(57)【要約】【課題】  比較的簡単な構成及び制御でもって、燃料電池スタックが劣化しても定格発電出力を容易に取り出すことができる固体酸化物形燃料電池システムを提供すること。【解決手段】  燃料ガスを改質する燃料改質器６と、燃料極及び空気極を有する固体酸化物形燃料電池スタック４とを備え、燃料改質器６から燃料極側に送給される改質ガスと送風機から空気極側に送給される空気との間で燃料電池発電反応が行われる固体酸化物形燃料電池システム。空気極に向けて流れる空気を分配して送給するための空気分配送給手段４２が設けられ、空気分配送給手段４２は、中央送給流路部５０及び端送給流路部４６，４８とを有し、空気流路を流れる空気の流量が多くなると、空気分配送給手段４２は、空気流路を流れる全空気流量に対する端送給流路部に分配送給される分配空気流量の分配比率が小さくなるように空気を分配送給する。【選択図】  図１
2008159362.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスを改質して改質ガスを生成するための燃料改質器と、燃料極及び空気極を有する固体酸化物形燃料電池スタックと、前記燃料改質器からの改質ガスを前記固体酸化物形燃料電池スタックの前記燃料極側に送給する改質ガス送給流路と、送風機からの空気を前記固体酸化物形燃料電池スタックの前記空気極側に送給する空気流路と、を備え、前記固体酸化物燃料電池スタックは、前記燃料極側に送給される改質ガスと前記空気極側に送給される空気との間で燃料電池発電反応を行う固体酸化物形燃料電池システムであって、
前記空気流路には、前記空気極に向けて流れる空気を分配して送給するための空気分配送給手段が設けられ、前記空気分配送給手段は、前記固体酸化物形燃料電池スタックの中央部に送給するための中央送給流路部と、前記固体酸化物形燃料電池スタックの端部に送給するための端送給流路部とを有しており、
前記空気流路を流れる空気の流量が少ないときには、その空気流の動圧が小さいことに関連して、前記空気分配送給手段は、前記空気流路を流れる全空気流量に対する前記端送給流路部に分配送給される分配空気流量の分配比率が大きくなるように空気を分配送給し、また前記空気流路を流れる空気の流量が多くなると、その空気流の動圧が増大することに関連して、前記空気分配送給手段は、前記空気流路を流れる全空気流量に対する前記端送給流路部に分配送給される分配空気流量の分配比率が小さくなるように空気を分配送給することを特徴とする固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項２】
前記空気分配送給手段の前記中央送給流路部の開口部と前記端送給流路部の開口部とは、前記空気流路を流れる空気流の空気動線に対して異なる角度に配置され、前記空気流路を流れる空気の流量が変化すると、前記空気流路を流れる全空気流量に対する前記端送給流路部に分配送給される分配空気流量の分配比率が変化することを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項３】
前記空気分配送給手段は、前記固体酸化物形燃料電池スタックに隣接して設けられ、前記空気分配送給手段を流れる空気と前記固体酸化物形燃料電池スタックの熱との間で熱交換が行われることを特徴とする請求項１又は２に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項４】
前記固体酸化物形燃料電池スタックの下流側には、前記燃料極側から排出される燃料改質ガスと前記空気極側から排出される空気とを反応させて燃焼させるための燃焼室が設けられ、前記空気分配送給手段は、前記燃焼室から前記固体酸化物形燃料電池スタックにわたって設けられ、前記空気分配送給手段を流れる空気と前記燃焼室及び固体酸化物形燃料電池スタックの熱との間で熱交換が行われることを特徴とする請求項１又は２に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項５】
前記固体酸化物形燃料電池スタックの中央部の温度を検出するための温度検知手段が設けられ、前記温度検知手段の検知温度に基づいて前記送風機の回転数が制御され、前記検知温度が上昇すると、前記送風機から送給される空気流量が増大することを特徴とする請求項１〜４に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料ガスを改質して燃料電池反応を行う固体酸化物形燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、燃料電池の一つとして、高発電効率での発電が可能なことから固体酸化物形燃料電池を用いた燃料電池システムの開発が行われている（例えば、特許文献１参照）。