JP2012022834A - 固体酸化物形燃料電池装置および固体酸化物形燃料電池スタック用燃焼器 - Google Patents

Abstract

【課題】ＣＯの排出が抑制された固体酸化物形燃料電池装置および燃料電池用燃焼器を提供する。
【解決手段】固体酸化物形燃料電池装置は，第１，第２の主面を有し，燃料ガスおよび酸化剤ガスによって発電し，第１の排ガスを排出する燃料電池スタックと，前記第１の排ガスに含まれる可燃性ガスを火炎燃焼させて，第２の排ガスを排出する火炎燃焼室と，前記第２の排ガスに含まれる可燃性ガスを触媒燃焼させる触媒燃焼室と，を具備し，前記火炎燃焼室および前記触媒燃焼室の少なくともいずれかの一部が前記第１，第２の主面の少なくともいずれかに接触または近接して配置される。
【選択図】図２

Description

本発明は，固体酸化物形燃料電池装置および固体酸化物形燃料電池スタック用燃焼器に関する。

従来より，燃料電池として，固体電解質（固体酸化物）を用いた固体酸化物形燃料電池（以下，ＳＯＦＣと記す）が知られている。このＳＯＦＣでは，発電単位として，例えば，固体電解質層の一方の側に燃料ガスに接する燃料極を設け，他方の側に空気と接する空気極を設けた発電セルが使用されている。そして所望の電圧を得るためにこのセルを複数積層（スタック）したＳＯＦＣが開発されている。発電に使用される燃料ガスや酸化剤ガスは，セルの積層方向と直交する横方向から燃料極や酸化剤極の表面に沿って流れ，使用に供された燃料ガスや酸化剤ガスは，同様に横方向から排ガスとして排出される。

なお，燃焼触媒や抵抗体ヒータを設置した燃焼器によって，排ガス中に残留する燃料ガスを燃焼させる技術が知られている（特許文献１参照）。即ち，残留する燃料ガスを火炎燃焼，あるいは触媒燃焼する。

特開２００９−９３９２３号公報

ここで，これらの燃焼での問題点を下記に挙げる。
・火炎燃焼では，（１）不完全燃焼（ＣＯガス排出），（２）起動停止時の燃焼が，触媒燃焼では，（３）混合不足による不完全燃焼，（４）触媒耐久性が問題となる可能性がある。

（１）燃料電池の排ガスは水蒸気を多く含み，また酸素，燃料濃度が低いために，不完全燃焼し，高濃度のＣＯが排出される可能性がある。
（２）不活性ガスを使用できない燃料電池システムでは，起動，停止時に燃料電池の燃料極，改質触媒を保護するため，都市ガスを投入する必要がある。しかし，低温であるため，燃焼させるためには，ヒーターなどの着火源が必要で構造が複雑になる。
（３）発電後の空気残ガスと燃料残ガスをそのまま触媒に投入しても，混合不足のために，不完全燃焼する可能性がある。
（４）一般的な触媒は貴金属触媒（Ｐｔ，Ｐｄ）であるが，高温で使用すると焼結劣化や蒸発が起こり，触媒機能が低下する。また燃料電池は高温（例えば，７００℃）で運転され，その排ガスを処理すると，触媒は部分的に極めて高温（例えば，１０００℃以上）に達し，触媒の寿命が短くなる。
本発明は，ＣＯの排出が抑制された固体酸化物形燃料電池装置および固体酸化物形燃料電池スタック用燃焼器を提供することを目的とする。

本発明の一形態に係る固体酸化物形燃料電池装置は，第１，第２の主面を有し，燃料ガスおよび酸化剤ガスによって発電し，第１の排ガスを排出する燃料電池スタックと，前記第１の排ガスに含まれる可燃性ガスを火炎燃焼させて，第２の排ガスを排出する火炎燃焼室と，前記第２の排ガスに含まれる可燃性ガスを触媒燃焼させる触媒燃焼室と，を具備し，前記火炎燃焼室および前記触媒燃焼室の少なくともいずれかの一部が前記第１，第２の主面の少なくともいずれかに接触または近接して配置される。

この固体酸化物形燃料電池装置では，火炎燃焼室，触媒燃焼室で順次に可燃性ガスを燃焼させることで，次のような結果が得られる。
・触媒燃焼の前に，火炎燃焼により可燃性ガスが低減することから，触媒の使用量が低減される（燃焼触媒の長寿命化）。
・火炎燃焼室で酸化剤ガスと燃料ガスが予混合されることで，触媒燃焼室でのスムーズな燃焼を確保できる。
・火炎燃焼で発生したＣＯを触媒燃焼で燃焼することでＣＯの排出を抑制できる。
・起動停止時でも触媒燃焼による発熱が可能である（触媒燃焼は火炎燃焼より燃焼開始温度を低温化できる）。

