JP2009093923A - 固体酸化物形燃料電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】セル間の温度分布を小さく抑えこと、特に改質部や予熱部などからの影響を低減してセル間の温度分布を小さく抑えることができる固体酸化物形燃料電池モジュールを提供すること。
【解決手段】固体酸化物形燃料電池モジュール１は、固体酸化物形燃料電池セル３が複数個（例えば１８個）積層された固体酸化物形燃料電池スタック５と、固体酸化物形燃料電池スタック５の積層方向（図１の上下方向）の両側に密着して積層された集電板を兼ねる第１、第２発熱器７、９と、上方の第１発熱器７の上側に密着して積層された空気予熱器１１と、下方の第２発熱器９の下側に密着して積層された燃料改質器１３と、固体酸化物形燃料電池モジュール１を積層方向に貫く第１〜第１０固定部材１５〜３３などを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料極及び空気極を有する固体電解質体（固体酸化物）を備えた平板型の固体酸化物形燃料電池セルを複数積層した固体酸化物形燃料電池スタックと、可燃ガスの燃焼によって発熱する発熱器とを備えた固体酸化物形燃料電池モジュールに関するものである。

燃料電池は、他の発電方法と比較し、燃料の有する化学エネルギーを非常に高い効率にて電気エネルギーに変換可能であるため、家庭用コジェネレーションシステム、自動車の動力源などにて、精力的に研究開発が行われている。

中でも、ジルコニアなどの酸素イオン伝導体を固体電解質（固体酸化物）として用いた固体酸化物形燃料電池（以後ＳＯＦＣ）は、エネルギー変換効率（発電した電気エネルギー／燃料の化学エネルギー）が５０％以上と非常に高く、かつ、これを各家庭に設置できる程度の小型システムにて達成できる可能性があり、開発が活発化している。

また、ＳＯＦＣのみならず、燃料として水素或いは水素源(都市ガスなど)を用い、酸化剤として空気中の酸素を用いた燃料電池では、理論起電力が１Ｖ程度であり、より利用しやすい出力電圧を得るため、複数のセルを直列に接続して使用している。

例えば、図１７に示す様に、通常、十数〜数十のセル（Ｐ１）を１スタック（Ｐ２）とし、その両側に集電板（Ｐ３、Ｐ４）を配置したＳＯＦＣモジュール（Ｐ５）が開発されている。この種のＳＯＦＣは、高温タイプで１０００℃、中温タイプでも７００〜８００℃にて運転されるので、断熱容器内に収容されて保温される必要がある。なお、断熱容器はハウジング内に収容されることが一般的である。

上述した家庭用コジェネレーション用燃料電池においては、インフラが整っている都市ガス(主成分はメタン)を燃料として用いることが有利であり、これをＳＯＦＣの燃料として利用可能な水素、あるいは一酸化炭素に変換するため、触媒を用いて水蒸気改質を行う必要がある。この改質反応は、触媒を用いた場合においても、反応を十分に進行させるために７００℃程度の高温環境が必要である。しかしながら、水蒸気改質は吸熱反応であるため、継続的に反応を持続するためには反応部（改質部）を加熱し、熱エネルギーを与える必要がある。また、この反応を行うためには水蒸気を必要とするが、蒸気の生成にも熱エネルギーが必要となる。

一方、燃料電池での発電は、前記改質部等の反応とは異なり、水素と酸素の電気化学反応が発熱反応であること、及び内部抵抗によるジュール熱が発生するため、発熱を伴う。
また、一般的なＳＯＦＣにおいて、投入した燃料全てを発電に費やすことは不可能である。その理由は、燃料が不足すると燃料極が酸化し、最悪、セルが割れてしまうなどの問題がある。そこで、通常、燃料の利用率を８０％程度に制御して運転されており、残りの２０％は断熱容器内で燃焼させて熱エネルギーとして利用することが一般的である。

この発電での発熱と未使用燃料の燃焼熱は、改質触媒の加熱、蒸気の生成や、投入される燃料や空気の加熱に充てることにより、熱エネルギーとして有効に利用される。しかし、コジェネレーションシステムでは、利用できずに系外(断熱容器外)へ放出された熱エネルギーは、水を加熱して温水として回収するが、これにも限界がある。

よって、理想的には、熱エネルギーの放出をできる限り抑えることが、ＳＯＦＣにおいて、高いエネルギー変換効率にて運転するために重要であり、この熱の移動を効率よく簡便に行なうため、改質部やガス予熱部を断熱容器内に収容することが検討されている。

また、ＳＯＦＣを構成する電解質のイオン拡散抵抗、各電極の電荷移動抵抗は、温度変化に敏感で、低温になると増加する。そのため、直列接続にて組み合わされたセル群（スタック)にて、セル間の温度差が大きくなると、セルを流れる電流は一定であるため、低温環境下にあるセルの電圧低下が他よりも顕著に起こる。ゆえに、これを保護するため、出力(電流密度）を抑えた運転を余儀なくされ、その結果、高効率な運転が出来なくなる。以上の理由により、セル間の温度差を小さくすることは、高効率発電を行なうために欠かせない重要な要素である。
第15回SOFC研究会 講演要旨集 P.18-21 105B 第15回SOFC研究会 講演要旨集 P.6-9 102B 特開２００７−８０８６０号公報

しかしながら、断熱容器の性能や、その中に収容するスタック、改質部、予熱部などの配置によっては、セル間の温度分布が大きくなるという問題がある。
例えば、本発明者等が開発している平板型スタックでは、スタック単体で検討した場合においても、スタック中央部が高温に、両端やエッジ部が低温になることが分かっている。更に、断熱容器内に、スタックを改質部や予熱部などと共に収容した場合は、その位置によっては、セル間の温度部分布を拡大する要因となることも明らかになっている。

このスタック内の温度分布に関しては、平板型ＳＯＦＣセルにおいて、スタック内部で高温となりスタックの端部にて低温となることが、コンピューターシミュレーションより示されている（前記非特許文献１参照）。

