JP6153066B2 - 固体酸化物型燃料電池装置 - Google Patents

Description

本発明は、固体酸化物型燃料電池装置に関し、特に、未反応の燃料ガス（オフガス）を集める排気マニホールドを備えた固体酸化物型燃料電池装置に関する。

固体酸化物型燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell：以下「ＳＯＦＣ」とも言う）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、比較的高温で動作する燃料電池である。

固体酸化物型燃料電池装置では、通常、多数の燃料電池セルを発電室内に配置し、外部から発電室内に酸化剤ガスである空気等を供給している。多数の燃料電池セルは、筒状の支持体の内部が燃料ガス用通路として用いられ、支持体の表面には内側から順に燃料極層，電解質層，空気極層等が設けられている。

燃料ガスは、燃料電池セルの一方側の端部から燃料ガス用通路に入り、燃料ガス用通路を通って反応に用いられるが、一部が未反応のオフガスとして燃料電池セルの他方側の端部から排気され、燃焼される。

このようなオフガスを集めるための排気マニホールドを備えた燃料電池装置が知られている（特許文献１参照）。排気マニホールドを備えることにより、燃料電池装置のシャットダウン時における燃料電池セルの燃料極の酸化抑制、オフガス燃焼効率の向上等の種々の効果を得ることができる。

特許平３−３４２５８号

しかしながら、排気マニホールドを設けることにより、燃料電池セルの上部が覆われるので、燃料電池セルの長さ方向に沿う空気の流れが阻害される。このため、複数の燃料電池セルの空気極に対して、局所的に十分な空気供給が行われない（いわゆる「空気枯れ」）という問題が生じる。局所的であっても空気極に十分な空気が供給されないと、発電性能が低下すると共に、燃料電池セルの劣化を生じるおそれがある。

例えば、特許文献１に記載の燃料電池装置では、複数の燃料電池セルの側方から空気が供給されるので、燃料電池セルの端部と中央部に対して、均一な流れの空気が供給されず、燃料電池セルの一部分に対して十分な空気供給が行われないおそれがある。

従って、本発明は、排気マニホールドを備え、且つ、燃料電池セルに対して十分な空気の供給を行うことが可能な固体酸化物型燃料電池装置を提供することを目的としている。

上述した課題を解決するために、本発明は、固体酸化物型燃料電池装置であって、内部に燃料ガス用通路を有し、外表面に空気極を有する管状で上下方向に延びる複数の燃料電池セルからなる配列と、燃料電池セルを収容するモジュールケースと、燃料電池セルの下部に配置され、複数の燃料電池セルの燃料ガス用通路に燃料ガスを分散して供給する燃料ガスタンクであって、燃料ガスタンク内に燃料電池セルの下端部が貫通し、燃料電池セルの下端部を固定する燃料ガスタンクと、モジュールケース内で燃料電池セルの上部に配置され、複数の燃料電池セルの燃料ガス用通路を通過した未反応の燃料ガスを集める排気空間を形成する排気マニホールドであって、排気マニホールド内に燃料電池セルの上端部が貫通し、燃料電池セルの上端部を固定する排気マニホールドと、燃料電池セルの空気極に空気を供給する空気供給管と、を備え、排気マニホールドは中央部に上下方向に延びる貫通路を備え、空気供給管は、貫通路を通り、複数の燃料電池セルによって周囲を囲われるように燃料電池セルの配列内に延びており、空気供給管と貫通路との間には、空気排出用の隙間が設けられていることを特徴としている。

このように構成された本発明においては、排気マニホールドを備えたことにより、燃料電池装置のシャットダウン時の燃料極の酸化抑制、オフガス燃焼効率の向上等の種々の効果を得ることができる。しかしながら、上下方向に延びる複数の燃料電池セルからなる配列の上部を覆うように、各燃料電池セルの上端部が排気マニホールドに固定されているので、燃料電池セルの外表面に設けられた空気極に対して、局所的に十分な空気が供給されず、発電性能が低下すると共に、燃料電池セルの劣化が生じるおそれがある。すなわち、配列内の特定の位置の燃料電池セル（例えば、配列内の中央部分に配置された燃料電池セル）については、上端部付近の空気極に向けて空気が流れにくい場合がある。

そこで本発明では、排気マニホールドの中央部に上下方向に延びる貫通路を形成し、この貫通路を通して空気供給管を燃料電池セルの配列内に延ばしている。空気供給管と貫通路との間には空気排出用の隙間が設けられている。したがって、空気供給管から供給された空気は、燃料電池セルの配列の中央部に設けられた空気排出用の隙間に向かう流れを生じるため、配列の中央部にある燃料電池セルの上端部付近にも空気の流れを形成することができる。これにより、複数の燃料電池セルの局所的な部分に対して、空気の供給が不足するような不都合な「空気枯れ」を回避することができる。また、空気供給管の下端部を燃料電池セルの配列内に配置したことにより、空気は燃料電池セル下部を固定する第一固定部材の天面にぶつかって広がる流れとなる。そのため、燃料電池セルの下部までまんべんなく空気を行きわたらせることができる。

本発明において、好ましくは、モジュールケースと排気マニホールドとの間には、排気マニホールドの外周面の全周にわたって第１空気排出通路が設けられ、空気供給管と貫通路との間の隙間は、空気供給管の外周面の全周にわたって延びており、第２空気排出通路を形成する。

このように構成された本発明によれば、排気マニホールドの外周にわたって、及び、排気マニホールドの中央部に空気供給管の外周にわたって、発電室から空気を排出するための空気排出通路をそれぞれ設けているので、排気マニホールドの周方向において均一に空気を排出させることができると共に、燃料電池セルの上端付近にも空気を供給し易くなる。これにより、複数の燃料電池セルに対して均一に空気供給することができると共に、燃料電池セルの空気極における「空気枯れ」を防止することができる。

本発明において、好ましくは、第１空気排出通路の総断面積が、第２空気排出通路の総断面積より大きい。

このように構成された本発明によれば、第１空気排出通路の総断面積よりも、第２空気排出通路の総断面積を小さく設定しているので、中央に位置する空気供給管から第２空気排出通路へ向かう空気量よりも、外側の第１空気排出通路へ向かう空気量を大きくすることができる。これにより、空気供給管からより遠くに位置する燃料電池セルに対しても十分な空気を供給することができ、空気供給管からの離間距離にかかわらず、燃料電池セルでの空気枯れを防止することができる。

本発明において、好ましくは、排気マニホールドから排気される未反応の燃料ガスを燃焼させるためのオフガス燃焼部を備え、このオフガス燃焼部は、排気マニホールドの天面に第２空気排出通路を囲むように設けられた複数の排気口であり、未反応の燃料ガスの燃焼によって、第２空気排出通路を通して排出された空気を加熱するように構成されており、この加熱された空気と第１空気排出通路を通して排出された空気との混合ガスが、改質器を加熱するために用いられるように構成されている。

第２排出空気通路を通過する空気は、第１排出空気通路を通過する空気と比べて、燃料電池セルの間を通過する距離が相対的に短くなる。したがって、第２排出空気通路を通過する空気は、発電熱を生成する燃料電池セルとの熱交換量が少なく、第１排出空気通路を通過する空気と比べて温度が低くなる場合がある。
そこで、上述のように構成された本発明によれば、第２排出空気通路を通過する空気を、オフガス燃焼部での未反応の燃料ガス（オフガス）の燃焼によって加熱した後、第１排気空気通路を通過する空気と混合させて、改質器を加熱する混合ガスが生成される。これにより、改質器を効率よく所定温度まで加熱することができる。

本発明において、好ましくは、排気口の数は、燃料電池セルの数より少ない。

各燃料電池セルから排出されるオフガスは微量であるため、各燃料電池セルにおいてオフガスを確実に燃焼させるのは難しく、また不効率である。そこで、上述のように構成された本発明によれば、微量のオフガスを排気マニホールドで集約し、燃料電池セルの本数よりも少ない数の排気口から噴出させて燃焼させている。これにより、オフガスを確実に燃焼させ、燃焼効率を高めることができると共に、第２空気排出通路を通過した空気を確実に昇温させることができる。

