JP2000173640A - 熱電変換方法及び装置 - Google Patents
熱電変換方法及び装置Info
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- air supply
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- H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
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- H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
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- H01M2250/40—Combination of fuel cells with other energy production systems
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Abstract
(57)【要約】
【課題】円筒型固体電解質燃料電池において、それ本来
の発電に加えて、さらに電力を得ることができる熱電変
換方法及び装置を得る。 【解決手段】円筒型固体電解質燃料電池の燃焼域におけ
る空気供給管の外周または内周壁面に熱電変換素子を配
置するか、または該燃焼域における空気供給管を熱電変
換素子により構成し、燃料電池作動時の未反応燃料と余
剰空気による燃焼熱を利用して発電する熱電変換方法及
びそのための装置。
の発電に加えて、さらに電力を得ることができる熱電変
換方法及び装置を得る。 【解決手段】円筒型固体電解質燃料電池の燃焼域におけ
る空気供給管の外周または内周壁面に熱電変換素子を配
置するか、または該燃焼域における空気供給管を熱電変
換素子により構成し、燃料電池作動時の未反応燃料と余
剰空気による燃焼熱を利用して発電する熱電変換方法及
びそのための装置。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、固体電解質燃料電
池（ＳＯＦＣ）の未反応燃料の燃焼熱を利用する熱電変
換方法及びそのための装置に関する。
池（ＳＯＦＣ）の未反応燃料の燃焼熱を利用する熱電変
換方法及びそのための装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】燃料電池はイオン伝導体すなわち電解質
に利用される物質の違いによりリン酸型、固体高分子
型、溶融炭酸塩型、固体電解質型などに分類される。こ
のうち固体電解質燃料電池は電解質が固体電解質である
点に特徴を有し、固体電解質としては安定化ジルコニア
などで構成される。固体電解質を挟んで負極（燃料極）
及び正極（酸素極又は空気極）の両電極を配置し、負極
側に燃料としての水素ガス等を供給し、正極側に空気又
は酸素を供給して電気化学反応を起こさせることにより
電力を取り出すことができる。
に利用される物質の違いによりリン酸型、固体高分子
型、溶融炭酸塩型、固体電解質型などに分類される。こ
のうち固体電解質燃料電池は電解質が固体電解質である
点に特徴を有し、固体電解質としては安定化ジルコニア
などで構成される。固体電解質を挟んで負極（燃料極）
及び正極（酸素極又は空気極）の両電極を配置し、負極
側に燃料としての水素ガス等を供給し、正極側に空気又
は酸素を供給して電気化学反応を起こさせることにより
電力を取り出すことができる。
【０００３】固体電解質燃料電池には平板型、円筒型な
どがあるが、円筒型では円筒状のセル単位を多数個配置
して構成される。図１は円筒型セル単位の態様例を原理
的に説明する図であり、図１（ａ）は横断面図、図１
（ｂ）は水素（燃料）及び空気（酸化剤）の流れを透視
的に示した図である。図１（ａ）のとおり、二重円筒に
構成され、円管状の固体電解質の内壁面に空気極、外周
壁に燃料極を配置して構成される。図１（ｂ）のとお
り、電池としての使用時には、二重円筒の内管に空気等
の酸化剤を供給すると、下端で折り返してセル（固体電
解質）の内側を流れる。同時に外周壁外側に水素等の燃
料を通すことで発電される。
どがあるが、円筒型では円筒状のセル単位を多数個配置
して構成される。図１は円筒型セル単位の態様例を原理
的に説明する図であり、図１（ａ）は横断面図、図１
（ｂ）は水素（燃料）及び空気（酸化剤）の流れを透視
的に示した図である。図１（ａ）のとおり、二重円筒に
構成され、円管状の固体電解質の内壁面に空気極、外周
壁に燃料極を配置して構成される。図１（ｂ）のとお
り、電池としての使用時には、二重円筒の内管に空気等
の酸化剤を供給すると、下端で折り返してセル（固体電
解質）の内側を流れる。同時に外周壁外側に水素等の燃
料を通すことで発電される。
【０００４】図２〜図３は、図１に示すようなセル単位
を複数個配置して構成された固体電解質燃料電池を模式
