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公開番号2025146430
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-10-03
出願番号2024047190
出願日2024-03-22
発明の名称燃料電池、電解セル及び組セル
出願人国立大学法人九州大学,特殊技研金属株式会社,国立大学法人北海道大学
代理人個人,個人,個人,個人
主分類H01M 8/02 20160101AFI20250926BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】従来の燃料電池や電解セルなどにおいて、蓄熱や温度の均一化が図られておらず、過剰な発熱あるいは吸熱反応による熱の低下などの問題が生じてしまうという課題があった。また、従来の電解セルでは劣化が大きく、長期的な利用に耐える安定性を実現することも課題となっていた。
【解決手段】相変化材料を含む粒子状の蓄熱または均熱材を配置した、蓄熱または均熱機能を有する燃料電池/電解セル。
【選択図】図7
特許請求の範囲【請求項１】
相変化材料を含む粒子状の蓄熱または均熱材を配置した、蓄熱または均熱機能を有する燃料電池／電解セル。
続きを表示（約 720 文字）【請求項２】
発電と電解の可逆動作可能な燃料電池を含む、請求項１に記載の燃料電池／電解セル。
【請求項３】
前記相変化材料における融解温度が５００～６５０℃の範囲にある、請求項１に記載の燃料電池／電解セル。
【請求項４】
前記相変化材料が、ＤＳＣ測定において４５０～６００℃の範囲に吸熱ピークを有する、請求項１に記載の燃料電池／電解セル。
【請求項５】
電解質としての酸素イオン伝導体またはプロトン伝導体を含む、固体酸化物燃料電池または電解装置としての請求項１に記載の燃料電池／電解セル。
【請求項６】
前記蓄熱または均熱材を内部または外部に設置した、請求項１に記載の燃料電池セルまたは電解セルを少なくとも含む、組セル。
【請求項７】
外殻に覆われた前記相変化材料がアルミニウム合金を含む蓄熱または均熱材であり、前記外殻により電気的に絶縁されていることを特長とした、請求項１に記載の燃料電池／電解セル用の蓄熱または均熱材。
【請求項８】
前記外殻が、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化ケイ素及び炭化ケイ素のいずれかを含む、請求項７に記載の燃料電池／電解セル用の蓄熱または均熱材。
【請求項９】
請求項１～５のいずれかに記載の燃料電池／電解セルまたは請求項６に記載の組セルを有する発電システム。
【請求項１０】
蓄熱または均熱材を燃料電池／電解セルに接するように配置して、燃料電池／電解セルによる発熱又は吸熱による温度変化を抑制する、セルの温度変化抑制方法。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電システムに含まれ得る燃料電池セル、電解セル、組セルなどに関するものであり、特に、蓄熱または均熱材を含む燃料電池セル、電解セルなどに関する。
続きを表示（約 3,300 文字）【背景技術】
【０００２】
近年、望まれているカーボンニュートラル社会を実現するためには、再生可能エネルギーが必要不可欠なものと考えられている。ただし再生可能エネルギーは、一般的に、エネルギー密度が低く、かつ発電量の変動も大きい。そこで、再生可能エネルギーの需給のアンバランス解消、平準化などのために、再生可能エネルギーの蓄エネ・平準化が必要とされている。
【０００３】
このような観点から、例えば再生可能エネルギーによって電力が供給されると、水素を高効率に生成させる、電解セルなどが用いられている。また一方で、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）などの燃料電池を用いた発電が行われている。そして、これらの電解及び発電のための反応を可逆的に組み合わせた発電システムが知られており、その一例としては、再生可能エネルギーによって電力が供給されると可燃性ガスを生成する電気分解機能と、可燃性ガスから電気を生成する燃料電池機能とを有する可逆燃料電池モジュールを備えた発電システムが挙げられる（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
特許文献１：ＷＯ２０１５／０６３１７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述のように、近年では、燃料電池などを用いて発電と電解の可逆動作を可能にした発電システムに期待が集まっているものの、従来の燃料電池などにおいては、作動時の温度の不均一性が大きく、また、ヒートスポットの発生等により、性能低下や装置の劣化の加速などの問題が生じている。例えば、燃料電池及び高温電解のセルとして機能する従来の固体酸化物セルなどを用いることにより、高いエネルギー変換効率、エネルギー貯蔵効率の実現が期待されているものの、燃料電池として作動させると発熱し、熱が過剰になり得る一方で、水蒸気電解を行うときには、吸熱反応が生じて熱が不足し得る、という問題が生じている。
