(57)【要約】【課題】  固体酸化物型の燃料電池を用いた発電装置において、シールが必要となる箇所を少なくして、発電装置のメンテナンス作業に係る労力を低減することが可能な技術を提供する。【解決手段】  本発明は、固体酸化物型の燃料電池を用いる発電装置として具現化される。その発電装置は、燃料電池セル群を収容するセル群収容室と、セル群収容室の周囲に形成されており、セル群収容室から発電装置の外部へ排出される排ガスが通過する排ガス通過室を備えており、セル群収容室の外面の少なくとも一部は、排ガス通過室に覆われていないことを特徴とする。【選択図】  図２
2008135351.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体酸化物型の燃料電池を用いる発電装置であり、
燃料電池セル群を収容するセル群収容室と、
セル群収容室の周囲に形成されており、セル群収容室から発電装置の外部へ排出される排ガスが通過する排ガス通過室を備えており、
セル群収容室の外面の少なくとも一部は、排ガス通過室に覆われていないことを特徴とする発電装置。
【請求項２】
排ガス通過室の周囲に形成されており、発電装置の外部からセル群収容室に供給される有酸素ガスが通過する有酸素ガス通過室をさらに備えており、
セル群収容室の外面の前記少なくとも一部は、排ガス通過室にも有酸素ガス通過室にも覆われていないことを特徴とする請求項１の発電装置。
【請求項３】
セル群収容室の外面の前記少なくとも一部は、セル群収容室の側面の少なくとも一部であることを特徴とする請求項１または２の発電装置。
【請求項４】
セル群収容室の上部が排ガス通過室と連通しており、
排ガス通過室の下部が発電装置の外部と連通しており、
排ガス通過室の底面が有酸素ガス通過室に覆われていないことを特徴とする請求項３の発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物を利用する燃料電池によって発電する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体酸化物を利用する燃料電池は効率が高く、数キロワットから数十キロワットの発電装置に適しているものと期待されている。
固体酸化物を利用する燃料電池には、燃料ガスと有酸素ガス（通常は空気）が必要である。燃料電池セルは、燃料ガスを改質させた改質ガスと有酸素ガスを反応させて発電する。
【０００３】
固体酸化物を利用する燃料電池を用いた発電装置の例が特許文献１に開示されている。
特許文献１の発電装置では、燃料電池セル群を収容するセル群収容室が中心に配置されており、その外側をセル群収容室から排出される燃焼排ガスが流れる排ガス通過室が取り囲んでおり、さらにその外側をセル群収容室に空気を供給する空気通過室が取り囲んでいる。排ガス通過室がセル群収容室を取り囲み、さらにその外側を空気通過室が取り囲んでいるために、オフガスの燃焼熱と発電熱をセル群収容室を発電適温に維持するのに利用することができる。オフガスの燃焼熱は９００℃程度であり、それを利用することによって、発電装置を熱自立させることができる。
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２３５５２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１のようにセル群収容室を排ガス通過室で取り囲む構成とする場合、燃料電池セル群から発電装置の外部へ電力を取り出す電力取出線の配線が問題となる。燃料電池セル群からの電力取出線は、セル群収容室と排ガス通過室の間の壁面を貫通させなければならない。電力取出線が貫通する壁面には、ガスの混入を防止するためにシール部材を設ける必要がある。特許文献１の技術では、排ガス通過室のさらに外側を空気通過室が取囲んでおり、このような場合には排ガス通過室と空気通過室の間の壁面についても電力取出線を貫通させなければならない。さらに、空気通過室の外側の外壁についても、貫通させなければならない。従って、電力取出線を発電装置の外部まで引き出すには、多くの箇所をシールしなければならない。
