JP2011100640A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスマニホールド全体に反応ガスを均等に到達させ、全ての燃料電池セルに反応ガスを均等に供給する燃料電池を提供する。
【解決手段】内部に反応ガス流路が形成された複数の燃料電池セル８４と、反応ガスを収容するガスマニホールド６６と、ガスマニホールド６６の上部に配設され、燃料電池セル８４の反応ガス流路方向一端を支持し且つガスマニホールド６６内の反応ガスを各々の反応ガス流路に供給する貫通孔６９が形成された支持板６８と、ガスマニホールド６６の内部に配設され且つ反応ガスを噴出する複数の噴出孔６５から噴出された反応ガスをガスマニホールド６６の内部に供給する内部ガス供給配管６３を備え、内部ガス供給配管６３は、その軸芯が支持板６８の燃料電池セル支持面に沿って底面６７と間隔をおいて配置され、内部ガス供給配管６３の熱変形を防止する熱変形防止手段を有する燃料電池１である。
【選択図】図７

Description

本発明は、反応ガス（発電用ガス）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。

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

このようなＳＯＦＣとして、例えば、ガス分散室と、当該ガス分散室の上部に配設され且つ内部に複数の燃料電池セルが立設された発電室と、前記ガス分散室と発電室との間に配設され且つ当該ガス分散室に供給された燃料ガスを前記発電室に流通させる通気孔が形成された下部隔壁を備え、前記ガス分散室に供給された燃料ガスを、当該通気孔を介して前記燃料電池セルのアノード電極に供給するものが紹介されている。（例えば、特許文献１参照）。

ところで、ＳＯＦＣでは、燃料電池セルに対する燃料枯れや発熱温度ムラが生じると、当該燃料電池セルの寿命の低下や、破損に繋がる虞があり、これらを解消するためには、複数の燃料電池セルの全てに対し反応ガス（発電用ガス）を均等に供給することが重要であることが知られている。また、ＳＯＦＣでは、発電に要するエネルギーをできるだけ削減することが要求されており、この要求には、前記燃料電池セルに必要最低限の反応ガスを供給することで対処している。したがって、ガス分散室（ガスマニホールド）内の反応ガスの供給量を多くする、あるいは反応ガスの供給圧力を高くすることができず、ガス分散室（ガスマニホールド）内に反応ガスを均等に分散（拡散）させることがより困難となっている。

そこで、複数の燃料電池セルがガスマニホールド上に配設されてなり、当該ガスマニホールドに燃料ガスを供給するガス供給管を当該ガスマニホールドの天板（上面）に接続した構成を備え、前記ガス供給管から供給された燃料ガスを前記ガスマニホールドの内側底面に吹き付けることで、当該燃料ガスを前記ガスマニホールド内に分散させ、前記燃料電池セルのアノード電極に前記燃料ガスをほぼ均等に供給するようにした燃料電池も紹介されている。（例えば、特許文献２参照）。

特開２００６−６６３８７号公報 特開２００８−６６１２７号公報

しかしながら、特許文献１に記載された燃料電池は、前記ガス分散室に対し、当該ガス分散室の底面の略中央部に連通された１つの燃料ガス供給管から燃料ガスを供給する構造を有しているため、当該燃料ガスは、前記燃料ガス供給管からの到達位置が遠くなる程、流速が遅くなり、当該ガス分散室の隅々まで十分に燃料ガスを到達させることが困難である。したがって、前記ガス分散室と発電室との間に配設された下部隔壁に形成されている通気孔のうち、前記ガス分散室の中央部付近に形成されている通気孔から供給される燃料ガスによって発電を行う燃料電池セルに対しては、十分な燃料ガスを供給することが可能であるが、前記ガス分散室の中央部から遠い位置に形成されている通気孔から供給される燃料ガスによって発電を行う燃料電池セルに対しては、十分な燃料ガスを供給することが困難である。このため、全ての燃料電池セルに対して燃料ガスを均等に供給することができなくなる虞がある。

また、特許文献２に記載された燃料電池は、前記ガス供給管が前記ガスマニホールドの天板の一端に接続されているため、当該燃料ガスは、当該ガスマニホールドの内側底面の燃料ガス吹き付け位置からの到達位置が遠くなる程、流速が遅くなり、当該ガスマニホールド全体にわたって燃料ガスを均等に到達させることが困難である。したがって、前記燃料ガス吹き付け位置から近い位置に配設されている燃料電池セルに対しては、十分な燃料ガスを供給することが可能であるが、前記燃料ガス吹き付け位置から遠い位置に配設されている燃料電池セルに対しては、十分な燃料ガスを供給することが困難である。このため、全ての燃料電池セルに対して燃料ガスを均等に供給することができなくなる虞がある。

