(57)【要約】【課題】水蒸気と原燃料ガスとを十分に混合し、且つ、改質器に対して均一に混合ガスを導入することができる固体酸化物型燃料電池装置を提供する。【解決手段】燃料電池セル１６と、燃料電池セル１６を収容する上下方向に延びる筒状のモジュールケースと、モジュールケースの外周面に沿って上下方向に延びる環状の流路を有する燃料ガス供給流路２０と、燃料ガス供給流路２０に配置された改質部９４を備え、燃料ガス供給流路２０は、水を気化させて生成した水蒸気と原燃料ガスとを混合する気化混合室２０ａを改質部９４よりも上流側で且つ改質部９４よりも下方に備え、気化混合室２０ａは、水蒸気と原燃料ガスとの混合ガスを、水蒸気の気化膨張圧力によって、燃料ガス供給流路２０内で上方向に加速噴射させ、且つ、改質部９４への入口手前で減速及び分散させて改質部９４へ供給する。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体酸化物型燃料電池装置であって、
燃料電池セルと、
前記燃料電池セルを収容する上下方向に延びる筒状のモジュールケースと、
前記モジュールケースの外周面に沿って上下方向に延びる環状の流路を有する燃料供給通路と、
前記燃料供給通路に配置された改質器と、を備え、
前記燃料供給通路は、供給された水を気化させて生成した水蒸気と供給された原燃料ガスとを混合する気化混合室を前記改質器よりも上流側で且つ前記改質器よりも下方に備え、
前記燃料供給通路は、水蒸気の気化膨張圧力によって、水蒸気と原燃料ガスとの混合ガスを前記気化混合室から前記燃料供給通路内の上方向に加速噴射させ、且つ、前記改質器への入口手前で減速及び分散させて前記改質器へ供給するように構成されていることを特徴とする固体酸化物型燃料電池装置。
【請求項２】
前記気化混合室は、前記混合ガスを前記改質器の入口へ向けて加速噴射させる噴射ポートを複数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型燃料電池装置。
【請求項３】
複数の前記噴射ポートは、各噴射ポートから加速噴射される前記混合ガスの広がり幅と同じ間隔又は小さい間隔で離間配置されていることを特徴とする請求項２に記載の固体酸化物型燃料電池装置。
【請求項４】
複数の前記噴射ポートは、均等間隔に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の固体酸化物型燃料電池装置。
【請求項５】
前記燃料供給通路は、前記噴射ポートから前記改質器の入口までの間の、前記混合ガスの減速通路が、前記混合ガスの加速噴流を減速させるための構造物が設けられていない単一空間であることを特徴とする請求項４に記載の固体酸化物型燃料電池装置。
【請求項６】
前記燃料供給通路は、前記減速流路の下流側に、前記混合ガスの加速噴流の分散性を高めるための衝突壁を有し、
前記混合ガスの加速噴流は、前記衝突壁への衝突後に前記改質器の入口に入るように構成されていることを特徴とする請求項５に記載の固体酸化物型燃料電池装置。
【請求項７】
前記気化混合室は、前記水供給ポートから前記噴射ポートへ向かう水蒸気に対して、原燃料ガスを側方から噴出して供給する燃料ガス供給機構を備えていることを特徴とする請求項６に記載の固体酸化物型燃料電池装置。
【請求項８】
前記気化混合室に水を供給する水供給ポートが互いに離間して複数備えられていることを特徴とする請求項７に記載の固体酸化物型燃料電池装置。
【請求項９】
複数の前記水供給ポートは、均等間隔に配置されていることを特徴とする請求項８に記載の固体酸化物型燃料電池装置。
【請求項１０】
前記気化混合室に原燃料ガスを供給する燃料供給ポートが互いに離間して複数備えられていることを特徴とする請求項９に記載の固体酸化物型燃料電池装置。
【請求項１１】
前記気化混合室は、前記燃料供給ポートから供給された原燃料ガスを、前記燃料ガス供給機構に対して分散して供給するための分散ポートを備えていることを特徴とする請求項１０に記載の固体酸化物型燃料電池装置。
【請求項１２】
前記分散ポートは複数設けられており、前記分散ポートと前記噴射ポートとは、前記モジュールケースの周方向において、位置をずらして設けられていることを特徴とする請求項１１に記載の固体酸化物型燃料電池装置。
【請求項１３】
前記気化混合室は、前記燃料ガス供給機構と前記噴射ポートとの間に、前記燃料ガス供給機構側からの原燃料ガスと水蒸気とを集約して前記噴射ポート側へ流出させるための集約ポートを備えていることを特徴とする請求項７に記載の固体酸化物型燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物型燃料電池装置に関し、特に、改質器を備えた固体酸化物型燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体酸化物型燃料電池（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（空気、酸素等）を供給して、比較的高温で動作する燃料電池である。
【０００３】
燃料電池装置では、改質器によって原燃料ガスから取り出した燃料ガスを、燃料電池セルへ供給している。改質器では、原燃料ガスと水蒸気との混合ガスを改質して燃料ガス（水素ガス）を取り出している。例えば、特許文献１に記載の燃料電池装置では、ハウジング内に複数の燃料電池セルが配置され、更にこれら燃料電池セルの上方に改質器が配置されている。改質器は、燃料電池セルを通過した未反応の燃料ガス（オフガス）の燃焼熱によって加熱されるようになっている。
【０００４】
特許文献１に記載の改質器は、上流側から順に気化部（蒸発部）と改質部とを直列に接続した構成である。加熱された蒸発部に水と原燃料ガスが導入されると、水が気化され水蒸気が生成される。そして、水蒸気と原燃料ガスとの混合ガスが改質部へ導入され、改質触媒によって水素ガスが生成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−２３８６００号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載の燃料電池装置では、蒸発部で生成した水蒸気と原燃料ガスとの混合が十分ではないおそれがある。このため、水蒸気と原燃料ガスとの混合割合にムラがある混合ガスが改質部に導入されるという問題があった。
【０００７】
従って、本発明は、水蒸気と原燃料ガスとを十分に混合し、且つ、改質器に対して均一に混合ガスを導入することができる固体酸化物型燃料電池装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決するために、本発明は、固体酸化物型燃料電池装置であって、燃料電池セルと、燃料電池セルを収容する上下方向に延びる筒状のモジュールケースと、モジュールケースの外周面に沿って上下方向に延びる環状の流路を有する燃料供給通路と、燃料供給通路に配置された改質器と、を備え、燃料供給通路は、供給された水を気化させて生成した水蒸気と供給された原燃料ガスとを混合する気化混合室を改質器よりも上流側で且つ改質器よりも下方に備え、燃料供給通路は、水蒸気の気化膨張圧力によって、水蒸気と原燃料ガスとの混合ガスを気化混合室から燃料供給通路内の上方向に加速噴射させ、且つ、改質器への入口手前で減速及び分散させて改質器へ供給するように構成されていることを特徴としている。
【０００９】
水蒸気と原燃料ガスとの混合ガスを混合ムラがないように十分に混合すると共に均一に分散して改質触媒に供給するため、本発明者は、蒸発部と改質触媒の間に混合ガスを混合するための混合室を設けた燃料電池装置の開発を進めてきた。具体的には、燃料電池セルを収容する円筒型チャンバーを有する発電室の外周面に沿って、上方向に延びる円環状の燃料ガス供給流路を形成し、この流路の上流側（下部）に蒸発部と原燃料ガスの供給パイプを配置し、下流側（上部）に円環状に改質触媒を配置し、蒸発部と改質触媒との間の円環状の経路を混合室とした。発電室は、下側よりも上側の方が温度が高くなるように温度勾配が生じるため、発電室の外側に設けられた燃料ガス供給流路の混合室には、この温度勾配によって水蒸気と原燃料ガスの混合ガスの上昇気流が生じる。また、混合室には、混合ガスが下方から上方へ円環状の混合室を流れる間に、周方向の旋回流を生成するように、複数のらせん羽根を配置した。温度勾配による上昇気流現象と、らせん羽根による旋回流とを利用することによって、上下方向に延びる混合室内において、蒸発器で生成した水蒸気と供給パイプから供給した原燃料ガスとの混合ガスの混合性を高め、改質触媒に対する分散性を制御することができる。
