(57)【要約】【課題】本発明は燃料電池モジュール内の温度を一様化でき、かつ、燃料電池の排熱を電気として効率良く回収できる発電装置を提供することを目的とする。【解決手段】本発明は、燃料電池と、燃料電池の排熱を利用して発電するアルカリ金属熱電変換装置を備えた発電装置において、前記アルカリ金属熱電変換装置は、固体電解質層と、該固体電解質層を介してその両面に設けられた高圧側アルカリ金属室と低圧側アルカリ金属室を有し、前記高圧側アルカリ金属室内から外部に延びるヒートパイプを装着し、該ヒートパイプの熱媒蒸発部に前記燃料電池の排熱が供給されることを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、燃料電池の排熱を利用して発電するアルカリ金属熱電変換装置を備えた発電装置において、
前記アルカリ金属熱電変換装置は、固体電解質層と、該固体電解質層を介してその両面に設けられた高圧側アルカリ金属室と低圧側アルカリ金属室を有し、
前記高圧側アルカリ金属室内から外部に延びるヒートパイプを装着し、該ヒートパイプの熱媒蒸発部に前記燃料電池の排熱が供給されることを特徴とするヒートパイプ付き熱電変換装置を備えた発電装置。
【請求項２】
請求項１において、前記ヒートパイプに不活性ガスを封入したガス溜め部を設け、前記ガス溜め部内の不活性ガスのガス圧により、前記ヒートパイプ内の作動熱媒体の蒸気と不活性ガスとの境界面を制御し、熱電変換装置の起動・停止を制御することを特徴とするヒートパイプ付き熱電変換装置を備えた発電装置。
【請求項３】
請求項２において、前記燃料電池が固体酸化物形燃料電池であり、前記高圧側アルカリ金属室内から外部に延びた前記ヒートパイプを前記燃料電池の発電室内に配置したことを特徴とするヒートパイプ付き熱電変換装置を備えた発電装置。
【請求項４】
請求項３において、前記ヒートパイプの表面に電気絶縁層を設けたことを特徴とするヒートパイプ付き熱電変換装置を備えた発電装置。
【請求項５】
請求項２において、前記燃料電池が固体酸化物形燃料電池であり、前記高圧側アルカリ金属室内から外部に延びた前記ヒートパイプを前記燃料電池の発電室および燃焼室に配置したことを特徴とするヒートパイプ付き熱電変換装置を備えた発電装置。
【請求項６】
請求項１において、前記ヒートパイプの熱媒と前記アルカリ金属熱電変換装置の熱媒を共通とし、前記高圧側アルカリ金属室内に挿入された前記ヒートパイプの端部が開放されており、前記ヒートパイプから高温の熱媒を前記固体電解質層に供給することで前記アルカリ金属熱電変換装置の発電を行うことを特徴とするヒートパイプ付き熱電変換装置を備えた発電装置。
【請求項７】
請求項６において、前記高圧側アルカリ金属室に不活性ガスを封入したガス溜め部が接続され、前記ガス溜め部内の不活性ガスのガス圧により、前記ヒートパイプ内の作動熱媒体の蒸気と不活性ガスとの境界面を制御し、熱電変換装置の起動・停止を制御することを特徴とするヒートパイプ付き熱電変換装置を備えた発電装置。
【請求項８】
請求項６において、前記ヒートパイプの熱媒及びアルカリ金属熱電変換装置の熱媒としてナトリウム，カリウム、又は、セシウムのいずれかを用いたことを特徴とするヒートパイプ付き熱電変換装置を備えた発電装置。
【請求項９】
請求項６において、前記ヒートパイプと熱電変換装置に熱媒を循環させる流路と電気絶縁手段を備えることを特徴とするヒートパイプ付き熱電変換装置を備えた発電装置。
【請求項１０】
請求項９において、前記熱媒を循環させる手段としてポンプ，重力又は毛細管力を利用することを特徴とするヒートパイプ付き熱電変換装置を備えた発電装置。
【請求項１１】
請求項１において、前記燃料電池またはアルカリ金属熱電変換装置で発電した電力を貯蔵する二次電池を備えたこと特徴とするヒートパイプ付き熱電変換装置を備えた発電装置。
【請求項１２】
請求項１１において、前記二次電池は前記アルカリ金属熱電変換装置で回収された熱媒を電池活物質とすることを特徴とするヒートパイプ付き熱電変換装置を備えた発電装置。
