JP2003115307A - 固体電解質型燃料電池の内部改質器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 内部改質器とＳＯＦＣセルとを備えるＳＯＦ
Ｃにおいて、ＳＯＦＣセルから内部改質器への不均一な
熱伝導量を防止し、ＳＯＦＣセルおよび内部改質器に温
度差が生じることを抑制しうるＳＯＦＣを提供する。 【解決手段】 固体電解質型燃料電池セル（１）と、前
記固体電解質型燃料電池セルに隣接して配置される、内
部に改質触媒を有する内部改質器（３）と、前記固体電
解質型燃料電池セル（１）と前記内部改質器（３）との
間の熱伝導量を調整する熱伝導量調整手段（５）と、を
有する固体電解質型燃料電池を用いることによって上記
課題の解決が可能である。調整手段（５）としては、壁
部の厚さや熱伝導率が変化してなる内部改質器（３）や
固体電解質型燃料電池セル（１）などを用いることが可
能である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内部改質器を備え
た固体電解質型燃料電池に関し、より詳しくは、内部改
質器と固体電解質型燃料電池セルとの間の熱授受を最適
化し、固体電解質型燃料電池セルの性能や耐久性に優れ
る固体電解質型燃料電池に関する。

【０００２】

【従来の技術】固体電解質型燃料電池（Ｓｏｌｉｄ Ｏ
ｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：以下「ＳＯＦＣ」とも
記載）は、電解質としてイットリア安定化ジルコニアな
どの酸化物イオン導電性固体電解質を用い、その両面に
多孔性電極を取り付け、これを隔壁として一方の側に燃
料ガス、他方の側にＳＯＦＣ用酸化剤（空気、酸素等）
を供給し、約１０００℃で動作する燃料電池である。燃
料ガスとしては、通常、天然ガスなどの炭化水素系燃料
が使用され、水蒸気改質反応を用いてＨ₂およびＣＯに
富むガスに改質される。

【０００３】この水蒸気改質を行う方法としては、外部
改質器を用いてＳＯＦＣの外部で水蒸気改質を行う方
法、内部改質器を用いてＳＯＦＣの内部で水蒸気改質を
行う方法がある。このうち、外部改質器を用いる方法
は、水蒸気改質反応に要する熱量および水蒸気を何ら
かの手段で確保する必要がある、外部改質器および外
部改質器とＳＯＦＣとの連結用導管からの熱ロスにより
エネルギー損失が生じる、などの問題があり、システム
が高価かつ複雑なものとなってしまう。

【０００４】一方、内部改質器を用いる方法は、上記問
題点を解決し得るものであることからＳＯＦＣへの適用
が期待され、各種研究開発が行われている。例えば、特
開平４−３３４８７１号公報には、内部に改質触媒が配
置された中空の仕切り手段を内部改質器として使用し、
これをＳＯＦＣセルの側面に設置した構成のＳＯＦＣが
開示されている。該ＳＯＦＣは、ＳＯＦＣセルの側面に
内部改質器が設置された構成を有するため、ＳＯＦＣセ
ルと内部改質器との間での熱交換が促進され、ＳＯＦＣ
セルから発せられる熱エネルギーが有効に利用される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
内部改質器を備えたＳＯＦＣにおいては、内部改質器と
ＳＯＦＣセルとの間の熱伝導量に関しては特に考慮され
ていなかった。このため、従来のＳＯＦＣを用いると以
下の問題が生じていた。この問題について図６を参照し
ながら説明する。

【０００６】図６は、ＳＯＦＣセル（１０１）と内部改
質器（１０３）との熱伝導を示す模式図である。内部改
質器（１０３）における水蒸気改質反応は、メタンおよ
びエタン（天然ガス）を用いた場合について例示する
と、下記式（Ｉ）〜（II）：

【０００７】

【化１】

【０００８】で表される。水蒸気改質反応は吸熱反応で
あり、反応に必要な熱は隣接する高温のＳＯＦＣセル
（１０１）から供給される。一般に、水蒸気改質反応の
進行は、燃料成分への熱伝達と改質触媒の温度とによっ
て規定され、主には内部改質器（１０３）に充填された
触媒への熱伝導、内部改質器（１０３）の内壁面の温度
に主に支配されている。このとき、内部改質器（１０
３）とＳＯＦＣセル（１０１）との間で何ら熱伝導量の
制御がされていない場合であっても、内部改質器（１０
３）中の燃料の流れ方向に関して、ＳＯＦＣからの一定
の入熱量と水蒸気改質の吸熱量とのバランスが保たれて
いる場合には、ＳＯＦＣセルには殆ど温度分布が生じな
い。しかしながら、ＳＯＦＣからの入熱量が一定である
のに対し、水蒸気改質の吸熱量がアンバランスである場
合には、ＳＯＦＣセルに大きな温度分布が生じる。

