JP2003123824A

JP2003123824A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2003123824A
Application number: JP2001318606A
Authority: JP
Inventors: Koichi Yamada; 興一山田; Masatoshi Ishii; 政利石井
Original assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Priority date: 2001-10-16
Filing date: 2001-10-16
Publication date: 2003-04-25

Abstract

(57)【要約】【課題】より小型で、高出力密度が可能であり、一層
の急速加熱、冷却が可能で急速起動ができるとともに安
価である固体酸化物型燃料電池システム、特には車載用
の固体酸化物型燃料電池システムを提供する。【解決手段】少なくとも、燃料を予熱する燃料用熱交
換器と、空気を予熱する空気用熱交換器と、燃料を改質
して水素を主成分とする混合ガスを得る改質器と、少な
くとも空気極、固体酸化物電解質、燃料極を同心円状に
積層した円筒型単セルを複数組み合わせたセルモジュー
ルとを有する固体酸化物型燃料電池システムであって、
前記単セルが所定径の空気極支持体型の円筒型単セルで
あり、改質器も所定径の円筒型としセルモジュール内に
単セルに隣接して交互に配置し、燃料用熱交換器および
空気用熱交換器も所定径の管状のものを用いた固体酸化
物型燃料電池システム。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固体酸化物型燃料
電池システムとそれを応用した車載用燃料電池システム
に関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車の動力源として燃料電池が近年注
目を集めているが、それは燃料電池の排ガスがクリーン
であり、また二次電池と比べて充電の手間が要らないた
め、使い勝手が良いからである。現在主に開発が進めら
れている車載用燃料電池はプロトン交換膜を電解質とす
る固体高分子型燃料電池である。しかしながら解決しな
ければならない問題も多く、その最大の課題は燃料であ
る水素の供給方法と製作コストである。この場合、燃料
は純粋な水素が必要であり、改質器で燃料となる液体炭
化水素を一酸化炭素と水素にした後、一酸化炭素を除去
する必要があり、製作コストも高い。

【０００３】一方、固体酸化物型燃料電池（以下、ＳＯ
ＦＣと略記することがある）は、その動作温度が高いこ
とから、生成する熱を燃料の改質に用いることができ、
システムの効率化と簡素化ができる可能性がある。な
お、ＳＯＦＣにおいて改質器は、通過気流を最適な燃料
組成とし、改質反応熱供給を効率よく促す効果がある。
しかし、ＳＯＦＣの最大の課題は、セル全体が固体であ
るが故に熱応力によって破壊することがある点である。
電力用に開発されているＳＯＦＣは、数時間以上かけて
起動停止を行っている。ＳＯＦＣの急速な起動停止に伴
い、急速加熱、冷却を繰り返す温度サイクルはＳＯＦＣ
の寿命に最も深刻な影響を及ぼす。また、車載用ＳＯＦ
Ｃとしては、ニッケル水素二次電池等とハイブリッドに
することを考えても、最大出力約２０ｋＷ程度が必要で
あり、これがエンジンルームに収まらなければならな
い。平板型ＳＯＦＣを用いた場合だと、少なくとも０．
５Ｗ／ｃｍ^２の高出力密度が要求される。現在最も開発
が進んでいる円筒型ＳＯＦＣについても同様で、エンジ
ンルームの容積の制限から、従来の最小径である外径１
０ないし２０ｍｍのセルを用いたとしても、１０ｋＷ以
下の出力のものしか搭載できない。