【請求項１３】
請求項１２において、前記二次電池がナトリウム硫黄電池又はナトリウム溶融塩電池であることを特徴とするヒートパイプ付き熱電変換装置を備えた発電装置。
【請求項１４】
請求項６において、前記燃料電池またはアルカリ金属熱電変換装置で発電した電力を貯蔵するナトリウム硫黄電池又はナトリウム溶融塩電池を備え、
前記アルカリ金属熱電変換装置の熱媒を前記ナトリウム硫黄電池又はナトリウム溶融塩電池の電池活物質として供給することを特徴とするヒートパイプ付き熱電変換装置を備えた発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池とその排熱を利用するアルカリ金属熱電変換装置（ＡＭＴＥＣ、以下、熱電変換装置と呼ぶ）とからなる発電を主体とする発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電解質の両側にアノード（燃料極）およびカソード（空気極）を備え、アノード側には燃料ガスを、カソード側には酸化剤ガスを供給し、電解質を介して燃料と酸化剤を電気化学的に反応させることにより発電する発電装置である。燃料電池の種類の一つである固体酸化物形燃料電池は、発電効率が高いばかりでなく、６００〜１０００℃の高温で運転されるため、電池内で燃料の改質反応ができ、燃料の多様化が図れると共に電池システム構造がシンプルになるため、他の燃料電池に比べ、コスト低減のポテンシャルを持つ。当然、排熱も高温となるため利用しやすく熱・電気併用システム（コジェネレーションシステム）ばかりでなく、例えば、高温の排ガスをガスタービンへ供給して発電し、固体酸化物形燃料電池単独の発電に比べ、多くの電力を得ることができるハイブリッドシステムを形成できる特徴を持つ。
【０００３】
また、他の例では固体酸化物形燃料電池の排ガスを燃焼器に供給し、燃焼器に接続されたアルカリ金属熱電変換装置（熱電変換装置）で発電するアルカリ金属熱発電変換複合発電装置が提案されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平０５−２７６７７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載のアルカリ金属熱発電変換複合発電装置では、排熱を利用して発電ができるものの固体酸化物形燃料電池と分離した状態で熱電変換装置を設置するため、装置が複雑になる他、エネルギー損失が大きくなる。また、燃料電池モジュール内の温度を一様化する機能がなく、システム全体の効率としては改善の余地がある。
【０００６】
そこで、本発明は燃料電池モジュール内の温度を一様化でき、かつ、燃料電池の排熱を電気として効率良く回収できる発電装置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】
【０００７】
本発明は、燃料電池と、燃料電池の排熱を利用して発電するアルカリ金属熱電変換装置を備えた発電装置において、前記アルカリ金属熱電変換装置は、固体電解質層と、該固体電解質層を介してその両面に設けられた高圧側アルカリ金属室と低圧側アルカリ金属室を有し、前記高圧側アルカリ金属室内から外部に延びるヒートパイプを装着し、該ヒートパイプの熱媒蒸発部に前記燃料電池の排熱が供給されることを特徴とするヒートパイプ付き熱電変換装置を備えた発電装置である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、燃料電池モジュール内の温度を一様化でき、かつ、燃料電池の排熱を電気として効率良く回収できる発電装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施例を示した断面図である。
【図２】本発明の変形例を示した断面図である。
【図３】本発明の第二の実施例を示した断面図である。
【図４】本発明の変形例を示した断面図である。
