JP6213893B2 - 固体酸化物型燃料電池装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスにより発電を行う固体酸化物型燃料電池装置に関する。

従来から、燃料電池の一種として、反応ガスにより作動する複数の燃料電池セルを備えた固体電解質形燃料電池（以下、「ＳＯＦＣ」ともいう）がある。このＳＯＦＣは、通常、発電室内に配設された複数の燃料電池セルを密集して備え、当該発電室内に供給された酸化剤ガスとしての空気を当該燃料電池セルのカソード電極に供給し、当該燃料電池セルのアノード電極には、ガスマニホールドを介して供給される燃料ガスとしての水素ガスを供給することで、発電反応を起こすことができるように構成されている。

特開２０１１−１００６４０号公報

燃料電池の耐久性を高めるためには発電室内の燃料電池セル集合体を均一な温度とすることが理想だが、燃料電池セルは発電や内部改質により温度分布を生じやすい部品であり、一方燃料電池セル集合体はモジュールの寸法制約から可能な限りセルを密集させることが求められるため、燃料電池セル集合体の中央が高温になりやすく、中央部以外の燃料電池セルの中でも特に発電室の内壁に近い燃料電池セルは、内壁から熱が奪われるなどして比較的低温になりやすい傾向がある。そのため、より一層の均熱化が求められている。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、固体酸化物型の燃料電池セルを密集させて構成した燃料電池セル集合体を組み込んだ燃料電池装置において、燃料電池セル集合体の温度ムラを軽減することができる固体酸化物型燃料電池装置を提供することにある。

上記課題を解決するために本発明に係る固体酸化物型燃料電池装置は、酸化剤ガスと燃料ガスとを利用して発電する固体酸化物型の燃料電池装置であって、行列配置した複数の燃料電池セルと、複数の燃料電池セル各々に燃料ガスを供給するよう燃料電池セルを立設したガスマニホールドと、を内包するケーシングを備え、ガスマニホールドの内部には、燃料電池セルの行列のうち、長尺方向に延在し、ガスマニホールドの外部から導入した燃料ガスをガスマニホールド内部に噴出する燃料ガス供給管と、ガスマニホールドの内部空間を長尺方向に区画するよう、燃料ガス供給管から燃料ガスが噴出する方向に沿って配置された、仕切板が配設されており、仕切板は伝熱性を有し、燃料電池セルが配列されたガスマニホールドの部位のうち、燃料電池セルの行列の短手方向中央部分から奪う熱量が短手方向中央部分以外から奪う熱量よりも多くなるよう設けられた奪熱部と、奪熱部から奪った熱を、ガスマニホールド内部に流れる燃料ガスとの熱交換及び、ガスマニホールドの短手方向中央部分以外への伝熱に利用して逃がす熱付与部と、を有する。

本発明では、ガスマニホールドの内部空間を区画する仕切板は伝熱性を有し、燃料電池セルが配列されたガスマニホールドの部位のうち、燃料電池セルの行列の短手方向中央部分から奪う熱量が短手方向中央部分以外から奪う熱量よりも多くなるよう設けられた奪熱部と、奪熱部から奪った熱をガスマニホールド内部に流れる燃料ガスとの熱交換及び、ガスマニホールドの短手方向中央部分以外への伝熱に利用して逃がす熱付与部と、を有するため、奪熱部で奪った熱を仕切板全体に伝熱して、熱付与部を介して仕切板の表面に沿って流れる燃料ガスに与えることで、燃料電池セルを配列したガスマニホールドの天面の中央部分の温度を低減する。仕切板は燃料ガス供給管から燃料ガスが噴出する方向に沿って配置されており、燃料ガスが仕切板の表面に沿って流れるため、仕切板に沿わずに衝突するなどする場合に比べて仕切板に対する燃料ガスの流速が速まるので、より熱交換効率が高まり、中央部分の温度低減を促進している。また、仕切板全体に伝熱した熱は、ガスマニホールドの短手方向中央部分以外に伝熱させることによっても逃がす。これにより、配列された複数の燃料電池セルの中央部分の温度を低減することができるため、燃料電池モジュール内部の温度ムラを軽減することが可能となる。

