(57)【要約】  燃料電池セルに備えられるアノード電極層を数十ミクロンオーダーとしても、内部改質反応を合理的且つ効率的に利用できる高効率の燃料電池を得る。  アノード電極層Ａに水素を含有するガスを供給する還元性ガス供給路Ｌ１を備えた燃料電池単セルユニットＵとして構成され、燃料電池セルＲで発生した水蒸気が還元性ガス供給路Ｌ１に供給される水蒸気供給路Ｌ３ａと、原燃料ガスから水蒸気改質反応により水素を生成する内部改質触媒層Ｄを燃料電池単セルユニットＵに備え、アノード電極層Ａに供給される還元性ガスの流れ方向において、内部改質触媒層Ｄより上流側に水蒸気供給路Ｌ３ａを少なくとも一つ設置する。
2019189845.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質層を挟んでアノード電極層とカソード電極層が形成された燃料電池セルと、前記アノード電極層に水素を含有するガスを供給する還元性ガス供給路と、前記カソード電極層に酸素を含有するガスを供給する酸化性ガス供給路とを備えた燃料電池単セルユニットとして構成され、
前記燃料電池セルで発生した水蒸気が前記還元性ガス供給路に供給される水蒸気供給路と、
原燃料ガスから水蒸気改質反応により水素を生成する内部改質触媒層を前記燃料電池単セルユニットに備え、
前記アノード電極層に供給される前記ガスの流れ方向において、前記内部改質触媒層より上流側に前記水蒸気供給路が少なくとも一つ設置されている燃料電池単セルユニット。
【請求項２】
前記燃料電池セルの前記アノード電極層が薄層状に形成されている請求項１記載の燃料電池単セルユニット。
【請求項３】
前記燃料電池セルが金属支持体上に薄層状に形成されている請求項１又は２記載の燃料電池単セルユニット。
【請求項４】
前記金属支持体を貫通する貫通孔が複数設けられ、
前記金属支持体の一方の面に前記アノード電極層が、他方の面に沿って前記還元性ガス供給路が設けられるとともに、当該還元性ガス供給路の内面における少なくとも一部に前記内部改質触媒層が設けられ、
前記還元性ガス供給路に於ける流れ方向に関し、前記貫通孔が前記水蒸気供給路となる請求項３記載の燃料電池単セルユニット。
【請求項５】
前記貫通孔の内部に内部改質触媒層が設けられている請求項４記載の燃料電池単セルユニット。
【請求項６】
前記金属支持体における、前記燃料電池セルが形成された面とは異なる面に、前記内部改質触媒層が設けられる請求項３〜５の何れか一項記載の燃料電池単セルユニット。
【請求項７】
前記還元性ガス供給路と前記酸化性ガス供給路とを仕切る少なくとも一つの金属セパレータを備え、
前記金属セパレータの前記還元性ガス供給路側の少なくとも一部に前記内部改質触媒層が設けられる請求項１〜６の何れか一項記載の燃料電池単セルユニット。
【請求項８】
前記内部改質触媒層に含有される改質触媒が担体に金属が担持された触媒である請求項１〜７の何れか一項記載の燃料電池単セルユニット。
【請求項９】
前記内部改質触媒層に含有される改質触媒が少なくともＮｉを含む触媒である請求項１〜８の何れか一項記載の燃料電池単セルユニット。
【請求項１０】
前記アノード電極層がＮｉを含む請求項１〜９の何れか一項記載の燃料電池単セルユニット。
【請求項１１】
前記内部改質触媒層に含有される改質触媒がＮｉを含む触媒で、前記アノード電極層がＮｉを含み、前記アノード電極層のＮｉ含有量と前記内部改質触媒層のＮｉ含有量が異なる請求項１〜１０の何れか一項記載の燃料電池単セルユニット。
【請求項１２】
前記アノード電極層のＮｉ含有量が３５質量％以上、８５質量％以下である請求項１〜１１の何れか一項記載の燃料電池単セルユニット。
【請求項１３】
前記内部改質触媒層のＮｉ含有量が０．１質量％以上、５０質量％以下である請求項１〜１２の何れか一項記載の燃料電池単セルユニット。
【請求項１４】
前記還元性ガス供給路に、当該還元性ガス供給路内の流れを乱す乱流促進体を設けた請求項１〜１３の何れか一項記載の燃料電池単セルユニット。
【請求項１５】
前記燃料電池セルが固体酸化物形燃料電池である請求項１〜１４の何れか一項記載の燃料電池単セルユニット。
【請求項１６】
請求項１〜１５の何れか一項記載の燃料電池単セルユニットの複数を有して構成され、
一の前記燃料電池単セルユニットの前記酸化性ガス供給路が、当該一の燃料電池単セルユニットに隣接する他の前記燃料電池単セルユニットの前記カソード電極層に前記酸素を含有するガスを供給する燃料電池モジュール。
【請求項１７】
請求項１６に記載の前記燃料電池モジュールと外部改質器とを少なくとも有し、前記燃料電池モジュールに対して還元性成分を含有する燃料ガスを供給する燃料供給部を有する燃料電池装置。
【請求項１８】
請求項１６に記載の前記燃料電池モジュールと、前記燃料電池モジュールから電力を取出すインバータとを少なくとも有する燃料電池装置。
【請求項１９】
前記燃料電池モジュールおよび／又は外部改質器から排出される熱を再利用する排熱利用部を有する請求項１６〜１８の何れか一項記載の燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質層を挟んでアノード電極層とカソード電極層が形成された燃料電池セルと、アノード電極層に水素を含有するガスを供給する還元性ガス供給路と、カソード電極層に酸素を含有するガスを供給する酸化性ガス供給路とを備えた燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池セルは、両電極層に所要のガス（還元性ガス、酸化性ガス）が供給されることで、それ単体で発電する。本明細書では、この燃料電池セル、還元性ガス供給路及び酸化性ガス供給路を備えて構成されるユニットを「燃料電池単セルユニット」と呼ぶ。そして、これら燃料電池単セルユニットが所定の方向に複数積層されて、本発明に係る燃料電池モジュールが構築される。この燃料電池モジュールは、本発明にいう燃料電池装置の中核をなす。【０００３】
この種の燃料電池に関する背景技術として、特許文献１、２、３に記載の技術を挙げることができる。【０００４】
特許文献１に開示の技術は、発電性能を犠牲にすることなく、発電中において高温となり過ぎてしまうこと、及び温度むらが発生してしまうこと、のいずれをも防止することのできる燃料電池を提供することを目的とし、燃料極（本発明の「アノード電極層」に相当）１１２に燃料ガス（本発明の「水素を含有するガス」に相当）を供給するための流路である燃料供給流路（本発明の「還元性ガス供給路」に相当）（２１０，１２５）を備えている。そして、この燃料供給流路に、水蒸気改質反応を生じさせるための改質触媒部ＰＲ１を、燃料極１１２から離間して且つ燃料極１１２に対向する面に設ける。【０００５】
この文献１に開示の技術では、改質触媒部ＰＲ１で改質された改質ガスが燃料極に導入される。そして、改質ガスは燃料極で消費され、燃料供給流路の出口から排出される。この技術では、水蒸気改質反応が吸熱反応であること（熱供給が必要）を利用して、燃料電池セルの高温化を防止する。ここで、改質触媒部ＰＲ１が設けられる部位は、燃料極に対して燃料ガス供給の上流側となる部位であり、電池反応を終えた排気は改質触媒部ＰＢ１が設けられた流路とは別の排気流路から排出される。本明細書の図１９（ｃ）は、この構造を模式的に示したものである。
さらに、図面等から判断して、文献１に開示の燃料電池は、その構造から見て、所謂アノード電極支持型燃料電池となっている。【０００６】
一方、発明者らは、特許文献２、３において、金属支持体の一方の面に薄層状に燃料電池セルを設けることを提案している。
特許文献２に開示の技術は電気化学素子を平板状とするものであり、特許文献３に開示の技術は、電気化学素子を円盤状とする。
これら特許文献に開示の技術は、電気化学素子、電気化学モジュール、電気化学装置に関するが、電気化学素子が水素を含有するガス及び酸素を含有するガスの供給を受けて発電を行う場合、電気化学素子は燃料電池セルとなり、電気化学モジュールが燃料電池モジュールとなり、電気化学装置が燃料電池装置となる。【０００７】
特許文献２、３に開示の技術は、燃料電池セルの支持を金属支持体により行うことにより、金属支持体の一方の面に形成する燃料電池セルを成す各層（少なくと、アノード電極層、電解質層及びカソード電極層）をミクロンオーダーから数十ミクロンオーダーの非常に薄い薄層ともできる。無論、数ミリ程度の厚みを備えてもよい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１７−２０８２３２号公報
【特許文献２】特開２０１６−１９５０２９号公報
【特許文献３】特開２０１７−１８３１７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１に開示の従来型のアノード支持型燃料電池では、アノード電極層が厚く（一般的に数ミリオーダー）、燃料ガスが導入される入口部分で一気に内部改質反応も進行してしまう。このため、燃料電池の入口温度が低くなり、排気側は逆に燃料電池セルの本来の温度に維持されるため、改質触媒部を設けた側が低温となりやすく、入口側と出口側との温度差が出やすい。
さらに、燃料電池反応では水蒸気が生成されるが、電池反応を終えた排気は改質触媒部を通らずに排気流路から排出されるので、この水蒸気が内部改質反応に有用に利用されることはない。【００１０】
特許文献２、３に開示の技術においては、金属支持型燃料電池では、金属支持体上に形成されるアノード電極層が数十ミクロンオーダーと薄いため、特許文献１に記載のアノード支持型燃料電池よりも内部改質反応の効果が得られにくく、アノード支持型燃料電池のような高い発電効率を実現することが難しい。【００１１】
この実情に鑑み、本発明の主たる課題は、燃料電池セルに備えられるアノード電極層を数十ミクロンオーダーとしても、内部改質反応を合理的且つ効率的に利用できる高効率の燃料電池を得ることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の第１特徴構成は、
電解質層を挟んでアノード電極層とカソード電極層が形成された燃料電池セルと、前記アノード電極層に水素を含有するガスを供給する還元性ガス供給路と、前記カソード電極層に酸素を含有するガスを供給する酸化性ガス供給路とを備えた燃料電池単セルユニットとして構成され、
前記燃料電池セルで発生した水蒸気が前記還元性ガス供給路に供給される水蒸気供給路と、原燃料ガスから水蒸気改質反応により水素を生成する内部改質触媒層を前記燃料電池単セルユニットに備え、
前記アノード電極層に供給される前記ガスの流れ方向において、前記内部改質触媒層より上流側に前記水蒸気供給路が少なくとも一つ設置されている点にある。【００１３】
本発明において原燃料ガスとは、水蒸気改質の対象となるガスであり、例えば炭化水素燃料ガスを意味し、代表的にはメタン（ＣＨ４）がこれに当たる。
さて、本特徴構成によれば、燃料電池セルを成すアノード電極層に還元性ガス供給路を介して少なくとも水素が供給される。一方、カソード電極層には酸化性ガス供給路を介して少なくとも酸素が供給される。結果、これらのガス供給により、発電反応を良好に発生させることができる。【００１４】
このようにして構成される燃料電池の運転には、その燃料電池セルの組成に従って、電池反応に必要とされる温度域（例えば、後に示すように燃料電池をＳＯＦＣとなる場合、その作動温度は７００℃程度となる）に維持することが必要となる。電池反応自体は発熱反応であるため、所定の温度域に到達した状態で、適切な抜熱により電池は運転を継続できる。【００１５】
そして、本発明に係る燃料電池単セルユニットには、水蒸気供給路と内部改質触媒層が設けられる。
この水蒸気供給路は内部改質触媒層より上流側に設けるため、この構造を取ると、燃料電池セル（アノード電極層）で生成される水蒸気を、内部改質触媒層に導くことができる。結果、この内部改質触媒層に水蒸気改質対象とできるガス（例えば、本発明における原燃料ガス）を供給するようにしておくことで、燃料電池セルで発生した水蒸気を利用して、このガスの内部改質を起こさせることができる。そして、このようにして生成される少なくとも水素を、燃料電池セルのアノード電極層に導くことで、発電の用に供することができる。このとき、発熱反応である電池により発生される熱を良好に利用できる。【００１６】
内部改質触媒層の近傍における反応及びその効果を簡単に説明すると、例えば、図６にも内部改質反応式で示すように、原燃料ガス（ＣＨ４）と水蒸気（Ｈ２Ｏ）で左辺が構成され、右辺には水素（Ｈ２）と一酸化炭素（ＣＯ）に含む反応式となるが、これらの反応は所謂「相平衡状態」にあることから、この反応領域への水蒸気の供給が進めば進む程、且つ、この反応領域から水素や一酸化炭素が奪われれば奪われる程、水蒸気改質反応が進む。そして、本発明では、水蒸気供給路を備えることで、内部改質触媒層への水蒸気の供給を促し、還元性ガス供給路を介するアノード電極層への水素の供給により、水蒸気改質を燃料電池単セルユニット内で良好に起こさせ、効率のよい発電を行うことができる。【００１７】
