JP6202469B2 - 固体酸化物型燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、固体酸化物型燃料電池に関し、特に、燃料を水蒸気改質して生成した水素と酸化剤ガスを反応させることにより発電する固体酸化物型燃料電池に関する。

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（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。

このような従来の固体電解質型燃料電池として、例えば、特許文献１に記載されているように、燃料電池モジュールに供給する燃料を、水を使用して水蒸気改質する改質器内に蒸発室（蒸発部）と反応室（改質部）とが横並びに配置されているものが知られており、これらの蒸発室と反応室との間は通気性のある壁で区画されている。また、このような改質器の底面の一部は蒸発室の底面を構成し、この蒸発室の底面を、水供給管から供給された水が流れ下る傾斜面とすることにより、水供給管から蒸発室に供給される水を確実に蒸発させることができるようになっている。

また、特許文献２に記載されているように、蒸発部内部に水との接触面積を増加させる目的で球状の充填材を収容させるとともに、蒸発部を構成する底面のコーナ角壁の形状をＲ形状として充填材との間隙が多く存在しないようにした構成が開示されている。これはコーナ角壁に水が溜まることなく速やかに蒸発するよう工夫されたものであって、詳細には、多量に溜まった上で充填材に水が接触し、急激に多くの水が蒸発して改質器内の圧力を急激に上昇させてしまう突沸現象を抑制するよう工夫された優れた技術である。

特開２００８−７３４９号公報 特開２０１３−５５０１２号公報

具体的には、上述した特許文献１に記載されている従来の固体酸化物型燃料電池においては、改質器内に改質部と蒸発部とが横並びに区画して配置された形態の改質器では、改質に熱量を与える必要があるため、改質部内の温度が高温となる。改質器内に設けられた蒸発部には改質に必要な水を蒸発させるために球状の充填材を封入させた場合には、直方型の改質器の底壁と側壁とのコーナ角壁に形成される隙間空間に、水が溜まってしまう。過度に溜まった水が高温状態の充填材に触れると、溜まった水が急激に高温に晒され、突然激しく沸騰する現象（以下「突沸」）が生じる恐れがあるという問題がある。
突沸が生じると改質器内に急激な圧力変動が生じるため、改質器に供給される燃料ガスの供給が妨げられ、改質が十分に行えなくなり、改質後の燃料ガスが改質器から押し出されて過剰な濃度の改質ガスが燃料電池セルに供給され、発電状態が不安定になることが懸念されていた。
特許文献２は前記の問題に対して蒸発室底壁と立設された蒸発室側壁とのコーナ角壁をＲ形状とすることで、球状の充填材とコーナ角壁の空間に隙間が発生しないように構成されている。このように構成することで、隙間空間へ水を溜まらないようにし、過剰に水を溜めることがないため突沸を防ぐことが可能となる。
しかしながら、特許文献２の構成においても突沸を確実に抑制することは難しいという新たな知見を見出した。具体的には、球状の充填材とＲ形状としたコーナ角壁とは点接触となるが、この接触部は常に水に触れた位置となり、充填材が高温の場合は蒸発を促進できるが、接触部は過剰に水に触れるため、充填材の温度が奪われてしまい蒸発が行なわれ難くなり、次第に水が溜まって突沸を発生する恐れがあった。

そこで、本件発明では、前記の実情を鑑みて、蒸発部の底壁と側壁とがなすコーナ角壁と充填材の隙間空間に過剰な水が溜まる前に確実に蒸発させることで、突沸を継続的に確実に抑制し、安定した発電を行うことができる固体酸化物型燃料電池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、燃料ガスと酸化剤ガスを供給させることで発電する固体酸化物型燃料電池において、複数の燃料電池セルにより構成させる燃料電池セルスタックと、前記燃料電池セルスタックの発電に寄与しなかった、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスを燃焼させることにより昇温される箱状の改質器と、前記改質器内部に配置された改質部及び、該改質部と隣接し、水を蒸発して水蒸気を生成する蒸発部と、前記蒸発部に改質に必要な水を供給する改質器導入管と、を備え、前記蒸発部内部には、蒸発を促進させる球状の充填材が複数封入され、かつ、前記蒸発部を構成する底壁と側壁の間には、前記底壁と側壁部に位置する充填材に対して異なった少なくとも２点で接触する接触箇所増加部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、コーナ角壁と、球状の充填材との隙間空間が小さくなり過剰に水が溜まる前に確実に蒸発させることができる。また、充填材と蒸発部底壁との接点以外にも異なる位置で充填材に熱を付与できるように構成されているため接触部が水に曝されて充填材の温度降下が発生しても異なった接触部から充填材に熱を付与できるため、充填材の温度降下を防止し、継続的な蒸発を確実に促進でき確実に突沸が生じることを抑制し、突沸に起因する種々の問題を解決することができるという実用上優れた効果を奏するものである。

本発明において、好ましくは、前記改質器導入管からの水は、非連続的に前記蒸発部へ供給されることを特徴とする。
このように構成された本発明によれば、確実に突沸を継続的に防止できるため、安価なプランジャーポンプなどを使って非連続的に水を供給することが可能となる。具体的には、固体酸化物型の燃料電池では水が非常に微量であるため、この微量な水を連続的に供給するポンプは非常に高価であるが、断続的な供給になるプランジャーポンプでは一回で送る水の供給が多くなるため突沸を誘発させやすくなってしまうという課題を生じるが、本件発明の採用でプランジャーポンプの採用が可能になるものである。

本発明において、好ましくは、前記接触箇所増加部は、前記底壁と側壁間を繋ぎ、かつ底壁に対して鈍角の角度で直線的に形成された斜め壁として構成され、該斜め壁及び前記底壁に対して前記一つの充填材が異なった位置で接触するように構成されていることを特徴とする。
このように構成された本発明では、蒸発部を構成するコーナ角壁部に鈍角となる直線的な斜め壁を設けるという簡単な構成で、水が溜まる位置より高い位置にもう１点充填材との接触部を設けることができる。これによって、底壁との接触部の温度降下が生じても温度降下していない斜め壁から充填材に熱を付与でき、継続的な蒸発を確実に行なわせることができるものである。

本発明の固体酸化物燃料電池によれば、蒸発部の底壁と側壁とがなすコーナ角壁と充填材の隙間空間に過剰な水が溜まる前に継続的に確実に蒸発させることで、突沸を抑制し、安定した発電を行うことができる。

