固体酸化物形燃料電池装置
【課題】改質ガス利用機器の動作状態に対応してモジュール容器内の複数の発電用セルに生じ得る局所吸熱状態を緩和させるための吸熱緩和手段を有する、固体酸化物形燃料電池装置を提供すること。
【解決手段】この固体酸化物形燃料電池装置は、燃料ガスと酸化剤ガスとによって発電を行う複数のセルと、複数のセルを収容するモジュール容器と、モジュール容器の外壁における外面の一部に配置され、複数のセルにて発電時に生じる熱を用いて、吸熱反応によって被改質ガスを別系統の改質ガス利用機器で利用するための改質ガスへと改質する外部改質器とを備え、外壁を挟んで外部改質器と対向する位置に配置されたセルの一部に生じ得る局所的な吸熱状態を分散させることで緩和する吸熱緩和手段を有する。
【解決手段】この固体酸化物形燃料電池装置は、燃料ガスと酸化剤ガスとによって発電を行う複数のセルと、複数のセルを収容するモジュール容器と、モジュール容器の外壁における外面の一部に配置され、複数のセルにて発電時に生じる熱を用いて、吸熱反応によって被改質ガスを別系統の改質ガス利用機器で利用するための改質ガスへと改質する外部改質器とを備え、外壁を挟んで外部改質器と対向する位置に配置されたセルの一部に生じ得る局所的な吸熱状態を分散させることで緩和する吸熱緩和手段を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとにより発電を行う固体酸化物形燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体酸化物形燃料電池（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：以下「ＳＯＦＣ」ともいう）は、電解質としてイオン導電性固体酸化物を用い、その両側に電極を取り付けた上で燃料ガスと酸化剤ガス（空気、酸素等）とを供給して、比較的高温で発電反応を生じさせて発電を行う燃料電池装置である。
【０００３】
一般に、ＳＯＦＣは、燃料極層と空気極層との間に酸化物が挟持されてなる燃料電池セルを複数有する燃料電池セル集合体を備えており、燃料ガスと酸化剤ガス（空気、酸素等）とが流れることによって作動する。その際、ＳＯＦＣの外部からは、被改質ガス（例えばメタンガス等の都市ガス）が供給され、当該被改質ガスを改質触媒が収められた改質器に導入して水素リッチな改質ガスに改質した後に、当該改質ガスが燃料電池セル集合体へ供給されるように構成されている。
【０００４】
ＳＯＦＣは、電圧降下などが少ないこともあって高い発電効率で動作することが可能である。しかし、一方では、ＳＯＦＣの起動・停止に要する時間が長時間に亘ることや、発電状態における燃料電池セルにおける動作温度が８００℃を超え、場合によっては９００℃を超える場合もあることなどから、起動・停止にかかる取り扱いの不便さや排熱方法が技術上の問題となる場合が多い。加えて、ＳＯＦＣは燃料電池使用者からの使用電力の変化要求に対する負荷追従性が低く、発電量を瞬時に増減させることが困難である。
【０００５】
それに対して、固体高分子形燃料電池（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ
Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：以下「ＰＥＦＣ」ともいう）は、ＳＯＦＣと比較した場合の発電効率は低いもものの、起動に要する時間が短く、燃料電池使用者からの使用電力の変化要求に対する負荷追従性が高いという特徴を有している。また、ＰＥＦＣも都市ガス等の被改質ガスを水素リッチに改質するために改質器を必要とするところ、改質器内で実行される水素発生反応として吸熱反応が選択されれば、高温動作するＳＯＦＣにて生じる排熱を有効利用することも可能である。
【０００６】
このような考え方のもと、ＰＥＦＣをシステムに組み込むことで、高温動作するＳＯＦＣからの排熱を無駄に捨てるのではなく、ＰＥＦＣに用いる改質器において有効利用して、高い発電効率と高い負荷追従性とを両立させたハイブリッド型燃料電池システムが提案されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００１−２６６９２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述した従来の技術においては、高温動作するＳＯＦＣの燃料電池セルよりの排熱を別系統の改質器において再利用することが可能となっている。しかしながら、負荷追従性の低いＳＯＦＣと負荷追従性が高いＰＥＦＣを組み合わせて用いる場合、利用者による急激な使用電力の変化要求に対応するために、ＳＯＦＣと協働するＰＥＦＣの運転状態を変化させる必要がある。このようにＰＥＦＣの運転状態を変化させる場合には、ＰＥＦＣへの水素供給量を変化させる必要があり、従ってＰＥＦＣ側の改質器で用いられる被改質ガス量も変化してしまう。
【０００９】
一般的な燃料電池システムに用いられる改質器における水素の発生には種々の反応を用いることが可能であるが、高い負荷追従性を有するＰＥＦＣにおいては燃料ガスとして大量の水素を瞬間的に必要とすることが想定される。従って、ＰＥＦＣにおいては、最も水素の収率が高い改質反応である水蒸気改質反応ＳＲを用いることができる。ここで、水蒸気改質反応ＳＲは吸熱反応である。よって、ＰＥＦＣの改質器において水蒸気改質反応ＳＲを用いる場合、改質器への被改質ガスの流入量が増加すると、改質器において局所的な吸熱反応、即ち局所的な温度低下が発生し、当該改質器の近辺に配置されているＳＯＦＣ側の燃料電池セルの一部に局所的な吸熱部が発生し得る。とりわけ高温で動作するＳＯＦＣのモジュール内のセルの一部にて、このような局所的低温部ともいうべき吸熱部が発生することは、ＳＯＦＣのモジュール内の燃料電池セル間に温度ムラを招き、各燃料電池セル間で発電能力の不均一化が生じて、ＳＯＦＣの耐久性に悪影響を与えることが発明者らによる研究の結果わかった。
【００１０】
さらに、高温動作するＳＯＦＣの燃料電池セルよりの排熱を再利用して別系統の改質器において水素を発生させて利用する機器として、水素自動車や水素を燃料とする燃料電池自動車が利用する為の水素ステーション等の改質ガス利用機器も考えられる。このようにＳＯＦＣと協働する水素ステーションは、水素ステーション自体の管理・運用にかかる電力を自ら発電するのみならず、水素に加えて電気を供給することも可能である。そして、このような水素ステーションも、使用者からの水素供給要求に応じて瞬時に水素の供給量を増加させる必要に迫られる場合が想定され得り、ＰＥＦＣの場合と同様にＳＯＦＣのモジュール内の燃料電池セル間に温度ムラ生じさせ、ＳＯＦＣの耐久性に悪影響を与えることが懸念される。
【００１１】
本発明はこのような課題及び知見に鑑みてなされたものであり、その目的は、ＰＥＦＣに代表される改質ガス利用機器が利用者の要求に応じて所望の状態で稼動可能であり、且つ、当該改質ガス利用機器の稼働状態によって生じ得る、モジュール容器内にて複数の燃料電池セルに生じ得る局所的な吸熱状態を緩和することも可能な固体酸化物形燃料電池装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために、本発明に係る固体酸化物形燃料電池装置は、固体酸化物形燃料電池装置であって、燃料ガスと酸化剤ガスとによって発電を行う複数のセルと、前記複数のセルを収容するモジュール容器と、前記モジュール容器の外壁における外面の一部に配置され、前記複数のセルにて発電時に生じる熱を用いて、吸熱反応によって被改質ガスを別系統の改質ガス利用機器で利用するための改質ガスへと改質する外部改質器とを備え、前記外壁を挟んで前記外部改質器と対向する位置に配置されたセルの一部に生じ得る局所的な吸熱状態を分散させることで緩和する吸熱緩和手段を有する。
【００１３】
本発明に係る固体酸化物形燃料電池装置は、固体酸化物形燃料電池からの熱を利用して、固体酸化物形燃料電池とは別系統の固体高分子形燃料電池に代表される改質ガス利用機器にて利用される改質ガス（水素ガス）を生成する外部改質器を動作させることで、固体酸化物形燃料電池の余熱を有効活用することができる。同時に、改質ガス利用機器も、外部改質器に用いる為の加熱手段を別途持つことなく水素の供給を受けることができる。また、本発明に係る固体酸化物形燃料電池装置では、外部改質器が、燃料電池セルを収容するモジュール容器の外壁における外面の一部に配置されるので、発熱するセルからの熱を外部改質器へと効率的に伝播させることが可能である。ところで、改質ガス利用機器の負荷追従運転によって、外部改質器において用いられる被改質ガスの量が増減すると、改質反応量が増減し、最終的には外部改質器における吸熱量が増減することが想定される。そうすると、固体酸化物形燃料電池装置内の燃料電池セルに伝わる吸熱状態が局所的に変化して、モジュール容器内の特定のセルに影響を与えることが懸念される。そこで本発明では、外壁を挟んで外部改質器と対向する位置に配置されたセルの一部に生じ得る局所的な吸熱状態を分散させることで緩和する吸熱緩和手段を設けている。この吸熱緩和手段によって、特定のセルから過度に吸熱されることなく温度ムラが解消されるので、モジュール容器内のセル全体での均一な発電反応が可能になり、燃料電池としての耐久性も向上する。さらには、吸熱緩和手段が局所的な吸熱状態を緩和することで、改質反応に用いる熱を複数のセルから外部改質器へと効率的に伝播させることができる。
【００１４】
本発明に係る固体酸化物形燃料電池装置では、前記吸熱緩和手段は、前記外壁を挟んで前記外部改質器と対向する位置に配置されたセルを含む第１の領域と、前記複数のセルから前記第１の領域に含まれるセルを除いた残余のセルを含む第２の領域とを熱的に接続する伝熱手段であることも好ましい。
【００１５】
この好ましい態様では、使用電力量の増加要求により外部改質器にて生じる吸熱状態に変化があっても、伝熱手段が、局所的な吸熱状態が発生している第１の領域と、局所的な吸熱状態が発生していない第２の領域との間で熱が伝播することを促進するので、局所的な吸熱状態を緩和することができる。