また、前記非特許文献２には、システム起動時にスタックを加熱するバーナーを有する断熱容器下部より、容器外への放熱量が多いことが報告されており、容器構造に起因してスタックの温度分布拡大が生じうる可能性を示唆する報告がなされている。

この対策として、例えば、前記特許文献１には、改質器やガスの熱交換器の配置によって発電スタックの温度分布を低減する手法が開示されているが、必ずしも十分でなく、その対策が望まれている。

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的は、セル間の温度分布を小さく抑えること、特に改質部や予熱部などからの影響を低減してセル間の温度分布を小さく抑えることができる固体酸化物形燃料電池モジュールを提供することにある。

（１）請求項１の発明は、固体電解質体と、該固体電解質体の一面に設けられ、燃料ガスに接する燃料極と、該固体電解質体の多面に設けられ、酸化剤ガスに接する空気極とを備えた平板型の固体酸化物形燃料電池セルを、複数積層した固体酸化物形燃料電池スタックと、可燃ガスの燃焼によって発熱する発熱器と、を備えた固体酸化物形燃料電池モジュールであって、前記固体酸化物形燃料電池スタックの積層方向の少なくとも一方の端部に接触して又は近接して前記発熱器を配置したことを特徴とする。

本発明では、固体酸化物形燃料電池スタックの積層方向の少なくとも一方の端部に接触して又は近接して発熱器を配置するので、セル間の温度分布を小さく抑えことができる。
つまり、本発明では、固体酸化物形燃料電池スタックの積層方向における温度分布のばらつき、特に積層方向端部における温度低下を抑えて、固体酸化物形燃料電池スタックの温度を均一化することができる。これにより、高効率の発電を行うことができる。

なお、発熱器で燃焼させる可燃ガスとしては、発電に使用した残りの燃料ガスや酸化剤ガスを利用すると、他の可燃ガスを導入する必要がないので好ましいが、他の可燃ガスを使用して燃焼させてもよい。

また、ここでいう近接とは、発熱器と固体酸化物形燃料電池スタックが、ロウ材などの接合材によって、一体化されている状態やスペーサ等を介して一体化されている状態などをいう。

（２）請求項２の発明では、前記発熱器の内部に、ガスの燃焼触媒又は抵抗体（セラミック）ヒータを配置したことを特徴とする。
本発明では、燃焼触媒又は抵抗体（セラミック）ヒータにより、可燃ガスの燃焼を行う。触媒（燃焼触媒）による燃焼は、通常の燃焼と比較して、燃焼部分の温度が低温であり、窒素酸化物(ＮＯ_X)の生成が少なく良好である。また、特にＣＯの酸化性に優れているため、有害なＣＯを放出する可能性が低いので好適である。さらに、燃料が希薄な場合にも燃焼が進行するため、特に定常運転時の排ガス燃焼方法として最適である。

一方、触媒を用いる方法以外には、着火源を設けてガスの燃焼を行う方法が考えられ、この場合には、電気火花での着火も可能であるが、抵抗体（セラミック）ヒータを用いると、安定して着火でき、構造も簡便で、付加設備も安価であるので好適である。

（３）請求項３の発明では、前記発熱器の前記固体酸化物形燃料電池スタック側と反対側に、前記燃料ガスの改質を行う改質器を配置したことを特徴とする。
改質器では、燃料ガスを水素リッチにする改質反応が行われるが、この改質反応は吸熱反応であるので、固体酸化物形燃料電池スタックに改質器を接触又は近接させると、固体酸化物形燃料電池スタックの端部の温度が低下する。

本発明では、固体酸化物形燃料電池スタックと改質器との間に発熱器を配置したので、発熱器の発熱により、セルの温度分布を低減するだけではなく、改質器からの影響（吸熱）を低減するための熱隔壁としても利用可能である。

（４）請求項４の発明では、前記発熱器の前記固体酸化物形燃料電池スタック側と反対側に、前記酸化剤ガスの予熱を行う予熱器を配置したことを特徴とする。
外部から導入される酸化剤ガスは予熱器で予熱されるが、この酸化剤ガスの温度は低いので、予熱器は、固体酸化物形燃料電池スタックに対しては吸熱として作用する。

本発明では、固体酸化物形燃料電池スタックと予熱器との間に発熱器を配置したので、発熱器の発熱により、セルの温度分布を低減するだけではなく、予熱器からの影響（吸熱）を低減するための熱隔壁としても利用可能である。

（５）請求項５の発明では、前記発熱器が、前記固体酸化物形燃料電池スタックの集電板を兼ねることを特徴とする。
これにより、装置をコンパクトにできる。

（６）請求項６の発明では、前記固体酸化物形燃料電池セルから排出されるガスが前記発熱器に供給される流路を有し、発電時には、前記排出されたガスを前記発熱器の燃料として用いることを特徴とする。

本発明では、固体酸化物形燃料電池セルから排出されるガス（発電に利用された例えば空気残ガスと燃料残ガス）を発熱器に導入し、両ガスを燃焼させるので、外部から別途可燃ガスを導入する必要がなく、ガスの有効利用を図ることができる。

（７）請求項７の発明では、前記発熱器内には、前記燃料ガスが供給される流路と、前記酸化剤ガスが供給される流路と、両流路を区分する穴あき整流板を有し、前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスを前記穴あき整流板の連通孔を通過させて両ガスを混合することを特徴とする。

本発明では、穴あき整流板を用いて燃料ガス（例えば発電に利用された燃料残ガス）と酸化剤ガス（例えば発電に利用された空気残ガス）を混合するので、より均一に混合でき、燃焼効率が向上する。

（８）請求項８の発明では、前記固体酸化物形燃料電池スタックの積層方向の両側に、内部に燃焼触媒を有する前記発熱器を配置するとともに、前記両発熱器の流路を直列に接続し、更に、一方の前記発熱器の前記固体酸化物形燃料電池スタック側と反対側に、前記ガスの改質を行う改質器を配置するとともに、他方の前記発熱器の前記固体酸化物形燃料電池スタック側と反対側に、前記酸化剤ガスの予熱を行う予熱器を配置したことを特徴とする。

