(57)【要約】      （修正有）【課題】燃料電池セル群収容室内の温度差を抑制する構造を創作する。局部的に加熱されることがない発電装置を実現する。【解決手段】燃料極と固体電解質と酸素極を含むとともに燃料ガス通路２０が燃料極を貫通する燃料電池セル１２を備えており、燃料電池セル１２に隣接して配置されている空気供給部材１６には、燃料ガス通路２０が伸びる方向に沿った複数個所に、空気供給口１６ｆが形成されている。加熱されやすい燃料ガス通路２０の下流ほど、加熱されて温度上昇した空気で冷却するという問題がなくなり、加熱されやすい燃料ガス通路２０の下流でもまだ加熱されていないために温度上昇していない空気で冷却することができる。【選択図】図２
2005235528.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、
燃料極と固体電解質と酸素極と燃料ガス通路を有する燃料電池セルを備えており、
燃料電池セルに隣接して配置されている有酸素ガス通路には、燃料ガス通路が伸びる方向に沿った複数個所に、有酸素ガス供給口が形成されていることを特徴とする発電装置。
【請求項２】
有酸素ガス通路の燃料電池セルに対向する面は燃料電池セルよりも広く広がっており、その面に多数の有酸素ガス供給口が分散して形成されていることを特徴とする請求項１の発電装置。
【請求項３】
燃料電池セルの加熱されやすい部分に多量の有酸素ガスが供給されるように、有酸素ガス供給口の密度と開口面積が調整されていることを特徴とする請求項１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。
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。有酸素ガスを噴出す様子が矢印１１０で図示されている。有酸素ガス受け入れ口１０４から、加圧された有酸素ガスが受け入れられる。
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、有酸素ガス受け入れ口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構造を創作する。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】
本発明は、固体酸化物型の燃料電池を用いる発電装置に関する。この発電装置は、燃料極と固体電解質と酸素極と燃料ガス通路を有する燃料電池セルを備えており、燃料電池セルに隣接して配置されている有酸素ガス通路には、燃料ガス通路が伸びる方向に沿った複数個所に、有酸素ガスの供給口が形成されていることを特徴とする。
【０００７】
発電中の燃料電池セルは、燃料ガスが有酸素ガスに反応することで発電する。その反応は発熱反応であり、燃料ガス通路の上流から下流に向けて加熱されていく。従来の技術では、燃料ガス通路の上流部に有酸素ガスを噴出させ、その後は有酸素ガスが燃料ガスと同一方向に流れながら燃料電池セルを冷却する構造を採用している。これでは、加熱されやすい燃料ガス通路の下流ほど、加熱されて温度上昇した有酸素ガスで冷却することなり、加熱しやすい部分ほど冷却されにくい構造となっている。
本発明の発電装置では、燃料ガス通路が伸びる方向に沿った複数個所に、有酸素ガス供給口が形成されている。加熱されやすい燃料ガス通路の下流ほど、加熱されて温度上昇した有酸素ガスで冷却するという問題がなくなり、加熱されやすい燃料ガス通路の下流でもまだ加熱されていないために温度上昇していない有酸素ガスで冷却することができる。燃料電池セルの温度分布を一様化しやすい。
【０００８】
有酸素ガス通路の燃料電池セルに対向する面は燃料電池セルよりも広く広がっており、その面に多数の有酸素ガス供給口が分散して形成されていることが好ましい。
この場合、まだ加熱されていない相対的に低温の有酸素ガスを燃料電池セルに一様に供給することができ、燃料電池セルの温度分布を一様化しやすい。
【０００９】
燃料電池セルの加熱されやすい部分に多量の有酸素ガスが供給されるように有酸素ガス供給口の密度と開口面積が調整されていることが好ましい。燃料電池セルの温度分布を一層均一化しやすい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
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）  空気通路は、熱伝導性の高い金属で形成されている。
