CN101779317B - 发电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种发电装置。在发电装置(10a、10b、10c)中，构成单室型燃料电池单元(20a、20′a、20b、20c、20d、20e)的燃料极和空气极中的至少一方从燃料气体流路(11)的内部延伸到外部而设置。在燃料极从燃料气体流路(11)的内部延伸到外部而设置的情况下，燃料极是N型热电元件(40、40′)。另一方面，在空气极从燃料气体流路(11)的内部延伸到外部而设置的情况下，空气极是P型热电元件(30、30′)。

Description

发电装置
技术领域
本发明涉及使用燃料电池单元和热电元件的发电装置。
背景技术
具有使燃料极和空气极与电解质接合而形成的燃料电池单元的燃料电池装置已为公众所知。该燃料电池装置中，例如通过由外部加热器等进行加热，一边将燃料电池单元的温度维持在规定的开始发电温度以上，一边向燃料电池单元供给燃料气体等来进行发电。
其中，在固体氧化物型燃料电池装置(SOFC)中，具有使燃料极(氢极)和空气极(氧极)与由固体氧化物构成的电解质接合而形成的固体氧化物型燃料电池单元，在向燃料极供给燃料气体的同时，向空气极供给空气等，由此能够产生高输出的电力。在固体氧化物型燃料电池装置中，不仅是氢气能够作为燃料气体，而且包含大量一氧化碳的气体也能够被作为燃料气体使用，在此基础上，还能够采用内部改质(内部改質)方式。并且，固体氧化物型燃料电池装置能够利用燃料电池单元的发热，实现装置的小型化和高效率。
作为这种固体氧化物型燃料电池装置，一般的结构是将燃料极与空气极用隔板隔开，在向燃料极供给燃料气体的同时向空气极供给空气等的双室型固体氧化物型燃料电池装置。另外，不使用隔板而是将燃料电池单元配置在将燃料气体和空气等混合了的、开始发电温度以上的高温气体内的单室型固体氧化物型燃料电池装置也正在被实用化。
但由于这些燃料电池装置将很多用于加热燃料电池单元的热能和燃料电池单元发出的热能无谓地向外部排出，所以有进一步改善燃料电池装置发电效率的余地。于是，提出了使用与燃料极和空气极的任一方结合的热电元件，并利用热电元件的塞贝克效应将从燃料电池单元排出的热能变换成电力的技术方案。该技术方案记载在日本特开2002-141007号公报(以下叫做专利文献1)和日本特表2006-527905号公报(以下叫做专利文献2)中。
但上述专利文献1和2所公开的技术也都是燃料极和空气极需要分开的热电元件。因此，发电装置的结构零件增加，招致装置的复杂化和材料费等成本上升。另外，由于燃料电池单元和热电元件是分别单独地进行发电，所以招致燃料电池单元和热电元件的电连接复杂化和材料费等成本上升的问题。对于在高温环境下动作的燃料电池单元，为了提高可靠性则希望减少接合部分。特别是单室型固体氧化物型燃料电池装置中，由于使燃料电池单元处于燃料气体和空气等混合而成的高温气体中，所以增加了燃料电池单元与热电元件的接合部分，这从可靠性的观点来看不是优选的。
发明内容
本发明是鉴于该课题而开发的，其目的在于在使用燃料电池单元和热电元件的发电装置中，既使其结构和电连接简化又实现高可靠性。
为了达到上述目的，本发明的发电装置至少具有一个单室型燃料电池单元，该燃料电池单元具有：电解质、与所述电解质接合的燃料极、从所述燃料极离开而与所述电解质接合的空气极，通过将该燃料电池单元配置在高温燃料气体流动的燃料气体流路内来产生电力，其特征在于，所述燃料极和空气极中的至少一方被设置为从所述燃料气体流路的内部延伸到外部，在所述燃料极被设置为从所述燃料气体流路的内部延伸到外部的情况下，所述燃料极是N型热电元件，另一方面，在所述空气极被设置为从所述燃料气体流路的内部延伸到外部的情况下，所述空气极是P型热电元件。
该发电装置中，在燃料极被设置为从燃料气体流路的内部延伸到外部的情况下，燃料电池单元产生电力，同时，燃料极即N型热电元件利用高温的燃料气体流路内部与燃料气体流路外部之间的温度差所引起的塞贝克效应，产生使电流从燃料气体流路外部侧向内部侧流动的电动势。因此，该发电装置能够得到将燃料电池单元的电动势和N型热电元件的电动势合计的电动势。
另外，在空气极被设置为从燃料气体流路的内部延伸到外部的情况下，燃料电池单元产生电力，同时，空气极即P型热电元件利用高温的燃料气体流路内部与燃料气体流路外部的温度差所引起的塞贝克效应，产生使电流从燃料气体流路内部侧向外部侧流动的电动势。因此，该发电装置能够得到将燃料电池单元的电动势和P型热电元件的电动势合计的电动势。
