(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の第１の中空区画と複数の第２の中空区画とが互いに隣接するように形成されたプロトン導電体よりなる固体電解質基体と、
前記第１の中空区画に水素含有材料を改質するための触媒が充填されてなり、前記水素含有材料が導入される改質セルと、
前記第２の中空区画よりなり、空気が導入される空気セルと、
前記改質セルの内壁に形成された第１の電極層と、
前記空気セルの内壁に形成された第２の電極層とを有し、
前記第１の電極層と前記第２の電極層から電気エネルギを出力する
ことを特徴とする改質器付き燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の改質器付き燃料電池において、
前記改質セル内における前記水素含有材料の流動方向と、前記空気セルにおける前記空気の流動方向とが互いに逆方向である
ことを特徴とする改質器付き燃料電池。
【請求項３】
請求項１又は２記載の改質器付き燃料電池において、
前記固体電解質基体は、前記第１及び第２の中空区画の一端が位置する第１の端面と、前記第１及び第２の中空区画の他端が位置する第２の端面とを有し、
前記固体電解質基体の前記第１の端面側に配設され、前記第１の端面側からの前記第１の中空区画への流体の導入又は排出、及び／又は前記第１の端面側からの前記第２の中空区画への流体の導入又は排出を行うための第１の分配構造体と、
前記固体電解質基体の前記第２の端面側に配設され、前記第２の端面側からの前記第１の中空区画からの流体の排出又は導入、及び／又は前記第２の端面側からの前記第２の中空区画からの流体の排出又は導入を行うための第２の分配構造体とを更に有する
ことを特徴とする改質器付き燃料電池。
【請求項４】
第１の中空区画と第２の中空区画とが隣接し、前記第２の中空区画と第３の中空区画とが隣接するように形成されたプロトン導電体又は酸素イオン導電体よりなる固体電解質基体と、
前記第１の中空区画に水素含有材料を改質するための触媒が充填されてなり、前記水素含有材料が導入される改質セルと、
前記第２の中空区画よりなり、空気が導入される空気セルと、
前記第３の中空区画よりなり、前記改質セルにおける前記水素含有材料の改質により生じた水素が導入される水素セルと、
前記水素セルの内壁に形成された第１の電極層と、
前記空気セルの内壁に形成された第２の電極層とを有し、
前記第１の電極層と前記第２の電極層から電気エネルギを出力する
ことを特徴とする改質器付き燃料電池。
【請求項５】
請求項４記載の改質器付き燃料電池において、
前記固体電解質基体は、前記第１乃至第３の中空区画の一端が位置する第１の端面と、前記第１乃至第３の中空区画の他端が位置する第２の端面とを有し、
前記固体電解質基体の前記第１の端面側に配設され、前記第１の端面側からの前記第１の中空区画への流体の導入又は排出、前記第１の端面側からの前記第２の中空区画への流体の導入又は排出、及び／又は前記第１の端面側からの前記第３の中空区画への流体の導入又は排出を行うための第１の分配構造体と、
前記固体電解質基体の前記第２の端面側に配設され、前記第２の端面側からの前記第１の中空区画からの流体の排出又は導入、前記第２の端面側からの前記第２の中空区画からの流体の排出又は導入、及び／又は前記第２の端面側からの前記第３の中空区画からの流体の排出又は導入を行うための第２の分配構造体とを更に有する
ことを特徴とする改質器付き燃料電池。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の改質器付き燃料電池において、
前記中空区画は、三角形状、四角形状、五角形状、六角形状、八角形状、又は円形状の断面を有する中空柱状区画である
ことを特徴とする改質器付き燃料電池。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか１項に記載の改質器付き燃料電池において、
前記改質セル、前記空気セル又は前記水素セルの一部が、反応に寄与しない予備セルである
ことを特徴とする改質器付き燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は燃料電池、特に、水素含有材料を改質して水素を生成する改質器と一体となった改質器付き燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】  環境問題やエネルギー問題が深刻化するに伴い、石油に代わって新しいエネルギー源として水素が有望視されている。水素はそのままではエネルギーとして使えないので、水素を媒介とする新しいシステムが必要であり、水素を燃料とする燃料電池が注目されている。【０００３】  燃料電池は小型でも４０％以上の高い発電効率を有しており、負荷が小さいときでも定格運転時と同様な高効率の運転が可能である優れた特性を有している。燃料電池は炭酸ガスや窒化酸素ガスを発生せず、発電器のような騒音や振動も発生しない。また、燃料電池は温水や水蒸気の形で廃熱回収をすることができる利点もある。【０００４】  燃料電池は、このように高効率で環境にやさしい発電装置、エネルギ供給装置として多岐にわたる利用が期待されている。例えば、集合住宅、オフィスビル、ホテル、病院等での数百ｋＷ級の電熱供給システム、乗用車やバス等の交通機関の動力用電源、数ｋＷの家庭用電源、数十Ｗの電子機器用電源等の用途が考えられ、これらの分野における実用化研究が積極的に進められている。【０００５】  燃料電池は水素を燃料とするが、燃料の水素を安全に安定的に供給することに課題がある。自動車用燃料電池の場合、小型、軽量であること、１回の充填での航続距離が長いこと、充填の手間が簡単であること等の条件があり、これら条件を考慮した様々な水素供給方法が提案されている。例えば、圧縮水素、液体水素として直接水素を供給するようにしたり、水素吸蔵合金やカーボンナノチューブ等の水素吸蔵材から水素を供給するようにしたり、メタノールや炭化水素を改質して水素を供給するようにしている。
【特許文献１】特開２００２−２１１９０２号公報
【特許文献２】特開２００２−２４６０５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】  炭化水素を改質して水素を供給する方法は、石油系燃料から水素燃料への過渡期に、これまでの環境を維持しながら長期間使用することができるために注目されている。【０００７】  しかしながら、自動車用燃料電池の場合、車上において改質処理を行うためには、燃料電池とは別個に改質器を搭載する必要があり、収納場所の問題や、重量の問題、システムとしての複雑さの問題等がある。また、改質反応は高温を伴うため様々な問題が発生するおそれがある。【０００８】  圧縮水素として水素を直接供給する方法は、自動車用燃料電池の場合、上述したような改質器を搭載する必要がないので、システムとして簡単であるという利点を有しており、軽量な高圧水素タンクが開発されて俄に注目されている。【０００９】  しかしながら、自動車に高圧水素タンクを搭載することには、衝突時等のことを考慮すると、安全上の不安要素がある。また、サービスステーションにおいて水素を供給する際にも細心の注意で安全性を確保する必要がある。【００１０】  本発明の目的は、安全上の問題が少なく、簡単なシステムとして実現でき、あわせて、発熱の問題も解決することができる改質器付き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】
【００１２】  また、上記目的は、複数の第１の中空区画と複数の第２の中空区画とが互いに隣接するように形成されたプロトン導電体よりなる固体電解質基体と、前記第１の中空区画に水素含有材料を改質するための触媒、特には脱水素化反応の触媒が充填されてなり、前記水素含有材料が導入される改質セルと、前記第２の中空区画よりなり、空気が導入される空気セルと、前記改質セルの内壁に形成された第１の電極層と、前記空気セルの内壁に形成された第２の電極層とを有し、前記第１の電極層と前記第２の電極層から電気エネルギを出力することを特徴とする改質器付き燃料電池により達成される。【００１３】  また、上記の改質器付き燃料電池において、前記改質セル内における前記水素含有材料の流動方向と、前記空気セルにおける前記空気の流動方向とが互いに逆方向であるようにしてもよい。【００１４】  また、上記の改質器付き燃料電池において、前記固体電解質基体は、前記第１及び第２の中空区画の一端が位置する第１の端面と、前記第１及び第２の中空区画の他端が位置する第２の端面とを有し、前記固体電解質基体の前記第１の端面側に配設され、前記第１の端面側からの前記第１の中空区画への流体の導入又は排出、及び／又は前記第１の端面側からの前記第２の中空区画への流体の導入又は排出を行うための第１の分配構造体と、前記固体電解質基体の前記第２の端面側に配設され、前記第２の端面側からの前記第１の中空区画からの流体の排出又は導入、及び／又は前記第２の端面側からの前記第２の中空区画からの流体の排出又は導入を行うための第２の分配構造体とを更に有するようにしてもよい。【００１５】
上記目的は、第１の中空区画と第２の中空区画とが隣接し、前記第２の中空区画と第３の中空区画とが隣接するように形成されたプロトン導電体又は酸素イオン導電体よりなる固体電解質基体と、前記第１の中空区画に水素含有材料を改質するための触媒が充填されてなり、前記水素含有材料が導入される改質セルと、前記第２の中空区画よりなり、空気が導入される空気セルと、前記第３の中空区画よりなり、前記改質セルにおける前記水素含有材料の改質により生じた水素が導入される水素セルと、前記水素セルの内壁に形成された第１の電極層と、前記空気セルの内壁に形成された第２の電極層とを有し、前記第１の電極層と前記第２の電極層から電気エネルギを出力することを特徴とする改質器付き燃料電池により達成される。
【００１６】  また、上記の改質器付き燃料電池において、前記固体電解質基体は、前記第１乃至第３の中空区画の一端が位置する第１の端面と、前記第１乃至第３の中空区画の他端が位置する第２の端面とを有し、前記固体電解質基体の前記第１の端面側に配設され、前記第１の端面側からの前記第１の中空区画への流体の導入又は排出、前記第１の端面側からの前記第２の中空区画への流体の導入又は排出、及び／又は前記第１の端面側からの前記第３の中空区画への流体の導入又は排出を行うための第１の分配構造体と、前記固体電解質基体の前記第２の端面側に配設され、前記第２の端面側からの前記第１の中空区画からの流体の排出又は導入、前記第２の端面側からの前記第２の中空区画からの流体の排出又は導入、及び／又は前記第２の端面側からの前記第３の中空区画からの流体の排出又は導入を行うための第２の分配構造体とを更に有するようにしてもよい。【００１７】  また、上記の改質器付き燃料電池において、前記中空区画は、三角形状、四角形状、五角形状、六角形状、八角形状、又は円形状の断面を有する中空柱状区画であるようにしてもよい。【００１８】  また、上記の改質器付き燃料電池において、前記改質セル、前記空気セル又は前記水素セルの一部が、反応に寄与しない予備セルであるようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１９】
