JP2020205212A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システムのエネルギー効率を向上させるための技術を提供する。【解決手段】燃料電池システム１は、平板型の固体酸化物形燃料電池２と、固体酸化物形燃料電池２を冷却するための冷却プレート４と、を備える。冷却プレート４は、固体酸化物形燃料電池２に熱伝導可能に接続される板部２２と、板部２２内に設けられて、固体酸化物形燃料電池２を冷却するための冷却液Ｗが流れる冷媒管と、冷媒管の外周に配置されて、冷却液Ｗと板部２２との間の熱交換を抑制する熱交換抑制空間と、を有する。【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

従来、燃料電池の一種として固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cell）が知られている。ＳＯＦＣは、高い発電効率を有するとともに、様々な炭化水素燃料に対応できるといったメリットを有する。一方で、ＳＯＦＣは約７００℃〜１０００℃という高温で動作するため、構成部材の熱的劣化が生じやすい。ＳＯＦＣは高効率に発電するが、その一方で発熱もするため、ＳＯＦＣを備えた従来の燃料電池システムでは、ＳＯＦＣに空気を送り込んで空冷していた（例えば、特許文献１参照）。

特開平９−２２７０９号公報

冷却するための空気の流量が少ないと、ＳＯＦＣを通過する際の空気の温度変化が大きくなる。また、通過する空気の温度変化に応じてＳＯＦＣ内にも大きな温度勾配が発生する。したがって、空冷によってＳＯＦＣを冷却するためには、ＳＯＦＣに大量の空気を送り込む必要がある。このため、ブロワの駆動に要する動力が大きく、これが燃料電池システム全体のエネルギー効率（エクセルギー効率）を下げる要因となっていた。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料電池システムのエネルギー効率を向上させるための技術を提供することにある。

本発明のある態様は、燃料電池システムである。この燃料電池システムは、平板型の固体酸化物形燃料電池と、固体酸化物形燃料電池を冷却するための冷却プレートと、を備える。冷却プレートは、固体酸化物形燃料電池に熱伝導可能に接続される板部と、板部内に設けられて、固体酸化物形燃料電池を冷却するための冷却液が流れる冷媒管と、冷媒管の外周に配置されて、冷却液と板部との間の熱交換を抑制する熱交換抑制空間と、を有する。

なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置、システム等の間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、燃料電池システムのエネルギー効率を向上させることができる。

実施の形態１に係る燃料電池システムの一部を模式的に示す斜視図である。 実施の形態１に係る燃料電池システムの一部を模式的に示す正面図である。 図３（Ａ）は、従来の空冷機構を用いて燃料電池スタックを冷却した場合における電解質表面の温度分布のシミュレーション結果を示す図である。図３（Ｂ）は、実施の形態に係る冷却プレートを用いて燃料電池スタックを冷却した場合における電解質表面の温度分布のシミュレーション結果を示す図である。 実施の形態２に係る燃料電池システムの一部を模式的に示す正面図である。

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、各図に示す各部の縮尺や形状は、説明を容易にするために便宜的に設定されており、特に言及がない限り限定的に解釈されるものではない。また、本明細書または請求項中に「第１」、「第２」等の用語が用いられる場合には、特に言及がない限りこの用語はいかなる順序や重要度を表すものでもなく、ある構成と他の構成とを区別するためのものである。また、各図面において実施の形態を説明する上で重要ではない部材の一部は省略して表示する。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係る燃料電池システムの一部を模式的に示す斜視図である。図２は、実施の形態１に係る燃料電池システムの一部を模式的に示す正面図である。図１では、燃料電池システム１の一部分の内部を透視した状態を図示している。燃料電池システム１は、平板型の固体酸化物形燃料電池２（以下では適宜、単に「燃料電池２」と称する）と、固体酸化物形燃料電池２を冷却するための冷却プレート４と、を備える。

本実施の形態の燃料電池システム１は、複数の燃料電池２と少なくとも１つの冷却プレート４とが積層されたスタック構造を有する。より具体的には、燃料電池システム１は、４つの燃料電池２が積層されて１つのセルユニット６が構成され、このセルユニット６が複数積層されたスタック構造を有する。隣り合うセルユニット６の間には冷却プレート４が介在する。積層された複数の燃料電池２および冷却プレート４は、集電板とともに一対のエンドプレート（図示せず）で積層方向に挟み込まれて締結固定される。なお、燃料電池システム１の構造は特に限定されず、セルユニット６を構成する燃料電池２の数、言い換えれば１つの冷却プレート４に割り当てられる燃料電池２の数は、１つ〜３つでもよいし、５つ以上でもよい。また、積層されるセルユニット６の数も限定されない。