【００１０】
しかしながら、本発明者は、温度勾配及び旋回流を利用した上記構成では、発電室の温度分布にムラがある場合には、比較的低速で混合ガスが混合室を上昇していく間に、発電室の高温部分に対応する燃料ガス供給流路の部分で混合ガスが局所的に体積膨張を生じ、粘性が高くなることによって流れ難くなるため、混合性にムラが生じるという問題を見出した。また、混合ガスを旋回流にすると、旋回流の中で水蒸気と原燃料ガスがそれぞれ層状気流となって、十分に混合できない場合があるという問題を見出した。
【００１１】
まず、本発明では、筒状のモジュールケースの外周面に沿って上下方向に延びる環状の燃料供給通路において、混合ガスを改質器へ向けて上方へ加速した高速な流れとして供給するように構成している。これにより、燃料供給通路を流れる混合ガスに対するモジュールケースの温度ムラの影響を大幅に低減することができる。
しかしながら、単に混合ガスを加速流とするだけでは、混合ガスを改質器の一部にしか供給することができないため、改質器全体に対する良好な分散性を確保することができないという新たな問題が生じる。また、速度が高められた加速流は、大部分が直線的に改質器へと流れるため、良好な混合性を得ることができないという別の問題も生じる。
【００１２】
そこで、さらなる課題解決のために、本発明では、燃料供給通路内の上流側に気化混合室を設け、この気化混合室において、気化膨張させた水蒸気と原燃料ガスとを予め混合することにより、混合性を高めたうえで、気化膨張による気化混合室内の圧力上昇を利用して、混合性が高められた混合ガスを加速噴射するように構成している。さらに、本発明では、混合性が高められた混合ガスの加速噴流が改質器の手前で減速し、分散した後、改質器へ供給されるように燃料供給通路を構成している。本発明では、気化膨張圧力，加速噴流の減速及び分散をさらに利用することによって、混合ガスの良好な混合性及び改質器全体への略均等な分散性を有する優れた燃料供給形態を備えた燃料電池装置を提供することができる。
【００１３】
本発明において、好ましくは、気化混合室は、混合ガスを改質器の入口へ向けて加速噴射させる噴射ポートを複数備えている。
モジュールケースの温度ムラの影響を受けずに、１本の加速噴流を拡げて混合ガスを改質器に対して十分に分散させるには限度がある。このため、本発明では、混合ガスを改質器の入口へ向けて加速噴射させる噴射ポートを複数設けることにより、複数本の加速噴流によって、モジュールケースの温度ムラの影響を受けることなく混合ガスを改質器に対して十分に分散させるように構成している。
【００１４】
本発明において、好ましくは、複数の噴射ポートは、各噴射ポートから加速噴射される混合ガスの広がり幅と同じ間隔又は小さい間隔で離間配置されている。
このように構成された本発明によれば、複数の噴射ポートから加速噴射された混合ガスの加速噴流が、互いに隣接する噴射ポートから噴射された加速噴流と広がり方向において隣接するか又は一部が重なるため、途切れることなく連続した広がりを有する混合ガスを改質器に対して供給することができる。
【００１５】
本発明において、好ましくは、複数の噴射ポートは、均等間隔に配置されている。
このように構成された本発明によれば、噴射ポートを均等間隔で配置することにより、改質器に対してより均一に混合ガスを供給することができる。
【００１６】
本発明において、好ましくは、燃料供給通路は、噴射ポートから改質器の入口までの間の、混合ガスの減速通路が、混合ガスの加速噴流を減速させるための構造物が設けられていない単一空間である。
このように構成された本発明によれば、加速噴流は流れを阻害されることなく減速流路を通過できるので、減速流路において混合ガスに対するモジュールケースの温度ムラの影響をより小さくすることができる。
【００１７】
本発明において、好ましくは、燃料供給通路は、減速流路の下流側に、混合ガスの加速噴流の分散性を高めるための衝突壁を有し、混合ガスの加速噴流は、衝突壁への衝突後に改質器の入口に入るように構成されている。
このように構成された本発明によれば、減速流路の下流側に設けられた衝突壁に混合ガスの加速噴流が衝突することにより、混合ガスの分散性がより高められるので、分散性が高められた混合ガスにより、改質器に対してより均一に混合ガスを供給することができる。
【００１８】
本発明において、好ましくは、気化混合室は、水供給ポートから前記噴射ポートへ向かう水蒸気に対して、原燃料ガスを側方から噴出して供給する燃料ガス供給機構を備えている。
このように構成された本発明によれば、水蒸気の流れに対して、原燃料ガスを側方から噴出させて合流させることにより、水蒸気と原燃料ガスの混合性をより高めたうえで、減速流路に向けて混合ガスを噴射することができる。
【００１９】
本発明において、好ましくは、気化混合室に水を供給する水供給ポートが互いに離間して複数備えられている。
このように構成された本発明によれば、複数の水供給ポートを離間して気化混合室内に配置することにより、生成された水蒸気の気化混合室内での圧力分布の変化を小さくすることができるので、気化混合室から噴射される複数の加速噴流の圧力のバラツキを小さくすることが可能となる。
【００２０】
本発明において、好ましくは、複数の水供給ポートは、均等間隔に配置されている。
このように構成された本発明によれば、複数の水供給ポートを気化混合室内に均等間隔に配置することにより、水蒸気の気化混合室内での圧力分布の変化をより小さくして、複数の加速噴流の圧力のバラツキをより小さくすることが可能となる。
【００２１】
本発明において、好ましくは、気化混合室に原燃料ガスを供給する燃料供給ポートが互いに離間して複数備えられている。
このように構成された本発明によれば、複数の燃料供給ポートを離間して気化混合室内に配置することにより、気化混合室内での原燃料ガスの分布をより均一にすることができるので、気化混合室内での混合性をより良好にすることが可能となる。
【００２２】
本発明において、好ましくは、気化混合室は、燃料供給ポートから供給された原燃料ガスを、燃料ガス供給機構に対して分散して供給するための分散ポートを備えている。
このように構成された本発明によれば、予め原燃料ガスを分散ポートを通して分散させた後、水蒸気に対して原燃料ガスを混合させることによって、より混合性を高めることができる。
【００２３】
本発明において、好ましくは、分散ポートは複数設けられており、分散ポートと噴射ポートとは、モジュールケースの周方向において、位置をずらして設けられている。
このように構成された本発明によれば、原燃料ガスを分散する分散ポートと、混合ガスを噴射する噴射ポートとが、周方向において位置がずれているので、気化混合室内で分散ポートから噴射ポートまでの原燃料の移動距離を長くして、より混合性を高めることができる。
【００２４】
本発明において、好ましくは、気化混合室は、燃料ガス供給機構と噴射ポートとの間に、燃料ガス供給機構側からの原燃料ガスと水蒸気とを集約して噴射ポート側へ流出させるための集約ポートを備えている。
このように構成された本発明によれば、燃料ガスと水蒸気とが集約ポートで集約されることによって混合が促進されるため、噴射ポートから噴射される前により混合性を高めることができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の固体酸化物型燃料電池装置によれば、水蒸気と原燃料ガスとを十分に混合し、且つ、改質器に対して均一に混合ガスを導入することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池装置（ＳＯＦＣ）を示す全体構成図である。
