JP5828468B1

JP5828468B1 - 固体酸化物型燃料電池システム

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Publication number: JP5828468B1
Application number: JP2014265120A
Authority: JP
Inventors: 明宜樫本; 宏孝茂木; 正樹安倍; 友喜吉田
Original assignee: MAGNEX CO., LTD.
Current assignee: MAGNEX CO., LTD.
Priority date: 2014-12-26
Filing date: 2014-12-26
Publication date: 2015-12-09
Anticipated expiration: 2034-12-26
Also published as: JP2016126858A

Abstract

【課題】供給ガスの予熱及び燃料ガスの改質を簡易な構成により処理し、コンパクトで発電効率の高い固体酸化物型燃料電池システムを提供する。【解決手段】固体酸化物型燃料電池システム１は、熱交換器がセルスタック１１の任意の位置に組み込まれて熱交換層３を形成し、供給される酸化ガス又は燃料ガスを発電層２との熱交換により加熱した後に発電層２に流入させ、燃料ガス改質器がセルスタック１１の任意の位置に組み込まれて燃料ガス改質層４を形成し、供給される燃料ガスを改質させた後に発電層２に流入させる。【選択図】図１

Description

本発明は、固体酸化物型燃料電池システムに係り、特に、発電層が積層されたセルスタック、供給されるガスを予熱する熱交換器、及び燃料ガスの成分を改質する燃料改質器を含む固体酸化物型燃料電池システムに関する。

図９に、従来の固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ；ＳｏｌｉｄＯｘｉｄｅＦｕｅｌＣｅｌｌ）における発電システム３０を示す。固体酸化物型燃料電池の発電システム３０の全体は、スタックモジュール１０又はホットモジュールと称される。このスタックモジュール１０には、発電層が積層されたセルスタック１１、供給されるガスを予熱する熱交換器１２ａ，ｂ、燃料ガスの成分を改質する燃料ガス改質器１３などが含まれる。また、セルスタック１１は、ボルト２０及びナット２１により圧縮力が負荷される。そして、このスタックモジュール１０に酸化ガス及び燃料ガスが供給されて発電が行われる。

図１０に、燃料電池発電の基本ユニット(単位)である単セル１４の構成を示す。この単セル１４は、電解質１５と、一対の電極である空気極（カソード）１６及び燃料極（アノード）１７と、空気極側セパレータ２４及び燃料極側セパレータ２５から構成される。この電解質１５には、イオン伝導性を有する固体のセラミックが採用される。セルスタック１１は、複数の単セル１４を積層したものである。また、電解質１５と、一対の電極である空気極（カソード）１６及び燃料極（アノード）１７とをＭＥＡセル２６と称する。

図１１に、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）の発電原理を示す。図１１（ａ）は、燃料として一酸化炭素を用いた場合の発電原理を示し、図１１（ｂ）は、燃料として水素を用いた場合の発電原理を示す。固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）は、燃料として水素、一酸化炭素などを使用し、空気極（カソード）１６及び燃料極（アノード）１７において、下記に示す電極反応が進行する。
燃料極１７：（水素燃料の場合）Ｈ_２＋Ｏ^２−→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ
燃料極１７：（一酸化炭素燃料の場合）ＣＯ＋Ｏ^２−→ＣＯ_２＋２ｅ
空気極１６：１／２Ｏ_２＋２ｅ→Ｏ^２−
この反応式に示されるように、空気極１６で発生した酸素イオン（Ｏ^２−）が電解質１５を通過して燃料極１７へと移動する。一方、燃料極１７では、燃料である水素或いは一酸化炭素が酸素イオン（Ｏ^２−）と反応して電子（２ｅ）を放出し、その電子（２ｅ）が外部回路を経由して空気極１６へと移動する。

（ガスの予熱）
燃料電池は、供給する燃料ガスや酸化ガスを予熱することで発電効率が改善される。すなわち、固体酸化物型燃料電池は、７００℃〜９００℃という高温で動作する燃料電池であり、必要な発電温度を保持しなければならないからである。また、単セル内の供給口であるガス流通開口側と収容口であるガス流通開口側で温度勾配があるとセル自体の破損の原因となるからである。

（燃料の改質）
燃料ガスを発電に適した成分に改質することで発電効率が改善される。ＳＯＦＣの発電において、例えば燃料に水素を使用する場合、水素自体は入手が困難であり運搬や貯蔵にも難しい問題がある。そこで、分子中に水素原子を含むメタン、プロパンなどの気体燃料、メタノール、ガソリンなどの液体燃料から水素を製造して燃料電池に供給することが行われている。この燃料の改質方法には、（１）水蒸気改質、（２）ドライ改質、及び（３）プレ改質＋水蒸気改質などがある。下記に、原燃料メタンから改質処理を行い改質ガスとして水素を得る各方法の反応式を示す。
（１）水蒸気改質(水を加えて分解する方法で吸熱反応となる。)
ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ→３Ｈ_３+ＣＯ
ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→Ｈ_２＋ＣＯ_２
_{―――――――――――――――――――――――――――――――――}
ＣＨ_４＋２Ｈ_２Ｏ→４Ｈ_２＋ＣＯ_２−Ｑ_１

（２）ドライ改質(空気を加えて分解する方法で発熱反応となる。)
２ＣＨ_４＋Ｏ_２→４Ｈ_２+２ＣＯ
２ＣＯ＋Ｏ_２→２ＣＯ_２
_{―――――――――――――――――――――――――――――――――}
ＣＨ_４＋Ｏ_２→２Ｈ_２＋ＣＯ_２−Ｑ_２

