(57)【要約】【課題】ガスの流れの乱れの発生を防止して長期間にわたって発電性能を安定させることが可能な燃料電池装置を提供する。【解決手段】被改質ガスの改質にあたって改質器２０は加熱されるので、改質器２０に被改質ガスを流入させるガス流入管６０の温度と、改質器２０から燃料ガスを流出させるガス流出管６６との温度との間に非常に大きな温度差が生じる。その結果、ガス流入管６０とガス流出管６６との間に熱膨張の差分が生じる。本発明に係る燃料電池装置では、改質器２０が拡張防止壁３０ａ、３０ｂに固定されているので、空気流路３４、３４の流路断面積は変化しない。その結果、燃料電池セルスタック１２の燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を流れるガスの流れに乱れは生じないので、すべての燃料電池セルユニット１６で均一に発電することができる。従って、燃料電池装置では、長期間にわたって安定した発電性能を確保することができる。【選択図】図８
2013254581.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスとを利用して発電する燃料電池装置において、
内部に下端から上端に向かって燃料ガスを流す燃料ガス流路を形成する燃料電池セルを複数備え、前記燃料電池セル同士の間で下端から上端に向かって酸化剤ガスを流す酸化剤ガス流路を形成する燃料電池セルスタックと、
前記燃料電池セルスタックの一対の対向する側面にそれぞれ内向き面で対向する一対の拡散防止壁と、
前記燃料電池セルスタックの上方に配置されて一端及び他端で前記拡散防止壁にそれぞれ固定され、供給された被改質ガスを燃料ガスに改質する改質器と、
前記改質器の一端に接続されて前記改質器に前記被改質ガスを流入させるガス流入管と、
前記改質器の他端に接続されて前記改質器から前記燃料ガスを流出させるガス流出管と、を備える燃料電池装置であって、
各前記拡散防止壁と前記改質器との間には、前記燃料電池セルスタックから流出するガスを流通させる空気流路が形成されることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項２】
前記ガス流入管及び前記ガス流出管の少なくともいずれか一方は、前記ガス流入管及び前記ガス流出管の少なくともいずれか一方と前記拡散防止壁との間の熱膨張の差分による相対変位を許容する伸縮部分を備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
【請求項３】
前記ガス流入管及び前記ガス流出管のそれぞれは、対応の前記拡散防止壁の外向き面に対向して配置され、
前記伸縮部分は前記空気流路よりも下方に配置されることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池装置。
【請求項４】
前記空気流路は、前記改質器と一方の前記拡散防止壁との間、及び、前記改質器と他方の前記拡散防止壁との間にそれぞれ挟み込まれる少なくとも一対のスペーサによって形成され、
すべての前記スペーサが同一の形状及び同一の大きさを有することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池装置。
【請求項５】
一方の前記拡散防止壁に配置される一対の前記スペーサと他方の前記拡散防止壁に配置される一対の前記スペーサとは、前記燃料電池セルスタックの一対の前記側面から等距離に規定される中間面に対して前記空気流路が相互に面対称に形成されるように、配置されることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池装置。
【請求項６】
一方の前記拡散防止壁に配置される一対の前記スペーサと他方の前記拡散防止壁に配置される一対の前記スペーサとは、前記燃料電池セルスタックの一対の前記側面を相互に接続するもう一対の側面から等距離に規定される第２の中間面に対して相互に面対称の位置に配置されることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池セルに供給する燃料ガスを生成する改質器を備える燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に開示されるように、燃料電池装置には、例えば都市ガス等の被改質ガスを燃料ガスに改質する改質器が組み込まれている。改質器は、所定の間隔で配列された複数の燃料電池セルの集合体である燃料電池セルスタックの上方に配置される。燃料電池スタックの下端から上端に向かって上昇する燃料ガスと酸化剤ガスとを利用して、燃料電池セルスタックは発電を行う。燃料電池セルスタックで利用された燃料ガス及び酸化剤ガスは燃焼し、その燃焼によって改質器が加熱される。こうした加熱によって燃焼ガスの温度が高められる。
