JP5807742B2 - 固体酸化物形燃料電池装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとにより発電を行う固体酸化物形燃料電池装置に関する。

固体酸化物形燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell：以下「ＳＯＦＣ」ともいう）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、比較的高温で発電反応を生じさせて発電を行う燃料電池装置である。

具体的には、ＳＯＦＣは、一般に、内側電極層である燃料極層と外側電極層である空気極層との間に固体電解質層が挟持されてなる管状の燃料電池セルを複数有する燃料電池セル集合体（燃料電池セルスタック）を備えており、燃料ガスと酸化剤ガス（空気、酸素等）とが、その燃料電池セルの一端側から他端側へと流れることによって作動する。ＳＯＦＣの外部からは、原料ガスである被改質ガス（都市ガス等）が供給され、その被改質ガスを改質触媒が収められた改質器に導入し、水素リッチな燃料ガスに改質した後に、それが燃料電池セル集合体へ供給されるように構成されている。

また、ＳＯＦＣは、起動工程において、燃料ガスを改質器において改質する複数の工程、すなわち、部分酸化改質（Partial Oxidation Reforming：ＰＯＸ）反応工程、オートサーマル改質（Auto Thermal Reforming：ＡＴＲ）反応工程、及び、水蒸気改質（Steam Reforming：ＳＲ）反応工程を経て、発電工程へ移行するように構成されている。ＳＯＦＣでは、これらの工程を順に実行することにより、改質器や燃料電池セルスタック等を動作温度まで昇温させることができる。

かかるＳＯＦＣでは、発電効率を高める観点から、通常、燃料電池セルを有する燃料電池セル（ユニット）の一端側に高濃度の発電用ガス（燃料ガスと酸化剤ガス）を供給することが求められる。例えば、特許文献１には、酸化剤ガスの供給路が画成される壁状枠体に、酸化剤ガスを燃料電池セルに向かって送出するための複数の流出口を設け、２つの壁状枠体の間に燃料電池セルスタックを配置して、その両側から酸素含有ガス（酸化剤ガス）を供給するように構成した燃料電池装置が記載されている。

特開２００７-２３４３８４号公報

しかし、特許文献１に記載された上記従来の燃料電池装置においては、対向配置された一対の壁状枠体に形成された酸素含有ガスの吹出口が、燃料電池セルスタックを挟んで同じ高さ位置に形成されているため、その同じ高さ位置から送出された酸素含有ガス流が、燃料電池セルスタック内で互いに干渉（衝突）してしまい、ガス流に乱れが生じてしまう。そうなると、燃料電池セル（ユニット）における予定された部位に、十分な量の酸素含有ガスを供給することができなくなり、燃料電池装置の発電効率が悪化して出力の低下を招いてしまうおそれがある。

そこで、本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、燃料電池セルの所定の部位に適切且つ十分な量の発電用ガスを供給することができ、発電効率及び出力の低下を抑止することが可能な固体酸化物形燃料電池装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明による固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）装置は、燃料ガスと酸化剤ガスとにより発電を行うものであって、管状をなし、燃料ガス及び酸化剤ガスのうちの一方が内部ガスとして内部を流通し、且つ、燃料ガス及び酸化剤ガスのうちの他方が外部ガスとして外部から供給される複数の燃料電池セルと、それらの複数の燃料電池セルが、連設され且つ電気的に接続された燃料電池セル集合体と、燃料電池セルの下端部を支持し、且つ、内部ガスを複数の燃料電池セルのそれぞれに分配するように構成された内部ガスタンクと、外部ガスを複数の燃料電池セルに供給するように構成された外部ガス供給路とを備えており、外部ガス供給路は、燃料電池セルの下端部側に対応する位置において、燃料電池セルの間隙空間に外部ガスを送出するための第１吹出口及び第２吹出口を有しており、第１吹出口及び第２吹出口は、燃料電池セル集合体を挟んで、それぞれ、燃料電池セル集合体の一面側及び他面側に対向して設けられており、且つ、外部ガスの吹出（送出）方向に沿って（向かって）燃料電池セル集合体を正面視したときに互いに重なり合わず且つ上下方向に互いに位置ずれ（オフセット）して配置されたものである。

このように構成されたＳＯＦＣ装置においては、内部ガスタンクから燃料電池セルの管内に挿通された内部ガス（発電用ガスとしての燃料ガス及び酸化剤ガスのうちの一方）と、燃料電池セルの管外から供給された外部ガス（発電用ガスとしての燃料ガス及び酸化剤ガスのうちの他方）とが反応して発電が行われる。このとき、内部ガスが燃料電池セルの下端側（内部ガスタンクで支持されている側）から供給されると、内部ガスは、燃料電池セルを流上しながら発電に使用されるので、燃料電池セルの内部における発電用ガス成分（水素ガス又は酸素ガス）の濃度は、供給上流である下端側の方が、供給下流である上端側よりも高くなる。