【０００９】吸熱反応である水蒸気改質反応に必要な熱
量は、隣接するＳＯＦＣセル（１０１）から供給される
が、ＳＯＦＣセル（１０１）から内部改質器（１０３）
に充填された触媒への伝熱は、発電反応後の燃料による
対流よりも、ＳＯＦＣセル（１０１）からの輻射に大き
く影響される。これは、通常、ＳＯＦＣセル（１０１）
を流れる改質燃料は緩やかな層流であり、流量も少量な
ためである。従って、内部改質器（１０３）における水
蒸気改質反応の吸熱量とＳＯＦＣセルからの入熱量が、
内部改質器（１０３）中の燃料の流れ方向に関してアン
バランスである場合には、隣接するＳＯＦＣセル（１０
１）からの吸熱量も不均一なものとなる。例えば、内部
改質器（１０３）への燃料供給口（１０５）側で水蒸気
改質が盛んに進行する場合には、図６に示すように、燃
料供給口（１０５）側でＳＯＦＣセル（１０１）からの
熱伝導量が多くなり、逆に、燃料排出口（１０７）側で
はＳＯＦＣセル（１０１）からの熱伝導量が少なくな
る。このように、ＳＯＦＣセル（１０１）からの熱伝導
量が異なると、ＳＯＦＣセル（１０１）に例えば１００
℃前後もの大きな温度分布が生じることになる。図６に
示すケースにおいては、燃料供給口（１０５）側のＳＯ
ＦＣセル温度が、燃料排出口（１０７）側のＳＯＦＣセ
ル温度よりも低くなる。

【００１０】このようにＳＯＦＣセル（１０１）におい
て大きな温度分布が生じた場合、ＳＯＦＣセル（１０
１）の表面温度が低い部分においては、発電効率が低下
する問題がある。特に、発電性能に関しては劇的な影響
を及ぼす。また、内部改質器（１０３）への熱伝導量が
少ない部分のＳＯＦＣセル表面温度が必要以上に上昇す
る恐れがあり、過熱により電池寿命が短くなる。

【００１１】一方、内部改質器（１０３）に関しても、
上述の不均一な熱伝導は悪影響を及ぼす。即ち、図６に
示すような水蒸気改質状況下においては、大部分の燃料
は燃料供給口（１０５）側で改質され、燃料排出口（１
０７）側の改質触媒は、水蒸気改質に利用される割合が
減少しており、水蒸気改質反応に伴う吸熱が生じない。
このため、シンタリングするほどの高温に改質触媒が加
熱され、耐久性が低下する恐れがある。

【００１２】上述事項に鑑みて本発明は完成されたもの
であり、内部改質器とＳＯＦＣセルとを備えるＳＯＦＣ
において、ＳＯＦＣセルから内部改質器への不均一な熱
伝導量を抑制し、ＳＯＦＣセルおよび内部改質器に温度
差が生じることを抑制しうるＳＯＦＣを提供することを
目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記課題
を解決するために鋭意検討したところ、ＳＯＦＣセルと
内部改質器との間に、ＳＯＦＣセルから内部改質器への
熱伝導量を調整しうる熱伝導量調整手段を設けることに
よって、ＳＯＦＣセルから内部改質器への熱伝導量を好
適に制御でき、ＳＯＦＣセルおよび内部改質器に温度差
が生じることを抑制しうることに着目し完成されたもの
である。本発明の具体的構成は以下の通りである。

【００１４】本発明は、固体電解質型燃料電池セルと、
前記固体電解質型燃料電池セルに隣接して配置される、
内部に改質触媒を有する内部改質器と、前記固体電解質
型燃料電池セルと前記内部改質器との間の熱伝導量を調
整する熱伝導量調整手段と、を有する固体電解質型燃料
電池である。

【００１５】前記熱伝導量調整手段は、前記内部改質器
における前記固体電解質型燃料電池セルに隣接する壁部
の厚みまたは熱伝導率の少なくとも一方を変化させたも
のであることが好ましい。

【００１６】また、前記熱伝導量調整手段は、前記固体
電解質型燃料電池セルと前記内部改質器との間に配置さ
れた断熱部材であってもよい。

【００１７】また、前記熱伝導量調整手段は、前記内部
改質器中の燃料の流れ方向に変化してなることが好まし
い。

【００１８】また、前記固体電解質型燃料電池セルは円
筒型固体電解質型燃料電池セルであり、前記内部改質器
は内部に改質触媒を有する金属筒からなり、前記固体電
解質型燃料電池セルの長手方向と前記内部改質器の長手
方向とが平行であることが好ましい。

