燃料電池装置
【課題】 大型化を抑制できる燃料電池装置を提供する。
【解決手段】 本発明の燃料電池装置は、収納容器１６内に設けられた発電室１９内に、柱状の燃料電池セル３を、燃料電池セル３の下端部を固定するとともに燃料電池セル３に第１の反応ガスを供給するためのガスタンク７に立設させた状態で列状に配列して電気的に接続してなるセルスタック装置１と、長尺状の筒状部材２７を有し、内部が燃料電池セル３の外部に供給される第２の反応ガス流路とされた第２の反応ガス流路部材と、を備えるとともに、セルスタック装置１の複数個を、燃料電池セル３の配列方向が、筒状部材２７の長手方向と対応して、かつ筒状部材２７に沿って周回状に配置されていることにより、大型化を抑制することができる。
【解決手段】 本発明の燃料電池装置は、収納容器１６内に設けられた発電室１９内に、柱状の燃料電池セル３を、燃料電池セル３の下端部を固定するとともに燃料電池セル３に第１の反応ガスを供給するためのガスタンク７に立設させた状態で列状に配列して電気的に接続してなるセルスタック装置１と、長尺状の筒状部材２７を有し、内部が燃料電池セル３の外部に供給される第２の反応ガス流路とされた第２の反応ガス流路部材と、を備えるとともに、セルスタック装置１の複数個を、燃料電池セル３の配列方向が、筒状部材２７の長手方向と対応して、かつ筒状部材２７に沿って周回状に配置されていることにより、大型化を抑制することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、収納容器内に複数個の燃料電池セルを収納してなる燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、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）とを用いて電力を得ることができる燃料電池セルを複数個配列してなるセルスタックを収納容器内に収納してなる燃料電池モジュールや、燃料電池モジュールを外装ケース内に収納してなる燃料電池装置が種々提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
このような燃料電池装置は、その用途に応じて、家庭用の小規模のものから、発電所等に用いられる大規模なものまで各種の燃料電池装置が提案されている。
【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】
ところで、大規模発電用の燃料電池装置として、例えば特許文献１に記載の燃料電池装置を大規模発電用にそのまま適用すると、収納容器内に２つのセルスタックを収納してなる燃料電池モジュールを複数個組み合わせる必要があり、燃料電池装置そのものが非常に大型化してしまうという問題があった。
【０００６】
それゆえ、本発明は、大規模発電に用いられる燃料電池装置において、小型化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】
本発明の燃料電池装置は、収納容器内に設けられた発電室内に、柱状の燃料電池セルを、該燃料電池セルの下端部を固定するとともに前記燃料電池セルに第１の反応ガスを供給するためのガスタンクに立設させた状態で列状に配列して電気的に接続してなるセルスタック装置と、長尺状の筒状部材を有し、内部が前記燃料電池セルの外部に供給される第２の反応ガス流路とされた第２の反応ガス流路部材と、を備えるとともに、前記セルスタック装置の複数個を、前記燃料電池セルの配列方向が、前記筒状部材の長手方向と対応して、かつ該筒状部材に沿って周回状に配置されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の燃料電池装置は、セルスタック装置が、燃料電池セルの配列方向が、長尺状の筒状部材の長手方向と対応して、かつ該筒状部材に沿って周回状に配置されていることから、燃料電池装置が大型化することを抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の燃料電池装置を構成するセルスタック装置を示し、（ａ）は側面図、（ｂ）は一部を抜粋した平面図である。
【図２】図１に示すセルスタック装置を収納容器内に収納してなる燃料電池モジュールの一例を概略的に示す断面図である。
【図３】第２の反応ガス流路部材と図２に示すセルスタック装置の配置を説明するための説明図である。
【図４】本発明の燃料電池装置を構成するセルスタック装置の他の例を示す斜視図である。
【図５】図４に示すセルスタック装置を収納容器内に収納してなる燃料電池モジュールの一例を概略的に示す断面図である。
【図６】本発明の燃料電池装置を構成するセルスタック装置のさらに他の例を示す斜視図である。
【図７】第２の反応ガス流路部材と図６に示すセルスタック装置の配置を説明するための説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１は本発明の燃料電池装置を構成するセルスタック装置の一例を示したものであり、（ａ）はセルスタック装置１を概略的に示す側面図、（ｂ）は（ａ）のセルスタック装置１の一部拡大平面図であり、（ａ）で示した点線枠で囲った部分を抜粋して示している。また、同一の部材については同一の番号を付するものとし、以下同様とする。
【００１１】
セルスタック装置１は、内部に第１の反応ガスである燃料ガスが流れるガス流路１３を有して、一対の対向する平坦面をもつ断面が扁平状の導電性支持体１２の一方の平坦面上に内側電極層としての燃料極層８と、固体電解質層９と、外側電極層としての空気極層１０とを順次積層してなるとともに、他方の平坦面のうち空気極層１０が形成されていない部位にインターコネクタ１１を積層してなる柱状（中空平板状）の燃料電池セル３の複数個を、隣接する燃料電池セル３間に集電部材４を介して配置することで、燃料電池セル３同士を電気的に直列に接続してなるセルスタック２が形成される。なお、インターコネクタ１１の外面にはＰ型半導体層１４を設けることもできる。集電部材４を、Ｐ型半導体層１４を介してインターコネクタ１１に接続させることより、両者の接触がオーム接触となって電位降下を少なくし、集電性能の低下を有効に抑制することができる。このＰ型半導体層１４は、空気極層１０の外面に設けることもできる。
【００１２】
なお、以下では、導電性支持体１２のガス流路１３を第１の反応ガスである燃料ガスが流れる形態の燃料電池セル３を例示して説明するが、ガス流路１３の内部を第２の反応ガスである酸素含有ガスが流れる形態の燃料電池セル３とすることもでき、この場合、導電性支持体１２の一方の平坦状に内側電極層としての空気極層と、固体電解質層と、外側電極層としての燃料極とが順次積層された燃料電池セル３とすればよい。
【００１３】
そして、セルスタック２を構成する各燃料電池セル３の下端部が、ガス流路１３を介して燃料電池セル３に燃料ガスを供給するためのガスタンク７にガラスシール材等の接合材により固定されている。また、ガスタンク７の側面に、燃料ガスをガスタンク７内に供給するための燃料ガス供給管１５が接続されている。
【００１４】
また、燃料電池セル３の配列方向の両端から集電部材４を介してセルスタック２を挟持するように、ガスタンク７に下端が固定された導電部材５を具備している。ここで、図１に示す導電部材５においては、燃料電池セル３の配列方向に沿って外側に向けて延びた形状で、セルスタック２（燃料電池セル３）の発電により生じる電流を引出すための電流引出し部６が設けられている。
【００１５】
ちなみに、このようなセルスタック装置１においては、ガス流路１３より排出される燃料ガス（余剰の燃料ガス）を燃料電池セル３の上端部側で燃焼させるように構成することにより燃料電池セル３の温度を上昇させることができる。それにより、セルスタック装置１の起動を早めることができる。
