(57)【要約】【課題】改質器の吸熱反応を利用して、簡易な構成で燃料電池セルの劣化を抑制可能な固体酸化物型燃料電池装置を提供する。【解決手段】固体酸化物型燃料電池１であって、上下方向に延びるように配置された複数の燃料電池セル１６と、燃料電池セル１６の側方で周囲を囲むように燃料電池セル１６を収容する内側円筒部材６４と、内側円筒部材６４の外側において上下方向に沿って配置された改質部９４と、を備え、改質部９４は、燃料電池セル１６の上側部分の側方に位置すると共に、燃料電池セル１６の上端よりも上方に突出した位置まで延びており、改質部９４は、改質部９４の上方から下方に向けて原燃料と水蒸気の混合ガスが通過するように構成されている。【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であって、
上下方向に延びるように配置された複数の燃料電池セルと、
前記燃料電池セルの側方で周囲を囲むように前記燃料電池セルを収容するモジュールケースと、
前記モジュールケースの外側において上下方向に沿って配置された改質器と、を備え、
前記改質器は、前記燃料電池セルのうち、その上側部分の側方にのみ位置すると共に、前記燃料電池セルの上端よりも上方に突出した位置まで延びており、
前記改質器は、前記改質器の上方から下方に向けて原燃料と水蒸気の混合ガスが通過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。
【請求項２】
前記燃料電池セルは、複数の円筒型セルが上下方向に電気的に直列に接続されて構成されており、
前記改質器は、前記燃料電池セルの複数の円筒型セルのうち、上端部から中央部までの複数の前記円筒型セルの側方に位置す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。
【請求項３】
前記燃料電池セルの上部に前記燃料電池セル内の燃料ガス用通路を通過した燃料ガスを受け入れるための排気マニホールドを備え、
前記排気マニホールドの上面には前記排気マニホールドが受け入れた燃料ガスを燃焼させるための燃焼部が設けられており、
前記改質器の上側部分が、前記排気マニホールドの側方に位置す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。
【請求項４】
前記モジュールケースは、上下方向に延びる環状部材を備え、
前記改質器は、前記燃料電池セルの周囲を囲むように、前記環状部材の全周にわたって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。
【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】
燃料電池装置において、発電室の上部は高温雰囲気になるため、発電室内に配置された上下方向に延びる燃料電池セルは、下部よりも上部の方が熱による劣化を受けやすい。例えば、特許文献１に記載の燃料電池装置では、上下方向に延びる燃料電池セルを発電室内に複数配置し、燃料電池セルの内部をアノードガスが下部から上部にかけて流通し、燃料電池セルの外部をカソードガスが下部から上部にかけて流通する構成となっている。燃料電池セルの発電反応によって、反応熱はアノードガス及びカソードガスに熱伝達され、アノードガス及びカソードガスは昇温される。このとき、アノードガス及びカソードガスの流通方向が同じであるため、流体間の熱交換量が少なく、それぞれの流体は上部に向かうに伴い温度上昇する。この現象によって、燃料電池セルの上部は高温になる傾向にある。それゆえ、燃料電池セルの上部は熱による劣化を受けやすい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−２３８４３０号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述のように、発電室内の燃料電池セルは、熱によって劣化が進行していく。また、劣化の進行に伴って、燃料電池セルの発熱量が増加する。そのため、発電室の温度は上昇する。発電室の温度上昇により、さらに燃料電池セルの上部の劣化が促進される。これにより、燃料電池セルの上部が早期に破損してしまうおそれがある。
【０００６】
従って、本発明は、燃料電池セルの上部の温度を簡易な構成で低減することが可能な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】
【０００７】
