JP2007066578A - 直接火炎型燃料電池利用の発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、火炎供給を調整して固体酸化物燃料電池への熱衝撃を緩和し、ひび割れと剥離の発生を抑制した直接火炎型燃料電池利用の発電装置を提供する。
【解決手段】 本発明の発電装置では、固体酸化物基板１、一方の面に形成したカソード電極層２、反対側面に形成したアノード電極層３を有する固体酸化物燃料電池Ｃを用い、ガス燃焼バーナー４による混合ガスの燃焼による火炎ｆ２をアノード電極層に供給し、混合ガス生成装置８で火炎の供給状態を調整した。ガスバッファ容器８１に供給する燃料ガスＦと空気Ａの混合比率を調整して、燃料電池発電の作動開始時又は作動停止時における火炎の状態を変え、固体酸化物燃料電池の温度上昇又は温度下降の速度を調整した。火炎供給状態の調整は、固体酸化物燃料電池とガス燃焼バーナーとの間隔を変えても行える。
【選択図】 図３

Description

本発明は、火炎が直接供給される固体酸化物燃料電池を利用して発電する発電装置に関し、特に、固体酸化物燃料電池への火炎供給状態を調整できるようにして、燃料電池の発電性能を向上させるとともに、固体酸化物燃料電池に加わる熱衝撃を緩和して、そのひび割れの発生を抑制するようにした直接火炎型燃料電池利用の発電装置に関する。

従来から開発されている燃料電池には、種々の発電形式がある。これらの一つとして、固体電解質を用いた形式の燃料電池がある。この固体電解質による燃料電池の一例として挙げると、イットリア（Ｙ_２Ｏ_３）が添加された安定化ジルコニアからなる焼成体を酸素イオン伝導型の固体酸化物基板として用いたものがある。この固体酸化物基板の一面にカソード電極層を、そして、その反対面にアノード電極層を形成し、このカソード電極層側に酸素又は酸素含有気体が供給され、さらに、アノード電極層には、メタン等の燃料ガスが供給されるようになっている。

この燃料電池内では、カソード電極層に供給された酸素（Ｏ_２）が、カソード電極層と固体酸化物基板との境界で、酸素イオン（Ｏ^２−）にイオン化され、この酸素イオンが、固体酸化物基板によってアノード電極層に伝導され、アノード電極層に供給された、例えば、メタン（ＣＨ_４）ガスと反応し、そこで、水（Ｈ_２Ｏ）、二酸化炭素（ＣＯ_２）、水素（Ｈ_２）、一酸化炭素（ＣＯ）が生成される。この反応において、酸素イオンが、電子を放出するため、カソード電極層とアノード電極層との間に電位差が生じる。そこで、カソード電極層とアノード電極層とにリード線を取り付ければ、アノード電極層の電子が、リード線を介してカソード電極層側に流れ、燃料電池として発電することになる。なお、この燃料電池の駆動温度は、約１０００℃である。

しかし、この形式の燃料電池では、カソード電極層側に、酸素又は酸素含有ガス供給チャンバーを、そして、アノード電極層側に、燃料ガス供給チャンバーを夫々分離したセパレート型チャンバーを用意しなければならず、しかも、高温下で、酸化性雰囲気と還元性雰囲気とに晒されるため、燃料電池セルとしての耐久性を向上することが困難であった。

一方、固体酸化物基板の対向した面に、カソード電極層とアノード電極層とを設けて燃料電池セルを形成し、この燃料電池セルを、燃料ガス、例えば、メタンガスと、酸素ガスとが混合された混合燃料ガス中に置いて、カソード電極層とアノード電極層との間に起電力を発生させる形式の燃料電池が開発されている。この形式の燃料電池では、カソード電極層とアノード電極層との間に起電力を発生する原理は、上述したセパレート型チャンバー形式の燃料電池の場合と同様であるが、燃料電池セル全体を実質的に同一雰囲気にすることができるため、混合燃料ガスが供給されるシングル型チャンバーとすることができ、燃料電池セルの耐久性を向上できる。

しかし、このシングル型チャンバーの燃料電池においても、約１０００℃の高温下で駆動しなければならないので、混合燃料ガスの爆発の危険性がある。この危険性を回避するために、酸素濃度を発火限界よりも低い濃度にすると、メタン等の燃料の炭化が進み、電池性能が低下するという問題が生じた。そのため、混合燃料ガスの爆発を防止しつつ、燃料の炭化の進行を防止し得る酸素濃度の混合燃料ガスを使用できるシングル型チャンバーの燃料電池が開発されている。

一方、以上に述べた燃料電池は、密封構造を有するチャンバー内に収納された燃料電池セルによって構成された形式のものであるが、固体酸化物燃料電池を火炎中、或いは、その近傍に配置し、火炎の熱によって固体酸化物燃料電池をその動作温度に保持させて、発電を行う装置が提案されている。

この提案された発電装置の燃料電池セルは、ジルコニアによる固体酸化物基板から成る管体と、その管体の内側に形成された空気極であるカソード電極層と、管体の外側に形成された燃料極であるアノード電極層とから構成されている。この固体電解質による固体酸化物燃料電池を、燃料ガスが供給される燃焼装置から発生する火炎の還元炎部分に、アノード電極層を曝した状態で設置している。この様に設置することにより、還元炎中に存在するラジカル成分等を燃料として利用でき、菅内部のカソード電極層には、対流又は拡散によって、空気が供給され、固体酸化物燃料電池として、発電が行われる。

