JP2014072054A

JP2014072054A - 固体酸化物型燃料電池装置

Info

Publication number: JP2014072054A
Application number: JP2012217488A
Authority: JP
Inventors: Naoki Watanabe; 直樹渡邉; Nobuo Isaka; 暢夫井坂; Maki Sato; 真樹佐藤; Shigeru Ando; 茂安藤; Kiyoshi Hayama; 潔端山; Masanori Furuya; 正紀古屋; Dai Momiyama; 大籾山; Osamu Okamoto; 修岡本
Original assignee: Toto Ltd
Current assignee: Toto Ltd
Priority date: 2012-09-28
Filing date: 2012-09-28
Publication date: 2014-04-21

Abstract

【課題】組立性を向上させることができる固体酸化物型燃料電池装置を提供する。
【解決手段】本発明の固体酸化物型燃料電池装置１は、燃料ガス供給管９０と、水供給管８８と、改質部９４と、容器本体８，６４，６６，６８，７０と、この容器本体の底面に取り付けられるベース部材７２と、燃料電池セルスタックを接続する集電部材１７６と電気的に接続される電力取出し端子８０と、を有し、ベース部材には、燃料ガス供給管、水供給管及び電力取出し端子がそれぞれ組み付けられ、ベース部材の上面には、改質部で改質された燃料ガスを燃料電池セルスタックに分散させる分散室が形成され、この分散室の上面には、燃料電池セルスタックの下部が組み付けられ、容器本体は、燃料ガス供給管、水供給管、燃料電池セルスタック、及び電力取出し端子が組み付けられた状態の上記ベース部材に上方から取り付けられる。
【選択図】図１０

Description

本発明は、固体酸化物型燃料電池装置に関し、特に、炭化水素系の原燃料ガスを改質し、改質された燃料ガスにより発電する固体酸化物型燃料電池装置に関する。

固体酸化物型燃料電池（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、比較的高温で動作する燃料電池である。

従来の燃料電池装置では、例えば、特許文献１に記載されているように、同心状に配置された５個の筒状体からなる、いわゆる、円筒状のモジュールを備えたものが知られている。これらの筒状体は、内側から外側に向って、第１の筒状体から第５の筒状体とし、第１の筒状体内には発電・燃焼室が配置されている。また、第１の筒状体と第２の筒状体との間には燃焼ガス排出路が配置され、第２の筒状体と第３の筒状体との間には酸化剤ガス導入路が配置されている。さらに、第３の筒状体と第４の筒状体との間には外側燃焼ガス排出路が配置され、第４の筒状体と第５の筒状体との間には水流路が配置され、発電・燃焼室の周囲を熱交換のために有効に利用し、装置全体の嵩を抑制すると共に、発電・燃焼室から大気への直接的な放熱を抑制している。
また、このような円筒状のモジュールを備えた他の形態の燃料電池装置として、例えば、特許文献２に記載されているように、円筒状のモジュール内に配列されている複数の燃料電池セルに対して下方から電力の取り出しを行うものも知られている。

特開２００５−６３８０６号公報特表２００１−５１８６８８号公報

しかしながら、特許文献１及び２に記載されている従来の燃料電池装置においては、燃料電池セルから電力を取り出すための端子、改質器に通ずる燃料ガス供給流路に原燃料ガス及び水をそれぞれ供給する燃料ガス供給管及び水供給管等の部材や、改質部で改質された燃料ガスを燃料電池セルスタックに分散させる分散室等の構造が、複数の燃料電池セルが取り付けられているベース部材に集約して組み付けられておらず、燃料電池装置の組み立てが容易ではないという問題がある。

また、これらの部材や構造が１つのベース部材に集約されて組み付けられていないため、燃料ガス供給管、水供給管、燃料電池セルスタック、及び電力取出し端子を精度良く位置決めすることもできず、燃料電池セルスタックに供給される燃料ガスの温度の均一性や気流の均一性を高めることも難しいという問題がある。

そこで、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、組立性を向上させることができる固体酸化物型燃料電池装置を提供することを目的としている。

上述した課題を解決するために、本発明は、炭化水素系の原燃料ガスを改質し、改質された燃料ガスにより発電する固体酸化物型燃料電池装置であって、原燃料ガスを供給する燃料供給装置と、この燃料供給装置により供給された原燃料ガスを水蒸気改質するための水を供給する水供給装置と、発電用の酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、この酸化剤ガス供給装置により供給された発電用の酸化剤ガスと改質された燃料ガスを反応させることにより電力を生成する燃料電池セルスタックと、この燃料電池セルスタック上方に設けられ、上記燃料電池セルスタックにおいて発電に利用されずに残った燃料ガスを燃焼させる燃焼部と、上記燃料電池セルスタックの少なくとも一部を取り囲み、上記燃料電池セルスタック及び上記燃焼部から熱を受けるように配置された燃料ガス供給流路と、上記燃料供給装置から供給された原燃料ガスを上記燃料ガス供給流路に供給する燃料ガス供給管と、上記水供給装置から供給された水を上記燃料ガス供給流路に供給する水供給管と、この水供給管から供給された水を蒸発させる蒸発部と、上記燃料電池セルスタックの上部を取り囲むように配置され、上記燃料ガス供給管から供給された原燃料ガスを上記蒸発部において生成された水蒸気により水蒸気改質する改質部と、上記燃料電池セルスタックを取り囲むように配置された容器本体と、この容器本体の底面に取り付けられるベース部材と、上記燃料電池セルスタックを接続する集電部材と電気的に接続される電力取出し端子と、を有し、上記ベース部材には、上記燃料ガス供給管、上記水供給管及び上記電力取出し端子がそれぞれ組み付けられ、上記ベース部材の上面には、上記改質部で改質された燃料ガスを上記燃料電池セルスタックに分散させる分散室が形成され、この分散室の上面には、上記燃料電池セルスタックの下部が組み付けられ、上記容器本体は、上記燃料ガス供給管、上記水供給管、上記燃料電池セルスタック、及び上記電力取出し端子が組み付けられた状態の上記ベース部材に上方から取り付けられる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、固体酸化物型燃料電池装置を組み立てる際、燃料ガス供給管、水供給管、燃料電池セルスタック、及び電力取出し端子のすべてを予めベース部材に組み付けた後、この組み付けた状態のベース部材に容器本体を上方から取り付けることができるため、組み立てが容易となり、組立性を向上させることができる。また、燃料ガス供給管、水供給管、燃料電池セルスタック、及び電力取出し端子を精度良く位置決めすることもできるため、燃料電池セルスタックに供給される燃料ガスの温度の均一性や気流の均一性を高めることができるため、機能的に優れた固体酸化物型燃料電池装置を提供することが可能となる。

本発明において、好ましくは、上記容器本体は、上記燃料電池セルスタックの周囲を取り囲むようにほぼ円筒状に形成された内側円筒部材と、この内側円筒部材の周囲を取り囲むようにほぼ円筒状に形成された外側円筒部材と、を備え、上記内側円筒部材の外壁面と上記外側円筒部材の内壁面との間には、上記燃料ガス供給流路が形成され、この燃料ガス供給流路内には、上記改質部が配置され、上記燃料ガス供給管から供給された原燃料ガスと、上記水供給管から供給されて上記蒸発部で生成された水蒸気とが上記改質部に供給される。
このように構成された本発明においては、容器本体が、内側円筒部材と外側円筒部材とを備え、これらの内側円筒部材の外壁面と外側円筒部材の内壁面との間に燃料ガス供給流路が形成され、この燃料ガス供給流路内に改質部が配置されているため、固体酸化物型燃料電池装置を組み立てる際、容器本体をベース部材に組み付けることによって、燃料ガス供給流路や改質部も容易に組み付けることができるため、組立性を向上させることができる。

本発明において、好ましくは、上記容器本体は、更に、その天井面のほぼ中央から垂下するように設けられ、上記酸化剤ガス供給装置から供給された発電用の酸化剤ガスを上記燃料電池セルスタックに供給するための酸化剤ガス供給管を備えている。
このように構成された本発明においては、容器本体がその天井面のほぼ中央から垂下するように設けられ、酸化剤ガス供給装置から供給された発電用の酸化剤ガスを燃料電池セルスタックに供給するための酸化剤ガス供給管を備えており、この酸化剤ガス供給管から燃料電池セルスタックに向けて酸化剤ガスが放出されるため、固体酸化物型燃料電池装置を組み立てる際、容器本体をベース部材に組み付けることによって、酸化剤ガス供給管も容易に組み付けることができるため、組立性を向上させることができる。

