WO2015012372A1 - ハイブリッド装置およびハイブリッドシステム - Google Patents

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fuel
fuel cell
manifold
hybrid
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孝 小野
晋平 白石
高橋　成門
内　一隆
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京セラ株式会社
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    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a hybrid device including an electrolytic cell stack device and a fuel cell stack device, and a hybrid system including the same.
  • Patent Document 1 merely describes a combination of a solid oxide fuel cell (SOFC) and a solid oxide electrolytic cell (SOEC) as a block diagram. There is no suggestion of a simple configuration, and a more efficient one is required.
  • SOFC solid oxide fuel cell
  • SOEC solid oxide electrolytic cell
  • an object of the present invention is to provide a more efficient hybrid device and a hybrid system including the same in a hybrid device in which an electrolytic cell stack device and a fuel cell stack device are combined.
  • the hybrid device of the present invention includes an electrolysis cell stack device having an electrolysis cell stack having a plurality of electrolysis cells for generating a gas containing hydrogen from a gas containing water vapor, and a fuel having a fuel cell stack having a plurality of fuel cells.
  • steam to supply is arrange
  • a hybrid system of the present invention includes the above-described hybrid device and an auxiliary device for supplying a gas containing oxygen or water vapor to the manifold of the fuel cell stack device.
  • the hybrid system of the present invention stops the supply of current to the external load of the fuel cell stack device and the temperature of the fuel cell in the hybrid device and the operation stop processing of the hybrid device.
  • a control device is provided for controlling the supply of current to the electrolysis cell stack device and the supply of water to the vaporizer to be stopped after a predetermined temperature or lower.
  • the hybrid device of the present invention can efficiently supply water vapor to the electrolytic cell stack device, improve the temperature distribution of the fuel cell stack device, and improve the power generation efficiency. Can do.
  • the hybrid system of the present invention can be a hybrid system with improved reliability.
  • FIG. 1 is an external perspective view showing an example of the hybrid apparatus of the present embodiment.
  • the same thing shall be demonstrated using the same code
  • the hybrid device 1 of the present embodiment includes a solid oxide electrolytic cell stack device 2 and a solid oxide fuel cell stack device 3.
  • water vapor is supplied and a current is passed through the electrolysis cell stack device 2 (a voltage is applied) to cause an electrolysis reaction and generate a gas containing hydrogen.
  • the fuel cell stack device 3 by supplying a gas containing hydrogen which is a fuel gas, a power generation reaction occurs and electric power can be obtained.
  • the electrolysis cell stack device 2 includes an electrolysis cell stack 5 arranged in a row and electrically connected in a state where a plurality of electrolysis cells 4 are erected, and the electrolysis cell 4 constituting the electrolysis cell stack 5
  • One end portion (lower end portion) is an insulating bonding material (not shown) such as a glass sealing material, and is fixed to the first manifold 6 made of metal or the like.
  • end conductive members 8 having conductive portions 9 for flowing a current through the electrolytic cell stack 5 (electrolytic cell 4) are arranged.
  • the other end (upper end) of the electrolysis cell stack 5 (the plurality of electrolysis cells 4) is an insulating bonding material (not shown) such as a glass sealing material, and is a second manifold formed of metal or the like. 7 is fixed.
  • the gas containing hydrogen generated by the electrolysis reaction supplied to the electrolysis cell 4 is recovered by the second manifold 7. That is, the second manifold 7 itself is a collection unit.
  • the gas containing hydrogen recovered in the second manifold 7 is led out to the outside through the gas lead-out pipe 18 and is supplied to the fuel cell stack device 3 arranged adjacent to the gas introduction pipe 19.
  • the second manifold 7 of the electrolysis cell stack apparatus 2 and the manifold 12 of the fuel cell stack apparatus 3 described later are connected by the gas introduction pipe 19. Accordingly, at least a part of the gas containing hydrogen generated in the electrolytic cell stack device 2 is supplied to the fuel cell stack device 3.
  • the gas outlet pipe 18 or the gas inlet pipe 19 is appropriately provided with a valve. By controlling the operation of this valve, the gas containing hydrogen is led out to the outside.
  • the fuel cell stack device 3 can be supplied.
  • the electrolysis cell shown in FIG. Note that a conductive member may be disposed between the electrolysis cells 4 for the purpose of facilitating current flow through the electrolysis cells 4.
  • the fuel cell stack device 3 includes a fuel cell stack 11 arranged in a row in a state where a plurality of fuel cells 10 are erected, and electrically connected via a current collecting member, One end (lower end) of the fuel cell 10 constituting the fuel cell stack 11 is fixed to a manifold 12 made of metal or the like with an insulating bonding material (not shown) such as a glass seal material. .
  • a manifold 12 made of metal or the like with an insulating bonding material (not shown) such as a glass seal material.
  • end current collecting members 13 having current extraction portions 14 for deriving current generated by the fuel cell stack 11 (fuel cell 10) are disposed. Yes.
  • a vertically striped fuel cell 10 is provided as the fuel cell shown in FIG.
  • a gas containing hydrogen (a gas containing hydrogen) and an oxygen-containing gas are supplied to the fuel cell 10, and the hydrogen supplied to the fuel cell 10 is heated by heating the fuel cell 10 to 600 to 1000 ° C.
  • the gas containing oxygen and the oxygen-containing gas undergo a reaction represented by the following reaction formula between the cathode and the anode, and electric power can be obtained.
  • the gas containing hydrogen that has not been used for power generation is burned on the other end side (upper end side) of the fuel cell 10, so that the temperature of the fuel cell stack 11 is increased or increased by the combustion heat. It can also be maintained.
  • Anode H 2 + O 2 ⁇ ⁇ H 2 O + 2e ⁇
  • the electrolytic cell stack device 2 and the fuel cell stack device 3 are largely different in that the second manifold 7 is arranged above the electrolytic cell stack device 2 with respect to the configuration.
  • a vaporizer 16 for generating water vapor to be supplied to the first manifold 6 of the electrolysis cell stack apparatus 2 is disposed in the vicinity of the fuel cell stack 11.
  • the carburetor 16 is disposed at the center along the arrangement direction of the fuel cells 10. Specifically, in the fuel cell stack 11 shown in FIG. Although it is arrange
  • a water introduction pipe 15 for introducing water supplied from the water supply device into the vaporizer 16 is connected to the upper end of the vaporizer 16, while one end of the vaporizer 16 is connected to the lower end side.
  • a water vapor inflow pipe 17 is connected to the first manifold 6 at the other end.
  • a temperature distribution may occur with power generation.
  • this temperature distribution can be improved, and the power generation efficiency of the fuel cell stack device 3 is suppressed from decreasing, in other words, power generation. Efficiency can be improved.
  • FIG. 1 shows an example in which the vaporizer 16 is disposed between the electrolytic cell stack device 2 and the fuel cell stack device 3, the vaporizer 16 may be in the vicinity of the fuel cell stack device 3. For example, it can also be provided on the side opposite to the electrolytic cell stack device 2.
  • the electrolytic cell 4 contains Ni
  • Ni may be oxidized by the water vapor.
  • the Ni-containing support and the inner electrode layer (cathode) cause a volume change due to oxidation, and excessive stress is generated in the solid electrolyte, thereby destroying the solid electrolyte.
  • a cross leak of the solid electrolyte occurs, and the performance of the electrolytic cell 4 is greatly deteriorated. Therefore, in order to avoid this, the oxidation of the electrolytic cell 4 can be suppressed by supplying a smaller amount of hydrogen in addition to the water vapor.
  • a fuel supply pipe 20 for supplying raw fuel or a gas containing hydrogen is connected to the manifold 12 of the fuel cell stack device 3 shown in FIG.
  • the fuel supply pipe 20 only needs to be able to supply the raw fuel directly or indirectly to the manifold 12.
  • the water introduction pipe 15 is a double pipe with the fuel supply pipe 20, and the vaporizer 16, steam inflow You may make it supply to the manifold 12 through the pipe
  • a reformer may be provided above the fuel cell stack device 3 and the fuel supply pipe 20 may be connected to the reformer and supplied to the manifold 12 via the reformer. Good.
  • the raw fuel a hydrocarbon gas can be exemplified.
  • electrolysis cell 4 electrolysis cell stack 5
  • fuel cell 10 fuel cell stack 11
  • FIG. 2A is a plan view showing a part of the electrolytic cell stack apparatus extracted from the hybrid apparatus of the present embodiment.
  • FIG. 2B is a plan view showing a part of the fuel cell stack apparatus.
  • the electrolytic cell 4 and the fuel battery cell 10 can use cells having substantially the same configuration, and therefore, each cell will be described using the electrolytic cell 4.
  • the fuel battery cell 10 will also be described only when there is a difference between the battery cell 10 and the battery cell 10.
  • the electrolysis cell 4 is a hollow flat plate type, has a flat cross section, and is a porous conductive support body (hereinafter referred to as a support body) having an elliptical columnar shape as a whole. 21).
  • a plurality of flow holes 26 are formed at appropriate intervals so as to penetrate from the one end to the other end along the length direction of the electrolysis cell 4.
  • 21 has a structure in which various members are provided.
  • the flow hole 26 is preferably circular or elliptical in the cross section of the electrolysis cell 4.
  • the support 21 is composed of a pair of parallel flat surfaces n and side surfaces (arc-shaped portions) m connecting both ends of the pair of flat surfaces n. It is configured. Both surfaces of the flat surface n are formed substantially in parallel with each other, and a porous inner electrode layer 22 (cathode) is provided so as to cover one surface of the flat surface n and both side surfaces m.
  • a dense solid electrolyte layer 23 is laminated so as to cover the inner electrode layer 22.
  • a porous outer electrode layer 24 (anode) is laminated on the solid electrolyte layer 23 so as to face the inner electrode layer 22, and the inner electrode layer 22, the solid electrolyte layer 23, and the outer electrode layer are laminated. The part where 24 overlaps becomes an electrolytic element part.
  • An interconnector 25 is laminated on the other flat surface n on which the inner electrode layer 22 and the solid electrolyte layer 23 are not laminated.
  • the inner electrode layer 22 functions as an anode and the outer electrode layer 24 functions as a cathode.
  • a portion where the inner electrode layer 22, the solid electrolyte layer 23, and the outer electrode layer 24 are overlapped becomes a power generation element portion.
  • the solid electrolyte layer 23 (and the inner electrode layer 22) extends to the other flat surface n side via an arc-shaped side surface m connecting both ends of the flat surface n.
  • Both end surfaces of the interconnector 25 are in contact with both end surfaces of the inner electrode layer 22 and the solid electrolyte layer 23. Note that both end portions of the interconnector 25 may be disposed so as to be stacked on both end portions of the solid electrolyte layer 23.
  • An adhesive layer for firmly joining the interconnector 25 and the support 21 can be provided between the interconnector 25 and the support 21, and the solid electrolyte layer 23 and the outer electrode layer 24 can be provided.
  • a reaction preventing layer for suppressing the reaction of the components of the solid electrolyte layer 23 and the outer electrode layer 24 to produce a reaction product having a high resistance can be provided.
  • water vapor is caused to flow through the flow hole 26 in the support 21 and heated to the above-described predetermined operating temperature, and the predetermined electrode described above is interposed between the inner electrode layer 22 and the outer electrode layer 24.
  • a voltage By applying a voltage, an electrolytic reaction can occur.
  • the voltage is applied by passing a current through the electrolytic cell 4 via the interconnector 25 stacked on the support 21.
  • a power generation reaction can be caused by flowing a gas containing hydrogen through the flow hole 26 in the support 21 and reaching the predetermined operating temperature described above.
  • the current generated by the power generation flows to the adjacent fuel cell 10 via the current collecting member 27 via the interconnector 25 laminated on the support 21.
  • a current collecting member 27 having a space through which an oxygen-containing gas flows is disposed between the fuel cells 10.
  • the current collecting member 27 and the interconnector 25 are joined via a conductive adhesive 28.
  • the support 21 has conductivity that allows gas containing water vapor and hydrogen to pass through to the solid electrolyte layer 23, and is electrically conductive because current flows through the interconnector 25. Since it is required, for example, it is preferably formed of an iron group metal component and a specific inorganic oxide (for example, rare earth element oxide).