（固体酸化物形燃料電池２）
図２の破線領域Ｒ１の拡大図に示すように、燃料電池２は、空気極側インターコネクタ１４（セパレータ）と、燃料極側インターコネクタ１６とで挟まれて直列に積層される。燃料電池２は、電解質８と、空気極１０（カソード）と、燃料極１２（アノード）と、が積層された構造を有する。電解質８は平板状であり、電解質８の一方の主表面に空気極１０が積層され、電解質８の他方の主表面に燃料極１２が積層される。燃料電池２は、図示しない枠状のガスケット（スペーサ）に嵌め込まれた状態で、空気極側インターコネクタ１４および燃料極側インターコネクタ１６に挟まれる。

電解質８は、酸化物イオン（Ｏ^２−）の透過性が高い、イオン伝導性セラミックス等の固体電解質膜である。電解質８を構成する材料としては、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ)、スカンジア安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ）、ガドリニウムドープドセリア（ＧＤＣ）、ランタンガレート等のセラミック材料が例示される。空気極１０は、電子伝導性を有する多孔質材料で構成される層である。空気極１０を構成する材料としては、ランタンストロンチウムフェライト（ＬＳＦ）、ランタンストロンチウムコバルトフェライト（ＬＳＣＦ）、ランタンニッケルフェライト（ＬＮＦ）、ランタンストロンチウムコバルタイト（ＬＳＣ）等が例示される。燃料極１２は、電子伝導性を有する多孔質材料で構成される層である。燃料極１２を構成する材料としては、ＮｉＯ−ＹＳＺ、ＮｉＯ−ＳｃＳＺ等の、酸化ニッケルとセラミックとの複合材料（サーメット）が例示される。

空気極側インターコネクタ１４は、空気極１０における電解質８とは反対側の主表面に積層される。燃料極側インターコネクタ１６は、燃料極１２における電解質８とは反対側の主表面に積層される。隣り合う２つの燃料電池２は、空気極側インターコネクタ１４および燃料極側インターコネクタ１６を介して電気的に接続される。空気極側インターコネクタ１４および燃料極側インターコネクタ１６を構成する材料としては、ＬａＣｒＯ_３系またはＳｒＴｉＯ_３系のセラミックス材料や、Ｆｅ−Ｃｒ系の耐熱合金が例示される。

空気極側インターコネクタ１４における空気極１０側を向く面には、空気流路１８が設けられる。また、燃料極側インターコネクタ１６における燃料極１２側を向く面には、燃料流路２０が設けられる。本実施の形態の空気流路１８および燃料流路２０は、各インターコネクタの表面に設けられた溝で構成されている。

空気極１０には、空気流路１８を介して酸化ガスである空気が供給され、下記式（１）で表される電極反応が起こる。電極反応によって空気極１０で生成された酸化物イオンは、電解質８を透過して燃料極１２に到達する。燃料極１２には、燃料流路２０を介して燃料ガスである水素や一酸化炭素が供給され、下記式（２）または（３）で表される電極反応が起こる。式（２）は燃料が水素である場合の電極反応であり、式（３）は燃料が一酸化炭素である場合の電極反応である。燃料極１２において電解質８を透過した酸化物イオンと燃料とが反応することで電子が放出される。この電子は外部回路を経由して空気極１０に移動し、空気極１０の電極反応に供される。空気極１０および燃料極１２でこれらの電極反応が起こることで、燃料電池２において発電が行われる。
１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻ → Ｏ^２− （１）
Ｈ_２＋Ｏ^２− → Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻ （２）
ＣＯ＋Ｏ^２− → ＣＯ_２＋２ｅ⁻ （３）

