(57)【要約】【課題】早期に燃料電池セルの故障を発見することができる燃料電池装置を提供する。【解決手段】マニホールド２は、ガス供給室２１及びガス回収室２２を有する。ハウジング８０は、マニホールド２及び燃料電池セル１０を収容する。燃料処理器７０は、ガス供給室２１に供給される燃料ガスを生成する。燃料ガス供給経路Ｐ３は、燃料処理器７０からガス供給室２１へ燃料ガスを供給する。オフガス供給経路Ｐ４は、ガス回収室２２からバーナ７２１へ燃料ガスのオフガスを供給する。空気排出経路Ｐ７は、ハウジング８０から空気を排出する。ガスセンサ８２は、空気排出経路Ｐ７に設置される。ガスセンサ８２は、燃料ガスに含まれるいずれかのガスを検出する。【選択図】図２
2020061336.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池セルと、
ガス供給室及びガス回収室を有するマニホールドと、
前記マニホールド及び前記燃料電池セルを収容するハウジングと、
バーナを有し、前記ガス供給室に供給される燃料ガスを生成する燃料処理器と、
前記ハウジング内へ空気を供給する第１空気供給経路と、
前記燃料処理器から前記ガス供給室へ燃料ガスを供給する燃料ガス供給経路と、
前記ガス回収室から前記バーナへ燃料ガスのオフガスを供給するオフガス供給経路と、
前記ハウジングから空気を排出する空気排出経路と、
前記空気排出経路に設置され、前記燃料ガスに含まれるいずれかのガスを検出するガスセンサと、
を備える、燃料電池装置。
【請求項２】
前記第１空気供給経路内を流れる空気と前記ハウジングから排出される空気とを熱交換させるように構成された熱交換器をさらに備える、
請求項１に記載の燃料電池装置。
【請求項３】
前記ガスセンサは、前記熱交換器よりも下流に配置される、
請求項１または２に記載の燃料電池装置。
【請求項４】
前記ガスセンサは、前記空気排出経路内の一酸化炭素を検出するＣＯセンサである、
請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池装置。
【請求項５】
前記燃料電池セルは、
前記ガス供給室と連通し、前記燃料電池セルの基端部から先端部に延びる少なくとも１つの第１ガス流路と、
前記ガス回収室と連通し、前記燃料電池セルの基端部から先端部に延びて前記燃料電池セルの先端部において前記第１ガス流路と連通する、少なくとも１つの第２ガス流路と、
を有する、
請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池装置は、複数の燃料電池セルを有しており、各燃料電池セルは互いに直列に電気接続されてスタック化されている。このスタック化されたセルスタックを構成する各燃料電池セルのクラックなどの故障を発見するため、セルスタックが出力する電圧を常時監視し、この電圧の変化によって燃料電池セルの故障の有無を判断していた（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−３３７６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述した燃料電池装置においてセルスタックのうちの一つの燃料電池セルにクラックなどの故障が発生した場合、その故障による電圧の変化は現れにくい。このため、燃料電池セルの故障を早期に発見することができないおそれがある。
【０００５】
本発明の課題は、早期に燃料電池セルの故障を発見することができる燃料電池装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のある側面に係る燃料電池装置は、マニホールドと、燃料電池セルと、ハウジングと、燃料処理器と、第１空気供給経路と、燃料ガス供給経路と、オフガス供給経路と、空気排出経路と、ガスセンサと、を備える。マニホールドは、ガス供給室及びガス回収室を有する。ハウジングは、マニホールド及び燃料電池セルを収容する。燃料処理器は、バーナを有する。燃料処理器は、ガス供給室に供給される燃料ガスを生成する。第１空気供給経路は、ハウジング内へ空気を供給する。燃料ガス供給経路は、燃料処理器からガス供給室へ燃料ガスを供給する。オフガス供給経路は、ガス回収室からバーナへ燃料ガスのオフガスを供給する。空気排出経路は、ハウジングから空気を排出する。ガスセンサは、空気排出経路に設置される。ガスセンサは、燃料ガスに含まれるいずれかのガスを検出する。
【０００７】
この構成によれば、ガスセンサによって、早期に燃料電池セルの故障を発見することができる。すなわち、燃料電池セルにおいてクラックが生じる故障が生じた場合、クラックを介して燃料ガスがハウジング内に漏出する。このハウジング内に漏出した燃料ガスは、空気とともに空気排出経路を介してハウジングから排出される。空気排出経路には、ガスセンサが設置されているため、ガスセンサによって、空気排出経路内を流れる燃料ガスを検出することができる。この結果、電圧の変化によって故障を発見するよりも早期に燃料電池セルの故障を発見することができる。なお、燃料電池セルの故障とは、例えば、燃料電池セルとマニホールドとの接合部分のクラックなども含む概念である。
【０００８】
好ましくは、燃料電池装置は、熱交換器をさらに備える。熱交換器は、第１空気供給経路内を流れる空気と、ハウジングから排出される空気とを熱交換させるように構成されている。
【０００９】
好ましくは、ガスセンサは、熱交換器よりも下流に配置される。この構成によれば、ガスセンサの検出対象のガスの温度は熱交換器において低下しているため、ガスセンサの耐久性を向上させることができる。
【００１０】
好ましくは、ガスセンサは、空気排出経路内の一酸化炭素を検出するＣＯセンサである。
【００１１】
好ましくは、燃料電池セルは、少なくとも１つの第１ガス流路と、少なくとも１つの第２ガス流路と、を有する。第１ガス流路は、ガス供給室と連通し、燃料電池セルの基端部から先端部に延びる。第２ガス流路は、ガス回収室と連通し、燃料電池セルの基端部から先端部に延びる。第１ガス流路と第２ガス流路とは、燃料電池セルの先端部において互いに連通する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、早期に燃料電池セルの故障を発見することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】燃料電池装置の斜視図。