また，この固体酸化物形燃料電池装置では，火炎燃焼室および触媒燃焼室の少なくともいずれかの一部が前記第１，第２の主面の少なくともいずれかに接触または近接して配置することで，火炎燃焼室または触媒燃焼室での燃焼による発熱を燃料電池スタックに効率的に伝達できる。この結果，燃料電池スタックの温度低下が防止され，効率的な発電が可能となる。

（１）前記触媒燃焼室が，前記第２の排ガスに含まれる可燃性ガスを触媒燃焼させて，第３の排ガスを排出する第１の触媒燃焼室と，前記第３の排ガスに含まれる可燃性ガスを触媒燃焼させる第２の触媒燃焼室と，を有し，前記火炎燃焼室および前記第１の触媒燃焼室が，前記第１の主面に接触または近接して配置され，前記第２の触媒燃焼室が，前記第２の主面に接触または近接して配置されても良い。
第１，第２の触媒燃焼室をそれぞれ第１，第２の主面に接触または近接して配置することで，触媒燃焼の発熱を燃料電池スタックに効率的に伝達できる。

（２）前記火炎燃焼室が前記第１の主面に接触または近接して配置され，前記触媒燃焼室が前記第２の主面に接触または近接して配置されても良い。
火炎燃焼室を第２の主面に接触または近接して配置することで，火炎燃焼の発熱を燃料電池スタックに効率的に伝達できる。

（３）第３，第４の主面を有し，燃料ガスを改質し，前記燃料電池スタックに供給する改質器，をさらに具備し，前記触媒燃焼室の一部および前記火炎燃焼室が，前記第１，第３の主面の間，かつ前記第１，第３の主面に接触または近接して配置され，前記触媒燃焼室の残部が，前記第４の主面に接触または近接して配置されても良い。
火炎燃焼および触媒燃焼の発熱を改質器に効率的に伝達できる。

（４）前記火炎燃焼室および前記触媒燃焼室の全容積に対する，前記火炎燃焼室の容積の比率が，１／４以上，９／１０以下であってもよい。
容積の比率をこの範囲とすることで，ＣＯの排出の抑制および燃焼触媒の耐久性の確保が可能となる。

本発明の一形態に係る固体酸化物形燃料電池スタック用燃焼器は，固体酸化物形燃料電池スタックから排出される第１の排ガスに含まれる可燃性ガスを火炎燃焼させて，第２の排ガスを排出する火炎燃焼室と，前記第２の排ガスに含まれる可燃性ガスを触媒燃焼させる触媒燃焼室と，を具備し，前記火炎燃焼室及び前記触媒燃焼室の少なくともいずれかの一部が，前記固体酸化物形燃料電池スタックの第１，第２の主面の少なくともいずれかに接触または近接して配置される。

この固体酸化物形燃料電池スタック用燃焼器では，火炎燃焼室，触媒燃焼室で順次に可燃性ガスを燃焼させることで，次のような結果が得られる。
・触媒燃焼の前に，火炎燃焼により可燃性ガスが低減することから，触媒の使用量が低減される（燃焼触媒の長寿命化）。
・火炎燃焼室で酸化剤ガスと酸化剤ガスが予混合されることで，触媒燃焼室でのスムーズな燃焼を確保できる。
・火炎燃焼で発生したＣＯを触媒燃焼で燃焼することでＣＯの排出を抑制できる。
・起動停止時でも触媒燃焼による発熱が可能である（触媒燃焼は火炎燃焼より燃焼開始温度を低温化できる）。

また，この固体酸化物形燃料電池スタック用燃焼器では，火炎燃焼室および触媒燃焼室の少なくともいずれかの一部が固体酸化物形燃料電池スタックの第１，第２の主面の少なくともいずれかに接触または近接して配置することで，火炎燃焼室または触媒燃焼室での燃焼による発熱を燃料電池スタックに効率的に伝達できる。この結果，燃料電池スタックの温度低下が防止され，効率的な発電が可能となる。