【００１６】
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。
【００１７】
燃料極層８は、一般的に公知のものを使用することができ、多孔質の導電性セラミックス、例えば希土類元素が固溶しているＺｒＯ２（安定化ジルコニアと称する）とＮｉおよび／またはＮｉＯとから形成することができる。
【００１８】
固体電解質層９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、燃料ガスと酸素含有ガスとのリークを防止するためにガス遮断性を有することが必要とされ、３〜１５モル％の希土類元素が固溶したＺｒＯ２から形成される。なお、上記特性を有する限りにおいては、他の材料等を用いて形成してもよい。
【００１９】
空気極層１０は、一般的に用いられるものであれば特に制限はなく、例えば、いわゆるＡＢＯ３型のペロブスカイト型酸化物からなる導電性セラミックスから形成することができる。空気極層１０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。
【００２０】
インターコネクタ１１は、導電性セラミックスから形成することができるが、燃料ガス（水素含有ガス）および酸素含有ガス（空気等）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、それゆえランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物（ＬａＣｒＯ３系酸化物）が好適に使用される。インターコネクタ１１は導電性支持体１２に形成された複数のガス流路１３を流通する燃料ガス、および導電性支持体１２の外側を流通する酸素含有ガス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好ましい。
【００２１】
導電性支持体１２は、燃料ガスを燃料極層８まで透過するためにガス透過性であること、さらには、インターコネクタ１１を介して集電するために導電性であることが要求される。したがって、導電性支持体１２としては、かかる要求を満足するものを材質として採用する必要があり、例えば導電性セラミックスやサーメット等を用いることができる。
【００２２】
ちなみに、燃料電池セル３を作製するにあたり、燃料極層８または固体電解質層９との同時焼成により導電性支持体１２を作製する場合においては、鉄属金属成分と特定希土類酸化物とから導電性支持体１２を形成することが好ましい。また、導電性支持体１２は、所要ガス透過性を備えるために開気孔率が３０％以上、特に３５〜５０％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。
【００２３】
さらに、Ｐ型半導体層１４としては、遷移金属ペロブスカイト型酸化物からなる層を例示することができる。具体的には、インターコネクタ１１を構成するランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物（ＬａＣｒＯ３系酸化物）よりも電子伝導性が大きいもの、例えば、ＢサイトにＭｎ、Ｆｅ、Ｃｏなどが存在するＬａＭｎＯ３系酸化物、ＬａＦｅＯ３系酸化物、ＬａＣｏＯ３系酸化物などの少なくとも一種からなるＰ型半導体セラミックスを使用することができる。このようなＰ型半導体層１４の厚みは、一般に、３０〜１００μｍの範囲にあることが好ましい。
【００２４】
なお、図示はしていないが、固体電解質層９と空気極層１０との間に、固体電解質層９と空気極層１０との接合を強固とするとともに、固体電解質層９の成分と空気極層１０の成分とが反応して電気抵抗の高い反応層が形成されることを抑制する目的で、Ｃｅ（セリウム）と他の希土類元素（ＳｍやＧｄ等）とを含有する組成にて形成される中間層を備えることもできる。
【００２５】
また、図示はしていないが、インターコネクタ１１と導電性支持体１２との間に、イン
ターコネクタ１１と導電性支持体１２との間の熱膨張係数差を軽減する等のために、燃料極層８と類似した組成の密着層を設けることもできる。
【００２６】
上述したセルスタック装置１を、収納容器の内部に複数個配置することで、大規模発電用の燃料電池モジュールとすることができる。
【００２７】
図２は、本発明の燃料電池装置を構成する燃料電池モジュール１６（以下、モジュールという場合がある。）の一例を概略的に示す断面図である。
【００２８】
収納容器１７は、外壁２０にて収納容器１７の外枠が形成された直方体状で、内部にセルスタック装置１を収納するための発電室１９が形成されている。
【００２９】
このような収納容器１７においては、外壁２０の内側に所定間隔をあけて内壁２１が配置され、内壁２１の内側（内壁２１の側壁の内側）に排ガス用内壁２２が配置され、内壁２１と排ガス用内壁２２とで囲まれる空間が発電室１９となっている。
【００３０】
ここで、収納容器１７は外壁２０の側壁と内壁２１の側壁とで形成された空間が第１の流路２３となり、外壁２０の上壁と内壁２１の上壁とで形成された空間が第２の流路２４となり、内壁２１と排ガス用内壁２２とで形成された空間が第４の流路（排ガス流路）２６となる。ここで、内壁２１の上壁には、排ガス用内壁２２よりも内側で、かつ第２の流路２４と通じて発電室１９内に垂下するように配置された、長尺状の筒状部材２７が設けられており、筒状部材２７の内部が、第３の流路２５となり、第２の反応ガス流路の一部をなしている。なお筒状部材２７は、第２の流路２４と反対側の一端が封止されている。
【００３１】
また、発電室１９内に配置されるセルスタック装置１は、燃料電池セル３の配列方向が、筒状部材２７の長手方向と対応するように、かつ筒状部材２７の周囲に沿って周回状に配置されている。すなわち、図２に示すモジュール１６においては、燃料電池セル３の配列方向が上下方向となるようにして、セルスタック装置１が配置されている。
【００３２】
また、収納容器１７の底部には、酸素含有ガス（空気）を収納容器１７内に供給するための酸素含有ガス導入管１８が接続されており、酸素含有ガス導入管１８から供給される酸素含有ガスは酸素含有ガス導入部２８に流れる。なお、内壁２１の底壁と外壁２０の底壁とで形成された空間が酸素含有ガス導入部２８となる。酸素含有ガス導入部２８は、酸素含有ガス導入口２９により第１の流路２３とつながっているため、酸素含有ガス導入部２８を流れた酸素含有ガスは、酸素含有ガス導入口２９を通して、第１の流路２３に流れる。第１の流路２３を上方に向けて流れた酸素含有ガスは、第２の流路２４を発電室１９側（図２に示す収納容器１７おいては外壁２０の上壁に沿った中央部側）に向けて流れたのち、筒状部材２７の内部に設けられた第３の流路２５を下方に向けて流れる。
【００３３】
ここで、図２に示すモジュール１６においては、セルスタック２の燃料電池セル３の配列方向の幅と対応した大きさの板状で、各燃料電池セル３の下端部側に酸素含有ガスを導入するための酸素含有ガス導入孔（図示せず）を備える酸素含有ガス導入部材３４が、筒状部材２７に接続されている。それにより、燃料電池セル３に効率よく酸素含有ガスが供給される。
【００３４】
なお、酸素含有ガス導入部材３４は、セルスタック装置におけるセルスタック２の幅と同じ幅もしくはそれ以上の幅とすることが好ましく、酸素含有ガス導入孔は、各燃料電池セル３に酸素含有ガスを導入することができるよう、燃料電池セル３の配列方向に沿って適宜間隔をあけて複数設けるほか、細長い１つの孔とすることもできる。
【００３５】
