JP2012003934A

JP2012003934A - 固体酸化物型燃料電池

Info

Publication number: JP2012003934A
Application number: JP2010137563A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Egami; 雅裕江上
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2010-06-16
Filing date: 2010-06-16
Publication date: 2012-01-05

Abstract

【課題】発電効率を維持した上で、低コスト化を実現できる固体酸化物型燃料電池を提供する。
【解決手段】第１セル５０ａは、アノードガス供給系における第２セル５０ｂよりも上流側に配置され、アノードガスが第１セル５０ａのアノード５１を通過後に、第２セル５０ｂのアノード５１に供給されるように構成されていることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ：ＳｏｌｉｄＯｘｉｄｅＦｕｅｌＣｅｌｌ）に関するものである。

従来から、燃料電池の電解質にセラミックス系の固体電解質膜を用い、この固体電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟んでセルを形成した固体酸化物型燃料電池（以下、ＳＯＦＣという）が知られている。このＳＯＦＣは、ダイレクト・メタノール型燃料電池等の固体高分子型燃料電池に比べ発電効率が高く、燃料ガスとして水素ガス以外に一酸化炭素やメタン等、炭化水素系燃料全般をそのまま利用できる。さらに、作動温度が高いため、反応にＰｔ（白金）のように高価な触媒を利用せずに済む、等のメリットがある。

このＳＯＦＣを、定置型の燃料電池システムに適用する場合には、燃料供給の容易さから天然ガス等のＨＣガス燃料を利用するのが主流である。
また近年では、燃料電池車両や携帯電子機器等の移動体の燃料電池システムに、ＳＯＦＣを適用することが検討されている。この場合には、ＨＣガス燃料に比べて密度が高く供給インフラも整っている、ガソリンや軽油等の炭化水素系液体燃料（ＨＣ液体燃料）を利用することが検討されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−２４６０４７号公報

ところで、上述したようにＳＯＦＣのセルを用いた燃料電池システムは作動温度が高温であるため、始動時にセルを昇温する必要がある。特に、燃料にＨＣ液体燃料を利用する場合には、ＨＣ液体燃料がアノードに到達する前に、ＨＣ液体燃料をガス化（改質）するため、ＨＣガス燃料をそのままアノードに供給する場合に比べて、セルの温度を高温（例えば、８００℃程度）にする必要がある。そのため、ＨＣ液体燃料を利用する場合には、セルの構成材料に、耐熱性に優れ、かつ作動温度が高いものを選択する必要がある。

ここで、上述したＳＯＦＣの実用化を図るためには、セルを複数積層して、燃料電池スタックとすることが検討されている。
この場合、積層された複数のセルのうち、全てのセルを作動温度及び耐熱性の要求が高い材料で構成すると、材料コストが嵩み、装置コストの増加に繋がるという問題がある。また、所望の発電効率を得るためには、セルの作動温度に合わせてスタック全体を高温まで昇温する必要があるため、起動エネルギーの増加にも繋がる。
一方で、作動温度及び耐熱性の要求が低い材料は、材料コストが比較的安価であるため、装置コストの増加を抑制できると考えられる。しかしながら、このような材料を用いた場合、ＨＣ液体燃料の改質温度までセルを昇温できないので、上述したＨＣ液体燃料を使用できないという問題がある。

さらに、車両用等の高出力で高出力密度な燃料電池システムの場合、発電に伴い発生する熱を抜熱し、燃料電池温度を一定に制御することが重要となる。燃料電池システムから放射及び熱伝導で抜熱する場合は、抜熱する熱流束に比例する温度勾配が燃料電池に必然的に発生してしまう。
しかしながら、従来の燃料電池スタック／モジュールは発電性能の空間分布を抑制するため、温度分布や温度勾配を設けないように制御することが殆どである。この際、冷却方法としては、カソードの酸化剤ガス流量を増加させる等の方法があるが、冷却能力を増加するためにはガス流量を増大させる必要があり、ファン駆動電力の増加によりシステム総合効率が低下する。また温度勾配を小さく制御するシステムの場合、本質的に冷却能力が不足するため、高出力で高出力密度の燃料電池冷却制御方法として本質的に不適切であった。

そこで、本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、システム全体の発電効率を高く維持した上で、低コスト化を実現できる固体酸化物型燃料電池を提供するものである。また、高出力密度スタックの高出力時における優れた冷却方法も提供する。なお、本発明はＨＣ液体燃料利用時だけに限定するものではなく、より低温で改質可能なガス燃料利用時においても応用できる。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、固体酸化物型燃料電池の発電体の一方の電極（例えば、実施形態におけるカソード５３）に酸化剤ガスを供給し、他方の電極（例えば、実施形態におけるアノード５１）にガス化燃料を供給して発電する固体酸化物型燃料電池であって、前記発電体は、高温作動用発電体（例えば、実施形態における第１セル５０ａ）と、前記高温作動用発電体の作動温度よりも低い作動温度の低温作動用発電体（例えば、実施形態における第２セル５０ｂ）とを少なくとも備え、前記高温作動用発電体及び前記低温作動用発電体のそれぞれの前記一方の電極に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給系（例えば、実施形態におけるカソードガス供給系１１）と、前記高温作動用発電体及び前記低温作動用発電体のそれぞれの前記他方の電極に前記ガス化燃料を供給するガス化燃料供給系（例えば、実施形態におけるアノードガス供給系１２）と、を備え前記高温作動用発電体は、前記ガス化燃料供給系における前記低温作動用発電体よりも上流側に配置され、前記ガス化燃料が前記高温作動用発電体の前記他方の電極を通過後に、前記低温作動用発電体の前記他方の電極に供給されるように構成されていることを特徴とする。

請求項２に記載した発明は、前記低温作動用発電体を前記高温作動用発電体よりも低い温度に制御する冷却制御装置（例えば、実施形態における熱交換器４２ｂ）を備えていることを特徴とする。

請求項３に記載した発明は、前記高温作動用発電体は小径の半円状に形成され、前記低温作動用発電体は前記高温作動用発電体の外周側に配置されるとともに、前記高温作動用発電体よりも大径の半円状に形成され、前記酸化剤ガスが、前記低温作動用発電体の前記一方の電極を通過後に、前記高温作動用発電体の前記一方の電極に供給され、前記ガス化燃料が前記高温作動用発電体の前記他方の電極を通過後に、前記低温作動用発電体の前記他方の電極に供給されるように構成されていることを特徴とする。

