(57)【要約】【課題】燃料電池スタックが必要以上に大型化することなく、作動温度の低下を可能にすることができる燃料電池スタック及びこれを用いた固体酸化物形燃料電池を提案する。【解決手段】発電セル１６が、燃料ガス通路２３が形成されたセパレータ２と、酸化剤ガス通路２４が形成されたセパレータとによって挟み込まれた燃料電池スタック１０において、固体電解質１１として、酸素が酸化剤極層にてイオン化された酸化物イオンを燃料極層側に向けて拡散させることによって、燃料極層側の界面にて、酸化物イオンの一部が燃料ガスと反応することにより反応生成物が生成されるとともに、酸化物イオンの残部から一部電子が当該固体電解質内を酸化剤極層に向けて逆流することにより酸素が燃料極層側に再生成される電子リーク特性を有する電解質を用い、かつ上記セパレータと上記燃料極層との間にニッケル層１７を配設した。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
板状の固体電解質の一方の表面に燃料極層が形成され、他方の表面に酸化剤極層が形成された発電セルが、上記燃料極層に燃料ガスを供給する燃料ガス通路が形成されたセパレータと、上記酸化剤極層に酸化剤ガスとして酸素含有ガスを供給する酸化剤ガス通路が形成されたセパレータとによって挟み込まれた燃料電池スタックにおいて、
上記固体電解質として、上記酸素が上記酸化剤極層にてイオン化された酸化物イオンを上記燃料極層側に向けて拡散させることによって、上記燃料極層側の界面にて、上記酸化物イオンの一部が上記燃料ガスと反応することにより反応生成物が生成されるとともに、上記酸化物イオンの残部から一部電子が当該固体電解質内を上記酸化剤極層に向けて逆流することにより酸素が燃料極層側に再生成される電子リーク特性を有する電解質が用いられており、かつ
上記セパレータと上記燃料極層との間に、ニッケル層が配設されていることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
上記発電セルは、上記燃料ガス通路および上記酸化剤ガス通路が形成されたセパレータを介して板厚方向に複数積層され、かつ
上記燃料極層と上記ニッケル層との間には、燃料極集電体が配設されており、当該燃料極集電体は発泡ニッケルからなることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
板状の固体電解質の一方の表面に燃料極層が形成され、他方の表面に酸化剤極層が形成された発電セルを、上記燃料極層に燃料ガスを供給する燃料ガス通路および上記酸化剤極層に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス通路がそれぞれ形成されたセパレータを介して、板厚方向に複数積層した燃料電池スタックを有し、上記セパレータの上記酸化剤ガス通路に上記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給ラインが接続されるとともに、上記燃料ガス通路に上記燃料ガスを供給する燃料ガス供給ラインが接続され、かつこの燃料ガス供給ラインに上記燃料ガスを改質する改質器が介装された固体酸化物形燃料電池において、
上記セパレータと上記燃料極層との間にニッケル層が配設され、かつ
上記燃料ガス供給ラインには、上記改質器の下流側において上記燃料ガスに酸素含有ガスを加える酸素供給配管が接続されていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、板状の固体電解質の一方の表面に燃料極層が形成され、他方の表面に酸化剤極層が形成された発電セルがセパレータによって挟み込まれた燃料電池スタック及びこれを用いた固体酸化物形燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、燃料の有する化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する燃料電池は、高効率でクリーンな発電装置として注目されており、実用化された固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）の他にも、現在、第１世代としてリン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）、第２世代として溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）、そして第３世代として固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）の開発が期待されている。中でも、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は、作動温度が６００℃〜１０００℃と高く、排熱の効率的な利用が可能であって、大規模発電用途にも適しており、１ｋｗ〜１０ｋｗの家庭用、業務用などから火力発電所の代替用までの幅広い分野での利用が可能となる。
【０００３】
この固体酸化物形燃料電池としては、例えば、特許文献１に示すように、平板状の固体電解質層の一方の表面に酸化剤極層（カソード）が、他方の表面に燃料極層（アノード）が形成された発電セルを、板厚方向にセパレータを介して複数積層したシールレス構造の平板積層形燃料電池スタックを有する平板型の固体酸化物形燃料電池が知られている。なお、この平板形燃料電池スタックには、燃料極層とセパレータとの間に燃料極集電体が配置されるとともに、酸化剤極層とセパレータとの間に酸化剤極集電体が配置されている。
【０００４】
そして、この平板型の固体酸化物形燃料電池では、発電時に、反応用ガスとして酸化剤極層側に酸化剤ガス（酸素) が供給されるとともに、燃料極層側に燃料ガス（ＣＨ4 等を含有する都市ガス）を改質器において下記反応によって改質した改質ガス (Ｈ2、ＣＯ2等) が供給される。これらの酸化剤極層および燃料極層は、反応用ガスが固体電解質層との界面に到達することができるよう、何れも多孔質の層とされている。
ＣＨ4＋２Ｈ2Ｏ  →  ４Ｈ2＋ＣＯ2
【０００５】
これにより、発電セル内において、酸化剤極層側に供給された酸素は、酸化剤極層内の気孔を通って固体電解質層との界面近傍に到達し、この部分で酸化剤極層から電子を受け取って酸化物イオン（Ｏ2-）にイオン化される。この酸化物イオンは、燃料極層に向かって固体電解質層内を拡散移動する。燃料極層との界面近傍に到達した酸化物イオンは、この部分で改質ガスと反応して反応生成ガス（Ｈ2Ｏ、ＣＯ2等）を生じ、燃料極層に電子を放出する。これによって、電極反応で生じた電子が別ルートの外部負荷にて起電力として取り出される。
【０００６】
ところで、この固体酸化物形燃料電池では、上述のように作動温度が高いために上記燃料電池スタックや改質器などの燃料電池の構成部品に使用できる部材が、例えば、セラミックなどに制限されてしまうという問題があった。
このため、近年、作動温度を低下させて、安価な金属材料なども使用できる低温作動型の固体酸化物形燃料電池が開発されている。
【０００７】
その一方で、上述の改質器によって燃料ガスを改質するのには、６００℃〜７００℃の高温が必要とされる。
その結果、上述のように固体酸化物形燃料電池の作動温度を低下させると、スタックの発熱を利用して作動する改質器の作動温度も下がり、上述の改質反応が充分に行われないまま、未改質の燃料ガスが燃料極層に供給されてしまう恐れがある。
このため、固体酸化物形燃料電池は、改質器による改質温度によって作動温度を低化させることができる範囲が制約されてしまうという問題があった。
【０００８】
これに対して、本出願人らは、特許文献２に示すように、セパレータによって挟み込まれた上記発電セルと、セパレータによって挟み込まれた内部改質器とを交互に積層した燃料電池スタックを複数有する平板型の固体酸化物形燃料電池を提案している。
この燃料電池によれば、構成部品の中で最も高温になる燃料電池スタック内の内部改質器によって燃料ガスを改質させることができるため、固体酸化物燃料電池の作動温度を低下させることができる。
