JP5464571B2 - 固体酸化物形燃料電池のスタック構造 - Google Patents

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池のスタック構造に関するものである。

燃料電池とは外部からの燃料供給と燃焼生成物の排気とを連続的に行いながら、燃料が酸化する際に発生する化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換できる電池である。燃料電池の種類は電解質により分類され、電解質にイオン伝導性を持つ固体酸化物を用いたものを固体酸化物形燃料電池と呼んでいる。この固体酸化物形燃料電池は、作動温度として通常７００〜１０００℃程度必要である。このため、例えば特許文献１に開示された燃料電池スタック構造は、燃料電池セルを上下方向に積層してスタックし、その燃料電池スタックの周囲を囲むように燃焼触媒が担持された熱交換体が設置されている。この燃料電池スタックで使用された燃料ガス及び酸化剤ガスの未反応分は、その後、燃料電池スタックの外周部から外部に放出され、スタック周囲に設置された熱交換体に担持された燃焼触媒で燃焼されて燃料電池スタックを加熱することで作動温度を確保している。

特開２００５−３２７５５３号公報

しかしながら、上記固体酸化物形燃料電池では、熱交換体での触媒燃焼で生じる高温ガスは浮力によりスタック上方に成層するため、スタック下部は相対的にスタック上部よりも低温になってしまい、スタック上下方向の温度が不均一となる。よって、上記固体酸化物形燃料電池では、例えばスタックの上部に配置された燃料電池セルと、スタックの中央付近に配置された燃料電池セルと、スタックの下部に配置された燃料電池セルとでは熱的環境が異なり、スタック性能が低下する問題があった。また、スタック内で最高温度となる燃焼ガスを生成する燃焼部はスタックの外側に設置されて周囲空気と近接しているため，熱漏れが増大して効率的に燃料電池セルを加熱できていないといった問題があった。

そこで、本発明は、スタック内の各燃料電池セル間の熱的環境を均一に保ち，かつ効率よく燃料電池セルを加熱することのできる固体酸化物形燃料電池のスタック構造を提供することを課題とする。

本発明に係る固体酸化物形燃料電池のスタック構造は、上記課題を解決するためになされたものであり、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給される固体酸化物形燃料電池のスタック構造であって、上下方向に延びる筒状の燃焼部材と、上下方向に延びるとともに前記燃焼部材の周囲を囲むように設置され、電解質、燃料極及び空気極を有する複数の燃料電池セルと、を備え、前記各燃料電池セルで使用された燃料ガス及び酸化剤ガスを前記燃焼部材内に排出するように構成されており、前記燃焼部材は、前記各燃料電池セルで使用された燃料ガス及び酸化剤ガスを内部で燃焼するように構成されている。

この構成によれば、各燃料電池セルは、上下方向に積層されるのではなく、上下方向に延びるとともに燃焼部材の周囲を囲むように設置されているため、各燃料電池セル間の熱的環境が均一となり、スタック性能の低下を防止することができる。また、使用済みの燃料ガス及び酸化剤ガスを燃焼する燃焼部材の周囲を囲むように燃料電池セルが設置されることで高温部がスタック構造の中心に位置しているため、燃焼部材内で使用済みガスを燃焼することによって発生する熱を効率よく燃料電池セルに加えることができる。さらには、このように燃焼部材の周囲を囲むように燃料電池セルを設置することで、スタックの外周縁の温度が一番低くなるため、スタック周囲の空気との熱交換が抑制されて断熱効果が高まり、効率よく燃料電池セルを加熱することができる。なお、上記「筒状」とは、断面が円状の円筒のみでなく、断面が三角形や四角形など多角形状の角筒も含む概念である。

上記固体酸化物形燃料電池のスタック構造は種々の構造をとることができ、燃焼部材及び燃料電池セルを収容する断熱性のハウジングをさらに備えていることが好ましい。このように構成することで、より断熱性を向上させることができる。

また、燃焼部は、その内部に燃焼触媒を有していることが好ましい。この構成によれば、燃料電池セルの発電に使用された使用済みの燃料ガス及び酸化剤ガスからなる混合ガスを触媒燃焼させることができ、より効率的に燃焼させることができる。