本発明の実施形態による固体酸化物型燃料電池を示す全体構成図である。 本発明の実施形態による固体酸化物型燃料電池の燃料電池モジュールを示す正面断面図である。 図２のIII-III線に沿った断面図である。 本発明の実施形態による固体酸化物型燃料電池の燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。 本発明の実施形態による固体酸化物型燃料電池の燃料電池セルスタックを示す斜視図である。 本発明の実施形態による固体酸化物型燃料電池を示すブロック図である。 本発明の実施形態による固体酸化物型燃料電池の改質器の斜視図である。 本発明の実施形態による固体酸化物型燃料電池の改質器の天板を取り除いて改質器の内部を示した斜視図である。 本発明の実施形態による固体酸化物型燃料電池の改質器内部の燃料の流れを示す平面断面図である。 本発明の実施形態による固体酸化物型燃料電池の改質器内に設けられた蒸発部を示す断面図である。 本発明の実施形態による固体酸化物型燃料電池のハウジング内に収納された金属製のケース及び空気用熱交換器を示す斜視図である。 本発明の実施形態による固体酸化物型燃料電池の熱交換器用断熱材と、蒸発部の位置関係を示す断面図である。 本発明の実施形態による固体酸化物型燃料電池の起動工程における燃料等の各供給量、及び各部の温度の一例を示すタイムチャートである。

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（ＳＯＦＣ）を説明する。
図１は、本発明の実施形態による固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）を示す全体構成図である。この図１に示すように、本発明の実施形態による固体酸化物型燃料電池（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を介して金属製のケース８が内蔵されている。この密閉空間であるケース８の下方部分である発電室１０には、燃料と酸化剤ガス（空気）とにより発電反応を行う燃料電池セル集合体１２が配置されている。この燃料電池セル集合体１２は、１０個の燃料電池セルスタック１４（図５参照）を備え、この燃料電池セルスタック１４は、１６本の燃料電池セルユニット１６（図４参照）から構成されている。このように、燃料電池セル集合体１２は、１６０本の燃料電池セルユニット１６を有し、これらの燃料電池セルユニット１６の全てが直列接続されている。

燃料電池モジュール２のケース８の上述した発電室１０の上方には、燃焼部である燃焼室１８が形成され、この燃焼室１８で、発電反応に使用されなかった残余の燃料と残余の酸化剤（空気）とが燃焼し、排気ガスを生成するようになっている。さらに、ケース８は断熱材７により覆われており、燃料電池モジュール２内部の熱が、外気へ発散するのを抑制している。
また、この燃焼室１８の上方には、燃料を改質する改質器２０が配置され、前記残余ガスの燃焼熱によって改質器２０を改質反応が可能な温度となるように加熱している。さらに、この改質器２０の上方には、残余ガスの燃焼ガスにより発電用の空気を加熱し、発電用の空気を予熱する熱交換器である空気用熱交換器２２が配置されている。

次に、補機ユニット４は、燃料電池モジュール２からの排気中に含まれる水分を結露させた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、この貯水タンクから供給される水の流量を調整す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。水流量調整ユニット２８を構成している水ポンプ（図示省略）は、非連続的に水を供給する脈動式のプランジャーポンプを使用している。また、補機ユニット４は、都市ガス等の燃料供給源３０から供給された燃料を遮断するガス遮断弁３２と、燃料ガスから硫黄を除去するための脱硫器３６と、燃料ガスの流量を調整する燃料流量調整ユニット３８（モータで駆動される「燃料ポンプ」等）と、電源喪失時において、燃料流量調整ユニット３８から流出する燃料ガスを遮断するバルブ３９を備えている。さらに、補機ユニット４は、空気供給源４０から供給される酸化剤ガスである空気を遮断する電磁弁４２と、空気の流量を調整する改質用空気流量調整ユニット４４及び発電用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）と、改質器２０に供給される改質用空気を加熱する第１ヒータ４６と、発電室に供給される発電用空気を加熱する第２ヒータ４８とを備えている。これらの第１ヒータ４６と第２ヒータ４８は、起動時の昇温を効率よく行うために設けられているが、省略しても良い。

次に、燃料電池モジュール２には、排気ガスが供給される温水製造装置５０が接続されている。この温水製造装置５０には、水供給源２４から水道水が供給され、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。
また、燃料電池モジュール２には、燃料ガスの供給量等を制御するための制御ボックス５２が取り付けられている。
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（ＳＯＦＣ）の燃料電池モジュールの内部構造を説明する。図２は、本発明の実施形態による固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）の燃料電池モジュールを示す側面断面図であり、図３は、図２のIII-III線に沿って断面図である。
図２及び図３に示すように、燃料電池モジュール２のハウジング６内のケース８には、上述したように、下方から順に、燃料電池セル集合体１２、改質器２０、空気用熱交換器２２が配置されている。

改質器２０は、その上流端側の端部側面に純水、改質される燃料ガス、及び改質用空気を導入するための改質器導入管６２が取り付けられている。
改質器導入管６２は、改質器２０の一端の側壁面から延びる円管であり、９０゜屈曲されて概ね鉛直方向に延び、ケース８の上端面を貫通している。なお、改質器導入管６２は、改質器２０に水を導入する水導入管として機能している。また、改質器導入管６２の上端には、Ｔ字管６２ａが接続されており、このＴ字管６２ａの概ね水平方向に延びる管の両側の端部には、燃料ガス及び純水を供給するための配管が夫々接続されている。水供給用配管６３ａはＴ字管６２ａの一方の側端から斜め上方に向けて延びている。燃料ガス供給用配管６３ｂはＴ字管６２ａの他方の側端から水平方向に延びた後、Ｕ字型に屈曲され、水供給用配管６３ａと同様の方向に、概ね水平に延びている。

一方、改質器２０の内部には、上流側から順に、蒸発部２０ａ、混合部２０ｂ、改質部２０ｃが形成され、この改質部２０ｃには改質触媒が充填されている。この改質器２０に導入された水蒸気（純水）が混合された燃料ガス及び空気は、改質器２０内に充填された改質触媒により改質される。改質触媒としては、アルミナの球体表面にニッケルを付与したものや、アルミナの球体表面にルテニウムを付与したものが適宜用いられる。

改質器２０の下流端側には、燃料ガス供給管６４が接続され、この燃料ガス供給管６４は、下方に延び、さらに、燃料電池セル集合体１２の下方に形成されたマニホールド６６内で水平に延びている。燃料ガス供給管６４の水平部６４ａの下方面には、複数の燃料供給孔６４ｂが形成されており、この燃料供給孔６４ｂから、改質された燃料ガスがマニホールド６６内に供給される。また、燃料ガス供給管６４の鉛直部の途中には、流路が狭められた圧力変動抑制用流路抵抗部６４ｃが設けられ、燃料ガスの供給流路の流路抵抗が調整されている。流路抵抗の調整については後述する。

このマニホールド６６の上方には、上述した燃料電池セルスタック１４を支持するための貫通孔を備えた下支持板６８が取り付けられており、マニホールド６６内の燃料ガスが、燃料電池セルユニット１６内に供給される。

一方、改質器２０の上方には、空気用熱交換器２２が設けられている。
また、図２に示すように、燃料ガスと空気との燃焼を開始するための点火装置８３が、燃焼室１８に設けられている。

