(57)【要約】【課題】個々のセルの均熱化及びモジュール内のセル間の均熱化に有効な手段を備えた固体酸化物形燃料電池を提供する。【解決手段】固体酸化物形燃料電池セルまたは、複数個のセルを並列または直列に接続したバンドルで形成されたモジュールの発電室内部、好ましくは発電室と残燃料が燃焼する燃焼室の双方にヒートパイプを設置する。ヒートパイプを発電室と燃料室にまたがって設置することにより、両室の熱移送を円滑にして起動時、通常発電時、高出力または異常時等の各モードでモジュール内を均熱化でき、電池性能を向上できると共にモジュールの安全性を確保できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質を挟んでアノードとカソードを備えた固体酸化物形燃料電池において、電池反応が起こる発電室にヒートパイプを設置したことを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
【請求項２】
前記固体酸化物形燃料電池が扁平円筒形状、直方体形状または円筒形状の燃料電池であることを特徴とする請求項１記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項３】
前記電解質を挟んで外側にアノードを有し、内側にカソードを有する円筒形状又は扁平円筒形状の燃料電池であることを特徴とする請求項１記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項４】
前記固体酸化物形燃料電池が固体酸化物形燃料電池セルの複数個を並列又は直列に接続したバンドルで形成されたモジュールであり、前記モジュールの発電室に前記ヒートパイプが設置されていることを特徴とする請求項１記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項５】
電解質の両側にアノードとカソードを備え、電池反応が起こる発電室に隣接して残燃料を燃焼する燃焼室を具備する固体酸化物形燃料電池において、前記発電室と前記燃焼室にまたがってヒートパイプを設置したことを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
【請求項６】
前記電解質を挟んで外側にアノードを有し、内側にカソードを有する円筒形状又は扁平円筒形状の燃料電池であることを特徴とする請求項５記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項７】
前記ヒートパイプのガス溜めが前記燃焼室に設けられていることを特徴とする請求項５記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項８】
前記固体酸化物形燃料電池が固体酸化物形燃料電池セルの複数個を並列又は直列に接続したバンドルで形成されたモジュールであり、前記モジュールの発電室と前記燃焼室にまたがって前記ヒートパイプが設置されていることを特徴とする請求項５記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項９】
電解質の両側にアノードとカソードを有し、電池反応が起こる発電室に隣接して残燃料を燃焼する燃焼室を備え、それらが容器に収納されている固体酸化物形燃料電池において、前記発電室と前記燃焼室及び前記容器を貫通するようにヒートパイプを設置したことを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
【請求項１０】
前記電解質を挟んで外側にアノードを有し、内側にカソードを有する円筒形状又は扁平円筒形状の燃料電池であることを特徴と請求項９記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項１１】
前記ヒートパイプのガス溜めが前記容器の外部に設置されていることを特徴とする請求項９記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項１２】
前記ヒートパイプの放熱領域が前記容器の外部に設置されていることを特徴とする請求項９記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項１３】
前記固体酸化物形燃料電池が固体酸化物形燃料電池セルの複数個を並列又は直列に接続したバンドルで形成されたモジュールであり、前記容器が前記モジュールと前記燃焼室を収納するモジュール容器であり、前記モジュールの発電室と前記燃焼室及び前記モジュール容器を貫通するように前記ヒートパイプが設置されていることを特徴とする請求項９記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項１４】
