(57)【要約】【課題】装置を大型化することなく、原燃料ガス中の硫黄成分を除去することができる燃料電池モジュールを提供する。【解決手段】本発明は、燃料電池モジュール(2)であって、固体酸化物型燃料電池セル(16)と、これを収容した発電室(10)と、発電室の一方の側に配置され、各燃料電池セルに燃料ガスを分配する燃料ガス分散室(76)と、発電室を取り囲むように設けられた燃料ガス通路(20)と、これを取り囲む排気ガス通路(21)と、この排気ガス通路の内側、且つ、燃料ガス分散室に対して発電室の反対側に位置するように設けられ、排気ガスを流入させ、排出する排気ガス室(23)と、燃料電池セルに接続され、燃料ガス分散室を通って排気ガス室側へ電力を導くバスバー(80)と、燃料ガス分散室を断熱する断熱材(73a)と、バスバーを取り囲むように、排気ガス室内に配置された脱硫器(36)と、を有することを特徴としている。【選択図】図２
2015225828.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスを反応させることにより発電する燃料電池モジュールであって、
燃料ガスと酸化剤ガスを反応させる複数の固体酸化物型燃料電池セルと、
これら複数の固体酸化物型燃料電池セルを収容した発電室と、
上記発電室の一方の側に配置され、上記各固体酸化物型燃料電池セルに燃料ガスを分配する燃料ガス分散室と、
上記発電室を取り囲むように設けられ、上記燃料ガス分散室に燃料ガスを導く環状の燃料ガス通路と、
この燃料ガス通路を取り囲むように設けられ、上記発電室から排出される排気ガスを導く環状の排気ガス通路と、
上記排気ガス通路の内側、且つ、上記燃料ガス分散室に対して上記発電室の反対側に位置するように設けられ、上記排気ガス通路によって導かれた排気ガスを流入させ、上記燃料電池モジュール外へ排出する排気ガス室と、
上記複数の固体酸化物型燃料電池セルに接続され、上記燃料ガス分散室を通って上記排気ガス室側へ電力を導くバスバーと、
上記燃料ガス分散室と上記排気ガス室との間を断熱する断熱材と、
上記バスバーを取り囲むように、上記排気ガス室内に配置されることにより、排気ガスによって加熱され、供給された原燃料ガス中の硫黄成分を除去して上記燃料ガス通路に流入させる環状の脱硫器と、
を有することを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項２】
さらに、上記排気ガス室を貫通するように、上記バスバーを通すためのバスバー通路が設けられ、このバスバー通路にはセラミック系の接着剤が充填されることにより上記バスバーが固定され、上記脱硫器は、上記バスバー通路を取り囲むように配置されている請求項１記載の燃料電池モジュール。
【請求項３】
上記断熱材は、上記燃料ガス分散室に沿って設けられた断熱材板状部、及びこの断熱材板状部から上記バスバー通路を取り囲むように延びる断熱材突出部を備え、上記脱硫器は、上記断熱材突出部を取り囲むように配置されている請求項２記載の燃料電池モジュール。
【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モジュールに関し、特に、燃料ガスと酸化剤ガスを反応させることにより発電する燃料電池モジュールに関する。
【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】
特開２０１３−１８２７０７号公報（特許文献１）には、燃料電池装置が記載されている。この燃料電池装置においては、燃料電池セルを収容する発電室を円筒状の部材で構成し、この円筒状の部材の外側に第２の円筒状の部材を配置して、これらの部材間の空間により、燃料供給通路を構成している。さらに、第２の円筒状の部材の外側には、第３の円筒状の部材が配置され、第２、第３の円筒状の部材の間の空間により、排気ガスの排気通路を構成している。また、第３の円筒状の部材の外側には、第４の円筒状の部材が配置され、第３、第４の円筒状の部材の間の空間により、発電用の酸化剤ガスである空気を供給する空気供給通路が形成されている。
【０００４】
特開２０１３−１８２７０７号公報記載の燃料電池装置においては、このような構成を採用することにより、排気通路内を流れる排気ガスと燃料供給通路内を流れる燃料ガスの間の熱交換、及び排気通路内を流れる排気ガスと空気供給通路内を流れる空気の間の熱交換を可能にしている。これにより、専用の、独立した熱交換器を設けることなく、燃料電池モジュールをコンパクトに構成しながら、排気の熱を有効利用することに成功している。
【０００５】
一方、都市ガス、プロパンガス等を原燃料ガスとして、これを改質して水素ガスを得ているタイプの燃料電池装置においては、原燃料ガス中に含まれている硫黄成分を除去した上で、燃料電池セルに供給する必要がある。燃料ガス中に含まれる硫黄成分は、燃料電池セルに吸着され、燃料電池セルを劣化させ、燃料電池セルの損傷を引き起こす。このため、都市ガス、プロパンガス等を原燃料ガスとする燃料電池装置においては、脱硫用の装置を備えておく必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１３−１８２７０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、脱硫用の装置を正常に作動させるには、装置内の触媒を所定の温度に加熱しておく必要があり、触媒の加熱用に専用の加熱装置を設けると装置が複雑化するという問題がある。また、特開２０１３−１８２７０７号公報記載の燃料電池装置のように、独立した熱交換器を備えていない燃料電池モジュールに、脱硫用の装置を組み合わせると、装置全体が大型化するという問題がある。
