JP5235291B2

JP5235291B2 - 燃料電池

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Publication number: JP5235291B2
Application number: JP2006262934A
Authority: JP
Inventors: 仁英大嶋
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2006-09-27
Filing date: 2006-09-27
Publication date: 2013-07-10
Anticipated expiration: 2026-09-27
Also published as: JP2008084683A

Description

本発明は、発電素子を複数積層してなるセルスタックと、複数の発電素子にガス通路を介してガスを供給するマニホールドと、該マニホールドの一端部に設けられたガス供給管とを具備する燃料電池に関する。

次世代エネルギーとして、近年、固体高分子形、リン酸形、溶融炭酸塩形及び固体電解質形等の種々の形の燃料電池が提案されている。特に、固体電解質形燃料電池は、作動温度が高いが、発電効率が高い、排熱利用が可能である等の利点を有しており、研究開発が推し進められている。

燃料電池は、例えば、下記特許文献１に記載されているように、収納容器内に、燃料電池セルを複数積層してなるセルスタックと、該セルスタックが設けられたマニホールドと、該マニホールドの一端部に設けられたガス供給管とを具備したものが知られている。このような燃料電池では、ガス供給管によりマニホールドに供給されたガスが、マニホールドに連通するガス通路を介して燃料電池セルの発電部にそれぞれ供給される。
特開２００５−２８５３４０号公報

上述した燃料電池では発電する場合、セルスタックの燃料電池セルの積層方向中央部が、セルスタックの両側部よりも高温となる現象が必然的に発生する。これは、燃料電池セルに電流を流して発電させることにより、燃料電池セルにジュール熱と反応熱が発生し、その熱が燃料電池セルの積層方向中央部に留まることから発生する現象である。従って、燃料電池運転時では、燃料電池セルの積層方向中央部におけるセルスタックの温度が高く、セルスタックの両側部は温度が低いといった温度分布が発生する。

このような燃料電池では、積層方向中央部における燃料電池セルではガス通路内のガスが膨張し、これにより、積層方向中央部における燃料電池セルのガス通路における圧力損失が大きくなり、燃料利用率を高くした場合には、積層方向中央部における燃料電池セルにいわゆる燃料枯れが生じる虞があった。

燃料枯れが生じないまでも、積層方向中央部における燃料電池セルへのガス供給量が少なくなり、積層方向中央部における燃料電池セルの発電性能が低下し、燃料電池全体としても発電量が低下するという問題があった。

このような問題は、１０ＫＷ以下の燃料電池、特に家庭用として用いられる燃料電池において顕著であった。即ち、家庭用で用いられる燃料電池は小型で高効率化が要求されるため、燃料電池セル間の間隔が短く、燃料電池セルの密集度が高いため、セルスタック内で温度分布が生じやすく、積層方向中央部における燃料電池セルのガス通路における圧力損失が大きくなりやすい。

本発明は、セルスタックの発電素子にほぼ均一にガスを供給できる燃料電池を提供することを目的とする。

本発明の燃料電池は、内部にガスが流れるガス通路を複数備える電極支持基板上に、燃料側電極、固体電解質、酸素側電極が形成された燃料電池セルを複数配設してなり、該複数の燃料電池セルが電気的に接続されたセルスタックと、該セルスタックが固定されるとともに前記複数の燃料電池セルに前記ガス通路を介してガスを供給するマニホールドと、該マニホールドの一端部に設けられ、前記マニホールドにガスを供給するガス供給管とを具備するとともに、前記セルスタックの、燃料電池セル配設方向中央部における前記燃料電池セルの複数の前記ガス通路のそれぞれにおける該ガス通路の延伸方向に垂直な断面の断面積が、前記燃料電池セル配設方向中央部よりも前記ガス供給管側の前記燃料電池セル
において対応する複数の前記ガス通路のそれぞれにおける該ガス通路の延伸方向に垂直な断面の断面積よりも大きいことを特徴とする。