前記ヒートパイプが可変コンダクタンス型のヒートパイプであることを特徴とする請求項１、５または９に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項１５】
前記ヒートパイプの表面に電気絶縁層を有することを特徴とする請求項１、５または９に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項１６】
前記ヒートパイプが可変コンダクタンス型平板ヒートパイプであることを特徴とする請求項１、５または９に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項１７】
前記ヒートパイプの熱媒としてナトリウムまたはセシウムを用いることを特徴とする請求項１、５または９に記載の固体酸化物形燃料電池。
【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に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電解質を挟んで一方の側にアノード（燃料極）を備え、他方の側にカソード（空気極）を備え、アノード側には燃料ガスを、カソード側には酸化剤ガスを供給し、電解質を介して燃料と酸化剤を電気化学的に反応させることにより発電する発電装置である。燃料電池の種類の一つである固体酸化物形燃料電池は、発電効率が高いばかりでなく、６００〜１０００℃の高温で運転されるため、電池内で燃料の改質反応ができる。また、燃料の多様化が図れると共に電池システム構造がシンプルになる。このため、他の燃料電池に比べ、コスト低減のポテンシャルを持つ。当然、排熱も高温となるために利用しやすく、熱・電気併用システムばかりでなく、ガスタービンなど他のシステムとのハイブリッドシステムを形成し易い特徴を持つ。
【０００３】
しかし、固体酸化物形燃料電池は高温で運転されるため、電池の温度ムラを生じ易いという問題点があった。これらの問題点を解決するため、平板型セルのセパレータ内にヒートパイプを設置することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、複数のマイクロヒートパイプを間隙を開けながら環状に並列させて燃料供給管を構成することが提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開平９−２７０２６３号公報（要約）
【特許文献２】特開平１０−２１９４１号公報（要約）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
平板型セルのセパレータ内にヒートパイプを設置する方法或いは複数のマイクロヒートパイプを環状に並列させて燃料供給管を構成する方法は、個々のセルの均熱化には効果がある。しかし、複数のセルから構成するモジュール内のセル間の均熱化には効果がなく、当然ではあるが発電室と燃焼室の間の熱移送についても効果はない。
【０００６】
本発明の目的は、個々のセルの均熱化及びモジュール内のセル間の均熱化に有効な手段を備えた固体酸化物形燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、固体酸化物形燃料電池セルまたは、複数個のセルを並列または直列に接続したブロック（一般にはバンドルあるいはスタックと呼ばれる。以下、バンドルと呼称）で形成されたモジュールの発電室内部にヒートパイプを設置したものである。また、発電室と残燃料が燃焼する燃焼室の双方にヒートパイプを設置したものである。
【０００８】
具体的には、本発明は、電解質を挟んでアノードとカソードを備えた固体酸化物形燃料電池において、電池反応が起こる発電室にヒートパイプを設置したことを特徴とする固体酸化物形燃料電池にある。
【０００９】
また、電解質の両側にアノードとカソードを備え、電池反応が起こる発電室に隣接して残燃料を燃焼する燃焼室を具備する固体酸化物形燃料電池において、前記発電室と前記燃焼室にまたがってヒートパイプを設置したことを特徴とする固体酸化物形燃料電池にある。
【００１０】
また、電解質の両側にアノードとカソードを有し、電池反応が起こる発電室に隣接して残燃料を燃焼する燃焼室を備え、それらが容器に収納されている固体酸化物形燃料電池において、前記発電室と前記燃焼室及び前記容器を貫通するようにヒートパイプを設置したことを特徴とする固体酸化物形燃料電池にある。
【００１１】