上記スタック構造においては、燃料電池セルに燃料極及び酸化剤ガスを供給するガス流路をさらに設けることができ、このガス流路の少なくとも一部にガス透過性の伝熱材を配置することができる。このように、伝熱材を配置すると、ガス流路内の保温効果が高まり、この流路を通過するガスを高温に維持することができる。その結果、燃料電池セルに供給するガスを高温にすることができ、発電効率を向上することができる。

また、伝熱材をガス流路内に設置することにより、これを通過するガスの圧力損失が増大し，ガス流れの均一性を向上することが可能となる。

なお、ガス透過性の伝熱材は、流路内全体に充填されていていなくても、一部に配置されていても同様な効果を得ることができる。

ここで、伝熱材は、燃焼部材と燃料電池セルとの間を径方向に連続的に配置することができる。このようにすると、燃料部材で生じる熱を、伝熱材を介して燃料電池セルに効率よく伝導することができる。その結果、燃料電池セルの発電効率を向上することができる。なお、伝熱材のみで、燃焼部材と燃料電池セルとの間を径方向に連続的に配置されていなくてもよく、例えば、ガス流路が管で構成されている場合には、管の壁を介して伝熱材が連続的に配置されていればよい。また、伝熱材は径方向に厳密に連続して配置されていなくてもよく、上記のように間に壁などが配置されていれば、径方向、または高さ方向に多少ずれて入れも伝熱効果を得ることができる。

また、各燃料電池セル間を電気的に接続するインターコネクタをさらに備えていることが好ましい。

また、燃焼部の周囲を囲むように設置された、燃料電池を支持する支持部材をさらに備え、燃料電池セルは、電解質を挟むように燃料極及び空気極が配置された板状の燃料電池セルであって、支持部材は、燃料電池セルが嵌め込まれる貫通穴が形成された支持部と、支持部材の貫通穴を塞ぐように配置され、貫通孔と対向する面に凹状のガス流路が形成されたガス供給部と、ガス供給部に燃料ガス又は酸化剤ガスを導入するガス導入部と、ガス供給部において使用された燃料ガス又は酸化剤ガスを燃焼部内に排出するガス排出部と、を有していることが好ましい。

このように、支持部材の支持部の貫通穴内に燃料電池セルを嵌め込んで支持することによって、燃料電池セルの振動によるズレや割れなどを防止することができる。

上記支持部材の支持部は、貫通孔の側壁面に前記燃料電池セルを支持する肩部が形成されていることが好ましい。このように肩部を形成してその肩部上に燃料電池を配置する構成とすることで、例えば、ガラスシールなどの接着剤を肩部に塗布することで、ガスリークを防ぐとともに燃料電池セルをさらに強固に固定することができる。

本発明によれば、スタック内の各燃料電池セル間の熱的環境を均一に保ち、かつ効率よく燃料電池セルを加熱することのできる固体酸化物形燃料電池のスタック構造を提供することができる。

本発明に係る固体酸化物形燃料電池のスタック構造の実施形態を示す正面断面図である。 図１のＡ−Ａ線断面図である。 本実施形態に係る支持部材の平面図である。 図３のＢ−Ｂ線断面図である。 本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池のスタック構造における燃料ガス及び酸化剤ガスの流れを示す正面断面図である。 本発明に係る固体酸化物形燃料電池のスタック構造の他の実施形態を示す正面断面図である。 支持部材の他の実施形態を示す断面図である。 ガス流路の他の例を示す断面図である。 固体酸化物形燃料電池のスタック構造の他の例を示す正面断面図である。 図９におけるガス流路の他の例を示す断面図である。

以下、本発明に係る固体酸化物形燃料電池のスタック構造の実施形態について図面を参照しつつ説明する。図１は、本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池のスタック構造の正面断面図、図２は図１のＡ−Ａ線断面図である。

