(57)【要約】固体酸化物形の燃料電池１である。セルスタック６と、改質ガスをセルスタック６に導入する改質ガス導入経路１０と、酸化剤ガスをセルスタック６に導入する酸化剤ガス導入経路１１と、冷却ガスを酸化剤ガス導入経路１１に導入する冷却ガス導入経路１４とを備える。セルスタック６の周囲に、熱を吸収する吸熱部６１が設けられ、冷却ガス導入経路１４が、吸熱部６１を介して酸化剤ガス導入経路１１に接続されている。
2014155928.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体酸化物形の燃料電池であって、
アノード電極ならびにカソード電極が形成された固体電解質からなるセルスタックと、
水素を主とする改質ガスを前記セルスタックに導入する改質ガス導入経路と、
酸化剤ガスを前記セルスタックに導入する酸化剤ガス導入経路と、
前記酸化剤ガスの温度を下げる冷却ガスを前記酸化剤ガス導入経路に導入する冷却ガス導入経路と、
を備え、
前記セルスタックの周囲に、熱を吸収する吸熱部が設けられ、
前記冷却ガス導入経路が、前記吸熱部を経由して前記酸化剤ガス導入経路に接続されている燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池において、
前記セルスタックの周囲が、当該セルスタックに沿って延びる筒状のカバーで覆われている燃料電池。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の燃料電池において、
前記セルスタックは、その下端が支持台に支持されて鉛直方向を上向きに延びており、
前記改質ガス及び酸化剤ガスを導入する導入部が前記セルスタックの下端部に設けられ、前記吸熱部が当該セルスタックの上部の周囲に設けられている燃料電池。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池において、
前記セルスタックの上部が上部最上段とその下方に位置する上部中段から構成されるとき、前記吸熱部は、前記上部中段に設けられて前記上部最上段に設けられていない燃料電池。
【請求項５】
請求項１〜請求項４のいずれか一つに記載の燃料電池において、
前記吸熱部が、前記セルスタックの周囲の空間に配置された金属管で構成されている燃料電池。
【請求項６】
請求項５に記載の燃料電池において、
前記金属管が前記セルスタックの周囲に螺旋状に配置されている燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一端側から他端側に向かって水素を主とする改質ガスと酸化剤ガスを導入する固体酸化物形の燃料電池、特に積層型のセルスタックを備えた固体酸化物形の燃料電池（ＳＯＦＣ）に関し、その中でも特にセルスタックの温度安定化技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１に、燃料電池の一例を示す。この燃料電池１０１は、平板型の固体酸化物形燃料電池であり、都市ガス等の燃料ガス、水及び酸化剤として空気を用いて発電する。燃料電池１０１には、蒸発器１０２や空気予熱器１０３、改質器１０４、バーナー１０５、セルスタック１０６などが備えられている。【０００３】
蒸発器１０２は、水を加熱して水蒸気を発生させる。発生した水蒸気は、脱硫等の処理が行われた燃料ガスと混合され、改質器１０４に送られる。燃料ガスと水蒸気との混合ガスは、改質器１０４において水素を主とする高温の改質ガスに改質され、セルスタック１０６に供給される。【０００４】
空気は、空気予熱器１０３において加熱された後、セルスタック１０６に供給される。定常運転時には、高温の改質ガス及び空気の供給により、セルスタック１０６は、７００℃〜９００℃の範囲内にある所定の運転温度域に保持される。【０００５】
セルスタック１０６には、薄板状の単セルを多数積層したセル積層体が備えられている。セルスタック１０６では、高温の運転温度の下で、改質ガスが各単セルのアノード側を通過し、空気が各単セルのカソード側を通過する間に、各単セルで化学反応が生じて起電力が発生する。その起電力を各単セルから取り出すことによって発電が行われる。【０００６】