的に示す図で、図２は縦断面図、図３は横断面図であ
る。電池としての使用時には、空気等の酸化剤及び水素
等の燃料を図２のように通して電気化学反応を起こさせ
ることで、図３中矢印（→）のように電子が流れ、セル
数に対応した電力が得られる。
を複数個配置して構成された固体電解質燃料電池を模式
的に示す図で、図２は縦断面図、図３は横断面図であ
る。電池としての使用時には、空気等の酸化剤及び水素
等の燃料を図２のように通して電気化学反応を起こさせ
ることで、図３中矢印（→）のように電子が流れ、セル
数に対応した電力が得られる。
【０００５】ところで、固体電解質燃料電池は、その作
動温度が８００〜１０００℃程度という高温であり、燃
料電池の中でも特に高く、約５０％という高い発電効率
を得ることができる。しかし、これを燃料水素の観点か
らみれば、供給水素のエネルギーのうち電力として取り
出せるのは５０％であり、残り約５０％のエネルギーが
発電に利用されずに熱として排出されることを意味す
る。従来、未反応の水素は、図２中燃焼域として示す箇
所で余剰空気を用いて燃焼させ、燃焼熱を供給空気の予
熱に利用している。
動温度が８００〜１０００℃程度という高温であり、燃
料電池の中でも特に高く、約５０％という高い発電効率
を得ることができる。しかし、これを燃料水素の観点か
らみれば、供給水素のエネルギーのうち電力として取り
出せるのは５０％であり、残り約５０％のエネルギーが
発電に利用されずに熱として排出されることを意味す
る。従来、未反応の水素は、図２中燃焼域として示す箇
所で余剰空気を用いて燃焼させ、燃焼熱を供給空気の予
熱に利用している。
【０００６】図４は、図２〜図３に示すような燃料電池
から１個のセル単位を取り出し、未反応水素の燃焼、供
給空気の予熱状態を示したものである。上部隔壁と下部
隔壁で形成される燃焼域において、未反応水素は余乗空
気により燃焼し、ここでの発生熱により空気供給管の外
壁から加熱することにより、その中を流れる供給空気が
予熱される。
から１個のセル単位を取り出し、未反応水素の燃焼、供
給空気の予熱状態を示したものである。上部隔壁と下部
隔壁で形成される燃焼域において、未反応水素は余乗空
気により燃焼し、ここでの発生熱により空気供給管の外
壁から加熱することにより、その中を流れる供給空気が
予熱される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】ところが、上記の手法
では、燃焼熱の利用目的は、単に、固体電解質燃料電池
の燃焼域において供給空気を予熱するだけである。本発
明においては、その燃焼域の温度と空気供給管の周壁面
との間の温度差に着目し、固体電解質燃料電池におい
て、それ本来の発電に加えて、その温度差を利用して発
電する熱電変換方法及びそのための装置を提供すること
を目的とする。
では、燃焼熱の利用目的は、単に、固体電解質燃料電池
の燃焼域において供給空気を予熱するだけである。本発
明においては、その燃焼域の温度と空気供給管の周壁面
との間の温度差に着目し、固体電解質燃料電池におい
て、それ本来の発電に加えて、その温度差を利用して発
電する熱電変換方法及びそのための装置を提供すること
を目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明は、（１）円筒型
固体電解質燃料電池の燃焼域における空気供給管の外周
または内周壁面に熱電変換素子を配置し、該燃料電池作
動時の未反応燃料と余剰空気による燃焼熱を利用して発
電することを特徴とする固体電解質燃料電池の未反応燃
料の燃焼熱を利用する熱電変換方法を提供する。
固体電解質燃料電池の燃焼域における空気供給管の外周
または内周壁面に熱電変換素子を配置し、該燃料電池作
動時の未反応燃料と余剰空気による燃焼熱を利用して発
電することを特徴とする固体電解質燃料電池の未反応燃
料の燃焼熱を利用する熱電変換方法を提供する。
【０００９】本発明は（２）円筒型固体電解質燃料電池
の燃焼域における空気供給管の部分を熱電変換素子によ
り構成し、該燃料電池作動時の未反応燃料と余剰空気に
よる燃焼熱を利用して発電することを特徴とする固体電
解質燃料電池の未反応燃料の燃焼熱を利用する熱電変換
方法を提供する。
の燃焼域における空気供給管の部分を熱電変換素子によ
り構成し、該燃料電池作動時の未反応燃料と余剰空気に
よる燃焼熱を利用して発電することを特徴とする固体電
解質燃料電池の未反応燃料の燃焼熱を利用する熱電変換
方法を提供する。
【００１０】本発明は（３）円筒型固体電解質燃料電池
の燃焼域における空気供給管の外周または内周壁面に熱
電変換素子を配置・固定し、該燃料電池作動時の未反応
燃料と余剰空気による燃焼熱を利用して発電するように
してなることを特徴とする固体電解質燃料電池の未反応
燃料の燃焼熱を利用する熱電変換装置を提供する。
の燃焼域における空気供給管の外周または内周壁面に熱
電変換素子を配置・固定し、該燃料電池作動時の未反応
燃料と余剰空気による燃焼熱を利用して発電するように
してなることを特徴とする固体電解質燃料電池の未反応
