固體氧化物型燃料電池裝置的制造方法

固體氧化物型燃料電池裝置的制造方法
【專利摘要】本發明的固體氧化物型燃料電池裝置(1)，具有：多個燃料電池單元(16)，其互相之間電連接；外側圓筒部件(66)，其收裝多個燃料電池單元(16)；氧化劑氣體供給流路(22)，其將氧化劑氣體供給多個燃料電池單元(16)；燃料氣體供給流路(20)，其將燃料氣體供給多個燃料電池(16)；重整部(94)，其設置于燃料氣體供給流路(20)內，利用水蒸氣將原燃料氣體重整從而生成燃料氣體；蒸發部(86)，其生成用于供給重整部(94)的水蒸氣；燃料氣體供給管(90)，其供給在蒸發部(86)蒸發的水，蒸發器部(86)具有傾斜板(86a)，傾斜板(86a)通過毛細現象使燃料氣體供給管(90)所供給的水分散至整個蒸發器部(86)。
【專利說明】
固體氧化物型燃料電池裝置
技術領域
[0001]本發明涉及一種固體氧化物型燃料電池裝置，特別是涉及一種具有蒸發器的固體氧化物型燃料電池裝置。
【背景技術】
[0002]固體氧化物型燃料電池裝置(Solid Oxide Fuel Cell:以下稱為“SOFC”)是一種燃料電池，使用氧化物離子導電性固體電解質為電解質，在其兩側安裝電極，對一側供給燃料氣體，對另一側供給氧化劑氣體(空氣、氧氣等)，以較高的溫度進行工作。
[0003]現有技術的固體氧化物型燃料電池中，向蒸發器供給水，通過蒸發器將水蒸發生成水蒸氣，將水蒸氣和原燃料氣體的混合氣體重整取得燃料氣體(氫氣)。在專利文獻I中，公開了一種上述那樣的固體氧化物型燃料電池，其使用由水平的平板構成的蒸發器。
現有技術文獻專利文獻
[0004]【專利文獻I】日本發明專利公開公報2013-171740號

【發明內容】

[0005]在固體氧化物型燃料電池中，用蒸發器使非常微量的水蒸發而生成水蒸氣，將該水蒸氣和原燃料氣體的混合氣體用重整器重整生成燃料氣體。在這種情況下，為了使重整器穩定地進行重整，對水蒸氣和原燃料氣體所含碳氫化合物與碳含量之間的理論混合比、即S/C的管理非常重要，因此優選使這樣微量的水被切實分散。另一方面，如果水留存在蒸發器上的一部分區域上，有可能會由于在蒸發器上發生突沸現象，而造成伴隨燃料不足的燃料電池單元劣化。從防止發生這樣的問題的觀點出發，使水在蒸發器中均勻分散是非常重要的。
[0006]在所述專利文獻I所記載的技術中，采用了利用曲折流路等來延長蒸發時間的方法，但是對于使水在蒸發器中均勻分散這個目的來說還不夠充分。
[0007]因此，本發明以提供一種能夠使微量的水在蒸發器整體上適宜地分散的固體氧化物型燃料電池裝置為目的。
[0008]為了達成所述目的，本發明是一種通過供給燃料氣體以及氧化劑氣體使之發生反應來進行發電的固體氧化物型燃料電池裝置，其具有:多個燃料電池單元，其互相之間電連接;收裝容器，其收裝所述多個燃料電池單元;氧化劑氣體供給通路，其將所述氧化劑氣體供給所述多個燃料電池單元;燃料氣體供給通路，其將所述燃料氣體供給所述多個燃料電池單元;重整器，其設置于所述燃料氣體供給通路內，利用水蒸氣將原燃料氣體重整從而生成所述燃料氣體;蒸發器，其生成用于供給所述重整器的水蒸氣;供水部，其供給水，該水在所述蒸發器上蒸發，所述蒸發器具有毛細現象發生部，所述毛細現象發生部通過毛細現象使所述供水部所供給的水分散至整個蒸發器。
在這種結構的本發明中，由于蒸發器具有通過毛細現象使供水部供給的微量的水適宜地分散至整個蒸發器的毛細現象發生部，因此可以使供水部供給的微量的水適宜地分散至整個蒸發器。具體而言，通過利用了毛細現象的簡易的結構，能夠使供水部供給的微量的水在蒸發器蒸發(氣化)之前迅速地分散到整個蒸發器。其結果，被分散的水在被分散到的地方蒸發，并與原燃料氣體混合，因此可以生成穩定均勻的混合氣體。因此，可以妥善進行S/C比的管理。另外，在本發明中由于在蒸發器上的一部分的區域上不持續存留水，因此可以防止在蒸發器上發生突沸。因此，可以防止伴隨燃料不足的燃料電池單元的劣化等情況。
[0009]本發明中優選，蒸發器的毛細現象發生部由設置在所述蒸發器的整個底表面范圍的銳角形狀的凹部形成。
在這種結構的本發明中，由于由設置在所述蒸發器的整個底表面范圍的銳角形狀的凹部構成毛細現象發生部，因此可以由簡易的結構實現所述毛細現象。
[0010]本發明中優選，還具有混合室，所述混合室位于所述蒸發器的上方，混合由下方供給的水蒸氣和原燃料氣體，所述蒸發器上被供給水以及原燃料氣體的位置，與將水蒸氣和原燃料氣體向所述混合室供給的位置，相互處于隔著蒸發器的中心軸相向的相反一側的位置。
在這種結構的本發明中，將蒸發器中由通過毛細現象被適宜分散的水所生成的水蒸氣，在位于蒸發器的上方的混合室中與原燃料氣體混合，因此可以提高混合室中的水蒸氣和原燃料氣體的混合性。另外，在本發明中，不將混合室和蒸發器配置于水平方向，而將混合室配置于蒸發器的上方，并且，蒸發器上被供給水和原燃料氣體的位置，與從蒸發器向混合室供給氣體的位置(即蒸發器上氣體的出口)，隔著蒸發器的中心軸相互位于相反一側。因此，可以使水蒸氣和原燃料氣體在蒸發器內比較緩慢地混合，因此也可以在蒸發器內提高水蒸氣和原燃料氣體的混合性。即，采用本發明，通過同時使用這樣的蒸發器和混合室，可以大幅度提高水蒸氣和原燃料氣體的混合性。
[0011]本發明中優選，所述蒸發器具有傾斜板，所述傾斜板的一端固定于沿上下方向延伸的所述收裝容器的內壁表面，從該端開始朝向另一端向上方傾斜，所述毛細現象發生部中，所述銳角形狀的凹部由所述傾斜板和所述收裝容器的內壁表面所形成的間隙構成。
在這種結構的本發明中，利用收裝容器的內壁表面，在該內壁表面上設置向上方傾斜的傾斜板并由此形成銳角形狀的凹部，因此可以由簡易的結構實現毛細現象發生部。
[0012]本發明中優選，所述收裝容器的結構為形成圓或橢圓狀的內部空間，所述傾斜板形成圓或橢圓環狀，沿著所述內部空間的整個內周表面連續設置。
在其結構為形成圓或橢圓環狀的內部空間的收裝容器中，相對于微量的水，蒸發器的容積過大，具有不易使水分散的傾向。但是本發明中由于對于收裝容器，使用了在收裝容器的內部空間的整個內周表面連續設置的圓或橢圓環狀的傾斜板，因而可以確保微量的水的穩定的分散性。具體而言，在使用由本發明這樣圓或橢圓環狀的傾斜板構成的蒸發器的情況下，與使用不是圓或橢圓環狀而是帶角度的環狀(例如矩形環狀)的蒸發器的結構相比較，微量的水可以更加迅速地流向整個蒸發器，因此可以有效地將水分散。
[0013]本發明中優選，還具有圓或橢圓環狀的加熱器，所述加熱器設置在所述收裝容器的外周表面上，且設置在與所述蒸發器對應的位置的整個周圍。
在這種結構的本發明中，加熱器對蒸發器整體一周加熱，因此可以使整個蒸發器均勻地產生水蒸氣。另外，即使在固體氧化物型燃料電池裝置低溫狀態下啟動時，通過由加熱器對蒸發器加熱，也可以由蒸發器適宜地產生重整器的重整所必要的水蒸氣。
[0014]本發明中優選，所述加熱器設置于所述毛細現象發生部的上方。
在這種結構的本發明中，由于傾斜板所對應的收裝容器的外周表面上的位置不會被直接加熱，因此可以避免微量的水在傾斜板上分散的途中被蒸發掉。因此，可以適宜地確保在整個蒸發器上產生水蒸氣。
發明的效果
[0015]采用本發明的固體氧化物型燃料電池裝置，可以使微量的水適宜地分散至整個蒸發器，并且能夠防止蒸發器上的突沸現象。
【附圖說明】
[0016]圖1是本發明的一個實施方式所涉及的固體氧化物型燃料電池裝置(SOFC)的整體結構示意圖。
圖2是本發明的一個實施方式所涉及的固體氧化物型燃料電池裝置內設的燃料電池單元收裝容器的剖視圖。
圖3是將本發明的一個實施方式所涉及的固體氧化物型燃料電池裝置內設的燃料電池單元收裝容器的主要部件分解顯示的剖視圖。
圖4是本發明的一個實施方式所涉及的固體氧化物型燃料電池裝置內設的排氣集中室局部被放大顯示的剖視圖。
圖5是圖2中沿V—V線的剖視圖。
圖6的(a)是下端被作為陰極(cathode)的燃料電池單元的下端部被放大顯示的剖視圖，(b)是下端被作為陽極(anode)的燃料電池單元的下端部被放大顯示的剖視圖。
圖7是對本發明的一個實施方式所涉及的蒸發部的作用進行說明的視圖。
