(57)【要約】  【課題】  ハイブリッド装置およびハイブリッドシステムを提供する。  【解決手段】  本実施形態のハイブリッド装置１は、水蒸気を含むガスより水素を含むガスを生成する電解セル４を複数個備える電解セルスタック５を有する電解セルスタック装置２と、燃料電池セル１０を複数個備える燃料電池セルスタック１１を有する燃料電池セルスタック装置３とを備え、電解セルスタック装置２にて生成された水素を含むガスの少なくとも一部が燃料電池セルスタック装置３に供給されるように構成されており、電解セルスタック装置２に供給する水蒸気を含むガスを生成するための気化器１６が燃料電池セルスタック１１の近傍に配置されている。【選択図】  図１
2015012372.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水蒸気を含むガスより水素を含むガスを生成する電解セルを複数個備える電解セルスタックを有する電解セルスタック装置と、
燃料電池セルを複数個備える燃料電池セルスタックを有する燃料電池セルスタック装置とを備え、
前記電解セルスタック装置にて生成された水素を含むガスの少なくとも一部が前記燃料電池セルスタック装置に供給されるように構成されており、
前記電解セルスタック装置に供給する水蒸気を含むガスを生成するための気化器が前記燃料電池セルスタックの近傍に配置されている、
ことを特徴とするハイブリッド装置。
【請求項２】
前記気化器が、前記燃料電池セルスタックのうち、前記燃料電池セルの配列方向に沿った中央部に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド装置。
【請求項３】
前記燃料電池セルスタック装置で発電された電流の少なくとも一部が、前記電解セルスタック装置に供給されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のハイブリッド装置。
【請求項４】
前記気化器が、前記燃料電池セルスタックのうち、前記燃料電池セルの配列方向に沿った側方に配置されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のうちいずれかに記載のハイブリッド装置。
【請求項５】
前記燃料電池セルが、内部に一端から他端に貫通するガス流路を備えており、発電で利用されなかった余剰の水素を含むガスを、前記燃料電池セルの他端側で燃焼させる構成とされており、前記気化器が、前記燃料電池セルの他端側に配置されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のうちいずれかに記載のハイブリッド装置。
【請求項６】
前記電解セルが、内部に一端から他端に貫通するガス流路を備えており、前記電解セルスタック装置が、複数個の前記電解セルの一端を固定するとともに、該電解セルに水蒸気を含むガスを供給するための第１のマニホールドと、複数個の前記電解セルの他端を固定するとともに、該電解セルにより生成された水素を含むガスを回収するための第２のマニホールドと、を備えることを特徴とする請求項１乃至請求項５のうちいずれかに記載のハイブリッド装置。
【請求項７】
前記電解セルが、内部に一端から他端に貫通する二つ以上のガス流路を備えており、前記電解セルスタック装置が、複数個の前記電解セルの一端を固定する第１のマニホールドと、複数個の前記電解セルの他端を固定する第２のマニホールドと、を備え、前記第１のマニホールドは、水蒸気を含むガスが供給される供給部と、水素を含むガスを回収する回収部とを含み、前記供給部に供給された水素を含むガスの少なくとも一部が、前記二つ以上のガス流路の一方を通って前記第２のマニホールドに流れ、前記二つ以上のガス流路の他方を通って前記回収部に流れるように構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のうちいずれかに記載のハイブリッド装置。
【請求項８】
前記燃料電池セルが、内部に一端から他端に貫通するガス流路を備えており、発電で利用されなかった余剰の水素を含有するガスを、前記燃料電池セルの他端側で燃焼させる構成とされており、前記燃料電池セルの他端側近傍に、原燃料を改質して前記燃料電池セルに供給する水素を含有するガスを生成する改質器が配置されていることを特徴とする請求項１乃至請求項７のうちいずれかに記載のハイブリッド装置。
【請求項９】
前記燃料電池セルスタック装置が、前記燃料電池セルの一端を固定するマニホールドと、該マニホールドに接続された、原燃料または水素を含むガスを供給するための燃料供給管とをさらに含むことを特徴とする請求項１乃至請求項８に記載のハイブリッド装置。
【請求項１０】
請求項８または請求項９に記載のハイブリッド装置と、前記燃料電池セルスタック装置の前記マニホールドに酸素を含むガスまたは水蒸気を供給するための補助装置とを備えることを特徴とするハイブリッドシステム。
【請求項１１】
前記燃料電池セルスタック装置の温度を測定するための温度センサと、制御装置とを備え、該制御装置は、起動処理工程において、前記燃料電池セルスタック装置の前記マニホールドに原燃料が供給されており、前記電解セルスタック装置より前記燃料電池セルスタック装置の前記マニホールドに水蒸気が供給されていない状態で、前記温度センサの温度が第１の設定温度となった場合に、前記補助装置を作動させるように制御することを特徴とする請求項１０に記載のハイブリッドシステム。
【請求項１２】
前記改質器または前記燃料電池セルスタック装置の前記マニホールドに、原燃料または水素を含むガスを外部より供給するための燃料供給装置をさらに備え、前記制御装置は、前記電解セルスタック装置より前記燃料電池セルスタック装置の前記マニホールドに供給される水素を含むガスの量が所定量以上供給された場合に、前記燃料供給装置の稼働を停止するように制御することを特徴とする請求項１１に記載のハイブリッドシステム。
【請求項１３】
請求項８または請求項９に記載のハイブリッド装置と、
該ハイブリッド装置の稼働停止処理において、前記燃料電池セルスタック装置の外部負荷への電流の供給を停止するとともに、前記燃料電池セルの温度が所定の温度以下となったのちに、前記電解セルスタック装置への電流の供給および前記気化器への水の供給を停止するように制御する制御装置とを備えることを特徴とするハイブリッドシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解セルスタック装置と燃料電池セルスタック装置とを備えてなるハイブリッド装置およびそれを備えるハイブリッドシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、次世代エネルギーとして、燃料ガス（水素含有ガス）と酸素含有ガス（空気）とを用いて電力を得ることができる固体酸化物形の燃料電池セル（ＳＯＦＣ）を複数個配列してなる燃料電池セルスタック装置が提案されている。【０００３】
一方で、近年水素を製造する他の方法として、固体酸化物形の電解質膜を備える電解セル（ＳＯＥＣ）を用いる高温水蒸気電解法も提唱されている。【０００４】
さらには、この固体酸化物形の燃料電池セル（ＳＯＦＣ）と固体酸化物形の電解セル（ＳＯＥＣ）とを組み合わせてなる固体電解質型燃料電池発電設備も提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−２１４０２１号公報
【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、上記特許文献１には、単に固体酸化物形の燃料電池セル（ＳＯＦＣ）と固体酸化物形の電解セル（ＳＯＥＣ）とを組み合わせることがブロック図として記載されているに過ぎず、具体的な構成については何ら示唆されているものではなく、より効率のよいものが求められている。【０００７】
それゆえ、本発明は、電解セルスタック装置と、燃料電池セルスタック装置とを組み合わせてなるハイブリッド装置において、より効率の良いハイブリッド装置およびそれを備えるハイブリッドシステムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のハイブリッド装置は、水蒸気を含むガスより水素を含むガスを生成する電解セルを複数個備える電解セルスタックを有する電解セルスタック装置と、燃料電池セルを複数個備える燃料電池セルスタックを有する燃料電池セルスタック装置とを備え、前記電解セルスタック装置にて生成された水素を含むガスの少なくとも一部が前記燃料電池セルスタック装置に供給されるように構成されており、前記電解セルスタック装置に供給する水蒸気を含むガスを生成するための気化器が前記燃料電池セルスタックの近傍に配置されている、ことを特徴とする。【０００９】
