(57)【要約】【課題】構造の簡単化、製造の容易化、低コスト化を図るとともに、固体酸化物形燃料電池の温度制御を均一かつ高精度に実行することにより優れた動作安定性を確保することができる固体酸化物形燃料電池ユニットを提供する。【解決手段】包囲部材（２０）は、内層側耐熱包囲部材（２１）と、外層側低断熱性包囲部材（２２、２２’、２２”）と、外層側高断熱性包囲部材（２３、２３’、２３”）とを有している。内層側耐熱包囲部材（２１）は、ＳＯＦＣ（１０）の燃料ガス流れ方向の略全域（１０Ｕ、１０Ｌ、１０Ｍ）に位置する。外層側低断熱性包囲部材（２２、２２’、２２”）は、内層側耐熱包囲部材（２１）の外層側で且つ燃料ガス流れ方向の中間部（１０Ｍ）に位置する。外層側高断熱性包囲部材（２３、２３’、２３”）は、内層側耐熱包囲部材（２１）の外層側で且つ燃料ガス流れ方向の少なくとも一方の端部（１０Ｕ、１０Ｌ）に位置する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスの電気化学反応により発電する固体酸化物形燃料電池と、
前記固体酸化物形燃料電池の燃料ガス流れ方向の側面を取り囲む包囲部材と、
を有する固体酸化物形燃料電池ユニットであって、
前記包囲部材は、
前記燃料ガス流れ方向の略全域に位置する内層側耐熱包囲部材と、
前記内層側耐熱包囲部材の外層側で且つ前記燃料ガス流れ方向の中間部に位置する外層側低断熱性包囲部材と、
前記内層側耐熱包囲部材の外層側で且つ前記燃料ガス流れ方向の少なくとも一方の端部に位置する外層側高断熱性包囲部材と、
を有することを特徴とする固体酸化物形燃料電池ユニット。
【請求項２】
前記外層側低断熱性包囲部材と前記外層側高断熱性包囲部材は、断熱性能が異なる別々の材料から構成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形燃料電池ユニット。
【請求項３】
前記外層側低断熱性包囲部材と前記外層側高断熱性包囲部材は、同一の材料から構成されていてその厚みにより断熱性能を異ならせていることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池ユニット。
【請求項４】
前記外層側低断熱性包囲部材と前記外層側高断熱性包囲部材は、断熱性能が異なる別々の材料から構成され、且つ、その厚みにより断熱性能を異ならせていることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物形燃料電池ユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid  Oxide  Fuel  Cell）の開発が進められている。ＳＯＦＣは、空気極で生成された酸化物イオンが電解質を透過して燃料極に移動し、燃料極で酸化物イオンが水素又は一酸化炭素と反応することにより電気エネルギーを発生する発電メカニズムである。ＳＯＦＣは、現在知られている燃料電池の形態の中では、発電の動作温度が最も高く（例えば９００℃〜１０００℃）、発電効率が最も高いという特性を持つ。
【０００３】
特許文献１には、燃料電池スタックと、当該燃料電池スタックを収納するとともに当該燃料電池スタックから外部への放熱を抑制するための多層構造を有する燃料電池ケースとを有する燃料電池モジュールが開示されている。燃料電池ケースは、燃料電池スタックよりも低温の第１のガス（空気）が流れる第１のガス流路層と、この第１のガス流路層の内側に設けられて第１のガス（空気）よりも高温の第２のガス（燃料電池スタックから排気される排気ガス）が流れる第２のガス流路層とを有している。そして、第１のガス流路層の燃料電池スタック側の流路壁に設けられた高熱伝導性部材が、燃料電池スタックの中央部（高温部）と近接する部位において、第２のガス流路層を貫通して、第２のガス流路層の燃料電池スタック側の流路壁と接触している。
【０００４】
特許文献２には、燃料電池スタックの空気流路にファンで空気を供給し又はノズルで水を供給することにより燃料電池スタックを冷却して温度制御を行う燃料電池システムが開示されている。
【０００５】
特許文献３には、外部改質器への被改質ガスの供給量を増加させて当該外部改質器の周辺部に局所的な吸熱状態を発生させることにより、複数の燃料電池セルを冷却して温度制御を行う固体酸化物形燃料電池装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−４９９６９号公報