本発明において、好ましくは、排気口は、第１空気排出通路よりも第２空気排出通路に近接して設けられている。

このように構成された本発明によれば、排気口が第１空気排出通路よりも第２空気排出通路に近接しているので、第２空気排出通路を通過した空気をオフガスと共に燃焼させて、確実に昇温することができる。

本発明において、好ましくは、モジュールケース内には、排気マニホールドの天面の上方に、第１及び第２空気排出通路から排出された空気を混合し、混合した空気を排気通路へ複数の排出孔を介して排出するための混合室が設けられており、複数の排出孔は、混合性が高まるように排気通路の断面積よりも狭い開口面積を有し、所定距離間隔で設けられている。

このように構成された本発明によれば、第１及び第２空気排出通路を通って排出された空気は、混合室で混合され、所定間隔に配置された小さな開口を有する排出孔を通して混合室から排気通路へ排出される。第１及び第２空気排出通路を通って排出された空気を混合室で混合することができ、さらに、排出孔を通して排気通路に排出することにより、ほぼ均一な温度分布を有する混合ガスを排気通路に供給することができる。これにより、ほぼ均一な温度分布を有する混合ガスによって、改質器を安定的に昇温させることができる。

本発明において、好ましくは、混合ガスは、排気マニホールド及びオフガス燃焼部より上方に位置する排出孔を通って排気通路へ排出され、改質器側へ供給される。

このように構成された本発明によれば、排気通路へ通じる排気孔を排気マニホールド及びオフガス燃焼部よりも上方に配置することにより、第１及び第２空気排出通路を通って排出された空気を、排気孔に至る空間で混合させた後、改質器に供給することができる。これにより、混合により温度分布変動が低減された混合ガスによって、改質器を安定的に昇温させることが可能である。

本発明において、好ましくは、空気供給管の下方には、燃料ガスタンクとの間に、複数の燃料電池セルの配列によって囲われた拡散空間が設けられており、空気供給管は、拡散空間に向けて下方へ空気を噴出する空気噴出口を有する。

このように構成された本発明によれば、空気供給管は、空気供給管と燃料ガスタンクとの間に設けられた拡散空間に向けて空気を噴出する。噴出された空気は、拡散空間内で分散性が高められ、複数の燃料電池セルの間を抜けて周囲に拡がっていく。これにより、拡散空間から周囲の燃料電池セルの配列に対して均等に空気を供給することができ、燃料電池セルにおける空気枯れを防止することが可能である。

本発明の固体酸化物型燃料電池装置によれば、排気マニホールドを備え、且つ、燃料電池セルに対して十分な空気の供給を行うことができる。

本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池装置（ＳＯＦＣ）を示す全体構成図である。 本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池装置に内蔵されている燃料電池セル収容容器の断面図である。 本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池装置に内蔵されている燃料電池セル収容容器の主な部材を分解して示した断面図である。 本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池装置に内蔵されている排気集約室の部分を拡大して示す断面図である。 図２におけるV−V断面である。 （ａ）下端がカソードにされている燃料電池セルの下端部を拡大して示す断面図であり、（ｂ）下端がアノードにされている燃料電池セルの下端部を拡大して示す断面図である。 本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池装置の発電室，排気集約室及び混合室を示す断面図である。

次に、添付図面を参照して、本発明の実施形態による固体酸化物型燃料電池装置（ＳＯＦＣ）を説明する。
図１は、本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池装置（ＳＯＦＣ）を示す全体構成図である。この図１に示すように、本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池装置（ＳＯＦＣ）１は、燃料電池モジュール２と、補機ユニット４を備えている。

燃料電池モジュール２は、ハウジング６を備え、このハウジング６内部には、断熱材７を介して燃料電池セル収容容器８が配置されている。この燃料電池セル収容容器８内の内部には発電室１０が構成され、この発電室１０の中には複数の燃料電池セル１６が同心円状に配置されており、これらの燃料電池セル１６により、燃料ガスと酸化剤ガスである空気の発電反応が行われる。

各燃料電池セル１６の上端部には、排気集約室１８が取り付けられている。各燃料電池セル１６において発電反応に使用されずに残った残余の燃料（オフガス）は、上端部に取り付けられた排気集約室１８に集められ、この排気集約室１８の天井面に設けられた複数の噴出口から流出される。流出した燃料は、発電室１０内で発電に使用されずに残った空気により燃焼され、排気ガスが生成されるようになっている。

次に、補機ユニット４は、水道等の水供給源２４からの水を貯水してフィルターにより純水とする純水タンク２６と、この純水タンクから供給される水の流量を調整する水供給装置である水流量調整ユニット２８（モータで駆動される「水ポンプ」等）を備えている。また、補機ユニット４は、都市ガス等の燃料供給源３０から供給された炭化水素系の原燃料ガスの流量を調整する燃料供給装置である燃料ブロア３８（モータで駆動される「燃料ポンプ」等）を備えている。

なお、燃料ブロア３８を通過した原燃料ガスは、燃料電池モジュール２内に配置された脱硫器３６と、熱交換器３４、電磁弁３５を介して燃料電池セル収容容器８の内部に導入される。脱硫器３６は、燃料電池セル収容容器８の周囲に環状に配置されており、原燃料ガスから硫黄を除去するようになっている。また、熱交換器３４は、脱硫器３６において温度上昇した高温の原燃料ガスが直接電磁弁３５に流入し、電磁弁３５が劣化されるのを防止するために設けられている。電磁弁３５は、燃料電池セル収容容器８内への原燃料ガスの供給を停止するために設けられている。

補機ユニット４は、空気供給源４０から供給される空気の流量を調整する酸化剤ガス供給装置である空気流量調整ユニット４５（モータで駆動される「空気ブロア」等）を備えている。

さらに、補機ユニット４には、燃料電池モジュール２からの排気ガスの熱を回収するための温水製造装置５０が備えられている。この温水製造装置５０には、水道水が供給され、この水道水が排気ガスの熱により温水となり、図示しない外部の給湯器の貯湯タンクへ供給されるようになっている。
さらに、燃料電池モジュール２には、燃料電池モジュール２により発電された電力を外部に供給するための電力取出部（電力変換部）であるインバータ５４が接続されている。

次に、図２及び図３により、本発明の実施形態による固体酸化物型燃料電池装置（ＳＯＦＣ）の燃料電池モジュールに内蔵された燃料電池セル収容容器の内部構造を説明する。図２は燃料電池セル収容容器の断面図であり、図３は燃料電池セル収容容器の主な部材を分解して示した断面図である。
図２に示すように、燃料電池セル収容容器８内の空間には、複数の燃料電池セル１６が同心円状に配列され、その周囲を取り囲むように燃料流路である燃料ガス供給流路２０、排ガス排出流路２１、酸化剤ガス供給流路２２が順に同心円状に形成されている。ここで、排ガス排出流路２１及び酸化剤ガス供給流路２２は、酸化剤ガスを供給／排出する酸化剤ガス流路として機能する。

まず、図２に示すように、燃料電池セル収容容器８は、概ね円筒状の密閉容器であり、その側面には、発電用の空気を供給する酸化剤ガス流入口である酸化剤ガス導入パイプ５６、及び排気ガスを排出する排ガス排出パイプ５８が接続されている。さらに、燃料電池セル収容容器８の上端面からは、排気集約室１８から流出した残余燃料に点火するための点火ヒーター６２が突出している。

図２及び図３に示すように、燃料電池セル収容容器８の内部には、燃料電池セル１６の周囲を取り囲むように、内側から順に、発電室構成部材である内側円筒部材６４、外側円筒部材６６、内側円筒容器６８、外側円筒容器７０が配置されている。上述した燃料ガス供給流路２０、排ガス排出流路２１、及び酸化剤ガス供給流路２２は、これらの円筒部材及び円筒容器の間に夫々構成される流路であり、隣り合う流路の間で熱交換が行われる。即ち、排ガス排出流路２１は燃料ガス供給流路２０を取り囲むように配置され、酸化剤ガス供給流路２２は排ガス排出流路２１を取り囲むように配置されている。また、燃料電池セル収容容器８の下端側の開放空間は、燃料を各燃料電池セル１６に分散させる燃料ガス分散室７６の底面を構成する概ね円形の分散室底部材７２により塞がれている。