圖8是對本發明的一個實施方式所涉及的混合板的具體結構進行說明的立體圖。
圖9是本發明的一個實施方式所涉及的分散板的俯視圖。
圖10是對本發明的一個實施方式所涉及的混合板和分散板的作用進行說明的視圖。
圖11是本發明的變形例所涉及的分散板的俯視圖。
圖12是本發明的一個實施方式所涉及的分散板的俯視圖。
圖13是本發明的一個實施方式所涉及的重整部的剖面圖。
【具體實施方式】
[0017]下面，參考附圖對本發明的【具體實施方式】所涉及的固體氧化物型燃料電池裝置(SOFC)進行說明。
圖1是本發明的一個實施方式所涉及的固體氧化物型燃料電池裝置(SOFC)的整體結構示意圖。如圖1所示，本發明的一個實施方式所涉及的固體氧化物型燃料電池裝置(SOFC)I具有燃料電池模塊2和補給機構單元4。
[0018]燃料電池模塊2具有外殼6，在該外殼6的內部借助于絕熱材料7配置有燃料電池單元收裝容器8。在該燃料電池單元收裝容器8的內部構成發電室10，在該發電室10中呈同心圓狀配置有多個燃料電池單元16，通過這些燃料電池單元16進行作為燃料氣體和氧化劑氣體的空氣的發電反應。
[0019]在各燃料電池單元16的上端部，安裝有排氣集中室18。各燃料電池單元16中發電反應沒有用完而剩余的殘余燃料(off gas)，被集中到安裝于上端部的排氣集中室18，從設置在該排氣集中室18的頂壁面上的多個噴出口流出。流出的燃料借助于發電室10內發電反應沒有用完而剩余的空氣而燃燒，生成排氣氣體。
[0020]其次，補給機構單元4具有:純水槽26，其儲存來自自來水管道等水供給源24的水，并用過濾器過濾成純水;水流量調整單元28(由馬達驅動的“水栗”等)，其為水供給裝置，調整純水水槽所供給的水的流量。另外，補給機構單元4還具有燃料鼓風機38(由馬達驅動的“燃料栗”等)，其為燃料供給裝置，調整都市煤氣(日本煤氣的一種)等的燃料供給源30所供給的碳化氫類的原燃料氣體的流量。
[0021]此外，通過燃料鼓風機38后的原燃料氣體，再通過燃料電池模塊2內所配置的脫硫器36、熱交換器34和電磁閥35，被導入燃料電池單元收裝容器8的內部。脫硫器36呈環狀配置于燃料電池單元收裝容器8的周圍，從原燃料氣體中去除硫磺成分。另外，為了防止在脫硫器36中溫度上升的高溫原燃料氣體直接流入電磁閥35導致電磁閥35劣化，而設置有熱交換器34。設置電磁閥35是用于停止向燃料電池單元收裝容器8內部的原燃料氣體的供給。
[0022]補給機構單元4還具有作為氧化劑氣體供給裝置的空氣流量調整單元45(由馬達驅動的“空氣鼓風機”等)，其調整空氣供給源40所供給的空氣的流量。
[0023]并且，補給機構單元4還具有溫水制造裝置50，其用于回收來自燃料電池模塊2的排氣氣體的熱量。對該溫水制造裝置50供給自來水，該自來水由于排氣氣體的熱量而成為溫水，并被供應給未圖示的外部熱水器的儲水槽。
并且，燃料電池模塊2還連接有作為電力輸出部(電力轉換部)的變頻器54，其向外部提供燃料電池模塊2發出的電力。
[0024]接著，根據圖2及圖3，對本發明的實施方式所涉及的固體氧化物型燃料電池裝置(SOFC)的燃料電池模塊內設的燃料電池單元收裝容器的內部結構進行說明。圖2是燃料電池單元收裝容器的剖視圖，圖3是將燃料電池單元收裝容器的主要部件分解顯示的剖視圖。
如圖2所示，在燃料電池單元收裝容器8的內部的空間里，呈同心圓狀排列配置多個燃料電池單元16，圍繞多個燃料電池單元16的周圍而按順序呈同心圓狀形成有作為燃料流路的燃料氣體供給流路20、排氣氣體排出流路21、氧化劑氣體供給流路22。此處，排氣氣體排出流路21以及氧化劑氣體供給流路22發揮作為供給/排出氧化劑氣體的氧化劑氣體流路的功能。
[0025]首先，如圖2所示，燃料電池單元收裝容器8為大致圓筒狀的密封容器，在其側表面上連接有:氧化劑氣體導入管56，其作為氧化劑氣體流入口，用于供給發電用空氣;排氣氣體排出管58，其用于排出排氣氣體。并且，從燃料電池單元收裝容器8的上端表面突出有點火加熱器62，其用于排氣集中室18所流出的殘余燃料的點火。
[0026]如圖2及圖3所示，在燃料電池單元收裝容器8的內部，圍繞燃料電池單元16的周圍由內側開始依次配置有內側圓筒部件64、外側圓筒部件66、內側圓筒容器68、外側圓筒容器70。上述燃料氣體供給流路20、排氣氣體排出流路21、氧化劑氣體供給流路22是在這些圓筒部件和圓筒容器之間分別構成的流路，在相鄰的流路之間進行熱交換。即，圍繞燃料氣體供給流路20配置排氣氣體排出流路21，圍繞排氣氣體排出流路21配置氧化劑氣體供給流路22。另外，燃料電池單元收裝容器8的下端側的開放空間被構成燃料氣體分散室76的底表面的大致圓形的分散室底部件72所堵塞，燃料氣體分散室76用于將燃料分散至各燃料電池單元16。
[0027]內側圓筒部件64是大致圓筒狀的中空體，其上端和下端開放。另外，在內側圓筒部件64的內壁表面上氣密地焊接有作為分散室形成板的圓形的第I固定部件63。由該第I固定部件63的下表面、內側圓筒部件64的內壁面、分散室底部件72的上表面一起界定了燃料氣體分散室76。另外，第I固定部件63上形成有由各燃料電池單元16插通的多個插通孔63a，各燃料電池單元16在插通于各插通孔63a的狀態下由陶瓷粘合劑粘合(粘接)在第I固定部件63上。如此，在本實施方式的固體氧化物型燃料電池裝置I中，在構成燃料電池模塊2的各部件之間的接合部填充陶瓷粘合劑并使之固化，由此使各部件互相氣密地接合。
[0028]外側圓筒部件66是配置于內側圓筒部件64的周圍的圓筒狀的管子，為了在其與內側圓筒部件64之間形成圓環狀的流路，其形成為與內側圓筒部件64大致相似的形狀。在內側圓筒部件64和外側圓筒部件66之間配置有中間圓筒部件65。中間圓筒部件65是配置在內側圓筒部件64和外側圓筒部件66之間的圓筒狀的管子，在內側圓筒部件64的外周表面和中間圓筒部件65的內周表面之間構成重整部94。另外，中間圓筒部件65的外周表面和外側圓筒部件66的內周表面之間的圓環狀空間作為燃料氣體供給流路20發揮功能。因此，重整部94和燃料氣體供給流路20，通過燃料電池單元16中的發熱以及在排氣集中室18上端的殘余燃料的燃燒而獲得熱量。另外，內側圓筒部件64的上端部和外側圓筒部件66的上端部通過焊接而氣密地接合，燃料氣體供給流路20的上端被封閉。并且，中間圓筒部件65的下端和內側圓筒部件64的外周表面通過焊接而氣密地接合。
[0029]內側圓筒容器68是配置于外側圓筒部件66周圍的具有圓形剖面的杯狀部件，其側面形成與外側圓筒部件66大致相似的形狀，以在其與外側圓筒部件66之間形成基本為一定寬度的圓環狀的流路。該內側圓筒容器68以覆蓋內側圓筒部件64的上端的開放部的方式配置。外側圓筒部件66的外周表面和內側圓筒容器68的內周表面之間的圓環狀的空間，作為排氣氣體排出流路21(圖2)發揮功能。該排氣氣體排出流路21通過設置于內側圓筒部件64的上端部的多個小孔64a與內側圓筒部件64的內側的空間連通。另外，在內側圓筒容器68的下部的側表面上，連接有作為排氣氣體流出口的排氣氣體排出管58，排氣氣體排出流路21與排氣氣體排出管58連通。
[0030]在排氣氣體排出流路21的下部配置有燃燒催化劑60和將其加熱的護套加熱器61。燃燒催化劑60是一種催化劑，其位于排氣氣體排出管58的上方，且填充于外側圓筒部件66的外周表面和內側圓筒容器68的內周表面之間的圓環狀的空間中。從排氣氣體排出流路21下降的排氣氣體，由于通過燃燒催化劑60而被除去一氧化碳，從排氣氣體排出管58排出。
護套加熱器61是電加熱器，以圍繞外側圓筒部件66的位于燃燒催化劑60下方的外周表面的方式安裝。在固體氧化物型燃料電池裝置I啟動時，通過向護套加熱器61通電，燃燒催化劑60被加熱至活性溫度。
[0031]外側圓筒容器70是配置于內側圓筒容器68周圍的具有圓形剖面的杯狀部件，其側面形成與內側圓筒容器68大致相似的形狀，以在其與內側圓筒容器68之間形成基本為一定寬度的圓環狀的流路。內側圓筒容器68的外周表面和外側圓筒容器70的內周表面之間的圓環狀的空間，作為氧化劑氣體供給流路22發揮功能。另外，外側圓筒容器70的下部側表面上連接有氧化劑氣體導入管56。氧化劑氣體供給流路22與氧化劑氣體導入管56連通。