また本発明に係る固体酸化物型燃料電池装置において、仕切板は凸形状であり、凸形状の突出した部分が、燃料電池セルが配列されたガスマニホールドの部位のうち、燃料電池セルの行列の短手方向中央部分に当接し、凸形状の突出していない部分が、燃料電池セルが配列されたガスマニホールドの部位から離間していることで奪熱部を構成していることも好ましい。

この好ましい態様では、凸形状の突出した部分が、燃料電池セルが配列されたガスマニホールドの部位のうち、燃料電池セルの行列の短手方向中央部分に当接し、凸形状の突出していない部分が、燃料電池セルが配列されたガスマニホールドの部位から離間しているため、配列された複数の燃料電池セルの中央部分からのみ確実に熱を奪うことができる。さらに、奪熱部を仕切板の形状によって構成しており、簡素な構成で配列された複数の燃料電池セルの中央部分の温度を低減することができ、燃料電池モジュール内部の温度ムラを軽減することが可能となる。

また本発明に係る固体酸化物型燃料電池装置において、奪熱部は凸形状の突出した部分に燃料ガスが導通する導通孔を有し、燃料ガス供給管はガスマニホールドの底面側にガスを噴出するよう配設することも好ましい。

この好ましい態様では、奪熱部の凸形状の突出した部分に燃料ガスが導通する導通孔を設けたことと、燃料ガス供給管はガスマニホールドの底面側にガスを噴出するよう配設したことと、により、底面側に放出された燃料ガスが側面を伝い天面に沿い、導通孔に流れ込む。これによって、仕切板に対する燃料ガスの流速が増すので、熱交換性が高まり、配列された複数の燃料電池セルの中央部分からより一層熱を奪うことができるようになり、燃料電池モジュール内部の温度ムラを軽減することが可能となる。

また本発明に係る固体酸化物型燃料電池装置において、仕切板はさらに、仕切板の凸形状の突出していない部分の両端上部に、奪熱部を介して奪った熱を燃料電池セルが配列されたガスマニホールドの部位のうち、燃料電池セルの行列の短手方向中央以外の周囲に還元するよう燃料電池セルの行列の短手方向中央部分以外の周囲に対応するガスマニホールドの部位と当接する還元部を有することも好ましい。

この好ましい態様では、中央部分から奪った熱を、比較的低温な中央部分以外の周囲に還元することによって、より一層温度ムラを軽減することができる。

本発明によれば、セルを密集させて構成した燃料電池セル集合体を組み込んだ燃料電池において、燃料電池セル集合体の温度ムラを軽減することができる固体酸化物型燃料電池装置を提供することができる。

本発明の実施形態における燃料電池モジュールの外観を示す斜視図である。 図１の中央近傍における断面図であって、図１のＡ方向から見た断面を示す断面図である。 図１の中央近傍における断面図であって、図１のＢ方向から見た断面を示す断面図である。 図１のケーシングから一部の外板を取り除いた状態を示す斜視図である。 本実施形態に用いられる燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。 本実施形態における燃料電池セルスタックの構成を示す斜視図である。 燃料ガスタンク上板上に立設した燃料電池セルの接続部を示す断面図である。 図２に相当する模式図であって、発電用空気及び燃焼ガスの流れを示す模式図である。 図４の燃料電池セルユニットを取り外した燃料ガスタンクの斜視図である。 図９の燃料ガスタンクから燃料ガスタンク上板を外した分解斜視図である。 図２の断面において、燃料電池セル集合体と燃料ガスタンクと、燃料ガスタンク内の仕切板と、の間における熱の移動を示す作用図である。 図２の断面において、燃料電池セル集合体と燃料ガスタンクと、燃料ガスタンク内の仕切板との間における燃料ガスの移動を示す作用図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施の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可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。

本発明の実施形態である燃料電池モジュール（固体酸化物型燃料電池装置）について、図１を参照しながら説明する。図１に示す燃料電池モジュール２は、固体電解質形燃料電池装置の一部を構成するものである。固体電解質形燃料電池装置は、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。

図１においては、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。

燃料電池モジュール２は、燃料電池セル（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の内部は密封空間となっている。ケーシング５６には、被改質ガス供給管６０と、水供給管６２とが繋げられている。一方、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とが繋げられている。