本発明によれば，ＣＯの排出が抑制された固体酸化物形燃料電池装置および固体酸化物形燃料電池スタック用燃焼器を提供できる。

実施例１に係る固体酸化物形燃料電池装置１の斜視図である。 固体酸化物形燃料電池装置１の側面図である。 燃料電池セル１５０の断面図である。 固体酸化物形燃料電池装置１および固定部材６２の一部断面図である。 燃焼部２０の断面図である。 プレート２１の平面図である。 プレート２３の平面図である。 プレート２２の平面図である。 燃焼部３０の断面図である。 プレート３１の平面図である。 プレート３３の平面図である。 プレート３２の平面図である。 固体酸化物形燃料電池装置１の断面図である。 実施例２に係る固体酸化物形燃料電池装置１ａの側面図である。 実施例３に係る固体酸化物形燃料電池装置１ｂの側面図である。 比較例３に係る固体酸化物形燃料電池装置１ｘ３の側面図である。 比較例４に係る固体酸化物形燃料電池装置１ｘ４の側面図である。 比較例５に係る固体酸化物形燃料電池装置１ｘ５の側面図である。 比較例６に係る固体酸化物形燃料電池装置１ｘ６の側面図である。 変形例に係る固体酸化物形燃料電池装置１ｃの側面図である。

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。
（実施例１）
本実施例の固体酸化物形燃料電池装置１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，図１に示す様に，燃料電池スタック１０と，燃焼部２０，３０と，空気予熱器４０と，燃料改質器５０と，固定部材６０〜６９を有する。

図２は，燃料電池スタック１０，燃焼部２０，３０，空気予熱器４０，燃料改質器５０の積層状態および燃焼部２０，３０の内部等を模式的に表す側面図である。

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％の窒素が含まれる）が好ましい。

燃料電池スタック１０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３に示すように，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は，後述の貫通孔７０〜７９を備える。なお，図３では貫通孔７６，７７のみを表している。

固定部材６０〜６９は，固体酸化物形燃料電池装置１を積層方向に貫く。固定部材６０〜６９は，固体酸化物形燃料電池装置１の周縁に沿って配置され，固体酸化物形燃料電池装置１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６０ｂ〜６９ｂ及びナット６０ａ〜６９ａから構成される。

なお，固定部材６０〜６９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。

ボルト６０ｂ〜６９ｂは，固体酸化物形燃料電池装置１を積層方向に貫く貫通孔７０〜７９に貫挿され，ナット６０ａ〜６９ａにより固定される。

この貫通孔７０〜７９の内径は，ボルト６０ｂ〜６９ｂの外径より大きく設定されているので，貫通孔７０〜７９の内周面とボルト６０ｂ〜６９ｂの外周面に挟まれた筒状の空間が，空気や燃料ガス等の流路となる。

固定部材６０，６１はそれぞれ，陽極，陰極の電極として用いられる。また，貫通孔７２〜７４は空気の導入，流通に用いられる。貫通孔７５〜７７は燃料ガスの導入，流通に用いられる。貫通孔７８，７９は排気ガスの流通，排出に用いられる。

固定部材６２，６５，６９はそれぞれ，空気，燃料ガス，排ガスの導入または排出が可能なように，ナット側に開口を有する。図４に示すように，ボルトの先端を長手方向に切り欠いて，ボルトとナットの間にガスの流路８１が形成される。ナットは，流路８１に連通する連通路８２を有する。
他の固定部材６３，６４，６６〜６８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，固定部材６０，６１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できる。

燃焼部２０，３０は，燃料電池スタック１０の積層方向（Ｚ方向）の両側（第１，第２の主面）に密着して積層され，燃料電池スタック１０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）を反応（燃焼）させて，周囲の温度を上昇させる。燃焼部２０は，燃料電池スタック１０と空気予熱器４０との間に配置され，燃焼部３０は，燃料電池スタック１０と燃料改質器５０との間に配置される。

空気予熱器４０では，外部から温度の低い空気を燃料電池スタック１０内に直接導入しないように空気を暖めるが，燃料電池スタック１０に対しては吸熱となるので，燃焼部２０にて温度を上昇させることにより，燃料電池スタック１０の積層方向の（空気予熱器４０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５０における改質反応も吸熱反応となるので，燃焼部３０にて温度を上昇させることによって，燃料電池スタック１０の積層方向の（燃料改質器５０側の）端部の温度が低下しないようにしている。

燃焼部２０は，燃料電池スタック１０から排出されたガスを燃焼するものであり，図５Ａに示す様に，金属製のプレート２１〜２３が積層されて構成される。図５Ａ〜図５Ｄに示す様に，プレート２１〜２３には，貫通孔７０〜７９が形成される。プレート２１，２２の間およびプレート２３の開口内に，空間２４が形成される。

