特許 6498884 燃料電池

(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】6498884

(24)【登録日】2019年3月22日

(45)【発行日】2019年4月10日

(54)【発明の名称】燃料電池

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04 20160101AFI20190401BHJP

   H01M 8/0662 20160101ALI20190401BHJP

   H01M 8/12 20160101ALN20190401BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/04 Z

   H01M8/0662

   !H01M8/12

【請求項の数】14

【全頁数】18

(21)【出願番号】特願2014-143384(P2014-143384)

(22)【出願日】2014年7月11日

(65)【公開番号】特開2015-38863(P2015-38863A)

(43)【公開日】2015年2月26日

【審査請求日】2017年3月15日

(31)【優先権主張番号】特願2013-150550(P2013-150550)

(32)【優先日】2013年7月19日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000004547

【氏名又は名称】日本特殊陶業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001911

【氏名又は名称】特許業務法人アルファ国際特許事務所

(74)【代理人】

【識別番号】100109298

【弁理士】

【氏名又は名称】青木 昇

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 洋介

(72)【発明者】

【氏名】石川 秀樹

(72)【発明者】

【氏名】柴田 昌宏

【審査官】 大内 俊彦

(56)【参考文献】

【文献】 特開平１−２８６２６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−３１９４２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−２１５９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−２２９１５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００５／０４１３３６（ＷＯ，Ａ２）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ８／００−８／２４９５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

空気より比重が小さい燃料ガスにより、発電する単セルを有する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックが配置される、内部空間を有する断熱容器と、
前記燃料ガスを前記内部空間から排気する排気部を具備する燃料電池であって、
前記内部空間が、傾斜する上面および鉛直な側面を有し、
前記排気部が、前記内部空間の最上部に対応して配置される開口部を有し、
前記排気部に接続され、前記鉛直な側面を貫通して、前記燃料ガスを外部に排気する排ガス出口部をさらに具備し、
前記燃料電池スタックは、水平面視で、前記最上部と重ならない位置に配置されている、
ことを特徴とする燃料電池。

【請求項2】

前記燃料電池スタックからの使用済みの燃料ガスを燃焼させ、前記内部空間に排出する燃焼器
をさらに具備する請求項１に記載の燃料電池。

【請求項3】

前記燃焼器が、前記燃料電池スタックよりも鉛直方向下側に配置される排出口を有する、
請求項２に記載の燃料電池。

【請求項4】

前記内部空間内に配置され、前記燃焼器から前記内部空間に排出される燃焼済みの燃料ガスとの熱交換によって、前記燃料電池スタックでの発電に用いられる燃料ガスまたは空気を加熱する熱交換器
をさらに具備する請求項２または３に記載の燃料電池。

【請求項5】

前記排気部が前記燃料ガスを分解する触媒が配置された排ガス流路を有する、
請求項４に記載の燃料電池。

【請求項6】

前記排ガス流路から排出される排ガスとの熱交換によって、前記燃料電池スタックでの発電に用いられる燃料ガスまたは空気を加熱する第２の熱交換器をさらに具備する
請求項５に記載の燃料電池。

【請求項7】

前記燃料ガスまたは空気が、前記第２の熱交換器および前記熱交換器によって前記第２の熱交換器および前記熱交換器の順に加熱される
請求項６に記載の燃料電池。

【請求項8】

前記熱交換器と前記第２の熱交換器が一体に形成される
請求項６または７に記載の燃料電池。

【請求項9】

前記上面が、
第１の方向に傾斜する第１の上面と、
前記第１の上面により前記最上部が形成されるように、第２の方向に傾斜する第２の上面と、を有する
請求項１ないし８の何れか１項に記載の燃料電池。

【請求項10】

前記上面が、
前記第１の上面と、前記第２の上面との間に配置され、前記最上部を形成する第３の上面をさらに有する
請求項９に記載の燃料電池。

【請求項11】

前記排気部が、前記燃料ガスを上方から下方に向かって排気する排気経路を有する 請求項１ないし１０の何れか１項に記載の燃料電池。

【請求項12】

前記排ガス出口部が、前記燃料ガスを水平方向に排気する、
請求項１１に記載の燃料電池。

【請求項13】

前記燃料電池スタックを加熱するガスバーナー
をさらに具備する請求項１ないし１２の何れか１項に記載の燃料電池。

【請求項14】

前記傾斜する上面と前記鉛直な側面とにより、前記最上部が形成されている、
請求項１ないし１３の何れか１項に記載の燃料電池。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、燃料電池に関する。

【背景技術】

【0002】

燃料電池として、固体電解質（固体酸化物）を用いた固体酸化物形燃料電池（以下、「ＳＯＦＣ」とも記す）が知られている。このＳＯＦＣでは発電単位として、例えば、固体電解質層の一方側、他方側それぞれに燃料極および空気極を設けた燃料電池セル（単セル）を用い、酸化剤ガス（通常空気）と燃料ガス（都市ガス等）を供給して、発電を行う。

【0003】

所望の電力を得るために、この燃料電池セルを複数直列に配置し、燃料電池スタックとする。発電効率の向上および安全上の理由から、一般に、燃料電池スタックは、断熱容器内に収納される。

【0004】

この種の燃料電池において、発電の際に発電に使用されなかった燃料ガスや酸化剤ガス等の排ガスが生じる。このため、これらの排ガスがそのまま外部に放出されることを防止し、排ガスの有効利用を図るために、通例、排ガスを燃焼器で燃焼させている。