ところで、上述したシングル型チャンバーの燃料電池では、従来の固体酸化物燃料電池のように、燃料と空気を厳粛に分離する必要がない代わりに、気密封止構造を採用せざるを得ない。そして、高温下で駆動できるように、複数の板状固体酸化物燃料電池が耐熱性高電気伝導性を有するインターコネクト材を用いて積層接続され、起電力を上げていた。そのため、板状固体酸化物燃料電池によるシングル型チャンバーの燃料電池は、大掛かりな構造となり、コストが嵩むという問題がある。

また、このシングル型チャンバーの燃料電池の稼動に際しては、高温になるまで徐々に昇温して、固体酸化物燃料電池自体のひび割れを防止しているので、起電するまでの時間が長く、手間がかかるものである。

これに対して、既提案の管状の固体酸化物燃料電池では、火炎を直接利用する形態が採用されており、この形態の燃料電池は、固体電解質燃料電池を密封構造の容器に収容する必要がなく、開放型であるという特徴を持っている。そのため、この燃料電池では、起電時間が短縮でき、構造が簡単なので、燃料電池の小型軽量化、低コスト化に有利であるといえる。そして火炎を直接利用する点で、一般の燃焼装置や焼却装置等に組み込むことが可能となり、電力供給装置として利用することが期待されている。

しかしながら、この形態の燃料電池では、管状の固体酸化物基板の外面にアノード電極層が形成されているので、主に、そのアノード電極層の下半分に火炎によるラジカル成分が供給されず、管状の固体酸化物基板の外面に形成されたアノード電極層全面を有効に利用することができない。そのため、発電効率が低いものであった。さらに、固体酸化物燃料電池が、火炎で直接に、しかも偏って加熱されるため、急激な温度変化によってひび割れが発生しやすいという問題があった。

そこで、燃料の燃焼による火炎を直接利用する形態の固体酸化物燃料電池を採用し、火炎が、平板状の固体酸化物基板上に形成されたアノード電極層の全面を曝すようにして、耐久性の向上と発電効率の向上、小型化、低コスト化を図った簡便な電力供給手段としての固体酸化物燃料電池による発電装置が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。

その提案された固体酸化物燃料電池による発電装置が、図５に示されている。図５に示された発電装置に利用される固体酸化物燃料電池Ｃは、平板状で、円形又は矩形の固体酸化物基板１と、その基板の一方の面に形成された空気極（酸素極）であるカソード電極層２と、その一方の面と反対側の面に形成された燃料極であるアノード電極層３とを有している。カソード電極層２とアノード電極層３とが、固体酸化物基板１を介して対向配置されている。

以上のように構成された固体酸化物燃料電池Ｃは、この燃料電池Ｃのアノード電極層３を下側にして、燃料ガスが供給されるガス燃焼バーナー４上に支持され、燃料ガスの燃焼による火炎ｆに曝して発電する発電装置とされる。ガス燃焼バーナー４には、火炎を生成して燃焼酸化する燃料が供給される。燃料としては、燐、硫黄、フッ素、塩素、及びこれらの化合物等でも良いが、排ガス処理が不要な有機物が好ましい。有機物燃料としては、例えば、メタン、エタン、プロパン、ブタン等のガス類、ヘキサン、へプタン、オクタン等のガソリン系液体、メタノール、エタノール、プロパノール等のアルコール、アセトン等のケトン、その他の有機溶剤各種、食用油、灯油、紙類、木材等が挙げられる。この中でも、特に、ガス類が好ましい。

さらに、火炎は拡散炎でも予混火炎でも良いが、拡散炎は、炎が不安定であり、煤の発生によってアノード電極層の機能低下を招きやすいので、予混火炎の方が好適である。予混火炎は安定している上に、火炎サイズを調整しやすく、さらに燃料濃度を調整して、煤の発生を防止することができる。

固体酸化物燃料電池Ｃが平板状に形成されているので、燃焼装置４からの火炎ｆを固体酸化物燃料電池Ｃのアノード電極層３に均一にあてることができ、管状のものに比べて、ムラなく火炎ｆを当てることが可能となる。さらに、アノード電極層３を火炎ｆ側に向けて配置され、火炎中に存在する炭化水素、水素、ラジカル（ＯＨ、ＣＨ、Ｃ_２、Ｏ_２Ｈ、ＣＨ_３）などを酸化還元反応に基づく発電の燃料として利用しやすくなる。また、カソード電極層２が、酸素を含有する気体、例えば、空気中に露出されるので、カソード電極層２から酸素を利用しやすくなり、さらに、カソード電極層２に向かって酸素を含有する気体が吹きつけられると、より効率良く、カソード電極層側を酸素リッチ状態にすることができる。

固体酸化物燃料電池Ｃで発電された電力は、カソード電極層２とアノード電極層３からそれぞれ引き出されたリード線Ｌ１、Ｌ２によって取り出される。リード線Ｌ１、Ｌ２としては、耐熱性のある白金製、或いは、白金を含む合金製のものが使用される。

特開２００４−１３９９３６号公報

以上に説明したように、これまでに提案された固体酸化物燃料電池利用による発電装置では、チャンバー型のものにあっては、固体酸化物燃料電池を駆動温度まで昇温させる電気炉や、燃料ガスと酸素又は空気とを供給する供給装置などが必要であり、装置自体が複雑で、嵩張るものであったため、発電装置として、人が携帯することはできなかった。

