(57)【要約】【課題】固体電解質型燃料電池における燃料の利用率を高める。【解決手段】燃料電池スタック１７は、第１のアノード板１，第１の電池セル３，カソード板５，セパレータ７，第２のアノード板９，第２の電池セル１１，カソード板１３，セパレータ１５の８つの部材を積層して１ユニットを構成し、この１ユニットを複数積層している。第１，第２の各電池セル３，１１は、固体電解質膜の両側に、酸化剤ガスの供給を受ける空気極と、炭化水素成分を含む燃料ガスの供給を受ける燃料極とをそれぞれ有して発電を行う。第１の電池セル３の燃料ガス出口３ａと第２の電池セル１１の燃料ガス入口１１ａとを接続する燃料ガス接続流路を設け、この燃料ガス接続流路に、第１の電池セル３の燃料ガス出口３ａから排出される燃料ガスを改質する改質触媒を設ける。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体電解質膜の両側に、酸化剤ガスの供給を受ける空気極と、炭化水素成分を含む燃料ガスの供給を受ける燃料極とをそれぞれ設けた電池セルを有して発電を行う固体電解質型燃料電池において、前記電池セルを第１の電池セルと第２の電池セルとを有する構成とし、前記第１の電池セルの燃料ガス出口と前記第２の電池セルの燃料ガス入口とを接続する燃料ガス接続流路に、前記第１の電池セルの燃料ガス出口から排出される燃料ガスを改質する改質触媒を設けたことを特徴とする固体電解質型燃料電池。
【請求項２】
前記第１の電池セルの燃料ガス入口の上流側に、前記燃料ガスを改質する外部改質器を設けたことを特徴とする請求項１記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項３】
前記電池セルの燃料極に、燃料ガスを改質する改質触媒を設けたことを特徴とする請求項１記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項４】
前記第２の電池セルにおける燃料ガス流路の流路断面積を、前記第１の電池セルにおける燃料ガス流路の流路断面積より大きくしたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項５】
前記第２の電池セルにおける燃料ガス流路の流路断面積を、前記第１の電池セルにおける燃料ガス流路の流路断面積より、最大で５倍大きくしたことを特徴とする請求項４記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項６】
前記第１の電池セルおよび第２の電池セルのそれぞれの燃料ガス流路の流路断面積を互いに同等とし、前記第２の電池セルの数を前記第１の電池セルの数より多くしたことを特徴とする請求項４記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項７】
前記第２の電池セルの数を、前記第１の電池セルの数より、最大で５倍多くしたことを特徴とする請求項６記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項８】
前記第１の電池セルの燃料ガス出口と前記第２の電池セルの燃料ガス入口とを接続する前記燃料ガス接続流路を、前記各電池セルを積層してなる燃料電池スタックの外周部に設けたことを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項９】
前記各電池セルを積層してなる燃料電池スタックを収容するケースを設け、このケース内の前記燃料電池スタックの外側を、前記第１の電池セルの燃料ガス出口と前記第２の電池セルの燃料ガス入口とを接続する前記燃料ガス接続流路としたことを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項１０】
前記第１の電池セルの燃料ガス出口と前記第２の電池セルの燃料ガス入口とを接続する前記燃料ガス接続流路を、前記各電池セルを積層してなる燃料電池スタックの中央部に設けたことを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項１１】
前記第１の電池セルの両側に、前記第２の電池セルをそれぞれ配置したことを特徴とする請求項１ないし１０のいずれかに記載の固体電解質型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、固体電解質膜の両側に、酸化剤ガスの供給を受ける空気極と、炭化水素成分を含む燃料ガスの供給を受ける燃料極とをそれぞれ設けた電池セルを有して発電を行う固体電解質型燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ジルコニアなどの酸化物固体電解質を用いる燃料電池は、作動温度が８００℃〜１０００℃と高温であるため、発電効率が高い上に、貴金属触媒が不要である。また、電解質が固体であるため、他の燃料電池のような電解質マネージメントが不要となって取扱いが容易であるなどの特徴を有し、第三世代の燃料電池として期待されている。
【０００３】
このような固体電解質型の燃料電池の燃料としては水素を用いることができるが、ＣＯを含んでいてもよいので、炭化水素燃料を改質した改質ガスであってもよい。このような燃料電池としては、例えば特許文献１に開示されている。このものは、上記したように燃料電池の作動温度が高いため、炭化水素を燃料極に直接供給し、吸熱を伴う内部改質を行って水素を作り出し発電している。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−１３４１２１号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来技術のように、燃料電池に直接燃料を供給して内部改質を行いながら発電を行うものや、これとは別に外部改質器で改質した改質ガスを燃料電池に供給するものであっても、改質ガス中にＨ２，ＣＯなど以外の発電に直接寄与しにくい未改質の燃料成分が含まれる場合には、この発電に寄与しない燃料成分が発電反応の妨げとなり得るため、燃料の利用率が低下するという問題点がある。