【図５】本発明の第三の実施例を示した断面図である。
【図６】本発明の変形例を示した断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明は、燃料電池と、燃料電池の排熱を利用して発電するアルカリ金属熱電変換装置を備えた発電装置である。アルカリ金属熱電変換装置は、固体電解質層と、該固体電解質層を介してその両面に設けられた高圧側アルカリ金属室と低圧側アルカリ金属室を有しており、高圧側アルカリ金属室内から外部に延びるヒートパイプが装着され、ヒートパイプの熱媒蒸発部に燃料電池の排熱が供給される構成を有することを特徴とする。
【００１１】
燃料電池としては、固体酸化物形燃料電池，溶融炭酸塩形燃料電池などが適用でき、燃料電池セル、又は、複数個のセルを並列または直列に接続したブロック（一般にはバンドルあるいはスタックと呼ばれる。以下バンドルと呼称）で形成されたモジュールの発電室内部にヒートパイプを設置し、好ましくは、発電室と残燃料が燃焼する燃焼室の双方にヒートパイプを設置し、かつ、上記ヒートパイプの熱移送先にＡＭＴＥＣを直結する。ヒートパイプの熱媒とＡＭＴＥＣの熱媒を共用することによって、ヒートパイプとＡＭＴＥＣを直結することが可能となる。
【００１２】
さらに、燃料電池やＡＭＴＥＣで発電した電力を貯蔵する装置として高温型二次電池をこれらの発電装置に付帯させて電力を貯蔵し、電力負荷の大きい期間には燃料電池とＡＭＴＥＣの発電出力のみならず、高温型二次電池を放電してさらに電力を増大して供給する。一方、電力負荷の小さい期間には燃料電池とＡＭＴＥＣの発電出力を高温型二次電池に貯蔵する。いわゆる負荷平準化ができるシステムが可能となる。
【００１３】
これらの装置を燃料電池の断熱層内に内蔵することによってエネルギー利用率の向上も図れる。
【００１４】
なお、ヒートパイプの熱媒とＡＭＴＥＣの熱媒を共用するばかりでなく、二次電池の電池活物質とも共用することによって、ヒートパイプと熱電変換装置，二次電池を直結することが可能となる。
【００１５】
さらに、発電室内のセル温度を一様にする手段と燃焼室から発電室あるいはそれとは逆方向に必要に応じて熱移送をする手段を有する燃料電池とする。また、必要に応じて複数の直列電池間を電気絶縁する手段を備えたヒートパイプとする。
【００１６】
本発明にかかる好ましい実施形態としては、モジュールの発電室と燃焼室にまたがってヒートパイプを装着し、１）発電室のセル温度を一様化すると共に、２）セル昇温時のように燃焼室が発電室より高温の場合には燃焼室から発電室に熱移送し、３）発電時のように発電室が燃焼室より高温の場合には発電室から燃焼室に熱移送をし、セル温度を所望の温度に静定する。さらに４）ヒートパイプで熱移送された燃料電池の余剰熱を熱電変換装置に供給して発電し、５）さらに、燃料電池と熱電変換装置で発電した電力を二次電池に電力貯蔵する手段を設ける。６）なお、ヒートパイプとしてはガス入りヒートパイプ（可変コンダクタンス型ヒートパイプ）を用いてヒートパイプ機能や熱電変換機能のＯＮ，ＯＦＦスイッチングを発現させることが好ましい。
【００１７】
アルカリ金属熱電変換装置はアルカリ金属とアルカリ金属に対して伝導性をもつ固体電解質を組み合わせた直接熱電発電装置であり、高圧側のアルカリ金属の蒸気と低圧のアルカリ金属の蒸気との圧力差を駆動力として、固体電解質内のアルカリ金属イオンが移動することで発電し、４０％以上の高い熱電変換効率が得られる。
【００１８】
発電原理を簡単に説明する。基本構成要素は高圧のアルカリ金属と低圧のアルカリ金属、及び両者の隔壁となる固体電解質からなる。高圧のアルカリ金属はアルカリ金属に熱を加え、高温にすることで得られる。また、低圧のアルカリ金属はアルカリ金属の熱を除去し、低温にすることで得られる。高圧のアルカリ金属と低圧のアルカリ金属の蒸気圧、例えば、アルカリ金属としてナトリウムを選べば、５０００Ｐａ（そのときのナトリウム温度は約９００Ｋ）と０.０００２Ｐａ（同、約４００Ｋ）、その差によりアルカリ金属は駆動力をもち、固体電解質の中をイオンの形で移動する。