【0005】

ところで、フェールセーフの観点から考えると、燃料電池スタックから燃料ガス等がリークし、このリークガスが断熱容器内に蓄積されると、発火、爆発の可能性がある。リークガスは、未燃焼の燃料ガス（未燃ガス）であり、燃焼後の排ガス（完全に燃焼した燃料ガスと少量の未燃ガスの混合物）と異なり、燃焼性が大きい。
このため、燃焼器からの排ガスを断熱容器内に放出し、燃料電池スタックの近傍を通過させて排出することで、排ガスと共にリークガスを浄化、回収することが考えられる。

【0006】

ここで、筐体内からの排ガスの排出に関する技術が公開されている（特許文献１〜３参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開平２−２２０３６３号公報

【特許文献2】特開２００４−３１９４２０号公報

【特許文献3】特開２００７−３１７３７１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

排ガスはその温度差から空気より軽くなっており、排気を上下に取回した場合、運転条件によっては、滞留が発生する可能性がある。その場合、リークガスが発火、爆発する可能性もあり、排ガスの滞留が、ハード上発生しない構造とすべきである。
特許文献１の技術においては、リークガスを回収する排気口が筐体上面中央部から鉛直上向きに開口しており、排ガスの滞留は発生しにくい。しかし、上部に浄化触媒、熱交換器設置のための大きな余剰スペースが必要となる。設置方法が限定され、例えば、一般家庭用としては、適用し難い。また、排気口が鉛直上向きに開口するため、燃料電池スタックの上部から熱が過剰に排出され、燃料電池スタックの上部が過度に冷却され易い。この結果、燃料電池の発電効率が低下する畏れがある。
特許文献２、３の技術はいずれも、排ガスの滞留を考慮しているとはいえない。例えば、特許文献３の技術は、開空間の空気相通のためのものであり、ガス滞留に関わるものではない。
上記に鑑み、本発明は、筐体内での未燃ガスの滞留を防止した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】

【0009】

（１） 本発明の一態様に係る燃料電池は、
空気より比重が小さい燃料ガスにより、発電する単セルを有する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックが配置される、内部空間を有する断熱容器と、
前記燃料ガスを前記内部空間から排気する排気部を具備する燃料電池スタックであって、
前記内部空間が、傾斜する上面および鉛直な側面を有し、
前記排気部が、前記上面の最上部に対応して配置される開口部を有し、
前記排気部に接続され、前記鉛直な側面を貫通して、前記燃料ガスを外部に排気する排ガス出口部をさらに具備する、
ことを特徴とする。

【0010】

内部空間が、傾斜する上面（天板）を有することで、燃料電池スタックから漏れたリークガス（可燃成分として、空気より比重が小さい燃料ガス等を含む）が上面の最上部に集まる。上面の最上部に集まったリークガスは、この最上部に対応して配置される開口部から排気部に入り、外部に排気される。即ち、燃料電池を収納する断熱容器の内部空間の上面を、水平方向に対して傾斜させ、その最上部に配置した開口部から排気することで、リークガス（燃料ガス等）の滞留が発生しないようにすることができる。特に、内部空間を、鉛直な側面を有する形状（錐形状）とすることで、最上部の範囲を限定し、最上部からのリークガスの排出を容易とすることができる。

【0011】

燃料電池スタックの上部は、燃料電池スタック全体の端部に位置するため、一般に、温度が低下し易い。本態様では、排気部のガスが内部空間の側面から排気されることで、内部空間の上面から排気される場合と比べて、燃料電池スタックの上部での過度の冷却が防止される。この結果、断熱容器の断熱性が確保され、燃料電池スタックの発電効率の向上が図られる。

【0012】

（２） 前記燃料電池スタックからの使用済みの燃料ガスを燃焼させ、前記内部空間に排出する燃焼器をさらに具備しても良い。
燃焼器からの排ガスによって、内部空間からリークガスを強制的に排出できる。

【0013】

（３） 前記燃焼器が、前記燃料電池スタックよりも鉛直方向下側に配置される排出口を有しても良い。
排出口を燃料電池スタックよりも鉛直方向下側に配置することで、排出口からの排ガスによって、燃料電池スタックから漏れたリークガスを効果的に内部空間の最上部に導くことができる。

【0014】

（４） 前記内部空間内に配置され、前記燃焼器から前記内部空間に排出される燃焼済みの燃料ガスとの熱交換によって、前記燃料電池スタックでの発電に用いられる燃料ガスまたは空気を加熱する熱交換器をさらに具備しても良い。
燃焼済みの燃料ガスによって、燃料電池スタックでの発電に用いられる予定の燃料ガスまたは空気を加熱することで、燃料電池スタックの昇温速度が向上し、より効率的な発電が可能となる。

【0015】

（５） 前記排気部が前記燃料ガスを分解する触媒を有しても良い。
リークガス中の燃料ガスを触媒によって分解することで、点火、爆発の可能性を低減できる。

【0016】

（６） 前記触媒との熱交換によって、前記燃料電池スタックでの発電に用いられる燃料ガスまたは空気を加熱する第２の熱交換器をさらに具備しても良い。
触媒からの発熱によって、燃料電池スタックでの発電に用いられる予定の燃料ガスまたは空気を加熱することで、より効率的な発電が可能となる。

