WO2007088925A1

WO2007088925A1 - 燃料電池セル、燃料電池装置、これを備えた車両及び熱電併給装置、並びに燃料電池作動方法

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Publication number: WO2007088925A1
Application number: PCT/JP2007/051689
Authority: WO
Inventors: Yoshinobu Yoshihara; Yasufumi Nakanishi
Original assignee: Ritsumeikan Trust
Priority date: 2006-02-02
Filing date: 2007-02-01
Publication date: 2007-08-09
Also published as: US20090050382A1; JP5263868B2; JPWO2007088925A1; US8367263B2

Abstract

　有効な発電を行うため、固体電解質の温度を迅速に適切な温度とすることができる燃料電池装置である。アノード（３）側の燃料ガスとカソード（４）側の酸素とを電池反応させて発電する燃料電池セル（１）を備えている。この燃料電池セル（１）は、多孔質からなる固体電解質（２）を有しており、圧力差によってアノード（３）側の燃料ガスをカソード（４）側へ透過させる。この固体電解質（２）を透過して混合した燃料ガスと酸素とによる燃焼反応により、固体電解質（２）が加熱される。

Description

明細書

燃料電池セル、燃料電池装置、これを備えた車両及び熱電併給装置、並びに燃料電池作動方法

技術分野

[0001] この発明は、固体酸化物型の燃料電池セル、固体酸化物型の燃料電池装置、これを備えた車両及び熱電併給装置、並びに燃料電池作動方法に関する。

背景技術

[0002] 燃料電池を用いて発電を行う装置として従来知られているものに、固体酸化物型燃料電池 (SOFC)がある。固体酸化物型燃料電池は固体高分子型燃料電池 (PEMF C)に比べて長期的な安定性、信頼性に優れており、エネルギー変換効率も高い。しかし、固体酸化物電解質に使用されている固体電解質は、低温でイオン導電性が低ぐ有効な発電を行うために固体電解質の温度を 1000°C〜800°Cと非常に高くする必要がある。また、従来の固体酸ィ匕物型燃料電池は、その熱損失により、高い発電効率を維持したまま熱自立運転を行うことが困難であるという問題点がある。

そこで、このような固体酸ィ匕物型燃料電池を備えており、熱自立運転を図る装置が、特開 2004— 71312号公報、特開 2004— 71315号公報において、提案されている。なお、熱自立運転とは、外部から熱を加えることなく自ら発生した熱のみによって燃料電池を、有効な発電を行うことができる発電作動温度以上に維持させるものである。また、装置が小型のものほど熱損失の割合が大きいことから、小型機ほど熱自立運転は難しぐまた、発電効率が低下する傾向にある。

発明の開示

[0003] このような燃料電池装置において、発電開始のために装置を始動させる際、固体電解質の温度を前記発電作動温度まで加熱する必要がある。そのために、従来の装置では、バーナーやヒーターなどの加熱手段が別途必要とされている。しかし、このような加熱手段を用いて固体電解質を加熱したとしても、前記のような高い温度となるまでに長時間が必要とされる。したがって、従来では安定した電力が得られるまでに始動から 10〜30分、小型のものであっても 5〜10分が必要とされている。つまり、従来の装置ではスタートアップ（立ち上がり）が非常に遅いという問題点を有している。さらに、従来、固体電解質が一旦高温となることで熱自立運転が可能となるものもあるが、熱自立運転といっても加熱手段が必要とされている。つまり、熱自立運転が行われるためには、初期において固体電解質を高温とするために加熱手段が必要とされている。

[0004] さらに、通常運転の際においても、 lkw級などの小規模用の燃料電池装置では特に熱損失が大きいため、高い発電効率を維持したまま熱自立運転を行うことが困難であるという問題点がある。つまり、固体電解質を適切な温度に維持することが困難とされている。

また、従来の燃料電池装置では、図 7に示しているように、発電効率を向上させるために燃料電池セルの他に、燃料電池セルの外部に別の燃焼器や、熱交換機などの付帯設備が多く必要とされ、装置全体が大型化する傾向がある。

[0005] そこでこの発明は、有効な発電を行うため、電解質の温度を適切な温度とすることができる燃料電池セル、燃料電池装置、これを備えた車両及び熱電併給装置、並びに燃料電池作動方法を提供することを目的とする。

[0006] この発明の燃料電池装置は、アノード側の燃料ガスと力ソード側の酸素とを電池反応させて発電する燃料電池セルを備え、この燃料電池セルは、前記アノード側と前記力ソード側との間で前記燃料ガス又は前記酸素の一部を気体として透過させ得る固体電解質を有し、この固体電解質を透過して混合した前記燃料ガスと前記酸素とによる燃焼反応により当該固体電解質が加熱されるものである。

[0007] また、この発明の燃料電池セルは、アノード側の燃料ガスと力ソード側の酸素とを電池反応させて発電する際に、前記アノード側と前記力ソード側との間で前記燃料ガス又は前記酸素の一部を気体として透過させ得る固体電解質を有し、この固体電解質を透過して混合した前記燃料ガスと前記酸素とによる燃焼反応により当該固体電解質が加熱されるものである。

なお、この発明における燃焼反応は、燃料ガスと酸素とによる燃焼を意味するものであり、電池反応を起こすためにアノード側で行われる電池反応とは異なる。

[0008] このような燃料電池装置及び燃料電池セルによれば、燃料電池セルのアノード側の燃料ガスと力ソード側の酸素とを電池反応させて発電する際に、固体電解質は、ァノード側と力ソード側との内の一方側にある燃料ガス又は酸素の一部を他方側へ透過させることができる。そして、この透過により燃料ガスと酸素とが混合され、これらの燃料反応で生じた熱により固体電解質を加熱することができる。つまり、電池反応を起こすための燃料ガスと酸素とを、燃焼反応による固体電解質の加熱に用いることができる。