【図２】燃料電池装置の概略図。
【図３】マニホールドの断面図。
【図４】マニホールドの上面図。
【図５】セルスタック装置の断面図。
【図６】燃料電池セルの斜視図。
【図７】燃料電池セルの断面図。
【図８】変形例に係るセルスタック装置の断面図。
【図９】変形例に係るセルスタック装置の断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明に係る燃料電池装置の実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお、本実施形態では、燃料電池セルの一例として固体酸化物形燃料電池セル（ＳＯＦＣ）を用いて説明する。図１は燃料電池装置を示す斜視図である。なお、図１において、いくつかの燃料電池セル、及びハウジングなどの記載を省略している。
【００１５】
［燃料電池装置］
図１に示すように、燃料電池装置１００は、マニホールド２と、複数の燃料電池セル１０と、燃料処理器７０とを備えている。また、図２に示すように、燃料電池装置１００は、ハウジング８０、熱交換器８１、ガスセンサ８２を備えている。また、燃料電池装置１００は、第１空気供給経路Ｐ１、第２空気供給経路Ｐ２、燃料ガス供給経路Ｐ３、オフガス供給経路Ｐ４、原料ガス供給経路Ｐ５、及び水蒸気供給経路Ｐ６をさらに備えている。
【００１６】
［マニホールド］
図３に示すように、マニホールド２は、燃料電池セル１０にガスを供給するように構成されている。また、マニホールド２は、燃料電池セル１０から排出されたガスを回収するように構成されている。マニホールド２は、ガス供給室２１とガス回収室２２とを有している。ガス供給室２１には、燃料処理器７０から燃料ガスが供給される。ガス回収室２２は、各燃料電池セル１０にて使用された燃料ガスを回収する。
【００１７】
マニホールド２は、マニホールド本体部２３と、仕切板２４とを有している。マニホールド本体部２３は、内部に空間を有している。マニホールド本体部２３は、直方体状である。
【００１８】
図４に示すように、マニホールド本体部２３の天板部２３１には、複数の貫通孔２３２が形成されている。各貫通孔２３２は、マニホールド本体部２３の長さ方向（ｚ軸方向）に間隔をあけて並んでいる。各貫通孔２３２は、マニホールド本体部２３の幅方向（ｙ軸方向）に延びている。各貫通孔２３２は、ガス供給室２１及びガス回収室２２と連通している。なお、各貫通孔２３２は、ガス供給室２１と連通する部分とガス回収室２２と連通する部分とに分かれていてもよい。
【００１９】
仕切板２４は、マニホールド本体部２３の空間をガス供給室２１とガス回収室２２とに仕切っている。詳細には、仕切板２４は、マニホールド本体部２３の略中央部において、マニホールド本体部２３の長さ方向に延びている。仕切板２４は、マニホールド本体部２３の空間を完全に仕切っている必要は無く、仕切板２４とマニホールド本体部２３との間に隙間が形成されていてもよい。
【００２０】
図３に示すように、ガス供給室２１の底面には、ガス供給口２１１が形成されている。また、ガス回収室２２の底面には、ガス排出口２２１が形成されている。ガス供給口２１１は、例えば、燃料電池セル１０の配列方向（ｚ軸方向）において、マニホールド２の中心Ｃよりも第１端部２０１側に配置されている。一方、ガス排出口２２１は、例えば、燃料電池セル１０の配列方向（ｚ軸方向）において、マニホールド２の中心Ｃよりも第２端部２０２側に配置されている。
【００２１】
［燃料電池セル］
図５は、セルスタック装置の断面図を示している。なお、セルスタック装置は、複数の燃料電池セル１０とマニホールド２とから構成されている。図５に示すように、燃料電池セル１０は、マニホールド２から上方に延びている。燃料電池セル１０は、基端部１０１がマニホールド２に取り付けられている。すなわち、マニホールド２は、各燃料電池セル１０の基端部１０１を支持している。燃料電池セル１０の基端部１０１は、例えば、接合材などによって、マニホールド２に固定されている。本実施形態では、燃料電池セル１０の基端部１０１は下端部を意味し、燃料電池セル１０の先端部１０２は上端部を意味する。
【００２２】
図１に示すように、各燃料電池セル１０は、主面同士が対向するように並べられている。また、各燃料電池セル１０は、マニホールド２の長さ方向（ｚ軸方向）に沿って間隔をあけて並べられている。すなわち、燃料電池セル１０の配列方向は、マニホールド２の長さ方向に沿っている。なお、各燃料電池セル１０は、マニホールド２の長さ方向に沿って等間隔に配置されていなくてもよい。
【００２３】
図５及び図６に示すように、燃料電池セル１０は、支持基板４と、複数の発電素子部５と、連通部材３と、を有している。各発電素子部５は、支持基板４の第１主面４５及び第２主面４６に支持されている。なお、第１主面４５に形成される発電素子部５の数と第２主面４６に形成される発電素子部５の数とは、互いに同じであってもよいし異なっていてもよい。また、各発電素子部５の大きさは、互いに異なっていてもよい。
【００２４】
［支持基板］
支持基板４は、マニホールド２から上下方向に延びている。詳細には、支持基板４は、マニホールド２から上方に延びている。支持基板４は、扁平状であり、基端部４１と先端部４２とを有している。基端部４１及び先端部４２は、支持基板４の長さ方向（ｘ軸方向）における両端部である。本実施形態では、支持基板４の基端部４１は下端部を意味し、支持基板４の先端部４２は上端部を意味する。
【００２５】
支持基板４の基端部４１は、マニホールド２に取り付けられる。例えば、支持基板４の基端部４１は、接合材などによってマニホールド２の天板部２３１に取り付けられる。詳細には、支持基板４の基端部４１は、天板部２３１に形成された貫通孔２３４に挿入されている。なお、支持基板４の基端部４１は、貫通孔２３４に挿入されていなくてもよい。このように支持基板４の基端部４１がマニホールド２に取り付けられることによって、支持基板４の基端部４１は、ガス供給室２１及びガス回収室２２と連結している。
