(57)【要約】      （修正有）【課題】反応ガスの混合を促進することで、発電効率の向上した燃料電池セル、セルスタック装置、燃料電池モジュールおよび燃料電池装置を提供する。【解決手段】燃料電池セル３は、内部に第１の反応ガスを流すための流路１２を有し、流路の一端部の開口から排出された第１の反応ガスを、外部を流れる第２の反応ガスと混合して燃焼させる構成のものであって、流路１２の少なくとも一端部側の内壁に、開口に対して斜めに配置された突条または溝１４を有していることで燃焼が生じやすくなり、発電効率の向上した燃料電池セル、セルスタック装置、燃料電池モジュールおよび燃料電池装置を提供できる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に第１の反応ガスを流すための流路を有し、該流路の一端部側の開口から排出された前記第１の反応ガスを、外部を流れる第２の反応ガスと混合して燃焼させる構成の燃料電池セルであって、
前記流路の少なくとも一端部側の内壁に、前記開口に対して斜めに配置された突条または溝を有していることを特徴とする燃料電池セル。
【請求項２】
セル本体と蓋状部材とにより構成され、該蓋状部材および前記セル本体は互いに連通する前記流路を有し、
前記蓋状部材の前記流路の少なくとも一端部側の内壁に、前記開口に対して斜めに配置された突条または溝を有していることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セル。
【請求項３】
前記突条または溝が前記開口に対して垂直な方向に沿って離間した状態で、複数設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池セル。
【請求項４】
前記突条または溝が螺旋状に設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池セル。
【請求項５】
前記流路の径が、前記第１の反応ガスの上流側に比べ下流側が小さいことを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれかに記載の燃料電池セル。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載の燃料電池セルの複数個を、集電部材を介して電気的に直列に接続してなることを特徴とするセルスタック装置。
【請求項７】
請求項６に記載のセルスタック装置を収納容器内に収納したことを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項８】
請求項７に記載の燃料電池モジュールと、該燃料電池モジュールを動作させるための補機とを外装ケース内に収納したことを特徴とする燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池セル、セルスタック装置、燃料電池モジュールおよび燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
次世代エネルギーとして、燃料ガス（水素含有ガス）と、空気（酸素含有ガス）とを用いて発電する燃料電池セルを複数個立設してなるセルスタックと、燃料電池セルの他端部を固定するとともに、燃料電池セルに燃料ガスを供給するためのガスタンクと、燃料電池セルの一端部にて発電に使用されなかった燃料ガスおよび空気を燃焼させる構成のセルスタック装置とを収納容器に収納してなる燃料電池モジュールおよび燃料電池装置が知られている。
【０００３】
このような燃料電池装置は、燃料電池セルに酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス導入部材が設けられており、酸素含有ガス導入部材の下端部側に酸素含有ガス導入口が設けられ、該酸素含有ガス導入孔を介して、燃料電池セルの下端部に酸素含有ガスを供給するようになっている。そして、発電に使用されなかった燃料ガスを燃焼させることにより、効率のよい運転を行なっている。（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−５９３７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述した燃料電池装置においては、燃料電池セルの内部を流れた燃料ガスを燃焼部に向けて流した場合においても、燃焼部にて燃料ガスと酸素含有ガスとが十分に混合されず、燃焼させることができない場合がある。それにより、燃料電池装置の温度が低下し、燃料電池装置の発電効率が低下する場合がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の燃料電池セルは、内部に第１の反応ガスを流すための流路を有し、流路の一端部の開口から排出された第１の反応ガスを、外部を流れる第２の反応ガスと混合して燃焼させる構成のものであって、流路の少なくとも一端部側の内壁に、開口に対して斜めに配置された突条または溝を有している。ここで、第１の反応ガスとは、例えば燃料ガスおよび酸素含有ガスの一方を示し、第２の反応ガスとは、例えば燃料ガスおよび酸素含有ガスの他方を示す。
【０００７】
また、本発明のセルスタック装置は、上記の燃料電池セルの複数個を集電部材を介して電気的に直列に接続してなる。
【０００８】