このようなセル積層体は、例えば、特許文献１に開示されている。【０００７】
セルスタック１０６から排出される変質した高温の改質ガス及び空気は、バーナー１０５に送られる。バーナー１０５では、これら改質ガスと空気とが混合されて燃焼し、それによって改質器１０４を加熱する。バーナー１０５で生じる排ガスは、空気予熱器１０３に送られ、熱交換によって空気を加熱した後、排出される。【０００８】
起電力を生じる化学反応は発熱反応であるため、発電が始まると各単セルは発熱する。従って、定常運転時には、セルスタック１０６を運転温度域に保持するため、セルスタック１０６に導入する空気の温度を下げる冷却制御が行われる。【０００９】
具体的には、空気予熱器１０３を通じてセルスタック１０６に高温の空気を導入する酸化剤ガス導入経路１０７に、空気予熱器１０３を迂回するバイパス経路１０８が併設されており、空気予熱器１０３で加熱された空気に、バイパス経路１０８を介して流量制御弁１０９で流量を制御しながら冷えた空気を混合することにより、セルスタック１０６に導入する空気の温度を調整している。【００１０】
これに類似した制御を行う発電システムは、例えば、特許文献２に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２０１１−０６５９０９号公報
【特許文献２】特開２００９−２３８６２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
図２に、セルスタックの構造を例示する。セルスタック１１０は支持台１１１の上に設置され、上方に向かって延びている。セル積層体１１２の周囲は、上方から被せ付けられる筒状のカバー１１３によって覆われている。【００１３】
改質ガス及び空気は、セル積層体１１２の下部から導入され、全体に均等に行き渡るように、各単セルに分配される。各単セルに分配された改質ガス及び空気は、相互に化学反応を生じて変質し、アノードオフガス及びカソードオフガスとなる。【００１４】
アノードオフガスは、所定の経路を通じて回収され、カソードオフガスは、セル積層体１１２とカバー１１３との間の隙間を通じて回収される。回収されたアノードオフガス及びカソードオフガスは、セルスタック１１０の下部から導出され、バーナーに送られて燃焼の燃料として用いられる。【００１５】
セルスタックでは、セル積層体の上下で温度差が生じ易いという特有の問題がある。【００１６】
すなわち、積層型のセルスタックの場合、空気がセルスタックの下部から導入されるため、空気は、セルスタックの下側から順に単セルを冷却し、上昇するに従って高温になっていく。加えて、各単セルが発熱し、更にその熱気の上昇も合わさるため、セル積層体の上側は下側に比べて高温になり易く冷却し難い。【００１７】
セル積層体の上側を冷却しようとして導入する空気の温度を大きく下げると、セル積層体の下側が過度に冷却され、却って上下の温度差の増大を招くことになる。【００１８】
そこで、本発明の目的は、セル積層体の全体をバランスよく冷却できる積層型のセルスタックを備えた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】
【００１９】
開示する燃料電池は、固体酸化物形の燃料電池である。この燃料電池は、アノード電極ならびにカソード電極が形成された固体電解質からなるセルスタックと、水素を主とする改質ガスを前記セルスタックに導入する改質ガス導入経路と、酸化剤ガスを前記セルスタックに導入する酸化剤ガス導入経路と、前記酸化剤ガスの温度を下げる冷却ガスを前記酸化剤ガス導入経路に導入する冷却ガス導入経路と、を備える。【００２０】
前記セルスタックの周囲に、熱を吸収する吸熱部が設けられている。そして、前記冷却ガス導入経路が、前記吸熱部を経由して前記酸化剤ガス導入経路に接続されている。【００２１】