[0032]分散室底部件72是大致呈圓形的碟狀部件，被陶瓷粘合劑氣密地固定在內側圓筒部件64的內壁表面上。由此，在第I固定部件63和分散室底部件72之間構成燃料氣體分散室76。另外，在分散室底部件72中央，設置有用于供匯流條(bus bar)80插通的插通管72a。與各燃料電池單元16電連接的匯流條80穿過該插通管72a，被引出至燃料電池單元收裝容器8的外部。另外，插通管72a中也填充有陶瓷粘合劑，以確保燃料氣體分散室76的氣密性。并且，在插通管72a的周圍還配置有絕熱材料72b(圖2)。
[0033]以從內側圓筒容器68的頂壁面下垂的方式安裝有具有圓形剖面的氧化劑氣體噴射管74，其用于噴射發電用的空氣。該氧化劑氣體噴射管74在內側圓筒容器68的中心軸線上沿著豎直方向延伸，在其周圍的同心圓上配置有各燃料電池單元16。通過將氧化劑氣體噴射管74的上端安裝于內側圓筒容器68的頂壁面，使內側圓筒容器68和外側圓筒容器70之間形成的氧化劑氣體供給流路22與氧化劑氣體噴射管74連通。通過氧化劑氣體供給流路22供給的空氣，從氧化劑氣體噴射管74的頂端向下方噴射，碰到第I固定部件63的上表面，向發電室10內的整體擴散。
[0034]燃料氣體分散室76是在第I固定部件63和分散室底部件72之間構成的圓筒形的氣密性腔室，在其上表面林立著各燃料電池單元16。安裝于第I固定部件63上表面的各燃料電池單元16的內側的燃料電極與燃料氣體分散室76的內部連通。各燃料電池單元16的下端部，貫穿第I固定部件63的插通孔63a突出到燃料氣體分散室76的內部，各燃料電池單元16通過粘合被固定于第I固定部件63。
[0035]如圖2所示，在內側圓筒部件64上比第I固定部件63靠下方的位置，設置有多個小孔64b。內側圓筒部件64的外周和中間圓筒部件65的內周之間的空間通過多個小孔64b與燃料氣體分散室76內連通。供給的燃料先在外側圓筒部件66的內周和中間圓筒部件65的外周之間的空間內暫時上升后，再在內側圓筒部件64的外周和中間圓筒部件65的內周之間的空間內下降，通過多個小孔64b流入燃料氣體分散室76內。流入燃料氣體分散室76內的燃料，被分配至安裝于燃料氣體分散室76的頂壁面(第I固定部件63)的各燃料電池單元16的燃料電極。
[0036]并且，突出到燃料氣體分散室76內的各燃料電池單元16的下端部在燃料氣體分散室76內與匯流條80電連接，通過插通管72a使電力被輸出至外部。匯流條80是用于將各燃料電池單元16生成的電力向燃料電池單元收裝容器8的外部輸出的細長金屬導體，通過絕緣部件78固定于分散室底部件72的插通管72a。匯流條80在燃料氣體分散室76內部，與安裝于各燃料電池單元16的集電體82電連接。另外，匯流條80在燃料電池單元收裝容器8的外部與變頻器54(圖1)連接。此外，在突出到排氣集中室18內的各燃料電池單元16的上端部也安裝有集電體82(圖4)。通過這些安裝于上端部以及下端部的集電體82，多個燃料電池單元16被并聯地電連接，并且，被并聯地電連接的多組燃料電池單元16被串聯地電連接，該串聯連接的兩端分別連接于匯流條80。
[0037]接著，參考圖4以及圖5對排氣集中室的結構進行說明。
圖4是排氣集中室的局部被放大顯示的剖視圖，圖5是沿圖2中V—V線的剖視圖。
如圖4所示，排氣集中室18是安裝于各燃料電池單元16的上端部且剖面為面包圈型的腔室，在該排氣集中室18的中央，貫穿并延伸著氧化劑氣體噴射管74。
[0038]如圖5所示，在內側圓筒部件64的內壁表面上，以相同間隔安裝有用于支承排氣集中室18的3個支架64c。如圖4所示，各支架64c是將金屬制的薄板折彎而成的小片，通過將排氣集中室18載放在各支架64c上，可以將排氣集中室18定位在與內側圓筒部件64同心圓的位置上。這樣會使排氣集中室18的外周表面和內側圓筒部件64的內周表面之間的間隙，以及排氣集中室18的內周表面和氧化劑氣體噴射管74的外周表面之間的間隙在整個圓周上均勻(圖5)。
[0039]排氣集中室18由集中室上部件18a以及集中室下部件18b氣密地接合構成。
集中室下部件18b是上方開放的圓形碟狀部件，其中央設置有用于供氧化劑氣體噴射管74貫穿的圓筒部。
集中室上部件18a是下方開放的圓形碟狀部件，其中央設置有用于供氧化劑氣體噴射管74貫穿的開口部。集中室上部件18a構成為可以嵌入集中室下部件18b的、向上方開口的面包圈型剖面的區域中的形狀。
[0040]在集中室下部件18b周圍的壁的內周表面和集中室上部件18a的外周表面之間的間隙填充陶瓷粘合劑，并使之硬化，以確保該接合部的氣密性。另外，在該接合部所填充的陶瓷粘合劑所形成的陶瓷粘合劑層上，配置有大直徑密封環19a，其覆蓋陶瓷粘合劑層。大直徑密封環19a是圓環狀的薄板，在填充陶瓷粘合劑后，以覆蓋陶瓷粘合劑的方式配置，并由于粘合劑的硬化而被固定于排氣集中室18。
[0041]另一方面，集中室下部件18b中央的圓筒部的外周表面和集中室上部件18a中央的開口部的邊緣之間也用陶瓷粘合劑填充，并使之硬化，以確保該接合部的氣密性。另外，在該接合部所填充的陶瓷粘合劑所形成的陶瓷粘合劑層上，配置有小直徑密封環1%，其覆蓋陶瓷粘合劑層。小直徑密封環1%是圓環狀的薄板，在填充陶瓷粘合劑后，以覆蓋陶瓷粘合劑的方式配置，并由于粘合劑的硬化而被固定于排氣集中室18。
[0042]在集中室下部件18b的底表面設置有多個圓形的插通孔18c。各插通孔18c中分別插通有各燃料電池單元16的上端部，各燃料電池單元16貫穿各插通孔18c延伸。在各燃料電池單元16所貫穿的集中室下部件18b的底表面上注入陶瓷粘合劑，通過使其硬化，可以氣密性地填充各燃料電池單元16的外周和各插通孔18c之間的間隙，并且將各燃料電池單元16固定于集中室下部件18b。
[0043]并且，在注入集中室下部件18b的底表面的陶瓷粘合劑上，配置圓環薄板狀的罩部件19c，其由于陶瓷粘合劑的硬化而被固定于集中室下部件18b。在罩部件19c上與集中室下部件18b的各插通孔18c同樣的位置上設置有多個插通孔，各燃料電池單元16的上端部貫穿陶瓷粘合劑層和罩部件19c延伸。
[0044]另一方面，在排氣集中室18的頂壁面上設置有多個噴出口18d(圖5)，用于噴出被集中的燃料氣體。各噴出口 18d被配置于集中室上部件18a的圓周上。發電沒有用完的剩余燃料從各燃料電池單元16的上端部流入排氣集中室18內，被集中于排氣集中室18內的燃料從各噴出口 18d流出，并在該處燃燒。
[0045]接著，參考圖2對用于將燃料供給源30所供給的原燃料氣體重整的結構進行說明。首先，在由內側圓筒部件64和外側圓筒部件66之間的空間所構成的燃料氣體供給流路
20的下部，設置有用于使水蒸氣重整用水蒸發的蒸發部86。蒸發部86由外側圓筒部件66的下部內周上安裝的環狀的傾斜板86a和供水管88構成。另外，蒸發部86配置于用于導入發電用空氣的氧化劑氣體導入管56的下方，排出排氣氣體的排氣氣體排出管58的上方。傾斜板86a是形成環狀的金屬薄板，其外周邊緣安裝于外側圓筒部件66的內壁表面。另一方面，傾斜板86a的內周邊緣與外周邊緣相比位于上方，傾斜板86a的內周邊緣與內側圓筒部件64的外壁表面之間設置有間隙。
[0046]供水管88是從內側圓筒部件64的下端開始向燃料氣體供給流路20內沿豎直方向延伸的管，由水流量調整單元28所供給的水蒸氣重整用水，通過供水管88供給蒸發部86。供水管88的上端貫穿傾斜板86a，延伸至傾斜板86a的上表面側，供給至傾斜板86a的上表面側的水儲存在傾斜板86a的上表面和外側圓筒部件66的內壁表面之間。供給至傾斜板86a的上表面側的水在該處蒸發而生成水蒸氣。