また、本発明のハイブリッドシステムは、上記のハイブリッド装置と、前記燃料電池セルスタック装置の前記マニホールドに酸素を含むガスまたは水蒸気を供給するための補助装置とを備えることを特徴とする。【００１０】
さらに、本発明のハイブリッドシステムは、上記のハイブリッド装置と、該ハイブリッド装置の稼働停止処理において、前記燃料電池セルスタック装置の外部負荷への電流の供給を停止するとともに、前記燃料電池セルの温度が所定の温度以下となったのちに、前記電解セルスタック装置への電流の供給および前記気化器への水の供給を停止するように制御する制御装置を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明のハイブリッド装置は、効率よく水蒸気を電解セルスタック装置に供給できるとともに、燃料電池セルスタック装置の温度分布を改善でき、発電効率を向上することができることから、効率の良いハイブリッド装置とすることができる。【００１２】
また、本発明のハイブリッドシステムは、信頼性の向上したハイブリッドシステムとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本実施形態のハイブリッド装置の一例を示す外観斜視図である。
【図２】本実施形態のハイブリッド装置を構成する（ａ）は電解セルスタック装置の一部を抜粋して示す平面図、（ｂ）は燃料電池セルスタック装置の一部を抜粋して示す平面図である。
【図３】本実施形態のハイブリッド装置の他の一例を示す外観斜視図である。
【図４】本実施形態のハイブリッド装置のさらに他の一例を示す外観斜視図である。
【図５】図４に示すハイブリッド装置を構成する電解セルスタック装置の一例を示す断面図である。
【図６】本実施形態のハイブリッド装置のさらに他の一例を示す外観斜視図である。
【図７】（ａ）、（ｂ）は、本実施形態のハイブリッドシステムの一例を示すブロック図である。
【図８】本実施形態のハイブリッドシステムの起動に関するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１は、本実施形態のハイブリッド装置の一例を示す外観斜視図である。なお、以下の説明において、同一のものについては、同一の符号を用いて説明するものとする。
【００１５】
図１に示すように、本実施形態のハイブリッド装置１は、固体酸化物形の電解セルスタック装置２と、固体酸化物形の燃料電池セルスタック装置３とを備えている。
【００１６】
電解セルスタック装置２においては、水蒸気を供給するとともに、電解セルスタック装置２に電流を流す（電圧を付加する）ことで、電解反応を生じ、水素を含むガスが生成される。
【００１７】
一方、燃料電池セルスタック装置３においては、燃料ガスである水素を含むガスを供給することで、発電反応を生じ電力を得ることができる。
【００１８】
それゆえ、この電解セルスタック装置と燃料電池セルスタック装置とを組み合わせることで、水素を含むガスを得ることができるほか、電力を得ることができ、効率の良いハイブリッド装置とすることができる。
【００１９】
電解セルスタック装置２は、複数個の電解セル４を立設させた状態で一列に配列して電気的に接続された電解セルスタック５を備え、該電解セルスタック５を構成する電解セル４の一端部（下端部）がガラスシール材等の絶縁性接合材（図示せず）で、金属等で形成された第１のマニホールド６に固定されている。なお、電解セルスタック５の両端部には、電解セルスタック５（電解セル４）に電流を流すための導電部９を有する端部導電部材８が配置されている。
【００２０】
また、電解セルスタック５（複数個の電解セル４）の他端部（上端部）は、ガラスシール材等の絶縁性接合材（図示せず）で、金属等で形成された第２のマニホールド７に固定されている。この電解セルスタック装置２においては、電解セル４に供給されて電解反応により生じた水素を含むガスは、第２のマニホールド７にて回収される。すなわち、第２のマニホールド７そのものが回収部とされている。第２のマニホールド７に回収された水素を含むガスは、ガス導出管１８により外部に導出されるほか、ガス導入管１９により隣接して配置された燃料電池セルスタック装置３に供給される。言い換えれば、電解セルスタック装置２の第２のマニホールド７と、後述する燃料電池セルスタック装置３のマニホールド１２とが、ガス導入管１９にて接続されている。これにより、電解セルスタック装置２にて生成された水素を含むガスの少なくとも一部が燃料電池セルスタック装置３に供給されるように構成されている。
【００２１】
なお、図には示していないが、ガス導出管１８またはガス導入管１９には弁が適宜設けられており、この弁の動作を制御することで、水素を含むガスを外部に導出するほか、燃料電池セルスタック装置３に供給することができる。また、詳細は後述するが、図１に示す電解セルとして、縦縞型の電解セル１を備えている。なお、各電解セル４に電流を流しやすくすることを目的として、各電解セル４間に導電部材を配置してもよい。
【００２２】
そして、電解セル４に水蒸気を供給するとともに、電解セル４を６００〜１０００℃に加熱し、かつ電圧が１．０〜１．５Ｖ（電解セル１本あたり）程度になるように、電流を付加することで、電解セル４に供給された水蒸気の一部もしくは全部が、カソードとアノードとにおいて下記の反応式で示す反応が生じ、水素と酸素に分解される。なお、酸素は後述するアノードより排出される。
カソード：Ｈ２Ｏ＋２ｅ−  →  Ｈ２＋Ｏ２−
アノード：Ｏ２−  →  １／２Ｏ２＋２ｅ−
【００２３】
一方、燃料電池セルスタック装置３は、複数個の燃料電池セル１０を立設させた状態で一列に配列して、集電部材を介して電気的に接続された燃料電池セルスタック１１を備え、該燃料電池セルスタック１１を構成する燃料電池セル１０の一端部（下端部）がガラスシール材等の絶縁性接合材（図示せず）で、金属等で形成されたマニホールド１２に固定されている。なお、燃料電池セルスタック１１の両端部には、燃料電池セルスタック１１（燃料電池セル１０）にて発電した電流を導出するための電流引出部１４を有する端部集電部材１３が配置されている。なお、詳細は後述するが、図１に示す燃料電池セルとして、縦縞型の燃料電池セル１０を備えている。
【００２４】
そして、燃料電池セル１０に水素を含むガス（水素を含むガス）および酸素含有ガスを供給するとともに、燃料電池セル１０を６００〜１０００℃に加熱することで、燃料電池セル１０に供給された水素を含むガスおよび酸素含有ガスが、カソードとアノードとにおいて下記の反応式で示す反応が生じ電力を得ることができる。なお、発電に使用されなかった水素を含むガスは、燃料電池セル１０の他端部側（上端部側）で燃焼させることにより、その燃焼熱で燃料電池セルスタック１１の温度を上昇または高温に維持することもできる。
カソード：１／２Ｏ２＋２ｅ−  →Ｏ２−
アノード：Ｈ２＋Ｏ２−  →Ｈ２Ｏ＋２ｅ−
【００２５】
そして、電解セルスタック装置２と燃料電池セルスタック装置３とでは、その構成に関して、電解セルスタック装置２の上方に第２のマニホールド７が配置されている点で大きく異なっている。
【００２６】
また、燃料電池セルスタック１１の近傍には、電解セルスタック装置２の第１のマニホールド６に供給する水蒸気を生成するための気化器１６が配置されている。なお、図１においては、気化器１６は、燃料電池セル１０の配列方向に沿った中央部に配置されており、具体的には、図１に示す燃料電池セルスタック１１においては、燃料電池セル１０の配列方向に沿った中央部の側方に配置されているが、これに限られるものではない。
【００２７】
ここで、気化器１６の上端には水供給装置より供給される水を気化器１６に導入するための水導入管１５が接続されており、一方、下端部側には、一端が気化器１６に接続され、他端が第１のマニホールド６に接続される水蒸気流入管１７が接続されている。それにより、水導入管１５より供給され、気化器１６で気化した水蒸気は、水蒸気流入管１７を介して電解セルスタック装置２の第１のマニホールド６に供給される。
【００２８】
燃料電池セルスタック装置３においては、発電に伴って温度分布が生じる場合がある。ここで、気化器１６を燃料電池セルスタック装置の近傍に配置することで、この温度分布を改善することができ、燃料電池セルスタック装置３の発電効率が低下することを抑制する、言い換えれば発電効率を向上することができる。
