燃料電池装置
【課題】改質器入口部側の過度の加熱を抑制し、それに伴う炭素析出や改質触媒の劣化を防止することができる燃料電池装置を提供する。
【解決手段】改質して燃料ガスを生成する改質器２０と、複数の管状の燃料電池セルを備え、燃料電池セルの内側の一端部から他端部へ燃料ガスが内部ガスとして流れる燃料電池セル集合体と燃料ガスのうち発電に使用されなかった残余の燃料ガスを燃焼させて燃料ガスを生成する燃焼室１８と、管状の燃料電池セルの他端部側に設けられ、燃焼部で生成された燃焼ガスを外部に排出するための排気口１０１と、を有し、燃焼ガスが改質器２０の出口部２０ｂ側に偏って流れるように、排気口１０１が開設されている。
【解決手段】改質して燃料ガスを生成する改質器２０と、複数の管状の燃料電池セルを備え、燃料電池セルの内側の一端部から他端部へ燃料ガスが内部ガスとして流れる燃料電池セル集合体と燃料ガスのうち発電に使用されなかった残余の燃料ガスを燃焼させて燃料ガスを生成する燃焼室１８と、管状の燃料電池セルの他端部側に設けられ、燃焼部で生成された燃焼ガスを外部に排出するための排気口１０１と、を有し、燃焼ガスが改質器２０の出口部２０ｂ側に偏って流れるように、排気口１０１が開設されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料ガスと酸化剤ガス（空気、酸素等）により発電を行う燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体酸化物形燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell：以下「ＳＯＦＣ」とも言う）は、電解質として酸化物イオン導電性固体電解質を用い、その両側に電極を取り付け、一方の側に燃料ガスを供給し、他方の側に酸化剤ガス（空気、酸素等）を供給して、比較的高温で発電反応を生じさせて発電を行う燃料電池装置である。
【０００３】
この燃料電池装置（ＳＯＦＣ）は、具体的には、燃料ガスと酸化剤ガス（空気、酸素等）とが一端側から他端側へと流れることによって作動する複数の燃料電池セルを備えた燃料電池セル集合体を有する。そして、外部から原料ガスである被改質ガス（都市ガス等）が供給され、その被改質ガスを改質触媒が収められた改質器に導入し、水素リッチな燃料ガスに改質した後に、燃料電池セル集合体へと供給している。燃料ガスのうち燃料電池セルにおける発電反応に使用されなかった残余の燃料ガスは外部に排出される。
【０００４】
例えば、特許文献１には、燃料電池セルの内側には燃料ガスを供給し、外側には酸素含有ガス（空気）を供給して発電すると共に、発電反応に使用されなかった残余の燃料ガスを燃焼させて燃焼ガスを生成し、この燃焼ガスにより、改質器を加熱するようにした燃料電池装置が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−１９２３９号公報
【特許文献２】特開２００５−１５８５２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に示される従来の燃料電池装置の一例を図９により説明する。燃料電池装置１２０は、収納容器１２２を備え、その内部には、複数の燃料電池セル１２４を備えた燃料電池セルスタック１２６、被改質ガスが供給される改質器１２８、及び、改質された燃料ガスを収納して各燃料電池セル１２４の内側に供給する燃料ガスタンク１３０が配置されている。収納容器１２２の下部には、酸素含有ガス（発電用空気）を燃料電池セル１２４の外側に供給するための酸素含有ガス配管１３２が接続され、さらに、上部に開口する排出口１３５には排気ガス配管１３４が接続されている。燃焼部１３６における燃料ガスの燃焼によって生成した燃焼ガスは、矢印Ａのように流れて改質器１２８を予熱した後に、排出口１３５及び排気ガス配管１３４を介して外部に排出されるようになっている。
【０００７】
この図９に示された燃料電池装置１２０においては、燃焼部１３６で生成された燃焼ガスは、低圧である排気ガス配管１３４の排出口に向けた偏った流れとなるため、改質器１２８は排出口１３５寄りの入口１２９側が局所的に加熱される。改質器の入口１２９側は、流入してきた非改質ガスが最初に改質触媒と接触し、改質反応の発熱によって高温となりやすい箇所である。したがって、当該箇所における改質触媒が、改質反応による発熱に加えて燃焼ガスの熱でも加熱されると、過度の加熱による改質触媒の劣化や炭素析出が生じるという恐れがあった。
【０００８】
これを抑制するため、特許文献２記載の燃料電池装置では、改質触媒入口部を燃焼領域から離間させて、過度の加熱を防止している。しかしながら、この対策では改質器が大型し、燃料電池装置をコンパクトに構成できないという課題があった。
【０００９】
そこで、本発明は、従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、コンパクトに構成しながらも、燃焼ガスによって改質器の入口部側が過度に加熱されることを抑制することができる燃料電池装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の目的を達成するために、本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスにより発電を行う燃料電池装置において、電気的に接続された複数の管状の燃料電池セルを有し、これらの燃料電池セルにより燃料ガスと酸化剤ガスが反応して発電する燃料電池セル集合体であって、管状の燃料電池セルの内側の下端部から上端部へ燃料ガス又は酸化剤ガスの何れか一方が内部ガスとして流れる上記燃料電池セル集合体と、上記燃料ガスのうち発電に使用されなかった残余の燃料ガスを燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼部と、原料ガスを改質して燃料ガスを生成する改質器であって、改質触媒を収容する収容部と、原料ガスを上記収容部に流入させる入口部と、燃料ガスを上記収容部から流出させる出口部とを有し、上記燃焼部の上方に配置される上記改質器と、上記燃焼部で生成された燃焼ガスを外部に排出するための排出口と、を有し、燃焼ガスが上記改質器の出口部側に偏って流れ上記排出口に至るよう構成されたことを特徴としている。
このように構成された本発明においては、燃焼部で生成された燃焼ガスを改質器の出口部側に偏って流すことで、燃焼ガスによって改質器の入口部側が過度に加熱されることを抑制することができる。したがって、過度の加熱による入口部側の改質触媒の劣化や、炭素析出を防止することができる。
【００１１】
本発明において、好ましくは、上記改質器の上方であって且つ上記入口部よりも出口部寄りに上記排出口を設けている。
このように構成された本発明においては、燃焼ガスは排出口を指向して流れるため、簡易な構成により、燃焼ガスを改質器の出口部側に偏らせて流し、燃焼ガスによって改質器の入口部側が過度に加熱されることを抑制することができる。
【００１２】
本発明において、好ましくは、上記改質器の上面近傍に上記排出口を設けている。
改質器の上面から上方に大きく離れた位置に排出口を設けると、燃焼部のうち改質器の入口部寄りの部分で生成される燃焼ガスが、強く上方を指向して（大きな上向きの流速成分をもって）流れるようになる。したがって、改質器の入口部側に燃焼ガスが流れ易くなり、過度に加熱されてしまうおそれがある。
本発明によれば、改質器の上面近傍に排出口を設けたことで、燃焼部のうち改質器の入口部寄りの部分で生成される燃焼ガスが入口部側に流れ、改質器の入口部側が過度に加熱されることを抑制することができる。
【００１３】
本発明において、好ましくは、上記排出口は、水平方向の寸法に対し上下方向の寸法が小さく形成されている。
排出口の上下方向の寸法が大きいと、燃焼部のうち改質器の入口部寄りの部分で生成される燃焼ガスが、強く上方を指向して流れるようになる。したがって、改質器の入口部側に燃焼ガスが流れ易くなり、入口部側が過度に加熱されてしまうおそれがある。