（３）プレ改質＋水蒸気改質(水及び空気を加えて分解する方法で発熱反応となる。)
２ＣＨ_４＋Ｏ_２→４Ｈ_２+２ＣＯ
２ＣＯ＋２Ｈ_２Ｏ→２Ｈ_２＋２ＣＯ_２
_{―――――――――――――――――――――――――――――――――}
２ＣＨ_４＋２Ｈ_２Ｏ＋Ｏ_２→６Ｈ_２＋２ＣＯ_２
ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ＋１／２Ｏ_２→３Ｈ_２＋ＣＯ_２−Ｑ_３

特許文献１には、電池スタックが所定の温度に達してから冷却されにくく、かつ、適切な内部温度分布、及び高い発電効率を目的とした燃料改質型燃料電池が開示されている。ここでは、複数個の平板形の発電セルを積層した発電スタックの上部及び下部にそれぞれ燃焼層が設けられ、燃料層の上面には、発電スタックに供給する酸化剤ガスの熱交換をするための酸化剤熱交換層が別体として配置され、燃焼層の下面には、燃料ガスを水素に改質するための燃料ガス改質層が発電セルとは別体として配置される。そして、発電スタックの発電セルの積層方向の投影像が平板形の補助層上の１つの平面内に収まるように、つまり、平板形の発電スタックの補助層への投影面が補助層からはみ出さないように発電スタックを挟み込んでいるので、発電スタックが発する熱が補助層に遮られることが記載されている。

特許文献２には、内部マニホールド構造の平板型固体電解質燃料電池を使用し、その付属設備を該燃料電池の本体と一体化し、設置面積の狭い平板型固体電解質燃料電池システムが開示されている。ここでは、固体電解質燃料電池と、燃料電池への給気を予熱する空気熱交換器と、偏平板の表面に燃料電池の燃料ガス給気孔に連通する燃料ガス通路を備え燃料ガス通路に触媒を充填して燃料ガスを部分改質するプレリフォーマとが、固体電解質燃料電池とは別体として燃料電池に一体化されることが記載されている。

特開２００９-９３８３５号公報特開平７−１７６３１５号公報

従来の固体酸化物型燃料電池システムのスタックモジュールでは、例えば熱交換器や燃料改質器などは、セルスタックとは別のモジュールとして設けられていた。そして、セルスタックへのガス供給前にガス処理されるのが一般的であった。そのため、例えば、熱交換器や燃料改質器がスタックモジュールの中で場所をとり、スタックモジュール全体の簡素化が難しいという問題があった。また各モジュールを接続する配線などの設備費やメンテナンス費が嵩むなどという問題があった。

特許文献１及び２は、熱交換器や燃料改質器をセルスタックに接続させており上記問題を解決している。しかし、熱交換器や燃料改質器は、それぞれセルスタックとは分離、独立した機器であり、各機器の性能を確保する手段、例えばガスシール性を確保するための機能などは各モジュールごとに対処する必要があり、モジュール全体をコンパクト化して発電効率を上げる構成が難しいという問題があった。

本願の目的は、かかる課題を解決し、供給ガスの予熱及び燃料ガスの改質を簡易な構成により処理し、コンパクトで発電効率の高い固体酸化物型燃料電池システムを提供することである。

上記目的を達成するため、本発明に係る固体酸化物型燃料電池システムは、発電層が積層されたセルスタック、及び供給されるガスを予熱する熱交換器を含む固体酸化物型燃料電池システムにおいて、前記熱交換器は、前記セルスタックの任意の位置に組み込まれて熱交換層を形成し、前記供給されるガスを前記熱交換層の供給口から流入させて収容口から流出させる間に、前記発電層との熱交換により加熱させて前記発電層に流入させ、前記熱交換層に供給される酸化ガスは、一方の端部の一箇所に設けられた酸化ガスの前記供給口である酸化ガス流通開口から流入し、対向する他方の端部の二箇所に設けられた酸化ガスの前記収容口である酸化ガス流通開口から流出し、前記熱交換層に供給される燃料ガスは、酸化ガスの前記供給口と酸化ガスの前記収容口とを結ぶ方向と交差する方向に設けられ、一方の端部の一箇所に設けられた燃料ガスの前記供給口である燃料ガス流通開口から流入し、対向する他方の端部の二箇所に設けられた燃料ガスの前記収容口である燃料ガス流通開口から流出することを特徴とする。

上記構成により、熱交換器は熱交換層としてセルスタックに組み込まれる。すなわち、本熱交換層は、単セルが積層されたセルスタックのいずれの位置にも組み込むことができるために、必要な個数及び最適な位置が選択できる。また、本熱交換層は供給ガスを流通させて発電層と熱交換する役割を有するため、発電層の構成をそのまま流用でき、簡易な構成により供給ガスの予熱を処理することができる。さらに、本熱交換層は発電層に積層されるためコンパクトな機構となり、発電層との熱交換が効率的に行われて発電効率を高めることができる。