【０００６】
そこで、この発明は、固体電解質型燃料電池における燃料の利用率を高めることを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、この発明は、固体電解質膜の両側に、酸化剤ガスの供給を受ける空気極と、炭化水素成分を含む燃料ガスの供給を受ける燃料極とをそれぞれ設けた電池セルを有して発電を行う固体電解質型燃料電池において、前記電池セルを第１の電池セルと第２の電池セルとを有する構成とし、前記第１の電池セルの燃料ガス出口と前記第２の電池セルの燃料ガス入口とを接続する燃料ガス接続流路に、前記第１の電池セルの燃料ガス出口から排出される燃料ガスを改質する改質触媒を設けた構成としてある。
【０００８】
【発明の効果】
この発明によれば、燃料電池に供給する燃料ガス中に未改質の燃料成分を含む場合であっても、この未改質の燃料成分を、第１の電池セルの燃料ガス出口と第２の電池セルの燃料ガス入口とを接続する改質触媒を備えた燃料ガス接続流路で改質するので、燃料の利用率を高めることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【００１０】
なお、以下の説明においては、各構成要素を特に断りのない限り次のように定義する。電解質膜の一方の側に燃料極（またはアノード）を、他方の側の空気極（またはカソード）をそれぞれ設けたものを電池セル、アノード側の流路を形成するものをアノード板、カソード側の流路を形成するものをカソード板、燃料ガスと酸化剤ガス（もしくは空気）とを分離するものをセパレータとする。これらアノード板、カソード板およびセパレータの３つの部材は、説明の便宜上互いに分離しているが、このうち２つの部材あるいは３つの部材を一体に形成して単にセパレータとすることもある。
【００１１】
また、電池セル，アノード板，セパレータ，カソード板を積層し、ガス流路を配したものを燃料電池スタック、または単にスタックとし、このスタックをさらに断熱ケース（場合によって外部改質器まで）内に収容したものを燃料電池モジュールとする。さらに、構造、動作の説明を容易にするために、集電層は意図的に省略してる。
【００１２】
図１は、この発明の第１の実施形態に係わる固定電解質型燃料電池の内部構造を示す斜視図である。図２は、図１の燃料電池の一部を取り出して示した分解斜視図である。
【００１３】
この燃料電池は、図１に示すように、図中で上部側から、第１のアノード板１，第１の電池セル３，カソード板５，セパレータ７，第２のアノード板９，第２の電池セル１１，カソード板１３，セパレータ１５の８枚の部材を１ユニットとして、この１ユニットを複数積層して、これを燃料電池スタック（以下、単にスタックと呼ぶ）１７としている。
【００１４】
そして、ここでは、上記スタック１７の外部に、第１の電池セル３に供給する燃料ガスを改質するための外部改質器を備えるものとする。すなわち、第１の電池セル３の燃料ガス入口の上流側に、燃料ガスを改質する外部改質器を設けている。
【００１５】
図１中で上部側のカソード板５およびセパレータ７の外周部には、第１の電池セル３の燃料ガス出口３ａと第２の電池セル１１の燃料ガス入口１１ａとを接続する燃料ガス接続流路となる屈曲形状の貫通孔１９および２１をそれぞれ設けている。図１では、第１の電池セル３の燃料ガス出口３ａから出た燃料ガスが、第２の電池セル１１の燃料ガス入口１１ａに達するまでの流れを矢印で示している。
【００１６】
上記した各貫通孔１９，２１の内壁には、第１の電池セル３の燃料ガス出口３ａから排出される燃料ガスを改質する改質触媒２３，２５をそれぞれ担持してある。そして、第２の電池セル１１の燃料ガス出口１１ｂ（図２参照）から出たガスは、後述する燃料排出用マニホールドを通してスタック１７外へ排出される。
【００１７】
次に、図３〜図８に基づいて、上記した各部材を詳細に説明する。
【００１８】
図３は、第１のアノード板１を示している。この第１のアノード板１には、図４に示す第１の電池セル３のための燃料ガス流路２６となる、全体としてほぼ矩形状の燃料ガス流路用孔２７、使用済の燃料ガスをスタック１７外へ導くための燃料排出用マニホールドを構成する長方形状の燃料排出用マニホールド孔２９、空気をカソード側へ送り込むための空気供給用マニホールドを構成する長方形状の空気供給用マニホールド孔３１、および使用済空気をスタック１７外へ導くための空気排出用マニホールドを構成する長方形状の空気排出用マニホールド孔３３を、それぞれ形成してある。
【００１９】
上記した第１のアノード板１は、一般的にはＬａＣｒＯ３（ランタンクロマイト）などの導電性があり、かつ高温化において酸化、還元雰囲気に対して耐久性のあるセラミック系材料の焼結体により形成してある。
【００２０】
また、以下に述べる第２のアノード板９はもちろんのこと、カソード板５，１３およびセパレータ７，１５も、上記した第１のアノード板１と同様の材料で形成することが多く、本実施形態では、説明にあたりそれぞれを別部材として示しているが、この３種の部材（アノード板，カソード板，セパレータ）は、互いに隣接するもの同士であれば、一体で形成することも可能である。図１では、カソード板５とセパレータ７と第２のアノード板９とを一体化できる。
【００２１】
