JP2002151119A

JP2002151119A - 固体酸化物燃料電池を用いた発電システム及び該システムにおける固体酸化物燃料電池の暖機方法

Info

Publication number: JP2002151119A
Application number: JP2000348743A
Authority: JP
Inventors: Koji Morita; 幸治盛田; Hisashi Aoyama; 尚志青山; Noboru Yamauchi; 昇山内; Yasuo Takagi; 靖雄高木
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2000-11-15
Filing date: 2000-11-15
Publication date: 2002-05-24

Abstract

(57)【要約】【課題】固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）を用いた発電
システムにおいて、低温時における固体酸化物の加熱
を、システムの複雑化や、コストの上昇を極力抑えて実
現可能とする。【解決手段】炭化水素系燃料をエンジン型改質器１によ
って改質し、低温時には、得られた改質ガスに空気を添
加する。エンジン型改質器１とＳＯＦＣ燃料極２１１間
を繋ぐ接続管３１に空気取込管４１を接続し、開口部の
弁装置４２を、エンジン型改質器１の運転に伴う排気脈
動に起因する負圧の発生に合わせて開弁する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固体酸化物燃料電
池を用いた発電システム及び該システムにおける固体酸
化物燃料電池の暖機方法に関し、より詳細には、炭化水
素系燃料から得られる改質ガスを燃料極側に受け入れて
発電を行う固体酸化物燃料電池において、始動時などの
低温状態からの固体酸化物の迅速な昇温を可能とする技
術に関する。

【０００２】

【従来の技術】固体酸化物燃料電池（以下「ＳＯＦＣ」
という。）は、天然ガス、メタノール、ガソリン、軽
油、ナフサなどの燃料を改質して使用することができ、
燃料多様性に優れている。ＳＯＦＣの作動温度は５００
［℃］以上の高温であるため、電極での内部改質も可能
ではあるが、電極の材質の制約などがあり、改質をより
効率的に行うには、電池の外部に改質器を備え、燃料を
改質した後に、得られた改質ガスをＳＯＦＣの燃料極に
導くのが一般的である（特開平１０−２１４６３１号公
報参照）。

【０００３】一方で、上記の炭化水素系燃料を改質する
手段として、その燃料の過剰供給下で運転するエンジン
型改質器が知られている（特開昭５５−７９５４号公報
参照）。このものからの改質ガスは、一酸化炭素（Ｃ
Ｏ）や炭化水素（ＨＣ）を多く含むため、プロトンが移
動するタイプの燃料電池には不向きであるが、酸素イオ
ンが移動するタイプの燃料電池、すなわちＳＯＦＣには
適している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ＳＯＦ
Ｃは、固体酸化物が充分なイオン伝導度を有する温度域
に達していないうちは満足な発電を行うことができず、
たとえこれをエンジン型改質器と組み合わせたとして
も、電池から必要な電力が得られるまでに、相当な時間
がかかるという問題がある。

【０００５】このような問題を解決するには、固体酸化
物を強制的に加熱するための手段を設けることが必要と
なるが、一般的な方法として電気ヒータなどの熱源を付
加したとすると、システム構成が複雑となるし、コス
ト、容積、重量の点からの不利もある。本発明は、この
ような実状に鑑み、固体酸化物の強制的な加熱を上記の
不利を伴わずに可能とすることを目的としてなされたも
のである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】このため、請求項１に記
載の発明による固体酸化物燃料電池を用いた発電システ
ムは、炭化水素系燃料の過剰状態で運転する内燃機関
と、該内燃機関から排出された燃焼生成ガスを燃料極側
に受け入れる固体酸化物燃料電池と、所定の条件におい
て、該燃焼生成ガスに酸素を添加する添加装置と、を含
んで構成される。

【０００７】請求項２に記載の発明による固体酸化物燃
料電池を用いた発電システムは、請求項１において、前
記内燃機関の排気ポートと前記固体酸化物燃料電池の燃
料極入口との間に接続管を配し、前記添加装置を、該接
続管に接続する酸素含有ガス流通管と、該流通管の開口
位置に設けた弁装置とを含んで構成したことを特徴とす
る。

【０００８】請求項３に記載の発明による固体酸化物燃
料電池を用いた発電システムは、請求項２において、前
記酸素含有ガス流通管を大気に連通させたことを特徴と
する。請求項４に記載の発明による固体酸化物燃料電池
を用いた発電システムは、請求項１〜３のいずれかに１
つにおいて、前記添加装置が、前記所定の条件である前
記固体酸化物燃料電池の暖機運転時に作動して、燃焼生
成ガスに酸素を添加することを特徴とする。