以上の通り、本発明によれば、複数の第１の中空区画と複数の第２の中空区画とが互いに隣接するように形成されたプロトン導電体よりなる固体電解質基体と、第１の中空区画に水素含有材料を改質するための触媒が充填されてなり、水素含有材料が導入される改質セルと、第２の中空区画よりなり、空気が導入される空気セルと、改質セルの内壁に形成された第１の電極層と、空気セルの内壁に形成された第２の電極層とを有し、第１の電極層と第２の電極層から電気エネルギを出力するので、装置構成を大幅に簡略化及び小型化することができるとともに、燃料電池反応により発生した熱を、有機ハイドライドや炭化水素を含む物質の改質反応の熱源として利用することができる。これにより、エネルギ効率に優れたシステムを構築することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】車上改質型の燃料電池車の構成を示す概略図である。
【図２】高圧水素タンク搭載型の燃料電池車の構成を示す概略図である。
【図３】改質器と燃料電池とが一体化された改質器付き燃料電池が搭載された燃料電池車の構成を示す概略図である。
【図４】本発明による改質器付き燃料電池の原理を説明する図である。
【図５】本発明の第１実施形態による改質器付き燃料電池におけるセルの単位構造、並びに物質及び熱の移動を示す概略図である。
【図６】本発明の第１実施形態による改質器付き燃料電池におけるセルの配列構造、並びに物質及び熱の移動を示す平面図である。
【図７】本発明の第１実施形態による改質器付き燃料電池の構造を示す概略図である。
【図８】本発明の第２実施形態による改質器付き燃料電池におけるセルの単位構造、並びに物質及び熱の移動を示す概略図である。
【図９】本発明の第２実施形態による改質器付き燃料電池におけるセルの配列構造、並びに物質及び熱の移動を示す平面図である。
【図１０】本発明の第２実施形態による改質器付き燃料電池の構造を示す概略図である。
【図１１】本発明の第３実施形態による改質器付き燃料電池におけるセルの単位構造、並びに物質及び熱の移動を示す概略図である。
【図１２】本発明の第３実施形態による改質器付き燃料電池におけるセルの配列構造、並びに物質及び熱の移動を示す平面図である。
【図１３】本発明の第３実施形態による改質器付き燃料電池の構造を示す概略図である。
【図１４】本発明の第４実施形態による改質器付き燃料電池におけるセルの単位構造、並びに物質及び熱の移動を示す概略図である。
【図１５】本発明の第４実施形態による改質器付き燃料電池におけるセルの配列構造、並びに物質及び熱の移動を示す平面図である。
【図１６】本発明の第４実施形態による改質器付き燃料電池の構造を示す概略図である。
【図１７】本発明の第５実施形態による改質器付き燃料電池におけるセルの配列構造、並びに物質及び熱の移動を示す平面図である。
【符号の説明】
【００２１】１０…燃料系
１２…改質系
１４…電力・発電系
１６…駆動系
１８…燃料タンク
２０…回収タンク
２２…燃料ポンプ
２４…改質器
２６…分離器
２８…熱交換器
３０…燃料電池
３２…制御器
３４…補助電源
３６…車輪
３８…モータ
４０…燃料系
４２…高圧水素タンク
４４…燃料系
４６…電力・発電系
４８…改質器付き燃料電池
５０…触媒
５２…改質層
５４…第１の電極層
５６…固体電解質層
５８…第２の電極層
６０…空間層
６２…固体電解質基体
６４…改質セル
６６…空気セル
６８…第１の電極層
７０…触媒
７２…第２の電極層
７４…第１のヘッダ
７４ａ…第１スタック
７４ｂ…第２スタック
７６…第２のヘッダ
７６ａ…第１スタック
７６ｂ…第２スタック
７８…導入口
８０…排出口
８２…通気路
８４…通気路
８６…通気路
８８…通気路
９０…排出口
９２…導入口
９４…通気路
９６…通気路
９８…通気路
１００…通気路
１０２…固体電解質基体
１０４…改質セル
１０６…空気セル
１０８…水素セル
１１０…第１のヘッダ
１１２…第２のヘッダ
１１４…導入口
１１６…導入口
１１８…排出口
１２０…通気路
１２２…通気路
１２４…通気路
１２６…通気路
１２８…通気路
１３０…通気路
１３２…排出口
１３４…排出口
１３６…導入口
１３８…通気路
１４０…通気路
１４２…通気路
１４４…通気路
１４６…通気路
１４８…通気路
１５０…予備セル
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】  ［本発明の技術的背景及び原理］
（本発明の技術的背景）
本発明による改質器付き燃料電池は、以下に述べる技術的背景に基づきなされたものである。【００２３】  従来、燃料電池を搭載した自動車の構造としては、燃料電池において消費される水素の供給方法の違いにより、代表的なタイプとして、図１及び図２に示すタイプが想定されている。【００２４】  図１は、燃料電池とともに、有機ハイドライドを改質して燃料電池に供給する水素を生成する改質器が搭載された燃料電池車の構造を示す概略図である。この場合、燃料電池車の基本的構成は、燃料系１０、改質系１２、電力・発電系１４、及び駆動系１６に分けられる。【００２５】  燃料系１０には、有機ハイドライドが貯蔵される燃料タンク１８と、改質系１２における有機ハイドライドの脱水素化により生じた脱水素化物を回収する回収タンク２０とが設けられている。また、燃料タンク１８に貯蔵された有機ハイドライドを改質系１２に供給するための燃料ポンプ２２が設けられている。【００２６】  改質系１２には、燃料系１０から供給される有機ハイドライドを触媒と熱の作用により脱水素化する改質器２４と、改質器２４において発生した気体を水素ガスと液体の脱水素化物に分離する分離器２６とが設けられている。また、改質器２４において発生した有機ハイドライドの脱水素化物の熱により、燃料系１０から供給される有機ハイドライドを加熱する熱交換器２８が設けられている。【００２７】  電力・発電系１４には、改質系１２から供給される水素を消費し、電力を発生する燃料電池３０と、駆動系１６の制御等を行う制御器３２とが設けられている。また、補助電源３４が設けられている。【００２８】  駆動系１６には、燃料電池３０において発生した電力により車輪３６のうちの駆動輪を回転させるモータ３８が設けられている。【００２９】  図１に示すような改質器２４を搭載した車上改質型の燃料電池車は、改質系１２の存在により、システム及びその取り扱いが複雑になってしまい、また、製造コストも上昇してしまう等の難点があった。【００３０】  一方、図２は、燃料電池とともに、燃料電池に供給する水素を貯蔵する高圧水素タンクが搭載された燃料電池車の構造を示す概略図である。この場合、燃料電池車の基本的構成は、燃料系４０、電力・発電系１４、及び駆動系１６に分けられる。【００３１】  燃料系４０には、燃料電池３０において消費される水素が貯蔵された高圧水素タンク４２が設けられている。【００３２】  電力・発電系１４及び駆動系１６は、図１に示す改質器１２が搭載された燃料電池車とほぼ同様の構成となっている。【００３３】  図２に示すように、高圧水素タンク４２が搭載された燃料電池車の場合には、高圧水素タンクから燃料電池３０に水素を直接供給する構成となっている。すなわち、図１に示す車上改質型の燃料電池車に必要であった改質系１２が不要となる。このように、高圧水素タンク４２が搭載された燃料電池車は、改質器２４が搭載された車上改質型の燃料電池車と比較してシンプルなシステムとなるため、急速に主流になりつつある。【００３４】  しかしながら、前述の通り、自動車に高圧水素タンクを搭載することには、衝突時等のことを考慮すると、安全上の不安要素がある。また、サービスステーションにおいて水素を供給する際にも細心の注意で安全性を確保する必要がある。【００３５】  したがって、車上改質型の燃料電池車において、高圧水素タンク搭載型の燃料電池車と同程度に簡易なシステムを構築することができれば、安全性の面や、既存設備の利用可能性というインフラストラクチャの面等からも、高圧水素タンク搭載型の燃料電池車に優り、車上改質型が主流になりうる方式であるといえる。【００３６】  例えば、車上改質型の燃料電池車において、改質器と燃料電池とを一体化することができれば、燃料電池車の構成要素を大幅に簡略化することができる。【００３７】  図３は、改質器と燃料電池とが一体化された改質器付き燃料電池が搭載された燃料電池車の構成を示す概略図である。この場合、燃料電池車の基本的構成は、燃料系４４、電力・発電系４６、及び駆動系１６に分けられる。【００３８】  燃料系４４には、例えば、有機ハイドライドを収容する第１室と、有機ハイドライドを分解した後の脱水素化物を収容する第２室とを有し、前記第１室と前記第２室の体積比が変動自在となる隔壁により前記第１室と前記第２室とが分離されている燃料タンク４６を設ける。このような燃料タンク４６を用いることにより、有機ハイドライドとその脱水素化物とを効率よく収容することができ、燃料系に高圧水素タンクを用いる場合と同等以上に、燃料系の小型化、省スペース化を図ることができる。また、燃料系に高圧水素タンクを用いる場合と比較して高い安全性を確保することができる。なお、かかる構造を有する燃料タンクについては、本願発明者による特願２００３−４３１５４号明細書に詳述されている。【００３９】  さらに、電力・発電系４６に、改質器と燃料電池とが一体化された改質器付き燃料電池４８を用いることができれば、高い安全性を確保することができるのみならず、シンプルな構造を有し、安価に製造しうる燃料電池車を実現することができる。【００４０】  本発明は、かかる改質器と燃料電池とを一体化した改質器付き燃料電池を実現したものであり、燃料電池車の構成要素の簡略化、熱効率の改善等に寄与しうるものである。【００４１】  （本発明の原理）