【０００６】
発電装置の内部においてシールが必要となる箇所は、なるべく少ない方が好ましい。発電装置のメンテナンスとしてシール部材の交換等の作業を行う場合、発電装置の内部には様々な機器が密集して配置されており、これらの機器を取り外すことなくシール部材を交換することは困難である。電力取出線が壁面を貫通する部分が増えると、それだけシールが必要となる箇所が多くなってしまい、発電装置のメンテナンス作業が煩雑なものとなってしまう。
【０００７】
また発電中の燃料電池セルの温度をモニタリングする場合には、セル群収容室内の温度センサからの信号を出力する温度検出線を発電装置の外部の制御基板まで引き出す必要がある。このような温度検出線についても、セル群収容室と排ガス通過室の間の壁面や、排ガス通過室と空気通過室の間の壁面や、空気通過室の外側の外壁を貫通させなければならない。従って、シールすべき箇所がさらに多くなってしまい、発電装置のメンテナンス作業が非常に煩雑なものとなってしまう。
【０００８】
本発明は、固体酸化物型の燃料電池を用いた発電装置において、シールが必要となる箇所を少なくして、発電装置のメンテナンス作業に係る労力を低減することが可能な技術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】
本発明は、固体酸化物型の燃料電池を用いる発電装置として具現化される。その発電装置は、燃料電池セル群を収容するセル群収容室と、セル群収容室の周囲に形成されており、セル群収容室から発電装置の外部へ排出される排ガスが通過する排ガス通過室を備えており、セル群収容室の外面の少なくとも一部は、排ガス通過室に覆われていないことを特徴とする。
【００１０】
上記の発電装置は、燃料電池セル群での発電に適した高温とされるセル群収容室の周囲に排ガス通過室が形成されており、セル群収容室から排出される排ガスがセル群収容室の周囲を流れる。セル群収容室から排出される排ガスは高温であるから、このような構成とすることによって、セル群収容室からの放熱を抑制し、セル群収容室を高温に維持することができる。
また上記の発電装置では、セル群収容室の外面の少なくとも一部は排ガス通過室で覆われていないため、この部分にはセル群収容室と排ガス通過室とを仕切る壁面が存在しない。従って、セル群収容室内から発電装置の外部まで引き出す電力取出線や温度検出線を、この排ガス通過室で覆われていない部分を貫通する構成とすることによって、シールすべき箇所を少なくすることができる。発電装置のメンテナンス作業を容易に行うことができる。
【００１１】
上記の発電装置は、排ガス通過室の周囲に形成されており、発電装置の外部からセル群収容室に供給される有酸素ガスが通過する有酸素ガス通過室をさらに備えており、セル群収容室の外面の前記少なくとも一部は、排ガス通過室にも有酸素ガス通過室にも覆われていないことが好ましい。
【００１２】
上記の発電装置は、排ガス通過室の周囲に有酸素ガス通過室が形成されており、発電装置に供給された有酸素ガスが排ガス通過室の周囲を流れた後にセル群収容室に供給される。このような構成とすることによって、セル群収容室に供給される前の有酸素ガスを排ガス通過室を流れる排ガスによって予熱することができる。セル群収容室には予熱された有酸素ガスが供給されるため、セル群収容室を高温に維持することができる。また、有酸素ガスを予熱することで排ガスの温度が低下するため、発電装置の外部に排出される排ガスを適度な低温にまで冷却することができる。
また上記の発電装置では、セル群収容室の外面の少なくとも一部は排ガス通過室にも有酸素ガス通過室にも覆われていないため、この部分にはセル群収容室と排ガス通過室とを仕切る壁面も、排ガス通過室と有酸素ガス通過室とを仕切る壁面も存在しない。従って、セル群収容室内から発電装置の外部まで引き出す電力取出線や温度検出線を、この排ガス通過室にも有酸素ガス通過室にも覆われていない部分を貫通する構成とすることによって、シールすべき箇所を少なくすることができる。発電装置のメンテナンス作業を容易に行うことができる。
