JP6804363B2 - 固体電解質形燃料電池モジュール - Google Patents

Description

本発明は、燃料ガスと空気とが供給される固体電解質形燃料電池セルと、燃料ガスの一部を発電に利用し、残りの燃料ガス（アノードオフガス）を、発電で酸素を一部消費した空気（カソードオフガス）と混合させて燃焼する混合燃焼部とを備え、その燃焼熱を利用して動作温度を維持して発電を継続する、固体電解質形燃料電池モジュールに関する。

固体電解質形燃料電池（ＳＯＦＣ）は、燃料電池反応で消費し切れなかった燃料ガス（アノードオフガス）を燃焼室において燃焼させ、当該燃焼熱を、燃料ガスの前処理としての蒸発および改質反応（吸熱反応）の加熱に利用する。家庭用ＳＯＦＣシステム（定格発電量７００Ｗ級）では、一般に発電に使用する燃料ガスの燃料利用率（以下、「Ｕｆ」と略記する）は７０％〜７８％であり、残りの２２％〜３０％を燃焼させている。燃焼させる際の酸化剤としては、燃料電池の空気側電極で酸素を一部消費した空気（カソードオフガス）が使用される（例えば、特許文献１参照）。

高い発電効率を実現するための手段の一つとして、燃料利用率（Ｕｆ）をより高く設定する方法がある。その背反として、アノードオフガスの熱量が低下し、その際、燃焼室温度が低下し、均一な燃焼状態が維持できなくなり、急激に燃焼が悪化する失火リスクが高まる虞がある。

一方で、空気流量および空気利用率は、燃料電池部（セルスタック）の動作温度を適正範囲に収める観点で最適な制御範囲が決定される。すなわち、空気流量を少なくすれば、セルスタックの温度は上昇し、セルの電圧は高くなり、高い発電効率を得るには有利となるが、セルスタックの耐熱性を勘案して適当な温度範囲になるように空気流量を決定する。特に、セルスタックの経年劣化などによる温度上昇を相殺するために、セルスタックの冷却を行いたい場合は、初期よりも空気流量を増量させて、即ち空気利用率を低下させて、セルスタックの適温維持を図ることになる。

このように燃料利用率と空気利用率は、セルの発電性能をより高める観点と適温に維持する観点で決定されるが、燃料利用率が概ね７０％〜８０％と設定されるのに対して、空気利用率は、３０％〜５０％に設定される。すなわち、空気のほうが大過剰に供給されることになる。燃料ガス（アノードガス）と空気（カソードガス）がセルスタックを通過することにより生成されるアノードオフガスとカソードオフガスは、セルスタックの上端付近に火炎（燃焼空間）を形成する。しかし、当該燃焼空間では、カソードオフガスが過剰に供給されるため、希薄燃焼となり、燃焼状態は非常に不安定となる。

このような構成で燃焼状態を安定化する方法としては、燃料電池部におけるセルの周囲を覆う覆い体の下流側端部を、セルの下流側端よりも上流側に間隔を隔てて配置し、セルの先端だけではなく、カソードオフガスの一部をセルの側面からも流出するようにすることで、燃焼空間に導かれるカソードオフガスの量を相対的に少なくして燃焼状態を改善する方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２０１０−２２５４５４号公報 特許第５８１２９２７号公報

しかしながら、上述の方法によれば、通常の定格発電状態において、例えば７８％〜８０％という、より高い燃料利用率で安定的な燃焼と発電性能の維持が可能となるが、さらに高い燃料利用率を設定したり、あるいはより効果的にセルスタックを冷却するために、空気流量をより増大させる場合においては、やはりカソードオフガス量の増加により、燃焼の不安定化を招く可能性がある。

従って、本発明の目的は、空気流量を増加させざるを得ない状況においても、安定な燃焼状態を維持し、高い燃料利用率で安定的に発電可能な固体電解質形燃料電池モジュールを提供することにある。