【０００３】
改質器は、改質器の一端に被改質ガスを供給するガス流入管と、改質器の他端から燃料ガスを流出させるガス流出管と、によって支持されている。燃料電池セルスタックの長手方向の一対の側面には拡散防止壁がそれぞれ対向して配置される。この一対の拡散防止壁の働きで、燃料電池セルスタックの長手方向に酸化剤ガスが拡散することを防止することができる。その一方で、改質器と拡散防止壁の上面との間には空気流路が形成されている。この空気流路は、燃料電池セルスタックから流出する酸化剤ガスを拡散防止壁の外側に向かって排出する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−９６５７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前述の燃焼によって、改質器に流入する被改質ガスと改質器から流出する燃料ガスとの間には非常に大きな温度差が形成され、ガス流入管とガス流出管との間で熱膨張に差分が生じる。この差分によって、一方の拡散防止壁側の空気流路の流路断面積と、他方の拡散防止壁側の空気流路の流路断面積とが相互に異なってしまい、燃料電池セルスタック内燃料ガス及び酸化剤ガスの流れに乱れが生じることがある。この乱れによって、燃料ガス及び酸化剤ガスの燃焼が不均一となり、燃料電池セルの劣化の進行が異なってしまう。その結果、すべての燃料電池セルの間で寿命を均一化することができず、長期間にわたって安定した発電性能を確保することができない。
【０００６】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、ガスの流れの乱れの発生を防止して長期間にわたって発電性能を安定させることが可能な燃料電池装置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】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明によれば、
燃料ガスと酸化剤ガスとを利用して発電する燃料電池装置において、
内部に下端から上端に向かって燃料ガスを流す燃料ガス流路を形成する燃料電池セルを複数備え、前記燃料電池セル同士の間で下端から上端に向かって酸化剤ガスを流す酸化剤ガス流路を形成する燃料電池セルスタックと、
前記燃料電池セルスタックの一対の対向する側面にそれぞれ内向き面で対向する一対の拡散防止壁と、
前記燃料電池セルスタックの上方に配置されて一端及び他端で前記拡散防止壁にそれぞれ固定され、供給された被改質ガスを燃料ガスに改質する改質器と、
前記改質器の一端に接続されて前記改質器に前記被改質ガスを流入させるガス流入管と、
前記改質器の他端に接続されて前記改質器から前記燃料ガスを流出させるガス流出管と、を備える燃料電池装置であって、
各前記拡散防止壁と前記改質器との間には、前記燃料電池セルスタックから流出するガスを流通させる空気流路が形成される燃料電池装置が提供される。
【０００８】
こうした燃料電池装置では、被改質ガスの改質にあたって改質器は加熱されるので、改質器に被改質ガスを流入させるガス流入管の温度と、改質器から燃料ガスを流出させるガス流出管との温度との間に非常に大きな温度差が生じる。その結果、ガス流入管とガス流出管との間に熱膨張の差分が生じる。本発明に係る燃料電池装置では、改質器が拡張防止壁に固定されているので、空気流路の流路断面積は変化しない。その結果、燃料電池セルスタックの燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を流れるガスの流れに乱れは生じないので、すべての燃料電池セルで均一に発電することができる。従って、燃料電池装置では、長期間にわたって安定した発電性能を確保することができる。
【０００９】
また、本発明に係る燃料電池装置では、前記ガス流入管及び前記ガス流出管の少なくともいずれか一方は、前記ガス流入管及び前記ガス流出管の少なくともいずれか一方と前記拡散防止壁との間の熱膨張の差分による相対変位を許容する伸縮部分を備えることが好ましい。
【００１０】