請求項１に記載した発明によれば、高温作動用発電体の他方の電極を通過後に、低温作動用発電体の他方の電極にガス化燃料が供給されるように構成することで、低温作動用発電体には既に改質された燃料（ガス化燃料）が供給される。例えば、８００℃におけるガソリンの水蒸気改質直後の組成は、成分が多い順にＣＨ_４，Ｈ_２、Ｃ_６Ｈ_６，Ｉｎｄｅｎｅ，Ｎａｐｈｔａｌｅｎｃｅ，ＣＯ，Ｃ_２Ｈ_４，Ｃ_２Ｈ_６，Ｓｔｙｌｅｎｃｅ，Ｃ_３Ｈ_６となるが、高温作動用発電体における発電作用と内部改質によってＣｈ_４，Ｈ_２，ＣＯ，ＣＯ_２等が主成分となる。
また、ガス化燃料供給系を流通するガス化燃料は、ガス化燃料の流通方向に沿って徐々に希薄になる。すなわち、ガス化燃料は、各発電体で発電に供されることで、ガス化燃料中の燃料分圧が低下し、排ガス（ＣＯ_２やＨ_２Ｏ等）分圧が増加する。そのため、ガス化燃料供給系における下流側での発電に伴う発熱量は、上流側での発電に伴う発熱量に比べて少なくなる。その結果、低温作動用発電体の抜熱量を適切に制御すれば、ガス化燃料はガス化燃料供給系内において、上流側から下流側にかけて低温となる温度勾配が生じる。
そのため、低温作動用発電体ではガス化燃料の温度に合わせて比較的低温での発電が可能になる。すなわち、低温作動用発電体を高温作動用発電体と同等の温度まで昇温する必要がないため、改質温度が高い燃料（例えば、ＨＣ液体燃料）を用いた場合であっても、高温作動用発電体に比べて作動温度及び耐熱性の要求が低い、比較的安価な材料により低温作動用発電体を構成できる。したがって、全ての発電体に作動温度及び耐熱性の要求が高い高温作動用発電体を採用する場合に比べて、装置の低コスト化を図ることができる。
さらに、全ての発電体を同等の温度まで昇温した状態で作動させる場合に比べて起動エネルギーの低減を図ることができる。
また、ガス化燃料の温度に応じて作動温度の異なる発電体を配置することで、各発電体において作動温度に応じた所望の発電性能を発揮させることができる。これにより、固体酸化物型燃料電池全体の発電効率も高いまま維持できる。

請求項２に記載した発明によれば、冷却制御装置により低温作動用発電体の温度をガス化燃料の温度に応じて制御できるので、発電効率をより簡単に維持できる。

請求項３に記載した発明によれば、上述したようにガス化燃料供給系内に導入されるガス化燃料は、発電に供されることで、ガス化燃料の流通方向に沿って徐々に希薄になるため、発熱量が減少する。この場合、抜熱量が場所によらず一定であったとしても、ガス化燃料供給系内において、高温作動用発電体側（内周側）から低温作動用発電体側（外周側）にかけて低温となる温度勾配が生じる。
一方、酸化剤ガス供給系内の低温作動用発電体側（外周側）を流通する酸化剤ガスは、低温作動用発電体側（外周側）で吸熱量が多く、さらに発電体の外周部表面からの放射伝熱や空冷、水冷熱伝導による抜熱量制御により、低温作動用発電体側（外周側）から高温作動用発電体側（内周側）にかけて高温となる温度勾配が生じる。
すなわち、酸化剤ガスの流量と温度制御のみの場合に比べて、より容易に高温作動用発電体から低温作動用発電体に向かうにつれ低温になる温度勾配を固体酸化物型燃料電池（スタック）に生じさせることができるため、高温改質が必要な液体燃料を利用しつつ、低温作動用発電体においては低コスト材料を利用することで、固体酸化物型燃料電池コストを低減できる。また、高出力で高出力密度な燃料電池システムにおいても十分な冷却が可能となる。

実施形態における燃料電池システムのブロック図である。第１実施形態における燃料電池の概略構成図である。第２実施形態におけるセルの分解斜視図である。第２実施形態における燃料電池の断面図である。メタルサポート部の断面図である。カソード集電材、カソード及び固体電解質膜を取り外した状態を示す、セルの平面図である。メッシュ部材の断面図である。変形例におけるメタルサポート部の平面図である。図８のＡ−Ａ線に沿うセルの断面図である。第３実施形態におけるセルの分解斜視図である。第３実施形態における燃料電池の断面図である。第４実施形態におけるセルの分解斜視図である。第４実施形態における燃料電池の断面図である。

（第１実施形態）
（燃料電池システム）
次に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は実施形態における燃料電池システムのブロック図である。
図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池スタック２（以下、燃料電池２という）と、燃料電池２にカソードガス（例えば、空気）を供給するためのカソードガス供給系（酸化剤ガス供給系）１１と、アノードガス（例えば、ＨＣ系ガス燃料）を供給するためのアノードガス供給系（ガス化燃料供給系）１２と、を主に備えている。

カソードガス供給系１１は、燃料電池２に向けてカソードガスを送出するエアポンプ等の空気供給器２１と、空気供給器２１と燃料電池２とを接続する複数（例えば２本）のカソードガス供給流路２２ａ，２２ｂと、燃料電池２で発電に供されたカソードオフガスが流通する複数のカソードオフガス排出流路２３ａ，２３ｂと、を備えている。また、カソードオフガス排出流路２３ａ，２３ｂは、それぞれの下流端で合流流路２４に接続されている。
一方、アノードガス供給系１２は、アノードガスとなる燃料が収容される燃料供給器３１と、燃料供給器３１と燃料電池２とを接続する燃料供給流路３２と、燃料供給流路３２を流通する燃料を燃料電池２に向けて導入する燃料導入部３３と、燃料電池２で発電に供されたアノードオフガスが流通するアノードオフガス排出流路３４とを備えている。