これに対して、提案されている直接火炎利用の固体酸化物燃料電池による発電装置では、燃料を燃焼して火炎を生成する燃焼装置を必要とするが、燃焼装置、例えば、ローソク、ライター、ガス燃焼バーナーなどによる燃焼火炎を利用できるため、小型、軽量で、コンパクトな発電装置を実現できる。

しかしながら、この発電装置では、燃焼装置で生成する火炎を利用することから、簡便に発電させることができるが、反面において、燃焼装置の着火又は消火が簡単なため、固体酸化物燃料電池に供給される熱量の変化も急峻となり、この変化が、固体酸化物燃料電池に熱衝撃が加わり、固体酸化物のひび割れを誘発するという問題があった。また、従来に用いられている燃焼装置では、火炎の揺らぎなどが発生して、火炎供給が不安定となり、或いは、火炎の生成が、固体酸化物燃料電池の発電に好ましい状態に調整できないため、安定的に発電することに問題があった。

そこで、本発明は、直接火炎型の固体酸化物燃料電池を利用した発電装置において、固体酸化物燃料電池への火炎供給状態を調整するようにし、固体酸化物燃料電池の発電を最適な状態にして、安定的発電を行うことができ、更には、発電の作動開始時又は作動停止時において、燃焼装置からの火炎供給を調整して、固体酸化物燃料電池への熱衝撃を緩和することにより、固体酸化物燃料電池の割れ発生を抑制することができる直接火炎型燃料電池利用による発電装置を提供することを目的とする。

以上の課題を解決するため、本発明の直接火炎型燃料電池による発電装置では、固体酸化物基板と、該基板の一方の面に形成されたカソード電極層と、該一方の面と反対側の面に形成されたアノード電極層とを有する固体酸化物燃料電池と、予混気体の燃焼による火炎を前記アノード電極層に供給でき、該火炎の供給状態を調整できる火炎発生装置と、を備え、前記固体酸化物燃料電池は、前記カソード電極層に供給される酸素又は酸素含有気体と、前記アノード電極層に前記火炎発生装置から供給される前記火炎の成分とにより発電することとした。

前記火炎発生装置は、燃料ガスと酸素又は酸素含有気体とから前記予混気体を生成するガス生成装置に接続されており、特に、前記火炎発生装置は、前記ガス燃焼の開口調節具を備え、該開口調節具による燃焼部開口の大きさを変えて、放出する前記予混気体の流速を変更できるようにした。

前記固体酸化物燃料電池は、前記火炎発生装置との間隔を調整できる架台に支持されていることとした。

また、前記ガス生成装置は、前記燃料ガスと前記酸素含有気体との混合比率を変えた前記予混気体を生成することができ、特に、前記ガス生成装置は、前記発電の作動開始時には、前記酸素含有気体の比率を徐々に大きくした前記予混気体を生成し、前記固体酸化物燃料電池が所定状態になったとき、所定の混合比率の前記予混気体を生成することとし、前記発電の作動停止時には、所定の混合比率に比べて前記酸素含有気体の比率を徐々に大きくした前記予混気体を生成し、前記燃料ガスの供給を停止することとした。

また、前記ガス生成装置は、前記火炎発生装置に連結するガスバッファ容器を備え、前記発電の作動開始時には、最初に規定量の前記酸素含有気体を前記ガスバッファ容器に供給し、次に、規定量の前記燃料ガスを前記ガスバッファ容器に供給することにより、前記火炎発生装置に前記燃料ガスの濃度が規定濃度より低く、次いで所定の混合比率になる予混気体を前記火炎発生装置に供給することとした。

前記ガス生成装置は、前記火炎発生装置に連結するガスバッファ容器を備え、前記発電の作動停止時には、最初に前記ガスバッファ容器への前記燃料ガスの供給を停止し、前記ガスバッファ容器に供給される予混気体の前記燃料ガスの濃度が該予混気体の燃焼限界以下になったとき、前記酸素含有気体の前記ガスバッファ容器への供給を停止することとした。

以上のように、本発明による直接火炎型燃料電池利用の発電装置では、固体酸化物基板と、該基板の一方の面に形成されたカソード電極層と、該一方の面と反対側の面に形成されたアノード電極層とを有する固体酸化物燃料電池と、予混気体の燃焼による火炎を前記アノード電極層に供給でき、該火炎の供給状態を調整できる火炎発生装置とを備えたので、固体酸化物燃料電池を曝す火炎の発生状態を、ガス燃焼バーナーに供給される混合ガスの流速や、燃料濃度を調整することによって変更でき、或いは、固体酸化物燃料電池とガス燃焼バーナーとの間隔を変更できるので、燃料電池発電の出力を調整できるとともに、燃料電池発電の作動開始時又は作動停止時における固体酸化物燃料電池の温度上昇又は温度下降の速度を簡単に調整でき、固体酸化物燃料電池に発生する熱衝撃を緩和でき、ひび割れの発生や、燃料電池内部の界面の剥離を低減することができる。

次に、本発明による直接火炎型燃料電池利用の発電装置に係る実施形態について、図１乃至図３を参照しながら、説明する。ここで、本実施形態の発電装置を説明する前に、この発電装置に使用される固体酸化物燃料電池について、以下に説明する。

本実施形態に使用される固体酸化物燃料電池は、基本的には、図５に示された固体酸化物燃料電池Ｃと同様の構成であり、固体酸化物基板１、カソード電極層２及びアノード電極層３を有している。