燃料電池２、空気極側インターコネクタ１４および燃料極側インターコネクタ１６の構造や材料は特に限定されず、公知の構造や材料を任意に採用することができる。例えば、空気極側インターコネクタ１４および燃料極側インターコネクタ１６は、多孔質体で構成されてもよい。この場合、多孔質体の空隙が空気流路１８あるいは燃料流路２０として機能する。また、燃料電池２は、電解質８を支持体とする電解質支持型セルであってもよいし、空気極１０または燃料極１２を支持体とする電極支持型セルであってもよいし、燃料極１２に積層した多孔質金属を支持体とするメタルサポートセルであってもよい。

（冷却プレート４）
図２の破線領域Ｒ２の拡大図に示すように、冷却プレート４は、板部２２と、冷却管２４と、を備える。板部２２および冷却管２４は、金属等の熱伝導率の高い材料で構成される。冷却プレート４を構成する金属としては、ＳＵＳ等の鋼材、ニッケル基合金、銅、アルミニウム等が例示される。板部２２は、燃料電池２に熱伝導可能に接続される。本実施の形態の板部２２は、隣り合う２つの燃料電池２のうち一方の燃料電池２と空気極側インターコネクタ１４を介して熱伝導可能に接続され、他方の燃料電池２と燃料極側インターコネクタ１６を介して熱伝導可能に接続される。板部２２と空気極側インターコネクタ１４および燃料極側インターコネクタ１６とは直に接している。

冷却管２４は、板部２２内に設けられる。本実施の形態では、１枚の板部２２の内部に４本の冷却管２４が等間隔に配列されている。冷却管２４の数や配置は、設計者による実験やシミュレーションに基づき適宜設定することが可能である。冷却管２４は、例えば板部２２の主表面に沿って延びる貫通孔に挿通されて、板部２２内に固定される。

冷却管２４は、内管２６と、内管２６の外周に配置される外管２８と、で構成される二重管構造を有する。本実施の形態では、内管２６と外管２８とは共に円管状であり、それぞれの中心軸が一致するように配置される。内管２６と外管２８とを円管状とすることで、冷却管２４の周方向における冷却効率を均一化しやすくすることができる。また、内管２６の耐圧性を高めることができる。なお、内管２６および外管２８は角管状であってもよい。内管２６の外周面と外管２８の内周面との間にはスペーサ（図示せず）が介在する。これにより、内管２６と外管２８との互いの位置関係が定められ、内管２６の外周面と外管２８の内周面との間の空間が確保される。

内管２６には、燃料電池２を冷却するための冷却液Ｗ（液体冷媒）が流れる。したがって、内管２６は、冷却液Ｗが流れる冷媒管を構成する。冷却液Ｗとしては、水、アルコール、ハイドロフルオロカーボン（ＨＦＣ）、ハイドロフルオロオレフィン（ＨＦＯ）、油、溶融塩等が例示される。冷却液Ｗは、内管２６を通過する途中で気化して蒸気に相変化してもよい。本実施の形態では、冷却液Ｗは水である。各冷却管２４の内管２６には、供給管路３０が接続される。供給管路３０は、各冷却プレート４に対して設けられ、一端側が複数に分岐して各内管２６の一端側（入口側）に接続される。各供給管路３０の他端側は、集合して集合部３０ａを構成し、貯水部３２に接続される。貯水部３２には冷却液Ｗが収容される。集合部３０ａには、ポンプ３４が設けられる。

各内管２６の他端側（出口側）には、排出管路３６が接続される。排出管路３６は、各冷却プレート４に対して設けられ、一端側が複数に分岐して各内管２６の他端側に接続される。各供給管路３０の他端側は、集合して排熱回収システムや蒸気タービン等の系外設備（図示せず）に接続される。なお、冷却管２４、供給管路３０および排出管路３６は、連続する管材で構成されてもよい。

ポンプ３４が駆動することで、貯水部３２内の冷却液Ｗが各供給管路３０を介して各冷却プレート４の内管２６に供給される。内管２６に供給された冷却液Ｗは、板部２２と、空気極側インターコネクタ１４または燃料極側インターコネクタ１６と、を介して燃料電池２と熱交換する。この結果、燃料電池２が冷却される。また、冷却液Ｗは徐々に蒸発して水蒸気となる。内管２６内で生じた水蒸気は、排出管路３６を介して系外に取り出されて系外設備で利用される。内管２６の内径やポンプ３４の出力等を調整することで、内管２６での冷却液Ｗの圧力を任意に調整することが可能である。これにより、系外設備での水蒸気の利用態様に応じて、水蒸気の温度および圧力を自由に調整することができる。例えば、水蒸気の温度は１００℃〜３５０℃である。