本発明は、このような事情に鑑みなされたものであり、ガスマニホールド全体にわたって反応ガスを均等に到達させることができ、全ての燃料電池セルに対し、前記反応ガスを均等に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。

この目的を達成するため本発明は、内部に反応ガス流路が形成されてなる複数の燃料電池セルと、内部に前記反応ガスを収容するガスマニホールドと、前記ガスマニホールドの上部に水平に配設され、前記複数の燃料電池セルの前記反応ガス流路方向一端を支持する共に、当該ガスマニホールド内に収容された反応ガスを前記各々の反応ガス流路に供給する貫通孔が形成された支持板と、前記ガスマニホールドの内部に配設され、且つ前記反応ガスを噴出する複数の噴出孔が形成されてなり、当該各々の噴出孔から噴出される反応ガスを当該ガスマニホールドの内部に供給する内部ガス供給配管と、前記内部ガス供給配管の熱変形を防止する熱変形防止手段と、を備え、前記内部ガス供給配管は、その軸芯が前記支持板の燃料電池セル支持面に沿って配設されると共に、前記ガスマニホールドの前記支持板と対向する底面と間隔をおいて配置されてなる燃料電池を提供するものである。

この構成を備えた燃料電池は、複数の噴出孔が形成された内部ガス供給配管を、ガスマニホールドの内部に配設し、当該内部ガス供給配管の軸芯が前記支持板の燃料電池セル支持面に沿うように配設したため、当該ガスマニホールドの内壁と、前記内部ガス供給配管との距離を短くすることができると共に、当該噴出孔を当該ガスマニホールド内の任意の位置に配設することができる。したがって、前記ガスマニホールド内の任意の位置に噴出孔を位置させることができるので、当該ガスマニホールド内に反応ガスを行き渡らせるために適切な位置に噴出孔を設けることができ、前記反応ガスを前記ガスマニホールド全体にわたって均等に分散させることができる。また、前記内部ガス供給配管は、前記ガスマニホールドの底面と間隔をおいて配置されているため、前記反応ガスは、当該内部ガス供給配管に邪魔されることなく、前記底面に沿って分散することができる。そしてまた、前記内部ガス供給配管を流通する反応ガスの熱が前記底面に奪われることを抑制することもできる。

前記支持板は、前記マニホールドと一体的に形成されていてもよく、当該マニホールドとは別体に形成されていてもよい。

ところで、燃料電池の発電時には、前記ガスマニホールド内が高温（例えば、５００℃〜６００℃程度）になることが知られており、前記内部ガス供給配管を介して、このガスマニホールドの内部に供給される反応ガスの温度も高温（例えば、５００℃〜６００℃程度）であり、したがって、当該内部ガス供給配管自身の温度も高温（例えば、５００℃〜６００℃程度）となる。ここで、本発明に係る燃料電池は、前記内部ガス供給配管の熱変形を防止する熱変形防止手段を有しているため、前記内部ガス供給配管が高温となっても、当該内部ガス供給配管が自重により熱変形することを防止することができる。したがって、前記反応ガスを前記ガスマニホールド全体にわたって、より確実に均等に分散させることができ、各々の燃料電池セルに反応ガスを均等に供給することが可能となる。

また、本発明に係る燃料電池は、前記熱変形防止手段が、前記内部ガス供給配管に形成され、且つ当該内部ガス供給配管の熱変形方向に対する剛性を強化する剛性強化手段を有することができる。このように構成することで、前記内部ガス供給配管に、仮にその自重により下方に向けて熱変形しようとする力がかかっても、当該内部ガス供給配管の熱変形方向に対する剛性が高くなっているため、当該内部ガス供給配管が熱変形することを抑制することができる。

そしてまた、前記剛性強化手段としては、前記内部ガス供給配管の軸芯方向に垂直な断面形状が、水平方向よりも上下方向に長い形状となる構造を挙げることができる。このように構成することで、前記内部ガス供給配管に、例えばリブ等の剛性強化手段を別途設けることなく、当該内部ガス供給配管の剛性を簡単に強化することができる。また、内部ガス供給配管の断面形状を特定するだけであるため、当該内部ガス供給配管の中空部分を無駄なく有効に反応ガス流路として活用することができる。したがって、前記ガスマニホールド内に反応ガスをより効率よく均一に噴出させることができる。

