JP2001229949A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃料電池の断熱構造を提供する。 【解決手段】 酸化剤ガス１０１と燃料ガス１０２とを
高温作動温度環境下の電池室１０３内に供給し、上記酸
化剤ガス１０１と燃料ガス１０２とを電気化学的に反応
させて電力を得るようにした複数のセル１０４からなる
燃料電池本体と、該燃料電池本体の外部を断熱手段で包
囲されたモジュール本体１０５とからなる燃料電池であ
って、上記断熱手段が真空室１１１を有する真空断熱構
造としたものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池の断熱構
造に関する。

【０００２】

【背景の技術】従来からの火力発電装置等に替わるもの
として、燃料電池がある。この燃料電池は、水素、一酸
化炭素等の燃料が有する化学的エネルギーを直接電気エ
ネルギーに変換して取り出す装置であり、カルノーサイ
クルの制約を受けずエネルギー変換効率が高いことや、
エネルギー変換をクリーンに行えること等から、次世代
の発電装置として注目されている。中でも、固体電解質
型燃料電池（ＳｏｌｉｄＯｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌ
ｌ：以下「ＳＯＦＣ」という）は、発電効率が約６０％
と非常に高い、使用する燃料を幅広く選択できる、等と
いった利点を有しており、実用化に向けてとりわけ大き
な期待が寄せられている。このＳＯＦＣは、例えば酸素
イオン伝導性を有する安定化ジルコニア等、特定のイオ
ン種を伝導させる性質を持つ固体を電解質として用いる
もので、固体のイオン伝導率が著しく高まるような高温
下（９５０〜１０００℃前後）で作動させるものであ
る。

【０００３】従来においては上記高温を維持するために
断熱材を充填してなる断熱構造がとられているが、断熱
材が嵩張り、燃料電池モジュール本体は大がかりなもの
となっていた。また、燃料電池の内部温度は均一化する
ことが好ましく、作動条件によっては内部において温度
分布が生じることを防止したいとの要望があった。

【０００４】本発明は上記問題に鑑み、燃料電池モジュ
ール本体のコンパクト化及び燃料電池室内部の温度分布
の均一化を図る燃料電池を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】前述した課題を解決する
［請求項１］の発明は、酸化剤ガスと燃料ガスとを高温
作動温度環境下の電池室内に供給し、上記酸化剤ガスと
燃料ガスとを電気化学的に反応させて電力を得るように
した燃料電池本体と、該燃料電池本体の外部を断熱手段
で包囲されたモジュール本体とからなる燃料電池であっ
て、上記断熱手段が真空断熱構造であることを特徴とす
る。

【０００６】［請求項２］の発明は、請求項１におい
て、上記真空断熱構造が鉛直軸方向に複数の真空室に分
割されてなり、燃料電池の軸方向の温度分布から真空度
を調整し、燃料電池室内の軸方向の温度分布を均一化し
てなることを特徴とする。

【０００７】［請求項３］の発明は、請求項２におい
て、上記真空室の温度を測定する温度計測手段と、真空
度を調整する真空度調整手段とを有し、鉛直軸方向の温
度分布を均一化する制御手段を設けたことを特徴とす
る。

【０００８】［請求項４］の発明は、請求項１乃至３の
いずれか一項において、上記真空断熱構造の内部に昇華
物質を密閉してなることを特徴とする。

【０００９】［請求項５］の発明は、請求項１乃至４の
いずれか一項において、上記燃料電池が円筒管型燃料電
池又は平板型燃料電池のいずれかであることを特徴とす
る。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を以下に説明
するが、本発明はこれらの実施の形態に限定されるもの
ではない。

【００１１】［第１の実施の形態］本発明の第１の実施
の形態を図１を用いて説明する。図１は本実施の形態に
かかる燃料電池の概略図である。図１に示すように、本
実施の形態にかかる燃料電池は、酸化剤ガス１０１と燃
料ガス１０２とを高温作動温度環境下の電池室１０３内
に供給し、上記酸化剤ガス１０１と燃料ガス１０２とを
電気化学的に反応させて電力を得るようにした複数のセ
ル１０４からなる燃料電池本体と、該燃料電池本体の外
部を断熱手段で包囲されたモジュール本体１０５とから
なる燃料電池であって、上記断熱手段が真空室１１１を
有する真空断熱構造としたものである。