【００１９】
高圧側のアルカリ金属を液相とすれば、このアルカリ金属が負極となり、イオンになったアルカリ金属から放出された電子は、負極から負極リードを通じて外部の負荷に電力を供給し、正極リードを通じて低圧側のアルカリ金属側に送られる。低圧側に入った電子は、固体電解質の低圧側表面で、固体電解質内を移動してきたイオンの形のアルカリ金属と結合し、アルカリ金属を中性化する。中性化したアルカリ金属は、低圧のアルカリ金属が満たされた空間へ蒸発する。ここで、固体電解質は一般に電子伝導性を持たないので、アルカリ金属の蒸発を妨げない多孔性電極を正極として固体電解質の低圧側面に施すことで、固体電解質の低圧側面に電子伝導性を与え、アルカリ金属の中性化が可能になる。以上のように、ＡＭＴＥＣは電子の移動を伴うアルカリ金属のイオン伝導と蒸発により発電する。
【００２０】
ヒートパイプは、パイプ状の密閉容器として、円筒状のパイプの両端が閉塞されて構成されており、内部に作動媒体が封入されている。すなわち、ヒートパイプは、パイプ状の材料の両端が閉じられ、内部に長手方向空間を持ち、この空間内に熱輸送に供する作動媒体が封入されたものである。なお、後述の実施例で説明するようにヒートパイプとアルカリ金属熱電変換装置を一体とする場合に、アルカリ金属熱電変換装置の高圧側アルカリ金属室に挿入されたヒートパイプの端部を開放し、ヒートパイプと高圧側アルカリ金属室内で繋がった空間を密閉空間としたものも適用できる。
【００２１】
ヒートパイプ内の作動媒体（熱媒体）としては、ナトリウムまたはカリウム，セシウム等が用いられる。さらに、ヒートパイプの内部には、作動媒体の循環を促進させるために多孔質の部材で構成されたウイックが貼り付けられており、ウイックの毛細管現象を利用して作動媒体を循環させるようになっている。すなわち、ヒートパイプは、一端側が燃料電池の排熱によって加熱される蒸発部となり、他端側が作動媒体による熱を放熱させる凝縮部となる。蒸発部で加熱され蒸発した作動媒体が蒸発部内の領域から凝縮部内の領域に移動し、凝縮部で放熱されたあと液化され、ウイックを介して蒸発部に戻る循環流を形成するようになっている。ヒートパイプを構成するに際しては、ウイックが装着されていない重力を利用した重力還流型のヒートパイプを用いることもできる。
【００２２】
以下、これらの解決手段について、ヒートパイプの熱媒にはナトリウムを、燃料電池は固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）を、セル形状は円筒型セルを、熱電変換装置の熱媒にはナトリウムを、高温二次電池としてはナトリウム硫黄電池を例として説明する。
【００２３】
無論、ナトリウム以外の熱媒を用いたヒートパイプや、燃料電池には固体酸化物形燃料電池以外の溶融炭酸塩形燃料電池，燃料電池のセル形状は円筒型ばかりでなく、平板型，扁平円筒型，楕円形状や直方体や立方体形状，ハニカム等でも適用できる。熱電変換装置の熱媒にはカリウムやセシウム等も使用可能である。一方、二次電池についてもナトリウム硫黄電池に限らず、ナトリウム溶融塩電池等を利用しても何ら効果を損なうものではない。無論、熱利用を考慮しなければ、高温二次電池に限定する必要性はない。
【００２４】
〔実施例〕
図１に本発明の実施例であるヒートパイプ付き熱電変換装置を固体酸化物形燃料電池モジュール内に装着した発電装置の断面模式図を示す。円筒型の固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）セル４はセル内側に空気５，セル外側に燃料６が供給される。モジュール内には複数のセル４がセットされセルとセルの間にガス入り平板型ヒートパイプ７を装着した。