【０００９】
【特許文献１】特開２００７−１５７４７９号公報
【特許文献２】特開２００７−１０３３４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、この固体酸化物形燃料電池は、内部改質器を組み込んだ燃料電池スタックが必要以上に大型化してしまうために、大型化に伴う熱ロスの増大により、排熱を利用する上でのエネルギー効率も低下してしまうという欠点がある。
【００１１】
そこで、燃料電池スタックが必要以上に大型化することなく、作動温度の低下を可能にすることができる燃料電池スタック及びこれを用いた固体酸化物形燃料電池を提案することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者等は、酸素を加えた未改質の燃料ガスを、ガス流出表面にニッケル板を載置したセパレータに供給することによって改質できることを見出し、以下の請求項１〜３の本発明を完成するに至ったものである。
【００１３】
すなわち、請求項１に記載の発明は、板状の固体電解質の一方の表面に燃料極層が形成され、他方の表面に酸化剤極層が形成された発電セルが、上記燃料極層に燃料ガスを供給する燃料ガス通路が形成されたセパレータと、上記酸化剤極層に酸化剤ガスとして酸素含有ガスを供給する酸化剤ガス通路が形成されたセパレータとによって挟み込まれた燃料電池スタックにおいて、上記固体電解質として、上記酸素が上記酸化剤極層にてイオン化された酸化物イオンを上記燃料極層側に向けて拡散させることによって、上記燃料極層側の界面にて、上記酸化物イオンの一部が上記燃料ガスと反応することにより反応生成物が生成されるとともに、上記酸化物イオンの残部から電子が当該固体電解質内を上記酸化剤極層に向けて逆流することにより酸素が燃極層側に再生成される電子リーク特性を有する電解質が用いられており、かつ上記セパレータと上記燃料極層との間に、ニッケル層が配設されていることを特徴としている。
【００１４】
ここで、本発明において、燃料電池スタックとは、１枚の発電セルが２枚のセパレータによって挟み込まれたセルユニットを有しているものを意味するものであって、発電セルを燃料ガス通路および酸化剤通路が形成されたセパレータを介して複数積層することによって複数組のセルユニットを有しているのも含まれる。
また、上記ニッケル層としては、例えば、ニッケル板や、セパレータの燃料極層側の表面に施したニッケルメッキ層を含む意味である。
【００１５】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池スタックにおいて、上記発電セルは、上記燃料ガス通路および上記酸化剤ガス通路が形成されたセパレータを介して板厚方向に複数積層され、かつ上記各セパレータと上記各燃料極層との間には、それぞれ燃料極集電体が配設されており、当該燃料極集電体は発泡ニッケルからなることを特徴としている。
【００１６】
請求項３に記載の発明は、板状の固体電解質の一方の表面に燃料極層が形成され、他方の表面に酸化剤極層が形成された発電セルを、上記燃料極層に燃料ガスを供給する燃料ガス通路および上記酸化剤極層に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス通路がそれぞれ形成されたセパレータを介して、板厚方向に複数積層した燃料電池スタックを有し、上記セパレータの上記酸化剤ガス通路に上記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給ラインが接続されるとともに、上記燃料ガス通路に上記燃料ガスを供給する燃料ガス供給ラインが接続され、かつこの燃料ガス供給ラインに上記燃料ガスを改質する改質器が介装された固体酸化物形燃料電池において、上記セパレータと上記燃料極層との間にニッケル層が配設され、かつ上記燃料ガス供給ラインには、上記改質器の下流側において上記燃料ガスに酸素含有ガスを加える酸素供給配管が接続されていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１７】