以下、本発明による改質器付き燃料電池の原理について図４を用いて説明する。図４は本発明による改質器付き燃料電池の基本構成を示す概略図である。【００４２】  本発明による改質器付き燃料電池は、図４に示すように、脱水素化反応の触媒５０を有し、導入される有機ハイドライドが触媒により脱水素化される改質層５２と、第１の電極層５４と、固体電解質層５６と、第２の電極層５８と、燃料電池反応の酸素源としての空気が導入される空間層６０とがこの順で隣接して形成された基本構造を有している。【００４３】  なお、改質層５２に導入する有機ハイドライドとしては、芳香族炭化水素化合物を水素化して得られるものが用いられ、例えば、ベンゼン、トルエン、キシレン、ナフタレン等を単独又は混合した芳香族炭化水素を水素化して得られる物質、好ましくは、炭素数６〜１８の飽和脂環式炭化水素、例えば、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサン、ジメチルシクロヘキサン、エチルメチルシクロヘキサン、トリメチルシクロヘキサン、プロピルシクロヘキサン、ブチルシクロヘキサン、ジエチルシクロヘキサン、イソブチルシクロヘキサン、テトラメチルシクロヘキサン、イソプロピルメチルシクロヘキサン、アミルシクロヘキサン、４−ｔｅｒｔ−ブチルシクロヘキサン、（２，２−ジメチルプロピル）シクロヘキサン、ペンタメチルシクロヘキサン、ｔｅｒｔ−ブチルジメチルシクロヘキサン、ジイソプロピルシクロヘキサン、ヘキサメチルシクロヘキサン、トリエチルシクロヘキサン、１−シクロヘキシルヘキサン、１−シクロヘキシルペンタンなどのシクロヘキサン類、テトラリン、メチルテトラリン、エチルテトラリン、プロピルテトラリン、イソプロピルテトラリン、ジメチルテトラリン、ジエチルテトラリン、ジプロピルテトラリン、ジイソプロピルテトラリン、メチルエチルテトラリン、メチルプロピルテトラリン、メチルイソプロピルテトラリン、エチルプロピルテトラリン、エチルイソプロピルテトラリン、プロピルイソプロピルテトラリンなどのテトラリン類、デカリン、メチルデカリン、エチルデカリン、プロピルデカリン、イソプロピルデカリン、ジメチルデカリン、ジエチルデカリン、ジプロピルデカリン、ジイソプロピルデカリン、メチルエチルデカリン、メチルプロピルデカリン、メチルイソプロピルデカリン、エチルプロピルデカリン、エチルイソプロピルデカリン、プロピルイソプロピルデカリンなどデカリン類、等の単独または混合物で用いることができる。【００４４】  改質層５２に有機ハイドライドが導入されると、触媒５０と熱の作用による脱水素化反応により、有機ハイドライドは、水素と、脱水素化物とに分解される。例えば、有機ハイドライドとしてシクロヘキサンを用いた場合、水素と、ベンゼンとに分解される。この有機ハイドライドの脱水素化反応は、吸熱反応である。【００４５】  固体電解質層５６としてプロトン導電体よりなるものを用いた場合、有機ハイドライドが分解されて生じた水素は、第１の電極層５４において電子を失い、プロトンとして固体電解質層５６内を拡散する。【００４６】  ここで、固体電解質層５６の材料であるプロトン導電体として、例えばβ−アルミナ系セラミックス、ペロブスカイト型プロトン導電体（ＳｒＴｉＯ系、ＳｒＣｅＯ系、ＢｅＣｅＹＯ系、Ｍ／ＬａＺｒＯ系、ＢａＺｒＹＯ系、ＳｒＺｒＹｂＯ系など）、アルミナ系（Ｍｇ／α−Ａｌ２Ｏ３、Ｎａ／β−Ａｌ２Ｏ３など）、各種層状酸化物（タングステン酸化物系、ガラス／セラミック系など）を用いることができる。【００４７】  また、固体電解質層５６の材料であるプロトン導電体として、超強酸を担持した固体超強酸を用いることができる。例えば、硫酸担持酸化スズ（ＳＯ４／ＳｎＯ２）、硫酸担持ジルコニア（ＳＯ４／ＺｒＯ２）、硫酸担持酸化ハフニウム（ＳＯ４／ＨｆＯ２）、硫酸担持酸化チタン（ＳＯ４／ＴｉＯ２）、硫酸担持酸化アルミニウム（ＳＯ４／Ａｌ２Ｏ３）、硫酸担持酸化鉄（ＳＯ４／Ｆｅ２Ｏ３）、硫酸担持酸化シリコン（ＳＯ４／ＳｉＯ２）等の硫酸系の固体超強酸や、タングステン酸担持ジルコニア（ＷＯ３／ＺｒＯ２）、タングステン酸担持酸化スズ（ＷＯ３／ＳｎＯ２）、タングステン酸担持酸化チタン（ＷＯ３／ＴｉＯ２）、タングステン酸担持酸化鉄（ＷＯ３／Ｆｅ２Ｏ３）等のタングステン酸系の固体超強酸や、酸化モリブデン担持ジルコニア（ＭｏＯ３／ＺｒＯ２）、酸化ホウ素担持ジルコニア（Ｂ２Ｏ３／ＺｒＯ２）等の固体超強酸を用いることができる。更に、これらの固体超強酸に、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｐｄ等の金属を０〜３％担持させた材料を用いることができる。【００４８】  固体電解質層５６内を拡散し、第２の電極層５８に達したプロトンは、第２の電極層５８において、第１の電極層５４から第２の電極層５８へと流れる電子と、空間層６０に導入される空気中の酸素と反応し、水が生成される。この燃料電池反応では、電気エネルギーに変換されない部分が発熱したり、変換された電気エネルギーが電気抵抗により発熱したりする発熱反応を常に伴う。【００４９】  こうして、第１の電極層５４と第２の電極層５８との間に電子が流れ、第１の電極層５４と第２の電極層５８との間に起電力が生じ、第１の電極層５４と第２の電極層５８から電気エネルギが出力される。【００５０】  また、固体電解質層５６として、プロトン導電体よりなるものに代えて、酸素イオン導電体よりなるものを用いることもできる。固体電解質層５６の材料である酸素イオン導電体としては、例えば、イットリア安定化ジルコニア（Ｙｔｔｒｉａ  Ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ  Ｚｉｒｃｏｎｉａ；ＹＳＺ）、セリア系酸化物、或いはこれらの複合材料、Ｍ／ＬａＧａＯ３系酸化物、Ｓｒ（Ｃｅ，Ｙｂ）Ｏ３系酸化物、ＢａＣｅＯ３系酸化物、ペロブスカイト型酸化物、（Ｂａ，Ｌａ，Ｓｒ）２Ｉｎ２Ｏ５系酸化物、ＬａＣｅＭｇＯ３系酸化物等を用いることができる。【００５１】  なお、図４に示す構造では、改質層５２内が空間層６０よりも高濃度であるため、改質層５２へ酸素イオンが移動する酸素イオン導電体を用いるよりも空間層６０へプロトンが移動するプロトン導電体を用いた方が有利となる。【００５２】  上述のように、本発明による改質器付き燃料電池は、有機ハイドライドの脱水素化反応が行われる改質層５２と、燃料電池反応が行われる層とが固体電解質層５６を介して隣接して一体的に設けられていることに主たる特徴の一つがある。【００５３】  このように改質器の��能を燃料電池に一体化することにより、改質器と燃料電池とを別個独立に設けた場合と比較して、装置構成を大幅に簡略化及び小型化することができ、本発明による改質器付き燃料電池を燃料電池車に適用することにより、燃料電池車のシステム構成を簡略化することができる。【００５４】  また、本発明による改質器付き燃料電池は、吸熱反応である有機ハイドライドの脱水素化反応が行われる改質層５２と、発熱反応を伴う燃料電池反応が行われる層とが隣接して設けられていることにも主たる特徴の一つがある。【００５５】  吸熱反応である有機ハイドライドの改質反応が行われる改質層５２と、発熱反応を伴う燃料電池反応が行われる層とが隣接して設けられていることにより、燃料電池反応による発熱を、有機ハイドライドの改質反応の熱源として利用することができる。また、燃料電池として必要とされる発電量と、改質に必要な熱量とは互いに増減が一致する関係にあることから、燃料電池として要求される電気の取り出し量に応じて自動的に熱収支のバランスがとれるという利点もある。こうして、本発明による改質器付き燃料電池は、エネルギ効率に優れたシステムを構築することができる。【００５６】  本発明においては、上記の図４に示す層構造を基本構成として、より具体的には、改質層５２を構成するセルと、空間層６０を構成するセルとを、固体電解質層５６を構成する隔壁を介してマトリクス状に配置することにより改質器付き燃料電池を構成する。これにより、隣接するセル間において、水素の供給、電力の発生、及び熱のやりとりを行うことが可能となり、更にコンパクトかつエネルギ効率に優れたシステムを構成することができる。以下、本発明による改質器付き燃料電池について、第１乃至第５実施形態において具体的に詳述する。【００５７】  ［第１実施形態］
本発明の第１実施形態による改質器付き燃料電池について図５乃至図７を用いて説明する。図５は本実施形態による改質器付き燃料電池におけるセルの単位構造、並びに物質及び熱の移動を示す概略図、図６は本実施形態による改質器付き燃料電池におけるセルの配列構造、並びに物質及び熱の移動を示す平面図、図７は本実施形態による改質器付き燃料電池の構造を示す概略図である。【００５８】  まず、本実施形態による改質器付き燃料電池におけるセルの単位構造について図５を用いて説明する。【００５９】  図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、プロトン導電体よりなる固体電解質基体６２に、有機ハイドライドが導入され、有機ハイドライドの脱水素化反応が行われる改質セル６４と、燃料電池反応の酸素源としての空気が導入され、燃料電池反応が行われる空気セル６６とが形成されている。固体電解質基体６２の材料として上述のプロトン導電体を用いることができる。プロトン導電体よりなる固体電解質基体６２は、例えば４５０〜５５０℃程度の温度でプロトン導電性を示すようになる。なお、改質セル６４における有機ハイドライドの改質による水素の発生が、２５０〜４５０℃程度で行われることから、本実施形態による改質器付き燃料電池の動作時においては熱バランスが確保されている。【００６０】  改質セル６４及び空気セル６８は、ともに、固体電解質基体６２の上端面から下端面にわたって形成され、断面が四角形状、例えば正方形状の中空柱状区画よりなるものである。【００６１】  改質セル６４の内壁には、第１の電極層（水素極）６８が形成されている。第１の電極層６８は、例えば、金属、導電性セラミックス、導電性有機物、酸化物導電体等よりなるものである。なお、第１の電極層６８は、改質セル６４の内壁全面に形成してもよいし、内壁の一部に形成してもよい。【００６２】  第１の電極層６８が内壁に形成された改質セル６４内には、脱水素化反応の触媒７０が充填されている。脱水素化反応の触媒７０としては、特開２００１−１９８４６９号公報に記載される触媒、すなわち、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、ニッケル、コバルト、鉄、レニウム、バナジウム、クロム、タングステン、モリブデン、及び、銅によって構成される群から選定された少なくとも１以上の金属を、活性炭、ゼオライト、チタニア、カーボンナノチューブ、モレキュラーシーブ、ジルコニア、メソ細孔シリカ多孔質材料、アルミナ、及び、シリカによって構成される群から選定された少なくとも１以上でなる担体に担持した金属担持触媒を用いることができる。なお、触媒７０は、改質セル６４内を有機ハイドライド等の気体が流動することができるように、例えば粒状の触媒が、その粒子間に間隙ができるように改質セル６４内に充填されている。