JP2002358997A

JP2002358997A - 固体酸化物形燃料電池スタック

Info

Publication number: JP2002358997A
Application number: JP2001165138A
Authority: JP
Inventors: Kimitaka Watabe; 仁貴渡部; Toshiaki Yanai; 利明谷内; Masayasu Arakawa; 正泰荒川; Kazuhiko Nozawa; 和彦野沢; Himeko Orui; 姫子大類; Satoshi Sugita; 敏杉田; Yoshitaka Tabata; 嘉隆田畑; Masayuki Yokoo; 雅之横尾
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2001-05-31
Filing date: 2001-05-31
Publication date: 2002-12-13
Anticipated expiration: 2021-05-31
Also published as: JP3539562B2

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】優れたエネルギー変換効率を有し、かつ小型化
が可能な内部改質型の固体酸化物形燃料電池スタックを
提供する。【解決手段】スタック容器４内に、固体酸化物形燃料電
池セル１と、燃料ガスを改質するための改質部３とを有
し、固体酸化物形燃料電池セル１からの熱輻射を受ける
位置に改質部３を配置したことを特徴とする。また、ス
タック容器内の輻射熱を受ける位置に熱電変換素子の層
を配置したことも特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固体酸化物形燃料
電池スタックに係るものであり、特に固体酸化物形燃料
電池セルから発生する熱を有効に利用するスタック構造
に特徴を有する内部改質型の固体酸化物形燃料電池スタ
ックに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】酸化物を電解質に持つ固体酸化物形燃料
電池では、効率を左右するイオン伝導度を充分確保体酸
化物形燃料電池セルを有し、該固体酸化物形燃料電池セ
ルからの輻射熱をするため、動作温度が高温である。加
えて、水の電気分解と逆の反応で発電するため、発熱反
応になっている。そのため、固体酸化物形燃料電池で
は、発電の際、豊富な熟エネルギーが余剰になってい
る。高効率のエネルギー変換効率のためには、この高温
の熱を電気エネルギーに変換することが有効であり、加
圧型の固体酸化物形とガスタービンを組み合わせたコン
バインドシステムが考案されている。また、熱エネルギ
ーを直接利用することで効率を高くしたコジェネレーシ
ョンシステムが考えられている。

【０００３】一方、燃料電池の燃料としては、水素以外
に炭化水素ガスが有望である。炭化水素ガスを燃料電池
に適用する場合、通常、水を加熱した水蒸気改質と呼ば
れる吸熱反応である触媒反応によって炭化水素ガスを水
素に変換し、燃料電池に供給する改質装置が必要であ
る。しかしながら、固体酸化物形燃料電池では高温で動
作するため、所謂、内部改質（吸熱反応）が可能になっ
ている。また、水蒸気改質の他に、水蒸気を全く用いな
い部分酸化（発熱反応）と呼ばれる方法も考えられてい
る。

【０００４】固体酸化物形スタックを室内で用いる場
合、１０００℃近くの装置内部の温度にもかかわらず、
装置表面温度を室温程度まで低下させなくてはならな
い。そのため、大きな体積を持つ断熱材を用いて、熱エ
ネルギーを単に消費することで、熱を閉じ込めている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】固体酸化物形燃料電池
スタックでは、前項までに述べたように、内部改質が行
え、熱エネルギーを有効に使えるようになっているが、
以下に述べるような課題が残されている。

【０００６】まず、ガスタービンを併用したシステムで
は、ガスを加圧する必要があり、そのためのコストがか
かること、また、ガスタービンの効率を高めるために、
排ガスの温度の範囲が限定されていることが課題となっ
ている。

【０００７】また、熱エネルギーを直接利用するコジェ
ネレーションシステムでは、熱エネルギー需要の比率が
低い通信設備などではエネルギーの総合変換効率が低く
なってしまう。炭化水素を燃料とする固体酸化物形燃料
電池における内部改質機構であるが、現在、発電部分と
同じセルを用いているため、発熱反応と吸熱反応が混在
している。そのため、セルの温度分布制御が困難にな
り、セルへの熱応力によって、信頼性を高めることが難
しくなっている。加えて、水蒸気添加の内部改質型では
高温水蒸気の制御が難しいこと、そのためのコストがか
かること、開回路電圧低下により効率低下することが課
題として挙げられる。

