JP2015185280A - 燃料電池装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池スタックの上端部から排出される余剰の燃料ガスを燃焼させる燃焼部の火炎の安定性を向上させる。
【解決手段】燃料電池スタックは、複数の燃料電池セル１０を水平一方向に並べてなる。燃料電池セル１０は、上下方向に延在するセル支持体１３を含む。セル支持体１３は、その上端部に、オフガス燃焼部３５に向かって上向きに、余剰の改質ガスを噴出させる複数の開口１２ａを備える。燃料電池スタックは、隣り合うセル支持体１３の上端部間に配置されてこの上端部間の空隙を閉塞する閉塞部材４０を備える。閉塞部材４０は、上方に向かうほど互いに近づく一対の傾斜板４１、４２を含んで構成され、各傾斜板４１、４２に噴口４７、４８が形成される。噴口４７、４８は、隣接するセル支持体１３の上端部上方のオフガス燃焼部３５に向かって斜め上向きに、余剰の酸化剤ガスを噴出させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池装置に関し、特に固体酸化物形の燃料電池装置に関する。

燃料電池装置は、燃料電池システムの中核をなすもので、燃料ガスと酸化剤ガス（例えば空気）とを反応させて発電する燃料電池スタックと、燃料電池スタックの上端部（燃料電池スタックの反応ガスの流れ方向における下流端部）から排出される余剰の燃料ガスを余剰の酸化剤ガスを用いて燃焼させる燃焼部と、を含んで構成される。燃料電池スタックは、複数の燃料電池セルを水平一方向に空隙を空けて並べてなる。燃料電池セルは、上下方向に延在するセル支持体を含んで構成される。セル支持体は、その上端部に、燃焼部に向かって上向きに、余剰の燃料ガスを噴出させる複数の噴口を備える。
また、燃料電池装置において、隣り合うセル支持体同士の間の空隙では下から上へ酸化剤ガスが流通する。そして、隣り合うセル支持体の上端部間から燃焼部に、余剰の酸化剤ガスが流出する。
このような燃料電池装置は、特許文献１に開示されている。

特開２０１０−２３２１８１号公報

しかしながら、特許文献１に開示のように、隣り合うセル支持体の上端部間から燃焼部に、余剰の酸化剤ガスが無制限に流出すると、セル支持体の上端部上方の燃焼部への酸化剤ガスの供給が不安定となって燃焼部の火炎が不安定となりかねず、ひいては、燃焼部にて失火が発生するおそれがあった。
本発明は、このような実状に鑑み、燃焼部の火炎の安定性を向上させることを目的とする。

そのため本発明に係る燃料電池装置は、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池スタックと、燃料電池スタックの上端部から排出される余剰の燃料ガスを余剰の酸化剤ガスを用いて燃焼させる燃焼部と、を含んで構成される。燃料電池スタックは、複数の燃料電池セルを水平一方向に空隙を空けて並べてなる。燃料電池セルは、上下方向に延在するセル支持体を含む。セル支持体は、その上端部に、燃焼部に向かって上向きに、余剰の燃料ガスを噴出させる少なくとも１つの第１の噴口を備える。隣り合うセル支持体同士の間の空隙では下から上へ酸化剤ガスが流通する。本発明に係る燃料電池スタックは、隣り合うセル支持体の上端部間に配置されてこの上端部間の空隙を閉塞する閉塞部材と、閉塞部材に形成されて、隣接するセル支持体の上端部上方の燃焼部に向かって斜め上向きに、余剰の酸化剤ガスを噴出させる少なくとも１つの第２の噴口と、を備える。閉塞部材は、上方に向かうほど互いに近づく一対の傾斜板を含んで構成され、各傾斜板に前記第２の噴口が形成される。

本発明によれば、傾斜板に形成された第２の噴口から、隣接するセル支持体の上端部上方の燃焼部に向かって斜め上向きに、余剰の酸化剤ガスを噴出させる。これにより、余剰の酸化剤ガスをセル支持体の上端部上方の燃焼部へ安定的に供給することができるので、燃焼部の火炎の安定性を向上させることができ、ひいては、燃焼部での失火の発生を抑止することができる。

また本発明によれば、セル支持体の上端部に隣接する傾斜板の基部（下部）の近傍に渦流域が形成され、この渦流域にて、余剰の燃料ガスの一部と余剰の酸化剤ガスの一部とが混合されて可燃混合気が形成され得るので、当該渦流域にて火炎が形成され得る。また、当該渦流域における比較的高温の渦流（換言すれば再循環流）によって傾斜板の基部が加熱され得る。ゆえに、当該渦流域にて形成され得る火炎と、傾斜板の基部の高温化とにより、燃焼部の火炎が良好に保持され得る。従って、燃焼部の火炎の安定性を向上させることができ、ひいては、燃焼部での失火の発生を抑制することができる。

本発明の一実施形態における燃料電池装置の正面縦断面図 同上実施形態における燃料電池スタックの一部の側面縦断面図 同上実施形態における燃料電池セル及び閉塞部材の上面図 同上実施形態における燃料電池セル及び集電部材の平面横断面図 同上実施形態における閉塞部材の斜視図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態における燃料電池装置の正面縦断面図である。図２は燃料電池スタックの一部の側面縦断面図である。図３は燃料電池セル及び閉塞部材の上面図である。図４は燃料電池セル及び集電部材の平面横断面図である。ここで、図２は、図１のＡ−Ａ断面における燃料電池スタック７及びマニホールド９のみを示している。また、図３は図２のＢ−Ｂ矢視に対応する。また、図４は図２のＣ−Ｃ断面に対応する。

燃料電池装置１の筐体については、燃焼室区画部材２と天板３のみを示している。ここで、燃焼室区画部材２は、底面２ａと、上面視で矩形状をなす長側面２ｂ、２ｃ及び２つの短側面（図示せず）と、を有している。天板３は、燃焼室区画部材２の上面側開口部に対向している。天板３の上側の領域は酸化剤ガス（例えば空気）の供給源をなす。燃焼室区画部材２の長側面２ｂ、２ｃ上端部と天板３との間の空隙４は、排ガス出口をなす。
尚、本実施形態では、燃焼室区画部材２において、図１の紙面手前側に位置する短側面（図示せず）と、図１の紙面奥側に位置する短側面（図示せず）とを結ぶ方向を前後方向とし、長側面２ｂと長側面２ｃとを結ぶ方向を左右方向として、以下説明する。

次に燃料電池装置１の筐体内部の構成について説明する。
本実施形態の燃料電池装置１は、筐体内、特に燃焼室区画部材２内に、改質器６と、左右一対の燃料電池スタック７、８と、酸化剤ガス供給部材３０と、オフガス燃焼部３５とを備える。

改質器６は、燃焼室区画部材２内の上部（セルスタック７、８の上方）に配置されている。また、改質器６は酸化剤ガス供給部材３０を避けるように形成されている。尚、本実施形態では、改質器６は、オフガス燃焼部３５での燃焼熱によって加熱され得る。
改質器６は、改質触媒を用いた改質反応により、原燃料を改質して、水素リッチな改質ガスを生成する。また、改質器６は、そこで生成した改質ガスを、マニホールド９を介して燃料電池スタック７、８のアノード側（燃料極側）に供給する。ここで、図示しない改質ガスの供給管は、その一端が改質器６の出口に接続されており、他端がマニホールド９に接続されている。また、マニホールド９は、燃焼室区画部材２内の下部（セルスタック７、８の下方）に配置されている。また、本実施形態における改質ガスが、本発明の「燃料ガス」に対応する。また、改質器６が、本発明の「燃料改質器」に対応する。

改質器６に供給される原燃料としては、例えば、炭化水素系燃料が用いられる。炭化水素系燃料としては、分子中に炭素と水素とを含む化合物（酸素等、他の元素を含んでいてもよい）若しくはそれらの混合物が用いられ、例えば、炭化水素類、アルコール類、エーテル類、バイオ燃料が挙げられる。具体的には、炭化水素類として、メタン、エタン、プロパン、ブタン、天然ガス、ＬＰＧ（液化石油ガス）、都市ガス、ガソリン、ナフサ、灯油、軽油が挙げられる。アルコール類として、メタノール、エタノールが挙げられる。エーテル類として、ジメチルエーテルが挙げられる。バイオ燃料として、バイオガス、バイオエタノール、バイオディーゼル、バイオジェットが挙げられる。

改質器６での改質方式は、特に限定されず、例えば、水蒸気改質、部分酸化改質、自己熱改質、その他の改質方式を採用できる。水蒸気改質を用いる場合は、改質器６内（又は改質器６とは別）に水気化部を設け、燃焼室区画部材２の外部から供給される水を加熱し気化させることによって水蒸気を生成する。

天板３の上側の領域は酸化剤ガスの供給源であり、この天板３に前後方向に延びるスリット５が形成されている。このスリット５は酸化剤ガスの入口をなす。そして、このスリット５から燃焼室区画部材２内へ酸化剤ガス供給部材３０が挿入配置されている。

酸化剤ガス供給部材３０は、上面が開口し垂直な扁平面を有する矩形の容器で、燃料電池スタック７、８間に配置され、上面側の開口部は酸化剤ガスの供給源と連通している。そして、扁平な矩形の容器の底部近傍の側面に複数の酸化剤ガス噴出口３１が形成され、酸化剤ガス噴出口３１は燃料電池スタック７、８に相対している。
従って、酸化剤ガスは、スリット５から酸化剤ガス供給部材３０の内部に流入し、酸化剤ガス噴出口３１から噴出して、燃料電池スタック７、８のカソード側（酸化剤極側）に供給される。