【００６３】  こうして、気体の有機ハイドライドが導入され、有機ハイドライドを水素と脱水素化物に分解する改質反応が行われる改質セル６４が構成されている。【００６４】  改質セル６４に隣接して形成された空気セル６６の内壁には、第２の電極層（酸素極）７２が形成されている。第２の電極層７２は、改質セル６４の内壁に形成された第１の電極層６８と同様に、例えば金属、導電性セラミックス、���電性有機物、酸化物導電体等よりなるものである。また、第２の電極層７２も、第１の電極層６８と同様に、空気セル６６内壁全面に形成してもよいし、内壁の一部に形成してもよい。【００６５】  第２の電極層７２が内壁に形成された空気セル６６内は、中空となっており、空気セル６６内に導入される空気、燃料電池反応により生じる水が流動することができるようになっている。【００６６】  こうして、燃料電池反応の酸素源としての空気が導入され、燃料電池反応が行われる空気セル６６が構成されている。【００６７】  本実施形態による改質器付き燃料電池では、プロトン導電体よりなる固体電解質基体６２に、上記の図５に示す改質セル６４と空気セル６６との単位構造が複数形成されている。すなわち、図６に示すように、プロトン導電体よりなる固体電解質基体６２に、マトリクス状に断面が四角形状の中空柱状区画が複数形成されており、隣接する中空柱状区画のうち一方の中空柱状区画が改質セル６４となっており、他方の中空柱状区画が空気セル６６となっている。【００６８】  さらに、改質セル６４及び空気セル６６が形成された円柱状の固体電解質基体６２の上方には、図７（ａ）に示すように、複数の改質セル６４のそれぞれを下方から上方に通過した気体を排出し、また、複数の空気セル６６のそれぞれに空気を導入するための第１のヘッダ７４が設けられている。また、固体電解質基体６２の下方には、複数の改質セル６４のそれぞれに気体の有機ハイドライドを導入し、また、複数の空気セル６６のそれぞれを上方から下方に通過した空気等を排出するための第２のヘッダ７６が設けられている。以下、流体の導入及び排出を分配する構造体としての第１及び第２のヘッダ７４、７６について図７を用いて詳述する。なお、図７（ｂ）は、第１のヘッダの第１スタックのその円盤面に沿った断面図、図７（ｃ）は第１のヘッダの第２スタックのその円盤面に沿った断面図、図７（ｄ）は固体電解質基体の第１及び第２のヘッダの円盤面に沿った断面図、図７（ｅ）は、第２のヘッダの第２スタックのその円盤面に沿った断面図、図７（ｆ）は第２のヘッダの第１スタックのその円盤面に沿った断面図である。【００６９】  第１のヘッダ７４は、空気セル６６に空気を導入するための導入口７８を有する円盤状の第１スタック７４ａと、改質セル６４を通過した気体を排出するための排出口８０を有する円盤状の第２スタック７４ｂとが積層されて形成されている。第１のヘッダ７４は、その円盤面を固体電解質基体６２に形成された柱状の改質セル６４及び空気セル６６に対してほぼ垂直に、第２スタック７４ｂを固体電解質基体６２側にして配設されている。【００７０】  第１のヘッダ７４の第１スタック７４ａ及び第２スタック７４ｂには、図７（ｂ）及び図７（ｃ）に示すように、複数の空気セル６６のそれぞれに接続する円筒形状の通気路８２が複数形成されている。各通気路８２は、第１スタック７４ａ及び第２スタック７４ｂの円盤面に対してほぼ垂直に、空気セル６６に接続する第２スタック７４ｂの下面から第１スタック７４ａ内部まで形成されている。第１スタック７４ａには、格子状に複数の通気路８４が形成されており、この格子状の通気路８４により、各通気���８２同士が接続され、さらに、各通気路８２が第１スタック７４ａの導入口７８に接続されている。格子状の通気路８４は、例えば、第１スタック７４ａの円盤面に形成された溝にシール材等により蓋がされてなるものである。【００７１】  第１のヘッダ７４の第２のスタック７４ｂには、複数の改質セル６４のそれぞれに接続する円筒形状の通気路８６が複数形成されている。各通気路８６は、第２スタック７４ｂの円盤面に対してほぼ垂直に、改質セル６４に接続する第２スタック７４ｂの下面から第２スタック７４ｂ内部まで形成されている。第２スタック７４ｂには、格子状に複数の通気路８８が形成されており、この格子状の通気路８８により、各通気路８６同士が接続され、さらに、各通気路８６が第２スタック７４ｂの排出口８０に接続されている。格子状の通気路８８も、格子状の通気路８４と同様に、例えば、第２スタック７４ｂの円盤面に形成された溝にシール材等により蓋がされてなるものである。【００７２】  一方、第２のヘッダ７６は、空気セル６６を通過した気体等を排出するための排出口９０を有する円盤状の第１スタック７６ａと、気体の有機ハイドライドを改質セル６４に導入するための導入口９２を有する円盤状の第２スタック７６ｂとが積層されて形成されている。第２のヘッダ７６は、その円盤面を固体電解質基体６２に形成された柱状の改質セル６４及び空気セル６６に対してほぼ垂直に、第２スタック７６ｂを固体電解質基体６２側にして配設されている。【００７３】  第２のヘッダ７６の第１スタック７６ａ及び第２スタック７６ｂには、複数の空気セル６６のそれぞれに接続する円筒形状の通気路９４が複数形成されている。各通気路９４は、第１スタック７６ａ及び第２スタック７６ｂの円盤面に対してほぼ垂直に、空気セル６６に接続する第２スタック７６ｂの上面から第１スタック７６ａ内部まで形成されている。第１スタック７６ａには、格子状に複数の通気路９６が形成されており、この格子状の通気路９６により、各通気路９４同士が接続され、さらに、各通気路９４と第１スタック７６ａの排出口９０とが接続されている。格子状の通気路９６も、格子状の通気路８４、８８と同様に、例えば、第１スタック７６ａの円盤面に形成された溝にシール材等により蓋がされてなるものである。【００７４】  第２のヘッダ７６の第２スタック７６ｂには、複数の改質セル６４のそれぞれ接続する円筒形状の通気路９８が複数形成されている。各通気路９８は、第２スタック７６ｂの円盤面に対してほぼ垂直に、改質セル６４に接続する第２スタック７６ｂ上面から第２スタック７６内部まで形成されている。第２スタック７６ｂには、格子状に複数の通気路１００が形成されており、この格子状の通気路１００により、各通気路９８同士が接続され、さらに、各通気路９８と第２スタック７６ｂの導入口９２とが接続されている。格子状の通気路１００も、格子状の通気路８４、８８、９６と同様に、例えば、第２スタック７６ｂの円盤面に形成された溝にシール材等により蓋がされてなるものである。【００７５】  こうして、本実施形態による改質器付き燃料電池が構成されている。【００７６】  本実施形態による改質器付き燃料電池は、有機ハイドライドの���水素化反応が行われる複数の改質セル６４と、燃料電池反応が行われる複数の空気セル６６とがプロトン導電体よりなる固体電解質気体６２の隔壁を介してマトリクス状に互いに隣接して一体的に設けられていることに主たる特徴の一つがある。これにより、改質器と燃料電池とを別個独立に設けた場合と比較して、装置構成を大幅に簡略化及び小型化することができる。【００７７】  また、本実施形態による改質器付き燃料電池は、吸熱反応である有機ハイドライドの改質反応が行われる改質セル６４と、発熱反応を伴う燃料電池反応が行われる空気セル６６とが、プロトン導電体よりなる固体電解質基体６２の隔壁を介してマトリクス状に互いに隣接して設けられていることにも主たる特徴の一つがある。このような構造により、空気セル６６における燃料電池反応により発生した熱を、隣接する改質セル６４における有機ハイドライドの改質反応に要する熱として、効率的に供給することができる。【００７８】  次に、本実施形態による改質器付き燃料電池の動作について図５乃至図７を用いて説明する。【００７９】  まず、固体電解質基体６２を、プロトン導電性を示すようになるその動作温度まで加熱する。プロトン導電体よりなる固体電解質基体６２の場合、例えば４５０〜５５０℃程度に加熱する。【００８０】  次いで、図７（ａ）に示すように、第２のヘッダ７６の導入口９２に気体の有機ハイドライドを供給する。導入口９２に供給された有機ハイドライドは、第２スタック７６ｂに形成された格子状の通気路１００及び第２スタック７６ｂに形成された通気路９８を介して、固体電解質基体６２にマトリクス状に形成された複数の改質セル６４内のそれぞれに導入される。【００８１】  こうして、複数の改質セル６４内のそれぞれに、それらの下端から導入された有機ハイドライドは、図５（ｂ）に示すように、改質セル６４内を上方に流れていく。【００８２】  一方、有機ハイドライドを改質セル６４内に導入するのと同時に、第１ヘッダ７４の導入口７８に、空気を供給する。導入口７８に供給された空気は、第１スタック７４ａに形成された格子状の通気路８４、及び第１スタック７４ａ及び第２スタック７４ｂに形成された通気路８２を介して、固体電解質基体６２にマトリクス状に形成された複数の空気セル６６内のそれぞれに導入される。【００８３】
こうして、複数の空気セル６６内のそれぞれに、それらの上端から導入された空気は、図５（ｂ）に示すように、空気セル６６内を下方に流れていく。
【００８４】
改質セル６４内を上方に向かって流れる有機ハイドライドは、改質セル６４内に充填されている触媒７０により脱水素化され、水素と、脱水素化物とに分解されていく。例えば、有機ハイドライドとしてシクロヘキサンを用いた場合には、水素と、脱水素化物であるベンゼンとに分解される。
【００８５】  ここで、本実施形態による改質器付き燃料電池は、上述のように、改質セル６４内に下方から上方に有機ハイドライドを流し、空気セル６６内に上方から下方に空気を流していることにも主たる特徴の一つがある。すなわち、改質セル６４内の有機ハイドライドの流れる方向と、空気セル６６内の空気の流れる方向とが互いに逆方向となっていることにも主たる特徴の一つがある。有機ハイドライド及び空気の流れる方向をこのようにすることにより、以下に述べるように、燃料電池反応を効率よく行うことが可能となる。【００８６】  有機ハイドライドは、改質セル６４内を進行していくにつれてその脱水素化反応も進行していく。このため、改質セル６４内では、水素濃度の勾配が生じており、改質セル６４の有機ハイドライドが導入される端部から離間するほど水素濃度が高くなっている。【００８７】  一方、空気中の酸素は、空気セル６６内を上方から下方に流れていくについて燃料電池反応により消費されていくことになる。【００８８】  したがって、改質セル６４内の有機ハイドライドの流れる方向と、空気セル６６内の空気の流れる方向とを互いに逆方向とすることにより、改質セル６４における水素濃度のより高い領域と、空気セル６６における酸素濃度のより高い領域とが互いに隣接することとなる。これにより、より効率的な燃料電池反応を実現することができる。【００８９】  改質セル６４内において発生した水素は、改質セル６４内壁に形成された第１の電極層６８において、以下に示す反応式のように電子を失ってプロトンとなる。【００９０】  Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