そして、固体電解質をイオン導電性が確保される温度に保つ又は当該温度まで加熱するために必要なエネルギーを燃焼反応によって得ることができる。

また、燃料ガス又は酸素が固体電解質を透過し、こられによる燃焼反応が燃料電池セルの部分又はその近傍において生じる。このため、燃焼反応による熱を固体電解質に与えることができ、迅速に固体電解質を高温にできる。

さらに、従来では別途必要であった固体電解質を加熱するためのバーナーやヒーターなどの加熱手段や、この加熱手段のための燃料の供給手段や電気配線を不要とできる。これにより、燃料電池装置及び燃料電池セルを含む装置の小型化、軽量化が図れる。

[0009] また、前記燃料電池装置にお!ヽて、前記アノード側と前記力ソード側との間に差圧を生じさせる圧力制御手段をさらに備えて、るのが好ま、。

この圧力制御手段によれば、固体電解質を間に挟んだアノード側と力ソード側との間に差圧を生じさせることができる。そしてこの差圧により、アノード側の燃料ガスと力ソード側の酸素との内の一方の一部が、固体電解質を通じて、他方側へ透過できる。これにより、燃料電池装置の起動時には所定の差圧を生じさせて迅速に固体電解質を昇温でき、電池反応が生じている定常運転時では、前記差圧を小さくして経済的で効率の良、電池反応を継続させることができる。

[0010] また、この燃料電池装置において、燃料ガスと酸素とによる燃焼の強さを制御することによって、前記固体電解質の温度を、有効なイオン導電性が得られる発電作動温度以上に維持させる制御手段をさらに備えているのが好ましい。

これによれば、制御手段は、燃料ガスと酸素とによる燃焼の強さを制御することで、固体電解質の温度を所望の発電作動温度以上に維持することができる。 [0011] さらに、この場合において、前記制御手段は、前記固体電解質におけるイオン導電率に応じて、燃料ガスと酸素とによる前記燃焼の強さを制御する構成とできる。

この構成〖こよれば、固体電解質におけるイオン導電率は、固体電解質の温度に影響することから、固体電解質におけるイオン導電率が低くなれば、制御手段は燃焼の強さを強める制御を行うことで固体電解質の温度を高め、所定のイオン導電率を得ることができる。一方、固体電解質におけるイオン導電率が所定の値よりも高くなれば、制御手段は燃焼の強さを弱め、発電効率を維持させることができ、又は、燃焼を停止させる制御を行うことで、燃料電池セルにおける電池反応により自ら発生した熱によつて熱自立運転が可能となる。

[0012] さらに、この場合において、前記制御手段は、前記アノード側と前記力ソード側との間の差圧を調整することで、前記固体電解質を透過する燃料ガス又は酸素の量を調整し、前記燃焼の強さを制御する構成とできる。

アノード側と力ソード側との間の差圧により燃料ガス又は酸素は固体電解質を透過でき、その差圧の大小により固体電解質を透過する燃料ガス又は酸素の量が調整される。このことから、制御手段はアノード側と力ソード側との間の差圧、つまり燃料ガス側と酸素側との差圧を調整することで燃料ガス又は酸素の透過量が調整され、燃焼の強さが制御される。

[0013] また、前記燃料電池装置において、前記固体電解質は多孔質とされているのが好ましい。これ〖こよれば、固体電解質の全体にわたって燃料ガス又は空気が透過することができ、固体電解質のアノード側又は力ソード側の一方の全面にぉ、て燃焼反応が生じ、固体電解質全体を迅速に高温にできる。

[0014] また、前記燃料電池セルの前記アノードと前記力ソードと前記固体電解質の領域とのいずれかが、燃料ガスと酸素とによって前記燃焼反応が行われる燃焼部とされているのが好ましい。これにより、固体電解質の一面にあるアノード、他面側にあるカソード、又は固体電解質の領域において、燃料ガスと酸素とによる燃焼反応が起こること力ゝら、固体電解質を迅速に高温にできる。

[0015] この場合において、前記燃焼部は火炎が形成される部分とされているのが好ましい。これによれば、火炎を伴う燃焼反応によって高いエネルギーが得られ、これにより、イオン導電性を確保できる温度に固体電解質を昇温することができる。

[0016] さらに、この場合において、前記燃焼部は、力ソードとされているのが好ましい。このように燃焼部を力ソード側とすることで、 OH、 Oラジカルなどのエネルギーポテンシャルの高い中間生成物が燃焼反応によって力ソード側で多く生成され、アノード側への酸素イオンの導電率を高めることができる。そして、力ソードにおける活性ィ匕分極を抑えることができ、電極触媒として多く使用される触媒の使用量を低減することができる

[0017] また、前記燃料電池装置にお!ヽて、燃料ガスと酸素とによる前記燃焼反応が行われる前記アノード側又は前記力ソード側に、着火手段をさらに備えているのが好ましい。

この着火手段の動作により、燃料ガスと酸素とによる燃焼反応を開始できる。特に、燃料電池装置の起動時に、燃料ガスと酸素の一方について固体電解質を透過させるとともに、着火手段を動作させることにより、アノード側又は前記力ソード側において燃焼を生じさせることができる。そして、その熱によって固体電解質を迅速に高温とできる。つまり、簡単な構成により迅速なスタートアップ特性を備えた装置が得られる。

[0018] そして、この発明の燃料電池作動方法は、固体電解質を介してアノード側の燃料ガスとカソード側の酸素とを電池反応させて発電する際に、一方側にある燃料ガス又は酸素の一部を他方側へ供給し、その供給による前記燃料ガスと前記酸素との燃焼反応により前記固体電解質を加熱することによって行われる。

この方法によれば、固体電解質をイオン導電性が確保される温度に保つ又は加熱するために必要なエネルギーを燃焼反応によって得ることができ、迅速かつ効率よく固体電解質を高温にできる。また、電池反応を起こすための燃料ガスと酸素とを、燃焼反応による固体電解質の加熱に用いることができる。