こうした燃料電池装置では、改質器はガス流入管及びガス流出管と拡散防止壁との両方に固定されるので、例えば、拡散防止壁の熱膨張に対してガス流入管やガス流出管の熱膨張が小さい場合には、拡散防止壁とガス流入管やガス流出管との相対変位によってガス流入管やガス流出管が破損することが想定される。しかしながら、本発明に係る燃料電池装置では、ガス流入管やガス流出管に伸縮部分が形成されており、この伸縮部分が、熱膨張の差分による相対変位を許容することができる。その結果、ガス流入管やガス流出管の破損を防止することができる。
【００１１】
また、本発明に係る燃料電池装置では、前記ガス流入管及び前記ガス流出管のそれぞれは、対応の前記拡散防止壁の外向き面に対向して配置されることが好ましく、前記伸縮部分は前記空気流路よりも下方に配置されることが好ましい。
【００１２】
こうした燃料電池装置によれば、伸縮部分は空気流路よりも下方に配置されているので、空気流路を流れる高温のガスの熱を直接的に受けない。その結果、伸縮部分の劣化を抑制することができるので、伸縮部分は長期間にわたって伸縮を保持することができる。
【００１３】
また、本発明に係る燃料電池装置では、前記空気流路は、前記改質器と一方の前記拡散防止壁との間、及び、前記改質器と他方の前記拡散防止壁との間にそれぞれ挟み込まれる少なくとも一対のスペーサによって形成されることが好ましく、すべての前記スペーサが同一の形状及び同一の大きさを有することが好ましい。
【００１４】
こうした燃料電池装置では、すべてのスペーサが同一の形状及び同一の大きさを有しているので、燃料電池セルスタックの使用温度、燃料ガスや酸化剤ガスの流量などの燃料電池装置の運転条件が変化して、空気流路の必要な流路断面積が変化した場合であっても、スペーサの形状や大きさを変更することによって、空気流路の流路断面積を容易に変更することができる。その結果、運転条件に応じて、各燃料電池セルの寿命を均一化するために必要な流路断面積を容易に設定することができる。
【００１５】
また、本発明に係る燃料電池装置では、一方の前記拡散防止壁に配置される一対の前記スペーサと他方の前記拡散防止壁に配置される一対の前記スペーサとは、前記燃料電池セルスタックの一対の前記側面から等距離に規定される中間面に対して前記空気流路が相互に面対称に形成されるように配置されることが好ましい。
【００１６】
こうした燃料電池装置では、スペーサは、燃料電池セルスタックの一対の側面から等距離に規定される中間面に対して面対称に空気流路が形成されるように配置されているので、拡散防止壁の近傍を流れるガスの流れを、一方の空気流路と他方の空気流路との間で一対の側面に直行する方向において同一にすることができる。その結果、燃料電池装置では、長期間にわたって安定した発電性能を確保することができる。
【００１７】
また、本発明に係る燃料電池装置では、一方の前記拡散防止壁に配置される一対の前記スペーサと他方の前記拡散防止壁に配置される一対の前記スペーサとは、前記燃料電池セルスタックの一対の前記側面を相互に接続するもう一対の側面から等距離に規定される第２の中間面に対して相互に面対称の位置に配置されることが好ましい。
【００１８】
こうした燃料電池装置では、一方の拡散防止壁に配置される一対のスペーサと、他方の拡散防止壁に配置される一対のスペーサとは、燃料電池セルスタックのもう一対の側面から等距離に規定される第２の中間面に対して面対称の位置に配置されるので、拡散防止壁の近傍を流れるガスの流れを、一方の空気流路と他方の空気流路との間でもう一対の側面に直行する方向において同一にすることができる。従って、燃料電池装置では、長期間にわたって安定した発電性能を確保することができる。
【発明の効果】
【００１９】
以上のように、本発明によれば、ガスの流れの乱れの発生を防止して長期間にわたって発電性能を安定させることが可能な燃料電池装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃料電池装置の燃料電池モジュールの外観を示す斜視図である。
【図２】図１の燃料電池モジュールの断面図である。
【図３】図１のケーシングの一部を取り除いた状態を示す側面図である。
【図４】図１のケーシング及び熱交換器を取り除いた状態を示す斜視図である。
【図５】図１のケーシング及び熱交換器を取り除いた状態を示す側面図である。
【図６】スペーサ及び拡散防止壁の構造を概略的に示す斜視図である。
【図７】図２に相当する模式図であって、酸化剤ガス及び燃焼ガスの流れを示す模式図である。
【図８】図３に相当する模式図であって、酸化剤ガス及び燃焼ガスの流れを示す模式図である。
【図９】燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。