内側円筒部材６４は、概ね円筒状の中空体であり、その上端及び下端は開放されている。また、内側円筒部材６４の内壁面には、分散室形成板である円形の第１固定部材６３が気密的に溶接されている。この第１固定部材６３の下面と、内側円筒部材６４の内壁面と、分散室底部材７２の上面により、燃料ガス分散室７６が画定される。また、第１固定部材６３には、各々燃料電池セル１６を挿通させる複数の挿通穴６３ａが形成されており、各燃料電池セル１６は、各挿通穴６３ａに挿通された状態で、セラミック接着剤により第１固定部材６３に接着されている。このように、本実施形態の固体酸化物型燃料電池装置１においては、燃料電池モジュール２を構成する部材間相互の接合部には、セラミック接着剤が充填され、硬化されることにより、各部材が相互に気密的に接合されている。

外側円筒部材６６は、内側円筒部材６４の周囲に配置される円筒状の管であり、内側円筒部材６４との間に円環状の流路が形成されるように、内側円筒部材６４と概ね相似形に形成されている。さらに、内側円筒部材６４と外側円筒部材６６の間には中間円筒部材６５が配置されている。中間円筒部材６５は、内側円筒部材６４と外側円筒部材６６の間に配置された円筒状の管であり、内側円筒部材６４の外周面と中間円筒部材６５の内周面の間には改質部９４が構成されている。また、中間円筒部材６５の外周面と、外側円筒部材６６の内周面の間の円環状の空間は、燃料ガス供給流路２０として機能する。このため、改質部９４及び燃料ガス供給流路２０は、燃料電池セル１６における発熱及び排気集約室１８上端における残余燃料の燃焼により熱を受ける。また、内側円筒部材６４の上端部と外側円筒部材６６の上端部は溶接により気密的に接合されており、燃料ガス供給流路２０の上端は閉鎖されている。さらに、中間円筒部材６５の下端と、内側円筒部材６４の外周面は、溶接により気密的に接合されている。

内側円筒容器６８は、外側円筒部材６６の周囲に配置される円形断面のカップ状の部材であり、外側円筒部材６６との間にほぼ一定幅の円環状の流路が形成されるように、側面が外側円筒部材６６と概ね相似形に形成されている。この内側円筒容器６８は、内側円筒部材６４の上端の開放部を覆うように配置される。外側円筒部材６６の外周面と、内側円筒容器６８の内周面の間の円環状の空間は、排ガス排出流路２１（図２）として機能する。この排ガス排出流路２１は、内側円筒部材６４の上端部に設けられた複数の小穴６４ａを介して内側円筒部材６４の内側の空間と連通している。また、内側円筒容器６８の下部側面には、排ガス流出口である排ガス排出パイプ５８が接続されており、排ガス排出流路２１が排ガス排出パイプ５８に連通される。

排ガス排出流路２１の下部には、燃焼触媒６０及びこれを加熱するためのシースヒーター６１が配置されている。
燃焼触媒６０は、排ガス排出パイプ５８よりも上方に、外側円筒部材６６の外周面と内側円筒容器６８の内周面の間の円環状の空間に充填された触媒である。排ガス排出流路２１を下降した排気ガスは、燃焼触媒６０を通過することにより一酸化炭素が除去され、排ガス排出パイプ５８から排出される。
シースヒーター６１は、燃焼触媒６０の下方の、外側円筒部材６６の外周面を取り囲むように取り付けられた電気ヒーターである。固体酸化物型燃料電池装置１の起動時において、シースヒーター６１に通電することにより、燃焼触媒６０が活性温度まで加熱される。

外側円筒容器７０は、内側円筒容器６８の周囲に配置される円形断面のカップ状の部材であり、内側円筒容器６８との間にほぼ一定幅の円環状の流路が形成されるように、側面が内側円筒容器６８と概ね相似形に形成されている。内側円筒容器６８の外周面と、外側円筒容器７０の内周面の間の円環状の空間は、酸化剤ガス供給流路２２として機能する。また、外側円筒容器７０の下部側面には、酸化剤ガス導入パイプ５６が接続されており、酸化剤ガス供給流路２２が酸化剤ガス導入パイプ５６に連通される。

分散室底部材７２は、概ね円形の皿状の部材であり、内側円筒部材６４の内壁面にセラミック接着剤により気密的に固定される。これにより、第１固定部材６３と分散室底部材７２の間に、燃料ガス分散室７６が構成される。また、分散室底部材７２の中央には、バスバー８０（図２）を挿通させるための挿通管７２ａが設けられている。各燃料電池セル１６に電気的に接続されたバスバー８０は、この挿通管７２ａを通して燃料電池セル収容容器８の外部に引き出される。また、挿通管７２ａには、セラミック接着剤が充填され、燃料ガス分散室７６の気密性が確保されている。さらに、挿通管７２ａの周囲には、断熱材７２ｂ（図２）が配置されている。

内側円筒容器６８の天井面から垂下するように、発電用の空気を噴射するための、円形断面の酸化剤ガス噴射用パイプ７４が取り付けられている。この酸化剤ガス噴射用パイプ７４は、内側円筒容器６８の中心軸線上を鉛直方向に延び、その周囲の同心円上に各燃料電池セル１６が配置される。酸化剤ガス噴射用パイプ７４の上端が内側円筒容器６８の天井面に取り付けられることにより、内側円筒容器６８と外側円筒容器７０の間に形成されている酸化剤ガス供給流路２２と酸化剤ガス噴射用パイプ７４が連通される。酸化剤ガス供給流路２２を介して供給された空気は、酸化剤ガス噴射用パイプ７４の先端から下方に噴射され、第１固定部材６３の上面に当たって、発電室１０内全体に広がる。

燃料ガス分散室７６は、第１固定部材６３と分散室底部材７２の間に構成される円筒形の気密性のあるチャンバーであり、その上面に各燃料電池セル１６が林立されている。第１固定部材６３の上面に取り付けられた各燃料電池セル１６は、その内側の燃料極が、燃料ガス分散室７６の内部と連通されている。各燃料電池セル１６の下端部は、第１固定部材６３の挿通穴６３ａを貫通して燃料ガス分散室７６の内部に突出し、各燃料電池セル１６は第１固定部材６３に、接着により固定されている。

図２に示すように、内側円筒部材６４には、第１固定部材６３よりも下方に複数の小穴６４ｂが設けられている。内側円筒部材６４の外周と中間円筒部材６５の内周の間の空間は、複数の小穴６４ｂを介して燃料ガス分散室７６内に連通されている。供給された燃料は、外側円筒部材６６の内周と中間円筒部材６５の外周の間の空間を一旦上昇した後、内側円筒部材６４の外周と中間円筒部材６５の内周の間の空間を下降し、複数の小穴６４ｂを通って燃料ガス分散室７６内に流入する。燃料ガス分散室７６に流入した燃料は、燃料ガス分散室７６の天井面（第１固定部材６３）に取り付けられた各燃料電池セル１６の燃料極に分配される。

さらに、燃料ガス分散室７６内に突出している各燃料電池セル１６の下端部は、燃料ガス分散室７６内でバスバー８０に電気的に接続され、挿通管７２ａを通して電力が外部に引き出される。バスバー８０は、各燃料電池セル１６により生成された電力を、燃料電池セル収容容器８の外部へ取り出すための細長い金属導体であり、碍子７８を介して分散室底部材７２の挿通管７２ａに固定されている。バスバー８０は、燃料ガス分散室７６の内部において、各燃料電池セル１６に取り付けられた集電体８２と電気的に接続されている。また、バスバー８０は、燃料電池セル収容容器８の外部において、インバータ５４（図１）に接続される。なお、集電体８２は、排気集約室１８内に突出している各燃料電池セル１６の上端部にも取り付けられている（図４）。これら上端部及び下端部の集電体８２により、複数の燃料電池セル１６が電気的に並列に接続されると共に、並列に接続された複数組の燃料電池セル１６が電気的に直列に接続され、この直列接続の両端が夫々バスバー８０に接続される。

次に、図４及び図５を参照して、排気集約室の構成を説明する。
図４は排気集約室の部分を拡大して示す断面図であり、図５は、図２におけるV−V断面である。
図４に示すように、排気集約室１８は、各燃料電池セル１６の上端部に取り付けられたドーナツ型断面のチャンバーであり、この排気集約室１８の中央には、酸化剤ガス噴射用パイプ７４が貫通して延びている。