  • the iron group metal component examples include an iron group metal element, an iron group metal oxide, an iron group metal alloy or an alloy oxide, and the like. More specifically, for example, Fe, Ni and Co can be used as the iron group metal, and since it is particularly inexpensive, it contains Ni and / or NiO as the iron group component / iron group metal oxide. Preferably it is. In addition to Ni and / or NiO, Fe or Co may be contained. NiO is reduced by H 2 generated by the electrolytic reaction, and part or all of it is present as Ni.
  • the rare earth element oxide is used to bring the thermal expansion coefficient of the support 21 close to the thermal expansion coefficient of the solid electrolyte layer 23.
  • Rare earth element oxides containing at least one element selected from the group consisting of Gd, Sm, and Pr can be used in combination with the iron group component.
  • Specific examples of such rare earth element oxides include Y 2 O 3 , Lu 2 O 3 , Yb 2 O 3 , Tm 2 O 3 , Er 2 O 3 , Ho 2 O 3 , Dy 2 O 3 , Gd 2.
  • the iron group metal component and the rare earth element oxide component have a volume after firing-reduction in that the good conductivity of the support 21 is maintained and the thermal expansion coefficient is approximated to that of the solid electrolyte layer 23. It is preferably present in a volume ratio of 35:65 to 65:35.
  • the Ni as an iron-group metal component when used Y 2 O 3 as the rare earth element oxide component is preferably Ni / (Ni + Y) contains such a 79-93 mol%.
  • the support 21 may contain other metal components and oxide components as long as required properties are not impaired.
  • the support 21 needs to have water vapor permeability, it is usually preferable that the open porosity is 30% or more, particularly 35 to 50%.
  • the conductivity of the support 21 is 50 S / cm or more, more preferably 300 S / cm or more, and particularly preferably 440 S / cm or more.
  • the length of the flat surface n of the support 21 (length in the width direction of the support 21) is usually 15 to 35 mm, and the length of the side surface m (arc length) is 2 to 8 mm.
  • the thickness of the support 21 (thickness between both surfaces of the flat surface n) is preferably 1.5 to 5 mm.
  • the inner electrode layer 22 causes an electrode reaction and is preferably formed of a known porous conductive ceramic.
  • a known porous conductive ceramic for example, it can be formed from ZrO 2 in which a rare earth element oxide is dissolved or CeO 2 in which a rare earth element oxide is dissolved, and Ni and / or NiO.
  • the rare earth element the rare earth element exemplified in the support 21 can be used, and for example, it can be formed from ZrO 2 (YSZ) in which Y 2 O 3 is dissolved and Ni and / or NiO.
  • the content of ZrO 2 in which the rare earth element oxide in the inner electrode layer 22 is dissolved or the content of CeO 2 in which the rare earth element oxide is dissolved and the content of Ni or NiO are volume ratios after firing-reduction, It is preferably present in a volume ratio of 35:65 to 65:35.
  • the open porosity of the inner electrode layer 22 is preferably 15% or more, particularly preferably in the range of 20 to 40%, and the thickness thereof is preferably 1 to 30 ⁇ m. For example, if the thickness of the inner electrode layer 22 is too thin, the performance may be deteriorated, and if it is too thick, peeling due to a difference in thermal expansion between the solid electrolyte layer 23 and the inner electrode layer 22 may occur. .
  • the inner electrode layer 22 is positioned from one flat surface n (flat surface n located on the left side in the drawing) to the other flat surface n (right side in the drawing) via the side surface m.
  • the inner electrode layer 22 may be formed only on the flat surface n on the side where the outer electrode layer 24 is provided, for example, since it only needs to be formed at a position facing the outer electrode layer 24. May be formed. That is, the inner electrode layer 22 is provided only on the flat surface n, and the solid electrolyte layer 23 is formed on the inner electrode layer 22, both side surfaces m, and the other flat surface n where the inner electrode layer 22 is not formed. It may have a structure.
  • the solid electrolyte layer 23 is made of a dense ceramic made of partially stabilized or stabilized ZrO 2 containing 3 to 15 mol% of a rare earth element oxide such as Y 2 O 3 , Sc 2 O 3 , Yb 2 O 3. It is preferable to use it. As the rare earth element, Y is preferable because it is inexpensive. Further, the solid electrolyte layer 23 is desirably a dense material having a relative density (according to Archimedes method) of 93% or more, particularly 95% or more, and has a thickness of 5 to 50 ⁇ m from the viewpoint of preventing water vapor transmission. It is preferable that
  • the solid electrolyte layer 23 and the outer electrode layer 24 are firmly joined between the solid electrolyte layer 23 and the outer electrode layer 24 described later, and the components of the solid electrolyte layer 23 and the outer electrode layer 24 are It is also possible to provide a reaction preventing layer for the purpose of suppressing the reaction with the above components to produce a reaction product having a high electrical resistance.
  • the reaction preventing layer can be formed of a composition containing Ce (cerium) and other rare earth elements.
  • Ce cerium
  • REO 1.5 rare earth elements
  • RE is Sm, Y , Yb, and Gd
  • x preferably has a composition represented by a number satisfying 0 ⁇ x ⁇ 0.3.
  • Sm or Gd as RE.
  • 10 to 20 mol% of SmO 1.5 or GdO 1.5 contains CeO 2 as a solid solution. Is preferred.
  • the solid electrolyte layer 23 and the outer electrode layer 24 are firmly bonded, and further, the reaction of the components of the solid electrolyte layer 23 and the components of the outer electrode layer 24 to generate a reaction product having a high electric resistance is further suppressed.
  • the reaction preventing layer may be formed of two layers.
  • the outer electrode layer 24 is preferably formed of a conductive ceramic made of a so-called ABO 3 type perovskite oxide.
  • a perovskite oxide is preferably a transition metal perovskite oxide, in particular at least one of LaMnO 3 oxide, LaFeO 3 oxide, and LaCoO 3 oxide in which Sr and La coexist at the A site. 600 LaCoO 3 -based oxides are particularly preferred because of their high electrical conductivity at an operating temperature of about 1000 ° C.
  • Sr and La may exist at the A site, and Fe (iron) and Mn (manganese) may exist along with Co (cobalt) at the B site.
  • the outer electrode layer 24 needs to be permeable to oxygen gas. Therefore, the conductive ceramic (perovskite oxide) forming the outer electrode layer 24 has an open porosity of 20% or more, particularly 30 to 30%. It is preferable to be in the range of 50%. Further, the thickness of the outer electrode layer 24 is preferably 30 to 100 ⁇ m from the viewpoint of conductivity of the electrolytic cell 4 and the fuel cell 10.
  • an interconnector 25 is laminated on the flat surface n opposite to the outer electrode layer 24 side of the support 21.
  • the interconnector 25 is preferably formed of conductive ceramics, but needs to have reduction resistance and oxidation resistance in order to come into contact with a fluid containing hydrogen and a fluid containing oxygen. For this reason, it is generally preferable to use a lanthanum chromite-based perovskite oxide (LaCrO 3 -based oxide) as the conductive ceramic having reduction resistance and oxidation resistance. Furthermore, it is preferable to use a LaCrMgO 3 -based oxide in which Mg is present at the B site, particularly for the purpose of bringing the thermal expansion coefficients of the support 21 and the solid electrolyte layer 23 closer. The amount of Mg can be adjusted as appropriate so that the thermal expansion coefficient of the interconnector 25 approaches the thermal expansion coefficients of the support 21 and the solid electrolyte layer 23, specifically, 10 to 12 ppm / K. it can.
  • LaCrMgO 3 -based oxide lanthanum chromite-based perovskite oxide
  • an adhesion layer for reducing a difference in thermal expansion coefficient between the interconnector 25 and the support 21 can be provided between the support 21 and the interconnector 25.
  • Such an adhesion layer may have a composition similar to that of the inner electrode layer 22.
  • it can be formed from at least one of rare earth element oxide, ZrO 2 in which a rare earth element oxide is dissolved, and CeO 2 in which a rare earth element oxide is dissolved, and Ni and / or NiO.
  • a composition composed of Y 2 O 3 and Ni and / or NiO, a composition composed of ZrO 2 (YSZ) in which Y 2 O 3 is dissolved, and Ni and / or NiO, Y, Sm, Gd It can be formed from a composition composed of CeO 2 and Ni and / or NiO in which an oxide such as oxide is dissolved.
  • the content of ZrO 2 in which the rare earth element oxide is dissolved or the content of CeO 2 in which the rare earth element oxide is dissolved and the content of Ni or NiO are 40:60 to It is preferably present in a volume ratio of 60:40.
  • the outer electrode layer 24 of the other adjacent electrolytic cell 4 is joined to the interconnector 25 of the one electrolytic cell 4, whereby the electrolytic cells 4 are connected to each other. Are electrically connected. It is sufficient that the interconnector 25 of one electrolytic cell 4 and the outer electrode layer 24 of the other electrolytic cell 4 are electrically connected.
  • a current collecting member (conductive member) shown in FIG. ) 27 may be electrically connected.
  • the electrolytic cell 4 in which the outer electrode layer 24 is not formed is used, the paste constituting the outer electrode layer 24 is applied to the interconnector 25 of one electrolytic cell 4, and the other adjacent The interconnector 25 of one adjacent electrolytic cell 4 is applied to the solid electrolyte layer 23 of the electrolytic cell 4 by applying the paste for forming the outer electrode layer 24, attaching the surfaces coated with the paste to each other, and performing heat treatment. And the outer electrode layer 24 of the other electrolytic cell 4 can be directly joined and electrically connected.
  • the outer electrode layer 24 Since the outer electrode layer 24 has a predetermined porosity as described above, many pores communicate with each other, a gas passage is formed in the outer electrode layer 24, and oxygen generated by the electrolytic reaction is reduced. The gas can be discharged out of the outer electrode layer 24 through the gas passage formed in the outer electrode layer 24. With a simpler structure, the gas from the electrolysis cell 4 can be discharged, and a plurality of electrolysis cells 4 can be electrically connected. Can be connected.
  • the conductive adhesive 28 that joins the interconnector 25 and the current collecting member 27 of one fuel cell 10 has conductivity.
  • it may be made of the same material as that of the outer electrode layer 28.
  • FIG. 3 is an external perspective view showing another example of the hybrid device of the present embodiment.
  • the carburetor 16 is a central portion along the arrangement direction of the fuel cells 10 in the fuel cell stack device 3 and the fuel as compared with the hybrid device 1 shown in FIG. 1. It differs in that it is arranged above the battery cell 10.
  • the carburetor 16 By disposing the carburetor 16 above the fuel cell 10, the carburetor 16 can be efficiently supplied to the carburetor 16 by combustion heat generated by burning a gas containing hydrogen that has not been used for power generation above the fuel cell 10.
  • the supplied water can be vaporized into water vapor. Thereby, water vapor can be efficiently supplied to the electrolytic cell stack device 2.
  • the vaporizer 16 at the central portion along the arrangement direction of the fuel cells 10 in the fuel cell stack device 3, the temperature of the center portion of the fuel cell stack device 3 can be lowered, and the temperature distribution is improved. Therefore, power generation efficiency can be improved.
  • FIG. 4 is an external perspective view showing still another example of the hybrid device of the present embodiment
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of the electrolytic cell stack device constituting the hybrid device shown in FIG.
  • the water vapor supplied to the first manifold 6 flows through the flow hole 26 of the electrolysis cell 4 from one end (lower end) to the other end (upper end), so that the second manifold 7, in the hybrid device 30 shown in FIG. 4, the electrolysis cell 4 has two or more flow holes 26, and one flow hole 26 is the forward flow hole 36.
  • the other flow hole 26 is a return-side flow hole 37 and is folded back by the electrolysis cell 4 via the second manifold 31.
  • the second manifold 31 causes the fluid that has flowed through the forward-side flow hole 36 to flow to the return-side flow hole 37 at the other end (upper end) of the electrolysis cell 4 shown in FIG. 1.
  • a space 32 is provided.
  • the left side in FIG. 5 is a fluid (mainly gas containing water vapor) supply unit 34, and the right side is a fluid (mainly hydrogen containing gas) recovery unit 35. These are partitioned by a partition member 33.
  • the gas containing hydrogen generated by the electrolytic reaction and water vapor not used for the reaction flows to the space 32 of the second manifold 31 from the upper side of the forward-side flow hole 36 continuously. That is, the second manifold 31 is a manifold through which a gas containing hydrogen flows.
  • the fluid that has flowed into the space 32 then flows into the return-side circulation hole 37 and flows downward through the return-side circulation hole 37.
