(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体酸化物形燃料電池のセルを複数有し、
該セル同士の間に熱電変換素子を有する固体酸化物形燃料電池スタックであって、
前記セルが円筒型であって、熱電変換素子が中空円筒状である
固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項２】
さらに、前記熱電変換素子の一方の側を冷却する冷却媒体を流すための流路を有する請求項１記載の固体酸化物形燃料電池スタック。
【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のセルが複数配された固体酸化物形燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、排ガスがクリーンであることや発電効率が比較的高いなどの理由で燃料電池の開発が盛んである。燃料電池にはいくつかの種類があるが、いずれの種類においてもエネルギー変換効率もしくは発電効率を更に向上させることが求められている。
【０００３】
固体酸化物形燃料電池（Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｉｄｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ。以下場合によりＳＯＦＣという。）は作動温度が５００〜１０００℃程度と高温である。特許文献１には、この熱を有効に利用してエネルギー変換効率を向上させるべく、ＳＯＦＣスタックの周囲に熱電変換素子を配することが開示されている。
【０００４】
また、特許文献２には、低温で作動する固体高分子形燃料電池において、電気化学反応によって発生する熱エネルギーを利用してエネルギー利用効率の高い燃料電池を提供すべく、酸素極側フィールドプレートに接して熱電変換素子を配することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−３５８９９７号公報
【特許文献２】特開２００２−１４１０７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１記載の技術では、ＳＯＦＣスタックの周囲に熱電変換素子を配しているため、熱の有効利用の点で更なる改善の余地がある。
【０００７】
また特許文献２記載の技術では、作動温度が低温であるため、熱電変換素子による発電量の点で優れているとは言えない。
【０００８】
本発明の目的は、ＳＯＦＣが発生する熱をより有効に利用し、より高い発電効率を得ることのできるＳＯＦＣスタックを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明により、固体酸化物形燃料電池のセルを複数有し、
該セル同士の間に熱電変換素子を有する固体酸化物形燃料電池スタックであって、
前記セルが円筒型であって、熱電変換素子が中空円筒状である
固体酸化物形燃料電池スタックが提供される。
【００１３】
上記固体酸化物形燃料電池スタックが、
さらに、前記熱電変換素子の一方の側を冷却する冷却媒体を流すための流路を有することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明により、ＳＯＦＣが発生する熱をより有効に利用し、より高い発電効率を得ることのできるＳＯＦＣスタックが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】参考用のＳＯＦＣスタックの一例を示す部分模式図である。
【図２】参考用のＳＯＦＣスタックの別の例を示す部分模式図である。
【図３】参考用のＳＯＦＣスタックの別の例を示す部分模式図である。
【図４】参考用のＳＯＦＣスタックの別の例を示す部分模式図である。
【図５】参考用のＳＯＦＣスタックの別の例を示す部分模式図である。
【図６】本発明のＳＯＦＣスタックの一例を示す部分模式図であり、（ａ）は横断面図、（ｂ）はＡ−Ａ縦断面図である。
【図７】本発明のＳＯＦＣスタックの別の例を示す部分模式図である。
【図８】モジュール化された熱電変換素子の例を示す模式図である。
【図９】モジュール化された熱電変換素子の別の例を示す模式図である。
【図１０】モジュール化された熱電変換素子の別の例を示す模式図であり、（ａ）は横断面図、（ｂ）は縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
ＳＯＦＣスタックは、アノード電極とカソード電極の間に電解質を挟んだセル（単セル）を複数個、セパレータもしくはインターコネクタと呼ばれる電子導電性部材、また集電体と呼ばれる電子導電性部材などにより電気的に接続した構成を有する。
本発明では、セルは円筒型であり、熱電変換素子は中空円筒状である。それ以外の場合についても以下に言及することがあるが、それは参考用である。
