JP2012209122A - 固体酸化物形燃料電池セル、それを備えた燃料電池モジュール、および燃料電池装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料ガス流路の入口側で発生するセル内部改質を充分に進めることができ、燃料電池セルに発生する温度分布を小さくできる固体酸化物形燃料電池セル、固体酸化物形燃料電池モジュール、さらには燃料電池装置を得る。
【解決手段】並設方向で隣接する３つの燃料ガス流路を、上流側燃料ガス流路２Ｕ、中間燃料ガス流路２Ｍ、下流側燃料ガス流路２Ｄとして構成し、上流側燃料ガス流路２Ｕの少なくとも一部又は全部を、燃料ガスに含まれるメタンを改質するセル内改質部として作動させ、中間燃料ガス流路２Ｍ及び下流側燃料ガス流路２Ｄを発電部として作動させる。
【選択図】図５

Description

本発明は、互いに平行な一対の平坦面を有し、内部に燃料ガスを流通させる燃料ガス流路を有する導電性支持体の一方側の前記平坦面上に、燃料極層、固体電解質層、空気極層が順に積層され、他方側の前記平坦面上に、インターコネクタが積層されて成り、
セルの一方側に設けられる燃料ガス供給部から前記燃料ガス流路に燃料ガスの供給を受けるとともに、セルの他方側に設けられるオフガス放出部へ前記燃料ガス流路を介して燃料ガスを放出する構成で、
前記導電性支持体の内部に、複数の前記燃料ガス流路を並設して備えた固体酸化物形燃料電池セル、それを備えた燃料電池モジュール、および燃料電池装置に関する。

このような固体酸化物形燃料電池セルとして、互いに平行な一対の平坦面を有し、内部に燃料ガスを流通させるための燃料ガス流路を有するとともに、Ｎｉを含有してなる導電性支持体の一方側の平坦面上に、燃料極層、固体電解質層、空気極層を順に積層するとともに、他方側の平坦面上にインターコネクタが積層されてなる固体酸化物形燃料電池セルが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
この種の固体酸化物形燃料電池セルは、その複数と、前記空気極層に電気的に接続される第一面と、前記インターコネクタに電気的に接続される第二面とを備えた集電部材との複数とを、集電部材の第一面に特定の固体酸化物形燃料電池セルの空気極層が電気的に接続され、集電部材の第二面に別の固体酸化物形燃料電池セルのインターコネクタが電気的に接続される形態で、固体酸化物形燃料電池セルと集電部材とを交互に配置して設け、固体酸化物形燃料電池モジュールを構成する。
更に、当該固体酸化物形燃料電池モジュールを所定形状の収納容器内に収納し、前記燃料ガス流路に燃料ガスを、さらに、前記燃料ガスに対する酸素含有ガスを前記収納容器内に供給することで、電力を発生させることができる。

従来型の固体酸化物形燃料電池セルでは、特許文献１に記載されるように、セルの一方側に設けられる燃料ガス供給部（特許文献１に記載の例では、セルの下方に設けられるマニホールド１６）から燃料ガスの供給を受けるとともに、セルの他方側に設けられるオフガス放出部（特許文献1に記載の例では、セルの上方部位でセルと改質器２０との間の空間）へ燃料ガス流路を介してオフガス(通常、このオフガスには、発電により生成される生成ガスの他、発電に供されなかった燃料ガスも含まれる。以下同じ)を放出する構成が採用されており、導電性支持体１の内部に、複数の上下方向に直線を成す燃料ガス流路が並設して備えられていた。
ここで、特許文献１の図１、２から明らかなように、並設される燃料ガス流路は、多くの場合、その流路径が同一とされるとともに、その流路長も同一とされ、燃料ガスは、燃料ガス流路を下方から上方へ並行流を成して流れる構成とされていた。

さらに、従来型の固体酸化物形燃料電池セルにあっては、その作動温度が高いため、燃料電池セルの入口部位において、改質を完了しなかった未改質燃料（例えば、都市ガスの主成分であるメタン）が燃料電池セルの入口部位（即ち、燃料ガス流路側の入口近傍）で、内部改質されることが知られていた（特許文献２〔００２０段落〕）。本願にあっては、この燃料電池内部で発生する改質を、燃料電池セルスタックとは別に、燃料電池モジュール内に設けられる改質器による改質とは区別するため、セル内部改質と呼ぶ。ここで、燃料にメタンを含む場合は、メタンの改質は、ＣＨ₄＋Ｈ₂Ｏ→３Ｈ₂＋ＣＯとなる反応である。この燃料電池セルの入口部位（即ち、燃料ガス流路側の入口近傍）では、セル内部改質が起るとともに、同時に発電反応も起こる。

