燃料電池
【課題】燃料電池セル集合体を構成する全ての燃料電池セルに対して、反応ガスを均等に効率よく供給することが可能な燃料電池を提供する。
【解決手段】反応ガスにより作動すると共に立設された複数の燃料電池セル４と、複数の燃料電池セル４からなる燃料電池セル集合体３０の外側に配設された第１の側壁７１及び７２を備え、第１の側壁７１及び７２には、燃料電池セル集合体３０に反応ガスを供給する反応ガス供給穴７１３ａが形成され、燃料電池セル４は、反応ガス供給穴７１３ａから噴出される反応ガスの噴出方向に沿って列状に配設されており、反応ガス供給穴７１３ａは、ここから噴出される反応ガスの一部が、少なくとも第１の側壁７１及び７２に最も近い位置に配設されている燃料電池セル４に掠り、反応ガスの残りの部分が、当該最も近い位置に配設されている燃料電池セル４を掠らないよう形成されている。
【解決手段】反応ガスにより作動すると共に立設された複数の燃料電池セル４と、複数の燃料電池セル４からなる燃料電池セル集合体３０の外側に配設された第１の側壁７１及び７２を備え、第１の側壁７１及び７２には、燃料電池セル集合体３０に反応ガスを供給する反応ガス供給穴７１３ａが形成され、燃料電池セル４は、反応ガス供給穴７１３ａから噴出される反応ガスの噴出方向に沿って列状に配設されており、反応ガス供給穴７１３ａは、ここから噴出される反応ガスの一部が、少なくとも第１の側壁７１及び７２に最も近い位置に配設されている燃料電池セル４に掠り、反応ガスの残りの部分が、当該最も近い位置に配設されている燃料電池セル４を掠らないよう形成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、反応ガスにより作動する複数の燃料電池セルを備えた燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。この固体電解質形燃料電池は、燃料電池セルのアノード電極に燃料ガスとしての水素ガスを供給し、カソード電極に酸化剤ガスとしての空気を供給することで、発電反応を起こすことができるように構成されている。そして、この燃料電池は、通常、複数の燃料電池セルが並設されてなる燃料電池セル集合体を有している。
【０００３】
このような固体電解質形燃料電池として、例えば、複数の燃料電池セルに空気を供給するための空気供給管を、前記燃料電池セル間に、当該燃料電池セルの長手方向に沿って平行に配設した構成を有するものが紹介されている。（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
また、複数の燃料電池セルが収容される発電室（セル室）の壁面に配設され、当該発電室内に突出した空気供給管を有し、当該空気供給管に形成された複数の噴出穴から前記燃料電池セルに向けて空気を送出することで、前記燃料電池セルのカソード電極に空気を供給する固体電解質形燃料電池も紹介されている。（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
そしてまた、複数の燃料電池セルが並設されてなる燃料電池セル集合体を両側面から挟むように発電室内に配設された反応ガス導入部材を有し、当該反応ガス導入部材の下部に設けられた複数の導入開口から発電室内に空気を排出し、前記燃料電池セル集合体の側面に空気を噴き当てるようにした固体電解質形燃料電池も紹介されている。（例えば、特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−１７９８８４号公報
【特許文献２】特開２００８−３００２７６号公報
【特許文献３】特開２００８−３４２０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、燃料電池には、安定した発電反応を効率よく行うことが求められているが、この要求を満たす方法の１つとして、前記燃料電池セル集合体全体を構成する燃料電池セルの各々に対し、反応ガスを均等に供給することが挙げられる。
【０００８】
しかしながら、特許文献１には、複数の燃料電池セルの各々に対し、反応ガスを均等に供給することについては、何ら言及されていない。また、特許文献１に記載された燃料電池は、空気供給管を燃料電池セル同士の間に配設するためのスペースが必要となるため、発電室の小型化を向上させることが困難となる。さらにまた、燃料電池の組み立て時に燃料電池セルと空気供給管とが衝突し、燃料電池セルを破損する等の不具合が生じる虞がある。
【０００９】
また、特許文献２に記載された燃料電池も特許文献１に記載された燃料電池と同様に、空気供給管を配設するためのスペースが必要となると共に、組み立て時に燃料電池セルと空気供給管とが衝突し、燃料電池セルを破損する等の不具合が生じる虞がある。この燃料電池では、発電室内に空気を満遍なく分散させる目的で、空気供給管に複数の噴出穴を開口しているが、燃料電池セル集合体のうち、前記噴出口の近くに配置された燃料電池セルや、遠くに配置された燃料電池セル、あるいは燃料電池セル集合体の中程に配置された燃料電池セルの各々に対し空気を効率よく確実に均等に供給するためのさらなる構成については検討がなされていない。
【００１０】
さらにまた、特許文献３に記載された燃料電池は、反応ガス導入部材の下部に複数の導入開口を設け、当該導入開口から燃料電池セル集合体の側面に空気を噴き当てる構成を備えているが、特許文献２に記載された燃料電池と同様に、前記導入開口の近くに配置された燃料電池セルや、遠くに配置された燃料電池セル、あるいは燃料電池セル集合体の中程に配置された燃料電池セルの各々に対し空気を効率よく確実に均等に供給するためのさらなる構成については検討がなされていない。
【００１１】
本発明は、このような事情に鑑みなされたものであり、複数の燃料電池セルが収容された収容室内に反応ガスを満遍なく供給可能であることは勿論のこと、燃料電池セル集合体を構成する全ての燃料電池セルに対して、反応ガスを均等に効率よく供給することが可能な燃料電池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】
【００１２】
この目的を達成するため本発明は、反応ガスにより作動すると共に立設された複数の燃料電池セルと、前記複数の燃料電池セルからなる燃料電池セル集合体の外側に配設された第１の側壁とを備え、前記第１の側壁には、前記燃料電池セル集合体に前記反応ガスを供給する第１の反応ガス供給穴が形成されてなり、前記燃料電池セルは、前記第１の反応ガス供給穴から噴出される反応ガスの噴出方向に沿って列状に配設されており、前記第１の反応ガス供給穴は、当該第１の反応ガス供給穴から噴出される反応ガスの一部が、少なくとも前記第１の側壁に最も近い位置に配設されている燃料電池セルに掠り、当該反応ガスの残りの部分が、当該最も近い位置に配設されている燃料電池セルを掠らないよう形成されてなる燃料電池を提供するものである。
【００１３】
この構成を備えた燃料電池は、燃料電池セルが、第１の反応ガス供給穴から噴出される反応ガスの噴出方向に沿って列状に配設されており、且つ当該反応ガスの一部が、少なくとも前記第１の側壁に最も近い位置に配設されている燃料電池セル（以後、「第１の側壁側燃料電池セル」ともいう）を掠るため、第１の側壁側燃料電池セルを掠った反応ガスは、当該第１の側壁側燃料電池セルに直接供給される（当たる）ことになる。また、前記反応ガスのうち、前記第１の側壁側燃料電池セルを掠らなかった部分は、当該第１の側壁側燃料電池セルよりも奥に流れるが、この時、前記反応ガスの一部が第１の側壁側燃料電池セルを掠ったことにより生じた気流により、前記奥に流れた反応ガスの一部が、当該第１の側壁側燃料電池セルの次に奥に配設されている燃料電池セル（以後、「次の燃料電池セル」ともいう）を掠ることになる。そして、前記次の燃料電池セルを掠らなかった反応ガスは、前記と同様に順次、掠る部分と掠らない部分とに分かれて、さらに奥へ到達させることができる。したがって、第１の側壁の近くに配設されている燃料電池セルと、第１の側壁から離れた位置（燃料電池セルの列に沿った奥側の位置）に配設されている燃料電池セルに対し、前記反応ガスを均等に効率よく供給することができる。
【００１４】
なお、「掠る」とは、「わずかに触れる」ということであり、本発明では、反応ガスの一部が、燃料電池セルを掠るため、当該燃料電池セルに反応ガスの一部がわずかに触れることになる。
【００１５】
また、本発明に係る燃料電池では、前記第１の反応ガス供給穴は、当該第１の反応ガス供給穴を前記反応ガスの噴出方向に投影した際に、前記燃料電池セルの軸線に干渉しないように形成することができる。
【００１６】
ここで、第１の反応ガス供給穴から噴出された反応ガスは、前記燃料電池セルに直接当たる部分（掠る部分）が大きくなり過ぎると、当該燃料電池セルの前記反応ガスが直接当たった位置において、当該反応ガスの流れに乱れが生じ、当該反応ガスが直接当たった燃料電池セルよりも列方向奥側に配列されている燃料電池セルに反応ガスが届き難くなることが考えられる。本発明では、前述したように、第１の反応ガス供給穴が燃料電池セルの軸線に干渉しないよう形成されているため、当該第１の反応ガス供給穴から噴出された反応ガスのうち、当該燃料電池セルに直接当たる部分を、より確実に掠る程度とすることができる。したがって、前記第１の反応ガス供給穴から噴出された反応ガスのうち、当該燃料電池セルに直接当たる部分（掠る部分）が大きくなり過ぎることがなく、反応ガスの流れに乱れが生じることを、さらに確実に抑制することができる。このため、前記利点に加え、反応ガスを各々の燃料電池セルに、さらに均等に効率よく供給することができる。
【００１７】
また、本発明に係る燃料電池は、前記燃料電池セル集合体の外側に、前記反応ガスの噴出方向に沿って形成された第２の側壁が配設されてなり、前記第１の側壁には、前記第２の側壁と、前記燃料電池セル集合体の当該第２の側壁に最も近い列との間に形成される空間に対向する位置に、第２の反応ガス供給穴が形成されてなり、前記第２の反応ガス供給穴は、前記空間に向けて前記反応ガスを噴出させると共に、当該第２の反応ガス供給穴の径が、前記第１の反応ガス供給穴の径よりも小さく形成されてなるよう構成することができる。
【００１８】
ここで、前記燃料電池セル集合体が収容されている収容室（例えば、発電室）では、前記第２の側壁と、燃料電池セル集合体のうち、当該第２の側壁に最も近い列との間に形成される空間には、反応ガスが供給され難く、反応ガス不足が生じ易くなることが考えられる。したがって、前記第２の側壁に最も近い列を構成する燃料電池セルに、他の燃料電池セルと同様に均等な反応ガスを供給することが難しい場合が生じることが考えられる。本発明では、第１の側壁に、前記空間に向けて反応ガスを噴出させる第２の反応ガス供給穴を形成したため、当該空間に、第２の反応ガス供給穴からも反応ガスを供給することができる。このため、前記空間に反応ガス不足が生じることを抑制でき、反応ガスを他の領域と同様に供給させることができ、前記第２の側壁に最も近い列を構成する燃料電池セルにも他の燃料電池セルと同様に均等な反応ガスを供給することができる。また、前記第２の反応ガス供給穴の径が、第１の反応ガス供給穴の径よりも小さいため、第２の反応ガス供給穴から噴出される反応ガスの流速が、第１の反応ガス供給穴から噴出される反応ガスの流速よりも速くなる。したがって、前記空間に供給される反応ガスを、前記燃料電池セルの列の奥側に位置している燃料電池セルに対しても効率よく到達させることができる。このため、前記利点に加え、反応ガスを各々の燃料電池セルに、より一層均等に効率よく供給することができる。
【００１９】
そしてまた、本発明に係る燃料電池では、第２の反応ガス供給穴を前記反応ガスの噴出方向に投影した際に、前記第２の反応ガス供給穴が前記燃料電池セルに干渉しないよう形成することができる。このように第２の反応ガス供給穴を構成することで、第２の反応ガス供給穴から噴出された反応ガスが燃料電池セルに直接当たることがないため、当該反応ガスの流れが遮られることがなく、前記燃料電池セルの列の奥側に配列されている燃料電池セルに対して当該反応ガスを到達させる際の抵抗を低減させることができる。したがって、前記列の奥側に配列されている燃料電池セルにも、第１の側壁の近くに配列されている燃料電池セルと同様に、効率よく反応ガスを到達させることができる。
【００２０】
さらにまた、本発明に係る燃料電池では、前記第１の側壁には、前記燃料電池セル集合体の前記第２の側壁に最も近い列に対向する位置に、第３の反応ガス供給穴が形成されてなり、前記第３の反応ガス供給穴は、前記第２の側壁に最も近い列に配設された燃料電池セルに向けて前記反応ガスを噴出させるよう構成することができる。ここで、前記第２の反応ガス供給穴の径は、第１の反応ガス供給穴の径よりも小さく、当該第２の反応ガス供給穴から噴出される反応ガスの量が少ないが、このように第３の反応ガス供給穴を形成し、この第３の反応ガス供給穴から反応ガスを噴出させることで、反応ガスの噴出量を補うことができる。なお、第３の反応ガス供給穴は、前記反応ガスの噴出方向に投影した際に、当該第３の反応ガス供給穴の径と、燃料電池セルの軸線とがほぼ一致する位置に形成することが、燃料電池セルに空気を適切に供給するうえで好ましい。
【００２１】
また、本発明に係る燃料電池は、前記第１の反応ガス供給穴を前記燃料電池セルの下部に相当する位置に形成し、前記第２の反応ガス供給穴を前記燃料電池セルの上部に相当する位置に形成することができる。ここで、空気は、上昇流となる性質があるため、前記第１の反応ガス供給穴を介して、当該反応ガスを燃料電池セルの下部から供給することで、個々の燃料電池セルの下から上へ、高さ方向全体に反応ガスをより効率よく供給することができる。一方、燃料電池セル集合体に着目すると、前記第２の側壁に最も近い列の上部において反応ガス不足が生じ易いため、前記第２の反応ガス供給穴を介して、流速の速い反応ガスを燃料電池セルの上部から供給することで、燃料電池セル集合体の全体に反応ガスをより効率よく供給することができる。
【００２２】
そしてまた、本発明に係る燃料電池は、前記第１の反応ガス供給穴を前記燃料電池セルの下部に相当する位置に形成し、前記第２の反応ガス供給穴を前記燃料電池セルの上部及び下部に相当する位置に形成することもできる。このように構成することで、第１の反応ガス供給穴を介して、個々の燃料電池セルの上下方向全体に、反応ガスをより効率よく供給することができることに加え、反応ガス不足が生じ易い燃料電池セル集合体の前記第２の側壁に最も近い列には、反応ガスを下部と上部から供給することができるため、燃料電池セル集合体の全体に反応ガスをより効率よく供給することができる。
【００２３】
さらにまた、本発明に係る燃料電池は、前記第１の反応ガス供給穴を前記燃料電池セルの下部に相当する位置に形成し、前記第２の反応ガス供給穴を前記燃料電池セルの上部に相当する位置に形成し、前記第３の反応ガス供給穴を前記燃料電池セルの上部に相当する位置に形成することもできる。このように構成することで、第１の反応ガス供給穴を介して、個々の燃料電池セルの上下方向全体に、反応ガスをより効率よく供給することができることに加え、反応ガス不足が生じ易い燃料電池セル集合体の前記第２の側壁に最も近い列のうちでも、特に反応ガス不足が生じ易い上部に、第２の反応ガス供給穴及び第３の反応ガス供給穴を介して、反応ガスを上部から供給することができるため、燃料電池セル集合体の全体に反応ガスをより効率よく供給することができる。
【００２４】
また、本発明に係る燃料電池は、前記第１の反応ガス供給穴を前記燃料電池セルの下部に相当する位置に形成し、前記第２の反応ガス供給穴を前記燃料電池セルの上部及び下部に相当する位置に形成し、前記第３の反応ガス供給穴を前記燃料電池セルの上部及び下部に相当する位置に形成することもできる。このように構成することで、第１の反応ガス供給穴を介して、個々の燃料電池セルの上下方向全体に、反応ガスをより効率よく供給することができることに加え、反応ガス不足が生じ易い燃料電池セル集合体の前記第２の側壁に最も近い列に、第２の反応ガス供給穴及び第３の反応ガス供給穴を介して、反応ガスを上部及び下部から供給することができるため、燃料電池セルの配設位置に関わらず、燃料電池セル集合体の全体に反応ガスをより効率よく供給することができる。
【００２５】