[0019] さらに、この燃料電池作動方法において、燃料電池を起動するに際し、前記燃焼反応により前記固体電解質を加熱するのが好ましい。これによれば、燃料電池を起動させると、固体電解質を迅速に高温まで加熱でき、迅速な発電のスタートアップが図れる。

[0020] また、この発明の車両は、前記燃料電池装置と、この燃料電池装置による電力によつて動作する動作部とを備えた構成とできる。これによれば、前記動作部を車両に搭載させた電気機器とし、燃料電池装置をこの電気機器の動力源となる補助電源とできる。または、前記動作部を車両の走行用の駆動部（走行用モータ）とし、燃料電池装置をこの駆動部の動力源となる主電源とできる。

[0021] さらに、この車両は、走行用の燃料を貯蔵する燃料タンクと、前記走行用の燃料によって駆動する走行駆動部と、前記走行用の燃料の一部を、前記燃料電池装置が備えてヽる前記燃料電池セルの前記アノード側に、前記燃料ガスとして供給する燃料供給部とを備えて!/ヽる構成とできる。

これによれば、燃料タンクにある走行用の燃料を燃料供給部が燃料電池装置へ供給することで、この走行用の燃料を燃料電池装置は発電用の前記燃料ガスとして利用できる。

[0022] また、この発明の熱電併給装置は、前記燃料電池装置と、この燃料電池装置から排出される排出ガスの熱を利用する手段とを備えた構成とできる。これにより、燃料電池装置の高温となる排熱を有効に利用でき、エネルギー効率のさらに優れた装置が得られる。

図面の簡単な説明

[0023] [図 1]この発明の燃料電池装置の実施の一形態を示す概略構成図である。

[図 2]この燃料電池装置の一部を示している模式図である。

[図 3]燃料電池装置の全体の構成を示すブロック図である。

[図 4]この発明の燃料電池装置の他の実施の形態の概略を示す断面図である。

[図 5]この発明の燃料電池装置を搭載した車両の概略構成を示す説明図である。

[図 6]この発明の燃料電池装置を熱電併給装置に用いた概略構成を示す説明図である。

[図 7]従来の燃料電池装置の概略構成図である。

発明を実施するための最良の形態

[0024] 以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

図 1はこの発明の燃料電池装置の実施の一形態を示す概略構成図であり、図 2はこの燃料電池装置の一部を示して、る模式図である。図 3は燃料電池装置の全体の構成を示すブロック図である。

この燃料電池装置 31は固体酸化物型（固体電解質型)燃料電池 (SOFC)であり、燃料電池セル 1は、酸素イオン導電性がある固体電解質 2と、その一面側にあるァノード 3と、他面側にある力ソード 4とを有している。

[0025] 図 2において、燃料電池セル 1はケース 10内に収容されており、ケース 10の内部は、この燃料電池セル 1によってアノード 3側と力ソード 4側とに区画されている。これにより、ケース 10内において、燃料電池セル 1のアノード 3側に第一空室部 14が形成され、力ソード側 4に第二空室部 15が形成されている。

ケース 10は、アノード 3側（第一空室部 14)において、燃料ガス (水素又は天然ガスなどの炭化水素ガス)を供給するための第一供給口 11と、第一空室部 14にある燃料ガスを外部に排出することができる排気口 26とが設けられている。また、ケース 10は、力ソード 4側 (第二空室部 15)において、酸素を含む空気を供給するための第二供給口 12と、力ソード 4側 (第二空室部 15)で生じた排気ガスを排出するための排気口 13とが設けられている。これにより、アノード 3は燃料ガス側の電極 (燃料極）とされ、力ソード 4が酸素側の電極 (空気極）とされて、る。

[0026] そして、燃料電池セル 1は、力ソード 4側の酸素を、固体電解質 2において酸素ィォンとしてアノード 3へ導電させることにより、アノード 3側の燃料ガスとによって電池反応させて発電する。

さらに、この固体電解質 2はイオン導電性を有しているとともに、アノード 3側とカソード 4側との間で燃料ガス又は酸素の一部を、気体として透過させることができる構造とされている。従来、固体電解質はアノード 3側と力ソード 4側との間において燃料ガスゃ空気の移動 (通過）を防止している構造 (気密構造)とされていた。しかし、この発明では、固体電解質 2は、アノード 3側と力ソード 4側との間において燃料ガス又は空気の移動を許容する流路が設けられている構造とされている。具体的には、固体電解質 2は多孔質とされており、これにより、アノード 3側と力ソード 4側との間において流路が形成される。なお、アノード 3及び力ソード 4は共に従来燃料電池として使用されているものを用いることができ、両者とも多孔質とされている。これにより、アノード 3 及び力ソード 4のそれぞれにおいても、一面側と他面側との間に流路が形成されている。これにより、燃料電池セル 1のアノード 3側と力ソード 4側との間に、燃料ガス又は空気の移動を許容する流路が設けられる。

[0027] このような固体電解質 2によれば、ケース 10内において、第一空室部 14と第二空室部 15との間は燃料電池セル 1を介してのみ燃料ガス又は酸素（空気）が移動できる。また、固体電解質 2を多孔質とする以外に、図示しないが、燃料ガス又は酸素が移動できる小さな貫通孔を固体電解質 2に複数形成した構造とすることもできる。

[0028] そして、図 2と図 3とにおいて、この燃料電池装置 31は、アノード 3側（第一空室部 1 4)と力ソード 4側 (第二空室部 15)との間に差圧を生じさせる圧力制御手段 5を備えている。この圧力制御手段 5は、アノード 3側に燃料ガスを供給するガス供給制御部 1 6と、力ソード 4側に空気を供給する空気供給制御部 17とを有している。ガス供給制御部 16は、図外の燃料貯蔵部と繋がっており、燃料貯蔵部からの燃料を燃料ガスとして、その流量、流速、圧力などを調整して第一空室部 14へ供給することができる。また、空気供給制御部 17は、大気側から空気を、その流量、流速、圧力などを調整して第二空室部 15へ供給することができる。

