特許 5922433 燃料電池及びその酸化剤供給方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5922433

(24)【登録日】2016年4月22日

(45)【発行日】2016年5月24日

(54)【発明の名称】燃料電池及びその酸化剤供給方法

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/24 20160101AFI20160510BHJP

   H01M 8/04 20160101ALI20160510BHJP

   H01M 8/12 20160101ALN20160510BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/24 R

   H01M8/04 J

   !H01M8/12

【請求項の数】4

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2012-34328(P2012-34328)

(22)【出願日】2012年2月20日

(65)【公開番号】特開2013-171676(P2013-171676A)

(43)【公開日】2013年9月2日

【審査請求日】2014年12月26日

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）国等の委託研究の成果に係る特許出願（平成２０年度〜平成２４年度 独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「固体酸化物形燃料電池システム要素技術開発 実用性向上のための技術開発 超効率運転のための高圧運転技術」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願）

(73)【特許権者】

【識別番号】514030104

【氏名又は名称】三菱日立パワーシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100112737

【弁理士】

【氏名又は名称】藤田 考晴

(74)【代理人】

【識別番号】100118913

【弁理士】

【氏名又は名称】上田 邦生

(72)【発明者】

【氏名】宮本 晃志

(72)【発明者】

【氏名】水原 昌弘

(72)【発明者】

【氏名】眞竹 徳久

(72)【発明者】

【氏名】松尾 毅

(72)【発明者】

【氏名】安永 正樹

(72)【発明者】

【氏名】惣田 智紀

【審査官】 守安 太郎

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００７−１０９５９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−１３５３００（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−３１１１４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−１２７６４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−１２３８２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−３１３３６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１０／０３３０４５０（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ８／２４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数の発電セルと、複数の前記発電セルの一方の端部を固定する仕切部材と、前記仕切部材を介して発電室と連通するガス流路部と、前記ガス流路部に設ける第一空間と第二空間とを備える燃料電池であって、
一方の面と他方の面と側面とで囲まれた前記第一空間は、前記一方の面側で前記発電セルの内部と連通し、前記他方の面及び前記側面で前記第二空間と金属部材を介して隣接することを特徴とする燃料電池。

【請求項2】

前記第二空間は、複数の流通孔により前記発電室と連通し、
前記流通孔は、前記第二空間の側壁鍔部の少なくとも一辺に設けられるスリットを備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。

【請求項3】

前記スリットは、前記側壁鍔部の長辺側及び短辺側に設けられていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。

【請求項4】

燃料電池セル筒の内側に燃料供給室から燃料ガスを導入して燃料排出室へ排出するとともに、酸化剤供給室から発電室内に酸化剤を導入して前記燃料電池セル筒の外側を酸化剤排出室へ向けて下方から上方へ流し、前記燃料ガスと前記酸化剤とを電気化学的に反応させて発電する燃料電池の酸化剤供給方法であって、
容器の内部を上下方向に区画して上から順に前記燃料供給室、前記酸化剤排出室、前記発電室、前記酸化剤供給室及び前記燃料排出室を形成し、
前記容器内で前記発電室を上下方向に貫通する複数本の前記燃料電池セル筒を、上端を前記燃料供給室に開口させるとともに下端を前記燃料排出室に開口させ、
前記燃料排出室を前記容器の下面となる支持架台の凹部に収納設置して壁面間に間隙部を形成した二重箱構造とし、前記支持架台の内側縁部に仕切部材を設置して前記間隙部及び前記燃料排出室の上面を封止するとともに、前記間隙部と前記酸化剤供給室との間を連通させる酸化剤流通流路を設けて、
前記酸化剤を前記容器の下部から前記間隙部を介して前記酸化剤供給室に供給するとともに、前記燃料排出室の前記燃料ガスを、前記支持架台を貫通する管路によって前記容器の下部から排出することを特徴とする燃料電池の酸化剤供給方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、固体酸化物形の燃料電池及びその酸化剤供給方法に関する。