そしてまた、本発明に係る燃料電池では、前記第１の側壁には、前記第２の側壁と、前記燃料電池セル集合体の当該第２の側壁に最も近い列との間に形成される空間に対向し且つ前記燃料電池セルの高さ方向中央部に対向する位置に、第４の反応ガス供給穴が形成されてなり、前記第４の反応ガス供給穴は、前記空間の前記燃料電池セルの高さ方向中央部に対向する位置に向けて前記反応ガスを噴出させるよう構成することができる。このように構成することで、第１の反応ガス供給穴を介して、燃料電池セルの下部に反応ガスを噴出すると共に、第２の反応ガス供給穴を介して、燃料電池セル集合体の前記第２の側壁に最も近い列の特に反応ガス不足が生じ易い上部に反応ガスを噴出することに加え、第４の反応ガス供給穴を介して、燃料電池セル集合体の前記第２の側壁に最も近い列に配設されている燃料電池セルの中央部にも反応ガスを噴出させることができる。したがって、個々の燃料電池セルの上下方向全体及び燃料電池セル集合体の全体に反応ガスをより効率よく供給することができる。
【００２６】
また、本発明に係る燃料電池は、第４の反応ガス供給穴の径を、前記第１の反応ガス供給穴の径より小さく形成し、前記第２の反応ガス供給穴の径よりも大きく形成することができる。このように構成することで、反応ガス不足が生じ易い領域である燃料電池セル集合体の前記第２の側壁に最も近い列の上部に行く程、流速の速い反応ガスが供給されることになる。したがって、個々の燃料電池セルの上下方向全体に反応ガスを効率よく供給することができることに加え、燃料電池セルの配設位置に関わらず、燃料電池セル集合体の全体に反応ガスをより効率よく供給することができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、燃料電池セル集合体を構成する全ての燃料電池セルに対して、反応ガスを均等に効率よく供給することが可能であり、優れた発電性能を備えた燃料電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本願発明の実施形態である燃料電池を含む燃料電池システムの全体構成を示す概略構成図である。
【図２】図１に示す燃料電池モジュールを、カバー部材を外した状態で示す斜視図である。
【図３】図２に示す燃料電池モジュールを矢印Ａ方向と垂直な方向に切った断面図である。
【図４】図２に示す燃料電池モジュールを矢印Ｂ方向と垂直な方向に切った断面の一部を模式的に示す断面模式図ある。
【図５】図４に示す燃料電池に供給される空気の流れの一部を模式的に示す平面模式図である。
【図６】図１に示す燃料電池システムの制御的な構成を示すブロック図である。
【図７】図１に示す燃料電池システムの起動時における各部の温度や各部の制御電圧を示すグラフである。
【図８】本発明の他の実施形態に係る燃料電池の一部を模式的に示す断面模式図ある。
【図９】本発明の他の実施形態に係る燃料電池の一部を模式的に示す断面模式図ある。
【図１０】本発明の他の実施形態に係る燃料電池の一部を模式的に示す断面模式図ある。
【図１１】本発明の他の実施形態に係る燃料電池の一部を模式的に示す断面模式図ある。
【図１２】本発明の他の実施形態に係る燃料電池の一部を模式的に示す断面模式図ある。
【図１３】本発明の他の実施形態に係る燃料電池の一部を模式的に示す断面模式図ある。
【図１４】本発明の他の実施形態に係る燃料電池の一部を模式的に示す平面模式図である。
【図１５】図１４に示す燃料電池に供給される空気の流れの一部を模式的に示す平面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
次に、本発明の実施形態に係る燃料電池について図面を参照して説明する。なお、以下に記載される実施形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をこれらの実施形態にのみ限定するものではない。したがって、本発明は、その要旨を逸脱しない限り、様々な形態で実施することができる。
【００３０】
図１は、本願発明の実施形態である燃料電池を含む燃料電池システムの全体構成を示す概略構成図、図２は、図１に示す燃料電池モジュールを、カバー部材を外した状態で示す斜視図、図３は、図２に示す燃料電池モジュールを矢印Ａ方向と垂直な方向に切った断面図、図４は、図２に示す燃料電池モジュールを矢印Ｂ方向と垂直な方向に切った断面の一部を模式的に示す断面模式図、図５は、図４に示す燃料電池に供給される空気の流れの一部を模式的に示す平面模式図、図６は、図１に示す燃料電池システムの制御的な構成を示すブロック図、図７は、図１に示す燃料電池システムの起動時における各部の温度や各部の制御電圧を示すグラフである。なお、前記各図では、説明を判り易くするため、各部材の厚さやサイズ、拡大・縮小率等は、実際のものとは一致させずに記載した。
【００３１】
図１に示すように、本発明に係る燃料電池を含む燃料電池システムＦＣＳは、燃料電池モジュールＦＣＭと、補器ユニットＡＤＵと、貯水タンクＷＰ２と、温水製造装置ＨＷとを備えている。
【００３２】
燃料電池モジュールＦＣＭは、図１〜図３及び図６に示すように、燃料電池ＦＣと、改質器ＲＦと、制御ボックスＣＢと、一酸化炭素検知器ＣＯＤと、可燃ガス検知器ＧＤ１とを備えている。この燃料電池モジュールＦＣＭは、カバー部材１００（図３に、その外形を二点鎖線で示す）を有しており、このカバー部材１００は、正面側の側壁と、長手方向の一対の側壁と、背面側の側壁と、天井とによって直方体状に形成されている。そして、各側壁の下端部には、フランジ部が形成され、そのフランジ部をベース部材２に当接させることで、カバー部材とベース部材２とによって密閉される空間が形成されている。カバー部材とベース部材２とはボルト１０１によって固定され、そのボルト１０１がカバー部材１００に設けられた取り付け穴を貫通し、ベース部材２に設けられた取り付け穴２ａを貫通することで固定されている。
【００３３】
カバー部材１００とベース部材２とによって形成される内部空間は、仕切り板１５によって二つの空間に分離されており、この分離されている空間のうち、上部に位置している空間には、燃料電池ＦＣと及び改質器ＲＦが配設されており、下部に位置している空間が排気ガス室１７である。この仕切り板１５は、ベース部材２に設けられた支持部材１５ａに戴置され、ベース部材２と所定距離を保って保持されている。支持部材１５ａは、仕切り板１５を長手方向の両端において支持するように一対設けられている。従って、一対の支持部材１５ａ、１５ａ間には隙間１５ｂ（流入口）が形成されている。カバー部材の壁面に設けられた排気ガス通路（図示しない）を通った排気ガスは、この隙間１５ｂから排気ガス室１７へと導入される。排気ガス室１７へと導入された排気ガスは、排気口（図示せず）から外部へと排出される。
【００３４】
また、仕切り板１５には、ガスタンク３が載置されており、燃料電池ＦＣは、このガスタンク３上に配設されている。燃料電池ＦＣは、固体電解質形の燃料電池（ＳＯＦＣ；Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）であって、図１〜図３に示すように、発電室ＦＣ１と燃焼室ＦＣ２とを備えている。発電室ＦＣ１には、複数本の燃料電池セル４が立設配置されてなる燃料電池セル集合体３０が配設されている。具体的には、燃料電池セル集合体３０は、図２に示す矢印Ｂ方向に複数本（本実施の形態では、図３に示すように８本）の燃料電池セル４が列状に配設されており、この燃料電池セル４の列が、図２に示す矢印Ａ方向に複数本（図４では簡易的に８列を示している）配設された構成を備えている。
【００３５】
燃料電池セル４は、中空の円筒形を有し、電解質を挟んで内側に燃料極が設けられ、外側に空気極が設けられているものであって、燃料極側に燃料ガスを通し、空気極側に酸化剤ガスとしての空気を通す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。なお、本実施の形態では、ガスタンク３から燃料ガスが、各々の燃料電池セル４の燃料極に供給されるようになっており、後に詳述する空気供給穴７２３ａから空気が、各々の空気極に供給されるようになっている。なお、本実施の形態では、燃料電池セル４の管内（燃料極）を流れるガスは、都市ガス等を改質した改質ガスや水素等の燃料ガスであり、燃料電池セル４の管外（空気極）を流れるガスは、酸素を含む空気等の酸化剤ガスである。
【００３６】
本実施形態の燃料電池ＦＣは、固体電解質形燃料電池（ＳＯＦＣ）であるので、電解質を構成する材料としては、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といった酸素イオン導電性酸化物を用いている。
【００３７】
燃料極を構成する材料としては、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トとの混合体といった材料が用いられる。空気極を構成する材料としては、例えば、Ｓｒ、Ｃａから選ばれる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から選ばれる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から選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンコバルタイト、銀といった材料が用いられる。もっとも、電解質や燃料極及び空気極を構成する材料はこれらに限られるものではない。
【００３８】
発電室ＦＣ１において発電された電気は、電力取出ラインＥＰ１によって発電電力として取り出されて利用される。燃焼室ＦＣ２は、発電室ＦＣ１の上部に位置し、発電室ＦＣ１に配置された燃料電池セル４によって発電反応に利用された残余の燃料ガスを燃焼させる部分である。燃焼室ＦＣ２において燃料ガスが燃焼した結果生じる排気ガスは、改質器ＲＦと熱交換をした後に、後述する排気ガス室１７に送られ、温水製造装置ＨＷへと供給される。温水製造装置ＨＷへと供給された排気ガスは更に熱交換を行い、水道水を昇温して温水とした後に外部へと排出される。
【００３９】
改質器ＲＦは、被改質ガスを改質して燃料ガスとし、燃料電池ＦＣの発電室ＦＣ１へと供給する部分である。被改質ガスの改質態様としては、部分酸化改質反応（ＰＯＸ；Ｐａｒｔｉａｌ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ Ｒｅｆｏｒｍｉｎｇ）、オートサーマル改質反応（ＡＴＲ；Ａｕｔｏ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｒｅｆｏｒｍｉｎｇ）、水蒸気改質反応（ＳＲ；Ｓｔｅａｍ Ｒｅｆｏｒｍｉｎｇ）があり、運転状況に応じて選択的に実行される。改質器ＲＦは、改質部ＲＦ１と、蒸発部ＲＦ２とを備えている。
【００４０】
改質部ＲＦ１は、補器ユニットＡＤＵ側から供給される被改質ガス、空気及び蒸発部ＲＦ２から供給される水蒸気を用いて被改質ガスを改質して燃料ガスとする部分である。これらの被改質ガス、空気及び水蒸気は、燃料電池モジュールＦＣＭの長手方向一端部に配設された配管６Ｃ（管路）を介して供給される。この改質部ＲＦ１には、改質触媒が封入されている。改質触媒としては、アルミナの球体表面にニッケルを付与したもの、アルミナの球体表面にルテニウムを付与したもの、が適宜用いられる。本実施形態の場合、これらの改質触媒は球体である。また、改質部ＲＦ１には、改質器ＲＦにおいて改質された燃料ガスをガスタンク３に供給するための配管６Ｄが連通されている。この配管６Ｄは、燃料電池モジュールＦＣＭの長手方向他端（配管６Ｃと対向した位置）に配設されている。
【００４１】
改質部ＲＦ１に供給される都市ガス及び空気は、被改質ガス供給管６Ａを通って燃料電池モジュールＦＣＭ内に導入される。また、蒸発部ＲＦ２から供給される水蒸気は、改質部ＲＦ１に水蒸気供給管６Ｂ（管路）を通って燃料電池モジュールＦＣＭ内に導入される。被改質ガス供給管６Ａ及び水蒸気供給管６Ｂは、仕切り板１５を挟んで配管６Ｃとは反対側に設けられている混合室１５ｃに繋がっており、被改質ガス供給管６Ａから供給される都市ガス及び空気と、水蒸気供給管６Ｂから供給される水蒸気とは、この混合室１５ｃにおいて混合され、配管６Ｃへと供給される。なお、蒸発部ＲＦ２は、補器ユニットＡＤＵ側から供給される純水を蒸発させて水蒸気とし、その水蒸気を改質部ＲＦ１に供給する部分である。
【００４２】
改質器ＲＦの上方には、流路部材７が設けられている。流路部材７は、空気流路側壁７１及び７２と、空気分配室７３と、空気集約室７４及び７５と、空気流路管７６ａ、７６ｂ、７７ａ及び７７ｂと、側壁７８及び７９を有している。流路部材７は、長手方向に空気流路側壁７１及び７２が、短手方向に側壁７８及び７９が、それぞれ配置され、それらの部材によって箱状となるように形成されている。流路部材７は、改質器ＲＦ及び燃料電池セル集合体３０を覆うように、仕切り板１５に立設されている。
【００４３】
空気分配室７３は、側壁７９の外側上方に取り付けられている。即ち、空気分配室７３は、空気流路側壁７１及び７２と側壁７８及び７９とによって形成される箱状体の外側且つ短手側の上方に取り付けられている。空気分配室７３には、ここに空気を供給するための空気供給管７Ａが連通されている。また、空気分配室７３には、空気流路管７６ａ、７６ｂ、７７ａ及び７７ｂ連通されている。
【００４４】
空気流路管７６ａ及び７６ｂは、空気流路側壁７１及び７２と側壁７８及び７９とによって形成される箱状体の内側且つ長手側の上方に、空気流路側壁７１に沿うように配置されている。空気流路管７６ａは、空気流路側壁７１側に、空気流路管７６ｂは、空気流路管７６ａよりも内側に、それぞれ配置されている。空気流路管７６ａ及び７６ｂの一端は側壁７９を貫通して空気分配室７３に連通されており、他端は空気集約室７４に連通されている。したがって、空気分配室７３に流入した空気は、空気流路管７６ａ及び７６ｂを通り、空気集約室７４へと流れ込んで再合流する。
【００４５】
空気流路管７７ａ及び７７ｂは、空気流路側壁７１及び７２と、側壁７８及び７９とによって形成される箱状体の内側且つ長手側の上方に、空気流路側壁７２に沿うように配置されている。空気流路管７７ａは、空気流路側壁７２側に、空気流路管７７ｂは、空気流路管７７ａよりも内側に、それぞれ配置されている。空気流路管７７ａ及び７７ｂの一端は、側壁７９を貫通して空気分配室７３に連通されており、他端は、空気集約室７５に連通されている。したがって、空気分配室７３に流入した空気は、空気流路管７７ａ及び７７ｂを通り、空気集約室７５へと流れ込んで再合流する。
【００４６】
空気集約室７４及び７５は、側壁７８の内側上方に取り付けられている。即ち、空気集約室７４及び７５は、空気流路側壁７１及び７２と、側壁７８及び７９とによって形成される箱状体の内側且つ短手側の上方に取り付けられている。空気集約室７４は、空気流路側壁７１と密着するように配置されており、空気集約室７４に流れ込んだ空気、空気流路側壁７１へと流れ出すように構成されている。一方、空気集約室７５は、空気流路側壁７２と密着するように配置されており、空気集約室７５に流れ込んだ空気は、空気流路側壁７２へと流れ出すように構成されている。
【００４７】
空気流路側壁７１及び７２は、それぞれが二重壁構造となっていて、各々の内部を空気が流れることができるように構成されている。空気流路側壁７１の燃料電池セル集合体３０に対向する壁面７１３には、燃料電池セル４に空気を供給するための空気供給穴７１３ａ（第１の反応ガス供給穴）が水平方向（図２に示す矢印Ａ方向）に所定間隔をおいて複数開口されている。具体的には、これらの空気供給穴７１３ａは、図４に示すように、壁面７１３に対し垂直な方向（空気が噴出する方向）に投影した際に、燃料電池セル集合体３０を構成する燃料電池セル４の複数列（図４では８列で示す）のうち、空気流路側壁７１に最も近い位置に配設されている互いに隣接した燃料電池セル４の両方の下部を掠るように、両燃料電池セル４の間に跨って形成されている。即ち、空気供給穴７１３ａは、ここから噴出される空気が、燃料電池セル４の下部に掠る部分と掠らない部分とを有するように形成されている。なお、空気供給穴７１３ａから噴出される空気は、空気流路側壁７１及び７２に対し平行な方向（即ち、壁面７１３に対し垂直な方向）に噴出される。
【００４８】
この空気供給穴７１３ａは、図４に示すように、燃料電池セル４の軸線Ｘに干渉しない程度の面積で燃料電池セル４を掠るサイズで形成されている。したがって、空気供給穴７１３ａから噴出された空気は、燃料電池セル４に直接当たる部分が大きくなり過ぎることがなく、掠る程度の量が燃料電池セル４に直接当たることになる。このため、図５に示すように、燃料電池セル４に空気が直接当たった際に、この位置で、空気の流れ（矢印で示す）に乱れが生じることを抑制することができ、空気流路側壁７２側（空気流路側壁７１側から見て奥側）に配設されている燃料電池セル４に空気を十分に到達させることができる。また、空気供給穴７１３ａは、燃料電池セル４の下部に向けて空気を噴出させるため、ここから噴出された空気が上昇流となり、個々の燃料電池セル４の高さ方向全体に空気を効率よく均等に供給することができる。
【００４９】