【００１９】また、前記内部改質器における燃料用流路
の燃料供給口側が中空であることが好ましい。

【００２０】さらに、前記内部改質器における燃料用流
路にフィンが設けられてなることが好ましい。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図面に基づき説明
する。図１は、内部改質器（３）によって改質されたＳ
ＯＦＣ用燃料（７）および酸化剤（１７）を用いて、Ｓ
ＯＦＣセル（１）において発電が行われる本発明のＳＯ
ＦＣの第一の実施形態である。図中に記載されたその他
の番号は、５は熱伝導量調整手段であり、７は燃料であ
り、９はエジェクターであり、１１はリサイクル室であ
り、１３は予備改質室であり、１５は燃料室であり、１
７は酸化剤であり、１９は空気室であり、２１は導入管
であり、２３は多孔質壁であり、２５は燃焼室であり、
２７は燃焼排ガスであり、２９はハウジングケースであ
る。

【００２２】まず、ＳＯＦＣを用いた発電反応について
簡単に説明する。

【００２３】ＳＯＦＣには、発電に用いられるＳＯＦＣ
用燃料（７）が供給される。なお、以下の説明において
は、特に説明がない限り、「燃料」とは「ＳＯＦＣ用燃
料」を意味するものである。燃料（７）は、メタン、エ
タン、プロパンなど各種の炭化水素系燃料を用いること
ができるが、特にこれらに限定されるものではない。燃
料（７）の供給は、燃料供給装置（図示せず）に設けら
れた弁などを用いて制御することができ、燃料（７）の
供給量はＳＯＦＣの運転状況、ＳＯＦＣの規模に応じて
決定される。燃料供給装置には各種改良を加えても良
く、例えば脱硫器や加湿器を設けることができる。脱硫
器を設けた場合、ＳＯＦＣセルや改質器に設置された触
媒が、燃料（７）中に含まれる硫黄によって被毒するこ
とを抑制できる。また、加湿器を設けた場合、燃料
（７）の改質に十分な量の水蒸気を含ませることができ
る。

【００２４】ＳＯＦＣに供給された燃料（７）は、エジ
ェクター（９）によってリサイクル室（１１）から吸引
された残存燃料（発電に使用されなかった燃料）と混合
され、予備改質室（１３）に供給される。

【００２５】予備改質室（１３）では、通常、供給され
た燃料のうち炭素原子数２個以上の炭化水素系燃料が主
に断熱改質され、断熱改質された燃料はＳＯＦＣセル
（１）に隣接する内部改質器（３）に供給される。内部
改質器（３）が複数設けられてなる場合には、各内部改
質器（３）それぞれに燃料が供給される。改質に必要と
なる水蒸気は、エジェクター（９）を用いた残存燃料の
リサイクルによって供給できる他、前述の加湿器によっ
て供給できる。改質反応を十分に進行させるには、Ｓ／
Ｃ（水蒸気モル数／炭化水素炭素モル数）が２．５以上
となるように水蒸気を供給するとよい。内部改質器
（３）では、上記式（Ｉ）〜（II）に示す水蒸気改質反
応によって、燃料の改質が行われる。なお、内部改質器
（３）において、点画状に示されている部分は触媒が充
填されている部分を指す。

【００２６】内部改質器（３）の内部には、水蒸気改質
のための改質触媒が設けられている。内部改質器（３）
の構造は、特に限定されるものではなく、各種公知の装
置を用いることができる。内部に改質触媒を有する金属
筒を用いる場合、使用される金属材料としては、ステン
レス、インコネル、Ｎｉ材などが挙げられる。改質用触
媒も通常使用される改質触媒を用いることができ、Ｎｉ
系触媒、Ｐｔ−Ｎｉ系触媒、Ｐｄ−Ｚｎ系触媒、Ｃｕ−
Ｚｎ系触媒などが挙げられる。具体的には、球形やリシ
ヒリングの改質触媒を内部改質器（３）の内部に充填し
たり、繊維状の改質触媒やフェルト状の改質触媒を内部
改質器（３）の壁面に設置したりすることができる。

【００２７】燃料の水蒸気改質にあたっては、ＳＯＦＣ
セル（１）から水蒸気改質に必要な熱量が供給される。
熱量の供給は、ＳＯＦＣセル（１）と内部改質器（３）
との間の輻射伝熱やＳＯＦＣセル（１）の外周を流れる
燃料による対流伝熱によって行われる。なお、ＳＯＦＣ
セル（１）から内部改質器（３）への熱伝導について
は、後で詳細に説明する。

【００２８】内部改質器（３）によって燃料はＨ₂およ
びＣＯに富む改質ガスに改質され、この改質ガスは燃料
室（１５）に供給される。改質されたＳＯＦＣ用燃料
は、通常５５０〜８５０℃程度の高温ガスである。燃料
室（１５）に供給された改質ガスは均等分配され、ＳＯ
ＦＣセル（１）の外周に供給される。なお、以下の説明
においては、固体電解質膜を介して外側の燃料極と内側
の空気極とが積層されてなる、一般的な円筒型ＳＯＦＣ
セルを用いた場合について説明する。

