JP6300178B2 - 固体酸化物形燃料電池装置 - Google Patents

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池装置に係わり、燃料電池ハウジングに収容された複数の燃料電池セルに燃料ガス及び酸化剤ガスを供給して発電する固体酸化物形燃料電池装置に関する。

固体酸化物形燃料電池装置（Solid Oxide Fuel Cell：以下「ＳＯＦＣ」とも言う）は、電解質として酸化物イオン導電性固体電解質を用い、その両側に電極を取り付け、一方の側に燃料ガスを供給し、他方の側に酸化剤ガスを供給して、比較的高温で動作する燃料電池装置である。

特許文献１に記載の燃料電池装置は、燃料電池ハウジング内に複数の燃料電池セルが配置されている。各燃料電池セルの下端部には、燃料電池ハウジング内に供給された燃料ガスを集約する燃料供給室から燃料ガスが供給され、燃料ガスは燃料電池セルの内部を通過して、セルの上端から排出される。一方、各燃料電池セルの外部には空気が供給され、燃料ガスと空気が反応して発電するようになっている。未反応の燃料ガス（オフガス）は、燃料電池セル上端から排出された後、オフガスを集約するための上部タンク（燃料排出室２５）に送られる。さらに、上部タンクから燃焼室内に排出され、この燃焼室内で空気と混合して燃焼して排気されるようになっている。

この燃料電池装置においては、燃料電池セルにおいて未反応の燃料ガスを上部タンクに集め、この集約された未反応の燃料ガスを燃焼室で燃焼するようにしているので、未反応の燃料ガスの燃焼効率が向上する。さらに、燃料電池セルの上端は上部タンクにより包括されているので、燃料電池セルの上部の集電部材が空気に晒されることがなく、集電部材の酸化が抑制される等の種々の利点がある。

特開平１−３２０７７８号公報

上述したように、固体酸化物形燃料電池装置において、未反応の燃料ガスを集める上部タンクを設けることにより種々の利点はある。
しかしながら、特許文献１に記載の燃料電池装置は、燃料電池ハウジング一側面に設けられた発電用空気供給口から供給した発電用空気を他側面へ向けて送っているため、発電用空気供給口から近い一側面方向の燃料電池セルと他側面方向の燃料電池セルでは、発電用空気の供給量に偏りが生じてしまい、一部の燃料電池セルに空気枯れを引き起こす懸念がある。そのため、発電用空気を大流量で流し、空気枯れを防止する必要がある。

一方、燃料電池セルから排出されたオフガスの燃焼熱で改質触媒を加熱する形式の固体酸化物形燃料電池装置では、空気枯れを防ぐために発電用空気流量を大量に供給された場合、大量の発電用空気により改質触媒を有する改質部が冷却される。さらに、発電用空気が大流量のため発電用空気が一様に加熱されず、改質触媒の昇温に時間がかかってしまう。

これに対して、燃料電池セル集合体中央から周囲方向に向けて発電用空気を噴出させることで、燃料電池セル集合体の空気の流れは軸対称な流れになる。したがって、適切な流量で発電用空気を燃料電池セル集合体にほぼムラなく供給することができる。
しかしながら、このような構成にすると、燃料電池ハウジング側面へ発電用空気を吹き付けることになり、燃料電池ハウジング側面に沿って発電用空気が上昇していく。そのため、燃焼室が上部タンク天井面に設けられた場合、上昇してきた発電用空気が燃焼室にまで回り込まず、燃焼が不安定になり、改質触媒の昇温が不十分となる。

そのため、燃料電池セルから排出された未反応の燃料ガスの燃焼熱で改質触媒を昇温する形式の固体酸化物形燃料電池装置では、特に冷間時において、燃焼の不安定に伴い、改質触媒が十分に昇温されず、水素の精製が不十分となり、起動が不安定になる。

従って、本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、未反応の燃料ガスを集める上部タンクを設けたものにおいて、空気枯れを引き起こすことなく、上部タンクから噴出された未反応の燃料ガスの燃焼性を安定させることを目的とするものである。

炭化水素系の原燃料ガスが改質された燃料ガスと、酸化剤ガスとにより発電する固体酸化物形燃料電池装置であって、原燃料ガスを燃料ガスに改質する改質部と、内部に燃料ガス通路を備え且つ外表面に一つ、または複数の電極層を備えた上下方向に延びる複数の燃料電池セルと、複数の燃料電池セルの周囲を取り囲むように形成された内側ケース部材と、内側ケース部材の周囲を取り囲むように形成された外側ケース部材と、内側ケース部材の外壁面と外側ケース部材の内壁面との間に形成された、燃料ガスを複数の燃料電池セルの下端へ供給する燃料ガス供給流路と、内側ケース部材の内部の中心に配置された酸化剤ガス供給管と、複数の燃料電池セルの各々の上端を内包すると共に、複数の燃料電池セルの各々の上端から噴出される未反応の燃料ガスを集約する上部タンクと、を備え、所定の間隔で、上部タンクの側面と内側ケース部材の内壁面との間に設けられ、酸化剤ガス供給管から内側ケース部材の内壁面へ向けてガスが通過する第一発電用空気流路を有し、第一発電用空気流路に未反応の燃料ガスを燃焼させた横方向の燃焼炎が形成され、改質部は、燃料ガス供給流路内に燃料電池セルの上部を取り囲み、燃焼炎からの熱を受けるように配置されていることを特徴とする。

このように構成された本発明においては、燃料電池セルの集合体に囲まれた酸化剤ガス供給管から内側ケース部材の方向へ酸化剤ガスが供給され、上部タンクの側面と内側ケース部材の内壁との間に構成された第一発電用空気流路を通過させることで、酸化剤ガス供給管に対して軸対称な流れを形成することができる。したがって、燃料電池セル集合体に均等に発電用空気を供給することが可能になり、セルの空気枯れを防止できる。さらに、上部タンク側面と内側ケース部材内壁面の間の第一発電用空気流路に発電用空気を集め、発電用空気の流路上に横方向の燃焼炎を形成させることで、継続的に空気を供給することが可能になるため、燃焼を安定させることができる。それに加えて、改質部に燃焼炎が向いているので、燃焼炎の輻射熱により改質触媒を昇温させることができ、冷間時においても改質部の昇温を効率よく行い、水素を迅速に供給することができる。

