JP2015018750A - 固体酸化物型燃料電池装置 - Google Patents

Abstract

【課題】装置の大型化を招くことなく、排気浄化触媒及び蒸発器をヒーターにより加熱することが可能な固体酸化物型燃料電池装置を提供する。
【解決手段】複数の燃料電池セル１６と、これらを収容するモジュールケースと、モジュールケースの外部に排気ガスを排気する排ガス排出流路２１と、排ガス排出流路２１内に設けられた燃焼触媒６０と、燃焼触媒６０を加熱するシースヒーター６１と、燃料電池セル１６に燃料ガスを供給する燃料ガス供給流路２０と、燃料ガス供給流路２０の途中に配置された改質触媒９６と、改質触媒９６に水蒸気を供給する蒸発部８６とを備え、排ガス排出流路２１は、燃料ガス供給流路２０と隣接して配置されており、シースヒーター６１は、燃焼触媒６０及び蒸発部８６を加熱可能なように、排ガス排出流路２１内において、燃料ガス供給流路２０内に設けられた蒸発部８６の側方に配置されている。
【選択図】図７

Description

本発明は、固体酸化物型燃料電池装置に関し、特に、排気浄化触媒を加熱するためのヒーターを備えた固体酸化物型燃料電池装置に関する。

固体酸化物型燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell：以下「ＳＯＦＣ」とも言う）は、電解質として酸化物イオン導電性固体電解質を用い、その両側に電極を取り付け、一方の側に燃料ガスを供給し、他方の側に酸化剤ガス（空気、酸素等）を供給して、比較的高温で動作する燃料電池である。

固体酸化物型燃料電池装置は、作動中、特に起動時において、一酸化炭素を含む排気ガスを排出するため、一酸化炭素除去のために排気浄化触媒が排気通路に設けられている（特許文献１参照）。

特許文献１に記載の燃料電池装置では、排気通路に設けられた排気浄化触媒によって、有害物質である一酸化炭素を除去した排気ガスを外部に放出することができる。起動時には、専用ヒーターにより排気浄化触媒が活性温度まで加熱され排気ガスを浄化する準備が整った後に、燃料ガスが燃料電池セルに供給される。

また、特許文献１に記載の燃料電池装置は、改質器を備えている。この改質器は、水蒸気を生成するための気化部（蒸発器）と、水蒸気が混入された原燃料ガスを水蒸気改質する改質部とが、直列的に結合された構成であり、燃料電池セルの上部に配置されオフガス（未反応の燃料ガス）の燃焼熱等により加熱されるようになっている。

特開２０１１−２４９１６０号

燃料電池装置の起動時には、排気浄化触媒を常温から活性温度まで昇温させなければならない。排気ガスが排気通路に流れ出すと、排気ガス及び排気浄化触媒の反応熱によって排気浄化触媒が加熱されるので、専用ヒーターによる加熱は不要となり、専用ヒーターはオフにされる。したがって、排気浄化触媒の専用ヒーターは、起動中の短期間にのみ使用されるため、作動中のほとんどの期間において使用されない。このため、起動時における排気ガス浄化という要求があるものの、排気浄化触媒のために専用ヒーターを設けることは、製造コスト増になるという問題があった。

また、特許文献１に記載の燃料電池装置が備える改質器は、気化部と改質部とが直列に結合された構成であるので、気化部で発生した水蒸気が、原燃料に対して十分に混合されないまま改質部に供給されるおそれがある。このような不十分な混合を回避するため、水蒸気と原燃料とを十分に混合した後に、その混合ガスを改質器に供給しようとする場合には、予め蒸発器で水蒸気を形成し、混合器によって原燃料ガスと水蒸気とを混合しておく必要がある。この場合、蒸発器にも専用のヒーターが必要である。これにより、更なる装置の大型化及び製造コスト増という問題が生じる。

従って、本発明は、装置の大型化を招くことなく、排気浄化触媒及び蒸発器をヒーターにより加熱することが可能な構成を有する固体酸化物型燃料電池装置を提供することを目的としている。