次に図４により燃料電池セルユニット１６について説明する。図４は、本発明の実施形態による固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）の燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。
図４に示すように、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の両端部にそれぞれ接続されたキャップである内側電極端子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を形成する円筒形の内側電極層９０と、円筒形の外側電極層９２と、内側電極層９０と外側電極層９２との間にある電解質層９４とを備えている。この内側電極層９０は、燃料ガスが通過する燃料極であり、（−）極となり、一方、外側電極層９２は、空気と接触する空気極であり、（＋）極となっている。

燃料電池セル８４の上端側と下端側に取り付けられた内側電極端子８６は、同一構造であるため、ここでは、上端側に取り付けられた内側電極端子８６につい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。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細管９８が形成されている。

この燃料ガス流路細管９８は、内側電極端子８６の中心から燃料電池セル８４の軸線方向に延びるように設けられた細長い細管である。このため、マニホールド６６（図２）から、下側の内側電極端子８６の燃料ガス流路細管９８を通って燃料ガス流路８８に流入する燃料ガスの流れには、所定の圧力損失が発生する。従って、下側の内側電極端子８６の燃料ガス流路細管９８は、流入側流路抵抗部として作用し、その流路抵抗は所定の値となるように設定されている。また、燃料ガス流路８８から、上側の内側電極端子８６の燃料ガス流路細管９８を通って燃焼室１８（図２）に流出する燃料ガスの流れにも所定の圧力損失が発生する。従って、上側の内側電極端子８６の燃料ガス流路細管９８は、流出側流路抵抗部として作用し、その流路抵抗は所定の値となるように設定されている。

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。

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。

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

次に図５により燃料電池セルスタック１４について説明する。図５は、本発明の実施形態による固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）の燃料電池セルスタックを示す斜視図である。
図５に示すように、燃料電池セルスタック１４は、１６本の燃料電池セルユニット１６を備え、これらの燃料電池セルユニット１６は、８本ずつ２列に並べて配置されている。各燃料電池セルユニット１６は、下端側がセラミック製の長方形の下支持板６８（図２）により支持され、上端側は、両端部の燃料電池セルユニット１６が４本ずつ、概ね正方形の２枚の上支持板１００により支持されている。これらの下支持板６８及び上支持板１００には、内側電極端子８６が貫通可能な貫通穴がそれぞれ形成されている。

さらに、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と電気的に接続される燃料極用接続部１０２ａと、空気極である外側電極層９２の外周面と電気的に接続される空気極用接続部１０２ｂとを接続するように一体的に形成されている。また、各燃料電池セルユニット１６の外側電極層９２（空気極）の外表面全体には、空気極側の電極として、銀製の薄膜が形成されている。この薄膜の表面に空気極用接続部１０２ｂが接触することにより、集電体１０２は空気極全体と電気的に接続される。

さらに、燃料電池セルスタック１４の端（図５では左端の奥側）に位置する燃料電池セルユニット１６の空気極８６には、２つの外部端子１０４がそれぞれ接続されている。これらの外部端子１０４は、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の内側電極端子８６に接続され、上述したように、１６０本の燃料電池セルユニット１６の全てが直列接続されるようになっている。

次に図６により本実施形態による固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）に取り付けられたセンサ類等について説明する。図６は、本発明の実施形態による固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）を示すブロック図である。
図６に示すように、固体酸化物型燃料電池１は、制御部１１０を備え、この制御部１１０には、使用者が操作するための「ＯＮ」や「ＯＦＦ」等の操作ボタンを備えた操作装置１１２、発電出力値（ワット数）等の種々のデータを表示するための表示装置１１４、及び、異常状態のとき等に警報（ワーニング）を発する報知装置１１６が接続されている。また、制御部１１０には、マイクロプロセッサ、メモリ、及びこれらを作動させるプログラム（以上、図示せず）が内蔵されており、これらにより、各センサからの入力信号に基づいて、補機ユニット４、インバータ５４等が制御される。なお、この報知装置１１６は、遠隔地にある管理センタに接続され、この管理センタに異常状態を通知するようなものであっても良い。

次に、制御部１１０には、以下に説明する種々のセンサからの信号が入力されるようになっている。
先ず、可燃ガス検出センサ１２０は、ガス漏れを検知するためのもので、燃料電池モジュール２及び補機ユニット４に取り付けられている。
ＣＯ検出センサ１２２は、本来排気ガス通路８０等を
経て外部に排出される排気ガス中のＣＯが、燃料電池モジュール２及び補機ユニット４を覆う外部ハウジング（図示せず）へ漏れたかどうかを検知するためのものである。
貯湯状態検出センサ１２４は、図示しない給湯器におけるお湯の温度や水量を検知するためのものである。

電力状態検出センサ１２６は、インバータ５４及び分電盤（図示せず）の電流及び電圧等を検知するためのものである。
発電用空気流量検出センサ１２８は、発電室１０に供給される発電用空気の流量を検出するためのものである。
改質用空気流量センサ１３０は、改質器２０に供給される改質用空気の流量を検出するためのものである。
燃料流量センサ１３２は、改質器２０に供給される燃料ガスの流量を検出するためのものである。

水流量センサ１３４は、改質器２０に供給される純水の流量を検出するためのものである。
水位センサ１３６は、純水タンク２６の水位を検出するためのものである。
圧力センサ１３８は、改質器２０の外部の上流側の圧力を検出するためのものである。
排気温度センサ１４０は、温水製造装置５０に流入する排気ガスの温度を検出するためのものである。

発電室温度センサ１４２は、図３に示すように、燃料電池セル集合体１２の近傍の前面側と背面側に設けられ、燃料電池セルスタック１４の近傍の温度を検出して、燃料電池セルスタック１４（即ち燃料電池セル８４自体）の温度を推定するためのものである。
燃焼室温度センサ１４４は、燃焼室１８の温度を検出するためのものである。
排気ガス室温度センサ１４６は、排気ガス室７８の排気ガスの温度を検出するためのものである。
改質器温度センサ１４８は、改質器２０の温度を検出するためのものであり、改質器２０の入口温度と出口温度から改質器２０の温度を算出する。
外気温度センサ１５０は、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）が屋外に配置された場合、外気の温度を検出するためのものである。また、外気の湿度等を測定するセンサを設けるようにしても良い。

これらのセンサ類からの信号は、制御部１１０に送られ、制御部１１０は、これらの信号によるデータに基づき、水流量調整ユニット２８、燃料流量調整ユニット３８、改質用空気流量調整ユニット４４、発電用空気流量調整ユニット４５に、制御信号を送り、これらのユニットにおける各流量を制御するようになっている。

次に、図７乃至図１０を参照して、改質器２０の詳細な構成を説明する。
図７は改質器２０の斜視図であり、図８は、天板を取り除いて改質器２０の内部を示した斜視図である。図９は、改質器２０内部の燃料の流れを示す平面断面図である。図１０は改質器２０の改質器導入管６２方向から見たＸ−Ｙの断面図である。