こうして生じたプロトンは、図５（ａ）及び図６に示すように、プロトン導電体よりなる固体電解質基体６２の隔壁内を移動して改質セル６４に隣接する空気セル６６に達する。【００９１】  空気セル６６では、空気セル６６内壁に形成された第２の電極層７２において、以下に示す反応式のように、隔壁を介して空気セル６６に達したプロトンと、空気中の酸素と、第１の電極層６８から第２の電極層７２へと外部回路を介して移動する電子とが反応して水が生成される。【００９２】  （１／２）Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ
以上のようにして、改質セル６４において発生した水素と、空気セル６６に導入される空気中の酸素とが、第１の電極層６８と第２の電極層７２との間で電子のやり取りを伴う反応を行うことにより、電力が得られる。【００９３】  ここで、上記の空気セル６６における燃料電池反応は発熱反応を伴い、空気セル６６において熱が発生する。【００９４】  空気セル６６において発生した熱は、図５（ａ）及び図６に示すように、固体電解質基体６２の隔壁を介して、空気セル６６に隣接する改質セル６４に供給される。このように、本実施形態による改質器付き燃料電池では、吸熱反応である有機ハイドライドの改質反応が行われる改質セル６４と、発熱反応を伴う燃料電池反応が行われる空気セル６６とが隣接して設けられているため、燃料電池反応による発熱を、有機ハイドライドの改質反応の熱源として利用することができる。また、燃料電池として必要とされる発電量と、改質に必要な熱量とは互いに増減が一致するにあることから、燃料電池として要求される電気の取り出し量に応じて自動的に熱収支のバランスがとれるという利点もある。こうして、本実施形態による改質器付き燃料電池は、エネルギ効率に優れたシステムを構築することができる。【００９５】  改質セルにおいて、有機ハイドライドの改質により生じた脱水素化物は、改質セル６４を上方に流れていき、第１のヘッダ７４の第２スタック７４ｂに形成された通気路８６及び格子状の通気路８８を介して排気口８０から排出される。【００９６】  排気口８０から排出された脱水素化物は、回収タンク（図示せず）等に回収される。回収された脱水素化物は、水素を付加することにより、燃料の有機ハイドライドとして再利用することができる。なお、上述のように有機ハイドライドの改質により生じた脱水素化物の熱により、改質セル６４に導入する有機ハイドライドを加熱する熱交換器を設けてもよい。これにより、さらにエネルギ効率に優れたシステムを構築することができる。【００９７】  また、空気セル６６において、燃料電池反応により生じた水は、空気セル６６内を上方から下方に流れる空気とともに、第２のヘッダ７６の第２スタック７６ｂ及び第１スタック７６ａに形成された通気路９４、及び第１スタック７６ａに形成された格子状の通気路９６を介して排出口９０から排出される。【００９８】  以上のようにして、本実施形態による改質器付き燃料電池において発電が行われる。【００９９】  このように、本実施形態によれば、吸熱反応である有機ハイドライドの脱水素化反応が行われる断面が四角形状の改質セル６４と、発熱反応を伴う燃料電池反応が行われる断面が四角形状の空気セル６６とがプロトン導電体よりなる固体電解質基体６２の隔壁を介して互いに隣接してマトリクス状に設けられているので、装置構成を大幅に簡略化及び小型化することができるとともに、空気セル６６における燃料電池反応により発生した熱を、有機ハイドライドの改質反応の熱源として利用することができる。これにより、エネルギ効率に優れたシステムを構築することができる。【０１００】  なお、本実施形態では、改質セル６４及び空気セル６６の断面を四角形状としたが、これらのセルの断面は四角形状に限定されるもの��はなく、三角形状、五角形状、六角形状等の多角形状や、或いは円形状としてもよい。【０１０１】  ［第２実施形態］
本発明の第２実施形態による改質器付き燃料電池について図８乃至図１０を用いて説明する。図８は本実施形態による改質器付き燃料電池におけるセルの単位構造、並びに物質及び熱の移動を示す概略図、図９は改質器付き燃料電池におけるセルの配列構造、並びに物質及び熱の移動を示す平面図、図１０は本実施形態による改質器付き燃料電池の構造を示す概略図である。なお、第１実施形態による改質器付き燃料電池と同様の構成については説明を省略し或いは簡略にする。【０１０２】  まず、本実施形態による改質器付き燃料電池におけるセルの単位構造について図８を用いて説明する。この改質器は、ＬＰＧ、ＬＮＧ、ナフサ、ガソリン、灯油等の炭化水素から水素を取り出す形式（いわゆる水蒸気改質）によるものである。【０１０３】  図８（ａ）及び図８（ｂ）に示すように、酸素イオン導電体よりなる固体電解質基体１０２に、炭化水素と空気又は水が導入され、水素発生が行われる改質セル１０４と、燃料電池反応の酸素源としての空気が導入される空気セル１０６と、改質セル１０６において発生した水素が導入される水素セル１０８とが形成されている。固体電解質基体１０２の材料としては、上述の酸素イオン導電体を用いることができる。なお、酸素イオン導電体として、いわゆる溶融塩型を用いることもできるが、この場合、電解質が固体でないため、固体の多孔質物質からなるセパレータなどと組み合わせることで、固体電解質基体として用いることとなる。【０１０４】  改質セル１０４、空気セル１０６、及び水素セル１０８は、いずれも、固体電解質基体１０２の上端面から下端面にわたって形成され、断面が三角形状、例えば正三角形状の中空柱状区画よりなるものである。改質セル１０４、空気セル１０６、及び水素セル１０８は、この順に、断面の三角形の辺を対向させながら固体電解質基体１０２の隔壁を介して配列されている。【０１０５】  改質セル１０４には、第１実施形態による改質器付き燃料電池の場合と同様に、改質用触媒７０が充填されている。なお、改質セル１０４の内壁には、第１実施形態による改質器付き燃料電池の場合と異なり、電極層は形成されていない。【０１０６】  水素セル１０８の内壁には、第１の電極層６８が形成されている。第１の電極層６８が内壁に形成された水素セル内は、中空となっており、水素セル内に導入される水素、及び燃料電池反応により生じる水が流動することができるようになっている。【０１０７】  空気セル１０６の内壁には、第２の電極層７２が形成されている。第２の電極層７２が内壁に形成された空気セル１０６内は、中空となっており、空気セル１０６内に導入される空気が流動することができるようになっている。【０１０８】  本実施形態による改質器付き燃料電池では、酸素イオン導電体よりなる固体電解質基体１０２に、上記の図８に示す改質セル１０４と、空気セル１０６と、水素セル１０８との単位構造が複数形成されている。すなわち、図９に示すように、酸素イオン導電体よりなる固体電解質基体１０２に、マトリクス状に断面が三角形状の中空柱状区画が複数形成されており、連続する３つの中空柱状区画が、それぞれ改質セル１０４、空気セル１０６、及び水素セル１０８となっている。【０���０９】  さらに、改質セル１０４、空気セル１０６、及び水素セル１０８が形成された円柱状の固体電解質基体１０２の上方には、図１０（ａ）に示すように、複数の改質セル１０４のそれぞれを下方から上方に通過した気体を排出し、また、複数の空気セル１０６のそれぞれに空気を導入し、さらに、改質セル１０４内において発生した水素を複数の水素セル１０８のそれぞれに導入するための第１のヘッダ１１０が設けられている。また、固体電解質基体１０２の下方には、複数の改質セル１０４のそれぞれに気体の炭化水素と空気又は水を導入し、また、複数の空気セル１０６のそれぞれを上方から下方に通過した空気を排出し、さらに、複数の水素セル１０８のそれぞれを上方から下方に通過した水素等を排出するための第２のヘッダ１１２が設けられている。以下、流体の導入及び排出を分配する構造体としての第１及び第２のヘッダ１１０、１１２について図１０を用いて詳述する。なお、図１０（ｂ）は、第１のヘッダの第１スタックのその円盤面に沿った断面図、図１０（ｃ）は第１のヘッダの第２スタックのその円盤面に沿った断面図、図１０（ｄ）は第１のヘッダの第３スタックのその円盤面に沿った断面図、図１０（ｅ）は固体電解質基体の第１及び第２のヘッダの円盤面に沿った断面図、図１０（ｆ）は、第２のヘッダの第３スタックのその円盤面に沿った断面図、図１０（ｇ）は第２のヘッダの第２スタックのその円盤面に沿った断面図、図１０（ｈ）は第２のヘッダの第１スタックのその円盤面に沿った断面図である。【０１１０】  第１のヘッダ１１０は、空気セル１０６に空気を導入するための導入口１１４を有する円盤状の第１スタック１１０ａと、改質セル１０４において発生した水素を水素セル１０８に導入するための導入口１１６を有する第２スタック１１０ｂと、改質セル１０４を通過した気体を排出するための排出口１１８を有する円盤状の第３スタック１１０ｃとが順次積層されて形成されている。第１のヘッダ１１０は、その円盤面を固体電解質基体１０２に形成された改質セル１０４、空気セル１０６、及び水素セル１０８に対してほぼ垂直に、第３スタック１１０ｃを固体電解質基体１０２側にして配設されている。【０１１１】  第１のヘッダの第１乃至第３スタック１１０ａ〜１１０ｃには、図１０（ｂ）乃至図１０（ｄ）に示すように、複数の空気セル１０６のそれぞれに接続する円筒形状の通気路１２０が複数形成されている。各通気路１２０は、第１乃至第３スタック１１０ａ〜１１０ｃの円盤面に対してほぼ垂直に、空気セル１０６に接続する第３スタック１１０ｃの下面から第１スタック１１０ａ内部まで形成されている。第１スタック１１０ａには、格子状に複数の通気路１２２が形成されており、この格子状の通気路１２２により、各通気路１２０同士が接続され、さらに、各通気路１２０が第１スタック１１０ａの導入口１１４に接続されている。格子状の通気路１２２は、例えば、第１スタック１１０ａの円盤面に形成された溝にシール材等により蓋がされてなるものである。【０１１２】  第１のヘッダ１１０の第２及び第３スタック１１０ｂ、１１０ｃには、複数の水素セル１０８のそれぞれに接続する円筒形状の通気路１２４が形成されている。��通気路１２４は、第２及び第３スタック１１０ｂ、１１０ｃの円盤面に対してほぼ垂直に、水素セル１０８に接続する第３スタック１１０ｃの下面から第２スタック１１０ｂ内部まで形成されている。第２スタック１１０ｂには、格子状に複数の通気路１２６が形成されており、この格子状の通気路１２６により、各通気路１２４同士が接続され、さらに、各通気路１２４が第２スタックの導入口１１６に接続されている。格子状の通気路１２６も、格子状の通気路１２２と同様に、例えば、第２スタック１１０ｂの円盤面に形成された溝にシール材等により蓋がされてなるものである。【０１１３】  第１のヘッダ１１０の第３スタック１１０ｃには、複数の改質セル１０４のそれぞれに接続する円筒形状の通気路１２８が形成されている。各通気路は、第３スタック１１０ｃの円盤面に対してほぼ垂直に、改質セル１０４に接続する第３スタック１１０ｃの下面から第３スタック１１０ｃ内部まで形成されている。第３スタック１１０ｃには、格子状に複数の通気路１３０が形成されており、この格子状の通気路１３０により、各通気路１３０同士が接続され、さらに、各通気路１３０が第３スタック１１０ｃの排出口１１８に接続されている。格子状の通気路１３０も、格子状の通気路１２２、１２６と同様に、例えば、第３スタック１１０ｃの円盤面に形成された溝にシール材等により蓋がされてなるものである。【０１１４】