【０００４】これに対し、近年、Ｋｅｎｄａｌｌ等よ
り、ＣｏｎｃｅｐｔａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
ｏｆＳＯＦＣｆｏｒＥｌｅｃｔｒｉｃＶｅｈｉ
ｃｌｅｓ（ＳｏｌｉｄＳｔａｔｅＩｏｎｉｃｓ１
３２（２０００）ｐ３３３−３４２，Ｍｅｃｈａｎｉ
ｃａｌａｎｄＴｈｅｒｍａｌＰｒｏｐｅｒｔｉｅ
ｓｏｆａ２００ＴｕｂｅＳＯＦＣＲｅａｃ
ｔｏｒ（ＳｏｌｉｄＯｘｉｄｅＦｕｅｌＣｅｌｌ
ｓＶＥｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌＰｒｏｃｅ
ｅｄｉｎｇｓＶｏｌｕｍｅ９７−１８ｐ６１９−
６２５））に細管を用いる固体酸化物型燃料電池が記載
され、急速加熱、冷却に耐えるセルが紹介されている。
しかし、このセル構造は、イットリウム安定化ジルコニ
ア又はニッケル−イットリウム安定化ジルコニアサーメ
ットを支持管とし、この支持管の上に空気極、電解質、
燃料極を積層したものであり、セルの熱伝導性、ガスの
流れを考慮に入れたセルモジュールの設計において課題
が残り、セルの製作コストも嵩むという問題点がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】そこで本発明は、この
ような問題点に鑑みなされたもので、より小型で、高出
力密度が可能であり、一層の急速加熱、冷却が可能で急
速起動ができるとともに安価である固体酸化物型燃料電
池システム、特には車載用の固体酸化物型燃料電池シス
テムを提供することを主たる目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明では、少なくとも、燃料を予熱する燃料用熱
交換器と、空気を予熱する空気用熱交換器と、燃料を改
質して水素を主成分とする混合ガスを得る改質器と、少
なくとも空気極、固体酸化物電解質、燃料極を同心円状
に積層した円筒型単セルを複数組み合わせたセルモジュ
ールとを有する固体酸化物型燃料電池システムであっ
て、前記単セルが管状の空気極自体を支持体とした空気
極支持体型の円筒型単セルであり、外径が１ｍｍないし
５ｍｍのものであることを特徴とする固体酸化物型燃料
電池システムが提供される（請求項１）。

【０００７】このように、円筒型単セルにおいて独立し
た支持管の使用を廃し、前記単セルが管状の空気極自体
を支持体とした空気極支持体型の円筒型単セルであり、
該単セルの外径が１ｍｍないし５ｍｍのものとすること
によって、構成がより単純化され、一層の小型化、性能
の向上、製作費の低減を図ることができるとともに、一
層の急速起動停止に耐えることが可能な固体酸化物型燃
料電池システムとすることができる。

【０００８】本発明の固体酸化物型燃料電池システムで
は、前記改質器は、前記セルモジュール内に配置し（請
求項２）、外径が１ｍｍないし５ｍｍの円筒型であり、
単セルに隣接して配置されたものとするのが好ましい
（請求項３）。また、前記改質器と前記単セルは、前記
セルモジュール内で交互に配置されたものとするのが好
ましい（請求項４）。

【０００９】このように、改質器をセルモジュール内に
配置することによって、システムを小型化することがで
きるとともに、高温の反応熱および排ガスを効率よく改
質反応に用いることができる。特に、改質器も外径が１
ｍｍないし５ｍｍの円筒型であり、単セルに隣接して配
置するようにすれば、熱交換の効率が一層高まり、改質
器と単セルをセルモジュール内で交互に配置することに
よって、よりコンパクトにセルモジュールを構成するこ
とができる。

【００１０】また、前記燃料用熱交換器と前記空気用熱
交換器は、それぞれ燃料または空気を外径が１ｍｍない
し５ｍｍの管内を通すことによって熱交換をするもので
あるものとすることができる（請求項５）。このような
熱交換器であれば、熱交換の効率が高いとともに、小型
化することができるので、全体として固体酸化物型燃料
電池システムをコンパクトに構成することが可能とな
る。

【００１１】この場合、前記燃料用熱交換器と前記空気
用熱交換器は、前記セルモジュールからの排ガスが並行
して供給され熱交換するものであるのが好ましい（請求
項６）。このように、燃料用熱交換器と空気用熱交換器
に、セルモジュールからの排ガスを並行してパラレルに
供給することによって、熱交換される排ガスと燃料、空
気との温度差が大きくなり、効率的に熱交換をすること
ができるので、熱交換器を一層小型化することに寄与す
ることができる。

【００１２】そして、本発明では、前記円筒型単セル
は、長さが４００ｍｍ以下であることが好ましく（請求
項７）、また、前記空気極支持体としてはＬｎ_1-aＡ_aＭ
Ｏ_3+δを用いることが好ましい（請求項８）。（ただ
し、Ｌｎは、Ｙを含む希土類元素より選ばれる少なくと
も一種であり、Ｍは、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏより選ばれる少
なくとも一種であり、Ａは、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒより選ば
れる少なくとも一種であり、ａは、０≦ａ≦０．５であ
り、δは任意の値で、この物質がＡサイト欠損型ペロブ
スカイト型構造であることを示す。）さらに、電解質と
しては安定化ジルコニアとし、燃料極としてはＮｉを活
物質とするＮｉ−ＺｒＯ₂サーメットとするのが好まし
い（請求項９）。