燃料電池スタック７、８の上端部側は、余剰の改質ガス（オフガス）の排出部となり、余剰の改質ガスは余剰の酸化剤ガス供給下で燃焼する。従って、燃料電池スタック７、８の上端部近傍がオフガス燃焼部３５となる。ここで、オフガス燃焼部３５が本発明の「燃焼部」に対応しており、燃料電池スタック７、８の上端部から排出される余剰の改質ガスを余剰の酸化剤ガスを用いて燃焼させる。オフガス燃焼部３５は、余剰の改質ガスを燃焼させて燃料電池スタック７、８を高温状態に維持する。
尚、燃料電池装置１は、オフガス燃焼部３５での燃焼を開始させるための点火装置（図示せず）を備える。

燃料電池スタック７、８は、改質器６の下方に配置され、マニホールド９上に保持されている。
燃料電池スタック７、８は、各々が、複数の燃料電池セル１０を前後方向に空隙を空けて並べてなる。ここで、本実施形態では、前後方向が、本発明の「水平一方向」に対応する。

左側の燃料電池スタック７は、横長の燃料電池セル１０を前後面間に集電部材１１を介在させて前後方向に一列に並べることで、複数の燃料電池セル１０を直線状に配列してなる。
また、各燃料電池セル１０の内部には、下端部から上端部へ、複数本（図では６本）のガス流路１２が形成されている。各ガス流路１２は下端部にてマニホールド９と連通し、上端部の近傍にオフガス燃焼部３５を形成するように構成されている。ここで、ガス流路１２が、本発明の「燃料ガス流路」に対応する。また、ガス流路１２の上端部の開口１２ａが、本発明の「第１の噴口」をなし、オフガス燃焼部３５に向かって上向きに余剰の改質ガスを噴出する。

燃料電池セル１０は、燃料極支持型の固体酸化物燃料電池セルである。燃料電池セル１０は、セル支持体１３と、燃料極層（アノード層）１４と、固体酸化物電解質層１５と、酸化剤極層（カソード層）１６と、インターコネクタ１７とを含んで構成される。

セル支持体１３は多孔性物質により形成されている。セル支持体１３は、扁平な長円形状の横断面を有して上下方向に延在する板状片であり、平坦な前後面（平坦面）と半円筒面をなす左右面とを有する。セル支持体１３の下端部は、改質ガス分配用のマニホールド９の上面の開孔にガスタイトに挿入固定され、上端部は改質器６の下面に相対している。そして、セル支持体１３の内部には、その長手方向に、下端部から上端部へ、マニホールド９からの改質ガスが流通する複数本（図では６本）の並列なガス流路１２を有する。また、セル支持体１３は、その上端部に、オフガス燃焼部３５に向かって上向きに余剰の改質ガスを噴出させる開口１２ａを備える。尚、セル支持体１３については、改質ガスを燃料極層１４まで透過させるためにガス透過性であること、そしてまた、インターコネクタ１７を介して集電するために導電性であることが要求される。かかる要求を満たすために多孔質の導電性セラミック等が用いられ得る。

インターコネクタ１７は、セル支持体１３の一方（燃料電池スタック７では前側）の平坦面上に配設されている。
燃料極層１４は、セル支持体１３の他方（燃料電池スタック７では後側）の平坦面上、及び左右面に積層され、その両端はインターコネクタ１７の両端に接合されている。

固体酸化物電解質層１５は、燃料極層１４の上にその全体を覆うように積層され、その両端はインターコネクタ１７の両端に接合されている。
酸化剤極層１６は、固体酸化物電解質層１５の主部上、すなわちセル支持体１３の他方の平坦面を覆う部分上、に積層され、セル支持体１３を挟んでインターコネクタ１７に対向している。

従って、各燃料電池セル１０の一方（燃料電池スタック７では前側）の外側面にはインターコネクタ１７があり、他方（燃料電池スタック７では後側）の外側面には酸化剤極層１６がある。
換言すれば、燃料電池セル１０は、ガス流路１２を有するセル支持体１３を含み、セル支持体１３は、その１つの面に、燃料極層１４、固体酸化物電解質層１５、酸化剤極層１６をこの順に積層し、更に、セル支持体１３の他の面に、インターコネクタ１７を形成してなる。

かかる燃料電池セル１０は、前後方向に複数並べられ、集電部材１１を介して一列に接合される。すなわち、各燃料電池セル１０の前側のインターコネクタ１７を集電部材１１を介して前側に隣り合う燃料電池セル１０の酸化剤極層１６と接合し、各燃料電池セル１０の後側の酸化剤極層１６を集電部材１１を介して後側に隣り合う燃料電池セル１０のインターコネクタ１７と接合することで、複数の燃料電池セル１０を直列に接続している。

