JP2005079060A - 燃料電池管、燃料電池モジュール、水電解モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】
温度分布の関係で使用されていないスペースを有効的に利用し、体積あたりの発電効率を向上させる。
【解決手段】
第１燃料電池（Ａ）を有する第１燃料電池部１−ｉと、第１燃料電池（Ａ）と異なる第２燃料電池（Ｂ）を有する第２燃料電池部１−ｊとを具備する固体電解質型燃料電池モジュールを用いる。第１燃料電池（Ａ）は、第１温度範囲で運転される。第２燃料電池（Ｂ）は、第２温度範囲で運転される。第１燃料電池部１−ｉは、第１燃料電池（Ａ）が基体管上に設けられた第１燃料電池管である。第２燃料電池部１−ｊは、第２燃料電池（Ｂ）が基体管上に設けられた第２燃料電池管１−ｊである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、固体電解質型燃料電池管、固体電解質型燃料電池モジュール、固体電解質型水電解モジュールに関し、特に効率を改善する固体電解質型燃料電池管、固体電解質型燃料電池モジュール、固体電解質型水電解モジュールに関する。

燃料ガスと酸化剤ガス（例示：空気）とを供給され、電力を発生する燃料電池が知られている。基体管上に横縞状又は縦縞状に燃料電池を形成した燃料電池管や、平板型の燃料電池を複数積層した燃料電池スタックの形で発電を行うことが知られている。燃料電池の構造をそのまま用いて水蒸気を電気分解して水素と酸素を得る水電解セル（水素製造装置）が知られている。

燃料電池の一つである固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）及びその逆反応を用いる水素製造装置は、１０００℃程度の高温で発電される。そのため、発電部（水電解部）とその周辺の非発電部（非水電解部）とでは、大幅な温度差が生じやすい。例えば、燃料電池管の場合、燃料電池を支持している端の支持部と発電をしている中央付近の発電部とでは、大幅な温度差が生じる。そのため、支持部の近傍まで燃料電池を設けることが出来ず、その部分がデッドスペースとなっている。また、複数の燃料電池管で形成される燃料電池モジュールの場合、モジュールを収める容器の壁面に近いほど容器内の温度が低くなる。そのため、壁面の近傍まで燃料電池管を設けることが出来ず、その部分がデッドスペースとなっている。

そのような本来非発電の領域に燃料電池を設けることは可能である。しかし、温度が低いため、十分な発電性能は望めない。そのため、逆に抵抗になり、効率を低下させる可能性がある。このようなことは、他のタイプの燃料電池（例示：平板型）や、水電解セル（水素製造装置）についても、同様に当てはまる。

使用されていないスペースを有効に利用して、発電を行うことが可能な技術が望まれる。低温領域と高温領域とが混在する場合でも、有効に発電を行うことが可能な技術が望まれる。体積あたりの発電効率を向上させることが可能な技術が求められる。

関連する技術として、特開２００２−２３７３１２号公報に固体電解質型燃料電池の技術が開示されている。この技術の目的は、低温で作動させた場合でも燃料供給板及び空気供給板の電気抵抗が増大せず、発電効率を向上し得る。この技術の固体電解質型燃料電池は、固体電解質層とこの固体電解質層の両面に配設された燃料極層および空気極層とからなる発電セルと、前記燃料極層に燃料ガスを、前記空気極層に酸素を含む酸化剤ガスをそれぞれ供給し得るように構成された金属セパレータとを備えた固体電解質型燃料電池において、前記金属セパレータが銀又は金のいずれか一方によりめっきされている。

特開２００２−２３７３１２号公報

従って、本発明の目的は、使用されていないスペースを有効に利用して、発電を行うことが可能な固体電解質型燃料電池管、固体電解質型燃料電池モジュールを提供することである。

また、本発明の他の目的は、低温領域と高温領域とが混在する場合でも、有効に発電を行うことが可能な固体電解質型燃料電池管、固体電解質型燃料電池モジュールを提供することである。

本発明の更に他の目的は、体積あたりの発電効率を向上させることが可能な固体電解質型燃料電池管、固体電解質型燃料電池モジュールを提供することである。

本発明の別の目的は、使用されていないスペースを有効に利用して、水電解を行うことが可能な固体電解質型水電解モジュールを提供することである。

本発明の更に別の目的は、低温領域と高温領域とが混在する場合でも、有効に水電解を行うことが可能な固体電解質型水電解モジュールを提供することである。

以下に、発明を実施するための最良の形態で使用される番号・符号を用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号・符号は、特許請求の範囲の記載と発明を実施するための最良の形態との対応関係を明らかにするために括弧付きで付加されたものである。ただし、それらの番号・符号を、特許請求の範囲に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。

