下方向及び横方向に異ならせて、燃料電池スタック１の上下方向及び横方向の温度分布の均一化を図るようにしてもよい。
【００７２】
次に本発明の第８実施形態について説明する。
図２５は本発明の第８実施形態を示す燃料電池装置の概略正面図、図２６は同上の燃料電池装置の概略平面図である。
本実施形態では、燃焼室区画部材１１の側壁１１ａ、１１ｂの上端部側でかつ横方向中央部側の部位を外側に膨出させてある。
このような構成によっても、燃料電池スタック１の上端部側でかつ横方向中央部側の高温部に対応する排気流路１４の部位の流路幅を狭めて、当該部位の排気ガスの流速を上げることにより、燃料電池スタック１の温度分布の均一化を図ることができる。
【００７３】
上記の第３〜第８実施形態（図１６〜図２６）は、燃料電池スタック１の温度分布に従って、高温部と低温部との温度差を縮小するように、排気流路１４の流路幅を設定するものであり、一般に燃料電池スタック１の上端部側及び横方向中央部側が高温となることから、これに従って温度差を縮小するように流路幅を設定する。
これらの実施において、より高い効果を得るためには、燃料電池スタック１の温度分布の均一化に際して、燃料電池装置の定格運転時における燃料電池スタック１の実際の温度分布を測定し、これに従って、流路幅を設定することが望ましい。
すなわち、排気流路１４の流路幅は、定格運転時の燃料電池スタック１における上下方向の温度分布に従って、高温部ほど、狭くなるように、上下方向に異ならせる。
また、排気流路１４の流路幅は、定格運転時の燃料電池スタック１における横方向の温度分布に従って、高温部ほど、狭くなるように、横方向に異ならせる。
【００７４】
次に、燃料電池スタック１の温度差を縮小するため、酸化剤流路１７の構造を改良した実施形態（第９〜第１３実施形態）について、説明する。
【００７５】
酸化剤流路１７は、排気流路区画部材１２の側板１２ａ、１２ｂと酸化剤流路区画部材１３の側板１３ａ、１３ｂとの間に形成され、酸化剤を下から上へ流通させる。
従来においては、酸化剤流路１７の流路幅（流路断面の幅；側板１２ａ、１２ｂと側板１３ａ、１３ｂとの距離）は、酸化剤ガスの流れ方向である側板１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂに沿う上下方向に、上端部側から下端部側まで、一定である。また、酸化剤ガスの流れ方向と直交する側板１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂに沿う横方向にも、中央部側から両端部側まで、一定である。
このような従来構造に対し、本発明の第９〜第１３実施形態では、酸化剤流路１７の流路幅を上下方向及び横方向の少なくとも一方に連続的に異ならせる。
【００７６】
図２７は第９実施形態を示す燃料電池装置の概略正面図、図２８は同上の概略平面図である。
第９実施形態（図２７、図２８）では、排気流路区画部材１２の側板１２ａ、１２ｂと酸化剤流路区画部材１３の側板１３ａ、１３ｂとの間の酸化剤流路１７に、流路幅変更部材５１を挿入配置してある。図２９に流路幅変更部材５１の概略斜視図を示す。
【００７７】
流路幅変更部材５１は、外側の酸化剤流路区画部材１３の側板１３ａ、１３ｂに取付けられて、内側の排気流路区画部材１２の側板１２ａ、１２ｂとの間に流路幅が変更された排気流路１７を形成する。
流路幅変更部材５１は、正面視の断面形状が下向きの直角三角形であり、排気流路１７の流路幅を上端部側で狭め、下端部側で広くしている。すなわち、流路幅は、酸化剤流路１７の上端部側から下端部側へ次第に広くなるように形成される。
【００７８】
本実施形態によれば、酸化剤流路１７の流路幅を上下方向に連続的に異ならせ、特に燃料電池スタック１の上下方向の部位に対応させて、上端部側から下端部側へ流路幅を次第に広くすることで、上端部側で流路幅を狭くして酸化剤の流速を高め、熱交換効率を向上させることができる。すなわち、高温側である燃料電池スタック１の上端部側から酸化剤により熱を十分に奪うことができる。下端部側では流路幅を広くして酸化剤の流速を低下させ、熱交換効率を低下させることができる。すなわち、低温側である燃料電池スタック１の下端部側から酸化剤により熱を余り奪わないようにすることができる。これらにより、燃料電池スタック１の上端部側の高温部と下端部側の低温部との温度差を縮小し、燃料電池スタック１の上下方向の温度分布を全体的に滑らかに均一化できる。但し、酸化剤流路１７を流れる酸化剤と燃料電池スタック１との熱交換は、排気流路１４を流れる排気ガスを介してなされることになる。
また、本実施形態によれば、流路幅を異ならせるため、酸化剤流路１７内に挿入配置される流路幅変更部材５１を用いる構成とすることにより、筐体形状を変更することなく、実施できるという利点がある。
【００７９】
尚、本実施形態では、燃料電池スタック１の一方の側面部（セルグループ１Ａ側）に対応する酸化剤流路１７（及び流路幅変更部材２１）と、燃料電池スタック１の他方の側面部（セルグループ１Ｂ側）に対応する酸化剤流路１７（及び流路幅変更部材２１）とは、左右対称に形成した。しかし、左右の酸化剤流路１７を互いに異ならせて形成してもよい。例えば、燃料改質器５が折り返し型で、一方の上流側に水気化部を配置する場合、水気化部の下側のセルグループの方が他のセルグループより低温となる。このような場合に左右で流路幅を適切に異ならせることで、温度分布の均一化をより促進することができる。このことは以下の実施形態においても同様である。
【００８０】
次に本発明の第１０実施形態について説明する。
図３０は本発明の第１０実施形態を示す燃料電池装置の概略正面図、図３１は同上の燃料電池装置の概略平面図である。
本実施形態では、排気流路区画部材１２の側板１２ａ、１２ｂと酸化剤流路区画部材１３の側板１３ａ、１３ｂとの間の酸化剤流路１７に、流路幅変更部材５２を挿入配置してある。図３２に流路幅変更部材５２の概略斜視図を示す。
【００８１】
流路幅変更部材５２は、外側の酸化剤流路区画部材１３の側板１３ａ、１３ｂに取付けられて、内側の排気流路区画部材１２の側板１２ａ、１２ｂとの間に流路幅が変更された酸化剤流路１７を形成する。
流路幅変更部材５２は、平面視の断面形状が内向きの二等辺三角形であり、酸化剤流路１７の流路幅を横方向中央部側で狭め、両端部側で広くしている。すなわち、流路幅は、酸化剤流路１７の横方向中央部側から両端部側へ次第に広くなるように形成される。
【００８２】
本実施形態によれば、酸化剤流路１７の流路幅を横方向に連続的に異ならせ、特に燃料電池スタック１の横方向の部位に対応させて、横方向中央部側から両端部側へ流路幅を次第に広くすることで、横方向中央部側で流路幅を狭くして酸化剤の流速を高め、熱交換効率を向上させることができる。すなわち、高温側である燃料電池スタック１の横方向中央部側から酸化剤により熱を十分に奪うことができる。横方向両端部側では流路幅を広くして酸化剤の流速を低下させ、熱交換効率を低下させることができる。すなわち、低温側である燃料電池スタック１の横方向両端部側から酸化剤により熱を余り奪わないようにすることができる。これらにより、燃料電池スタック１の横方向中央部側の高温部と横方向両端部側の低温部との温度差を縮小し、燃料電池スタック１の横方向の温度分布を全体的に滑らかに均一化できる。
【００８３】
尚、本実施形態では、酸化剤流路１７（及び流路幅変更部材５２）は、横方向に左右対称に形成し、横方向中央位置が最小幅となっている。これは横方向中央位置が最も温度が高い部位（最高温部）であることを前提にしている。しかし、前述した水気化部の配置などによって、最高温部の位置が横方向中央位置からずれることがある。このような場合は、最高温部の位置に合わせて、最小幅の位置を設定するのが望ましい。従って、酸化剤流路１７の流路幅は必ずしも横方向に左右対称とする必要はない。このことは以下の実施形態においても同様である。
【００８４】
次に本発明の第１１実施形態について説明する。
図３３は第１１実施形態での流路幅変更部材５３の概略斜視図である。この場合の燃料電池装置の概略正面図は図２７と同じであり、概略平面図は図３１と同じである。