这样，在本发明的发电装置中，由于燃料极是被设置为从燃料气体流路的内部延伸到外部的N型热电元件，或空气极是被设置为从燃料气体流路的内部延伸到外部P型热电元件，所以不需要用于将燃料极与N型热电元件相互电连接的接合部分，或者不需要用于将空气极与P型热电元件相互电连接的接合部分。因此，在实现高可靠性的基础上能够减少发电装置的结构零件，能够实现装置简单化和降低成本。
例如所述发电装置也可以还具备与所述燃料电池单元分开设置的、被设置为从所述燃料气体流路的内部延伸到外部的N型热电元件。这时，所述燃料电池单元的所述空气极也可以是被设置为从所述燃料气体流路的内部延伸到外部的P型热电元件。并且，也可以将与所述燃料电池单元分开设置的所述N型热电元件和所述燃料电池元件的所述P型热电元件在所述燃料气体流路的外部进行电连接。
在该发电装置中，与燃料电池单元分开设置的N型热电元件利用高温的燃料气体流路内部与燃料气体流路外部之间的温度差所引起的塞贝克效应，产生使电流从燃料气体流路外部侧向内部侧流动的电动势。空气极即P型热电元件利用高温的燃料气体流路内部与燃料气体流路外部之间的温度差所引起的塞贝克效应，产生使电流从燃料气体流路内部侧向外部侧流动的电动势。将与燃料电池单元分开设置的N型热电元件和燃料电池元件的P型热电元件在燃料气体流路的外部进行电连接。因此，该发电装置能够得到将燃料电池单元的电动势、与燃料电池单元分开设置的N型热电元件的电动势和空气极即P型热电元件的电动势合计的电动势。
或者，例如所述发电装置也可以还具备与所述燃料电池单元分开设置的、被设置为从所述燃料气体流路的内部延伸到外部的P型热电元件。这时，所述燃料电池单元的所述燃料极也可以是被设置为从所述燃料气体流路的内部延伸到外部的N型热电元件。并且，也可以将与所述燃料电池单元分开设置的所述P型热电元件和所述燃料电池元件的所述N型热电元件在所述燃料气体流路的外部进行电连接。
在该发电装置中，与燃料电池单元分开设置的P型热电元件利用高温的燃料气体流路内部与燃料气体流路外部之间的温度差所引起的塞贝克效应，产生使电流从燃料气体流路内部侧向外部侧流动的电动势。并且，燃料极即N型热电元件利用高温的燃料气体流路内部与燃料气体流路外部之间的温度差所引起的塞贝克效应，产生使电流从燃料气体流路外部侧向内部侧流动的电动势。并且将与燃料电池单元分开设置的P型热电元件、和燃料电池元件的N型热电元件在燃料气体流路的外部进行电连接。因此，该发电装置能够得到将燃料电池单元的电动势、与燃料电池单元分开设置的P型热电元件的电动势、和燃料极即N型热电元件的电动势合计的电动势。
或者，例如所述发电装置也可以作为所述燃料电池单元而具备分别构成的第一燃料电池单元和第二燃料电池单元。这时，也可以所述第一燃料电池单元的所述空气极是被设置为从所述燃料气体流路的内部延伸到外部的P型热电元件，所述第二燃料电池单元的所述燃料极是被设置为从所述燃料气体流路的内部延伸到外部的N型热电元件。也可以将所述第一燃料电池单元的所述P型热电元件与所述第二燃料电池单元的所述N型热电元件在所述燃料气体流路的外部进行电连接。
在该发电装置的第一燃料电池单元中，空气极即P型热电元件利用高温的燃料气体流路内部与燃料气体流路外部之间的温度差所引起的塞贝克效应，产生使电流从燃料气体流路内部侧向外部侧流动的电动势。另一方面，在第二燃料电池单元中，燃料极即N型热电元件利用高温的燃料气体流路内部与燃料气体流路外部之间的温度差所引起的塞贝克效应，产生使电流从燃料气体流路外部侧向内部侧流动的电动势。将第一燃料电池单元的P型热电元件和第二燃料电池单元的N型热电元件在燃料气体流路的外部相互进行电连接。因此，该发电装置能够得到将第一和第二燃料电池单元的各电动势、第一燃料电池单元的空气极即P型热电元件的电动势、和第二燃料电池单元的燃料极即N型热电元件的电动势合计的电动势。
或者，在所述发电装置中，例如所述燃料电池单元也可以具有：由P型热电元件构成且被设置为从所述燃料气体流路的内部延伸到外部的空气极、和整体位于所述燃料气体流路内部的燃料极。
在该发电装置的燃料电池单元中，空气极即P型热电元件利用高温的燃料气体流路内部与燃料气体流路外部之间的温度差所引起的塞贝克效应，产生使电流从燃料气体流路内部侧向外部侧流动的电动势。因此，该发电装置能够得到将燃料电池单元的电动势和燃料电池单元的空气极即P型热电元件的电动势合计的电动势。