一方、燃料電池セル３より排出される排ガスや、燃料電池セル３の上端部側で余剰の燃料ガスを燃焼させることにより生じる排ガスは、発電室１９の上方より第４の流路２６（以下、排ガス流路という場合がある。）に流入する。排ガス流路２６を下方に向けて流れた排ガスは、排ガス収集口３０を通して排ガス収集室３１に流れた後、排ガス収集室３１に接続された排ガス排気管３２を通して収納容器１７の外部に排気される。なお、排ガス用内壁２２の底壁と内壁２１の底壁とで形成された空間が排ガス収集室３１となる。また、図２に示す収納容器１７においては、排ガス排気管３２が、酸素含有ガス導入管１８の内部に設けられた形状（２重管）としているが、それぞれをずらして配置することもできる。
【００３６】
そして、酸素含有ガス導入管１８より導入された酸素含有ガスは、酸素含有ガス導入部２８を流れる間に、排ガス収集室３１を流れる排ガスと熱交換され、第１の流路２３を流れる間に、排ガス流路２６を流れる排ガスと熱交換され、第２の流路２４および第３の流路２５を流れる間に、発電室１９内の熱とで熱交換されることとなる。
【００３７】
それにより、効率よく酸素含有ガスの温度を高めることができることから、燃料電池セル３の発電効率を向上することができる。
【００３８】
なお、収納容器１７の内部には、発電室１９内を高温に維持し、燃料電池セル３の温度が低下して発電量が低減することを抑制するための断熱材３３が適宜配置されており、図２に示す収納容器１７においては、排ガス用内壁２２とガスタンク７との間、排ガス用内壁２２の底壁と酸素含有ガス導入部材３４および筒状部材２７との間にそれぞれ配置されている。
【００３９】
また、図２に示すモジュール１６においては、ガスタンク７に供給する燃料ガスについては、例えば、ガスタンク７に直接供給する構成とするほか、モジュール１６とは別個に原燃料を改質するための改質器を設けて、該改質器にて生成した燃料ガス（改質ガス）をガスタンク７に供給する構成とすることができる。
【００４０】
図３は、筒状部材２７、酸素含有ガス導入部材３４およびセルスタック装置１を抜粋して示す説明図である。
【００４１】
図３においては、筒状部材２７が直方体状であり、直方体状の各側面と対向するように、ガスタンク７に燃料電池セル３が一列だけ配置されたセルスタック装置１が配置されている。そして、燃料電池セル３の配列方向に沿って延びる酸素含有ガス導入部材３４が、筒状部材２７に接続されている。
【００４２】
また、燃料電池セル３の配列方向に沿って延びる酸素含有ガス導入部材３４が、セルスタック２の両側に配置されている。なお、それぞれの酸素含有ガス導入部材３４は、燃料電池セル３に面する側に、複数個の酸素含有ガス導入孔が設けられている（図示せず）。
【００４３】
それにより、酸素含有ガス導入部材３４から効率よく燃料電池セル３に酸素含有ガスを供給することができる。なお、この場合において、酸素含有ガス導入部材３４が、供給された酸素含有ガスが、燃料電池セル３の側方へ通り抜けることを抑制するための流動方向調整部材としての役割を果たすこととなる。それにより、燃料電池セル３の下端側に供給された酸素含有ガスは、燃料電池セル３の側方へ通り抜けることを抑制でき、隣接する燃料電池セル３の間を通って、燃料電池セル３の上端側へ流れることとなる。
【００４４】
なお、酸素含有ガスが燃料電池セル３の側方へ通り抜けることを効率よく抑制するにあたり、酸素含有ガス導入部材３４を燃料電池セル３の側方に接触するように配置して、セ
ルスタック２の側面を覆うように配置することもできる。この場合、燃料電池セル３と酸素含有ガス導入部材３４とが電気的に導通しないようにすることが好ましく、例えば酸素含有ガス導入部材３４を絶縁性の材料より構成するほか、酸素含有ガス導入部材３４の表面に絶縁性のコーティングを施すこともできる。
【００４５】
また、酸素含有ガス導入部材３４を燃料電池セル３の側方に接触しないように配置する場合において、燃料電池セル３と酸素含有ガス導入部材３４との間に、絶縁性の耐熱性部材（断熱材等）を配置することもできる。
【００４６】
なお、酸素含有ガス導入部材３４は、セルスタック２の側面全体を覆う大きさであることが好ましく、セルスタック２の幅方向の長さと同じもしくはそれ以上の幅を有していることが好ましい。
【００４７】
また、セルスタック装置１を筒状部材２７に沿って周回状に配置することで、それぞれのセルスタック装置における温度分布を均一に近づけることができ、セルスタック装置１の発電効率を向上することができる。
【００４８】
さらに、モジュール１６を上述のような構成とすることにより、セルスタック装置１における温度分布のみならず、発電室１９内の温度分布も均一に近づけることができる。それにより、収納容器１７やガスタンク７において、局所的な熱応力や温度差が生じることを抑制することができる。それにより、燃料電池セル３とガスタンク７との接合部が破損することを抑制することができ、セルスタック装置１の耐久性を向上することができるとともに、収納容器１７の耐久性を向上することができる。
【００４９】
なお、セルスタック装置１の発電において、燃料利用率を高めて発電させる場合、すなわち発電に使用されなかった燃料ガスが少ない量となる運転を行った場合に、発電に使用されなかった燃料ガスのエネルギー量が低下し、燃焼温度が下がる場合がある。この場合に、セルスタック２の温度が低下し、燃料電池セル３の発電性能が低下するおそれがある。一方、上述のモジュール１６においては、セルスタック装置１において、発電に使用されなかった燃料ガスを燃焼させるための燃焼部が、筒状部材２７の周囲に配置されていることから、燃焼部が一箇所に集まることとなる。それにより、燃料利用率を高めて発電を行なう場合であっても、全体として燃料ガスのエネルギーを高くすることができることから、燃焼部での燃焼性が低下せず、温度を高く維持することができる。それゆえ、セルスタック２の温度を高く維持することができることから、発電効率を向上することができる。
【００５０】
図４は、セルスタック装置の他の例を示す斜視図であり、図５は図４に示すセルスタック装置を収納容器内に収納してなるモジュールの一例を概略的に示す断面図である。
【００５１】
図４に示すセルスタック装置３５においては、ガスタンク７に燃料電池セル３が一列だけ配置されており、燃料電池セル３の上方に、燃料電池セル３に供給する燃料ガスを生成するための改質器３６が配置されている。なお、改質器３６には、灯油や天然ガス等の原燃料を供給するための原燃料供給管３８が接続されており、内部には原燃料を改質するための改質触媒が配置されている（図示せず）。なお改質器３６においては、改質効率のよい水蒸気改質を行なうことが好ましく、他に部分酸化改質や、部分酸化改質と水蒸気改質とを組み合わせたオートサーマル改質を行ってもよい。なお、改質器３６にて水蒸気改質を行なう場合は、改質器３６に水を供給するための水供給管を別途設けることが好ましい。改質器３６で生成された燃料ガスは、燃料ガス供給管３７を介してガスタンク７に供給されて、燃料電池セル３に供給される。
【００５２】
このようなセルスタック装置３５においては、燃料電池セル３の上端より排出される発電に使用されなかった燃料ガスを燃焼させることで、改質器３６を温めることができる。それにより、改質器３６での改質反応を効率よく行なうことができる。
【００５３】
また、図５は、図４に示すセルスタック装置３５を発電室１９内に収納してなるモジュール３９の断面図を示している。このようなモジュール３９においても、上述したモジュール１６と同様の効果を得ることができる。
【００５４】
また、図５に示すモジュール３９においては、燃料電池セル３に供給する燃料ガスを生成するための改質器３６を発電室１９内に配置してなることから、モジュール１６と別個に改質器を設ける必要がなく、燃料電池装置が大型化することを抑制できる。
【００５５】
なお、図５に示すモジュール３９においては、隣り合うセルスタック装置３５が、燃料ガス供給管３７の位置が上下で逆方向となるように配置している。
【００５６】