また、燃料電池スタック７の右方には燃料電池スタック８を設けるが、燃料電池スタック７に対し、燃料電池スタック８は、燃料電池セル１０を前後逆向きに並べる。
そして、燃料電池スタック７の最も前側の燃料電池セル１０のインターコネクタ１７に取付けた集電部材１１と、燃料電池スタック８の最も前側の燃料電池セル１０の酸化剤極層１６に取付けた集電部材１１とを、図示しない導電部材により連結することで、左側の燃料電池スタック７と右側の燃料電池スタック８とを直列に接続している。

集電部材１１は、隣り合う燃料電池セル１０同士（隣り合うセル支持体１３同士）の間の空隙に配置される。集電部材１１は上下方向に延在する筒状であり、内部に中空部１１ａを有している。また、集電部材１１には、その前面に複数のスリット部１１ｂが形成されている。また、集電部材１１の後面及び左右面には、図示しないスリット部が形成され得る。

酸化剤ガス供給部材３０の酸化剤ガス噴出口３１から噴出された酸化剤ガスは、集電部材１１の下面の開口から中空部１１ａ内に流入する。中空部１１ａ内に流入した酸化剤ガスは、前述のスリット部１１ｂを通って、燃料電池セル１０の酸化剤極層１６に供給されるか、又は、中空部１１ａの上端部の開口から、後述する閉塞部材４０内に流出する。すなわち、本実施形態では、隣り合う燃料電池セル１０同士（隣り合うセル支持体１３同士）の間の空隙（例えば中空部１１ａ）では、下から上へ酸化剤ガスが流通する。ここで、燃料電池セル１０の酸化剤極層１６の後面の一部は、集電部材１１のスリット部１１ｂを介して、中空部１１ａに対して露出している。

燃料電池装置１においては、改質器６にて生成された改質ガスが、図示しない改質ガスの供給管を通じて分配用のマニホールド９に供給される。
マニホールド９に供給された改質ガスは、燃料電池スタック７、８を構成する燃料電池セル１０に分配され、各燃料電池セル１０のセル支持体１３に形成されているガス流路１２に供給されて、ガス流路１２を上昇する。この過程で、改質ガス中の水素がセル支持体１３内を透過して燃料極層１４に達する。
一方、酸化剤ガスは、集電部材１１の中空部１１ａ内からスリット部１１ｂを通って燃料電池セル１０の酸化剤極層１６に供給される。これにより、酸化剤ガス中の酸素が酸化剤極層１６に達する。

固体酸化物電解質層１５は、高温下で酸化物イオンを伝導する。燃料極層１４は、酸化物イオンと改質ガス中の水素とを反応させて、電子及び水を発生させる。酸化剤極層１６は、酸化剤ガス中の酸素と電子とを反応させて、酸化物イオンを発生させる。
従って、燃料電池セル１０の酸化剤極層（カソード層）１６にて、下記（１）式の電極反応が生起され、燃料極層（アノード層）１４にて、下記（２）式の電極反応が生起されて、発電がなされる。
カソード層： １／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２−（電解質） ・・・（１）
アノード層： Ｏ^２−（電解質）＋Ｈ_２→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻ ・・・（２）

ここで、燃料電池セル１０を構成する燃料極層１４、固体酸化物電解質層１５、酸化剤極層１６、及び、インターコネクタ１７については、各々の厚さ（換言すれば、前後方向の長さ）が、セル支持体１３の厚さ（換言すれば、前後方向の長さ）に比べて十分に小さい。それゆえ、図２及び図３では、燃料極層１４、固体酸化物電解質層１５、酸化剤極層１６、及び、インターコネクタ１７の図示を省略している。また、図２では集電部材１１の図示を簡略化している。

次に、閉塞部材４０について、図１〜図４に加えて、図５を用いて説明する。
図５は、閉塞部材４０の斜視図である。
燃料電池スタック７、８は、各々が、複数の閉塞部材４０を備える。閉塞部材４０は、前後一対の傾斜板４１、４２と、前側板４３と、後側板４４と、左側板４５と、右側板４６と、を含んで構成される。

前側の傾斜板４１と後側の傾斜板４２とは、上方に向かうほど互いに近づくように、三角屋根形状に形成されている。
前側板４３は矩形状であり、前側の傾斜板４１の下端部から下方に延びている。
後側板４４は矩形状であり、後側の傾斜板４２の下端部から下方に延びている。

閉塞部材４０の傾斜板４１、４２、前側板４３、及び後側板４４は、１枚の金属板を折り曲げて一体的に形成され得る。尚、閉塞部材４０の傾斜板４１、４２、前側板４３、及び後側板４４の形成方法はこれに限らない。例えば、１枚の金属板を折り曲げて閉塞部材４０の傾斜板４１及び前側板４３を形成し、別の１枚の金属板を折り曲げて閉塞部材４０の傾斜板４２及び後側板４４を形成して、傾斜板４１、４２の上端部同士を固定してもよい。また、４枚の金属板を、閉塞部材４０の傾斜板４１、４２、前側板４３、及び後側板４４として、これら金属板を組み立ててもよい。すなわち、一対の傾斜板４１、４２については、１枚の金属板を折り曲げて一体的に形成可能であり、又は、２枚の金属板を組み合わせて形成可能である。