ガス入り平板型ヒートパイプ７は発電室８ばかりでなく、燃焼室９を貫通し、熱電変換装置１０に挿入した。熱電変換装置は、固体電解質層１１を介してその両面に設けられた高圧側アルカリ金属室と低圧側アルカリ金属室を有しており、ガス入り平板型ヒートパイプ７は高圧側アルカリ金属室内に挿入されている。ガス入り平板型ヒートパイプ７は上部にガス溜め１３を設け、内部には封入ガス１４として不活性ガスのアルゴンガスを、液化熱媒１５としてナトリウムを封入した。
【００２５】
熱電変換装置１０は固体電解質１１と液化熱媒１２と伝熱フィン１６から構成した。固体電解質１１にはベータアルミナを、液化熱媒１２としてはナトリウムを使用した。
【００２６】
なお、図１の例ではガス入り平板型ヒートパイプ７と熱電変換装置１０の熱媒は分離されており、一体化はしていない。
【００２７】
ここで、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）セル４の電池反応を示しておく。先ず、炭化水素系燃料を改質して水素を含む改質ガスを生成する方法について、炭化水素系燃料としてメタンを例にとり説明する。改質触媒上で主に（１）式の反応によりメタンと水蒸気が反応（改質反応）して水素が生成する。なお、改質触媒としては、Ｎｉ系やＲｕ系などの触媒が一般的に用いられている。
ＣＨ4＋Ｈ2Ｏ＝ＣＯ＋３Ｈ2                                          …（１）  
【００２８】
同時に、化学式（１）により反応したＣＯは、下記の（２）式で表されるＨ2Ｏとの反応（ＣＯ転化反応）により、さらに水素に変換され燃料となる。
ＣＯ＋Ｈ2Ｏ＝ＣＯ2＋Ｈ2                                            …（２）  
【００２９】
炭化水素系燃料から水素を生成する改質反応は吸熱反応であり、この反応を継続するためには熱を供給する必要があり、一般には改質触媒を４００〜８００℃程度に維持する必要がある。
【００３０】
電池反応（発電反応）は、アノード（燃料極）で生起し、下記の（３）（４）式で表され、発熱反応である。
Ｈ2＋１／２Ｏ2＝Ｈ2Ｏ                                              …（３）    ＣＯ＋１／２Ｏ2＝ＣＯ2                                             …（４）  
【００３１】
電池反応はセル４のある領域で起こるのでここを発電室１０と呼ぶ。供給した燃料６で発電に使われなかった残燃料はセル上部の仕切り板１７を出た燃焼室９で電池反応に利用されなかった空気中の酸素と反応して燃焼する。
【００３２】
使用したガス入り平板型ヒートパイプ７は発電室と燃焼室の各空間にまたがって装着され、ヒートパイプ容器の内壁にウイックを装着しているので、液化熱媒１５は毛細管力で吸い上げられ、高温になる発電室の中央高さ付近で蒸発して気化熱媒１８となる。気化熱媒１８は蒸気状態でヒートパイプ上部に運ばれ、熱電変換装置１０の内部で凝縮して発電室の高温部から熱電変換装置１０へと熱移送する。熱電変換装置１０の高圧側アルカリ金属室の内部の液化熱媒１２が昇温されて固体電解質１１に供給される。固体電解質１１を介した両者の液化熱媒１２の圧力差（濃度差）から濃淡電池を形成し発電される。
【００３３】
ヒートパイプ７の中には作動流体であるナトリウムのほかにアルゴンガスが封入されているので、封入ガス１４が存在する領域ではナトリウム蒸気のヒートパイプ容器への伝熱が阻害される。結果として発電室や燃焼室の温度が低い場合には熱電変換装置１０への熱移送が遮断され、熱電変換装置の発電は行われない。一方、発電室や燃焼室の温度が上昇すると気化熱媒１８の圧力が上昇して封入ガス１４を圧縮するため、ヒートパイプとしての機能が発揮され、熱電変換装置１０への熱移送が促進され、熱電変換装置１０での発電が可能となる。このようにガス溜め部内の不活性ガスのガス圧により、前記ヒートパイプ内の作動熱媒体の蒸気と不活性ガスとの境界面を制御することによって、熱電変換装置の起動・停止を制御することが可能となる。