従って、上記課題を解決するために、本発明の固体電解質型燃料電池管は、基体管（１６）と、基体管（１６）上に設けられた第１燃料電池（Ａの１７）と、基体管（１６）上に設けられ、第１燃料電池（Ａの１７）と異なる第２燃料電池（Ｂの１７）とを具備する。

上記の固体電解質型燃料電池管において、第１燃料電池（Ａの１７）は、第１温度範囲で運転され、第２燃料電池（Ｂの１７）は、第２温度範囲で運転される。
第１温度範囲と第２温度範囲とは、等しくはないが、一部が重なっていても良い。

上記の固体電解質型燃料電池管において、第１燃料電池（Ａの１７）は安定化ジルコニア系の電解質（１４）を用いる。第２燃料電池（Ｂの１７）は、セリア系又はランタンガレート系のいずれかの電解質（１４）を用いる。
ここで、安定化ジルコニア系の電解質は、ジルコニアにジルコニウム以外の物質を添加した物質である。セリア系の電解質は、セリアにセリウム以外に物質を添加した物質である。ランタンガレート系の電解質は、ランタンガレートにランタニウム及びガリウム以外の物質を添加した物質である。添加される各物質は、導電率や強度などに応じて適宜決定される。

上記の固体電解質型燃料電池管において、第１燃料電池（Ａの１７）及び第２燃料電池（Ｂの１７）の少なくとも一方は、燃料極（１３）及び空気極（１５）の少なくとも一方に、電解質（１４）と同じ材料を含む。

上記の固体電解質型燃料電池管において、その第１温度範囲は、９００℃〜１０００℃である。その第２温度範囲は、６００℃〜９００℃である。

上記課題を解決するために、本発明の固体電解質型燃料電池モジュールは、第１燃料電池（Ａの１７／Ａの２７、Ａの５７）を有する第１燃料電池部（１−ｉ、４２−ｉ）と、第１燃料電池（Ａの１７／Ａの２７、Ａの５７）と異なる第２燃料電池（Ｂの１７／Ｂの２７、Ｂの５７）を有する第２燃料電池部（１−ｊ、４２−ｊ）とを具備する。ただし、ｉ、ｊは自然数で、燃料電池の総数未満である。

上記の固体電解質型燃料電池モジュールにおいて、第１燃料電池（Ａの１７／Ａの２７、Ａの５７）は、第１温度範囲で運転される。第２燃料電池（Ｂの１７／Ｂの２７、Ｂの５７）は、第２温度範囲で運転される。

上記の固体電解質型燃料電池モジュールにおいて、第１燃料電池部（１−ｉ）は、第１燃料電池（Ａの１７／Ａの２７）が基体管（１６／２６）上に設けられた第１燃料電池管（１−ｉ）である。第２燃料電池部（１−ｊ）は、第２燃料電池（Ｂの１７／Ｂの２７）が基体管（１６／２６）上に設けられた第２燃料電池管（１−ｊ）である。

上記の固体電解質型燃料電池モジュールにおいて、第１燃料電池管（１−ｉ）は、円筒横縞型及び円筒縦縞型のいずれかである。第２燃料電池管（１−ｊ）は、円筒横縞型及び円筒縦縞型のいずれかである。

上記の固体電解質型燃料電池モジュールにおいて、第１燃料電池管（１−ｉ）は、基体管（１６）上に設けられた第１燃料電池（Ａの１７）とは異なる第３燃料電池（Ｃの１７）を更に含む。

上記の固体電解質型燃料電池モジュールにおいて、第１燃料電池部（４２−ｉ）は、平板型の第１燃料電池（Ａの５７）が積層された第１燃料電池スタック（４２−ｉ）である。第２燃料電池部（４２−ｊ）は、平板型の第２燃料電池（Ｂの５７）が積層された第２燃料電池スタック（４２−ｊ）である。

上記の固体電解質型燃料電池モジュールにおいて、第１燃料電池スタック（４２−ｉ）は、第１燃料電池（Ａの５７）とは異なる平板型の第３燃料電池（Ｂの５７）を更に含む。

上記の固体電解質型燃料電池モジュールにおいて、第１燃料電池（Ａの５７）は安定化ジルコニア系の電解質（５４）を用いる。第２燃料電池（Ｂの５７）は、セリア系及びランタンガレート系のいずれかの電解質（５４）を用いる。

上記の固体電解質型燃料電池モジュールにおいて、第１燃料電池（Ａの５７）及び第２燃料電池（Ｂの５７）の少なくとも一方は、燃料極（５３）及び空気極（５５）の少なくとも一方に、電解質（５４）と同じ材料を含む。