固体酸化物基板１は、例えば、矩形状の平板であり、カソード電極層２とアノード電極層３とが、固体酸化物基板１を介して対向するように、その平面のほぼ全面に形成されている。そして、カソード電極層２には、リード線Ｌ１が接続され、アノード電極層３には、リード線Ｌ２が接続されており、リード線Ｌ１とＬ２とで、燃料電池としての出力が取り出される。なお、固体酸化物基板１は、板状に形成されていればよく、矩形状に限られず、燃焼装置であるガス燃焼バーナーから生成される予混火炎に曝される形状を有していればよく、例えば、円形状とすることができる。

固体酸化物基板１には、例えば、公知のものを採用でき、次に示す材料を使用できる。
ａ） ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）、ＳｃＳＺ（スカンジア安定化ジルコニア）、これらにＣｅ、Ａｌ等をドープしたジルコニア系セラミックス
ｂ） ＳＤＣ（サマリアドープドセリア）、ＧＤＣ（ガドリアドープドセリア）等のセリア系セラミックス
ｃ） ＬＳＧＭ（ランタンガレート）、酸化ビスマス系セラミックス

また、アノード電極層３には、例えば、公知のものを採用でき、次に示す材料を使用できる。
ｄ） ニッケルと、イットリア安定化ジルコニア系、スカンジア安定化ジルコニア系、又は、セリア系（ＳＤＣ、ＧＤＣ、ＹＤＣ等）セラミックとのサーメット
ｅ） 導電性酸化物を主成分（５０重量％以上９９重量％以下）とする焼結体（導電性酸化物とは、例えば、リチウムが固溶された酸化ニッケル等である）
ｆ） ｄ）、ｅ）に挙げたものに、白金族金属元素から成る金属、又は、その酸化物が１〜１０重量％程度配合されたもの
等が挙げられ、この中でも、特にｄ）、ｅ）が好ましい。

また、ｅ）の導電性酸化物を主成分とする焼結体は、優れた耐酸化性を有するのでアノード電極層の酸化に起因して発生する、アノード電極層の電極抵抗の上昇による発電効率の低下、或いは、発電不能、アノード電極層の固体酸化物基板からの剥離といった現象を防止できる。また、導電性酸化物としては、リチウムが固溶された酸化ニッケルが好適である。さらに、上記ｄ）、ｅ）に挙げたものに、白金族元素から成る金属、またはその酸化物を配合することにより、高い発電性能を得ることができる。

カソード電極層２は、公知のものを採用でき、例えば、ストロンチウム（Ｓｒ）等の周期律表第３族元素が添加されたランタンのマンガン（例えば、ランタンストロンチウムマンガナイト）、ガリウム又はコバルト酸化化合物（例えば、ランタンストロンチウムコバルタイト）等が挙げられる。

カソード電極層２とアノード電極層３とは、共に多孔質体に形成される。これらの電極層は、多孔質体の開気孔率を、２０％以上、好ましくは、３０〜７０％、特に、４０〜５０％とすることが好ましい。本実施形態に使用される固体酸化物燃料電池では、多孔質体に形成されたカソード電極層２とアノード電極層３とすることにより、カソード電極層２では、空気中の酸素を固体酸化物基板１との境界面の全面に供給しやすくし、また、アノード電極層３では、燃料を固体酸化物基板１との境界面の全面に供給しやすくしている。

固体酸化物基板１も多孔質に形成することもできる。固体酸化物基板は、緻密質に形成された場合には、耐熱衝撃性が低く、急激な温度変化によって、ひび割れが生じやすい。また、一般に、固体酸化物基板は、アノード電極層及びカソード電極層よりも厚く形成されるので、固体酸化物基板のひび割れが引き金となり、固体酸化物燃料電池の全体にひび割れが発生し、バラバラになることがある。

固体酸化物燃料電池Ｃは、例えば、次のように製造される。先ず、固体酸化物基板の材料粉末を所定配合割合で混合し、平板状に成形する。その後、これを焼成して焼結することで固体酸化物層としての基板が作られる。このとき、気孔形成剤等の材料粉末の種類や配合割合、焼成温度、焼成時間、予備焼成等の焼成条件等を調整することによって、様々な気孔率の固体酸化物基板を作ることができる。こうして得られた固体酸化物層としての基板の一面側に、カソード電極層となる形状でペーストを、他面側にアノード電極層となる形状でペーストを夫々塗布した後に、焼成を行うことにより、一枚の固体酸化物燃料電池を製造することができる。

また、固体酸化物燃料電池は、さらに耐久性を向上することができる。この耐久性の向上手法としては、燃料電池セルにおけるカソード電極層とアノード電極層とに、メッシュ状金属を埋設、或いは、固着させるものである。そして、このメッシュ状金属を、固体酸化物燃料電池の集電電極とし、集電効率をも向上させることができる。埋設する方法としては、各層の材料（ペースト）を固体酸化物基板に塗布し、メッシュ状金属をその塗布された材料中に埋め込んだ後に焼成を行う。固着する方法としては、メッシュ状金属を各層の材料によって完全に埋め込むことなく、接着させて焼結しても良い。

メッシュ状金属としては、これを埋設する、或いは、固着するカソード電極層、アノード電極層との熱膨張係数の調和や、耐熱性に優れたものが好適である。具体的には、白金や、白金を含む合金から成る金属でメッシュ状にしたものが挙げられる。ＳＵＳ３００番代（３０４、３１６等）、或いは、ＳＵＳ４００番代（４３０等）のステンレスでも良く、これらはコストの点で有利である。