固体酸化物形燃料電池では、電解質として酸素イオンを伝導する固体電解質が用いられ、この固体電解質の片側に燃料ガスを酸化する機能を有する燃料極が設けられ、その他側に空気中の酸素を還元する機能を有する空気極が設けられている。固体電解質としては、一般的にはイットリアをドープしたジルコニアが用いられている。原燃料ガスとして例えばメタンを主成分とする燃料ガス（例えば、天然ガス）を用いた場合、この原燃料ガスの改質反応によって得られる改質ガス（水素、一酸化炭素、炭化水素などを含んでいる）が燃料極に供給され、空気（酸素を含んでいる）が空気極に供給される。このような固体酸化物形燃料電池では、７００〜１０００℃の高温で、改質ガス（水素、一酸化炭素、炭化水素）と酸素とを電気化学反応させて発電が行われる。この固体酸化物形燃料電池を用いた燃料電池システムは、他の燃料電池システム、ガスエンジンなどに比して高発電効率での発電が可能であることから、有望な発電技術として開発が行われている。
【０００３】
この種の固体酸化物形燃料電池システムの適用先としては、数十ｋＷ級以上の業務用、産業用の大型のものと、１ｋＷ級の家庭用の小型のものとがある。定格発電出力が１ｋＷ級程度の小型の個体酸化物形燃料電池システムでは、このシステムに接続される電力負荷が時間とともに大きく変動するために、負荷変動に伴う部分負荷時においても高い性能を発揮することが求められる。
【０００４】
【特許文献１】特許第３１１３３４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
この固体酸化物形燃料電池においては、作動温度が高いと発電性能は向上するが、その作動温度がその固体酸化物形燃料電池の固有の劣化管理温度を超えると、固体酸化物形燃料電池の劣化速度が増大して必要な耐久性能が得られないという問題がある。そこで、固体酸化物形燃料電池の燃料電池スタックの上限温度が設定され、この上限温度を超えないように、固体酸化物形燃料電池の空気極側に送給される空気の流量が制御され、このようにして劣化が進むのを抑えている。
【０００６】
この固体酸化物形燃料電池では、発電出力が大きいほど発熱が大きくなるために、燃料利用率や空気利用率が大きく変化しない作動条件では、燃料電池スタックの温度は、部分負荷時においては低く、定格出力時においては高くなる傾向にある。また、固体酸化物形燃料電池の発電出力（Ｗ）は、
発電出力（Ｗ）＝発電電流（Ｉ）×発電電圧（Ｖ）
で表され、燃料電池燃料電池スタックの劣化が進むと、同一発電電流での発電電圧が低下するために、定格の発電出力を維持するためには、劣化前の状態よりも発電電流を増大させて低い発電電圧で発電を行うように稼働される。このように稼働して発電を行うと、劣化の進行に伴って燃料電池スタックの発熱が増加するようになり、燃料電池スタックの耐久性を維持するためには、燃料電池スタックが高温にならないように、その冷却を強める必要がある。
【０００７】
家庭用などの小型の固体酸化物形燃料電池システムでは、発電出力が小さいために、燃料電池スタックの放熱表面積が大きく、この燃料電池スタックから外部へ放散される熱が大きく、燃料電池スタックの中心部とその端部とでは放熱量が異なり、その中心部の方が端部よりも放熱が少なく、その温度が高くなる傾向にある。作動温度が高い燃料電池スタックの中心部で劣化が進行した場合、この中心部の温度がより高くなるために、燃料電池スタックの中心部における劣化の進行を抑えるためには、この中心部を冷却して温度を下げる必要があるが、冷却のために燃料電池スタックの空気極に送給する空気の流量を多くすると、燃料電池スタックの中心部の温度を下げることができるが、その端部の温度も同時に下がってしまい、従って、燃料電池スタックが劣化した状態において、発電効率を大きく損なうことなく、定格発電出力を取り出すことが難しくなる。
【０００８】
本発明の目的は、比較的簡単な構成及び制御でもって、固体酸化物形燃料電池スタックが劣化しても定格発電出力を容易に取り出すことができる固体酸化物形燃料電池システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池システムは、燃料ガスを改質して改質ガスを生成するための燃料改質器と、燃料極及び空気極を有する固体酸化物形燃料電池スタックと、前記燃料改質器からの改質ガスを前記固体酸化物形燃料電池スタックの前記燃料極側に送給する改質ガス送給流路と、送風機からの空気を前記固体酸化物形燃料電池スタックの前記空気極側に送給する空気流路と、を備え、前記固体酸化物燃料電池スタックは、前記燃料極側に送給される改質ガスと前記空気極側に送給される空気との間で燃料電池発電反応を行う固体酸化物形燃料電池システムであって、