また、固体酸化物型燃料電池システムは、前記燃料ガス又は前記酸化ガスは、前記熱交換層においては、第１の燃料ガス流通開口を供給口として流入し、第２及び第３の燃料ガス流通開口を収容口として流出し、前記発電層においては、第２及び第３の燃料ガス流通開口を供給口として流入し、第４の燃料ガス流通開口を収容口として流出することが好ましい。これにより、熱交換層内の流路の構成が発電層のガス流路にも使用できる構成とすることができ、供給ガスの予熱を簡易な構成により処理することができる。また、熱交換層内の流路の構成を発電層の酸化ガス流路及び燃料ガス流路が併存できる構成とすることができ、供給ガスの予熱を簡易な構成により処理することができる。

上記目的を達成するため、本発明に係る固体酸化物型燃料電池システムは、発電層が積層されたセルスタック、及び燃料ガスの成分を改質する燃料ガス改質器を含む固体酸化物型燃料電池システムにおいて、前記燃料ガス改質器は、前記セルスタックの任意の位置に組み込まれて燃料ガス改質層を形成し、前記燃料ガス改質層に供給される燃料ガスを供給口から流入させて収容口から流出する間に、改質させて前記発電層に流入させ、前記燃料ガス改質層に供給される燃料ガスは、前記発電層における酸化ガスの供給口と酸化ガスの収容口とを結ぶ方向と交差する方向に設けられ、一方の端部の一箇所に設けられた燃料ガスの前記供給口である燃料ガス流通開口から流入し、対向する他方の端部の二箇所に設けられた燃料ガスの前記収容口である燃料ガス流通開口から流出することを特徴とする。

また、固体酸化物型燃料電池システムは、前記燃料ガスは、前記燃料ガス改質層においては、第１の燃料ガス流通開口を供給口として流入し、第２及び第３の燃料ガス流通開口を収容口として流出し、前記発電層においては、第２及び第３の燃料ガス流通開口を供給口として流入し、第４の燃料ガス流通開口を収容口として流出することが好ましい。これにより、燃料ガス改質層内の流路の構成が発電層のガス流路にも使用できる構成とすることができ、燃料ガスの改質を簡易な構成により処理することができる。また、燃料ガス改質層内の流路の構成を発電層の酸化ガス流路及び燃料ガス流路が併存できる構成とすることができ、燃料ガスの改質を簡易な構成により処理することができる。

上記目的を達成するため、本発明に係る固体酸化物型燃料電池システムは、発電層が積層されたセルスタック、供給されるガスを予熱する熱交換器、及び燃料ガスの成分を改質する燃料ガス改質器を含む固体酸化物型燃料電池システムにおいて、前記熱交換器は、前記セルスタックの任意の位置に組み込まれて熱交換層を形成し、前記供給されるガスを前記熱交換層の供給口から流入させて収容口から流出させる間に、前記発電層との熱交換により加熱させて燃料ガス改質層に流入させ、前記燃料ガス改質器は、前記セルスタックの任意の位置に組み込まれて燃料ガス改質層を形成し、前記燃料ガス改質層に供給される燃料ガスを供給口から流入させて収容口から流出する間に、改質させて前記発電層に流入させ、前記熱交換層及び前記燃料ガス改質層に供給される燃料ガスは、前記発電層における酸化ガスの前記供給口と酸化ガスの前記収容口とを結ぶ方向と交差する方向に設けられ、前記燃料ガスは、前記熱交換層においては、第１の燃料ガス流通開口を供給口として流入し、第２の燃料ガス流通開口を収容口として流出し、前記燃料ガス改質層においては、第２の燃料ガス流通開口を供給口として流入し、第３の燃料ガス流通開口を収容口として流出し、前記発電層においては、第３の燃料ガス流通開口を供給口として流入し、第４の燃料ガス流通開口を収容口として流出することを特徴とする。

上記構成により、燃料ガス改質器は燃料ガス改質層としてセルスタックに組み込まれる。すなわち、本燃料ガス改質層は、単セルが積層されたセルスタックのいずれの位置にも組み込むことができるために、必要な個数及び最適な位置が選択できる。また、本燃料ガス改質層は燃料ガスを化学反応により改質する役割であるため、発電層の構成をそのまま流用でき、簡易な構成により燃料ガスの改質処理をすることができる。さらに、本燃料ガス改質層は発電層に積層されるためコンパクトな機構となり、燃料ガスの改質が効率的に行われ発電効率を高めることができる。

また、固体酸化物型燃料電池システムは、前記セルスタックの任意の位置に組み込まれた熱交換層又は燃料ガス改質層は、前記セルスタックに設けられた圧縮力導入機構により前記発電層と同様に圧縮力が導入されることが好ましい。これにより、前記熱交換層又は燃料ガス改質層はセルスタックに用いられるボルト及びナットによる圧縮力を単セルと同様に受け、供給される酸化ガスのシール性についても簡易な構成により十分に確保できる。すなわち、従来のセルスタックの発電層と分離独立した前記熱交換層又は燃料ガス改質器では、供給される燃料ガスのシール性については独自の機構を設けなければならないが、本発明では、発電層のガスシール機構をそのまま兼用することができる。

さらに、固体酸化物型燃料電池システムは、前記セルスタックには、熱電対が挿入自在な熱電対プレートが積層の任意の層に交換自在に組み込まれて熱電対層が形成されることが好ましい。これにより、積層の任意箇所の温度を監視することができる。

以上のように、本発明に係る固体酸化物型燃料電池システムによれば、供給ガスの予熱及び燃料ガスの改質を簡易な構成により処理し、コンパクトで発電効率の高い固体酸化物型燃料電池システムとすることができる。