【００１３】
上記の発電装置においては、セル群収容室の外面の前記少なくとも一部は、セル群収容室の側面の少なくとも一部であることが好ましい。
【００１４】
セル群収容室の外面のうち、上面は発電中に最も高温となるため、発電装置からの放熱を防ぐためにも排ガス通過室で覆われていることが望ましい。またセル群収容室の下面には、一般に発電装置の外部との燃料ガスや空気や燃焼排ガスの出入り口が形成されるため、セル群収容室の下面から電力取出線や温度検出線を引き出す構成としてしまうと、セル群収容室の下面にシールすべき箇所が密集してしまい、メンテナンス作業をやりにくいものとしてしまう。
上記の発電装置のように、セル群収容室の側面の少なくとも一部を排ガス通過室で覆わない構成とすることによって、発電装置からの過剰な放熱を抑制しつつ、電力取出線や温度検出線を装置外へ引き出すためにシールすべき部分を少なくすることができる。また、シールすべき箇所を密集させてしまうことがないため、発電装置のメンテナンス作業を容易に行うことができる。
【００１５】
上記の発電装置では、セル群収容室の上部が排ガス通過室と連通しており、排ガス通過室の下部が発電装置の外部と連通しており、排ガス通過室の底面が有酸素ガス通過室に覆われていないことが好ましい。
【００１６】
セル群収容室の上部が排ガス通過室と連通し、排ガス通過室の下部が発電装置の外部と連通する構成の場合、排ガスはセル群収容室の上部から排ガス通過室の上部へ流入した後、排ガス通過室内をセル群収容室に沿って下方に向けて流れ、排ガス通過室の下部から発電装置の外部へ排出される。排ガス通過室内を流れる排ガスは、有酸素ガス通過室を流れる有酸素ガスによって冷却されるが、有酸素ガスによって排ガスが過剰に冷却されると、排ガス通過室内で結露して水が溜まってしまう。排ガス通過室内に水が溜まると、排ガス通過室の閉塞や、内部部材の腐食を引き起こす可能性がある。
上記の発電装置によれば、排ガス通過室の底面が有酸素ガス通過室に覆われていないため、セル群収容室からの排ガスは排ガス通過室の上部や側部を流れる際に有酸素ガスによって冷却されるものの、排ガス通過室の下部を流れる際には有酸素ガスによる冷却がなされない。このような構成とすることによって、発電装置内での排ガスの過剰な冷却を抑制し、発電装置内部での結露を防止し、発電装置内部に水が溜まることによる不具合を回避することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、固体酸化物型の燃料電池を用いた発電装置において、シールが必要となる箇所を低減して、発電装置のメンテナンス作業に係る労力を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の好適な実施形態を説明する。
（形態１）  燃料電池セル群は棒状のセルスタックを形成しており、セルスタックの先端近傍にオフガス燃焼部が設けられており、セルスタックが伸びる方向に沿った側面は、排ガス通過室に覆われていない。
【実施例】
【００１９】
（第１実施例）
本発明を具現化した発電装置の第１実施例を、図面を参照しながら説明する。
図１〜図３に示すように、発電ユニット１０は内部にセル群収容室４４を備えており、セル群収容室４４内に複数のセルスタック１４を収容している。セルスタック１４は複数の燃料電池セル１２を棒状に積層したものである。セルスタック１４はセル群収容室４４の中央付近に配置された水平マニホールド２４から、セル群収容室４４の長手方向（図１の左右方向）に沿って、セル群収容室４４の長手方向の側面に向けて伸びている。図２から明らかなように、同一の水平マニホールド２４からは複数のセルスタック１４が伸びており、隣接するセルスタック１４の間には集電部材２２が介装されている。