(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケーシング内に配置された少なくとも１つの単室型の固体酸化物形燃料電池及び燃焼触媒含有部材と、
前記ケーシング内の前記固体酸化物形燃料電池に向けて炭化水素を用いた燃料ガス及び酸化剤ガスの混合ガスを供給する混合ガス供給手段と、を備え、
前記固体酸化物形燃料電池は、電解質と、前記電解質の一方面に配置された燃料極と、前記電解質の他方面に配置された空気極と、を備え、
前記燃焼触媒含有部材は、前記混合ガス中の前記燃料ガスの燃焼反応及び部分酸化反応を進行させ、前記燃焼触媒含有部材の少なくとも一部が前記固体酸化物形燃料電池よりも前記混合ガスのガス供給方向の上流側に位置しており、
前記燃焼触媒含有部材は、前記空気極よりも前記燃料極に近い位置に配置されている発電装置。
【請求項２】
前記混合ガス供給手段は、前記混合ガスを加湿して前記ケーシング内に供給する請求項１に記載の発電装置。
【請求項３】
前記ケーシング内において前記固体酸化物形燃料電池よりも前記ガス供給方向の上流側に配置された整流部材を更に備える請求項１又は２に記載の発電装置。
【請求項４】
前記固体酸化物形燃料電池の前記空気極に向けて酸化剤ガスを供給する補助酸化剤ガス供給手段を更に備える請求項１から３のいずれかに記載の発電装置。
【請求項５】
前記固体酸化物形燃料電池の前記燃料極に向けて水蒸気を供給する水蒸気供給手段を更に備える請求項１から４のいずれかに記載の発電装置。
【請求項６】
ケーシングと、
前記ケーシングの内部を燃料極空間及び空気極空間に分割するセパレーターと、
前記ケーシング内に配置された少なくとも１つの固体酸化物形燃料電池及び燃焼触媒含有部材と、
前記ケーシング内の前記燃料極空間に炭化水素を用いた燃料ガス及び酸化剤ガスの混合ガスを供給する混合ガス供給手段と、
前記ケーシング内の前記空気極空間に酸化剤ガスを供給する補助酸化剤ガス供給手段と、を備え、
前記固体酸化物形燃料電池は、電解質と、前記電解質の一方面に配置された燃料極と、前記電解質の他方面に配置された空気極と、を備え、前記燃料極が前記燃料極空間に位置し、前記空気極が前記空気極空間に位置するように配置された二室型であり、
前記燃焼触媒含有部材は、前記燃料極空間に配置され、前記混合ガス中の前記燃料ガスの燃焼反応及び部分酸化反応を進行させ、前記燃焼触媒含有部材の少なくとも一部が前記固体酸化物形燃料電池よりも前記混合ガスのガス供給方向の上流側に位置している発電装置。
【請求項７】
前記セパレーターと前記固体酸化物形燃料電池との間に、及び／又は、前記セパレーターと前記ケーシングの側面との間に、隙間が形成されている請求項６に記載の発電装置。
【請求項８】
前記固体酸化物形燃料電池を複数備え、
複数の前記固体酸化物形燃料電池は、積層されてスタックを構成している請求項１から７のいずれかに記載の発電装置。
【請求項９】
前記ケーシングは、断熱性を有している請求項１から８のいずれかに記載の発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物形燃料電池を備える発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、次世代型のクリーンエネルギーとして燃料電池が注目を集めている。その中でも、固体酸化物形燃料電池は、高い発電効率を示すことで注目されている。固体酸化物形燃料電池は、燃料ガスの供給の仕方で、２種類に分けることができる。すなわち、燃料ガス及び酸化剤ガスを燃料極及び空気極にそれぞれ個別に供給するタイプの二室型と、燃料ガスと酸化剤ガスとの混合ガスを両電極に供給するタイプの単室型とに分けることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４４１８０１３号
【特許文献２】特開２００２−２８００１７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の二室型タイプの燃料電池では、セパレーターにより燃料ガスと酸化剤ガスとを分離しているが、両極の仕切りが十分にシールされていないとガスのリークが発生し電圧低下に伴い性能が低下する。そのため、単電池セルとセパレーターとの間にガスシールを施すのが通例である。しかしながら、このガスシールは、種々の材質からなるセルの構成要素に圧力をかけることにより施されるため、セルがスタックの作製時や、使用時における振動又は熱サイクルなどにより破損が生じやすい課題があった。また、二室型タイプの燃料電池は、セパレーターやガスシール材等を必要とするため、装置が複雑となっていた。
【０００５】