本発明において、好ましくは、上記容器本体の内側円筒部材の外壁面と外側円筒部材の内壁面との間には、上記燃料ガス供給管から上記燃料ガス供給流路に原燃料ガスを流入させる燃料ガス導入部、上記水導入管から上記燃料ガス供給流路に水を流入させる水導入部及び上記蒸発部がそれぞれ配置され、上記蒸発部は、上記燃料ガス導入部よりも上方且つ上記改質部よりも下方に配置されている。
このように構成された本発明においては、燃料ガス導入部、水導入部及び蒸発部のそれぞれが、容器本体の内側円筒部材の外壁面と外側円筒部材の内壁面との間の燃料ガス供給流路に配置され、蒸発部が燃料ガス導入部よりも上方且つ改質部よりも下方に配置されているため、容器本体をベース部材に組み付けることによって、燃料ガス導入部、水導入部、蒸発部及び改質部を確実に位置決めすることができる。したがって、組立性を向上させることができるばかりではなく、改質部に供給される燃料ガスや水蒸気の温度の均一性や気流の均一性を高めることができる。

本発明において、好ましくは、上記燃料電池セルスタックは、上記ベース部材の分散室の上面にほぼ円筒状に配列されており、上記容器本体の内側円筒部材の内周面は、上記容器本体を上記ベース部材に組み付けることによって、上記燃料電池セルスタックをその周囲から所定距離を置いて取り囲む。
このように構成された本発明においては、燃料電池セルスタックがベース部材の分散室の上面にほぼ円筒状に配列されており、容器本体の内側円筒部材の内周面が、容器本体をベース部材に組み付けることによって、燃料電池セルスタックをその周囲から所定距離を置いて取り囲むため、容器本体の内側円筒部材と外側円筒部材との間の燃料ガス供給流路を燃料電池セルスタックに対して確実に位置決めすることができる。したがって、組立性を向上させることができるばかりではなく、燃料ガス供給流路から燃料電池セルスタックに供給される燃料ガスの温度の均一性や気流の均一性を高めることができる。

本発明において、好ましくは、上記電力取出し端子は、上記ベース部材にほぼ円筒状に配列された上記燃料電池セルスタックの中央空間の下方に上記ベース部材を貫くように配置されている。
このように構成された本発明においては、電力取出し端子が、ベース部材にほぼ円筒状に配列された燃料電池セルスタックの中央空間の下方にベース部材を貫くように配置されているため、容器本体をベース部材に組み付ける際に、電力取出し端子を気にすることなく、組み付け作業を行うことができ、組み立てが容易となる。

本発明の固体酸化物型燃料電池装置によれば、組立性を向上させることができる。

本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池装置（ＳＯＦＣ）を示す全体構成図である。本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池装置に備えられた燃料電池セル収容容器の外観を示す斜視図である。本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池装置に備えられた燃料電池セル収容容器の断面図である。図３のIV−IV線に沿う平面断面図である。本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池装置に備えられた燃料電池セル収容容器の上部を拡大して示す概略断面図である。本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池装置を示すブロック図である。本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池の起動時の動作を示すタイムチャートである。図８は、各位置における、燃料ガス供給流路内の温度、及び排ガス排出流路内の温度を示すグラフであり、（ａ）起動１０分後、（ｂ）起動２０分後、（ｃ）起動３０分後の温度を夫々示す。本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池の燃料電池セル収容容器とその内部構造を分解した分解斜視断面図である。本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池のベース部材とその周辺部分を示す部分斜視断面図である。

次に、添付図面を参照して、本発明の実施形態による固体酸化物型燃料電池装置（ＳＯＦＣ）を説明する。
図１は、本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池装置（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固体酸化物型燃料電池装置（ＳＯＦＣ）１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。

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７を介して燃料電池セル収容容器８が配置されている。この燃料電池セル収容容器８内の下部には発電室１０が構成され、この発電室１０の中には、燃料ガスと酸化剤ガスである空気により発電反応を行う燃料電池セルスタック１４が収容されている。この燃料電池セルスタック１４は、同心円状に配置された１００本の燃料電池セルユニット１６から構成されている。

燃料電池セル収容容器８内の発電室１０の上方（燃料電池セルスタック１４の上方）には、燃焼部である燃焼室１８が形成され、この燃焼室１８で、発電反応に使用されずに残った残余の燃料（オフガス）と残余の空気とが燃焼し、排気ガスを生成するようになっている。

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、この純水タンクから供給される水の流量を調整する水供給装置であ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から供給された炭化水素系の原燃料ガスの流量を調整する燃料供給装置である燃料ブロア３８（モータで駆動される「燃料ポンプ」等）と、この燃料ブロア３８から送られた原燃料ガスを分配する比例弁３２を備えている。

なお、比例弁３２を通過した原燃料ガスは、燃料電池モジュール２内に配置された脱硫器３６と、熱交換器３４、電磁弁３５を介して燃料電池セル収容容器８の内部に導入される。脱硫器３６は、燃料電池セル収容容器８の周囲を取り囲むように環状に形成されており、原燃料ガスから硫黄を除去するようになっている。また、熱交換器３４は、脱硫器３６において温度上昇した高温の原燃料ガスが直接電磁弁３５に流入し、電磁弁３５が劣化されるのを防止するために設けられている。電磁弁３５は、燃料電池セル収容容器８内への原燃料ガスの供給を停止するために設けられている。

補機ユニット４は、空気供給源４０から供給される空気の流量を調整する酸化剤ガス供給装置である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）を備えている。

さらに、補機ユニット４には、燃料電池モジュール２からの排気ガスの熱を回収するための温水製造装置５０が備えられている。この温水製造装置５０には、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。
さらに、燃料電池モジュール２には、燃料電池モジュール２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。

次に、燃料電池セルユニット１６について説明する。
本発明の実施形態による固体酸化物型燃料電池装置１においては、燃料電池セルユニット１６として、固体酸化物を用いた円筒横縞型セルが採用されている。
燃料電池セルユニット１６は、円筒形の内側電極層（図示せず）と、内側電極層の周囲に設けられた電解質層（図示せず）と、この電解質層の周囲に設けられた外側電極層（図示せず）と、を備えている。内側電極層（図示せず）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（図示せず）は、空気と接触する空気極であり、（＋）極となっている。これら内側電極層（図示せず）、電解質層（図示せず）、外側電極層（図示せず）から構成された円筒状の部材に、各種電極端子（図示せず）を取り付けることにより燃料電池セルユニット１６が構成される。実使用時においては、円筒形の内側電極層（図示せず）の内側の通路（図示せず）に燃料ガスが流され、外側電極層（図示せず）の周囲に発電用の酸化剤ガスとして空気が流される。

内側電極層（図示せず）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。

電解質層（図示せず）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。

外側電極層（図示せず）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。

燃料電池セルスタック１４は、燃料電池セル収容容器８の発電室１０内に同心円上に配列された１００本の燃料電池セルユニット１６から構成されている。各燃料電池セルユニット１６に取り付けられた各種電極端子（図示せず）、集電体（図示せず）を導電体（図示せず）により相互に電気的に接続することにより、燃料電池セルスタック１４が構成される。各燃料電池セルユニット１６を接続した導電体（図示せず）は、バスバー８０（図３）に接続され、燃料電池セル収容容器８から引き出される。

次に、図２及び図３により、本発明の実施形態による固体酸化物型燃料電池装置（ＳＯＦＣ）の燃料電池モジュールに内蔵された燃料電池セル収容容器の内部構造を説明する。図２は、燃料電池セル収容容器の外観を示す斜視図であり、図３は燃料電池セル収容容器の断面図である。
図２及び図３に示すように、燃料電池セル収容容器８内の密閉空間には、複数の燃料電池セルユニット１６が同心円状に配列された燃料電池セルスタック１４が配置され、その周囲を取り囲むように燃料ガス供給流路２０、排ガス排出流路２１、酸化剤ガス供給流路２２が順に同心円状に形成されている。

まず、図２に示すように、燃料電池セル収容容器８は、概ね円筒状の密閉容器であり、その下部の外径が太くなっている。また、燃料電池セル収容容器８の下部側面には、発電用の空気を供給する酸化剤ガス流入口である酸化剤ガス導入パイプ５６、及び排気ガスを排出する排ガス排出パイプ５８が接続されている。さらに、燃料電池セル収容容器８の上端面には、内蔵された燃焼バーナーに原燃料ガスを供給するためのバーナー用ガス供給パイプ６０が接続され、また、上端面からは、燃焼バーナーに点火するための点火プラグ６２が突出している。

図３に示すように、燃料電池セル収容容器８の内部には、燃料電池セルスタック１４の周囲を取り囲むように、内側から順に、内側円筒部材６４、外側円筒部材６６、内側円筒容器６８、外側円筒容器７０が配置されている。上述した燃料ガス供給流路２０、排ガス排出流路２１、及び酸化剤ガス供給流路２２は、これらの円筒部材及び円筒容器の間に夫々構成される流路であり、隣り合う流路の間で熱交換が行われる。即ち、排ガス排出流路２１は燃料ガス供給流路２０を取り囲むように配置され、酸化剤ガス供給流路２２は排ガス排出流路２１を取り囲むように配置されている。また、燃料電池セル収容容器８の底面は、概ね円形のベース部材７２により密閉されている。