この燃料電池によれば、セルスタックの周囲に、熱を吸収する吸熱部が設けられていて、冷却ガスがその吸熱部を経由して酸化剤ガスに合流する。【００２２】
従って、セルスタックの冷却時に、セルスタックの高温部位に吸熱部を配置すれば、冷却ガスの吸熱によって高温部位を冷却することができるため、セルスタックの全体をバランスよく冷却することができる。【００２３】
具体的には、前記セルスタックの周囲は、当該セルスタックに沿って延びる筒状のカバーで覆われている。【００２４】
そうすれば、セルスタックに沿って安定した酸化剤ガスの流れが形成されるため、セルスタック全体の温度を制御し易くできる。【００２５】
より具体的には、前記セルスタックは、その下端が支持台に支持されて鉛直方向を上向きに延びている。改質ガス及び酸化剤ガスを導入する導入部が前記セルスタックの下端部に設けられ、前記吸熱部が当該セルスタックの上部の周囲に設けられている。【００２６】
この場合、導入部がセルスタックの下端部に設けられているため、セルスタックの下側は冷却され易いのに対し、単セルの発熱や熱気の上昇等により、セルスタックの上側は、特に偏って高温になり易い。そのため、セルスタックは温度差を生じ易いが、吸熱部がセルスタックの上部の周囲に設けられているので、冷却ガスの吸熱により、セルスタックの上部を効果的に冷却することができる。従って、セルスタックの全体をバランスよく冷却することができる。【００２７】
前記セルスタックの上部が上部最上段とその下方に位置する上部中段から構成されるとき、前記吸熱部は、前記上部中段に設けられて前記上部最上段に設けられていないのが好ましい。【００２８】
詳細は後述するが、そうすることにより、経時的に上部最上段と下部とで温度差が広がるのを抑制することができる。【００２９】
より具体的には、前記吸熱部が、前記セルスタックの周囲の空間に配置された金属管で構成されている。【００３０】
そうすれば、冷却ガスは、金属管を通じてセルスタックが放射する輻射熱を吸収することができるので、効果的に吸熱することができる。【００３１】
前記金属管は、前記セルスタックの周囲に螺旋状に配置するのが好ましい。【００３２】
そうすれば、冷却ガスの吸熱に作用する伝熱面を長くかつ広く取ることができ、より効果的に輻射熱を吸収することができる。【００３３】
更には、前記金属管の入口側が出口側よりも前記導入部から離れて位置しているようにするのが好ましい。【００３４】
そうすれば、冷却ガスが高温側から長い距離を流れるため、よりいっそう効果的に輻射熱を吸収することができる。
【発明の効果】
【００３５】
本発明の燃料電池によれば、セルスタックの全体をバランスよく冷却でき、効率的かつ安定した発電が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】従来の燃料電池の構成を示す概略図である。
【図２】従来の積層型のセルスタックを示す概略図である。
【図３】実施形態の燃料電池の構成を示す概略図である。
【図４】セルスタックの概略斜視図である。
【図５】セルスタックの概略断面図である。
【図６】金属管の概略斜視図である。
【図７】比較例の試験結果を示すグラフである。
【図８】実施例の試験結果を示すグラフである。
【図９】実施形態の燃料電池の変形例を示す図５相当図である。
【図１０】実施形態の燃料電池におけるセル積層体の部位別温度変化を示すグラフである。
【図１１】変形例の燃料電池におけるセル積層体の部位別温度変化を示すグラフである。
【図１２】他の変形例の要部を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。ただし、以下の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物あるいはその用途を制限するものではない。
【００３８】
（燃料電池の基本的構成）
図３に、本発明を適用した固体酸化物形の燃料電池１（ＳＯＦＣ）を例示する。燃料電池１の基本的構成は、図１に示した燃料電池１０１と大差は無い。
【００３９】