請求項１〜２に記載の燃料電池スタックおよび請求項３に記載の固体酸化物形燃料電池によれば、固体電解質として電子リーク特性を有する電解質を用いたため、固体電解質の燃料極層側の界面に水蒸気などの反応生成物とともに酸素が存在する。このため、燃料ガスをセパレータから燃料極層に向けて供給する際に、燃料ガスは、ニッケル層の表面に沿って流れて、上記燃料極層に存在する酸素によって発熱反応である酸化反応を起こし、水蒸気改質に必要な熱と高い温度場を提供する。
【００１８】
そうして、この固体電解質の燃料極層側の界面は、水蒸気リッチでもあるため、下記改質反応が一段と進行して多くの水素を生成できる。
ＣＨ4＋２Ｈ2Ｏ  →  ４Ｈ2＋ＣＯ2
従って、燃料電池の構成部品で最も高温になる燃料電池スタック内にて燃料ガスを改質することができ、燃料電池スタックの外部に設置した改質器の改質温度によって制約されることなく、高効率の発電を可能とし、同時に燃料電池の作動温度を低下させることができる。さらに、燃料電池スタックが燃料極層とセパレータとの間に配設したニッケル層分しか大型化しないため、必要以上の大型化によって排熱を利用する燃料電池全体としてのエネルギー効率が低下することを阻止することができる。
【００１９】
特に、請求項２に記載の発明によれば、セパレータと燃料極層との間に発泡ニッケルからなる燃料極集電体を配設することによって、この燃料極集電体によって上記改質反応を進行させることができるとともに、固体電解質の燃料極層側の界面に存在する酸素や水蒸気が発泡ニッケルからニッケル層表面まで拡散するため、酸素の存在および水蒸気リッチの条件下のニッケル層表面および燃料極集電体内において効率的に上記酸化反応を伴う改質反応を行うことができる。
【００２０】
加えて、請求項３に記載の発明によれば、燃料ガスを改質器によって改質して、酸素供給配管によって加えられた酸素含有ガスとともにセパレータの燃料ガス通路に供給する。従って、燃料ガス通路に未改質の燃料ガスが供給された場合にも、この燃料ガスは、酸素含有ガスが加えられているため、改質ガスなどとともに、燃料電池の構成部品で最も高温になる燃料電池スタック内に供給されることによってニッケル層の表面等にて酸化反応を伴う改質反応を起こして、固体電解質の燃料極層側により多くの水素を含む改質ガスを送ることができる。このため、未改質の燃料ガスがそのまま燃料極層に供給される可能性が著しく低減され、未改質ガスをそのまま燃料極層の外部から放出することによる燃料電池全体としてのエネルギー損失を著しく減少させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明に係る平板型の固体酸化物形燃料電池の実施形態を、図１〜図５を用いて説明する。
【００２２】
本実施形態に係る燃料電池は、図１および図２に示すように、固体電解質１１の一方の表面に燃料極層１２が形成されるとともに、他方の表面に酸化剤極層１３が形成されてなる発電セル１６を、板厚方向に矩形板状のセパレータ２を介して複数積層した外観視略矩形柱状の燃料電池スタック１０を有して構成されている。
【００２３】
さらに、この燃料電池スタック１０は、発電セル１６の燃料極層１２とセパレータ２との間に円形平板状の燃料極集電体１４が配置されるとともに、この燃料極集電体１４とセパレータ２との間には、ニッケル板１７が配置されている。また、燃料電池スタック１０は、酸化剤極層１３とセパレータ２との間に円形平板状の酸化剤極集電体１５が配置されている。
【００２４】
この固体電解質１１には、電子リーク特性を有する円形平板状のセリア系、ビスマス系またはランタンガレート系のセラミックス板が用いられる。
具体的に、電子リーク特性を有するセリア系のセラミックス板としては、セリア（ＣｅＯ2 ）に少量のＹ2Ｏ3、Ｇｄ2Ｏ3、Ｓｍ2Ｏ3などをドープしたものが使用され、中でもセリアにＳｍ2Ｏ3をドープしたサマリウム・ドープト・セリア（ＳＤＣ）が用いられる。また、ビスマス系のセラミックス板としては、酸化ビスマス（Ｂｉ2Ｏ3）にイットリア（Ｙ2Ｏ3）を加えたものが使用される。
