(57)【要約】【課題】燃料ガスを内部改質する高温作動型の固体酸化物形燃料電池において、熱応力による耐久性の低下を防ぐと共に、発電性能の低下を軽減することが可能な固体酸化物形燃料電池を提供する。【解決手段】カソード電極１０２と、アノード電極１０４と、カソード電極１０２とアノード電極１０４との間に配置された固体電解質１０３と、燃料ガスが流れる燃料ガス流路１０７とを備える固体酸化物形燃料電池において、多孔体で構成された多孔質層１０５がアノード電極１０４に隣接して設けられ、燃料ガスを改質する改質反応層１０６が多孔質層１０５に隣接して設けられ、燃料ガス流路１０７は、改質反応層１０６に隣接して設けられる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソード電極と、アノード電極と、前記カソード電極と前記アノード電極との間に配置された固体電解質と、燃料ガスが流れる燃料ガス流路とを備える固体酸化物形燃料電池において、
多孔体で構成された多孔質層が前記アノード電極に隣接して設けられ、
前記燃料ガスを改質する改質反応層が前記多孔質層に隣接して設けられ、
前記燃料ガス流路は、前記改質反応層に隣接して設けられることを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の固体酸化物形燃料電池において、
前記固体電解質は円筒形であり、
前記カソード電極は前記固体電解質の外面に設けられ、
前記アノード電極は、前記固体電解質の内面に設けられ、
前記多孔質層は、前記アノード電極の内側に設けられ、
前記改質反応層は、前記多孔質層の内側に設けられ、
前記燃料ガス流路は、前記改質反応層の内側に設けられる固体酸化物形燃料電池。
【請求項３】
請求項１記載の固体酸化物形燃料電池において、
前記多孔質層は、窒化ケイ素、炭化ケイ素、ジルコニア、アルミナ、ムライト、及びコーディエライトからなる群から選ばれた１つで構成され、気孔率が３０％以上であり、厚さが１００μｍ以上である固体酸化物形燃料電池。
【請求項４】
請求項２記載の固体酸化物形燃料電池において、
前記燃料ガス流路は、前記固体酸化物形燃料電池の長さ方向に垂直な断面が星型の形状である固体酸化物形燃料電池。
【請求項５】
請求項２記載の固体酸化物形燃料電池において、
前記燃料ガス流路を複数備え、
複数の前記燃料ガス流路は、それぞれが前記改質反応層で囲まれ、前記多孔質層の内部に散在する固体酸化物形燃料電池。
【請求項６】
請求項２記載の固体酸化物形燃料電池において、
前記燃料ガス流路は、前記固体酸化物形燃料電池の長さ方向の位置により、前記固体酸化物形燃料電池の長さ方向に垂直な断面積が変化する固体酸化物形燃料電池。
【請求項７】
請求項４記載の固体酸化物形燃料電池において、
前記断面が星型の形状である前記燃料ガス流路は、前記固体酸化物形燃料電池の長さ方向の位置により、前記星型の形状が変化する固体酸化物形燃料電池。
【請求項８】
請求項５記載の固体酸化物形燃料電池において、
前記燃料ガス流路は、前記固体酸化物形燃料電池の長さ方向の位置により、数が変化する固体酸化物形燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体電解質を有する燃料電池に関し、特に固体酸化物形燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電解質を挟んでアノード（燃料極）及びカソード（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（ＳＯＦＣ）は、発電効率が高く、６００〜１０００℃の高温で作動する燃料電池であるため、電池の内部で燃料の改質反応ができるという特徴がある。このため、内部改質により燃料の多様化が図れ、他の燃料電池に比べコスト低減のポテンシャルを持つ。
【０００３】
高温作動型燃料電池において、燃料にメタンを用いて電池（セル）の内部で行う燃料の改質反応は、式（１）で示すように反応速度が速い吸熱反応であり、アノード電極における電気化学反応は、式（２）で示す発熱反応である。
【０００４】
ＣＨ４＋２Ｈ２Ｏ→４Ｈ２＋２ＣＯ２＋１６５ｋＪ／ｍｏｌ          （１）
Ｈ２＋１／２Ｏ２→Ｈ２Ｏ‐２４２ｋＪ／ｍｏｌ                    （２）
このため、セル内部で局所的に温度勾配が発生し、熱応力による障害が起こる危惧がある。また、水蒸気改質反応によるメタンからの水素生成プロセスにおいては、式（３）に示す脱水素重結合により炭素が生成されて析出する場合がある。炭素の析出は、アノード電極での触媒活性の低下や燃料ガスの輸送経路の閉塞の原因となり、セルの性能低下を招く。
【０００５】
ＣＨ４＋ＣＨ４→４Ｈ２＋２Ｃ        （３）
高温作動型燃料電池における内部改質の従来技術として、特許文献１と特許文献２には、アノード電極上に改質反応を担当する専用の多孔質改質触媒層を設ける燃料電池が開示されている。また、特許文献３と特許文献４には、燃料ガスをアノード電極層に供給する案内管の内部に改質反応を行う触媒層を設け、案内管の内部で改質反応を行わせる燃料電池が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−０３５５０７号公報