前記空気流路には、前記空気極に向けて流れる空気を分配して送給するための空気分配送給手段が設けられ、前記空気分配送給手段は、前記固体酸化物形燃料電池スタックの中央部に送給するための中央送給流路部と、前記固体酸化物形燃料電池スタックの端部に送給するための端送給流路部とを有しており、
前記空気流路を流れる空気の流量が少ないときには、その空気流の動圧が小さいことに関連して、前記空気分配送給手段は、前記空気流路を流れる全空気流量に対する前記端送給流路部に分配送給される分配空気流量の分配比率が大きくなるように空気を分配送給し、また前記空気流路を流れる空気の流量が多くなると、その空気流の動圧が増大することに関連して、前記空気分配送給手段は、前記空気流路を流れる全空気流量に対する前記端送給流路部に分配送給される分配空気流量の分配比率が小さくなるように空気を分配送給することを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池システムでは、前記空気分配送給手段の前記中央送給流路部の開口部と前記端送給流路部の開口部とは、前記空気流路を流れる空気流の空気動線に対して異なる角度に配置され、前記空気流路を流れる空気の流量が変化すると、前記空気流路を流れる全空気流量に対する前記端送給流路部に分配送給される分配空気流量の分配比率が変化することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の請求項３に記載の固体酸化物形燃料電池システムでは、前記空気分配送給手段は、前記固体酸化物形燃料電池スタックに隣接して設けられ、前記空気分配送給手段を流れる空気と前記固体酸化物形燃料電池スタックの熱との間で熱交換が行われることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の請求項４に記載の固体酸化物形燃料電池システムでは、前記固体酸化物形燃料電池スタックの下流側には、前記燃料極側から排出される燃料改質ガスと前記空気極側から排出される空気とを反応させて燃焼させるための燃焼室が設けられ、前記空気分配送給手段は、前記燃焼室から前記固体酸化物形燃料電池スタックにわたって設けられ、前記空気分配送給手段を流れる空気と前記燃焼室及び固体酸化物形燃料電池スタックの熱との間で熱交換が行われることを特徴とする。
【００１３】
更に、本発明の請求項５に記載の固体酸化物形燃料電池システムでは、前記固体酸化物形燃料電池スタックの中央部の温度を検出するための温度検知手段が設けられ、前記温度検知手段の検知温度に基づいて前記送風機の回転数が制御され、前記検知温度が上昇すると、前記送風機から送給される空気流量が増大することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、固体酸化物形燃料電池スタックの空気極側に空気を送給するための空気流路に空気を分配して送給するための空気分配送給手段が設けられ、この空気分配送給手段は、固体酸化物形燃料電池スタックの中央部に送給するための中央送給流路部と、固体酸化物形燃料電池スタックの端部に送給するための端送給流路部とを有している。この空気分配送給手段は、空気流路を流れる空気流量が少ないときには、その空気流の動圧が小さいことに関連して、空気流路を流れる全空気流量に対する前記端送給流路部に分配送給される分配空気流量の分配比率が大きくなるように分配送給するので、このような送給状態のときには、固体酸化物形燃料電池スタックの全体をほぼ均一に冷却して、この燃料電池スタック全体をほぼ同一の温度状態にたもつことができる。また、空気流路を流れる空気流量が大きいときには、その空気流の動圧が大きいことに関連して、この空気分配送給手段は、空気流路を流れる全空気流量に対する端送給流路部に分配送給される分配空気流量の分配比率が小さくなるように分配送給するので、空気流量を増大させる際に、燃料電池スタックの中央部、即ち高温となる部位には多くの空気流量を送給させることができる一方、燃料電池スタックの端部、即ち高温とならない部位における空気流量はあまり増大せず、従って、燃料電池スタックの中央部（即ち、高温部位）の温度上昇を抑制しながら、その端部（即ち、低温部位）の温度を維持することができ、これによって、燃料電池スタックの平均温度を高く保つことができる。その結果、劣化して温度上昇し易くなった燃料電池スタックの中央部を効果的に冷却して温度上昇を抑えることができ、かくして、発電効率を大きく損なうことなく、定格発電出力を取り出すことが可能となる。また、この固体酸化物形燃料電池システムでは、空気流の動圧変動を利用して空気流量の分配比率を変化させているので、空気分配送給手段の中央送給流路部及び端送給流路部に分配制御するための特別な構成及び制御を必要とせず、比較的簡単で安価な構成でもって上述した作用効果を達成することができる。
【００１５】