上述した課題を解決するために、本発明は、固体酸化物型燃料電池装置であって、内部に燃料ガス用通路を有し、外表面に空気極を有する複数の燃料電池セルと、燃料電池セルを収容するモジュールケースと、モジュールケース内に連通し、モジュールケースの外部に排気ガスを排気する排気通路と、排気通路内に設けられた排気浄化触媒と、排気浄化触媒を加熱する起動用ヒーターと、燃料電池セルに燃料ガスを供給する燃料供給通路と、燃料供給通路の途中に配置された改質触媒と、加熱されることにより水を気化して水蒸気を生成し、改質触媒に水蒸気を供給する蒸発器と、を備え、排気通路は、燃料供給通路と隣接して配置されており、起動用ヒーターは、排気浄化触媒及び蒸発器を加熱可能なように、排気通路内において、燃料供給通路内に設けられた蒸発器の側方に配置されていることを特徴としている。

このように構成された本発明においては、排気浄化触媒を加熱するための起動用ヒーターが、改質器に水蒸気を供給する蒸発器を加熱するためのヒーターを兼用することができるように、排気浄化触媒を経路内に有する排気通路と、蒸発器を経路内に有する燃料供給通路とを隣接して配置し、起動用ヒーターの側方に蒸発器を配置している。このように、本発明では、起動用ヒーター，蒸発器を含む構成要素のレイアウトを工夫することにより、別の通路内にそれぞれ配置された排気浄化触媒及び蒸発器を、１つの起動用ヒーターによって加熱することが可能となり、排気浄化触媒の浄化性能及び蒸発器の気化性能を共に犠牲にすることなく装置の小型化、低コスト化を実現することができる。

本発明において、好ましくは、起動用ヒーターは、排気通路内において、排気浄化触媒の下流側に配置され、蒸発器は、排気通路の側壁を隔てて起動用ヒーターの側方に配置されている。

このように構成された本発明によれば、起動用ヒーターに対して、排気浄化触媒を上流側に配置することにより、排気浄化触媒を下流側から加熱可能であると共に、蒸発器を側方に配置することにより、蒸発器を側方から加熱可能である。このような直交関係の配置により、起動用ヒーターを排気浄化触媒の加熱と蒸発器の加熱に兼用することができる。

本発明において、好ましくは、排気通路は、蒸発器が側方に位置する排気通路の側壁部分よりも下流側に、排気ガスを装置外部に排出するための出口ポートを有している。

このように構成された本発明によれば、排気浄化触媒及び起動用ヒーターを通過した排気ガスが出口ポートに到達するまでの間に、排気ガスによる排気熱によっても蒸発器を加熱することが可能となる。これにより、水を気化する際に大きな熱量を必要とする蒸発器に対して十分な熱量を提供し、起動時に蒸発器による迅速な水の気化を可能とすることができる。

本発明において、好ましくは、起動用ヒーターが側方に位置する燃料供給通路の側壁部分に近接して、蒸発器に水を供給する水供給ポートが設けられている。

このように構成された本発明によれば、起動用ヒーターの配置位置に合わせて、起動用ヒーターの側方に、燃料供給通路の側壁に近接させて蒸発器の水供給ポートを配置することにより、蒸発器による迅速かつ確実な気化性能を実現することができる。

本発明において、好ましくは、起動用ヒーターの配置位置において、排気通路の側壁が、燃料供給通路の側壁を兼用している。

このように構成された本発明によれば、排気通路と燃料供給通路を隔てる側壁を１つの側壁で兼用させることにより、排気通路側から蒸発器への熱伝達ロスを低減することが可能となり、蒸発器による水の気化効率を高め、起動時に低温状態から開始して、短時間で効率よく水蒸気を発生させるようにすることができる。それゆえ、発熱を伴う部分酸化改質による起動運転をせずとも、水蒸気改質による起動運転が可能となり、改質触媒の耐久性を確保することができる。

本発明において、好ましくは、蒸発器が排気通路と断熱材との間で挟まれるように、断熱材が配置されている。

このように構成された本発明によれば、排気ガスが通過する排気通路と、排気通路や燃料供給通路のような他の装置構成部材よりも熱伝導率が低い断熱材とで蒸発器を挟むように構成することにより、熱を外部へ逃がさずに効率よく蒸発器を加熱することができる。

本発明において、好ましくは、起動用ヒーターの作動及び前記蒸発器への水供給を制御する制御装置を備え、制御装置は、装置起動時において、起動用ヒーターを作動させ、蒸発器の温度が所定温度に達した時点、又は、蒸発器の温度が所定温度に達すると予想される予め設定された時間が経過した時点で蒸発器への水供給を開始する。