燃料の燃焼熱を利用する熱電変換装置を提供する。
【００１１】本発明は（４）円筒型固体電解質燃料電池
の燃焼域における空気供給管の部分を熱電変換素子によ
り構成し、該燃料電池作動時の未反応燃料と余剰空気に
よる燃焼熱を利用して発電するようにしてなることを特
徴とする固体電解質燃料電池の未利用燃料の燃焼熱を利
用する熱電変換装置を提供する。
の燃焼域における空気供給管の部分を熱電変換素子によ
り構成し、該燃料電池作動時の未反応燃料と余剰空気に
よる燃焼熱を利用して発電するようにしてなることを特
徴とする固体電解質燃料電池の未利用燃料の燃焼熱を利
用する熱電変換装置を提供する。
【００１２】
【発明の実施の形態】本発明においては、円筒型固体電
解質燃料電池における燃焼域に臨む空気供給管の外壁あ
るいは内壁に熱電変換素子を配置するか、または燃焼域
に臨む空気供給管自体を熱電変換素子で構成する。固体
電解質燃料電池としての作動時にはセル領域と同じく、
燃焼域でも例えば約１０００℃というように高温である
のに対して、供給空気は常温、或いは供給空気が予熱し
て供給されるにしても数十〜数百度程度であり、その間
には大きな温度差が生じる。本発明においてはその間に
熱電変換素子を配置し、円筒型固体電解質燃料電池自体
からの電力に加えて、さらに有意な量の電力を得るよう
にしたものである。
解質燃料電池における燃焼域に臨む空気供給管の外壁あ
るいは内壁に熱電変換素子を配置するか、または燃焼域
に臨む空気供給管自体を熱電変換素子で構成する。固体
電解質燃料電池としての作動時にはセル領域と同じく、
燃焼域でも例えば約１０００℃というように高温である
のに対して、供給空気は常温、或いは供給空気が予熱し
て供給されるにしても数十〜数百度程度であり、その間
には大きな温度差が生じる。本発明においてはその間に
熱電変換素子を配置し、円筒型固体電解質燃料電池自体
からの電力に加えて、さらに有意な量の電力を得るよう
にしたものである。
【００１３】熱電変換素子は、温度差を与えることによ
り両端に熱起電力が発生する熱電効果（＝ゼーベック効
果）を利用して熱エネルギーを直接電力に変換する素子
であり、相異なる二種の金属やＰ型半導体とＮ型半導
体、その他の相異なる熱電変換材料を熱的に並列に置い
て電気的に直列に接続し、外部に負荷を接続して閉回路
を構成することで回路に電流が流れ、電力として取り出
すことができる。
り両端に熱起電力が発生する熱電効果（＝ゼーベック効
果）を利用して熱エネルギーを直接電力に変換する素子
であり、相異なる二種の金属やＰ型半導体とＮ型半導
体、その他の相異なる熱電変換材料を熱的に並列に置い
て電気的に直列に接続し、外部に負荷を接続して閉回路
を構成することで回路に電流が流れ、電力として取り出
すことができる。
【００１４】熱電変換素子としては、バルク、薄膜、厚
膜など様々な形態のものが考案されているが、大まかな
ところ一対の熱電変換材料で構成された素子から得られ
る電圧は同一材料であればその積層数に比例し、電力は
素子の大きさに比例する。しかし電圧については、相異
なる二種の熱電変換材料の一対だけでは高々数十ｍＶに
しかならないから、その複数対を組み合わせることが必
要である。
膜など様々な形態のものが考案されているが、大まかな
ところ一対の熱電変換材料で構成された素子から得られ
る電圧は同一材料であればその積層数に比例し、電力は
素子の大きさに比例する。しかし電圧については、相異
なる二種の熱電変換材料の一対だけでは高々数十ｍＶに
しかならないから、その複数対を組み合わせることが必
要である。
【００１５】図５は、その組み合わせの一態様例を模式
的に示した図である。例えば熱電変換材料が半導体の場
合、複数対のＰ型及びＮ型半導体が間隔を置いて交互に
配置され、相隣るＰ型及びＮ型半導体の単位が電極によ
って直列に連結されている。図５ではＰーＮ単位を５９
対連結した場合を示しているが、必要数が連結され、そ
の上面側と下面側の間に温度差ΔＴを与えることで発電
される。図５中、１は熱電変換素子、２は連結細片（電
極）、３は電力取り出し用の導線であり、矢印（→）は
電流の流れを示している。
的に示した図である。例えば熱電変換材料が半導体の場
合、複数対のＰ型及びＮ型半導体が間隔を置いて交互に
配置され、相隣るＰ型及びＮ型半導体の単位が電極によ
って直列に連結されている。図５ではＰーＮ単位を５９
対連結した場合を示しているが、必要数が連結され、そ
の上面側と下面側の間に温度差ΔＴを与えることで発電
される。図５中、１は熱電変換素子、２は連結細片（電
極）、３は電力取り出し用の導線であり、矢印（→）は
電流の流れを示している。
【００１６】本発明においては、上記のように構成した
熱電変換素子を円筒型固体電解質燃料電池における燃焼
域、すなわち上部隔壁と下部隔壁との間で形成される燃
焼域に臨む空気供給管の外壁あるいは内壁に配置する
か、または該燃焼域に臨む空気供給管の部分自体を上記
のような熱電変換素子で構成する。この場合、上部隔壁
と下部隔壁との間隔を従来のものより大きくし、これに
