(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数個のセルスタックと、
複数個のマニホールドと、
複数本の有酸素ガス通路と、
有酸素ガス用の供給管と、を備え、
各セルスタックは、複数本の燃料電池セルが同一平面内に平行に並べられて配置されて構成され、
各燃料電池セルは、燃料極と固体電解質と酸素極と燃料ガス通路を有するとともに、燃料ガス通路は燃料極内を通過しており、
複数個のセルスタックは、垂直方向に多段に配置され、
複数個のマニホールドは、それぞれ、各セルスタックが備える複数本の燃料ガス通路のそれぞれに燃料ガスを供給するためのマニホールドであって、複数個のセルスタックのそれぞれに対して備えられており、
複数本の有酸素ガス通路は、それぞれ、各セルスタックが備える複数本の燃料電池セルのそれぞれに有酸素ガスを供給するための有酸素ガス通路であって、複数個のセルスタックのそれぞれに対して備えられており、
各有酸素ガス通路は、対応するセルスタックの下方に、水平方向に伸びるように配置されており、
有酸素ガス用の供給管は、複数本の有酸素ガス通路に有酸素ガスを供給する供給管であり、
各段のセルスタックを垂直方向から観察したときにセルスタックが配置される範囲の外側に、複数個のマニホールド、及び、有酸素ガス用の供給管が配置されており、
垂直方向に隣接するセルスタックの間は、ガス流遮断板によって仕切られており、
ガス流遮断板は、有酸素ガス通路と一体に又は有酸素ガス通路と当接して設けられており、
ガス流遮断板が有酸素ガス通路の一部を構成している、
ことを特徴とする発電装置。
【請求項２】
複数個のセルスタックと、
複数個のマニホールドと、
複数本の有酸素ガス通路と、
有酸素ガス用の供給管と、
複数個の改質器を備え、
各セルスタックは、複数本の燃料電池セルが同一平面内に平行に並べられて配置されて構成され、
各燃料電池セルは、燃料極と固体電解質と酸素極と燃料ガス通路を有するとともに、燃料ガス通路は燃料極内を通過しており、
複数個のセルスタックは、垂直方向に多段に配置され、
複数個のマニホールドは、それぞれ、各セルスタックが備える複数本の燃料ガス通路のそれぞれに燃料ガスを供給するためのマニホールドであって、複数個のセルスタックのそれぞれに対して備えられており、
複数本の有酸素ガス通路は、それぞれ、各セルスタックが備える複数本の燃料電池セルのそれぞれに有酸素ガスを供給するための有酸素ガス通路であって、複数個のセルスタックのそれぞれに対して備えられており、
各有酸素ガス通路は、対応するセルスタックの下方に、水平方向に伸びるように配置されており、
有酸素ガス用の供給管は、複数本の有酸素ガス通路に有酸素ガスを供給する供給管であり、
各段のセルスタックを垂直方向から観察したときにセルスタックが配置される範囲の外側に、複数個のマニホールド、及び、有酸素ガス用の供給管が配置されており、
各改質器は、燃料ガスを改質するものであり、
複数個の改質器は、複数個のセルスタックのそれぞれに対して備えられており、
各改質器は箱形状であり、上面にパッキンを介してセルスタックが載置され、
改質器とセルスタックとの間に有酸素ガス通路が配置されている、
ことを特徴とする発電装置。
【請求項３】
複数個のセルスタックと、
複数個のマニホールドと、
複数本の有酸素ガス通路と、
有酸素ガス用の供給管と、を備え、
各セルスタックは、複数本の燃料電池セルが同一平面内に平行に並べられて配置されて構成され、
各燃料電池セルは、燃料極と固体電解質と酸素極と燃料ガス通路を有するとともに、燃料ガス通路は燃料極内を通過しており、
複数個のセルスタックは、垂直方向に多段に配置され、
複数個のマニホールドは、それぞれ、各セルスタックが備える複数本の燃料ガス通路のそれぞれに燃料ガスを供給するためのマニホールドであって、複数個のセルスタックのそれぞれに対して備えられており、
複数本の有酸素ガス通路は、それぞれ、各セルスタックが備える複数本の燃料電池セルのそれぞれに有酸素ガスを供給するための有酸素ガス通路であって、複数個のセルスタックのそれぞれに対して備えられており、
各有酸素ガス通路は、対応するセルスタックの下方に、水平方向に伸びるように配置されており、
有酸素ガス用の供給管は、複数本の有酸素ガス通路に有酸素ガスを供給する供給管であり、
各段のセルスタックを垂直方向から観察したときにセルスタックが配置される範囲の外側に、複数個のマニホールド、及び、有酸素ガス用の供給管が配置されており、
複数個のセルスタックは、複数個のセルスタックを収容する室内に配置された複数段の棚状部材のそれぞれに載置されており、
棚状部材は、両端部が、複数個のセルスタックを収容する室の内壁に保持され、水平に伸びている板材で構成されている、
ことを特徴とする発電装置。
【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は、８００℃程度の高温環境下で効率よく発電することから、燃料電池セル群を収容する室内の温度分布が極めて重要である。そこには、下記のような事象に対処しなければならない。
個々の燃料電池セルの発電電圧は微小であり、多数個の燃料電池セルを直列に接続して配列しなければならない。
個々の燃料電池に、燃料ガスと有酸素ガス（通常は空気）を供給しなければならない。
多数用いられている燃料電池セルの中の最低温度のものでも、効率よく発電する温度に維持しなければならない。
その温度は８００℃程度の高温であり、その温度に耐えられる材質が限られてくる。
燃料電池セル群の温度差が大きいと、高温部の温度はさらに高くなるために、その高温に耐えられる材質がさらに限られてしまう。
そこで、燃料電池セル群の温度差ができるだけ小さく抑えられる構造設計が極めて重要となる。
同一燃料電池セル内に生じる温度差についても同様であり、その温度差をできるだけ小さく抑えられる構造設計が重要となる。
【０００３】
特許文献１に、固体酸化物型の燃料電池を利用して発電する装置のレイアウトが記載されている。これを図９に示す。発電装置１００の下部に燃料電池セル群収容室１１８が配置され、中間高さに燃焼室１２２が配置され、上部に熱交換室１２４が配置されている。燃料電池セル群収容室１１８は断熱材１０６によって保温されている。
図示１０８は燃料ガスの受入れ口であり、受入れられた燃料ガスは、分配管１１２で燃料ガス通路１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃ、１１４ｄに分配される。燃料ガス通路１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃ、１１４ｄは、燃料電池セル１１６ａ，１１６ｂ，１１６ｃ，１１６ｄを貫通しており、筒状の燃料電池セル１１６ａ，１１６ｂ，１１６ｃ，１１６ｄの内側に形成されている燃料極に燃料ガスを供給する。燃料ガス通路１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃ、１１４ｄは、垂直方向上方に伸びている。
筒状の燃料電池セル１１６ａ，１１６ｂ，１１６ｃ，１１６ｄの外側に酸素極が配置されており、その酸素極に有酸素ガス（この場合は空気）を供給する有酸素ガス通路１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃが、燃料電池セル１１６ａ，１１６ｂ，１１６ｃ，１１６ｄの間隙に挿入されている。有酸素ガス通路１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃはパイプ状であり、垂直方向に伸びており、下端から有酸素ガスを噴出する。有酸素ガスを噴出す様子が矢印１１０で図示されている。有酸素ガス受入れ口１０４から、加圧された有酸素ガスが受入れられる。
筒状の燃料電池セル１１６ａ，１１６ｂ，１１６ｃ，１１６ｄの外側に形成されている酸素極に送り込まれた酸素は、イオン化した状態で、筒状の燃料電池セル１１６ａ，１１６ｂ，１１６ｃ，１１６ｄの中間に形成されている固体電解質を通過し、筒状の燃料電池セル１１６ａ，１１６ｂ，１１６ｃ，１１６ｄの内側に形成されている燃料極に移動し、そこで燃料ガスと反応して、酸素極と燃料極の間に電位差を発生させる。