特開２０１０−１２９２６７号公報 特開２００１−２８３８８２号公報

よく知られているように、改質反応は吸熱反応であり、発電反応は発熱反応である。さらに、固体酸化物形燃料電池セルにおいて、燃料ガス流路から放出されるオフガスには、発電反応により生成される生成ガスの他、燃料ガスが含まれており、オフガス放出部に別途流れる空気等の酸素含有ガスとともに燃焼炎を形成する。
各燃料ガス流路に関して述べると、各燃料ガス流路に、下部側に位置される燃料ガス供給部から未改質燃料（例えばメタン）を含む燃料ガスが供給され、燃料ガス流路の入口側がセル内改質部且つ発電部となり、燃料ガス流路の中間位置から上部が発電部となり、オフガス放出部に燃焼炎が形成される。
この構成にあっては、燃料ガス流路に注目した場合、燃料ガス供給部側からオフガス放出部側に向かって吸熱反応部（セル内改質部）から発熱反応部（発電部）となり、さらに、その上方に燃焼炎が形成されている。従って、燃料電池セルをその燃料ガス供給部からオフガス放出部に向かう上下方向で見た場合に、温度分布が大きい。このように温度分布が大きいと、燃料電池セルに与える影響が大きく、その継続的な運転に改善の余地がある。
さらに、発電に伴って発生する熱を充分にセル内部改質に利用しているとは言えず、改善の余地がある。

そこで、本発明の目的は、燃料ガス流路の入口側で発生するセル内部改質を充分に進めることができ、燃料電池セルに発生する温度分布を小さくできる固体酸化物形燃料電池セル、固体酸化物形燃料電池モジュール、さらには燃料電池装置を得ることにある。

上記目的を達成することができる、互いに平行な一対の平坦面を有し、内部に燃料ガスを流通させる燃料ガス流路を有する導電性支持体の一方側の前記平坦面上に、燃料極層、固体電解質層、空気極層が順に積層され、他方側の前記平坦面上に、インターコネクタが積層されて成り、
セルの一方側に設けられる燃料ガス供給部から前記燃料ガス流路に燃料ガスの供給を受けるとともに、セルの他方側に設けられるオフガス放出部へ前記燃料ガス流路を介して燃料ガスを放出する構成で、前記導電性支持体の内部に、複数の前記燃料ガス流路を並設して備えた固体酸化物形燃料電池セルの第１の特徴構成は、
並設方向で並設される燃料ガス流路として、
前記燃料ガス供給部側に開放され、下流側燃料ガス流路に連通される上流側燃料ガス流路と、
当該上流側燃料ガス流路に連通され、前記オフガス放出部側に開放された下流側燃料ガス流路と、
さらに、前記上流側燃料ガス流路から燃料ガスの供給を受け、前記下流側燃料ガス流路に燃料ガスを供給する中間燃料ガス流路とを有し、
前記上流側燃料ガス流路の少なくとも一部又は全部を、前記燃料ガスに含まれる未改質燃料を改質するセル内改質部及び発電部とし、前記中間燃料ガス流路及び前記下流側燃料ガス流路を発電部とする構成としたことにある。

この固体酸化物形燃料電池セルでは、上流側燃料ガス流路は、燃料ガス供給部から燃料ガスを受け入れ、実質的に、少なくとも導電性支持体、若しくは当該部位と下流側に備えられる燃料ガス流路への燃料ガスの供給元としての役割を果たす。一方、下流側燃料ガス流路は、主に上流側燃料ガス流路から燃料ガスの供給を受け、且つ前記オフガス放出部へオフガスの放出を行う燃料ガス流路とする。
そして、中間燃料ガス流路は、一端側燃料ガス流路から燃料ガスの供給を受け、他端側燃料ガス流路に燃料ガスを供給する燃料ガス流路として働く。
この構成では、上流側燃料ガス流路の少なくとも一部又は全部を、燃料ガスと共に含まれる未改質燃料を改質するセル内改質部及び発電部として作動させ、上流側燃料ガス流路の残部及び中間燃料ガス流路及び下流側燃料ガス流路を発電部として作動させることにより、セル内改質部の横に他の発電部が存在することとなり、この他の発電部で発生した熱をセル内改質部で充分に利用できる。

従って、燃料ガス流路の入口側で発生するセル内部改質を充分に進めることができ、燃料電池セルに発生する温度分布を小さくできる固体酸化物形燃料電池セル、固体酸化物形燃料電池モジュール、さらには固体酸化物形燃料電池を得ることができる。

このように、前記上流側燃料ガス流路、中間燃料ガス流路、および下流側燃料ガス流路を形成するには、並設方向で互いに並ぶ燃料ガス流路を、それぞれ上流側燃料ガス流路、中間燃料ガス流路、および下流側燃料ガス流路とすることができる。この構成にあっては、その一部がセル内改質部となっている上流側燃料ガス流路に隣接して発電部となる中間燃料ガス流路が位置するため、セル内改質部で発電部の熱を充分に利用することができる。