【００１６】
本発明に係る固体酸化物形燃料電池装置では、前記第２の領域は、前記モジュール容器の内部中心寄りに配置され高温状態となるセルを含むことも好ましい。
【００１７】
この好ましい態様では、伝熱手段が、モジュール容器の内部中心寄りに配置され最も高温状態となるセルを含む第２の領域と、局所的な吸熱状態が発生している第１の領域とを熱的に繋げているので、より高温のセルからの熱を局所的な吸熱部へと伝播させることができ、局所的な吸熱状態をより効率的に緩和することができる。さらに、この好ましい態様では、固体酸化物形燃料電池装置における全燃料電池セル間の温度的なばらつきを効果的に低減させることで、固体酸化物形燃料電池装置自体の発電能力及び耐久性を一層向上させることができる。
【００１８】
本発明に係る固体酸化物形燃料電池装置では、前記吸熱緩和手段は、前記モジュール容器の内部と外部とを断熱する断熱手段であって、前記断熱手段は、前記第１の領域に対応して設けられた第１断熱部と、前記第２の領域に対応して設けられた第２断熱部と、を有し、前記第１断熱部における断熱性能と前記第２断熱部における断熱性能とに差を設け、前記セルへと伝播する吸熱状態を前記第１断熱部と前記第２断熱部との間で等しくする、ことも好ましい。
【００１９】
この好ましい態様では、第１断熱部における断熱性能と、第２断熱部における断熱性能とに差を設けているので、第１の領域においてモジュール容器内外に伝達される熱量と、第２の領域においてモジュール容器内外に伝達される熱量とに差を設けることができる。従って、第１の領域において局所的な吸熱状態が発生したとしても、第２の領域に比較してセルに与える影響を調整し、セルへと伝播する吸熱状態を均一化することができ、断熱性能に差を設けるという簡便な手段で局所的な吸熱状態を緩和し、セルの温度低下をさらに効果的に防止し得る。
【００２０】
本発明に係る固体酸化物形燃料電池装置では、前記第１断熱部の断熱性能が、前記第２断熱部の断熱性能よりも高くなるように構成することもできる。
【００２１】
この好ましい態様では、第１断熱部における断熱性能が、第２断熱部における断熱性能よりも高くなるようにしているので、第１の領域においてモジュール容器内外に伝達される熱量を、第２の領域においてモジュール容器内外に伝達される熱量よりも抑制することができる。従って、第１の領域において局所的な吸熱状態が発生したとしても、それがモジュール容器内部のセルに与える影響を低減し、第１断熱部における断熱性能を高めるという簡便な手段で局所的な吸熱状態を緩和することができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、ＰＥＦＣに代表される改質ガス利用機器の動作状態に対応して、モジュール容器内の複数の発電用セルに生じ得る局所的な吸熱状態を緩和することが可能な固体酸化物形燃料電池装置を提供することできる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第１実施形態に係る固体酸化物形燃料電池装置の概略的な斜視図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る固体酸化物形燃料電池装置の、図１におけるＩＩ―ＩＩ断面図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係る固体酸化物形燃料電池装置の、図２におけるＩＩＩ―ＩＩＩ断面図である。
【図４】本発明の第１実施形態に係る固体酸化物形燃料電池装置の外部改質器にて生じる吸熱状態の変化を示す概略図である。
【図５】本発明の第２実施形態に係る固体酸化物形燃料電池装置の概略的な断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては同一の符号を付して、可能な限り重複する説明は省略する。
【００２５】
本発明の実施形態である燃料電池システムＡＰについて図１及び図２を参照しながら説明する。図１は、燃料電池システムＡＰの概略構成を示す概念図である。図１に示すように、燃料電池システムＡＰは、固体酸化物形燃料電池装置ＡＰ１と、固体高分子形燃料電池装置ＡＰ２とによって構成されている。図２は、図１における固体酸化物形燃料電池装置ＡＰ１の内部が見えるように、図１におけるＩＩ―ＩＩ断面を簡略的に示す模式的断面図である。
【００２６】
固体酸化物形燃料電池装置ＡＰ１は、固体酸化物形燃料電池モジュールＡＰ１ａと、一対の外部改質器１，１’とを備えている。固体高分子形燃料電池装置ＡＰ２は、固体高分子形燃料電池モジュールＡＰ２ａと、水素精製貯蔵部ＨＢとを備えている。
【００２７】
固体酸化物形燃料電池装置ＡＰ１は、燃料ガスと空気（酸化剤ガス）とを電気化学反応させることで発電するための装置として構成されている。固体酸化物形燃料電池モジュールＡＰ１ａは、複数の燃料電池セル７を格納するモジュール容器４と、生成された電流を取り出すための一対の集電ロッド５，５’を備えている。集電ロッド５，５’は、インバータＡＰ１ｖに繋がれている。外部改質器１，１’は、モジュール容器４の側壁面に配置され固体高分子形燃料電池装置ＡＰ２にて用いられる改質ガスを生成するように構成されている。
【００２８】
外部改質器１，１’が生成した水素は、固体高分子形燃料電池装置ＡＰ２の水素精製貯蔵部ＨＢに送られ、必要に応じて高純度の水素に精製された後にバッファされる。その後、水素精製貯蔵部ＨＢに貯蔵された水素は、固体高分子形燃料電池モジュールＡＰ２ａに送られて発電反応に寄与する。固体高分子形燃料電池モジュールＡＰ２ａには、インバータＡＰ２ｖが設けられており、発電された電気を取り出すことが可能なように構成されている。なお上述のとおり、本実施形態における固体高分子形燃料電池装置ＡＰ２に代えて、外部改質器１，１’と接続された水素ステーション等の改質ガス利用機器を用いることもできる。
【００２９】
続いて、固体酸化物形燃料電池装置ＡＰ１について、より詳細に説明する。モジュール容器４は略直方体形状をなし、直方体の正面に相当する部分のモジュール容器４の外壁部材をモジュール壁４ａ、モジュール壁４ａと対向する位置、即ち直方体の背面に相当する部分に設けられた外壁部材をモジュール壁４ｃ、モジュール壁４ａ及び４ｃとを接続し、直方体の側面に相当する部分の外壁部材を各々モジュール壁４ｂ及び４ｄとする。なお、固体酸化物形燃料電池モジュールＡＰ１ａは発電時に高温になることから、各モジュール壁を含むモジュール容器４の構成部材は、例えばインコネルやステンレスなどの耐熱性の合金材料により形成され、燃料ガスや空気などの供給気体を外部に漏出させないために密閉構造となっている。モジュール容器４の内側には、燃料電池セル７とモジュール容器４とを絶縁すると共に、モジュール容器４内部を保温するためのアルミナ繊維等で形成された絶縁断熱部材が設けられても良く、動作温度を安定に保つためにモジュール容器４の外側の全体又は一部が絶縁断熱部材で覆われていてもよい。
【００３０】
固体酸化物形燃料電池モジュールＡＰ１ａのモジュール容器４の上方には、モジュール容器４内の燃料電池セル７へと酸化剤ガスＯＧ（空気）を供給可能な酸化剤ガス供給源ＯＳが接続されており、モジュール容器４の下方には、モジュール容器４内の燃料電池セル７へと燃料ガスＦＧを供給可能な燃料ガス供給源ＦＳが接続されている。なお、固体酸化物形燃料電池モジュールＡＰ１ａにおいてモジュール容器４内の燃料電池セル７に供給される酸化剤ガスＯＧである空気は、モジュール容器４の内部上方に設けた図示してない空気ヘッダを通って制御され、各燃料電池セル７に対して適切に分配・供給されてもよい。この空気ヘッダは、各燃料電池セル７に供給される空気を一時的に貯留して昇温させる役割も果たしている。また、各燃料電池セル７に供給される燃料ガスＦＧは、各燃料電池セル７の下方から供給される。ここで、酸化剤ガスＯＧ及び燃料ガスＦＧの流入位置及び流入方向はモジュール容器４内部の燃料電池セル７の形状等に応じて任意に選択可能である。
【００３１】
一対の集電ロッド５，５’は、モジュール容器４のモジュール壁４ｃの外面に設けられており、モジュール容器４内の燃料電池セル７にて発電・生成された直流電流をインバータＡＰ１ｖへと送出している。そして、インバータＡＰ１ｖは、固体酸化物形燃料電池モジュールＡＰ１ａの燃料電池セル７にて生成された直流電流を、交流電流へと変換している。
【００３２】
固体酸化物形燃料電池装置ＡＰ１における外部改質器１は、固体酸化物形燃料電池モジュールＡＰ１ａと協働するＰＥＦＣに代表される改質ガス利用機器の動作中に用いる改質ガスを生成するために用いられるガス改質器である。本実施形態に係る外部改質器１は、上方にガス入口２を、下方にガス出口３を有しており、被改質ガスＡＧを供給可能な被改質ガス供給源ＡＳより、被改質ガスＡＧと水蒸気のみがガス入口２へと供給され、例えば外部改質器１内部にて以下の化学式に示す水蒸気改質反応ＳＲ、
ＣmＨn＋ａＨ2Ｏ→ｂＣＯ＋ｃＨ2 （１）
が進行する。図２に示す実施形態では、この水蒸気改質反応ＳＲによって生成された改質ガス（水素）は、外部改質器１のガス出口３より固体高分子形燃料電池装置ＡＰ２へと供給され、固体高分子形燃料電池モジュールＡＰ２ａにおける発電に利用される。なお、外部改質器１内部で進行する改質反応としては、水蒸気改質反応ＳＲやオートサーマル改質反応ＡＴＲ等の吸熱反応を伴うものが選択されるので、水素生成反応を促進させる際には、別途吸熱用の熱源を必要とする。しかしながら、本実施形態にかかる外部改質器１は、高温で動作する固体酸化物形燃料電池モジュールＡＰ１ａのモジュール容器４のモジュール壁に直接取付けられており、固体酸化物形燃料電池モジュールＡＰ１ａのモジュール容器４自体が熱源として働くことで、外部改質器１にて水蒸気改質反応ＳＲを進行・促進させる為の熱が外部改質器１，１’へと充分に供給される。
