JP2011222159A - 固体酸化物形燃料電池，および固体酸化物形燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池スタックと補助器の安定した接続を可能とする固体酸化物形燃料電池，および固体酸化物形燃料電池システムを提供する。
【解決手段】固体酸化物形燃料電池は，第１の主面を有する燃料電池スタック１００と，気化器，改質器，燃焼器，及び熱交換器，の少なくとも一つを備える補助器２００と，補助器と一体に形成され，かつ第３〜第５の面と，第１〜第３の貫通孔１１１−１１４とを有する第１〜第３の部材１２０と，第１〜第３の貫通孔を貫通し，燃料電池スタックと補助器とを連結する第１〜第３の連結部材４１−４８とを具備し，第１〜第３の貫通孔と第１〜第３の連結部材の間それぞれを流路として，発電前後の燃料ガスおよび発電前後の酸化剤ガスのうちの２通り以上のガスが，燃料電池スタック１００と補助器２００間を流通する。
【選択図】図１

Description

本発明は，固体酸化物形燃料電池セルを積層した固体酸化物形燃料電池，および固体酸化物形燃料電池システムに関する。

電解質に固体酸化物を用いた固体酸化物形燃料電池（以下ＳＯＦＣとも記す）が知られている。このＳＯＦＣは，例えば，板状の固体電解質体の各面に燃料極と空気極とを備えた燃料電池セルを多数積層したスタック（燃料電池スタック）を有する。燃料極および空気極それぞれに，燃料ガスおよび酸化剤ガス（例えば，空気中の酸素）を供給し，固体電解質体を介して化学反応させることで，電力を発生させる。

ここで，燃料電池スタック，燃料ガス予熱器を積層，一体化した固体酸化物形燃料電池モジュールが開示されている（特許文献１，２参照）。この固体酸化物形燃料電池モジュールでは，燃料電池スタックに燃料電池スタックの運転を補助するための補助器（燃料ガス予熱器等）が積層される。

特開２００８−０２１５９５号公報 特開２００９−１０６９２７号公報

しかし，補助器と燃料電池スタックの外形サイズを揃えて積層すると，補助器のフレームの熱容量が大きく，固体酸化物形燃料電池モジュールの起動性を損なう可能性がある。それゆえ，補助器を燃料電池スタックとは別体とすることが望ましい。

一方，燃料電池スタックと補助器間でのガスのやり取りは，燃料ガスのＩＮ／ＯＵＴ，酸化剤ガスのＩＮ／ＯＵＴの4通りである。即ち，燃料電池スタックと補助器間に４つの流路を設け，これらの流路を気密に封止することが必要となる。燃料電池スタックと補助器をボルト等の締結具で締結することを考えると，燃料電池スタックと補助器の対向する面間の４箇所（４点Ａ〜Ｄ）での気密封止が必要となる。

しかしながら，板金等で補助器を製作する場合，補助器と燃料電池スタックでの４点が平面上に配置されず，気密が不十分となる可能性がある。即ち，４点Ａ〜Ｄにおいて，補助器と燃料電池スタック間でガスを流通させる場合，平面を規定する３点（Ａ，Ｂ，Ｃ）以外に，第４点（Ｄ）が平面の規定に寄与せず，バラツキの原因となる可能性がある。

上記に鑑み，本発明は，燃料電池スタックと補助器の安定した接続を可能とする固体酸化物形燃料電池，および固体酸化物形燃料電池システムを提供することを目的とする。

（１）本発明の一態様に係る固体酸化物形燃料電池は，複数の固体酸化物形燃料電池セルを積層して構成され，第１の主面を有し，燃料ガスおよび酸化剤ガスによって発電する燃料電池スタックと，液体燃料を気化して燃料ガスを発生する気化器，燃料ガスを改質する改質器，前記燃料電池スタックでの発電後の燃料ガスおよび酸化剤ガスを混合して燃焼させる燃焼器，及び，熱交換を行う熱交換器，のうちの少なくとも一つを備える補助器と，前記補助器と一体に形成され，かつ前記第１の主面とそれぞれ接触する第３〜第５の面と，前記第３〜第５の面それぞれに開口する第１〜第３の貫通孔とを有する第１〜第３の部材と，前記第１〜第３の貫通孔を貫通し，前記燃料電池スタックと前記補助器とを連結する第１〜第３の連結部材と，を具備し，前記第１〜第３の貫通孔と前記第１〜第３の連結部材の間それぞれを流路として，発電前後の燃料ガスおよび発電前後の酸化剤ガスのうちの２通り以上のガスが，前記燃料電池スタックと前記補助器間を流通することを特徴とする。

スタックの第１の主面と接触する第３〜第５の面が，補助器に一体に形成されているため，第３〜第５の面を基準（点）として燃料電池スタックの第１の主面に対応する平面を規定することができ，燃料電池スタックと補助器の安定した接続が可能となる。また，第３〜第５の面それぞれに開口する第１〜第３の貫通孔によって，発電前後の燃料ガスおよび発電前後の酸化剤ガスのうちの２通り以上のガスが，燃料電池スタックと補助器間を流通可能となる。即ち，燃料電池スタックからの発電後の酸化剤ガス（空気），発電後の燃料ガス（場合によっては，発電前の空気も）が通過する。

