JP2018181845A - 固体酸化物形燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料利用率を高めつつ改質器に充分な熱を与えることが可能な固体酸化物形燃料電池を提供する。【解決手段】固体酸化物形燃料電池であって、内部隔壁部材Ｐよりも内側の燃焼部１０で発生した燃焼排ガスを含む排気ガスは、内部隔壁部材Ｐの上端側の、改質器３よりも上方に位置する開口部２０を通って内部隔壁部材Ｐよりも外側の側面部材１ｂとの間の排気通路１７に至り、排気通路１７を流れて収納筐体１の外部に排出されるように構成され、改質器３の上方には板状部材Ａが設けられ、板状部材Ａは、改質器３の周囲に存在する排気ガスが、板状部材Ａの下方と上方との間をつなぐガス流路２１を通って板状部材Ａの下方から上方に移動して、板状部材Ａの上方を流れた後で開口部２０に向かって流れるように構成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、原燃料を水蒸気改質して燃料ガスを生成する改質器と、改質器よりも下方に設置されて、改質器で生成された燃料ガスを用いて発電する複数の燃料電池セルを有するセルスタックと、セルスタックから排出されるオフガスを改質器とセルスタックとの間で燃焼して、その燃焼熱を改質器に与える燃焼部とを内部に有する収納筐体を備え、収納筐体は上面部材と下面部材と側面部材とを有して構成される固体酸化物形燃料電池に関する。

特許文献１には、原燃料を水蒸気改質して燃料ガスを生成する改質器（２２０）と、改質器よりも下方に設置されて、改質器で生成された燃料ガスを用いて発電する複数の燃料電池セルを有するセルスタック（１００，１１０）と、セルスタックから排出されるオフガスを改質器とセルスタックとの間で燃焼して、その燃焼熱を改質器に与える燃焼部とを内部に有する収納筐体（５１４，５２２，５３２，５４２）を備える固体酸化物形燃料電池が記載されている。

特開２０１０−２２５４５４号公報

燃料電池において発電効率を高めるための方法として、セルスタックでの燃料利用率を向上させる方法がある。但し、燃料利用率が向上するということは、セルスタックから排出されるオフガス中の燃料成分が少なくなり、それに伴って、燃焼部で発生する燃焼熱が少なくなり、改質器に与えられる熱量が少なくなることを意味する。

改質器での改質反応は吸熱反応のため、改質器に与えられる熱量が少なくなると改質器での原燃料の改質反応が充分に行われ難くなる。そうなると、改質されずにセルスタックまで到達する原燃料が増加し、セルスタックで行われる原燃料の改質反応が増加する。その場合、改質反応が行われている部位、即ち、セルスタックにおいて改質器から供給されるガスが流入する部位の周辺ではその吸熱反応によりセルスタックの温度が低下する。そして、温度が低下した部位ではセルスタックの抵抗が増加して発電が進まないのに対して、抵抗の低い部位では発電が活発になる。このように、燃料電池セルにおいて発電が活発に行われている部位とそうでない部位とが発生することで、セルスタックで有効に発電に使用されている面積が減少し、電流密度に偏りが生じることやセル電圧の低下が生じることにつながる。また、発電反応が行われている部分での燃料電池セルの温度が特に上がるため、耐久性の面でも不利となる。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料利用率を高めつつ改質器に充分な熱を与えることが可能な固体酸化物形燃料電池を提供する点にある。

上記目的を達成するための本発明に係る固体酸化物形燃料電池の特徴構成は、原燃料を水蒸気改質して燃料ガスを生成する改質器と、前記改質器よりも下方に設置されて、前記改質器で生成された燃料ガスを用いて発電する複数の燃料電池セルを有するセルスタックと、前記セルスタックから排出されるオフガスを前記改質器と前記セルスタックとの間で燃焼して、その燃焼熱を前記改質器に与える燃焼部とを内部に有する収納筐体を備え、前記収納筐体は上面部材と下面部材と側面部材とを有して構成される固体酸化物形燃料電池であって、
前記収納筐体は、前記側面部材よりも内側で、当該側面部材と間隔を空けて対面する内部隔壁部材を少なくとも一つ有し、
前記内部隔壁部材よりも内側の前記燃焼部で発生した燃焼排ガスを含む排気ガスは、前記内部隔壁部材の上端側の、前記改質器よりも上方に位置する開口部を通って前記内部隔壁部材よりも外側の前記側面部材との間の排気通路に至り、前記排気通路を流れて前記収納筐体の外部に排出されるように構成され、
前記改質器の上方には板状部材が設けられ、前記板状部材は、前記改質器の周囲に存在する前記排気ガスが、前記板状部材の下方と上方との間をつなぐガス流路を通って前記板状部材の下方から上方に移動して、前記板状部材の上方を流れた後で前記開口部に向かって流れるように構成されている点にある。

上記特徴構成によれば、改質器の上方に設けられる板状部材の存在により、改質器の周囲に存在する排気ガスは、板状部材の下方と上方との間をつなぐガス流路を通って板状部材の下方から上方に移動して板状部材の上方を流れた後で開口部に向かって流れる。つまり、改質器の周囲に存在する排気ガスは、開口部を通って排気通路へ即座に排出されるのではなく、板状部材の下方から上方に移動するまでの間に板状部材の下方にある改質器に対して熱を与えてから、開口部を通って排気通路へ排出される。その結果、燃料利用率を高めるために燃焼部で発生する熱量が少なくなったとしても、排気ガスが開口部から即座に排気される場合に比べて、その熱量を改質器の加熱のために有効に利用できる。
従って、燃料利用率を高めつつ改質器に充分な熱を与えることが可能な固体酸化物形燃料電池を提供できる。