また、本発明の燃料電池モジュールは、上記のセルスタック装置を収納容器内に収納してなる。
【０００９】
また、本発明の燃料電池装置は、上記の燃料電池モジュールと燃料電池モジュールを動作させるための補機とを外装ケースに収納してなる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、燃料電池セルの流路の一端部の開口から排出される第１の反応ガスが、斜め方向に速度成分を持ちながら排出されることにより、燃料電池セルの外部を流れる第２の反応ガスと効率よく混合され、燃焼が生じやすくなり、燃料電池装置の発電効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態である燃料電池セルを用いて構成されるセルスタック装置を示す図で、（ａ）はセルスタック装置を概略的に示す側面図、（ｂ）は（ａ）の一部を拡大して示す平面図である。
【図２】（ａ）は図１に示すセルスタック装置を構成する燃料電池セルの斜視図、（ｂ）は図２（ａ）の縦断面図である。
【図３】図１に示す燃料電池セルの周囲を流れる第１の反応ガスおよび第２の反応ガスの流れを示す概念図である。
【図４】（ａ）は本発明の他の実施形態の燃料電池セルの斜視図、（ｂ）は図４（ａ）の縦断面図である。
【図５】（ａ）は図４に示す蓋状部材の変形例を示す縦断面図、（ｂ）は（ａ）に示す流路の平面図、（ｃ）は蓋状部材のさらに他の変形例を示す平面図である。
【図６】（ａ）は本発明のさらに他の実施形態の燃料電池セルの斜視図、（ｂ）は図５（ａ）の縦断面図である。
【図７】図６に示す燃料電池セルの周囲を流れる第１の反応ガスおよび第２の反応ガスの流れを示す概念図である。
【図８】本発明の一実施形態の燃料電池モジュールを示す外観斜視図である。
【図９】本発明の一実施形態の燃料電池装置を示す分解斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
＜第１の実施形態＞
本発明の第１の実施形態である燃料電池セル３により構成されるセルスタック装置１を図１を用いて説明する。
【００１３】
セルスタック装置１は、複数の燃料電池セル３の間に集電部材４を介在させ、これらの燃料電池セル３が電気的に直列に接続されておりセルスタック２を構成している。セルスタック２の端部に燃料電池セル３で発電した電流を外部に引き出すための電流引出部５ｂを備えた導電部材５を具備している。そして、セルスタック２の端部に位置する燃料電池セル３と導電部材５とが集電部材４を介在し電気的に接続されている。燃料電池セル３（セルスタック２）および導電部材５の下端部は、燃料電池セル３に燃料ガス（水素含有ガス）を供給するためのガスタンク７に、ガラス等の絶縁性のシール材を介して固定されており、セルスタック装置１はガスタンク７に立設した状態で配列されている。
【００１４】
燃料電池セル３は、図１（ｂ）に示すように、一対の対向する平坦部と両端の弧状部とを有する扁平な柱状の導電性支持体１１（以下、支持体１１と略す場合がある。）の一方の平坦部と弧状部を覆うように内側電極層としての多孔質な燃料極層８が設けられており、この燃料極層８を覆うように、緻密質な固体電解質層９が積層されている。支持体１１には、第１の反応ガスを流すための一端から他端にかけて貫通する流路１２が設けられており、流路１２の一端部には開口が設けられている。また、固体電解質層９上には、燃料極層８と対向するように外側電極層としての多孔質な空気極層１０が設けられている。すなわち、支持体１１の一方の平坦部上に、燃料極層８、固体電解質層９および空気極層１０がこの順に積層されている。燃料極層８および固体電解質層９が形成されていない支持体１１の他方の平坦部上には、緻密質なインターコネクタ１３が積層されている。このような構成により柱状の燃料電池セル３が形成される。燃料電池セル３は、図１（ｂ）で示すように、燃料極層８および固体電解質層９は、両端の弧状部を経由してインターコネクタ１３の両サイドにまで延設されており、支持体１１の表面が外部に露出しないように構成されている。それにより、燃料電池セル３の内外で燃料ガスおよび酸素含有ガスがリークしない構成となっている。
【００１５】
また、支持体１１を燃料極層８を兼ねるものとし、その表面に固体電解質層９および空気極層１０を順次積層して燃料電池セルを構成することもできる。その場合は、燃料極層８を設けずとも支持体１１に固体電解質層９を設けることで燃料電池セル３を作製することができる。
【００１６】
燃料電池セル３の間に配置された集電部材４は、導電性接合材（図示せず）により燃料電池セル３に接続されている。すなわち、隣接する燃料電池セル３の間に配置された集電部材４は、隣接する一方の燃料電池セル３の空気極層１０と、隣接する他方の燃料電池セル３のインターコネクタ１３とにそれぞれ導電性接合材を介在して接続されており、それにより各燃料電池セル３が電気的に直列に接続されている。
【００１７】
燃料電池セル３を構成する支持体１１の内部には、長手方向に燃料電池セル３の下端部（他端部）から上端部（一端部）にかけて貫通する燃料ガスを流すための流路１２が複数個設けられており、ガスタンク７により供給される燃料ガスが、流路１２の内部を上方に向けて流れる間に、多孔質支持体１１の内部を通って燃料極層８に供給される。
【００１８】