また、メッシュ状金属を用いる代わりに、ワイヤ状金属をアノード電極層、カソード電極層に埋設或いは固着させてもよい。ワイヤ状金属は、メッシュ状の金属と同様の金属から成り、その数や配設形状等に限定はない。メッシュ状金属やワイヤ状金属を、アノード電極層やカソード電極層に埋設、或いは、固着することにより、熱履歴等によってひび割れした固体酸化物基板がバラバラになって崩れないように補強されることになり、さらに、メッシュ状金属やワイヤ状金属は、ひび割れした部分を電気的に接続している。

なお、これまで、固体酸化物基板を多孔質性にした場合を説明したが、燃料電池の固体酸化物基板に、緻密構造のものを使用した場合には、特に、熱履歴によるひび割れに対処するのに、カソード電極層及びアノード電極層にメッシュ状金属又はワイヤ状金属を埋め込み、或いは、埋設することは、有効な手段となる。

また、固体酸化物燃料電池には、ガス燃焼コンロの点火による急激な加熱によってもひび割れが発生するが、カソード電極層及びアノード電極層に、適宜の密度でメッシュ状金属又はワイヤ状金属を埋め込み、或いは、埋設すると、急激に加熱されたときに、燃料電池セルの面的な熱伝導が均一となり、熱伝導不均一によるひび割れを抑制することができる。

メッシュ状金属或いはワイヤ状金属は、アノード電極層とカソード電極層の両方に配設しても良いし、どちらか一方に配設しても良い。また、メッシュ状金属とワイヤ状金属を組み合わせて配設しても良い。熱履歴によってひび割れが生じたときには、少なくともアノード電極層に、メッシュ状金属又はワイヤ状金属が埋設されていれば、その発電能力を低下させることがなく、発電を継続することができる。固体酸化物燃料電池の発電能力は、アノード電極層の燃料極としての有効面積に負うところが大きいので、少なくとも、アノード電極層にメッシュ状金属、或いは、ワイヤ状金属を配設すると良い。

このようにして形成された固体酸化物燃料電池が、本実施形態の直接火炎型燃料電池利用の発電装置における燃料電池Ｃとして使用される。本実施形態では、この固体酸化物燃料電池に形成されたアノード電極層３に供給される燃料として、燃焼装置のガス燃焼バーナーで発生した予混火炎を直接に利用することとした。そして、その予混火炎で加熱される温度も、図５に示した直接火炎利用の場合と同様であり、この温度は、固体酸化物燃料電池が作動可能な温度になっている。そのため、ガス燃焼バーナーにより燃焼で発生した火炎が、固体酸化物燃料電池に対する燃料供給源として、さらには、駆動熱源として適したものとなっている。

次に、以下において、本発明の直接火炎型燃料電池による発電装置に関する実施形態を説明する。図１に本実施形態の発電装置に関する構成の概要が示されている。図１の発電装置に使用される固体酸化物燃料電池は、図５に示されたものと同様であり、上述した方法で製造された直接火炎型の固体酸化物燃料電池である。そして、図５に示された場合と同様に、火炎発生装置であるガス燃焼バーナー４で生成される火炎ｆ１が、固体酸化物燃料電池に対する燃料供給源であり、さらに駆動熱源となっている。

本実施形態の火炎発生装置に使用されるガス燃焼バーナー４には、混合ガス（予混気体）が供給される。この混合ガスは、調整弁６を介して、混合ガス供給装置５から供給される。調整弁６は、ガス燃焼バーナー４への混合ガス流量を調節するものであり、火炎ｆ１の大きさを変えることができる。また、混合ガス供給装置５は、燃焼して固体酸化物燃料電池の燃料種となりえる燃料Ｆと、燃焼に必要な酸素を含む気体、例えば、空気Ａとから混合ガス（予混気体）を生成し、その混合ガスをガス燃焼バーナー４に供給する。燃料Ｆと空気Ａとの混合比率を変えることができ、燃料濃度の調節ができるようになっている。

そこで、混合ガス供給装置５で生成される混合ガスの燃料濃度の調整、そして、調整弁６の開度調節による混合ガス流量の調整によって、固体酸化物燃料電池Ｃのアノード電極層３への火炎の供給状態を変更できる。そして、この火炎の供給状態に応じて、固体酸化物燃料電池Ｃの発電出力も変化する。

固体酸化物燃料電池への火炎の供給状態に応じて、燃料電池としての発電出力も変化することについて、次のことが実験的に確かめられている。
ａ）ガス燃焼バーナー４に供給される混合ガス中の燃料濃度を上昇させると、燃料電池の出力も上昇するが、ある燃料濃度値を超えると、燃料電池の出力は、それ以上上昇しなくなる。
ｂ）ガス燃焼バーナー４に供給される混合ガスの流量が小さい場合や、燃料濃度が低い場合などでは、発生する火炎は小さくなる。アノード電極層３の面積に比較して、火炎の方が小さい場合には、火炎による反応面積が減り、発電機能が有効に発揮されない。
ｃ）ガス燃焼バーナー４で発生される火炎がアノード電極層３より大きい場合、この火炎の一部がカソード電極層２の側に回り込み、空気中の酸素の還元反応を阻害する。結果的に、燃料電池の発電出力は低下することになる。