【００２６】
支持基板４は、複数の第１ガス流路４３と、複数の第２ガス流路４４とを有している。第１ガス流路４３は、支持基板４内を上下方向に延びている。すなわち、第１ガス流路４３は、支持基板４の長さ方向（ｘ軸方向）に延びている。第１ガス流路４３は、支持基板４を貫通している。各第１ガス流路４３は、支持基板４の幅方向（ｙ軸方向）において互いに間隔をあけて配置されている。なお、各第１ガス流路４３は、等間隔に配置されていることが好ましい。支持基板４は、長さ方向（ｘ軸方向）よりも幅方向（ｙ軸方向）の寸法の方が長くてもよい。
【００２７】
図５に示すように、隣り合う第１ガス流路４３のピッチｐ１は、例えば、１〜５ｍｍ程度である。この隣り合う第１ガス流路４３のピッチｐ１は、第１ガス流路４３の中心間の距離である。例えば、第１ガス流路４３のピッチｐ１は、基端部４１、中央部、及び先端部４２のそれぞれにおいて測定したピッチの平均値とすることができる。
【００２８】
第１ガス流路４３は、燃料電池セル１０の基端部１０１から先端部１０２に向かって延びている。燃料電池セル１０をマニホールド２に取り付けた状態において、第１ガス流路４３は、基端部１０１側において、ガス供給室２１と連通している。
【００２９】
第２ガス流路４４は、支持基板４内を上下方向に延びている。すなわち、第２ガス流路４４は、支持基板４の長さ方向（ｘ軸方向）に延びている。第２ガス流路４４は、第１ガス流路４３と実質的に平行に延びている。
【００３０】
第２ガス流路４４は、支持基板４を貫通している。各第２ガス流路４４は、支持基板４の幅方向（ｙ軸方向）において互いに間隔をあけて配置されている。なお、各第２ガス流路４４は、等間隔に配置されていることが好ましい。
【００３１】
隣り合う第２ガス流路４４のピッチｐ２は、例えば、１〜５ｍｍ程度である。この隣り合う第２ガス流路４４のピッチｐ２は、第２ガス流路４４の中心間の距離である。例えば、第２ガス流路４４のピッチｐ２は、基端部４１、中央部、及び先端部４２のそれぞれにおいて測定したピッチの平均値とすることができる。なお、各第２ガス流路４４間のピッチｐ２は、各第１ガス流路４３間のピッチｐ１と実質的に等しいことが好ましい。
【００３２】
第２ガス流路４４は、燃料電池セル１０の先端部１０２から基端部１０１に向かって延びている。燃料電池セル１０をマニホールド２に取り付けた状態において、第２ガス流路４４は、基端部１０１側において、マニホールド２のガス回収室２２と連通している。
【００３３】
隣り合う第１ガス流路４３と第２ガス流路４４とのピッチｐ０は、例えば、１〜１０ｍｍ程度である。この隣り合う第１ガス流路４３と第２ガス流路４４とのピッチｐ０は、第１ガス流路４３の中心と第２ガス流路４４の中心との距離である。例えば、ピッチｐ０は、支持基板４の第１端面４１１において測定することができる。
【００３４】
隣り合う第１ガス流路４３と第２ガス流路４４とのピッチｐ０は、隣り合う第１ガス流路４３のピッチｐ１よりも大きい。また、隣り合う第１ガス流路４３と第２ガス流路４４とのピッチｐ０は、隣り合う第２ガス流路４４のピッチｐ２よりも大きい。
【００３５】
第１ガス流路４３と第２ガス流路４４とは、燃料電池セル１０の先端部１０２側において互いに連通している。詳細には、第１ガス流路４３と、第２ガス流路４４とが、連通部材３の連通流路３０を介して連通している。
【００３６】
第１ガス流路４３及び第２ガス流路４４は、第１ガス流路４３内におけるガスの圧力損失が第２ガス流路４４内におけるガスの圧力損失よりも小さくなるように構成されている。なお、本実施形態のように第１ガス流路４３及び第２ガス流路４４のそれぞれが複数本ある場合、各第１ガス流路４３内におけるガスの圧力損失の合計が、各第２ガス流路４４内におけるガスの圧力損失の合計よりも小さくなるように、第１ガス流路４３及び第２ガス流路４４が構成される。
【００３７】
例えば、各第１ガス流路４３の流路断面積は、各第２ガス流路４４の流路断面積よりも大きくすることができる。なお、第１ガス流路４３の数と第２ガス流路４４との数とが異なる場合は、各第１ガス流路４３の流路断面積の合計値が、各第２ガス流路４４の流路断面積の合計値よりも大きくすることができる。
【００３８】
特に限定されるものではないが、各第２ガス流路４４の流路断面積の合計値は、各第１ガス流路４３の流路断面積の合計値の２０〜９５％程度とすることができる。なお、第１ガス流路４３の流路断面積は、例えば、０.５〜２０ｍｍ２程度とすることができる。また、第２ガス流路４４の流路断面積は、例えば、０.１〜１５ｍｍ２程度とすることができる。
【００３９】
なお、第１ガス流路４３の流路断面積は、第１ガス流路４３が延びる方向（ｘ軸方向）と直交する面（ｙｚ平面）で切断した切断面における第１ガス流路４３の流路断面積を言う。また、第１ガス流路４３の流路断面積は、基端部４１側の任意の箇所における流路断面積と、中央部の任意の箇所における流路断面積と、先端部４２側の任意の箇所における流路断面積との平均値とすることができる。
【００４０】
また、第２ガス流路４４の流路断面積は、第２ガス流路４４が延びる方向（ｘ軸方向）と直交する面（ｙｚ平面）で切断した切断面における第２ガス流路４４の流路断面積を言う。また、第２ガス流路４４の流路断面積は、基端部４１側の任意の箇所における流路断面積と、中央部の任意の箇所における流路断面積と、先端部４２側の任意の箇所における流路断面積との平均値とすることができる。
【００４１】
図６に示すように、支持基板４は、第１主面４５と、第２主面４６とを有している。第１主面４５と第２主面４６とは、互いに反対を向いている。第１主面４５及び第２主面４６は、各発電素子部５を支持している。第１主面４５及び第２主面４６は、支持基板４の厚さ方向（ｚ軸方向）を向いている。また、支持基板４の各側面４７は、支持基板４の幅方向（ｙ軸方向）を向いている。各側面４７は、湾曲していてもよい。図１に示すように、各支持基板４は、第１主面４５と第２主面４６とが対向するように配置されている。