【特許文献２】特開２００３−０８６２２６号公報
【特許文献３】特開２００８−１０８６４７号公報
【特許文献４】特開２００６−３３２０２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
案内管の内部で改質反応を行わせる燃料電池は、円筒セルの内部に、燃料ガスをアノード電極層に供給する案内管を設置するため、円筒セルの径が大きくなる。この結果、電流パスの増長によりオーミック損失が拡大するので、発電性能に課題がある。さらに、円筒セルの体積が増加するので、体積出力密度を向上させるのが困難である。
【０００８】
一方、アノード電極上に改質反応を担当する専用の多孔質改質触媒層を設ける燃料電池は、円筒セルが、燃料ガス流路、多孔質改質触媒層、アノード電極、電解質、カソード電極の順に構成され、コンパクトに作成することが可能であり、電流パスの増長によるオーミック損失の拡大の防止や体積出力密度の向上も可能である。しかし、アノード電極と多孔質改質触媒層が隣接しているため、アノード電極近傍での改質反応に伴う大きな吸熱作用により局所的な温度勾配が生じ、アノード電極と電解質は熱応力による機械的ダメージを受ける。また、改質反応に伴う局所的な吸熱作用により、アノード電極では、温度が降下して電極反応の過電圧が上昇するので、電極反応に必要なエネルギーが増えて性能低下の要因となる。さらに、アノード電極と隣接している多孔質改質触媒層では改質反応に伴い炭素が析出し、析出した炭素は、電極近傍への燃料ガスの輸送経路の閉塞及び電極反応の活性の低下を誘発するので、セルの発電性能が低下する恐れがある。
【０００９】
以上説明したように、燃料ガスを内部改質する従来の高温作動型の燃料電池は、熱応力による耐久性の低下、及び発電性能の低下という課題を持つ。
【００１０】
本発明の目的は、燃料ガスを内部改質する高温作動型の固体酸化物形燃料電池において、熱応力による耐久性の低下を防ぐと共に、発電性能の低下を軽減することが可能な固体酸化物形燃料電池を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明による固体酸化物形燃料電池は、カソード電極と、アノード電極と、前記カソード電極と前記アノード電極との間に配置された固体電解質と、燃料ガスが流れる燃料ガス流路とを備える固体酸化物形燃料電池において、多孔体で構成された多孔質層が前記アノード電極に隣接して設けられ、前記燃料ガスを改質する改質反応層が前記多孔質層に隣接して設けられ、前記燃料ガス流路は、前記改質反応層に隣接して設けられることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によると、燃料ガスを内部改質する高温作動型の固体酸化物形燃料電池において、熱応力による耐久性の低下を防ぐと共に、発電性能の低下を軽減することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施例による固体酸化物形燃料電池の部分断面図。
【図２】本発明の実施例による固体酸化物形燃料電池の模式図であり、円筒形セルの横断面を示す図。
【図３】本発明の別の実施例による固体酸化物形燃料電池の模式図であり、円筒形セルの横断面を示す図。
【図４】本発明のさらに別の実施例による固体酸化物形燃料電池の模式図であり、円筒形セルの横断面を示す図。
【図５】従来技術による円筒形の燃料電池のシミュレーション解析モデルを示す図であり、燃料電池の長さ方向に垂直な断面を示す図。
【図６】本実施例による円筒形の燃料電池のシミュレーション解析モデルを示す図であり、燃料電池の長さ方向に垂直な断面を示す図。
【図７】シミュレーション解析の解析条件を示す表。
【図８】シミュレーション解析の解析結果を示す図であり、円筒形の燃料電池セルの長さ方向に垂直な断面の温度分布を示す図。
【図９】従来技術による燃料電池セルと本実施例による燃料電池セルについて、長さ方向に垂直な断面における温度分布を示すグラフ。
【図１０Ａ】燃料電池セルの燃料ガス流路の流路形状の一例を示す図。
【図１０Ｂ】燃料ガス流路の流路形状が図１０Ａに示した流路形状１００９である円筒形の燃料電池セルの横断面図。
【図１１Ａ】燃料電池セルの燃料ガス流路の流路形状の別の一例を示す図。
【図１１Ｂ】燃料ガス流路の流路形状が図１１Ａに示した流路形状１０１０である円筒形の燃料電池セルの横断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明による固体酸化物形燃料電池は、燃料ガスを内部改質する高温作動型の燃料電池であり、内部改質反応に伴う吸熱作用によって生じる熱応力による、電極剥離や固体電解質の亀裂などの機械的ダメージを低減することができる。さらに、吸熱作用によって生じる局所的な電極の温度低下を防ぐことができるので、この温度低下によって生じる電極反応過電圧の上昇を防ぎ、燃料電池の性能低下を抑制することができる。さらに、内部改質反応に伴う炭素の析出による、電極触媒の活性の低下や電極への燃料ガスの輸送経路の閉塞による発電性能の低下を抑制することができる。従って、本発明による固体酸化物形燃料電池は、熱応力による耐久性の低下を防ぐと共に、発電性能の低下を軽減することが可能である。