（２）（１）において，前記第３〜第５の面それぞれと前記第１の面の間に配置される第１〜第３の封止部材をさらに具備しても良い。
第１〜第３の封止部材により，第３〜第５の面と燃料電池スタックの第１の面の間のガスシール性の向上が図られる。

（３）（１）または（２）において，前記補助器は，前記改質器を備え，前記固体酸化物形燃料電池は，前記補助器と別体に形成され，かつ第４の貫通孔を有する第４の部材と，前記第４の貫通孔を貫通し，前記燃料電池スタックと前記第４の部材とを連結する第４の連結部材と，をさらに具備し，前記第４の貫通孔と前記第４の連結部材の間を流路として，前記改質器で改質された燃料ガスが前記燃料電池スタックに流通されてもよい。
第４の部材の第４の貫通孔を介して，改質された燃料ガスが補助器から燃料電池スタックに流通される。補助器とは別体に，第４の部材を形成することで，第４の部材の配置の自由度が向上し，かつガスシール性が向上しやすくなる（ガスシール性のみ着目すれば良い）。

（４）（３）において，前記第４の部材は，前記改質器に連通する第１連通部と，前記第４の貫通孔に連通する第２連通部と，前記第１連通部と前記第２連通部とを相対位置を調節可能に接続する接続部と，を備えてもよい。
前記第４の部材が接続部を備えることで，燃料電池スタックまたは補助器に対して相対位置を調整可能（可動）となる。つまり，補助器の第１〜３の部材の第３〜５の面がスタックの第１の主面に接触して固定されているため，第４の部材がスタックの第１の主面に合わせる必要がなくなり，スタックとの接続部位が自由に設定できるようになる。結果的に，第４の部材は接続部を介してスタックに接続する際に，例えばスタックと補助器との間の微小な（寸法の精度などにより発生する）相対位置ずれ（隙間）が発生したとしても，第４の部材がこの相対位置ずれ（隙間）を吸収してスタックに接続でき，スタックと第４部材との間における気密性が確保しやすくなる。

（５）固体酸化物形燃料電池システムが，（１）〜（４）の固体酸化物形燃料電池用補助器と，複数の固体酸化物形燃料電池セルを積層して構成され，前記改質された燃料ガスおよび酸化剤ガスにより発電し，前記残余の燃料ガスおよび前記残余の酸化剤ガスを排出する燃料電池スタックと，前記燃料電池スタックでの発電状態を制御する制御部と，を具備することを特徴とする。
（１）〜（４）に対応する作用効果を奏する固体酸化物形燃料電池システムが構成される。

本発明によれば，燃料電池スタックと補助器の安定した接続を可能とする固体酸化物形燃料電池，および固体酸化物形燃料電池システムを提供できる。

本発明の一実施形態に係る燃料電池システム１０を表す斜視図である。 燃料電池スタック１００，補助器２００を表す分解斜視図である。 燃料電池スタック１００，補助器２００を表す一部断面図である。 燃料電池スタック１００を表す分解斜視図である。 補助器２００を表す上面図である。 補助器２００の第１層２１０を表す斜視図である。 補助器２００の第２層２２０を表す斜視図である。 補助器２００の第３層２３０を表す斜視図である。

以下，図面を参照して，本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は，本発明の一実施形態に係る燃料電池システム１０を表す斜視図である。図２，図３はそれぞれ，燃料電池スタック１００，補助器２００を表す分解斜視図および一部断面図である。図３では，後述の貫通孔１１２，１１５を結ぶ線に沿って，燃料電池スタック１００を切断した状態を示している。

図１に示すように，燃料電池システム１０は，固体酸化物形燃料電池２０，制御部３０を有する。固体酸化物形燃料電池２０は，燃料ガスと酸化剤ガスの供給を受けて発電する装置であり，燃料電池スタック１００，補助器２００，発熱体３００を有する。

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。

制御部３０は，固体酸化物形燃料電池２０，特に，燃料電池スタック１００での発電状態を制御する。例えば，温度センサ（熱電対等）により燃料電池スタック１００の温度をモニタし，燃料電池スタック１００への燃料ガス（または酸化剤ガス）の供給量を変化させる。

燃料電池スタック１００は，略直方体形状をなし，上面１０１，底面１０２，貫通孔１１１〜１１８を有し，部材１２０が接続される。貫通孔１１１〜１１４は，上面１０１，底面１０２の辺近傍（後述の枠部１６０の辺近傍）を貫通し，貫通孔１１５〜１１８は，上面１０１，底面１０２の頂点近傍（後述の枠部１６０の頂点近傍）を貫通する。貫通孔１１１〜１１８にはそれぞれ，連結部材（締結具であるボルト４１〜４８，ナット５１〜５８）が取り付けられる。なお，ナット５３，５７は，判りやすさのために，図１〜図３いずれにおいても図示を省略している。