そこで、燃料ガスと酸化剤ガスを予め混合して供給する単室型タイプの燃料電池が開発されている。これは燃料ガスとして炭化水素系のガスを用い、燃料極側に設置した燃焼触媒で燃料の部分酸化反応（ＣＨ４＋１／２Ｏ２→ＣＯ＋２Ｈ２）を生じさせ、発生する水素を発電反応（Ｈ２＋１／２Ｏ２→Ｈ２Ｏ）に利用するものである。しかしながら、混合ガスを両電極へ流すため、燃料利用率が低くまた発電性能も二室型と比較して低いという問題があった。また、部分酸化反応は大きな発熱を伴うため、上流と下流で混合ガス中の燃料濃度の差により、セルの面内に熱分布が生じ破損してしまう問題があった。さらに、燃料極では発電反応（Ｈ２＋１／２Ｏ２→Ｈ２Ｏ）で生成した水によって炭化水素系の燃料ガスの水蒸気改質反応（ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ２）が同時に起こるため、発電中のセルの面内熱分布が不均一となり、セルの大型化を困難にしていた。
【０００６】
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであって、セル内温度分布の均一化とともに発電能力を向上させることができる発電装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するための発電装置であって、ケーシング内に配置された少なくとも１つの単室型の固体酸化物形燃料電池及び燃焼触媒含有部材と、前記ケーシング内の前記固体酸化物形燃料電池に向けて炭化水素を用いた燃料ガス及び酸化剤ガスの混合ガスを供給する混合ガス供給手段と、を備え、前記固体酸化物形燃料電池は、電解質と、前記電解質の一方面に配置された燃料極と、前記電解質の他方面に配置された空気極と、を備え、前記燃焼触媒含有部材は、前記混合ガス中の前記燃料ガスの燃焼反応及び部分酸化反応を進行させ、前記燃焼触媒含有部材の少なくとも一部が前記固体酸化物形燃料電池よりも前記混合ガスのガス供給方向の上流側に位置している。
【０００８】
このような構成によれば、燃料電池よりもガス供給方向の上流側に燃焼触媒含有部材が配置されているので、この燃焼触媒含有部材による燃料ガスの燃焼反応によって燃料電池の上流側で燃料ガスを燃焼させることができると共に、燃焼触媒含有部材による燃料ガスの部分酸化反応によって水素を発生させることもできる。このとき、燃焼反応および部分酸化反応は発熱反応なので燃料電池を加熱することができる。また、混合ガス中の酸化剤ガスが多く残ったまま燃料極に到達すると、燃料極上で部分酸化反応と水蒸気改質反応が同時に進行するため、燃料電池の熱バランス（燃料電池の平面内の均一な温度分布）を保つことができないが、本発明の構成によれば、酸化剤ガスを前方の燃焼触媒含有部材によって消費するので、燃料極で部分酸化反応（発熱反応）が進行せず、水蒸気改質反応（吸熱反応）が進行することになる。また、燃焼触媒含有部材の燃焼反応の熱により周囲から燃料電池を加熱することができるため、燃料極上での水蒸気改質反応を促進できる（水蒸気改質反応の吸熱反応分の熱量を供給できる）一方、燃焼触媒含有部材で生じる部分酸化反応による水素や一酸化炭素を燃料極に供給できるため、電池性能を向上させることができる。
【０００９】
また、燃料極の酸素が欠乏する一方、電解質の他方面の空気極には酸素を確実に供給することができ、起電力を安定化することが可能となり発電性能を向上することができる。
【００１０】
また、上記発電装置において、前記混合ガス供給手段は、前記混合ガスを加湿して前記ケーシング内に供給することが好ましい。
【００１１】
また、前記燃焼触媒含有部材は、前記空気極よりも前記燃料極に近い位置に配置されていることが好ましい。
【００１２】
また、上記発電装置は、前記ケーシング内において前記固体酸化物形燃料電池よりも前記ガス供給方向の上流側に配置された整流部材を更に備えることが好ましい。
【００１３】
また、上記発電装置は、前記固体酸化物形燃料電池の前記空気極に向けて酸化剤ガスを供給する補助酸化剤ガス供給手段を更に備えることが好ましい。
【００１４】
また、上記発電装置は、前記固体酸化物形燃料電池の前記燃料極に向けて水蒸気を供給する水蒸気供給手段を更に備えることが好ましい。
【００１５】
また、上記発電装置は、前記ケーシングの内部を燃料極空間及び空気極空間に分割するセパレーターと、前記ケーシング内の前記固体酸化物形燃料電池に向けて酸化剤ガスを供給する補助酸化剤ガス供給手段と、を更に備え、前記固体酸化物形燃料電池は、前記燃料極が前記燃料極空間に位置し、前記空気極が前記空気極空間に位置するように配置されており、前記混合ガス供給手段は、前記燃料極空間に前記混合ガスを供給し、前記補助酸化剤ガス供給手段は、前記空気極空間に酸化剤ガスを供給することが好ましい。