【００２９】
特に、上述の燃料電池セルスタック装置３においては、燃料電池セル１０の配列方向に沿った中央部の温度が高くなり、両端部の温度が低くなるという温度分布を生じる場合がある。それゆえ、気化器１６を、燃料電池セル１０の配列方向に沿った中央部に配置することで、中央部の温度を低下させることができ、温度分布をより改善することができる。それにより、発電効率をさらに向上することができる。なお、図１においては、気化器１６を電解セルスタック装置２と燃料電池セルスタック装置３との間に配置している例を示しているが、燃料電池セルスタック装置３の近傍にあればよく、例えば電解セルスタック装置２と反対側に設けることもできる。
【００３０】
また、例えば電解セル４がＮｉを含んでなる場合には、電解セル４に水蒸気のみを供給すると、Ｎｉが水蒸気により酸化されるおそれがある。Ｎｉが酸化されると、Ｎｉを含有する支持体や内側電極層（カソード）が酸化により体積変化を引き起こし、これに伴って固体電解質に過度な応力が発生することにより、固体電解質が破壊されることがある。これにより固体電解質のクロスリークが発生し、電解セル４の性能が大幅に劣化する。それゆえ、これを回避するために、水蒸気に加えてさらに少量の水素を供給することで、電解セル４の酸化を抑制することができる。そのため、電解セルスタック装置２での水素の生成効率が低い温度の時点で、電流を付加して水素の生成を開始して、電解セル４の酸化を抑制するほか、外部より水素を供給するための水素供給管を第１のマニホールド６に接続するほか、気化器１６に水とともに水素を供給することもできる。
【００３１】
さらに、詳細は後述するが、図１に示す燃料電池セルスタック装置３のマニホールド１２には、原燃料または水素を含むガスを供給するための燃料供給管２０が接続されている。なお、燃料供給管２０は、マニホールド１２に原燃料を直接的または間接的に供給できればよく、例えば、上記の水導入管１５を燃料供給管２０との二重管として、気化器１６、水蒸気流入管１７、電解セルスタック５、第２のマニホールド７、ガス導入管１９を介してマニホールド１２に供給するようにしてもよい。また、後述するように、燃料電池セルスタック装置３の上方に、改質器を設けて燃料供給管２０を改質器に接続して、改質器を介して、マニホールド１２に供給してもよい。なお、原燃料としては、炭化水素系のガスを例示することができる。
【００３２】
以下に、図２を用いて電解セル４（電解セルスタック５）および燃料電池セル１０（燃料電池セルスタック１１）について説明する。
【００３３】
図２は、本実施形態のハイブリッド装置を構成する（ａ）は電解セルスタック装置の一部を抜粋して示す平面図、（ｂ）は燃料電池セルスタック装置の一部を抜粋して示す平面図である。
【００３４】
本実施形態のハイブリッド装置においては、電解セル４と燃料電池セル１０とは略同じ構成のセルを使用することができるため、各セルについては電解セル４を用いて説明し、電解セル４と燃料電池セル１０とで異なる部分がある場合についてのみ、燃料電池セル１０についても説明するものとする。
【００３５】
電解セル４は、図２（ａ）に示すように、中空平板型であり、断面が扁平状で、全体的に見て楕円柱状をした多孔質の導電性支持体（以下、支持体ということがある）２１を備えている。
【００３６】
支持体２１の内部には、適当な間隔で複数の流通孔２６が電解セル４の長さ方向に沿って一端から他端に貫通するように形成されており、電解セル４は、この支持体２１上に各種の部材が設けられた構造を有している。なお、流通孔２６は、電解セル４の横断面において円形状もしくは楕円形状とすることがよい。
【００３７】
支持体２１は、図２（ａ）に示されている形状から理解されるように、互いに平行な一対の平坦面ｎと、一対の平坦面ｎの両端をつなぐ側面（弧状部）ｍとで構成されている。平坦面ｎの両面は互いにほぼ平行に形成されており、平坦面ｎの一方の表面と両側の側面ｍを覆うように多孔質な内側電極層２２（カソード）が設けられており、さらに、この内側電極層２２を覆うように、緻密質な固体電解質層２３が積層されている。また、固体電解質層２３の上には、内側電極層２２と対面するように、多孔質な外側電極層２４（アノード）が積層されており、内側電極層２２、固体電解質層２３および外側電極層２４が重なっている部分が電解素子部となる。また、内側電極層２２および固体電解質層２３が積層されていない他方の平坦面ｎには、インターコネクタ２５が積層されている。
【００３８】
ちなみに、図２（ｂ）に示す燃料電池セル１０においては、内側電極層２２がアノードとして機能し、外側電極層２４がカソードとして機能する。そして、内側電極層２２、固体電解質層２３および外側電極層２４が重なっている部分が発電素子部となる。
【００３９】
図２（ａ）から明らかなように、固体電解質層２３（および内側電極層２２）は、平坦面ｎの両端をつなぐ弧状の側面ｍを経由して他方の平坦面ｎ側に延びており、インターコネクタ２５の両端面が内側電極層２２および固体電解質層２３の両端面と当接している。なお、インターコネクタ２５の両端部を、固体電解質層２３の両端部上に積み重なるように配置することもできる。
【００４０】
なお、インターコネクタ２５と支持体２１との間には、インターコネクタ２５と支持体２１とを強固に接合するための密着層を設けることができ、また、固体電解質層２３と外側電極層２４との間には、固体電解質層２３と外側電極層２４との成分が反応して抵抗の高い反応生成物が生じることを抑制するための反応防止層を設けることができる。
【００４１】
ここで、電解セル４においては、支持体２１内の流通孔２６に水蒸気を流し、上述した所定の作動温度に加熱するとともに、内側電極層２２と外側電極層２４との間に上述した所定の電圧を付加することにより、電解反応を生じることができる。なお、電圧は、支持体２１上に積層されたインターコネクタ２５を介して電解セル４に電流を流すことで付加される。
【００４２】
一方、燃料電池セル１０においては、支持体２１内の流通孔２６に水素を含むガスを流し、上述した所定の作動温度に達することで、発電反応を生じることができる。なお、発電により生じた電流は、支持体２１上に積層されたインターコネクタ２５を介して、集電部材２７を介して隣接する燃料電池セル１０に流れる。
【００４３】
図２に示す燃料電池セルスタック装置３においては、各燃料電池セル１０の間に、内側が酸素含有ガスが流れる空間とされた集電部材２７が配置されている。なお、集電部材２７とインターコネクタ２５とは導電性の接着剤２８を介して接合されている。
【００４４】
以下に、電解セル４、燃料電池セル１０を構成する各構成について順に説明する。
【００４５】
支持体２１は、水蒸気や水素を含むガスを固体電解質層２３まで透過させるために水蒸気や水素を含むガスを透過する透過性を有すること、インターコネクタ２５を介して電流が流れるために導電性であることが要求されることから、例えば、鉄族金属成分と特定の無機酸化物（例えば希土類元素酸化物）とにより形成されることが好ましい。
【００４６】
鉄族金属成分としては、鉄族金属単体、鉄族金属酸化物、鉄族金属の合金もしくは合金酸化物等が挙げられる。より詳細には、例えば、鉄族金属としてはＦｅ、ＮｉおよびＣｏを用いることができ、特には安価であることから、鉄族成分／鉄族金属酸化物としてＮｉおよび／またはＮｉＯを含有していることが好ましい。なお、Ｎｉおよび／またはＮｉＯに加えてＦｅやＣｏを含有してもよい。なお、ＮｉＯは、電解反応により生じたＨ２により還元されて、一部もしくは全部がＮｉとして存在する。
【００４７】
また、希土類元素酸化物とは、支持体２１の熱膨張係数を固体電解質層２３の熱膨張係数に近づけるために使用されるものであり、Ｙ、Ｌｕ、Ｙｂ、Ｔｍ、Ｅｒ、Ｈｏ、Ｄｙ、Ｇｄ、Ｓｍ、Ｐｒからなる群より選択される少なくとも１種の元素を含む希土類元素酸化物が、上記鉄族成分との組み合わせで使用することができる。このような希土類元素酸化物の具体例としては、Ｙ２Ｏ３、Ｌｕ２Ｏ３、Ｙｂ２Ｏ３、Ｔｍ２Ｏ３、Ｅｒ２Ｏ３、Ｈｏ２Ｏ３、Ｄｙ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、Ｓｍ２Ｏ３、Ｐｒ２Ｏ３を例示することができ、鉄族金属の酸化物との固溶、反応が殆どなく、また、熱膨張係数が固体電解質層２３とほとんど同程度であり、かつ安価であるという点から、Ｙ２Ｏ３、Ｙｂ２Ｏ３が好ましい。
【００４８】
