(57)【要約】【課題】効率的な予熱を行える予熱機構を備えた燃料電池を提供する。【解決手段】電解質層２の一方に燃料極層３を、他方に酸化剤極層４を形成した発電セル５を複数接続してスタック１を構成する。当該スタック１を函体２０に収容して燃料電池モジュール１０を構成する。そして、前記スタック１を囲むように、前記函体２０の内部に反応用のガス（燃料ガス、酸化剤ガス）の流路となる予熱空洞１５、１６を形成し、燃料電池からの放射熱を受熱して空洞内に流入するガスを予熱する。これにより、ガスの予熱エネルギーとして燃料電池から放射される熱を効率良く活用でき、十分な予熱が行えるようになる。【選択図】　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質層の一方に燃料極層を、他方に酸化剤極層を形成した発電セルを複数接続してスタックを構成すると共に、当該スタックを函体に収容して燃料電池モジュールを構成し、外部より前記燃料極層および前記酸化剤極層に各々反応用のガスを供給する燃料電池において、
前記スタックを囲むように、前記函体の内部に前記ガスの流路となる空洞を形成し、燃料電池からの放射熱により空洞内に流入するガスを予熱する機構を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記空洞は、前記函体の外周方向に１層もしくは２層以上形成されており、且つ、前記ガスが外周層より導入されると共に、内側の層に向かって流通する構造を有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記外周層の空洞の厚さを３０ｍｍ以内としたことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記内側の層の空洞の厚さを前記外周層の空洞の厚さの２倍以上としたことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記空洞の壁面にＮｉ下地メッキによるＡｇメッキを施したことを特徴とする請求項１から請求項４までの何れかに記載の燃料電池。
【請求項６】
前記空洞の層間に断熱層を設けたことを特徴とする請求項１から請求項５までの何れかに記載の燃料電池。
【請求項７】
内側に位置する前記空洞内に、排気ガスを排出するための排気管を設置したことを特徴とする請求項１から請求項６までの何れかに記載の燃料電池。
【請求項８】
前記燃料極層に供給する燃料ガス用の空洞と前記酸化剤極層に供給する酸化剤ガス用の空洞とを備えることを特徴とする請求項１から請求項７までの何れかに記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池に関し、特に、発電セルに供給する反応用のガス（燃料ガス、酸化剤ガス）の予熱機構に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
前記燃料電池として固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は第三世代の発電用燃料電池として開発が進んでいる。この固体酸化物形燃料電池は、円筒型、モノリス型、及び平板積層型の３種類が提案されており、いずれも酸化物イオン伝導体から成る固体電解質を電極となる空気極（カソード）と燃料極（アノード）との間に挟んだ積層構造を有する。この積層体から成る発電セルを、インターコネクタ（セパレータ）を介して多数接続してスタックを構成し、必要によりガス供給用のディストリビュータを介在させる。これらスタック、ディストリビュータを断熱材や耐熱金属、或いはセラミックス等で構成される函体に収納してい燃料電池モジュールを構成している。
【０００３】
固体酸化物形燃料電池では、空気極側に酸素　（空気）　が、燃料極側に燃料ガス（Ｈ２　、ＣＯ、ＣＨ４　等）　が供給される。空気極と燃料極は、ガスが固体電解質との界面に到達することができるように、いずれも多孔質の層とされている。
【０００４】
空気極側に供給された酸素は、空気極層内の気孔を通って固体電解質層との界面近傍に到達し、この部分で、空気極から電子を受け取って酸化物イオン（Ｏ２−）にイオン化される。この酸化物イオンは、燃料極の方向に向かって固体電解質層内を拡散移動する。燃料極との界面近傍に到達した酸化物イオンは、この部分で、燃料ガスと反応して反応生成物（Ｈ２　Ｏ、ＣＯ２　等）を生じ、燃料極に電子を放出する。この電子を外部に電気として取り出し、起電力を得る。
【０００５】