改質器３６にて水蒸気改質を行なう場合において、水が供給される側の温度が低く、燃料ガス供給管３７側の温度が高くなる温度分布を生じる場合がある。それゆえ、図５に示すモジュール３９においては、隣り合うセルスタック装置３５を上下逆方向となるようにして配置することで、発電室１９内での温度分布をより均一化できる。
【００５７】
なお、セルスタック装置３５において、特に温度分布が生じない場合においては、必ずしも隣り合うセルスタック装置３５を上下逆方向となるように配置する必要はなく、上下が同じ方向となるように配置してもよい。
【００５８】
図６は、セルスタック装置のさらに他の例を示す斜視図である。
【００５９】
図６に示すセルスタック装置４０は、ガスタンク７にセルスタック２を２つ並置して設けており、該セルスタック２の上方に、コの字状の改質器４１が配置されている。
【００６０】
セルスタック装置４０における改質器４１は、効率のよい改質反応である水蒸気改質を行うことができる構造とすることが好ましく、水を気化させるための気化部４２と、原燃料を燃料ガスに改質するための改質触媒（図示せず）が配置された改質部４３とを備えている。そして、上述の改質器３６と同様に、原燃料供給管３８より供給された原燃料を改質して生成された燃料ガスが、燃料ガス供給管３９を通してガスタンク７に供給され、ガスタンク７より燃料電池セル３の内部に設けられたガス流路１３に供給される。
【００６１】
このような改質器４１においても、燃料電池セル３の上端より排出される発電に使用されなかった燃料ガスを燃焼させることで、改質器４１を効率よく温めることができ、それにより改質反応を効率よく行うことができる。
【００６２】
図７は、筒状部材２７、酸素含有ガス導入部材３４、セルスタック装置４０および後述する流動方向調整部材４４を抜粋して示す説明図である。
【００６３】
図７においては、筒状部材２７が直方体状であり、直方体状の各側面と対向するように、図６に示したセルスタック装置４０配置されている。そして、燃料電池セル３の配列方向に沿って延びる酸素含有ガス導入部材３４が、筒状部材２７に接続されているとともに、ガスタンク７に設けられた２つのセルスタック２の間に配置されている。なお、図示していないが、酸素含有ガス導入部材３４の燃料電池セル３に面する両面で、燃料電池セル３の下端部と対応する部位に、複数個の酸素含有ガス導入孔が設けられている。なお、酸素含有ガス導入部材３４は、セルスタック２の側面全体を覆う大きさであることが好まし
く、セルスタック２の幅方向の長さと同じもしくはそれ以上の幅を有していることが好ましい。
【００６４】
ここで、図７に示すセルスタック装置４０においては、各セルスタック２の酸素含有ガス導入部材３４と反対側の側面に、酸素含有ガスの流動方向を調整するための流動方向調整部材４４が設けられている。
【００６５】
セルスタック２の間に酸素含有ガス導入部材３４が配置されていることから、酸素含有ガス導入部材３４から供給される酸素含有ガスが、燃料電池セル３の側方へ通り抜けてしまい、燃料電池セル３の上端側へ流れなくなるおそれがある。この場合に、燃料電池セル３に十分量の酸素含有ガスが供給されず、発電量が低下するおそれがある。
【００６６】
ここで、図７に示すセルスタック装置４０においては、各セルスタック２の酸素含有ガス導入部材３４と反対側の側面に、流動方向調整部材４４が設けられていることから、酸素含有ガスが燃料電池セル３の側方へ通り抜けることを抑制でき、燃料電池セル３の下端側に供給された酸素含有ガスは、燃料電池セル３の上端側へ流れることとなる。それにより、燃料電池セル３にて効率よく発電することができる。
【００６７】
なお、流動方向調整部材４４は、セルスタック２の側面全体を覆う大きさであることが好ましく、セルスタック２の幅方向の長さと同じもしくはそれ以上の幅を有し、燃料電池セル３の長手方向と同じ長さもしくはそれ以上の幅を有することが好ましい。
【００６８】
また、図７に示すセルスタック装置４０においては、流動方向調整部材４４をガスタンク７に接続して設ける例を示しているが、これに限られるものではなく、筒状部材２７に接続された形状とすることもできる。なお、その場合、燃料電池セル３より排出される排ガスや、燃料電池セル３の上端側で排ガスを燃焼させて生じた燃焼ガスを逃がすための逃がし孔を有していることが好ましい。
【００６９】
なお、酸素含有ガスが燃料電池セル３の側方へ通り抜けることを効率よく抑制するにあたり、流動方向調整部材４４を燃料電池セル３の側方に接触するように配置して、セルスタック２の側面を覆うように配置することもできる。この場合、燃料電池セル３と流動方向調整部材４４が電気的に導通しないようにすることが好ましく、例えば流動方向調整部材４４を絶縁性の材料より構成するほか、流動方向調整部材４４の表面に絶縁性のコーティングを施すこともできる。
【００７０】
そして、上述したモジュール１６、３９等を、モジュール１６、３９を動作させるための補機とあわせて外装容器内に収納することで、大型化を抑制した燃料電池装置とすることができる。
【００７１】
以上、本発明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。
【００７２】
例えば、上述の説明において、筒状部材２７を直方体状として説明したが、円筒状とすることもできる。この場合、セルスタック装置１を円筒状の筒状部材の周囲に沿って配置するとともに、収納容器７を円柱状とすることができる。また、この場合において、全てのセルスタック２の間に、酸素含有ガス導入部材３４を配置して、酸素含有ガス導入部材３４に流動方向調整部材４４の機能を兼ね備えるようにしてもよい。
【００７３】
また、上述の説明において、セルスタック２における燃料電池セル３の配列方向が上下
方向となるようにしたモジュールについて説明したが、燃料電池セル３の配列方向が水平方向となるようにしてモジュールを構成してもよい。
【符号の説明】
【００７４】
１、３５、４０：セルスタック装置
２：セルスタック
３：燃料電池セル
７：ガスタンク
２７：筒状部材
３４：酸素含有ガス導入部材
４４：流動方向調整部材
【技術分野】
【０００１】
本発明は、収納容器内に複数個の燃料電池セルを収納してなる燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、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）とを用いて電力を得ることができる燃料電池セルを複数個配列してなるセルスタックを収納容器内に収納してなる燃料電池モジュールや、燃料電池モジュールを外装ケース内に収納してなる燃料電池装置が種々提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
このような燃料電池装置は、その用途に応じて、家庭用の小規模のものから、発電所等に用いられる大規模なものまで各種の燃料電池装置が提案されている。
【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】
ところで、大規模発電用の燃料電池装置として、例えば特許文献１に記載の燃料電池装置を大規模発電用にそのまま適用すると、収納容器内に２つのセルスタックを収納してなる燃料電池モジュールを複数個組み合わせる必要があり、燃料電池装置そのものが非常に大型化してしまうという問題があった。
【０００６】
それゆえ、本発明は、大規模発電に用いられる燃料電池装置において、小型化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】