【００１８】
ＳＯＦＣでは、酸素イオン導電性セラミックスもしくはプロトンイオン導電性セラミックスを電解質として利用し、水素と酸素とを電気化学反応させる。このときアノードもしくはカソードでＨ2Ｏが生成するとともに発熱する。
【００１９】
ＳＯＦＣスタックにおいて、この発熱が起きる個所と、それ以外の個所との間には温度差が生じる。
【００２０】
本発明では、熱電変換素子を、セルとセルの間に配置することによって、上記温度差を有効利用し、電気化学反応による発電に加えて、熱電変換素子による発電を行う。これによって発電効率を向上させることが可能である。
【００２１】
また熱電変換素子は熱エネルギーを電気エネルギーに変換するため、冷却効果を有する。熱電変化素子をセル間に配置することにより、ＳＯＦＣスタックの内部において冷却することが可能である。従来、ガス（通例カソードガス）を大量に供給することによってスタックを冷却することが行われている。しかし、大量のガスを供給するために所要動力（ブロワ等の消費電力）が大きくなり、ＳＯＦＣシステムの効率が低くなってしまう。本発明では、熱電変換素子により電気エネルギーを取り出すと同時にセルの冷却を行えるため、冷却のための所要動力を低減し、ブロワや配管等を小型化する効果もある。これによってＳＯＦＣシステムの高効率化や小型化が可能である。
【００２２】
さらに、８０℃程度の低温で作動する固体高分子形燃料電池に比べ、ＳＯＦＣでは作動温度が高いため、大きな温度差を得ることが可能であり、熱電変換素子による発電によって、より高効率化を図ることができる。
【００２３】
熱電変換素子の材料は、ＳＯＦＣの作動温度にて使用できる公知の熱電変換素子の材料から適宜選んで採用することができる。例えば、ｐ型熱電変換素子としてはＳｉＧｅ、Ｓｉ0.8Ｇｅ0.2、β−ＦｅＳｉ2、ＰｂＴｅ、ＧｅＴｅ、ＧｅＴｅ−ＡｇＳｂＴｅ2、β−Ｚｎ4Ｓｂ3、Ｃｅ（Ｆｅ3.5Ｃｏ0.5）Ｓｂ12、ｎ型熱電変換素子としてはＳｉＧｅ、β−ＦｅＳｉ2、ＰｂＴｅ、Ｂａ0.3Ｃｏ3.7Ｓｂ12、Ｚｎ0.98Ａｌ0.02Ｏを用いることができる。
【００２４】
熱電変換素子の形状は、ＳＯＦＣスタックの形状にあわせて、バルク、薄膜、厚膜、円筒、平板など公知の熱電変換素子の形状から適宜選ぶことができる。熱電変換素子は、複数の熱電変換素子がモジュール化されていてもよい。
【００２５】
図８にｐ型またはｎ型熱電変換素子を複数配列させた平板型熱電変換素子モジュールの例を示す。ｐ型またはｎ型の熱電変換素子１００１が複数個、導電体板１００２の間に並列に接続される。
【００２６】
図９にｐ型およびｎ型熱電変換素子を交互に配列させた平板型熱電変換素子モジュールの例を示す。熱電変換素子１００１が複数個、導電体１００３によって直列に接続される。このとき熱電変換素子はｐ型とｎ型が交互に接続される。また絶縁体１００４が配されて一本の電気的経路が二つの導電体板１００２の間に形成される。
【００２７】
図１０にｐ型またはｎ型熱電変換素子を複数個配列させた円筒型熱電変換素子モジュールの例を示す。中空円筒状のｐ型またはｎ型熱電変換素子２００１が、導電部材２００２および導電部材２００３により直列に接続される。導電部材２００２は円筒状熱電変換素子の外側に電気的に接続され、導電部材２００３は円筒状熱電変換素子の内側に電気的に接続される。
【００２８】
熱電変換素子以外のＳＯＦＣスタックの部材や構造については、公知のＳＯＦＣスタックの部材や構造から適宜選んで採用することができる。例えば、ＳＯＦＣスタックとして、平板型や、円筒型などの各種形状を適宜選んで採用できる。
【００２９】
ＳＯＦＣスタックにおいては、実用上、多数のセルを積層もしくは整列させることが多い。この場合、セル同士の間の全てに熱電変換素子を配置してもよいし、一部のみに熱電変換素子を配置しても良い。例えば平板型ＳＯＦＣの場合、セル毎に熱電変換素子を配置することもできるし、複数枚のセルをブロックとして、ブロック毎に熱電変換素子を配するなど、複数のセル毎に配置してもよい。
【００３０】
温度差に起因してＳＯＦＣスタックにかかる熱応力を抑えるために、セルを円筒型にすることが有効である。平板型スタックの場合、例えば積層したセルおよびセパレーター等をエンドプレートと呼ばれる金属製（電気伝導性）の板２枚で挟みボルト締めする。円筒型スタックは、例えば電極面の一部をインターコネクターで電気的に接続する構造となっている。このため、円筒型スタックでは平板型スタックに比較して拘束面積が少なく熱応力を緩和することが比較的容易だからである。また、円筒型セル同士を電気的に接続するための集電体にクッション効果のある材質を用いることも有効である。例えば金属多孔体（Ｍｅｔａｌ−ｆｏａｍ、発泡金属）は外力により変形しやすく、接触面積が小さい。このため、セルやセパレーター、インターコネクタの熱膨張を吸収し、さらに熱応力を緩和できるので、金属多孔体は集電体として好適である。