固体電解質層は、酸化物イオンの移動媒体であると同時に、燃料ガスと空気を直接接触させないための隔壁としても機能するので、ガス不透過性の緻密な構造となっている。この固体電解質層は、酸化物イオン伝導性が高く、空気極側の酸化性雰囲気から燃料極側の還元性雰囲気までの条件下で化学的に安定で、熱衝撃に強い材料から構成する必要があり、かかる要件を満たす材料として、イットリアを添加した安定化ジルコニア（ＹＳＺ）が一般的に使用されている。
【０００６】
一方、電極である空気極層と燃料極層は、何れも電子伝導性の高い材料から構成する必要がある。空気極材料は、１０００℃前後の酸化性雰囲気中で化学的に安定でなければならないため、金属は不適当であり、電子伝導性を持つペロブスカイト型酸化物材料、具体的にはＬａＭｎＯ３　もしくはＬａＣｏＯ３　、または、これらのＬａの一部をＳｒ、Ｃａ等に置換した固溶体が一般に使用されている。また、燃料極材料としては、Ｎｉ、Ｃｏなどの金属、或いはＮｉ−ＹＳＺ、Ｃｏ−ＹＳＺなどのサーメットが一般的である。
【０００７】
ところで、既述したように、発電セルにおける電気化学反応は１０００℃前後の高温の酸化性雰囲気中で行われるが、この際の電池反応を活性化するため、反応用のガスとなる酸素（空気）や燃料ガスを必要温度（例えば、数百℃）まで予熱する必要がある。
【０００８】
従来では、燃料電池モジュールを構成する函体の周囲に空気予熱管や燃料ガス予熱管を配置して外部からの導入ガスを予熱していた。これら空気予熱管や燃料ガス予熱管は、例えば、２重管構造を有し、外部より供給される空気や燃料ガスをそれぞれ２重管の内管側より導入すると共に、外管側には、排気ガスとして外部に排出される内部燃焼ガスを通過させることにより、内管を通過する低温のガスを高温の排気ガスで予熱（熱交換）するというものである。
空気予熱管で予熱された空気は酸化剤ガス用ディストリビュータを介して各発電セルの空気極側に供給され、燃料ガス予熱管で予熱された燃料ガスは燃料ガス用ディストリビュータを介して各発電セルの燃料極側に供給される。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、空気予熱管や燃料ガス予熱管が上記したような２重管構造の熱交換器では十分な熱交換が行われず、排気ガスの熱を効率よく吸収して管内のガスを高温度に予熱することは難しかった。加えて、これら２重管構造の予熱管は、通常函体内周部を被包する断熱材内に埋設されていることから、構造的にも複雑であった。
【００１０】
本発明は、上記従来の問題に鑑みて成されたもので、スタックから放射される熱をガスの予熱に積極的に用いる共に、ガスの予熱面積を十分確保して効率的な予熱を行える予熱機構を備えた燃料電池を提供することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
すなわち、請求項１に記載の本発明は、電解質層の一方に燃料極層を、他方に酸化剤極層を形成した発電セルを複数接続してスタックを構成すると共に、当該スタックを函体に収容して燃料電池モジュールを構成し、外部より前記燃料極層および前記酸化剤極層に各々反応用のガスを供給する燃料電池において、前記スタックを囲むように前記函体の内部に前記ガスの流路となる空洞を形成し、燃料電池からの放射熱により空洞内に流入するガスを予熱する機構を有することを特徴としている。
本構成では、反応用のガス（燃料ガス、酸化剤ガス）の予熱エネルギーとして燃料電池から放射される熱を活用するため、十分な予熱が行える。また、従来の２重管構造に比べて予熱機構も簡略化される。
【００１２】
また、請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載の燃料電池において、前記空洞は、前記函体の外周方向に１層もしくは２層以上形成されており、且つ、前記ガスが外周層より導入されると共に、内側の層に向かって流通する構造を有することを特徴としている。
本構成では、外周層においては導入ガスとの熱交換で燃料電池モジュールの外観側を冷却でき、且つ、内層に向かうに連れてスタックからの放射熱にて予熱される形となる。また、空洞を多層にすることにより、ガスの予熱面積（即ち、予熱区間）を大きくすることができ、よって十分な予熱が行える。
【００１３】
また、請求項３に記載の本発明は、請求項２に記載の燃料電池において、前記外周層の空洞の厚さを３０ｍｍ以内としたことを特徴としている。
本構成では、最外層の空洞内を流通する導入ガスの線速度を速くすることができ、燃料電池モジュールの外観側の冷却効果を向上できると共に、内層側の熱が外観側に発散するのを阻止し、内層側を高温に保持できる。
【００１４】
また、請求項４に記載の本発明は、請求項３に記載の燃料電池において、前記内側の層の空洞の厚さを前記外周層の空洞の厚さの２倍以上としたことを特徴としている。