後にも示すように、この構成の燃料電池装置では、内部改質触媒層を備えることなく、外部改質器のみを備える燃料電池装置に対して、発電効率を向上させることができる。特に、低Ｓ／Ｃ比（低水蒸気／カーボン比）の領域における改善が著しい。さらに、アノード電極層に対して水素を含有するガスを供給する還元性ガス供給路の入口・出口間の水素分圧差を小さくできるため、低水素分圧下で起こり易い燃料電池セルの劣化を抑制できる効果も得られる。
また、内部改質を実行する場合は、燃料電池セル（還元性ガス供給路）出入口の水素分圧差（濃度差）が小さくなることにより、発電量のセル内の偏在が小さくなり、温度差も縮小されるため、燃料電池セルの熱応力が緩和されることによって耐久性や信頼性が向上する。
ここでは、理解を容易とするために水素分圧で説明を進めたが、水蒸気改質では水素に加えて一酸化炭素も発生するが、これらが共に発電の用を果たす。そこで、以下、燃料電池セル内をアノード電極層に移動してくる酸素イオンと反応するガス（水素及び一酸化炭素）を、「発電用燃料ガス」と称することがあるものとする。【００１８】
本発明の第２特徴構成は、
前記燃料電池セルの前記アノード電極層が薄層状に形成されている点にある。【００１９】
本特徴構成を採用することにより、アノード電極層を薄層状に形成するだけで、発電という燃料電池セルの機能を果たすことが可能となる。このため、高価なアノード電極層材料の使用量を低減し、燃料電池単セルユニットのコストダウンを実現できる。【００２０】
本発明の第３特徴構成は、
前記燃料電池セルが金属支持体上に薄層状に形成されている点にある。【００２１】
本特徴構成によれば、燃料電池セルは、このセルとは別体の強靭な金属支持体に支持されるため、例えば、燃料電池セルの強度を保つためにアノード電極層を厚くする等の必要はなく、例えば、数十〜数百ミクロンの厚みまで燃料電池セルを薄く構成することも可能となる。これにより、燃料電池に用いる高価なセラミックス材料の使用量を減らし、低コストでコンパクト、高性能な燃料電池単セルユニットを実現できる。【００２２】
本発明の第４特徴構成は、
前記金属支持体を貫通する貫通孔が複数設けられ、
前記金属支持体の一方の面に前記アノード電極層が、他方の面に沿って前記還元性ガス供給路が設けられるとともに、当該還元性ガス供給路の内面における少なくとも一部に前記内部改質触媒層が設けられ、
前記還元性ガス供給路に於ける流れ方向に関し、前記貫通孔が前記水蒸気供給路となる点にある。【００２３】
本特徴構成によれば、内部改質触媒層に水蒸気改質対象とできるガス（例えば、本発明における原燃料ガス）を供給するようにしておくことで、発電反応により生成される水蒸気を利用して、このガスの内部改質を起こさせることができる。そして、このようにして生成される発電用燃料ガスを、燃料電池セルのアノード電極層に導くことで、発電の用に供することができる。
即ち、本発明における水蒸気供給路は、アノード電極層から放出される水蒸気の排出部としての役割を果たす。
なお、金属支持体のアノード電極層が設けられる側の面の貫通孔の開口部の面積よりも他方の面の貫通孔の開口部の面積の方が大きいと好ましい。このようにすることで、アノード電極層へ発電用燃料ガスを供給し易くなるからである。【００２４】
本発明の第５特徴構成は、
前記貫通孔の内部に内部改質触媒層が設けられている点にある。【００２５】
本特徴構成によれば、金属支持体に設ける貫通孔を利用して、内部改質の用に供することができる。また、この貫通孔に、内部改質触媒層を形成して内部改質の用に供することができるので、低コストでコンパクト、高性能な燃料電池単セルユニットを得ることができる。【００２６】
本発明の第６特徴構成は、
前記金属支持体における、前記燃料電池セルが形成された面とは異なる面に、前記内部改質触媒層が設けられる点にある。【００２７】
本特徴構成によれば、燃料電池セルを設ける面とは異なる、金属支持体上の特定面を利用して、内部改質の用に供給することができる。また、金属支持体上の特定面に、内部改質触媒層を形成して内部改質の用に供することができるので、低コストでコンパクト、高性能な燃料電池単セルユニットを得ることができる。【００２８】
本発明の第７特徴構成は、
前記還元性ガス供給路と前記酸化性ガス供給路とを仕切る少なくとも一つの金属セパレータを備え、
前記金属セパレータの前記還元性ガス供給路側の少なくとも一部に前記内部改質触媒層が設けられる点にある。【００２９】
本特徴構成によれば、金属セパレータの還元性ガス供給路を形成する特定面を利用して、内部改質の用に供することができる。また、金属セパレータの還元性ガス供給路側の少なくとも一部に、内部改質触媒層を形成して内部改質の用に供することができるので、低コストでコンパクト、高性能な燃料電池単セルユニットを得ることができる。【００３０】
本発明の第８特徴構成は、
前記内部改質触媒層に含有される改質触媒が担体に金属が担持された触媒である点にある。【００３１】
本特徴構成によれば、担体に金属を担持させた触媒を用いることで、触媒に使用する金属の使用量を低減しても高性能な内部改質触媒層とすることができるので、低コストで高性能な燃料電池単セルユニットを得ることができる。【００３２】
本発明の第９特徴構成は、
前記内部改質触媒層に含有される改質触媒が少なくともＮｉを含む触媒である点にある。【００３３】
本特徴構成によれば、比較的入手容易で安価な金属であるＮｉを使用して水蒸気改質を内部改質触媒層で起こすことができる。【００３４】
本発明の第１０特徴構成は、前記アノード電極層がＮｉを含む点にある。【００３５】
本特徴構成により、
本特徴構成によれば、燃料電池が比較的高温で作動する酸素イオン導電型の電池である場合に、このアノード電極層に送られる酸素イオンと燃料ガスに含まれる水素の反応を、Ｎｉという比較的入手容易で安価な金属で実現できる。【００３６】
本発明の第１１特徴構成は、
前記内部改質触媒層に含有される改質触媒がＮｉを含む触媒で、前記アノード電極層がＮｉを含み、前記アノード電極層のＮｉ含有量と前記内部改質触媒層のＮｉ含有量が異なる点にある。【００３７】
本特徴構成によれば、内部改質触媒層及びアノード電極層の両方にＮｉを含有させることで、入手可能、且つ安価なＮｉを利用してそれぞれの層を実現できる。また、アノード電極層内部でも、改質を発生させることができる。
さて、本発明にあっては、内部改質触媒層を設けることで、アノード電極層にて発生される水蒸気を利用して水蒸気改質を行って、水素ととともに送られてくる原燃料ガス（例えばメタン）を改質するが、この水蒸気改質において好ましいＮｉ触媒の濃度と、カソード電極層からアノード電極層まで移動してくる酸素イオンＯ２−と水素とが良好に電池反応を行うために好ましいＮｉ濃度とは異なり、前者の濃度が、後者の濃度より低い。そこで、これら層の作用目的に応じて、Ｎｉ濃度を適切に選択することで、各層を適切に働かせることができる。【００３８】
本発明の第１２特徴構成は、
前記アノード電極層のＮｉ含有量が３５質量％以上、８５質量％以下である点にある。【００３９】
本特徴構成によれば、アノード電極層のＮｉ含有量を３５質量％より小さくすると、この電極層に流入する例えば酸素イオンと水素との反応により生じる電子の導電パスが形成しにくくなり、発電性能が得にくい。一方、８５質量％より大きくしも、更なる反応効果を得難い。即ち、Ｎｉを含有することにより、アノード電極層内での電池反応を高めることは難しい。
なお、アノード電極層のＮｉ含有量は４０質量％より多いとより好ましく、４５質量％より多いと更に好ましい。このようにすると、電子の導電パスをより形成しやすくして発電性能を高められるからである。また、アノード電極層のＮｉ含有量は８０質量％以下であると、Ｎｉの使用量を減らしてコストダウンし易くなるのでより好ましい。【００４０】
本発明の第１３特徴構成は、
前記内部改質触媒層のＮｉ含有量が０．１質量％以上、５０質量％以下である点にある。【００４１】
本特徴構成によれば、燃料電池セルとほぼ同程度の温度となる内部改質触媒層において、この層のＮｉ含有量を０．１質量％より小さくすると、この層に接触する原燃料ガスを改質する効果を得にくい。一方、５０質量％より大きくしも、更なる改質効果を得難い。
即ち、Ｎｉを含有することにより、内部改質触媒層内での改質反応を高めることは難しい。
なお、内部改質触媒層のＮｉ含有量は１質量％より多いとより好ましく、５質量％より多いと更に好ましい。このようにすると、原燃料ガスを改質する効果をより高められるからである。また、内部改質触媒層のＮｉ含有量は４５質量％以下であるとより好ましく、４０質量％以下であると更に好ましい。このようにすると、Ｎｉの使用量を減らしてコストダウンし易くなるからである。【００４２】
本発明の第１４特徴構成は、
前記還元性ガス供給路に、当該還元性ガス供給路内の流れを乱す乱流促進体を設けた点にある。【００４３】
還元性ガス供給路内を流れるガス流は、その流路構成により層流となりやすいが、この流路に乱流促進体を挿入しておくことにより、流れを乱し、還元性ガス供給路内に形成される主流に対して、主流方向とは異なった方向（例えば主流に対して直交する流れ）を形成することができる。結果、アノード電極層への水素を含有するガスの供給を効率的に行える。さらに、これまで説明してきた内部改質触媒層への所定のガス（改質前の原燃料ガスや水蒸気）の混合・放出を促して、内部改質触媒層による内部改質をより促進できる。【００４４】
本発明の第１５特徴構成は、
前記燃料電池セルが固体酸化物形燃料電池である点にある。【００４５】
本特徴構成によれば、外部改質器により改質された改質済ガスについて、改質済ガス中の一酸化炭素除去などの追加改質工程を経ずに、直接固体酸化物形燃料電池に供給して発電を行うことができるので、シンプルな構成の燃料電池装置とすることができる。
さらに、この固体酸化物形燃料電池は、その発電作動温度が６５０℃以上の高温域で使用することができるが、この温度域の熱を内部改質反応に有効利用しながら、高効率な発電を実現できる。【００４６】
本発明の第１６特徴構成は、
これまで説明してきた燃料電池単セルユニットの複数を有して構成され、
一の前記燃料電池単セルユニットの前記酸化性ガス供給路が、当該一の燃料電池単セルユニットに隣接する他の前記燃料電池単セルユニットの前記カソード電極層に前記酸素を含有するガスを供給する燃料電池モジュールとされている点にある。【００４７】
本特徴構成によれば、複数の燃料電池単セルユニットを積層して（上下方向に積み重ねてもよいし、左右方向に並設してもよい）燃料電池モジュールを構築する場合に、一の燃料電池単セルユニットで形成できる酸化性ガス供給路を、他の燃料電池単セルユニットを構成する燃料電池セルのカソード電極層への酸化性ガスの供給元とすることで、他の部材を特に必要とすることなく、比較的簡便且つ規格化された燃料電池単セルユニットを使用して、燃料電池モジュールを構築できる。【００４８】
本発明の第１７特徴構成は、
前記燃料電池モジュールと外部改質器とを少なくとも有し、前記燃料電池モジュールに対して還元性成分を含有する燃料ガスを供給する燃料供給部を有する燃料電池装置とされている点にある。【００４９】
本特徴構成によれば、燃料電池モジュールと外部改質器を有し燃料電池モジュールに対して還元性成分を含有する燃料ガスを供給する燃料供給部とを有するので、都市ガス等の既存の原燃料供給インフラを用い、耐久性・信頼性および性能に優れた燃料電池モジュールを備えた燃料電池装置を実現することができる。また、燃料電池モジュールから排出される未利用の燃料ガスをリサイクルするシステムを構築し易くなるため、高効率な燃料電池装置を実現することもできる。【００５０】
本発明の第１８特徴構成は、
前記燃料電池モジュールと、前記燃料電池モジュールから電力を取出すインバータとを少なくとも有する点にある。【００５１】
本特徴構成によれば、燃料電池セルにおいて発生される電力をインバータを介して取り出すことができ、電力変換・周波数変換等を施すことで、発電電力の適切な利用が可能となる。【００５２】
本発明の第１９特徴構成は、
前記燃料電池モジュールおよび／又は外部改質器から排出される熱を再利用する排熱利用部を有する点にある。【００５３】
本特徴構成によれば、燃料電池モジュールおよび／又は外部改質器から排出される熱を排熱利用部で利用することができるので、エネルギー効率に優れた燃料電池装置を実現することができる。なお、燃料電池モジュールから排出される未利用の燃料ガスの燃焼熱を利用して発電する発電システムと組み合わせてエネルギー効率に優れたハイブリット装置を実現することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】第１実施形態の燃料電池装置の概略構成を示す図
【図２】第１実施形態の燃料電池単セルユニットの構造を示す上面図
【図３】第１実施形態の燃料電池単セルユニットの構造を示す断面図
【図４】有突起集電板の構造を示す斜視断面図
【図５】第１実施形態の燃料電池モジュールの構造を示す断面図
【図６】第１実施形態における電池反応と改質反応との説明図
【図７】第２実施形態の燃料電池装置の構成を示す図
【図８】第２実施形態の燃料電池モジュールの構造を示す正面図及び平断面図
【図９】第２実施形態の燃料電池単セルユニットの構造を示す斜視図
