JP5470966B2 - 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。

第１の本発明は、燃料ガス及び酸化剤ガスの混合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、燃料が行われる筒状の燃焼部材と、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、前記燃焼部材の径方向外方において前記燃焼部材を囲むように設置され、前記燃料電池セルを収容するセル収容部と、を備え、前記燃料電池セルで使用された混合ガスが、前記セル収容部から前記燃焼部材へ排出される。

この構成によれば、複数の燃料電池セルを収容するセル収容部が、燃焼部材の径方向外方にそ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、燃焼を行う燃焼部材が、スタック構造の中心に位置しているため、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。そして、本発明では、セル収容部に供給された混合ガスを燃焼部材に排出するため、ガスの流れを一つにすることができ、構造を簡素化することができる。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。

また、燃焼部材から排出される排ガスは、種々の用途に用いることができる。例えば、混合ガスの酸化剤ガス（空気）を予熱するほか、熱を発する加熱装置として用いることができる。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。

また、燃焼部材においては、混合ガスを直接燃焼させるほか、燃焼触媒によって、発熱させることもできる。すなわち、燃焼部材は、その内部に燃焼触媒を有することができる。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、セル収容部に混合ガスを供給する供給流路をさらに設け、この供給流路をセル収容部と燃焼部材との間に配置することができる。このようにすると、燃料電池セルに供給される混合ガスを燃焼部材によって予熱することができる。したがって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、供給流路の少なくとも一部にガス透過性の伝熱材をさらに設けることができる。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、供給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。すなわち、整流効果を得ることができる。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。

また、伝熱材は、燃焼部材とセル収容部との間に、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、供給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、上記スタック構造においては、混合ガスを、供給流路及び燃焼部材の両方に供給するように構成することができる。この構成によれば、使用前のフレッシュなガスを燃焼部材に供給することができる。このようにすると、燃料電池セルにおける混合ガスの消費量に関わらず、燃焼部材における燃焼を一定に保つことができる。その結果、燃料電池セル間の熱的環境を一定に保つことができる。

また、第２の本発明は、燃料ガス及び酸化剤ガスの混合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、燃料が行われる筒状の燃焼部材と、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、前記燃焼部材の径方向外方において前記燃焼部材を囲むように設置され、前記燃料電池セルを収容するセル収容部と、を備え、前記燃焼部材で使用された混合ガスが前記セル収容部に供給される。

この構成によれば、第１の発明と同様に、各燃料電池セル間の熱的環境が均一にすることができる。また、燃焼を行う燃焼部材が、スタック構造の中心に位置しているため、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。そして、本発明では、セル収容部に供給された混合ガスを燃焼部材に排出するため、ガスの流れを一つにすることができ、構造を簡素化することができる。特に、燃焼部材で使用された排ガスを径方向外方にあるセル収容部に流せばよいため、セル収容部に向けて別個にガス流路を設ける必要がなく、構造を簡単にすることができるとともに、省スペース化を図ることができる。また、第１の本発明と同様に断熱効果を得ることもできる。

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拡大断面図である。 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例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例を示す正面断面図である。 図１のガスの供給流路の他の例を示す断面図である。 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例を示す正面断面図である。 図７のガスの供給流路の他の例を示す断面図である。 図３の支持部材の他の例を示す拡大断面図である。 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例を示す正面断面図である。

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。そして、ハウジング２とガス供給筒７との間の空間が、セル収容部２０として、上述した燃料電池セル５及び支持部材４を収容する。

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と接合している。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の連絡口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、セル収容部２０と連通する第２の連絡口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の下端部が突出している。このように、ガス供給筒７には、２つの連結されたガスの流路が形成される。すなわち、燃焼部材３と内筒７１との間に第１供給流路７５が形成され、内筒７１と外筒７２との間に第２供給流路７６が形成され、これらは第１の連絡口７３を介して連通している。

また、ガス供給筒７の下端と、ハウジング２の下面との間には、ガスの排出流路３０となる隙間が形成されており、この排出流路３０を介して、セル収容部２０と燃焼部材３とが連通している。したがって、後述するように、セル収容部２０を通過したガスは、この排出流路３０を介して燃焼部材３に導入されるようになっているルと、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。

図１及び図２に示すように、セル収容部２０には、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の拡大断面図である。同図に示すように、支持部材４は、燃料電池セル５と同じ形状の貫通孔４１１が形成されており、この貫通孔４１１に燃料電池セル５が嵌め込まれる。貫通孔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。また、支持部材４は、導電性の材料で形成されている。