【図２】本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池装置に内蔵されている燃料電池セル収容容器の断面図である。
【図３】本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池装置に内蔵されている燃料電池セル収容容器の主な部材を分解して示した断面図である。
【図４】本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池装置に内蔵されている排気集約室の部分を拡大して示す断面図である。
【図５】図２におけるV−V断面である。
【図６】（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７】本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池装置の燃料ガス供給流路を示す断面図である。
【図８】本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池装置の燃料ガス供給流路を説明する斜視図である。
【図９】本発明の変形例による固体酸化物型燃料電池装置の燃料ガス供給流路を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
次に、添付図面を参照して、本発明の実施形態による固体酸化物型燃料電池装置（ＳＯＦＣ）を説明する。
図１は、本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池装置（ＳＯＦＣ）を示す全体構成図である。この図１に示すように、本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池装置（ＳＯＦＣ）１は、燃料電池モジュール２と、補機ユニット４を備えている。
【００２８】
燃料電池モジュール２は、ハウジング６を備え、このハウジング６内部には、断熱材７を介して燃料電池セル収容容器８が配置されている。この燃料電池セル収容容器８内の内部には発電室１０が構成され、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空気の発電反応が行われる。
【００２９】
各燃料電池セル１６の上端部には、排気集約室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燃料（オフガス）は、上端部に取り付けられた排気集約室１８に集められ、この排気集約室１８の天井面に設けられた複数の噴出口から流出される。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され、排気ガスが生成されるようになっている。
【００３０】
次に、補機ユニット４は、水道等の水供給源２４からの水を貯水してフィルターにより純水とする純水タンク２６と、この純水タンクから供給される水の流量を調整する水供給装置である水流量調整ユニット２８（モータで駆動される「水ポンプ」等）を備えている。また、補機ユニット４は、都市ガス等の燃料供給源３０から供給された炭化水素系の原燃料ガスの流量を調整する燃料供給装置である燃料ブロア３８（モータで駆動される「燃料ポンプ」等）を備えている。
【００３１】
なお、燃料ブロア３８を通過した原燃料ガスは、燃料電池モジュール２内に配置された脱硫器３６と、熱交換器３４、電磁弁３５を介して燃料電池セル収容容器８の内部に導入される。脱硫器３６は、燃料電池セル収容容器８の周囲に環状に配置されており、原燃料ガスから硫黄を除去するようになっている。また、熱交換器３４は、脱硫器３６において温度上昇した高温の原燃料ガスが直接電磁弁３５に流入し、電磁弁３５が劣化されるのを防止するために設けられている。電磁弁３５は、燃料電池セル収容容器８内への原燃料ガスの供給を停止するために設けられている。
【００３２】
補機ユニット４は、空気供給源４０から供給される空気の流量を調整する酸化剤ガス供給装置である空気流量調整ユニット４５（モータで駆動される「空気ブロア」等）を備えている。
【００３３】
さらに、補機ユニット４には、燃料電池モジュール２からの排気ガスの熱を回収するための温水製造装置５０が備えられている。この温水製造装置５０には、水道水が供給され、この水道水が排気ガスの熱により温水となり、図示しない外部の給湯器の貯湯タンクへ供給されるようになっている。
さらに、燃料電池モジュール２には、燃料電池モジュール２により発電された電力を外部に供給するための電力取出部（電力変換部）であるインバータ５４が接続されている。
【００３４】
次に、図２及び図３により、本発明の実施形態による固体酸化物型燃料電池装置（ＳＯＦＣ）の燃料電池モジュールに内蔵された燃料電池セル収容容器の内部構造を説明する。図２は燃料電池セル収容容器の断面図であり、図３は燃料電池セル収容容器の主な部材を分解して示した断面図である。
図２に示すように、燃料電池セル収容容器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、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。
【００３５】
まず、図２に示すように、燃料電池セル収容容器８は、概ね円筒状の密閉容器であり、その側面には、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、及び排気ガスを排出する排ガス排出パイプ５８が接続されている。さらに、燃料電池セル収容容器８の上端面からは、排気集約室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が突出している。
【００３６】
図２及び図３に示すように、燃料電池セル収容容器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円筒部材６４、外側円筒部材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構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、燃料電池セル収容容器８の下端側の開放空間は、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の底面を構成する概ね円形の分散室底部材７２により塞がれている。
【００３７】
内側円筒部材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、内側円筒部材６４の内壁面には、分散室形成板である円形の第１固定部材６３が気密的に溶接されている。この第１固定部材６３の下面と、内側円筒部材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、第１固定部材６３には、各々燃料電池セル１６を挿通させる複数の挿通穴６３ａが形成されており、各燃料電池セル１６は、各挿通穴６３ａに挿通された状態で、セラミック接着剤により第１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型燃料電池装置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。
【００３８】
外側円筒部材６６は、内側円筒部材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、内側円筒部材６４と概ね相似形に形成されている。さらに、内側円筒部材６４と外側円筒部材６６の間には中間円筒部材６５が配置されている。中間円筒部材６５は、内側円筒部材６４と外側円筒部材６６の間に配置された円筒状の管であり、内側円筒部材６４の外周面と中間円筒部材６５の内周面の間には改質部９４が構成されている。また、中間円筒部材６５の外周面と、外側円筒部材６６の内周面の間の円環状の空間は、燃料ガス供給流路２０として機能する。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における発熱及び排気集約室１８上端における残余燃料の燃焼により熱を受ける。また、内側円筒部材６４の上端部と外側円筒部材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、中間円筒部材６５の下端と、内側円筒部材６４の外周面は、溶接により気密的に接合されている。
