JP4688470B2

JP4688470B2 - 発電装置

Info

Publication number: JP4688470B2
Application number: JP2004314520A
Authority: JP
Inventors: 久孝矢加部; 伸二天羽; 英樹吉田; 良雄松崎; 輝浩桜井; 顕二郎藤田; 滋人松尾; 仁英大嶋; 寿久斉藤; 雄広勢山; 務祖父江; 立樹渡會
Original assignee: Kyocera Corp; Tokyo Gas Co Ltd; Rinnai Corp
Current assignee: Kyocera Corp; Tokyo Gas Co Ltd; Rinnai Corp
Priority date: 2004-10-28
Filing date: 2004-10-28
Publication date: 2011-05-25
Anticipated expiration: 2024-10-28
Also published as: JP2006127908A

Description

本発明は、固体酸化物を利用する燃料電池によって発電する装置に関する。

固体酸化物を利用する燃料電池は効率が高く、数キロワットから数十キロワットの発電装置に適しているものと期待されている。
固体酸化物を利用する燃料電池には、燃料ガスと有酸素ガス（通常は空気）が必要である。燃料電池セルは、燃料ガスを改質させた改質ガスと有酸素ガスを反応させて発電する。
固体酸化物を利用する燃料電池の例が特許文献１に開示されている。ただし特許文献１はまだ公開されていない。
特許文献１の技術では、複数個の燃料電池セルを直線状に整列することによってセルスタックを構成する。複数本のセルスタックが略同一水平面内に並列したセルスタック群が垂直方向に多段に配列されている。各セルスタックの一端から改質ガスが供給され、他端から消費しきれなかった改質ガス（オフガス）が吹出るようになっており、そこにオフガス燃焼器が形成されている。オフガスの燃焼熱によって改質器が適温に加熱される。
有酸素ガスは、各段のセルスタック群の下方にそれぞれ配置されている空気供給部材から上方のセルスタック群に向けて吹出すように構成されている。

特許文献１の技術によれば、各段のセルスタック群の下方に配置されている空気供給部材から上方に吹出す有酸素ガスは、上方のセルスタック群の下面全体に広く分散して供給される。有酸素ガスは、セルスタック群の下方から上方へ流れるため、セルスタック群を通過する距離が短い。これによって、有酸素ガスを媒体としてセルスタック群が加熱されることが抑制され、燃料電池セルの温度分布を一様化することができる。燃料電池セルの温度分布を一様化することによって、燃料電池の発電にとって最適な温度環境を形成しやすくなり、高い発電効率を得ることができる。

特願２００４−４１９３７号

燃料電池セルはセラミック製であり、取扱いに注意を要する。特許文献１の発電装置を組付けるとき、まず水平方向に伸びるマニホールドにセルスタック群を接続し、これを垂直方向に多段に配列するように改質器に接続する。その後、各セルスタック群の下方にそれぞれ空気供給部材を挿入し、両端部を空気供給管に接続する。セルスタック群とマニホールドを組付けたものは、垂直方向に多段に配列されるように組付けるまでの間、安全に放置しておくことが困難な形状である。また、セルスタック群とマニホールドを組付けたものを、垂直方向に多段に配列されるように組付けた後、上下のセルスタック群間の間隙に空気供給部材を横から挿入するとき、空気供給部材をセルスタック群に衝突させないように慎重に作業を行なう必要があった。従って、組付け作業性を向上させることが難しかった。
本発明では、セルスタック群の組付け作業性の優れた発電装置を実現することを目的とする。

本発明の発電装置は、固体酸化物型の燃料電池を用いて発電を行なう。本発明は、複数本の柱状のセルスタックと、セルスタックに改質ガスを分配するマニホールドと、セルスタックに有酸素ガスを供給する有酸素ガス供給部材を備えている。各セルスタックは、多数個の燃料電池セルが直線状に整列されて形成されている。各燃料電池セルは、燃料極と、固体電解質と、酸素極と、燃料ガス通路とを備えている。燃料ガス通路は、燃料電池セル内部を通過している。各セルスタックには、長手方向の一端から他端に亘って燃料ガス通路が形成されている。複数本のセルスタックは略同一水平面内に配列されてセルスタック群を構成している。セルスタック群は、各セルスタックの燃料ガス通路がマニホールドと連通するように、各セルスタックの一端をマニホールドに接続させることによって、マニホールドに接続されている。有酸素ガス供給部材は、セルスタック群の下方に、水平方向に伸びるように配置されているとともに、有酸素ガスを通過させる有酸素ガス通路と、マニホールドを支持する手段とを有している。有酸素ガス通路の上面には複数個の有酸素ガス供給口が開口されている。複数個の有酸素ガス供給口は、直上のセルスタック群に有酸素ガスを供給可能な位置に開口されている。セルスタック群が接続されたマニホールドが有酸素ガス供給部材のマニホールド支持手段によって支持されることによって、セルスタック群と前記マニホールドと有酸素ガス供給部材とを備えるユニットが形成され、このユニットが垂直方向に多段に配列されている。有酸素ガス供給部材は、ユニットを自立させるための脚部であって、一方のユニットの脚部を、他方のユニットの有酸素ガス供給部材の上面に載せることにより、２つのユニットを垂直方向に多段に配列可能な脚部をさらに備える。脚部の長さは、一方のユニットの脚部を他方のユニットの上面に載せた際に、一方のユニットの有酸素ガス供給部材と他方のユニットのセルスタック群との間に空間が形成される長さである。