さらに、一群とされる複数の燃料ガス流路が、上流側燃料ガス流路、中間燃料ガス流路、および下流側燃料ガス流路の少なくとも一つを構成することとしてもよい。
この構成では、それぞれ前記上流側燃料ガス流路、中間燃料ガス流路、および下流側燃料ガス流路とされる燃料ガス流路間で流量のばらつきを吸収できる。さらに、燃料電池セルスタックを全体としてみた場合、従来技術の構造と比較して、発電部が燃料ガス供給部側に位置されるため、セル内改質を促進でき燃料ガス供給部からオフガス放出部に向かう方向において発生していた温度分布を低下させることが可能となる。

前記燃料ガス流路の燃料ガス供給部側若しくはオフガス放出部側或いは、各燃料ガス流路間の連通を行うに、
前記燃料ガス供給部から前記オフガス放出部に向かう方向であるガス流通方向の複数の燃料ガス流路の端部外側に、燃料ガス流路調整部材を設け、
前記燃料ガス流路調整部材により、前記燃料ガス流路の閉止又は開放あるいはそれらの両方を行うことができる。

このように構成する場合は、複数の燃料ガス流路の端部外側に、燃料ガス流路調整部材を設けることにより、当該燃料ガス流路調整部材で、複数の燃料ガス流路の開放・燃料ガス流路間の連通を任意に設定することができる。

これまで説明してきた固体酸化物形燃料電池セルは、それら複数と、前記空気極層に電気的に接続される第一面と、前記インターコネクタに電気的に接続される第二面とを備えた集電部材との複数とを備え、前記集電部材の第一面に特定の固体酸化物形燃料電池セルの前記空気極層が電気的に接続され、前記集電部材の第二面に別の固体酸化物形燃料電池セルの前記インターコネクタが電気的に接続される形態で、固体酸化物形燃料電池セルと集電部材とを交互に配置して設けた固体酸化物形燃料電池モジュールを構成することができる。

また、これまで説明してきた固体酸化物形燃料電池モジュールを備えた燃料電池装置を得ることができる。

燃料電池装置全体の概略構成を示す図 燃料電池モジュールの概略構成を示す図 燃料電池セルスタックの概略構成を示す図 燃料電池セルの詳細断面構成を示す図 第１実施形態における燃料電池セル内の燃料ガスの流れ状態を示す図 第２実施形態における燃料電池セル内の燃料ガスの流れ状態を示す図 複合形他燃料ガス流路の別配置、或いは別構成例を示す図

以下、本願に係る燃料電池装置ＦＣ、燃料電池モジュールＦＣＭ、及び固体酸化物形燃料電池セル（以下、単に燃料電池セルと呼ぶことがある）に関して、図面に基づいて説明する。
燃料電池装置ＦＣの概略
図１に燃料電池装置ＦＣの概略構造を、図２に、燃料電池モジュールＦＣＭの外観斜視図を示した。
図１、図２に示すように、燃料電池装置ＦＣは、概略、外装ケース５０内に燃料電池モジュールＦＣＭと、燃料電池セルスタック装置ＣＳを動作させるための補機とを収納して構成されている。
これら図からも判明するように、燃料電池装置ＦＣは、外装ケース５０内を仕切板５１により上下に区画した構成とされており、その上方室５２が燃料電池モジュールＦＣＭを収納するモジュール収納室とされ、下方室５３が燃料電池モジュールＦＣＭを動作させるための補機類(図示省略)を収納する補機収納室とされている。

仕切板５１には、下方室５３の空気を上方室５２側に流すための空気流通口５４が設けられており、外装板２５には、上方室５２内の空気を排気するための排気口５５が設けられている。

燃料電池モジュール・燃料電池セルスタック装置
図２は、燃料電池モジュールＦＣＭの一例を示す外観斜視図であり、燃料電池モジュールＦＣＭは直方体状の収納容器３０の内部に燃料電池セルスタック装置ＣＳを収納して構成されている。

この例では、燃料電池セル１０にて使用する燃料ガスを得るために、天然ガスや灯油等の原燃料を改質して燃料ガスを生成するための改質器２０を燃料電池セルスタック１２の上方に配置している。改質器２０で生成された燃料ガスは、ガス流通管２１を介して燃料電池セルスタック装置ＣＳの下部領域に設けられたマニホールドＭに供給され、このマニホールドＭを介して燃料電池セル１０の内部に設けられた燃料ガス流路２に供給される。

図２は、収納容器３０の一部（前後面）を取り外し、内部に収納されている燃料電池セルスタック装置ＣＳおよび改質器２０を後方に取り出した状態を示している。

収納容器３０の内部に設けられた酸素含有ガス導入部材２２は、マニホールドＭに並置された一対の燃料電池セルスタック１２の間に配置されるとともに、酸素含有ガスが燃料ガスの流れに合わせて、燃料電池セル１０の側方を下端部から上端部に向けて流れるように、燃料電池セル１０の下端部に酸素含有ガスを供給する。そして、収容容器３０内に酸素含有ガスを供給し燃料電池セル１０内での発電の用に供するとともに、燃料電池セル１０のガス流路より排出される燃料ガスと酸素含有ガスとを燃料電池セル１０の上端部側で燃焼させる。このように、燃料電池セル１０の上端部側にて、燃料電池セル１０のガス流路から排出される燃料ガスと酸素含有ガスとを燃焼させることにより、燃料電池セル１０（燃料電池セルスタック１２）の上方に配置された改質器２０を温めることができる。