【０００９】請求項５に記載の発明による固体酸化物燃
料電池を用いた発電システムは、請求項１〜４のいずれ
かに１つにおいて、前記内燃機関のクランクシャフトに
接続された補助内燃機関を設け、該補助内燃機関の吸気
ポートを前記固体酸化物燃料電池の燃料極出口に接続し
たことを特徴とする。請求項６に記載の発明による固体
酸化物燃料電池を用いた発電システムは、請求項５にお
いて、前記補助内燃機関が、前記固体酸化物燃料電池か
らの未反応燃料ガスを燃料とすることを特徴とする。

【００１０】請求項７に記載の発明による固体酸化物燃
料電池を用いた発電システムは、請求項６において、前
記未反応燃料ガスに酸素を添加可能な第２の添加装置を
設けたことを特徴とする。請求項８に記載の発明による
固体酸化物燃料電池を用いた発電システムは、請求項５
〜７のいずれかに１つにおいて、前記補助内燃機関が、
前記固体酸化物燃料電池の暖機後において、ポンプとし
て機能することを特徴する。

【００１１】また、請求項９に記載の発明による固体酸
化物燃料電池を用いた発電システムは、燃料過剰下での
燃焼によって水素と一酸化炭素とを主成分とする改質ガ
スを生成する改質ガス生成手段と、該手段と固体酸化物
燃料電池の燃料極との間を接続し、生成された改質ガス
を該燃料極に導くとともに、所定の条件において酸素を
取り込む手段を備える第１の接続手段と、を含んで構成
される。

【００１２】請求項１０に記載の発明による固体酸化物
燃料電池を用いた発電システムは、請求項９において、
前記所定の条件が、固体酸化物燃料電池の暖機運転時を
含むことを特徴とする。請求項１１に記載の発明による
固体酸化物燃料電池を用いた発電システムは、請求項９
又は１０において、前記第１の接続手段が、空気を取り
込むことによって酸素を取り込むことを特徴とする。

【００１３】請求項１２に記載の発明による固体酸化物
燃料電池を用いた発電システムは、請求項９〜１１のい
ずれか１つにおいて、前記固体酸化物燃料電池からの未
反応改質ガスのもつエネルギーの少なくとも一部を回収
する回収手段を設けたことを特徴とする。請求項１３に
記載の発明による固体酸化物燃料電池を用いた発電シス
テムは、請求項１２において、前記改質ガス生成手段を
内燃機関とし、前記回収手段を該内燃機関のクランクシ
ャフトに接続された第２の内燃機関としたことを特徴と
する。

【００１４】請求項１４に記載の発明による固体酸化物
燃料電池を用いた発電システムは、請求項１３におい
て、前記固体酸化物燃料電池の燃料極出口と前記第２の
内燃機関との間を、燃焼のための酸素を取り込む手段を
備える第２の接続手段で接続したことを特徴とする。請
求項１５に記載の発明による固体酸化物燃料電池を用い
た発電システムは、請求項９〜１１のいずれか１つにお
いて、前記第１の接続手段に取り込まれる酸素に作用す
るポンプ手段を設けたことを特徴とする。

【００１５】請求項１６に記載の発明による固体酸化物
燃料電池を用いた発電システムは、請求項１５におい
て、前記改質ガス生成手段を内燃機関とし、前記ポンプ
手段の駆動軸を該内燃機関のクランクシャフトに接続し
たことを特徴とする。請求項１７に記載の発明による固
体酸化物燃料電池を用いた発電システムは、請求項１６
において、前記ポンプ手段を前記固体酸化物燃料電池の
燃料極出口側に接続したことを特徴とする。

【００１６】請求項１８に記載の発明による固体酸化物
燃料電池を用いた発電システムは、請求項１７におい
て、前記ポンプ手段を第２の内燃機関によって構成し、
該第２の内燃機関の吸気ポートを前記固体酸化物燃料電
池の燃料極出口に接続したことを特徴とする。請求項１
９に記載の発明による固体酸化物燃料電池を用いた発電
システムは、請求項１８において、前記固体酸化物燃料
電池の燃料極出口と前記第２の内燃機関との間を、燃焼
のための酸素を取り込む手段を備える第２の接続手段で
接続したことを特徴とする。