【００４２】
図６に示すように、支持基板４は、発電素子部５を支持している。支持基板４は、電子伝導性を有さない多孔質の材料によって構成される。支持基板４は、例えば、ＣＳＺ（カルシア安定化ジルコニア）から構成される。または、支持基板４は、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹＳＺ（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）とから構成されてもよいし、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹ２Ｏ３（イットリア）とから構成されてもよいし、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）とＭｇＡｌ２Ｏ４（マグネシアアルミナスピネル）とから構成されてもよい。支持基板４の気孔率は、例えば、２０〜６０％程度である。この気孔率は、例えば、アルキメデス法、又は微構造観察により測定される。
【００４３】
支持基板４は、緻密層４８によって覆われている。緻密層４８は、第１ガス流路４３及び第２ガス流路４４から支持基板４内に拡散されたガスが外部に排出されることを抑制するように構成されている。本実施形態では、緻密層４８は、支持基板４の第１主面４５、第２主面４６、及び各側面４７を覆っている。なお、本実施形態では、緻密層４８は、後述する電解質７と、インターコネクタ９１とによって構成されている。緻密層４８は、支持基板４よりも緻密である。例えば、緻密層４８の気孔率は、０〜７％程度である。
【００４４】
［発電素子部］
複数の発電素子部５が、支持基板４の第１主面４５及び第２主面４６に支持されている。各発電素子部５は、支持基板４の長さ方向（ｘ軸方向）に配列されている。詳細には、各発電素子部５は、支持基板４上において、基端部４１から先端部４２に向かって互いに間隔をあけて配置されている。すなわち、各発電素子部５は、支持基板４の長さ方向（ｘ軸方向）に沿って、間隔をあけて配置されている。なお、各発電素子部５は、後述する電気的接続部９によって、互いに直列に接続されている。また、第１主面４５に配置された発電素子部５と第２主面４６に配置された発電素子部５とは、支持基板４の基端部４１又は先端部４２などにおいて、直列に接続されている。
【００４５】
発電素子部５は、支持基板４の幅方向（ｙ軸方向）に延びている。発電素子部５は、支持基板４の幅方向において第１部分５１と第２部分５２とに区画される。なお、第１部分５１と第２部分５２との厳密な境界はない。例えば、燃料電池セル１０をマニホールド２に取り付けた状態において、支持基板４の長さ方向視（ｘ軸方向視）において、ガス供給室２１とガス回収室２２との境界と重複する部分を、第１部分５１と第２部分５２との境界部とすることができる。
【００４６】
支持基板４の厚さ方向視（ｚ軸方向視）において、第１ガス流路４３は、発電素子部５の第１部分５１と重複している。また、支持基板４の厚さ方向視（ｚ軸方向視）において、第２ガス流路４４は、発電素子部５の第２部分５２と重複している。なお、複数の第１ガス流路４３のうち、一部の第１ガス流路４３が第１部分５１と重複していなくてもよい。同様に、複数の第２ガス流路４４のうち、一部の第２ガス流路４４が第２部分５２と重複していなくてもよい。
【００４７】
図７は、第１ガス流路４３に沿って切断した燃料電池セル１０の断面図である。なお、第２ガス流路４４に沿って切断した燃料電池セル１０の断面図は、第２ガス流路４４の流路断面積が異なる以外は、図７と同じである。
【００４８】
発電素子部５は、燃料極６、電解質７、及び空気極８を有している。また、発電素子部５は、反応防止膜１１をさらに有している。燃料極６は、電子伝導性を有する多孔質の材料から構成される焼成体である。燃料極６は、燃料極集電部６１と燃料極活性部６２とを有する。
【００４９】
燃料極集電部６１は、凹部４９内に配置されている。凹部４９は、支持基板４に形成されている。詳細には、燃料極集電部６１は、凹部４９内に充填されており、凹部４９と同様の外形を有する。各燃料極集電部６１は、第１凹部６１１及び第２凹部６１２を有している。燃料極活性部６２は、第１凹部６１１内に配置されている。詳細には、燃料極活性部６２は、第１凹部６１１内に充填されている。
【００５０】
燃料極集電部６１は、例えば、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹＳＺ（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）とから構成され得る。或いは、燃料極集電部６１は、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹ２Ｏ３（イットリア）とから構成されてもよいし、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＣＳＺ（カルシア安定化ジルコニア）とから構成されてもよい。燃料極集電部６１の厚さ、及び凹部４９の深さは、５０〜５００μｍ程度である。
【００５１】
燃料極活性部６２は、例えば、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹＳＺ（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）とから構成され得る。或いは、燃料極活性部６２は、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＧＤＣ（ガドリニウムドープセリア）とから構成されてもよい。燃料極活性部６２の厚さは、５〜３０μｍである。
【００５２】
電解質７は、燃料極６上を覆うように配置されている。詳細には、電解質７は、一のインターコネクタ９１から他のインターコネクタ９１まで長さ方向に延びている。すなわち、支持基板４の長さ方向（ｘ軸方向）において、電解質７とインターコネクタ９１とが交互に配置されている。また、電解質７は、支持基板４の第１主面４５、第２主面４６、及び各側面４７を覆っている。