【００２９】一方、ＳＯＦＣには６５０℃前後のＳＯＦ
Ｃ用酸化剤（１７）が供給される。ＳＯＦＣ用酸化剤
（１７）は酸素を含んでいれば特に制限はなく、空気、
酸素ガス、酸素ガスの混入により酸素濃度を調整した高
酸素ガスなどを用いることができる。ただし、設備コス
トを考慮すると空気が好ましい。ＳＯＦＣ用酸化剤（１
７）はＳＯＦＣ用酸化剤供給装置（図示せず）を用いて
供給でき、ＳＯＦＣ用酸化剤供給装置としてはブロワ等
の公知手段を用いればよい。また、ＳＯＦＣ用酸化剤
（１７）は、ＳＯＦＣに供給される前に、ヒーター、バ
ーナー等の手段で加熱することができる。

【００３０】酸化剤（１７）は、まず空気室（１９）に
供給され、空気室（１９）から導入管（２１）を介して
ＳＯＦＣセル（１）の内側に供給される。空気室（１
９）からＳＯＦＣセル（１）の内側に供給される過程に
おいて、酸化剤（１７）は後述する燃焼室（２５）の作
用によってさらに加温される。

【００３１】ＳＯＦＣセル（１）の内側（空気極側）に
供給された酸化剤のうち、一部の酸素がＳＯＦＣセル
（１）内側の空気極を通過し、酸素イオンの状態でさら
に固体電解質膜を通過し、ＳＯＦＣセル（１）の外側の
燃料極に到達する。酸素イオンは、ＳＯＦＣセル（１）
の外側（燃料極側）に供給されたＨ₂およびＣＯと化学
反応してＨ₂ＯおよびＣＯ₂を生成する。このとき化学エ
ネルギーが電気エネルギーに変換される、即ち発電が行
われる。また、化学エネルギーのうち電気エネルギーに
変換されなかった部分は、熱エネルギーとなる。この発
電反応は、通常は９００〜１０００℃の範囲で進行させ
る。

【００３２】発電に使用されなかった残存燃料は、多孔
質壁（２３）を通過してリサイクル室（１１）へ流通す
る。残存燃料の一部はエジェクター（９）によって吸引
されＳＯＦＣ用燃料として再利用され、他の残存燃料は
さらに多孔質壁（２３’）を通過して燃焼室（２５）へ
放出される。

【００３３】一方、発電に使用された一部の酸素を除
く、残りの酸化剤は、ＳＯＦＣセル（１）の内側を流通
し、燃焼室（２５）へ放出される。この酸化剤と、同じ
く燃焼室（２５）に放出された残存燃料とが、燃焼室
（２５）で燃焼し、燃焼排ガス（２７）としてＳＯＦＣ
外部に排出される。燃焼排ガス（２７）の顕熱、輻射熱
の一部は、空気室（１９）内部の酸化剤の加温、およ
び、導入管（２１）内部を流通する酸化剤の加温に用い
られる。ＳＯＦＣ外部に排出された燃焼排ガス（２７）
は、８００℃程度の高温であり、熱を必要とする各種用
途に用いることが可能である。このように、ＳＯＦＣの
燃焼排ガス（２７）を用いたコージェネレーションシス
テムを構築することによって、エネルギーの有効利用を
図ることができる。

【００３４】続いて、ＳＯＦＣセル（１）から内部改質
器（３）への不均一な熱伝導によってＳＯＦＣセル
（１）に大きな温度分布が生じることを抑制するため、
ＳＯＦＣセル（１）と内部改質器（３）との間の熱伝導
量を調整する熱伝導量調整手段（５）を有する本発明の
ＳＯＦＣについて、熱伝導量調整手段（５）の構成を中
心に詳細に説明する。

【００３５】本発明のＳＯＦＣは、ＳＯＦＣセル（１）
と内部改質器（３）との間の熱伝導量を調整する熱伝導
量調整手段（５）を有することによって、上記「解決し
ようとする課題」の卓抜な解決が図れる。熱伝導量調整
手段（５）としては、ＳＯＦＣセル（１）から内部改質
器（３）への不均一な熱伝導を抑制し、ＳＯＦＣセル
（１）に大きな温度分布が生じないようにするものであ
れば特に限定されるものではない。具体的手段として
は、ＳＯＦＣセル（１）に隣接する壁部の厚さまたは熱
伝導率の少なくとも一方を変化させた内部改質器
（３）、ＳＯＦＣセル（１）と内部改質器（３）との間
に配置された断熱部材などを挙げることができる。ＳＯ
ＦＣの運転に際して通常制御される内部改質器（３）を
流れる燃料の温度・流速に加え、ＳＯＦＣセル（１）か
らの熱伝導を考慮して、熱伝導量調整手段（５）を設け
ることによって、ＳＯＦＣセル（１）から内部改質器
（３）への不均一な熱伝導を防止することができ、ＳＯ
ＦＣセル（１）表面温度に温度分布が生じることを抑制
できる。このため、ＳＯＦＣの発電効率が優れたものと
なり、また、ＳＯＦＣセルにおける各部位の熱膨張差も
小さく、ＳＯＦＣセル寿命を永くすることができる。ま
た、内部改質器（３）の温度を自由に制御することがで
き、改質反応温度の制御、即ち改質率を容易に制御でき
る。