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られる水を供給する管路である。発電用空気導入管７４は、改質後の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）を供給する管路である。燃焼ガス排出管８２は、発電反応後の燃料ガスを燃焼した結果生じる燃焼ガスを排出する管路である。

続いて、図２〜図４を参照しながら、燃料電池モジュール２の内部について説明する。図２は、燃料電池モジュール２をその中央近傍において図１のＡ方向から見た断面図である。図３は、燃料電池モジュール２をその中央近傍において図１のＢ方向から見た断面図である。図４は、図１に示す燃料電池モジュール２から燃料電池セル集合体を覆うケーシング５６の一部を取り外した状態を示す斜視図である。

図２〜図４に示すように、燃料電池モジュール２の燃料電池セル集合体１２は、ケーシング５６により、全体が覆われている。図４に示すように、燃料電池セル集合体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であり、改質器２０側の上面、燃料ガスタンク６８（ガスマニホールド）側の下面、図４のＡ方向に沿って延びる長辺側面と、図４のＢ方向に沿って延びる短辺側面と、を備えている。

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（図に明示しない）は、改質器２０の内部に設けられている。蒸発混合器は、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、被改質ガスである燃料ガス（都市ガス）と空気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に繋がれている。より具体的には、図３に示すように、改質器２０の上流端である図中右側の端部に繋がれている。

改質器２０は、燃料電池セル集合体１２の上方に形成された燃焼室１８の更に上方に配置されている。したがって、改質器２０は、発電反応後の残余の燃料ガス及び空気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（図３の左端）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。

図２〜図４に示すように、燃料ガスタンク６８は、燃料電池セル集合体１２の真下に設けられている。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６６ｂが形成されている。燃料ガスタンク６８の長手方向（Ａ方向）に垂直な仕切面６９ｃをもつ仕切板６９は、燃料ガスタンク６８の短手方向の両側面に面するよう折り曲げられ、固定される一対の側面固定片６９ｆと、燃料ガスタンク６８の底面に固定される底面固定片６９ｄを備え、燃料供給管６６を通すための燃料ガス供給管用貫通孔６９ｈと、燃料ガスタンク６８内部の上側領域に、燃料ガスタンク上板６８ａのうち、燃料ガスタンク６８の短手方向の中央部分に内接する一対の中央凸片６９ａと、中央凸片６９ａに挟まれ、燃料ガスタンク上板６８ａと離間する中央切欠６９ｇと、中央凸片６９ａの両側外方に設けられ、燃料ガスタンク上板６８ａと離間し、かつ燃料ガスを流通させるための周辺凹部６９ｂと、が形成されており、すべての仕切板６９は前記燃料供給管６６の小穴６６ｂと交差しない位置で配置されている。改質器２０で改質された燃料ガスは、これら複数の小穴６６ｂによって燃料ガスタンク６８内に仕切板６９に沿った方向に噴出され、仕切板６９によって区切られた燃料ガスタンク６８の小部屋の中で燃料ガスタンク６８の短手方向、言い換えると仕切面６９ｃに沿って拡散し、さらに前記仕切板６９の周辺凹部６９ｂを通じて隣り合う小部屋との圧力勾配を緩和する方向に一部が流通することにより、燃料ガスタンク６８内部全体に亘って均一に供給されるようになっている。燃料ガスタンク６８に供給された燃料ガスは、図１２の破線矢印で示すように、燃料電池セル集合体１２を構成する各燃料電池セルユニット１６の内側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内を上昇して、燃焼室１８に至るようになっている。

続いて、図５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５は、本実施形態の燃料電池セルユニット１６を示す部分断面図である。

図５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、円筒形の外側電極層９２と、内側電極層９０と外側電極層９２との間にある電解質層９４とを備えている。この内側電極層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。三相界面は、イオン化反応（水素のイオン化反応及び酸素のイオン化反応）が行われる場所である。三相界面は、燃料電池セル８４内に形成され、内側電極層９０と電極触媒と電解質層９４とが互いに接している界面、及び外側電極層９２と電極触媒と電解質層９４とが互いに接している界面に形成される。

燃料電池セルユニット１６の上端側と下端側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、下端側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の下部９０ａは、電解質層９４と外側電極層９２に対して露出された外周面９０ｂと下端面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と接続され、さらに、内側電極層９０の下端面９０ｃと直接接触することで内側電極層９０と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。