【００５３】
電解質７は、支持基板４よりも緻密である。例えば、電解質７の気孔率は、０〜７％程度である。電解質７は、イオン伝導性を有し且つ電子伝導性を有さない緻密な材料から構成される焼成体である。電解質７は、例えば、ＹＳＺ（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）から構成され得る。或いは、ＬＳＧＭ（ランタンガレート）から構成されてもよい。電解質７の厚さは、例えば、３〜５０μｍ程度である。
【００５４】
反応防止膜１１は、緻密な材料から構成される焼成体である。反応防止膜１１は、平面視において、燃料極活性部６２と略同一の形状である。反応防止膜１１は、電解質７を介して、燃料極活性部６２と対応する位置に配置されている。反応防止膜１１は、電解質７内のＹＳＺと空気極８内のＳｒとが反応して電解質７と空気極８との界面に電気抵抗が大きい反応層が形成される現象の発生を抑制するために設けられている。反応防止膜１１は、例えば、ＧＤＣ＝（Ｃｅ，Ｇｄ）Ｏ２（ガドリニウムドープセリア）から構成され得る。反応防止膜１１の厚さは、例えば、３〜５０μｍ程度である。
【００５５】
空気極８は、反応防止膜１１上に配置されている。空気極８は、電子伝導性を有する多孔質の材料から構成される焼成体である。空気極８は、例えば、ＬＳＣＦ＝（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ３（ランタンストロンチウムコバルトフェライト）から構成され得る。或いは、ＬＳＦ＝（Ｌａ，Ｓｒ）ＦｅＯ３（ランタンストロンチウムフェライト）、ＬＮＦ＝Ｌａ（Ｎｉ，Ｆｅ）Ｏ３（ランタンニッケルフェライト）、ＬＳＣ＝（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ３（ランタンストロンチウムコバルタイト）等から構成されてもよい。また、空気極８は、ＬＳＣＦから構成される第１層（内側層）とＬＳＣから構成される第２層（外側層）との２層によって構成されてもよい。空気極８の厚さは、例えば、１０〜１００μｍである。
【００５６】
［電気的接続部］
電気的接続部９は、隣り合う発電素子部５を電気的に接続するように構成されている。電気的接続部９は、インターコネクタ９１及び空気極集電膜９２を有する。インターコネクタ９１は、第２凹部６１２内に配置されている。詳細には、インターコネクタ９１は、第２凹部６１２内に埋設（充填）されている。インターコネクタ９１は、電子伝導性を有する緻密な材料から構成される焼成体である。インターコネクタ９１は、支持基板４よりも緻密である。例えば、インターコネクタ９１の気孔率は、０〜７％程度である。インターコネクタ９１は、例えば、ＬａＣｒＯ３（ランタンクロマイト）から構成され得る。或いは、（Ｓｒ，Ｌａ）ＴｉＯ３（ストロンチウムチタネート）から構成されてもよい。インターコネクタ９１の厚さは、例えば、１０〜１００μｍである。
【００５７】
空気極集電膜９２は、隣り合う発電素子部５のインターコネクタ９１と空気極８との間を延びるように配置される。例えば、図７の左側に配置された発電素子部５の空気極８と、図７の右側に配置された発電素子部５のインターコネクタ９１とを電気的に接続するように、空気極集電膜９２が配置されている。空気極集電膜９２は、電子伝導性を有する多孔質の材料から構成される焼成体である。
【００５８】
空気極集電膜９２は、例えば、ＬＳＣＦ＝（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ３（ランタンストロンチウムコバルトフェライト）から構成され得る。或いは、ＬＳＣ＝（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ３（ランタンストロンチウムコバルタイト）から構成されてもよい。或いは、Ａｇ（銀）、Ａｇ−Ｐｄ（銀パラジウム合金）から構成されてもよい。空気極集電膜９２の厚さは、例えば、５０〜５００μｍ程度である。
【００５９】
［連通部材］
図５に示すように、連通部材３は、支持基板４の先端部４２に取り付けられている。そして、連通部材３は、第１ガス流路４３と第２ガス流路４４とを連通させる連通流路３０を有している。詳細には、連通流路３０は、各第１ガス流路４３と各第２ガス流路４４とを連通する。連通流路３０は、各第１ガス流路４３から各第２ガス流路４４まで延びる空間によって構成されている。連通部材３は、支持基板４に接合されていることが好ましい。また、連通部材３は、支持基板４と一体的に形成されていることが好ましい。連通流路３０の数は、第１ガス流路４３の数よりも少ない。本実施形態では、一本の連通流路３０のみによって、複数の第１ガス流路４３と複数の第２ガス流路４４とが連通されている。
【００６０】
連通部材３は、例えば、多孔質である。また、連通部材３は、その外側面を構成する緻密層３１を有している。緻密層３１は、連通部材３の本体よりも緻密に形成されている。例えば、緻密層３１の気孔率は、０〜７％程度である。この緻密層３１は、連通部材３と同じ材料や、上述した電解質７に使用される材料、結晶化ガラス等によって形成することができる。
【００６１】
［ハウジング］
図２に示すように、ハウジング８０は、マニホールド２及び燃料電池セル１０を収容する。ハウジング８０は、例えば、断熱材によって構成することができる。ハウジング８０は、特に限定されるものではないが、直方体状に形成されている。
【００６２】
［燃料処理器］
燃料処理器７０は、マニホールド２のガス供給室２１に供給される燃料ガスを生成する。例えば、燃料処理器７０は、改質器である。燃料処理器７０は、原料ガス（天然ガス、液化石油ガス、灯油など）を改質して燃料ガス（水素含有ガス）を生成する。例えば、下記（１）式及び（２）式に示すように、都市ガスの主成分であるメタン（ＣＨ４）及び水蒸気から、燃料ガス（水素含有ガス）を生成する。なお、燃料ガスには、水素の他に、一酸化炭素、及び二酸化炭素が含まれている。
