(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数個の平板形の発電セルを積層した発電スタックと、
燃料ガスを水素に改質するための燃料ガス改質層、前記発電スタックに供給する酸化剤ガスの熱交換をするための酸化剤熱交換層、又は、前記燃料ガスを前記酸化剤ガスと反応させて燃焼させるための燃焼層のうち少なくとも１つの層からなり、前記発電スタックの前記発電セルの積層方向における上下面の面上に配置されている平板形の補助層と、
を備えた燃料改質形燃料電池であって、
前記燃焼層を前記発電スタックの両端部に配置するとともに、前記発電スタックの前記補助層に対する前記発電セルの積層方向への投影像が前記平板形の補助層上の１つの平面内に収まることを特徴とする燃料改質形燃料電池。
【請求項２】
前記燃料ガス改質層を、前記発電スタックの一方の端部に配置された前記燃焼層の外側に配置し、かつ、前記酸化剤熱交換層を、前記発電スタックの他方の端部に配置された前記燃焼層の外側に配置することを特徴とする請求項１に記載の燃料改質形燃料電池。
【請求項３】
前記補助層は、前記発電スタックで発電した電気を集電する１対の集電層を含むことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料改質形燃料電池。
【請求項４】
前記発電スタック及び前記補助層は、断熱機能を有する容器に収納されたことを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の燃料改質形燃料電池。
【請求項５】
前記発電セルの固体電解質体が固体酸化物からなることを特徴とする請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の燃料改質形燃料電池。
【請求項６】
前記発電セルの固体電解質体が固体高分子からなることを特徴とする請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の燃料改質形燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電効率のよい燃料改質形燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料改質形燃料電池では、平板形の発電セルを積層した発電スタックを集電層、熱交換層あるいは改質層などの補助層で挟み込んだ形態を取っている（例えば、特許文献１参照）。このような平板形の燃料改質形燃料電池では、発電している間は発電スタックを所定の温度で保持しておく必要がある。したがって、発電スタックが所定の温度に達してからは、発電スタックが冷却されにくい構造であることが必要である。
【特許文献１】特開平７−１７６３１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところが、上記燃料改質形燃料電池では、平板形の発電スタックと補助層間の寸法やそれらが積層される際の位置関係が明確ではない、つまり、発電スタックと補助層の大きさ、あるいは、積層される際の積層方向と垂直方向へのずれが明確に規定されていない。したがって、平板形の発電スタックの補助層に対する投影面が補助層からはみ出すと、平板形の発電スタックを温めている熱を外部へ逃がしてしまう可能性が高い。つまり、発電スタックが所定の温度に達してから冷却されてしまう可能性が高いという問題があった。
【０００４】
また、補助層では、熱交換や燃料ガスと酸化剤ガスの燃焼などを行うため、熱的な吸収や発熱が行われる。そこで、補助層を適切な積層順にすることによって、燃料改質形燃料電池内部での熱分布を適切なものにすることができる。ところが、従来の燃料改質形燃料電池では、補助層の積層順を適切にすることによって、燃料改質形燃料電池内部の熱分布を適切なものにし、発電効率をよくすることができなかった。
【０００５】
本発明は、こうした問題に鑑みなされたもので、電池スタックが所定の温度に達してから冷却されにくく、かつ、内部の温度分布が適切で発電効率の高い燃料改質形燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