燃料電池セルへガスを供給するガス通路を同一断面積とした場合、燃料電池セルは発電反応熱やジュール熱により、燃料電池セル配設方向中央部における燃料電池セルの温度が、燃料電池セル配設方向両側部の燃料電池セルよりも高くなるため、ガス膨張により燃料電池セルの配設方向中央部におけるガス通路内の圧力損失が大きくなり、マニホールドにガスを供給するガス供給管側の燃料電池セルに比較して燃料電池セルへのガス供給量が少なくなり、配設方向中央部の燃料電池セルに、いわゆる燃料枯れが生じる虞があるが、本発明では、セルスタックの燃料電池セル配設方向中央部における燃料電池セルの複数のガス通路のそれぞれにおけるガス通路の延伸方向に垂直な断面の断面積を、燃料電池セル配設方向中央部よりもガス供給管側の燃料電池セルにおいて対応する複数のガス通路のそれぞれにおけるガス通路の延伸方向に垂直な断面の断面積よりも大きくしたため、燃料電池セル配設方向中央部における燃料電池セルの温度が高くなったとしても、燃料電池セル配設方向中央部とガス供給管側の燃料電池セルにガスを供給するガス通路の圧力損失差を小さくすることができ、燃料電池セル配設方向中央部とガス供給管側の燃料電池セルに供給されるガス量をほぼ均一とできる。

また、本発明の燃料電池は、前記マニホールドの他端部における前記燃料電池セルの複数の前記ガス通路のそれぞれにおける該ガス通路の延伸方向に垂直な断面の断面積は、前記セルスタックの燃料電池セル配設方向中央部における前記燃料電池セルにおいて対応する複数の前記ガス通路のそれぞれにおける該ガス通路の延伸方向に垂直な断面の断面積よりも小さく、前記マニホールドの一端部における前記燃料電池セルにおいて対応する複数の前記ガス通路のそれぞれにおける該ガス通路の延伸方向に垂直な断面の断面積よりも大きいことを特徴とする。このような燃料電池では、セルスタック全体における燃料電池セルのガス通路の圧力損失差を小さくすることができ、ガスをセルスタックのそれぞれの燃料電池セルにほぼ均一に供給することができる。

本発明の燃料電池は、発電量が１０ＫＷ以下であることを特徴とする。また、本発明の燃料電池は、家庭用に用いられることを特徴とする。このような燃料電池では、小型で、高い発電量を得るため、多数の燃料電池セルを隙間なく配置する必要があり、特に燃料電池セルの配設方向中央部がその両側よりも高温となりやすくなるため、本発明の燃料電池を有効に用いることができる。

本発明の燃料電池は、配設方向中央部における燃料電池セルの温度が高くなったとしても、燃料電池セル配設方向中央部とガス供給管側の燃料電池セルにガスを供給するガス通路の圧力損失差を小さくすることができ、燃料電池セル配設方向中央部とガス供給管側の燃料電池セルに供給されるガス量をほぼ均一とできる。

以下、本発明の燃料電池を図１〜３を参照して説明する。図示の燃料電池は略直方体形状のハウジング２を具備している。このハウジング２の６個の壁面の外面には適宜の断熱材から形成された断熱壁（遮熱部材）、即ち上断熱壁４、下断熱壁６、右側断熱壁８、左側断熱壁９、前断熱壁（図示せず）及び後断熱壁（図示せず）が配設されている。ハウジング２内には発電・燃焼室１２が規定されている。

前断熱壁及び／又は後断熱壁は着脱自在或いは開閉自在に装着されており、前断熱壁及び／又は後断熱壁を離脱或いは開動せしめることによって発電・燃焼室１２内にアクセスすることができる。所望ならば、各断熱壁の外面に金属板製でよい外壁を配設することができる。

ハウジング２内の上端部には空気室（酸素含有ガス室）１６が配設されている。空気室１６は上下方向寸法が比較的小さい直方体形状のケース１７内に規定されている。空気室１６には、発電・燃焼室に向かって空気（酸素含有ガス）を送り込むための多数の空気供給管（酸素含有ガス供給手段）２２ａの上端が連通している。空気供給管２２ａａの形状は円筒や中空板構造などが考えられる。図１、２では円筒の空気供給管２２ａａを記載した。空気供給管２２ａは後述するセルスタック間に配置されており、セルの下端部において開口し、この開口部から空気が噴出する構造となっている。空気供給管２２ａａはセラミックスなどの耐熱性の高い材料で作製するのが好適である。

ハウジング２の両側部、更に詳しくは右側断熱壁８の内側及び左側断熱壁９の内側には、全体として平板形状である熱交換器２４が配設されている。熱交換器２４の各々は実質上鉛直に延在する中空平板形態のケース２６から構成されている。