【００１５】
本発明による固体酸化物形燃料電池では、電極（アノード）に隣接させて多孔質層を設け、多孔質層に隣接させて改質反応層を設ける。このため、セルが円筒状の場合には、セルの内部に改質反応層を設けた案内管を導入する必要がなく、セルの径が大きくならないので、コンパクトなセルを作成することができる。
【００１６】
また、アノード電極と改質反応層との間に多孔質層を設けるので、発熱反応を起こすアノード電極と吸熱反応を起こす改質反応層とを隔離し、両者の間に距離を設けることができる。このため、発熱作用と吸熱作用による局所的な温度勾配を緩和することができ、熱応力による機械的ダメージが生じても、多孔質層が緩衝層となってこのダメージを吸収するので、熱応力による電極剥離及び固体電解質の亀裂を抑止することができる。
【００１７】
また、改質反応により生成される炭素は、多孔質層がフィルターの役目を果たすので、アノード電極層への析出を抑制することができる。このため、内部改質反応に伴う炭素の析出によって、アノード電極層での触媒活性の低下や燃料ガスの輸送経路の閉塞を防止することができる。
【００１８】
以下、本発明の実施例による固体酸化物形燃料電池を、図面を参照して説明する。
【００１９】
図１は、本発明の実施例による固体酸化物形燃料電池の部分断面図である。本実施例による固体酸化物形燃料電池は、カソード電極１０２、固体電解質１０３、アノード電極１０４、多孔質層１０５、改質反応層１０６、及び燃料ガス流路１０７を備える。図１に示すように、燃料ガス流路１０７の上に改質反応層１０６が配置され、改質反応層１０６の上に多孔質層１０５が配置され、多孔質層１０５の上にアノード電極１０４が配置され、アノード電極１０４の上に固体電解質１０３が配置され、固体電解質１０３の上にカソード電極１０２が配置される。固体電解質１０３は、カソード電極１０２とアノード電極１０４に挟まれる。本実施例による固体酸化物形燃料電池は、アノード電極１０４と改質反応層１０６との間に、多孔質層１０５が配置されているのが特徴である。
【００２０】
燃料ガス流路１０７は、多孔質層であってもよい。材料としては、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、ジルコニア（ＺｒＯ２）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、ムライト（３Ａｌ２Ｏ３・ＳｉＯ２）、コーディエライト（２ＭｇＯ・２Ａｌ２Ｏ３・５ＳｉＯ２）などの耐熱衝撃性に優れたファインセラミックスで、気孔率が３０％以上のものが望ましい。支持体としての強度を持つためには、気孔率は３０％〜９５％が望ましい。
【００２１】
改質反応層１０６は、水蒸気改質触媒を含む多孔体で構成され、式（１）に示した改質反応に従って燃料ガスを改質する。多孔体には、燃料ガス流路１０７と同様のファインセラミックス製の多孔質材、多孔質サーメット材、または多孔質フィルムを用いることができる。水蒸気改質触媒には、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、バナジウム、ニッケル、またはこれらの合金を用いることができる。改質反応層１０６は、気孔率が３０％以上であり、厚さが５０μｍ以上であるのが好ましい。強度を考慮すると、気孔率は３０％〜９５％が望ましい。
【００２２】
多孔質層１０５は、水蒸気改質触媒を含まない多孔体で構成される。多孔体には、燃料ガス流路１０７と同様に、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、ジルコニア（ＺｒＯ２）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、ムライト（３Ａｌ２Ｏ３・ＳｉＯ２）、コーディエライト（２ＭｇＯ・２Ａｌ２Ｏ３・５ＳｉＯ２）などの耐熱衝撃性に優れたファインセラミックスを用いることができる。また、多孔質サーメット材も用いることができる。多孔体には、熱伝導性の小さいジルコニア（ＺｒＯ２）や窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）を主体としたものが望ましい。
【００２３】
多孔質層１０５の気孔率は、燃料ガスの拡散性、強度、及び電気抵抗を考慮すると、３０％以上が望ましい。特に支持体としての強度を持つためには、３０％〜９５％が望ましい。
【００２４】
多孔質層１０５の厚さは、アノード電極１０４の厚さの１０倍以上とすると、アノード電極１０４と改質反応層１０６とを隔離する効果（緩衝層及びフィルターとしての効果）が得られる。電気抵抗を小さくするためにアノード電極１０４の厚さを１０μｍ程度まで薄くすることがあるので、多孔質層１０５の厚さは、１００μｍ以上が望ましい。多孔質層１０５の厚さの上限値は、燃料電池の仕様に応じて定めることができる。
【００２５】