【図１０】第２実施形態の燃料電池単セルユニットの形成過程の説明図
【図１１】第２実施形態における電池反応と改質反応との説明図
【図１２】第３実施形態の燃料電池装置の概略構成を示す図
【図１３】第３実施形態における一対の燃料電池単セルユニットを備えた燃料電池モジュールの要部断面斜視図
【図１４】第３実施形態における一対の燃料電池単セルユニットを備えた燃料電池モジュールの要部断面斜視図
【図１５】燃料電池単セルユニット内での内部改質を行う場合と行わない場合の燃料電池の発電効率比較を示す図
【図１６】燃料電池単セルユニット内での内部改質を行う場合と行わない場合の燃料電池セル入口における発電用燃料ガス分圧を示す図
【図１７】燃料電池単セルユニット内での内部改質を行う場合と行わない場合の燃料電池セル出口における発電用燃料ガス分圧を示す図
【図１８】燃料電池単セルユニット内での内部改質を行う場合と行わない場合の燃料電池セル入口・出口間における発電用燃料ガス分圧差を示す図
【図１９】燃料電池単セルユニットにおける内部改質触媒層の配置構成を示す比較説明図
【図２０】乱流促進体の別実施形態を示す図
【図２１】乱流促進体の表面に内部改質触媒層を設けた別実施形態を示す図
【図２２】乱流促進体を備えた第２実施形態の燃料電池単セルユニットの断面図
【発明を実施するための形態】
【００５５】
本発明の実施形態について図面に基づいて説明する。
【００５６】
以下、本発明の実施の形態として、第１実施形態、第２実施形態及び第３実施形態を紹介する。説明に際しては、各実施形態について、当該実施形態を採用する燃料電池装置Ｙ全体の説明をした後、燃料電池装置Ｙに備えられる燃料電池モジュールＭ、この燃料電池モジュールＭを積層状態で構築する燃料電池単セルユニットＵについて説明する。
【００５７】
第１実施形態の特徴は、燃料電池モジュールＭが円盤形とされ、それ自体が還元性ガス及び酸化性ガスの供給を受けて電池動作するのに対して、第２実施形態では、燃料電池モジュールＭは概略直方形とされ、この燃料電池モジュールＭが、外部改質器３４、気化器３３を収納する筐体１０内に収納されて電池動作する点にある。第３実施形態は、基本的には第１実施形態の構造を踏襲し、第１実施形態において円盤形としている燃料電池モジュールＭを方形とする。第１実施形態及び第３実施形態の燃料電池セルＲは非常に薄く作製することができる。一方、第２実施形態の燃料電池セルＲは第１実施形態の燃料電池セルＲに対して厚みを持たせることも可能である。当然、比較的薄く構成してもよい。
【００５８】
本発明の特徴である、燃料電池単セルユニットＵに内部改質触媒層Ｄを備える点及び外部改質器３４を備える点に関しては、全実施形態で共通である。
【００５９】
＜第１実施形態＞
この実施形態の燃料電池装置Ｙの構成を図１に示した。
＜燃料電池装置＞
燃料電池装置Ｙは、電力と熱の両方を発生・供給可能な、所謂「コジェネレーションシステム」となっている。電力はインバータ３８を介して出力され、熱は排ガスの保有する熱を熱交換器３６により温水として回収し利用することができる。インバータ３８は、例えば、燃料電池モジュールＭの直流を変換して、商用系統（図示省略）から受電する電力と同じ電圧および同じ周波数に変換して出力する。制御部３９は、このインバータ３８を適宜制御する他、燃料電池装置Ｙを構成している各機器の作動を制御する。
【００６０】
燃料電池装置Ｙには、発電の用を担う燃料電池モジュールＭに対して、還元性ガス供給用の主な機器として、昇圧ポンプ３０、脱硫器３１、改質水タンク３２、気化器３３及び外部改質器３４を備えている。酸化性ガス供給用の主要機器主はブロア３５であり、このブロア３５により空気を吸引して酸素を含有する酸化性ガスが供給可能となっている。
【００６１】
還元性ガスの供給系統（この系統は燃料電池装置における燃料供給部となる）に関してさらに説明すると、都市ガス（メタンを主成分としてエタンやプロパン、ブタンなどを含むガス）等の炭化水素系の原燃料ガスが昇圧ポンプ３０により吸引されるとともに昇圧されて燃料電池モジュールＭに送られる。都市ガスには硫黄化合物成分が含有されているため、脱硫器３１においてこの硫黄化合物成分を除去（脱硫）する必要がある。この原燃料ガスは、気化器３３の後段側で改質水タンク３２から供給される改質水と混合され、気化器３３において水は水蒸気とされる。この原燃料ガスと水蒸気とは外部改質器３４に送られ、原燃料ガスは水蒸気改質される。この水蒸気改質反応は、改質器内に収納される改質触媒による反応であり、後述する内部改質反応と同様に、炭化水素系の原燃料ガス（例えばメタン）が一部改質され、少なくとも水素を含有するガス（改質済ガス）が生成され、発電の用に供される。
【００６２】
外部改質器３４による改質は、原燃料ガスの全てを改質するものではなく、適宜割合で改質する。従って、本発明において、燃料電池モジュールＭ内に備えられる燃料電池セルＲを構成するアノード電極層Ａに送られるガスは、原燃料ガス（改質前ガス）と改質済ガスとの混合ガスとなる。この改質済ガスには、これまで説明してきた発電用燃料ガスである水素や一酸化炭素が含まれる。混合ガスは燃料電池単セルユニットＵに備えられる還元性ガス供給路Ｌ１に供給される。
【００６３】
さらに具体的に説明を進めると、図３、図４に示すように、アノード電極層Ａに対して発電用の水素を含有するガスを供給する還元性ガス供給路Ｌ１が設けられ、この還元性ガス供給路Ｌ１に混合ガス（原燃料ガス（改質前ガス）と改質済ガスを含む）が供給され、この混合ガスに含まれる少なくとも水素が燃料電池セルＲにて燃料電池反応に使用される。反応に用いられなかった残余の水素を含む排ガスは、燃料電池単セルユニットＵから排出される。
【００６４】
先に説明したように、熱交換器３６は、燃料電池モジュールＭからの排ガスと、供給される冷水とを熱交換させ、温水を生成する。この熱交換器３６は燃料電池装置Ｙの排熱利用部となる。この排熱利用形態の代わりに、燃料電池モジュールＭから排出される排ガスを熱発生に利用する形態としてもよい。即ち、排ガスには、燃料電池単セルユニットＵにて反応に用いられなかった残余の水素、一酸化炭素、さらには原燃料ガスが含まれるため、それら燃焼性のガスの燃焼により発生する熱を利用することもできる。後述する第２実施形態は、残余の燃焼成分を燃料として、外部改質器３４、気化器３３の加熱に利用する。
【００６５】
＜燃料電池単セルユニット＞
図２、図３に、本実施形態の燃料電池単セルユニットＵの上面図及び断面図を示した。
燃料電池単セルユニットＵは、金属支持体１の上に形成される燃料電池セルＲと、この燃料電池セルＲとは反対側に接合される金属セパレータ（有突起集電板３）を有して構成される。本実施形態における金属支持体１は円盤形状であり、燃料電池セルＲは、アノード電極層Ａ、電解質層Ｂ、カソード電極層Ｃを少なくとも備えて構成され、金属支持体１の表側１ｅに形成・配置され、電解質層Ｂは、アノード電極層Ａとカソード電極層Ｃとに挟まれた構造とされる。燃料電池セルＲを金属支持体１の表側１ｅに形成する場合は、金属セパレータ３は金属支持体１の裏側１ｆに位置される。即ち、金属支持体１を挟む形態で、燃料電池セルＲ及び金属セパレータ３が位置される。
【００６６】
このように燃料電池単セルユニットＵは、金属支持体１上に形成された燃料電池セルＲと金属セパレータ３とを備えることにより、還元性ガス供給路Ｌ１を介してアノード電極層Ａに少なくとも水素を含有するガスを、酸化性ガス供給路Ｌ２を介してカソード電極層Ｃに酸素を含有するガスを供給して発電することができる。また、燃料電池単セルユニットＵの構造的特徴として、金属支持体１の表側１eには金属酸化物層ｘが、アノード電極層Ａの表面（アノード電極層Ａとこれを覆う電解質層Ｂとの界面を含む）には中間層ｙが、さらに、電解質層Ｂの表面（電解質層Ｂとこれを覆うカソード電極層Ｃとの界面を含む）に反応防止層ｚを備えている。これら金属酸化物層ｘ、中間層ｙ、反応防止層ｚは、これら層ｘ、ｙ、ｚを挟む材料層間における構成材料の拡散を抑制する等のために設けられる層であり、理解を容易とするため、図６に示した。
【００６７】
＜金属支持体＞
金属支持体１は、金属製の円盤形状を有する平板である。
図２、図３からも判明するように、金属支持体１の中央に、金属支持体１と同心の開口部１ｂが形成されている。金属支持体１には、表側１ｅと裏側１ｆとを貫通して複数の貫通孔１ａが形成されている。この貫通孔１ａを通じて金属支持体１の表側１ｅと裏側１ｆとの間でガスの通流が可能となっている。この貫通孔１ａを流れるガスは、具体的に、先に説明した改質済ガス（水素Ｈ２を含有する）と、燃料電池セルＲにおける発電反応により生成される水蒸気Ｈ２Ｏである（図６参照）。
【００６８】
金属支持体１の材料としては、電子伝導性、耐熱性、耐酸化性および耐腐食性に優れた材料が用いられる。例えば、フェライト系ステンレス、オーステナイト系ステンレス、ニッケル基合金などが用いられる。特に、クロムを含む合金が好適に用いられる。本実施形態では、金属支持体１は、Ｃｒを１８質量％以上２５質量％以下含有するＦｅ−Ｃｒ系合金を用いているが、Ｍｎを０．０５質量％以上含有するＦｅ−Ｃｒ系合金、Ｔｉを０．１５質量％以上１．０質量％以下含有するＦｅ−Ｃｒ系合金、Ｚｒを０．１５質量％以上１．０質量％以下含有するＦｅ−Ｃｒ系合金、ＴｉおよびＺｒを含有しＴｉとＺｒとの合計の含有量が０．１５質量％以上１．０質量％以下であるＦｅ−Ｃｒ系合金、Ｃｕを０．１０質量％以上１．０質量％以下含有するＦｅ−Ｃｒ系合金であると特に好適である。
【００６９】
金属支持体１は全体として板状である。そして金属支持体１は、アノード電極層Ａが設けられる面を表側１ｅとして、表側１ｅから裏側１ｆへ貫通する複数の貫通孔１ａを有する。貫通孔１ａは、金属支持体１の裏側１ｆから表側１ｅへガスを透過させる機能を有する。なお、板状の金属支持体１を曲げたりして、例えば箱状、円筒状などの形状に変形させて使用することも可能である。
【００７０】
金属支持体１の表面には、拡散抑制層としての金属酸化物層ｘが設けられている（図６参照）。すなわち、金属支持体１と後述するアノード電極層Ａとの間に、拡散抑制層を形成している。金属酸化物層ｘは、金属支持体１の外部に露出した面だけでなく、アノード電極層Ａとの接触面（界面）にも設けられる。また、貫通孔１ａの内側の面に設けることもできる。この金属酸化物層ｘにより、金属支持体１とアノード電極層Ａとの間の元素相互拡散を抑制することができる。例えば、金属支持体１としてクロムを含有するフェライト系ステンレスを用いた場合は、金属酸化物層ｘが主にクロム酸化物となる。そして、金属支持体１のクロム原子等がアノード電極層Ａや電解質層Ｂへ拡散することを、クロム酸化物を主成分とする金属酸化物層ｘが抑制する。金属酸化物層ｘの厚さは、拡散防止性能の高さと電気抵抗の低さを両立させることのできる厚みであれば良い。
【００７１】
金属酸化物層ｘは種々の手法により形成されうるが、金属支持体１の表面を酸化させて金属酸化物とする手法が好適に利用される。また、金属支持体１の表面に、金属酸化物層ｘをスプレーコーティング法（溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法）、スパッタリング法やＰＬＤ法等のＰＶＤ法、ＣＶＤ法などにより形成しても良いし、メッキと酸化処理によって形成しても良い。更に、金属酸化物層ｘは導電性の高いスピネル相などを含んでも良い。
【００７２】
金属支持体１としてフェライト系ステンレス材を用いた場合、アノード電極層Ａや電解質層Ｂの材料として用いられるＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）やＧＤＣ（ガドリウム・ドープ・セリア、ＣＧＯとも呼ぶ）等と熱膨張係数が近い。従って、低温と高温の温度サイクルが繰り返された場合も燃料電池セルＲがダメージを受けにくい。よって、長期耐久性に優れた燃料電池セルＲを実現できるので好ましい。
【００７３】
先にも示したように、金属支持体１は、表側１ｅと裏側１ｆとを貫通して設けられる複数の貫通孔１ａを有する。なお、例えば、貫通孔１ａは、機械的、化学的あるいは光学的穿孔加工などにより、金属支持体１に設けることができる。この貫通孔１ａは、図３（ｂ）にも示すように、実質的に金属支持体１の表側１ｅ側が狭いテーパー形状となっている。この貫通孔１ａは、金属支持体１の表裏両側からガスを透過させる機能を有する。金属支持体１にガス透過性を持たせるために、多孔質金属を用いることも可能である。例えば、金属支持体１は、焼結金属や発泡金属等を用いることもできる。
【００７４】
＜燃料電池セル＞
先にも示したように、燃料電池セルＲは、アノード電極層Ａ、電解質層Ｂ、カソード電極層Ｃと、これらの層の間に適宜、中間層ｙ、反応防止層ｚを有して構成される。この燃料電池セルＲは、固体酸化物形燃料電池ＳＯＦＣである。このように、実施形態として示す燃料電池セルＲは中間層ｙ、反応防止層ｚを備えることにより、電解質層Ｂは、アノード電極層Ａとカソード電極層Ｃとで間接的に挟まれた構造となる。電池発電のみを発生させるという意味からは、電解質層Ｂの一方の面にアノード電極層Ａを、他方の面にカソード電極層Ｃを形成することで、発電することは可能である。