また、本発明の請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、空気分配送給手段の中央送給流路部の開口部と端送給流路部の開口部とは、空気流路を流れる空気流の空気動線に対して異なる角度に配置されているので、空気流路を流れる空気の流量が変化すると、空気流路を流れる全空気流量に対する端送給流路部に分配送給される分配空気流量の分配比率が変化し、かくして、空気流の動圧変動を利用して空気流量の分配比率を変化させることができる。例えば、中央送給流路部の開口は、空気流路を流れる空気の空気動線の方向に配置され、また端送給流路部の開口は、この空気動線に対して垂直な方向に配置される。
【００１６】
また、本発明の請求項３に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、空気分配送給手段は、固体酸化物形燃料電池スタックに隣接して設けられるので、空気分配送給手段を流れる空気と固体酸化物形燃料電池スタックの熱との間で熱交換が行われ、この熱交換によって、燃料電池スタックを冷却することができる。特に、空気流路を流れる空気流量が多いときには、空気分配送給手段の中央送給流路分を流れる空気の流量が多くなるので、この中央分配送給分を流れる空気と燃料電池スタックの中央部（即ち、高温部位）との熱交換が促進されて冷却効果が高められ、これによって、燃料電池スタックの中央分をより効果的に冷却して温度上昇を抑えることできる。
【００１７】
また、本発明の請求項４に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、空気分配送給手段は、燃焼室から固体酸化物形燃料電池スタックにわたって設けられるので、空気分配送給手段を流れる空気と燃焼室及び固体酸化物形燃料電池スタックの熱との間で熱交換が行われ、この熱交換によって、上述したと同様に、燃料電池スタックを冷却することができる。
【００１８】
更に、本発明の請求項５に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、固体酸化物形燃料電池スタックの中央部の温度を検知するための温度検知手段の検知温度に基づいて送風機の回転数が制御され、この検知温度が上昇すると、送風機から送給される空気流量が増大するので、燃料電池スタックが高温に上昇するのを抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、添付図面を参照して、本発明に従う固体酸化物形燃料電池システムの実施形態について説明する。図１は、固体酸化物形燃料電池システムの一実施形態を簡略的に示す断面図であり、図２は、図１の固体酸化物形燃料電池システムにおける空気分配送給手段を示す簡略断面図であり、図３は、図２の空気分配送給手段を用いた場合における空気流量が少ないときの空気の分配を説明するための図であり、図４は、図２の空気分配送給手段を用いた場合における空気流量が多いときの空気の分配を説明するための図である。
【００２０】
図１において、図示の実施形態の固体酸化物形燃料電池システム２は、固体酸化物形燃料電池スタック４と、燃料改質器６と、空気予熱器８とを備えており、固体酸化物燃料電池スタック４、燃料改質器６及び空気予熱器８が、断熱された遮熱壁１０によって規定される高温収容室１２に収容されている。固体酸化物形燃料電池スタック４は高温収容室１２の略中央に配設され、図１において左右方向に間隔をおいて配設された複数の燃料電池セル１４を備え、燃料電池セル１４の下端部が連通接続部材１６に接続されている。
【００２１】
各燃料電池セル１４は、図示していないが、酸素イオンを伝導する固体電解質と、この固体電解質の片側に配設された燃料極と、その他側に配設された空気極とを備え、固体電解質は、例えばイットリアをドープしたジルコニアから形成される。燃料極では後述する如くして改質された改質ガスが酸化され、空気極では空気中の酸素が還元され、この酸素イオンが固体電解質を通過、移動して改質ガスと電気化学反応を行うことによって発電が行われる。固体酸化物形燃料電池スタック４における電気化学反応は７００〜１０００℃の高温で行われる。尚、固体酸化物形燃料電池スタック４は遮熱壁１０によって囲まれた高温収容室１に収容されているので、固体酸化物形燃料電池スタック４は高温が維持される。
【００２２】
この固体酸化物形燃料電池システム２においては、燃料電池スタック４の空気極側には空気流路２６が配設され、この空気流路２６には、空気供給手段としての送風機２８及び空気・排気熱交換器としての空気予熱器８が設けられ、送風機２８からの空気が空気流路２６及び空気予熱器８を流れ、空気予熱器８にて後述する如く予熱され、かく予熱された空気が後述するようにして固体酸化物形燃料電池スタック４の空気極側に送給される。
【００２３】