図７に示すように、改質器２０は、直方体状の金属製の箱であり、内部には燃料を改質するための改質触媒が充填されている。また、改質器２０の上流側には水、燃料及び改質用空気を導入するための改質器導入管６２が接続されている。さらに、改質器２０の下流側には、内部で改質された燃料を流出させる燃料ガス供給管６４が接続されている。

図８に示すように、改質器２０の内部には、その上流側に蒸発室である蒸発部２０ａが設けられ、この蒸発部２０ａに隣接して、下流側には混合部２０ｂが設けられている。さらに、混合部２０ｂに隣接して、下流側には改質部２０ｃが設けられている。蒸発部２０ａの内部には、複数の仕切り板２０ｄが配置されることにより、曲がりくねって平面視で蛇行するように形成された蛇行通路２０ｅが設けられている。改質器２０に導入された水は、温度が上昇した状態では蒸発部２０ａ内で蒸発され水蒸気となる。さらに、蒸発部２０ａは、底壁２０ｓと側壁２０ｒを繋ぎ、かつ底壁２０ｓに対して鈍角の角度で直線的に形成された斜め壁である接触箇所増加部２０ｑとして構成されている。また、混合部２０ｂは所定の容積を有するチャンバーから構成され、その内部にも、複数の仕切り板２０ｆが配置されることにより、曲がりくねって蛇行するように形成された蛇行通路２０ｇが形成されている。改質器２０に導入された燃料ガス、改質用空気は、混合部２０ｂの曲がりくねった通路を通りながら蒸発部２０ａで生成された水蒸気と混合される。

一方、改質部２０ｃの内部にも、複数の仕切り板２０ｈが配置されることにより曲がりくねった通路２０ｉが形成され、この通路に触媒が充填されている。蒸発部２０ａ、混合部２０ｂを通って燃料ガス、水蒸気及び改質用空気の混合物が導入されると、改質部２０ｃでは、部分酸化改質反応及び水蒸気改質反応が発生する。さらに、燃料ガス、及び水蒸気の混合物が導入されると、改質部２０ｃでは、水蒸気改質反応のみが発生する。
なお、本実施形態においては、蒸発部、混合部、改質部が一体に構成され、１つの改質器を形成しているが、変形例として、改質部のみを備えた改質器を設け、この上流側に隣接して混合部、蒸発室を設けることもできる。

図８及び図９に示すように、改質器２０の蒸発部２０ａに導入された燃料ガス、水及び改質用空気は、改質器２０の横断方向に蛇行して流れ、この間に、導入された水は蒸発し、水蒸気となる。蒸発部２０ａと混合部２０ｂの間には、蒸発／混合部隔壁２０ｊが設けられ、この蒸発／混合部隔壁２０ｊには隔壁開口２０ｋが設けられている。この隔壁開口２０ｋは、蒸発／混合部隔壁２０ｊの片側約半分のうちの、上側約半分の領域に設けられた長方形の開口部である。

つぎに、図１０は、本発明の実施形態による固体酸化物型燃料電池の改質器２０内部に設けられた蒸発部２０ａにおいて、改質器導入管６２方向から見たＸ―Ｙの断面図である。改質器２０内部に設けられた蒸発部２０ａは底壁２０ｓと側壁２０ｒ、および底壁に対して鈍角の角度で直線的に形成された斜め壁である接触箇所増加部２０ｑにより構成されており、蒸発を促進するために複数の球状の充填材２０ｔが蒸発部２０ａ内に封入され、改質器導入管６２から蒸発部へ供給された水は蒸発され水蒸気となる。このように構成された本発明では、蒸発部の底壁２０ｓと側壁２０ｒがなすコーナ角壁と球状の充填材２０ｔとの隙間空間は非常に小さくなり、過剰に水が溜まることなく確実に蒸発させることができる。
また、図１０に示すように、蒸発部２０を構成するコーナ角壁部に鈍角となる直線的な斜め壁を設けることで、水が溜まる位置より高い位置にもう一点充填材２０ｔとの接触部を設けることができる。

改質部２０ｃに流入した燃料等は、改質部２０ｃの中央を長手方向に流れた後、２つに分岐して折返し、２つの通路２０ｉは再び折り返して改質部２０ｃの下流端に向かい、そこで合流されて燃料ガス供給管６４に流入する。燃料は、このように蛇行した通路２０ｉを通過しながら、通路に充填された触媒により改質される。なお、混合部２０ｂには所定容積のチャンバーが構成され、混合／改質部隔壁２０ｏには狭小流路（連通孔２０ｐ）が形成されているため、改質部２０ｃには、蒸発部２０ａ内の急激な圧力変動の影響が及びにくい。従って、混合部２０ｂのチャンバー及び混合／改質部隔壁２０ｏの狭小流路は圧力変動吸収手段として機能する。

次に、図１１及び図１２を新たに参照すると共に、図２及び図３を再び参照して、発電酸化剤ガス用熱交換器である空気用熱交換器２２の構造を詳細に説明する。図１１は、ハウジング６内に収納された金属製のケース８及び空気用熱交換器２２を示す斜視図である。図１２は、蒸発室用断熱材と、蒸発部の位置関係を示す断面図である。

図１１に示すように、空気用熱交換器２２は、燃料電池モジュール２内のケース８の上方に配置された熱交換器である。また、図２及び図３に示すように、ケース８の内部には燃焼室１８が形成され、複数の燃料電池セルユニット１６、改質器２０等が収納されているので、空気用熱交換器２２は、これらの上方に位置する。空気用熱交換器２２は、燃焼室１８内で燃焼され、排気として排出される燃焼ガスの熱を回収、利用して、燃料電池モジュール２内に導入された発電用の空気を予熱するように構成されている。また、図１１に示すように、ケース８の上面と空気用熱交換器２２の底面との間には、内部断熱材である蒸発室用断熱材２３が、これらの間に挟まれるように配置されている。即ち、蒸発室用断熱材２３は、改質器２０と空気用熱交換器２２の間に配置されている。さらに、図１１に示されている空気用熱交換器２２及びケース８の外側を、外側断熱材である断熱材７が覆っている（図２）。

図２及び図３に示すように、空気用熱交換器２２は、複数の燃焼ガス配管７０と発電用空気流路７２と、を有する。また、図２に示すように、複数の燃焼ガス配管７０の一方の端部には、排気ガス集約室７８が設けられており、この排気ガス集約室７８は、各燃焼ガス配管７０に連通されている。また、排気ガス集約室７８には、排気ガス排出管８２が接続されている。さらに、各燃焼ガス配管７０の他方の端部は開放されており、この開放された端部は、ケース８の上面に形成された連通開口８ａを介して、ケース８内の燃焼室１８に連通されている。

