(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸熱反応により発電を行う第１の種類の固体酸化物形燃料電池セルと、発熱反応により発電を行う第２の種類の固体酸化物形燃料電池セルとを連結して積層した構成の固体酸化物形燃料電池セルスタックであって、少なくとも１つの前記第１の種類の固体酸化物形燃料電池セルは２つの前記第２の種類の固体酸化物形燃料電池セルの間に挟まれていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池セルスタック。
【請求項２】
同一四辺形平板形状を有する前記第１および第２の種類の固体酸化物形燃料電池セルを、それぞれの四辺形の辺を揃えて、連結して積層してなる、四角柱形状を有する請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池セルスタックであって、前記第１および第２の種類の固体酸化物形燃料電池セルへ供給され排出される酸化剤ガスの供給口及び排出口が該固体酸化物形燃料電池セルスタックの同一側面にあり、前記第２の種類の固体酸化物形燃料電池セルへ供給され排出される燃料ガスの供給口及び排出口が該固体酸化物形燃料電池セルスタックの同一側面にあることを特徴とする固体酸化物形燃料電池セルスタック。
【請求項３】
請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池セルスタックにおいて、前記第１および第２の種類の固体酸化物形燃料電池セルのすべては、各固体酸化物形燃料電池セル間に設けられたインターコネクタを介して、直列に電気的接続されていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池セルスタック。
【請求項４】
請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池セルスタックにおいて、前記第１の種類の固体酸化物形燃料電池セルと前記第２の種類の固体酸化物形燃料電池セルとは、それぞれ、別々に直列に電気的接続されていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池セルスタック。
【請求項５】
請求項１、２、３または４に記載の固体酸化物形燃料電池セルスタックを用い、前記第１の種類の固体酸化物形燃料電池セルにおいて炭化水素の部分酸化反応を行って発電をし、該反応により生成した一酸化炭素及び水素を含有するガスを燃料として前記第２の種類の固体酸化物形燃料電池セルにおいて一酸化炭素及び水素の酸化反応を行って発電をすることを特徴とする、固体酸化物形燃料電池セルスタックを用いた発電方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は固体酸化物形燃料電池セルスタック及びそれを用いた発電方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体酸化物形燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell、以下、ＳＯＦＣと略す）は、多種の燃料電池のなかでもっとも高効率で作動するタイプの燃料電池であり、実用化が期待されている。ＳＯＦＣの燃料には天然ガスなどの炭化水素系のガスが用いられるが、ＳＯＦＣでは、これらのガスを通常水蒸気とともに、下記式（１）に示す反応により水素や一酸化炭素に改質した後、電池反応として、下記式（２）及び（３）に示すＨ２とＣＯの電気化学的酸化反応（発熱反応）を行わせることによって発電を行う。
【０００３】
ＣｎＨ２ｎ＋２＋ｎＨ２Ｏ → ｎＣＯ＋(２ｎ＋１)Ｈ２      （１）
Ｈ２＋Ｏ２− → Ｈ２Ｏ＋２ｅ−                          （２）
ＣＯ＋Ｏ２− → ＣＯ２＋２ｅ−                          （３）
一方、電池反応として吸熱反応である炭化水素の電気化学的部分酸化反応を用いるＳＯＦＣ（Partial Oxidation ＳＯＦＣ、以下、ＰＯＳＯＦＣと略す)は、非常に高いエネルギー変換効率をもつ燃料電池であると同時に、炭化水素をＨ２及びＣＯへと変換する改質器と位置付けられる。この改質反応は、例えば、
ＣＨ４＋Ｏ２− → ＣＯ＋２Ｈ２＋２ｅ−                  （４）
で表され、この式（４）に示す炭化水素の電気化学的部分酸化反応は吸熱反応であり、従来の水蒸気改質反応よりエクセルギー的にロスが少ないため、水蒸気改質反応を利用した改質器をＰＯＳＯＦＣに置き換えたＰＯＳＯＦＣ-ＳＯＦＣシステムは、原理的に高いエネルギー変換効率が実現できると期待されている。吸熱反応と発熱反応を組み合わせたＰＯＳＯＦＣ-ＳＯＦＣシステムを実現しようとすると、ＳＯＦＣの発電に伴い発生するジュール熱をＰＯＳＯＦＣに供給して発電を行うことが熱的に有利である。