本実施形態の流路幅変更部材５３は、上端部側の断面形状が二等辺三角形で、下端部側の断面形状が線形であり、これらの中間部では断面形状が連続的に変化するようになっている。
【００８５】
これによれば、酸化剤流路１７の流路幅は、酸化剤流路１７の上端部側から下端部側へ次第に広くなると共に、酸化剤流路１７の横方向に中央部側から両端部側へ次第に広くなる。
従って、燃料電池スタック１の上端部側かつ横方向中央部側に対応する部位の流路幅を狭くして、当該部位での酸化剤の流速を高め、当該部位での熱交換効率を向上させることができる。よって、燃料電池スタック１の上下方向及び横方向の温度差を縮小することができる。
【００８６】
次に本発明の第１２実施形態について説明する。
図３４は本発明の第１２実施形態を示す燃料電池装置の概略正面図である。
本実施形態は、酸化剤流路１７の流路幅を上下方向に異ならせるため、排気流路区画部材１２の側板１２ａ、１２ｂを傾斜させたものである。具体的には、排気流路区画部材１２の側板１２ａ、１２ｂを上側にいくほど外側に傾斜させて、酸化剤流路１７の流路幅を上端部側で狭くし、上端部側から下端部側へ次第に広くなるようにしている。
【００８７】
このようにしても、酸化剤流路１７の流路幅を上下方向に連続的に異ならせ、特に燃料電池スタック１の上下方向の部位に対応させて、上端部側から下端部側へ流路幅を次第に広くすることで、上端部側で流路幅を狭くして酸化剤の流速を高め、熱交換効率を向上させることができる。すなわち、高温側である燃料電池スタック１の上端部側から酸化剤により熱を十分に奪うことができる。下端部側では流路幅を広くして酸化剤の流速を低下させ、熱交換効率を低下させることができる。すなわち、低温側である燃料電池スタック１の下端部側から酸化剤により熱を余り奪わないようにすることができる。これらによって、燃料電池スタック１の上下方向の温度分布を均一化できる。
また、本実施形態によれば、流路幅を異ならせるため、酸化剤流路１７を構成する排気流路画部材１２の側板１２ａ、１２ｂを傾斜させる構成とすることにより、部品点数を増加させることなく、実施できるという利点がある。
【００８８】
尚、排気流路区画部材１２の側板１２ａ、１２ｂを傾斜（上側を外側に傾斜）させる構成に加え、あるいは、当該構成に代えて、酸化剤流路区画部材１３の側板１３ａ、１３ｂを傾斜（上側を内側に傾斜）させる構成としてもよい。
【００８９】
次に本発明の第１３実施形態について説明する。
図３５は本発明の第１３実施形態を示す燃料電池装置の概略平面図である。
本実施形態は、酸化剤流路１７の流路幅を横方向に異ならせるため、排気流路区画部材１２の側板１２ａ、１２ｂ、及び、酸化剤流路区画部材１３の側板１３ａ、１３ｂを横方向に傾斜させたものである。具体的には、排気流路区画部材１２の側板１２ａ、１２ｂについては、横方向中央部を稜線として外側に山型に傾斜させてある。酸化剤流路区画部材１３の側板１３ａ、１３ｂについては、横方向中央部を稜線として内側に山型に傾斜させてある。これにより、側板１２ａ、１２ｂと側板１３ａ、１３ｂとの間の酸化剤流路１７の流路幅を横方向中央部で狭くし、横方向中央部から両端部側へ次第に広くするようにしている。
【００９０】
このようにしても、酸化剤流路１７の流路幅を横方向に連続的に異ならせ、特に燃料電池スタック１の横方向の部位に対応させて、横方向中央部から両端部側へ流路幅を次第に広くすることで、横方向中央部側で流路幅を狭くして酸化剤の流速を高め、熱交換効率を向上させることができる。すなわち、高温側である燃料電池スタック１の横方向中央部側から酸化剤により熱を十分に奪うことができる。横方向両端部側では流路幅を広くして酸化剤の流速を低下させ、熱交換効率を低下させることができる。すなわち、低温側である燃料電池スタック１の横方向両端部側から酸化剤により熱を余り奪わないようにすることができる。これらによって、燃料電池スタック１の横方向の温度分布を均一化できる。
ここでは、排気流路区画部材１２の側板１２ａ、１２ｂと酸化剤流路区画部材１３の側板１３ａ、１３ｂとの両方を山型に傾斜させる構成としたが、いずれか一方を傾斜させる構成としてもよい。
【００９１】