【００３９】
内側円筒容器６８は、外側円筒部材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、外側円筒部材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、側面が外側円筒部材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。外側円筒部材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（図２）として機能する。この排ガス排出流路２１は、内側円筒部材６４の上端部に設けられた複数の小穴６４ａを介して内側円筒部材６４の内側の空間と連通している。また、内側円筒容器６８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。
【００４０】
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、外側円筒部材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、外側円筒部材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。固体酸化物型燃料電池装置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。
【００４１】
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、外側円筒容器７０の下部側面には、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。
【００４２】
分散室底部材７２は、概ね円形の皿状の部材であり、内側円筒部材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、第１固定部材６３と分散室底部材７２の間に、燃料ガス分散室７６が構成される。また、分散室底部材７２の中央には、バスバー８０（図２）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を通して燃料電池セル収容容器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７６の気密性が確保されている。さらに、挿通管７２ａの周囲には、断熱材７２ｂ（図２）が配置されている。
【００４３】
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噴射用パイプ７４が取り付けられている。この酸化剤ガス噴射用パイプ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。酸化剤ガス噴射用パイプ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と酸化剤ガス噴射用パイプ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空気は、酸化剤ガス噴射用パイプ７４の先端から下方に噴射され、第１固定部材６３の上面に当たって、発電室１０内全体に広がる。
【００４４】
燃料ガス分散室７６は、第１固定部材６３と分散室底部材７２の間に構成される円筒形の気密性のあるチャンバーであり、その上面に各燃料電池セル１６が林立されている。第１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、第１固定部材６３の挿通穴６３ａ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は第１固定部材６３に、接着により固定されている。
【００４５】
図２に示すように、内側円筒部材６４には、第１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。内側円筒部材６４の外周と中間円筒部材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、外側円筒部材６６の内周と中間円筒部材６５の外周の間の空間を一旦上昇した後、内側円筒部材６４の外周と中間円筒部材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（第１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。
【００４６】
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、燃料電池セル収容容器８の外部へ取り出すための細長い金属導体であり、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、燃料電池セル収容容器８の外部において、インバータ５４（図１）に接続される。なお、集電体８２は、排気集約室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（図４）。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組の燃料電池セル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。
【００４７】
次に、図４及び図５を参照して、排気集約室の構成を説明する。
図４は排気集約室の部分を拡大して示す断面図であり、図５は、図２におけるV−V断面である。
図４に示すように、排気集約室１８は、各燃料電池セル１６の上端部に取り付けられたドーナツ型断面のチャンバーであり、この排気集約室１８の中央には、酸化剤ガス噴射用パイプ７４が貫通して延びている。
【００４８】
図５に示すように、内側円筒部材６４の内壁面には、排気集約室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。図４に示すように、各ステー６４ｃは金属製の薄板を折り曲げた小片であり、排気集約室１８を各ステー６４ｃの上に載置することにより、排気集約室１８は内側円筒部材６４と同心円上に位置決めされる。これにより、排気集約室１８の外周面と内側円筒部材６４の内周面の間の隙間、及び排気集約室１８の内周面と酸化剤ガス噴射用パイプ７４の外周面との間の隙間は、全周で均一になる（図５）。
【００４９】
排気集約室１８は、集約室上部材１８ａ及び集約室下部材１８ｂが気密的に接合されることにより構成されている。
集約室下部材１８ｂは、上方が開放された円形皿状の部材であり、その中央には、酸化剤ガス噴射用パイプ７４を貫通させるための円筒部が設けられている。
集約室上部材１８ａは、下方が開放された円形皿状の部材であり、その中央には、酸化剤ガス噴射用パイプ７４を貫通させるための開口部が設けられている。集約室上部材１８ａは、集約室下部材１８ｂの上方に開口したドーナツ型断面の領域に嵌め込まれる形状に構成されている。
【００５０】
集約室下部材１８ｂの周囲の壁の内周面と集約室上部材１８ａの外周面の間の隙間にはセラミック接着剤が充填され、硬化されており、この接合部の気密性が確保されている。また、この接合部に充填されたセラミック接着剤により形成されたセラミック接着剤層の上には、大径シールリング１９ａが配置され、セラミック接着剤層を覆っている。大径シールリング１９ａは円環状の薄板であり、セラミック接着剤の充填後、充填されたセラミック接着剤を覆うように配置され、接着剤の硬化により排気集約室１８に固定される。
【００５１】