かかる問題を解決するためになされた請求項１に記載の燃料改質形燃料電池（１：この欄においては、発明に対する理解を容易にするため、必要に応じて「発明を実施するための最良の形態」欄において用いた符号を付すが、この符号によって請求の範囲を限定することを意味するものではない。）は、複数個の平板形の発電セル（２０）を積層した発電スタック（１０）と、燃料ガスを水素に改質するための燃料ガス改質層（４２）、発電スタック（１０）に供給する酸化剤ガスの熱交換をするための酸化剤熱交換層（４４）、又は、燃料ガスを酸化剤ガスと反応させて燃焼させるための燃焼層（４６）のうち少なくとも１つの層からなり、発電スタック（１０）の発電セル（２０）の積層方向における上下面の面上に配置されている平板形の補助層（４０）と、を備え、  燃焼層（４６）を発電スタック（１０）の両端部に配置するとともに、発電スタック（１０）の補助層（４０）に対する発電セル（２０）の積層方向への投影像が平板形の補助層（４０）上の１つの平面内に収まることを特徴とする。
【０００７】
このような燃料改質形燃料電池（１）では、発電スタック（１０）の発電セル（２０）の積層方向における上下面の面上に補助層（４０）を有している。つまり、発電スタック（１０）を補助層（４０）で挟み込んでいる。そして、発電スタック（１０）を補助層（４０）で挟み込む際に、平板形の発電スタック（１０）の補助層（４０）に対する発電セル（２０）の積層方向への投影像が平板形の補助層（４０）上の１つの平面内に収まるように発電スタック（１０）と補助層（４０）とが配置されている。
【０００８】
このように、発電スタック（１０）の発電セル（２０）の積層方向の投影像が平板形の補助層（４０）上の１つの平面内に収まるように、つまり、平板形の発電スタック（１０）の補助層（４０）への投影面が補助層（４０）からはみ出さないように発電スタック（１０）を挟み込んでいるので、発電スタック（１０）が発する熱が補助層（４０）に遮られる。
【０００９】
換言すれば、平板形の発電スタック（１０）のうち少なくとも２つの面が平板形の補助層（４０）から挟み込まれるので、発電スタック（１０）の他の面からの放熱を補助層（４０）間で閉じこめられることになる。つまり、発電スタック（１０）から外部に逃げる熱の量を減らすことができるので、発電スタック（１０）が冷却されないようにすることができる。
【００１０】
また、補助層（４０）のうち、燃料ガス改質層（４２）は燃料ガスの熱を吸収し、酸化剤熱交換層（４４）は酸化剤ガスの熱を吸収し、燃焼層（４６）は加熱をする。したがって、燃料ガス改質層（４２）、酸化剤交換層及び燃焼層（４６）の選択やそれらの組合せによって、熱吸収や加熱の量や分布をコントロールすることができるようになる。
【００１１】
また、請求項２に記載のように、燃料ガス改質層（４２）を、発電スタック（１０）の一方の端部に配置された燃焼層（４６）の外側に配置し、かつ、酸化剤熱交換層（４４）を、発電スタック（１０）の他方の端部に配置された燃焼層（４６）の外側に配置するとよい。  このようにすると、燃焼層（４６）で生成される熱を燃料ガス改質層（４２）及び酸化剤熱交換層（４４）で吸収することができるので、燃料改質形燃料電池（１）の内部の熱の分布を均一にすることができる。
【００１２】
このように、燃料改質形燃料電池（１）の内部の熱の分布をコントロールすることができるので、発電効率のよい燃料改質形燃料電池（１）とすることができる。
さらに、平板形の発電スタック（１０）と補助層（４０）とを一体化して形成することができるので、燃料改質形燃料電池（１）の形状をコンパクトにすることができる。
【００１３】
また、請求項３に記載のように、補助層（４０）が発電スタック（１０）で発電した電気を集電する１対の集電層を含むようにするとよい。
このように補助層（４０）に集電機能を持たせることで、燃料改質形燃料電池（１）で発電した電気を容易に外部へ取り出すことができるようになる。
【００１４】
さらに、請求項４に記載のように、発電スタック（１０）及び補助層（４０）を断熱機能を有する容器（５０）に収納すると、容器（５０）の断熱機能により、さらに発電スタック（１０）を所定の温度に保ちやすくなる。
【００１５】
燃料改質形燃料電池（１）としては、請求項５に記載のように、発電セル（２０）の固体電解質体（２４）を固体酸化物や請求項６に記載のように固体高分子からなるものとすると、コンパクトな燃料改質形燃料電池（１）とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明が適用された実施形態について図面を用いて説明する。なお、本発明の実施の形態は、下記の実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態を採りうる。
［第１実施形態］