筒状の燃料電池セル１１６ａ，１１６ｂ，１１６ｃ，１１６ｄの内側に送り込まれた燃料ガスの一部は、酸素と反応することなく筒状の燃料電池セル１１６ａ，１１６ｂ，１１６ｃ，１１６ｄを通過する。有酸素ガス通路１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃから送り込まれた有酸素ガスの一部も消費されないで、燃料電池セル群収容室１１８から上方に戻っていく。発電に利用されなかった燃料ガスと有酸素ガスは燃焼室１２２で燃焼し、高温の燃焼排ガスを生成する。高温の燃焼排ガスは、熱交換室１２４に送り込まれ、有酸素ガス受入れ口１０４から送り込まれた有酸素ガスを加熱し、自らは冷却されて排気口１０２から排気される。
【０００４】
燃料電池セル１１６（以下では共通事象を説明するために添字を省略する）は、その特性上、送り込まれた燃料ガスの全部を消費することができず、燃料電池セル１１６を通過する燃料ガスをゼロにはできない。図９に示した構造は、この通過燃料ガスをたくみに利用し、熱交換室１２４に送り込まれる有酸素ガスを予熱する。
予熱された有酸素ガスを燃料電池セル群収容室１１８に送り込むと、燃料ガスと有酸素ガスが反応するときに生じる発熱と相俟って、燃料電池セル群収容室１１８を発電に適した高温に維持することができる。
【特許文献１】特開２００３−２３４１２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
図９に示したレイアウトは極めて優れたものであるが、改良の余地を残している。それは、燃料電池セル群収容室１１８内の温度差が比較的大きいことである。
燃料電池セル群収容室１１８に送り込まれた燃料ガスと有酸素ガスは、燃料電池セル１１６の内外面に沿って下方から上方に流れる。燃料電池セル１１６は、燃料ガスと有酸素ガスが反応することによって発熱体となっている。垂直方向に伸びる発熱体に沿ってガスが下方から上方に流れると、下方から上方に流れるガスが徐々に加熱されていく。図１０のカーブＣ１は、横軸に燃料電池セル１１６の高さをとり、縦軸に燃料電池セル１１６の温度を測定した一例を示しており、燃料電池セル１１６の上端と下端では約１５０℃の温度差が生じる。燃料電池セル１１６の下端を発電効率の高い８００℃程度に調温すると、燃料電池セル１１６の上端では９５０℃程度の高温となり、その高温に耐えられる材質の選定がひどく難しくなる。
本発明では、燃料電池セル群収容室内の温度差を抑制するレイアウトを創作する。局部的に加熱されることがない発電装置を実現する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一の発電装置は、複数個のセルスタックと、複数個のマニホールドと、複数本の有酸素ガス通路と、有酸素ガス用の供給管と、を備える。各セルスタックは、複数本の燃料電池セルが同一平面内に平行に並べられて配置されて構成される。各燃料電池セルは、燃料極と固体電解質と酸素極と燃料ガス通路を有するとともに、燃料ガス通路は燃料極内を通過している。複数個のセルスタックは、垂直方向に多段に配置されている。複数個のマニホールドは、それぞれ、各セルスタックが備える複数本の燃料ガス通路のそれぞれに燃料ガスを供給するためのマニホールドであって、複数個のセルスタックのそれぞれに対して備えられている。複数本の有酸素ガス通路は、それぞれ、各セルスタックが備える複数本の燃料電池セルのそれぞれに有酸素ガスを供給するための有酸素ガス通路であって、複数個のセルスタックのそれぞれに対して備えられている。各有酸素ガス通路は、対応するセルスタックの下方に、水平方向に伸びるように配置されている。有酸素ガス用の供給管は、複数本の有酸素ガス通路に有酸素ガスを供給する供給管である。各段のセルスタックを垂直方向から観察したときにセルスタックが配置される範囲の外側に、複数個のマニホールド、及び、有酸素ガス用の供給管が配置されている。垂直方向に隣接するセルスタックの間は、ガス流遮断板によって仕切られている。ガス流遮断板は、有酸素ガス通路と一体に又は有酸素ガス通路と当接して設けられている。ガス流遮断板は有酸素ガス通路の一部を構成している。
【０００７】
燃料電池セルは燃料ガス通路の上流から下流に向けて徐々に加熱されてゆく。従来の技術では、その温度勾配に沿って有酸素ガスを流すために、有酸素ガスは徐々に加熱されていき、これがセルスタックの収容室内の温度差を大きくする。
本発明の発電装置によると、燃料電池セル内の温度勾配と有酸素ガスの流れる方向が平行にならない。燃料ガス通路の下流に位置して高温に加熱されている燃料電池セルを冷却する有酸素ガスは、燃料電池セルの下方側から供給され、その上流の燃料電池セルを冷却してすでに加熱されている有酸素ガスで冷却するわけではない。燃料電池セルを冷却する有酸素ガスが徐々に加熱されていくという現象をも抑制することができ、燃料電池セルの全体を未加熱の有酸素ガスで冷却することが可能となる。
なお上記説明は、燃料ガス通路が垂直に伸びる場合と水平に伸びる場合の特徴を対比して説明したものであり、本発明の構成をとっても、燃料電池セル内の温度勾配の生じる方向に沿って流れる有酸素ガスは存在する。本発明の構成は、燃料電池内セルの温度勾配に交差する有酸素ガスの流れが生み出されることが肝要であり、温度勾配に沿って流れる有酸素ガスの存在を排除しない。
本発明の発電装置では、上下のセルスタックの間にガス流遮断板が配置されて仕切られているため、下段のセルスタックを冷却することによって自らは加熱された有酸素ガスで上段のセルスタックを冷却する連鎖が断ち切られ、熱環境が同等のセルスタックが上下方向に多段に配列されることになる。セルスタックの収容室内の上下方向の温度差も抑制される。
本発明の発電装置では、ガス流遮断板が有酸素ガス通路の一部を構成しているため、余分な部材を利用しないで、ガス流遮断板と有酸素ガス通路を形成することができる。有酸素ガス通路がガス流遮断板に必要とされるほど広がっていると、セルスタックの全体を加熱前の有酸素ガスで冷却しやすくなる。
【０００８】
本発明の他の一の発電装置は、複数個のセルスタックと、複数個のマニホールドと、複数本の有酸素ガス通路と、有酸素ガス用の供給管と、複数個の改質器を備える。各セルスタックは、複数本の燃料電池セルが同一平面内に平行に並べられて配置されて構成される。各燃料電池セルは、燃料極と固体電解質と酸素極と燃料ガス通路を有するとともに、燃料ガス通路は燃料極内を通過している。複数個のセルスタックは、垂直方向に多段に配置されている。複数個のマニホールドは、それぞれ、各セルスタックが備える複数本の燃料ガス通路のそれぞれに燃料ガスを供給するためのマニホールドであって、複数個のセルスタックのそれぞれに対して備えられている。複数本の有酸素ガス通路は、それぞれ、各セルスタックが備える複数本の燃料電池セルのそれぞれに有酸素ガスを供給するための有酸素ガス通路であって、複数個のセルスタックのそれぞれに対して備えられている。各有酸素ガス通路は、対応するセルスタックの下方に、水平方向に伸びるように配置されている。有酸素ガス用の供給管は、複数本の有酸素ガス通路に有酸素ガスを供給する供給管である。各段のセルスタックを垂直方向から観察したときにセルスタックが配置される範囲の外側に、複数個のマニホールド、及び、有酸素ガス用の供給管が配置されている。各改質器は、燃料ガスを改質するものである。複数個の改質器は、複数個のセルスタックのそれぞれに対して備えられている。各改質器は箱形状であり、上面にパッキンを介してセルスタックが載置されている。改質器とセルスタックとの間に有酸素ガス通路が配置されている。
本発明の発電装置によると、セルスタックが水平に伸びた姿勢で安定的に支持される。
【０００９】