以上のように、固体酸化物燃料電池への火炎の供給状態に応じて、燃料電池としての発電出力も変化するので、実際に固体酸化物燃料電池利用の発電装置で発電する場合には、燃料の種類によって、燃料濃度や、混合ガス流量を選択調整し、燃料電池の発電出力が最大となるように、固体酸化物燃料電池にガス燃焼バーナー４で発生される火炎の供給状態を最適にする条件を設定する。

ところで、これまでに説明した火炎の供給状態は、燃料の種類に応じて、燃料濃度や、混合ガス流量を調整することにより、燃料電池の発電出力を最大にするように最適化されていたが、燃料の種類、燃料濃度、混合ガス流量が同一条件の混合ガスにより火炎を発生させる場合、ガス燃焼バーナー４から放出される混合ガスの流速のみを変更して、火炎を発生させると、直接火炎型の固体酸化物燃料電池の発電出力は、その流速が速い方が高くなるという知見が得られた。

図２に、ガス燃焼バーナーから放出される混合ガスの流速を変化させたときの固体酸化物燃料電池の出力変化の実験結果に関するグラフが示されている。図２において、横軸は電流を示し、左縦軸は、電圧を、そして、右縦軸は、電力を示している。この実験に使用された固体酸化物燃料電池は、次のようなものである。

固体酸化物基板には、固体電解質として、サマリアドープドセリア（ＳＤＣ、Ｓｍ_０．２Ｃｅ_０．８Ｏ_１.９セラミック）を用いた。グリーンシート法により、大気中において、１３００℃で焼成し、厚さ２００μｍ、径１５ｍｍのセラミック基板を作製した。次いで、この基板の一方の面に、サマリアストロンチウムコバルタイト（ＳＳＣ、Ｓｍ_０．２Ｓｒ_０．５Ｃｅ_０．８Ｏ_３）とＳＤＣの５０重量％・５０重量％混合物からなるペーストを径１３ｍｍに印刷し、そのペーストを乾燥させた。

さらに、基板の他方の面に、リチウムを８ｍｏｌ％固溶した酸化ニッケルとＳＤＣの６０重量％・４０重量％混合物に、５重量％の酸化ロジウムを添加したペーストを、径１３ｍｍに印刷し、それぞれの面にリード線となる白金ワイヤを溶接した白金メッシュを埋め込んだ。その後、大気中において、１２００℃で焼成し、１枚の固体酸化物燃料電池を作製した。

固体酸化物燃料電池の発電実験においては、燃料ガスにブタンを用い、空気との混合ガスとし、燃料ガス濃度を６．５％、混合ガス流量を４００ｍｌ／分の条件で、混合ガスがガス燃焼バーナー４から放出されるように設定した。そこで、開口の内径が３ｍｍのものと、４ｍｍのものとを有するガス燃焼バーナーを用意した。

これらのガス燃焼バーナーで発生した火炎による発電実験の結果が、図２に示される。４ｍｍ内径のガス燃焼バーナーの場合における電流に対する電圧の変化がＡ１の曲線で示され、電流に対する電力の変化がＢ１の曲線で示されている。また、３ｍｍ内径のガス燃焼バーナーの場合における電流に対する電圧の変化がＡ２の曲線で示され、電流に対する電力の変化がＢ２の曲線で示されている。これらの結果から、３ｍｍ内径の方が、４ｍｍ内径の混合ガス流速より速く、混合ガス流速が速い方が、発電出力を増大させることを確認できた。

ガス燃焼バーナーから放出される混合ガスの流速が速くなると、固体酸化物燃料電池の発電出力が増大する理由としては、混合ガス流速が速い場合に、火炎中の燃料種がアノード電極層の反応界面に供給される速度、及び、反応界面で発生する水蒸気が取り除かれ速度が速くなるものと考えられる。つまり、アノード電極層の反応界面における物質交換速度が上昇する結果、アノード電極層における過電圧が小さくなり、燃料電池の発電出力が上昇するからである。

そこで、本実施形態の直接火炎型燃料電池による発電装置では、放出される混合ガスの流速を速くする手段として、図１に示されるように、ガス燃焼バーナー４の先端部に、開口を調節できるバーナー口調節具７を取り付けた。この調節具７は、元々のガス燃焼バーナー４の先端部における開口の内径より小さい内径を有する開口を備えている。この調節具７は、該開口に嵌め込まれて取り付けられる形態でもよく、或いは、この調節具７が、絞り構造に形成された形態にして、所定の内径の開口に調節できるようにしてもよい。

本実施形態の発電装置のように、ガス燃焼バーナー４から放出される混合ガス流速を速くする調節具を備えることにより、燃料の種類に応じて、燃料濃度や、混合ガス流量だけでなく、混合ガス速度をも調整できるので、燃料電池の発電出力を最大にするように最適化をし易くなり、発電効率の向上を図れる。

また、放出される混合ガス流速を速くすることで、発生される火炎も流速が遅いときよりも絞られる。そのため、固体酸化物燃料電池の作動初期において、この絞られた火炎で加熱されると、固体酸化物燃料電池内に熱衝撃が発生する可能性がある。そこで、この作動初期における熱衝撃を緩和させるため、作動開始時においては、バーナー口調節具７の開口を大きくし、発生する火炎を拡げ、固体酸化物燃料電池全体を加熱し易くする。そして、固体酸化物燃料電池が加熱されて所定温度に到達した時点で、該調節具７の開口を小さく変更して、放出される混合ガス流速を速くすることによって絞った火炎で発電させることもできる。