図３に示すように、各燃料電池セルスタック１２は、燃料電池セル１０の複数個を、集電部材１３を介して電気的に直列に接続して構成される。図３（ａ）は燃料電池セルスタック装置ＣＳを概略的に示す側面図であり、図３（ｂ）は（ａ）の燃料電池セルスタック装置ＣＳの上下方向中間断面の横断面の一部拡大平面図である。（ｂ）で示す燃料電池セル１０においては、インターコネクタ８上にＰ型半導体層１７を設けた例を示している。

この例においては、燃料電池セルスタック装置ＣＳは、各燃料電池セル１０を集電部材１３を介して配列することで燃料電池セルスタック１２を構成しており、各燃料電池セル１０の下端が、燃料電池セル１０に燃料ガスを供給するためのマニホールドＭに、ガラスシール材等の接着剤により固定されている。また、燃料電池セル１０の配列方向の両端から集電部材１３を介して燃料電池セルスタック１２を挟持するように、マニホールドＭに下端が固定された弾性変形可能な導電部材１４を具備している。

導電部材１４においては、燃料電池セル１０の配列方向に沿って外側に向けて延びた形状で、燃料電池セルスタック１２（燃料電池セル１０）の発電により生じる電流を引出すための電流引出し部１５が設けられている。

以上、燃料電池装置ＦＣ、燃料電池モジュールＦＣＭ装置、燃料電池セルスタック装置に関して説明した。これら構成に関しては、従来形の装置構成と変わるところはない。
以下、本願独特の構成を有する燃料電池セルについて説明する。本願では、燃料電池セルの実施形態として、第１実施形態、第２実施形態を紹介する。これらの実施形態において、その異なるところは、「複合形燃料ガス流路２００」の形成形態であるため、先ず、全ての実施形態で共通する共通構成に関して説明する。

図４は、本発明の燃料電池セルの概略構造を示すものであり、その斜視図である。燃料電池セル１０の各構成を一部拡大等して示している。図４は、図３において燃料電池セル１０を、その上下方向中間断面を示した図面である。

燃料電池セル１０は、中空平板型の燃料電池セル１０で、断面が扁平状で、全体的に見て楕円柱状をしたＮｉを含有してなる多孔質の導電性支持体１を備えている。導電性支持体１の内部には、適当な間隔で複数の燃料ガス流路２が長手方向に形成されており、燃料電池セル１０は、この導電性支持体１上に各種の部材が設けられた構造を有している。

導電性支持体１は、互いに平行な一対の平坦面ｎと、一対の平坦面ｎをそれぞれ接続する弧状面（側面）ｍとで構成されている。平坦面ｎの両面は互いにほぼ平行に形成されており、平坦面ｎの一方の表面と両側の弧状面ｍを覆うように多孔質な燃料極層３が設けられており、さらに、この燃料極層３を覆うように、緻密質な固体電解質層４が積層されている。また、固体電解質層４には、中間層５を介して、燃料極層３と対面するように、多孔質な空気極層６が積層されている。また、燃料極層３および固体電解質層４が積層されていない他方の平坦面ｎには、密着層７を介してＭｇを含有してなるインターコネクタ８が形成されている。

燃料極層３および固体電解質層４は、両端の弧状面ｍを経由してインターコネクタ８（密着層７）の両サイドにまで延びており、導電性支持体１の表面が外部に露出しないように構成されている。

ここで、燃料電池セル１０は、燃料極層３と空気極層６との対面している部分が電極として機能して発電する。即ち、空気極層６の外側に空気等の酸素含有ガスを流し、且つ導電性支持体１内の燃料ガス流路２に燃料ガス（水素含有ガス）を流し、所定の作動温度まで加熱することにより発電する。そして、かかる発電によって生成した電流は、導電性支持体１に取り付けられているインターコネクタ８を介して集電される。

以下、燃料電池セル１０を構成する各部材について説明する。

導電性支持体１は、燃料ガスを燃料極層３まで透過させるためにガス透過性であること、インターコネクタ８を介して集電を行うために導電性であることが要求されることから、例えば、Ｎｉおよび／またはＮｉＯと、特定の希土類酸化物とにより形成されることが好ましい。