本発明の他の一の発電装置は、複数個のセルスタックと、複数個のマニホールドと、複数本の有酸素ガス通路と、有酸素ガス用の供給管と、を備える。各セルスタックは、複数本の燃料電池セルが同一平面内に平行に並べられて配置されて構成される。各燃料電池セルは、燃料極と固体電解質と酸素極と燃料ガス通路を有するとともに、燃料ガス通路は燃料極内を通過している。複数個のセルスタックは、垂直方向に多段に配置されている。複数個のマニホールドは、それぞれ、各セルスタックが備える複数本の燃料ガス通路のそれぞれに燃料ガスを供給するためのマニホールドであって、複数個のセルスタックのそれぞれに対して備えられている。複数本の有酸素ガス通路は、それぞれ、各セルスタックが備える複数本の燃料電池セルのそれぞれに有酸素ガスを供給するための有酸素ガス通路であって、複数個のセルスタックのそれぞれに対して備えられている。各有酸素ガス通路は、対応するセルスタックの下方に、水平方向に伸びるように配置されている。有酸素ガス用の供給管は、複数本の有酸素ガス通路に有酸素ガスを供給する供給管である。各段のセルスタックを垂直方向から観察したときにセルスタックが配置される範囲の外側に、複数個のマニホールド、及び、有酸素ガス用の供給管が配置されている。複数個のセルスタックは、複数個のセルスタックを収容する室内に配置された複数段の棚状部材のそれぞれに載置されている。棚状部材は、両端部が、複数個のセルスタックを収容する室の内壁に保持され、水平に伸びている板材で構成されている。
本発明の発電装置によると、セルスタックが水平に伸びた姿勢で安定的に支持される。
【００１０】
【００１１】
【００１２】
【００１３】
【００１４】
【００１５】
燃料電池セル群と有酸素ガス通路との間に耐熱性クッション材を介装して積み重ねてもよい。このようにしても、燃料電池セル群が水平に伸びた姿勢で燃料電池セル群を安定的に支持することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の好適な実施形態を説明する。
（形態１）  有酸素ガスは空気である。
（形態２）  空気通路は高さの低い箱状であり、その上面に空気供給口が多数形成されている。
（形態３）  空気供給口は、燃料電池セルが加熱されやすい部位に多量の空気を供給し、加熱されにくい部位に少量の空気を供給するように分散配置されている。
【００１７】
（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は、本実施例に係る発電装置の縦断面図であり、図２は図１のII−II線縦断面図であり、図３は図１のIII−III線横断面図であり、図４は図２の部分断面拡大図である。
図１から図３に示すように、発電ユニット１０は、内側から外側に向かって第１室４４、第２室４６、第３室４８からなる３重構造となっており、中心部の第１室４４とその外側の第２室４６を仕切る内仕切壁３６と、第２室４６とその外側の第３室４８を仕切る外仕切壁３８と、第３室４８と外部を仕切る外壁４０を有している。外壁４０は断熱部材４２で覆われている。
発電ユニット１０の中心部の第１室４４内には、燃料電池セル１２の複数個が配列されて構成されているセルスタック１４と、酸素を含む空気をセルスタック１４に供給する空気供給部材１６と、予備改質ガス内に含まれるメタンを燃料となる水素や一酸化炭素等に改質する改質器１８と、改質された燃料ガスをセルスタック１４に供給するマニホールド２４等が配設されている。予備改質ガスは、発電ユニット１０の外部に配置された予備改質器（図示省略）によって、炭素数２以上のプロパン等のガスを主にメタンや水素や一酸化炭素等に改質したガスである。
【００１８】
図２に明瞭に示されるように、燃料電池セル１２の断面は楕円形状であり、複数の燃料電池セル１２（図２では図の明瞭化のために６本となっているが、実際にはもっと多い）が平行に配置されている。燃料電池セル１２は、水平方向に長く伸びている。
図４は、図２に示すセルスタック１４の断面の拡大図である。図４に示すように、燃料極１２ａは楕円柱形状に形成され、その周面の半分強が固体電解質層１２ｂで覆われ、固体電解質層１２ｂの更に外側を酸素極１２ｃが覆っている。燃料極１２ａの周面の酸素極１２ｃと反対側はインターコネクタ１２ｄで覆われている。燃料極１２ａの内部には長手方向に貫通する５本の燃料ガス通路２０が並列に形成されている。
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。
隣合う燃料電池セル１２の一方の酸素極１２ｃと他方の燃料電池セル１２のインターコネクタ１２ｄとの間に、集電部材２２が介装されている。集電部材２２は、蛇腹状に折畳まれた導電性金属部材である。一方の燃料電池セル１２の酸素極１２ｃは、集電部材２２とインターコネクタ１２ｄを介して、他方の燃料電池セル１２の燃料極１２ａに電気的に接続されている。多数本の燃料電池セル１２が直列に接続されてセルスタック１４が形成されている。蛇腹状の集電部材２２は、空気が通過することを禁止しない。
【００１９】
セルスタック１４は、燃料電池セル１２の燃料ガス通路２０が略水平面内を伸びるように配列されており、複数本の燃料電池セル１２の燃料ガス通路２０が略水平面内を伸びている。燃料ガス通路が同一水平面内を伸びるセルスタック１４が、垂直方向に５段に配列されている。セルスタック１４を上段から順に、１４ａ、１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅということにする。
【００２０】
図１と図３に示すように、セルスタック１４ａの上流側（図１の右側）は、マニホールド２４ａを介して、改質器１８ａに接続されている。改質器１８ａとマニホールド２４ａは配管３０ａによって接続されている。セルスタック１４ｃと１４ｅも同様にして改質器１８ａに接続されている。セルスタック１４ｂの上流側（図１の左側）は、マニホールド２４ｂを介して、改質器１８ｂに接続されている。改質器１８ｂとマニホールド２４ｂは配管３０ｂによって接続されている。セルスタック１４ｄも同様にして改質器１８ｂに接続されている。
セルスタック１４ａ、１４ｃ，１４ｅの燃料通路２０には、改質器１８ａで改質された燃料ガスが送り込まれる。セルスタック１４ａ、１４ｃ，１４ｅの改質器１８ａから遠い方の端部では燃料通路２０が開放されており、発電のために消費されなかった燃料ガスが放出される。セルスタック１４ｂ，１４ｄの燃料通路２０には、改質器１８ｂで改質された燃料ガスが送り込まれる。セルスタック１４ｂ，１４ｄの改質器１８ｂから遠い方の端部では燃料通路２０が開放されており、発電のために消費されなかった燃料ガスが放出される。セルスタック１４ａ、１４ｃ，１４ｅは、マニホールド２４ａ，２４ｃ，２４ｅによって片持ち状に支持され、セルスタック１４ｂ，１４ｄは、マニホールド２４ｂ，２４ｄによって片持ち状に支持されている。
セルスタック１４ａ、１４ｃ，１４ｅと、セルスタック１４ｂ，１４ｄは、反対方向に伸びている。上下方向に多段に配列されているセルスタック１４ａ、１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ、１４ｅは、上下方向において、交互に反対向きに配列されている。
【００２１】
一対の改質器１８ａ、１８ｂは、基本的に同一構成を備えている。以下では添字を省略して共通に説明する。改質器１８は、金属製の薄い箱形状のケーシングと、その内で蛇行する経路（図示省略）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。図１に示すように、一対の改質器１８ａ，１８ｂは、セルスタック１４群を挟んで、平行に配設されている。一対の改質器１８ａ，１８ｂは、上部の２箇所の角部で２本の渡り配管２８ａ，２８ｂによって接続されている。燃料ガス導入管２６から送られた予備改質ガスは一方の改質器１８ａに導入され、渡り配管２８ａを経て、他方の改質器１８ｂにも導入される。改質器１８ａ，１８ｂ内に導入された予備改質ガス中のメタンは、改質触媒によって、改質器１８内を通過する間に主に水素や一酸化炭素からなる燃料ガスに改質される。なお、渡り配管２８ｂは、２つの改質器１８ａ，１８ｂの出口圧力の均衡を調整するために配設されている。