本発明に係る固体酸化物型燃料電池システムの一つの実施形態の概略構成を示す説明図である。セルスタックの層の構成についての実施例を示す説明図である。供給ガスの流れの第１実施形態及び第２実施形態を示すフロー図である。第１実施形態である、発電層及び熱交換層での供給ガスの流れを示す平面図である。第２実施形態である、発電層、熱交換層、及び燃料ガス改質層での燃料ガスの流れを示す平面図である。セルスタックにおける燃料ガスと酸化ガスの流れを示す斜視図である。セルスタックの圧縮力導入機構を示す側面図及び平面図である。熱電対層の実施例を示す斜視図である。従来の固体酸化物型燃料電池における発電システムを示す説明図である。燃料電池発電の基本ユニット(単位)である単セルの構成を示す説明図である。燃料として水素及び一酸化炭素を用いた場合の固体酸化物型燃料電池の発電原理を示す説明図である。

（固体酸化物型燃料電池システムの構成）
以下に、図面を用いて本発明に係る固体酸化物型燃料電池システム１の一つの実施形態につき、詳細に説明する。図１に固体酸化物型燃料電池システム１の一つの実施形態の概略構成を説明図で示す。

固体酸化物型燃料電池システム１は、発電層２、熱交換層３、燃料ガス改質層４、及び熱電対層８がセルスタック１１に積層され、これらの層は頂板１８及び底板１９に挟まれる。そして、セルスタック１１は少なくともボルト２０及びナット２１から構成される圧縮力導入機構により全体的に圧縮力が負荷される。また、酸化ガス供給管２７ａから酸化ガスが供給され、燃料ガス供給管２７ｂから燃料ガスが供給されて発電が行われる。

これを図９に示す従来の固体酸化物型燃料電池システム３０と比較する。従来の固体酸化物型燃料電池システム３０のセルスタックモジュール１０は、発電層２のみが積層されたセルスタック１１、供給される酸化ガス及び燃料ガスを予熱する熱交換器１２ａ，１２ｂ、及び燃料ガスの成分を改質する燃料ガス改質器１３から構成される。一方、本発明に係る固体酸化物型燃料電池システム１は、従来の熱交換器１２ａ，１２ｂが、セルスタック１１の任意の位置に組み込まれて熱交換層３を形成し、供給される燃料ガス及び酸化ガスを発電層２との熱交換により加熱した後に発電層２に流入させる。また、燃料ガス改質器１３は、セルスタック１１の任意の位置に組み込まれて燃料ガス改質層４を形成し、供給される燃料ガスを改質させた後に発電層２に流入させる。

従って、従来の熱交換器１２ａ，１２ｂ及び燃料ガス改質器１３は、セルスタック１に一体として組み込まれ、よりコンパクトなスタックモジュール１０を形成する。セルスタック１１の層の構成は、図１に例示しているように、発電層２を中心に熱交換層３及び燃料ガス改質層４が組み込まれ、さらに、必要に応じて熱電対層８が組み込まれるが、これらの各層の数量や配置はこの例に限らず、任意な数量及び配置が可能である。

(セルスタックの層構成)
図２に、セルスタック１１の層構成の実施例を説明図で示す。図２は、セルスタック１１に層として組み込まれる発電層２、熱交換層３、燃料ガス改質層４、及び熱電対層８に関する構成の一つの実施例である。図２では、層の構成を分かり易くするために各層を切り離して記載し、ボルト２０によりセルスタック１１全体を貫通させて示す。セルスタック１１の各層は頂板１８及び底板１９の間に組み込まれている。図２は、発電層２、熱交換層３、及び熱電対層８から構成される場合を記載しているが、このパターンに限らず、熱交換層３をなくして発電層２、燃料ガス改質層４及び熱電対層８で構成しても良い。さらに、発電層２、熱交換層３、燃料ガス改質層４、及び熱電対層８をすべて含むように配置しても良い。この配置を決定する条件は、熱交換層３については発電層２で発生した反応熱を効率よく熱交換できる配置であることが重要である。また、熱交換層３及び燃料ガス改質層４は吸熱反応であるため、燃料ガスや酸化ガスの温度が低下して発電効率が低下しないように考慮すべきである。さらに、熱電対層８については温度測定をすべき位置に設置される。

（供給ガスの流れ）
図３に、供給ガスの流れの第１実施形態及び第２実施形態をフロー図で示す。「供給ガスの流れ」とは、酸化ガス及び燃料ガスが、発電層２において発電をするまでに必要に応じて熱交換層３、燃料ガス改質層４を巡回することをいう。本実施形態では、第１実施形態として、発電層２及び熱交換層３での供給ガスの流れを図３のフロー図及び図４により説明する。また、第２実施形態として、発電層２、熱交換層３、及び燃料ガス改質層４での燃料ガスの流れを図３のフロー図及び図５により説明する。

（供給ガスの流れの第１実施形態）
図４に、供給ガスの流れの第１実施形態として、発電層２及び熱交換層３における酸化ガスの流れを示す。図４(ａ)は、熱交換層３の平面図であり、図４(ｂ)は、発電層２の平面図であり、図４(ｃ)は、図４（ａ）のＡ−Ａ断面図であり、図４（ｄ）は図４（ｂ）のＢ−Ｂ断面図である。本実施形態は、供給ガスとして酸化ガス及び燃料ガスのいずれにも適用されるが、図４では酸化ガスの場合を示す。従って、燃料ガスの場合も同様の実施形態となる。図４(ａ)の熱交換層３及び図４（ｂ）の発電層２には、４箇所の酸化ガス流通開口５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄが設けられる。