上記課題を解決するために、本発明の固体電解質型水電解モジュールは、第１水電解セル（Ａの１７／Ａの２７、Ａの５７）を有する第１水電解部（１−ｉ、４２−ｉ）と、第１水電解セル（Ａの１７／Ａの２７、Ａの５７）と異なる第２水電解セ（Ｂの１７／Ｂの２７、Ｂの５７）ルを有する第２水電解部（１−ｊ、４２−ｊ）とを具備する。

上記の固体電解質型水電解モジュールにおいて、第１水電解セル（Ａの１７／Ａの２７、Ａの５７）は、第１温度範囲で運転される。第２水電解セル（Ｂの１７／Ｂの２７、Ｂの５７）は、第２温度範囲で運転される。

上記の固体電解質型水電解モジュールにおいて、第１水電解部（１−ｉ）は、第１水電解セル（Ａの１７／Ａの２７）が基体管（１６／２６）上に設けられた第１水電解セル管（１−ｉ）である。第２水電解部（１−ｊ）は、第２水電解セル（Ｂの１７／Ｂの２７）が基体管（１６／２６）上に設けられた第２水電解セル管（１−ｊ）である。

上記の固体電解質型水電解モジュールにおいて、第１水電解セル管（１−ｉ）は、円筒横縞型及び円筒縦縞型のいずれかである。第２水電解セル管（１−ｊ）は、円筒横縞型及び円筒縦縞型のいずれかである。

上記の固体電解質型水電解モジュールにおいて、第１水電解部（４２−ｉ）は、平板型の第１水電解セル（Ａの５７）が積層された第１水電解スタック（４２−ｉ）である。第２水電解部（４２−ｊ）は、平板型の第２水電解セル（Ｂの５７）が積層された第２水電解スタック（４２−ｊ）である。

上記の固体電解質型水電解モジュールにおいて、第１水電解セル（Ａの５７）は安定化ジルコニア系の電解質（５４）を用いる。第２水電解セル（Ｂの５７）は、セリア系及びランタンガレート系のいずれかの電解質（５４）を用いる。

上記の固体電解質型水電解モジュールにおいて、第１水電解セル（Ａの５７）及び第２水電解セル（Ｂの５７）の少なくとも一方は、燃料極（５３）及び空気極（５５）の少なくとも一方に、電解質（５４）と同じ材料を含む。

本発明により、温度分布の関係で使用されていない燃料電池管のスペースや燃料電池モジュールのスペース、又は、水電解セル管のスペースや水電解モジュールのスペースについて、セルの種類を変えることにより有効に利用することができるようになる。

以下、本発明の固体電解質型燃料電池管、固体電解質型燃料電池モジュール及び固体電解質型水電解モジュールの実施の形態に関して、添付図面を参照して説明する。

実施の形態において、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）管及びそれを用いた固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）モジュールを例に示して説明する。ただし、燃料電池の逆反応である水電解を用いる水素製造装置の固体電解質型水電解モジュールにそれらを適用することも可能であり、ここではその説明を省略する。

（第１の実施の形態）
まず、本発明のＳＯＦＣ管及びＳＯＦＣモジュールの第１の実施の形態について、添付図面を参照して説明する。
図１は、本発明のＳＯＦＣモジュールの第１の実施の形態の構成を示す図である。ＳＯＦＣモジュール１０は、複数のＳＯＦＣ管１（１−１〜１−ｍ：ｍは自然数で、ＳＯＦＣ管の総数）、燃料供給室２、燃料排出室３、空気供給室４を具備する。図中、配線に関わる構成は省略している。

燃料供給室２は、図示しない配管から燃料ガスを供給される。そして、ガスが流通可能なように管板８に接合されたＳＯＦＣ管１へその燃料ガスを送出する。燃料排出室３は、ガスが流通可能なように管板９に接合されたＳＯＦＣ管１から使用済みの燃料ガスを供給される。そして、その燃料ガスを他の図示しない配管へ送出する。管板８及び管板９の温度は、概ね６００℃である。燃料供給室２（管板８を含む）及び燃料排出室３（管板９を含む）は、例えば耐熱性の金属で形成される。

空気供給室４は、図示しない配管から空気（酸素を含むガス）を供給される。そして、ＳＯＦＣ管１の外側に、その空気を供給する。使用済みの空気は、他の図示しない配管から送出する。空気供給室４は、図示しないヒータ又はＳＯＦＣ管１の発電に伴う発熱で高温となっている。その熱（主に熱輻射）で管板８及び管板９が損傷を受けないように、管板８側に下部断熱ボード６、管板９側に上部断熱ボード７が設けられている。ＳＯＦＣ管１は、両端部において下部断熱ボード６及び上部断熱ボード７を貫通している。その部分のＳＯＦＣ管１の周囲は若干の空間がとってあり、加えて、下部断熱ボード６及び上部断熱ボード７は、多孔質の断熱材なので、管板８及び管板９の位置まで、空気を行き渡らせることができる。空気共有室４は、例えば、耐熱性の金属（内壁を断熱材で覆う）で形成される。