燃料電池セルはセラミック製であり、慎重に取扱う必要がある。特に、組付け途中のセルスタックの取扱いは厄介であり、組付け作業性の向上に支障をきたす原因の一つとなっていた。
本発明の発電装置では、略同一水平面内に配列されているセルスタック群と、このすぐ下方に配置される有酸素ガス供給部材とがユニット化している。セルスタック群をマニホールドに支持させ、さらにこのマニホールドを有酸素ガス供給部材に支持させてユニット化させるため、セルスタック群は安全に支持され、取扱いが容易となる。このユニットを１段ずつ積重ねながら、組付け作業を行なうことができるため、垂直方向に配列したセルスタック群の相互間に有酸素ガス供給部材を挿入するような注意を要する作業がなく、セルスタック群が、他の部材と不用意に接触してしまう事故が起こりにくくなる。

上記の構成によれば、セルスタック群とマニホールドと空気供給部材のユニットを、垂直方向に多段に配列されるように組付けるまでの間、セルスタック群を空気供給部材に安全に支持させた状態で、積重ねて置いておくことができる。さらに取扱いが容易となる。

本発明の発電装置によれば、組付け作業中のセルスタック群の取扱いが容易となるため、組付け作業性を向上させることができる。

以下、本発明の好適な実施形態を説明する。
（形態１）
酸素ガス供給部材の有酸素ガス通路は、高さの低い箱状であり、有酸素ガス通路の側面に、水平に伸びる邪魔板が形成されている。
（形態２）
略同一水平面内に配列されたセルスタック群は左右１対となっており、左右のセルスタック群の下方にそれぞれ配置される有酸素ガス供給部材は一体化している。
（形態３）
有酸素ガス供給部材の脚部は、有酸素ガス通路の両端部の開口部の幅を有し、開口部から下方に伸びる板部材である。
（形態４）
有酸素ガス供給部材の脚部は、有酸素ガス通路の両端部の開口部の幅を有し、開口部から下方に伸びる板部材であり、その下方は内側に入り込んでいる形状である

本発明を具現化した発電装置の実施例を、図面を参照しながら説明する。図１〜図３に示すように、発電装置はユニット化されている。
図１〜図３に示すように、発電ユニット１０は、内側から外側に向かって、第１室４４、第２室４６、第３室４８からなる３重構造となっており、中心部の第１室４４とその外側の第２室４６を仕切る内仕切壁３６と、第２室４６とその外側の第３室４８を仕切る外仕切壁３８と、第３室４８と外部を仕切る外壁４０を有している。外壁４０は断熱部材４２で覆われている。
発電ユニット１０の中心部の第１室４４内には、複数個の燃料電池セル１２が直線状に整列することによって構成されているセルスタック１４が収容されている。各セルスタック１４は、略水平面内を伸びるように配列されており、７本のセルスタック１４が同一水平面内を伸びており、それが垂直方向に５段に設けられている。７本で１グループのセルスタック群１４を上段から順に、添字ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅをつけて表すことにする。図３から明らかに、合計３５本のセルスタック１４が、水平方向に７本で垂直方向に５本の行列状に配置されている。図１と２から明らかなように、合計３５本のセルスタック１４が、左右一対となっており、合計７０本のセルスタック１４が第１室４４内に収容されている。左側の３５本のセルスタック群を１４Ｌといい、右側の３５本のセルスタック群を１４Ｒということにする。
以下では左側の部材には添字Ｌをつけて表し、右側の部材には添字Ｒをつけて表し、前側の部材には添字Ｆをつけて表し、後側の部材には添字Ｂをつけて表し、上段から順に、添字ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅをつけて表すことにする。共通の事象については、添字を省略して共通に説明することがある。
第１室４４の左側の半分には、行列状に配置された３５本の左側のセルスタック群１４Ｌと、燃料ガスを水素や一酸化炭素等に改質する左側の改質器１８Ｌと、改質された燃料ガスを３５本の左側のセルスタック群１４Ｌに分配する水平マニホールド２４Ｌと、３５本の左側のセルスタック群１４Ｌの外表面に空気（有酸素ガスの一例）を供給する空気供給系５０Ｌａ，５０Ｌｂ，１６Ｌａ，１６Ｌｂ，１６Ｌｃ，１６Ｌｄ，１６Ｌｅ等が収容されている。
第１室４４の右側の半分には、行列状に配置された３５本の右側のセルスタック群１４Ｒと、燃料ガスを水素や一酸化炭素等に改質する右側の改質器１８Ｒと、改質された燃料ガスを３５本の右側のセルスタック群１４Ｒに分配する水平マニホールド２４Ｒと、３５本の右側のセルスタック群１４Ｒの外表面に空気を供給する空気供給系５０Ｒａ，５０Ｒｂ，１６Ｒａ，１６Ｒｂ，１６Ｒｃ，１６Ｒｄ，１６Ｒｅ等が収容されている。