ＣＨ４＋２Ｈ２Ｏ→４Ｈ２＋ＣＯ２      ・・・（１）
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→３Ｈ２＋ＣＯ          ・・・（２）
【００６３】
燃料処理器７０は、二重円筒式である。燃料処理器７０は、燃料電池セル１０が延びる方向（ｘ軸方向）に延びている。本実施形態では燃料電池セル１０及び燃料処理器７０は、上下方向に延びている。なお、燃料処理器７０は、長さ方向（ｘ軸方向）の寸法の方が、幅方向（ｙ軸方向）の寸法よりも長い。
【００６４】
燃料処理器７０は、改質部７１と燃焼部７２とを有している。燃料処理器７０の内側の円筒内が燃焼部７２を構成している。そして、燃料処理器７０の内側の円筒と外側の円筒との間の空間が改質部７１を構成している。
【００６５】
改質部７１内には触媒が収容されている。改質部７１には、原料ガス供給経路Ｐ５および水蒸気供給経路Ｐ６が連結されている。この原料ガス供給経路Ｐ５を介して、改質部７１内に原料ガスが供給される。また、水蒸気供給経路Ｐ６を介して、改質部７１内に水蒸気が供給される。この改質部７１内において、原料ガスを改質して燃料ガスを生成する。
【００６６】
燃焼部７２は、ガス回収室２２から排出されたオフガスを燃焼するように構成されている。詳細には、燃料処理器７０は、燃焼部７２においてバーナ７２１を有している。バーナ７２１には、オフガス供給経路Ｐ４及び第２空気供給経路Ｐ２が連結されている。オフガス供給経路Ｐ４は、マニホールド２のガス回収室２２とバーナ７２１とを連結している。詳細には、オフガス供給経路Ｐ４は、ガス排出口２２１と、バーナ７２１とを連結している。このオフガス供給経路Ｐ４を介して、ガス回収室２２内のオフガスがガス回収室２２内から排出される。バーナ７２１は、オフガスに空気を混合させて燃焼させる。
【００６７】
燃料処理器７０は、マニホールド２の下方に配置されている。すなわち、マニホールド２から各燃料電池セル１０が上方に延びている場合は、燃料処理器７０はマニホールド２の下方に配置される。燃料処理器７０は、マニホールド２の底面と対向するように配置されている。
【００６８】
燃料処理器７０は、第１排出部７３を有している。本実施形態において、第１排出部７３は、燃料処理器７０に形成された開口部である。詳細には、第１排出部７３は、燃料処理器７０の改質部７１に形成された開口部である。第１排出部７３は、生成した燃料ガスをガス供給室２１へと排出する。詳細には、第１排出部７３は、第１排出部７３とガス供給室２１とを連結する燃料ガス供給経路Ｐ３を介して、ガス供給室２１へ燃料ガスを排出する。
【００６９】
第１排出部７３は、燃料処理器７０の軸方向端面に形成されている。第１排出部７３は、マニホールド２側に開口している。すなわち、第１排出部７３は、マニホールド２側を向いている。そして、燃料ガス供給経路Ｐ３は、第１排出部７３とガス供給口２１１との間を直線的に延びている。第１排出部７３は、燃料電池セル１０の先端面１０３よりもマニホールド２側に配置されている。本実施形態のように、燃料電池セル１０の先端部１０２が上端部であり、基端部１０１が下端部である場合、第１排出部７３は、燃料電池セル１０の先端面１０３よりも下方に配置されている。そして、第１排出部７３とマニホールド２との距離は、燃料電池セル１０の先端面１０３とマニホールド２との距離よりも短い。このような配置とすることによって、第１排出部７３とマニホールド２との距離を短縮することができ、燃料ガス供給経路Ｐ３を短くすることができる。なお、各燃料電池セル１０の先端面１０３の位置が互いに異なる場合、最もマニホールド２から遠い位置にある先端面１０３を基準とする。
【００７０】
燃料処理器７０は、第２排出部７４を有している。本実施形態では、第２排出部７４は、筒状の部材であるが、単なる開口であってもよい。第２排出部７４は、燃焼部７２からのガスを排出する。第２排出部７４は、水平面よりも下方を向いている。なお本実施形態では、第２排出部７４は、真下を向いているが、第２排出部７４の排出方向は、水平面よりも下方を向いていればよい。例えば、第２排出部７４の排出方向と水平面とのなす角度が３度以上とすることが好ましい。
【００７１】
このように、第２排出部７４を下方に向けることで、次の効果を得ることができる。すなわち、上記実施形態では、第１ガス流路４３を流れたガスのうち未反応のガスは第２ガス流路４４を流れ、第２ガス流路４４を流れたガスのうちさらに未反応のガスは、マニホールド２のガス回収室２２にて回収される。このため、上記実施形態に係る燃料電池セル１０は、ガスの使用効率を向上させることができる。このようにガスの使用効率が向上するため、本実施形態に係る燃料電池セル１０から排出されるオフガスの温度は、一般的な燃料電池セルに比べて低い。このようにオフガスの温度が低温の場合、オフガス内の水蒸気が凝縮することによって生じた水が、第２排出部７４から延びる排気管内を閉塞させるおそれがある。これに対し、上記実施形態に係る燃料処理器７０では、第２排出部７４を下方に向けているため、発生した水によって排気管内が閉塞されることを防止することができる。
【００７２】
［各ガス供給経路］
第１空気供給経路Ｐ１は、ハウジング８０へ空気を供給する。詳細には、第１空気供給経路Ｐ１は、熱交換器８１を経由してからハウジング８０へ空気を供給する。第１空気供給経路Ｐ１によってハウジング８０内へ供給された空気は、燃料電池セル１０の発電に用いられる。第１空気供給経路Ｐ１は、例えば、ハウジング８０内において、燃料電池セル１０の上方から燃料電池セル１０に向かって下方に空気を供給する。
【００７３】
第２空気供給経路Ｐ２は、バーナ７２１へ空気を供給する。第２空気供給経路Ｐ２によって供給された空気は、バーナ７２１の燃焼に用いられる。第１空気供給経路Ｐ１と第２空気供給経路Ｐ２とは、別の空気供給源と接続されていてもよいし、同じ空気供給源に接続されていてもよい。なお、第１空気供給経路Ｐ１と第２空気供給経路Ｐ２とが同じ空気供給源と接続されている場合、第１空気供給経路Ｐ１と第２空気供給経路Ｐ２とのそれぞれに空気の流量を調整する流量制御弁などを設けることが好ましい。