【0017】

（７） 前記燃料ガスまたは空気が、前記第２の熱交換器および前記熱交換器によって前記第２の熱交換器および前記熱交換器の順に加熱されても良い。
触媒からの発熱および燃焼済みの燃料ガスによって、燃料ガスまたは空気を順に加熱することで、より効率的な発電が可能となる。

【0018】

（８） 前記熱交換器と前記第２の熱交換器が一体に形成されても良い。
熱交換器と第２の熱交換器を一体に形成することで、より効率的な発電が可能となる。

【0019】

（９） 前記上面が、
第１の方向に傾斜する第１の上面と、
前記第１の上面に前記最上部が形成されるように、第２の方向に傾斜する第２の上面と、を有しても良い。
第１の上面と第２の上面との間に、最上部が形成されることで、最上部の範囲を限定できる。その結果、最上部からのリークガスの排出を容易とすることができる。

【0020】

（１０） 前記上面が、
前記第１の上面と、前記第２の上面との間に配置され、前記最上部を有する第３の上面をさらに有しても良い。
第３の上面を最上部とし、リークガスを集めることができる。

【0021】

（１１） 前記排気部が、前記燃料ガスを上方から下方に向かって排気する排気経路を有しても良い。
燃料ガス（リークガス）が排気部を、鉛直方向で上方から下方に向かって移動することで、比重の小さいリークガス（未燃ガス）を触媒で浄化することが容易となる。
なお、排気部の開口部の鉛直方向下側に、排ガス出口部を配置できる。

【0022】

（１２） 前記排ガス出口部が、前記燃料ガスを水平方向に排気しても良い。
燃料ガスを水平方向に排気することで、垂直方向に排気する場合と比べて、断熱容器の断熱の確保、および熱効率の向上が容易となる。

【0023】

（１３） 前記燃料電池スタックを加熱するガスバーナーをさらに具備しても良い。
ガスバーナーからの排ガスによって、内部空間からリークガスを強制的に排出できる。

【発明の効果】

【0024】

本発明によれば、筐体内での未燃ガスの滞留を防止した燃料電池を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0025】

【図1】第１の実施形態に係る燃料電池システム１００を表す斜視図である。

【図2】燃料電池システム１００を表す側面図である。

【図3】燃料電池システム１００を表す正面図である。

【図4】単セル４０を表す側面図である。

【図5】変形例１に係る燃料電池システム１００ａを表す斜視図である。

【図6】変形例２に係る燃料電池システム１００ｂを表す斜視図である。

【図7】第２の実施形態に係る燃料電池システム１００ｃを表す斜視図である。

【図8】第３の実施形態に係る燃料電池システム１００ｄを表す側面図である。

【図9】第４の実施形態に係る燃料電池システム１００ｅを表す側面図である。

【発明を実施するための形態】

【0026】

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
（第１の実施形態）
図１〜図３はそれぞれ、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システム１００を表す斜視図、側面図、および正面図である。この内、斜視図では、判り易さのために構成の一部の記載を省略している。

【0027】

燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１１０、断熱容器１２０、補助器１３０、起動バーナ１７０、排気部１８０を有する。

【0028】

燃料電池スタック１１０は、燃料ガス（例えば、都市ガス）と酸化剤ガス（例えば、空気）との供給を受けて発電を行う。
燃料電池スタック１１０は、例えば、７００℃程度の高温にて稼働されるため、発電効率および安全性の観点から、断熱容器１２０に収納されている。

【0029】

補助器１３０は、改質器１５０、燃焼器１４０、熱交換器１６０を有する。燃料電池スタック１１０の、鉛直方向で下方に補助器１３０が配置され、更に、補助器１３０の下方に起動バーナ１７０が配置されている。燃焼器１４０は、燃料電池スタック１１０から排出されるガス（後述する残余のガス）を燃焼させる。改質器１５０は、燃料ガスの改質を行う。熱交換器１６０は、燃焼器１４０からの熱によって外部から導入される酸化剤ガスを加熱する。

【0030】

起動バーナ１７０は、燃料電池システム１００の起動時に、燃料電池スタック１１０の加熱を行う。
排気部１８０は、燃料電池スタック１１０からのリークガス（燃料ガス（改質ガス、水素ガス）、やＣＯガス等）および補助器１３０および起動バーナ１７０からの排ガスを断熱容器１２０の外部に排出する。

【0031】

以下、各構成について詳細に説明する。
（燃料電池スタック１１０の詳細）
燃料電池スタック１１０は、発電単位である（平面視で）正方形の板状の単セル（燃料電池セル）４０が板厚方向（図１〜図３の上下方向：積層方向）に複数個積層されたものである。
この燃料電池スタック１１０の外周縁部には、燃料電池スタック１１０を積層方向に貫く複数（この実施形態では８つ）の貫通孔１９が設けられており、この貫通孔１９には、各単セル４０を一体に固定するボルト２１が配置され、ボルト２１にはナット２３が螺合している。

【0032】

貫通孔１９のうち、いくつかの所定の貫通孔１９（図１では各辺の中央の４箇所）は、ボルト２１との間に筒状の空間（貫通流路）２５（２５ａ〜２５ｄ）を有するように大径に形成されている。この貫通流路２５は、後述するガス（燃料ガスや酸化剤ガス）の流路として利用される。