【００２２】
図１〜図３に示すように、空気供給部材１６は浅い箱形状の部材であり、上面に複数の空気供給口１６ｆが形成されている。空気供給部材１６の両側面には略水平に伸びる邪魔板５２ａ，５２ｂが形成されている。邪魔板５２ａは、上段の燃料電池セル１２の上流側に向けて取付けられており、水平に伸びている。邪魔板５２ｂは、上段の燃料電池セル１２の下流側に向けて取付けられており、端部が若干上向きに取付けられている。空気供給部材１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄ，１６ｅは、セルスタック１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅのそれぞれの下方に配設されており、５つの空気供給部材１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄ，１６ｅが上下方向に５段に配設されている。各空気供給部材１６の両端部は夫々空気供給管５０に連通している。空気供給管５０は金属製であり、図１と図２に示すように、上下方向に伸びており、上端は第３室４８に開口している。第３室４８の下方は、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、第３室４８を通過して一対の空気供給管５０，５０のいずれかに流入し、上下５段の空気供給部材１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄ，１６ｅのいずれかの上面から、直近上部のセルスタック１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅに空気を供給する。
上下５段の空気供給部材１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄ，１６ｅは、両端が空気供給管５０によって支持されており、強度が高い。
図３に示すように、セルスタック１４の燃料通路２０は紙面において左右方向に伸びており、空気供給部材１６は紙面において上下方向に伸びている。両持ち状の空気供給部材１６と、片持ち状のセルスタック１４が交差する位置関係におかれている。
【００２３】
片持ち状のセルスタック１４は、両持ち状の空気供給部材１６に対してパッキン６２を介して載置されており、片持ち状のセルスタック１４は水平に伸びる姿勢で安定的に支持されている。片持ち状のセルスタック１４が不用意に傾くことはない。
【００２４】
第３室４８と第２室４６を仕切る外仕切壁３８の４つの外周面には、図１から図３に示すフィン５４が取付けられている。特に図３に示すように、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。外側は外壁４０の内面に接触しており、内側は外仕切壁３８の外面に接触している（図１〜図３ではフィン５４の形状を明瞭にするため、フィン５４と壁面を離して示している）。なお、放熱を防止するために、フィン５４と外壁４０の内面が、断熱材を介して接触する構成であってもよい。図１と図２に示すように、外仕切壁３８の４つの外周面には、複数のフィン５４が上下方向に取付けられて外周面を覆っている。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、外仕切壁３８とフィン５４と外壁４０によって、外仕切壁３８の４つの外周面と外壁４０の内面との間の全体に亘って、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。
図１から図３に示すように、外仕切壁３８の４つの内周面にも、フィン５４と同様にフィン５６が取付けられている。フィン５６の形状もフィン５４と同様である。このようにフィン５６が取付けられているため、外仕切壁３８とフィン５６と内仕切壁３６によって、外仕切壁３８の４つの内周面と内仕切壁３６の外面との間の全体に亘って、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。フィン５４は第３室４８のサイズを規定し、フィン５６は第２室４６のサイズを規定する。
【００２５】
図１と図２に示すように、外仕切壁３８は、側壁の下端から下方に伸びる固定用壁３８ａによって外壁４０の底板に固定されている。第２室４６の底板は第３室４８の底板から持ち上げられている。両底板の間隙は第３室４８の一部を構成する。固定用壁３８ａには複数個の穴３８ｂが形成されており、空気の流通が自在となっている。内仕切壁３６も、側壁の下端から下方に伸びる固定用壁３６ａによって外仕切壁３８の底板に固定されている。第１室４４の底板は第２室４６の底板から持ち上げられている。両底板の間隙は第２室４６の一部を構成する。固定用壁３６ａにも複数個の穴３６ｂが形成されており、空気の流通が自在となっている。
外壁４０の底板と外仕切壁３８の底板の間は、第３室４８の一部であり、そこに空気導入管３４が連通している。外仕切壁３８の底板と内仕切壁３６の底板の間は、第２室４６の一部であり、そこに燃焼排ガス導出管５８が連通している。
【００２６】
第３室４８は、発電ユニット１０の６面（４側面と上面と底面）において、第２室４６を取り囲んでおり、第２室４６は、発電ユニット１０の６面（４側面と上面と底面）において、第１室４４を取り囲んでいる。
第３室４８は、外部から取り込まれた空気が通過する。第２室４６は、第１室４４で生成された燃焼排ガスが通過する。第１室４４は燃料電池セル群収容室として利用される。
空気は空気通過室４８を下方から上方に移動する。燃焼排ガスは燃焼排ガス通過室４６を上方から下方に通過する。通過方向が逆であり、両者の間で活発な熱交換が行われる。
燃料電池セル群収容室４４の外形はほぼ立方体である。燃焼排ガス通過室４６の外形もほぼ立方体である。空気通過室４８の外形もほぼ立方体である。発電ユニット１０は、最小表面積で最大容積を収容する６面体であり、放熱量が少ない。
後記するように、燃料電池セル群収容室４４は最も高温であり、燃焼排ガス通過室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。最も高温な燃料電池セル群収容室４４を、２番目に高温な燃焼排ガス通過室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。最も高温に維持する必要がある燃料電池セル群収容室４４を最も内側に配置することによって、燃料電池セル群収容室４４を最も高温に維持しやすい最適な構造となっている。
【００２７】
発電ユニット１０内の動作を説明する。
燃料ガス導入管２６から改質器１８ａ，１８ｂに送られた予備改質ガスは、改質器１８ａ，１８ｂ内で、水素と一酸化炭素を含む燃料ガスに改質され、各マニホールド２４に送られる。改質された燃料ガスは、各マニホールド２４から各燃料電池セル１２へ送られ、各燃料電池セル１２内の燃料ガス通路２０に流入する。
空気導入管３４から第３室４８に送られた空気は、フィン５４の間をすり抜けて上部に達し、外壁４０の上面に沿って流れ、第３室４８に開口している空気供給管５０内に流入する。空気は、空気供給管５０を下方に移動しながら、５つの空気供給部材１６に流入し、全ての空気供給口１６ｆから流出する。流出する空気は、上方向、若しくは斜め上方向に上昇し、すぐ上のセルスタック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を通過して燃料極に至り、水素または一酸化炭素と反応し、酸素極と燃料極の間に電位差を発生させる。すなわち、発電する。
【００２８】