一方、集約室下部材１８ｂ中央の円筒部の外周面と、集約室上部材１８ａ中央の開口部の縁の間にもセラミック接着剤が充填され、硬化されており、この接合部の気密性が確保されている。また、この接合部に充填されたセラミック接着剤により形成されたセラミック接着剤層の上には、小径シールリング１９ｂが配置され、セラミック接着剤層を覆っている。小径シールリング１９ｂは円環状の薄板であり、セラミック接着剤の充填後、充填されたセラミック接着剤を覆うように配置され、接着剤の硬化により排気集約室１８に固定される。
【００５２】
集約室下部材１８ｂの底面には複数の円形の挿通穴１８ｃが設けられている。各挿通穴１８ｃには燃料電池セル１６の上端部が夫々挿通され、各燃料電池セル１６は各挿通穴１８ｃを貫通して延びている。各燃料電池セル１６が貫通している集約室下部材１８ｂの底面上にはセラミック接着剤が流し込まれ、これが硬化されることにより、各燃料電池セル１６の外周と各挿通穴１８ｃの間の隙間が気密的に充填されると共に、各燃料電池セル１６が集約室下部材１８ｂに固定されている。
【００５３】
さらに、集約室下部材１８ｂの底面上に流し込まれたセラミック接着剤の上には、円形薄板状のカバー部材１９ｃが配置され、セラミック接着剤の硬化により集約室下部材１８ｂに固定されている。カバー部材１９ｃには、集約室下部材１８ｂの各挿通穴１８ｃと同様の位置に複数の挿通穴が設けられており、各燃料電池セル１６の上端部はセラミック接着剤の層及びカバー部材１９ｃを貫通して延びている。
【００５４】
一方、排気集約室１８の天井面には、集約された燃料ガスを噴出させるための複数の噴出口１８ｄが設けられている（図５）。各噴出口１８ｄは、集約室上部材１８ａに、円周上に配置されている。発電に使用されずに残った燃料は、各燃料電池セル１６の上端から排気集約室１８内に流出し、排気集約室１８内で集約された燃料は各噴出口１８ｄから流出し、そこで燃焼される。
【００５５】
次に、図２を参照して、燃料供給源３０から供給される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、内側円筒部材６４と外側円筒部材６６の間の空間で構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、外側円筒部材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から構成されている。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、その外周縁が外側円筒部材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、内側円筒部材６４の外壁面との間には隙間が設けられている。
【００５６】
水供給パイプ８８は内側円筒部材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２８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の上面と外側円筒部材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。
【００５７】
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いる。燃料ブロア３８から送られた原燃料ガスは、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は内側円筒部材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３８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。
【００５８】
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、外側円筒部材６６の内周と中間円筒部材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。
【００５９】
さらに、中間円筒部材６５の内周と内側円筒部材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、その上方の排気集約室１８の周囲を取り囲むように配置されている。改質部９４は、内側円筒部材６４の外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。
【００６０】
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。
ＣmＨn＋ｘＨ2Ｏ  →  aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2              （１）
【００６１】
改質部９４において改質された燃料ガスは、中間円筒部材６５の内周と内側円筒部材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、排気集約室１８から流出するオフガスの燃焼熱、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。
【００６２】
次に、図６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型燃料電池装置１においては、燃料電池セル１６として、固体酸化物を用いた円筒横縞型セルが採用されている。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が構成されている。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。
【００６３】
図６（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６（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。
【００６４】
図６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。多孔質支持体９７の周囲には、内側から順に、燃料極層９８、反応抑制層９９、固体電解質層１００、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、酸化剤ガス噴射用パイプ７４から噴射された空気は、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。
【００６５】
図６（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の外周に電極層１０３ａが形成され、この電極層１０３ａの外側にリード膜層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及びリード膜層１０４ａは、燃料電池セル１６端部において第１固定部材６３を貫通し、第１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、第１固定部材６３の挿通穴６３ａの縁とリード膜層１０４ａの間の隙間には、セラミック接着剤が充填されており、燃料電池セル１６は、リード膜層１０４ａの外周で第１固定部材６３に固定される。
【００６６】
図６（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層１０４ｂが形成されている。これらの電極層１０３ｂ及びリード膜層１０４ｂは、燃料電池セル１６端部において第１固定部材６３を貫通し、第１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、第１固定部材６３の挿通穴６３ａの縁とリード膜層１０４ｂの間の隙間には、セラミック接着剤が充填されており、燃料電池セル１６は、リード膜層１０４ｂの外周で第１固定部材６３に固定される。
【００６７】
図６（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。なお、上端部においては、各燃料電池セル１６は、排気集約室１８の集約室下部材１８ｂに固定されているが、固定部分の構成は下端部における第１固定部材６３に対する固定と同様である。