また、固体酸化物形燃料電池スタック４の燃料極側（即ち、各燃料電池セル１４の燃料極側）はに連通接続部材１６が接続され、この連通接続部材１６は改質ガス送給流路３０を介して燃料改質器６に接続され、この燃料改質器６は燃料ガス送給流路３２を介して脱硫器３４に接続され、脱硫器３４は燃料ガス供給流路３６を介して、燃料タンク（又は埋設供給管）の如き燃料供給源（図示せず）に接続され、燃料ガス供給流路３６には昇圧ファン３８が配設されている。
【００２４】
この固体酸化物形燃料電池システム２では、燃料ガスとして例えば液化天然ガスをベースとした燃料ガス、即ちメタンを主成分とする燃料ガス（例えば、都市ガス）が用いられ、このような燃料ガスが原燃料ガスとして燃料ガス供給流路３６を通して供給され、かく供給される燃料ガスが昇圧ファン３８によって昇圧された後に脱硫器３４に送給される。脱硫器３４においては、燃料ガスに含まれる硫黄成分が除去され、脱硫された燃料ガスが燃料ガス送給流路３２を通して燃料改質器６に送給される。燃料改質器６には改質触媒が内蔵されており、例えば７００〜８００℃程度の高温で燃料ガスの改質反応が行われ、改質された改質ガスが改質ガス送給流路３０を通して連通接続部材１６に送給され、この連通接続部材１６を通して固体酸化物形燃料電池スタック４の各燃料電池セル１４の燃料極側に改質ガスが供給される。
【００２５】
この固体酸化物形燃料電池システム２では、燃料電池スタック４の排出側、即ち下流側には燃焼室４０が設けられ、この燃焼室４０からの燃焼排気ガスが空気予熱器８を通り、排気流路６２を通して外部に排出されるように構成されている。燃焼部４０には、燃料電池スタック４の燃料極側からの反応燃料ガスとその空気極側からの空気とが排出され、空気中の酸素を用いて反応燃料ガスの燃焼が行われる。尚、この燃焼室４０には燃料改質器６が配設されており、燃料気質器６は燃焼室４０の燃焼熱を利用して燃料ガスの改質反応処理を行う。
【００２６】
図１とともに図２を参照して、この固体酸化物形燃料電池システム２では、空気流路２６に空気分配送給手段４２が設けられ、この空気分配送給手段４２は、固体酸化物形燃料電池スタック４の空気極側に送給される空気を所要の通りに分配して送給する。図示の形態では、空気分配送給手段４２は、空気予熱器８に接続される接続部４４と、この接続部４４から固体酸化物形燃料電池スタック４の一端側（図１において左端側）に分岐する第１端送給流路部４６と、接続部４４から燃料電池スタック４の他端側（図１において右端側）に分岐する第２端送給流路部４８と、接続部４４から燃料電池スタック４の中央部に分岐する中央送給流路部５０とを有している。第１及び第２端送給流路部４６，４８の開口部５２，５４と中央送給流路部５０の開口部５６とは、空気流路２６（具体的には、接続部４４によって規定される流路）を流れる空気流の空気動線５８（換言すると、空気が流れる方向の軸線）に対して異なる角度に配置され、この形態では、中央送給流路部５０の開口部５６は、空気動線５８の方向に、即ち接続部４４の流路と一致するように配置され、第１及び第２端送給流路部４６，４８の開口部５２，５４は、この空気動線５８に対して垂直な方向に配置され、このように配置することによって、空気流路２６を流れる空気の流量が変動すると、空気流路２６を流れる空気の全流量に対する第１及び第２端送給流路部４６，４８に分配送給される分配空気流量の分配比率が変化する。
【００２７】
例えば、空気流路２６を流れる空気の流量が少ないときには、空気流の動圧が小さく、このときには、図３に示すように空気が分配送給される。即ち、接続部４４からの空気は、その動圧が小さい故に、図３（ａ）に矢印で示すように流れ、図３（ｂ）で示すように、中央送給流路部５０の開口部５６を通して流れる単位面積流量（単位面積当たりの流量）と第１及び第２端送給流路部４６，４８の開口部５２，５４を通して流れる単位面積流量とがほぼ等しくなるように分配送給される。また、例えば、空気流路２６を流れる空気の流量が多いときには、空気流の動圧が大きく、このときには、図４に示すように空気が分配送給される。即ち、接続部４４からの空気は、その動圧が大きい故に、図４（ａ）に矢印で示すようにその大部分が空気動線の方向に流れ、図４（ｂ）で示すように、中央送給流路部５０の開口部５６を通して流れる単位面積流量が第１及び第２端送給流路部４６，４８の開口部５２，５４を通して流れる単位面積流量よりも大きくなるように分配送給される。このように第１及び第２端送給流路部４６，４８の開口部５２，５４並びに中央送給流路部５０の開口部５６を配置することによって、空気流の流量の変動に伴い、空気流量２６を流れる空気の全流量に対する第１及び第２端送給流路部４６，４８に送給される空気流量の分配比率を変化させることができる。尚、この実施形態では、第１及び第２端送給流路部４６，４８の開口部５２，５４を空気動線５８に対して垂直な方向に配置しているが、この空気動線５８に対する角度については適宜の角度に設定することができ、この角度を小さく設定することによって、中央送給流路部５６に対する第１及び第２端送給流路部４６，４８に流れる空気流量を相対的に増やすことができる。