燃料電池２の出口側において、合流流路２４及びアノードオフガス排出流路３４には、燃焼器４１が接続されている。燃焼器４１には、上述した燃料電池２で発電に供されたアノードオフガスがアノードオフガス排出流路３４を介して供給されるとともに、カソードオフガスが合流流路２４を介して供給される。そして、燃焼器４１では、アノードオフガスとカソードオフガスとが反応（燃焼）することで、高温の燃焼ガスが生成される。

上述した各カソードガス供給流路２２ａ，２２ｂには、燃料電池２に供給されるカソードガスの温度を調整（冷却）する熱交換器（冷却制御装置）４２ａ，４２ｂがそれぞれ接続されている。各熱交換器４２ａ，４２ｂは、燃焼ガス流路４３を介して燃焼器４１に接続され、燃焼器４１で生成される燃焼ガスが各熱交換器４２ａ，４２ｂに供給されるようになっている。すなわち、カソードガス供給流路２２ａ，２２ｂを流通するカソードガスは、熱交換器４２ａ，４２ｂに供給される燃焼ガスとの間で熱交換を行った後、燃料電池２に供給される。

燃料供給器３１には、アノードガスとなる燃料が収容されている。なお、燃料には例えばガソリン、軽油、エタノール、メタノール等のＨＣ液体燃料や、天然ガス等のＨＣガス燃料を用いることが可能であり、本実施形態ではＨＣガス燃料に比べて密度が高いＨＣ液体燃料が好適に用いられている。
燃料導入部３３は、燃料電池２に向けて燃料を導入するものであり、本実施形態では例えばインジェクター等を用い、ＨＣ液体燃料を燃料電池２のアノード５１に向けて噴霧する。

図２は燃料電池の概略構成図である。
ここで、図２に示すように、本実施形態の燃料電池２は、アノードガスの流通方向に沿って複数のセル（第１セル５０ａ及び第２セル５０ｂ）及び接続部５４〜５６が交互に接続されたものである。
各セル５０ａ，５０ｂは、アノード支持型（小型円筒構造）のチューブセルであって、円筒形状のアノード（他方の電極）５１と、アノード５１の外周面に形成された固体電解質膜５２と、固体電解質膜５２の外周面に形成されたカソード（一方の電極）５３とを備えている。なお、以下の説明では、各セル５０ａ，５０ｂを区別する必要がない場合は、まとめてセル５０とする。

また、接続部５４〜５６は、例えばセラミック製の筒部材からなり、その内側が燃料電池２のアノード５１の内側に連通するように接続されている。具体的に、接続部５４〜５６のうち、接続部５４は第１セル５１ａの入口側と燃料導入部３３との間に接続され、接続部５５は各セル５０間において各セル５０のアノード５１同士に接続され、接続部５６は第２セル５０ｂの出口側と燃焼器４１との間にそれぞれ接続されている。すなわち、本実施形態の燃料電池２は、接続部５４〜５６を介して複数のセル５０が連設された筒状に構成されている。この場合、燃料電池２の内側（アノード５１及び接続部５４〜５６の内側）は、燃料導入部３３により導入されるアノードガスが流通するアノードガス流路５７を構成している。

また、カソード５３の外側には、各セル５０の外側をそれぞれ覆う複数の外筒５８ａ，５８ｂが設けられている。各外筒５８ａ，５８ｂのうち、第１セル５０ａを覆う外筒５８ａは上述したカソードガス供給流路２２ａに接続され、第２セル５０ｂを覆う外筒５８ｂはカソードガス供給流路２２ｂに接続されており、空気供給器２１から供給されるカソードガスは各外筒５８ａ，５８ｂの内側に向けてそれぞれ供給される。すなわち、外筒５８ａ，５８ｂとカソード５３とで囲まれた空間は、カソードガスが流通するカソードガス流路５９を構成している。なお、各外筒５８ａ，５８ｂには、図示しない電気ヒーターが内蔵されるとともに、熱電対が内蔵されている。

上述した各セル５０のアノード５１は、例えばニッケル等で構成され、カソード４３は例えばマンガン系ペロブスカイト材料（ＬＳＭ）等で構成されている。
また、各セル５０の固体電解質膜５２は、それぞれ作動温度の異なる材料で構成されている。具体的に、第１セル５０ａの固体電解質膜５２は、作動温度が例えば８００℃程度の材料（例えば、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア））で構成され、第２セル５０ｂの固体電解質膜５２は、第１セル５０ａの固体電解質膜５２よりも作動温度の低い（例えば６００℃程度）材料（例えば、ＧＤＣ（ガドリニウム添加セリア））で構成されている。すなわち、本実施形態の燃料電池２は、アノードガスの流通方向上流側に作動温度が比較的高い第１セル（高温作動用発電体）５０ａが配置され、下流側に第１セル５０ａに比べて作動温度が低い第２セル（低温作動用発電体）５０ｂが配置されている。なお、本実施形態では、固体電解質膜５２のみを作動温度の異なる材料で構成したが、これに限らず、アノード５１及びカソード５３についても、作動温度の異なる材料で構成することが可能である。また本実施形態において、作動温度とは各セル５０の発電性能の高い温度範囲のことである。

（作用）
次に、上述した燃料電池システム１の動作方法について説明する。
まず、図１，図２に示すように、外筒５８ａ，５８ｂ内に内蔵されたヒーターを作動させて各セル５０を昇温するとともに、空気供給器２１からカソードガス流路５９内にカソードガスを供給し、各セル５０を作動温度に維持する。この場合、第２セル５０ｂのカソードガス流路５９に供給するカソードガスの流量ＱｉｎＬを、第１セル５０ａのカソードガス流路５９に供給するカソードガスの流量ＱｏｕｔＨに比べて多くする。これにより、第１セル５０ａを燃料の改質温度（例えば、８００℃程度）に維持する一方、第２セル５０ｂを第１セル５０ａよりも低い温度（例えば、５００℃程度）に維持する。

次に、燃料供給器３１に収容された燃料を、燃料導入部３３から燃料電池２のアノードガス流路５７内に向けて噴霧する。噴霧された燃料は、アノードガス流路５７内でＨＣガス燃料（アノードガス）に改質されながら、接続部５４を通って第１セル５０ａの内側に導入される。