そして、この圧力制御手段 5は、アノード 3側と力ソード 4側との差圧を検出する差圧計（図示せず)を有しており、ガス供給制御部 16と空気供給制御部 17との内の少なくとも一方は、この差圧計の計測結果に応じて開閉するサーボ弁 (流量調整弁：図示せず)を有している。つまり、差圧計による計測結果を用いて、圧力制御手段 5は両者の差圧を調整する。

[0029] 図 2と図 3において、アノード 3側と力ソード 4側との差圧の調整を、圧力制御手段 5 が有している排気制御部 18によっておこなってもよい。この場合、排気制御部 18は流量調整弁 27を備えており、この流量調整弁 27はアノード 3側の燃料ガスをケース 1 0の外部に排出することができる排気口 26と繋がっている。この流量調整弁 27は、ァノード 3側と力ソード 4側との差圧が所定の値となるように、燃料ガスの排出量 (流量）を制御する。具体的に説明すると、この流量調整弁 27を絞る又は閉じると、第一空室部 14に供給されてくる燃料ガスの内圧が高くなり、燃料ガスの固体電解質 2における透過量が増加し、燃焼反応が活発となる。これにより、固体電解質 2の温度を上昇させることができ、また起動の際に燃焼反応を生じさせることができる。一方、固体電解質 2が所定の温度に達し、連続運転を維持する程度の燃焼 (発熱）が必要とされると、又は、熱自立運転が開始されると、流量調整弁 27を開き、第一空室部 14における燃料ガスの内圧を下げ、燃料ガスの透過量を減少又は停止させ、燃焼反応を弱めることができる。このように、流量調整弁 27の開度を調整することで、燃料ガスの透過量が変化し、燃焼反応の強さが調整され、固体電解質 2の温度調整が可能となる。または、前記排気制御部 18は流量調整弁 27を有しており、この流量調整弁 27は、力ソード 4側 (第二空室部 15)で生じた排気ガスを排出する排気口 13と繋がっている構造とすることもできる。この場合、流量調整弁 27が、アノード 3側と力ソード 4側との差圧が所定の値となるように、排気ガスの排出量 (流量)を制御する。つまり、流量調整弁 27の開度を調整することで、第二空室部 15側の内圧を調整し、燃料ガスの透過量を変化させる。これにより燃焼反応の強さが調整され、固体電解質 2の温度調整が可能となる。

[0030] 以上の圧力制御手段 5によれば、例えば、アノード 3側の燃料ガスの圧力を力ソード 4側の空気の圧力よりも大きくすることによって、その燃料ガスの一部は多孔質とされた固体電解質 2を透過して力ソード 4側へ流れる。そして、この燃料電池セル 1では、力ソード 4側へ透過した燃料ガスと、力ソード側 4にある空気とが混合し、これらにより力ソード 4側において燃焼反応を発生させることができ、発生する熱によって固体電解質 2は加熱される。さらに、圧力制御手段 5は、アノード 3側と力ソード 4側との差圧の変化度を調整することによって、固体電解質 2における昇温速度も制御できる。これにより、急激な昇温によって固体電解質 2を破損させることが防止される。

このように、この燃料電池セル 1において、アノード 3側の燃料ガスと力ソード 4側の酸素とを電池反応させて発電する際に、アノード 3側の燃料ガスの一部を固体電解質 2を通じて力ソード 3側へ透過させ、透過して混合した燃料ガスと酸素とによる燃焼反応により当該固体電解質 2を加熱する。

[0031] さらに、アノード 3側の燃料ガスの一部は、電池反応により生成された既反応ガスとともに、力ソード 4側へ固体電解質 2を透過する。そして、電池反応により生成された既反応ガスと、力ソード 4側の燃焼によって生じた燃焼ガスとは力ソード側 4の排気口 13から排出される。これによれば、従来アノード 3側で電池反応によって生成された既反応ガスは燃料としての燃料ガスと混合され電池反応効率を低下させる原因となつていたが、本発明によれば、既反応ガスを力ソード 4側へ透過させることができ、電池反応効率を高めることができる。

[0032] 以上のように、図 2に示している実施の形態では、第二空室部 15は燃焼室とされており、燃料電池セル 1の力ソード 4が、燃料ガスと酸素とによって前記燃焼反応が行われる燃焼部とされている。このように、固体電解質 2に積層状にある力ソード 4が燃焼部とされ、この部分及びその近傍部で燃料ガスと酸素とによる燃焼反応が起こることから、固体電解質 2をこの熱によって迅速に高温にできる。そして、固体電解質 2につ、てイオン導電性を確保できる温度にまで高温にするために必要なエネルギーを、燃焼反応によって得ることができる。

さらに、この力ソード 4側が燃焼部とされていることで、 OH、 Oラジカルなどのエネルギーポテンシャルの高ヽ中間生成物が燃焼反応によって、燃焼過程で力ソード 4側に多く生成される。これにより、アノード 3側への酸素イオンの導電度を高めることができる。そして、力ソード 4における活性ィ匕分極を抑えることができ、電極触媒として使用される触媒の使用量を低減することができる。

[0033] さらに、この燃焼部において生じる燃焼反応を、火炎を伴わない燃焼又は火炎を伴う燃焼とすることができる。そして、固体電解質 2、その両側のアノード 3及び力ソード 4 は多孔質とされていることから、固体電解質 2及び両電極の全面にわたって燃料ガスが透過でき、燃料電池セル 1の全面において燃焼反応が生じ、固体電解質 2全体を迅速に高温にできる。そして、火炎を伴う燃焼の場合、その火炎は拡散火炎や平面火炎として形成される。また、火炎による熱の伝導の点で、燃焼部は固体電解質 2の下面側とされるのが好ま、。