【背景技術】

【0002】

燃料電池は、電気化学反応による発電方式を利用した発電装置であり、優れた発電効率及び環境対応等の特性を有している。このため、２１世紀を担う都市型のエネルギー供給システムとして、実用化に向けた研究開発が進んでいる。
このような燃料電池は、燃料側の電極である燃料極と、空気（酸化剤）側の電極である空気極と、これらの間にありイオンのみを通す電解質とにより構成されており、電解質の種類によって様々な形式が開発されている。

【0003】

このうち、固体酸化物形燃料電池（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：以下「ＳＯＦＣ」と呼ぶ）は、電解質としてジルコニアセラミックスなどのセラミックスが用いられ、天然ガス、石油、メタノール、石炭ガス化ガスなどを燃料として運転される燃料電池である。このＳＯＦＣは、イオン伝導率を高めるために作動温度が約９００〜１０００℃程度と高く、用途の広い高効率な高温型燃料電池として知られている。
このようなＳＯＦＣにおいては、たとえば下記の特許文献１に開示されているように、ＳＯＦＣモジュールを構成するケーシングの内部に、該ケーシングの側面下部から空気が供給され、この空気が発電室内を通ってケーシングの側面上部から排出される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００７−１０９５９８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、上述した従来のＳＯＦＣは、燃料電池モジュールを構成するケーシングの平面視が略長方形を有しており、該ケーシングの長辺側を隣接させて複数を並べた配置となる。このため、燃料電池モジュールのケーシング側面（長辺側）から導入した空気を発電室内へ供給する構成では、空気配管の取り回しなど平面的に大きな設置スペースが必要になる。

【0006】

すなわち、空気配管のスペースを確保するためには、ＳＯＦＣの燃料電池モジュール間に必要な面間距離が大きくなるので、その分だけＳＯＦＣ全体も大きくなる。なお、燃料電池モジュールの短辺側に空気配管を設ける構成にしても、ＳＯＦＣ全体が長辺方向に大型化することに変わりはない。
一方、燃料電池モジュールの下面側は、燃料排出ヘッダや集電子を設置する必要があるため、発電室へ供給する空気の供給流路を単純な配管経路によって確保することは困難であった。

【0007】

このような背景から、従来のＳＯＦＣにおいては、燃料電池モジュールの設置スペースを低減してＳＯＦＣを小型化できる酸化剤供給構造の開発が望まれている。また、空気極の損傷を防ぐためには、発電室内に対して酸化剤を均一に供給することが望まれる。
本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、設置スペースを低減して小型化できる燃料電池及びその酸化剤供給方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明に係る燃料電池は、複数の発電セルと、複数の前記発電セルの一方の端部を固定する仕切部材と、前記仕切部材を介して発電室と連通するガス流路部と、前記ガス流路部に設ける第一空間と第二空間とを備える燃料電池であって、一方の面と他方の面と側面とで囲まれた前記第一空間は、前記一方の面側で前記発電セルの内部と連通し、前記他方の面及び前記側面で前記第二空間と金属部材を介して隣接することを特徴とするものである。

【0009】

このような燃料電池によれば、ガス流路部に設ける第一空間が、一方の面側で発電セルの内部と連通し、他方の面及び側面で第二空間と金属部材を介して隣接するので、酸化剤供給の配管や燃料ガス排出の配管を燃料電池の側面からなくすことができ、従って、隣接する燃料電池間の間隔を狭めることで設置スペースを低減できる。

【0010】

この場合、前記第二空間は、複数の流通孔により前記発電室と連通し、前記流通孔は、前記第二空間の側壁鍔部の少なくとも一辺に設けられるスリットを備えていることが望ましく、これにより、発電室内に対して酸化剤をより一層均一に供給することができる。
また、前記スリットは、前記側壁鍔部の長辺側及び短辺側に設けられていることが好ましく、これにより、発電室内に対して酸化剤のガスをより一層均一に供給することができる。