本発明に係る固体酸化物形燃料電池の別の特徴構成は、前記板状部材は、前記改質器の周囲の前記開口部に近い側に存在する前記排気ガスが、前記開口部の方向に向かって最短距離で流れることを阻止するように構成されている点にある。

上記特徴構成によれば、改質器の上方に存在する板状部材の存在により、改質器の周囲の開口部に近い側に存在する排気ガスは、開口部の方向に向かって最短距離で流れることが阻止される。つまり、改質器の周囲の開口部に近い側に存在する排気ガスであっても、ガス流路を通って板状部材の下方から上方に移動して板状部材の上方を流れた後で開口部に向かって流れる。その結果、板状部材の下方から上方に移動するまでの間に板状部材の下方にある改質器に対して熱が有効に与えられる。

本発明に係る固体酸化物形燃料電池の更に別の特徴構成は、前記板状部材は、前記改質器の周囲の前記開口部に近い側に存在する前記排気ガスが、前記板状部材の下面と前記改質器の上面との間を、前記開口部に向かう方向とは逆方向に流れた後で前記板状部材の上面側に至り、前記板状部材の上面側を通って前記開口部に向かうように構成されている点にある。

上記特徴構成によれば、改質器の上方に存在する板状部材の存在により、改質器の周囲の開口部に近い側に存在する排気ガスは、板状部材の下面と改質器の上面との間を、開口部に向かう方向とは逆方向に流れる。その結果、排気ガスの熱は、板状部材と改質器との間を流れる間に改質器に対して有効に与えられる。

本発明に係る固体酸化物形燃料電池の更に別の特徴構成は、前記収納筐体の少なくとも上方を覆うように設けられるエアジャケット筐体を備え、
前記燃料電池セルでの発電に用いるために供給される空気は、前記エアジャケット筐体と前記収納筐体の前記上面部材との間に形成される水平空気通路を、前記板状部材よりも上方を流れる前記排気ガスと熱交換しながら水平方向に向かって流れ、
前記水平空気通路を流れた後の空気は、下向きに延びる下向空気通路を下方に向かって流れ、前記下向空気通路の下端近傍に形成される空気孔を通って前記収納筐体の内部に放出される点にある。

上記特徴構成によれば、燃料電池セルでの発電に用いるために収納筐体の内部に供給される空気は、水平空気通路を通っている間に、板状部材よりも上方を流れる排気ガスによって加熱される。つまり、板状部材の下方で改質器の加熱に用いられた後の排気ガスが、板状部材の上方で空気の加熱に利用される。その結果、高温の排気ガスを改質器の加熱のために優先的に利用しつつ、その後で空気の加熱にも排気ガスの熱を利用できる。

本発明に係る固体酸化物形燃料電池の更に別の特徴構成は、前記板状部材は、前記開口部に近い側の端部が前記内部隔壁部材に装着されている点にある。

上記特徴構成によれば、開口部に近い側の板状部材の端部が内部隔壁部材に装着されているので、改質器の周囲に存在する排気ガスが、その板状部材の端部を通り抜けて開口部から排出されることを阻止できる。

本発明に係る固体酸化物形燃料電池の更に別の特徴構成は、前記板状部材には、前記改質器の周囲に存在する前記排気ガスが、前記板状部材の下方から上方に通過することを許容する孔が前記ガス流路として形成されている点にある。

上記特徴構成によれば、板状部材の下方に存在する排気ガスは、板状部材に形成されたガス流路としての孔の方に向かって移動し、その後、孔を通って板状部材の上方に至る。つまり、排気ガスは、孔に向かって板状部材の下方を移動する。その結果、排気ガスの熱は、板状部材と改質器との間を流れる間に改質器に対して有効に与えられる。

第１実施形態の固体酸化物形燃料電池の断面図である。 第１実施形態の固体酸化物形燃料電池の主要な構成部材の斜視図である。 第２実施形態の固体酸化物形燃料電池の断面図である。 第２実施形態の固体酸化物形燃料電池の主要な構成部材の斜視図である。 第３実施形態の固体酸化物形燃料電池の断面図である。 第３実施形態の固体酸化物形燃料電池の主要な構成部材の斜視図である。 第４実施形態の固体酸化物形燃料電池の断面図である。 第４実施形態の固体酸化物形燃料電池の主要な構成部材の斜視図である。 第５実施形態の固体酸化物形燃料電池の断面図である。 第５実施形態の固体酸化物形燃料電池の主要な構成部材の斜視図である。

＜第１実施形態＞
以下に図面を参照して本発明の第１実施形態に係る固体酸化物形燃料電池について説明する。
図１は、固体酸化物形燃料電池の断面図である。図２は、固体酸化物形燃料電池の主要な構成部材の斜視図である。
固体酸化物形燃料電池は、原燃料を水蒸気改質して燃料ガスを生成する改質器３と、改質器３よりも下方に設置されて、改質器３で生成された燃料ガスを用いて発電する複数の燃料電池セル１４を有するセルスタック（燃料電池部９）と、セルスタック（燃料電池部９）から排出されるオフガスを改質器３とセルスタック（燃料電池部９）との間で燃焼して、その燃焼熱を改質器３に与える燃焼部１０とを内部に有する収納筐体１を備える。