図５に示すように、内側円筒部材６４の内壁面には、排気集約室１８支持用の３つのステー６４ｃが等間隔に取り付けられている。図４に示すように、各ステー６４ｃは金属製の薄板を折り曲げた小片であり、排気集約室１８を各ステー６４ｃの上に載置することにより、排気集約室１８は内側円筒部材６４と同心円上に位置決めされる。これにより、排気集約室１８の外周面と内側円筒部材６４の内周面の間の隙間、及び排気集約室１８の内周面と酸化剤ガス噴射用パイプ７４の外周面との間の隙間は、全周で均一になる（図５）。

排気集約室１８は、集約室上部材１８ａ及び集約室下部材１８ｂが気密的に接合されることにより構成されている。
集約室下部材１８ｂは、上方が開放された円形皿状の部材であり、その中央には、酸化剤ガス噴射用パイプ７４を貫通させるための円筒部が設けられている。
集約室上部材１８ａは、下方が開放された円形皿状の部材であり、その中央には、酸化剤ガス噴射用パイプ７４を貫通させるための開口部が設けられている。集約室上部材１８ａは、集約室下部材１８ｂの上方に開口したドーナツ型断面の領域に嵌め込まれる形状に構成されている。

集約室下部材１８ｂの周囲の壁の内周面と集約室上部材１８ａの外周面の間の隙間にはセラミック接着剤が充填され、硬化されており、この接合部の気密性が確保されている。また、この接合部に充填されたセラミック接着剤により形成されたセラミック接着剤層の上には、大径シールリング１９ａが配置され、セラミック接着剤層を覆っている。大径シールリング１９ａは円環状の薄板であり、セラミック接着剤の充填後、充填されたセラミック接着剤を覆うように配置され、接着剤の硬化により排気集約室１８に固定される。

一方、集約室下部材１８ｂ中央の円筒部の外周面と、集約室上部材１８ａ中央の開口部の縁の間にもセラミック接着剤が充填され、硬化されており、この接合部の気密性が確保されている。また、この接合部に充填されたセラミック接着剤により形成されたセラミック接着剤層の上には、小径シールリング１９ｂが配置され、セラミック接着剤層を覆っている。小径シールリング１９ｂは円環状の薄板であり、セラミック接着剤の充填後、充填されたセラミック接着剤を覆うように配置され、接着剤の硬化により排気集約室１８に固定される。

集約室下部材１８ｂの底面には複数の円形の挿通穴１８ｃが設けられている。各挿通穴１８ｃには燃料電池セル１６の上端部が夫々挿通され、各燃料電池セル１６は各挿通穴１８ｃを貫通して延びている。各燃料電池セル１６が貫通している集約室下部材１８ｂの底面上にはセラミック接着剤が流し込まれ、これが硬化されることにより、各燃料電池セル１６の外周と各挿通穴１８ｃの間の隙間が気密的に充填されると共に、各燃料電池セル１６が集約室下部材１８ｂに固定されている。

さらに、集約室下部材１８ｂの底面上に流し込まれたセラミック接着剤の上には、円形薄板状のカバー部材１９ｃが配置され、セラミック接着剤の硬化により集約室下部材１８ｂに固定されている。カバー部材１９ｃには、集約室下部材１８ｂの各挿通穴１８ｃと同様の位置に複数の挿通穴が設けられており、各燃料電池セル１６の上端部はセラミック接着剤の層及びカバー部材１９ｃを貫通して延びている。

一方、排気集約室１８の天井面には、集約された燃料ガスを噴出させるための複数の噴出口１８ｄが設けられている（図５）。各噴出口１８ｄは、集約室上部材１８ａに、円周上に配置されている。発電に使用されずに残った燃料は、各燃料電池セル１６の上端から排気集約室１８内に流出し、排気集約室１８内で集約された燃料は各噴出口１８ｄから流出し、そこで燃焼される。

次に、図２を参照して、燃料供給源３０から供給される原燃料ガスを改質するための構成について説明する。
まず、内側円筒部材６４と外側円筒部材６６の間の空間で構成されている燃料ガス供給流路２０の下部には、水蒸気改質用の水を蒸発させるための蒸発部８６が設けられている。蒸発部８６は、外側円筒部材６６の下部内周に取り付けられたリング状の傾斜板８６ａ及び水供給パイプ８８から構成されている。また、蒸発部８６は、発電用の空気を導入するための酸化剤ガス導入パイプ５６よりも下方で、排気ガスを排出する排ガス排出パイプ５８よりも上方に配置されている。傾斜板８６ａは、リング状に形成された金属の薄板であり、その外周縁が外側円筒部材６６の内壁面に取り付けられる。一方、傾斜板８６ａの内周縁は外周縁よりも上方に位置し、傾斜板８６ａの内周縁と、内側円筒部材６４の外壁面との間には隙間が設けられている。

水供給パイプ８８は内側円筒部材６４の下端から燃料ガス供給流路２０内に鉛直方向に延びるパイプであり、水流量調整ユニット２８から供給された水蒸気改質用の水が、水供給パイプ８８を介して蒸発部８６に供給される。水供給パイプ８８の上端は、傾斜板８６ａを貫通して傾斜板８６ａの上面側まで延び、傾斜板８６ａの上面側に供給された水は、傾斜板８６ａの上面と外側円筒部材６６の内壁面の間に留まる。傾斜板８６ａの上面側に供給された水は、そこで蒸発され水蒸気が生成される。

また、蒸発部８６の下方には、原燃料ガスを燃料ガス供給流路２０内に導入するための燃料ガス導入部が設けられている。燃料ブロア３８から送られた原燃料ガスは、燃料ガス供給パイプ９０を介して燃料ガス供給流路２０に導入される。燃料ガス供給パイプ９０は内側円筒部材６４の下端から燃料ガス供給流路２０内に鉛直方向に延びるパイプである。また、燃料ガス供給パイプ９０の上端は、傾斜板８６ａよりも下方に位置している。燃料ブロア３８から送られた原燃料ガスは、傾斜板８６ａの下側に導入され、傾斜板８６ａの傾斜により流路を絞られながら傾斜板８６ａの上側へ上昇する。傾斜板８６ａの上側へ上昇した原燃料ガスは、蒸発部８６で生成された水蒸気と共に上昇する。

燃料ガス供給流路２０内の蒸発部８６上方には、燃料ガス供給流路隔壁９２が設けられている。燃料ガス供給流路隔壁９２は、外側円筒部材６６の内周と中間円筒部材６５の外周の間の円環状の空間を上下に隔てるように設けられた円環状の金属板である。この燃料ガス供給流路隔壁９２の円周上には等間隔に複数の噴射口９２ａが設けられており、これらの噴射口９２ａにより燃料ガス供給流路隔壁９２の上側の空間と下側の空間が連通されている。燃料ガス供給パイプ９０から導入された原燃料ガス及び蒸発部８６で生成された水蒸気は、一旦、燃料ガス供給流路隔壁９２の下側の空間に滞留した後、各噴射口９２ａを通って燃料ガス供給流路隔壁９２の上側の空間に噴射される。各噴射口９２ａから燃料ガス供給流路隔壁９２の上側の広い空間に噴射されると、原燃料ガス及び水蒸気は急激に減速され、ここで十分に混合される。

さらに、中間円筒部材６５の内周と内側円筒部材６４の外周の間の、円環状の空間の上部には、改質部９４が設けられている。改質部９４は、各燃料電池セル１６の上部と、その上方の排気集約室１８の周囲を取り囲むように配置されている。改質部９４は、内側円筒部材６４の外壁面に取り付けられた触媒保持板（図示せず）と、これにより保持された改質触媒９６によって構成されている。

このように、改質部９４内に充填された改質触媒９６に、燃料ガス供給流路隔壁９２の上側の空間で混合された原燃料ガス及び水蒸気が接触すると、改質部９４内においては、式（１）に示す水蒸気改質反応ＳＲが進行する。
Ｃ_mＨ_n＋ｘＨ₂Ｏ → aＣＯ₂＋ｂＣＯ＋ｃＨ₂ （１）