内側円筒部材６４は、上部の小径部と、下部の大径部と、それらを接続するテーパー部からなる概ね円筒状の管である。
外側円筒部材６６は、内側円筒部材６４の周囲に配置される円筒状の管であり、内側円筒部材６４との間にほぼ一定幅の円環状の流路が形成されるように、内側円筒部材６４と概ね相似形に形成されている。内側円筒部材６４の外周面と、外側円筒部材６６の内周面の間の円環状の空間は、燃料ガス供給流路２０として機能する。このため、燃料ガス供給流路２０は、取り囲んでいる燃料電池セルスタック１４及び燃焼室１８から熱を受ける。また、内側円筒部材６４の上端部と外側円筒部材６６の上端部は接合されており、燃料ガス供給流路２０の上端は閉鎖されている。

内側円筒容器６８は、外側円筒部材６６の周囲に配置される円形断面のカップ状の部材であり、外側円筒部材６６との間にほぼ一定幅の円環状の流路が形成されるように、側面が外側円筒部材６６と概ね相似形に形成されている。外側円筒部材６６の外周面と、内側円筒容器６８の内周面の間の円環状の空間は、排ガス排出流路２１として機能する。この排ガス排出流路２１は、外側円筒部材６６の上端部で、内側円筒部材６４の内側の空間と連通する。また、内側円筒容器６８の下部側面には、排ガス流出口である排ガス排出パイプ５８が接続されており、排ガス排出流路２１が排ガス排出パイプ５８に連通される。

外側円筒容器７０は、内側円筒容器６８の周囲に配置される円形断面のカップ状の部材であり、内側円筒容器６８との間にほぼ一定幅の円環状の流路が形成されるように、側面が内側円筒容器６８と概ね相似形に形成されている。内側円筒容器６８の外周面と、外側円筒容器７０の内周面の間の円環状の空間は、酸化剤ガス供給流路２２として機能する。また、外側円筒容器７０の下部側面には、酸化剤ガス導入パイプ５６が接続されており、酸化剤ガス供給流路２２が酸化剤ガス導入パイプ５６に連通される。

ベース部材７２は、概ね円板状の部材であり、内側円筒容器６８の下端に設けられたフランジに、パッキンを介して固定されることにより、密封された燃料電池セル収容容器８を構成している。また、内側円筒部材６４及び外側円筒部材６６の下端も、ベース部材７２まで延びている。

内側円筒容器６８の天井面から垂下するように、発電用の空気を噴射するための、円形断面の酸化剤ガス噴射用パイプ７４が取り付けられている。この酸化剤ガス噴射用パイプ７４は、内側円筒容器６８の中心軸線上を鉛直方向に延び、その周囲の同心円上に各燃料電池セルユニット１６が配置される。酸化剤ガス噴射用パイプ７４の上端が内側円筒容器６８の天井面に取り付けられることにより、内側円筒容器６８と外側円筒容器７０の間に形成されている酸化剤ガス供給流路２２と酸化剤ガス噴射用パイプ７４が連通される。一方、酸化剤ガス噴射用パイプ７４の下端面は閉鎖されると共に、下端部側面には複数の噴射口７４ａが設けられている。酸化剤ガス供給流路２２から供給された空気は、酸化剤ガス噴射用パイプ７４に流入し、下端部側面に設けられた複数の噴射口７４ａから周囲の各燃料電池セルユニット１６に向けて放射状に噴射される。

ベース部材７２の上面には、ドーナツ形断面の燃料ガス分散室７６が設けられている。燃料ガス分散室７６は、ベース部材７２と同心円を為すように、ベース部材７２上に設けられた気密性のあるチャンバであり、その上面に各燃料電池セルユニット１６が林立されている。燃料ガス分散室７６の上面に取り付けられた各燃料電池セルユニット１６は、その内側の燃料極が、燃料ガス分散室７６の内部と連通されている。

一方、内側円筒部材６４と、燃料ガス分散室７６の上面とを接続するように、改質ガス移送パイプ７８が設けられている。改質ガス移送パイプ７８は、内側円筒部材６４の内側上部から、燃料ガス分散室７６の上面へ、概ね鉛直方向に延びる管である。改質ガス移送パイプ７８の上端は、内側円筒部材６４と外側円筒部材６６の間の燃料ガス供給流路２０と連通され、下端は、燃料ガス分散室７６の上面を貫通して、燃料ガス分散室７６の内部まで延びている。これにより、燃料ガス供給流路２０内を上昇した燃料ガスは、改質ガス移送パイプ７８を通って下方に下り、燃料ガス分散室７６の中に流入する。燃料ガス分散室７６に流入した燃料ガスは、各燃料電池セルユニット１６の燃料極に分配される。

さらに、ベース部材７２の中央には、ベース部材７２を貫通するようにバスバー８０が取り付けられている。バスバー８０は、燃料電池セルスタック１４により生成された電力を、燃料電池セル収容容器８の外部へ取り出すための細長い金属プレート導体であり、ベース部材７２には絶縁体を介して取り付けられている。バスバー８０は、燃料電池セル収容容器８の内部において、後述する各燃料電池セルユニット１６に取り付けられた集電体と電気的に接続されている。また、バスバー８０は、燃料電池セル収容容器８の外部において、インバータ５４（図１）に接続される。

また、ベース部材７２の上面には、燃料ガス分散室７６を取り囲むように、円筒状のセルスタック保温用断熱材８２が取り付けられている。セルスタック保温用断熱材８２は、燃料ガス分散室７６全体、及び燃料電池セルスタック１４の下部約２／３程度の周囲を取り囲むように構成された円筒形の断熱材である。また、セルスタック保温用断熱材８２の上部約１／３の部分は、上端に向けて断熱材の厚さが次第に薄くなるように、テーパが付けられている。この構成により、燃料電池セルスタック１４と、その周囲の内側円筒部材６４との間の断熱性は、セルスタック保温用断熱材８２の上端に向けて少しずつ低下する。

次に、図４、図５を新たに参照して、燃焼バーナーの構成を説明する。
図４は、図３のIV−IV線に沿う平面断面図である。図５は、燃料電池セル収容容器の上部を拡大して示す概略断面図である。

図３乃至図５に示すように、燃焼バーナー８４は、燃料電池セル収容容器８内の上端部に配置された概ねドーナツ形のバーナーであり、その中心軸線上に酸化剤ガス噴射用パイプ７４が貫通されている。燃焼バーナー８４の外周部には、複数のガス噴射口８４ａが設けられており、図４に示すように、燃焼バーナー８４から概ね水平方向に放射状に炎が形成される。また、燃焼バーナー８４の上面には、エジェクター８４ｂが設けられている。エジェクター８４ｂは、燃焼バーナー８４内に燃料ガスを導入する導入口として形成されており、この導入口に向けてバーナー用ガス供給パイプ６０の先端から燃料ガスが噴射される。バーナー用ガス供給パイプ６０の先端から噴射された燃料ガスは、周囲の空気や排気ガスを引き込みながら、燃焼バーナー８４の内部に導入される。燃焼バーナー８４内に流入した燃料ガス及び空気は内部で混合され、各ガス噴射口８４ａから噴射される。

また、点火プラグ６２（図３）は、その先端部がガス噴射口８４ａの近傍に位置するように配置されており、点火プラグ６２の先端部で火花を発生させることにより、ガス噴射口８４ａから噴射された燃料ガス及び空気の混合気に点火される。燃焼バーナー８４の炎は、ガス噴射口８４ａと向かい合う内側円筒部材６４の上端部を加熱する。この燃焼バーナー８４により加熱される内側円筒部材６４の上端部は、加熱部６４ａ（図５）として機能する。

次に、図３を参照して、燃料供給源３０から供給される原燃料ガスを改質するための構成について説明する。
まず、内側円筒部材６４と外側円筒部材６６の間の空間で構成されている燃料ガス供給流路２０の下部には、水蒸気改質用の水を蒸発させるための蒸発部８６が設けられている。蒸発部８６は、外側円筒部材６６の下部内周に取り付けられたリング状の傾斜板８６ａ及び水供給パイプ８８から構成されている。また、蒸発部８６は、発電用の空気を導入するための酸化剤ガス導入パイプ５６よりも下方で、排気ガスを排出する排ガス排出パイプ５８よりも上方に配置されている。傾斜板８６ａは、リング状に形成された金属の薄板であり、その外周縁が外側円筒部材６６の内壁面に取り付けられる。一方、傾斜板８６ａの内周縁は外周縁よりも上方に位置し、傾斜板８６ａの内周縁と、内側円筒部材６４の外壁面との間には隙間が設けられている。

水供給パイプ８８はベース部材７２を貫通して鉛直方向に延びるパイプであり、水流量調整ユニット２８から供給された水蒸気改質用の水が、水供給パイプ８８を介して蒸発部８６に供給される。水供給パイプ８８の上端は、傾斜板８６ａを貫通して傾斜板８６ａの上面側まで延び、傾斜板８６ａの上面側に供給された水は、傾斜板８６ａの上面と外側円筒部材６６の内壁面の間に留まる。傾斜板８６ａの上面側に供給された水は、そこで蒸発され水蒸気が生成される。このように、水供給パイプ８８の上端部は、水導入部８８ａとして機能する。