対応した幅に熱電変換素子を配置することにより、より
大きな電力を得るようにすることもできる。
熱電変換素子を円筒型固体電解質燃料電池における燃焼
域、すなわち上部隔壁と下部隔壁との間で形成される燃
焼域に臨む空気供給管の外壁あるいは内壁に配置する
か、または該燃焼域に臨む空気供給管の部分自体を上記
のような熱電変換素子で構成する。この場合、上部隔壁
と下部隔壁との間隔を従来のものより大きくし、これに
対応した幅に熱電変換素子を配置することにより、より
大きな電力を得るようにすることもできる。
【００１７】上記外壁あるいは内壁への配置の仕方とし
ては、空気供給管の外壁あるいは内壁に対して配置し固
定し得る手法であれば特に限定はなく、例えば空気供
給管の壁面に対して熱電変換素子を巻き付け機械的手段
（例えば、ネジ、ボルトーナット、リベット等）により
固定する、空気供給管の壁面に対し例えばガラスシー
ルやセラミック系の接着剤等を介して熱電変換素子を巻
き付けて貼付することにより固定する等の適宜な手法に
より行うことができる。
ては、空気供給管の外壁あるいは内壁に対して配置し固
定し得る手法であれば特に限定はなく、例えば空気供
給管の壁面に対して熱電変換素子を巻き付け機械的手段
（例えば、ネジ、ボルトーナット、リベット等）により
固定する、空気供給管の壁面に対し例えばガラスシー
ルやセラミック系の接着剤等を介して熱電変換素子を巻
き付けて貼付することにより固定する等の適宜な手法に
より行うことができる。
【００１８】また、燃焼域に臨む空気供給管自体を上記
のような熱電変換素子で構成する場合には、図５に示す
ような熱電変換素子を管状に構成し、この管状熱電変換
素子を空気供給管（例えばアルミナ管等が使用される）
に連結して構成される。この連結は、例えばアルミナ管
を作っておき、後に共晶結する、酸化物やガラスシール
剤で接合する等適宜の手法で行える。この場合、図５に
示すような熱電変換素子では表裏間に連通する空隙があ
るため、その間に電気絶縁性の充填材を充填することに
より、空気或いは燃焼ガスが通過するのを防止すること
ができる。
のような熱電変換素子で構成する場合には、図５に示す
ような熱電変換素子を管状に構成し、この管状熱電変換
素子を空気供給管（例えばアルミナ管等が使用される）
に連結して構成される。この連結は、例えばアルミナ管
を作っておき、後に共晶結する、酸化物やガラスシール
剤で接合する等適宜の手法で行える。この場合、図５に
示すような熱電変換素子では表裏間に連通する空隙があ
るため、その間に電気絶縁性の充填材を充填することに
より、空気或いは燃焼ガスが通過するのを防止すること
ができる。
【００１９】本発明における前記相異なる二種の熱電変
換材料としては、熱電変換材料としての特性を有し、金
属電極方式や直接接合方式等により工作できるものであ
れば特に限定はないが、高温耐熱性で、広い温度領域で
熱電変換材料としての特性を有するものであることが望
ましく、例えば下記（１）〜（４）のような複合酸化物
系の熱電変換材料が使用され、また、従来知られている
もののうち、高温型とよばれるβーＦｅＳｉ2、Ｓｉ0.8
Ｇｅ0.2なども使用される。
換材料としては、熱電変換材料としての特性を有し、金
属電極方式や直接接合方式等により工作できるものであ
れば特に限定はないが、高温耐熱性で、広い温度領域で
熱電変換材料としての特性を有するものであることが望
ましく、例えば下記（１）〜（４）のような複合酸化物
系の熱電変換材料が使用され、また、従来知られている
もののうち、高温型とよばれるβーＦｅＳｉ2、Ｓｉ0.8
Ｇｅ0.2なども使用される。
【００２０】（１）元素組成式Ｎａ（ＣｏZＡ1-Z）XＯY
で表わされる物質からなる熱電変換材料（ただし式中、
ｘは１≦ｘ≦２、ｙは２≦ｙ≦４、ｚは０＜ｚ＜１であ
り、ＡはＭｎ、Ｆｅ又はＣｕである）。特願平９ー８２
２７３号（特開平１０ー２５６６１２号公報） （２）元素組成式ＮａPＢ1-P(ＣｏZＡ1-Z)XＯYで表わさ
れる物質からなる熱電変換材料（ただし式中、ｘは１≦
ｘ≦２、ｙは２≦ｙ≦４、ｐは０＜ｐ＜１、ｚは０＜ｚ
＜１であり、ＡはＭｎ、Ｆｅ又はＣｕであり、ＢはＣ
ａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｂｉ又はＹである）。特願平９ー８２
２７３号（特開平１０ー２５６６１２号公報）
で表わされる物質からなる熱電変換材料（ただし式中、
ｘは１≦ｘ≦２、ｙは２≦ｙ≦４、ｚは０＜ｚ＜１であ
り、ＡはＭｎ、Ｆｅ又はＣｕである）。特願平９ー８２
２７３号（特開平１０ー２５６６１２号公報） （２）元素組成式ＮａPＢ1-P(ＣｏZＡ1-Z)XＯYで表わさ
れる物質からなる熱電変換材料（ただし式中、ｘは１≦
ｘ≦２、ｙは２≦ｙ≦４、ｐは０＜ｐ＜１、ｚは０＜ｚ
＜１であり、ＡはＭｎ、Ｆｅ又はＣｕであり、ＢはＣ
ａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｂｉ又はＹである）。特願平９ー８２
２７３号（特開平１０ー２５６６１２号公報）