【図１０】燃料電池セルスタックの構造を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、添付図面を参照しながら本発明の一実施形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては同一の符号を付して、重複する説明は省略する。図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池装置の燃料電池モジュール２の外観を示す斜視図である。燃料電池モジュール２は、固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）装置の一部を構成するものである。すなわち、燃料電池装置は、燃料電池モジュール２と、補機ユニット（図示せず）と、を備える。
【００２２】
図１において、燃料電池モジュール２の高さ方向をｙ軸方向としている。このｙ軸に直交する平面に沿ってｘ軸及びｚ軸を定義し、燃料電池モジュール２の短手方向（幅方向）に沿った方向をｘ軸方向とし、燃料電池モジュール２の長手方向（長さ方向）に沿った方向をｚ軸方向としている。図２以降において図中に記載しているｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸は、図１におけるｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸を基準としている。また、ｚ軸の負方向に沿った方向をＡ方向とし、ｘ軸の正方向に沿った方向をＢ方向としている。
【００２３】
燃料電池モジュール２は、燃料電池セルスタック（詳細は後述する）を収容するケーシング５６と、ケーシング５６の上部に設けられている熱交換器２２と、を備える。ケーシング５６は例えば直方体形状に形成されている。熱交換器２２はケーシング５６の上面上に配置されている。ケーシング５６内には後述の燃料電池セルスタックが配置されている。ケーシング５６には、被改質ガス供給管６０と、水供給管６２と、が連結されている。その一方で、熱交換器２２には、発電用空気導入管７４と、燃焼ガス排出管８２と、が連結されている。
【００２４】
被改質ガス供給管６０は、ケーシング５６の内部に都市ガスといった改質用の被改質ガスを供給する管路である。水供給管６２は、被改質ガスを水蒸気改質する際に用いる水をケーシング５６の内部に供給する管路である。発電用空気導入管７４は、改質によって生成された燃料ガスと発電反応を起こさせるための発電用空気（酸化剤ガス）をケーシング５６の内部に供給する管路である。燃焼ガス排出管８２は、発電に寄与しなかった残余の燃料ガス及び酸化剤ガスを燃焼させた結果生じる燃焼ガスをケーシング５６の外部に排出する管路である。
【００２５】
次に、図２〜図５を参照しながら、本発明に係る燃料電池装置の燃料電池モジュール２の内部構造について説明する。図２は、図１のｘｙ平面に平行な切断面に沿って燃料電池モジュール２を切断した断面図である。図３は、図１に示す燃料電池モジュール２からケーシング５６の一部を取り外した状態を示す燃料電池モジュール２の短手方向の側面図である。図４は、図１に示す燃料電池モジュール２からケーシング５６及び熱交換器２２を取り外した状態を示す斜視図である。図５は、図１に示す燃料電池モジュール２からケーシング５６及び熱交換器２２を取り外した状態を示す燃料電池モジュール２の長手方向の側面図である。
【００２６】
図１〜図３に示すように、ケーシング５６は燃料電池セルスタック１２の全体を覆っている。燃料電池セルスタック１２は、直立姿勢で相互に平行に配置される燃料電池セルユニット１６の集合体から形成されている。図４に示すように、燃料電池セルスタック１２は、全体としてＢ方向よりＡ方向の方が長いほぼ直方体形状の輪郭を有しており、改質器２０の下面に沿ってｘｚ平面に平行に広がる上面と、燃料ガスタンク６８の上面に沿ってｘｚ平面に平行に広がる下面と、ｙｚ平面に平行に広がる一対の長辺側の側面と、ｘｙ平面に平行に広がるとともに一対の長辺側の側面同士を相互に接続する一対の短辺側の側面と、を備えている。
【００２７】
本実施形態の場合、水供給管６２から供給される水を蒸発させるための蒸発混合器は改質器２０の内部に設けられている。蒸発混合器は、後述の燃焼部１８で燃焼させられる燃焼ガスにより加熱され、水を水蒸気にすると共に、この水蒸気と被改質ガス（都市ガス等）とを混合するためのものである。被改質ガス供給管６０及び水供給管６２は、ケーシング５６の内部に導かれた後、共に改質器２０に繋がる。より具体的には、図３に示すように、被改質ガス供給管６０及び水供給管６２は、改質器２０の上流端である図３中右側の一端に繋がれている。