平板形燃料改質形燃料電池１の構成について、図１〜３に基づき説明する。図１は、平板形燃料改質形燃料電池１の概略の構造を示すための断面図であり、図２は、発電セル２０の概略の構成を示す断面図である。また、図３は、発電セル２０を分解した状態を示す説明図である。
【００１７】
平板形燃料改質形燃料電池１は図１に示すように、発電スタック１０、補助層４０、断熱容器５０、バーナー５２、燃料ガス供給経路６０、酸化剤ガス供給経路７０、排出ガス経路８０及び電流線９０を備えている。
【００１８】
発電スタック１０は、固体酸化物からなる複数個の平板形の発電セル２０を積層したものであり、各発電セル２０は電気的に直列に接続されている。
発電セル２０は、固体電解質形燃料電池セルであり、図２に示すように、いわゆる燃料極支持膜形タイプの燃料電池セルである。燃料ガス供給経路６０側には、燃料極（アノード）２２が配置されるとともに、燃料極２２の同図上側の表面には薄膜の固体電解質体２４が形成される。その固体電解質体２４の酸化剤ガス供給経路７０側の表面には、空気極（カソード）２６が形成されている。
【００１９】
固体電解質体２４としては、ＹＳＺ、ＳｃＳＺ、ＳＤＣ、ＧＤＣ、ペロブスカイト系酸化物等の材料が使用できる。また、燃料極２２としてはＮｉ及びＮｉとセラミックとのサーメットが使用でき、空気極２６としてはペロブスカイト系酸化物、各種貴金属及び貴金属とセラミックとのサーメットが使用できる。
【００２０】
空気極２６と上方の金属製のインターコネクタ（発電セル２０間の導通を確保するとともにカソードとアノードのガス混合を防止するためのプレート）２８との間には、その導通を確保するために、例えば、空気極２６と同様なＬＳＣＦ（ランタンストロンチウムコバルト鉄）、ＬＳＭ（ランタンストロンチウムマンガネート）等からなる集電体３５が配置されている。
【００２１】
なお、以下では、この実際に発電を行う燃料極２２と固体電解質体２４と空気極２６とをセル本体２７と称する。
更に詳しくは、図３に分解して示すように、この発電セル２０は、上下一対の金属製のインターコネクタ２８，３０と、酸化剤ガス供給経路７０側の金属製の空気極フレーム３２と、セラミックス製の絶縁フレーム３４と、セル本体２７を接合して配置するとともにガス流路を遮断する金属製のセパレータ３６と、燃料ガス供給経路６０側の金属製の燃料極フレーム３８とを備えている。
【００２２】
なお、積層された発電セル２０の間のインターコネクタは共有されるので、上下両端の発電セル２０以外は、発電セル２０間には、１個のインターコネクタが配置されるだけである。
【００２３】
補助層４０は、１つの機能を有する層ではなく、燃料ガス改質層４２、酸化剤熱交換層４４、燃焼層４６の少なくとも１つから成っている。本第１実施形態では、１つの燃料ガス改質層４２、１つの酸化剤熱交換層４４、２つの燃焼層４６から成っている。なお、２つの燃焼層４６を区別する必要がある場合には、それらを燃焼層４６ａ及び燃焼層４６ｂと呼ぶ。
【００２４】
燃料ガス改質層４２は、燃料ガスを水素に改質するための補助層であり、改質された水素ガスは発電スタック１０に供給されて発電に用いられる。改質方法としては水蒸気改質方式、部分酸化改質方式などがあるが、いずれか１つの方式でも良いし２つの方式を併用してもかまわない。
【００２５】
燃焼層４６には、接触燃焼触媒が充填されており、発電で未使用となった残ガス(主にメタンや一酸化炭素)を触媒によって燃焼させる補助層であり、残ガスを燃焼させることで排ガスの無害化を図っている。
【００２６】
酸化剤熱交換層４４は、発電スタック１０に供給する酸化剤ガスの熱交換をするための補助層であり、外部から供給される酸化剤ガスが予め温められて、発電スタック１０に送り込まれて発電に用いられる。
【００２７】
また、補助層４０は、発電スタック１０で発電した電気を集電するための導電性を有する集電層４８を含んでいる。この集電層４８は、集電層４８単独の層として用いられる場合と、上記の燃料ガス改質層４２、燃焼層４６又は酸化剤熱交換層４４のうちいずれかと一体に形成される場合とがある。本第１実施形態では、燃焼層４６ａ，４６ｂに一体として形成されている。
【００２８】
そして、これらの補助層４０が平板形状に形成され、発電スタック１０を図１中で上下から挟み込むように配置されている。
なお、これらの補助層４０の配置には制限はない。ただし、補助層４０、特に集電層４８は必ず平板形の発電スタック１０を挟み込む形態が必要であるため最低２つ必要とする。つまり、集電層４８は２つ（一対）必要であるが、その他の燃料ガス改質層４２、燃焼層４６及び酸化剤熱交換層４４は少なくともいずれか１つであれば良い。