尚、上記の第１２実施形態（図３４）と第１３実施形態（図３５）とを組み合わせ、排気流路区画部材１２の側板１２ａ、１２ｂ及び／又は酸化剤流路区画部材１３の側板１３ａ、１３ｂの傾斜構造により、酸化剤流路１７の流路幅を上下方向及び横方向に異ならせて、燃料電池スタック１の上下方向及び横方向の温度分布の均一化を図るようにしてもよい。
【００９２】
上記の第９〜第１３実施形態（図２７〜図３５）は、燃料電池スタック１の温度分布に従って、高温部と低温部との温度差を縮小するように、酸化剤流路１７の流路幅を設定するものであり、一般に燃料電池スタック１の上端部側及び横方向中央部側が高温となることから、これに従って温度差を縮小するように流路幅を設定する。
これらの実施において、より高い効果を得るためには、燃料電池スタック１の温度分布の均一化に際して、燃料電池装置の定格運転時における燃料電池スタック１の実際の温度分布を測定し、これに従って、流路幅を設定することが望ましい。
すなわち、酸化剤流路１７の流路幅は、定格運転時の燃料電池スタック１における上下方向の温度分布に従って、高温部ほど、狭くなるように、上下方向に異ならせる。
また、酸化剤流路１７の流路幅は、定格運転時の燃料電池スタック１における横方向の温度分布に従って、高温部ほど、狭くなるように、横方向に異ならせる。
【００９３】
次に、燃料電池スタック１の温度差を縮小するため、酸化剤供給部材７の流路構造、排気流路１４の流路構造、及び、酸化剤流路１７の流路構造を改良した実施形態（第１４実施形態）について、説明する。
【００９４】
図３６は本発明の第１４実施形態を示す燃料電池装置の概略正面図である。
本実施形態では、酸化剤供給部材７の流路構造と排気流路１４の流路構造と酸化剤流路１７の流路構造とを組み合わせて設定することで、燃料電池スタック１の温度分布の更なる均一化を図るようにしている。
【００９５】
酸化剤供給部材７の扁平容器を構成して燃料電池スタック１のセルグループ１Ａ、１Ｂの側面部に相対する側板７ａ、７ｂについて、それぞれを上側にいくほど内側に傾斜させて、側板７ａ、７ｂ間に形成される酸化剤流路１０の流路幅（側板７ａと７ｂとの距離）を上端部側で狭くし、上端部側から下端部側へ次第に広くなるようにしている。
このようにすることで、酸化剤供給部材７内の酸化剤流路１０の流路幅を上下方向に連続的に異ならせ、特に燃料電池スタック１の上下方向の部位に対応させて、上端部側から下端部側へ流路幅を次第に広くすることで、上端部側で流路幅を狭くして酸化剤の流速を高め、熱交換効率を向上させることができる。すなわち、高温側である燃料電池スタック１の上端部側から酸化剤により熱を十分に奪うことができる。下端部側では流路幅を広くして酸化剤の流速を低下させ、熱交換効率を低下させることができる。すなわち、低温側である燃料電池スタック１の下端部側から酸化剤により熱を余り奪わないようにすることができる。これらによって、燃料電池スタック１の上下方向の温度分布を均一化できる。
【００９６】
また、燃焼室区画部材１１の側板１１ａ、１１ｂを上側にいくほど外側に傾斜させて、燃焼室区画部材１１の側板１１ａ、１１ｂと排気流路区画部材１２の側板１２ａ、１２ｂとの間に形成される排気流路１４の流路幅を上端部側で狭くし、上端部側から下端部側へ次第に広くなるようにしている。
このようにすることで、排気流路１４の流路幅を上下方向に連続的に異ならせ、特に燃料電池スタック１の上下方向の部位に対応させて、上端部側から下端部側へ流路幅を次第に広くすることで、上端部側で流路幅を狭くして排気ガスの流速を高め、熱交換効率を向上させることができる。すなわち、高温側である燃料電池スタック１の上端部側から排気ガスにより熱を十分に奪うことができる。下端部側では流路幅を広くして排気ガスの流速を低下させ、熱交換効率を低下させることができる。すなわち、低温側である燃料電池スタック１の下端部側から排気ガスにより熱を余り奪わないようにすることができる。これらによって、燃料電池スタック１の上下方向の温度分布を均一化できる。
【００９７】