また、蒸発部８６の下方には、原燃料ガスを燃料ガス供給流路２０内に導入するための燃料ガス導入部が設けられている。燃料ブロア３８から送られた原燃料ガスは、燃料ガス供給パイプ９０を介して燃料ガス供給流路２０に導入される。燃料ガス供給パイプ９０はベース部材７２を貫通して鉛直方向に延びるパイプであり、水供給パイプ８８の近傍に配置されている。また、燃料ガス供給パイプ９０の上端は、傾斜板８６ａよりも下方に位置している。従って、燃料ガス供給パイプ９０の上端部は、燃料ガス導入部９０ａとして機能する。燃料ブロア３８から送られた原燃料ガスは、傾斜板８６ａの下側に導入され、傾斜板８６ａの傾斜により流路を絞られながら傾斜板８６ａの上側へ上昇する。傾斜板８６ａの上側へ上昇した原燃料ガスは、蒸発部８６で生成された水蒸気と共に上昇する。

燃料ガス供給流路２０内の蒸発部８６上方には、混合部９２が設けられている。混合部９２は、内側円筒部材６４の外壁面に取り付けられた３つの螺旋羽根９２ａにより構成されている。各螺旋羽根９２ａは、内側円筒部材６４の周りを概ね１周するＣ形の薄板から構成されており、この板が螺旋を描くように内側円筒部材６４の外壁面に取り付けられている。また、各螺旋羽根９２ａの外周縁は、外側円筒部材６６の内壁面近傍まで延びているため、燃料ガス供給流路２０内には、各螺旋羽根９２ａにより、概ね螺旋を描く流路が形成される。この螺旋状の流路を通過することにより、燃料ガス導入部９０ａから導入された原燃料ガスと、蒸発部８６で生成された水蒸気が十分に混合される。

さらに、燃料ガス供給流路２０内の混合部９２上方、且つ燃料ガス供給流路２０上端の加熱部６４ａ（図５）の下方には、改質部９４が設けられている。改質部９４は、燃料電池セルスタック１４の上部と、その上方の燃焼室１８の周囲を取り囲むように配置されている。改質部９４は、内側円筒部材６４の外壁面に取り付けられた６つの触媒保持螺旋板９４ａと、触媒保持螺旋板９４ａの上部および下部で内側円筒部材６４の外壁面に取り付けられた２つの触媒保持通気板９４ｂと、これらにより保持された改質触媒９６によって構成されている。各触媒保持螺旋板９４ａは、内側円筒部材６４の周りを概ね１周するＣ形の薄板から構成されており、この板が螺旋を描くように内側円筒部材６４の外壁面に取り付けられている。また、各触媒保持螺旋板９４ａの外周縁は、外側円筒部材６６の内壁面近傍まで延びているため、燃料ガス供給流路２０内には、各触媒保持螺旋板９４ａにより、概ね螺旋を描く流路が形成される。各触媒保持通気板９４ｂには、多数の細孔が設けられ通気性が確保される。その細孔の大きさは、改質触媒６４を通過させないように保持しかつ原燃料ガスと水蒸気が改質部９４へ流入させ、そして流出させることのできる通気性が確保される程度である。改質触媒９６は、上述の各触媒保持螺旋板９４ａ、各触媒保持通気板９４ｂの内部に充填される。

このように、改質部９４内に充填された改質触媒９６に、混合部９２において混合された原燃料ガス及び水蒸気が接触すると、改質部９４内においては、式（１）に示す水蒸気改質反応ＳＲが進行する。
Ｃ_mＨ_n＋ｘＨ₂Ｏ → aＣＯ₂＋ｂＣＯ＋ｃＨ₂ （１）

改質部９４において改質された燃料ガスは、改質ガス移送パイプ７８を通って下方に流れ、燃料ガス分散室７６に流入して、各燃料電池セルユニット１６に供給される。なお、水蒸気改質反応ＳＲは吸熱反応であるが、反応に要する熱は、燃焼バーナー８４により加熱された加熱部６４ａ（図５）から伝導する熱、燃焼室１８において生成される燃焼熱、及び燃料電池セルスタック１４において発生する発電熱により供給される。

次に図６により本実施形態による固体酸化物型燃料電池装置（ＳＯＦＣ）に備えられているセンサ類等について説明する。図６は、本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池装置１（ＳＯＦＣ）を示すブロック図である。
図６に示すように、固体酸化物型燃料電池装置１は、制御部１１０を備え、この制御部１１０には、使用者が操作するための「ＯＮ」や「ＯＦＦ」等の操作ボタンを備えた操作装置１１２、発電出力値（ワット数）等の種々のデータを表示するための表示装置１１４、及び、異常状態のとき等に警報（ワーニング）を発する報知装置１１６が接続されている。なお、この報知装置１１６は、遠隔地にある管理センタに接続され、この管理センタに異常状態を通知するようなものであっても良い。また、制御部１１０には、マイクロコンピュータ、メモリ、及びこれらを作動させるプログラム（以上、図示せず）が内蔵されており、これらにより、制御部１１０に接続された各機器が制御される。

次に、制御部１１０には、以下に説明する種々のセンサからの信号が入力されるようになっている。
先ず、可燃ガス検出センサ１２０は、ガス漏れを検知するためのもので、燃料電池モジュール２及び補機ユニット４に取り付けられている。
ＣＯ検出センサ１２２は、本来排気ガス通路８０等を経て外部に排出される排気ガス中のＣＯが、燃料電池モジュール２及び補機ユニット４を覆う外部ハウジング（図示せず）へ漏れたかどうかを検知するためのものである。
貯湯状態検出センサ１２４は、図示しない給湯器におけるお湯の温度や水量を検知するためのものである。

電力状態検出センサ１２６は、インバータ５４及び分電盤（図示せず）の電流及び電圧等を検知するためのものである。
発電用空気流量検出センサ１２８は、発電室１０に供給される発電用空気の流量を検出するためのものである。
改質用空気流量センサ１３０は、改質器２０に供給される改質用空気の流量を検出するためのものである。
燃料流量センサ１３２は、改質器２０に供給される燃料ガスの流量を検出するためのものである。

水流量センサ１３４は、改質器２０に供給される純水の流量を検出するためのものである。
水位センサ１３６は、純水タンク２６の水位を検出するためのものである。
圧力センサ１３８は、改質部９４の外部の上流側の圧力を検出するためのものである。
排気温度センサ１４０は、温水製造装置５０に流入する排気ガスの温度を検出するためのものである。

発電室温度センサ１４２は、燃料電池セルスタック１４の近傍の温度を検出して、燃料電池セルスタック１４の温度を推定するためのものである。
燃焼室温度センサ１４４は、燃焼室１８の温度を検出するためのものである。
排気ガス室温度センサ１４６は、排ガス排出流路２１内を流れる排気ガスの温度を検出するためのものである。
改質器温度センサ１４８は、改質部９４の温度を検出するためのものであり、改質部９４の入口温度と出口温度から改質部９４の温度を算出する。
外気温度センサ１５０は、固体酸化物型燃料電池装置１（ＳＯＦＣ）が屋外に配置された場合、外気の温度を検出するためのものである。また、外気の湿度等を測定するセンサを設けるようにしても良い。

これらのセンサ類からの信号は、制御部１１０に送られ、制御部１１０は、これらの信号によるデータに基づき、水流量調整ユニット２８、燃料ブロア３８、空気流量調整ユニット４５に制御信号を送り、これらのユニットにおける各流量を制御するようになっている。

次に図７により本実施形態による固体酸化物型燃料電池装置１（ＳＯＦＣ）の起動時の動作を説明する。図７は、本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）の起動時の動作を示すタイムチャートであり、燃料電池セルスタック１４の温度が反映される発電室１０の温度、及び改質部９４の温度の推移を示している。また、図７には、これらの温度と併せて、発電用の空気の供給流量、燃焼バーナー８４への燃料ガスの供給流量、改質部９４への燃料ガスの供給流量、及び蒸発部８６への水の供給流量が示されているが、これらは各供給流量の増減の傾向を模式的に表すものであり、具体的な供給量を表すものではない。

固体酸化物型燃料電池装置１の起動時においては、燃料電池モジュール２内の燃料電池セルスタック１４を発電可能な温度まで昇温させるために起動工程を実行する。この起動工程においては、燃料電池モジュール２からインバータ５４へ電力が取り出されることはない。従って、起動工程においては、燃料電池モジュール２は発電を行わない。