【００１３】本発明の固体酸化物型燃料電池システム
は、セルモジュールを、１ｍ^３当たり５０ｍ²以上の電
極面積を有するものとすることができ（請求項１０）、
また、容積が１００リットル以下であり、重量が１００
ｋｇ以下であり、最大出力が２０ｋＷ以上であるものと
することができる（請求項１１）。また、更には、前記
燃料電池システムは、出力１ｋＷ当たりの容積と重量
が、おのおの３リットル以下、３ｋｇ以下であることが
好ましい（請求項１２）。このように、本発明では固体
酸化物型燃料電池システムを大電極面積、低容積、低重
量、高出力なものとすることができ、車載用として極め
て有益である（請求項１３）。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を詳細
に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではな
い。

【００１５】本発明者らは、固体酸化物型燃料電池シス
テムを、より小型化し、高出力密度が可能であり、一層
の急速加熱、冷却が可能で急速起動ができるとともに安
価なものとすべく、鋭意検討した結果、これには、単セ
ルが管状の空気極自体を支持体とした空気極支持体型の
円筒型単セルを用いること、単セルの外径を１ｍｍない
し５ｍｍといった小さいものを用いること、改質器も所
定径の円筒型としセルモジュール内に単セルに隣接して
交互に配置すること、燃料用熱交換器および空気用熱交
換器も所定径の管状のものを用いること、燃料用熱交換
器と空気用熱交換器に、セルモジュールからの排ガスを
並行してパラレルに供給すること等が極めて有効である
ことを見出し本発明を完成させた。

【００１６】すなわち、本発明は、少なくとも、燃料を
予熱する燃料用熱交換器と、空気を予熱する空気用熱交
換器と、燃料を改質して水素を主成分とする混合ガスを
得る改質器と、少なくとも空気極、固体酸化物電解質、
燃料極を同心円状に積層した円筒型単セルを複数組み合
わせたセルモジュールとを有する固体酸化物型燃料電池
システムであって、前記単セルが管状の空気極自体を支
持体とした空気極支持体型の円筒型単セルであり、外径
が１ｍｍないし５ｍｍのものであることを特徴とする固
体酸化物型燃料電池システムである。

【００１７】このように、円筒型単セルにおいて独立し
た支持管の使用を廃し、単セルが管状の空気極自体を支
持体とした空気極支持体型の円筒型単セルとすることに
より、構成を単純化することができ、小型化、性能の向
上、製作費の低減に寄与するとともに、一層の急速起動
停止に耐えることができるものとなる。また、従来の独
立した支持管の上に空気極等を積層するもののような、
セルの熱伝導性の悪化、支持体が存在することに基くガ
スの流れの問題等も解決することができる。

【００１８】また、単セルの外径を１ｍｍないし５ｍｍ
のものとすることによって、単セルおよびセルモジュー
ルの一層の小型化、性能の向上、製作費の低減を図ると
ともに、一層の急速起動停止が可能なものとすることが
できる。

【００１９】すなわち、従来外径１０ｍｍないし２０ｍ
ｍであったものを、外径が１ｍｍないし５ｍｍの円筒型
セルを用いることで、急速加熱、冷却による熱応力でセ
ルが破損することなくＳＯＦＣの寿命を著しく向上させ
ることができる。さらに本発明の円筒型セルは空気極支
持体型であるので、支持体自体を低密度化（多孔質化）
することができ、この効果は顕著である。

【００２０】この場合、円筒型単セルの外径を１ｍｍな
いし５ｍｍとするのは、外径が１ｍｍより小さくなる
と、ガスの圧損が大きくなり発電効率が低くなってしま
い、また、外径が５ｍｍより大きくなると、出力密度が
大きく取れなくなるばかりか、材料コストが高くなって
しまうことも理由の一つである。円筒型単セルの外径は
２ｍｍないし３ｍｍであることがより好ましい。なお、
単セルの内径については、上記と同様の理由により、
０．５ｍｍないし４．５ｍｍ程度とされる。

【００２１】そして、本発明では、前記円筒型単セル
は、長さが４００ｍｍ以下であることが好ましく、更に
好ましくは３００ｍｍ以下である。セルの長さが４００
ｍｍより長くなるとガスの圧損が大きくなり発電効率が
低くなることがある。円筒型単セルの端部の押えが１０
ｍｍないし２０ｍｍ必要になるので、これを考慮して電
極面積が所望のものとなるように作製すれば良い。円筒
型単セルは公知の方法で作製すれば良いが、コスト上、
一端部を閉じて押し出し成型で作製することが有利であ
る。

