JP6213894B2 - 固体酸化物型燃料電池装置 - Google Patents

Description

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

従来から、燃料電池の一種として、反応ガスにより作動する複数の燃料電池セルを備えた固体電解質形燃料電池（以下、「ＳＯＦＣ」ともいう）がある。このＳＯＦＣは、通常、発電室内に配設された複数の燃料電池セルを密集して備え、当該発電室内に供給された酸化剤ガスとしての空気を当該燃料電池セルのカソード電極に供給し、当該燃料電池セルのアノード電極には、ガスマニホールドを介して供給される燃料ガスとしての水素ガスを供給することで、発電反応を起こすことができるように構成されている。

特開２０１１−１００６４０号公報

燃料電池において、燃料ガスを蓄積したガスマニホールド（以下、「燃料ガスタンク」ともいう）から、ガスマニホールド上に複数立設した燃料電池セルに燃料ガスを均一に供給するためには、複数の燃料電池セルと接続するガスマニホールドの天板近傍において、燃料ガスの流量が全体にわたって均一である必要がある。このため仕切板によりガスマニホールド内を区画し、ガスマニホールド内に設けられた燃料ガス供給管から複数の部屋に燃料を供給することが考えられる。しかし、区画した各空間への燃料の供給を均一にすることが困難である。

すなわち、燃料ガスは管状の燃料供給管からガスマニホールドに供給されるため、噴出されるガス噴出孔の位置によって、燃料ガスの流量が異なる。燃料電池装置の定格運転時においては、燃料ガスが大量にガスマニホールドに供給されるため、ガスマニホールド内の燃料供給管の始端部分で燃料ガスの噴出流量が大きい。一方、ガスマニホールド内の燃料供給管の終端部分では、燃料ガスの噴出によって燃料ガス供給管の管内の圧力が低下しているため、噴出流量は小さい。また、燃料電池装置の低出力運転時においては、燃料電池セルスタックへの燃料ガスの供給量が少ないため、ガス噴出孔からの噴出流量は小さく、燃料供給管の始端部分に燃料ガスが溜まり易い。

以上のように、区画した各空間によって燃料ガスの流量が異なってしまい、その結果、各々の燃料電池セルへのガスの供給量がばらついてしまう。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、固体酸化物型の燃料電池セルを密集させて構成した燃料電池セル集合体を組み込んだ燃料電池装置において、複数の燃料電池セルのそれぞれに燃料ガスを均一に供給することのできる固体酸化物型燃料電池装置を提供することにある。

上記課題を解決するために本発明に係る固体酸化物型燃料電池装置は、酸化剤ガスと燃料ガスとを利用して発電する固体酸化物型の燃料電池装置であって、行列配置した複数の燃料電池セルと、複数の燃料電池セルの各々に燃料ガスを供給するよう燃料電池セルが上板に立設されたガスマニホールドと、ガスマニホールドの外部から導入した燃料ガスをガスマニホールドの内部に噴出する燃料ガス供給管と、を備え、燃料ガス供給管は、ガスマニホールドの内部において、ガスマニホールドの内壁の一面からこれに対向する他面にかけて延在し、燃料ガス供給管の下方には、管内を通過した燃料ガスをガスマニホールドの底面に向けて噴出するためのガス噴出孔を、燃料ガス供給管が延在する方向に複数有し、燃料ガス供給管が延在する方向と直交する方向にガスマニホールドの内部空間を複数の空間に区画する仕切板が配設されており、仕切板により区画された複数の空間を、燃料ガス供給管から供給された燃料ガスが移動することを防ぐために、仕切板のガスマニホールドの少なくとも底面側に、仕切部を有し、仕切板により区画された複数の空間を、燃料ガス供給管から供給された燃料ガスが移動するために、仕切板のガスマニホールドの上板側に、通気部が設けられている固体酸化物型燃料電池装置である。

ガスマニホールド内に燃料ガスを均一に供給するために、仕切板を用いてガスマニホールド内を複数の空間に分離している。ここで、ガスマニホールドの内部空間の分離は、ガスマニホールドの内部空間を、燃料電池セルの本数に応じた比率で、複数の空間に区画するように仕切板を配設させるとよい。しかし、上述の通り、ガスマニホールド内に配置される燃料ガス供給管のガス噴出孔から噴出される燃料ガスの流量は必ずしもすべてのガス噴出孔において均一ではない。従って、ガスマニホールド内の空間を仕切板によって完全に分離してしまうと、分離された空間ごとに供給された燃料ガスの流量が異なり、燃料電池セルへ供給する燃料ガスの流量が不均一となってしまう。