図４に示すように、燃料電池セル１２の断面は楕円形状であり、楕円柱形状に形成された燃料極１２ａの周面の半分強が固体電解質層１２ｂで覆われ、残りの周面がインターコネクタ１２ｄで覆われ、固体電解質層１２ｂの外側を酸素極１２ｃが覆っている。燃料極１２ａの内部には長手方向に貫通する５本の改質ガス通路２０が並列に形成されている。
燃料極１２ａは多孔質であり、ニッケル（Ｎｉ）を主成分とするニッケル／ＹＳＺサーメット（混合焼結体）からなる。固体電解質層１２ｂは緻密質であり、ジルコニア（ＺｒＯ_２）にイットリア（Ｙ_２Ｏ_３）を加えた混合物からなる。酸素極１２ｃは多孔質であり、ペロブスカイト型酸化物であるＬＳＭ（Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＭｎＯ_３）からなる。インターコネクタ１２ｄは導電性セラミックからなる。
隣り合う燃料電池セル１２の一方のセル１２の酸素極１２ｃと他方のセル１２のインターコネクタ１２ｄとの間に、集電部材２２が介装されている。集電部材２２は、蛇腹状に折畳まれた導電性金属部材である。一方のセル１２の酸素極は、集電部材２２とインターコネクタを介して、他方のセル１２の燃料極に電気的に接続されている。多数個のセル１２が直列に接続されてセルスタック１４が形成されている。蛇腹状の集電部材２２は、図３における上下方向および紙面の垂直方向に空気が通過することを禁止しない。

図１に示すように、第１室４４の左端部には、左改質器１８Ｌが収容されている。左側のセルスタック１４Ｌと右側のセルスタック１４Ｒの間隙に、左右一対の水平マニホールド２４Ｌ，２４Ｒが伸びている。正確には、左右一対の垂直マニホールド２９Ｌ，２９Ｒが配置されている。左側の改質器１８Ｌと左側の垂直マニホールド２９Ｌは、左側の改質ガス供給管２５Ｌで接続されている。左側の垂直マニホールドからは、５本の左側の水平マニホールド２４Ｌａ，２４Ｌｂ，２４Ｌｃ，２４Ｌｄ，２４Ｌｅが伸びている。水平マニホールド２４Ｌａは、セルスタック群１４Ｌａに改質ガスを分配する。以下添字ｂからｅについても同様である。
第１室の右端部には、右改質器１８Ｒが収容されている。右側の改質器１８Ｒと右側の垂直マニホールド２９Ｒは、右側の改質ガス供給管２５Ｒで接続されている。右側の垂直マニホールド２９Ｒからは、５本の右側の水平マニホールド２４Ｒａ，２４Ｒｂ，２４Ｒｃ，２４Ｒｄ，２４Ｒｅが伸びている。水平マニホールド２４Ｒａは、セルスタック群１４Ｒａに改質ガスを分配する。以下添字ｂからｅについても同様である。
右側のセルスタック群１４Ｒの下方には、昇温蒸発混合器１３０が配置されている。昇温蒸発混合器１３０には、燃料ガス供給器１３２から燃料ガスが供給され、水供給器１３４から水が供給される。昇温蒸発混合器１３０に供給された水は蒸発して水蒸気となり、燃料ガスと混合される。燃料ガスと水蒸気の混合ガスは、昇温蒸発混合器１３０を通過する間に予熱される。予熱された混合ガスは、左側の混合ガス供給管２７Ｌから、左側の改質器１８Ｌに供給され、右側の混合ガス供給管２７Ｒから、右側の改質器１８Ｒに供給される。昇温蒸発混合器１３０は、高温の排気ガスが通過する第２室４６に収容されている（図１参照）。

左側のセルスタック１４Ｌの右側端部から、左側の改質器１８Ｌで改質された改質ガスが送り込まれる。左側の各セルスタック１４Ｌの左側の端部では、改質ガス通路２０が開放されており、発電のために消費されなかった改質ガス(オフガス)が放出される。各セルスタック１４Ｌの左側端部から放出されたオフガスはそこで燃焼する。左側のセルスタック１４Ｌのそれぞれの左側端部には、燃焼器１７Ｌが設けられている。左側の燃焼器群１７Ｌは、左側の改質器１８Ｌに対向している。
右側のセルスタック１４Ｒの左側端部から、右側の改質器１８Ｒで改質された改質ガスが送り込まれる。右側の各セルスタック１４Ｒの右側の端部では、改質ガス通路２０が開放されており、オフガスが放出される。各セルスタック１４Ｒの右側端部から放出されたオフガスはそこで燃焼する。右側のセルスタック１４Ｒのそれぞれの右側端部には、燃焼器１７Ｒが設けられている。左側の燃焼器群１７Ｒは、右側の改質器１８Ｒに対向している。

一対の改質器１８Ｌ、１８Ｒは、基本的に同一構成を備えている。添字Ｌ，Ｒを省略して共通に説明する。改質器１８は、金属製の扁平な箱形状のケーシングと、その内で蛇行する経路（図示省略）が形成されており、この経路内に改質触媒が充填されている。昇温蒸発混合器１３０から送り出された燃料ガスと水蒸気の混合ガスは、改質触媒によって、改質器１８内を通過する間に、水素と一酸化炭素からなる改質ガスに改質される。改質された改質ガスは、改質ガス供給管２５から垂直マニホールド２９を経て水平マニホールド２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ、２４ｅのそれぞれに分配され、各セルスタック群１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅの改質ガス通路２０に送り込まれる。一対の改質器１８Ｌ、１８Ｒは、上部の渡り配管２８によって接続されており、渡り配管２８によって左右の出口圧力の均衡が確保されている。