【００３３】
図２を参照すると、固体酸化物形燃料電池モジュールＡＰ１ａのモジュール容器４の内部においては、燃料電池セル７が、６行×２列、１２本（燃料電池セル７ａ乃至７ｌ）ごとに一つの燃料電池セルスタック８として構成された上で、燃料電池セルスタック８a乃至８ｌの１２個のスタックがモジュール容器４内に格納されている。各スタック８内の各燃料電池セル７は、有底筒状であって、セラミックス材料からなり筒の内側から外側に向かって空気極、電解質（固体酸化物）、燃料極の多層構造を形成している。そして、燃料電池セル７の内壁すなわち空気極に空気が、外壁すなわち燃料極に燃料ガスが接触すると、セル内でＯ2-イオンが移動し、電気化学反応を発生させることで空気極と燃料極との間に電位差が生じ、発電が行われる。このようにして燃料電池セル７が発電した電気は、モジュール容器４内部の図示していない集電部材によって集電され、集電ロッド５,５’を経由してインバータへと送られ、一般家庭等で利用可能な交流電流へと変換される。なお、各スタックに封入される燃料電池セル７の構造、形状及び数、並びにモジュールを構成するスタックの数及び配列等は、所望とする発電容量等に応じて適宜選択可能である。
【００３４】
図１及び図２において示すように、モジュール容器４には、正面側のモジュール壁４ａの中央部に外部改質器１が設置され、背面側のモジュール壁４ｃの外部改質器１と概ね対向する位置に外部改質器１と同型の外部改質器１’が設置されている。これら外部改質器１,１’は、各々ガス出口３及び３'を有しており、水蒸気改質反応ＳＲによって生成した改質ガスである水素を固体高分子形燃料電池装置ＡＰ２における水素精製貯蔵部ＨＢへ送り出している。外部改質器１,１’よりの水素は、水素精製貯蔵部ＨＢ内で、必要に応じて高純度の水素に精製されても良く、その後バッファされる。なお、水素精製貯蔵部ＨＢにバッファされた水素は、利用者からの要求に応じて固体高分子形燃料電池モジュールＡＰ２ａ等の改質ガス利用機器へと供給され得る。なお、本実施形態にかかる固体酸化物形燃料電池装置ＡＰ１のモジュール容器４に取付けられる外部改質器１は、改質ガス利用機器側にて所望とする水素量等の条件に応じて単一で設けられても複数個設けられても良く、複数の外部改質器１の各々が別個の改質ガス利用機器と接続されても良いし、本実施形態のように一つの固体高分子形燃料電池装置ＡＰ２に対して複数の外部改質器１,１’が接続されても良い。また、モジュール容器４の一つの外壁側面に複数の外部改質器１を設けても良い。
【００３５】
図１及び図２の双方において示されているように、外部改質器１は、モジュール壁４ａの外面の略中心部に取り付けられ、モジュール壁４ａを挟んで外部改質器１と対向する位置には、燃料電池セルスタック８ｂ乃至８ｅの４つが存在している。これらスタック内に含まれる燃料電池セル７のうち、モジュール壁４ａを挟んで外部改質器１に対応する位置に立設されている６本の燃料電池セル（燃料電池セルスタック８ｃの燃料電池セル７ｂ、燃料電池セルスタック８ｄの燃料電池セル７ａ,７ｂ、燃料電池セルスタック８ｃの燃料電池セル７ａ,７ｂ、及び燃料電池セルスタック８ｄの燃料電池セル７ａ）のモジュール壁４ａの内面側には、外部改質器１のモジュール壁４ａへの接続部分を覆う面積を有する吸熱緩和手段１１が挟み込まれている。本実施形態で用いられる当該吸熱緩和手段１１は、燃料電池セルスタック８ｂ乃至８ｅとモジュール壁４ａとの間の距離と概ね等しい厚さを有する、銅板等の伝熱手段とすることができる。なお、吸熱緩和手段１１の面積及び厚さ、並びに材質は、緩和対象となる吸熱状態（位置及び温度変化量等）に応じて適宜選択可能である。
【００３６】
また、モジュール容器４内部には、燃料電池セルスタック８ｂと８ｃとの間に追加伝熱板９ｂが、燃料電池セルスタック８ｃと８ｄとの間に追加伝熱板９ｃが、燃料電池セルスタック８ｄと８ｅとの間に追加伝熱板９ｄが設けられている。これら追加伝熱板９もまた、銅板等の伝熱材料で形成されており、各々の追加伝熱板９は、吸熱緩和手段１１へと接続されており、吸熱緩和手段１１を貫通する場合には、モジュール壁４ａに対して接触していてもよい。なお、追加伝熱板９の機能については、図３において詳述する。
【００３７】
同様に、モジュール壁４ｃの略中心部に貼り付けられた外部改質器１'のモジュール壁４ｃを挟んで対向する位置にも、吸熱緩和手段１１'が挟み込まれている。また、モジュール容器４内部のスタック間に、燃料電池セルスタック８ｈと８ｉとの間に追加伝熱板９ｈが、燃料電池セルスタック８ｉと８ｊとの間に追加伝熱板９ｉが、燃料電池セルスタック８ｊと８ｋとの間に追加伝熱板９ｊが設けられおり、これら追加伝熱板９が吸熱緩和手段１１'と接続されている点も、上述した吸熱緩和手段１１と同様である。
【００３８】
次に、本発明の実施形態である燃料電池システムＡＰにおける吸熱緩和手段１１を用いた局所的な吸熱状態の緩和の態様を、図３及び図４を参照しながら説明する。図３に示すのは、本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池装置ＡＰ１の図２におけるＩＩＩ―ＩＩＩ断面を簡略的に示す断面図である。本図においては、局所的な吸熱状態の緩和の状態をより簡潔に説明する目的で、実際に配置されている燃料電池セルスタック８ｄ及び８ｊにおいて本断面に示されるべき１２本の燃料電池セル７のうち、一部の燃料電池セル７（燃料電池セルスタック８ｄにおける燃料電池セル７ａ,７ｋ、及び燃料電池セルスタック８ｊにおける燃料電池セル７ａ,７ｉ,７ｋ）のみを表示している。
【００３９】
密閉されたモジュール容器４内部においては、高温で発電動作を行う燃料電池セル７のうち、モジュール容器４のモジュール壁４ａ乃至４ｄに近い外側寄りに配置された燃料電池セル７は、モジュール壁４ａ乃至４ｄより最も離れた中心部寄りに配置された燃料電池セル７と比較して、モジュール容器４外への放熱による温度低下を生じやすい。また、同様の理由で一の燃料電池セル７において、その中央部と比較して上下端部の温度が低くなる傾向がある。つまり、モジュール容器４内を満たす複数の燃料電池セル７においては、縦方向、横方向、及び高さ方向の何れにおいても、中心部寄りの温度が外側端部の温度と比して高くなる。図３においては、このような高温部ＨＡがモジュール容器４の内部中心寄りに破線で示されている。
【００４０】
図２において説明した追加伝熱板９ｉ及び９ｊは、図３に示すように３枚の短冊状の銅板に分割されて上下に間隔を設けて配置され、モジュール容器４内部の中心部に存在する高温部ＨＡを通過してモジュール容器４のモジュール壁４ａと４ｃとの間に延在している。また、追加伝熱板９ｉ及び９ｊは、その端部にて、吸熱緩和手段１１及び１１'を貫通してモジュール壁４ａと４ｃに接触し、モジュール容器４内部に保持されている。このように配置された追加伝熱板９は、モジュール容器４内部中心に存在するセルの高温部ＨＡを含む燃料電池セル７と、モジュール壁４ａ及び４ｃ寄りに配置された温度低下を生じやすい燃料電池セル７との間の熱の移動を促進させ、モジュール容器４内部の燃料電池セル７における温度分布を均一化することに寄与する。このように全燃料電池セル７間の温度的なばらつきを効果的に低減させることで、固体酸化物形燃料電池装置の発電能力及び耐久性を一層向上させることができる。
【００４１】
ここで、上述の通り固体酸化物形燃料電池装置ＡＰ１に接続された固体高分子形燃料電池装置ＡＰ２は、固体酸化物形燃料電池装置ＡＰ１とは別個に制御されている。基本的には、負荷追従性に乏しい固体酸化物形燃料電池装置ＡＰ１が概ね一定の電力量で継続的に発電し続けるのに対して、負荷追従性に富む固体高分子形燃料電池装置ＡＰ２は利用者の要求に応じて必要とされる電力量を瞬間的に供給する役割を果たしている。例えば利用者より使用する電力量を増加させるという要求が送られてきた場合、第１に固体高分子形燃料電池装置ＡＰ２における水素精製貯蔵部ＨＢにおいて精製された後バッファされた水素の固体高分子形燃料電池モジュールＡＰ２ａへの流量が増加する。しかしながら、利用者よりの使用電力量の増加要求が継続的なものである場合や、短時間でも大量の電力量が要求される場合等には、水素精製貯蔵部ＨＢにてバッファした水素だけでは当該発電要求に応えることは不可能であり、固体高分子形燃料電池装置ＡＰ２における発電量を大きく増加させなければならない。よって、固体高分子形燃料電池装置ＡＰ２における発電量自体を継続的又は大幅に増加させる必要がある場合には、外部改質器１における水素供給量を増加させる必要がある。この場合、外部改質器１における水蒸気改質反応ＳＲを促進させる目的で、外部改質器１への被改質ガスＡＧの供給量を増加させる必要が生じる。
【００４２】
図４に示すのは、外部改質器１への被改質ガスＡＧの供給量を増加させた場合に外部改質器１とモジュール容器４との間で生じ得る吸熱状態の変化を示す概略図である。図４の左側（ａ）に示されているのは、利用者による発電量の増加命令がなされていない又は当該増加命令に対して水素精製貯蔵部ＨＢにバッファされた水素で対応可能である等の理由から、被改質ガスの流入量が少ない状態の外部改質器１における吸熱状態である。この状態においては、外部改質器１におけるガス入口２近辺の吸熱量はガス出口３付近の吸熱量と比して高い状態ではあるものの、全体としての吸熱量が大きいとは言えない。これに対して図４の右側（ｂ）に示されているのは、利用者による発電量の増加命令に対応すべく、固体高分子形燃料電池装置ＡＰ２における発電量が増加している等の理由から、被改質ガスの流入量が多い状態の外部改質器１における吸熱状態である。この状態においては、ガス入口２への被改質ガスＡＧの供給量及びガス出口３よりの改質ガスである水素の供給量が大きくなっているだけでなく、外部改質器１におけるガス入口２近辺の吸熱量及びガス出口３付近の吸熱量の何れもが（ａ）に示した状態と比較して高くなっていることが判る。そして、被改質ガスＡＧの供給量が増えてガス入口２近辺での改質反応がより促進されることで、ガス入口２付近を中心として外部改質器１周辺部に局所的な吸熱状態が発生し得ることも明らかである。