【００２１】（３）元素組成式（ＮａPＢ1-P）（ＣｏZ
Ａ1-Z）ｘＯｙで表わされる物質からなる熱電変換材料
（ただし式中、ｘは１≦ｘ≦２、ｙは２≦ｙ≦４、ｐは
０＜ｐ≦１、ｚは０＜ｚ≦１であり（ｐとｚが共に１の
場合を除く）、Ｂ又はＡ若しくはＢ及びＡは、それぞ
れ、Ａｇ、Ｌｉ、ランタノイド、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗ、Ｚ
ｒ、Ｖ、Ｃｒから選ばれた１種又は２種以上の元素を示
す）。（特願平９ー３６７７７２号）
Ａ1-Z）ｘＯｙで表わされる物質からなる熱電変換材料
（ただし式中、ｘは１≦ｘ≦２、ｙは２≦ｙ≦４、ｐは
０＜ｐ≦１、ｚは０＜ｚ≦１であり（ｐとｚが共に１の
場合を除く）、Ｂ又はＡ若しくはＢ及びＡは、それぞ
れ、Ａｇ、Ｌｉ、ランタノイド、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗ、Ｚ
ｒ、Ｖ、Ｃｒから選ばれた１種又は２種以上の元素を示
す）。（特願平９ー３６７７７２号）
【００２２】（４）元素組成式（ＮａPＢ1-P）（ＣｏZ
Ａ1-Z-qＣｕq）ｘＯｙ で表わされる物質からなる熱電
変換材料〔ただし式中、ｘは１≦ｘ≦２、ｙは２≦ｙ≦
４、ｐは０＜ｐ≦１であり、ｚ及びｑは、０＜ｚ＜１、
０＜ｑ＜１、ｚ≦１−ｑであり（ｐが１で且つｚが１−
ｑの場合を除く）、Ｂ又はＡ若しくはＢ及びＡは、それ
ぞれ、Ａｇ、Ｌｉ、ランタノイド、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗ、Ｚ
ｒ、Ｖ、Ｃｒから選ばれた１種又は２種以上の元素を示
す〕。（特願平９ー３６７７７２号）
Ａ1-Z-qＣｕq）ｘＯｙ で表わされる物質からなる熱電
変換材料〔ただし式中、ｘは１≦ｘ≦２、ｙは２≦ｙ≦
４、ｐは０＜ｐ≦１であり、ｚ及びｑは、０＜ｚ＜１、
０＜ｑ＜１、ｚ≦１−ｑであり（ｐが１で且つｚが１−
ｑの場合を除く）、Ｂ又はＡ若しくはＢ及びＡは、それ
ぞれ、Ａｇ、Ｌｉ、ランタノイド、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗ、Ｚ
ｒ、Ｖ、Ｃｒから選ばれた１種又は２種以上の元素を示
す〕。（特願平９ー３６７７７２号）
【００２３】ところで、熱電変換素子の電気出力Ｗは次
式（１）で表わされる。ここで式（１）中、Ｉ：電流、
Ｒ：負荷抵抗、Ｓ：熱電能、ΔＴ＝Ｔｈ−Ｔｃ、ｒ：内
部抵抗、ｍ＝Ｒ／ｒである。式（１）から明らかなとお
り、電気出力Ｗは、高温側温度（Ｔｈ）と低温側温度
（Ｔｃ）との差（ΔＴ）に大きく依存し、ΔＴの２乗に
比例している。
式（１）で表わされる。ここで式（１）中、Ｉ：電流、
Ｒ：負荷抵抗、Ｓ：熱電能、ΔＴ＝Ｔｈ−Ｔｃ、ｒ：内
部抵抗、ｍ＝Ｒ／ｒである。式（１）から明らかなとお
り、電気出力Ｗは、高温側温度（Ｔｈ）と低温側温度
（Ｔｃ）との差（ΔＴ）に大きく依存し、ΔＴの２乗に
比例している。
【数 １】
【００２４】この点、例えば上記のような複合酸化物系
の熱電変換材料で構成した熱電変換素子は、低温域から
高温域まで有効であり、供給空気との温度差ΔＴを大き
くとれるため、本発明において特に好ましく適用され
る。固体電解質燃料電池の作動時におけるセルの温度は
約８００〜１０００℃程度という高温である。燃焼域の
温度は燃料利用率と空気利用率によって異なり、また場
所による差異もあるが、最も高温になる場所では８００
〜１０００℃になる。空気が常温で供給される場合、最
大でΔＴ＝７８０〜９８０℃もの温度差がとれることに
なり、大きな電気出力Ｗが得られる。
の熱電変換材料で構成した熱電変換素子は、低温域から
高温域まで有効であり、供給空気との温度差ΔＴを大き
くとれるため、本発明において特に好ましく適用され
る。固体電解質燃料電池の作動時におけるセルの温度は
約８００〜１０００℃程度という高温である。燃焼域の
温度は燃料利用率と空気利用率によって異なり、また場
所による差異もあるが、最も高温になる場所では８００
〜１０００℃になる。空気が常温で供給される場合、最
大でΔＴ＝７８０〜９８０℃もの温度差がとれることに
なり、大きな電気出力Ｗが得られる。
【００２５】
【実施例】以下、実施例に基づき本発明をさらに詳しく
説明するが、これら実施例に限定されないことはもちろ
んである。
説明するが、これら実施例に限定されないことはもちろ
んである。
【００２６】図６は、本発明を図２〜図３に示すような
円筒型固体電解質燃料電池において適用した例である。
本実施例においては６４個のセルを配置しているが、図
６ではそのうちの１個を切り取って示している。Ｐ型熱
電変換素子としてはコバルト酸化物系材料：組成ＮａＣ
ｏ2Ｏｙ（ｙ≒４)を使用した。これを工作して図５に示
すような平板状の素子を作製し、これを図５中環状矢印
のように湾曲させ、図６のとおり、下部隔壁と上部隔壁
の間に形成された燃焼域の空気供給管部分の外壁面に巻
き付けて固定した。
円筒型固体電解質燃料電池において適用した例である。
本実施例においては６４個のセルを配置しているが、図