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であって、上下方向に延びるように配置された複数の燃料電池セルと、燃料電池セルの側方で周囲を囲むように燃料電池セルを収容するモジュールケースと、モジュールケースの外側において上下方向に沿って配置された改質器と、を備え、改質器は、燃料電池セルのうち、その上側部分の側方にのみ位置すると共に、燃料電池セルの上端よりも上方に突出した位置まで延びており、改質器は、改質器の上方から下方に向けて原燃料と水蒸気の混合ガスが通過するように構成されていることを特徴としている。
【０００８】
燃料電池セルは、経年劣化に伴って発電性能が劣化していくので、発熱量が増加し作動温度が上昇する。この作動温度の上昇により、更に劣化が促進されてしまう。燃料電池セルの反応熱は改質ガス及び空気に熱伝達され、燃料電池セルの下部から上部に向かって昇温していくので、特に、燃料電池セルの上端部付近が高温雰囲気になる。このため、燃料電池セルの上端部は劣化がより進行し易く、劣化が進行し続けると、セルユニットの上端部の電極が破損してしまう。複数のセルユニットは電気的に直列に接続されるので、１つのセルユニットの上端部で電極破損が生じると、モジュール全体が破損することになる。
【０００９】
そこで、本発明においては、改質器での改質反応が吸熱反応であることを利用して、燃料電池セルの上端部の温度上昇を抑制している。その際、改質器の改質触媒の劣化に伴って吸熱位置が移動していくことを利用し、劣化が最も進行し易い燃料電池セルの上端部の温度上昇を効果的に抑制可能とするように、燃料電池セルに対する改質器の配置を最適化している。具体的には、上下方向に延びる改質器は、燃料電池セルの上側部分の側方に位置する第１部分と、第１部分の上側に位置し、燃料セルユニットの上端よりも上方に突出するように配置された第２部分とを有している。また、改質器は、上側から下側に向けて（すなわち、第２部分から第１部分へ向けて）、原燃料と水蒸気の混合ガスが通過するように構成されている。
【００１０】
本発明では、燃料電池セルの上端よりも上方に第２部分を突出させ、使用初期には、この第２部分で改質触媒に吸熱反応を生じさせることにより、改質器の吸熱反応による温度低減作用が燃料電池セルに大きく作用しないように構成されている。劣化が進行していない状態で燃料電池セルの上端部の温度を低下させてしまうと、むしろ温度低下による破損のおそれがあるため、使用初期は改質器によって燃料電池セルが冷却され難くなるようにしている。
【００１１】
一方、使用に伴って改質触媒が劣化してくると吸熱位置が下方に移動してくるので、吸熱位置が燃料電池セルの上端部の側方に近づき（すなわち、吸熱位置が第２部分の下側部分に移動）、又は、燃料電池セルの上端部の側方に位置する（すなわち、吸熱位置が第１部分に移動）。これにより、劣化が進行しつつある燃料電池セルの上端部の温度が低下し、上端部の劣化の進行を抑制することができる。なお、改質器は、燃料電池セルの上側部分より下方の部分の側方には配置されておらず、使用開始から製品寿命が終了するまでの間に吸熱位置が、燃料電池セルの上側部分までしか移動せずに、使用中期から後期に掛けて、燃料電池セル１６の上端部に対して温度低減作用を及ぼし続けるように設計されることが好ましい。
このように、本発明では、燃料電池セルの上端部の劣化進行を、燃料電池セルに対する改質器の配置の変更のみによって簡易に実現することができる。
【００１２】
本発明において、好ましくは、燃料電池セルは、複数の円筒型セルが上下方向に電気的に直列に接続されて構成されており、改質器は、燃料電池セルの複数の円筒型セルのうち、上端部から中央部までの複数の円筒型セルの側方に位置する。
【００１３】
円筒型セル（横縞型セル）を上下方向に直列接続して構成した燃料電池セルでは、１つの円筒型セルの電極破損が、燃料電池セル全体の破損につながる。本発明によれば、上端部から中央部までの円筒型セルの側方に改質器の第１部分を配置することにより、劣化が進行し易い部位に配置された円筒型セルを効果的に冷却すると共に、下端部の円筒型セルの過冷却を防止することができる。
【００１４】
本発明において、好ましくは、燃料電池セルの上部に燃料電池セル内の燃料ガス用通路を通過した燃料ガスを受け入れるための排気マニホールドを備え、排気マニホールドの上面には排気マニホールドが受け入れた燃料ガスを燃焼させるための燃焼部が設けられており、改質器の上側部分が、排気マニホールドの側方に位置する。