図４は、第１の電池セル３を示している。この第１の電池セル３は、固体酸化物電解質、例えばイットリア安定化ジルコニア（以下ＹＳＺ）からなる焼結体のアノード側（第１のアノード板１側）に燃料極３５、カソード側（カソード板５側）に図示しない空気極を形成した３層構造である。
【００２２】
ここで燃料極３５の材料には、（Ｌａ，Ｓｒ）Ｃｏ３などのペロブスカイト型酸化膜を用い、空気極の材料には、ＮｉとＹＳＺを主成分としたサーメットなどを用いる。
そして、この第１の電池セル３には、燃料ガスをスタック１７内の他の第１の電池セルへ送るための燃料供給用マニホールドを構成する長方形状の燃料供給用マニホールド孔３７、未燃ガスを含んだ燃料ガスを第２の電池セル１１へ送り出す燃料送給用マニホールドを構成する正方形状の２つの燃料送給用マニホールド孔３９、使用済の燃料ガスをスタック１７外へ送り出す燃料排出用マニホールドを構成する長方形状の燃料排出用マニホールド孔４１、空気をカソード側へ送り込むための空気供給用マニホールドを構成する長方形状の空気供給用マニホールド孔４３、および使用済空気をスタック１７外へ導くための空気排出用マニホールドを構成する長方形状の空気排出用マニホールド孔４５を、それぞれ形成してある。
【００２３】
上記した第１の電池セル３の燃料供給用マニホールド孔３７に対応して、前記第１のアノード板１には、燃料ガス流路用孔２７に対して長方形状に切り欠いた燃料ガス入口部となる燃料ガス入口用切欠部２７ａを形成してある。また、この第１のアノード板１には、第１の電池セル３の２つの燃料送給用マニホールド孔３９に対応して長方形状に切り欠いた燃料ガス出口部となる燃料ガス出口用切欠部２７ｂを形成してある。
【００２４】
また、第１の電池セル３における空気供給用マニホールド孔４３および空気排出用マニホールド孔４５は、第１のアノード板１における空気供給用マニホールド孔３１および空気排出用マニホールド孔３３にそれぞれ対応している。
【００２５】
図５は、カソード板５を示している。このカソード板５は、前述したように第１のアノード板１と同様の材質からなり、第１の電池セル３のための空気流路４７、未使用の燃料ガスを第１の電池セル３へ供給するための燃料供給用マニホールドを構成する長方形状の燃料供給用マニホールド孔４９、使用済の燃料ガスをスタック１７外へ送り出す燃料排出用マニホールドを構成する長方形状の燃料排出用マニホールド孔５１、第１の電池セル３で発電に使用されながらも未燃ガスを含んだ燃料ガスを再改質しつつ第２の電池セル１１へ送り込むための前記した改質触媒２３を備えた貫通孔１９を、それぞれ形成してある。
【００２６】
この貫通孔１９は、カソード板５の外周部に沿って一対設けてあり、その燃料排出用マニホールド孔５１側の端部１９ａは、第１の電池セル３の２つの燃料送給用マニホールド孔３９に対応している。貫通孔１９の他方の端部は、燃料供給用マニホールド孔４９に近接した位置にある。
【００２７】
また、カソード板５における燃料供給用マニホールド孔４９および燃料排出用マニホールド孔５１は、第１の電池セル３における燃料供給用マニホールド孔３７および燃料排出用マニホールド孔４１にそれぞれ対応している。さらに、空気流路４７は、その中央部分で第１の電池セル３における図示していない空気極に開口するとともに、空気供給用マニホールド孔４３および空気排出用マニホールド孔４５に開口するよう両側に切欠４７ａおよび４７ｂをそれぞれ形成してある。
【００２８】
なお、前記した改質触媒２３には、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、コバルト（Ｃｏ）、ロジウム（Ｒｈ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、イリジウム（Ｉｒ）、レニウム（Ｒｅ）、鉄（Ｆｅ）の８属遷移金属、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化クロム（Ｃｒ２Ｏ３）酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、酸化セリウム（ＣｅＯ２）、酸化ビスマス（Ｂｉ２Ｏ３）などの金属酸化物などを使用する。そして、これらの成分を含んだスラリーを、所望の部分に塗布し焼成することで触媒層は簡単に形成できる。
【００２９】
図６は、セパレータ７を示している。このセパレータ７も、前述したように第１のアノード板１およびカソード板５と同様の材質からなり、前記カソード板５の燃料供給用マニホールド孔４９に対応して、燃料ガスを供給するための燃料供給用マニホールドを構成する長方形状の燃料供給用マニホールド孔５３、カソード板５の燃料排出用マニホールド孔５１に対応して燃料ガスを排出するための燃料排出用マニホールドを構成する燃料排出用マニホールド孔５５、さらに、前記カソード５の切欠４７ａに対応して空気を供給するための空気供給用マニホールドを構成する空気供給用マニホールド孔５７、カソード５の切欠４７ｂに対応して空気を排出するための空気排出用マニホールドを構成する空気排出用マニホールド孔５９を、それぞれ備えている。
【００３０】
また、上記したセパレータ７には、前記したカソード板５と同様に、前述したように、改質触媒２５を備えた、第１の電池セル３から第２の電池セル１１へ再改質しながら未燃ガスを供給するための燃料ガス接続流路となる貫通孔２１を形成してある。この貫通孔２１は、前記したカソード板５の貫通孔１９に対応している。
【００３１】
図７は、第２のアノード板９を示している。この第２のアノード板９は、第２の電池セル１１のための燃料ガス流路６１となる全体としてほぼ矩形状の燃料ガス流路孔６３、燃料ガスを第１の電池セル３へ供給するための燃料供給用マニホールドを構成する長方形状の燃料供給用マニホールド孔６５、空気をカソード側へ送り込むための空気供給用マニホールドを構成する空気供給用マニホールド孔６７、および使用済空気をスタック外１７へ導くための空気排出用マニホールドを構成する空気排出用マニホールド孔６９を、それぞれ形成してある。