本発明によれば、排出口は、水平方向の寸法に対し上下方向の寸法を小さく形成することで、燃焼部のうち改質器の入口部寄りの部分で生成される燃焼ガスが入口部側に流れ、改質器の入口部側が過度に加熱されることを抑制することができる。
【００１４】
本発明において、好ましくは、上記排出口はその法線方向が略水平となるよう開設されている。
このように構成された本発明においては、排出口に向けて水平方向に流れる気流を燃焼部の上方に亘って形成することができるため、より効率的に燃焼ガスを改質器の出口部側に偏らせて流し、燃焼ガスによって改質器の入口部側が過度に加熱されることを抑制することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の燃料電池装置によれば、コンパクトに構成しながらも、燃焼ガスによって改質器の入口部側が過度に加熱されることを抑制することができる燃料電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態による燃料電池装置を示す全体構成図である。
【図２】本発明の一実施形態による燃料電池装置のハウジングが外された状態の燃料電池モジュールを示す斜視図である。
【図３】本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュールを図２のＡ方向から見た断面図である。
【図４】本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュールを図２のＢ方向から見た断面図である。
【図５】本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池セルユニットを示す正面図である。
【図６】本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュールを図２のＢ方向から見た概略図である。
【図７】本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュールを図２のＡ方向から見た概略図である。
【図８】本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュールの燃焼ガス流れを図２のＢ方向から見た概略図および比較例である。
【図９】従来の燃料電池装置の一例を示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
次に、添付図面を参照して、本発明の一実施形態による燃料電池装置である固体電解質形燃料電池（以下「燃料電池装置」又は「ＳＯＦＣ」と言う。）を説明する。
図１は、本発明の一実施形態によるＳＯＦＣを示す全体構成図である。この図１に示すように、本発明の一実施形態によるＳＯＦＣ１は、燃料電池モジュール２と、補機ユニット４を備えている。
【００１８】
燃料電池モジュール２は、ハウジング６を備え、このハウジング６内部には、断熱材（図示せず）を介して密封空間８が形成されている。この密閉空間８の下方部分である発電室１０には、燃料ガスと酸化剤ガス（空気）とにより発電反応を行う燃料電池セル集合体１２が配置されている。
この燃料電池セル集合体１２は、１０個の燃料電池セルスタック１４を備え、この燃料電池セルスタック１４は、１６本の燃料電池セルユニット１６（図５参照）から構成されている。このように、燃料電池セル集合体１２は、１６０本の燃料電池セルユニット１６を有し、これらの燃料電池セルユニット１６の全てが直列接続されている。
【００１９】
燃料電池モジュール２の密封空間８の上述した発電室１０の上方には、燃焼室１８が形成され、この燃焼室１８で、発電反応に使用されなかった残余の燃料ガスと残余の酸化剤ガス（空気）とが燃焼し、燃焼ガス（排気ガス）を生成するようになっている。
また、この燃焼室１８の上方には、燃料ガス（原料ガス）を改質する改質器２０が配置され、上述した燃焼ガスの燃焼熱によって改質器２０を改質反応が可能な温度となるように加熱している。さらに、この改質器２０の上方には、詳細は後述する、燃焼ガスの熱により外部から導入される酸化剤ガス（発電用空気）を加熱する熱交換器２２が配置されている。
【００２０】
次に、補機ユニット４は、水道等の水供給源２４からの水を貯水してフィルターにより純水とする純水タンク２６と、この貯水タンクから供給される水の流量を調整する水流量調整ユニット２８（モータで駆動される「水ポンプ」等）を備えている。また、補機ユニット４は、都市ガス等の燃料供給源３０から供給された燃料ガスを遮断するガス遮断弁３２と、燃料ガスから硫黄を除去するための脱硫器３６と、燃料ガスの流量を調整する燃料流量調整ユニット３８（モータで駆動される「燃料ポンプ」等）を備えている。さらに、補機ユニット４は、空気供給源４０から供給される酸化剤ガスである空気を遮断する電磁弁４２と、空気の流量を調整する改質用空気流量調整ユニット４４（モータで駆動される「空気ブロア」等）及び発電用空気流量調整ユニット４５（モータで駆動される「空気ブロア」等）と、改質器２０に供給される改質用空気を加熱する第１ヒータ４６と、発電室に供給される発電用空気を加熱する第２ヒータ４８とを備えている。これらの第１ヒータ４６と第２ヒータ４８は、起動時の昇温を効率よく行うために設けられているが、省略しても良い。
【００２１】
次に、燃料電池モジュール２には、排気ガスが供給される温水製造装置５０が接続されている。この温水製造装置５０には、水供給源２４から水道水が供給され、この水道水が排気ガスの熱により温水となり、図示しない外部の給湯器の貯湯タンクへ供給されるようになっている。
また、燃料電池モジュール２には、燃料ガスの供給量等を制御するための制御ボックス５２が取り付けられている。
さらに、燃料電池モジュール２には、燃料電池モジュールにより発電された電力を外部に供給するための電力取出部（電力変換部）であるインバータ５４が接続されている。
【００２２】
次に、図２乃至図４、図６、図７により、本発明の実施形態によるＳＯＦＣの燃料電池モジュール２の内部構造を説明する。図２は本発明の一実施形態による燃料電池装置のハウジング６が取り外された状態の燃料電池モジュール２を示す斜視図であり、図３は本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュール２を図２のＡ方向から見た断面図であり、図４は本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュール２を図２のＢ方向から見た断面図であり、図６は本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュールを図２のＢ方向から見た概略図であり、図７は本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュールを図２のＡ方向から見た概略図である。
【００２３】
先ず、図２乃至図４に示すように、燃料電池モジュール２の燃料電池セル集合体１２は、ケーシング５６により、全体が覆われている。ここで、燃料電池セル集合体１２は、Ｂ方向よりＡ方向の方が長いほぼ直方体形状であり、図４に示すように、上面１２ａ、下面１２ｂ、図２のＡ方向に沿って延びる長辺側面１２ｃと、図３に示すように、図２のＢ方向に沿って延びる短辺側面１２ｄを備えている。
【００２４】
次に、燃料電池モジュール２内の密封空間８内の最下方部分には、蒸発混合器５８が燃料電池セル集合体１２の長辺側面１２ｃに沿って設けられている。この蒸発混合器５８は、燃焼ガスにより加熱して、水を水蒸気にすると共に、この水蒸気と、被改質ガスである燃料ガス（都市ガス）と酸化剤ガスである空気とを混合するためのものである。この蒸発混合器５８の一端側には、図２、図４に示すように、被改質ガス供給管６０と、水供給管６２が接続され、被改質ガス供給管６０は、燃料流量調整ユニット３８及び改質用空気流量調整ユニット４４から、被改質ガス（燃料ガス）及び改質用空気を導入するようになっている。
【００２５】