収納筐体１は、上面部材１ｃと下面部材１ｅと側面部材１ｂとを有して構成される。本実施形態の収納筐体１は直方体であるので側面部材１ｂを４つ有し、収納筐体１は、４つの側面部材１ｂ及び上面部材１ｃ及び下面部材１ｅで囲まれて構成される。各図において、この収納筐体１の短手軸に沿った方向を「Ｘ方向」と表記し、それに直交する長手軸に沿った方向を「Ｙ方向」と表記する。更に、収納筐体１の内部は、Ｘ方向で対面する２つの側面部材１ｂよりも内側でそのＸ方向に対面し且つ下面部材１ｅよりも内側に設けられた内面部材１ａで区画されている。尚、内面部材１ａはＹ方向で対面する側面部材１ｂよりも内側には設けられていない。つまり、収納筐体１の内側の水平方向では、Ｘ方向では内面部材１ａ同士が対面している。

更に、下面部材１ｅの内側、及び、Ｘ方向で対面している内面部材１ａの内側、及び、Ｙ方向で対面している側面部材１ｂの内側には断熱材１６を設けてある。加えて、その断熱材１６よりも更に内側には改質器３及び燃料電池部９及びガスマニホールド１５を設けてある。そして、Ｘ方向で対面している内面部材１ａとその内側に設けられている断熱材１６とで、本発明の「内部隔壁部材Ｐ」を構成している。つまり、収納筐体１は、側面部材１ｂよりも内側で、側面部材１ｂと間隔を空けて対面する内部隔壁部材Ｐを少なくとも一つ有している（本実施形態では、内部隔壁部材Ｐを二つ有している）。また、内面部材１ａよりも外側の、側面部材１ｂとの間の空間には、後述するように、収納筐体１の内部からの排気ガスが流れるようになっている。

収納筐体１の内部の上記断熱材１６よりも内側に設けられる燃料電池部９は、複数の固体酸化物形の燃料電池セル１４を電気的に直列接続した状態で備えたセルスタックにて構成されている。図２には、複数の燃料電池セル１４がＹ方向で積層された状態を示している。各燃料電池セル１４は、改質器３で生成された燃料ガスが通流する燃料通流部（図示せず）と空気（即ち、酸素）が通流する空気通流部（図示せず）とを備える。図示は省略するが、燃料電池セル１４は、燃料極と空気極との間に固体電解質層を備えた固体酸化物形に構成される。各燃料電池セル１４では、燃料通流部を燃料ガスが上向きに通流することで燃料極の全体に燃料ガスが供給され、空気通流部を上向きに空気が通流することで空気極の全体に空気が供給される。つまり、各燃料電池セル１４は、燃料通流部における燃料ガスの排出口及び空気通流部における排出口が上向きになる姿勢で横方向に並ぶ状態で、収納筐体１の内部に設置されている。

加えて、改質器３から燃料ガス供給路１１を通して供給される燃料ガスを受け入れるガスマニホールド１５が設けられる。複数の燃料電池セル１４は、ガスマニホールド１５の上方側に上述のように並ぶ状態で配置され、ガスマニホールド１５と複数の燃料電池セル１４における燃料通流部の下端のガス導入口とが連通接続されている。そして、ガスマニホールド１５に供給された燃料ガスが複数の燃料電池セル１４夫々の燃料通流部に対して下端のガス導入口から供給されて、各燃料通流部を下端側（上流側）から上端側（下流側）に通流して発電反応に供される。発電反応に供された後の排燃料ガス（オフガス）は、上端の排出口から排出される。

断熱材１６よりも内側の空間には、後述する空気導入路８を介して空気が供給される。複数の燃料電池セル１４夫々における空気通流部の下端部近傍には、断熱材１６よりも内側の空間と空気通流部の内部とを連通する空気供給孔（図示せず）が設けられている。そして、複数の燃料電池セル１４夫々の空気通流部には断熱材１６よりも内側の空間の空気がこの空気供給孔を通して供給されて、各空気通流部を下端側（上流側）から上端側（下流側）に通流して発電反応に供される。発電反応に供された後の排空気（オフガス）は、上端の排出口から排出される。

燃料電池部９の上方には、燃料電池部９から排出されるオフガスを燃焼させる、即ち、各燃料電池セル１４の燃料通流部から排出される排燃料ガスと空気通流部から排出される排空気（即ち、酸素）とを燃焼させる燃焼空間（即ち、燃焼部１０）が形成される。つまり、燃料電池部９により燃焼部１０が実現される。加えて、改質器３が、燃焼部１０として機能する燃料電池部９の上方の燃焼空間に隣接して設けられている。その結果、燃焼部１０で発生する燃焼熱によって、改質器３が加熱される。改質器３には混合ガス供給路７を介して原燃料ガスと水蒸気との混合ガスが供給され、改質器３において原燃料ガスの水蒸気改質が行われる。図示は省略するが、改質器３の内部には改質触媒が充填されており、この改質触媒の触媒作用によって原燃料ガスが改質処理される。

収納筐体１の内部からの排気ガス、即ち、内部隔壁部材Ｐよりも内側の燃焼部１０で発生した燃焼排ガスを含む排気ガスは、内部隔壁部材Ｐの上端側の、改質器３よりも上方に位置する開口部２０を通って内部隔壁部材Ｐよりも外側の側面部材１ｂとの間の排気通路１７に至り、排気通路１７を流れて収納筐体１の外部に排出されるように構成される。