【００２２】そして、本発明では空気極支持体としてＬ
ｎ_1-aＡ_aＭＯ_3+δを用いることが好ましい。（ただし、
Ｌｎは、Ｙを含む希土類元素より選ばれる少なくとも一
種であり、Ｍは、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏより選ばれる少なく
とも一種であり、Ａは、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒより選ばれる
少なくとも一種であり、ａは、０≦ａ≦０．５であり、
δは任意の値で、この物質がＡサイト欠損型ペロブスカ
イト型構造であることを示す。）また、電解質としては
安定化ジルコニアとし、燃料極としてはＮｉを活物質と
するＮｉ−ＺｒＯ₂サーメットとするのが好ましい。

【００２３】これは、ランタンマンガナイト系ペロブス
カイト酸化物の方が貴金属電極よりも性能が良く、原料
コスト面からも好ましいからである。また、電気伝導
度、熱膨張係数、電解質に用いられる安定化ジルコニア
との反応性を考慮すると、Ａサイト欠損型の方が好まし
い。また、燃料極にはＮｉを用いることができるが、電
解質に用いられる安定化ジルコニアとの熱膨張係数の差
が小さくなるＮｉ−ＺｒＯ₂サーメットが更に好まし
い。

【００２４】更に、本発明は、１本の管が単セルとなる
いわゆる縦縞型構造に適しているが、この縦縞型構造に
用いられるインターコネクト材料には、Ｌｎ_1-aＡ_aＣｒ
Ｏ₃₊ _δを用いることが好ましい。ここで、Ｌｎは、Ｙを
含む希土類元素より選ばれる少なくとも一種であり、Ａ
は、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒより選ばれる少なくとも一種であ
り、ａは、０≦ａ≦０．７であり、δは任意の値で、こ
の物質がＡサイト欠損型ペロブスカイト型構造であるこ
とを示す。

【００２５】図１に、本発明で用いる空気極支持体型の
円筒型単セルの断面模式図を示す。円筒型単セル４の内
側には、支持体としての機能を兼ねる空気極（正極）
１、その外側には固体酸化物電解質層２、さらにその外
側に燃料極（負極）３が同心円状に積層され、円筒型単
セルを構成している。

【００２６】本発明の単セルは外径が１ｍｍないし５ｍ
ｍで、好ましくは長さが４００ｍｍ以下であるが、従来
例（外径１０ｍｍないし２０ｍｍ、長さ３５０ｍｍない
し１５００ｍｍ）と比較すると図２のようになり、同体
積内で複数の単セルを組み合わせてセルモジュールを形
成する場合、充填できる単セルの数量は図３のように本
発明の方がはるかに多くなり、反応電極面積を多大に取
ることが出来る。

【００２７】このように、本発明では、単位体積当たり
の出力密度を高くすることができ、例えばセルモジュー
ルを、１ｍ^３当たり５０ｍ²以上の電極面積を有するも
のとし、最大出力が２０ｋＷ以上であるものとすること
ができる。したがって、本発明は、高出力であると共
に、急速加熱、冷却によるセルの破損等も無く長寿命、
小型で高信頼性の車載用燃料電池システムを安価に構成
することが可能となる。

【００２８】図３に示すように、本発明の固体酸化物型
燃料電池システムでは、改質器５は、セルモジュール６
内に配置し、改質器５も外径が１ｍｍないし５ｍｍの円
筒型として、単セル４に隣接して配置するのが好まし
い。また、改質器５と単セル４は、セルモジュール６内
で交互に配置されたものとするのがより好ましい。

【００２９】このように、改質器をセルモジュール内に
配置することによって、システムをコンパクトにするこ
とができるとともに、燃料極で発生する反応熱と燃料排
ガスの燃焼熱を効率よく改質反応に用いることができ
る。特に、図３に見られるように、改質器も単セルと同
様に外径が１ｍｍないし５ｍｍの円筒型であり、単セル
に隣接して配置するようにすれば、熱交換の効率が一層
高まり、改質器と単セルをセルモジュール内で交互に配
置することによって、単セルで発生する熱を無駄なく改
質反応に利用できるので極めて熱交換の効率を向上させ
ることができる。また、このような配置とすることによ
って、セルモジュール内に高密度で単セルと改質器を充
填することができるので、セルモジュールの一層の小型
化を達成することができる。