閉塞部材４０の左側板４５は、閉塞部材４０の傾斜板４１、４２、前側板４３、及び後側板４４の左側縁により区画される左側開口を塞ぐように配置されており、１枚の金属板により形成される。
閉塞部材４０の右側板４６は、閉塞部材４０の傾斜板４１、４２、前側板４３、及び後側板４４の右側縁により区画される右側開口を塞ぐように配置されており、１枚の金属板により形成される。

閉塞部材４０の傾斜板４１、４２には、それぞれ、複数個（図では５個）の噴口４７、４８が貫通形成されている。
図５に示す閉塞部材４０を、図１〜図３に示すように、隣り合う燃料電池セル１０（セル支持体１３）の上端部間に配置することで、閉塞部材４０は、当該上端部間の空隙を閉塞する。
尚、閉塞部材４０は、集電部材３０上に載置され得る。また、閉塞部材４０は、隣接する燃料電池セル１０に接触し得る。

閉塞部材４０の前側の傾斜板４１の各噴口４７については、その前側にて隣接する燃料電池セル１０の上方に位置するオフガス燃焼部３５に向かって斜め上向きに、余剰の酸化剤ガスを噴射させるように形成されている。
閉塞部材４０の後側の傾斜板４２の各噴口４８については、その後側にて隣接する燃料電池セル１０の上方に位置するオフガス燃焼部３５に向かって斜め上向きに、余剰の酸化剤ガスを噴射させるように形成されている。
従って、噴口４７、４８は、本発明の「第２の噴口」に対応するものである。

図３に示すように、燃料電池セル１０（セル支持体１３）の上端部の複数個（図では６個）の開口１２ａと、それに隣接する閉塞部材４０の複数個（図では５個）の噴口４７とは、上面視で千鳥状に配置されている。この点は、閉塞部材４０の噴口４８についても同様である。
また、燃料電池セル１０（セル支持体１３）の上端部の開口１２ａと、閉塞部材４０の噴口４７とは、前後方向（前述の水平一方向）で隣り合わない。この点は、閉塞部材４０の噴口４８についても同様である。

従って、集電部材１１の中空部１１ａの上端部の開口から閉塞部材４０内に流出した余剰の酸化剤ガスは、噴口４７、４８より、オフガス燃焼部３５に向かって斜め上向きに噴射される。このときに、燃料電池セル１０の上端部の開口１２ａの上方に形成される火炎を避けるように酸化剤ガスが噴射されるので、当該火炎が酸化剤ガスにより吹き消されることを抑制することができると共に、オフガス燃焼部３５における拡散燃焼を良好に行うことができる。

図１に示すように、燃焼室区画部材２の内面には、内部断熱材６０が内張されている。内部断熱材６０は、左側部６１、右側部６２、及び下側部６３を含んで構成され、溝形状（コ字形状）の断面を有して前後方向に延在している。
内部断熱材６０の左側部６１は、燃焼室区画部材２の左側の長側面２ｂの内壁に面接触するように配置されている。

内部断熱材６０の右側部６２は、燃焼室区画部材２の右側の長側面２ｃの内壁に面接触するように配置されている。
内部断熱材６０の下側部６３は、燃焼室区画部材２の底面２ａとマニホールド９との間に介装されている。

左側の燃料電池スタック７と内部断熱材６０の左側部６１との間には、燃料電池スタック７の前後方向に沿う左側面を覆うように、断熱材７０が介装されている。断熱材７０は、第１の断熱部材７１及び第２の断熱部材７２からなる２層構造である。
第１の断熱部材７１は柔軟性を有する。第１の断熱部材７１は、その右側面が、燃料電池スタック７の燃料電池セル１０の左側面に接触する。第１の断熱部材７１としては、例えば、ブランケット状の断熱部材が用いられる。
第２の断熱部材７２は、第１の断熱部材７１よりも硬質である。第２の断熱部材７２は、その右側面が第１の断熱部材７１に面接触して、左側面が、内部断熱材６０の左側部６１に面接触する。

左側の燃料電池スタック７と酸化剤ガス供給部材３０との間には、燃料電池スタック７の前後方向に沿う右側面を覆うように、断熱材７３が介装されている。断熱材７３は、第１の断熱部材７４及び第２の断熱部材７５からなる２層構造である。
第１の断熱部材７４は柔軟性を有する。第１の断熱部材７４は、その左側面が、燃料電池スタック７の燃料電池セル１０の右側面に接触する。第１の断熱部材７４としては、例えば、ブランケット状の断熱部材が用いられる。