【００１７】請求項２０に記載の発明による固体酸化物
燃料電池を用いた発電システムにおける固体酸化物燃料
電池の暖機方法は、燃料過剰下での燃焼によって水素と
一酸化炭素とを主成分とする改質ガスを生成し、生成さ
れた改質ガスを固体酸化物燃料電池の燃料極に導く一
方、該固体酸化物燃料電池の暖機運転時において、生成
された改質ガスに酸素を添加することを特徴とする。

【００１８】

【発明の効果】請求項１に記載の発明によれば、次のよ
うにして固体酸化物が加熱されるという効果がある。内
燃機関からの燃焼生成ガスは、内燃機関に供給される燃
料を過剰状態とすることにより、改質ガスとして好まし
い組成とすることができ、主に水素と一酸化炭素とを含
ませることができる。そして、固体酸化物のイオン伝導
度が低い低温状態において、本発明に係る添加装置によ
ってこの燃焼生成ガスに酸素が添加され、電池の燃料極
側において燃焼生成ガスと酸素との混合気が形成され
る。この混合気は、低温状態において燃料極上で触媒燃
焼し、発熱するため、固体酸化物の加熱が可能となるの
である。

【００１９】また、固体酸化物が充分なイオン伝導度を
有した後は、前記添加装置による酸素の添加を停止し、
固体酸化物燃料電池による通常の発電を行うことができ
る。請求項２に記載の発明によれば、本発明に係る固体
酸化物燃料電池を用いた発電システムを容易に具現化す
ることができる。請求項３に記載の発明によれば、燃焼
生成ガスに添加される酸素を大気中から得ることがで
き、構成を簡単にすることができる。

【００２０】請求項４に記載の発明によれば、本発明に
よる固体酸化物の加熱時期が適正化される。請求項５に
記載の発明によれば、補助内燃機関の吸気動作の影響に
よるポンプ作用を得ることができる。請求項６に記載の
発明によれば、補助内燃機関によって未反応燃料ガスの
もつエネルギーの少なくとも一部を、動力として回収す
ることができる。

【００２１】請求項７に記載の発明によれば、固体酸化
物燃料電池の燃料極側からの排出ガスに酸素が含まれて
いないか又はこれが少量しか含まれておらず、この排出
ガスのみでは補助内燃機関における燃焼のための酸素を
賄うことができないような条件であっても、本発明に係
る第２の添加装置によって酸素を添加し、可燃な混合気
とすることができる。

【００２２】請求項８に記載の発明によれば、固体酸化
物燃料電池による通常の発電時に内燃機関からの燃焼生
成ガスに吸引力を働かせ、燃焼生成ガスを滞りなく流通
させることができる。請求項９，２０に記載の発明によ
れば、次のようにして固体酸化物が加熱されるという効
果がある。

【００２３】すなわち、固体酸化物のイオン伝導度が低
い低温状態において、本発明に係る第１の接続手段が酸
素を取り込むことにより、生成された改質ガスに酸素を
添加し、改質ガスと酸素との混合気を電池の燃料極に導
くことができる。そして、この混合気を燃料極上で触媒
燃焼させることにより、固体酸化物の加熱が可能となる
のである。

【００２４】また、固体酸化物が充分なイオン伝導度を
有した後は、前記接続手段による酸素の取込みを停止
し、固体酸化物燃料電池による通常の発電を行うことが
できる。請求項１０に記載の発明によれば、本発明によ
る固体酸化物燃料電池の加熱時期が適正化される。

【００２５】請求項１１に記載の発明によれば、酸素を
容易に取り込むことができる。請求項１２に記載の発明
によれば、エネルギー損失を減らし、効率的なシステム
の構築が可能である。請求項１３に記載の発明によれ
ば、未反応改質ガスによって第２の内燃機関を運転し、
動力を得ることができる。

【００２６】請求項１４に記載の発明によれば、固体酸
化物燃料電池の燃料極側からの排出ガスに酸素が含まれ
ていないか又はこれが少量しか含まれておらず、この排
出ガスのみでは第２の内燃機関における燃焼のための酸
素を賄うことができないような条件であっても、本発明
に係る第２の接続手段によって酸素を添加し、可燃な混
合気とすることができる。