【０００８】
従って、本発明は、装置を複雑化、大型化することなく、原燃料ガス中の硫黄成分を除去することができる燃料電池モジュール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】
【０００９】
上述した課題を解決するために、本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスを反応させることにより発電する燃料電池モジュールであって、燃料ガスと酸化剤ガスを反応させる複数の固体酸化物型燃料電池セルと、これら複数の固体酸化物型燃料電池セルを収容した発電室と、発電室の一方の側に配置され、各固体酸化物型燃料電池セルに燃料ガスを分配する燃料ガス分散室と、発電室を取り囲むように設けられ、燃料ガス分散室に燃料ガスを導く環状の燃料ガス通路と、この燃料ガス通路を取り囲むように設けられ、発電室から排出される排気ガスを導く環状の排気ガス通路と、排気ガス通路の内側、且つ、燃料ガス分散室に対して発電室の反対側に位置するように設けられ、排気ガス通路によって導かれた排気ガスを流入させ、燃料電池モジュール外へ排出する排気ガス室と、複数の固体酸化物型燃料電池セルに接続され、燃料ガス分散室を通って排気ガス室側へ電力を導くバスバーと、燃料ガス分散室と排気ガス室との間を断熱する断熱材と、バスバーを取り囲むように、排気ガス室内に配置されることにより、排気ガスによって加熱され、供給された原燃料ガス中の硫黄成分を除去して燃料ガス通路に流入させる環状の脱硫器と、を有することを特徴としている。
【００１０】
本発明においては、複数の固体酸化物型燃料電池セルが発電室内に収容され、これを取り囲むように環状の燃料ガス通路、環状の排気ガス通路が夫々設けられる。発電室の一方の側には燃料ガス分散室が設けられ、この燃料ガス分散室に対して発電室の反対側には排気ガス室が設けられる。また、排気ガス室は、排気ガス通路の内側に位置するように配置されると共に、排気ガス通路によって導かれた排気ガスを流入させ、燃料電池モジュール外へ排出する。さらに、複数の固体酸化物型燃料電池セルに接続されたバスバーが、燃料ガス分散室を通って排気ガス室側へ電力を導く。排気ガス室内に配置された脱硫器は、バスバーを取り囲むように環状に形成され、排気ガスによって加熱されることにより、原燃料ガス中の硫黄成分を除去する。さらに、排気ガス室と燃料ガス分散室との間は断熱材によって断熱される。
【００１１】
このように構成された本発明によれば、燃料ガス分散室に対して発電室の反対側の、従来はデッドスペースとなっていた空間に脱硫器を配置しているので、装置全体を大型化することなく原燃料ガス中の硫黄成分を除去することができる。また、排気ガス通路からの排気ガスを排気ガス室に引き込み、この熱によって脱硫器を加熱するので、特別な加熱手段を設けることなく、脱硫器を加熱することができる。また、燃料ガス分散室と排気ガス室の間が断熱材によって断熱されているので、脱硫器が過度に加熱されるのを防止することができると共に、燃料ガス分散室から過度に熱が流失し、発電効率が低下するのを防止することができる。さらに、排気ガス室が排気ガス通路の内側に配置されているので、排気ガスの通路を過度に延長することなく、排気ガスを排気ガス室に引き込むことができる。また、燃料ガス通路は排気ガス通路の内側に設けられているので、脱硫器において脱硫された原燃料ガスを、短い経路で燃料ガス通路に流入させることができる。さらに、脱硫器はバスバーを取り囲むように環状に形成されているので、固体酸化物型燃料電池セルからの電力の引き出しと干渉することなく、脱硫器を配置することができる。また、脱硫器は環状に形成されているので、原燃料ガスが脱硫器内を流れる流路を長くすることができ、効率良く硫黄成分を除去することができる。
【００１２】
本発明において、好ましくは、さらに、排気ガス室を貫通するように、バスバーを通すためのバスバー通路が設けられ、このバスバー通路にはセラミック系の接着剤が充填されることによりバスバーが固定され、脱硫器は、バスバー通路を取り囲むように配置されている。
【００１３】
このように構成された本発明によれば、バスバー通路にセラミック系の接着剤を充填することによりバスバーが固定されているので、燃料ガス分散室の気密性を確保しながらバスバーを引き出すことができると同時に、燃料ガス分散室からの熱の流失も抑制することができる。
【００１４】
本発明において、好ましくは、断熱材は、燃料ガス分散室に沿って設けられた断熱材板状部、及びこの断熱材板状部からバスバー通路を取り囲むように延びる断熱材突出部を備え、脱硫器は、断熱材突出部を取り囲むように配置されている。
【００１５】