燃料電池セル３の内部を流れ、発電に使用されなかった燃料ガスは、流路１２を流れた後に燃料電池セル３（セルスタック２）の上方へ開口から排出されることとなる。同様に燃料電池セル３の外部を流れ、発電に使用されなかった酸素含有ガスも燃料電池セル３の上方へ流れることとなる。セルスタック装置１は、発電に使用されなかった燃料ガスと酸素含有ガスとを燃料電池セル３の上方の燃焼部にて燃焼させる構成となっている。それにより、燃料電池装置の起動時間を短くすることができる。
【００１９】
以下、燃料電池セル３の流路１２に第１の反応ガスとしての燃料ガスを流し、燃料電池セル３の外部に第２の反応ガスとしての酸素含有ガスを流すものとして説明する。
【００２０】
燃料電池セル３としては、各種燃料電池セルが知られているが、燃料電池セル３を収納してなる燃料電池装置を小型化、高効率化する上で、３００〜７５０℃の高温下で作動する固体酸化物形燃料電池セルとすることができる。それにより、燃料電池装置を小型化、高効率化することができるとともに、家庭用燃料電池で求められる変動する負荷に追従する負荷追従運転を行なうことができる。さらに、発電により生じた熱を給湯システムと組み合わすことで効率のよい固体酸化物形燃料電池システムを構成することもできる。
【００２１】
以下に、図１において示す燃料電池セル３を構成する各部材について説明する。
【００２２】
支持体１１は、燃料ガスを燃料極層８まで透過させるためにガス透過性であること、インターコネクタ１３を介在して集電を行うために導電性であることが要求されることから、例えば、鉄族金属成分と特定の希土類酸化物とにより形成される。
【００２３】
鉄族金属成分としては、鉄族金属単体、鉄族金属酸化物、鉄族金属の合金もしくは合金酸化物等が挙げられる。より詳細には、例えば、鉄族金属としてはＦｅ（鉄）、Ｎｉ（ニッケル）およびＣｏ（コバルト）が挙げられ、特に安価であることおよび燃料ガス（水素含有ガス）中で安定であることから、鉄族成分としてＮｉおよびＮｉＯの少なくとも一方を含有することができる。
【００２４】
特定の希土類酸化物とは、支持体１１の熱膨張係数を後述する固体電解質層９の熱膨張係数に近づけるために使用されるものであり、Ｙ（イットリウム）、Ｌｕ（ルテチウム）、Ｙｂ（イッテルビウム）、Ｔｍ（ツリウム）、Ｅｒ（エルビウム）、Ｈｏ（ホルミウム）、Ｄｙ（ジスプロシウム）、Ｇｄ（ガドリウム）、Ｓｍ（サマリ）、Ｐｒ（プラセオジム）からなる群より選択される少なくとも１種の元素を含む希土類酸化物が、上記鉄族成分との組み合わせで使用される。このような希土類酸化物の具体例としては、Ｙ2Ｏ3、Ｌｕ2Ｏ3、Ｙｂ2Ｏ3、Ｔｍ2Ｏ3、Ｅｒ2Ｏ3、Ｈｏ2Ｏ3、Ｄｙ2Ｏ3、Ｇｄ2Ｏ3、Ｓｍ2Ｏ3、Ｐｒ2Ｏ3を例示することができ、鉄族金属の酸化物との固溶、反応がほとんどなく、また、熱膨張係数が固体電解質層９とほとんど同程度であり、かつ安価であるという点から、Ｙ2Ｏ3、Ｙｂ2Ｏ3を用いることができる。
【００２５】
支持体１１は、燃料ガス透過性を有していることが必要であるため、通常、開気孔率が３０％以上、特に３５〜５５％の範囲がよい。また、支持体１１の導電率は、５０Ｓ／ｃｍ以上、さらには３００Ｓ／ｃｍ以上、特に４４０Ｓ／ｃｍ以上とすることができる。
【００２６】
支持体１１の寸法としては、支持体１１の平坦部の長さ（支持体１１の幅方向の長さ）は、通常、１５〜３５ｍｍ、弧状部の長さ（弧の長さ）は、２〜８ｍｍであり、支持体１１の厚み（両平坦部間の厚み）は１．５〜５ｍｍとすることができる。また、流路１２の径としては、支持体の大きさにより適宜設定することができるが、０．５〜１ｍｍとすることが好ましい。
【００２７】
燃料極層８は、電極反応を生じさせるものであり、鉄族金属であるＮｉおよびＮｉＯのうち少なくとも一方と、希土類元素が固溶したＺｒＯ2とから形成することができる。例えば、ＮｉおよびＮｉＯのうち少なくとも一方と、希土類元素が固溶したＺｒＯ2の含有量は、焼成−還元後における体積比率が、Ｎｉ：希土類元素が固溶したＺｒＯ2（例えば、ＮｉＯ：イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ））が３５：６５〜６５：３５の範囲としてもよい。さらに、この燃料極層８の気孔率は、１５％以上、特に２０〜４０％の範囲としてもよく、その厚みは、１〜３０μｍとすることができる。
【００２８】
固体電解質層９は、３〜１５モル％のＹ、Ｓｃ（スカンジウム）、Ｙｂ等の希土類元素を含有した部分安定化あるいは安定化ＺｒＯ2やランタンガレート系のペロブスカイト型酸化物からなる緻密質なセラミックスを用いることができる。また、希土類元素としては、安価であるという点からＹとすることができる。さらに、固体電解質層９は、ガス透過を防ぐために、相対密度（アルキメデス法による）が９３％以上、特に９５％以上の緻密質であることが望ましく、かつその厚みが５〜５０μｍとすることができる。
【００２９】
空気極層１０は、ガス透過性を有する必要があり、従って、空気極層１０を形成する導電性セラミックス（ペロブスカイト型酸化物）は、開気孔率が２０％以上、特に３０〜５０％の範囲とすることができる。さらに、空気極層１０の厚みは、集電性という点から３０〜１００μｍとすることができる。空気極層１０を形成する導電性セラミックスとしては、ランタンコバルト（ＬａＣｏＯ3）系ペロブスカイト型酸化物やランタンマンガナイト（ＬａＭｎＯ3）系ペロブスカイト型酸化物があげられる。ランタンコバルト系ペロブスカイト型酸化物としては、ＬａＳｒＣｏＦｅＯ3やＬａＳｒＣｏＯ3を用いることができ、ランタンマンガナイト系ペロブスカイト型酸化物としては、ＬａＳｒＭｎＯ3を用いることができる。