【００２７】請求項１５に記載の発明によれば、第１の
接続手段による酸素の取込みを確実なものとすることが
できる。請求項１６に記載の発明によれば、ポンプ手段
が改質ガス生成手段としての内燃機関によって駆動され
るため、構成を簡単にすることができる。請求項１７に
記載の発明によれば、前記接続手段による酸素の取込み
を確実なものとするとともに、固体酸化物燃料電池の燃
料極側において、ガスを円滑に流通させることができ
る。

【００２８】請求項１８に記載の発明によれば、第２の
内燃機関により、未反応改質ガスのもつエネルギーの少
なくとも一部を動力として回収することができる。請求
項１９に記載の発明によれば、固体酸化物燃料電池の燃
料極側からの排出ガスに酸素が含まれていないか又はこ
れが少量しか含まれておらず、この排出ガスのみでは第
２の内燃機関のおける燃焼のための酸素を賄うことがで
きないような条件であっても、本発明に係る第２の接続
手段によって酸素を添加し、可燃な混合気とすることが
できる。

【００２９】

【発明の実施の形態】以下に、図面を参照して、本発明
の実施の形態について説明する。まず、第１の実施形態
について説明する。図１は、本実施形態に係る発電シス
テムＳ１の全体的な構成の概略を示したものであり、本
発電システムＳ１は、内燃機関１とＳＯＦＣ（固体酸化
物燃料電池）２とを主な構成要素としている。

【００３０】内燃機関１は、燃料供給通路（電気的な作
動原理に基づく弁装置を介装して、任意のタイミングに
おいて開放されるように構成することができる。）末端
のノズル１１から炭化水素系燃料が供給されて、この燃
料の燃焼膨張力をピストン１２の往復運動を介してクラ
ンクシャフト１３の回転力として取り出すことができ
る、いわゆるレシプロ型の内燃機関である。

【００３１】ここでは、この内燃機関１は、動力発生装
置というよりは、むしろ、燃料の過剰供給下での運転に
よって水素（Ｈ₂）と一酸化炭素（ＣＯ）とを主な成分
とする改質ガスを生成することを主な目的として用いら
れている（このため、この種の内燃機関１は、「エンジ
ン型改質器」とも呼ばれる。）。従って、内燃機関１
は、本発明に係る改質ガス生成手段を構成する。

【００３２】内燃機関１の作動原理は、本発電システム
Ｓ１においても、動力発生装置として一般的に使用され
る場合と同様であるが、ここで簡単に説明すると、内燃
機関１には、図示しない空気吸入通路と連通する吸入ポ
ート１４が形成されており、ここを通過する空気に対し
て燃料が添加され、燃料が過濃な混合気が形成される。
そして、この混合気は、吸入側弁装置１５による制御を
受けて燃焼室１６に導かれ、ピストン１２の上昇に伴う
所定の圧縮状態において点火される。さらに、燃料の膨
張後再びピストン１２が上昇するときに排出側弁装置１
７が開き、燃焼生成ガス（すなわち、改質ガス）が排出
ポート１８に送出される。なお、ここでは、内燃機関１
として火花点火方式を例に説明したが、圧縮着火方式に
よっても同様な目的を達成することができる。

【００３３】一方、ＳＯＦＣ２には、固体酸化物２１を
挟んで、一側に燃料極側空間２２が、また他側に空気極
側空間２３が形成されている。燃料極側空間２２に接続
する燃料極側吸気マニフォールド２４に対しては、内燃
機関１の排出ポート１８が、接続用配管（以下、「入口
側接続管」という。）３１によって接続されている。ま
た、この入口側接続管３１の途中には、図示しない空気
室（ここでは、大気）と通じる空気取込用配管（以下、
「入口側取込管」という。）４１の一端が接続されると
ともに、その接続部において弁装置４２が設けられるこ
とで、入口側接続管３１内を空気室に自由に連通し及び
遮断することができるようになっている。燃料極側空間
２２に接続する燃料極側出口通路２５は、燃料極側吸気
マニフォールド２４及び燃料極側空間２２とともに、Ｓ
ＯＦＣ２の燃料極側のガス流通路を形成する。

【００３４】次に、本発電システムＳ１の動作について
説明する。まず、内燃機関（以下「エンジン型改質器」
という。）１による燃料の改質原理について簡単に説明
する。この原理は、次の一般式（１）によって大方説明
することができる。

【００３５】

【数１】

【００３６】この改質反応は、特に「部分酸化反応」と
呼ばれ、燃料量と空気量との適切な調節によって生じる
ものである。また、別の好ましい形態によれば、燃焼室
１６に水蒸気を存在させることにより、次の水蒸気改質
反応を引き起こすこともできる。