このように構成された本発明によれば、バスバー通路を取り囲む断熱材突出部が設けられているので、バスバー通路を形成する部材を介した燃料ガス分散室から排気ガス室への熱の流出を抑制することができ、断熱性を確保しながらバスバー通路を構成することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の燃料電池モジュールによれば、装置を複雑化、大型化することなく、原燃料ガス中の硫黄成分を除去することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態による燃料電池モジュールを備えた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燃料電池モジュール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燃料電池モジュール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燃料電池モジュール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】本発明の一実施形態による燃料電池モジュールに内蔵されている脱硫器の斜視図である。
【図７】（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。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
次に、添付図面を参照して、本発明の実施形態による燃料電池モジュールを備えた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燃料電池モジュールを備えた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、固体酸化物型燃料電池装置（ＳＯＦＣ）１は、本発明の一実施形態による燃料電池モジュール２と、補機ユニット４を備えている。
【００１９】
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、外側断熱材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。
【００２０】
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の上部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。
【００２１】
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。
【００２２】
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を介して燃料ガス供給流路２１（図２）に供給される。また、脱硫器３６においては、原燃料ガスに水素ガスを添加しておくことにより、原燃料ガス中の硫黄成分を除去することができる。このため、補機ユニット４には、原燃料ガスに水素ガスを添加するための凝縮器３３、オリフィス３４及び電磁弁３５が内蔵されている。これらの構成及び作用については後述する。
【００２３】
また、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。
【００２４】
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。
【００２５】
次に、図２及び図３により、本発明の実施形態による燃料電池モジュール２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は燃料電池モジュール２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ガス通路である燃料ガス供給流路２０、排気ガス通路である排ガス排出流路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。
【００２６】
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が接続され、底面には、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。
【００２７】
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、燃料ガス供給流路２０は発電室１０を取り囲むように配置され、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の下端側の空間には、排ガス排出流路２１によって導かれた排気ガスが流入する排気ガス室２３が設けられている。
【００２８】
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。
【００２９】
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る。内側円筒部材６４の外側円筒部材６６の間の空間上部には改質部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。
【００３０】
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、外側円筒部材６６の下部内周面と、内側円筒部材６４の下部外周面を接続するように、排気ガス横断通路２３ａが設けられている。この排気ガス横断通路２３ａにより、燃料ガス供給流路２０を横断して、排ガス排出流路２１と排気ガス室２３が連通される。
【００３１】
排ガス排出流路２１の下部には、燃焼触媒器６０及びこれを加熱するためのヒーターであるシースヒーター６１が配置されている。