また、壁面７１３には、燃料電池セル４に空気を供給するための４つの空気供給穴７１４ａ（第２の反応ガス供給穴）が開口されている。これらの空気供給穴７１４ａは、壁面７１３に対し垂直な方向（空気が噴出する方向）に投影した際に、側壁７８と、燃料電池セル集合体３０のうち、側壁７８に最も近い列にとの間に形成される空間Ｓ1（図４参照）に対向する位置であり、燃料電池セル４の下部と上部に相当する位置に、各々１つずつ形成されている。残りの２つの空気供給穴７１４ａは、壁面７１３に対し垂直な方向に投影した際に、側壁７９と、燃料電池セル集合体３０のうち、側壁７９に最も近い列との間に形成される空間Ｓ2（図４参照）に対向する位置であり、燃料電池セル４の下部と上部に相当する位置に、各々１つずつ形成されている。空気供給穴７１４ａから噴出される空気は、空気流路側壁７１及び７２に対し平行な方向（即ち、壁面７１３に対し垂直な方向）に噴出される。
【００５０】
これらの空気供給穴７１４ａは、図４からも判るように、空気供給穴７１３ａよりも小さな径を有している。このため、各々の空気供給穴７１４ａから噴出された空気は、空気供給穴７１３ａから噴出された空気よりも速い速度で奥まで到達することができる。したがって、空気不足が生じ易くなる空間Ｓ1及びＳ2の上部及び下部には、空気供給穴７１４ａから流速の速い空気を供給することができるため、空気不足が解消され、燃料電池セル集合体３０の全体に空気を効率よく均等に供給することができる。
【００５１】
さらにまた、壁面７１３には、燃料電池セル４に空気を供給するための４つの空気供給穴７１５ａ（第３の反応ガス供給穴）が開口されている。これらの空気供給穴７１５ａは、壁面７１３に対し垂直な方向（空気が噴出する方向）に投影した際に、燃料電池セル集合体３０のうち、側壁７８に最も近い列を構成する燃料電池セル４に対向する位置であり、燃料電池セル４の下部と上部に相当する位置に、各々１つずつ形成されている。残りの２つの空気供給穴７１５ａは、壁面７１３に対し垂直な方向に投影した際に、燃料電池セル集合体３０のうち、側壁７９に最も近い列を構成する燃料電池セル４に対向する位置であり、燃料電池セル４の下部と上部に相当する位置に、各々１つずつ形成されている。空気供給穴７１５ａから噴出される空気は、空気流路側壁７１及び７２に対し平行な方向（即ち、壁面７１３に対し垂直な方向）に噴出される。
【００５２】
これらの空気供給穴７１５ａは、図４に示すように、空気供給穴７１５ａを壁面７１３に対し垂直な方向（空気が噴出する方向）に投影した際に、空気供給穴７１５ａの中心が燃料電池セル４の軸線Ｘとほぼ一致するように形成されている。燃料電池セル集合体３０のうち、反応ガス不足が生じ易くなる部分（即ち、側壁７８に最も近い列及び側壁７９に最も近い列）には、空気供給穴７１３ａ及び７１４ａから供給される空気に加え、空気供給穴７１５ａからも空気を供給することができるため、空気不足が解消され、燃料電池セル集合体３０の全体に空気を効率よく均等に供給することができる。
【００５３】
空気流路側壁７２の燃料電池セル集合体３０に対向する壁面７２３は、壁面７１３と対称であり、この壁面７２３には、壁面７１３と同様に、空気供給穴７１３ａと同様の空気供給穴７２３ａ、空気供給穴７１４ａと同様の空気供給穴７２４ａ、空気供給穴７１５ａと同様の空気供給穴７２５ａが形成されている。空気流路側壁７２の燃焼室ＦＣ２に対応する部分には、点火装置挿入穴７２４が設けられ、燃焼ガスと空気との燃焼を開始させるための点火装置（図示しない）が点火装置挿入穴７２４から燃焼室ＦＣ２に突出されている。この点火装置により燃料ガスと空気とが混合して燃焼し、各々の燃料電池セル４は、燃焼室ＦＣ２によって上方から加熱される。また、空気供給穴７１３〜７１５ａ及び７２３ａ〜７２５ａを介して流れ込む空気も、空気流路管７６ａ、７６ｂ、７７ａ、７７ｂ、空気流路側壁７１及び７２を通る間に、燃焼室ＦＣ２における燃焼によって加熱される。
【００５４】
制御ボックスＣＢは、燃料電池システム制御部をその内部に収納し、操作装置や表示装置、報知装置が設けられているものである。
【００５５】
一酸化炭素検知器ＣＯＤは、本来排気ガス通路等を経て外部に排出される排気ガス中のＣＯが、燃料電池モジュールＦＣＭ及び補器ユニットＡＤＵを覆う外部ハウジング（図示せず）へ漏れたかどうかを検知するためのものである。可燃ガス検知器ＧＤ１は、ガス漏れを検知するためのもので、燃料電池モジュールＦＣＭ及び補器ユニットＡＤＵに取り付けられている。
【００５６】
補器ユニットＡＤＵは、燃料電池モジュールＦＣＭに水、被改質ガス、及び空気を供給するための補器を備えるユニットである。補器ユニットＡＤＵは、空気供給部として空気ブロワや流量調整弁等を含む流量調整ユニットＡＰ１ａ及びＡＰ１ｂと、電磁弁ＡＰ２と、燃料供給部として燃料ポンプや流量調整弁等を含む流量調整ユニットＦＰ１と、脱硫器ＦＰ２と、ガス遮断弁ＦＰ４及びＦＰ５と、水供給部として水ポンプや流量調整弁等を含む流量調整ユニットＷＰ１と、可燃ガス検知器ＧＤ２と、を備えている。
【００５７】
外部の空気供給源から供給される空気は、電磁弁ＡＰ２が閉じていれば流量調整ユニットＡＰ１ａ、ＡＰ１ｂに供給されず、電磁弁ＡＰ２が開いていれば流量調整ユニットＡＰ１ａ、ＡＰ１ｂに供給される。流量調整ユニットＡＰ１ａによって流量調整された空気は改質用空気として、ヒータＡＨ１によって昇温され、被改質ガスとの混合部ＭＶに供給される。流量調整ユニットＡＰ１ｂによって流量調整された空気は発電用空気として、ヒータＡＨ２によって昇温され、燃料電池モジュールＦＣＭの発電室ＦＣ１に供給される。発電室ＦＣ１に供給された発電用空気は、燃料電池セル４の空気極に供給される。
【００５８】
外部の燃料供給源から供給される都市ガスは、２連電磁弁であるガス遮断弁ＦＰ４及びガス遮断弁ＦＰ５によってその流入が制御される。ガス遮断弁ＦＰ４、ＦＰ５のいずれもが開いていれば、都市ガスは脱硫器ＦＰ２に供給され、ガス遮断弁ＦＰ４、ＦＰ５のいずれかが閉じていれば、都市ガスは遮断される。脱硫器ＦＰ２に供給された都市ガスは、硫黄成分を除去されて被改質ガスとなり、流量調整ユニットＦＰ１に供給される。流量調整ユニットＦＰ１によって流量調整された被改質ガスは、改質用空気との混合部ＭＶに供給される。混合部ＭＶにおいて混合された被改質ガスと改質用空気とは、燃料電池モジュールＦＣＭの改質器ＲＦに供給される。
【００５９】
外部の水供給源から供給される水道水は、純水とされてから貯水タンクＷＰ２に貯水される。貯水タンクＷＰ２に貯水されている純水は、流量調整ユニットＷＰ１によって流量が調整されて燃料電池モジュールＦＣＭの改質器ＲＦへと供給される。
【００６０】
可燃ガス検知器ＧＤ２は、燃料供給部としての系統であるガス遮断弁ＦＰ５、ガス遮断弁ＦＰ４、脱硫器ＦＰ２、流量調整ユニットＦＰ１において、ガス漏れが発生していわゆる生ガスが外部に放出されないか検知するためのセンサである。
【００６１】
次に、本実施形態に係る燃料電池ＦＣを有する燃料電池システムＦＣＳの制御的な構成について説明する。図６は、燃料電池システムＦＣＳの制御的な構成を示すブロック図である。図６に示すように、燃料電池システムＦＣＳは、燃料電池モジュールＦＣＭと、燃料電池モジュールＦＣＭに空気を供給する空気供給部ＡＰと、燃料電池モジュールＦＣＭに燃料ガスとなる被改質ガスを供給する燃料供給部ＦＰと、燃料電池モジュールＦＣＭに水を供給する水供給部ＷＰと、燃料電池モジュールＦＣＭから電力を取り出す電力取出部ＥＰとを備えている。空気供給部ＡＰ、燃料供給部ＦＰ、水供給部ＷＰ、及び電力取出部ＥＰは補器ユニットＡＤＵに収められている。
【００６２】
燃料電池モジュールＦＣＭ、空気供給部ＡＰ、燃料供給部ＦＰ、水供給部ＷＰ、及び電力取出部ＥＰは、燃料電池システム制御部ＣＳから出力される制御信号に基づいて制御される。燃料電池システム制御部ＳＣは、ＣＰＵ、ＲＯＭ及びＲＡＭといったメモリ、及び制御信号やセンサ信号を授受するためのインターフェイスによって構成されている。燃料電池システム制御部ＳＣには、操作装置ＣＳ１、表示装置ＣＳ２、及び報知装置ＣＳ３が取り付けられている。操作装置ＣＳ１から入力される操作指示信号は、燃料電池システム制御部ＣＳに出力され、燃料電池システム制御部ＣＳは、その操作指示信号に基づいて、燃料電池モジュールＦＣＭ等を制御する。燃料電池システム制御部ＣＳが制御した情報や、所定の警告情報は、表示装置ＣＳ２及び報知装置ＣＳ３に出力される。燃料電池システム制御部ＣＳは、制御ボックスＣＢに収められており、操作装置ＣＳ１、表示装置ＣＳ２、報知装置ＣＳ３は、図示しないボックスに収められている。
【００６３】
燃料電池システム制御部ＣＳには、燃料電池システムＦＣＳの各所に設けられたセンサからセンサ信号が出力される。燃料電池システム制御部ＣＳに信号を出力するセンサとしては、改質器温度センサＤＳ１、スタック温度センサＤＳ２、排気温度センサＤＳ３、改質器内圧力センサＤＳ４、水位センサＤＳ５、水流量センサＤＳ６、燃料流量センサＤＳ７、改質用空気流量センサＤＳ８、発電用空気流量センサＤＳ９、電力状態検出部ＤＳ１０、貯湯状態検出センサＤＳ１１、一酸化炭素検出センサＤＳ１２、可燃ガス検出センサＤＳ１３が設けられている。
【００６４】
改質器温度センサＤＳ１は、改質器ＲＦの温度を測定するためのセンサであって、本実施形態の場合は２つ設けられている。スタック温度センサＤＳ２は、発電室ＦＣ１に配置されている燃料電池セル４の温度を測定するためのセンサであって、複数の燃料電池セル４からなる燃料電池セル集合体の近傍に配置されている。排気温度センサＤＳ３は、燃焼室ＦＣ２から排出される排気ガスの温度を測定するためのセンサであって、燃焼室ＦＣ２から改質器ＲＦ近傍を通って温水製造装置ＨＷに至る経路に配置されている。改質器内圧力センサＤＳ４は、改質器ＲＦ内の圧力を測定するためのセンサである。
【００６５】
水位センサＤＳ５は、貯水タンクＷＰ２の水位を測定するためのセンサであって、本実施形態の場合は４つ設けられている。水流量センサＤＳ６は、補器ユニットＡＤＵから燃料電池モジュールＦＣＭへと供給される純水の流量を測定するためのセンサである。燃料流量センサＤＳ７は、補器ユニットＡＤＵから燃料電池モジュールＦＣＭへと供給される被改質ガスの流量を測定するためのセンサである。改質用空気流量センサＤＳ８は、補器ユニットＡＤＵから燃料電池モジュールＦＣＭの改質器ＲＦへと供給される改質用空気の流量を測定するためのセンサである。発電用空気流量センサＤＳ９は、補器ユニットＡＤＵから燃料電池モジュールＦＣＭへと供給される発電用空気の流量を測定するためのセンサである。
【００６６】
電力状態検出部ＤＳ１０は、センシング手段の集合体であって、燃料電池モジュールＦＣＭから取り出す発電電力の状態を検出する部分である。貯湯状態検出センサＤＳ１１は、センシング手段の集合体であって、温水製造装置ＨＷの貯湯状態を検出する部分である。
【００６７】
一酸化炭素検出センサＤＳ１２は、一酸化炭素検知器ＣＯＤに備えられているセンサであって、燃料電池モジュールＦＣＭ内における一酸化炭素のハウジング内への漏れを検出するセンサである。可燃ガス検出センサＤＳ１３は、可燃ガス検知器ＧＤ１、ＧＤ２に備えられているセンサであって、燃料電池モジュールＦＣＭ及び補器ユニットＡＤＵ内における可燃ガスの漏洩を検出するセンサである。
【００６８】
続いて、燃料電池システムＦＣＳの起動時（起動モード）における各種改質反応の切り替えについて図７を参照しながら説明する。図７は、燃料電池システムＦＣＳの起動時における各部の温度や各部の制御電圧を示すグラフである。
【００６９】
本実施例における燃料電池システムＦＣＳの起動モードにおいては、燃焼運転と、部分酸化改質反応（ＰＯＸ）と、第１オートサーマル改質反応（ＡＴＲ１）と、第２オートサーマル改質反応（ＡＴＲ２）と、水蒸気改質反応（ＳＲ）とを順次切り替えながら改質反応を進行している。
【００７０】
部分酸化改質反応（ＰＯＸ）は、改質器ＳＲに被改質ガスと空気とを供給して行う改質反応であって、化学反応式（１）に示す反応が進行する。
ＣmＨn＋ｘＯ2 → aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2 （１）
この部分酸化改質反応（ＰＯＸ）は発熱反応であるので起動性が高く、燃料電池システムＦＣＳの起動当初において好適な改質反応である。但し、部分酸化改質反応（ＰＯＸ）は、水素収率が理論上少なく、発熱反応を制御するのも難しいことから、燃料電池モジュールＦＣＭへ熱供給が必要な起動当初においてのみ利用されるのが好ましい改質反応である。なお、部分酸化改質反応（ＰＯＸ）のみに着目すれば、空間速度を高く設定するので、例えば改質器ＲＦを分割形成して部分酸化改質反応（ＰＯＸ）専用の改質器を設ける場合には、その専用の改質器を小型化することができる。
【００７１】
水蒸気改質反応（ＳＲ）は、改質器ＳＲに被改質ガスと水蒸気とを供給して行う改質反応であって、化学反応式（２）に示す反応が進行する。
ＣmＨn＋ｘＨ2Ｏ → aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2 （２）
水蒸気改質反応（ＳＲ）は、水素収率が最も高く、高効率な反応である。ただし、水蒸気改質反応（ＳＲ）は、吸熱反応であるので熱源が必要であり、燃料電池システムＦＣＳの起動当初よりはある程度温度が上昇した段階において好適な改質反応である。なお、水蒸気改質反応（ＳＲ）のみに着目すれば、空間速度を低く設定するので、改質器ＲＦが大型化する傾向にある。
【００７２】
第１オートサーマル改質反応（ＡＴＲ１）と第２オートサーマル改質反応（ＡＴＲ２）とからなるオートサーマル改質反応（ＡＴＲ）は、部分酸化改質反応（ＰＯＸ）と水蒸気改質反応（ＳＲ）とが併用された改質反応であって、改質器ＲＦに被改質ガスと空気と水蒸気とを供給して行われる改質反応であり、化学反応式（３）に示す反応が進行する。
ＣmＨn＋ｘＯ2＋ｙＨ2Ｏ → aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2 （３）
オートサーマル改質反応（ＡＴＲ）は、水素収率が部分酸化改質反応（ＰＯＸ）と水蒸気改質反応（ＳＲ）との併用であり、反応熱のバランスが取り易く、部分酸化改質反応（ＰＯＸ）と水蒸気改質反応（ＳＲ）とを繋ぐ反応として好適な改質反応である。本実施例の場合は、水を少なく供給して部分酸化改質反応（ＰＯＸ）により近い第１オートサーマル改質反応（ＡＴＲ１）を先に行い、温度が上昇した後に水を増やすように供給して水蒸気改質反応（ＳＲ）により近い第２オートサーマル改質反応（ＡＴＲ２）を後に行っている。
【００７３】
次に、燃料電池システムＦＣＳの起動モードについて説明する。図７は、横軸に起動開始後の経過時間を取り、左縦軸には各部の温度を取っている。制御電圧であるため特段の目盛りは付していないが、各種電圧及び温度は、図中上方に行くほど高くなる（供給量が増える）ように示している。
【００７４】
まず、改質用空気を増やすように流量調整ユニットＡＰ１ａ、電磁弁ＡＰ２、ヒータＡＨ１、及び混合部ＭＶを制御し、改質器ＲＦに空気を供給する。また、被改質ガスの供給を増やすように流量調整ユニットＦＰ１、ガス遮断弁ＦＰ４、ＦＰ５、及び混合部ＭＶを制御し、改質器ＲＦに被改質ガスを供給する。このように、空気と被改質ガスを供給し、点火装置挿入穴７２４を介して点火装置によって着火して燃焼運転を実行する。この時、発電室ＦＣ１には、前述したように、空気供給穴７１３ａ〜７１５ａ及び７２３ａ〜７２５ａから発電用の空気が供給される。
【００７５】
空気供給穴７１３ａ（７２３ａ）から噴出された空気の一部は、図４及び図５に示すように、先ず、燃料電池セル集合体３０のうち、空気流路側壁７１（７２）に最も近い位置に配設されている燃料電池セル４（図５に示す４ａ）の下部に対し掠る程度に直接当たり、残りの部分（掠らなかった部分）は、図２に示す矢印Ｂ方向に沿って配列された燃料電池セル４の列に沿って奥に流れる。この時、図５に示すように、空気の一部が、燃料電池セル４ａの下部を掠ったことにより生じた気流により、燃料電池セル４ａから奥へ流れた空気の一部が、燃料電池セル４ａの次に奥に配設されている燃料電池セル４（図５に示す４ｂ）の下部を掠ることになる。そして、図５に示すように、燃料電池セル４ｂの下部を掠らなかった残りの空気は、さらに燃料電池セル４の列に沿って奥に流れ、一部が、燃料電池セル４ｂの次に奥に配設されている燃料電池セル４（図５に示す４ｃ）の下部を掠ることになる。さらに残りの空気は、同様に順次、燃料電池セルに対し掠る部分と掠らない部分とに分かれて、さらに奥へ到達される。したがって、空気流路側壁７１（７２）の近くに配設されている燃料電池セル４と、空気流路側壁７１（７２）から離れた位置（燃料電池セルの列に沿った奥側の位置）に配設されている燃料電池セル４に対し空気を均等に効率よく供給することができる。なお、空気供給穴７１３ａ及び７２３ａから噴出した空気は、上昇流となり、燃料電池セル４の下部から上部まで均等に供給される。