【００３７】

【数２】

【００３８】上式によって表される改質反応と同時に、
次の２式で表される反応も一部で行われる。

【００３９】

【数３】

【００４０】以上の一般式（１）〜（４）から説明され
る原理に基づいて、エンジン型改質器１の燃料過剰下で
の運転によって得られる改質ガスは、Ｈ₂，ＣＯ，ＣＨ
₄を主な成分とする混合ガスとなる。そして、ＳＯＦＣ
２が作動条件にある場合には、改質ガスが燃料極側空間
２２に提供されると、燃料極２１１と空気極２１２との
間における固体酸化物２１の作用によって発電が行われ
る。

【００４１】しかし、ＳＯＦＣ２の非作動条件下、すな
わち始動時などの低温状態では、固体酸化物２１のイオ
ン伝導度がないか又はこれが充分に高いレベルにまで達
してないため、満足な発電能力を得ることができない。
先に説明した弁装置４２は、このような条件のもとで開
状態となり、入口側取込管４１を開放して入口側接続管
３１内を空気室に連通させる。

【００４２】このときの動作について説明すると、ま
ず、エンジン型改質器１が改質ガスを送出する排気過程
を終えると、排気脈動の影響によって入口側接続管３１
内に負圧が発生する。そして、弁装置４２は、この負圧
の発生に合わせて開閉作動される。従って、入口側接続
管３１内の負圧の影響が空気室に及び、入口側取込管４
１を介して空気が吸い出される。吸い出された空気は、
改質ガスとの混合気を形成する。従って、入口側接続管
３１、入口側取込管４１及び弁装置４２とは、本発明に
係る接続手段を構成する。

【００４３】以上のようにして形成された混合気は、燃
料極側吸気マニフォールド２４を通過して燃料極側空間
２２に導かれる。そして、この混合気は、ＳＯＦＣ２の
燃料極２１１に到達し、燃料極２１１の触媒作用によっ
て燃料極２１１上で触媒燃焼反応を起こし、発熱する。
この反応は、主に、次の一般式（５）及び（６）によっ
て説明することができる。

【００４４】

【数４】

【００４５】従って、本システムＳ１によれば、改質ガ
スの触媒燃焼反応による発熱を固体酸化物２１が充分な
イオン伝導度を有する温度域（例えば、５００［℃］以
上）に到達するまでの暖機用加熱源とすることができ
る。本明細書では、このようにＳＯＦＣ２を低温状態か
ら所定の温度域にまで昇温する運転を、ＳＯＦＣ２の
「暖機運転」という。

【００４６】なお、ＳＯＦＣ２の暖機運転が完了し、固
体酸化物２１が充分なイオン伝導度を有する温度域に到
達した後は、弁装置４２を閉状態とし、改質ガスをＳＯ
ＦＣ２による本来の発電用燃料として使用する。次に、
本発明に係る第２の実施形態について説明する。図２
は、本実施形態に係る発電システムＳ２の全体的な構成
の概略を示したものであり、先に説明した発電システム
Ｓ１と同じ機能を備える構成要素については、同じ符号
を付してある。

【００４７】本発電システムＳ２の特徴的な構成は、Ｓ
ＯＦＣ２の燃料極出口側において、補助内燃機関６を備
えることである。この補助内燃機関６のクランクシャフ
ト６１は、エンジン型改質器１のクランクシャフト１３
と接続されており、エンジン型改質器１からの動力が伝
わり、また逆に補助内燃機関６の動力もエンジン型改質
器１へ伝えられるようになっている。なお、両者の接続
形態としては、クランクシャフト１３及び６１を同軸と
したり、またはベルト、チェーン、歯車などの動力伝達
機構（図示せず）を用いたものであってもよい。

【００４８】また、補助内燃機関６の吸気ポート６２
は、ＳＯＦＣ２の燃料極側排気マニフォールド１２５に
接続されており、燃料極側空間２２からの排出ガスを燃
焼室６３に取り込むことができるようになっている。次
に、本発電システムＳ２の動作について説明する。ま
ず、エンジン型改質器１及びＳＯＦＣ２の動作は、先の
説明と同様である。すなわち、固体酸化物２１が充分な
イオン伝導度を有した状態では、エンジン型改質器１か
らの改質ガスを燃料極側空間２２に取り込んで発電を行
う。一方、ＳＯＦＣ２の暖機運転時においては、弁装置
４２を作動させて空気を取り込み、改質ガスと空気との
混合気を燃料極２１１上で触媒燃焼反応させて固体酸化
物２１を加熱する。