かかるケース２６内にはその横方向中間に位置する仕切板２８が配設されており、ケース２６内は内側に位置する排出路３０と外側に位置する流入路３２とに区画されている。排出路３０内には上下方向に間隔をおいて３枚の仕切壁３４及び３６が配置されている。更に詳述すると、排出路３０内には、その前縁はケース２６の前壁（図示していない）から後方に離隔して位置するがその後縁はケース２６の後壁（図示していない）に接続されている形態の仕切壁３４と、その前縁はケース２６の前壁に接続されているがその後縁はケース２６の後壁から前方に離隔して位置せしめられている仕切壁３６とが交互に配置されており、かくして燃焼ガス排出路３０はジグザグ形態にせしめられている。なお、所望ならばジグザグ形態の流路以外の形態でも良い。

同様に、流入路３２内にも上下方向に間隔をおいて３枚の仕切壁３８及び４０、即ちその前縁はケース２６の前壁（図示していない）から後方に離隔して位置するがその後縁はケース２６の後壁（図示していない）に接続されている形態の仕切壁３８と、その前縁はケース２６の前壁に接続されているがその後縁はケース２６の後壁から前方に離隔して位置せしめられている仕切壁４０とが交互に配置されており、かくして流入路３２もジグザグ形態にせしめられている。なお、所望ならばジグザグ形態の流路以外の形態でも良い。

ケース２６の内側壁の上端部には排出開口４２が形成されており、排出路３０は排出開口４２を介して発電・燃焼室１２と連通せしめられている。図示の実施形態においては、熱交換器２４の各々の発電・燃焼室１２側、即ち、燃料電池セル側、及び燃料電池セルの上下には、蓄熱材からなる蓄熱壁（遮熱部材）が配置されている。即ち右側蓄熱壁４４ａ、左側蓄熱壁４４ｂ、前蓄熱壁（図示せず）及び後蓄熱壁（図示せず）、下蓄熱壁４４ｅ、上断熱壁４４ｆが、セル集合体を取り囲むように配設されている。かかる右側蓄熱壁４４ａ、左側蓄熱壁４４ｂの上部には、排出開口４２の下縁と実質上同高に位置して開口する開口部４５が形成されており、排出開口４２は開口部４５を通して発電・燃焼室１２に連通せしめられている。

ケース２６の上壁における外側部には流入開口４８が形成されており、流入路３２はかかる流入開口４８を介して空気室（酸素含有ガス室）１６に連通せしめられている。熱交換器２４、流入開口４８は、ガス供給流路を構成している。流入路３２の各々の後方には上下方向に細長く延びる二重筒体５０（図１にその上端部のみを図示している）が配設されており、かかる二重筒体５０は外側筒部材５２と内側筒部材５４とから構成されている。排出路３０の下端部は外側筒部材５２と内側筒部材５４との間に規定されている排出路の下端部に接続されており、流入路３２の下端部は内側筒部材５４内に規定されている流入路に接続されている。

上述した発電・燃焼室の下部には４個の発電ユニット５６ａ、５６ｂ、５６ｃ及び５６ｄが配置されている。発電ユニット５６ａ、５６ｂ、５６ｃ及び５６ｄは、夫々、上述した空気供給管２２ａ間に位置せしめられている。言い換えれば、発電ユニット５６ａ、５６ｂ、５６ｃ及び５６ｄ間に、空気供給管２２ａが配設されている。

即ち、複数の燃料電池セル６２が一列に配設されてセルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄが構成され、複数のセルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄが、複数の燃料電池セル６２が行列をなすように（燃料電池セルの配列方向と直角をなす方向に）所定間隔を置いて配列されており、セルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄ間に空気供給管２２ａにより空気が供給されるように構成されている。

燃料電池セル６２は、燃料ガス通路７４が長さ方向に貫通して設けられており、該燃料電池セル６２は、後述するように、燃料マニホールド５８ａの上面上に立設して設けられている。

空気供給管２２ａの接続構造を具体的に説明すると、図２（ｂ）に示すように、空気供給管２２ａが一列に配設された状態で、その一端部が板状体１７ａに固定された配管集合体１８を複数作製するとともに、空気室１６を構成するケース１７のセルスタック側の壁１７ｂに、セルスタック間の空間に位置する部分にスリット１７ｃをそれぞれ形成し、該スリット１７ｃに配管集合体１８の空気供給管２２ａをそれぞれ挿入し、配管集合体１８の板状体１７ａをセルスタック壁１７ｂの上面に当接し固定されている。

空気供給管２２ａは断面がリング状をなしており、円筒状とされ、空気供給管２２ａ内部を上から下へと空気を供給し、燃料電池セル６２内部を下から上へと燃料ガスが供給される。