【００２８】
改質器２０は、燃料電池セルスタック１２の上方に形成された燃焼部１８の更に上方に配置されている。従って、改質器２０は、発電反応後の発電に寄与しなかった残余の燃料ガス及び酸化剤ガスによる燃焼熱によって熱せられ、蒸発混合器としての役割と、改質反応を起こす改質器としての役割とを果たすように構成されている。改質器２０の下流端である図３中左側の他端には燃料供給管６６の上端が接続されている。この燃料供給管６６の下端側６６ａ（図２参照）は、燃料ガスタンク６８内に入り込むように配置されている。
【００２９】
図３及び図４に示すように、燃料ガスタンク６８は燃料電池セルスタック１２の真下に設けられている。また、燃料ガスタンク６８内に挿入された燃料供給管６６の下端側６６ａの外周には、長手方向（Ａ方向）に沿って複数の小穴（図示せず）が形成されている。改質器２０で生成された燃料ガスは、これら複数の小穴（図示せず）によって燃料ガスタンク６８内に長手方向に均一に供給される。燃料ガスタンク６８に供給された燃料ガスは、各燃料電池セルユニット１６の内部にある燃料ガス流路（詳細は後述する）内に供給され、燃料電池セルユニット１６内をその下端から上端に向かって上昇して、燃焼部１８に至る。
【００３０】
図２〜図４に示すように、燃料電池セルスタック１２の一対の長辺側の側面には、それぞれ拡散防止壁３０ａ、３０ｂが対向して配置されている。拡散防止壁３０ａ、３０ｂは、それぞれ内向き面で燃料電池セルスタック１２の長辺側の側面に対向している。拡散防止壁３０ａ、３０ｂは、燃料電池セルスタック１２の一対の長辺側の側面からそれぞれ等距離に規定される中間面（図示せず）に対して面対称の構造を有している。本実施形態では、中間面は、ｘｙ平面に平行に規定されるとともに、燃料電池セルスタック１２の長手方向の中心位置を通る平面で規定される。
【００３１】
各拡散防止壁３０ａ、３０ｂは、燃料電池セルスタック１２の側面に沿って広がる側板３１と、側板３１の上端から内向きに突き出てｘｚ平面に平行に広がる上板３２と、を備えている。一方の拡散防止壁３０ａの側板３１の外側に前述の被改質ガス供給管６０及び水供給管６２が配置され、他方の拡散防止壁３０ｂの側板３１の外側に前述の燃料供給管６６が配置されている。被改質ガス供給管６０、水供給管６２及び燃料供給管６６は対応の側板３１の外向き面にそれぞれ対向している。拡散防止壁３０ａ、３０ｂは例えばステンレス鋼などの金属材料から形成されている。
【００３２】
１対の拡散防止壁３０ａ、３０ｂの各上板３２の上面には改質器２０が固定されている。改質器２０の一端すなわち上流端は、一対のスペーサ３３ａ、３３ｂによって拡散防止壁３０ａの上板３２に固定される一方で、改質器２０の他端すなわち下流端は、同様に、一対のスペーサ３３ａ、３３ｂによって拡散防止壁３０ｂの上板３２に固定される。スペーサ３３ａ、３３ｂは改質器２０の底面に例えば溶接やねじ止めによって固定されてよい。また、スペーサ３３ａ、３３ｂは上板３２に例えばねじ止めによって固定されてよい。スペーサの数は一対より大きな数に設定されてもよい。
【００３３】
図２及び図５から明らかなように、拡散防止壁３０ａ、３０ｂの各上板３２と改質器２０の底面との間にはスペーサ３３ａ、３３ｂの働きで空気流路３４が形成される。発電反応後の発電に寄与しなかった残余の燃料ガス及び酸化剤ガスや、これらの燃料ガス及び酸化剤ガスの燃焼部１８での燃焼によって生成された燃焼ガスが、空気流路３４を通って流通する。本実施形態では、スペーサ３３ａ、３３ｂは、拡散防止壁３０ａ上の空気流路３４と拡散防止壁３０ｂ上の空気流路３４とが前述の中間面に対して面対称に形成されるように配置されている。言い替えれば、空気流路３４、３４は、燃料電池セルスタック１２の長手方向に見通した場合に同じ位置に配置される。
【００３４】
図４及び図５から明らかなように、被改質ガス供給管６０及び水供給管６２にはその長手方向に沿ってそれぞれ伸縮部分３５が形成されている。伸縮部分３５は蛇腹形状を有している。伸縮部分３５は、被改質ガス供給管６０及び水供給管６２と同様に金属材料から形成されており、被改質ガス供給管６０及び水供給管６２に一体化されている。伸縮部分３５は、被改質ガス供給管６０及び水供給管６２において空気流路３４よりも下方に配置されている。言い替えれば、伸縮部分３５と燃料電池セルスタック１２との間には拡散防止壁３０ａが配置されており、伸縮部材３５は側板３１の外向き面に対向している。
【００３５】