【００７６】
空気供給穴７１４ａ及び７２４ａから噴出された空気は、空間Ｓ1及びＳ2を、空気供給穴７１３ａ及び７２３ａから噴出された空気よりも高速で奥まで流れ、空気不足になり易い空間Ｓ1及びＳ2に空気を、他の領域と同様に供給することができる。したがって、燃料電池セル集合体３０のうち、空気不足になり易い、側壁７８及び７９に最も近い列を構成する燃料電池セル４にも、他の燃料電池セル４と同様に空気を均等に供給することができる。なお、燃料電池セル４の下部に相当する位置から噴出された空気は、上昇流となり、燃料電池セル４の下部から上部まで均等に供給される。一方、燃料電池セル４の上部に相当する位置から噴出された空気は、特に空気不足となり易い空間Ｓ1及びＳ2の上部に速やかに到達し、空気不足を補って、燃料電池セル集合体３０に空気を均等に供給する役割を果たす。
【００７７】
空気供給穴７１５ａ及び７２５ａから噴出された空気は、燃料電池セル集合体３０のうち、側壁７８及び７９に最も近い列であって、空気流路側壁７１（７２）に最も近い位置に配設されている燃料電池セル４に直接当たることになる。したがって、燃料電池セル集合体３０のうち、空気不足になり易い領域である、側壁７８及び７９に最も近い列にも、空気を効率よく均等に供給することができる。
【００７８】
なお、空気供給穴７１４ａ、７２４ａ、７１５ａ及び７２５ａは、空気供給穴７１３ａ及び７２３ａよりも径が小さいため、噴出される空気の量が空気供給穴７１３ａ及び７２３ａよりも少ないが、前述した空気不足になり易い領域や空間に対応する位置に、径の小さな４つの空気供給穴７１４ａ、７２４ａ、７１５ａ及び７２５ａを設けたことで、これらの領域や空間に供給される空気量を確保することができる。
【００７９】
このように、発電用の空気は、発電室ＦＣ１内に収容されている各々の燃料電池セル４に対し均等に供給されると共に、個々の燃料電池セル４の上下方向にも均等に供給されることになる。したがって、優れた発電性能を発揮することができる。この発電用空気は、後に詳述する部分酸化改質反応運転（ＰＯＸ運転）、第１オートサーマル改質反応（ＡＴＲ１）、第２オートサーマル改質反応（ＡＴＲ２）、水蒸気改質反応（ＳＲ）の際も同様に均等に供給される。
【００８０】
なお、燃焼運転の実行は、燃焼室ＦＣ２の温度を上昇させて、空気と被改質ガスを自然着火させることで行ってもよい。また、発電室ＦＣ１上方の燃焼室ＦＣ２においては、改質器ＲＦを通過した燃料ガスと発電用空気とが混合して燃焼しており、燃焼室ＦＣ２の温度が徐々に上昇する。
【００８１】
続いて、改質器ＲＦの温度が約３００℃程度になると、部分酸化改質反応（ＰＯＸ）が進行する。部分酸化改質反応（ＰＯＸ）は発熱反応なので、各部の温度が上昇する。部分酸化改質反応（ＰＯＸ）を開始してから所定時間が経過した後、改質用空気の供給量を更に増やして部分酸化改質反応（ＰＯＸ）をより進行させる。
【００８２】
続いて、改質器ＲＦの温度が約６００℃以上になり、且つ燃料電池セル集合体３０の温度が約２５０℃を超えたことを条件として、第１オートサーマル改質反応（ＡＴＲ１）へと移行させる。第１オートサーマル改質反応（ＡＴＲ１）では、改質器ＲＦに供給する改質用空気の流量を減らし、改質器ＲＦに供給する被改質ガスの流量はそのまま維持し、極微量な純水を改質器ＲＦに供給する。オートサーマル改質反応（ＡＴＲ）は、部分酸化改質反応（ＡＴＲ）と水蒸気改質反応（ＳＲ）とを混合した反応であって、熱的に内部バランスが取れるので改質器ＲＦ内では熱自立しながら反応が進行する。また、第１オートサーマル改質反応（ＡＴＲ１）は、空気が比較的多く部分酸化改質反応（ＰＯＸ）に近い反応であり、発熱が支配的な反応となっている。
【００８３】
続いて、改質器ＲＦの温度が６００℃以上となり、且つ燃料電池セル集合体３０の温度が約４００℃を超えたことを条件として、第２オートサーマル改質反応（ＡＴＲ２）へと移行させる。第２オートサーマル改質反応（ＡＴＲ２）では、改質器ＲＦに供給する改質用空気の流量を減らし、改質器ＲＦに供給する被改質ガスの流量も減らし、微量な純水を改質器ＲＦに供給する。第２オートサーマル改質反応（ＡＴＲ２）は、空気が比較的少なく水が多いため水蒸気改質反応（ＳＲ）に近い反応であり、吸熱が支配的な反応となっている。しかしながら、発電室ＦＣ１内の温度が約４００℃を超えているため、吸熱反応が支配的であっても大幅な温度低下を招くことはない。
【００８４】
続いて、改質器ＲＦの温度が６５０℃以上となり、且つ燃料電池セル集合体３０の温度が約６００℃を超えたことを条件として、水蒸気改質反応（ＳＲ）へと移行させる。水蒸気改質反応（ＳＲ）では、改質器ＲＦに供給する改質用空気は遮断し、改質器ＲＦに供給する被改質ガスの流量を減らし、所定量の純水を改質器ＲＦに供給する。この水蒸気改質反応（ＳＲ）は、吸熱反応であるので、燃焼室ＦＣ２からの燃焼熱による熱バランスをとりながら反応が進行する。この段階では、既に起動の最終段階であるため、発電室ＦＣ１内が十分高温に昇温されているので、吸熱反応を主体としても大幅な温度低下を招くことはない。また水蒸気改質反応（ＳＲ）が進行しても燃焼室ＦＣ２では継続して燃焼反応が持続する。
【００８５】
上述したように着火から燃焼工程の進行に合わせて改質工程を切り替えていくことで、発電室ＦＣ１内の温度が徐々に上昇する。発電室ＦＣ１の温度が、燃料電池モジュールＦＣＭを安定的に作動させる定格温度（約７００℃）よりも低い所定の発電温度に達したら、燃料電池モジュールＦＣＭを含む電気回路を閉じる。それにより、燃料電池モジュールＦＣＭは発電を開始し、回路に電流が流れて外部に電力を供給することができる。燃料電池セル４の発電により、燃料電池セル４自体も発熱し、更に、燃料電池セル４の温度が上昇する。その結果、燃料電池モジュールＦＣＭを作動させる定格温度、例えば７００〜８００℃になる。
【００８６】
その後、定格温度を維持するために、燃料電池セル４で消費される燃料ガス及び空気の量よりも多い量の燃料ガス及び空気を供給し、燃焼室ＦＣ２での燃焼を継続させる。なお、発電中は、改質効率の高い水蒸気改質反応（ＳＲ）で発電が進行する。水蒸気改質反応（ＳＲ）自体は、厳密には４００〜８００℃程度で行われるが、燃料電池セル４との組み合わせにおいては５００〜７００℃程度で反応が進行する。
【００８７】
なお、本実施形態では、空気流路側壁７１に空気供給穴７１３ａ〜７１５ａを形成し、空気流路側壁７２に空気供給穴７２３ａ〜７２５ａを形成した場合について説明したが、これに限らず、例えば、図８に示すように、空気供給穴７１４ａ、７１５ａ、７２４ａ及び７２５ａを形成せず、空気流路側壁７１及び７２に、空気供給穴７１３ａ及び７２３ａのみを各々形成してもよい。この構成の場合、空気供給穴７１３ａは、空気が噴出する方向に投影した際に、空間Ｓ1側に配列されている燃料電池セル４に掠り、掠らない部分が空間Ｓ1に向けて噴出される位置、及び、空間Ｓ2側に配列されている燃料電池セル４に掠り、掠らない部分が空間Ｓ2に向けて噴出される位置にも形成することが、燃料電池セル集合体３０全体に均等に空気を供給する上で望ましい。
【００８８】
また、本発明の他の実施態様としては、例えば、図９に示すように、空気流路側壁７１に、図４に示す空気供給穴７１３ａを形成すると共に、燃料電池セル４の下部に相当する位置に空気供給穴７１４ａを形成してもよい。なお、空気流路側壁７２も同様の構成である。
【００８９】
そしてまた、本発明の他の実施態様としては、例えば、図１０に示すように、空気流路側壁７１に、図９に示す空気供給穴７１３ａ及び７１４ａを形成すると共に、燃料電池セル４の下部に相当する位置に空気供給穴７１５ａを形成してもよい。なお、空気流路側壁７２も同様の構成である。
【００９０】
また、本発明の他の実施態様としては、例えば、図１１に示すように、空気流路側壁７１に、図８に示す空気供給穴７１３ａを設けると共に、燃料電池セル４の上部に相当する位置に空気供給穴７１４ａを形成してもよい。なお、空気流路側壁７２も同様の構成である。
【００９１】
さらにまた、本発明の他の実施態様としては、例えば、図１２に示すように、空気流路側壁７１に、図１１に示す空気供給穴７１３ａ及び７１４ａを形成すると共に、空間Ｓ1及びＳ2に対向し且つ燃料電池セル４の中央部に相当する位置に、空気供給穴７１６ａを各々形成してもよい。これらの空気供給穴７１６ａは、図１２に示すように、空気供給穴７１３ａよりも径が小さく、空気供給穴７１４ａよりも径が大きいサイズを有している。なお、空気流路側壁７２も空気供給穴７１６ａと同様の空気供給穴７２６ａを形成してもよい。このように、図１１に示す構成に加え、空気流路側壁７１に空気供給穴７１６ａを追加で形成（空気流路側壁７２には、空気供給穴７２６ａを形成）することで、空間Ｓ1及びＳ2の燃料電池セル４の中央部に相当する位置に、空気を噴出させることができる。したがって、燃料電池セル集合体３０のうち、空気不足になり易い側壁７８及び７９に最も近い列を構成する燃料電池セル４の中央部にも空気を供給することができ、燃料電池セル集合体３０の全体に空気を均等により効率よく供給することができる。また、空気供給穴の径は、上部に配設されている空気供給穴ほど小さく形成されているため、上部に行く程、流速の速い空気が供給されることになる。このため、特に空気不足となる空間Ｓ1及びＳ2の上部にも空気を確実に到達させることができるため、燃料電池セル４の配設位置に関わらず、空気を均等により効率よく供給することができる。
【００９２】
また、本実施の形態では、図２に示す矢印Ａ方向に隣接した２本の燃料電池セル４に跨った形状の空気供給穴７１３ａ及び７２３ａを形成した場合について説明したが、これに限らず、例えば、図１３に示すように、壁面７１３に対し垂直な方向（空気が噴出する方向）に投影した際に、空気供給穴７１３ａ（７２３ａ）は、空気供給穴７１３ａ（７２３ａ）から噴出された空気が、１列の燃料電池セル４に対し、掠る部分と、掠らない部分とを有するような形状（サイズ）で形成してもよい。この構成の場合、本実施形態よりも空気供給穴７１３ａ（７２３ａ）の開口面積が小さくなるため、空気供給穴７１３ａ（７２３ａ）から噴出される空気供給量を確保する目的で、１列の燃料電池セル４の図１３でいう右側に掠る部分を有する空気供給穴７１３ａ（７２３ａ）と、１列の燃料電池セル４の図１３でいう左側に掠る部分を有する空気供給穴７１３ａ（７２３ａ）を形成する等、空気供給穴７１３ａ（７２３ａ）の形成数を多くしてもよい。
【００９３】
また、本実施形態では、燃料電池モジュールＦＣＭ内に、空気流路側壁７１及び７２を配設し、これらの壁面７１３及び７２３に空気供給穴を形成した場合について説明したが、これに限らず、空気供給穴は、所望により、壁面７１３及び７２３のいずれか一方にのみ形成してもよい。この場合、空気供給穴を形成しない側壁は、配設しなくてもよい。
【００９４】
そしてまた、本実施形態では、二重壁構造を有する空気流路側壁７１及び７２を配設した場合について説明したが、これに限らず、空気流路側壁７１及び７２は、空気供給穴を形成可能な壁面を有し、不必要な領域に空気を漏らすことなく、発電室ＦＣ１内に空気を供給することが可能であれば、他の構成を備えていてもよい。例えば、カバー部材１００との間に密閉空間を形成する側壁をカバー部材１００に設け、当該密閉空間に供給された空気を、側壁に形成された空気供給穴から噴出させるようにしてもよい。
【００９５】
また、本実施形態では、壁面７１３及び７２３に対し垂直な方向（側壁７８及び７９に対し平行な方向）に空気が噴出されるによう、各々の空気供給穴を形成した場合について説明したが、これに限らず、例えば、図１４に示すように、空気供給穴７１３ａは、ここから噴出される空気が、空気流路側壁７１の壁面７１３に対し斜め方向（図１４に示す角度α）に噴出されるよう、空気供給穴７１３ａを画定する内壁を壁面７１３に対し斜めに形成してもよい。この場合、各々の燃料電池セル４は、空気供給穴７１３ａから噴出される空気の噴出方向に沿って、壁面７１３に対し斜めに列状に配設され、空気供給穴７１３ａは、ここから噴出される空気が燃料電池セル４に掠る部分と掠らない部分とを有するよう形成される。この構成では、図１５に示すように、空気供給穴７１３ａから噴出される空気は、燃料電池セル４の列方向に沿って、壁面７１３に対し斜めに流れ、前述した形態と同様の効果を得ることができる。なお、空気供給穴７１４ａ、７１５ａ、７２４ａ及び７２５ａについても同様に壁面に対し斜めに形成してもよい。
【００９６】
そしてまた、本実施形態では、円筒形状の燃料電池セル４を配設した場合について説明したが、これに限らず、燃料電池セル４は、例えば、平板型であってもよい。
【符号の説明】
【００９７】
４…燃料電池セル、 ３０…燃料電池セル集合体、 ７１、７２…空気流路側壁、 ７８、７９…側壁、 ７１３、７２３…壁面、 ７１３ａ、７１４ａ、７１５ａ、７１６ａ、７２３ａ、７２４ａ、７２５ａ…空気供給穴、 ＦＣ…燃料電池、 ＦＣＭ…燃料電池モジュール、 ＦＣ１…発電室、 ＦＣ２…燃焼室、 ＦＣＳ…燃料電池システム
【技術分野】
【０００１】
本発明は、反応ガスにより作動する複数の燃料電池セルを備えた燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。この固体電解質形燃料電池は、燃料電池セルのアノード電極に燃料ガスとしての水素ガスを供給し、カソード電極に酸化剤ガスとしての空気を供給することで、発電反応を起こすことができるように構成されている。そして、この燃料電池は、通常、複数の燃料電池セルが並設されてなる燃料電池セル集合体を有している。
【０００３】
このような固体電解質形燃料電池として、例えば、複数の燃料電池セルに空気を供給するための空気供給管を、前記燃料電池セル間に、当該燃料電池セルの長手方向に沿って平行に配設した構成を有するものが紹介されている。（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
また、複数の燃料電池セルが収容される発電室（セル室）の壁面に配設され、当該発電室内に突出した空気供給管を有し、当該空気供給管に形成された複数の噴出穴から前記燃料電池セルに向けて空気を送出することで、前記燃料電池セルのカソード電極に空気を供給する固体電解質形燃料電池も紹介されている。（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
そしてまた、複数の燃料電池セルが並設されてなる燃料電池セル集合体を両側面から挟むように発電室内に配設された反応ガス導入部材を有し、当該反応ガス導入部材の下部に設けられた複数の導入開口から発電室内に空気を排出し、前記燃料電池セル集合体の側面に空気を噴き当てるようにした固体電解質形燃料電池も紹介されている。（例えば、特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−１７９８８４号公報
【特許文献２】特開２００８−３００２７６号公報
【特許文献３】特開２００８−３４２０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、燃料電池には、安定した発電反応を効率よく行うことが求められているが、この要求を満たす方法の１つとして、前記燃料電池セル集合体全体を構成する燃料電池セルの各々に対し、反応ガスを均等に供給することが挙げられる。
【０００８】
しかしながら、特許文献１には、複数の燃料電池セルの各々に対し、反応ガスを均等に供給することについては、何ら言及されていない。また、特許文献１に記載された燃料電池は、空気供給管を燃料電池セル同士の間に配設するためのスペースが必要となるため、発電室の小型化を向上させることが困難となる。さらにまた、燃料電池の組み立て時に燃料電池セルと空気供給管とが衝突し、燃料電池セルを破損する等の不具合が生じる虞がある。
【０００９】
また、特許文献２に記載された燃料電池も特許文献１に記載された燃料電池と同様に、空気供給管を配設するためのスペースが必要となると共に、組み立て時に燃料電池セルと空気供給管とが衝突し、燃料電池セルを破損する等の不具合が生じる虞がある。この燃料電池では、発電室内に空気を満遍なく分散させる目的で、空気供給管に複数の噴出穴を開口しているが、燃料電池セル集合体のうち、前記噴出口の近くに配置された燃料電池セルや、遠くに配置された燃料電池セル、あるいは燃料電池セル集合体の中程に配置された燃料電池セルの各々に対し空気を効率よく確実に均等に供給するためのさらなる構成については検討がなされていない。
【００１０】