【００３６】具体的な形態について、内部改質器（３）
として内部に改質触媒が充填された金属筒の周囲に断熱
材が設けられたものを用い、ＳＯＦＣセル（１）として
円筒型ＳＯＦＣセルを用いて、内部改質器（３）におけ
るＳＯＦＣセル（１）に隣接する壁部の厚みを変化させ
る実施形態を例にとって説明する。なお、本願において
「壁部」とは、燃料用流路を取り囲む部位全体を指す概
念であり、例えば内部改質器（３）を構成する肉部の外
表面に断熱材が設置された場合には、設置された断熱材
も「壁部」に含まれる。また、「壁部」は単一の材料か
らなる必要はなく、内部改質器（３）の表面部位によっ
て材質が異なっていてもよい。即ち、壁部の厚みを変化
させ、かつ、壁部の熱伝導率を変化させてもよい。

【００３７】金属筒の周囲に断熱材を設けた内部改質器
（３）は、図２に示すように断熱材の厚みが段階的に変
化してなる。図２に示すように、熱伝導量調整手段
（５）は、内部改質器（３）を流れる燃料の流れ方向に
変化してなることが好ましい。通常は、燃料の流れ方向
に沿って改質触媒の温度分布が生じるため、改質触媒が
必要とする熱量も燃料の流れ方向に沿って分布が生じる
からである。なお、内部改質器（３）を流れる燃料の流
れ方向に熱伝導量調整手段（５）が変化してなることが
好ましいのは、本実施形態に限られるものではなく、全
ての実施形態に対して言えることである。

【００３８】また、ＳＯＦＣセル（１）から内部改質器
（３）への熱伝導制御性、ＳＯＦＣセル（１）での発電
効率、内部改質器（３）での改質率などに関して優れた
特性を得るためには、円筒型ＳＯＦＣセルと、金属筒か
らなる内部改質器（３）とを用いて、円筒型ＳＯＦＣセ
ルの長手方向と金属筒の長手方向とが平行となるように
両者を隣接させることが好ましい。また、金属筒に形成
される燃料流路を一方向とすることによって、燃料流路
を短くすることができ、圧力損失の低減が図れる。即
ち、内部改質器として例えばＵ字型のパイプを用いた場
合には、内部改質器内部の燃料流路が長くなり、ある程
度の圧力損失は否めない。これに対し、燃料流路を一方
向とした場合、圧力損失が低減される。そして、圧力損
失が低減された場合、エジェクター駆動による燃料リサ
イクル率を高めに設定でき、水蒸気量の確保が容易とな
り、触媒の耐久性を向上させることができる。また、水
蒸気改質反応の改質率を高めることができる。

【００３９】微細な熱伝導調整が必要な場合には図３に
示すように連続的に厚みを変化させてもよい。また、Ｓ
ＯＦＣセル（１）から内部改質器（３）への熱伝導量調
整にあたっては、内部改質器中を流通する燃料の流れ方
向に熱伝導量調整手段（５）が変化してなることが好ま
しい。断熱材は、特に限定されるものではないが、ＳＯ
ＦＣ内部が８００〜１０００℃程度もの高温になること
を考慮するとアルミナからなることが好ましい。断熱材
と金属筒とは、ピン、ネジ、バンド（アルミナ糸で編ん
だもの）等を用いて密着させることができる。なお、断
熱材を後で設置する構成とせずに、予め所定の厚さ勾配
を有する金属筒を形成してもよい。

【００４０】ＳＯＦＣセル（１）から内部改質器（３）
への熱伝導特性は、ＳＯＦＣの装置構成、内部改質器
（３）への燃料供給量および燃料温度、ＳＯＦＣセル
（１）の形態、ＳＯＦＣセル（１）と内部改質器（３）
との距離等によって影響を受けるものであり、熱伝導量
調整手段（５）をどのように設置するかは、これらを考
慮して決定すればよい。具体的には、ＳＯＦＣの発電出
力に応じて、燃料供給量および燃料温度を決定し、それ
に応じて、ＳＯＦＣセル（１）からの熱伝導量を調整す
べく、熱伝導量調整手段（５）の熱伝導特性（断熱材の
厚さ、素材など）を選択する。なお、内部改質器（３）
中を流れる燃料温度は、通常は、内部改質器（３）への
燃料供給口側が低温、燃料排出口側が高温となってい
る。