セル群収容室４４には同一の高さに一対の水平マニホールド２４が配置され、一方の水平マニホールド２４からはセル群収容室４４の長手方向の一方の側面（例えば図１の右側の側面）に向けてセルスタック１４が伸びており、他方の水平マニホールド２４からはセル群収容室４４の長手方向の他方の側面（例えば図１の左側の側面）に向けてセルスタック１４が伸びている。セル群収容室４４には、上記した一対の水平マニホールド２４とそこから伸びる複数のセルスタック１４が、異なる高さで複数の段を形成するように配置されている。それぞれのセルスタック１４の下方には、セルスタック１４の外表面に空気（有酸素ガスの一例）を供給する空気供給部材１６が配置されている。空気供給部材１６は上面に空気孔が形成された箱状の部材であって、セルスタック１４が伸びる方向と空気供給部材１６が伸びる方向は互いに交差している。
【００２０】
図４に示すように、個々の燃料電池セル１２の断面は楕円形状であり、楕円柱形状に形成された燃料極１２ａの周面の半分強が固体電解質層１２ｂで覆われ、残りの周面がインターコネクタ１２ｄで覆われ、固体電解質層１２ｂの外側を酸素極１２ｃが覆っている。燃料極１２ａの内部にはセルスタック１４が伸びる方向（図４の紙面垂直方向）に貫通する複数の改質ガス通路２０が並列に形成されている。燃料電池セル１２は、改質ガス通路２０に改質ガスが供給されると、供給された改質ガスを周囲の有酸素ガスと反応させて、発電する。
燃料極１２ａは多孔質であり、ニッケル（Ｎｉ）を主成分とするニッケル／ＹＳＺサーメット（混合焼結体）からなる。固体電解質層１２ｂは緻密質であり、ジルコニア（ＺｒＯ２）にイットリア（Ｙ２Ｏ３）を加えた混合物からなる。酸素極１２ｃは多孔質であり、ペロブスカイト型酸化物であるＬＳＭ（Ｌａ１−ｘＳｒｘＭｎＯ３）からなる。インターコネクタ１２ｄは導電性セラミックからなる。
集電部材２２は蛇腹状に折り畳まれた導電性金属部材である。隣接する２つのセルスタック１４に関して、一方のセルスタック１４の燃料電池セル１２の酸素極１２ｃと、他方のセルスタック１４の燃料電池セル１２の燃料極１２ａが、集電部材２２とインターコネクタ１２ｄを介して電気的に接続されている。集電部材２２は蛇腹状に形成されているため、隣接するセルスタック１４間を空気が通過することを禁止しない。
【００２１】
図１および図２に示すように、セル群収容室４４内には一対の垂直マニホールド２９が配置されており、１つの垂直マニホールド２９から異なる高さで複数の水平マニホールド２４が伸びている。垂直マニホールド２９はセル群収容室４４内を鉛直方向に伸びており、水平マニホールド４４はセル群収容室４４内を水平方向に伸びている。水平マニホールド２４と垂直マニホールド２９は、内部に改質ガスが流れる流路を備えており、改質器１８から供給される改質ガスは、改質ガス供給管２５を経て垂直マニホールド２９へ供給され、各水平マニホールド２４を経由して各セルスタック１４へ供給される。各セルスタック１４の先端部では、改質ガス通路２０が開放されており、発電のために消費されなかった改質ガス(オフガス)が放出される。各セルスタック１４の先端近傍には夫々スパーク電極（図示省略）が配設されており、スパーク電極が火花放電することによって、各セルスタック１４の先端から流出するオフガスが周囲の空気と反応して燃焼する。
【００２２】
空気供給部材１６からは、改質器１８に向けて水平方向に邪魔板５２が伸びている。セルスタック１４の先端近傍でオフガスが燃焼した燃焼ガスは、直上の邪魔板５２によって改質器１８に向けて誘導されて、改質器１８を加熱する。
【００２３】
改質器１８は各セルスタック１４の先端と対向する位置に配置されている。改質器１８の内部には混合器１３０から燃料ガスと水蒸気を混合した混合ガスが供給されており、改質器１８はオフガスの燃焼熱を利用して混合ガスを改質する。改質器１８は、金属製の扁平な箱形状のケーシングと、その内で蛇行する経路が形成されており、この経路内に改質触媒が充填されている。混合ガスは、改質器１８内を通過する間に、改質触媒によって水素と一酸化炭素からなる改質ガスに改質される。この改質反応は吸熱を伴うものであり、本実施例の発電ユニット１０では、オフガスの燃焼熱が改質反応に利用される。改質器１８で改質された後の改質ガスは、改質ガス供給管２５から垂直マニホールド２９を経て各水平マニホールド２４に分配され、水平マニホールド２４から各セルスタック１４の改質ガス通路２０に送り込まれる。なお、一対の改質器１８は、双方の改質ガスの出口部分が渡り配管２８によって接続されており、改質ガスの出口圧力の均衡が確保されている。