ここで、支持体２１の良好な導電率を維持し、かつ熱膨張係数を固体電解質層２３と近似させるという点で、鉄族金属成分と希土類元素酸化物成分とが、焼成−還元後における体積比率で３５：６５〜６５：３５の体積比で存在することが好ましい。なお、鉄族金属成分としてＮｉを、希土類元素酸化物成分としてＹ２Ｏ３を用いる場合には、Ｎｉ／（Ｎｉ＋Ｙ）が７９〜９３モル％となるように含有することが好ましい。なお、支持体２１中には、要求される特性が損なわれない限りの範囲で、他の金属成分や酸化物成分を含有していてもよい。
【００４９】
また、支持体２１は、水蒸気透過性を有していることが必要であるため、通常、開気孔率が３０％以上、特に３５〜５０％の範囲にあることが好ましい。また、支持体２１の導電率は、５０Ｓ／ｃｍ以上、より好ましくは３００Ｓ／ｃｍ以上、特に好ましくは４４０Ｓ／ｃｍ以上とすることがよい。
【００５０】
なお、支持体２１の平坦面ｎの長さ（支持体２１の幅方向の長さ）は、通常、１５〜３５ｍｍ、側面ｍの長さ（弧の長さ）は、２〜８ｍｍであり、支持体２１の厚み（平坦面ｎの両面間の厚み）は１．５〜５ｍｍであることが好ましい。
【００５１】
内側電極層２２は、電極反応を生じさせるものであり、それ自体公知の多孔質の導電性セラミックスにより形成することが好ましい。例えば、希土類元素酸化物が固溶したＺｒＯ２または希土類元素酸化物が固溶したＣｅＯ２と、Ｎｉおよび／またはＮｉＯとから形成することができる。なお、希土類元素としては、支持体２１において例示した希土類元素を用いることができ、例えばＹ２Ｏ３が固溶したＺｒＯ２（ＹＳＺ）とＮｉおよび／またはＮｉＯとから形成することができる。
【００５２】
内側電極層２２中の希土類元素酸化物が固溶したＺｒＯ２または希土類元素酸化物が固溶しているＣｅＯ２の含量と、ＮｉあるいはＮｉＯの含量とは、焼成−還元後における体積比率で、３５：６５〜６５：３５の体積比で存在することが好ましい。さらに、この内側電極層２２の開気孔率は、１５％以上、特に２０〜４０％の範囲にあるのが好ましく、その厚みは、１〜３０μｍであるのが好ましい。例えば、内側電極層２２の厚みがあまり薄いと、性能が低下するおそれがあり、またあまり厚いと、固体電解質層２３と内側電極層２２との間で熱膨張差による剥離等を生じるおそれがある。
【００５３】
また、図２（ａ）の例では、内側電極層２２は、一方の平坦面ｎ（図において左側に位置する平坦面ｎ）から側面ｍを介して他方の平坦面ｎ（図において右側に位置する平坦面ｎ）にまで延びているが、外側電極層２４に対面する位置に形成されていればよいため、例えば外側電極層２４が設けられている側の平坦面ｎにのみ内側電極層２２が形成されていてもよい。すなわち、内側電極層２２は平坦面ｎにのみ設けられ、固体電解質層２３が内側電極層２２上、両側面ｍ上および内側電極層２２が形成されていない他方の平坦面ｎ上に形成された構造をしたものであってもよい。
【００５４】
固体電解質層２３は、３〜１５モル％のＹ２Ｏ３、Ｓｃ２Ｏ３、Ｙｂ２Ｏ３等の希土類元素酸化物を含有した部分安定化あるいは安定化ＺｒＯ２からなる緻密質なセラミックスを用いるのが好ましい。また、希土類元素としては、安価であるという点からＹが好ましい。さらに、固体電解質層２３は、水蒸気の透過を防止するという点から、相対密度（アルキメデス法による）が９３％以上、特に９５％以上の緻密質であることが望ましく、かつその厚みが５〜５０μｍであることが好ましい。
【００５５】
上記したように、固体電解質層２３と後述する外側電極層２４の間に、固体電解質層２３と外側電極層２４との接合を強固とするとともに、固体電解質層２３の成分と外側電極層２４との成分とが反応して電気抵抗の高い反応生成物が生じることを抑制する目的で反応防止層を備えることもできる。
【００５６】
反応防止層としては、Ｃｅ（セリウム）と他の希土類元素とを含有する組成にて形成することができ、例えば、（ＣｅＯ２）１−ｘ（ＲＥＯ１．５）ｘ、ＲＥはＳｍ、Ｙ、Ｙｂ、Ｇｄの少なくとも１種であり、ｘは０＜ｘ≦０．３を満足する数、で表される組成を有していることが好ましい。さらには、電気抵抗を低減するという点から、ＲＥとしてＳｍやＧｄを用いることが好ましく、例えば１０〜２０モル％のＳｍＯ１．５またはＧｄＯ１．５が固溶したＣｅＯ２を含んでなることが好ましい。
【００５７】
また、固体電解質層２３と外側電極層２４とを強固に接合するとともに、固体電解質層２３の成分と外側電極層２４の成分とが反応して電気抵抗の高い反応生成物が生じることをさらに抑制する目的で、反応防止層を２層から形成することもできる。
【００５８】
外側電極層２４としては、いわゆるＡＢＯ３型のペロブスカイト型酸化物からなる導電性セラミックスにより形成することが好ましい。かかるペロブスカイト型酸化物としては、遷移金属ペロブスカイト型酸化物、特にＡサイトにＳｒとＬａが共存するＬａＭｎＯ３系酸化物、ＬａＦｅＯ３系酸化物、ＬａＣｏＯ３系酸化物の少なくとも１種が好ましく、６００〜１０００℃程度の作動温度での電気伝導性が高いという点からＬａＣｏＯ３系酸化物が特に好ましい。なお、上記ペロブスカイト型酸化物においては、ＡサイトにＳｒとＬａが存在し、Ｂサイトに、Ｃｏ（コバルト）とともにＦｅ（鉄）やＭｎ（マンガン）が存在しても良い。
【００５９】
また、外側電極層２４は、酸素ガスの透過性を有する必要があり、従って、外側電極層２４を形成する導電性セラミックス（ペロブスカイト型酸化物）は、開気孔率が２０％以上、特に３０〜５０％の範囲にあることが好ましい。さらに、外側電極層２４の厚みは、電解セル４や燃料電池セル１０の導電性の観点から３０〜１００μｍであることが好ましい。
【００６０】
また、支持体２１の外側電極層２４側と反対側の平坦面ｎ上には、インターコネクタ２５が積層されている。
【００６１】
インターコネクタ２５としては、導電性セラミックスにより形成されることが好ましいが、水素を含む流体および酸素を含む流体と接触するため、耐還元性、耐酸化性を有していることが必要である。このため、耐還元性、耐酸化性を有する導電性セラミックスとしては、一般に、ランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物（ＬａＣｒＯ３系酸化物）を使用することが好ましい。さらには、特に支持体２１と固体電解質層２３との熱膨張係数を近づける目的から、ＢサイトにＭｇが存在するＬａＣｒＭｇＯ３系酸化物を用いることが好ましい。なおＭｇの量は、インターコネクタ２５の熱膨張係数が、支持体２１および固体電解質層２３の熱膨張係数に近づくように、具体的には１０〜１２ｐｐｍ／Ｋとなるように適宜調整することができる。
【００６２】
また、支持体２１とインターコネクタ２５との間には、上記したように、インターコネクタ２５と支持体２１との間の熱膨張係数差を軽減する等のための密着層を設けることもできる。
【００６３】
このような密着層としては、内側電極層２２と類似した組成とすることができる。例えば、希土類元素酸化物、希土類元素酸化物が固溶したＺｒＯ２、希土類元素酸化物が固溶したＣｅＯ２のうち少なくとも１種と、Ｎｉおよび／またはＮｉＯとから形成することができる。より具体的には、例えばＹ２Ｏ３とＮｉおよび／またはＮｉＯからなる組成や、Ｙ２Ｏ３が固溶したＺｒＯ２（ＹＳＺ）とＮｉおよび／またはＮｉＯからなる組成、Ｙ、Ｓｍ、Ｇｄ等の酸化物が固溶したＣｅＯ２とＮｉおよび／またはＮｉＯからなる組成から形成することができる。なお、希土類元素酸化物が固溶したＺｒＯ２または希土類元素酸化物が固溶しているＣｅＯ２の含量と、ＮｉあるいはＮｉＯの含量とは、焼成−還元後における体積比率で、４０：６０〜６０：４０の体積比で存在することが好ましい。
【００６４】
なお、図２（ａ）に示す電解セルスタック装置２においては、一方の電解セル４のインターコネクタ２５に、隣接する他方の電解セル４の外側電極層２４が接合し、これにより電解セル４同士が電気的に接続されている。なお、一方の電解セル４のインターコネクタ２５と、他方の電解セル４の外側電極層２４とが電気的に接続されればよく、例えば間に図２（ｂ）で示す集電部材（導電部材）２７を介して電気的に接続してもよい。
【００６５】
このような電解セルスタック５では、外側電極層２４が形成されていない電解セル４を用い、一方の電解セル４のインターコネクタ２５に外側電極層２４を構成するペーストを塗布し、隣接する他方の電解セル４の固体電解質層２３に、外側電極層２４を形成する前記ペーストを塗布し、ペーストが塗布された面同士を付着させ、熱処理することにより、隣接する一方の電解セル４のインターコネクタ２５と、他方の電解セル４の外側電極層２４とが直接接合し、電気的に接続することができる。