これに対し、本発明では、燃料電池セルの間隙空間に供給される外部ガスが、外部ガス供給路に設けられた第１吹出口及び第２吹出口から送出され、それらの第１吹出口及び第２吹出口は、燃料電池セル集合体を挟んでその一面側及び他面側に対向配置されており、且つ、外部ガスの吹出方向に沿って燃料電池セル集合体を正面視したときに互いに重なり合わず且つ上下方向に互いに位置ずれして配置されている。これにより、第１吹出口及び第２吹出口のうち、燃料電池セルに沿ってより上方の吹出口から送出された外部ガス流が、より下方の吹出口から送出された外部ガス流を下方へ押しやる（押さえつける）ように流動するので、発電用ガス成分の濃度が比較的高い燃料電池セルの下端側へ、適切且つ十分な量の外部ガスを供給することができる。

また、第１吹出口及び第２吹出口が複数形成されており、それらの複数の第１吹出口及び複数の第２吹出口が、それぞれ、ジグザグ状に配設されていても好ましい。ここで、「ジグザグ」とは、直線に対して所定間隔毎に、その直線の両側（左右）に交互に角度を付けて蛇行する折れ線の形状を表し、「複数の吹出口がジグザグ状に配設され」とは、その折れ線の各頂点位置に吹出口が配置されて断続的に連接した状態を意味し、「千鳥状」と実質的に同義である。

このように複数の第１吹出口及び複数の第２吹出口のそれぞれがジグザグ状に配設されていれば、それらが直線状に配設されている場合に比して、隣接する吹出口の間隔（距離）をより大きくすることができるので、それらの吹出口から送出された外部ガス流が、燃料電池セルの間隙に流入するまでに互いに干渉してしまうことが抑止され、そのような干渉に起因して燃料電池セルまで供給される外部ガス流の流速及び流量が不都合に低下してしまうことを抑止することができる。

具体的には、複数の第１吹出口及び複数の第２吹出口は、複数の第１吹出口を直線的に結ぶ仮想折れ線と、複数の第２吹出口を直線的に結ぶ仮想折れ線とが、折れ曲がる度に交差するように配設されている構成が挙げられる。

このようにすれば、第１吹出口及び第２吹出口のいずれをも、上下方向の狭いエリア（範囲）に形成することができ、その結果、双方の吹出口を燃料電池セルの下端側に寄せて集積して（高密度で）配置することが可能になるので、発電用ガス成分の濃度が比較的高い燃料電池セルの下端側へ、更に十分な量の外部ガスを供給することができる。

さらに、第１吹出口及び第２吹出口のうち比較的下方に設けられた吹出口から燃料電池セルの間隙空間に送出される外部ガスの流速が、第１吹出口及び第２吹出口のうち比較的上方に設けられた吹出口から燃料電池セルの間隙空間に送出される外部ガスの流速よりも大きくなるように構成されていても好適である。

上述の如く、燃料電池セルの下端部が内部ガスタンクで支持されているため、第１吹出口及び第２吹出口のうち比較的下方に設けられた吹出口から燃料電池セルの間隙空間に送出される外部ガスは、内部ガスタンクの上面において摩擦力を強く受けることとなる。これに対し、第１吹出口及び第２吹出口のうち比較的下方に設けられた吹出口から送出される外部ガスの流速を、第１吹出口及び第２吹出口のうち比較的上方に設けられた吹出口から送出される外部ガスの流速よりも大きくすることにより、外部ガスを送出するために必要な全体的なエネルギーを極力抑えつつも、発電用ガス成分の濃度が比較的高い燃料電池セルの下端側へ、十分な量の外部ガスをより確実に供給することができる利点がある。

この場合、内部ガスが燃料ガスであり、外部ガスが酸化剤ガスとしての空気であって、上記の比較的下方に設けられた吹出口と比較的上方に設けられた吹出口が、同一の外部ガス供給路に形成されていても有用である。

空気（大気）中の酸素ガス濃度は２０％程度であることから、発電に十分な量の酸素ガスを燃料電池セルに供給するためには、大流量の空気を燃料電池セルの間隙空間に送出することが必要になる。そこで、本発明者が、吹出口を複数有する一つの流路に流量の異なる空気を挿通させて吹出口から送出される空気流の流速を測定評価したところ、流量が比較的多い場合、流路の下流側に形成された吹出口から送出される空気流の流速が、流路の上流側に形成された吹出口から送出される空気流の流速よりも、有意に大きくなることが確認された。また、流量がある程度よりも少ないと、上述した流速の大小関係は逆転することも判明した。

このことから、比較的下方に位置する吹出口と比較的上方に位置する吹出口を同一の外部ガス供給路に設けるという簡易な構造により、その下方の吹出口から送出されるガス流速を、上方の吹出口から送出されるガス流速よりも大きくすることができる。その結果、外部ガスとしての空気を送出するために必要な全体的なエネルギーを更に抑えつつ、燃料電池セルの下端側へ十分な量の空気を確実に供給することが可能になる。