酸化剤ガス供給管は上部タンクの中央を貫通して延びるように配置され、所定の間隔で全周に渡って、上部タンクの内周面と酸化剤ガス供給管の外周面との間に設けられ、酸化剤ガス供給管から上部タンクの上方へと酸化剤ガスが通過する第二発電用空気流路を備えていることを特徴とする。
このように構成された本発明においては、上部タンクは上面視においてドーナツ状に形成されており、上部タンクの中央を酸化剤ガス供給管が貫通するように延びている。上部タンクの内周面と酸化剤ガス供給管外周面との間は全周に渡って均等に間隔が設けられているため、全周に渡って酸化剤ガスを均一に上部タンクの上方へ供給することができる。したがって、上部タンクの上方からも燃焼室へ空気が供給できるようになり、且つ燃料電池セル集合体の中央上部方向における空気枯れを防ぐことができる。

上部タンクは段状に形成され、上部タンク段状部と内側ケース部材内壁面とで構成される空間に熱溜部が形成され、排気ガスは内側ケース部材に設けられた排気ガス噴出孔から噴出され、改質部に熱を与えつつ外部へ排出されることを特徴とする。
このように構成された本発明においては、上部タンクを段状に形成すると、上部タンクの角部の形状により、空気の戻りが生じて発電用空気が滞留しやすくなる。さらに、横向きの燃焼炎からの熱を滞留している発電用空気に蓄熱することができ、熱溜部が形成される。したがって、その熱溜部からの熱により、改質触媒の充填された内側ケース部材を温めることができる。且つ、下方から供給された発電用空気を熱溜部での熱交換により昇温することが可能になるので、排ガスは高温になり、排気の過程で改質部に熱を与えて暖めることができ、冷間時においても迅速な昇温が可能となる。

本発明の固体酸化物形燃料電池装置によれば、未反応の燃料ガスを集める上部タンクを設けた形式において、横向きの燃焼炎を上部タンクと内側ケース部材との間に形成させることで、少量の発電用空気で空気枯れを引き起こすことなく、未反応の燃料ガスの燃焼性が安定した固体酸化物形燃料電池装置を提供することができる。

本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池装置（ＳＯＦＣ）に内蔵されている燃料電池ハウジングの断面図である。 本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池装置に内蔵されている燃料電池ハウジングの、主なガスの流れを示す燃料電池ハウジングの断面図である 本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池装置に内蔵されている上部タンクを拡大して示す斜視図である。 （ａ）下端がカソードにされている燃料電池セルの下端部を拡大して示す断面図であり、（ｂ）下端がアノードにされている燃料電池セルの下端部を拡大して示す断面図である。

図１により、本発明の実施形態による固体酸化物形燃料電池装置（ＳＯＦＣ）の燃料電池モジュールに内蔵された燃料電池ハウジング８の内部構造を説明する。
この燃料電池ハウジング８内の内部には発電室１０が設けられ、この発電室１０の中には複数の燃料電池セル１６が同心円状に配置されており、これらの燃料電池セル１６により、燃料ガスと酸化剤ガスである発電用空気の発電反応が行われる。

各燃料電池セル１６の上端部には、上部タンク１８が取り付けられている。各燃料電池セル１６において発電反応に使用されずに残った残余の未反応の燃料（オフガス）は、上端部に取り付けられた上部タンク１８に集められ、この上部タンク１８は段状に形成されており、上部タンクに設けられた複数の噴出孔と内側ケース部材との間に形成された燃焼室１７へ流出される。流出した燃料は、発電室１０内で発電に使用されずに残った空気により、燃焼室１７内で燃焼され、排気ガスが生成される。

図１に示すように、燃料電池ハウジング８は、概ね円筒状の密閉容器であり、燃料電池ハウジング８内の空間には、複数の燃料電池セル１６が同心円状に配列されている。さらに、その周囲を取り囲むように燃料流路である燃料ガス供給流路２０、排ガス排出流路２１、酸化剤ガス供給流路２２が順に同心円状に形成されている。ここで、排ガス排出流路２１及び酸化剤ガス供給流路２２は、酸化剤ガスを供給／排出する酸化剤ガス流路として機能する。

燃料電池ハウジング８の下方からは、発電用の空気を供給する酸化剤ガス流入口である酸化剤ガス導入パイプ５６、排気ガスを排出する排ガス排出パイプ５８、さらに、上部タンク１８から流出した残余燃料に点火するための点火ヒーター６２が接続されている。図１に示すように、これらの配管はすべて下方から接続されているため、燃料電池ハウジング８を縦長に形成でき、コンパクトに形成することができる。なお、点火ヒータ−６２は上部タンク１８の噴出孔１８ｄと向き合うように設けられているため、確実に着火することができる。

さらに、燃料電池ハウジング８の内部には、燃料電池セル１６の周囲を取り囲むように、内側から順に、発電室構成部材である内側ケース部材６４、外側ケース部材６６、内側円筒容器６８、外側円筒容器７０が配置されている。上述した燃料ガス供給流路２０、排ガス排出流路２１、及び酸化剤ガス供給流路２２は、これらの円筒部材及び円筒容器の間に夫々形成される流路であり、隣り合う流路の間で熱交換が行われる。即ち、排ガス排出流路２１は燃料ガス供給流路２０を取り囲むように配置され、酸化剤ガス供給流路２２は排ガス排出流路２１を取り囲むように配置されている。また、燃料電池ハウジング８の下端部の開放空間は、燃料を各燃料電池セル１６に分散させる燃料ガス分散室７６の底面となる概ね円形の分散室底部材７２により塞がれている。