図４(ａ)では、酸化ガスは、酸化ガス流通開口５ａから熱交換層３に流入し、酸化ガス流通開口５ｂ，５ｄから流出する。本実施形態では、熱交換層３においては酸化ガスは１箇所の開口から供給され、２箇所の開口から収容される。このように、熱交換層３に供給された酸化ガスは、一方の端部の開口から流入して他方の端部の開口に流出するが、その途中のガス供給路２９ａを通過する間に周囲の発電層２の反応熱と熱交換して昇温される。図４(ｃ)に示すように、酸化ガス供給管２７ａから供給された酸化ガスは、縦方向のマニホールド９ａを上昇し、酸化ガス流通開口５ａから熱交換層３に供給されて、酸化ガス流通開口５ｂ，５ｄにて収容されて縦方向のマニホールド９ｂを経由して発電層２に達する。

さらに、図４(ｂ)に示すように、酸化ガス流通開口５ｂ，５ｄのそれぞれから発電層２に流入した酸化ガスは、酸化ガス流通開口５ｃから流出する。このように、発電層２に供給された酸化ガスは、一方の端部の開口から流入して他方の端部の開口に流出するが、途中のガス供給路２９ａを通過する間に発電が行われる。そして、図４(ｄ)に示すように、熱交換層３から供給された酸化ガスは、縦方向のマニホールド９ｂを上昇し、酸化ガス流通開口５ｂ，５ｄから発電層２に流入し、酸化ガス流通開口５ｃにて収容されて縦方向のマニホールド９ｃを経由して酸化ガス排出管２８ａから排気される。

この供給ガスの流れは、図３（ａ）のフロー図によって整理される。このフロー図では、供給ガスは燃料ガスの場合で示す。すなわち、供給された燃料ガスは、マニホールド９ａを通過して熱交換層３に流入し、そこで熱交換により昇温し、熱交換層３から流出した燃料ガスはマニホールド９ｂを通過して発電層２に流入し、そこで発電を行い、発電層２に流出した燃料ガスはマニホールド９ｃを通過して排気される。

（供給ガスの流れの第２実施形態）
図５に、供給ガスの流れの第２実施形態として、発電層２、熱交換層３、及び燃料ガスガス改質層４における供給ガスの流れを示す。図５(ａ)は、熱交換層３の平面図であり、図５(ｂ)は、燃料ガス改質層４の平面図であり、図５(ｃ)は、発電層２の平面図である。また、図５(ｄ)は図５（ａ）のＣ―Ｃ断面図であり、図５（ｅ）は図５（ｂ）のＤ−Ｄ断面図であり、図５（ｆ）は図５（ｃ）のＥ−Ｅ断面図である。本実施形態は、燃料ガスの場合である。図５(ａ)の熱交換層３、図５（ｂ）の燃料ガス改質層４、及び図５（ｃ）の発電層２には、４箇所の燃料ガス流通開口６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄが設けられる。

図５(ａ)では、燃料ガスは、燃料ガス流通開口６ａから熱交換層３に流入し、燃料ガス流通開口６ｂから流出する。本実施形態では、熱交換層３においては燃料ガスは１箇所の開口から供給され、１箇所の開口から収容される。このように、熱交換層３に供給された燃料ガスは、一方の端部の開口から流入して他方の端部の開口に流出するが、その途中の燃料ガス供給路２９ｂを通過する間に周囲の発電層２の反応熱と熱交換して昇温される。図５(ｄ)に示すように、燃料ガス供給管２７ｂから供給された燃料ガスは、縦方向のマニホールド９ａを下降し燃料ガス流通開口６ａから熱交換層３に流入し、燃料ガス流通開口６ｂ，６ｄにて収容されて縦方向のマニホールド９ｂを経由して燃料ガス改質層４に達する。

また、図５(ｂ)に示すように、燃料ガス流通開口６ｂから燃料ガス改質層４に流入した燃料ガスは、燃料ガス流通開口６ｃから流出する。このように、燃料ガス改質層４に供給された燃料ガスは、一方の端部の開口から流入し、他方の端部の開口から流出するが、途中の燃料ガス供給路２９ｂを通過する間にガスの改質が行われる。そして、図５(ｅ)に示すように、熱交換層３から供給された燃料ガスは、縦方向のマニホールド９ｂを上昇し、燃料ガス流通開口６ｂから燃料ガス改質層４に流入し、燃料ガス流通開口６ｃにて収容されて縦方向のマニホールド９ｃを経由して発電層２に達する。

さらに、図５(ｃ)に示すように、燃料ガス流通開口６ｃから発電層２に流入した燃料ガスは、燃料ガス流通開口６ｄから流出する。このように、発電層２に供給された燃料ガスは、一方の端部の開口から流入し、他方の端部の開口に流出するが、途中の燃料ガス供給路２９ｂを通過する間に発電が行われる。そして、図５(ｆ)に示すように、熱交換層３から供給された燃料ガスは、縦方向のマニホールド９ｃを下降し、燃料ガス流通開口６ｃから発電層２に流入し、燃料収容口であるガス流通開口６ｂにて収容されて縦方向のマニホールド９ｄを経由して燃料ガス排出管２８ｂから排気される。