起動時には、燃料ガスの燃焼熱によって、改質触媒を改質可能な活性温度まで早期に昇温させる必要があるが、燃料ガスの燃焼を開始したときに、最も多くの一酸化炭素が排気ガスに含まれる。このような一酸化炭素を排気ガスから除去するために、起動用ヒーターによる加熱によって排気浄化触媒を早期に活性化させておく必要がある。一方、蒸発器で水蒸気を生成する際には多くの熱量が必要であるため、起動用ヒーターによって、排気浄化触媒と蒸発器の両方を同時に加熱し始めると、排気浄化触媒の温度上昇に長時間が必要になり起動遅れが生じたり、排気浄化触媒の活性が不十分なまま燃料ガスの燃焼が開始されたりしてしまうおそれがある。

そこで、本発明によれば、起動用ヒーターを作動させて、排気浄化触媒及び蒸発器を加熱し始めてから、蒸発器が実質的に所定温度に達するまでは、蒸発器への水供給を禁止するように構成されている。本発明では、蒸発器による水蒸気の生成を遅らせて、排気浄化触媒を昇温するための熱エネルギーが気化熱によって奪われないようにすることにより、排気浄化触媒の早期活性化を実現し、一酸化炭素の発生量が最も多い起動初期における排気ガスの浄化を可能とすることができる。

本発明において、好ましくは、制御装置は、燃料電池セルへの燃料ガスの供給が開始され、発電反応に用いられなかった燃料ガスのモジュールケース内での燃焼が開始されてから所定期間経過後に、蒸発器への水供給を開始する。

このように構成された本発明によれば、発電反応に用いられなかった燃料ガスの燃焼を開始する時点では、蒸発器への水供給を行わず、起動用ヒーターにより排気浄化触媒を早期に活性させておくことができるので、燃料ガスの燃焼開始直後の一酸化炭素の含有量が最も多い排気ガスから一酸化炭素を排気浄化触媒によって確実に除去することが可能となり、その後に蒸発器で水蒸気を生成させることが可能となる。

本発明において、好ましくは、制御装置は、モジュールケース内での燃料ガスの燃焼開始に同期して、起動用ヒーターを作動停止にする。

このように構成された本発明によれば、燃料ガスの燃焼開始までには、排気浄化触媒を活性させ、且つ、蒸発器を気化可能な程度まで加熱させておくことができるので、燃料ガスの燃焼開始に同期して起動ヒーターを作動停止にすることができる。また、起動ヒーターを作動停止しても、燃料ガスの燃焼開始後は、排気ガスの排気熱、及び、排気浄化触媒の一酸化炭素除去の際の反応熱によって、蒸発器を引き続き加熱可能である。また、排気浄化触媒も、排気ガスの排気熱及び反応熱により、活性化状態に維持することができる。これにより、蒸発器の加熱による十分な水蒸気発生量の確保、起動ヒーターへの不必要な通電の抑制、及び、排気浄化触媒の活性化維持を図ることができる。

本発明の固体酸化物型燃料電池装置によれば、装置の大型化を招くことなく、排気浄化触媒及び蒸発器をヒーターにより加熱することができる。

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

次に、図７を参照して、固体酸化物型燃料電池装置１のシースヒーター６１の周辺の構成を詳細に説明する。
図７は、固体酸化物型燃料電池装置１のシースヒーター６１及び蒸発部８６の配置を示す断面図である。外側円筒部材６６及び内側円筒容器６８に挟まれた略円環状の排ガス排出流路２１の下流部には、環状の燃焼触媒６０が配置されている。この燃焼触媒６０の直下にシースヒーター６１が配置されている。シースヒーター６１は、起動時に燃焼触媒６０を活性温度まで昇温するための起動用ヒーターであり、外側円筒部材６６の外側壁に接触するように巻回されており、燃焼触媒６０及び外側円筒部材６６を加熱するように構成されている。

排ガス排出流路２１には、シースヒーター６１よりも下流側に排ガス排出パイプ５８を接続するための出口ポート６８ａが開口している。内側円筒部材６４の小穴６４ａから排ガス排出流路２１に流入した排気ガスは、燃焼触媒６０を通過して浄化された後、ヒースヒーター６１の側部を通って出口ポート６８ａから排ガス排出パイプ５８へ排出される。排ガス排出パイプ５８は、断熱材７を貫通して設けられており、浄化された排気ガスを温水製造装置５０へ供給する。