蒸発混合器５８の他端側には、図４に示すように、燃料供給管６４の下端が接続され、この燃料供給管６４の上端は、改質器２０の上流端に接続され、この燃料供給管６４により、燃料ガスが蒸発混合器５８から改質器２０へ供給されるようになっている。また、改質器２０の下流端には燃料供給管６６の上端が接続され、この燃料供給管６６の下端側６６ａは、燃料ガスタンク６８内に進入して、水平方向に延びている。
【００２６】
燃料ガスタンク６８は、図３及び図４に示すように、燃料電池セル集合体１２の真下に設けられている。また、燃料ガスタンク６８内に挿入された燃料供給管６６の下端側６６ａの外周には、長手方向（Ａ方向）に沿って複数の小穴（図示せず）が形成されており、改質器２０で改質された燃料ガスが、燃料ガスタンク６８内に長手方向に均一に供給されるようになっている。燃料ガスタンク６８に供給された燃料ガスは、後述するように、燃料電池セルユニット１６の内側にある燃料ガス流路８８（図５参照）内に供給され、燃料電池セルユニット１６内を上昇して、燃焼室１８に至るようになっている。
【００２７】
改質器２０は、図３及び図４に示すように燃料電池セル集合体１２の上部に設けられており、蒸発混合器５８、燃料ガスタンク６８とそれぞれ燃料供給管６４、６６を介して接続、固定されている。改質器２０の内部は、図４に示すように入口部２０ａおよび出口部２０ｂにおいてそれぞれ設けられた仕切り板Ｐ１、Ｐ２にて区画された収容部２１に改質触媒ＲＣが充填されている。蒸発混合器５８で水が蒸発して生成された水蒸気と混合された燃料ガスは、燃料供給管６４内を上昇して改質器入口部２０ａから収容部２１内に流入する。燃料ガスは改質触媒ＲＣによって水素リッチなガスに改質された後、改質器出口部２０ｂから流出し、燃料供給管６６内を下降して燃料ガスタンク６８に至るようになっている。
【００２８】
次に、発電用空気を燃料電池モジュール２へ供給するための構造を説明する。先ず、図２乃至４に示すように、改質器２０の上方に、燃料電池モジュール２の燃料電池セル集合体１２の上面１２ａ及び短辺側面１２ｄ（図２及び図４の右側短辺側面）に沿って、上述した熱交換器２２が設けられている。熱交換器２２には、詳細は後述する複数の燃焼ガス配管７０と、この燃焼ガス配管７０の周囲に形成された発電用空気流路７２が設けられている。
【００２９】
なお、本実施形態においては、熱交換器２２は、燃料電池セル集合体１２の上面１２ａ及び右側の短辺側面１２ｄに沿って設けるようにしているが、これに限らず、熱交換器２２を、右側の短辺側面１２ｄのみに沿って設けても良いし、右側及び左側の両方の短辺側面１２ｄのみに沿って設けても良いし、さらに、上面１２ａ及び両側の短辺側面１２ｄに沿って設けるようにしても良い。
【００３０】
熱交換器２２の短辺側面１２ｄに沿って設けられた部分の下端の一端側には、図２に示すように、発電用空気導入管７４の導入口７４ａが取り付けられており、この発電用空気導入管７４により、発電用空気流量調整ユニット４５から、発電用空気が、熱交換器２２内に導入されるようになっている。
【００３１】
また、図４に示すように、熱交換器２２の上側の他端側には、発電用空気流路７２の出口ポート７２ａが形成され、さらに、図３に示すように、燃料電池モジュール２のケーシング５６の幅方向（Ｂ方向：短辺側面方向）の両側の外側には、発電用空気供給路７６が形成され、上述した発電用空気流路７２の出口ポート７２ａから、発電用空気が供給されるようになっている。この発電用空気供給路７６は、燃料電池セル集合体１２の長手方向（長辺側面１２ｃ方向）に沿って形成され、さらに、その下方側であり且つ燃料電池セル集合体１２の下方側に対応する位置に、発電室１０内の燃料電池セル集合体１２の各燃料電池セルユニット１６に向けて発電用空気を吹き出すための複数の吹出口７８が、長手方向に沿って、等間隔に、形成されている。これらの吹出口７８から吹き出された発電用空気は、各燃料電池セルユニット１６の外側に沿って、下方から上方へ流れるようになっている。
【００３２】
次に、燃料ガスと発電用空気（酸化剤ガス）が燃焼して生成される燃焼ガスを排出するための構造を説明する。上述したように、熱交換器２２内には、燃焼室１８で燃料ガスと発電用空気（酸化剤ガス）が燃焼して生成された燃焼ガスを排出するための複数の燃焼ガス配管７０が設けられている。図４に示すように、燃焼ガス配管７０の上流端側にはマニホールド１０２が設けられており、排出口１０１から流入する燃焼ガスを各燃焼ガス配管７０に分配している。後述するように、排出口１０１は改質器２０の上方に開口しており、矩形形状となっている。燃焼ガス配管７０の下流端側には、燃料電池セル集合体１２の下方に位置し長手方向に延びる燃焼ガス排出室８０が形成され、燃焼ガス配管７０の下端側と燃焼ガス排出室８０が接続されている。なお、この燃焼ガス排出室８０内に、上述した蒸発混合器５８が配置され、この蒸発混合器５８内の燃料ガスが、高温の燃焼ガスにより、長手方向に沿って、加熱されるようになっている。さらに、燃焼ガス排出室８０の下面には、燃焼ガス排出管８２が接続され、燃焼ガスが外部に排出されるようになっている。
【００３３】
次に図５により燃料電池セルユニット１６について説明する。図５は、本発明の一実施形態によるＳＯＦＣの燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。
図５に示すように、燃料電池セルユニット１６は、燃料電池セル８４と、この燃料電池セル８４の上下方向端部にそれぞれ接続された内側電極端子８６とを備えている。
燃料電池セル８４は、上下方向に延びる管状構造体であり、内側（内部）に燃料ガス流路８８を形成する円筒形の内側電極層９０と、円筒形の外側電極層９２と、内側電極層９０と外側電極層９２との間にある電解質層９４とを備えている。この内側電極層９０は、燃料ガスが通過する燃料極であり、（−）極となり、一方、外側電極層９２は、空気と接触する空気極であり、（＋）極となっている。
【００３４】
燃料電池セル１６の上端側と下端側に取り付けられた内側電極端子８６は、同一構造であるため、ここでは、上端側に取り付けられた内側電極端子８６について具体的に説明する。内側電極層９０の上部９０ａは、電解質層９４と外側電極層９２に対して露出された外周面９０ｂと上端面９０ｃとを備えている。内側電極端子８６は、導電性のシール材９６を介して内側電極層９０の外周面９０ｂと接続され、さらに、内側電極層９０の上端面９０ｃとは直接接触することにより、内側電極層９０と電気的に接続されている。内側電極端子８６の中心部には、内側電極層９０の燃料ガス流路８８と連通する燃料ガス流路９８が形成されている。
【００３５】
内側電極層９０は、例えば、Ｎｉと、ＣａやＹ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニアとの混合体、Ｎｉと、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリアとの混合体、Ｎｉと、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｕから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレードとの混合体、の少なくとも一種から形成される。
【００３６】
電解質層９４は、例えば、Ｙ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニア、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリア、Ｓｒ、Ｍｇから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレート、の少なくとも一種から形成される。
【００３７】