貫通孔７４，７７，７８は空間２４と連通する。貫通孔７４，７７それぞれから空間２４に空気残ガスおよび燃料残ガスが流入し，火炎燃焼する。燃焼後の排ガスは，貫通孔７８から燃焼部３０へと流出する。空間２４内に，５つの仕切板２５が配置され，貫通孔７４，７７から貫通孔７８への迂回流路が形成される。このように，燃焼部２０は，燃料電池スタック１０から排出される第１の排ガス（空気残ガスおよび燃料残ガス）を火炎燃焼させて，第２の排ガスを排出する火炎燃焼室として機能する。

ここで，仕切板２５の厚さを無視すると，この例では，空間２４の幅Ｗ０に対する迂回流路の幅Ｗ１の比Ｒｗ（＝Ｗ１／Ｗ０）は，１／６である（図２，図５Ａ参照）。即ち，この比Ｒｗは，仕切板２５によって，空間２４の幅Ｗ０が仕切られる数（仕切板２５の個数ｎ＋１（ここでは，６））の逆数によって定義できる。なお，この例では，迂回流路のターン数（迂回流路内での方向転換の回数（仕切板２５の個数））は，５となる。

燃焼部３０は，燃焼部２０から排出された排ガスを再度燃焼するものであり，図６Ａに示す様に，金属製のプレート３１〜３３が積層されて構成される。図６Ａ〜図６Ｄに示す様に，プレート３１〜３３には，貫通孔７０〜７９が形成される。プレート３１，３２の間およびプレート３３の開口内に，空間３４が形成される。

貫通孔７８，７９は空間３４と連通する。貫通孔７８から空間３４に第１の排ガスが流入し，触媒燃焼する。空間３４内に例えば，粒状の担体に担持された燃焼触媒が配置され，この燃焼触媒によって第１の排ガスが燃焼する。このように，燃焼部３０は，燃焼部２０から排出される第２の排ガス（空気残ガスおよび燃料残ガス）を火炎燃焼させて，第３の排ガスを排出する触媒燃焼室として機能する。

燃焼部２０，３０を構成するプレート２１〜２３，３１〜３３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。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。

燃焼触媒としては，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。

空気予熱器４０は，燃焼部２０の上側に密着して積層され，燃料電池スタック１０内に導入する空気を予熱する。空気予熱器４０は，導電性を有する金属製の筐体の内部に空気が流れる層状の空間を有する。その空間内には，空気の予熱を効率よく行うために，充填材を配置する。起動性を求める場合には，充填材として，熱容量が小さく熱伝導の良い，発泡金属などを使用する。

燃料改質器５０は，燃焼部３０の下側に密着して積層され，燃料電池スタック１０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。燃料改質器５０は，導電性を有する金属製の筐体の内部に燃料ガスが流れる層状の空間を有する。その空間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が充填される。

なお，燃焼部２０，３０，空気予熱器４０，燃料改質器５０はそれぞれ，これらの内部において連通しており，Ｘ―Ｙ方向にガスの流通が可能である。

図７に示す様に，貫通孔７２を介して，固体酸化物形燃料電池装置１内に導入された空気は，空気予熱器４０内に導入され，予熱される。空気予熱器４０から排出された予熱後の空気は，貫通孔７２内に導入され，各燃料電池セル１５０内に導入される。各燃料電池セル１５０内にて発電のために使用された空気（空気残ガス）は，貫通孔７４に導入され，燃焼部２０内に導入される。

一方，貫通孔７５を介して，固体酸化物形燃料電池装置１内に導入された燃料ガスは，燃料改質器５０内に導入され，改質される。燃料改質器５０から排出された改質後の燃料ガスは，貫通孔７６内に導入され，各燃料電池セル１５０内に導入される。各燃料電池セル１５０内にて発電のために使用された燃料ガス（燃料残ガス）は，貫通孔７７に導入され，燃焼部２０内に導入される。

燃焼部２０内では，貫通孔７７から導入された燃料残ガスと貫通孔７４から導入された空気残ガスとが反応して燃焼する（火炎燃焼）。燃焼部２０内にて燃焼した排ガスは，貫通孔７８を経由して，燃焼部３０内に導入される。燃焼部３０では，燃焼触媒の存在下で，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する（触媒燃焼）。燃焼部２３内にて燃焼した排ガスは，貫通孔７９を介して，固体酸化物形燃料電池装置１外に排出される。