【００７５】
＜アノード電極層＞
アノード電極層Ａは、図３、図６等に示すように、金属支持体１の表側１ｅであって貫通孔１ａが設けられた領域より大きな領域に、薄層の状態で設けることができる。薄層とする場合は、その厚さを、例えば、１μｍ〜１００μｍ程度、好ましくは、５μｍ〜５０μｍとすることができる。このような厚さにすると、高価な電極層材料の使用量を低減してコストダウンを図りつつ、十分な電極性能を確保することが可能となる。貫通孔１ａが設けられた領域の全体が、アノード電極層Ａに覆われている。つまり、貫通孔１ａは金属支持体１におけるアノード電極層Ａが形成された領域の内側に形成されている。換言すれば、全ての貫通孔１ａがアノード電極層Ａに面して設けられている。
【００７６】
アノード電極層Ａの材料としては、例えばＮｉＯ−ＧＤＣ、Ｎｉ−ＧＤＣ、ＮｉＯ−ＹＳＺ、Ｎｉ−ＹＳＺ、ＣｕＯ−ＣｅＯ２、Ｃｕ−ＣｅＯ２などの複合材を用いることができる。これらの例では、ＧＤＣ、ＹＳＺ、ＣｅＯ２を複合材の骨材と呼ぶことができる。なお、アノード電極層Ａは、低温焼成法（例えば１１００℃より高い高温域での焼成処理をしない低温域での焼成処理を用いる湿式法）やスプレーコーティング法（溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法）、ＰＶＤ法（スパッタリング法やパルスレーザーデポジション法など）、ＣＶＤ法などにより形成することが好ましい。これらの、低温域で使用可能なプロセスにより、例えば１１００℃より高い高温域での焼成を用いずに、良好なアノード電極層Ａが得られる。そのため、金属支持体１を傷めることなく、また、金属支持体１とアノード電極層Ａとの元素相互拡散を抑制することができ、耐久性に優れた電気化学素子を実現できるので好ましい。更に、低温焼成法を用いると、原材料のハンドリングが容易になるので更に好ましい。
なお、このアノード電極層Ａに含むＮｉの量は、３５質量％以上、８５質量％以下の範囲とできる。また、アノード電極層Ａに含むＮｉの量は、発電性能をより高められるので、４０質量％より多いとより好ましく、４５質量％より多いと更に好ましい。一方、コストダウンし易くなるので、８０質量％以下であるとより好ましい。
【００７７】
アノード電極層Ａは、ガス透過性を持たせるため、その内部および表面に複数の細孔（図示省略）を有する。すなわちアノード電極層Ａは、多孔質な層として形成する。アノード電極層Ａは、例えば、その緻密度が３０％以上８０％未満となるように形成される。細孔のサイズは、電気化学反応を行う際に円滑な反応が進行するのに適したサイズを適宜選ぶことができる。なお緻密度とは、層を構成する材料の空間に占める割合であって、（１−空孔率）と表すことができ、また、相対密度と同等である。
【００７８】
（中間層）
中間層ｙは、図６に示すように、アノード電極層Ａを覆った状態で、アノード電極層Ａの上に薄層の状態で形成することができる。薄層とする場合は、その厚さを、例えば、１μｍ〜１００μｍ程度、好ましくは２μｍ〜５０μｍ程度、より好ましくは４μｍ〜２５μｍ程度とすることができる。このような厚さにすると、高価な中間層材料の使用量を低減してコストダウンを図りつつ、十分な性能を確保することが可能となる。中間層ｙの材料としては、例えば、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）、ＳＳＺ（スカンジウム安定化ジルコニア）やＧＤＣ（ガドリウム・ドープ・セリア）、ＹＤＣ（イットリウム・ドープ・セリア）、ＳＤＣ（サマリウム・ドープ・セリア）等を用いることができる。特にセリア系のセラミックスが好適に用いられる。
【００７９】
中間層ｙは、低温焼成法（例えば１１００℃より高い高温域での焼成処理をしない低温域での焼成処理を用いる湿式法）やスプレーコーティング法（溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法）、ＰＶＤ法（スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法など）、ＣＶＤ法などにより形成することが好ましい。これらの、低温域で使用可能な成膜プロセスにより、例えば１１００℃より高い高温域での焼成を用いずに中間層ｙが得られる。そのため、金属支持体１を傷めることなく、金属支持体１とアノード電極層Ａとの元素相互拡散を抑制することができ、耐久性に優れた燃料電池セルＲを実現できる。また、低温焼成法を用いると、原材料のハンドリングが容易になるので更に好ましい。
【００８０】
中間層ｙは、酸素イオン（酸化物イオン）伝導性を有する。また、酸素イオン（酸化物イオン）と電子との混合伝導性を有すると更に好ましい。これらの性質を有する中間層ｙは、燃料電池セルＲへの適用に適している。
【００８１】
（電解質層）
電解質層Ｂは、アノード電極層Ａおよび中間層ｙを覆った状態で、中間層ｙの上に薄層の状態で形成される。また、厚さが１０μｍ以下の薄膜の状態で形成することもできる。詳しくは電解質層Ｂは、図３、図６等に示すように、中間層ｙの上と金属支持体１の上とにわたって（跨って）設けられる。このように構成し、電解質層Ｂを金属支持体１に接合することで、電気化学素子全体として堅牢性に優れたものとすることができる。
【００８２】
また電解質層Ｂは、金属支持体１の表側１ｅであって貫通孔１ａが設けられた領域より大きな領域に設けられる。つまり、貫通孔１ａは金属支持体１における電解質層Ｂが形成された領域の内側に形成されている。
【００８３】
また電解質層Ｂの周囲においては、アノード電極層Ａおよび中間層ｙからのガスのリークを抑制することができる。説明すると、発電時には、金属支持体１の裏側から貫通孔１ａを通じてアノード電極層Ａへガスが供給される。電解質層Ｂが金属支持体１に接している部位においては、ガスケット等の別部材を設けることなく、ガスのリークを抑制することができる。なお、本実施形態では電解質層Ｂによってアノード電極層Ａの周囲をすべて覆っているが、アノード電極層Ａおよび中間層ｙの上部に電解質層Ｂを設け、周囲にガスケット等を設ける構成としてもよい。
【００８４】
電解質層Ｂの材料としては、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）、ＳＳＺ（スカンジウム安定化ジルコニア）やＧＤＣ（ガドリウム・ドープ・セリア）、ＹＤＣ（イットリ
ウム・ドープ・セリア）、ＳＤＣ（サマリウム・ドープ・セリア）、ＬＳＧＭ（ストロンチウム・マグネシウム添加ランタンガレート）等を用いることができる。特にジルコニア系のセラミックスが好適に用いられる。電解質層Ｂをジルコニア系セラミックスとすると、燃料電池セルＲを用いたＳＯＦＣの稼働温度をセリア系セラミックスに比べて高くすることができる。ＳＯＦＣとする場合、電解質層Ｂの材料としてＹＳＺのような６５０℃程度以上の高温域でも高い電解質性能を発揮できる材料を用い、システムの原燃料に都市ガスやＬＰＧ等の炭化水素系の原燃料を用い、原燃料を水蒸気改質等によってＳＯＦＣの還元性ガスとするシステム構成とすると、ＳＯＦＣのセルスタックで生じる熱を原燃料ガスの改質に用いる高効率なＳＯＦＣシステムを構築することができる。
【００８５】
電解質層Ｂは、低温焼成法（例えば１１００℃を越える高温域での焼成処理をしない低温域での焼成処理を用いる湿式法）やスプレーコーティング法（溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法）、ＰＶＤ法（スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法など）、ＣＶＤ法などにより形成することが好ましい。これらの、低温域で使用可能な成膜プロセスにより、例えば１１００℃を越える高温域での焼成を用いずに、緻密で気密性およびガスバリア性の高い電解質層Ｂが得られる。そのため、金属支持体１の損傷を抑制し、また、金属支持体１とアノード電極層Ａとの元素相互拡散を抑制することができ、性能・耐久性に優れた燃料電池セルＲを実現できる。特に、低温焼成法やスプレーコーティング法などを用いると低コストな素子が実現できるので好ましい。更に、スプレーコーティング法を用いると、緻密で気密性およびガスバリア性の高い電解質層が低温域で容易に得られやすいので更に好ましい。
【００８６】
電解質層Ｂは、還元性ガスや酸化性ガスのガスリークを遮蔽し、かつ、高いイオン伝導性を発現するために、緻密に構成される。電解質層Ｂの緻密度は９０％以上が好ましく、９５％以上であるとより好ましく、９８％以上であると更に好ましい。電解質層Ｂは、均一な層である場合は、その緻密度が９５％以上であると好ましく、９８％以上であるとより好ましい。また、電解質層Ｂが、複数の層状に構成されているような場合は、そのうちの少なくとも一部が、緻密度が９８％以上である層（緻密電解質層）を含んでいると好ましく、９９％以上である層（緻密電解質層）を含んでいるとより好ましい。このような緻
密電解質層が電解質層の一部に含まれていると、電解質層が複数の層状に構成されている場合であっても、緻密で気密性およびガスバリア性の高い電解質層を形成しやすくできるからである。
【００８７】
（反応防止層）
反応防止層ｚは、電解質層Ｂの上に薄層の状態で形成することができる。薄層とする場合は、その厚さを、例えば、１μｍ〜１００μｍ程度、好ましくは２μｍ〜５０μｍ程度、より好ましくは３μｍ〜１５μｍ程度とすることができる。このような厚さにすると、高価な反応防止層材料の使用量を低減してコストダウンを図りつつ、十分な性能を確保することが可能となる。反応防止層ｚの材料としては、電解質層Ｂの成分とカソード電極層Ｃの成分との間の反応を防止できる材料であれば良いが、例えばセリア系材料等が用いられる。また反応防止層ｚの材料として、Ｓｍ、ＧｄおよびＹからなる群から選ばれる元素のうち少なくとも１つを含有する材料が好適に用いられる。なお、Ｓｍ、ＧｄおよびＹからなる群から選ばれる元素のうち少なくとも１つを含有し、これら元素の含有率の合計が１．０質量％以上１０質量％以下であるとよい。反応防止層ｚを電解質層Ｂとカソード電極層Ｃとの間に導入することにより、カソード電極層Ｃの構成材料と電解質層Ｂの構成材料との反応が効果的に抑制され（拡散抑制）、燃料電池セルＲの性能の長期安定性を向上できる。反応防止層ｚの形成は、１１００℃以下の処理温度で形成できる方法を適宜用いて行うと、金属支持体１の損傷を抑制し、また、金属支持体１とアノード電極層Ａとの元素相互拡散を抑制でき、性能・耐久性に優れた燃料電池セルＲを実現できるので好ましい。例えば、低温焼成法（例えば１１００℃を越える高温域での焼成処理をしない低温域での焼成処理を用いる湿式法）、スプレーコーティング法（溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法）、ＰＶＤ法（スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法など）、ＣＶＤ法などを適宜用いて行うことができる。特に、低温焼成法やスプレーコーティング法などを用いると低コストな素子が実現できるので好ましい。更に、低温焼成法を用いると、原材料のハンドリングが容易になるので更に好ましい。
【００８８】
（カソード電極層）
カソード電極層Ｃは、電解質層Ｂもしくは反応防止層ｚの上に薄層の状態で形成することができる。薄層とする場合は、その厚さを、例えば、１μｍ〜１００μｍ程度、好ましくは、５μｍ〜５０μｍとすることができる。このような厚さにすると、高価なカソード電極層材料の使用量を低減してコストダウンを図りつつ、十分な電極性能を確保することが可能となる。カソード電極層Ｃの材料としては、例えば、ＬＳＣＦ、ＬＳＭ等の複合酸化物、セリア系酸化物およびこれらの混合物を用いることができる。特にカソード電極層Ｃが、Ｌａ、Ｓｒ、Ｓｍ、Ｍｎ、ＣｏおよびＦｅからなる群から選ばれる２種類以上の元素を含有するペロブスカイト型酸化物を含むことが好ましい。以上の材料を用いて構成されるカソード電極層Ｃは、カソードとして機能する。
【００８９】
なお、カソード電極層Ｃの形成は、１１００℃以下の処理温度で形成できる方法を適宜用いて行うと、金属支持体１の損傷を抑制し、また、金属支持体１とアノード電極層Ａとの元素相互拡散を抑制でき、性能・耐久性に優れた燃料電池セルＲを実現できるので好ましい。例えば、低温焼成法（例えば１１００℃を越える高温域での焼成処理をしない低温域での焼成処理を用いる湿式法）、スプレーコーティング法（溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法）、ＰＤＶ法（スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法など）、ＣＶＤ法などを適宜用いて行うことができる。特に、低温焼成法やスプレーコーティング法などを用いると低コストな素子が実現できるので好ましい。更に、低温焼成法を用いると、原材料のハンドリングが容易になるので更に好ましい。
【００９０】