この供給ガスの流れは、図３（ｂ）のフロー図によって整理される。ここでは、供給ガスは燃料ガスの場合で示す。すなわち、供給された燃料ガスは、マニホールド９ａを通過して熱交換層３に流入し、そこで熱交換により昇温し、熱交換層３から流出した燃料ガスはマニホールド９ｂを通過して燃料ガス改質層４に流入し、そこで燃料ガスの改質が行われる。燃料ガス改質層４を流出した燃料ガスはマニホールド９ｃを通過して発電層２に流入し、そこで発電を行い、発電層２を流出した燃料ガスはマニホールド９ｄを通過して排気される。

図４（ａ）と図４(ｂ)とを比較するとセルスタック１１に組み込まれる発電層２及び熱交換層３の平面は同じパターンの平板であることが分かる。同様に、図５（ａ）と図５(ｂ)と図５(ｃ)とを比較するとセルスタック１１に組み込まれる発電層２、燃料ガス改質層４、及び熱交換層３の平面は同じパターンの平板であることが分かる。すなわち、図４（ａ）及び図４(ｂ)、或いは、図５（ａ），図５（ｂ），及び図５(ｃ)は、同じ外形寸法の四辺形であり、平板の周辺には各片に２箇所ずつの酸化ガス流通開口５又は燃料ガス流通開口６が設けられる。そして、開口から流入して開口から流出するガス供給路２９が規定されている。このガスが流通するガス供給路２９ａ，２９ｂの部分は、他の部分とは段差がある凹部である。発電層２、熱交換層３、及び燃料ガス改質層４には、平板の製作の際に、それぞれガスが流通する経路に従ってガス供給路２９ａ，２９ｂが規定されている。さらに、平板の４隅には圧縮力導入機構のボルト２０が貫通するボルト貫通穴３５が設けられている。

（熱交換された酸化ガス及び燃料ガスの流通経路）
図６に、セルスタック１１における燃料ガスと酸化ガスの流れを斜視図で示す。すなわち、図４及び図５では、燃料ガスと酸化ガスとの一方のガスの流れを説明したが、セルスタック１１では、燃料ガスと酸化ガスとが共に流れて発電層２に達して発電が行われる。
図６では、この燃料ガス及び酸化ガスの双方のガスの流れを斜視図にて説明する。

図６では、上部の頂板１８に燃料ガス供給管（ＩＮ）２７ｂ及び燃料ガス排出管（ＯＵＴ）２８ｂが設けられ、下部の底板１９に酸化ガス供給管（ＩＮ）２７ａ及び酸化ガス排出管（ＯＵＴ）２８ａが設けられる。そして、頂板１８と底板１９との間には、発電層２を上下から挟み込んだ２枚の熱交換層３が配置されている。

上部の頂板１８において、燃料ガス供給管（ＩＮ）２７ｂから供給された燃料ガスは、マニホールド(図示せず)を経由して直下の頂板側熱交換層３ａに流通し、燃料ガス流通開口６ａから流入して燃料ガス流通開口６ｂ，６ｄから流出する。そして、燃料ガスは頂板側熱交換層３ａを移動する間に発電層２と熱交換を行い昇温される。燃料ガス流通開口６ｂ，６ｄから流出した燃料ガスは、マニホールド(図示せず)を経由して更に直下の発電層２の燃料ガス流通開口６ｂ，６ｄに流入して燃料ガス流通開口６ｃから流出する。そして、燃料ガスは発電層２を移動する間にＭＥＡセル(図１０参照)において酸化ガスと化学反応して発電を行う。発電を終えた燃料ガスは、燃料ガス流通開口６ｃからマニホールド(図示せず)を経由して頂板１８に戻り燃料ガス排出管（ＯＵＴ）２８ｂから排気される。

また、下部の底板１９において、酸化ガス供給管（ＩＮ）２７ａから供給された酸化ガスは、マニホールド(図示せず)を経由して直上の底板側熱交換層３ｂに流通し、酸化ガス流通開口５ａから流入して酸化ガス流通開口５ｂ，５ｄから流出する。そして、酸化ガスは底板側熱交換層３ｂを移動する間に発電層２と熱交換を行い昇熱される。酸化ガス流通開口５ｂ，５ｄから流出した酸化ガスは、マニホールド(図示せず)を経由して更に直上の発電層２の酸化ガス流通開口５ｂ，５ｄに流入して酸化ガス流通開口５ｃから流出する。そして、酸化ガスは発電層２を移動する間にＭＥＡセル(図１０参照)において燃料ガスと化学反応して発電を行う。発電を終えた酸化ガスは、酸化ガス流通開口５ｃからマニホールド(図示せず)を経由して底板１９に戻り酸化ガス排出管（ＯＵＴ）２８ａから排気される。

図６に示すように、燃料ガスと酸化ガスとは、発電層２及び熱交換層３ａ，３ｂにおいて、酸化ガスは酸化ガス流通開口５を流通し、燃料ガスは燃料ガス流通開口６を流通し、燃料ガスと酸化ガスとの流通経路は発電層２に流入するまでは分離される。つまり、発電層２及び熱交換層３に設けられた８箇所の開口は、燃料ガス用が４箇所であり酸化ガス用が４箇所となる。そして、図４〜図６から明らかなように、酸化ガス用の酸化ガス流通開口５と燃料ガス用の燃料ガス流通開口６とのそれぞれのガスが流れる方向は、平面的に交差する方向に配置されている。