すなわち、この燃料電池１には、蒸発器２や空気予熱器３、改質器４、バーナー５、セルスタック６などが備えられていて、都市ガス等の燃料ガス、水及び酸化剤ガスを用い、セルスタック６から起電力を取り出して発電する。
【００４０】
酸化剤ガスとして、所定量の酸素を含有する気体を用いることができ、例えば安価には空気を用いることができる。酸化剤ガスは、空気に限らず酸素を含有する気体であれば適宜用いることができる。
【００４１】
蒸発器２は、水を加熱して水蒸気を発生させる。発生した水蒸気は、脱硫等の処理が行われた燃料ガスと混合され、改質器４に送られる。燃料ガスと水蒸気との混合ガスは、改質器４において水素を主とするガス（改質ガス）に改質され、反応ガス導入経路１０を通じてセルスタック６に導入される。
【００４２】
空気予熱器３は、外気を加熱して高温の酸化剤ガス（加熱酸化剤ガス）を発生させる。発生した加熱酸化剤ガスは、酸化剤ガス導入経路１１を通じてセルスタック６に導入される。セルスタック６で変質した高温の改質ガス（アノードオフガス）は、アノード側排出経路１２を通じてバーナー５に送られる。セルスタック６で変質した加熱酸化剤ガス（カソードオフガス）は、カソード側排出経路１３を通じてバーナー５に送られる。
【００４３】
アノードオフガスには余剰の燃料が含まれているため、アノードオフガスがバーナー５でカソードオフガスと混合されることで燃焼し、改質器４が加熱される。バーナー５で生じる排ガスは、空気予熱器３に送られて酸化剤ガスを加熱した後、排出される。
【００４４】
更に、この燃料電池１においても、セルスタック６に導入される加熱酸化剤ガスの温度を冷却制御するため、空気予熱器３を経由する酸化剤ガス導入経路１１に、空気予熱器３を迂回する冷却ガス導入経路１４が併設されている。
【００４５】
具体的には、冷却ガス導入経路１４の上流側の端部は、酸化剤ガス導入経路１１における空気予熱器３よりも上流側の部分に設けられた分岐部１５に接続されていて、そこから冷却ガス導入経路１４が分岐している。冷却ガス導入経路１４の下流側の端部は、酸化剤ガス導入経路１１における空気予熱器３よりも下流側の部分に設けられた合流部１６に接続されていて、そこに冷却ガス導入経路１４が合流している。
【００４６】
冷却ガス導入経路１４の途中には、冷却ガス導入経路１４を流れる冷却ガスの流量調整が可能な流量制御弁１７が設置されている。ただし、この燃料電池１では、この冷却ガス導入経路１４を流れる冷却ガスを利用して、セルスタック６の温度差解消が図れるように工夫されている。
【００４７】
なお、冷却ガスは、最終的に酸化剤ガスとしての空気に合流するため、窒素等、酸素を含有しないガスでもかまわない。合流後の混合ガスが発電に悪影響を与えない気体であればよい。例えば、空気であれば酸化剤ガスと同組成であるため扱いが楽である。
【００４８】
（燃料電池の要部構成）
図４及び図５に、この燃料電池１のセルスタック６を示す。このセルスタック６は、いわゆる積層型である。セルスタック６は、セル積層体２１やカバー３１などで構成されており、支持台２２の上に縦置きされている。セル積層体２１は、カバー３１の内部に配置され、その下端が支持台２２に支持されて鉛直方向を上向きに延びている。
【００４９】
図５に示すように、セル積層体２１は、従来品と同様に、インターコネクタを間に挟みながら薄板状の単セル２１ａを多数積層して板厚方向に延びるように構成されている。各単セル２１ａは、イットリア安定化ジルコニアなどからなる固体電解質を有している。固体電解質の一方の面にはアノード電極が形成され、他方の面にはカソード電極が形成されている。
【００５０】
互いに隣接する単セル２１ａの間には、アノード側反応空隙とカソード側反応空隙とが交互に形成されている（図示せず）。積層された単セル２１ａは、支持ロッド２３や押さえ板２４などによって一体に支持されている。
【００５１】
支持ロッド２３は、セル積層体２１を囲むように支持台２２の上に複数設けられていて、鉛直方向を上方に向かって延びている。セル積層体２１の上端面の上には押さえ板２４が載置されている。押さえ板２４よりも上方に突き出た支持ロッド２３の上端部には、支持板２５が締結して取り付けられている。