固体酸化物形燃料電池は、収納筐体１の少なくとも上方を覆うように設けられるエアジャケット筐体４を備える。本実施形態のエアジャケット筐体４は、収納筐体１の側方及び上方を覆う形状になっている。そして、燃料電池セル１４での発電に用いられるために供給される空気は、エアジャケット筐体４と収納筐体１の側面部材１ｂとの間に形成される上向空気通路１２を上向きに流れ、上向空気通路１２を流れた空気は、エアジャケット筐体４と収納筐体１の上面部材１ｃとの間に形成される水平空気通路１３を水平方向に向かって流れ、水平空気通路１３を流れた後の空気は、下向きに延びる下向空気通路２を下方に向かって流れ、下向空気通路２の下端近傍に形成される空気孔２ａを通って収納筐体１の内部に放出される。そして、これら上向空気通路１２及び水平空気通路１３及び下向空気通路２が、上述した空気導入路８として機能する。このような構成により、収納筐体１の内部に放出された空気が、上述した複数の燃料電池セル１４夫々における空気通流部の下端部近傍に供給されて、発電反応に用いられる。

特に、本実施形態の固体酸化物形燃料電池では、Ｙ方向に積層されて延びるセルスタック（燃料電池部９）が２列に並んで設置され、それらＹ方向に延びる２つのセルスタックの間に長手状の下向空気通路２が位置している。

本実施形態の固体酸化物形燃料電池において、改質器３の上方には、板状部材Ａ１（Ａ）が設けられる。この板状部材Ａ１は、改質器３の周囲に存在する排気ガスが、板状部材Ａ１の下方と上方との間をつなぐガス流路（隙間２１）を通って板状部材Ａ１の下方から上方に移動して、板状部材Ａ１の上方を流れた後で開口部２０に向かって流れるように構成されている。特に、全ての排気ガスが板状部材Ａ１の上方を流れた後で開口部２０に至る。具体的には、板状部材Ａ１は、改質器３の周囲の開口部２０に近い側に存在する排気ガスが、開口部２０の方向に向かって最短距離で流れることを阻止するように構成されている。つまり、改質器３の周囲の開口部２０に近い側に存在する排気ガスであっても、板状部材Ａ１の下方から上方に移動して板状部材Ａ１の上方を流れた後で開口部２０に向かって流れる。その結果、板状部材Ａ１の下方から上方に移動するまでの間に板状部材Ａ１の下方にある改質器３に対して熱が有効に与えられる。

図１及び図２に示すように、本実施形態の板状部材Ａ１は、開口部２０に近い側のＸ方向に延びる端部が内部隔壁部材Ｐに装着されている。つまり、改質器３の周囲に存在する排気ガスが、開口部２０に近い側の板状部材Ａ１の端部を通り抜けて開口部２０から排出されることを阻止できる。その結果、排気ガスは、開口部２０から遠い側の板状部材Ａ１の端部と下向空気通路２との間の隙間２１を通って、板状部材Ａ１の下方から上方に移動する。このように、板状部材Ａ１は、改質器３の周囲の開口部２０に近い側に存在する排気ガスが、板状部材Ａ１の下面と改質器３の上面との間を、開口部２０に向かう方向とは逆方向に流れた後で板状部材Ａ１の上面側に至り、板状部材Ａ１の上面側を通って開口部２０に向かうように構成されている。更に、板状部材Ａ１よりも上方を流れる排気ガスは、それよりも上方の水平空気通路１３を流れる空気と熱交換する。つまり、高温の排気ガスを改質器３の加熱のために優先的に利用しつつ、その後で空気の加熱にも排気ガスの熱を利用できる。

次に板状部材Ａ１を設けることにより得られる効果について説明する。
改質器３での改質反応は吸熱反応のため、改質器３に与えられる熱量が少なくなると改質器３での原燃料の改質反応が充分に行われ難くなる。そうなると、改質されなかった原燃料が燃料電池部９まで到達し、その入口部分である燃料電池部９の燃料通流部の上流側で局所的に原燃料の改質反応が行われることも起こり得る。本実施形態では、燃料電池部９の燃料通流部では鉛直方向の下端側から上端側に向かってガスが上方に流れるため、ガスマニホールド１５に近い燃料電池部９の下端側で局所的に原燃料の改質反応（吸熱反応）が行われると、その部分では吸熱反応により燃料電池部９の温度が局所的に低下すると思われる。

但し、板状部材Ａ１を設けることで改質器３に対する排気ガスの熱の伝達が良好になると、改質器３の温度が高くなり、改質器３での原燃料の改質反応が充分に行われることが期待できる。そうなると、ガスの入口部分である燃料電池部９の燃料通流部の下端側での原燃料の改質反応が減少し、その部分での温度低下が抑制されるはずである。つまり、板状部材Ａ１を設けた場合と設けなかった場合とで燃料電池部９の温度を比較することで、改質器３で原燃料の改質反応が充分に行われる程度に排気ガスの熱が改質器３へ有効に伝わるようになったのかどうかを推測できる。