上面１０１側および底面１０２側それぞれでの貫通孔１１１の開口に，部材１２０および後述の部材２５０が配置される。部材１２０（部材１２１）の貫通孔，貫通孔１１１，および部材２５０の貫通孔２５４にボルト４１が挿通され，ナット５１がねじ込まれる。この結果，ボルト４１，ナット５１によって，部材１２０，燃料電池スタック１００，および補助器２００（部材２５０）が接続される。

部材１２０は，部材１２１，導入管１２２を有する。部材１２１は，略円筒形状をなし，略平面状の上面および底面，曲面状の側面，上面と底面間を貫通する貫通孔を有する。部材１２１の貫通孔と導入管１２２の内部とが連通する。

部材１２１の貫通孔と貫通孔１１１の径は略同一である。これらの径より，ボルト４１の軸の径が小さいことで，部材１２１の貫通孔とボルト４１の軸間，および貫通孔１１１とボルト４１の軸間を酸化剤ガス（空気）が通過する。即ち，酸化剤ガス（空気）が導入管１２２から流入し，部材１２１の貫通孔，および貫通孔１１１を経由して，燃料電池スタック１００内に流出する。

貫通孔１１１は部材２５０の貫通孔２５４と連通するが，部材２５０の下面２５２は，ナット５１によって封止される。この結果，底面１０２側の貫通孔１１１の開口からの酸化剤ガス（空気）の流入，流出が防止される。

貫通孔１１２および後述する部材２６０の貫通孔２６４にボルト４２が挿通され，ナット５２がねじ込まれる。この結果，ボルト４２，ナット５２によって，燃料電池スタック１００と補助器２００（部材２６０）が接続される。ここで，貫通孔１１２の径より，ボルト４２の軸の径が小さいことで，貫通孔１１２とボルト４２の軸間を発電後の残余の燃料ガスが通過する。即ち，貫通孔１１２は，燃料電池スタック１００から補助器２００に発電後の残余の燃料ガスを供給する流路として機能する。

貫通孔１１３および後述する部材２７０の貫通孔２７４にボルト４３が挿通され，ナット５３がねじ込まれる。この結果，ボルト４３，ナット５３によって，燃料電池スタック１００と補助器２００（部材２７０）が接続される。ここで，貫通孔１１３の径より，ボルト４３の軸の径が小さいことで，貫通孔１１３とボルト４３間を発電後の残余の酸化剤ガスが通過する。即ち，貫通孔１１３は，燃料電池スタック１００から補助器２００に発電後の残余の酸化剤ガスを供給する流路として機能する。

貫通孔１１４および後述の部材６０の貫通孔６４にボルト４４が挿通され，ナット５４がねじ込まれる。ここで，貫通孔１１４の径より，ボルト４４の軸の径が小さいことで，貫通孔１１４とボルト４４間を改質後の燃料ガスが通過する。即ち，貫通孔１１４は，補助器２００から燃料電池スタック１００に改質後の燃料ガスを供給する流路として機能する。

燃料電池スタック１００は，発電単位である平板形の燃料電池セル１５０が複数個積層されて構成される。複数個の燃料電池セル１５０が電気的に直列に接続される。

図４に示すように，前記燃料電池セル１５０は，いわゆる燃料極支持膜形タイプの燃料電池セルであり，上下一対の金属製のインターコネクタ１５１，１５２の間に，セル本体１５３が配置される。セル本体１５３とインターコネクタ１５１，１５２の間に，空気流路１５４，燃料ガス流路１５５が配置される。
セル本体１５３は，固体電解質体１５６の上下に，空気極（カソード）１５７，燃料極（アノード）１５８が積層されて構成される。空気極１５７とインターコネクタ１５１との間に，その導通を確保するために集電体１５９が配置されている。

固体電解質体１５６の材料としては，例えばＺｒＯ2系セラミック，ＬａＧａＯ3系セラミック，ＢａＣｅＯ_３系セラミック，ＳｒＣｅＯ_３系セラミック，ＳｒＺｒＯ_３系セラミック，及びＣａＺｒＯ_３系セラミック等が挙げられる。

空気極１５７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（Ｌａ_２Ｏ_３，ＳｒＯ，Ｃｅ_２Ｏ_３，Ｃｏ_２Ｏ_３，ＭｎＯ_２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_ｘＣｏＯ_３系複酸化物，Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＦｅＯ_３系複酸化物，Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＣｏ_１−ｙＦｅ_ｙＯ_３系複酸化物，Ｌａ1_−ｘＳｒ_ｘＭｎＯ_３系複酸化物，Ｐｒ_１−ｘＢａ_ｘＣｏＯ_３系複酸化物及びＳｍ_１−ｘＳｒ_ｘＣｏＯ_３系複酸化物等）が挙げられる。

燃料極１５８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ＺｒＯ_２系セラミック，ＣｅＯ_２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。

燃料電池セル１５０は，その外周縁部に枠部１６０を有する。枠部１６０は，インターコネクタ１５１，１５２（の外周縁部），空気極フレーム１６１，絶縁フレーム１６２，セパレータ１６３（の外周縁部），燃料極フレーム１６４から構成される。空気極フレーム１６１，絶縁フレーム１６２，セパレータ１６３，燃料極フレーム１６４は，いずれも四角枠状であり，セラミックス製の絶縁フレーム１６２を除き，金属製である。セパレータ１６３は，セル本体１５３に接合され，空気流路１５４，燃料ガス流路１５５間でのガスの移動を遮断する。