ＳＯＦＣ管１（１−１〜１−ｍ：ｍは自然数）は、基体管上に複数の燃料電池が形成されている。一端を燃料供給室２の管板８、他端を燃料排出室３の管板９内部に接続されている。端部は例えば締り嵌めで接合し、シール剤で密着させる。ＳＯＦＣ管１は、燃料供給室２から燃料ガスをその内側に供給され、発電に使用した後、燃料排出室３へ送出する。一方、空気供給室４内で、空気をその外側に供給され、発電に使用する。燃料電池で電力を発生する。

空気供給室４の発電室５（下部断熱ボード６及び上部断熱ボード７の無い部分）は、主にＳＯＦＣ管１の発電に伴う発熱で、高い所で概ね１０００℃となっている。空気供給室４内全体が均一な温度であると、空気供給室４の全体に、同じ種類の燃料電池を設置するすることができる。しかし、使用する材料やガスの流れなどにより、空気供給室４内の温度は均一ではない。例えば、下部断熱ボード６及び上部断熱ボード７での部分では、意識的に管板８及び管板９が６００℃程度になるようにしている。発電室５では、上部の温度が高めになっている。

図中、ＳＯＦＣ管１上の符号で示すように、例えば、Ｃで示される領域は、比較的温度が低い。温度範囲は、例えば概ね６００℃〜８００℃である。Ｂで示される領域は、それよりも温度が高い。温度範囲は、例えば概ね８００℃〜９００℃である。Ａで示される領域は、それよりも更に温度が高い。温度範囲は、例えば概ね９００℃〜１０００℃である。すなわち、ＳＯＦＣ管１内に、温度分布が存在する場合がある。加えて、図に示すように、ＳＯＦＣモジュール１０内にも温度分布が存在する場合がある。ここで、ＳＯＦＣ管１において、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）を電解質とする燃料電池を用いる場合、運転温度として９００℃〜１０００℃が好ましい。そのため、従来の場合、燃料電池を設置できる範囲は、この図の例では領域Ａだけに限られる。又は、領域Ｂ及び領域Ｃを高温にする処置を施す必要がある。ただし、領域Ａ、領域Ｂ及び領域Ｃの温度範囲は、上記の例に限定されるものではない。

しかし本発明においては、このような温度分布に対応して、それぞれの温度範囲に適した種類の電解質を有する燃料電池を予めＳＯＦＣ管１に設置しておく。例えば、領域ＡにはＹＳＺ、領域ＢにはＣｅＯ２（セリア）、領域ＣにはＬａＧａＯ３（ランタンガレート）である。それにより、この図の例では、更に、領域Ｂや領域Ｃを用いることも可能となる。すなわち、空気供給室４に低温領域と高温領域とが混在する場合でも、使用されていないスペースを有効に利用して、発電を行うことが可能となる。そして、領域Ｂ及び領域Ｃを高温にする処置を施す必要がなくなる。すなわち、余計な設備及びエネルギーを消費することがなく、単位体積当たりの効率を向上させることができる。

ＳＯＦＣ管１について更に説明する。
図２は、本発明のＳＯＦＣ管の第１の実施の形態における構成を示す図である。ＳＯＦＣ管１は、基体管１６、燃料極１３と電解質１４と空気極１５とを含む複数の燃料電池（セル）１７、インタコネクタ１２を備える。円筒横縞型である。燃料極１３は、多孔質の基体管１６上に膜状に形成される。そして、その上に膜状の電解質１４が、更にその上に膜状の空気極１５がそれぞれ積層されてセル１７となる。セル１７同士は、インタコネクタ１２により接続されている。