さらにまた、前記熱変形防止手段は、前記ガスマニホールドの壁面に固定され且つ前記内部ガス供給配管を支持する支持部材を有することができる。この構成を有する熱変形防止手段は、支持部材により、前記内部ガス供給配管の軸芯方向の任意の位置を直接支持することができるため、当該内部ガス供給配管の熱変形をさらに確実に防止することができる。

また、この構成の場合、前記支持部材は、前記内部ガス供給配管の熱膨張を許容するよう当該内部ガス供給配管を移動可能に支持することができる。即ち、前記内部ガス供給配管は、前記支持部材に固定されていないため、前記内部ガス供給配管が高温になり、熱膨張したとしても、前記支持部材から当該内部ガス供給配管に応力がかけられることが殆どない。したがって、前記内部ガス供給配管が熱変形することをさらに確実に防止することができる。

そしてまた、本発明に係る燃料電池は、前記反応ガスが前記内部ガス供給配管の一端側から当該内部ガス供給配管の内部に供給されてなり、前記熱変形防止手段は、前記内部ガス供給配管の他端を前記ガスマニホールドの壁面に固定した構造を有することができる。このように構成することで、前記内部ガス供給配管の一端側は、前記反応ガスを当該内部ガス供給配管に供給するための反応ガス供給管に接続され、他端側は、前記ガスマニホールドの壁面に固定されるため、当該内部ガス供給配管の他端側が熱変形によって下方に向けて傾くことを抑制することができる。したがって、前記内部ガス供給配管が熱変形することをさらに確実に防止することができる。

本発明によれば、ガスマニホールド全体にわたって反応ガスを均等に到達させることができ、全ての燃料電池セルに対し、前記反応ガスを均等に供給することが可能であり、発電を効率よく行うことができ、寿命が長く、信頼性の高い燃料電池を提供することができる。

図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池を含む燃料電池システムを示す全体構成図である。 図２は、図１に示す燃料電池の燃料電池モジュールを示す正面断面図である。 図３は、図２に示すIII−III線に沿った断面図である。 図４は、図２に示す燃料電池の構成要素である燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。 図５は、図４に示す複数の燃料電池セルユニットから構成された燃料電池セルスタックを示す斜視図である。 図６は、図２に示す燃料電池の構成要素であるガスマニホールドを示す斜視図である。 図７は、図２に示す燃料電池モジュールの構成要素である内部ガス供給配管付近を模式的に示す図である。 図８は、本発明の他の実施形態に係る燃料電池モジュールの構成要素である内部ガス供給配管の断面図である。 図９は、図８に示す内部ガス供給配管をガスマニホールドに配設した状態を模式的に示す図である。 図１０は、本発明の他の実施形態に係る燃料電池モジュールの構成要素である内部ガス供給配管の断面図である。 図１１は、本発明の他の実施形態に係る燃料電池モジュールの構成要素である内部ガス供給配管付近を模式的に示す図である。 図１２は、図１１に示すXII−XIIに沿った断面図である。

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。

図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池を含む燃料電池システムを示す全体構成図、図２は、図１に示す燃料電池の燃料電池モジュールを示す正面断面図、図３は、図２に示すIII−III線に沿った断面図、図４は、図２に示す燃料電池の構成要素である燃料電池セルユニットを示す部分断面図、図５は、図４に示す複数の燃料電池セルユニットから構成された燃料電池セルスタックを示す斜視図、図６は、図２に示す燃料電池の構成要素であるガスマニホールドを示す斜視図、図７は、図２に示す燃料電池モジュールの構成要素である内部ガス供給配管付近を模式的に示す図である。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。

図１に示す燃料電池システムＦＣＳは、燃料電池１と、補助ユニット４とを備えて構成されている。

燃料電池１は、燃料電池モジュール２と、燃料電池モジュール２に接続され且つ燃料電池モジュール２から排出された排気ガスが供給される温水製造装置５０と、温水製造装置５０に接続され且つ温水製造装置５０に水道水を供給する水供給源２４と、燃料電池モジュール２に配設され、燃料電池モジュール２に供給される燃料ガスの供給量等を制御するための制御ボックス５２と、燃料電池モジュール２に接続され且つ燃料電池モジュール２により発電された電力を外部に供給するための電力取出部（電力変換部）であるインバータ５４とを備えている。なお、温水製造装置５０では、水供給源２４から供給された水道水が排気ガスの熱により温水となり、図示しない外部の給湯器の貯湯タンクへ供給されるようになっている。