このように、燃焼部において定常的に燃焼反応 (火炎）を燃料電池セル 1上に保持させることができ、固体電解質 2を適切な温度、つまり、固体電解質 2がイオン導電性を確保できる温度に昇温させることができる。

[0034] 図 3において、この燃料電池装置 31は、燃料ガスと酸素とによる燃焼反応が行われるアノード 3側又は力ソード 4側に、着火手段 8を備えている。図 2の実施の形態では、力ソード 4側に着火手段 8が設けられる。着火手段 8は、例えば力ソード 4に対してスパークを生じさせるスパークプラグとできる。

この着火手段 8の起動により、燃料ガスと酸素とによる燃焼反応を開始できる。特に燃料電池装置の起動時に、アノード 3側の燃料ガスにっヽて固体電解質 2を透過させるとともに、この着火手段 8を起動させることで、力ソード 4側で燃焼が開始される。そして、この燃焼による熱によって、固体電解質 2を、有効なイオン導電性が得られる発電作動温度まで迅速に高温とできる。つまり、迅速なスタートアップが可能となる。

[0035] 図 3において、この燃料電池装置 31は、燃料ガスと酸素とによる燃焼の強さを制御する制御手段 (コントローラ） 7を備えている。制御手段 7は、燃焼の強さ (燃焼の度合い）を制御することで、固体電解質 2の温度を、有効なイオン導電性が得られる発電作動温度以上に維持させる。この発電作動温度は燃料電池装置 31において任意に設定することができ、使用する固体電解質 2における温度とイオン導電特性との関係などに応じて設定できる。例えば、発電作動温度を 300°Cに設定したり、 800°C〜10 00°Cに設定したりできる。

[0036] この制御手段 7によって行われる固体電解質 2の温度制御についてさらに説明する固体電解質 2におけるイオン導電率は固体電解質 2の温度に影響することから、固体電解質 2におけるイオン導電率が低くなれば、制御手段 7は燃焼の強さを強める制御を行う。これにより固体電解質 2の温度を高めることができ、所定のイオン導電率を得ることができる。

一方、固体電解質 2におけるイオン導電率が所定の値よりも高くなれば、制御手段 7は燃焼の強さを弱め、発電効率を維持させることができる。または、制御手段 7が燃焼を停止させる制御を行うことで、燃料電池セル 1にお、て電池反応で自ら発生した熱のみによる熱自立運転が可能となる。

このように、制御手段 7は、固体電解質 2におけるイオン導電率に応じて、燃料ガスと酸素とによる燃焼の強さを制御する構成とされている。

[0037] そして、燃料ガスと酸素とによる燃焼の強さを制御するための具体的な手段について説明する。

制御手段 7は、燃焼の強さを制御するために、アノード 3側と力ソード 4側との間の差圧を調整することで、固体電解質 2を透過する燃料ガス又は酸素の量を調整してヽる。つまりアノード 3側と力ソード 4側との間の差圧により燃料ガスは固体電解質 2を透過でき、その差圧の大小により固体電解質 2を透過する燃料ガスの量が調整される。このことから、制御手段 7はアノード 3側と力ソード 4側との間の差圧、つまり燃料ガス側と酸素側との差圧を調整することで固体電解質 2を透過する燃料ガスの量を調整し、燃焼 (火炎)の強弱の調整を行って、る。

[0038] さらに具体的に説明すると、図 3において、燃料電池セル 1には固体電解質 2の温度を計測できる温度センサ 19が設けられて、る。温度センサ 19の計測結果は制御手段 7に入力される。制御手段 7は温度センサ 19の計測値と、予め制御手段 7にお Vヽて設定されて!ヽる固体電解質 2における必要温度 (発電作動温度)の設定値とを比較する。計測値が設定値以下であると制御手段 7が判定した場合、アノード 3とカソード 4との間の差圧が大きくなるように圧力制御手段 5を動作させる。つまり、制御手段 7は、アノード 3側の圧力が力ソード 4側よりもさらに高まるようにガス供給制御部 16 又は (及び)空気供給制御部 17、さらには排気制御部 18を動作させる。これにより、固体電解質 2における燃料ガスの透過量が増加し、力ソード 4側における燃焼反応が活発となり、この熱を固体電解質 2へ与えて固体電解質 2の温度を設定値となるまで上昇させる。

[0039] 前記温度センサ 19における計測値が設定値を越えていると制御手段 7が判定した場合、アノード 3と力ソード 4との間の差圧が小さくなる、又は差圧をゼロとするように圧力制御手段 5を動作させる。つまり、制御手段 7は、アノード 3側と力ソード 4側との差圧が固体電解質 2にお、て燃料ガスが透過しな、程度の値となるように、ガス供給制御部 16又は (及び)空気供給制御部 17、さらには排気制御部 18を動作させる。これにより、固体電解質 2における燃料ガスの透過が減少、停止し、力ソード 4側において燃焼反応は弱まり又は、生じない。

[0040] さらに、前記温度センサ 19における計測値が設定値以下になったことを制御手段 7 が判定した場合、制御手段 7からの信号によって、圧力制御手段 5が前記と同様の動作することで、固体電解質 2において燃料ガスの透過が可能となる差圧をアノード 3 側と力ソード 4側との間で生じさせるとともに、前記着火手段 8が作動し、力ソード 4側で燃焼反応が生じる。これにより、力ソード 4側における燃焼による熱を固体電解質 2 へ与えて固体電解質 2の温度を、設定値を越えるまで上昇させる。