【００１６】
また、上記発電装置は、前記固体酸化物形燃料電池を複数備え、複数の前記固体酸化物形燃料電池は、積層されてスタックを構成していることが好ましい。
【００１７】
また、前記ケーシングは、断熱性を有していることが好ましい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の発電装置によれば、発電能力を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態に係る発電装置の概略構成図である。
【図２】他の実施形態に係る発電装置の概略構成図である。
【図３】更に他の実施形態に係る発電装置の要部の断面図である。
【図４】更に他の実施形態に係る発電装置の要部の断面図である。
【図５】更に他の実施形態に係る発電装置の概略構成図である。
【図６】更に他の実施形態に係る発電装置の要部の断面図である。
【図７】更に他の実施形態に係る発電装置の要部の断面図である。
【図８】更に他の実施形態に係る発電装置の要部の斜視図である。
【図９】更に他の実施形態に係る発電装置の要部の断面図である。
【図１０】更に他の実施形態に係る発電装置の要部の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る発電装置の概略構成図である。図１に示すように、この発電装置１は、内部空間を有するケーシング４と、ケーシング４内に配置された固体酸化物形燃料電池（以下、「燃料電池」という）２及び燃焼触媒含有部材３とを備えている。また、発電装置１は、ケーシング４内の燃料電池２に向けて燃料ガス、酸化剤ガス及び水蒸気の混合ガスを供給する混合ガス供給手段１０を備えている。
【００２１】
ケーシング４は、矩形状に形成されており、混合ガスをケーシング４内に供給するための混合ガス供給口４１と、ケーシング４から混合ガスを排出するためのガス排出口４２とを備えている。この混合ガス供給口４１及びガス排出口４２は、ケーシング４の左右の側面にそれぞれ形成されており、燃料電池２を介して互いに対向するように形成されている。また、混合ガス供給口４１及びガス排出口４２には、後述する混合ガスライン１６及び排ガスライン１９がそれぞれ接続されている。また、ケーシング４は、断熱性を有するように構成されている。例えば、ケーシング４の材質を断熱性の材質にすることや、ケーシング４の外面又は内面を図示しない断熱材で覆うことにより、ケーシング４に断熱性を持たせることができる。
【００２２】
燃料電池２は、平板状の電解質２０と、電解質２０の一方面（上面）に配置された薄膜状の燃料極２１と、電解質２０の他方面（下面）に配置された薄膜状の空気極２２とを備えている。電解質２０は、緻密体であることが好ましい。また、燃料極２１及び空気極２２は、いずれも多孔質であり、ガス透過性を有している。また、燃料電池２は、その側面が混合ガス供給口４１と対向し、電解質２０、燃料極２１及び空気極２２の上下面がそれぞれ混合ガスのガス供給方向Ｐに沿って延びるように配置されている。また、燃料極２１の一方面（上面）及び空気極２２の他方面（下面）には、集電体２３がそれぞれ配置されており、集電体２３を介して燃料電池２から電気を取り出すことができる。この集電体２３は、メッシュ状の金属から形成されており、ガス透過可能に構成されている。また、上下の集電体２３、２３は、それぞれケーシング４の上部内面及び下部内面に固定されており、これにより、燃料電池２がケーシング４に固定されている。なお、集電体２３は、図示しない配線に接続されている。
【００２３】
燃焼触媒含有部材３は、矩形状に形成され、燃料電池２と混合ガス供給口４１との間に配置されており、混合ガスのガス供給方向Ｐにおいて燃料電池２よりも上流側に位置している。また、燃焼触媒含有部材３は、燃料極２１の近傍において燃料電池２から離間した位置に配置されている。また、燃焼触媒含有部材３は、ケーシング４の上部内面に固定されており、空気極２２よりも燃料極２１に近い位置に配置されている。この燃焼触媒含有部材３は、例えば、白金、パラジウム、ロジウム、又はニッケルなどの燃焼触媒を含有する構成であり、例えば、矩形状の多孔質の金属又はセラミックスに前記の燃焼触媒を担持することにより形成されている。また、白金等の燃焼触媒を矩形状に成形することにより燃焼触媒含有部材３を形成することもできる。また、燃焼触媒含有部材３の形状は特に限定されるものではない。このような燃焼触媒含有部材３により、燃料ガスの燃焼反応により熱を発生させることができる。また炭化水素を酸化して一酸化炭素及び水素を生成する部分酸化反応を促進することができる。
【００２４】