【００６８】
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。
【００６９】
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、Ｌａ0.9Ｓｒ0.1Ｇａ0.8Ｍｇ0.2Ｏ3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。
【００７０】
空気極層１０１は、本実施形態においては、Ｌａ0.6Ｓｒ0.4Ｃｏ0.8Ｆｅ0.2Ｏ3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）により構成さ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。
【００７１】
次に、図１及び図２を参照して、固体酸化物型燃料電池装置１の作用を説明する。
まず、固体酸化物型燃料電池装置１の起動工程において、燃料ブロア３８が起動され、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。燃料ブロア３８により供給された燃料は、脱硫器３６、熱交換器３４、電磁弁３５を介して、燃料ガス供給パイプ９０から燃料電池セル収容容器８の内部に流入する。流入した燃料は、燃料ガス供給流路２０内を上端まで上昇した後、改質部９４内を下降し、内側円筒部材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、固体酸化物型燃料電池装置１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。
【００７２】
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の第１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）を通って排気集約室１８に流入する。なお、固体酸化物型燃料電池装置１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５４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。
【００７３】
排気集約室１８に流入した燃料は、排気集約室１８の噴出口１８ｄから噴出される。噴出口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、排気集約室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、内側円筒部材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。高温の排気ガスは、排ガス排出流路２１内を下降し、その内側に設けられた燃料ガス供給流路２０を流れる燃料、外側に設けられた酸化剤ガス供給流路２２内を流れる発電用の空気を加熱する。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を通って燃料電池セル収容容器８から排出される。
【００７４】
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、水流量調整ユニット２８により、水供給パイプ８８を介して燃料電池セル収容容器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。
【００７５】
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ガスが改質部９４を通過する際、水蒸気改質反応が発生し、混合ガス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。
【００７６】
一方、空気流量調整ユニット４５により供給された酸化剤ガスである空気は、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内を上昇した空気は、燃料電池セル収容容器８内の上端部で中央に集められ、酸化剤ガス供給流路２２に連通された酸化剤ガス噴射用パイプ７４に流入する。酸化剤ガス噴射用パイプ７４に流入した空気は下端から発電室１０内に噴射され、噴射された空気は第１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内に流入した空気は、排気集約室１８の外周壁と内側円筒部材６４の内周壁の間の隙間、及び排気集約室１８の内周壁と酸化剤ガス噴射用パイプ７４の外周面の間の隙間を通って上昇する。
【００７７】
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の一部は発電反応に利用される。また、排気集約室１８の上方に上昇した空気の一部は、排気集約室１８の噴出口１８ｄから噴出する燃料の燃焼に利用される。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。排ガス排出流路２１に流入した排気ガス及び空気は、燃焼触媒６０により一酸化炭素が除去された後、排出される。
【００７８】
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、燃料電池セル収容容器８から引き出されているバスバー８０にインバータ５４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。
【００７９】
また、本実施形態の固体酸化物型燃料電池装置１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噴射用パイプ７４から噴射され、発電室１０内を排気集約室１８と内側円筒部材６４の間の均等な隙間及び排気集約室１８と酸化剤ガス噴射用パイプ７４の間の均等な隙間を通って上昇する。このため、発電室１０内の空気の流れは、ほぼ完全に軸対称の流れとなり、各燃料電池セル１６の周囲には、ムラなく空気が流れる。これにより、各燃料電池セル１６間の温度差が抑制され、各燃料電池セル１６で均等な起電力を発生することができる。
【００８０】
次に、図７及び図８を参照して、固体酸化物型燃料電池装置１の燃料ガス供給流路２０の構成及び作用について詳細に説明する。
図７は固体酸化物型燃料電池装置１の燃料ガス供給流路２０を示す断面図、図８は燃料ガス供給流路２０を説明する斜視図である。
【００８１】
燃料電池セル１６を収容するモジュールケースとしての筒状の内側円筒部材６４と、その外側に同心円状に配置された外側円筒部材６６とに挟まれて、略円環状の燃料ガス供給流路２０が上下方向に延びるように形成されている。さらに、内側円筒部材６４と外側円筒部材６６の間に、これら流路形成部材と同心円状に中間円筒部材６５が配置されることにより、燃料ガス供給流路２０は、径方向外側と径方向内側にそれぞれ流路が形成されている。径方向外側の流路では流路方向は上向きであり、径方向内側の流路では流路方向は下向きである。
【００８２】
図７に示されているように、燃料ガス供給流路２０は、上流側から気化混合室２０ａ，減速流路２０ｂ，改質触媒保持部２０ｃ，改質後流路２０ｄを有する。
気化混合室２０ａは、内側円筒部材６４，中間円筒部材６５，外側円筒部材６６，中間円筒部材６５の円環状の底部材６５ａ，外側円筒部材６６の円環状の下部材６６ｂ，及び円環状の金属板である燃料ガス供給流路隔壁９２で囲まれた略円環状の圧力室である。気化混合室２０ａと減速流路２０ｂは燃料ガス供給流路隔壁９２で仕切られている。燃料ガス供給流路隔壁９２には、噴射ポートである複数（本例では１２個）の噴射口９２ａが、燃料ガス供給流路隔壁９２の周方向に等間隔に形成されている。
【００８３】