補助ユニット４は、水道等の水供給源２４からの水を貯水してフィルターにより純水とする純水タンク２６と、この純水タンク２６から供給される水の流量を調整する水流量調整ユニット２８と、都市ガス等の燃料ガス（被改質ガス）を供給する燃料供給源３０と、燃料供給源３０から供給された燃料ガスを遮断するガス遮断弁３２と、前記燃料ガスから硫黄を除去するための脱硫器３６と、前記燃料ガスの流量を調整する燃料流量調整ユニット３８と、酸化剤である空気を供給する空気供給源４０と、空気供給源４０から供給される空気を遮断する電磁弁４２と、前記空気の流量を調整する改質用空気流量調整ユニット４４及び発電用空気流量調整ユニット４５と、燃料流量調整ユニット３８から供給された燃料ガスと改質用空気流量調整ユニット４４から供給された改質用空気とを混合する混合部４６とを備えている。

なお、本実施形態に係る燃料電池システムでは、改質器２０に供給される改質用空気や発電室１０に供給される発電用空気を加熱して起動時の昇温を効率よく行うためのヒータ等の加熱手段や、改質器２０を別途加熱する加熱手段は設けられていない。

次に、燃料電池モジュール２の内部構造について説明する。燃料電池モジュール２は、図１〜図３に示すように、ハウジング６を備え、このハウジング６の内部は、密封空間８となっている。この密封空間８の下方部分である発電室１０には、燃料ガス（改質ガス）と酸化ガス（空気）とにより発電反応を行う燃料電池セル集合体１２が配置されている。また、密封空間８の発電室１０の上方には、燃焼室１８が形成され、この燃焼室１８では、発電反応に使用されなかった残余の燃料ガスと残余の空気とが燃焼し、排気ガスを生成するようになっている。この燃焼室１８の上方には、燃料ガス（被改質ガス）を改質する改質器２０が配置され、前記残余ガスの燃焼熱によって改質器２０を改質反応が可能な温度となるように加熱している。さらに、この改質器２０の上方には、燃焼熱を受けて空気を加熱するための空気用熱交換器２２が配置されている。また、密封空間８の発電室１０の下方には、ガスマニホールド６６が形成されている。

燃料電池セル集合体１２は、１０個の燃料電池セルスタック１４を備えている。この燃料電池セルスタック１４は、図５に示すように、１６本の燃料電池セルユニット１６を備えており、この構成により、燃料電池セル集合体１２は、１６０本の燃料電池セルユニット１６を有することになる。また、燃料電池セルユニット１６の下端側及び上端側は、セラミック製の支持板６８及び１００により各々支持されている。これらの支持板６８及び１００には、後述する内側電極端子８６が貫通可能な貫通孔６８ａ及び１００ａが各々形成されている。

燃料電池セルユニット１６は、燃料電池セル８４と、この燃料電池セル８４の上下方向端部に各々接続された内側電極端子８６とを備えている。燃料電池セル８４は、上下方向に延びる管状構造体であり、内部に燃料ガス流路８８を形成する円筒形の内側電極層９０と、円筒形の外側電極層９２と、内側電極層９０と外側電極層９２との間にある電解質層９４とを備えている。内側電極層９０は、燃料ガスが通過する燃料極（アノード極）であり、外側電極層９２は、空気と接触する空気極（カソード極）となっている。内側電極端子８６の上部９０ａは、電解質層９４と外側電極層９２に対して露出された外周面９０ｂと上端面９０ｃとを有している。この内側電極端子８６は、導電性のシール材９６を介して外周面９０ｂと接続され、上端面９０ｃとは直接接触することにより、内側電極層９０と電気的に接続されている。また、内側電極端子８６の中心部には、内側電極層９０の燃料ガス流路８８と連通する燃料ガス流路９８が形成されている。

また、各々の燃料電池セルユニット１６には、集電体１０２及び外部端子１０４が取り付けられている。この集電体１０２は、内側電極端子８６と電気的に接続される燃料極用接続部１０２ａと、外側電極層９２の外周面全体と電気的に接続される空気極用接続部１０２ｂとにより一体的に形成されている。外部端子１０４は、隣接する燃料電池セルスタック１４の端にある燃料電池セルユニット１６の外部端子１０４（図示せず）に接続され、１６０本の燃料電池セルユニット１６の全てが直列接続されるようになっている。