枠部１６０に，前述の貫通孔１１１〜１１８に対応する貫通孔が形成される。図３では，貫通孔１１２，１１４の断面を図示している。貫通孔１１４を通じて，補助器２００から燃料ガス流路１５５に改質された燃料ガスが流入する。貫通孔１１２を通じて，燃料ガス流路１５５から補助器２００に発電後の燃料ガスが流出する。

以下，補助器２００の概略を説明する。
図３に示すように，補助器２００は，混合器２１，改質器２２，燃焼器２３（燃焼室２３ａ，２３ｂ）を有し，第１層２１０〜第３層２３０に区分される。混合器２１，改質器２２はそれぞれ，第１層２１０および第２層２２０に配置される。燃焼器２３中，燃焼室２３ａは第１層２１０〜第３層２３０に，燃焼室２３ｂは第３層２３０に配置される。

改質器２２の上下それぞれに，混合器２１，燃焼室２３ｂが配置され，改質器２２の側部に燃焼室２３ａが配置される。即ち，混合器２１，燃焼器２３（燃焼室２３ａ，２３ｂ）は，改質器２２をその上下面および１の側面で囲うように，配置される。

燃料電池スタック１００から発生する，残余の燃料ガス（アノード排ガス）Ｇ０２，残余の酸化剤（カソード排ガス）Ｇ１２は混合器２１に流入し，混合される。残余の燃料ガスＧ０２は，燃料電池スタック１００の貫通孔１１２，後述の部材２６０の貫通孔２６４および連通孔２６５を経由して，混合器２１に流入する。残余の酸化剤ガスＧ１２は，燃料電池スタック１００の貫通孔１１３，後述の部材２７０の貫通孔２７４および連通孔２７５を経由して，混合器２１に流入する。

混合器２１で混合された残余の燃料ガスおよび残余の酸化剤（混合ガスＧ２）は，燃焼器２３（燃焼室２３ａ，２３ｂ）中の燃料用触媒により燃焼する。燃焼した混合ガスは配管２９３から排ガスＧ３として排出される。なお，混合器２１にある混合されたガスは，発火点以上の温度であれば，混合器２１において燃焼することもできる（いわゆる火焔燃焼）。

改質器２２には，改質用の触媒が充填され，燃料ガスを改質する。燃料ガスＧ００は配管２９１から改質器２２に流入し，改質された燃料ガスＧ０１は配管２９２，部材６０の配管６６，貫通孔６４，燃料電池スタック１００の貫通孔１１４を経由して，燃料電池スタック１００に流入し，発電に用いられる。

ここで，燃焼器２３での燃焼で発生した熱は，熱交換により改質器２２に移行し，改質を促進するために用いられる。改質器２２の側面と下面に燃焼室２３ａ，２３ｂが配置されていることから，燃焼器２３から改質器２２に効率的に熱が移行する。

以下，図２，図５〜図８に基づき，補助器２００の詳細を説明する。図５は，補助器２００の上面図である。図６〜図８はそれぞれ，補助器２００の上板２０１，仕切板２０７，２０８を除外して，補助器２００の第１層２１０〜第３層２３０の内部を表した斜視図である。

補助器２００は，上板２０１，底板２０２，側板２０３〜２０６，仕切板２０７，２０８を有する。上板２０１，底板２０２，側板２０３〜２０６は，補助器２００の内部と外部とを隔て，略直方体形状の空間を形成する。この空間は，仕切板２０７，２０８によって，上から順に，第１層２１０〜第３層２３０に仕切られる。

補助器２００の側板２０３〜２０５それぞれに部材（マニホールド）２５０〜２７０が接続される。部材２５０〜２７０はそれぞれ，平面状の上面２５１〜２７１，平面状の下面２５２〜２７２，曲面状の側面２５３〜２７３を有する。上面２５１〜２７１と下面２５２〜２７２の間に貫通孔２５４〜２７４が形成される。また，部材２６０，２７０は，貫通孔２６４〜２７４と第１層２１０の内部を連通する連通孔２６５，２７５を有する。

補助器２００の側板２０６に沿って，貫通孔１１４の底面１０２側に，部材６０が配置される。部材６０は，略円筒形状であり，平面状の上面６１，平面状の下面６２，曲面状の側面６３を有する。上面６１と下面６２の間に貫通孔６４が形成され，側面６３に貫通孔６４と連通する配管６６が接続される。

補助器２００には配管２９１〜２９３が接続される。
配管２９２，部材６０間に，部材７０が接続され，補助器２００から燃料電池スタック１００への改質された燃料ガスの供給が可能となる。部材７０は，部材７１，７２を有する。
部材７１は，互いに連通する中空を有し，互いに直角に配置される継ぎ手７３，７４を有する。
部材７２は，互いに連通する中空を有し，互いに直角に配置される配管７５，継ぎ手７６を有する。

継ぎ手７３，７４，７６は，配管２９２，７５，６６に締め込まれ，接続される。ここで，締め込みが完了するまで，部材７１，７２，６０はそれぞれ，回転および移動が可能である。