本発明の燃料電池装置は、収納容器内に設けられた発電室内に、柱状の燃料電池セルを、該燃料電池セルの下端部を固定するとともに前記燃料電池セルに第１の反応ガスを供給するためのガスタンクに立設させた状態で列状に配列して電気的に接続してなるセルスタック装置と、長尺状の筒状部材を有し、内部が前記燃料電池セルの外部に供給される第２の反応ガス流路とされた第２の反応ガス流路部材と、を備えるとともに、前記セルスタック装置の複数個を、前記燃料電池セルの配列方向が、前記筒状部材の長手方向と対応して、かつ該筒状部材に沿って周回状に配置されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の燃料電池装置は、セルスタック装置が、燃料電池セルの配列方向が、長尺状の筒状部材の長手方向と対応して、かつ該筒状部材に沿って周回状に配置されていることから、燃料電池装置が大型化することを抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の燃料電池装置を構成するセルスタック装置を示し、（ａ）は側面図、（ｂ）は一部を抜粋した平面図である。
【図２】図１に示すセルスタック装置を収納容器内に収納してなる燃料電池モジュールの一例を概略的に示す断面図である。
【図３】第２の反応ガス流路部材と図２に示すセルスタック装置の配置を説明するための説明図である。
【図４】本発明の燃料電池装置を構成するセルスタック装置の他の例を示す斜視図である。
【図５】図４に示すセルスタック装置を収納容器内に収納してなる燃料電池モジュールの一例を概略的に示す断面図である。
【図６】本発明の燃料電池装置を構成するセルスタック装置のさらに他の例を示す斜視図である。
【図７】第２の反応ガス流路部材と図６に示すセルスタック装置の配置を説明するための説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１は本発明の燃料電池装置を構成するセルスタック装置の一例を示したものであり、（ａ）はセルスタック装置１を概略的に示す側面図、（ｂ）は（ａ）のセルスタック装置１の一部拡大平面図であり、（ａ）で示した点線枠で囲った部分を抜粋して示している。また、同一の部材については同一の番号を付するものとし、以下同様とする。
【００１１】
セルスタック装置１は、内部に第１の反応ガスである燃料ガスが流れるガス流路１３を有して、一対の対向する平坦面をもつ断面が扁平状の導電性支持体１２の一方の平坦面上に内側電極層としての燃料極層８と、固体電解質層９と、外側電極層としての空気極層１０とを順次積層してなるとともに、他方の平坦面のうち空気極層１０が形成されていない部位にインターコネクタ１１を積層してなる柱状（中空平板状）の燃料電池セル３の複数個を、隣接する燃料電池セル３間に集電部材４を介して配置することで、燃料電池セル３同士を電気的に直列に接続してなるセルスタック２が形成される。なお、インターコネクタ１１の外面にはＰ型半導体層１４を設けることもできる。集電部材４を、Ｐ型半導体層１４を介してインターコネクタ１１に接続させることより、両者の接触がオーム接触となって電位降下を少なくし、集電性能の低下を有効に抑制することができる。このＰ型半導体層１４は、空気極層１０の外面に設けることもできる。
【００１２】
なお、以下では、導電性支持体１２のガス流路１３を第１の反応ガスである燃料ガスが流れる形態の燃料電池セル３を例示して説明するが、ガス流路１３の内部を第２の反応ガスである酸素含有ガスが流れる形態の燃料電池セル３とすることもでき、この場合、導電性支持体１２の一方の平坦状に内側電極層としての空気極層と、固体電解質層と、外側電極層としての燃料極とが順次積層された燃料電池セル３とすればよい。
【００１３】
そして、セルスタック２を構成する各燃料電池セル３の下端部が、ガス流路１３を介して燃料電池セル３に燃料ガスを供給するためのガスタンク７にガラスシール材等の接合材により固定されている。また、ガスタンク７の側面に、燃料ガスをガスタンク７内に供給するための燃料ガス供給管１５が接続されている。
【００１４】
また、燃料電池セル３の配列方向の両端から集電部材４を介してセルスタック２を挟持するように、ガスタンク７に下端が固定された導電部材５を具備している。ここで、図１に示す導電部材５においては、燃料電池セル３の配列方向に沿って外側に向けて延びた形状で、セルスタック２（燃料電池セル３）の発電により生じる電流を引出すための電流引出し部６が設けられている。
【００１５】
ちなみに、このようなセルスタック装置１においては、ガス流路１３より排出される燃料ガス（余剰の燃料ガス）を燃料電池セル３の上端部側で燃焼させるように構成することにより燃料電池セル３の温度を上昇させることができる。それにより、セルスタック装置１の起動を早めることができる。
【００１６】
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。
【００１７】
燃料極層８は、一般的に公知のものを使用することができ、多孔質の導電性セラミックス、例えば希土類元素が固溶しているＺｒＯ２（安定化ジルコニアと称する）とＮｉおよび／またはＮｉＯとから形成することができる。
【００１８】
固体電解質層９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、燃料ガスと酸素含有ガスとのリークを防止するためにガス遮断性を有することが必要とされ、３〜１５モル％の希土類元素が固溶したＺｒＯ２から形成される。なお、上記特性を有する限りにおいては、他の材料等を用いて形成してもよい。
【００１９】
空気極層１０は、一般的に用いられるものであれば特に制限はなく、例えば、いわゆるＡＢＯ３型のペロブスカイト型酸化物からなる導電性セラミックスから形成することができる。空気極層１０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。
【００２０】
インターコネクタ１１は、導電性セラミックスから形成することができるが、燃料ガス（水素含有ガス）および酸素含有ガス（空気等）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、それゆえランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物（ＬａＣｒＯ３系酸化物）が好適に使用される。インターコネクタ１１は導電性支持体１２に形成された複数のガス流路１３を流通する燃料ガス、および導電性支持体１２の外側を流通する酸素含有ガス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好ましい。
【００２１】
導電性支持体１２は、燃料ガスを燃料極層８まで透過するためにガス透過性であること、さらには、インターコネクタ１１を介して集電するために導電性であることが要求される。したがって、導電性支持体１２としては、かかる要求を満足するものを材質として採用する必要があり、例えば導電性セラミックスやサーメット等を用いることができる。
【００２２】
ちなみに、燃料電池セル３を作製するにあたり、燃料極層８または固体電解質層９との同時焼成により導電性支持体１２を作製する場合においては、鉄属金属成分と特定希土類酸化物とから導電性支持体１２を形成することが好ましい。また、導電性支持体１２は、所要ガス透過性を備えるために開気孔率が３０％以上、特に３５〜５０％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。
【００２３】
さらに、Ｐ型半導体層１４としては、遷移金属ペロブスカイト型酸化物からなる層を例示することができる。具体的には、インターコネクタ１１を構成するランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物（ＬａＣｒＯ３系酸化物）よりも電子伝導性が大きいもの、例えば、ＢサイトにＭｎ、Ｆｅ、Ｃｏなどが存在するＬａＭｎＯ３系酸化物、ＬａＦｅＯ３系酸化物、ＬａＣｏＯ３系酸化物などの少なくとも一種からなるＰ型半導体セラミックスを使用することができる。このようなＰ型半導体層１４の厚みは、一般に、３０〜１００μｍの範囲にあることが好ましい。