具体的には、板状部材Ａ１を設けることで、板状部材Ａ１を設けない場合に比べて排気ガスの熱が改質器３へ有効に伝わるようになった場合、ガスの入口部分である燃料電池部９の燃料通流部の下端側での温度は、改質反応による温度低下が抑制される分だけ板状部材Ａ１を設けた場合の方が高くなると推測できる。また、板状部材Ａ１を設けることで、板状部材Ａ１を設けない場合に比べて排気ガスの熱が改質器３へ有効に伝わるようになった場合、燃料電池部９の全体で発電反応が行われるようになるため、即ち、ガスの出口部分である燃料電池部９の燃料通流部の上端側で局所的に発電反応が行われてその部分での温度が特に高くなるといった事象が発生し難くなるため、ガスの出口部分である燃料電池部９の燃料通流部の上端側の温度は、板状部材Ａ１を設けた場合の方が低くなると推測できる。更に、板状部材Ａ１を設けた場合の方が燃料電池セル１４のセル電圧は高くなると推測できる。

以下の表１に示すのは、改質器３から供給されるガスの入口に最も近い燃料電池部９の最下端（最上流側）から最上端（最下流側）までの５カ所での温度を、板状部材Ａ１を設けた場合と設けなかった場合とで比較した結果である。また、板状部材Ａ１を設けたことによるセル電圧の増加分も併せて示す。尚、板状部材Ａ１を設けた場合と設けなかった場合とで、燃料利用率及び空気利用率は同じである。

なお、上記５カ所において板状部材Ａ１を設けた場合の最低温度と最高温度との温度差（板状部材あり）と、板状部材Ａ１を設けなかった場合の最低温度と最高温度との温度差（板状部材なし）とを求め、両温度差の差分を求めた。即ち、両温度差の差分＝温度差（板状部材あり）−温度差（板状部材なし）を求めた。結果、両温度差の差分は、−１５℃であった。
また、上記５カ所のうちで、板状部材Ａ１を設けた場合の最高温度と、板状部材Ａ１を設けなかった場合の最高温度とを比較すると、板状部材Ａ１を設けた場合の最高温度が１℃低下していることが確認できた。

これらより、板状部材Ａ１を設けることで、板状部材Ａ１を設けない場合に比べて、ガスの入口部分である燃料電池部９の燃料通流部の下端側での温度は上昇した。また、板状部材Ａ１を設けることで、板状部材Ａ１を設けない場合に比べて、ガスの出口部分である燃料電池部９の燃料通流部の上端側での温度は低くなった。更に、板状部材Ａ１を設けることで、板状部材Ａ１を設けない場合に比べて、最低温度と最高温度との温度差が低下していることから、燃料電池部９の燃料通流部の上下方向における温度分布のバラツキが低減されており、最高温度自体も低下していることから、最高温度の上昇も抑制されている。また、板状部材Ａ１を設けた場合の方が燃料電池セル１４のセル電圧は高くなった。このような結果から、板状部材Ａ１を設けることで、板状部材Ａ１を設けない場合に比べて排気ガスの熱が改質器３へ有効に伝わるようになったと言える。

本実施形態において、板状部材Ａ１の寸法や設置位置などは適宜設定可能である。例えば、断熱材１６から下向空気通路２の方向への板状部材Ａ１の水平方向（Ｘ方向）の突出長さ、板状部材Ａ１の端部と下向空気通路２との間の隙間２１の水平方向の長さ、板状部材Ａ１と上面部材１ｃとの間の鉛直方向の間隔、板状部材Ａ１と改質器３との間の鉛直方向の間隔などは適宜設定可能である。

以上のように、本実施形態の固体酸化物形燃料電池では、改質器３の上方に設けられる板状部材Ａ１の存在により、改質器３の周囲に存在する排気ガスは、隙間２１を通って板状部材Ａ１の下方から上方に移動して板状部材Ａ１の上方を流れた後で開口部２０に向かって流れる。つまり、改質器３の周囲に存在する排気ガスは、開口部２０を通って排気通路１７へ即座に排出されるのではなく、板状部材Ａ１の下方から上方に移動するまでの間に板状部材Ａ１の下方にある改質器３に対して熱を与えてから、開口部２０を通って排気通路１７へ排出される。その結果、燃料利用率を高めるために燃焼部１０で発生する熱量が少なくなったとしても、排気ガスが開口部２０から即座に排気される場合に比べて、その熱量を改質器３の加熱のために有効に利用できる。

＜第２実施形態＞
第２実施形態の固体酸化物形燃料電池は、板状部材Ａの形状が上記実施形態と異なっている。以下に第２実施形態の固体酸化物形燃料電池について説明するが、上記実施形態と同様の構成については説明を省略する。

図３は、固体酸化物形燃料電池の断面図である。図４は、固体酸化物形燃料電池の主要な構成部材の斜視図である。図示するように、板状部材Ａ２（Ａ）には、改質器３の周囲に存在する排気ガスが、板状部材Ａ２の下方から上方に通過することを許容するスリット（孔）２２が上記ガス流路として形成されている。本実施形態では、スリット２２は、Ｘ方向で、断熱材１６よりも下向空気通路２に近い位置に形成されている。また、本実施形態の板状部材Ａ２は、Ｘ方向で開口部２０に近い側の端部が内部隔壁部材Ｐに装着され、Ｘ方向で開口部２０から遠い側の端部が下向空気通路２に装着されている。このような構成により、改質器３の周囲に存在する排気ガスは板状部材Ａ２に形成されたスリット２２を通って、板状部材Ａ２の下方から上方に移動できる。従って、板状部材Ａ２の下方に存在する排気ガスは、板状部材Ａ２に形成されたスリット２２の方に向かって移動し、その後、スリット２２を通って板状部材Ａ２の上方に至る。つまり、排気ガスは、スリット２２に向かって板状部材Ａ２の下方を移動する。その結果、排気ガスの熱は、板状部材Ａ２と改質器３との間を流れる間に改質器３に対して有効に与えられる。