改質部９４において改質された燃料ガスは、中間円筒部材６５の内周と内側円筒部材６４の外周の間の空間を下方に流れ、燃料ガス分散室７６に流入して、各燃料電池セル１６に供給される。水蒸気改質反応ＳＲは吸熱反応であるが、反応に要する熱は、排気集約室１８から流出するオフガスの燃焼熱、及び各燃料電池セル１６において発生する発熱により供給される。

次に、図６を参照して、燃料電池セル１６について説明する。
本発明の実施形態による固体酸化物型燃料電池装置１においては、燃料電池セル１６として、固体酸化物を用いた円筒横縞型セルが採用されている。各燃料電池セル１６上には、複数の単セル１６ａが横縞状に形成されており、これらが電気的に直列に接続されることにより１本の燃料電池セル１６が構成されている。各燃料電池セル１６は、その一端がアノード（陽極）、他端がカソード（陰極）となるように構成され、複数の燃料電池セル１６のうちの半数は上端がアノード、下端がカソードとなるように配置され、残りの半数は上端がカソード、下端がアノードとなるように配置されている。

図６（ａ）は、下端がカソードにされている燃料電池セル１６の下端部を拡大して示す断面図であり、図６（ｂ）は、下端がアノードにされている燃料電池セル１６の下端部を拡大して示す断面図である。

図６に示すように、燃料電池セル１６は、細長い円筒状の多孔質支持体９７と、この多孔質支持体９７の外側に横縞状に形成された複数の層から形成されている。多孔質支持体９７の周囲には、内側から順に、燃料極層９８、反応抑制層９９、固体電解質層１００、空気極層１０１が夫々横縞状に形成されている。このため、燃料ガス分散室７６を介して供給された燃料ガスは、各燃料電池セル１６の多孔質支持体９７の内部を流れ、酸化剤ガス噴射用パイプ７４から噴射された空気は、空気極層１０１の外側を流れる。燃料電池セル１６上に形成された各単セル１６ａは、一組の燃料極層９８、反応抑制層９９、固体電解質層１００、及び空気極層１０１から構成されている。１つの単セル１６ａの燃料極層９８は、インターコネクタ層１０２を介して、隣接する単セル１６ａの空気極層１０１に電気的に接続されている。これにより、１本の燃料電池セル１６上に形成された複数の単セル１６ａが、電気的に直列に接続される。

図６（ａ）に示すように、燃料電池セル１６のカソード側端部には、多孔質支持体９７の外周に電極層１０３ａが形成され、この電極層１０３ａの外側にリード膜層１０４ａが形成されている。カソード側端部においては、端部に位置する単セル１６ａの空気極層１０１と電極層１０３ａが、インターコネクタ層１０２により電気的に接続されている。これらの電極層１０３ａ及びリード膜層１０４ａは、燃料電池セル１６端部において第１固定部材６３を貫通し、第１固定部材６３よりも下方に突出するように形成されている。電極層１０３ａは、リード膜層１０４ａよりも下方まで形成されており、外部に露出された電極層１０３ａに集電体８２が電気的に接続されている。これにより、端部に位置する単セル１６ａの空気極層１０１がインターコネクタ層１０２、電極層１０３ａを介して集電体８２に接続され、図中の矢印のように電流が流れる。また、第１固定部材６３の挿通穴６３ａの縁とリード膜層１０４ａの間の隙間には、セラミック接着剤が充填されており、燃料電池セル１６は、リード膜層１０４ａの外周で第１固定部材６３に固定される。

図６（ｂ）に示すように、燃料電池セル１６のアノード側端部においては、端部に位置する単セル１６ａの燃料極層９８が延長されており、燃料極層９８の延長部が電極層１０３ｂとして機能する。電極層１０３ｂの外側にはリード膜層１０４ｂが形成されている。これらの電極層１０３ｂ及びリード膜層１０４ｂは、燃料電池セル１６端部において第１固定部材６３を貫通し、第１固定部材６３よりも下方に突出するように形成されている。電極層１０３ｂは、リード膜層１０４ｂよりも下方まで形成されており、外部に露出された電極層１０３ｂに集電体８２が電気的に接続されている。これにより、端部に位置する単セル１６ａの燃料極層９８が、一体的に形成された電極層１０３ｂを介して集電体８２に接続され、図中の矢印のように電流が流れる。また、第１固定部材６３の挿通穴６３ａの縁とリード膜層１０４ｂの間の隙間には、セラミック接着剤が充填されており、燃料電池セル１６は、リード膜層１０４ｂの外周で第１固定部材６３に固定される。

図６（ａ）（ｂ）においては、各燃料電池セル１６の下端部の構成を説明したが、各燃料電池セル１６の上端部における構成も同様である。なお、上端部においては、各燃料電池セル１６は、排気集約室１８の集約室下部材１８ｂに固定されているが、固定部分の構成は下端部における第１固定部材６３に対する固定と同様である。

次に、多孔質支持体９７及び各層の構成を説明する。
多孔質支持体９７は、本実施形態においては、フォルステライト粉末、及びバインダーの混合物を押し出し成形し、焼結することにより形成されている。
燃料極層９８は、本実施形態においては、ＮｉＯ粉末及び１０ＹＳＺ（１０ｍｏｌ％Ｙ₂Ｏ₃−９０ｍｏｌ％ＺｒＯ₂）粉末の混合物により構成された導電性の薄膜である。

反応抑制層９９は、本実施形態においては、セリウム系複合酸化物（ＬＤＣ４０。すなわち、４０ｍｏｌ％のＬａ₂Ｏ₃−６０ｍｏｌ％のＣｅＯ₂）等により構成された薄膜であり、これにより、燃料極層９８と固体電解質層１００の間の化学反応を抑制している。
固体電解質層１００は、本実施形態においては、Ｌａ_0.9Ｓｒ_0.1Ｇａ_0.8Ｍｇ_0.2Ｏ₃の組成のＬＳＧＭ粉末により構成された薄膜である。この固体電解質層１００を介して酸化物イオンと水素又は一酸化炭素が反応することにより電気エネルギーが生成される。

空気極層１０１は、本実施形態においては、Ｌａ_0.6Ｓｒ_0.4Ｃｏ_0.8Ｆｅ_0.2Ｏ₃の組成の粉末により構成された導電性の薄膜である。
インターコネクタ層１０２は、本実施形態においては、ＳＬＴ（ランタンドープストロンチウムチタネート）により構成された導電性の薄膜である。燃料電池セル１６上の隣接する単セル１６ａはインターコネクタ層１０２を介して接続される。
電極層１０３ａ、１０３ｂは、本実施形態においては、燃料極層９８と同一の材料で形成されている。
リード膜層１０４ａ、１０４ｂは、本実施形態においては、固体電解質層１００と同一の材料で形成されている。

次に、図１及び図２を参照して、固体酸化物型燃料電池装置１の作用を説明する。
まず、固体酸化物型燃料電池装置１の起動工程において、燃料ブロア３８が起動され、燃料の供給が開始されると共に、シースヒーター６１への通電が開始される。シースヒーター６１への通電が開始されることにより、その上方に配置された燃焼触媒６０が加熱されると共に、内側に配置された蒸発部８６も加熱される。燃料ブロア３８により供給された燃料は、脱硫器３６、熱交換器３４、電磁弁３５を介して、燃料ガス供給パイプ９０から燃料電池セル収容容器８の内部に流入する。流入した燃料は、燃料ガス供給流路２０内を上端まで上昇した後、改質部９４内を下降し、内側円筒部材６４の下部に設けられた小穴６４ｂを通って燃料ガス分散室７６に流入する。なお、固体酸化物型燃料電池装置１の起動直後においては、改質部９４内の改質触媒９６の温度が十分に上昇していないため、燃料の改質は行われない。

燃料ガス分散室７６に流入した燃料ガスは、燃料ガス分散室７６の第１固定部材６３に取り付けられた各燃料電池セル１６の内側（燃料極側）を通って排気集約室１８に流入する。なお、固体酸化物型燃料電池装置１の起動直後においては、各燃料電池セル１６の温度が十分に上昇しておらず、また、インバータ５４への電力の取り出しも行われていないため、発電反応は発生しない。