【００７４】
燃料ガス供給経路Ｐ３は、燃料処理器７０から燃料ガス供給室２１へ燃料ガスを供給する。詳細には、燃料ガス供給経路Ｐ３は、燃料処理器７０の第１排出部７３とガス供給室２１とを連結している。これによって、燃料ガス供給経路Ｐ３は、燃料処理器７０によって生成された燃料ガスをガス供給室２１へ供給する。
【００７５】
オフガス供給経路Ｐ４は、ガス回収室２２からバーナ７２１へ、燃料ガスのオフガスを供給する。詳細には、オフガス供給経路Ｐ４は、ガス回収室２２とバーナ７２１とを連結している。燃料電池セル１０内を流れた後にガス回収室２２に回収された燃料ガスのオフガスが、オフガス供給経路Ｐ４を介してバーナ７２１へと供給される。
【００７６】
原料ガス供給経路Ｐ５は、燃料処理器７０に原料ガスを供給する。詳細には、原料ガス供給経路Ｐ５は、燃料処理器７０の改質部７１に連結されており、改質部７１に原料ガスを供給する。
【００７７】
水蒸気供給経路Ｐ６は、燃料処理器７０に水蒸気を供給する。詳細には、水蒸気供給経路Ｐ６は、燃料処理器７０の改質部７１に連結されており、改質部７１に水蒸気を供給する。
【００７８】
上述した各ガス供給経路Ｐ１〜Ｐ６は、例えば配管などによって構成されている。なお、燃料電池装置１００は、空気排出経路Ｐ７をさらに有している。空気排出経路Ｐ７は、ハウジング８０内に供給され、燃料電池セル１０において発電に用いられた後の空気をハウジング８０内から排出するための経路である。この空気排出経路Ｐ７も配管などによって構成されている。空気排出経路Ｐ７は、ハウジング８０内の下端部から空気を排出している。例えば、空気排出経路Ｐ７は、ハウジング８０の底壁に取り付けられている。
【００７９】
［熱交換器］
熱交換器８１は、第１空気供給経路Ｐ１内を流れる空気と、空気排出経路Ｐ７内を流れる空気とを熱交換させる。詳細には、空気排出経路Ｐ７内を流れる空気の熱によって第１空気供給経路Ｐ１内を流れる空気が加熱される。
【００８０】
［ガスセンサ］
ガスセンサ８２は、空気排出経路Ｐ７に設置されている。詳細には、ガスセンサ８２は、熱交換器８１よりも下流において、空気排出経路Ｐ７に設置されている。ガスセンサ８２は、燃料ガスに含まれるいずれかのガスを検出するように構成されている。なお、本実施形態では、ガスセンサ８２は、燃料ガスに含まれる一酸化炭素を検出する。すなわち、ガスセンサ８２はＣＯセンサであり、空気排出経路Ｐ７内を流れる空気中に含まれる一酸化炭素を検出する。ガスセンサ８２が一酸化炭素を検出したとき、例えば、燃料電池装置１００を制御する制御装置（図示省略）が報知音を鳴らしたり報知画面を表示させたりして、燃料電池セル１０の故障を使用者に報知することができる。
【００８１】
［発電方法］
上述したように構成された燃料電池装置１００では、燃料処理器７０によって生成された燃料ガスをマニホールド２のガス供給室２１に供給するとともに、燃料電池セル１０を空気などの酸素を含むガスに曝す。すると、空気極８において下記（３）式に示す化学反応が起こり、燃料極６において下記（４）式に示す化学反応が起こり、電流が流れる。
（１／２）・Ｏ２＋２ｅ−→Ｏ２−      …（３）
Ｈ２＋Ｏ２−→Ｈ２Ｏ＋２ｅ−          …（４）
【００８２】
詳細には、ガス供給室２１に供給された燃料ガスは、各燃料電池セル１０の第１ガス流路４３内を流れ、各発電素子部５の燃料極６において、上記（４）式に示す化学反応が起こる。各燃料極６において未反応であった燃料ガスは、第１ガス流路４３を出て連通部材３の連通流路３０を介して第２ガス流路４４へ供給される。そして、第２ガス流路４４へ供給された燃料ガスは、再度、燃料極６において上記（４）式に示す化学反応が起こる。第２ガス流路４４を流れる過程において燃料極６において未反応であった燃料ガスのオフガスは、マニホールド２のガス回収室２２へ回収される。そして、ガス回収室２２内のオフガスは、オフガス供給経路Ｐ４を介してバーナ７２１へと供給される。このため、燃料電池セル１０にクラックなどの故障がない限り、ハウジング８０内には燃料ガスは含まれていない。
【００８３】
［変形例］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。
【００８４】
変形例１
上記実施形態では、ガスセンサ８２は一酸化炭素を検出するＣＯセンサとして構成されているが、これに限定されない。例えば、ガスセンサ８２は、燃料ガス中に含まれる水素を検出する水素センサであってもよいし、燃料ガス中に含まれる二酸化炭素を検出する二酸化炭素センサであってもよい。
【００８５】
変形例２
上記実施形態では、ガスセンサ８２は、熱交換器８１よりも下流に配置されていたが、熱交換器８１よりも上流に配置されていてもよい。
【００８６】
変形例３
上記実施形態では、ガスセンサ８２は検出対象のガスの有無を検出したが、ガスセンサ８２はこれに限定されず、例えば、検出対象のガスの濃度を検出してもよい。この場合、例えば、制御装置は、ガスセンサ８２によって検出されたガスの濃度が所定の閾値以上か否か判断し、ガス濃度が所定の濃度以上と判断した場合、報知音を鳴らしたり、報知画面を表示させたりしてもよい。
【００８７】
変形例４
上記実施形態では、燃料処理器７０は、改質器によって構成されているが、これに限定されない。例えば、燃料処理器７０は、改質器に加えて、ＣＯ変性器及びＣＯ浄化器などを有していてもよい。ＣＯ変性器は、改質器で発生した一酸化炭素および水から二酸化炭素及び水素を生成するように構成されている。また、ＣＯ浄化器は、改質器で発生した一酸化炭素に酸素を加えて、二酸化炭素へ変化させるように構成されている。
【００８８】
変形例５
上記実施形態では、燃料処理器７０はマニホールド２の下方に配置されているが、燃料処理器７０の配置はこれに限定されない。例えば燃料処理器７０は燃料電池セル１０の側方に配置されていてもよいし、燃料電池セル１０の上方に配置されていてもよい。
【００８９】
変形例６