[0047]另外，在蒸發部86的下方，隔著分隔壁91設置有將原燃料氣體導入燃料氣體供給流路20內的燃料氣體導入部，分隔壁91是圓環狀金屬板，在該分隔壁91上以相等間隔設置有多個噴射口 91a。從燃料鼓風機38送來的原燃料氣體通過燃料氣體供給管90導入燃料氣體供給流路20。燃料氣體供給管90是從內側圓筒部件64的下端開始向燃料氣體供給流路20內沿豎直方向延伸的管。另外，燃料氣體供給管90的上端與分隔壁91相比位于下方。由燃料氣體供給管90所導入的原燃料氣體在分隔壁91的下側的空間短暫停留之后，通過各噴射口91a噴射至分隔壁91的上側的空間(即設置有蒸發部86的空間)。然后，由噴射口 91a噴射的原燃料氣體被導入傾斜板86a的下側，由于傾斜板86a的傾斜而在流路中聚攏并向傾斜板86a的上側上升。上升至傾斜板86a的上側的原燃料氣體與蒸發部86所生成的水蒸氣一起上升。
[0048]在燃料氣體供給流路20內的蒸發部86上方設置有混合板110，其為圓環狀金屬板，以將外側圓筒部件66的內周和內側圓筒部件64的外周之間的圓環狀的空間上下分隔的方式設置。在該混合板110的圓周上設置有一個連通孔110a。通過IlOa將混合板110的上側空間和下側空間連通。連通孔IlOa設置于，隔著混合板110的中心軸(與內側圓筒部件64和外側圓筒部件66等的中心軸一致)而與規定位置相向地位于規定位置的相反一側的位置，其中，規定位置是混合板110上的、與供水管88以及燃料氣體供給管90的設置位置相對應的位置。由噴射口 9 Ia噴射的原燃料氣體以及蒸發部86所生成的水蒸氣在混合板110的下側空間短暫停留之后，通過連通孔IlOa被導入混合板110的上側空間。
[0049]在混合板110的上方還設置有混合板111，其為圓環狀金屬板，以將外側圓筒部件66的內周和內側圓筒部件64的外周之間的圓環狀的空間上下分隔的方式設置。混合板111接近混合板110配置。在該混合板111的圓周上設置有一個連通孔111a。通過Illa將混合板111的上側空間和下側空間連通。連通孔Illa設置于，隔著混合板111的中心軸(與內側圓筒部件64和外側圓筒部件66等的中心軸一致)而與規定位置相向地位于規定位置的相反一側的位置，其中，規定位置是混合板111上的、與混合板110上設有連通孔IlOa的位置相對應的位置。由混合板110的連通孔IlOa導入的原燃料氣體以及蒸發部86所生成的水蒸氣在混合板110和混合板111之間的空間移動，通過混合板111的連通孔Illa被導入混合板111的上側空間。在此情況下，由于混合板110和混合板111之間的空間在上下方向上的寬度較狹，因此原燃料氣體以及水蒸氣在水平方向上移動，在此過程中被混合。
[0050]在混合板111的上方還設置有分散板112，其為圓環狀金屬板，以將外側圓筒部件66的內周和中間圓筒部件65的外周之間的圓環狀的空間上下分隔的方式設置。分散板112遠離混合板111配置。具體而言，分散板112和混合板111在上下方向上的距離比混合板110和混合板111在上下方向上的距離長。分散板112的圓周上設置有多個連通孔112a，通過這些連通孔112a將分散板112的上側空間和下側空間連通。由混合板111的連通孔11 Ia導入的原燃料氣體以及水蒸氣在混合板111和分散板112之間的空間移動，通過各連通孔112a被導入分散板112上側的空間。在此情況下，由于混合板111和分散板112之間的空間在上下方向上的寬度較寬，因此原燃料氣體以及水蒸氣向上方移動，在此過程中被混合。
[0051 ]另一方面，在中間圓筒部件65的內周和內側圓筒部件64的外周之間的圓環狀空間的上部設置有重整部94。另外，在重整部94的上部設置有金屬板構成的分散板113。分散板113以覆蓋重整部94的上端的方式構成圓環狀，以等間隔設置有多個連通孔113a。通過所述分散板112的連通孔112a的原燃料氣體以及水蒸氣向分散板112的上方上升，其后，由于碰撞到外側圓筒部件66的上表面內側壁而下降，通過分散板113的多個連通孔113a流入重整部94。在此情況下，通過分散板113上所設置的多個連通孔113a將混合氣體均勻地導入重整部94。
[0052]重整部94以環繞在各燃料電池單元16上部和其上方的排氣集中室18周圍的方式配置。重整部94由安裝于內側圓筒部件64的外壁表面的催化劑保持板(未圖示)和由催化劑保持板保持的重整催化劑96構成。
如此，在重整部94的上游側的燃料氣體供給流路20處混合的原燃料氣體以及水蒸氣接觸到重整部94內填充的重整催化劑96后，即在重整部94內進行反應式(I)所示的水蒸氣重整反應SR。
CmHn+xH20^aC02+bC0+cH2 (I)
[0053]在重整部94重整后的燃料氣體在中間圓筒部件65的內周和內側圓筒部件64的外周之間的空間向下方流動，流入燃料氣體分散室76，向各燃料電池單元16供給。水蒸氣重整反應SR是吸熱反應，發生反應所需要的熱量由從排氣集中室18流出的排氣氣體的燃燒熱量以及各燃料電池單元16所產生的熱量供給。
[0054]接著，參考圖6對燃料電池單元16進行說明。
在本發明的實施方式所涉及的固體氧化物型燃料電池裝置I中，燃料電池單元16采用的是使用固體氧化物的圓筒橫紋型電池單元。在各燃料電池單元16上，多個單電池16a形成橫紋狀，通過將這些單電池在電學上串聯連接而構成一根燃料電池單元16。各燃料電池單元16的結構為，一端為陽極(anode )，另一端為陰極(cathode )，多個燃料電池單元16中的一半以上端為陽極，下端為陰極的方式配置，剩余的一半以上端為陰極，下端為陽極的方式配置。
[0055]圖6(a)是下端被作為陰極的燃料電池單元16的下端部被放大顯示的剖視圖，圖6(b)是下端被作為陽極的燃料電池單元的下端部被放大顯示的剖視圖。
[0056]如圖6所示，燃料電池單元16由細長圓筒狀的多孔質支承體97和在該多孔質支承體97的外側形成橫紋狀的多個層形成。在多孔質支承體97的周圍，從內側開始依次為燃料極層98、反應抑制層99、固體電解質層100、空氣極層101，分別形成橫紋狀。因此，通過燃料氣體分散室76所供給的燃料氣體，在各燃料電池單元16的多孔質支承體97的內部流動，由氧化劑氣體噴射管74噴射的空氣在空氣極層101的外測流動。燃料電池單元16上形成的各單電池16a由一組的燃料極層98、反應抑制層99、固體電解質層100、以及空氣極層101構成。一個單電池16a的燃料極層98，通過聯通層102與相鄰的單電池16a的空氣極層101電連接。由此，在一根燃料電池單元16上形成的多個單電池16a串聯電連接。
[0057]如圖6(a)所示，在燃料電池單元16的陰極側端部，在多孔質支承體97的外周上形成有電極層103a，該電極層103a的外側形成有導電膜層104a。在陰極側端部，位于端部的單電池16a的空氣極層101和電極層103a通過聯通層102電連接。這些電極層103a以及導電膜層104a形成為，在燃料電池單元16的端部貫穿第I固定部件63，比第I固定部件63還向下方突出。電極層103a形成到比導電膜層104a靠下方的位置，電極層103a的露出到外部的部分上電連接著集電體82。由此，位于端部的單電池16a的空氣極層101通過聯通層102、電極層103a與集電體82連接，電流如圖中的箭頭所示那樣流動。另外，第I固定部件63的插通孔63a的邊緣和導電膜層104a之間的間隙被陶瓷粘合劑填充，燃料電池單元16以導電膜層104a的外周處固定于第I固定部件63。
[0058]如圖6(b)所示，在燃料電池單元16的陽極側端部，位于端部的單電池16a的燃料極層98被延長，燃料極層98的延長部作為電極層103b發揮功能。電極層103b的外側形成有導電膜層104b。這些電極層103b以及導電膜層104b形成為，在燃料電池單元16的端部貫穿第I固定部件63，比第I固定部件63向下方突出。電極層103b形成到比導電膜層104b靠下方的位置，電極層103b的露出到外部的部分上電連接著集電體82。由此，位于端部的單電池16a的燃料極層98通過一體形成的電極層103b與集電體82連接，電流如圖中的箭頭所示那樣流動。另外，第I固定部件63的插通孔63a的邊緣和導電膜層104b之間的間隙被陶瓷粘合劑填充，燃料電池單元16以導電膜層104b的外周處固定于第I固定部件63。