排気集約室１８に流入した燃料は、排気集約室１８の噴出口１８ｄから噴出される。噴出口１８ｄから噴出された燃料は、点火ヒーター６２により点火され、そこで燃焼される。この燃焼により、排気集約室１８の周囲に配置された改質部９４が加熱される。また、燃焼により生成された排気ガスは、内側円筒部材６４の上部に設けられた小穴６４ａを通って排ガス排出流路２１に流入する。高温の排気ガスは、排ガス排出流路２１内を下降し、その内側に設けられた燃料ガス供給流路２０を流れる燃料、外側に設けられた酸化剤ガス供給流路２２内を流れる発電用の空気を加熱する。さらに、排気ガスは、排ガス排出流路２１内に配置された燃焼触媒６０を通ることにより一酸化炭素が除去され、排ガス排出パイプ５８を通って燃料電池セル収容容器８から排出される。

排気ガス及びシースヒーター６１により蒸発部８６が加熱されると、蒸発部８６に供給された水蒸気改質用の水が蒸発され、水蒸気が生成される。水蒸気改質用の水は、水流量調整ユニット２８により、水供給パイプ８８を介して燃料電池セル収容容器８内の蒸発部８６に供給される。蒸発部８６で生成された水蒸気と、燃料ガス供給パイプ９０を介して供給された燃料は、一旦、燃料ガス供給流路２０内の燃料ガス供給流路隔壁９２の下側の空間に滞留し、燃料ガス供給流路隔壁９２に設けられた複数の噴射口９２ａから噴射される。噴射口９２ａから勢いよく噴射された燃料及び水蒸気は、燃料ガス供給流路隔壁９２の上側の空間内で減速されることにより、十分に混合される。

混合された燃料及び水蒸気は、燃料ガス供給流路２０内を上昇し、改質部９４に流入する。改質部９４の改質触媒９６が改質可能な温度まで上昇している状態においては、燃料及び水蒸気の混合ガスが改質部９４を通過する際、水蒸気改質反応が発生し、混合ガスが水素を多く含む燃料に改質される。改質された燃料は、小穴６４ｂを通って燃料ガス分散室７６に流入する。小穴６４ｂは燃料ガス分散室７６の周囲に多数設けられ、燃料ガス分散室７６として十分な容積が確保されているため、改質された燃料は、燃料ガス分散室７６内に突出している各燃料電池セル１６に均等に流入する。

一方、空気流量調整ユニット４５により供給された酸化剤ガスである空気は、酸化剤ガス導入パイプ５６を介して酸化剤ガス供給流路２２に流入する。酸化剤ガス供給流路２２に流入した空気は、内側を流れる排気ガスにより加熱されながら酸化剤ガス供給流路２２内を上昇する。酸化剤ガス供給流路２２内を上昇した空気は、燃料電池セル収容容器８内の上端部で中央に集められ、酸化剤ガス供給流路２２に連通された酸化剤ガス噴射用パイプ７４に流入する。酸化剤ガス噴射用パイプ７４に流入した空気は下端から発電室１０内に噴射され、噴射された空気は第１固定部材６３の上面に当たって発電室１０内全体に広がる。発電室１０内に流入した空気は、排気集約室１８の外周壁と内側円筒部材６４の内周壁の間の隙間、及び排気集約室１８の内周壁と酸化剤ガス噴射用パイプ７４の外周面の間の隙間を通って上昇する。

この際、各燃料電池セル１６の外側（空気極側）を通って流れる空気の一部は発電反応に利用される。また、排気集約室１８の上方に上昇した空気の一部は、排気集約室１８の噴出口１８ｄから噴出する燃料の燃焼に利用される。燃焼により生成された排気ガス、及び発電、燃焼に利用されずに残った空気は、小穴６４ａを通って排ガス排出流路２１に流入する。排ガス排出流路２１に流入した排気ガス及び空気は、燃焼触媒６０により一酸化炭素が除去された後、排出される。

このように、各燃料電池セル１６が発電可能な温度である６５０℃程度まで上昇し、各燃料電池セル１６の内側（燃料極側）に改質された燃料が流れ、外側（空気極側）に空気が流れると、化学反応により起電力が発生する。この状態において、燃料電池セル収容容器８から引き出されているバスバー８０にインバータ５４が接続されると、各燃料電池セル１６から電力が取り出され、発電が行われる。

また、本実施形態の固体酸化物型燃料電池装置１においては、発電用の空気は、発電室１０の中央に配置された酸化剤ガス噴射用パイプ７４から噴射され、発電室１０内を排気集約室１８と内側円筒部材６４の間の均等な隙間及び排気集約室１８と酸化剤ガス噴射用パイプ７４の間の均等な隙間を通って上昇する。このため、発電室１０内の空気の流れは、ほぼ完全に軸対称の流れとなり、各燃料電池セル１６の周囲には、ムラなく空気が流れる。これにより、各燃料電池セル１６間の温度差が抑制され、各燃料電池セル１６で均等な起電力を発生することができる。

次に、図７を参照して、固体酸化物型燃料電池装置１の排気集約室１８の周辺の構成を詳細に説明する。
図７は、固体酸化物型燃料電池装置１の発電室１０，排気集約室１８及び混合室１１を示す断面図である。モジュールケースを構成する内側円筒部材６４の内部空間は、燃料ガスタンクを構成する燃料ガス分散室７６（図１参照）、発電室１０、排気マニホールドを構成する排気集約室１８、混合室１１を有する。混合室１１は、排気集約室１８の上部空間（排気集約室１８の集約室上部材１８ａの上面から内側円筒容器６８の上面６８ａまでの空間）である。

発電室１０と混合室１１は、第１空気排出通路１２ａ及び第２空気排出通路１２ｂによって連通している。
円形断面の排気集約室１８は、同じく円形断面の内側円筒部材６４内に中心位置が一致するように位置決めされた状態で配置されている。したがって、排気集約室１８の外周面と内側円筒部材６４の内周面との間には、均等な幅の円環状の隙間である第１空気排出通路１２ａが形成されている。

また、酸化剤ガス噴射用パイプ７４は、ドーナツ型の排気集約室１８の中央に設けられた断面円形の貫通路１８ｆを通って発電室１０の中央よりやや上側の位置まで延びて、下端に空気噴出口７４ａを開口している。酸化剤ガス噴射用パイプ７４と貫通路１８ｆとは共に断面円形であり、互いの中心位置が一致するように位置決めされている。したがって、酸化剤ガス噴射用パイプ７４の外周面と貫通路１８ｆの内周面との間には、均等な幅の円環状の隙間である第２空気排出通路１２ｂが形成されている。

本実施形態では、図５に示すように、第１空気排出通路１２ａの総断面積は、第２空気排出通路１２ｂの総断面積よりも大きく設定されている。したがって、第２空気排出通路１２ｂよりも第１空気排出通路１２ａの方が、より多くの空気を発電室１０から混合室１１へ排出することができる。

複数の燃料電池セル１６は、酸化剤ガス噴射用パイプ７４を中心として複数の輪を形成するように、酸化剤ガス噴射用パイプ７４の周囲に同心円状に配置されている。したがって、酸化剤ガス噴射用パイプ７４の空気噴出口７４ａと第１固定部材６３との間には、燃料電池セル１６の配列に囲まれた拡散空間１０ａが形成されている。

燃料ガス分散室７６では、燃料ガスが、複数の燃料電池セル１６の下端からそれぞれの内部の燃料ガス用通路に供給され、燃料ガス用通路を通って上方へ流れる。供給された燃料ガスのうち、発電反応に用いられなかった未反応の燃料ガス（オフガス）は、排気集約室１８内に排出され集約される。排気集約室１８内に集約された燃料ガスは、排気集約室１８の天面を構成する集約室上部材１８ａに設けられた複数の噴出口１８ｄから噴出され、燃焼される。排気集約室１８の天面及びこれら複数の噴出口１８ｄは、オフガス燃焼部として機能する。

複数の噴出口１８ｄは、第１空気排出通路１２ａよりも第２空気排出通路１２ｂに近接して配置されている。噴出口１８ｄの個数は、燃料電池セル１６の本数よりも少なく設定されている。したがって、各噴出口１８ｄから噴出される燃料ガスの流量は、各燃料電池セル１６から集約室上部材１８ａに排出される燃料ガスの流量よりも多い。