内側ケース部材６４は、概ね円筒状の中空体であり、その上端及び下端は開放されている。また、内側ケース部材６４の内壁面には、分散室形成板である円形の固定部材６３が気密的に溶接されている。この固定部材６３の下面と、内側ケース部材６４の内壁面と、分散室底部材７２の上面により、燃料ガス分散室７６が画定される。また、固定部材６３には、各燃料電池セル１６を挿通させる複数の挿通穴（図示せず）が形成されており、各燃料電池セル１６は、各挿通穴６３に挿通された状態で、セラミック接着剤により固定部材６３に接着されている。このように、本実施形態の固体酸化物形燃料電池装置１においては、燃料電池モジュール２を構成する部材間相互の接合部には、セラミック接着剤が充填され、硬化されることにより、各部材が相互に気密的に接合されている。

外側ケース部材６６は、内側ケース部材６４の周囲に配置される円筒状の管であり、内側円筒部材６４との間に円環状の流路が形成されるように、内側ケース部材６４と概ね相似形に形成されている。さらに、内側ケース部材６４と外側ケース部材６６の間には中間ケース部材６５が配置されている。中間ケース部材６５は、内側ケース部材６４と外側ケース部材６６の間に配置された円筒状の管であり、内側ケース部材６４の外周面と外側ケース部材６６、及び中間ケース部材６５により燃料ガス供給流路２０として機能する。その燃料ガス供給流路２０内に改質触媒９６を充填させることで改質部９４が形成されている。このため、改質部９４及び燃料ガス供給流路２０は、燃料電池セル１６における発熱、及び段状に形成された上部タンク１８の上段側側面に設けられた噴出孔における残余燃料の燃焼熱を受ける。また、内側ケース部材６４の上端部と外側ケース部材６６の上端部は溶接により気密的に接合されており、燃料ガス供給流路２０の上端は閉鎖されている。さらに、中間ケース部材６５の下端と、内側ケース部材６４の外周面は、溶接により気密的に接合されている。

内側円筒容器６８は、外側ケース部材６６の周囲に配置される円形断面のカップ状の部材であり、外側ケース部材６６との間にほぼ一定幅の円環状の流路が形成されるように、側面が外側ケース部材６６と概ね相似形に形成されている。この内側円筒容器６８は、内側円筒部材６４の上端の開放部を覆うように配置される。外側ケース部材６６の外周面と、内側円筒容器６８の内周面の間の円環状の空間は、排ガス排出流路２１として機能する。この排ガス排出流路２１は、内側ケース部材６４の上端部に設けられた複数の小穴６４ａを介して内側ケース部材６４の内側の空間と連通している。また、外側ケース部材の下部側面には、排ガス流出口である排ガス排出パイプ５８が接続されており、排ガス排出流路２１が排ガス排出パイプ５８に連通される。

排ガス排出流路２１の下部には、燃焼触媒６０及びこれを加熱するためのシースヒーター６１が配置されている。
燃焼触媒６０は、排ガス排出パイプ５８よりも上方に、外側ケース部材６６の外周面と内側円筒容器６８の内周面の間の円環状の空間に充填された触媒である。排ガス排出流路２１を下降した排気ガスは、燃焼触媒６０を通過することにより一酸化炭素が除去され、排ガス排出パイプ５８から排出される。
シースヒーター６１は、燃焼触媒６０の下方の、外側ケース部材６６の外周面を取り囲むように取り付けられた電気ヒーターである。固体酸化物形燃料電池装置１の起動時において、シースヒーター６１に通電することにより、燃焼触媒６０が活性温度まで加熱される。

外側円筒容器７０は、内側円筒容器６８の周囲に配置される円形断面のカップ状の部材であり、内側円筒容器６８との間にほぼ一定幅の円環状の流路が形成されるように、側面が内側円筒容器６８と概ね相似形に形成されている。内側円筒容器６８の外周面と、外側円筒容器７０の内周面の間の円環状の空間は、酸化剤ガス供給流路２２として機能する。また、燃料電池ハウジング８の下方には、酸化剤ガス導入パイプ５６が接続されており、酸化剤ガス供給流路２２が酸化剤ガス導入パイプ５６に連通される。

分散室底部材７２は、概ね円形の皿状の部材であり、内側ケース部材６４の内壁面にセラミック接着剤により気密的に固定される。これにより、固定部材６３と分散室底部材７２の間に、燃料ガス分散室７６が形成される。また、分散室底部材７２の中央には、バスバー８０（図１）を挿通させるための挿通管７２ａが設けられている。各燃料電池セル１６に電気的に接続されたバスバー８０は、この挿通管７２ａを通して燃料電池ハウジング８の外部に引き出される。また、挿通管７２ａには、セラミック接着剤が充填され、燃料ガス分散室７８の気密性が確保されている。

内側円筒容器６８の天井面から垂下するように、発電用の空気を噴射するための、円形断面の酸化剤ガス供給管７４が取り付けられている。この酸化剤ガス供給管７４は、内側円筒容器６８の中心軸線上を鉛直方向に延び、その周囲の同心円上に各燃料電池セル１６が配置される。酸化剤ガス供給管７４の上端が内側円筒容器６８の天井面に取り付けられることにより、内側円筒容器６８と外側円筒容器７０の間に形成されている酸化剤ガス供給流路２２と酸化剤ガス供給管７４が連通される。酸化剤ガス供給流路２２を介して供給された発電用空気は、酸化剤ガス供給管７４の先端から下方に噴射され、固定部材６３の上面に当たって、発電室１０内全体に広がる。

燃料ガス分散室７６は、固定部材６３と分散室底部材７２の間に形成される円筒形の気密性のあるチャンバであり、その上面に各燃料電池セル１６が林立されている。固定部材６３の上面に取り付けられた各燃料電池セル１６は、その内側の燃料極が、燃料ガス分散室７６の内部と連通されている。各燃料電池セル１６の下端部は、固定部材６３の挿通穴６３ａ（図示せず）を貫通して燃料ガス分散室７６の内部に突出し、各燃料電池セル１６は固定部材６３に、接着により固定されている。