一方、第２のヘッダ１１２は、空気セル１０６を通過した気体を排出するための排出口１３２を有する円盤状の第１スタック１１２ａと、水素セル１０８を通過した水素等を排出するための排出口１３４を有する円盤状の第２スタック１１２ｂと、気体の炭化水素と空気又は水を改質セル１０４に導入するための導入口１３６を有する円盤状の第３スタック１１２ｃとが順次積層されて形成されている。第２のヘッダ１１２は、その円盤面を固体電解質基体１０２に形成された柱状の改質セル１０４、空気セル１０６、及び水素セル１０８に対してほぼ垂直に、第３スタック１１２ｃを固体電解質基体１０２側にして配設されている。
【０１１５】  第２のヘッダ１１２の第１乃至第３スタック１１２ａ〜１１２ｃには、複数の空気セルのそれぞれに接続する円筒形状の通気路１３８が複数形成されている。各通気路１３８は、第１スタック乃至第３スタック１１２ａ〜１１２ｃの円盤面に対してほぼ垂直に、空気セル１０６に接続する第３スタック１１２ｃの上面から第１スタック１１２ａ内部まで形成されている。第１スタック１１２ａには、格子状に複数の通気路１４０が形成されており、この格子状の通気路１４０により、各通気路１４０同士が接続され、さらに、各通気路１４０と第１スタック１１２ａの排出口１３２とが接続されている。格子状の通気路１４０も、格子状の通気路１２２、１２６、１３０と同様に、例えば、第１スタック１１２ａの円盤面に形成された溝にシール材等により蓋がされてなるものである。【０１１６】  第２のヘッダ１１２の第２及び第３スタック１１２ｂ、１１２ｃには、複数の水素セル１０８のそれぞれに接続する円筒形状の通気路１４２が複数形成されている。各通気路１４２は、第２及び第３スタック１１２ｂ、１１２ｃの円盤面に対してほぼ垂直に、水素セル１０８に接続する第３スタック１１２ｃ上面から第２スタック１１２ｂ内部まで形成されている。第２スタック１１２ｂには、格子状に複数の通気路１４４が形成されており、この格子状の通気路１４４により、各通気路１４２同士が接続され、さらに、各通気路１４２と第２スタック１１２ｂの排出口１３４とが接続されている。格子状の通気路１４２も、格子状の通気路１２２、１２６、１３０、１４０と同様に、例えば、第２スタック１１２ｂの円盤面に形成された溝にシール材等により蓋がされてなるものである。【０１１７】  第２のヘッダ１１２の第３スタック１１２ｃには、複数の改質セル１０４のそれぞれに接続する円筒形状の通気路１４６が形成されている。各通気路１４６は、第３スタック１１２ｃの円盤面に対してほぼ垂直に、改質セル１０４に接続する第３スタック１１２ｃ上面から第３スタック１１２ｃ内部まで形成されている。第３スタック１１２ｃには、格子状に複数の通気路１４８が形成されており、この格子状の通気路１４８により、各通気路１４６同士が接続され、さらに、各通気路１４６と第３スタック１１２ｃの導入口１３６とが接続されている。格子状の通気路１４８も、格子状の通気路１２２、１２６、１３０、１４０、１４４と同様に、例えば、第３スタック１１２ｃの円盤面に形成された溝にシール材等により蓋がされてなるものである。【０１１８】  こうして、本実施形態による改質器付き燃料電池が構成されている。【０１１９】  本実施形態による改質器付き燃料電池においても、吸熱反応である炭化水素の改質反応が行われる改質セル１０４と、発熱反応を伴う燃料電池反応が行われる水素セル１０８とが酸素イオン導電体よりなる固体電解質基体１０２の隔壁を介して互いに隣接してマトリクス状に設けられているので、第１実施形態による改質器付き燃料電池と同様に、装置構成を大幅に簡略化及び小型化することができるとともに、水素セル１０８における燃料電池反応により発生した熱を、炭化水素の改質反応の熱源として利用することができる。これにより、エネルギ効率に優れ��システムを構築することができる。【０１２０】  次に、本実施形態による改質器付き燃料電池の動作について図８乃至図１０を用いて説明する。【０１２１】  まず、固体電解質基体１０２を、イオン導電性を示すようになるその動作温度まで加熱する。酸素イオン導電体よりなる固体電解質基体１０２の場合、例えば８００〜１０００℃程度に加熱する。【０１２２】  次いで、図１０（ａ）に示すように、第２のヘッダ１１２の第３スタック１１２ｃの導入口１３６に炭化水素と空気又は水を供給する。第３スタック１１２ｃの導入口１３６に供給された炭化水素等は、第３スタック１１２ｃに形成された格子状の通気路１４８及び第３スタック１１２ｃに形成された通気路１４６を介して、固体電解質基体１０２にマトリクス状に形成された複数の改質セル１０４内のそれぞれに導入される。【０１２３】  こうして、複数の改質セル１０４内のそれぞれに、それらの下端から導入された炭化水素等は、図８（ｂ）に示すように、改質セル１０４内を上方に流れていく。【０１２４】  一方、炭化水素等を改質セル１０４内に導入するのと同時に、第１ヘッダ１１０の第１スタック１１０ａの導入口１１４に、空気を供給する。第１スタック１１０ａの導入口１１４に供給された空気は、第１スタック１１０ａに形成された格子状の通気路１２２及び第１乃至第３スタック１１０ａ〜１１０ｃに形成された通気路１２０を介して、固体電解質基体１０２にマトリクス状に形成された複数の空気セル１０６内のそれぞれに導入される。【０１２５】  こうして、複数の空気セル１０６内のそれぞれに、それらの上端から導入された空気は、図８（ｂ）に示すように、空気セル１０６内を下方に流れていく。【０１２６】  改質セル１０４内を上方に向かって流れる炭化水素等は、改質セル１０４内に充填されている触媒７０により改質され、水素と、二酸化炭素とに分解されていく。【０１２７】  改質セル１０４内において発生した水素は、炭化水素の改質により生じた二酸化炭素とともに、改質セル１０４を上方に流れていき、第の１ヘッダ１１０の第３スタック１１０ｃに形成された通気路１２８及び格子状の通気路１３０を介して排気口１１８から排出される。【０１２８】  排気口１１８から排出された水素及び二酸化炭素は、水素と二酸化炭素とを分離する分離器（図示せず）に供給される。分離器により水素と分離された二酸化炭素は、大気中に放出するか、回収タンク（図示せず）等に回収される。一方、分離された水素は、第１ヘッダ１１０の第２スタック１１０ｂの導入口１１６に供給される。導入口１１６に供給された水素は、第２スタック１１０ｂに格子状に形成された通気路１２６及び第２及び第３スタック１１０ｂ、１１０ｃに形成された通気路１２４を介して、固体電解質基体１０２にマトリクス状に形成された複数の水素セル１０８内のそれぞれに導入される。【０１２９】  こうして、図８（ｂ）に示すように、複数の空気セル１０６のそれぞれに上方から下方に空気が流れ、複数の水素セル１０８のそれぞれに上方から下方に水素が流れることとなる。【０１３０】  空気セル１０６内を流れる空気中の酸素は、空気セル１０６内壁に形成された第２の電極層７２において、以下に示す反応式の���うに、第１の電極層６８から第２の電極層７２へと外部回路を介して移動する電子を受け取り、酸素イオンとなる。【０１３１】  （１／２）Ｏ２＋２ｅ−→Ｏ２−
こうして生じた酸素イオンは、図８（ａ）及び図９に示すように、酸素イオン導電体よりなる固体電解質基体１０２の隔壁内を移動して空気セル１０６に隣接する水素セル１０８に達する。【０１３２】  水素セル１０８では、水素セル１０８内壁に形成された第１の電極層６８において、以下に示す反応式のように、隔壁を介して水素セル１０８に達した酸素イオンと、水素セル１０８内を流れる水素とが反応して電子を失い、水が生成される。【０１３３】  Ｏ２−＋Ｈ２→Ｈ２Ｏ＋２ｅ−
以上のようにして、空気セル１０６に導入される空気中の酸素と、改質セル１０４において発生し、水素セル１０８に導入される水素とが、空気セル１０６内壁の第２の電極層７２と水素セル１０８内壁の第１の電極層６８との間で電子のやり取りを伴う反応を行うことにより、電力が得られる。【０１３４】  なお、改質セル１０４において発生した水素を、二酸化炭素と分離して水素セル１０８に導入して上記の燃料電池反応を行っている、言い換えると、酸素イオンを直接改質セル１０４に移動させて改質セル１０４において上記の燃料電池反応を行っていないのは次のような理由による。すなわち、改質セル１０４において上記の燃料電池反応を行ったのでは、この反応のほかに、改質セル１０４内に存在する炭化水素等と酸素イオンとが反応する、すなわち炭化水素の燃焼反応が起きてしまうため、これを回避するためである。このような燃焼反応は、反応効率の低下のみならず動作不良を招く原因となるものであるが、本実施形態による改質器付き燃料電池では、改質セル１０４において発生した水素を、二酸化炭素と分離して導入する水素セル１０４を設けることにより、これらの不都合を回避している。【０１３５】  ここで、上記の水素セル１０８における燃料電池反応による発熱は、改質セル１０４の熱として用いることでバランスがとれている。【０１３６】
水素セル１０８において発生した熱は、固体電解質基体１０２の隔壁を介して、改質セル１０４に供給される。このように、本実施形態による改質器付き燃料電池でも、吸熱反応である炭化水素の改質反応が行われる改質セル１０４と、発熱反応を伴う燃料電池反応が行われる水素セル１０８とが同じ固体電解質基体１０２に設けられているため、第１実施形態による改質器付き燃料電池と同様に、燃料電池反応による発熱を、炭化水素の改質反応の熱源として利用することができる。こうして、本実施形態による改質器付き燃料電池は、エネルギ効率に優れたシステムを構築することができる。