【００３０】
インターコネクタ１３は、導電性セラミックスにより形成されている。燃料ガス（水素含有ガス）および酸素含有ガス（空気）と接触するため、耐還元性、耐酸化性を有することが必要である。このため、耐還元性、耐酸化性を有する導電性セラミックスとして、一般に、ランタンクロマイト（ＬａＣｒＯ3）系ペロブスカイト型酸化物を用いることができ、支持体１１と固体電解質層９との熱膨張係数を近づけることができる。インターコネクタ１３の厚みは、ガスのリーク防止と電気抵抗の低減という点から、１０〜５０μｍとすることができる。
【００３１】
導電性接合材（図示せず）は、導電性を有する必要があり、ペロブスカイト型酸化物等の導電性セラミックスにより形成することができる。そのため、空気極層１０と同様の材料により作製することができる。また、インターコネクタ１３との接合強度を高めるために、インターコネクタ１３と導電性接合材との間に、導電性接合材と同じ組成からなる接合層を設けてもよい。
【００３２】
次にセルスタック装置１を構成する各部材について説明する。
【００３３】
集電部材４は、導電性および耐熱性や耐酸化性を有する必要があるため、例えばＣｒを含有する金属等により形成される。Ｃｒを含有する合金を例示すると、例えば、Ｆｅ−Ｃｒの合金やＮｉ−Ｃｒの合金があげられる。合金中のＣｒの含有量は、耐熱性および耐酸化性の観点から合金１００質量部に対して１０〜３０質量部、さらには２０〜３０質量部とすることができる。耐熱性および耐酸化性を向上させるためにＭｏやＷ等の元素を含有してもよい。
【００３４】
導電部材５は、セルスタック２の両端部に配置された集電部材４と接合される平板部５ａと、平板部５ａの下端部から外部に引き出された電流引出部５ｂとを備えている。導電部材５も集電部材４と同様に導電性および耐熱性や耐酸化性を有する必要があるため、集電部材４と同様の材料により作製することができる。
【００３５】
また、集電部材４や導電部材５を形成するＣｒを含有する合金からＣｒが拡散することを抑えるために、集電部材４や導電部材５の表面にＣｒ拡散抑制層をコーティングにて形成してもよい。Ｃｒ拡散抑制層としては、Ｚｎを含有する酸化物があげられ、例えばＺｎＯやＺｎを含有するスピネルを用いることができる。
【００３６】
ガスタンク７は、内部が燃料ガスを収納するための中空のタンクになっており、ガスタンク７に貯蔵された燃料ガスは、ガスタンク７上に立設された各燃料電池セル３に設けられた流路１２に供給される。ガスタンク７に集電部材４や導電部材５が接触すると短絡してしまうため、ガスタンク７の外面には、ＺｎＯ等の絶縁性コーティングを施すことができる。それにより、セルスタック装置１の信頼性を向上させることができるとともに、ガスタンク７を形成する合金の耐酸化性を向上させることができる。
【００３７】
次に燃料電池セル３について、図２、３を用いて説明する。図３において燃料電池セル３から排出される燃料ガスの流れを実線Ａで示し、燃料電池セル３の側方を流れる酸素含有ガスの流れを破線Ｂで示している。以下の図においても同様である。
【００３８】
燃料電池セル３は、図２（ｂ）に示すように、燃料電池セル３（支持体１１）の内部に一端部に開口を有する、一端から他端にわたって複数の流路１２が形成されており、流路１２の内壁に開口に対して斜めに配置された溝１４が設けられている。燃料電池セル３においては、溝１４が流路１２の全域にわたって設けられている。そのため、流路１２は螺子穴のような構造になっている。開口に対して斜めとは、言い換えると流路１２に沿った方向に垂直な面に対して斜めということができる。
【００３９】
燃料電池セル３における溝１４は、流路１２に沿った方向に垂直な面（言い換えるならば水平面）に対して斜めに配置されており、流路１２の長手方向に離間した状態で複数設けられている。そして、それらの溝１４は流路１２の周方向に連続的に形成されることで、螺旋状の溝１４（以下、螺旋溝１４と称する場合がある。）として形成されている。螺旋状とは、回転しながら回転面に対して垂直成分のある方向へ上昇する３次元曲線状であり、例えば、螺子の形状や、コイル形状を挙げることができる。
【００４０】
流路１２の開口に対して傾ける角度としては、２０°〜８０°の範囲が好ましく、同じ角度のものを流路１２に沿って、複数設けることが好ましい。
【００４１】
流路１２に設けられた螺旋溝１４は、図２（ｂ）に示すようにＡが谷径となり、Ｂが内径となる。そしてＣがピッチとなっている。つまり、螺旋溝１４の幅を大きくするとピッチが大きくなるため、螺旋溝１４の幅は小さくすることが好ましい。Ａを０．５〜１ｍｍ、Ｂを０．７〜０．９ｍｍ、Ｃを０．１〜０．５ｍｍとすることで、流路１２を流れる燃料ガスを螺旋流とすることができる。
【００４２】
ガスタンク７により供給された燃料ガスは、燃料電池セル３の下端部から上端部へ向けて流路１２を流れる間に、渦を巻くように流れ流路１２から斜め方向に速度成分を有しながら流出することなる。渦を巻く流れ（いわゆる螺旋流）のような状態で流路１２から排出された燃料ガスは、図３に示すように燃料電池セル３の外側を流れる酸素含有ガスを巻き込むように、燃焼部に供給されることとなる。燃料ガスが酸素含有ガスを巻き込むように流れるため、燃料ガスと酸素含有ガスとが十分に混合された状態で燃焼部に供給されることになり、燃焼部にて効率よく燃料ガスの燃焼を行なうことができる。