【実施例１】
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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１〜図３に示すように、セルスタック１４の燃料通路２０は左右方向に伸びており、空気供給部材１６は、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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【実施例２】
【００３２】
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５は、本実施例に係る発電装置の燃料電池セル群収容室の縦断面の概略図である。
本実施例の発電装置は、図９に示す従来の発電装置と類似の構成であり、発電ユニット２００の下部に燃料電池セル群収容室２１８が配置され、中間高さに燃焼室２２２が配置され、上部に熱交換室２２４が配置されている。本実施例の発電ユニット２００は、燃料電池セル群収容室２１８内の構成が従来技術と相違している。よって、主に燃料電池セル群収容室２１８内について説明し、重複説明を省略する。
【００３３】
図示２０８は燃料ガスの受入れ口であり、受入れられた燃料ガスは、マニホールド２１２で、燃料電池セル２１６ａ，２１６ｂ，２１６ｃ，２１６ｄを貫通している燃料ガス通路に分配される。燃料ガス通路は、垂直方向上方に伸びている。
筒状の燃料電池セル２１６ａ，２１６ｂ，２１６ｃ，２１６ｄの間隙に、空気通路２２０ａ，２２０ｂ，２２０ｃが挿入されている。空気通路２２０ａ，２２０ｂ，２２０ｃはパイプ状であり、空気供給口２２０ｆが形成されている。空気供給口２２０ｆは、空気通路２２０ａ，２２０ｂ，２２０ｃが、図中左右両側の燃料電池セル２１６ａ，２１６ｂ，２１６ｃ，２１６ｄに対向する部分に、夫々３個ずつ縦列に配置されている。上位の空気供給口２２０ｆの位置は、燃料電池セル２１６ａ，２１６ｂ，２１６ｃ，２１６ｄの下流部の位置に相当し、中位の空気供給口２２０ｆの位置は、燃料電池セル２１６ａ，２１６ｂ，２１６ｃ，２１６ｄの中間部の位置に相当し、下位の空気供給口２２０ｆの位置は、燃料電池セル２１６ａ，２１６ｂ，２１６ｃ，２１６ｄの上流部の位置に相当する。空気通路２２０ａ，２２０ｂ，２２０ｃは、熱交換室２２４から垂直方向に下向きに伸びており、下端から空気を噴出すとともに、夫々６個の空気供給口２２０ｆからも空気を噴出す。空気を噴出す様子が矢印２１０で図示されている。
【００３４】
燃料電池セル２１６は、燃料ガスと酸素が反応することによって発熱体となり、燃料ガスが下方から上方に流れると、燃料ガスは発電熱によって徐々に加熱されていく。供給される空気が下方から上方に流れると、空気までもが徐々に加熱されてしまい、燃料電池セルの下流と上流の温度差が大きくなってしまう。
本実施例では、燃料電池セル２１６の上流部と中間部と下流部の３部位に空気供給口２２０ｆが分布している。従って、空気は、空気通路２２０内を上方から下方に流れながら、３部位の空気供給口２２０ｆから空気を噴出す。上位から噴出される空気は、まだ発電熱によって加熱されていない相対的に低温の空気であり、下位から噴出される空気は発電熱によって加熱されている相対的に高温の空気である。最も加熱されやすい、燃料電池セル２１６の下流部には、低温の空気が噴出され、まだ発電熱で加熱されていない、燃料電池セル２１６の上流部には、高温の空気が噴出されることから、燃料電池セルの温度分布が一様化される。
【実施例３】
【００３５】
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６は、本実施例に係る発電装置の燃料電池セル群収容室の縦断面の概略図である。
本実施例の発電装置は、第２実施例の発電装置と、空気を供給する部材が相違している。よって、主に空気供給部材について説明し、重複説明を省略する。
【００３６】