【００５２】
支持板２５の下面には、バネ部材２６が設置されており、支持板２５はこのバネ部材２６を介して押さえ板２４を下方に押し付けている。それにより、積層された単セル２１ａは、支持台２２と押さえ板２４とで圧着されている。
【００５３】
カバー３１は、セル積層体２１よりもひとまわり大きな円筒状の側壁部３１ａと、側壁部３１ａの上端の開口を塞ぐ端壁部３１ｂと、側壁部３１ａの下端縁から外方に張り出した環状のフランジ部３１ｃとを有している。特にこのカバー３１では、側壁部３１ａの上部における一定の領域に、相対的に大きな直径を有し、径方向外側に膨出する大径部３２が形成されている。
【００５４】
大径部３２が形成される領域は、後述するアノード側導入口４４やカソード側導入口４５から上方に離れていればよいが、例えば、側壁部３１ａの上下端間を２等分する中間位置より上方に形成するのが好ましい。
【００５５】
カバー３１は、セル積層体２１に被せた状態で、支持台２２にフランジ部３１ｃを締結して取り付けられている。カバー３１は、セル積層体２１に沿って鉛直方向に延びている。それにより、セル積層体２１の側面と側壁部３１ａの内面との間には、一定の間隔の隙間空間３３が形成されている。セル積層体２１の側面上部と大径部３２の内面との間には、更に大きな空間（吸熱スペース３４）が形成されている。この吸熱スペース３４には金属管６１が設置されているが、これについては後述する。
【００５６】
セル積層体２１の内部には、アノード側及びカソード側の各吸気マニホールド４１，４２と、排気マニホールド４３とが、積層方向に沿って延びるように形成されている。各単セル２１ａのアノード側反応空隙は、アノード側吸気マニホールド４１及び排気マニホールド４３と連通している。カソード側反応空隙は、カソード側吸気マニホールド４２及び隙間空間３３と連通している。
【００５７】
アノード側吸気マニホールド４１は、セル積層体２１の下端面にアノード側導入口４４（導入部）を有し、カソード側吸気マニホールド４２は、セル積層体２１の下端面にカソード側導入口４５（導入部）を有している。排気マニホールド４３は、セル積層体２１の下端面にアノード側導出口４６を有している。アノード側導入口４４、カソード側導入口４５及びアノード側導出口４６は、互いに隣接している。
【００５８】
支持台２２の上面には、アノード側導入孔４７、カソード側導入孔４８、アノード側導出孔４９及びカソード側導出孔５０が開口している。アノード側導入孔４７は、アノード側導入口４４を通じてアノード側吸気マニホールド４１に連通する。カソード側導入孔４８は、カソード側導入口４５を通じてカソード側吸気マニホールド４２に連通する。アノード側導出孔４９は、アノード側導出口４６を通じて排気マニホールド４３に連通する。カソード側導出孔５０は、隙間空間３３と連通する。
【００５９】
アノード側導入孔４７には、反応ガス導入経路１０の下流側の端部が接続されている。カソード側導入孔４８には、酸化剤ガス導入経路１１の下流側の端部が接続されている。アノード側導出孔４９には、アノード側排出経路１２の上流側の端部が接続されている。カソード側導出孔５０には、カソード側排出経路１３の上流側の端部が接続されている。
【００６０】
従って、各アノード側反応空隙には、アノード側導入孔４７、アノード側吸気マニホールド４１を通じて高温の改質ガスが導入され、各カソード側反応空隙には、カソード側導入孔４８、カソード側吸気マニホールド４２を通じて加熱酸化剤ガスが導入される。セル積層体２１は、改質ガス及び加熱酸化剤ガスを熱源にして加熱される。
【００６１】
セル積層体２１が加熱されると、各単セル２１ａでは、アノード側反応空隙を通過する改質ガスと、カソード側反応空隙を通過する加熱酸化剤ガスとの間で化学反応が生じる。化学反応によって変質した改質ガスは、排気マニホールド４３を通じてセルスタック６から導出される。化学反応によって変質した加熱酸化剤ガスは、隙間空間３３を通じてセルスタック６から導出される。