図１及び図２に示されるように、本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池のスタック構造１は、円筒状のハウジング２と、ハウジング２内の中央部にハウジング２と同軸となるように設置された円筒状の燃焼部材３と、燃焼部材３の周囲を囲むように間隔をあけて設置された複数の支持部材４とを備えている。また、各支持部材４には燃料電池セル５が支持されており、燃焼部材３と支持部材４との間にはガス供給筒７が介在している。

ハウジング２は、上下方向に延びる円筒状であって、下端部が閉鎖されている。上端部は、その中央部が開口するように内向きフランジ２１が形成されている。このハウジング２の材質としては、断熱性が高い材料を使用しており、例えば、シリカ系材料などを含有する鉱物系の素材を繊維状にしたものなどを挙げることができる。

ハウジング２の中央部を上下方向に延びるように、円筒状の燃焼部材３が設置されている。燃焼部材３は、上端部及び下端部が開口しており、燃焼部材３の上端部はハウジング２の上端部の開口から現れている。また、燃焼部材３の下端部は、後述するガス供給筒７の外筒７２下端部に形成された内向きフランジ７２１の上面と接着している。燃焼部材３の材質としては、シリカ系材料、アルミナ系材料、ジルコニア系材料、チタニア系材料、マグネシア系などのセラミックス系材料、耐熱性のある金属材料などを挙げることができ，これらを混合して使用してもよく、或いはこれらを積層して使用してもよい。

また、図示は省略しているが、燃焼部材３の内部空間には、ペレット状やハニカム構造を有する多孔質体が設置されており、この多孔質体には燃焼触媒が担持されている。燃焼触媒としては、例えば白金や、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、金、銀などの貴金属やペロブスカイト型複合酸化物、スピネル型酸化物、層状アルミネート化合物などを用いることができる。また、担体である多孔質体としては、シリカ系材料、アルミナ系材料、ジルコニア系材料、チタニア系材料、マグネシア系などのセラミックス系材料、耐熱性のある金属材料などを挙げることができ，これらを混合して使用することができる。

燃焼部材３の周囲を覆うように、燃料ガス又は酸化剤ガスを導入するためのガス供給筒７が設置されている。このガス供給筒７は、内筒７１と外筒７２との２つの円筒から構成されている。内筒７１は上端部及び下端部が開口しており、上端部に外向きフランジ７１１が形成されている。内筒７１の上端部は、ハウジング２の上端部に形成された開口から外部へ現れている。また、内筒７１の下端部は、後述する外筒７２の内向きフランジ７２１と接着しており、この内向きフランジ７２１によって閉鎖されている。内筒７１の下部には外筒７２との間でガスが行き来するための第１の連絡穴７３が円周に沿って複数形成されている。

ガス供給筒７の外筒７２は、上端部及び下端部が開口しており、下端部には内向きフランジ７２１が形成されている。外筒７２の上端部は内筒７１の外向きフランジ７１１と接着しており、この外向きフランジ７１１によって閉鎖されている。外筒７２の上端部の外周面は、ハウジング２の内向きフランジ２１の先端部を接着している。また、外筒７２の上部には、その周囲に設置された各燃料電池セル５にガスを供給するために、第２の連絡穴７４が円周に沿って複数形成されている。外筒７２の下端部に形成された開口は、燃焼部材３の内径とほぼ同一の大きさを有しており、燃焼部材３の下端部の開口と一致するような位置となっている。なお、上記内筒７１及び外筒７２の材質としては、耐熱性のあるSUSなどの金属やアルミナなどのセラミックス系材料を挙げることができる。

ガス供給筒７を介して燃焼部材３の周囲を囲むように、複数の支持部材４がそれぞれ間隔をあけて設置されている。図３は支持部材４の平面図、図４は図３のＢ−Ｂ線断面図である。なお、図３では燃料電池セル５の記載を省略している。図３及び図４に示すように、支持部材４は、燃料電池セル５を支持する矩形状の支持部４１と、その下面に接合された矩形状のガス供給部４２と、ガス供給部４２にガスを導入するガス導入部４３と、ガス供給部４２において使用されたガスを排出するガス排出部４４で構成され、全て導電性の材料で形成されている。支持部４１とガス供給部４２は、例えば、金属メッキの後、熱圧着することで接合することができる。