先ず、図７の時刻ｔ１において、制御部１１０により空気流量調整ユニット４５が起動され、燃料電池モジュール２への空気の供給が開始される。供給された空気は、酸化剤ガス導入パイプ５６から酸化剤ガス供給流路２２に流入し、酸化剤ガス供給流路２２内を上方に向かって流れた後、酸化剤ガス噴射用パイプ７４に流入する。酸化剤ガス噴射用パイプ７４に流入した空気は下降し、酸化剤ガス噴射用パイプ７４下端の噴射口７４ａから、酸化剤ガス噴射用パイプ７４を取り囲むように配置された各燃料電池セルユニット１６の下部に吹き付けられる。各燃料電池セルユニット１６の下部（燃料電池セルスタック１４の下部）に吹き付けられた空気は、発電室１０内を上昇して燃焼室１８内に流入し、燃焼バーナー８４と内側円筒部材６４の内壁面の間の環状の空間を通って、内側円筒容器６８の天井面に到達する。内側円筒容器６８の天井面に到達した空気は、放射方向に流れて、内側円筒容器６８と外側円筒部材６６の間に形成された排ガス排出流路２１に流入する。排ガス排出流路２１に流入した空気は、下降して、排ガス排出パイプ５８から燃料電池モジュール２の外へ排出される。これにより、燃料電池モジュール２の発電室１０内、燃焼室１８内に滞留していた気体も燃料電池モジュール２の外へ排出される。

次に、時刻ｔ１において、制御部１１０により燃料ブロア３８が起動される。燃料ブロア３８が起動されることにより、燃料供給源３０から供給された原燃料ガスは、比例弁３２に送り込まれる。時刻ｔ１においては、比例弁３２は、供給された全ての原燃料ガスが、燃焼バーナー８４へ送り込まれる状態に設定されている。従って、比例弁３２から流出した原燃料ガスは、バーナー用ガス供給パイプ６０に流入する。バーナー用ガス供給パイプ６０に流入した原燃料ガスは、その下端から燃焼バーナー８４のエジェクター８４ｂに向けて噴射される。エジェクター８４ｂに噴射された原燃料ガスは、周囲の空気を巻き込みながら、空気と共に燃焼バーナー８４の内部に流入する。燃焼バーナー８４に流入した原燃料ガスは、その各ガス噴射口８４ａから概ね水平方向に、放射状に噴射される。

さらに、時刻ｔ２において、制御部１１０により点火プラグ６２に信号が送られ、ガス噴射口８４ａから噴射されている原燃料ガスに点火される。これにより、燃焼バーナー８４の燃焼熱により燃料電池モジュール２内の温度を上昇させる燃焼運転が開始される。燃焼バーナー８４の炎は、燃焼バーナー８４の外周面と対向するように配置されている内側円筒部材６４の上端部である加熱部６４ａを加熱する。加熱部６４ａが加熱されると、熱伝導により内側円筒部材６４全体の温度が上昇すると共に、内側円筒部材６４と接合されている外側円筒部材６６の温度も上昇する。これにより、内側円筒部材６４と外側円筒部材６６の間に配置されている改質部９４内の改質触媒９６も加熱され温度上昇する。

また、内側円筒部材６４に取り囲まれている発電室１０内、燃焼室１８内の温度も上昇する。さらに、燃焼バーナー８４により生成された高温の燃焼ガスは、燃焼バーナー８４と加熱部６４ａの間の空間を通って排ガス排出流路２１に流入する。即ち、燃焼により生じた排気ガスは、外側円筒部材６６と内側円筒容器６８の間の排ガス排出流路２１を通って排出される。この際、外側円筒部材６６の内側に設けられた改質部９４を周囲から加熱すると共に、内側円筒容器６８の外側に設けられている酸化剤ガス供給流路２２内を流れる空気を加熱する。これにより、酸化剤ガス噴射用パイプ７４を通って発電室１０内に流入する空気の温度も上昇し、発電室１０内の温度も上昇する。これらの作用により、時刻ｔ２以降、発電室１０内の温度、及び改質部９４の温度が上昇する。

改質部９４の温度が十分に上昇すると、制御部１１０は、時刻ｔ３において、改質部９４への燃料及び水蒸気の供給を開始する。これにより、燃焼バーナー８４の燃焼熱で燃料電池モジュール２内を加熱しながら、改質部９４内においては水蒸気改質反応ＳＲを発生させるＳＲ１工程が開始される。具体的には、制御部１１０により比例弁３２の設定が変更され、流入した原燃料ガスが燃焼バーナー８４及び改質部９４へ供給されるようになる。また、制御部１１０により、水流量調整ユニット２８が起動され、蒸発部８６への水の供給が開始される。

比例弁３２の設定が変更されることにより、比例弁３２へ流入した原燃料ガスは、燃焼バーナー８４の他に、脱硫器３６へも供給されるようになる。脱硫器３６へ流入した原燃料ガスは、そこで硫黄分が除去される。なお、時刻ｔ３においては、燃料電池セル収容容器８を取り囲むように配置されている脱硫器３６内の触媒（図示せず）の温度も、脱硫が可能な温度まで上昇されており、十分に硫黄分を除去することができる。脱硫器３６から流出した原燃料ガスは、熱交換器３４により温度が低下され、電磁弁３５を通って燃料電池セル収容容器８内に流入する。なお、脱硫器３６から流出した原燃料ガスの温度を熱交換器３４で低下させることにより、後続の電磁弁３５の劣化が防止される。

電磁弁３５を通過した原燃料ガスは、燃料ガス供給パイプ９０の先端の燃料ガス導入部９０ａから、燃料ガス供給流路２０に流入する。燃料ガス供給流路２０の内部は、その上端の加熱部６４ａが加熱されているため、上方の温度が高い状態にある。また、排ガス排出流路２１の排ガス排出パイプ５８は、燃料ガス導入部９０ａよりも上方に設けられているため、燃料ガス導入部９０ａの上方の部分までが排気ガスの熱により加熱されるので、燃料ガス導入部９０ａの上方の温度が高くなる。このため、燃料ガス供給流路２０内には上昇気流が存在するので、燃料ガス導入部９０ａから流入した原燃料ガスは、上昇気流と共に上昇する。この際、燃料ガス導入部９０ａの上方に取り付けられた傾斜板８６ａにより、原燃料ガスの流路は上方が狭くなるように絞られるため、ここで原燃料ガスの流速が上昇する。

一方、水流量調整ユニット２８により送り出された改質用の水は、水供給パイプ８８先端の水導入部８８ａから流出し、傾斜板８６ａの上側の面に流入する。ここで、傾斜板８６ａが取り付けられている外側円筒部材６６の外側は、排ガス排出流路２１であり、上方で改質部９４を加熱した高温の排気ガスが、傾斜板８６ａの周囲まで流下している。この高温の排気ガスの流れにより、蒸発部８６を構成する傾斜板８６ａ及びその近傍の外側円筒部材６６の温度も上昇しているため、水導入部８８ａから蒸発部８６に流入した水は蒸発され、水蒸気が生成される。なお、排ガス排出流路２１内を流下する排気ガスは、上方で改質部９４を加熱することにより温度が低下しているが、蒸発部８６は、改質部９４ほど高温まで加熱する必要はないため、改質部９４を加熱した後の排気ガスによっても十分に加熱することができる。また、蒸発部８６は、燃料電池セルスタック１４の側からも熱を受けるが、燃料電池セルスタック１４と蒸発部８６の間には、セルスタック保温用断熱材８２が配置されているので、蒸発部８６は主に排ガス排出流路２１からの熱により加熱される。

また、排気ガスを排出する排ガス排出パイプ５８は、蒸発部８６よりも下方に配置されているため、排気ガスは蒸発部８６を加熱した後、排ガス排出パイプ５８から排出される。これにより、蒸発部８６は、排ガス排出流路２１内を流れる排気ガスの熱により十分に加熱される。また、蒸発部８６は、発電用の空気を導入するための酸化剤ガス導入パイプ５６よりも下方に配置されている。このため、排ガス排出流路２１の、蒸発部８６を取り囲んでいる部分は、酸化剤ガス供給流路２２内を流れる空気により熱を奪われにくく、蒸発部８６は排気ガスの熱により確実に加熱される。

ここで、燃料ガス導入部９０ａと水導入部８８ａは近傍に配置されている。このため、燃料ガス導入部９０ａから流入し、傾斜板８６ａの内周縁と内側円筒部材６４の外壁面の間から上昇した原燃料ガスは、水導入部８８ａから導入され、傾斜板８６ａの上面の水導入部８８ａ近傍で蒸発された水蒸気と即座に混ざり合いながら、上昇気流と共に燃料ガス供給流路２０内を上昇する。原燃料ガス及び水蒸気は、蒸発部８６の上方に配置された混合部９２に到達し、ここで、各螺旋羽根９２ａによって形成されている螺旋状の流路に沿って、内側円筒部材６４の周囲を回りながら上昇する。螺旋状の流路を旋回しながら上昇することにより、原燃料ガスと水蒸気は十分に混合される。