このように、制御手段 7は、燃料ガスと酸素とによる燃焼の強さを制御することで、固体電解質 2の温度を所望の温度以上に維持させることができる。

[0041] ここで、本発明の燃料電池セル 1が備えている固体電解質 2、アノード 3、及び、カソード 4の具体例につ、て説明する。

固体電解質 2としては、例えば、ジルコユア系固体電解質 {Y O -ZrO (YSZ) :ィ

2 3 2 ットリア安定化ジルコユア、 Sc O -ZrO (ScSZ)：スカンジァ安定化ジルコユアなど

2 3 2

}、ランタンガレート系固体電解質 { (La, Sr) (Ga, Mg, Co) 0など }、又は、セリア

3

系固体電解質 {Sm O -CeO (SDC)、 Gd O— CeO (GDC)、 Y O— CeO (Y

2 3 2 2 3 2 2 3 2

DC)など }とすることができる。

[0042] アノード 3 (燃料極）としては、白金、金、銀、パラジウム、ルテニウム、又は、ニッケルなどの金属や、酸化ニッケル、酸化コバルト、又は、酸化銅などの金属酸化物とすることができる。または、サーメットとして、 Ni— YSZ、 Ni-Ce (Gd) 0 -YSZ, Ru— Y

2

SZ、 Pt— YSZ、又は、 Cu— CeO—YSZなどとすることができる。

2

力ソード 4 (空気極）としては、白金、金、銀、パラジウム、ルテニウム、又は、ニッケルなどの金属や、酸化ニッケル、酸化コバルト、又は、酸化銅などの金属酸化物や、ランタンマンガナイト{ (La) (Sr) MnO :ランタンストロンチウムマンガナイト }や、ランタンコバルトタイト { (La) (Sr) CoO ：ランタンストロンチウムコバルタイト、 (La, Sr) (Co,

3

Fe) 0 (LSCF)など }とすることができる。または、サーメットとして、 Ni— YSZ、 Ni—

3

Ce (Gd) 0 -YSZ, Ru— YSZ、 Pt— YSZ、又は、 Cu— CeO—YSZなどとするこ

2 2 とがでさる。

[0043] 燃料電池セル 1の構造について説明する。

図 2において、固体電解質 2の厚さ tlを 10 m〜lmmとすることができる。このように、固体電解質 2の厚さ tlを薄くすることによって、固体電解質 2における熱容量を極めて小さくできる。これにより、前記燃焼反応によって固体電解質 2を簡単に高温にすることができ、僅かなエネルギー (燃料ガス）によって固体電解質 2において短時間で適切なイオン導電性が得られる。また、アノード 3と力ソード 4とを含む燃料電池セル 1の厚さ t2を 0. 5mn！〜 3mm程度とすることができる。

[0044] 図 4は、本発明の燃料電池セル 1を用いた燃料電池装置の他の実施の形態の概略を示す断面図である。この燃料電池セル 1は、有底筒状に形成されている複数本の筒状部 21と、この筒状部 21の開口部を相互連結している板状部 22とを有する構造とされている。

この円筒部 21において、その内周面に前記アノード 3が設けられ、固体電解質 2が介在して、外周面に力ソード 4が設けられている。

[0045] この燃料電池セル 1はケース 23内に収容されており、図 2の実施の形態と同様に、ケース 23内は、燃料電池セル 1によってアノード 3側と力ソード 4側とに区画されている。そして、ケース 23内において、燃料電池セル 1のアノード 3側に燃料ガスが供給される第一空室部 14が形成され、力ソード側 4に空気が供給される第二空室部 15が形成されている。

そして、ケース 23は、アノード 3側（第一空室部 14)に燃料としての燃料ガスを供給するための第一供給口 11と、力ソード 4側 (第二空室部 15)に酸素を含む空気を供給するための第二供給口 12と、力ソード 4側 (第二空室部 15)で生じた排気ガス (燃焼ガス）を排出するための排気口 13とが設けられている。

この燃料電池セル 1を備えた燃料電池装置において、その他の構成、及び、動作は前記実施の形態と同様であり、図 3に示した、温度センサ 19、圧力制御手段 5、制御手段 7及び着火手段 8を備えて、る。

[0046] 以上の各実施形態の燃料電池装置によって行われる燃料電池作動方法は、固体電解質 2を介してアノード 4側の燃料ガスと力ソード 3側の酸素とを電池反応させて発電する際に、一方側にある燃料ガス又は酸素の一部を他方側へ気体として供給し、その供給による前記燃料ガスと前記酸素との燃焼反応により固体電解質 2を加熱することによって行われる。そして、図 2と図 4に示した各実施の形態では、アノード 3側の燃料ガスの力ソード側 4への供給方法は、固体電解質 2をガス透過性のある構造、つまり、多孔質構造とすることで行われる。なお、アノード 3側の燃料ガス又は力ソード 4側の酸素の前記供給方法は、図示しないが、一方 (第一空室部 14)から他方 (第二空室部 15)へ連通させた流量調整ノレブ付きのバイパス管によるものがある。または、固体電解質 2とは別体で、燃料電池セル 1の一部に多孔質の部分を設け、この部分においてアノード 3側と力ソード 4側との間で燃料ガスの透過を行わせる構造とすることもできる。また、この燃料ガスには霧状とされたものを含む。

[0047] このような燃料電池装置及び燃料電池作動方法は、化学エネルギーを電気工ネルギ一へ直接変換することができる固体酸ィ匕物型燃料電池において、この化学エネルギ一の一部を燃焼によって熱エネルギーに変換するものである。

そして、この装置及び方法によれば、固体電解質 2をイオン導電性が確保される温度に保つ又は加熱するために必要なエネルギーを燃焼反応によって得ることができ、固体電解質 2を所望の高温にできる。また、この燃焼反応は、電池反応を起こすための燃料ガスと酸素とをケース 10 (23)内においてそのまま用いることができる。このため、従来では別途必要であったバーナーやヒーターなどの加熱手段を不要とできる。