【００２８】
この実施形態では、空気分配送給手段４２は、燃焼室４０から固体酸化物形燃料電池スタック４にわたって設けられ、中央送給流路部５０は燃料電池スタック４の中央部を下方に連通接続部材１６の近傍まで延び、第１及び第２端送給流路部４６は燃料電池スタック４の両端部を下方に連通接続部材１６の近傍まで延びており、中央送給流路部５０を流れる空気は、主として燃料電池スタック４の中央部に配置された燃料電池セル１４の空気極側に供給され、第１及び第２端送給流路部４６，４８を流れる空気は、主として燃料電池スタック４の両端部に配置された燃料電池セル１４の空気極側に供給される。
【００２９】
この実施形態では、空気分配送給手段４２の中央送給流路部５０並びに第１及び第２端送給流路部４６，４８は、固体酸化物形燃料電池スタック４の片面側（図１において手前側）に配置され、第１端送給流路部４６の幅Ｗ１と、中央送給流路部５０の幅Ｗ２と、第２端送給流路部４８の幅Ｗ３との比率は、固体酸化物形燃料電池スタック４の高温部位に中央送給流路部５０が位置するように、例えば、Ｗ１：Ｗ２：Ｗ３＝（１．５〜２．５）：（７．０〜５．０）：（１．５〜２．５）に設定される。
【００３０】
この実施形態では、更に、固体酸化物形燃料電池スタック４の中央部（即ち、高温部位）の温度を検知するための温度検知手段６４が設けられ、この温度検知手段６４は例えば熱電対から構成される。この温度検知手段６４の検知温度は、送風機２８の回転数を制御するために利用され、この検知温度が上昇すると、送風機の回転数が増えて送風機から空気流路２６に送給される空気流量が増大し、固体酸化物形燃料電池スタック４の温度が設定上限温度を超えないように送風機２８が回転制御される。
【００３１】
次に、主として図１及び図２を参照して、上述した固体酸化物形燃料電池システム２の作動について説明する。原燃料ガスとしてのメタンを主成分とする燃料ガス（例えば、都市ガス）が燃料ガス供給流路３６を通して送給され、かく送給された燃料ガスは昇圧器３８によって昇圧された後に脱硫器３４に送給され、この脱硫器３４にて燃料ガスに含まれた硫黄成分が除去される。脱硫器３４において脱硫処理された燃料ガスは燃料改質器６に送給され、この燃料改質器６にて改質処理が行われ、改質された改質ガスが改質ガス送給流路３０及び連通接続部材１６を通して固体酸化物形燃料電池スタック４の各燃料電池セル１４の燃料極１８側に送給される。
【００３２】
また、送風機２８からの空気は、空気流路２６を通して後述するようにして固体酸化物形燃料電池スタック４の各燃料電池セル１４の空気極に送給され、この固体酸化物形燃料電池スタック４の各燃料電池セル１４において改質ガスと空気中の酸素とが燃料電池発電反応して発電が行われる。
【００３３】
固体酸化物形燃料電池スタック４の燃料電池セル１４の燃料極側からの反応燃料ガスとその空気極側からの空気が燃焼室４０に送給され、この燃焼室４０にて反応燃料ガスに残留する水素ガスが燃焼される。燃焼室４０からの燃焼排気ガスは、空気予熱器８を流れ、排気流路６２を通って外部へ排出され、この排出の際に空気予熱器８において、排出流路６２に流れる燃焼排気ガスと空気流路２６を流れる空気との間で熱交換が行われて空気が予熱され、この予熱された空気が固体酸化物形燃料電池スタック４の空気極側に供給される。
【００３４】
この固体酸化物形燃料電池システム４では、更に、固体酸化物形燃料電池スタック４に送給される空気が、空気分配送給手段４２によって分配送給される。例えば、固体酸化物形燃料電池システム２が部分負荷運転状態などにおいてその燃料電池スタック４の温度が低い（即ち、温度検知手段６４の検知温度が低い）ときには、送風機２８の回転数が低く、この送風機２８からの空気の送給量が少なく、この場合には、空気流路２６を流れる空気は、空気分配送給手段４２によって図３に示す如く分配送給される。即ち、送風機２８からの空気は、空気流の動圧が小さいことに起因して、空気分配送給手段４２の第１及び第２端送給流路部４６，４８と中央送給流路部５０とにほぼ均一に分配され（即ち、単位面積当たりの流量がほぼ均一となるように分配される）、  第１及び第２端送給流路部４６，４８を流れる空気は、固体酸化物形燃料電池スタック４の端部の熱との間で熱交換されて温められ、主としてこの端部の燃料電池セル１４の空気極側に送給され、また中央送給流路部５０を流れる空気は、固体酸化物形燃料電池スタック４の中央部の熱との間で熱交換され、主としてこの中央部の燃料電池セル１４の空気極側に送給される。このとき、第１及び第２端送給流路部４６，４８並びに中央送給流路部５０を流れる空気の流量は少ないので、固体酸化物形燃料電池スタック４が過剰に冷却することがなく、固体酸化物形燃料電池システム２を所要の通りに部分負荷運転をすることができる。