燃料電池単セルユニットＵでは、金属支持体１とアノード電極層Ａとの間の電気伝導性を確保している。また、必要に応じて、金属支持体１の表面の必要な部分に、絶縁被膜を形成してもよい。
【００９１】
＜燃料電池セルでの発電＞
燃料電池セルＲは、水素を含有する還元性ガス及び酸素を含有する酸化性ガスの両方の供給を受けて発電する。このように両ガスが燃料電池セルＲの各電極層（アノード電極層Ａ及びカソード電極層Ｃ）供給されることで、図６に示す様に、カソード電極層Ｃにおいて酸素分子Ｏ２が電子ｅ−と反応して酸素イオンＯ２−が生成される。その酸素イオンＯ２−が電解質層Ｂを通ってアノード電極層Ａへ移動する。アノード電極層Ａにおいては、発電用燃料ガスである（水素Ｈ２および一酸化炭素ＣＯ）がそれぞれ酸素イオンＯ２−と反応し、水蒸気Ｈ２Ｏ、二酸化炭素ＣＯ２と電子ｅ−が生成される。以上の反応により、アノード電極層Ａとカソード電極層Ｃとの間に起電力が発生し、発電が行われる。この発電原理は、第２実施形態でも同様である（図１１参照）。
【００９２】
以下、還元性ガス及び酸化性ガスの供給構造に関して説明するとともに、本発明独特の内部改質に関する構成について説明する。
【００９３】
図３に示すように、燃料電池単セルユニットＵは、金属セパレータとしての有突起集電板３を備えて構成される。この有突起集電板３は、図４（ａ）に示すように、金属製の円盤形の板であって、凹部または凸部が１つ以上含まれる凹凸構造部位３ａを有し、金属支持体１の裏側１ｆに面して配置され、金属支持体１に対して接合部位Ｗを介して接合される。凹凸構造部位３ａは、複数の燃料電池単セルユニットＵが積層される際に、他の燃料電池単セルユニットＵのカソード電極層Ｃに接続される。従って、この有突起集電板３
は、金属支持体１、さらにはアノード電極層Ａに電気的に接続されている。この有突起集電板３において、その表裏間でガスが流通することはない。後述するように、有突起集電板３の金属支持体１側（換言するとアノード電極層Ａ側）は、これまで説明してきた還元性ガス供給路Ｌ１とされ、その裏側（金属支持体１から離間した側）は、これまで説明してきた酸化性ガス供給路Ｌ２とできるのである。
【００９４】
以下、これらガスの供給・排出に関して説明する。
燃料電池単セルユニットＵには、ガス供給管２が備えられている。
【００９５】
ガス供給管２は、還元性ガス及び酸化性ガスを別個に、有突起集電板３の上下に形成された空間（それぞれ、径方向外方に流れる供給路となる）に供給する。ガス供給管２は、金属製の円筒形状の部材とされ、その中心軸Ｚが金属支持体１の中心軸Ｚと一致した状態で、金属支持体１の開口部１ｂに挿入され、溶接により固定される。また、金属支持体１がガス供給管２に対してシール材を挟んで付勢されてもよい。ガス供給管２の材料としては、上述の金属支持体１と同様のものを用いることができる。またガス供給管２の表面に、金属支持体１と同様の拡散防止膜を形成すると、Ｃｒ飛散を抑制することができ好適である。
【００９６】
なお、ガス供給管２は、燃料電池単セルユニットＵおよび後述する燃料電池モジュールＭを構成するのに充分な強度を有すれば良い。また、ガス供給管２には、焼結金属や発泡金属等を用いることもできるが、この場合はガスが透過しないように表面コーティングなどの処理を施せばよい。
【００９７】
ガス供給管２は、その内側に中心軸Ｚと平行に仕切壁２ａが配置されて、第１流路２ｂと第２流路２ｃとに仕切られる。第１流路２ｂと第２流路２ｃとは、それぞれに異なるガスが通流できるよう、互いにガスが通流しない形態とされる。
【００９８】
ガス供給管２には、内側と外側とを貫通する第１通流孔２ｄと第２通流孔２ｅとが形成されている。第１通流孔２ｄは、金属支持体１と有突起集電板３との間の空間（本発明の還元性ガス供給路Ｌ１となる）と第１流路２ｂとをつなぎ、両者の間でのガスの通流が可能となっている。第２通流孔２ｅは、有突起集電板３に対して金属支持体１と反対側の空間（本発明の酸化性ガス供給路Ｌ２となる）と第２流路２ｃとをつなぎ、両者の間でのガスの通流が可能となっている。第１通流孔２ｄと第２通流孔２ｅとは、ガス供給管２の中心軸Ｚに沿う方向に関して、異なる位置に形成されており、有突起集電板３を挟んで両側に形成されている。
従って、本実施形態では、第１流路２ｂが有突起集電板３の上側に形成される還元性ガス供給路Ｌ１に接続され、第２流路２ｃが有突起集電板３の下側に形成される酸化性ガス供給路Ｌ２に接続される。
【００９９】
有突起集電板３は、図４に示す様に、複数の凹凸構造部位３ａが、有突起集電板３の円盤の面から上下方向に突出して形成されている。凹凸構造部位３ａは、頂点がなだらかな円錐形状である。
【０１００】
有突起集電板３は、図３に示される様に、金属支持体１の裏側１ｆに面して配置され、金属支持体１に対して接合部位Ｗを介して接合される。例えば、有突起集電板３を金属支持体１に直接付勢して接合することができるが、この場合は、凹凸構造部位３ａの頂点と金属支持体１の接触する部分が接合部位Ｗとなる。また、凹凸構造部位３ａの頂点に、導電性に優れたセラミックスペースト等を塗布して接合部位Ｗを形成して、有突起集電板３を金属支持体１に付勢して接合することもできるし、金属フェルト等を有突起集電板３と金属支持体１の間に挟んで有突起集電板３を金属支持体１に付勢して接合することもできる。もしくは、有突起集電板３と金属支持体１とが凹凸構造部位３ａの頂点の一部または全部にて、ろう付けにて接合部位Ｗを形成しつつ接合することもできる。そして有突起集電板３は、ガス供給管２が開口部３ｂを通る形態にて配置される。有突起集電板３とガス供給管２とは、開口部３ｂの周囲において溶接にて接合される。また、有突起集電板３がガス供給管２に対してシール材を挟んで付勢されてもよい。
【０１０１】
有突起集電板３の材料としては、上述の金属支持体１と同様のものを用いることができる。また有突起集電板３の表面に、金属支持体１と同様の拡散防止膜を形成すると、Ｃｒ飛散を抑制することができ好適である。以上の様に構成される有突起集電板３は、プレス成形などにより低コストで製造することが可能である。なお有突起集電板３は、表側１ｅと裏側１ｆとの間でガスが通流できないよう、ガスを透過しない材料で構成される。
【０１０２】
この構造より、金属セパレータとしての有突起集電板３は、金属支持体１を介して燃料電池セルＲを構成するアノード電極層Ａに電気的に接続される。後述するように、燃料電池単セルユニットＵが積層され、燃料電池モジュールＭを成す状態では、有突起集電板３はカソード電極層Ｃにも電気的に接続される。
【０１０３】
有突起集電板３は、燃料電池単セルユニットＵおよび後述する燃料電池モジュールＭを構成するのに充分な強度を有すれば良く、例えば、０．１ｍｍ〜２ｍｍ程度、好ましくは０．１ｍｍ〜１ｍｍ程度、より好ましくは０．１ｍｍ〜０．５ｍｍ程度の厚みのものを用いることができる。また、有突起集電板３には、金属板の他に焼結金属や発泡金属等を用いることもできるが、この場合はガスが透過しないように表面コーティングなどの処理を施せばよい。
【０１０４】
＜ガス供給＞
これまで説明してきた通り、有突起集電板３は凹凸構造部位３ａを有しており、凹凸構造部位３ａの頂点が金属支持体１の裏側１ｆに接合される。この構造において、金属支持体１と有突起集電板３との間には、中心軸Ｚに対して軸対称である、円盤状（ドーナツ型）の空間（還元性ガス供給路Ｌ１）が形成される。この供給路Ｌ１には、ガス供給管２の第１通流孔２ｄを通って第１流路２ｂから還元性ガスが供給される。結果、その還元性ガスは、金属支持体１の貫通孔１ａに供給されて、アノード電極層Ａに供給される。
【０１０５】
また、同様に、有突起集電板３の凹凸構造部位３ａの頂点が、下側に位置する燃料電池単セルユニットＵのカソード電極層Ｃに対して接合されることで、ガス供給管２の第２通流孔２ｅを通ってカソード電極層Ｃに対してガスの供給が可能となる空間（酸化性ガス供給路Ｌ２）が形成される。
【０１０６】
以上が、本発明に係る燃料電池の基本構成に関する説明であるが、以下、本発明の特徴構成に関して、主に図５、図６を使用して説明する。
これまでも説明してきたように、本実施形態では、有突起集電板３と金属支持体１との間に、アノード電極層Ａに水素を含有するガスを供給する還元性ガス供給路Ｌ１が形成されている。そして、図５に矢印でも示すようにこの供給路Ｌ１を流れるガスは、円板中心側に位置されるガス供給管２側から径方向外方側への一方向とされる。そして、金属支持体１の表裏を貫通して設けられた貫通孔１ａを介して、アノード電極層Ａに発電反応用の水素を供給できるのである。
【０１０７】
ここで、燃料電池セルＲ内に於ける発電反応は、先に説明した通りであるが、この反応に伴って、アノード電極層Ａから貫通孔１ａ、還元性ガス供給路Ｌ１には、水蒸気Ｈ２Ｏが放出される。結果、本発明の還元性ガス供給路Ｌ１は、水素Ｈ２を含有するガスをアノード電極層Ａに供給する供給部となっていると同時に、水蒸気Ｈ２Ｏの排出先ともなっている。
【０１０８】
そこで、本発明では、図５、図６に示すように、有突起集電板３の還元性ガス供給路Ｌ１側の面（金属支持体１側の面）に、内部改質触媒層Ｄを設けている。
これまでも説明してきたように、還元性ガス供給路Ｌ１には、外部改質により得られる水素Ｈ２の他、改質対象となる原燃料ガス（改質前ガス：図示する例ではメタンＣＨ４）が流れるが、アノード電極層Ａにおいて生成する水蒸気Ｈ２Ｏを還元性ガス供給路Ｌ１に戻すことにより、この供給路Ｌ１に流入して燃料ガスＣＨ４を改質することができる。当然、生成される水素Ｈ２や一酸化炭素ＣＯは、下流側において貫通孔１ａを介してアノード電極層Ａに供給して、発電の用に供することができる。
【０１０９】
内部改質触媒層Ｄの材料としては、例えば、ニッケル、ルテニウム、白金などの改質触媒を保持したセラミック製の多孔質粒状体の多数が通気可能な状態で形成できる。
なお、この内部改質触媒層ＤにＮｉを含有する場合、Ｎｉの含有量は、０．１質量％以上、５０質量％以下の範囲とできる。なお、内部改質触媒層ＤがＮｉを含有する場合のＮｉの含有量は、１質量％以上であるとより好ましく、５質量％以上であると更に好ましい。このようにすることで、より高い内部改質性能が得られるからである。一方、内部改質触媒層ＤがＮｉを含有する場合のＮｉの含有量は、４５質量％以下であるとより好ましく、４０質量％以下であると更に好ましい。このようにすることで、燃料電池装置のコストをより低減できるようになるからである。またＮｉを担体に担持することも好ましい。
なおこの内部改質触媒層Ｄは、低温焼成法（例えば１１００℃より高い高温域での焼成処理をしない低温域での焼成処理を用いる湿式法）やスプレーコーティング法（溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法）、ＰＶＤ法（スパッタリング法やパルスレーザーデポジション法など）、ＣＶＤ法などにより形成することが好ましい。これらの、低温域で使用可能なプロセスにより、内部改質触媒層Ｄを設ける還元性ガス供給路Ｌ１（例えば、金属支持体１、有突起集電板３）の高温加熱によるダメージを抑制しつつ、良好な内部改質触媒層Ｄを形成し、耐久性に優れた燃料電池単セルユニットＵを実現できるからである。また、金属支持体１や有突起集電板３の表面に拡散抑制層ｘを形成した後、内部改質触媒層Ｄを形成すると、金属支持体１や有突起集電板３からのＣｒの飛散を抑制できるので好ましい。
【０１１０】
このような内部改質触媒層Ｄは、その厚さを、例えば、１μｍ以上にすると好ましく、２μｍ以上にするとより好ましく、５μｍ以上にすると更に好ましい。このような厚さにすることで、燃料ガスや水蒸気との接触面積を増やして、内部改質率を高められるからである。また、その厚さを、例えば、５００μｍ以下にすると好ましく、３００μｍ以下にするとより好ましく、１００μｍ以下にすると更に好ましい。このような厚さにすることで、高価な内部改質触媒材料の使用量を低減してコストダウンを図ることができるからである。
【０１１１】
再度、図６に戻って、この内部改質触媒層Ｄでの水蒸気改質反応に関して簡単に説明しておく。同図に示すように、燃料電池単セルユニットＵに内部改質触媒層Ｄを設けることで、還元性ガス供給路Ｌ１に供給される原燃料ガスＣＨ４を以下のように改質して、発電用燃料ガスとなる水素Ｈ２、一酸化炭素ＣＯを生成することができる。図１１に示す実施形態においても、この改質反応は同様である。
【０１１２】
〔化１〕
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ２
〔化２〕
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２
〔化３〕
ＣＨ４＋２Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋４Ｈ２
【０１１３】
この還元性ガス供給路Ｌ１（内部改質触媒層Ｄ）の温度は、事実上、燃料電池セルＲの作動温度である６００℃〜９００℃となっている。これまで説明してきた第１実施形態の燃料電池単セルユニットＵの燃料電池としての機能構成を模式的に示すと、図１９（ａ）に示す構造となる。
【０１１４】