図１に示すように、内側ケース部材６４には、固定部材６３よりも下方に複数の小穴６４ｂが設けられている。内側ケース部材６４の外周と中間ケース部材６５の内周の間の空間は、複数の小穴６４ｂを介して燃料ガス分散室７６内に連通されている。供給された燃料は、外側ケース部材６６の内周と中間ケース部材６５の外周の間の空間を一旦上昇した後、内側円筒部材６４の外周と中間ケース部材６５の内周の間の空間を下降し、複数の小穴６４ｂを通って燃料ガス分散室７６内に流入する。燃料ガス分散室７６に流入した燃料は、燃料ガス分散室７６の天井面（固定部材６３）に取り付けられた各燃料電池セル１６の燃料極に分配される。

さらに、燃料ガス分散室７６内に突出している各燃料電池セル１６の下端部は、燃料ガス分散室７６内でバスバー８０に電気的に接続され、挿通管７２ａを通して電力が外部に引き出される。バスバー８０は、各燃料電池セル１６により生成された電力を、燃料電池ハウジング８の外部へ取り出すための細長い金属プレート導体であり、碍子７８を介して分散室底部材７２の挿通管７２ａに固定されている。バスバー８０は、燃料ガス分散室７６の内部において、各燃料電池セル１６に取り付けられた集電体８２と電気的に接続されている。また、バスバー８０は、燃料電池ハウジング８の外部において、インバータに接続される。なお、集電体８２は、上部タンク１８内に突出している各燃料電池セル１６の上端部にも取り付けられている。これら上端部及び下端部の集電体８２により、複数の燃料電池セル１６が電気的に並列に接続されると共に、並列に接続された複数の燃料電池セル１６が電気的に直列に接続され、この直列接続の両端が夫々バスバー８０に接続される。

次に、図１及び図３を参照して、上部タンクの構造を説明する。図１に示すように、上部タンク１８は、各燃料電池セル１６の上端部に取り付けられた段状のドーナツ型断面のチャンバーであり、この上部タンク１８の中央には、酸化剤ガス供給管７４が貫通して延びている。

さらに、内側ケース部材６４の内壁面には、上部タンク１８支持用の３つのステー６４ｃが等間隔に取り付けられている。各ステー６４ｃは金属製の薄板を折り曲げた小片であり、上部タンク１８を各ステー６４ｃの上に載置することにより、上部タンク１８は内側ケース部材６４と同心円上に位置決めされる。これにより、上部タンク１８の外周面と内側ケース部材６４の内周面の間の隙間、及び上部タンク１８の内周面と酸化剤ガス供給管７４の外周面との間の隙間は、全周で均一になる（図１）。

一方、図３に示すように上部タンク１８は、燃焼炎が形成される燃焼炎形成部１８ｆと、燃焼炎形成部１８ｆよりも下方に設けられ、燃焼炎形成部１８ｆよりも水平方向における外径幅が大きい燃料ガス貯留部１８ｅからなる。燃焼炎形成部１８ｆの側面には、集約された燃料ガスを噴出させるための複数の噴出孔１８ｄが設けられている（図３）。このように、上部タンク１８を段状形成しているため、未反応の燃料ガスを燃焼させるための点火手段を配置するためのスペースを別段に設ける必要がない。

各噴出孔１８ｄは、燃焼炎形成部１８ｆの側面に、ほぼ等間隔に円周状に配置されている。このように上部タンク１８の側面に噴出孔１８ｄを設けることにより燃焼炎を横向きに形成することができる。発電に使用されずに残った未反応の燃料ガスは、各燃料電池セル１６の上端から上部タンク１８内に流出し、上部タンク１８内で集約された燃料は各噴出孔１８ｄから、上部タンク１８と内側ケース部材６４との間に形成された燃焼室１７に流出し、図１で示すように燃焼室１７で燃焼される。

次に、図１を参照して、原燃料ガスを改質するための構成について説明する。
まず、内側ケース部材６４と外側ケース部材６６の間の空間により形成されている燃料ガス供給流路２０の下部には、水蒸気改質用の水を蒸発させるための蒸発部８６が設けられている。蒸発部８６は、外側ケース部材６６の下部内周に取り付けられたリング状の傾斜板８６ａ及び水供給パイプ８８から形成されている。また、蒸発部８６は、発電用の空気を導入するための酸化剤ガス導入パイプ５６よりも下方で、排気ガスを排出する排ガス排出パイプ５８よりも上方に配置されている。傾斜板８６ａは、リング状に形成された金属の薄板であり、その外周縁が外側ケース部材６６の内壁面に取り付けられる。一方、傾斜板８６ａの内周縁は外周縁よりも上方に位置し、傾斜板８６ａの内周縁と、内側ケース部材６４の外壁面との間には隙間が設けられている。

水供給パイプ８８は内側ケース部材６４の下端から燃料ガス供給流路２０内に鉛直方向に延びるパイプであり、水流量調整ユニットから供給された水蒸気改質用の水が、水供給パイプ８８を介して蒸発部８６に供給される。水供給パイプ８８の上端は、傾斜板８６ａを貫通して傾斜板８６ａの上面側まで延び、傾斜板８６ａの上面側に供給された水は、傾斜板８６ａの上面と外側ケース部材６６の内壁面の間に留まる。傾斜板８６ａの上面側に供給された水は、そこで蒸発され水蒸気が生成される。

また、蒸発部８６の下方には、原燃料ガスを燃料ガス供給流路２０内に導入するための燃料ガス導入部が設けられており、燃料ガス供給パイプ９０を介して燃料ガス供給流路２０に導入される。燃料ガス供給パイプ９０は内側ケース部材６４の下端から燃料ガス供給流路２０内に鉛直方向に延びるパイプである。また、燃料ガス供給パイプ９０の上端は、傾斜板８６ａよりも下方に位置している。燃料ブロアから送られた原燃料ガスは、傾斜板８６ａの下側に導入され、傾斜板８６ａの傾斜により流路を絞られながら傾斜板８６ａの上側へ上昇する。傾斜板８６ａの上側へ上昇した原燃料ガスは、蒸発部８６で生成された水蒸気と共に上昇する。