【特許文献２】特開２００７−３２３９９３号公報
【特許文献３】特開２０１３−８４５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１〜特許文献３は、次のような技術課題を有している。
【０００８】
特許文献１は、第１のガス流路層と第２のガス流路層の流路壁を精密に加工してこれらに高熱伝導性部材を埋め込まなければならないため、構造の複雑化、製造の困難化、高コスト化を招いてしまう。
【０００９】
特許文献２は、燃料電池スタックの内部温度が不均一になるため（例えば燃料電池スタックの積層方向や流路方向の一端部と他端部と中央部に温度差が生じるため）、動作安定性が阻害されてしまう。また、燃料電池スタックの空気流路にファンで空気を供給し又はノズルで水を供給するだけでは冷却効果が不十分である。
【００１０】
特許文献３は、外部改質器の周辺部に局所的な吸熱状態を発生させるだけでは冷却効果が足りず、複数の燃料電池セルの温度が下がり難いという問題がある。また、複数の燃料電池セルの内部温度が不均一になるため、動作安定性が阻害されてしまう。
【００１１】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、構造の簡単化、製造の容易化、低コスト化を図るとともに、固体酸化物形燃料電池の温度制御を均一かつ高精度に実行することにより優れた動作安定性を確保することができる固体酸化物形燃料電池ユニットを提供することを目的の１つとする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本実施形態の固体酸化物形燃料電池ユニットは、その一態様では、燃料ガスと酸化剤ガスの電気化学反応により発電する固体酸化物形燃料電池と、前記固体酸化物形燃料電池の燃料ガス流れ方向の側面を取り囲む包囲部材と、を有する固体酸化物形燃料電池ユニットであって、前記包囲部材は、前記燃料ガス流れ方向の略全域に位置する内層側耐熱包囲部材と、前記内層側耐熱包囲部材の外層側で且つ前記燃料ガス流れ方向の中間部に位置する外層側低断熱性包囲部材と、前記内層側耐熱包囲部材の外層側で且つ前記燃料ガス流れ方向の少なくとも一方の端部に位置する外層側高断熱性包囲部材と、を有することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、構造の簡単化、製造の容易化、低コスト化を図るとともに、固体酸化物形燃料電池の温度制御を均一かつ高精度に実行することにより優れた動作安定性を確保することができる固体酸化物形燃料電池ユニットを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本実施形態の固体酸化物形燃料電池ユニットを示す概略構成図である。
【図２】ＳＯＦＣの発電時における燃料ガス流れ方向の温度分布を示す概念図である。
【図３】第１実施形態による包囲部材の構成を示す断面図である。
【図４】第２実施形態による包囲部材の構成を示す断面図である。
【図５】第３実施形態による包囲部材の構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
≪固体酸化物形燃料電池ユニット１の概略構成≫
図１は、本実施形態の固体酸化物形燃料電池ユニット（ＳＯＦＣユニット）１を示す概略構成図である。以下の説明中の上下左右の各方向は、図中に記載した矢線方向を基準とする。
【００１６】
ＳＯＦＣユニット１は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid  Oxide  Fuel  Cell）１０を有している。ＳＯＦＣ１０は、複数のセルを積層または集合体として構成したセルスタックを有している。各セルは空気極と燃料極で電解質を挟んだ基本構成を有しており、各セルの間にはセパレータが介在している。セルスタックの各セルは電気的に直列に接続されている。ＳＯＦＣ１０は、空気極で生成された酸化物イオンが電解質を透過して燃料極に移動し、燃料極で酸化物イオンが水素又は一酸化炭素と反応することにより電気エネルギーを発生する発電メカニズムである。
【００１７】