【０００８】一方、部分酸化を利用した内部改貿は水蒸
気を利用しないこと、発電部の熱を利用すること（特開
平２０００−２６８８３２号公報）が利点として挙げら
れているが、具体的に熱エネルギーを搬送するか、ある
いは伝搬させるかが示されていない。

【０００９】固体酸化物形燃料電池を室内で利用する場
合、動作温度が１０００℃と高いため、セルを収容する
装置を体積が大きい断熱材で囲い、装置の表面を空冷も
しくは水冷する必要がある。そのため、小型化が困難で
あり、加えて、熱エネルギーを単に捨てている。即ち、
エネルギー総合変換効率を下げてしまうことになる。

【００１０】本発明は、総合的に優れたエネルギー変換
効率を有し、かつ小型化が可能な固体酸化物形燃料電池
スタックを提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の固体酸化物形燃
料電池スタックは、スタック容器内に、固体酸化物形燃
料電池セルと、燃料ガスを改質するための改質部とを有
し、該固体酸化物形燃料電池セルからの熱輻射を受ける
位置に該改質部が配置されていることを特徴とする。

【００１２】前記改質部は、前記固体酸化物形燃料電池
セルの周辺部に配置されることが好ましい。

【００１３】該改質部は、部分酸化による燃料改質を行
う固体酸化物形燃料電池セルが配されて構成されている
ことが好ましい。

【００１４】本発明の他の固体酸化物形燃料電池スタッ
クは、スタック容器内に、固体酸化物形燃料電池セルを
有し、該固体酸化物形燃料電池セルからの輻射熱を受け
る位置に熱電変換素子の層が配置されていることを特徴
とする。

【００１５】熱電変換素子の層は縦方向に数を変化させ
ることが好ましい。

【００１６】

【作用】本発明は上記課題を鑑みて、発明されたもので
ある。本発明では、スタック容器内に、固体酸化物形燃
料電池セルと、燃料ガスを改質するための改質部とを有
し、固体酸化物形燃料電池セルからの熱輻射を受ける位
置に該改質部を配置してある。

【００１７】従って、固体酸化物形燃料電池セルからの
熱は、熱輻射により改質部に伝播する。伝播した熱は改
質部（例えば、部分酸化セルにより構成されている）に
おいて燃料ガスの改質に用いられ、燃料ガスの改質が効
率よく行われる。すなわち熱エネルギーの損失が極めて
小さくなる。このように熱エネルギー損失を極めて小さ
くすることが可能になっているため、総合的に優れたエ
ネルギー変換効率を有する。また、改質部は熱エネルギ
ーを取り入れ断熱材としての作用を果たすため装置を体
積の大きな断熱材で囲う必要がなくなり小型化が可能と
なる。

【００１８】また、本発明の他の固体酸化物形燃料電池
スタックでは、スタック容器内に、固体酸化物形燃料電
池セルを有し、固体酸化物形燃料電池セルからの輻射熱
を受ける位置に熱電変換素子が配置されているため、固
体酸化物形燃料電池セルにおける熱は熱輻射により熱電
変換素子に伝播する。伝播した熱は熱電変換素子で電流
に変換され、該電流を適宜取り出すことができる。すな
わち、熱エネルギーを電気エネルギーとして有効に利用
することができる。従って、総合的に優れたエネルギー
変換効率を有する。

【００１９】また、熱電変換素子の層は、熱エネルギー
を取り入れ断熱材としての作用を果たすため装置を体積
の大きな断熱材で囲う必要がなくなり小型化が可能とな
る。

【００２０】以下により詳細に理由を述べる。固体酸化
物形燃料電池セルのからの熱輻射を受ける位置に（例え
ば固体酸化物形燃料電池セルの周辺）に配置された改質
部には、常圧の燃料ガス（例えば炭化水素ガス）が供給
できる。そのため、加圧の必要が無いので、加圧システ
ムのコストがかからない。また部分酸化セルと固体酸化
物形燃料電池セルとの間に、燃料ガスと、改質部で改質
されたガスとを分離し、また、改質されたガスを固体酸
化物形燃料電池セルに誘導するためのガス分離遮蔽板を
設けたとしても、固体酸化物形燃料電池セルでの発熱反
応で生ずる熱エネルギーはガス遮蔽板を通して取り込ま
れ、電池からのガス排気温度の制約は必要ない。