また、内側円筒部材６４及び外側円筒部材６６に挟まれた略円環状の燃料ガス供給流路２０の上流部には、蒸発部８６が設けられている。この蒸発部８６は、リング状の傾斜板８６ａの上側の傾斜面と外側円筒部材６６の内壁面とによって形成された環状の空間に、水供給パイプ８８の水供給ポート８８ａから供給された水を貯留可能となっている。

燃料ガス供給流路２０の最上流部は、蒸発部８６の傾斜板８６ａによって流路が狭められることにより、環状の燃料ガス供給室２０ａが形成されている。この燃料ガス供給室２０ａに燃料ガス供給パイプ９０から原燃料ガスが供給される。原燃料ガスは、傾斜板８６ａの先端部と内側円筒部材６４との間の隙間を通って上昇し、蒸発部８６の上方に側方から流入し、蒸発部８６で生成された水蒸気と合流する。

蒸発部８６とシースヒーター６１は、外側円筒部材６６の側壁を介して隣接し、互いに側方に配置されている。蒸発部８６の傾斜板８６ａは、シースヒーター６１が巻回された外側円筒部材６６の内側壁に取り付けられ、水供給ポート８８ａはシースヒーター６１の配置位置と対応するように、外側円筒部材６６の内側壁に近接して配置されている。また、シースヒーター６１も外側円筒部材６６に近接して配置されている。

このような構成により、シースヒーター６１で発生した熱は、燃焼触媒６０を加熱することに加えて、外側円筒部材６６の側壁を通して、蒸発部８６へ熱伝導され、蒸発部８６をも加熱する。また、蒸発部８６は、排ガス排出流路２１を通る排気ガスからの熱，及び，燃焼触媒６０が一酸化炭素を除去する際の反応熱によっても加熱される。これらの熱により、蒸発部８６は、供給された水を気化して水蒸気として放出する。

次に、装置起動時におけるシースヒーター６１の作動について説明する。
起動時には、まず制御装置（図示せず）が、シースヒーター６１を作動させ、燃焼触媒６０を加熱する。シースヒーター６１の作動により、蒸発部８６も同時に加熱される。この時点では、制御装置は、水流量調整ユニット２８による蒸発部８６への水供給を行わない。また、燃料ブロア３８による原燃料ガスの供給も行われない。

図示しない温度センサによって測定した燃焼触媒６０の温度が、作動可能な温度である活性温度又は所定温度に達すると、制御装置は、燃料ブロア３８及び空気ブロア４５を作動させて、原燃料ガス及び空気の供給を開始する。
この時点では、改質触媒９６が作動可能な活性温度まで昇温されていないので、原燃料ガスは、改質されることなく改質部９４を通過して、燃料ガス分散室７６を介して燃料ガスとして各燃料電池セル１６へ供給される。燃料電池セル１６に供給された燃料ガスは、発電反応に用いられることなく、燃料電池セル１６の燃料ガス用通路を通って、排気集約室１８内に導かれる。一方、空気ブロア４５から供給された空気は、酸化剤ガス噴射用パイプ７４を介して、発電室１０内に導かれる。

排気集約室１８内に導かれた燃料ガスは、複数の噴出口１８ｄから噴出される。このとき、排気集約室１８の上方には発電室１０から空気が流入しているので、制御装置は、点火ヒーター６２を作動させて、燃料ガスの燃焼を開始する。
燃料ガスの燃焼が開始されると、排気ガスが小穴６４ａを通って排ガス排出流路２１に流入する。排ガス排出流路２１を通る排気ガス及び燃料ガスの燃焼熱によって、改質触媒９６は、徐々に昇温していく。

また、制御装置は、原燃料ガス及び空気の供給開始（又は、燃料ガスの燃焼開始）と同期して、又は、同時にシースヒーター６１の作動を停止する。
燃料ガスが燃焼を開始した時点で、燃焼触媒６０は、シースヒーター６１によってすでに活性温度まで昇温されているので、排気ガスから一酸化炭素を除去してクリーンな排気ガスを生成する。また、燃焼触媒６０は、一酸化炭素を除去する際の発熱反応、及び、排気ガスによる加熱によって、活性温度を維持する。したがって、蒸発部８６への加熱も継続的に行われる。