支持部４１は、燃料電池セル５と同じ形状の貫通穴４１１が形成されており、この貫通穴４１１に燃料電池セル５が嵌め込まれる。貫通穴４１１の内壁面の下部には、燃料電池セル５を支持する段状の肩部４１２が、貫通孔４１１の中心方向に四辺から突出している。

ガス供給部４２は、上面に複数の溝からなるガス流路４２１が形成されている。このガス流路４２１は、支持部４１の貫通孔４１１と対向するように配置されており、ガス流路４２１を通過するガスが燃料電池セル５に供給されるようになっている。

また、支持部４１及びガス供給部４２の角部（図３の左下部）からガス導入部４３が延びている。このガス導入部４３は、ガス供給部４２から延びた部分の上面に溝状のガス流路４３２が形成されており、このガス流路４３２の上面を閉鎖するように支持部４１から延びた部分が接合している。なお、このガス導入部４３に形成されたガス流路４３２は、ガス供給部４２に形成されたガス流路４２１と連結している。また、ガス導入部４３の支持部４１から延びた部分にはガス導入口４３１が形成されており、このガス導入口４３１は外部とガス流路４３２とを連結している。

そして、支持部４１及びガス供給部４２のガス導入部４３と対角上の位置（図３の右上部）からはガス排出部４４が延びている。このガス排出部４４も、ガス供給部４２から延びた部分の上面に溝状のガス流路４４２が形成されており、このガス流路４４２の上面を閉鎖するように支持部４１から延びた部分が接合している。なお、このガス排出部４４に形成されたガス流路４４２は、ガス供給部４２に形成されたガス流路４２１と連結している。また、ガス排出部４４の支持部４１から延びた部分にはガス排出口４４１が形成されており、このガス排出口４４１は外部とガス流路４４２とを連結している。

図１及び２に戻って説明を続けると、以上のように構成された支持部材４をハウジング２内に設置した状態では、ガス導入部４３が上部に、ガス排出部４４が下部になるように配置されている。そして、ガス導入部４３はハウジング２の上部側面を貫通してから外部へと突出した状態となっており、ガス導入口４３１がハウジング２の外部に位置している。また、ガス排出部４４は、ハウジング２の中央に向かって延びており、その先端に形成されたガス排出口４４１が燃焼部材３の下方に位置している。

支持部材４に支持されている燃料電池セル５は、図４に示すように、矩形の板状の電解質５１の上面に薄膜状の空気極５２が形成され、下面に薄膜状の燃料極５３がそれぞれ形成されることで構成されている。燃料電池セル５の燃料極５３は、肩部４１２に接触しない大きさ、つまり肩部４１２によって狭められた貫通穴４１１からガス供給部４２を臨むような大きさに形成されている。したがって、肩部４１２には、燃料電池セル５の電解質５１が接触しており、ここでは、ガラスシール（図示省略）によって、電解質５１が肩部４１２に固定されている。このようなガラスシールによってシールすることにより、貫通穴４１１内では、燃料極５３と空気極５２との間のガスの流通が遮断される。そして、燃料極５３とガス流路４２１との間の空間には、多孔質からなるシート状の集電体（導電性部材）６が配置されており、これによって、燃料電池セル５とガス供給部４２とが電気的に接続される。このように支持部材４に支持された燃料電池セル５は、図２に示すように、ガス供給筒７を介して燃焼部材３の周囲を囲むように設置されるが、各燃料電池セル５はインターコネクタ８を介して直列接続している。すなわち、インターコネクタ８が、燃料電池セル５の空気極５２と、これに隣接する支持部材４のガス供給部４２の底面とを電気的に接続するように設置されている。ガス供給部４２は、集電体６を介して燃料電池セル５の燃料極５３と電気的に接続されているため、各燃料電池セル５は隣接する燃料電池セル５と直列接続されている。また、燃料電池セル５は、電解質５１を支持基板とするものの他に、一方の電極を支持基板とし、電解質５１、他方の電極の順に薄膜で形成した構造とすることも出来る。更に、多孔質の導電性基板を支持体として、一方の電極、電解質５１、他方の電極の順に薄膜で形成した構造としても良い。