すなわち、従来の燃料電池や電解セルにおいては、蓄熱や温度の均一化が図られておらず、過剰な発熱あるいは吸熱反応による熱の低下などに起因した問題が生じてしまう。また、その一方で、電解セルでは劣化が依然として大きく、長期的な利用に耐える安定性を有するセルの実現も課題となっている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、例えば、以下のものを含む。
［１］相変化材料を含む粒子状の蓄熱または均熱材を配置した、蓄熱または均熱機能を有する燃料電池／電解セル。
［２］発電と電解の可逆動作可能な燃料電池を含む、上記［１］に記載の燃料電池／電解セル。
［３］前記相変化材料における融解温度が５００～６５０℃の範囲にある、上記［１］又は［２］、例えば上記［１］に記載の燃料電池／電解セル。
［４］前記相変化材料が、ＤＳＣ測定において４５０～６００℃の範囲に吸熱ピークを有する、上記［１］～［３］のいずれか、例えば上記［１］に記載の燃料電池／電解セル。
［５］電解質としての酸素イオン伝導体またはプロトン伝導体を含む、固体酸化物燃料電池または電解装置としての上記［１］～［４］のいずれか、例えば上記［１］に記載の燃料電池／電解セル。
［６］前記蓄熱または均熱材を内部または外部に設置した上記［１］～［５］のいずれか、例えば上記［１］に記載の燃料電池セルまたは電解セルを少なくとも含む、組セル。
［７］外殻に覆われた前記相変化材料がアルミニウム合金を含む蓄熱または均熱材であって、前記外殻により電気的に絶縁されていることを特長とした、上記［１］～［５］のいずれか、例えば上記［１］に記載の燃料電池／電解セル用の蓄熱または均熱材。
［８］前記外殻が、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化ケイ素及び炭化ケイ素のいずれかを含む、上記［７］に記載の燃料電池／電解セル用の蓄熱または均熱材。
［９］上記［１］～［５］のいずれか、例えば上記［１］に記載の燃料電池／電解セル、または、上記［６］に記載の組セルを有する発電システム。
［１０］蓄熱または均熱材を燃料電池／電解セルに接するように配置して、燃料電池／電解セルによる発熱又は吸熱による温度変化を抑制する、セルの温度変化抑制方法。
［１１］前記燃料電池／電解セルの作動時における内部の温度差が２０℃以内である、上記［１０］に記載の温度変化抑制方法。
【発明の効果】
【０００７】
本発明においては、燃料電池セルまたは電解セルに、蓄熱または放熱媒体が組み合わせられており、作動時のセルにおける温度を容易に、かつ確実に調整することができる。例えば、蓄熱材または均熱材を周囲に配置させた固体酸化物セルなどにおいては、熱のハンドリングが可能となり、当該セルの稼働時の温度の均一化、長期安定性の向上を図ることができる。
【０００８】
本発明の燃料電池／電解セルにおいては、内部の余剰な熱を蓄熱材に蓄熱させておき、運転モードが変更して吸熱反応が行われても適当な温度を保てるよう調整が可能であり、また、発熱時には局所的なヒートスポットを除去して、セルの可逆運転を容易かつ確実に進行させることができる。そしてこのような燃料電池／電解セルにおいては、熱に起因した劣化が生じにくく、長期安定性の向上も期待できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
蓄熱・放熱粒子の製造過程及び高速気流中衝撃装置の概略を示す図である。
実施例で用いた蓄熱・放熱粒子の使用前の状態のＳＥＭ画像を示す図である。
各種の蓄熱・放熱粒子の示差走査熱量測定の結果を示すグラフである。
蓄熱・均熱材が配置されたセルを概略的に示す図である。
実施例で用いた円筒型セルなどを概略的に示す図である。
実施例及び比較例におけるセルと集電ラインとを概略的に示す図である。
実施例及び比較例のセルの発電曲線を示すグラフである。
実施例及び比較例のセルのインピーダンスプロットを示すグラフである。
実施例のセルのＩ－Ｖ／Ｉ－Ｐ曲線の温度依存性を示すグラフである。
実施例のセルのインピーダンス法による内部抵抗の分析結果を示すグラフである。
実施例及び比較例のセルの水蒸気電解におけるＩ－Ｖカーブを示すグラフである。
実施例及び比較例のセルのインピーダンスプロットを示すグラフである。
セルのＳＯＦＣ性能及びＳＯＥＣ性能の比較試験の結果を示すグラフである。
比較例１のセルによる１００サイクルまでのＳＯＲＣ試験における時間－電圧の関係を示すグラフである。
実施例１のセルによる１００サイクルまでのＳＯＲＣ試験における時間－電圧の関係を示すグラフである。
実施例及び比較例の一つのサイクル間における時間-電圧の関係とサイクル内の温度分布を示すグラフである。
実施例及び比較例の１００サイクルＳＯＲＣ測定を行った前後のセルのインピーダンスプロットを示すグラフである。
実施例で用いた蓄熱・放熱粒子の使用後の状態のＳＥＭ画像を示す図である。
試験前後の実施例のＰＣＭパウダーのＸＲＤ測定の結果を示すグラフである。
実施例及び比較例の１００サイクルＳＯＲＣ試験後の電極の断面と表面のＳＥＭ画像を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態を詳細に説明するが、本発明は下記の例の実施形態に限定されるものではない。なお、本明細書において「Ａ～Ｂ」（Ａ、Ｂは数値）とは、「Ａ以上かつＢ以下」を示すものとする。
（【００１１】以降は省略されています）

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