図２，図３に示すように，貫通孔１１１〜１１４それぞれに対応して，燃料電池スタック１００と，補助器２００の間に，封止部材８１および位置決め部材８２が配置される。

封止部材（シール用パッキン）８１は，例えば，リング形状マイカであり，ボルト４１〜４４にナット５１〜５４を締め込むことで，燃料電池スタック１００の底面１０２と部材６０，２５０〜２７０の上面６１，２５１〜２７１間を気密に封止される。

位置決め部材８２は，例えば，セラミック（アルミナ等）製のリングであり，燃料電池スタック１００の貫通孔１１１〜１１４と部材６０，２５０〜２７０の貫通孔６４，２５４〜２７４の軸が一致するように，燃料電池スタック１００と部材６０，２５０〜２７０を保持する。

燃料電池スタック１００の底面１０２には，貫通孔１１１〜１１４に対応するリング状の凹部が形成される。また，部材６０，２５０〜２７０の上面６１，２５１〜２７１には，貫通孔６４，２５４〜２７４に対応するリング状の凹部が形成される。位置決め部材８２の両端がこれらの凹部に挿入されることで，燃料電池スタック１００の貫通孔１１１〜１１４と部材６０，２５０〜２７０の貫通孔６４，２５４〜２７４の軸が一致するようになる。

部材２５０〜２７０はそれぞれ，補助器２００と一体に形成され，かつ燃料電池スタック２００の第１の主面（底面１０２）とそれぞれ接触する第３〜第５の面（上面２５１〜２７１）と，前記第３〜第５の面それぞれに開口する第１〜第３の貫通孔（貫通孔２５４〜２５７）とを有する第１〜第３の部材として機能する。

第３〜第５の面（上面２５１〜２７１）は，略同一平面（仮想平面）上に配置される。この仮想平面は，上面２５１〜２７１のそれぞれの中心（３つのそれぞれの重心）によって規定される平面である。この仮想平面に対して，上面２５１〜２７１が例えば，Ｚ方向に±０．２ｍｍの範囲であれば，上面２５１〜２７１が略同一平面上に配置されるとして良い。

部材６０（貫通孔６４，配管６６）および部材７０（部材７１，７２）は，補助器と別体に形成され，かつ第４の貫通孔（貫通孔６４）を有する第４の部材として機能する。この内，部材７１，配管６６はそれぞれ，改質器２２に連通する第１連通部，および第４の貫通孔（貫通孔６４）に連通する第２連通部として機能する。部材７２は，第１連通部と前記第２連通部とを相対位置を調節可能に接続する接続部として機能する。具体的には，継ぎ手７６等によって部材７１と配管６６間が相対位置を調節可能に接続される。

ボルト４２〜４４，ナット５２〜５４はそれぞれ，第１〜第３の貫通孔を貫通し，前記燃料電池スタックと前記補助器とを連結する第１〜第３の連結部材として機能する。
ボルト４１は，第４の貫通孔（貫通孔６４）を貫通し，燃料電池スタック１００と第４の部材（部材６０）とを連結する第４の連結部材として機能する。

ここでは，上面２５１〜２７１が略同一面上に配置するように部材２５０〜２７０を補助器２００と一体に形成し（例えば，溶接により，部材２５０〜２７０を補助器２００に固定する），部材６０を可動としている。以下，この理由を説明する。

本実施形態では，固体酸化物形燃料電池２０全体を極力コンパクトにまとめ，燃料電池スタック１００と補助器２００を極力近傍に配置することを考慮し，燃料電池スタック１００と補助器２００間でのガスシールに，燃料電池スタック１００の底面１０２を利用している（面シール）。

ここで，確実なシールの成立には，燃料ガスおよび酸化剤ガスのＩＮ／ＯＵＴの流路をシールする４つのシール部（部材２５０〜２７０，６０の上面２５１〜２７１，６１）が同一平面上にあることが必要であるが，補助器２００は，一般に，板金，溶接で製作されており，現実的には困難である。
幾何学的には，面は３点で規定され，その面に対し第４点目以降は先に構成した面に対してはバラつきにしかならない。この考え方よりシール部を３箇所（部材２５０〜２７０の上面２５１〜２７１）にすることにより安定的なシールが出来ると考え，残りのバラつきとなる１箇所（部材６０の上面６１）に関しては可動式独立構造とすることで部品製作精度の影響を受けにくいシール構造としている。

この可動シール部分（部材６０）をリークによる安全面，性能面への影響が大きい燃料ガスの流路として利用している。部材６０は，燃料電池スタックと補助器の機械的接続の強度の確保には用いられず，機械的応力が加わり難いことから，部材６０からのガスのリークは生じにくいと考えられるからである。

図６に示すように，第１層２１０は仕切板２１１〜２１６で仕切られている。仕切板２１６には，網が配置された開口２１７，２１８を有する。

第１層２１０に，混合器２１，および燃焼器２３の一部（燃焼室２３ａの一部）が配置される。
混合器２１は，改質された燃料ガスによる発電後の残余の燃料ガスと，発電後の残余の酸化剤ガスと，を混合して混合ガスを生成するものであり，上板２０１，側板２０３〜２０５，仕切板２０７，２１１，２１５，２１６から構成される。
混合器２１は，流路２１ａ，２１ｂ，合流室２１ｃ，調整室２１ｄを有する。