【0033】

なお、この貫通流路２５は、燃料電池スタック１１０の積層方向に延びるマニホールドであり、後述する様に、この内部マニホールド（詳しくは貫通流路２５ｃ、２５ｄ）を利用して、燃焼器１４０に残余の燃料ガスや残余の酸化剤ガスが供給される。

【0034】

また、燃料電池スタック１１０の積層方向の一方の側（図１〜図３の下方）に、ボルト２１で囲まれる中央部分に、前記補助器１３０が近接して配置されている。

【0035】

燃料電池スタック１１０、特に、単セル４０の積層部分等から燃料ガス（改質ガス、水素ガス）、やＣＯガス等がリークする畏れがある。後述のように、本実施形態では、このようなリークガスが断熱容器１２０内に滞留することを防止できる。

【0036】

（単セル４０の詳細）
図４は、単セル４０の側面図である。図４に示すように、単セル４０は、いわゆる燃料極支持膜形タイプの燃料電池セルであり、インターコネクタ４１、４５、集電体４２、枠部４３、セル本体４４を有する。尚、図４では、判り易さのために構成の一部を、分解して説明している。

【0037】

インターコネクタ４１、４５は、単セル４０間の導通を確保し、かつガス流路を遮断する、上下一対の導電性（例えば、金属）のプレートである。なお、単セル４０間には、１個のインターコネクタのみが配置される（インターコネクタの共有）。

【0038】

集電体４２は、セル本体４４（空気極５５）とインターコネクタ４１との間の導通を確保するためのものであり、例えば、ＳＵＳ（ステンレス）等の金属材料からなる。

【0039】

枠部４３は、開口４６を有する。この開口４６内は、気密に保持され、かつ酸化剤ガス流路４７、燃料ガス流路４８に区分される。枠部４３は、空気極フレーム５１、絶縁フレーム５２、セパレータ（その外周縁部）５３、燃料極フレーム５４を有する。空気極フレーム５１は、酸化剤ガス流路４７側に配置される金属製のフレームである。絶縁フレーム５２は、インターコネクタ４１、４５間を電気的に絶縁する、セラミックス製のフレームである。セパレータ５３は、セル本体４４を接合し、かつ酸化剤ガス流路４７、燃料ガス流路４８を遮断する金属製のフレームである。燃料極フレーム５４は、燃料ガス流路４８側に配置される金属製のフレームである。

【0040】

枠部４３は、ボルト２１に対応する前記貫通孔１９を有する。

【0041】

セル本体４４は、空気極（カソード）５５、固体電解質体５６、燃料極（アノード）５７を積層して構成される。固体電解質体５６の酸化剤ガス流路４７側、燃料ガス流路４８側それぞれに、空気極５５、燃料極５７が配置される。空気極５５としてはペロブスカイト系酸化物、各種貴金属及び貴金属とセラミックとのサーメットが使用できる。固体電解質体５６としては、ＹＳＺ、Ｓｃ−ＳＺ、ＳＤＣ、ＧＤＣ、ペロブスカイト系酸化物等の材料が使用できる。また、燃料極５７としてはＮｉ及びＮｉとセラミックとのサーメットが使用できる。

【0042】

なお、燃料ガス流路４８においては、燃料ガスは、図４の左右方向（ここでは同図右側から左側に）流れるように供給され、酸化剤ガス流路４７においては、酸化剤ガスは、同図紙面と垂直方向（ここでは紙面裏側から表側に）流れるように供給される。

【0043】

（補助器１３０の詳細）
補助器１３０は、上側燃焼器１４１と下側燃焼器１４２との間に改質器１５０、熱交換器１６０が積層して配置されたものであり、上側燃焼器１４１と下側燃焼器１４２とは連通孔１４３により連通している。

【0044】

このうち、改質器１５０は、燃料電池スタック１１０に供給される燃料ガスを水素リッチの燃料ガス（改質ガス）に改質する板状の装置である。この改質器１５０の上流側（図２左側）は、外部から燃料ガスＧ１が供給される燃料ガス導入流路１５１と、外部から改質水Ｌが供給される改質水導入流路１５２とに接続されている。一方、改質器１５０の下流側は、連結部材１５３の連結流路１５４を介して、ボルト２１が貫通される（燃料ガスの供給用の）貫通流路２５ｂに接続されている。

【0045】

また、燃焼器１４０は、発電後に各単セル４０より排出される残余のガス、即ち発電に使用されなかった残余の燃料ガスＧ１２と酸化剤ガスとを反応させて燃焼させる板状の装置であり、この燃焼器１４０内で燃焼によって生じた排ガスＧ３は、連通孔１４３を通って、断熱容器１２０の内部空間１２３に排出される。燃焼器１４０は、燃料電池スタック１１０からの使用済みの燃料ガスを燃焼させ、内部空間１２３に排出する。
なお、燃焼器１４０内には、上述した燃焼を促進させる（例えば、Ｐｔ、Ｐｄからなる）燃焼触媒が配置されている。

【0046】

上側燃焼器１４１の上流側は、貫通流路２５ｃ、２５ｄに接続される。上側燃焼器１４１は、連結部材１４４の連結流路１４５を介して、（残余の燃料ガスの排出用の）貫通流路２５ｄに接続される。また、上側燃焼器１４１は、連結部材１４６の連結流路１４７を介して、（残余の酸化剤ガスの排出用の）貫通流路２５ｃに接続される。
下側燃焼器１４２の、鉛直方向で下側に、排ガスの排出用の排出口１４９を有する排出部１４８が設けられる。排出口１４９は断熱容器１２０の内部空間１２３に開口している。