そこで本発明では、仕切板の底面側に仕切部を設け、上板側に通気部を設ける。これにより、区画された空間に供給され仕切部によって当該空間内で流量が均一化された燃料ガスが、通気部を介して隣り合う区画された空間に移動し、ガスマニホールド内の上方で燃料ガスが拡散するため、ガスマニホールド上面において、それぞれの区画された空間における燃料ガスの流量（燃料ガスの容積当たりの正味流量（各区画での流入量と流出量の差分。以下、単に流量とも記す））の均一性を高めることができる。

また本発明に係る固体酸化物型燃料電池装置において、複数のガス噴出孔は、燃料ガスをガスマニホールドの底面に向けて噴出させるために、燃料ガス供給管の最下端に設けられていることも好ましい。

この好ましい態様では、燃料ガスの噴出孔を燃料ガス供給管の最下端に設けることにより、燃料ガスをガスマニホールドの底面に的確に噴出させることができるため、底面に燃料ガスを当てることで底面に沿って燃料ガスを広げ、上昇させることで、区画された空間内で燃料ガスの均一性を高めることができる。特に、燃料ガスが水素である場合、その質量は極めて小さいため容易に上昇する。従って、燃料ガスの噴出孔を燃料ガス供給管の最下端に設けることで、軽い水素をガスマニホールド内で上昇させる前に、ガスマニホールドの底面にあてて拡散させることによって、ガスマニホールド内に水素を十分拡散させることができる。

また本発明に係る固体酸化物型燃料電池装置において、前記複数のガス噴出孔は、前記複数の燃料電池セルの前記燃料ガスを供給するための燃料ガス導入口の直下から外れた位置に設けられていることも好ましい。

この好ましい態様では、燃料ガス導入管の燃料ガス噴出孔と、燃料電池セルの燃料ガス導入口との位置を重ならないようにずらして配置することで、ガスマニホールドに供給された燃料ガスが上昇して直接燃料電池セルの燃料ガス導入口に直接的に供給されることを防ぐことができる。これによって、ガス噴出孔より噴出された段階で不均一な流量である燃料ガスが直接燃料電池セルに供給されることなく、マニホールド内に滞留させることで、燃料電池セルに供給する燃料ガスの流量の均一性を高めることができる。

また本発明に係る固体酸化物型燃料電池装置において、燃料ガス導入口は、前記ガスマニホールドの上板よりも下方に突出していることも好ましい。

ガスマニホールドの下方に供給された燃料ガスは、上昇して燃料ガス導入口より燃料電池セルに供給される。この好ましい態様では、燃料ガス導入口がガスマニホールドの上板よりも下方に突出していることで、上昇しガスマニホールドの上板に到達した燃料ガスがそのまま燃料ガス導入口に向かわず、ガスマニホールドの上方で滞留することで、通気部を介した隣り合う区画された空間間のガスの移動が促され、ガスマニホールド上方における燃料ガス流量の均一性を向上させることができる。

本発明によれば、固体酸化物型の燃料電池セルを密集させて構成した燃料電池セル集合体を組み込んだ燃料電池装置において、複数の燃料電池セルのそれぞれに燃料ガスを均一に供給することのできる固体酸化物型燃料電池装置を提供することができる。

本発明の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の中央近傍における断面図であって、図１のＡ方向から見た断面を示す断面図である。 図１の中央近傍における断面図であって、図１のＢ方向から見た断面を示す断面図である。 図１のケーシングから一部の外板を取り除いた状態を示す斜視図である。 本実施形態に用いられる燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。 本実施形態における燃料電池セルスタックの構成を示す斜視図である。 燃料ガスタンク上板上に立設した燃料電池セルの接続部を示す断面図である。 図２に相当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模式図である。 図４の燃料電池セルユニットを取り外した燃料ガスタンクの斜視図である。 図９の燃料ガスタンクから燃料ガスタンク上板を外した分解斜視図（Ａ）及び仕切板を示す図（Ｂ）である。 図２の断面において、燃料電池セル集合体と燃料ガスタンクと、燃料ガスタンク内の仕切板との間における燃料ガスの移動を示す作用図である。