次に、図７を参照して、酸化剤ガス噴射用パイプ７４から発電室１０内に噴射された酸化剤ガス（空気）の流れを説明する。
発電室１０に供給される空気は、酸化剤ガス噴射用パイプ７４の空気噴出口７４ａから下方に向けて噴射される。複数の燃料電池セル１６が酸化剤ガス噴射用パイプ７４（又は拡散空間１０ａ）を中心として点対称に配置されているので、噴射された空気は、拡散空間１０ａ内で径方向に均等に拡がる。さらに、噴射された空気は、第１固定部材６３の上面に当たって跳ね返りながら径方向に拡がる。これにより、噴射された空気は、燃料電池セル１６の間をすり抜けながら径方向に拡がると共に、燃料電池セル１６の軸方向に沿って上方にも拡がって、発電室１０内全体に行き渡る。さらに、発電室１０内の空気は、発電室１０から、外側の第１空気排出通路１２ａ及び内側の第２空気排出通路１２ｂを通って混合室１１へ導かれる。

本実施形態では、第１空気排出通路１２ａの総断面積と第２空気排出通路１２ｂの総断面積との面積比を適宜に設定することにより、発電室１０内の空気の流れを設定している。例えば、第２空気排出通路１２ｂが設けられていない場合、発電室１０内の空気は第１空気排出通路１２ａのみを通るので、内側円筒部材６４の内周面に沿って強い流れが形成される。このため、複数の燃料電池セル１６のうち、酸化剤ガス噴射用パイプ７４に近い位置に配置された燃料電池セル１６の上部に空気が十分に行き渡らないおそれがある。逆に、第１空気排出通路１２ａが設けられていない場合、発電室１０内に供給された空気は、排気集約室１８の中央部の貫通路１８ｆのみを通り、空気供給管７４の外周面に沿って強い流れが形成される。このため、複数の燃料電池セル１６のうち、酸化剤ガス噴射用パイプ７４から遠い位置に配置された燃料電池セル１６の上部に空気が十分に行き渡らないおそれがある。

発電室１０内には、空気供給管７４に対して近い位置よりも遠い位置に、より多くの本数の燃料電池セル１６が配置されるので、空気供給管７４に沿った流れよりも内側円筒部材６４の内周面に沿った流れが大きい方が好ましい。このため、本実施形態では、第１空気排出通路１２ａの総断面積が第２空気排出通路１２ｂの総断面積がよりも大きくなるように、これらを所定の面積比に設定することにより、空気供給管７４の空気噴出口７４ａから第１空気排出通路１２ａに向かう空気量を、第２空気排出通路１２ｂへ向かう空気量よりも大きくしている。これにより、すべての燃料電池セル１６のすべての単セル１６ａに対して十分な空気供給量を確保することができる。

第１空気排出通路１２ａを通過した空気は、燃料電池セル１６での発電反応による発電熱によって十分に加熱された高温な空気である。一方、第２空気排出通路１２ｂを通過した空気は、発電室１０内での流路に関連して、発電熱によって十分に加熱されなかった空気を含み得る。このため、第２空気排出通路１２ｂを通過した空気は、第１空気排出通路１２ａを通過した空気よりも温度が低い場合がある。

本実施形態では、混合室１１内において、複数の噴出口１８ｄが第１空気排出通路１２ａよりも第２空気排出通路１２ｂに近接して配置されており、さらに、複数の噴出口１８ｄが第２空気排出通路１２ｂを取り囲むように配置されている。このため、第２空気排出通路１２ｂを通過した空気の一部が、噴出口１８ｄから噴出する燃料ガスの燃焼に用いられる（すなわち、オフガス燃焼部で燃焼される）。したがって、第２空気排出通路１２ｂを通過した空気は、オフガス燃焼部での燃焼によって加熱される。

混合室１１では、第２空気排出通路１２ｂを通過した空気が、オフガス燃焼部で昇温された後、第１空気排出通路１２ａを通過した空気と合流し、混合ガスとなって排気ガスが生成される。この混合ガスが、排気集約室１８及びオフガス燃焼部よりも上方の、内側円筒部材６４の上端付近に周方向に等間隔に設けられた複数の小穴６４ａを通って排ガス排出流路２１へ排出される。したがって、混合ガスは、混合室１１内で小穴６４ａまで到達する間に徐々に混合される。

さらに、小穴６４ａは、流路を絞るように、排ガス排出流路２１の流路断面よりも小さい断面積を有している。このため、小穴６４ａを通過した混合ガスは、排ガス排出流路２１内へ向けて噴射される。噴射された混合ガスは、排ガス排出流路２１内で拡散され、混合がさらに促進される。したがって、本実施形態では、混合室１１内で混合ガスが均一な温度になるまで混合されなかった場合であって、小穴６４ａを通過することにより、ほぼ均一な温度分布を有する混合ガスが排ガス排出流路２１に供給される。

環状の排ガス排出流路２１内に均等に排気された均一な温度分布を有する高温の混合ガスは、排ガス排出流路２１内を下方に流れる。このとき、混合ガスは、排ガス排出流路２１の内側の燃料ガス供給流路２０内に配置された改質部９４の側部を通過し、改質部９４内の改質触媒９６を加熱する。したがって、改質触媒９６は、均一な温度分布を有する混合ガスによって、周方向において均等に加熱される。その後、混合ガスは、燃料触媒６０を通過し、クリーンな排気ガスとして、外部へ排出される。

本実施形態の固体酸化物型燃料電池装置１では、排気集約室１８の中央部に上下方向に延びる貫通路１８ｆを形成し、この貫通路１８ｆを通して空気供給管７４を燃料電池セル１６の配列内に延ばしている。空気供給管７４と貫通路１８ｆとの間には空気排出用の隙間が設けられている。したがって、空気供給管７４から供給された空気は、燃料電池セル１６の配列の中央部に設けられた空気排出用の隙間に向かう流れを生じるため、配列の中央部にある燃料電池セル１６の上端部付近にも空気の流れを形成することができる。これにより、複数の燃料電池セル１６の局所的な部分に対して、空気の供給が不足するような不都合（「空気枯れ」）を回避することができる。また、空気供給管７４の下端部を燃料電池セル１６の配列内に配置したことにより、燃料電池セル１６における発電熱によって、空気供給管７４の下端部を加熱することができる。

また、本実施形態では、排気集約室１８の外周にわたって、及び、排気集約室１８の中央部に空気供給管７４の外周にわたって、発電室１０から空気を排出するための第１空気排出通路１２ａ及び第２空気排出通路１２ｂをそれぞれ設けているので、排気集約室１８の周方向において均一に空気を排出させることができると共に、燃料電池セル１６の上端付近にも空気を供給し易くなる。これにより、複数の燃料電池セル１６に対して均一に空気供給することができると共に、燃料電池セル１６の空気極における「空気枯れ」を防止することができる。

また、本実施形態では、第１空気排出通路１２ａの総断面積よりも、第２空気排出通路１２ｂの総断面積を小さく設定しているので、中央に位置する空気供給管７４から第２空気排出通路１２ｂへ向かう空気量よりも、外側の第１空気排出通路１２ａへ向かう空気量を大きくすることができる。これにより、空気供給管７４からより遠くに位置する燃料電池セル１６に対しても十分な空気を供給することができ、空気供給管７４からの離間距離にかかわらず、燃料電池セル１６での空気枯れを防止することができる。

また、第２排出空気通路１２ｂを通過する空気は、第１排出空気通路１２ａを通過する空気と比べて、燃料電池セル１６の間を通過する距離が相対的に短くなる。したがって、第２排出空気通路１２ｂを通過する空気は、発電熱を生成する燃料電池セル１６との熱交換量が少なく、第１排出空気通路１２ａを通過する空気と比べて温度が低くなる場合がある。
そこで、本実施形態では、第２排出空気通路１２ｂを通過する空気を、オフガス燃焼部での未反応の燃料ガス（オフガス）の燃焼によって加熱した後、第１排気空気通路１２ａを通過する空気と混合させて、改質部９４を加熱する混合ガスが生成される。これにより、改質部９４を効率よく所定温度まで加熱することができる。

また、各燃料電池セル１６から排出されるオフガスは微量であるため、各燃料電池セル１６においてオフガスを確実に燃焼させるのは難しく、また不効率である。そこで、本実施形態では、微量のオフガスを排気集約室１８で集約し、燃料電池セル１６の本数よりも少ない数の噴出口１８ｄから噴出させて燃焼させている。これにより、オフガスを確実に燃焼させ、燃焼効率を高めることができると共に、第２空気排出通路１２ｂを通過した空気を確実に昇温させることができる。