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。

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。

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。

続いて、図６を参照しながら燃料電池セルスタック１４について説明する。図６は、本発実施形態の燃料電池セルスタック１４を示す斜視図である。

図６に示すように、燃料電池セルスタック１４は、１６本の燃料電池セルユニット１６を備え、これらの燃料電池セルユニット１６の下端側及び上端側が、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。上支持板１００は、素材として、例えばＭｇＯ（マグネシア）を用いる。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。

さらに、燃料電池セルユニット１６には、集電体１０２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ものである。

さらに、燃料電池セルスタック１４の端に位置する２個の燃料電池セルユニット１６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スタック１４の端にある燃料電池セルユニット１６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ようになっている。

燃料電池セルユニット１６は、燃料ガスタンク上板６８ａ上に配置する際に、内側電極端子８６と燃料ガスタンク上板６８ａとの間に、ブッシュ３０を設ける。このブッシュ３０は、燃料電池セルユニット１６の内側電極端子８６を燃料ガスタンク上板６８ａの貫通穴に挿入して固定する際に用いる部材である。つまり、ブッシュ３０は、燃料電池セルユニット１６をガスマニホールドに固定する部材として用いられる。

図７は、燃料ガスタンク上板６８ａ上に立設した燃料電池セルの接続部を示す部分断面図である。燃料電池セル８４の下端は、固体電解質層や燃料極が露出している。燃料極は銀ロウ部９６ｂを介して、又はこれを介さずに内側電極端子８６と電気的に接続している。銀ロウ部９６ｂの上部にはガラスシール部９６ａが設けられ、燃料電池セル８４と内側電極端子８６とを固定するとともに、内側を流れる燃料ガスが発電室に漏れないように気密している。内側電極端子８６は下に凸の形状であり、突出した部分が燃料ガスタンク上板６８ａに設けられた貫通孔内に挿入され、ブッシュ３０及びブッシュ３０上に設けられたガラスシール３６によって固定されている。ブッシュ３０は絶縁性を有する部材でなり、燃料ガスタンク上板６８と内側電極端子８６との電気的な短絡を防止している。内側電極端子８６とブッシュ３０の下端は、燃料ガスタンク上板６８ａに設けられた貫通穴を越えて燃料ガスタンク上板６８ａの下面よりも突出して設けられている。

続いて、発電用空気を燃料電池モジュール２の内部へ供給するための構造を、図２〜図４及び図８を参照しながら説明する。図８は、図２に対応する模式図であって、発電用空気及び燃焼ガスの流れを示す図である。図８に示すように、改質器２０の上方に、熱交換器２２が設けられている。熱交換器２２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。

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、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、発電用空気が、熱交換器２２内に導入されるようになっている。

熱交換器２２の上側の他端側（図３における左端）には、図２に示すように、発電用空気流路７２の出口ポート７６ａが一対形成されている。この出口ポート７６ａは、一対の連絡流路７６につながっている。さらに、燃料電池モジュール２のケーシング５６の幅方向（Ｂ方向：短辺側面方向）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。

したがって、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、発電用空気が供給されるようになっている。この発電用空気供給路７７は、燃料電池セル集合体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集合体１２の下方側に対応する位置に、発電室１０内の燃料電池セル集合体１２の各燃料電池セルユニット１６に向けて発電用空気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から吹き出された発電用空気は、各燃料電池セルユニット１６の外側に沿って、上方側に流れる。

続いて、図３及び図８を参照して、燃料ガスと発電用空気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、燃焼室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。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、燃焼室１８で燃料ガスと発電用空気が燃焼して生成された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、燃焼ガスが外部に排出されるようになっている。

続いて、運転中の発電室１０内の温度分布の様子について説明する。燃料電池セル８４は発電反応により発熱する。特に燃料電池セル集合体１２の中央部は辺縁部よりも発電用空気が不足しやすいため過電圧が大きくなる場合があり、辺縁部よりも発熱が大きくなる。さらに、発電用空気が吹出口７８ａ，７８ｂから吹き出され各燃料電池セルユニット１６の外側に沿って上方側に流れる過程で、対流熱伝達により各燃料電池セルユニット１６から熱を奪うが、各燃料電池セルユニット１６中央部においては燃料電池セル８４と接触する発電用空気が前段での分岐と熱交換によって流量及び温度差がともに小さくなるため、各燃料電池セルユニット１６中央部の燃料電池セル８４が奪われる熱は各燃料電池セルユニット１６辺縁部の場合よりも小さくなる。また、燃料電池セル集合体１２のＡ方向両端ではケーシング５６の側面に向かって熱が逃げていくためＡ方向中央部より温度が低くなる。これらの原理により、燃料電池セル集合体１２はＡ方向、Ｂ方向ともに辺縁部から中央部に向けて高温となる温度勾配がつく。