第２の断熱部材７５は、第１の断熱部材７４よりも硬質である。第２の断熱部材７５は、その左側面が第１の断熱部材７４に面接触して、右側面が、酸化剤ガス供給部材３０の左側面に面接触する。
尚、断熱材７３については、その下端が、酸化剤ガス供給部材３０の酸化剤ガス噴出口３１より上方に位置する。これにより、酸化剤ガス供給部材３０の酸化剤ガス噴出口３１から燃料電池スタック７への酸化剤ガスの供給をスムーズに行うことができる。

断熱材７０は、燃料電池スタック７における燃料電池セル１０同士の間の空隙を流通する酸化剤ガスが、燃料電池スタック７と内部断熱材６０の左側部６１との間の空間に漏れ出すことを抑制する。また、断熱材７３は、燃料電池スタック７における燃料電池セル１０同士の間の空隙を流通する酸化剤ガスが、燃料電池スタック７と酸化剤ガス供給部材３０との間の空間に漏れ出すことを抑制する。それゆえ、酸化剤ガス供給部材３０の酸化剤ガス噴出口３１から噴出された酸化剤ガスを、燃料電池スタック７（特に、燃料電池セル１０同士の間の空隙）に効率良く供給することができる。

右側の燃料電池スタック８と内部断熱材６０の右側部６２との間には、燃料電池スタック８の前後方向に沿う右側面を覆うように、断熱材８０が介装されている。断熱材８０は、第１の断熱部材８１及び第２の断熱部材８２からなる２層構造である。
第１の断熱部材８１は柔軟性を有する。第１の断熱部材８１は、その左側面が、燃料電池スタック８の燃料電池セル１０の右側面に接触する。第１の断熱部材８１としては、例えば、ブランケット状の断熱部材が用いられる。
第２の断熱部材８２は、第１の断熱部材８１よりも硬質である。第２の断熱部材８２は、その左側面が第１の断熱部材８１に面接触して、右側面が、内部断熱材６０の右側部６２に面接触する。

右側の燃料電池スタック８と酸化剤ガス供給部材３０との間には、燃料電池スタック８の前後方向に沿う左側面を覆うように、断熱材８３が介装されている。断熱材８３は、第１の断熱部材８４及び第２の断熱部材８５からなる２層構造である。
第１の断熱部材８４は柔軟性を有する。第１の断熱部材８４は、その右側面が、燃料電池スタック８の燃料電池セル１０の左側面に接触する。第１の断熱部材８４としては、例えば、ブランケット状の断熱部材が用いられる。

第２の断熱部材８５は、第１の断熱部材８４よりも硬質である。第２の断熱部材８５は、その右側面が第１の断熱部材８４に面接触して、左側面が、酸化剤ガス供給部材３０の右側面に面接触する。
尚、断熱材８３については、その下端が、酸化剤ガス供給部材３０の酸化剤ガス噴出口３１より上方に位置する。これにより、酸化剤ガス供給部材３０の酸化剤ガス噴出口３１から燃料電池スタック８への酸化剤ガスの供給をスムーズに行うことができる。

断熱材８０は、燃料電池スタック８における燃料電池セル１０同士の間の空隙を流通する酸化剤ガスが、燃料電池スタック８と内部断熱材６０の右側部６２との間の空間に漏れ出すことを抑制する。また、断熱材８３は、燃料電池スタック８における燃料電池セル１０同士の間の空隙を流通する酸化剤ガスが、燃料電池スタック８と酸化剤ガス供給部材３０との間の空間に漏れ出すことを抑制する。それゆえ、酸化剤ガス供給部材３０の酸化剤ガス噴出口３１から噴出された酸化剤ガスを、燃料電池スタック８（特に、燃料電池セル１０同士の間の空隙）に効率良く供給することができる。

本実施形態によれば、燃料電池装置１は、改質ガス（燃料ガス）と酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池スタック７、８と、燃料電池スタック７、８の上端部から排出される余剰の改質ガスを余剰の酸化剤ガスを用いて燃焼させるオフガス燃焼部３５（燃焼部）と、を含んで構成される。燃料電池スタック７、８は、各々が、複数の燃料電池セル１０を前後方向（水平一方向）に空隙を空けて並べてなる。燃料電池セル１０は、上下方向に延在するセル支持体１３を含む。セル支持体１３は、その上端部に、オフガス燃焼部３５に向かって上向きに、余剰の改質ガスを噴出させる少なくとも１つの開口１２ａ（第１の噴口）を備える。隣り合うセル支持体１３同士の間の空隙では下から上へ酸化剤ガスが流通する。燃料電池スタック７、８は、隣り合うセル支持体１３の上端部間に配置されてこの上端部間の空隙を閉塞する閉塞部材４０と、閉塞部材４０に形成されて、隣接するセル支持体１３の上端部上方のオフガス燃焼部３５に向かって斜め上向きに、余剰の酸化剤ガスを噴出させる少なくとも１つの噴口４７、４８（第２の噴口）と、を備える。閉塞部材４０は、上方に向かうほど互いに近づく一対の傾斜板４１、４２を含んで構成され、各傾斜板４１、４２に噴口４７、４８が形成される。これにより、余剰の酸化剤ガスをセル支持体１３の上端部上方のオフガス燃焼部３５へ安定的に供給することができるので、オフガス燃焼部３５の火炎の安定性を向上させることができ、ひいては、オフガス燃焼部３５での失火の発生を抑止することができる。また、負荷変動が生じた場合でも、負荷変動に応じた酸化剤ガスがオフガス燃焼部３５に安定的に供給されるので、オフガス燃焼部３５の火炎の安定性を向上させることができる。