【００２９】
断熱容器５０は、平板形燃料改質形燃料電池１の外観を形成する容器であり、内部に発電スタック１０、補助層４０、バーナー５２など平板形燃料改質形燃料電池１の構成品を収納している。また、断熱容器５０は、発電スタック１０及び補助層４０で発生する熱を外部へ逃がさないように断熱性を有している。
【００３０】
バーナー５２は、発電セル２０を形成する固体酸化物が所望の発電を行うために必要な温度に加熱するためのバーナー５２であり、断熱容器５０の内部に納められている。また、バーナー５２には、外部からバーナーで燃焼させるガスを供給するためのバーナー用ガス供給経路５４が設けられている。
【００３１】
このように、断熱容器５０内に、平板形燃料改質形燃料電池１の発電に必要な熱を供給するバーナー５２を収めることでバーナー５２の発熱を最小限にすることが可能で、平板形燃料改質形燃料電池１の熱自立が容易になり、また発電スタック１０が発電開始に必要な温度に達するまでの起動時間を早めることができる。
【００３２】
燃料ガス供給経路６０は、外部から供給される燃料ガスを各発電セル２０に供給するための経路である。燃料ガス供給経路６０で供給される燃料ガスとしては、都市ガス、天然ガスといった炭化水素系ガスが主に用いられる。これら炭化水素系ガスを使用することにより既存のガスインフラを有効に使える点でコストの抑制が可能となる。
【００３３】
燃料ガスは、外部から燃料ガス供給経路６０に供給された燃料が気化器６２を通って、燃料ガス改質層４２に送られる。気化器６２には図示しないが水蒸気改質のための水が送り込まれる改質水供給ラインが接続され、気化器６２によって改質水供給ラインを通って送り込まれた水が水蒸気化される。
【００３４】
燃料ガス改質層４２において改質された燃料ガスは燃料ガス改質層４２内を流れた後、各発電セル２０へと流れ込む。各発電セル２０通過後の燃料ガスは、燃焼層４６ｂへと流れ込む。このように、外部から供給された燃料ガスが通過する経路が燃料ガス供給経路６０となる。
【００３５】
酸化剤ガス供給経路７０は、外部から供給される酸化剤ガスを各発電セル２０に供給するための経路である。酸化剤ガス供給経路７０で供給される酸化剤ガスとしては、空気を利用することができる。酸化剤ガスとして空気を利用することにより、発電コストの抑制が可能となる。
【００３６】
酸化剤ガスは、外部から酸化剤ガス供給経路７０に供給された後、酸化剤熱交換層４４に送られ、酸化剤熱交換層４４において加熱される。加熱された酸化剤ガスは酸化剤熱交換層４４内を流れた後、各発電セル２０へと流れ込む。各発電セル２０通過後の酸化剤ガスは燃焼層４６へ流れ込む。このように、外部から供給された酸化剤ガスが通過する経路が酸化剤ガス供給経路７０となる。
【００３７】
排出ガス経路８０は、各発電セル２０を通って排出される燃料ガス及び酸化剤ガスを発電セル２０の外部へ排出するための経路であり、マニホールド形状で平板形の発電スタック１０と外部とを接続している。
【００３８】
上記の燃料ガス供給経路６０及び酸化剤ガス供給経路７０を通って投入された燃料ガスと酸化剤ガスは、各発電セル２０を通過した後、燃焼層４６ａ，４６ｂに送り込まれる。各発電セル２０を通過後の未燃焼ガスは燃焼層４６ａ，４６ｂにおいて燃焼されることによって無害化される。そして、燃焼層４６ａ，４６ｂ内で無害化された排気ガスは外部へと排出される。
【００３９】
電流線９０は、発電スタック１０から発生した電流を外部に取り出すための電線である。
（平板形燃料改質形燃料電池１の特徴）
次に図４及び図５に基づき、以上のように構成された平板形燃料改質形燃料電池１の特徴について説明する。図４は、平板形燃料改質形燃料電池１において、発電スタック１０と補助層４０の平面形状がほほ同じ平面形状の場合の配置を示す図であり、図５は、発電スタック１０に比べ補助層４０の平面形状が大きい場合の各々の配置を示す図である。
【００４０】
図４に示すように、発電スタック１０の平面形状の補助層４０への発電セル２０の積層方向への投影像Ａが補助層４０の平面形状と略同等の場合は、補助層４０は発電スタック１０の少なくとも２面（図４中上下面）からの放熱を妨げる効果を発揮する。
【００４１】
また、図５に示すように、発電スタック１０の平面形状の補助層４０への発電セル２０の積層方向への投影像Ａが、補助層４０の平面形状より小さい場合は、発電スタック１０の側面からの放熱を上下方向に逃がさない効果も発揮される。
【００４２】