改質器２０には、その上流端側に純水を導入するための純水導入管６０と、改質される燃料ガスと改質用空気を導入するための被改質ガス導入管６２が取り付けられている。改質器２０の内部には、上流側から順に、蒸発部２０ａ、改質部２０ｂが形成されており、改質部２０ｂには、改質触媒が充填されている。この改質器２０に導入された水蒸気（純水）が混合された燃料ガス及び空気は、改質器２０内に充填された改質触媒により改質される。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や、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。また、この改質器２０の下流端側には、下方に延びる燃料ガス供給管６４が接続されている。

空気用熱交換器２２は、上流側に空気集約室７０、下流側に２つの空気分配室７２を備え、これらの空気集約室７０と空気分配室７２は、６個の空気流路管７４により接続されている。ここで、図３に示すように、３個の空気流路管７４が一組（７４ａ、７４ｂ、７４ｃ、７４ｄ、７４ｅ、７４ｆ）となっており、空気集約室７０内の空気が各組の空気流路管７４からそれぞれの空気分配室７２へ流入する。この空気用熱交換器２２の６個の空気流路管７４内を流れる空気は、燃焼室１８で燃焼して上昇する排気ガスにより予熱される。空気分配室７２の各々には、空気導入管７６が接続され、この空気導入管７６は、下方に延び、その下端側が、発電室１０の下方空間に連通し、発電室１０に余熱された空気を導入する。

ガスマニホールド６６は、特に図６に示すように、底面６７が長方形状を呈する略直方体形状を有しており、このガスマニホールド６６の上部には、燃料電池セルスタック１４を支持するための板状の支持板６８が配設されている。この支持板６８には、ガスマニホールド６６に収容された燃料ガスを各々の燃料電池セル８４の燃料ガス流路８８に供給するための貫通孔６９が形成されている。なお、支持板６８は、底面６７に対向して配設されており、これにより底面６７は、支持板６８に対向配置された対向壁となっている。

また、ガスマニホールド６６の内部には、ガスマニホールド６６内に燃料ガスを供給するための内部ガス供給配管６３が、底面６７及び支持板６８の各々と所定の間隔をおいて配設されている。この内部ガス供給配管６３は、軸芯方向に垂直な断面外形が円形である中空円筒形を有し、支持板６８の燃料電池セル載置面に沿って水平に、且つガスマニホールド６６の底面６７の長辺方向に延びている。また、内部ガス供給配管６３の一端６３Ａは、図２に示すように、改質器２０の下流端側に接続された燃料ガス供給管６４に連通し且つ固定されており、内部ガス供給配管６３には、改質器２０から燃料ガス供給管６４を介して燃料ガスが供給されるようになっている。一方、内部ガス供給配管６３の他端６３Ｂは、図２、図６及び図７に示すように、ガスマニホールド６６の内壁（図２及び図７でいう右側の内壁）に固定されている。

このように、内部ガス供給配管６３の一端６３Ａを燃料ガス供給管６４に固定し、他端６３Ｂをガスマニホールド６６の内壁に固定したため、内部ガス供給配管６３の一端６３Ａ及び他端６３Ｂが、熱変形によって下方に向けて傾くことを阻止することができ、内部ガス供給配管６３が熱変形することを確実に防止することができる。なお、本実施形態では、内部ガス供給配管６３の両端を固定したことによって、内部ガス供給配管６３が熱変形することを防止しており、この構成が熱変形防止手段となっている。

さらにまた、内部ガス供給配管６３には、内部ガス供給配管６３内に供給された燃料ガス（改質された燃料ガス）を底面６７に向けて垂直に噴出するための複数の噴出孔６５が形成されている。これらの噴出孔６５は、図２、図３及び図７に示すように、内部ガス供給配管６３の下面に、互いに間隔をおいて内部ガス供給配管６３の軸芯方向に沿って一直線上に形成されている。

なお、このガスマニホールド６６の下方には、排気ガス室７８が形成されており、ハウジング６の長手方向に沿った面である前面６ａと後面６ｂの内側には、上下方向に延びる排気ガス通路８０（図３参照）が形成されている。この排気ガス通路８０の上端側は、空気用熱交換器２２が配置された空間と連通し、下端側は、排気ガス室７８と連通している。また、排気ガス室７８の下面のほぼ中央には、排気ガス排出管８２が接続され、この排気ガス排出管８２の下流端は、温水製造装置５０に接続されている。そしてまた、燃焼室１８には、燃料ガスと空気との燃焼を開始するための点火装置８３が設けられている。