【００２４】
なお、図示はしていないが、固体電解質層９と空気極層１０との間に、固体電解質層９と空気極層１０との接合を強固とするとともに、固体電解質層９の成分と空気極層１０の成分とが反応して電気抵抗の高い反応層が形成されることを抑制する目的で、Ｃｅ（セリウム）と他の希土類元素（ＳｍやＧｄ等）とを含有する組成にて形成される中間層を備えることもできる。
【００２５】
また、図示はしていないが、インターコネクタ１１と導電性支持体１２との間に、イン
ターコネクタ１１と導電性支持体１２との間の熱膨張係数差を軽減する等のために、燃料極層８と類似した組成の密着層を設けることもできる。
【００２６】
上述したセルスタック装置１を、収納容器の内部に複数個配置することで、大規模発電用の燃料電池モジュールとすることができる。
【００２７】
図２は、本発明の燃料電池装置を構成する燃料電池モジュール１６（以下、モジュールという場合がある。）の一例を概略的に示す断面図である。
【００２８】
収納容器１７は、外壁２０にて収納容器１７の外枠が形成された直方体状で、内部にセルスタック装置１を収納するための発電室１９が形成されている。
【００２９】
このような収納容器１７においては、外壁２０の内側に所定間隔をあけて内壁２１が配置され、内壁２１の内側（内壁２１の側壁の内側）に排ガス用内壁２２が配置され、内壁２１と排ガス用内壁２２とで囲まれる空間が発電室１９となっている。
【００３０】
ここで、収納容器１７は外壁２０の側壁と内壁２１の側壁とで形成された空間が第１の流路２３となり、外壁２０の上壁と内壁２１の上壁とで形成された空間が第２の流路２４となり、内壁２１と排ガス用内壁２２とで形成された空間が第４の流路（排ガス流路）２６となる。ここで、内壁２１の上壁には、排ガス用内壁２２よりも内側で、かつ第２の流路２４と通じて発電室１９内に垂下するように配置された、長尺状の筒状部材２７が設けられており、筒状部材２７の内部が、第３の流路２５となり、第２の反応ガス流路の一部をなしている。なお筒状部材２７は、第２の流路２４と反対側の一端が封止されている。
【００３１】
また、発電室１９内に配置されるセルスタック装置１は、燃料電池セル３の配列方向が、筒状部材２７の長手方向と対応するように、かつ筒状部材２７の周囲に沿って周回状に配置されている。すなわち、図２に示すモジュール１６においては、燃料電池セル３の配列方向が上下方向となるようにして、セルスタック装置１が配置されている。
【００３２】
また、収納容器１７の底部には、酸素含有ガス（空気）を収納容器１７内に供給するための酸素含有ガス導入管１８が接続されており、酸素含有ガス導入管１８から供給される酸素含有ガスは酸素含有ガス導入部２８に流れる。なお、内壁２１の底壁と外壁２０の底壁とで形成された空間が酸素含有ガス導入部２８となる。酸素含有ガス導入部２８は、酸素含有ガス導入口２９により第１の流路２３とつながっているため、酸素含有ガス導入部２８を流れた酸素含有ガスは、酸素含有ガス導入口２９を通して、第１の流路２３に流れる。第１の流路２３を上方に向けて流れた酸素含有ガスは、第２の流路２４を発電室１９側（図２に示す収納容器１７おいては外壁２０の上壁に沿った中央部側）に向けて流れたのち、筒状部材２７の内部に設けられた第３の流路２５を下方に向けて流れる。
【００３３】
ここで、図２に示すモジュール１６においては、セルスタック２の燃料電池セル３の配列方向の幅と対応した大きさの板状で、各燃料電池セル３の下端部側に酸素含有ガスを導入するための酸素含有ガス導入孔（図示せず）を備える酸素含有ガス導入部材３４が、筒状部材２７に接続されている。それにより、燃料電池セル３に効率よく酸素含有ガスが供給される。
【００３４】
なお、酸素含有ガス導入部材３４は、セルスタック装置におけるセルスタック２の幅と同じ幅もしくはそれ以上の幅とすることが好ましく、酸素含有ガス導入孔は、各燃料電池セル３に酸素含有ガスを導入することができるよう、燃料電池セル３の配列方向に沿って適宜間隔をあけて複数設けるほか、細長い１つの孔とすることもできる。
【００３５】
一方、燃料電池セル３より排出される排ガスや、燃料電池セル３の上端部側で余剰の燃料ガスを燃焼させることにより生じる排ガスは、発電室１９の上方より第４の流路２６（以下、排ガス流路という場合がある。）に流入する。排ガス流路２６を下方に向けて流れた排ガスは、排ガス収集口３０を通して排ガス収集室３１に流れた後、排ガス収集室３１に接続された排ガス排気管３２を通して収納容器１７の外部に排気される。なお、排ガス用内壁２２の底壁と内壁２１の底壁とで形成された空間が排ガス収集室３１となる。また、図２に示す収納容器１７においては、排ガス排気管３２が、酸素含有ガス導入管１８の内部に設けられた形状（２重管）としているが、それぞれをずらして配置することもできる。
【００３６】
そして、酸素含有ガス導入管１８より導入された酸素含有ガスは、酸素含有ガス導入部２８を流れる間に、排ガス収集室３１を流れる排ガスと熱交換され、第１の流路２３を流れる間に、排ガス流路２６を流れる排ガスと熱交換され、第２の流路２４および第３の流路２５を流れる間に、発電室１９内の熱とで熱交換されることとなる。
【００３７】
それにより、効率よく酸素含有ガスの温度を高めることができることから、燃料電池セル３の発電効率を向上することができる。
【００３８】
なお、収納容器１７の内部には、発電室１９内を高温に維持し、燃料電池セル３の温度が低下して発電量が低減することを抑制するための断熱材３３が適宜配置されており、図２に示す収納容器１７においては、排ガス用内壁２２とガスタンク７との間、排ガス用内壁２２の底壁と酸素含有ガス導入部材３４および筒状部材２７との間にそれぞれ配置されている。
【００３９】
また、図２に示すモジュール１６においては、ガスタンク７に供給する燃料ガスについては、例えば、ガスタンク７に直接供給する構成とするほか、モジュール１６とは別個に原燃料を改質するための改質器を設けて、該改質器にて生成した燃料ガス（改質ガス）をガスタンク７に供給する構成とすることができる。
【００４０】
図３は、筒状部材２７、酸素含有ガス導入部材３４およびセルスタック装置１を抜粋して示す説明図である。
【００４１】
図３においては、筒状部材２７が直方体状であり、直方体状の各側面と対向するように、ガスタンク７に燃料電池セル３が一列だけ配置されたセルスタック装置１が配置されている。そして、燃料電池セル３の配列方向に沿って延びる酸素含有ガス導入部材３４が、筒状部材２７に接続されている。
【００４２】
また、燃料電池セル３の配列方向に沿って延びる酸素含有ガス導入部材３４が、セルスタック２の両側に配置されている。なお、それぞれの酸素含有ガス導入部材３４は、燃料電池セル３に面する側に、複数個の酸素含有ガス導入孔が設けられている（図示せず）。
【００４３】
それにより、酸素含有ガス導入部材３４から効率よく燃料電池セル３に酸素含有ガスを供給することができる。なお、この場合において、酸素含有ガス導入部材３４が、供給された酸素含有ガスが、燃料電池セル３の側方へ通り抜けることを抑制するための流動方向調整部材としての役割を果たすこととなる。それにより、燃料電池セル３の下端側に供給された酸素含有ガスは、燃料電池セル３の側方へ通り抜けることを抑制でき、隣接する燃料電池セル３の間を通って、燃料電池セル３の上端側へ流れることとなる。
【００４４】
なお、酸素含有ガスが燃料電池セル３の側方へ通り抜けることを効率よく抑制するにあたり、酸素含有ガス導入部材３４を燃料電池セル３の側方に接触するように配置して、セ