燃焼触媒器６０は、排気ガス横断通路２３ａ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、燃焼触媒器６０を通過することにより一酸化炭素が除去され、排気ガス横断通路２３ａを通って排気ガス室２３に流入する。
シースヒーター６１は、燃焼触媒器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、その近傍に配置されている燃焼触媒器６０が活性温度まで加熱される。
【００３２】
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。
【００３３】
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バスバー通路である挿通管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ることにより、バスバー８０が固定され、燃料ガス分散室７６の気密性が確保されている。また、セラミック接着剤は断熱性が高いため、燃料ガス分散室７６から、挿通管７２ａを介した熱の流失も抑制することができる。
【００３４】
さらに、内側円筒部材６４の内周面、分散室底部材７２の底面、及び挿通管７２ａの外周面によって画定される円環状の空間は、排気ガス室２３として利用される。即ち、排気ガス室２３は、円環状の排ガス排出流路２１及び燃料ガス供給流路２０の内側で、燃料ガス分散室７６に対して発電室１０の反対側に位置するように設けられている。なお、本明細書において、「排ガス排出流路２１の内側」とは、円環状の排ガス排出流路２１を軸線方向に投影した投影面の中に排気ガス室２３の少なくとも一部が存在することを意味する。「燃料ガス供給流路２０の内側」についても同様である。この排気ガス室２３には、その側面上部に排気ガス横断通路２３ａが接続され、排気ガスが導入される。また、排気ガス室２３の底面には、排ガス排出パイプ５８が接続され、この排ガス排出パイプ５８を通して排気ガスが燃料電池モジュール２の外部へ排出される。
【００３５】
図２に示すように、内側円筒部材６４の内周面、分散室底部材７２の底面、及び挿通管７２ａの外周面によって画定される円環状の空間内には断熱材が配置されている。この断熱材は、燃料ガス分散室７６（分散室底部材７２の底面）に沿って配置された断熱材板状部７３ａと、この断熱材板状部７３ａから挿通管７２ａの周囲を取り囲むように延びる断熱材突出部７３ｂから構成されている。このため、上記の円環状の空間のうち、断熱材板状部７３ａ及び断熱材突出部７３ｂによって占められた空間を除いた空間が排気ガス室２３として機能する。これらの断熱材板状部７３ａ及び断熱材突出部７３ｂは、燃料ガス分散室７６と排気ガス室２３との間を断熱するように配置されている。なお、分散室底部材７２は金属製であるため、その全体が燃料ガス分散室７６内の温度と同程度まで温度上昇するが、挿通管７２ａの周囲にも断熱材突出部７３ｂが配置されているため、分散室底部材７２を介した排気ガス室２３への熱の流出も抑制される。
【００３６】
また、排気ガス室２３内には、断熱材突出部７３ｂを取り囲むように、水添脱硫器である脱硫器３６が配置されている。この脱硫器３６は、排気ガス室２３に導入される排気ガスにより、触媒作用が可能な温度に加熱される。この脱硫器３６の構成については、後述する。
【００３７】
一方、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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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）。
【００４３】
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、下方が開放された段付き円形カップ状の部材であり、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の下部は、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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
一方、集約室上部材１８ａ上段の側面には、排気集約室１８内に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４）。各噴出口１８ｄは、集約室上部材１８ａ上段の側面に、等間隔に配置されている。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。
【００４９】
次に、図６を参照して、排気ガス室２３内に配置されている脱硫器３６の構成を説明する。図６は、脱硫器３６の斜視図である。
図６に示すように、脱硫器３６は円環状の断面を有する容器であり、内部に脱硫触媒が充填されている。この脱硫器３６中央の空洞部には、分散室底部材７２の挿通管７２ａ、及びその中に延びているバスバー８０が受け入れられている（図２）。この構成により、排気ガス室２３内に流入した排気ガスは、脱硫器３６の外周面に接触し、脱硫器３６を加熱する。また、脱硫器３６と断熱材板状部７３ａとの間には隙間が設けられているため（図２）、この隙間にも排気ガスが流入し、脱硫器３６は上端面からも加熱される。これにより、脱硫器３６は、燃料電池モジュールの起動後、早期に脱硫可能な温度まで加熱される。