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。

本発明の実施形態である燃料電池モジュール（固体酸化物型燃料電池装置）について、図１を参照しながら説明する。図１に示す燃料電池モジュール２は、固体電解質形燃料電池装置の一部を構成するものである。固体電解質形燃料電池装置は、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。

図１においては、燃料電池モジュール２の高さ方向をｙ軸方向としている。このｙ軸に直交する平面に沿ってｘ軸及びｚ軸を定義し、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軸方向としている。図２以降において図中に記載している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、ｚ軸の負方向に沿った方向をＡ方向とし、ｘ軸の正方向に沿った方向をＢ方向としている。

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の内部は密封空間となっている。ケーシング５６には、被改質ガス供給管６０と、水供給管６２とが繋げられている。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とが繋げられている。

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。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。発電用空気導入管７４は、改質後の燃料ガスと発電反応を起こさせるための発電用空気（酸化剤ガス）を供給する管路である。燃焼ガス排出管８２は、発電反応後の燃料ガスを燃焼した結果生じる燃焼ガスを排出する管路である。

続いて、図２〜図４を参照しながら、燃料電池モジュール２の内部について説明する。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る。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。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の一部を取り外した状態を示す斜視図である。

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により、全体が覆われている。図４に示すように、燃料電池セル集合体１２は、全体としてＢ方向よりＡ方向の方が長いほぼ直方体形状であり、改質器２０側の上面、燃料ガスタンク６８（ガスマニホールド）側の下面、図４のＡ方向に沿って延びる長辺側面と、図４のＢ方向に沿って延びる短辺側面と、を備えている。

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（図に明示しない）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共に、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に繋がれている。より具体的には、図３に示すように、改質器２０の上流端である図中右側の端部に繋がれている。

改質器２０は、燃料電池セル集合体１２の上方に形成された燃焼室１８の更に上方に配置されている。したがって、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、蒸発混合器としての役割と、改質反応を起こす改質器としての役割とを果たすように構成されている。

改質器２０の下流端（図３の左端）には、燃料供給管６６の上端が接続されている。この燃料供給管６６の下端６６ａは、図２に示すように、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〜図４に示すように、燃料ガスタンク６８は、燃料電池セル集合体１２の真下に設けられている。図９、図１０（Ａ）に示すように、改質器２０から下方へ延びた燃料供給管６６は、燃料ガスタンク６８内に挿入されている。燃料ガスタンク６８内に挿入された燃料供給管６６は、燃料ガスタンク６８の内部において、燃料供給管６６が挿入された燃料ガスタンク６８の内壁面からこれに対向する他の面にかけて延在し、他の面の近傍で終端している。燃料ガスタンク６８の内部において燃料供給管６６の下方には、長手方向（Ａ方向）に沿って複数のガス噴出孔６６ｂが形成されている。本実施形態においては、ガス噴出孔６６ｂは、燃料供給管６６の最下端に一定の間隔で直線状に配置されている。

燃料ガスタンク６８の内部には、燃料ガスタンク６８が延在する長手方向（Ａ方向）と直交する方向に複数の仕切板６９が設けられている。仕切板６９は、燃料ガスタンク６８の短手方向の両側面に面するよう折り曲げられ、固定される一対の側面固定片６９ｆと、燃料ガスタンク６８の底面に固定される底面固定片６９ｄを備え、また燃料供給管６６を通すための燃料ガス供給管用貫通孔６９ｈが設けられている。仕切板６９は、さらに仕切部６９ａと、通気部６９ｂ、６９ｇ、６９ｉを有する（図１０（Ａ）、（Ｂ）参照）。複数の仕切板６９は、燃料ガスタンク６８内部の空間を複数の空間に区画している。仕切板６９において、仕切部６９ａは燃料ガスタンク６８の少なくとも底面側に設けられており、燃料ガスタンク６８内に噴出された燃料ガスの移動を妨げて、燃料ガスの流速を低減する機能を有する。図１０（Ｂ）に示すように、仕切部６９ａは、燃料ガスタンク６８の底面側のみに限らず、部分的にガスタンク燃料ガスタンク６９の上板側に設けると良い。この場合、仕切板６９は燃料ガスタンク上板６８ａと接するため、燃料ガスタンクの上板６８ａを支持することができる。従って、仕切板６９には剛性のある部材を用いると良い。