【0011】

本発明に係る燃料電池の酸化剤供給方法は、燃料電池セル筒の内側に燃料供給室から燃料ガスを導入して燃料排出室へ排出するとともに、酸化剤供給室から発電室内に酸化剤を導入して前記燃料電池セル筒の外側を酸化剤排出室へ向けて下方から上方へ流し、前記燃料ガスと前記酸化剤とを電気化学的に反応させて発電する燃料電池の酸化剤供給方法であって、容器の内部を上下方向に区画して上から順に前記燃料供給室、前記酸化剤排出室、前記発電室、前記酸化剤供給室及び前記燃料排出室を形成し、前記容器内で前記発電室を上下方向に貫通する複数本の前記燃料電池セル筒を、上端を前記燃料供給室に開口させるとともに下端を前記燃料排出室に開口させ、前記燃料排出室を前記容器の下面となる支持架台の凹部に収納設置して壁面間に間隙部を形成した二重箱構造とし、前記支持架台の内側縁部に仕切部材を設置して前記間隙部及び前記燃料排出室の上面を封止するとともに、前記間隙部と前記酸化剤供給室との間を連通させる酸化剤流通流路を設けて、前記酸化剤を前記容器の下部から前記間隙部を介して前記酸化剤供給室に供給するとともに、前記燃料排出室の前記燃料ガスを、前記支持架台を貫通する管路によって前記容器の下部から排出することを特徴とするものである。

【0012】

このような燃料電池の酸化剤供給方法によれば、燃料排出室を容器の下面となる支持架台の凹部に収納設置して壁面間に間隙部を形成した二重箱構造とし、支持架台の内側縁部に仕切部材を設置して間隙部及び燃料排出室の上面を封止するとともに、間隙部と酸化剤供給室との間を連通させる酸化剤流通流路を設けて、酸化剤を容器の下部から間隙部を介して酸化剤供給室に供給するとともに、燃料排出室の燃料ガスを、支持架台を貫通する管路によって容器の下部から排出するようにしたので、酸化剤供給の配管や燃料ガス排出の配管を容器側面からなくすことができ、従って、隣接する燃料電池間の間隔を狭めることで設置スペースを低減できる。

【発明の効果】

【0013】

上述した本発明によれば、燃料電池の設置スペースを低減してＳＯＦＣ（固体酸化物形燃料電池）を小型化することができる。
また、発電室内に対して酸化剤を均一に供給することが可能になるので、空気極の損傷を防止または抑制し、発電室内の流量偏差及び温度を均一化して信頼性や耐久性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本発明に係る燃料電池の一実施形態の概略を示す縦断面図である。

【図2】図１に示した燃料電池の下部構造拡大図であり、酸化剤の供給流路となる間隙部がある部分の断面図である。

【図3】図１に示した燃料電池の下部構造拡大図であり、酸化剤の供給流路となる間隙部がない部分の断面図である。

【図4】図１に示した燃料電池の下部構造について、要部の拡大断面を示す斜視図である。

【図5】図１に示した燃料電池の下部構造に用いられている支持架台の平面図である。

【図6】発電室内を流れる空気量（セルチューブ毎）の流量偏差に関するシミュレーション計算について、計算するケース１〜１０の条件を示す説明図である。

【図7】横軸の計算ケース番号に対して縦軸に最大及び最小の流量偏差（％）を示す図であり、発電室内を流れる空気量（セルチューブ毎）の流量偏差に関するシミュレーション計算の結果が示されている。

【図8】発電室内を流れる空気量（セルチューブ毎）の流量偏差を求めるシミュレーション計算に用いられる燃料電池の１／４シュミレーションモデル（下部構造）を示す斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、本発明に係る燃料電池及びその酸化剤供給方法の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図示の燃料電池（燃料電池モジュール）１０は、固体酸化物形燃料電池（以下、「ＳＯＦＣ」と呼ぶ）システムに適用されるものである。一般的なＳＯＦＣシステムは、発電を行なうＳＯＦＣ形の燃料電池１０と、都市ガスや天然ガス等の燃料ガスを改質するための改質器と、酸化剤のガス（酸化剤とは酸素を略１５％〜２１％含むガスであり、代表的には空気が好適であるが、空気以外にも燃焼排ガスと空気の混合ガスや、酸素と空気の混合ガスなど、空気に限定されるものではない。）を予熱する空気予熱器と、燃料電池１０から排出された排ガス中に含まれる未燃の燃料ガスを燃焼させる燃焼器と、を備えている。以下では、酸化剤のガスとして空気を使用するものとして説明する。