或者在所述发电装置中，例如所述燃料电池单元也可以具有：由N型热电元件构成且被设置为从所述燃料气体流路的内部延伸到外部的燃料极、和整体位于所述燃料气体流路内部的空气极。
在该发电装置的燃料电池单元中，燃料极即N型热电元件利用高温的燃料气体流路内部与燃料气体流路外部之间的温度差所引起的塞贝克效应，产生使电流从燃料气体流路外部侧向内部侧流动的电动势。因此，该发电装置能够得到将燃料电池单元的电动势和燃料电池单元的燃料极即N型热电元件的电动势合计的电动势。
或者，例如所述发电装置也可以作为所述燃料电池单元而具备分别构成的第一燃料电池单元和第二燃料电池单元。这时，所述第一燃料电池单元和所述第二燃料电池单元也可以都具有由P型热电元件构成且被设置为从所述燃料气体流路的内部延伸到外部的空气极、和由N型热电元件构成且被设置为从所述燃料气体流路的内部延伸到外部的燃料极。并且，也可以将所述第一燃料电池单元的所述P型热电元件与所述第二燃料电池单元的所述N型热电元件在所述燃料气体流路的外部进行电连接。
在该发电装置的第一和第二燃料电池单元这双方中，空气极即P型热电元件利用高温的燃料气体流路内部与燃料气体流路外部之间的温度差所引起的塞贝克效应，产生使电流从燃料气体流路内部侧向外部侧流动的电动势，同时，燃料极即N型热电元件利用高温的燃料气体流路内部与燃料气体流路外部之间的温度差所引起的塞贝克效应，产生使电流从燃料气体流路外部侧向内部侧流动的电动势。将第一燃料电池单元的P型热电元件和第二燃料电池单元的N型热电元件在燃料气体流路的外部相互进行电连接。因此，该发电装置能够得到将第一和第二燃料电池单元的各电动势、第一和第二燃料电池单元的空气极即各P型热电元件的电动势、以及第一和第二燃料电池单元的燃料极即各N型热电元件的电动势合计的电动势。
或者，在所述发电装置中，例如所述燃料电池单元也可以设置由P型热电元件构成且被设置为从所述燃料气体流路的内部延伸到外部的空气极和由N型热电元件构成且被设置为从所述燃料气体流路的内部延伸到外部的燃料极。
在该发电装置的燃料电池单元中，空气极即P型热电元件利用高温的燃料气体流路内部与燃料气体流路外部之间的温度差所引起的塞贝克效应，产生使电流从燃料气体流路内部侧向外部侧流动的电动势，同时，燃料极即N型热电元件利用高温的燃料气体流路内部与燃料气体流路外部的温度差所引起的塞贝克效应，产生使电流从燃料气体流路外部侧向内部侧流动的电动势。因此，该发电装置能够得到将燃料电池单元的电动势、燃料电池单元的空气极即P型热电元件的电动势、和燃料电池单元的燃料极即N型热电元件的电动势合计的电动势。
附图说明
图1表示本发明第一实施例的发电装置的简略结构，是沿气体流路轴向的剖视图；
图2是第一实施例的发电装置的图1的II-II剖视图；
图3是第一实施例的发电装置的图1的III-III剖视图；
图4是表示用于使第一实施例的发电装置的输出电力增加的一例的电气连接图；
图5是表示用于使第一实施例的发电装置的输出电流增加的一例的电气连接图；
图6是表示用于使第一实施例的发电装置的输出电压和输出电流增加的一例的电气连接图；
图7表示本发明第二实施例的发电装置的简略结构，是沿气体流路轴向的剖视图；
图8是第二实施例的发电装置的图7的VIII-VIII剖视图；
图9表示第二实施例的变形例的发电装置的简略结构，是沿气体流路轴向的剖视图；
图10表示本发明第三实施例的发电装置的简略结构，是沿气体流路轴向的剖视图；
图11是第三实施例的发电装置的图10的XI-XI剖视图；
图12表示第三实施例的第一变形例的发电装置的简略结构，是沿气体流路轴向的剖视图；
图13表示第三实施例的第二变形例的发电装置的简略结构，是沿气体流路轴向的剖视图。
具体实施方式
下面参照附图对本发明的发电装置进行说明。
首先使用图1到图6说明本发明第一实施例的发电装置10a。在此，图1表示发电装置10a的简略结构，是沿气体流路(燃料气体流路)11轴向的剖视图。图2和图3分别是图1的II-II剖视图和III-III剖视图。在此，燃料气体在气体流路11的内部11a沿图1中箭头A的方向流动。下面，有时将燃料气体的流动方向表示为“流动方向A”。图4到图6分别表示各种用于使发电装置10a的输出电力增加的例的电连接图。