[0048] さらに、燃料電池装置を起動するに際し、この燃料電池作動方法を用いて、前記燃焼反応により固体電解質 2を加熱するのが好ましい。つまり、本発明の燃料電池装置により、前記燃料電池作動方法を用いることで、固体電解質 2は迅速に高温となることができ、発電開始が可能となる。従来では燃料電池装置の起動から発電開始までの起動時間が 10〜30分、小型の装置であっても 5〜10分が必要とされていた力本発明によれば、燃料電池セル 1部分における燃焼反応の熱によって固体電解質 2を迅速に加熱でき、起動時間を 5〜30秒とすることが可能となり、迅速なスタートアップが図れる。

[0049] そして、前記各実施の形態による燃料電池装置が搭載された車両について、図 5 により説明する。この車両は、前記燃料電池装置 31と、この燃料電池装置 31による電力によって動作する動作部 32とを備えて、る。

この動作部 32を車両に搭載された電気機器とした場合にっヽて説明する。このような電気機器につヽては様々なものとすることができるが、この電気機器を空調設備 ( カーエアコン） 33とした場合について説明する。この場合、燃料電池装置 31をこの空調設備 33の動力源となる補助電源とすることができる。 [0050] ここで、従来車両において、空調設備 33を例えば冷房として作動させるためには、停車中であってもエンジンを動作状態 (アイドリング状態）とすることが必要とされている。つまり、空調設備 33は、エンジンの回転によって電力を得ている。特に車両がタクシ一である場合、客待ち状態では停車状態にあるが、空調設備 33を動作させるためにエンジンを動作させておく必要がある。このようにエンジンを動作させておくために多くの燃料が消費されている。

しかし、前記燃料電池装置 31を補助電源 (アイドルストップ用補助電力源)として車両に搭載させることで、エンジン 34を停止させた状態であっても、この燃料電池装置 31からの電力によって空調設備 33を動作させることができる。この発電のための燃料消費は、エンジン 34を動作させておくために消費する燃料よりも少なくて済む。

[0051] 特に、タクシーの場合、客待ちなどの停車時間が長ぐ走行のため以外に燃料消費が多く生じていた力本発明によればこれを解消できる。これにより、例えば夏期において、エンジン 34を停止させた状態で、空調設備 33を動作させて客待ちができ、乗客に快適な室内を常時提供できる。

[0052] さらに、この車両において、走行用の燃料を貯蔵する燃料タンク 35と、この走行用の燃料によって駆動する駆動部としてのエンジン 34と、走行用の燃料の一部を前記燃料ガスとして供給する燃料供給部 (ポンプ) 36とを備えており、この燃料供給部 36 は、燃料電池装置 31が備えて、る燃料電池セルのアノード側に走行用の燃料の一部を供給する。この構成によれば、燃料供給部 36が走行用の燃料を燃料電池装置 31へ供給することで、この走行用の燃料の一部を燃料電池装置 31におヽて発電用の燃料ガスとして利用して、る。

つまり、 LPG (液化石油ガス）車両や、 CNG (圧縮天然ガス）車両の場合、エンジン 34のための走行用の燃料を、そのまま燃料電池装置 31にお、て発電用の燃料としても利用できる。

[0053] また、本発明の燃料電池装置が搭載された車両の他の実施の形態として、燃料電池装置 31による電力によって動作する動作部 32を車両走行用のモータ 34とし、燃料電池装置 31をこのモータ 34の動力源となる主電源とすることもできる。

ここで、従来このような燃料電池を搭載する燃料電池自動車 (FCV)では、固体高分子型燃料電池 (PEMFC)が採用されている。これは、 100°C程度の温度で燃料電池が動作可能であるために、その起動性が良好であるからである。しかし、本発明によれば、クイックスタートが可能とされるため、主電源として採用できる。

[0054] さらに、従来の固体高分子型燃料電池に用いられている水素イオン導電性ポリマ一は長期安定性に劣るため電池性能が劣化しやすぐまた、燃料として 99. 99%以上の高純度な水素が必要であり、燃料の製造、運搬及び貯蔵方法などの困難性が課題とされている。しかし、本発明の固体酸化物型燃料電池によれば、長期的な安定性、信頼性があり、エネルギー変換効率も高ぐさら〖こ、電池反応用の燃料として、走行用の炭化水素系燃料を直接用いることができ、燃料電池自動車に好適なものとなる。

[0055] また、本発明の燃料電池装置 31を車両以外の他の装置へ用いた場合の実施の形態について図 6により説明する。例えば、この燃料電池装置 31を熱電併給装置に用いることができる。この熱電併給装置は、前記燃料電池装置 31と、この燃料電池装置 31から排出される排出ガスの熱を利用する手段 (熱交 38とを備えている。これによれば、燃料電池装置 31において迅速な起動が可能であると共に、燃料電池セル 1からの高、排熱温度を利用でき、エネルギー効率のより優れた装置が得られる

[0056] 以上のように、本発明の燃料電池装置は様々な装置に適用、搭載可能とされる。つまり、迅速な起動性を有し、外部力別途加熱を必要としない熱自立運転が可能であるため、家庭用コジェネレーションシステムのような定置型小型装置のみならず、燃料電気自動車の動力発生システムとしても採用できる。

また、燃料電池装置の大きさも、 lkw級の小規模用のものから、大規模のものも可能となる。そして、燃料として炭化水素系燃料を用いることができ、発電効率は 50% を越えることが期待できる。さらに、定置型の装置として用いた場合、この燃料電池装置によれば、発電時に発生し排気された排出ガス温度が高いため、この排熱を有効に利用でき、コジェネレーションシステムに好適とされる。または、大型とした燃料電池装置とガスタービンエンジンとを組み合わせることで、大型の発電装置の発電効率をより向上させることができる。 [0057] また、本発明の燃料電池セルは、図示する形態に限らずこの発明の範囲内において他の形態のものであっても良ぐ燃料電池セルのアノードと力ソードと固体電解質の領域とのヽずれかを、燃料ガスと酸素とによって前記燃焼反応が行われる燃焼部とすることができる。つまり、前記の各実施の形態では燃焼部を力ソード側としたが、アノード側又は固体電解質の領域としてもょ、。