そして、第１セル５０ａのカソードガス流路５９内に供給されたカソードガスは、カソード５３において触媒反応により酸素イオンとなる。カソード５３で発生した酸素イオンは、固体電解質膜５２を透過してアノードガス流路５７のアノード５１まで移動する。
一方、アノードガス流路５７で改質されたアノードガスは第１セル５０ａのアノード５１に到達する。そして、アノード５１に到達したアノードガスと、アノード５１まで移動した酸素イオンとが、アノード５１で反応する際に、電子を放出することで発電が行われる（Ｈ_２＋Ｏ^２−→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻）。

第１セル５０ａで発電に供されたアノードガスは、第１セル５０ａの出口側から排出された後、接続部５５を通って第２セル５０ｂのアノード５１の内側に供給される。そして、第２セル５０ｂにおいても、第１セル５０ａと同様の反応により発電が行われる。

ところで、燃料電池２において、アノードガス流路５７の上流側に配置された第１セル５０ａは、アノードガス流路５７内に導入される燃料を改質させる必要があるため、比較的高温に維持する必要がある。しかしながら、アノードガス流路５７の下流側の第２セル５０ｂには、上流側で既に改質された燃料（アノードガス）が供給されるため、第２セル５０ｂを燃料の改質温度まで昇温する必要はない。なお例えば、８００℃におけるガソリンの水蒸気改質直後の組成は、成分が多い順にＣＨ_４，Ｈ_２、Ｃ_６Ｈ_６，Ｉｎｄｅｎｅ，Ｎａｐｈｔａｌｅｎｃｅ，ＣＯ，Ｃ_２Ｈ_４，Ｃ_２Ｈ_６，Ｓｔｙｌｅｎｃｅ，Ｃ_３Ｈ_６となるが、第１セル５０ａにおける発電作用と内部改質によってＣｈ_４，Ｈ_２，ＣＯ，ＣＯ_２等が主成分となる。
また、アノードガス流路５７内に導入されるアノードガス（燃料）は、発電に供されることで、アノードガスの流通方向に沿って徐々に希薄になる。すなわち、アノードガス中の燃料分圧が低下し、排ガス（ＣＯ_２やＨ_２Ｏ等）分圧が増加する。そのため、アノードガス流路５７における下流側での発電に伴う発熱量は、上流側での発電に伴う発熱量に比べて少なくなる。その結果、第２セル５０ｂの抜熱量を適切に制御すれば、アノードガスは、アノードガス流路５７内において、上流側から下流側にかけて低温となる温度勾配が生じる。
そのため、第２セル５０ｂでは、アノードガスの温度に合わせて比較的低温（例えば、５００℃程度）での発電が可能になる。

第２セル５０ｂで発電に供されたアノードガスは、アノードオフガスとして第２セル５０ｂの出口側から排出された後、アノードオフガス排出流路３４内を流通する。同様に、カソードガスは、カソードオフガスとしてカソードガス流路５９の出口側から排出され、カソードオフガス排出流路２３ａ，２３ｂ内を流通した後、合流して合流流路２４内を流通する。そして、アノードオフガス及びカソードオフガスは、燃焼器４１内に供給され、燃焼器４１内で燃焼されることで高温の燃焼ガスが生成される。燃焼器４１内で生成された燃焼ガスは、燃焼ガス流路４３を介して熱交換器４２ａ，４２ｂにそれぞれ供給され、空気供給器２１から供給されるカソードガスとの間で熱交換を行った後、排出される。

このように、本実施形態では、アノードガスの流通方向上流側に高温作動用発電体である第１セル５０ａを、下流側に低温作動用発電体である第２セル５０ｂを配置するとともに、第２セル５０ｂを第１セル５０ａよりも低い温度に維持する構成とした。
この構成によれば、上述したように第２セル５０ｂには改質された燃料（アノードガス）が供給されるため、アノードガスの温度に合わせて比較的低温での発電が可能である。すなわち、第２セル５０ｂを第１セル５０ａと同等の温度まで昇温する必要はないため、改質温度が高いＨＣ液体燃料を用いた場合であっても、第１セル５０ａに比べて作動温度及び耐熱性の要求が低い、比較的安価な材料により第２セル５０ｂを構成できる。これにより、全てのセル５０に作動温度及び耐熱性の要求が高い材料を採用する場合に比べて、装置の低コスト化を図ることができる。
さらに、全てのセル５０を同等の温度まで昇温した状態で作動させる場合に比べて作動コストの低減を図ることができる。また、燃料電池２の起動時間（昇温時間）の短縮を図るとともに、起動エネルギーの低減も図ることができる。

さらに、燃料電池２内での温度勾配に応じて作動温度の異なるセル５０ａ，５０ｂを配置することで、各セル５０ａ，５０ｂの温度に応じた所望の発電性能を発揮させることができる。これにより、燃料電池システム１全体の発電効率も高いまま維持できる。
また、本実施形態では、熱交換器４２ａ，４２ｂによりアノードガスの温度勾配に応じて各セル５０ａ，５０ｂの温度を調整できるため、発電効率をより簡単に維持できる。

また、接続部６４〜６６を介して各セル５０ａ，５０ｂ同士を接続することで、セル５０ａ，５０ｂ同士を直接接続する場合に比べて、各セル５０の熱膨張の差により発生する歪み等を抑制でき、セル５０の割れや変形等を抑制できる。さらに、各セル５０同士を接続部６４〜６６により接続することで、アノード５１により直接接続する場合に比べて、低コスト化を図ることができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。図３は第２実施形態におけるセルの分解斜視図であり、図４は燃料電池の断面図である。上述した実施形態では、チューブセル型のセルを採用した場合について説明したが、本実施形態では平板型のセルを採用する点で上述した実施形態と相違している。なお、以下の説明では、上述した実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、説明を省略する。
図３，図４に示すように、本実施形態の燃料電池１０２は、平面視半円状に形成されたメタルサポート部１１０と、メタルサポート部１１０の厚さ方向両側に配置された一対の発電体１０１と、発電体１０１を間に挟んでメタルサポート部１１０の反対側に配置されたメッシュ部材１１１と、を有するセル１１２を備え、このセル１１２が複数積層されたものである。