本発明によれば、内部ガスが流通する燃料電池セルに外部から外部ガスを供給するための外部ガス供給路に第１吹出口及び第２吹出口を設け、それらの第１吹出口及び第２吹出口が、所定の正面視において重ならず、且つ、上下方向に互いに位置ずれして配置されているので、発電用ガス成分の濃度が比較的高い燃料電池セルの下端側へ、適切且つ十分な量の外部ガスを供給することができ、これにより、ＳＯＦＣ装置の発電効率及び出力の低下を抑止して製品性能を一段と向上させることが可能となる。

本発明の好適な一実施形態における燃料電池モジュールの外観を示す斜視図である。 図１に示す燃料電池モジュールをその中央近傍において図１のＡ方向から見た断面図である。 図１に示す燃料電池モジュールをその中央近傍において図１のＢ方向から見た断面図である。 図１に示す燃料電池モジュールからケーシングの一部（外板）を取り外した状態を示す斜視図である。 図２に対応する模式図であって、発電用空気及び燃焼ガスの流れを示す図である。 図３に対応する模式図であって、発電用空気及び燃焼ガスの流れを示す図である。 図１に示す燃料電池モジュールの燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。 図１に示す燃料電池モジュールの燃料電池セルスタックの構成を示す斜視図である。 （Ａ）は、図５に示す発電用空気供給路及びそれらを構成する部材の一部を示す概略斜視図であり、（Ｂ）及び（Ｃ）は、発電用空気供給路の板状部材を示す正面図である。 図５におけるＸ−Ｘ線における模式断面図である。 図６におけるＸＩ−ＸＩ線における模式断面図である。 図５に示す燃料電池モジュールの一部を示す拡大図である。 本実施形態における吹出口を正面視した状態を示す模式図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。また、寸法比率は、図示の比率に限定されるものではない。さらに、以下の実施の形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をその実施の形態のみに限定する趣旨ではない。またさらに、本発明は、その要旨を逸脱しない限り、さまざまな変形が可能である。

図１は、本発明の好適な一実施形態におけるＳＯＦＣ装置の外観を概略的に示す斜視図である。燃料電池モジュール２は、本発明によるＳＯＦＣ装置１の一部を構成するものである。ＳＯＦＣ装置１は、燃料電池モジュール２と、補機ユニット（図示せず）とを備える。

なお、図１においては、３次元軸座標として、ｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸を定義する。すなわち、燃料電池モジュール２の高さ方向をｙ軸方向とし、そのｙ軸に直交する平面に沿ってｘ軸及びｚ軸を定め、燃料電池モジュール２の短手方向に沿った方向をｘ軸方向とし、燃料電池モジュール２の長手方向に沿った方向をｚ軸方向とする。また、図２以降において図中に記載されているｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸は、図１におけるｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸を基準としている。またさらに、ｚ軸における原点から負方向に延びる方向をＡ方向とし、ｘ軸における原点から正方向に延びる方向をＢ方向とする。

燃料電池モジュール２は、燃料電池セル（詳細は後述する）を収容するケーシング５６と、ケーシング５６の上部に設けられている熱交換器２２とを備える。ケーシング５６には、被改質ガス供給管６０と、水供給管６２とが接続されている。一方、熱交換器２２には、発電用空気導入管７４と、燃焼ガス排出管８２とが接続されている。

被改質ガス供給管６０は、ケーシング５６の内部に都市ガスといった改質用の被改質ガスを供給する管路である。また、水供給管６２は、被改質ガスを水蒸気改質する際に用いられる水を供給する管路である。さらに、発電用空気導入管７４は、改質後の燃料ガス（内部ガス）と発電反応を起こさせるための空気（外部ガス）を供給する管路である。また、燃焼ガス排出管８２は、発電反応後の燃料ガスが燃焼して生じる燃焼ガスを排出する管路である。

続いて、図２〜図６を参照しながら、燃料電池モジュール２の内部構成について説明する。図２は、燃料電池モジュール２をその中央近傍において図１のＡ方向から見た断面図であり、図３は、燃料電池モジュール２をその中央近傍において図１のＢ方向から見た断面図である。また、図４は、図１に示す燃料電池モジュール２から燃料電池セル集合体を覆うケーシング５６の一部（外板）を取り外した状態を示す斜視図である。さらに、図５は、図２に対応する模式図であって、発電用空気及び燃焼ガスの流れを示す図であり、図は６、図３に対応する模式図であって、同様に発電用空気及び燃焼ガスの流れを示す図である。