このようなセル１７において、電解質１４の種類により、燃料極１３及び空気極１５は例えば以下のような材料を用いる。
（１）電解質：ジルコニア系電解質（Ａの領域で発電可能な電解質）
例示：ＹＳＺ、ＳＳＺ(スカンジア安定化ジルコニア）
但し、イットリア又はスカンジアのモル数は設計に応じて適宜設定。
燃料極：ジルコニア系電解質に適した物質
例示：ＮｉＯ／ＭｇＡｌ_２Ｏ_４、ＮｉＯ／ジルコニア系電解質
ここで、ジルコニア系電解質は、上記の電解質に対応する。
ＹＳＺの場合：ＮｉＯ／ＹＳＺ、ＳＳＺの場合：ＮｉＯ／ＳＳＺ
空気極：ジルコニア系電解質に適した物質
例示：ＬａＳｒＭｎＯ_３、ＬａＳｒＣａＭｎＯ_３、ＬａＳｒＣｏＯ_３及びＬａＳｒＭｎＯ_３／ジルコニア系電解質
ここで、ジルコニア系電解質は、上記の電解質に対応する。
ＹＳＺの場合：ＬａＳｒＭｎＯ_３／ＹＳＺ、ＳＳＺの場合：ＬａＳｒＭｎＯ_３／ＳＳＺ
（２）電解質：ランタンガレート系電解質（Ｂの領域で発電可能な電解質）
例示：ＬａＧａＯ_３、ＬａＳｒＧａＭｇＯ_３、ＬａＳｒＧａＭｇＣｏＯ_３
燃料極：ランタンガレート系電解質に適した物質
例示：ＮｉＯ／ＭｇＡｌ_２Ｏ_４、ＮｉＯ／ＹＳＺ、ＮｉＯ／ＣＳＺ、ＮｉＯ／ＬａＧａＯ_３
空気極：ランタンガレート系電解質に適した物質
例示：ＬａＳｒＭｎＯ_３、ＬａＳｒＣａＭｎＯ_３、ＬａＳｒＣｏＯ_３、ＬａＳｒＭｎＯ_３／ＬａＧａＯ_３
（３）電解質：セリア系電解質（Ｃの領域で発電可能な電解質）
例示：ＣｅＯ_２、ＣｅＳｍＯ_２
燃料極：セリア系電解質に適した物質
例示：ＮｉＯ／ＭｇＡｌ_２Ｏ_４、ＮｉＯ／ＹＳＺ、ＮｉＯ／ＣＳＺ、ＮｉＯ／ＣｅＯ_２
空気極：セリア系電解質に適した物質
例示：ＬａＳｒＭｎＯ_３、ＬａＳｒＣａＭｎＯ_３、ＬａＳｒＣｏＯ_３、ＬａＳｒＭｎＯ_３／ＣｅＯ_２

上記の電解質、燃料極及び空気極として挙げた各物質は、例であり、これらの物質に限定されるものではない。すなわち、電解質、燃料極及び空気極は、燃料電池の運転温度、運転装置内の温度分布、スタックや管内の温度分布などに応じて、適宜選択することができる。

上記の（１）〜（３）において、燃料極や空気極に電解質と同じ物質を含ませることにより、燃料極及び空気極における内部抵抗を低減することができる。それにより、燃料電池の効率を向上することができる。

図２に示されるＳＯＦＣ管１は、例えば、押し出し成形した基体管１６にスクリーン印刷でセル１７を形成し、焼成することで形成することができる。

図３は、本発明のＳＯＦＣ管の第１の実施の形態における構成の応用例を示す図である。ＳＯＦＣ管１は、基体管２６、燃料極２３と電解質２４と空気極２５とを含む燃料電池（セル）２７、インタコネクタ２２を備える。円筒縦縞型である。空気極２５は、多孔質の基体管２６上に膜状に形成される。そして、その上に膜状の電解質２４が、更にその上に膜状の燃料極２３がそれぞれ積層されてセル２７となる。ＳＯＦＣ管１全体で１つのセル１７である。基体管２６は、空気極２５であっても良い。

このようなセル２７においても、電解質２４、燃料極２３及び空気極２５は例えば上記（１）〜（３）のような材料を用いる。そして、図３に示されるＳＯＦＣ管１は、例えば、押し出し成形した基体管２６にスクリーン印刷でセル２７を形成し、焼成することで形成することができる。

本発明により、温度分布の関係で使用されていない燃料電池管のスペースや燃料電池モジュールのスペース（図１における領域Ｃや領域Ｂ）について、燃料電池の種類を変えることにより有効に利用することができるようになる。あるいは、領域Ｂ及び領域Ｃを高温にする処置を施す必要がなくなる。すなわち、余計な設備及びエネルギーを消費することがなく、効率を向上させることができる。それにより、低温領域と高温領域とが混在する場合でも、体積あたりの発電効率を向上させることが可能となる。

反応のさせ方を逆にし、水蒸気を燃料極側に供給し、セルに電気を流すことで、水電解を行うことができる。そして、燃料極側に水素を発生させ、空気極側に酸素を発生させる固体電解質型水電解モジュールとすることができる。その構成は、図１〜図３と同様である。
すなわち、温度分布の関係で使用されていないスペースを有効に利用して、低温領域と高温領域とが混在する場合でも、有効に水電解を行うことが可能となる。

（第２の実施の形態）
次に、本発明のＳＯＦＣモジュールの第２の実施の形態について、添付図面を参照して説明する。
図４は、本発明のＳＯＦＣモジュールの第２の実施の形態の構成を示す図である。ＳＯＦＣモジュール４０は、断熱容器４６、複数のＳＯＦＣスタック４１（４１−１〜４１−ｎ：ｎは自然数、ｎはスタックの総数）、マニホールド４２〜４５を具備する。図中、配線に関わる構成は省略している。