流路２１ａは，残余の燃料ガスを流す第１の流路であり，上板２０１，側板２０４，２０５，仕切板２０７，２１１〜２１３で構成される。
流路２１ｂは，残余の酸化剤ガスを流す第２の流路であり，上板２０１，側板２０５，仕切板２０７，２１３，２１４で構成される。

合流室２１ｃは，流路２１ａ，２１ｂに接続され，流路２１ａ，２１ｂから互いに沿って流入する残余の燃料ガスおよび残余の酸化剤ガスを合流させて，混合ガスを生成する合流室であり，上板２０１，側板２０３，仕切板２０７，２１２，２１４，２１５で構成される。

仕切板２１３の端部と，仕切板２１２および２１４それぞれの間に流路２１ａ，２１ｂそれぞれから合流室２１ｃへの流入部Ｉ１，Ｉ２が構成される。仕切板２１４の端部と側板２０３の間に，合流室２１ｃから調整室２１ｄへの流出部Ｏ１が構成される。

調整室２１ｄは，上板２０１，側板２０３，２０５，仕切板２０７，２１４，２１５で構成される。
開口２１７，２１８は，調整室２１ｄから燃焼器２３への混合ガスの流出部Ｏ２である。

部材２６０から連通孔２６５を通じて，残余の燃料ガスが流路２１ａに流入し，仕切板２１２に沿ってＹ方向に進む。その後，側板２０５および仕切板２１３によってＸ方向および−Ｙ方向に向きを変えて，流入部Ｉ１から合流室２１ｃに流入する。
部材２７０から連通孔２７５を通じて，残余の酸化剤ガスが流路２１ｂに流入し，仕切板２１３，２１４に沿って−Ｙ方向に進み，流入部Ｉ２から合流室２１ｃに流入する。

このように，流入部Ｉ１，Ｉ２から合流室２１ｃに互いに沿った方向（例えば，互いに平行）に残余の燃料ガスおよび残余の酸化剤ガスが流入し，合流室２１ｃ内で合流し，残余の燃料ガスおよび残余の酸化剤ガスが混合した混合ガスが生成される。

ここで，流路２１ａの幅（仕切板２１２，２１３の間隔）が流路２１ｂの幅（仕切板２１３，２１４の間隔）より小さい。流路２１ａから流入する残余の燃料ガスの流量は，流路２１ｂから流入する残余の酸化剤ガスの流量より小さいことから，流路２１ａ，２１ｂそれぞれから流入する残余の燃料ガスおよび残余の酸化剤ガスの流速を対応させるためである（流速の調節）。流路２１ａ，２１ｂそれぞれから合流室２１ｃに流入するガスの流速を対応させることで，合流室２１ｃでのガスの混合が促進される。

流入部Ｉ１，Ｉ２から合流室２１ｃに流入する残余の燃料ガスおよび残余の酸化剤ガス（特に残余の燃料ガス）は，仕切板２１５に反射されて，流出部Ｏ１に向かう方向に流れが転換される。即ち，仕切板２１５は，流入部Ｉ１，Ｉ２から流入する残余の燃料ガスおよび残余の酸化剤ガスと，を反射して，流出部Ｏ１に向かう方向に，流れる方向を転換させる反射壁として機能する。この結果，残余の燃料ガスおよび残余の酸化剤ガスの混合が促進される。

合流室２１ｃで生成された混合ガスは流出部Ｏ１から調整室２１ｄに流入し，流出部Ｏ２から燃焼室２３ａに流入する。
ここで，流出部Ｏ２の開口２１８は開口２１８より流出部Ｏ１から遠く，開口２１８は開口２１８より開口が大きい。流出部Ｏ２の開口の大きさを流出部Ｏ１からの距離に応じて段階的に変化させることで，調整室２１ｄから燃焼室２３ａに流入する混合ガスの流量の均一化を図っている。即ち，混合ガスが燃焼室２３ａの特定部位に集中して，燃焼用触媒が局所的に消耗することを防止している。仕切板２６１中で開口２１７，２１８が形成されていない領域は，調整室２１ｄから燃焼室２３ａへの混合ガスの流出を制限し，流量の均一化を図る邪魔部材として機能する。

ここでは，仕切板２６１に２つの開口２１７，２１８を形成しているが，開口の数を３つ以上としても良い。この場合，３つ以上の開口の大きさが，流出部Ｏ１からの距離に応じて，段階的に変化する。
また，流出部Ｏ２の開口の大きさが，流出部Ｏ１からの距離に応じて，連続的に変化しても良い。

図７に示すように，第２層２２０は仕切板２２１〜２２４で仕切られている。仕切板２２１には，配管２９１，２９２と連通する開口２２６，２２７を有する。開口２２６，２２７に対向して網２２８，２２９が配置される。

第２層２２０に，燃焼器２３の一部（燃焼室２３ａの一部）および改質器２２が配置される。
改質器２２は，燃料ガスを改質して改質ガスを生成するものであり，側板２０３〜２０５，仕切板２０７，２０８，２２１，およびこの空間内に充填される改質用の触媒から構成される。