上記燃料電池セル５を構成する材料について説明すると、まず、電解質５１の材料としては、固体酸化物形燃料電池の電解質として公知のものを使用することができ、例えば、サマリウムやガドリニウム等をドープしたセリア系酸化物（ＧＤＣ）、ストロンチウムやマグネシウムをドープしたランタン・ガレード系酸化物、スカンジウムやイットリウムを含むジルコニア系酸化物（ＹＳＺ）などの酸素イオン伝導性セラミックス材料を用いることができる。

燃料極５３及び空気極５２は、セラミックス粉末材料により形成することができる。このとき用いられる粉末の平均粒径は、好ましくは１０ｎｍ〜１００μｍであり、さらに好ましくは５０ｎｍ〜５０μｍであり、特に好ましくは１００ｎｍ〜１０μｍである。なお、平均粒径は、例えば、ＪＩＳＺ８９０１にしたがって計測することができる。

燃料極５３は、例えば、金属触媒と酸化物イオン導電体からなるセラミックス粉末材料との混合物を用いることができる。このとき用いられる金属触媒としては、ニッケル、鉄、コバルトや、貴金属（白金、ルテニウム、パラジウム等）等の還元性雰囲気中で安定で、水素酸化活性を有する材料を用いることができる。また、酸化物イオン導電体としては、蛍石型構造又はペロブスカイト型構造を有するものを好ましく用いることができる。蛍石型構造を有するものとしては、例えばサマリウムやガドリニウム等をドープしたセリア系酸化物、スカンジウムやイットリウムを含むジルコニア系酸化物などを挙げることができる。また、ペロブスカイト型構造を有するものとしてはストロンチウムやマグネシウムをドープしたランタン・ガレード系酸化物を挙げることができる。上記材料の中では、酸化物イオン導電体とニッケルとの混合物で、燃料極２を形成することが好ましい。なお、酸化物イオン導電体からなるセラミックス材料とニッケルとの混合形態は、物理的な混合形態であってもよいし、ニッケルへの粉末修飾またはセラミックス材料へのニッケル修飾などの形態であってもよい。また、上述したセラミックス材料は、１種類を単独で、或いは２種類以上を混合して使用することができる。また、燃料極５３は、金属触媒を単体で用いて構成することもできる。

空気極５２を形成するセラミックス粉末材料としては、例えば、ペロブスカイト型構造等を有するＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ又はＭｎ等からなる金属酸化物を用いることができる。具体的には（Ｓｍ，Ｓｒ）ＣｏＯ_３、（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ_３、（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ_３、（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｆｅ，Ｃｏ）Ｏ_３、（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ）Ｏ_３などの酸化物が挙げられ、好ましくは、（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｆｅ，Ｃｏ）Ｏ_３である。上述したセラミックス材料は、１種を単独で、或いは２種以上を混合して使用することができる。

上記燃料極５３及び空気極５２は、種々の方法で形成することができる。例えば、ウエットコ−ティング法或いは、ドライコーティング法によって形成することができる。ウエットコ−ティング法としては、スクリーン印刷法、電気泳動（ＥＰＤ）法、ドクターブレード法、スプレーコート法、インクジェット法、スピンコ−ト法、ディップコート法等が例示できる。その際、これら燃料極５３、空気極５２は、ペースト状にする必要があり、上述した材料を主成分として、さらにバインダー樹脂、有機溶媒などが適量加えられることにより形成される。より詳細には、上記主成分とバインダー樹脂との混合において、上記主成分が５０〜９５重量％となるように、バインダー樹脂等を加えることが好ましい。また、ドライコーティング法としては、例えば蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、化学気相成長（ＣＶＤ）法、電気化学気相成長法、イオンビーム法、レーザーアブレーション法、大気圧プラズマ成膜法、減圧プラズマ成膜法等で形成することもできる。また、電解質は、上述の燃料極、及び空気極と同様の手法により形成することが可能であるが、ドライコーティング法やゾルゲル法により形成すれば、上記ウエットコ−ティング法よりも一般的に、低温で緻密な金属酸化物膜を形成できる。更に、基板となる電極や電解質は、粉末をプレスして焼結する方法やテ−プキャスト法により形成することが可能である。