本発明の構成によって、改質器及び予熱器を用いた場合でも、固体酸化物形燃料電池スタックの温度分布を均一化でき、発電効率を高めることができる。
・ここで、前記固体電解質体（固体酸化物体）は、電池の作動時に燃料極に導入される燃料ガス又は空気極に導入される酸化剤ガスのうちの一方の一部をイオンとして移動させることができるイオン伝導性を有する。このイオンとしては、例えば酸素イオン及び水素イオン等が挙げられる。また、燃料極は、還元剤となる燃料ガスと接触し、セルにおける負電極として機能する。空気極は、酸化剤となる酸化剤ガスと接触し、セルにおける正電極として機能する。

・固体電解質体（固体酸化物体）の材料としては、例えばＺｒＯ₂系セラミック、ＬａＧａＯ₃系セラミック、ＢａＣｅＯ₃系セラミック、ＳｒＣｅＯ₃系セラミック、ＳｒＺｒＯ₃系セラミック、及びＣａＺｒＯ₃系セラミック等が挙げられる。

・燃料極の材料としては、例えば、Ｎｉ及びＦｅ等の金属と、Ｓｃ、Ｙ等の希土類元素のうちの少なくとも１種により安定化されたジルコニア等のＺｒＯ₂系セラミック、ＣｅＯ₂系セラミック等のセラミックのうちの少なくとも１種との混合物などが挙げられる。また、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｎｉ及びＦｅ等の金属が挙げられる。これらの金属は１種のみでもよいし、２種以上の金属の合金でもよい。更に、これらの金属及び／又は合金と、上記セラミックの各々の少なくとも１種との混合物（サーメットを含む）が挙げられる。また、Ｎｉ及びＦｅ等の金属の酸化物と、上記セラミックの各々の少なくとも１種との混合物などが挙げられる。

・空気極の材料としては、例えば、各種の金属、金属の酸化物、金属の複酸化物等を用いることができる。金属としては、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ及びＲｈ等の金属又は２種以上の金属を含有する合金が挙げられる。更に、金属の酸化物としては、Ｌａ、Ｓｒ、Ｃｅ、Ｃｏ、Ｍｎ及びＦｅ等の酸化物（Ｌａ₂Ｏ₃、ＳｒＯ、Ｃｅ₂Ｏ₃、Ｃｏ₂Ｏ₃、ＭｎＯ₂及びＦｅＯ等）が挙げられる。また、複酸化物としては、少なくともＬａ、Ｐｒ、Ｓｍ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＭｎ等を含有する複酸化物（Ｌａ_1-xＳｒ_xＣｏＯ₃系複酸化物、Ｌａ_1-xＳｒ_xＦｅＯ₃系複酸化物、Ｌａ_1-xＳｒ_xＣｏ_1-yＦｅ_yＯ₃系複酸化物、Ｌａ_1-xＳｒ_xＭｎＯ₃系複酸化物、Ｐｒ_1-xＢａ_xＣｏＯ₃系複酸化物及びＳｍ_1-xＳｒ_xＣｏＯ₃系複酸化物等）が挙げられる。

・集電板を兼ねる発熱器、予熱器、改質器の材料（筐体の材料）としては、耐熱性、化学的安定性、強度等の優れた材料を使用でき、例えばステンレス鋼、ニッケル基合金、クロム基合金等の耐熱合金等の金属材料が挙げられる。なお、導電性が必要とされる場合には、導電性に優れた金属材料を使用することが好ましい。

具体的には、ステンレス鋼としては、フェライト系ステンレス鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼、オーステナイト系ステンレス鋼が挙げられる。フェライト系ステンレス鋼としては、ＳＵＳ４３０、ＳＵＳ４３４、ＳＵＳ４０５等が挙げられる。マルテンサイト系ステンレス鋼としては、ＳＵＳ４０３、ＳＵＳ４１０、ＳＵＳ４３１等が挙げられる。オーステナイト系ステンレス鋼としては、ＳＵＳ２０１、ＳＵＳ３０１、ＳＵＳ３０５等が挙げられる。更に、ニッケル基合金としては、インコネル６００、インコネル７１８、インコロイ８０２等が挙げられる。クロム基合金としては、Ｄｕｃｒｌｌｏｙ ＣＲＦ（９４Ｃｒ５Ｆｅ１Ｙ₂Ｏ₃）等が挙げられる。

・固体酸化物形燃料電池を用いて発電を行う場合、燃料極側には燃料ガスを導入し、空気極側には酸化剤ガスを導入する。
燃料ガスとしては、水素、還元剤となる炭化水素、水素と炭化水素との混合ガス、及びこれらのガスを所定温度の水中を通過させ加湿した燃料ガス、これらのガスに水蒸気を混合させた燃料ガス等が挙げられる。炭化水素は特に限定されず、例えば、天然ガス、ナフサ、石炭ガス化ガス等が挙げられる。この燃料ガスとしては水素が好ましい。これらの燃料ガスは１種のみを用いてもよいし、２種以上を併用することもできる。また、５０体積％以下の窒素及びアルゴン等の不活性ガスを含有していてもよい。

酸化剤ガスとしては、酸素と他の気体との混合ガス等が挙げられる。更に、この混合ガスには８０体積％以下の窒素及びアルゴン等の不活性ガスが含有されていてもよい。これらの酸化剤ガスのうちでは安全であって、且つ安価であるため、空気（約８０体積％の窒素が含まれている。）が好ましい。

次に、本発明の最良の形態の例（実施例）について、すなわち、固体酸化物形燃料電池モジュールの実施例について説明する。

ａ）まず、固体酸化物形燃料電池モジュールの構成について説明する。
図１及び図２に示す様に、本実施例の固体酸化物形燃料電池スタック１は、燃料ガス（例えば水素）と酸化剤ガス（例えば空気（詳しくは空気中の酸素））との供給を受けて発電を行う装置である。