この目的を達成するために、本発明に係る固体電解質形燃料電池モジュールの特徴構成は、収納容器内に、燃料ガスと空気中の酸素とを反応させて発電する固体酸化物形燃料電池部と、その燃料電池部に隣接して配設され、前記燃料電池部での反応後に残存する燃料ガスと酸化剤を混合させて燃焼させる混合燃焼部とが備えられ、
前記燃料電池部は、セルを並列状態で複数並べて構成されており、燃料ガスを通流する燃料通流部と空気が通流する空気通流部とを有し、
前記混合燃焼部は、前記燃料通流部を通流した燃料ガスと前記空気通流部を通流した空気とを混合して燃焼させる燃焼空間として、前記セルにおける燃料通流方向の下流側端に隣接して備えられ、
前記燃料通流部は、燃料ガスをその周囲が囲われた流路内を通流させ、前記セルにおける燃料通流方向の下流側端に配置された燃料噴出部から燃料ガスを噴出するように構成され、
前記空気通流部は、空気を前記セルの並設方向で前記燃料通流部と前記燃料通流部との間に形成された空間を通流させるように構成され、
前記燃料電池部において並設された複数の前記セルの周囲を覆い、前記セルの並設方向に直交する方向での前記空気通流部の横側部を閉塞する覆い体を備え、
前記セルの前記空気通流部側には、空気側電極が備えられ、該空気側電極の下流側端部は、前記セルの下流側端よりも上流側に間隔を隔てた位置に配置されており、
前記空気側電極の下流側端部から、前記セルの下流側端に至る経路の途中から、通流する空気の一部を引き出して前記混合燃焼部に至らせないようにするバイパス経路を備える点にある。

本発明に係る固体電解質形燃料電池モジュールの更なる特徴構成は、前記バイパス経路が、前記混合燃焼部において生成される排気ガスを外部に排出するための排ガス経路に連通接続されている点にある。

本発明に係る固体電解質形燃料電池モジュールの更なる特徴構成は、前記混合燃焼部が、原燃料を改質する改質器に熱を与えるように設置されている点にある。

本発明に係る固体電解質形燃料電池モジュールの更なる特徴構成は、前記バイパス経路が、前記覆い体に形成されている点にある。

本特徴構成によれば、燃料電池部において並設された複数の前記セルの周囲をセルの並設方向に直交する方向での空気通流部の横側部を閉塞した経路で、空気側電極の下流側端部から前記セルの下流側端に至るまでの箇所で、通流する空気の一部を引き出すことにより、混合燃焼部に供給されるおける空気量を減少させ、空気と燃料ガスとの混合比率（空気量／燃料ガス量）を低下させることができる。その結果、火炎の温度低下を防止することで、混合燃焼部での燃焼が過度な希薄燃焼になることがなく、混合燃焼部での燃焼を安定して行うことができる。

これにより、従来より高い燃料利用率においても、相対的に火炎温度を高めて、燃料ガスの未燃成分の発生量を低下させ、混合燃焼部に設置する蒸発器や改質器において、その温度と反応条件を適切に保つことが容易となるため、高Ｕｆ運転（燃料利用率８２％〜８４％）による失火を防止して、発電効率を向上させることができる。

セルの並設方向視での固体電解質形燃料電池モジュール（第１実施形態）の概略断面図である。 燃料電池部の要部の斜視図である。 セルの並設方向視での燃料電池部の要部の断面図である。 セルの並設方向視での固体電解質形燃料電池モジュール（第２実施形態）の概略断面図である。 従来の固体電解質形燃料電池モジュールにおける空気と酸素の消費状況を模式的に示す図である。 本発明の固体電解質形燃料電池モジュールにおける空気と酸素の消費状況を模式的に示す図である。 セルの並設方向視での従来の固体電解質形燃料電池モジュールの概略断面図である。

〔第１実施形態〕
以下、本発明の実施の形態を説明する。
本発明の固体酸化物形燃料電池モジュール１００は、図１に示すように、改質水Ｍ１を用いて原燃料Ｇ１を改質する改質器１と、改質器１にて改質された改質ガスＧ２と空気Ａとを反応させて発電する固体酸化物形の燃料電池部２（セルスタック）と、その燃料電池部２の上方側に隣接して配設されて燃料電池部２での反応後に残存する改質ガスＧ２に酸化剤を混合させて燃焼させる混合燃焼部３とを備えている。