冷却管２４の外管２８には、冷却液Ｗと板部２２（ひいては燃料電池２）との間の熱交換を抑制する（熱交換量を低減する）熱交換抑制ガスＧが収容される。熱交換抑制ガスＧは、内管２６の外周面と外管２８の内周面との間の空間に収容される。したがって、当該空間は、冷却液Ｗと板部２２との間の熱交換を抑制する熱交換抑制空間（ガス収容部）を構成する。なお、外管２８は、板部２２と同一材料で一体的に構成されてもよい。つまり、冷媒管と熱交換抑制空間とは、二重管構造を有する冷却管２４によってではなく、板部２２の貫通孔と、この貫通孔に挿入される単管と、で構成されてもよい。この場合、単管が冷媒管を構成し、貫通孔の内周面と単管の外周面とで画成される空間が熱交換抑制空間を構成する。

熱交換抑制ガスＧは、板部２２よりも熱伝導率の低いガスである。熱交換抑制ガスＧとしては、雰囲気ガスである空気、アルゴン、窒素等が例示される。本実施の形態では、熱交換抑制ガスＧは空気である。内管２６内の冷却液Ｗと板部２２との間に熱交換抑制ガスＧが介在することで、冷却液Ｗと燃料電池２との間の熱交換が抑制される。本実施の形態では、外管２８の両端部が開放されており、外管２８内に空気が流入することで外管２８内が熱交換抑制ガスＧとしての空気で満たされている。なお、この構造に限定されず、熱交換抑制空間を画成する外管２８の両端部が閉塞されて、外管２８内に所望の熱交換抑制ガスＧが封入されてもよい。また、熱交換抑制空間は、真空であってもよい。つまり、内管２６と板部２２との間に真空部が設けられてもよい。これによっても、冷却液Ｗと板部２２との間の熱交換を抑制することができる。

図３（Ａ）は、従来の空冷機構を用いて燃料電池スタックを冷却した場合における電解質表面の温度分布のシミュレーション結果を示す図である。図３（Ｂ）は、実施の形態に係る冷却プレート４を用いて燃料電池スタックを冷却した場合における電解質表面の温度分布のシミュレーション結果を示す図である。

シミュレーション条件は以下のように設定した。
電極有効面積：９０ｍｍ×９０ｍｍ
空気流路１８および燃料流路２０の幅および深さ：１ｍｍ×１ｍｍ
燃料極１２の厚み：１ｍｍ
空気極１０の厚み：０．１ｍｍ
電解質８の厚み：０．０４ｍｍ
冷却管２４の外径：３ｍｍ
冷却プレート４の厚み：４ｍｍ
冷却プレート４あたりの冷却管２４の数：４本
圧力：１０１．３２５ｋＰａ（１気圧）
平均電流密度：９０００Ａ／ｍ^２
燃料利用率：０．７５
燃料組成（入口）：９７モル％Ｈ_２、３モル％Ｈ_２Ｏ
酸化ガス組成（入口）：２１モル％Ｏ_２、７９モル％Ｎ_２
燃料温度（入口）：１１２３Ｋ
冷却水の温度：６２３Ｋ
電解質表面の最高温度：１２７３Ｋ

燃料電池２は、性能面だけを考えると高温であればあるほど高性能である。しかしながら、高温になり過ぎると燃料電池２を構成する材料の耐熱温度を超えてしまう。シミュレーションで設定した最高温度１２７３Ｋは、燃料電池２を構成する各部材の熱損傷を抑制することができる上限温度である。したがって、燃料電池２は、この最高温度の状態で最も発電効率が高くなる。このため、電解質表面の全体がこの最高温度となるように燃料電池２を冷却することが理想的である。