また、固体電解質１１として、好ましくは、ランタンガレート系セラミックス板であるＬａ1-xＳｒxＧａ1-y-zＭｇyＣｏzＯ3（Ｘ＝０．０５〜０．３、Ｙ＝０〜０．２９、Ｚ＝０．０１〜０．３、Ｙ＋Ｚ＝０．０２５〜０．３（以下、ＬＳＧＭＣと略す））が用いられる。
【００２５】
上記燃料極層１２は、Ｎｉ等の金属あるいはＮｉ−ＹＳＺ、Ｎｉ−ＳＤＣ、Ｎｉ−ＧＤＣ等のサーメットによって形成され、酸化剤極層１３は、ＬａＭｎＯ3、ＬａＣｏＯ3、ＳｒＣｏＯ3等によって形成されている。また、燃料極集電体１４は、スポンジ状の多孔質焼結ニッケル板（発泡ニッケル）で円形平板状に構成され、酸化剤極集電体１５はＡｇ等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で円形平板状に構成されている。
【００２６】
さらに、上記ニッケル板１７は、燃料極集電体１４と同径の円形平板状に構成されており、その中央部には後述の吐出口２ｘに対応する開口１７ａが形成されている。
【００２７】
上記セパレータ２は、厚さ数ｍｍの略方形状のステンレス製の板材で構成されており、上述した発電セル１６、各集電体１４、１５およびニッケル板１７が積層される中央部のセパレータ本体２０と、このセパレータ本体２０より面方向に延設されて、当セパレータ本体２０の対向縁部を２箇所で支持する一対のセパレータアーム２１、２２とで構成されている。
【００２８】
そして、セパレータ本体２０は、集電体１４、１５を介して発電セル１６間を電気的に接続するとともに、発電セル１６に対して反応用ガスを供給する機能を有し、その内部に燃料ガスをセパレータ２の縁部から導入してセパレータ２の燃料極集電体１４に対向する面の中心部の吐出口２ｘから噴出させる燃料ガス通路２３と、酸化剤ガスをセパレータ２の縁部から導入してセパレータ２の酸化剤極集電体１５に対向する面の中心部の吐出口２ｙから噴出させる酸化剤ガス通路２４とを有する。
【００２９】
また、各セパレータアーム２１、２２は、それぞれセパレータ本体２０の外周辺に沿って僅かな隙間を持って対向角隅部に延設される細長帯状として積層方向に可撓性を持たせた構造とされると共に、これらセパレータアーム２１、２２の端部２６、２７に板厚方向に貫通する一対のガス孔２８ｘ、２８ｙが設けてある。
一方のガス孔２８ｘはセパレータ２の燃料ガス通路２３に連通し、他方のガス孔２８ｙはセパレータ２の酸化剤ガス通路２４に連通し、各々のガス孔２８ｘ、２８ｙからこれらのガス通路２３、２４を通して各発電セル１６の各電極１２、１３面に燃料ガスや酸化剤ガスを供給するようになっている。
【００３０】
そして、各セパレータ２の本体２０間にそれぞれ発電セル１６および集電体１４、１５を介在させるとともに、各セパレータ２のガス孔２８ｘ、２８ｙ間に各々絶縁性のマニホールドリング２９ｘ、２９ｙを介在させることによって、ガス孔２８ｘおよびマニホールドリング２９ｘによって構成された燃料ガスマニホールドと、ガス孔２８ｙおよびマニホールドリング２９ｙによって構成された空気マニホールドとを有する外観視略矩形柱状の燃料電池スタック１０が構成される。
【００３１】
この燃料電池スタック１０の上部および下部には、図３に示すように、セパレータ２より外法の大きいフランジ３が設けられており、これらのフランジ３のマニホールドに対応する２箇所には、それぞれ２本ずつボルト３１が挿通されて、その両端部にナット３２が螺合されている。このフランジ３と、両端部にナット３２を螺合したボルト３１とによって、上述のマニホールドリング２９ｘ、２９ｙを介装したマニホールドのガスシール性が担保されている。
【００３２】
そして、上部のフランジ３には、中央部に発電セル１６の外法より大きい穴３０が設けられており、この穴３０には、最上段のセパレータ２上に載置された発電セル１６と略同一の大きさの錘３９が配置されている。この錘３９により、集電体１４、１５に挟み込まれた発電セル１６とニッケル板１７とセパレータ２との相互密着性が担保されている。