この固体酸化物形燃料電池モジュール１００は、改質器１や燃料電池部２等の機器に加えて、供給される改質水Ｍ１を用いて水蒸気を生成する蒸発器４を備えており、図外の脱硫器にて脱硫された原燃料Ｇ１と改質水Ｍ１とを混合させて蒸発器４に供給している。また、図示は省略するが、蒸発器４と改質器１とは連通接続されており、その連通接続により蒸発器４にて生成された水蒸気及び原燃料Ｇ１が改質器１に供給されている。改質器１は、蒸発器４にて生成された水蒸気を用いて、図外の脱硫器にて脱硫された原燃料Ｇ１を水蒸気改質するように構成されている。

固体酸化物形燃料電池モジュール１００は、収納容器５を備えており、その収納容器５内に、蒸発器４、改質器１、燃料電池部２、混合燃焼部３が備えられている。燃料電池部２は、収納容器５の左右方向（図１中Ｘ方向）に間隔を隔てて一対配設されており、それら一対の燃料電池部２の夫々に対して上方側に隣接する空間が混合燃焼部３として構成されている。

燃料電池部２（セルスタック）は、図１及び図２に示すように、セル９を並列状態で複数並べて構成されており、改質ガスＧ２が下方側から上方側に通流する燃料通流部７と空気Ａが下方側から上方側に通流する空気通流部８とを有している。ここで、図２に示すように、セル９の並設方向をＹ方向とし、セル９の並設方向に直交する方向をＸ方向としており、収納容器５の左右方向とセル９の並設方向に直交する方向とは同一方向となっている。図１は、セル９の並設方向視での固体酸化物形燃料電池モジュール１００の概略断面図を示している。

そして、燃料通流部７を改質ガスＧ２が通流することで燃料側電極（図示省略）に改質ガスＧ２が供給され、空気通流部８を空気Ａが通流することで空気側電極１０（図２参照）に空気Ａが供給され、燃料側電極と空気側電極１０との間にはイットリアをドープしたジルコニア等で構成される固体酸化物電解質（図示省略）が設けられている。

図２に示すように、燃料通流部７は、中空平板状に形成された筒状体にて構成されており、その周囲が囲われた流路内を通流させて燃料噴出部１１から改質ガスＧ２を噴出させるように構成されている。燃料噴出部１１は、セル９における燃料通流方向の下流側端に配置されており、セル９の並設方向に直交する方向（Ｘ方向）に間隔を隔てる状態で燃料通流部７の上端面部に形成された複数の噴出孔にて構成されている。

空気通流部８は、空気Ａをセル９の並設方向（Ｙ方向）で燃料通流部７と燃料通流部７との間（セル９とセル９との間）に形成された空間を通流させるように構成されている。空気通流部８は、その空気Ａの空気通流方向が燃料通流部７における燃料通流方向と同一方向になるように構成されている。そして、空気通流部８において、セル９における燃料通流方向の下流側端に相当する位置が、セル９の並設方向に直交する方向（Ｘ方向）の全長に亘って一連に形成された上方側開口１２にて構成されており、この上方側開口１２から空気通流部８を通流した空気Ａを噴出可能に構成されている。

上述の如く、燃料噴出部１１は、セル９の上端９ａ（セル９における燃料通流方向の下流側端）に配置されている。また、空気通流部８における上方側開口１２も、セル９の上端９ａ（セル９における燃料通流方向の下流側端）に配置されている。このようにして、燃料通流部７は、燃料噴出部１１からその上方側に改質ガスＧ２を噴出しており、空気通流部８は、上方側開口１２からその上方側に空気Ａを噴出している。

混合燃焼部３は、図１に示すように、複数のセル９の夫々における燃料噴出部１１から噴出される改質ガスＧ２と上方側開口１２から噴出される空気Ａとを混合して燃焼させる燃焼空間として、セル９の上端９ａ（セル９における燃料通流方向の下流側端）に隣接して備えられている。ここで、混合燃焼部３は、並設された複数のセル９の上端９ａと上方側に隣接する空間のみを燃焼空間としており、セル９の並設方向（Ｙ方向）及びセル９の並設方向と直交する方向（Ｘ方向）において、その燃焼空間に隣接する空間は燃焼空間ではなく、混合燃焼部３での排ガスＣを排ガス排気路１６に導くための空間として構成されている。