外側電極層９２は、例えば、Ｓｒ、Ｃａから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンマンガナイト、Ｓｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンフェライト、Ｓｒ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンコバルタイト、銀、などの少なくとも一種から形成される。
【００３８】
次に、図２に示すように、熱交換器２２内には、複数の燃焼ガス配管７０は、流路抵抗を小さくするために、ほぼ直線状に延びるように配置されている。さらに、これらの燃焼ガス配管７０が直線状に延びる方向に対して直角方向に延びる複数（具体的には７枚）のガイド板１００が取り付けられている。これらのガイド板１００は、燃焼ガス配管７０の長手方向に沿って、ほぼ等間隔に、千鳥状に配置されている。これらのガイド板１００は、燃焼ガス配管７０を支持する支持部材としても機能している。これらのガイド板１００を設けることにより、発電用空気流路７２は、蛇行した流路となり、発電用空気は、燃焼ガス配管７０と複数回交差して流れるようになっている。
【００３９】
次に、図７及び図８により、排出口１０１、及び、燃焼室１８から排出口１０１に向かう燃焼ガス流れの詳細について説明する。図８は、本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュールの燃焼ガス流れを図２のＢ方向から見た概略図および比較例である。
【００４０】
本発明の一実施形態である図８（ａ）に示すように、排出口１０１ａは改質器２０の出口部２０ｂ側寄りの上面近傍に設けられている。燃焼室１８で生成された燃焼ガスが、排出口１０１ａに向かって流れるようになっている。
【００４１】
上述したように、熱交換器２２の燃焼ガス配管７０の上流端側にはマニホールド１０２が設けられ、燃焼室１８で生成された燃焼ガスが、燃焼室１８より低圧のマニホールド１０２の排出口１０１に向かって、流れるようになっている。ここで、マニホールド１０２は改質器２０の出口部側２０ｂ寄りに設けられている。
【００４２】
さらに、排出口１０１ａは、その法線方向Ｖａが略水平となるよう開設されている。排出口１０１ａの形状は図７に示すように、水平方向の寸法Ｗに対して、上下方向の寸法Ｈが小さい矩形状に形成されている。
【００４３】
このような構成により、燃焼ガスは矢印Ａａのように改質器２０の出口部２０ｂ側に偏って流れ、排出口１０１ａに至るため、燃焼ガスによって改質器２０の入口部２０ａ側が過度に加熱されることを抑制することができる。したがって、それに伴う炭素析出や、改質器２０の入口部２０ａ側の改質触媒ＲＣの劣化を防止することができる。
【００４４】
図８（ｂ）に示す比較例では、排出口１０１ｂは改質器２０の上面から上方に比較的大きく離して設けられている。このような構成では、燃焼室１８で生成された燃焼ガスは矢印Ａｂのように上方への指向性が高まり、燃焼ガスの流れの偏りが鈍化されて改質器２０の入口部２０ａ側が過度に加熱されてしまうおそれがある。
これに対し、図８（ａ）に示した本発明の一実施形態では、排出口１０１ａを改質器２０の上面近傍に設けることで燃焼ガスの上方への指向性を弱め、燃焼ガスが改質器２０の出口部２０ｂ側に大きく偏って流れることで、改質器２０の入口部２０ａ側が過度に加熱されることを効果的に抑制することができる。
【００４５】
また、図８（ｃ）に示す比較例では、排出口１０１ｃは上下方向の寸法が比較的大きく形成されている。このような構成では、燃焼室１８で生成された燃焼ガスは矢印Ａｃのように上方への指向性が高まり、燃焼ガスの流れの偏りが鈍化されて改質器２０の入口部２０ａ側が過度に加熱されてしまうおそれがある。
これに対し、図８（ａ）に示した本発明の一実施形態では、排出口１０１ａの形状は、水平方向の寸法Ｗに対して、上下方向の寸法Ｈが小さい矩形状とすることで（図７参照）、燃焼ガスの上方への指向性を弱め、燃焼ガスが改質器２０の出口部２０ｂ側に大きく偏って流れることで、改質器２０の入口部２０ａ側が過度に加熱されることを効果的に抑制することができる。
【００４６】
さらに、図８（ｄ）に示す比較例では、排出口１０１ｄはその法線方向Ｖｄが鉛直方向となるよう開設されている。このような構成では、燃焼室１８で生成された燃焼ガスは、水平方向に流れた後、流れる方向を上方に変えて排出口１０１ｄから排出されることとなるため、スムーズな排出が困難になる。したがって、燃焼ガスは矢印Ａｄのように上方への指向性が高まり、燃焼ガスの流れの偏りが鈍化されて改質器２０の入口部２０ａ側が過度に加熱されてしまうおそれがある。
これに対し、図８（ａ）に示した本発明の一実施形態では、排出口１０１ａはその法線方向Ｖａが略水平方向となるよう開設されている。これにより、燃焼ガスは水平方向への指向性が高まり、排出口１０１ｄからスムーズに排出されるため、燃焼ガスが改質器２０の出口部２０ｂ側に大きく偏って流れることで、改質器２０の入口部２０ａ側が過度に加熱されることを効果的に抑制することができる。
【００４７】
上述した本実施形態による燃料電池装置においては、燃料電池セル集合体１２の燃料電池セル８４の外側に供給される外部ガスは、発電用空気（酸化剤ガス）であり、一方、燃料電池セル８４の内部を流れる内部ガスは、燃料ガスとしている。しかしながら、本実施形態は、これに限定されず、外部ガスとして、燃料ガスを使用し、一方、燃料電池セル８４の内部を流れる内部ガスとして、発電用空気（酸化剤ガス）を使用するようにしても良い。
【００４８】
また、上述した本実施形態による燃料電池装置においては、燃料電池セル８４は内部に単一の燃料ガス流路８８を有する円筒状としたが、本実施形態は、これに限定されず、内部に複数の燃料ガス流路又は発電用空気を流通させる流路を有する形状としても良い。
【符号の説明】
【００４９】
１ 燃料電池装置（ＳＯＦＣ）
２ 燃料電池モジュール
６ ハウジング
８ 密封空間
１０ 発電室
１２ 燃料電池セル集合体
１４ 燃料電池セルスタック
１６ 燃料電池セルユニット
１８ 燃焼室
２０ 改質器
２１ 収容部
２０ａ 入口部
２０ｂ 出口部
２２ 熱交換器
５６ ケーシング
５８ 蒸発混合器
６０ 被改質ガス供給管
６２ 水供給管
６４、６６ 燃料供給管
６８ 燃料ガスタンク
７０ 燃料ガス配管
７２ 発電用空気流路
７２ａ 出口ポート
７４ 発電用空気導入管
７４ａ 導入口
７６ 発電用空気供給路
７８ 吹出口
８０ 燃焼ガス排出室
８２ 燃焼ガス排出管
８４ 燃料電池セル
１０１ 排出口
ＲＣ 改質触媒
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料ガスと酸化剤ガス（空気、酸素等）により発電を行う燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体酸化物形燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell：以下「ＳＯＦＣ」とも言う）は、電解質として酸化物イオン導電性固体電解質を用い、その両側に電極を取り付け、一方の側に燃料ガスを供給し、他方の側に酸化剤ガス（空気、酸素等）を供給して、比較的高温で発電反応を生じさせて発電を行う燃料電池装置である。
【０００３】
この燃料電池装置（ＳＯＦＣ）は、具体的には、燃料ガスと酸化剤ガス（空気、酸素等）とが一端側から他端側へと流れることによって作動する複数の燃料電池セルを備えた燃料電池セル集合体を有する。そして、外部から原料ガスである被改質ガス（都市ガス等）が供給され、その被改質ガスを改質触媒が収められた改質器に導入し、水素リッチな燃料ガスに改質した後に、燃料電池セル集合体へと供給している。燃料ガスのうち燃料電池セルにおける発電反応に使用されなかった残余の燃料ガスは外部に排出される。
【０００４】
例えば、特許文献１には、燃料電池セルの内側には燃料ガスを供給し、外側には酸素含有ガス（空気）を供給して発電すると共に、発電反応に使用されなかった残余の燃料ガスを燃焼させて燃焼ガスを生成し、この燃焼ガスにより、改質器を加熱するようにした燃料電池装置が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−１９２３９号公報