【００３２】
また、上記した燃料ガス流路孔６３には、燃料供給用マニホールド孔６５の両側に位置するよう突出する長方形状に切り欠いた、燃料ガス入口用切欠部６３ａを形成してある。さらに、この燃料ガス流路孔６３には、前記セパレータ７の燃料排出用マニホールド孔５５に対応して、長方形状に切り欠いた燃料ガス出口用切欠部６３ｂを形成してある。
【００３３】
上記した空気供給用マニホールド孔６７および空気排出用マニホールド孔６９は、前記したセパレータ７における空気供給用マニホールド孔５７および空気排出用マニホールド孔５９にそれぞれ対応している。
【００３４】
また、燃料ガス入口用切欠部６３ａは、前記したセパレータ７における貫通孔２１の燃料供給用マニホールド孔５３側の端部２１ａに対応し、さらに燃料ガス出口用切欠部６３ｂは、セパレータ７における燃料排出用マニホールド孔５５に対応している。
【００３５】
図８は、第２の電池セル１１を示している。この第２の電池セル１１は、第１の電池セル３とほぼ同様であり、ＹＳＺの焼結体のアノード側（第２のアノード９側）に燃料極７１、カソード側（カソード１３側）に図示しない空気極を形成した３層構造である。
【００３６】
また、この第２の電池セル１１には、燃料ガスを他の第１の電池セル３へ送るための燃料供給用マニホールドを構成する長方形状の燃料供給用マニホールド孔７３、第２の電池セル１１で発電に使用された使用済燃料ガスをスタック１７外へ送り出す燃料排出用マニホールドを構成する燃料排出用マニホールド孔７５、空気をカソード側へ送り込むための空気供給用マニホールドを構成する空気供給用マニホールド孔７７、および使用済空気をスタック１７外へ導くための空気排出用マニホールドを構成する空気排出用マニホールド孔７９を、それぞれ備えている。
【００３７】
上記した燃料供給用マニホールド孔７３は、前記した第２のアノード９における空気排出用マニホールド孔６５に対応し、燃料排出用マニホールド孔７５は、第２のアノード９における燃料ガス出口用切欠部６３ｂに対応している。また、空気供給用マニホールド孔７７および空気排出用マニホールド孔７９は、第２のアノード９における空気供給用マニホールド孔６７および空気排出用マニホールド孔６９にそれぞれ対応している。
【００３８】
なお、図１に示してあるカソード板１３は、図５のカソード板５における２つの貫通孔１９を設けていない構成であり、同セパレータ１５は、図６のセパレータ７における２つの貫通孔２１を設けていない構成である。
【００３９】
次に、第１の実施形態における燃料ガスの流れおよび動作を説明する。
【００４０】
まず、図示しない外部改質器によって改質した改質ガスを、図３の矢印Ａで示すように、第１のアノード板１の燃料ガス入口用切欠部２７ａから燃料ガス流路２６に流し、第１の電池セル３の燃料極３５に供給して発電を行う。ここで、第１の電池セル３を通過した燃料ガスは、発電に使用されなかった改質ガスが含まれている状態にある。
【００４１】
また、この改質ガス中にはＨ２，ＣＯのほか未改質の燃料成分を含むが、電池反応は分子量の小さい順に反応が進行するので、第１の電池セル３で発電に利用されるのは、主にＨ２，ＣＯであり、第１の電池セル３を通過した改質ガス中には、Ｈ２，ＣＯよりも未改質の燃料成分の割合が多くなっている。
【００４２】
次に、第１の電池セル３の燃料極３５に沿って流れて上記のように改質された改質ガスは、燃料ガス出口用切欠部２７ｂから第１の電池セル３の燃料送給用マニホールド孔３９を通って、カソード板５およびセパレータ７の貫通孔１９および２１で構成した燃料ガス接続流路の端部１９ａに流入し、この燃料ガス接続流路を、図５，図６の矢印Ｂのように反対側の端部２１ａ（図６参照）に向かって流れる。
【００４３】
この端部２１ａに達した改質ガスは、図７，図８の矢印Ｃのように、第２のアノード板９の燃料ガス入口用切欠部６３ａから燃料ガス流路６１に流れ、第２の電池セル１１の燃料極７１に供給される。
【００４４】
第１の電池セル３を出た改質ガスが、貫通孔１９，２１で構成した燃料ガス接続流路を通過する際には、貫通孔１９，２１の内壁に設けてある改質触媒２３，２５が、改質ガス中の未改質の燃料成分を改質し、再びＨ２，ＣＯの割合が多くなる。
【００４５】
そして、第２の電池セル１１では、この改質ガスを用いて発電がなされる。この第２の電池セル１１において発電に使用された使用済ガスは、燃料排出用マニホールド孔７５に流出し、この燃料排出用マニホールド孔７５を含む燃料排出用マニホールドを通過してスタック１７外へ排出される。
【００４６】
このように、第２の電池セル１１中のＨ２，ＣＯ成分を再び多くすることで、第２の電池セル１１での燃料利用率を高めることができる（電池セルの反応面積が同じであれば、改質ガス中のＨ２，ＣＯ成分が多いほど燃料利用率を高めることができる。）。
【００４７】
また、改質反応を行わせるカソード板５およびセパレータ７の貫通孔１９，２１は、いずれもスタック１７の外表面に近い外周部に設けてあるので、スタック１７外部への放熱を、吸熱反応である改質反応で行うことができ、システム効率を高めることができる。これと同時に、スタック１７の外周部を冷却することができる。
【００４８】
このように、第１の実施形態では、１段目（第１の電池セル３）で使用した未改質の燃料成分を含む改質ガスを、改質触媒２３，２５を備えたスタック１７の外周部の燃料ガス接続流路にて再度改質し、２段目（第２の電池セル１１）にて再び発電を行うことで、複雑な燃料回収、リサイクル装置・制御なしに、燃料利用率を高めることができる。
【００４９】