集電体６及びインターコネクタ８は、導電性のある金属或いは金属酸化物材料からなり、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｎｉ、ＳＵＳ系材料、又はＬａ（Ｃｒ，Ｍｇ）Ｏ_３、（Ｌａ，Ｃａ）ＣｒＯ_３、（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｒＯ_３などのランタン・クロマイト系材料によって形成することができ、これらのうちの１種を単独で使用してもよいし、２種以上を混合して使用してもよい。

次に上述したように構成されたスタック構造１における発電方法について説明する。まず、図５に示すように、空気などの酸化剤ガスをガス供給筒７の内筒７１上端部から供給する。内筒７１内に供給された酸化剤ガスは内筒７１内を下方に向かって進み、第１の連絡口７３を通って外筒７２内へと進み、さらに外筒７２内を上方へと進む。そして、外筒７２の上部まで進んだ酸化剤ガスは、第２の連絡口７４を通ってハウジング２内へと進みハウジング２内を下方へと進む。このハウジング２内を下方へと進む過程で、支持部材４に支持された燃料電池セル５の露出している空気極５２と接触する。そして、ハウジング２内の下部まで進んだ使用済みの酸化剤ガスは、ハウジング２内の中央部の燃焼部材３の下端部近傍まで進む。

一方、酸化剤ガスの供給と並行して、支持部材４のガス導入口４３１からは、水素、又はメタン、エタンなどの炭化水素からなる燃料ガスを導入する。ガス導入口４３１から導入された燃料ガスは、図３及び図４に基づいて説明すると、ガス導入部４３のガス流路４３２内を流れてガス供給部４２に形成されたガス流路４２１に供給される。ガス流路４２１に供給された燃料ガスは、集電部６を介して燃料極５３と接触し、その後、ガス排出部４４に形成されたガス流路４４２を流れてガス排出口４４１から排出される。ガス排出口４４１から排出された使用済みの燃料ガスは、図５に示すように、燃焼部材３の下端部近傍へと排出される。そして、燃焼部材３の下端部近傍において、使用済みの燃焼ガス及び酸化剤ガスが混合して混合ガスとなり、燃焼部材３内へと送られる。燃焼部材３内へと送られた使用済みの混合ガスは、燃焼部材３内に設置された燃焼触媒と接触し、触媒燃焼が行われる。このように、燃料極５３及び空気極５２がそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスと接触するため、燃料極５３と空気極５２との間で、電解質５１を介した酸素イオン伝導が起こり、発電が行われる。

以上のように、本実施形態によれば、各燃料電池セル５は、上下方向に積層されるのではなく、上下方向に延びるとともに燃焼部材３の周囲を囲むように設置されているため、各燃料電池セル５間の熱的環境が均一となり、スタック性能の低下を防止することができる。また、使用済みの燃料ガス及び酸化剤ガスを燃焼する燃焼部材３の周囲を囲むように燃料電池セル５が設置されることで高温部がスタック構造の中心に位置しているため、燃焼部材３内で使用済みガスを燃焼することによって発生する熱を効率よく燃料電池セル５に加えることができる。さらには、このように燃焼部材３の周囲を囲むように燃料電池セル５を設置することで、スタック１の外周縁の温度が一番低くなるため、スタック周囲の空気との熱交換が抑制されて断熱効果が高まり、効率よく燃料電池セルを加熱することができる。

上記のようなスタック構造は、内筒７１、外筒７２、燃料電池セル５、ハウジング２を順に組み立てることで構成される。各部材間には、耐熱性のガスケットを挿入しネジで固定することができる。各部材は、取り外し可能であり、メンテナンスや故障時に交換が容易な構造となっている。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態では、ガス供給筒７によって酸化剤ガスや燃料ガスを燃料電池セル５に供給するように構成されているが、ガス供給筒７は燃料電池セル５に酸化剤ガスや燃料ガスを供給することができるものであれば特に構成はこれに限定されるものではない。さらには、例えば図６に示すように、ガス供給筒７自体を省略することもでき、酸化剤ガスをハウジング２の内向きフランジ２１と燃焼部材３との間の空間から酸化剤ガスや燃料ガスを供給することもできる。