特定の希土類酸化物とは、導電性支持体１の熱膨張係数を固体電解質層４の熱膨張係数に近づけるために使用されるものであり、Ｙ、Ｌｕ（ルテチウム）、Ｙｂ、Ｔｍ（ツリウム）、Ｅｒ（エルビウム）、Ｈｏ（ホルミウム）、Ｄｙ（ジスプロシウム）、Ｇｄ、Ｓｍ、Ｐｒ（プラセオジム）からなる群より選択される少なくとも１種の元素を含む希土類酸化物が、Ｎｉおよび／またはＮｉＯとの組み合わせで使用することができる。このような希土類酸化物の具体例としては、Ｙ₂Ｏ₃、Ｌｕ₂Ｏ₃、Ｙｂ₂Ｏ₃、Ｔｍ₂Ｏ₃、Ｅｒ₂Ｏ₃、Ｈｏ₂Ｏ₃、Ｄｙ₂Ｏ₃、Ｇｄ₂Ｏ₃、Ｓｍ₂Ｏ₃、Ｐｒ₂Ｏ₃を例示することができ、Ｎｉおよび／またはＮｉＯとの固溶、反応が殆どなく、また、熱膨張係数が固体電解質層４とほとんど同程度であり、かつ安価であるという点から、Ｙ₂Ｏ₃、Ｙｂ₂Ｏ₃が好ましい。

また、導電性支持体１は、燃料ガス透過性を有していることが必要であるため、通常、開気孔率が３０％以上、特に３５〜５０％の範囲にあることが好ましい。また、導電性支持体１の導電率は、３００Ｓ／ｃｍ以上、特に４４０Ｓ／ｃｍ以上であることが好ましい。

燃料極層３は、電極反応を生じさせるものであり、それ自体公知の多孔質の導電性セラミックスにより形成することが好ましい。例えば、希土類元素が固溶したＺｒＯ₂または希土類元素が固溶したＣｅＯ₂と、Ｎｉおよび／またはＮｉＯとから形成することができる。なお、希土類元素としては、導電性支持体１において例示した希土類元素を用いることができ、例えばＹが固溶したＺｒＯ₂（ＹＳＺ）とＮｉおよび／またはＮｉＯとから形成することができる。

燃料極層３中の希土類元素が固溶したＺｒＯ₂または希土類元素が固溶しているＣｅＯ₂の含有量は、３５〜６５体積％の範囲にあるのが好ましく、またＮｉあるいはＮｉＯの含有量は、６５〜３５体積％であるのが好ましい。さらに、この燃料極層３の開気孔率は、１５％以上、特に２０〜４０％の範囲にあるのが好ましい。

固体電解質層４は、３〜１５モル％のＹ（イットリウム）、Ｓｃ（スカンジウム）、Ｙｂ（イッテルビウム）等の希土類元素を含有した部分安定化あるいは安定化ＺｒＯ₂からなる緻密質なセラミックスを用いるのが好ましい。また、希土類元素としては、安価であるという点からＹが好ましい。さらに、固体電解質層４は、ガス透過を防止するという点から、相対密度（アルキメデス法による）が９３％以上、特に９５％以上の緻密質であることが望ましい。

なお、固体電解質層４と後述する空気極層６の間に、固体電解質層４と空気極層６との接合を強固とするとともに、固体電解質層４の成分と空気極層６の成分とが反応して電気抵抗の高い反応層が形成されることを抑制する目的で中間層５を備えることもでき、図４に示した燃料電池セル１０においては中間層５を備えた例を示している。

ここで、中間層５としては、Ｃｅ（セリウム）と他の希土類元素とを含有する組成にて形成することができる。

また、空気極層６は、ガス透過性を有する必要があり、従って、空気極層６を形成する導電性セラミックス（ペロブスカイト型酸化物）は、開気孔率が２０％以上、特に３０〜５０％の範囲にあることが好ましい。

また、導電性支持体１の空気極層６側と反対側の平坦面ｎ上には、密着層７を介してＭｇを含有してなるインターコネクタ８が積層されている。

インターコネクタ８としては、導電性セラミックスにより形成されることが好ましいが、燃料ガス（水素含有ガス）および酸素含有ガスと接触するため、耐還元性、耐酸化性を有していることが必要である。このため、耐還元性、耐酸化性を有する導電性セラミックスとしては、一般に、ランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物（ＬａＣｒＯ₃系酸化物）が使用され、特に導電性支持体１と固体電解質層４との熱膨張係数を近づける目的から、ＢサイトにＭｇが存在するＬａＣｒＭｇＯ₃系酸化物が用いられる。なおＭｇのモル量は、インターコネクタ８の熱膨張係数が、導電性支持体１および固体電解質層４の熱膨張係数に近づくように、具体的には１０〜１２ｐｐｍ／Ｋとなるように適宜調整することができる。

さらに、導電性支持体１とインターコネクタ８との間には、インターコネクタ８と導電性支持体１との間の熱膨張係数差を軽減する等のために密着層７が形成されている。

このような密着層７としては、燃料極層３と類似した組成とすることができる。例えば、希土類酸化物、希土類元素が固溶したＺｒＯ₂、希土類元素が固溶したＣｅＯ₂のうち少なくとも１種と、Ｎｉおよび／またはＮｉＯとから形成することができる。