混合ガス供給手段１０は、燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置１１と、燃料ガスを案内する燃料ガスライン１３と、酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置１２と、酸化剤ガスを案内する酸化剤ガスライン１４とを備えている。また、混合ガス供給手段１０は、燃料ガス及び酸化剤ガスを混合して混合ガスを生成する混合器１５と、混合ガスを案内する混合ガスライン１６と、混合ガスを加湿する加湿器１７とを備えている。
【００２５】
燃料ガスとしては、例えば、メタン、エタン、プロパン等の炭化水素を用いることができ、酸化剤ガスとしては、例えば、酸素を含む空気等を用いることができる。
【００２６】
燃料ガス供給装置１１としては、タンク内の燃料ガスをポンプにより加圧して燃料ガスライン１３に送出する公知の構成を用いることができる。また、燃料ガスライン１３は、一端が燃料ガス供給装置１１に接続され、他端が混合器１５に接続されており、燃料ガスを燃料ガス供給装置１１から混合器１５に送ることができる。
【００２７】
酸化剤ガス供給装置１２としては、大気中の酸化剤ガス（空気）をポンプにより圧縮して酸化剤ガスライン１４に送出する公知の構成を用いることができる。また、酸化剤ガスライン１４は、一端が酸化剤ガス供給装置１２に接続され、他端が混合器１５に接続されており、酸化剤ガスを酸化剤ガス供給装置１２から混合器１５に送ることができる。
【００２８】
混合器１５は、合流する燃料ガス及び酸化剤ガスを容器内で均一に混合して混合ガスを生成するように構成されている。また、混合ガスライン１６は、一端が混合器１５に接続され、他端がケーシング４の混合ガス供給口４１に接続されており、混合ガスを混合器１５からケーシング４に送ることができる。これにより、混合ガス供給口４１を介して混合ガスをケーシング４内に導入することができる。
【００２９】
加湿器１７は、混合ガスライン１６の途中に設置されており、混合ガスライン１６を通過する混合ガスを加湿することにより、混合ガスに水蒸気を更に混合することができる。また、加湿器１７の設置位置は特に限定されるものではなく、例えば混合器１５より上流側において、燃料ガスライン１３及び酸化剤ガスライン１４のそれぞれに加湿器１７を設置し、燃料ガス及び酸化剤ガスをそれぞれ加湿することもできる。また、燃料ガスライン１３又は酸化剤ガスライン１４の一方に加湿器１７を設置し、燃料ガス又は酸化剤ガスの一方を加湿することもできる。また、この加湿器１７としては、後述する排ガスライン１９を通過する排ガスに含まれる水蒸気を除去して、その水蒸気を膜を介して混合ガスライン１６を通過する混合ガスに付加する水蒸気交換型の構成を用いることもできる。また、混合ガスライン１６に水蒸気を通過させるだけでも混合ガスを加湿することができる。
【００３０】
排ガスライン１９は、一端がケーシング４のガス排出口４２に接続されており、ケーシング４内の混合ガスをガス排出口４２から排ガスとして外部に排出することができる。
【００３１】
次に、上記の燃料電池２の各材料について説明する。
【００３２】
燃料極２１の材料としては、固体酸化物形燃料電池の燃料極の材料として公知のものに、水蒸気改質触媒を含有していることが好ましい。このとき用いられる水蒸気改質触媒としては、ニッケル、銅、ルテニウム等を例示できる。また、燃料極の材料は、例えば、金属触媒と、酸化物イオン導電体からなるセラミックス粉末材料との混合物を用いることができる。このとき用いられる金属触媒としては、ニッケル、鉄、コバルトや、貴金属（白金、ルテニウム、パラジウム等）等の還元性雰囲気において安定で、水素酸化活性を有する材料を用いることができる。また、酸化物イオン導電体としては、蛍石型構造又はペロブスカイト型構造を有するものを好ましく用いることができる。蛍石型構造を有するものとしては、例えばサマリウムやガドリニウム等をドープしたセリア系酸化物、スカンジウムやイットリウムを含むジルコニア系酸化物などを挙げることができる。また、ペロブスカイト型構造を有するものとしてはストロンチウムやマグネシウムをドープしたランタン・ガレード系酸化物を挙げることができる。上述したセラミックス材料は、１種類を単独で、或いは２種類以上を混合して使用することができる。上記材料の中では、酸化物イオン導電体とニッケルとの混合物で、燃料極を形成することが好ましい。ニッケルの場合、燃料極の活性と水蒸気改質機能を有するため、単体で用いることができる。なお、酸化物イオン導電体からなるセラミックス材料とニッケルとの混合形態は、物理的な混合形態であってもよいし、ニッケルへの粉末修飾などの形態であってもよい。
【００３３】