燃焼ガス配管７０は、水平方向に向けられた複数の金属製の円管であり、各円管は夫々平行に配置されている。一方、発電用空気流路７２は、各燃焼ガス配管７０の外側の空間によって構成されている。また、発電用空気流路７２の、排気ガス排出管８２側の端部には、発電用空気導入管７４（図１１）が接続されており、燃料電池モジュール２の外部の空気が、発電用空気導入管７４を通って発電用空気流路７２に導入される。なお、図１１に示すように、発電用空気導入管７４は、排気ガス排出管８２と平行に、空気用熱交換器２２から水平方向に突出している。さらに、発電用空気流路７２の他方の端部の両側面には、一対の連絡流路７６（図３、図１１）が接続されており、発電用空気流路７２と各連絡流路７６は、夫々、出口ポート７６ａを介して連通されている。

図３に示すように、ケース８の両側面には、発電用空気供給路７７が夫々設けられている。空気用熱交換器２２の両側面に設けられた各連絡流路７６は、ケース８の両側面に設けられた発電用空気供給路７７の上部に夫々連通されている。また、各発電用空気供給路７７の下部には、多数の吹出口７７ａが水平方向に並べて設けられている。各発電用空気供給路７７を通って供給された発電用の空気は、多数の吹出口７７ａから、燃料電池モジュール２内の燃料電池セルスタック１４の下部側面に向けて噴射される。

また、ケース８内部の天井面には、隔壁である整流板２１が取り付けられており、この整流板２１には開口部２１ａが設けられている。
整流板２１は、ケース８の天井面と改質器２０の間に、水平に配置された板材である。この整流板２１は、燃焼室１８から上方に流れる気体の流れを整え、空気用熱交換器２２の入り口（図２の連通開口８ａ）に導くように構成されている。燃焼室１８から上方へ向かう発電用空気及び燃焼ガスは、整流板２１の中央に設けられた開口部２１ａを通って整流板２１の上側に流入し、整流板２１の上面とケース８の天井面の間の排気通路２１ｂを図２における左方向に流れ、空気用熱交換器２２の入り口に導かれる。また、図１２に示すように、開口部２１ａは、改質器２０の改質部２０ｃの上方に設けられており、開口部２１ａを通って上昇した気体は、蒸発部２０ａとは反対側の、図２、図１２における左側の排気通路２１ｂに流れる。このため、蒸発部２０ａの上方の空間（図２、図１２における右側）は、改質部２０ｃの上方の空間よりも排気の流れが遅く、排気の流れが淀む気体滞留空間２１ｃとして作用する。

また、整流板２１の開口部２１ａの縁には、全周に亘って縦壁２１ｄが設けられており、この縦壁２１ｄにより、整流板２１の下側の空間から整流板２１の上側の排気通路２１ｂに流入する流路が狭められている。さらに、排気通路２１ｂと空気用熱交換器２２を連通させる連通開口８ａの縁にも、全周に亘って下がり壁８ｂ（図２）が設けられており、この下がり壁８ｂにより、排気通路２１ｂから空気用熱交換器２２に流入する流路が狭められている。これらの縦壁２１ｄ、下がり壁８ｂを設けることにより、燃焼室１８から空気用熱交換器２２を通って燃料電池モジュール２の外部に至る排気の通路における流路抵抗が調整されている。流路抵抗の調整については後述する。

蒸発室用断熱材２３は、空気用熱交換器２２の底面に、概ねその全体を覆うように取り付けられた断熱材である。従って、蒸発室用断熱材２３は、蒸発部２０ａ全体の上方に亘って配置されている。この蒸発室用断熱材２３は、整流板２１の上面とケース８の天井面の間に形成された排気通路２１ｂ及び気体滞留空間２１ｃ内の高温の気体が、空気用熱交換器２２の底面を直接加熱するのを抑制するように配置されている。このため、燃料電池モジュール２の運転中においては、蒸発部２０ａの上方の排気通路に滞留している排気から、空気用熱交換器２２の底面に直接伝わる熱が少なくなり、蒸発部２０ａ周囲の温度は上昇しやすくなる。また、燃料電池モジュール２の停止後においては、蒸発室用断熱材２３が配置されていることにより、改質器２０からの熱の発散が抑制され、即ち、蒸発部２０ａ周囲の熱が空気用熱交換器２２に奪われにくくなり、蒸発部２０ａの温度低下が緩やかになる。

なお、蒸発室用断熱材２３は、外気への熱の散逸を抑制するために、燃料電池モジュール２のケース８及び空気用熱交換器２２全体を覆っている外側断熱材である断熱材７とは別に、断熱材７の内部に配置された断熱材である。また、断熱材７は、蒸発室用断熱材２３よりも断熱性が高く構成されている。即ち、断熱材７の内面と外面の間の熱抵抗は、蒸発室用断熱材２３の上面と下面の間の熱抵抗よりも大きくなっている。即ち、断熱材７と蒸発室用断熱材２３を同一の材料で構成する場合には、断熱材７を蒸発室用断熱材２３よりも厚く構成する。

次に、固体酸化物型燃料電池１の発電運転時における燃料、発電用空気、及び排気ガスの流れを説明する。
まず、燃料は、燃料ガス供給用配管６３ｂ、Ｔ字管６２ａ、改質器導入管６２を介して改質器２０の蒸発部２０ａに導入されると共に、純水は、水供給用配管６３ａ、Ｔ字管６２ａ、改質器導入管６２を介して蒸発部２０ａに導入される。従って、供給された燃料及び水はＴ字管６２ａにおいて合流され、改質器導入管６２を通って蒸発部２０ａに導入される。発電運転中においては、蒸発部２０ａは高温に加熱されているため、蒸発部２０ａに導入された純水は、比較的速やかに蒸発され水蒸気となる。蒸発された水蒸気及び燃料は、混合部２０ｂ内で混合され、改質器２０の改質部２０ｃに流入する。水蒸気と共に改質部２０ｃに導入された燃料は、ここで水蒸気改質され、水素を豊富に含む燃料ガスに改質される。改質部２０ｃにおいて改質された燃料は、燃料ガス供給管６４を通って下方に下り、分散室であるマニホールド６６に流入する。

マニホールド６６は、燃料電池セルスタック１４の下側に配置された比較的体積の大きい直方体状の空間であり、その上面に設けられた多数の穴が燃料電池セルスタック１４を構成する各燃料電池セルユニット１６の内側に連通している。マニホールド６６に導入された燃料は、その上面に設けられた多数の穴を通って、燃料電池セルユニット１６の燃料極側、即ち、燃料電池セルユニット１６の内部を通って、その上端から流出する。また、燃料である水素ガスが燃料電池セルユニット１６の内部を通過する際、空気極（酸化剤ガス極）である燃料電池セルユニット１６の外側を通る空気中の酸素と反応して電荷が生成される。この発電に使用されずに残った残余燃料は、各燃料電池セルユニット１６の上端から流出し、燃料電池セルスタック１４の上方に設けられた燃焼室１８内で燃焼される。