以上が、本願の燃料電池セルの共通構成である。
以下、第１実施形態、第２実施形態を紹介する。
図５、図６、図７は、上下方向が図３（ａ）の上下方向である。即ち、図３（ａ）下側に、マニホールドＭが位置されており、このマニホールドＭが燃料ガス供給部７０となっている。一方、図３（ａ）上側が、燃料ガス流路２からオフガス（生成ガス及び燃料ガスから成る）が開放されるオフガス放出部８０となっている。先にも説明したように、このオフガス放出部８０では、この放出部位に開放される燃料ガスが酸素含有ガスと混合され、燃焼炎８１が形成される。図５、図６、図７には、実線矢印で、主に燃料ガスの流れ方向を示している。

第１実施形態
図５に示すように、この実施形態では、並設方向で隣接する３の燃料ガス流路２で、本願に言う「複合形燃料ガス流路２００」を構成するようにしている。図５では、一対の「複合形燃料ガス流路２００」を備えており、断面視で燃料電池セル１０の幅方向両端側で燃料ガスの供給を受け、中央側で開放して、燃料炎８１が形成される構造が採用されている。
以下、図上、左側に位置する「複合形燃料ガス流路２００」に関して説明する。
図上、３の燃料ガス流路２のうち、左側に位置する（即ち一方の並設方向端に位置する）一端側燃料ガス流路２Ｕを、燃料ガス供給部７０側に開放され、下流側の燃料ガス流路２Ｍに連通された上流側燃料ガス流路２Ｕとしている。一方、３の燃料ガス流路２のうち、右側に位置する（他方の並設方向端に位置する）他端側燃料ガス流路を上流側の燃料ガス流路２Ｍに連通され、オフガス放出部８０側に開放された下流側燃料ガス流路２Ｄとして構成している。さらに、一端側燃料ガス流路２Ｕと他端側燃料ガス流路２Ｄとの間に位置する燃料ガス流路２を、一端側燃料ガス流路２Ｕから燃料ガスの供給を受け、他端側燃料ガス流路２Ｄに燃料ガスを供給する中間燃料ガス流路２Ｍとして構成している。この例では、上流側燃料ガス流路２Ｕの一部又は全部がセル内改質部及び発電部となり、中間燃料ガス流路２Ｍ及び下流側燃料ガス流路２Ｄが発電部となる。

結果、この実施形態では、燃料ガスは、上流側燃料ガス流路２Ｕに流入し、主に、導電性支持体１内及び中間燃料ガス流路２Ｍを流れ、さらに導電性支持体１内を介して下流側燃料ガス流路２Ｄに排出され、その後、オフガス放出部８０側に放出される。ここで、上流側燃料ガス流路２Ｕから中間燃料ガス流路２Ｍへの移動において、さらに、中間燃料ガス流路２Ｍから下流側燃料ガス流路２Ｄへの移動において、燃料ガスは導電性支持体１内を相互拡散して燃料極３に到達する。

図から判明するように、この例では、燃料ガス流路の入口２Ｉ或いは出口２Ｏに、その流路内への燃料ガスの流入、或いはその流路からの燃料ガスの流出をコントロール（調整）するための燃料ガス流路調整部材である調整用プレートＭｃを設けている。
即ち、燃料電池セル１０の両端部に、入口側調整用プレートＭｃＩ及び出口側調整用プレートＭｃＯを設け、燃料ガス流路調整部材により、燃料ガス流路の開放、閉止、上流側或いは下流側燃料ガス流路との連通を行っている。
入口側調整用プレートＭｃＩには、燃料ガス供給部７０側に開口する流通孔ｐ１と、燃料ガス供給部７０側に対して閉止され、中間燃料ガス流路２Ｍと下流側燃料ガス流路２Ｄとを連通する連通孔ｐ２を設けている。ここで、流通孔ｐ１，ｐ２は、燃料ガス供給部７０側において遮断されている。
出口側調整用プレートＭｃＯには、オフガス放出部８０側に対して閉止され、上流側燃料ガス流路２Ｕと中間燃料ガス流路２Ｍとを連通する連通孔ｐ３を備えている。この出口側調整用プレートＭｃＯは、下流側燃料ガス流路２Ｄのオフガス放出部８０側において開口している。
従って、この例では、「複合形燃料ガス流路２００」では、燃料ガスが実線矢印で示すように、燃料ガス供給部７０から、上方流、下方流さらに上方流として移流し、オフガス放出部８０に流れる。