  • the lower end of the return-side flow hole 37 communicates with the collection unit 35.
  • the air flows through the space 32 to the return-side flow hole 37, flows downward through the return-side flow hole 37, and then flows to the collection unit 35. Therefore, the gas containing hydrogen can be efficiently recovered by recovering the fluid that has flowed to the recovery unit 35.
  • the first manifold 6 of the electrolysis cell stack device 2 includes a supply unit to which water vapor is supplied and a manifold having a recovery unit that recovers a gas containing hydrogen. . Even during the downward flow through the return-side flow hole 37, some or all of the water vapor that has not undergone the reaction contained in the fluid undergoes an electrolytic reaction, and hydrogen can be generated.
  • the hatched portion on the upper surface of the first manifold 6 in FIG. 5 indicates an insulating bonding agent that fixes the electrolytic cell 4 and the first manifold 6.
  • the inner surface of the second manifold 31 may be arcuate so that the gas containing hydrogen that has flown through the forward-side flow hole 36 flows efficiently into the return-side flow hole 37.
  • the second manifold 31 may cover the entire electrolytic cell stack 5 or may be provided at the upper end of each electrolytic cell 4.
  • the efficient hybrid apparatus since the gas containing hydrogen can be efficiently generated in the electrolytic cell stack apparatus 2 and the power generation can be performed efficiently in the fuel cell stack apparatus 3, the efficient hybrid apparatus It can be.
  • FIG. 6 is an external perspective view showing still another example of the hybrid device of the present embodiment.
  • the fuel cell stack device 3 the other end of the fuel cell stack is compared with the hybrid device 1 shown in FIG. The difference is that a reformer 39 for reforming the raw fuel is provided in the vicinity of the side.
  • a part of the gas containing hydrogen generated by the electrolysis cell stack device 2 can be supplied to the fuel cell stack device 3, but a gas containing a lot of hydrogen according to external requirements. May be extracted to the outside and the amount of gas containing hydrogen that can be supplied to the fuel cell stack device 3 may be reduced. Therefore, in the fuel cell stack device 3, the reformer 39 for reforming the raw fuel is provided in the vicinity of the other end side of the fuel cell stack, so that the power generation of the fuel cell stack device 3 is stably continued. be able to. Thereby, the hybrid device 38 with further improved efficiency can be obtained.
  • the reformer 39 is preferably a reformer capable of performing steam reforming with high reforming efficiency, and the reformer 39 includes a vaporization section that vaporizes water and a reforming catalyst. A configuration having a reforming section is preferable.
  • the reformer 39 is connected to a raw fuel supply pipe 40 for supplying raw fuel such as hydrocarbon gas.
  • the temperature of the reformer 39 can be efficiently increased by the combustion heat generated by fueling the gas containing surplus hydrogen that has not been used for power generation above the fuel cell 10. In addition to shortening the startup time of 39, the reforming efficiency can be improved.
  • the reformer 39 capable of steam reforming and the vaporizer 16 are configured differently.
  • the reformer 39 also serves as a vaporizer of the reformer 39. It can also be set as the structure which supplies water vapor
  • a gas containing hydrogen generated by the reforming reaction in the reformer 39 is a fuel supply pipe that connects the reformer 39 and the manifold 12 of the fuel cell stack device 3. Is supplied to the manifold 12. At the time of start-up, the raw fuel supplied until the reforming reaction of the reformer 39 is started is supplied to the manifold 12 as it is, and after passing through the fuel battery cell 10, the fuel battery cell 10 Will be burned above. Therefore, the fuel supply pipe that connects the reformer 39 and the manifold 12 of the fuel cell stack device 3 serves as the fuel supply pipe 20 shown in FIG.
  • a gas containing hydrogen flows, so that the inner surfaces of the second manifolds 7 and 31 are connected to the other end (upper end) of the electrolysis cell 4. It is preferable that the shape has a predetermined distance.
  • first manifold 6 and the second manifolds 7 and 31 can be made of a heat-resistant material, for example, ceramic or metal.
  • first manifold 6 and the second manifolds 7 and 31 are made of metal
  • the first manifold 6 and the second manifolds 7 and 31 and the electrolysis cell 4 are preferably insulated. Therefore, for example, it is preferable that the first manifold 6 and the second manifolds 7 and 31 and the electrolysis cell 4 are arranged with a gap therebetween and fixed with an insulating adhesive such as glass.
  • an insulating or annular member is disposed at the other end (upper end) of the electrolysis cell 4. It is preferable to insulate the second manifold 7, 31 and the electrolytic cell 4 by applying an insulating coating on the inner surface of the second manifold 7, 31. Thereby, it is possible to suppress leakage of fluid such as gas containing water vapor or hydrogen flowing through the flow hole 26 while ensuring insulation between the first manifold 6 and the second manifold 7 and 31 and the electrolytic cell 4. . In the case where an insulating or annular member is disposed between the second manifolds 7 and 31 and the electrolysis cell 4, the annular or tubular inner side becomes the space 32.
  • FIG. 7 is a block diagram illustrating a part of the configuration of a hybrid system including the hybrid apparatus according to the present embodiment.
  • FIG. 7A illustrates a part of the hybrid apparatus 1 illustrated in FIG. (B) extracts and shows a part of the hybrid device 38 shown in FIG.
  • the fuel supply pipe 20 is connected to the manifold 12 of the fuel cell stack apparatus, and a fuel pump 42 is provided upstream thereof.
  • the oxygen-containing gas includes an oxygen-containing gas flow passage 47 that supplies the oxygen-containing gas to the outer electrode layer of the fuel cell 10 and an oxygen-containing gas supply pipe 48 that is connected to the first manifold 12.
  • an oxygen-containing gas supply device (blower) 41 is connected upstream of these.
  • FIG. 7 shows an example in which an oxygen-containing gas flows from one oxygen-containing gas supply device 41 to the oxygen-containing gas flow passage 47 and the oxygen-containing gas supply pipe 48, but one oxygen-containing gas supply is provided for each.
  • the apparatus 41 may be provided. In the manifold 12, water vapor may be supplied instead of the oxygen-containing gas.
  • a water pump 43 that is a water supply device is provided upstream of the water supply pipe 15 that supplies water to the vaporizer 16. Thereby, water can be appropriately supplied to the vaporizer 16. Further, the vaporizer 16 and the first manifold 6 of the electrolytic cell stack apparatus are connected by a water vapor inflow pipe 17.
  • the second manifold 7 includes a gas outlet pipe 18 for leading the gas containing hydrogen generated in the electrolysis cell stack apparatus 5 to the outside, and a gas introduction pipe for flowing to the manifold 12 of the fuel cell stack apparatus. 19 is connected.
  • a valve 49 is provided in the gas outlet pipe 18.
  • an ignition device 52 for burning a gas containing hydrogen that has not been used for power generation and a temperature sensor 53 for measuring the temperature of the fuel cell stack are provided in the vicinity of the fuel cell 10. .
  • a fuel supply pipe 50 for supplying raw fuel to the reformer 39 is connected, and a fuel pump 42 for supplying raw fuel is provided upstream of the fuel supply pipe 50. Is provided.
  • a water supply pipe 51 is connected to the reformer 39, and a water pump 46 is provided upstream thereof.
  • the current generated by the fuel cell stack device is converted from direct current to alternating current through the power conditioner 44 and then supplied to the outside.
  • Each pump and the like are controlled by the control device 45.
  • the control device 45 includes a microcomputer and includes an input / output interface, a CPU, a RAM, and a ROM.
  • the CPU executes the operation of the hybrid device, the RAM temporarily stores variables necessary for executing the program, and the ROM stores the program.
  • the above hybrid device is housed in a storage container to form a hybrid module, which is indicated by a chain line in the figure.
  • maintaining temperature, the heater for raising and holding the temperature of the electrolytic cell stack apparatus 2 or the fuel cell stack apparatus 3 etc. can be provided.
  • the start-up process step means a step until an electrolytic reaction can be started in the electrolytic cell stack device and power generation can be started in the fuel cell stack device 3 until a rated operation can be performed.
  • raw fuel such as city gas or propane gas is supplied to a manifold (shown as an SOFC manifold in FIG. 8) of the fuel cell stack device through a fuel supply pipe in step S ⁇ b> 1.
  • a manifold shown as an SOFC manifold in FIG. 8
  • an oxygen-containing gas is supplied to the outer electrode layer of the fuel cell stack apparatus.
  • a blower etc. can be used, for example.
  • step S2 the ignition device is started to burn the raw fuel discharged from the flow holes 26 of the fuel cells 10.
  • the ignition device should just be arrange
  • step S3 the water pump is operated to start supplying water to the vaporizer.
  • the temperature of the fuel cell stack device is not sufficiently increased, and water may not be vaporized. Therefore, for example, a valve may be provided in the vaporizer or the water vapor inflow pipe, a temperature sensor may be provided in the vaporizer, and the valve may be controlled to open after the temperature measured by the temperature sensor reaches the temperature at which water is vaporized. .
  • the water vapor When water is supplied to the vaporizer to generate water vapor, the water vapor is supplied to the first manifold of the electrolytic cell stack through the water vapor inflow pipe.
  • the water vapor supplied to the first manifold flows upward through the flow hole of the electrolysis cell.
  • the water vapor flowing through the flow holes of the electrolysis cell flows to the second manifold in the state of water vapor.
  • the water vapor flowing through the second manifold is supplied to the manifold of the fuel cell stack device through the gas introduction pipe.
  • the valve is controlled so that water vapor is not released to the outside through the gas flow pipe.
  • step S4 the process proceeds to step S4 to detect whether or not water vapor is supplied from the electrolytic cell stack device to the manifold of the fuel cell stack device. In other words, it is detected whether water is vaporized in the vaporizer.
  • a detection method for example, a sensor such as a humidity sensor can be disposed in the gas introduction pipe to check whether water vapor is flowing.
  • step S5 the temperature of the fuel cell stack device is set to a first predetermined value. Detect whether the temperature is lower than the set temperature. That is, while the raw fuel is continuously supplied to the manifold of the fuel cell stack apparatus and the situation where the water vapor is not supplied to the manifold of the fuel cell stack apparatus is continued, It is detected whether or not the first set temperature has been reached. Incidentally, by providing a temperature sensor in the vicinity of the fuel cell stack device, the temperature of the fuel cell stack device can be measured.
  • step S4 If the temperature of the fuel cell stack device is lower than the first set temperature, the carbon contained in the raw fuel is less likely to deposit, so the process returns to step S4 and water vapor is removed from the electrolytic cell stack device. It is detected whether it was supplied to the manifold of the device.
  • step S6 water or oxygen-containing gas is directly subsidized to the manifold of the fuel cell stack device to prevent carbon deposition. It supplies using an apparatus (oxygen-containing gas supply apparatus and water vapor supply apparatus).
  • the oxygen-containing gas may be supplied in combination with a blower that supplies the oxygen-containing gas to the outer electrode layer of the fuel cell.
  • the first set temperature may be lower than the temperature at which carbon deposition generated by decomposition of the raw fuel is started, and may be appropriately set in accordance with the type of the raw fuel within a range of 200 to 350 ° C., for example. it can.
  • step S4 When it is determined in step S4 that water vapor has been supplied from the electrolytic cell stack device to the manifold of the fuel cell stack device, or in step S6, water vapor or oxygen-containing gas is directly supplied to the manifold of the fuel cell stack device. After that, the process proceeds to step S7, and it is confirmed whether or not the temperature of the fuel cell stack device is equal to or higher than a second set temperature (power generation start possible temperature) higher than the first set temperature.
  • a second set temperature power generation start possible temperature
  • step S7 after the temperature of the fuel cell stack device becomes equal to or higher than the second set temperature (temperature at which power generation can be started), power generation of the fuel cell stack device is started.
  • the fuel battery cell is a fuel battery cell containing Ni or the like
  • the raw fuel can be reformed (so-called internal reforming).
  • the reforming catalyst may be disposed in the manifold of the fuel cell stack device.
  • a reformer for reforming raw fuel is provided, a sufficient reforming reaction can be performed at this temperature.
  • the electrolysis cell stack apparatus 2 is generated by heat generated by power generation or combustion heat generated by burning a gas containing hydrogen not used for power generation above the fuel battery cell. Temperature rises.