发电装置10a具有：气体流路11、燃料电池单元20a、P型热电元件30、N型热电元件40′。燃料电池单元20a具有：固体氧化物型电解质21、燃料极22和作为空气极动作的P型热电元件30。燃料电池单元20a利用未图示的支承部件而被配置在气体流路11的内部11a，作为单室型固体氧化物型燃料电池单元进行动作。P型热电元件30具有第一端部30a和第二端部30b。N型热电元件40′具有第一端部40′a和第二端部40′b。
如图1所示，发电装置10a中，在流动方向A上将N型热电元件40′配置在P型热电元件30的上游侧。如图1到图3所示，P型热电元件30和N型热电元件40′沿着包含气体流路11中心轴线的平面而被相互离开地配置。P型热电元件30和N型热电元件40′被配置成贯通气体流路11的周壁。即P型热电元件30的第二端部30b侧的部分位于气体流路11的外部11b，而其余的部分被收容在气体流路11的内部11a。同样地，N型热电元件40′的第二端部40′b侧的部分位于气体流路11的外部11b，而其余的部分被收容在气体流路11的内部11a。而且如图1所示，P型热电元件30的第二端部30b和N型热电元件40′的第二端部40′b通过导体24连接，由此，P型热电元件30和N型热电元件40′被串联电连接。也可以将P型热电元件30的第二端部30b和N型热电元件40′的第二端部40′b直接连接。这样，由燃料电池单元20a和N型热电元件40′形成发电模块51。当然，P型热电元件30和N型热电元件40′利用未图示的绝缘部件而相对气体流路11被电绝缘。
下面说明燃料电池单元20a、P型热电元件30和N型热电元件40′等的形状。
如图1和图2所示，固体氧化物型电解质21和燃料极22都具有大致平板形状，将燃料极22与固体氧化物型电解质21的第一面21a接合。将接合的固体氧化物型电解质21和燃料极22与流动方向A平行地配置在气体流路11的例如中心轴附近。这样燃料极22就被配置成处于燃料气体的气流中。固体氧化物型电解质21例如在流动方向A上的长度是55mm、宽度是15mm，且厚度是0.5mm。燃料极22例如在流动方向A上的长度是50mm、宽度是10mm，且厚度是0.1mm。
如图2所示，P型热电元件30具有大致T字状的截面，成为T字头部的P型热电元件30的第一端部30a与固体氧化物型电解质21的第二面21b接合。P型热电元件30中，例如T字头部的宽度是10mm，T字头部的厚度是0.1mm，在流动方向A上的长度是50mm，第一端部30a与第二端部30b之间部分的厚度是8mm。N型热电元件40′具有平板形状，例如在流动方向A上的长度是50mm，图1中的上下方向的尺寸是30mm，且厚度是8mm。P型热电元件30和N型热电元件40′都具有适合气体流路11管径的长度。如图1到图3所示，P型热电元件30和N型热电元件40′的各自成为平板形状的部分，呈现与流动方向A平行的方向而处于燃料气体的气流中。
燃料电池单元20a和各热电元件等的组成如下。
燃料电池单元20a的固体氧化物型电解质21例如能够由8mol-YSZ(钇稳定化氧化锆)、5mol-YSZ、SDC(钐掺杂氧化铈)、GDC(钆掺杂氧化铈)或ScSZ(氧化钪稳定化氧化锆)等形成。燃料极22例如能够由NiO+YSZ、NiO+SDC、NiO+GDC、LSCM(镧锶钴锰)或FeO3等形成。
能够作为燃料电池单元20a的空气极动作的P型热电元件30例如是将Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O32+d(BSCF、钡·锶·钴·铁·氧化物)、Sr4Fe5.88Ni0.12O13+d(锶·铁·镍·氧化物)、Sr3.84Ca0.16Fe5.88Ni0.12O13+d(锶·钙·铁·镍·氧化物)、Sr1.2Ca2.8Fe5.88Ni0.12O13+d(锶·钙·铁·镍·氧化物)、Ca4Fe5.88Ni0.12O13+d(钙·铁·镍·氧化物)、Sr3.5La0.5Fe5.88Ni0.12O13+d(锶·镧·铁·镍·氧化物)、Sr3.5La0.5Fe6O13+d(锶·镧·铁·氧化物)、Ca3.5La0.5Fe5.88Ni0.12O13+d(钙·镧·铁·镍·氧化物)等的金属粉末进行煅烧而形成，由它们中的一种或多种金属粉末构成。