結果、「複合形燃料ガス流路２００」の圧力損失が増大することで、各燃料電池セル１０間のばらつきを抑えることができ、セルの燃料利用率を向上できる。

この第１実施形態では、断面視で燃料電池セル１０の幅方向両端側で燃料ガス供給部７０側から燃料ガスの供給を受け、中央側でオフガス放出部８０に放出して、燃料炎８１が形成される構造としたが、この配置方向を逆として、断面視で燃料電池セル１０の幅方向中央側で燃料ガス供給部７０側から燃料ガスの供給を受け、両端側でオフガス放出部８０に放出して、燃料炎８１が形成される構造としてもよい。さらに、図７（ａ）に示すように、燃料電池セル１０の幅方向一端側で燃料ガス供給部７０から燃料ガスの供給を受け、他端側でオフガス放出部８０に放出する構成の「複合形燃料ガス流路２００」を、供給側放出側の位置関係を守ったまま、順に並べてもよい。さらに、図７（ｂ）に示すように、中間燃料ガス流路２Ｍとして、オフガス放出部８０及び燃料ガス供給部７０の両方に対して閉止され、オフガス放出部８０側から燃料ガス供給部７０側から下降中間燃料ガス流路と、燃料ガス供給部７０側からオフガス放出部８０側へ向かう上昇下降中間燃料ガス流路とを設けて、２．５往復となる「複合形燃料ガス流路２００」としてもよい。
さらに、図７（ｃ）に示すように、図５に示す一対の「複合形燃料ガス流路２００」の両端側に、別の「複合形燃料ガス流路２００」を設けてもよい。

第２実施形態
第１実施形態では、単一の燃料ガス流路２を組み合わせて、上流側燃料ガス流路２Ｕ、中間燃料ガス流路２Ｍ及び、下流側燃料ガス流路２Ｄを備えた「複合形燃料ガス流路２００」を構成するようにしたが、この第２実施形態では、複数の燃料ガス流路２からなる燃料ガス流路群に属する燃料ガス流路２が、上流側燃料ガス流路２Ｕ或いは下流側燃料ガス流路２Ｄとされている。その他の点を除いては、屈曲構造に関しては、第２実施形態のものと同一である。
図６に示すように、この実施形態では、並設方向で隣接する３の燃料ガス流路群で、本願に言う「複合形燃料ガス流路２００」を構成する。図６では、一対の「複合形燃料ガス流路２００」を備えている。この例でも、断面視で燃料電池セル１０の幅方向Ｗ両端側で燃料ガスの供給を受け、中央側で開放して、燃料炎が形成される構造が採用されている。
以下、図上、左側に位置する「複合形燃料ガス流路２００」に関して説明する。

図上、最も左側に位置する（一方の並設方向端に位置する）一端側燃料ガス流路群４０Ｌに属する２つの燃料ガス流路２のそれぞれを、燃料ガス供給部７０側に開放され、下流側の燃料ガス流路２に連通された上流側燃料ガス流路２Ｕとして構成している。一方、右側に位置する（他方の並設方向端に位置する）他端側燃料ガス流路群４０Ｒに属する２つの燃料ガス流路２のそれぞれを、上流側の燃料ガス流路２に連通され、オフガス放出部８０側に開放された下流側燃料ガス流路２Ｄとして構成している。そして、一端側燃料ガス流路群４０Ｌと他端側燃料ガス流路群４０Ｒとの間に位置する燃料ガス流路群４０Ｍに属する２つの燃料ガス流路２のそれぞれを、一端側燃料ガス流路群４０Ｌから燃料ガスの供給を受け、他端側燃料ガス流路群４０Ｒに燃料ガスを供給する中間燃料ガス流路２Ｍとして構成している。この例でも、上流側燃料ガス流路２Ｕの一部又は全部がセル内改質部及び発電部となり、中間燃料ガス流路２Ｍ及び下流側燃料ガス流路２Ｄが発電部となる。

この例でも、燃料ガス流路２の入口２Ｉ或いは出口２Ｏに、その流路内への燃料ガスの流入、或いはその流路からの燃料ガスの流出をコントロール（調整）するための燃料ガス流路調整部材である調整用プレートＭｃを設けている。
調整用プレートＭｃの構成は、第１実施形態と同様であり、この例では、２の燃料ガス流路２を単位燃料ガス流路群として構成している。
即ち、この例でも、燃料電池セルの両端部に、入口側調整用プレートＭｃＩ及び出口側調整用プレートＭｃＯを設け、燃料ガス流路調整部材により、燃料ガス流路２の開放あるいは、他の燃料ガス流路２との連通状態の調整を行うのである。
入口側調整用プレートＭｃＩには、燃料ガス供給部７０に開口する流通孔ｐ１と、燃料ガス供給部７０側に対して閉止され、中間燃料ガス流路２Ｍと下流側燃料ガス流路２Ｄとを連通する連通孔ｐ２を設けている。ここで、流通孔ｐ１，ｐ２は、燃料ガス供給部７０側において遮断されている。
出口側調整用プレートＭｃＯには、オフガス放出部８０側に対して閉止され、上流側燃料ガス流路２Ｕと中間燃料ガス流路２Ｍとを連通する連通孔ｐ３を備えている。この出口側調整用プレートＭｃＯは、下流側燃料ガス流路２Ｄのオフガス放出部８０側で開口している。
従って、この例でも、「複合形燃料ガス流路２００」では、燃料ガスが実線矢印で示すように、燃料ガス供給部７０から、上方流、下方流さらに上方流として移流し、オフガス放出部８０に流れる。