【００６６】
そして、外側電極層２４は、上記したように、所定の気孔率を有するため、多くの気孔が連通し、外側電極層２４内にガス通路が形成されており、電解反応で生じた酸素を、外側電極層２４内に形成されたガス通路を介して外側電極層２４外に放出することができ、より簡単な構造で、電解セル４からのガスを排出できるとともに、複数の電解セル４を電気的に接続できる。
【００６７】
また、図２（ｂ）に示す燃料電池セルスタック装置３において、一方の燃料電池セル１０のインターコネクタ２５と集電部材２７とを接合する導電性の接着剤２８としては、導電性を有していればよく、例えば外側電極層２８と同様の材料からなるものとすることができる。
【００６８】
図３は、本実施形態のハイブリッド装置の他の一例を示す外観斜視図である。
【００６９】
図３に示すハイブリッド装置２９においては、図１に示すハイブリッド装置１と比較して、気化器１６が、燃料電池セルスタック装置３における燃料電池セル１０の配列方向に沿った中央部で、かつ燃料電池セル１０の上方に配置している点で異なっている。
【００７０】
気化器１６を燃料電池セル１０の上方に配置することで、燃料電池セル１０の上方で、発電に使用されなかった水素を含むガスを燃焼させることにより生じる燃焼熱により、効率よく気化器１６に供給される水を水蒸気に気化させることができる。それにより、電解セルスタック装置２に効率よく水蒸気を供給することができる。
【００７１】
また、気化器１６を燃料電池セルスタック装置３における燃料電池セル１０の配列方向に沿った中央部に配置することで、燃料電池セルスタック装置３の中央部の温度を低下でき、温度分布を改善することができることから、発電効率を向上することができる。
【００７２】
図４は、本実施形態のハイブリッド装置のさらに他の一例を示す外観斜視図であり、図５は、図４に示すハイブリッド装置を構成する電解セルスタック装置の断面図である。
【００７３】
図１および図３に示すハイブリッド装置においては、第１のマニホールド６に供給された水蒸気は、電解セル４の流通孔２６を一端（下端）から他端（上端）に流れて、第２のマニホールド７に回収される構成であるのに対し、図４に示すハイブリッド装置３０においては、電解セル４が２つ以上の流通孔２６を有しており、一方の流通孔２６が往路側流通孔３６とされ、他方の流通孔２６が復路側流通孔３７とされて、第２のマニホールド３１を介して電解セル４にて折り返された構造とされている。
【００７４】
図５に示すように、第２のマニホールド３１は、図１に示す電解セル４の他端部（上端部）に、往路側流通孔３６を流通した流体を、復路側流通孔３７に流通させるための空間３２を有している。
【００７５】
一方、第１のマニホールド６の内部には、図５において向かって左側が流体（主に水蒸気を含むガス）の供給部３４とされ、右側が流体（主に水素を含むガス）の回収部３５とされており、これらが仕切部材３３により仕切られている。
【００７６】
そして、電解セル４に設けられた往路側流通孔３６の下端と、供給部３４とが連通しており、それにより、供給部３４に供給された水蒸気が、往路側流通孔３６を上方に向けて流れる間に、その一部もしくは全部が電解反応を生じることで水素を含むガスとなる。
【００７７】
そして、電解反応により生じた水素や反応に使用されなかった水蒸気を含むガスは、続けて往路側流通孔３６の上方より、第２のマニホールド３１の空間３２に流れる。すなわち、第２のマニホールド３１は水素を含むガスが流れるマニホールドとなる。そして、空間３２に流れた流体は、続いて復路側流通孔３７に流れ、復路側流通孔３７を下方に向けて流れることとなる。
【００７８】
一方、復路側流通孔３７の下端は、回収部３５と連通している。それにより、空間３２を介して、復路側流通孔３７に流れ、該復路側流通孔３７を下方に向けて流れた後、回収部３５に流れることとなる。それゆえ、回収部３５に流れた流体を回収することで、効率よく水素を含むガスを回収することができる。すなわち、図４に示すハイブリッド装置３０においては、電解セルスタック装置２の第１のマニホールド６が、水蒸気が供給される供給部を備えるとともに、水素を含むガスを回収する回収部を備えるマニホールドとなる。なお、この復路側流通孔３７を下方に向けて流れる間にも、流体に含まれる反応を生じなかった水蒸気の一部または全部が電解反応を生じ、水素を生成することができる。
【００７９】
なお、図５の第１のマニホールド６の上面において斜線で示している部分は、電解セル４と第１のマニホールド６とを固定する絶縁性接合剤を示している。
【００８０】
また、第２のマニホールド３１の内面は、往路側流通孔３６を流れた水素を含むガスが効率よく復路側流通孔３７に流れるように、円弧状とすることもできる。
【００８１】
また、第２のマニホールド３１は、電解セルスタック５全体を覆うものであってもよく、また１つ１つの電解セル４の上端に設けられるものであってもよい。
【００８２】
以上のようなハイブリッド装置においては、電解セルスタック装置２にて効率よく水素を含むガスを生成できるとともに、燃料電池セルスタック装置３にて効率よく発電を行なうことができることから、効率の良いハイブリッド装置とすることができる。
【００８３】
図６は、本実施形態のハイブリッド装置のさらに他の一例を示す外観斜視図であり、図１に示すハイブリッド装置１と比較して、燃料電池セルスタック装置３において、燃料電池セルスタックの他端側近傍に、原燃料を改質する改質器３９が設けられている点で異なっている。
【００８４】
上述のハイブリッド装置において、電解セルスタック装置２で生成された水素を含むガスの一部を燃料電池セルスタック装置３に供給することができるが、外部の要求に応じて、多くの水素を含むガスが外部に取り出され、燃料電池セルスタック装置３に供給できる水素を含むガスの量が少なくなる場合がある。そこで、燃料電池セルスタック装置３において、燃料電池セルスタックの他端側近傍に、原燃料を改質する改質器３９を設けることで、安定して燃料電池セルスタック装置３の発電を継続することができる。それにより、さらに効率の向上したハイブリッド装置３８とすることができる。
【００８５】
なお、改質器３９としては、改質効率のよい水蒸気改質を行なうことが可能な改質器であることが好ましく、改質器３９は水を気化する気化部と、改質触媒を備える改質部とを有する構成とすることが好ましい。また改質器３９には炭化水素ガス等の原燃料を供給するための原燃料供給管４０が接続されている。
【００８６】
また、燃料電池セル１０の上方で、発電で利用されなかった余剰の水素を含むガスを燃料させることにより生じる燃焼熱により、効率よく改質器３９の温度を上昇させることができ、改質器３９の起動時間を短くできるほか、改質効率を向上することができる。
【００８７】
なお、図６においては、水蒸気改質可能な改質器３９と気化器１６とを別の構成とした例を示しているが、例えば改質器３９の気化部を兼用し、改質器３９に設けられた気化部より水蒸気を電解セルスタック装置２に供給する構成とすることもできる。
【００８８】
さらに、図には示していないが、改質器３９での改質反応により生成された水素を含むガスは、改質器３９と燃料電池セルスタック装置３のマニホールド１２とを接続する燃料供給管によりマニホールド１２に供給される。なお、起動時において、改質器３９の改質反応が開始されるまでの間に供給された原燃料は、そのままマニホールド１２に供給されて、燃料電池セル１０を通過した後、燃料電池セル１０の上方にて燃焼されることとなる。それゆえ、改質器３９と燃料電池セルスタック装置３のマニホールド１２とを接続する燃料供給管が、図１に示す燃料供給管２０の役割を果たしている。
【００８９】
ところで、上述の電解セルスタック装置２における第２のマニホールド７、３１においては、水素を含むガスが流れることから、第２のマニホールド７、３１の内面は、電解セル４の他端（上端）と所定の距離を有する形状とされていることが好ましい。
【００９０】