N型热电元件40′不作为燃料电池单元20a的燃料极或空气极来动作，是将Fe2VAl0.9Si0.1等金属粉末进行煅烧而形成的电极，由一种或多种金属粉末构成。
下面说明发电装置10a的动作。
发电装置10a中，燃料气体按图1的箭头A方向被导入气体流路11。当例如将汽油发动机等排出的燃烧废气(例如是包含CHx、COx、Air等的温度为500到1000℃以上的燃烧废气)作为燃料气体而导入气体流路11时，则燃烧废气与N型热电元件40′、P型热电元件30和燃料电池单元20a等接触，在将它们加热后从气体流路11被排出。
这样被加热的燃料电池单元20a的温度达到开始发电温度(例如500到1000℃)，在作为燃料电池单元20a的空气极而发挥作用的P型热电元件30中，从燃烧废气中的空气生成氧离子(O2-)。该氧离子在固体氧化物型电解质21的内部从P型热电元件30(空气极)向燃料极22移动。这样，燃料电池单元20a就产生使电流从燃料极22向P型热电元件30(空气极)流动的电动势。向燃料极22移动的氧离子在燃料极22与燃烧废气中的CHx和COx反应而生成二氧化碳(CO2)和水(H2O)。这样，燃料电池单元20a产生电力，且将燃烧废气中的CHx和COx变成二氧化碳和水(水蒸气)，有净化燃烧废气的效果。
由于500到1000℃的燃烧废气流动的气体流路11内部11a与例如处于常温的外部11b之间的温度差，P型热电元件30和N型热电元件40′产生电动势。具体说就是，P型热电元件30产生使电流从第一端部30a侧(高温侧)向第二端部30b侧(低温侧)流动的电动势。N型热电元件40′产生使电流从第二端部40′b侧(低温侧)向第一端部40′a侧(高温侧)流动的电动势。这样，发电模块51就产生使电流从燃料电池单元20a的燃料极22向N型热电元件40′的第一端部侧40′a流动的电动势，该电动势成为燃料电池单元20a的电动势、P型热电元件30的电动势和N型热电元件40′的电动势的合计。也能够将P型热电元件30的第二端部30b侧和N型热电元件40′的第二端部40′b侧认为是热电偶的冷接点。
如上所述，由于在第一实施例的发电装置10a中从气体流路11的内部11a延伸到外部11b而设置的P型热电元件30是空气极，所以不需要用于将P型热电元件30与空气极相互电连接的接合部分。因此，在实现高可靠性的基础上能够减少发电装置10a的结构零件，能够实现装置的简单化和成本的降低。
在此，燃料电池单元20a的电动势是强于1伏特，P型热电元件30和N型热电元件40′的电动势是0.03伏特左右。因此，在如图4所示那样将多个发电模块51串联连接的基础上，只要使用未图示的反演电路就能够得到希望的直流电压或交流电压。图4中将发电模块51以电池的电路记号表示。通过将多个发电模块51按图5所示那样并联连接，能够增加发电装置10a的输出电流。或者通过将多个发电模块51按图6所示那样串联和并联连接，能够使发电装置10a的输出电压和输出电流都增加。在图5和图6中也将发电模块51以电池的电路记号表示。
下面，说明上述第一实施例的变形例。
发电模块51中的燃料电池单元20，通过将燃料极22置换成空气极23，且将P型热电元件30置换成N型热电元件40，则能够变更成燃料电池单元20′a。这时，进一步将N型热电元件40′置换成P型热电元件30′。该变形例中的与发电模块51不同的结构元件在图1到图3中以带括弧的符号表示。若将这种结构的发电模块设定为是发电模块51′，则其电动势是与发电模块51反极性的电动势。即产生使电流从P型热电元件30′的第一端部30′a侧向空气极23流动的电动势。
在此，N型热电元件40能够作为燃料电池单元20′a的燃料极动作，例如向氧化钛合金、氧化锰合金、氧化锌合金的任一个分散白金或氧化镍，进而分散离子传导性陶瓷即氧化铈((60％vol～40％vol Ni)-GDC)合金或锆(ScSZ)合金，在此基础上将其例如通过煅烧形成。vol％是容量％，GDC是钆掺杂氧化铈，ScSZ是氧化钪稳定化氧化锆。
P型热电元件30′不作为燃料电池单元20′a的燃料极或空气极动作，是将Fe2V0.9Ti0.1Al等金属粉末进行煅烧而形成的电极，由一种或多种金属粉末构成。
在以上结构的发电装置中，由于从气体流路11的内部11a延伸到外部11b而设置的N型热电元件40是燃料极，所以不需要用于将N型热电元件40与燃料极相互电连接的接合部分。因此，该情况也在实现高可靠性的基础上能够减少发电装置的结构零件，能够实现装置的简单化和成本的降低。