結果、導電性支持体内におけるガスの流れを流量が増大する方向に改善できるとともに、燃料ガス流路全体とした場合の圧力損失が増大することで、セルの利用効率を向上できるとともに、各燃料ガス流路全体間にばらつきを抑えることができる。

この第２実施形態と第１実施形態との差異は、複数の燃料ガス流路から、上流側燃料ガス流路、中間燃料ガス流路、および下流側燃料ガス流路をそれぞれ構成することにあるが、先に図７（ａ）（ｂ）（ｃ）で説明したと同様の構造を踏襲して、上流側燃料ガス流路、中間燃料ガス流路、さらに下流側燃料ガス流路のいずれか一つ以上を複数の燃料ガス流路２から構成するものとしてもよい。

燃料ガス流路の入口側で発生するセル内部改質を充分に進めることができ、燃料電池セルに発生する温度分布を小さくできる固体酸化物形燃料電池セル、固体酸化物形燃料電池モジュール、さらには燃料電池装置を得ることができた。

１ 導電性支持体
２ 燃料ガス流路
２Ｕ 上流側燃料ガス流路
２Ｄ 下流側燃料ガス流路
２Ｍ 中間燃料ガス流路
３ 燃料極層
４ 固体電解質層
５ 中間層
６ 空気極層
７ 密着層
８ インターコネクタ
１０ 固体酸化物形燃料電池セル（燃料電池セル）
１３ 集電部材
７０ 燃料ガス供給部
８０ オフガス放出部
ＦＣ 燃料電池装置
ＦＣＭ 燃料電池モジュール
ＣＳ 燃料電池セルスタック装置
Ｍｃ 調整用プレート（燃料ガス流路調整部材）
ｐ１、ｐ２、ｐ３ 連通路

Claims (6)

1. 互いに平行な一対の平坦面を有し、内部に燃料ガスを流通させる燃料ガス流路を有する導電性支持体の一方側の前記平坦面上に、燃料極層、固体電解質層、空気極層が順に積層され、他方側の前記平坦面上に、インターコネクタが積層されて成り、
   セルの一方側に設けられる燃料ガス供給部から前記燃料ガス流路に燃料ガスの供給を受けるとともに、セルの他方側に設けられるオフガス放出部へ前記燃料ガス流路を介して燃料ガスを放出する構成で、前記導電性支持体の内部に、複数の前記燃料ガス流路を並設して備えた固体酸化物形燃料電池セルであって、
   並設方向に並設される燃料ガス流路として、
   前記燃料ガス供給部側に開放され、下流側燃料ガス流路に連通される上流側燃料ガス流路と、
   当該上流側燃料ガス流路に連通され、前記オフガス放出部側に開放された下流側燃料ガス流路と、
   さらに、前記上流側燃料ガス流路から燃料ガスの供給を受け、前記下流側燃料ガス流路に燃料ガスを供給する中間燃料ガス流路とを有し、
   前記上流側燃料ガス流路の少なくとも一部又は全部を、前記燃料ガスに含まれる未改質燃料を改質するセル内改質部及び発電部とし、前記中間燃料ガス流路及び前記下流側燃料ガス流路を発電部とする固体酸化物形燃料電池セル。
2. 前記上流側燃料ガス流路、中間燃料ガス流路、および下流側燃料ガス流路が、それぞれ、単一の燃料ガス流路から構成されている請求項１記載の固体酸化物形燃料電池セル。
3. 一群とされる複数の燃料ガス流路が、前記上流側燃料ガス流路、中間燃料ガス流路、および下流側燃料ガス流路のいずれか一つ以上を構成する請求項１記載の固体酸化物形燃料電池セル。
4. 前記燃料ガス流路を他の燃料ガス流路に連通するに、
   前記燃料ガス供給部から前記オフガス放出部に向かう方向であるガス流通方向の複数の燃料ガス流路の端部外側に、燃料ガス流路調整部材を設け、
   前記燃料ガス流路調整部材により、前記燃料ガス流路の他の燃料ガス流路との連通を行う請求項１〜３のいずれか一項記載の固体酸化物形燃料電池セル。
5. 請求項１〜４の何れか一項に記載の固体酸化物形燃料電池セルの複数と、前記空気極層に電気的に接続される第一面と、前記インターコネクタに電気的に接続される第二面とを備えた集電部材との複数とを備え、
   前記集電部材の第一面に特定の固体酸化物形燃料電池セルの前記空気極層が電気的に接続され、前記集電部材の第二面に別の固体酸化物形燃料電池セルの前記インターコネクタが電気的に接続される形態で、固体酸化物形燃料電池セルと集電部材とを交互に配置して設けた固体酸化物形燃料電池モジュール。
6. 請求項５に記載の固体酸化物形燃料電池モジュールを備えた燃料電池装置。

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