【００３３】
このようにして構成された燃料電池スタック１０は、４枚の側板からなる矩形筒体と天板と底板とを有する内部缶体５内の中央部に、架台５１に載置された状態で、平面的に縦横方向に複数行（本実施形態においては２行）複数列（本実施形態においては２列）に並べて多数配置され、上下高さ方向にも複数（本実施形態においては４個）配置されている。これにより、内部缶体５内には、上下高さ方向に配置された複数の燃料電池スタック１０によって構成される燃料電池スタック群１ａ〜１ｄが配設されており、他方、内部缶体５の外周は断熱材５０によって覆われている。
【００３４】
また、各燃料電池スタック１０は、起動時に酸化剤ガスと改質ガスとの反応によって生成される反応ガスや未反応ガスをそのまま外部に放出するシールレス構造を採用しており、これらの放出された未反応ガスの燃料熱等で内部缶体５内は発電に必要な温度を保てるようになっている。
【００３５】
さらに、本実施形態に係る燃料電池は、上述の平板積層形燃料電池スタック１０の燃料極層１２に燃料ガスマニホールドや燃料ガス通路２３を通じて改質ガスを供給する燃料ガス供給ライン６と、酸化剤極層１３に酸化剤ガスマニホールドや酸化剤ガス通路２４を通じて酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給ライン７とを有している。
この酸化剤ガス供給ライン７は、燃料電池スタック群１ｂおよび１ｃ、または１ｄおよび１ａの側面に沿ってそれぞれ配設された直方体状の筺体からなる空気熱交換器７２ａまたは７２ｂと、それぞれの下流側に設けられた空気バッファタンク７３ａまたは７３ｂと、各燃料電池スタック１０の酸化剤ガスマニホールドと、これらを接続する配管７４ａ、７４ｂや空気熱交換器７２ａ、７２ｂの導入側に接続される配管（図示を略す）と、酸化剤ガス通路２４とによって構成されている。
【００３６】
他方、燃料ガス供給ライン６には、一端部に燃料ガスが導入される導入口を有して、他端部側が２本に分枝している分枝管６０が備えられており、この分枝管６０は、２本に分枝している他端部側に、それぞれ水蒸気発生器（図示を略す）を介装した水蒸気供給ラインが接続されている。また、分枝管６０は、当該接続部の下流側の他端部がそれぞれ燃料熱交換器６１ａ、６１ｂに接続されている。
各燃料熱交換器６１ａ、６１ｂは、燃料電池スタック群１ａおよび１ｂ、または１ｃおよび１ｄの側面に沿ってそれぞれ配設された直方体状の筺体からなり、排出側がそれぞれ導入管６２を介して改質器６３に接続されている。
【００３７】
この改質器６３は、燃料電池スタック群１ａ〜１ｄの対向側面間に配置される横断面十字状の筺体からなり、燃料電池スタック群１ａと１ｂの間に位置する翼部６３ａと、スタック群１ｂと１ｃとの間に位置する６３ｂと、スタック群１ｃと１ｄとの間に位置する翼部６３ｃと、スタック群１ｄと１ａとの間に位置する翼部６３ｄとを有している。これらの各翼部６３ａ〜６３ｄは、最上段の燃料電池スタック１０同士の間から最下段の燃料電池スタック１０同士の間まで延在する高さを有しており、各翼部６３ａ〜６３ｄの内部には、それぞれ改質触媒が収容されている。
【００３８】
そして、この改質器６３は、翼部６３ａおよび６３ｃの上部にそれぞれ導入管６２が接続されるとともに、翼部６３ｂのおよび６３ｄの下部にそれぞれ排出管６４が接続されており、これらの排出管６４の他端部は、それぞれ燃料バッファタンク６５ａ、６５ｂに接続されている。
また、これらの燃料バッファタンク６５ａ、６５ｂは、それぞれ配管６６ａ、６６ｂを介して各燃料電池スタック１０の燃料ガスマニホールドに接続されている。
【００３９】
従って、燃料ガス供給ライン６は、分枝管６０と燃料熱交換器６１ａ、６１ｂと導入管６２と改質器６３と排出管６４と燃料バッファタンク６５ａ、６５ｂと燃料ガスマニホールドと配管６６ａ、６６ｂと燃料ガス通路２３とによって構成されている。