混合燃焼部３の上部に改質器１及び蒸発器４が配置されており、混合燃焼部３の燃焼により得られた熱が、改質器１での改質及び蒸発器４での水蒸気の生成に用いられているとともに、空気供給路６にて燃料電池部２に供給する空気Ａの予熱にも用いられている。ちなみに、燃料電池部２での反応によって発熱されるので、その熱も、改質器１での水蒸気改質、蒸発器４での水蒸気の生成及び燃料電池部２に供給する空気Ａの予熱に用いられている。

燃料電池部２には、改質器１から流体供給路１３を通して供給される改質ガスＧ２を受け入れるガスマニホールド１４が備えられている。複数のセル９は、ガスマニホールド１４の上方側に水平方向に並ぶように配置されている。そして、ガスマニホールド１４と複数のセル９における燃料通流部７の夫々とが連通接続されており、ガスマニホールド１４に供給された改質ガスＧ２が各燃料通流部７に対して下方側から供給される。これにより、燃料通流部７では、下方側から上方側に向けて改質ガスＧ２が通流するように構成されている。

燃料電池部２に空気Ａを供給するために、収納容器５内に空気Ａを通流させて空気流出口１５から燃料電池部２に空気Ａを供給する空気供給路６が備えられている。この空気供給路６は、第１空気流路部位６ａと第２空気流路部位６ｂと第３空気流路部位６ｃとから構成されており、第３空気流路部位６ｃの下端部位に空気流出口１５が備えられている。

第１空気流路部位６ａは、収納容器５の左右方向の一端部（図１中Ｘ方向の右端部）にて収納容器５の外部から空気Ａを受け入れて収納容器５の上端部まで通流させたのち、その空気Ａを収納容器５の左右方向（図１中Ｘ方向）に沿ってその中央部に向けて通流させる。

第２空気流路部位６ｂは、収納容器５の左右方向の他端部（図１中Ｘ方向の左端部）にて収納容器５の外部から空気Ａを受け入れて収納容器５の上端部まで通流させたのち、その空気Ａを収納容器５の左右方向（図１中Ｘ方向）に沿ってその中央部に向けて通流させる。

第３空気流路部位６ｃは、収納容器５の左右方向の中央部において第１空気流路部位６ａの空気Ａと第２空気流路部位６ｂの空気Ａとを合流させて上方側から下方側に向けて通流させる。

このように、収納容器５内に備えられた第１〜第３空気流路部位６ａ〜６ｃを空気Ａが通流することで、混合燃焼部３での燃焼により得られる熱や燃料電池部２での反応によって発熱される熱によって、燃料電池部２に供給される空気Ａの予熱が行われている。そして、第３空気流路部位６ｃの空気流出口１５から収納容器５の左右方向に向けて噴出される空気Ａは、セル９の横側方から空気通流部８の夫々に流入しており、空気通流部８は、下方側から上方側に向けて空気Ａを通流させるように構成されている。

収納容器５には、混合燃焼部３での燃焼による排ガスＣを収納容器５の外部に排気させる排ガス排気路１６が備えられている。排ガス排気路１６は、第１排気流路部位１６ａと第２排気流路部位１６ｂと第３排気流路部位１６ｃとから構成されている。

第１排気流路部位１６ａは、収納容器５の左右方向の一端部（図１中Ｘ方向の右端部）において混合燃焼部３からの排ガスＣを受け入れている。第１排気流路部位１６ａは、その排ガスＣを収納容器５の下端部まで通流させたのち、その混合気を収納容器５の左右方向に沿ってその中央部に通流させている。

第２排気流路部位１６ｂも、第１排気流路部位１６ａと同様に、収納容器５の左右方向の他端部（図２中Ｘ方向の左端部）において排ガスＣを受けており、その排ガスＣを収納容器５の下端部まで通流させたのち、その混合気を収納容器５の左右方向に沿ってその中央部に通流させている。