【００４３】
特に、燃料利用率または空気利用率が高い場合、つまり供給された燃料ガスまたは酸素含有ガスの大半を燃料電池セル３の発電に使う場合や、燃料電池装置の低出力運転中の場合、つまり燃料電池セル３に供給される燃料ガスおよび酸素含有ガスが少ない場合において、燃料ガスが酸素含有ガスを巻き込みながら燃焼部に向けて流れることとなり、燃料ガスと酸素含有ガスとが効率よく混合されながら燃焼部に供給することができ、発電効率が向上した燃料電池装置とすることができる。
【００４４】
また、燃料電池セル３に複数の流路１２を設けたことから、燃料電池セル３に供給される燃料ガスの量が少ない場合においても、径の大きな流路を１つ設けた場合に比べて燃料ガスの流速が遅くなること低減し、燃料ガスの流速を速くすることができるため、燃焼部に安定して燃料ガスを供給することができる。
【００４５】
燃料電池セル３においては、流路１２の全域に溝１４として螺旋溝１４を設けた例を示したが、流路１２の全域に設けなくともよく、燃料ガスの流れの下流側、言い換えると燃料電池セル３の上端部側に螺旋溝１４を設けることで、燃焼部に混合された燃料ガスと酸素含有ガスとを供給することができる。さらに、螺旋溝１４を流路１２の全域にわたって設けることにより、燃料電池セル３から排出される燃料ガスと燃料電池セル３の側方を流れる酸素含有ガスとをより混合させることができる。
【００４６】
流路１２に溝１４として螺旋溝１４を形成する方法について説明する。すなわち、上述した支持体材料の粉末と、有機バインダーと、溶媒とを混合して坏土を調製し、この坏土を用いて押出成形により流路１２が形成されていない支持体成形体を作製する。
【００４７】
そして、ドリルや雄螺子等の螺旋形状を有した部材を、支持体成形体の流路１２を設けたい位置に押し当てて、螺旋溝１４が設けられた流路１２を形成した後に支持体成形体を乾燥させる。その後燃料極層等の他の部材を積層して積層体を作製し、積層体を焼成することで燃料電池セル３を作製することができる。
【００４８】
螺旋形状を有する部材として雄螺子を用いた場合、雄螺子は一条螺子でも二条螺子でもよく、右螺子でも左螺子でもよい。
【００４９】
また、杯土から支持体成形体を作製する際に、流路１２も形成するように押出成形し、その後上述した螺旋形状を有した部材により流路１２の内壁を切削して、流路１２に螺旋溝１４を設けてもよい。
【００５０】
なお、第１の実施形態に係る燃料電池セル３では流路１２の形状を円形としたが、円形としなくともよい。例えば四角形状や矩形状でもよく、星型等でもよい。
【００５１】
＜第２の実施形態＞
図４を用いて第２の実施形態である燃料電池セル１５について説明する。以降の図において、第１の実施形態と同じ部材には同一の符号を付するものとし、説明は省略する。
【００５２】
燃料電池セル１５は蓋状部材１６とセル本体１７とにより構成されており、第１の実施形態である燃料電池セル３とセル本体１７との構成の違いとしては、セル本体１７は内部に流路１８ｂを一つ有する構造となっており、セル本体１７は、燃料極層８、固体電解質層９、空気極層１０等が積層されており、円筒形状を有している。その他のセル本体１７の構成は、第１の実施形態に係る燃料電池セル３と同様である。
【００５３】
蓋状部材１６は、平面視してセル本体１７と同形状を有しており、一対の平坦面と、その両端を接合する弧状部とにより形成されている。内部にはセル本体１７の流路１８ｂと連通する流路１８ａが複数個設けられている。
【００５４】
図４（ｂ）に示すように、蓋状部材１６の流路１８ａは、突条１９が流路１８ａの一方側の内壁に、開口に対して斜めに形成されており、流路１８ａに沿って所定の間隔をあけて離間した状態で配置されている。そして流路１８ａの長手方向全域にわたって複数の突条１９設けられている。つまり、流路１８ａの他方側の内壁には突条１９が設けられておらず、平面視すると一方側の半円部分に突条１９が設けられており、他方側の半円部分には突条１９が設けられていない構成となっている。
【００５５】
蓋状部材１６は、流路１８ａから排出された燃料ガスが、効率よく燃料電池セル３の外部を流れる酸素含有ガスと混合されるように、燃料ガスを排出する必要があり、そのため、ある程度高さを有する必要がある。第２の実施形態の場合においては、２０〜４０ｍｍ程度の高さを有することで、燃料ガスと酸素含有ガスとを効率よく混合することができる。
【００５６】
セル本体１７は、所定の発電量を得るために、燃料極層８、固体電解質層９および空気極層１０とが重なる発電部の面積を大きくする必要があるため、第１の実施形態に係る燃料電池セル３と同様の大きさとすることが好ましい。蓋状部材１６およびセル本体１７の大きさ（高さ）は燃料電池セル１５により構成される燃料電池装置の構成に従って適宜変更することができる。
【００５７】
そして蓋状部材１６とセル本体１７とは、接合に際しては、接着材（図示せず）により接着されている。接着材としては高温下での使用に耐えうるものであれば特に限定はないが、ホウケイ酸系ガラス、ソーダ系ガラスを好適に用いることができる。この接着材は、流路１８ａおよび流路１８ｂを塞がないようにして、セル本体１７の燃料ガスの下流側の端面と蓋状部材１６の端面にのみに塗布されてもよく、側壁に盛りあがり濡れ広がるように塗布してもよい。