また、第１のマニホールド６、第２のマニホールド７、３１としては、耐熱性を有する材料より作製することができ、例えばセラミックや金属等で作製することができる。ただし、第１のマニホールド６、第２のマニホールド７、３１を金属より構成する場合には、第１のマニホールド６、第２のマニホールド７、３１と電解セル４とは絶縁することが好ましい。それゆえ、例えば第１のマニホールド６、第２のマニホールド７、３１と電解セル４とを隙間を空けて配置し、例えばガラス等の絶縁性の接着剤にて固定することが好ましい。また、第２のマニホールド７、３１の内面が電解セル４に接触することを防ぐ目的で、電解セル４の他端（上端）に絶縁性からなる環状もしくは筒状の部材を配置するほか、第２のマニホールド７、３１の内面に絶縁性のコーティングを施すなどして、第２のマニホールド７、３１と電解セル４とを絶縁することが好ましい。それにより、第１のマニホールド６、第２のマニホールド７、３１と電解セル４との絶縁性を確保しつつ、流通孔２６を流れる水蒸気や水素を含むガス等の流体が漏出することを抑制できる。なお、第２のマニホールド７、３１と電解セル４との間に、絶縁性からなる環状もしくは筒状の部材を配置する場合には、この環状または筒状の内側が空間３２となる。
【００９１】
図７は、本実施形態のハイブリッド装置を備えるハイブリッドシステムの構成の一部を抜粋して示すブロック図であり、（ａ）は図１に示すハイブリッド装置１を構成する一部を抜粋して示し、（ｂ）は図６に示すハイブリッド装置３８を構成する一部を抜粋して示している。
【００９２】
図７（ａ）においては、燃料電池セルスタック装置のマニホールド１２に燃料供給管２０が接続されており、その上流には燃料ポンプ４２が設けられている。一方、酸素含有ガスについては、燃料電池セル１０の外側電極層に酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス流通路４７と、第１のマニホールド１２に接続される酸素含有ガス供給管４８とを備えており、これらの上流に酸素含有ガス供給装置（ブロワ）４１が接続されている。なお、図７においては１つの酸素含有ガス供給装置４１より、酸素含有ガス流通路４７および酸素含有ガス供給管４８に酸素含有ガスを流す例を示しているが、それぞれに１つの酸素含有ガス供給装置４１を設ける構成としてもよい。なお、マニホールド１２においては、酸素含有ガスの代わりに水蒸気を供給してもよい。
【００９３】
一方、気化器１６に水を供給する水供給管１５の上流には水供給装置である水ポンプ４３が設けられている。それにより、気化器１６に適宜水を供給することができる。また、気化器１６と電解セルスタック装置の第１のマニホールド６とが、水蒸気流入管１７にて接続されている。
【００９４】
また、第２のマニホールド７には、電解セルスタック装置５にて生成された水素を含むガスを外部に導出するガス導出管１８と、燃料電池セルスタック装置のマニホールド１２に流すためのガス導入管１９が接続されている。なお、図７においては、ガス導出管１８に弁４９が設けられている。
【００９５】
また、燃料電池セル１０の近傍には、発電に用いられなかった水素を含むガスを燃焼させるための着火装置５２と、燃料電池セルスタックの温度を測定するための温度センサ５３が設けられている。
【００９６】
図７（ｂ）においては、上記の構成に加えて、改質器３９に原燃料を供給する燃料供給管５０が接続されており、その上流には原燃料を供給するための燃料ポンプ４２が設けられている。一方、改質器３９にて改質効率のよい水蒸気改質を行なうため、改質器３９に水供給管５１が接続されており、その上流には水ポンプ４６が設けられている。
【００９７】
そして、燃料電池セルスタック装置にて発電された電流は、パワーコンディショナ４４を介して直流から交流に変換されたのち外部に供給され、各ポンプ等は制御装置４５にて制御されている。なお、制御装置４５は、マイクロコンピュータを有しており、入出力インターフェイス、ＣＰＵ、ＲＡＭおよびＲＯＭを備えている。なお、ＣＰＵは、ハイブリッド装置の運転を実施するものであり、ＲＡＭはプログラムの実行に必要な変数を一時的に記憶するものであり、ＲＯＭはプログラムを記憶するものである。
【００９８】
なお、上記のハイブリッド装置は、収納容器内に収納してハイブリッドモジュールとされ、図においてはこれを鎖線で示している。なお収納容器内には、温度を保持するための断熱材や、電解セルスタック装置２や燃料電池セルスタック装置３の温度を上昇・保持するためのヒーター等を設けることができる。
【００９９】
次に、図８を用いて、本実施形態のハイブリッド装置１の起動処理工程の一例について説明する。なお本実施形態において、起動処理工程とは、電解セルスタック装置において電解反応が開始でき、かつ燃料電池セルスタック装置３において発電開始可能となり、定格運転ができるまでの工程を意味する。
【０１００】
まず、ハイブリッド装置１の起動を開始するにあたり、ステップＳ１において燃料電池セルスタック装置のマニホールド（図８においてはＳＯＦＣマニホールドと示す）に、燃料供給管を介して都市ガスやプロパンガスなどの原燃料を供給する。あわせて、燃料電池セルスタック装置の外側電極層に酸素含有ガスを供給する。なお、酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給装置としては、例えばブロワ等を用いることができる。
【０１０１】
続いて、ステップＳ２にて、燃料電池セル１０の流通孔２６より排出される原燃料を燃焼すべく、着火装置を起動する。なお、着火装置は燃料電池セルスタック装置の上方に配置されていればよく、例えば着火ヒーター等を用いることができる。
【０１０２】
続いて、ステップＳ３にて、水ポンプを作動させて気化器に水の供給を開始する。なお、この時点では燃料電池セルスタック装置の温度が十分に上昇しておらず、水が気化できない場合がある。そのため、例えば気化器や、水蒸気流入管に弁を設けるとともに、気化器に温度センサを設け、温度センサが測定する温度が、水が気化する温度となった後に弁を開く制御を行なってもよい。
【０１０３】
気化器に水が供給されて水蒸気が生成されると、水蒸気は水蒸気流入管を介して、電解セルスタックの第１のマニホールドに供給される。第１のマニホールドに供給された水蒸気は、電解セルの流通孔を上方に流れる。なお、この場合において、電解セルスタック装置の温度が十分に上昇していないため、電解セルの流通孔を流れる水蒸気は、水蒸気のままの状態で第２のマニホールドに流れる。第２のマニホールドを流れた水蒸気は、ガス導入管を介して燃料電池セルスタック装置のマニホールドに供給される。当然ではあるが、この場合において、水蒸気がガス流通管を介して外部に放出されないよう弁が制御されている。
【０１０４】
ここで、ステップＳ４に進んで、電解セルスタック装置から水蒸気が燃料電池セルスタック装置のマニホールドに供給されたか否かを検知する。言い換えれば、気化器での水の気化がされているかどうかを検知する。なお、検知方法としては、例えば、ガス導入管に湿度センサ等のセンサを配置して水蒸気が流れているかどうかを確認することができる。
【０１０５】
ここで、電解セルスタック装置から燃料電池セルスタック装置のマニホールドに水蒸気が流れていないと判断された場合には、続いてステップＳ５に進み、燃料電池セルスタック装置の温度が予め定められた第１の設定温度未満かどうかを検知する。すなわち、原燃料が燃料電池セルスタック装置のマニホールドに継続されて供給され、また水蒸気が燃料電池セルスタック装置のマニホールドに供給されていない状況が継続されている中で、燃料電池セルスタック装置が、第１の設定温度に達したかどうかを検知する。ちなみに、燃料電池セルスタック装置の近傍に温度センサを設けることで、燃料電池セルスタック装置の温度を測定することができる。
【０１０６】
燃料電池セルスタック装置の温度が、第１の設定温度未満であれば、原燃料に含まれる炭素が析出するおそれが低いことから、ステップＳ４に戻って電解セルスタック装置から水蒸気が燃料電池セルスタック装置のマニホールドに供給されたか否かを検知する。
【０１０７】
一方、燃料電池セルスタック装置の温度が、第１の設定温度以上であれば、原燃料に含まれる炭素が析出する可能性が高くなる。ここで、炭素が析出すると、燃料電池セルの性能が劣化するため、ステップＳ６に進んで、炭素の析出を防止すべく、燃料電池セルスタック装置のマニホールドに、ダイレクトに水蒸気や酸素含有ガスを補助装置（酸素含有ガス供給装置や水蒸気供給装置）を用いて供給する。なお、酸素含有ガスは、燃料電池セルの外側電極層に酸素含有ガスを供給するブロワ等を併用して供給してもよい。燃料電池セルスタック装置のマニホールドに、ダイレクトに水蒸気や酸素含有ガスを供給することにより、原燃料の分解により生じる炭素析出を抑制することができる。なお、第１の設定温度とは、原燃料の分解により生じる炭素析出が開始される温度未満とすればよく、例えば２００〜３５０℃の範囲で、原燃料の種類に合わせて適宜設定することができる。
【０１０８】