さらにまた、特許文献３に記載された燃料電池は、反応ガス導入部材の下部に複数の導入開口を設け、当該導入開口から燃料電池セル集合体の側面に空気を噴き当てる構成を備えているが、特許文献２に記載された燃料電池と同様に、前記導入開口の近くに配置された燃料電池セルや、遠くに配置された燃料電池セル、あるいは燃料電池セル集合体の中程に配置された燃料電池セルの各々に対し空気を効率よく確実に均等に供給するためのさらなる構成については検討がなされていない。
【００１１】
本発明は、このような事情に鑑みなされたものであり、複数の燃料電池セルが収容された収容室内に反応ガスを満遍なく供給可能であることは勿論のこと、燃料電池セル集合体を構成する全ての燃料電池セルに対して、反応ガスを均等に効率よく供給することが可能な燃料電池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】
【００１２】
この目的を達成するため本発明は、反応ガスにより作動すると共に立設された複数の燃料電池セルと、前記複数の燃料電池セルからなる燃料電池セル集合体の外側に配設された第１の側壁とを備え、前記第１の側壁には、前記燃料電池セル集合体に前記反応ガスを供給する第１の反応ガス供給穴が形成されてなり、前記燃料電池セルは、前記第１の反応ガス供給穴から噴出される反応ガスの噴出方向に沿って列状に配設されており、前記第１の反応ガス供給穴は、当該第１の反応ガス供給穴から噴出される反応ガスの一部が、少なくとも前記第１の側壁に最も近い位置に配設されている燃料電池セルに掠り、当該反応ガスの残りの部分が、当該最も近い位置に配設されている燃料電池セルを掠らないよう形成されてなる燃料電池を提供するものである。
【００１３】
この構成を備えた燃料電池は、燃料電池セルが、第１の反応ガス供給穴から噴出される反応ガスの噴出方向に沿って列状に配設されており、且つ当該反応ガスの一部が、少なくとも前記第１の側壁に最も近い位置に配設されている燃料電池セル（以後、「第１の側壁側燃料電池セル」ともいう）を掠るため、第１の側壁側燃料電池セルを掠った反応ガスは、当該第１の側壁側燃料電池セルに直接供給される（当たる）ことになる。また、前記反応ガスのうち、前記第１の側壁側燃料電池セルを掠らなかった部分は、当該第１の側壁側燃料電池セルよりも奥に流れるが、この時、前記反応ガスの一部が第１の側壁側燃料電池セルを掠ったことにより生じた気流により、前記奥に流れた反応ガスの一部が、当該第１の側壁側燃料電池セルの次に奥に配設されている燃料電池セル（以後、「次の燃料電池セル」ともいう）を掠ることになる。そして、前記次の燃料電池セルを掠らなかった反応ガスは、前記と同様に順次、掠る部分と掠らない部分とに分かれて、さらに奥へ到達させることができる。したがって、第１の側壁の近くに配設されている燃料電池セルと、第１の側壁から離れた位置（燃料電池セルの列に沿った奥側の位置）に配設されている燃料電池セルに対し、前記反応ガスを均等に効率よく供給することができる。
【００１４】
なお、「掠る」とは、「わずかに触れる」ということであり、本発明では、反応ガスの一部が、燃料電池セルを掠るため、当該燃料電池セルに反応ガスの一部がわずかに触れることになる。
【００１５】
また、本発明に係る燃料電池では、前記第１の反応ガス供給穴は、当該第１の反応ガス供給穴を前記反応ガスの噴出方向に投影した際に、前記燃料電池セルの軸線に干渉しないように形成することができる。
【００１６】
ここで、第１の反応ガス供給穴から噴出された反応ガスは、前記燃料電池セルに直接当たる部分（掠る部分）が大きくなり過ぎると、当該燃料電池セルの前記反応ガスが直接当たった位置において、当該反応ガスの流れに乱れが生じ、当該反応ガスが直接当たった燃料電池セルよりも列方向奥側に配列されている燃料電池セルに反応ガスが届き難くなることが考えられる。本発明では、前述したように、第１の反応ガス供給穴が燃料電池セルの軸線に干渉しないよう形成されているため、当該第１の反応ガス供給穴から噴出された反応ガスのうち、当該燃料電池セルに直接当たる部分を、より確実に掠る程度とすることができる。したがって、前記第１の反応ガス供給穴から噴出された反応ガスのうち、当該燃料電池セルに直接当たる部分（掠る部分）が大きくなり過ぎることがなく、反応ガスの流れに乱れが生じることを、さらに確実に抑制することができる。このため、前記利点に加え、反応ガスを各々の燃料電池セルに、さらに均等に効率よく供給することができる。
【００１７】
また、本発明に係る燃料電池は、前記燃料電池セル集合体の外側に、前記反応ガスの噴出方向に沿って形成された第２の側壁が配設されてなり、前記第１の側壁には、前記第２の側壁と、前記燃料電池セル集合体の当該第２の側壁に最も近い列との間に形成される空間に対向する位置に、第２の反応ガス供給穴が形成されてなり、前記第２の反応ガス供給穴は、前記空間に向けて前記反応ガスを噴出させると共に、当該第２の反応ガス供給穴の径が、前記第１の反応ガス供給穴の径よりも小さく形成されてなるよう構成することができる。
【００１８】
ここで、前記燃料電池セル集合体が収容されている収容室（例えば、発電室）では、前記第２の側壁と、燃料電池セル集合体のうち、当該第２の側壁に最も近い列との間に形成される空間には、反応ガスが供給され難く、反応ガス不足が生じ易くなることが考えられる。したがって、前記第２の側壁に最も近い列を構成する燃料電池セルに、他の燃料電池セルと同様に均等な反応ガスを供給することが難しい場合が生じることが考えられる。本発明では、第１の側壁に、前記空間に向けて反応ガスを噴出させる第２の反応ガス供給穴を形成したため、当該空間に、第２の反応ガス供給穴からも反応ガスを供給することができる。このため、前記空間に反応ガス不足が生じることを抑制でき、反応ガスを他の領域と同様に供給させることができ、前記第２の側壁に最も近い列を構成する燃料電池セルにも他の燃料電池セルと同様に均等な反応ガスを供給することができる。また、前記第２の反応ガス供給穴の径が、第１の反応ガス供給穴の径よりも小さいため、第２の反応ガス供給穴から噴出される反応ガスの流速が、第１の反応ガス供給穴から噴出される反応ガスの流速よりも速くなる。したがって、前記空間に供給される反応ガスを、前記燃料電池セルの列の奥側に位置している燃料電池セルに対しても効率よく到達させることができる。このため、前記利点に加え、反応ガスを各々の燃料電池セルに、より一層均等に効率よく供給することができる。
【００１９】
そしてまた、本発明に係る燃料電池では、第２の反応ガス供給穴を前記反応ガスの噴出方向に投影した際に、前記第２の反応ガス供給穴が前記燃料電池セルに干渉しないよう形成することができる。このように第２の反応ガス供給穴を構成することで、第２の反応ガス供給穴から噴出された反応ガスが燃料電池セルに直接当たることがないため、当該反応ガスの流れが遮られることがなく、前記燃料電池セルの列の奥側に配列されている燃料電池セルに対して当該反応ガスを到達させる際の抵抗を低減させることができる。したがって、前記列の奥側に配列されている燃料電池セルにも、第１の側壁の近くに配列されている燃料電池セルと同様に、効率よく反応ガスを到達させることができる。
【００２０】
さらにまた、本発明に係る燃料電池では、前記第１の側壁には、前記燃料電池セル集合体の前記第２の側壁に最も近い列に対向する位置に、第３の反応ガス供給穴が形成されてなり、前記第３の反応ガス供給穴は、前記第２の側壁に最も近い列に配設された燃料電池セルに向けて前記反応ガスを噴出させるよう構成することができる。ここで、前記第２の反応ガス供給穴の径は、第１の反応ガス供給穴の径よりも小さく、当該第２の反応ガス供給穴から噴出される反応ガスの量が少ないが、このように第３の反応ガス供給穴を形成し、この第３の反応ガス供給穴から反応ガスを噴出させることで、反応ガスの噴出量を補うことができる。なお、第３の反応ガス供給穴は、前記反応ガスの噴出方向に投影した際に、当該第３の反応ガス供給穴の径と、燃料電池セルの軸線とがほぼ一致する位置に形成することが、燃料電池セルに空気を適切に供給するうえで好ましい。
【００２１】
また、本発明に係る燃料電池は、前記第１の反応ガス供給穴を前記燃料電池セルの下部に相当する位置に形成し、前記第２の反応ガス供給穴を前記燃料電池セルの上部に相当する位置に形成することができる。ここで、空気は、上昇流となる性質があるため、前記第１の反応ガス供給穴を介して、当該反応ガスを燃料電池セルの下部から供給することで、個々の燃料電池セルの下から上へ、高さ方向全体に反応ガスをより効率よく供給することができる。一方、燃料電池セル集合体に着目すると、前記第２の側壁に最も近い列の上部において反応ガス不足が生じ易いため、前記第２の反応ガス供給穴を介して、流速の速い反応ガスを燃料電池セルの上部から供給することで、燃料電池セル集合体の全体に反応ガスをより効率よく供給することができる。
【００２２】
そしてまた、本発明に係る燃料電池は、前記第１の反応ガス供給穴を前記燃料電池セルの下部に相当する位置に形成し、前記第２の反応ガス供給穴を前記燃料電池セルの上部及び下部に相当する位置に形成することもできる。このように構成することで、第１の反応ガス供給穴を介して、個々の燃料電池セルの上下方向全体に、反応ガスをより効率よく供給することができることに加え、反応ガス不足が生じ易い燃料電池セル集合体の前記第２の側壁に最も近い列には、反応ガスを下部と上部から供給することができるため、燃料電池セル集合体の全体に反応ガスをより効率よく供給することができる。
【００２３】
さらにまた、本発明に係る燃料電池は、前記第１の反応ガス供給穴を前記燃料電池セルの下部に相当する位置に形成し、前記第２の反応ガス供給穴を前記燃料電池セルの上部に相当する位置に形成し、前記第３の反応ガス供給穴を前記燃料電池セルの上部に相当する位置に形成することもできる。このように構成することで、第１の反応ガス供給穴を介して、個々の燃料電池セルの上下方向全体に、反応ガスをより効率よく供給することができることに加え、反応ガス不足が生じ易い燃料電池セル集合体の前記第２の側壁に最も近い列のうちでも、特に反応ガス不足が生じ易い上部に、第２の反応ガス供給穴及び第３の反応ガス供給穴を介して、反応ガスを上部から供給することができるため、燃料電池セル集合体の全体に反応ガスをより効率よく供給することができる。
【００２４】
また、本発明に係る燃料電池は、前記第１の反応ガス供給穴を前記燃料電池セルの下部に相当する位置に形成し、前記第２の反応ガス供給穴を前記燃料電池セルの上部及び下部に相当する位置に形成し、前記第３の反応ガス供給穴を前記燃料電池セルの上部及び下部に相当する位置に形成することもできる。このように構成することで、第１の反応ガス供給穴を介して、個々の燃料電池セルの上下方向全体に、反応ガスをより効率よく供給することができることに加え、反応ガス不足が生じ易い燃料電池セル集合体の前記第２の側壁に最も近い列に、第２の反応ガス供給穴及び第３の反応ガス供給穴を介して、反応ガスを上部及び下部から供給することができるため、燃料電池セルの配設位置に関わらず、燃料電池セル集合体の全体に反応ガスをより効率よく供給することができる。
【００２５】
そしてまた、本発明に係る燃料電池では、前記第１の側壁には、前記第２の側壁と、前記燃料電池セル集合体の当該第２の側壁に最も近い列との間に形成される空間に対向し且つ前記燃料電池セルの高さ方向中央部に対向する位置に、第４の反応ガス供給穴が形成されてなり、前記第４の反応ガス供給穴は、前記空間の前記燃料電池セルの高さ方向中央部に対向する位置に向けて前記反応ガスを噴出させるよう構成することができる。このように構成することで、第１の反応ガス供給穴を介して、燃料電池セルの下部に反応ガスを噴出すると共に、第２の反応ガス供給穴を介して、燃料電池セル集合体の前記第２の側壁に最も近い列の特に反応ガス不足が生じ易い上部に反応ガスを噴出することに加え、第４の反応ガス供給穴を介して、燃料電池セル集合体の前記第２の側壁に最も近い列に配設されている燃料電池セルの中央部にも反応ガスを噴出させることができる。したがって、個々の燃料電池セルの上下方向全体及び燃料電池セル集合体の全体に反応ガスをより効率よく供給することができる。
【００２６】
また、本発明に係る燃料電池は、第４の反応ガス供給穴の径を、前記第１の反応ガス供給穴の径より小さく形成し、前記第２の反応ガス供給穴の径よりも大きく形成することができる。このように構成することで、反応ガス不足が生じ易い領域である燃料電池セル集合体の前記第２の側壁に最も近い列の上部に行く程、流速の速い反応ガスが供給されることになる。したがって、個々の燃料電池セルの上下方向全体に反応ガスを効率よく供給することができることに加え、燃料電池セルの配設位置に関わらず、燃料電池セル集合体の全体に反応ガスをより効率よく供給することができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、燃料電池セル集合体を構成する全ての燃料電池セルに対して、反応ガスを均等に効率よく供給することが可能であり、優れた発電性能を備えた燃料電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本願発明の実施形態である燃料電池を含む燃料電池システムの全体構成を示す概略構成図である。
【図２】図１に示す燃料電池モジュールを、カバー部材を外した状態で示す斜視図である。
【図３】図２に示す燃料電池モジュールを矢印Ａ方向と垂直な方向に切った断面図である。
【図４】図２に示す燃料電池モジュールを矢印Ｂ方向と垂直な方向に切った断面の一部を模式的に示す断面模式図ある。
【図５】図４に示す燃料電池に供給される空気の流れの一部を模式的に示す平面模式図である。
【図６】図１に示す燃料電池システムの制御的な構成を示すブロック図である。
【図７】図１に示す燃料電池システムの起動時における各部の温度や各部の制御電圧を示すグラフである。
【図８】本発明の他の実施形態に係る燃料電池の一部を模式的に示す断面模式図ある。
【図９】本発明の他の実施形態に係る燃料電池の一部を模式的に示す断面模式図ある。
【図１０】本発明の他の実施形態に係る燃料電池の一部を模式的に示す断面模式図ある。
【図１１】本発明の他の実施形態に係る燃料電池の一部を模式的に示す断面模式図ある。
【図１２】本発明の他の実施形態に係る燃料電池の一部を模式的に示す断面模式図ある。
【図１３】本発明の他の実施形態に係る燃料電池の一部を模式的に示す断面模式図ある。
【図１４】本発明の他の実施形態に係る燃料電池の一部を模式的に示す平面模式図である。
【図１５】図１４に示す燃料電池に供給される空気の流れの一部を模式的に示す平面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
次に、本発明の実施形態に係る燃料電池について図面を参照して説明する。なお、以下に記載される実施形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をこれらの実施形態にのみ限定するものではない。したがって、本発明は、その要旨を逸脱しない限り、様々な形態で実施することができる。
【００３０】
図１は、本願発明の実施形態である燃料電池を含む燃料電池システムの全体構成を示す概略構成図、図２は、図１に示す燃料電池モジュールを、カバー部材を外した状態で示す斜視図、図３は、図２に示す燃料電池モジュールを矢印Ａ方向と垂直な方向に切った断面図、図４は、図２に示す燃料電池モジュールを矢印Ｂ方向と垂直な方向に切った断面の一部を模式的に示す断面模式図、図５は、図４に示す燃料電池に供給される空気の流れの一部を模式的に示す平面模式図、図６は、図１に示す燃料電池システムの制御的な構成を示すブロック図、図７は、図１に示す燃料電池システムの起動時における各部の温度や各部の制御電圧を示すグラフである。なお、前記各図では、説明を判り易くするため、各部材の厚さやサイズ、拡大・縮小率等は、実際のものとは一致させずに記載した。
【００３１】
図１に示すように、本発明に係る燃料電池を含む燃料電池システムＦＣＳは、燃料電池モジュールＦＣＭと、補器ユニットＡＤＵと、貯水タンクＷＰ２と、温水製造装置ＨＷとを備えている。
【００３２】
燃料電池モジュールＦＣＭは、図１〜図３及び図６に示すように、燃料電池ＦＣと、改質器ＲＦと、制御ボックスＣＢと、一酸化炭素検知器ＣＯＤと、可燃ガス検知器ＧＤ１とを備えている。この燃料電池モジュールＦＣＭは、カバー部材１００（図３に、その外形を二点鎖線で示す）を有しており、このカバー部材１００は、正面側の側壁と、長手方向の一対の側壁と、背面側の側壁と、天井とによって直方体状に形成されている。そして、各側壁の下端部には、フランジ部が形成され、そのフランジ部をベース部材２に当接させることで、カバー部材とベース部材２とによって密閉される空間が形成されている。カバー部材とベース部材２とはボルト１０１によって固定され、そのボルト１０１がカバー部材１００に設けられた取り付け穴を貫通し、ベース部材２に設けられた取り付け穴２ａを貫通することで固定されている。