図２〜図４に示すように、燃料電池モジュール２の燃料電池セル集合体１２は、ケーシング５６によって全体が覆われるように、その内部に収容されている。また、図５に示す如く、燃料電池セル集合体１２は、全体としてＢ方向よりもＡ方向の方が長い略直方体形状をなしており、改質器２０側の上面、燃料ガスタンク６８側の下面、図２のＡ方向に沿って延びる長辺側面、及び、図２のＢ方向に沿って延びる短辺側面とが画定されている。

本実施形態の場合、水供給管６２から供給される水を蒸発させるための蒸発混合器（図に明示せず）は、改質器２０の内部に設けられている。蒸発混合器は、燃焼ガスにより加熱され、水を水蒸気にするとともに、この水蒸気と、被改質ガスである燃料ガス（都市ガス）と空気とを混合するためのものである。

被改質ガス供給管６０及び水供給管６２は、ケーシング５６の内部に導かれた後、共に改質器２０に連結されており、より具体的には、図３に示すように、改質器２０の上流端である図示右側の端部に繋がれている。また、改質器２０は、燃料電池セル集合体１２の上方に画成された燃焼室１８の更に上方に配置されている。これにより、改質器２０は、発電反応後の残余の燃料ガス及び空気による燃焼熱によって熱せられ、蒸発混合器、及び、改質反応を生起させるための改質器として機能する。さらに、改質器２０の下流端（図３における図示左側の端部）には、燃料供給管６６の上端が接続されており、その燃料供給管６６の下端側６６ａは、燃料ガスタンク６８内に入り込むように配置されている（図２参照）。

一方、図３及び図４に示すように、燃料ガスタンク６８（内部ガスタンク）は、燃料電池セル集合体１２の略真下に設けられており、各燃料電池セルユニット１６の下端部を支持し、且つ、燃料ガスを各燃料電池セルユニット１６に分配するように構成されている。この燃料ガスタンク６８内に挿入された燃料供給管６６の下端側６６ａの外周には、長手方向（Ａ方向）に沿って複数の小穴（図示せず）が形成されている。改質器２０で改質された燃料ガスは、これら複数の小穴（図示せず）によって燃料ガスタンク６８内に長手方向に沿って均一に供給されるようになっている。また、燃料ガスタンク６８に供給された燃料ガスは、燃料電池セル集合体１２を構成する各燃料電池セルユニット１６の内側にある燃料ガス流路（詳細は後述する）内に供給され、燃料電池セルユニット１６内を上昇して、燃焼室１８に至るようになっている。

さらに、図２〜図６を参照しながら、発電用空気を燃料電池モジュール２の内部へ供給するための機構について説明する。図５及び図６に示すように、改質器２０の上方には、熱交換器２２が設けられている。この熱交換器２２には、複数の燃焼ガス配管７０が設けられており、その燃焼ガス配管７０の周囲には、発電用空気流路７２が画成されている。

熱交換器２２の上面における一端側（図３における右端側）には、発電用空気導入管７４が取り付けられている。この発電用空気導入管７４により、発電用空気流量調整ユニット（図示しない）から、発電用空気が熱交換器２２内に導入されるようになっている。また、熱交換器２２の上側の他端側（図３における左端側）には、発電用空気流路７２の出口ポート７６ａが一対形成されている。この出口ポート７６ａは、一対の連絡流路７６に連通されている。さらに、図２に示す如く、燃料電池モジュール２のケーシング５６における幅方向（Ｂ方向：短辺側面方向）の両外側には、燃料電池セル集合体１２の長手方向に沿って、発電用空気供給路７７ａ，７７ｂ（外部ガス供給路）が設けられている。

かかる構成により、発電用空気供給路７７ａ，７７ｂには、発電用空気流路７２の出口ポート７６ａ及び連絡流路７６から、発電用空気が供給されるようになっている。また、発電用空気供給路７７ａ，７７ｂ及び燃料電池セル集合体１２の下方側（燃料電池セルユニット１６の下端部側）に対応する位置には、発電室１０内の燃料電池セル集合体１２の各燃料電池セルユニット１６に向けて発電用空気を送出するための複数の吹出口７８ａ（第１吹出口）及び吹出口７８ｂ（第２吹出口）が形成されている。これらの吹出口７８ａ，７８ｂから複数の燃料電池セルユニット１６の間隙空間に送出された発電用空気は、各燃料電池セルユニット１６の外側に沿って、流上する（下方から上方へ流れる）ようになっている。

続いて、燃焼室１８において燃料ガスと発電用空気（酸化剤ガス）の燃焼によって生成する燃焼ガスを排出するための機構について説明する。燃料電池セルユニット１６の上方で発生した燃焼ガスは、燃焼室１８内を上昇し、開口２１ａが設けられた整流板２１に至る。燃焼ガスは、この開口２１ａから熱交換器２２側へ導かれ、開口２１ａを通過した燃焼ガスは、熱交換器２２の他端側に至る。上述したとおり、熱交換器２２内には、その燃焼ガスを排出するための複数の燃焼ガス配管７０が設けられており、これらの燃焼ガス配管７０の下流端側には、燃焼ガス排出管８２が接続され、これにより、燃焼ガスが外部に排出されるようになっている。