本構成では、内側の層の空洞内を流通する導入ガスの線速度は遅い状態を維持するため、導入ガスは放射熱にて十分に予熱される。
【００１５】
また、請求項５に記載の本発明は、請求項１から請求項４までの何れかに記載の燃料電池において、前記空洞の壁面にＮｉ下地メッキによるＡｇメッキを施したことを特徴としている。
例えば、空洞を形成する壁材としてＳＵＳ等の耐熱金属を用い、その表面にＡｇメッキを施すことにより、高温酸化雰囲気下において優れた耐食性（耐酸化性）が得られ、予熱機構の寿命を向上できる。
【００１６】
また、請求項６に記載の本発明は、請求項１から請求項５までの何れかに記載の燃料電池において、前記空洞の層間に断熱層を設けたことを特徴としている。本構成では、内層側の熱を外層側に逃がさず高温に保持できるため、内部の熱エネルギーを効率良く活用でき、且つ、十分な予熱が行えるようになる。
【００１７】
また、請求項７に記載の本発明は、請求項１から請求項６までの何れかに記載の燃料電池において、内側に位置する前記空洞内に、排気ガスを排出するための排気管を設置したことを特徴としている。
本構成では、スタックからの放射熱と排ガスの熱により空洞内を加熱できるため、十分な予熱が行えるようになる。特に、冷風が流入する酸化剤ガス用の空洞に適用すると、より効果的である。
【００１８】
また、請求項８に記載の本発明は、請求項１から請求項７までの何れかに記載の燃料電池において、前記燃料極層に供給する燃料ガス用の空洞と前記酸化剤極層に供給する酸化剤ガス用の空洞とを備えることを特徴としている。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図３に基づいて本発明の実施形態を説明する。
【００２０】
図１は本発明が適用された燃料電池モジュール（平板積層型の固体酸化物形燃料電池）の第１実施形態を示している。
図１に示す燃料電池モジュール１０は、固体電解質層２の一方の面に燃料極層３を、他方の面に酸化剤極層４（空気極層）を配置して発電セル５を構成し、この発電セル５と後述のセパレータ８とを交互に複数積層して筒状に構成したスタック１を有する。
【００２１】
前記セパレータ８は、各発電セル間を電気的に接続すると同時に各発電セル５に対して反応用のガスを供給する機能を有しており、燃料ガス（Ｈ２　）をセパレータ８の外周面から導入して燃料極層側の中央部から噴出させる燃料通路６と、酸化剤ガス（空気）をセパレータ８の外周面から導入して酸化剤極層側の中央部から噴出させる酸化剤通路７とをそれぞれ有している。
【００２２】
また、スタック１の一方側には、各セパレータ８の燃料通路６に燃料ガス用接続管１１を通して外部から導入される燃料ガスを分配する燃料ガス用ディストリビュータ１３が、他方側には、各セパレータ８の酸化剤通路７に酸化剤ガス用接続管１２を通して外部からの酸化剤ガスを分配する酸化剤ガス用ディストリビュータ１４が、それぞれ発電セル５の積層方向に沿って立設されている。
【００２３】
これらスタック１や各ディストリビュータ１３、１４等を耐熱金属製（例えば、ＳＵＳ製）の函体２０に収容して燃料電池モジュール１０が構成されている。また、この函体２０の上下両端には、スタック１の最端部に配設されたセパレータ８、８から引き出された正極端子１８および負極端子１９がそれぞれ相対向する形で突設されていると共に、函体２０の上部に排気管１７が突設されており、この排気管１７の排気口１７ａから電池反応により生成された反応ガス（排気ガス）が外部に排出されるようになっている。
【００２４】
ところで、上記構成の燃料電池モジュール１０にあっては、ＳＵＳ製の函体２０の内壁に沿って、且つ、外周方向に向かって耐熱金属板を母材とした隔壁９ａを設けてガスの流路となる予熱空洞が形成されている。本実施形態では、この隔壁９ａを所定の間隔にて２重に設けて２層構造の空洞を形成し、更に、縦方向の中央付近に横方向に区画壁９ｂを設けてこの予熱用空洞を上下２つに分割し、各々気密状態に分離された上方部の酸化剤ガス用予熱空洞１５と下方部の燃料ガス用予熱空洞１６とにより、外部より導入される反応用のガスの予熱機構を構成している。
【００２５】
この隔壁９ａおよび区画壁９ｂは、例えば、耐熱性、耐腐食性に優れるＳＵＳ板を母材とし、高温酸化雰囲気下において優れた耐食性（耐酸化性）が得られるよう、その表面にＮｉメッキを下地としたＡｇメッキが施してある。これにより、予熱機構の高寿命化が図られている。
【００２６】
また、酸化剤ガス用予熱空洞１５においては、外側の隔壁９ａに設けた通孔２１によって予熱空洞を形成する外層と内層とが連通されており、酸化剤ガス供給口２３より導入される酸化剤ガス（空気）が外層部から内層部に向かって流通しながら酸化剤ガス供給管２５を経て前記した酸化剤ガス用ディストリビュータ１４に供給されるようになっている。
