(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応容器内に、固体電解質の内面に空気極を、外面に燃料極を形成してなる有底筒状の固体電酸化物形燃料電池セルを複数収容するとともに、それぞれの該固体酸化物形燃料電池セル内に酸素含有ガス導入管を挿入してなる固体酸化物形燃料電池において、前記固体酸化物形燃料電池セル内における前記酸素含有ガス導入管の外側表面に外部電源に接続された発熱体が形成されていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
【請求項２】
反応容器内に、固体電解質の内面に空気極を、外面に燃料極を形成してなる有底筒状の固体電酸化物形燃料電池セルを複数収容するとともに、それぞれの該固体酸化物形燃料電池セル内に酸素含有ガス導入管を挿入してなる固体酸化物形燃料電池において、前記空気極に、外部電源に接続された発熱体が内蔵されていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
【請求項３】
前記発熱体は、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯおよびＺｒＯ２のうち少なくとも１種を主成分とする絶縁層により被覆されていることを特徴とする請求項１または２記載の固体酸化物形燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体酸化物形燃料電池に関し、特に、発熱体を有する固体酸化物形燃料電池に関する。
【０００２】
【従来技術】
固体酸化物形燃料電池は、図１に示すように、反応容器１内に、酸素含有ガス室仕切板２、燃焼室仕切板３、燃料ガス室仕切板５を用いて酸素含有ガス室Ａ、燃焼室Ｂ、反応室Ｃ、燃料ガス室Ｄが形成されている。
【０００３】
反応容器１内には、複数の有底筒状の固体酸化物形燃料電池セル７（以下、単にセル７という場合がある。）が収容されており、これらの固体酸化物形燃料電池セル７は、燃焼室仕切板３に形成されたセル挿入孔に挿入固定されており、また、その内部には酸素含有ガス室仕切板２に固定された酸素含有ガス導入管９の一端が挿入されている。
【０００４】
燃焼室仕切板３には、図示しないが、余剰の燃料ガスを燃焼室Ｂに導入するための燃料ガス噴出孔が形成されており、燃料ガス室仕切板５には、図示しないが、燃料ガスを反応室Ｃ内に供給するための供給孔が形成されている。
【０００５】
また、反応容器１には、例えば水素からなる燃料ガスを導入する燃料ガス導入口１３、酸素含有ガス、例えば空気を導入する酸素含有ガス導入口１７、燃焼室Ｂ内で燃焼したガスを排出するための排気口１９が形成されている。
【０００６】
このような固体酸化物形燃料電池は、酸素含有ガス室Ａからの酸素含有ガス、例えば空気を、酸素含有ガス導入管９を介して固体酸化物形燃料電池セル７内にそれぞれ供給し、かつ、燃料ガス室Ｄからの燃料ガスを複数の固体酸化物形燃料電池セル７間に供給し、反応室Ｃにて反応させ、余剰の空気と燃料ガスを燃焼室Ｂにて燃焼させ、燃焼したガスが排気口１９から外部に排出される。
【０００７】
ところで、固体酸化物形燃料電池は、固体酸化物形燃料電池セル７を約１０００℃という高温で動作させるため、装置立ち上げの際は、酸素含有ガス、例えば空気を外部でプレヒートした後、酸素含有ガス導入口１７より酸素含有ガス室Ａ内に導入し、酸素含有ガス室Ａから酸素含有ガス導入管９を介して固体酸化物形燃料電池セル７内にそれぞれ供給され、このプレヒートされた空気により固体酸化物形燃料電池セル７を昇温していた。
【０００８】
さらに、燃料ガス室Ｄから複数の固体酸化物形燃料電池セル７間を通過し、燃焼室仕切板３の燃料ガス噴出孔より噴出した余剰の燃料ガスと、固体酸化物形燃料電池セル７内を通過した空気が、燃焼室Ｂ内にて燃焼し、この熱により酸素含有ガス導入管９を暖め、その内部を通過する空気を暖めることによって固体酸化物形燃料電池セル７を昇温していた。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような方法では、反応容器１内に導入する前に酸素含有ガスを加熱し、この加熱した酸素含有ガスを反応容器１内に導入することで固体酸化物形燃料電池セル７を昇温したり、余剰の燃料ガスと酸素含有ガスの燃焼により、酸素含有ガス導入管９内の酸素含有ガスを加熱し、この加熱した酸素含有ガスの循環により固体酸化物形型燃料電池セル７を昇温していたため、加熱した酸素含有ガスと反応容器１内に導入する経路が長くなり、酸素含有ガスと固体酸化物形燃料電池セル７間の熱交換効率が低く、固体酸化物形燃料電池セル７を加熱するのに時間がかかり、固体酸化物形燃料電池が作動するのに長時間を要すという問題があった。
【００１０】
さらに起動時間が長いため、電力を必要な時に迅速に取り出せるように、常時固体酸化物形燃料電池セル７を加熱しておく必要があり、無駄なエネルギーを消費するという問題も生じていた。
【００１１】