以下の表２に示すのは、上記表１と同様に、改質器３から供給されるガスの入口に最も近い燃料電池部９の最下端（最上流側）から最上端（最下流側）までの５カ所での温度を、板状部材Ａ２を設けた場合と設けなかった場合とで比較した結果である。また、板状部材Ａ２を設けたことによるセル電圧の増加分も併せて示す。尚、板状部材Ａ２を設けた場合と設けなかった場合とで、燃料利用率及び空気利用率は同じである。

上記５カ所において板状部材Ａ２を設けた場合の最低温度と最高温度との温度差（板状部材あり）と、板状部材Ａ２を設けなかった場合の最低温度と最高温度との温度差（板状部材なし）とを求め、両温度差の差分を求めた。即ち、両温度差の差分＝温度差（板状部材あり）−温度差（板状部材なし）を求めた。結果、両温度差の差分は、−１４℃であった。
また、上記５カ所のうちで、板状部材Ａ２を設けた場合の最高温度と、板状部材Ａ２を設けなかった場合の最高温度とを比較すると、板状部材Ａ２を設けた場合の最高温度が１℃低下していることが確認できた。

これらより、板状部材Ａ２を設けることで、板状部材Ａ２を設けない場合に比べて、ガスの入口部分である燃料電池部９の燃料通流部の下端側での温度は上昇した。また、板状部材Ａ２を設けることで、板状部材Ａ２を設けない場合に比べて、ガスの出口部分である燃料電池部９の燃料通流部の上端側での温度は低くなった。更に、板状部材Ａ２を設けることで、板状部材Ａ２を設けない場合に比べて、最低温度と最高温度との温度差が低下していることから、燃料電池部９の燃料通流部の上下方向における温度分布のバラツキが低減されており、最高温度自体も低下していることから、最高温度の上昇も抑制されている。また、板状部材Ａ２を設けた場合の方が燃料電池セル１４のセル電圧は高くなった。このような結果から、板状部材Ａ２を設けることで、板状部材Ａ２を設けない場合に比べて排気ガスの熱が改質器３へ有効に伝わるようになったと言える。

本実施形態でも、板状部材Ａ２の寸法や設置位置などは適宜設定可能である。例えば、断熱材１６からスリット２２の方向への板状部材Ａ２の水平方向（Ｘ方向）の突出長さ、下向空気通路２からスリット２２の方向への板状部材Ａ２の水平方向（Ｘ方向）の突出長さ、水平方向（Ｘ方向）でのスリット２２の幅、板状部材Ａ２と上面部材１ｃとの間の鉛直方向の間隔、板状部材Ａ２と改質器３との間の鉛直方向の間隔などは適宜設定可能である。

＜第３実施形態＞
第３実施形態の固体酸化物形燃料電池は、板状部材Ａの形状が上記実施形態と異なっている。以下に第３実施形態の固体酸化物形燃料電池について説明するが、上記実施形態と同様の構成については説明を省略する。

図５は、固体酸化物形燃料電池の断面図である。図６は、固体酸化物形燃料電池の主要な構成部材の斜視図である。図示するように、板状部材Ａ３（Ａ）には、改質器３の周囲に存在する排気ガスが、板状部材Ａ３の下方から上方に通過することを許容する複数の孔（通気孔２３）が上記ガス流路として形成されている。本実施形態では、これらの通気孔２３は円形であり、一つの板状部材Ａ３内で２列に並んで形成されている。また、本実施形態の板状部材Ａ３は、Ｘ方向で開口部２０に近い側の端部が内部隔壁部材Ｐに装着され、Ｘ方向で開口部２０から遠い側の端部が下向空気通路２に装着されている。このような構成により、改質器３の周囲に存在する排気ガスは板状部材Ａ３に形成された複数の通気孔２３を通って、板状部材Ａ３の下方から上方に移動できる。従って、板状部材Ａ３の下方に存在する排気ガスは、板状部材Ａ３に形成された通気孔２３の方に向かって移動し、その後、通気孔２３を通って板状部材Ａ３の上方に至る。つまり、排気ガスは、通気孔２３に向かって板状部材Ａ３の下方を移動する。その結果、排気ガスの熱は、板状部材Ａ３と改質器３との間を流れる間に改質器３に対して有効に与えられる。

以下の表３に示すのは、上記表１及び表２と同様に、改質器３から供給されるガスの入口に最も近い燃料電池部９の最下端（最上流側）から最上端（最下流側）までの５カ所での温度を、板状部材Ａ３を設けた場合と設けなかった場合とで比較した結果である。また、板状部材Ａ３を設けたことによるセル電圧の増加分も併せて示す。尚、板状部材Ａ３を設けた場合と設けなかった場合とで、燃料利用率及び空気利用率は同じである。