【００２４】
セル群収容室４４の外側には、排ガス通過室４６が設けられている。セル群収容室４４は上部が開口した箱型の形状をしており、排ガス通過室４６は、セル群収容室４４の底面と、長手方向の両側面と、開口した上部を取囲むように設けられている。セル群収容室４４の短手方向（図２の上下方向）の両側面には、排ガス通過室４６は形成されていない。セルスタック１４の先端近傍でのオフガスの燃焼に伴って排出される燃焼排ガスは、改質器１８を加熱した後、セル群収容室４４内を上方に流れて、排ガス通過室４６の上部に流入する。排ガス通過室４６の上部に流入した燃焼排ガスは、排ガス通過室４６の長手方向（図１の左右方向）の側部および下部を順に通過して、排ガス通過室４６の下部と連通する排ガス排出管６０から外部へ排出される。
【００２５】
排ガス通過室４６の長手方向の側部には、フィン５６が取り付けられている。フィン５６は長尺な金属製板部材を略蛇腹形状に折畳んで形成されている。図示はしていないが、上下のフィン５６は、ピッチを半分ずらして取付けられている。このようにフィン５６が取付けられているため、排ガス通過室４６の長手方向の側部には、上下方向に伸びる細い角柱形状の通路が複数本形成される。
【００２６】
図１と図３に示すように、セル群収容室４４は固定用壁３６ａによって排ガス通過室４６内で持ち上げられている。固定用壁３６ａには複数個の穴３６ｂが形成されており、燃焼排ガスの流通が自在となっている。セル群収容室４４の直下の間隙は、排ガス通過室４６の下部を形成する。排ガス通過室４６は、排ガス排出管６０によって外部と連通しており、排ガス排出管６０を経由して燃焼排ガスが排出される。
【００２７】
混合器１３０は、排ガス通過室４６の下部に配置されており、排ガス通過室４６を流れる燃焼排ガスによって加熱される。混合器１３０には、燃料ガス供給管６２と水供給管６４が接続されており、発電ユニット１０の外部から燃料ガスと水が供給される。混合器１３０に供給された水は蒸発して水蒸気となり、燃料ガスと混合される。燃料ガスと水蒸気の混合ガスは、混合器１３０を通過する間に予熱される。予熱された混合ガスは、混合ガス供給管２７を経由して改質器１８に供給される。
【００２８】
排ガス通過室４６の外側には、空気通過室４８が設けられている。空気通過室４８は、排ガス通過室４６の長手方向の両側面と、上面を取り囲むように設けられている。空気通過室４８の長手方向（図１の左右方向）の側部は、下端で空気導入管３４と連通しており、空気導入管３４によって外部から導入された空気は、空気通過室４８の長手方向の側部を上方に流れて、空気通過室４８の上部から空気供給管５０に流入する。
【００２９】
空気通過室４８の長手方向の側部には、フィン５４が取り付けられている。フィン５４は横方向に長尺な金属製板部材を略蛇腹形状に折畳んで形成されている。図示はしていないが、上下のフィン５４は、ピッチを半分ずらして取付けられている。このようにフィン５４が取付けられているため、空気通過室４８の長手方向の側部には、上下方向に伸びる細い角柱形状の通路が複数本形成される。
【００３０】
空気通過室４８の上部は、空気供給管５０と連通している。空気供給管５０は金属製であり、図１と図３に示すように、セル群収容室４４内を上下方向に伸びており、上端は空気通過室４８に開口している。空気通過室４８から空気供給管５０に流入した空気は、各空気供給部材１６に分配されて、空気供給部材１６の上面から直近上部のセルスタック１４に向けて吹き付けられる。
【００３１】