また、上記実施形態では、ガス供給筒７に酸化剤ガスを導入し、支持部材４のガス流路４２１に燃料ガスを導入していたが、ガス供給筒７に燃料ガス、支持部材４のガス流路４２１に酸化剤ガスを供給してもよい。

また、上記実施形態では、燃焼部材３内に燃焼触媒を設置して触媒燃焼を行っているが、触媒を使用しない通常の燃焼を行うこともできる。

また、上記支持部材４は種々の構成をとることができ、例えば図７に示すように、支持部材４のガス供給部４２の形状を波状（図７（ａ））や円弧状（図７（ｂ））とすることもできる。さらには、支持部材４を省略して、円筒状あるいは扁平円筒状の燃料電池セル５を使用することもできる。

また、燃焼部材３から燃料電池セル５には、ガス供給筒７を介してガスが供給されているが、ガスを供給するガス流路の構成は、特には限定されず、種々の態様が可能である。例えば、上記のような筒を組み合わせてガス流路を形成する以外に、管を組み合わせてガス流路としてもよい。また、図８（ａ）に示すように、燃焼部材３の周囲を螺旋状に延びて燃料電池セル５に到達するようなガス流路７９であってもよい。また、図８（ｂ）に示すように、燃焼部材３の周囲に筒状の多孔質板１０を配置することもできる。そして、この多孔質板は、上端部の一部を開放してガスを供給可能とし、下端部を閉じておく。この構成によれば、燃焼部材３と多孔質板１０との間にガスを供給すると、ガスは、多孔質板１０から径方向外方にガスを排出し、燃料電池セル５に供給される。

ところで、燃料電池セルが発電するには、高温に維持することが必要になるが、燃焼部材３で発生する熱を利用することができる。図９に示す態様は、図１に示すスタック構造にガス透過性の伝熱材９をさらに設けている。より詳細には、ガス供給筒における燃焼部材３と内筒７１との間の第１流路７５、及び内筒と外筒との間の第２流路７６に伝熱材９を配置する。このとき、第１流路７５の伝熱材９と第２流路７６の伝熱材９とは、径方向の対応する位置に配置される。伝熱材９は、例えば、ペレット状、ハニカム構造、ウール形状、コイル形状とすることができる。また、その材料は、シリカ系材料、アルミナ系材料、ジルコニア系材料、チタニア系材料、マグネシア系などのセラミックス系材料、耐熱性のあるＳＵＳなどの金属材料などを挙げることができ，これらを混合して使用してもよく、或いはこれらを積層して使用してもよい。

上記構成により、燃焼部材３と燃料電池セル５との間が、径方向において、伝熱材９、内筒７１、及び外筒７２で連続的に結ばれることになり、燃焼部材３で発生した熱が、径方向に伝導し、燃料電池セル５に伝わる。その結果、燃料電池セル５を高温で駆動することができ、発電効率を向上することができる。図９においては、第１及び第２流路７５，７６に配置されている伝熱材９が高さ方向（図９の上下方向）の同じ位置に配置されているが、必ずしもこのようにする必要はなく、ずれていてもよい。すなわち、両伝熱材の間に壁、板材、空気層などの媒体があれば、高さ方向、もしくは径方向に多少ずれていても伝熱効果を得ることができる。

また、伝熱材９は上記のように径方向に連続的に配置しなくてもガス流路に配置するだけでも効果を奏する。すなわち、伝熱材９により、ガス流路内の保温効果が高まり、この流路を通過するガスを高温に維持することができる。その結果、燃料電池セル５に供給するガスを高温にすることができ、発電効率を向上することができる。また、ガス透過性の伝熱材９をガスが通過することにより、ガスの圧力損失が増大し，ガス流れの均一性を向上することが可能となる。すなわち、ガスの整流効果がある。以上の観点から、伝熱材９は、ガス流路内全体に充填されていていなくても、一部に配置されていても同様な効果を得ることができる。