【００４１】例えば、ＳＯＦＣセル（１）の表面温度と
して、ＳＯＦＣセル（１）の中央部で９７０℃、上下端
で９４５℃と低くなる状態で、発電させる場合を想定す
る。この程度の吸熱量の差であると、ＳＯＦＣセル
（１）には発電性能や耐久性を低下させるほどの温度分
布は殆ど生じないといえる。予備改質器（１３）を経て
供給される燃料温度は約６００℃とする。また、内部改
質器（３）の内壁温度（水蒸気改質温度）は、内部改質
器を燃料供給口側、中央部、燃料排出口側の３分割した
場合に、燃料供給口側で６４０℃前後、中央部で７００
℃前後、燃料排出口側で８００℃前後とし、ＳＯＦＣセ
ル（１）の上部（燃料供給口側に対応）・中央部・下部
（燃料排出口側に対応）からほぼ均等に吸熱されるよう
にする。このように、内部改質器（３）中の改質触媒の
温度を燃料供給口側から燃料排出口側にかけて徐々に高
まるように調整することによって、内部改質器（３）の
一部での急激な改質反応を抑制することができる。

【００４２】このようなＳＯＦＣにおいて、発電反応進
行中にＳＯＦＣセル（１）に大きな温度分布が生じない
ようにするため、内部改質器（３）の周囲に、アルミナ
系断熱材（熱伝導率０．５５Ｗ／ｍＫ）を設置した。断
熱材の厚みは、燃料供給口側、中央部、燃料排出口側の
順に、約７０ｍｍ、約７０ｍｍ、約３０ｍｍとした。こ
のような厚さ勾配を設けた場合、水蒸気改質反応に伴う
ＳＯＦＣセル（１）からの吸熱量は、ＳＯＦＣセル上
部、中央部、下部の順に、３６％、３５％、２９％とな
る。また、内部改質器（３）における改質率は、燃料供
給口側から中央部へ流通する時点において７５％、中央
部から燃料排出口側に流通する時点において９４％、燃
料排出口側から排出される時点において１００％とな
る。

【００４３】上記説明は、内部改質器（３）の壁部の厚
みを変化させる実施形態について説明したが、壁部の熱
伝導率を変化させる実施形態にも同様の手法で対応でき
る。これにより、装置構成の都合上、壁部の厚みを変化
させることが困難な場合であっても、ＳＯＦＣセル
（１）から内部改質器（３）への不均一な熱伝導を抑制
することができる。内部改質器（３）の壁部の熱伝導率
は、内部改質器（３）中の燃料の流れ方向に変化してな
ることが好ましい。

【００４４】また、ＳＯＦＣセル（１）と内部改質器
（３）との間に断熱部材を配置することによってＳＯＦ
Ｃセル（１）から内部改質器（３）への熱伝導量を調整
することも可能である。具体的には、面方向に厚さまた
は熱伝導率が異なるアルミナボードなどを設ければよ
い。このような手段によっても、ＳＯＦＣセル（１）に
発電性能や耐久性を低下させるほどの温度分布が生じる
ことを防止できる。

【００４５】次に、本発明のＳＯＦＣの改良形態につい
て説明する。

【００４６】図４は、燃料用流路の燃料供給口側が中空
である内部改質器（３）を用いたＳＯＦＣである。な
お、本願において燃料用流路が「中空」であるとは、改
質触媒が設けられていないことを意味する。従って、燃
料用流路の全体に渡って改質触媒が充填されている場合
には、燃料用流路が中空ではない。このような構成は、
内部改質器（３）に供給される燃料の温度が低い場合に
有効である。内部改質器（３）に供給される燃料が低い
場合、水蒸気改質反応が効率よく進行しない恐れがあ
る。しかし、本実施形態においては、内部改質器（３）
における燃料供給口側の燃料用流路が中空であるため、
当該中空部位に供給された燃料は水蒸気改質反応があま
り進行しない。その代わりに、ＳＯＦＣセル（１）から
の熱伝導によって燃料が加熱される。従って、燃料が中
空部位を通過している間に、燃料の温度を水蒸気改質に
好適な温度にまで昇温させることが可能となる。内部改
質器（３）のどの程度の割合を中空にするかは、一義的
に決定されるものではなく、内部改質器（３）に供給さ
れる燃料供給量や燃料温度に応じてトータルで最も高い
改質率が得られるように調整すればよい。