すなわち、ヒートパイプに設けたガス溜めはガス入り平板型ヒートパイプ７の機能と熱電変換装置１０の作動に関するスイッチング機能を果たしていることになる。このように燃料電池の温度により、熱電変換装置１０の作動のＯＮ，ＯＦＦを切り替える理由は以下である。燃料電池で効率よく発電するためには燃料電池を所定の温度領域に維持する必要がある。例えば、起動時のように燃料電池の温度が低い場合にヒートパイプから熱電変換装置に排熱を供給した場合、熱電変換装置での発電は可能となるものの、主体である燃料電池の温度が上昇しにくくなり起動時間が長くなるばかりでなく発電効率が低下し、結果的にトータルでの発電効率が低下する。そのため、起動時などの燃料電池の温度が低い場合にはヒートパイプから熱電変換装置に熱を供給せずに、燃料電池の温度が所定の温度まで上昇してから熱電変換装置に熱を供給することが発電効率の観点から好ましいためである。
【００３４】
なお、ヒートパイプ容器の外壁には電気絶縁層２３を設け、モジュール内で電位の違うセルとセルが近接した場合にもヒートパイプと周囲のセルとの電気的絶縁が可能となり、燃料電池の信頼性向上に有効となる。さらに、ヒートパイプの外周に伝熱フィン２２を設けて伝熱を促進した。燃料電池では発電面の面内方向で温度分布が生じる。一般的には発電面の上流部と下流部では温度が低く、中央部で温度が高くなる傾向にあり、図１に示した例では円筒型のセル４の軸方向に対して中央部の温度が高く、上部と下部領域が中央部よりも温度が低くなる。伝熱フィン２２は発電面の低温部に対応する領域に設けることが好ましい。
【００３５】
熱電変換装置１０の容器間を繋ぐ流路２０は発電に使用した液化熱媒１２を循環して再利用するためである。駆動源としてポンプ２１を設けた。ポンプ２１は電磁ポンプや回転式ポンプ等を使用しても良い。なお、流路２０の途中には電気絶縁材２７を組み込み熱電変換装置の両極間を電気絶縁した。
【００３６】
熱電変換装置１０の固体電解質１１の両面には電流を取り出すための電極を設けた。ここでの発電を発電２として示した。燃料電池での発電は発電１として示す。発電１が高温側であり、発電２は発電１に比べて低温側であるため、発電１をトッピング、発電２をボトミングと呼ぶ。
【００３７】
本実施例の発電装置によれば、熱電変換装置が高温の燃料電池モジュール内に装着されるため、単独設置した場合に比べ、熱ロスを軽減できる。また、モジュール内に構成される多数のセルの温度をヒートパイプにより一様にでき、セルの発電性能を高めることができる。さらにセル昇温時にはヒートパイプにより温度の高い燃焼室から発電室へ熱を移送し、セルの昇温速度を速められる。一方、高出力運転時のようにセル温度が高く成り過ぎる場合には発電室からヒートパイプにより熱電変換装置へ熱を逃がしてセル温度を適温にする。セルが異常発熱した場合にも同様、熱電変換装置へ熱を逃がしてセルやモジュールの安全性を確保することができる。また、ヒートパイプに設けたガス溜め機構によって燃料電池の昇温時やホットスタンバイ時のようにモジュールからの放熱を防止したい場合にはヒートパイプの熱移送機能を遮断できる制御機構が機能し、不必要な放熱を防止すると共に、セルの昇温速度を速めることができる。この際、ヒートパイプの熱移送機能の遮断と共に、熱電変換装置の機能も停止することも選択できる。
【００３８】
図２は本発明の変形例であり、熱電変換装置１０の容器に高低差をつけて液化熱媒１２の循環駆動源としてポンプ等を使用せず、重力差及び毛細管力を使用したものである。他の構成は図１と同様である。図２の変形例では循環駆動源としてポンプ等の補器を省力でき、システム効率を向上することができる。
【００３９】
図３は本発明の第二の実施例である。本実施例は図１に示した実施例のガス入り平板型ヒートパイプ７の熱媒と熱電変換装置１０の熱媒を共用したもので両者が一体化した構造とした。ガス入り平板型ヒートパイプ７の一端側が熱電変換装置１０の高圧側アルカリ金属室に接続され、ガス入り平板型ヒートパイプ７と高圧側アルカリ金属室が連通した構造である。