続いて、仕切板６９による燃料電池集合体１２内の温度分布緩和の様子について、図１１を参照して説明する。各燃料電池セルユニット１６が発電に伴って発熱すると、仕切板６９のうち燃料ガスタンク上板６８ａに接する中央凸片６９ａと、燃料ガスタンク上板６８ａと離間する周辺凹部６９ｂとを有する奪熱部が、燃料ガスタンク６８の短手方向の中央部分から熱を奪い、周辺部分からは熱を奪わないため、燃料ガスタンク上板６８ａ上に配列された各燃料電池セルユニット１６のうち、中央部分に配列された燃料電池セルユニット１６を冷却する。受熱により高温化した仕切板６９の奪熱部からは、２種の経路により熱が持ち去られる。第1に、燃料供給管６６から吹き出された燃料ガスが、仕切板６９の奪熱部の下方から燃料電池セルユニット１６下部の燃料ガス流路９８に向かって流れる過程において、燃料ガスの一部が仕切板６９の仕切面６９ｃに沿って流動し対流熱伝達により熱が持ち去られる。なお、仕切板６９の奪熱部の周辺凹部６９ｂを通じて燃料ガスが燃料ガスタンク６８内の小部屋間を移動することにより、仕切板６９の奪熱部で受熱し高温化した燃料ガスが滞留することなく、奪熱部の高い熱交換効率が保たれる。第２に、仕切板６９の奪熱部よりも低温となる燃料ガスタンク６８の側面及び底面に対する仕切板６９の接合面（底面固定片６９ｄ、側面固定片６９ｆ）に向かって、仕切板内部の熱伝導により仕切面６９ｂを介して熱が持ち去られる。底面固定片６９ｄ、側面固定片６９ｆが燃料ガスタンク６８に接合された伝熱面積は、奪熱部における伝熱面積よりも大きいため、燃料ガスタンク６８の短手方向の中央部分から熱を奪いやすい。これら２種の熱移動経路を仕切板の適切な断面形状で形成することにより燃料電池セル集合体１２全体の温度分布が緩和される。さらには、仕切板６９の奪熱部から奪った熱が側面固定片６９ｄから逃げるまでの経路上に、燃料ガスタンク６８の短手方向の中央部分以外の周辺部分、より具体的には短手方向の両端に配置された燃料電池セルユニット１６を支持する燃料ガスタンク上板６８ａの部位に伝熱するよう接触する伝熱片６９ｅを仕切板６９が備えているため、燃料ガスタンク６８の短手方向の中央部分の高温を、短手方向の周辺部分の中でも最も温度の低い両端に還元して加熱することができる。これにより、より一層中央部分と周辺部分との温度差が緩和される。

続いて、燃料ガスタンク６８内の燃料ガスの移動の様子について、図１２を参照して説明する。図１２に示すように、燃料供給管６６の下端に設けられたガス噴出孔から燃料ガスが噴出される。燃料供給管６６内の燃料ガスの流量が大きい場合には、燃料ガス供給管６６の内圧が高い状態となるため、ガス噴出孔から噴出の勢いは強く、一方燃料ガスの流量が小さい場合には、噴出の勢いは当然弱くなる。噴出された燃料ガスは、燃料ガスタンク６８の底面に当たると移動方向が変えられて、仕切板６９の設けられた方向に沿って流れる一方で、上昇する。特に燃料ガスが水素である場合には、その質量が極めて小さいことから、燃料ガスは瞬時に上昇する。このように、ガス噴出孔を燃料供給管６６の下端に設けることで、燃料ガスを小部屋全体に拡散させることができる。このため、仕切板６９により区画された空間内で、燃料ガスを均一の流量とすることができる。

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、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およびその配置、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。