  • step S9 the temperature of the electrolysis cell stack apparatus is appropriately set at a predetermined temperature (250 to 350 ° C. within the range of 250 to 350 ° C.), which is the lower limit of the steam oxidation temperature of Ni, which is the main component of the electroconductive cell support and cathode. It is detected whether or not it can be set.
  • the temperature of an electrolysis cell stack apparatus can be measured by arrange
  • step S9 If it is determined that the temperature of the electrolysis cell stack apparatus is lower than the predetermined temperature, the process returns to step S9 again to repeat the measurement of the temperature of the electrolysis cell stack apparatus.
  • step S10 a current is passed through the electrolysis cell stack apparatus via the end conductive member.
  • This current may be supplied from a so-called system power supply, or a part of the electric power generated by the power generation of the fuel cell stack device may be supplied to the electrolysis cell stack device.
  • an electric current is passed through the electrolytic cell stack device, an electrolytic reaction occurs in the electrolytic cell, and a gas containing hydrogen is generated.
  • step S11 it is detected whether or not the amount of the gas containing hydrogen supplied from the electrolysis cell stack apparatus is supplied to the manifold of the fuel cell stack apparatus by a predetermined amount or more.
  • a gas containing a predetermined amount or more of hydrogen is supplied to the manifold of the fuel cell stack device, it is not necessary to continue to supply the raw fuel via the fuel supply pipe. Stop supplying.
  • two pressure sensors are connected to the gas introduction pipe.
  • the amount of gas containing hydrogen can be detected based on the difference in pressure measured by the pressure sensor, and the hydrogen concentration can be detected by providing a hydrogen sensor in addition to this. Based on the information on the gas amount and the hydrogen concentration, it is possible to detect whether or not the amount of the gas containing hydrogen supplied from the electrolysis cell stack apparatus is equal to or greater than a predetermined amount.
  • the predetermined amount can be set as appropriate according to the number of fuel cells constituting the fuel cell stack device, but is preferably equal to or higher than the minimum flow rate capable of generating power in the fuel cells. . In the case where a reformer is provided, it may be set as appropriate in consideration of the amount of gas containing hydrogen produced in the reformer.
  • control device may start normal operation (rated operation) control. That is, the operation of each device may be appropriately controlled based on the temperature of the electrolytic cell stack device or the fuel cell stack device, the external load, the amount of hydrogen-containing gas required to be discharged from the gas distribution pipe, and the like.
  • the supply of current to the external load or the electrolytic cell stack device is stopped in order to stop the power generation of the fuel cell stack device.
  • Joule heat in the fuel cell stack device is reduced, and the temperature of the fuel cell stack device is lowered.
  • the amount of raw fuel and hydrogen-containing gas supplied to the fuel cell stack apparatus or the amount of raw fuel supplied to the reformer may be reduced. Thereby, the temperature of the fuel cell stack device can be lowered more quickly.
  • the amount of current supplied to the electrolysis cell stack apparatus is decreased in order to reduce the electrolytic reaction in the electrolysis cell stack apparatus.
  • a predetermined temperature first set temperature
  • carbon contained in the raw fuel is deposited. Therefore, in order to suppress deterioration of the fuel cell, when the temperature of the fuel cell stack apparatus is equal to or higher than a predetermined temperature, it is preferable to supply a gas containing water vapor from the electrolytic cell stack apparatus.
  • a gas with a small amount of water vapor is supplied to the fuel cell stack apparatus. Therefore, for example, a gas with a large amount of water vapor can be supplied to the fuel cell stack device by reducing the amount of current flowing through the electrolysis cell stack device and suppressing the electrolytic reaction.
  • the amount of water supplied to the vaporizer can be reduced according to the amount of water vapor supplied to the fuel cell stack device.
  • the supply of the raw fuel and oxygen-containing gas supplied to the fuel cell stack device is stopped and electrolysis is performed. Stop energization of the cell stack device and stop water supplied to the vaporizer.
  • control device When the control device performs the above-described control, deterioration of the fuel cell can be suppressed, and a hybrid system with improved reliability can be obtained.
  • a vertical stripe type cell is used as the electrolytic cell or the fuel cell, but the inner electrode layer 22, the solid electrolyte layer 23, and the outer electrode layer 24 are sequentially arranged on the support.
  • a so-called horizontal-striped cell having a plurality of electrolytic element portions and power generation element portions can also be used.
  • Electrolytic cell stack device 2 Electrolytic cell stack device 3: Fuel cell stack device 4: Electrolytic cell 5: Electrolytic cell stack 6: First manifold 7, 31: Second manifold 10: Fuel cell 11 : Fuel cell stack 12: Manifold 15: Water supply pipe 16: Vaporizer 17: Water vapor inflow pipe 18: Gas outlet pipe 19: Gas introduction pipe 20: Fuel supply pipe 21: Conductive support 22: Inner electrode layer 23: Solid electrolyte layer 24: Outer electrode layer 26: Flow hole 32: Space 33: Partition member 34: Supply part 35: Recovery part 36: Outward flow hole 37: Return flow hole 39: Reformer 40: Raw fuel supply pipe

Abstract

　【課題】　ハイブリッド装置およびハイブリッドシステムを提供する。　【解決手段】　本実施形態のハイブリッド装置１は、水蒸気を含むガスより水素を含むガスを生成する電解セル４を複数個備える電解セルスタック５を有する電解セルスタック装置２と、燃料電池セル１０を複数個備える燃料電池セルスタック１１を有する燃料電池セルスタック装置３とを備え、電解セルスタック装置２にて生成された水素を含むガスの少なくとも一部が燃料電池セルスタック装置３に供給されるように構成されており、電解セルスタック装置２に供給する水蒸気を含むガスを生成するための気化器１６が燃料電池セルスタック１１の近傍に配置されている。