上記実施形態では、第１ガス流路４３と第２ガス流路４４とは、連通部材３が有する連通流路３０によって連通されていたが、この構成に限定されない。例えば、図８に示すように、支持基板４が、内部に連通流路３０を有していてもよい。この場合、燃料電池装置１００は、連通部材３を備えていなくてもよい。この支持基板４内に形成された連通流路３０によって、第１ガス流路４３と第２ガス流路４４とが連通されている。
【００９０】
変形例７
図９に示すように、支持基板４は、第１支持基板４ａと第２支持基板４ｂとに分かれていてもよい。この場合、第１支持基板４ａに第１ガス流路４３が形成され、第２支持基板４ｂに第２ガス流路４４が形成される。
【００９１】
変形例８
上記実施形態では、支持基板４は、複数の第１ガス流路４３を有しているが、１つの第１ガス流路４３のみを有していてもよい。同様に、支持基板４は、複数の第２ガス流路４４を有しているが、１つの第２ガス流路４４のみを有していてもよい。
【００９２】
変形例９
上記実施形態では、燃料電池セル１０はマニホールド２から上方に延びるように構成されているが、これに限定されない。例えば、燃料電池セル１０は、マニホールド２から下方に延びていてもよい。この場合、燃料処理器７０は、例えば、マニホールド２の上方に配置される。
【００９３】
変形例１０
上記実施形態の燃料電池セル１０は、各発電素子部５が支持基板４の長さ方向（ｘ軸方向）に配列されている、いわゆる横縞型の燃料電池セルであるが、燃料電池セル１０の構成はこれに限定されない。例えば、燃料電池セル１０は、支持基板４の第１主面４５に１つの発電素子部５が支持された、いわゆる縦縞型の燃料電池セルであってもよい。この場合、支持基板４の第２主面４６に一つの発電素子部５が支持されていてもよいし、支持されていなくてもよい。また、上記実施形態の燃料電池セル１０は、いわゆる円筒平板形であるが、円筒形、又は平板形などであってもよい。
【符号の説明】
【００９４】
２    マニホールド
２１    ガス供給室
２２    ガス回収室
１０    燃料電池セル
４３    第１ガス流路
４４    第２ガス流路
７０    燃料処理器
８０    ハウジング
８１    熱交換器
８２    ガスセンサ
Ｐ１    第１空気供給経路
Ｐ３    燃料ガス供給経路
Ｐ４    オフガス供給経路
Ｐ７    空気排出経路
【図１】
2020061336.tif 000003
【図２】
2020061336.tif 000004
【図３】
2020061336.tif 000005
【図４】
2020061336.tif 000006
【図５】
2020061336.tif 000007
【図６】
2020061336.tif 000008
【図７】
2020061336.tif 000009
【図８】
2020061336.tif 000010
【図９】
2020061336.tif 000011
【手続補正書】
【提出日】令和1年5月22日(2019.5.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３６】
第１ガス流路４３及び第２ガス流路４４は、第１ガス流路４３内におけるガスの圧力損失が第２ガス流路４４内におけるガスの圧力損失よりも小さくなるように構成されている。
【手続補正書】
【提出日】令和1年7月17日(2019.7.17)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池セルと、
ガス供給室及びガス回収室を有するマニホールドと、
前記マニホールド及び前記燃料電池セルを収容するハウジングと、
バーナを有し、前記ガス供給室に供給される燃料ガスを生成する燃料処理器と、
前記ハウジング内へ空気を供給する第１空気供給経路と、
前記燃料処理器から前記ガス供給室へ燃料ガスを供給する燃料ガス供給経路と、
前記ガス回収室から前記バーナへ燃料ガスのオフガスを供給するオフガス供給経路と、
前記ハウジングから空気を排出する空気排出経路と、
前記空気排出経路に設置され、前記燃料ガスに含まれるいずれかのガスを検出するガスセンサと、
前記第１空気供給経路内を流れる空気と前記ハウジングから排出される空気とを熱交換させるように構成された熱交換器と、
を備え、
前記ガスセンサは、前記空気排出経路内の一酸化炭素を検出するＣＯセンサである、
燃料電池装置。
【請求項２】
燃料電池セルと、
ガス供給室及びガス回収室を有するマニホールドと、
前記マニホールド及び前記燃料電池セルを収容するハウジングと、
バーナを有し、前記ガス供給室に供給される燃料ガスを生成する燃料処理器と、
前記ハウジング内へ空気を供給する第１空気供給経路と、
前記燃料処理器から前記ガス供給室へ燃料ガスを供給する燃料ガス供給経路と、
前記ガス回収室から前記バーナへ燃料ガスのオフガスを供給するオフガス供給経路と、
前記ハウジングから空気を排出する空気排出経路と、
前記空気排出経路に設置され、前記燃料ガスに含まれるいずれかのガスを検出するガスセンサと、
前記第１空気供給経路内を流れる空気と前記ハウジングから排出される空気とを熱交換させるように構成された熱交換器と、
を備え、
前記燃料電池セルは、
前記ガス供給室と連通し、前記燃料電池セルの基端部から先端部に延びる少なくとも１つの第１ガス流路と、
前記ガス回収室と連通し、前記燃料電池セルの基端部から先端部に延びて前記燃料電池セルの先端部において前記第１ガス流路と連通する、少なくとも１つの第２ガス流路と、
を有する、
燃料電池装置。
【請求項３】
前記ガスセンサは、前記熱交換器よりも下流に配置される、
請求項１または２に記載の燃料電池装置。
【請求項４】
前記ガスセンサは、前記空気排出経路内の一酸化炭素を検出するＣＯセンサである、
請求項２に記載の燃料電池装置。
【請求項５】
前記燃料電池セルは、
前記ガス供給室と連通し、前記燃料電池セルの基端部から先端部に延びる少なくとも１つの第１ガス流路と、
前記ガス回収室と連通し、前記燃料電池セルの基端部から先端部に延びて前記燃料電池セルの先端部において前記第１ガス流路と連通する、少なくとも１つの第２ガス流路と、
を有する、
請求項１に記載の燃料電池装置。