第３排気流路部位１６ｃは、収納容器５の左右方向の中央部において第１排気流路部位１６ａの排ガスＣと第２排気流路部位１６ｂの排ガスＣとを合流させて、収納容器５の外部に排気させている。

上述の如く、図１及び図２に示すように、燃料電池部２は、複数のセル９を並設して構成されており、その燃料電池部２において並設された複数のセル９の周囲を覆う第１覆い体２０及び第２覆い体２１が備えられている。第１覆い体２０及び第２覆い体２１は、図２に示すように、セル９の並設方向に直交する方向（Ｘ方向）での空気通流部８の横側部を閉塞するように備えられている。第１覆い体２０は、第１、第２排ガス排気路１６ａ，１６ｂ側に配置され、第２覆い体２１は、第３空気流路部位６ｃ側に配置される。

これにより、空気通流部８は、セル９の並設方向（Ｙ方向）では燃料通流部７と燃料通流部７との間（セル９とセル９との間）に形成された空間で、且つ、セル９の並設方向に直交する方向（Ｘ方向）では第１覆い体２０と第２覆い体２１との間に形成された空間にて構成されている。

第１覆い体２０と第２覆い体２１は、断熱体（例えば、アルミナ・シリカ製の耐熱ボード）にて構成されており、並設された複数のセル９の周囲を全周に亘って一連に覆うように構成されている。つまり、セル９の並設方向（Ｙ方向）及びセル９の並設方向に直交する方向（Ｘ方向）の夫々において、セル９の横側部と第１、第２排ガス排気路１６ａ，１６ｂを形成する部位との間の空間が、第１覆い体２０によって充填されており、セル９の横側部と第３空気流路部位６ｃを形成する部位との間の空間が、第２覆い体２１によって充填されている。

第１覆い体２０の下端部２０ａ及び第２覆い体２１の下端部２１ａ（セル９における燃料通流方向の上流側端部）は、図１に示すように、空気供給路６の空気流出口１５よりも上方側に配置されている。これにより、空気流出口１５から噴出された空気Ａが、燃料通流部７、第１覆い体２０、及び第２覆い体２１にて囲まれた空気通流部８の下方側部位に流入し、その空気通流部８を下方側から上方側に向けて通流している。

第１覆い体２０の上端部２０ｂは、平面状に形成されており、図に示すように、セル９の上端９ａ（セル９における燃料通流方向の下流側端）と略同じ高さ位置に配置されている。

第１覆い体２０の厚み方向（Ｘ方向）に貫通するバイパス経路２２が、空気側電極１０の上端部１０ａ（空気通流部８における空気通流方向での下流側端部）からセル９の上端９ａ（セル９における燃料通流方向の下流側端）までの高さ位置で、且つ、燃料電池部２における複数の空気通流部８の全てに亘るようにＹ方向に沿って設けられている。尚、本実施形態におけるバイパス経路２２は、その下端の高さ位置が、空気側電極１０の上端部１０ａの高さ位置と一致するように設けられている。また、バイパス経路２２の縦幅と横幅のそれぞれの長さは、本実施形態に限られるものでなく、必要に応じて適宜変更して良い。

左右のバイパス経路２２のそれぞれは、第１排ガス排気路１６ａ及び第２排ガス排気路１６ｂに連通接続されている。これにより、バイパス経路２２は、空気側電極１０の上端部１０ａからセル９の上端９ａに至る経路の途中から、通流する空気Ａの一部Ａ１を引き出して混合燃焼部３に至らせないようにする。

第２覆い体２１の上端部２１ｂ（セル９における燃料通流方向の下流側端部）は、平面状に形成されており、図２及び図３に示すように、セル９の上端９ａ（セル９における燃料通流方向の下流側端）から間隔を隔てた位置に配置されている。この実施形態では、例えば、セル９の上端９ａから第１設定距離Ｋ１（Ｋ１＞０）だけ下方側に離れた位置に、第２覆い体２１の上端部２１ｂを配置させている。また、燃料噴出部１１は、セル９における燃料通流方向の下流側端に配置されているので、この例では、第２覆い体２１の上端部２１ｂは、燃料噴出部１１からも下方側に第１設定距離Ｋ１だけ間隔を隔てた位置に配置されている。