なお、図１０（Ｂ）に示すように、仕切板６９の左右下端には、燃料ガスタンク６８の側面と底面との接合形状に合わせて切り込み６９ｃが設けられている。このため、仕切板６９の左右下端においては、仕切板６９と燃料ガスタンク６８との間に僅かな隙間が生じる場合があるが、端部であるため実質的に燃料ガスタンク６８内の燃料ガスの移動にはほとんど影響しない。従って、本発明においては、このような端部の隙間のある構成であっても、仕切部６９ａによって燃料ガスタンク６８の底面側の燃料ガスの移動を防いでいるとみなすことができる。

一方、仕切板６９の燃料ガスタンク上板６８ａ側に設けられた通気部６９ｂ、６９ｇ、６９ｉによって、燃料ガスタンク６８の上方に位置する燃料ガスは、仕切板６９により区画された隣り合う空間の間を移動することができる。

すべての仕切板６９は燃料供給管６６のガス噴出孔６６ｂと交差しない位置で配置されている。改質器２０で改質された燃料ガスは、これら複数のガス噴出孔６６ｂから燃料ガスタンク６８の底面に向けて噴出され、仕切板６９によって区切られた燃料ガスタンク６８の小部屋の中で燃料ガスタンク６８の短手方向、言い換えると仕切板６９の仕切部６９ａに沿って拡散し、上昇した燃料ガスは通気部６９ｂ、６９ｇ、６９ｉを通じて隣り合う小部屋との圧力勾配を緩和する方向に一部が流通することにより、燃料ガスタンク６８の上方全体に亘って燃料ガスが均一となり、燃料電池セルに燃料ガスが均一に供給されるようになっている。燃料ガスタンク６８に供給された燃料ガスは、図１１の破線矢印で示すように、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。

続いて、図５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５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。

図５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の上下方向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。三相界面は、イオン化反応（水素のイオン化反応及び酸素のイオン化反応）が行われる場所である。三相界面は、燃料電池セル８４内に形成され、内側電極層９０と電極触媒と電解質層９４とが互いに接している界面、及び外側電極層９２と電極触媒と電解質層９４とが互いに接している界面に形成される。

燃料電池セルユニット１６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、下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の下部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と下端面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の下端面９０ｃと直接接触することで内側電極層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９８が形成されている。

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。

続いて、図６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６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。

図６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により支持されている。上支持板１００は、素材として、例えばＭｇＯ（マグネシア）を用いる。これらの燃料ガスタンク上板６８ａ及び上支持板１００には、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ものである。

さらに、燃料電池セルスタック１４の端に位置する２個の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には、それぞれ外部端子１０４が接続されている。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の外部端子１０４に接続され、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。

燃料電池セルユニット１６は、燃料ガスタンク上板６８ａ上に配置する際に、内側電極端子８６と燃料ガスタンク上板６８ａとの間に、ブッシュ３０を設ける。このブッシュ３０は、燃料電池セルユニット１６の内側電極端子８６を燃料ガスタンク上板６８ａの貫通穴に挿入して固定する際に用いる部材である。つまり、ブッシュ３０は、燃料電池セルユニット１６をガスマニホールドに固定する部材として用いられる。

図７は、燃料ガスタンク上板６８ａ上に立設した燃料電池セルの接続部を示す部分断面図である。燃料電池セル８４の下端は、固体電解質層や燃料極が露出している。燃料極は銀ロウ部９６ｂを介して、又はこれを介さずに内側電極端子８６と電気的に接続している。銀ロウ部９６ｂの上部にはガラスシール部９６ａが設けられ、燃料電池セル８４と内側電極端子８６とを固定するとともに、内側を流れる燃料ガスが発電室に漏れないように気密している。内側電極端子８６は下に凸の形状であり、突出した部分が燃料ガスタンク上板６８ａに設けられた貫通孔内に挿入され、ブッシュ３０及びブッシュ３０上に設けられたガラスシール３６によって固定されている。ブッシュ３０は絶縁性を有する部材でなり、燃料ガスタンク上板６８と内側電極端子８６との電気的な短絡を防止している。内側電極端子８６とブッシュ３０の下端は、燃料ガスタンク上板６８ａに設けられた貫通穴を越えて燃料ガスタンク上板６８ａの下面よりも突出して設けられている。このため、燃料ガス導入口は、燃料ガスタンク上板６８ａよりも下方に位置する。

続いて、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構造を、図２〜図４及び図８を参照しながら説明する。図８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る。図８に示すように、改質器２０の上方に、熱交換器２２が設けられている。熱交換器２２には、複数の燃焼ガス配管７０と、この燃焼ガス配管７０の周囲に形成された発電用空気流路７２とが設けられている。