本発明は、固体酸化物形燃料電池セルを急速に昇温でき、これにより動作開始時間を短縮できるとともに、固体酸化物形燃料電池セルの保温のための無駄なエネルギー消費をなくすことができる固体酸化物形燃料電池を提供することを目的とする。
【００１２】
【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は、反応容器内に、固体電解質の内面に空気極を、外面に燃料極を形成してなる有底筒状の固体電酸化物形燃料電池セルを複数収容するとともに、それぞれの該固体酸化物形燃料電池セル内に酸素含有ガス導入管を挿入してなる固体酸化物形燃料電池において、前記固体酸化物形燃料電池セル内における前記酸素含有ガス導入管の外側表面に外部電源に接続された発熱体が形成されているものである。
【００１３】
このような構成を採用することにより、固体酸化物形燃料電池セルを急速に昇温でき、迅速に発電状態に立ち上げることができ、起動性に優れた固体酸化物形燃料電池を得ることができる。
【００１４】
特に、酸素含有ガス導入管の固体酸化物形燃料電池セル内における外側表面に外部電源に接続された発熱体が形成され、該発熱体は、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯおよびＺｒＯ２のうち少なくとも１種を主成分とする絶縁層により被覆されていることが望ましい。このような構成では、酸素含有ガス導入管により、例えば、空気からなる酸素含有ガスが固体酸化物形燃料電池セル内に導入されるが、酸素含有ガス導入管の外側表面に形成された発熱体により、酸素含有ガス導入管内部を流れる空気や、酸素含有ガス導入管と固体酸化物形燃料電池セル間を流れる空気を加熱することができ、加熱された空気によって固体酸化物形燃料電池セルを昇温できるとともに、固体酸化物形燃料電池セルが発熱体の近傍に配置されているため、輻射熱により固体酸化物形燃料電池セルを急速に昇温できる。
【００１５】
また、このような構成では、固体酸化物形燃料電池セル内面の空気極と、酸素含有ガス導入管の外側表面との間隔が狭いため、酸素含有ガス導入管の外側表面に形成された外部電源に接続された発熱体が空気極と接触する虞があるが、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯおよびＺｒＯ２のうち少なくとも１種を主成分とする絶縁層が発熱体を被覆しているため、固体酸化物形燃料電池セルの内面に酸素含有ガス導入管が接触しても、発熱体を流れる電流が固体酸化物形燃料電池セルに流れることがなく、このため、確実に発熱体を加熱でき、損失なく固体酸化物形燃料電池セルを昇温できる。
【００１６】
発熱体を被覆する絶縁層の主成分であるＡｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＺｒＯ２は耐熱性を有するため、１０００℃での連続運転に使用できる。中でもＡｌ２Ｏ３は熱伝導性が良好なため、固体酸化物形燃料電池セルを急速に昇温させることができる。
【００１７】
本発明の固体酸化物形燃料電池は、反応容器内に、固体電解質の内面に空気極を、外面に燃料極を形成してなる有底筒状の固体電酸化物形燃料電池セルを複数収容するとともに、それぞれの該固体酸化物形燃料電池セル内に酸素含有ガス導入管を挿入してなる固体酸化物形燃料電池において、前記空気極に、外部電源に接続された発熱体が内蔵されている。このような構成を採用することにより、固体酸化物形燃料電池セルを直接加熱できるため、急速に加熱することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の固体酸化物形燃料電池は、固体酸化物形燃料電池セルの空気極に、外部電源に接続された発熱体を内蔵した点、固体酸化物形燃料電池セル内の酸素含有ガス導入管に外部電源に接続された発熱体を形成した点を除いて実質的に従来と同様の構造を有しているため、本発明の固体酸化物形燃料電池を、図１で説明する。
【００１９】
即ち、固体酸化物形燃料電池は、図１に示すように、反応容器１内に、酸素含有ガス室仕切板２、燃焼室仕切板３、燃料ガス室仕切板５を用いて酸素含有ガス室Ａ、燃焼室Ｂ、反応室Ｃ、燃料ガス室Ｄが形成されている。
【００２０】
反応容器１内には、複数の有底筒状の固体酸化物形燃料電池セル７が収容されており、これらの固体酸化物形燃料電池セル７は、燃焼室仕切板３に形成されたセル挿入孔に挿入固定されており、また、その内部には酸素含有ガス室仕切板２に固定された酸素含有ガス導入管９の一端が挿入されている。
【００２１】
燃焼室仕切板３には、図示しないが、余剰の燃料ガスを燃焼室Ｂに導入するための燃料ガス噴出孔が形成されており、燃料ガス室仕切板５には、図示しないが、燃料ガスを反応室Ｃ内に供給するための供給孔が形成されている。
【００２２】
また、反応容器１には、例えば水素からなる燃料ガスを導入する燃料ガス導入口１３、酸素含有ガス、例えば空気を導入する酸素含有ガス導入口１７、燃焼室Ｂ内で燃焼したガスを排出するための排気口１９が形成されている。
【００２３】