【００３０】上記のように、改質器の外径は１ｍｍない
し５ｍｍが好ましく、内径は０．５ないし４．５ｍｍ程
度が好ましい。これらの径より小さくなるとガスの圧損
が大きくなり、外径が５ｍｍより大きいと、改質器を配
置するセルモジュールが大きくなってしまうばかりか、
熱交換の効率が低くなり、改質効率が悪化する恐れがあ
る。なお、燃料ガスの改質に用いられる触媒は公知のも
の、例えばＮｉ／Ａｌ_２Ｏ ₃等を用いれば良く、熱交換
効率の点からハニカム状のものより粒状のものを用いた
方が好ましい。また、充填量は３０ないし７０％とする
ことが好ましい。

【００３１】図４に、セルモジュール内で単セルと改質
器が隣接配置された様子を模式的に示した。図４におい
て、単セル４には、上部より空気導入管７が挿入されて
おり、不図示の空気用熱交換器によって予熱された空気
を上部から単セルに供給している。空気は単セル内の空
気導入管を下り、この間に外側を流れる空気と熱交換し
てさらに予熱される。空気は単セルの底で反転して上昇
し、空気極１に供給される。上昇の過程で空気極におい
て電気化学反応が起こり、酸素は酸素イオンに変わる。

【００３２】一方、炭化水素ガス等の燃料は、不図示の
燃料用熱交換器によって予熱された後、単セル４に隣接
して配置されている改質器５に上部から供給される。燃
料は改質器内を下り、この間に単セルからの反応熱と熱
交換しつつ触媒により改質反応して水素を主成分とする
混合ガスを生じる。改質の後、燃料は単セルの外側を上
昇し、燃料極３に供給される。上昇の過程で燃料は燃料
極において酸素イオンと電気化学的に反応し、電気と熱
エネルギを発生する。単セル４は、ニッケルフェルト８
等を介して隣の単セルあるいは集電板等に接続され、セ
ルモジュールが形成される。

【００３３】反応に使用された使用済みの燃料は上部よ
り不図示の燃焼室に入り、ここで反応に使用された空気
と反応して燃焼する。発生した燃焼熱は、改質器５にお
ける改質反応に用いられる他、排ガスを燃料用熱交換器
と空気用熱交換器に並行して供給し、燃料および空気の
予熱に用いられる。

【００３４】次に、本発明で用いる燃料用熱交換器と空
気用熱交換器は、原則としてどのような熱交換器を用い
てもよいが、図５に示すような、それぞれ燃料または空
気を外径が１ｍｍないし５ｍｍの管１０の中を通すこと
によって熱交換をする熱交換器９とするのが好ましい。
この場合、前記のように管１０の外側には燃焼排ガスが
供給され、これと熱交換することによって燃料及び空気
が予熱されることになる。

【００３５】このような熱交換器９であれば、熱交換の
効率が高いとともに、小型化することができるので、全
体として固体酸化物型燃料電池システムをコンパクトに
構成することができ、エンジンルームに収まり車載する
ことが可能となる。

【００３６】この場合、前述のように燃料用熱交換器と
空気用熱交換器は、セルモジュールからの排ガスが並行
して供給され熱交換するものであるのが好ましい。この
ように、燃料用熱交換器と空気用熱交換器に、セルモジ
ュールからの燃焼排ガスを、他の熱交換器を通したり、
順次送給するのではなく、並行してパラレルに、かつ望
ましくは直接供給することによって、熱交換される排ガ
スと燃料および空気との温度差が大きくなり、効率的に
熱交換をすることができるので、熱交換器を一層小型化
することに寄与することができる。

【００３７】本発明の燃料電池システムの運転時の、各
要素におけるガス温度の一例を図６に示す。この例で
は、燃料としてメタンガスを用い、２５℃で燃料用熱交
換器１２に導入して予熱された後、セルモジュール内に
ある熱交換型改質器５に６５０℃で導入され、改質され
て、８００℃の単セルの外側を流れる。空気は２５℃で
空気用熱交換器１１に導入して２５０℃に予熱され、セ
ルモジュール６の８００℃になった単セル内側に導入さ
れる。発電反応後、一部の燃料は循環し熱交換型改質器
５に導入される。使用済みの燃料ガスは、使用済みの空
気と混合されて燃焼し、９９０℃の高温の燃焼排ガス
が、燃料用熱交換器１２と空気用熱交換器１１にパラレ
ルに導入され、それぞれ燃料、空気の予熱用熱交換に使
用される。

