(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
スタック容器内に、固体酸化物形燃料電池セルと、燃料ガスを改質するための改質部とを有し、該固体酸化物形燃料電池セルからの熱輻射を受ける位置に該改質部が配置され、
前記改質部は、前記固体酸化物形燃料電池セルの周辺部に配置され、
前記改質部は、部分酸化による燃料改質を行う固体酸化物形燃料電池セル（以下「部分酸化セル」という）により構成され、
前記部分酸化セルは、前記スタック容器内の外周部に配置することを特徴とする固体酸化物形燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体酸化物形燃料電池スタックに係るものであり、特に固体酸化物形燃料電池セルから発生する熱を有効に利用するスタック構造に特徴を有する内部改質型の固体酸化物形燃料電池スタックに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
酸化物を電解質に持つ固体酸化物形燃料電池では、効率を左右するイオン伝導度を充分確保体酸化物形燃料電池セルを有し、該固体酸化物形燃料電池セルからの輻射熱をするため、動作温度が高温である。加えて、水の電気分解と逆の反応で発電するため、発熱反応になっている。そのため、固体酸化物形燃料電池では、発電の際、豊富な熟エネルギーが余剰になっている。高効率のエネルギー変換効率のためには、この高温の熱を電気エネルギーに変換することが有効であり、加圧型の固体酸化物形とガスタービンを組み合わせたコンバインドシステムが考案されている。また、熱エネルギーを直接利用することで効率を高くしたコジェネレーションシステムが考えられている。
【０００３】
一方、燃料電池の燃料としては、水素以外に炭化水素ガスが有望である。炭化水素ガスを燃料電池に適用する場合、通常、水を加熱した水蒸気改質と呼ばれる吸熱反応である触媒反応によって炭化水素ガスを水素に変換し、燃料電池に供給する改質装置が必要である。しかしながら、固体酸化物形燃料電池では高温で動作するため、所謂、内部改質（吸熱反応）が可能になっている。また、水蒸気改質の他に、水蒸気を全く用いない部分酸化（発熱反応）と呼ばれる方法も考えられている。
【０００４】
固体酸化物形スタックを室内で用いる場合、１０００℃近くの装置内部の温度にもかかわらず、装置表面温度を室温程度まで低下させなくてはならない。そのため、大きな体積を持つ断熱材を用いて、熱エネルギーを単に消費することで、熱を閉じ込めている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
固体酸化物形燃料電池スタックでは、前項までに述べたように、内部改質が行え、熱エネルギーを有効に使えるようになっているが、以下に述べるような課題が残されている。
【０００６】
まず、ガスタービンを併用したシステムでは、ガスを加圧する必要があり、そのためのコストがかかること、また、ガスタービンの効率を高めるために、排ガスの温度の範囲が限定されていることが課題となっている。
【０００７】
また、熱エネルギーを直接利用するコジェネレーションシステムでは、熱エネルギー需要の比率が低い通信設備などではエネルギーの総合変換効率が低くなってしまう。炭化水素を燃料とする固体酸化物形燃料電池における内部改質機構であるが、現在、発電部分と同じセルを用いているため、発熱反応と吸熱反応が混在している。そのため、セルの温度分布制御が困難になり、セルへの熱応力によって、信頼性を高めることが難しくなっている。加えて、水蒸気添加の内部改質型では高温水蒸気の制御が難しいこと、そのためのコストがかかること、開回路電圧低下により効率低下することが課題として挙げられる。
【０００８】
一方、部分酸化を利用した内部改貿は水蒸気を利用しないこと、発電部の熱を利用すること（特開平２０００−２６８８３２号公報）が利点として挙げられているが、具体的に熱エネルギーを搬送するか、あるいは伝搬させるかが示されていない。
【０００９】
固体酸化物形燃料電池を室内で利用する場合、動作温度が１０００℃と高いため、セルを収容する装置を体積が大きい断熱材で囲い、装置の表面を空冷もしくは水冷する必要がある。そのため、小型化が困難であり、加えて、熱エネルギーを単に捨てている。即ち、エネルギー総合変換効率を下げてしまうことになる。
【００１０】
本発明は、総合的に優れたエネルギー変換効率を有し、かつ小型化が可能な固体酸化物形燃料電池スタックを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の固体酸化物形燃料電池スタックは、スタック容器内に、固体酸化物形燃料電池セルと、燃料ガスを改質するための改質部とを有し、該固体酸化物形燃料電池セルからの熱輻射を受ける位置に該改質部が配置され、