以上の説明において、第１実施形態における燃料電池モジュールＭに関して、その概略を示した。この実施形態における燃料電池モジュールＭの構造を具体的に説明しておく。
【０１１５】
図５に示すように、第１実施形態の燃料電池モジュールＭは、燃料電池単セルユニットＵが複数積層した状態で構成される。即ち、燃料電池単セルユニットＵを、ガスケット６を挟んで複数積層して構成する。ガスケット６は、一方の燃料電池単セルユニットＵのガス供給管２と、他方の燃料電池単セルユニットＵのガス供給管２との間に配置される。そしてガスケット６は、一方の燃料電池単セルユニットＵの金属支持体１、ガス供給管２および有突起集電板３と、他方の燃料電池単セルユニットＵの金属支持体１、ガス供給管２および有突起集電板３との間を、電気的に絶縁する。ガスケット６は、併せて、ガス供給管２の第１流路２ｂおよび第２流路２ｃを通流するガスが漏出したり混合しないよう、燃料電池単セルユニットＵの接続部位（ガス供給管２の接続部位）を気密に保つ。ガスケット６は、以上の電気的絶縁および気密保持が可能なように、例えばバーミキュライトや雲母、アルミナ等を材料として形成される。
【０１１６】
そして上述の通り、有突起集電板３が、一方の燃料電池単セルユニットＵの金属支持体１と、カソード電極層Ｃとを電気的に接続している。したがって本実施形態に係る燃料電池単セルユニットＵでは、各燃料電池単セルユニットＵの燃料電池セルＲが、電気的に直列に接続される。
【０１１７】
燃料電池モジュールＭにおけるガスの通流については、これまでも説明してきたところである。
還元性ガス供給路Ｌ１の構成形態に関しては、図４（ａ）に示す形状の有突起集電板３としてもよいし、図４（ｂ）、図４（ｃ）のようにしてもよい。これら構成において、共通となる技術的要素は、水素を含有するガスである還元性ガス（具体的には、改質前ガスと改質済ガスとの混合ガス）及び酸素を含有するガスである酸化性ガス（具体的には、空気）が、外径側に移動して排ガスとして排気される構成とできればよい。
【０１１８】
本発明においては、還元性ガス供給路Ｌ１が、混合ガスの供給側から排出側へ流れ、その間に設けられた複数（多数）の貫通孔１ａに対して、水素Ｈ２を含有するガスのアノード電極層Ａへの流通が行われる。そして、アノード電極層Ａで生成される水蒸気Ｈ２Ｏを内部改質触媒層Ｄに戻すことで水蒸気改質を行い、発電用燃料ガスである水素および一酸化炭素を生成させて、下流側に位置する貫通孔１ａから水素Ｈ２を含む発電用燃料ガスをアノード電極層Ａへ供給して発電を行うことが可能となる。そこで、このようなガスの経路を内部改質燃料供給路Ｌ３と呼び、生成される水蒸気Ｈ２Ｏの排出側を排出部Ｌ３ａと呼び、内部改質された水素Ｈ２の供給側を供給部Ｌ３ｂと呼ぶ。この排出部Ｌ３ａは、本発明の水蒸気供給路でもある。なお、排出部Ｌ３ａは供給部Ｌ３ｂとしての機能を同時に担うこともできるし、供給部Ｌ３ｂが排出部Ｌ３ａとしての機能を同時に担うこともできる。
【０１１９】
＜第２実施形態＞
以下、第２実施形態に係る、燃料電池装置Ｙ、燃料電池モジュールＭおよび燃料電池単セルユニットＵについて図面に基づいて説明する。
【０１２０】
＜燃料電池装置＞
図７には、燃料電池装置Ｙの概要が示されている。
燃料電池装置Ｙも、燃料電池モジュールＭを備えて構成され、この燃料電池モジュールＭに供給される水素を含有する還元性ガスと酸素を含有する酸化性ガスとにより発電動作する。
図７、図８に示すように、燃料電池モジュールＭは概略直方形に構成され、一の筐体１０内にこの燃料電池モジュールＭ、外部改質器３４、気化器３３等を備えて構成されている。還元性ガスの供給系統に備えられる各機器（昇圧ポンプ３０、脱硫器３１、改質水タンク３２、気化器３３、外部改質器３４）の働きは先に説明した第１実施形態のものと同様である。ただし、外部改質器３４及び気化器３３が燃料電池モジュールＭが収納される筐体１０内に位置されるため、燃料電池モジュールＭの熱が有効に利用される。
この第２実施形態の燃料電池モジュールＭは、その上部に水素を含有する排ガスの燃焼部１０１が設けられており、この部位１０１で燃料電池の排ガスに含まれる残余の燃焼成分（具体的には水素、一酸化炭素及びメタン）を燃焼して、その熱を水蒸気改質及び気化に利用することができる。
【０１２１】
インバータ３８、制御部３９及び熱交換器３６の働きに関しては、先の実施形態と同様である。
従って、第２実施形態も、燃料電池装置Ｙは、電力と熱の両方を発生・供給可能な、所謂「コジェネレーションシステム」となっている。
【０１２２】
さて、燃料電池単セルユニットＵ或いは燃料電池セルＲに備えられる各電極層（アノード電極層Ａ及びカソード電極層Ｃ）への水素を含有する還元性ガスの供給、酸素を含有する酸化性ガスの供給に関しては、この実施形態独特の構成となっている。
図７、図１１に基づいて、その概略を説明しておくと、外部改質器３４の下流側にはガスマニホールド１０２が設けられ、改質前ガス（原燃料ガス）および改質済ガスが、燃料電池単セルユニットＵの備えられる還元性ガス供給路Ｌ１に分配供給され、この供給路Ｌ１からアノード電極層Ａに水素を含有する還元性ガスが供給されるように構成されている。
一方、酸素の酸化性ガス供給路Ｌ２への供給は、ブロア３５により空気を筐体１０内に吸引し、吸引された酸素を含む酸化性ガスを、燃料電池単セルユニットＵ、集電板ＣＰそれぞれに設けられた酸化性ガス供給路Ｌ２を介してカソード電極層Ｃに供給するように構成されている。この実施形態は、燃料電池モジュールＭと外部改質器３４との間が燃焼部１０１とされているが、ブロア３５により吸引された空気は、燃焼部１０１における残余の燃料の燃焼にも利用される。
【０１２３】
このようにして所定の電池反応、燃焼反応により発生する排ガスは熱交換器３６に送られ、所定の熱利用の用に供される。ここで、筐体１０の排気口１０３に設けられている機器１０３ａは、排ガス処理用の機器である。
【０１２４】
＜燃料電池モジュールＭ＞
次に、図８を用いて燃料電池モジュールＭについて説明する。
図８（ａ）に燃料電池モジュールＭの側面図を示し、（ｂ）に、その断面図（（ａ）のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ断面）を示した。
この実施形態では、燃料電池モジュールＭは、燃料電池単セルユニットＵの複数を横方向（図８の左右方向）に積層して構成されている。この燃料電池単セルユニットＵは、それぞれ、具体的には、先に説明したガスマニホールド１０２に立設置した構造とできる。即ち、燃料電池セルＲを支持する金属支持体１をガスマニホールド１０２に立設することで、燃料電池モジュールＭを構築してある。
【０１２５】
この第２実施形態では、金属支持体１は、その立設状態で上下方向に伸びる還元性ガス供給路Ｌ１を備えて構成される筒状に形成されている。一方、この金属支持体１に電気的に接続される形態で、凹凸形状の集電板ＣＰが備えられ、集電板ＣＰが通気性を有することで、燃料電池モジュールＭの周部に吸引された酸化性ガス（具体的には空気）を燃料電池セルＲのカソード電極層Ｃまで到達させる（図１１参照）。
【０１２６】
図８（ａ）および（ｂ）に示されるように、燃料電池モジュールＭは、複数の燃料電池単セルユニットＵ、ガスマニホールド１０２、集電板ＣＰ、終端部材１０４および電流引出し部１０５を備えて構成される。
【０１２７】
燃料電池単セルユニットＵは、中空の筒である金属支持体１の一方の面に燃料電池セルＲを備えて構成され、全体として長尺な平板あるいは平棒の形状とされる。そして燃料電池単セルユニットＵの長手方向の一方の端部が、ガスマニホールド１０２に対してガラスシール材等の接着部材により固定される。金属支持体１とガスマニホールド１０２との間は電気的に絶縁されている。
【０１２８】
燃料電池セルＲは、全体として薄膜状或いは層状（本発明では、両者を含む形態を「薄層状」と称する）に構成される。この実施形態にあっても、燃料電池セルＲが、アノード電極層Ａ，電解質層Ｂ及びカソード電極層Ｃを備えて構成される点に関して変わりはない。先に説明した金属酸化物層ｘ、中間層ｙ、反応防止層ｚを設ける点に関しても同様である。これらの金属酸化物層ｘ、中間層ｙ、反応防止層ｚに関しては、図１１に示した。
第２実施形態では、複数の燃料電池単セルユニットＵを、一の燃料電池単セルユニットＵの金属支持体１の背面に他の燃料電池単セルユニットＵの集電板ＣＰとが接触する状態で積層することで、所定の電気的出力を取り出すことができる。
【０１２９】
集電板ＣＰには、導電性、ガス透過性及び燃料電池単セルユニットＵの積層並列配置の方向に弾性を有する部材が用いられる。例えば集電板ＣＰには、金属箔を用いたエキスパンドメタルや金属メッシュ、フェルト様部材が用いられる。これによりブロア３５から供給される空気が集電板ＣＰを透過または通流して燃料電池セルＲのカソード電極層Ｃに供給することができる。本発明では、燃料電池単セルユニットＵを構成して、この集電板ＣＰを通過して酸素を含有するガスが流れる流路を酸化性ガス供給路Ｌ２と呼ぶ（図１１参照）。
【０１３０】
また集電板ＣＰが燃料電池単セルユニットＵの並列配置の方向に弾性を有するので、ガスマニホールド１０２に片持ち支持された金属支持体１は並列配置の方向にも変位することができ、振動や温度変化等の外乱に対する燃料電池モジュールＭのロバスト性が高められる。
【０１３１】
並列配置された複数の燃料電池単セルユニットＵは、一対の終端部材１０４に挟持されている。終端部材１０４は、導電性を有し弾性変形可能な部材であり、その下端がガスマニホールド１０２に固定されている。終端部材１０４には、燃料電池単セルユニットＵの並列配置の方向に沿って外側に向けて延びる電流引出し部１０５が接続されている。電流引出し部１０５はインバータ３８に接続され、燃料電池セルＲの発電により生じる電流をインバータ３８へ送る。
【０１３２】
＜燃料電池単セルユニットＵ＞
図９、１０に、第２実施形態の燃料電池単セルユニットＵの概略構成が示されている。
図９は、この燃料電池単セルユニットＵの斜視図であり、図１０は、ユニットＵの形成手順を示したものである。
これまでも説明したように、燃料電池単セルユニットＵは、導電性を有する金属支持体１と、燃料電池セルＲとを備えて構成されており、燃料電池セルＲは、電解質層Ｂを挟んだ状態で、アノード電極層Ａと、カソード電極層Ｃとを有して構成されている。
【０１３３】
＜金属支持体１＞
金属支持体１は、長方形の平板部材７２と、長手方向に直交する断面がＵ字状のＵ字部材７３と、蓋部７４とを備えて構成されている。平板部材７２の長辺とＵ字部材７３の長辺（Ｕ字の２つの頂点に対応する辺）とが接合され、一方の端部（図示するものでは上端側）が蓋部７４で塞がれている。これにより、内部に空間を有し全体として平板あるいは平棒状の金属支持体１が構成される。平板部材７２は、金属支持体１の中心軸に対して平行に配置される。
【０１３４】
金属支持体１の内部空間が、これまで説明してきた還元性ガス供給路Ｌ１とされる。蓋部７４には、還元性ガス供給路Ｌ１を流れたガスが金属支持体１の外部に排出する排ガス排出口７７が設けられる。この排ガス排出口７７の排出側（上側）が、先に説明した燃焼部１０１となるのである。蓋部７４が設けられる端部とは逆側（下側であって、先に説明したガスマニホールド１０２に接続される部位）の端部は開口しており、還元性ガス供給路Ｌ１の入口とされる。
【０１３５】
平板部材７２、Ｕ字部材７３および蓋部７４の材料としては、導電性、耐熱性、耐酸化性および耐腐食性に優れた材料が用いられる。例えば、フェライト系ステンレス鋼、オーステナイト系ステンレス鋼、ニッケル基合金などが用いられる。すなわち金属支持体１は堅牢に構成される。特にフェライト系ステンレス鋼が好適に用いられる。
【０１３６】
金属支持体１の材料にフェライト系ステンレス鋼を用いた場合、燃料電池セルＲにて材料に用いられるＹＳＺ（イットリウム安定化ジルコニア）やＧＤＣ（ガドリウム・ドープ・セリア、ＣＧＯとも呼ぶ）等と熱膨張係数が近くなる。従って、低温と高温の温度サイクルが繰り返された場合も燃料電池単セルユニットＵがダメージを受けにくい。よって、長期耐久性に優れた燃料電池セルＲを実現できるので好ましい。
【０１３７】
なお金属支持体１の材料としては、熱伝導率が３Ｗｍ−１Ｋ−１を上回る材料を用いることが好ましく、１０Ｗｍ−１Ｋ−１を上回る材料であればさらに好ましい。例えばステンレス鋼であれば熱伝導率が１５〜３０Ｗｍ−１Ｋ−１程度であるため、金属支持体１の材料として好適である。
【０１３８】
また、金属支持体１の材料としては、脆性破壊を起こさない高靱性材料である事がさらに望ましい。セラミックス材料などと比較して金属材料は高靱性であり、金属支持体１として好適である。
【０１３９】
図１０からも判明するように、平板部材７２には、平板部材７２の表面と裏面とを貫通して複数の貫通孔７８を設ける。この貫通孔７８を通して金属支持体１の内側と外側との間でガスの通流が可能となっている。他方、平板部材７２やＵ字部材７３における貫通孔７８が設けられない領域は、金属支持体１の内側と外側との間でガスが通流できない。
【０１４０】
以上が、本発明に係る燃料電池の基本構成に関する説明であるが、以下、本発明の特徴構成に関して、主に図１０、図１１を使用して説明する。