図１、２と共に、図３、４を参照して説明を続けると、発電ユニット５６ａは前後方向（図１において紙面に垂直な方向）に細長く延びる直方体形状の燃料マニホールド５８ａを具備している。

燃料ガス室を規定している燃料マニホールド５８ａの上面上にはセルスタック６０ａが設けられている。セルスタック６０ａは上下方向に細長く延びる直立セル６２を燃料マニホールド５８ａの長手方向（即ち前後方向）に複数個縦列配置（一列）して構成されている。図５に明確に図示する如く、中空平板状のセル６２の各々は電極支持基板６４、内側電極層である燃料極層６６、固体電解質層６８、外側電極層である酸素極層７０、及びインターコネクタ７２から構成されている。

電極支持基板６４は上下方向に細長く延びる柱状の板状片であり、その断面形状は平坦な両面と半円形状の両側面を有する。電極支持基板６４にはこれを鉛直方向に貫通する複数個（図示の場合は６個）の燃料ガス通路７４が形成されている。燃料電池セル６２の各々は燃料マニホールド５８ａの上壁上に、例えば耐熱性に優れたセラミック接着剤によって接合される。

燃料マニホールド５８ａの上壁には図１において紙面に垂直な方向に間隔をおいて左右方向に延びる複数個のスリット（図示していない）が形成されており、電極支持基板６４の各々に形成されている燃料ガス通路７４がスリットの各々に従って燃料ガス室に連通せしめられる。

インターコネクタ７２は電極支持基板６４の片面（図５のセルスタック６０ａにおいて上面）上に配設されている。燃料極層６６は電極支持基板６４の他面（図５のセルスタック６０ａにおいて下面）及び両側面に配設されており、その両端はインターコネクタ７２の両端に接合せしめられている。固体電解質層６８は燃料極層６６の全体を覆うように配設され、その両端はインターコネクタ７２の両端に接合せしめられている。酸素極層７０は、固体電解質層６８の主部上、即ち電極支持基板６４の他面を覆う部分上に配置され、電極支持基板６４を挟んでインターコネクタ７２に対向して位置せしめられている。

固体電解質層６８の一方側には、燃料極層６６が形成され、他方側には酸素極層７０が形成されており、これにより、電極支持基板６４の片面（図５のセルスタック６０ａにおいて下面）上に、固体電解質層６８上に燃料極層６６、酸素極層７０が重畳した燃料電池セルが配設されている。言い換えれば、燃料電池セルは、集電部材７６を介して複数積層されており、隣設する燃料電池セル同士は、集電部材７６を介して電気的に直列に接続され、セルスタック６０ａが構成されている。

セルスタック６０ａにおける隣接するセル６２間には集電部材７６が配設されており、一方のセル６２のインターコネクタ７２と他方のセル６２の酸素極層７０とを接続している。セルスタック６０ａの両端、即ち図５において上端及び下端に位置するセル６２の片面及び他面にも集電部材７６が配設されている。セルスタック６０ａの両端に位置する集電部材７６には電力取出手段（図示していない）が接続されており、かかる電力取出手段はハウジング２の前断熱壁、後断熱壁、または下断熱材６を通してハウジング２外に延在せしめられている。所望ならば、セルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄの各々に電力取出手段を配設することに代えて、適宜の接続手段によってセルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄを相互に直列接続し、４個のセルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄに関して共通の電力取出手段を配設することもできる。

セル６２について更に詳述すると、電極支持基板６４は燃料ガスを燃料極層６６まで透過させるためにガス透過性であること、そしてまたインターコネクタ７２を介して集電するために導電性であることが要求され、かかる要求を満足する多孔質の導電性セラミック（若しくはサーメット）から形成することができる。

燃料極層６６及び／又は固体電解質層６８との同時焼成によりセル６２を製造するためには、鉄属金属成分と特定希土類酸化物とから電極支持基板６４を形成することが好ましい。所要ガス透過性を備えるために開気孔率が３０％以上、特に３５乃至５０％の範囲にあるのが好適であり、そしてまたその導電率は３００Ｓ／ｃｍ以上、特に４４０Ｓ／ｃｍ以上であるのが好ましい。

燃料極層６６は多孔質の導電性セラミック、例えば希土類元素が固溶しているＺｒＯ_２（安定化ジルコニアと称されている）とＮｉ及び／又はＮｉＯとから形成することができる。

固体電解質層６８は、電極間の電子の橋渡しをする電解質としての機能を有していると同時に、燃料ガスと空気とのリークを防止するためにガス遮断性を有するものであることが必要であり、通常、３〜１５モル％の希土類元素が固溶したＺｒＯ_２から形成されている。