この例では，空間２４内に燃焼触媒を配置せず，空間３４内に燃焼触媒を配置する。即ち，燃焼部２０，３０それぞれ内で火炎燃焼，触媒燃焼を順に行う。図２に示すように，空間２４内に仕切板２５が配置され，空間２４の幅Ｗ０に対する迂回流路の幅Ｗ１の比Ｒｗを，「１／６」としている（ターン数：５）。
なお，燃焼部３０の空間３４の幅は，空間２４の幅Ｗ０と同一とした。これは，後述の実施例２，３，比較例１〜７も同様である。

・実施例２
図８は，実施例２に係る固体酸化物形燃料電池装置１ａを表す側面図であり，図２に対応する。
この例では，燃焼部２０ａ内の空間２４内が体積の等しい２つの空間２６，２７に区分される。空間２６には燃焼触媒を配置せず，空間２７，および燃焼部３０内の空間３４に燃焼触媒を配置する。即ち，燃焼部２０ａ内で火炎燃焼および触媒燃焼を，燃焼部３０内で触媒燃焼を順に行う。燃焼部２０ａ内の空間２６が火炎燃焼室として機能する。また，燃焼部２０ａ内の空間２７，燃焼部３０内の空間３４がそれぞれ，第１，第２の触媒燃焼室として機能する。
空間２６内に仕切板２５が配置され，空間２６の幅Ｗ０に対する迂回流路の幅Ｗ１の比Ｒｗを，「１／６」としている（ターン数：２）。その他の点では，実施例２は実施例１と同様なので，詳細な説明を省略する。

・実施例３
図９は，実施例３に係る固体酸化物形燃料電池装置１ｂを表す側面図であり，図２に対応する。
この例では，燃焼部２０ｂ内の空間２４内に燃焼触媒を配置せず，燃焼部３０の空間３４内に燃焼触媒を配置する。空間２４内に仕切板２５が配置され，空間２４の幅Ｗ０に対する迂回流路の幅Ｗ１の比Ｒｗを，「１／２」としている（ターン数：１）。その他の点では，実施例３は実施例１と同様なので，詳細な説明を省略する。

・比較例１
この例では，燃焼部２０内の空間２４，燃焼部３０内の空間３４いずれにも燃焼触媒を配置しない。即ち，燃焼部２０，３０内で火炎燃焼を行う。空間２４内に仕切板２５が配置され，空間２６の幅Ｗ０に対する迂回流路の幅Ｗ１の比Ｒｗを，「１／６」としている（ターン数：５）。その他の点では，比較例１は実施例１と同様なので，詳細な説明を省略する。

・比較例２
この例では，燃焼部２０内の空間２４，燃焼部３０内の空間３４いずれにも燃焼触媒を配置する。即ち，燃焼部２０，３０内で触媒燃焼を行う。空間２４内に仕切板２５が配置され，空間２６の幅Ｗ０に対する迂回流路の幅Ｗ１の比Ｒｗを，「１／６」としている（ターン数：５）。その他の点では，比較例２は実施例１と同様なので，詳細な説明を省略する。

・比較例３
図１０は，比較例３に係る固体酸化物形燃料電池装置１ｘ３を表す側面図であり，図２に対応する。
この例では，燃焼部２０ｘ３内の空間２４内が１／３，２／３の体積を有する２つの空間２６，２７に区分されている。空間２６には燃焼触媒を配置せず，空間２７，燃焼部３０内の空間３４には燃焼触媒を配置する。即ち，燃焼部２０ｘ３内で火炎燃焼および触媒燃焼を，燃焼部３０内で触媒燃焼を行っている。空間２６内に仕切板２５が配置され，空間２６の幅Ｗ０に対する迂回流路の幅Ｗ１の比Ｒｗを，「１／２」としている（ターン数：１）。その他の点では，比較例３は実施例１と同様なので，詳細な説明を省略する。

・比較例４
図１１は，比較例４に係る固体酸化物形燃料電池装置１ｘ４を表す側面図であり，図２に対応する。
この例では，燃焼部２０ｘ４内の空間２４内に燃焼触媒を配置せず，燃焼部内の空間３４に燃焼触媒を配置する。即ち，燃焼部２０，３０それぞれ内で火炎燃焼，触媒燃焼を行う。空間２４内に仕切板を配置せず，迂回流路を形成しない。即ち，空間２４の幅Ｗ０に対する迂回流路の幅Ｗ１の比Ｒｗを，「１」としている（ターン数：０）。その他の点では，比較例４は実施例１と同様なので，詳細な説明を省略する。