一方、燃料ガス用予熱空洞１６においては、外側の隔壁９ａに設けた通孔２２によって予熱空洞の外層と内層が連通されており、燃料ガス供給口２４より導入される燃料ガス（Ｈ２　）が外層部から内層部に向かって流通しながら燃料ガス供給管２６を経て前記した燃料ガス用ディストリビュータ１３に供給されるようになっている。
【００２７】
上記構成の燃料電池モジュール１０では、スタック１における電池反応（発電）のためにセルの内部温度は９００〜１０００℃の高温を維持しており、よってその放射熱を受熱し、函体内に設けた燃料ガス用予熱空洞１６および酸化剤ガス用予熱空洞１５の内部も高温となっている。
【００２８】
この様な状況下で、燃料ガス供給口２４より燃料ガス用予熱空洞１６に導入された低温の燃料ガス（Ｈ２　）は、矢印方向に外層部を経て内層部に向かって流通し、その流通過程において空洞内の高温雰囲気により所定温度まで加熱（予熱）されつつ、内層部の燃料ガス供給管２６を経て燃料ガス用ディストリビュータ１３に供給される。
予熱ガスは、一旦この燃料ガス用ディストリビュータ１３に充填されて各々複数の燃料ガス用接続管１１に分配され、それぞれの接続管１１から各々セパレータ８の燃料通路６を介してその中心部より噴出し、各発電セル５の燃料極層３に供給される。そして、電極反応で生成された水蒸気と少量の過剰燃料（未反応ガス）はスタック１の外周部から函体内に排出される。
【００２９】
一方、酸化剤ガス供給口２３より酸化剤ガス用予熱空洞１５に導入された低温の酸化剤ガス（空気）は、矢印方向に外層部を経て内層部に向かって流通し、流通過程において空洞内の高温雰囲気により所定温度まで加熱（予熱）された後、内層部の酸化剤ガス供給管２５を経て酸化剤ガス用ディストリビュータ１４に供給される。
予熱空気は、一旦この酸化剤ガス用ディストリビュータ１４に充填されて複数の各酸化剤ガス用接続管１２に分配され、それぞれの接続管１２から各々セパレータ８の酸化剤通路７を介してその中心部より噴出し、各発電セル５の酸化剤極層４に供給される。
【００３０】
この酸化剤極層４において酸素イオンとなり、固体電解質内部を拡散して前記燃料極層３に到達し、燃料ガスと反応する。この電池反応により、発電セル５（即ち、スタック１）に起電力が発生し、正極端子１８と負極端子１９より必要な電力が取り出される。
反応後の酸化剤ガスはスタック外に排出され、燃料極層３より排出される過剰燃料（未反応ガス）と反応してスタック１の周辺で燃焼し、その際の高温排気ガス（ＣＯ２　）が水蒸気（Ｈ２　Ｏ）と共に函体上部の排気管１７を通して電池外に排出される。
【００３１】
このように、本発明は燃料ガスおよび酸化剤ガスの予熱エネルギーにスタック１の発電による放射熱を利用しているため、排気ガスの熱のみを利用した従来型の予熱機構に比べて十分な予熱を行うことができ、電池反応を活性化して発電効率を向上できる。且つ、予熱機構も従来の２重管構造に比べて簡略化できる。
【００３２】
加えて、燃料ガス用予熱空洞１６および酸化剤ガス用予熱空洞１５を２層構造とすることにより、ガスの予熱区間を十分確保することができる。特に、多層構造の予熱空洞では、外層部においては外部より導入される低温ガスとの熱交換で燃料電池モジュール外観部の冷却機能を果たすと共に、内層部における高温雰囲気中では十分な予熱が行われることになる。
【００３３】
また、本実施形態では、上記構成の予熱機構において、外周層の予熱空洞１５、１６の厚さを３０ｍｍ以内と狭くし、且つ、内側の層の予熱空洞１５、１６の厚さは外周層の２倍以上と広くしている。外層側を狭くすることにより、空洞内を流通する導入ガスの線速度を速くすることができ、燃料電池モジュールの外観側の冷却効果を向上できると共に、内層側の熱が外観側に発散するのを阻止し、内層側を高温に保持できる。外周層における予熱空洞の厚さは燃料電池の出力規模に依存し、大型化するに連れて厚さは増す。逆に出力１ＫＷ程度の小型機では厚さ１ｍｍ程度が好ましい。
一方、内側の層の予熱空洞１５、１６の厚さを外周層より広くすることにより、内側の層の予熱空洞内を流通する導入ガスの線速度は減少するため、導入ガスは放射熱にて十分に予熱されて各ディストリビュータに供給されることになる。
【００３４】
次に、図２は本発明の第２実施形態を示している。この燃料電池モジュール１０のスタック１は図１に示した第１実施形態と全く同じ構成であるが、予熱機構の構造が相違している。
【００３５】