図５は、メタルサポート部の断面図である。
図３〜図５に示すように、メタルサポート部１１０は、その内部が中空に形成された板材であり、長手方向（図５中上下方向）一端側が平面視半円状に形成される一方、長手方向他端側が平面視矩形状に延在している。そして、メタルサポート部１１０の内部は、アノードガス（燃料）が流通するアノードガス流路１２１を構成している。

長手方向他端側の端面における面方向中央部には、アノードガス流路１２１内に向けてアノードガスを供給するためのアノードガス供給口１２３が形成される一方、長手方向一端側にはアノードガス流路１２１内からアノードガスを排出するためのアノードオフガス排出口１２４が形成されている。

また、アノードガス流路１２１内には、メタルサポート部１１０の内部を蛇行状に仕切る仕切壁１２５が形成されている。これにより、アノードガス流路１２１は、アノードガス供給口１２３から長手方向一端側に向けて、メタルサポート部１１０の面方向中央部まで延在する供給流路１２１ａと、供給流路１２１ａの両側を囲むように蛇行する一対の蛇行流路１２１ｂとを構成している。
各蛇行流路１２１ｂは、供給流路１２１ａの下流側で両側にそれぞれ分岐された後、メタルサポート部１１０の外周側に向かうにつれ、長手方向に沿って複数回折り返されている。そして、各蛇行流路１２１ｂは、その下流端でアノードオフガス排出口１２４に合流している。すなわち、蛇行流路１２１ｂは、アノードガス流路１２１の外周部分を構成しており、メタルサポート部１１０の側壁に面している。

メタルサポート部１１０における両面（第１面１１０ａ及び第２面１１０ｂ）の中央部には、アノードガス流路１２１と外部とを連通するメッシュ部１２６が形成されており、これらメッシュ部１２６上にはメッシュ部１２６を覆うようにそれぞれ発電体１０１が配置されている。なお、メタルサポート部１１０の外縁部から燃料電池１０２を冷却する際の熱流束（放射冷却、及び低温流体による伝熱冷却）の模式図をＱｏｕｔと表示した。

図６は、メッシュ部材、カソード及び固体電解質膜を取り外した状態を示す、セルの平面図である。なお、各発電体１０１は、それぞれ同一の構成であるため、以下の説明では、第１面１１０ａ上に配置された発電体１０１について説明する。
図３〜図６に示すように、発電体１０１は、メタルサポート部１１０の第１面１１０ａにおけるメッシュ部１２６上に、第１面１１０ａの面方向に沿って間隔を空けて配置された複数のアノード１５１ａ〜１５１ｃと、複数のアノード１５１ａ〜１５１ｃを一体で覆う固体電解質膜１５２と、固体電解質膜１５２上にアノード１５１ａ〜１５１ｃと略同一パターンで配置されたカソード１５３ａ〜１５３ｃとを備えている。

図６に示すように、各アノード１５１ａ〜１５１ｃは、作動温度の異なる複数種類の材料が間隔を空けて配置されて構成されている。具体的に、アノード１５１ａ〜１５１ｃは、メッシュ部１２６上において、アノードガス流路１２１の上流側（供給流路１２１ａ）に重なるように配置された高温用アノード１５１ａ（図６参照）と、高温用アノード１５１ａの外側を囲むように配置された中温用アノード１５１ｂと、中温用アノード１５１ｂの外側を囲むように配置された低温用アノード１５１ｃとを有している。高温用アノード１５１ａは作動温度が例えば作動温度が例えば６００〜９００℃程度の材料により構成され、中温用アノード１５１ｂは作動温度が例えば作動温度が例えば６００℃以下程度の材料により構成され、低温用アノード１５１ｃは作動温度が例えば作動温度が例えば５００℃以下程度の材料により構成されている。なお、上述したメタルサポート部１１０は、アノード１５１ａ〜１５１ｃの集電材としての機能も有している。

固体電解質膜１５２は、平面視における外形が各アノード１５１ａ〜１５１ｃ全体よりも大きく形成され、各アノード１５１ａ〜１５１ｃを側面まで覆うように配置されている。これにより、アノード１５１ａ〜１５１ｃとカソード１５３ａ〜１５３ｃとの間のシール性を確保できる。

カソード１５３ａ〜１５３ｃは、平面視でアノード１５１ａ〜１５１ｃと同一パターンに形成されたものであり、高温用アノード１５１ａ上に配置された高温用カソード１５３ａと、中温用アノード１５１ｂ上に配置された中温用カソード１５３ｂと、低温用アノード１５１ｃ上に配置された低温用カソード１５３ｃとを有している。すなわち、発電体１０１は、固体電解質膜１５２が高温用アノード１５１ａと高温用カソード１５３ａとで挟み込まれた高温発電領域（高温作動用発電体）１６０ａと、固体電解質膜１５２が中温用アノード１５１ｂと中温用カソード１５３ｂとで挟み込まれた中温発電領域１６０ｂと、固体電解質膜１５２が低温用アノード１５１ｃと低温用カソード１５３ｃとで挟み込まれた低温発電領域（低温作動用発電体）１６０ｃとに区画されている。

図７はメッシュ部材の断面図である。
図３，図４，図７に示すように、メッシュ部材１１１は、一対の発電体１０１のうち、第１面１１０ａ側に配置された発電体１０１のカソード１５３ａ〜１５３ｃ上に、カソード１５３ａ〜１５３ｃ一体を覆うように配置されている。メッシュ部材１１１は、外周が側壁１１３により囲まれ、側壁１１３で囲まれた内側の空間はカソードガス流路１１５を構成している。そして、メッシュ部材１１１の長手方向一端側には、カソードガス流路１１５内に向けてカソードガスを供給するためのカソードガス供給口１１６が形成される一方、長手方向他端側の端面における面方向中央部には、カソードガス流路１１５内からカソードガスを排出するためのカソードオフガス排出口１１７が形成されている。