【００３１】
熱電変換素子の隣に、冷却媒体を流すための流路である冷却媒体流路を設けることができる。特には熱電変換素子の一方の側（より低温にしたい側）に冷却媒体流路を設けて熱電変換素子の片側を冷却することにより、熱電変換素子における発電量を大きくすることができる。このときアノード側、カソード側のうち、水生成反応が起きない側に隣接して冷却媒体流路を設けることが好ましい。
【００３２】
冷却媒体としては、発電時に、熱電変換素子のより低温にしたい側を冷却可能な温度および流量のガスを適宜用いることができる。冷却媒体として、スタックに供給されるアノードガスもしくはカソードガスを用いることができ、あるいはこれらガスとは別途他のガスを用いることもできる。他のガスとしては、例えば空気を用いることができる。あるいはＳＯＦＣシステムの中に、予熱すべきガスがある場合、そのガスを冷却媒体として用い、熱電変換素子の冷却と同時にそのガスの予熱を行うこともできる。
【００３３】
なお、適宜ヘッダーもしくはマニホールド構造を利用して、セル等へのガスの供給や排出を行うことができる。
【００３４】
また、円筒型ＳＯＦＣの場合に熱電変換素子やセルを電気的に接続するために、あるいは図１０に示すように円筒状の熱電変換素子を電気的に接続してモジュール化するために、円筒型ＳＯＦＣに用いられる公知のインターコネクタや集電体、また公知の導電部材を適宜利用することができる。
【実施例】
【００３５】
以下、本発明を実施例に基づき更に詳細に説明するが、本発明はこれによって限定されるものではない。なお、実施例１〜５は参考用である。
【００３６】
〔実施例１〕
本実施例では、平板型ＳＯＦＣを採用しており、セルと熱電変換素子とを１つずつ交互に配置している。図１は、本例の平板型ＳＯＦＣスタックを説明するための部分的模式図である。電解質板１は酸素イオン導電性セラミックスである。電解質板１を挟む位置にアノード電極２ａおよびカソード電極２ｃが配される。アノード電極２ａの電解質板とは反対側にアノード側セパレータ３ａが配され、カソード電極２ｃの電解質板とは反対側にカソード側セパレータ３ｃが配される。つまり、電解質板１と電極２ａおよび２ｃで構成されるセル（単セル）４を挟む位置にセパレータ３ａおよび３ｃが配される。
【００３７】
セパレータ３ｃのセルとは反対側に熱電変換素子５（ここではｎ型熱電変換素子を用いる）が配され、さらに熱電変換素子のセパレータ３ｃとは反対側に、隣のセル（不図示）を挟むアノード側セパレータ３ａ−１が配される。熱電変換素子の外形は平板状とする。このようにしてアノード側セパレータとカソード側セパレータに挟まれたセルと、熱電変換素子とが交互に積層される。
【００３８】
水素を含むアノードガスがアノード電極に供給され、酸素を含むカソードガスがカソード電極に供給される。ＳＯＦＣによる発電時にアノード側でＨ2Ｏを生成する反応が進み大きな発熱がおきるため、カソード側セパレータ３ｃよりもアノード側セパレータ３ａ−１の方が高温になり、熱電変換素子に温度差ΔＴがつく。図１中、破線は熱電変換素子における温度勾配を模式的に示している。このΔＴによって熱電変換素子が発電可能となる。
【００３９】
〔実施例２〕
本実施例は、実施例１の平板型ＳＯＦＣスタックに、冷却媒体を流すための流路である冷却媒体流路６を付加したものである。熱電変換素子のアノード側（図２において紙面右側）もしくはカソード側（図２において紙面左側）のうちの、水生成反応が起きない側（ここではカソード側）を冷却媒体によって冷却することにより、熱電変換素子における温度差をより大きくとることができる。このため本実施例では、熱電変換素子５とカソード側セパレータ３ｃとの間に冷却媒体流路６を設けている。
【００４０】
冷却媒体流路を設けるために、電子導電性を有し、外形が平板状であり、冷却媒体流路となる溝を有する部材（冷却媒体流路形成用部材）７を用いることができる。この部材をセパレータまたは熱電変換素子と一体化してもよい。
【００４１】
冷却媒体としては、スタックに供給されるアノード入口ガスもしくはカソード入口ガスを必要に応じて分岐して用いることもできるし、別途他のガス（例えば空気）を用いることができる。
【００４２】
〔実施例３〕
図３に示すように、本実施例は、実施例２の平板型ＳＯＦＣスタックのカソード側セパレータ３ｃと冷却媒体流路形成用部材７との間に、断熱材８を追加した例である。断熱材により、セル（カソード側）から冷却媒体へ、ひいては熱電変換素子の低温側への伝熱を抑制し、熱電変換素子の低温側をより低温にし、ΔＴをより大きくとることが可能となる。
【００４３】
〔実施例４〕
図４に示すように、本実施例では、熱電変換素子のアノード側（図中右側）を冷却媒体によって冷却して低温にし、カソード側（図中左側）を高温にする。この場合、アノードで発生する熱がアノード側セパレータ３ａ−１から冷却媒体へ伝達し、ΔＴが小さくなるのを抑えるために、アノードと冷却媒体との間に断熱材８を配置することが好ましい。この例においては、ｐ型熱電変換素子を用いる。