【００３８】以上のように、本発明の固体酸化物型燃料
電池システムでは、外径が所定値の空気極支持体型の円
筒型単セルを用いてセルモジュールを形成し、該セルモ
ジュール内に外径が所定値の円筒型改質器を単セルに隣
接して交互配置し、これとは別個に外径が所定値の管を
有する燃料用熱交換器と空気用熱交換器を設けて、排ガ
スを並行して供給するようにした。これによって、本発
明では固体酸化物型燃料電池システムを高電極密度、低
容量、低重量、高出力で、急速起動が可能なものとする
ことができ、寿命も長く低価格であるので、車載用とし
て極めて有益なものとすることができる。

【００３９】本発明の固体酸化物型燃料電池システムを
車載用として用いる場合には、セルモジュールを、１ｍ
^３当たり５０ｍ²以上の電極面積を有するものとし、ま
た、容積が１００リットル以下であり、重量が１００ｋ
ｇ以下であり、最大出力が２０ｋＷ以上であるものとす
るのが望ましい。

【００４０】１ｍ^３当たり５０ｍ²より小さい電極面積
では車載用として必要な最大出力を得るのが難しい。本
発明では、円筒型単セルの直径や長さあるいは単セル間
の間隔等を適宜デザインすることによって、所望の電極
面積を得ることができる。なお、本発明でいう電極面積
とは、支持体として機能する単セルの空気極の外表面積
から算出した値である。

【００４１】また、容積が１００リットルより大きいと
車載用に用いる場合、エンジンルームが必要以上に大き
くなってしまう。さらに、重量が１００ｋｇより重くな
っても車載用としては実用上搭載が困難である。更に好
ましくは、容積が６０リットル以下で、重量が６０ｋｇ
以下の固体酸化物型燃料電池システムとするのが車載用
としては望ましい。

【００４２】また、出力密度で言うと、１ｋｇ当たり
０．４ｋＷ以上、１ｍ^３当たり３００ｋＷ以上であるこ
とが好ましい。これより小さい出力密度では、エンジン
ルームに収められても、実質上必要な出力が得られず、
実用的でない。

【００４３】最後に、本発明の固体酸化物型燃料電池シ
ステムの作製方法について簡単に説明しておく。先ず、
例えばＬａ_0.8Ｓｒ_0.2Ｃｏ_0.5Ｆｅ_0.5Ｏ₃等の粉末を用
意し、水、メチルセルロース等のバインダ、グリセリン
等の可塑剤と混合しペーストを得て、押出し成型で片封
じの支持体を作製する。乾燥後、１０００ないし１４０
０℃で焼成し、外径１ないし５ｍｍで長さ４００ｍｍ以
下である気孔率１０ないし４０％の空気極支持管を得
る。

【００４４】この空気極支持管を、安定化ジルコニア、
サマリウムドープセリア、ランタンガレート等の微粉末
に水とバインダを混合して得たスラリーに浸漬して表面
にコートする。乾燥した後、焼成して緻密質電解質層を
形成する。同様にして、表面に電解質層を形成した空気
極支持管上にＮｉＯ含有ＹＳＺ等をスラリーコートし、
乾燥・焼成して、気孔率１０ないし７０％の燃料極層を
設け、更にＬａ_0.85Ｃａ_0.15ＣｒＯ₃等で、管の長さ方
向にインターコネクタ部を設けてＳＯＦＣ円筒型単セル
を得る。

【００４５】図３及び図４のように、所定数量の円筒型
単セル４を接続してセルモジュールを形成し、非酸化物
系セラミックス製の円筒型の改質器５と隣接して交互に
配置する。また、空気用熱交換器は酸化物系、燃料用熱
交換器は非酸化物系セラミックス製の細管を用い、図５
のように熱交換器を構成する。単セル４と改質器５が交
互配置されたセルモジュール６と燃料用熱交換器１２、
および空気用熱交換器１１を組み合せて、目的の本発明
の固体酸化物型燃料電池システムを完成する（図７参
照）。

【００４６】

【実施例】以下、本発明の実施例を挙げて具体的に説明
するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

【００４７】（実施例）平均粒径３μｍのＬａ_0.8Ｓｒ
_0.2Ｃｏ_0.5Ｆｅ_0.5Ｏ₃の粉末を、３０重量部の水と３重
量部のメチルセルロース、２０重量部のグリセリンと混
合しペーストを得た。押出し成型にて、片封じの支持体
を作製した。これを２４時間乾燥後、１２５０℃で１０
時間焼成し、最終的に外径２．４ｍｍ、長さ２５０ｍｍ
で、気孔率が３０％の空気極支持管を得た。