【００１５】
排気マニホールド上面の燃焼部での燃料ガスの燃焼熱が、排気マニホールドを介して燃料電池セルの上端部へ伝わると、燃料電池セルの上端部で部分的に過昇温が生じて、燃料電池セルが破損するおそれがある。本発明では、排気マニホールドの側方に改質器の上側部分を位置させることにより、劣化が進行していない使用初期において、排気マニホールドを伝わる燃焼熱を改質器の吸熱反応で遮断又は抑制することができる。これにより、使用初期において、燃焼熱によって燃料電池セルの上端部の劣化が促進されることを防止することができる。
【００１６】
本発明において、好ましくは、モジュールケースは、上下方向に延びる環状部材を備え、改質器は、燃料電池セルの周囲を囲むように、環状部材の全周にわたって配置されている。
【００１７】
このように構成された本発明によれば、改質器を燃料電池セルの周囲を囲むように、環状のモジュールケースの全周にわたって配置することにより、燃料電池セルの上端部を含む上側部分を周方向に均等に冷却することができる。これにより、燃料電池セルの上端部付近における周方向の熱ムラを低減し、特定の燃料電池セルに集中して劣化が進行することを防止することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の固体酸化物型燃料電池装置によれば、改質器の吸熱反応を利用して、簡易な構成で燃料電池セルの劣化を抑制することができる。
【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電池セルと改質部の配置関係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改質部による温度低減作用がない場合の燃料電池セルの温度分布の時間的変化を示すグラフである。
【図９】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改質部の温度分布の時間的変化を示すグラフである。
【図１０】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改質部による温度低減作用がある場合の燃料電池セルの温度分布の時間的変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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）。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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）
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
次に、図７を参照して、固体酸化物型燃料電池装置１の燃料電池セル１６と改質部９４の配置関係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の燃料電池セル１６と改質部９４の配置関係を示す断面図である。環状部材である内側円筒部材６４内に形成された発電室１０は、略円筒形状の上下方向に延びる複数の燃料電池セル１６を収容している。内側円筒部材６４の外側には、同心円状に流路形成部材である中間円筒部材６５及び外側円筒部材６６が内側から順に配置され、これら流路形成部材の間に円環状の燃料ガス供給流路２０が形成されている。燃料ガス供給流路２０の流路方向は、中間円筒部材６５と外側円筒部材６６の間では下側から上側に向かい、上端部で折り返して、内側円筒部材６４と中間円筒部材６５の間では上側から下側に向かっている。
【００７４】
改質部９４は、内側円筒部材６４と中間円筒部材６５の間に設けられており、上下方向に延びるように円環状に改質触媒９６を保持している。原燃料ガスと水蒸気の混合ガスは、改質部９４を上側から下側へ通過し、通過時に改質触媒９６によって改質される。
改質触媒９６は、燃料電池セル１６の中央部付近から排気集約室１８のやや上方までの高さ方向の範囲に対応して、上下方向に延びるよう配置されている。改質触媒９６の第１部分が、上下方向に延びる燃料電池セル１６のうち、その中央部と上端部に位置し、改質触媒９６の第２部分が、排気集約室１８の側方及び斜め上方に位置する。改質触媒９６は、発電室の１０の下方に位置する燃料電池セル１６の下端部の側方には配置されていない。