【0047】

熱交換器１６０は、燃焼器１４０からの熱によって、外部から導入される酸化剤ガスＧ２を加熱する。熱交換器１６０は、直方形形状の部材であり、その上流側には、外部から酸化剤ガスＧ２を導入する酸化剤ガス導入流路１６１が接続される。一方、熱交換器１６０の下流側は、連結部材１６２の連結流路１６３を介して、ボルト２１が貫通される（酸化剤ガスＧ２の供給用の）貫通流路２５ａに接続されている。

【0048】

ここで、断熱容器１２０の内部空間１２３に存在する各種のガスとしては、燃焼器１４０から排出される排ガス（通常は未燃焼のガスが含まれている）や、それ以外の他のガス（例えば、単セル４０の積層部分等からリークするおそれのある水素ガスやＣＯガス等のリークガス）が挙げられる。なお、以下では、これらのガスを混合排ガス（または混合排気ガス）と称する。

【0049】

起動バーナ１７０には、燃料ガスと酸化剤ガスとの混合気Ｇ４を供給する混合気供給流路１７１が接続されている。起動バーナ１７０の上部で混合気Ｇ４が燃焼する。燃焼後の排ガスは、内部空間１２３に放出され、排気部１８０から排出される。

【0050】

補助器１３０（排出口１４９）、起動バーナ１７０は、燃料電池スタック１１０より、鉛直方向で下方に配置されている。このため、燃料電池スタック１１０からのリークガスを補助器１３０（排出口１４９）、起動バーナ１７０からの排気ガスで、内部空間１２３の上方に強制的に移動させ、排気部１８０から容易に排出することができる。リークガスの可燃成分（燃料ガス、水素ガス、一酸化炭素）は、空気、排ガスに比べて比重が小さく、内部空間１２３の、鉛直方向で上方に移動しやすい。燃料電池スタック１１０の、鉛直方向で下方から排気ガスを排出することで、リークガスの可燃成分を強制的に内部空間１２３の上方に移動させ、排気部１８０から排出することができる。

【0051】

（断熱容器１２０の詳細）
この断熱容器１２０は、容器本体１２１、断熱材１２２、内部空間１２３、側面１２４、上面１２５、１２６を有する。

【0052】

容器本体１２１は、例えば、ステンレスからなる箱体（筐体）である。容器本体１２１は、その内部（内部空間１２３）にガスを閉じこめることができるガスタイトな構造である。

【0053】

断熱材１２２は、容器本体１２１の外周に配置されるセラミック板であり、断熱材１２２は、断熱容器１２０を覆い、断熱容器１２０を熱タイト（断熱構造）とする。

【0054】

なお、本実施形態の断熱容器１２０は、容器本体１２１、断熱材１２２が接して一体の構造であるが、容器本体１２１、断熱材１２２との間に、一部又は全体に空間を設けてもよい（例えば別体の構成でもよい）。

【0055】

内部空間１２３は、容器本体１２１内の空間において、各装置（熱交換器１６０、補助器１３０、燃料電池スタック１１０、補助器１３０）の外側の空間のことを言う。

【0056】

側面１２４は、鉛直である。後述のように、側面１２４は、上面１２５、１２６と共に、錐形状の最上部Ｐｍｈを形成し、最上部Ｐｍｈへのリークガスの可燃成分の集積を促進する。

【0057】

上面１２５、１２６は、互いに異なる第１、第２の方向に傾斜（水平方向に対して傾斜）し、上面１２５、１２６の間に高い領域（位置Ｐ１、Ｐ２を結ぶ領域）を形成する。
上面１２５、１２６は全体として第３の方向に傾斜（水平方向に対して傾斜）する。この結果、上面１２５、１２６の間の高い領域は、位置Ｐ２から位置Ｐ１に向かって高くなる勾配を有し、側面１２４の近傍に最上部Ｐｍｈが形成される。即ち、側面１２４、上面１２５、１２６の３者が交わる箇所が最上部Ｐｍｈであり、混合排ガス（特に、空気等より比重の小さい燃料ガス（リークガスの成分））は、この最上部Ｐｍｈに集まり、排気部１８０から外部に排出される。
なお、ここでは、上面１２５、１２６は平面であるが、曲面としても良い。

【0058】

（排気部１８０の詳細）
排気部１８０は、略直方体形状の部材であり、開口部１８１、排ガス流路１８２を有し、排ガス出口部１８３に接続される。

【0059】

開口部１８１は、排気部１８０の内部（排ガス流路１８２）に通じる開口である。開口部１８１は、完全に開口していても良いし、網（メッシュ）等が取り付けられていても良い。混合排ガスが通過可能であれば、開口部１８１の状態は特に問題とはならない。
開口部１８１は、内部空間１２３の最上部Ｐｍｈに対応して配置され、内部空間１２３の最上部Ｐｍｈから混合排ガスを導入する。即ち、最上部Ｐｍｈに近接して配置される開口部１８１等によって、内部空間１２３の最上部Ｐｍｈと断熱容器１２０の外部とが通じる。例えば、内部空間１２３内での最上部Ｐｍｈの高さＨ０に対して、開口部１８１の高さＨ１が８０％程度以上であれば（Ｈ１／Ｈ０≧０．８）、最上部Ｐｍｈと開口部１８１は近接していると言える。