図６に示すように、空気供給部材１６（上下方向に５枚存在するが、全部共通するために、段数を示す添字ａ〜ｅを省略して説明することがある）は、同一水平面内に空気通路が平行するように配置された２個の高さの低い箱状の通路部５１（５１Ｌ、５１Ｒで図示しているが、添字を省略することがある）と、通路部５１の間に配設されて通路部５１に平行且つ水平に伸びる段部を有する邪魔板部５２と、通路部５１の邪魔板部５２が配設されている側の反対側の側面からそれぞれの外側に水平に伸びる邪魔板部５３（５３Ｌ、５３Ｒで図示しているが、添字を省略することがある）とを有している。邪魔板部５２の段部の両端部から、フランジ６５（６５Ｆ、６５Ｂで図示しているが、添字を省略することがある）が上方に垂直に伸びている。邪魔板部５２の、通路部５１が取付けられていない側の両端部から、空気供給路５０Ｌ、５０Ｒと接続するためのブラケット５９（５９Ｆ、５９Ｂで図示しているが、添字を省略することがある）が水平に伸びている。また、邪魔板部５３にも、空気供給路５０Ｌ、５０Ｒと接続するためのブラケット６１（６１ＬＦ、６１ＬＢ、６１ＲＦ、６１ＲＢで図示しているが、添字を省略することがある）がそれぞれ取付けられている。通路部５１のそれぞれの開口部には、フランジ６３（６３ＬＦ、６３ＬＢ、６３ＲＦ、６３ＲＢで図示しているが、添字を省略することがある）と、一部フランジを兼ねた脚部５７（５７ＬＦ、５７ＲＦ、５７ＲＢで図示しているが、添字を省略することがある。５７ＬＦに対向する箇所にある脚部の図示は省略する）がそれぞれ取付けられている。脚部５７は、通路部５１の開口の幅を有する板部材であり、開口の下端から下方に垂直に伸び、その端部が開口面より内側へ水平に伸び、その端部が垂直に下方へ伸び、その端部が開口面近傍まで外側へ水平に伸びている。空気供給部材１６は、脚部５７によって自立する。通路部５１上面に複数の空気供給口１６ｆが形成されている。

図５に示すように、セルスタック群１４Ｌが接続された水平マニホールド２４Ｌと、セルスタック群１４Ｒが接続された水平マニホールド２４Ｒは、空気供給部材１６の邪魔板部５２の段部上に並列した状態で載置されている。このとき、通路部５１Ｌ、５１Ｒとセルスタック群１４Ｌ、１４Ｒとの間には、パッキン（６２：図７参照）が介在しており、これらは直接接触していない。水平マニホールド２４Ｌ、２４Ｒは、それぞれの両端部側から、固定板５５Ｆ、５５Ｂによって挟み込まれている。固定板５５Ｆ、５５Ｂは、邪魔板部５２の段部の両端面に垂直に固定されている。固定板５５Ｆ、５５Ｂとその組付けについて以下に説明する。
固定板５５Ｆ、５５Ｂは、水平マニホールド２４Ｌ、２４Ｒのそれぞれの両端部を挟んだ状態で邪魔板部５２の段部の両端面に固定されているが、図６では、固定板５５Ｆ、５５Ｂとその組付け状態を明瞭に示すため、水平マニホールド２４Ｌ、２４Ｒとセルスタック群１４Ｌ、１４Ｒの図示を省略し、固定板５５Ｆ、５５Ｂのみが邪魔板部５２の段部の両端面に固定された状態を図示している。以下では、左右を示す添字Ｌ、Ｒや前後を示す添字Ｆ、Ｂ等を省略して共通に説明することがある。
図６に示すように、固定板５５Ｆ、５５Ｂは、中央部に孔６７Ｆ、６７Ｂが設けられた板部材である。固定板５５Ｆには、下部から水平に外側に伸びる下部フランジ５５Ｆａと、２箇所から水平に内側に伸びる２枚のフランジからなる中間部フランジ５５Ｆｂが設けられている。固定板５５Ｂには、下部から水平に外側に伸びる下部フランジ（図示省略）と、２箇所から水平に内側に伸びる２枚のフランジからなる中間部フランジ５５Ｂｂが設けられている。下部フランジ５５ａと中間部フランジ５５ｂとの距離は、邪魔板部５２の段部の高さに等しい。邪魔板部５２の段部の両端部の下面とブラケット５９の上面との間隙に中間部フランジ５５ｂを圧入すると、中間部フランジ５５ｂが邪魔板部５２の段部の下面に支持され、下部フランジ５５ａがブラケット５９の上面に支持され、固定板５５の内側の面が邪魔板部５２の段部のフランジ６５にそれぞれ当接して支持される。これによって、固定板５５Ｆ、５５Ｂは邪魔板部５２の段部の両端面に垂直に固定される。
上記のように空気供給部材１６と水平マニホールド２４Ｌ、２４Ｒと固定板５５Ｆ、５５Ｂを組付けることによって、図５に示すように、空気供給部材１６と、左右両側の水平マニホールド２４Ｌ、２４Ｒと、左右両側のセルスタック群１４Ｌ、１４Ｒの１段分がユニット化する。