発電ユニット２３０の燃料電池セル群収容室２４８内の、筒状の燃料電池セル２４６ａ，２４６ｂ，２４６ｃ，２４６ｄの間隙に、空気供給部材２５０ａ，２５０ｂ，２５０ｃが挿入されている。空気供給部材２５０ａ，２５０ｂ，２５０ｃは図７の斜視図に示す薄い箱形状であり、複数個の空気供給口２５０ｆが対向する広い２面に形成されている。空気供給口２５０ｆの形成された面が、図中左右両側の燃料電池セル２４６ａ，２４６ｂ，２４６ｃ，２４６ｄに対向するように配置されている。空気供給部材２５０ａ，２５０ｂ，２５０ｃは、熱交換室２３４から垂直方向に下向きに伸びており、空気供給口２５０ｆから空気を噴出す。空気を噴出す様子が矢印２４０で図示されている。
【００３７】
本実施例では、燃料電池セル２４６ａ，２４６ｂ，２４６ｃ，２４６ｄの間隙に配置されている空気供給部材２５０ａ，２５０ｂ，２５０ｃの広い範囲に空気供給口２５０ｆが分散配置されており、燃料電池セル２４６ａ，２４６ｂ，２４６ｃ，２４６ｄの全体に空気が分散して供給されるため、上流から下流に至るまで一様温度に冷却することができる。
【実施例４】
【００３８】
本発明を具現化した発電装置の第４実施例を、図面を参照しながら説明する。図８は、本実施例に係る発電装置の燃料電池セル群収容室の縦断面の概略図である。
本実施例の発電装置は、第２実施例の発電装置と、空気を供給する部材と、燃焼排ガスの流れが相違している。よって、主に相違部分について説明し、重複説明を省略する。
【００３９】
発電ユニット２７０の燃料電池セル群収容室２８８内の、筒状の燃料電池セル２８６ａ，２８６ｂ，２８６ｃ，２８６ｄの間隙に、空気供給部材２９０ａ，２９０ｂ，２９０ｃ，２９０ｄが挿入されている。空気供給部材２９０ａ，２９０ｂ，２９０ｃ，２９０ｄは薄い箱形状であり、複数個の空気供給口２９０ｆが広い面の片面にのみ形成されている。空気供給口２９０ｆの形成された面が、図中右側の燃料電池セル２８６ａ，２８６ｂ，２８６ｃ，２８６ｄに対向するように配置されている。空気供給部材２９０ａ，２９０ｂ，２９０ｃ，２９０ｄは、熱交換室２７４から垂直方向に下向きに伸びており、片面のみに形成された空気供給口２９０ｆから空気を噴出す。空気を噴出す様子が矢印２８０で図示されている。なお、燃焼排ガスは、矢印２９４で図示されているように、熱交換室２７４の図中右方へ誘導される。
【００４０】
本実施例では、燃料電池セル２８６ａ，２８６ｂ，２８６ｃ，２８６ｄの図中左側に配置されている空気供給部材２９０ａ，２９０ｂ，２９０ｃ，２９０ｄの広い範囲に空気供給口２９０ｆが分散配置されており、燃料電池セル２８６ａ，２８６ｂ，２８６ｃ，２８６ｄの図中左方から全体に空気が分散して供給されるため、上流から下流に至るまで一様温度に冷却することができる。また、燃料電池セル２８６ｂ，２８６ｃ，２８６ｄの図中右方へすり抜けて加熱された空気は、すぐ右側の空気供給部材２９０ａ，２９０ｂ，２９０ｃに沿って上方の燃焼室２９２へ誘導されるため、加熱された空気が更に右方へ流れて燃料電池セル２８６ａ，２８６ｂ，２８６ｃを加熱してしまうことはない。
【００４１】
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】
【００４２】
【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６】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７】同発電装置の要部斜視図。
【図８】第４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】
【００４３】
（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２実施例）
２００：発電ユニット
２０８：燃料ガス受入れ口
２１０：空気の流れ
２１２：マニホールド
２１６：燃料電池セル
２１８：燃料電池セル群収容室
２２０：空気通路
２２２：燃焼室
２２４：熱交換室
（第３実施例）
２３０：発電ユニット
２３４：熱交換室
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
（第４実施例）
２７０：発電ユニット
２７４：熱交換室
２８０：空気の流れ
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
２９４：燃焼排ガスの流れ
【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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