【００５０】
脱硫器３６の内部は、２枚のドーナツ型の仕切板３６ａ、３６ｂによって、分散層３７ａ、触媒層３７ｂ、及び集約層３７ｃの３層に区切られている。上側の仕切板３６ａの上方の空間である分散層３７ａには、脱硫器流入管３６ｃが接続されており、燃料ブロア３８（図１）によって、脱硫器流入管３６ｃを介して原燃料ガスが送り込まれる。
【００５１】
脱硫器流入管３６ｃを介して導入された原燃料ガスは、分散層３７ａ内で全周に分散され、仕切板３６ａに設けられた多数の小孔を通って触媒層３７ｂに流入する。触媒層３７ｂに流入した原燃料ガスは、そこに充填されている脱硫触媒に接触し、原燃料ガスに混入されている硫黄成分が除去される。このように、本実施形態においては、脱硫器３６を円環状に形成することにより、原燃料ガスが脱硫触媒に接触して流れる流路を長くしている。これにより、硫黄成分の除去効率を向上させると共に、円環状の内側の空間もデッドスペースとせず、挿通管７２ａを挿入する空間として有効活用している。また、本実施形態において、脱硫器３６は、原燃料ガス中の硫黄成分を触媒により水素と反応させる水素化脱硫方式による水添脱硫器である。なお、原燃料ガスに水素を添加するための構成については後述する。
【００５２】
触媒層３７ｂにおいて硫黄成分が除去された原燃料ガスは、仕切板３６ｂに設けられた多数の小孔を通って集約層３７ｃに流入する。集約層３７ｃに流入した原燃料ガスは、集約層３７ｃに接続された脱硫器流出管３６ｄを通って脱硫器３６から流出する。脱硫器流出管３６ｄは燃料ガス供給パイプ９０に接続されており（図２）、脱硫器３６を通過した原燃料ガスは、燃料ガス供給パイプ９０を通って燃料ガス供給流路２０に導入される。
【００５３】
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、水蒸気改質用の水蒸気を生成するための蒸発部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、排ガス排出流路２１内に配置されたシースヒーター６１と、排気ガス室２３内に配置された断熱材板状部７３ａとの間に配置されている。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。
【００５４】
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。
【００５５】
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、脱硫器３６及び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。燃料ガス供給パイプ９０から流出した原燃料ガスは、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しながら、十分に混合される。
【００５６】
さらに、中間円筒部材６５の上部、内周側及び外周側の円環状の空間には、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の外壁面及び中間円筒部材６５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。
【００５７】
原燃料ガスと水蒸気の混合ガスは、中間円筒部材６５の外周と外側円筒部材６６の内周の間の流路を上方に流れた後、折り返して、内側円筒部材６４の外周と中間円筒部材６５の内周の間の流路を下方に流れる。改質部９４内に充填された改質触媒９６に、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）
【００５８】
この水蒸気改質反応ＳＲにより、原燃料ガスは、水素が豊富に含まれる燃料ガスに改質される。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電熱により供給される。
【００５９】
次に、図１及び図２を参照して、原燃料ガスに水素ガスを添加するための構成を説明する。
図２に示すように、燃料ガス分散室７６には、水素取出管９２が接続されている。この水素取出管９２は、燃料ガス分散室７６の内部と連通し、断熱材板状部７３ａを貫通し、さらに排気ガス室２３を貫通して燃料電池モジュール２の外部まで延びている。図１に示すように、水素取出管９２は、補機ユニット４に内蔵された凝縮器３３に接続されている。燃料ガス分散室７６内の燃料ガスは、水素ガスと共に多くの水蒸気を含んでいる。凝縮器３３においては、燃料ガスに含まれている水蒸気が凝縮され、水素ガスと分離される。水蒸気を分離された水素ガスは、オリフィス３４及び電磁弁３５を介して、燃料供給源３０から供給された原燃料ガスに、燃料ブロア３８の上流側で混合される。水素ガスが添加された原燃料ガスは、燃料ブロア３８により脱硫器３６に送り込まれる。
【００６０】
燃料ガス分散室７６内の圧力は燃料ブロア３８の上流側の圧力よりも高いため、この圧力差により、改質された燃料ガスが燃料ガス分散室７６から取り出される。オリフィス３４は、燃料ガス分散室７６から燃料ブロア３８の上流側へ戻る流路に適度な流路抵抗を与え、適量の水素ガスが原燃料ガスに添加されるように調整されている。また、原燃料ガスへの水素の添加を行わないときは、電磁弁３５が閉弁される。なお、燃料ガス分散室７６から水素取出管９２によって取り出される燃料ガス（水素ガス）には水蒸気が混入しているが、水素取出管９２は比較的温度が高い排気ガス室２３を通って引き出されているため、取り出された水蒸気が凝縮器３３に到達する前に、管路内で凝縮されることはない。このため、燃料ガス分散室７６から安定して水素ガスを取り出すことができる。
