JP2007200703A - 固体酸化物形燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】発生する熱をより有効に利用し、より高い発電効率を得ることのできる固体酸化物形燃料電池を提供する。
【解決手段】固体酸化物形燃料電池の円筒型セル１と熱電変換素子２とを有し、該円筒型セルと熱電変換素子のうちの一方が他方を離間して環状に囲む構造を有する固体酸化物形燃料電池。一つの実施の形態では熱電変換素子２は円筒型セル１の内側に配され、熱電変換素子２の内側には冷却媒体を流すための流路が形成される。さらに他の実施の形態では円筒型セルの外側に中空円筒状の熱電変換素子が配され、該熱電変換素子の外側が冷却媒体を流す流路が形成される。
【選択図】図１

Description

本発明は固体酸化物形燃料電池、特には円筒型の固体酸化物形燃料電池に関する。

近年、排ガスがクリーンであることや発電効率が比較的高いなどの理由で燃料電池の開発が盛んである。燃料電池にはいくつかの種類があるが、いずれの種類においてもエネルギー変換効率もしくは発電効率を更に向上させることが求められている。

固体酸化物形燃料電池（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ。以下場合によりＳＯＦＣという。）は作動温度が５００〜１０００℃程度と高温である。特許文献１には、この熱を有効に利用してエネルギー変換効率を向上させるべく、ＳＯＦＣスタックの周囲に熱電変換素子を配することが開示されている。

また、特許文献２には、低温で作動する固体高分子形燃料電池において、電気化学反応によって発生する熱エネルギーを利用してエネルギー利用効率の高い燃料電池を提供すべく、酸素極側フィールドプレートに接して熱電変換素子を配することが開示されている。
特開２００２−３５８９９７号公報 特開２００２−１４１０７７号公報

しかしながら、特許文献１記載の技術では、ＳＯＦＣスタックの周囲に熱電変換素子を配しているため、熱の有効利用の点で更なる改善の余地がある。

また特許文献２記載の技術では、作動温度が低温であるため、熱電変換素子による発電量の点で優れているとは言えない。

本発明の目的は、ＳＯＦＣが発生する熱をより有効に利用し、より高い発電効率を得ることのできるＳＯＦＣを提供することである。

本発明により、固体酸化物形燃料電池の円筒型セルと、熱電変換素子とを有し、
該円筒型セルと熱電変換素子のうちの一方が他方を離間して環状に囲む構造を有する固体酸化物形燃料電池が提供される。

上記固体酸化物形燃料電池において、
前記円筒型セルの内側に中空円筒状の熱電変換素子が配され、
該円筒型セルの内側に配された熱電変換素子の内側が冷却媒体を流すための流路とされることができる。

また上記固体酸化物形燃料電池において、
前記円筒型セルの外側に中空円筒状の熱電変換素子が配され、
該円筒型セルの外側に配された熱電変換素子の外側が冷却媒体を流すための流路とされることができる。この場合、前記流路の外側に断熱材を有することができる。

本発明により、ＳＯＦＣが発生する熱をより有効に利用し、より高い発電効率を得ることのできるＳＯＦＣが提供される。

ＳＯＦＣは実用的には複数のセルを配列させたＳＯＦＣスタックとして用いられることが多い。以下主にＳＯＦＣスタックについて説明するが、本発明はセルが一つだけで用いられる場合にも適用可能である。

円筒型ＳＯＦＣスタックは、アノード電極とカソード電極の間に電解質を挟んだセル（単セル）を複数個、集電体やインターコネクタと呼ばれる電子導電性部材などにより電気的に接続した構成を有する。

ＳＯＦＣでは、酸素イオン導電性セラミックスもしくはプロトンイオン導電性セラミックスを電解質として利用し、水素と酸素とを電気化学反応させる。このときアノードもしくはカソードでＨ₂Ｏが生成するとともに発熱する。

ＳＯＦＣスタックにおいて、この発熱が起きる個所と、それ以外の個所との間には温度差が生じる。

本発明では、円筒型セルと熱電変換素子とを、一方が他方を離間して環状に囲むように配置する。このために中空円筒状の熱電変換素子を、円筒型セルの内側もしくは外側に、あるいは内側と外側の両側に配置することができる。

円筒型セルと熱電変換素子との間は、セルによる発電を行うためのガスを流通させるために離間させる。その間隔は、熱授受の効率とガスの圧力損失を勘案して適宜決めることができる。

円筒型セルと熱電変換素子の長さは、これらの間の熱授受を無駄なく行う観点からほぼ同等とすることが好ましい。

本発明によれば、上記温度差を有効利用し、電気化学反応による発電に加えて、熱電変換素子による発電を行うことができる。これによって発電効率を向上させることが可能である。