【0016】

また、以下においては、説明の便宜上、紙面を基準として「上」及び「下」の表現を用いて各構成要素の位置関係を特定するが、鉛直方向に対して必ずしもこの限りである必要はなく、たとえば上下が逆転したもの、鉛直方向に直交する水平方向や、水平方向から傾斜したものでもよい。

【0017】

また、ＳＯＦＣシステムは、起動時において燃料電池１０に供給される空気に対してメタン等の昇温用燃料ガスを供給する昇温用燃料供給部と、起動時において空気を所定温度にまで加熱する予熱ヒータと、を備えている。
予熱ヒータは、電力の供給を受けて熱を発生させるヒータであり、燃焼触媒において空気と昇温用燃料とが反応を起こす所定温度にまで加熱するものである。

【0018】

改質器は、後述する空気排出ヘッダ（空気排出室）２３から排出された高温の空気が内部を通過するように構成されており、これにより、外部から供給された燃料ガスが加熱されるようになっている。
燃焼器は、後述する燃料排出ヘッダ（燃料排出室）２０と接続されるとともに、空気予熱器を介して空気排出ヘッダ２３と接続されている。

【0019】

燃料電池１０は、たとえば図１に示すように、断熱材のケーシング（容器）１１と、略円筒状に形成された複数のセルチューブ（燃料電池セル筒）１２と、セルチューブ１２の両端を支持する上下の管板１３，１４と、これら上下の管板１３，１４の間に配置された上下の断熱体１５，１６と、ケーシング１１の下部に設けられ、燃料排出ヘッダ（第一空間）２０を収納して空気流路（後述する空気供給流路４０及び空気流通孔４１）を形成する二重容器構造の支持架台３０と、から概略構成されている。
また、上断熱体１５は、後述する空気排出ヘッダ２３を形成するため、第１上断熱体１５Ａと第２上断熱体１５Ｂとに二分割されている。すなわち、空気排出ヘッダ２３は、第１上断熱体１５Ａと第２上断熱体１５Ｂとの間に形成されている。

【0020】

ケーシング１１と上下の断熱体１５，１６との間には、具体的には第１断熱体１５Ａと下断熱体１６との間には、発電室１７が形成されている。ケーシング１１と上管板１３との間には、燃料供給ヘッダ（燃料供給室）１８が形成され、上面に燃料供給管１９が接続されている。下管板１４の下側には、燃料排出ヘッダ２０の空間が形成されている。
そして、下管板１４と下断熱体１６との間には、空気供給ヘッダ２２が形成され、上管板１３と上断熱体１５との間には、空気排出ヘッダ２３が形成されている。なお、図中の符号２４は、空気排出ヘッダ２３に接続された空気排出管である。

【0021】

上管板１３は、略長方形の水平断面形状を有する角柱状のケーシング１１において、長手方向の上側（図１の上方）に配置された板状の部材であり、燃料供給ヘッダ１８の下面部材でとなる。
また、下管板１４は、同じく長手方向の下側（図１の下方）に配置された板状の部材であり、燃料排出ヘッダ２０の上面部材とともに空気供給ヘッダ２２の下面部材となる。また、下管板１４は、後述する空気供給流路４０の上端部を封止し、外周部が鍔部２０ａとして機能する部材である。
下管板１４には、セルチューブの一方の端部が気密に固定支持されている。燃料ガスはセルチューブの内面を流れることで、発電室を経由して燃料供給ヘッダ１８から燃料排出ヘッダ２０に流通している。
なお、この場合の長手方向については、略角柱形状となるケーシング１１の上下方向と読み替えることも可能である。