Description

ハイブリッド装置およびハイブリッドシステム
　本発明は、電解セルスタック装置と燃料電池セルスタック装置とを備えてなるハイブリッド装置およびそれを備えるハイブリッドシステムに関する。
　近年、次世代エネルギーとして、燃料ガス（水素含有ガス）と酸素含有ガス（空気）とを用いて電力を得ることができる固体酸化物形の燃料電池セル（ＳＯＦＣ）を複数個配列してなる燃料電池セルスタック装置が提案されている。
　一方で、近年水素を製造する他の方法として、固体酸化物形の電解質膜を備える電解セル（ＳＯＥＣ）を用いる高温水蒸気電解法も提唱されている。
　さらには、この固体酸化物形の燃料電池セル（ＳＯＦＣ）と固体酸化物形の電解セル（ＳＯＥＣ）とを組み合わせてなる固体電解質型燃料電池発電設備も提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開平１１－２１４０２１号公報
　しかしながら、上記特許文献１には、単に固体酸化物形の燃料電池セル（ＳＯＦＣ）と固体酸化物形の電解セル（ＳＯＥＣ）とを組み合わせることがブロック図として記載されているに過ぎず、具体的な構成については何ら示唆されているものではなく、より効率のよいものが求められている。
　それゆえ、本発明は、電解セルスタック装置と、燃料電池セルスタック装置とを組み合わせてなるハイブリッド装置において、より効率の良いハイブリッド装置およびそれを備えるハイブリッドシステムを提供することを目的とする。
　本発明のハイブリッド装置は、水蒸気を含むガスより水素を含むガスを生成する電解セルを複数個備える電解セルスタックを有する電解セルスタック装置と、燃料電池セルを複数個備える燃料電池セルスタックを有する燃料電池セルスタック装置とを備え、前記電解セルスタック装置にて生成された水素を含むガスの少なくとも一部が前記燃料電池セルスタック装置に供給されるように構成されており、前記電解セルスタック装置に供給する水蒸気を含むガスを生成するための気化器が前記燃料電池セルスタックの近傍に配置されている、ことを特徴とする。
　また、本発明のハイブリッドシステムは、上記のハイブリッド装置と、前記燃料電池セルスタック装置の前記マニホールドに酸素を含むガスまたは水蒸気を供給するための補助装置とを備えることを特徴とする。
　さらに、本発明のハイブリッドシステムは、上記のハイブリッド装置と、該ハイブリッド装置の稼働停止処理において、前記燃料電池セルスタック装置の外部負荷への電流の供給を停止するとともに、前記燃料電池セルの温度が所定の温度以下となったのちに、前記電解セルスタック装置への電流の供給および前記気化器への水の供給を停止するように制御する制御装置を備えることを特徴とする。
　本発明のハイブリッド装置は、効率よく水蒸気を電解セルスタック装置に供給できるとともに、燃料電池セルスタック装置の温度分布を改善でき、発電効率を向上することができることから、効率の良いハイブリッド装置とすることができる。
　また、本発明のハイブリッドシステムは、信頼性の向上したハイブリッドシステムとすることができる。
本実施形態のハイブリッド装置の一例を示す外観斜視図である。 本実施形態のハイブリッド装置を構成する（ａ）は電解セルスタック装置の一部を抜粋して示す平面図、（ｂ）は燃料電池セルスタック装置の一部を抜粋して示す平面図である。 本実施形態のハイブリッド装置の他の一例を示す外観斜視図である。 本実施形態のハイブリッド装置のさらに他の一例を示す外観斜視図である。 図４に示すハイブリッド装置を構成する電解セルスタック装置の一例を示す断面図である。 本実施形態のハイブリッド装置のさらに他の一例を示す外観斜視図である。 （ａ）、（ｂ）は、本実施形態のハイブリッドシステムの一例を示すブロック図である。 本実施形態のハイブリッドシステムの起動に関するフローチャートである。
　図１は、本実施形態のハイブリッド装置の一例を示す外観斜視図である。なお、以下の説明において、同一のものについては、同一の符号を用いて説明するものとする。
　図１に示すように、本実施形態のハイブリッド装置１は、固体酸化物形の電解セルスタック装置２と、固体酸化物形の燃料電池セルスタック装置３とを備えている。
　電解セルスタック装置２においては、水蒸気を供給するとともに、電解セルスタック装置２に電流を流す（電圧を付加する）ことで、電解反応を生じ、水素を含むガスが生成される。
　一方、燃料電池セルスタック装置３においては、燃料ガスである水素を含むガスを供給することで、発電反応を生じ電力を得ることができる。
　それゆえ、この電解セルスタック装置と燃料電池セルスタック装置とを組み合わせることで、水素を含むガスを得ることができるほか、電力を得ることができ、効率の良いハイブリッド装置とすることができる。
　電解セルスタック装置２は、複数個の電解セル４を立設させた状態で一列に配列して電気的に接続された電解セルスタック５を備え、該電解セルスタック５を構成する電解セル４の一端部（下端部）がガラスシール材等の絶縁性接合材（図示せず）で、金属等で形成された第１のマニホールド６に固定されている。なお、電解セルスタック５の両端部には、電解セルスタック５（電解セル４）に電流を流すための導電部９を有する端部導電部材８が配置されている。
　また、電解セルスタック５（複数個の電解セル４）の他端部（上端部）は、ガラスシール材等の絶縁性接合材（図示せず）で、金属等で形成された第２のマニホールド７に固定されている。この電解セルスタック装置２においては、電解セル４に供給されて電解反応により生じた水素を含むガスは、第２のマニホールド７にて回収される。すなわち、第２のマニホールド７そのものが回収部とされている。第２のマニホールド７に回収された水素を含むガスは、ガス導出管１８により外部に導出されるほか、ガス導入管１９により隣接して配置された燃料電池セルスタック装置３に供給される。言い換えれば、電解セルスタック装置２の第２のマニホールド７と、後述する燃料電池セルスタック装置３のマニホールド１２とが、ガス導入管１９にて接続されている。これにより、電解セルスタック装置２にて生成された水素を含むガスの少なくとも一部が燃料電池セルスタック装置３に供給されるように構成されている。
　なお、図には示していないが、ガス導出管１８またはガス導入管１９には弁が適宜設けられており、この弁の動作を制御することで、水素を含むガスを外部に導出するほか、燃料電池セルスタック装置３に供給することができる。また、詳細は後述するが、図１に示す電解セルとして、縦縞型の電解セル１を備えている。なお、各電解セル４に電流を流しやすくすることを目的として、各電解セル４間に導電部材を配置してもよい。
　そして、電解セル４に水蒸気を供給するとともに、電解セル４を６００～１０００℃に加熱し、かつ電圧が１．０～１．５Ｖ（電解セル１本あたり）程度になるように、電流を付加することで、電解セル４に供給された水蒸気の一部もしくは全部が、カソードとアノードとにおいて下記の反応式で示す反応が生じ、水素と酸素に分解される。なお、酸素は後述するアノードより排出される。
カソード：Ｈ２Ｏ＋２ｅ－　→　Ｈ２＋Ｏ２－
アノード：Ｏ２ －　→　１／２Ｏ２＋２ｅ－
　一方、燃料電池セルスタック装置３は、複数個の燃料電池セル１０を立設させた状態で一列に配列して、集電部材を介して電気的に接続された燃料電池セルスタック１１を備え、該燃料電池セルスタック１１を構成する燃料電池セル１０の一端部（下端部）がガラスシール材等の絶縁性接合材（図示せず）で、金属等で形成されたマニホールド１２に固定されている。なお、燃料電池セルスタック１１の両端部には、燃料電池セルスタック１１（燃料電池セル１０）にて発電した電流を導出するための電流引出部１４を有する端部集電部材１３が配置されている。なお、詳細は後述するが、図１に示す燃料電池セルとして、縦縞型の燃料電池セル１０を備えている。
　そして、燃料電池セル１０に水素を含むガス（水素を含むガス）および酸素含有ガスを供給するとともに、燃料電池セル１０を６００～１０００℃に加熱することで、燃料電池セル１０に供給された水素を含むガスおよび酸素含有ガスが、カソードとアノードとにおいて下記の反応式で示す反応が生じ電力を得ることができる。なお、発電に使用されなかった水素を含むガスは、燃料電池セル１０の他端部側（上端部側）で燃焼させることにより、その燃焼熱で燃料電池セルスタック１１の温度を上昇または高温に維持することもできる。
カソード：１／２Ｏ２＋２ｅ－　→Ｏ２ －
アノード：Ｈ２＋Ｏ２－　→Ｈ２Ｏ＋２ｅ－
　そして、電解セルスタック装置２と燃料電池セルスタック装置３とでは、その構成に関して、電解セルスタック装置２の上方に第２のマニホールド７が配置されている点で大きく異なっている。
　また、燃料電池セルスタック１１の近傍には、電解セルスタック装置２の第１のマニホールド６に供給する水蒸気を生成するための気化器１６が配置されている。なお、図１においては、気化器１６は、燃料電池セル１０の配列方向に沿った中央部に配置されており、具体的には、図１に示す燃料電池セルスタック１１においては、燃料電池セル１０の配列方向に沿った中央部の側方に配置されているが、これに限られるものではない。
　ここで、気化器１６の上端には水供給装置より供給される水を気化器１６に導入するための水導入管１５が接続されており、一方、下端部側には、一端が気化器１６に接続され、他端が第１のマニホールド６に接続される水蒸気流入管１７が接続されている。それにより、水導入管１５より供給され、気化器１６で気化した水蒸気は、水蒸気流入管１７を介して電解セルスタック装置２の第１のマニホールド６に供給される。
　燃料電池セルスタック装置３においては、発電に伴って温度分布が生じる場合がある。ここで、気化器１６を燃料電池セルスタック装置の近傍に配置することで、この温度分布を改善することができ、燃料電池セルスタック装置３の発電効率が低下することを抑制する、言い換えれば発電効率を向上することができる。
　特に、上述の燃料電池セルスタック装置３においては、燃料電池セル１０の配列方向に沿った中央部の温度が高くなり、両端部の温度が低くなるという温度分布を生じる場合がある。それゆえ、気化器１６を、燃料電池セル１０の配列方向に沿った中央部に配置することで、中央部の温度を低下させることができ、温度分布をより改善することができる。それにより、発電効率をさらに向上することができる。なお、図１においては、気化器１６を電解セルスタック装置２と燃料電池セルスタック装置３との間に配置している例を示しているが、燃料電池セルスタック装置３の近傍にあればよく、例えば電解セルスタック装置２と反対側に設けることもできる。
　また、例えば電解セル４がＮｉを含んでなる場合には、電解セル４に水蒸気のみを供給すると、Ｎｉが水蒸気により酸化されるおそれがある。Ｎｉが酸化されると、Ｎｉを含有する支持体や内側電極層（カソード）が酸化により体積変化を引き起こし、これに伴って固体電解質に過度な応力が発生することにより、固体電解質が破壊されることがある。これにより固体電解質のクロスリークが発生し、電解セル４の性能が大幅に劣化する。それゆえ、これを回避するために、水蒸気に加えてさらに少量の水素を供給することで、電解セル４の酸化を抑制することができる。そのため、電解セルスタック装置２での水素の生成効率が低い温度の時点で、電流を付加して水素の生成を開始して、電解セル４の酸化を抑制するほか、外部より水素を供給するための水素供給管を第１のマニホールド６に接続するほか、気化器１６に水とともに水素を供給することもできる。
　さらに、詳細は後述するが、図１に示す燃料電池セルスタック装置３のマニホールド１２には、原燃料または水素を含むガスを供給するための燃料供給管２０が接続されている。なお、燃料供給管２０は、マニホールド１２に原燃料を直接的または間接的に供給できればよく、例えば、上記の水導入管１５を燃料供給管２０との二重管として、気化器１６、水蒸気流入管１７、電解セルスタック５、第２のマニホールド７、ガス導入管１９を介してマニホールド１２に供給するようにしてもよい。また、後述するように、燃料電池セルスタック装置３の上方に、改質器を設けて燃料供給管２０を改質器に接続して、改質器を介して、マニホールド１２に供給してもよい。なお、原燃料としては、炭化水素系のガスを例示することができる。
　以下に、図２を用いて電解セル４（電解セルスタック５）および燃料電池セル１０（燃料電池セルスタック１１）について説明する。
　図２は、本実施形態のハイブリッド装置を構成する（ａ）は電解セルスタック装置の一部を抜粋して示す平面図、（ｂ）は燃料電池セルスタック装置の一部を抜粋して示す平面図である。
　本実施形態のハイブリッド装置においては、電解セル４と燃料電池セル１０とは略同じ構成のセルを使用することができるため、各セルについては電解セル４を用いて説明し、電解セル４と燃料電池セル１０とで異なる部分がある場合についてのみ、燃料電池セル１０についても説明するものとする。
　電解セル４は、図２（ａ）に示すように、中空平板型であり、断面が扁平状で、全体的に見て楕円柱状をした多孔質の導電性支持体（以下、支持体ということがある）２１を備えている。
　支持体２１の内部には、適当な間隔で複数の流通孔２６が電解セル４の長さ方向に沿って一端から他端に貫通するように形成されており、電解セル４は、この支持体２１上に各種の部材が設けられた構造を有している。なお、流通孔２６は、電解セル４の横断面において円形状もしくは楕円形状とすることがよい。