また本実施形態によれば、セル支持体１３の上端部に隣接する傾斜板４１、４２の基部（下部）の近傍に渦流域９０（図２参照）が形成され、この渦流域９０にて、余剰の改質ガスの一部と余剰の酸化剤ガスの一部とが混合されて可燃混合気が形成され得るので、渦流域９０にて火炎が形成され得る。また、渦流域９０における比較的高温の渦流（換言すれば再循環流）によって傾斜板４１、４２の基部が加熱され得る。ゆえに、渦流域９０にて形成され得る火炎と、傾斜板４１、４２の基部の高温化とにより、オフガス燃焼部３５の火炎が良好に保持され得る。従って、オフガス燃焼部３５の火炎の安定性を向上させることができ、ひいては、オフガス燃焼部３５での失火の発生を抑制することができる。

また本実施形態によれば、燃料電池セル１０は、セル支持体１３の１つの面（側面）に燃料極層１４、固体酸化物電解質層１５、酸化剤極層１６を積層して構成される。セル支持体１３は、多孔性物質により形成されて、内部に下端部から上端部側へ改質ガス（燃料ガス）が流通する少なくとも１つのガス流路１２（燃料ガス流路）を有する。そして、ガス流路１２の上端部の開口１２ａが前記第１の噴口をなす。これにより、燃料電池セル１０を簡素な構成とすることができる。

また本実施形態によれば、閉塞部材４０は、一対の傾斜板４１、４２により三角屋根形状に形成される。これにより、傾斜板４１、４２の基部の近傍にて渦流域９０を良好に形成することができる。

また本実施形態によれば、複数の開口１２ａ（第１の噴口）と、複数の噴口４７、４８（第２の噴口）とは、上面視で千鳥状に配置される。これにより、燃料電池セル１０の上端部の開口１２ａの上方に形成される火炎を避けるように酸化剤ガスが噴射されるので、当該火炎が酸化剤ガスにより吹き消されることを抑制することができると共に、オフガス燃焼部３５における拡散燃焼を良好に行うことができる。

また本実施形態によれば、開口１２ａ（第１の噴口）と、噴口４７、４８（第２の噴口）とは、上面視で、前後方向（水平一方向）で隣り合わないように配置される。これにより、燃料電池セル１０の上端部の開口１２ａの上方に形成される火炎を避けるように酸化剤ガスが噴射されるので、当該火炎が酸化剤ガスにより吹き消されることを抑制することができると共に、オフガス燃焼部３５における拡散燃焼を良好に行うことができる。

また本実施形態によれば、燃料電池装置１は、燃料電池スタック７、８の、前後方向（水平一方向）に沿う左右両側面を覆う断熱材７０、７３、８０、８３を更に含んで構成される。これにより、燃料電池スタック７、８における燃料電池セル１０同士の間の空隙を流通する酸化剤ガスが、燃料電池スタック７、８の側方の空間に漏れ出すことを抑制することができるので、酸化剤ガス供給部材３０の酸化剤ガス噴出口３１から噴出された酸化剤ガスを、燃料電池スタック７、８（特に、燃料電池セル１０同士の間の空隙）に効率良く供給することができる。また、本実施形態によれば、噴口４７、４８が形成された傾斜板４１、４２を備える閉塞部材４０と断熱材７０、７３、８０、８３とにより、酸化剤ガスの流れを制限する。これにより、燃焼に関与しない酸化剤ガスが燃料電池スタック７、８の周辺に供給されることを抑制できるので、補機動力の低減等のエネルギーの低減を実現することができ、ひいては、効率を向上させることができる。

また本実施形態によれば、断熱材７０、７３、８０、８３は、柔軟性を有し、かつ、燃料電池セル１０に接触する第１の断熱部材７１、７４、８１、８４と、第１の断熱部材７１、７４、８１、８４よりも硬質な第２の断熱部材７２、７５、８２、８５と、からなる２層構造である。これにより、第１の断熱部材７１、７４、８１、８４が燃料電池セル１０に良好に密着するので、断熱材７０、７３、８０、８３とセルスタック７、８との間に隙間が形成されることを抑制することができる。