また、この構造においては、低負荷時に、導入する燃料ガスの濃度、流量を低く抑えることで、第１の電池セル３の発電動作を主とし、第２の電池セル１１はそのほぼ反応の終了した燃料ガスの熱量および燃料残留分との発電反応によってスタック１７の予熱を行い、一方高負荷時には、燃料ガスの濃度、流量を上げることにより第２の電池セル１１へも充分な燃料を送り発電を行う制御を行うことができる。このような制御を行うことで、負荷が変動した場合に、その発電出力の応答速度の向上が図れるとともに、より大きな負荷変動にも対応することができる。
【００５０】
さらに、第１の実施形態では、第１の電池セル３から第２の電池セル１１を結ぶ配管（燃料ガス接続流路）をスタック１７の外周部に配し、その内部に改質触媒２３，２５を設けて改質器として用いることにより、改質反応が吸熱反応であることからスタック１７の過熱を防止できるとともに、スタック１７の発熱を改質反応のエネルギとして回収できる上、スタック１７外周部の低温化による放熱の低減により総合効率の向上も図れる。
【００５１】
なお、上記した第１の実施形態では、外部に改質器を設けた例を示したが、電池セルに改質触媒を担持させた内部改質形のシステムに適用してもよい。
【００５２】
この場合には、燃料を第１の電池セル３の燃料極３５に供給して燃料改質を行い、Ｈ２，ＣＯに改質した改質ガスにより発電反応を行う。ここで第１の電池セル３を通過したガスは、発電に使用されなかったＨ２，ＣＯや未改質の燃料ガスが含まれている状態にあるが、発電は主にＨ２，ＣＯにより行われるので、Ｈ２，ＣＯよりも未改質の燃料成分の割合が多くなっている。
【００５３】
次に、第１の電池セル３を出た改質ガスは、カソード板５およびセパレータ７の各貫通孔１９および２１で構成する燃料ガス接続流路を通過した後、第２の電池セル１１に供給する。この燃料ガス接続流路内を通過する改質ガスは、改質触媒２３，２５が未改質の燃料成分を改質する。ここでの改質反応は、前述と同様にスタック１７外部への放熱を利用して行うことができるので、システム効率向上に貢献できる。
【００５４】
このように、第１の電池セル３を出た改質ガスは、再びＨ２，ＣＯの割合が多くなり、第２の電池セル１１ではこの改質ガスを用いて発電を行う。そして、第２の電池セル１１において発電に使用された使用済ガスは、燃料排出用マニホールドを通過してスタック１７外へ排出する。
【００５５】
これにより、燃料利用率、システム効率を高めることができるなど、前記した外部改質器を備えた場合と同様の効果が得られる。
【００５６】
また、上記した第１の実施形態では、燃料供給用マニホールド，燃料排出用マニホールド，空気供給用マニホールドおよび空気排出用マニホールドを、スタック１７内に設けた、いわゆるインターナルマニホールドタイプにて説明したが、これら各マニホールドをスタック１７外部に設けた外部マニホールドタイプにもこの発明を適用可能である。さらに、外部マニホールドタイプとして、燃料ガス流路および酸化剤ガス流路をハニカム状に形成してある燃料電池にも、この発明を適用可能である。
【００５７】
図９は、この発明の第２の実施形態に係わる燃料電池を構成する各部材の分解斜視図である。この実施形態は、第２の電池セルの数を第１の電池セルの数より多くしている。すなわち、この場合、第２の電池セルにおける燃料ガス流路の流路断面積を、第１の電池セルにおける燃料ガス流路の流路断面積より大きくしている。炭化水素系燃料を使用する際には、燃料ガスのモル数は理想的に全て反応した場合には、次式のようになり、体積が大きく膨張することになる。
【００５８】
ＣｎＨ２ｎ＋２＋（３ｎ＋１）／２　Ｏ２→ｎＣＯ２＋（ｎ＋１）Ｈ２Ｏ
したがって、燃料ガス側では１ｍｏｌの燃料ガスが（２ｎ＋１）ｍｏｌまで体積が膨張する。この場合燃料ガスの全てが完全に反応するわけではなく、ＣＯ２，Ｈ２Ｏ，ＣＯ，ＣＨ４、その他炭化水素系ガスなどの混合ガスの状態となるが、後段に行くほど燃料ガスの体積は膨張することになる。ここで、燃料がガソリンの場合ｎ＝５として、ガソリン１ｍｏｌのうち３０％が上式で完全酸化し（ＣＯ２、Ｈ２０がそれぞれ１．５ｍｏｌと１．８ｍｏｌ）、３０％改質触媒での反応等によりＣＯとＣＨ４になり（それぞれ０．７５ｍｏｌずつ）、残り（０．４ｍｏｌ）が燃料のまま下流に流れるとするとガスの体積は約５倍（５．２ｍｏｌ）に増加する。
【００５９】
第２の実施形態では、１段の第１の電池セル３に対し、２段の第２の電池セル１１Ａおよび１１Ｂを有する構成とし、第２の電池セル１１Ａには、第１の電池セル３から排出された未燃ガスを含む燃料ガスを、第２の電池セル１１Ｂに導くための貫通孔８１を設けている。
【００６０】
すなわち、この貫通孔８１は、第２の電池セル１１Ａの下部に位置するカソード板５における貫通孔１９の端部１９ａに対応している。また、第２の電池セル１１Ａの上部に位置するアノード板８３には、上記した貫通孔８１に対応する貫通孔８５を設け、この貫通孔８５は、その上部に位置するセパレータ７およびカソード板５における貫通孔２１および１９、さらにその上部の第１の電池セル３の燃料送給用マニホールド孔３９に対応している。
【００６１】
上記した第２の実施形態では、第１の実施形態と同様に、第１の電池セル３を出た燃料ガスを、燃料ガス接続流路で改質して第１の電池セル１１Ａ，１１Ｂに供給するので、燃料利用率が向上する。
【００６２】
また、燃料ガスは発電時の酸化反応によりその容積を増すことから、第１の電池セルの流路断面積より第２の電池セルの流路断面積（２つの第２の電池セル１１Ａ，１１Ｂの流路断面積の合計）を大きく取ることで、燃料ガスの膨張による燃料ガスの圧損を低減することができる。これにより、燃料ガスを導入するための圧縮機の小型化、負荷の低減を図ることができ、総合効率の向上、システムの小型化を図りつつ、さらに第２の電池セルの反応面積を増やすことで、より一層の燃料利用率を高めることができる。