【０００４】
特開２０００−２６８８３２号公報には、図９に示すような、発熱体であるＳＯＦＣサブスタック８と吸熱体であるＰＯＳＯＦＣサブスタック７とを重ねて配置し、ＳＯＦＣサブスタック８からＰＯＳＯＦＣサブスタック７へ熱を供給する構成のセルスタックが開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし図９では、サブスタック（７及び８）内がすべて同一種類のセルであり、このＳＯＦＣサブスタック８からＰＯＳＯＦＣサブスタック７ヘの熱の供給方法では、特に小規模のセルスタックではサブスタック数が少ないため、発熱体であるＳＯＦＣサブスタック８と吸熱体であるＰＯＳＯＦＣサブスタック７との間の伝熱面積をこれ以上増やすことができないため、熱の供給効率が十分には高くならないという問題があった。
【０００６】
本発明の目的は、上記の問題を解決し、高発電効率の固体酸化物形燃料電池セルスタック及びそれを用いた発電方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明においては、請求項１に記載のように、
吸熱反応により発電を行う第１の種類の固体酸化物形燃料電池セルと、発熱反応により発電を行う第２の種類の固体酸化物形燃料電池セルとを連結して積層した構成の固体酸化物形燃料電池セルスタックであって、少なくとも１つの前記第１の種類の固体酸化物形燃料電池セルは２つの前記第２の種類の固体酸化物形燃料電池セルの間に挟まれていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池セルスタックを構成する。
【０００８】
また、本発明においては、請求項２に記載のように、
同一四辺形平板形状を有する前記第１および第２の種類の固体酸化物形燃料電池セルを、それぞれの四辺形の辺を揃えて、連結して積層してなる、四角柱形状を有する請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池セルスタックであって、前記第１および第２の種類の固体酸化物形燃料電池セルへ供給され排出される酸化剤ガスの供給口及び排出口が該固体酸化物形燃料電池セルスタックの同一側面にあり、前記第２の種類の固体酸化物形燃料電池セルへ供給され排出される燃料ガスの供給口及び排出口が該固体酸化物形燃料電池セルスタックの同一側面にあることを特徴とする固体酸化物形燃料電池セルスタックを構成する。
【０００９】
また、本発明においては、請求項３に記載のように、
請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池セルスタックにおいて、前記第１および第２の種類の固体酸化物形燃料電池セルのすべては、各固体酸化物形燃料電池セル間に設けられたインターコネクタを介して、直列に電気的接続されていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池セルスタックを構成する。
【００１０】
また、本発明においては、請求項４に記載のように、
請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池セルスタックにおいて、前記第１の種類の固体酸化物形燃料電池セルと前記第２の種類の固体酸化物形燃料電池セルとは、それぞれ、別々に直列に電気的接続されていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池セルスタックを構成する。
【００１１】
また、本発明においては、請求項５に記載のように、
請求項１、２、３または４に記載の固体酸化物形燃料電池セルスタックを用い、前記第１の種類の固体酸化物形燃料電池セルにおいて炭化水素の部分酸化反応を行って発電をし、該反応により生成した一酸化炭素及び水素を含有するガスを燃料として前記第２の種類の固体酸化物形燃料電池セルにおいて一酸化炭素及び水素の酸化反応を行って発電をすることを特徴とする、固体酸化物形燃料電池セルスタックを用いた発電方法を構成する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を、上記第１の種類の固体酸化物形燃料電池セルがＰＯＳＯＦＣセルであり、上記第２の種類の固体酸化物形燃料電池セルがＳＯＦＣセルである場合について説明する。
【００１３】
我々は上記課題を解決するために、同一セルスタック内にＳＯＦＣセルとＰＯＳＯＦＣセルを混在させることを提案する。すなわち、吸熱反応により発電を行う固体酸化物形燃料電池セルと、発熱反応により発電を行う固体酸化物形燃料電池セルが同一セルスタック内で、もっとも伝熱面積が大きくなるように配置されていることを特徴とするセルスタックを提案する。
【００１４】