このように、多孔質層１０５に１００μｍ以上の厚さを持たせることで、改質反応層１０６とアノード電極１０４とを隔離し、両者の間に距離を設けることができる。これにより、改質反応層１０６での吸熱作用の影響がアノード電極１０４に直接及ぶのを防ぎ、局所的な温度勾配による熱応力で発生するアノード電極１０４の剥離及び固体電解質１０３の亀裂を抑止することができる。また、アノード電極１０４と改質反応層１０６の間に多孔質層１０５を設けたので、改質反応層１０６における炭素の析出により生じる悪影響、すなわち、アノード電極１０４での触媒活性の低下や燃料ガスの輸送経路の閉塞などを防止することができる。
【００２６】
図２は、本発明の実施例による固体酸化物形燃料電池の模式図であり、円筒形セルの横断面を示す図である。本実施例では、一例として、円筒形セルの燃料電池を示している。本実施例による固体酸化物形燃料電池は、任意の形状を取ることができ、例えば、平板形状、円筒形状、扁平円筒形状（楕円形状も含む）、直方体形状、または立方体形状であってもよい。本実施例による固体酸化物形燃料電池は、アノード電極と改質反応層との間に多孔質層が配置されているのが特徴であり、セルの形状には依らずに効果を発揮する。
【００２７】
また、セルが円筒形状や扁平円筒形状の場合には、円筒形や扁平円筒形の固体電解質の内面と外面に電極が配置されているものとする。アノードは、固体電解質の内面と外面のうちいずれか一方に配置し、カソードは他方に配置する。アノードを固体電解質の内面と外面のどちらに配置するかは、任意に選択することができる。本実施例では、図２に示すように、固体電解質の内面にアノードを備え、外面にカソードを備える固体酸化物形燃料電池（燃料電池セル）について説明する。
【００２８】
図２において、燃料電池セル２００は、円筒形の固体電解質２０３を有し、固体電解質２０３の外面にカソード電極２０２を備え、固体電解質２０３の内面にアノード電極２０４を備える。アノード電極２０４の内側には、アノード電極２０４に隣接して多孔質層２０５が配置される。多孔質層２０５の内側には、多孔質層２０５に隣接して改質反応層２０６が配置される。改質反応層２０６の内側には、改質反応層２０６に隣接して燃料ガス流路２０７が配置される。燃料ガス流路２０７は、円筒形で、燃料電池セル２００の径方向の中央部に存在する。また、燃料電池セル２００には、アノード電極２０４の電流を外部に取り出すためのインターコネクタ２０１が設けられている。インターコネクタ２０１は、アノード電極２０４と電気的に接続する。燃料ガスは、燃料ガス流路２０７を流れ、酸化剤ガスは、カソード電極２０２に沿って燃料電池セル２００の外周を流れる。
【００２９】
燃料ガスには、例えば天然ガスを用いることができる。天然ガスは、主成分としてメタンと水蒸気を含む混合ガスである。改質反応層２０６では、式（１）に示した水蒸気改質反応により、燃料ガス流路２０７を流れる燃料ガスから水素と二酸化炭素が生成される。生成された水素は、多孔質層２０５を経由してアノード電極２０４に供給される。アノード電極２０４では、式（２）に示した電気化学反応により、電気エネルギーが生成される。
【００３０】
本実施例による固体酸化物形燃料電池は、アノード電極２０４と改質反応層２０６との間に、多孔質層２０５が配置されていることが特徴である。多孔質層２０５は、式（１）に示した水蒸気改質反応の吸熱作用がアノード電極２０４と固体電解質２０３に伝わるのを抑制する。従って、多孔質層２０５は、アノード電極２０４及び固体電解質２０３が熱応力によって機械的ダメージを受けるのを防止することができる。また、多孔質層２０５は、フィルターの役目を果たし、改質反応により生成された炭素がアノード電極２０４へ析出するのを抑制することができる。従って、多孔質層２０５は、改質反応に伴う炭素の析出によって、電極触媒の活性が低下することや電極への燃料ガスの輸送経路が閉塞することで発電性能が低下するのを抑制することができる。
【００３１】
本実施例では、円筒形の燃料電池セル２００の概寸は、直径１６ｍｍ、長さ８００ｍｍとし、発電面積を２５２ｃｍ２とした。
【００３２】
燃料ガス流路２０７には、支持基板としての強度を持たせるため、窒化ケイ素セラミックス多孔体を用いた。燃料ガス流路２０７としての窒化ケイ素セラミックス多孔体は、次のようにして作製した。窒化ケイ素セラミックス粉末に焼結助剤を添加して混合し、この混合物に焼却可能な短繊維の気孔形成材の粉体を加えて水系泥しょう鋳込みにより成型体を作製し、この成型体を不活性ガス下で加熱することで分散した短繊維を焼却し除去して、窒化ケイ素セラミックス多孔体を得た。作製した窒化ケイ素セラミックス多孔体は、繊維状の貫通気孔を有し、気孔率が８５％で直径が４ｍｍである。
【００３３】
改質反応層２０６は、燃料ガス流路２０７の周囲に、気孔率が６０％で厚さが０．５ｍｍのＮｉ−ＹＳＺサーメットの多孔質層を形成することで作製した。
【００３４】
多孔質層２０５は、改質反応層２０６の周囲に、気孔率が８５％で厚さが４．５ｍｍの窒化ケイ素セラミックス多孔体を形成することで作製した。多孔質層２０５としての窒化ケイ素セラミックス多孔体は、次のようにして作製した。窒化ケイ素セラミックス粉末に焼結助剤を添加して混合し、この混合物に焼却可能な短繊維の気孔形成材のスラリーを塗布し、不活性ガス下で加熱することで分散した短繊維を焼却し除去して、窒化ケイ素セラミックス多孔体を得た。
【００３５】