【００６２】
化学反応によって各単セル２１ａでは起電力が発生する。その起電力を取り出すことにより、発電が行われる。通常、７００℃〜９００℃で発電が可能であるが、８００℃前後で効率的な発電が行われるため、セル積層体２１の全体を８００℃前後に保持するのが好ましい。
【００６３】
各単セル２１ａは、化学反応によって発熱するため、この燃料電池１では、定常運転時に、所定の運転温度域に保持するために、加熱酸化剤ガスの温度を下げて適宜セル積層体２１を冷却する冷却制御が行われる。
【００６４】
具体的には、酸化剤ガス導入経路１１におけるカソード側導入孔４８の近傍の部位に、合流部１６が配置されていて、そこで冷却ガスが加熱酸化剤ガスに合流して混合されることにより、加熱酸化剤ガスの温度が下げられる。加熱酸化剤ガスの温度は、冷却ガスの流量調整によって制御される。
【００６５】
その際、この燃料電池１では、積層型のセルスタック６の特長を利用してセル積層体２１の全体をバランスよく冷却できるように、冷却ガス導入経路１４は、吸熱スペース３４に配置された金属管６１（吸熱部）を介して合流部１６に接続されている。
【００６６】
図６に示すように、金属管６１は、熱伝導性に優れた金属を用いて螺旋形状に形成されていて、吸熱スペース３４に収容されている。金属管６１は、セル積層体２１の上部の周囲に配置され、セル積層体２１と隙間を隔てて対向している。
【００６７】
換言すれば、金属管６１は、セル積層体２１の周囲を囲うように、更には、セル積層体２１の周囲を螺旋状に囲うように設けられている。ここでいう「囲う」は、少なくとも半周を取り囲むように設けられているものを含む。
【００６８】
より詳しくは、大径部３２の上側に、金属管６１の一端が接続された上流側接続部６２が設置され、大径部３２の下側に、金属管６１の他端が接続された下流側接続部６３が設置されている。
【００６９】
金属管６１は、カバー３１の内部に固定されている。金属管６１をセルスタック６の側に固定すると、金属管６１とセルスタック６との間の絶縁が必要になるが、カバー３１の側に固定することで、セルスタック６に対して非接触となって絶縁が不要で、最適な吸熱スペース３４を維持して位置決めが可能になる。
【００７０】
また、カバー３１が異形円筒であっても、セルスタック６に対して所定の位置で金属管６１を位置決めでき、後からカバー３１を被せることもできる。
【００７１】
分岐部１５から延びる冷却ガス導入経路１４の下流側の端部は、上流側接続部６２に接続され、金属管６１と連通している。合流部１６から延びる冷却ガス導入経路１４の上流側の端部は、下流側接続部６３に接続され、金属管６１と連通している。従って、冷却ガスは、上流側接続部６２から金属管６１に流入して下流側接続部６３から流出する。
【００７２】
定常運転時において、セル積層体２１の温度を下げる制御が働くと、流量制御弁１７が作動して冷却ガスの流量が増加する。それにより、セル積層体２１に導入される加熱酸化剤ガスの温度が低下する。温度低下した加熱酸化剤ガスはセル積層体２１の下端から導入されるため、セル積層体２１の下側に位置する単セル２１ａから順に冷却され、カソード側吸気マニホールド４２を上昇するに従って加熱酸化剤ガスの温度は高温になっていく。
【００７３】
しかも、セルスタック６が縦置きされているため、熱気の上昇によってその上部が高温になり易いうえに、各単セル２１ａが発熱してその熱も加熱酸化剤ガスに加わる。その結果、セル積層体２１の上部の冷却が不十分になるおそれがある。
【００７４】
セルスタック６の上側を冷却しようとして加熱酸化剤ガスの温度をより大きく下げれば、セルスタック６の下側が過度に冷却されてしまい、却って上下の温度差が拡大する。単セル２１ａの積層数が多くなればなるほど、その傾向は顕著である。
【００７５】