次に、図７を参照しながら燃料電池セルユニット１６について説明する。図７は、本実施形態の燃料電池セルユニット１６を示す部分断面図である。同図に示す如く、燃料電池セルユニット１６は、燃料電池セル８４と、この燃料電池セル８４の図示上下端部にそれぞれ接続された内側電極端子８６とを備えている。

燃料電池セル８４は、上下方向に延びる管状構造体であり、内部に燃料ガス流路８８を画成する円筒形の内側電極層９０（燃料極層）、円筒形の外側電極層９２（空気極層）、及び、内側電極層９０と外側電極層９２との間に配された電解質層９４を備えている。内側電極層９０は、燃料ガスが流通する燃料極であって（−）極として機能し、一方、外側電極層９２は、空気と接触する空気極であって（＋）極として機能する。

燃料電池セルユニット１６の上端側及び下端側に取り付けられた内側電極端子８６，８６は、同一構造を有するので、ここでは、上端側に取り付けられた内側電極端子８６を例にとって具体的に説明する。内側電極層９０の上部９０ａは、電解質層９４と外側電極層９２に対して露出された外周面９０ｂと上端面９０ｃとを備えている。内側電極端子８６は、導電性のシール材９６を介して内側電極層９０の外周面９０ｂと接続され、さらに、内側電極層９０の上端面９０ｃとは直接接触することにより、内側電極層９０と電気的に接続されている。また、内側電極端子８６の中心部には、内側電極層９０の燃料ガス流路８８と連通する燃料ガス流路９８が画成されている。

この内側電極層９０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。

また、電解質層９４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。

さらに、外側電極層９２は、例えば、Ｓｒ、Ｃａから選ばれる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から選ばれる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から選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンコバルタイト、銀等の少なくとも一種から形成される。

続いて、図８を参照しながら燃料電池セルスタック１４について説明する。図８は、本発実施形態の燃料電池セルスタック１４を示す斜視図である。同図に示す如く、一つの燃料電池セルスタック１４は、例えば１６本の燃料電池セルユニット１６を備えており、複数の燃料電池セルユニット１６の下端側及び上端側が、それぞれ、セラミック製の燃料ガスタンク上板６８ａ及び上支持板１００によって一体に支持されている。これらの燃料ガスタンク上板６８ａ及び上支持板１００には、各燃料電池セルユニット１６の内側電極端子８６が貫通可能な貫通穴が形成されている。

また、燃料電池セルユニット１６には、集電体１０２及び外部端子１０４が取り付けられている。この集電体１０２は、燃料極である内側電極層９０に取り付けられた内側電極端子８６と、隣接する燃料電池セルユニット１６の空気極である外側電極層９２の外周面とを電気的に接続するためのものである。また、外部端子１０４は、各燃料電池セルスタック１４の端に位置する２つの燃料電池セルユニット１６，１６の上側端及び下側端の内側電極端子８６に接続されており、さらに、隣接する燃料電池セルスタック１４の端にある燃料電池セルユニット１６の上側端及び下側端の内側電極端子８６にも接続され、燃料電池セルユニット１６の全て（例えば上述した１６０本）が直列接続されるようになっている。このように、それぞれ複数の燃料電池セルユニット１６を有する複数の燃料電池セルスタック１４が連設され且つ電気的に接続されて、上述の如く略直方体形状をなす燃料電池セル集合体１２が構成されている。

さらに、図９〜図１３を参照して吹出口７８ａ，７８ｂが設けられた発電用空気供給路７７ａ，７７ｂの構成及び作用についてより詳細に説明する。図９（Ａ）は、図５に示す発電用空気供給路７７ａ，７７ｂ及びそれらを構成する部材の一部を示す概略斜視図であり、図９（Ｂ）及び図９（Ｃ）は、それぞれ、発電用空気供給路７７ａ，７７ｂの板状部材を示す正面図（Ｂ方向に向かって正面視した状態を示す図）である。また、図１０及び図１１は、それぞれ、図５及び図６におけるＸ−Ｘ線及びＸＩ−ＸＩ線における模式断面図である。さらに、図１２は、図５に示す燃料電池モジュール２の一部（燃料ガスタンク６８及びその周囲近傍）を示す拡大図である。加えて、図１３は、本実施形態における吹出口７８ａ，７８ｂをＢ方向に向かって正面視した状態を示す模式図である。

図９〜図１２に示すように、発電用空気供給路７７ａ，７７ｂは、それぞれ燃料電池セル集合体１２が配置された発電室１０を画成する互いに対向した平板状部材７９ａ，７９ｂを有しており、吹出口７８ａ，７８ｂは、これらの平板状部材７９ａ，７９ｂに穿設されている。かかる構成により、吹出口７８ａ（第１吹出口）及び吹出口７８ｂ（第２吹出口）は、燃料電池セル集合体１２を挟んで、それぞれ、燃料電池セル集合体１２の一面側（発電用空気供給路７７ａ側）及び他面側（発電用空気供給路７７ｂ側）に対向して設けられている。