電解質２０の材料としては、固体酸化物形燃料電池の電解質として公知のものを使用することができ、例えば、サマリウムやガドリニウム等をドープしたセリア系酸化物（ＧＤＣ）、ストロンチウムやマグネシウムをドープしたランタン・ガレード系酸化物、スカンジウムやイットリウムを含むジルコニア系酸化物（ＹＳＺ）などの酸素イオン伝導性セラミックス材料を用いることができる。
【００３４】
空気極２２の材料としては、固体酸化物形燃料電池の空気極の材料として公知のものを使用することができ、例えば、ペロブスカイト型構造等を有するＣｏ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｒ又はＭｎ等からなる金属酸化物を用いることができる。具体的には（Ｓｍ，Ｓｒ）ＣｏＯ３，（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ３，（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ３，（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｆｅ，Ｃｏ）Ｏ３，（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ）Ｏ３などの酸化物が挙げられ、好ましくは、（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｆｅ，Ｃｏ）Ｏ３である。上述した材料は、１種を単独で、或いは２種以上を混合して使用することができる。
【００３５】
続いて、上記のような発電装置１により発電をする方法について説明する。発電をするときはまず、混合ガス供給手段１０によりケーシング４内の燃料電池２に向けて混合ガスを供給する。より詳細には、燃料ガス供給装置１１から燃料ガスを供給すると共に、酸化剤ガス供給装置１２から酸化剤ガスを供給する。本実施形態では、燃料ガスはメタン（ＣＨ４）とし、酸化剤ガスは酸素（Ｏ２）を含む空気とする。また、燃料ガスと酸化剤ガスとの比率は適宜変更可能である。
【００３６】
各装置から供給された燃料ガス及び酸化剤ガスは、それぞれ燃料ガスライン１３及び酸化剤ガスライン１４を通過して混合器１５に導入されて合流し、この混合器１５により両ガスが混合されて混合ガスが生成される。また、生成された混合ガスは、混合ガスライン１６を通過して、ケーシング４の混合ガス供給口４１からケーシング４の内部空間に導入される。このとき、混合ガスは混合ガスライン１６を通過する過程で加湿器１７により加湿され、混合ガスに水蒸気が付加される。これにより、燃料ガス、酸化剤ガス及び水蒸気の混合ガスが生成される。そして、水蒸気が付加された混合ガスが混合ガス供給口４１からケーシング４内に供給され、ガス供給方向Ｐに向かって流れてゆく。
【００３７】
その後、ガス供給方向Ｐに導入された混合ガスは、上流側から下流側（図面左方から右方）に向かって流れてゆき、燃焼触媒含有部材３及び燃料電池２を通過してゆく。このとき混合ガスでは、燃焼触媒含有部材３を通過する過程で以下の化学反応式で示す燃焼反応及び部分酸化反応が進み、この燃焼反応及び部分酸化反応により、混合ガス中の燃料ガス（メタン）が燃焼すると共に、酸化剤ガス（酸素）が消費され、水（Ｈ２Ｏ）及び水素（Ｈ２）が生成される。これにより、燃焼触媒含有部材３付近の混合ガスでは、酸化剤ガス（酸素）が無くなると共に、水素の量が増加する。また、混合ガス中の燃料ガス（メタン）の一部は残存している。そして、この混合ガスが燃料極２１に供給される。
燃焼反応：ＣＨ４＋２Ｏ２→ＣＯ２＋２Ｈ２Ｏ
部分酸化反応：ＣＨ４＋１／２Ｏ２→ＣＯ＋２Ｈ２
【００３８】
また、部分酸化反応で生成された水素は、燃料極２１に供給され、燃料極２１を通過する過程で電池反応により酸素イオンと反応し、以下の化学反応式で示す燃料極反応により水（Ｈ２Ｏ）が生成される。
燃料極反応：Ｈ２＋Ｏ２−→Ｈ２Ｏ＋２ｅ−
【００３９】
また、混合ガスに含まれている燃料ガス（メタン）と水蒸気（Ｈ２Ｏ）は燃料極２１に供給され、燃料極２１において以下の化学反応式で示す水蒸気改質反応が進み、この水蒸気改質反応により水素（Ｈ２）が生成される。ここで生成された水素も上記の燃料極反応により酸素イオンと反応する。
水蒸気改質反応：ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ２
【００４０】
一方、空気極２２に供給される混合ガスは、燃焼触媒含有部材３付近を通過しないので、酸化剤ガス（酸素）が消費されずに残存したままである。そして、残存している酸化剤ガス（酸素）が空気極２２に供給され、空気極２２を通過する過程で電池反応により電子と反応し、以下の化学反応式で示す空気極反応より酸素イオン（Ｏ２−）が生成される。