改質用の触媒は，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ためのものであり，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である。

配管２９１，開口２２６から改質器２２内に燃料ガスが流入する。燃料ガスは，改質器２２内で仕切板２２２〜２２４により蛇行して進み，触媒によって改質される。改質された燃料ガスは，開口２２７，配管２９２，部材７０，６０を経て，燃料電池スタック１００に流入する。

図８に示すように，第３層２３０は仕切板２３１〜２３４で仕切られている。第３層２３０において側板２０５に，突出部２４０の内部と連通し，網を有する開口２３５が配置される。

第３層２３０に，燃焼器２３の一部（燃焼室２３ａの一部および燃焼室２３ｂ）が配置される。
燃焼器２３は，混合ガスを燃焼するものであり，燃焼室２３ａ，２３ｂに区分される。
燃焼室２３ａは，第１層２１０〜第３層２３０に配置され，上板２０１，底板２０２，側板２０３，２０５，２０６，仕切板２１６，２２１，２３１で構成される。燃焼室２３ｂは，第３層２３０に配置され，底板２０２，側板２０３，２０５，仕切板２０８，２３１で構成され，仕切板２３２〜２３４で仕切られる。
燃焼室２３ａ，２３ｂは，側板２０５，仕切板２３１間に構成される開口Ｏ３で連通している。

第３層２３０において，側板２０６に突出部２４０が接続される。突出部２４０は，上板，底板，３つの側板を有し，配管２９３と接続される。既述のように，突出部２４０は，開口２３５によって，燃焼室２３ｂと連通する。

開口２１７，２１８から燃焼室２３ａ，２３ｂに順に混合ガスが流入する。混合ガスは，燃焼室２３ａ内で−Ｚ方向に進み，燃焼室２３ｂに流入する。燃焼室２３ｂ内で仕切板２３２〜２３４により蛇行して進む。燃焼室２３ａ，２３ｂ内の燃焼用触媒によって混合ガスが燃焼，発熱する。燃焼した混合ガスは開口２３５，配管２９３を経て，外部に排出される。

燃焼用触媒としては，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。燃焼用触媒の担体としては，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。

発熱体３００は，起動時に補助器２００を加熱するためのたとえば平面燃焼型ガスバーナーである。起動時において，補助器２００内の触媒の速やかな活性化を可能とする。

本実施形態では，燃焼室２３ａによって，補助器２００内での鉛直方向（−Ｚ方向）のガス移動を図っている。即ち，補助器２００内での鉛直方向のガスの流路にボルト穴を用いていないことから，鉛直方向のガス移動がボトルネックにならなくなったことにより圧力損失が低減した。

燃焼室２３ａが，改質器２２の側部に配置されることで，燃焼器２３全体としての能力も向上した。即ち，燃焼エネルギーを集中的に改質器２２に伝達することが可能となり，改質器２２としての能力も向上した

上記実施形態では，４つの締結点（部材２５０〜２７０，６０の上面２５１〜２７１，６１）中の３つ（部材２５０〜２７０の上面２５１〜２７１）を補助器２００と一体に形成し，残り１の締結点（部材６０の上面６１）を積層軸方向（Ｚ方向）に移動可能とした。この結果，燃料電池スタック１００と補助器２００間での面シール性が改善される。

あらゆる平面は３点によって規定され，４点目以降は３点で規定された平面に対してはばらつきにしかならない。４つの締結点（部材２５０〜２７０，６０の上面２５１〜２７１，６１）を同一平面内に収める為には３つの締結点（部材２５０〜２７０）を補助器２００と一体に形成し，４つ目の締結点（部材６０）を可動式とした。
可動部（部材６０）は，確実なシール性が確保できるため，水素リッチガスが流れガスリークが起こりやすい燃料ガスの入口側とした。

以上を纏めると，次に示すように，本実施形態では，燃料電池スタック１００と補助器２００の安定的な接続およびシール性の確保が可能となる。また，燃料ガスが流入する「燃料ＩＮ」流路での確実なシールが容易となる。

（１）上面２５１〜２７１が略同一面上に配置するように部材２５０〜２７０を補助器２００と一体に形成することで，燃料電池スタック１００と補助器２００の，ズレ，変形の少ない（安定した）平面接続が可能になる。

（２）部材２５０〜２７０は，「燃料ガスＯＵＴ」，「酸化剤ガス（例えば，空気）ＩＮ」，「酸化剤ガスＯＵＴ」流路を兼ねる。「燃料ガスＩＮ」の流路をこれら３点から除外することで，燃料ガスの漏れの防止がより確実となる。

（３）部材６０は，可動とし，「燃料ＩＮ」流路とする。この結果，設計自由度が向上し，かつ部材６０からの燃料ガスの漏れの防止が容易となる。

（その他の実施形態）
本発明の実施形態は上記の実施形態に限られず拡張，変更可能であり，拡張，変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
上記実施形態では，補助器２００内に，燃料ガスを改質する改質器，および発電後の燃料ガスおよび酸化剤ガスを混合して燃焼させる燃焼器を配置している。補助器２００内に，これら以外の要素を追加あるいは入れ換えることも可能である。この要素として，液体燃料を気化して燃料ガスを発生する気化器，熱交換を行う熱交換器が考えられる。即ち，補助器２００内には，改質器，燃焼器，気化器，および熱交換器のうちの少なくとも１つを配置することが考えられる。