【００１２】本発明では燃料電池の種類については特に
限定されるものではないが、燃料電池の一例として、図
１においては、円筒型固体電解質燃料電池を用いてい
る。

【００１３】図１に示すように、モジュール本体１０５
に内包される円筒型固体電解質燃料電池は、天板１２
２，上部管板１２３及び下部管板１２４が配設され、下
部管板１２４の下方には、電池室１０３ａが形成されて
いる。一方、モジュール本体１０５の天板１２２と上部
管板１２３との間には、燃料供給室１２５が形成されて
いる。また、上部管板１２３と下部管板１２４の間に
は、燃料排出室１２６が形成されている。上記燃料供給
室１２５の天板１２２には、当該燃料供給室１２５とモ
ジュール本体１０５の外部とを連通する外側管１２７が
当該モジュール本体１０５を貫通して連結されている。
この外側管１２７の内側には、上記燃料排出室１２６と
当該モジュール本体１０５の外部とを連通するように下
部管板１２４を貫通する内側管１２８が配設されてい
る。上記下部管板１２４には、外周面に単電池膜（図示
せず）を成膜してなるセルチューブ１３０が、上端を燃
料排出室１２６内に位置させると共に下方寄りをモジュ
ール本体１０５の電池室１０３内に位置させるようにし
て貫通支持されている。セルチューブ１３０の内側に
は、当該セルチューブ１３０の内部下方側と燃料供給室
１２５内とを連通させるように上部管板１２３を貫通す
る燃料注入管１３１が配設されている。

【００１４】上記燃料注入管１１１の内側には、上端を
燃料供給室１２５に位置させると共に下端をセルチュー
ブ１３０の下端近傍に位置させた集電棒１３２が配設さ
れている。該集電棒１３２の下端は、上記単電池膜と電
気的に接続されている。上記セルチューブ１３０の下端
は集電部材を備えたシールキャップ１３３により閉塞さ
れている。上記集電棒１３２の上端は、ニッケル製の集
電部材１３３ａおよび導電棒１３４を介してモジュール
本体１０５の外部へ電気的に接続されている。一方、セ
ルチューブ１３０の上端には、上記単電池膜と電気的に
接続する集電コネクタ１３５が取り付けられており、当
該集電コネクタ１３５は、他のセルチューブ１３０と当
該集電コネクタ１３５を介して直列に接続されている。
すなわち、上記セルチューブ１３０と、燃料注入管１３
１及び集電棒１３２よりセル１０４が構成されており、
このセル１０４が複数個設けられ、直列に接続されて出
力を増大している。

【００１５】上記モジュール本体１０５の電池室１０３
の下部には、多孔質のセラミックス製の仕切板１３６が
設けられている。該仕切板１３６の下方には、当該仕切
板１３６を介して上記電池室１０３と連通する空気予熱
器１３７が設けられている。該空気予熱器１３７には、
モジュール本体１０５の外部と連通する空気供給管１３
８及び空気排出管１３９が接続している。ここで、電池
室１０３に供給された酸化剤ガス１０１である空気は発
電に供せられた後、電池室排空気として空気排出管１３
９ａから空気予熱器１３７に排出される。空気予熱器１
３７では、電池室排空気と供給空気１４１との間で熱交
換を行い、空気を予熱して仕切板１３６下部に供給する
と同時に、排空気を冷却して空気排気管１３９を介して
モジュール１０５の外部へ排出する。