【００４０】
さらに、この燃料バッファタンク６５ａ、６５ｂには、それぞれ酸素含有ガスを供給する酸素供給配管（図示を略す）が接続されており、これによって、燃料電池は、燃料ガスマニホールドに供給された酸素含有ガスを含む改質ガスが各スタック１０の発電セル１６の燃料極層１２に、空気マニホールドに供給された酸化剤ガスが各スタック１０の発電セル１６の酸化剤極層１３にそれぞれ供給されるようになっている。
【００４１】
また、上述の燃料熱交換器６１ａ、６１ｂ、改質器６３、燃料バッファタンク６５ａ、６５ｂ、水蒸気発生器、空気熱交換器７２および空気バッファタンク７３ａ、７３ｂなどは、いずれも内部缶体５内あるいはその近傍に配置されて、内部缶体５の各側板に設置された起動時に作動する赤外線バーナ５５や上述の内部缶体５内の昇温などによって加熱されるようになっている。
【００４２】
次いで、上述の平板型の燃料電池の作用について説明する。
まず、赤外線バーナ５５を起動させるとともに、燃料ガスとして都市ガスを分枝管６０を通じて燃料ガス供給ライン６に、酸化剤ガスとして空気を酸化剤ガス供給ライン７にそれぞれ供給する。
【００４３】
すると、この酸化剤供給ライン７に供給された空気は、空気熱交換器７２ａ、７２ｂ内にて加熱された後に、空気バッファタンク７３ａ、７３ｂに供給され、次いで配管７４ａ、７４ｂを介して、各燃料電池スタック１０の酸化剤ガスマニホールドを通じて各セパレータ２の酸化剤ガス通路２４に供給される。
【００４４】
この酸化剤ガス通路２４に供給された空気は、吐出口２ｙを通じて発電セル１６の酸化剤極集電体１５から酸化剤極層１３に供給されると、酸素が空気極層１３において電子を受け取ることにより、酸化物イオン（Ｏ2-）にイオン化されつつ、固体電解質層１１に移動する。そして、この酸化物イオンが固体電解質層１１内において、燃料極層１２に向けて拡散する。すると、この固体電解質１１の燃料極層１２側の界面において、酸化物イオンの一部が下記改質ガスと反応して、水蒸気などの反応生成物を外部に放出するとともに、酸化物イオンの残部から一部電子が固体電解質１１の酸化剤極層１３に向けて逆流することにより燃料極層１２側に酸素が再生成される。
【００４５】
他方、この燃料ガス供給ライン６に供給された都市ガスは、水蒸気供給ラインから供給された水蒸気とともに燃料熱交換器６１ａ、６１ｂ内にて加熱された後に、導入管６２から改質器６３に供給されて、燃料電池スタック群１ａ〜１ｄの各スタック１０からの放熱によって効率的に加熱されつつ改質触媒に接触して水素リッチな改質ガスに改質される。
そして、この改質ガスは、排出管６４を通じて燃料バッファタンク６５ａ、６５ｂに供給されて、この燃料バッファタンク６５ａ、６５ｂ内にて酸素供給配管から空気が加えられ、次いで、この空気とともに配管６６ａ、６６ｂや各燃料電池スタック１０の燃料ガスマニホールドを通じて各セパレータ２の燃料ガス通路２３に供給される。
【００４６】
この燃料ガス通路２３に供給された改質ガスは、吐出口２ｘからニッケル板１７の開口１７ａを通じて燃料極層１２に向けて供給される際に、ニッケル板１７の表面に沿って流れ、次いで、燃料極集電体１４を通じて燃料極層１２に移動する。このとき、改質ガスとともに未改質の燃料ガスが存在する場合に、この燃料ガスは、固体電解質１１の燃料極層１２側の界面から拡散した酸素や水蒸気が存在するニッケル板１７の表面や燃料極集電体１４内において、酸化反応を伴う改質反応を起こして、燃料極層１２に供給される。従って、上述のように固体電解質１１の燃料極層１２側の界面に存在する上記酸化物イオンと反応して水蒸気などの反応生成物を外部に放出するとともに、燃料極層１２に電子を放出する。この放出された電子が起電力として取り出される。
【００４７】
本実施形態の平板型の固体酸化物形燃料電池によれば、固体電解質１１として電子リーク特性を有するＬＳＧＭＣなどを用いたため、固体電解質１１の燃料極層１２側の界面に水蒸気などの反応生成物とともに酸素が存在する。さらに、発電時には、燃料ガスを改質器６３によって改質した改質ガスを燃料ガス供給ライン６を通じて燃料ガス通路２３に供給する際に、酸素供給配管から微量の空気が加えられる。