本実施形態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。

部分酸化改質反応（ＰＯＸ）は、改質器２０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。
Ｃ_mＨ_n＋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２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。

水蒸気改質反応（ＳＲ）は、改質器２０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。
Ｃ_mＨ_n＋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。

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２０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。
Ｃ_mＨ_n＋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。なお、本実施形態では、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。

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。先ず、改質用空気を増やすように発電用空気流量調整ユニット４５、電磁弁４２及び混合部４６を制御し、改質器２０に空気を供給する。また、発電室１０には、前述したように、空気導入管７６から発電用の空気が供給される。そしてまた、燃料ガスの供給を増やすように燃料流量調整ユニット３８、及び混合部４６を制御し、改質器２０に被改質ガスを供給し、改質器２０へ送り込まれた被改質ガス及び改質用空気は、改質器２０、燃料ガス供給管６４、内部ガス供給配管６３、ガスマニホールド６６を介して、各々の貫通孔６９から各燃料電池セルユニット１６内に送り込まれる。各燃料電池セルユニット１６内に送り込まれた被改質ガス及び改質用空気は、各燃料電池セルユニット１６の下端に形成されている燃料ガス流路９８から燃料ガス流路８８を通過し、上端に形成されている燃料ガス流路９８から夫々流出する。その後、点火装置８３によって、燃料ガス流路９８上端から流出した被改質ガスに着火して燃焼運転を実行する。これにより、燃焼室１８内で被改質ガスが燃焼され、上述した部分酸化改質反応（ＰＯＸ）が発生する。

その後、改質器２０の温度が約６００℃以上になり、且つ燃料電池セル集合体１２の温度が約２５０℃を超えたことを条件として、前述した第１オートサーマル改質反応（ＡＴＲ１）へと移行させ、燃料電池セル集合体１２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。この時、水流量調整ユニット２８、燃料流量調整ユニット３８及び改質用空気流量調整ユニット４４により、被改質ガスと改質用空気と水蒸気とを予め混合したガスを改質器２０に供給する。次いで、改質器２０の温度が６５０℃以上となり、且つ燃料電池セル集合体１２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。

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１０内の温度が徐々に上昇する。発電室１０の温度が、燃料電池モジュール２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２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２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８４の発電により、燃料電池セル８４自体も発熱し、燃料電池セル８４の温度が上昇するため、燃料電池モジュール２を作動させる定格温度、例えば７００〜８００℃になる。

この着火から燃焼工程において、燃料ガス供給管６４を介して、内部ガス供給配管６３に供給された被改質ガス及び改質ガス（燃料ガス）は、各々の噴出孔６５からガスマニホールド６６内に噴出される。この時、内部ガス供給配管６３は、ガスマニホールド６６の内部に配設されており、ガスマニホールド６６内は、外部よりも高温となっているため、ガス供給配管をガスマニホールドの外部に配設した場合に比べ、燃料ガスの放熱を低下させることができる。したがって、当該ガスマニホールドへの反応ガス供給時における当該反応ガスの放熱を低下させることができる。このため、燃料電池セル８４に高温の燃料ガスを供給することができ、燃料電池セル８４の温度上昇を促進させる、あるいは、温度低下を抑制させることができるため、発電を効率よく行わせることができる。

また、内部ガス供給配管６３は、ガスマニホールド６６の長手方向に沿って、底面６７と水平に延びているため、噴出孔６５からガスマニホールド６６の内壁までの距離を短くすることができ、燃料ガスをガスマニホールド６６の隅々まで到達させることができる。また、内部ガス供給配管６３と底面６７とが離間しているため、内部ガス供給配管６３に邪魔されることなく燃料ガスを底面６７に沿って分散させることができると共に、内部ガス供給配管６３を流通する燃料ガスの熱が底面６７に奪われることを抑制することもできる。さらにまた、図７に示すように、燃料ガスは、底面６７に向けて垂直に噴出される（即ち、底面６７に向かう速度成分を持って噴出される）ため、噴出孔６５から噴出された燃料ガスは、先ず、底面６７に向けて下方に噴出された後、分散しながら支持板６８に向けて流れることになる。したがって、燃料ガスをガスマニホールド６６全体にわたって、さらに均等に分散させることができる。