つまり、熱交換層３に供給された酸化ガスは、一方の端部の一箇所に設けられた供給口である酸化ガス流通開口５から流入し、対向する他方の端部の二箇所に設けられた酸化ガス流通開口５の収容口から流出する。一方、熱交換層３に供給された燃料ガスは、上記酸化ガス流通開口５の供給口と収容口とを結ぶ方向と交差する方向に設けられ、一方の端部の一箇所に設けられた供給口である燃料ガス流通開口６から流入し、対向する他方の端部の二箇所に設けられた燃料ガス流通開口６の収容口から流出する。このように、燃料ガス及び酸化ガスは、途中互いに分離された経路を辿り、発電層２にて合流して発電が行われる。

（燃料ガス改質層の燃料ガス流路）
燃料ガス改質層４に供給された燃料ガスは、上述した熱交換された酸化ガス及び燃料ガスの流通経路と同様に、一方の端部に設けられた供給口である燃料ガス流通開口６から流入し、他方の端部に設けられた収容口である燃料ガス流通開口６に流出する間に改質される。そして、燃料ガス改質層４に供給された燃料ガスは、発電層２における供給口である酸化ガス流通開口５と収容口である酸化ガス流通開口５とを結ぶ方向と交差する方向に設けられ、一方の端部の一箇所に設けられた供給口である燃料ガス流通開口６から流入し、対向する他方の端部の二箇所に設けられた収容口である燃料ガス流通開口６から流出する。つまり、燃料ガスは、燃料ガス改質層４に流入する場合であっても、上述した熱交換された酸化ガス及び燃料ガスの流通経路と同様に、酸化ガスの流通経路と分離された異なる経路を流通する。

（セルスタック圧縮力導入機構）
図７に、セルスタック１１の圧縮力導入機構を示す。図７(ａ)は、セルスタック１１の側面図であり、図７(ｂ)は、セルスタック１１の平面図である。セルスタック１１の任意の位置に組み込まれた熱交換層３は、セルスタック１１に設けられたボルト２０、ナット２１及び圧縮バネ２２から構成される圧縮力導入機構により発電層２と同様に圧縮力が導入される。また、セルスタック１１の任意の位置に組み込まれた燃料ガス改質層４も同様に、セルスタック１１に設けられた圧縮力導入機構により発電層２と同様に圧縮力が導入される。

図７に示されるように、４箇所に設けられた圧縮力導入機構は、ボルト２０及びナット２１により締め込まれる。さらに、ボルト２０の周りに圧縮バネ２２を組み込むことで、ナット２１を締め込むとボルト２０に張力が発生し、その反力によりセルスタック１１に圧縮力が確実に導入される。図７(ｂ)に示すように、ナット２１と圧縮バネ２２との間には圧縮バネ連結板２３が設けられる。これは、ナット２１を締め込む際に、ワッシャが共回りをしてしまい、圧縮バネ２２に捩れ荷重が加わるのを防止するため、ワッシャに代えて圧縮バネ連結板２３を配置したものである。

このように、セルスタック１１の発電層２に、熱交換層３及び燃料ガス改質層４を組み込み、一括して圧縮録を導入することで、ガス流路からのガス漏れを一括して防止するという、いわゆるガスシール性が確保できる。すなわち、従来、熱交換器１２や燃料ガス改質器１３において個別に設けられていたガス漏れ防止方法、或いは上述した引用文献１，２のようにセルスタックと別体になった熱交換層や燃料ガス改質層において個別に設けられていたガス漏れ防止方法とは異なり、供給ガスの予熱及び燃料ガスの改質を簡易な構成により処理することができる。

（熱電対層）
図８に、熱電対層８の実施例を示す。図２に示すように、セルスタック１１には更に、熱電対３２が挿入自在な熱電対プレート３１が積層の任意の層に交換自在に組み込まれて熱電対層８を形成する。この熱電対層８を設けることで、セルスタック１１内部の温度を監視するための温度計である熱電対３２により任意の箇所の温度が監視できる。熱電対プレート３１の厚みは、熱電対３２の測定子３４が入る幅であり、例えば１〜２ｍｍである。そして、熱電対プレート３１には、測定子３４の先端が突き当たる位置までの熱電対用溝３３が設けられる。セルスタック１１が完成した後に、その熱電対用溝３３が設けられた穴に測定子３４を突き当たりまで挿入して温度測定を行う。

この熱電対プレート３１は、導電性を有する耐熱鋼を用いることが望ましい。そして、の熱電対プレート３１は、セルスタック１１が積層された際の平面性を確保するための補強材としても機能する。このように、熱電対プレート３１は、セルスタック１１の積層時の傾きや平面性の矯正のために、単セル１４を５枚から１０枚ほど積層した毎に挿入することが望ましい。

１，３０固体酸化物型燃料電池システム、２発電層、３熱交換層，３ａ頂板側熱交換層，３ｂ底板側熱交換層、４燃料ガス改質層、５，５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ酸化ガス流通開口、６，６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ燃料ガス流通開口、７熱電対プレート、８熱電対層、９，９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄマニホールド、１０スタックモジュール、１１セルスタック、１２，１２ａ，１２ｂ熱交換器、１３燃料ガス改質器、１４単セル、１５電解質、１６空気極（カソード）、１７燃料極（アノード）、１８頂板、１９底板、２０ボルト、２１ナット、２２圧縮バネ、２３圧縮バネ連結板、２４空気極側セパレータ、２５燃料極側セパレータ、２６ＭＥＡセル、２７ガス供給管，２７ａ酸化ガス供給管，２７ｂ燃料ガス供給管、２８ガス排出管，２８ａ酸化ガス排出管，２８ｂ燃料ガス排出管、２９ガス供給路，２９ａ酸化ガス供給路，２９ｂ燃料ガス供給路、３１熱電対プレート、３２熱電対、３３熱電対用溝、３４測定子、３５ボルト貫通穴。