また熱電変換素子は熱エネルギーを電気エネルギーに変換するため、冷却効果を有する。熱電変化素子をセルの内側および／または外側に配置することにより、ＳＯＦＣスタックの内部において冷却することが可能である。従来、ガス（通例カソードガス）を大量に供給することによってスタックを冷却することが行われている。しかし、大量のガスを供給するために所要動力（ブロワ等の消費電力）が大きくなり、ＳＯＦＣシステムの効率が低くなってしまう。本発明では、熱電変換素子により電気エネルギーを取り出すと同時にセルの冷却を行えるため、冷却のための所要動力を低減し、ブロワや配管等を小型化する効果もある。これによってＳＯＦＣシステムの高効率化や小型化が可能である。

さらに、８０℃程度の低温で作動する固体高分子形燃料電池に比べ、ＳＯＦＣでは作動温度が高いため、大きな温度差を得ることが可能であり、熱電変換素子による発電によって、より高効率化を図ることができる。

熱電変換素子の材料は、ＳＯＦＣの作動温度にて使用できる公知の熱電変換素子の材料から適宜選んで採用することができる。例えば、ｐ型熱電変換素子としてはＳｉＧｅ、Ｓｉ_0.8Ｇｅ_0.2、β−ＦｅＳｉ₂、ＰｂＴｅ、ＧｅＴｅ、ＧｅＴｅ−ＡｇＳｂＴｅ₂、β−Ｚｎ₄Ｓｂ₃、Ｃｅ（Ｆｅ_3.5Ｃｏ_0.5）Ｓｂ₁₂、ｎ型熱電変換素子としてはＳｉＧｅ、β−ＦｅＳｉ₂、ＰｂＴｅ、Ｂａ_0.3Ｃｏ_3.7Ｓｂ₁₂、Ｚｎ_0.98Ａｌ_0.02Ｏを用いることができる。

熱電変換素子以外のＳＯＦＣスタックの部材や構造については、公知の円筒型ＳＯＦＣスタックの部材や構造から適宜選んで採用することができる。

ＳＯＦＣスタックにおいて、全てのセルの内側および／または外側にそれぞれ熱電変換素子を配してもよいが、必ずしもその限りではなく、一部のセルについてのみ熱電変換素子を配してもよい。

温度差に起因してＳＯＦＣスタックにかかる熱応力を抑えるために、円筒型セルは有利である。平板型スタックの場合、例えば積層したセルおよびセパレーター等をエンドプレートと呼ばれる金属製（電気伝導性）の板２枚で挟みボルト締めする。円筒型スタックは、例えば電極面の一部をインターコネクター等で電気的に接続する構造となっている。このため、円筒型スタックでは平板型スタックに比較して拘束面積が少なく熱応力を緩和することが比較的容易だからである。また、円筒型セル同士を電気的に接続するための集電体にクッション効果のある材質を用いることも有効である。例えば金属多孔体（Ｍｅｔａｌ−ｆｏａｍ、発泡金属）は外力により変形しやすく、接触面積が小さい。このため、セルやセパレーター、インターコネクタの熱膨張を吸収し、さらに熱応力を緩和できるので、金属多孔体は集電体として好適である。

熱電変換素子の隣に、冷却媒体を流すための流路である冷却媒体流路を設けることができる。特には熱電変換素子の一方の側（より低温にしたい側）に冷却媒体流路を設けて熱電変換素子の片側を冷却することにより、熱電変換素子における発電量を大きくすることができる。

冷却媒体としては、発電時に、熱電変換素子のより低温にしたい側を冷却可能な温度および流量のガスを適宜用いることができる。冷却媒体としてスタックに供給されるアノードガスもしくはカソードガスを用いることができ、あるいはこれらガスとは別途他のガスを用いることもできる。他のガスとしては、例えば空気を用いることができる。あるいはＳＯＦＣシステムの中に、予熱すべきガスがある場合、そのガスを冷却媒体として用い、熱電変換素子の冷却と同時にそのガスの予熱を行うこともできる。

なお、適宜ヘッダーもしくはマニホールド構造を利用して、セル等へのガスの供給や排出を行うことができる。

なお、熱電変換素子やセルを電気的に接続するために、円筒型ＳＯＦＣに用いられる公知の集電体およびインターコネクタ、また公知の導電部材を適宜用いることができる。

以下、本発明を実施例に基づき更に詳細に説明するが、本発明はこれによって限定されるものではない。

〔実施例１〕
図１には、本実施例のＳＯＦＣスタックにつき、セル及び熱電変換素子を一本ずつのみ示している。同図（ａ）は横断面図、（ｂ）は縦断面図であるが、（ｂ）においては集電体およびインターコネクタは省略してある（図２〜図４において同じ）。図１に示される構成が複数個配列され、電気的に接続されてＳＯＦＣスタックとされる。

円筒型セル１の内側に、円筒状の熱電変換素子２が配される。セルと熱電変換素子とはほぼ同じ長さとされ、両者の中心軸は一致している。このようにして円筒型セルと円筒状熱電変換素子とで二重管構造が形成されている。