【００４４】
〔実施例５〕
平板型ＳＯＦＣにおいて、アノード側セパレータおよびカソード側セパレータのうちの少なくとも一方が熱電変換素子を含むことができる。アノード側セパレータおよびカソード側セパレータのいずれかが熱電変換素子からなっていてもよいし、両方のセパレータが一体化され一つの熱電変換素子からなっていてもよい。あるいはいずれかもしくは両方のセパレータの一部が熱電変換素子で形成されていてもよい。
【００４５】
図５に示すように、本例では、カソード側セパレータ３ｃが熱電変換素子からなっており、カソード側セパレータが熱電変換素子を兼ねている。
【００４６】
〔実施例６〕
本実施例では、円筒型ＳＯＦＣを採用しており、熱電変換素子は両端に開口を有する中空円筒状（パイプ状）である。図６に示すように、セル２１−１と、その隣のセル２１−２との間に、熱電変換素子２５−１が配される。セル２１−２の、熱電変換素子２５−１とは反対側にも熱電変換素子２５−２が配される。ここではｎ型熱電変換素子を用いる。
【００４７】
セルは内管２２を有し、内管から水素を含むアノードガスが供給される。酸素を含むカソードガスは、セルの外側に供給される。セルは、一端が閉じられた円筒状の電解質を挟んで内側にアノード電極が、外側にカソード電極が設けられた構造を有する。セルも熱電変換素子も外側がプラス極、内側がマイナス極となっている。セルおよび熱電変換素子の外側には集電体２３が接触し、内側はインターコネクタ２４が電気的に接続され、集電体とインターコネクタが接触して電気的経路が形成される。
【００４８】
熱電変換素子の外側にも内側にもカソードガスが流れる。各セルが発電時に発熱し、これによって熱電変換素子は外側から加熱される。一方、中空円筒状熱電変換素子の内側は冷却媒体流路となっている。カソードガスの一部が冷却媒体として利用され、冷却媒体が内側を流れることにより、熱電変換素子は内側から冷却されることになる。従って、熱電変換素子は外側が高温で内側が低温となり、温度差が発生する。この温度差によって熱電変換素子による発電が可能となる。
【００４９】
〔実施例７〕
実施例６では、両端が開口した中空円筒状の熱電変換素子を用いたが、この限りではない。本例では、熱電変換素子の一端が閉じられ、他端が開口した中空円筒状の熱電変換素子を用いている。図７に、セル２１および熱電変換素子２５を一つずつ示す。熱電変換素子の一端（図において紙面上端）が閉じられており、熱電変換素子の中に内管２６が配される。この内管２６から冷却媒体としてカソードガスが供給され、熱電変換素子の内側が冷却される。熱電変換素子から排出される冷却媒体（カソードガス）をセルの外側に供給し、カソードガスとして電池反応に供することができる。
【００５０】
以上いくつかの例を説明したが、本発明においては、燃料電池スタックを平板型にするか円筒型にするか、熱電変換素子（モジュール化されていてもよい）を平板型にするか円筒型にするか、熱電変換素子としてｐ型を用いるかｎ型を用いるか、冷却媒体としてアノードガスを用いるかカソードガスを用いるかあるいは他のガスを用いるか、など様々な選択が可能であり、その選択に応じた様々な形態があり得る。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明のＳＯＦＣシステムは、例えば定置用もしくは移動体用の発電システムに、またコージェネレーションシステムに利用できる。
【符号の説明】
【００５２】
１    電解質板
２ａ  アノード電極
２ｃ  カソード電極
３ａ  アノード側セパレータ
３ｃ  カソード側セパレータ
４    セル（単セル）
５    熱電変換素子
６    冷却媒体流路
７    冷却媒体流路形成用部材
８    断熱材
２１    セル（単セル）
２２    アノードガス供給用内管
２３    集電体
２４    インターコネクタ
２５    熱電変換素子
２６    冷却媒体供給用内管
１００１    熱電変換素子
１００２    導電体板
１００３    導電体
１００４    絶縁体
２００１    熱電変換素子
２００２    導電部材
２００３    導電部材
【図１】
0005315400.tif 000002
【図２】
0005315400.tif 000003
【図３】
0005315400.tif 000004
【図４】
0005315400.tif 000005
【図５】
0005315400.tif 000006
【図６】
0005315400.tif 000007
【図７】
0005315400.tif 000008
【図８】
0005315400.tif 000009
【図９】
0005315400.tif 000010
【図１０】
0005315400.tif 000011