【0022】

セルチューブ１２は、多孔質セラミックスから形成された略円筒状の管であり、長手方向における中央部には発電を行なう燃料電池セル（不図示）が設けられている。本実施形態において、セルチューブ１２は略円筒状の管を用いたが、内部が空洞となっている筒型の形状であればよく、円、楕円、方形の形状を持つ管を発電セルとして用いる。
セルチューブ１２は、一方の開口端が燃料供給ヘッダ１８に開口するとともに、他方の開口端が燃料排出ヘッダ２０内に開口するように、上下の管板１３，１４に穿設した貫通孔よって支持されている。また、セルチューブ１２は、燃料電池セルが発電室１７内にのみ位置するように配置されている。

【0023】

上断熱体１５は、ケーシング１１の長手方向の上側（図１の上方）に配置され、断熱材料を用いてブランケット状あるいはボード状などに形成された部材である。下断熱材１６は、ケーシング１１の長手方向の下側（図１の下方）に配置され、断熱材料を用いてブランケット状あるいはボード状などに形成された部材であり、空気供給ヘッダ２２の上面部材ともなる。
上断熱体１５及び下断熱体１６には、セルチューブ１２を挿通させる孔１５ａ，１６ａが形成され、孔１５ａ，１６ａの直径は、空気の流通を可能にするためセルチューブ１２の直径よりも大きく形成されている。

【0024】

また、孔１５ａ，１６ａの内周面は、略円筒状に形成されていてもよいし、あるいは、螺旋状または、直線状の凹部（溝）または凸部（畝状突起）が形成されていてもよく、特に限定されることはない。
このような構成にすることで、セルチューブ１２と孔１５ａ，１６ａとの間を通って発電室１７に流入する空気に下断熱体１６の熱が伝達されやすくなるので、発電室１７の温度を高温に保ちやすくなる。

【0025】

ケーシング１１の下端部側（下部構造）は、支持架台３０の内部に燃料排出ヘッダ２０を収納して空気流路を形成する金属部材による二重箱（二重壁）構造となっている。
燃料排出ヘッダ２０は、上面に下管板１４を備えた中空箱形（略直方体形状）の部材であり、略同形状にして上面を開口させた支持架台３０の内部空間（略直方体形状）に収納設置されている。

【0026】

すなわち、燃料排出ヘッダ２０は、支持架台３０より若干小さい略同形状の中空部材であり、下管板１４がその上面開口を塞ぐようにして、上端部等の適所に固定して取り付けられている。
この場合、下管板１４の平面形状を燃料排出ヘッダ２０より大きくすることで、外周部が全周にわたって水平方向外向きに突出することとなり、この突出部が燃料排出ヘッダ２０の鍔部２０ａを形成している。なお、図中の符号２１は、燃料排出ヘッダ２０の底面に接続された燃料排出管である。

【0027】

図１の発電室１７の下部に配置される空気供給ヘッダ２２、空気供給流路（第二空間）４０、燃料排出ヘッダ２０について、図２〜図５を用いてさらに詳細に説明する。
支持架台３０は、上面が開放されている箱型の部材であって、側面３１及び底面３２により構成されている。側面３１の上端部には、側壁鍔部３１ａが形成されている。側壁鍔部３１ａには外周側より低い段差部３３が全周にわたって設けられている。この段差部３３は、支持架台３０の内部に燃料排出ヘッダ２０を収納する際、燃料排出ヘッダ２０の上端外周部に設けた鍔部２０ａを設置して係止するための部分である。

【0028】

また、支持架台３０の底面３２には空気供給口３４が設けられ、下方へ向けた空気供給ノズル３５が接続されている。空気供給ノズル３５の側面には、空気供給管３６が接続されている。さらに、上述した燃料排出ヘッダ２０の燃料排出管２１は、空気供給口３４及び空気供給ノズル３５の内部を通り、空気供給ノズル３５の底部３５ａを下方へ貫通して図示しない外部機器に接続されている。

【0029】

空気供給口３４及び空気供給ノズル３５は、燃料排出管２１より大径とされる。このため、燃料排出管２１の外周面と空気供給ノズル３５の内周面との間には、空気供給管３６から供給された空気を空気供給ヘッダ２２へ導く断面形状がリング状である空気導入空間部３７が形成されている。この空気導入空間部３７は、支持架台３０の内周面と燃料排出ヘッダ２０の外周面との間に形成された空気供給流路４０の間隙部と空気供給口３４を介して連通している。従って、空気供給管３６から供給された空気は、空気導入空間部３７から、燃料排出ヘッダ２０の外周（底面及び側面）に形成された空気供給流路４０へ流入する。