発電時、燃料ガスは上流から下流へ向かってセルスタック１４内を水平に流れる。燃料ガスは上流から下流へ流れる間に発電熱によって徐々に加熱されていく。従来のように、セルスタック１４を縦に配設して燃料ガスを下方から上方へ流し、空気も下方から上方へ流して発電を行うと、燃料ガスも空気も下方から上方へ流れる間に発電熱で加熱され、セルスタック１４の上部と下部の温度差が例えば１５０℃近く生じてしまう。発電効率を考慮すると、下方の低温側の作動温度が、最適作動温度である例えば８００℃になるように調整しなければならない。すると、上方の高温側の動作温度が９５０℃にまで上昇してしまう。この高温に対する熱耐久性を確保するためには、燃料電池セル１２の近傍に配設される部材の熱耐久性を確保しなければならず、コストアップは避けられない。熱耐久性を重視すれば、上方の高温側の作動温度が、最適作動温度である８００℃になるように調整しなければならない。すると、下方の低温側の動作温度が６５０℃にまで低下してしまい、発電効率の低下は否めない。
本実施例の燃料電池では、燃料電池セルが水平方向に伸びているのに対し、空気が上方に移動する関係が得られ、燃料電池セルの温度勾配に交差する有酸素ガスの流れが生み出される。燃料電池セルを冷却する空気に燃料電池を冷却した熱が累積していくことが抑制され、第１室４４内の温度差が減少する。実験によると図１０のカーブＣ２に示すように、燃料電池セルの上流端と下流端の温度差が５０℃以下に抑制される。
【００２９】
本実施例では、セルスタック１４の下方に配置されている空気供給部材１６の広い範囲に空気供給口が分散配置されており、セルスタック１４の下側全体に空気が分散して供給される。これもまた、セルスタック１４の上流から下流に至るまで一様温度に冷却するのに有利である。
本実施例では、加熱されやすいセルスタック１４の下流側に多量の空気が供給され、加熱されにくいセルスタック１４の上流側に少量の空気が供給されるように、空気供給口１６ｆの密度と開口面積が調整されている。これもまた、セルスタック１４の温度分布を一様化するのに寄与している。
【００３０】
本実施例では、セルスタック１４の直下に熱伝導性の高い金属で形成された空気供給部材１６が配置されている。空気供給部材１６は熱伝導性が高く、加熱されやすいセルスタック１４の下流側から加熱されにくいセルスタック１４の上流側に伝熱する。セルスタック１４の近傍に伝熱部材を配置することもまた、セルスタック１４の温度分布を一様化するのに寄与している。
熱伝導性の空気供給部材１６とセルスタック１４の間には、パッキン６２が介在しており、直接には接触していない。それでも、熱伝導性の空気供給部材１６は、セルスタック１４の上流側と下流側の温度差を小さく抑える。加熱されやすいセルスタック１４の下流側では、輻射が活発に起こって熱伝導性の空気供給部材１６に熱を伝える。セルスタック１４の下流側の温度は低下する。輻射によって加熱された熱伝導性の空気供給部材１６は、熱伝導によって低温部を加熱する。加熱された空気供給部材１６は、相対的に低温なセルスタック１４の上流側に向けて輻射し、セルスタック１４の上流部を加熱する。熱伝導性の空気供給部材１６がセルスタック１４に直接には接触していなくても、近接して位置しているために、熱伝導性の空気供給部材１６は、セルスタック１４の高温部から低温部に伝えられる熱エネルギーの移動を促進する。
【００３１】
本実施例では、セルスタック１４が垂直方向に５段に配列されている。上下方向に隣接するセルスタック１４の間は、空気供給部材１６と邪魔板５２ａ，５２ｂによって仕切られており、下段のセルスタック１４を冷却することによって自らは加熱された空気で上段のセルスタック１４を冷却するものではない。各段のセルスタック１４毎に、冷却兼発電用の空気が送られてくる。熱環境が等しいセルスタック１４が上下方向に５段に配列されるだけであり、燃料電池セル群収容室４４内の上下方向の温度差も抑制される。
【００３２】
本実施例では、空気供給部材１６がガス流遮断板を兼用している。余分な部材を利用しないで、空気供給部材１６がガス流遮断板を形成することができる。空気供給部材１６がガス流遮断板を兼用するほど広く広がっているために、空気供給部材１６から供給される空気がセルスタック１４の全体を加熱前の空気で一様によく冷却する。
【００３３】
燃料電池セル１２に供給される燃料ガスの例えば８０％が発電に利用される場合、発電に利用されなかった２０％の燃料ガス（オフガス）は、燃料ガス通路２０を通過して先端から流出する。また、燃料電池セル１２に供給される空気の例えば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。この空気は邪魔板５２ｂに沿って燃料電池セル１２の下流側へ誘導される。
各燃料電池セル１２の先端近傍には夫々スパーク電極６０が配設されている。スパーク電極６０が火花放電することによって、燃料電池セル１２の先端から流出する燃料ガスのオフガスと、燃料電池セル１２の下流側へ誘導される空気のオフガスが燃焼する。改質器１８は燃料電池セル１２の先端に近接していることから、燃料ガスのオフガスと空気のオフガスとの燃焼によって発生する燃焼熱を改質反応の吸熱反応に効率よく利用することができる。
燃焼排ガスは極めて高温であり、そのままでは熱交換器に投入しがたい。それほどの高温に耐えられる熱交換器は材質が限られ、高価である。本実施例では、燃焼熱でまず改質器１８を加熱する。改質反応は吸熱反応であり、燃焼排ガスの熱は吸熱に利用される。燃焼熱でまず改質器１８を加熱するために、燃焼排ガスの温度は低下する。このために、第２室４６を流れる燃焼排ガスの温度は適度に冷却されており、仕切り壁３６，３８に特別の材料を使わなくてもすむ。
【００３４】
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、供給する空気の温度を予加熱しておく必要がある。
上昇した燃焼排ガスは、第１室４４の上面に沿って第２室４６に流入する。第２室４６内に流入した燃焼排ガスは、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通過して第２室４６の下部に流入し、燃焼排ガス導出管５８から外部に導出される。
このとき、空気導入管３４から導入された予加熱された空気（約２００℃）は第３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している。従って、第２室４６を通過する燃焼排ガスと、第３室４８を通過する空気との間で熱交換が行われる。外仕切板３８の両面に取付けられたフィン５４，５６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、空気を約６５０℃まで予加熱しておくことができる。なお、約５００℃まで温度低下した燃焼排ガスは、発電ユニット１０の外部に配設された、図示しない予備改質器の加熱に利用することができ、さらには空気の予熱に利用することもできる。
【００３５】
本実施例では、燃料と空気のオフガスが燃焼する位置が、上下方向において、交互に反対側に位置する関係に設定されている。このために、燃料電池セル群収容室４４内の温度分布は、水平方向にも上下方向にも均質化されている。最大温度差でも５０℃程度であり、燃料電池セル群収容室４４内の温度は８００〜８５０℃の範囲に抑えられる。
【００３６】
また、最も高温な燃料電池セル群収容室４４を２番目に高温な燃焼排ガス通過室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ために、燃料電池セル群収容室４４を高温に維持しやすい。そのために、発電に伴って発生する熱と、燃料と空気のオフガスの燃焼熱だけで、燃料電池セル群収容室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。
【００３７】
以上の実施例では、筒状の燃料極を燃料ガス通路が貫通している燃料電池セルの例を説明したが、燃料極と燃料ガス通路の関係はそれに限らない。例えば、ポーラスの物質の中に燃料ガス通路を設け、その表面に、内側から、燃料極、固体電解質、酸素極の順に積層された積層構造を付着したような燃料電池セルであってもよい。要は、燃料極と固体電解質と酸素極の積層体の燃料極側に燃料ガスが供給され、酸素極側に有酸素ガスが供給されるものであり、かつ、燃料電池セルの外側に供給される有酸素ガスが、前記積層体を通して燃料電池セル側に用意されている燃料ガス通路に侵入するものであれば足りる。