図示しない温度センサによって測定した改質部９４の温度が活性温度又は所定温度に達すると、制御装置は、水流量調整ユニット２８を作動させて、蒸発部８６への水供給を開始する。この時点で蒸発部８６は水蒸気を発生可能な温度以上に加熱されているので、供給された水を直ちに気化させて水蒸気を生成する。
なお、温度センサにより測定された蒸発部８６の温度が水を気化可能な所定温度に到達するか、シースヒーター６１の作動から所定時間が経過して蒸発部８６の温度が水を気化可能な所定温度に到達していると予測されるタイミングで、制御装置が、蒸発部８６への水供給を開始させるように構成してもよい。

また、点火ヒーター６２による燃料ガスの燃焼開始から所定期間経過するまでは、蒸発器８６への水供給を行わず、燃料ガスの燃焼開始から所定期間経過し、且つ、蒸発部８６の温度が水を気化可能な所定温度に達している場合に、制御装置が、蒸発部８６への水供給を開始させるように構成してもよい。

生成された水蒸気は、すでに供給が開始されている原燃料ガスと混合され、この混合ガスが改質触媒９６を通過することにより、水蒸気改質反応ＳＲが行われる。水蒸気改質反応ＳＲにより、水素ガスを多く含む燃料ガスが燃料電池セルに供給される。
図示しない温度センサによって測定した発電室１０の温度、又は、燃料電池セルスタック１６の温度が、所定温度に達すると、制御装置は、インバータ５４を作動させて発電を開始する。

本実施形態では、燃焼触媒６０を加熱するためのシースヒーター６１が、改質部９４に水蒸気を供給する蒸発部８６を加熱するためのヒーターを兼用することができるように、燃焼触媒６０を経路内に有する排ガス排出流路２１と、蒸発部８６を経路内に有する燃料ガス供給流路２０とを隣接して配置し、シースヒーター６１の側方に蒸発部８６を配置している。このように、シースヒーター６１，蒸発部８６を含む構成要素のレイアウトを工夫することにより、別の通路内にそれぞれ配置された燃焼触媒６０及び蒸発部８６を、１つのシースヒーター６１によって加熱することが可能となり、燃焼触媒６０の浄化性能及び蒸発部８６の気化性能を共に犠牲にすることなく装置の小型化、低コスト化を実現することができる。

また、本実施形態では、シースヒーター６１に対して、燃焼触媒６０を上流側に配置することにより、燃焼触媒６０を下流側から加熱可能であると共に、蒸発部８６を側方に配置することにより、蒸発部８６を側方から加熱可能である。このような直交関係の配置により、シースヒーター６１を燃焼触媒６０の加熱と蒸発部８６の加熱に兼用することができる。

また、本実施形態では、燃焼触媒６０及びシースヒーター６１を通過した排気ガスが出口ポート６８ａに到達するまでの間に、排気ガスによる排気熱によっても蒸発部８６を加熱することが可能となる。これにより、水を気化する際に大きな熱量を必要とする蒸発部８６に対して十分な熱量を提供し、起動時に蒸発部８６による迅速な水の気化を可能とすることができる。

また、本実施形態では、シースヒーター６１の配置位置に合わせて、シースヒーター６１の側方に、燃料ガス供給流路２０の側壁に近接させて蒸発部８６の水供給ポート８８ａを配置することにより、蒸発部８６による迅速かつ確実な気化性能を実現することができる。

また、本実施形態では、排ガス排出流路２１と燃料ガス供給流路２０を隔てる側壁を１つの側壁で兼用させることにより、排ガス排出流路２１側から蒸発部８６への熱伝達ロスを低減することが可能となり、蒸発部８６による水の気化効率を高め、起動時に低温状態から開始して、短時間で効率よく水蒸気を発生させるようにすることができる。

また、本実施形態では、排気ガスが通過する排ガス排出流路２１と、排ガス排出流路２１や燃料ガス供給流路２０のような他の装置構成部材よりも熱伝導率が低い断熱材７２ｂとで蒸発部８６を挟むように構成することにより、熱を外部へ逃がさずに効率よく蒸発部８６を加熱することができる。

また、本実施形態では、シースヒーター６１を作動させて、燃焼触媒６０及び蒸発部８６を加熱し始めてから、蒸発部８６が実質的に所定温度に達するまでは、蒸発部８６への水供給が禁止されるように構成されている。本実施形態では、蒸発部８６による水蒸気の生成を遅らせて、燃焼触媒６０を昇温するための熱エネルギーが気化熱によって奪われないようにすることにより、燃焼触媒６０の早期活性化を実現し、一酸化炭素の発生量が最も多い起動初期における排気ガスの浄化を可能とすることができる。