これまでも説明してきたように、本実施形態では、金属支持体１内に、アノード電極層Ａの水素を含有するガスを供給する還元性ガス供給路Ｌ１が形成されている。そして、図９に一点鎖線矢印でも示すようにこの供給路Ｌ１におけるガスは、金属支持体１の軸方向開口側（下側）から軸方向蓋体部側（上側）への一方向とされる。平板部材７２の表裏を貫通して設けられた貫通孔７８を介して、アノード電極層Ａに発電反応用の水素Ｈ２を供給できる。ここで、燃料電池セルＲ中に於ける発電反応は、先に説明した通りであるが、この反応に伴って、アノード電極層Ａから貫通孔７８には、水蒸気Ｈ２Ｏが放出される。結果、本実施形態の貫通孔７８及び還元性ガス供給路Ｌ１の一部は、水素Ｈ２を含有するガスを供給する供給部Ｌ３ｂとなっていると同時に、水蒸気Ｈ２Ｏの排出部Ｌ３ａともなっているのである。
【０１４１】
そこで、図１０、図１１に示すように、平板部材７２の裏面７２ｂ、金属支持体１の内面７３ｂに、内部改質触媒層Ｄを設けている。
これまでも説明してきたように、還元性ガス供給路Ｌ１には、外部改質により得られる水素の他、改質対象となる改質前ガス（原燃料ガスであり、図示する例ではメタンＣＨ４）を流通するが、アノード電極層Ａで生成される水蒸気Ｈ２Ｏを内部改質触媒層Ｄに戻すことで水蒸気改質を行い、下流側（図１１の場合は紙面裏側）に位置する貫通孔７８から水素Ｈ２をアノード電極層Ａへ供給して発電を行うことが可能となる。そこで、本発明に係る内部改質燃料供給路Ｌ３を、生成される水蒸気Ｈ２Ｏの排出部Ｌ３ａと、内部改質された水素Ｈ２の供給部Ｌ３ｂから構成する点は、第１実施形態と同様である。なお、排出部Ｌ３ａは供給部Ｌ３ｂとしての機能を同時に担うこともできるし、供給部Ｌ３ｂが排出部Ｌ３ａとしての機能を同時に担うこともできる。この排出部Ｌ３ａが水蒸気供給路となっている。
【０１４２】
内部改質触媒層Ｄの材料、その厚み等は、先に説明したと同様である。
このような構造を採用することにより、金属支持体１内で、アノード電極層Ａから排出される水蒸気Ｈ２Ｏを利用して、水蒸気改質を起こさせ、改質により得られる水素Ｈ２および一酸化炭素を発電用燃料ガスとしてアノード電極層Ａに供給・利用することができる。
第２実施形態の燃料電池単セルユニットは、事実上、図１９（ａ）に示す構造となる。
【０１４３】
＜第３実施形態＞
以下、第３実施形態に係る、この燃料電池装置Ｙ、燃料電池モジュールＭおよび燃料電池単セルユニットＵについて図面に基づいて説明する。
【０１４４】
＜燃料電池装置＞
図１２は、燃料電池装置Ｙの全体構成を示す概略図であり、燃料電池本体である燃料電池モジュールＭに繋がる燃料ガス供給系統ＦＬ、酸化性ガス供給系統ＡＬ及びアノードオフガス循環系統ＲＬをそれぞれ示している。
燃料電池モジュールＭ内には、複数積層して、この燃料電池モジュールＭを構成する燃料電池単セルユニットＵを一つ模式的に示している。これまでも説明してきたように燃料電池単セルユニットＵには、燃料電池セルＲが備えられている。これら燃料電池単セルユニットＵ、燃料電池セルＲ等に関しては、先に説明した第１実施形態との関係で説明すると、第１実施形態では、金属支持体１が円盤状に形成されていたのに対して、第３実施形態では、基本方形とされ、その長手方向に沿って、燃料電池セルＲ，還元性ガス供給路Ｌ１、酸化性ガス供給路Ｌ２が形成される。
【０１４５】
この第３実施形態の特徴は、以下の２点である。
１．燃料電池が起動を完了し、電力負荷に応じてその発電を行う定常運転状態にあっては、アノードオフガス循環系統ＲＬを介して循環される水蒸気を改質に使用する。
２．燃料電池単セルユニットＵ内に設けられた還元性ガス供給路Ｌ１に内部改質触媒層Ｄが設けられるとともに、乱流促進体Ｅが設けられる。
【０１４６】
この実施例の燃料電池装置Ｙも、所謂、コジェネレーションシステム（熱電並供給システム）として構成され、燃料電池装置Ｙから排出される熱を利用する排熱利用部としての熱交換器３６を有するとともに、燃料電池装置Ｙで発電される電力を出力するための出力変換部としてのインバータ３８を備えている。
【０１４７】
制御部３９は、燃料電池装置Ｙに要求される電力負荷に従って燃料電池装置Ｙ全体の運転を制御する。制御対象となる各機器に関しては、当該機器の説明において行う。この制御部３９への入力情報は、燃料電池装置Ｙの起動開始・起動停止情報及び装置Ｙに要求される電力負荷である。
【０１４８】
燃料電池装置Ｙは、燃料電池モジュールＭと、燃料ガス供給系統ＦＬ、酸化性ガス供給系統ＡＬ及びアノードオフガス循環系統ＲＬとを備えて構成されている。燃料ガス供給系統ＦＬが、本発明の燃料供給路に該当する。
【０１４９】
燃料ガス供給系統ＦＬには昇圧ポンプ３０、脱硫器３１を備えた原燃料ガス供給系統ＦＬａと、改質水タンク３２、改質水ポンプ３２ｐ及び気化器３３が水蒸気供給系統ＦＬｂとを備えている。
【０１５０】
これら原燃料ガス供給系統ＦＬａ及び水蒸気供給系統ＦＬｂは、アノードオフガス循環系統ＲＬに合流される形態が採用されており、下手側に備えられる外部改質器３４に、原燃料ガス及び水蒸気を供給する。外部改質器３４は、その下手側で、燃料電池モジュールＭを構成する燃料電池単セルユニットＵに形成された還元性ガス供給路Ｌ１に接続されている。
【０１５１】
昇圧ポンプ３０は、原燃料ガスの一例である都市ガス等の炭化水素系ガスを昇圧して、燃料電池装置Ｙに供給する。この供給形態は、燃料電池装置Ｙに要求される電力負荷に見合った量の原燃料ガスを、制御部３９からの指令に従って供給するものである。
【０１５２】
脱硫器３１は、都市ガス等に含まれる硫黄化合物成分を除去（脱硫）する。
【０１５３】
改質水タンク３２は、外部改質器３４での水蒸気改質に必要となる水蒸気を供給するために、改質水（基本的には純水）を貯留する。供給形態は、燃料電池装置Ｙに要求される電力負荷に見合った燃料ガスを得るための、制御部３９からの指令に従った量だけ供給するものである。ただし、後にも説明するように、この実施形態の燃料電池装置Ｙでは、通常の定常運転状態では、アノードオフガスに含まれる水蒸気で、水蒸気改質において必要となる水蒸気を賄えるため、改質水タンク３２からの改質水の供給、及び気化器３３での気化は、燃料電池装置Ｙの起動時において主にその役を果たす。
【０１５４】
気化器３３は、改質水タンク３２から供給される改質水を水蒸気とする。外部改質器３４は、気化器３３にて生成された水蒸気を用いて脱硫器３１にて脱硫された原燃料ガスを水蒸気改質して、水素を含むガスである改質ガスとする。ただし、本発明の燃料電池単セルユニットＵ内には内部改質触媒層Ｄが備えられるため、このユニットＵ内においても原燃料ガスの改質を行う。結果、外部改質器３４においては、原燃料ガスの一部が改質され、残部は燃料電池単セルユニットＵの還元性ガス供給路Ｌ１にそのまま供給する。
【０１５５】
外部改質器３４には水蒸気改質触媒が収納されるが、この種の触媒としてはルテニウム系触媒、ニッケル系触媒を挙げることができる。さらに、具体的には、ルテニウム成分をアルミナ担体に担持させて得られるＲｕ/Ａｌ２Ｏ３触媒やニッケル成分をアルミナ担体に担持させて得られるＮｉ／Ａｌ２Ｏ３触媒等を使用できる。
【０１５６】
さて、この燃料電池装置Ｙが電力負荷に応じて、継続的に発電作動する定常運転状態での運転動作に関して、以下に説明する。
燃料電池は酸化物イオン伝導型とすることから、燃料電池単セルユニットＵに設けられている還元性ガス供給路Ｌ１から排出される排ガス（アノードオフガス）には水蒸気が含まれる。そこで、このガスを冷却するとともに、過分な水分を凝縮除去して、水蒸気分圧を調整したアノードオフガスを外部改質器３４に戻し、水蒸気改質の用に供する運転形態を採用している。
【０１５７】
即ち、燃料電池装置Ｙはアノードオフガス循環系統ＲＬを備え、アノードオフガス循環系統ＲＬに、内部を流れるアノードオフガスを冷却する冷却器３２ａ、更に冷却するとともにその凝縮水を取出して内部を流れるアノードオフガスの水蒸気分圧を調整する凝縮器３２ｂ、外部改質器３４に戻すアノードオフガスの温度を上昇する加熱器３２ｃを備えている。
【０１５８】
この構造を採ることにより、循環ポンプ３２ｄを働かせて、外部改質器３４に投入する水蒸気量を、アノードオフガス循環系統ＲＬを介して循環されるガスによるものとできる。最終段の凝縮器３２ｂにおける凝縮温度を調整することで、アノードオフガス循環系統ＲＬを介して循環する水蒸気分圧を調整することが可能となり、外部改質器３４に投入されるガスに関して、その水蒸気／カーボン比（Ｓ／Ｃ比）を制御することができる。
【０１５９】
この循環形態は、燃料電池装置Ｙに要求される電力負荷に見合って原燃料ガスの少なくとも一部を外部改質器３４で改質する場合に必要となる水蒸気量を、外部改質器３４において適切なＳ／Ｃ比とするものであり、制御部３９からの指令に従った作動となる。
ここでの制御対象は、循環ポンプ３２ｄによる循環量、圧力設定及び冷却最終段となる凝縮器３２ｂでの凝縮温度（結果的に、出口水蒸気分圧となる）の設定、制御となる。
【０１６０】
酸化性ガス供給系統ＡＬにはブロア３５が設けられ、その下手側で、燃料電池モジュールＭを構成する燃料電池単セルユニットＵに形成された酸化性ガス供給路Ｌ２に接続されている。ブロア３５の空気吸引量も、電力負荷に見合って燃料電池で発電反応を起こさせるに充分な空気量を確保するものであり、制御部３９からの指令に従った作動となる。
【０１６１】
以上が、この第３実施形態における、主に還元性ガスの供給側の工夫であるが、本発明のように、燃料電池単セルユニットＵ内に内部改質触媒層Ｄを備え、内部改質により得られる水素や一酸化炭素を電池燃料とする構成では、発電により生成される水蒸気が水蒸気改質で消費されるため、先に説明したアノードオフガスに含まれる水蒸気凝縮用に備えるべき凝縮器３２ｂの負荷が低減される。結果、本発明に係る燃料電池装置Ｙは、この点からも有利となる。
【０１６２】
内部改質触媒層を設ける位置の工夫
第３実施形態の燃料電池単セルユニットＵは、図１３、図１４に示される様に、上面視、実質方形の箱型に形成され、還元性ガス及び酸化性ガスの流れ方向が特定一方向とされる。図１３、図１４における、この方向は図上右上がりとしている。
さて、上記の内部改質触媒層Ｄを設ける位置であるが、この実施形態では、図１４に示す様に、還元性ガスをアノード電極層Ａに供給するため、及びアノード電極層Ａで発生する水蒸気を還元性ガス供給路Ｌ１に排出するために設けられる貫通孔１ａであって、還元性ガスの流れ方向において、最も上流側にある貫通孔１ａより下流側となる位置に、内部改質触媒層Ｄを限定している。
このような位置から内部改質触媒層Ｄを設けることで、アノード電極層Ａで発生する水蒸気を、有効に本発明の目的に従って使用することができる。
この第３実施形態の燃料電池単セルユニットＵは、事実上、図１９（ｂ）に示す構造となる。
【０１６３】
乱流促進体を設ける工夫
図１２、１３、１４に示すように、アノード電極層Ａに燃料ガスを供給する還元性ガス供給路Ｌ１には、この路内の流れを乱す乱流促進体Ｅ（Ｅａ）が設けられている。
さらに詳細には、金属支持体１を貫通して形成されている貫通孔１ａに対して、その水素を含有するガスである還元性ガスの流入側となる、燃料電池セルＲの形成面とは反対側の面に、網状体Ｅａが設けられている。この網状体Ｅａは具体的にはラスメタルや金属金網を金属支持体１上に張り付けて形成する。結果、還元性ガス供給路Ｌ１を流れる水素を含有するガスは、この網状体Ｅａにより乱され、貫通孔１ａへ向かう流れ方向成分、及び貫通孔１ａから流出する流れを誘起し、燃料ガスのアノード電極層Ａへの供給、アノード電極層Ａからの水蒸気の導出を良好に起こすことができる。
【０１６４】
以上が、本発明に係る燃料電池単セルユニットＵ内で、燃料電池セルＲのアノード電極層Ａで生成される水蒸気Ｈ２Ｏを利用して内部改質（燃料電池セルＲ内での水蒸気改質）を行う燃料電池の構造に関する説明である。
【０１６５】
以下、本発明の内部改質を伴って燃料電池を運転する場合の利点に関して説明する。
図１５に、内部改質を実行する場合と実行しない場合との両者間における燃料電池の発電効率の比較を、図１６、図１７に、両者間における燃料電池セルＲ入口・出口（具体的には還元性ガス供給路Ｌ１の入口・出口）における水素及び一酸化炭素を含む発電用燃料ガス分圧を示した。図１８は、同入口・出口間における発電用燃料ガス分圧の差を示す図である。
発電用燃料ガス分圧の記載に関しては、全ガス圧に対する割合（％）で示している。
さらに、発電用燃料ガス分圧の差は、以下の通りである。
還元性ガス供給路入口での発電用燃料ガス分圧割合：Ｒｉｎ
Ｒｉｎ＝〔発電用燃料ガスの分圧〕／〔全ガス圧〕×１００％
還元性ガス供給路出口での発電用燃料ガス分圧割合：Ｒｏｕｔ
Ｒｏｕｔ＝〔発電用燃料ガスの分圧〕／〔全ガス圧〕×１００％
発電用燃料ガス分圧の差＝Ｒｉｎ−Ｒｏｕｔ〔％〕
これらの図面において、黒四角印が、本発明に係る内部改質を実行する場合を示し、白抜き菱形印が、内部改質を実行しない場合に対応する。
【０１６６】