それに対し、この燃料電池１では、冷却ガスは、直接加熱酸化剤ガスに合流するのではなく、金属管６１を経由した後に合流する。金属管６１は、セル積層体２１の上部の周囲に設けられた吸熱スペース３４に配置されているため、セル積層体２１から放出される輻射熱を効果的に吸収する。従って、冷却ガスは、金属管６１を通過する間に、セル積層体２１の上部の熱を吸収するため、相対的にセル積層体２１の上部の温度が低下する。
【００７６】
しかも、冷却ガスは、セルスタック６の上方から下方に向かって周回し、高温側から長い距離を流れるように金属管６１が配置されているため、輻射熱を効率的に吸熱する。なお、吸熱によって冷却ガスの温度が上昇しても、加熱酸化剤ガスの温度以上には上昇しないため、冷却ガス本来の冷却機能が失われることはない。
【００７７】
そうして、合流部１６で加熱酸化剤ガスに冷却ガスが混合され、温度の下がった加熱酸化剤ガスがセル積層体２１に導入される。しかしながら、従来の燃料電池に比べ、冷却ガスの温度が上昇する分、セル積層体２１に導入される加熱酸化剤ガスの温度低下は小さくなるため、セル積層体２１の下側に位置する単セル２１ａは、穏やかに冷却される。
【００７８】
このように、この燃料電池１では、セル積層体２１の上部が、冷却ガスによる輻射熱の吸熱によって冷却され、セル積層体２１の下部が、セル積層体２１の上部の吸熱によって温度上昇した冷却ガスの導入によって穏やかに冷却されるため、積層型のセルスタック６であっても、セル積層体２１の全体をバランスよく冷却することができる。
【００７９】
（比較例及び実施例）
図７及び図８に、試験装置による実証試験の結果を示す。
【００８０】
図７は、比較例の試験結果を示している。比較例の燃料電池は、図１及び図２に示したような従来の構成であり、セル積層体の周囲は単にカバーで覆われていて、冷却ガスは加熱酸化剤ガスに直接混合されるようになっている。
【００８１】
図７は、定常運転に入る直前の温度状態を表している。図中、下側の実線はセル積層体の下部の温度変化を示し、上側の実線はセル積層体の上部の温度変化を示している。破線は、冷却ガスの流量変化を示している。
【００８２】
比較例の燃料電池では、冷却ガスの導入前の段階で、セル積層体の上下で２０℃以上の温度差が認められた。更に、セル積層体の上部の温度上昇に対応して、冷却ガスの流量を増加させると、セル積層体の下部の温度が低下し始め、セル積層体の上下で温度差が拡大する傾向が認められた。
【００８３】
更に、冷却ガスの流量を大きく増加させると、セル積層体の上部の温度上昇が抑制され、７８０℃〜７９０℃に安定する傾向が認められたが、その際、セル積層体の下部では急激な温度低下が認められ、７１０℃以下に達し、セル積層体の上下で７０℃以上の温度差が発生した。
【００８４】
図８は、実施例の試験結果を示している。実施例の燃料電池は、図３及び図４等に示した構成となっている。なお、比較対象となる冷却ガス導入経路等の構成以外は比較例と同じ条件となるように設定されている。
【００８５】
図８は、試験的に高めに温度設定した定常運転状態での温度変化を表している。図７と同様に、下側の実線はセル積層体の下部の温度変化を、上側の実線はセル積層体の上部の温度変化を、破線は冷却ガスの流量変化を示している。
【００８６】
実施例の燃料電池では、冷却ガスの導入前の段階では、セル積層体の上下で５℃程度の温度差が認められた。セル積層体の上部及び下部は、ほぼ同じ温度差を維持しながら温度が上昇し、セル積層体の上下で温度差が拡大する傾向は認められなかった。
【００８７】
冷却ガスを流入させ、その流量を増加させると、セル積層体の上部及び下部の温度は、８２０℃前後のほぼ同じタイミングで低下し始めた。その際の温度差は１０℃程度であった。
【００８８】
温度が低下し始めた時点から冷却ガスの流量を一定に保持すると、セル積層体の上部及び下部の温度は、約１０℃の温度差を維持したまま緩やかに低下し、８００℃前後に収束する傾向が認められた。従って、セル積層体の全体を、８００℃前後の最適な運転温度に保持することが可能になり、安定した発電を実現できることが確認された。
【００８９】
（変形例）
図９に、上述した燃料電池１の変形例を示す。本変形例の燃料電池は、大径部３２や金属管６１、吸熱スペース３４の位置が上述した燃料電池１と異なっている。