【００６３】
上記した第２の実施形態では、第２の電池セル１１Ａ，１１Ｂにおける燃料ガス流路の流路断面積を、第１の電池セル３における燃料ガス流路の流路断面積より大きくする際に、第１，第２の各電池セルの１つの流路断面積を同じとした条件で、第２の電池セルの段数を第１の電池セルの段数より多くしている。これに対し、段数を同じとして、第２の電池セルの燃料ガス流路の流路断面積を、第１の電池セルの同断面積より大きくしても、やはり燃料ガスの圧損の低減による、燃料ガスを導入するための圧縮機の小型化、負荷の低減による総合効率の向上、システムの小型化を図ることが可能である。
【００６４】
なお、第２の電池セルおける燃料ガス流路の流路断面積は、前述のように第１の電池セルにおける燃料ガス流路の流路断面積より、最大で５倍大きくすることが望ましい。
【００６５】
図１０は、この発明の第３の実施形態を示す燃料電池モジュールの斜視図である。この実施形態は、燃料電池スタック（以下、単にスタックと呼ぶ）１７０をケース８７内に収容し、このケース８７の内部に断熱材８９を設けるとともに、この断熱材８９に改質触媒を担持させ、第１の電池セル９１にて使用した未燃ガスを含んだ燃料ガスを、この断熱・触媒層により再改質を行う。すなわち、この実施形態は、スタック１７０の外側のケース８７内が、第１の電池セル９１の燃料ガス出口と第２の電池セル９３の燃料ガス入口とを接続する燃料ガス接続流路となる。
【００６６】
なお、ここでのスタック１７０についても、前記図１に示した第１の実施形態におけるスタック１７と同様に、上記した第１，第２の各電池セル９１，９３および、アノード板９５，９７，カソード板９９，１０１、セパレータ１０３，１０５の８枚の部材を１ユニットとして、この１ユニットを複数積層している。
【００６７】
この第３の実施形態においては、第１の実施形態に比べ、ケース８７内部を第１，第２の電池セル９１，９３間をつなぐ配管として用いるとともに、ケース８７内の断熱材８９に改質触媒を担持させることにより、特別な配管が不要となり、マニホールドの簡素化が図れる。
【００６８】
さらに、この第２の実施形態では、吸熱反応である改質反応を高温となるスタック１７０の全周で行うことによりスタック１７０の過熱をより確実に防止でき、さらにスタック１７０の発熱を、改質反応のエネルギとしてより効果的に回収できる上、スタック１７０外周部の低温化による放熱の低減により総合効率の向上も図れる。
【００６９】
図１１〜図１８は、上記したスタック１７０における燃料電池の１ユニットを構成する８枚の部材の構造をそれぞれを示している。
【００７０】
図１１は、第１のアノード板９５を示している。この第１のアノード板９５は、中央部に燃料ガス流路９５ａを形成してあり、燃料ガス流路９５ａの一端に、燃料供給用マニホールドを構成する燃料ガス入口９５ｂを、他端に前記ケース８７内に開口する燃料ガス出口９５ｃをそれぞれ備えている。
【００７１】
９５ｄは使用済みの燃料ガスをスタック１７０の外部に排出する燃料排出用マニホールドを構成する燃料排出用マニホールド孔、９５ｅは空気をカソード側へ送り込むための空気供給用マニホールドを構成する空気供給用マニホールド孔、９５ｆは使用済空気をスタック１７０外へ導くための空気排出用マニホールドを構成する空気排出用マニホールド孔である。
【００７２】
図１２は、第１の電池セル９１を示している。この第１の電池セル９１は、アノード側（第１のアノード板９５側）に燃料極９１ａ、カソード側（カソード板９９側）に図示しない空気極を形成した３層構造である。
【００７３】
９１ｂ，９１ｄ，９１ｅおよび９１ｆは、第１のアノード板９５における燃料ガス入口９５ｂに対応する燃料供給用マニホールド孔，同燃料排出用マニホールド孔９５ｄに対応する燃料排出用マニホールド孔，空気供給用マニホールド孔９５ｅに対応する空気供給用マニホールド孔、および空気排出用マニホールド孔９５ｆに対応する空気排出用マニホールド孔である。
【００７４】
図１３は、カソード板９９を示している。このカソード板９９は、中央部に第１の電池セル９１のための空気流路９９ａを備えている。この空気流路９９ａの図中で上下両端は、前記した第１の電池セル９１における空気供給用マニホールド孔９１ｅおよび空気排出用マニホールド孔９１ｆにそれぞれ対応している。
【００７５】
９９ｂ，９９ｄは、第１の電池セル９１における燃料供給用マニホールド孔９１ｂ，同燃料排出用マニホールド孔９１ｄにそれぞれ対応する燃料供給用マニホールド孔，燃料排出用マニホールド孔である。
【００７６】
図１４は、セパレータ１０３を示している。このセパレータ１０３は、前記したカソード板９９における燃料供給用マニホールド孔９９ｂおよび燃料排出用マニホールド孔９９ｄにそれぞれ対応する燃料供給用マニホールド孔１０３ｂおよび燃料排出用マニホールド孔１０３ｄを備えるとともに、空気流路９９ａに連通する空気供給用マニホールド孔１０３ｅおよび空気排出用マニホールド孔１０３ｆをそれぞれ備えている。
【００７７】
図１５は、第２のアノード板９７を示している。この第２のアノード板９７は、中央部に燃料ガス流路９７ａを形成してあり、この燃料ガス流路９７ａには、前記したケース８７内にて改質した燃料ガスが、一端に形成した燃料ガス入口９７ｇから流入する。燃料ガス流路９７ａの他端に形成した燃料ガス出口９７ｄは、セパレータ１０３の燃料排出用マニホールド孔１０３ｄに対応している。
【００７８】
９７ｂは、セパレータ１０３の燃料供給用マニホールド孔１０３ｂに対応する燃料供給用マニホールド孔であり、９７ｅ，９７ｆは、セパレータ１０３の空気供給用マニホールド孔１０３ｅおよび空気排出用マニホールド孔１０３ｆに対応する空気供給用マニホールド孔および空気排出用マニホールド孔である。