また本実施形態によれば、燃料電池装置１は、オフガス燃焼部３５の上方に配置され、原燃料を改質して、燃料電池スタック７、８に供給する改質ガス（燃料ガス）を生成する改質器６（燃料改質器）を更に含んで構成される。これにより、オフガス燃焼部３５での燃焼熱によって改質器６の加熱を行うことができる。

尚、本実施形態では、燃料電池スタック７、８に供給される燃料ガスの一例として改質ガスを挙げて説明したが、燃料電池スタック７、８に供給される燃料ガスはこれに限らず、例えば、純水素であってもよい。この場合には、燃料電池装置１において、改質器６の構成が省かれる。

以上からわかるように、図示の実施形態はあくまで本発明を例示するものであり、本発明は、説明した実施形態により直接的に示されるものに加え、特許請求の範囲内で当業者によりなされる各種の改良・変更を包含するものであることは言うまでもない。

１ 燃料電池装置
２ 燃焼室区画部材
２ａ 底面
２ｂ、２ｃ 長側面
３ 天板
４ 空隙
５ スリット
６ 改質器
７、８ 燃料電池スタック
９ マニホールド
１０ 燃料電池セル
１１ 集電部材
１１ａ 中空部
１１ｂ スリット部
１２ ガス流路
１２ａ 開口（第１の噴口）
１３ セル支持体
１４ 燃料極層
１５ 固体酸化物電解質層
１６ 酸化剤極層
１７ インターコネクタ
３０ 酸化剤ガス供給部材
３１ 酸化剤ガス噴出口
３５ オフガス燃焼部
４０ 閉塞部材
４１、４２ 傾斜板
４３ 前側板
４４ 後側板
４５ 左側板
４６ 右側板
４７、４８ 噴口（第２の噴口）
６０ 内部断熱材
６１ 左側部
６２ 右側部
６３ 下側部
７０、７３、８０、８３ 断熱材
７１、７４、８１、８４ 第１の断熱部材
７２、７５、８２、８５ 第２の断熱部材
９０ 渦流域

Claims (8)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池スタックと、
   該燃料電池スタックの上端部から排出される余剰の燃料ガスを余剰の酸化剤ガスを用いて燃焼させる燃焼部と、
   を含んで構成される燃料電池装置であって、
   前記燃料電池スタックは、複数の燃料電池セルを水平一方向に空隙を空けて並べてなり、
   前記燃料電池セルは、上下方向に延在するセル支持体を含み、該セル支持体は、その上端部に、前記燃焼部に向かって上向きに、余剰の燃料ガスを噴出させる少なくとも１つの第１の噴口を備え、
   隣り合う前記セル支持体同士の間の空隙では下から上へ酸化剤ガスが流通し、
   前記燃料電池スタックは、
   隣り合う前記セル支持体の上端部間に配置されて該上端部間の空隙を閉塞する閉塞部材と、
   前記閉塞部材に形成されて、隣接する前記セル支持体の上端部上方の前記燃焼部に向かって斜め上向きに、余剰の酸化剤ガスを噴出させる少なくとも１つの第２の噴口と、を備え、
   前記閉塞部材は、上方に向かうほど互いに近づく一対の傾斜板を含んで構成され、各傾斜板に前記第２の噴口が形成される、燃料電池装置。
2. 前記燃料電池セルは、前記セル支持体の側面に燃料極層、固体酸化物電解質層、酸化剤極層を積層して構成され、
   前記セル支持体は、多孔性物質により形成されて、内部に下端部から上端部側へ燃料ガスが流通する少なくとも１つの燃料ガス流路を有し、
   前記燃料ガス流路の上端部の開口が前記第１の噴口をなす、請求項１に記載の燃料電池装置。
3. 前記閉塞部材は、前記一対の傾斜板により三角屋根形状に形成される、請求項１又は請求項２に記載の燃料電池装置。
4. 複数の前記第１の噴口と、複数の前記第２の噴口とは、上面視で千鳥状に配置される、請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の燃料電池装置。
5. 前記第１の噴口と、前記第２の噴口とは、上面視で、前記水平一方向で隣り合わない、請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の燃料電池装置。
6. 前記燃料電池スタックの、前記水平一方向に沿う両側面を覆う断熱材を更に含んで構成される、請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載の燃料電池装置。
7. 前記断熱材は、柔軟性を有し、かつ、前記燃料電池セルに接触する第１の断熱部材と、該第１の断熱部材よりも硬質な第２の断熱部材と、からなる２層構造である、請求項６に記載の燃料電池装置。
8. 前記燃焼部の上方に配置され、原燃料を改質して、前記燃料電池スタックに供給する燃料ガスを生成する燃料改質器を更に含んで構成される、請求項１〜請求項７のいずれか１つに記載の燃料電池装置。