【００４７】例えば、ＳＯＦＣセル（１）の表面温度と
して、ＳＯＦＣセル（１）の中央部で９７０℃、上下端
で９４５℃と低くなる状態で発電させる場合を想定す
る。この程度の吸熱量の差であると、ＳＯＦＣセル
（１）には発電性能や耐久性を低下させるほどの温度分
布は生じないといえる。予備改質器（１３）を経て供給
される燃料温度は約５５０℃とする。また、内部改質器
（３）は、内部改質器を燃料供給口側、中央部、燃料排
出口側の３分割した場合に、燃料供給口側を中空とし、
燃料が中央部に流通する時点で燃料温度が８００℃に上
昇するものとする。中央部および燃料排出口側の内部改
質器（３）の内壁温度（水蒸気改質温度）は約８００℃
とする。また、ＳＯＦＣセル（１）の上部（燃料供給口
側に対応）・中央部・下部（燃料排出口側に対応）から
ほぼ均等に吸熱されるようにする。このように、内部改
質器（３）の燃料供給口側を中空にし、燃料供給側で水
蒸気改質反応を進行させない構成とすることによって、
内部改質器（３）に供給される燃料の温度が低い場合で
あっても、優れた改質率を得ることができる。

【００４８】このようなＳＯＦＣにおいて、発電反応進
行中にＳＯＦＣセル（１）に大きな温度分布が生じない
ようにするため、内部改質器（３）の周囲に、アルミナ
系断熱材（熱伝導率０．５５Ｗ／ｍＫ）を設置した。断
熱材の厚みは、燃料供給口側、中央部、燃料排出口側の
順に、約１３ｍｍ、約１９ｍｍ、約１５ｍｍとした。こ
のような厚さ勾配を設けた場合、水蒸気改質反応に伴う
ＳＯＦＣセル（１）からの吸熱量は、ＳＯＦＣセル上
部、中央部、下部の順に、３０％、３５％、３５％とな
る。また、内部改質器（３）における改質率は、中央部
から燃料排出口側に流通する時点において５０％、燃料
排出口側から排出される時点において１００％となる。

【００４９】また、図４のような内部改質器（３）にお
ける燃料用流路の燃料供給口側を中空にし、燃料を加温
する部位と、水蒸気改質する部位とに、内部改質器
（３）を機能分けした場合、中空部には水蒸気改質反応
のための熱量を補う必要がないため設計を簡略化でき
る。また、熱伝導量を調整するための壁部の厚み、また
は、ＳＯＦＣセル（１）と内部改質器（３）との間に設
けられた断熱部材の厚みを薄くすることができる。従っ
て、コンパクトかつ安価な改質手段を提供できる。

【００５０】続いて、本発明のＳＯＦＣの改良形態につ
いて説明する。

【００５１】図５は、内部改質器（３）の燃料流路中に
フィン（３１）が設けられてなる本発明のＳＯＦＣの実
施形態である。内部改質器（３）の燃料流路中にフィン
（３１）を設置した場合、フィン（３１）を介した熱伝
導によってフィンが設けられた部位周辺の改質触媒に
は、より多くの熱が供給されることとなる。ＳＯＦＣセ
ル（１）の側から考えると、より多くの熱が奪われるこ
ととなり、結果としてＳＯＦＣセル（１）の反応温度を
下げることができる。このような構成とすることは、Ｓ
ＯＦＣセル（１）の温度分布を微調整する上で有効であ
る。例えば、上記実施形態において想定した、ＳＯＦＣ
セル（１）の表面温度が、ＳＯＦＣセル（１）の中央部
で９７０℃、上下端で９４５℃と低くなる状態で発電さ
せる場合において、内部改質器（３）の中央部にフィン
（３１）を設けることによって、中央部の温度を上下端
の温度に近づけることができる。フィン（３１）の材質
は、熱伝導が図れ、所望する効果が得られるのであれば
特に限定されるものではなく、ステンレス、インコネ
ル、Ｎｉ材などを用いることができる。フィン（３１）
の形状も特に限定されるものではなく、平板状、波板状
など各種公知の形態を利用できる。フィン（３１）の設
置部位、設置個数は、ＳＯＦＣセル（１）の低下させた
い度合いによって決定すべきである。ただし、フィン
（３１）を設置しすぎるとＳＯＦＣセル（１）の温度が
必要以上に低下してしまい、発電効率の低下を招くので
留意する必要がある。

【００５２】図４に示す内部改質器（３）の一部が中空
になっている実施形態に、さらにフィン（３１）を設け
て、ＳＯＦＣセル（１）の表面温度を、ＳＯＦＣセル
（１）の中央部で９５５℃、上下端で９４５℃となる状
態で発電させるためには、水蒸気改質反応に伴うＳＯＦ
Ｃセル（１）からの吸熱量は、ＳＯＦＣセル上部、中央
部、下部の順に、３０％、４７％、２３％となる。