即ち、本実施形態では、酸化剤ガス用予熱空洞１５および燃料ガス用予熱空洞１６において、各予熱空洞の内、外側に位置する予熱空洞との層間に真空部２７（真空断熱層２７）を設け、相接する層間の熱の伝導（２層構造の場合は内層から外層への熱伝導）を抑制する構造としたものである。
本実施形態では、所定の隙間もって設けた２重構造の隔壁９ｃ、９ｃにより空洞を形成し、その内部を真空状態として断熱層を形成したものである。この場合も、前記隔壁９ａや区画壁９ｂと同様に、母材はＳＵＳ製とし、その表面にＮｉメッキを下地としたＡｇメッキが施してある。この真空断熱層２７により内層側の熱を外層側に逃がさず、常に各予熱空洞１５、１６を高温状態に保つことができ、燃料電池の放射熱を効率よく活用できるようになる。
【００３６】
次に、図３は本発明の第３実施形態を示している。この実施形態においてもスタック１の構成は図１、図２に示した実施形態と全く同様であるが、予熱機構の構造が相違している。
【００３７】
即ち、本実施形態では、酸化剤ガス用予熱空洞１５において、内側に位置する予熱空洞内部に排気ガスを排出するための排気管１７を設置し、燃料電池からの放射熱で加熱された空洞内を更に排気ガスの熱により加熱するものである。この排気管１７の排気口１７ａは酸化剤ガス用予熱空洞１５の内層端部に位置し、排気管１７は、同、内層部の他端部より外層部を貫通して函体２０より突出しており、酸化剤ガス用予熱空洞１５の内層部のほぼ全域をカバーするようになっている。モジュール内部の高温排気ガスは排気管１７を通過する間に内層内のガスと熱交換される。
これにより、ガスの予熱がより確実に行えるようになると共に、外部に放出していた排気ガスの熱を予熱エネルギーとして利用できることから、燃料電池のエネルギー効率をより向上することができる。
【００３８】
尚、この排気管１７は酸化剤ガス用予熱空洞１５と共に燃料ガス用予熱空洞１６にも設置可能であるが、一般的に、酸化剤ガス（空気）は化学反応用ガスとしてだけでなくモジュールの冷却用としても使用されており、図示しない外部に設置のコンプレッサーやブロワ等より圧縮空気が大量に供給される傾向にあることから、このような冷風が導入される酸化剤ガス用予熱空洞１５に設置する方が効果的である。
【００３９】
以上の実施形態では、ジルコニア等の固体酸化物を電解質とする固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）について説明したが、これに限るものではなく、燃料ガスと酸化剤ガスの電極反応で発電するものであれば良く、燐酸を電解質とする燐酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩を電解質とする溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）、或いは、イオン交換膜を電解質とする固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）等にも勿論適用可能である。
【００４０】
また、予熱機構となる各々予熱空洞１５、１６を２層構造としたが、これに限るものではなく１層、もしくは２層以上であれば良く、適用する燃料電池の種類や使用する反応用のガス等に応じて適宜好適な予熱温度が得られるよう予熱空洞を構成すれば良い。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、函体の内部に反応用のガスの流路となる空洞を形成したので、反応用のガス（燃料ガス、酸化剤ガス）の予熱エネルギーとして燃料電池から放射される熱を効率良く活用することができ、十分な予熱が行えるようになる。また、従来の２重管構造に比べてガスの予熱区間を大きくでき、且つ予熱機構も簡略化される。
【００４２】
また、予熱機構を構成する空洞の壁面にＮｉ下地メッキによるＡｇメッキを施してあるので、燃料電池モジュール内部の高温酸化雰囲気下において優れた耐食性（耐酸化性）が得られ、予熱機構の寿命を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る燃料電池モジュールの内部構造を示す断面図。
【図２】本発明の第２実施形態に係る燃料電池モジュールの内部構造を示す断面図。
【図３】本発明の第３実施形態に係る燃料電池モジュールの内部構造を示す断面図。
【符号の説明】
１　スタック
２　電解質層（固体電解質層）
３　燃料極層
４　酸化剤極層
５　発電セル
１０　燃料電池モジュール
１５　酸化剤ガス用予熱空洞
１６　燃料ガス用予熱空洞
１７　排気管
２０　函体
２７　断熱層（真空断熱層）
【図１】
2004139960.tif 000003
【図２】
2004139960.tif 000004
【図３】
2004139960.tif 000005