マニホールド４２は、図示しない配管から燃料ガスを供給される。そして、ガスが流通可能なように接合されたＳＯＦＣスタック４１へその燃料ガスを送出する。マニホールド４３は、ガスが流通可能なように接合されたＳＯＦＣスタック４１から使用済みの燃料ガスを供給される。そして、その燃料ガスを他の図示しない配管へ送出する。マニホールド４２〜４３は、例えばセラミックスで形成される。

マニホールド４４は、図示しない配管から空気（酸素を含むガス）を供給される。そして、ガスが流通可能なように接合されたＳＯＦＣスタック４１へその空気を供給する。マニホールド４５は、ガスが流通可能なように接合されたＳＯＦＣスタック４１から使用済みの空気を供給される。そして、その空気を他の図示しない配管から送出する。マニホールド４４〜４５は、例えばセラミックスで形成される。

ＳＯＦＣスタック４１（４１−１〜４１−ｎ：ｎは自然数）は、複数の平板型の燃料電池が、インタコネクタを挟んで積層された構造である。マニホールド４２から燃料ガスを供給され発電に用いる。使用済みの燃料ガスをマニホールド４３へ送出する。マニホールド４４から空気を供給され発電に用いる。使用済みの空気をマニホールド４５へ送出する。燃料電池で電力を発生する。

断熱容器４６は、例えば、内壁を断熱材で覆うようにして、耐熱性の金属で形成される。断熱容器４６は、主にＳＯＦＣスタック４１の発電に伴う発熱で、高い所で概ね１０００℃となっている。断熱容器４６内全体が均一な温度であると、断熱容器４６の全体に、同じ種類の燃料電池を有するＳＯＦＣスタック４１を設置するすることができる。しかし、断熱容器４６内の温度は均一ではない場合がある。例えば、側壁に近いＳＯＦＣスタック４１−１や４１−ｎは、中央部に比較して低温になっている。

図中、ＳＯＦＣモジュール４０での符号で示すように、例えば、Ｂで示される領域は、比較的温度が低い。温度範囲は概ね８００℃〜９００℃である。Ａで示される領域は、それよりも温度が高い。温度範囲は概ね９００℃〜１０００℃である。すなわち、ＳＯＦＣモジュール４０内に、温度分布が存在する場合がある。ここで、ＳＯＦＣスタック４１において、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）を電解質とする燃料電池を用いる場合、運転温度として９００℃〜１０００℃が好ましい。そのため、従来の場合、燃料電池を設置できる範囲は、この図の例では領域Ａだけに限られる。又は、領域Ｂを高温にする処置を施す必要がある。

しかし本発明においては、このような温度分布に対応して、それぞれの温度範囲に適した種類の電解質を有する燃料電池を予めＳＯＦＣスタック４１に設置しておく。例えば、領域ＡにはＹＳＺ、領域ＢにはＣｅＯ_２（セリア）又はＬａＧａＯ_３（ランタンガレート）である。それにより、この図の例では、更に領域Ｂを用いることも可能となる。すなわち、断熱容器４６内に低温領域と高温領域とが混在する場合でも、使用されていないスペースを有効に利用して、発電を行うことが可能となる。そして、領域Ｂを高温にする処置を施す必要がなくなる。すなわち、余計な設備及びエネルギーを消費することがなく、単位体積当たりの効率を向上させることができる。

ただし、領域Ａ、領域Ｂの温度範囲は、上記の例に限定されるものではない。各領域に用いる物質は、第１の実施の形態に示したとおりである。ただし、それらに限定されるものではない。電解質、燃料極及び空気極は、燃料電池の運転温度、運転装置内の温度分布、スタックや管内の温度分布などに応じて、適宜選択することができる。

ＳＯＦＣスタック４１について更に説明する。
図５は、本発明のＳＯＦＣモジュールの第２の実施の形態の構成を示す図である。ＳＯＦＣスタック４１は、複数の平板型の燃料電池（セル）５７が、インタコネクタ５２を挟んで積層されている。

図中、ＳＯＦＣスタック４１での符号で示すように、例えば、Ｂで示される領域は、比較的温度が低い。温度範囲は概ね８００℃〜９００℃である。Ａで示される領域は、それよりも温度が高い。温度範囲は概ね９００℃〜１０００℃である。すなわち、ＳＯＦＣスタック４１内に、温度分布が存在する場合がある。ここで、ＳＯＦＣスタック４１において、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）を電解質とする燃料電池を用いる場合、運転温度として９００℃〜１０００℃が好ましい。そのため、従来の場合、燃料電池を設置できる範囲は、この図の例では領域Ａだけに限られる。又は、領域Ｂを高温にする処置を施す必要がある。