本発明は、単セルまたは、複数個の固体酸化物形セルを接続したモジュールに適用することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、単セルの温度またはモジュールを構成する多数のセルの温度を一様にでき、セルの発電性能を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の実施形態としては、モジュールの発電室と燃焼室にまたがってヒートパイプを装着する場合がある。この場合には、モジュール内のセルの温度を一様にできる効果に加えて、セル昇温時のように燃焼室が発電室より高温の場合には燃焼室から発電室に熱移送して、セルの昇温速度を速めることができる効果がある。また、高出力運転のようにセル温度が高くなり過ぎる場合には、発電室から燃焼室へ熱を逃がしてセル温度を適温にすることができる効果がある。
【００１４】
また、他の実施形態としては、モジュールの発電室と燃焼室にまたがってヒートパイプを装着すると共に、ヒートパイプをモジュール容器の外部まで貫通させて設置する場合がある。この場合には、前述の効果に加えて、セルが異常発熱した場合に燃焼室及びモジュール外部へ熱を逃がして、セルやモジュールの安全性を確保することができる効果がある。
【００１５】
モジュール容器を貫通してヒートパイプを設置する場合には、モジュール外部に取り出した排熱を有効利用する手段を設けることが好ましい。また、ヒートパイプとしてはガス入りヒートパイプすなわち可変コンダクタンス型ヒートパイプを用いることが好ましい。
【００１６】
本発明は、円筒形状、扁平円筒形状、楕円形状、直方体形状、立方体形状等のセル形状を有するものに、いずれも適用できる。
【００１７】
以下、円筒形状のセルを有する固体酸化物形燃料電池モジュールにヒートパイプを装着した実施例について説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【実施例】
【００１８】
図１に本発明の一実施例による固体酸化物形燃料電池モジュールの縦断面図を示し、図１３に簡略化した横断面図を示す。セル４は固体電解質１と、その外周のアノード２（燃焼極）及び内周のカソード３（空気極）から構成される。セル４の外側には燃料ガス５（還元ガス）が供給され、セル４の内側には空気ヘッダ６を経て空気導入管７から空気８が供給される。モジュール内には複数のセル４がセットされ、セルとセルの間にヒートパイプ９が装着されている。
【００１９】
本実施例では、固体電解質１を袋管状とし、材質にイットリウム安定化ジルコニア（ＹＳＺ）を用いた。アノード２はニッケルとＹＳＺからなる多孔質のサーメットで構成し、カソード３はランタンマンガネイトで構成し、インターコネクタはランタンクロマイドで構成した。ニッケルは改質触媒として働く。
【００２０】
ここで、電池反応を示しておく。先ず、炭化水素系燃料を改質して水素を含む改質ガスを生成する方法について、炭化水素系燃料としてメタンを例にとり説明する。改質触媒上で主に（１）式の反応によりメタンと水蒸気が反応（改質反応）して水素が生成する。なお、改質触媒としては、一般にニッケル系やルテニウム系などの触媒が用いられる。
【００２１】
ＣＨ４  ＋  Ｈ２Ｏ  ＝  ＣＯ  ＋  ３Ｈ２      （１）
（１）式により反応したＣＯは、下記の（２）式で表されるＨ２Ｏとの反応（ＣＯ転化反応）により、さらに水素に変換され燃料となる。
【００２２】
ＣＯ  ＋  Ｈ２Ｏ  ＝  ＣＯ２  ＋  Ｈ２        （２）
炭化水素系燃料から水素を生成する反応は吸熱反応であり、この反応を継続するためには熱を供給する必要があり、一般には改質触媒を４００〜８００℃程度に維持する必要がある。
【００２３】
電池反応（発電反応）は、アノード２で生起し、下記の（３）式と（４）式で表され、発熱反応である。
【００２４】
Ｈ２  ＋  １／２Ｏ２  ＝  Ｈ２Ｏ      （３）
ＣＯ  ＋  １／２Ｏ２  ＝  ＣＯ２      （４）
電池反応は図１のアノード２で起こるので、セルがある領域を発電室１０と呼ぶことにする。
【００２５】
セル４の上部には、発電に使われなかった残燃料を、電池反応に利用されなかった空気中の酸素と反応させて燃焼するための燃焼室１２がある。燃料室は仕切り板１１によって発電室１０と仕切られている。残燃料は仕切り板１１を出たのち、燃焼室１２で電池反応に利用されなかった空気中の酸素と反応して燃焼する。燃焼した排ガス１４は、モジュール容器１８の外部へ排出される。
【００２６】
図１において、ヒートパイプ９は発電室１０と燃焼室１２の各空間にまたがって装着されている。
【００２７】
本発明で使用するのに好適なヒートパイプについて説明する。図８は、ヒートパイプ容器２１の内壁にウイック２２を装着し、作動流体２３としてナトリウムを充填したものである。ヒートパイプ容器の材質にはＳＵＳ３１０、インコネル６００、Ｃｒ−Ｆｅ合金等を用いることができる。また、ウイックにはＳＵＳ３１６メッシュ、フォーム、フェルトなどを用いることができる。ヒートパイプの高さ方向中央が上下両端に比べて高温であれば、熱の移動は図８に矢印で示したようになる。