また、本実施形態では、噴出口１８ｄが第１空気排出通路１２ａよりも第２空気排出通路１２ｂに近接しているので、第２空気排出通路１２ｂを通過した空気をオフガスと共に燃焼させて、確実に昇温することができる。

また、本実施形態では、第１及び第２空気排出通路１２ａ，１２ｂを通って排出された空気は、混合室１１で混合され、所定間隔に配置された小さな開口を有する小穴６４ａを通して混合室１１から排ガス排出流路２１へ排出される。第１及び第２空気排出通路１２ａ，１２ｂを通って排出された空気を混合室１１で混合することができ、さらに、小穴６４ａを通して排ガス排出流路２１に排出することにより、ほぼ均一な温度分布を有する混合ガスを排ガス排出流路２１に供給することができる。これにより、ほぼ均一な温度分布を有する混合ガスによって、改質部９４を安定的に昇温させることができる。

また、本実施形態では、排ガス排出流路２１へ通じる小穴６４ａを排気集約室１８及びオフガス燃焼部よりも上方に配置することにより、第１及び第２空気排出通路１２ａ，１２ｂを通って排出された空気を、小穴６４ａに至る空間で混合させた後、改質部９４に供給することができる。これにより、混合により温度分布変動が低減された混合ガスによって、改質部９４を安定的に昇温させることが可能である。

また、本実施形態では、空気供給管７４は、空気供給管７４と燃料ガス分散室７６との間に設けられた拡散空間１０ａに向けて空気を噴出する。噴出された空気は、拡散空間１０ａ内で分散性が高められ、複数の燃料電池セル１６の間を抜けて周囲に拡がっていく。これにより、拡散空間１０ａから周囲の燃料電池セル１６の配列に対して均等に空気を供給することができ、燃料電池セル１６における空気枯れを防止することが可能である。

１ 固体酸化物型燃料電池装置
２ 燃料電池モジュール
４ 補機ユニット
７ 断熱材
８ 燃料電池セル収容容器
１０ 発電室
１１ 混合室
１２ａ 第１空気排出通路
１２ｂ 第２空気排出通路
１６ 燃料電池セル
１６ａ 単セル
１８ 排気集約室（排気マニホールド）
１８ａ 集約室上部材
１８ｂ 集約室下部材
１８ｃ 挿通穴
１８ｄ 噴出口
１８ｅ 接着剤充填枠
１９ａ 大径シールリング
１９ｂ 小径シールリング
１９ｃ カバー部材
２０ 燃料ガス供給流路
２１ 排ガス排出流路
２２ 酸化剤ガス供給流路
２４ 水供給源
２６ 純水タンク
２８ 水流量調整ユニット
３０ 燃料供給源
３４ 熱交換器
３５ 電磁弁
３６ 脱硫器
３８ 燃料ブロア
４０ 空気供給源
４５ 空気流量調整ユニット
５０ 温水製造装置
５４ インバータ
５６ 酸化剤ガス導入パイプ
５８ 排ガス排出パイプ
６０ 燃焼触媒
６１ シースヒーター
６２ 点火ヒーター
６３ 第１固定部材
６３ａ 挿通穴
６３ｂ 接着剤充填枠
６４ 内側円筒部材（モジュールケース）
６４ａ 小穴
６４ｂ 小穴
６４ｃ ステー
６４ｄ 棚部材
６５ 中間円筒部材
６６ 外側円筒部材
６６ａ 棚部材
６７ カバー部材
６８ 内側円筒容器
７０ 外側円筒容器
７２ 分散室底部材
７２ａ 挿通管
７２ｂ 断熱材
７２ｃ フランジ部
７４ 酸化剤ガス噴射用パイプ（空気供給管）
７４ａ 空気噴出口
７６ 燃料ガス分散室（燃料ガスタンク）
７８ 碍子
８０ バスバー
８２ 集電体
８６ 蒸発部
８６ａ 傾斜板
８８ 水供給パイプ
９０ 燃料ガス供給パイプ
９２ 燃料ガス供給流路隔壁
９２ａ 噴射口
９４ 改質部
９６ 改質触媒
９７ 多孔質支持体
９８ 燃料極層
９９ 反応抑制層
１００ 固体電解質層
１０１ 空気極層
１０２ インターコネクタ層
１０３ａ 電極層
１０３ｂ 電極層
１０４ａ リード膜層
１０４ｂ リード膜層

Claims (9)

1. 固体酸化物型燃料電池装置であって、
   内部に燃料ガス用通路を有し、外表面に空気極を有する管状で上下方向に延びる複数の燃料電池セルからなる配列と、
   前記燃料電池セルを収容するモジュールケースと、
   前記燃料電池セルの下部に配置され、複数の前記燃料電池セルの燃料ガス用通路に燃料ガスを分散して供給する燃料ガスタンクであって、前記燃料ガスタンク内に前記燃料電池セルの下端部が貫通し、前記燃料電池セルの下端部を固定する前記燃料ガスタンクと、
   前記モジュールケース内で前記燃料電池セルの上部に配置され、複数の前記燃料電池セルの燃料ガス用通路を通過した未反応の燃料ガスを集める排気空間を形成する排気マニホールドであって、前記排気マニホールド内に前記燃料電池セルの上端部が貫通し、前記燃料電池セルの上端部を固定する前記排気マニホールドと、
   前記燃料電池セルの空気極に空気を供給する空気供給管と、を備え、
   前記排気マニホールドは中央部に上下方向に延びる貫通路を備え、
   前記空気供給管は、前記貫通路を通り、複数の前記燃料電池セルによって周囲を囲われるように前記燃料電池セルの配列内に延びており、前記空気供給管と前記貫通路との間には、空気排出用の隙間が設けられていることを特徴とする固体酸化物型燃料電池装置。
2. 前記モジュールケースと前記排気マニホールドとの間には、前記排気マニホールドの外周面の全周にわたって第１空気排出通路が設けられ、
   前記空気供給管と前記貫通路との間の前記隙間は、前記空気供給管の外周面の全周にわたって延びており、第２空気排出通路を形成することを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物型燃料電池装置。
3. 前記第１空気排出通路の総断面積が、前記第２空気排出通路の総断面積より大きいことを特徴とする請求項２に記載の固体酸化物型燃料電池装置。
4. 前記排気マニホールドから排気される未反応の燃料ガスを燃焼させるためのオフガス燃焼部を備え、このオフガス燃焼部は、前記排気マニホールドの天面に前記第２空気排出通路を囲むように設けられた複数の排気口であり、未反応の燃料ガスの燃焼によって、前記第２空気排出通路を通して排出された空気を加熱するように構成されており、この加熱された空気と前記第１空気排出通路を通して排出された空気との混合ガスが、改質器を加熱するために用いられるように構成されていることを特徴とする請求項３に記載の固体酸化物型燃料電池装置。
5. 前記排気口の数は、前記燃料電池セルの数より少ないことを特徴とする請求項４に記載の固体酸化物型燃料電池装置。
6. 前記排気口は、前記第１空気排出通路よりも前記第２空気排出通路に近接して設けられていることを特徴とする請求項５に記載の固体酸化物型燃料電池装置。
7. 前記モジュールケース内には、前記排気マニホールドの天面の上方に、前記第１及び第２空気排出通路から排出された空気を混合し、混合した空気を排気通路へ複数の排出孔を介して排出するための混合室が設けられており、
   複数の前記排出孔は、混合性が高まるように前記排気通路の断面積よりも狭い開口面積を有し、所定距離間隔で設けられていることを特徴とする請求項４に記載の固体酸化物型燃料電池装置。
8. 前記混合ガスは、前記排気マニホールド及び前記オフガス燃焼部より上方に位置する排出孔を通って排気通路へ排出され、前記改質器側へ供給されることを特徴とする請求項４に記載の固体酸化物型燃料電池装置。
9. 前記空気供給管の下方には、前記燃料ガスタンクとの間に、複数の前記燃料電池セルの配列によって囲われた拡散空間が設けられており、
   前記空気供給管は、前記拡散空間に向けて下方へ空気を噴出する空気噴出口を有することを特徴とする請求項４に記載の固体酸化物型燃料電池装置。

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