アノード側を燃焼部とした場合、図 2と図 3を参考に説明すると、圧力制御手段 5は、空気極である力ソード 4側を燃料極であるアノード 3側よりも圧力（内圧)を高くした状態とし、酸素をアノード 3側へ多孔質とされた固体電解質 2を透過させればよい。そしてこの場合、着火手段 8をアノード 3側へ設け、制御手段 7によって、前記実施形態と同様に制御を行えばよい。なお、燃焼部における排気の点を考慮すると、燃焼反応による排気ガスを残余の空気とともに外部へ排出できるため、燃焼部を空気側である力ソード側とするのが好ま、。

また固体電解質の領域を燃焼部とできる。つまり、アノード側の燃料ガスと力ソード側の酸素とを共に、多孔質とされた固体電解質を両側力それぞれ透過させ、この固体電解質の領域内で燃料ガスと酸素とを混合させ、燃焼反応を行わせても良い。

[0058] 以上のように、この発明によれば、電池反応を生じさせるための燃料ガスと酸素とを用いて、燃料電池セルにおいて燃焼反応を生じさせ、その燃焼反応による熱を固体電解質に与えることができるため、固体電解質を迅速に高温にすることができる。

Claims

請求の範囲

[I] アノード側の燃料ガスと力ソード側の酸素とを電池反応させて発電する燃料電池セルを備え、この燃料電池セルは、前記アノード側と前記力ソード側との間で前記燃料ガス又は前記酸素の一部を気体として透過させ得る固体電解質を有し、この固体電解質を透過して混合した前記燃料ガスと前記酸素とによる燃焼反応により当該固体電解質が加熱されることを特徴とする燃料電池装置。

[2] 前記アノード側と前記力ソード側との間に差圧を生じさせる圧力制御手段をさらに備えて、る請求項 1に記載の燃料電池装置。

[3] 燃料ガスと酸素とによる燃焼の強さを制御することによって、前記固体電解質の温度を、有効なイオン導電性が得られる発電作動温度以上に維持させる制御手段をさらに備えている請求項 1又は 2に記載の燃料電池装置。

[4] 前記制御手段は、前記固体電解質におけるイオン導電率に応じて、燃料ガスと酸素とによる前記燃焼の強さを制御する請求項 3に記載の燃料電池装置。

[5] 前記制御手段は、前記アノード側と前記力ソード側との間の差圧を調整することで、前記固体電解質を透過する燃料ガス又は酸素の量を調整し、前記燃焼の強さを制御する請求項 4に記載の燃料電池装置。

[6] 前記固体電解質は多孔質とされている請求項 1又は 2に記載の燃料電池装置。

[7] 前記燃料電池セルの前記アノードと前記力ソードと前記固体電解質の領域との、ずれかが、燃料ガスと酸素とによって前記燃焼反応が行われる燃焼部とされて、る請求項 1又は 2に記載の燃料電池装置。

[8] 前記燃焼部は火炎が形成される部分とされている請求項 7に記載の燃料電池装置

[9] 前記燃焼部は、力ソードとされている請求項 8に記載の燃料電池装置。

[10] 燃料ガスと酸素とによる前記燃焼反応が行われる前記アノード側又は前記力ソード側に、着火手段をさらに備えている請求項 1又は 2に記載の燃料電池装置。

[II] 燃料電池装置と、この燃料電池装置による電力によって動作する動作部と、を備え前記燃料電池装置は、アノード側の燃料ガスと力ソード側の酸素とを電池反応させて発電する燃料電池セルを備え、この燃料電池セルは、前記アノード側と前記カソード側との間で前記燃料ガス又は前記酸素の一部を気体として透過させ得る固体電解質を有し、この固体電解質を透過して混合した前記燃料ガスと前記酸素とによる燃焼反応により当該固体電解質が加熱されることを特徴とする車両。

[12] 走行用の燃料を貯蔵する燃料タンクと、

前記走行用の燃料によって駆動する走行駆動部と、

前記走行用の燃料の一部を、前記燃料電池装置が備えて、る前記燃料電池セルの前記アノード側に、前記燃料ガスとして供給する燃料供給部と、を備えている請求項 11に記載の車両。

[13] 燃料電池装置と、この燃料電池装置力排出される排出ガスの熱を利用する手段と、を備え、

前記燃料電池装置は、アノード側の燃料ガスと力ソード側の酸素とを電池反応させて発電する燃料電池セルを備え、この燃料電池セルは、前記アノード側と前記カソード側との間で前記燃料ガス又は前記酸素の一部を気体として透過させ得る固体電解質を有し、この固体電解質を透過して混合した前記燃料ガスと前記酸素とによる燃焼反応により当該固体電解質が加熱されることを特徴とする熱電併給装置。

[14] アノード側の燃料ガスと力ソード側の酸素とを電池反応させて発電する際に、前記アノード側と前記力ソード側との間で前記燃料ガス又は前記酸素の一部を気体として透過させ得る固体電解質を有し、この固体電解質を透過して混合した前記燃料ガスと前記酸素とによる燃焼反応により当該固体電解質が加熱されることを特徴とする燃料電池セル。

[15] 固体電解質を介してアノード側の燃料ガスと力ソード側の酸素とを電池反応させて発電する際に、一方側にある燃料ガス又は酸素の一部を他方側へ供給し、その供給による前記燃料ガスと前記酸素との燃焼反応により前記固体電解質を加熱することを特徴とする燃料電池作動方法。

[16] 燃料電池を起動するに際し、前記燃焼反応により前記固体電解質を加熱する請求項 15に記載の燃料電池作動方法。