これらの発電スタック１０の投影像Ａと補助層４０の平面形状の関係を満たすと、例えば起動時の発電スタック１０の昇温速度を早くする効果や燃料電池が熱自立運転を行うときの発電スタックの温度維持に効果を発揮する。
【００４３】
特に平板形の発電スタック１０を集電層４８を含む２つの燃焼層４６で挟み込んだ場合、燃料電池運転時の平板形の発電スタック１０の上下方向における温度ムラが抑制される効果が得られる。
【００４４】
図１において、発電スタック１０を挟んで一体化した燃焼層４６ａ，４６ｂには集電層４８があり、この補助層４０から発電スタック１０から発生した電流を外部に取り出すための電流線９０が出ている。したがって、補助層４０を発電スタック１０に電気的に直列に接続して集電機能を持たせることで発電に必要な機能をコンパクトなサイズで実現可能となる。
［第２実施形態］
第２実施形態では、発電セルに固体電解質の代わりに、固体高分子電解質膜を用いた平板形燃料改質形燃料電池２について図６に基づき説明する。図６は、発電セル１２０の概略の構成を示す断面図である。なお、第２実施形態の平板形燃料改質形燃料電池２は、発電セルに固体高分子電解質を用いる以外は第１実施形態の平板形燃料改質形燃料電池１と同じ構成であるので、同じ構成要素には同じ符号を付し、その説明を省略する。
【００４５】
発電セル１２０は、図６に示すように、固体高分子電解質膜（ＰＥＭ：Ｐｒｏｔｏｎ  Ｅｘｃｈａｎｇｅ  Ｍｅｍｂｒａｎｅの略）１２４が２つの電極、燃料極２２（アノード）と空気極（カソード）２６で挟持されている。
【００４６】
固体高分子電解質膜１２４により分けられた燃料ガス供給経路６０側と酸化剤ガス供給経路７０側とをそれぞれ備える燃料ガス供給経路６０側のマニホールド板１２５と酸化剤ガス供給経路７０側のマニホールド板１２６とが、互いに裏面同士を対向させ、９０°位相を変えてシール剤１２７を介して重ね合わされている。
【００４７】
燃料ガス供給経路側６０及び酸化剤ガス供給経路側７０にはそれぞれ、多孔質炭素焼結体などからなる集電体３５が嵌入されている。
さらに、燃料ガス供給経路６０と排出ガス経路８０とを連通する複数の溝１２９及び酸化剤ガス供給経路７０と排出ガス経路８０とを連通する複数の溝１３１がそれぞれ隔壁１３０，１３２により区切られて設けてある。
【００４８】
以上のような構成の発電セル１２０をセパレータ１２８を介して複数個積層して発電スタック１０を形成する。
このような固体高分子電解質膜を用いた発電セル１２０を用いた平板形燃料改質形燃料電池２は、第１実施形態の平板形燃料改質形燃料電池１と同様の効果を有している。
【００４９】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、本実施形態に限定されるものではなく、種々の態様を採ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】平板形燃料改質形燃料電池１の概略構造を示す断面図である。
【図２】発電セル２０の概略の構成を示す断面図である。
【図３】発電セル２０を分解した状態を示す説明図である。
【図４】平板形燃料改質形燃料電池１において、発電スタック１０と補助層４０の平面形状がほほ同じ平面形状の場合の配置を示す図である。
【図５】発電スタック１０に比べ補助層４０の平面形状が大きい場合の各々の配置を示す図である。
【図６】発電セル１２０の概略の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５１】
１，２…平板形燃料改質形燃料電池、１０…発電スタック、２０，１２０…発電セル、２２…燃料極、２４…固体電解質体、２６…空気極、２７…セル本体、２８，３０…インターコネクタ、３２…空気極フレーム、３４…絶縁フレーム、３５…集電体、３６…セパレータ、３８…燃料極フレーム、４０…補助層、４２…燃料ガス改質層、４４…酸化剤熱交換層、４６，４６ａ，４６ｂ…燃焼層、４８…集電層、５０…断熱容器、５２…バーナー、５４…バーナー用ガス供給経路、６０…燃料ガス供給経路、６２…気化器、７０…酸化剤ガス供給経路、８０…排出ガス経路、９０…電流線、１２５，１２６…マニホールド板、１２７…シール剤、１２８…セパレータ、１３０，１３２…隔壁、１２９，１３１…溝。
【図２】
0005307376.tif 000002
【図３】
0005307376.tif 000003
【図６】
0005307376.tif 000004
【図１】
0005307376.tif 000005
【図４】
0005307376.tif 000006
【図５】
0005307376.tif 000007