在上述第一实施例及其变形例的任何情况下，也可以使P型热电元件30(或30′)和N型热电元件40′(或40)中的任一个位于流动方向A的上游侧。在与流动方向A正交的气体流路11的截面形状例如是长圆形或扁平状的情况下，也可以将P型热电元件30(或30′)和N型热电元件40′(或40)配置在与流动方向A正交的同一面上。
接着，使用图7和图8说明本发明第二实施例的发电装置10b。在此，图7表示发电装置10b的简略结构，是沿气体流路11轴向的剖视图，图8是图7的VIII-VIII剖视图。对于与第一实施例的结构元件具有同样功能的结构元件付与同样的符号而省略其说明。
发电装置10b具有：气体流路11、第一燃料电池单元20b和第二燃料电池单元20c。在流动方向A上将第一燃料电池单元20b配置在第二燃料电池单元20c的上游侧。第一燃料电池单元20b具有：固体氧化物型电解质21、燃料极22和能够作为空气极动作P型热电元件30。第二燃料电池单元20c具有：固体氧化物型电解质21、空气极23和能够作为燃料极动作的N型热电元件40。
P型热电元件30和N型热电元件40沿着包含气体流路11中心轴线的平面而被相互离开地配置。P型热电元件30和N型热电元件40被配置成贯通气体流路11的周壁。即、P型热电元件30的第二端部30b侧的部分位于气体流路11的外部11b，而其余的部分被收容在气体流路11的内部11a。同样地，N型热电元件40的第二端部40b侧的部分位于气体流路11的外部11b，而其余的部分被收容在气体流路11的内部11a。因此，P型热电元件30和N型热电元件40能够利用塞贝克效应而产生电动势。且如图7所示，P型热电元件30的第二端部30b和N型热电元件40的第二端部40b通过导体24连接，由此，P型热电元件30和N型热电元件40被串联电连接。
这样就将第一燃料电池单元20b和第二燃料电池单元20c串联电连接而形成发电模块52。本实施例的发电装置10b中，燃料极22和空气极23与P型热电元件30和N型热电元件40同样地具有T字状的截面形状，整体位于在气体流路11的内部11a。但燃料极22和空气极23也可以与上述第一实施例的发电装置10a同样地具有平板形状。
在发电装置10b中，流入气体流路11的燃烧废气将第一燃料电池单元20b和第二燃料电池单元20c加热并被从气体流路11被排出。这时，第一燃料电池单元20b产生使电流从燃料极22向P型热电元件30(空气极)流动的电动势，P型热电元件30产生使电流从第一端部30a侧向第二端部30b侧流动的电动势。且第二燃料电池单元20c产生使电流从N型热电元件40(燃料极)向空气极23流动的电动势，N型热电元件40产生使电流从第二端部40b侧向第一端部40a侧流动的电动势。这样，发电模块52就产生使电流从第一燃料电池单元20b的燃料极22向第二燃料电池单元20c的空气极23流动的电动势，该电动势是第一燃料电池单元20b、第二燃料电池单元20c、P型热电元件30和N型热电元件40的各电动势的合计。当然也能够将多个发电模块52与上述第一实施例的情况同样地、如图4到图6所示那样串联和/或并联的电连接。
如上所述，由于在第二实施例的发电装置10b中从气体流路11的内部11a延伸到外部11b而设置的P型热电元件30是第一燃料电池单元20b的空气极，所以在第一燃料电池单元20b中不需要用于将空气极与P型热电元件30相互电连接的接合部分。并且从气体流路11的内部11a延伸到外部11b而设置的N型热电元件40是第二燃料电池单元20c的燃料极，所以在第二燃料电池单元20c中不需要用于将燃料极与N型热电元件40相互电连接的接合部分。因此，在实现高可靠性的基础上能够减少发电装置10b的结构零件，能够实现装置的简单化和成本的降低。
下面，说明上述第二实施例的变形例。
如图9所示，该变形例在上述发电装置10b中不使用第二燃料电池单元20c而仅使用第一电池单元20b。这时，由第一燃料电池单元20b和P型热电元件30来形成发电模块52′。发电模块52′的电动势是第一燃料电池单元20b的电动势和P型热电元件30的电动势的合计。
在以上结构的发电装置中，由于从气体流路11的内部11a延伸到外部11b而设置的P型热电元件30是空气极，所以不需要用于将P型热电元件30与空气极相互电连接的接合部分。因此，在实现高可靠性的基础上能够减少发电装置的结构零件，能够实现装置的简单化和成本的降低。