こうした伸縮部材３５は蛇腹形状の働きで例えば被改質ガス供給管６０及び水供給管６２の長手方向に進展したり収縮したりすることができる。また、伸縮部材３５より上側の被改質ガス供給管６０や水供給管６２の部分と、伸縮部材３５より下側の被改質ガス供給管６０や水供給管６２の部分との相対変位を許容することができる。なお、燃料供給管６６にも同様に伸縮部材が形成されている（図示せず）。
【００３６】
図６は、スペーサ３３ａ、３３ｂ及び拡散防止壁３０ａの構造を概略的に示す斜視図である。図６から明らかなように、すべてのスペーサ３３ａ、３３ｂは同一の形状及び同一の大きさを有している。本実施形態では、各スペーサ３３ａ、３３ｂは、例えばｚ軸方向に長尺に延びてｘｚ平面に平行に平たく広がる平板から形成されている。前述したように、一方の拡散防止壁３０ａ上のスペーサ３３ａ、３３ｂと、他方の拡散防止壁３０ｂ上のスペーサ３３ａ、３３ｂとは、一対の空気流路３４、３４が前述の中間面に対して面対称に形成されるように配置されている。
【００３７】
また、一方の拡散防止壁３０ａ上のスペーサ３３ａ、３３ｂ、及び、他方の拡散防止壁３０ｂ上のスペーサ３３ａ、３３ｂは、燃料電池セルスタック１２の一対の短辺側の側面から等距離に規定される第２の中間面に対して面対称の位置に配置されている。言い替えれば、燃料電池モジュール２の短手方向に見通した場合に、スペーサ３３ａ、３３ａ同士は相互に同じ位置に配置される。第２の中間面は、ｙｚ平面に沿って広がるとともに、燃料電池セルスタック１２の短手方向の中心位置を通る平面で規定される。なお、スペーサ３３ａ、３３ｂの配置や形状、大きさは、燃料電池セルスタック１２を流れる酸化剤ガスや燃料ガスの流量によって変更されてよい。
【００３８】
次に、図２〜図５に加えて図７及び図８を参照しながら、燃料電池モジュール２の内部に発電用空気を供給するための構造を説明する。図７は、図２に対応する模式図であって、酸化剤ガス及び燃焼ガスの流れを示す図である。図８は、図３に対応する模式図であって、同様に酸化剤ガス及び燃焼ガスの流れを示す図である。これらの図に示すように、改質器２０の上方に熱交換器２２が配置されている。熱交換器２２内には、複数の燃焼ガス配管７０と、この燃焼ガス配管７０の周囲に形成された発電用空気流路７２と、が設けられている。
【００３９】
熱交換器２２の上面における一端側（図３における右端）には上述の発電用空気導入管７４が取り付けられている。この発電用空気導入管７４により、発電用空気流量調整ユニット（図示しない）から熱交換器２２内に酸化剤ガスが導入される。熱交換器２２の上側の他端側（図３における左端）には、発電用空気流路７２の一対の出口ポート７６ａ、７６ａが形成されている。この出口ポート７６ａの各々はそれぞれ連絡流路７６につながっている。さらに、図２に示すように、ケーシング５６の幅方向の両側の外側には発電用空気供給路７７が形成されている。
【００４０】
従って、発電用空気供給路７７には、発電用空気流路７２の出口ポート７６ａ及び連絡流路７６から酸化剤ガスが供給される。この発電用空気供給路７７は、燃料電池セルスタック１２の長手方向に沿って形成されている。さらに、その下方側であり且つ燃料電池セルスタック１２の下方側に対応する位置に、発電室１０内の燃料電池セルスタック１２の各燃料電池セルユニット１６に向けて酸化剤ガスを吹き出すための複数の吹出口７８ａ、７８ｂが形成されている。これらの吹出口７８ａ、７８ｂから吹き出された酸化剤ガスは、各燃料電池セルユニット１６の外側に沿って燃料電池セルユニット１６の下部から上部に向かって流れる。すなわち、燃料電池セルユニット１６、１６同士の間に酸化剤ガス流路７９が形成される。
【００４１】
次に、燃料ガスと酸化剤ガスとが燃焼して生成される燃焼ガスを排出するための構造を説明する。燃料電池セルユニット１６の上方で発生した燃焼ガスは、燃焼部１８内を上昇し、整流板２１に至る。整流板２１には開口２１ａが設けられており、開口２１ａ内に燃焼ガスが導かれる。同時に、燃焼ガスは、改質器２０の両端に形成された空気流路３４、３４を通って上昇し、開口２１ａ内に導かれる。この開口２１ａを通った燃焼ガスは熱交換器２２の他端側に至る。熱交換器２２内には、燃焼ガスを排出するための複数の燃焼ガス配管７０が設けられている。これらの燃焼ガス配管７０の下流端側には、燃焼ガス排出管８２が接続され、排出管８２によって燃焼ガスが外部に排出される。このとき、燃焼ガスや燃料に利用されなかった残余の酸化剤ガスは空気流路３４、３４を通って流れる。
【００４２】