燃料ガス供給流路２０内の蒸発部８６上方には、燃料ガス供給流路隔壁９２が設けられている。燃料ガス供給流路隔壁９２は、外側ケース部材６６の内周と中間ケース部材６５の外周の間の円環状の空間を上下に隔てるように設けられた円環状の金属板である。この燃料ガス供給流路隔壁９２の円周上には等間隔に複数の噴射口９２ａが設けられており、これらの噴射口９２ａにより燃料ガス供給流路隔壁９２の上側の空間と下側の空間が連通されている。燃料ガス供給パイプ９０から導入された原燃料ガス及び蒸発部８６で生成された水蒸気は、一旦、燃料ガス供給流路隔壁９２の下側の空間に滞留した後、各噴射口９２ａを通って燃料ガス供給流路隔壁９２の上側の空間に噴射される。各噴射口９２ａから燃料ガス供給流路隔壁９２の上側の広い空間に噴射されると、原燃料ガス及び水蒸気は急激に減速され、ここで十分に混合される。

さらに、外側ケース部材６６の内周と内側ケース部材６４の外周の間の、円環状の空間の上部には、改質部９４が設けられている。改質部９４は、各燃料電池セル１６の上部と、その上方の上部タンク１８の周囲を取り囲むように配置されている。改質部９４は、図１に示すように、内側ケース部材６４の外壁面と外側ケース部材６６の内壁面に取り付けられた触媒保持板（図示せず）と、これにより保持された改質触媒９６によって構成されている。

図２に示すように、改質触媒９６は外側ケース部材６６の内壁面、内側ケース部材６４の外壁面、および中間ケース部材６５の外壁面で規定される折り返し部分から、発電部にいたるまで充填される。このように構成されることで、改質部９４の距離が確保され、確実に改質反応を起こすことができる。さらに、改質部９４は排ガス排出流路２１に隣接しており、排ガスが排ガス排出流路２１に流出しても、熱を与えつつ排出することができるので、改質部９４は発電熱や未反応の燃料ガスの燃焼炎による輻射熱に加えて、排ガスの熱を受けることができる。したがって、起動時などの改質触媒９６が昇温しがたい状態においても、迅速な昇温が可能である。

このように、改質部９４内に充填された改質触媒９６に、燃料ガス供給流路隔壁９２の上側の空間で混合された原燃料ガス及び水蒸気が接触すると、改質部９４内においては、式（１）に示す水蒸気改質反応ＳＲが進行する。
Ｃ_mＨ_n＋ｘＨ₂Ｏ → aＣＯ₂＋ｂＣＯ＋ｃＨ₂ （１）

改質部９４において改質された燃料ガスは、中間ケース部材６５の内周と内側ケース部材６４の外周の間の空間を下方に流れ、燃料ガス分散室７６に流入して、各燃料電池セル１６に供給される。水蒸気改質反応ＳＲは吸熱反応であるが、反応に要する熱は、上部タンク１８から流出する未反応の燃料ガス（オフガス）の燃焼熱、及び各燃料電池セル１６において発生する発熱により供給される。

次に、図４を参照して、燃料電池セル１６について説明する。
本発明の実施形態による固体酸化物形燃料電池装置においては、燃料電池セル１６は、固体酸化物を用いたセルであり、さらに、複数の電極が上下方向に沿って配置された円筒横縞型セルである。各燃料電池セル１６上には、複数の単セル１６ａが横縞状に形成されており、これらが電気的に直列に接続されることにより１本の燃料電池セル１６となる。

各燃料電池セル１６は、その一端がアノード（陽極）、他端がカソード（陰極）となるように構成され、複数の燃料電池セル１６のうちの半数は上端がアノード、下端がカソードとなるように配置され、残りの半数は上端がカソード、下端がアノードとなるように配置されている。

図４（ａ）は、下端がカソードにされている燃料電池セル１６の下端部を拡大して示す断面図であり、図４（ｂ）は、下端がアノードにされている燃料電池セル１６の下端部を拡大して示す断面図である。

図４に示すように、燃料電池セル１６は、細長い円筒状の多孔質支持体９７と、この多孔質支持体９７の外側に横縞状に形成された複数の層から形成されている。この多孔質支持体９７には、その下端から上端まで燃料ガス通路９７ａが形成されている。多孔質支持体９７の周囲には、内側から順に、多孔質の燃料極層９８、多孔質の反応抑制層９９、緻密な固体電解質層１００、多孔質の空気極層１０１が夫々横縞状に形成されている。このため、燃料ガス分散室７６を介して供給された燃料ガスは、各燃料電池セル１６の多孔質支持体９７の内部を流れ、酸化剤ガス供給管７４から噴射された発電用空気は、空気極層１０１の外側を流れる。燃料電池セル１６上に形成された各単セル１６ａは、一組の燃料極層９８、反応抑制層９９、固体電解質層１００、及び空気極層１０１から構成されている。１つの単セル１６ａの燃料極層９８は、インターコネクタ層１０２を介して、隣接する単セル１６ａの空気極層１０１に電気的に接続されている。これにより、１本の燃料電池セル１６上に形成された複数の単セル１６ａが、電気的に直列に接続される。