本実施形態のＳＯＦＣ１０（セルスタック）は、例えば、上下方向に長く左右方向に短い円柱形状をなすことができるが、ＳＯＦＣ１０（セルスタック）の形状はこれに限定されず、種々の設計変更が可能である（三角柱や四角柱などの多角柱形状とすることも可能であるし、平板状のセルを多数積層したセルスタックとすることも可能である）。
【００１８】
ＳＯＦＣ１０は、酸化剤ガス流路（カソードガス流路）１１と、燃料ガス流路（アノードガス流路）１２とを有している。図１では、作図の便宜上の理由によりＳＯＦＣ１０の内部の酸化剤ガス流路１１と燃料ガス流路１２を各々一本の線として描いているが、実際には、酸化剤ガス流路１１と燃料ガス流路１２は別々の流路で、各々複数存在している。酸化剤ガス流路１１の入口部には、空気ブロア１３から取り込まれて熱交換器（加熱機構）１４により加熱された酸化剤ガスが供給され、酸化剤ガス流路１１の出口部からは、酸化剤ガスの排出ガスが排出される。燃料ガス流路１２の入口部には、燃料ガス供給器（図示略）から取り込まれて熱交換器（加熱機構）により加熱された燃料ガスが供給され、燃料ガス流路１２の出口部からは、燃料ガスの排出ガスが排出される。酸化剤ガス流路１１に供給された酸化剤ガスと燃料ガス流路１２に供給された燃料ガスが電気化学反応を起こすことにより、直流電流が発生する（ＳＯＦＣ１０が発電する）。
【００１９】
図１において、ＳＯＦＣ１０の酸化剤ガス流路１１と燃料ガス流路１２は上下方向に延びており、酸化剤ガス流路１１の下方から上方に向かって酸化剤ガスが流れており、燃料ガス流路１２の上方から下方に向かって燃料ガスが流れている。このため本実施形態では、図１中の上下方向がＳＯＦＣ１０の「酸化剤ガス流れ方向」と「燃料ガス流れ方向」に該当する。但し、ＳＯＦＣ１０の「酸化剤ガス流れ方向」と「燃料ガス流れ方向」は、必ずしも一直線に延びる方向に限定されることはなく、巨視的に見たときの方向を意味している。すなわち、酸化剤ガス流路１１と燃料ガス流路１２が上下方向に一直線に延びているのではなく、例えば、左右方向に屈曲する箇所を介在しながら上下方向に延びているような場合であっても、上下方向がＳＯＦＣ１０の「酸化剤ガス流れ方向」と「燃料ガス流れ方向」に該当する。
【００２０】
ＳＯＦＣユニット１は、ＳＯＦＣ１０の燃料ガス流れ方向（上方から下方に向かう方向、以下では単に上下方向と呼ぶ）の側面を取り囲む包囲部材２０を有している。この包囲部材２０の具体的な構成は、後述する第１実施形態〜第３実施形態で詳細に説明する。
【００２１】
ＳＯＦＣユニット１は、ＳＯＦＣ１０の上端面を覆う上端側ヘッダ部材３０と、ＳＯＦＣ１０の下端面を覆う下端側ヘッダ部材４０とを有している。上端側ヘッダ部材３０と下端側ヘッダ部材４０には、ＳＯＦＣ１０から延出する酸化剤ガス流路１１と燃料ガス流路１２を構成するための配管構造が施されている。
【００２２】
ＳＯＦＣユニット１は、上端側蓋部材５０と下端側蓋部材６０とを有している。上端側蓋部材５０は、包囲部材２０の上端面、並びに上端側ヘッダ部材３０の側面及び上端面を覆う逆Ｕ字型の形状をなしている。下端側蓋部材６０は、包囲部材２０の下端面、並びに下端側ヘッダ部材４０の側面及び下端面を覆うＵ字型の形状をなしている。上端側蓋部材５０と下端側蓋部材６０には、ＳＯＦＣ１０から延出する酸化剤ガス流路１１と燃料ガス流路１２を構成するための配管構造が施されている。
【００２３】
ＳＯＦＣユニット１は、ＳＯＦＣ１０、包囲部材２０、上端側ヘッダ部材３０、下端側ヘッダ部材４０、上端側蓋部材５０及び下端側蓋部材６０の結合体を気密状態で収納する気密筐体７０を有している。
【００２４】
≪ＳＯＦＣ１０の発電時における燃料ガス流れ方向の温度分布≫
ＳＯＦＣ１０の発電時には、燃料ガス流れ方向（上下方向）の位置に応じてＳＯＦＣ１０の温度が変動する。図２では、発明の理解を容易にするため、ＳＯＦＣ１０の温度領域を、燃料ガス流れ方向（上下方向）の基端部（上端部）１０Ｕと先端部（下端部）１０Ｌと中間部１０Ｍの３つに分割している。図２に明らかなように、ＳＯＦＣ１０の発電時には、ＳＯＦＣ１０の中間部１０Ｍが最も高温（例えば８００〜１０００℃程度）となり、ＳＯＦＣ１０の基端部（上端部）１０Ｕが２番目に高温（例えば７００〜９００℃程度）となり、ＳＯＦＣ１０の先端部（下端部）１０Ｌが最も低温（例えば６００〜８００℃程度）となる。本実施形態では、ＳＯＦＣ１０の燃料ガス流れ方向（上下方向）の温度制御を均一かつ高精度に実行することにより優れた動作安定性を確保するべく、ＳＯＦＣユニット１の包囲部材２０に工夫を施している。以下、包囲部材２０の具体的な構成について、第１実施形態〜第３実施形態を参照して詳細に説明していく。