また、カソードガス流路１１５内には、メッシュ部材１１１の内部を蛇行状に仕切る仕切壁１１８が形成されている。仕切壁１１８は、上述したメタルサポート部１１０の仕切壁１２５（図５参照）と同一パターンにより形成されている。これにより、カソードガス流路１１８は、カソードガス供給口１１６から側壁１１３に沿って二股に分岐した後、メッシュ部材１１１の内周側に向かうにつれ、長手方向に複数回折り返された一対の蛇行流路１１８ａを有している。そして、各蛇行流路１１８ａの下流端には、メッシュ部材１１１の中央部で合流した後、カソードオフガス排出口１１７に向かって延在する排出流路１１８ｂが形成される。なお、メッシュ部材１１１はカソード１５３ａ〜１５３ｃの集電材としての機能も有している。

そして、このように形成されたセル１１２が、厚さ方向に沿って複数積層されることで、燃料電池１０２が構成されている。具体的に、積層方向で隣接するセル１１２のうち、一方のセル１１２におけるメタルサポート部１１０の第１面１１０ａと、他方のセル１１２におけるメタルサポート部１１０の第２面１１０ｂ側とを対向させた状態で積層する。

この場合、各メタルサポート部１１０間において、メタルサポート部１１０の長手方向一端側は、テフロン（登録商標）等からなるシール部材１３１を介してカソードガス供給ポート１３２が接続される一方、他端側にはシール部材１３３を介してカソードオフガス排出ポート１３４が接続されている。
また、カソードオフガス排出口１１７とカソードオフガス排出ポート１３４との間（カソードガスの流通方向下流側）には、各セル１１２のメタルサポート部１１０に一体で固定されたウォータージャケット１３５が設けられている。これにより、カソードオフガス排出口１１７から排出されるカソードオフガスを冷却した後、カソードオフガス排出ポート１３４から排出できるようになっている。

（作用）
次に、本実施形態の燃料電池２の動作方法について説明する。
まず、図示しないヒーターを作動させて燃料電池１０２を昇温する。さらに、空気供給器２１（図１参照）からカソードガス流路１１５内にカソードガスを供給し（矢印Ｃａ参照）、燃料電池１０２の各セル１１２を作動温度に維持する。この場合、空気供給器２１から供給されるカソードガスは、カソードガス供給ポート１３２から燃料電池２内に流入した後、メッシュ部材１１１のカソードガス供給口１１６からカソードガス流路１１５内に流入する。カソードガス流路１１５内に流入したカソードガスは、メッシュ部材１１１の外周側から内周側に向かって蛇行するように流通する。この場合、カソードガス流路１１５の上流側を流通するカソードガスは、メッシュ部材１１１の側壁１１３から放熱されるため、カソードガス流路１１５内において、上流側（外周側）から下流側（内周側）にかけて高温となる温度勾配が生じる。

次に、燃料供給器３１（図１参照）に収容された燃料を、燃料導入部３３（図１参照）から燃料電池２のアノードガス流路１２１内に向けて供給する（矢印Ａｎ参照）。この場合、燃料は、メタルサポート部１１０のアノードガス供給口１２３から供給流路１２１ａ内に流入し、この際にＨＣガス燃料（アノードガス）に改質される。その後、改質されたアノードガスは、メタルサポート部１１０の内周側から外周側に向かって蛇行するように流通する。

そして、カソードガス流路１１５内に供給されたカソードガスは、発電体１０１の各カソード１５３ａ〜１５３ｃにおいて触媒反応により酸素イオンとなる。カソード１５３ａ〜１５３ｃで発生した酸素イオンは、固体電解質膜１５２を透過してアノードガス流路１２１の各アノード１５１ａ〜１５１ｃまで移動する。
一方、アノードガス流路１２１の供給流路１２１ａで改質されたアノードガスは、まず高温用アノード１５１ａに到達する。そして、高温用アノード１５１ａに到達したアノードガスと、高温用アノード１５１ａまで移動した酸素イオンとが、高温発電領域１６０ａ（高温用アノード１５１ａ）で反応する際に、電子を放出することで発電が行われる。

ところで、上述したようにアノードガス流路１２１内に導入されるアノードガス（燃料）は、発電に供されることで、アノードガスの流通方向に沿って徐々に希薄になるため、アノードガス流路１２１における下流側での発電に伴う発熱量は、上流側での発電に伴う発熱量に比べて少なくなる。この場合、抜熱量が場所によらず一定であったとしても、アノードガス流路１２１内において、上流側（内周側）から下流側（外周側）にかけて低温となる温度勾配が生じる。
一方、カソードガス流路１１５内の上流側（外周側）を流通するカソードガスは、外周側で吸熱量が多く、さらにメッシュ部材１１１の側壁１１３からの放射伝熱や空冷、水冷熱伝導による抜熱量制御により、上述したように上流側（外周側）から下流側（内周側）にかけて高温となる温度勾配が生じる。

これにより、高温発電領域１６０ａで発電に供されたアノードガスは、温度が低下した状態で中温発電領域１６０ｂ（中温用アノード１５１ｂ）に到達する。そして、中温用アノード１５１ｂに到達したアノードガスと、中温用アノード１５１ｂまで移動した酸素イオンとが、中温用アノード１５１ｂで反応する際に、電子を放出することで発電が行われる。
さらに、中温用アノード１５１ｂで発電に供されたアノードガスは、温度が低下した状態で低温発電領域（低温用アノード１５１ｃ）に到達し、低温用アノード１５１ｃと低温用カソード１５３ｃとの間で上述と同様の反応により発電が行われる。

その後、燃料電池２で発電に供されたアノードガスは、アノードオフガス排出口１２４から排出された後、アノードオフガスとしてアノードオフガス排出流路３４（図１参照）内を流通する。一方、カソードガスは、カソードオフガスとしてカソードオフガス排出口１１７から排出され、ウォータージャケット１３５を通ることで冷却された後、カソードオフガス排出ポート１３４から排出されることになる。