【００５８】
蓋状部材１６の材質は、セル本体１７と熱膨張係数を合わせる点から、支持体１１の材料を用いて作製することができる。支持体１１の材料を用いて作製することで安価なものにすることができる。
【００５９】
また、燃料電池セル３と同様に支持体１１の一方の平坦部と弧状部を覆うように燃料極層８を設け、この燃料極層８を覆うように、固体電解質層９を積層し、固体電解質層９上には、燃料極層８と対向するように空気極層１０を設け、他方の平坦部にインターコネクタ１３を設けることができる。すなわち、燃料電池セル３と同様の構成としてもよい。それにより、燃料ガスおよび酸素含有ガスが蓋状部材１６にてリークすることを抑えることができる。このように蓋状部材１６は、要求される条件に従い適宜設定することができる。
【００６０】
蓋状部材１６の作製方法としては、流路が設けられた蓋状部材成形体を縦断面が見えるように、蓋状部材成形体の厚み方向の中央部で二分割し、分割した蓋状部材成形体の片方に蓋状部材成形体の材料と同一の材料からなる突条成形体を接合する。その後、分割した蓋状部材成形体同士を接合した後、乾燥、焼成して蓋状部材１６を作製することができる。
【００６１】
また、蓋状部材１６が、上述した第１の実施形態に係る燃料電池セル３と同様の構成の場合には、上記の工程に加え、燃料極層等を積層し、焼成することで蓋状部材１６を作製することができる。
【００６２】
さらに、棒状の部材に突条１９を設けるための所定形状の部材を設け、流路１８ａを切削することにより作製することもできる。その場合は、上述した第１の実施形態に係る燃料電池セル３と同様の方法により作製することができるが、支持体１１の材料のみから作製する場合は、蓋状部材成形体を支持体成形体と同様の方法を用いて作製し、蓋状部材成形体に流路１８ａを形成した後に、乾燥して焼成することで蓋状部材１６を作製することができる。
【００６３】
そして、セル本体１７を上述した燃料電池セル３と同様の方法により作製し、蓋状部材１６とセル本体１７とを接着材により接着したのちに焼成することで、燃料電池セル１５を作製することができる。突条１９を蓋状部材１６にのみ設ければよいため、容易に燃料電池セル１５を作製することができる。
【００６４】
蓋状部材１６をセル本体１７と同様の構成のものを用いる場合においては、燃料電池セル３の支持体成形体のように蓋状部材成形体を作製し、セル本体の支持体成形体途を接着材により接合した後に、燃料電池セル３と同様の方法により燃料電池セル１５を作製することができる。
【００６５】
燃料電池セル１５は、蓋状部材１６の流路１８ｂに斜めに設けられた突条１９が設けられていることから、燃料電池セル３を流れた燃料ガスは斜め方向に速度成分を有した状態で燃焼部に供給されることとなる。それにより燃焼部にて燃料ガスの燃焼を活発に行うことができ発電出力の向上した燃料電池装置とすることができる。
【００６６】
さらに、セル本体１７の流路１８ｂが１つ設けられており、蓋状部材１６の流路１８ａが複数個設けられていることから、蓋状部材１６の各流路１８ａに均一に燃料ガスを配分するができ、より燃料ガスと酸素含有ガスとを混合することができる。
【００６７】
また、セル本体１７の流路１８ｂの径に比べ蓋状部材１６の流路１８ａの径が小さいことから、図４の実線Ａにて示すように、セル本体１７を流れる燃料ガスに比べ、蓋状部材１６を流れる燃料ガスの流速の方が速くなる。そのため、燃焼部に燃料ガスを供給しやすくなる。
【００６８】
なお、第２の実施形態に係る燃料電池セル１５においては、流路１８ａの全周の一部に突条を設ける例を示したが、例えば、流路１８ａの全周にわたって輪形状の突条を設けてもよい。その場合のおいても、ガス流路１８ａから排出された燃料ガスと酸素含有ガスとを効率よく混合することができる。
【００６９】
また、図示していないが、蓋状部材１６の下端部側（セル本体１７側）も燃料ガスを収集する空間（以下、キャビティと呼ぶ。）を設けてもよい。キャビティを設けることで、蓋状部材１６の各流路１８ａに均一な量の燃料ガスを供給することができる。
【００７０】
図５を用いて、蓋部材１５の変形例について説明する。図５（ａ）、（ｂ）に示すように、蓋部材４０は、流路３８ａの長手方向の一端から他端にかけて４つの突条３９が設けられている。突条４０は、流路３８ａの中心軸から傾いて設けられており、４つの突条３９すべてが同じ向きに傾いて形成されている。
【００７１】
流路３８ａを流れる燃料ガスは、上方に向けて流れる間に流路３８ａの周方向に回転しながら上昇することとなる。つまり、図５（ａ）（ｂ）に示す突条３９が設けられている場合は、時計回りに回転しながら流路３８ａを下方から上方へ向けて流れることとなる。それにより、流路３８ａから排出された燃料ガスは、酸素含有ガスを巻き込むように流れ、燃料ガスと酸素含有ガスとが効率よく混合されて燃焼部に供給されることとなる。
【００７２】
蓋部材４０の変形例を図５（ｃ）に示す。図５（ｃ）には流路３８ａに、突条３９の代わりに溝３９´を設けた例を示している。このように、流路３８ａ内に突条３９の代わりに溝３９´を設けてもよい。溝３９´を蓋状部材４０の流路３８ａにおける長手方向の一端から他端にかけて設けることで、燃料ガスを流路３８ａの周方向に回転しながら上昇させることができる。