上記のユニットを５段準備して積み上げ、空気供給管５０Ｌ、５０Ｒに組付ける。具体的には、図７を用いて説明する。
図７は、空気供給管５０Ｌａと、セルスタック群１４Ｌ側の空気供給部材１６の通路部５１Ｌの一方側（脚部５７ＬＦ側）の開口部との接続部を示している。まず、空気供給部材１６ｅの通路部５１ｅ上に空気供給部材１６ｄの脚部５７ｄを載置する。以下同様にして、空気供給部材１６ｄの上に、空気供給部材１６ｃ、１６ｂ、１６ａを順に積み上げる（図７では、通路部５１Ｌ上に脚部５７ＬＦが載置されている箇所のみを図示している）。
空気供給部材１６を積み上げると、上側の通路部５１の下面と下側の通路部５１の上面との間に脚部５７の高さの空間が形成される。このとき、セルスタック群１４が、直上の通路部５１の下面に接触することはない。
空気供給管５０Ｌａに上下方向に５つの開口部が設けられており、これらの位置は、５段積み上げられた空気供給部材１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅの通路部５１Ｌａ、５１Ｌｂ、５１Ｌｃ、５１Ｌｄ、５１Ｌｅの一方側（脚部５７ＬＦ側）の開口部の位置に対応している。空気供給管５０Ｌａの５つの開口部と、通路部５１Ｌａ、５１Ｌｂ、５１Ｌｃ、５１Ｌｄ、５１Ｌｅの一方側の開口部を、それぞれパッキン６９ａ、６９ｂ、６９ｃ、６９ｄ、６９ｅを介して接続する。図示はないため、添字ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅを省略して５段共通に説明するが、空気供給管５０Ｌｂ、５０Ｒａ、５０Ｒｂにも同様に開口部が上下方向に５つ設けられており、空気供給管５０Ｌｂの５つの開口部と５つの空気供給部材１６の通路部５１Ｌの他方側の開口部、空気供給管５０Ｒａの５つの開口部と５つの空気供給部材１６の通路部５１Ｒの一方側（脚部５７ＲＦ側）の開口部、空気供給管５０Ｒｂの５つの開口部と５つの空気供給部材１６の通路部５１Ｒの他方側（脚部５７ＲＢ側）の開口部を同様に接続する。これによって、空気供給部材１６と空気供給管５０Ｌａ、５０Ｌｂ、５０Ｒａ、５０Ｒｂが接続される。

以上によって、空気供給部材１６と空気供給管５０が接続された後、固定板５５Ｆに設けられた孔６７Ｆを介して、水平マニホールド２４Ｌａ、２４Ｌｂ、２４Ｌｃ、２４Ｌｄ、２４Ｌｅが垂直マニホールド２９Ｌに接続され、水平マニホールド２４Ｒａ、２４Ｒｂ、２４Ｒｃ、２４Ｒｄ、２４Ｒｅが垂直マニホールド２９Ｌに接続される。
空気供給部材１６の脚部５７は、通路部５１の開口の幅を有し、開口の下端から下方に伸びる板部材であり、下方が内側に入り込んだ形状である。従って、空気供給部材１６と空気供給管５０が接続されると、図７に示すように、空気供給部材１６の脚部５７と空気供給管５０によって空間７１が形成される。空間７１は、図示しない電力取出線の配線スペースとして利用される。

空気供給部材１６と、セルスタック群１４は１段毎にユニット化しており、空気供給部材１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅは、セルスタック群１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅのそれぞれの下方に配設されている。空気供給部材１６の邪魔板部５２は、上段のセルスタック１４の上流側（マニホールド側）に向けて水平に伸びており、左右の空気供給部材１６を連結している。空気供給部材１６の邪魔板部５３は、上段のセルスタック１４の下流側（改質器側）に向けて水平に伸びており、改質器１８の近くまで伸びている。先述のように、各空気供給部材１６の通路部５１の開口部は、空気供給管５０に連通している。空気供給管５０は金属製であり、図１と図３に示すように、上下方向に伸びており、上端は第３室４８に開口している。第３室４８の下方は、空気導入管３４と連通しており、空気導入管３４によって外部から導入された空気は、第３室４８を通過して４本の空気供給管５０Ｌａ、５０Ｌｂ、５０Ｒａ、５０Ｒｂに分岐して流入し、上下５段の空気供給部材１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅの通路部５１Ｌａ、５１Ｒａ、５１Ｌｂ、５１Ｒｂ、５１Ｌｃ、５１Ｒｃ、５１Ｌｄ、５１Ｒｄ、５１Ｌｅ、５１Ｒｅの上面から、直近上部のセルスタック１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅに空気を供給する。
先述のように、各段の空気供給部材１６は、それぞれ脚部５７を有しており、自立する。また、空気供給部材１６の両端は空気供給管５０ａ、５０ｂによって支持されている。従って、空気供給部材１６の強度は高い。
図２に示すように、各セルスタック１４は左右方向に伸びており、空気供給部材１６は図示の上下方向に伸びている。両持ち状の空気供給部材１６と、片持ち状のセルスタック群１４が交差する位置関係におかれている。
空気供給部材１６と、セルスタック群１４は１段毎にユニット化しており、水平マニホールド２４に片持ち状に支持されているセルスタック群１４は、両持ち状に支持されている空気供給部材１６に対してパッキン６２を介して載置されており、片持ち状のセルスタック１４が水平に伸びる姿勢で安定的に支持されている。片持ち状のセルスタック１４が不用意に傾くことはない。