・比較例５
図１２は，比較例５に係る固体酸化物形燃料電池装置１ｘ５を表す側面図であり，図２に対応する。
この例では，燃焼部２０ｘ５内の空間２４ｘ５内が体積の等しい２つの空間２６，２７に区分される。空間２６に燃焼触媒を配置せず，空間２７，燃焼部３０内の空間３４に燃焼触媒を配置する。即ち，燃焼部２０ｘ５内で火炎燃焼および触媒燃焼を，燃焼部３０内で触媒燃焼を行っている。空間２６内に仕切板２５が配置され，空間２４の幅Ｗ０に対する迂回流路の幅Ｗ１の比Ｒｗを，「１／１２」としている（ターン数：５）。その他の点では，比較例５は実施例１と同様なので，詳細な説明を省略する。

・比較例６
図１３は，比較例６に係る固体酸化物形燃料電池装置１ｘ６を表す側面図であり，図２に対応する。
この例では，燃焼部２０ｘ６内の空間２４が体積の等しい２つの空間２６，２７に区分される。空間２６には燃焼触媒を配置せず，空間２７，３４には燃焼触媒を配置する。即ち，燃焼部２０ｘ６内で火炎燃焼および触媒燃焼を，燃焼部３０内で触媒燃焼を行っている。空間２４内に仕切板が配置され，空間２４の幅Ｗ０に対する迂回流路の幅Ｗ１の比Ｒｗを，「１／２」としている（ターン数：１）。その他の点では，比較例６は実施例１と同様なので，詳細な説明を省略する。

・比較例７
この例では，燃焼部２０，３０を燃料電池スタック１０に直接積層せず，離間した。
その他の点では，比較例６は実施例１と同様である。即ち，空間２４内に燃焼触媒を配置せず，空間３４内に燃焼触媒を配置する。即ち，燃焼部２０，３０それぞれ内で火炎燃焼，触媒燃焼を行う。図２に示すように，空間２４内に仕切板２５が配置され，空間２４の幅Ｗ０に対する迂回流路の幅Ｗ１の比Ｒｗを，「１／６」としている（ターン数：５）。

以上の実施例１〜３，比較例１〜７について，起動（昇温），発電，停止（降温）のプロセスの試験を行った。この結果を説明する。

実施例１〜３では，昇降温及び発電試験時に燃焼触媒の性能を著しく損なうことなく，ＣＯ排出量を低減することができた。即ち，起動，発電，停止のいずれのプロセスにおいても，排ガス中のＣＯ濃度は１００ｐｐｍ以下であり，１０００時間以上運転しても，排ガス中のＣＯ濃度が大きく変化することは無かった。

これに対して，比較例１〜７では，排ガス中のＣＯ濃度が高い等の結果であった。
・比較例１では，排ガス中のＣＯ濃度が高かった（３０００ｐｐｍ以上）。この理由として，燃焼部２０，３０中に燃焼触媒を配置しないことから（全て空間），火炎燃焼での不完全燃焼により発生するＣＯがそのまま排出されたものと考えられる。

・比較例２，３では，排ガス中のＣＯ濃度が高かった（４００ｐｐｍ以上）。さらに，燃焼触媒の溶損が確認された。この溶損は，比較例２では，燃焼部２０の空気残ガス，燃料残ガスの流入部（貫通孔７４，７７と燃焼部２０内（空間２４）の接続箇所）で，比較例３では，空間２７内の空間２６との境界近傍で，発生した。未混合あるいは混合不十分な空気残ガス，燃料残ガスが，燃焼触媒に流入したことで，激しくしかも不完全な燃焼が発生したものと考えられる。

・比較例４では，排ガス中のＣＯ濃度が高かった（２０００ｐｐｍ以上）。これは，燃焼部２０内（空間２４）に仕切板２５を配置しない（迂回流路を形成しない）ことで，空気残ガス，燃料残ガスの混合が不十分なことに起因すると考えられる。

・比較例５では，発電に至らなかった。これは，迂回流路の幅Ｗ１が燃焼部２０内の空間２４の幅Ｗ０に対し，１／１２と狭いため，圧力損失が大きく，燃料電池スタック１０に十分な空気および燃料ガスを供給することができなかったことに起因すると考えられる。

・比較例６では，排ガス中のＣＯ濃度が高かった（５００ｐｐｍ以上）。さらに，燃焼部３０の空気残ガス，燃料残ガスの流入部（貫通孔７８と燃焼部３０内（空間３４）の接続箇所）において燃焼触媒の溶損が確認された。これは，迂回流路の幅Ｗ１が燃焼部２０内の空間２４の幅Ｗ０に対し，１／２と広く，混合流路長が短いため，空気残ガス，燃料残ガスの混合が不十分となり，激しくしかも不完全な燃焼が発生したものと考えられる。