【００３５】
また、例えば、固体酸化物形燃料電池システム２の劣化が進んでその燃料電池スタック４の温度が上昇する（即ち、温度検知手段６４の検知温度が設定上限温度になる）と、送風機２８の回転数が上昇し、この送風機２８からの空気の送給量が多くなり、この場合には、空気流路２６を流れる空気は、空気分配送給手段４２によって図４に示す如く分配送給される。即ち、送風機２８からの空気は、空気流の動圧が大きいことに起因して、空気分配送給手段４２の中央送給流路部５０への分配比率がその第１及び第２端送給流路部４６，４８よりも大きくなるように分配される（即ち、中央送給流路部５０の単位面積当たりの流量が第１及び第２端送給流路部４６，４８よりも多く分配される）。従って、中央送給流路部５０を流れる空気は、上述したように固体酸化物形燃料電池スタック４の中央部の熱との間で熱交換されるが、その流量が多い故に、かかる熱交換による燃料電池スタック４の中央部における冷却効果が高められ、かかる中央部（即ち、燃料電池スタック４の高温部位）を効果的に冷却することができる。このとき、第１及び第２端送給流路部４６，４８を流れる空気の流量はほとんど増加せず、それ故に、固体酸化物形燃料電池スタック４の端部が過剰に冷却されることがなく、固体酸化物形燃料電池スタック４全体として適切な温度状態に保つことができる。
【００３６】
上述した実施形態では、空気分配送給手段４２を燃焼室４０から固体酸化物形燃料電池スタック４にわたって設けているが、このような構成に限定されず、図５に示すように設けることもできる。図５において、この実施形態では、空気分配送給手段４２Ａは、固体酸化物形燃料電池スタック４に隣接して設けられ、その接続部４４Ａから下流側の第１及び第２端送給流路部４６Ａ，４８Ａ並びに中央送給流路部５０Ａがこの燃料電池スタック４の側面に対向して配設され、第１端送給流路部４６Ａは燃料電池スタック４の片端部にて下方に延び、第２端送給流路部４８Ａは燃料電池スタック４の他側部にて下方に延び、また中央送給流路部５０Ａは燃料電池スタック４の中央部を下方に延びている。この形態のその他の構成は、図１〜図４に示す実施形態と実質上同一である。
【００３７】
この形態においても、第１及び第２端送給流路部４６Ａ，４８Ａを流れる空気は、固体酸化物形燃料電池スタック４の両端部にて発生する熱との間で熱交換が行われ、また中央送給流路部５０Ａを流れる空気は、その燃料電池スタック４の中央部（即ち、高温部位）にて発生する熱との間で熱交換が行われ、従って、このように構成しても上述したと同様の作用効果が達成される。
【００３８】
以上、本発明に従う固体酸化物形燃料電池システムの実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変形乃至修正が可能である。
【００３９】
例えば、上述した実施形態では、空気分配送給手段４２（４２Ａ）が第１及び第２端送給流路部４６（４６Ａ），４８（４８Ａ）並びに中央送給流路部５０（５０Ａ）を備え、空気流路２６を流れる空気が三つに分配されるように構成されているが、送給流路部を４つ又は５つ以上設け、空気流路２６からの空気を４つ又は５つ以上に分配して送給するようにしてもよい。
【００４０】
実施例及び比較例
本発明の固体酸化物形燃料電池システムの効果を確認するために、次の通りの実験を行った。実施例として、図１及び図２に示す固体酸化物形燃料電池システムを用い、定格直流発電端出力１０００Ｗのものを定格植流出力一定条件で発電させた。燃料ガスとしてメタンを９０％含む都市ガスを用いた。燃料利用率を７３％と一定とし、直流発電端電力が一定となるようにした。また、空気流量は空気利用率が３３〜３７％となるように送風機を制御し、固体酸化物形燃料電池スタックの中央部（高温部部位）の温度が８００℃を超える場合には送風機の回転数を上昇させて空気の流動を増大させ、この中央部の温度が８００℃を超えないように送風機を制御した。空気分配送給手段としては、図２に示すものを用い、第１端送給流路部の幅Ｗ１と、中央送給流路部の幅Ｗ２と、第２端送給流路部の幅Ｗ３との比率は、Ｗ１：Ｗ２：Ｗ３＝２．０：６．０：２．０であった。空気分配送給手段内の温度は４００〜６００℃で、作動圧力は常圧で、固体酸化物形燃料電池スタックから固体酸化物形燃料電池システムの排気までの排圧は約１ｋＰａであった。固体酸化物形燃料電池スタックの中央部に第１温度検知手段（第１熱電対）を配設し、その端部に第２温度検知手段（第２熱電対）を配置し、固体酸化物形燃料電池システムの温度状態を検知した。
【００４１】