また、図９〜図１３に示す如く、吹出口７８ａ，７８ｂは、発電用空気Ｆ１，Ｆ２の吹出方向（図１０〜図１２；±ｘ方向）に沿って燃料電池セル集合体１２を正面視したときに互いに重なり合わず且つ上下方向に互いに位置ずれ（オフセット）して設けられている。より具体的には、吹出口７８ａは、複数の吹出口７８ａ１，７８ａ２から構成されており、それら複数の吹出口７８ａ１，７８ａ２は、平板状部材７９ａの底辺に沿って、交互に且つジグザグ状（千鳥状）に配設されている。また、同様にして、吹出口７８ｂも、複数の吹出口７８ｂ１，７８ｂ２から構成されており、それら複数の吹出口７８ｂ１，７８ｂ２が、平板状部材７９ｂの底辺に沿って、交互に且つジグザグ状（千鳥状）に配設されている（図９及び図１３）。

さらに、吹出口７８ａ，７８ｂは、それらを直線的に結ぶ仮想折れ線、すなわち、吹出口７８ａ１，７８ａ２を結ぶジグザグ線Ｇａと、吹出口７８ｂ１，７８ｂ２を結ぶジグザグ線Ｇｂとが、折れ曲がる度に交差するように配設されている（図１３）。

また、このように、吹出口７８ａにおいて比較的下方に設けられた吹出口７８ａ２と比較的上方に設けられた吹出口７８ａ１が同一の発電用空気供給路７７ａに形成されており、且つ、吹出口７８ｂにおいて比較的下方に設けられた吹出口７８ｂ２と比較的上方に設けられた吹出口７８ｂ１が同一の発電用空気供給路７７ｂに形成されていることにより、吹出口７８ａ，７８ｂのうち比較的下方に設けられた吹出口７８ａ２，７８ｂ２から燃料電池セルユニット１６の間隙空間に送出される発電用空気Ｆ２の流速が、吹出口７８ａ，７８ｂのうち比較的上方に設けられた吹出口７８ａ１，７８ｂ１から燃料電池セルユニット１６の間隙空間に送出される発電用空気Ｆ１の流速よりも大きくなるように構成されている。なお、図１０〜図１２においては、発電用空気Ｆ１，Ｆ２の流速の大きさをそれぞれの矢印の長さで表現した。

このように構成された燃料電池モジュール２を備えるＳＯＦＣ装置１においては、燃料ガスタンク６８から燃料電池セルユニット１６の下端側に供給された燃料ガスは、燃料電池セルユニット１６を流上しながら発電に使用され、その結果、燃料電池セルユニット１６の管内部における発電用ガス成分である水素ガスの濃度は、供給上流である下端側の方が、供給下流である上端側よりも高くなる。

このとき、ＳＯＦＣ装置１によれば、燃料電池セルユニット１６の下端部の所定の同一間隙空間には、例えば、発電用空気供給路７７ａに設けられた吹出口７８ａ１（吹出口７８ａのうち比較的上方に位置するもの）から送出される発電用空気Ｆ１と、発電用空気供給路７７ｂに設けられた吹出口７８ｂ２（吹出口７８ｂのうち比較的下方に位置するもの）から送出される発電用空気Ｆ２とが供給され、また、発電用空気供給路７７ａに設けられた吹出口７８ａ２（吹出口７８ａのうち比較的下方に位置するもの）から送出される発電用空気Ｆ２と、発電用空気供給路７７ｂに設けられた吹出口７８ｂ１（吹出口７８ｂのうち比較的上方に位置するもの）から送出される発電用空気Ｆ１が供給される（図１０、図１１、及び図１３参照）。

したがって、吹出口７８ａ，７８ｂのうち、燃料電池セルユニット１６に沿ってより上方の吹出口７８ａ１，７８ｂ１から送出された発電用空気Ｆ１の流れが、より下方の吹出口７８ａ２，７８ｂ２から送出された発電用空気Ｆ２の流れを下方へ押しやる（図１２において破線矢印で示す上方に逸れようとする発電用空気Ｆ２’を押さえつける）ように流動するので、発電用ガス成分である水素ガスの濃度が比較的高い燃料電池セルユニット１６の下端側へ、適切且つ十分な量の外部ガスを供給することができる。

また、複数の吹出口７８ａ，７８ｂのそれぞれがジグザグ状に配設されているので、それらが直線状に連設されている場合に比して、隣接する吹出口７８ａ１，７８ａ２間の距離（間隔）、及び、隣接する吹出口７８ｂ１，７８ｂ２間の距離（間隔）がより大きくされる。すなわち、狭い範囲に吹出口７８ａ，７８ｂが設けられていても、隣接する吹出口間の間隔を大きく確保することができる。