【0030】

また、空気供給流路４０は、支持架台３０における側壁３１の上端部に設けられる側壁鍔部３１ａにおいて、段差部３３の上面に上述した鍔部２０ａが設置されることから、空気供給流路４０から空気供給ヘッダ２２へ、すなわち、空気供給ヘッダ２２に空気を供給するため、側壁鍔部３１ａの段差部３３に設けた複数の空気流通孔（酸化剤流通流路）４１を備えている。この空気流通孔４１は、たとえば図４に示すように、平面視が略長方形の支持架台３０において、空気供給室２２の周囲に開口するように配置して設けられている。空気供給流路４０は、空気流通孔４１を介して発電室１７と連通しており、酸化剤が空気供給ヘッダ２０を経由して発電室１７に供給される。

【0031】

具体的に説明すると、空気流通孔４１は、対向する一対の長辺側に所定のピッチで多数設けられるとともに、対向する一対の短辺側に１箇所ずつ設けられているが、これに限定されることはない。但し、発電室１７に対して空気を均一に供給するには、空気供給室２２の内部において、空気流通孔４１が周囲に開口するよう設けられていればよく、より一層均一に供給するためには、長辺側に加えて短辺側にも設けることが望ましい。

【0032】

図示の空気流通孔４１は、段差部３３に設けた凹溝状のスリット４１ａと、鍔部２０ａの壁面とにより形成されている。この空気流通孔４１は、段差部３３の外周側までスリット４１ａを延在させてもよいし、あるいは、鍔部２０ａ側の切欠きと組み合わせたものでもよい。
なお、空気流通孔４１は、上述したスリット４１ａに限定されることはなく、たとえば側壁３１や鍔部２０ａを貫通するような孔を設け、空気流通流路４０と空気供給ヘッダ２２との間を連通させてもよい。

【0033】

上述したように、本実施形態の燃料電池１０は、セルチューブ１２の内側に燃料供給ヘッダ１８から燃料ガスを導入して燃料排出ヘッダ２０へ排出するとともに、空気供給ヘッダ２２から発電室１７内に空気を導入してセルチューブ１２の外側を空気排出ヘッダ２３へ向けて下方から上方へ流し、燃料ガスと酸化剤の空気とを電気化学的に反応させて発電する。そして、この燃料電池１０は、ケーシング１１の内部を上下方向に区画し、上から順に形成された燃料供給ヘッダ１８、空気排出ヘッダ２３、発電室１７、空気供給ヘッダ２２及び燃料排出ヘッダ２０を備えている。

【0034】

セルチューブ１２は、ケーシング１１内で発電室１７を上下方向に貫通するように複数本設けられ、各セルチューブ１２の上端が燃料供給ヘッダ１８に開口するとともに、下端が燃料排出ヘッダ２０に開口している。
また、ケーシング１１の下端部は、燃料排出ヘッダ２０をケーシング１１の下面となる支持架台３０の凹部に収納設置した二重箱構造とされ、ケーシング１１と燃料排出ヘッダ２０との壁面間に空気供給流路４０となる間隙部が形成されている。この間隙部、すなわち空気供給流路４０の上端部と、燃料排出ヘッダ２０の上面とは、支持架台３０の内側縁部である段差部３３に設置した仕切部材の下管板１４により封止されている。この場合、空気供給流路４０の上端部を封止するのは、鍔部２０ａとして機能する下管板１４の外周部である。

【0035】

そして、空気供給流路４０と空気供給室２２との間は、適所に設けた複数の空気流通孔４１により連通されている。このため、酸化剤の空気は、ケーシング１１の下部から、すなわち、支持架台３０の底面３２から空気供給流路４０及び空気流通孔４１を介して空気供給室２２に供給される。
この空気は、下断熱体１６に形成された孔１６ａとセルチューブ１２との間を通って発電室１７に供給される。また、発電室１７で電気化学的な反応に使用された空気は、上断熱体１５に形成された孔１５ａとセルチューブ１２との間を通って発電室１７から空気排出ヘッダ２３に流出し、空気排出管２４を通ってケーシング１１の外部へ導かれる。