【０１３７】  水素セル１０８において、燃料電池反応により生じた水は、水素セル１０８内を上方から下方に流れる水素とともに、第２のヘッダ１１２の第２及び第３スタック１１２ｂ、１１２ｃに形成された通気路１４２及び第２スタック１１２ｂに形成された格子状の通気路１４４を介して排出口１３４から排出される。【０１３８】  以上のようにして、本実施形態による改質器付き燃料電池において発電が行われる。【０１３９】  このように、本実施形態によれば、吸熱反応である炭化水素の改質反応が行われる断面が三角形状の改質セル１０４と、燃料電池反応による発熱が生じる断面が三角形状の水素セル１０８とが酸素イオン導電体よりなる固体電解質基体１０２の隔壁を介して互いに隣接してマトリクス状に形成されているので、装置構成を大幅に簡略化及び小型化することができるとともに、水素セル１０８における燃料電池反応により発生した熱を、炭化水素の改質反応の熱源として利用することができる。これにより、エネルギ効率に優れたシステムを構築することができる。【０１４０】  なお、本実施形態では、酸素イオン導電体よりなる固体電解質基体１０２に改質セル１０４、空気セル１０６、及び水素セル１０８を形成し、固体電解質基体１０２内を酸素イオンが移動することにより燃料電池反応が行われる場合について説明したが、プロトン導電体よりなる固体電解質基体６２に改質セル１０４、空気セル１０６、及び水素セル１０８を形成し、固体電解質基体６２をプロトンが移動することにより燃料電池反応が行われるようにしてもよい。【０１４１】  ［第３実施形態］
本発明の第３実施形態による改質器付き燃料電池について図１１乃至図１３を用いて説明する。図１１は本実施形態による改質器付き燃料電池におけるセルの単位構造、並びに物質及び熱の移動を示す概略図、図１２は本実施形態による改質器付き燃料電池におけるセルの配列構造、並びに物質及び熱の移動を示す平面図、図１３は本実施形態による改質器付き燃料電池の構造を示す概略図である。なお、第１及び第２実施形態による改質器付き燃料電池と同様の構成要素については同一の符号を付し説明を省略し或いは簡略にする。【０１４２】  本実施形態による改質器付き燃料電池は、第２実施形態による改質器付き燃料電池において、改質セル１０４、空気セル１０６、及び水素セル１０８の断面形状を三角形状に代えて六角形状とし、また、これらのセルを形成する固体電解質基体をプロトン導電体よりなるものとしたものである。【０１４３】  まず、本実施形態による改質器付き燃料電池におけるセルの単位構造について図１１を用いて説明する。【０１４４】  図１１（ａ）及び図１１（ｂ）に示すように、プロトン導電体よりなる固体電解質基体６２に、有機ハイドライドが導入され、有機ハイドライドの脱水素化反応が行われる改質セル１０４と、燃料電池反応の酸素源としての空気が導入される空気セル１０６と、改質セル１０６において発生した水素が導入される水素セル１０８とが形成されている。【０１４５】  改質セル１０４、空気セル１０６、及び水素セル１０８は、いずれも、固体電解質基体６２の上端面から下端面にわたって形成され、断面が六角形状、例えば正六角形状の中空柱状区画よりなるものである。改質セル１０４、空気セル１０６、及び水素セル１０８は、これらのうちの１つのセルの断面形状の六角形の隣接する２辺が、それぞれ他の２つのセルの断面形状の六角形の１辺に対向するように配列されている。【０１４６】  改質セル１０４には、第２実施形態による改質器付き燃料電池の場合と同様に、脱水素化反応の触媒７０が充填されている。【０１４７】  水素セル１０８の内壁には、第１の電極層６８が形成されている。第１の電極層６８が内壁に形成された水素セル内は、中空となっており、水素セル内に導入される水素、燃料電池反応により生じる水が流動することができるようになっている。【０１４８】  空気セル１０６の内壁には、第２の電極層７２が形成されている。第２の電極層７２が内壁に形成された空気セル１０６内は、中空となっており、空気セル１０６内に導入される空気が流動することができるようになっている。【０１４９】  本実施形態による改質器付き燃料電池では、プロトン導電体よりなる固体電解質基体６２に、上記の図１１に示す改質セル１０４と、空気セル１０６と、水素セル１０８との単位構造が複数形成されている。すなわち、図１２に示すように、プロトン導電体よりなる固体電解質基体１０２に、ハニカム状に断面が六角形状の中空柱状区画が複数形成されており、互いに隣接する３つの中空柱状区画が、それぞれ改質セル１０４、空気セル１０６、及び水素セル１０８となっている。【０１５０】  さらに、改質セル１０４、空気セル１０６、及び水素セル１０８が形成された円柱状の固体電解質基体１０２の上方には、図１３に示すように、第２実施形態による改質器付き燃料電池とほぼ同様に、複数の改質セル１０４のそれぞれを下方から上方に通過した気体を排出し、また、複数の空気セル１０６のそれぞれに空気を導入し、さらに、改質セル１０４内において発生した水素を水素セル１０８のそれぞれに導入するための第１のヘッダ１１０が設けられている。また、固体電解質基体１０２の下方には、改質セル１０４のそれぞれに気体の有機ハイドライドを導入し、また、空気セル１０６内を上方から下方に通過した空気等を排出し、さらに、水素セル１０８を上方から下方に通過した水素を排出するための第２のヘッダ１１２が設けられている。【０１５１】  本実施形態による改質器付き燃料電池においても、吸熱反応である有機ハイドライドの脱水素化反応が行われる改質セル１０４と、発熱反応を伴う燃料電池反応が行われる空気セル１０６とがプロトン導電体よりなる固体電解質基体６２の隔壁を介して互いに隣接してマトリクス状に設けられているので、第１実施形態による改質器付き燃料電池と同様に、装置構成を大幅に簡略化及び小型化することができるとともに、空気セル１０６における燃料電池反応により発生した熱を、有機ハイドライドの改質反応の熱源として利用することができる。これにより、エネルギ効率に優れたシステムを構築することができる。【０１５２】  次に、本実施形態による改質器付き燃料電池の動作について図１１乃至図１３を用いて説明する。【０１５３】  まず、固体電解質基体６２を、プロトン導電性を示すようになるその動作温度まで加熱する。【０１５４】  次いで、図１３（ａ）に示すように、第２のヘッダ１１２の第３スタック１１２ｃの導入口１３６に有機ハイドライドを供給する。第３スタック１１２ｃの導入口１３６に供給された有機ハイドライドは、第３スタック１１２ｃに形成された格子状の通気路１４８及び第３スタック１１２ｃに形成された通気路１４６を介して、固体電解質基体１０２にハニカム状に形成された複数の改質セル１０４内のそれぞれに導入される。【０１５５】  こうして、複数の改質セル１０４内のそれぞれに、それらの下端から導入された有機ハイドライドは、図１１（ｂ）に示すように、改質セル１０４内を上方に流れていく。【０１５６】  一方、有機ハイドライドを改質セル１０４内に導入するのと同時に、第１ヘッダ１１０の第１スタック１１０ａの導入口１１４に、空気を供給する。第１スタック１１０ａの導入口１１４に供給された空気は、第１スタック１１０ａに形成された格子状の通気路１２２及び第１乃至第３スタック１１０ａ〜１１０ｃに形成された通気路１２０を介して、固体電解質基体１０２にマトリクス状に形成された複数の空気セル１０６内のそれぞれに導入される。【０１５７】
こうして、複数の空気セル内のそれぞれに、それらの上端から導入された空気は、図１１（ｂ）に示すように、ｂｃっｖ空気セル１０６内を下方に流れていく。
【０１５８】  改質セル１０４内を上方に向かって流れる有機ハイドライドは、改質セル１０４内に充填されている触媒７０により脱水素化され、水素と、脱水素化物とに分解されていく。【０１５９】  改質セル１０４内において発生した水素は、有機ハイドライドの改質により生じた脱水素化物とともに、改質セル１０４を上方に流れていき、第の１ヘッダ１１０の第３スタック１１０ｃに形成された通気路１２８及び格子状の通気路１３０を介して排気口１１８から排出される。【０１６０】  排気口１１８から脱水素化物とともに排出された水素は、第２実施形態による改質器付き燃料電池と同様に、脱水素化物と分離されてから、第１ヘッダ１１０の第２スタック１１０ｂの導入口１１６に供給される。導入口１１６に供給された水素は、第２スタック１１０ｂに格子状に形成された通気路１２６及び第２及び第３スタック１１０ｂ、１１０ｃに形成された通気路１２４を介して、固体電解質基体１０２にハニカム状に形成された複数の水素セル１０８内のそれぞれに導入される。【０１６１】  こうして、図１１（ｂ）に示すように、複数の空気セル１０６のそれぞれに上方から下方に空気が流れ、複数の水素セル１０８のそれぞれに上方から下方に水素が流れることとなる。【０１６２】  水素セル１０８内を流れる水素は、水素セル１０８内壁に形成された第１の電極層６８において、以下に示す反応式のように電子を失ってプロトンとなる。【０１６３】  Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
こうして生じたプロトンは、図１１（ａ）及び図１２に示すように、プロトン導電体よりなる固体電解質基体６２の隔壁内を移動して水素セル１０８に隣接する空気セル１０６に達する。【０１６４】  空気セル１０６では、空気セル１０６内壁に形成された第２の電極層７２において、以下に示す反応式のように、隔壁を介して空気セル１０６に達したプロトンと、空気中の酸素と、第１の電極層６８から第２の電極層７２へと外部回路を介して移動する電子とが反応して水が生成される。【０１６５】  （１／２）Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−）Ｈ２Ｏ