[0059]在圖6(a)、(b)中，對各燃料電池單元16的下端部進行了說明，各燃料電池單元16的上端部的結構也與此相同。此外，在上端部，各燃料電池單元16被固定于排氣集中室18的集中室下部件18b，其固定部分的結構與在下端部固定于第I固定部件63的結構相同。
[0060]接著，對多孔質支承體97以及各層的結構進行說明。
多孔質支承體97在本實施方式中，是將鎂橄欖石粉末以及粘合劑的混合物擠壓成型，再通過燒結形成。
燃料極層98在本實施方式中，是由N1(氧化鎳)粉末以及10YSZ(氧化鋯)(1mol %Y2O3 -90mol% ZrO2)粉末的混合物所構成的具有導電性的薄膜。
[0061 ]反應抑制層99在本實施方式中，是由鈰類的復合氧化物(LDC40。即，40mo I %的La2O3 — 60mol%的CeO2)等構成的薄膜，由此，可以抑制燃料極層98和固體電解質層100之間的化學反應。
固體電解質層100在本實施方式中，是由LaQ.9SrQ.!GatL8MgtL2O3組成的LSGM粉末構成的薄膜。通過該固體電解質層100，氧化物離子和氫或一氧化碳發生反應并由此生成電能。
[0062]空氣極層101在本實施方式中，是由La0.6Sr0.4Co().8Fe().203組成的粉末所構成的具有導電性的薄膜。
聯通層102在本實施方式中，是由SLT(摻鑭的鈦酸鍶)構成的具有導電性的薄膜。燃料電池單元16上的相鄰的單電池16a通過聯通層102相連接。
電極層103a、電極層103b在本實施方式中，由與燃料極層98相同的材料形成。
導電膜層104a、導電膜層104b在本實施方式中，由與固體電解質層100相同的材料形成。
[0063]接著，參考圖1以及圖2，對固體氧化物型燃料電池裝置I的作用進行說明。
首先，在固體氧化物型燃料電池裝置I的啟動工序中，燃料鼓風機38被啟動，開始供給燃料，同時開始向護套加熱器61通電。通過開始向護套加熱器61通電，在其上方配置的燃燒催化劑60被加熱，并且其內側配置的蒸發部86也被加熱。燃料鼓風機38所供給的燃料通過脫硫器36、熱交換器34、電磁閥35，從燃料氣體供給管90流入燃料電池單元收裝容器8內部。流入的燃料在燃料氣體供給流路20內上升至上端后，在重整部94內下降，通過內側圓筒部件64的下部設置的小孔64b流入燃料氣體分散室76。此外，在固體氧化物型燃料電池裝置I剛剛啟動之后，由于重整部94內的重整催化劑96的溫度還沒有充分上升，因此不進行燃料的重整。
[0064]流入燃料氣體分散室76的燃料氣體通過燃料氣體分散室76的第I固定部件63上安裝的各燃料電池單元16的內側(燃料極側)流入排氣集中室18。此外，在固體氧化物型燃料電池裝置I剛剛啟動之后，由于各燃料電池單元16的溫度還未充分上升，且還沒有從變頻器54取得電力，因此不發生發電反應。
[0065]流入排氣集中室18的燃料從排氣集中室18的噴出口18d噴出。從噴出口 18d噴出的燃料被點火加熱器62點火，并在此燃燒。由于該燃燒，配置于排氣集中室18周圍的重整部94被加熱。另外，由于該燃燒而生成的排氣氣體，通過內側圓筒部件64的上部設置的小孔64a流入排氣氣體排出流路21。高溫的排氣氣體在排氣氣體排出流路21內下降，將在其內側設置的燃料氣體供給流路20內流動的燃料，和在其外側設置的氧化劑氣體供給流路22內流動的發電用空氣加熱。并且，排氣氣體由于通過排氣氣體排出流路21內配置的燃燒催化劑60而被除去一氧化碳，再通過排氣氣體排出管58從燃料電池單元收裝容器8排出。
[0066]蒸發部86被排氣氣體以及護套加熱器61加熱后，供給至蒸發部86的水蒸氣重整用水發生蒸發，生成水蒸氣。水蒸氣重整用水由水流量調整單元28通過供水管88供給至燃料電池單元收裝容器8內的蒸發部86。在蒸發部86生成的水蒸氣和通過燃料氣體供給管90供給的燃料，在到重整器94為止的在燃料氣體供給流路20中移動的過程中被充分混合(后面將詳細敘述)。
[0067]這樣混合后的燃料以及水蒸氣，通過分散板113上設置的多個連通孔113a流入重整部94。在重整部94的重整催化劑96上升到能夠進行重整的溫度的狀態下，在燃料以及水蒸氣的混合氣體通過重整部94時，發生水蒸氣重整反應，混合氣體被重整成為含有大量氫氣的燃料。被重整的燃料通過小孔64b流入燃料氣體分散室76。在燃料氣體分散室76周圍設置有多個小孔64b，由于確保了燃料氣體分散室76的充分的容積，因此被重整的燃料均勻地流入突出到燃料氣體分散室76內的各燃料電池單元16。
[0068]另一方面，由空氣流量調整單元45供給的作為氧化劑氣體的空氣，通過氧化劑氣體導入管56流入氧化劑氣體供給流路22。流入氧化劑氣體供給流路22的空氣，一邊被流過內側的排氣氣體加熱一邊在氧化劑氣體供給流路22內上升。在氧化劑氣體供給流路22內上升的空氣在燃料電池單元收裝容器8內的上端部集中于中央，流入與氧化劑氣體供給流路22連通的氧化劑氣體噴射管74。流入氧化劑氣體噴射管74的空氣被從下端噴射進發電室10內，被噴射的空氣碰撞在第I固定部件63的上表面，擴散至整個發電室10內。流入發電室10的空氣通過排氣集中室18的外周壁與內側圓筒部件64的內周壁之間的間隙，以及排氣集中室18的內周壁與氧化劑氣體噴射管74的外周表面之間的間隙上升。
[0069]此時，通過各燃料電池單元16的外側(空氣極側)流動的空氣的一部分，被用于發電反應。另外，上升到排氣集中室18上方的空氣的一部分，被用于從排氣集中室18的噴出口18d噴出的燃料的燃燒。由于燃燒而生成的排氣氣體，以及發電、燃燒沒有用盡的剩余空氣，通過小孔64a流入排氣氣體排出流路21。流入排氣氣體排出流路21的排氣氣體以及空氣，被燃燒催化劑60除去一氧化碳后被排出。
[0070]如此，各燃料電池單元16的溫度上升至能夠發電的650°C左右，在各燃料電池單元16的內側(燃料極側)流過被重整的燃料，外側(空氣極側)流過空氣，于是由于化學反應而產生了電動勢。在該狀態下，變頻器54與從燃料電池單元收裝容器8引出的匯流條80連接，即可從各燃料電池單元16獲得電力，進行發電。
[0071]另外，在本實施方式的固體氧化物型燃料電池裝置I中，發電用空氣由配置于發電室10的中央的氧化劑氣體噴射管74噴射，通過發電室10內排氣集中室18和內側圓筒部件64之間的均等的間隙，以及排氣集中室18和氧化劑氣體噴射管74之間的均等的間隙上升。因此，在發電室10內空氣的流動為幾乎完全軸對稱的流動，使空氣均勻流動在各燃料電池單元16的周圍。因此，可以抑制各燃料電池單元16之間的溫度差，在各燃料電池單元16產生均等的電動勢。
[0072]接著，參考圖7，對本實施方式所涉及的蒸發部86的作用進行說明。圖7是透過外側圓筒部件66的壁，僅顯示蒸發部86的傾斜板86a的側視圖，是對于由傾斜板86a使水分散的狀況進行說明的圖。
[0073]首先，如圖7的上段所示，從供水管88流出微量的水W，該水W落在傾斜板86a的上表面上，由于傾斜板86a的傾斜而向下流動。接著，如圖7的中段所示，微量的水W以水滴的形式暫時停留在由傾斜板86a的上表面和外側圓筒部件66的內壁表面形成的間隙處。在其后立刻如圖7的下段所示，微量的水W由于水的毛細現象，向由傾斜板86a的上表面和外側圓筒部件66的內壁表面形成的間隙的整體擴散。即，微量的水W沿著傾斜板86a的外周邊緣的整周分散。
[0074]此外，此處所說的“毛細現象”不是指一般廣泛利用的現象，具體而言，不是指細管狀物體(毛細管)內的水由于表面張力而上升的現象，而是指在沿著與地面大致水平的方向延伸的狹窄凹部(槽等)內的水由于表面張力而移動的現象。后者的現象在熱管(熱栗)的技術領域等，也作為“毛細現象”使用。
[0075]如此，在本實施方式中，通過使用利用毛細現象的蒸發部86，可以將供水管88供給至蒸發部86的微量的水適宜地分散。其結果可以提高水蒸氣和原燃料氣體的混合性，可以妥善管理S/C比(水蒸氣和原燃料氣體所含碳化氫與碳的總量的理論混合比)。另外，由于在蒸發部86上的一部分的區域上不持續存留水，因此可以防止在蒸發部86上發生突沸。因此，能夠防止伴隨燃料不足的燃料電池單元的劣化等。