上記５カ所において板状部材Ａ３を設けた場合の最低温度と最高温度との温度差（板状部材あり）と、板状部材Ａ３を設けなかった場合の最低温度と最高温度との温度差（板状部材なし）とを求め、両温度差の差分を求めた。即ち、両温度差の差分＝温度差（板状部材あり）−温度差（板状部材なし）を求めた。結果、両温度差の差分は、−７℃であった。
また、上記５カ所のうちで、板状部材Ａ３を設けた場合の最高温度と、板状部材Ａ３を設けなかった場合の最高温度とを比較すると、板状部材Ａ３を設けた場合の最高温度は設けなかった場合の最高温度と同じであった。

これらより、板状部材Ａ３を設けることで、板状部材Ａ３を設けない場合に比べて、ガスの入口部分である燃料電池部９の燃料通流部の下端側での温度は上昇した。また、板状部材Ａ３を設けることで、板状部材Ａ３を設けない場合に比べて、ガスの出口部分である燃料電池部９の燃料通流部の上端側での温度は低くなった。更に、板状部材Ａ３を設けることで、板状部材Ａ３を設けない場合に比べて、最低温度と最高温度との温度差が低下していることから、燃料電池部９の燃料通流部の上下方向における温度分布のバラツキが低減されている。また、板状部材Ａ３を設けた場合の方が燃料電池セル１４のセル電圧は高くなった。このような結果から、板状部材Ａ３を設けることで、板状部材Ａ３を設けない場合に比べて排気ガスの熱が改質器３へ有効に伝わるようになったと言える。

本実施形態でも、板状部材Ａ３の寸法や設置位置などは適宜設定可能である。例えば、水平方向（Ｘ方向）での通気孔２３の直径、通気孔２３同士の間隔、板状部材Ａ３と上面部材１ｃとの間の鉛直方向の間隔、板状部材Ａ３と改質器３との間の鉛直方向の間隔などは適宜設定可能である。また、通気孔２３の形状は円形に限定されず、四角形を含む多角形や楕円形などの他の形状であってもよい。

＜第４実施形態＞
第４実施形態の固体酸化物形燃料電池は、板状部材Ａの形状が上記実施形態と異なっている。以下に第４実施形態の固体酸化物形燃料電池について説明するが、上記実施形態と同様の構成については説明を省略する。

図７は、固体酸化物形燃料電池の断面図である。図８は、固体酸化物形燃料電池の主要な構成部材の斜視図である。図示するように、板状部材Ａ４（Ａ）には、改質器３の周囲に存在する排気ガスが、板状部材Ａ４の下方から上方に通過することを許容するスリット（孔）２２が上記ガス流路として形成されている。加えて、板状部材Ａ４のＸ方向での中央部分に形成されたスリットは下向空気通路２が挿通される挿通孔２４として機能する。

また、上記実施形態では改質器３の上方に二つの板状部材Ａ（Ａ１，Ａ２，Ａ３）が配置される例を示したが、本実施形態では改質器３の上方は一つの板状部材Ａ４で覆われる。つまり、上記実施形態において二つの板状部材Ａを設置していた場合に生じていた板状部材Ａ同士の隙間、即ち、下向空気通路２から見てＹ方向に存在していた二つの板状部材Ａ同士の隙間が、本実施形態の板状部材Ａ４では覆い隠されている。加えて、本実施形態の板状部材Ａ４は、Ｘ方向で開口部２０に近い側の端部が内部隔壁部材Ｐに装着され、Ｘ方向で開口部２０から遠い側の端部が下向空気通路２に装着されている。このような構成により、改質器３の周囲に存在する排気ガスは板状部材Ａ４に形成されたスリット２２を通ってのみ、板状部材Ａ４の下方から上方に移動できる。つまり、改質器３の上方は、スリット２２以外の部分は板状部材Ａ４によって閉鎖されている。その結果、排気ガスの熱は、板状部材Ａ４と改質器３との間を流れる間に改質器３に対して有効に与えられる。

＜第５実施形態＞
第５実施形態の固体酸化物形燃料電池は、板状部材Ａの形状が上記実施形態と異なっている。以下に第５実施形態の固体酸化物形燃料電池について説明するが、上記実施形態と同様の構成については説明を省略する。

図９は、固体酸化物形燃料電池の断面図である。図１０は、固体酸化物形燃料電池の主要な構成部材の斜視図である。図示するように、改質器３の断面は楕円形になっており、その改質器３の表面には複数のフィン２５が装着されている。このフィン２５により、排気ガスの熱が改質器３に効率的に伝わることになる。また、フィン２５には、複数のフィン２５の先端（外郭）を部分的に覆うように、Ｙ方向に延びた板状部材Ａ５（Ａ）が設けられている。この板状部材Ａ５は、Ｘ方向で開口部２０に近い側の端部が内部隔壁部材Ｐに装着されている。このような構成により、改質器３の周囲に存在する排気ガスは板状部材Ａ５によって流れが制限され、上記ガス流路としてのスリット２２に向かって板状部材Ａ５の下方を移動する。その結果、排気ガスの熱は、板状部材Ａ５と改質器３との間を流れる間に改質器３に対して直接又はフィン２５を介して改質器３に有効に与えられる。