このように、本実施形態では、発電体１０１の外周側から内周側にかけて、作動温度の低い順に発電領域１６０ａ〜１６０ｃを設定するとともに、高温発電領域１６０ａ側（内周側）から低温発電領域１６０ｃ側（外周側）に向かってアノードガスを流通させる一方、低温発電領域１６０ｃ側（外周側）から高温発電領域１６０ａ側（内周側）に向かってカソードガスを流通させる構成とした。
この構成によれば、上述した実施形態と同様の効果を奏するとともに、第１実施形態のようにカソードガスの流量と温度制御のみの場合に比べて、より容易に内周側から外周側に向かうにつれ低温になる温度勾配を燃料電池１０２に生じさせることができる。そのため、高温改質が必要なＨＣ液体燃料を利用しつつ、低温発電領域１６０ｃ側では低コスト材料を利用することで、燃料電池システム１のコストを低減できる。また、車両用の燃料電池システム１のように、高出力で高出力密度な燃料電池システム１においても、十分な冷却が可能となる。
さらに、本実施形態では、内周側から外周側に向かうにつれ、作動温度の異なる３段階の発電領域１６０ａ〜１６０ｃを設定することで、発電体１０１の作動温度をガスの温度勾配に細かく合わせることができる。これにより、発電領域１６０ａ〜１６０ｃにおいて、作動温度に応じた所望の発電性能を発揮させることができるため、燃料電池システム１の更なる発電効率の向上を図ることができる。

（変形例）
次に、上述した第２実施形態の変形例について説明する。図８は変形例におけるメタルサポート部の平面図であり、図９は図８のＡ−Ａ線に沿うセルの断面図である。
図８，図９に示すように、本変形例のメタルサポート部２１０上には、面方向に沿って間隔を空けて複数のメッシュ部２２６ａ〜２２６ｃが形成されている。メッシュ部２２６ａ〜２２６ｃは、アノードガス流路１２１の上流側と外部とを連通させる高温用メッシュ部２２６ａと、高温用メッシュ部２２６ａの外側を囲むように配置された中温用メッシュ部２２６ｂと、中温用メッシュ部２２６ｂの外側を囲むように配置された低温用メッシュ部２２６ｃとを有している。すなわち、各メッシュ部２２６ａ〜２２６ｃは、上述したアノード１５１ａ〜１５１ｃと重なるように同一パターンに形成され、アノード１５１ａ〜１５１ｃによりメッシュ部２２６ａ〜２２６ｃがそれぞれ閉塞されている。

また、各アノード１５１ａ〜１５１ｃ上には、各アノード１５１ａ〜１５１ｃをそれぞれ側面まで覆うように複数の固体電解質膜１５２ａ〜１５２ｃが配置されている。各固体電解質膜１５２ａ〜１５２ｃは、作動温度の異なる複数種類の材料が間隔を空けて配置されて構成されてものであり、高温用アノード１５１ａ上に配置された高温用電解質膜１５２ａと、中温用アノード１５１ｂ上に配置された中温用電解質膜１５２ｂと、低温用アノード１５１ｃ上に配置された低温用電解質膜１５２ｃとを有している。

このように、本変形例によれば、上述した第２実施形態と同様の効果を奏するとともに、アノード１５１ａ〜１５１ｃのパターンと同一パターンのメッシュ部２２６ａ〜２２６ｃを形成することで、アノードガスが各メッシュ部２２６ａ〜２２６ｃ間を通ってカソード１５３ａ〜１５３ｃまで到達することがない。そのため、第２実施形態のように固体電解質膜１５２によりアノード１５１ａ〜１５１ｃとカソード１５３ａ〜１５３ｃとの間をシールする必要がない。これにより、アノード１５１ａ〜１５１ｃとカソード１５３ａ〜１５３ｃとの間に、それぞれの作動温度に対応した固体電解質膜１５２ａ〜１５２ｃを配置できる。したがって、発電効率の更なる向上を図ることができる。なお、メッシュ部材１１１についても、メタルサポート部２１０のメッシュ部２２６と同一のパターンで形成しても構わない。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について説明する。図１０は第３実施形態におけるセルの分解斜視図であり、図１１は燃料電池の断面図である。
図１０，図１１に示すように、本実施形態の燃料電池３０２は、メタルサポート部３１０と、メタルサポート部３１０の両面３１０ａ，３１０ｂにそれぞれ配置された一対の発電体３２０と、一対の発電体３２０のうち、一方の発電体３２０のカソード３５３上に配置されたメッシュ部材３１１とを有するセル３１２を備え、このセル３１２が複数積層されたものである。

メタルサポート部３１０は、その内部が中空に形成された板材である。メタルサポート部１１０の内部は、上述した第２実施形態と同様に、アノードガス（燃料）が流通するアノードガス流路３２１を構成している。また、メタルサポート部３１０の長手方向一端側の端面には、アノードガス流路３２１内に連通するアノードガス供給口３２２が形成される一方、他端側の端面にはアノードオフガス排出口３２３が形成されている。

メタルサポート部３１０における両面３１０ａ，３１０ｂの中央部には、アノードガス流路３２１と外部とを連通するメッシュ部３２６が形成されており、このメッシュ部３２６のうち、第１面３１０ａ側のメッシュ部３２６上には一対の発電体３２０のうち、一方の発電体３２０が配置され、第２面３１０ｂ側のメッシュ部３２６上には他方の発電体３２０が配置されている。なお、各発電体３２０は、矩形平板状に形成されたものであり、メッシュ部３２６上に配置されたアノード３５１と、アノード３５１を覆う固体電解質膜３５２と、固体電解質膜３５２上に配置されたカソード３５３とを備えている。

メッシュ部材３１１は、一対の発電体３２０のうち、第１面３１０ａ側に配置された発電体３２０のカソード３５３上に配置され、その内部にカソードガス流路３１５を構成している。そして、メッシュ部材３１１の長手方向一端側には、カソードガス流路３１５内に連通するカソードガス供給口３１６が形成され、他端側の端面にはカソードガス流路３１５内に連通するカソードオフガス排出口３１７が形成されている。

そして、このように形成されたセルが、厚さ方向に沿って複数積層されることで、燃料電池３０２が構成されている。
また、カソードガス供給ポート１３２とカソードガス供給口３１６との間、及びカソードオフガス排出口３１７とカソードオフガス排出ポート１３４との間には、各セル３１２のメタルサポート部３１０に一体で固定されたウォータージャケット３３５ａ，３３５ｂがそれぞれ設けられている。なお、本実施形態の燃料電池３０２は、上述した第１実施形態のように、下流側に発電体３２０よりも作動温度の低い発電体を別体で設けても構わないし、第２実施形態のようにメタルサポート部３１０及びメッシュ部材３１１内の流路を蛇行させ、発電体３２０を作動温度の異なる複数の発電領域に分割構成しても構わない。
その結果、本実施形態においても、上述した実施形態と同様の効果を奏することができる。