第３室４８と第２室４６を仕切る外仕切壁３８の４つの外周面には、図２に示すフィン５４が取付けられている。フィン５４は横方向に長尺な金属製板部材を略蛇腹形状に折畳んで形成されている。外側は外壁４０の内面に接触しており、内側は外仕切壁３８の外面に接触している（図１〜３ではフィン５４の形状を明瞭にするため、フィン５４と壁面を離して示している）。なお、放熱を防止するために、フィン５４と外壁４０の内面が、断熱材を介して接触する構成であってもよい。図１と図３に示すように、外仕切壁３８の４つの外周面には、複数のフィン５４が上下方向に取付けられて外周面を覆っている。図示はしていないが、上下のフィン５４は、ピッチを半分ずらして取付けられている。このようにフィン５４が取付けられているため、外仕切壁３８とフィン５４と外壁４０によって、外仕切壁３８の４つの外周面と外壁４０の内面との間の全体に亘って、上下方向に伸びる細い角柱形状の通路が複数本形成される。
図２に示すように、外仕切壁３８の４つの内周面にも、フィン５４と同様にフィン５６が取付けられている。フィン５６の形状もフィン５４と同様である。このようにフィン５６が取付けられているため、外仕切壁３８とフィン５６と内仕切壁３６によって、外仕切壁３８の４つの内周面と内仕切壁３６の外面との間の全体に亘って、上下方向（図２の紙面垂直方向）に伸びる細い角柱形状の通路が複数本形成される。フィン５４は第３室４８のサイズを規定し、フィン５６は第２室４６のサイズを規定する。

図１と図３に示すように、外仕切壁３８は、第２室４６の底板４６ｂよりも下方に伸びる固定用壁３８ａによって外壁４０の底板４０ｂに固定されている。固定用壁３８ａには複数個の穴３８ｂが形成されており、空気の流通が自在となっている。内仕切壁３６も、第１室の底板の４４ｂ下端から下方に伸びる固定用壁３６ａによって、第２室４６の底板４６ｂから持ち上げられている。第１室４４の底板４４ｂは第２室４６の底板４６ｂから持ち上げられている。固定用壁３６ａにも複数個の穴３６ｂが形成されており、排気ガスの流通が自在となっている。第１室４４の底板４４ｂと第２室４６の底板４６ｂの間隙は第２室４６の一部を構成する。
図１に示すように、第１室４４の底板４４ｂと第２室４６の底板４６ｂの間隙（第２室４６の一部）には昇温蒸発混合器１３０が配設されている。昇温蒸発混合器１３０には燃料ガス供給装置１３２から燃料ガスが供給され、改質用水供給装置１３４から水が供給される。昇温蒸発混合器１３０は高温の排気ガスによって加熱され、燃料ガスと水蒸気を混合して加熱する。加熱された混合ガスが、混合ガス供給管２７から改質器１８に供給される。第１室４４の底板４４ｂと第２室４６の底板４６ｂの間は、第２室４６の一部であり、そこに排気通路５８が連通している。
外壁４０の底板４０ｂと第２室４６の底板４６ｂの間は、第３室４８の一部であり、そこに空気導入管３４が連通している。昇温蒸発混合器１３０の下側には第３室４８が位置している。

第３室４８は、発電ユニット１０の６面（４側面と上面と底面）において、第２室４６を取り囲んでおり、第２室４６は、発電ユニット１０の６面（４側面と上面と底面）において、第１室４４を取り囲んでいる。
第３室４８は、外部から取り込まれた空気が通過する。第２室４６は、第１室４４で生成された排気ガスが通過する。第１室４４は燃料電池セル群１４と改質器１８の収容室として利用される。
第１室４４は最も高温であり、第２室４６は２番目に高温であり、第３室４８が３番目に高温である。最も高温な第１室４４を、２番目に高温な第２室４６で取り囲み、その外側を３番目に高温な第３室４８で取り囲む構造となっている。最も高温に維持する必要がある第１室４４を最も内側に配置することによって、セルスタック群１４と改質器１８を収納する第１室４４を最も高温に維持しやすい最適な構造となっている。

発電ユニット１０内の動作を説明する。共通の事象については、左右を示す添字Ｌ，Ｒと段数を示す添字ａ〜ｅを省略して説明する。
水供給装置１３４から送り込まれた水は昇温蒸発混合器１３０内で予熱され、水蒸気となる。燃料ガス供給装置１３２から送り込まれた燃料ガスと水蒸気は、昇温蒸発混合器１３０内で混合されて予熱され、混合ガス供給管２７から改質器１８に送られる。改質器１８に送られた混合ガスは、改質器１８内で、水素と一酸化炭素を含む改質ガスに改質され、各水平マニホールド２４から、各セルスタック１４の改質ガス通路２０に送られる。
空気導入管３４から送り込まれた空気は、第３室４８に送られ、フィン５４の間をすり抜けて上部に達し、外壁４０の上面の下側を流れた後に、第３室４８に開口している空気供給管５０内に流入する。空気は、この間に、高温の排気ガスによって予熱される。空気供給管５０へ流入した予熱空気は下方へ移動し、各段の空気供給部材１６に送られる。空気供給部材１６へ送られた空気は、上面の空気供給口１６ｆからから、直近上方のセルスタック１４の外周面に吹き付けられる。
空気供給口１６ｆから流出する空気は、上方向、若しくは斜め上方向に上昇し、すぐ上のセルスタック１４の下側全体に分散される。酸素は、イオン化して固体電解質を通過して燃料極に至り、水素または一酸化炭素と反応し、酸素極と燃料極の間に電位差を発生させる。すなわち、発電する。