【００４０】
ガス入り平板型ヒートパイプ７のガス溜め部は熱電変換装置１０の高圧側アルカリ金属室の上部に設け、低温ではヒートパイプから熱電変換装置１０への熱移送を遮断する構成としている。無論、熱電変換装置１０のみを単独でも可動したい場合にはガス溜め中のガス量の調整または熱電変換装置１０の容器サイズの調整を図れば良い。
【００４１】
本実施例では、ヒートパイプ容器の液化熱媒１５が蒸発して気化熱媒１８となり、蒸気状態でヒートパイプ上部に運ばれ、熱電変換装置１０の固体電解質１１に供給される。固体電解質１１を介した両者の液化熱媒１２の圧力差（濃度差）から濃淡電池を形成し発電される。
【００４２】
燃料電池を長期間作動させ場合には、ガス入り平板型ヒートパイプ７の液化熱媒１５と熱電変換装置１０の液化熱媒１２を循環供給することが好ましい。または、ガス入り平板型ヒートパイプ７や熱電変換装置１０を単独で稼動させたい場合、あるいは、熱電変換装置１０での発電量をガス入り平板型ヒートパイプ７から供給される熱媒量より増大させたい場合に対応できるように、両者の運転状態とは独立に熱媒を循環供給できる手段を設けた。
【００４３】
熱媒の駆動源としてはポンプ２１を使うことも有効であるが、落差による重力利用または、毛細管力を利用することが可能である。
【００４４】
本実施例では、ヒートパイプと熱電変換装置の熱媒を同一物質にして共用することにより、これらの使用量の削減や利便性を高めることができる。
【００４５】
図４は本発明の変形例である。図３に示した熱電変換装置１０を簡略化することを目的として熱媒循環流路の別置きを削除したものである。ヒートパイプとしても平板型ヒートパイプ２４とした。ヒートパイプに必要な熱媒を熱電変換装置１０から戻す場合には固体電解質１１に発電時と逆バイアスを掛ければ良い。無論ヒートパイプをガス溜め付きとすることは可能である。
【００４６】
図５は本発明の第三の実施例である。ヒートパイプ付き熱電変換装置１０にさらに二次電池２５を装着したものである。二次電池は好ましくは高温二次電池であり、かつ電池活物質がヒートパイプや熱電変換装置の熱媒と共用できることが好ましい。
【００４７】
ここではナトリウム硫黄電池を例に説明する。ナトリウム硫黄電池は、負極活物質にナトリウム、正極活物質に硫黄、及び多硫化ナトリウムが用いられ、正極と負極の隔壁にナトリウムイオンに導電性がある固体電解質が用いられる高温型二次電池である。ナトリウムイオンに導電性がある固体電解質としては、ベータアルミナが用いられ、袋管を用いる場合が多い。一般に、ナトリウムイオンに導電性がある固体電解質とナトリウム，硫黄及び多硫化ナトリウムを収納する１つの容器から１つの電池が構成される。これを単電池と呼ぶ。大電力を蓄えるには、通常多数本の単電池を直並列に接続して用いられる。
【００４８】
ナトリウム硫黄電池の放電反応は次式で示せる。
正極側：ｘＳ＋２Ｎａ+＋２ｅ-→Ｎａ２Ｓｘ（ｘ＝３〜５）
負極側：２Ｎａ→２Ｎａ+＋２ｅ-
全反応：２Ｎａ＋ｘＳ→Ｎａ２Ｓｘ
【００４９】
充電反応は上式の逆反応である。
【００５０】
このようにナトリウム硫黄電池の電池活物質は、ナトリウムと硫黄および多硫化ナトリウムであり、ヒートパイプ及び熱電変換装置の熱媒とナトリウム硫黄電池の電池活物質にナトリウムが共用できる。ナトリウム硫黄電池は３００℃〜３５０℃で充放電運転するので余熱と保温が必要となる。燃料電池と一体化することにより、予熱のエネルギーと保温のエネルギーは供給されるので、一般に言われているナトリウム硫黄電池の放熱ロス３％〜５％が削減できる。従って、エネルギー変換効率をその分上昇できることになる。
【００５１】
本実施例では、図３と同様にガス入り平板型ヒートパイプ７の熱媒と熱電変換装置１０の熱媒を共用したもので両者が一体化した構造とした。さらに、熱電変換装置１０とナトリウム硫黄電池を一体化した構造とした。本実施例では熱電変換装置１０の低圧側アルカリ金属室とナトリウム硫黄電池とを固体電解質層を介して接続した構成とし、低圧側アルカリ金属室にナトリウム硫黄電池の負極としての機能を持たせることで一体化している。