また、排気集約室１８の天面及び複数の噴出口１８ｄは、未反応の燃料ガスを燃焼させるオフガス燃焼部として機能する。改質触媒９６の第２部分は、このオフガス燃焼部の側方にも位置する。
【００７５】
次に、図８〜図１０を参照して、改質部９４による燃料電池セル１６の温度低減作用について説明する。
図８は改質部９４による温度低減作用がない場合の燃料電池セル１６の温度分布の時間変化を示すグラフ、図９は改質部９４の温度分布の時間変化を示すグラフ、図１０は改質部９４による温度低減作用がある場合の燃料電池セル１６の温度分布の時間変化を示すグラフである。
【００７６】
燃料電池セル１６は、複数の円筒型の単セル１６ａが実質的に上下方向に連結されると共に、電気的に直列に接続されたものである。作動時に各単セル１６ａで発電反応が起こると発電熱が発生し、各単セル１６ａは高温状態に保持される。外部から発電室１０内に供給された空気は発電熱により加熱され、発電室１０内の上部に溜り易く、また、加熱された空気は排気集約室１８の側方を通過して発電室１０の上部から外部へ排出される。このため、発電室１０は、下部よりも上部の方が高温雰囲気となる。
また、燃料電池セル１６の内部の燃料ガス用通路を改質ガスが下方から上方へ向けて流れ、一方、燃料電池セル１６の外部では酸化剤ガス（空気）が概ね下方から上方へ向けて流れるようになっている。つまり、改質ガスと空気とが同一方向へ流れる。したがって、燃料電池セル１６における反応熱は、改質ガスと空気へ熱伝達された後、改質ガスと空気によって上方へ伝達されるため、燃料電池セル１６の上部は高温になり易い。
さらに、オフガス燃焼部でのオフガスの燃焼熱が、排気集約室１８を介して燃料電池セル１６の上端部に伝達され、上端部付近の単セル１６ａが局所的に加熱され易い。
【００７７】
このため、図８に示すように、燃料電池セル１６は、下側部分の単セル１６ａの温度よりも上側部分の単セル１６ａの温度の方が高くなる。図８の破線ａ，ｂ，ｃは、それぞれ燃料電池装置１の製品寿命の初期，中期，後期における代表的な燃料電池セル１６の温度分布を示している。図８では、各曲線において、燃料電池セル１６の最下端部の単セル１６ａの温度よりも最上端部の単セル１６ａの温度が、６０℃以上高くなっている。
【００７８】
燃料電池セル１６は、使用と共に発電性能が劣化していく。発電性能が劣化した燃料電池セル１６で、劣化が進行していない使用開始当初と同一の発電量を維持するには、燃料電池セル１６の温度を高めにして作動させなければならない。したがって、図８では、使用期間が経過するに連れて燃料電池セル１６の温度分布曲線が高温側へシフトしている。例えば、燃料電池セル１６の上端付近の温度は、曲線ａでは７６０℃であり、曲線ｃでは８０５℃であり、製品寿命の初期から後期にかけて４５℃の温度上昇が生じる。
このように温度上昇が生じると、上側部分の単セル１６ａの劣化がさらに進行し易くなり、遂には最上端部の単セル１６ａが破損してしまう。
【００７９】
一方、図９に示すように、上下方向に延びる改質触媒９６の温度分布は、極小部を有する曲線となる。図９の曲線ａ，ｂ，ｃは、図８と同様に、それぞれ燃料電池装置１の製品寿命の初期，中期，後期における改質触媒９４の温度分布を示している。改質部９４は、排ガス排出流路２１を通る排気ガス、発電室１０からの伝導熱、オフガス燃焼部の燃焼熱によって、活性温度まで昇温される。しかしながら、改質触媒９６における水蒸気改質反応が吸熱反応であるため、水蒸気改質反応が生じる部分で温度低下が生じる。
【００８０】
改質部９４の上下方向位置において、製品寿命の初期，中期，後期に、それぞれ上端部Ｌ１，中央部Ｌ２，下端部Ｌ３で水蒸気改質反応が主に生じる。上端部Ｌ１及び中央部Ｌ２が改質触媒９６の第２部分であり、下端部Ｌ３が第１部分に相当する。すなわち、原燃料と水蒸気の混合ガスが改質部９４に導入されると、使用初期には、混合ガスが上端部Ｌ１の改質触媒９６と接触して改質され、改質された混合ガスは、中央部Ｌ２及び下端部Ｌ３の改質触媒９６とほとんど反応せずに通り抜ける。したがって、使用初期には、主として上端部Ｌ１で改質反応が起こり、中央部Ｌ２及び下端部Ｌ３ではあまり改質反応が起こらない。
【００８１】