以上のようにして、改質セル１０４において発生した水素と、空気セル１０６に導入される空気中の酸素とが、第１の電極層６８と第２の電極層７２との間で電子のやり取りを伴う反応を行うことにより、電力が得られる。【０１６６】  ここで、上記の空気セル１０６における燃料電池反応は発熱反応を伴い、空気セル１０６において熱が発生する。【０１６７】  空気セル１０６において発生した熱は、固体電解質基体６２の隔壁を介して、改質セル１０４に供給される。このように、本実施形態による改質器付き燃料電池でも、吸熱反応である有機ハイドライドの改質反応が行われる改質セル１０６と、発熱反応を伴う燃料電池反応が行われる水素セル１０８とが同じ固体電解質基体１０２に設けられているため、第１及び第２実施形態による改質器付き燃料電池と同様に、燃料電池反応による発熱を、有機ハイドライドの改質反応の熱源として利用することができる。こうして、本実施形態による改質器付き燃料電池は、エネルギ効率に優れたシステムを構築することができる。【０１６８】  空気セル１０６において、燃料電池反応により生じた水は、空気セル１０６内を上方から下方に流れる空気とともに、第２のヘッダ１１２の第２及び第３スタック１１２ｂ、１１２ｃに形成された通気路１４２及び第２スタック１１２ｂに形成された格子状の通気路１４４を介して排出口１３４から排出される。【０１６９】  以上のようにして、本実施形態による改質器付き燃料電池において発電が行われる。【０１７０】  このように、本実施形態によれば、吸熱反応である有機ハイドライドの脱水素化反応が行われる断面が六角形状の改質セル１０４と、発熱反応を伴う燃料電池反応が行われる断面が六角形状の空気セル１０６とがプロトン導電体よりなる固体電解質基体６２の隔壁を介して互いに隣接してハニカム状に設けられているので、装置構成を大幅に簡略化及び小型化することができるとともに、空気セル１０６における燃料電池反応により発生した熱を、有機ハイドライドの改質反応の熱源として利用することができる。これにより、エネルギ効率に優れたシステムを構築することができる。【０１７１】  ［第４実施形態］
本発明の第４実施形態による改質器付き燃料電池について図１４乃至図１６を用いて説明する。図１４は本実施形態による改質器付き燃料電池におけるセルの単位構造、並びに物質及び熱の移動を示す概略図、図１５は本実施形態による改質器付き燃料電池におけるセルの配列構造、並びに物質及び熱の移動を示す平面図、図１６は本実施形態による改質器付き燃料電池の構造を示す概略図である。なお、第１乃至第３実施形態による改質器付き燃料電池と同様の構成要素については同一の符号を付し説明を省略し或いは簡略にする。【０１７２】  本実施形態による改質器付き燃料電池の基本的構造は、図１４乃至図１６に示すように、第３実施形態による改質器付き燃料電池とほぼ同様である。本実施形態による改質器付き燃料電池は、プロトン導電体よりなる固体電解質基体６２に代えて、酸素イオン導電体よりなる固体電解質基体１０２に改質セル１０４、空気セル１０６、及び水素セル１０８が形成されている点で、第３実施形態による改質器付き燃料電池と異なっている。【０１７３】  以下、本実施形態による改質器付き燃料電池の動作について図１４乃至図１６を用いて説明する。【０１７４】  まず、第３実施形態による改質器付き燃料電池の場合と有機ハイドライドに代えて炭化水素と空気又は水を改質する以外は同様にして、固体電解質基体１０２を、イオン導電性を示すようになるその動作温度まで加熱した後、図１４（ａ）に示すように改質セル１０４に炭化水素等を流すことにより水素を発生させて水素セル１０８に水素を流すとともに、空気セル１０６に空気を流す。【０１７５】  空気セル１０６内を流れる空気中の酸素は、空気セル１０６内壁に形成された第２の電極層７２において、以下に示す反応式のように、第１の電極層６８から第２の電極層７２へと外部回路を介して移動する電子を受け取り、酸素イオンとなる。【０１７６】  （１／２）Ｏ２＋２ｅ−→Ｏ２−
こうして生じた酸素イオンは、図１４（ａ）及び図１５に示すように、酸素イオン導電体よりなる固体電解質基体１０２の隔壁内を移動して空気セル１０６に隣接する水素セル１０８に達する。【０１７７】  水素セル１０８では、水素セル１０８内壁に形成された第１の電極層６８において、以下に示す反応式のように、隔壁を介して水素セル１０８に達した酸素イオンと、水素セル１０８内を流れる水素とが反応して電子を失い、水が生成される。【０１７８】  Ｏ２−＋Ｈ２→Ｈ２Ｏ＋２ｅ−
以上のようにして、空気セル１０６に導入される空気中の酸素と、改質セル１０４において発生し、水素セル１０８に導入される水素とが、空気セル１０６内壁の第２の電極層７２と水素セル１０８内壁の第１の電極層６８との間で電子のやり取りを伴う反応を行うことにより、電力が得られる。【０１７９】  ここで、上記の水素セル１０８における燃料電池反応により、水素セル１０８において熱が発生する。【０１８０】
水素セル１０８において発生した熱は、固体電解質基体１０２の隔壁を介して、改質セル１０４に供給される。このように、本実施形態による改質器付き燃料電池でも、吸熱反応である炭化水素の改質反応が行われる改質セル１０４と、発熱反応を伴う燃料電池反応が行われる水素セル１０８とが同じ固体電解質基体１０２に設けられているため、第１乃至第３実施形態による改質器付き燃料電池と同様に、燃料電池反応による発熱を、炭化水素の改質反応の熱源として利用することができる。こうして、本実施形態による改質器付き燃料電池は、エネルギ効率に優れたシステムを構築することができる。
【０１８１】  水素セル１０８において、燃料電池反応により生じた水は、水素セル１０８内を上方から下方に流れる水素とともに、第２のヘッダ１１２の第２及び第３スタック１１２ｂ、１１２ｃに形成された通気路１４２及び第２スタック１１２ｂに形成された格子状の通気路１４４を介して排出口１３４から排出される。【０１８２】  以上のようにして、本実施形態による改質器付き燃料電池において発電が行われる。【０１８３】  このように、本実施形態によれば、吸熱反応である炭化水素の改質反応が行われる断面が六角形状の改質セル１０４と、燃料電池反応により発熱する断面が六角形状の水素セル１０８とが酸素イオン導電体よりなる固体電解質基体１０２の隔壁を介して互いに隣接してハニカム状に設けられているので、装置構成を大幅に簡略化及び小型化することができるとともに、水素セル１０８における燃料電池反応により発生した熱を、炭化水素の改質反応の熱源として利用することができる。これにより、エネルギ効率に優れたシステムを構築することができる。【０１８４】  ［第５実施形態］
本発明の第５実施形態による改質器付き燃料電池について図１７を用いて説明する。図１７は本実施形態による改質器付き燃料電池におけるセルの配列構造、並びに物質及び熱の移動を示す平面図である。なお、第３実施形態による改質器付き燃料電池と同様の構成要素については同一の符号を付し説明を省略し或いは簡略にする。【０１８５】  本実施形態による改質器付き燃料電池の基本的構造は、第３実施形態による改質器付き燃料電池とほぼ同様である。本実施形態による改質器付き燃料電池は、第３実施形態による改質器付き燃料電池において、改質セル１０４、空気セル１０６、及び／又は水素セル１０８の一部に代えて、有機ハイドライド、水素、及び空気のいずれも導入されず、改質反応及び燃料電池反応のいずれにも寄与しない予備セルが形成されている点に主たる特徴がある。図１７では、改質セル１０４に代えて、予備セル１５０が形成されている場合を示している。【０１８６】  このように、改質セル１０４、空気セル１０６、及び／又は水素セル１０８の一部に代えて予備セル１５０を形成することにより、改質セル１０４、空気セル１０６、水素セル１０８の数の大小を適宜調整することにより、燃料電池における熱バランス等を調整することができる。【０１８７】  なお、本実施形態では、第３実施形態による改質器付き燃料電池において予備セル１５０を形成する場合について説明したが、その他の実施形態による改質器付き燃料電池においても予備セルを形成してもよい。【０１８８】  ［変形実施形態］
本発明は上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。【０１８９】  例えば、上記実施形態では、改質セル６４、１０４、空気セル６６、１０６、及び水素セル１０８の断面が、四角形状、三角形状、又は六角形状の場合について説明したが、これらのセルの断面形状は、四角形状、三角形状、又は六角形状のものに限定されるものではない。例えば、五角形、八角形、或いは円形の断面形状であってもよい。
また、改質セル６４、１０４、空気セル６６、１０６、及び水素セル１０８の断面積に大小を設けてもよい。このように、セルの断面形状及び断面積を適宜設定することにより、有機ハイドライドの改質の効率等の諸条件に応じて、発電効率等の燃料電池の性能を設定することができる。【０１９０】  また、上記実施形態では、同一の固体電解質基体６２、１０２に形成する改質セル６４、１０４、空気セル６６、１０６、及び水素セル１０８の断面形状を同一形状とする場合について説明したが、同一の固体電解質基体６２、１０２に形成するセルの断面形状を異なるものとしてもよい。【０１９１】  また、上記実施形態では、固体電解質基体６２、１０２に形成された中空柱状区画を改質セル６４、１０４、空気セル６６、１０６、及び水素セル１０８として用いる場合について説明したが、これらのセルは、柱状のものに限定されるものではなく、気体等の導入及び排出が可能な中空の区画であればよい。【０１９２】  また、上記実施形態では、有機ハイドライドを改質セル６４、１０４に導入して改質反応を行うことにより水素を発生させる場合について説明したが、その他の気体の水素含有材料を改質セル６４、１０４に導入して改質反応を行うことにより水素を発生させてもよい。【０１９３】  また、上記実施形態では、気体の有機ハイドライドを改質セル６４、１０４に導入する場合について説明したが、気体に限らず液体の有機ハイドライド等の水素含有材料を改質セル６４、１０４に導入してもよい。【０１９４】  また、上記実施形態では、円柱状の固体電解質基体６２、１０２に各セルを形成する場合について説明したが、固体電解質基体６２、１０２は、円柱状のものに限定されるものではない。また、第１のヘッダ７４、１１０、第２のヘッダ７６、１１２の形状も、上記実施形態において説明した円盤状に限定されるものではなく、固体電解質基体６２、１０２の形状等に応じて、適宜設計変更することができる。【０１９５】  また、上記実施形態では、第１のヘッダ７４、１１０、及び第２のヘッダ７６、１１２を用いて固体電解質基体６２、１０２に形成された各セルに、有機ハイドライド、空気、水素を導入したが、各セル内に有機ハイドライド等を流す方向は、上記実施形態に示すものに限定されるものではない。例えば、第１実施形態においては、有機ハイドライドと空気の流動方向を互いに逆方向としたが、両者の流動方向を同方向としてもよい。また、第２乃至第３実施形態においては、空気と水素の流動方向を同方向としたが、両者の流動方向を互いに逆方向としてもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１９６】  本発明による改質器付き燃料電池は、安全性の問題が少なく、発熱の問題も解決することができる簡単な燃料電池システムを実現するのに有用である。
【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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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