アノード電極２０４には、ニッケルとＹＳＺからなる厚さ４９５μｍの多孔質サーメットを用いた。
【００３６】
固体電解質２０３は、アノード電極２０４の周囲に、厚さ１０μｍの層を形成して作製した。固体電解質２０３の材質は、例えば、イットリウム安定化ジルコニア（ＹＳＺ）を用いることができる。
【００３７】
カソード電極２０２には、厚さ４９５μｍのランタンマンガネイトを用いた。
【００３８】
インターコネクタ２０１には、ランタンクロマイドを用いた。
【００３９】
図３は、本発明の別の実施例による固体酸化物形燃料電池の模式図であり、円筒形セルの横断面を示す図である。本実施例による燃料電池セル３００は、図２に示した燃料電池セル２００と同様に、燃料ガス流路３０７、改質反応層３０６、多孔質層２０５、アノード電極２０４、固体電解質２０３、カソード電極２０２、及びインターコネクタ２０１を備える。燃料電池セル３００の多孔質層２０５、アノード電極２０４、固体電解質２０３、カソード電極２０２、及びインターコネクタ２０１は、図２に示した燃料電池セル２００のものと同一のまたは対応するものなので、説明を省略する。以下では、燃料ガス流路３０７、及び改質反応層３０６について説明する。
【００４０】
本実施例による燃料電池セル３００では、燃料ガス流路３０７は、長さ方向に垂直な断面が星型の形状を持つ。すなわち、燃料ガス流路３０７の長さ方向に垂直な断面の形状（流路形状）は、放射状に突出した突起部を持つ多角形（星型）である。改質反応層３０６も、燃料ガス流路３０７の流路形状に合わせて、長さ方向に垂直な断面の内周と外周が星型の形状である。燃料ガス流路３０７と改質反応層３０６をこのような形状にすることにより、改質反応層３０６の反応面積を大きくすることができる。
【００４１】
式（１）に示した水蒸気改質反応の反応速度（単位はＭｏｌ／ｓｅｃ）は、改質反応層３０６の反応面積、及び燃料ガス流路３０７を流れる燃料ガスの流速に依存する。燃料ガス流路３０７を流れる燃料ガスの流速は、燃料ガス流路３０７の長さ方向に垂直な断面積（流路断面積）に依存する。そこで、燃料ガス流路３０７の流路形状と改質反応層３０６の内周の形状を変えることにより、改質反応層３０６の反応面積、及び燃料ガス流路３０７の流路断面積を調整し、水蒸気改質反応の反応速度を制御することができる。
【００４２】
以下、燃料ガス流路と改質反応層の形状を変えることにより、式（１）に示した水蒸気改質反応の反応速度を制御する例を説明する。
【００４３】
図１０Ａは、燃料電池セル３００の燃料ガス流路３０７の流路形状の一例を示す図である。図１０Ａの上図に示した流路形状１００８は、図３に示した燃料ガス流路３０７の流路形状と同じ形状である。この流路形状１００８の凹部を突起部（図中の点線で示している）にして、燃料ガス流路３０７の流路形状を図１０Ａの下図に示した流路形状１００９に変えることで、改質反応層３０６の反応面積を変えることなく、燃料ガス流路３０７の流路断面積を大きくすることができる。
【００４４】
図１０Ｂは、燃料ガス流路１００７の流路形状が図１０Ａに示した流路形状１００９である円筒形の燃料電池セル１０００の横断面図である。図１０Ｂにおいて、図３と同一の符号は、図３と同一のまたは対応する要素を示し、説明を省略する。燃料電池セル１０００の改質反応層１００６の内周と外周の形状は、燃料ガス流路１００７の流路形状１００９に合わせた星型の形状である。
【００４５】
燃料電池セル１０００において、改質反応層１００６の反応面積は変わらない。燃料ガス流路１００７の流路断面積は、図３に示した燃料電池セル３００の燃料ガス流路３０７に比べて大きいので、燃料ガスの流速が遅くなり、燃料ガスが改質反応層１００６と接触する時間が長くなる、従って、燃料ガス流路１００７に流路形状１００９を用いると、図３の燃料電池セル３００に比べて、改質反応層１００６で水蒸気改質反応が多く行われ、反応速度を速くすることができる。
【００４６】
図１１Ａは、燃料電池セル３００の燃料ガス流路３０７の流路形状の別の一例を示す図である。図１１Ａの上図に示した流路形状１００８は、図３に示した燃料ガス流路３０７の流路形状と同じ形状である。この流路形状１００８の突起部を長くし（図中の点線で示している）、燃料ガス流路３０７の流路形状を図１１Ａの下図に示した流路形状１０１０に変えることで、改質反応層３０６の反応面積を増やすことができる。
【００４７】
図１１Ｂは、燃料ガス流路１１０７の流路形状が図１１Ａに示した流路形状１０１０である円筒形の燃料電池セル１１００の横断面図である。図１１Ｂにおいて、図３と同一の符号は、図３と同一のまたは対応する要素を示し、説明を省略する。燃料電池セル１１００の改質反応層１１０６の内周と外周の形状は、燃料ガス流路１１０７の流路形状１０１０に合わせた星型の形状である。
【００４８】
燃料電池セル１１００において、改質反応層１１０６の反応面積は、図３に示した燃料電池セル３００の改質反応層３０６に比べて大きいので、改質反応層１１０６と接触する燃料ガスのガス容量が多くなる。従って、燃料ガス流路１１０７に流路形状１０１０を用いると、図３の燃料電池セル３００に比べて、改質反応層１００６で水蒸気改質反応が多く行われ、反応速度を速くすることができる。
【００４９】