しかしながら燃料電池２を空冷すると、図３（Ａ）に示すように、理想に反して送風方向の上流側から下流側にかけて徐々に温度が上昇する温度分布（温度勾配）が生じる。冷却後の最も温度の高い部分の温度が１２７３Ｋとなるように空冷すると、最も温度の低い部分の温度は１２０８Ｋとなり、最高温度部と最低温度部との温度差は６５Ｋであった。したがって、燃料電池２における送風の上流側が最高温度となるように空冷すると、送風の下流側が最高温度を超えてしまい、燃料電池２の一部に熱損傷が生じるおそれがある。一方、今回のシミュレーションのように送風の下流側が最高温度となるように空冷すると、送風の上流側が冷却され過ぎてしまい、燃料電池２の発電効率が低下するおそれがある。また、燃料電池２に温度ばらつきが生じると、燃料電池２にかかる熱応力にもばらつきが生じる。この結果、燃料電池２の一部に歪みが生じて、燃料電池２ひいては燃料電池システム１の破損につながり得る。

これに対し、図３（Ｂ）に示すように、本実施の形態の冷却プレート４を用いて燃料電池２を液冷（水冷）すると、冷却液Ｗの流れの上流側から下流側にかけてほぼ均一な温度分布を得ることが可能となる。冷却後の最も温度の高い部分の温度が１２７３Ｋとなるように液冷すると、最も温度の低い部分の温度は１２５９Ｋとなり、最高温度部と最低温度部との温度差は１４Ｋであった。つまり、本実施の形態の冷却プレート４を用いて燃料電池２を液冷することで、燃料電池２の全体を最高温度に近い均一な温度に維持することが可能である。これにより、燃料電池２の発電効率を高めることができ、燃料電池システム１のエネルギー効率を向上させることができる。また、燃料電池２および燃料電池システム１が熱応力の偏在によって破損することを抑制することができる。

冷却液Ｗの温度は、空冷で用いられる空気の温度よりもはるかに低い。このため、冷却液Ｗが流れる内管２６と板部２２との間に熱交換抑制ガスＧが介在しない場合、燃料電池２には空冷の場合以上に急な温度勾配が生じ得る。また、冷却液Ｗと燃料電池２とに非常に大きな温度差があるため、燃料電池２が急激に冷却されて破損するおそれがある。これに対し、二重管構造の冷却管２４を用いて内管２６の周囲に熱交換抑制ガスＧを介在させることで、冷却液Ｗと燃料電池２との過度の熱交換を抑制することができる。特に、燃料電池２における冷却液Ｗの流れの上流側部分と冷却液Ｗとの間の過剰な熱交換を抑制することができる。

この結果、図３（Ｂ）に示すように、燃料電池２の全体を均一な温度に維持することができる。また、急激な冷却による燃料電池２の破損を抑制することができる。なお、冷却液Ｗによる燃料電池２の冷却量は、内管２６や外管２８の外径、厚み等を変更することで調整することができる。

また、燃料電池２を空冷する場合、燃料電池２の電極反応に必要な空気量よりもはるかに多い量の空気を送風する必要がある。例えば、空冷する場合の燃料電池システム１の空気利用率は１０％〜３０％程度である。空気利用率とは、実際に流した空気量に対して、電気化学反応に必要とされる空気量の比率である。このため、ブロワの駆動による消費電力が大きくなり、燃料電池システム１のエネルギー効率が低下してしまう。これに対し、液冷する際のポンプ３４の駆動電力は、空冷する際のブロワの駆動電力に比べて小さくすることができる。よって、空冷に比べて燃料電池システム１のエネルギー効率を高めることができる。

以上説明したように、本実施の形態に係る燃料電池システム１は、平板型の固体酸化物形燃料電池２と、この燃料電池２を冷却するための冷却プレート４と、を備える。冷却プレート４は、燃料電池２に熱伝導可能に接続される板部２２と、板部２２内に設けられて、燃料電池２を冷却するための冷却液Ｗが流れる冷媒管（内管２６）と、冷媒管の外周に配置されて、冷却液Ｗと板部２２との間の熱交換を抑制する熱交換抑制空間（外管２８あるいは板部２２と内管２６との隙間）と、を有する。

本実施の形態では燃料電池２を液冷しているため、ブロワの駆動に要する動力が大きい空冷に比べて、燃料電池システム１全体のエネルギー効率を向上させることができる。また、本実施の形態の冷却プレート４を燃料電池システム１に採用することで、燃料電池２に温度ばらつきが生じることを抑制できるため、これによっても燃料電池システム１のエネルギー効率を向上させることができる。また、燃料電池システム１の大型化や大出力密度化を図ることができる。なお、固体酸化物形燃料電池の冷却に液冷を採用することは、固体酸化物形燃料電池の作動温度が極めて高いという事情から当業者が今まで発想し得なかったことであり、当業者の一般的な認識と捉えてはならない。