【００４９】ここで、エンジン型改質器１の下流側で
は、先に説明したように排気過程が終了すると排気脈動
の影響による負圧が発生する。また、補助内燃機関６の
上流側に対しては、補助内燃機関６の吸気行程において
負圧が作用する。従って、ＳＯＦＣ２の暖機運転時に
は、入口側取込管４１の一端が接続する空気室（図示せ
ず）に対して、エンジン改質器１の運転に伴う排気脈動
に起因する負圧と、補助内燃機関６の吸気負圧とが作用
し、入口側接続管３１への空気の取込みが促進される。

【００５０】さらに、ＳＯＦＣ２の暖機運転時には、燃
料極側空間２２からの排出ガスにおいて、固体酸化物２
１の加熱に寄与せずに未反応のまま排出された燃料成分
（未反応改質ガス）と、入口側取込管４１から取り込ま
れた空気の一部とが混在した状態となっているため、こ
の混合気を補助内燃機関６の運転に用いることによって
動力を得ている。

【００５１】そして、暖機後は、弁装置４２を閉状態と
して、通常の発電を行うこととなるが、このときに補助
内燃機関６は、点火動作を行わずに吸排気を繰り返すこ
とで、エンジン型改質器１を動力源とするポンプとして
機能する。図３は、本発明に係る第３の実施形態に係る
発電システムＳ３の全体的な構成の概略を示したもので
あり、本発電システムＳ３は、燃料極側空間２２の出口
側に簡単なポンプ手段（往復式ポンプ）を備えている。
なお、先に説明した発電システムＳ１と同じ機能を備え
る構成要素については、同じ符号を付してある。

【００５２】往復式ポンプ（以下、単に「ポンプ」とい
う。）８は、先の補助内燃機関６と同様に、エンジン型
改質器１のクランクシャフトと接続した駆動軸８１を備
えている。なお、符号８２は、燃料極側空間２２からポ
ンプ室８３へ向かう流れを許容し、その反対向きの流れ
を規制する逆止弁、また符号８４は、ポンプ室８３から
ポンプ８の下流側へ向かう流れを許容し、その反対向き
の流れを規制する逆止弁を示している。

【００５３】このような構成により、ポンプ８は、エン
ジン型改質器１の運転によって得られた動力によって駆
動し、入口側取込管４１からの空気の取込み及び改質ガ
スの流通を促進する。次に、本発明に係る第４の実施形
態について説明する。図４は、本実施形態に係る発電シ
ステムＳ４の全体的な構成の概略を示したものであり、
先に説明した発電システムＳ１と同じ機能を備える構成
要素については、同じ符号を付してある。

【００５４】先の発電システムＳ１に対して本発電シス
テムＳ４が特徴とする構成は、ＳＯＦＣ２の燃料極出口
側において補助内燃機関９を備え、燃料極側空間２２と
この補助内燃機関９との間を、第２の空気取込用配管
（以下「出口側取込管」という。）１４１が接続する第
２の接続用配管（以下「出口側接続管」という。）１３
１で接続したことである。

【００５５】出口側接続管１３１は、燃料極側空間２２
に接続する燃料極側排気マニフォールド１２５と、補助
内燃機関９の吸気ポート９１とを繋いでおり、また、こ
の途中に接続する出口側取込管１４１は、出口側接続管
１３１内を図示しない空気室（ここでは、大気）に連通
している。また、出口側接続管１３１と出口側取込管１
４１の接続部において弁装置１４２が設けられること
で、出口側接続管１３１内を空気室に自由に連通し及び
遮断することができるようになっている。従って、出口
側接続管１３１、出口側取込管１４１及び弁装置１４２
は、本発明に係る第２の接続手段を構成する。

【００５６】補助内燃機関９について説明すると、この
クランクシャフト９２は、先の発電システムＳ２におけ
る補助内燃機関６と同様に、エンジン型改質器１のクラ
ンクシャフト１３と接続されており、エンジン型改質器
１からの動力が伝わり、また逆に補助内燃機関９の動力
もエンジン型改質器１へ伝えられるようになっている。