【００２８】
図９は、図８に示す構造のヒートパイプの中に、作動流体２３であるナトリウムのほかに、封入ガス１６としてアルゴンガス又は窒素ガスを封入したものである。封入ガスが存在する領域ではナトリウム蒸気のヒートパイプ容器への伝熱が疎外されるため、ヒートパイプ容器上部の伝熱量が低下する。このようにアルゴンガス又は窒素ガスを封入したものがガス入りヒートパイプである。
【００２９】
図１０は、図８のヒートパイプ容器２１に伝熱促進のために伝熱フィン１５を取り付けたものである。図１１は、図８のヒートパイプ容器の外壁に電気絶縁層１７を設けたものである。電気絶縁層を設けた場合、モジュール内で電位の違うセルとセルが近接した場合にヒートパイプと周囲のセルとの電気的絶縁が可能となり、大変便利である。
【００３０】
なお、図８〜図１１に示したヒートパイプのそれぞれの機能を組み合わせた構造でも使用可能である。また、ヒートパイプ容器の形状は平板型ばかりでなく円筒型や直方体、立方体等であっても良い。ここではヒートパイプの作動流体としてナトリウムを使用しているが、セシウム等の他の熱媒でも良い。
【００３１】
図１では、ヒートパイプ容器２１に伝熱フィン１５を取り付け、ヒートパイプ内にガスを封入したガス入り平板型ヒートパイプを用いた。平板型にしたのは、モジュールの全領域を均熱化し易いからである。
【００３２】
以下に、固体酸化物形燃料電池モジュールでの機能を、（１）モジュール起動時のモード、（２）定常発電時のモード、（３）高出力発電時並びに異常発熱時のモードに分けて説明する。
【００３３】
図１は、（１）モジュール起動時のモードに対応している。モジュールは７００℃〜１０００℃で運転するため、起動時にはセルをヒータやバーナ等の加熱手段で昇温する必要がある。一般にアノード側は還元雰囲気で加熱し、カソード側は酸化雰囲気で加熱する。例えば、燃料ガス供給ラインから高温の燃料ガス５が供給され、セル４を室温から昇温する。無論、カソードの空気温度を同時に上げて昇温することもできる。この時、ガス入り平板型のヒートパイプ９は温度が低いため、作動流体として充填されたナトリウムの圧力が低く、ガス溜め１３に封入したアルゴンガスが燃焼室１２の全領域に広がっている（ガス膨張状態）。結果として、燃焼室１２に存在するガス入り平板型のヒートパイプ９はヒートパイプとしての熱移送機能を発現しない。すなわち、燃焼室に比べ発電室が高温であっても発電室の熱を燃焼室に移送することはない。従って、外部から供給された熱は効率よくセルを暖めることができる。
【００３４】
図２は、図１に比べ、さらにモジュールの温度が高くなった、燃焼室着火後の状態を示している。この状態では、作動流体として充填されたナトリウムの温度が上って蒸気圧が上昇する。このため、ヒートパイプ９のガス溜め１３に封入された封入ガス１６は、図１に比べ、燃焼室１２方向に幾分圧縮され、燃焼室１２にあるヒートパイプ９もヒートパイプとしての機能を発現する。このころになると、燃焼室１２に流れ込むアノードの加熱用の燃料ガス５も高温となり、カソードの加熱用酸化ガスと混合して燃焼するようになる。燃焼室１２で燃焼が始まると燃焼室温度が発電室温度より高温となり、ヒートパイプ９は燃焼室の高温部から発電室の低温部へと熱輸送する。従って、ヒートポンプの無い時に比べセルの昇温速度を速くできる。無論、ヒートパイプ内は均熱になる作用があるので、発電室内の温度を一様化しながら温度上昇できる。
【００３５】
なお、還元ガスである燃料ガスとしては水素、メタン、ＬＮＧ、都市ガス等を用いることができる。
【００３６】
図３は、発電室が図２に比べさらに昇温され、セル運転温度の７００℃〜１０００℃に達し、セルに電流を流せる定常発電時の状態を示す。セルには電流が流れるため、セル温度が上昇し、発電室の温度が図２に比べ高くなる。すなわち、作動流体として充填されたナトリウムの温度がさらに上って蒸気圧が上昇するため、ヒートパイプ９のガス溜め１３に封入された封入ガス１６は図２に比べ、燃焼室１２方向にさらに圧縮され、燃焼室１２にあるヒートパイプ９の多くがヒートパイプとしての機能を発現する。
【００３７】
発電室１０は特に中央部の温度が高くなり、ヒートパイプ９は発電室内が温度一様になるように熱移送する。さらに発電室１０の中央部は燃焼室１２より高温となることが多いため、発電室から燃焼室へと熱移送する。
【００３８】
図４は、発電室が図３に比べ、高出力の発電をした場合であり、高出力運転時の状態を示す。セル電流が増大するためセルでの発熱が増加してセル温度が図３に比べ上昇し、特にセル中央部が最高温を示す。すなわち、作動流体として充填されたナトリウムの温度がさらに上って蒸気圧が上昇するため、ヒートパイプ９のガス溜め１３に封入された封入ガス１６は図３に比べ、燃焼室１２方向に相当圧縮され、燃焼室１２にあるヒートパイプ９のほぼ全領域がヒートパイプとしての機能を発現する。