空気通過室４８の外側には、断熱性の外壁４０が形成されている。外壁４０は発電ユニット１０の６面全てを覆うように形成されている。発電ユニット１０の上部および長手方向の側部では、外壁４０は空気通過室４８と接している。発電ユニット１０の底部では、外壁４０は排ガス通過室４６と接している。発電ユニット１０の短手方向の側部では、外壁４０はセル群収容室４４と接している。
【００３２】
セル群収容室４４は最も高温であり、排ガス通過室４６は２番目に高温であり、空気通過室４８が３番目に高温である。最も高温なセル群収容室４４を、２番目に高温な排ガス通過室４６で取り囲み、その外側を３番目に高温な空気通過室４８で取り囲む構造となっている。従って、発電に伴って発生する熱と、オフガスの燃焼熱だけで、セルスタック１４と改質器１８を収容するセル群収容室４４内の温度を、発電適温である８００〜８５０℃に維持することができる。熱自立することができる。
【００３３】
図２に示すように、集電部材２２で互いに接続されたセルスタック１４群のうち最外部のセルスタック１４から、発電した電力を取り出す電力取出線１００が伸びている。電力取出線１００は、セル群収容室４４の短手方向の側面から外壁４０を貫通して、外部に設けられた制御基板１１０まで伸びている。電力取出線１００は白金線であり、周囲を碍子管１０２によって保護されている。
図５に示すように、電力取出線１００が外壁４０を貫通する部位には、段付き碍子管１０４が外壁４０の外側から差し込まれており、電力取出線１００は段付き碍子管１０４の内部に形成された孔を通して引出される。段付き碍子管１０４はシールパッキン１０６を挟み込むように差し込まれており、その外側から固定板１０８によって外壁４０に対して固定される。固定板１０８は外壁４０の外側からねじ止めされる。
【００３４】
図２に示すように、セルスタック１４の各段には、セルスタック１４の温度を検出するシース熱電対１２０が設けられている。シース熱電対１２０は、シースの内部に熱電対素線を備えている。シース熱電対１２０の先端の温度計測部１２２は、セルスタック１４の段の中央部の真上に位置するように配置されている。
図５に示すように、シース熱電対１２０は外壁４０の外側から差し込まれており、外壁４０を貫通している。シース熱電対１２０はフランジ１２４を備えており、このフランジ１２４が外壁４０の外側からシールパッキン１２６を挟み込んだ状態で、固定板１０８によって外壁４０に固定される。シース熱電対１２０の検出値を出力する２本の端子１２８は、それぞれ発電ユニット１０の外部で制御基板１１０に接続されている。
【００３５】
図６はセルスタック１４の各段に対応する電力取出線１００およびシース熱電対１２０が外壁４０を貫通する部分を模式的に示している。図６に示すように、電力取出線１００はセルスタック１４の各段から制御基板１１０まで引き出されており、それぞれの段の電力を別個に取り出す構成としている。このような構成とすることによって、セルスタック１４の各段から取り出す電力を制御基板１１０で別個に制御することができる。またシース熱電対１２０もセルスタック１４の各段から制御基板１１０まで引き出されており、それぞれの段のセルスタック１４の温度を別個に検出する構成としている。このような構成とすることによって、セルスタック１４の各段の状態を制御基板１１０で詳細にモニタリングすることが可能となる。
【００３６】
本実施例の発電ユニット１０では、セル群収容室４４の短手方向の両側面は、排ガス通過室４６や空気通過室４８で覆われていない。このような構成とすることによって、外壁４０以外の壁面を貫通することなく、セル群収容室４４の短手方向の側面から電力取出線１００やシース熱電対１２０を引き出すことができる。このため、電力取出線１００やシース熱電対１２０が外壁４０を貫通する部分のみをシールすればよく、シールすべき箇所が最小限で済む。発電ユニット１０のメンテナンス作業を容易に行うことができる。
【００３７】
以下では発電ユニット１０の発電動作を説明する。発電ユニット１０に供給される水と燃料ガスは、混合器１３０内で予熱されて混合され、混合ガス供給管２７から改質器１８に送られる。改質器１８に送られた混合ガスは、水素と一酸化炭素を含む改質ガスに改質され、垂直マニホールド２９、水平マニホールド２４を経由して、各セルスタック１４の改質ガス通路２０に送られる。