第２覆い体２１の上端部２１ｂを、セル９の上端９ａよりも下方側に間隔を隔てた位置とすることで、セル９の並設方向（Ｙ方向）では、セル９の上端９ａまで燃料通流部７にて閉塞されているが、セル９の並設方向に直交する方向（Ｘ方向）では、セル９の上端９ａまで第２覆い体２１にて閉塞されていない。これにより、第２覆い体２１の上端部２１ｂの上方側に開放空間１８が形成されており、空気通流部８を通流した空気の一部Ａ２が、セル９の上端９ａまで導かれることなく、開放空間１８を通して上方側に通流するのを許容している。

このようにして、空気通流部８を通流する空気Ａの全量を、セル９の上端９ａまで導くのではなく、その一部をセル９の上端９ａに形成された上方側開口１２から噴出させて、残りの一部Ａ１を、バイパス経路２２を通して第１排ガス排気路１６ａ及び第２排ガス排気路１６ｂに導くと共に、残りの一部Ａ２を、開放空間１８を通して混合燃焼部３の横側方に供給する。

混合燃焼部３の横側方の空間は、混合燃焼部３での排ガスＣを排ガス排気路１６に導くための空間であるので、残りの一部Ａ２は、開放空間１８を介して、混合燃焼部３での排ガスＣに合流する。尚、本実施形態における排ガスＣは、改質器１の両横側方と上方とを通って、排ガス排気路１６に至る。

上述の構成によって、混合燃焼部３に供給される空気量を減少させることができ、混合燃焼部３での燃焼が過度な希薄燃焼になることがなく、混合燃焼部３での燃焼を安定して行うことができる。また、混合燃焼部３に供給される空気量を減少させることができることから、例えば劣化の末期で燃料利用率を上昇させても、混合燃焼部３での燃焼において、空気成分に対する燃料ガス成分を相対的に増加させて、混合燃焼部３での燃焼を安定して行うことができる。

上述の如く、第２覆い体２１の上端部２１ｂをセル９の上端９ａから下方側に間隔を隔てた位置に配置するにあたり、図３に示すように、セル９の空気通流部８側に設けられる空気側電極１０の上端部１０ａ（空気通流部８における空気通流方向での下流側端部）を基準として、第２覆い体２１の上端部２１ｂを配置させるようにしている。

セル９の空気通流部８側に設けられる空気側電極１０は、その耐久性等を考慮して、空気側電極１０の上端部１０ａ（空気通流部８における空気通流方向での空気側電極１０の下流側端部）が、セル９の上端９ａよりも下方側（セル９における燃料通流方向の上流側）に第２設定距離Ｋ２（Ｋ２＞０）だけ間隔を隔てた位置に配置されている。そこで、この空気側電極１０の上端部１０ａを基準として設定範囲Ｓを設定しており、その設定範囲Ｓ内に第２覆い体２１の上端部２１ｂを配置させるようにしている。この実施形態では、例えば、図３に示すように、セル９の上端９ａと空気側電極１０の上端部１０ａとの間に第２覆い体２１の上端部２１ｂを配置させている。ここで、設定範囲Ｓについては、その空気側電極１０の上端部１０ａまでは十分な空気Ａが供給されるように設定されている。その設定範囲Ｓは、例えば、セル９における燃料通流方向において、空気側電極１０の上端部１０ａからセル９の上端９ａまでの間の範囲、或いは、空気側電極１０の上端部１０ａよりも下方側に第３設定距離Ｋ３（例えば、セル９の上端９ａと空気側電極１０の上端部１０ａとの間の距離の１／２）だけ間隔を隔てた位置からセル９の上端９ａまでの間の範囲に設定することができる。

〔第２実施形態〕
本発明の固体酸化物形燃料電池モジュール１００の第２実施形態について説明する。尚、本実施形態においては、上述の第１実施形態と異なる構成についてのみ説明する。