酸素極層７０は所謂ＡＢＯ_３型のペロブスカイト型酸化物からなる導電セラミックから形成することができる。酸素極層７０はガス透過性を有していることが必要であり、開気孔率が２０％以上、特に３０〜５０％の範囲にあることが好ましい。

インターコネクタ７２は導電性セラミックから形成することができるが、水素ガスでよい燃料ガス及び空気と接触するため、耐還元性及び耐酸化性を有することが必要であり、このためにランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物（ＬａＣｒＯ_３系酸化物）が好適に使用される。インターコネクタ７２は電極支持基板６４に形成された燃料ガス通路７４を通る燃料ガス及び電極支持基板６４の外側を流動する空気のリークを防止するために緻密質でなければならず、９３％以上、特に９５％以上の相対密度を有していることが望まれる。

集電部材７６は弾性を有する金属又は合金から形成された適宜の形状の部材或いは金属繊維又は合金繊維から成るフェルトに所要表面処理を加えた部材から構成することができる。

図４を参照して説明を続けると、発電ユニット５６ａは、セルスタック６０ａの上方を前後方向に細長く延びる長方体形状（或いは円筒形状）であるのが好都合である改質ケース７８ａも具備している。改質ケース７８ａの前面には燃料ガス送給管８０ａの一端即ち上端が接続されている。

燃料ガス送給管８０ａは下方に延び、次いで湾曲して後方に延び、燃料ガス送給管８０ａの他端は上記燃料マニホールド５８ａの前面（一端部）に接続されている。改質ケース７８ａの後面には被改質ガス供給管８２ａの一端が接続されている。被改質ガス供給管８２ａは改質ケースから下方に延び、ハウジング２の下を通ってハウジング２外に延出している。

そして、本発明の燃料電池では、図６に示すように、セルスタック６０ａの発電素子積層方向ｘ中央部における燃料電池セル６２の燃料ガス通路７４の断面積が、セルスタック６０ａの燃料ガス供給管８０ａ側（図６の右側）における燃料電池セル６２の燃料ガス通路７４の断面積よりも大きくされている。電極支持基板６４にはこれを鉛直方向に貫通する複数個（図示の場合は６個）の燃料ガス通路７４が形成されているが、電極支持基板６４の６個の燃料ガス通路７４は同一断面積とされている。

このような燃料電池では、セルスタック６０ａの発電素子積層方向ｘ中央部における燃料ガス通路７４の断面積を、セルスタック６０ａの燃料ガス供給管側における燃料ガス通路７４の断面積よりも大きくしたため、発電素子積層方向ｘ中央部における発電素子の温度が高くなったとしても、発電素子積層方向ｘ中央部と燃料ガス供給管８０ａ側の発電素子にガスを供給する燃料ガス通路７４の圧力損失差を小さくすることができ、発電素子積層方向ｘ中央部とガス供給管側の発電素子に供給されるガス量をほぼ均一とできる。

また、図６に示すように、燃料ガス供給管８０ａによる燃料ガス供給方向Ｙ端部における燃料ガス通路７４の断面積が、セルスタック６０ａの発電素子積層方向ｘ中央部における燃料ガス通路７４の断面積よりも小さく、セルスタック６０ａの燃料ガス供給管側における燃料ガス通路７４の断面積よりも大きくされている。これにより、セルスタック６０ａ全体における燃料ガス通路７４の圧力損失差を小さくすることができ、燃料ガスをセルスタック６０ａのそれぞれの発電素子にほぼ均一に供給することができる。

被改質ガス供給管８２ａは都市ガス等の炭化水素ガスでよい被改質ガス供給源（図示していない）に接続されており、被改質ガス供給管８２ａを介して改質ケース７８ａに被改質ガスが供給される。改質ケース７８ａ内には燃料ガスを水素リッチな燃料ガスに改質するための適宜の改質触媒が収容されている。

図示の実施形態においては、改質ケース７８ａは燃料ガス送給管８０ａを介して燃料マニホールド５８ａに接続され、これによって所要位置に保持されているが、所要ならば、図４に二点鎖線で図示する如く、例えば上記被改質ガス供給管８２ａの下面と燃料マニホールド５８ａの後端部下面或いは後面との間に適宜の支持部材８４ａを付設することもできる。