この固体酸化物形燃料電池モジュール１は、平板状の固体酸化物形燃料電池セル３が複数個（例えば１８枚）積層された固体酸化物形燃料電池スタック５と、固体酸化物形燃料電池スタック５の積層方向（図１の上下方向）の両側に密着して積層された集電板を兼ねる第１、第２発熱器７、９と、上方の第１発熱器７の上側に密着して積層された空気予熱器１１と、下方の第２発熱器９の下側に密着して積層された燃料改質器１３と、固体酸化物形燃料電池モジュール１を積層方向に貫く第１〜第１０固定部材１５〜３３などを備えている。

図３に分解して示す様に、前記固体酸化物形燃料電池セル３は、いわゆる燃料極支持膜タイプのセルであり、燃料ガス流路３５側には、燃料極（アノード）３７が配置されるとともに、燃料極３７の同図上側の表面には薄膜の固体電解質体（固体酸化物体）３９が形成され、その固体酸化物体３９の空気流路４１側の表面には、空気極（カソード）４３が形成されている。

また、空気極４３と上方の金属製のインターコネクタ（セル３間の導通を確保するとともにガス流路を遮断するプレート）４５との間には、その導通を確保するために、（例えば空気極４３と同様なＬＳＣＦ、ＬＳＭ等からなる）集電部材４７が配置されている。尚、この実際に発電を行う燃料極３７と固体酸化物体３９と空気極４３とをセル本体４９と称する。

更に詳しくは、この固体酸化物形燃料電池セル３は、上下一対の金属製のインターコネクタ４５、５１と、空気流路４１側の金属製の空気極フレーム５３と、セラミックス製の絶縁フレーム５５と、セル本体４９を接合して配置するとともにガス流路を遮断する金属製のセパレータ５７と、燃料ガス流路３５側の金属製の燃料極フレーム５９とを備えている。尚、空気極フレーム５３と絶縁フレーム５５とセパレータ５７と燃料極フレーム５９とインターコネクタ（その外周縁部）４５、５１とにより、第１〜第１０固定部材１５〜３３が貫く固体酸化物形燃料電池セル３の枠部６１が構成されている。

図４（ａ）に示す様に、前記第１〜第１０固定部材１５〜３３は、固体酸化物形燃料電池スタック５と発熱器７、９と空気予熱器１１と燃料改質器１３とからなるモジュール本体６３の周縁に沿って配置され、モジュール本体６３を積層方向に押圧して一体に固定する部材であり、それぞれ、ボルト１５ａ〜３３ａ及びナット１５ｂ〜３３ｂから構成されている。

なお、固定部材１５〜３３の材料としては、耐熱性、化学的安定性、強度等の優れた材料を使用でき、例えばステンレス鋼、ニッケル基合金、クロム基合金等の耐熱合金等の金属材料が挙げられる。

このうち、各ボルト１５ａ〜３３ａは、図４（ｂ）に示す様に、モジュール本体６３を積層方向に貫く様に形成された（同径の）貫通孔６５〜８３に貫挿され、上下のスペーサ８５、８７（図５参照）を介して、各ナット１５ｂ〜３３ｂにより固定される。

この貫通孔６５〜８３の内径は、ボルト１５ａ〜３３ａの外径より大きく設定されているので、貫通孔６５〜８３の内周面とボルト１５ａ〜３３ａの外周面に挟まれた筒状の空間８８（図５参照）が、空気や燃料ガス等の流路となる。

前記図４（ｂ）に示す様に、前記第１〜第１０固定部材１５〜３３のうち、第１固定部材１５は陽極の電極として用いられ（Ｅ１）、第６固定部材２５は陰極の電極として用いられる（Ｅ２）。また、後に詳述する様に、第２固定部材１７の貫通孔６７は空気の導入に用いられ（Ａ１）、第３固定部材１９の貫通孔６９は排ガスの排出に用いられ（Ｈ２）、第４固定部材２１の貫通孔７１は燃料ガスの流通に用いられ（Ｆ２）、第５固定部材２３の貫通孔７３は空気の流通に用いられ（Ａ３）、第７固定部材２７の貫通孔７７は空気の流通に用いられ（Ａ２）、第８固定部材２９の貫通孔７９は排ガスの流路に用いられ（Ｈ２）、第９固定部材３１の貫通孔８１は燃料ガスの流通に用いられ（Ｆ３）、第１０固定部材３３の貫通孔８３は燃料ガスの導入に用いられる（Ｆ１）。

ここで、Ｅ１、Ｅ２は、電気的接続に用いられることを示し、Ａ１〜Ａ３は空気の流通に用いられることを示し、Ｆ１〜Ｆ３は燃料ガスの流通に用いられることを示し、Ｈ１、Ｈ２は排ガスの流通に用いられることを示している。

図５は、第１〜第３、第６、第１０固定部材１５〜１９、２５、３３の様に、ボルトの先端を長手方向に切り欠いたガスの流路８９と、その流路８９に連通する連通路９１を有する袋ナットを用いた例を示したものであり、他の第４、第５、第７〜第９固定部材２１、２３、２７〜３１では、ガスが装置外に流出しないように閉塞された袋ナットを用いる。なお、第１、第６固定部材１５、２５は、電極として使用するので、ガスの流通を考慮することなく、通常のナットを使用することができる。

また、第２〜第５、第７〜第１０固定部材１７〜２３、２７〜３３では、上下のスペーサ８５、８７として、絶縁性を有するセラミック部材を用いる。更に、第１固定部材１５は陽極であるので、上方のスペーサ８５として絶縁性を有するセラミック部材を用い、下方のスペーサ８７として導電性を有する金属部材を用いる。逆に、第６固定部材２５は陰極であるので、上方のスペーサ８５として導電性を有する金属部材を用い、下方のスペーサ８７として絶縁性を有するセラミック部材を用いる。