【００３８】
（第１参考例）
発電装置の第１参考例を、図面を参照しながら説明する。図５は、本参考例に係る発電装置の縦断面図である。
図５に示す発電ユニット２００は、図中右側に燃料電池セル群収容室２１８が配置され、左右の中間位置に燃焼室２２２が配置され、左側に熱交換室２２４が配置されている。発電ユニット２００は、耐熱部材２０６に覆われている。
本参考例の発電ユニット２００は、内部に改質器を備えておらず、外部に設けられた図示しない改質器において、主に水素と一酸化炭素からなる燃料ガスに改質したものを発電に利用する。改質された燃料ガスは、燃料ガスの受入れ口２０８から導入される。受入れられた燃料ガスは、マニホールド２１２で燃料ガス通路２１４ａ、２１４ｂ、２１４ｃ、２１４ｄに分配される。燃料ガス通路２１４ａ、２１４ｂ、２１４ｃ、２１４ｄは、燃料電池セル２１６ａ，２１６ｂ，２１６ｃ，２１６ｄを貫通しており、筒状の燃料電池セル２１６ａ，２１６ｂ，２１６ｃ，２１６ｄの内側に形成されている燃料極に燃料ガスを供給する。４本の燃料電池セル２１６ａ，２１６ｂ，２１６ｃ，２１６ｄは、それぞれ図中右側端部をマニホールド２１２によって支持されて、図中左方向に向かって水平に伸びている。燃料ガスは、燃料ガス通路２１４ａ、２１４ｂ、２１４ｃ、２１４ｄ内を図中右側の上流から図中左側の下流に向かって流れる。
【００３９】
筒状の燃料電池セル２１６ａ，２１６ｂ，２１６ｃ，２１６ｄの外側に酸素極が配置されている。その酸素極に酸素を含む空気を供給する空気供給部材２２０ａ，２２０ｂ，２２０ｃ，２２０ｄが、燃料電池セル２１６ａ，２１６ｂ，２１６ｃ，２１６ｄの下方に挿入されている。空気供給部材２２０ａ，２２０ｂ，２２０ｃ，２２０ｄは浅い箱形状の部材であり、上面に複数の空気供給口２２０ｆが形成されている。熱交換室２２４の内壁には金属製の支持部材２２０ｇが嵌装されている。支持部材２２０ｇの端面２２０ｈと、空気供給部材２２０ａ，２２０ｂ，２２０ｃ，２２０ｄの上流側の端部が強固に接続されている。支持部材２２０ｇは、空気供給部材２２０ａ，２２０ｂ，２２０ｃ，２２０ｄを強固に支持しており、支持部材２２０ｇの内部と、空気供給部材２２０ａ，２２０ｂ，２２０ｃ，２２０ｄの内部は連通している。
各空気供給部材２２０ａ，２２０ｂ，２２０ｃ，２２０ｄに形成された空気供給口２２０ｆ群から、すぐ上方の燃料電池セル２１６ａ，２１６ｂ，２１６ｃ，２１６ｄに空気ガスを噴出する。空気を噴出す様子が矢印２１０で図示されている。空気受入れ口２０４から、加圧された空気が受入れられる。
【００４０】
片持ち状のセルスタック２１６は、空気供給部材２２０に対してパッキン２２８を介して載置されている。空気供給部材２２０ａ，２２０ｂ，２２０ｃ，２２０ｄは片持ち状であるが、先述のように支持部材２２０ｇに強固に支持されているため、片持ち状のセルスタック２１６は水平に伸びた姿勢で安定的に支持されている。片持ち状のセルスタック２１６が不用意に傾くことはない。
【００４１】
発電ユニット２００内の動作を説明する。
受入れ口２０８から導入された燃料ガスは、各マニホールド２１２を経て各燃料電池セル２１６へ送られ、各燃料ガス通路２１４内に流入する。
空気受入れ口２０４から熱交換室２２４に導入された空気は、空気供給部材２２０に流入し、全ての空気供給口２２０ｆから流出する。流出する空気は、上方向、若しくは斜め左上方向に上昇し、すぐ上方のセルスタック２２６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を通過して燃料極に至り、水素または一酸化炭素と反応し、酸素極と燃料極の間に電位差を発生させる。すなわち、発電する。
筒状の燃料電池セル２１６の内側に送り込まれた燃料ガスの一部は、酸素と反応することなく筒状の燃料電池セル２１６を通過する。空気供給部材２２０から送り込まれた空気の一部も消費されないで、燃料電池セル２１６から燃焼室２２２へ導かれる。発電に利用されなかった燃料ガスと空気は燃焼室２２２で燃焼し、高温の燃焼排ガスを生成する。高温の燃焼排ガスは、熱交換室２２４に送り込まれ、図中右から左へ向かって流れる間に、空気受入れ口２０４から送り込まれた空気を加熱し、自らは冷却されて排気口２０２から排気される。
【００４２】
本参考例では、燃料電池セル２１６の下部の全体に亘って空気供給口２２０ｆが分布していることから、燃料電池セル２１６が水平方向に伸びているのに対し、空気が上方に移動する関係が得られ、燃料電池セル２１６の温度勾配に交差する空気の流れが生み出される。また、本参考例では、空気の流れる方向と、燃料ガスの流れる方向は逆向きであるため、空気供給部材２２０内の温度勾配の向きと、燃料電池セル２１６の温度勾配の向きとが逆向きとなっている。従って、燃料電池セル２１６を冷却する空気に燃料電池を冷却した熱が累積していくことが抑制され、燃料電池セル群収容室２１８内の温度差が減少する。実験によると、本参考例においても、図１０のカーブＣ２に示すように、燃料電池セル２１６の上流端と下流端の温度差が５０℃以下に抑制される。
【００４３】
本参考例でも、第１実施例と同様に、セルスタック２２６の下方に配置されている空気供給部材２２０の広い範囲に空気供給口２２０ｆが分散配置されており、セルスタック２２６の下側全体に空気が分散して供給される。これもまた、セルスタック２２６の上流から下流に至るまで一様温度に冷却するのに有利である。
本参考例でも、加熱されやすいセルスタック２２６の下流側に多量の空気が供給され、加熱されにくいセルスタック２２６の上流側に少量の空気が供給されるように、空気供給口２２０ｆの密度と開口面積が調整されている。これもまた、セルスタック２２６の温度分布を一様化するのに寄与している。
本参考例でも、セルスタック２２６の直下に熱伝導性の高い金属で形成された空気供給部材２２０が配置されている。空気供給部材２２０は熱伝導性が高く、加熱されやすいセルスタック２２６の下流側から加熱されにくいセルスタック２２６の上流側に伝熱する。セルスタック２２６の近傍に伝熱部材を配置することもまた、セルスタック２２６の温度分布を一様化するのに寄与している。
【００４４】
熱伝導性の空気供給部材２２０とセルスタック２２６の間には、パッキン２２８が介在しており、直接には接触していない。それでも、熱伝導性の空気供給部材２２０は、セルスタック２２６の上流側と下流側の温度差を小さく抑える。加熱されやすいセルスタック２２６の下流側では、輻射が活発に起こって熱伝導性の空気供給部材２２０に熱を伝える。セルスタック２２６の下流側の温度は低下する。輻射によって加熱された熱伝導性の空気供給部材２２０は、熱伝導によって低温部を加熱する。加熱された空気供給部材２２０は、相対的に低温なセルスタック２２６の上流側に向けて輻射し、セルスタック２２６の上流部を加熱する。熱伝導性の空気供給部材２２０がセルスタック２２６に直接には接触していなくても、近接して位置しているために、熱伝導性の空気供給部材２２０は、セルスタック２２６の高温部から低温部に伝えられる熱エネルギーの移動を促進する。
【００４５】
本参考例では、空気供給部材２２０がガス流遮断板を兼用している。余分な部材を利用しないで、空気供給部材２２０がガス流遮断板を形成することができる。空気供給部材２２０がガス流遮断板を兼用するほど広く広がっているために、空気供給部材２２０から供給される空気がセルスタック２２６の全体を加熱前の空気で一様によく冷却する。
【００４６】
（第２実施例）
本発明を具現化した発電装置の第２実施例を図面を参照しながら説明する。図６は本実施例に係る発電装置の要部の縦断面を模式化した図である。本実施例は、第１参考例の発電装置と、燃料電池セル群収容室内の構成が異なっている。従って、主に、燃料電池セル群収容室内について説明し、第１参考例と同様である部分の説明や図示を省略する。