図３において説明すると、発電ユニット５６ｃは上述した発電ユニット５６ａと実質上同一であり、発電ユニット５６ｂ及び５６ｄは、発電ユニット５６ａ及び５６ｃに対して前後方向が逆に配置されていること、従って改質ケース７８ｂ及び７８ｄと燃料マニホールド５８ｂ及び５８ｄとを接続する燃料ガス送給管（図示していない）が後側に配置され、被改質ガス供給管８２ｂ及び８２ｄが改質ケースから下方に延び、ハウジング２の下を通ってハウジング２外に延出している。

上述したとおりの燃料電池においては、被改質ガスが被改質ガス供給管８２ａ、８２ｂ、８２ｃ、８２ｄを介して改質ケース７８ａ、７８ｂ、７８ｃ及び７８ｄに供給され、改質ケース７８ａ、７８ｂ、７８ｃ及び７８ｄ内において水素リッチな燃料ガスに改質された後に、燃料ガス送給管８０ａ、８０ｂ、８０ｃ、８０ｄを通して燃料マニホールド５８ａ、５８ｂ、５８ｃ及び５８ｄ内に規定されている燃料ガス室に、その長手方向（燃料電池セルの積層方向）に供給され、次いでセルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄの燃料電池セル６２の燃料ガス通路７４を介して、燃料電池セル６２の発電素子にそれぞれ供給される。

セルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄのセル６２各々においては、酸素極において、
１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２−（固体電解質）
の電極反応が生成され、燃料極において、
Ｏ^２−（固体電解質）＋Ｈ_２→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻
の電極反応が生成されて発電される。

発電に使用されることなくセルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄから上方に流動した燃料ガス及び空気は、起動時に発電・燃焼室１２内に配設されている点火手段（図示していない）によって点火されて燃焼される。周知の如く、セルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄにおける発電に起因して、そしてまた燃料ガスと空気との燃焼に起因して発電・燃焼室１２内は例えば８００℃程度の高温になる。改質ケース７８ａ、７８ｂ、７８ｃ及び７８ｄは発電・燃焼室１２内に配設され、セルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄの直ぐ上方に位置せしめられており、燃焼炎によって直接的にも加熱され、かくして発電・燃焼室１２内に生成される高温が被改質ガスの改質に効果的に利用される。

発電・燃焼室１２内に生成された燃焼ガスは熱交換器２４に形成されている排出開口４２から排出路３０に流入し、ジグザグ状に延在する排出路３０を流動した後に二重筒体５０の外側筒部材５２と内側筒部材５４との間に規定されている排出路を通して排出される。燃焼ガスが二重筒体５０における排出路を流動する際には、二重筒体５０における流入路を空気が流動し、燃焼ガスと空気との間で熱交換が行われる。

そしてまた、燃焼ガスが熱交換器２４の排出路３０をジグザグ状に流動せしめられる際には、空気が熱交換器２４の流入路３２をジグザグ状に対向するように流動せしめられる。かくして燃焼ガスと空気との間で効果的に熱交換されて空気が予熱される。

長期間に渡って発電を遂行することによってセルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄの一部或いは全部が劣化した場合には、ハウジング２の前断熱壁或いは後断熱壁を離脱或いは開動せしめ、発電ユニット５６ａ、５６ｂ、５６ｃ及び５６ｄの一部或いは全部をハウジング２内から取り出す。

そして、発電ユニット５６ａ、５６ｂ、５６ｃ及び５６ｄの一部或いは全部を新しいものに交換して、或いは発電ユニット５６ａ、５６ｂ、５６ｃ及び５６ｄの一部或いは全部におけるセルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄのみを新しいものに交換して、再びハウジング２内の所要位置に装着すればよい。発電ユニット５６ａ、５６ｂ、５６ｃ及び５６ｄの一部あるいは全部における改質ケース７８ａ、７８ｂ、７８ｃ及び７８ｄ内に収容されている改質触媒を交換することが必要な場合にも、発電ユニット５６ａ、５６ｂ、５６ｃ及び５６ｄの一部或いは全部をハウジング２内から取り出し、発電ユニット５６ａ、５６ｂ、５６ｃ及び５６ｄの一部或いは全部における改質ケース７８ａ、７８ｂ、７８ｃ及び７８ｄ自体を新しいものに或いは改質ケース７８ａ、７８ｂ、７８ｃ及び７８ｄ内の改質触媒のみを新しいものに交換すればよい。

改質ケース７８ａ、７８ｂ、７８ｃ及び７８ｄ内の改質触媒の交換を充分容易に遂行し得るようになすために、所望ならば改質ケース７８ａ、７８ｂ、７８ｃ及び７８ｄの一部を開閉自在な扉にせしめることができる。