固体酸化物形燃料電池セル７は、図２に示すように、例えば、支持管としてのＬａＭｎＯ３系空気極２１と、この空気極２１の表面に形成されたＹ２Ｏ３安定化ＺｒＯ２からなる固体電解質２２と、固体電解質２２の表面に形成されたＮｉ一ジルコニア系の燃料極２３と、空気極２１と電気的に接続されるＬａＣｒＯ３系よりなるインターコネクタ２４とから構成されている。
【００２４】
そして、図３に示すように、一方のセル７のインターコネクタ２４を、Ｎｉ金属繊維等の接続部材２５を介して他方のセル７の燃料極２３に接続して、複数のセル７が電気的に接続され、スタック２７が構成されており、このようなスタック２７が、図１に示したように、反応容器１内に複数収容されて固体酸化物形燃料電池が構成されている。
【００２５】
そして、本発明の固体酸化物形燃料電池では、図４に示すように、セル７内部における酸素含有ガス導入管９の外面に発熱体３１が形成されており、この発熱体３１が、図４（ｂ）に示すように、絶縁層３３により被覆されている。この絶縁層３３は、１０００℃での高温でも耐久性を有するという点から、ＺｒＯ２、ＭｇＯおよびＡｌ２Ｏ３のうち少なくとも一種を主成分とするものが望ましい。
【００２６】
特に、熱伝導が良好という観点からＡｌ２Ｏ３が望ましい。尚、図４（ａ）では絶縁層３３は省略した。
【００２７】
発熱体３１は、図４（ａ）の上方に向けて引き出され、空気室Ａで、直並列に接続され、固体酸化物形燃料電池の外部に取り出され、外部電源に接続されている。
【００２８】
以上のように構成された固体酸化物形燃料電池では、酸素含有ガス室Ａからの酸素含有ガス、例えば空気を、酸素含有ガス導入管９を介して固体酸化物形燃料電池セル７内にそれぞれ供給し、かつ、燃料ガス室Ｄからの燃料ガスを複数の固体酸化物形燃料電池セル７間に供給し、反応室Ｃにて反応させ、余剰の空気と燃料ガスを燃焼室Ｂにて燃焼させ、燃焼したガスが排気口１９から外部に排出される。
【００２９】
そして、本発明の固体酸化物形燃料電池では、酸素含有ガス導入管９の外側表面に発熱体３１が形成されているので、酸素含有ガス導入管９内を流通する空気や、酸素含有ガス導入管９の外面とセル７の内面との間を流通する空気が、酸素含有ガス導入管９の外側表面の発熱体３１により加熱され、この加熱された空気によりセル７を急速に昇温できる。また、同時に、セル７が発熱体３１の近傍に配置されているため、輻射熱によりセル７を動作温度である１０００℃まで急速に昇温でき、このため、固体酸化物形燃料電池を迅速に発電状態に立ち上げることができ、起動性に優れた固体酸化物形燃料電池を得ることができる。
【００３０】
また、酸素含有ガス導入管９の外側表面に形成された発熱体３１が絶縁層３３により被覆されているため、セル７内面の空気極２１に、酸素含有ガス導入管９の外側表面が接触したとしても、空気極２１と発熱体３１とが導通することがなく、発熱体３１を流れる電流がセル７に流れることがなく、このため損失なく昇温できる。
【００３１】
さらに、発熱体３１を被覆する絶縁層３３が、耐熱性を有するＡｌ２Ｏ３、ＭｇＯおよびＺｒＯ２のうち少なくとも１種を主成分とするため、１０００℃での連続運転に使用できる。
【００３２】
図５は、本発明の他の固体酸化物形燃料電池のセルを示すもので、この固体酸化物形燃料電池のセル７の空気極２１内には、Ｐｔ系材料からなる発熱体４１が内蔵されている。尚、発熱体４１は、図示しないが、電極がセル７の開放端に引き出され、燃焼室仕切板３上に形成された電極を介して外部に引き出され、外部電源に接続されている。
【００３３】
このような固体酸化物形燃料電池では、セル７の空気極２１に内蔵された発熱体４１により、セル７を直接加熱することができ、起動性に優れた固体酸化物形燃料電池を得ることができる。
【００３４】
【発明の効果】
本発明の固体酸化物形燃料電池では、酸素含有ガス導入管または固体酸化物形燃料電池セルの空気極に発熱体を設けたので、固体酸化物形燃料電池セルを効率良く急速に昇温できる。これにより動作開始時間を短縮でき、保温のための無駄なエネルギー消費をなくすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】固体酸化物形燃料電池の模式図である。
【図２】固体酸化物形燃料電池セルの断面図である。
【図３】スタックを示す平面図である。
【図４】酸素含有ガス導入管の表面に発熱体を形成した例を示すもので、（ａ）は側面図、（ｂ）は断面図である。
【図５】空気極に発熱体を内蔵したセルを示す断面図である。
【符号の説明】
１・・・反応容器
７・・・固体酸化物形燃料電池セル
９・・・酸素含有ガス導入管
２１・・・空気極
２２・・・固体電解質
２３・・・燃料極
３１，４１・・・発熱体
３３・・・絶縁層
【図１】
0004817476.tif 000002
【図２】
0004817476.tif 000003
【図３】
0004817476.tif 000004
【図４】
0004817476.tif 000005
【図５】
0004817476.tif 000006