【００７９】
図１６は、第２の電池セル９３を示している。この第２の電池セル９３は、アノード側（第２のアノード板９７側）に燃料極９３ａ、カソード側（カソード板１０１側）に図示しない空気極を形成した３層構造である。
【００８０】
９３ｂ，９３ｄ，９３ｅおよび９３ｆは、第２のアノード板９７における燃料供給用マニホールド９７ｂに対応する燃料供給用マニホールド孔，同燃料排出用マニホールド孔９７ｄに対応する燃料排出用マニホールド孔，空気供給用マニホールド孔９７ｅに対応する空気供給用マニホールド孔、および空気排出用マニホールド孔９７ｆに対応する空気排出用マニホールド孔である。
【００８１】
図１７は、カソード板１０１を示している。このカソード板１０１は、中央部に第２の電池セル９３のための空気流路１０１ａを備えている。この空気ガス流路１０１ａは、前記した第２の電池セル９３における空気供給用マニホールド孔９３ｅおよび空気排出用マニホールド孔９３ｆにそれぞれ連通している。
【００８２】
１０１ｂ，１０１ｄは、第２の電池セル９３における燃料供給用マニホールド孔９３ｂ，同燃料排出用マニホールド孔９３ｄにそれぞれ対応する燃料供給用マニホールド孔，燃料排出用マニホールド孔である。
【００８３】
図１８はセパレータ１０５を示している。このセパレータ１０５は、前記したカソード板１０１における燃料供給用マニホールド孔１０１ｂおよび燃料排出用マニホールド孔１０１ｄにそれぞれ対応する燃料供給用マニホールド孔１０５ｂおよび燃料排出用マニホールド孔１０５ｄを備えるとともに、空気流路１０１ａの図中で上下両端に連通する空気供給用マニホールド孔１０５ｅおよび空気排出用マニホールド孔１０５ｆをそれぞれ備えている。
【００８４】
図１９は、この発明の第４の実施形態を示す燃料電池の、図２１におけるＡ−Ａ線に対応する断面図である。この第４の実施形態は、燃料電池スタック（以下、単にスタックと呼ぶ）１７００の中央内部に、第１の電池セル１０７の燃料ガス出口と第２の電池セル１１９の燃料ガス入口とを結ぶ、触媒層を担持した燃料ガス接続流路としての配管流路１１１を設けている。
【００８５】
すなわち、この場合、上記した配管流路１１１の図１９中で上部が、第１の電池セル１０７の燃料ガス出口１１１ａであり、配管流路１１１の同下部が、第２の電池セル１１９の燃料ガス入口１１１ｂとなる。
【００８６】
この第４の実施形態によれば、スタック１７００内部において最も熱がこもって高温となるスタック中央部位に、吸熱反応を行う改質触媒を設けることで、スタック１７００内の熱分布の改善を図り、さらに過熱を防止することができるとともに、スタック１７００にて発生する熱を改質反応のエネルギとして回収できることから、総合効率の改善も図ることができる。
【００８７】
図２０〜図２４は、スタック１７００における燃料電池の１ユニットを構成する各部材の構造をそれぞれを示している。なお、ここではカソード側の流路を形成するカソード板は、セパレータと一体化したものとして示してある。
【００８８】
図２０は、第１のアノード板１１３を示している。この第１のアノード板１１３は、中央部に第１の電池セル１０７のための燃料ガス流路１１３ａを形成してあり、燃料ガス流路１１３ａの図中で左右両端に、燃料供給用マニホールドを構成する燃料ガス入口１１３ｂを備えている。
【００８９】
１１３ｃは、使用済みの燃料ガスをスタック１７００の外部に排出する燃料排出用マニホールドを構成する燃料排出用マニホールド孔、１１３ｄは、空気をカソード側へ送り込むための空気供給用マニホールドを構成する空気供給用マニホールド孔、１１３ｅは、使用済空気をスタック１７００外へ導くための空気排出用マニホールドを構成する空気排出用マニホールド孔である。
【００９０】
図２１は、第１の電池セル１０７を示している。この第１の電池セル１０７は、アノード側（第１のアノード板１１３側）に燃料極１０７ａ、カソード側に図示しない空気極を形成した３層構造である。そして、この第１の電池セル１０７の中央部には、前記した改質触媒を備えた配管流路１１１を形成してある。
【００９１】
１０７ｂおよび１０７ｃは、第１のアノード板１１３おける燃料ガス入口１１３ｂに対応する燃料供給用マニホールド孔、および燃料排出用マニホールド孔１１３ｃに対応する燃料排出用マニホールド孔である。また、１０７ｄ，１０７ｅは、第１のアノード板１１３における空気供給用マニホールド孔１１３ｄに対応する空気供給用マニホールド孔，空気排出用マニホールド孔１１３ｅに対応する空気排出用マニホールド孔である。
【００９２】
図２２は、セパレータ１１５を示している。このセパレータ１１５は、中央部に前記した改質触媒を備えた配管流路１１１を備えるとともに、その周囲に第１の電池セル１０７のための空気流路１１５ａを備えている。この空気流路１１５ａの図中で上下両端は、前記した第１の電池セル１０７における空気供給用マニホールド孔１０７ｄおよび空気排出用マニホールド孔１０７ｅにそれぞれ連通している。
【００９３】
１１５ｂおよび１１５ｃは、第１の電池セル１０７における燃料供給用マニホールド孔１０７ｂおよび燃料排出用マニホールド孔１０７ｃにそれぞれ対応する燃料供給用マニホールド孔および燃料排出用マニホールド孔である。
【００９４】
図２３は、第２のアノード板１１７を示している。この第２のアノード板１１７は、中央部に第２の電池セル１１９のための燃料ガス流路１１７ａを形成してあり、燃料ガス流路１１７ａの図中で左右両端に、燃料排出用マニホールドを構成する燃料ガス出口１１７ｃを備えている。この燃料ガス出口１１７ｃは、前記したセパレータ１１５の燃料排出用マニホールド孔１１５ｃに対応している。
【００９５】