【0036】

一方、燃料供給管１９から燃料供給ヘッダ１８に導入された燃料ガスは、セルチューブ１２を通って燃料排出ヘッダ２０内に流出する。この燃料ガスは、発電室１７を通過する際に空気と電気化学的に反応して発電する。
燃料排出室２０に流出した燃料ガスは、支持架台３０の底面３２を貫通する管路の燃料排出管２１を通り、ケーシング１１の下部から、すなわち、支持架台３０の底面３２からケーシング１１の外部へ排出される。

【0037】

このように、ケーシング１１の下端部が二重箱構造とされ、燃料排出室２０をケーシング１１の下面となる支持架台３０の凹部に収納設置して壁面間に空気供給流路４０を形成し、空気が空気供給流路４０及び空気流通孔４１を通ってケーシング１１の下部底面側から空気供給ヘッダ２２に供給され、かつ、燃料排出ヘッダ２０の燃料ガスについても、支持架台３０の底面３２を貫通する燃料排出管２１によってケーシング１１の下部底面側から排出するので、ケーシング１１の側面には、空気供給に必要な配管類や燃料ガス排出に必要な配管類の設置スペースが不要となる。

【0038】

すなわち、燃料電池１０の底面側は、燃料排出ヘッダ２０や図示しない集電子の設置スペースを必要とするが、上述した二重箱構造の採用によって、燃料排出ヘッダ２０や集電子の設置に支障をきたすことなく、発電室１７へ空気を供給する空気流路の空気供給流路４０及び空気流通孔４１を設けることが可能になる。
この結果、平面視が長方形の長辺側を隣接させて複数配置される燃料電池１０は、互いの間隔を狭めることで設置スペースを低減でき、結果として、ＳＯＦＣ全体を小型化できる。

【0039】

上述した空気流通孔４１は、空気供給ヘッダ２２の内部において、周囲に設けられていることが好ましい。すなわち、空気流通孔４１は、空気供給ヘッダ２２の空間を形成する内壁面下方に複数を配置し、換言すれば、空気供給ヘッダ２２の下面を形成している下管板１４の外周部に開口させて複数を配置し、空気供給ヘッダ２２から発電室１７へ空気を略均一に供給することが望ましい。
具体的には、平面視が略長方形となる空気供給ヘッダ２２の両長辺側に等ピッチで多数の空気流通孔４１を配置すればよいが、両長辺側に加えて短辺側にも設けることが好ましい。この場合、両短辺側については、それぞれ１個の空気流通孔４１を中央部付近に設ければよく、これにより、発電室１７内に対して空気をより一層均一に供給することができる。

【0040】

以下では、空気流通孔４１の配置（数）と流量偏差との関係について、図６から図８を参照して説明する。この場合の流量偏差は、図８に示すような下部構造のシミュレーションモデル（燃料電池１０の１／４モデル）を用い、長辺側及び短辺側の空気流通孔４１となるスリット４１ａの開口位置を変化させたケース１〜１０について、発電室１７内のセルチューブ１２毎に空気の質量流量を算出し、最大及び最小の流量偏差を求めたものである。

【0041】

図８に示すシミュレーションモデル（１／４モデル）には、長辺側１６本／短辺側４．５本のセルチューブ１２が配列され、かつ、長辺側２０個／短辺側４個のスリット４１ａが設けられている。なお、図中の符号２５，２６は、集電棒を通す穴である。
シミュレーションにおける空気流入条件は、圧力０．３３Ｍｐａ、流量０．００５２Ｋｇ／ｓ、温度５００℃と設定し、図６に示すケース１〜１０について計算した結果が図７に示されている。