【００１６】上記構造の燃料電池において、モジュール
本体１０５の電池室１０３内を作動温度（約９００〜１
０００℃）に加熱し、外側管１２７から水素などの燃料
ガス１０２を供給すると共に、空気供給管１３８から酸
化剤ガスである空気１０１を供給する。外側管１２７を
介して供給された燃料ガス１０２は、燃料供給室１２５
から注入管１３１を介してセルチューブ１３０下端側ま
でに流入する。一方、空気予熱器１３７を介して仕切板
１３６を通過した空気１０１が電池室１０３内に流入す
る。上記燃料１０２が多孔質性の基体管を透過して図示
しない単電池膜に供給され、上記空気（酸素）０２１が
単電池膜に接触すると、該単電池膜が燃料と空気（酸
素）とを電気化学的に反応させて電力を発生させ、当該
電力が集電棒１３２を介して外部へ送り出されるように
なっている。

【００１７】本実施の形態にかかる燃料電池によれば、
以下の効果を奏する。 燃料電池の断熱構造を真空断熱構造とすることによ
り、断熱部分のコンパクト化を図ることができる。 特に内部の燃料電池を加圧型とする場合には、従来
の容器と比較して約１割り程度容積を小さくすることが
可能となる。

【００１８】［第２の実施の形態］本発明の第２の実施
の形態を図２を用いて説明する。図２は本実施の形態に
かかる燃料電池の概略図である。第１の実施の形態では
真空断熱構造は１部屋であったが、本実施の形態では、
この部屋を鉛直軸方向に複数個の真空室に分割してなる
ものである。図２に示すように、本実施の形態にかかる
上記モジュール本体１０５の断熱構造は、鉛直軸方向に
複数個（本実施の形態では４部屋）の真空室１１１ａ〜
１１１ｄに分割してなる真空断熱部１１１としており、
電池室１０３内に配されたセル１０４を構成するセルチ
ューブ１３０の表面には温度検知計測手段が設けられて
おり、鉛直軸方向の所定箇所で各々の温度（Ｔ₁ ，
Ｔ₂ ，Ｔ₃ 及びＴ₄ ）を測定可能としている。

【００１９】すなわち、図３に示すように、真空断熱構
造の軸方向の断熱を区切りし、各部屋の真空度を調整す
る真空度調整手段Ｐ₁ 〜Ｐ₄ と、燃料電池のセルの軸方
向の温度分布を測定する温度計測手段Ｔ₁ 〜Ｔ₄ とを備
えてなるので、電池室１０３内部において鉛直軸方向の
温度分布があった場合でも制御手段１４１により真空度
を調整することで、鉛直軸方向の熱分布を均一化するこ
とができる。すなわち、図２に示すように、セルの温度
分布が軸方向の中心部分が高いような場合（図中、点
線）、温度が高い部分の真空室１１１ｂ及び１１１ｃで
は、真空度を下げるようにして、熱伝導率を向上させ
（図４参照）、これにより温度を下げるようにすること
で、例えば９５０℃近傍に温度分布を均一化（一点鎖
線）することができる。また、所望の温度に設定するた
めに、一部の真空度を上げると共に、一部の真空度を下
げることによっても、鉛直軸方向に亙っての温度差を零
とすることができる。

【００２０】本実施の形態にかかるシステムによれば、
真空室の内部を鉛直軸方向に分割するので、軸方向の温
度分布が均一化され、燃料電池運転開始において、温度
上昇の変化によるセル内部の柱入管１３１とセルチュー
ブ１３０との熱膨張の相違による接触等による破損等の
弊害が防止される。

【００２１】［第３の実施の形態］第３の実施の形態で
は、上述した第１又は第２の実施の形態の真空室１１１
内に昇華物質を密閉してなるものである。この昇華物質
は特に限定されるものではないが、パラフィンやハンダ
等のような温度が上昇したら昇華し、気圧が上がること
で真空度を下げる。そして、図５に示すように、真空度
が低下することでλを下げて熱を逃がし、温度を下げる
ようにすることもできる。ここで、昇華物質はパラフィ
ンやハンダ等に限定されるものではなく、気化・凝縮が
瞬時になされる物質であればいずれのものであってもよ
い。

【００２２】本実施の形態では、燃料電池として円筒管
型燃料電池を参照して説明したが、本発明はこれに限定
されるものではなく、例えば平板型燃料電池であっても
よい。