気化混合室２０ａは、円環状の金属板である隔壁９１によって、下側の第１圧力室２０ａａと、上側の第２圧力室２０ａｂとに仕切られている。隔壁９１には、分散ポートである複数（本例では１２個）の噴射口９１ａが、隔壁９１の周方向に等間隔に形成されている。燃料ガス供給パイプ９０を介して外部から燃料ガス供給室である第１圧力室２０ａａ内に供給された原燃料ガスは、第１圧力室２０ａａ内で周方向に拡がり、噴出口９１ａを通って第２圧力室２０ａｂ内に噴射される。この噴射により、原燃料ガスは、第２圧力室２０ａｂ内で周方向に略均等に分散され、後に水蒸気と混合し易くなる。
なお、複数の燃料ガス供給パイプ９０を環状の第１圧力室２０ａａに対して周方向に均等な間隔で配置することが好ましい。このように構成することにより、第１圧力室２０ａａ内での原燃料ガスの分布を周方向により均一にすることができ、噴射口９１ａを通して第２圧力室２０ａｂに周方向に略均一に原燃料ガスを供給することが可能となる。
【００８４】
第２圧力室２０ａｂ内では、外側円筒部材６６の内周面から径方向内側へ向けて斜め上方へ延びる傾斜板８６ａによって、内側円筒部材６４と外側円筒部材６６との間の流路が狭められている。さらに狭められた流路の上方に内側円筒部材６４の外周面から中間円筒部材６５の底部材６５ａが張り出して流路の上方を遮っている。したがって、噴射口９１ａを通って気化混合室２０ｂ内へ噴射された原燃料ガスは、傾斜版８６ａと内側円筒部材６４の間の狭められた流路に向けて誘導される。傾斜版８６ａと内側円筒部材６４の間の流路を通過して上方へ向かう原燃料ガスは、底部材６５ａによって、径方向外側へ向かうように流れの向きが変更され、側方へ向けて噴出される。
【００８５】
一方、蒸発部８６は、水供給パイプ８８から供給された水を気化して水蒸気を生成し、上方へ供給する。その際、第２圧力室２０ａｂは、水の気化膨張により圧力が高められる。第２圧力室２０ａｂは、下側，上側にそれぞれ隔壁９１，燃料ガス供給流路隔壁９２が配置されているので、水の気化膨張圧によって上昇した室内の圧力を高圧に保持することができる。
【００８６】
底部材６５ａによって流れの方向を水平方向に変更された原燃料ガスは、蒸発器８６の上方で、上方へ向かう水蒸気の流れに対して側方から噴出され、水蒸気に対して混合される。これにより、原燃料ガスと水蒸気の混合性が高められる。傾斜板８６ａ及び底部材６５ａは、噴射口９２ａに向かう水蒸気の流れに対して、原燃料ガスを側方から噴出させるための燃料ガス供給機構として機能する。その後、混合性が高められた原燃料ガスと水蒸気の混合ガスは、上方へ向かって流れ、噴射口９２ａを通って流速を高められて減速流路２０ｂ内に噴射される。
なお、複数の水供給パイプ８８を環状の蒸発部８６に対して周方向に均等な間隔で配置することが好ましい。このように構成することにより、第２圧力室２０ａｂ内での水蒸気の圧力分布を周方向により均一にすることができ、噴射口９２ａからの加速噴流の圧力のバラつきを小さくすることが可能となる。
【００８７】
減速流路２０ｂは、中間円筒部材６５と外側円筒部材６６に挟まれ、燃料ガス供給流路隔壁９２から上方へ延びる円環状の空間であり、最上部に外側円筒部材６６の円環状の上部材６６ｃが設けられ、流路が上方から下方へと折り返されている。図８に示すように、噴射口９２ａから上方へ向けて噴射された混合ガスの加速噴流は、減速流路２０ｂ内で周方向に広がるように略扇形の噴射パターンＡを形成する。混合ガスの加速噴流は、噴射口９２ａで最も流速が大きく、上方へ移動する距離が長くなるに伴って重力や周囲流体から受ける抗力等の影響により流速が小さくなると共に、噴射パターンＡに従って周方向に広がる。
【００８８】
そして、周方向に広がった噴射流は、減速流路２０ｂの最上部にある衝突壁としての上部材６６ｃに対して減速しながら衝突する。上部材６６ｃと衝突した噴射流は、流れの向きが変更されると共に周方向に分散され、分散性が高められた状態で改質触媒保持部２０ｃに配置された改質部９４の入口９４ａに誘導される。
【００８９】
本実施形態のように、発電室１０を形成する内側円筒部材６４の外周面に沿って燃料ガス供給流路２０を形成すると、発電室１０内の温度分布にムラがあると、減速流路２０ｂのうち、発電室１０の局所的高温領域に対応する部分に混合ガスが流れやすくなり、燃料ガス供給流路２０を通過中に混合ガスにムラが生じるおそれがある。しかしながら、本実施形態では、混合ガスは、噴射口９２ａから速度を高められた状態で改質部９４に向けて噴射されるので、内側円筒部材６４を挟んで隣接している発電室１０内の温度分布のムラによる影響をほとんど受けることなく、減速流路２０ｂを通過することができる。
【００９０】
本実施形態では、隣接する噴射パターンＡが上部材６６ｃの位置において一部が重なるか、周方向に隙間を空けないように隣接する。すなわち、上部材６６ｃが全周にわたって少なくとも１つの噴射口９２ａからの噴射流によって混合ガスを受けるように、減速流路２０ｂの上下方向の流路長さ、噴射口９２ａの配置間隔，噴射口９２ａでの加速噴流の広がり角度，噴射口９２ａでの噴射圧等が設定されている。図８では、噴射パターンＡの上部材６６ｃの位置での周方向の拡がり幅が、噴射口９２ａの配置間隔と同じか、それよりも大きく設定されている。このような噴射パターンＡを有することにより、混合ガスは、改質触媒９６に対して周方向に略均等に分散して供給される。
【００９１】
本実施形態では、噴射口９２ａの個数と噴射口９１ａの個数は同数であるが、噴射口９２ａ及び噴射口９１ａは互いに周方向の位置をずらして配置されている（図８参照）。すなわち、隣接する噴射口９２ａの周方向の中央に位置するように噴射口９１ａが設けられている。このように構成することにより、噴射口９１ａを通過した原燃料ガスが噴射口９２ａに到達するまでの距離が長くなるので、原燃料ガスと水蒸気との混合性をより高めることができる。なお、噴射口９２ａの個数と噴射口９１ａの個数は同数でなくてもよく、また、位置が周方向にずれていなくてもよい。
【００９２】
衝突壁である上部材６６ｃは、中間円筒部材６５と内側円筒部材６４の間に設けられた改質触媒保持部２０ｃへの入口９４ａの手前に配置されているため、上部材６６ｃに衝突した混合ガスは、周方向に分散して、より混合した状態で、改質部９４の入口９４ａに導入される。混合ガスは、改質触媒９６により水蒸気改質された後、改質後流路２０ｄを通って、燃料ガス供給流路２０の最下流に設けられた小穴６４ｄを通過して燃料ガス分散室７６に流入する。
【００９３】
まず、本実施形態においては、筒状の内側円筒部材６４の外周面に沿って上下方向に延びる環状の燃料ガス供給流路２０において、混合ガスを気化混合室２０ａから改質部９４へ向けて上方へ加速した高速な流れとして供給するように構成している。これにより、燃料ガス供給流路２０を流れる混合ガスに対する内側円筒部材６４の温度ムラの影響を大幅に低減することができる。
次に、本実施形態では、気化混合室２０ａにおいて、気化膨張させた水蒸気と原燃料ガスとを予め混合し、混合性を高めたうえで、混合ガスを加速噴射するように構成している。さらに、本実施形態では、混合ガスの加速噴流が改質部９４の手前で減速し、分散するように構成している。本実施形態では、気化膨張圧力，加速噴流の減速及び分散をさらに利用することによって、混合ガスの良好な混合性及び改質部９４全体への略均等な分散性を有する優れた燃料供給形態を備えた燃料電池装置１を提供することができる。
【００９４】
内側円筒部材６４の温度ムラの影響を受けずに、１本の加速噴流を拡げて混合ガスを改質部９４に対して十分に分散させるには限度がある。このため、本実施形態では、混合ガスを改質部９４の入口９４ａへ向けて加速噴射させる噴射口９２ａを複数設けることにより、複数本の加速噴流によって、内側円筒部材６４の温度ムラの影響を受けることなく混合ガスを改質部９４に対して十分に分散させるように構成している。
【００９５】
また、本実施形態では、複数の噴射口９２ａから加速噴射された混合ガスの加速噴流が、互いに隣接する噴射口９２ａから噴射された加速噴流と広がり方向において隣接するか又は一部が重なるため、途切れることなく連続した広がり方向の範囲で混合ガスを改質部９４に対して供給することができる。
【００９６】
また、本実施形態では、噴射口９２ａを均等間隔で配置することにより、改質部９４に対してより均一に混合ガスを供給することができる。