一方、酸化剤ガスである発電用の空気は、発電用の酸化剤ガス供給装置である発電用空気流量調整ユニット４５によって、発電用空気導入管７４を介して燃料電池モジュール２内に送り込まれる。燃料電池モジュール２内に送り込まれた空気は、発電用空気導入管７４を介して空気用熱交換器２２の発電用空気流路７２に導入され、予熱される。予熱された空気は、各出口ポート７６ａ（図３）を介して各連絡流路７６に流出する。各連絡流路７６に流入した発電用の空気は、燃料電池モジュール２の両側面に設けられた発電用空気供給路７７を通って下方に流れ、多数の吹出口７７ａから、燃料電池セルスタック１４に向けて発電室１０内に噴射される。

発電室１０内に噴射された空気は、燃料電池セルスタック１４の空気極側（酸化剤ガス極側）である各燃料電池セルユニット１６の外側面に接触し、空気中の酸素の一部が発電に利用される。また、吹出口７７ａを介して発電室１０の下部に噴射された空気は、発電に利用されながら発電室１０内を上昇する。発電室１０内を上昇した空気は、各燃料電池セルユニット１６の上端から流出する燃料を燃焼させる。この燃焼による燃焼熱は、燃料電池セルスタック１４の上方に配置された改質器２０の蒸発部２０ａ、混合部２０ｂ及び改質部２０ｃを加熱する。燃料が燃焼され、生成された燃焼ガスは、上方の改質器２０を加熱した後、改質器２０上方の開口部２１ａを通って整流板２１の上側に流入する。整流板２１の上側に流入した燃焼ガスは、整流板２１によって構成された排気通路２１ｂを通って空気用熱交換器２２の入り口である連通開口８ａに導かれる。連通開口８ａから空気用熱交換器２２に流入した燃焼ガスは、開放された各燃焼ガス配管７０の端部に流入し、各燃焼ガス配管７０外側の発電用空気流路７２を流れる発電用空気との間で熱交換を行い、排気ガス集約室７８に集約される。排気ガス集約室７８に集約された排気ガスは、排気ガス排出管８２を介して燃料電池モジュール２の外部に排出される。これにより、蒸発部２０ａにおける水の蒸発、及び改質部２０ｃにおける吸熱反応である水蒸気改質反応が促進されると共に、空気用熱交換器２２内の発電用空気が予熱される。

次に、図１３を新たに参照して、固体酸化物型燃料電池１の起動工程における制御を説明する。
図１３は、起動工程における燃料等の各供給量、及び各部の温度の一例を示すタイムチャートである。なお、図１３の縦軸の目盛りは温度を示しており、燃料等の各供給量は、それらの増減を概略的に示したものである。

図１３に示す起動工程においては、常温の状態にある燃料電池セルスタック１４の温度を、発電が可能な温度まで上昇させる。
まず、図１３の時刻ｔ０において、発電用空気及び改質用空気の供給が開始される。具体的には、コントローラである制御部１１０が、発電用の酸化剤ガス供給装置である発電用空気流量調整ユニット４５に信号を送って、これを作動させる。上述したように、発電用空気は、発電用空気導入管７４を介して燃料電池モジュール２内に導入され、空気用熱交換器２２、発電用空気供給路７７を経て発電室１０内に流入する。また、制御部１１０は、改質用の酸化剤ガス供給装置である改質用空気流量調整ユニット４４に信号を送って、これを作動させる。燃料電池モジュール２内に導入された改質用空気は、改質器２０、マニホールド６６を経て、各燃料電池セルユニット１６の内部に流入し、その上端から流出する。なお、時刻ｔ０においては、まだ燃料が供給されていないため、改質器２０内において改質反応は発生しない。本実施形態においては、図１３の時刻ｔ０において開始される発電用空気の供給量は約１００L/minであり、改質用空気の供給量は約１０．０L/minである。

次いで、図１３の時刻ｔ０から所定時間後の時刻ｔ１において、燃料の供給が開始される。具体的には、制御部１１０が、燃料供給装置である燃料流量調整ユニット３８に信号を送って、これを作動させる。本実施形態においては、時刻ｔ１において開始される燃料の供給量は約５．０L/minである。燃料電池モジュール２内に導入された燃料は、改質器２０、マニホールド６６を経て、各燃料電池セルユニット１６の内部に流入し、その上端から流出する。なお、時刻ｔ１においては、まだ改質器の温度が低温であるため、改質器２０内において改質反応は発生しない。

次に、図１３の時刻ｔ１から所定時間経過した時刻ｔ２において、供給されている燃料への点火工程が開始される。具体的には、点火工程においては、制御部１１０が、点火手段である点火装置８３（図２）に信号を送り、各燃料電池セルユニット１６の上端から流出する燃料に点火する。点火装置８３は、燃料電池セルスタック１４の上端近傍で繰り返し火花を発生させ、各燃料電池セルユニット１６の上端から流出する燃料に点火する。

図１３の時刻ｔ３において着火が完了すると、改質用の水の供給が開始される。具体的には、制御部１１０が、水供給装置である水流量調整ユニット２８（図６）に信号を送り、これを作動させる。本実施形態においては、時刻ｔ３に開始される水の供給量は、２．０cc/minである。時刻ｔ３においては、燃料供給量は、従前の約５．０L/minに維持される。また、発電用空気及び改質用空気の供給量も、従前の値に維持される。なお、この時刻ｔ３において、改質用空気中の酸素Ｏ２と燃料中の炭素Ｃの比Ｏ２／Ｃは約０．３２になる。

図１３の時刻ｔ３において着火された後、供給された燃料は、各燃料電池セルユニット１６の上端からオフガスとして流出し、ここで燃焼される。この燃焼熱は、燃料電池セルスタック１４の上方に配置された改質器２０を加熱する。ここで、改質器２０の上方（ケース８の上）には、蒸発室用断熱材２３が配置されており、これにより、燃料の燃焼開始直後において、改質器２０の温度は常温から急激に上昇する。蒸発室用断熱材２３の上に配置されている空気用熱交換器２２には外気が導入されているため、空気用熱交換器２２は、特に燃焼開始直後においては温度が低く、冷却源となりやすい。本実施形態においては、ケース８の上面と空気用熱交換器２２の底面の間に蒸発室用断熱材２３が配置されていることにより、ケース８内の上部に配置された改質器２０から空気用熱交換器２２への熱の移動が抑制され、ケース８内の改質器２０付近には熱が籠もりやすくなる。加えて、蒸発部２０ａの上方の、整流板２１の上側の空間は、燃焼ガスの流れが遅くなる気体滞留空間２１ｃ（図２）として構成されているため、蒸発部２０ａ付近は二重に断熱され、より急速に温度が上昇する。

このように、蒸発部２０ａの温度が急速に上昇することにより、オフガスの燃焼開始後短時間で水蒸気を生成することが可能になる。また、蒸発部２０ａには、改質用の水が少量ずつ供給されているため、多量の水が蒸発部２０ａに貯留されている場合に比べ、わずかな熱で水を沸点まで加熱することができ、早急に水蒸気の供給を開始することができる。さらに、水流量調整ユニット２８の作動開始直後から水が流入するため、水の供給遅れによる、蒸発部２０ａの過剰な温度上昇、及び水蒸気の供給遅れを回避することができる。