空気極反応：１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｏ２−
【００４１】
また、反応後のガスは排ガスとして排ガスライン１９から外部に排出される。
【００４２】
以上のように、混合ガス供給手段１０からケーシング４内に混合ガスを供給することにより、燃料極２１で燃料極反応が進むと共に空気極２２で空気極反応が進み、これによって燃料極２１と空気極２２との間で電解質２０を介した酸素イオン伝導が起こり、発電が行われる。
【００４３】
上記のような構成を備える発電装置１によれば、燃料電池２よりガス供給方向Ｐの上流側に燃焼触媒含有部材３が配置されているので、この燃焼触媒含有部材３により、燃料ガス（メタン）が燃焼すると共に酸化剤ガス（酸素）が消費されて水素が発生する。（燃焼反応及び部分酸化反応が進行する。）このとき、燃料ガス（メタン）が燃焼する燃焼反応及び部分酸化反応は発熱反応なので、この発熱反応により燃焼触媒含有部材３の近傍で熱が生じ、この熱により燃料電池２が加熱されることになるが、発熱が燃料電池２において直接生じていないので、加熱されても燃料電池２の熱バランスを保つことができる。また、燃焼反応及び部分酸化反応により燃料極２１の近傍における酸化剤ガス（酸素）が消費されるので、燃料極２１では酸素の欠乏により部分酸化反応が進行せず、水蒸気改質反応のみが燃料極２１で進行することになる。ここで、水蒸気改質反応は吸熱反応であり、燃料極２１ではこの吸熱反応のみが進行して発熱反応（部分酸化反応）が進行しないので、燃料極２１の熱バランスを保つことができる。また、水蒸気改質反応は部分酸化反応に比べて、上記化学反応式から明らかな通り、燃料ガスの単位供給量あたりの水素の発生量が多いので、燃料極２１における水素の量を多くすることができる。以上より、本発明によれば、燃料電池２の上流側の燃焼触媒含有部材３近傍での発熱により燃料電池２を加熱するので燃料電池２の熱バランスを保つことができ、更に、燃料電池２では発熱反応（部分酸化反応）を抑えて吸熱反応（水蒸気改質反応）のみが進行するので燃料電池２の熱バランスを保つことができる。また、燃料極２１における水素量を多くすることにより電池反応を促進することができる。よって、燃料電池２の熱バランスを保ちつつ電池反応を促進するので発電能力を向上させることができる。また、燃料電池２の熱バランスを保つことにより、燃料電池２を大型にすることができる。また、燃料極２１の酸素が欠乏する一方、電解質２０の他方面の空気極２２には酸素を確実に供給することができ、起電力を安定化することが可能となり発電性能を向上することができる。
【００４４】
また、混合ガスに水蒸気を混合して燃料電池２に供給することにより、燃料極２１における水蒸気改質反応を促進することができる。また、燃焼触媒含有部材３を空気極２２から離して燃料極２１の近傍に配置すると、燃料極２１近傍の酸化剤ガス（酸素）をより消費して水素を生成できるので、発電能力がより向上する。また、従来では、混合ガスのガス供給方向Ａに沿って燃料電池２の熱バランスが悪化することがあったが、本発明では、ガス供給方向Ｐに沿って燃料電池２の熱バランスを保つことができるので、燃料電池２（電解質２０、燃料極２１及び空気極２２）がガス供給方向Ｐに沿って延びる構成である場合に特に効果的である。また、燃料電池２（電解質２０、燃料極２１及び空気極２２）の上下面の面積が大きくなると、熱バランスが乱れ易くなるので、それを防ぐためにも本発明は特に有効である。また、ケーシング４が断熱性を有することにより、発電装置１に外部から熱を加えなくても熱自立させることができる。
【００４５】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明の具体的な態様は、上記実施形態に限定されるものではない。
【００４６】
図２は本発明の他の実施形態に係る発電装置の概略構成図である。図２において、図１と同様の構成部分については、同一の符号を付してその説明を省略する。上記図１に係る実施形態では、混合ガスライン１６に加湿器１７が設置されていたが、図２に示すように、この加湿器１７を省略することもできる。これにより、混合ガスに水蒸気を付加せずに、燃料ガス及び酸化剤ガスの混合ガスをケーシング４内に供給する。この場合は、燃料極２１における燃料極反応によって発生する水（Ｈ２Ｏ）により、燃料極２１で水蒸気改質反応が進行する。
【００４７】