【0060】

排ガス流路１８２は、燃料ガスを、鉛直方向で上方から下方に向かって排気する排気経路である。排ガス流路１８２は、筒形状であれば、種々の形状を取り得る。排ガス流路１８２は、例えば、円形筒形状（円筒形状）、扁平筒形状、方形筒形状、多角形筒形状とすることができる。

【0061】

排ガス出口部１８３は、排ガス流路１８２に接続され、側面１２４を貫通して、燃料ガスを水平方向に排気する。排ガスを水平方向に排出することが、断熱容器１２０の構成上好ましい。排ガスを、鉛直方向で上方に排出しようとすると、断熱容器１２０の天井（上方）に排ガスの出口を設けなければならなくなり、断熱性が弱くなる。断熱容器１２０の上方には、排ガスの出口を設けず、十分な断熱を確保することが、熱効率の観点から好ましい。即ち、燃料ガスを水平方向に排気することで、垂直方向に排気する場合と比べて、断熱容器の断熱の確保、および熱効率の向上が容易となる。

【0062】

排ガス流路１８２に、燃焼触媒１８４を配置し、混合排ガス中の未燃焼のガスを燃焼（分解）させても良い。

【0063】

燃焼触媒１８４は、例えば、ＰｔやＰｄの微粒子を担持させたハニカム形状のメタル材を利用できる。なお、燃焼触媒は、上記に限ることなく、粒々形状（所謂、ペレット形状）でもよい。また、メタル材に限ることなく、セラミック表面に、上記の金属を付与したものでもよい。

【0064】

（燃料電池システム１００の動作）
燃料電池システム１００におけるガスの流れについて説明する。
燃料電池システム１００の始動時（起動時）には、混合気Ｇ４が混合気供給流路１７１を介して起動バーナ１７０に供給され、混合気Ｇ４が燃焼することによって、燃料電池スタック１１０等が加熱される。

【0065】

そして、燃料電池システム１００によって発電を行う場合には、酸化剤ガスＧ２は、酸化剤ガス導入流路１６１から熱交換器１６０内に導入され、予熱が行われる。予熱された酸化剤ガスは、連結流路１６３から燃料電池スタック１１０の所定の貫通流路２５ａに導入され、貫通流路２５ａから各単セル４０の酸化剤ガス流路４７（図４参照）に供給される。

【0066】

また、酸化剤ガスの供給と同時に、燃料ガス（原料ガス）Ｇ１は、燃料ガス導入流路１５１を介して改質器１５０に導入されるとともに、改質水は、改質水導入流路１５２を介して改質器１５０内に導入され、改質器１５０内にて燃料ガスの改質が行われる。

【0067】

改質された燃料ガス（改質ガス）は、連結流路１５４を介して燃料電池スタック１１０の所定の貫通流路２５ｂに導入され、貫通流路２５ｂから各単セル４０の燃料ガス流路４８（図４参照）に供給される。

【0068】

そして、各単セル４０内にて、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電が行われ、発電後の残余のガス（残余の燃料ガスと酸化剤ガス）とは、それぞれ所定の貫通流路２５ｃ、２５ｄに導入される。即ち、残余の燃料ガスは貫通流路２５ｄに、残余の酸化剤ガスは貫通流路２５ｃに導入される。

【0069】

次に、残余の燃料ガスは、貫通流路２５ｄから上側燃焼器１４１に導入されるとともに、残余の酸化剤ガスは、貫通流路２５ｃから上側燃焼器１４１に導入され、この上側燃焼器１４１内で残余の燃料ガスＧ１２と残余の酸化剤ガスとが燃焼する。なお、上側燃焼器１４１は、連通孔１４３を介して下側燃焼器１４２と連通しているので、下側燃焼器１４２においても、同様に残余の燃料ガスと残余の酸化剤ガスとが燃焼する。

【0070】

そして、残余の燃料ガスと残余の酸化剤ガスとが燃焼して生じた排ガスＧ３は、下側燃焼器１４２の排出口１４９から、内部空間１２３に排出される。
内部空間１２３に排出された排ガスは、断熱容器１２０と燃料電池スタック１１０との間隙を通って、燃料電池スタック１１０の全体の温度を均一にするように熱を授受しながら上昇する。

【0071】

また、例えば単セル４０の積層部分などからリークして内部空間１２３に排出された各種のガス（リークガス）も、同様に、断熱容器１２０と燃料電池スタック１１０との間隙等を通って上昇し、排ガス流路１８２に導入される。

【0072】

混合排ガス中、リークガスの可燃成分（燃料ガス、水素ガス、一酸化炭素ガス）は、空気や排ガスよりも比重が小さいため、内部空間１２３の上部に移動しやすい。燃料電池スタック１１０の、鉛直方向で下方に配置される補助器１３０（あるいは起動バーナ１７０）から放出される排ガスＧ３によって、内部空間１２３の上部への移動が促進される。最終的に、リークガスの可燃成分は、内部空間１２３の最上部Ｐｍｈに集積される。

【0073】

リークガスの可燃成分は、排ガスと混じった混合排ガスとして、最上部Ｐｍｈに対応して配置される開口部１８１から排気部１８０（排ガス流路１８２）に導入される。
排ガス流路１８２に導入された混合排ガス中の未燃焼のガスが燃焼触媒１８４にて燃焼される。