また、本実施形態では、発電反応に用いられなかった燃料ガスの燃焼を開始する時点では、蒸発部８６への水供給を行わず、シースヒーター６１により燃焼触媒６０を早期に活性させておくことができるので、燃料ガスの燃焼開始直後の一酸化炭素の含有量が最も多い排気ガスから一酸化炭素を燃焼触媒６０によって確実に除去することが可能となり、その後に蒸発部８６で水蒸気を生成させることが可能となる。

また、本実施形態では、燃料ガスの燃焼開始までには、燃焼触媒６０を活性させ、且つ、蒸発部８６を気化可能な程度まで加熱させておくことができるので、燃料ガスの燃焼開始に同期してシースヒーター６１を作動停止にすることができる。また、シースヒーター６１を作動停止しても、オフガス燃焼開始後は、排気ガスの排気熱、及び、燃焼触媒６０の一酸化炭素除去の際の反応熱によって、蒸発部８６を引き続き加熱可能である。また、燃焼触媒６０も、排気ガスの排気熱及び反応熱により、活性化状態に維持することができる。これにより、蒸発部８６の加熱による十分な水蒸気発生量の確保、シースヒーター６１への不必要な通電の抑制、及び、燃焼触媒６０の活性化維持を図ることができる。

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

Claims (9)

1. 固体酸化物型燃料電池装置であって、
   内部に燃料ガス用通路を有し、外表面に空気極を有する複数の燃料電池セルと、
   前記燃料電池セルを収容するモジュールケースと、
   前記モジュールケース内に連通し、前記モジュールケースの外部に排気ガスを排気する排気通路と、
   前記排気通路内に設けられた排気浄化触媒と、
   前記排気浄化触媒を加熱する起動用ヒーターと、
   前記燃料電池セルに燃料ガスを供給する燃料供給通路と、
   前記燃料供給通路の途中に配置された改質触媒と、
   加熱されることにより水を気化して水蒸気を生成し、前記改質触媒に水蒸気を供給する蒸発器と、を備え、
   前記排気通路は、前記燃料供給通路と隣接して配置されており、
   前記起動用ヒーターは、前記排気浄化触媒及び前記蒸発器を加熱可能なように、前記排気通路内において、前記燃料供給通路内に設けられた前記蒸発器の側方に配置されていることを特徴とする固体酸化物型燃料電池装置。
2. 前記起動用ヒーターは、前記排気通路内において、前記排気浄化触媒の下流側に配置され、
   前記蒸発器は、前記排気通路の側壁を隔てて前記起動用ヒーターの側方に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物型燃料電池装置。
3. 前記排気通路は、前記蒸発器が側方に位置する前記排気通路の側壁部分よりも下流側に、排気ガスを装置外部に排出するための出口ポートを有し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。
4. 前記起動用ヒーターが側方に位置する前記燃料供給通路の側壁部分に近接して、前記蒸発器に水を供給する水供給ポートが設けられていることを特徴とする請求項３に記載の固体酸化物型燃料電池装置。
5. 前記起動用ヒーターの配置位置において、前記排気通路の側壁が、前記燃料供給通路の側壁を兼用していることを特徴とする請求項４に記載の固体酸化物型燃料電池装置。
6. 前記蒸発器が前記排気通路と断熱材との間で挟まれるように、前記断熱材が配置されていることを特徴とする請求項５に記載の固体酸化物型燃料電池装置。
7. 前記起動用ヒーター及び前記蒸発器への水供給を制御する制御装置を備え、
   前記制御装置は、装置起動時において、前記起動用ヒーターを作動させ、前記蒸発器の温度が所定温度以上になるか、又は、前記蒸発器の温度が所定温度以上になると予想される予め設定された時間が経過した時点で前記蒸発器への水供給を開始す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。
8. 前記制御装置は、前記燃料電池セルへの前記燃料ガスの供給が開始され、発電反応に用いられなかった前記燃料ガスの前記モジュールケース内での燃焼が開始されてから所定期間経過後に、前記蒸発器への水供給を開始することを特徴とする請求項７に記載の固体酸化物型燃料電池装置。
9. 前記制御装置は、前記モジュールケース内での前記燃料ガスの燃焼開始に同期して、前記起動用ヒーターを作動停止にすることを特徴とする請求項８に記載の固体酸化物型燃料電池装置。

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