なお、オフガスの燃焼開始後、或る程度の時間が経過すると、燃焼室１８から空気用熱交換器２２に流入する排気ガスにより、空気用熱交換器２２の温度も上昇する。改質器２０と空気用熱交換器２２の間を断熱する蒸発室用断熱材２３は、断熱材７の内側に設けられた断熱材である。従って、蒸発室用断熱材２３は、燃料電池モジュール２からの熱の散逸を抑制するものではなく、オフガスの燃焼開始直後において、改質器２０、特に、その蒸発部２０ａの温度を急速に上昇させる。

このようにして、改質器２０の温度が上昇した時刻ｔ４において、蒸発部２０ａを経て改質部２０ｂに流入した燃料と改質用空気が、式（１）に示す部分酸化改質反応を起こすようになる。
ＣｍＨｎ＋ｘＯ２ → aＣＯ２＋ｂＣＯ＋ｃＨ２ （１）
この部分酸化改質反応は発熱反応であるため、改質部２０ｂ内で部分酸化改質反応が発生すると、その周囲の温度が局部的に急上昇する。

一方、本実施形態においては、着火が確認された直後の時刻ｔ３から改質用の水の供給が開始されており、また、蒸発部２０ａの温度が急速に上昇するように構成されているため、時刻ｔ４においては、既に蒸発部２０ａ内で水蒸気が生成され、改質部２０ｂに供給されている。即ち、オフガスに着火された後、改質部２０ｂの温度が部分酸化改質反応が発生する温度に到達する所定時間前から水の供給が開始され、部分酸化改質反応が発生する温度に到達した時点においては、蒸発部２０ａに所定量の水が貯留され、水蒸気が生成されている。このため、部分酸化改質反応の発生により温度が急上昇すると、改質部２０ｂに供給されている改質用の水蒸気と燃料が反応する水蒸気改質反応が発生する。この水蒸気改質反応は、式（２）に示す吸熱反応であり、部分酸化改質反応よりも高い温度で発生する。
ＣｍＨｎ＋ｘＨ２Ｏ → aＣＯ２＋ｂＣＯ＋ｃＨ２ （２）

このように、図１３の時刻ｔ４に到達すると、改質部２０ｂ内では部分酸化改質反応が発生するようになり、また、部分酸化改質反応が発生することによる温度上昇で、水蒸気改質反応も同時に発生するようになる。従って、時刻ｔ４以降に改質部２０ｂ内で発生する改質反応は、部分酸化改質反応と水蒸気改質反応が混在した式（３）に示すオートサーマル改質反応（ＡＴＲ）となる。即ち、時刻ｔ４においてＡＴＲ１工程が開始される。
ＣｍＨｎ＋ｘＯ２＋ｙＨ２Ｏ → aＣＯ２＋ｂＣＯ＋ｃＨ２ （３）

このように、本発明の実施形態の固体酸化物型燃料電池１では、起動工程の全期間において水が供給されており、部分酸化改質反応（ＰＯＸ）が単独で発生することはない。なお、図１３に示すタイムチャートでは、時刻ｔ４における改質器温度は約２００℃である。この改質器温度は部分酸化改質反応が発生する温度よりも低いが、改質器温度センサ１４８（図６）により検出されている温度は改質部２０ｂの平均的な温度である。実際には、時刻ｔ４においても、改質部２０ｂは部分的には部分酸化改質反応が発生する温度に到達しており、発生した部分酸化改質反応の反応熱により、水蒸気改質反応をも誘発される。このように、本実施形態においては、着火された後、改質部２０ｂが部分酸化改質が発生する温度に到達する前から、水の供給が開始されており、部分酸化改質反応が単独で発生することがない。

次に、改質器温度センサ１４８による検出温度が約５００℃以上に到達すると、図１３の時刻ｔ５において、ＡＴＲ１工程からＡＴＲ２工程に移行される。時刻ｔ５において、水供給量が２．０cc/minから３．０cc/minに変更される。また、燃料供給量、改質用空気供給量及び発電用空気供給量は従前の値が維持される。これにより、ＡＴＲ２工程における水蒸気と炭素の比Ｓ／Ｃは０．６４に増加される一方、改質用空気と炭素の比Ｏ２／Ｃは０．３２に維持される。このように、改質用空気と炭素の比Ｏ２／Ｃを一定に維持しながら、水蒸気と炭素の比Ｓ／Ｃを増加させることにより、部分酸化改質可能な炭素の量を低下させずに、水蒸気改質可能な炭素の量が増加される。これにより、改質部２０ｂにおける炭素析出のリスクを確実に回避しながら、改質部２０ｂの温度上昇と共に、水蒸気改質される炭素の量を増加させることができる。

さらに、図１３の時刻ｔ６本実施形態において、発電室温度センサ１４２による検出温度が約４００℃以上に到達すると、ＡＴＲ２工程からＡＴＲ３工程に移行される。これに伴い、燃料供給量が５．０L/minから４．０L/minに変更され、改質用空気供給量が９．０L/minから６．５L/minに変更される。また、水供給量及び発電用空気供給量は従前の値が維持される。これにより、ＡＴＲ３工程における水蒸気と炭素の比Ｓ／Ｃは０．８０に増加される一方、改質用空気と炭素の比Ｏ２／Ｃは０．２９に減少される。

さらに、図１３の時刻ｔ７において、発電室温度センサ１４２による検出温度が約５５０℃以上に到達すると、ＳＲ１工程に移行される。これに伴い、燃料供給量が４．０L/minから３．０L/minに変更され、水供給量が３．０cc/minから７．０cc/minに変更される。また、改質用空気の供給は停止され、発電用空気供給量は従前の値が維持される。これにより、ＳＲ１工程では、改質部２０ｂ内で専ら水蒸気改質が発生するようになり、水蒸気と炭素の比Ｓ／Ｃは、供給された燃料の全量を水蒸気改質するために適切な２．４９に設定される。図１３の時刻ｔ７においては、改質器２０、燃料電池セルスタック１４とも、十分に温度が上昇しているので、改質部２０ｂにおいて部分酸化改質反応が発生していなくとも、水蒸気改質反応を安定して発生させることができる。

次に、図１３の時刻ｔ８において、発電室温度センサ１４２による検出温度が約６００℃以上に到達すると、ＳＲ２工程に移行される。これに伴い、燃料供給量が３．０L/minから２．５L/minに変更され、水供給量が７．０cc/minから６．０cc/minに変更される。また、発電用空気供給量は従前の値が維持される。これにより、ＳＲ２工程では、水蒸気と炭素の比Ｓ／Ｃは、２．５６に設定される。

さらに、ＳＲ２工程を所定時間実行した後、発電工程に移行する。発電工程においては、燃料電池セルスタック１４からインバータ５４（図６）に電力が取り出され、発電が開始される。なお、発電工程では、改質部２０ｂにおいて、専ら水蒸気改質により燃料が改質される。また、発電工程においては、燃料電池モジュール２に対して要求される出力電力に対応して、燃料供給量、発電用空気供給量、及び水供給量が変更される。