【００４３】
上述したように、外部改質器１がモジュール容器４のモジュール壁４ａに取付けられているので、モジュール壁４ａを挟んで外部改質器１と対向する位置に配置された複数の燃料電池セル７からは、図４に示すような局所的な吸熱状態に起因して熱が奪われる。この局所的な吸熱状態に起因した局所的吸熱部ＬＡが図３において示されている。この局所的吸熱部ＬＡは、モジュール容器４のモジュール壁４ａを挟んで外部改質器１と対向する位置に配置されている複数の燃料電池セル７の一部分に対応する領域に生じ、その領域における燃料電池セル７の温度は、局所的吸熱部ＬＡ以外の領域に配置されている燃料電池セル７の温度と比較して著しく低い。なお、局所的吸熱部ＬＡは、一つの燃料電池セル７内に生じたり、外部改質器１の接続部分の一部分にのみ生じる場合もある。しかしそれら何れの場合であっても、局所的吸熱部ＬＡに対応する領域の温度は、モジュール容器４において局所的吸熱部ＬＡに対応する領域を除く残余の領域における温度と比較すると低くなる。このような理由から、外部改質器１における局所的な吸熱状態に起因した局所的吸熱部ＬＡの存在は、固体酸化物形燃料電池モジュールＡＰ１ａのモジュール容器４内に含まれる複数の燃料電池セル７間における温度ムラを生じさせ得る。
【００４４】
しかしながら、本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池装置ＡＰ１は、外部改質器１の取付け位置に対応する位置に外部改質器１の取付け部分を覆う面積を有する吸熱緩和手段１１が挟み込まれており、モジュール容器４の外壁を挟んで外部改質器１と対向する位置に配置された一部の燃料電池セル７において、外部改質器１の局所的吸熱状態に起因した局所的吸熱部ＬＡが生じる場合であっても、吸熱緩和手段１１が当該局所的吸熱部ＬＡ以外の領域に配置された燃料電池セル７の何れかより局所的吸熱部ＬＡへと熱を効果的に伝播させることが可能である。これにより、当該局所的吸熱部ＬＡに配置された燃料電池セル７の吸熱（低温）状態は緩和され、上述したような固体酸化物形燃料電池モジュールＡＰ１ａのモジュール容器４内の温度ムラが解消され得る。また、温度ムラの解消を図ることにより発電能力の均一化も実現可能であり、固体酸化物形燃料電池装置ＡＰ１の耐久性も向上する。さらに、局所的吸熱部ＬＡ以外の燃料電池セル７よりの熱が局所的吸熱部ＬＡに配置された燃料電池セル７へと伝わることで外部改質器１よりの局所的な吸熱要求も改善されるので、外部改質器１における水蒸気改質反応ＳＲをより促進させることもできる。なお、本実施形態に係る吸熱緩和手段１１として伝熱性能の異なる複数の伝熱部材を組み合わせることも可能であり、緩和対象となる吸熱状態（位置及び温度変化量等）に応じて、複数の部材を適宜組み合わせて用いてもよい。
【００４５】
また、本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池装置ＡＰ１は、モジュール容器４内部中心に配置された燃料電池セル７がより高温状態である。そして、当該高温部ＨＡを通る複数の追加伝熱板９は、モジュール容器４内部で最も高温な状態である中心部の燃料電池セル７にて生じている熱を、追加伝熱板９及び吸熱緩和手段１１を介して局所的吸熱部ＬＡまで伝播させることができる。このようにすれば、より多くの熱を局所的吸熱部ＬＡ近辺へと伝播させて固体酸化物形燃料電池モジュールＡＰ１ａにおける局所的な吸熱（低温）状態をさらに緩和できるだけでなく、モジュール容器４内の温度ムラをより効果的に解消して、固体酸化物形燃料電池装置ＡＰ１の耐久性をより一層向上でせることができる。またこの場合、改質反応に必要とされる熱が最も高温な燃料電池セル７の高温部ＨＡより局所的吸熱部ＬＡに配置された燃料電池セル７へと伝わるので、外部改質器１よりの局所的な吸熱要求もより一層改善され、外部改質器１における水蒸気改質反応ＳＲをさらに促進させることもできる。
【００４６】
図５に示すのは、本発明の第２実施形態にかかる固体酸化物形燃料電池装置ＡＰ１の簡略的な断面図であり、断熱材を用いた局所吸熱状態の緩和の態様を示す図である。なお、本図においても、図３と同様に、局所的な吸熱状態の緩和の状態をより簡潔に説明する目的で、実際に同一平面内に配置され得る１２本の燃料電池セル７のうち一部の燃料電池セル７のみを表示している。
【００４７】
本実施形態における外部改質器２１は、先の実施形態と同様に、上方にガス入口２２を、下方にガス出口２３を有しており、被改質ガスＡＧと水蒸気がガス入口２２へと供給され、水蒸気改質反応ＳＲによって生成された水素がガス出口２３より送り出されている。先の実施形態と同様、外部改質器２１において行なわれる水蒸気改質反応ＳＲが吸熱反応であるので、外部改質器２１は、高温で動作する固体酸化物形燃料電池モジュールＡＰ１ａのモジュール容器４の壁面に取付けられている。
【００４８】
先の実施形態と同様に、固体酸化物形燃料電池モジュールＡＰ１ａのモジュール容器４内部においても、第１実施形態と同様の理由から、外部改質器２１のガス入口２２付近を中心にモジュール容器４の燃料電池セル７に局所的吸熱部ＬＡが生じ得る。しかし、本実施形態においては、外部改質器２１が、ガス入口２２寄りの領域における断熱材３２、及びガス出口２３寄りの領域における断熱材３３という、断熱性能の異なる２つの断熱材からなる断熱材３１を介してモジュール壁４ａの略中心部に取付けられている。
【００４９】
このように、本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池モジュールＡＰ１ａは外部改質器２１が断熱材３１を備えているので、外部改質器２１に生じ得る局所的吸熱反応に起因する固体酸化物形燃料電池モジュールＡＰ１ａの燃料電池セル７への温度低下の影響が抑制されている。とりわけ、本実施形態にかかる断熱材３１は、自身を構成する断熱材３２及び断熱材３３の断熱性能に差を設けているので、ＰＥＦＣ側の動作に応じて吸熱反応が生じやすい外部改質器２１のガス入口２２寄りの領域における断熱材３２の断熱性能が、吸熱反応が生じにくい外部改質器２１のガス出口２３寄りの領域における断熱材３３と比較して高くなるように調整すれば、双方の断熱材より燃料電池セル７へ伝わる吸熱状態を同一レベルに近づけ均一化を図ることも可能であり、これにより外部改質器２１の局所的な吸熱状態に起因する燃料電池セル７の局所的吸熱部ＬＡの発生を有意に抑制して燃料電池セル７の温度低下を防止することが可能である。このように、本実施形態にかかる固体酸化物形燃料電池装置は、ガス入口２２寄りの領域における断熱材３２の断熱能力を高めるという簡便な方法で、局所的吸熱部ＬＡの発生を抑えることが可能であり、固体酸化物形燃料電池モジュールＡＰ１ａ内の燃料電池セル７の温度ムラが解消して、発電能力の均一化のみならず固体酸化物形燃料電池装置ＡＰ１の耐久性を向上させることができる。
【００５０】
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、前述した各具体例が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、前述した各実施の形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。
【符号の説明】
【００５１】
１,２１：外部改質器
２,２２：ガス入口
３,２３：ガス出口
４：モジュール容器
４ａ-４ｄ：モジュール壁
５：集電ロッド
７：燃料電池セル
８：燃料電池セルスタック
９：追加伝熱板
１１：吸熱緩和手段
３１,３２,３３：断熱材
ＡＰ１：固体酸化物形燃料電池装置
ＡＰ１ａ：固体酸化物形燃料電池モジュール
ＡＰ２：固体高分子形燃料電池装置
ＡＰ２ａ：固体高分子形燃料電池モジュール
ＡＰ１ｖ,ＡＰ２ｖ：インバータ
ＦＧ：燃料ガス
ＦＳ：燃料ガス供給源
ＯＧ：酸化剤ガス
ＯＳ：酸化剤ガス供給源
ＡＧ：被改質ガス
ＡＳ：被改質ガス供給源
ＨＡ：高温部
ＨＢ：水素精製貯蔵部
ＬＡ：局所的吸熱部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとにより発電を行う固体酸化物形燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体酸化物形燃料電池（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：以下「ＳＯＦＣ」ともいう）は、電解質としてイオン導電性固体酸化物を用い、その両側に電極を取り付けた上で燃料ガスと酸化剤ガス（空気、酸素等）とを供給して、比較的高温で発電反応を生じさせて発電を行う燃料電池装置である。
【０００３】
一般に、ＳＯＦＣは、燃料極層と空気極層との間に酸化物が挟持されてなる燃料電池セルを複数有する燃料電池セル集合体を備えており、燃料ガスと酸化剤ガス（空気、酸素等）とが流れることによって作動する。その際、ＳＯＦＣの外部からは、被改質ガス（例えばメタンガス等の都市ガス）が供給され、当該被改質ガスを改質触媒が収められた改質器に導入して水素リッチな改質ガスに改質した後に、当該改質ガスが燃料電池セル集合体へ供給されるように構成されている。
【０００４】
ＳＯＦＣは、電圧降下などが少ないこともあって高い発電効率で動作することが可能である。しかし、一方では、ＳＯＦＣの起動・停止に要する時間が長時間に亘ることや、発電状態における燃料電池セルにおける動作温度が８００℃を超え、場合によっては９００℃を超える場合もあることなどから、起動・停止にかかる取り扱いの不便さや排熱方法が技術上の問題となる場合が多い。加えて、ＳＯＦＣは燃料電池使用者からの使用電力の変化要求に対する負荷追従性が低く、発電量を瞬時に増減させることが困難である。
【０００５】
それに対して、固体高分子形燃料電池（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ
Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：以下「ＰＥＦＣ」ともいう）は、ＳＯＦＣと比較した場合の発電効率は低いもものの、起動に要する時間が短く、燃料電池使用者からの使用電力の変化要求に対する負荷追従性が高いという特徴を有している。また、ＰＥＦＣも都市ガス等の被改質ガスを水素リッチに改質するために改質器を必要とするところ、改質器内で実行される水素発生反応として吸熱反応が選択されれば、高温動作するＳＯＦＣにて生じる排熱を有効利用することも可能である。
【０００６】
このような考え方のもと、ＰＥＦＣをシステムに組み込むことで、高温動作するＳＯＦＣからの排熱を無駄に捨てるのではなく、ＰＥＦＣに用いる改質器において有効利用して、高い発電効率と高い負荷追従性とを両立させたハイブリッド型燃料電池システムが提案されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００１−２６６９２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述した従来の技術においては、高温動作するＳＯＦＣの燃料電池セルよりの排熱を別系統の改質器において再利用することが可能となっている。しかしながら、負荷追従性の低いＳＯＦＣと負荷追従性が高いＰＥＦＣを組み合わせて用いる場合、利用者による急激な使用電力の変化要求に対応するために、ＳＯＦＣと協働するＰＥＦＣの運転状態を変化させる必要がある。このようにＰＥＦＣの運転状態を変化させる場合には、ＰＥＦＣへの水素供給量を変化させる必要があり、従ってＰＥＦＣ側の改質器で用いられる被改質ガス量も変化してしまう。
【０００９】
一般的な燃料電池システムに用いられる改質器における水素の発生には種々の反応を用いることが可能であるが、高い負荷追従性を有するＰＥＦＣにおいては燃料ガスとして大量の水素を瞬間的に必要とすることが想定される。従って、ＰＥＦＣにおいては、最も水素の収率が高い改質反応である水蒸気改質反応ＳＲを用いることができる。ここで、水蒸気改質反応ＳＲは吸熱反応である。よって、ＰＥＦＣの改質器において水蒸気改質反応ＳＲを用いる場合、改質器への被改質ガスの流入量が増加すると、改質器において局所的な吸熱反応、即ち局所的な温度低下が発生し、当該改質器の近辺に配置されているＳＯＦＣ側の燃料電池セルの一部に局所的な吸熱部が発生し得る。とりわけ高温で動作するＳＯＦＣのモジュール内のセルの一部にて、このような局所的低温部ともいうべき吸熱部が発生することは、ＳＯＦＣのモジュール内の燃料電池セル間に温度ムラを招き、各燃料電池セル間で発電能力の不均一化が生じて、ＳＯＦＣの耐久性に悪影響を与えることが発明者らによる研究の結果わかった。
【００１０】
さらに、高温動作するＳＯＦＣの燃料電池セルよりの排熱を再利用して別系統の改質器において水素を発生させて利用する機器として、水素自動車や水素を燃料とする燃料電池自動車が利用する為の水素ステーション等の改質ガス利用機器も考えられる。このようにＳＯＦＣと協働する水素ステーションは、水素ステーション自体の管理・運用にかかる電力を自ら発電するのみならず、水素に加えて電気を供給することも可能である。そして、このような水素ステーションも、使用者からの水素供給要求に応じて瞬時に水素の供給量を増加させる必要に迫られる場合が想定され得り、ＰＥＦＣの場合と同様にＳＯＦＣのモジュール内の燃料電池セル間に温度ムラ生じさせ、ＳＯＦＣの耐久性に悪影響を与えることが懸念される。
【００１１】
本発明はこのような課題及び知見に鑑みてなされたものであり、その目的は、ＰＥＦＣに代表される改質ガス利用機器が利用者の要求に応じて所望の状態で稼動可能であり、且つ、当該改質ガス利用機器の稼働状態によって生じ得る、モジュール容器内にて複数の燃料電池セルに生じ得る局所的な吸熱状態を緩和することも可能な固体酸化物形燃料電池装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために、本発明に係る固体酸化物形燃料電池装置は、固体酸化物形燃料電池装置であって、燃料ガスと酸化剤ガスとによって発電を行う複数のセルと、前記複数のセルを収容するモジュール容器と、前記モジュール容器の外壁における外面の一部に配置され、前記複数のセルにて発電時に生じる熱を用いて、吸熱反応によって被改質ガスを別系統の改質ガス利用機器で利用するための改質ガスへと改質する外部改質器とを備え、前記外壁を挟んで前記外部改質器と対向する位置に配置されたセルの一部に生じ得る局所的な吸熱状態を分散させることで緩和する吸熱緩和手段を有する。
【００１３】
本発明に係る固体酸化物形燃料電池装置は、固体酸化物形燃料電池からの熱を利用して、固体酸化物形燃料電池とは別系統の固体高分子形燃料電池に代表される改質ガス利用機器にて利用される改質ガス（水素ガス）を生成する外部改質器を動作させることで、固体酸化物形燃料電池の余熱を有効活用することができる。同時に、改質ガス利用機器も、外部改質器に用いる為の加熱手段を別途持つことなく水素の供給を受けることができる。また、本発明に係る固体酸化物形燃料電池装置では、外部改質器が、燃料電池セルを収容するモジュール容器の外壁における外面の一部に配置されるので、発熱するセルからの熱を外部改質器へと効率的に伝播させることが可能である。ところで、改質ガス利用機器の負荷追従運転によって、外部改質器において用いられる被改質ガスの量が増減すると、改質反応量が増減し、最終的には外部改質器における吸熱量が増減することが想定される。そうすると、固体酸化物形燃料電池装置内の燃料電池セルに伝わる吸熱状態が局所的に変化して、モジュール容器内の特定のセルに影響を与えることが懸念される。そこで本発明では、外壁を挟んで外部改質器と対向する位置に配置されたセルの一部に生じ得る局所的な吸熱状態を分散させることで緩和する吸熱緩和手段を設けている。この吸熱緩和手段によって、特定のセルから過度に吸熱されることなく温度ムラが解消されるので、モジュール容器内のセル全体での均一な発電反応が可能になり、燃料電池としての耐久性も向上する。さらには、吸熱緩和手段が局所的な吸熱状態を緩和することで、改質反応に用いる熱を複数のセルから外部改質器へと効率的に伝播させることができる。
【００１４】
本発明に係る固体酸化物形燃料電池装置では、前記吸熱緩和手段は、前記外壁を挟んで前記外部改質器と対向する位置に配置されたセルを含む第１の領域と、前記複数のセルから前記第１の領域に含まれるセルを除いた残余のセルを含む第２の領域とを熱的に接続する伝熱手段であることも好ましい。
【００１５】
この好ましい態様では、使用電力量の増加要求により外部改質器にて生じる吸熱状態に変化があっても、伝熱手段が、局所的な吸熱状態が発生している第１の領域と、局所的な吸熱状態が発生していない第２の領域との間で熱が伝播することを促進するので、局所的な吸熱状態を緩和することができる。
【００１６】
本発明に係る固体酸化物形燃料電池装置では、前記第２の領域は、前記モジュール容器の内部中心寄りに配置され高温状態となるセルを含むことも好ましい。
【００１７】
この好ましい態様では、伝熱手段が、モジュール容器の内部中心寄りに配置され最も高温状態となるセルを含む第２の領域と、局所的な吸熱状態が発生している第１の領域とを熱的に繋げているので、より高温のセルからの熱を局所的な吸熱部へと伝播させることができ、局所的な吸熱状態をより効率的に緩和することができる。さらに、この好ましい態様では、固体酸化物形燃料電池装置における全燃料電池セル間の温度的なばらつきを効果的に低減させることで、固体酸化物形燃料電池装置自体の発電能力及び耐久性を一層向上させることができる。
【００１８】
本発明に係る固体酸化物形燃料電池装置では、前記吸熱緩和手段は、前記モジュール容器の内部と外部とを断熱する断熱手段であって、前記断熱手段は、前記第１の領域に対応して設けられた第１断熱部と、前記第２の領域に対応して設けられた第２断熱部と、を有し、前記第１断熱部における断熱性能と前記第２断熱部における断熱性能とに差を設け、前記セルへと伝播する吸熱状態を前記第１断熱部と前記第２断熱部との間で等しくする、ことも好ましい。
【００１９】
この好ましい態様では、第１断熱部における断熱性能と、第２断熱部における断熱性能とに差を設けているので、第１の領域においてモジュール容器内外に伝達される熱量と、第２の領域においてモジュール容器内外に伝達される熱量とに差を設けることができる。従って、第１の領域において局所的な吸熱状態が発生したとしても、第２の領域に比較してセルに与える影響を調整し、セルへと伝播する吸熱状態を均一化することができ、断熱性能に差を設けるという簡便な手段で局所的な吸熱状態を緩和し、セルの温度低下をさらに効果的に防止し得る。
【００２０】
本発明に係る固体酸化物形燃料電池装置では、前記第１断熱部の断熱性能が、前記第２断熱部の断熱性能よりも高くなるように構成することもできる。
【００２１】
この好ましい態様では、第１断熱部における断熱性能が、第２断熱部における断熱性能よりも高くなるようにしているので、第１の領域においてモジュール容器内外に伝達される熱量を、第２の領域においてモジュール容器内外に伝達される熱量よりも抑制することができる。従って、第１の領域において局所的な吸熱状態が発生したとしても、それがモジュール容器内部のセルに与える影響を低減し、第１断熱部における断熱性能を高めるという簡便な手段で局所的な吸熱状態を緩和することができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、ＰＥＦＣに代表される改質ガス利用機器の動作状態に対応して、モジュール容器内の複数の発電用セルに生じ得る局所的な吸熱状態を緩和することが可能な固体酸化物形燃料電池装置を提供することできる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第１実施形態に係る固体酸化物形燃料電池装置の概略的な斜視図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る固体酸化物形燃料電池装置の、図１におけるＩＩ―ＩＩ断面図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係る固体酸化物形燃料電池装置の、図２におけるＩＩＩ―ＩＩＩ断面図である。