セルスタック１４に供給された改質ガスの例えば８０％が発電に利用される場合、発電に利用されなかった２０％の改質ガス（オフガス）は、改質ガス通路２０を通過して先端から流出する。また、セルスタック１４に供給された空気の例えば２０％が発電に利用される場合、発電に利用されなかった８０％の空気は、セルスタック１４の集電部材２２の隙間をすり抜ける。この空気は邪魔板部５３に沿ってセルスタック１４の下流側の先端に誘導される。
各セルスタック１４の先端近傍には夫々スパーク電極が配設されている。スパーク電極が火花放電することによって、各セルスタック１４の先端から流出するオフガスが、各セルスタック１４の先端側に誘導される空気によって燃焼する。
各セルスタック１４の先端には、燃焼器１７が形成されている。３５本の左側のセルスタック１４に対応して３５個の燃焼器群１７Ｌが形成されており、３５本の右側のセルスタック１４に対応して３５個の燃焼器群１７Ｒが形成されている。３５個の燃焼器群１７Ｌは略同一平面内に位置しており、その平面と改質器１８Ｌは近接して平行となっている。３５個の燃焼器群１７Ｒは略同一平面内に位置しており、その平面と改質器１８Ｒは近接して平行となっている。燃焼器群１７と改質器１８が近接していることから、オフガスの燃焼熱によって効率よく改質反応に伴う吸熱を補償することができる。

燃焼ガスは極めて高温であり、そのままでは熱交換器に投入しがたい。それほどの高温に耐えられる熱交換器の材質が限られ、高価である。本実施例では、燃焼熱でまず改質器１８を加熱する。改質反応は吸熱反応であり、燃焼熱が改質反応に伴う吸熱を補償するために利用される。燃焼熱で改質反応の吸熱を補償するために、燃焼ガスの温度は低下する。第２室４６を流れる燃焼ガスの温度は適度に冷却されており、仕切り壁３６、３８に特別の材料を使わなくてもすむ。

燃料電池セル１２の電気化学反応が効率よく進行する環境温度は約８００℃の高温である。この環境温度が低下すれば、発電効率は低下する。従って、セルスタック群１４に供給する空気についても、約８００℃の環境温度を得るために予熱しておく必要がある。
第１室４４内を上昇した排気ガスは、第１室４４の上面に沿って流れて第２室４６に流入する。第２室４６内に流入した排気ガスは、上下方向に伸びる複数の細い角柱形状の通路を下方向に通過して第２室４６の下部に流入し、排気ガス通路５８から外部に導出される。
このとき、空気導入管３４から導入された空気は第３室４８内に流入し、上下方向に伸びる複数の細い角柱形状の通路を上方向に通過する。第２室４６を通過する排気ガスと、第３室４８を通過する空気との間で熱交換が行われる。外仕切板３８の両面に取付けられたフィン５４、５６によって、熱交換率は更に高められる。この熱交換によって、セルスタック群１４に供給する空気を約６５０℃まで予熱しておくことができる。約６５０℃まで予熱した空気をセルスタック群１４に供給することができるために、セルスタック群１４を発電適温に維持することができる。
空気を予熱することによって排気ガスは冷却される。昇温蒸発混合器１３０の周囲を通過するときの排気ガスは、４００℃弱になっている。この温度の排気ガスは、燃料ガスと水蒸気の混合ガスを予熱するには十分であり、燃料ガスから炭素を析出させる程には高温でない。改質器１８に予熱された混合ガスを供給すること、改質器１８の近傍でオフガスを燃焼させることによって、改質器１８の全体を改質適温に維持することができる。
本実施例の発電ユニットは、熱自立することができている。

燃料電池セル１２はセラミック製であり、取扱いに注意を要する。従来の組付け作業は、セルスタック群を水平方向に伸びるマニホールドに接続したものを上下方向に配列するように改質器に接続し、その後、各セルスタック群の下方にそれぞれ空気供給部材を配置し、これを空気供給管に接続していた。この組付け作業では、上下のセルスタック群の相互間に空気供給部材を横から挿入するとき、空気供給部材がセルスタック群に接触しないように慎重に作業を行なう必要があった。また、セルスタック群をマニホールドに組付けた後、次の組付け作業までの間、安全に放置しておくことが困難であった。従って、セルスタック群の組付け作業性はあまり芳しくなかった。
本実施例では、１段分の左右のセルスタック群１４Ｌ、１４Ｒと、これらの直下に配置される空気供給部材１６とがユニット化している。また、空気供給部材１６には脚部５７が形成されており、ユニットを積重ねても、セルスタック群１４Ｌ、１４Ｒと、直上の空気供給部材１６とが接触しない。この構成によれば、このユニットを１段ずつ積重ねながら、安定した姿勢で組付け作業を行なうことができる。組付け作業中に、セルスタック群１４Ｌ、１４Ｒが、他の部材と不用意に接触してしまう事故が起こりにくくなる。空気供給部材１６には脚部５７が形成されているため、セルスタック群１４Ｌ、１４Ｒと、空気供給部材１６とを組付けた後、垂直マニホールド２９や空気供給管５０等と組付けるまで、セルスタック群１４Ｌ、１４Ｒを空気供給部材１６に安全に支持させておくことができる。これらのことから、組付け作業が非常に容易となり、作業性を向上させることができる。