前記第１、第２発熱器７、９は、固体酸化物形燃料電池スタック５から排出された空気（詳しくは発電に利用された空気残ガス）と燃料ガス（詳しくは発電に利用された燃料残ガス）を、燃焼触媒９３（図６参照）を利用して反応（燃焼）させて、周囲の温度を上昇させる装置である。そのため、第１発熱器７は、固体酸化物形燃料電池スタック５と空気予熱器１１との間に配置され、第２発熱器９は、固体酸化物形燃料電池スタック５と燃料改質器１３との間に配置されている。

つまり、空気予熱器１１では、外部から温度の低い空気を固体酸化物形燃料電池スタック５内に直接導入しないように空気を暖めるが、固体酸化物形燃料電池スタック５に対しては吸熱となるので、第１発熱器７にて温度を上昇させることにより、固体酸化物形燃料電池スタック５の積層方向の（空気予熱器１１側の）端部の温度が低下しないようにしている。

同様に、燃料改質器１３における改質反応も吸熱反応となるので、第２発熱器９にて温度を上昇させることによって、固体酸化物形燃料電池スタック５の積層方向の（燃料改質器１３側の）端部の温度が低下しないようにしている。

前記第２発熱器９は、最初に固体酸化物形燃料電池スタック５から排出されたガスの燃焼が行われる装置であり、図６に示す様に、３枚の導電性を有する金属製のプレート９５〜９９が積層されて構成されており、各プレート９５〜９９には、前記貫通孔６５〜８３が形成されている。この第２発熱器９の燃焼室１０１内には、燃料残ガスと空気残ガスを燃焼させるために、例えば粒状の担体に担持された燃焼触媒９３が配置されている。

なお、図６（ｂ）には、燃焼室１０１内のガスの流れを示してあり、第５貫通孔７３（Ａ３）から供給される空気残ガスと第９貫通孔８１（Ｆ３）から供給される燃料残ガスとが反応し、その排ガスは第８貫通孔７９（Ｈ１）から排出される。

一方、前記第１発熱器７は、第２発熱器９から排出された排ガスが再度燃焼される装置であり、図７に示す様に、３枚の金属製のプレート１０３〜１０７が積層されて構成されており、各プレート１０３〜１０７には、前記貫通孔６５〜８３が形成されている。この第１発熱器７の燃焼室１０９内にも、前記と同様な燃焼触媒１１１が配置されている。

なお、図７（ｂ）には、燃焼室１０９内のガスの流れを示してあり、第８貫通孔７９（Ｈ１）から供給される排ガスは、再度燃焼室１０９内で燃焼し、第３貫通孔６９（Ｈ２）から排出される。

ここで、前記第１、第２発熱器７、９の各部は、ロウ付けにて一体化されるが、銀ロウ、ニッケルロウ付けなどが利用可能である。但し、両発熱器７、９が高温に達する可能性があることを考慮すると、ニッケルロウ付けが好ましい。

この第１、第２発熱器７、９を構成するプレート９５〜９９、１０３〜１０７の材質は、耐熱性金属が機械的強度及び加工性に優れるという点で好適であるが、燃焼時に高温に達する可能性があるので、セラミックス部品を用いると耐久性が向上する（但し、この場合は、別途導通を確保する経路を設ける必要がある）。この金属材料としては、フェライト系ステンレス、オーステナイト系ステンレスなどが使用可能であるが、触媒や担体、或いはセラミックス部材など、熱膨張係数の異なる部材を使用する場合には、熱膨張係数の近いものを用いることが好ましい。

前記燃焼触媒９３、１１１としては、白金、ロジウム、パラジウムなどの貴金属触媒を採用できるが、ペロブスカイト酸化物などを用いると、耐熱性や長期耐久性が向上するので好ましい。燃焼触媒９３、１１１の担体としては、一般的なコージエライトのハニカム担体や、自動車用の排ガス処理触媒の担体として用いられるフェライト系ステンレスも使用可能である。特に起動性を重視する場合には、金属担体の方が、熱伝導性や耐熱衝撃性に優れている。但し、高温での耐久性という点では、セラミックス担体が有利であり、要求により使い分けることが望ましい。

前記燃焼触媒９３、１１１は、ロウ付け前に燃焼室１０１、１０９内に充填することが可能であるが、ニッケルロウ付けなどでは、ロウ付け温度が高温となるため、貴金属触媒ではダメージが発生することがある。そのため、粒状の担体を用いる場合には、ロウ付け後に、ガスの導入口などから充填することが好ましい。

また、前記空気予熱器１１とは、上述した様に、固体酸化物形燃料電池スタック５内に導入する空気を予熱する周知の装置であり、図８に模式的に示す様に、導電性を有する金属製の筐体１１３の内部に空気が流れる層状の空間１１５を有し、その空間１１５内には、空気の予熱を効率よく行うために、充填材を用いるが、起動性を求める場合には熱容量が小さく熱伝導の良い、発泡金属（図示せず）などを使用する。

更に、前記燃料改質器１３とは、上述した様に、固体酸化物形燃料電池スタック５内に導入する燃料ガスの改質、即ち燃料ガスを水素リッチの燃料ガスに改質する周知の装置であり、導電性を有する金属製の筐体１１７の内部に燃料ガスが流れる層状の空間１１９を有し、その空間１１９内に燃料ガスの改質を行うために、例えば微粒の金属ニッケルとセラミックス粉末のプレス体や、アルミナなどの耐熱性の高い多孔体上に金属ニッケルを担持した触媒（図示せず）が充填されている。

なお、図８において、平板状に記載された第１発熱器７、第２発熱器９、第２空気予熱器１１、燃料改質器１３は、各器７〜１３の内部においてそれぞれ連通しており、同図の左右方向にガスの流通が可能である。

また、上述した固体酸化物形燃料電池モジュール１は、図示しないが、通常断熱容器内に収容され、バーナーによって加熱されて運転される。
ｂ）次に、固体酸化物形燃料電池モジュール１のガス流路について説明する。

図８に示す様に、まず、第２貫通孔６７（Ａ１）を介して、固体酸化物形燃料電池モジュール１内に導入された空気は、空気予熱器１１内に導入され、空気の予熱が行われる。
次に、空気予熱器１１から排出された予熱後の空気は、第７貫通孔７７（Ａ２）内に導入され、各固体酸化物形燃料電池セル３内に導入される。