【００２３】

【発明の効果】以上述べたように、［請求項１］の発明
によれば、酸化剤ガスと燃料ガスとを高温作動温度環境
下の電池室内に供給し、上記酸化剤ガスと燃料ガスとを
電気化学的に反応させて電力を得るようにした燃料電池
本体と、該燃料電池本体の外部を断熱手段で包囲された
モジュール本体とからなる燃料電池であって、上記断熱
手段が真空断熱構造であるので、断熱部分のコンパクト
化を図ることができる。

【００２４】［請求項２］の発明によれば、請求項１に
おいて、上記真空断熱構造が鉛直軸方向に複数の真空室
に分割されてなり、燃料電池の軸方向の温度分布から真
空度を調整し、燃料電池室内の軸方向の温度分布を均一
化してなる軸方向の温度分布が均一化され、燃料電池運
転開始において、温度上昇の変化によるセル内部の柱入
管とセルチューブとの熱膨張の相違による接触等による
破損等の弊害が防止される。

【００２５】［請求項３］の発明によれば、請求項２に
おいて、上記真空室の温度を測定する温度計測手段と、
真空度を自動的に調整する真空度調整手段とを有し、鉛
直軸方向の温度分布を均一化する制御手段を設けたの
で、軸方向の温度分布を常時均一に保つことが可能とな
る。

【００２６】［請求項４］の発明によれば、請求項１乃
至３のいずれか一項において、上記真空断熱構造の内部
に昇華物質を密閉してなるので、真空制御手段を別途設
けることなく、温度制御が可能となる。

【００２７】［請求項５］の発明によれば、請求項１乃
至４のいずれか一項において、上記燃料電池が円筒管型
燃料電池又は平板型燃料電池のいずれかであるので、良
好な燃料電池発電が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施の形態にかかる燃料電池の概略図で
ある。

【図２】第２の実施の形態にかかる燃料電池真空断熱構
造の概略図である。

【図３】第２の実施の形態にかかる燃料電池真空断熱構
造の概略図である。

【図４】真空度と熱膨張係数（λ）との関係を示す図で
ある。

【符号の説明】

１０１ 酸化剤ガス １０２ 燃料ガス １０３ 電池室 １０４ セル １０５ モジュール本体 １１１ 真空室

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 西 敏郎 長崎県長崎市深堀町五丁目717番１号 三 菱重工業株式会社長崎研究所内 (72)発明者 久留 長生 長崎県長崎市飽の浦町１番１号 三菱重工 業株式会社長崎造船所内 Ｆターム(参考） 5H026 AA06 CC06 CV02 CX10 5H027 AA06 KK41 MM01

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 酸化剤ガスと燃料ガスとを高温作動温度
   環境下の電池室内に供給し、上記酸化剤ガスと燃料ガス
   とを電気化学的に反応させて電力を得るようにした燃料
   電池本体と、 該燃料電池本体の外部を断熱手段で包囲されたモジュー
   ル本体とからなる燃料電池であって、 上記断熱手段が真空断熱構造であることを特徴とする燃
   料電池。
2. 【請求項２】 請求項１において、 上記真空断熱構造が鉛直軸方向に複数の真空室に分割さ
   れてなり、燃料電池の軸方向の温度分布から真空度を調
   整し、燃料電池室内の軸方向の温度分布を均一化してな
   ることを特徴とする燃料電池。
3. 【請求項３】 請求項２において、 上記真空室の温度を測定する温度計測手段と、真空度を
   調整する真空度調整手段とを有し、鉛直軸方向の温度分
   布を均一化する制御手段を設けたことを特徴とする燃料
   電池。
4. 【請求項４】 請求項１乃至３のいずれか一項におい
   て、 上記真空断熱構造の内部に昇華物質を密閉してなること
   を特徴とする燃料電池。
5. 【請求項５】 請求項１乃至４のいずれか一項におい
   て、 上記燃料電池が円筒管型燃料電池又は平板型燃料電池の
   いずれかであることを特徴とする燃料電池。