也可以代替第一电池单元20b而仅使用第二燃料电池单元20c。这时，能够得到第二燃料电池单元20c的电动势与N型热电元件40的电动势合计而成的电动势。该情况也同样地在实现高可靠性的基础上能够减少发电装置的结构零件，能够实现装置的简单化和成本的降低。
接着，使用图10和图11说明本发明第三实施例的发电装置10c。在此，图10表示发电装置10c的简略结构，是沿气体流路11轴向的剖视图，图11是图10的XI-XI剖视图。对于与上述各实施例的结构元件具有同样功能的结构元件付与同样的符号而省略其说明。
发电装置10c具有：气体流路11、第一燃料电池单元20d和第二燃料电池单元20e。在流动方向A上将第一燃料电池单元20d配置在第二燃料电池单元20e的上游侧。第一燃料电池单元20d和第二燃料电池单元20e都具有：固体氧化物型电解质21、能够作为空气极动作P型热电元件30和能够作为燃料极动作的N型热电元件40。
如图10所示，在第一燃料电池单元20d中将固体氧化物型电解质21夹在P型热电元件30和N型热电元件40之间，以此来将P型热电元件30的第一端部30a和N型热电元件40的第一端部40a分别与固体氧化物型电解质21接合。同样地，在第二燃料电池单元20e中将固体氧化物型电解质21夹在P型热电元件30和N型热电元件40之间，以此来将N型热电元件40的第一端部40a和P型热电元件30的第一端部30a分别与固体氧化物型电解质21接合。
如图10所示，第一燃料电池单元20d的P型热电元件30和第二燃料电池单元20e的N型热电元件40沿着包含气体流路11中心轴线的平面而被相互离开地配置，分别朝向同一方向而贯通气体流路11的周壁。且将第一燃料电池单元20d的N型热电元件40和第二燃料电池单元20e的P型热电元件30相互离开地配置，并与第一燃料电池单元20d的P型热电元件30和第二燃料电池单元20e的N型热电元件40朝向相反方向地贯通气体流路11的周壁。通过这种配置则能够使两个P型热电元件30和两个N型热电元件40各自产生塞贝克效应的电动势。将燃料电池单元20d的P型热电元件30的第二端部30b和燃料电池单元20e的N型热电元件40第二端部40b经由导体24电连接。
这样就将第一燃料电池单元20d和第二燃料电池单元20e串联电连接而形成发电模块53，产生使电流从第一燃料电池单元20d的N型热电元件40(燃料极)向第二燃料电池单元20e的P型热电元件30(空气极)流动的电动势。发电模块53能够得到将第一燃料电池单元20d和第二燃料电池单元20e的各电动势与两个P型热电元件30和两个N型热电元件40的各自的电动势合计而成的电动势。第一燃料电池单元20d和第二燃料电池单元20e中的P型热电元件30和N型热电元件40也能够被认为是在气体流路11的内部11a具有温接点的热电偶。
如上所述，由于在第三实施例的发电装置10c的第一燃料电池单元20d和第二燃料电池单元20e中，都是从气体流路11的内部11a延伸到外部11b而设置的P型热电元件30是空气极，从气体流路11的内部11a延伸到外部11b而设置的N型热电元件40是燃料极。因此，在各自的第一燃料电池单元20d和第二燃料电池单元20e中不需要用于将P型热电元件30与空气极相互电连接的接合部分和用于将N型热电元件40与燃料极相互电连接的接合部分。因此，在实现高可靠性的基础上能够减少发电装置10c的结构零件，能够实现装置的简单化和成本的降低。
下面，说明上述第三实施例的第一变形例。
如图12所示，发电装置10c中利用固体氧化物型电解质21的形状而使所有的P型热电元件30和N型热电元件40能够分别与固体氧化物型电解质21的相同侧的面21b接合。这时，所有的P型热电元件30和N型热电元件40沿着包含气体流路11中心轴线的平面而被相互离开地配置，分别朝向同一方向贯通气体流路11的周壁。第一燃料电池单元20d的P型热电元件30(空气极)和第二燃料电池单元20e的N型热电元件40(燃料极)被相互电连接而形成发电模块53′。发电模块53′的电动势与上述第三实施例同样地是第一燃料电池单元20d和第二燃料电池单元20e的各自的电动势与两个P型热电元件30和两个N型热电元件40的各自的电动势的合计。
该情况也与上述第三实施例同样地不需要用于将P型热电元件30与空气极相互电连接的接合部分和用于将N型热电元件40与燃料极相互电连接的接合部分。因此，在实现高可靠性的基础上能够减少发电装置的结构零件，能够实现装置的简单化和成本的降低。