混合部９２において十分に混合された原燃料ガス及び水蒸気は更に上昇し、混合部９２の上方に配置されている改質部９４に到達する。改質部９４においては、原燃料ガス及び水蒸気は、螺旋を為すように配置された触媒保持螺旋板９４ａに沿って螺旋状に流れ、ここで、改質触媒９６に接触する。これにより、上記式（１）に示した水蒸気改質反応ＳＲが発生し、原燃料ガスは、水素を豊富に含む燃料ガスに改質される。

改質部９４において改質された燃料ガスは、改質ガス移送パイプ７８を通って下方に流れ、燃料ガス分散室７６に流入する。燃料ガス分散室７６に流入した燃料ガスは、燃料ガス分散室７６の上面に配置された各燃料電池セルユニット１６内側の燃料極に流入する。燃料極に流入した燃料ガスは、各燃料電池セルユニット１６内を上昇し、各燃料電池セルユニット１６の上端から流出する。時刻ｔ３においては、発電室１０内の温度は十分に上昇しているため、各燃料電池セルユニット１６の上端から流出した燃料ガスは燃焼され、各燃料電池セルユニット１６の上端には炎が形成される。この各燃料電池セルユニット１６上方の燃焼室１８内における燃料ガスの燃焼熱によっても、燃焼室１８を取り囲むように配置されている改質部９４が加熱される。

上述したように、改質部９４内で発生する水蒸気改質反応ＳＲは、吸熱反応であるが、この反応に要する熱は、燃焼バーナー８４による加熱部６４ａへの加熱、燃焼室１８内における燃焼熱、及び燃焼室１８から改質部９４周囲の排ガス排出流路２１を通って流れる排気の熱によって賄われる。

燃料電池モジュール２内の温度が所定の温度まで上昇すると、制御部１１０は、時刻ｔ４において、ＳＲ２工程を開始させる。ＳＲ２工程においては、制御部１１０により比例弁３２の設定が変更され、燃焼バーナー８４への燃料ガス供給量が減少される一方、改質部９４への燃料ガス供給量が増加される。また、水流量調整ユニット２８により蒸発部８６へ供給される水の流量も増加される。これにより、燃焼バーナー８４による加熱が減少し、各燃料電池セルユニット１６の上端から流出する燃料ガスの燃焼熱による加熱が増加する。

燃料電池モジュール２内の温度が更に上昇して、所定の温度に到達すると、制御部１１０は、時刻ｔ５において、ＳＲ３工程を開始させる。ＳＲ３工程においては、制御部１１０により比例弁３２の設定が変更され、燃焼バーナー８４への燃料ガスの供給が停止される一方、改質部９４への燃料ガス供給量が増加される。また、水流量調整ユニット２８により蒸発部８６へ供給される水の流量も増加される。これにより、燃焼バーナー８４による加熱が停止され、専ら各燃料電池セルユニット１６の上端から流出する燃料ガスの燃焼熱により加熱されるようになる。

さらに、燃料電池セルスタック１４の温度が、発電可能な温度に到達すると、制御部１１０は、時刻ｔ６において、起動工程を終了し、発電工程を開始する。具体的には、制御部１１０により、燃料電池モジュール２がインバータ５４に接続され、バスバー８０を介してインバータ５４に電流が取り出される。これにより、各燃料電池セルユニット１６の燃料極側（内側）を流れる燃料ガスと、空気極側（外側）を流れる空気の間で発電反応が発生し、電力が生成される。なお、発電工程においては、燃料ガス供給流量、水供給流量、及び発電用の空気流量は、要求される発電量に応じて決定される。本実施形態の固体酸化物型燃料電池装置１においては、ＳＲ３工程における燃料ガス供給流量、水供給流量、及び発電用の空気流量は、最大定格電力を生成するために必要な各流量よりも多く設定されている。従って、ＳＲ３工程から発電工程に移行すると、燃料ガス供給流量、水供給流量、及び空気流量は低下される。

発電工程では、各燃料電池セルユニット１６において、発電熱が発生する。従って、燃料電池モジュール２の内部は、各燃料電池セルユニット１６の発電熱によっても加熱される。特に、燃料電池セルスタック１４の上部の周囲を取り囲むように配置されている改質部９４は、発電熱により加熱される。このため、発電工程中においても、燃料ガス供給流路２０は、上部の温度が高く、下部の温度が低くなり、その内部において上昇気流が発生し、供給された原燃料ガスが容易に上方へ送られる。

また、発電室１０内の温度は、その上部が燃焼室１８における燃焼熱により加熱されるため、上部において温度が高く、下部において温度が低くなる傾向があり、これにより、各燃料電池セルユニット１６においても、その上部と下部の間で温度ムラが発生しやすい。

しかしながら、本実施形態の固体酸化物型燃料電池装置１においては、燃料電池セルスタック１４の下部がセルスタック保温用断熱材８２によって包囲されているため、各燃料電池セルユニット１６の下部で発生した発電熱が、周囲の内側円筒部材６４（燃料ガス供給流路２０）へ移りにくく、各燃料電池セルユニット１６の下部が保温される。一方、温度が上昇しやすい各燃料電池セルユニット１６の上部は、内部で吸熱反応が発生している改質部９４と直接対向しているため、周囲に発電熱が奪われやすくなっている。これにより、各燃料電池セルユニット１６における上部と下部の間での温度ムラが抑制される。

さらに、燃料電池セルスタック１４を取り囲むセルスタック保温用断熱材８２は、上端に向かって次第に薄くなるように形成されている。これにより、各燃料電池セルユニット１６において、セルスタック保温用断熱材８２に囲まれている部分と、囲まれていない部分で急激に断熱性が変化することによる温度ムラの発生が抑制される。また、本実施形態の固体酸化物型燃料電池装置１においては、内側円筒部材６４の下部の内径が大きく、上部の内径が小さく形成されている。このため、燃料電池セルスタック１４の下部においては、燃料電池セルスタック１４から周囲の内側円筒部材６４までの距離が離れており、上部においては内側円筒部材６４までの距離が近接し、下方ほど燃料電池セルスタックから内側円筒部材６４までの距離が離れている。これにより、燃料ガス供給流路２０は、燃料電池セルスタック１４の下部からは、燃料電池セルスタック１４の上部からよりも、燃料電池セルスタック１４の熱を受けにくくなる。換言すれば、燃料電池セルスタック１４の下部においては、発電熱が奪われにくくなり、各燃料電池セルユニット１６における上部と下部の間での温度ムラが抑制される。

また、本実施形態の固体酸化物型燃料電池装置１においては、発電用の空気は、燃料電池セルスタック１４の中央に配置された酸化剤ガス噴射用パイプ７４から放射状に噴射され、発電室１０内を上昇した後、内側円筒部材６４の上端縁から、環状の排ガス排出流路２１に流入する。このため、発電室１０内及び燃焼室１８内の空気の流れは、ほぼ完全に軸対称の流れとなり、燃料電池セルスタック１４を構成する各燃料電池セルユニット１６の周囲には、ムラなく空気が流れる。これにより、各燃料電池セルユニット１６間の温度差が抑制され、各燃料電池セルユニット１６で均等な起電力を発生することができる。

次に、図８を参照して、起動工程における燃料電池セル収容容器８内の温度分布を説明する。図８（ａ）乃至（ｃ）は、図３に示す位置Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄにおける、燃料ガス供給流路２０内の温度、及び排ガス排出流路２１内の温度を示すグラフであり、燃料ガス供給流路２０内の温度を実線で、排ガス排出流路２１内の温度を破線で示している。図８（ａ）は起動１０分後の温度分布を示し、（ｂ）は２０分後、（ｃ）は３０分後を示している。図３に示すように、位置Ａは、燃料電池セル収容容器８の上端部近傍であり、燃料ガス供給流路２０内の位置Ａは加熱部６４ａ近傍であり、排ガス排出流路２１内の位置Ａは排ガス排出流路２１の入り口近傍である。位置Ｂは、燃料ガス供給流路２０内において改質部９４が形成された部分に該当する。位置Ｃは、混合部９２と改質部９４の間の部分に該当する。位置Ｄは、燃料ガス供給流路２０内において蒸発部８６が形成された部分に該当する。

まず、図８（ａ）に示すように、起動１０分後においては、燃焼バーナー８４で加熱されている加熱部６４ａ近傍の位置Ａにおける温度は上昇しているが、下方の位置Ｂ乃至Ｄにおける温度は、あまり上昇していない。また、破線で示す排ガス排出流路２１内の温度の方が、実線で示す燃料ガス供給流路２０内の温度よりも高くなっている。

次に、図８（ｂ）に示すように、起動２０分後においては、加熱部６４ａ近傍の位置Ａにおける熱が、下方の位置Ｂ、Ｃに伝導され、温度が上昇しており、改質部９４の温度が上昇し始めている。これに対して、位置Ｄにおける温度は、まだあまり上昇していない。また、図８（ｂ）から明らかなように、排ガス排出流路２１内の温度は、燃料ガス供給流路２０内の温度よりも高く、排ガス排出流路２１内を流れる排気ガスにより、燃料ガス供給流路２０内の燃料ガス、水、改質触媒９６が加熱される。また、図８（ｂ）において、燃料ガス供給流路２０内の位置Ｄの温度が１００℃程度まで上昇しており、蒸発部８６内における水蒸気の生成が可能になる。