【００６１】
なお、図２に示すように、水素取出管９２は、燃料ガス分散室７６の底部で、即ち、断熱材板状部７３ａに近い側で、燃料ガス分散室７６に連通されている。また、各燃料電池セル１６は、燃料ガス分散室７６の天井面で、即ち、発電室１０に近い側で、燃料ガス分散室７６に連通されている。このように、水素取出管９２は各燃料電池セル１６から十分に離れた位置に連通されているため、水素取出管９２による燃料ガスの取り出しが、各燃料電池セル１６への燃料ガスの流入に悪影響を与えることはない。従って、水素取出管９２による燃料ガスの取り出しを行っても、各燃料電池セル１６には均等に燃料ガスが流入し、燃料の供給ムラが発生することはない。
【００６２】
次に、図７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燃料電池モジュール２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７（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７（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７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７（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７（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７（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器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を介して、燃料ガス供給パイプ９０から燃料ガス供給流路２０に流入する。流入した燃料は、燃料ガス供給流路２０内を上昇して改質部９４に至り、次いで改質部９４内を下降し、内側円筒部材６４の下部に設けられた多数の小穴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（図示せず）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器６０を通ることにより一酸化炭素が除去される。一酸化炭素が除去された排気ガスは、排気ガス横断通路２３ａを通って半径方向内方に流れ、排気ガス室２３に流入する。排気ガス室２３に流入した排気ガスは、排気ガス室２３内に配置された脱硫器３６を加熱し、排ガス排出パイプ５８を通って燃料電池モジュールから排出される。
【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原燃料ガスは、燃料ガス供給流路２０内で十分に混合される。
なお、蒸発部８６は、シースヒーター６１に隣接して配置されているため、起動後早期に温度が上昇し、水蒸気を生成できる状態となる。また、蒸発部８６は、シースヒーター６１と断熱材板状部７３ａの間に配置されているため、シースヒーター６１の熱が逃げにくく、早期に温度上昇する。さらに、蒸発部８６の下方、近傍には排気ガス横断通路２３ａが設けられているため、蒸発部８６は排気ガス横断通路２３ａ内を流れる排気ガスの熱によっても加熱される。
【００７５】
混合された原燃料ガス及び水蒸気は、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、原燃料ガス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ガスに改質される。改質された燃料ガスは、小穴６４ｂを通って燃料ガス分散室７６に流入する。燃料ガス分散室７６に流入した水素を豊富に含む燃料ガスは、各燃料電池セル１６に流入する一方、一部が水素取出管９２を通って燃料電池モジュール２の外へ取り出される。
【００７６】
取り出された燃料ガス（水素）は、補機ユニット４の凝縮器３３に導入され、ここで、混合されている水蒸気が除去される。水蒸気が除去された燃料ガス（水素）は、オリフィス３４、及び電磁弁３５を通って、燃料ブロア３８の上流側で原燃料ガスに添加される。水素が添加された原燃料ガスは、燃料ブロア３８により脱硫器３６に送り込まれる。排気ガス室２３内の脱硫器３６が排気ガスにより所定温度まで加熱された状態においては、原燃料ガス中の硫黄成分が、添加された水素と脱硫触媒により反応され、除去される。なお、本実施形態においては、脱硫器３６内の脱硫触媒は、約２００〜３００℃に加熱された状態において触媒作用する。脱硫器３６において硫黄成分を除去された原燃料ガスは、上述したように、燃料ガス供給パイプ９０を通って燃料ガス供給流路２０に流入する。
【００７７】
一方、燃料ガス分散室７６から各燃料電池セル１６に流入した改質された燃料ガスは、各燃料電池セル１６の内部（燃料極側）を上昇する。なお、燃料ガス分散室７６の小穴６４ｂは、そ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。
【００７８】