【図４】本発明の第１実施形態に係る固体酸化物形燃料電池装置の外部改質器にて生じる吸熱状態の変化を示す概略図である。
【図５】本発明の第２実施形態に係る固体酸化物形燃料電池装置の概略的な断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては同一の符号を付して、可能な限り重複する説明は省略する。
【００２５】
本発明の実施形態である燃料電池システムＡＰについて図１及び図２を参照しながら説明する。図１は、燃料電池システムＡＰの概略構成を示す概念図である。図１に示すように、燃料電池システムＡＰは、固体酸化物形燃料電池装置ＡＰ１と、固体高分子形燃料電池装置ＡＰ２とによって構成されている。図２は、図１における固体酸化物形燃料電池装置ＡＰ１の内部が見えるように、図１におけるＩＩ―ＩＩ断面を簡略的に示す模式的断面図である。
【００２６】
固体酸化物形燃料電池装置ＡＰ１は、固体酸化物形燃料電池モジュールＡＰ１ａと、一対の外部改質器１，１’とを備えている。固体高分子形燃料電池装置ＡＰ２は、固体高分子形燃料電池モジュールＡＰ２ａと、水素精製貯蔵部ＨＢとを備えている。
【００２７】
固体酸化物形燃料電池装置ＡＰ１は、燃料ガスと空気（酸化剤ガス）とを電気化学反応させることで発電するための装置として構成されている。固体酸化物形燃料電池モジュールＡＰ１ａは、複数の燃料電池セル７を格納するモジュール容器４と、生成された電流を取り出すための一対の集電ロッド５，５’を備えている。集電ロッド５，５’は、インバータＡＰ１ｖに繋がれている。外部改質器１，１’は、モジュール容器４の側壁面に配置され固体高分子形燃料電池装置ＡＰ２にて用いられる改質ガスを生成するように構成されている。
【００２８】
外部改質器１，１’が生成した水素は、固体高分子形燃料電池装置ＡＰ２の水素精製貯蔵部ＨＢに送られ、必要に応じて高純度の水素に精製された後にバッファされる。その後、水素精製貯蔵部ＨＢに貯蔵された水素は、固体高分子形燃料電池モジュールＡＰ２ａに送られて発電反応に寄与する。固体高分子形燃料電池モジュールＡＰ２ａには、インバータＡＰ２ｖが設けられており、発電された電気を取り出すことが可能なように構成されている。なお上述のとおり、本実施形態における固体高分子形燃料電池装置ＡＰ２に代えて、外部改質器１，１’と接続された水素ステーション等の改質ガス利用機器を用いることもできる。
【００２９】
続いて、固体酸化物形燃料電池装置ＡＰ１について、より詳細に説明する。モジュール容器４は略直方体形状をなし、直方体の正面に相当する部分のモジュール容器４の外壁部材をモジュール壁４ａ、モジュール壁４ａと対向する位置、即ち直方体の背面に相当する部分に設けられた外壁部材をモジュール壁４ｃ、モジュール壁４ａ及び４ｃとを接続し、直方体の側面に相当する部分の外壁部材を各々モジュール壁４ｂ及び４ｄとする。なお、固体酸化物形燃料電池モジュールＡＰ１ａは発電時に高温になることから、各モジュール壁を含むモジュール容器４の構成部材は、例えばインコネルやステンレスなどの耐熱性の合金材料により形成され、燃料ガスや空気などの供給気体を外部に漏出させないために密閉構造となっている。モジュール容器４の内側には、燃料電池セル７とモジュール容器４とを絶縁すると共に、モジュール容器４内部を保温するためのアルミナ繊維等で形成された絶縁断熱部材が設けられても良く、動作温度を安定に保つためにモジュール容器４の外側の全体又は一部が絶縁断熱部材で覆われていてもよい。
【００３０】
固体酸化物形燃料電池モジュールＡＰ１ａのモジュール容器４の上方には、モジュール容器４内の燃料電池セル７へと酸化剤ガスＯＧ（空気）を供給可能な酸化剤ガス供給源ＯＳが接続されており、モジュール容器４の下方には、モジュール容器４内の燃料電池セル７へと燃料ガスＦＧを供給可能な燃料ガス供給源ＦＳが接続されている。なお、固体酸化物形燃料電池モジュールＡＰ１ａにおいてモジュール容器４内の燃料電池セル７に供給される酸化剤ガスＯＧである空気は、モジュール容器４の内部上方に設けた図示してない空気ヘッダを通って制御され、各燃料電池セル７に対して適切に分配・供給されてもよい。この空気ヘッダは、各燃料電池セル７に供給される空気を一時的に貯留して昇温させる役割も果たしている。また、各燃料電池セル７に供給される燃料ガスＦＧは、各燃料電池セル７の下方から供給される。ここで、酸化剤ガスＯＧ及び燃料ガスＦＧの流入位置及び流入方向はモジュール容器４内部の燃料電池セル７の形状等に応じて任意に選択可能である。
【００３１】
一対の集電ロッド５，５’は、モジュール容器４のモジュール壁４ｃの外面に設けられており、モジュール容器４内の燃料電池セル７にて発電・生成された直流電流をインバータＡＰ１ｖへと送出している。そして、インバータＡＰ１ｖは、固体酸化物形燃料電池モジュールＡＰ１ａの燃料電池セル７にて生成された直流電流を、交流電流へと変換している。
【００３２】
固体酸化物形燃料電池装置ＡＰ１における外部改質器１は、固体酸化物形燃料電池モジュールＡＰ１ａと協働するＰＥＦＣに代表される改質ガス利用機器の動作中に用いる改質ガスを生成するために用いられるガス改質器である。本実施形態に係る外部改質器１は、上方にガス入口２を、下方にガス出口３を有しており、被改質ガスＡＧを供給可能な被改質ガス供給源ＡＳより、被改質ガスＡＧと水蒸気のみがガス入口２へと供給され、例えば外部改質器１内部にて以下の化学式に示す水蒸気改質反応ＳＲ、
ＣmＨn＋ａＨ2Ｏ→ｂＣＯ＋ｃＨ2 （１）
が進行する。図２に示す実施形態では、この水蒸気改質反応ＳＲによって生成された改質ガス（水素）は、外部改質器１のガス出口３より固体高分子形燃料電池装置ＡＰ２へと供給され、固体高分子形燃料電池モジュールＡＰ２ａにおける発電に利用される。なお、外部改質器１内部で進行する改質反応としては、水蒸気改質反応ＳＲやオートサーマル改質反応ＡＴＲ等の吸熱反応を伴うものが選択されるので、水素生成反応を促進させる際には、別途吸熱用の熱源を必要とする。しかしながら、本実施形態にかかる外部改質器１は、高温で動作する固体酸化物形燃料電池モジュールＡＰ１ａのモジュール容器４のモジュール壁に直接取付けられており、固体酸化物形燃料電池モジュールＡＰ１ａのモジュール容器４自体が熱源として働くことで、外部改質器１にて水蒸気改質反応ＳＲを進行・促進させる為の熱が外部改質器１，１’へと充分に供給される。
【００３３】
図２を参照すると、固体酸化物形燃料電池モジュールＡＰ１ａのモジュール容器４の内部においては、燃料電池セル７が、６行×２列、１２本（燃料電池セル７ａ乃至７ｌ）ごとに一つの燃料電池セルスタック８として構成された上で、燃料電池セルスタック８a乃至８ｌの１２個のスタックがモジュール容器４内に格納されている。各スタック８内の各燃料電池セル７は、有底筒状であって、セラミックス材料からなり筒の内側から外側に向かって空気極、電解質（固体酸化物）、燃料極の多層構造を形成している。そして、燃料電池セル７の内壁すなわち空気極に空気が、外壁すなわち燃料極に燃料ガスが接触すると、セル内でＯ2-イオンが移動し、電気化学反応を発生させることで空気極と燃料極との間に電位差が生じ、発電が行われる。このようにして燃料電池セル７が発電した電気は、モジュール容器４内部の図示していない集電部材によって集電され、集電ロッド５,５’を経由してインバータへと送られ、一般家庭等で利用可能な交流電流へと変換される。なお、各スタックに封入される燃料電池セル７の構造、形状及び数、並びにモジュールを構成するスタックの数及び配列等は、所望とする発電容量等に応じて適宜選択可能である。
【００３４】
図１及び図２において示すように、モジュール容器４には、正面側のモジュール壁４ａの中央部に外部改質器１が設置され、背面側のモジュール壁４ｃの外部改質器１と概ね対向する位置に外部改質器１と同型の外部改質器１’が設置されている。これら外部改質器１,１’は、各々ガス出口３及び３'を有しており、水蒸気改質反応ＳＲによって生成した改質ガスである水素を固体高分子形燃料電池装置ＡＰ２における水素精製貯蔵部ＨＢへ送り出している。外部改質器１,１’よりの水素は、水素精製貯蔵部ＨＢ内で、必要に応じて高純度の水素に精製されても良く、その後バッファされる。なお、水素精製貯蔵部ＨＢにバッファされた水素は、利用者からの要求に応じて固体高分子形燃料電池モジュールＡＰ２ａ等の改質ガス利用機器へと供給され得る。なお、本実施形態にかかる固体酸化物形燃料電池装置ＡＰ１のモジュール容器４に取付けられる外部改質器１は、改質ガス利用機器側にて所望とする水素量等の条件に応じて単一で設けられても複数個設けられても良く、複数の外部改質器１の各々が別個の改質ガス利用機器と接続されても良いし、本実施形態のように一つの固体高分子形燃料電池装置ＡＰ２に対して複数の外部改質器１,１’が接続されても良い。また、モジュール容器４の一つの外壁側面に複数の外部改質器１を設けても良い。
【００３５】
図１及び図２の双方において示されているように、外部改質器１は、モジュール壁４ａの外面の略中心部に取り付けられ、モジュール壁４ａを挟んで外部改質器１と対向する位置には、燃料電池セルスタック８ｂ乃至８ｅの４つが存在している。これらスタック内に含まれる燃料電池セル７のうち、モジュール壁４ａを挟んで外部改質器１に対応する位置に立設されている６本の燃料電池セル（燃料電池セルスタック８ｃの燃料電池セル７ｂ、燃料電池セルスタック８ｄの燃料電池セル７ａ,７ｂ、燃料電池セルスタック８ｃの燃料電池セル７ａ,７ｂ、及び燃料電池セルスタック８ｄの燃料電池セル７ａ）のモジュール壁４ａの内面側には、外部改質器１のモジュール壁４ａへの接続部分を覆う面積を有する吸熱緩和手段１１が挟み込まれている。本実施形態で用いられる当該吸熱緩和手段１１は、燃料電池セルスタック８ｂ乃至８ｅとモジュール壁４ａとの間の距離と概ね等しい厚さを有する、銅板等の伝熱手段とすることができる。なお、吸熱緩和手段１１の面積及び厚さ、並びに材質は、緩和対象となる吸熱状態（位置及び温度変化量等）に応じて適宜選択可能である。