前記改質部は、前記固体酸化物形燃料電池セルの周辺部に配置され、
前記改質部は、部分酸化による燃料改質を行う固体酸化物形燃料電池セル（以下「部分酸化セル」という）により構成され、
前記部分酸化セルは、前記スタック容器内の外周部に配置することを特徴とする。
【００１６】
【作用】
本発明は上記課題を鑑みて、発明されたものである。
本発明では、スタック容器内に、固体酸化物形燃料電池セルと、燃料ガスを改質するための改質部とを有し、固体酸化物形燃料電池セルからの熱輻射を受ける位置に該改質部を配置してある。
【００１７】
従って、固体酸化物形燃料電池セルからの熱は、熱輻射により改質部に伝播する。伝播した熱は改質部（例えば、部分酸化セルにより構成されている）において燃料ガスの改質に用いられ、燃料ガスの改質が効率よく行われる。すなわち熱エネルギーの損失が極めて小さくなる。このように熱エネルギー損失を極めて小さくすることが可能になっているため、総合的に優れたエネルギー変換効率を有する。また、改質部は熱エネルギーを取り入れ断熱材としての作用を果たすため装置を体積の大きな断熱材で囲う必要がなくなり小型化が可能となる。
【００１８】
また、本発明の他の固体酸化物形燃料電池スタックでは、スタック容器内に、固体酸化物形燃料電池セルを有し、固体酸化物形燃料電池セルからの輻射熱を受ける位置に熱電変換素子が配置されているため、固体酸化物形燃料電池セルにおける熱は熱輻射により熱電変換素子に伝播する。伝播した熱は熱電変換素子で電流に変換され、該電流を適宜取り出すことができる。すなわち、熱エネルギーを電気エネルギーとして有効に利用することができる。従って、総合的に優れたエネルギー変換効率を有する。
【００１９】
また、熱電変換素子の層は、熱エネルギーを取り入れ断熱材としての作用を果たすため装置を体積の大きな断熱材で囲う必要がなくなり小型化が可能となる。
【００２０】
以下により詳細に理由を述べる。
固体酸化物形燃料電池セルのからの熱輻射を受ける位置に（例えば固体酸化物形燃料電池セルの周辺）に配置された改質部には、常圧の燃料ガス（例えば炭化水素ガス）が供給できる。そのため、加圧の必要が無いので、加圧システムのコストがかからない。また部分酸化セルと固体酸化物形燃料電池セルとの間に、燃料ガスと、改質部で改質されたガスとを分離し、また、改質されたガスを固体酸化物形燃料電池セルに誘導するためのガス分離遮蔽板を設けたとしても、固体酸化物形燃料電池セルでの発熱反応で生ずる熱エネルギーはガス遮蔽板を通して取り込まれ、電池からのガス排気温度の制約は必要ない。
【００２１】
なお、熱の伝搬は固体酸化物形燃料電池セルが動作する高温域では輻射が支配的になるため、対流を妨げても、熱は容易に伝搬する。改質部を部分酸化セルにより構成した場合には、部分酸化セルでは固体酸化物形燃料電池セルでの余剰熱エネルギーを電気に変換して、エネルギーを発生させるので、熱需要のあまり大きくない施設にも適用できる。加えて、水蒸気改質とは異なり、水蒸気の設備や制御が必要ない。また、部分酸化では開回路電圧の低下も生じないため、エネルギー変換の高効率化が可能である。
【００２２】
断熱材を用いないで、燃料電池スタック装置の表面温度を下げるためには、熱エネルギーを電気エネルギーに変換して、温度を下げる方法が有効である。改質部に部分酸化セルを用いた場合、部分酸化セルは外界からの熱エネルギーをエントロピーの増分という形で取り入れ、その標準エントロピー変化が大きいため充分、断熱材の代わりとなりうる。
【００２３】
また、部分酸化セルの代わりにＰｂ−Ｔｅ熱電半導体や赤外線近傍に吸収帯を持つＧａＳｂ太陽電池など、熱を電気に変換する部品を装置内壁に実装することによって、熱エネルギーを有効に電気に変換することで、断熱材の容量を小さくすることができる。
【００２４】
以上述べたように、部分酸化セルや熱電素子を断熱材に使用すると小型高効率化や燃料改質の種々の課題が解決できる。
【００２５】
【実施例】
以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。
【００２６】
（実施例１）
図１及び図２に実施例１に係る固体酸化物形燃料電池スタックを示す。
図１は、実施例１に係る固体酸化物形燃料電池スタックを上から見た断面図である。１は空気極もしくは燃料極が外側に配されている固体酸化物形燃料電池セルを表す。本例における固体酸化物形燃料電池セル１は中空円筒形をしている。