６ではそのうちの１個を切り取って示している。Ｐ型熱
電変換素子としてはコバルト酸化物系材料：組成ＮａＣ
ｏ2Ｏｙ（ｙ≒４)を使用した。これを工作して図５に示
すような平板状の素子を作製し、これを図５中環状矢印
のように湾曲させ、図６のとおり、下部隔壁と上部隔壁
の間に形成された燃焼域の空気供給管部分の外壁面に巻
き付けて固定した。
【００２７】本円筒型固体電解質燃料電池において、空
気供給管（内管）に供給される空気は、内管の下端部か
ら折り返してセル中の固体電解質へ向けて供給され、セ
ルの外壁を通して供給される水素との電気化学反応によ
り発電される。この時、余剰空気及び未反応水素はセル
の外周と下部隔壁との間の間隙を通過して燃焼域に至
り、ここで燃焼する。
気供給管（内管）に供給される空気は、内管の下端部か
ら折り返してセル中の固体電解質へ向けて供給され、セ
ルの外壁を通して供給される水素との電気化学反応によ
り発電される。この時、余剰空気及び未反応水素はセル
の外周と下部隔壁との間の間隙を通過して燃焼域に至
り、ここで燃焼する。
【００２８】発電作動時におけるセルの温度は約８００
〜１０００℃程度という高温であるが、燃焼域も同じく
高温である。このため空気が供給される空気供給管の外
壁の温度との間に高い温度差が生じ、空気が常温で供給
される場合の温度差ΔＴは、場所や燃料利用率等の条件
にもよるが、約６００〜９００℃である。本実施例にお
いては、円筒型固体電解質燃料電池から自体の電力に加
えて、空気供給管の外壁面に配置された熱電変換素子に
より、その温度差を利用して電力が得られる。
〜１０００℃程度という高温であるが、燃焼域も同じく
高温である。このため空気が供給される空気供給管の外
壁の温度との間に高い温度差が生じ、空気が常温で供給
される場合の温度差ΔＴは、場所や燃料利用率等の条件
にもよるが、約６００〜９００℃である。本実施例にお
いては、円筒型固体電解質燃料電池から自体の電力に加
えて、空気供給管の外壁面に配置された熱電変換素子に
より、その温度差を利用して電力が得られる。
【００２９】図７は、上記のようなセル単位を４個配置
した例であり、容器に収容して構成される。本実施例で
もＰ型熱電変換素子としてコバルト酸化物系材料：組成
ＮａＣｏ2Ｏｙ（ｙ≒４)を使用した。これを工作して図
５に示すような平板状の素子を作製し、これを図５中環
状矢印のように湾曲させ、図７のとおり燃焼域の空気供
給管部分の外壁面に巻き付けて固定した。
した例であり、容器に収容して構成される。本実施例で
もＰ型熱電変換素子としてコバルト酸化物系材料：組成
ＮａＣｏ2Ｏｙ（ｙ≒４)を使用した。これを工作して図
５に示すような平板状の素子を作製し、これを図５中環
状矢印のように湾曲させ、図７のとおり燃焼域の空気供
給管部分の外壁面に巻き付けて固定した。
【００３０】円筒型固体電解質燃料電池で得られる電力
は、熱電変換素子の性能指数や用いる熱電変換素子の量
によって変わるが、セル１本当りの出力が２０Ｗである
燃料電池として構成し、熱電変換素子による出力が１Ｗ
である場合、図６の例ではセルを６４個配置しているの
で、１２８０＋６４＝１３４４Ｗの電力が得られ、図７
の例ではセル数４個であるので８０＋４＝８４Ｗの電力
が得られる。これは、もともとの燃料電池の発電効率が
５０％であったのに対し、本発明の効果により発電効率
が５２．５％に上昇することを示している。
は、熱電変換素子の性能指数や用いる熱電変換素子の量
によって変わるが、セル１本当りの出力が２０Ｗである
燃料電池として構成し、熱電変換素子による出力が１Ｗ
である場合、図６の例ではセルを６４個配置しているの
で、１２８０＋６４＝１３４４Ｗの電力が得られ、図７
の例ではセル数４個であるので８０＋４＝８４Ｗの電力
が得られる。これは、もともとの燃料電池の発電効率が
５０％であったのに対し、本発明の効果により発電効率
が５２．５％に上昇することを示している。
【００３１】
【発明の効果】本発明によれば、円筒型固体電解質燃料
電池の燃焼域における空気供給管の壁に熱電変換素子を
配置するか、該燃焼域部における空気供給管自体を熱電
変換素子で構成することにより、燃焼域部の熱を簡便に
発電に利用することができる。これにより、円筒型固体
電解質燃料電池から自体の電力に加えて、有意な量の電
力がエネルギーコストゼロで得られる。
電池の燃焼域における空気供給管の壁に熱電変換素子を
配置するか、該燃焼域部における空気供給管自体を熱電
変換素子で構成することにより、燃焼域部の熱を簡便に
発電に利用することができる。これにより、円筒型固体
電解質燃料電池から自体の電力に加えて、有意な量の電
力がエネルギーコストゼロで得られる。
【図１】円筒型固体電解質燃料電池における円筒状セル
単位の態様例を原理的に説明する図。
単位の態様例を原理的に説明する図。
【図２】図１に示すようなセル単位を複数個配置して構
成された固体電解質燃料電池を模式的に示す図（縦断面
図）。
成された固体電解質燃料電池を模式的に示す図（縦断面
図）。
【図３】図１に示すようなセル単位を複数個配置して構