【００２１】なお、熱の伝搬は固体酸化物形燃料電池セ
ルが動作する高温域では輻射が支配的になるため、対流
を妨げても、熱は容易に伝搬する。改質部を部分酸化セ
ルにより構成した場合には、部分酸化セルでは固体酸化
物形燃料電池セルでの余剰熱エネルギーを電気に変換し
て、エネルギーを発生させるので、熱需要のあまり大き
くない施設にも適用できる。加えて、水蒸気改質とは異
なり、水蒸気の設備や制御が必要ない。また、部分酸化
では開回路電圧の低下も生じないため、エネルギー変換
の高効率化が可能である。

【００２２】断熱材を用いないで、燃料電池スタック装
置の表面温度を下げるためには、熱エネルギーを電気エ
ネルギーに変換して、温度を下げる方法が有効である。
改質部に部分酸化セルを用いた場合、部分酸化セルは外
界からの熱エネルギーをエントロピーの増分という形で
取り入れ、その標準エントロピー変化が大きいため充
分、断熱材の代わりとなりうる。

【００２３】また、部分酸化セルの代わりにＰｂ−Ｔｅ
熱電半導体や赤外線近傍に吸収帯を持つＧａＳｂ太陽電
池など、熱を電気に変換する部品を装置内壁に実装する
ことによって、熱エネルギーを有効に電気に変換するこ
とで、断熱材の容量を小さくすることができる。

【００２４】以上述べたように、部分酸化セルや熱電素
子を断熱材に使用すると小型高効率化や燃料改質の種々
の課題が解決できる。

【００２５】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細
に説明する。

【００２６】（実施例１）図１及び図２に実施例１に係
る固体酸化物形燃料電池スタックを示す。図１は、実施
例１に係る固体酸化物形燃料電池スタックを上から見た
断面図である。１は空気極もしくは燃料極が外側に配さ
れている固体酸化物形燃料電池セルを表す。本例におけ
る固体酸化物形燃料電池セル１は中空円筒形をしてい
る。

【００２７】２はガス分離遮蔽板（熱輻射板）であっ
て、炭化水素ガスを外周部から内側に誘導し、かつ熱輻
射によって燃料電池セル反応部の熱も誘導する。３は部
分酸化セルである。本例では、固体酸化物形燃料電池セ
ル１と同じタイプの中空円筒型の固体酸化物形燃料電池
セルを部分酸化セルとして使用した。本例では、複数の
部分酸化セル３を熱輻射板２の外側に周状に配置した。

【００２８】４は外壁でありスタック容器を形成してい
る。本例ではその内部に薄型断熱材（図示せず）を含ん
でいる。この薄型断熱材は、従来の断熱材よりもその体
積ははるかに小さなものである。

【００２９】図２は図１の燃料電池スタックを横から見
た断面図である。燃料電池セル１の最も外側は燃料極と
してある。５は燃料ガス（炭化水素ガス）であって、部
分酸化セル３で改質される。６は燃料室であって、炭化
水素ガスもしくは改質された水素ガス、一酸化炭素で満
たされている。７は燃料室と酸化剤室８を分離している
セルホルダーである。

【００３０】以上の燃料電池スタックに炭化水素ガスを
導入して電池を動作させたところ、装置表面ではほぼ室
温状態が維持された。

【００３１】（実施例２）図３は、実施例２に係る固体
酸化物形燃料電池スタックを横から見た断面図である。

【００３２】本例では、図１の固体酸化物形燃料電池セ
ル１の最も外側が空気極としてある。炭化水素ガスは、
１０の燃料供給管からスタック容器内の外周部に配置さ
れた部分酸化セル３の内部に供給され、部分酸化セル３
内において、燃料ガスは改質される。改質された燃料ガ
スは、部分酸化セル３内から燃料室６に導入され、燃料
室６内を満たし、固体酸化物形燃料電池セル１に圧力を
利用して供給される。なお、９は酸素ガスなどの酸化剤
である。