さらに、図８（ｃ）に示すように、起動３０分後においては、位置Ｂにおける温度が位置Ａに接近し、改質触媒９６が十分に加熱されていることが分かる。また、図８（ｂ）（ｃ）から明らかなように、燃料ガス供給流路２０内の温度は、上方ほど高くなっており、これにより生じる上昇気流により、燃料ガスは、ブロア等によりあまり加圧されていなくとも、燃料ガス供給流路２０内で上昇し改質部９４へ送り込まれる。また、蒸発部８６において発生した水蒸気も上昇気流により、燃料ガスと混合されながら、改質部９４へ送り込まれる。このように、燃料ガス供給流路２０内においては、大きな温度勾配が発生している一方、燃料ガス供給流路２０により取り囲まれている燃料電池セルスタック１４の上部と下部の間の温度ムラは、上述したように抑制される。

次に、図３、図９及び図１０を参照して、本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池のベース部材とその周辺部分の構造について、さらに詳細に説明する。
図９は、本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池の燃料電池セル収容容器とその内部構造を分解した分解斜視断面図である。図１０は、本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池のベース部材とその周辺部分を示す部分斜視断面図である。

図３、図９及び図１０に示すように、本実施形態の固体酸化物型燃料電池装置１を組み立てる際、まず、燃料電池セル収容容器８の底面がベース部材７２の上面１５２に取り付けられる前に、より具体的には、内側円筒部材６４及び外側円筒部材６６の下端から半径方向外側に放射状に延びるフランジ部１５４の底面１５４ａがベース部材７２の上面１５２に取り付けられる前に、ベース部材７２には、燃料電池セルスタック１４、改質ガス移送パイプ７８、バスバー８０、セルスタック保温用断熱材８２、水供給パイプ８８、及び燃料ガス供給パイプ９０が予め組み付けられるようになっている。
そして、このようにベース部材７２に組み付けられた燃料電池セルスタック１４及びセルスタック保温用断熱材８２が、内側円筒部材６４の下方から内側円筒部材６４の内部空間１５６内に挿入されるように、内側円筒部材６４及び外側円筒部材６６のフランジ部１５４の底面１５４ａがベース部材７２の上面１５４に上方から取り付けられるようになっている。
さらに、このように取り付けられた状態の内側円筒部材６４及び外側円筒部材６６が、内側円筒容器６８の内部空間１５８内に挿入されるように、内側円筒容器６８の下端から半径方向外側に放射状に延びるフランジ部１６０の底面１６０ａが内側円筒部材６４及び外側円筒部材６６のフランジ部１５４の上面１５４ｂに対して上方から取り付けられる。そして、ベース部材７２、内側円筒部材６４及び外側円筒部材６６のフランジ部１５４、並びに、内側円筒容器６８のフランジ部１６０の互いの接触面同士が、ビス等の固定部材（図示せず）により固定されるようになっている。

また、ベース部材７２に取り付けられる前の状態の内側円筒部材６４及び外側円筒部材６６においては、内側円筒部材６４の外壁面１６２と外側円筒部材６６の内壁面１６４との間に形成される燃料ガス供給流路２０内に改質部９４が予め配置されている。
さらに、ベース部材７２に取り付けられる前の状態の内側円筒容器６８及び外側円筒容器７０においては、内側円筒容器６８の外周面１６８と外側円筒容器７０の内周面１７０との間に酸化剤ガス供給流路２２が形成されるように、互いに固定されており、内側円筒容器６８の天井面１７０のほぼ中央部には、酸化剤ガス供給流路２２と上端で連通するように上下方向に垂下する酸化剤ガス噴射用パイプ７４が一体に設けられている。これにより、内側円筒容器６８をベース部材７２に組み付けた状態で、酸化剤ガス噴射用パイプ７４の周囲の同心円上に各燃料電池セルユニット１６が配置されるようになっている。

また、内側円筒部材６４及び外側円筒部材６６をベース部材７２に組み付けた状態では、内側円筒部材６４の外壁面１６２と外側円筒部材６６の内壁面１６４との間に形成される燃料ガス供給流路２０内に、燃料ガス供給パイプ９０の燃料ガス導入部９０ａ、水供給パイプ８８の水導入部８８ａ、及び蒸発部８６のそれぞれが配置され、この蒸発部８６が燃料ガス導入部９０ａよりも上方且つ改質部９４よりも下方に配置されている。

さらに、内側円筒部材６４及び外側円筒部材６６をベース部材７２に組み付けた状態では、燃料電池セルスタック１４は、ベース部材７２の分散室７６の上面１７２にほぼ円筒状に配列されており、内側円筒部材６４の内周面１７４は、燃料電池セルスタック１４の周囲から所定距離を置いて取り囲んでいる。これにより、内側円筒部材６４の外壁面１６２と外側円筒部材６６の内壁面１６４との間に形成される燃料ガス供給流路２０を燃料電池セルスタック１４の周囲を取り囲むようにして確実に位置決めすることができるようになっている。

つぎに、図９及び図１０に示すように、燃料電池セルスタック１４により生成された電力を燃料電池セル収容容器８の外部へ取り出すための電力取出し端子であるバスバー８０は、各燃料電池セルユニット１６が電気的に直列に接続されるように各燃料電池セルユニット１６に取り付けられた集電部材１７６と電気的に接続されている。
また、バスバー８０の細長い金属プレートの一対の導体部１７８は、絶縁部材１８０を介してベース部材７２を上下方向に貫くように取り付けられている。すなわち、ベース部材７２に取り付けられた状態のバスバー８０においては、各導体部１７８の上端が、ベース部材７２にほぼ円筒状に配列された燃料電池セルスタック１４の中央空間内の下方の位置で集電部材１７６に接続されている。
さらに、バスバー８０の導体部１７８においては、絶縁部材１８０が取り付けられている中間部分で且つベース部材７２の上面１５２よりも上方部分は、ドーナツ状の燃料ガス分散室７６の中央側の外部にほぼ円筒状に形成された円筒空間１８２内に位置している。この円筒空間１８２の下方は、ベース部材７２の上面１５２に塞がれている。
また、各導体部１７８の下端は、バスバー８０がベース部材７２に取り付けられた状態でベース部材７２の底面よりも下方に位置し、インバータ５４と接続されている。
このようなバスバー８０の各部の構成や配置により、燃料電池セル収容容器８を上方からベース部材７２に組み付ける際に、バスバー８０を気にすることなく、組み付け作業を行うことができるようになっている。

上述した本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池装置１によれば、この装置１を組み立てる際、燃料電池セルスタック１４、改質ガス移送パイプ７８、バスバー８０、セルスタック保温用断熱材８２、水供給パイプ８８、及び燃料ガス供給パイプ９０のすべてをベース部材７２に予め組み付けた後、この組み付けた状態のベース部材７２に燃料電池セル収容容器８を上方から取り付けることができるため、組み立てが容易となり、組立性を向上させることができる。また、燃料電池セルスタック１４、改質ガス移送パイプ７８、バスバー８０、セルスタック保温用断熱材８２、水供給パイプ８８、及び燃料ガス供給パイプ９０を精度良く位置決めすることもできるため、燃料電池セルスタック１４に供給される燃料ガスの温度の均一性や気流の均一性を高めることができるため、機能的に優れた固体酸化物型燃料電池装置１を提供することが可能となる。

また、本実施形態による固体酸化物型燃料電池装置１によれば、燃料電池セル収容容器８が、内側円筒部材６４と外側円筒部材６６とを備え、これらの内側円筒部材６４の外壁面１６２と外側円筒部材６６の内壁面１６４との間に燃料ガス供給流路２０が形成され、この燃料ガス供給流路２０内に改質部９４が配置されているため、固体酸化物型燃料電池装置１を組み立てる際、内側円筒部材６４及び外側円筒部材６６をベース部材７２に上方から組み付けることによって、燃料ガス供給流路２０や改質部９４も容易に組み付けることができるため、組立性を向上させることができる。

さらに、本実施形態による固体酸化物型燃料電池装置１によれば、内側円筒容器６８の天井面１７０のほぼ中央部に垂下するように設けられ、空気流量調整ユニット４５から供給された発電用の酸化剤ガスを燃料電池セルスタック１４に供給するための酸化剤ガス噴射用パイプ７４を備えており、この酸化剤ガス噴射用パイプ７４から燃料電池セルスタック１４に向けて酸化剤ガスが放出されるため、固体酸化物型燃料電池装置１を組み立てる際、内側円筒部材６４及び外側円筒部材６６をベース部材７２に組み付けることによって、酸化剤ガス噴射用パイプ７４も容易に組み付けることができるため、組立性を向上させることができる。