　支持体２１は、図２（ａ）に示されている形状から理解されるように、互いに平行な一対の平坦面ｎと、一対の平坦面ｎの両端をつなぐ側面（弧状部）ｍとで構成されている。平坦面ｎの両面は互いにほぼ平行に形成されており、平坦面ｎの一方の表面と両側の側面ｍを覆うように多孔質な内側電極層２２（カソード）が設けられており、さらに、この内側電極層２２を覆うように、緻密質な固体電解質層２３が積層されている。また、固体電解質層２３の上には、内側電極層２２と対面するように、多孔質な外側電極層２４（アノード）が積層されており、内側電極層２２、固体電解質層２３および外側電極層２４が重なっている部分が電解素子部となる。また、内側電極層２２および固体電解質層２３が積層されていない他方の平坦面ｎには、インターコネクタ２５が積層されている。
　ちなみに、図２（ｂ）に示す燃料電池セル１０においては、内側電極層２２がアノードとして機能し、外側電極層２４がカソードとして機能する。そして、内側電極層２２、固体電解質層２３および外側電極層２４が重なっている部分が発電素子部となる。
　図２（ａ）から明らかなように、固体電解質層２３（および内側電極層２２）は、平坦面ｎの両端をつなぐ弧状の側面ｍを経由して他方の平坦面ｎ側に延びており、インターコネクタ２５の両端面が内側電極層２２および固体電解質層２３の両端面と当接している。なお、インターコネクタ２５の両端部を、固体電解質層２３の両端部上に積み重なるように配置することもできる。
　なお、インターコネクタ２５と支持体２１との間には、インターコネクタ２５と支持体２１とを強固に接合するための密着層を設けることができ、また、固体電解質層２３と外側電極層２４との間には、固体電解質層２３と外側電極層２４との成分が反応して抵抗の高い反応生成物が生じることを抑制するための反応防止層を設けることができる。
　ここで、電解セル４においては、支持体２１内の流通孔２６に水蒸気を流し、上述した所定の作動温度に加熱するとともに、内側電極層２２と外側電極層２４との間に上述した所定の電圧を付加することにより、電解反応を生じることができる。なお、電圧は、支持体２１上に積層されたインターコネクタ２５を介して電解セル４に電流を流すことで付加される。
　一方、燃料電池セル１０においては、支持体２１内の流通孔２６に水素を含むガスを流し、上述した所定の作動温度に達することで、発電反応を生じることができる。なお、発電により生じた電流は、支持体２１上に積層されたインターコネクタ２５を介して、集電部材２７を介して隣接する燃料電池セル１０に流れる。
　図２に示す燃料電池セルスタック装置３においては、各燃料電池セル１０の間に、内側が酸素含有ガスが流れる空間とされた集電部材２７が配置されている。なお、集電部材２７とインターコネクタ２５とは導電性の接着剤２８を介して接合されている。
　以下に、電解セル４、燃料電池セル１０を構成する各構成について順に説明する。
　支持体２１は、水蒸気や水素を含むガスを固体電解質層２３まで透過させるために水蒸気や水素を含むガスを透過する透過性を有すること、インターコネクタ２５を介して電流が流れるために導電性であることが要求されることから、例えば、鉄族金属成分と特定の無機酸化物（例えば希土類元素酸化物）とにより形成されることが好ましい。
　鉄族金属成分としては、鉄族金属単体、鉄族金属酸化物、鉄族金属の合金もしくは合金酸化物等が挙げられる。より詳細には、例えば、鉄族金属としてはＦｅ、ＮｉおよびＣｏを用いることができ、特には安価であることから、鉄族成分／鉄族金属酸化物としてＮｉおよび／またはＮｉＯを含有していることが好ましい。なお、Ｎｉおよび／またはＮｉＯに加えてＦｅやＣｏを含有してもよい。なお、ＮｉＯは、電解反応により生じたＨ２により還元されて、一部もしくは全部がＮｉとして存在する。
　また、希土類元素酸化物とは、支持体２１の熱膨張係数を固体電解質層２３の熱膨張係数に近づけるために使用されるものであり、Ｙ、Ｌｕ、Ｙｂ、Ｔｍ、Ｅｒ、Ｈｏ、Ｄｙ、Ｇｄ、Ｓｍ、Ｐｒからなる群より選択される少なくとも１種の元素を含む希土類元素酸化物が、上記鉄族成分との組み合わせで使用することができる。このような希土類元素酸化物の具体例としては、Ｙ２Ｏ３、Ｌｕ２Ｏ３、Ｙｂ２Ｏ３、Ｔｍ２Ｏ３、Ｅｒ２Ｏ３、Ｈｏ２Ｏ３、Ｄｙ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、Ｓｍ２Ｏ３、Ｐｒ２Ｏ３を例示することができ、鉄族金属の酸化物との固溶、反応が殆どなく、また、熱膨張係数が固体電解質層２３とほとんど同程度であり、かつ安価であるという点から、Ｙ２Ｏ３、Ｙｂ２Ｏ３が好ましい。
　ここで、支持体２１の良好な導電率を維持し、かつ熱膨張係数を固体電解質層２３と近似させるという点で、鉄族金属成分と希土類元素酸化物成分とが、焼成－還元後における体積比率で３５：６５～６５：３５の体積比で存在することが好ましい。なお、鉄族金属成分としてＮｉを、希土類元素酸化物成分としてＹ２Ｏ３を用いる場合には、Ｎｉ／（Ｎｉ＋Ｙ）が７９～９３モル％となるように含有することが好ましい。なお、支持体２１中には、要求される特性が損なわれない限りの範囲で、他の金属成分や酸化物成分を含有していてもよい。
　また、支持体２１は、水蒸気透過性を有していることが必要であるため、通常、開気孔率が３０％以上、特に３５～５０％の範囲にあることが好ましい。また、支持体２１の導電率は、５０Ｓ／ｃｍ以上、より好ましくは３００Ｓ／ｃｍ以上、特に好ましくは４４０Ｓ／ｃｍ以上とすることがよい。
　なお、支持体２１の平坦面ｎの長さ（支持体２１の幅方向の長さ）は、通常、１５～３５ｍｍ、側面ｍの長さ（弧の長さ）は、２～８ｍｍであり、支持体２１の厚み（平坦面ｎの両面間の厚み）は１．５～５ｍｍであることが好ましい。
　内側電極層２２は、電極反応を生じさせるものであり、それ自体公知の多孔質の導電性セラミックスにより形成することが好ましい。例えば、希土類元素酸化物が固溶したＺｒＯ２または希土類元素酸化物が固溶したＣｅＯ２と、Ｎｉおよび／またはＮｉＯとから形成することができる。なお、希土類元素としては、支持体２１において例示した希土類元素を用いることができ、例えばＹ２Ｏ３が固溶したＺｒＯ２（ＹＳＺ）とＮｉおよび／またはＮｉＯとから形成することができる。
　内側電極層２２中の希土類元素酸化物が固溶したＺｒＯ２または希土類元素酸化物が固溶しているＣｅＯ２の含量と、ＮｉあるいはＮｉＯの含量とは、焼成－還元後における体積比率で、３５：６５～６５：３５の体積比で存在することが好ましい。さらに、この内側電極層２２の開気孔率は、１５％以上、特に２０～４０％の範囲にあるのが好ましく、その厚みは、１～３０μｍであるのが好ましい。例えば、内側電極層２２の厚みがあまり薄いと、性能が低下するおそれがあり、またあまり厚いと、固体電解質層２３と内側電極層２２との間で熱膨張差による剥離等を生じるおそれがある。
　また、図２（ａ）の例では、内側電極層２２は、一方の平坦面ｎ（図において左側に位置する平坦面ｎ）から側面ｍを介して他方の平坦面ｎ（図において右側に位置する平坦面ｎ）にまで延びているが、外側電極層２４に対面する位置に形成されていればよいため、例えば外側電極層２４が設けられている側の平坦面ｎにのみ内側電極層２２が形成されていてもよい。すなわち、内側電極層２２は平坦面ｎにのみ設けられ、固体電解質層２３が内側電極層２２上、両側面ｍ上および内側電極層２２が形成されていない他方の平坦面ｎ上に形成された構造をしたものであってもよい。
　固体電解質層２３は、３～１５モル％のＹ２Ｏ３、Ｓｃ２Ｏ３、Ｙｂ２Ｏ３等の希土類元素酸化物を含有した部分安定化あるいは安定化ＺｒＯ２からなる緻密質なセラミックスを用いるのが好ましい。また、希土類元素としては、安価であるという点からＹが好ましい。さらに、固体電解質層２３は、水蒸気の透過を防止するという点から、相対密度（アルキメデス法による）が９３％以上、特に９５％以上の緻密質であることが望ましく、かつその厚みが５～５０μｍであることが好ましい。
　上記したように、固体電解質層２３と後述する外側電極層２４の間に、固体電解質層２３と外側電極層２４との接合を強固とするとともに、固体電解質層２３の成分と外側電極層２４との成分とが反応して電気抵抗の高い反応生成物が生じることを抑制する目的で反応防止層を備えることもできる。
　反応防止層としては、Ｃｅ（セリウム）と他の希土類元素とを含有する組成にて形成することができ、例えば、（ＣｅＯ２）１－ｘ（ＲＥＯ１．５）ｘ、ＲＥはＳｍ、Ｙ、Ｙｂ、Ｇｄの少なくとも１種であり、ｘは０＜ｘ≦０．３を満足する数、で表される組成を有していることが好ましい。さらには、電気抵抗を低減するという点から、ＲＥとしてＳｍやＧｄを用いることが好ましく、例えば１０～２０モル％のＳｍＯ１．５またはＧｄＯ１．５が固溶したＣｅＯ２を含んでなることが好ましい。
　また、固体電解質層２３と外側電極層２４とを強固に接合するとともに、固体電解質層２３の成分と外側電極層２４の成分とが反応して電気抵抗の高い反応生成物が生じることをさらに抑制する目的で、反応防止層を２層から形成することもできる。
　外側電極層２４としては、いわゆるＡＢＯ３型のペロブスカイト型酸化物からなる導電性セラミックスにより形成することが好ましい。かかるペロブスカイト型酸化物としては、遷移金属ペロブスカイト型酸化物、特にＡサイトにＳｒとＬａが共存するＬａＭｎＯ３系酸化物、ＬａＦｅＯ３系酸化物、ＬａＣｏＯ３系酸化物の少なくとも１種が好ましく、６００～１０００℃程度の作動温度での電気伝導性が高いという点からＬａＣｏＯ３系酸化物が特に好ましい。なお、上記ペロブスカイト型酸化物においては、ＡサイトにＳｒとＬａが存在し、Ｂサイトに、Ｃｏ（コバルト）とともにＦｅ（鉄）やＭｎ（マンガン）が存在しても良い。
　また、外側電極層２４は、酸素ガスの透過性を有する必要があり、従って、外側電極層２４を形成する導電性セラミックス（ペロブスカイト型酸化物）は、開気孔率が２０％以上、特に３０～５０％の範囲にあることが好ましい。さらに、外側電極層２４の厚みは、電解セル４や燃料電池セル１０の導電性の観点から３０～１００μｍであることが好ましい。
　また、支持体２１の外側電極層２４側と反対側の平坦面ｎ上には、インターコネクタ２５が積層されている。
　インターコネクタ２５としては、導電性セラミックスにより形成されることが好ましいが、水素を含む流体および酸素を含む流体と接触するため、耐還元性、耐酸化性を有していることが必要である。このため、耐還元性、耐酸化性を有する導電性セラミックスとしては、一般に、ランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物（ＬａＣｒＯ３系酸化物）を使用することが好ましい。さらには、特に支持体２１と固体電解質層２３との熱膨張係数を近づける目的から、ＢサイトにＭｇが存在するＬａＣｒＭｇＯ３系酸化物を用いることが好ましい。なおＭｇの量は、インターコネクタ２５の熱膨張係数が、支持体２１および固体電解質層２３の熱膨張係数に近づくように、具体的には１０～１２ｐｐｍ／Ｋとなるように適宜調整することができる。
　また、支持体２１とインターコネクタ２５との間には、上記したように、インターコネクタ２５と支持体２１との間の熱膨張係数差を軽減する等のための密着層を設けることもできる。
　このような密着層としては、内側電極層２２と類似した組成とすることができる。例えば、希土類元素酸化物、希土類元素酸化物が固溶したＺｒＯ２、希土類元素酸化物が固溶したＣｅＯ２のうち少なくとも１種と、Ｎｉおよび／またはＮｉＯとから形成することができる。より具体的には、例えばＹ２Ｏ３とＮｉおよび／またはＮｉＯからなる組成や、Ｙ２Ｏ３が固溶したＺｒＯ２（ＹＳＺ）とＮｉおよび／またはＮｉＯからなる組成、Ｙ、Ｓｍ、Ｇｄ等の酸化物が固溶したＣｅＯ２とＮｉおよび／またはＮｉＯからなる組成から形成することができる。なお、希土類元素酸化物が固溶したＺｒＯ２または希土類元素酸化物が固溶しているＣｅＯ２の含量と、ＮｉあるいはＮｉＯの含量とは、焼成－還元後における体積比率で、４０：６０～６０：４０の体積比で存在することが好ましい。
　なお、図２（ａ）に示す電解セルスタック装置２においては、一方の電解セル４のインターコネクタ２５に、隣接する他方の電解セル４の外側電極層２４が接合し、これにより電解セル４同士が電気的に接続されている。なお、一方の電解セル４のインターコネクタ２５と、他方の電解セル４の外側電極層２４とが電気的に接続されればよく、例えば間に図２（ｂ）で示す集電部材（導電部材）２７を介して電気的に接続してもよい。
　このような電解セルスタック５では、外側電極層２４が形成されていない電解セル４を用い、一方の電解セル４のインターコネクタ２５に外側電極層２４を構成するペーストを塗布し、隣接する他方の電解セル４の固体電解質層２３に、外側電極層２４を形成する前記ペーストを塗布し、ペーストが塗布された面同士を付着させ、熱処理することにより、隣接する一方の電解セル４のインターコネクタ２５と、他方の電解セル４の外側電極層２４とが直接接合し、電気的に接続することができる。
　そして、外側電極層２４は、上記したように、所定の気孔率を有するため、多くの気孔が連通し、外側電極層２４内にガス通路が形成されており、電解反応で生じた酸素を、外側電極層２４内に形成されたガス通路を介して外側電極層２４外に放出することができ、より簡単な構造で、電解セル４からのガスを排出できるとともに、複数の電解セル４を電気的に接続できる。
　また、図２（ｂ）に示す燃料電池セルスタック装置３において、一方の燃料電池セル１０のインターコネクタ２５と集電部材２７とを接合する導電性の接着剤２８としては、導電性を有していればよく、例えば外側電極層２８と同様の材料からなるものとすることができる。
　図３は、本実施形態のハイブリッド装置の他の一例を示す外観斜視図である。
　図３に示すハイブリッド装置２９においては、図１に示すハイブリッド装置１と比較して、気化器１６が、燃料電池セルスタック装置３における燃料電池セル１０の配列方向に沿った中央部で、かつ燃料電池セル１０の上方に配置している点で異なっている。
　気化器１６を燃料電池セル１０の上方に配置することで、燃料電池セル１０の上方で、発電に使用されなかった水素を含むガスを燃焼させることにより生じる燃焼熱により、効率よく気化器１６に供給される水を水蒸気に気化させることができる。それにより、電解セルスタック装置２に効率よく水蒸気を供給することができる。