また、上記セルスタック内のセルはセル間のインターコネクタを介してすべて直列に接続されているか、または発熱反応により発電を行う固体酸化物形然科電池セルと吸熱反応により発電を行う固体酸化物形燃料電池セルを別々に直列に電気的接続されていることを特徴とするセルスタックを提案する。
【００１５】
また、上記吸熱反応により発電を行う固体酸化物形燃料電池セルで炭化水素の部分酸化反応を行わせ、該反応により生成したＣＯ及びＨ２を含有するガスを燃料として、上記発熱反応により発電を行う固体酸化物形然科電池セルでＣＯ及びＨ２の酸化反応を行わせることを特徴とするセルスタックを提案する。
【００１６】
さらに、平板形の固体酸化物形燃料電池セルスタックへのガス供給方法において、酸化剤ガスの導入と排出、ならびに、ＣＯ及びＨ２を含有する燃料ガスの導入と排出を、それぞれ、セルスタック側面４個のうちの１個において行うことを特徴とするセルスタックを提案する。
【００１７】
以下に、本発明を実施の形態例によって説明する。
【００１８】
［実施の形態１］
図１は本発明の第１の実施の形態例を示すものである。図１では、固体酸化物形燃料電池セルスタックであるセルスタック５内に第１の種類の固体酸化物形燃料電池セルであるＰＯＳＯＦＣセル１の枚数と第２の種類の固体酸化物形燃料電池セルであるＳＯＦＣセル２の枚数が１：２の比率で混在しており、ＰＯＳＯＦＣセル１とＳＯＦＣセル２との間の伝熱面積がもっとも大きくなるように、連結して積層配置した。すなわち、ＰＯＳＯＦＣセル１は、１枚毎に、２枚のＳＯＦＣセル２の間に挟まれている。
【００１９】
セルスタック５において、まず、ドライＣＨ４が各ＰＯＳＯＦＣセル１に供給され、発電を伴う部分酸化反応によりＨ２とＣＯに変換される。ＰＯＳＯＦＣセル１を出たＨ２、ＣＯを含有するガスは、各ＳＯＦＣセル２に供給され、Ｈ２及びＣＯの酸化反応により発電が行われる。
【００２０】
その結果、発熱体であるＳＯＦＣセル２から吸熱体であるＰＯＳＯＦＣセル１へ、それぞれ熱が移動する。セル間には、熱的なやり取りはあるが電気的には絶縁されている壁または電気的な接続も許すインターコネクタ３がある。電気的に絶縁されている壁３を使用するときは、別の電気ケーブル等（図示せず）を使用して、ＳＯＦＣセル２のみとＰＯＳＯＦＣセル１のみを別々に直列に接続することにより、ＳＯＦＣセル２の単セル電圧とＰＯＳＯＦＣセル１の単セル電圧を個別に制御できる。また、インターコネクタ３が設けられているときは、インターコネクタ３を介して、各固体酸化物形燃料電池セルを直列に電気的接続することができる。
【００２１】
図２に示すように、上記のセルスタック５よりも、ＳＯＦＣセル２の割合を増やした構成も利用できる。このようにして、需要と供給の熱バランスを理想に近づけることができる。
【００２２】
図３に示すように、ＰＯＳＯＦＣセル１でのドライＣＨ４の改質を１００％行わせず、ＰＯＳＯＦＣセル１からの排燃料を改質器４に導入し、水蒸気改質反応により未反応のＣＨ４をすべてＨ２とＣＯに改質した後、ＳＯＦＣセル２に導入してもよい。
【００２３】
セル間に電気的に絶縁の壁３を使用した場合の、８枚のＰＯＳＯＦＣセル１と１６枚のＳＯＦＣセル２とからなるセルスタック５の発電効率を、数値計算によって求めた。図１のように配置（ＳＯＦＣセル-ＰＯＳＯＦＣセル-ＳＯＦＣセル-ＳＯＦＣセル-ＰＯＳＯＦＣセル-ＳＯＦＣセル- ・・・・各々が入れ子の状態になるように）した場合のセルスタックの発電効率は６０％であり、図９（従来例）のように配置（ＳＯＦＣセル１６枚-ＰＯＳＯＦＣセル８枚）した場合のセルスタックの発電効電は５７％であった。同じ計算条件で、水蒸気改質反応を用いた改質器４を利用した２４枚のＳＯＦＣセル２からなるセルスタック５の発電効率は５４％であったので、どちらの場合も発電効率は上昇しているが、図１のようにＰＯＳＯＦＣセル１とＳＯＦＣセル２を多くの伝熱面積で配置した場合のほうがより熱を有効に利用でき、セルスタックの発電効率が高くなることがわかった。
【００２４】
請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池セルスタックの特徴は、少なくとも１つの前記第１の種類の固体酸化物形燃料電池セル（この場合にはＰＯＳＯＦＣセル１）は２つの前記第２の種類の固体酸化物形燃料電池セル（この場合にはＳＯＦＣセル２）の間に挟まれていることであるが、本実施の形態例のように、すべてのＰＯＳＯＦＣセル１が１枚毎に、それぞれ、２枚のＳＯＦＣセル２の間に挟まれていることが好ましい。
【００２５】
［実施の形態例２］
図１０に示すような通常のマニホールド６を使用して、炭化水素とＣＯ及びＨ２を含有するガスと酸化剤ガス（ここでは空気）の３種のガスをセルスタックに導入するのは難しい。特に平板形燃料電池セルスタック５の場合、セルの厚さはせいぜい数ｍｍであり、本発明のようにセルごとに異なるガスを導入するためには、数ｍｍ毎にガスシールを精度よく設けなければならない。
【００２６】
図４は、上記３種のガスを供給可能にするガス供給方法の一例である。