ステップＳ４にて電解セルスタック装置から水蒸気が燃料電池セルスタック装置のマニホールドに供給されたと判断された場合や、ステップＳ６において、燃料電池セルスタック装置のマニホールドに、ダイレクトに水蒸気や酸素含有ガスが供給された後は、ステップＳ７に進んで、燃料電池セルスタック装置の温度が第１の設定温度よりも高い第２の設定温度（発電開始可能温度）以上か否かを確認する。
【０１０９】
ステップＳ７にて、燃料電池セルスタック装置の温度が第２の設定温度（発電開始可能温度）以上となった後は、燃料電池セルスタック装置の発電が開始される。なお、燃料電池セルがＮｉ等を含んでなる燃料電池セルとすることで、原燃料を改質（いわゆる内部改質）することができる。また、燃料電池セルスタック装置のマニホールドに改質触媒を配置してもよい。また原燃料を改質する改質器を備える場合においては、この温度であれば、十分な改質反応を行なうことができる。
【０１１０】
燃料電池セルスタック装置の発電が開始されたのちは、発電により生じる熱や、燃料電池セルの上方で発電に使用されなかった水素を含むガスを燃焼させて生じる燃焼熱で、電解セルスタック装置２の温度が上昇する。
【０１１１】
ステップＳ９においては、電解セルスタック装置の温度が、電解セルの導電性支持体やカソードの主成分であるＮｉの水蒸気酸化温度の最下限値である所定の温度（２５０〜３５０℃の範囲で適宜設定できる）以上であるか否かを検知する。なお、電解セルスタック装置の近傍に温度センサを配置することで、電解セルスタック装置の温度を測定することができる。
【０１１２】
電解セルスタック装置の温度が、所定の温度未満であると判断された場合には、再度ステップＳ９に戻り、電解セルスタック装置の温度を再測定することを繰り返す。
【０１１３】
一方、電解セルスタック装置の温度が、所定の温度以上と判断された場合には、ステップＳ１０に進んで、端部導電部材を介して電解セルスタック装置に電流を通電させる。なおこの電流は、いわゆる系統電源より供給してもよく、また燃料電池セルスタック装置の発電により生じた電力の一部を電解セルスタック装置に供給してもよい。電解セルスタック装置に電流が通電されることにより、電解セルにて電解反応を生じ、水素を含むガスが生成される。これにより電解セルの導電性支持体やカソードの主成分であるＮｉの水蒸気酸化温度に達しても、当該材料が酸化されるリスクを低減することができるほか、水素を含むガスを得ることができる。なお、この電解反応により生じた水素を含むガスの少なくとも一部は、燃料電池セルスタック装置のマニホールドに供給される。
【０１１４】
続いてステップＳ１１に進み、電解セルスタック装置より供給される水素を含むガスの量が所定量以上、燃料電池セルスタック装置のマニホールドに供給されたか否かを検知する。燃料電池セルスタック装置のマニホールドに、所定量以上の水素を含むガスが供給された場合には、燃料供給管を介して原燃料を供給し続ける必要がなくなるため、ステップＳ１２に進んで原燃料の供給を停止する。
【０１１５】
なお、電解セルスタック装置より供給される水素を含むガスの量が所定量以上、燃料電池セルスタック装置のマニホールドに供給されたか否かを検知するにあたっては、例えばガス導入管に２つの圧力センサを配置し、その圧力センサにより測定された圧力の差にもとづいて、水素を含むガスの量を検知でき、またこれに加えて水素センサを設けることで、その水素濃度を検出し、この水素を含むガスの量と水素濃度との情報に基づいて、電解セルスタック装置より供給される水素を含むガスの量が所定量以上か否かを検知することができる。なお、この所定量とは、燃料電池セルスタック装置を構成する燃料電池セルの本数等に応じて適宜設定することができるが、燃料電池セルでの発電が可能な最低流量以上とすることが好ましい。なお、改質器を備える場合には、改質器にて生成される水素を含むガス量を考慮して適宜設定すればよい。
【０１１６】
上述の運転制御により、起動処理が完了した後は、制御装置は通常運転（定格運転）制御を開始すればよい。すなわち、電解セルスタック装置や燃料電池セルスタック装置の温度や、外部負荷、ガス流通管より排出される要求される水素含有ガスの量等に基づいて、適宜各装置の動作を制御すればよい。
【０１１７】
次に、本実施形態のハイブリッド装置１の稼働停止の一例について説明する。
【０１１８】
ハイブリッド装置の稼働を停止するにあたっては、まず燃料電池セルスタック装置の発電を止めるべく、外部負荷や電解セルスタック装置への電流の供給を停止する。それにより、燃料電池セルスタック装置でのジュール熱が減少し、燃料電池セルスタック装置の温度が低下する。なおあわせて燃料電池セルスタック装置に供給する原燃料および水素を含むガスや、改質器に供給する原燃料の量を低下させてもよい。それにより、より早く燃料電池セルスタック装置の温度を低下させることができる。
【０１１９】
燃料電池セルスタック装置からの電流の供給を停止した後は、電解セルスタック装置での電解反応を減少させるべく、電解セルスタック装置に通電する電流量を減少させる。
【０１２０】
上述したように燃料電池セルスタック装置の温度が、所定の温度（第１の設定温度）以上においては、原燃料に含まれる炭素が析出する可能性が高くなる。それゆえ、燃料電池セルの劣化を抑制すべく、燃料電池セルスタック装置の温度が所定の温度以上の場合には、電解セルスタック装置より水蒸気を含むガスを供給することが好ましい。
【０１２１】
それゆえ、少なくとも燃料電池セルスタック装置の温度が所定の温度未満となるまでは、電解セルスタック装置の稼働を停止しないことが好ましい。
【０１２２】
しかしながら、電解セルスタック装置にて定常状態の運転を継続すると、水蒸気量の少ないガスが、燃料電池セルスタック装置に供給されることとなる。それゆえ、例えば、電解セルスタック装置に通電する電流量を低減し、電解反応を抑制することで、水蒸気量の多いガスを燃料電池セルスタック装置に供給することができる。
【０１２３】
なお、この場合において、燃料電池セルスタック装置に供給される水蒸気量に応じて、気化器に供給する水の量を低減することもできる。
【０１２４】
そして、燃料電池セルスタック装置の温度が所定の温度（第１の設定温度）未満となった後は、燃料電池セルスタック装置に供給する原燃料や、酸素含有ガスの供給を停止するとともに、電解セルスタック装置への通電を停止し、あわせて気化器に供給する水を停止する。
【０１２５】
制御装置が上述の制御を行なうことで、燃料電池セルの劣化を抑制することができ、信頼性の向上したハイブリッドシステムとすることができる。
【０１２６】
以上、本発明について詳細に説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。
【０１２７】
例えば、上述の例において、電解セルや燃料電池セルとして、縦縞型のセルを用いて説明したが、支持体上に、内側電極層２２、固体電解質層２３、外側電極層２４が順に配置された電解素子部や発電素子部を複数設けてなる、いわゆる横縞型のセルを用いることもできる。
【符号の説明】
【０１２８】
１、２９、３０：ハイブリッド装置
２：電解セルスタック装置
３：燃料電池セルスタック装置
４：電解セル
５：電解セルスタック
６：第１のマニホールド
７、３１：第２のマニホールド
１０：燃料電池セル
１１：燃料電池セルスタック
１２：マニホールド
１５：水供給管
１６：気化器
１７：水蒸気流入管
１８：ガス導出管
１９：ガス導入管
２０：燃料供給管
２１：導電性支持体
２２：内側電極層
２３：固体電解質層
２４：外側電極層
２６：流通孔
３２：空間
３３：仕切部材
３４：供給部
３５：回収部
３６：往路側流通孔
３７：復路側流通孔
３９：改質器
４０：原燃料供給管
【図１】
2015012372.tif 000003
【図２】
2015012372.tif 000004
【図３】
2015012372.tif 000005
【図４】
2015012372.tif 000006
【図５】
2015012372.tif 000007
【図６】
2015012372.tif 000008
【図７】
2015012372.tif 000009
【図８】
2015012372.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】平成28年11月11日(2016.11.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水蒸気を含むガスより水素を含むガスを生成する電解セルを複数個備える電解セルスタックを有する電解セルスタック装置と、