【００３８】
空気導入管３４から送り込まれた空気は、空気通過室４８に送られ、フィン５４の間をすり抜けて上部に達し、空気通過室４８の上方を流れて空気供給管５０内に流入する。空気供給管５０へ流入した予熱空気は下方へ移動し、各段の空気供給部材１６に分配されて、空気供給部材１６の上方の空気供給口から、直近上方のセルスタック１４の外周面に吹き付けられる。
【００３９】
セルスタック１４に吹き付けられた空気は、上方向、若しくは斜め上方向に上昇し、セルスタック１４の下側全体に分散される。酸素は、イオン化して固体電解質層１２ｂを通過して燃料極１２ａに至り、水素または一酸化炭素と反応し、酸素極１２ｃと燃料極１２ａの間に電位差を発生させる。すなわち、発電する。
【００４０】
セルスタック１４に供給された改質ガスの例えば８０％が発電に利用される場合、発電に利用されなかった２０％の改質ガス（オフガス）は、セルスタック１４の先端から流出する。また、セルスタック１４に供給された空気の例えば２０％が発電に利用される場合、発電に利用されなかった８０％の空気は、セルスタック１４の集電部材２２の隙間をすり抜ける。この空気は直上の空気供給部材１６の底面および邪魔板５２に沿ってセルスタック１４の先端側に誘導される。
セルスタック１４の先端近傍に配設されたスパーク電極が火花放電することによって、オフガスが空気と反応して燃焼する。オフガスの燃焼熱は改質器１８に吸熱されて、改質反応に利用される。
【００４１】
燃料電池セル１２の電気化学反応が効率よく進行する環境温度は約８００℃の高温である。この環境温度が低下すれば、発電効率は低下する。従って、セルスタック群１４に供給する空気についても、約８００℃の環境温度を得るために予熱しておく必要がある。
セル群収容室４４内を上昇した燃焼排ガスは、排ガス通過室４６の上部に流入する。排ガス通過室４６の上部に流入した燃焼排ガスは、排ガス通過室４６の側部に流入し、上下方向に伸びる複数の細い角柱形状の通路を下方向に流れ、排ガス通過室４６の下部に流入する。排ガス通過室４６の下部に流入した燃焼排ガスは、排ガス排出管６０から外部に排出される。
このとき、空気導入管３４から導入された空気は空気通過室４８内に流入し、上下方向に伸びる複数の細い角柱形状の通路を上方向に通過する。排ガス通過室４６を通過する燃焼排ガスと、空気通過室４８を通過する空気との間で熱交換が行われる。排ガス通過室４６の側部に設けられたフィン５６と、空気通過室４８の側部に設けられたフィン５４によって、熱交換率は更に高められる。この熱交換によって、セルスタック群１４に供給する空気を予熱しておくことができる。予熱した空気をセルスタック群１４に供給することができるために、セルスタック群１４を発電適温に維持することができる。
空気を予熱することによって燃焼排ガスは冷却される。冷却された燃焼排ガスは、混合器１３０において、燃料ガスと水蒸気の混合ガスを予熱するには十分に高温であり、燃料ガスから炭素を析出させてしまう程には高温でない。改質器１８に予熱された混合ガスを供給すること、改質器１８の近傍でオフガスを燃焼させることによって、改質器１８の全体を改質適温に維持することができる。本実施例の発電ユニット１０は、熱自立することができている。
【００４２】
排ガス通過室４６を流れる燃焼排ガスが過度に冷却されると、燃焼排ガスから結露して、排ガス通過室４６の下部に水が溜まってしまう。排ガス通過室４６に水が溜まると、排ガス通過室４６が閉塞してしまったり、内部の機器が腐食してしまうおそれがある。
本実施例の発電ユニット１０では、空気通過室４８が排ガス通過室４６の底面を覆っていないため、排ガス通過室４６の下部において燃焼排ガスが過剰に冷却されない。これによって、排ガス通過室４６内での燃焼排ガスの結露が抑制されて、装置の内部に水が溜まることによる不具合が回避されている。
【００４３】
（第１実施例の変形例）
図７は第１実施例の発電ユニット１０の変形例である発電ユニット２００の横断面を示している。