セルの電解質板は酸素イオン導電性であり、カソード極が内周面に、アノード極が外周面に形成されている。セルの内側に酸素を含有するカソードガスが供給され、外側に水素を含有するアノードガスが供給される。また、ここではｎ型熱電変換素子が用いられている。

セルと熱電変換素子は、集電体３およびインターコネクタ４により電気的に接続される。セルの内側（カソード側）がプラス極であり、ここに集電体が接触し、この集電体と接続されるインターコネクタが、熱電変換素子の内側（マイナス極）に接続される。そして熱電変換素子の外側（プラス極）に集電体が接触し、これと接続されるインターコネクタがセルの外部へ貫通し、セル外部にプラスの端子が取り出される。一方、セルの外側（アノード側）がマイナス極であり、ここに集電体が接触し、この集電体と接続するインターコネクタにより、マイナスの端子が取り出される。

熱電変換素子の内側は冷却媒体の流路とされ、熱電変換素子は内側から冷却される。熱電変換素子の外側は発電に伴い発熱するセルからの伝熱により加熱される。従って熱電変換素子の外側が高温に、内側が低温になり、熱電変換素子に温度差ΔＴがつき、これによって発電が可能となる。冷却媒体としては例えばカソードガス（酸素含有ガス）を用いればよい。

〔実施例２〕
本実施例は、セルと熱電変換素子の内側・外側の位置関係を実施例１とは逆にした例である。すなわち、図２に示すように、セル１を内側に、円筒状熱電変換素子２を外側にした二重管構造を採用している。

セル１においては、アノード（マイナス極）が内側に、カソード（プラス極）が外側とされる。熱電変換素子は実施例１と同様ｎ型であるが、熱電変換素子はセルによって内側から加熱され、外側は冷却媒体によって冷却されるため、内側がプラス極となる。

〔実施例３〕
図３に示すように、本実施例では、実施例２と同様にセル１−１の外側に熱電変換素子（ｎ型）を配置し、さらにその外側に中空円筒状の断熱材５を配している。つまり、熱電変換素子２の外側が冷却媒体流路とされ、さらに冷却媒体流路の外側に断熱材５が設けられている。また、セル１−１の隣のセル１−２については内側にも外側にも熱電変換素子を設けない。断熱材は、セル１−２から熱電変換素子２への伝熱を抑制するために効果的である。

〔実施例４〕
図４に示すように、本実施例ではセル１の内側に円筒状熱電変換素子２ａを、外側に別の円筒状熱電変換素子２ｂを配している。すなわち、図１に示した構成の外側に、もうひとつ熱電変換素子（ｎ型）を配置している。熱電変換素子２ｂの内側がセル１からの伝熱により加熱され、外側が冷却媒体によって冷却される。従って、熱電変換素子の内側がプラス極、外側がマイナス極になる。

以上いくつかの例を説明したが、本発明においては、円筒状熱電変換素子をセルの内側、外側、あるいは両側に設けるか、熱電変換素子としてｐ型を用いるかｎ型を用いるか、冷却媒体としてアノードガスを用いるかカソードガスを用いるかあるいは他のガスを用いるか、など様々な選択が可能であり、その選択に応じた様々な形態があり得る。

本発明のＳＯＦＣは、例えば定置用もしくは移動体用の発電システムに、またコージェネレーションシステムに利用できる。

本発明のＳＯＦＣの一例を示す部分模式図であり、（ａ）は横断面図、（ｂ）は縦断面図である。 本発明のＳＯＦＣの別の例を示す部分模式図であり、（ａ）は横断面図、（ｂ）は縦断面図である。 本発明のＳＯＦＣの別の例を示す部分模式図であり、（ａ）は横断面図、（ｂ）は縦断面図である。 本発明のＳＯＦＣの別の例を示す部分模式図であり、（ａ）は横断面図、（ｂ）は縦断面図である。

符号の説明

１ 円筒型セル（単セル）
２ 円筒状熱電変換素子
３ 集電体
４ インターコネクタ
５ 断熱材

Claims (4)

1. 固体酸化物形燃料電池の円筒型セルと、熱電変換素子とを有し、
   該円筒型セルと熱電変換素子のうちの一方が他方を離間して環状に囲む構造を有する固体酸化物形燃料電池。
2. 前記円筒型セルの内側に中空円筒状の熱電変換素子が配され、
   該円筒型セルの内側に配された熱電変換素子の内側が冷却媒体を流すための流路とされた請求項１記載の固体酸化物形燃料電池。
3. 前記円筒型セルの外側に中空円筒状の熱電変換素子が配され、
   該円筒型セルの外側に配された熱電変換素子の外側が冷却媒体を流すための流路とされた請求項１または２記載の固体酸化物形燃料電池。
4. 前記流路の外側に断熱材を有する請求項３記載の固体酸化物形燃料電池。

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