また、内部ガス供給配管６３は、５００℃〜６００℃程度に達するが、内部ガス供給配管６３の一端６３Ａが燃料ガス供給管６４に固定されており、他端６３Ｂがガスマニホールド６６の内壁に固定されているため、内部ガス供給配管６３が自重により下方に向けて熱変形しようとしても、この熱変形が阻止され、内部ガス供給配管６３の形状が維持される。したがって、内部ガス供給配管６３の内部に供給された燃料ガスを、各々の噴出孔６５から均一に噴出させることができるため、燃料ガスをガスマニホールド６６の全体にわたって、確実に均等に分散させることができる。また、各々の噴出孔６５は、比較的小さな孔であり、燃料ガスを噴出孔６５から噴出させることで、オリフィス効果により、ガスマニホールド６６内に燃料ガスによる気流を発生させることができ、燃料ガスをガスマニホールド６６全体にわたって効率よく分散させることができる。そして、この燃料ガスは、支持板６８に形成されている各々の貫通孔６９から各々の燃料電池セル８４の燃料ガス流路８８に均等に供給される。したがって、全ての燃料電池セル８４に対し、燃料枯れや発熱温度ムラが生じることを抑制することができ、燃料電池セル８４の寿命を向上することができる。

また、燃料電池モジュール２の運転停止を行う場合には、燃料ガス及び水蒸気の改質器２０への供給量を減少させると同時に、改質用空気流量調整ユニット４４による発電用空気の燃料電池モジュール２内への供給量を増大させて、燃料電池セル集合体１２及び改質器２０を空気により冷却し、これらの温度を低下させる。その後、発電室の温度が所定温度、例えば、４００℃まで低下した時、燃料ガス及び水蒸気の改質器２０への供給を停止し、改質器２０の水蒸気改質反応（ＳＲ）を終了する。この発電用空気の供給は、改質器２０の温度が所定温度、例えば、２００℃まで低下するまで継続し、この所定温度となったとき、発電用空気流量調整ユニット４５からの発電用空気の供給を停止する。

なお、本実施形態では、熱変形防止手段として、内部ガス供給配管６３の一端６３Ａを燃料ガス供給管６４に固定し、他端６３Ｂをガスマニホールド６６の内壁に固定した場合について説明したが、これに限らず、熱変形防止手段は、内部ガス供給配管６３の熱変形方向に対する剛性を強化する剛性強化手段であってもよい。この剛性強化手段としては、例えば、図８に示すように、内部ガス供給配管６３の鉛直方向上部に、内部ガス供給配管６３の軸芯方向に沿ってリブ１６３を設けてもよい。このように剛性強化手段を配設することにより、内部ガス供給配管６３の自重により、内部ガス供給配管６３に下方に向けて熱変形しようとする力がかかっても、内部ガス供給配管６３の熱変形方向（この場合は、鉛直方向）に対する剛性が高いため、内部ガス供給配管６３が熱変形することを、内部ガス供給配管６３の軸芯方向全体にわたって抑制することができる。また、図９に示すように、この構成の場合、内部ガス供給配管６３の他端６３Ｂは、ガスマニホールド６６の内壁に固定しなくてもよいが、固定してもよい。

また、前記剛性強化手段としては、例えば、内部ガス供給配管６３の軸芯方向に垂直な断面形状が、水平方向よりも上下方向に長い形状となる構造を挙げることができる。具体的には、例えば図１０に示すように、内部ガス供給配管６３の軸芯方向に垂直な断面の外形を楕円（楕円の短径が水平方向であり、長径が上下（鉛直）方向）にすることが挙げられる。この構成の場合、内部ガス供給配管６３に、例えばリブ１６３の剛性強化手段を別途設けることなく、内部ガス供給配管６３の剛性を簡単に強化することができる。また、内部ガス供給配管６３の中空部分を燃料ガスの流路として無駄なく有効に活用することができる。したがって、ガスマニホールド６６の内部に燃料ガスをより効率よく均一に噴出させることができる。さらにまた、この構成の場合、内部ガス供給配管６３の他端６３Ｂは、ガスマニホールド６６の内壁に固定しなくてもよいが、固定してもよい。