一方、使用期間の経過に伴って、上端部Ｌ１の改質触媒９６は徐々に劣化していく。このため、使用初期から使用中期に掛けて、混合ガスは、上端部Ｌ１で改質され難くなり、中央部Ｌ２で主として改質されるようになる。さらに、使用中期から使用後期に掛けて、混合ガスは、上端部Ｌ１及び中央部Ｌ２で改質され難くなり、下端部Ｌ３で主として改質されるようになる。このように、使用期間の経過に伴って、改質触媒９６の反応する部位（すなわち、吸熱位置）が徐々に下方へ移動していく。換言すると、製品寿命の長さに対応させて、改質触媒９６の上下方向長さが規定されており、使用初期から使用後期に掛けて吸熱位置が、改質部９４の上端付近から下端付近へ徐々に移動するように設定されている。
図９では、曲線ａでは吸熱位置（極小位置）が上端部Ｌ１に存在し、４００〜５００℃まで温度低下している。曲線ｂでは吸熱位置が中央部Ｌ２に存在し、曲線ｃでは吸熱位置が下端部Ｌ３に存在する。
【００８２】
本実施形態では、改質触媒９６を燃料電池セル１６の側方に配置している。このため、温度低下した吸熱位置の改質触媒９６は、燃料電池セル１６の温度を低減するように作用する。図１０は、この改質触媒９６の吸熱反応により温度が低減された燃料電池セル１６の温度分布が示されている。曲線Ａ，Ｂ，Ｃは、それぞれ製品寿命の初期，中期，後期における燃料電池セル１６の温度分布である。なお、図１０には、図８に示した破線ａ，ｂ，ｃも併せて示されている。
【００８３】
使用初期には、改質部９４の上端部Ｌ１で改質反応が主に生じており、吸熱位置が上端部Ｌ１に存在する。上端部Ｌ１は、排気集約室１８の上端部の側方位置及びそれよりも上方に位置しており、燃料電池セル１６の側方位置には位置していない。このため、改質触媒９６の上端部Ｌ１は、燃料電池セル１６に対して吸熱作用をほとんど及ぼさない。したがって、曲線Ａは、曲線ａからほとんど変化が生じていない。すなわち、使用初期には、燃料電池セル１６に対する改質触媒９６による温度低減作用は機能しない。これにより、使用初期には、燃料電池セル１６の温度を低下させることなく、燃料電池セル１６で発電反応を生じさせている。
【００８４】
一方、使用中期には、改質部９４の中央部Ｌ２で改質反応が主に生じており、吸熱位置が中央部Ｌ２に存在する。中央部Ｌ２は排気集約室１８の側部付近に位置している。このため、排気集約室１８付近の温度を低下するように作用し、オフガス燃焼部から排気集約室１８を介して燃料電池セル１６の上端にオフガス燃焼熱が伝わり難くなる。したがって、燃料電池セル１６の上端付近の単セル１６ａの温度が低下する。
【００８５】
しかしながら、温度が低下した上端付近の単セル１６ａは、発電量が低下する。このため、制御装置（図示せず）は、燃料電池セル１６全体による総発電量を維持するため、燃料電池セル１６の温度又は発電室１０の温度を高めに設定する。これにより、上端付近の単セル１６ａの温度は低下するが、他の単セル１６ａの温度は高くなる。すなわち、図１０の曲線Ｂでは、曲線ｂと比較して、上端部付近の温度が下がり、それよりも下方の部位の温度が僅かに上昇し、全体的に上下方向での温度差が小さくなっている。これにより、使用中期には、発電性能又は発電量を維持したまま、上端部付近の単セル１６ａの劣化促進を低減することができる。
【００８６】
また、使用後期には、改質部９４の下端部Ｌ３で改質反応が主に生じており、吸熱位置が下端部Ｌ３に存在する。下端部Ｌ３は燃料電池セル１６の上端部の側部付近から中央部の側部付近に位置している。このため、燃料電池セル１６の上端部から中央部の単セル１６ａの温度が低下する。
この温度低下により、上端部から中央部の単セル１６ａの発電量が低下するので、制御装置は、総発電量の維持のため、燃料電池セル１６の温度又は発電室１０の温度を高めに設定する。これにより、上端部から中央部の単セル１６ａの温度は低下するが、それよりも下方の単セル１６ａの温度は高くなる。すなわち、図１０の曲線Ｃでは、曲線ｃと比較して、上端部及び中央部付近の温度が下がり、下端部の温度が上昇している。これにより、使用後期においても、発電性能又は発電量を維持したまま、上端部付近の単セル１６ａの劣化促進を低減することができる。
【００８７】
本実施形態では、改質器９４の改質反応が吸熱反応であることを利用して、燃料電池セル１６の上端部の温度上昇を抑制している。その際、改質部９４の改質触媒９６の劣化に伴って吸熱位置が移動していくことを利用し、劣化が最も進行し易い燃料電池セル１６の上端部の温度上昇を効果的に抑制可能とするように、燃料電池セル１６に対する改質部９４の配置を最適化している。具体的には、上下方向に延びる改質部９４は、燃料電池セル１６の上側部分の側方に位置する第１部分と、第１部分の上側に位置し、燃料電池セル１６の上端よりも上方に突出するように配置された第２部分とを有している。また、改質部９４は、上側から下側に向けて（すなわち、第２部分から第１部分へ向けて）、原燃料と水蒸気の混合ガスが通過するように構成されている。