【００７３】
突条３９および溝３９´は、押出成形によって設けることができるが、蓋状部材４０の横断面の形状を有する複数枚のグリーンシートを積層し、成形することによっても蓋状部材４０を作製することができる。
【００７４】
なお、図５においては、突条３９または溝３９´を４つそれぞれ均等な距離をあけて設けた例を示したが、流路３８ａ内の一部の領域にのみ設けてもよく、また、４つ以上設けてもよい。等間隔に設けることで、より燃料ガスを流路３８ａの周方向に回転しながら上昇させることができる。また、蓋状部材４０の流路３８ａの長手方向の一端から他端にかけて突条３９または溝３９´を設けた例を示したが、蓋状部材４０の上端部側（流路３８ａの出口側）にのみもうけてもよい。さらに、突条３９と溝３９´を交互に設けてよい。
【００７５】
＜第３の実施形態＞
図６、７を用いて第３の実施形態に係る燃料電池セル２０について説明する。
【００７６】
燃料電池セル２０は、第２の実施形態と同様に蓋状部材２１とセル本体２２とにより形成されている。セル本体２２に複数の流路２３ｂが設けられている点とセル本体２２の流路２３ｂにも螺旋溝２４が設けられている点で第２の実施形態に係る燃料電池セル１５と異なる。また、蓋状部材２１の流路２３ａの径とセル本体２２の流路２３ｂの径とを比べると、蓋状部材２１の流路２３ａの径が小さくなっている。
【００７７】
蓋状部材２１とセル本体２２とは外形の大きさおよび形状が同じである。そして、蓋状部材２１の流路２３ａとセル本体２２の流路２３ｂとが同軸直線上に配置されており、蓋状部材２１の流路２３ａとセル本体２２の流路２３ｂとが連通し、第１の反応ガス流路となっている。
【００７８】
このように、セル本体の２２の流路２３ｂの径より蓋状部材２１の流路２３ａの径を小さくすることで、図６において矢印で示すように、流路２３ａを流れる燃料ガスの流速Ａ´を、流路２３ｂの流路を流れる燃料ガスの流速Ａより速くすることができる。それにより、より確実に燃焼部に燃料ガスを供給することができる。
【００７９】
蓋状部材２１の流路２３ａの径は、セル本体２２の流路２３ｂの径の３０〜７０％が好ましい。それにより蓋状部材２１の流路２３ａの面積は、セル本体２２の流路２３ｂの面積は約１０〜５０％となり、蓋状部材２１の流路２３ａにおける流速を速くすることができる。
【００８０】
それにより、図６に示すように、流路２３ａを排出された燃料ガスＡが燃料電池セル３の側方を流れる酸素含有ガスＢを巻き込むようにして燃焼部に向けて流れることとなる。そのため、燃料ガスＡと酸素含有ガスＢとが効率よく混合された状態で、燃焼部に供給されるため、燃焼部にて燃焼を生じることができ、発電効率の向上した燃料電池装置とすることができる。
【００８１】
さらに、セル本体２２の流路２３ｂにおいても、螺旋溝２４を設けることで、燃料電池セル２０から排出される燃料ガスが斜め方向に速度成分を有することとなる。燃料電池セル２０では、蓋状部材２１の流路２３ａおよびセル本体２２の流路２３ｂに螺旋溝を設けた例を示したが、どちらも流路２３ａ、２３ｂの内壁に螺旋状の突条（螺旋条）を作製してもよいし、それぞれ異なる形状の突条や溝を設けてもよい。
【００８２】
燃料電池セル２０の作製方法としては、径の異なるドリルや雄螺子等により流路２３ａおよび流路２４を作製すればよい。その際に、蓋状部材２１の流路２３ａおよびセル本体２２の流路２３ｂが同軸上になるように外形からの距離を適宜設定して作製することが好ましい。そのようにすることで、蓋状部材２１とセル本体２２とを外形を合わして接合することで容易に燃料電池セル２０を作製することができる。また、燃料電池セルを横断面視したグリーンシートを作製して、それらを接合し、成形することで支持体成形体を作製することもできる。
【００８３】
図８を用いて本発明の第１の実施形態である燃料電池セル３により構成されたセルスタック装置１を収納容器２６に収納してなる燃料電池モジュールの一実施形態を説明する。
【００８４】
燃料電池モジュール２５は、直方体状の収納容器２６の内部に、本発明のセルスタック装置１を収納して構成されている。
【００８５】
また、燃料電池セル３にて使用する燃料ガス（第１の反応ガス）を得るために、天然ガスや灯油等の原燃料を改質して燃料ガスを生成するための改質器２７をセルスタック装置１の上方に配置している。そして、改質器２７で生成された燃料ガスは、反応ガス供給管２８を介してガスタンク７に供給され、ガスタンク７を介して燃料電池セル３の内部に設けられた流路（図示せず）に供給される。
【００８６】
図８においては、収納容器２６の一部（前後面）を取り外し、内部に収納されているセルスタック装置１および改質器２７を後方に取り出した状態を示している。ここで、図８に示した燃料電池モジュール２５においては、セルスタック装置１を、収納容器２６内にスライドして収納することが可能である。
【００８７】