また、本実施の形態では、冷却液Ｗは水である。このため、燃料電池２との熱交換で生成される水蒸気を系外設備で有効利用することができる。例えば、水蒸気はコージェネレーションシステムや、蒸気発電システム等に利用することができる。よって、燃料電池システム１のエネルギー効率をより高めることができる。また、本実施の形態では、熱交換抑制空間が熱交換抑制ガスＧとしての空気を収容する。これにより、簡単且つ安価なシステム構成で燃料電池システム１を実現することができる。

また、本実施の形態に係る燃料電池システム１は、複数の燃料電池２と少なくとも１つの冷却プレート４とが積層されたスタック構造を有する。例えば、燃料電池システム１は、積層された燃料電池２の複数段毎に冷却プレート４が挿入された構造を有する。これにより、積層された燃料電池２のそれぞれを均一に冷却することができる。

（実施の形態２）
実施の形態２は、水冷機構の構造を除き、実施の形態１と共通の構成を有する。以下、本実施の形態について実施の形態１と異なる構成を中心に説明し、共通する構成については簡単に説明するか、あるいは説明を適宜省略する。図４は、実施の形態２に係る燃料電池システムの一部を模式的に示す正面図である。なお、制御部４０は、ハードウェア構成としてはコンピュータのＣＰＵやメモリをはじめとする素子や回路で実現され、ソフトウェア構成としてはコンピュータプログラム等によって実現されるが、図４ではそれらの連携によって実現される機能ブロックとして描いている。この機能ブロックがハードウェア、ソフトウェアの組合せによっていろいろなかたちで実現できることは、当業者には理解されるところである。

燃料電池システム１は、平板型の固体酸化物形燃料電池２と、固体酸化物形燃料電池２を冷却するための冷却プレート４と、を備える。本実施の形態の燃料電池システム１は、６つの燃料電池２が積層されて１つのセルユニット６が構成され、このセルユニット６が４つ積層されている。また、各セルユニット６に対して１枚の冷却プレート４が設けられている。したがって、一部の冷却プレート４は、２つのセルユニット６で挟まれている。なお、セルユニット６を構成する燃料電池２の数や積層されるセルユニット６の数は限定されない。燃料電池２は、空気極側インターコネクタ１４と、燃料極側インターコネクタ１６とで挟まれて直列に積層される。

燃料電池システム１は、複数の冷媒管を備える。本実施の形態では、燃料電池システム１が備える複数の冷却プレート４のそれぞれが複数の冷媒管を備えている。なお、燃料電池システム１は、一本の冷媒管を有する冷却プレート４を複数枚備えていてもよいし、複数本の冷媒管を有する冷却プレート４を一枚のみ備えていてもよい。

本実施の形態の冷媒管と熱伝導抑制空間とは、冷却管２４の内管２６と外管２８とで構成される（図２参照）。なお、冷媒管と熱伝導抑制空間とは、板部２２の貫通孔と、貫通孔に挿入される単管と、で構成されてもよい。内管２６には、冷却液Ｗが流れる。各冷却管２４の内管２６には、供給管路３０が接続される。供給管路３０は、各冷却プレート４に対して設けられ、一端側が複数に分岐して各内管２６の一端側に接続される。各供給管路３０の他端側は、集合して集合部３０ａを構成し、貯水部３２に接続される。集合部３０ａには、ポンプ３４が設けられる。また、各供給管路３０には、開閉弁３８が設けられる。各開閉弁３８は、集合部３０ａよりも下流側であって、各冷却管２４に接続される分岐部よりも上流側に配置される。開閉弁３８は、公知の２方向電磁弁等で構成することができる。外管２８には、熱交換抑制ガスＧとしての空気が収容される。なお、外管２８の内部は真空であってもよい。