熱交換器２２の上面における一端側（図３における右端）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。

熱交換器２２の上側の他端側（図３における左端）には、図２に示すように、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につながっている。さらに、燃料電池モジュール２のケーシング５６の幅方向（Ｂ方向：短辺側面方向）の両側の外側には、発電用空気供給路７７が形成されている。

したがって、発電用空気供給路７７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。この発電用空気供給路７７は、燃料電池セル集合体１２の長手方向に沿って形成されている。さらに、その下方側であり且つ燃料電池セル集合体１２の下方側に対応する位置に、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吹き出すための複数の吹出口７８ａ，７８ｂが形成されている。これらの吹出口７８ａ，７８ｂから吹き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、上方側に流れる。

続いて、図３及び図８を参照して、燃料ガスと発電用空気とが燃焼して生成される燃焼ガスを排出するための構造を説明する。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、整流板２１に至る。整流板２１には、開口２１ａが設けられており、開口２１ａ内に燃焼ガスが導かれる。この開口２１ａを通った燃焼ガスは、熱交換器２２の他端側に至る。熱交換器２２内には、燃焼室１８で燃料ガスと発電用空気が燃焼して生成された燃焼ガスを排出するための複数の燃焼ガス配管７０が設けられている。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、燃焼ガスが外部に排出されるようになっている。

続いて、燃料ガスタンク６８内の燃料ガスの移動の様子について、図１０（Ａ）及び図１１を参照して説明する。

図１１に示すように、燃料供給管６６の下端に設けられたガス噴出孔から燃料ガスが噴出される。燃料供給管６６内の燃料ガスの流量が大きい場合には、燃料ガス供給管６６の内圧が高い状態となるため、ガス噴出孔から噴出の勢いは強く、一方燃料ガスの流量が小さい場合には、噴出の勢いは当然弱くなる。噴出された燃料ガスは、燃料ガスタンク６８の底面に当たると移動方向が変えられて、仕切板６９の設けられた方向に沿って流れる一方で、上昇する。特に燃料ガスが水素である場合には、その質量が極めて小さいことから、燃料ガスは瞬時に上昇する。このため、燃料ガスの噴出孔を燃料ガス供給管の最下端に設けることで、質量の小さい水素をガスマニホールド内で上昇させる前に、ガスマニホールドの底面にあてて拡散させることによって、ガスマニホールド内に水素を十分拡散させることができる。このとき、特に燃料ガスタンク６８の下方においては、仕切部６９ａが設けられているため、横方向の拡散が小部屋内の空間に留められる。このように、ガス噴出孔を燃料供給管６６の下端に設けることで、燃料ガスを小部屋全体に拡散させることができる。このため、仕切板６９により区画された空間内で、燃料ガスを均一の流量とすることができる。

しかし、図１０（Ａ）に示すように、燃料ガスは管状の燃料供給管６６から燃料ガスタンク６８に供給されるため、噴出されるガス噴出孔の位置によって、燃料ガスの流量が異なる。燃料電池装置の定格運転時においては、燃料ガスが大量に燃料ガスタンク６８に供給されるため、燃料ガスタンク６８内の燃料供給管６６の始端部分で燃料ガスの噴出流量が大きい。一方、燃料ガスタンク６８内の燃料供給管６６の終端部分では、燃料ガスの噴出によって燃料ガス供給管６６の管内の圧力が低下しているため、噴出流量は小さい。また、燃料電池装置の低出力運転時においては、燃料電池セルスタックへの燃料ガスの供給量が少ないため、ガス噴出孔からの噴出流量は小さく、燃料供給管の始端部分に燃料ガスが溜まり易い。

このように仕切板６９により区画された燃料ガスタンク６８内部のそれぞれの空間での流量差を均一化するために、仕切板６９の上方に通気部６９ａが設けられている。図１１に示したように、横方向に拡散した燃料ガスは燃料ガスタンク上板６８ａへ向かって上昇するが、燃料ガスが燃料電池セルに供給されるための燃料ガス導入口の直径は小さく、圧損が高いため、また、当該燃料ガス導入口がガス噴出口と上下方向においてずれているため、上昇した燃料ガスはそのまま燃料ガス導入口に流れずに、燃料ガスタンク６８の上方で滞留する。ここで、仕切板６９に通気部６９ｂ、６９ｇ、６９ｉが設けられているため、燃料ガスタンク６８の上方に流れた燃料ガスは、当該通気部６９ｂ、６９ｇ、６９ｉを介して隣り合う小部屋に移動することができる。実際には、燃料ガスの流量の多い小部屋から燃料ガスの流量の少ない小部屋へと、通気部６９ｂ、６９ｇ、６９ｉを介して燃料ガスが移動するため、結果的に燃料ガスタンク６８の上方において、燃料ガスの流量は均一化する。このため、燃料ガスタンク上板６８ａ上に設けられた複数の燃料電池セルのそれぞれに、均一な流量の燃料ガスを供給することができる。