そしてまた、前記熱変形防止手段は、図１１及び図１２に示すように、ガスマニホールド６６の壁面に両端が固定されており、上面に内部ガス供給配管６３を載置して内部ガス供給配管６３を支持する支持部材１６４であってもよい。これらの支持部材１６４は、特に図１２に示すように、内部ガス供給配管６３が載置される部分が下方に向けて突出する円弧面１６５となっており、内部ガス供給配管６３は、円弧面１６５に固定されることなく直接支持される。したがって、内部ガス供給配管６３が熱膨張したとしても、内部ガス供給配管に６３に支持部材１６４から応力がかけられることが殆どないため、内部ガス供給配管６３が熱変形することをさらに確実に防止することができる。また、この構成の場合、内部ガス供給配管６３の軸芯方向の任意の位置を支持部材１６４によって直接支持することができる。このため、例えば、図１１に示すように、内部ガス供給配管６３の他端６３Ｂが固定されておらず（片持ち状態で固定）、他端６３Ｂ側が下方に向けて変形する懸念がある場合、他端６３Ｂ側に配設される支持部材１６４の配設数を一端６３Ａ側よりも多くすることで、内部ガス供給配管６３の熱変形をさらに確実に防止することができる。なお、支持部材１６４の配設位置、配設数は、所望により決定することができる。

さらにまた、本実施形態では、燃料ガスを底面６７に向けて垂直に噴出する場合について説明したが、これに限らず、燃料ガスが、底面６７に向かう速度成分に加え、底面６７に平行な速度成分を持って噴出するよう（即ち、底面６７に対し斜めに噴出されるよう）、内部ガス供給配管６３に噴出孔６５を形成してもよい。噴出孔６５をこのように形成することで、各々の噴出孔６５から噴出された燃料ガスがガスマニホールド６６内を上昇する流れ（支持板６８に沿って中央に向かう流れ）同士が衝突することを抑制することができる。したがって、内部ガス供給配管６３上に燃料ガスが滞留することを抑制することができるため、燃料ガスをガスマニホールド６６全体にわたって、さらに均等に分散させることができる。

また、本実施形態では、内側電極層９０が燃料極（アノード極）であり、外側電極層９２が空気極（カソード極）である燃料電池セル８４を配設した場合について説明したが、これに限らず、所望により、内側電極層９０が空気極（カソード極）であり、外側電極層９２が燃料極（アノード極）である燃料電池セルを配設してもよい。そして、この場合は、内部ガス供給配管６３に空気（酸化剤ガス）を供給すればよい。

１…燃料電池、 ２…燃料電池モジュール、 １０…発電室、 ２０…改質器、 ６３…内部ガス供給配管、 ６５…噴出孔、 ６６…ガスマニホールド、 ６７…底面、 ６８…支持板、 ６９…貫通孔、 ８８…燃料ガス流路、 １６３…リブ、 １６４…支持部材、 １６５…円弧面、 ＦＣＳ…燃料電池システム

Claims (6)

1. 内部に反応ガス流路が形成されてなる複数の燃料電池セルと、
   内部に反応ガスを収容するガスマニホールドと、
   前記ガスマニホールドの上部に水平に配設され、前記複数の燃料電池セルの前記反応ガス流路方向一端を支持する共に、当該ガスマニホールド内に収容された反応ガスを前記各々の反応ガス流路に供給する貫通孔が形成された支持板と、
   前記ガスマニホールドの内部に配設され、且つ前記反応ガスを噴出する複数の噴出孔が形成されてなり、当該各々の噴出孔から噴出される反応ガスを当該ガスマニホールドの内部に供給する内部ガス供給配管と、
   前記内部ガス供給配管の熱変形を防止する熱変形防止手段と、
   を備え、
   前記内部ガス供給配管は、その軸芯が前記支持板の燃料電池セル支持面に沿って配設されると共に、前記ガスマニホールドの前記支持板と対向する底面と間隔をおいて配置されてなる燃料電池。
2. 前記熱変形防止手段は、前記内部ガス供給配管に形成され、且つ当該内部ガス供給配管の熱変形方向に対する剛性を強化する剛性強化手段を有する請求項１記載の燃料電池。
3. 前記剛性強化手段は、前記内部ガス供給配管の軸芯方向に垂直な断面形状が、水平方向よりも上下方向に長い形状となる構造を有してなる請求項２記載の燃料電池。
4. 前記熱変形防止手段は、前記ガスマニホールドの壁面に固定され且つ前記内部ガス供給配管を支持する支持部材を有してなる請求項１記載の燃料電池。
5. 前記支持部材は、前記内部ガス供給配管の熱膨張を許容するよう当該内部ガス供給配管を移動可能に支持する請求項４記載の燃料電池。
6. 前記内部ガス供給配管は、その一端側から前記反応ガスが供給され、
   前記熱変形防止手段は、前記内部ガス供給配管の他端を前記ガスマニホールドの壁面に固定した構造を有してなる請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の燃料電池。

Images