[0076]另外，在本實施方式中，由于利用外側圓筒部件66的內壁表面，通過在該內壁表面上設置傾斜板86a而形成銳角形的凹部，因此可以由簡易的結構實現上述毛細現象。
[0077]另外，在本實施方式中，雖然由于采用了圓筒模塊(參考圖2)，相對于微量的水，蒸發部8 6的容積過大，具有不易分散水的傾向，但是由于使用了在外側圓筒部件6 6的內周延續一周的圓環狀的傾斜板86a，因而可以確保微量的水的穩定的分散性。具體而言，在使用由本實施方式這樣圓環狀的傾斜板86a構成的蒸發部86的情況下，與使用不是圓環狀而是帶角度等的環狀(例如矩形環狀)的蒸發部的結構相比較，微量的水可以更加迅速地分散到整個蒸發部86，因此可以有效地將水分散。
[0078]另外，在本實施方式中，在外側圓筒部件66的外周表面上，并且與蒸發部86對應的位置的周圍一周設置有護套加熱器61(參考圖2)，對蒸發部86整體一周加熱，因此可以使整個蒸發部86均勻地產生水蒸氣。另外，即使在固體氧化物型燃料電池裝置I低溫狀態下啟動時，通過由護套加熱器61對蒸發部86加熱，也可以由蒸發部86適宜地產生重整部94的重整所需要的水蒸氣。并且，在本實施方式中，由于將護套加熱器61設置得比蒸發部86的傾斜板86a還要位于上側(參考圖2)，因此傾斜板86a所對應的外側圓筒部件66的外周表面上的位置不會被直接加熱，可以避免微量的水在傾斜板86a上分散的途中被蒸發掉。因此，可以適宜地確保在整個蒸發部86上產生水蒸氣。
[0079]此外，在所述實施方式中，在外側圓筒部件66的內壁表面上設置傾斜板86a，由傾斜板86a和外側圓筒部件66的內壁表面形成的間隙構成銳角形狀的凹部，由此實現毛細現象。在其他的實施例中，作為使用這樣的傾斜板86a的替代，也可以使用不傾斜，與地面大致水平的圓環狀薄板(與傾斜板86a同樣固定于外側圓筒部件66的內壁表面)，在該薄板上設置作為銳角形狀凹部的細長槽，由此來實現毛細現象。在這樣的情況下，在圓環狀薄板上預先設定圓周，該圓周包括供水管88的水流下來的地方，使細長槽沿著該圓周的整體形成即可。
[0080]接著，參考圖8對混合板110、111的具體結構進行說明。圖8是對外側圓筒部件66的內周和內側圓筒部件64以及中間圓筒部件65的外周之間的空間所設置的結構要素，透過外側圓筒部件66的壁所觀察到的立體圖在中央顯示的示圖。具體而言，表示供水管88、燃料氣體供給管90、傾斜板86a、混合板110、111以及分散板112等的立體圖。另外，在圖8的右側，示出了混合板110上設置的連通孔IlOa附近的部分的放大圖，在圖8的左側，示出了混合板111上設置的連通孔11 Ia附近的部分的放大圖。
[0081 ] 如圖8的中央所示，混合板110、111上分別設置有一個連通孔11 Oa、111 a。另外，混合板110、111的配置方式為:使混合板110的連通孔11 Oa和混合板111的連通孔111 a隔著混合板110、111的中心軸(與外側圓筒部件66等的中心軸一致)，相互位于相反一側。即，混合板110、111以使連通孔11 Oa和連通孔111 a錯開180°的方式配置。
[0082 ]另外，如圖8的右側以及左側所示，連通孔11 Oa、11 Ia構成為在混合板110、111的半徑方向上延伸的長孔形狀(即縫隙形狀)。即，連通孔110a、llla構成為長孔形狀，橫斷形成在混合板110和混合板111之間的氣體所通過的通路。
[0083]接著，參考圖9，對分散板112的具體結構進行說明。圖9是分散板112的俯視圖。在圖9中，為了便于參考，將分散板112上對應混合板111的連通孔Illa的位置(具體而言，將混合板111的連通孔Illa的位置，沿垂直方向移動到分散板112所在的水平面上)用虛線表示。
[0084]如圖9所示，分散板112上設置有多個連通孔112a。連通孔112a以越遠離對應混合板111的連通孔Illa的位置，數量就越多(換言之連通孔112a的密度就越大)的方式形成于分散板112。即，連通孔112a以越遠離對應混合板111的連通孔Illa的位置，各連通孔112a之間的間隔就越小的方式形成于分散板112。更加詳細而言，由于應該使從分散板112的各連通孔112a噴射的氣體的量相等，因此根據與混合板111的連通孔Illa所對應的位置之間的距離來設計各連通孔112a的間隔，以使距離混合板111的連通孔Illa遠的位置的連通孔112a比近的位置的連通孔112a更易于向分散板112的上方進行氣體噴射供給(換言之是為了降低在連通孔112a處的壓力損失)。此外，只要使對重整器的混合氣體的供給大致均勻即可，因此，在等間隔的相同直徑的小孔也能夠確保均勻性的情況下，當然也可以采用此方式。
[0085]接著，參考圖10對混合板110、111以及分散板112等的作用進行說明。圖10是用于說明氣體通過分隔壁91、混合板110、111以及分散板112，向上方移動的狀況的示圖。具體而言，圖1O是透過外側圓筒部件66的壁所觀察到的，外側圓筒部件66的內周，和內側圓筒部件64以及中間圓筒部件65的外周之間的空間中設置的結構要素(與圖8所示相同的結構要素)的側視圖。
[0086]首先，由燃料氣體供給管90噴射出的原燃料氣體，在分隔壁91下側的空間短暫停留之后，通過分隔壁91的各噴射口 9 Ia噴射至分隔壁91上側的空間。然后，噴射口 91a噴射出的原燃料被導入傾斜板86a的下側，由于傾斜板86a的傾斜而在流路中聚攏并向傾斜板86a的上側上升。另一方面，水供水管88供給的水W，分散至由傾斜板86a的上表面和外側圓筒部件66的內壁面形成的間隙的整體(參考圖7)，在傾斜板86a處蒸發成為水蒸氣。這樣形成的水蒸氣與從噴射口 91a導入的原燃料氣體一起，在混合板110的下側的、設有蒸發部86的空間(第I下部第2混合室201)短暫停留。然后，水蒸氣與原燃料氣體通過作為第I下部第2混合室201的上壁的混合板110的連通孔11 la，被導入混合板110的上側的空間(第2下部第2混合室202)。
[0087]在通常情況下，由于燃料電池單元收裝容器8的發電室10中，會產生從下側至上側溫度升高的溫度梯度，該溫度梯度使燃料氣體供給流路20內產生上升氣流，因此水蒸氣與原燃料氣體在燃料氣體供給流路20內逐漸上升。因此，第I下部第2混合室201內的水蒸氣與原燃料氣體基本上受這種上升氣流的影響，在第I下部第2混合室201內上升，通過作為第I下部第2混合室201的上壁的混合板110的連通孔110a。此處，在第I下部第2混合室201中，被供給水和原燃料氣體的地方(設置有供水管88和燃料氣體供給管90的地方)，和作為水蒸氣與原燃料氣體出口的混合板110的連通孔I 1a，隔著第I下部第2混合室201的中心軸相互位于相反側。因此，大部分的水蒸氣與原燃料氣體在第I下部第2混合室201內一邊沿水平方向移動一邊上升。即，第I下部第2混合室201內的水蒸氣與原燃料氣體含有很多水平方向移動成分。由于這樣的水平方向移動的成分與燃料氣體供給流路20內的上升氣流相向，使得第I下部第2混合室201內的水蒸氣與原燃料氣體可以慢慢地混合。因此，可以提高設有蒸發部86的第I下部第2混合室201內的水蒸氣與原燃料氣體的混合性。此外，在第I下部第2混合室201內的水蒸氣與原燃料氣體沿水平方向的移動(包含后述的在第2下部第2混合室202內的沿水平方向的移動)，是因燃料氣體供給流路20內的上升氣流所產生。
[0088]接著，通過混合板110的連通孔I1a的水蒸氣與原燃料氣體在混合板110和混合板111之間形成的空間(第2下部第2混合室202)內移動，通過作為第2下部第2混合室202的上壁的混合板111的連通孔11 Ia。在此情況下，由于混合板110和混合板111之間的間隔狹窄，且混合板110的連通孔I 1a和混合板111的連通孔11 Ia隔著混合板110和混合板111的中心軸相互位于相反側位置，因此，第2下部第2混合室202內的水蒸氣與原燃料氣體沿水平方向移動。由于這樣的水平方向的移動與燃料氣體供給流路20內的上升氣流相向，使得第2下部第2混合室202內的水蒸氣與原燃料氣體可以慢慢地混合。由于在第2下部第2混合室202內這樣沿水平方向移動的過程中，氣體混合的時間較長，因此可以大幅度提高水蒸氣與原燃料氣體的混合性。