【００２７】
２はガス分離遮蔽板（熱輻射板）であって、炭化水素ガスを外周部から内側に誘導し、かつ熱輻射によって燃料電池セル反応部の熱も誘導する。３は部分酸化セルである。本例では、固体酸化物形燃料電池セル１と同じタイプの中空円筒型の固体酸化物形燃料電池セルを部分酸化セルとして使用した。本例では、複数の部分酸化セル３を熱輻射板２の外側に周状に配置した。
【００２８】
４は外壁でありスタック容器を形成している。本例ではその内部に薄型断熱材（図示せず）を含んでいる。この薄型断熱材は、従来の断熱材よりもその体積ははるかに小さなものである。
【００２９】
図２は図１の燃料電池スタックを横から見た断面図である。燃料電池セル１の最も外側は燃料極としてある。５は燃料ガス（炭化水素ガス）であって、部分酸化セル３で改質される。６は燃料室であって、炭化水素ガスもしくは改質された水素ガス、一酸化炭素で満たされている。７は燃料室と酸化剤室８を分離しているセルホルダーである。
【００３０】
以上の燃料電池スタックに炭化水素ガスを導入して電池を動作させたところ、装置表面ではほぼ室温状態が維持された。
【００３１】
（実施例２）
図３は、実施例２に係る固体酸化物形燃料電池スタックを横から見た断面図である。
【００３２】
本例では、図１の固体酸化物形燃料電池セル１の最も外側が空気極としてある。炭化水素ガスは、１０の燃料供給管からスタック容器内の外周部に配置された部分酸化セル３の内部に供給され、部分酸化セル３内において、燃料ガスは改質される。改質された燃料ガスは、部分酸化セル３内から燃料室６に導入され、燃料室６内を満たし、固体酸化物形燃料電池セル１に圧力を利用して供給される。なお、９は酸素ガスなどの酸化剤である。
【００３３】
本例においても、部分酸化セル３は、固体酸化物形燃料電池セル１と同じタイプの中空円筒型の固体酸化物形燃料電池セルを使用した。
【００３４】
以上の燃料電池スタックに炭化水素ガスを導入して電池を動作させたところ、装置表面ではほぼ室温状態が維持された。
【００３５】
（比較例１）
図４、図５に比較例１に係る固体酸化物形燃料電池スタックセルを示す。図４が平面断面図であり、図５が正面断面図である。
本例では、スタック容器内に固体酸化物形燃料電池セル１を配置するともに、外壁４と固体酸化物形燃料電池セル１との間に熱輻射板２２を設けてある。
さらに、熱電変換素子の層１１を、固体酸化物形燃料電池セル１からの輻射熱を受ける位置に配置した。本例では、固体酸化物形燃料電池セル１の周辺であって、熱輻射板２２の外側に配置してある。
【００３６】
熱電素子１１は、必要に応じて、複数を円同径方向に積層してもよい。また、断熱材を、熱電変換素子１１と外壁４との挿入してもよい。
【００３７】
本例では、熱電変換素子１１を円同径方向に複数個積層するとともに、熱電変換素子１１の積層数を縦方向に変えてある。このように、熱電変換素子１１の積層数を縦方向に変えることにより縦方向の熱分布を緩和できた。
【００３８】
以上の燃料電池スタック電池を動作させたところ、装置表面ではほぼ室温状態が維持された。
【発明の効果】
以上述べたように、本発明は、固体酸化物形燃料電池スタック内のセル配置によって、電池で発生する熱を効率よく取り込むことによって、固体酸化物形燃料電池のスタック化において、小型化およびエネルギー変換効率向上に効果を発揮できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１における内部改質型固体化物形燃料電池スタックの平面断面図である。
【図２】実施例１における内部改質型固体化物形燃料電池スタックの正面断面図である。
【図３】実施例２における内部改質型固体化物形燃料電池スタックの正面断面図である。
【図４】比較例１における内部改質型固体化物形燃料電池スタックの平面断面図である。
【図５】比較例１における内部改質型固体化物形燃料電池スタックの正面断面図である。
【符号の説明】
１  固体酸化物形燃料電池セル
２  ガス分離熱輻射板
３  改質部（部分酸化セル）
４  外壁（スタック容器）
５  燃料ガス（炭化水素ガス）
６  燃料室
７  セルホルダー
８  酸化剤室
９  酸化剤
１０  燃料供給管
１１  熱電変換素子
２２  熱輻射板
【図１】
0003539562.tif 000002
【図２】
0003539562.tif 000003
【図３】
0003539562.tif 000004
【図４】
0003539562.tif 000005
【図５】
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