【００４８】
その際、この酸素供給配管から供給される空気量は、燃料ガス供給ライン６に燃料ガスとしてメタンガスを主成分とする都市ガスが供給される場合には、空気に含まれる酸素量がメタンガスの１／１０〜４／１０のモル数となるように調製される。これは、１／１０未満であると、ニッケル板１７の表面などで上記改質反応が充分に行われないためであり、４／１０を超えてしまうと、高温雰囲気の燃料電池スタック１０において燃焼して、電極反応による発電量が減少してしまうためである。
【００４９】
従って、燃料ガス通路２３に改質ガスとともに一部未改質の燃料ガスが供給された場合にも、この燃料ガスは、改質ガスとともに吐出口２ｘから開口１７ａを通じて燃料極層１２に向けて供給される際に、ニッケル板１７の表面に沿って流れ、次いで、燃料極集電体１４を通じて燃料極層１２に移動する。このとき、燃料ガスは、固体電解質１１の燃料極層１２側から拡散した酸素や水蒸気が存在するニッケル板１７の表面や燃料極集電体１４内において、酸化反応を伴う改質反応を起こすことにより、多量の水素を含む改質ガスを生成する。このため、未改質の燃料ガスが燃料ガス通路２３に供給された場合にも、改質ガスとなって燃料極層１２の固体電解質１１側の界面に供給される。
【００５０】
それ故に、未改質の燃料ガスがそのまま燃料極層１２に供給される可能性が著しく低減され、未改質ガスをそのまま燃料極層１２の外部から放出することによるエネルギー損失を著しく減少させることができる。附言するならば、各燃料電池スタック１０からの放熱によって効率的に加熱される改質器６３によって燃料ガスを改質できる上に、最も高温の燃料電池スタック１０内にて改質反応を行うことができるため、燃料電池の作動温度を最大限に低下させることができる。また、この燃料電池スタック１０は、発電セル１６と同数のニッケル板１７を配置することによって上述の改質機能を得ることができるため、必要以上に大型化することなく、排熱を利用する平板型の固体酸化物形燃料電池におけるエネルギー効率の低下も防止できる。
【００５１】
なお、本発明は、上述の実施形態に何ら限定されるものでなく、例えば、ニッケル板１７に代えて、セパレータ２の燃料極集電体１４側の表面にニッケルメッキを施してもよく、また、燃料バッファタンク６５ａ、６５ｂに酸素含有ガスを供給する酸素供給配管と、燃料極層側に酸素を再生成する電子リーク特性を有する固体電解質１１との両方を兼ね備える必要はなく、少なくともいずれか一方を備えていればよい。
また、平板積層型の燃料電池スタック１０を複数有する平板型の固体酸化物形燃料電池に限定されるものでなく、この平板型以外の固体酸化物形燃料電池であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明に係る燃料電池スタック１０の構成を説明するための斜視図である。
【図２】同燃料電池スタック１０内での反応を説明するための断面図である。
【図３】燃料電池スタック１０の構成図であって、（ａ）が平面図であり、（ｂ）が側面図である。
【図４】本発明に係る平板型の固体酸化物形燃料電池の横断面図である。
【図５】同固体酸化物形燃料電池の縦断面図である。
【符号の説明】
【００５３】
２  セパレータ
２ｘ  燃料ガスの吐出口
２ｙ  酸化剤ガスの吐出口
６  燃料ガス供給ライン
７  酸化剤ガス供給ライン
１０  燃料電池スタック
１１  固体電解質
１２  燃料極層
１３  酸化剤極層
１４  燃料極集電体
１５  酸化剤極集電体
１６  発電セル
１７  ニッケル板
１７ａ  開口
２３  燃料ガス通路
２４  酸化剤ガス通路
６３  改質器
【図１】
2009245631.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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