また、収納容器２６の内部には、燃料電池セル３に第２の反応ガス（酸素含有ガス）を供給するための酸素含有ガス導入部材２９が設けられており、図８に示す燃料電池モジュール２５においては、ガスタンク７に並置されたセルスタック装置１の間に配置されるとともに、酸素含有ガスが、燃料ガスの流れにあわせて、燃料電池セル３の側方（外部）を下端部側から上端部側に向かって流れるように、燃料電池セル３の下端部側に酸素含有ガスを供給するように構成されている。そして、燃料電池セル３の側方を流れ発電に使用されなかった酸素含有ガスは、燃料ガスに巻き込まれながら燃焼部に供給され、燃焼部にて効率よく燃料ガスと酸素含有ガスとが混合される。そのため、発電に使用されなかった燃料ガスおよび酸素含有ガスが少ない場合においても、燃焼部にて燃焼させることができる。
【００８８】
また、セルスタック装置１においては、燃料電池セル３の上端部側で燃料ガスを燃焼させることにより、燃料電池セル３の温度を上昇させ、高温に維持することができ、セルスタック装置１の起動を早めることができるほか、発電効率を向上することができる。また、燃料電池セル３の上端部側にて、燃料電池セル３のガス流路から排出される燃料ガスを燃焼させることにより、セルスタック２の上方に配置された改質器２７を効率よく温めることができる。それにより、改質器２７で効率よく改質反応を行うことができる。
【００８９】
このような燃料電池モジュール２５においては、上述したように、燃焼部にて効率よく燃料ガスを燃焼させることができ、発電効率の向上した燃料電池モジュール２５とすることができる。
【００９０】
図９は、外装ケース内に図８で示した燃料電池モジュール２５と、燃料電池モジュール２５を動作させるための補機（図示せず）とを収納してなる本発明の燃料電池装置の一例を示す分解斜視図である。図９においては一部構成を省略して示している。
【００９１】
図９に示す燃料電池装置３０は、支柱３１と外装板３２から構成される外装ケース内を仕切板３３により上下に区画し、その上方側を上述した燃料電池モジュール２５を収納するモジュール収納室３４とし、下方側を燃料電池モジュール２５を動作させるための補機を収納する補機収納室３５として構成されている。補機収納室３５に収納する補機は省略している。
【００９２】
また、仕切板３３には、補機収納室３５の空気をモジュール収納室３４側に流すための空気流通口３６が設けられており、モジュール収納室３４を構成する外装板３２の一部に、モジュール収納室３４内の空気を排気するための排気口３７が設けられている。
【００９３】
このような燃料電池装置３０においては、上述したように、発電出力が向上した燃料電池モジュール２５をモジュール収納室３４に収納し、燃料電池モジュール２５を動作させるための補機を補機収納室３５に収納して構成されることにより、発電効率の向上した燃料電池装置３０とすることができる。
【００９４】
以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。
【００９５】
例えば、上述したセルスタック装置１においては、燃料電池セル３内のガス流路１２に燃料ガスを供給し、燃料電池セル３の外側に酸素含有ガスを供給する例を示しているが、ガス流路１２に酸素含有ガスを供給し、燃料電池セル３の外側に燃料ガスを供給する構成としてもかまわない。その場合においては、内側電極層を酸素側電極層１０とし、外側電極層を燃料側電極層８とする構成の燃料電池セル３とすればよい。それに併せて、燃料電池モジュール３０および燃料電池装置３５の構成を適宜変更すればよい。その場合においても、流路１２を流れる酸素含有ガスと、燃料電池セル３の外部を流れる燃料ガスとを効率よく混合させた状態で燃焼部に供給することができ、発電効率の向上した燃料電池装置とすることができる。
【００９６】
また、燃料電池モジュール内２５内に、１つのセルスタック装置１を収納してもよく、複数のセルスタックを収納してもよい。１つのセルスタック装置１を収納する場合は、前述した酸素含有ガス導入部材を両側方に設け、酸素含有ガスをセルスタック２の両側方から供給すればよい。複数のセルスタックを収納することで、燃料電池モジュールの発電出力を向上させることができる。さらに、外装ケース内に１つの燃料電池モジュール２５を収納する例を示したが、複数の燃料電池モジュール２５を収納してもよい。
【００９７】
また、第３の実施形態に係る燃料電池セル２０において、セル本体２２の流路２３ｂの径よりも蓋状部材２１の流路２３ａの径の方が小さい例を示したが、燃料電池セルを蓋状部材とセル本体とから作製しない第１の実施形態燃料に係る燃料電池セル３においても同様に、ガスの流れ方向の上流側の流路の径よりも下流側の流路の径が小さくしてもよい、
【符号の説明】
【００９８】
１：セルスタック装置
２：セルスタック
３、１５、２０：燃料電池セル
４：集電部材
８：燃料極層
９：固体電解質層
１０：空気極層
１１：導電性支持体
１２、１８ａ、１８ｂ、２３ａ、２３ｂ、３８ａ：流路
１３：インターコネクタ
１４、２４、３９´：溝
１６、２１、４０：蓋状部材
１７、２２：セル本体
１９、３９：突条
２５：燃料電池モジュール
３０：燃料電池装置
【図１】
2012099278.tif 000003
【図２】
2012099278.tif 000004
【図３】
2012099278.tif 000005
【図４】
2012099278.tif 000006
【図５】
2012099278.tif 000007
【図６】
2012099278.tif 000008
【図７】
2012099278.tif 000009
【図８】
2012099278.tif 000010
【図９】
2012099278.tif 000011