本実施例の発電ユニット２３０は、燃料電池セル群収容室２４８内に、改質器２５４ａ，２５４ｂ，２５４ｃ，２５４ｄを備えている。改質器２５４ａ，２５４ｂ，２５４ｃ，２５４ｄは、金属製の箱形状のケーシングの内部に、改質触媒が充填されたものである。発電ユニット２３０は、外部に接続された図示しない予改質器において予改質された予改質ガスを予改質ガス受入れ口２３８から導入し、改質器２５４において燃料ガスに改質して発電に利用する。予改質ガス受入れ口２３８から導入された予改質ガスは、予改質ガス供給管２３２によって改質器２５４ａ，２５４ｂ，２５４ｃ，２５４ｄに分配される。
【００４７】
空気供給部材２５０ａ，２５０ｂ，２５０ｃ，２５０ｄは、図中左側から右側へ水平に伸びるパイプ形状の金属部材である。空気供給部材２５０ａ，２５０ｂ，２５０ｃ，２５０ｄは、上流側の端部が熱交換室２３４内に嵌装されている図示しない支持部材によって強固に支持されている。改質器２５４ａ，２５４ｂ，２５４ｃ，２５４ｄは、空気供給部材２５０ａ，２５０ｂ，２５０ｃ，２５０ｄの下方に挿入されている。改質器２５４ａ，２５４ｂ，２５４ｃ，２５４ｄは、配管２６０ａ，２６０ｂ，２６０ｃ，２６０ｄによって燃料電池セル２４６ａ，２４６ｂ，２４６ｃ，２４６ｄと接続されている。燃料電池セル２４６ａ，２４６ｂ，２４６ｃ，２４６ｄの内部には、燃料ガス通路が貫通している。燃料電池セル２４６ａ，２４６ｂ，２４６ｃ，２４６ｄの上流側（図中右側）は、改質器２５４ａ，２５４ｂ，２５４ｃ，２５４ｄの下流側（図中右側）に対してパッキン２５８ａ、２５８ｂ、２５８ｃ、２５８ｄを介して載置されており、燃料電池セル２４６ａ，２４６ｂ，２４６ｃ，２４６ｄの下流側（図中左側）は、改質器２５４ａ，２５４ｂ，２５４ｃ，２５４ｄの上流側（図中左側）に対してパッキン２５８ｅ、２５８ｆ、２５８ｇ、２５８ｈを介して載置されている。燃料電池セル２４６と空気供給部材２５０と改質器２５４は、互いに平行に、水平に配設されている。燃料電池セル２４６と空気供給部材２５０と改質器２５４は水平に伸びる姿勢で安定的に支持されており、不用意に傾くことはない。
【００４８】
発電ユニット２３０内の動作を説明する。
改質器２５４に流入した予改質ガスは、燃料ガスに改質される。燃料ガスは、配管２６０通って、燃料ガス通路に流入し、燃料ガス通路の内側に形成された燃料極に供給される。
空気供給部材２５０には、熱交換室２３４で予加熱された空気が供給され、先端の開口から流出される。空気を噴出す様子が矢印２４０で図示されている。空気供給部材２５０の先端から流出した空気は、上方、若しくは斜め左上方向に上昇し、すぐ上方のセルスタック２５６の下側全体に拡散される。
発電によって発電熱が発生し、この発電熱によって、真上の改質器２５４が加熱される。改質反応は吸熱反応であり、発電熱によって改質反応が促進される。
【００４９】
本実施例では、燃料電池セル２４６が水平方向に伸びているのに対し、空気が上方に移動する関係が得られ、燃料電池セル２４６の温度勾配に交差する空気の流れが生み出される。また、本実施例では、空気の流れる方向と、燃料ガスの流れる方向は逆向きであるため、空気供給部材２５０内の温度勾配の向きと、燃料電池セル２４６の温度勾配の向きとが逆向きとなっている。従って、燃料電池セル２４６を冷却する空気に燃料電池を冷却した熱が累積していくことが抑制され、燃料電池セル群収容室２４８内の温度差が減少する。実験によると、本実施例においても、図１０のカーブＣ２に示すように、燃料電池セル２４６の上流端と下流端の温度差が５０℃以下に抑制される。
【００５０】
本実施例でも、セルスタック２５６の直下に熱伝導性の高い金属で形成された空気供給部材２２０が配置されている。また、セルスタック２５６の真上に熱伝導性の高い金属で形成された改質器２５４が配置されている。空気供給部材２５０と改質器２５４はいずれも熱伝導性が高く、加熱されやすいセルスタック２５６の下流側から加熱されにくいセルスタック２５６の上流側に伝熱する。セルスタック２５６の近傍に伝熱部材を配置することもまた、セルスタック２５６の温度分布を一様化するのに寄与している。
【００５１】
熱伝導性の空気供給部材２５０および改質器２５４とセルスタック２５６の間には、パッキン２５８が介在しており、夫々は直接には接触していない。それでも、熱伝導性の空気供給部材２５０は、セルスタック２５６の上流側と下流側の温度差を小さく抑える。加熱されやすいセルスタック２５６の下流側では、輻射が活発に起こって熱伝導性の空気供給部材２５０や改質器２５４に熱を伝える。セルスタック２５６の下流側の温度は低下する。輻射によって加熱された熱伝導性の空気供給部材２５０と改質器２５４は、熱伝導によって低温部を加熱する。加熱された空気供給部材２５０と改質器２５４は、相対的に低温なセルスタック２５６の上流側に向けて輻射し、セルスタック２５６の上流部を加熱する。熱伝導性の空気供給部材２５０と改質器２５４がセルスタック２５６に直接には接触していなくても、近接して位置しているために、熱伝導性の空気供給部材２５０と改質器２５４は、セルスタック２５６の高温部から低温部に伝えられる熱エネルギーの移動を促進する。
【００５２】
本実施例では、改質器２５４がガス流遮断板を兼用している。余分な部材を利用しないで、改質器２５４がガス流遮断板を形成することができる。
また、本実施例では、燃料電池セル２４６の近傍に改質器２５４が配置されている。改質器２５４のケーシングは熱伝導性の高い金属製であるため、発電熱によってよく加熱される。改質反応は吸熱反応であるため、発電熱を改質反応に有効に利用することができる。改質器２５４を加熱するための部材を特に配設することなく十分に加熱することができ、熱効率を向上させることができる。
【００５３】
（第３実施例）
本発明を具現化した発電装置の第３実施例を図面を参照しながら説明する。図７は本実施例に係る発電装置の要部の縦断面を模式化した図である。本実施例は、第１参考例の発電装置と、燃料電池セル群収容室内の構成が異なっている。従って、主に、燃料電池セル群収容室内について説明し、第１参考例と同様である部分の説明や図示を省略する。
本実施例の発電ユニット２７０は、外部に接続された図示しない改質器において改質された燃料ガスを燃料ガス受入れ口２７８から導入し、発電に利用する。燃料電池セル２８６ａ，２８６ｂ，２８６ｃ，２８６ｄは、マニホールド２８２によって図中右側（上流側）を支持されて、図中左側（下流側）に向かって水平に伸びている。燃料ガスは、燃料ガス通路内を図中右側から左側へ向かって流れる。
【００５４】
空気供給部材２９０ａ，２９０ｂ，２９０ｃ，２９０ｄは、第２実施例と同様に、図中左側から右側へ水平に伸びるパイプ形状の金属部材である。空気供給部材２９０ａ，２９０ｂ，２９０ｃ，２９０ｄは、上流側の端部が熱交換室２７４内に嵌装されている図示しない支持部材によって強固に支持されて、燃料電池セル２８６ａ，２８６ｂ，２８６ｃ，２８６ｄの間隙に挿入されている。熱交換室２７４において予加熱された空気は、空気供給部材２９０ａ，２９０ｂ，２９０ｃ，２９０ｄ内を図中左側から右側へ向かって流れる。
【００５５】
燃料電池セル２８６ａ，２８６ｂ，２８６ｃ，２８６ｄの上流側の間隙には、支持部材２７２ａ，２７２ａ，２７２ａ，２７２ａが配置されている。また、燃料電池セル２８６ａ，２８６ｂ，２８６ｃ，２８６ｄの下流側と、空気供給部材２９０ａ，２９０ｂ，２９０ｃ，２９０ｄの上流側の間には、支持部材２７２ｂ，２７２ｂ，２７２ｂ，２７２ｂが配置されている。支持部材２７２ａ，２７２ｂは、それぞれ両端部が燃料電池セル群収容室２８８の内壁から水平に伸びている棚状部材である。燃料電池セル２８６ａ，２８６ｂ，２８６ｃ，２８６ｄと支持部材２７２ａの間にパッキン２９８ａ，・・・が介在しており、燃料電池セル２８６ａ，２８６ｂ，２８６ｃ，２８６ｄと支持部材２７２ｂとの間には、それぞれパッキン２９８ｂ，・・・が介在している。そして、燃料電池セル群収容室２８８の内壁と、セルスタック２９６（燃料電池セル２８６群）の間にもパッキン２９８ａ，２９８ｂが介在している。燃料電池セル２８６と空気供給部材２９０と支持部材２７２は、互いに平行に、水平に配設されており、棚状部材である支持部材２７２が介在することによって、水平に伸びる姿勢でさらに安定的に支持されており、不用意に傾くことはない。さらに、セルスタック２９６自体が、燃料電池セル群収容室２８８の内壁に固定されていることで、より一層安定的である。