該電解セルスタック装置に並置され、燃料電池セルを複数個備える燃料電池セルスタックを有する燃料電池セルスタック装置と、
前記電解セルスタック装置に供給する水蒸気を含むガスを生成するための気化器と、を備え、
前記電解セルスタック装置にて生成された水素を含むガスの少なくとも一部が前記燃料電池セルスタック装置に供給されるように構成されており、
前記気化器が、前記燃料電池セルスタックのうち、前記燃料電池セルの配列方向に沿った側方の中央部に配置されており、
かつ前記電解セルスタック装置側における前記燃料電池セルの配列方向に沿った側方に隣接されていることを特徴とするハイブリッド装置。
【請求項２】
前記燃料電池セルスタック装置で発電された電流の少なくとも一部が、前記電解セルスタック装置に供給されることを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド装置。
【請求項３】
前記燃料電池セルが、内部に一端から他端に貫通するガス流路を備えており、発電で利用されなかった余剰の水素を含むガスを、前記燃料電池セルの他端側で燃焼させる構成とされており、前記気化器が、前記燃料電池セルの他端側に配置されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のハイブリッド装置。
【請求項４】
前記電解セルが、内部に一端から他端に貫通するガス流路を備えており、前記電解セルスタック装置が、複数個の前記電解セルの一端を固定するとともに、該電解セルに水蒸気を含むガスを供給するための第１のマニホールドと、複数個の前記電解セルの他端を固定するとともに、該電解セルにより生成された水素を含むガスを回収するための第２のマニホールドと、を備えることを特徴とする請求項１乃至請求項３のうちいずれかに記載のハイブリッド装置。
【請求項５】
前記電解セルが、内部に一端から他端に貫通する二つ以上のガス流路を備えており、前記電解セルスタック装置が、複数個の前記電解セルの一端を固定する第１のマニホールドと、複数個の前記電解セルの他端を固定する第２のマニホールドと、を備え、前記第１のマニホールドは、水蒸気を含むガスが供給される供給部と、水素を含むガスを回収する回収部とを含み、前記供給部に供給された水素を含むガスの少なくとも一部が、前記二つ以
上のガス流路の一方を通って前記第２のマニホールドに流れ、前記二つ以上のガス流路の他方を通って前記回収部に流れるように構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のうちいずれかに記載のハイブリッド装置。
【請求項６】
前記燃料電池セルが、内部に一端から他端に貫通するガス流路を備えており、発電で利用されなかった余剰の水素を含有するガスを、前記燃料電池セルの他端側で燃焼させる構成とされており、前記燃料電池セルの他端側近傍に、原燃料を改質して前記燃料電池セルに供給する水素を含有するガスを生成する改質器が配置されていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のうちいずれかに記載のハイブリッド装置。
【請求項７】
前記燃料電池セルスタック装置が、前記燃料電池セルの一端を固定するマニホールドと、該マニホールドに接続された、原燃料または水素を含むガスを供給するための燃料供給管とをさらに含むことを特徴とする請求項１乃至請求項６に記載のハイブリッド装置。
【請求項８】
前記燃料電池セルスタック装置が、前記燃料電池セルの一端を固定するマニホールドを有する請求項６または請求項７に記載のハイブリッド装置と、前記燃料電池セルスタック装置の前記マニホールドに酸素を含むガスまたは水蒸気を供給するための補助装置とを備えることを特徴とするハイブリッドシステム。
【請求項９】
前記燃料電池セルスタック装置の温度を測定するための温度センサと、制御装置とを備え、該制御装置は、起動処理工程において、前記燃料電池セルスタック装置の前記マニホールドに原燃料が供給されており、前記電解セルスタック装置より前記燃料電池セルスタック装置の前記マニホールドに水蒸気が供給されていない状態で、前記温度センサの温度が第１の設定温度となった場合に、前記補助装置を作動させるように制御することを特徴とする請求項８に記載のハイブリッドシステム。
【請求項１０】
前記燃料電池セルの近傍に、原燃料を改質して前記燃料電池セルに供給する水素を含有するガスを生成する改質器が配置され、該改質器または前記燃料電池セルスタック装置の前記マニホールドに、原燃料または水素を含むガスを外部より供給するための燃料供給装置をさらに備え、前記制御装置は、前記電解セルスタック装置より前記燃料電池セルスタック装置の前記マニホールドに供給される水素を含むガスの量が所定量以上供給された場合に、前記燃料供給装置の稼働を停止するように制御することを特徴とする請求項９に記載のハイブリッドシステム。
【請求項１１】
請求項６または請求項７に記載のハイブリッド装置と、
該ハイブリッド装置の稼働停止処理において、前記燃料電池セルスタック装置の外部負荷への電流の供給を停止するとともに、前記燃料電池セルの温度が所定の温度以下となったのちに、前記電解セルスタック装置への電流の供給および前記気化器への水の供給を停止するように制御する制御装置とを備えることを特徴とするハイブリッドシステム。
【請求項１２】
水蒸気を含むガスより水素を含むガスを生成する電解セルを複数個備える電解セルスタックを有する電解セルスタック装置と、
燃料電池セルを複数個備える燃料電池セルスタックを有する燃料電池セルスタック装置とを備え、
前記電解セルスタック装置にて生成された水素を含むガスの少なくとも一部が前記燃料電池セルスタック装置に供給されるように構成されており、
前記電解セルスタック装置に供給する水蒸気を含むガスを生成するための気化器が前記燃料電池セルスタックの近傍に配置されており、
前記燃料電池セルが、内部に一端から他端に貫通するガス流路を備えており、発電で利用されなかった余剰の水素を含有するガスを、前記燃料電池セルの他端側で燃焼させる構
成とされており、前記燃料電池セルの他端側近傍に、原燃料を改質して前記燃料電池セルに供給する水素を含有するガスを生成する改質器が配置され、
前記燃料電池セルスタック装置が、前記燃料電池セルの一端を固定するマニホールドと、該マニホールドに接続された、原燃料または水素を含むガスを供給するための燃料供給管とをさらに含むハイブリット装置と、
前記燃料電池セルスタック装置の前記マニホールドに酸素を含むガスまたは水蒸気を供給するための補助装置とを備え、
前記燃料電池セルスタック装置の温度を測定するための温度センサと、制御装置とを備え、該制御装置は、起動処理工程において、前記燃料電池セルスタック装置の前記マニホールドに原燃料が供給されており、前記電解セルスタック装置より前記燃料電池セルスタック装置の前記マニホールドに水蒸気が供給されていない状態で、前記温度センサの温度が第１の設定温度となった場合に、前記補助装置を作動させるように制御し、
前記改質器または前記燃料電池セルスタック装置の前記マニホールドに、原燃料または水素を含むガスを外部より供給するための燃料供給装置をさらに備え、前記制御装置は、前記電解セルスタック装置より前記燃料電池セルスタック装置の前記マニホールドに供給される水素を含むガスの量が所定量以上供給された場合に、前記燃料供給装置の稼働を停止するように制御することを特徴とするハイブリッドシステム。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
本発明のハイブリット装置は、水蒸気を含むガスより水素を含むガスを生成する電解セルを複数個備える電解セルスタックを有する電解セルスタック装置と、該電解セルスタック装置に並置され、燃料電池セルを複数個備える燃料電池セルスタックを有する燃料電池セルスタック装置と、前記電解セルスタック装置に供給する水蒸気を含むガスを生成するための気化器と、を備え、前記電解セルスタック装置にて生成された水素を含むガスの少なくとも一部が前記燃料電池セルスタック装置に供給されるように構成されており、前記気化器が、前記燃料電池セルスタックのうち、前記燃料電池セルの配列方向に沿った側方の中央部に配置されており、かつ前記電解セルスタック装置側における前記燃料電池セルの配列方向に沿った側方に隣接されていることを特徴とする。
【国際調査報告】
2015012372.tif 000011
2015012372.tif 000012
2015012372.tif 000013
2015012372.tif 000014