【００２５】
≪第１実施形態≫
図３は、第１実施形態による包囲部材２０の構成を示す断面図である。
【００２６】
包囲部材２０は、その最内層に、ＳＯＦＣ１０の燃料ガス流れ方向（上下方向）の略全域（基端部１０Ｕと先端部１０Ｌと中間部１０Ｍに亘る略全域）に位置する内層側耐熱包囲部材２１を有している。この内層側耐熱包囲部材２１は、耐熱性と低断熱性を併せ持つ材料、例えば、最高使用温度が１０００℃を超える多結晶質アルミナ短繊維から構成することができる。
【００２７】
包囲部材２０は、内層側耐熱包囲部材２１の外層側で且つＳＯＦＣ１０の燃料ガス流れ方向（上下方向）の中間部（中間部１０Ｍ）に位置する外層側低断熱性包囲部材２２を有している。この外層側低断熱性包囲部材２２は、例えば、セラミックファイバーを連続的に積層してニードルパンチ処理で毛布状に成形したもの、又は、バルクファイバーに無機バインダー若しくは有機バインダーを添加して板状に成形したものから構成することができる。
【００２８】
包囲部材２０は、内層側耐熱包囲部材２１の外層側で且つＳＯＦＣ１０の燃料ガス流れ方向（上下方向）の一端部（基端部１０Ｕ）と他端部（先端部１０Ｌ）に位置する外層側高断熱性包囲部材２３を有している。この外層側高断熱性包囲部材２３は、超低熱伝導特性を持つシリカナノ粒子を主成分として含んだ繊維材料から構成することができる。
【００２９】
このように、外層側低断熱性包囲部材２２と外層側高断熱性包囲部材２３は、断熱性能が異なる別々の部材から構成されている。断熱性能は、主に包囲部材の熱伝導率と厚さによって決まる。
【００３０】
外層側低断熱性包囲部材２２と外層側高断熱性包囲部材２３の「低断熱性」と「高断熱性」の文言は、絶対的な基準ではなく、相対的な基準で使用している。すなわち、部材の断熱性能を評価するパラメータが特定の基準を満足しないから「低断熱性」、これとは逆に、特定の基準を満足するから「高断熱性」というわけではなく、単に、外層側低断熱性包囲部材２２と外層側高断熱性包囲部材２３の断熱性能を比較したときに、前者が後者よりも低い（後者が前者よりも高い）という意味である。
【００３１】
以上のように構成された包囲部材２０によれば、ＳＯＦＣ１０の燃料ガス流れ方向（上下方向）の側面の略全域に亘って内層側耐熱包囲部材２１が設けられているので、ＳＯＦＣ１０の発電時の熱によってＳＯＦＣユニット１が損傷するのを防止することができる。
【００３２】
また、最も高温となるＳＯＦＣ１０の中間部１０Ｍに対応（隣接）して外層側低断熱性包囲部材２２が設けられているので、ＳＯＦＣ１０の発電時における中間部１０Ｍからの熱が側方に放熱しやすくなる（放熱量が増大する）。一方、比較的低温となるＳＯＦＣ１０の基端部１０Ｕと先端部１０Ｌに対応（隣接）して外層側高断熱性包囲部材２３が設けられているので、ＳＯＦＣ１０の発電時における基端部１０Ｕと先端部１０Ｌからの熱が側方に放熱しにくくなる（放熱量が減少する）。その結果、ＳＯＦＣ１０の燃料ガス流れ方向（上下方向）の温度制御を均一かつ高精度に実行することにより優れた動作安定性を確保することが可能になる。すなわち、高出力が得られるセル反応領域を広げて発電効率を向上させるとともに、ＳＯＦＣ１０を熱自立させることができる（別途の加熱部を設けることなくＳＯＦＣ１０を安定的に運転することができる）。図３中の実線Ｌは、第１実施形態のＳＯＦＣユニット１におけるＳＯＦＣ１０の燃料ガス流れ方向（上下方向）の温度分布を表しており、図３中の破線Ｈは、従来品のＳＯＦＣユニットにおけるＳＯＦＣの燃料ガス流れ方向（上下方向）の温度分布を表している。図３中の実線Ｌの方が、図３中の破線Ｈよりも、燃料ガス流れ方向（上下方向）における温度分布のバラツキが少ないことを示している。
【００３３】
さらに、ＳＯＦＣ１０の燃料ガス流れ方向（上下方向）の側方に包囲部材２０（内層側耐熱包囲部材２１、外層側低断熱性包囲部材２２、外層側高断熱性包囲部材２３）に設けるだけなので、ＳＯＦＣユニット１の構造の簡単化、製造の容易化、低コスト化を図ることができる。
【００３４】
≪第２実施形態≫