【００４８】これに、管の長さ方向にインターコネクタ
用のマスキングを設け、次に平均粒径０．１μｍの３％
イットリウム安定化ジルコニア粉末と３重量部のメチル
セルロースを５０重量部の水と混合し、３ＹＳＺスラリ
ーを調製した。先に得られた空気極支持体（支持管）を
この３ＹＳＺスラリーに浸漬し表面にコートした。乾燥
後、この操作を繰り返し、１２５０℃で焼成して、平均
厚さ２０μｍの緻密質電解質層を形成させた。

【００４９】同様にして、３０重量部のＮｉＯ粉末を含
む３ＹＳＺスラリーを調製した後、空気極支持体を浸漬
・乾燥を繰り返し、１２５０℃で焼成後、平均厚さ２０
０μｍで気孔率３０％の燃料極層を作製した。更に、マ
スキングを外し、平均粒径３μｍのＬａ_0.85Ｃａ_0.15Ｃ
ｒＯ₃粉末で、管の長さ方向にインターコネクタ部を設
けてＳＯＦＣ円筒型単セルを得た。

【００５０】所定数量のＳＯＦＣ単セルと炭化珪素製で
外径が２．４ｍｍの円筒型の改質器と共に端部を封止
し、図３，４のごとくセルモジュールを作製した。ま
た、アルミナ製、炭化珪素製の細管（外径が２．４ｍ
ｍ）を用い、図５のような熱交換器を作製した。作製さ
れた単セルと改質器が交互配置されたセルモジュールと
燃料用熱交換器、空気用熱交換器を組み合せて、目的の
燃料電池システムを得た。

【００５１】こうして得られた、各固体酸化物型燃料電
池システムについて、燃料をメタンガスとし、燃料効率
を０．８、空気効率を０．５として運転し、得られる出
力を測定した。燃料、および空気は２５℃で導入し、そ
の後の温度は条件により相違があるもののガスフロー
は、図６に示したものと同様にした。

【００５２】この固体酸化物型燃料電池システムの外径
等の条件と得られるシステムの重量、容積、出力等の関
係を表１および表２に示した。

【表１】

【００５３】

【表２】

【００５４】以上の結果から明らかなように、外径が１
ｍｍないし５ｍｍで、長さが４００ｍｍ以下の空気極支
持体型の円筒型単セルを用い、単セルに隣接して交互配
置した外径１ｍｍないし５ｍｍの改質器、外径１ｍｍな
いし５ｍｍの管を有する熱交換器からなる本発明の固体
酸化物型燃料電池システムは、小型、軽量、高出力密度
が可能で、車載用燃料電池として十分な性能を有するこ
とが判明した。また、この固体酸化物型燃料電池システ
ムは、急速起動しても、セルの破損等は生じなかった。

【００５５】なお、本発明は、上記実施形態に限定され
るものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明
の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同
一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いか
なるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

【００５６】例えば、上記では、本発明の固体酸化物型
燃料電池システムを車載用として用いる場合を中心に説
明したが、本発明の使用用途はこれには限定されず、通
常の発電用としてはもちろんのこと、住宅やビル等に設
置する分散型発電システムにも適用可能である。この場
合熱交換器で燃料及び空気の予熱に用いた排ガスを、さ
らにスチームまたは温水として回収することによって、
総合熱効率の更なる向上を図ることが可能となる。

【００５７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
小型軽量で、高出力であるとともに、急速加熱、冷却が
可能で急速起動ができる安価な固体酸化物型燃料電池シ
ステム、特には車載用として好適な固体酸化物型燃料電
池システムを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の空気極支持体型の円筒型単セルの断面
模式図である。