図４（ａ）に示すように、燃料電池セル１６のカソード側端部には、多孔質支持体９７の外周に多孔質の電極層（リード膜層）１０３ａが形成され、この電極層１０３ａの外側に緻密なリード膜保護層１０４ａが形成されている。カソード側端部においては、端部に位置する単セル１６ａの空気極層１０１と電極層１０３ａが、インターコネクタ層１０２により電気的に接続されている。これらの電極層１０３ａ及びリード膜保護層１０４ａは、燃料電池セル１６端部において固定部材６３を貫通し、固定部材６３よりも下方に突出するように形成されている。電極層１０３ａは、リード膜保護層１０４ａよりも下方まで形成されており、外部に露出された電極層１０３ａに緻密な集電体８２が電気的に接続されている。これにより、端部に位置する単セル１６ａの空気極層１０１がインターコネクタ層１０２、電極層１０３ａを介して集電体８２に接続され、図中の矢印のように電流が流れる。また、固定部材６３の挿通穴６３の縁とリード膜保護層１０４ａの間の隙間には、セラミック接着剤が充填されてセラミック接着剤層１２２となり、このセラミック接着剤が硬化されることにより、燃料電池セル１６は、リード膜保護層１０４ａの外周で固定部材６３に固定される。

ここで、緻密な電解質層であるリード膜保護層１０４ａは、セラミック接着剤層１２２の所定の基準接着領域よりも上下方向にそれぞれより広くなる領域に設けられ、このリード膜保護層１０４ａにより電極層１０３ａ及び支持体９７の端部が覆われている。

図４（ｂ）に示すように、燃料電池セル１６のアノード側端部においては、端部に位置する単セル１６ａの燃料極層９８が延長されており、燃料極層９８の延長部が電極層１０３ｂとして機能する。電極層１０３ｂの外側にはリード膜保護層１０４ｂが形成されている。これらの電極層１０３ｂ及びリード膜保護層１０４ｂは、燃料電池セル１６端部において固定部材６３を貫通し、固定部材６３よりも下方に突出するように形成されている。電極層１０３ｂは、リード膜保護層１０４ｂよりも下方まで形成されており、外部に露出された電極層１０３ｂに集電体８２が電気的に接続されている。これにより、端部に位置する単セル１６ａの燃料極層９８が、一体的に形成された電極層１０３ｂを介して集電体８２に接続され、図中の矢印のように電流が流れる。また、固定部材６３の挿通穴６３の縁とリード膜保護層１０４ｂの間の隙間には、セラミック接着剤が充填されてセラミック接着剤層１２２となり、このセラミック接着剤が硬化されることにより、燃料電池セル１６は、リード膜保護層１０４ｂの外周で固定部材６３に固定される。

同様に、緻密な電解質層であるリード膜保護層１０４ｂは、セラミック接着剤層１２２の所定の基準接着領域よりも上下方向にそれぞれより広くなる領域に設けられ、このリード膜保護層１０４ｂにより電極層１０３ｂ及び支持体９７の端部が覆われている。

図４（ａ）（ｂ）においては、各燃料電池セル１６の下端部の構成を説明したが、各燃料電池セル１６の上端部における構成も同様である。

次に、多孔質支持体９７及び各層の構成を説明する。
多孔質支持体９７は、本実施形態においては、フォルステライト粉末、及びバインダーの混合物を押し出し成形し、焼結することにより形成されている。
燃料極層９８は、本実施形態においては、ＮｉＯ粉末及び１０ＹＳＺ（１０ｍｏｌ％Ｙ₂Ｏ₃−９０ｍｏｌ％ＺｒＯ₂）粉末の混合物により構成された導電性の薄膜である。

反応抑制層９９は、本実施形態においては、セリウム系複合酸化物（ＬＤＣ４０。すなわち、４０ｍｏｌ％のＬａ₂Ｏ₃−６０ｍｏｌ％のＣｅＯ₂）等により構成された薄膜であり、これにより、燃料極層９８と固体電解質層１００の間の化学反応を抑制している。
固体電解質層１００は、本実施形態においては、Ｌａ_0.9Ｓｒ_0.1Ｇａ_0.8Ｍｇ_0.2Ｏ₃の組成のＬＳＧＭ粉末により構成された薄膜である。この固体電解質層１００を介して酸化物イオンと水素又は一酸化炭素が反応することにより電気エネルギーが生成される。

空気極層１０１は、本実施形態においては、Ｌａ_0.6Ｓｒ_0.4Ｃｏ_0.8Ｆｅ_0.2Ｏ₃の組成の粉末により構成された導電性の薄膜である。
インターコネクタ層１０２は、本実施形態においては、ＳＬＴ（ランタンドープストロンチウムチタネート）から作られた導電性の薄膜である。燃料電池セル１６上の隣接する単セル１６ａはインターコネクタ層１０２を介して接続される。
電極層１０３ａ、１０３ｂは、本実施形態においては、燃料極層９８と同一の材料で形成されている。
リード膜保護層１０４ａ、１０４ｂは、本実施形態においては、固体電解質層１００と同一の材料で形成されている。

次に、図１及び図２を参照して、本発明の実施形態による固体酸化物形燃料電池装置の作用を説明する。
まず、固体酸化物形燃料電池装置の起動工程において、燃料供給パイプ９０から原燃料の供給が開始されると共に、シースヒーター６１への通電が開始される。シースヒーター６１への通電が開始されることにより、その上方に配置された燃焼触媒６０が加熱されると共に、内側に配置された蒸発部８６も加熱される。図２の実線の矢印に示すように、燃料ガス供給パイプ９０から燃料電池ハウジング８の内部に流入した燃料は、燃料ガス供給流路２０内を上昇した後、改質部９４内通過し、内側ケース部材６４の下部に設けられた小穴６４ｂを通って燃料ガス分散室７６に流入する。なお、固体酸化物形燃料電池装置の起動直後においては、改質部９４内の改質触媒９６の温度が十分に上昇していないため、燃料の改質は行われない。

燃料ガス分散室７６に流入した燃料ガスは、燃料ガス分散室７６の固定部材６３に取り付けられた各燃料電池セル１６の内側（燃料極側）を通って上部タンク１８に流入する。なお、固体酸化物形燃料電池装置の起動直後においては、各燃料電池セル１６の温度が十分に上昇しておらず、また、インバータへの電力の取り出しも行われていないため、発電反応は発生しない。