本実施例では、空気供給部材１６の左右の通路部５１Ｌ、５１Ｒの間に、邪魔板部５２を配置し、左右の空気供給部材１６Ｌ，１６Ｒを連結しており、下段のセルスタック群１４で発生した発電熱が上段のセルスタック群１４に伝達されないようにしている。邪魔板部５３は、改質器１８の極近くまで伸びており、燃焼ガスがそのまま上方に流動しないようにしている。邪魔板部５３を改質器１８の近くまで伸ばすことによって、改質器１８に燃焼ガスを当て、改質器１８を効率よく加熱することに寄与している。
本実施例では、空気供給部材１６の脚部５７は、通路部５１の短手方向の幅で下方に伸びる板部材である。この形状によれば、空気供給口１６ｆから吹出された空気を余さずセルスタック群１４側へガイドすることができる。本実施例では、脚部５７の下部が内側に入り込んでいるため、よりその効果は高い。空気を有効利用することができ、発電とオフガスの燃焼に寄与しない余剰空気量を最少限に抑制することができるため、セルスタック群１４を収容している第１室４４内の温度が、余剰空気によって低下することを防止することができる。空気供給部材１６の脚部５７は熱自立に貢献している。

本実施例では、最も高温な第１室４４を２番目に高温な第２室４６で取り囲み、その外側を３番目に高温な第３室４８で取り囲む構造となっているために、第１室４４を高温に維持しやすい。そのために、発電に伴って発生する熱と、オフガスの燃焼熱だけで、燃料電池セル群１４と改質器１８を収容する第１室４４内の温度を、発電適温である８００〜８５０℃に維持することができる。熱自立することができる。

以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また本明細書または図面に例示した技術は複数の目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

発電ユニットの縦断面を示す図。発電ユニットの横断面を示す図（図１のII−II線断面図）。発電ユニットの別の縦断面を示す図（図１のIII−III線断面図）。燃料電池セルの断面を模式的に示す図。空気供給部材と水平マニホールドとセルスタック群のユニットを示す図。空気供給部材を示す図。発電ユニットの部分縦断面を示す図。

符号の説明

１０・・・・発電ユニット
１２・・・・燃料電池セル
１４・・・・セルスタックまたはセルスタック群
１６・・・・空気供給部材
１８・・・・改質器
２４・・・・水平マニホールド
２９・・・・垂直マニホールド
５０・・・・空気供給管
５１・・・・通路部
５２・・・・邪魔板部
５３・・・・邪魔板部
５５・・・・固定板
５６・・・・フィン
５７・・・・脚部
６３・・・・フランジ
６５・・・・フランジ
６７・・・・孔
６９・・・・パッキン

Claims

固体酸化物型の燃料電池を用いる発電装置であり、
複数本の柱状のセルスタックと、
セルスタックに改質ガスを分配するマニホールドと、
セルスタックに有酸素ガスを供給する有酸素ガス供給部材を備えており、
各セルスタックは、多数個の燃料電池セルが直線状に整列されて形成されており、
各燃料電池セルは、燃料極と、固体電解質と、酸素極と、燃料ガス通路とを備え、
燃料ガス通路は、燃料電池セル内部を通過しており、
各セルスタックには、長手方向の一端から他端に亘って燃料ガス通路が形成されており、
複数本のセルスタックが略同一水平面内に配列されてセルスタック群を構成しており、
前記セルスタック群は、各セルスタックの燃料ガス通路が前記マニホールドと連通するように、各セルスタックの一端をマニホールドに接続させることによって、前記マニホールドに接続されており、
前記有酸素ガス供給部材は、セルスタック群の下方に、水平方向に伸びるように配置されているとともに、有酸素ガスを通過させる有酸素ガス通路と、前記マニホールドを支持する手段とを有しており、
前記有酸素ガス通路の上面には複数個の有酸素ガス供給口が開口されており、
前記複数個の有酸素ガス供給口は、直上のセルスタック群に有酸素ガスを供給可能な位置に開口されており、
セルスタック群が接続されたマニホールドが前記有酸素ガス供給部材の前記マニホールド支持手段によって支持されることによって、前記セルスタック群と前記マニホールドと前記有酸素ガス供給部材とを備えるユニットが形成され、このユニットが垂直方向に多段に配列され、
前記有酸素ガス供給部材は、前記ユニットを自立させるための脚部であって、一方のユニットの脚部を、他方のユニットの有酸素ガス供給部材の上面に載せることにより、２つのユニットを垂直方向に多段に配列可能な前記脚部をさらに備え、
前記脚部の長さは、一方のユニットの脚部を他方のユニットの上面に載せた際に、一方のユニットの有酸素ガス供給部材と他方のユニットのセルスタック群との間に空間が形成される長さであることを特徴とする発電装置。