（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について説明する。図１２はセルの分解斜視図であり、図１３は燃料電池の断面図である。
図１２，図１３に示すように、燃料電池４０１は、メタルサポート部４１０と、メタルサポート部４１０の第１面４１０ａ上に配置された発電体３２０と、発電体３２０のカソード３５３上に配置されたメッシュ部材３１１と、を有するセル４０２を備え、このセル４０２が複数積層されたものである。

メタルサポート部４１０は、その内部が中空に形成された板材である。メタルサポート部４１０の内部は、面方向に沿って延在する仕切部４１１によって厚さ方向に沿って２段に区画されており、第１面４１０側はアノードガス（燃料）が流通するアノードガス流路４２１を構成する一方、第２面４１０ｂ側はカソードガスが流通するカソードガス流路４２２を構成している。

また、メタルサポート部４１０の長手方向一端側の端面には、アノードガス流路４２１内に連通するアノードガス供給口４２３が形成されている。一方、メタルサポート部４１０の長手方向他端側の端面にはアノードガス流路４２１内に連通するアノードオフガス排出口４２４が形成されるともに、カソードガス流路４２２内に連通するカソードガス供給口４２５が形成されている。

メタルサポート部４１０における第１面４１０ａの中央部には、アノードガス流路４２１と外部とを連通するメッシュ部３２６が形成されており、このメッシュ部３２６を覆うように発電体３２０が配置されている。

また、メタルサポート部４１０における第２面４１０ｂ側の中央部には、カソードガス流路４２２と外部とを連通する図示しない開口部が形成されている。そして、このように形成されたセル４０２が、厚さ方向に沿って複数積層されることで、燃料電池４０１が構成されている。この場合、積層方向で隣接するセル４０２のうち、一方のセル４０２におけるメタルサポート部４１０の第２面４１０ｂと、他方のセル４０２におけるメッシュ部材３１１とが対向配置されることになる。そのため、一方のセル４０２のカソードガス流路４２２内に供給されたカソードガスは、開口部を通ってメッシュ部材３１１内に流入し、カソード３５３まで到達するようになっている。
そして、本実施形態の燃料電池４０１においても、上述した第１実施形態のように、下流側に発電体３２０よりも作動温度の低い発電体を別体で設けても構わないし、第２実施形態のようにメタルサポート部３１０及びメッシュ部材３１１内の流路を蛇行させ、発電体３２０を作動温度の異なる複数の発電領域に分割構成しても構わない。
その結果、本実施形態においても、上述した実施形態と同様の効果を奏することができる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
例えば、上述した第１実施形態では作動温度の異なる２種類の材料を、第２実施形態では３種類の材料を用いてセルを構成したが、これに限らず、４種類以上用いても構わない。
また、各発電体は、導入される燃料の改質温度に最適な材料を選択することが可能である。また、燃料電池に導入する前段で、熱分解、水蒸気改質、部分酸化改質等により燃料をＣＨ_４，ＣＯ，ＣＯ_２，Ｈ_２Ｏにまで分解した場合は、上流側の発電体についても比較的低温に維持しても構わない。

さらに、アノードガス流路やカソードガス流路等の構成は、上流側から下流側にかけて温度勾配ができるように構成され、かつ上流側から下流側にかけて作動温度の低い発電体に供給されるように構成すれば、適宜設計変更が可能である。
また、上述した実施形態では、アノードガスの燃料としてガソリン等のＨＣ液体燃料を用いる構成について説明したが、これに限らず天然ガス等のＨＣガス燃料を用いても構わない。

２，１０２，３０２，４０１…燃料電池スタック（固体酸化物型燃料電池）１１…カソードガス供給系１２…アノードガス供給系４２ｂ…熱交換器（冷却制御装置）５０…発電体５０ａ…第１セル（高温作動用発電体）５０ｂ…第２セル（低温作動用発電体）５１，１５１ａ〜１５１ｃ，３５１ａ〜３５１ｃ…アノード５３，１５３ａ〜１５３ｃ，３５１ａ〜３５１ｃ…カソード１６０ａ…高温発電領域（高温作動用発電体）
１６０ｃ…低温発電領域（低温作動用発電体）

Claims

固体酸化物型燃料電池の発電体の一方の電極に酸化剤ガスを供給し、他方の電極にガス化燃料を供給して発電する固体酸化物型燃料電池であって、
前記発電体は、高温作動用発電体と、前記高温作動用発電体の作動温度よりも低い作動温度の低温作動用発電体とを少なくとも備え、
前記高温作動用発電体及び前記低温作動用発電体のそれぞれの前記一方の電極に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給系と、
前記高温作動用発電体及び前記低温作動用発電体のそれぞれの前記他方の電極に前記ガス化燃料を供給するガス化燃料供給系と、を備え
前記高温作動用発電体は、前記ガス化燃料供給系における前記低温作動用発電体よりも上流側に配置され、
前記ガス化燃料が前記高温作動用発電体の前記他方の電極を通過後に、前記低温作動用発電体の前記他方の電極に供給されるように構成されていることを特徴とする固体酸化物型燃料電池。
前記低温作動用発電体を前記高温作動用発電体よりも低い温度に制御する冷却制御装置を備えていることを特徴とする請求項１記載の固体酸化物型燃料電池。
前記高温作動用発電体は小径の半円状に形成され、
前記低温作動用発電体は前記高温作動用発電体の外周側に配置されるとともに、前記高温作動用発電体よりも大径の半円状に形成され、
前記酸化剤ガスが、前記低温作動用発電体の前記一方の電極を通過後に、前記高温作動用発電体の前記一方の電極に供給され、前記ガス化燃料が前記高温作動用発電体の前記他方の電極を通過後に、前記低温作動用発電体の前記他方の電極に供給されるように構成されていることを特徴とする請求項１記載の固体酸化物型燃料電池。