[0089]接著，通過混合板111的連通孔Illa的水蒸氣與原燃料氣體在混合板111和分散板112之間形成的空間(上部第2混合室203)內移動，通過作為上部第2混合室203的上壁的分散板112的連通孔112a。在此情況下，由于混合板111和分散板112之間的間隔比較寬闊，且分散板112上設置有多個連通孔112a(參考圖9)，因此，水蒸氣與原燃料氣體受燃料氣體供給流路20內的上升氣流影響而在上部第2混合室203內向上方移動，并在該過程中被混合。另外，作為上部第2混合室203的上壁的分散板112構成為，越遠離作為上部第2混合室203的下壁的混合板111的連通孔Illa所對應的位置，連通孔112a的數量越多(參考圖9)，因此，如圖10所示，大部分的混合氣體在上部第2混合室203內一邊沿水平方向移動一邊上升。即，在上部第2混合室203內的水蒸氣與原燃料氣體含有很多水平方向移動成分。
[0090]然后，通過分散板112的連通孔112a的水蒸氣與原燃料氣體，被導入分散板112上方的空間(第I混合室204)。如上所述，在分散板112上根據距離混合板111的連通孔Illa所對應的位置的距離來設計各連通孔112a之間的間隔，以使距離混合板111的連通孔Illa遠的位置的連通孔112a比近的位置的連通孔112a更易于進行氣體噴射供給(參考圖9)。因此，通過從分散板112的各連通孔112a噴射出大致同等量的氣體，能夠對第I混合室204均勻地供給氣體。之后，被導入第I混合室204的水蒸氣與原燃料氣體受燃料氣體供給流路20內的上升氣流影響，在第I混合室204內向上方移動，并在該過程中被混合。
[0091]如此，在本實施方式中，在上下方向上配置第I下部第2混合室201、第2下部第2混合室202以及上部第2混合室203和第I混合室204，來混合水蒸氣與原燃料氣體，其中:第I下部第2混合室201、第2下部第2混合室202，以及上部第2混合室203使水蒸氣與原燃料氣體在沿水平方向移動過程中混合;第I混合室204使水蒸氣與原燃料氣體在向上方上升的過程中混合。具體而言，最初，在第I下部第2混合室201、第2下部第2混合室202以及上部第2混合室203中，水蒸氣與原燃料氣體在沿水平方向移動過程中被混合，接著，在第I混合室204中，水蒸氣與原燃料氣體在向上方上升的過程中被混合。即，采用本實施方式，與水蒸氣與原燃料氣體只有在向上方上升的過程中被混合的結構(即利用上升氣流使水蒸氣與原燃料氣體僅向上方移動的結構)相比，水蒸氣與原燃料氣體可以被慢慢地混合。因此，可以提高水蒸氣與原燃料氣體的混合性。
[0092]此處，在采用了圓筒模塊的固體氧化物型燃料電池裝置I中，相對于所使用的微量的水，燃料氣體供給流路20的容積很大，因此不易將水蒸氣與原燃料氣體均勻分散。但是，在本實施方式中，由于使水蒸氣與原燃料氣體在沿水平方向移動的過程中以及向上方上升的過程中這兩個過程中混合，因此也可以將這樣微量的水所生成的水蒸氣與原燃料氣體妥當地混合。
[0093]另外，在本實施方式中，由于使用了多個利用與上升氣流相向的沿水平方向的移動來混合水蒸氣與原燃料氣體的混合室，因此可以大幅度提高水蒸氣與原燃料氣體的混合性。特別是在第2下部第2混合室202中，在那樣的沿水平方向的移動過程中，氣體混合的時間比較長，因此可以更加有效地混合水蒸氣與原燃料氣體。
[0094]另外，在本實施方式中，由于混合板110、111的連通孔IlOaUlla構成為沿著氣體通過的通路的長孔形狀(參考圖8)，因此與連通孔構成為小直徑的圓形的情況相比，可以使氣體切實地向上方移動。另外，采用本實施方式這樣構成為長孔形狀的連通孔I 1a、11 Ia，與構成為小直徑的圓形的連通孔相比，可以降低氣體從連通孔110a、llla的噴射速度，降低氣體的移動速度。因此，可以有效確保水蒸氣與原燃料氣體的混合性。也就是說，可以穩定水蒸氣與原燃料氣體的混合時間和混合速度，可以將混合性保持在一定程度。
[0095]另外，在本實施方式中，由于使用了形成有多個連通孔112a的分散板112(參考圖9)，因此可以使混合性提高的氣體向第I混合室204均勻分散。由此，可以利用燃料氣體供給流路20內的上升氣流進一步穩定地使氣體混合。在此基礎上，通過使氣體向第I混合室204均勻分散，能夠向位于第I混合室204下游側的重整部94投入的氣體的分散性更加均勻。
[0096]此外，在所述實施方式中，使用了兩個下部第2混合室(第I下部第2混合室201、第2下部第2混合室202)，但是在變形例中，也可以只使用一個下部第2混合室。在一個變形例中，也可以取掉混合板111，只使用附圖標記201的空間作為下部第2混合室。在這種情況下，將附圖標記202以及203的空間一體化形成的空間作為上部第2混合室使用即可。另外，以越遠離對應混合板110的連通孔IlOa的位置，連通孔112a的數量越多的方式構成分散板112SP可。在其他變形例中，也可以取掉混合板110，將附圖標記201以及202的空間一體化形成的空間作為下部第2混合室使用即可。
[0097]此外，在上述實施方式中，示出了以越遠離對應混合板111的連通孔Illa的位置，多個連通孔112a的間隔就越狹窄的方式構成的分散板112(參考圖9)。在其他變形例中，也可以使用以越遠離對應混合板111的連通孔Illa的位置，連通孔的直徑就越大的方式構成的分散板。圖11示出的就是該變形例所采用的分散板112'的俯視圖。在圖11中，與圖9同樣，與混合板111的連通孔Illa對應的分散板112'上的位置由虛線表示。
[0098]如圖11所示，在分散板112'上，以等間隔的方式設置有多個的連通孔112a'。連通孔112a'以越遠離對應混合板111的連通孔Illa的位置，其直徑就越大的方式形成在分散板112'上。詳細而言，由于應該使從分散板112'上的各連通孔112a'噴射的氣體的量相等，因此根據距離混合板111的連通孔Illa所對應的位置的距離來設計各連通孔112a'的直徑，以使距離混合板111的連通孔Illa遠的位置的連通孔112a'比近的位置的連通孔112^更易于向分散板112'的上方進行氣體噴射供給(換言之是為了降低在連通孔112a'處的壓力損失)。通過采用這樣的分散板112'，也可以得到與所述分散板112相同的作用和效果。
[0099]接著，參考圖2對重整部94上部所設置的分散板113的結構和作用進行具體說明。圖12是分散板113的俯視圖。如圖12所示，分散板113構成圓環狀，等間隔設置有多個連通孔113a ο
[0100]如本實施方式這樣，在沿著形成發電室10的內側圓筒部件64的外周表面形成燃料氣體供給流路20的結構中(參考圖2)，如果發電室10內的溫度分布不均勻的話，通過燃料氣體供給流路20的混合氣體有受到該不均勻狀況影響的趨勢。具體而言，與發電室10內局部的高溫區域相對應的部分的上升氣流會變強。其結果，在利用上升氣流向重整部94供給混合氣體的結構中，無法對重整部94的重整催化劑96均勻地供給混合氣體，從而發生重整不均勻。對此應當加以解決，在本實施方式中，將如圖12那樣等間隔設置有多個連通孔113a的分散板113，配設于比重整部94的入口還靠上游側的燃料氣體供給流路20之中(參考圖2)。通過這樣配設，可以由分散板113抑制對重整部94的重整催化劑96供給的混合氣體的氣體量的偏差，即，可以穩定對重整催化劑96供給的混合氣體的氣體量。即，采用本實施方式，可以對重整部94的重整催化劑96均勻地供給混合氣體，可以確保在重整部94的穩定的重整反應。另外，由于分散板113是設有多個連通孔113a的圓環狀的板，因此可以由簡易的結構實現對于重整部94供給的混合氣體的均勻化。
[0101]另外，在本實施方式中，燃料氣體供給流路20的通路從上方向下方折返，折返部分的下方配置有重整部94，分散板113設置于該折返部和重整部94之間的燃料氣體供給流路20中(參考圖2)。由此，與不使燃料氣體供給流路20折返，由上升氣流將上升的混合氣體直接供給重整部94的結構相比較，可以在燃料氣體供給流路20的折返部分糾正混合氣體平面的分散性。因此，采用本實施方式，將這樣在燃料氣體供給流路20的折返部分被糾正了平面分散性的混合氣體，通過分散板113供給重整部94，由此可以有效穩定對重整部94供給的混合氣體的供給量。因此，可以在重整部94進行穩定性更高的重整。