【００３３】本例においても、部分酸化セル３は、固体
酸化物形燃料電池セル１と同じタイプの中空円筒型の固
体酸化物形燃料電池セルを使用した。

【００３４】以上の燃料電池スタックに炭化水素ガスを
導入して電池を動作させたところ、装置表面ではほぼ室
温状態が維持された。

【００３５】（実施例３）図４、図５に実施例３に係る
固体酸化物形燃料電池スタックセルを示す。図４が平面
断面図であり、図５が正面断面図である。本例では、ス
タック容器内に固体酸化物形燃料電池セル１を配置する
ともに、外壁４と固体酸化物形燃料電池セル１との間に
熱輻射板２２を設けてある。さらに、熱電変換素子の層
１１を、固体酸化物形燃料電池セル１からの輻射熱を受
ける位置に配置した。本例では、固体酸化物形燃料電池
セル１の周辺であって、熱輻射板２２の外側に配置して
ある。

【００３６】熱電素子１１は、必要に応じて、複数を円
同径方向に積層してもよい。また、断熱材を、熱電変換
素子１１と外壁４との挿入してもよい。

【００３７】本例では、熱電変換素子１１を円同径方向
に複数個積層するとともに、熱電変換素子１１の積層数
を縦方向に変えてある。このように、熱電変換素子１１
の積層数を縦方向に変えることにより縦方向の熱分布を
緩和できた。

【００３８】以上の燃料電池スタック電池を動作させた
ところ、装置表面ではほぼ室温状態が維持された。

【発明の効果】以上述べたように、本発明は、固体酸化
物形燃料電池スタック内のセル配置によって、電池で発
生する熱を効率よく取り込むことによって、固体酸化物
形燃料電池のスタック化において、小型化およびエネル
ギー変換効率向上に効果を発揮できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１における内部改質型固体化物形燃料電
池スタックの平面断面図である。

【図２】実施例１における内部改質型固体化物形燃料電
池スタックの正面断面図である。

【図３】実施例２における内部改質型固体化物形燃料電
池スタックの正面断面図である。

【図４】実施例３における内部改質型固体化物形燃料電
池スタックの平面断面図である。

【図５】実施例３における内部改質型固体化物形燃料電
池スタックの正面断面図である。

【符号の説明】

１固体酸化物形燃料電池セル２ガス分離熱輻射板３改質部（部分酸化セル）４外壁（スタック容器）５燃料ガス（炭化水素ガス）６燃料室７セルホルダー８酸化剤室９酸化剤１０燃料供給管１１熱電変換素子２２熱輻射板

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成１３年６月２１日（２００１．６．２
１）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

フロントページの続き (72)発明者荒川正泰東京都千代田区大手町二丁目３番１号日本電信電話株式会社内 (72)発明者野沢和彦東京都千代田区大手町二丁目３番１号日本電信電話株式会社内 (72)発明者大類姫子東京都千代田区大手町二丁目３番１号日本電信電話株式会社内 (72)発明者杉田敏東京都千代田区大手町二丁目３番１号日本電信電話株式会社内 (72)発明者田畑嘉隆東京都千代田区大手町二丁目３番１号日本電信電話株式会社内 (72)発明者横尾雅之東京都千代田区大手町二丁目３番１号日本電信電話株式会社内Ｆターム(参考） 5H026 AA06 CV00 5H027 AA06 BA02 DD01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】スタック容器内に、固体酸化物形燃料電
池セルと、燃料ガスを改質するための改質部とを有し、
該固体酸化物形燃料電池セルからの熱輻射を受ける位置
に該改質部が配置されていることを特徴とする固体酸化
物形燃料電池スタック。
【請求項２】前記改質部は、前記固体酸化物形燃料電
池セルの周辺部に配置されていることを特徴とする請求
項１記載の固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項３】該改質部は、部分酸化による燃料改質を
行う固体酸化物形燃料電池セル（以下「部分酸化セル」
という）により構成されていることを特徴とする請求項
１又は２記載の固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項４】スタック容器内に、固受ける位置に熱電
変換素子の層が配置されていることを特徴とする固体酸
化物形燃料電池スタック。
【請求項５】前記熱電変換素子の層は、縦方向で積層
数が変化していることを特徴とする請求項４記載の固体
酸化物形燃料電池スタック。