更に、酸化剤流路区画部材１３の側板１３ａ、１３ｂを上側へいくほど内側へ傾斜させて、排気流路区画部材１２の側板１２ａ、１２ｂと酸化剤流路区画部材１３の側板１３ａ、１３ｂとの間に形成される酸化剤流路１７の流路幅を上端部側で狭くし、上端部側から下端部側へ次第に広くなるようにしている。
このようにすることで、酸化剤流路１７の流路幅を上下方向に連続的に異ならせ、特に燃料電池スタック１の上下方向の部位に対応させて、上端部側から下端部側へ流路幅を次第に広くすることで、上端部側で流路幅を狭くして酸化剤の流速を高め、熱交換効率を向上させることができる。すなわち、高温側である燃料電池スタック１の上端部側から酸化剤により熱を十分に奪うことができる。下端部側では流路幅を広くして酸化剤の流速を低下させ、熱交換効率を低下させることができる。すなわち、低温側である燃料電池スタック１の下端部側から酸化剤により熱を余り奪わないようにすることができる。これらによって、燃料電池スタック１の上下方向の温度分布を均一化できる。
【００９８】
従って、本実施形態では、酸化剤供給部材７の流路構造と排気流路１４の流路構造と酸化剤流路１７の流路構造との組み合わせにより、燃料電池スタック１の上下方向の温度分布の更なる均一化を達成することができる。
ここで説明した組み合わせ構造では、側板の傾斜構造によって流路幅を変更したが、流路内への流路幅変更部材の挿入配置などによって流路幅を変更してもよいことはもちろんである。また、ここでは上下方向の温度分布の均一化の例で説明したが、横方向の温度分布の均一化のために、組み合わせ構造を採用してもよいことはもちろんである。また、酸化剤供給部材７の流路構造と排気流路１４の流路構造と酸化剤流路１７の流路構造とのうち、いずれか２つを組み合わせてもよい。
【００９９】
尚、上記の実施形態では、水素含有燃料として炭化水素系燃料を用い、燃料改質器５により、水素リッチな改質燃料（水素富化燃料）に改質して、燃料電池スタック１のアノードに供給する構成としたが、水素含有燃料として、有機ハイドライドを用い、燃料改質器５を脱水素反応型に代え、有機ハイドライドの脱水素反応によって生じる水素リッチガス（水素富化燃料）を燃料電池スタック１のアノードに供給してもよい。また、水素富化燃料として、純水素を用いることも可能である。この場合には、燃料改質器５を省略し、筐体外の水素タンクなどから燃料電池スタック１のアノードに水素富化燃料を直接供給することができる。
【０１００】
また、上記の実施形態では、主に、複数の燃料電池セルの集合体である燃料電池スタック１を２つのセルグループ１Ａ、１Ｂに分割し、これらの間に酸化剤供給部材７を配置したが、セルグループの分割形態はこれに限るものではない。また、分割せず、単一のグループとしてもよい（図１５参照）。そして、この集合体の形態に応じ、酸化剤供給部材７及び燃料改質器５のレイアウト及び数等も適宜変更される。
【０１０１】
このように、図示の実施形態はあくまで本発明を例示するものであり、本発明は、説明した実施形態により直接的に示されるものに加え、特許請求の範囲内で当業者によりなされる各種の改良・変更を包含するものであることは言うまでもない。
【符号の説明】
【０１０２】
１  燃料電池スタック（複数の燃料電池セルの集合体）
１Ａ、１Ｂ  セルグループ
２  台座
３  オフガス燃焼部
５  燃料改質器
７  酸化剤供給部材
８  酸化剤導入口
９  酸化剤噴出口
１１  燃焼室区画部材
１１ａ、１１ｂ  側板
１２  排気流路区画部材
１２ａ、１２ｂ  側板
１３  酸化剤流路区画部材
１３ａ、１３ｂ  側板
１４  排気流路
１５  排気出口
１６  酸化剤入口
１７  酸化剤流路
２１、２１’、２３（２３ａ、２３ｂ）  流路幅変更部材
２４  傾斜面
２５、２６  流路幅変更部材
２７  傾斜面
３１  流路幅変更部材
３２  傾斜面
４１、４２、４３  流路幅変更部材
５１、５２、５３  流路幅変更部材
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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