しかし本発明においては、このような温度分布に対応して、それぞれの温度範囲に適した種類の電解質を有する燃料電池を予めセル５７に設置しておく。例えば、領域ＡにはＹＳＺ、領域ＢにはＣｅＯ_２（セリア）又はＬａＧａＯ_３（ランタンガレート）である。それにより、この図の例では、更に領域Ｂを用いることも可能となる。すなわち、断熱容器４６内に低温領域と高温領域とが混在する場合でも、使用されていないスペースを有効に利用して、発電を行うことが可能となる。そして、領域Ｂを高温にする処置を施す必要がなくなる。すなわち、余計な設備及びエネルギーを消費することがなく、単位体積当たりの効率を向上させることができる。

燃料電池（セル）５７について更に説明する。
図６は、本発明のＳＯＦＣモジュールの第２の実施の形態における燃料電池の構成を示す図である。燃料電池（セル）５７は、燃料極５３と電解質５４と空気極５５とを含み、他のセル５７とインタコネクタ５２を介して直列に接続されている。

このようなセル５７において、電解質５４の種類により、燃料極５３及び空気極５５は例えば上記の（１）〜（３）のような材料を用いる。そして、図６に示されるセル５７は、例えば、ドクターブレードで成形した電解質５４にスクリーン印刷で燃料極５３及び空気極５４を形成し、焼成することで形成することができる。インターコネクタ５２は、焼結板に溝加工を施して形成できる。

本発明により、温度分布の関係で使用されていない燃料電池のスペースや燃料電池スタックのスペース（図５や図４における領域Ｂ）について、燃料電池の種類を変えることにより有効に利用することができるようになる。あるいは、領域Ｂを高温にする処置を施す必要がなくなる。それにより、低温領域と高温領域とが混在する場合でも、体積あたりの発電効率を向上させることが可能となる。

反応のさせ方を逆にし、水蒸気を燃料極側に供給し、セルに電気を流すことで、水電解を行うことができる。そして、燃料極側に水素を発生し、空気極側に酸素を発生させる固体電解質型水電解モジュールとすることができる。その構成は、図４〜図６と同様である。
すなわち、温度分布の関係で使用されていないスペースを有効に利用して、低温領域と高温領域とが混在する場合でも、有効に水電解を行うことが可能となる。

図１は、本発明のＳＯＦＣモジュールの第１の実施の形態の構成を示す図である。 図２は、本発明のＳＯＦＣ管の第１の実施の形態における構成を示す図である。 図３は、本発明のＳＯＦＣ管の第１の実施の形態における構成の応用例を示す図である。 図４は、本発明のＳＯＦＣモジュールの第２の実施の形態の構成を示す図である。 図５は、本発明のＳＯＦＣモジュールの第２の実施の形態の構成を示す図である。 図６は、本発明のＳＯＦＣモジュールの第２の実施の形態における燃料電池の構成を示す図である。

符号の説明

１（１−１〜１−ｍ：ｍは自然数） ＳＯＦＣ管
２ 燃料供給室
３ 燃料排出室
４ 空気供給室
５ 発電室
６ 下部断熱ボード
７ 上部断熱ボード
８、９ 管板
１０、４０ ＳＯＦＣモジュール
１２、２２、５２ インタコネクタ
１３、２３、５３ 燃料極
１４、２４、５４ 電解質空気極
１５、２５、５５
１６、２６ 基体管
１７、２７、５７ 燃料電池（セル）
４１（４１−１〜１−ｎ：ｎは自然数） ＳＯＦＣスタック
４２〜４５ マニホールド

Claims (21)