以上に説明した本実施形態による直接火炎型燃料電池利用の発電装置において、混合ガス生成装置は、燃料の種類に応じて、燃料濃度、混合ガス流量が所定の条件の混合ガスを生成し、ガス燃焼バーナーから放出された混合ガスで火炎を発生させた。固体酸化物燃料電池への火炎供給状態を調整するようにして、固体酸化物燃料電池の発電の発電を好ましい状態にし、安定的発電を行うことができるようにした。

ところで、直接火炎型の固体酸化物燃料電池を利用して発電する場合、作動開始時には、固体酸化物燃料電池が火炎に曝されて急激に温度上昇し、また、作動停止時には、該火炎が消火され或いは取り去られて、固体酸化物燃料電池が急激に温度降下するため、固体酸化物燃料電池に熱衝撃が加わり、ひび割れが発生するだけでなく、固体酸化物基板と、アノード電極層又はカソード電極層との熱膨張係数の差異により、各界面において、剥離などが発生する。これらの状態が発生すると、固体酸化物燃料電池の発電性能劣化や、破壊の原因になる。

そこで、上述した問題を解決できる本発明の直接火炎型燃料電池利用による発電装置に係る他の実施形態について、図３を参照しながら、以下に説明する。図３に示された発電装置では、固体酸化物燃料電池Ｃは、図１に示された発電装置に使用されたのと同様のものが使用され、この固体酸化物燃料電池Ｃのアノード電極層３に、ガス燃焼バーナー４で発生された火炎ｆ２が供給される。そして、カソード電極層２は、空気に接しており、空気中の酸素が供給される。

ガス燃焼バーナー４には、燃料ガスと空気による混合ガスが供給され、その先端部において、燃焼による予混火炎ｆ２が発生され、固体酸化物燃料電池Ｃを曝し、火炎ｆ２が燃料電池の加熱源及び燃料供給源となる。ガス燃焼バーナー４へ供給する混合ガスは、本実施形態の発電装置では、混合ガス調整装置８から送られる。この混合ガス調整装置８には、ガスバッファ容器８１が備えられており、ガス燃焼バーナー４に供給する混合ガスを生成するときには、一旦、燃料ガスＦと空気Ａとをガスバッファ容器８１へ供給し、このガスバッファ容器８１内で両者を混合するようになっている。

混合ガス調整装置８は、制御装置９によって、燃料ガスＦと空気Ａのガスバッファ容器８１への供給が個別に制御される。制御装置９は、発電の作動開始時と作動停止時とにおける火炎ｆ２の供給状態を変更するため、ガスバッファ容器８１内で生成される混合ガス中の燃料濃度を調整する。なお、制御装置９は、ユーザの入力操作により条件設定することができる。また、ガスバッファ容器８１で生成された混合ガスは、図１の発電装置と同様に、調整弁によって、ガス燃焼バーナー４への混合ガス量を調整してもよい。

次に、制御装置９による混合ガス調整装置８の制御の仕方について説明する。燃料電池発電の作動開始時においては、先ず、ガスバッファ容器８１に規定量の空気Ａを供給する。次いで、定常状態になったとき、或いは、所定時間経過後に、ガスバッファ容器８１に規定量による燃料ガスＦの供給を開始する。この様なガスバッファ容器８１への気体の供給手順により、ガスバッファ容器８１からガス燃焼バーナー４に供給される混合ガス中の燃料濃度は、当初では、規定の濃度より低く、やがて規定の濃度に達する。

この気体供給手順の場合には、ガス燃焼バーナー４で発生する火炎ｆ２は、点火当初において、小さく、熱量も少ない。そして、しばらくの後、規定濃度の混合ガスが供給されるため、火炎ｆ２は、規定の大きさになり、所定の熱量を有する。この様に、発電作動開始時において、発生される火炎ｆ２が、当初では小さく、徐々に規定の大きさになるので、固体酸化物燃料電池Ｃへの加熱量が徐々に増加することになり、加熱による熱衝撃を緩和する。ひび割れの発生や、各界面における剥離などの発生を低減できる。

一方、発電作動停止時においては、先ず、定常的にガスバッファ容器８１に各々所定量で供給していた燃料ガスＦと空気Ａのうち、燃料ガスＦの供給のみを停止する。燃料ガスＦの供給停止により、ガスバッファ容器８１からガス燃焼バーナー４に供給される混合ガスの燃料濃度が、徐々に規定濃度から低下し、やがて燃焼限界以下となって０％になる。この場合には、火炎ｆ２は、規定の大きさから徐々に小さくなり、その後に消える。このとき、ガスバッファ容器８１への空気Ａの供給を停止する。

この様に、発電作動停止時において、発生される火炎ｆ２が、規定の大きさから徐々に小さくなるので、固体酸化物燃料電池Ｃへの加熱量が徐々に減少することになり、固体酸化物燃料電池の温度降下の速度を遅くする結果、冷却による熱衝撃を緩和し、ひび割れの発生や、各界面における剥離などの発生を低減できる。なお、発電作動中において、制御装置９による条件設定で、ガス燃焼バーナーに供給される混合ガスの燃料濃度を調整できるので、燃料電池の発電出力を変えることができる。