上部タンク１８に流入した燃料は、上部タンク１８の噴出孔１８ｄから噴出される。噴出孔１８ｄから噴出された燃料は、点火ヒーター６２により点火され、そこで燃焼される。この燃焼により、上部タンク１８の周囲に配置された改質部９４が加熱される。また、燃焼により生成された排気ガスは、内側ケース部材６４の上部に設けられた小穴６４ａを通って排ガス排出流路２１に流入する。その後、排気ガスは、排ガス排出流路２１内に配置された燃焼触媒６０を通ることにより一酸化炭素が除去され、排ガス排出パイプ５８を通って燃料電池ハウジング８から排出される。

排気ガス及びシースヒーター６１により蒸発部８６が加熱されると、蒸発部８６に供給された水蒸気改質用の水が蒸発され、水蒸気が生成される。水蒸気改質用の水は、水供給源から、水供給パイプ８８を介して燃料電池ハウジング８内の蒸発部８６に供給される。蒸発部８６で生成された水蒸気と、燃料ガス供給パイプ９０を介して供給された燃料は、一旦、燃料ガス供給流路２０内の燃料ガス供給流路隔壁９２の下側の空間に滞留し、燃料ガス供給流路隔壁９２に設けられた複数の噴射口９２ａから噴射される。噴射口９２ａから勢いよく噴射された燃料及び水蒸気は、燃料ガス供給流路隔壁９２の上側の空間内で減速されることにより、十分に混合される。

混合された燃料及び水蒸気は、燃料ガス供給流路２０内を上昇し、改質部９４に流入する。改質部９４の改質触媒９６が改質可能な温度まで上昇している状態においては、燃料及び水蒸気の混合気が改質部９４を通過する際、水蒸気改質反応が発生し、混合気が水素を多く含む燃料に改質される。改質された燃料は、小穴６４ｂを通って燃料ガス分散室７６に流入する。小穴６４ｂは燃料ガス分散室７６の周囲に多数設けられ、燃料ガス分散室７６として十分な容積が確保されているため、改質された燃料は、燃料ガス分散室７６内に突出している各燃料電池セル１６に均等に流入する。

一方、図１で示すように、空気流量調整ユニットにより供給された酸化剤ガスである発電用空気は、酸化剤ガス導入パイプ５６を介して酸化剤ガス供給流路２２に流入する。酸化剤ガス供給流路２２に流入した発電用空気は、内側を流れる排気ガスにより加熱されながら酸化剤ガス供給流路２２内を上昇する。酸化剤ガス供給流路２２内を上昇した発電用空気は、燃料電池ハウジング８内の上端部で中央に集められ、図２の点線の矢印で示すように、酸化剤ガス供給流路２２に連通された酸化剤ガス供給管７４に流入する。酸化剤ガス供給管７４に流入した発電用空気は下端から発電室１０内に噴射され、噴射された発電用空気は固定部材６３の上面に当たって発電室１０内全体に広がる。発電室１０内に流入した発電用空気は、上部タンク１８の外周壁と内側ケース部材６４の内周壁の間の隙間の第一発電用空気流路１２３を通過する。

図２で示すように、第一発電用空気通路１２３から上昇した酸化剤ガスは、上部タンク１８の燃焼炎形成部１８ｆの側面と内側ケース部材６４の内壁面とで構成される空間へ流入する。そして、流入した発電用空気は燃焼炎形成部１８ｆの側面に衝突して折り返し、内側ケース部材６４へ向かう流れを形成するため、その場に滞留することができる。ゆえに、燃焼炎形成部１８ｆの側面と内側ケース部材６４の側面とで形成される空間には、滞留した発電用空気に横向きの燃焼炎の熱が蓄熱され、熱溜部１９が形成される。

その熱溜部１９に蓄熱された熱により改質触媒９６の充填された内側ケース部材６６を加熱することができる。さらに、発電室１０内に流入した発電用空気は、燃料電池セル１６の集合体の中央上部方向にも十分に空気を供給した後に、上部タンク１８の内周壁と酸化剤ガス供給管７４の外周面の間の隙間の第二発電用空気流路１２４を通って上昇する。

この際、各燃料電池セル１６の外側（空気極側）を通って流れる空気は発電反応に利用される。また、燃焼により生成された排気ガス、及び発電、燃焼に利用されずに残った空気は、小穴６４ａを通って排ガス排出流路２１に流入する。

さらに、図２の一点鎖線で示すように高温の排気ガスは、排ガス排出流路２１内を下降し、その外側に設けられた酸化剤ガス供給流路２２内を流れる発電用空気、内側に設けられた燃料ガス供給流路２０を流れる燃料、および燃料ガス供給流路２０内に設けられた改質部９４を加熱する。さらに、排気ガスは、排ガス排出流路２１内に配置された燃焼触媒６０を通ることにより一酸化炭素が除去され、排ガス排出パイプ５８を通って燃料電池ハウジング８から排出される。

このように、各燃料電池セル１６が発電可能な温度である６５０℃程度まで上昇し、各燃料電池セル１６の内側（燃料極側）に改質された燃料が流れ、外側（空気極側）に発電用空気が流れると、化学反応により起電力が発生する。この状態において、燃料電池ハウジング８から引き出されているバスバー８０にインバータが接続されると、各燃料電池セル１６から電力が取り出され、発電が行われる。

次に、本発明の実施形態による固体酸化物形燃料電池装置の上部タンク１８における作用を説明する。本実施形態の固体酸化物形燃料電池装置においては、発電用の空気は、発電室１０の中央に配置された酸化剤ガス供給管７４から噴射され、発電室１０内を上部タンク１８と内側ケース部材６４の間の均等な隙間である第一発電用空気流路１２３、さらに上部タンク１８と酸化剤ガス供給管７４の間の均等な隙間である第二発電用空気流路１２４通って上昇する。このため、発電室１０内の発電用空気の流れは、ほぼ完全に酸化剤ガス供給管７４に対して軸対称の流れとなり、各燃料電池セル１６の周囲には、ムラなく酸化剤ガスが流れる。