【００５６】
発電ユニット２７０内の動作を説明する。
燃料ガス受入れ口２７８からマニホールド２８２に流入した燃料ガスは、燃料ガス通路に分配され、燃料ガス通路の内側に形成された燃料極に供給される。
空気供給部材２９０には、熱交換室２７４で予加熱された空気が供給され、先端の開口から流出される。空気を噴出す様子が矢印２８０で図示されている。空気供給部材２９０の先端から流出した空気は、上方、若しくは斜め左上方向に上昇し、すぐ上方のセルスタック２９６の下側全体に拡散される。
【００５７】
セルスタック２９６と空気供給部材２９０の間には、パッキン２９８の他に支持部材２７２が介在している。支持部材２７２によって、セルスタック２９６と空気供給部材２９０は強固に支持され、水平が保持される。
【００５８】
本実施例でも、燃料電池セル２８６が水平方向に伸びているのに対し、空気が上方に移動する関係が得られ、燃料電池セル２８６の温度勾配に交差する空気の流れが生み出される。また、本実施例では、空気の流れる方向と、燃料ガスの流れる方向は逆向きであるため、空気供給部材２９０内の温度勾配の向きと、燃料電池セル２８６の温度勾配の向きとが逆向きとなっている。従って、燃料電池セル２８６を冷却する空気に燃料電池を冷却した熱が累積していくことが抑制され、燃料電池セル群収容室２８８内の温度差が減少する。実験によると、本実施例においても、図１０のカーブＣ２に示すように、燃料電池セル２４６の上流端と下流端の温度差が５０℃以下に抑制される。
本実施例でも、セルスタック２９６の直下に熱伝導性の高い金属で形成された空気供給部材２２０が配置されている。空気供給部材２９０は熱伝導性が高く、加熱されやすいセルスタック２９６の下流側から加熱されにくいセルスタック２９６の上流側に伝熱する。セルスタック２９６の近傍に伝熱部材を配置することもまた、セルスタック２９６の温度分布を一様化するのに寄与している。
【００５９】
（第２参考例）
発電装置の第２参考例を図面を参照しながら説明する。図８は本参考例に係る発電装置の要部の縦断面を模式化した図である。本参考例の発電装置は、第３実施例の発電装置と類似している。よって、本参考例の発電装置が、第３実施例の発電装置と相違する点についてのみ説明し、重複説明を省略する。
燃料電池セル３２６ａ，３２６ｂ，３２６ｃ，３２６ｄの上流側の間隙には、パッキン３３８ａ，・・・が配置されている。燃料電池セル３２６ａ，３２６ｂ，３２６ｃ，３２６ｄの下流側の間隙には、パッキン３３８ｂ，・・・が配置されている。さらに、燃料電池セル群収容室３２８の内壁と、燃料電池セル３２６群の間にパッキン３３８ａ，３３８ｂが介在している。燃料電池セル３２６と空気供給部材３３０は、平行に、水平に配設されており、パッキン３３８が介在することによって、燃料電池セル３２６は、水平に伸びる姿勢で安定的に支持されており、不用意に傾くことはない。さらに、燃料電池セル３２６群自体が、燃料電池セル群収容室３２８の内壁に固定されていることで、より一層安定的である。本参考例の発電ユニット３１０は、第３実施例の発電ユニット２７０が備えている、セルスタック２９６を支持する棚状部材である支持部材２７２を備えていないが、この構成によっても、十分に燃料電池セル３２６群を、水平に、安定的に支持することができる。
【００６０】
燃料電池セル３２６ａ，３２６ｂ，３２６ｃ，３２６ｄの間隙には、遮蔽板３１２ａ，３１２ｂ，３１２ｃが挿入されている。遮蔽板３１２ａ，３１２ｂ，３１２ｃは、パッキン３３８によって水平に支持されており、遮蔽板３１２ａ，３１２ｂ，３１２ｃの両端面と燃料電池セル群収容室３２８の内壁は接していない。従って、燃焼室３３２において生じる燃焼排ガスの上昇を妨げない。遮蔽板３１２ａ，３１２ｂ，３１２ｃがなければ、下方の空気供給部材３３０ｂ，３３０ｃ，３３０ｄから空気が噴出して上昇して、下方の燃料電池セル３２６ｂ，３２６ｃ，３２６ｄの上方に達した高熱の空気が、更に上昇する。空気が上昇するにつれて過熱されて、中間の燃料電池セル３２６ｂ，３２６ｃによって更に過熱されるため、上方の燃料電池セル３２６ａ，３２６ｂや空気供給部材３３０ａ，３３０ｂを過熱されてしまう不具合が生じる。遮蔽板３１２ａ，３１２ｂ，３１２ｃによって、この不具合を解消することができる。また、燃料電池セル３２６ａ，３２６ｂ，３２６ｃ，３２６ｄの上方に上昇した高温の空気は、矢印３２０で図示されているように燃焼室３３２に向かうように誘導され、効率よく燃焼させることができる。
【００６１】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、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。
また、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】
【００６２】
【図１】第１実施例に係る発電装置の縦断面図。
【図２】図１のII−II線縦断面図。
【図３】図１のIII−III線横断面図。
【図４】図２の部分断面拡大図。
【図５】第１参考例に係る発電装置の縦断面図。
【図６】第２実施例に係る発電装置の要部の縦断面を模式化した図。
【図７】第３実施例に係る発電装置の要部の縦断面を模式化した図。
【図８】第２参考例に係る発電装置の要部の縦断面を模式化した図。
【図９】従来の発電装置の縦断面図。
【図１０】発電時の燃料電池セルの温度分布を示すグラフ。
【符号の説明】
【００６３】
（第１実施例）
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、１６ｆ：空気供給口
１８：改質器、１８ａ、１８ｂ
２０：燃料ガス通路
２２：集電部材
２４：マニホールド
２６：燃料ガス導入管
２８：渡り配管、２８ａ，２８ｂ
３０：配管
３２：配管
３４：空気導入管
３６：内仕切壁
３８：外仕切壁
４０：外壁
４２：断熱部材
４４：第１室
４６：第２室
４８：第３室
５０：空気供給管
５２：邪魔板
５４：フィン
５６：フィン
５８：燃焼排ガス導出管
６０：スパーク電極
６２：パッキン
（第１参考例）
２００：発電ユニット
２０２：排気口
２０４：空気受入れ口
２０８：燃料ガス受入れ口
２１０：空気の流れ
２１２：マニホールド
２１４：燃料ガス通路
２１６：燃料電池セル
２１８：燃料電池セル群収容室
２２０：空気供給部材
２２２：燃焼室
２２４：熱交換室
２２６：セルスタック
２２８：パッキン
（第２実施例）
２３０：発電ユニット
２３２：予改質ガス供給管
２３４：熱交換室
２３８：予改質ガス受入れ口
２４０：空気の流れ
２４６：燃料電池セル
２４８：燃料電池セル群収容室
２５０：空気供給部材
２５２：燃焼室
２５４：改質器
２５６：セルスタック
２５８：パッキン
２６０：配管
（第３実施例）
２７０：発電ユニット
２７２：支持板
２７４：熱交換室
２７８：燃料ガス受入れ口
２８０：空気の流れ
２８２：マニホールド
２８６：燃料電池セル
２８８：燃料電池セル群収容室
２９０：空気供給部材
２９２：燃焼室
２９６：セルスタック
２９８：パッキン
（第２参考例）
３１０：発電ユニット
３１２：遮蔽板
３２０：空気の流れ
３２６：燃料電池セル
３２８：燃料電池セル群収容室
３３０：空気供給部材
３３２：燃焼室
３３８：パッキン
【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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