これにより、それらの吹出口から送出された発電用空気Ｆ１，Ｆ２の流れが、燃料電池セルユニット１６間の間隙空間に流入するまでに互いに干渉してしまうことを効果的に抑止することができる。これにより、そのような空気流の干渉に起因して発電用空気Ｆ１，Ｆ２（特に燃料電池セルユニット１６のより下方側に供給される発電用空気Ｆ２）の流速及び流量が不都合に低下してしまうことを防止することができる。

さらに、吹出口７８ａ，７８ｂは、吹出口７８ａ１，７８ａ２を結ぶジグザグ線Ｇａと、吹出口７８ｂ１，７８ｂ２を結ぶジグザグ線Ｇｂとが、折れ曲がる度に交差するように配設されているので、それらの吹出口７８ａ，７８ｂがジグザグ状に交差しないように配置された場合に比して、吹出口７８ａ，７８ｂのいずれをも、図１３に示す如く、上下方向の狭いエリアに形成することができる。その結果、吹出口７８ａ，７８ｂの双方を燃料電池セルユニット１６の下端側に寄せて集積して（高密度で）配置することが可能になり、これにより、発電用ガス成分としての水素ガスの濃度が比較的高い燃料電池セルユニット１６の下端側へ、更に十分な量の発電用空気を供給することができる。

またさらに、上述したとおり、吹出口７８ａ，７８ｂにおける比較的下方に設けられた吹出口７８ａ２，７８ｂ２から燃料電池セルユニット１６の間隙空間に送出される発電用空気Ｆ２の流速が、吹出口７８ａ，７８ｂにおける比較的上方に設けられた吹出口７８ａ１，７８ｂ１から燃料電池セルユニット１６の間隙空間に送出される発電用空気Ｆ１の流速よりも大きくなるように構成されている。これにより、発電用空気Ｆ２が燃料ガスタンク６８の上面において摩擦力を強く受けたとしても、発電用空気を送出するために必要な全体的なエネルギーを極力抑えつつ、発電用ガス成分である水素ガスの濃度が比較的高い燃料電池セルユニット１６の下端側へ、十分な量の発電用空気をより確実に供給することが可能となる。

また、そのように発電用空気Ｆ２の流速を発電用空気Ｆ１の流速よりも大きくすることを、非常に簡易な構成、すなわち、吹出口７８ａを構成する全ての吹出口７８ａ１，７８ａ２を同一の発電用空気供給路７７ａに設け、且つ、吹出口７８ｂを構成する全ての７８ｂ１，７８ｂ２を同一の発電用空気供給路７７ｂに設けるという簡便な構成によって実現しているので、発電用空気を送出するために必要な全体的なエネルギーを更に抑制しつつ、燃料電池セルユニット１６の下端側へ十分な量の空気を更に確実に供給することができる。

なお、上述したとおり、本発明は上記の実施の形態において説明した具体例に限定されるものではなく、その要旨を変更しない限度において様々な変形が可能である。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の技術的範囲に包含される。換言すれば、前述した各具体例が備える各要素及びその配置、材料、条件、形状、サイズ等は、例示したものに制限されず適宜変更することができる。また、前述した各実施の形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の技術的範囲に包含される。

例えば、上記実施形態においては、吹出口７８ａを構成する吹出口７８ａ１，７８ａ２を平板状部材７９ａに設けたが、これらを全て同一平面内に配置する必要はなく、燃料電池セル集合体１２の一面側に配設されていれば、平板状部材７９ａに替えて、同一面にない複数の部材に分散して形成してもよく、非平板状部材に形成してもよい。このことは、吹出口７８ｂを構成する吹出口７８ｂ１，７８ｂ２についても同様である。

また、図１３において、吹出口７８ａ１，７８ａ２を白抜四角印で示し、吹出口７８ｂ１，７８ｂ２を白抜丸印で示したが、これは、それぞれの吹出口の開口形状を表すものではなく、それらの開口形状は、他の形状、例えば、スリット形状に形成されていてもよい。さらに、吹出口７８ａ１，７８ａ２，７８ｂ１，７８ｂ２は、同一形状に限定されず、好ましくは、先に述べたとおり、吹出口７８ａ２，７８ｂ２から送出される発電用空気Ｆ２の流速が、吹出口７８ａ１，７８ｂ１から送出される発電用空気Ｆ１の流速及び／又は流量がよりも大きくなるように、適宜設定することができる。

また、燃料電池セルジュール１６内を流通する内部ガスを発電用空気とし、燃料電池セルモジュール１６の外部から供給される外部ガスを燃料ガスとしてもよい。この場合、内側電極層９０及び外側電極層９２の構成を適宜変更することができる。さらに、燃料電池セルモジュール１６は、円筒管でなくてもよく、例えば、角筒管であったり扁平管であったりしてもよい。