ここで、図７に示すように、燃料ガス導入口が燃料ガスタンク上板６８ａよりも下方に設けることによって、上昇し燃料ガスタンク６８の上板に到達した燃料ガスがそのまま燃料ガス導入口に向かうことなく、燃料ガスタンク上板６８aの近傍で滞留する。このため通気部６９ｂ、６９ｇ、６９ｉを介した隣り合う小部屋間の燃料ガスの移動が促され、燃料ガスタンク６８上方における燃料ガスの均一性を一層向上させることができる。

以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。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、本発明の範囲に包含される。例えば、前述した各具体例が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく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範囲に包含される。

２：燃料電池モジュール（固体酸化物型燃料電池装置）
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
３０：ブッシュ
３６：ガラスシール部
５６：ケーシング
５６ａ：ケーシング底板
６０：被改質ガス供給管
６２：水供給管
６６：燃料供給管
６６ａ：下端
６６ｂ：ガス噴出孔
６８：燃料ガスタンク（ガスマニホールド）
６８ａ：燃料ガスタンク上板
６８ｂ：燃料ガスタンク側板
６８ｃ：貫通孔
６９：仕切板
６９ａ：仕切部
６９ｂ：通気部
６９ｃ：切り込み
６９ｄ：底面固定片
６９ｆ：側面固定片
６９ｇ：通気部
６９ｈ：燃料ガス供給管用貫通孔
６９ｉ：通気部
７０：燃焼ガス配管
７２：発電用空気流路
７４：発電用空気導入管
７６：連絡流路
７６ａ：出口ポート
７７：発電用空気供給路
７８ａ，７８ｂ：吹出口（気流生成部）
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：下部
９０ｂ：外周面
９０ｃ：下端面
９２：外側電極層
９４：電解質層
９６：シール材
９６ａ：ガラスシール部
９６ｂ：銀ロウ部
９８：燃料ガス流路
１００：上支持板
１０２：集電体
１０４：外部端子

Claims (3)

1. 酸化剤ガスと燃料ガスとを利用して発電する固体酸化物型の燃料電池装置であって、
   行列配置した複数の燃料電池セルと、
   前記複数の燃料電池セルの各々に燃料ガスを供給するよう前記燃料電池セルが上板に立設されたガスマニホールドと、
   前記ガスマニホールドの外部から導入した前記燃料ガスを前記ガスマニホールドの内部に噴出する燃料ガス供給管と、を備え、
   前記燃料ガス供給管は、前記ガスマニホールドの内部において、前記ガスマニホールドの内壁の一面からこれに対向する他面にかけて延在し、
   前記燃料ガス供給管の下方には、管内を通過した前記燃料ガスを前記ガスマニホールドの底面に向けて噴出するためのガス噴出孔を、前記燃料ガス供給管が延在する方向に複数有し、
   前記燃料ガス供給管が延在する方向に前記ガスマニホールドの内部空間を複数の空間に区画するように、前記燃料ガス供給管が延在する方向と直交する方向に仕切板が配設されており、
   前記仕切板により区画された前記複数の空間を、前記燃料ガス供給管から供給された前記燃料ガスが移動することを防ぐために、前記仕切板の前記ガスマニホールドの少なくとも底面に接した仕切部を有し、
   前記仕切板により区画された前記複数の空間を、前記燃料ガス供給管から供給された前記燃料ガスが移動するために、前記仕切板の前記ガスマニホールドの上板に接した通気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装置。
2. 複数の前記ガス噴出孔は、前記燃料ガスを前記ガスマニホールドの底面に向けて噴出させるために、前記燃料ガス供給管の最下端に設けられていることを特徴とする、請求項１記載の固体酸化物型燃料電池装置。
3. 前記複数のガス噴出孔は、前記複数の燃料電池セルの前記燃料ガスを供給するための燃料ガス導入口の直下から外れた位置に設けら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装置。

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