１１７ｂは、前記したセパレータ１１５における燃料供給用マニホールド孔１１５ｂに対応する燃料供給用マニホールド孔である。１１７ｄおよび１１７ｅは、セパレータ１１５における空気流路１１５ａに連通する空気供給用マニホールド孔および空気排出用マニホールド孔である。
【００９６】
図２４は、第２の電池セル１１９を示している。この第２の電池セル１１９は、アノード側（第２のアノード板１１７側）に燃料極１１９ａ、カソード側に図示しない空気極を形成した３層構造である。
【００９７】
１１９ｂおよび１１９ｃは、第２のアノード板１１７おける燃料供給用マニホールド孔１１７ｂに対応する燃料供給用マニホールド孔、および燃料ガス出口１１７ｃに対応する燃料排出用マニホールド孔である。また、１１９ｄ，１１９ｅは、第２のアノード板１１７における空気供給用マニホールド孔１１７ｄに対応する空気供給用マニホールド孔，空気排出用マニホールド孔１１７ｅに対応する空気排出用マニホールド孔である。
【００９８】
なお、図１９において第２の電池セル１１９の下部のセパレータ１２１は、前記したセパレータ１１５における配管流路１１１を設けない構成であり、第２の電池セル１１９との間に、空気流路１２１ａを備えている。
【００９９】
また、第１の電池セルの燃料ガス出口と第２の電池セルの燃料ガス入口とを接続する燃料ガス接続流路を、スタック外周部に設けた第１の実施形態と、燃料ガス接続流路をスタック中央部に設けた第２の実施形態とを組み合わせることで、より一層の熱分布の均一化を図ることができる。
【０１００】
図２５は、この発明の第５の実施形態を示す燃料電池の断面図である。この第５の実施形態では、第１の電池セル１２３の両側を第２の電池セル１２５で挟みみ込む構成とすることで、第１の電池セル１２３と第２の電池セル１２５の配置を、できるだけ均等にするようにしている点が、これまでの各実施形態とは異なる。
【０１０１】
これにより、第１の電池セル１２３と第２の電池セル１２５との間の温度分布をより均一にすることができる。　第１の電池セル１２３と第２の電池セル１２５においては、発電に用いる燃料ガスの組成、濃度、電極の活性、また第１の電池セル１２３に改質触媒を配し内部改質を行うか否かにより、当然発熱量が異なることになる。したがってが本実施形態においては、第１の電池セル１２３と第２の電池セル１２５とをできるだけ均等に配置することにより、スタック全体の熱分布を均一化し、余剰な熱の発生をなくして効率の改善を図ると同時に、耐久性や寿命を延ばすことが可能となる。
【０１０２】
なお、図２５において、第１の電池セル１２３とその上下両側の第２の電池セル１２５との間に介装してある各セパレータ１２７は、アノード流路およびカソード流路を一体に形成してあり、かつ第１の電池セル１２３から出た燃料ガスを改質して第２の電池セル１２５へ送る改質機能を備えた燃料ガス接続流路を備えている。また、第２の電池セル１２５相互に挟まれたセパレータ１２９は、アノード流路およびカソード流路が一体であるが、上記したセパレータ１２７のように改質機能を備えた燃料ガス接続流路を備えていない。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施形態に係わる固定電解質型燃料電池を示す斜視図である。
【図２】図１の燃料電池の一部を取り出して示した分解斜視図である。
【図３】図１の燃料電池における第１のアノード板の斜視図である。
【図４】図１の燃料電池における第１の電池セルの斜視図である。
【図５】図１の燃料電池におけるカソード板の斜視図である。
【図６】図１の燃料電池におけるセパレータの斜視図である。
【図７】図１の燃料電池における第２のアノード板の斜視図である。
【図８】図１の燃料電池における第２の電池セルの斜視図である。
【図９】この発明の第２の実施形態に係わる燃料電池の分解斜視図である
【図１０】この発明の第３の実施形態を示す燃料電池モジュールの斜視図である。
【図１１】図１０の燃料電池における第１のアノード板の斜視図である。
【図１２】図１０の燃料電池における第１の電池セルの斜視図である。
【図１３】図１０の燃料電池におけるカソード板の斜視図である。
【図１４】図１０の燃料電池におけるセパレータの斜視図である。
【図１５】図１０の燃料電池における第２のアノード板の斜視図である。
【図１６】図１０の燃料電池における第２の電池セルの斜視図である。
【図１７】図１０の燃料電池におけるカソード板の斜視図である。
【図１８】図１０の燃料電池におけるセパレータの斜視図である。
【図１９】この発明の第４の実施形態を示す燃料電池の断面図である。
【図２０】図１９の燃料電池における第１のアノード板の斜視図である。
【図２１】図１９の燃料電池における第１の電池セルの斜視図である。
【図２２】図１９の燃料電池におけるセパレータの斜視図である。
【図２３】図１９の燃料電池における第２のアノード板の斜視図である。
【図２４】図１９の燃料電池における第２の電池セルの斜視図である。
【図２５】この発明の第５の実施形態を示す燃料電池の断面図である。
【符号の説明】
３，９１，１０７　第１の電池セル
３ａ，９５ｃ，１１１ａ　第１の電池セルの燃料ガス出口
１１，１１Ａ，１１Ｂ，９３，１１９　第２の電池セル
１１ａ，９７ｇ，１１１ｂ　第２の電池セルの燃料ガス入口
１７，１７０，１７００　燃料電池スタック
１９，２１　貫通孔（燃料ガス接続流路）
２３，２５　改質触媒
２６，９５ａ，１１３ａ　燃料ガス流路
３５，７１，９１ａ，９３ａ，１０７ａ，１１９ａ　燃料極
８７　ケース
１１１　配管流路（燃料ガス接続流路）
【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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