【００８８】
本実施形態では、燃料電池セル１６の上端よりも上方に第２部分を突出させ、使用初期には、この第２部分で改質触媒９６に吸熱反応を生じさせることにより、改質部９４の吸熱反応による温度低減作用が燃料電池セル１６に大きく作用しないように構成されている。劣化が進行していない状態で燃料電池セル１６の上端部の温度を低下させてしまうと、むしろ温度低下による破損のおそれがあるため、使用初期は改質部９４によってセルユニット１６が冷却され難くなるようにしている。
【００８９】
一方、使用に伴って改質触媒９６が劣化してくると吸熱位置が下方に移動してくるので、吸熱位置が燃料電池セル１６の上端部の側方に近づき（すなわち、吸熱位置が第２部分の下側部分に移動）、又は、燃料電池セル１６の上端部の側方に位置する（すなわち、吸熱位置が第１部分に移動）。これにより、劣化が進行しつつある燃料電池セル１６の上端部の温度が低下し、上端部の劣化の進行を抑制することができる。なお、改質部９４は、燃料電池セル１６の上側部分より下方の部分の側方には配置されておらず、使用開始から製品寿命が終了するまでの間に吸熱位置が、燃料電池セル１６の上側部分までしか移動せずに、使用中期から後期に掛けて、燃料電池セル１６の上端部に対して温度低減作用を及ぼし続けるように設計されることが好ましい。このように、本実施形態では、燃料電池セル１６の上端部の劣化進行を、燃料電池セル１６に対する改質部９４の配置の変更のみによって簡易に実現することができる。
【００９０】
円筒型セル（横縞型セル）である単セル１６ａを上下方向に直列接続して構成した燃料電池セル１６では、１つの単セル１６ａの電極破損が、燃料電池セル１６全体の破損につながる。本実施形態では、上端部から中央部までの単セル１６ａの側方に改質部９４を配置することにより、劣化が進行し易い部位に配置された単セル１６ａを効果的に冷却すると共に、下端部の単セル１６ａの過冷却を防止することができる。
【００９１】
排気集約室１８上面のオフガス燃焼部での燃料ガスの燃焼熱が、排気集約室１８を介して燃料電池セル１６の上端部へ伝わると、燃料電池セル１６の上端部で部分的に過昇温が生じて、燃料電池セル１６が破損するおそれがある。本実施形態によれば、排気集約室１８の側方に改質部９４の上側部分を位置させることにより、劣化が進行していない使用初期において、排気集約室１８を伝わる燃焼熱を改質部９４の吸熱反応で遮断することができる。これにより、使用初期において、燃焼熱によってセルユニット１６の劣化が促進されることを防止することができる。
【００９２】
本実施形態では、改質部９４を燃料電池セル１６の周囲を囲むように、環状の内側円筒部材６４の全周にわたって配置することにより、燃料電池セル１６の上端部を含む上側部分を周方向に均等に冷却することができる。これにより、燃料電池セル１６の上端部付近における周方向の熱ムラを低減し、特定の燃料電池セル１６に集中して劣化が進行することを防止することができる。
【符号の説明】
【００９３】
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（排気マニホールド）
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
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（排気浄化触媒）
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
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
８８ａ  水供給ポート
９０    燃料ガス供給パイプ
９２    燃料ガス供給流路隔壁
９２ａ  噴射口
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】
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【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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