　また、気化器１６を燃料電池セルスタック装置３における燃料電池セル１０の配列方向に沿った中央部に配置することで、燃料電池セルスタック装置３の中央部の温度を低下でき、温度分布を改善することができることから、発電効率を向上することができる。
　図４は、本実施形態のハイブリッド装置のさらに他の一例を示す外観斜視図であり、図５は、図４に示すハイブリッド装置を構成する電解セルスタック装置の断面図である。
　図１および図３に示すハイブリッド装置においては、第１のマニホールド６に供給された水蒸気は、電解セル４の流通孔２６を一端（下端）から他端（上端）に流れて、第２のマニホールド７に回収される構成であるのに対し、図４に示すハイブリッド装置３０においては、電解セル４が２つ以上の流通孔２６を有しており、一方の流通孔２６が往路側流通孔３６とされ、他方の流通孔２６が復路側流通孔３７とされて、第２のマニホールド３１を介して電解セル４にて折り返された構造とされている。
　図５に示すように、第２のマニホールド３１は、図１に示す電解セル４の他端部（上端部）に、往路側流通孔３６を流通した流体を、復路側流通孔３７に流通させるための空間３２を有している。
　一方、第１のマニホールド６の内部には、図５において向かって左側が流体（主に水蒸気を含むガス）の供給部３４とされ、右側が流体（主に水素を含むガス）の回収部３５とされており、これらが仕切部材３３により仕切られている。
　そして、電解セル４に設けられた往路側流通孔３６の下端と、供給部３４とが連通しており、それにより、供給部３４に供給された水蒸気が、往路側流通孔３６を上方に向けて流れる間に、その一部もしくは全部が電解反応を生じることで水素を含むガスとなる。
　そして、電解反応により生じた水素や反応に使用されなかった水蒸気を含むガスは、続けて往路側流通孔３６の上方より、第２のマニホールド３１の空間３２に流れる。すなわち、第２のマニホールド３１は水素を含むガスが流れるマニホールドとなる。そして、空間３２に流れた流体は、続いて復路側流通孔３７に流れ、復路側流通孔３７を下方に向けて流れることとなる。
　一方、復路側流通孔３７の下端は、回収部３５と連通している。それにより、空間３２を介して、復路側流通孔３７に流れ、該復路側流通孔３７を下方に向けて流れた後、回収部３５に流れることとなる。それゆえ、回収部３５に流れた流体を回収することで、効率よく水素を含むガスを回収することができる。すなわち、図４に示すハイブリッド装置３０においては、電解セルスタック装置２の第１のマニホールド６が、水蒸気が供給される供給部を備えるとともに、水素を含むガスを回収する回収部を備えるマニホールドとなる。なお、この復路側流通孔３７を下方に向けて流れる間にも、流体に含まれる反応を生じなかった水蒸気の一部または全部が電解反応を生じ、水素を生成することができる。
　なお、図５の第１のマニホールド６の上面において斜線で示している部分は、電解セル４と第１のマニホールド６とを固定する絶縁性接合剤を示している。
　また、第２のマニホールド３１の内面は、往路側流通孔３６を流れた水素を含むガスが効率よく復路側流通孔３７に流れるように、円弧状とすることもできる。
　また、第２のマニホールド３１は、電解セルスタック５全体を覆うものであってもよく、また１つ１つの電解セル４の上端に設けられるものであってもよい。
　以上のようなハイブリッド装置においては、電解セルスタック装置２にて効率よく水素を含むガスを生成できるとともに、燃料電池セルスタック装置３にて効率よく発電を行なうことができることから、効率の良いハイブリッド装置とすることができる。
　図６は、本実施形態のハイブリッド装置のさらに他の一例を示す外観斜視図であり、図１に示すハイブリッド装置１と比較して、燃料電池セルスタック装置３において、燃料電池セルスタックの他端側近傍に、原燃料を改質する改質器３９が設けられている点で異なっている。
　上述のハイブリッド装置において、電解セルスタック装置２で生成された水素を含むガスの一部を燃料電池セルスタック装置３に供給することができるが、外部の要求に応じて、多くの水素を含むガスが外部に取り出され、燃料電池セルスタック装置３に供給できる水素を含むガスの量が少なくなる場合がある。そこで、燃料電池セルスタック装置３において、燃料電池セルスタックの他端側近傍に、原燃料を改質する改質器３９を設けることで、安定して燃料電池セルスタック装置３の発電を継続することができる。それにより、さらに効率の向上したハイブリッド装置３８とすることができる。
　なお、改質器３９としては、改質効率のよい水蒸気改質を行なうことが可能な改質器であることが好ましく、改質器３９は水を気化する気化部と、改質触媒を備える改質部とを有する構成とすることが好ましい。また改質器３９には炭化水素ガス等の原燃料を供給するための原燃料供給管４０が接続されている。
　また、燃料電池セル１０の上方で、発電で利用されなかった余剰の水素を含むガスを燃料させることにより生じる燃焼熱により、効率よく改質器３９の温度を上昇させることができ、改質器３９の起動時間を短くできるほか、改質効率を向上することができる。
　なお、図６においては、水蒸気改質可能な改質器３９と気化器１６とを別の構成とした例を示しているが、例えば改質器３９の気化部を兼用し、改質器３９に設けられた気化部より水蒸気を電解セルスタック装置２に供給する構成とすることもできる。
　さらに、図には示していないが、改質器３９での改質反応により生成された水素を含むガスは、改質器３９と燃料電池セルスタック装置３のマニホールド１２とを接続する燃料供給管によりマニホールド１２に供給される。なお、起動時において、改質器３９の改質反応が開始されるまでの間に供給された原燃料は、そのままマニホールド１２に供給されて、燃料電池セル１０を通過した後、燃料電池セル１０の上方にて燃焼されることとなる。それゆえ、改質器３９と燃料電池セルスタック装置３のマニホールド１２とを接続する燃料供給管が、図１に示す燃料供給管２０の役割を果たしている。
　ところで、上述の電解セルスタック装置２における第２のマニホールド７、３１においては、水素を含むガスが流れることから、第２のマニホールド７、３１の内面は、電解セル４の他端（上端）と所定の距離を有する形状とされていることが好ましい。
　また、第１のマニホールド６、第２のマニホールド７、３１としては、耐熱性を有する材料より作製することができ、例えばセラミックや金属等で作製することができる。ただし、第１のマニホールド６、第２のマニホールド７、３１を金属より構成する場合には、第１のマニホールド６、第２のマニホールド７、３１と電解セル４とは絶縁することが好ましい。それゆえ、例えば第１のマニホールド６、第２のマニホールド７、３１と電解セル４とを隙間を空けて配置し、例えばガラス等の絶縁性の接着剤にて固定することが好ましい。また、第２のマニホールド７、３１の内面が電解セル４に接触することを防ぐ目的で、電解セル４の他端（上端）に絶縁性からなる環状もしくは筒状の部材を配置するほか、第２のマニホールド７、３１の内面に絶縁性のコーティングを施すなどして、第２のマニホールド７、３１と電解セル４とを絶縁することが好ましい。それにより、第１のマニホールド６、第２のマニホールド７、３１と電解セル４との絶縁性を確保しつつ、流通孔２６を流れる水蒸気や水素を含むガス等の流体が漏出することを抑制できる。なお、第２のマニホールド７、３１と電解セル４との間に、絶縁性からなる環状もしくは筒状の部材を配置する場合には、この環状または筒状の内側が空間３２となる。
　図７は、本実施形態のハイブリッド装置を備えるハイブリッドシステムの構成の一部を抜粋して示すブロック図であり、（ａ）は図１に示すハイブリッド装置１を構成する一部を抜粋して示し、（ｂ）は図６に示すハイブリッド装置３８を構成する一部を抜粋して示している。
　図７（ａ）においては、燃料電池セルスタック装置のマニホールド１２に燃料供給管２０が接続されており、その上流には燃料ポンプ４２が設けられている。一方、酸素含有ガスについては、燃料電池セル１０の外側電極層に酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス流通路４７と、第１のマニホールド１２に接続される酸素含有ガス供給管４８とを備えており、これらの上流に酸素含有ガス供給装置（ブロワ）４１が接続されている。なお、図７においては１つの酸素含有ガス供給装置４１より、酸素含有ガス流通路４７および酸素含有ガス供給管４８に酸素含有ガスを流す例を示しているが、それぞれに１つの酸素含有ガス供給装置４１を設ける構成としてもよい。なお、マニホールド１２においては、酸素含有ガスの代わりに水蒸気を供給してもよい。
　一方、気化器１６に水を供給する水供給管１５の上流には水供給装置である水ポンプ４３が設けられている。それにより、気化器１６に適宜水を供給することができる。また、気化器１６と電解セルスタック装置の第１のマニホールド６とが、水蒸気流入管１７にて接続されている。
　また、第２のマニホールド７には、電解セルスタック装置５にて生成された水素を含むガスを外部に導出するガス導出管１８と、燃料電池セルスタック装置のマニホールド１２に流すためのガス導入管１９が接続されている。なお、図７においては、ガス導出管１８に弁４９が設けられている。
　また、燃料電池セル１０の近傍には、発電に用いられなかった水素を含むガスを燃焼させるための着火装置５２と、燃料電池セルスタックの温度を測定するための温度センサ５３が設けられている。
　図７（ｂ）においては、上記の構成に加えて、改質器３９に原燃料を供給する燃料供給管５０が接続されており、その上流には原燃料を供給するための燃料ポンプ４２が設けられている。一方、改質器３９にて改質効率のよい水蒸気改質を行なうため、改質器３９に水供給管５１が接続されており、その上流には水ポンプ４６が設けられている。
　そして、燃料電池セルスタック装置にて発電された電流は、パワーコンディショナ４４を介して直流から交流に変換されたのち外部に供給され、各ポンプ等は制御装置４５にて制御されている。なお、制御装置４５は、マイクロコンピュータを有しており、入出力インターフェイス、ＣＰＵ、ＲＡＭおよびＲＯＭを備えている。なお、ＣＰＵは、ハイブリッド装置の運転を実施するものであり、ＲＡＭはプログラムの実行に必要な変数を一時的に記憶するものであり、ＲＯＭはプログラムを記憶するものである。
　なお、上記のハイブリッド装置は、収納容器内に収納してハイブリッドモジュールとされ、図においてはこれを鎖線で示している。なお収納容器内には、温度を保持するための断熱材や、電解セルスタック装置２や燃料電池セルスタック装置３の温度を上昇・保持するためのヒーター等を設けることができる。
　次に、図８を用いて、本実施形態のハイブリッド装置１の起動処理工程の一例について説明する。なお本実施形態において、起動処理工程とは、電解セルスタック装置において電解反応が開始でき、かつ燃料電池セルスタック装置３において発電開始可能となり、定格運転ができるまでの工程を意味する。
　まず、ハイブリッド装置１の起動を開始するにあたり、ステップＳ１において燃料電池セルスタック装置のマニホールド（図８においてはＳＯＦＣマニホールドと示す）に、燃料供給管を介して都市ガスやプロパンガスなどの原燃料を供給する。あわせて、燃料電池セルスタック装置の外側電極層に酸素含有ガスを供給する。なお、酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給装置としては、例えばブロワ等を用いることができる。
　続いて、ステップＳ２にて、燃料電池セル１０の流通孔２６より排出される原燃料を燃焼すべく、着火装置を起動する。なお、着火装置は燃料電池セルスタック装置の上方に配置されていればよく、例えば着火ヒーター等を用いることができる。
　続いて、ステップＳ３にて、水ポンプを作動させて気化器に水の供給を開始する。なお、この時点では燃料電池セルスタック装置の温度が十分に上昇しておらず、水が気化できない場合がある。そのため、例えば気化器や、水蒸気流入管に弁を設けるとともに、気化器に温度センサを設け、温度センサが測定する温度が、水が気化する温度となった後に弁を開く制御を行なってもよい。
　気化器に水が供給されて水蒸気が生成されると、水蒸気は水蒸気流入管を介して、電解セルスタックの第１のマニホールドに供給される。第１のマニホールドに供給された水蒸気は、電解セルの流通孔を上方に流れる。なお、この場合において、電解セルスタック装置の温度が十分に上昇していないため、電解セルの流通孔を流れる水蒸気は、水蒸気のままの状態で第２のマニホールドに流れる。第２のマニホールドを流れた水蒸気は、ガス導入管を介して燃料電池セルスタック装置のマニホールドに供給される。当然ではあるが、この場合において、水蒸気がガス流通管を介して外部に放出されないよう弁が制御されている。
　ここで、ステップＳ４に進んで、電解セルスタック装置から水蒸気が燃料電池セルスタック装置のマニホールドに供給されたか否かを検知する。言い換えれば、気化器での水の気化がされているかどうかを検知する。なお、検知方法としては、例えば、ガス導入管に湿度センサ等のセンサを配置して水蒸気が流れているかどうかを確認することができる。
　ここで、電解セルスタック装置から燃料電池セルスタック装置のマニホールドに水蒸気が流れていないと判断された場合には、続いてステップＳ５に進み、燃料電池セルスタック装置の温度が予め定められた第１の設定温度未満かどうかを検知する。すなわち、原燃料が燃料電池セルスタック装置のマニホールドに継続されて供給され、また水蒸気が燃料電池セルスタック装置のマニホールドに供給されていない状況が継続されている中で、燃料電池セルスタック装置が、第１の設定温度に達したかどうかを検知する。ちなみに、燃料電池セルスタック装置の近傍に温度センサを設けることで、燃料電池セルスタック装置の温度を測定することができる。
　燃料電池セルスタック装置の温度が、第１の設定温度未満であれば、原燃料に含まれる炭素が析出するおそれが低いことから、ステップＳ４に戻って電解セルスタック装置から水蒸気が燃料電池セルスタック装置のマニホールドに供給されたか否かを検知する。