【0042】

この計算結果によれば、全周（長辺側及び短辺側に設けた全てのスリット４１ａ）から空気を供給するケース１の場合、最大偏差１２０．８％／最小偏差９１．８％となる。これに対し、ケース８では、最大偏差１０８．４％／最小偏差９５．２％、流量偏差が−４．８〜８．４％となり、ケース１と比較すれば偏差の小さい均一な空気供給がなされていることになる。また、ケース１０においても、最大偏差１０９．４％／最小偏差９５．８％、すなわち流量偏差が−４．２％〜９．４％となり、略同様に偏差の小さい均一な空気供給がなされていることになる。

【0043】

ケース８で空気を供給するスリット４１ａは、長辺側の全て及び短辺側の１個（短辺方向スリット番号１）であり、従って、実機の燃料電池１０においては、両長辺の全てにスリット４１ａを配設するとともに、両短辺の中央部に各々２個のスリット４１ａを設けたものとなる。

【0044】

また、ケース１０で空気を供給するスリット４１ａは、長辺側の全て及び短辺側の０．５個（短辺方向スリット番号１）であり、従って、実機の燃料電池１０においては、上述した実施形態で説明したように、両長辺の全てにスリット４１ａを配設するとともに、両短辺の中央部に各々１個のスリット４１ａを設けたものとなる。
なお、この計算結果によれば、長辺側に設けた全てのスリット４１ａから空気を供給する場合において、ケース８やケース１０は、短辺側からの空気供給がないケース２と比較して良好な結果を示しており、従って、短辺側のスリット４１ａが均一化に有効であることが分かる。

【0045】

このように、上述したケース８やケース１０のようなスリット４１ａの配置とすれば、セルチューブ１２への空気供給において、発電室１７へ供給する空気の均一化により空気極の損傷やセルチューブ間の温度偏りを防ぐことができる。
また、上述した燃料電池１０の下部を二重箱構造にしたので、大きなスペースを確保しなくてもケーシング１１の下部から空気を供給できるようになり、この結果、レイノルズ数を約３０００以下（Ｒｅ≦３０００）の値にして流れの乱れを防止した整流化が可能となる。

【0046】

そして、上述した燃料電池１０においては、燃料排出ヘッダ２０をケーシング１１の下面となる支持架台３０の凹部に収納設置して壁面間に空気供給流路４０を形成する二重箱構造とし、さらに上述した空気流通孔４１を設けて、空気をケーシング１１の下部から空気供給流路４０及び空気流通孔４１を介して空気供給ヘッダ２２に供給するとともに、燃料排出ヘッダ２０の燃料ガスを、支持架台３０を貫通する燃料排出管２１によってケーシング１１の下部から排出する空気（酸化剤）供給方法が可能になる。
このため、空気供給管３６や燃料排出管２１をケーシング１１の側面からなくすことができ、従って、隣接する燃料電池１０の間隔を狭めることで設置スペースを低減できる。

【0047】

このように、上述した本実施形態によれば、空気配管等の複雑なマニホールドが不要となり、組立時の精度管理も容易になるとともに、燃料電池１０の設置スペースを低減してＳＯＦＣを小型化することができる。
また、発電室１７内に対して空気を均一に供給できるので、空気極の損傷を防止または抑制して信頼性や耐久性を向上させることができる。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、その要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。

【符号の説明】

【0048】

１０ 燃料電池（燃料電池モジュール）
１１ ケーシング（容器）
１２ セルチューブ（燃料電池セル筒、発電セル）
１３ 上管板（仕切部材）
１４ 下管板（仕切部材）
１５ 上断熱体
１６ 下断熱体
１７ 発電室
１８ 燃料供給ヘッダ（燃料供給室）
２０ 燃料排出ヘッダ（燃料排出室、第一空間）
２０ａ 鍔部
２１ 燃料排出管
２２ 空気供給ヘッダ（空気供給室）
２３ 空気排出ヘッダ（空気排出室）
３０ 支持架台
３１ 側壁
３１ａ 側壁鍔部
３２ 底面
３３ 段差部
４０ 空気供給流路（間隙部、第二空間）
４１ 空気流通孔（酸化剤流通流路）
４１ａ スリット

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】