下面，说明上述第三实施例的第二变形例。
如图13所示，第二变形例在上述发电装置10c中不使用第二燃料电池单元20e而仅使用第一电池单元20d。这时，由第一燃料电池单元20d、P型热电元件30(空气极)和N型热电元件40(燃料极)而形成发电模块53″。其电动势是第一燃料电池单元20d的电动势与P型热电元件30和N型热电元件40的各自的电动势的合计。
该情况也与上述第三实施例同样地不需要用于将P型热电元件30与空气极相互电连接的接合部分和用于将N型热电元件40与燃料极相互电连接的接合部分。因此，在实现高可靠性的基础上能够减少发电装置的结构零件，能够实现装置的简单化和成本的降低。
本发明的发电装置并不限定于各实施例所记载的结构，在不脱离其宗旨的范围中能够进行适当变形。例如在气体流路内部燃料电池单元和热电元件的配置就并不限定于各实施例所记载的方式。并且燃料电池单元、P型热电元件和N型热电元件等的组成、形状等也并不限定于各实施例所记载的内容。

Claims (8)

1.一种发电装置，至少具有一个单室型燃料电池单元，该燃料电池单元具有：电解质、与所述电解质接合的燃料极、从所述燃料极离开而与所述电解质接合的空气极，通过将该燃料电池单元配置在高温燃料气体流动的燃料气体流路内来产生电力，该发电装置的特征在于，
所述燃料极和空气极中的至少一方被设置为从所述燃料气体流路的内部延伸到外部，
在所述燃料极被设置为从所述燃料气体流路的内部延伸到外部的情况下，所述燃料极是N型热电元件，
另一方面，在所述空气极被设置为从所述燃料气体流路的内部延伸到外部的情况下，所述空气极是P型热电元件。
2.如权利要求1所述的发电装置，其特征在于，
还具备与所述燃料电池单元分开设置的、被设置为从所述燃料气体流路的内部延伸到外部的N型热电元件，
所述燃料电池单元的所述空气极是被设置为从所述燃料气体流路的内部延伸到外部的P型热电元件，
将与所述燃料电池单元分开设置的所述N型热电元件和所述燃料电池单元的所述P型热电元件在所述燃料气体流路的外部进行电连接。
3.如权利要求1所述的发电装置，其特征在于，
还具备与所述燃料电池单元分开设置的、被设置为从所述燃料气体流路的内部延伸到外部的P型热电元件，
所述燃料电池单元的所述燃料极是被设置为从所述燃料气体流路的内部延伸到外部的N型热电元件，
将与所述燃料电池单元分开设置的所述P型热电元件和所述燃料电池单元的所述N型热电元件在所述燃料气体流路的外部进行电连接。
4.如权利要求1所述的发电装置，其特征在于，
作为所述燃料电池单元而具备分别构成的第一燃料电池单元和第二燃料电池单元，
所述第一燃料电池单元的所述空气极是被设置为从所述燃料气体流路的内部延伸到外部的P型热电元件，
所述第二燃料电池单元的所述燃料极是被设置为从所述燃料气体流路的内部延伸到外部的N型热电元件，
将所述第一燃料电池单元的所述P型热电元件与所述第二燃料电池单元的所述N型热电元件在所述燃料气体流路的外部进行电连接。
5.如权利要求1所述的发电装置，其特征在于，
所述燃料电池单元具有：由P型热电元件构成且被设置为从所述燃料气体流路的内部延伸到外部的空气极、和整体位于所述燃料气体流路内部的燃料极。
6.如权利要求1所述的发电装置，其特征在于，
所述燃料电池单元具有：由N型热电元件构成且被设置为从所述燃料气体流路的内部延伸到外部的燃料极、和整体位于所述燃料气体流路内部的空气极。
7.如权利要求1所述的发电装置，其特征在于，
作为所述燃料电池单元而具备分别构成的第一燃料电池单元和第二燃料电池单元，
所述第一燃料电池单元和所述第二燃料电池单元都具有由P型热电元件构成且被设置为从所述燃料气体流路的内部延伸到外部的空气极、和由N型热电元件构成且被设置为从所述燃料气体流路的内部延伸到外部的燃料极，
将所述第一燃料电池单元的所述P型热电元件与所述第二燃料电池单元的所述N型热电元件在所述燃料气体流路的外部进行电连接。
8.如权利要求1所述的发电装置，其特征在于，
所述燃料电池单元具有：由P型热电元件构成且被设置为从所述燃料气体流路的内部延伸到外部的空气极、和由N型热电元件构成且被设置为从所述燃料气体流路的内部延伸到外部的燃料极。
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