２：燃料電池モジュール（固体酸化物型燃料電池装置）
１０：発電室
１２：燃料電池セル集合体
１４：燃料電池セルスタック
１６：燃料電池セルユニット
１８：燃焼室
２０：改質器
２１：整流板
２１ａ：開口
２２：熱交換器
３０：ブッシュ
３６：ガラスシール部
５６：ケーシング
５６ａ：ケーシング底板
６０：被改質ガス供給管
６２：水供給管
６６：燃料供給管
６６ａ：下端側
６６ｂ：小穴
６８：燃料ガスタンク（ガスマニホールド）
６８ａ：燃料ガスタンク上板
６８ｂ：燃料ガスタンク側板
６８ｃ：貫通孔
６９：仕切板
６９ａ：中央凸片
６９ｂ：周辺凹部
６９ｃ：仕切面
６９ｄ：底面固定片
６９ｅ：伝熱片
６９ｆ：側面固定片
６９ｇ： 中央切欠（導通孔）
６９ｈ：燃料ガス供給管用貫通孔
７０：燃焼ガス配管
７２：発電用空気流路
７４：発電用空気導入管
７６：連絡流路
７６ａ：出口ポート
７７：発電用空気供給路
７８ａ，７８ｂ：吹出口（気流生成部）
８２：燃焼ガス排出管
８４：燃料電池セル
８６：内側電極端子
８８：燃料ガス流路
９０：内側電極層
９０ａ：下部
９０ｂ：外周面
９０ｃ：下端面
９２：外側電極層
９４：電解質層
９６：シール材
９６ａ：ガラスシール部
９６ｂ：銀ロウ部
９８：燃料ガス流路
１００：上支持板
１０２：集電体
１０４：外部端子

Claims (4)

1. 酸化剤ガスと燃料ガスとを利用して発電する固体酸化物型の燃料電池装置であって、
   行列配置した複数の燃料電池セルと、
   複数の前記燃料電池セル各々に燃料ガスを供給するよう前記燃料電池セルを立設したガスマニホールドと、
   を内包するケーシングを備え、
   前記ガスマニホールドの内部には、
   前記燃料電池セルの行列のうち、長尺方向に延在し、前記ガスマニホールドの外部から導入した前記燃料ガスを前記ガスマニホールド内部に噴出する燃料ガス供給管と、
   前記ガスマニホールドの内部空間を前記長尺方向に区画するよう、前記ガスマニホールドの底面に対して垂直に配置された、仕切板が配設されており、
   前記仕切板は伝熱性を有するとともに、さらに前記燃料電池セルが配列された前記ガスマニホールドの部位のうち、前記燃料電池セルの行列の短手方向中央部分から奪う熱量が短手方向中央部分以外から奪う熱量よりも多くなるよう設けられた奪熱部と、前記奪熱部から奪った熱を、前記ガスマニホールド内部に流れる前記燃料ガスとの熱交換及び、前記ガスマニホールドの前記短手方向中央部分以外への伝熱に利用して逃がす熱付与部と、を有することを特徴とする燃料電池装置。
2. 前記仕切板は凸形状であり、
   前記凸形状の突出した部分が、前記燃料電池セルが配列されたガスマニホールドの部位のうち、前記燃料電池セルの行列の短手方向中央部分に当接し、
   前記凸形状の突出していない部分が、前記燃料電池セルが配列されたガスマニホールドの部位から離間していることで前記奪熱部を構成していることを特徴とする、請求項１記載の燃料電池装置。
3. 前記奪熱部は前記凸形状の突出した部分に前記燃料ガスが導通する導通孔を有し、前記燃料ガス供給管は前記ガスマニホールドの底面に向けてガスを噴出するよう配設されたことを特徴とする請求項２記載の燃料電池装置。
4. 前記熱付与部はさらに、前記仕切板の前記凸形状の突出していない部分の両端上部に、前記奪熱部を介して奪った熱を前記燃料電池セルが配列されたガスマニホールドの部位のうち、前記燃料電池セルの行列の短手方向中央部分以外の周囲に還元するよう前記燃料電池セルの行列の短手方向中央部分以外の周囲に対応する前記ガスマニホールドの部位と当接する還元部を有することを特徴とする、請求項３に記載された燃料電池装置。

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