このように、本実施例による燃料電池では、燃料ガス流路と改質反応層の形状を変えることで、燃料ガスの流速や改質反応層の反応面積を調整することができ、式（１）に示した水蒸気改質反応の反応速度を制御することができる。
【００５０】
また、燃料ガスの流速は、燃料ガス流路の流路形状を変えなくても、燃料ガス流路の流路断面積を変えることで調整することができる。例えば、図２に示した燃料電池セル２００の燃料ガス流路２０７の径を大きくすると、燃料ガスの流速が遅くなり、燃料ガスが改質反応層２０６と接触する時間が長くなる、従って、燃料ガス流路２０７の径を大きくして流路断面積を増やすと、改質反応層２０６で水蒸気改質反応が多く行われ、反応速度を速くすることができる。
【００５１】
図４は、本発明のさらに別の実施例による固体酸化物形燃料電池の模式図であり、円筒形セルの横断面を示す図である。図４において、図２と同一の符号は、図２と同一のまたは対応する要素を示し、説明を省略する。本実施例による燃料電池セル４００は、燃料ガス流路４０７を複数備え、それぞれの燃料ガス流路４０７は改質反応層４０６で囲まれる。改質反応層４０６で囲まれた複数の燃料ガス流路４０７は、多孔質層２０５の内部で分散させて配置する。従って、複数の燃料ガス流路４０７は、燃料電池セル４００の内部に散在する。
【００５２】
このように、改質反応層４０６で囲まれた複数の燃料ガス流路４０７を燃料電池セル４００の内部に散在させることで、燃料ガスの流れの不均一や電極反応の不均一を抑制することができる。改質反応層４０６で囲まれた燃料ガス流路４０７の個数と配置は、燃料電池セル４００の仕様に応じて任意に定めることができる。ただし、燃料ガスの流れや電極反応の不均一を抑制するという観点からは、燃料ガス流路４０７を、燃料電池セル４００の中心軸に対して対称的に配置するのが好ましい。
【００５３】
また、複数の燃料ガス流路４０７を燃料電池セル４００の内部に散在させる場合でも、燃料ガス流路４０７と改質反応層４０６の形状を、図３、図１０Ｂ、及び図１１Ｂに示したように、円筒形以外の形状にすることもできる。それぞれの燃料ガス流路４０７と改質反応層４０６の形状は、全てが同一でも互いに異なっていてもよい。また、それぞれの燃料ガス流路４０７の径も、全てが同一でも互いに異なっていてもよい。
【００５４】
燃料ガス流路と改質反応層の形状、燃料ガス流路の流路断面積、及び燃料ガス流路の個数と配置は、燃料電池セルの長さ方向で一定でなくてもよい。すなわち、燃料電池セルの長さ方向の位置に応じて、燃料ガス流路と改質反応層の形状、燃料ガス流路の流路断面積、及び燃料ガス流路の個数と配置のうち、少なくとも１つを変化させてもよい。
【００５５】
例えば、燃料電池セルの長さ方向の中央部の燃料ガス流路と改質反応層の形状を、図３の燃料ガス流路３０７と改質反応層３０６の形状（星型）とし、燃料電池セルの長さ方向の端部（例えば燃料ガスの流入口付近）の燃料ガス流路と改質反応層の形状を、図２の燃料ガス流路２０７と改質反応層２０６の形状（円形）とすることで、長さ方向の中央部での改質反応の速度を長さ方向の端部よりも速くすることができる。
【００５６】
また、例えば、燃料電池セルの長さ方向の中央部の燃料ガス流路と改質反応層の形状を、図１０Ｂの燃料ガス流路１００７と改質反応層１００６の形状とし、燃料電池セルの長さ方向の端部（例えば燃料ガスの流入口付近）の燃料ガス流路と改質反応層の形状を、図３の燃料ガス流路３０７と改質反応層３０６の形状とする。すなわち、燃料ガス流路の流路形状は星型であるが、長さ方向の中央部と端部で星型の形状を変える（突起部の数を変える）。このようにすることで、長さ方向の中央部での改質反応の速度を長さ方向の端部よりも速くすることができる。星型の形状は、長さ方向の中央部と端部で、突起部の数を変えるだけでなく、突起部の長さを変えてもよい（図１１Ｂを参照）。
【００５７】
また、例えば、燃料電池セルの長さ方向の中央部の流路断面積を、燃料電池セルの長さ方向の端部の流路断面積よりも大きくすることで、長さ方向の中央部での改質反応の速度を長さ方向の端部よりも速くすることができる。また、例えば、燃料電池セルの長さ方向の端部では燃料ガス流路の数が１つであり、燃料電池セルの長さ方向の中央部に向かって燃料ガス流路が枝分かれして数が増えていくようにすることで、長さ方向の中央部での改質反応の速度を長さ方向の端部より速くすることもできる。
【００５８】
燃料ガス流路と改質反応層の形状、燃料ガス流路の流路断面積、及び燃料ガス流路の個数と配置は、燃料電池セルの長さ方向に連続的に（緩やかに）変化させてもよく、不連続的に（急激に）変化させてもよい。
【００５９】
このように、本実施例による燃料電池では、燃料電池セルの長さ方向の位置に応じて、式（１）に示した水蒸気改質反応の反応速度を制御することができる。
【００６０】
次に、数値シミュレーションを用いた解析により、本実施例の効果を示す。シミュレーション解析では、円筒形の燃料電池セルを解析対象とした。また、発明の効果を明らかにするために、従来技術による燃料電池セルと本実施例による燃料電池セルという２つのケースについてシミュレーションを実施した。それぞれの燃料電池セルの長さ方向に垂直な断面での温度分布を比較することで、本実施例の有効性を検証した。