【００５７】次に、本発電システムＳ４の動作について
説明する。まず、エンジン型改質器１及びＳＯＦＣ２の
動作は、先の発電システムＳ１のものと同様であり、Ｓ
ＯＦＣ２の暖機運転時においては、入口側取込管４１を
介して空気を取り込んで固体酸化物２１を加熱し、暖機
後においては、入口側取込管４１を閉じてエンジン型改
質器１からの改質ガスによって発電を行う。

【００５８】本発電システムＳ４では、先の発電システ
ムＳ２と同様に、エンジン型改質器１の運転に伴う排気
脈動に起因する負圧と、補助内燃機関９の吸気負圧とが
作用するため、ＳＯＦＣ２の暖機運転時おいて入口側取
込管４１からの空気の取込みが促進され、燃料極２１１
上での触媒燃焼反応が良好に行われるとともに、燃料極
側空間２２からの未反応改質ガスを燃料として補助内燃
機関９を駆動し、動力を得る。

【００５９】そして、暖機後は通常の発電を行うことと
なるが、このときには弁装置４２が閉状態となるため、
改質ガスに対して入口側取込管４１からは空気が添加さ
れない。このため、燃料極側空間２２を出た排出ガスに
含まれる空気量が、補助内燃機関９における燃焼に必要
な量を満たさなくなる場合がある。そこで、燃料極側空
間２２を出た排出ガスに含まれる空気が不足する条件
（このような条件は、弁装置４２を閉じる発電時におい
て成立する傾向があるが、ＳＯＦＣ２の暖機運転中であ
っても、入口側取込管４１からの空気の取込みが充分で
ないときには成立し得る。）において、弁装置１４２を
補助内燃機関９による吸気負圧発生時に開き、補助内燃
機関９の吸気ポート９１の手前で可燃な混合気を形成す
る。

【００６０】従って、本発電システムＳ４によれば、Ｓ
ＯＦＣ２から排出される未反応改質ガスのもつエネルギ
ーを常時回収することができる。なお、以上の説明で
は、入口側取込管４１や出口側取込管１４１からの空気
の取込みを、エンジン型改質器１の運転に伴う排気脈動
の作用、及び補助内燃機関６，９の吸気動作に伴う作用
によって行う例を示したが、本発明はこれに限らず、各
種形態のポンプなどの一般的な気体供給手段を用いて行
うこともできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態に係る発電システムの
構成の概略図

【図２】本発明の第２の実施形態に係る発電システムの
構成の概略図

【図３】本発明の第３の実施形態に係る発電システムの
構成の概略図

【図４】本発明の第４の実施形態に係る発電システムの
構成の概略図

【符号の説明】

１…エンジン型改質器１１…燃料供給ノズル１２…ピストン１３…クランクシャフト１４…吸入ポート１５…吸入側弁装置１６…燃焼室１７…排出側弁装置１８…排出ポート２…固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）２１…固体酸化物２２…燃料極側空間２３…空気極側空間２４…燃料極側吸気マニフォールド２５…燃料極側出口通路１２５…燃料極側排気マニフォールド２１１…燃料極２１２…空気極３１…入口側接続管４１…入口側取込管４２…弁装置６…補助内燃機関９…補助内燃機関１３１…出口側接続管１４１…出口側取込管１４２…弁装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者山内昇神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地日産自動車株式会社内 (72)発明者高木靖雄神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地日産自動車株式会社内Ｆターム(参考） 5H026 AA06 5H027 AA06 BA01 BA08 BC12