成された固体電解質燃料電池を模式的に示す図（横断面
図）。
成された固体電解質燃料電池を模式的に示す図（横断面
図）。
【図４】図２〜図３に示すような燃料電池から１個のセ
ル単位を取り出し、未反応水素の燃焼、供給空気の予熱
状態を示した図。
ル単位を取り出し、未反応水素の燃焼、供給空気の予熱
状態を示した図。
【図５】熱電変換素子の複数対を組み合わせた態様例を
模式的に示した図。
模式的に示した図。
【図６】６４個の円筒型セルで構成された固体電解質燃
料電池に対して本発明を適用し、そのうち１個のセルを
取り出して示した図。
料電池に対して本発明を適用し、そのうち１個のセルを
取り出して示した図。
【図７】４個の円筒型セルで構成された固体電解質燃料
電池に対して本発明を適用した例を示す図。
電池に対して本発明を適用した例を示す図。
１ 熱電変換素子 ２ 連結細片（電極） ３ 電力取り出し用の導線
Claims (4)
- 【請求項１】円筒型固体電解質燃料電池の燃焼域におけ
る空気供給管の外周または内周壁面に熱電変換素子を配
置し、該燃料電池作動時の未反応燃料と余剰空気による
燃焼熱を利用して発電することを特徴とする固体電解質
燃料電池の未反応燃料の燃焼熱を利用する熱電変換方
法。 - 【請求項２】円筒型固体電解質燃料電池の燃焼域におけ
る空気供給管の部分を熱電変換素子により構成し、該燃
料電池作動時の未反応燃料と余剰空気による燃焼熱を利
用して発電することを特徴とする固体電解質燃料電池の
未反応燃料の燃焼熱を利用する熱電変換方法。 - 【請求項３】円筒型固体電解質燃料電池の燃焼域におけ
る空気供給管の外周または内周壁面に熱電変換素子を配
置・固定し、該燃料電池作動時の未反応燃料と余剰空気
による燃焼熱を利用して発電するようにしてなることを
特徴とする固体電解質燃料電池の未反応燃料の燃焼熱を
利用する熱電変換装置。 - 【請求項４】円筒型固体電解質燃料電池の燃焼域におけ
る空気供給管の部分を熱電変換素子により構成し、該燃
料電池作動時の未反応燃料と余剰空気による燃焼熱を利
用して発電するようにしてなることを特徴とする固体電
解質燃料電池の未利用燃料の燃焼熱を利用する熱電変換
装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP36003398A JP3737299B2 (ja) | 1998-12-03 | 1998-12-03 | 熱電変換方法及び装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP36003398A JP3737299B2 (ja) | 1998-12-03 | 1998-12-03 | 熱電変換方法及び装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000173640A true JP2000173640A (ja) | 2000-06-23 |
| JP3737299B2 JP3737299B2 (ja) | 2006-01-18 |
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ID=18467559
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP36003398A Expired - Fee Related JP3737299B2 (ja) | 1998-12-03 | 1998-12-03 | 熱電変換方法及び装置 |
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| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3737299B2 (ja) |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6423896B1 (en) * | 2001-02-28 | 2002-07-23 | Delphi Technologies, Inc. | Thermophotovoltaic insulation for a solid oxide fuel cell system |
| JP2007200703A (ja) * | 2006-01-26 | 2007-08-09 | Nippon Oil Corp | 固体酸化物形燃料電池 |
| WO2007105403A1 (ja) * | 2006-02-27 | 2007-09-20 | Kabushiki Kaisha Atsumitec | 発電装置 |
| WO2009020100A1 (ja) * | 2007-08-06 | 2009-02-12 | Kabushiki Kaisha Atsumitec | 発電装置 |
| JP2010232042A (ja) * | 2009-03-27 | 2010-10-14 | Hitachi Ltd | 燃料電池発電モジュール |