【００６１】
図５は、従来技術による円筒形の燃料電池の解析モデルを示す図であり、燃料電池の長さ方向に垂直な断面を示す。図５に示すように、従来技術による燃料電池セルの解析モデルは、燃料ガス流路５０７、改質反応層５０６、アノード電極５０４、固体電解質５０３、及びカソード電極５０２を、径方向の中心からこの順に備える。さらに、アノード電極５０４の電流を外部に取り出すためのインターコネクタ５０１がアノード電極５０４に、カソード電極５０２に電流を流すための集電板５０９がカソード電極５０２に、それぞれ電気的に接続される。
【００６２】
燃料電池セルは、直径１６ｍｍ、長さ８００mmの円筒形とした。図５において、長さ方向は、紙面に垂直な方向である。燃料ガス流路５０７は、直径１３ｍｍ、長さ８００ｍｍの円筒形の領域とした。改質反応層５０６は、厚さ０．５ｍｍ、気孔率６０％のＮｉ−ＹＳＺサーメット材とした。アノード電極５０４は、厚さ０．４９５ｍｍ、気孔率３０％のＮｉ−ＹＳＺサーメット材とした。固体電解質５０３は、厚さ１０μｍ、電気抵抗０．０５ΩｍのＹＳＺ材とした。カソード電極５０２は、厚さ０．４９５ｍｍ、気孔率３０％のランタンマンガネイト材とした。アノード電極５０４と固体電解質５０３とカソード電極５０２の厚さの合計は、１．０ｍｍである。燃料電池セルは、空気流路５０８に囲まれている。空気流路５０８は、酸化剤ガス、すなわち空気の流れる領域であり、幅２０ｍｍ、高さ２０ｍｍ、長さ８００ｍｍの領域とした。
【００６３】
図６は、本実施例による円筒形の燃料電池の解析モデルを示す図であり、燃料電池の長さ方向に垂直な断面を示す。図６に示すように、本実施例による燃料電池セルの解析モデルは、燃料ガス流路６０７、改質反応層６０６、多孔質層６０５、アノード電極６０４、固体電解質６０３、及びカソード電極６０２を、径方向の中心からこの順に備える。さらに、アノード電極６０４の電流を外部に取り出すためのインターコネクタ６０１がアノード電極６０４に、カソード電極６０２に電流を流すための集電板６０９がカソード電極６０２に、それぞれ電気的に接続される。
【００６４】
燃料電池セル、アノード電極６０４、固体電解質６０３、カソード電極６０２、空気流路６０８の大きさと材質は、図５に示した従来技術による円筒形の燃料電池の解析モデルと同一なので、説明を省略する。
【００６５】
燃料ガス流路６０７は、幅４ｍｍ、高さ４ｍｍ、長さ８００ｍｍの四角形の領域とした。燃料ガス流路６０７の外側に配置される改質反応層６０６は、厚さ０．５ｍｍからなる四角形の領域とし、気孔率６０％のＮｉ−ＹＳＺサーメット材とした。燃料ガス流路６０７と改質反応層６０６を四角形の領域でモデル化したのは、シミュレーションに用いるメッシュの作成の便宜のためであり、これらの領域の形状は、四角形でなくてもよい。例えば、図２に示したような円形でもよいし、図３、図１０Ｂ、及び図１１Ｂに示したような星型でもよい。これらの領域が円形や星型の形状でも、以下に示すのと同様の結果が得られる。
【００６６】
本実施例の特徴である多孔質層６０５は、改質反応層６０６とアノード電極６０４の間に設置される。多孔質層６０５は、燃料ガス流路６０７と改質反応層６０６を取り囲む直径１４ｍｍ、長さ８００ｍｍの領域を、気孔率８５％の窒化ケイ素セラミックス多孔質材とすることでモデル化した。
【００６７】
シミュレーションには、ＡＮＳＹＳ社の熱流体解析ソフトウェアＡＮＳＹＳ  Ｆｌｕｅｎｔを用いた。
【００６８】
図７に、シミュレーション解析の解析条件を示す。図７に示すように、運転電流密度は０．４Ａ／ｃｍ２とした。燃料ガスにはメタン５０％改質ガスを用い、燃料利用率を７５％、スチーム・カーボン比率を２：１、及び入口温度を６００℃とした。酸化剤ガスには空気を用い、酸素利用率を２０％、及び入口温度を６００℃とした。燃料ガスと酸化剤ガスの流れ方向は対向流とし、壁面は断熱とした。
【００６９】
図８は、シミュレーション解析の解析結果を示す図であり、円筒形の燃料電池セルの長さ方向に垂直な断面の温度分布を示す図である。図８の左図は、従来技術による円筒形の燃料電池セルの温度分布８１０を示し、右図は、本実施例による円筒形の燃料電池セルの温度分布８２０を示す。
【００７０】
従来技術による円筒形の燃料電池セルの温度分布８１０から分かるように、空気流路の領域８１８及び燃料ガス流路の領域８１７の温度は約６００℃となり、改質反応層の領域８１６の温度は約５２０℃となった。改質反応層の領域８１６では、メタンの水蒸気改質反応が生じ、吸熱作用のため、狭い領域で急激な温度低下が得られた。
【００７１】
一方、本実施例による円筒形の燃料電池セルの温度分布８２０では、空気流路の領域８２８の温度は約６００℃となるが、燃料ガス流路の領域８２７の温度は約５７０℃となり、改質反応層の領域８２６の温度は約５６０℃となった。改質反応層の領域８２６とアノード電極の領域との間に設けられた多孔質層の領域８２５の作用により、本実施例による燃料電池セルの内部では、温度分布が一様になっていることが分かる。
【００７２】