全図面において、横軸は、燃料電池に導入される水蒸気（Ｓ）とカーボン（Ｃ）とのモル比（Ｓ／Ｃ比）である。このＳ／Ｃ比は、図１、図７、図１２に示す燃料電池装置Ｙの構成において、外部改質器３４に導入されるガス（原燃料ガスと水蒸気との混合ガス）のＳ／Ｃ比であり、燃料電池の電力負荷等の運転条件に応じて変化することがある運転パラメータである。Ｓ／Ｃ比は、１．５から３．０まで、０．５刻みで変化させた。この範囲は、燃料電池装置Ｙの運転において通常変わることがある範囲である。
【０１６７】
その他、検討に際して設定した条件を示す。
燃料電池単セルユニット発電電圧          ０．８Ｖ
燃料電池セル温度（＝内部改質温度）      ７００℃
燃料電池総合燃料利用率                  ８０％
この燃料電池総合燃料利用効率は燃料電池装置Ｙにおける発電反応によって消費した発電用燃料ガス（Ｈ２＋ＣＯ）の割合であり、下記式で表記される。
［発電反応により消費した発電用燃料ガスモル数］／［燃料電池に供給および内部改質にて生成した発電用燃料ガスの合計］×１００（％）
還元性ガス                              水素・一酸化炭素
電解質                                  酸素イオン伝導型電解質
外部改質器平衡温度    内部改質実行時    ７００℃
内部改質非実行時  ５００℃
プロセス圧力                            １２０ｋＰａ
このプロセス圧力は、具体的には外部改質器３４及び各ガス供給路Ｌ１，Ｌ２におけるガス圧である。
【０１６８】
検討結果
＜発電効率等＞
図１５からも判明するように、内部改質がある場合は、燃料電池内部で発生する水蒸気による燃料改質によって発電用燃料ガスが増え、燃料利用率一定条件での発電量が増加するため高効率となる。
内部改質がある場合における外部改質器３４の平衡温度は、５００℃と低く抑制できるため、Ｓ／Ｃ比が低い場合でも炭化水素の熱分解（コーキング）が発生し難くプロセスやシステムの信頼が高まる利点が生じる。
【０１６９】
結果、燃料電池装置Ｙの設計上、外部改質器３４の低温化とＳ／Ｃ比の低減は、水蒸気改質反応熱や蒸発熱の供給や、水自立（電力負荷に応じて発電する運転状態において、発電により生成される水蒸気（水）のみを使用して水蒸気改質を実行し、燃料ガスを得る運転形態）のための凝縮器（第３実施形態に記載のアノードオフガス循環系統ＲＬに備えられる凝縮器３２ｂ）の伝熱面積の削減ができ、コスト的にも有利となる。今回の検討では、内部改質を実行しない場合Ｓ／Ｃ比＝２．５、内部改質を実行する場合Ｓ／Ｃ比＝２．０とすると、燃料電池装置Ｙの設計上、外部改質器３４に必要となる熱量は６０％の低減、水蒸気発生に必要な気化器３３の伝熱量は２０％低減する一方、直流発電効率は３．６％向上する。
【０１７０】
＜発電用燃料ガス分圧＞
図１６からも判明するように、内部改質の有無による燃料電池セルＲ入口の発電用燃料ガスの分圧には約１．５〜２倍の差があり、内部改質ありの方が低い値となる。内部改質が無い場合は、Ｓ／Ｃ比が高くなれば分圧は低くなる。水素や一酸化炭素の生成量が増える以上に、水蒸気の増加の影響を大きく受けるためである。
内部改質ありの場合は、Ｓ／Ｃ比が変化しても発電用燃料ガス分圧は殆ど変らない。外部改質器３４の温度が低いため、高Ｓ／Ｃ化による燃料の増加と水蒸気の増加が、ほぼバランスしている。
【０１７１】
そして、内部改質を実行する場合は、外部改質器３４の低温化（５００℃）によって燃料電池入口の発電用燃料ガス分圧は低くできるが、燃料電池内（７００℃）では発生水蒸気によって速やかに水蒸気改質反応が発生するため、燃料電池出口の発電用燃料ガス分圧は高くなる。電池出口の分圧が高くなることは、オフガス燃焼の安定化に有利となる。
【０１７２】
さらに内部改質を実行する場合は、燃料電池出入口の発電用燃料ガス分圧差（濃度差）が小さくなることにより、発電量の燃料電池セルＲ内の偏在が小さくなり、温度差も縮小されるため、燃料電池の熱応力が緩和されることによって耐久性や信頼性が向上する。
【０１７３】
＜燃料電池装置Ｙの運転＞
以上、発明者らが行った検討により、これまで説明してきた燃料電池装置Ｙは以下の条件で運転することが好ましい。
（１）外部改質器３４の入口における水蒸気／カーボン比（Ｓ／Ｃ比）を、１．５以上３．０以下の範囲に制御する。より好ましくは、１．５以上２．５以下の範囲に制御する。とりわけ、このように外部改質器３４を比核的低Ｓ／Ｃ比（１．５以上２．５以下）で運転する場合は、原燃料ガスに含有される硫黄濃度を１ｖｏｌ．ｐｐｂ以下（更に好ましくは０．１ｖｏｌ．ｐｐｂ以下）とすることで、原燃料ガスに含まれる硫黄分によって改質触媒などが被毒される等の悪影響を大きく低減し、燃料電池装置の信頼性・耐久性を向上して、長期に渡って安定した運転を確保できる。
（２）外部改質器３４における改質温度を、還元性ガス供給路Ｌ１に設けられた内部改質触媒層Ｄにおける温度より低く制御する。
（３）還元性ガス供給路Ｌ１の入口における発電用燃料ガス分圧を全ガス圧の５０％以下として運転する。
即ち、同一の電力負荷下で、還元性ガス供給路Ｌ１の入口における発電用燃料ガス分圧を、燃料ガスの改質を主に外部改質器３４で行う場合（例えば、燃料電池装置Ｙの始動時）に設定する還元性ガス供給路Ｌ１の入口における発電用燃料ガス分圧に対して、低く制御する。
（４）還元性ガス供給路Ｌ１の入口と出口における発電用燃料ガス分圧割合（全ガス圧に対する発電用燃料ガスの分圧割合でパーセント表示の割合）の差を４０％以内に維持して運転する。
（５）外部改質器３４により改質される燃料ガスの改質率を、３０％以上６０％以下とする。
【０１７４】
（６）同一の電力負荷下で、燃料ガスの改質を主に外部改質器３４で行う場合（例えば、燃料電池装置Ｙの始動時）に設定する水蒸気／カーボン比（Ｓ／Ｃ比）に対して、外部改質器３４の入口における水蒸気／カーボン比（Ｓ／Ｃ比）を、低く制御する。
＜他の実施形態＞
【０１７５】
（１）上記の第１実施形態、第２実施形態では、燃料電池短セルユニットに設ける還元性ガス供給路Ｌ１を流れるガスの流れ方向全体に内部改質触媒層Ｄを設ける例を示したが、これらの実施形態においても第３実施形態に習って、図１９（ｂ）に示すように、最も上流側に設けられる水蒸気供給路（貫通孔１ａ）の下流側に設けることもできる。このように構成することで、内部改質触媒の量を減らし、コストダウンを図ることができる。
【０１７６】
（２）上述の第１実施形態では、金属支持体１と電解質層Ｂとの間にアノード電極層Ａを配置し、電解質層Ｂからみて金属支持体１と反対側にカソード電極層Ｃを配置した。アノード電極層Ａとカソード電極層Ｃとを逆に配置する構成も可能である。つまり、金属支持体１と電解質層Ｂとの間にカソード電極層Ｃを配置し、電解質層Ｂからみて金属支持体１と反対側にアノード電極層Ａを配置する構成も可能である。この場合、還元性ガス供給路Ｌ１と酸化性ガス供給路Ｌ２の位置関係は逆転させ、これまでも説明してきたように、還元性ガス供給路Ｌ１側（この場合は金属セパレータ７の下側）に内部改質触媒層Ｄを設けることで、本発明の目的を達成できる。
【０１７７】
（３）上述の各実施形態にあっては金属支持体１の上に、単一の燃料電池セルＲを形成したが、金属支持体１の表側に複数の燃料電池セルＲを区画分けして複数配置しても良い。
【０１７８】
（４）これまで説明してきた実施形態においては、内部改質触媒層Ｄの形成部位に関して、金属支持体１の裏側１ｆ、金属セパレータ３，７の還元性ガス供給路Ｌ１側の内面に形成する場合について説明したが、内部改質触媒層Ｄは、アノード電極層Ａで生成される水蒸気が流通する部位に形成すれば内部改質の用を果たすため、金属支持体１に設ける貫通孔１ａの内面に設けてもよい。
【０１７９】
（５）上記の外部改質器３４での改質に関しては、この改質器３４が水蒸気改質を行うものとしたが、本発明においては、外部改質器３４の負荷は低下できるため、水蒸気改質以外の改質、例えば、部分燃焼改質やオートサーマル改質を行う改質器も採用できる。
本発明で使用する原燃料ガスは、所謂炭化水素系燃料であり、この原燃料ガスを改質して、少なくとも水素を生成できれば良い。
【０１８０】
（６）上記の実施形態では乱流促進体Ｅを網状体Ｅａで形成するとともに、金属支持体１の面に張り付ける構成としたが、還元性ガス供給路Ｌ１内の流れを貫通孔１ａ方向に方向づける機能を有すればよく、還元性ガス供給路Ｌ１の流れを乱す障害体Ｅｂを多数配置することとしてもよい。この障害体Ｅｂとしては、球状、三角錘状、方形柱状体等、任意の形状とすることができる。図２０に、障害体Ｅｂを球状とする場合の例を示した。
【０１８１】
（７）上記の実施形態では、内部改質触媒層Ｄと乱流促進体Ｅとを独立のものとして説明したが、例えば、先に説明した網状体Ｅａの表面の少なくとも一部に、或いは障害体Ｅｂの少なくとも一部に内部改質触媒層Ｄを設けてもよい。図２１に、この例を示した。
即ち、乱流促進体Ｅの少なくとも一部（図示する例では表面）に内部改質触媒層Ｄを設けることで、この乱流促進体Ｅを配置して、乱流促進と内部改質との両方の機能を発揮させることができる。
【０１８２】
（８）上記の第１実施形態、第２実施形態においては、還元性ガス供給路Ｌ１に内部改質触媒層Ｄを設ける場合のみを示した。これらの実施形態にあっても、還元性ガス供給路Ｌ１に乱流促進体Ｅを設けてもよい。本発明の第２実施形態の場合の構成例を、図１１に対応して図２２に示した。この例では、筒内に形成する燃料ガス供給路Ｌ１の内部に乱流促進体となるメッシュＥａ（Ｅ）を配置し、その外表面にも内部改質触媒層Ｄを形成している。
【０１８３】
（９）上記の実施形態では、都市ガス（メタンを主成分としてエタンやプロパン、ブタンなどを含むガス）等の炭化水素系ガスを原燃料ガスとして使用する例を示したが、原燃料ガスとしては、天然ガス、ナフサ、灯油等の炭化水素類や、メタノールやエタノール等のアルコール類、ＤＭＥ等のエーテル類などを原燃料ガスとして使用することもできる。
【０１８４】
（１０）上記の実施形態では、燃料電池装置Ｙに外部改質器３４を備える場合に関して説明したが、本発明に係る燃料電池単セルユニットＵは、内部に内部改質触媒層Ｄを備え、この部位で改質を行えるため、外部改質器３４を備えることなく、燃料電池単セルユニットＵに設けられる燃料ガス供給路に原燃料ガスをそのまま供給して、内部改質を起こさせて、改質済ガスをアノード電極層に供給するものとしても良い。即ち、燃料ガス供給路全体に水素（改質済ガス）が流れている必要はない。
【０１８５】
（１１）上記の実施形態では、アノード電極層Ａと電解質層Ｂの間に中間層ｙを設置し、また、電解質層Ｂとカソード電極層Ｃの間に反応防止層ｚを設置する場合に関して説明したが、中間層ｙや反応防止層ｚのような電極層と電解質層の間に介在させる介在層を設置しない構成とすることもできるし、どちらか一方の介在層だけ設置することもできる。また必要に応じて、介在層の数を増やすこともできる。
【０１８６】
（１２）上記の実施形態では、金属支持体１の表面に拡散抑制層としての金属酸化物層ｘを設置した場合に関して説明したが、必要に応じて、金属酸化物層ｘを設置しない構成とすることもできるし、金属酸化物層ｘを複数の層にすることもできる。また、金属酸化物層と異なる拡散抑制層を備えることもできる。
【０１８７】
なお上述の実施形態で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用することが可能であり、また、本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変することが可能である。
【符号の説明】
【０１８８】
１        ：金属支持体
１ａ      ：貫通孔
１ｅ      ：表側
１ｆ      ：裏側
１ｘ      ：流路部位
１ｙ      ：貫通孔
１ｚ      ：貫通孔
３        ：有突起集電板（金属セパレータ）
３ａ      ：凹凸構造部位
３４      ：外部改質器
３８      ：インバータ
７２      ：平板部材
７３      ：Ｕ字部材
７８      ：貫通孔
Ａ        ：アノード電極層
Ｂ        ：電解質層
Ｃ        ：カソード電極層
ＣＰ      ：集電板
Ｄ        ：内部改質触媒層
Ｅ        ：乱流促進体
Ｌ１      ：還元性ガス供給路
Ｌ２      ：酸化性ガス供給路
Ｌ３      ：内部改質燃料供給路
Ｌ３ａ    ：排出部（水蒸気供給路・内部改質燃料供給路）
Ｌ３ｂ    ：供給部（内部改質燃料供給路）
Ｍ        ：燃料電池モジュール
Ｒ        ：燃料電池セル
Ｕ        ：燃料電池単セルユニット
Ｙ        ：燃料電池装置
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【国際調査報告】
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2019189845.tif 000026
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