次に、各固体酸化物形燃料電池セル３内にて発電のために使用された空気（空気残ガス）は、第６貫通孔７３（Ａ３）に導入され、第２発熱器９内に導入される。なお、第７貫通孔７７（Ａ２）から第６貫通孔７３（Ａ３）に至る空気の流路を、図９（ａ）に示す。

一方、第１０貫通孔８３（Ｆ１）を介して、固体酸化物形燃料電池モジュール１内に導入された燃料ガスは、燃料改質器１３内に導入され、燃料ガスの改質が行われる。
次に、燃料改質器１３から排出された改質後の燃料ガスは、第４貫通孔７１（Ｆ２）内に導入され、各固体酸化物形燃料電池セル３内に導入される。

次に、各固体酸化物形燃料電池セル３内にて発電のために使用された燃料ガス（燃料残ガス）は、第９貫通孔８１（Ｆ３）に導入され、第２発熱器９内に導入される。そして、この第２発熱器９内では、第９貫通孔８１（Ｆ３）から導入された燃料残ガスと前記第５貫通孔７３（Ａ３）から導入された空気残ガスとが反応して燃焼する。なお、第４貫通孔７１（Ｆ２）から第９貫通孔８１（Ｆ３）に至る空気の流路を、図９（ｂ）に示す。

次に、第２発熱器９内にて燃焼した排ガスは、第８貫通孔７９（Ｈ１）に排出され、更に、第８貫通孔７９（Ｈ１）から第１発熱器７内に導入される。
次に、第１発熱器７では、排ガス中における未反応の空気と燃料ガスとが反応して燃焼し、その排ガスは、第３貫通孔６９（Ｈ２）を介して、固体酸化物形燃料電池モジュール１外に排出される。

ｃ）次に、固体酸化物形燃料電池モジュール１の製造方法について、簡単に説明する。
まず、例えばＳＵＳ４３０からなる板材を打ち抜いて、インターコネクタ４５、５１、空気極フレーム５３、燃料極フレーム５９、セパレータ５７を製造した。

また、定法により、アルミナを主成分とするグリーンシートを所定形状に形成し、焼成して、絶縁フレーム５５を製造した。
固体酸化物形燃料電池セル３のセル本体４９を、定法に従って製造した。具体的には、燃料極３７のグリーンシート上に、固体酸化物体３９の材料を印刷し、その上に空気極４３の材料を印刷し、その後焼成した。尚、セル本体４９は、セパレータ５７にロウ付けして固定した。

そして、上述したインターコネクタ４５、５１、空気極フレーム５３、絶縁フレーム５５、燃料極フレーム５９、セル本体４９をロウ付けしたセパレータ５７、集電部材４７などを一体にして、各固体酸化物形燃料電池セル３を組み付けるとともに、各固体酸化物形燃料電池セル３を積層して固体酸化物形燃料電池スタック５を構成した。

そして、この固体酸化物形燃料電池スタック５の一方の側に、第１発熱器７と空気予熱器１１を積層配置し、他方の側に、第２発熱器９と燃料改質器１３を積層配置して、モジュール本体６３を構成した。

次に、モジュール本体６３の貫通孔６５〜８３に、絶縁スペーサ８５、８７を介して、ボルト１５ａ〜３３ａを嵌め込むとともに、その先端にナット１５ｂ〜３３ｂを螺合させた。

その後、このナット１５ｂ〜３３ｂを締め付けて、モジュール本体６３を押圧して一体化して固定し、固体酸化物形燃料電池モジュール１を完成した。
ｄ）この様に、本実施例の固体酸化物形燃料電池モジュール１は、固体酸化物形燃料電池スタック５の積層方向の両側に第１、第２発熱器７、９が積層され、更に、第１発熱器７の外側に空気予熱器１１が積層されるとともに、第２発熱器９の外側に燃料改質器１３が積層されて、一体に形成されている。

従って、空気予熱器１１と燃料改質器１３が吸熱の作用をしても、固体酸化物形燃料電池スタック５の積層方向における温度低下を抑制でき、固体酸化物形燃料電池スタック５における均一な温度分布を実現できる。

よって、直列接続にて組み合わされたセル群（スタック)において、温度分布のバラツキ（端部の温度低下）による電圧低下を防止できるので、出力(電流密度）を抑えた運転の必要がなく、その結果、高効率な運転ができるという顕著な効果を奏する。

なお、本実施例では、固定部材１５〜３３によって、モジュール本体６３を一体化したが、ロウ付け等によって、固体酸化物形燃料電池スタック５と第１発熱器７と空気予熱器１１と第２発熱器９と燃料改質器１３とを、一体に接合してもよい。

次に、実施例２について説明するが、前記実施例１と同様な内容の説明は省略する。
本実施例では、発熱器に特徴があるので、発熱器について説明する。なお、第１発熱器と第２発熱器は、ほぼ同様な構成であるので、ここでは、第２発熱器を例に挙げて説明する。

図１０に示す様に、本実施例の固体酸化物形燃料電池モジュールに用いる第２発熱器１２１は、５枚の金属製のプレート１２３〜１３１を積層したものであり、各プレート１２３〜１３１には、貫通孔１３３〜１５１が形成されている。

この第２発熱器１２１は、前記実施例１とは異なり、その内部の燃焼室１５３は、整流板の機能を有する第３プレート１２７により、上下２室に区分されている。
つまり、第２プレート１２５には、上室１５５に対応する開口部１５７が設けられ、第４プレート１２９には、下室１５９に対応する開口部１６１が設けられ、第３プレート１２７には、上室１５５と下室１５９を連通するために多数の連通孔１６３が形成されている。そして、上室１５５内には、前記実施例１と同様に、例えば粒状の担体に担持された燃焼触媒１６５が配置されている。