ルスタック２の側面を覆うように配置することもできる。この場合、燃料電池セル３と酸素含有ガス導入部材３４とが電気的に導通しないようにすることが好ましく、例えば酸素含有ガス導入部材３４を絶縁性の材料より構成するほか、酸素含有ガス導入部材３４の表面に絶縁性のコーティングを施すこともできる。
【００４５】
また、酸素含有ガス導入部材３４を燃料電池セル３の側方に接触しないように配置する場合において、燃料電池セル３と酸素含有ガス導入部材３４との間に、絶縁性の耐熱性部材（断熱材等）を配置することもできる。
【００４６】
なお、酸素含有ガス導入部材３４は、セルスタック２の側面全体を覆う大きさであることが好ましく、セルスタック２の幅方向の長さと同じもしくはそれ以上の幅を有していることが好ましい。
【００４７】
また、セルスタック装置１を筒状部材２７に沿って周回状に配置することで、それぞれのセルスタック装置における温度分布を均一に近づけることができ、セルスタック装置１の発電効率を向上することができる。
【００４８】
さらに、モジュール１６を上述のような構成とすることにより、セルスタック装置１における温度分布のみならず、発電室１９内の温度分布も均一に近づけることができる。それにより、収納容器１７やガスタンク７において、局所的な熱応力や温度差が生じることを抑制することができる。それにより、燃料電池セル３とガスタンク７との接合部が破損することを抑制することができ、セルスタック装置１の耐久性を向上することができるとともに、収納容器１７の耐久性を向上することができる。
【００４９】
なお、セルスタック装置１の発電において、燃料利用率を高めて発電させる場合、すなわち発電に使用されなかった燃料ガスが少ない量となる運転を行った場合に、発電に使用されなかった燃料ガスのエネルギー量が低下し、燃焼温度が下がる場合がある。この場合に、セルスタック２の温度が低下し、燃料電池セル３の発電性能が低下するおそれがある。一方、上述のモジュール１６においては、セルスタック装置１において、発電に使用されなかった燃料ガスを燃焼させるための燃焼部が、筒状部材２７の周囲に配置されていることから、燃焼部が一箇所に集まることとなる。それにより、燃料利用率を高めて発電を行なう場合であっても、全体として燃料ガスのエネルギーを高くすることができることから、燃焼部での燃焼性が低下せず、温度を高く維持することができる。それゆえ、セルスタック２の温度を高く維持することができることから、発電効率を向上することができる。
【００５０】
図４は、セルスタック装置の他の例を示す斜視図であり、図５は図４に示すセルスタック装置を収納容器内に収納してなるモジュールの一例を概略的に示す断面図である。
【００５１】
図４に示すセルスタック装置３５においては、ガスタンク７に燃料電池セル３が一列だけ配置されており、燃料電池セル３の上方に、燃料電池セル３に供給する燃料ガスを生成するための改質器３６が配置されている。なお、改質器３６には、灯油や天然ガス等の原燃料を供給するための原燃料供給管３８が接続されており、内部には原燃料を改質するための改質触媒が配置されている（図示せず）。なお改質器３６においては、改質効率のよい水蒸気改質を行なうことが好ましく、他に部分酸化改質や、部分酸化改質と水蒸気改質とを組み合わせたオートサーマル改質を行ってもよい。なお、改質器３６にて水蒸気改質を行なう場合は、改質器３６に水を供給するための水供給管を別途設けることが好ましい。改質器３６で生成された燃料ガスは、燃料ガス供給管３７を介してガスタンク７に供給されて、燃料電池セル３に供給される。
【００５２】
このようなセルスタック装置３５においては、燃料電池セル３の上端より排出される発電に使用されなかった燃料ガスを燃焼させることで、改質器３６を温めることができる。それにより、改質器３６での改質反応を効率よく行なうことができる。
【００５３】
また、図５は、図４に示すセルスタック装置３５を発電室１９内に収納してなるモジュール３９の断面図を示している。このようなモジュール３９においても、上述したモジュール１６と同様の効果を得ることができる。
【００５４】
また、図５に示すモジュール３９においては、燃料電池セル３に供給する燃料ガスを生成するための改質器３６を発電室１９内に配置してなることから、モジュール１６と別個に改質器を設ける必要がなく、燃料電池装置が大型化することを抑制できる。
【００５５】
なお、図５に示すモジュール３９においては、隣り合うセルスタック装置３５が、燃料ガス供給管３７の位置が上下で逆方向となるように配置している。
【００５６】
改質器３６にて水蒸気改質を行なう場合において、水が供給される側の温度が低く、燃料ガス供給管３７側の温度が高くなる温度分布を生じる場合がある。それゆえ、図５に示すモジュール３９においては、隣り合うセルスタック装置３５を上下逆方向となるようにして配置することで、発電室１９内での温度分布をより均一化できる。
【００５７】
なお、セルスタック装置３５において、特に温度分布が生じない場合においては、必ずしも隣り合うセルスタック装置３５を上下逆方向となるように配置する必要はなく、上下が同じ方向となるように配置してもよい。
【００５８】
図６は、セルスタック装置のさらに他の例を示す斜視図である。
【００５９】
図６に示すセルスタック装置４０は、ガスタンク７にセルスタック２を２つ並置して設けており、該セルスタック２の上方に、コの字状の改質器４１が配置されている。
【００６０】
セルスタック装置４０における改質器４１は、効率のよい改質反応である水蒸気改質を行うことができる構造とすることが好ましく、水を気化させるための気化部４２と、原燃料を燃料ガスに改質するための改質触媒（図示せず）が配置された改質部４３とを備えている。そして、上述の改質器３６と同様に、原燃料供給管３８より供給された原燃料を改質して生成された燃料ガスが、燃料ガス供給管３９を通してガスタンク７に供給され、ガスタンク７より燃料電池セル３の内部に設けられたガス流路１３に供給される。
【００６１】
このような改質器４１においても、燃料電池セル３の上端より排出される発電に使用されなかった燃料ガスを燃焼させることで、改質器４１を効率よく温めることができ、それにより改質反応を効率よく行うことができる。
【００６２】
図７は、筒状部材２７、酸素含有ガス導入部材３４、セルスタック装置４０および後述する流動方向調整部材４４を抜粋して示す説明図である。
【００６３】
図７においては、筒状部材２７が直方体状であり、直方体状の各側面と対向するように、図６に示したセルスタック装置４０配置されている。そして、燃料電池セル３の配列方向に沿って延びる酸素含有ガス導入部材３４が、筒状部材２７に接続されているとともに、ガスタンク７に設けられた２つのセルスタック２の間に配置されている。なお、図示していないが、酸素含有ガス導入部材３４の燃料電池セル３に面する両面で、燃料電池セル３の下端部と対応する部位に、複数個の酸素含有ガス導入孔が設けられている。なお、酸素含有ガス導入部材３４は、セルスタック２の側面全体を覆う大きさであることが好まし
く、セルスタック２の幅方向の長さと同じもしくはそれ以上の幅を有していることが好ましい。
【００６４】
ここで、図７に示すセルスタック装置４０においては、各セルスタック２の酸素含有ガス導入部材３４と反対側の側面に、酸素含有ガスの流動方向を調整するための流動方向調整部材４４が設けられている。
【００６５】
セルスタック２の間に酸素含有ガス導入部材３４が配置されていることから、酸素含有ガス導入部材３４から供給される酸素含有ガスが、燃料電池セル３の側方へ通り抜けてしまい、燃料電池セル３の上端側へ流れなくなるおそれがある。この場合に、燃料電池セル３に十分量の酸素含有ガスが供給されず、発電量が低下するおそれがある。
【００６６】