また、燃料電池システム１は、制御部４０を備える。制御部４０は、ポンプ３４の駆動を制御する。また、各開閉弁３８は、制御部４０による制御のもとでその開閉状態が切り替えられる。制御部４０は、燃料電池システム１の発電量の低下に応じて冷却液Ｗを流す冷媒管（内管２６）の数を減らす制御を実行する。例えば、使用者によって燃料電池システム１に設けられる操作パネル（図示せず）が操作され、燃料電池システム１の発電量が設定されると、制御部４０は、操作パネルから発電量を示す信号を受信する。制御部４０は、発電量と各開閉弁３８の開閉状態とを対応付けた変換テーブルを予めメモリに保持しており、この変換テーブルを用いて各開閉弁３８の開閉を制御する。

これにより、燃料電池システム１の発電量に応じて、冷却液Ｗを流す内管２６の本数が調整される。例えば、制御部４０は、燃料電池システム１の定格運転時には全ての開閉弁３８を開状態にして、全ての内管２６に冷却液Ｗを流す。一方、燃料電池システム１の部分負荷運転時には、１つの開閉弁３８のみを開状態に、残りの開閉弁３８を閉状態にする。これにより、開閉弁３８が開状態にある供給管路３０が接続された内管２６のみに冷却液Ｗが流れる。図４では、下から２つ目の開閉弁３８が開状態となっており、下から２つ目の冷却プレート４が有する４本の内管２６のみに冷却液Ｗが流れる。

燃料電池システム１は、部分負荷運転時の方が定格運転時よりも発熱量が少ない。このため、燃料電池システム１の部分負荷運転時に定格運転時と同じ数の内管２６に冷却液Ｗを流すと、冷却液Ｗによる各燃料電池２の冷却量が過剰となって、各燃料電池２に温度ばらつきが生じやすくなり、燃料電池システム１の発電効率が低下し得る。これに対し、燃料電池システム１の発電量の低下に応じて冷却液Ｗを流す内管２６の数を減らすことで、燃料電池２の過度な温度低下を抑制することができる。この結果、燃料電池２の温度ばらつきと燃料電池システム１の発電効率の低下とを抑制することができる。

なお、本実施の形態では、冷却液Ｗを流す内管２６の数を冷却プレート４単位で変更しているが、各冷却プレート４において冷却液Ｗを流す内管２６の数を変更してもよい。この場合は、各内管２６に対して開閉弁３８が設けられる。また、本実施の形態の制御部４０は、冷却液Ｗを流す内管２６の数を制限することで、冷却液Ｗによる各燃料電池２の冷却量を調整している。これに対し、制御部４０の制御態様には以下の変形例を挙げることができる。

（変形例）
変形例に係る燃料電池システム１が備える制御部４０は、燃料電池システム１の発電量の低下に応じて冷却液Ｗの流量を減らす制御を実行する。例えば、使用者によって燃料電池システム１の発電量が設定されると、制御部４０は、操作パネルから発電量を示す信号を受信する。制御部４０は、発電量とポンプ３４の出力とを対応付けた変換テーブルを予めメモリに保持しており、この変換テーブルを用いてポンプ３４の出力を制御する。

これにより、燃料電池システム１の発電量に応じて、冷却液Ｗの流量（流速）が調整される。例えば制御部４０は、燃料電池システム１の定格運転時にはポンプ３４の出力を所定の第１出力に設定して冷却液Ｗを流す。一方、燃料電池システム１の部分負荷運転時には、ポンプ３４の出力を第１出力よりも低い第２出力に設定して、定格運転時よりも冷却液Ｗの流量を低減する。冷却液Ｗの流量を減らすと、より早いタイミングで冷却液Ｗが気体に変化する。気体状の冷却液Ｗは、液体状の冷却液Ｗに比べて燃料電池２との熱交換量が小さい。このため、冷却液Ｗが気化するタイミングを早めることで、冷却液Ｗによる燃料電池２の冷却量を低減することができる。制御部４０による内管２６の数の調整と冷却液Ｗの流量の調整とは、組み合わせて実施されてもよい。

なお、隣り合う冷却プレート４における内管２６どうしを連結して、各冷却プレート４の内管２６に順に冷却液Ｗを流すようにしてもよい。例えば、図４に示す燃料電池システム１において、４つの冷却プレート４の積層方向に並ぶ内管２６どうしが連結され、水平方向に並ぶ４本の冷媒流路が形成される。