【0074】

本実施形態によれば、燃料電池スタック１１０からのリークガスの可燃成分が、その下方からの排ガスＧ３によって、内部空間１２３の最上部Ｐｍｈに集められ、排気部１８０から外部に排気される。その結果、リークガスが内部空間１２３内に滞留することなく、順に排気される。このため、燃料電池スタック１１０からガスがリークした場合でも、可燃性ガスが滞留し筐体内で、燃焼、爆発することは無い。

【0075】

本実施形態では、補助器１３０（燃焼器１４０）（および起動バーナ１７０）からの排ガスによって、内部空間１２３からリークガスを強制的に排出できる。特に、燃焼器が、燃料電池スタック１１０よりも鉛直方向下側に配置される排出口１４９を有するので、排出口１４９からの排ガスによって、リークガスを効果的に最上部Ｐｍｈに導くことができる。

【0076】

（変形例）
図５、図６は、変形例１、２に係る燃料電池システム１００ａ、１００ｂを表す斜視図である。
燃料電池システム１００ａでは、上面１２５、１２６の間に、上面１２７が配置されている。上面１２７は平面であり、上面１２７、側面１２４の間に最上部Ｐｍｈが形成される。排気ガスＧ３と共にリークガス（燃料ガス）を最上部Ｐｍｈに集めて、排気部１８０から外部に排出できる。第１の実施形態に比して、最上部Ｐｍｈの幅が広くなるが、リークガスを集めて排出することが可能である。

【0077】

燃料電池システム１００ｂでは、上面１２７に替えて、上面１２７ａが配置される。上面１２７ａは曲面であるが、変形例１と同様に、上面１２７ａ、側面１２４の間に最上部Ｐｍｈが形成される。排気ガスＧ３と共にリークガス（燃料ガス）を最上部Ｐｍｈに集めて、排気部１８０から外部に排出できる。
なお、１つの曲面によって、上面１２５、１２６、１２７ａに対応する形状を構成しても良い。
また、これらの変形例に於いて、上記の実施形態と同様の構成については、記載を省略しているが、上記の実施形態の説明と同様である。

【0078】

（第２の実施形態）
図７は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システム１００ｃを表す斜視図である。
ここでは、内部空間１２３の上面が、１枚の平面（上面１２８）から構成される。この上面１２８は、位置Ｐ２から位置Ｐ１に向かって高くなる勾配を有し、側面１２４の近傍に最上部Ｐｍｈが形成される。この結果、第１の実施形態、変形例１、２と比べて、最上部Ｐｍｈの幅が大きくなっている。
なお、ここでは、上面１２８を平面としたが、曲面とすることも可能である。

【0079】

燃料電池システム１００ｃの排気部１８０ａは、開口部１８１ａ、排ガス流路１８２ａを有し、排ガス出口部１８３に接続される。
開口部１８１ａは、最上部Ｐｍｈの幅に対応する幅広の開口を有し、最上部Ｐｍｈから混合排気ガスを導入できる。
排ガス流路１８２ａは、上部と下部で幅が異なる。排ガス流路１８２ａの上部は幅が一定であるが、その下部は、鉛直方向で下方に行くに従って、幅が小さくなっている（幅が絞り込まれる）。
このように、排気部１８０ａが幅広の開口部１８１ａ、幅が絞り込まれる排ガス流路１８２ａによって、幅広の最上部Ｐｍｈから効率的に混合排気ガスを導入、排気することができる。
また、この第２の実施形態に於いて、上記の実施形態と同様の構成については、記載を省略しているが、上記の実施形態の説明と同様である。

【0080】

（第３の実施形態）
図８は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システム１００ｄを表す側面図である。燃料電池システム１００ｄは、浄化ガス経路１８５、熱交換器１９０を有し、排ガス出口部１８３ａが熱交換器１９０に接続される。
浄化ガス経路１８５は、排気部１８０に配置された燃焼触媒１８４により、浄化された混合排気ガスを、熱交換器１９０に導入するための経路（ガス流路）である。浄化ガス経路１８５は、排気部１８０の鉛直方向で下面に接続され、鉛直方向で下方に伸びる。浄化ガス経路１８５は、熱交換器１９０の、鉛直方向で上方においてＬ字形状に屈曲して、さらに、熱交換器１９０の上方に沿って伸びるように配置され、熱交換器１９０の上面において熱交換器１９０に接続される。
なお、図８では、判り易さのために、起動バーナ１７０の記載を省略している。これは、後述の図９でも同様である。

【0081】

浄化ガス流路１８５は、排気部１８０からの排気ガスを熱交換器１９０に流入させる流路である。排ガス出口部１８３ａは、断熱容器１２０の鉛直な側面１２４を貫通して燃料ガスを外部に排気するように、熱交換器１９０に接続される。

【0082】

熱交換器１９０は、浄化された排気ガスＧ３の熱によって、燃料ガスＧ１、酸化剤ガスＧ２、および改質水Ｌを加熱する。熱交換器１９０は、直方形形状の部材であり、燃料ガス導入流路１５１、改質水導入流路１５２、酸化剤ガス導入流路１６１、および浄化ガス流路１８５が接続される。その結果、熱交換器１９０内に燃料ガスＧ１、酸化剤ガスＧ２、改質水Ｌ、および浄化された排気ガスＧ３（以下、燃料ガスＧ１等という）が流入する。流入した燃料ガスＧ１等は、熱交換器１９０内で区分され、直接接触することは無いが、熱交換によって、浄化された排気ガスＧ３の熱が燃料ガスＧ１、酸化剤ガスＧ２、および改質水Ｌに移行する。