[0102]另外，在本實施方式中，由于不只是分散板113，在分散板113的上游側的燃料氣體供給流路20中還設置有分散板112(參考圖2、圖9)，因此，即使在發電室10中存在溫度分布不均勻的情況，也可以由簡易的結構來有效確保混合氣體的平面分散性。并且，在本實施方式中，由于將這樣的分散板112設置于混合水蒸氣和原燃料氣體的空間(具體指上部第2混合室203)的上部，因此，可以使混合氣體從分散板112的噴射量均一化。因此，還可以使燃料氣體供給流路20內的上升氣流也均一化，可以有效實現對重整部94供給的混合氣體的供給量的穩定化。
[0103]接著，參考圖13對重整部94的結構和作用進行具體說明。圖13表示的是沿著水平面剖開的重整部94(包括內側圓筒部件64以及中間圓筒部件65)的剖視圖。如圖13所示，重整部94在周向上以均等間隔配置有多個分隔部件94a。各分隔部件94a從中間圓筒部件65的內周延伸至內側圓筒部件64的外周，并且沿著重整部94的上下方向延伸。重整部94中在這樣的由多個分隔部件94a分隔成的空間填充著重整催化劑96。
[0?04]另外，分別針對由分隔部件94a分隔成的各空間內的重整催化劑96，以從分散板113上相同數量的連通孔113a供給氣體的方式，設定重整部94上設置的分隔部件94a的數量(即由分隔部件94a分隔重整部94所形成的空間的數量)，以及分散板113上設置的連通孔113a的數量等。在圖12以及圖13所不的分散板113以及重整部94的例子中，分散板113上設置有12個連通孔113a，在重整部94上設置有12個分隔部件94a。在該例子中，分別針對通過12個分隔部件94a形成的12個空間里的各重整催化劑96，以從分散板113上的I個連通孔113a供給氣體的方式，相對于重整部94配置分散板113。
[0105]此外，分散板113上設置的連通孔113a的數量，以及重整部94上設置的分隔部件94a的數量并不限于圖12以及圖13所示的例子中的數量。也可以適宜地使分散板113上設置的連通孔113a的數量多于重整部94上設置的分隔部件94a的數量，采用針對分隔部件94a分隔的I個空間，由多個連通孔113a供給氣體的方式。
[0106]如此，在本實施方式中，在重整部94的周向上以均等間隔配置有多個分隔部件94a，在多個分隔部件94a所分隔成的各空間填充重整催化劑96，由此可以使重整部94中的重整催化劑96的填充量均一化。即，可以抑制重整部94中的重整催化劑96的填充量的不均勻。如果重整催化劑96的填充量不均勻的話，有在重整部94中產生重整不均勻的趨勢。但是，通過如本實施方式這樣使重整部94中的重整催化劑96的填充量均一化，可以對重整催化劑96均勻地供給混合氣體。特別是在本實施方式中，對于這樣使重整催化劑96的填充量均一化的重整部94，通過所述分散板113供給混合氣體，因此可以有效確保在重整部94的穩定的重整反應。即，可以在重整部94穩定地產生氫。
[0107]此外，在本實施方式中，在重整部94的上端設置分散板113，具體而言，以分散板113的底表面接觸重整部94的上端的方式配置分散板113(參考圖2)，但是，也可以將分散板113與重整部94分離配置。但是，優選將分散板113配置于燃料氣體供給流路20的折返部分和重整部94之間的燃料氣體供給流路20之中。
[0108]另外，在上述實施方式中，混合板111和分散板113之間的燃料氣體供給流路20之中只設置了一張分散板112(參考圖2)，但是，混合板111和分散板113之間的燃料氣體供給流路20之中，除了分散板112，還可以設置一張以上的分散板。
[0109]另外，在所述實施方式中，使固體氧化物型燃料電池裝置I構成圓筒模塊，使蒸發部86、混合板110、111、分散板112、113等構成圓環狀，但是也可以使固體氧化物型燃料電池裝置I構成橢圓筒模塊，使蒸發部86、混合板110、111、分散板112、113等構成橢圓環狀。
[0110]另外，在上述實施方式中，利用內側圓筒部件64、中間圓筒部件65以及外側圓筒部件66，形成蒸發部86以及混合室201?203。即，在內側圓筒部件64和外側圓筒部件66之間的空間、以及中間圓筒部件65和外側圓筒部件66之間的空間設置有蒸發部86以及混合室201?203。在其他例子中，也可以利用內側圓筒部件64、中間圓筒部件65以及外側圓筒部件66之外的部件形成蒸發部86以及混合室201?203。具體而言，也可以使蒸發部86以及混合室201?203構成為與內側圓筒部件64、中間圓筒部件65以及外側圓筒部件66所構成的主體不同體的成套裝置，再將該成套裝置連接于主體。
附圖標記說明
[0111]1:固體氧化物型燃料電池裝置;2:燃料電池模塊;10:發電室;20:燃料氣體供給流路(燃料氣體供給通路)；22:氧化劑氣體供給流路(氧化劑氣體供給通路)；61:護套加熱器；64:內側圓筒部件;65:中間圓筒部件;66:外側圓筒部件(收裝容器)；86:蒸發部(蒸發器)；86a:傾斜板(毛細現象發生部)；88:供水管(供水部)；90:燃料氣體供給管;94:重整部(重整器)；94a:分隔部件;96:重整催化劑；110:混合板；I 1a:連通孔；111:混合板；11 Ia:連通孔；112:分散板；112a:連通孔；113:分散板；113a:連通孔;201:第I下部第2混合室;202:第:2下部第2混合室;203:上部第2混合室;204:第I混合室。
【主權項】
1.一種固體氧化物型燃料電池裝置，通過供給燃料氣體以及氧化劑氣體使之發生反應來進行發電，其特征在于， 具有:多個燃料電池單元，其互相之間電連接； 收裝容器，其收裝所述多個燃料電池單元； 氧化劑氣體供給通路，其將所述氧化劑氣體供給所述多個燃料電池單元； 燃料氣體供給通路，其將所述燃料氣體供給所述多個燃料電池單元； 重整器，其設置于所述燃料氣體供給通路內，利用水蒸氣將原燃料氣體重整從而生成所述燃料氣體； 蒸發器，其生成用于供給所述重整器的水蒸氣； 供水部，其供給水，該水在所述蒸發器上蒸發， 所述蒸發器具有毛細現象發生部，所述毛細現象發生部通過毛細現象使所述供水部所供給的水分散至整個蒸發器。2.根據權利要求1所述的固體氧化物型燃料電池裝置，其特征在于， 所述蒸發器的毛細現象發生部由設置在所述蒸發器的整個底表面范圍的銳角形狀的凹部形成。3.根據權利要求2所述的固體氧化物型燃料電池裝置，其特征在于， 還具有混合室，所述混合室位于所述蒸發器的上方，混合由下方供給的水蒸氣和原燃料氣體， 所述蒸發器上被供給水以及原燃料氣體的位置，與將水蒸氣和原燃料氣體向所述混合室供給的位置，相互處于隔著蒸發器的中心軸相向的相反一側的位置。4.根據權利要求3所述的固體氧化物型燃料電池裝置，其特征在于， 所述蒸發器具有傾斜板，所述傾斜板的一端固定于沿上下方向延伸的所述收裝容器的內壁表面，從該端開始朝向另一端向上方傾斜， 所述毛細現象發生部中，所述銳角形狀的凹部由所述傾斜板和所述收裝容器的內壁表面所形成的間隙構成。5.根據權利要求4所述的固體氧化物型燃料電池裝置，其特征在于， 所述收裝容器的結構為形成圓或橢圓環狀的內部空間， 所述傾斜板形成圓或橢圓環狀，沿著所述內部空間的整個內周表面連續設置。6.根據權利要求4所述的固體氧化物型燃料電池裝置，其特征在于， 還具有圓或橢圓環狀的加熱器，所述加熱器設置在所述收裝容器的外周表面上，且設置在與所述蒸發器對應的位置的整個周圍。7.根據權利要求6所述的固體氧化物型燃料電池裝置，其特征在于， 所述加熱器設置于所述毛細現象發生部的上方。
【文檔編號】H01M8/2475GK105940539SQ201580006901
【公開日】2016年9月14日
【申請日】2015年2月3日
【發明人】渡邊直樹, 井坂暢夫, 佐藤真樹, 田中修平, 安藤茂, 岡本修, 柿沼保夫, 端山潔, 古屋正紀, 籾山大
【申請人】Toto株式會社