【特許文献２】特開２００５−１５８５２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に示される従来の燃料電池装置の一例を図９により説明する。燃料電池装置１２０は、収納容器１２２を備え、その内部には、複数の燃料電池セル１２４を備えた燃料電池セルスタック１２６、被改質ガスが供給される改質器１２８、及び、改質された燃料ガスを収納して各燃料電池セル１２４の内側に供給する燃料ガスタンク１３０が配置されている。収納容器１２２の下部には、酸素含有ガス（発電用空気）を燃料電池セル１２４の外側に供給するための酸素含有ガス配管１３２が接続され、さらに、上部に開口する排出口１３５には排気ガス配管１３４が接続されている。燃焼部１３６における燃料ガスの燃焼によって生成した燃焼ガスは、矢印Ａのように流れて改質器１２８を予熱した後に、排出口１３５及び排気ガス配管１３４を介して外部に排出されるようになっている。
【０００７】
この図９に示された燃料電池装置１２０においては、燃焼部１３６で生成された燃焼ガスは、低圧である排気ガス配管１３４の排出口に向けた偏った流れとなるため、改質器１２８は排出口１３５寄りの入口１２９側が局所的に加熱される。改質器の入口１２９側は、流入してきた非改質ガスが最初に改質触媒と接触し、改質反応の発熱によって高温となりやすい箇所である。したがって、当該箇所における改質触媒が、改質反応による発熱に加えて燃焼ガスの熱でも加熱されると、過度の加熱による改質触媒の劣化や炭素析出が生じるという恐れがあった。
【０００８】
これを抑制するため、特許文献２記載の燃料電池装置では、改質触媒入口部を燃焼領域から離間させて、過度の加熱を防止している。しかしながら、この対策では改質器が大型し、燃料電池装置をコンパクトに構成できないという課題があった。
【０００９】
そこで、本発明は、従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、コンパクトに構成しながらも、燃焼ガスによって改質器の入口部側が過度に加熱されることを抑制することができる燃料電池装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の目的を達成するために、本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスにより発電を行う燃料電池装置において、電気的に接続された複数の管状の燃料電池セルを有し、これらの燃料電池セルにより燃料ガスと酸化剤ガスが反応して発電する燃料電池セル集合体であって、管状の燃料電池セルの内側の下端部から上端部へ燃料ガス又は酸化剤ガスの何れか一方が内部ガスとして流れる上記燃料電池セル集合体と、上記燃料ガスのうち発電に使用されなかった残余の燃料ガスを燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼部と、原料ガスを改質して燃料ガスを生成する改質器であって、改質触媒を収容する収容部と、原料ガスを上記収容部に流入させる入口部と、燃料ガスを上記収容部から流出させる出口部とを有し、上記燃焼部の上方に配置される上記改質器と、上記燃焼部で生成された燃焼ガスを外部に排出するための排出口と、を有し、燃焼ガスが上記改質器の出口部側に偏って流れ上記排出口に至るよう構成されたことを特徴としている。
このように構成された本発明においては、燃焼部で生成された燃焼ガスを改質器の出口部側に偏って流すことで、燃焼ガスによって改質器の入口部側が過度に加熱されることを抑制することができる。したがって、過度の加熱による入口部側の改質触媒の劣化や、炭素析出を防止することができる。
【００１１】
本発明において、好ましくは、上記改質器の上方であって且つ上記入口部よりも出口部寄りに上記排出口を設けている。
このように構成された本発明においては、燃焼ガスは排出口を指向して流れるため、簡易な構成により、燃焼ガスを改質器の出口部側に偏らせて流し、燃焼ガスによって改質器の入口部側が過度に加熱されることを抑制することができる。
【００１２】
本発明において、好ましくは、上記改質器の上面近傍に上記排出口を設けている。
改質器の上面から上方に大きく離れた位置に排出口を設けると、燃焼部のうち改質器の入口部寄りの部分で生成される燃焼ガスが、強く上方を指向して（大きな上向きの流速成分をもって）流れるようになる。したがって、改質器の入口部側に燃焼ガスが流れ易くなり、過度に加熱されてしまうおそれがある。
本発明によれば、改質器の上面近傍に排出口を設けたことで、燃焼部のうち改質器の入口部寄りの部分で生成される燃焼ガスが入口部側に流れ、改質器の入口部側が過度に加熱されることを抑制することができる。
【００１３】
本発明において、好ましくは、上記排出口は、水平方向の寸法に対し上下方向の寸法が小さく形成されている。
排出口の上下方向の寸法が大きいと、燃焼部のうち改質器の入口部寄りの部分で生成される燃焼ガスが、強く上方を指向して流れるようになる。したがって、改質器の入口部側に燃焼ガスが流れ易くなり、入口部側が過度に加熱されてしまうおそれがある。
本発明によれば、排出口は、水平方向の寸法に対し上下方向の寸法を小さく形成することで、燃焼部のうち改質器の入口部寄りの部分で生成される燃焼ガスが入口部側に流れ、改質器の入口部側が過度に加熱されることを抑制することができる。
【００１４】
本発明において、好ましくは、上記排出口はその法線方向が略水平となるよう開設されている。
このように構成された本発明においては、排出口に向けて水平方向に流れる気流を燃焼部の上方に亘って形成することができるため、より効率的に燃焼ガスを改質器の出口部側に偏らせて流し、燃焼ガスによって改質器の入口部側が過度に加熱されることを抑制することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の燃料電池装置によれば、コンパクトに構成しながらも、燃焼ガスによって改質器の入口部側が過度に加熱されることを抑制することができる燃料電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態による燃料電池装置を示す全体構成図である。
【図２】本発明の一実施形態による燃料電池装置のハウジングが外された状態の燃料電池モジュールを示す斜視図である。
【図３】本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュールを図２のＡ方向から見た断面図である。
【図４】本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュールを図２のＢ方向から見た断面図である。
【図５】本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池セルユニットを示す正面図である。
【図６】本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュールを図２のＢ方向から見た概略図である。
【図７】本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュールを図２のＡ方向から見た概略図である。
【図８】本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュールの燃焼ガス流れを図２のＢ方向から見た概略図および比較例である。
【図９】従来の燃料電池装置の一例を示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
次に、添付図面を参照して、本発明の一実施形態による燃料電池装置である固体電解質形燃料電池（以下「燃料電池装置」又は「ＳＯＦＣ」と言う。）を説明する。
図１は、本発明の一実施形態によるＳＯＦＣを示す全体構成図である。この図１に示すように、本発明の一実施形態によるＳＯＦＣ１は、燃料電池モジュール２と、補機ユニット４を備えている。