図３に示すように、支持部材４に支持されている燃料電池セル５は、矩形の板状の電解質５１の上面に薄膜状の空気極５３が形成され、下面に薄膜状の燃料極５２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５２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孔４１１から外部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５３と、これに隣接する燃料電池セル５の燃料極５２とを電気的に接続するように設置されている。これにより、複数の各燃料電池セル５が直列に接続されている。また、図示を省略するが、各電極５２，５３には、公知の集電体を配置することができ、この集電体を介してインターコネクタ８と接続することもできる。

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５２及び空気極５３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５２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５２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５２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５３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５２及び空気極５３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５２、空気極５３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１に示すように、空気などの酸化剤ガスと、炭化水素系ガスからなる燃料ガスとの混合ガスをガス供給筒７の上端部から第１供給流路７５へ供給する。供給された混合ガスは第１供給流路７５を下方に向かって進み、第１の連絡口７３を通って第２供給流路７６へと進む。その後、第２の連絡口７４を通ってハウジング２内へと進み、各燃料電池セルと接触する。ここで、燃料極５２及び空気極５３がそれぞれ混合ガス中の燃料ガス及び酸化剤ガスと接触するため、燃料極５２と空気極５３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。こうして、発電に使用された混合ガスは、セル収容部２０の下端から排出流路３０を介して、燃焼部材３に供給される。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。

以上のように、本実施形態によれば、各燃料電池セル５が、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、燃焼部材３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によって混合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に混合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４に示すように、ガス供給筒７自体を省略することもでき、燃料ガスと酸化剤ガスの混合ガスを、ハウジング２の内向きフランジ２１の内側からセル収容部２０内に供給することもできる。

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、図５に示すように、ガス供給筒７に供給する混合ガスを燃焼部材３にも供給することができる。この例では、燃焼部材３の上端部にガス供給用の供給孔３１を形成しておき、混合ガスをガス供給筒７及び燃焼部材３に供給するようにする。また、ハウジング２の下部に排出口２５を形成し、燃焼部材３からの排ガスを排出するようにする。この構成において、燃焼部材３には、使用前の混合ガスが供給され、燃焼に使用される。また、ガス供給筒７に供給された混合ガスは、セル収容部２０に供給され、燃料電池セルの発電に使用された後、排出流路３０をへて燃焼部材３の下端部に供給される。そして、燃焼部材の排ガスは、ハウジング下端部の排出孔から排出される。この構成によれば、使用前のフレッシュな状態の混合ガスが燃焼部材３に供給されるため、燃料電池セル５で使用後の混合ガスと比べ、燃焼部材３における燃焼状態を一定とすることができる。そのため、燃料電池セル５の燃焼状態を一定に保つことができる。

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、ガスの供給流路の構成は、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供給流路を形成する以外に、管を組み合わせて供給流路としてもよい。また、図６（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に到達するような供給流路７９であってもよい。また、図６（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１０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７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、第１供給流路７５、及び第２供給流路７６に伝熱材９を配置する。このとき、第１供給流路７５の伝熱材９と第２供給流路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７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７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供給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、供給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、伝熱材と供給流路の配置は、特には限定されず、例えば、図８（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つの供給流路７７を形成し、この供給流路７７に伝熱材９を配置することもできる。また、供給流路以外に伝熱材を配置することもできる。例えば、図８（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字型の供給流路７８を形成する。そして、供給流路７８のうち、対向する部分、及び供給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。

ところで、燃料電池セルの構成は、上記のものに限定されず、その他の構成も可能である。例えば、燃料ガスとして炭化水素系ガスを使用する場合、図９に示すように、燃料電池セル５の燃料極５２上に、炭化水素系ガスを改質するための改質部材５４を設けることもできる。

改質部材５４は、パラジウム、ルテニウム、ロジウム及び銅などの公知の水蒸気改質触媒を有する材料で構成される。或いは、これらの材料と、酸素イオン導電性を有する材料とを混合してもよい。上記材料を単独で用いる場合には、多孔質にする必要がある。また、酸素イオン導電性材料と混合する場合、酸素イオン導電性を有する材料としては、ＧＤＣ等の上述した燃料極５２を構成する材料を挙げることができる。混合する場合、水蒸気改質触媒を有する材料は改質部材５４の全体重量に対して、１〜８０重量％にすることが好ましく、５〜５０重量％にすることが好ましい。割合が低すぎると、改質反応が十分ではなく、多すぎると、水蒸気改質触媒を有する材料同士の凝集が起こり、添加割合に対して、効率的に改質できないことがある。

上記のように改質部材５４を設けることで、次のような効果を得ることができる。すなわち、メタンなどの炭化水素系ガスからなる燃料ガスと、空気等の酸化剤ガスとの混合ガスを水蒸気雰囲気下で燃料電池セルに供給すると、次のような反応が生じる。まず、燃料ガスが、水蒸気雰囲気下で改質部材５４に接触するため、式（１）の反応、つまり水蒸気改質反応が生じる。