従来技術による円筒形の燃料電池セル、及び本実施例による円筒形の燃料電池セルについて、長さ方向に垂直な断面における温度勾配を調べた。従来技術による燃料電池セルについての、長さ方向に垂直な断面の中心点８１１と空気流路の領域８１８の端点８１２とを結ぶ線分８１３における温度分布と、本実施例による燃料電池セルについての、長さ方向に垂直な断面の中心点８２１と空気流路の領域８２８の端点８２２とを結ぶ線分８２３における温度分布とを、それぞれ求めた。以下では、燃料電池セルの長さ方向に垂直な断面の中心点を、単に「中心点」と称する。
【００７３】
図９は、従来技術による燃料電池セルと本実施例による燃料電池セルについて、長さ方向に垂直な断面における温度分布を示すグラフである。図９には、中心点からの距離（すなわち、線分８１３または線分８２３上の位置）と、温度との関係を示した。温度分布９１０は、従来技術による円筒形の燃料電池セルの線分８１３上の温度分布を示し、温度分布９２０は、本実施例による円筒形の燃料電池セルの線分８２３上の温度分布を示す。
【００７４】
図９のグラフより、温度分布９１０には、中心点８１１からの距離が０．００３ｍの位置から０．００８ｍの位置に向かって急激な温度勾配が生じているのが分かる。燃料電池セルの半径は０．００８ｍｍ（直径が１６ｍｍ）であるので、燃料電池セルの内部では、約６００℃と高温になっている中心点８１１からの距離が０．００３ｍ以下の領域と、急激な温度勾配が生じている中心点８１１からの距離が０．００３ｍ以上の領域とに別れることが分かった。
【００７５】
一方、温度分布９２０を見ると、本実施例による燃料電池セルでは、中心点８２１からの距離が０．００２ｍ付近の位置で緩やかな温度勾配が生じるが、燃料電池セルの内部の温度（中心点８２１からの距離が０．００８ｍ以下の領域の温度）はほぼ均一となることが分かる。図６に示したように、中心点８２１からの距離が０．００２ｍの位置は、燃料ガス流路６０７と改質反応層６０６とが接する位置である。このため、中心点８２１からの距離が０．００２ｍ付近の位置では、改質反応によって温度が低下している。
【００７６】
また、温度分布９１０と温度分布９２０は、共に、中心点からの距離が０．００８ｍ以上の領域では、温度勾配が生じていることが分かる。この領域の温度勾配も、本実施例による燃料電池セルの温度分布９２０の方が、従来技術による燃料電池セルの温度分布９１０よりも緩やかである。なお、中心点からの距離が０．００８ｍ以上の領域は、空気流路の領域である。
【００７７】
図９のグラフより、燃料電池セルの内部（中心点からの距離が０．００８ｍ以下の領域）では、温度分布９１０の最大温度と最小温度の差ΔＴは約８０℃であり、温度分布９２０の温度差ΔＴは約１０℃である。この結果から、本実施例による燃料電池セルでは、従来技術による燃料電池セルに比べ、温度差ΔＴが約８分の１になることが分かった。
【００７８】
熱応力σは、ヤング率Ｅを使って、式（４）で求めることができる。
σ＝Ｅ・εｒ＝Ｅ・α・ΔＴ            （４）
ここで、εｒは、熱ひずみであり、温度差ΔＴと線膨張係数αの積で表される。
【００７９】
式（４）より、ヤング率Ｅ及び線膨張係数αが一定であれば、熱応力σは、温度差ΔＴに比例する。このことから、本実施例による燃料電池セルは、従来技術による燃料電池セルに比べ、燃料電池セルの内部の最大温度と最小温度の差ΔＴが約８分の１になるので、熱応力を約８分の１に緩和できることが分かった。従って、本実施例による燃料電池セルは、熱応力による耐久性の低下を防ぐことができる。また、電極の局所的で急激な温度低下を防止し、電極反応過電圧の上昇による性能低下を抑制することができる。従って、本実施例による燃料電池セルは、発電性能の低下を軽減することが可能である。
【符号の説明】
【００８０】
１０２，２０２，５０２，６０２…カソード電極、
１０３，２０３，５０３，６０３…固体電解質、
１０４，２０４，５０４，６０４…アノード電極、
１０５，２０５，６０５…多孔質層、
１０６，２０６，３０６，４０６，５０６，６０６，１００６，１１０６…改質反応層、
１０７，２０７，３０７，４０７，５０７，６０７，１００７，１１０７…燃料ガス流路、
２００，３００，４００，１０００，１１００…燃料電池セル、
２０１，５０１，６０１…インターコネクタ、
５０８，６０８…空気流路、
５０９，６０９…集電板、
８１０…従来技術による燃料電池セルの温度分布、
８１１，８２１…断面の中心点、
８１２，８２２…空気流路の領域の端点、
８１３，８２３…線分、
８１６，８２６…改質反応層の領域、
８１７，８２７…燃料ガス流路の領域、
８１８，８２８…空気流路の領域、
８２０…本実施例による燃料電池セルの温度分布、
８２５…多孔質層の領域、
９１０…従来技術による燃料電池セルの温度分布、
９２０…本実施例による燃料電池セルの温度分布、
１００８，１００９，１０１０…燃料ガス流路の流路形状。
【図１】
2013235710.tif 000003
【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】
2013235710.tif 000011
【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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