【図２】本発明と従来の単セルの外形を比較した図であ
る。

【図３】本発明と従来のセルモジュールの配置例の比較
図である。

【図４】本発明における、セルモジュール内で単セルと
改質器が隣接配置された様子を模式的に示した図であ
る。

【図５】本発明で用いる燃料用熱交換器と空気用熱交換
器の構成例である。

【図６】本発明の燃料電池システムの運転時の、各要素
におけるガス温度の一例を示した図である。

【図７】本発明の固体酸化物型燃料電池システムの概略
外観図である。

【符号の説明】

１…空気極、２…固体酸化物電解質、３…燃料極、
４…単セル、５…改質器、６…セルモジュール、
７…空気導入管、８…ニッケルフェルト、９…熱交換
器、１０…管、１１…空気用熱交換器、１２…燃料
用熱交換器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０１Ｍ 8/02 Ｈ０１Ｍ 8/02 Ｋ 8/04 8/04 ＮＺ 8/06 8/06 Ｇ 8/12 8/12 Ｆターム(参考） 5H018 AA06 AS02 AS03 EE02 EE12 EE13 HH02 HH03 HH05 HH06 5H026 AA06 CV02 EE02 EE12 EE13 HH02 HH03 HH05 HH06 5H027 AA06 BA02

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも、燃料を予熱する燃料用熱交
換器と、空気を予熱する空気用熱交換器と、燃料を改質
して水素を主成分とする混合ガスを得る改質器と、少な
くとも空気極、固体酸化物電解質、燃料極を同心円状に
積層した円筒型単セルを複数組み合わせたセルモジュー
ルとを有する固体酸化物型燃料電池システムであって、
前記単セルが管状の空気極自体を支持体とした空気極支
持体型の円筒型単セルであり、外径が１ｍｍないし５ｍ
ｍのものであることを特徴とする固体酸化物型燃料電池
システム。
【請求項２】前記改質器は、前記セルモジュール内に
配置されたものであることを特徴とする請求項１に記載
した固体酸化物型燃料電池システム。
【請求項３】前記改質器は、外径が１ｍｍないし５ｍ
ｍの円筒型であり、前記単セルに隣接して配置されたも
のであることを特徴とする請求項１または請求項２に記
載した固体酸化物型燃料電池システム。
【請求項４】前記改質器と前記単セルは、前記セルモ
ジュール内で交互に配置されたものであることを特徴と
する請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載した
固体酸化物型燃料電池システム。
【請求項５】前記燃料用熱交換器と前記空気用熱交換
器は、それぞれ燃料または空気を外径が１ｍｍないし５
ｍｍの管内を通すことによって熱交換をするものである
ことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１
項に記載した固体酸化物型燃料電池システム。
【請求項６】前記燃料用熱交換器と前記空気用熱交換
器は、前記セルモジュールからの排ガスが並行して供給
され熱交換するものであることを特徴とする請求項１な
いし請求項５のいずれか１項に記載した固体酸化物型燃
料電池システム。
【請求項７】前記円筒型単セルは、長さが４００ｍｍ
以下であることを特徴とする請求項１ないし請求項６の
いずれか１項に記載の固体酸化物型燃料電池システム。
【請求項８】前記空気極支持体にＬｎ_1-aＡ_aＭＯ_3+δ
を用いることを特徴とする請求項１ないし請求項７のい
ずれか１項に記載の固体酸化物型燃料電池システム。（ただし、Ｌｎは、Ｙを含む希土類元素より選ばれる少
なくとも一種であり、Ｍは、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏより選ばれる少なくとも一種で
あり、Ａは、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒより選ばれる少なくとも一種で
あり、ａは、０≦ａ≦０．５であり、 δは任意の値で、この物質がＡサイト欠損型ペロブスカ
イト型構造であることを示す。）
【請求項９】前記電解質が安定化ジルコニアであり、
前記燃料極がＮｉを活物質とするＮｉ−ＺｒＯ₂サーメ
ットであることを特徴とする請求項１ないし請求項８の
いずれか１項に記載の固体酸化物型燃料電池システム。
【請求項１０】前記セルモジュールは、１ｍ^３当たり
５０ｍ²以上の電極面積を有するものであることを特徴
とする請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載の
固体酸化物型燃料電池システム。
【請求項１１】前記燃料電池システムは、容積が１０
０リットル以下であり、重量が１００ｋｇ以下であり、
最大出力が２０ｋＷ以上であることを特徴とする請求項
１ないし請求項１０のいずれか１項に記載の固体酸化物
型燃料電池システム。
【請求項１２】前記燃料電池システムは、出力１ｋＷ
当たりの容積と重量が、おのおの３リットル以下、３ｋ
ｇ以下であることを特徴とする請求項１ないし請求項１
０のいずれか１項に記載の固体酸化物型燃料電池システ
ム。
【請求項１３】前記燃料電池システムは、車載用であ
ることを特徴とする請求項１ないし請求項１２のいずれ
か１項に記載の固体酸化物型燃料電池システム。