【００２７】
上記の場合と同様に、ＰＯＳＯＦＣセル１とＳＯＦＣセル２とが同一四辺形平板形状を有し、それぞれの四辺形の辺を揃えて、連結して積層して、四角柱形状（この場合には直方体形状）を有するセルスタック５（図示せず、図１〜３参照）を構成している。
【００２８】
図４において、ＳＯＦＣセル２は、ＣＯ及びＨ２を含有する燃料ガスを、セルスタック５の１つの側面（図においては左側の側面）において、供給され排出する。また、図において、ＰＯＳＯＦＣセル１及びＳＯＦＣセル２は酸化剤ガスである空気を、セルスタック５の１つの側面（図においては右側の側面）において、供給され排出する。
【００２９】
図５は、空気流路の面と、ＣＯ及びＨ２を含有するガス流路の面とを取り出して示した図である。セルスタック５側面４面のうち、２面（図４では手前側と後ろ側）ではドライＣＨ４が通常どおり片方の面から導入され、もう一方の面からＣＯとＨ２と未反応のＣＨ４からなるガスが排出される。残りの２面（図４では左右の面）をそれぞれＣＯ及びＨ２を含有するガス用と空気用とし、流路は片端封じにして、導入も排出も同じ面から行う。図５の流路は一例であり、同じ面からガス導入と排出を行えれば、流路はいかなる構造でもよい。
【００３０】
このように、上記のセルスタック５においては、ＰＯＳＯＦＣセル１は、炭化水素の流路として、四辺形の一側面に供給口を有し、他の一側面に排出口を有する流路を有し、かつ酸化剤ガス（空気）の流路として、上記炭化水素用の供給口及び排出口が配置されていない四辺形の一側面の同一側面に供給口及び排出口を有する流路を有し、ＳＯＦＣセル２は、ＣＯ及びＨ２を含有するガスの流路として、四辺形の一側面の同一側面に供給口及び排出口を有する流路を有し、かつ酸化剤ガス（空気）の流路として、上記ＣＯ及びＨ２を含有するガスの供給口及び排出口が配置されていない四辺形の一側面同一側面に供給口及び排出口を有する流路を有する構成が実現している。
【００３１】
図６はガス供給方法の他の一例であり、図７は図６のＣＨ４流路の面とＣＯ及びＨ２を含有するガス流路の面を取り出した図である。空気は図５と同じ流れ方をする。ＣＯ及びＨ２を含有するガス流路は片端封じにして折り返されるが、ＣＨ４流路はすべての流路の下流端部で合流し、導入面の隣面に排出される。ＣＯ及びＨ２を含有するガスと空気の導入・排出の面につけるマニホールドには、円筒形の燃料電池セルスタックでよく使われる図８のようなタイプのマニホールド６を使用すれば、容易に実現できる（図には空気の場合を示す）。このマニホールド６は導入ガスと排出ガスの熱交換も効率的に行うことができ、セルスタック５の発電効率の向上につながる。
【００３２】
なお、本実施の形態例ではＣＨ４は導入と排出を異なる側面で行うとしたが、他のガスと同様に、同じ側面で行ってもよい。
【００３３】
以上に説明したように、吸熱反応により発電を行う固体酸化物形燃料電池であるＰＯＳＯＦＣセルと発熱反応により発電を行う固体酸化物形燃料電池であるＳＯＦＣセルを、同じセルスタック内に混在させ、もっとも伝熱面積が大きくなるように配置することによって、熱をより有効に利用して、セルスタックの発電効率を向上させることができる。また、平板形燃料電池セルスタックであっても、ガスの供給方法を工夫すれば、吸熱反応により発電を行う固体酸化物形燃料電池であるＰＯＳＯＦＣセルと発熱反応により発電を行う固体酸化物形燃料電池であるＳＯＦＣセルからなるセルスタックを容易に実現可能である。
【００３４】
【発明の効果】
本発明の実施により、高発電効率の固体酸化物形燃料電池セルスタック及びそれを用いた発電方法を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るセルスタックの一例を示す図である。
【図２】本発明に係るセルスタックの一例を示す図である。
【図３】本発明に係るセルスタックの一例を示す図である。
【図４】本発明のセルスタックヘのガスの供給方法の一例を示す図である。
【図５】本発明のセルスタックヘのガスの供給方法の一例を示す図である。
【図６】本発明のセルスタックヘのガスの供給方法の一例を示す図である。
【図７】本発明のセルスタックヘのガスの供給方法の一例を示す図である。
【図８】本発明のセルスタックヘのガスの供給方法に適用可能なマニホールドの例を示す図である。
【図９】従来のＰＯＳＯＦＣ-ＳＯＦＣセルスタックを示す図である。
【図１０】従来の平板形燃料電池セルスタックのマニホールドを示す図である。
【符号の説明】
１…ＰＯＳＯＦＣセル、２…ＳＯＦＣセル、３…壁またはインターコネクタ、４…改質器、５…セルスタック、６…マニホールド、７…ＰＯＳＯＦＣサブスタック、８…ＳＯＦＣサブスタック。
【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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