【００３３】
カバー部材１００とベース部材２とによって形成される内部空間は、仕切り板１５によって二つの空間に分離されており、この分離されている空間のうち、上部に位置している空間には、燃料電池ＦＣと及び改質器ＲＦが配設されており、下部に位置している空間が排気ガス室１７である。この仕切り板１５は、ベース部材２に設けられた支持部材１５ａに戴置され、ベース部材２と所定距離を保って保持されている。支持部材１５ａは、仕切り板１５を長手方向の両端において支持するように一対設けられている。従って、一対の支持部材１５ａ、１５ａ間には隙間１５ｂ（流入口）が形成されている。カバー部材の壁面に設けられた排気ガス通路（図示しない）を通った排気ガスは、この隙間１５ｂから排気ガス室１７へと導入される。排気ガス室１７へと導入された排気ガスは、排気口（図示せず）から外部へと排出される。
【００３４】
また、仕切り板１５には、ガスタンク３が載置されており、燃料電池ＦＣは、このガスタンク３上に配設されている。燃料電池ＦＣは、固体電解質形の燃料電池（ＳＯＦＣ；Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）であって、図１〜図３に示すように、発電室ＦＣ１と燃焼室ＦＣ２とを備えている。発電室ＦＣ１には、複数本の燃料電池セル４が立設配置されてなる燃料電池セル集合体３０が配設されている。具体的には、燃料電池セル集合体３０は、図２に示す矢印Ｂ方向に複数本（本実施の形態では、図３に示すように８本）の燃料電池セル４が列状に配設されており、この燃料電池セル４の列が、図２に示す矢印Ａ方向に複数本（図４では簡易的に８列を示している）配設された構成を備えている。
【００３５】
燃料電池セル４は、中空の円筒形を有し、電解質を挟んで内側に燃料極が設けられ、外側に空気極が設けられているものであって、燃料極側に燃料ガスを通し、空気極側に酸化剤ガスとしての空気を通す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。なお、本実施の形態では、ガスタンク３から燃料ガスが、各々の燃料電池セル４の燃料極に供給されるようになっており、後に詳述する空気供給穴７２３ａから空気が、各々の空気極に供給されるようになっている。なお、本実施の形態では、燃料電池セル４の管内（燃料極）を流れるガスは、都市ガス等を改質した改質ガスや水素等の燃料ガスであり、燃料電池セル４の管外（空気極）を流れるガスは、酸素を含む空気等の酸化剤ガスである。
【００３６】
本実施形態の燃料電池ＦＣは、固体電解質形燃料電池（ＳＯＦＣ）であるので、電解質を構成する材料としては、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といった酸素イオン導電性酸化物を用いている。
【００３７】
燃料極を構成する材料としては、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トとの混合体といった材料が用いられる。空気極を構成する材料としては、例えば、Ｓｒ、Ｃａから選ばれる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から選ばれる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から選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンコバルタイト、銀といった材料が用いられる。もっとも、電解質や燃料極及び空気極を構成する材料はこれらに限られるものではない。
【００３８】
発電室ＦＣ１において発電された電気は、電力取出ラインＥＰ１によって発電電力として取り出されて利用される。燃焼室ＦＣ２は、発電室ＦＣ１の上部に位置し、発電室ＦＣ１に配置された燃料電池セル４によって発電反応に利用された残余の燃料ガスを燃焼させる部分である。燃焼室ＦＣ２において燃料ガスが燃焼した結果生じる排気ガスは、改質器ＲＦと熱交換をした後に、後述する排気ガス室１７に送られ、温水製造装置ＨＷへと供給される。温水製造装置ＨＷへと供給された排気ガスは更に熱交換を行い、水道水を昇温して温水とした後に外部へと排出される。
【００３９】
改質器ＲＦは、被改質ガスを改質して燃料ガスとし、燃料電池ＦＣの発電室ＦＣ１へと供給する部分である。被改質ガスの改質態様としては、部分酸化改質反応（ＰＯＸ；Ｐａｒｔｉａｌ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ Ｒｅｆｏｒｍｉｎｇ）、オートサーマル改質反応（ＡＴＲ；Ａｕｔｏ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｒｅｆｏｒｍｉｎｇ）、水蒸気改質反応（ＳＲ；Ｓｔｅａｍ Ｒｅｆｏｒｍｉｎｇ）があり、運転状況に応じて選択的に実行される。改質器ＲＦは、改質部ＲＦ１と、蒸発部ＲＦ２とを備えている。
【００４０】
改質部ＲＦ１は、補器ユニットＡＤＵ側から供給される被改質ガス、空気及び蒸発部ＲＦ２から供給される水蒸気を用いて被改質ガスを改質して燃料ガスとする部分である。これらの被改質ガス、空気及び水蒸気は、燃料電池モジュールＦＣＭの長手方向一端部に配設された配管６Ｃ（管路）を介して供給される。この改質部ＲＦ１には、改質触媒が封入されている。改質触媒としては、アルミナの球体表面にニッケルを付与したもの、アルミナの球体表面にルテニウムを付与したもの、が適宜用いられる。本実施形態の場合、これらの改質触媒は球体である。また、改質部ＲＦ１には、改質器ＲＦにおいて改質された燃料ガスをガスタンク３に供給するための配管６Ｄが連通されている。この配管６Ｄは、燃料電池モジュールＦＣＭの長手方向他端（配管６Ｃと対向した位置）に配設されている。
【００４１】
改質部ＲＦ１に供給される都市ガス及び空気は、被改質ガス供給管６Ａを通って燃料電池モジュールＦＣＭ内に導入される。また、蒸発部ＲＦ２から供給される水蒸気は、改質部ＲＦ１に水蒸気供給管６Ｂ（管路）を通って燃料電池モジュールＦＣＭ内に導入される。被改質ガス供給管６Ａ及び水蒸気供給管６Ｂは、仕切り板１５を挟んで配管６Ｃとは反対側に設けられている混合室１５ｃに繋がっており、被改質ガス供給管６Ａから供給される都市ガス及び空気と、水蒸気供給管６Ｂから供給される水蒸気とは、この混合室１５ｃにおいて混合され、配管６Ｃへと供給される。なお、蒸発部ＲＦ２は、補器ユニットＡＤＵ側から供給される純水を蒸発させて水蒸気とし、その水蒸気を改質部ＲＦ１に供給する部分である。
【００４２】
改質器ＲＦの上方には、流路部材７が設けられている。流路部材７は、空気流路側壁７１及び７２と、空気分配室７３と、空気集約室７４及び７５と、空気流路管７６ａ、７６ｂ、７７ａ及び７７ｂと、側壁７８及び７９を有している。流路部材７は、長手方向に空気流路側壁７１及び７２が、短手方向に側壁７８及び７９が、それぞれ配置され、それらの部材によって箱状となるように形成されている。流路部材７は、改質器ＲＦ及び燃料電池セル集合体３０を覆うように、仕切り板１５に立設されている。
【００４３】
空気分配室７３は、側壁７９の外側上方に取り付けられている。即ち、空気分配室７３は、空気流路側壁７１及び７２と側壁７８及び７９とによって形成される箱状体の外側且つ短手側の上方に取り付けられている。空気分配室７３には、ここに空気を供給するための空気供給管７Ａが連通されている。また、空気分配室７３には、空気流路管７６ａ、７６ｂ、７７ａ及び７７ｂ連通されている。
【００４４】
空気流路管７６ａ及び７６ｂは、空気流路側壁７１及び７２と側壁７８及び７９とによって形成される箱状体の内側且つ長手側の上方に、空気流路側壁７１に沿うように配置されている。空気流路管７６ａは、空気流路側壁７１側に、空気流路管７６ｂは、空気流路管７６ａよりも内側に、それぞれ配置されている。空気流路管７６ａ及び７６ｂの一端は側壁７９を貫通して空気分配室７３に連通されており、他端は空気集約室７４に連通されている。したがって、空気分配室７３に流入した空気は、空気流路管７６ａ及び７６ｂを通り、空気集約室７４へと流れ込んで再合流する。
【００４５】
空気流路管７７ａ及び７７ｂは、空気流路側壁７１及び７２と、側壁７８及び７９とによって形成される箱状体の内側且つ長手側の上方に、空気流路側壁７２に沿うように配置されている。空気流路管７７ａは、空気流路側壁７２側に、空気流路管７７ｂは、空気流路管７７ａよりも内側に、それぞれ配置されている。空気流路管７７ａ及び７７ｂの一端は、側壁７９を貫通して空気分配室７３に連通されており、他端は、空気集約室７５に連通されている。したがって、空気分配室７３に流入した空気は、空気流路管７７ａ及び７７ｂを通り、空気集約室７５へと流れ込んで再合流する。
【００４６】
空気集約室７４及び７５は、側壁７８の内側上方に取り付けられている。即ち、空気集約室７４及び７５は、空気流路側壁７１及び７２と、側壁７８及び７９とによって形成される箱状体の内側且つ短手側の上方に取り付けられている。空気集約室７４は、空気流路側壁７１と密着するように配置されており、空気集約室７４に流れ込んだ空気、空気流路側壁７１へと流れ出すように構成されている。一方、空気集約室７５は、空気流路側壁７２と密着するように配置されており、空気集約室７５に流れ込んだ空気は、空気流路側壁７２へと流れ出すように構成されている。
【００４７】
空気流路側壁７１及び７２は、それぞれが二重壁構造となっていて、各々の内部を空気が流れることができるように構成されている。空気流路側壁７１の燃料電池セル集合体３０に対向する壁面７１３には、燃料電池セル４に空気を供給するための空気供給穴７１３ａ（第１の反応ガス供給穴）が水平方向（図２に示す矢印Ａ方向）に所定間隔をおいて複数開口されている。具体的には、これらの空気供給穴７１３ａは、図４に示すように、壁面７１３に対し垂直な方向（空気が噴出する方向）に投影した際に、燃料電池セル集合体３０を構成する燃料電池セル４の複数列（図４では８列で示す）のうち、空気流路側壁７１に最も近い位置に配設されている互いに隣接した燃料電池セル４の両方の下部を掠るように、両燃料電池セル４の間に跨って形成されている。即ち、空気供給穴７１３ａは、ここから噴出される空気が、燃料電池セル４の下部に掠る部分と掠らない部分とを有するように形成されている。なお、空気供給穴７１３ａから噴出される空気は、空気流路側壁７１及び７２に対し平行な方向（即ち、壁面７１３に対し垂直な方向）に噴出される。
【００４８】
この空気供給穴７１３ａは、図４に示すように、燃料電池セル４の軸線Ｘに干渉しない程度の面積で燃料電池セル４を掠るサイズで形成されている。したがって、空気供給穴７１３ａから噴出された空気は、燃料電池セル４に直接当たる部分が大きくなり過ぎることがなく、掠る程度の量が燃料電池セル４に直接当たることになる。このため、図５に示すように、燃料電池セル４に空気が直接当たった際に、この位置で、空気の流れ（矢印で示す）に乱れが生じることを抑制することができ、空気流路側壁７２側（空気流路側壁７１側から見て奥側）に配設されている燃料電池セル４に空気を十分に到達させることができる。また、空気供給穴７１３ａは、燃料電池セル４の下部に向けて空気を噴出させるため、ここから噴出された空気が上昇流となり、個々の燃料電池セル４の高さ方向全体に空気を効率よく均等に供給することができる。
【００４９】
また、壁面７１３には、燃料電池セル４に空気を供給するための４つの空気供給穴７１４ａ（第２の反応ガス供給穴）が開口されている。これらの空気供給穴７１４ａは、壁面７１３に対し垂直な方向（空気が噴出する方向）に投影した際に、側壁７８と、燃料電池セル集合体３０のうち、側壁７８に最も近い列にとの間に形成される空間Ｓ1（図４参照）に対向する位置であり、燃料電池セル４の下部と上部に相当する位置に、各々１つずつ形成されている。残りの２つの空気供給穴７１４ａは、壁面７１３に対し垂直な方向に投影した際に、側壁７９と、燃料電池セル集合体３０のうち、側壁７９に最も近い列との間に形成される空間Ｓ2（図４参照）に対向する位置であり、燃料電池セル４の下部と上部に相当する位置に、各々１つずつ形成されている。空気供給穴７１４ａから噴出される空気は、空気流路側壁７１及び７２に対し平行な方向（即ち、壁面７１３に対し垂直な方向）に噴出される。
【００５０】
これらの空気供給穴７１４ａは、図４からも判るように、空気供給穴７１３ａよりも小さな径を有している。このため、各々の空気供給穴７１４ａから噴出された空気は、空気供給穴７１３ａから噴出された空気よりも速い速度で奥まで到達することができる。したがって、空気不足が生じ易くなる空間Ｓ1及びＳ2の上部及び下部には、空気供給穴７１４ａから流速の速い空気を供給することができるため、空気不足が解消され、燃料電池セル集合体３０の全体に空気を効率よく均等に供給することができる。
【００５１】
さらにまた、壁面７１３には、燃料電池セル４に空気を供給するための４つの空気供給穴７１５ａ（第３の反応ガス供給穴）が開口されている。これらの空気供給穴７１５ａは、壁面７１３に対し垂直な方向（空気が噴出する方向）に投影した際に、燃料電池セル集合体３０のうち、側壁７８に最も近い列を構成する燃料電池セル４に対向する位置であり、燃料電池セル４の下部と上部に相当する位置に、各々１つずつ形成されている。残りの２つの空気供給穴７１５ａは、壁面７１３に対し垂直な方向に投影した際に、燃料電池セル集合体３０のうち、側壁７９に最も近い列を構成する燃料電池セル４に対向する位置であり、燃料電池セル４の下部と上部に相当する位置に、各々１つずつ形成されている。空気供給穴７１５ａから噴出される空気は、空気流路側壁７１及び７２に対し平行な方向（即ち、壁面７１３に対し垂直な方向）に噴出される。
【００５２】
これらの空気供給穴７１５ａは、図４に示すように、空気供給穴７１５ａを壁面７１３に対し垂直な方向（空気が噴出する方向）に投影した際に、空気供給穴７１５ａの中心が燃料電池セル４の軸線Ｘとほぼ一致するように形成されている。燃料電池セル集合体３０のうち、反応ガス不足が生じ易くなる部分（即ち、側壁７８に最も近い列及び側壁７９に最も近い列）には、空気供給穴７１３ａ及び７１４ａから供給される空気に加え、空気供給穴７１５ａからも空気を供給することができるため、空気不足が解消され、燃料電池セル集合体３０の全体に空気を効率よく均等に供給することができる。
【００５３】
空気流路側壁７２の燃料電池セル集合体３０に対向する壁面７２３は、壁面７１３と対称であり、この壁面７２３には、壁面７１３と同様に、空気供給穴７１３ａと同様の空気供給穴７２３ａ、空気供給穴７１４ａと同様の空気供給穴７２４ａ、空気供給穴７１５ａと同様の空気供給穴７２５ａが形成されている。空気流路側壁７２の燃焼室ＦＣ２に対応する部分には、点火装置挿入穴７２４が設けられ、燃焼ガスと空気との燃焼を開始させるための点火装置（図示しない）が点火装置挿入穴７２４から燃焼室ＦＣ２に突出されている。この点火装置により燃料ガスと空気とが混合して燃焼し、各々の燃料電池セル４は、燃焼室ＦＣ２によって上方から加熱される。また、空気供給穴７１３〜７１５ａ及び７２３ａ〜７２５ａを介して流れ込む空気も、空気流路管７６ａ、７６ｂ、７７ａ、７７ｂ、空気流路側壁７１及び７２を通る間に、燃焼室ＦＣ２における燃焼によって加熱される。
【００５４】
制御ボックスＣＢは、燃料電池システム制御部をその内部に収納し、操作装置や表示装置、報知装置が設けられているものである。
【００５５】
一酸化炭素検知器ＣＯＤは、本来排気ガス通路等を経て外部に排出される排気ガス中のＣＯが、燃料電池モジュールＦＣＭ及び補器ユニットＡＤＵを覆う外部ハウジング（図示せず）へ漏れたかどうかを検知するためのものである。可燃ガス検知器ＧＤ１は、ガス漏れを検知するためのもので、燃料電池モジュールＦＣＭ及び補器ユニットＡＤＵに取り付けられている。
【００５６】
補器ユニットＡＤＵは、燃料電池モジュールＦＣＭに水、被改質ガス、及び空気を供給するための補器を備えるユニットである。補器ユニットＡＤＵは、空気供給部として空気ブロワや流量調整弁等を含む流量調整ユニットＡＰ１ａ及びＡＰ１ｂと、電磁弁ＡＰ２と、燃料供給部として燃料ポンプや流量調整弁等を含む流量調整ユニットＦＰ１と、脱硫器ＦＰ２と、ガス遮断弁ＦＰ４及びＦＰ５と、水供給部として水ポンプや流量調整弁等を含む流量調整ユニットＷＰ１と、可燃ガス検知器ＧＤ２と、を備えている。
【００５７】