【００３９】
発電室１０は特に中央部の温度が高くなり、ヒートパイプ９は発電室内の温度を一様にするように熱移送すると共に、発電室１０の中央部から燃焼室１２へと熱移送し、実質的にセルを冷却してセル温度を健全な温度範囲、例えば１０００℃以内に維持することが可能となる。
【００４０】
図４は高出力時ばかりでなく、モジュール内に何らかの異常があり、モジュールが高い温度を示した場合にも、ヒートパイプ９はモジュール全体を均熱化する機能を発揮するため、安全対策としても有効である。
【００４１】
図５は本発明の変形例であり、発電室１０内でのセルの発熱をモジュール外部に取り出す場合に好適な構造を示している。図３、図４で、セル発電時にはモジュールの発電室の高温部から放熱させる必要が生じることを述べた。図５ではモジュールからの放熱を外部に取り出し熱利用するようにした。ガス溜め１３をモジュール外部に設置し、さらに熱交換器に対して熱交換するためのフィン２４をモジュール外部に設けた。
【００４２】
図５は高出力時ばかりでなく、モジュール内が何らかの異常で高い温度を示した場合にもヒートパイプ９はモジュール全体を均熱化する機能を発揮するため、安全対策としても有効である。なお、図５の構造は、図１〜図４に示した機能も合わせて持っている。
【００４３】
図６は、ヒートパイプ９を発電室のみに設けた本発明の変形例を示した。この構造では発電室のみ温度を一様化できる。
【００４４】
図７は、ヒートパイプ９の表面に電気絶縁層１７を設けたものである。多数のセルが隣接している場合には、ヒートパイプ９とセル間の絶縁を維持できる。図７は発電室のみに設けた本発明の変形例を示した。この構造の場合は、発電室のみ温度を一様化することができる。
【００４５】
なお、図６、図７ではヒートパイプ９に封入ガス１６を充填していないが、ガス入りヒートパイプにしても、一向にその機能を損ねるものでない。
【００４６】
図１２に本発明の均熱効果の典型例を示した。図中に従来と記載されているヒートパイプを装着しない場合は、セルの中央部の温度が高くなっているが、改善後均熱と記載されている本発明では、セル全体の温度が一様化されている。
【００４７】
以上、本発明の実施形態を、平板型のヒートパイプで説明したが、ヒートパイプの形状は円筒型や直方体等の形状であっても差し支えない。
【００４８】
また、円筒形状を有するセルの外周がアノードとなる電池構造で説明したが、本発明は外周がカソードとなる電池構造であっても同様の効果を得ることができる。また、円筒形状として袋管に例を取って説明したが、底のない開放された円筒形状でも一向にその効果を損なうものでない。また、本発明は、円筒形状のセルに限らず、扁平円筒形状、楕円形状、直方体形状、立方体形状等のセルにも適用でき、同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の実施例による固体酸化物形燃料電池モジュールの起動時の状態を示した縦断面図である。
【図２】燃焼室着火時の状態を示した固体酸化物形燃料電池モジュールの断面図である。
【図３】定常発電時の状態を示した固体酸化物形燃料電池モジュールの断面図である。
【図４】高出力運転時の状態を示した固体酸化物形燃料電池モジュールの断面図である。
【図５】本発明による固体酸化物形燃料電池モジュールの他の実施例を示した断面図である。
【図６】他の実施例による固体酸化物形燃料電池モジュールの断面図である。
【図７】固体酸化物形燃料電池モジュールの別の形態を示した断面図である。
【図８】本発明に使用されるヒートパイプの断面図である。
【図９】ヒートパイプの他の例を示した断面図である。
【図１０】別のヒートパイプの断面図である。
【図１１】ヒートパイプの別の例を示した断面図である。
【図１２】本発明の均熱効果をヒートパイプがない場合と比較して示した図である。
【図１３】本発明による固体酸化物形燃料電池モジュールの横断面図である。
【符号の説明】
【００５０】
１…固体電解質、２…アノード、３…カソード、４…セル、５…燃料ガス、６…空気ヘッダ、７…空気導入管、８…空気、９…ヒートパイプ、１０…発電室、１１…仕切り板、１２…燃焼室、１３…ガス溜め、１４…排ガス、１５…伝熱フィン、１６…封入ガス、１７…電気絶縁層、１８…モジュール容器、２１…ヒートパイプ容器、２２…ウイック、２３…作動流体、２４…フィン。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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