【００１８】
燃料電池モジュール２は、ハウジング６を備え、このハウジング６内部には、断熱材（図示せず）を介して密封空間８が形成されている。この密閉空間８の下方部分である発電室１０には、燃料ガスと酸化剤ガス（空気）とにより発電反応を行う燃料電池セル集合体１２が配置されている。
この燃料電池セル集合体１２は、１０個の燃料電池セルスタック１４を備え、この燃料電池セルスタック１４は、１６本の燃料電池セルユニット１６（図５参照）から構成されている。このように、燃料電池セル集合体１２は、１６０本の燃料電池セルユニット１６を有し、これらの燃料電池セルユニット１６の全てが直列接続されている。
【００１９】
燃料電池モジュール２の密封空間８の上述した発電室１０の上方には、燃焼室１８が形成され、この燃焼室１８で、発電反応に使用されなかった残余の燃料ガスと残余の酸化剤ガス（空気）とが燃焼し、燃焼ガス（排気ガス）を生成するようになっている。
また、この燃焼室１８の上方には、燃料ガス（原料ガス）を改質する改質器２０が配置され、上述した燃焼ガスの燃焼熱によって改質器２０を改質反応が可能な温度となるように加熱している。さらに、この改質器２０の上方には、詳細は後述する、燃焼ガスの熱により外部から導入される酸化剤ガス（発電用空気）を加熱する熱交換器２２が配置されている。
【００２０】
次に、補機ユニット４は、水道等の水供給源２４からの水を貯水してフィルターにより純水とする純水タンク２６と、この貯水タンクから供給される水の流量を調整する水流量調整ユニット２８（モータで駆動される「水ポンプ」等）を備えている。また、補機ユニット４は、都市ガス等の燃料供給源３０から供給された燃料ガスを遮断するガス遮断弁３２と、燃料ガスから硫黄を除去するための脱硫器３６と、燃料ガスの流量を調整する燃料流量調整ユニット３８（モータで駆動される「燃料ポンプ」等）を備えている。さらに、補機ユニット４は、空気供給源４０から供給される酸化剤ガスである空気を遮断する電磁弁４２と、空気の流量を調整する改質用空気流量調整ユニット４４（モータで駆動される「空気ブロア」等）及び発電用空気流量調整ユニット４５（モータで駆動される「空気ブロア」等）と、改質器２０に供給される改質用空気を加熱する第１ヒータ４６と、発電室に供給される発電用空気を加熱する第２ヒータ４８とを備えている。これらの第１ヒータ４６と第２ヒータ４８は、起動時の昇温を効率よく行うために設けられているが、省略しても良い。
【００２１】
次に、燃料電池モジュール２には、排気ガスが供給される温水製造装置５０が接続されている。この温水製造装置５０には、水供給源２４から水道水が供給され、この水道水が排気ガスの熱により温水となり、図示しない外部の給湯器の貯湯タンクへ供給されるようになっている。
また、燃料電池モジュール２には、燃料ガスの供給量等を制御するための制御ボックス５２が取り付けられている。
さらに、燃料電池モジュール２には、燃料電池モジュールにより発電された電力を外部に供給するための電力取出部（電力変換部）であるインバータ５４が接続されている。
【００２２】
次に、図２乃至図４、図６、図７により、本発明の実施形態によるＳＯＦＣの燃料電池モジュール２の内部構造を説明する。図２は本発明の一実施形態による燃料電池装置のハウジング６が取り外された状態の燃料電池モジュール２を示す斜視図であり、図３は本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュール２を図２のＡ方向から見た断面図であり、図４は本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュール２を図２のＢ方向から見た断面図であり、図６は本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュールを図２のＢ方向から見た概略図であり、図７は本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュールを図２のＡ方向から見た概略図である。
【００２３】
先ず、図２乃至図４に示すように、燃料電池モジュール２の燃料電池セル集合体１２は、ケーシング５６により、全体が覆われている。ここで、燃料電池セル集合体１２は、Ｂ方向よりＡ方向の方が長いほぼ直方体形状であり、図４に示すように、上面１２ａ、下面１２ｂ、図２のＡ方向に沿って延びる長辺側面１２ｃと、図３に示すように、図２のＢ方向に沿って延びる短辺側面１２ｄを備えている。
【００２４】
次に、燃料電池モジュール２内の密封空間８内の最下方部分には、蒸発混合器５８が燃料電池セル集合体１２の長辺側面１２ｃに沿って設けられている。この蒸発混合器５８は、燃焼ガスにより加熱して、水を水蒸気にすると共に、この水蒸気と、被改質ガスである燃料ガス（都市ガス）と酸化剤ガスである空気とを混合するためのものである。この蒸発混合器５８の一端側には、図２、図４に示すように、被改質ガス供給管６０と、水供給管６２が接続され、被改質ガス供給管６０は、燃料流量調整ユニット３８及び改質用空気流量調整ユニット４４から、被改質ガス（燃料ガス）及び改質用空気を導入するようになっている。
【００２５】
蒸発混合器５８の他端側には、図４に示すように、燃料供給管６４の下端が接続され、この燃料供給管６４の上端は、改質器２０の上流端に接続され、この燃料供給管６４により、燃料ガスが蒸発混合器５８から改質器２０へ供給されるようになっている。また、改質器２０の下流端には燃料供給管６６の上端が接続され、この燃料供給管６６の下端側６６ａは、燃料ガスタンク６８内に進入して、水平方向に延びている。
【００２６】
燃料ガスタンク６８は、図３及び図４に示すように、燃料電池セル集合体１２の真下に設けられている。また、燃料ガスタンク６８内に挿入された燃料供給管６６の下端側６６ａの外周には、長手方向（Ａ方向）に沿って複数の小穴（図示せず）が形成されており、改質器２０で改質された燃料ガスが、燃料ガスタンク６８内に長手方向に均一に供給されるようになっている。燃料ガスタンク６８に供給された燃料ガスは、後述するように、燃料電池セルユニット１６の内側にある燃料ガス流路８８（図５参照）内に供給され、燃料電池セルユニット１６内を上昇して、燃焼室１８に至るようになっている。
【００２７】
改質器２０は、図３及び図４に示すように燃料電池セル集合体１２の上部に設けられており、蒸発混合器５８、燃料ガスタンク６８とそれぞれ燃料供給管６４、６６を介して接続、固定されている。改質器２０の内部は、図４に示すように入口部２０ａおよび出口部２０ｂにおいてそれぞれ設けられた仕切り板Ｐ１、Ｐ２にて区画された収容部２１に改質触媒ＲＣが充填されている。蒸発混合器５８で水が蒸発して生成された水蒸気と混合された燃料ガスは、燃料供給管６４内を上昇して改質器入口部２０ａから収容部２１内に流入する。燃料ガスは改質触媒ＲＣによって水素リッチなガスに改質された後、改質器出口部２０ｂから流出し、燃料供給管６６内を下降して燃料ガスタンク６８に至るようになっている。
【００２８】
次に、発電用空気を燃料電池モジュール２へ供給するための構造を説明する。先ず、図２乃至４に示すように、改質器２０の上方に、燃料電池モジュール２の燃料電池セル集合体１２の上面１２ａ及び短辺側面１２ｄ（図２及び図４の右側短辺側面）に沿って、上述した熱交換器２２が設けられている。熱交換器２２には、詳細は後述する複数の燃焼ガス配管７０と、この燃焼ガス配管７０の周囲に形成された発電用空気流路７２が設けられている。
【００２９】
なお、本実施形態においては、熱交換器２２は、燃料電池セル集合体１２の上面１２ａ及び右側の短辺側面１２ｄに沿って設けるようにしているが、これに限らず、熱交換器２２を、右側の短辺側面１２ｄのみに沿って設けても良いし、右側及び左側の両方の短辺側面１２ｄのみに沿って設けても良いし、さらに、上面１２ａ及び両側の短辺側面１２ｄに沿って設けるようにしても良い。
【００３０】