また，上記実施形態では，貫通孔１１２，１１３を経由して，燃料電池スタック１００，補助器２００間で２通りのガス（燃料電池スタック１００からの発電後の酸化剤ガス（空気），発電後の燃料ガス）が流通する。この場合，貫通孔１１１は，燃料電池スタック１００，補助器２００間でのガスの流通には用いられない。
これに対して，例えば，発電前の空気の流通に，貫通孔１１１を用いることも可能である。例えば，補助器２００で加熱された空気を部材２５０，貫通孔１１１を経由して，燃料電池スタック１００に流入させる（部材２５０に補助器２００と連通する連通孔を設ける）。この場合，部材１２０は除外され，貫通孔１１１の上面は，他の貫通孔１１２〜１１４と同様にボルト４１の頭で閉鎖される。

１０…燃料電池システム，２０…固体酸化物形燃料電池，２１…混合器，２１ａ，２１ｂ…流路，２１ｃ…合流室，２１ｄ…調整室，２２…改質器，２３…燃焼器，２３ａ，２３ｂ…燃焼室，３０…制御部，４１-４８…ボルト，５１-５８…ナット，６０…部材，６１…上面，６２…下面，６３…側面，６４…貫通孔，６６…配管，７０…部材，７１，７２…部材，７３，７４，７６…継ぎ手，７５…配管，１００…燃料電池スタック，１０１…上面，１０２…底面，１１１-１１８…貫通孔，１２０…部材，１５０…燃料電池セル，１５１…インターコネクタ，１５３…セル本体，１５４…空気流路，１５５…燃料ガス流路，１５６…固体電解質体，１５７…空気極，１５８…燃料極，１５９…集電体，１６０…枠部，１６１…空気極フレーム，１６２…絶縁フレーム，１６３…セパレータ，１６４…燃料極フレーム，２００…補助器，２０１…上板，２０２…底板，２０３〜２０６…側板，２０７，２０８…仕切板，２１０…第１層，２１１-２１６…仕切板，２１７，２１８…開口，２２０…第２層，２２１-２２４…仕切板，２２６，２２７…開口，２２８，２２９…網，２３０…第３層，２３１-２３４…仕切板，２３５…開口，２４０…突出部，２５０-２７０…部材，２５１-２７１…上面，２５２-２７２…下面，２５３-２７３…側面，２５４-２７４…貫通孔，２６５，２７５…連通孔，２９１-２９３…配管，３００…発熱体

Claims (5)

1. 複数の固体酸化物形燃料電池セルを積層して構成され，第１の主面を有し，燃料ガスおよび酸化剤ガスによって発電する燃料電池スタックと，
   液体燃料を気化して燃料ガスを発生する気化器，燃料ガスを改質する改質器，前記燃料電池スタックでの発電後の燃料ガスおよび酸化剤ガスを混合して燃焼させる燃焼器，及び，熱交換を行う熱交換器，のうちの少なくとも一つを備える補助器と，
   前記補助器と一体に形成され，かつ前記第１の主面とそれぞれ接触する第３〜第５の面と，前記第３〜第５の面それぞれに開口する第１〜第３の貫通孔とを有する第１〜第３の部材と，
   前記第１〜第３の貫通孔を貫通し，前記燃料電池スタックと前記補助器とを連結する第１〜第３の連結部材と，
   を具備し，
   前記第１〜第３の貫通孔と前記第１〜第３の連結部材の間それぞれを流路として，発電前後の燃料ガスおよび発電前後の酸化剤ガスのうちの２通り以上のガスが，前記燃料電池スタックと前記補助器間を流通する
   ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
2. 前記第３〜第５の面それぞれと前記第１の面の間に配置される第１〜第３の封止部材をさらに具備する
   ことを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池。
3. 前記補助器は，前記改質器を備え，
   前記固体酸化物形燃料電池は，
   前記補助器と別体に形成され，かつ第４の貫通孔を有する第４の部材と，
   前記第４の貫通孔を貫通し，前記燃料電池スタックと前記第４の部材とを連結する第４の連結部材と，をさらに具備し，
   前記第４の貫通孔と前記第４の連結部材の間を流路として，前記改質器で改質された燃料ガスが前記燃料電池スタックに流通する
   ことを特徴とする請求項１または２のいずれか１項に記載の固体酸化物形燃料電池。
4. 前記第４の部材は，
   前記改質器に連通する第１連通部と，
   前記第４の貫通孔に連通する第２連通部と，
   前記第１連通部と前記第２連通部とを相対位置を調節可能に接続する接続部と，を備える
   ことを特徴とする請求項３に記載の固体酸化物形燃料電池。
5. 請求項１乃至４に記載の固体酸化物形燃料電池と，
   前記燃料電池スタックでの発電状態を制御する制御部と，
   を具備することを特徴とする固体酸化物形燃料電池システム。

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