【００５３】図５は、内部改質器（３）の一部が中空に
なっている実施形態について説明したが、図１に示すよ
うな内部改質器（３）の内部全体に改質触媒が充填され
ている場合にもフィン（３１）を設けてＳＯＦＣセル
（１）の温度の微調整を測ることも勿論できる。

【００５４】

【発明の効果】上記説明した本発明の運転方法を用いる
ことによって、以下の効果が得られる。

【００５５】以上述べたように、本発明のＳＯＦＣは、
ＳＯＦＣセルと内部改質器との間に熱伝導量を調整する
熱伝導量調整手段を設けることによって、ＳＯＦＣセル
から内部改質器への不均一な熱伝導を防止することがで
き、ＳＯＦＣセルの表面温度に温度分布が生じることを
抑制できる。このため、ＳＯＦＣの発電効率が優れたも
のとなり、また、ＳＯＦＣセルにおける各部位の熱膨張
差も小さく、ＳＯＦＣセル寿命を永くすることができ
る。

【００５６】また、内部改質器の温度を自由に制御する
ことができ、改質反応温度の制御、即ち改質率を容易に
制御できる。特に、燃料の流れ方向に添って燃料の改質
率を制御することが容易となる結果、良好な発電状態を
維持することが可能となる。

【００５７】さらに、内部改質器における燃料用流路の
燃料供給口側を中空とした場合には、ＳＯＦＣの設計を
簡略化でき、内部改質器に供給される燃料の温度が低い
場合であっても、優れた改質率を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係るＳＯＦＣの概観断面図である。

【図２】 断熱材の厚みが段階的に変化してなる熱伝導
量調整手段の断面図である。

【図３】 断熱材の厚みが連続的に変化してなる熱伝導
量調整手段の断面図である。

【図４】 内部改質器の上部および下部で機能を分離し
た本発明に係るＳＯＦＣの概観断面図である。

【図５】 フィン付き内部改質器を備えたＳＯＦＣの概
観断面図である。

【図６】 ＳＯＦＣセルと内部改質器との熱伝導を示す
模式図である。

【符号の説明】

１ 固体酸化物型燃料電池セル（ＳＯＦＣセル） ３ 内部改質器 ５ 熱伝導量調整手段 ７ 燃料 ９ エジェクター １１ リサイクル室 １３ 予備改質室 １５ 燃料室 １７ 酸化剤 １９ 空気室 ２１ 導入管 ２３ 多孔質壁 ２５ 燃焼室 ２７ 燃焼排ガス ２９ ハウジングケース ３１ フィン

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 篠原 善隆 東京都千代田区大手町２−６−３ 新日本 製鐵株式会社内 (72)発明者 石橋 洋一 東京都千代田区大手町２−６−３ 新日本 製鐵株式会社内 Ｆターム(参考） 5H026 AA06 CC06 CV02 EE11 5H027 AA06 BA02 CC02 CC15 KK42 KK44 KK46

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 固体電解質型燃料電池セルと、 前記固体電解質型燃料電池セルに隣接して配置される、
   内部に改質触媒を有する内部改質器と、 前記固体電解質型燃料電池セルと前記内部改質器との間
   の熱伝導量を調整する熱伝導量調整手段と、を有する固
   体電解質型燃料電池。
2. 【請求項２】 前記熱伝導量調整手段は、前記内部改質
   器における前記固体電解質型燃料電池セルに隣接する壁
   部の厚みまたは熱伝導率の少なくとも一方を変化させた
   ものであることを特徴とする請求項１に記載の固体電解
   質型燃料電池。
3. 【請求項３】 前記熱伝導量調整手段は、前記固体電解
   質型燃料電池セルと前記内部改質器との間に配置された
   断熱部材であることを特徴とする請求項１または２に記
   載の固体電解質型燃料電池。
4. 【請求項４】 前記熱伝導量調整手段は、前記内部改質
   器中の燃料の流れ方向に変化してなることを特徴とする
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の固体電解質型燃料
   電池。
5. 【請求項５】 前記固体電解質型燃料電池セルは円筒型
   固体電解質型燃料電池セルであり、前記内部改質器は内
   部に改質触媒を有する金属筒からなり、前記固体電解質
   型燃料電池セルの長手方向と前記内部改質器の長手方向
   とが平行であることを特徴とする請求項１〜４のいずれ
   か１項に記載の固体電解質型燃料電池。
6. 【請求項６】 前記内部改質器における燃料用流路の燃
   料供給口側が中空であることを特徴とする請求項１〜５
   のいずれか１項に記載の固体電解質型燃料電池。
7. 【請求項７】 前記内部改質器における燃料用流路にフ
   ィンが設けられてなることを特徴とする請求項１〜６の
   いずれか１項に記載の固体電解質型燃料電池。