従って、本実施例では、空気残ガスは第５貫通孔１４１（Ａ３）から上室１５５に導入される。一方、燃料残ガスは第９貫通孔１４９（Ｆ３）から下室１５９に導入されてから、連通孔１６３を介して上室１５５に吹き上がる。そして、上室１５５にて空気残ガスと燃料残ガスとが混合して燃焼し、第８貫通孔１４７（Ｈ１）を介して排出される。

この様に、本実施例では、空気残ガスと燃料残ガスとが連通孔１６３によって均一に混合されることにより、効率良く燃焼するという利点がある。
なお、第１発熱器については、前記実施例１と同様な構成であってもよい。

次に、実施例３について説明するが、前記実施例２と同様な内容の説明は省略する。
本実施例では、発熱器に特徴があるので、発熱器について説明する。なお、第１発熱器と第２発熱器は同様な構成であるので、ここでは、第２発熱器を例に挙げて説明する。

図１１に示す様に、本実施例の固体酸化物形燃料電池モジュールに用いる第２発熱器１７１は、５枚の金属製のプレート１７３〜１８１を積層したものであり、各プレート１７３〜１８１には、貫通孔１８３〜２０１が形成されている。

この第２発熱器１７１は、前記実施例２と同様に、その内部の燃焼室２０３は、整流板の機能を有する第３プレート１７７により、上下２室に区分されている。
つまり、第２プレート１７５には、上室２０５に対応する開口部２０７が設けられ、第４プレート１７９には、下室２０９に対応する開口部２１１が設けられ、第３プレート１７７には、上室２０５と下室２０９を連通するために多数の連通孔２１３が形成されている。そして、上室２０５内には、前記実施例１と同様に、例えば粒状の担体に担持された燃焼触媒２１５が配置されている。

特に本実施例では、第１プレート１７３の外側表面に、伝熱と集電のために、銅板クラッド部２１７が形成されている。この銅板クラッド部２１７は、銅板が第１プレート１７３の表面に形成された凹部２１９に嵌め込まれてロウ付けされたものである。なお、銅板クラッド部２１７が固体酸化物形燃料電池スタックに接触する。

なお、第１発熱器については、前記実施例１と同様な構成であってもよい。
従って、本実施例では、前記実施例２と同様に、空気残ガスと燃料残ガスとが連通孔２１３によって均一に混合されることにより、効率良く燃焼するとともに、銅板クラッド部２１７によって、伝熱と集電が効率良く行われる。

次に、実施例４について説明するが、前記実施例１と同様な内容の説明は省略する。
図１２に示す様に、本実施例の固体酸化物形燃料電池モジュール２２１は、固体酸化物形燃料電池セル２２３が積層された固体酸化物形燃料電池スタック２２５の積層方向の両側に、集電板２２７、２２９が積層され、更に、各集電板２２７、２２９の外側に、発熱器２３１、２３３が積層されたものである。

なお、この集電板２２７、２２９は、固体酸化物形燃料電池スタック２２５の表面にロウ付けすることが好ましく、集電板２２７、２２９の材料としては、導電性の優れた金属材料が好ましい。

本実施例においても、前記実施例１と同様に、固体酸化物形燃料電池スタック２２５内の温度分布を均一化できるという効果を奏する。

次に、実施例５について説明するが、前記実施例１と同様な内容の説明は省略する。
図１３に示す様に、本実施例の固体酸化物形燃料電池モジュール２４１では、固体酸化物形燃料電池セル２４３が積層された固体酸化物形燃料電池スタック２４５の積層方向の両側に、集電板２４７、２４９が積層されている。

また、同図下方の集電板２４９の下面側には、発熱器２５１が積層され、更に、発熱器２５１の下面側にも、燃料改質器２５３が積層されている。
本実施例においても、前記実施例１と同様に、固体酸化物形燃料電池スタック２４５内の温度分布を均一化できるという効果を奏する。

次に、実施例６について説明するが、前記実施例１と同様な内容の説明は省略する。
図１４に示す様に、本実施例の固体酸化物形燃料電池モジュール２６１では、固体酸化物形燃料電池セル２６３が積層された固体酸化物形燃料電池スタック２６５の積層方向の両側に、集電板２６７、２６９が積層されている。

また、両集電板２６７、２６９の両側に、発熱器２７１、２７３が積層され、同図上方の発熱器２７１の外側（上側）に空気予熱器２７５が積層され、更に、同図下方の発熱器２７３の外側（下側）に燃料改質器２７７が積層されている。

本実施例においても、前記実施例１と同様に、固体酸化物形燃料電池スタック２６５内の温度分布を均一化できるという効果を奏する。

次に、実施例７について説明するが、前記実施例１と同様な内容の説明は省略する。
図１５に示す様に、本実施例の固体酸化物形燃料電池モジュール２８１では、モジュール本体２８３に異なる内径を有する貫通孔２８５〜３０３が形成されている。

つまり、燃料電池では、燃料ガスより空気を多く供給するので、空気を流す第２、第７、第５貫通孔２８７、２９７、２９３（Ａ１〜Ａ３）の内径と、排ガスを流す第８、第３貫通孔２９９、２８９（Ｈ１、Ｈ２）の内径を、燃料ガスを流す第１０、第４、第９貫通孔３０３、２９１、３０１（Ｆ１〜Ｆ３）より大きくする。例えば流量に対応した断面積に設定する。

それに応じて、図１６に示す様に、（内径の大きな貫通孔に対応する）ナット３０５、３０７の連通路３０９、３１１の内径も、（内径の小さな貫通孔に対応する）ナット３１３の連通路３１５の内径より大きくする。なお、各ボルト３１７の外径は同一である。

本実施例では、ガス流量に対応した内径に設定するので、ガスの流れがスムーズであるであるという利点がある。
尚、本発明は前記実施例になんら限定されるものではなく、本発明を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。

（１）例えば、発熱器を固体酸化物形燃料電池スタックに接触させるのではなく、例えばスペーサ等を介して近接して配置した場合でも、固体酸化物形燃料電池スタックの温度を均一化させる効果がある。