また、本実施形態による固体酸化物型燃料電池装置１によれば、燃料ガス導入部９０ａ、水導入部８８ａ及び蒸発部８６のそれぞれが、内側円筒部材６４の外壁面１６２と外側円筒部材６６の内壁面１６４との間に形成される燃料ガス供給流路２０内に配置され、蒸発部８６が燃料ガス導入部９０ａよりも上方且つ改質部９４よりも下方に配置されている蒸発部が燃料ガス導入部よりも上方且つ改質部よりも下方に配置されている。したがって、内側円筒部材６４及び外側円筒部材６６をベース部材７２に組み付けることによって、燃料ガス導入部９０ａ、水導入部８８ａ、蒸発部８６及び改質部９４を確実に位置決めすることができる。したがって、組立性を向上させることができるばかりではなく、改質部９４に供給される燃料ガスや水蒸気の温度の均一性や気流の均一性を高めることができる。

さらに、本実施形態による固体酸化物型燃料電池装置１によれば、燃料電池セルスタック１４がベース部材７２の燃料ガス分散室７６の上面１７４にほぼ円筒状に配列されており、内側円筒部材６４及び外側円筒部材６６をベース部材７２にベース部材７２に組み付けることによって、内側円筒部材６４の内周面１７４が、燃料電池セルスタック１４の周囲から所定距離を置いて取り囲んでいるため、内側円筒部材６４の外壁面１６２と外側円筒部材６６の内壁面１６４との間に形成される燃料ガス供給流路２０を燃料電池セルスタック１４の外周側を取り囲むようにして確実に位置決めすることができ、組立性を向上させることができるばかりではなく、燃料ガス供給流路２０から改質部９４、改質ガス移送パイプ７８、及び燃料ガス分散室７６を経て燃料電池セルスタック１４に供給される燃料ガスの温度の均一性や気流の均一性を高めることができる。

また、本実施形態による固体酸化物型燃料電池装置１によれば、バスバー８０が、ベース部材７２にほぼ円筒状に配列された燃料電池セルスタック１４の中央空間の下方にベース部材７２を貫くように配置されているため、燃料電池セル収容容器８を上方からベース部材７２に組み付ける際に、バスバー８０を気にすることなく、組み付け作業を行うことができ、組み立てが容易となる。

１固体酸化物型燃料電池装置
２燃料電池モジュール
４補機ユニット
７断熱材
８燃料電池セル収容容器（容器本体）
１０発電室
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（燃焼部）
２０燃料ガス供給流路
２１排ガス排出流路
２２酸化剤ガス供給流路
２４水供給源
２６純水タンク
２８水流量調整ユニット（水供給装置）
３０燃料供給源
３２比例弁
３４熱交換器
３５電磁弁
３６脱硫器
３８燃料ブロア（燃料供給装置）
４０空気供給源
４５空気流量調整ユニット（酸化剤ガス供給装置）
５０温水製造装置
５４インバータ
５６酸化剤ガス導入パイプ
５８排ガス排出パイプ
６０バーナー用ガス供給パイプ
６２点火プラグ
６４内側円筒部材（容器本体）
６４ａ加熱部
６６外側円筒部材（容器本体）
６８内側円筒容器（容器本体）
７０外側円筒容器（容器本体）
７２ベース部材
７４酸化剤ガス噴射用パイプ（酸化剤ガス供給管）
７４ａ噴射口
７６燃料ガス分散室（分散室）
７８改質ガス移送パイプ
８０バスバー（電力取出し端子）
８２セルスタック保温用断熱材
８４燃焼バーナー
８４ａガス噴射口
８４ｂエジェクター
８６蒸発部
８６ａ傾斜板
８８水供給パイプ（水供給管）
８８ａ水導入部
９０燃料ガス供給パイプ（燃料ガス供給管）
９０ａ燃料ガス導入部
９２混合部
９２ａ螺旋羽根
９４改質部
９４ａ触媒保持螺旋板
９４ｂ触媒保持通気板
９６改質触媒
１１０制御部
１１２操作装置
１１４表示装置
１１６警報装置
１２６電力状態検出センサ
１３２燃料流量センサ
１３８圧力センサ
１４０排気温度センサ
１４２発電室温度センサ
１４８改質器温度センサ
１５０外気温度センサ
１５２ベース部材の上面
１５４内側円筒部材及び外側円筒部材のフランジ部
１５４ａ内側円筒部材及び外側円筒部材のフランジ部の底面
１５４ｂ内側円筒部材及び外側円筒部材のフランジ部の上面
１５６内側円筒部材の内部空間
１５８内側円筒容器の内部空間
１６０内側円筒容器のフランジ部
１６０ａ内側円筒容器のフランジ部の底面
１６２内側円筒部材の外壁面
１６４外側円筒部材の内壁面
１６６内側円筒容器の外周面
１６８外側円筒容器の内周面
１７０内側円筒容器の天井面
１７２燃料ガス分散室の上面
１７４内側円筒部材の内周面
１７６集電部材
１７８バスバーの導体部
１８０絶縁部材
１８２円筒空間

Claims

炭化水素系の原燃料ガスを改質し、改質された燃料ガスにより発電する固体酸化物型燃料電池装置であって、
原燃料ガスを供給する燃料供給装置と、
この燃料供給装置により供給された原燃料ガスを水蒸気改質するための水を供給する水供給装置と、
発電用の酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、
この酸化剤ガス供給装置により供給された発電用の酸化剤ガスと改質された燃料ガスを反応させることにより電力を生成する燃料電池セルスタックと、
この燃料電池セルスタック上方に設けられ、上記燃料電池セルスタックにおいて発電に利用されずに残った燃料ガスを燃焼させる燃焼部と、
上記燃料電池セルスタックの少なくとも一部を取り囲み、上記燃料電池セルスタック及び上記燃焼部から熱を受けるように配置された燃料ガス供給流路と、
上記燃料供給装置から供給された原燃料ガスを上記燃料ガス供給流路に供給する燃料ガス供給管と、
上記水供給装置から供給された水を上記燃料ガス供給流路に供給する水供給管と、
この水供給管から供給された水を蒸発させる蒸発部と、
上記燃料電池セルスタックの上部を取り囲むように配置され、上記燃料ガス供給管から供給された原燃料ガスを上記蒸発部において生成された水蒸気により水蒸気改質する改質部と、
上記燃料電池セルスタックを取り囲むように配置された容器本体と、
この容器本体の底面に取り付けられるベース部材と、
上記燃料電池セルスタックを接続する集電部材と電気的に接続される電力取出し端子と、を有し、
上記ベース部材には、上記燃料ガス供給管、上記水供給管及び上記電力取出し端子がそれぞれ組み付けられ、上記ベース部材の上面には、上記改質部で改質された燃料ガスを上記燃料電池セルスタックに分散させる分散室が形成され、この分散室の上面には、上記燃料電池セルスタックの下部が組み付けられ、上記容器本体は、上記燃料ガス供給管、上記水供給管、上記燃料電池セルスタック、及び上記電力取出し端子が組み付けられた状態の上記ベース部材に上方から取り付けられることを特徴とする固体酸化物型燃料電池装置。
上記容器本体は、上記燃料電池セルスタックの周囲を取り囲むようにほぼ円筒状に形成された内側円筒部材と、この内側円筒部材の周囲を取り囲むようにほぼ円筒状に形成された外側円筒部材と、を備え、上記内側円筒部材の外壁面と上記外側円筒部材の内壁面との間には、上記燃料ガス供給流路が形成され、この燃料ガス供給流路内には、上記改質部が配置され、上記燃料ガス供給管から供給された原燃料ガスと、上記水供給管から供給されて上記蒸発部で生成された水蒸気とが上記改質部に供給される請求項１記載の固体酸化物型燃料電池装置。
上記容器本体は、更に、その天井面のほぼ中央から垂下するように設けられ、上記酸化剤ガス供給装置から供給された発電用の酸化剤ガスを上記燃料電池セルスタックに供給するための酸化剤ガス供給管を備えている請求項２記載の固体酸化物型燃料電池装置。
上記容器本体の内側円筒部材の外壁面と外側円筒部材の内壁面との間には、上記燃料ガス供給管から上記燃料ガス供給流路に原燃料ガスを流入させる燃料ガス導入部、上記水導入管から上記燃料ガス供給流路に水を流入させる水導入部及び上記蒸発部がそれぞれ配置され、上記蒸発部は、上記燃料ガス導入部よりも上方且つ上記改質部よりも下方に配置されている請求項３記載の固体酸化物型燃料電池装置。
上記燃料電池セルスタックは、上記ベース部材の分散室の上面にほぼ円筒状に配列されており、上記容器本体の内側円筒部材の内周面は、上記容器本体を上記ベース部材に組み付けることによって、上記燃料電池セルスタックをその周囲から所定距離を置いて取り囲む請求項４記載の固体酸化物型燃料電池装置。
上記電力取出し端子は、上記ベース部材にほぼ円筒状に配列された上記燃料電池セルスタックの中央空間の下方に上記ベース部材を貫くように配置されている請求項５記載の固体酸化物型燃料電池装置。