【0083】

熱交換器１９０で加熱された燃料ガスＧ１と改質水Ｌは、改質器１５０に流入し、燃料ガスＧ１が水素リッチに改質される。また、熱交換器１９０で加熱された酸化剤ガスＧ２は、熱交換器１６０に流入し、さらに加熱される。

【0084】

熱交換器１９０での加熱に用いられた浄化された排ガスＧ３は、排ガス出口部１８３ａから外部に排出される。
また、この第３の実施形態に於いて、上記の実施形態と同様の構成については、記載を省略しているが、上記の実施形態の説明と同様である。

【0085】

（第４の実施形態）
図９は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池システム１００ｅを表す側面図である。燃料電池システム１００ｅは、熱交換器１９０ａ、１９０ｂを有する。
熱交換器１９０ａ、１９０ｂは、燃料ガスＧ１、酸化剤ガスＧ２、および改質水Ｌを、（熱交換器１９０ａ、熱交換器１９０ｂの）順に加熱する。
ここで、熱交換器１９０ａは、本発明に於ける第２の熱交換器の一形態、熱交換器１９０ｂは、本発明に於ける熱交換器（第１の熱交換器）の一形態となる。尚、熱交換器１９０ｂは、（第２の熱交換器に対する表現として、）第１の熱交換器としても良い。

【0086】

熱交換器１９０ａは、燃焼触媒１８４からの発熱および排ガスＧ３により、燃料ガスＧ１、酸化剤ガスＧ２、改質水Ｌを加熱する。熱交換器１９０ａは、直方形形状の部材であり、排ガス流路１８２からの排ガスＧ３が流入すると共に、燃焼触媒１８４と熱的に接続される。また、熱交換器１９０ａには、燃料ガス導入流路１５１、改質水導入流路１５２、および酸化剤ガス導入流路１６１が接続され、燃料ガスＧ１等が流入する。熱交換によって、燃焼触媒１８４および排ガスＧ３の熱が燃料ガスＧ１、酸化剤ガスＧ２、および改質水Ｌに移行する。

【0087】

熱交換器１９０ｂは、排ガスＧ３により、燃料ガスＧ１、酸化剤ガスＧ２、および改質水Ｌをさらに加熱する。

【0088】

熱交換器１９０ａ、１９０ｂで加熱された燃料ガスＧ１と改質水Ｌは、改質器１５０に流入し、燃料ガスＧ１が水素リッチに改質される。また、熱交換器１９０ａ、１９０ｂで加熱された酸化剤ガスＧ２は、熱交換器１６０に流入し、さらに加熱される。

【0089】

熱交換器１９０ａ、１９０ｂでの加熱に用いられた排ガスＧ３は、熱交換器の内部に設置されている仕切り板１８６の下側を通過する。その後、排ガスＧ３は、鉛直な側面１２４を貫通するように設置されている排ガス出口部１８３ａから外部に排出される。
ここでは、熱交換器１９０ａ、１９０ｂを一体構造としているが、熱交換器１９０ａ、１９０ｂを分割可能としても良い。また、熱交換器１９０ｂを、補助器１３０に於ける熱交換器１６０に連結した構造とすることも可能である。
また、この第４の実施形態に於いて、上記の実施形態と同様の構成については、記載を省略しているが、上記の実施形態の説明と同様である。

【0090】

（その他の実施形態）
本発明の実施形態は上記の実施形態に限られず拡張、変更可能であり、拡張、変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0091】

１９ 貫通孔
２１ ボルト
２３ ナット
２５（２５ａ〜２５ｄ） 貫通流路
４０ 単セル
４１、４５ インターコネクタ
４２ 集電体
４３ 枠部
４４ セル本体
４６ 開口
４７ 酸化剤ガス流路
４８ 燃料ガス流路
５１ 空気極フレーム
５２ 絶縁フレーム
５３ セパレータ
５４ 燃料極フレーム
５５ 空気極
５６ 固体電解質体
５７ 燃料極
１００ 燃料電池システム
１１０ 燃料電池スタック
１２０ 断熱容器
１２１ 容器本体
１２２ 断熱材
１２３ 内部空間
１２４ 側面
１２５、１２６ 上面
１３０ 補助器
１４０ 燃焼器
１４１ 上側燃焼器
１４２ 下側燃焼器
１４３ 連通孔
１４４ 連結部材
１４５ 連結流路
１４６ 連結部材
１４７ 連結流路
１４８ 排出部
１４９ 排出口
１５０ 改質器
１５１ 燃料ガス導入流路
１５２ 改質水導入流路
１５３ 連結部材
１５４ 連結流路
１６０ 熱交換器
１６１ 酸化剤ガス導入流路
１６２ 連結部材
１６３ 連結流路
１７０ 起動バーナ
１７１ 混合気供給流路
１８０ 排気部
１８１ 開口部
１８２ 排ガス流路
１８３、１８３ａ 排ガス出口部
１８４ 燃焼触媒
１８５ 浄化ガス経路
１８６ 仕切り板
１９０ 熱交換器
Ｇ１ 燃料ガス
Ｇ２ 酸化剤ガス
Ｇ３ 排ガス
Ｇ４ 混合気
Ｌ 改質水

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】