図４に示されるように、本実施形態における第１覆い体２０の上端部２０ｂは、改質器１の上端部１ｂと同じ高さ位置まで延びている。従って、本実施形態における混合燃焼部３での排ガスＣは、改質器１の第２覆い体２１側の横側方と改質器１の上方とを通って、排ガス排気路１６に至ることになる。

〔別実施形態〕
（１）上記実施形態では、燃料電池部２では、下方側から上方側に向けて改質ガスＧ２及び空気Ａを通流させるようにしているが、改質ガスＧ２及び空気Ａを通流させる方向は上下方向に沿うものに限らず、例えば、燃料電池部２の横幅方向に沿うようにすることもでき、適宜変更が可能である。

（２）上記実施形態では、第１覆い体及び第２覆い体を断熱体にて構成しているが、その他の部材を用いることもできる。

（３）上記実施形態において、セル９としては、燃料通流部及び空気通流部を備えた各種の形状や構成のセルが適応可能であり、その形状や構成については上記実施形態のものに限られない。

（４）上記実施形態において、第２覆い体２１の上端部２１ｂの位置については上述の構成に限定されるものではなく、その他にも例えば、セル９の上端９ａと同じ高さ位置まで延びていても良い。この場合、第２覆い体２１の上端部２１ｂの上方側に開放空間１８が形成されず、空気通流部８を通流した空気の一部Ａ２が、開放空間１８を通して上方側に通流することができないため、混合燃焼部３に供給される空気量は、バイパス経路２２を通流する空気Ａ１の分だけ減少することになる。

実施例として、図１に示される固体電解質形燃料電池モジュールを使用し、バイパス経路２２から空気を引き出す量を３０％とし、引き出した空気を排ガス排気路に合流させた。また、比較例として、図７に示されるような従来の固体電解質形燃料電池モジュールを使用した。

燃料利用率Ｕｆを８２％と８４％で空気利用率は３６％にて発電させたときの、排ガス排気路から抜き取ったときの排気ガス中のＣＯ濃度（ｐｐｍ）を以下の表１に示し、混合燃焼部の温度を以下の表２に示す。

なお、この時のＣＯ濃度は排ガス排気路より抜き出したものであり、実使用上は排ガス排気路の途中に燃焼触媒（図示せず）を設置し、そこで燃焼させることで排ガス中のＣＯは除去されると同時に、増加した排ガスの熱量は、その後の排熱回収用熱交換器（図示せず）において温水により回収され、その温水の熱量が増加することになる。

ＣＯ濃度が高い場合は、混合燃焼部における燃焼状態が良好ではなく、本モジュールの内部の熱が外部の温水熱回収部に廻ることになり、発電効率を高める上では良好な状態ではない。したがって、ＣＯ濃度をより低くすることが望まれる。

また混合燃焼部の温度においても、７００℃以上では比較的良好な燃焼状態を得ることができるが、６００℃台になると不安定性が増す。したがって７００℃以上を維持することが望まれる。

表１及び表２に示されるように、従来の固体電解質形燃料電池モジュールを使用した場合、燃料利用率Ｕｆを８２％から８４％に上げると、ＣＯ濃度が５５０ｐｐｍから１３００ｐｐｍに増加し、燃焼室温度も６００℃台（６８０℃）まで低下した。

一方、本発明の固体電解質形燃料電池モジュールでは、燃料利用率Ｕｆを８２％から８４％に上げても、ＣＯ濃度が８００ｐｐｍにとどまり、混合燃焼部の温度も７０５℃となり、７００℃台を維持した。

従って、本発明の固体電解質形燃料電池モジュールによれば、高い燃料利用率Ｕｆに設定しても、燃焼に良好な状態を維持することができることが確認された。

また、従来の固体電解質形燃料電池モジュールにおける燃料ガス、空気、空気中酸素の消費量の状況を図５に模式的に示す。ここでは燃料利用率Ｕｆを８２％とし、空気利用率を４０％として発電した場合の状況を示す。