また、発電工程において発電を実行後、燃料電池モジュール２の運転停止を行う場合には、燃料ガス及び水蒸気の改質器２０への供給量を減少させると同時に、改質用空気流量調整ユニット４４による発電用空気の燃料電池モジュール２内への供給量を増大させて、燃料電池セル集合体１２及び改質器２０を空気により冷却し、これらの温度を低下させる。その後、改質器２０の温度が所定温度、例えば、４００℃まで低下したとき、燃料ガス及び水蒸気の改質器２０への供給を停止し、改質器２０の水蒸気改質反応ＳＲを終了する。この発電用空気の供給は、改質器２０の温度が所定温度、例えば、２００℃まで低下するまで、継続し、この所定温度となったとき、発電用空気流量調整ユニット４５からの発電用空気の供給を停止する。

上述した本発明の実施形態の固体酸化物型燃料電池によれば、改質器２０内部に設けられた蒸発部２０ａは底壁２０ｓと側壁２０ｒ、および底壁２０ｓに対して鈍角の角度で直線的に形成された斜め壁である接触箇所増加部２０ｑにより構成されており、蒸発を促進するための球状の充填材２０ｔが蒸発部２０ａ内に封入され、改質器導入管６２から蒸発部へ供給された水は蒸発され水蒸気となる。このように構成された本発明では、蒸発部の底壁２０ｓと側壁２０ｒがなすコーナ角壁と球状の充填材２０ｔとの隙間空間は非常に小さくなり、過剰に水が溜まることなく確実に蒸発させることができる。さらに、充填材２０ｔと蒸発部の底面２０ｓとの接点以外にも異なる位置で充填材２０ｔに熱を付与できるように構成されているため、充填材２０ｔと底面２０ｓとの接点が水に曝されても、充填材２０ｔの温度降下を防止し、継続的な蒸発を確実に促進でき、突沸が生じることを確実に抑制し、突沸に起因する種々の問題を解決することができる。

また、本実施形態の固体酸化物型燃料電池によれば、水流量調整ユニット２８を構成している水ポンプは、脈動式のプランジャーポンプ（図示省略）を使用しているが、確実に突沸を継続的に防止できるため、非連続的に水を供給することができる。具体的には、プランジャーポンプでは一回で送る水の供給が多くなるため突沸を誘発させやすくなってしまうという課題を生じるが、本件発明の採用で確実に蒸発させることができるので、プランジャーポンプの採用が可能になるものである。

さらに、本実施形態の固体酸化物型燃料電池によれば、蒸発部２０を構成するコーナ角壁部に鈍角となる直線的な斜め壁である接触箇所増加部２０ｑを設ける構成で、水が溜まる位置より高い位置にもう一点充填材２０ｔとの接触部を設けることができる。これによって、底壁２０ｓとの接触部の温度降下が生じても温度降下していない斜め壁である接触箇所増加部２０ｑから充填材２０ｔに熱を付与でき、継続的な蒸発を確実に行わせることができるものである。

１ 固体酸化物型燃料電池
２ 燃料電池モジュール
４ 補機ユニット
７ 断熱材
８ ケース
８ａ 連通開口
８ｂ 下がり壁
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（固体酸化物型燃料電池セル）
１８ 燃焼室
２０ 改質器
２０ａ 蒸発部
２０ｂ 混合部
２０ｃ 改質部
２０ｄ 蒸発部の仕切り板
２０ｅ 蒸発部の蛇行通路
２０ｆ 混合部の仕切り板
２０ｇ 混合部の蛇行通路
２０ｈ 改質部の仕切り板
２０ｉ 改質部の通路
２０ｊ 蒸発／混合部隔壁（熱交換抑制壁部）
２０ｋ 隔壁開口
２０ｌ 壁部本体
２０ｍ フィン（突出部）
２０ｎ 蒸発部の入口
２０ｏ 混合／改質部隔壁
２０ｐ 連通孔
２０ｑ 接触箇所増加部
２０ｒ 改質器／蒸発部側壁
２０ｓ 改質器／蒸発部底壁
２０ｔ 充填材
２１ 整流板
２１ａ 開口部
２１ｂ 排気通路
２１ｃ 気体滞留空間
２１ｄ 縦壁
２２ 空気用熱交換器
２３ 蒸発室用断熱材
２４ 水供給源
２６ 純水タンク
２８ 水流量調整ユニット（水供給装置）／（プランジャーポンプ）
３０ 燃料供給源
３８ 燃料流量調整ユニット（燃料供給装置）
３９ バルブ
４０ 空気供給源
４４ 改質用空気流量調整ユニット（改質用の酸化剤ガス供給装置）
４５ 発電用空気流量調整ユニット（発電用の酸化剤ガス供給装置）
４６ 第１ヒータ
４８ 第２ヒータ
５０ 温水製造装置
５２ 制御ボックス
５４ インバータ
６２ 改質器導入管
６２ａ Ｔ字管
６３ａ 水供給用配管
６３ｂ 燃料ガス供給用配管
６４ 燃料ガス供給管
６４ｃ 圧力変動抑制用流路抵抗部
６６ マニホールド
７６ 空気導入管
７６ａ 吹出口
８２ 排気ガス排出管
８３ 点火装置
８４ 燃料電池セル
８５ 排気バルブ
８６ 内側電極端子
９８ 燃料ガス流路細管
１１０ 制御部
１１２ 操作装置
１１４ 表示装置
１１６ 警報装置
１２６ 電力状態検出センサ
１３２ 燃料流量センサ
１３８ 圧力センサ
１４２ 発電室温度センサ
１４８ 改質器温度センサ
１５０ 外気温度センサ

Claims (3)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスを供給させることで発電する固体酸化物型燃料電池において、
   複数の燃料電池セルにより構成させる燃料電池セルスタックと、
   前記燃料電池セルスタックの発電に寄与しなかった、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスを燃焼させることにより昇温される箱状の改質器と、
   前記改質器内部に配置された改質部及び、該改質部と隣接し、水を蒸発して水蒸気を生成する蒸発部と、
   前記蒸発部に改質に必要な水を供給する改質器導入管と、
   を備え、
   前記蒸発部内部には、蒸発を促進させる球状の充填材が複数封入され、かつ、前記蒸発部を構成する底壁と側壁の間には、前記底壁と側壁部に位置する充填材に対して異なった少なくとも２点で接触する接触箇所増加部が設けられている
   ことを特徴とする固体酸化物型燃料電池。
2. 前記改質器導入管からの水は、非連続的に前記蒸発部へ供給され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。
3. 前記接触箇所増加部は、前記底壁と側壁間を繋ぎ、かつ底壁に対して鈍角の角度で直線的に形成された斜め壁として構成され、該斜め壁及び前記底壁に対して前記一つの充填材が異なった位置で接触するように構成されている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。
   

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