熱交換器２２の短辺側面１２ｄに沿って設けられた部分の下端の一端側には、図２に示すように、発電用空気導入管７４の導入口７４ａが取り付けられており、この発電用空気導入管７４により、発電用空気流量調整ユニット４５から、発電用空気が、熱交換器２２内に導入されるようになっている。
【００３１】
また、図４に示すように、熱交換器２２の上側の他端側には、発電用空気流路７２の出口ポート７２ａが形成され、さらに、図３に示すように、燃料電池モジュール２のケーシング５６の幅方向（Ｂ方向：短辺側面方向）の両側の外側には、発電用空気供給路７６が形成され、上述した発電用空気流路７２の出口ポート７２ａから、発電用空気が供給されるようになっている。この発電用空気供給路７６は、燃料電池セル集合体１２の長手方向（長辺側面１２ｃ方向）に沿って形成され、さらに、その下方側であり且つ燃料電池セル集合体１２の下方側に対応する位置に、発電室１０内の燃料電池セル集合体１２の各燃料電池セルユニット１６に向けて発電用空気を吹き出すための複数の吹出口７８が、長手方向に沿って、等間隔に、形成されている。これらの吹出口７８から吹き出された発電用空気は、各燃料電池セルユニット１６の外側に沿って、下方から上方へ流れるようになっている。
【００３２】
次に、燃料ガスと発電用空気（酸化剤ガス）が燃焼して生成される燃焼ガスを排出するための構造を説明する。上述したように、熱交換器２２内には、燃焼室１８で燃料ガスと発電用空気（酸化剤ガス）が燃焼して生成された燃焼ガスを排出するための複数の燃焼ガス配管７０が設けられている。図４に示すように、燃焼ガス配管７０の上流端側にはマニホールド１０２が設けられており、排出口１０１から流入する燃焼ガスを各燃焼ガス配管７０に分配している。後述するように、排出口１０１は改質器２０の上方に開口しており、矩形形状となっている。燃焼ガス配管７０の下流端側には、燃料電池セル集合体１２の下方に位置し長手方向に延びる燃焼ガス排出室８０が形成され、燃焼ガス配管７０の下端側と燃焼ガス排出室８０が接続されている。なお、この燃焼ガス排出室８０内に、上述した蒸発混合器５８が配置され、この蒸発混合器５８内の燃料ガスが、高温の燃焼ガスにより、長手方向に沿って、加熱されるようになっている。さらに、燃焼ガス排出室８０の下面には、燃焼ガス排出管８２が接続され、燃焼ガスが外部に排出されるようになっている。
【００３３】
次に図５により燃料電池セルユニット１６について説明する。図５は、本発明の一実施形態によるＳＯＦＣの燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。
図５に示すように、燃料電池セルユニット１６は、燃料電池セル８４と、この燃料電池セル８４の上下方向端部にそれぞれ接続された内側電極端子８６とを備えている。
燃料電池セル８４は、上下方向に延びる管状構造体であり、内側（内部）に燃料ガス流路８８を形成する円筒形の内側電極層９０と、円筒形の外側電極層９２と、内側電極層９０と外側電極層９２との間にある電解質層９４とを備えている。この内側電極層９０は、燃料ガスが通過する燃料極であり、（−）極となり、一方、外側電極層９２は、空気と接触する空気極であり、（＋）極となっている。
【００３４】
燃料電池セル１６の上端側と下端側に取り付けられた内側電極端子８６は、同一構造であるため、ここでは、上端側に取り付けられた内側電極端子８６について具体的に説明する。内側電極層９０の上部９０ａは、電解質層９４と外側電極層９２に対して露出された外周面９０ｂと上端面９０ｃとを備えている。内側電極端子８６は、導電性のシール材９６を介して内側電極層９０の外周面９０ｂと接続され、さらに、内側電極層９０の上端面９０ｃとは直接接触することにより、内側電極層９０と電気的に接続されている。内側電極端子８６の中心部には、内側電極層９０の燃料ガス流路８８と連通する燃料ガス流路９８が形成されている。
【００３５】
内側電極層９０は、例えば、Ｎｉと、ＣａやＹ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニアとの混合体、Ｎｉと、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリアとの混合体、Ｎｉと、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｕから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレードとの混合体、の少なくとも一種から形成される。
【００３６】
電解質層９４は、例えば、Ｙ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニア、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリア、Ｓｒ、Ｍｇから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレート、の少なくとも一種から形成される。
【００３７】
外側電極層９２は、例えば、Ｓｒ、Ｃａから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンマンガナイト、Ｓｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンフェライト、Ｓｒ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンコバルタイト、銀、などの少なくとも一種から形成される。
【００３８】
次に、図２に示すように、熱交換器２２内には、複数の燃焼ガス配管７０は、流路抵抗を小さくするために、ほぼ直線状に延びるように配置されている。さらに、これらの燃焼ガス配管７０が直線状に延びる方向に対して直角方向に延びる複数（具体的には７枚）のガイド板１００が取り付けられている。これらのガイド板１００は、燃焼ガス配管７０の長手方向に沿って、ほぼ等間隔に、千鳥状に配置されている。これらのガイド板１００は、燃焼ガス配管７０を支持する支持部材としても機能している。これらのガイド板１００を設けることにより、発電用空気流路７２は、蛇行した流路となり、発電用空気は、燃焼ガス配管７０と複数回交差して流れるようになっている。
【００３９】
次に、図７及び図８により、排出口１０１、及び、燃焼室１８から排出口１０１に向かう燃焼ガス流れの詳細について説明する。図８は、本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュールの燃焼ガス流れを図２のＢ方向から見た概略図および比較例である。
【００４０】
本発明の一実施形態である図８（ａ）に示すように、排出口１０１ａは改質器２０の出口部２０ｂ側寄りの上面近傍に設けられている。燃焼室１８で生成された燃焼ガスが、排出口１０１ａに向かって流れるようになっている。
【００４１】
上述したように、熱交換器２２の燃焼ガス配管７０の上流端側にはマニホールド１０２が設けられ、燃焼室１８で生成された燃焼ガスが、燃焼室１８より低圧のマニホールド１０２の排出口１０１に向かって、流れるようになっている。ここで、マニホールド１０２は改質器２０の出口部側２０ｂ寄りに設けられている。
【００４２】
さらに、排出口１０１ａは、その法線方向Ｖａが略水平となるよう開設されている。排出口１０１ａの形状は図７に示すように、水平方向の寸法Ｗに対して、上下方向の寸法Ｈが小さい矩形状に形成されている。
【００４３】
このような構成により、燃焼ガスは矢印Ａａのように改質器２０の出口部２０ｂ側に偏って流れ、排出口１０１ａに至るため、燃焼ガスによって改質器２０の入口部２０ａ側が過度に加熱されることを抑制することができる。したがって、それに伴う炭素析出や、改質器２０の入口部２０ａ側の改質触媒ＲＣの劣化を防止することができる。
【００４４】
図８（ｂ）に示す比較例では、排出口１０１ｂは改質器２０の上面から上方に比較的大きく離して設けられている。このような構成では、燃焼室１８で生成された燃焼ガスは矢印Ａｂのように上方への指向性が高まり、燃焼ガスの流れの偏りが鈍化されて改質器２０の入口部２０ａ側が過度に加熱されてしまうおそれがある。