・比較例７では，燃焼部２０を燃料電池スタック１０から離間しているため，燃焼部２０での発熱を燃料電池スタック１０に伝えられず，燃料電池スタック１０の端部の温度低下を防止できなかった。また，起動時間が長くなった。さらには，固体酸化物形燃料電池装置全体のコンパクト化が困難となった。

表１は，燃焼部２０，３０内の空間２４，３４に空間２６（火炎燃焼室）が占める割合（火炎燃焼室の容積比（火炎燃焼室および触媒燃焼室の全容積に対する，前記火炎燃焼室の容積の比率））Ｒｖと，排出される排ガス中のＣＯ濃度および触媒の劣化の関係を表す。
火炎燃焼室の容積比Ｒｖは，空間２６，２７，３４それぞれの体積（容積）をＶ１１，Ｖ１２，Ｖ２とすると次のように表される。
Ｒｖ＝Ｖ１１／（Ｖ１１＋Ｖ１２＋Ｖ２）
＝Ｖ１１／（Ｖ１＋Ｖ２）
ここで，Ｖ１：空間２４の体積（Ｖ１＝Ｖ１１＋Ｖ１２）

迂回流路の幅Ｗ１は空間２４の幅Ｗ０の１／３とした。また，火炎燃焼室の容積比Ｒｖが０であることは空間２４全体が燃焼触媒で満たされた状態，１であることは空間２４に燃焼触媒が存在しないこと（全て空間）を示す。

表１から火炎燃焼室の容積比Ｒｖとして，１／４以上，１／２以下の値が利用可能であることが判る。

さらに，火炎燃焼室の容積比Ｒｖを１／２よりも大きくし，例えば，９／１０とすることが可能である。これを次に示す。
まず，一般的な燃焼触媒のＳＶ（空間速度）は４００００ｈ^−１である。ここで，排ガスの流量を４０．４８Ｌ／ｍｉｎとして，次の式を用いて，ＳＶ：４００００ｈ^−１を満たす触媒の最小体積Ｘを算出する。
ＳＶ（ｈ^−１）＝ガス流量（Ｌ／ｍｉｎ）／触媒体積（ｃｃ）
４００００（ｈ^−１）＝４０．４８＊６０＊１０００（ｃｃ／ｈ）／Ｘ（ｃｃ）
Ｘ＝６０（ｃｃ）
ここで，（火炎燃焼室＋触媒燃焼室）の合計容積（Ｖ１＋Ｖ２）：４００ｃｃ
とすると，「１−（６０／４００）＝１７／２０」となる。
この値から，余裕を見ると，１８／２０＝９／１０となる。

以上のように，火炎燃焼室の容積比Ｒｖ（火炎燃焼室および前記触媒燃焼室の全容積に対する，前記火炎燃焼室の容積の比率）として，１／４以上，９／１０以下の値が利用可能である。

表２は，燃焼部２０の空間２４の幅ｗ０に対する迂回流路の幅ｗ１の比Ｒｗ（迂回流路幅比（Ｗ１／Ｗ０））とＣＯの濃度及び燃焼器内圧力損失の関係を表す。ここで，燃焼部２０内には燃焼触媒を充填せず，燃焼部３０内には燃焼触媒を充填している。比Ｒｗ＝１は，迂回流路を設けない（仕切板２５が無い）状態を表す。なお，既述のように，比Ｒｗの算出に際し，仕切板２５の厚さは無視している。

この表から，迂回流路幅比Ｒｗが小さいと圧力損失が大きくなることが判る。また，迂回流路を設けないと（比Ｒｗ＝１），空気残ガス，燃料残ガスの混合が不十分となり，激しくしかも不完全な燃焼が発生すると考えられる。迂回流路幅比Ｒｗとして，１／６以上，１／２以下の値が利用可能である。

以上のように，燃焼層を２つの燃焼部に切り分け，第１の燃焼部には空間の中に迂回流路を形成し，第２燃焼部には燃焼触媒を配置することで，ＣＯ排出量を低減することが可能となった。

（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。

（１）上記実施形態では，燃焼部２０，３０が燃料電池スタック１０や燃料改質器５０に密着（接触）している。これに対して，燃焼部２０，３０を燃料電池スタック１０や燃料改質器５０と近接して配置（間接的に接触）しても良い。例えば，燃焼部２０と燃料電池スタック１０の間に熱伝導性の良好な材料を介在させることが考えられる。