【００３６】
また、モジュール容器４内部には、燃料電池セルスタック８ｂと８ｃとの間に追加伝熱板９ｂが、燃料電池セルスタック８ｃと８ｄとの間に追加伝熱板９ｃが、燃料電池セルスタック８ｄと８ｅとの間に追加伝熱板９ｄが設けられている。これら追加伝熱板９もまた、銅板等の伝熱材料で形成されており、各々の追加伝熱板９は、吸熱緩和手段１１へと接続されており、吸熱緩和手段１１を貫通する場合には、モジュール壁４ａに対して接触していてもよい。なお、追加伝熱板９の機能については、図３において詳述する。
【００３７】
同様に、モジュール壁４ｃの略中心部に貼り付けられた外部改質器１'のモジュール壁４ｃを挟んで対向する位置にも、吸熱緩和手段１１'が挟み込まれている。また、モジュール容器４内部のスタック間に、燃料電池セルスタック８ｈと８ｉとの間に追加伝熱板９ｈが、燃料電池セルスタック８ｉと８ｊとの間に追加伝熱板９ｉが、燃料電池セルスタック８ｊと８ｋとの間に追加伝熱板９ｊが設けられおり、これら追加伝熱板９が吸熱緩和手段１１'と接続されている点も、上述した吸熱緩和手段１１と同様である。
【００３８】
次に、本発明の実施形態である燃料電池システムＡＰにおける吸熱緩和手段１１を用いた局所的な吸熱状態の緩和の態様を、図３及び図４を参照しながら説明する。図３に示すのは、本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池装置ＡＰ１の図２におけるＩＩＩ―ＩＩＩ断面を簡略的に示す断面図である。本図においては、局所的な吸熱状態の緩和の状態をより簡潔に説明する目的で、実際に配置されている燃料電池セルスタック８ｄ及び８ｊにおいて本断面に示されるべき１２本の燃料電池セル７のうち、一部の燃料電池セル７（燃料電池セルスタック８ｄにおける燃料電池セル７ａ,７ｋ、及び燃料電池セルスタック８ｊにおける燃料電池セル７ａ,７ｉ,７ｋ）のみを表示している。
【００３９】
密閉されたモジュール容器４内部においては、高温で発電動作を行う燃料電池セル７のうち、モジュール容器４のモジュール壁４ａ乃至４ｄに近い外側寄りに配置された燃料電池セル７は、モジュール壁４ａ乃至４ｄより最も離れた中心部寄りに配置された燃料電池セル７と比較して、モジュール容器４外への放熱による温度低下を生じやすい。また、同様の理由で一の燃料電池セル７において、その中央部と比較して上下端部の温度が低くなる傾向がある。つまり、モジュール容器４内を満たす複数の燃料電池セル７においては、縦方向、横方向、及び高さ方向の何れにおいても、中心部寄りの温度が外側端部の温度と比して高くなる。図３においては、このような高温部ＨＡがモジュール容器４の内部中心寄りに破線で示されている。
【００４０】
図２において説明した追加伝熱板９ｉ及び９ｊは、図３に示すように３枚の短冊状の銅板に分割されて上下に間隔を設けて配置され、モジュール容器４内部の中心部に存在する高温部ＨＡを通過してモジュール容器４のモジュール壁４ａと４ｃとの間に延在している。また、追加伝熱板９ｉ及び９ｊは、その端部にて、吸熱緩和手段１１及び１１'を貫通してモジュール壁４ａと４ｃに接触し、モジュール容器４内部に保持されている。このように配置された追加伝熱板９は、モジュール容器４内部中心に存在するセルの高温部ＨＡを含む燃料電池セル７と、モジュール壁４ａ及び４ｃ寄りに配置された温度低下を生じやすい燃料電池セル７との間の熱の移動を促進させ、モジュール容器４内部の燃料電池セル７における温度分布を均一化することに寄与する。このように全燃料電池セル７間の温度的なばらつきを効果的に低減させることで、固体酸化物形燃料電池装置の発電能力及び耐久性を一層向上させることができる。
【００４１】
ここで、上述の通り固体酸化物形燃料電池装置ＡＰ１に接続された固体高分子形燃料電池装置ＡＰ２は、固体酸化物形燃料電池装置ＡＰ１とは別個に制御されている。基本的には、負荷追従性に乏しい固体酸化物形燃料電池装置ＡＰ１が概ね一定の電力量で継続的に発電し続けるのに対して、負荷追従性に富む固体高分子形燃料電池装置ＡＰ２は利用者の要求に応じて必要とされる電力量を瞬間的に供給する役割を果たしている。例えば利用者より使用する電力量を増加させるという要求が送られてきた場合、第１に固体高分子形燃料電池装置ＡＰ２における水素精製貯蔵部ＨＢにおいて精製された後バッファされた水素の固体高分子形燃料電池モジュールＡＰ２ａへの流量が増加する。しかしながら、利用者よりの使用電力量の増加要求が継続的なものである場合や、短時間でも大量の電力量が要求される場合等には、水素精製貯蔵部ＨＢにてバッファした水素だけでは当該発電要求に応えることは不可能であり、固体高分子形燃料電池装置ＡＰ２における発電量を大きく増加させなければならない。よって、固体高分子形燃料電池装置ＡＰ２における発電量自体を継続的又は大幅に増加させる必要がある場合には、外部改質器１における水素供給量を増加させる必要がある。この場合、外部改質器１における水蒸気改質反応ＳＲを促進させる目的で、外部改質器１への被改質ガスＡＧの供給量を増加させる必要が生じる。
【００４２】
図４に示すのは、外部改質器１への被改質ガスＡＧの供給量を増加させた場合に外部改質器１とモジュール容器４との間で生じ得る吸熱状態の変化を示す概略図である。図４の左側（ａ）に示されているのは、利用者による発電量の増加命令がなされていない又は当該増加命令に対して水素精製貯蔵部ＨＢにバッファされた水素で対応可能である等の理由から、被改質ガスの流入量が少ない状態の外部改質器１における吸熱状態である。この状態においては、外部改質器１におけるガス入口２近辺の吸熱量はガス出口３付近の吸熱量と比して高い状態ではあるものの、全体としての吸熱量が大きいとは言えない。これに対して図４の右側（ｂ）に示されているのは、利用者による発電量の増加命令に対応すべく、固体高分子形燃料電池装置ＡＰ２における発電量が増加している等の理由から、被改質ガスの流入量が多い状態の外部改質器１における吸熱状態である。この状態においては、ガス入口２への被改質ガスＡＧの供給量及びガス出口３よりの改質ガスである水素の供給量が大きくなっているだけでなく、外部改質器１におけるガス入口２近辺の吸熱量及びガス出口３付近の吸熱量の何れもが（ａ）に示した状態と比較して高くなっていることが判る。そして、被改質ガスＡＧの供給量が増えてガス入口２近辺での改質反応がより促進されることで、ガス入口２付近を中心として外部改質器１周辺部に局所的な吸熱状態が発生し得ることも明らかである。
【００４３】
上述したように、外部改質器１がモジュール容器４のモジュール壁４ａに取付けられているので、モジュール壁４ａを挟んで外部改質器１と対向する位置に配置された複数の燃料電池セル７からは、図４に示すような局所的な吸熱状態に起因して熱が奪われる。この局所的な吸熱状態に起因した局所的吸熱部ＬＡが図３において示されている。この局所的吸熱部ＬＡは、モジュール容器４のモジュール壁４ａを挟んで外部改質器１と対向する位置に配置されている複数の燃料電池セル７の一部分に対応する領域に生じ、その領域における燃料電池セル７の温度は、局所的吸熱部ＬＡ以外の領域に配置されている燃料電池セル７の温度と比較して著しく低い。なお、局所的吸熱部ＬＡは、一つの燃料電池セル７内に生じたり、外部改質器１の接続部分の一部分にのみ生じる場合もある。しかしそれら何れの場合であっても、局所的吸熱部ＬＡに対応する領域の温度は、モジュール容器４において局所的吸熱部ＬＡに対応する領域を除く残余の領域における温度と比較すると低くなる。このような理由から、外部改質器１における局所的な吸熱状態に起因した局所的吸熱部ＬＡの存在は、固体酸化物形燃料電池モジュールＡＰ１ａのモジュール容器４内に含まれる複数の燃料電池セル７間における温度ムラを生じさせ得る。
【００４４】
しかしながら、本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池装置ＡＰ１は、外部改質器１の取付け位置に対応する位置に外部改質器１の取付け部分を覆う面積を有する吸熱緩和手段１１が挟み込まれており、モジュール容器４の外壁を挟んで外部改質器１と対向する位置に配置された一部の燃料電池セル７において、外部改質器１の局所的吸熱状態に起因した局所的吸熱部ＬＡが生じる場合であっても、吸熱緩和手段１１が当該局所的吸熱部ＬＡ以外の領域に配置された燃料電池セル７の何れかより局所的吸熱部ＬＡへと熱を効果的に伝播させることが可能である。これにより、当該局所的吸熱部ＬＡに配置された燃料電池セル７の吸熱（低温）状態は緩和され、上述したような固体酸化物形燃料電池モジュールＡＰ１ａのモジュール容器４内の温度ムラが解消され得る。また、温度ムラの解消を図ることにより発電能力の均一化も実現可能であり、固体酸化物形燃料電池装置ＡＰ１の耐久性も向上する。さらに、局所的吸熱部ＬＡ以外の燃料電池セル７よりの熱が局所的吸熱部ＬＡに配置された燃料電池セル７へと伝わることで外部改質器１よりの局所的な吸熱要求も改善されるので、外部改質器１における水蒸気改質反応ＳＲをより促進させることもできる。なお、本実施形態に係る吸熱緩和手段１１として伝熱性能の異なる複数の伝熱部材を組み合わせることも可能であり、緩和対象となる吸熱状態（位置及び温度変化量等）に応じて、複数の部材を適宜組み合わせて用いてもよい。
【００４５】