次に、図９を参照しながら燃料電池セルユニット１６について説明する。図９は、燃料電池セルユニット１６を示す部分断面図である。図９に示すように、燃料電池セルユニット１６は、燃料電池セル８４と、この燃料電池セル８４の上下方向端部にそれぞれ接続された内側電極端子８６と、を備えている。燃料電池セル８４は、上下方向に延びる管状構造体であり、内部に燃料ガス流路８８を形成する円筒形の内側電極層９０と、内側電極層９０と同心円状に広がる円筒形の外側電極層９２と、内側電極層９０と外側電極層９２との間に配置された電解質層９４と、を備えている。内側電極層９０は、燃料ガスが通過する燃料極であり、（−）極となり、一方、外側電極層９２は、空気と接触する空気極であり、（＋）極となっている。
【００４３】
燃料電池セルユニット１６の上端及び下端に取り付けられた内側電極端子８６は同一構造であるため、ここでは、上端に取り付けられた内側電極端子８６について具体的に説明する。内側電極層９０の上部９０ａは、電解質層９４及び外側電極層９２に対して露出された外周面９０ｂと上端面９０ｃとを備えている。内側電極端子８６は、導電性のシール材９６を介して内側電極層９０の外周面９０ｂに接続され、さらに、内側電極層９０の上端面９０ｃに直接接触することにより、内側電極層９０に電気的に接続されている。内側電極端子８６の中心部には、内側電極層９０の燃料ガス流路８８と連通する燃料ガス流路９８が形成されている。
【００４４】
内側電極層９０は、例えば、Ｎｉと、ＣａやＹ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニアとの混合体、Ｎｉと、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリアとの混合体、Ｎｉと、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｕから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレードとの混合体、の少なくとも一種から形成される。
【００４５】
電解質層９４は、例えば、Ｙ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニア、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリア、Ｓｒ、Ｍｇから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレート、の少なくとも一種から形成される。
【００４６】
外側電極層９２は、例えば、Ｓｒ、Ｃａから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンマンガナイト、Ｓｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンフェライト、Ｓｒ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンコバルタイト、銀、などの少なくとも一種から形成される。
【００４７】
次に、図１０を参照しながら燃料電池セルスタック１２について説明する。図１０は、燃料電池セルスタック１２を示す斜視図である。図１０に示すように、燃料電池セルスタック１２は、１６本の燃料電池セルユニット１６の集合体ごとにその下端及び上端が、それぞれ、セラミック製の燃料ガスタンク上板６８ａ及び上支持板１００により支持されている。これらの燃料ガスタンク上板６８ａ及び上支持板１００には、内側電極端子８６が貫通可能な貫通穴がそれぞれ形成されている。
【００４８】
さらに、燃料電池セルユニット１６には集電体１０２及び外部端子１０４が取り付けられている。この集電体１０２は、燃料極である内側電極層９０に取り付けられた内側電極端子８６と、隣接する燃料電池セルユニット１６の集合体の空気極である外側電極層９２の外周面と、を電気的に接続する。さらに、燃料電池セルスタック１２の端に位置する２個の燃料電池セルユニット１６の集合体の上側端及び下側端の内側電極端子８６にはそれぞれ外部端子１０４が接続されている。これらの外部端子１０４は、隣接する燃料電池セルユニット１６の集合体の端にある燃料電池セルユニット１６の集合体の外部端子１０４に接続され、１６０本の燃料電池セルユニット１６の全てが直列接続される。
【００４９】