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。
【００７９】
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、燃焼触媒器６０により一酸化炭素が除去された後、排出される。
【００８０】
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。
【００８１】
本発明の実施形態の燃料電池モジュール２によれば、燃料ガス分散室７６に対して発電室１０の反対側の、従来はデッドスペースとなっていた空間に脱硫器３６を配置しているので、装置全体を大型化することなく原燃料ガス中の硫黄成分を除去することができる（図２）。また、排ガス排出流路２１からの排気ガスを排気ガス室２３に引き込み、この熱によって脱硫器３６を加熱するので、特別な加熱手段を設けることなく、脱硫器３６を加熱することができる。また、燃料ガス分散室７６と排気ガス室２３の間が断熱材板状部７３ａによって断熱されているので、脱硫器３６が過度に加熱されるのを防止することができると共に、燃料ガス分散室７６から過度に熱が流失し、発電効率が低下するのを防止することができる。さらに、排気ガス室２３が排ガス排出流路２１の内側に配置されているので、排気ガスの通路を過度に延長することなく、排気ガスを排気ガス室２３に引き込むことができる。また、燃料ガス供給流路２０は排ガス排出流路２１の内側に設けられているので、脱硫器３６において脱硫された原燃料ガスを、短い経路で燃料ガス供給流路２０に流入させることができる。さらに、脱硫器３６はバスバー８０を取り囲むように環状に形成されているので、固体酸化物型燃料電池セル１６からの電力の引き出しと干渉することなく、脱硫器３６を配置することができる。また、脱硫器３６は環状に形成されているので（図６）、原燃料ガスが脱硫器３６内を流れる流路を長くすることができ、効率良く硫黄成分を除去することができる。
【００８２】
また、本実施形態の燃料電池モジュール２によれば、挿通管７２ａにセラミック系の接着剤を充填することによりバスバー８０が固定されているので（図２）、燃料ガス分散室７６の気密性を確保しながらバスバー８０を引き出すことができると同時に、燃料ガス分散室７６からの熱の流失も抑制することができる。
【００８３】
さらに、本実施形態の燃料電池モジュール２によれば、挿通管７２ａを取り囲む断熱材突出部７３ｂが設けられているので（図２）、挿通管７２ａを形成する部材を介した燃料ガス分散室７６から排気ガス室２３への熱の流出を抑制することができ、断熱性を確保しながらバスバーの通路を構成することができる。
【符号の説明】
【００８４】
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    外側断熱材
８    燃料電池セル収容容器
１０    発電室
１６    燃料電池セル（固体酸化物型燃料電池セル）
１６ａ  単セル
１８    排気集約室
１８ａ  集約室上部材
１８ｂ  集約室下部材（第２固定部材）
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（燃料ガス通路）
２１    排ガス排出流路（排気ガス通路）
２２    酸化剤ガス供給流路
２３    排気ガス室
２３ａ  排気ガス横断通路
２４    水供給源
２６    純水タンク
２８    水流量調整ユニット（水供給装置）
３０    燃料供給源
３３    凝縮器
３４    オリフィス
３５    電磁弁
３６    脱硫器（水添脱硫器）
３６ａ、３６ｂ  仕切板
３６ｃ  脱硫器流入管
３６ｄ  脱硫器流出管
３７ａ  分散層
３７ｂ  触媒層
３７ｃ  集約層
３８    燃料ブロア（燃料供給装置）
４０    空気供給源
４５    空気流量調整ユニット（酸化剤ガス供給装置、空気ブロア）
５０    温水製造装置
５４    インバータ
５６    酸化剤ガス導入パイプ（酸化剤ガス流入口）
５８    排ガス排出パイプ（排ガス流出口）
６０    燃焼触媒器
６１    シースヒーター（ヒーター）
６３    第１固定部材（分散室形成板）
６３ａ  挿通穴
６３ｂ  接着剤充填枠
６４    内側円筒部材（発電室構成部材）
６４ａ  小穴
６４ｂ  小穴
６４ｃ  ステー（位置決め部材）
６４ｄ  棚部材
６５    中間円筒部材
６６    外側円筒部材
６６ａ  棚部材
６７    カバー部材
６８    内側円筒容器（排気通路構成部材）
７０    外側円筒容器（供給通路構成部材）
７２    分散室底部材
７２ａ  挿通管（バスバー通路）
７２ｂ  フランジ部
７３ａ  断熱材板状部
７３ｂ  断熱材突出部
７４    酸化剤ガス噴射用パイプ
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
９２    水素取出管
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】
2015225828.tif 000003
【図２】
2015225828.tif 000004
【図３】
2015225828.tif 000005
【図４】
2015225828.tif 000006
【図５】
2015225828.tif 000007
【図６】
2015225828.tif 000008
【図７】
2015225828.tif 000009