すなわち、低圧側アルカリ金属室に熱媒として存在するナトリウムを負極活物質としてナトリウム硫黄電池の固体電解質膜に供給するものである。
【００５２】
ナトリウム硫黄電池への電池活物質供給や熱電変換装置とヒートパイプへの液化熱媒の供給は外部流路２０並びにポンプ２１を設けた。従って、ナトリウム硫黄電池をヒートパイプの熱移送量に関係なく、放電することも可能となる。ナトリウム硫黄電池の放電は発電３と呼ぶ。
【００５３】
結果として、燃料電池の発電量と熱電変換装置の発電量とは独立にナトリウム硫黄電池の放電や充電ができ、燃料電池と熱電変換装置の電力供給よりも大きな電力を供給できるシステムとなる。また、電力貯蔵も可能となるため、負荷平準化等の用途にも最適である。
【００５４】
また、ヒートパイプや熱電変換装置の熱媒と二次電池の電池活物質を同一物質にして共用することにより、これらの使用量の削減や利便性を高めることができる。
【００５５】
図６は本発明の変形例である。図６は図５に比べ、外部循環流路を削減したものであり、熱電変換装置が可動していればヒートパイプにもナトリウム硫黄電池にも熱媒あるいは電池活物質であるナトリウムが供給でき、図５に比べ遜色なくシステムとして機能でき、かつ、簡便な構造とすることができる。
【００５６】
以上の実施例では、ヒートパイプを平板型で説明したがヒートパイプの形状は円筒型や直方体等その他の形状であっても一向に差し支えない。
【００５７】
また、実施形態を円筒型セルの外周がアノードとなる電池構造で説明したが、本発明は外周がカソードとなる電池構造であっても同様の効果を得ることができる。
【００５８】
本実施形態は円筒形状として袋管に例を取って説明したが、底のない開放された円筒形状でも一向にその効果を損なうものでない。
【００５９】
また、セル形状は円筒形状に係わらず、平板型形状，扁平円筒形状，楕円形状や直方体や立方体形状，ハニカム形状等のセルにも適用でき同様の効果が得られるので円筒形状に限定されるものでない。
【００６０】
本実施形態の燃料電池では、可変コンダクタンス型ヒートパイプを発電室と燃料室を貫通して設置することにより、両室の熱移送を円滑にしてセル起動時，通常発電時，異常時等の各モードでモジュール内を均熱化でき、電池性能を向上できると共にモジュールの安全性を確保できる。
【００６１】
熱電変換装置としてはアルカリ金属熱電変換装置を用い、ナトリウムを熱媒としたが、カリウムやセシウム等を用いても一向に効果を損なうものでない。
【００６２】
二次電池としてはナトリウム硫黄電池を例に説明したが、ナトリウムニッケル塩化物溶融塩電池等のナトリウム溶融電池であれば、電池活物質と熱媒を共用できる。無論、高温電池であれば、温度維持の熱源を燃料電池から貰えるため好ましい。なお、一般の二次電池であっても一向に差し支えない。
【符号の説明】
【００６３】
１  発電１
２  発電２
３  発電３
４  固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）セル４
５  空気
６  燃料
７  ガス入り平板型ヒートパイプ
８  発電室
９  燃焼室
１０  熱電変換装置
１１  固体電解質
１２，１５  液化熱媒
１３  ガス溜め
１４  封入ガス
１６  伝熱フィン
１７  仕切り板
１８  気化熱媒
１９，２３  電気絶縁層
２０  流路
２１  ポンプ
２２  伝熱フィン
２４  平板型ヒートパイプ
２５  二次電池
２６  硫黄，多硫化ナトリウム
２７  電気絶縁材
【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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