また、本実施形態では、加速噴流は流れを阻害されることなく減速流路２０ｂを通過できるので、減速流路２０ｂにおいて混合ガスに対する内側円筒部材６４の温度ムラの影響をより小さくすることができる。
【００９７】
また、本実施形態では、減速流路２０ｂの下流側に設けられた衝突壁である上部材６６ｃに混合ガスの加速噴流が衝突することにより、混合ガスの分散性がより高められるので、分散性が高められた混合ガスにより、改質部９４に対してより均一に混合ガスを供給することができる。
また、本実施形態では、複数の水供給パイプ８８を離間して気化混合室２０ａ内に配置することにより、生成された水蒸気の気化混合室２０ａ内での圧力分布の変化を小さくすることができるので、気化混合室２０ａから噴射される複数の加速噴流の圧力のバラツキを小さくすることが可能となる。
また、本実施形態では、複数の水供給パイプ８８を気化混合室２０ａ内に均等間隔に配置することにより、水蒸気の気化混合室２０ａ内での圧力分布の変化をより小さくして、複数の加速噴流の圧力のバラツキをより小さくすることが可能となる。
【００９８】
また、本実施形態では、複数の燃料ガス供給パイプ９０を離間して気化混合室２０ａ内に配置することにより、気化混合室２０ａ内での原燃料ガスの分布をより均一にすることができるので、気化混合室２０ａ内での混合性をより良好にすることが可能となる。
また、本実施形態では、水蒸気の流れに対して、原燃料ガスを側方から噴出させて合流させることにより、水蒸気と原燃料ガスの混合性をより高めたうえで、減速流路２０ｂに向けて混合ガスを噴射することができる。
【００９９】
また、本実施形態では、予め原燃料ガスを分散ポートである噴射口９１ａを通して分散させた後、水蒸気に対して原燃料ガスを混合させることによって、より混合性を高めることができる。
また、本実施形態では、原燃料ガスを分散する噴射口９１ａと、混合ガスを噴射する噴射口９２ａとが、周方向において位置がずれているので、気化混合室２０ａ内で噴射口９１ａから噴射口９２ａまでの原燃料の移動距離を長くして、より混合性を高めることができる。
【０１００】
次に、図９を参照して変形例を説明する。本変形例は、気化混合室２０ａがさらに集約ポートを備えた構成である。すなわち、本変形例では、燃料ガス供給機構と噴射ポートとの間に燃料ガスと水蒸気とを集約する集約ポートを備えている。なお、他の構成は、前述した実施形態と同じであるため、重複する説明は省略する。
【０１０１】
本変形例では、燃料ガス供給機構と噴射口９２ａ（噴射ポート）との間に、１つの噴射口９３ａ（集約ポート）を有する環状の隔壁９３が配置されている。噴射口９３ａは、水供給パイプ８８（水供給ポート）や燃料ガス供給パイプ９０（燃料供給ポート）とは周方向で離れた位置に配置することが好ましい。例えば、水供給パイプ８８が１つのみ配置されている場合は、噴射口９３ａは水供給パイプ８８に対して１８０度反対の位置に配置され、水供給パイプ８８が２つ配置されている場合は、噴射口９３ａは２つの水供給パイプ８８に対して周方向の中間位置に配置される。また、水供給パイプ８８と燃料ガス供給パイプ９０が周方向で同じ角度位置に配置される場合は、噴射口９３ａはこれらに対して１８０度反対の位置に配置される。これにより、水供給パイプ８８の出口及び燃料ガス供給パイプ９０の出口から噴射口９３ａまでの距離を長く設定することができるので、燃料ガス供給機構において水蒸気の流れに対して側方から原燃料ガスを噴出させて水蒸気及び原燃料ガスを合流させた後に、さらに混合ガスの混合性を高めることができる。
【０１０２】
混合ガスは、燃料ガス供給機構側から１つの噴射口９３ａに至るまでの間に徐々に集約され、最終的に噴射口９３ａで集約され、噴射口９２ａ側へ流出されることにより混合性が高められる。その後、混合ガスは、噴射口９２ａから減速流路２０ｂに噴射される前に、噴射口９３ａから噴射口９２ａまでの間においても、１つの噴射口９３ａから複数の噴射口９２ａに向けて分散しながら移動し、混合がさらに促進される。このため、噴射口９２ａから噴射される前により混合性を高めることができる。
【０１０３】
噴射口９３ａから流出された混合ガスを、燃料ガス供給流路隔壁９２の周方向全域に渡って均等間隔に配置された複数の噴射口９２ａに向けて分散させることによって混合ガスの混合性を高めるため、噴射口９３ａは、隔壁９３の一部の領域に設ければよい。これにより、隔壁９３の一部の領域から燃料ガス供給流路隔壁９２の周方向全域に渡って混合ガスが分散し、混合ガスの混合が促進される。したがって、一部の領域内であれば噴射口９３ａの数は１つに限らず、複数設けられていてもよい。
また、噴射口９３ａを設ける隔壁９３の一部の領域は、混合性を向上させるために、水供給ポートや燃料ガス供給ポートからの距離が遠くなる位置、すなわち水供給ポートや燃料ガス供給ポートとは周方向の反対の位置に設定することが好ましい。
【符号の説明】
【０１０４】
１    固体酸化物型燃料電池装置
２    燃料電池モジュール
４    補機ユニット
７    断熱材
８    燃料電池セル収容容器
１０    発電室
１１    混合室
１２ａ  第１空気排出通路
１２ｂ  第２空気排出通路
１６    燃料電池セル
１６ａ  単セル
１８    排気集約室
１８ａ  集約室上部材
１８ｂ  集約室下部材
１８ｃ  挿通穴
１８ｄ  噴出口
１８ｅ  接着剤充填枠
１９ａ  大径シールリング
１９ｂ  小径シールリング
１９ｃ  カバー部材
２０    燃料ガス供給流路（燃料供給通路）
２０ａ  気化混合室
２０ｂ  減速流路
２０ｃ  改質触媒保持部
２０ｄ  改質後流路
２１    排ガス排出流路
２２    酸化剤ガス供給流路
２４    水供給源
２６    純水タンク
２８    水流量調整ユニット
３０    燃料供給源
３４    熱交換器
３５    電磁弁
３６    脱硫器
３８    燃料ブロア
４０    空気供給源
４５    空気流量調整ユニット
５０    温水製造装置
５４    インバータ
５６    酸化剤ガス導入パイプ
５８    排ガス排出パイプ
６０    燃焼触媒
６１    シースヒーター
６２    点火ヒーター
６３    第１固定部材
６３ａ  挿通穴
６３ｂ  接着剤充填枠
６４    内側円筒部材（モジュールケース）
６４ａ  小穴
６４ｂ  小穴
６４ｃ  ステー
６４ｄ  棚部材
６５    中間円筒部材
６６    外側円筒部材
６６ａ  棚部材
６６ｂ  下部材
６６ｃ  上部材
６７    カバー部材
６８    内側円筒容器
６８ａ  出口ポート
７０    外側円筒容器
７２    分散室底部材
７２ａ  挿通管
７２ｂ  断熱材
７２ｃ  フランジ部
７４    酸化剤ガス噴射用パイプ
７４ａ  空気噴出口
７６    燃料ガス分散室
７８    碍子
８０    バスバー
８２    集電体
８６    蒸発部
８６ａ  傾斜板
８８    水供給パイプ
９０    燃料ガス供給パイプ
９１    隔壁
９１ａ  噴射口（分散ポート）
９２    燃料ガス供給流路隔壁
９２ａ  噴射口（噴射ポート）
９３    隔壁
９３ａ  噴射口（集約ポート）
９４    改質部
９６    改質触媒
９７    多孔質支持体
９８    燃料極層
９９    反応抑制層
１００    固体電解質層
１０１    空気極層
１０２    インターコネクタ層
１０３ａ  電極層
１０３ｂ  電極層
１０４ａ  リード膜層
１０４ｂ  リード膜層
【図１】
2015015210.tif 000003
【図２】
2015015210.tif 000004
【図３】
2015015210.tif 000005
【図４】
2015015210.tif 000006
【図５】
2015015210.tif 000007
【図６】
2015015210.tif 000008
【図７】
2015015210.tif 000009
【図８】
2015015210.tif 000010
【図９】
2015015210.tif 000011