1. 基体管と、
   前記基体管上に設けられた第１燃料電池と、
   前記基体管上に設けられ、前記第１燃料電池と異なる第２燃料電池と
   を具備する
   固体電解質型燃料電池管。
2. 請求項１に記載の固体電解質型燃料電池管において、
   前記第１燃料電池は、第１温度範囲で運転され、
   前記第２燃料電池は、第２温度範囲で運転される
   固体電解質型燃料電池管。
3. 請求項２に記載の固体電解質型燃料電池管において、
   前記第１燃料電池は安定化ジルコニア系の電解質を用い、
   前記第２燃料電池は、セリア系又はランタンガレート系のいずれかの電解質を用いる
   固体電解質型燃料電池管。
4. 請求項３に記載の固体電解質型燃料電池管において、
   前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池の少なくとも一方は、燃料極及び空気極の少なくとも一方に、前記電解質と同じ材料を含む
   固体電解質型燃料電池管。
5. 請求項２乃至４のいずれか一項に記載の固体電解質型燃料電池管において、
   前記第１温度範囲は、９００℃〜１０００℃であり、
   前記第２温度範囲は、６００℃〜９００℃である
   固体電解質型燃料電池管。
6. 第１燃料電池を有する第１燃料電池部と、
   前記第１燃料電池と異なる第２燃料電池を有する第２燃料電池部と
   を具備する
   固体電解質型燃料電池モジュール。
7. 請求項６に記載の固体電解質型燃料電池モジュールにおいて、
   前記第１燃料電池は、第１温度範囲で運転され、
   前記第２燃料電池は、第２温度範囲で運転される
   固体電解質型燃料電池モジュール。
8. 請求項６又は７に記載の固体電解質型燃料電池モジュールにおいて、
   前記第１燃料電池部は、前記第１燃料電池が基体管上に設けられた第１燃料電池管であり、
   前記第２燃料電池部は、前記第２燃料電池が基体管上に設けられた第２燃料電池管である
   固体電解質型燃料電池モジュール。
9. 請求項８に記載の固体電解質型燃料電池モジュールにおいて、
   前記第１燃料電池管は、円筒横縞型及び円筒縦縞型のいずれかであり、
   前記第２燃料電池管は、円筒横縞型及び円筒縦縞型のいずれかである
   固体電解質型燃料電池モジュール。
10. 請求項８又は９に記載の固体電解質型燃料電池モジュールにおいて、
    前記第１燃料電池管は、基体管上に設けられた第１燃料電池とは異なる第３燃料電池を更に含む
    固体電解質型燃料電池モジュール。
11. 請求項６又は７に記載の固体電解質型燃料電池モジュールにおいて、
    前記第１燃料電池部は、平板型の前記第１燃料電池が積層された第１燃料電池スタックであり、
    前記第２燃料電池部は、平板型の前記第２燃料電池が積層された第２燃料電池スタックである
    固体電解質型燃料電池モジュール。
12. 請求項１１に記載の固体電解質型燃料電池モジュールにおいて、
    前記第１燃料電池スタックは、前記第１燃料電池とは異なる平板型の第３燃料電池を更に含む
    固体電解質型燃料電池モジュール。
13. 請求項６乃至１２のいずれか一項に記載の固体電解質型燃料電池モジュールにおいて、
    前記第１燃料電池は安定化ジルコニア系の電解質を用い、
    前記第２燃料電池は、セリア系及びランタンガレート系のいずれかの電解質を用いる
    固体電解質型燃料電池モジュール。
14. 請求項１３に記載の固体電解質型燃料電池モジュールにおいて、
    前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池の少なくとも一方は、燃料極及び空気極の少なくとも一方に、前記電解質と同じ材料を含む
    固体電解質型燃料電池モジュール。
15. 第１水電解セルを有する第１水電解部と、
    前記第１水電解セルと異なる第２水電解セルを有する第２水電解部と
    を具備する
    固体電解質型水電解モジュール。
16. 請求項１５に記載の固体電解質型水電解モジュールにおいて、
    前記第１水電解セルは、第１温度範囲で運転され、
    前記第２水電解セルは、第２温度範囲で運転される
    固体電解質型水電解モジュール。
17. 請求項１５又は１６に記載の固体電解質型水電解モジュールにおいて、
    前記第１水電解部は、前記第１水電解セルが基体管上に設けられた第１水電解セル管であり、
    前記第２水電解部は、前記第２水電解セルが基体管上に設けられた第２水電解セル管である
    固体電解質型水電解モジュール。
18. 請求項１７に記載の固体電解質型水電解モジュールにおいて、
    前記第１水電解セル管は、円筒横縞型及び円筒縦縞型のいずれかであり、
    前記第２水電解セル管は、円筒横縞型及び円筒縦縞型のいずれかである
    固体電解質型水電解モジュール。
19. 請求項１５又は１６に記載の固体電解質型水電解モジュールにおいて、
    前記第１水電解部は、平板型の前記第１水電解セルが積層された第１水電解スタックであり、
    前記第２水電解部は、平板型の前記第２水電解セルが積層された第２水電解スタックである
    固体電解質型水電解モジュール。
20. 請求項１５乃至１９のいずれか一項に記載の固体電解質型水電解モジュールにおいて、
    前記第１水電解セルは安定化ジルコニア系の電解質を用い、
    前記第２水電解セルは、セリア系及びランタンガレート系のいずれかの電解質を用いる
    固体電解質型水電解モジュール。
21. 請求項２０に記載の固体電解質型水電解モジュールにおいて、
    前記第１水電解セル及び前記第２水電解セルの少なくとも一方は、燃料極及び空気極の少なくとも一方に、前記電解質と同じ材料を含む
    固体電解質型水電解モジュール。

Images