発電ユニット２００では、排ガス通過室４６がセル群収容室４４の底面と、長手方向の両側面と、短手方向の両側面と、開口した上部を取囲むように設けられている。セル群収容室４４の短手方向（図７の上下方向）の両側面の中央部分２０２は排ガス通過室４６で覆われておらず、その中央部分２０２を除いた周辺部分２０４は排ガス通過室４６で覆われている。セル群収容室４４の短手方向の両側面の周辺部分２０４の外側に形成された排ガス通過室４６は、発電ユニット２００の上下方向（図２の紙面垂直方向）に伸びる流路を形成しており、内部にはフィン５６が形成されている。
【００４４】
空気通過室４８は、排ガス通過室４６の長手方向の両側面と、短手方向の両側面と、上面を取囲むように設けられている。排ガス通過室４６の短手方向の両側面に形成された空気通過室４８は、発電ユニット２００の上下方向（図２の紙面垂直方向）に伸びる流路を形成しており、内部にはフィン５４が形成されている。セル群収容室４４の短手方向の両側面の中央部分２０２は、排ガス通過室４６にも空気通過室４８にも覆われていない。
【００４５】
発電ユニット２００では、セル群収容室４４の短手方向の両側面の中央部分２０２は、排ガス通過室４６にも空気通過室４８にも覆われておらず、外壁４０によって直接的に覆われている。この短手方向の両側面の中央部分２０２を貫通するように電力取出線１００やシース熱電対１２０を引き出す構成とすることによっても、シールすべき箇所を最小限にすることができる。発電ユニット２００のメンテナンス作業を容易に行うことができる。
【００４６】
以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また本明細書または図面に例示した技術は複数の目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】発電ユニット１０の縦断面を示す図。
【図２】発電ユニット１０の横断面を示す図（図１のII−II線断面図）。
【図３】発電ユニット１０の別の縦断面を示す図（図１のIII−III線断面図）。
【図４】燃料電池セル１２の断面を模式的に示す図。
【図５】電力取出線１００とシース熱電対１２０が壁面４０を貫通する部分の横断面を模式的に示す図。
【図６】電力取出線１００とシース熱電対１２０が壁面４０を貫通する部分を模式的に示す図。
【図７】発電ユニット２００の横断面を示す図。
【符号の説明】
【００４８】
１０・・・・発電ユニット
１２・・・・燃料電池セル
１２ａ・・・燃料極
１２ｂ・・・固体電解質層
１２ｃ・・・酸素極
１２ｄ・・・インターコネクタ
１４・・・・セルスタック
１６・・・・空気供給部材
１８・・・・改質器
２０・・・・改質ガス通路
２２・・・・集電部材
２４・・・・水平マニホールド
２５・・・・改質ガス供給管
２７・・・・混合ガス供給管
２８・・・・渡り配管
２９・・・・垂直マニホールド
３４・・・・空気導入管
３６ａ・・・固定用壁
３６ｂ・・・固定用壁の穴
４０・・・・外壁
４４・・・・セル群収容室
４６・・・・排ガス通過室
４８・・・・空気通過室
５０・・・・空気供給管
５２・・・・邪魔板
５４・・・・フィン
５６・・・・フィン
６０・・・・排ガス排出管
６２・・・・燃料ガス供給管
６４・・・・水供給管
１００・・・電力取出線
１０２・・・碍子管
１０４・・・段付き碍子管
１０６・・・シールパッキン
１０８・・・固定板
１１０・・・制御基板
１２０・・・シース熱電対
１２２・・・温度計測部
１２４・・・フランジ
１２６・・・シールパッキン
１２８・・・端子
１３０・・・混合器
２００・・・発電ユニット
２０２・・・セル群収容室の短手方向の両側面の中央部分
２０４・・・セル群収容室の短手方向の両側面の周辺部分
【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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