　一方、燃料電池セルスタック装置の温度が、第１の設定温度以上であれば、原燃料に含まれる炭素が析出する可能性が高くなる。ここで、炭素が析出すると、燃料電池セルの性能が劣化するため、ステップＳ６に進んで、炭素の析出を防止すべく、燃料電池セルスタック装置のマニホールドに、ダイレクトに水蒸気や酸素含有ガスを補助装置（酸素含有ガス供給装置や水蒸気供給装置）を用いて供給する。なお、酸素含有ガスは、燃料電池セルの外側電極層に酸素含有ガスを供給するブロワ等を併用して供給してもよい。燃料電池セルスタック装置のマニホールドに、ダイレクトに水蒸気や酸素含有ガスを供給することにより、原燃料の分解により生じる炭素析出を抑制することができる。なお、第１の設定温度とは、原燃料の分解により生じる炭素析出が開始される温度未満とすればよく、例えば２００～３５０℃の範囲で、原燃料の種類に合わせて適宜設定することができる。
　ステップＳ４にて電解セルスタック装置から水蒸気が燃料電池セルスタック装置のマニホールドに供給されたと判断された場合や、ステップＳ６において、燃料電池セルスタック装置のマニホールドに、ダイレクトに水蒸気や酸素含有ガスが供給された後は、ステップＳ７に進んで、燃料電池セルスタック装置の温度が第１の設定温度よりも高い第２の設定温度（発電開始可能温度）以上か否かを確認する。
　ステップＳ７にて、燃料電池セルスタック装置の温度が第２の設定温度（発電開始可能温度）以上となった後は、燃料電池セルスタック装置の発電が開始される。なお、燃料電池セルがＮｉ等を含んでなる燃料電池セルとすることで、原燃料を改質（いわゆる内部改質）することができる。また、燃料電池セルスタック装置のマニホールドに改質触媒を配置してもよい。また原燃料を改質する改質器を備える場合においては、この温度であれば、十分な改質反応を行なうことができる。
　燃料電池セルスタック装置の発電が開始されたのちは、発電により生じる熱や、燃料電池セルの上方で発電に使用されなかった水素を含むガスを燃焼させて生じる燃焼熱で、電解セルスタック装置２の温度が上昇する。
　ステップＳ９においては、電解セルスタック装置の温度が、電解セルの導電性支持体やカソードの主成分であるＮｉの水蒸気酸化温度の最下限値である所定の温度（２５０～３５０℃の範囲で適宜設定できる）以上であるか否かを検知する。なお、電解セルスタック装置の近傍に温度センサを配置することで、電解セルスタック装置の温度を測定することができる。
　電解セルスタック装置の温度が、所定の温度未満であると判断された場合には、再度ステップＳ９に戻り、電解セルスタック装置の温度を再測定することを繰り返す。
　一方、電解セルスタック装置の温度が、所定の温度以上と判断された場合には、ステップＳ１０に進んで、端部導電部材を介して電解セルスタック装置に電流を通電させる。なおこの電流は、いわゆる系統電源より供給してもよく、また燃料電池セルスタック装置の発電により生じた電力の一部を電解セルスタック装置に供給してもよい。電解セルスタック装置に電流が通電されることにより、電解セルにて電解反応を生じ、水素を含むガスが生成される。これにより電解セルの導電性支持体やカソードの主成分であるＮｉの水蒸気酸化温度に達しても、当該材料が酸化されるリスクを低減することができるほか、水素を含むガスを得ることができる。なお、この電解反応により生じた水素を含むガスの少なくとも一部は、燃料電池セルスタック装置のマニホールドに供給される。
　続いてステップＳ１１に進み、電解セルスタック装置より供給される水素を含むガスの量が所定量以上、燃料電池セルスタック装置のマニホールドに供給されたか否かを検知する。燃料電池セルスタック装置のマニホールドに、所定量以上の水素を含むガスが供給された場合には、燃料供給管を介して原燃料を供給し続ける必要がなくなるため、ステップＳ１２に進んで原燃料の供給を停止する。
　なお、電解セルスタック装置より供給される水素を含むガスの量が所定量以上、燃料電池セルスタック装置のマニホールドに供給されたか否かを検知するにあたっては、例えばガス導入管に２つの圧力センサを配置し、その圧力センサにより測定された圧力の差にもとづいて、水素を含むガスの量を検知でき、またこれに加えて水素センサを設けることで、その水素濃度を検出し、この水素を含むガスの量と水素濃度との情報に基づいて、電解セルスタック装置より供給される水素を含むガスの量が所定量以上か否かを検知することができる。なお、この所定量とは、燃料電池セルスタック装置を構成する燃料電池セルの本数等に応じて適宜設定することができるが、燃料電池セルでの発電が可能な最低流量以上とすることが好ましい。なお、改質器を備える場合には、改質器にて生成される水素を含むガス量を考慮して適宜設定すればよい。
　上述の運転制御により、起動処理が完了した後は、制御装置は通常運転（定格運転）制御を開始すればよい。すなわち、電解セルスタック装置や燃料電池セルスタック装置の温度や、外部負荷、ガス流通管より排出される要求される水素含有ガスの量等に基づいて、適宜各装置の動作を制御すればよい。
　次に、本実施形態のハイブリッド装置１の稼働停止の一例について説明する。
　ハイブリッド装置の稼働を停止するにあたっては、まず燃料電池セルスタック装置の発電を止めるべく、外部負荷や電解セルスタック装置への電流の供給を停止する。それにより、燃料電池セルスタック装置でのジュール熱が減少し、燃料電池セルスタック装置の温度が低下する。なおあわせて燃料電池セルスタック装置に供給する原燃料および水素を含むガスや、改質器に供給する原燃料の量を低下させてもよい。それにより、より早く燃料電池セルスタック装置の温度を低下させることができる。
　燃料電池セルスタック装置からの電流の供給を停止した後は、電解セルスタック装置での電解反応を減少させるべく、電解セルスタック装置に通電する電流量を減少させる。
　上述したように燃料電池セルスタック装置の温度が、所定の温度（第１の設定温度）以上においては、原燃料に含まれる炭素が析出する可能性が高くなる。それゆえ、燃料電池セルの劣化を抑制すべく、燃料電池セルスタック装置の温度が所定の温度以上の場合には、電解セルスタック装置より水蒸気を含むガスを供給することが好ましい。
　それゆえ、少なくとも燃料電池セルスタック装置の温度が所定の温度未満となるまでは、電解セルスタック装置の稼働を停止しないことが好ましい。
　しかしながら、電解セルスタック装置にて定常状態の運転を継続すると、水蒸気量の少ないガスが、燃料電池セルスタック装置に供給されることとなる。それゆえ、例えば、電解セルスタック装置に通電する電流量を低減し、電解反応を抑制することで、水蒸気量の多いガスを燃料電池セルスタック装置に供給することができる。
　なお、この場合において、燃料電池セルスタック装置に供給される水蒸気量に応じて、気化器に供給する水の量を低減することもできる。
　そして、燃料電池セルスタック装置の温度が所定の温度（第１の設定温度）未満となった後は、燃料電池セルスタック装置に供給する原燃料や、酸素含有ガスの供給を停止するとともに、電解セルスタック装置への通電を停止し、あわせて気化器に供給する水を停止する。
　制御装置が上述の制御を行なうことで、燃料電池セルの劣化を抑制することができ、信頼性の向上したハイブリッドシステムとすることができる。
　以上、本発明について詳細に説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。
　例えば、上述の例において、電解セルや燃料電池セルとして、縦縞型のセルを用いて説明したが、支持体上に、内側電極層２２、固体電解質層２３、外側電極層２４が順に配置された電解素子部や発電素子部を複数設けてなる、いわゆる横縞型のセルを用いることもできる。
１、２９、３０：ハイブリッド装置
２：電解セルスタック装置
３：燃料電池セルスタック装置
４：電解セル
５：電解セルスタック
６：第１のマニホールド
７、３１：第２のマニホールド
１０：燃料電池セル
１１：燃料電池セルスタック
１２：マニホールド
１５：水供給管
１６：気化器
１７：水蒸気流入管
１８：ガス導出管
１９：ガス導入管
２０：燃料供給管
２１：導電性支持体
２２：内側電極層
２３：固体電解質層
２４：外側電極層
２６：流通孔
３２：空間
３３：仕切部材
３４：供給部
３５：回収部
３６：往路側流通孔
３７：復路側流通孔
３９：改質器
４０：原燃料供給管
 

Claims (13)

  1. 　水蒸気を含むガスより水素を含むガスを生成する電解セルを複数個備える電解セルスタックを有する電解セルスタック装置と、
    燃料電池セルを複数個備える燃料電池セルスタックを有する燃料電池セルスタック装置とを備え、
    前記電解セルスタック装置にて生成された水素を含むガスの少なくとも一部が前記燃料電池セルスタック装置に供給されるように構成されており、
    前記電解セルスタック装置に供給する水蒸気を含むガスを生成するための気化器が前記燃料電池セルスタックの近傍に配置されている、
    ことを特徴とするハイブリッド装置。
  2. 　前記気化器が、前記燃料電池セルスタックのうち、前記燃料電池セルの配列方向に沿った中央部に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド装置。
  3. 　前記燃料電池セルスタック装置で発電された電流の少なくとも一部が、前記電解セルスタック装置に供給されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のハイブリッド装置。
  4. 　前記気化器が、前記燃料電池セルスタックのうち、前記燃料電池セルの配列方向に沿った側方に配置されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のうちいずれかに記載のハイブリッド装置。
  5. 　前記燃料電池セルが、内部に一端から他端に貫通するガス流路を備えており、発電で利用されなかった余剰の水素を含むガスを、前記燃料電池セルの他端側で燃焼させる構成とされており、前記気化器が、前記燃料電池セルの他端側に配置されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のうちいずれかに記載のハイブリッド装置。
  6. 　前記電解セルが、内部に一端から他端に貫通するガス流路を備えており、前記電解セルスタック装置が、複数個の前記電解セルの一端を固定するとともに、該電解セルに水蒸気を含むガスを供給するための第１のマニホールドと、複数個の前記電解セルの他端を固定するとともに、該電解セルにより生成された水素を含むガスを回収するための第２のマニホールドと、を備えることを特徴とする請求項１乃至請求項５のうちいずれかに記載のハイブリッド装置。
  7. 　前記電解セルが、内部に一端から他端に貫通する二つ以上のガス流路を備えており、前記電解セルスタック装置が、複数個の前記電解セルの一端を固定する第１のマニホールドと、複数個の前記電解セルの他端を固定する第２のマニホールドと、を備え、前記第１のマニホールドは、水蒸気を含むガスが供給される供給部と、水素を含むガスを回収する回収部とを含み、前記供給部に供給された水素を含むガスの少なくとも一部が、前記二つ以上のガス流路の一方を通って前記第２のマニホールドに流れ、前記二つ以上のガス流路の他方を通って前記回収部に流れるように構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のうちいずれかに記載のハイブリッド装置。
  8. 　前記燃料電池セルが、内部に一端から他端に貫通するガス流路を備えており、発電で利用されなかった余剰の水素を含有するガスを、前記燃料電池セルの他端側で燃焼させる構成とされており、前記燃料電池セルの他端側近傍に、原燃料を改質して前記燃料電池セルに供給する水素を含有するガスを生成する改質器が配置されていることを特徴とする請求項１乃至請求項７のうちいずれかに記載のハイブリッド装置。
  9. 　前記燃料電池セルスタック装置が、前記燃料電池セルの一端を固定するマニホールドと、該マニホールドに接続された、原燃料または水素を含むガスを供給するための燃料供給管とをさらに含むことを特徴とする請求項１乃至請求項８に記載のハイブリッド装置。
  10. 　請求項８または請求項９に記載のハイブリッド装置と、前記燃料電池セルスタック装置の前記マニホールドに酸素を含むガスまたは水蒸気を供給するための補助装置とを備えることを特徴とするハイブリッドシステム。
  11. 　前記燃料電池セルスタック装置の温度を測定するための温度センサと、制御装置とを備え、該制御装置は、起動処理工程において、前記燃料電池セルスタック装置の前記マニホールドに原燃料が供給されており、前記電解セルスタック装置より前記燃料電池セルスタック装置の前記マニホールドに水蒸気が供給されていない状態で、前記温度センサの温度が第１の設定温度となった場合に、前記補助装置を作動させるように制御することを特徴とする請求項１０に記載のハイブリッドシステム。
  12. 　前記改質器または前記燃料電池セルスタック装置の前記マニホールドに、原燃料または水素を含むガスを外部より供給するための燃料供給装置をさらに備え、前記制御装置は、前記電解セルスタック装置より前記燃料電池セルスタック装置の前記マニホールドに供給される水素を含むガスの量が所定量以上供給された場合に、前記燃料供給装置の稼働を停止するように制御することを特徴とする請求項１１に記載のハイブリッドシステム。
  13. 　請求項８または請求項９に記載のハイブリッド装置と、
    該ハイブリッド装置の稼働停止処理において、前記燃料電池セルスタック装置の外部負荷への電流の供給を停止するとともに、前記燃料電池セルの温度が所定の温度以下となったのちに、前記電解セルスタック装置への電流の供給および前記気化器への水の供給を停止するように制御する制御装置とを備えることを特徴とするハイブリッドシステム。
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