外部の空気供給源から供給される空気は、電磁弁ＡＰ２が閉じていれば流量調整ユニットＡＰ１ａ、ＡＰ１ｂに供給されず、電磁弁ＡＰ２が開いていれば流量調整ユニットＡＰ１ａ、ＡＰ１ｂに供給される。流量調整ユニットＡＰ１ａによって流量調整された空気は改質用空気として、ヒータＡＨ１によって昇温され、被改質ガスとの混合部ＭＶに供給される。流量調整ユニットＡＰ１ｂによって流量調整された空気は発電用空気として、ヒータＡＨ２によって昇温され、燃料電池モジュールＦＣＭの発電室ＦＣ１に供給される。発電室ＦＣ１に供給された発電用空気は、燃料電池セル４の空気極に供給される。
【００５８】
外部の燃料供給源から供給される都市ガスは、２連電磁弁であるガス遮断弁ＦＰ４及びガス遮断弁ＦＰ５によってその流入が制御される。ガス遮断弁ＦＰ４、ＦＰ５のいずれもが開いていれば、都市ガスは脱硫器ＦＰ２に供給され、ガス遮断弁ＦＰ４、ＦＰ５のいずれかが閉じていれば、都市ガスは遮断される。脱硫器ＦＰ２に供給された都市ガスは、硫黄成分を除去されて被改質ガスとなり、流量調整ユニットＦＰ１に供給される。流量調整ユニットＦＰ１によって流量調整された被改質ガスは、改質用空気との混合部ＭＶに供給される。混合部ＭＶにおいて混合された被改質ガスと改質用空気とは、燃料電池モジュールＦＣＭの改質器ＲＦに供給される。
【００５９】
外部の水供給源から供給される水道水は、純水とされてから貯水タンクＷＰ２に貯水される。貯水タンクＷＰ２に貯水されている純水は、流量調整ユニットＷＰ１によって流量が調整されて燃料電池モジュールＦＣＭの改質器ＲＦへと供給される。
【００６０】
可燃ガス検知器ＧＤ２は、燃料供給部としての系統であるガス遮断弁ＦＰ５、ガス遮断弁ＦＰ４、脱硫器ＦＰ２、流量調整ユニットＦＰ１において、ガス漏れが発生していわゆる生ガスが外部に放出されないか検知するためのセンサである。
【００６１】
次に、本実施形態に係る燃料電池ＦＣを有する燃料電池システムＦＣＳの制御的な構成について説明する。図６は、燃料電池システムＦＣＳの制御的な構成を示すブロック図である。図６に示すように、燃料電池システムＦＣＳは、燃料電池モジュールＦＣＭと、燃料電池モジュールＦＣＭに空気を供給する空気供給部ＡＰと、燃料電池モジュールＦＣＭに燃料ガスとなる被改質ガスを供給する燃料供給部ＦＰと、燃料電池モジュールＦＣＭに水を供給する水供給部ＷＰと、燃料電池モジュールＦＣＭから電力を取り出す電力取出部ＥＰとを備えている。空気供給部ＡＰ、燃料供給部ＦＰ、水供給部ＷＰ、及び電力取出部ＥＰは補器ユニットＡＤＵに収められている。
【００６２】
燃料電池モジュールＦＣＭ、空気供給部ＡＰ、燃料供給部ＦＰ、水供給部ＷＰ、及び電力取出部ＥＰは、燃料電池システム制御部ＣＳから出力される制御信号に基づいて制御される。燃料電池システム制御部ＳＣは、ＣＰＵ、ＲＯＭ及びＲＡＭといったメモリ、及び制御信号やセンサ信号を授受するためのインターフェイスによって構成されている。燃料電池システム制御部ＳＣには、操作装置ＣＳ１、表示装置ＣＳ２、及び報知装置ＣＳ３が取り付けられている。操作装置ＣＳ１から入力される操作指示信号は、燃料電池システム制御部ＣＳに出力され、燃料電池システム制御部ＣＳは、その操作指示信号に基づいて、燃料電池モジュールＦＣＭ等を制御する。燃料電池システム制御部ＣＳが制御した情報や、所定の警告情報は、表示装置ＣＳ２及び報知装置ＣＳ３に出力される。燃料電池システム制御部ＣＳは、制御ボックスＣＢに収められており、操作装置ＣＳ１、表示装置ＣＳ２、報知装置ＣＳ３は、図示しないボックスに収められている。
【００６３】
燃料電池システム制御部ＣＳには、燃料電池システムＦＣＳの各所に設けられたセンサからセンサ信号が出力される。燃料電池システム制御部ＣＳに信号を出力するセンサとしては、改質器温度センサＤＳ１、スタック温度センサＤＳ２、排気温度センサＤＳ３、改質器内圧力センサＤＳ４、水位センサＤＳ５、水流量センサＤＳ６、燃料流量センサＤＳ７、改質用空気流量センサＤＳ８、発電用空気流量センサＤＳ９、電力状態検出部ＤＳ１０、貯湯状態検出センサＤＳ１１、一酸化炭素検出センサＤＳ１２、可燃ガス検出センサＤＳ１３が設けられている。
【００６４】
改質器温度センサＤＳ１は、改質器ＲＦの温度を測定するためのセンサであって、本実施形態の場合は２つ設けられている。スタック温度センサＤＳ２は、発電室ＦＣ１に配置されている燃料電池セル４の温度を測定するためのセンサであって、複数の燃料電池セル４からなる燃料電池セル集合体の近傍に配置されている。排気温度センサＤＳ３は、燃焼室ＦＣ２から排出される排気ガスの温度を測定するためのセンサであって、燃焼室ＦＣ２から改質器ＲＦ近傍を通って温水製造装置ＨＷに至る経路に配置されている。改質器内圧力センサＤＳ４は、改質器ＲＦ内の圧力を測定するためのセンサである。
【００６５】
水位センサＤＳ５は、貯水タンクＷＰ２の水位を測定するためのセンサであって、本実施形態の場合は４つ設けられている。水流量センサＤＳ６は、補器ユニットＡＤＵから燃料電池モジュールＦＣＭへと供給される純水の流量を測定するためのセンサである。燃料流量センサＤＳ７は、補器ユニットＡＤＵから燃料電池モジュールＦＣＭへと供給される被改質ガスの流量を測定するためのセンサである。改質用空気流量センサＤＳ８は、補器ユニットＡＤＵから燃料電池モジュールＦＣＭの改質器ＲＦへと供給される改質用空気の流量を測定するためのセンサである。発電用空気流量センサＤＳ９は、補器ユニットＡＤＵから燃料電池モジュールＦＣＭへと供給される発電用空気の流量を測定するためのセンサである。
【００６６】
電力状態検出部ＤＳ１０は、センシング手段の集合体であって、燃料電池モジュールＦＣＭから取り出す発電電力の状態を検出する部分である。貯湯状態検出センサＤＳ１１は、センシング手段の集合体であって、温水製造装置ＨＷの貯湯状態を検出する部分である。
【００６７】
一酸化炭素検出センサＤＳ１２は、一酸化炭素検知器ＣＯＤに備えられているセンサであって、燃料電池モジュールＦＣＭ内における一酸化炭素のハウジング内への漏れを検出するセンサである。可燃ガス検出センサＤＳ１３は、可燃ガス検知器ＧＤ１、ＧＤ２に備えられているセンサであって、燃料電池モジュールＦＣＭ及び補器ユニットＡＤＵ内における可燃ガスの漏洩を検出するセンサである。
【００６８】
続いて、燃料電池システムＦＣＳの起動時（起動モード）における各種改質反応の切り替えについて図７を参照しながら説明する。図７は、燃料電池システムＦＣＳの起動時における各部の温度や各部の制御電圧を示すグラフである。
【００６９】
本実施例における燃料電池システムＦＣＳの起動モードにおいては、燃焼運転と、部分酸化改質反応（ＰＯＸ）と、第１オートサーマル改質反応（ＡＴＲ１）と、第２オートサーマル改質反応（ＡＴＲ２）と、水蒸気改質反応（ＳＲ）とを順次切り替えながら改質反応を進行している。
【００７０】
部分酸化改質反応（ＰＯＸ）は、改質器ＳＲに被改質ガスと空気とを供給して行う改質反応であって、化学反応式（１）に示す反応が進行する。
ＣmＨn＋ｘＯ2 → aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2 （１）
この部分酸化改質反応（ＰＯＸ）は発熱反応であるので起動性が高く、燃料電池システムＦＣＳの起動当初において好適な改質反応である。但し、部分酸化改質反応（ＰＯＸ）は、水素収率が理論上少なく、発熱反応を制御するのも難しいことから、燃料電池モジュールＦＣＭへ熱供給が必要な起動当初においてのみ利用されるのが好ましい改質反応である。なお、部分酸化改質反応（ＰＯＸ）のみに着目すれば、空間速度を高く設定するので、例えば改質器ＲＦを分割形成して部分酸化改質反応（ＰＯＸ）専用の改質器を設ける場合には、その専用の改質器を小型化することができる。
【００７１】
水蒸気改質反応（ＳＲ）は、改質器ＳＲに被改質ガスと水蒸気とを供給して行う改質反応であって、化学反応式（２）に示す反応が進行する。
ＣmＨn＋ｘＨ2Ｏ → aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2 （２）
水蒸気改質反応（ＳＲ）は、水素収率が最も高く、高効率な反応である。ただし、水蒸気改質反応（ＳＲ）は、吸熱反応であるので熱源が必要であり、燃料電池システムＦＣＳの起動当初よりはある程度温度が上昇した段階において好適な改質反応である。なお、水蒸気改質反応（ＳＲ）のみに着目すれば、空間速度を低く設定するので、改質器ＲＦが大型化する傾向にある。
【００７２】
第１オートサーマル改質反応（ＡＴＲ１）と第２オートサーマル改質反応（ＡＴＲ２）とからなるオートサーマル改質反応（ＡＴＲ）は、部分酸化改質反応（ＰＯＸ）と水蒸気改質反応（ＳＲ）とが併用された改質反応であって、改質器ＲＦに被改質ガスと空気と水蒸気とを供給して行われる改質反応であり、化学反応式（３）に示す反応が進行する。
ＣmＨn＋ｘＯ2＋ｙＨ2Ｏ → aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2 （３）
オートサーマル改質反応（ＡＴＲ）は、水素収率が部分酸化改質反応（ＰＯＸ）と水蒸気改質反応（ＳＲ）との併用であり、反応熱のバランスが取り易く、部分酸化改質反応（ＰＯＸ）と水蒸気改質反応（ＳＲ）とを繋ぐ反応として好適な改質反応である。本実施例の場合は、水を少なく供給して部分酸化改質反応（ＰＯＸ）により近い第１オートサーマル改質反応（ＡＴＲ１）を先に行い、温度が上昇した後に水を増やすように供給して水蒸気改質反応（ＳＲ）により近い第２オートサーマル改質反応（ＡＴＲ２）を後に行っている。
【００７３】
次に、燃料電池システムＦＣＳの起動モードについて説明する。図７は、横軸に起動開始後の経過時間を取り、左縦軸には各部の温度を取っている。制御電圧であるため特段の目盛りは付していないが、各種電圧及び温度は、図中上方に行くほど高くなる（供給量が増える）ように示している。
【００７４】
まず、改質用空気を増やすように流量調整ユニットＡＰ１ａ、電磁弁ＡＰ２、ヒータＡＨ１、及び混合部ＭＶを制御し、改質器ＲＦに空気を供給する。また、被改質ガスの供給を増やすように流量調整ユニットＦＰ１、ガス遮断弁ＦＰ４、ＦＰ５、及び混合部ＭＶを制御し、改質器ＲＦに被改質ガスを供給する。このように、空気と被改質ガスを供給し、点火装置挿入穴７２４を介して点火装置によって着火して燃焼運転を実行する。この時、発電室ＦＣ１には、前述したように、空気供給穴７１３ａ〜７１５ａ及び７２３ａ〜７２５ａから発電用の空気が供給される。
【００７５】
空気供給穴７１３ａ（７２３ａ）から噴出された空気の一部は、図４及び図５に示すように、先ず、燃料電池セル集合体３０のうち、空気流路側壁７１（７２）に最も近い位置に配設されている燃料電池セル４（図５に示す４ａ）の下部に対し掠る程度に直接当たり、残りの部分（掠らなかった部分）は、図２に示す矢印Ｂ方向に沿って配列された燃料電池セル４の列に沿って奥に流れる。この時、図５に示すように、空気の一部が、燃料電池セル４ａの下部を掠ったことにより生じた気流により、燃料電池セル４ａから奥へ流れた空気の一部が、燃料電池セル４ａの次に奥に配設されている燃料電池セル４（図５に示す４ｂ）の下部を掠ることになる。そして、図５に示すように、燃料電池セル４ｂの下部を掠らなかった残りの空気は、さらに燃料電池セル４の列に沿って奥に流れ、一部が、燃料電池セル４ｂの次に奥に配設されている燃料電池セル４（図５に示す４ｃ）の下部を掠ることになる。さらに残りの空気は、同様に順次、燃料電池セルに対し掠る部分と掠らない部分とに分かれて、さらに奥へ到達される。したがって、空気流路側壁７１（７２）の近くに配設されている燃料電池セル４と、空気流路側壁７１（７２）から離れた位置（燃料電池セルの列に沿った奥側の位置）に配設されている燃料電池セル４に対し空気を均等に効率よく供給することができる。なお、空気供給穴７１３ａ及び７２３ａから噴出した空気は、上昇流となり、燃料電池セル４の下部から上部まで均等に供給される。
【００７６】
空気供給穴７１４ａ及び７２４ａから噴出された空気は、空間Ｓ1及びＳ2を、空気供給穴７１３ａ及び７２３ａから噴出された空気よりも高速で奥まで流れ、空気不足になり易い空間Ｓ1及びＳ2に空気を、他の領域と同様に供給することができる。したがって、燃料電池セル集合体３０のうち、空気不足になり易い、側壁７８及び７９に最も近い列を構成する燃料電池セル４にも、他の燃料電池セル４と同様に空気を均等に供給することができる。なお、燃料電池セル４の下部に相当する位置から噴出された空気は、上昇流となり、燃料電池セル４の下部から上部まで均等に供給される。一方、燃料電池セル４の上部に相当する位置から噴出された空気は、特に空気不足となり易い空間Ｓ1及びＳ2の上部に速やかに到達し、空気不足を補って、燃料電池セル集合体３０に空気を均等に供給する役割を果たす。
【００７７】
空気供給穴７１５ａ及び７２５ａから噴出された空気は、燃料電池セル集合体３０のうち、側壁７８及び７９に最も近い列であって、空気流路側壁７１（７２）に最も近い位置に配設されている燃料電池セル４に直接当たることになる。したがって、燃料電池セル集合体３０のうち、空気不足になり易い領域である、側壁７８及び７９に最も近い列にも、空気を効率よく均等に供給することができる。
【００７８】
なお、空気供給穴７１４ａ、７２４ａ、７１５ａ及び７２５ａは、空気供給穴７１３ａ及び７２３ａよりも径が小さいため、噴出される空気の量が空気供給穴７１３ａ及び７２３ａよりも少ないが、前述した空気不足になり易い領域や空間に対応する位置に、径の小さな４つの空気供給穴７１４ａ、７２４ａ、７１５ａ及び７２５ａを設けたことで、これらの領域や空間に供給される空気量を確保することができる。
【００７９】
このように、発電用の空気は、発電室ＦＣ１内に収容されている各々の燃料電池セル４に対し均等に供給されると共に、個々の燃料電池セル４の上下方向にも均等に供給されることになる。したがって、優れた発電性能を発揮することができる。この発電用空気は、後に詳述する部分酸化改質反応運転（ＰＯＸ運転）、第１オートサーマル改質反応（ＡＴＲ１）、第２オートサーマル改質反応（ＡＴＲ２）、水蒸気改質反応（ＳＲ）の際も同様に均等に供給される。
【００８０】
なお、燃焼運転の実行は、燃焼室ＦＣ２の温度を上昇させて、空気と被改質ガスを自然着火させることで行ってもよい。また、発電室ＦＣ１上方の燃焼室ＦＣ２においては、改質器ＲＦを通過した燃料ガスと発電用空気とが混合して燃焼しており、燃焼室ＦＣ２の温度が徐々に上昇する。
【００８１】
続いて、改質器ＲＦの温度が約３００℃程度になると、部分酸化改質反応（ＰＯＸ）が進行する。部分酸化改質反応（ＰＯＸ）は発熱反応なので、各部の温度が上昇する。部分酸化改質反応（ＰＯＸ）を開始してから所定時間が経過した後、改質用空気の供給量を更に増やして部分酸化改質反応（ＰＯＸ）をより進行させる。
【００８２】
続いて、改質器ＲＦの温度が約６００℃以上になり、且つ燃料電池セル集合体３０の温度が約２５０℃を超えたことを条件として、第１オートサーマル改質反応（ＡＴＲ１）へと移行させる。第１オートサーマル改質反応（ＡＴＲ１）では、改質器ＲＦに供給する改質用空気の流量を減らし、改質器ＲＦに供給する被改質ガスの流量はそのまま維持し、極微量な純水を改質器ＲＦに供給する。オートサーマル改質反応（ＡＴＲ）は、部分酸化改質反応（ＡＴＲ）と水蒸気改質反応（ＳＲ）とを混合した反応であって、熱的に内部バランスが取れるので改質器ＲＦ内では熱自立しながら反応が進行する。また、第１オートサーマル改質反応（ＡＴＲ１）は、空気が比較的多く部分酸化改質反応（ＰＯＸ）に近い反応であり、発熱が支配的な反応となっている。
【００８３】
続いて、改質器ＲＦの温度が６００℃以上となり、且つ燃料電池セル集合体３０の温度が約４００℃を超えたことを条件として、第２オートサーマル改質反応（ＡＴＲ２）へと移行させる。第２オートサーマル改質反応（ＡＴＲ２）では、改質器ＲＦに供給する改質用空気の流量を減らし、改質器ＲＦに供給する被改質ガスの流量も減らし、微量な純水を改質器ＲＦに供給する。第２オートサーマル改質反応（ＡＴＲ２）は、空気が比較的少なく水が多いため水蒸気改質反応（ＳＲ）に近い反応であり、吸熱が支配的な反応となっている。しかしながら、発電室ＦＣ１内の温度が約４００℃を超えているため、吸熱反応が支配的であっても大幅な温度低下を招くことはない。
【００８４】
続いて、改質器ＲＦの温度が６５０℃以上となり、且つ燃料電池セル集合体３０の温度が約６００℃を超えたことを条件として、水蒸気改質反応（ＳＲ）へと移行させる。水蒸気改質反応（ＳＲ）では、改質器ＲＦに供給する改質用空気は遮断し、改質器ＲＦに供給する被改質ガスの流量を減らし、所定量の純水を改質器ＲＦに供給する。この水蒸気改質反応（ＳＲ）は、吸熱反応であるので、燃焼室ＦＣ２からの燃焼熱による熱バランスをとりながら反応が進行する。この段階では、既に起動の最終段階であるため、発電室ＦＣ１内が十分高温に昇温されているので、吸熱反応を主体としても大幅な温度低下を招くことはない。また水蒸気改質反応（ＳＲ）が進行しても燃焼室ＦＣ２では継続して燃焼反応が持続する。