また、図３は更に他の実施形態に係る発電装置の要部の断面図である。図３において、図１と同様の構成部分については、同一の符号を付してその説明を省略する。図３に示すように、他の実施形態に係る発電装置１は、ケーシング４内の空気極２２に向けて酸化剤ガスを供給するための補助酸化剤ガス供給装置３０及び補助酸化剤ガスライン３１を更に備えていてもよい。補助酸化剤ガス供給装置３０としては、大気中の酸化剤ガス（空気）をポンプにより圧縮して補助酸化剤ガスライン３１に送出する公知の構成を用いることができる。また、補助酸化剤ガスライン３１は、一端が補助酸化剤ガス供給装置３０に接続され、他端がケーシング４の内部空間に開口しており、酸化剤ガスを補助酸化剤ガス供給装置３０からケーシング４に導入することができる。このような構成によれば、空気極２２に更に酸化剤ガス（酸素）を供給できるので空気極反応を促進することができる。
【００４８】
また、図４は更に他の実施形態に係る発電装置の要部の断面図である。図４において、図１と同様の構成部分については、同一の符号を付してその説明を省略する。図４に示すように、他の実施形態に係る発電装置１は、ケーシング４内の燃料極２１に向けて水蒸気を供給するための水蒸気供給装置３２及び水蒸気ライン３３を更に備えていてもよい。水蒸気供給装置３２としては、水を加熱して水蒸気を生成し、ポンプにより水蒸気ライン３３に送出する公知の構成を用いることができる。また、水蒸気ライン３３は、一端が水蒸気供給装置３２に接続され、他端がケーシング４の内部空間に開口しており、水蒸気を水蒸気供給装置３２からケーシング４に導入することができる。このような構成によれば、燃料極２１に水蒸気を供給できるので、燃料極２１における水蒸気改質反応を促進することができる。そして、水蒸気改質反応により水素の発生量を増加させて、燃料極反応を促進することができる。
【００４９】
また、図５は更に他の実施形態に係る発電装置の概略構成図である。図５において、図１と同様の構成部分については、同一の符号を付してその説明を省略する。図５に示すように、他の実施形態に係る発電装置１は、ケーシング４の内部に複数のセパレーター４０、４０を備えていてもよい。このセパレーター４０は、平板状のセラミックスや金属から形成されており、図示しない支持部材によって支持され、ガス供給方向Ｐに沿って延びるように配置されている。これにより、セパレーター４０はケーシング４の内部空間を上下に区切っており、上側の燃料極空間４４と下側の空気極空間４５とに分割している。また、複数のセパレーター４０、４０は、燃料電池２を囲むように配置されており、燃料電池２の燃料極２１が燃料極空間４４に位置し、空気極２２が空気極空間４５に位置するように構成されている。また、セパレーター４０と燃料電池２との間は、隙間が形成されていてもよいし、シール材等により密閉されていてもよい。また、セパレーター４０とケーシング４の側面との間も同様に、隙間が形成されていてもよいし、シール材等により密閉されていてもよい。また、ケーシング４の側面には、酸化剤ガスをケーシング４内に供給するための酸化剤ガス供給口４３が形成されている。このケーシング４では、混合ガス供給口４１が燃料極空間４４に向けて開口しており、酸化剤ガス供給口４３が空気極空間４５に向けて開口している。
【００５０】
また、この実施形態に係る発電装置１は、ケーシング４内の空気極２２に向けて酸化剤ガスを供給するための補助酸化剤ガス供給装置５０及び補助酸化剤ガスライン５１を更に備えている。補助酸化剤ガス供給装置５０としては、大気中の酸化剤ガス（空気）をポンプにより圧縮して補助酸化剤ガスライン５１に送出する公知の構成を用いることができる。また、補助酸化剤ガスライン５１は、一端が補助酸化剤ガス供給装置５０に接続され、他端がケーシング４の酸化剤ガス供給口４３に接続されており、酸化剤ガスを補助酸化剤ガス供給装置５０からケーシング４に導入することができる。
【００５１】
このような構成によれば、混合ガス供給手段１０から混合ガス供給口４１を介して燃料極空間４４に混合ガスが供給される一方、補助酸化剤ガス供給装置５０から酸化剤ガス供給口４３を介して空気極空間４５に酸化剤ガスが供給される。これにより、空気極２２に確実に酸化剤ガス（酸素）を供給することができ、空気極反応を促進することができる。
【００５２】
また、上記実施形態では、燃焼触媒含有部材３の全体が燃料電池２の上流側に配置されていたが、この構成に限定されるものではなく、燃焼触媒含有部材３の少なくとも一部が燃料電池２より上流側に配置されていればよい。例えば、図６に示すように、燃焼触媒含有部材３は燃料電池２の上方を覆うように集電体２３に固定されており、一端部（左端部）が、ガス供給方向Ｐにおいて燃料電池２の上流側に位置している構成であってもよい。このような構成によっても、燃焼触媒含有部材３の少なくとも一部が燃料電池２より上流側に位置することにより、燃料電池２の上流側で混合ガスを部分酸化反応させることができる。また、燃焼触媒含有部材３の配置位置は特に限定されるものではなく、図７に示すように、燃焼触媒含有部材３が、燃料電池２より上流側において、燃料電池２の側面と対向する位置に配置されていてもよい。このような構成によっても、燃料電池２の上流側で部分酸化反応を促進させることができる。また、燃料電池２の向きは特に限定されるものではなく、例えば、燃料極２１の表面がガス供給方向Ｐと直交するように配置されていてもよい。