図４は、第２実施形態による包囲部材２０の構成を示す断面図である。第２実施形態では、外層側低断熱性包囲部材２２’と外層側高断熱性包囲部材２３’を同一の材料から構成してその厚みにより断熱性能を異ならせている。より具体的に、外層側低断熱性包囲部材２２’の厚みを外層側高断熱性包囲部材２３’の厚みよりも小さく設定している。第２実施形態の構成により、ＳＯＦＣ１０の中間部１０Ｍからの放熱量が増加してＳＯＦＣ１０の中間部１０Ｍの温度が低下する。その結果、第２実施形態の方が従来よりもＳＯＦＣユニット１内の温度分布が少なくなる。図４中の実線Ｌは、第２実施形態のＳＯＦＣユニット１におけるＳＯＦＣ１０の燃料ガス流れ方向（上下方向）の温度分布を表し、図４中の破線Ｈは、従来品のＳＯＦＣユニットにおけるＳＯＦＣの燃料ガス流れ方向（上下方向）の温度分布を表している。図４中の実線Ｌは、図４中の破線Ｈよりも、燃料ガス流れ方向（上下方向）における温度分布のバラツキが少ないことを示している。
【００３５】
≪第３実施形態≫
図５は、第３実施形態による包囲部材２０の構成を示す断面図である。第３実施形態では、外層側低断熱性包囲部材２２”と外層側高断熱性包囲部材２３”を断熱性能が異なる別々の材料から構成した上で、さらにその厚みにより断熱性能を異ならせている。より具体的に、外層側低断熱性包囲部材２２”の厚みを外層側高断熱性包囲部材２３”の厚みよりも小さく設定している。第３実施形態の構成により、ＳＯＦＣ１０の中間部１０Ｍからの放熱量が増加してＳＯＦＣ１０の中間部１０Ｍの温度が低下する。その結果、第３実施形態の方が従来よりもＳＯＦＣユニット１内の温度分布が少なくなる。図５中の実線Ｌは、第３実施形態のＳＯＦＣユニット１におけるＳＯＦＣ１０の燃料ガス流れ方向（上下方向）の温度分布を表しており、図５中の破線Ｈは、従来品のＳＯＦＣユニットにおけるＳＯＦＣの燃料ガス流れ方向（上下方向）の温度分布を表している。図５中の実線Ｌは、図５中の破線Ｈよりも、燃料ガス流れ方向（上下方向）における温度分布のバラツキが少なくなることを示している。
【００３６】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することが可能である。上記実施の形態において、添付図面に図示されている構成要素の大きさや形状、機能などについては、これに限定されず、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更することが可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。
【００３７】
上記実施の形態では、ＳＯＦＣ１０の燃料ガス流れ方向の両端部（基端部１０Ｕと先端部１０Ｌ）に対応させて外層側高断熱性包囲部材２３、２３’又は２３”を設ける場合を例示して説明した。しかし、ＳＯＦＣ１０の燃料ガス流れ方向のいずれか一端部に対応させて外層側高断熱性包囲部材２３、２３’又は２３”を設けてもよい。
【００３８】
上記の実施形態では、外層側低断熱性包囲部材２２、２２’又は２２”と外層側高断熱性包囲部材２３、２３’又は２３”の２種類の外層側断熱性包囲部材を設けた場合を例示して説明したが、３種類以上の外層側断熱性包囲部材を設けてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明の固体酸化物形燃料電池ユニットは、家庭用、業務用、その他のあらゆる産業分野の固体酸化物形燃料電池ユニットに適用して好適である。
【符号の説明】
【００４０】
１  固体酸化物形燃料電池ユニット（ＳＯＦＣユニット）
１０  固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid  Oxide  Fuel  Cell）
１０Ｕ  基端部（上端部）
１０Ｌ  先端部（下端部）
１０Ｍ  中間部
１１  酸化剤ガス流路（カソードガス流路）
１２  燃料ガス流路（アノードガス流路）
１３  空気ブロア
１４  熱交換器（加熱機構）
２０  包囲部材
２１  内層側耐熱包囲部材
２２  ２２’  ２２”  外層側低断熱性包囲部材
２３  ２３’  ２３”  外層側高断熱性包囲部材
３０  上端側ヘッダ部材
４０  下端側ヘッダ部材
５０  上端側蓋部材
６０  下端側蓋部材
７０  気密筐体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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