図５に示されるように、燃料利用率Ｕｆを８２％としたとき、燃料ガスが空気側電極の上端に到達した時点で、１８％の燃料ガスが残留する一方、空気においては、空気側電極の下端（上流）の酸素量（初期投入量）を１００％としたとき、空気側電極の上端（下流端）では６０％の酸素が残留することとなる。この残留酸素量は、１８％分の燃料ガスを完全燃焼させる必要酸素量の約６．８倍であり、酸素量が大過剰であるため燃焼には不適である。

従来では、燃料ガスと酸素とが、上記流量比のままで混合燃焼部に至り燃焼することとなる。混合燃焼部における燃焼を経た後も酸素の量としては、初期投入量の５１.２％が残留し、これは排ガス成分（ｄｒｙ）として１１．３％を占めることとなる。

一方、図６に示されるように、本発明の固体電解質形燃料電池モジュールによれば、たとえば空気側電極の下流側端部を通過した空気の３０％を引き出して混合燃焼部に到達させないようにした場合、セルの下流側端における、酸素の量は、酸素量（初期投入量）の４２％に減少させることができる。この時の酸素量は、１８％分の残燃料を完全燃焼させる酸素量の約４．８倍程度となり、酸素量が減少しているため、燃焼には有利になる。またここでは、空気側電極の下流側からの空気を引き出す割合を３０％としたときの例を示したが、空気利用率が４０％であれば、引き出す割合を８０％程度にしても、セルの下流側端における酸素量を残燃料ガスの理論燃焼量の１．３倍程度とすることができ、混合燃焼部における酸素不足を生じることもなく燃焼を行うことができる。

本発明は、固体電解質形燃料電池を使用する産業技術分野において好適に利用することができる。

１００ 固体酸化物形燃料電池モジュール
１ 改質器
２ 燃料電池部（セルスタック）
３ 混合燃焼部
４ 蒸発器
５ 収納容器
６ 空気供給路
７ 燃料通流部
８ 空気通流部
９ セル
１０ 空気側電極
１７ 従来の覆い体
２０ 第１覆い体
２１ 第２覆い体
２２ バイパス経路
Ｇ１ 原燃料
Ｇ２ 改質ガス
Ａ 空気
Ａ１ 空気の一部

Claims (4)

1. 収納容器内に、燃料ガスと空気中の酸素とを反応させて発電する固体酸化物形燃料電池部と、その燃料電池部に隣接して配設され、前記燃料電池部での反応後に残存する燃料ガスと酸化剤を混合させて燃焼させる混合燃焼部とが備えられ、
   前記燃料電池部は、セルを並列状態で複数並べて構成されており、燃料ガスを通流する燃料通流部と空気が通流する空気通流部とを有し、
   前記混合燃焼部は、前記燃料通流部を通流した燃料ガスと前記空気通流部を通流した空気とを混合して燃焼させる燃焼空間として、前記セルにおける燃料通流方向の下流側端に隣接して備えられ、
   前記燃料通流部は、燃料ガスをその周囲が囲われた流路内を通流させ、前記セルにおける燃料通流方向の下流側端に配置された燃料噴出部から燃料ガスを噴出するように構成され、
   前記空気通流部は、空気を前記セルの並設方向で前記燃料通流部と前記燃料通流部との間に形成された空間を通流させるように構成され、
   前記燃料電池部において並設された複数の前記セルの周囲を覆い、前記セルの並設方向に直交する方向での前記空気通流部の横側部を閉塞する覆い体を備え、
   前記セルの前記空気通流部側には、空気側電極が備えられ、該空気側電極の下流側端部は、前記セルの下流側端よりも上流側に間隔を隔てた位置に配置されており、
   前記空気側電極の下流側端部から、前記セルの下流側端に至る経路の途中から、通流する空気の一部を引き出して前記混合燃焼部に至らせないようにするバイパス経路を備えることを特徴とする固体電解質形燃料電池モジュール。
2. 前記バイパス経路が、前記混合燃焼部において生成される排気ガスを外部に排出するための排ガス経路に連通接続されていること特徴とする請求項１に記載の固体電解質形燃料電池モジュール。
3. 前記混合燃焼部が、原燃料を改質する改質器に熱を与えるように設置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の固体電解質形燃料電池モジュール。
4. 前記バイパス経路が、前記覆い体に形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の固体電解質形燃料電池モジュール。

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