ＣＨ_４ ＋ Ｈ_２Ｏ → ＣＯ ＋ ３Ｈ_２ （１）
こうして発生した水素は、燃料極５２と接触し、以下の電池反応が生じる。

Ｈ_２ ＋ Ｏ^２− → Ｈ_２Ｏ ＋ ２ｅ⁻ （２）
ＣＯ ＋ Ｏ^２− → ＣＯ_２ ＋ ２ｅ⁻ （３）
また、燃料ガスに含まれるメタンのうち、一部は、以下のように、燃料極５２において直接反応する。

ＣＨ_４ ＋ ４Ｏ^２− → ２Ｈ_２Ｏ ＋ ＣＯ_２ ＋ ８ｅ⁻ （４）
こうして発生した水素及び一酸化炭素は、燃料極５２において、上記（２）（３）に示す電池反応を生じさせる。

このように、燃料極５２に改質部材５４が設けられているため、混合ガスに含まれる燃料ガス（炭化水素系ガス）から、水蒸気改質反応により、水素が発生する。したがって、燃料極５２には、生じた水素が供給されるため、燃料ガスを燃料極５２に直接供給する場合に比べ、電池性能の向上が可能となる。すなわち、燃料極５２においては、炭化水素系ガスから直接水素を発生させる反応が生じにくいため、炭化水素系ガスがすべて消費されず、未使用のまま残存することがあった。これに対し、上記のように改質部材５４によって炭化水素系ガスから水素を発生させることができるため、炭化水素系燃料を有効に使用することができ、出力の向上が期待される。また、燃料極５２上に炭素が析出するのを防止することもできる。

ところで、上記実施形態では、燃料電池セル５で使用された混合ガスを燃焼部材３に供給しているが、これを反対にすることもできる。この態様について、図１０を参照しつつ説明する。図１０に示すスタック構造は、図４に示すスタック構造とほぼ同じ構造をしている。図１０に示すように、この態様においては、燃焼部材３の上方から、燃料ガスと酸化剤ガスの混合ガスを供給する。そして、燃焼部材３の下方から排出された排ガスを、セル収容部２０に導入し、燃料電池セル５で発電を行う。燃料電池セル５で使用されたガスは、ハウジング２の上方から排出される。このような構成であっても、各燃料電池セル５間の熱的環境が均一とすることができ、また、燃焼部材３の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、断熱効果も得ることができる。

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
５ 燃料電池セル
５１ 電解質
５２ 空気極
５３ 燃料極

Claims (8)

1. 燃料ガス及び酸化剤ガスの混合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、
   燃焼が内部で行われる筒状の燃焼部材と、
   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、
   前記燃焼部材の径方向外方において前記燃焼部材を囲むように設置され、前記燃料電池セルを収容するセル収容部と、を備え、
   前記燃料電池セルで使用された混合ガスが、前記セル収容部から前記燃焼部材へ排出され、
   前記燃料電池セルは、前記燃焼部材の下端部以上の径方向外方において前記燃焼部材を囲むように設置される、固体酸化物形燃料電池のスタック構造。
2. 燃料ガス及び酸化剤ガスの混合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、
   燃焼が内部で行われる筒状の燃焼部材と、
   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、
   前記燃焼部材の径方向外方において前記燃焼部材を囲むように設置され、前記燃料電池セルを収容するセル収容部と、
   前記セル収容部と燃焼部材との間に配置され前記セル収容部に混合ガスを供給する供給流路と、
   前記供給流路の少なくとも一部に配置されるガス透過性の伝熱材と、を備え、
   前記燃料電池セルで使用された混合ガスが、前記セル収容部から前記燃焼部材へ排出される、固体酸化物形燃料電池のスタック構造。
3. 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. 前記セル収容部に混合ガスを供給する供給流路をさらに備え、
   前記供給流路は、前記セル収容部と燃焼部材との間に配置される、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。
5. 前記供給流路の少なくとも一部に配置されるガス透過性の伝熱材をさらに備えている、請求項４に記載の固体酸化物形燃料電池のスタック構造。
6. 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２または５に記載の固体酸化物形燃料電池のスタック構造。
7. 混合ガスが、前記セル収容部及び燃焼部材の両方に供給される、請求項１から６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。
8. 燃料ガス及び酸化剤ガスの混合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、
   燃焼が内部で行われる筒状の燃焼部材と、
   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、
   前記燃焼部材の径方向外方において前記燃焼部材を囲むように設置され、前記燃料電池セルを収容するセル収容部と、を備え、
   前記燃焼部材で使用された混合ガスが前記セル収容部に供給され、
   前記燃料電池セルは、前記燃焼部材の下端部以上の径方向外方において前記燃焼部材を囲むように設置される、固体酸化物形燃料電池のスタック構造。
   

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