具体的には、一番下の冷却プレート４の各内管２６における紙面手前側の端部と、下から２番目の冷却プレート４の各内管２６における紙面手前側の端部とがＵ字管（図示せず）等で連結される。また、下から２番目の冷却プレート４の各内管２６における紙面奥側の端部と、上から２番目の冷却プレート４の各内管２６における紙面奥側の端部とが連結される。さらに、上から２番目の冷却プレート４の各内管２６における紙面手前側の端部と、一番上の冷却プレート４の各内管２６における紙面手前側の端部とが連結される。これにより、それぞれが４つの内管２６を含んでジグザグに延びる４つの冷媒流路が形成される。一番下の冷却プレート４の各内管２６における紙面奥側の端部には、供給管路３０が接続される。一番上の冷却プレート４の各内管２６における紙面奥側の端部には、排出管路３６が接続される。

ポンプ３４が駆動すると、貯水部３２内の冷却液Ｗが供給管路３０を介して一番下の冷却プレート４の各内管２６に供給される。冷却液Ｗは、一番下の冷却プレート４の各内管２６を通過すると、一段上の冷却プレート４の各内管２６を通過し、続いてもう一段上の冷却プレート４の各内管２６を通過して、一番上の冷却プレート４の各内管２６に到達する。一番上の冷却プレート４の各内管２６を通過した冷却液Ｗは、排出管路３６を介して系外設備に送られる。

一例として、冷却液Ｗは、一番下の冷却プレート４の各内管２６を通過する過程で徐々に気化していき、２段目以降の冷却プレート４の各内管２６を気体の状態で通過する。これにより、液体状の冷却液Ｗが４段全ての冷却プレート４の各内管２６を通過する場合に比べて、冷却液Ｗによる燃料電池２の冷却量を低減することができる。

以上、本発明の実施の形態について詳細に説明した。前述した実施の形態は、本発明を実施するにあたっての具体例を示したものにすぎない。実施の形態の内容は、本発明の技術的範囲を限定するものではなく、請求の範囲に規定された発明の思想を逸脱しない範囲において、構成要素の変更、追加、削除等の多くの設計変更が可能である。設計変更が加えられた新たな実施の形態は、組み合わされる実施の形態および変形それぞれの効果をあわせもつ。前述の実施の形態では、このような設計変更が可能な内容に関して、「本実施の形態の」、「本実施の形態では」等の表記を付して強調しているが、そのような表記のない内容でも設計変更が許容される。以上の構成要素の任意の組み合わせも、本発明の態様として有効である。図面の断面に付したハッチングは、ハッチングを付した対象の材質を限定するものではない。

水蒸気を系外設備で利用することは必須でなく、例えば排出管路３６を貯水部３２に接続して冷却液Ｗを循環させる構成としてもよい。また、開閉弁３８の開閉状態は、手動により切り替えてもよい。

１ 燃料電池システム、 ２ 燃料電池、 ４ 冷却プレート、 ２２ 板部、 ２４ 冷却管、 ２６ 内管、 ２８ 外管、 ４０ 制御部。

Claims (6)

1. 平板型の固体酸化物形燃料電池と、
   前記固体酸化物形燃料電池を冷却するための冷却プレートと、を備え、
   前記冷却プレートは、
   前記固体酸化物形燃料電池に熱伝導可能に接続される板部と、
   前記板部内に設けられて、前記固体酸化物形燃料電池を冷却するための冷却液が流れる冷媒管と、
   前記冷媒管の外周に配置されて、前記冷却液と前記板部との間の熱交換を抑制する熱交換抑制空間と、
   を有することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記冷却液は水である請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記熱交換抑制空間は、熱交換抑制ガスを収容し、
   前記熱交換抑制ガスは空気である請求項１または２に記載の燃料電池システム。
4. 前記燃料電池システムは、複数の前記固体酸化物形燃料電池と少なくとも１つの冷却プレートとが積層されたスタック構造を有する請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
5. 前記燃料電池システムは、
   複数の前記冷媒管と、
   前記燃料電池システムの発電量の低下に応じて前記冷却液を流す前記冷媒管の数を減らす制御部と、
   を備える請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
6. 前記燃料電池システムは、その発電量の低下に応じて前記冷却液の流量を減らす制御部を備える請求項１乃至５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。

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