この固体酸化物形燃料電池システムを継続して稼動運転し、表１に示す結果を得た。この実施例では、発電初期においては、第１温度検知手段の検知温度は７９０℃で、第２温度検知手段の検知温度は７６２℃であり、発電時間の経過により第１温度検知手段の検知温度が上昇し、約３００時間稼動運転した時点でその検知温度が８００℃となり、その後継続して５０００時間運転して表１の結果を得た。
【００４２】
【表１】
2008159362.tif 000003
また、比較例として、実施例と同様の定格直流発電端出願１０００Ｗの固体酸化物形燃料電池システムを用い、実施例と同様の条件で定格直流出力一定条件で発電させた。また、実施例の空気分配送給手段に代えて、第１及び第２端送給流路部並びに中央送給流路部が共通の一つの流路部を構成する空気送給手段を用いた。固体酸化物燃料電池スタックの特性、発電条件などは実施例と同一であった。
【００４３】
比較例においても、固体酸化物形燃料電池システムを継続して稼動運転し、表２に示す結果を得た。この実施例では、発電初期においては、第１温度検知手段の検知温度は７９０℃で、第２温度検知手段の検知温度は７６０℃であり、発電時間の経過により第１温度検知手段の検知温度が上昇し、実施例と同様に約３００時間稼動運転した時点でその検知温度が８００℃となり、その後継続して５０００時間運転して表２の結果を得た。
【００４４】
【表２】
2008159362.tif 000004
表１及び表２から明らかなように、所定の発電条件の下で５０００時間継続して稼動運転した時点における発電効率を対比すると、実施例の固体酸化物形燃料電池システムの方が高い発電効率を維持することができたことが確認できた。比較例の燃料電池システムでは、燃料電池スタックの劣化に伴ってその中央部の温度が上昇し、この温度上昇に伴って空気流量も増大したが、この空気流量の増大は、燃料電池スタックの中央部とその端部とにほぼ同等に増えたために、燃料電池スタックの端部の温度が抑制されて低い温度状態となり、燃料電池スタックの端部における燃料電池セルの発電電圧が低くなる。
【００４５】
一般に、発電出力（Ｐ）は、
発電出力（Ｐ）＝発電電流（Ｉ）×燃料電池スタック電圧（Ｖ）
で表され、また発熱量（Ｈ）は、
発熱量（Ｈ）＝〔発電電流（Ｉ）〕２×燃料電池スタックの内部抵抗（Ｒ）
で表される。一定発電出力を取り出す場合、発電電圧（Ｖ）が低いと発電電流（Ｉ）が大きくなり、これによって、固体酸化物形燃料電池スタックでの発熱も増大するので、これを冷却するために燃料電池スタックの空気極側に送給される空気流量も多くなる。その結果、実施例に比して比較例における固体酸化物形燃料電池スタックの中央部と端部との温度差が拡大し、燃料電池スタックの直流発電端効率が低下した。これに対して、実施例では、固体酸化物形燃料電池スタックの中央部の温度が上昇すると、空気分配送給手段の中央送給流路部を流れる空気の流量の分配比率が第１及び第２端送給流路部を流れる空気の流量の分配比率よりも大きくなり、この燃料電池スタックの中央部の冷却効率が高められる一方、その端部の冷却が抑えられる。その結果、実施例における固体酸化物形燃料電池スタックの中央部と端部との温度差が小さくなり、固体酸化物形燃料電池スタックが劣化しても発電効率を大きく損なうことなく、定格発電出力を容易に取り出すことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】固体酸化物形燃料電池システムの一実施形態を簡略的に示す断面図。
【図２】図１の固体酸化物形燃料電池システムにおける空気分配送給手段を示す簡略断面図。
【図３】図２の空気分配送給手段を用いた場合における空気流量が少ないときの空気の分配を説明するための図。
【図４】図２の空気分配送給手段を用いた場合における空気流量が多いときの空気の分配を説明するための図。
【図５】固体酸化物形燃料電池システムの他の実施形態を簡略的に示す断面図。
【符号の説明】
【００４７】
２，２Ａ  固体酸化物形燃料電池システム
４  固体酸化物形燃料電池スタック
６  燃料改質器
８  空気予熱器
１４  燃料電池セル
２６  空気流路
２８  送風機
４０  燃焼室
４２，４２Ａ  空気分配送給手段
４６，４６Ａ  第１端送給流路部
４８，４８Ａ  第２端送給流路部
５０，５０Ａ  中央送給流路部
５８  空気動線
６４  温度検知手段
【図１】
2008159362.tif 000005
【図２】
2008159362.tif 000006
【図３】
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【図４】
2008159362.tif 000008
【図５】
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