【００８５】
上述したように着火から燃焼工程の進行に合わせて改質工程を切り替えていくことで、発電室ＦＣ１内の温度が徐々に上昇する。発電室ＦＣ１の温度が、燃料電池モジュールＦＣＭを安定的に作動させる定格温度（約７００℃）よりも低い所定の発電温度に達したら、燃料電池モジュールＦＣＭを含む電気回路を閉じる。それにより、燃料電池モジュールＦＣＭは発電を開始し、回路に電流が流れて外部に電力を供給することができる。燃料電池セル４の発電により、燃料電池セル４自体も発熱し、更に、燃料電池セル４の温度が上昇する。その結果、燃料電池モジュールＦＣＭを作動させる定格温度、例えば７００〜８００℃になる。
【００８６】
その後、定格温度を維持するために、燃料電池セル４で消費される燃料ガス及び空気の量よりも多い量の燃料ガス及び空気を供給し、燃焼室ＦＣ２での燃焼を継続させる。なお、発電中は、改質効率の高い水蒸気改質反応（ＳＲ）で発電が進行する。水蒸気改質反応（ＳＲ）自体は、厳密には４００〜８００℃程度で行われるが、燃料電池セル４との組み合わせにおいては５００〜７００℃程度で反応が進行する。
【００８７】
なお、本実施形態では、空気流路側壁７１に空気供給穴７１３ａ〜７１５ａを形成し、空気流路側壁７２に空気供給穴７２３ａ〜７２５ａを形成した場合について説明したが、これに限らず、例えば、図８に示すように、空気供給穴７１４ａ、７１５ａ、７２４ａ及び７２５ａを形成せず、空気流路側壁７１及び７２に、空気供給穴７１３ａ及び７２３ａのみを各々形成してもよい。この構成の場合、空気供給穴７１３ａは、空気が噴出する方向に投影した際に、空間Ｓ1側に配列されている燃料電池セル４に掠り、掠らない部分が空間Ｓ1に向けて噴出される位置、及び、空間Ｓ2側に配列されている燃料電池セル４に掠り、掠らない部分が空間Ｓ2に向けて噴出される位置にも形成することが、燃料電池セル集合体３０全体に均等に空気を供給する上で望ましい。
【００８８】
また、本発明の他の実施態様としては、例えば、図９に示すように、空気流路側壁７１に、図４に示す空気供給穴７１３ａを形成すると共に、燃料電池セル４の下部に相当する位置に空気供給穴７１４ａを形成してもよい。なお、空気流路側壁７２も同様の構成である。
【００８９】
そしてまた、本発明の他の実施態様としては、例えば、図１０に示すように、空気流路側壁７１に、図９に示す空気供給穴７１３ａ及び７１４ａを形成すると共に、燃料電池セル４の下部に相当する位置に空気供給穴７１５ａを形成してもよい。なお、空気流路側壁７２も同様の構成である。
【００９０】
また、本発明の他の実施態様としては、例えば、図１１に示すように、空気流路側壁７１に、図８に示す空気供給穴７１３ａを設けると共に、燃料電池セル４の上部に相当する位置に空気供給穴７１４ａを形成してもよい。なお、空気流路側壁７２も同様の構成である。
【００９１】
さらにまた、本発明の他の実施態様としては、例えば、図１２に示すように、空気流路側壁７１に、図１１に示す空気供給穴７１３ａ及び７１４ａを形成すると共に、空間Ｓ1及びＳ2に対向し且つ燃料電池セル４の中央部に相当する位置に、空気供給穴７１６ａを各々形成してもよい。これらの空気供給穴７１６ａは、図１２に示すように、空気供給穴７１３ａよりも径が小さく、空気供給穴７１４ａよりも径が大きいサイズを有している。なお、空気流路側壁７２も空気供給穴７１６ａと同様の空気供給穴７２６ａを形成してもよい。このように、図１１に示す構成に加え、空気流路側壁７１に空気供給穴７１６ａを追加で形成（空気流路側壁７２には、空気供給穴７２６ａを形成）することで、空間Ｓ1及びＳ2の燃料電池セル４の中央部に相当する位置に、空気を噴出させることができる。したがって、燃料電池セル集合体３０のうち、空気不足になり易い側壁７８及び７９に最も近い列を構成する燃料電池セル４の中央部にも空気を供給することができ、燃料電池セル集合体３０の全体に空気を均等により効率よく供給することができる。また、空気供給穴の径は、上部に配設されている空気供給穴ほど小さく形成されているため、上部に行く程、流速の速い空気が供給されることになる。このため、特に空気不足となる空間Ｓ1及びＳ2の上部にも空気を確実に到達させることができるため、燃料電池セル４の配設位置に関わらず、空気を均等により効率よく供給することができる。
【００９２】
また、本実施の形態では、図２に示す矢印Ａ方向に隣接した２本の燃料電池セル４に跨った形状の空気供給穴７１３ａ及び７２３ａを形成した場合について説明したが、これに限らず、例えば、図１３に示すように、壁面７１３に対し垂直な方向（空気が噴出する方向）に投影した際に、空気供給穴７１３ａ（７２３ａ）は、空気供給穴７１３ａ（７２３ａ）から噴出された空気が、１列の燃料電池セル４に対し、掠る部分と、掠らない部分とを有するような形状（サイズ）で形成してもよい。この構成の場合、本実施形態よりも空気供給穴７１３ａ（７２３ａ）の開口面積が小さくなるため、空気供給穴７１３ａ（７２３ａ）から噴出される空気供給量を確保する目的で、１列の燃料電池セル４の図１３でいう右側に掠る部分を有する空気供給穴７１３ａ（７２３ａ）と、１列の燃料電池セル４の図１３でいう左側に掠る部分を有する空気供給穴７１３ａ（７２３ａ）を形成する等、空気供給穴７１３ａ（７２３ａ）の形成数を多くしてもよい。
【００９３】
また、本実施形態では、燃料電池モジュールＦＣＭ内に、空気流路側壁７１及び７２を配設し、これらの壁面７１３及び７２３に空気供給穴を形成した場合について説明したが、これに限らず、空気供給穴は、所望により、壁面７１３及び７２３のいずれか一方にのみ形成してもよい。この場合、空気供給穴を形成しない側壁は、配設しなくてもよい。
【００９４】
そしてまた、本実施形態では、二重壁構造を有する空気流路側壁７１及び７２を配設した場合について説明したが、これに限らず、空気流路側壁７１及び７２は、空気供給穴を形成可能な壁面を有し、不必要な領域に空気を漏らすことなく、発電室ＦＣ１内に空気を供給することが可能であれば、他の構成を備えていてもよい。例えば、カバー部材１００との間に密閉空間を形成する側壁をカバー部材１００に設け、当該密閉空間に供給された空気を、側壁に形成された空気供給穴から噴出させるようにしてもよい。
【００９５】
また、本実施形態では、壁面７１３及び７２３に対し垂直な方向（側壁７８及び７９に対し平行な方向）に空気が噴出されるによう、各々の空気供給穴を形成した場合について説明したが、これに限らず、例えば、図１４に示すように、空気供給穴７１３ａは、ここから噴出される空気が、空気流路側壁７１の壁面７１３に対し斜め方向（図１４に示す角度α）に噴出されるよう、空気供給穴７１３ａを画定する内壁を壁面７１３に対し斜めに形成してもよい。この場合、各々の燃料電池セル４は、空気供給穴７１３ａから噴出される空気の噴出方向に沿って、壁面７１３に対し斜めに列状に配設され、空気供給穴７１３ａは、ここから噴出される空気が燃料電池セル４に掠る部分と掠らない部分とを有するよう形成される。この構成では、図１５に示すように、空気供給穴７１３ａから噴出される空気は、燃料電池セル４の列方向に沿って、壁面７１３に対し斜めに流れ、前述した形態と同様の効果を得ることができる。なお、空気供給穴７１４ａ、７１５ａ、７２４ａ及び７２５ａについても同様に壁面に対し斜めに形成してもよい。
【００９６】
そしてまた、本実施形態では、円筒形状の燃料電池セル４を配設した場合について説明したが、これに限らず、燃料電池セル４は、例えば、平板型であってもよい。
【符号の説明】
【００９７】
４…燃料電池セル、 ３０…燃料電池セル集合体、 ７１、７２…空気流路側壁、 ７８、７９…側壁、 ７１３、７２３…壁面、 ７１３ａ、７１４ａ、７１５ａ、７１６ａ、７２３ａ、７２４ａ、７２５ａ…空気供給穴、 ＦＣ…燃料電池、 ＦＣＭ…燃料電池モジュール、 ＦＣ１…発電室、 ＦＣ２…燃焼室、 ＦＣＳ…燃料電池システム
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応ガスにより作動すると共に立設された複数の燃料電池セルと、
前記複数の燃料電池セルからなる燃料電池セル集合体の外側に配設された第１の側壁と、
を備え、
前記第１の側壁には、前記燃料電池セル集合体に前記反応ガスを供給する第１の反応ガス供給穴が形成されてなり、
前記燃料電池セルは、前記第１の反応ガス供給穴から噴出される反応ガスの噴出方向に沿って列状に配設されており、
前記第１の反応ガス供給穴は、当該第１の反応ガス供給穴から噴出される反応ガスの一部が、少なくとも前記第１の側壁に最も近い位置に配設されている燃料電池セルに掠り、当該反応ガスの残りの部分が、当該最も近い位置に配設されている燃料電池セルを掠らないよう形成されてなる燃料電池。
【請求項２】
前記第１の反応ガス供給穴は、前記反応ガスの噴出方向に投影した際に、当該燃料電池セルの軸線に干渉しないよう形成されてなる請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記燃料電池セル集合体の外側に、前記反応ガスの噴出方向に沿って形成された第２の側壁が配設されてなり、
前記第１の側壁には、前記第２の側壁と、前記燃料電池セル集合体の当該第２の側壁に最も近い列との間に形成される空間に対向する位置に、第２の反応ガス供給穴が形成されてなり、
前記第２の反応ガス供給穴は、前記空間に向けて前記反応ガスを噴出させると共に、当該第２の反応ガス供給穴の径が、前記第１の反応ガス供給穴の径よりも小さく形成されてなる請求項１または請求項２記載の燃料電池。
【請求項４】
前記第２の反応ガス供給穴は、前記反応ガスの噴出方向に投影した際に、前記燃料電池セルに干渉しないよう形成されてなる請求項３記載の燃料電池。
【請求項５】
前記第１の側壁には、前記燃料電池セル集合体の前記第２の側壁に最も近い列に対向する位置に、第３の反応ガス供給穴が形成されてなり、
前記第３の反応ガス供給穴は、前記第２の側壁に最も近い列に配設された燃料電池セルに向けて前記反応ガスを噴出させる請求項４記載の燃料電池。
【請求項６】
前記第１の反応ガス供給穴は、前記燃料電池セルの下部に相当する位置に形成されてなり、前記第２の反応ガス供給穴は、前記燃料電池セルの上部に相当する位置に形成されてなる請求項４記載の燃料電池。
【請求項７】
前記第１の反応ガス供給穴は、前記燃料電池セルの下部に相当する位置に形成され、前記第２の反応ガス供給穴は、前記燃料電池セルの上部及び下部に相当する位置に形成されてなる請求項４記載の燃料電池。
【請求項８】
前記第１の反応ガス供給穴は、前記燃料電池セルの下部に相当する位置に形成され、前記第２の反応ガス供給穴は、前記燃料電池セルの上部に相当する位置に形成され、前記第３の反応ガス供給穴は、前記燃料電池セルの上部に相当する位置に形成されてなる請求項５記載の燃料電池。
【請求項９】
前記第１の反応ガス供給穴は、前記燃料電池セルの下部に相当する位置に形成され、前記第２の反応ガス供給穴は、前記燃料電池セルの上部及び下部に相当する位置に形成され、前記第３の反応ガス供給穴は、前記燃料電池セルの上部及び下部に相当する位置に形成されてなる請求項５記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記第１の側壁には、前記第２の側壁と、前記燃料電池セル集合体の当該第２の側壁に最も近い列との間に形成される空間に対向し且つ前記燃料電池セルの高さ方向中央部に対向する位置に、第４の反応ガス供給穴が形成されてなり、
前記第４の反応ガス供給穴は、前記空間の前記燃料電池セルの高さ方向中央部に対向する位置に向けて前記反応ガスを噴出させる請求項６記載の燃料電池。
【請求項１１】
前記第４の反応ガス供給穴の径は、前記第１の反応ガス供給穴の径より小さく、前記第２の反応ガス供給穴の径よりも大きい請求項１０記載の燃料電池。
【請求項１】
反応ガスにより作動すると共に立設された複数の燃料電池セルと、
前記複数の燃料電池セルからなる燃料電池セル集合体の外側に配設された第１の側壁と、
を備え、
前記第１の側壁には、前記燃料電池セル集合体に前記反応ガスを供給する第１の反応ガス供給穴が形成されてなり、
前記燃料電池セルは、前記第１の反応ガス供給穴から噴出される反応ガスの噴出方向に沿って列状に配設されており、
前記第１の反応ガス供給穴は、当該第１の反応ガス供給穴から噴出される反応ガスの一部が、少なくとも前記第１の側壁に最も近い位置に配設されている燃料電池セルに掠り、当該反応ガスの残りの部分が、当該最も近い位置に配設されている燃料電池セルを掠らないよう形成されてなる燃料電池。
【請求項２】
前記第１の反応ガス供給穴は、前記反応ガスの噴出方向に投影した際に、当該燃料電池セルの軸線に干渉しないよう形成されてなる請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記燃料電池セル集合体の外側に、前記反応ガスの噴出方向に沿って形成された第２の側壁が配設されてなり、
前記第１の側壁には、前記第２の側壁と、前記燃料電池セル集合体の当該第２の側壁に最も近い列との間に形成される空間に対向する位置に、第２の反応ガス供給穴が形成されてなり、
前記第２の反応ガス供給穴は、前記空間に向けて前記反応ガスを噴出させると共に、当該第２の反応ガス供給穴の径が、前記第１の反応ガス供給穴の径よりも小さく形成されてなる請求項１または請求項２記載の燃料電池。
【請求項４】
前記第２の反応ガス供給穴は、前記反応ガスの噴出方向に投影した際に、前記燃料電池セルに干渉しないよう形成されてなる請求項３記載の燃料電池。
【請求項５】
前記第１の側壁には、前記燃料電池セル集合体の前記第２の側壁に最も近い列に対向する位置に、第３の反応ガス供給穴が形成されてなり、
前記第３の反応ガス供給穴は、前記第２の側壁に最も近い列に配設された燃料電池セルに向けて前記反応ガスを噴出させる請求項４記載の燃料電池。
【請求項６】
前記第１の反応ガス供給穴は、前記燃料電池セルの下部に相当する位置に形成されてなり、前記第２の反応ガス供給穴は、前記燃料電池セルの上部に相当する位置に形成されてなる請求項４記載の燃料電池。
【請求項７】
前記第１の反応ガス供給穴は、前記燃料電池セルの下部に相当する位置に形成され、前記第２の反応ガス供給穴は、前記燃料電池セルの上部及び下部に相当する位置に形成されてなる請求項４記載の燃料電池。
【請求項８】
前記第１の反応ガス供給穴は、前記燃料電池セルの下部に相当する位置に形成され、前記第２の反応ガス供給穴は、前記燃料電池セルの上部に相当する位置に形成され、前記第３の反応ガス供給穴は、前記燃料電池セルの上部に相当する位置に形成されてなる請求項５記載の燃料電池。
【請求項９】
前記第１の反応ガス供給穴は、前記燃料電池セルの下部に相当する位置に形成され、前記第２の反応ガス供給穴は、前記燃料電池セルの上部及び下部に相当する位置に形成され、前記第３の反応ガス供給穴は、前記燃料電池セルの上部及び下部に相当する位置に形成されてなる請求項５記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記第１の側壁には、前記第２の側壁と、前記燃料電池セル集合体の当該第２の側壁に最も近い列との間に形成される空間に対向し且つ前記燃料電池セルの高さ方向中央部に対向する位置に、第４の反応ガス供給穴が形成されてなり、
前記第４の反応ガス供給穴は、前記空間の前記燃料電池セルの高さ方向中央部に対向する位置に向けて前記反応ガスを噴出させる請求項６記載の燃料電池。
【請求項１１】
前記第４の反応ガス供給穴の径は、前記第１の反応ガス供給穴の径より小さく、前記第２の反応ガス供給穴の径よりも大きい請求項１０記載の燃料電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２０１１−１８６０４（Ｐ２０１１−１８６０４Ａ）
【公開日】平成２３年１月２７日（２０１１．１．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１６３５４３（Ｐ２００９−１６３５４３）
【出願日】平成２１年７月１０日（２００９．７．１０）
【出願人】（００００１００８７）ＴＯＴＯ株式会社 (3,889)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１月２７日（２０１１．１．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年７月１０日（２００９．７．１０）
【出願人】（００００１００８７）ＴＯＴＯ株式会社 (3,889)
【Ｆターム（参考）】
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