| WO2011031375A1 (en) | 2009-08-28 | 2011-03-17 | The Boeing Company | Thermoelectric generator and fuel cell for electric power co-generation |
| EP2306569A1 (en) * | 2008-07-15 | 2011-04-06 | National University Corporation Hokkaido University | Fuel cell and electricity generation method using the same |
| JP2012089508A (ja) * | 2011-11-21 | 2012-05-10 | Jx Nippon Oil & Energy Corp | 固体酸化物形燃料電池スタック |
-
1998
- 1998-12-03 JP JP36003398A patent/JP3737299B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6423896B1 (en) * | 2001-02-28 | 2002-07-23 | Delphi Technologies, Inc. | Thermophotovoltaic insulation for a solid oxide fuel cell system |
| JP2007200703A (ja) * | 2006-01-26 | 2007-08-09 | Nippon Oil Corp | 固体酸化物形燃料電池 |
| WO2007105403A1 (ja) * | 2006-02-27 | 2007-09-20 | Kabushiki Kaisha Atsumitec | 発電装置 |
| US8288042B2 (en) | 2006-02-27 | 2012-10-16 | Kabushiki Kaisha Atsumitec | Electric power generation device |
| WO2009020100A1 (ja) * | 2007-08-06 | 2009-02-12 | Kabushiki Kaisha Atsumitec | 発電装置 |
| JP2009043428A (ja) * | 2007-08-06 | 2009-02-26 | Atsumi Tec:Kk | 発電装置 |
| EP2306569A4 (en) * | 2008-07-15 | 2011-08-17 | Univ Hokkaido Nat Univ Corp | FUEL CELL AND POWER GENERATION METHOD THEREFOR |
| EP2306569A1 (en) * | 2008-07-15 | 2011-04-06 | National University Corporation Hokkaido University | Fuel cell and electricity generation method using the same |
| CN102099951A (zh) * | 2008-07-15 | 2011-06-15 | 国立大学法人北海道大学 | 燃料电池及使用该燃料电池的发电方法 |
| US8962217B2 (en) | 2008-07-15 | 2015-02-24 | National University Corporation Hokkaido University | Fuel cell and electricity generation method using the same |
| JP2010232042A (ja) * | 2009-03-27 | 2010-10-14 | Hitachi Ltd | 燃料電池発電モジュール |
| WO2011031375A1 (en) | 2009-08-28 | 2011-03-17 | The Boeing Company | Thermoelectric generator and fuel cell for electric power co-generation |
| US8568938B2 (en) | 2009-08-28 | 2013-10-29 | The Boeing Company | Thermoelectric generator and fuel cell for electric power co-generation |
| JP2012089508A (ja) * | 2011-11-21 | 2012-05-10 | Jx Nippon Oil & Energy Corp | 固体酸化物形燃料電池スタック |
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|---|---|
| JP3737299B2 (ja) | 2006-01-18 |
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