なお、伝熱材とガス流路の配置は、特には限定されず、例えば、図１０（ａ）に示すように、燃料電池セル５と燃焼部材３との間に１つのガス流路７７を形成し、このガス流路７７に伝熱材９を配置することもできる。また、ガス流路以外に伝熱材を配置することもできる。例えば、図１０（ｂ）に示すように、燃料電池セル５と燃焼部材３との間にＵ字型のガス流路７８を形成する。そして、ガス流路７８のうち、対向する部分、及びガス流路で形成される凹部に伝熱材９を配置すれば、燃料電池セル５と燃焼部材３とが伝熱材９によって径方向に連続的に結ばれることになる。これによっても、伝熱効果を得ることができる。

１ 固体酸化物形燃料電池のスタック構造
２ ハウジング
３ 燃焼部材
４ 支持部材
４１ 支持部
４１１ 貫通穴
４２ ガス供給部
４２１ ガス流路
４３ ガス導入部
４４ ガス排出部
５ 燃料電池セル
５１ 電解質
５２ 空気極
５３ 燃料極
８ インターコネクタ

Claims (11)

1. 燃料ガス及び酸化剤ガスが供給される固体酸化物形燃料電池のスタック構造であって、
   上下方向に延びる筒状の燃焼部材と、
   上下方向に延びるとともに前記燃焼部材の周囲を囲むように設置され、電解質、燃料極及び空気極を有する複数の燃料電池セルと、を備え、
   前記各燃料電池セルで使用された燃料ガス及び酸化剤ガスを前記燃焼部材内に排出するように構成されており、
   前記燃焼部材は、前記各燃料電池セルで使用された燃料ガス及び酸化剤ガスを内部で燃焼する、固体酸化物形燃料電池のスタック構造。
2. 前記各燃料電池セルで使用された燃料ガス及び酸化剤ガスを前記燃焼部材の下端部から前記燃焼部材内に排出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のスタック構造。
3. 前記燃焼部材及び燃料電池セルを収容する断熱性のハウジングをさらに備えた、請求項１または２に記載の固体酸化物形燃料電池のスタック構造。
4. 前記燃焼部材は、その内部に燃焼触媒を有している、請求項１から３のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池のスタック構造。
5. 前記燃焼部材の周囲を覆い、前記燃料電池セルに燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するガス流路をさらに備える、請求項１から４のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池のスタック構造。
6. 前記ガス流路は、前記燃焼部材と前記燃料電池セルとの間に配置されている、請求項５に記載の固体酸化物形燃料電池のスタック構造。
7. 前記ガス流路の少なくとも一部にはガス透過性の伝熱材が配置されている、請求項６に記載の固体酸化物形燃料電池のスタック構造。
8. 前記伝熱材は、前記燃焼部材と燃料電池セルとの間に径方向に連続的に配置されている、請求項７に記載の固体酸化物形燃料電池のスタック構造。
9. 前記各燃料電池セル間を電気的に接続するインターコネクタをさらに備えた、請求項１〜８のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池のスタック構造。
10. 前記燃焼部材の周囲を囲むように設置された、燃料電池を支持する支持部材をさらに備え、
    前記燃料電池セルは、電解質を挟むように燃料極及び空気極が配置された板状の燃料電池セルであって、
    前記支持部材は、
    前記燃料電池セルが嵌め込まれる貫通穴が形成された支持部と、
    前記支持部の貫通穴を塞ぐように配置され、前記貫通穴と対向する面に凹状のガス流路が形成されたガス供給部と、
    前記ガス供給部に燃料ガス又は酸化剤ガスを導入するガス導入部と、
    前記ガス供給部において使用された燃料ガス又は酸化剤ガスを前記燃焼部材内に排出するガス排出部と、
    を有している、請求項１〜９のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池のスタック構造。
11. 前記支持部材の支持部は、前記貫通穴の側壁面に前記燃料電池セルを支持する肩部が形成されている、請求項１０に記載の固体酸化物形燃料電池のスタック構造。
    

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