＜別実施形態＞
＜１＞
上記実施形態では、固体酸化物形燃料電池の構成について具体例を挙げて説明したが、その構成については適宜変更可能である。
例えば、上記実施形態において、水を気化させて水蒸気を発生させる気化器を改質器３の部分に設けてもよい。つまり、燃焼部１０で発生する燃焼熱を用いて水を気化させるような構成を採用してもよい。
また、改質器３などの形状は上記実施形態で説明した形状に限定されない。例えば、改質器３の断面は、上記実施形態で説明した矩形か楕円形に限定されず、円形でもよい。
更に、セルスタック（燃料電池部９）が２列に並んで設置される例を示したが、セルスタック（燃料電池部９）が１列だけ設置されていてもよい。
また更に、上記実施形態では、収納筐体１の内部への空気導入路８の構成について具体的に説明したが、空気導入路８の構成は例示したものに限定されず、適宜変更してもよい。同様に、空気導入路８を通流する空気と熱交換を行う相手方の排気ガスが流れる経路も適宜変更可能である。
また更に、上記実施形態において、板状部材は薄い板状ではなくある程度の厚さを有していてもよい。
また更に、上記実施形態では、収納筐体が直方体である例を記載したが、収納筐体の形状は直方体に限定されない。例えば、収納筐体は、直方体の角に丸み付けた形状に形成してもよい。また更に、収納筐体を構成する上面部材及び下面部材及び側面部材などの部材は、平面ではなく湾曲した形状などであってもよい。

＜２＞
上記実施形態において、板状部材Ａと改質器３との間に例えば碍子などで形成されたスペーサなどを挿入して、板状部材Ａと改質器３との間の鉛直方向の間隔を調節してもよい。また、そのようなスペーサを設ければ、板状部材Ａをそのスペーサを介して改質器３上に安定的に設置することもできる。

＜３＞
上記実施形態（別実施形態を含む、以下同じ）で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用でき、また、本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変できる。

本発明は、燃料利用率を高めつつ改質器に充分な熱を与えることが可能な固体酸化物形燃料電池に利用できる。

１ 収納筐体
１ａ 内面部材（内部隔壁部材 Ｐ）
１ｂ 側面部材
１ｃ 上面部材
１ｅ 下面部材
２ 下向空気通路（空気導入路 ８）
２ａ 空気孔
３ 改質器
４ エアジャケット筐体
９ 燃料電池部（セルスタック）
１０ 燃焼部
１３ 水平空気通路（空気導入路 ８）
１４ 燃料電池セル
１６ 断熱材（内部隔壁部材 Ｐ）
１７ 排気通路
２０ 開口部
２１ 隙間（ガス流路）
２２ スリット（孔、ガス流路）
２３ 通気孔（孔、ガス流路）
Ａ（Ａ１〜Ａ５） 板状部材

Claims (6)

1. 原燃料を水蒸気改質して燃料ガスを生成する改質器と、前記改質器よりも下方に設置されて、前記改質器で生成された燃料ガスを用いて発電する複数の燃料電池セルを有するセルスタックと、前記セルスタックから排出されるオフガスを前記改質器と前記セルスタックとの間で燃焼して、その燃焼熱を前記改質器に与える燃焼部とを内部に有する収納筐体を備え、前記収納筐体は上面部材と下面部材と側面部材とを有して構成される固体酸化物形燃料電池であって、
   前記収納筐体は、前記側面部材よりも内側で、当該側面部材と間隔を空けて対面する内部隔壁部材を少なくとも一つ有し、
   前記内部隔壁部材よりも内側の前記燃焼部で発生した燃焼排ガスを含む排気ガスは、前記内部隔壁部材の上端側の、前記改質器よりも上方に位置する開口部を通って前記内部隔壁部材よりも外側の前記側面部材との間の排気通路に至り、前記排気通路を流れて前記収納筐体の外部に排出されるように構成され、
   前記改質器の上方には板状部材が設けられ、前記板状部材は、前記改質器の周囲に存在する前記排気ガスが、前記板状部材の下方と上方との間をつなぐガス流路を通って前記板状部材の下方から上方に移動して、前記板状部材の上方を流れた後で前記開口部に向かって流れるように構成されている固体酸化物形燃料電池。
2. 前記板状部材は、前記改質器の周囲の前記開口部に近い側に存在する前記排気ガスが、前記開口部の方向に向かって最短距離で流れることを阻止するように構成されている請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池。
3. 前記板状部材は、前記改質器の周囲の前記開口部に近い側に存在する前記排気ガスが、前記板状部材の下面と前記改質器の上面との間を、前記開口部に向かう方向とは逆方向に流れた後で前記板状部材の上面側に至り、前記板状部材の上面側を通って前記開口部に向かうように構成されている請求項１又は２に記載の固体酸化物形燃料電池。
4. 前記収納筐体の少なくとも上方を覆うように設けられるエアジャケット筐体を備え、
   前記燃料電池セルでの発電に用いるために供給される空気は、前記エアジャケット筐体と前記収納筐体の前記上面部材との間に形成される水平空気通路を、前記板状部材よりも上方を流れる前記排気ガスと熱交換しながら水平方向に向かって流れ、
   前記水平空気通路を流れた後の空気は、下向きに延びる下向空気通路を下方に向かって流れ、前記下向空気通路の下端近傍に形成される空気孔を通って前記収納筐体の内部に放出される請求項１〜３の何れか一項に記載の固体酸化物形燃料電池。
5. 前記板状部材は、前記開口部に近い側の端部が前記内部隔壁部材に装着されている請求項１〜４の何れか一項に記載の固体酸化物形燃料電池。
6. 前記板状部材には、前記改質器の周囲に存在する前記排気ガスが、前記板状部材の下方から上方に通過することを許容する孔が前記ガス流路として形成されている請求項１〜５の何れか一項に記載の固体酸化物形燃料電池。

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