【００５３】
また、上記実施形態では、混合ガスを加熱していなかったが、混合ガス供給手段１０によりケーシング４内に混合ガスを導入する前に図示しないヒーターにより混合ガスを加熱してもよい。また、補助酸化剤ガス供給装置３０及び５０は、酸化剤ガス供給装置１２と同じ装置であってもよい。
【００５４】
また、上記実施形態では、１つの燃料電池２を用いていたが、燃料電池２の数は特に限定されるものでははく、燃料電池２を複数用いてもよい。この場合は、複数の燃料電池２を互いに積層することによりスタック構造にすることができる。また、複数の燃料電池２によりスタックを構成する場合は、各燃料電池２の積層方向や配置の向きに応じて、混合ガスの供給方向を適宜調整することができる。例えば、積層された燃料電池２が互いに異なる向きを向いている場合は、図８に矢印で示すように、スタック構造が収容されたケーシング４に対して異なる向きから混合ガスを供給してもよい。
【００５５】
また、図９に示すように、排ガスライン１９の下流に燃焼器５５を設置し、この燃焼器５５に排ガスを供給することもできる。これにより、発電装置１の排ガスを燃焼器５５において利用することができる。
【００５６】
また、図１０は更に他の実施形態に係る発電装置の要部の断面図である。図１０において、図１と同様の構成部分については、同一の符号を付してその説明を省略する。図１０に示すように、燃焼触媒含有部材３が空気極２２よりも燃料極２１に近い位置に配置されている場合は、ガスの流れを整流するための整流部材５をケーシング４内に配置することが好ましい。この整流部材５は、例えば、金属又はセラミックスの多孔質体からなり、混合ガスのガス供給方向において燃料電池２よりも上流側に配置されている。また、この整流部材５は、燃焼触媒含有部材３の下方においてケーシング４の底部に固定され、燃料極２１よりも空気極２２に近い位置に配置されている。また、本実施形態では、整流部材５及び燃焼触媒含有部材３が一体的に形成されている。具体的には、整流部材５及び燃焼触媒含有部材３は一体の多孔質体からなり、この多孔質体の燃料極２１に近い側（上部）に燃焼触媒が含有されており、空気極２２に近い側（下部）には燃焼触媒が含有されていない。これにより、燃料極２１近傍に位置する燃焼触媒含有部材３と、空気極２２近傍に位置する整流部材５とを形成することができる。このような構成によれば、整流部材５の存在により、ケーシング４内のガスの流れを均一にすることができる。すなわち、整流部材５が配置されていないと、燃焼触媒含有部材３が配置された燃料極側と配置されていない空気極側とでガス流れのスピードに違いが生じ、混合ガスが不均一に流れることになるが、整流部材５を配置すると、燃焼触媒含有部材３が配置された燃料極側と整流部材５が配置された空気極側とでガスの流れを一様にすることができる。これにより、燃料電池２の燃料極２１及び空気極２２にガスを均一に供給することができる。なお、整流部材５の構成は特に限定されないが、ガスの流れに対する抵抗が燃焼触媒含有部材３とほぼ同一になる構成が好ましい。また、上記実施形態では、燃焼触媒含有部材３及び整流部材５を一体的に形成していたが、必ずしも一体である必要はなく、両者が離間していてもよい。このような構成によっても整流部材５によりガスの流れを整流できる。
【符号の説明】
【００５７】
１    発電装置
２    固体酸化物形燃料電池
３    燃焼触媒含有部材
４    ケーシング
５    整流部材
１０    混合ガス供給装置
１１    燃料ガス供給装置
１２    酸化剤ガス供給装置
１３    燃料ガスライン
１４    酸化剤ガスライン
１５    混合器
１６    混合ガスライン
１７    加湿器
１９    排ガスライン
２０    電解質
２１    燃料極
２２    空気極
３０    補助酸化剤ガス供給装置
３２    水蒸気供給装置
４０    セパレーター
４１    混合ガス供給口
４２    ガス排出口
４４    燃料極空間
４５    空気極空間
５０    補助酸化剤ガス供給装置
【図１】
0005573813.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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