（２）発熱器に供給して燃焼させるガスとしては、空気残ガスや燃料残ガスが好適であるが、他のガスを発熱器内に供給して燃焼させてもよい。
（３）発熱器内にてガスを燃焼させる場合には、内部に燃焼を促す燃焼触媒を配置すると好適であるが、例えばセラミックヒータを配置して着火するようにしてもよい。

（４）貫通孔及びボルトにより、ガスの流路を構成できるが、ボルトとしては、中空ボルトを使用することもできる。
（５）発熱器をスタックの両側に配置する場合には、一方の発熱器と他方の発熱器を直列に接続しても良いが（即ち一方の発熱器から他方の発熱器にガスを流すようにしても良いが）、スタックからそれぞれの発熱器にガスを並列に供給するようにしてもよい。

実施例１の固体酸化物形燃料電池モジュールを示す斜視図である。 実施例１の固体酸化物形燃料電池モジュールを示す側面図である。 固体酸化物形燃料電池セルを分解した状態を示す説明図である。 （ａ）固体酸化物形燃料電池モジュールを示す平面図、（ｂ）モジュール本体の平面図である。 ボルトとその使用状態を破断して示す説明図である。 第２発熱器を分解して示し、（ａ）は第１プレートの平面図、（ｂ）は第２プレートの平面図、（ｃ）は第３プレートの平面図、（ｄ）は第２発熱器の断面図である。 第１発熱器を分解して示し、（ａ）は第１プレートの平面図、（ｂ）は第２プレートの平面図、（ｃ）は第３プレートの平面図、（ｄ）は第１発熱器の断面図である。 固体酸化物形燃料電池モジュールにおけるガスの流路を模式的に示す説明図である。 （ａ）スタックにおける空気の流路を示す説明図、（ｂ）スタックにおける燃料ガスの流路を示す説明図である。 実施例２における第２発熱器を分解して示し、（ａ）は第１プレートの平面図、（ｂ）は第２プレートの平面図、（ｃ）は第３プレートの平面図、（ｄ）は第４プレートの平面図、（ｅ）は第５プレートの平面図、（ｆ）は第２発熱器の断面図である。 実施例３における第２発熱器を分解して示し、（ａ）は第１プレートの平面図、（ｂ）は第２プレートの平面図、（ｃ）は第３プレートの平面図、（ｄ）は第４プレートの平面図、（ｅ）は第５プレートの平面図、（ｆ）は第２発熱器の断面図である。 実施例４の固体酸化物形燃料電池モジュールを示す側面図である。 実施例５の固体酸化物形燃料電池モジュールを示す側面図である。 実施例６の固体酸化物形燃料電池モジュールを示す側面図である。 実施例７の固体酸化物形燃料電池モジュールのモジュール本体を示す平面図である。 実施例７の固体酸化物形燃料電池モジュールを示す平面図である。 従来技術を示す説明図である。

符号の説明

１、２２１、２４１、２６１、２８１…固体酸化物形燃料電池モジュール
３、２２３、２４３、２６３…固体酸化物形燃料電池セル
５、２２５、２４５…固体酸化物形燃料電池スタック
７、９、１２１、１７１、２３１、２３３、２５１、２７１、２７３…発熱器
１１、２７５…空気予熱器
１３、２５３、２７７…ガス改質器
１５、１７、１９、２１、２３、２５、２７、２９、３１、３３…固定部材
３７…燃料極
３９…固体電解質体（固体酸化物体）
４３…空気極
６３、２８３…モジュール本体
９３、１６５、２１５…燃焼触媒

Claims (8)

1. 固体電解質体と、該固体電解質体の一面に設けられ、燃料ガスに接する燃料極と、該固体電解質体の他面に設けられ、酸化剤ガスに接する空気極とを備えた平板型の固体酸化物形燃料電池セルを、複数積層した固体酸化物形燃料電池スタックと、
   可燃ガスの燃焼によって発熱する発熱器と、
   を備えた固体酸化物形燃料電池モジュールであって、
   前記固体酸化物形燃料電池スタックの積層方向の少なくとも一方の端部に接触して又は近接して前記発熱器を配置したことを特徴とする固体酸化物形燃料電池モジュール。
2. 前記発熱器の内部に、ガスの燃焼触媒又は抵抗体ヒータを配置したことを特徴とする前記請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池モジュール。
3. 前記発熱器の前記固体酸化物形燃料電池スタック側と反対側に、前記燃料ガスの改質を行う改質器を配置したことを特徴とする前記請求項１又は２に記載の固体酸化物形燃料電池モジュール。
4. 前記発熱器の前記固体酸化物形燃料電池スタック側と反対側に、前記酸化剤ガスの予熱を行う予熱器を配置したことを特徴とする前記請求項１〜３のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池モジュール。
5. 前記発熱器が、前記固体酸化物形燃料電池スタックの集電板を兼ねることを特徴とする前記請求項１〜４のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池モジュール。
6. 前記固体酸化物形燃料電池セルから排出されるガスが前記発熱器に供給される流路を有し、発電時には、前記排出されたガスを前記発熱器の燃料として用いることを特徴とする前記請求項１〜５のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池モジュール。
7. 前記発熱器内には、前記燃料ガスが供給される流路と、前記酸化剤ガスが供給される流路と、両流路を区分する穴あき整流板を有し、前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスを前記穴あき整流板の連通孔を通過させて前記両ガスを混合することを特徴とする前記請求項１〜６のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池モジュール。
8. 前記固体酸化物形燃料電池スタックの積層方向の両側に、内部に燃焼触媒を有する前記発熱器を配置するとともに、前記両発熱器の流路を直列に接続し、
   更に、一方の前記発熱器の前記固体酸化物形燃料電池スタック側と反対側に、前記ガスの改質を行う改質器を配置するとともに、他方の前記発熱器の前記固体酸化物形燃料電池スタック側と反対側に、前記酸化剤ガスの予熱を行う予熱器を配置したことを特徴とする前記請求項１〜７のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池モジュール。