以上説明したとおり、本発明のＳＯＦＣ装置によれば、発電用ガスのうちの外部ガスを燃料電池セルモジュールの間隙空間に送出するための第１吹出口及び第２吹出口を、正面視したときに互いに重なり合わず且つ上下方向に互いに位置ずれするように配置することにより、発電用ガス成分の濃度が比較的高い燃料電池セルの下端側へ、適切且つ十分な量の外部ガスを供給することができる。これにより、ＳＯＦＣ装置の発電効率及び出力の低下を抑止して製品性能を一段と向上させることが可能となるので、種々の用途に使用可能なＳＯＦＣ装置、それを備える機器、システム、及び設備等、並びに、それらの製造及び使用に、広く且つ有効に利用することができる。

１ 固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）装置
２ 燃料電池モジュール
１０ 発電室
１２ 燃料電池セル集合体
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
２０ 改質器
２１ 整流板
２１ａ 開口
２２ 熱交換器
５６ ケーシング
６０ 被改質ガス供給管
６２ 水供給管
６６ 燃料供給管
６６ａ 下端側
６８ 燃料ガスタンク（内部ガスタンク）
６８ａ 燃料ガスタンク上板
７０ 燃焼ガス配管
７２ 発電用空気流路
７２ａ 出口ポート
７４ 発電用空気導入管
７６ 連絡流路
７６ａ 出口ポート
７７ａ，７７ｂ 発電用空気供給路（外部ガス供給路）
７８ａ，７８ａ１，７８ａ２ 吹出口（第１吹出口）
７８ｂ，７８ｂ１，７８ｂ２ 吹出口（第２吹出口）
７９ａ，７９ｂ 平板状部材
８２ 燃焼ガス排出管
８４ 燃料電池セル
８６ 内側電極端子
８８ 燃料ガス流路
９０ 内側電極層
９０ａ 上部
９０ｂ 外周面
９０ｃ 上端面
９２ 外側電極層
９４ 電解質層
９６ シール材
９８ 燃料ガス流路
１００ 上支持板
１０２ 集電体
１０４ 外部端子
Ｆ１，Ｆ２ 発電用空気（酸化剤ガス、外部ガス）

Claims (5)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとにより発電を行う固体酸化物形燃料電池装置であって、
   管状をなし、前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスのうちの一方が内部ガスとして内部を流通し、且つ、前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスのうちの他方が外部ガスとして外部から供給される複数の燃料電池セルと、
   前記複数の燃料電池セルが連設され且つ電気的に接続された燃料電池セル集合体と、
   前記燃料電池セルの下端部を支持し、且つ、前記内部ガスを前記複数の燃料電池セルのそれぞれに分配するように構成された内部ガスタンクと、
   前記外部ガスを前記複数の燃料電池セルに供給するように構成された外部ガス供給路と、
   を備えており、
   前記外部ガス供給路は、前記燃料電池セルの下端部側に対応する位置において、前記燃料電池セルの間隙空間に前記外部ガスを送出するための第１吹出口及び第２吹出口を有しており、
   前記第１吹出口及び前記第２吹出口は、前記燃料電池セル集合体を挟んで、それぞれ、前記燃料電池セル集合体の一面側及び他面側に対向して設けられており、且つ、前記外部ガスの吹出方向に沿って前記燃料電池セル集合体を正面視したときに互いに重なり合わず且つ上下方向に互いに位置ずれして配置されたものである、
   固体酸化物形燃料電池装置。
2. 前記第１吹出口及び前記第２吹出口が複数形成されており、
   前記複数の第１吹出口及び前記複数の第２吹出口は、それぞれ、ジグザグ状に配設されている、
   請求項１記載の固体酸化物形燃料電池装置。
3. 前記複数の第１吹出口及び前記複数の第２吹出口は、該複数の第１吹出口を直線的に結ぶ仮想折れ線と、該複数の第２吹出口を直線的に結ぶ仮想折れ線とが、折れ曲がる度に交差するように配設されている、
   請求項２記載の固体酸化物形燃料電池装置。
4. 前記第１吹出口及び前記第２吹出口のうち比較的下方に設けられた吹出口から前記燃料電池セルの間隙空間に送出される前記外部ガスの流速が、前記第１吹出口及び前記第２吹出口のうち比較的上方に設けられた吹出口から前記燃料電池セルの間隙空間に送出される前記外部ガスの流速よりも大きくなるように構成されている、
   請求項３記載の固体酸化物形燃料電池装置。
5. 前記内部ガスが前記燃料ガスであり、
   前記外部ガスが前記酸化剤ガスとしての空気であり、
   前記比較的下方に設けられた吹出口と前記比較的上方に設けられた吹出口が、同一の前記外部ガス供給路に形成されている、
   請求項４記載の固体酸化物形燃料電池装置。

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