（２）上記実施形態では，空気予熱器４０，燃焼部２０，燃料電池スタック１０，燃焼部３０，燃料改質器５０の順に，要素が積層されている。これに対して，積層の順番を変更しても良い。
図１４に，積層の順番を変更した変形例を示す。この変形例では，空気予熱器４０，燃焼部３０，燃料改質器５０，燃焼部２０，燃料電池スタック１０の順に，要素が積層されている。即ち，燃料電池スタック１０（燃料電池スタックの第１の主面）と燃料改質器５０（改質器の第３の主面）との間に，燃焼部２０が配置されている。

ここで，燃焼部２０内の空間２４を空間２６，２７に区分し，前者に燃焼触媒を配置せず，後者に燃焼触媒を配置したとする。また，このようにすると，空間２７（触媒燃焼室の一部）および空間２６（火炎燃焼室）が，第１，第３の主面の間，かつ前記第１，第３の主面に接触または近接して配置し，空間３４（触媒燃焼室の残部）が，前記第４の主面に接触または近接して配置されることになる。

（３）上記実施形態では，固体酸化物形燃料電池装置１の貫通孔７０〜７９によって，固体酸化物形燃料電池装置１の内部で，ガス（空気，燃料ガス，排ガス等）を流通させている。これに対して，パイプ（配管）等他の手段を用いて，ガスを流通させても良い。

１ 固体酸化物形燃料電池装置
１０ 燃料電池スタック
１１ 固体酸化物形燃料電池装置
２０，３０ 燃焼部
２１-２３，３１-３３ プレート
２４，３４ 空間
２６，２７ 空間
２５ 仕切板
４０ 空気予熱器
５０ 燃料改質器
６０-６９ 固定部材
６０ａ-６９ｂ ボルト
６０ｂ-６９ａ ナット
７０-７９ 貫通孔
８１ 流路
８２ 連通路
１５０ 燃料電池セル
１５１，１５２ 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

Claims (6)

1. 第１，第２の主面を有し，燃料ガスおよび酸化剤ガスによって発電し，第１の排ガスを排出する燃料電池スタックと，
   前記第１の排ガスに含まれる可燃性ガスを火炎燃焼させて，第２の排ガスを排出する火炎燃焼室と，
   前記第２の排ガスに含まれる可燃性ガスを触媒燃焼させる触媒燃焼室と，を具備し，
   前記火炎燃焼室および前記触媒燃焼室の少なくともいずれかの一部が前記第１，第２の主面の少なくともいずれかに接触または近接して配置される
   固体酸化物形燃料電池装置。
2. 前記触媒燃焼室が，
   前記第２の排ガスに含まれる可燃性ガスを触媒燃焼させて，第３の排ガスを排出する第１の触媒燃焼室と，
   前記第３の排ガスに含まれる可燃性ガスを触媒燃焼させる第２の触媒燃焼室と，を有し，
   前記火炎燃焼室および前記第１の触媒燃焼室が，前記第１の主面に接触または近接して配置され，
   前記第２の触媒燃焼室が，前記第２の主面に接触または近接して配置される
   請求項１記載の固体酸化物形燃料電池装置。
3. 前記火炎燃焼室が前記第１の主面に接触または近接して配置され，
   前記触媒燃焼室が前記第２の主面に接触または近接して配置される
   請求項１記載の固体酸化物形燃料電池装置。
4. 第３，第４の主面を有し，燃料ガスを改質し，前記燃料電池スタックに供給する改質器，をさらに具備し，
   前記触媒燃焼室の一部および前記火炎燃焼室が，前記第１，第３の主面の間，かつ前記第１，第３の主面に接触または近接して配置され，
   前記触媒燃焼室の残部が，前記第４の主面に接触または近接して配置される，
   請求項１記載の固体酸化物形燃料電池装置。
5. 前記火炎燃焼室および前記触媒燃焼室の全容積に対する，前記火炎燃焼室の容積の比率が，１／４以上，９／１０以下である
   請求項１乃至４のいずれか１項に記載の固体酸化物形燃料電池装置。
6. 固体酸化物形燃料電池スタックから排出される第１の排ガスに含まれる可燃性ガスを火炎燃焼させて，第２の排ガスを排出する火炎燃焼室と，
   前記第２の排ガスに含まれる可燃性ガスを触媒燃焼させる触媒燃焼室と，を具備し，
   前記火炎燃焼室及び前記触媒燃焼室の少なくともいずれかの一部が，前記固体酸化物形燃料電池スタックの第１，第２の主面の少なくともいずれかに接触または近接して配置される
   固体酸化物形燃料電池スタック用燃焼器。

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