これに対し、図８（ａ）に示した本発明の一実施形態では、排出口１０１ａを改質器２０の上面近傍に設けることで燃焼ガスの上方への指向性を弱め、燃焼ガスが改質器２０の出口部２０ｂ側に大きく偏って流れることで、改質器２０の入口部２０ａ側が過度に加熱されることを効果的に抑制することができる。
【００４５】
また、図８（ｃ）に示す比較例では、排出口１０１ｃは上下方向の寸法が比較的大きく形成されている。このような構成では、燃焼室１８で生成された燃焼ガスは矢印Ａｃのように上方への指向性が高まり、燃焼ガスの流れの偏りが鈍化されて改質器２０の入口部２０ａ側が過度に加熱されてしまうおそれがある。
これに対し、図８（ａ）に示した本発明の一実施形態では、排出口１０１ａの形状は、水平方向の寸法Ｗに対して、上下方向の寸法Ｈが小さい矩形状とすることで（図７参照）、燃焼ガスの上方への指向性を弱め、燃焼ガスが改質器２０の出口部２０ｂ側に大きく偏って流れることで、改質器２０の入口部２０ａ側が過度に加熱されることを効果的に抑制することができる。
【００４６】
さらに、図８（ｄ）に示す比較例では、排出口１０１ｄはその法線方向Ｖｄが鉛直方向となるよう開設されている。このような構成では、燃焼室１８で生成された燃焼ガスは、水平方向に流れた後、流れる方向を上方に変えて排出口１０１ｄから排出されることとなるため、スムーズな排出が困難になる。したがって、燃焼ガスは矢印Ａｄのように上方への指向性が高まり、燃焼ガスの流れの偏りが鈍化されて改質器２０の入口部２０ａ側が過度に加熱されてしまうおそれがある。
これに対し、図８（ａ）に示した本発明の一実施形態では、排出口１０１ａはその法線方向Ｖａが略水平方向となるよう開設されている。これにより、燃焼ガスは水平方向への指向性が高まり、排出口１０１ｄからスムーズに排出されるため、燃焼ガスが改質器２０の出口部２０ｂ側に大きく偏って流れることで、改質器２０の入口部２０ａ側が過度に加熱されることを効果的に抑制することができる。
【００４７】
上述した本実施形態による燃料電池装置においては、燃料電池セル集合体１２の燃料電池セル８４の外側に供給される外部ガスは、発電用空気（酸化剤ガス）であり、一方、燃料電池セル８４の内部を流れる内部ガスは、燃料ガスとしている。しかしながら、本実施形態は、これに限定されず、外部ガスとして、燃料ガスを使用し、一方、燃料電池セル８４の内部を流れる内部ガスとして、発電用空気（酸化剤ガス）を使用するようにしても良い。
【００４８】
また、上述した本実施形態による燃料電池装置においては、燃料電池セル８４は内部に単一の燃料ガス流路８８を有する円筒状としたが、本実施形態は、これに限定されず、内部に複数の燃料ガス流路又は発電用空気を流通させる流路を有する形状としても良い。
【符号の説明】
【００４９】
１ 燃料電池装置（ＳＯＦＣ）
２ 燃料電池モジュール
６ ハウジング
８ 密封空間
１０ 発電室
１２ 燃料電池セル集合体
１４ 燃料電池セルスタック
１６ 燃料電池セルユニット
１８ 燃焼室
２０ 改質器
２１ 収容部
２０ａ 入口部
２０ｂ 出口部
２２ 熱交換器
５６ ケーシング
５８ 蒸発混合器
６０ 被改質ガス供給管
６２ 水供給管
６４、６６ 燃料供給管
６８ 燃料ガスタンク
７０ 燃料ガス配管
７２ 発電用空気流路
７２ａ 出口ポート
７４ 発電用空気導入管
７４ａ 導入口
７６ 発電用空気供給路
７８ 吹出口
８０ 燃焼ガス排出室
８２ 燃焼ガス排出管
８４ 燃料電池セル
１０１ 排出口
ＲＣ 改質触媒
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスにより発電を行う燃料電池装置において、
電気的に接続された複数の管状の燃料電池セルを有し、これらの燃料電池セルにより燃料ガスと酸化剤ガスが反応して発電する燃料電池セル集合体であって、管状の燃料電池セルの内側の下端部から上端部へ燃料ガス又は酸化剤ガスの何れか一方が内部ガスとして流れる上記燃料電池セル集合体と、
上記燃料ガスのうち発電に使用されなかった残余の燃料ガスを燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼部と、
原料ガスを改質して燃料ガスを生成する改質器であって、改質触媒を収容する収容部と、原料ガスを上記収容部に流入させる入口部と、燃料ガスを上記収容部から流出させる出口部とを有し、上記燃焼部の上方に配置される上記改質器と、
上記燃焼部で生成された燃焼ガスを外部に排出するための排出口と、を有し、
燃焼ガスが上記改質器の出口部側に偏って流れ上記排出口に至るよう構成されたことを特徴とする燃料電池装置。
【請求項２】
上記改質器の上方であって且つ上記入口部よりも出口部寄りに上記排出口を設けたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池装置。
【請求項３】
上記改質器の上面近傍に上記排出口を設けたことを特徴とする請求項２記載の燃料電池装置。
【請求項４】
上記排出口は、水平方向の寸法に対し上下方向の寸法が小さく形成されていることを特徴とする請求項２記載の燃料電池装置。
【請求項５】
上記排出口はその法線方向が略水平となるよう開設されていることを特徴とする請求項２記載の燃料電池装置。
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスにより発電を行う燃料電池装置において、
電気的に接続された複数の管状の燃料電池セルを有し、これらの燃料電池セルにより燃料ガスと酸化剤ガスが反応して発電する燃料電池セル集合体であって、管状の燃料電池セルの内側の下端部から上端部へ燃料ガス又は酸化剤ガスの何れか一方が内部ガスとして流れる上記燃料電池セル集合体と、
上記燃料ガスのうち発電に使用されなかった残余の燃料ガスを燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼部と、
原料ガスを改質して燃料ガスを生成する改質器であって、改質触媒を収容する収容部と、原料ガスを上記収容部に流入させる入口部と、燃料ガスを上記収容部から流出させる出口部とを有し、上記燃焼部の上方に配置される上記改質器と、
上記燃焼部で生成された燃焼ガスを外部に排出するための排出口と、を有し、
燃焼ガスが上記改質器の出口部側に偏って流れ上記排出口に至るよう構成されたことを特徴とする燃料電池装置。
【請求項２】
上記改質器の上方であって且つ上記入口部よりも出口部寄りに上記排出口を設けたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池装置。
【請求項３】
上記改質器の上面近傍に上記排出口を設けたことを特徴とする請求項２記載の燃料電池装置。
【請求項４】
上記排出口は、水平方向の寸法に対し上下方向の寸法が小さく形成されていることを特徴とする請求項２記載の燃料電池装置。
【請求項５】
上記排出口はその法線方向が略水平となるよう開設されていることを特徴とする請求項２記載の燃料電池装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１２−１７４５３４（Ｐ２０１２−１７４５３４Ａ）
【公開日】平成２４年９月１０日（２０１２．９．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−３６１４５（Ｐ２０１１−３６１４５）
【出願日】平成２３年２月２２日（２０１１．２．２２）
【出願人】（００００１００８７）ＴＯＴＯ株式会社 (3,889)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月１０日（２０１２．９．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月２２日（２０１１．２．２２）
【出願人】（００００１００８７）ＴＯＴＯ株式会社 (3,889)
【Ｆターム（参考）】
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