また、本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池装置ＡＰ１は、モジュール容器４内部中心に配置された燃料電池セル７がより高温状態である。そして、当該高温部ＨＡを通る複数の追加伝熱板９は、モジュール容器４内部で最も高温な状態である中心部の燃料電池セル７にて生じている熱を、追加伝熱板９及び吸熱緩和手段１１を介して局所的吸熱部ＬＡまで伝播させることができる。このようにすれば、より多くの熱を局所的吸熱部ＬＡ近辺へと伝播させて固体酸化物形燃料電池モジュールＡＰ１ａにおける局所的な吸熱（低温）状態をさらに緩和できるだけでなく、モジュール容器４内の温度ムラをより効果的に解消して、固体酸化物形燃料電池装置ＡＰ１の耐久性をより一層向上でせることができる。またこの場合、改質反応に必要とされる熱が最も高温な燃料電池セル７の高温部ＨＡより局所的吸熱部ＬＡに配置された燃料電池セル７へと伝わるので、外部改質器１よりの局所的な吸熱要求もより一層改善され、外部改質器１における水蒸気改質反応ＳＲをさらに促進させることもできる。
【００４６】
図５に示すのは、本発明の第２実施形態にかかる固体酸化物形燃料電池装置ＡＰ１の簡略的な断面図であり、断熱材を用いた局所吸熱状態の緩和の態様を示す図である。なお、本図においても、図３と同様に、局所的な吸熱状態の緩和の状態をより簡潔に説明する目的で、実際に同一平面内に配置され得る１２本の燃料電池セル７のうち一部の燃料電池セル７のみを表示している。
【００４７】
本実施形態における外部改質器２１は、先の実施形態と同様に、上方にガス入口２２を、下方にガス出口２３を有しており、被改質ガスＡＧと水蒸気がガス入口２２へと供給され、水蒸気改質反応ＳＲによって生成された水素がガス出口２３より送り出されている。先の実施形態と同様、外部改質器２１において行なわれる水蒸気改質反応ＳＲが吸熱反応であるので、外部改質器２１は、高温で動作する固体酸化物形燃料電池モジュールＡＰ１ａのモジュール容器４の壁面に取付けられている。
【００４８】
先の実施形態と同様に、固体酸化物形燃料電池モジュールＡＰ１ａのモジュール容器４内部においても、第１実施形態と同様の理由から、外部改質器２１のガス入口２２付近を中心にモジュール容器４の燃料電池セル７に局所的吸熱部ＬＡが生じ得る。しかし、本実施形態においては、外部改質器２１が、ガス入口２２寄りの領域における断熱材３２、及びガス出口２３寄りの領域における断熱材３３という、断熱性能の異なる２つの断熱材からなる断熱材３１を介してモジュール壁４ａの略中心部に取付けられている。
【００４９】
このように、本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池モジュールＡＰ１ａは外部改質器２１が断熱材３１を備えているので、外部改質器２１に生じ得る局所的吸熱反応に起因する固体酸化物形燃料電池モジュールＡＰ１ａの燃料電池セル７への温度低下の影響が抑制されている。とりわけ、本実施形態にかかる断熱材３１は、自身を構成する断熱材３２及び断熱材３３の断熱性能に差を設けているので、ＰＥＦＣ側の動作に応じて吸熱反応が生じやすい外部改質器２１のガス入口２２寄りの領域における断熱材３２の断熱性能が、吸熱反応が生じにくい外部改質器２１のガス出口２３寄りの領域における断熱材３３と比較して高くなるように調整すれば、双方の断熱材より燃料電池セル７へ伝わる吸熱状態を同一レベルに近づけ均一化を図ることも可能であり、これにより外部改質器２１の局所的な吸熱状態に起因する燃料電池セル７の局所的吸熱部ＬＡの発生を有意に抑制して燃料電池セル７の温度低下を防止することが可能である。このように、本実施形態にかかる固体酸化物形燃料電池装置は、ガス入口２２寄りの領域における断熱材３２の断熱能力を高めるという簡便な方法で、局所的吸熱部ＬＡの発生を抑えることが可能であり、固体酸化物形燃料電池モジュールＡＰ１ａ内の燃料電池セル７の温度ムラが解消して、発電能力の均一化のみならず固体酸化物形燃料電池装置ＡＰ１の耐久性を向上させることができる。
【００５０】
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、前述した各具体例が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、前述した各実施の形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。
【符号の説明】
【００５１】
１,２１：外部改質器
２,２２：ガス入口
３,２３：ガス出口
４：モジュール容器
４ａ-４ｄ：モジュール壁
５：集電ロッド
７：燃料電池セル
８：燃料電池セルスタック
９：追加伝熱板
１１：吸熱緩和手段
３１,３２,３３：断熱材
ＡＰ１：固体酸化物形燃料電池装置
ＡＰ１ａ：固体酸化物形燃料電池モジュール
ＡＰ２：固体高分子形燃料電池装置
ＡＰ２ａ：固体高分子形燃料電池モジュール
ＡＰ１ｖ,ＡＰ２ｖ：インバータ
ＦＧ：燃料ガス
ＦＳ：燃料ガス供給源
ＯＧ：酸化剤ガス
ＯＳ：酸化剤ガス供給源
ＡＧ：被改質ガス
ＡＳ：被改質ガス供給源
ＨＡ：高温部
ＨＢ：水素精製貯蔵部
ＬＡ：局所的吸熱部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体酸化物形燃料電池装置であって、
燃料ガスと酸化剤ガスとによって発電を行う複数のセルと、
前記複数のセルを収容するモジュール容器と、
前記モジュール容器の外壁における外面の一部に配置され、前記複数のセルにて発電時に生じる熱を用いて、吸熱反応によって被改質ガスを別系統の改質ガス利用機器で利用するための改質ガスへと改質する外部改質器とを備え、
前記外壁を挟んで前記外部改質器と対向する位置に配置されたセルの一部に生じ得る局所的な吸熱状態を分散させることで緩和する吸熱緩和手段を有する、固体酸化物形燃料電池装置。
【請求項２】
前記吸熱緩和手段は、前記外壁を挟んで前記外部改質器と対向する位置に配置されたセルを含む第１の領域と、前記複数のセルから前記第１の領域に含まれるセルを除いた残余のセルを含む第２の領域とを熱的に接続する伝熱手段である、請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池装置。
【請求項３】
前記第２の領域は、前記モジュール容器の内部中心寄りに配置され高温状態となるセルを含む、請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池装置。
【請求項４】
前記吸熱緩和手段は、前記モジュール容器の内部と外部とを断熱する断熱手段であって、
前記断熱手段は、前記第１の領域に対応して設けられた第１断熱部と、前記第２の領域に対応して設けられた第２断熱部と、を有し、
前記第１断熱部における断熱性能と前記第２断熱部における断熱性能とに差を設け、前記セルへと伝播する吸熱状態を前記第１断熱部と前記第２断熱部との間で等しくする、請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池装置。
【請求項５】
前記第１断熱部の断熱性能が、前記第２断熱部の断熱性能よりも高い、請求項４に記載の固体酸化物形燃料電池装置。
【請求項１】
固体酸化物形燃料電池装置であって、
燃料ガスと酸化剤ガスとによって発電を行う複数のセルと、
前記複数のセルを収容するモジュール容器と、
前記モジュール容器の外壁における外面の一部に配置され、前記複数のセルにて発電時に生じる熱を用いて、吸熱反応によって被改質ガスを別系統の改質ガス利用機器で利用するための改質ガスへと改質する外部改質器とを備え、
前記外壁を挟んで前記外部改質器と対向する位置に配置されたセルの一部に生じ得る局所的な吸熱状態を分散させることで緩和する吸熱緩和手段を有する、固体酸化物形燃料電池装置。
【請求項２】
前記吸熱緩和手段は、前記外壁を挟んで前記外部改質器と対向する位置に配置されたセルを含む第１の領域と、前記複数のセルから前記第１の領域に含まれるセルを除いた残余のセルを含む第２の領域とを熱的に接続する伝熱手段である、請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池装置。
【請求項３】
前記第２の領域は、前記モジュール容器の内部中心寄りに配置され高温状態となるセルを含む、請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池装置。
【請求項４】
前記吸熱緩和手段は、前記モジュール容器の内部と外部とを断熱する断熱手段であって、
前記断熱手段は、前記第１の領域に対応して設けられた第１断熱部と、前記第２の領域に対応して設けられた第２断熱部と、を有し、
前記第１断熱部における断熱性能と前記第２断熱部における断熱性能とに差を設け、前記セルへと伝播する吸熱状態を前記第１断熱部と前記第２断熱部との間で等しくする、請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池装置。
【請求項５】
前記第１断熱部の断熱性能が、前記第２断熱部の断熱性能よりも高い、請求項４に記載の固体酸化物形燃料電池装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１３−８４５５（Ｐ２０１３−８４５５Ａ）
【公開日】平成２５年１月１０日（２０１３．１．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１３８４６６（Ｐ２０１１−１３８４６６）
【出願日】平成２３年６月２２日（２０１１．６．２２）
【出願人】（００００１００８７）ＴＯＴＯ株式会社 (3,889)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月１０日（２０１３．１．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月２２日（２０１１．６．２２）
【出願人】（００００１００８７）ＴＯＴＯ株式会社 (3,889)
【Ｆターム（参考）】
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