【００９０】
図５に示したように、上述した燃料電池１では、大径部３２等の位置がセル積層体２１の最も上の部分（上部最上段）まで設けられている。ところが、このように大径部３２等を配置すると、経時的に上部最上段と下部との温度差が拡大する傾向が認められた。
【００９１】
すなわち、先の実施例では、上部の例として上部最上段を測定したが、上部中段の温度を測定したら上部最上段よりも温度が高い傾向が認められた。そのため、これを冷却するのに冷却ガスの流量を調整すると、上部（上部最上段）が冷えすぎて下部を下回る問題が生じる傾向が認められた。
【００９２】
図１０は、その変化を表したグラフであり、破線は、冷却ガスの流量変化を示している。図１０に示すように、上部最上段まで大径部３２等を設けると、上部最上段が冷えすぎて、途中で下部の温度と逆転し、時間の経過とともに上部最上段と下部の温度差が広がっていく傾向が認められた。
【００９３】
そこで、検討したところ、図９に示すように、大径部３２等の位置を下方にずらし、上部を「上部最上段」と「上部中段」とした場合に、大径部３２等を上部中段に設けて、上部最上段には設けないようにすることによって、図１１のグラフに示すように、上部最上段と下部の温度差が経時的に広がることがなくなった。
【００９４】
従って、本変形例の燃料電池によれば、時間の経過にかかわらず、セル積層体２１の全体をバランスよく冷却でき、よりいっそう効率的かつ安定した発電が実現できるようになる。
【００９５】
（その他）
なお、本発明にかかる燃料電池は、上述した実施形態に限定されず、それ以外の種々の構成をも包含する。
【００９６】
吸熱部の構造は、螺旋状の金属配管に限らない。例えば、図１２に示すように、カバー３１の上部に２重管構造を設け、冷却ガスがセル積層体の周囲に沿って流れる円環空間７０を形成してもよい。
【００９７】
吸熱部は、導入部から離れた部位に設けられていればよい。例えば、導入部がセル積層体２１の上端部に設けられた場合には、吸熱部はセル積層体２１の下部の周囲に設ければよい。また、導入部がセル積層体２１の中間部に設けられた場合には、吸熱部はセル積層体２１の上部及び下部のいずれか一方又は両方の周囲に設ければよい。
【００９８】
セルスタック６は、縦置きに限らず、横置きであってもよい。
【００９９】
また、セルスタックは、積層型セルスタックに限らず、例えば円筒型のセルチューブから構成されるセルスタックであってもよい。
【０１００】
そのような円筒型のセルチューブから構成されるセルスタックは、具体的には次のような構成からなる。
【０１０１】
円筒状のセル本体と、セル本体の両端にそれぞれ接続された電極端子とを備えている。セル本体の内部には、円筒形の内側電極層及び外側電極層と、これらの間にある電解質層とが設けられている。内側電極層は燃料極であり、外側電極層は空気極である。内側電極層は、電極端子と電気的に接続されている。電極端子の中心部には、燃料ガス流路が形成されている。
【符号の説明】
【０１０２】
１  燃料電池
６  セルスタック
１０  反応ガス導入経路
１１  酸化剤ガス導入経路
１２  アノード側排出経路
１３  カソード側排出経路
１４  冷却ガス導入経路
２１  セル積層体
２１ａ  単セル
２２  支持台
２３  支持ロッド
３１  カバー
３２  大径部
３４  吸熱スペース
４１  アノード側吸気マニホールド
４２  カソード側吸気マニホールド
４３  排気マニホールド
４４  アノード側導入口（導入部）
４５  カソード側導入口（導入部）
６１  金属管
６２  上流側接続部
６３  下流側接続部
【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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【国際調査報告】
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