さらに、上部タンク１８と内側ケース部材６４内壁面の間の第一発電用空気流路１２３に発電用空気を集め、その部分に横方向の燃焼炎を形成させることで、安定的に燃焼に必要な空気を供給できるため燃焼を安定させることができる。且つ、改質部９４に燃焼炎が向いているので、燃焼炎の輻射熱により改質触媒９６を昇温させることができ、冷間時においても改質部９４の昇温を効率よく行い、水素を迅速に供給することができる。

このように構成された本発明においては、上部タンク１８は上面視においてドーナツ状に形成されており、上部タンク１８の中央を酸化剤ガス供給管７４が貫通するように延びている。上部タンク１８の内周面と酸化剤ガス供給管７４の外周面との間は全周に渡って均等に間隔が設けられているため、全周に渡って酸化剤ガスを均一に上部タンク１８の上方へ供給することができる。したがって、図２の点線で示すように、上部タンクの１８上方からも燃焼室１７へ空気が供給できるようになり、且つ複数の燃料電池セル１６の集合体の上部方向中央における空気枯れを防ぐことができる。

さらに、本実施形態によれば、図２の点線矢印に示すように、上部タンク１８を段状に構成すると、段状部に発電用空気に滞留させることができ、滞留した発電用空気に燃焼炎の熱を蓄熱した熱溜部１９が形成される。
別言すると、図３に示すように上部タンク１８は、燃焼炎が形成される燃焼炎形成部１８ｆと、燃焼炎形成部１８ｆよりも下方に設けられ、燃焼炎形成部１８ｆよりも水平方向における外径幅が大きい燃料ガス貯留部１８ｅからなる。第一発電用空気通路１２３から上昇した酸化剤ガスは、上部タンク１８の燃焼炎形成部１８ｆの側面と内側ケース部材６４の内壁面とで構成される空間へ流入する。そして、流入した発電用空気は燃焼炎形成部１８ｆの側面に衝突して折り返し、内側ケース部材６４へ向かう流れを形成するため、その場に滞留することができる。ゆえに、燃焼炎形成部１８ｆの側面と内側ケース部材６４の側面とで形成される空間には、滞留した発電用空気に横向きの燃焼炎の熱が蓄熱され、熱溜部１９が形成される。

したがって、その熱溜部１９からの熱により、改質触媒９６の充填された内側ケース部材６６を温めることができる。さらに、第一発電用空気流路１２３から供給された発電用空気を熱溜部１９での熱交換により昇温することが可能になるので、排ガスは高温になり、排気の過程で改質部９４を加熱することができ、冷間時においても改質部９４の迅速な昇温が可能となる。
なお、本実施例において燃料電池ハウジング８や収容される部材を円筒形状で説明したが、本発明はこれに限ったものではなく、直方体や多角形でもよい。

８ 燃料電池ハウジング
１０ 発電室
１６ 燃料電池セル
１６ａ 単セル
１７ 燃焼室
１８ 上部タンク
１８ｄ 噴出孔
１９ 熱溜部
２０ 燃料ガス供給流路
２１ 排ガス排出流路
２２ 酸化剤ガス供給流路
６２ 点火ヒーター
６３ 固定部材
６４ 内側ケース部材
６５ 中間ケース部材
６６ 外側ケース部材
７２ 分散室底部材
７４ 酸化剤ガス供給管
７６ 燃料ガス分散室
９４ 改質部
９７ 多孔質支持体
９７ａ 燃料ガス通路
９８ 燃料極層
１００ 固体電解質層
１０１ 空気極層
１０３ａ 電極層（リード膜層）
１０４ａ リード膜保護層
１２２ セラミック接着剤層
１２３ 第一発電用空気流路
１２４ 第二発電用空気流路

Claims (3)

1. 炭化水素系の原燃料ガスが改質された燃料ガスと、酸化剤ガスとにより発電する固体酸化物形燃料電池装置であって、
   前記原燃料ガスを前記燃料ガスに改質する改質部と、
   内部に燃料ガス通路を備え、上下方向に延びる複数の燃料電池セルと、
   前記複数の燃料電池セルの周囲を取り囲むように形成された内側ケース部材と、
   前記内側ケース部材の周囲を取り囲むように形成された外側ケース部材と、
   前記内側ケース部材の外壁面と前記外側ケース部材の内壁面との間に形成された、前記燃料ガスを前記複数の燃料電池セルの下端へ供給する燃料ガス供給流路と、
   前記内側ケース部材の内部の中心に配置された酸化剤ガス供給管と、
   前記複数の燃料電池セルの各々の上端を内包すると共に、前記複数の燃料電池セルの各々の上端から噴出される未反応の燃料ガスを集約する上部タンクと、
   を備え、
   所定の間隔で、前記上部タンクの側面と前記内側ケース部材の内壁面との間に設けられ、前記酸化剤ガス供給管から前記内側ケース部材の内壁面へ向けて酸化剤ガスが通過する第一発電用空気流路を有し、
   前記第一発電用空気流路に前記未反応の燃料ガスを燃焼させた横方向の燃焼炎が形成され、
   前記改質部は、前記燃料ガス供給流路内に前記燃料電池セルの上部を取り囲み、前記燃焼炎からの熱を受けるように配置されていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池装置。
2. 前記酸化剤ガス供給管は前記上部タンクの中央を貫通して延びるように配置され、
   所定の間隔で全周に渡って、前記上部タンクの内周面と前記酸化剤ガス供給管の外周面との間に設けられ、前記酸化剤ガス供給管から前記上部タンクの上方へと前記酸化剤ガスが通過する第二発電用空気流路を備えていることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池装置。
3. 前記上部タンクは段状に形成され、前記上部タンク段状部と前記内側ケース部材内壁面とで構成される空間に熱溜部が形成され、排気ガスは前記内側ケース部材に設けられた排気ガス噴出孔から噴出され、前記改質部に熱を与えつつ外部へ排出されることを特徴とする請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池装置。

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