Claims

発電層が積層されたセルスタック、及び供給されるガスを予熱する熱交換器を含む固体酸化物型燃料電池システムにおいて、
前記熱交換器は、前記セルスタックの任意の位置に組み込まれて熱交換層を形成し、前記供給されるガスを前記熱交換層の供給口から流入させて収容口から流出させる間に、前記発電層との熱交換により加熱させて前記発電層に流入させ、
前記熱交換層に供給される酸化ガスは、一方の端部の一箇所に設けられた酸化ガスの前記供給口である酸化ガス流通開口から流入し、対向する他方の端部の二箇所に設けられた酸化ガスの前記収容口である酸化ガス流通開口から流出し、
前記熱交換層に供給される燃料ガスは、酸化ガスの前記供給口と酸化ガスの前記収容口とを結ぶ方向と交差する方向に設けられ、一方の端部の一箇所に設けられた燃料ガスの前記供給口である燃料ガス流通開口から流入し、対向する他方の端部の二箇所に設けられた燃料ガスの前記収容口である燃料ガス流通開口から流出することを特徴とする固体酸化物型燃料電池システム。
請求項１に記載の固体酸化物型燃料電池システムであって、前記燃料ガス又は前記酸化ガスは、前記熱交換層においては、第１の燃料ガス流通開口を供給口として流入し、第２及び第３の燃料ガス流通開口を収容口として流出し、前記発電層においては、第２及び第３の燃料ガス流通開口を供給口として流入し、第４の燃料ガス流通開口を収容口として流出することを特徴とする固体酸化物型燃料電池システム。
発電層が積層されたセルスタック、及び燃料ガスの成分を改質する燃料ガス改質器を含む固体酸化物型燃料電池システムにおいて、
前記燃料ガス改質器は、前記セルスタックの任意の位置に組み込まれて燃料ガス改質層を形成し、前記燃料ガス改質層に供給される燃料ガスを供給口から流入させて収容口から流出する間に、改質させて前記発電層に流入させ、
前記燃料ガス改質層に供給される燃料ガスは、前記発電層における酸化ガスの供給口と酸化ガスの収容口とを結ぶ方向と交差する方向に設けられ、一方の端部の一箇所に設けられた燃料ガスの前記供給口である燃料ガス流通開口から流入し、対向する他方の端部の二箇所に設けられた燃料ガスの前記収容口である燃料ガス流通開口から流出することを特徴とする固体酸化物型燃料電池システム。
請求項３に記載の固体酸化物型燃料電池システムであって、前記燃料ガスは、前記燃料ガス改質層においては、第１の燃料ガス流通開口を供給口として流入し、第２及び第３の燃料ガス流通開口を収容口として流出し、前記発電層においては、第２及び第３の燃料ガス流通開口を供給口として流入し、第４の燃料ガス流通開口を収容口として流出することを特徴とする固体酸化物型燃料電池システム。
発電層が積層されたセルスタック、供給されるガスを予熱する熱交換器、及び燃料ガスの成分を改質する燃料ガス改質器を含む固体酸化物型燃料電池システムにおいて、
前記熱交換器は、前記セルスタックの任意の位置に組み込まれて熱交換層を形成し、前記供給されるガスを前記熱交換層の供給口から流入させて収容口から流出させる間に、前記発電層との熱交換により加熱させて燃料ガス改質層に流入させ、
前記燃料ガス改質器は、前記セルスタックの任意の位置に組み込まれて燃料ガス改質層を形成し、前記燃料ガス改質層に供給される燃料ガスを供給口から流入させて収容口から流出する間に、改質させて前記発電層に流入させ、
前記熱交換層及び前記燃料ガス改質層に供給される燃料ガスは、前記発電層における酸化ガスの前記供給口と酸化ガスの前記収容口とを結ぶ方向と交差する方向に設けられ、
前記燃料ガスは、前記熱交換層においては、第１の燃料ガス流通開口を供給口として流入し、第２の燃料ガス流通開口を収容口として流出し、前記燃料ガス改質層においては、第２の燃料ガス流通開口を供給口として流入し、第３の燃料ガス流通開口を収容口として流出し、前記発電層においては、第３の燃料ガス流通開口を供給口として流入し、第４の燃料ガス流通開口を収容口として流出することを特徴とする固体酸化物型燃料電池システム。
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の固体酸化物型燃料電池システムであって、前記セルスタックの任意の位置に組み込まれた熱交換層又は燃料ガス改質層は、前記セルスタックに設けられた圧縮力導入機構により前記発電層と同様に圧縮力が導入されることを特徴とする固体酸化物型燃料電池システム。
請求項１乃至６のいずれか１項に記載の固体酸化物型燃料電池システムであって、前記セルスタックには、熱電対が挿入自在な熱電対プレートが積層の任意の層に交換自在に組み込まれて熱電対層が形成されることを特徴とする固体酸化物型燃料電池システム。