一方、空気は二重筒体５０の内側筒部材５４内に規定されている流入路を通して熱交換器２４の流入路３２に供給され、熱交換器２４を通過して予熱（加熱）された空気は、空気室１６に一旦貯留され、空気供給管２２ａを通って燃焼・発電室１２のセルスタック間に供給される。この際、空気供給管２２ａはセルスタック６０の燃料電池セル６２の上端の燃料ガス通路７４近傍で燃焼する燃焼ガス雰囲気中を通過する。従って、空気室１６の予熱空気はセルスタック６０上部の燃焼領域でさらに加熱され、高温に暖められた空気がセルに供給される。

特に、本発明では、多数の燃料電池セル６２を集電部材７６により電気的に接続したが、このような燃料電池では、発電素子積層方向中央部が加熱されやすいため、本発明を好適に用いることができる。

以上、添付図面を参照して本発明の好適実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変形乃至修正が可能であることは多言するまでもない。

例えば、セルスタックの上方に特定の改質ケースを備えた燃料電池組立体に関連せしめて本発明を説明したが、改質ケースがセルスタックの上方以外の場合でも、本発明を適用することが出来る。また、改質ケースをハウジング内に設けない場合であっても良い。

また、上記形態では、図２に示したように、複数の円筒状の空気供給管２２ａを一列に配列し、これをセルスタック間等に配置したが、複数の円筒状の空気供給管の代わりに中空板状の空気供給管を用いても良い。

さらに、上記形態では、燃料電池セルの上方で燃料ガスと空気が反応して燃焼する場合について説明したが、燃焼しない場合であっても本発明を適用できるが、燃焼させるタイプの場合には、ハウジング内がより高温となりやすいため、本発明を好適に用いることができる。

また、上記形態では、円筒状の空気供給管を用いて、最下端の開口から空気を下方に向けて供給する場合について説明したが、側方に配置されている燃料電池セルに空気を噴出するため、円筒状の空気供給管の側面から空気が噴出されるようにしても良い。

また、上記形態では、空気を空気供給管を用いて上方から下方に向けて供給する場合について説明したが、本発明では、下方から上方に向けて供給する場合であっても良い。

図７は、本発明の燃料電池の他の形態を示すもので、この形態では、セルスタック６０ａの発電素子積層方向ｘ中央部における燃料ガス通路７４の長さが、セルスタック６０ａの燃料ガス供給管８０ａ側における燃料ガス通路７４の長さよりも短くされている。

尚、セルスタック６０ａの発電素子の長さは全て同一長さとされている。即ち、発電素子積層方向ｘの両端部の燃料電池セル６２では、発電素子積層方向ｘ中央部における燃料電池セル６２と比較して、酸素極層７０の形成位置は同一高さであるが、セル長さが長く形成され、これにより、燃料ガス通路７４の長さが長く形成されている。

このような燃料電池では、セルスタック６０ａの発電素子積層方向ｘ中央部における燃料ガス通路７４の長さは、マニホールド５８ａの燃料ガス供給管側における燃料ガス通路７４の長さよりも短いため、積層方向ｘ中央部における発電素子の温度が高くなったとしても、発電素子積層方向ｘ中央部と燃料ガス供給管８０ａ側の発電素子にガスを供給する燃料ガス通路７４の圧力損失差を小さくすることができ、発電素子積層方向ｘ中央部とガス供給管側の発電素子に供給されるガス量をほぼ均一とできる。

さらに、燃料ガス供給管８０ａによる燃料ガス供給方向Ｙ端部における燃料ガス通路７４の長さを、セルスタック６０ａの発電素子積層方向ｘ中央部における燃料ガス通路７４の長さよりも長く、セルスタック６０ａの燃料ガス供給管側における燃料ガス通路７４の長さよりも短くすることにより、セルスタック６０ａ全体における燃料ガス通路７４の圧力損失差を小さくすることができ、ガスをセルスタック６０ａのそれぞれの発電素子にほぼ均一に供給することができる。