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】炭化水素系燃料の過剰状態で運転する内燃
機関と、該内燃機関から排出された燃焼生成ガスを燃料
極側に受け入れる固体酸化物燃料電池と、所定の条件に
おいて、該燃焼生成ガスに酸素を添加する添加装置と、
を含んで構成される固体酸化物燃料電池を用いた発電シ
ステム。
【請求項２】前記内燃機関の排気ポートと前記固体酸化
物燃料電池の燃料極入口との間に接続管を配し、前記添加装置を、該接続管に接続する酸素含有ガス流通
管と、該流通管の開口位置に設けた弁装置とを含んで構
成したことを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物燃
料電池を用いた発電システム。
【請求項３】前記酸素含有ガス流通管を大気に連通させ
たことを特徴とする請求項２に記載の固体酸化物燃料電
池を用いた発電システム。
【請求項４】前記添加装置は、前記所定の条件である前
記固体酸化物燃料電池の暖機運転時に作動して、燃焼生
成ガスに酸素を添加することを特徴とする請求項１〜３
のいずれか１つに記載の固体酸化物燃料電池を用いた発
電システム。
【請求項５】前記内燃機関のクランクシャフトに接続さ
れた補助内燃機関を設け、該補助内燃機関の吸気ポート
を前記固体酸化物燃料電池の燃料極出口に接続したこと
を特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の固体
酸化物燃料電池を用いた発電システム。
【請求項６】前記補助内燃機関は、前記固体酸化物燃料
電池からの未反応燃料ガスを燃料とすることを特徴とす
る請求項５に記載の固体酸化物燃料電池を用いた発電シ
ステム。
【請求項７】前記未反応燃料ガスに酸素を添加可能な第
２の添加装置を設けたことを特徴とする請求項６に記載
の固体酸化物燃料電池を用いた発電システム。
【請求項８】前記補助内燃機関は、前記固体酸化物燃料
電池の暖機後において、ポンプとして機能することを特
徴とする請求項５〜７のいずれか１つに記載の固体酸化
物燃料電池を用いた発電システム。
【請求項９】固体酸化物燃料電池を用いた発電システム
であって、燃料過剰下での燃焼によって水素と一酸化炭素とを主成
分とする改質ガスを生成する改質ガス生成手段と、該手段と固体酸化物燃料電池の燃料極との間を接続し、
生成された改質ガスを該燃料極に導くとともに、所定の
条件において酸素を取り込む手段を備える第１の接続手
段と、を含んで構成される発電システム。
【請求項１０】前記所定の条件は、固体酸化物燃料電池
の暖機運転時を含むことを特徴とする請求項９に記載の
固体酸化物燃料電池を用いた発電システム。
【請求項１１】前記第１の接続手段は、空気を取り込む
ことによって酸素を取り込むことを特徴とする請求項９
又は１０に記載の固体酸化物燃料電池を用いた発電シス
テム。
【請求項１２】前記固体酸化物燃料電池からの未反応改
質ガスのもつエネルギーの少なくとも一部を回収する回
収手段を設けたことを特徴とする請求項９〜１１のいず
れか１つに記載の固体酸化物燃料電池を用いた発電シス
テム。
【請求項１３】前記改質ガス生成手段を内燃機関とし、
前記回収手段を該内燃機関のクランクシャフトに接続さ
れた第２の内燃機関としたことを特徴とする請求項１２
に記載の固体酸化物燃料電池を用いた発電システム。
【請求項１４】前記固体酸化物燃料電池の燃料極出口と
前記第２の内燃機関との間を、燃焼のための酸素を取り
込む手段を備える第２の接続手段で接続したことを特徴
とする請求項１３に記載の固体酸化物燃料電池を用いた
発電システム。
【請求項１５】前記第１の接続手段に取り込まれる酸素
に作用するポンプ手段を設けたことを特徴とする請求項
９〜１１のいずれか１つに記載の固体酸化物燃料電池を
用いた発電システム。
【請求項１６】前記改質ガス生成手段を内燃機関とし、
前記ポンプ手段の駆動軸を該内燃機関のクランクシャフ
トに接続したことを特徴とする請求項１５に記載の固体
酸化物燃料電池を用いた発電システム。
【請求項１７】前記ポンプ手段を前記固体酸化物燃料電
池の燃料極出口側に接続したことを特徴とする請求項１
６に記載の固体酸化物燃料電池を用いた発電システム。
【請求項１８】前記ポンプ手段を第２の内燃機関によっ
て構成し、該第２の内燃機関の吸気ポートを前記固体酸
化物燃料電池の燃料極出口に接続したことを特徴とする
請求項１７に記載の固体酸化物燃料電池を用いた発電シ
ステム。
【請求項１９】前記固体酸化物燃料電池の燃料極出口と
前記第２の内燃機関との間を、燃焼のための酸素を取り
込む手段を備える第２の接続手段で接続したことを特徴
とする請求項１８に記載の固体酸化物燃料電池を用いた
発電システム。
【請求項２０】燃料過剰下での燃焼によって水素と一酸
化炭素とを主成分とする改質ガスを生成し、生成された
改質ガスを固体酸化物燃料電池の燃料極に導く一方、該
固体酸化物燃料電池の暖機運転時において、生成された
改質ガスに酸素を添加することを特徴とする固体酸化物
燃料電池を用いた発電システムにおける固体酸化物燃料
電池の暖機方法。