ここで、図７に示すセルスタック装置４０においては、各セルスタック２の酸素含有ガス導入部材３４と反対側の側面に、流動方向調整部材４４が設けられていることから、酸素含有ガスが燃料電池セル３の側方へ通り抜けることを抑制でき、燃料電池セル３の下端側に供給された酸素含有ガスは、燃料電池セル３の上端側へ流れることとなる。それにより、燃料電池セル３にて効率よく発電することができる。
【００６７】
なお、流動方向調整部材４４は、セルスタック２の側面全体を覆う大きさであることが好ましく、セルスタック２の幅方向の長さと同じもしくはそれ以上の幅を有し、燃料電池セル３の長手方向と同じ長さもしくはそれ以上の幅を有することが好ましい。
【００６８】
また、図７に示すセルスタック装置４０においては、流動方向調整部材４４をガスタンク７に接続して設ける例を示しているが、これに限られるものではなく、筒状部材２７に接続された形状とすることもできる。なお、その場合、燃料電池セル３より排出される排ガスや、燃料電池セル３の上端側で排ガスを燃焼させて生じた燃焼ガスを逃がすための逃がし孔を有していることが好ましい。
【００６９】
なお、酸素含有ガスが燃料電池セル３の側方へ通り抜けることを効率よく抑制するにあたり、流動方向調整部材４４を燃料電池セル３の側方に接触するように配置して、セルスタック２の側面を覆うように配置することもできる。この場合、燃料電池セル３と流動方向調整部材４４が電気的に導通しないようにすることが好ましく、例えば流動方向調整部材４４を絶縁性の材料より構成するほか、流動方向調整部材４４の表面に絶縁性のコーティングを施すこともできる。
【００７０】
そして、上述したモジュール１６、３９等を、モジュール１６、３９を動作させるための補機とあわせて外装容器内に収納することで、大型化を抑制した燃料電池装置とすることができる。
【００７１】
以上、本発明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。
【００７２】
例えば、上述の説明において、筒状部材２７を直方体状として説明したが、円筒状とすることもできる。この場合、セルスタック装置１を円筒状の筒状部材の周囲に沿って配置するとともに、収納容器７を円柱状とすることができる。また、この場合において、全てのセルスタック２の間に、酸素含有ガス導入部材３４を配置して、酸素含有ガス導入部材３４に流動方向調整部材４４の機能を兼ね備えるようにしてもよい。
【００７３】
また、上述の説明において、セルスタック２における燃料電池セル３の配列方向が上下
方向となるようにしたモジュールについて説明したが、燃料電池セル３の配列方向が水平方向となるようにしてモジュールを構成してもよい。
【符号の説明】
【００７４】
１、３５、４０：セルスタック装置
２：セルスタック
３：燃料電池セル
７：ガスタンク
２７：筒状部材
３４：酸素含有ガス導入部材
４４：流動方向調整部材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
収納容器内に設けられた発電室内に、柱状の燃料電池セルを、該燃料電池セルの下端部を固定するとともに前記燃料電池セルに第１の反応ガスを供給するためのガスタンクに立設させた状態で列状に配列して電気的に接続してなるセルスタック装置と、長尺状の筒状部材を有し、内部が前記燃料電池セルの外部に供給される第２の反応ガス流路とされた第２の反応ガス流路部材と、を備えるとともに、
前記セルスタック装置の複数個を、前記燃料電池セルの配列方向が、前記筒状部材の長手方向と対応して、かつ該筒状部材に沿って周回状に配置されていることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項２】
前記燃料電池セルの配列方向に沿って設けられ、前記燃料電池セルの下端部側に第２の反応ガス導入孔を備える第２の反応ガス導入部材が、前記筒状部材に接続されてい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】
前記セルスタック装置および前記第２の反応ガス流路部材が、前記燃料電池セルの配列方向が上下方向となるように配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池装置。
【請求項４】
前記ガスタンクに、前記燃料電池セルが列状に配列されたセルスタックが１つ設けられており、前記第２の反応ガス導入部材が、前記セルスタックの両側に設けられてい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】
前記ガスタンクに、前記燃料電池セルが列状に配列されたセルスタックが２つ並置されており、前記第２の反応ガス導入部材が、前記セルスタックの間に配置されているとともに、それぞれの前記セルスタックの前記第２の反応ガス導入部材と反対側に、第２の反応ガスの流動方向を調整するための流動方向調整部材が設けられてい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１】
収納容器内に設けられた発電室内に、柱状の燃料電池セルを、該燃料電池セルの下端部を固定するとともに前記燃料電池セルに第１の反応ガスを供給するためのガスタンクに立設させた状態で列状に配列して電気的に接続してなるセルスタック装置と、長尺状の筒状部材を有し、内部が前記燃料電池セルの外部に供給される第２の反応ガス流路とされた第２の反応ガス流路部材と、を備えるとともに、
前記セルスタック装置の複数個を、前記燃料電池セルの配列方向が、前記筒状部材の長手方向と対応して、かつ該筒状部材に沿って周回状に配置されていることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項２】
前記燃料電池セルの配列方向に沿って設けられ、前記燃料電池セルの下端部側に第２の反応ガス導入孔を備える第２の反応ガス導入部材が、前記筒状部材に接続されてい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】
前記セルスタック装置および前記第２の反応ガス流路部材が、前記燃料電池セルの配列方向が上下方向となるように配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池装置。
【請求項４】
前記ガスタンクに、前記燃料電池セルが列状に配列されたセルスタックが１つ設けられており、前記第２の反応ガス導入部材が、前記セルスタックの両側に設けられてい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】
前記ガスタンクに、前記燃料電池セルが列状に配列されたセルスタックが２つ並置されており、前記第２の反応ガス導入部材が、前記セルスタックの間に配置されているとともに、それぞれの前記セルスタックの前記第２の反応ガス導入部材と反対側に、第２の反応ガスの流動方向を調整するための流動方向調整部材が設けられていることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１３−７７４８５（Ｐ２０１３−７７４８５Ａ）
【公開日】平成２５年４月２５日（２０１３．４．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２１７４０２（Ｐ２０１１−２１７４０２）
【出願日】平成２３年９月３０日（２０１１．９．３０）
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月２５日（２０１３．４．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月３０日（２０１１．９．３０）
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
【Ｆターム（参考）】
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