図８は、本発明の燃料電池のさらに他の形態を示すもので、この形態では、燃料電池セル６２の燃料ガス通路７４とは別途に、燃料電池セル６２の下端部に燃料ガス通路７４への連結管７４ａを有するセル固定用キャップ９０を、予めシール材９１にてシール固定し、これらを複数個束ね、一括してマニホールド５８ａに同じくシール材にてシール固定することでセルスタック６０ａを構成する。これらの連結管７４ａを、図８に示すように長さを変更し、もしくは図９に示すように断面積を変更することにより、前記形態と同様な効果が得られ、セルスタック６０ａ全体における燃料ガス通路７４の圧力損失差を小さくすることができ、ガスをセルスタック６０ａのそれぞれの発電素子にほぼ均一に供給することができる。

さらには、セル固定用キャップに取り付けられた連結管７４ａを、任意の金属部材から構成することができるため、高温になることが予測される積層方向ｘ中央部の連結管７４ａを熱膨張係数の大きい金属部材にて構成し、更には燃料ガス供給方向Ｙ端部においては温度が低いことが予測されるものの圧力の低下の懸念があるため、燃料ガス供給方向Ｙ端部の連結管７４ａの熱膨張係数を、前記積層方向ｘ中央部の連結管７４ａよりも熱膨張係数が小さく、燃料ガス供給管側における連結管７４ａの熱膨張係数よりも大きい金属部材にて構成し、発電時の温度分布に応じて連結管７４ａの断面積を変化させることが可能となり、これにより温度分布の少ない低温での発電時や発電を伴わない起動時においてもガスをセルスタック６０ａのそれぞれの発電素子にほぼ均一に供給することができる。

尚、本発明は、固体電解質の一方側に燃料側電極、他方側に酸素側電極が形成された発電素子を複数積層した平板形燃料電池にも適用できる。即ち、平板形燃料電池では、平板状の発電素子を複数積層し、発電素子積層方向中央部が高温となりやすいため、本発明を好適に用いることができる。例えば、セパレータと燃料側電極とを連結する燃料極集電部材、もしくはセパレータにガス通路を設け、このガス通路を介して発電素子中央部にガスを供給し、この発電素子中央部から発電素子外周部に向けて流すことが行われるため、本発明を好適に用いることができる。

本発明の燃料電池の好適実施形態を示す断面図。空気室内から見た空気供給管の配設パターンを示すもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は分解斜視図。図１の燃料電池に使用されている発電ユニット集合体を示す斜視図。図３の発電ユニットを示す斜視図。図３のセルスタックを示す断面図。発電素子積層方向中央部の燃料ガス通路の断面積を、両側部の燃料ガス通路より大きくした形態を示す斜視図。発電素子積層方向中央部の燃料ガス通路の長さを、両側部の燃料ガス通路より長くした形態を示す斜視図。（ａ）は燃料電池セルの下端部に燃料ガス供給管を設けた状態を示す斜視図、（ｂ）は燃料ガス供給管の長さを制御した形態を示す断面図。燃料ガス供給管の断面積を制御した形態を示す断面図。

符号の説明

５８：マニホールド
６０：セルスタック
６６：燃料側電極
６８：固体電解質
７０：酸素側電極
７４：ガス通路
８０：ガス供給管

Claims

内部にガスが流れるガス通路を複数備える電極支持基板上に、燃料側電極、固体電解質、酸素側電極が形成された燃料電池セルを複数配設してなり、該複数の燃料電池セルが電気的に接続されたセルスタックと、該セルスタックが固定されるとともに前記複数の燃料電池セルに前記ガス通路を介してガスを供給するマニホールドと、該マニホールドの一端部に設けられ、前記マニホールドにガスを供給するガス供給管とを具備するとともに、
前記セルスタックの、燃料電池セル配設方向中央部における前記燃料電池セルの複数の前記ガス通路のそれぞれにおける該ガス通路の延伸方向に垂直な断面の断面積が、前記燃料電池セル配設方向中央部よりも前記ガス供給管側の前記燃料電池セルにおいて対応する複数の前記ガス通路のそれぞれにおける該ガス通路の延伸方向に垂直な断面の断面積よりも大きいことを特徴とする燃料電池。
前記マニホールドの他端部における前記燃料電池セルの複数の前記ガス通路のそれぞれにおける該ガス通路の延伸方向に垂直な断面の断面積は、前記セルスタックの燃料電池セル配設方向中央部における前記燃料電池セルにおいて対応する複数の前記ガス通路のそれぞれにおける該ガス通路の延伸方向に垂直な断面の断面積よりも小さく、前記マニホールドの一端部における前記燃料電池セルにおいて対応する複数の前記ガス通路のそれぞれにおける該ガス通路の延伸方向に垂直な断面の断面積よりも大きいことを特徴とする請求項１記載の燃料電池。