以上のような燃料電池装置によれば、燃焼部１８における燃料ガス及び酸化剤ガスの燃焼によって改質器２０が加熱されるので、被改質ガスや水が流れる被改質ガス供給管６０及び水供給管６２と、改質器２０で改質されて加熱された燃料ガスが流れる燃料供給管６６との間に非常に大きな温度差が生じる。その結果、被改質ガス供給管６０及び水供給管６２と燃料ガス供給管６６との間の熱膨張に差分が生じる。しかしながら、本実施形態では、改質器２０がスペーサ３３ａ、３３ｂによって拡散防止壁３０ａ、３０ｂに固定されているので、被改質ガス供給管６０及び水供給管６２と燃料ガス供給管６６との間で熱膨張に差分が生じるにも関わらず、空気流路３４、３４の流路断面積は変化しない。従って、燃料電池セルスタック１２を流れる燃料ガス及び酸化剤ガスの流れに乱れは生じないので、すべての燃料電池セルユニット１６は均一に発電することができる。その結果、燃料電池装置では、長期間にわたって安定した発電性能を確保することができる。
【００５０】
また、前述のように、拡散防止壁３０ａ、３０ｂは燃焼部１８に対向しているので、拡散防止壁３０ａ、３０ｂの温度は上昇する。従って、例えば、拡散防止壁３０ａ、３０ｂの熱膨張に対して被改質ガス供給管６０や水供給管６２、燃料ガス供給管６６の熱膨張が小さい場合には、拡散防止壁３０ａ、３０ｂと被改質ガス供給管６０や水供給管６２、燃料ガス供給管６６との相対変位によって被改質ガス供給管６０や水供給管６２、燃料ガス供給管６６が破損することが想定される。しかしながら、本実施形態では、被改質ガス供給管６０や水供給管６２、燃料ガス供給管６６には伸縮部分３５が形成されており、この伸縮部分３５は、熱膨張の差分による相対変位を許容することができる。その結果、被改質ガス供給管６０や水供給管６２、燃料ガス供給管６６の破損を防止することができる。また、伸縮部分３５は空気流路３４よりも下方に配置されていることから、空気流路３４を流れる燃焼ガス等の熱を直接的に受けない。その結果、伸縮部分３５の劣化を抑制することができるので、伸縮部分３５は長期間にわたって伸縮を保持することができる。
【００５１】
またさらに、空気流路３４は、拡散防止壁３０ａ、３０ｂの上板３１と改質器２０との間に挟み込まれるスペーサ３３ａ、３３ｂによって形成されており、スペーサ３３ａ、３３ｂはすべて同一の形状及び同一の大きさを有している。従って、燃料電池セルユニット１６の使用温度、燃料ガスや酸化剤ガスの流量などの燃料電池装置の運転条件が変化して、空気流路３４の必要な流路断面積が変化した場合であっても、スペーサ３３ａ、３３ｂの形状を変更することによって、例えば、増大させる又は減少させることによって、空気流路３４の流路断面積を容易に変更することができる。その結果、運転条件に応じて、各燃料電池セルユニット１６の寿命を均一化するために必要な流路断面積を容易に設定することができる。
【００５２】
また、空気流路３４、３４は、燃料電池セルスタック１２の長手方向の中間面に対して面対称に形成されるので、拡散防止壁３０ａ、３０ｂの近傍を流れる燃焼ガスの流れを、一方の空気流路３４と他方の空気流路３４との間で燃料電池セルスタック１２の長手方向に同一にすることができる。またさらに、一方の拡散防止壁３０ａ上のスペーサ３３ａ、３３ｂと、他方の拡散防止壁３０ｂ上のスペーサ３３ａ、３３ｂとは、燃料電池セルスタック１２の短手方向の第２の中間面に対して面対称に配置されるので、拡散防止壁３０ａ、３０ｂの近傍を流れる燃焼ガスの流れを、一方の空気流路３４と他方の空気流路３４との間で燃料電池セルスタック１２の短手方向に同一にすることができる。これらの構成によれば、すべての燃料電池セルユニット１６で均一に発電することができるので、長期間にわたって安定した発電性能を確保することができる。
【００５３】
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかしながら、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、前述した各具体例が備える各要素及びその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、前述した各実施の形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。
【符号の説明】
【００５４】
１２  燃料電池セルスタック
２０  改質器
３０ａ  拡散防止壁
３０ｂ  拡散防止壁
３３ａ  スペーサ
３３ｂ  スペーサ
３４  空気流路
３５  伸縮部分
６０  ガス流入管（被改質ガス供給管）
６２  ガス流入管（水供給管）
６６  ガス流出管（燃料ガス供給管）
７９  酸化剤ガス流路
８４  燃料電池セル
８８  燃料ガス流路
【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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