以上に説明した本発明の直接火炎型燃料電池利用による発電装置の実施形態では、固体酸化物燃料電池を曝す火炎の発生状態が、ガス燃焼バーナーに対する混合ガスの供給の仕方によって変更されていた。そこで、ガス燃焼バーナーと固体酸化物燃料電池との間隔を調整することにより、固体酸化物燃料電池を曝す火炎の発生状態を変更するようにした本発明の発電装置に係る別の実施形態について、図４を参照して説明する。

図１及び図３に示された本発明による実施形態の発電装置においては、固体酸化物燃料電池Ｃは、支持装置によって、ガス燃焼バーナーと固定的な間隔で支持されていた。そこで、図４に示された別の実施形態の発電装置の例では、固体酸化物燃料電池Ｃの支持位置を変更できる支持装置を採用し、固体酸化物燃料電池を曝す火炎の発生状態を、ガス燃焼バーナーとの間隔を調整することで変化させるようにした。

ガス燃焼バーナー４は、架台１０に取り付けられており、この架台１０に、支柱１１が設けられている。この支柱１１に、上下に移動可能な把持体１２が備えられている。この把持体１２は、固体酸化物燃料電池Ｃを把持し、所定位置に保持する。この把持体１２は、例えば、ハンドル操作や、電動駆動などにより、支柱１１を上下に移動調整され、固体酸化物燃料電池Ｃとガス燃焼バーナー４との間隔Ｈを変えられる。なお、この間隔Ｈは、ガス燃焼バーナーを上下動させることによっても変更できる。

固体酸化物燃料電池Ｃとガス燃焼バーナー４との間隔Ｈが変更されると、例えば、把持体１２を下げて、間隔Ｈを縮めると、固体酸化物燃料電池Ｃがガス燃焼バーナー４に近づき、固体酸化物燃料電池Ｃは、火炎ｆ３が所定の大きさで発生されていても、火炎ｆ３によって曝される量が増え、或いは、把持体１２を上げて、間隔Ｈを拡げると、固体酸化物燃料電池Ｃがガス燃焼バーナー４に遠くなり、固体酸化物燃料電池Ｃは、火炎ｆ３によって曝される量が少なくなる。

この様に、固体酸化物燃料電池Ｃとガス燃焼バーナー４との間隔Ｈを変更することができるので、発電作動開始時において、初期では、その間隔Ｈを拡げ、固体酸化物燃料電池Ｃを曝す火炎ｆ３の大きさを小さくしておき、次いで、固体酸化物燃料電池Ｃを徐々にガス燃焼バーナー４に近付け、固体酸化物燃料電池Ｃの温度を徐々に上昇させることができる。この手順により、固体酸化物燃料電池Ｃに熱衝撃の発生を緩和できる。

一方、発電操作停止時においては、固体酸化物燃料電池Ｃを曝す火炎ｆ３の大きさは所定の大きさに維持されていたが、固体酸化物燃料電池Ｃを徐々にガス燃焼バーナー４から遠ざけるようにし、固体酸化物燃料電池Ｃの火炎による加熱量を徐々に減らし、温度降下を緩やかにすることができる。この手順により、固体酸化物燃料電池Ｃに熱衝撃の発生を緩和できる。なお、固体酸化物燃料電池とガス燃焼バーナーとの間隔調整は、発電の作動開始時又は作動停止時に自動的に行われるようにしてもよい。

以上のように、本発明の直接火炎型燃料電池利用による発電装置では、固体酸化物燃料電池を曝す火炎の発生状態を、ガス燃焼バーナーに供給される混合ガスの流速や、燃料濃度を調整することによって変更し、或いは、固体酸化物燃料電池とガス燃焼バーナーとの間隔を変更することによって変えられるので、燃料電池発電の作動開始時又は作動停止時において、固体酸化物燃料電池に発生する熱衝撃を緩和でき、燃料電池内部の界面の剥離を低減することができる。

本発明による直接火炎型燃料電池に固体酸化物型燃料電池を使用した発電装置の実施形態を説明する図である。 ガス燃焼バーナーから放出される混合ガスの流速を変化させたときの固体酸化物燃料電池の出力変化を説明する図である。 他の実施形態による直接火炎型燃料電池に固体酸化物燃料電池を使用した発電装置を説明する図である。 固体酸化物燃料電池とガス燃焼バーナーとの間隔を調整できる発電装置を説明する図である。 固体酸化物燃料電池を利用してガス燃焼による火炎を燃料として直接発電する様子を説明する図である。

符号の説明

１ 固体酸化物基板
２ カソード電極層
３ アノード電極層
４ ガス燃焼バーナー
５ 混合ガス供給装置
６ 調整弁
７ バーナー口調節具
８ 混合ガス調整装置
８１ ガスバッファ容器
９ 制御装置
１０ 架台
１１ 支柱
１２ 把持体
Ｃ 固体酸化物燃料電池
ｆ、ｆ１〜ｆ３ 火炎

Claims (9)

1. 固体酸化物基板と、該基板の一方の面に形成されたカソード電極層と、該一方の面と反対側の面に形成されたアノード電極層とを有する固体酸化物燃料電池と、
   予混気体の燃焼による火炎を前記アノード電極層に供給でき、該火炎の供給状態を調整できる火炎発生装置と、を備え
   前記固体酸化物燃料電池は、前記カソード電極層に供給される酸素又は酸素含有気体と、前記アノード電極層に前記火炎発生装置から供給される前記火炎の成分とにより発電することを特徴とする直接火炎型燃料電池による発電装置。
2. 前記火炎発生装置は、燃料ガスと酸素又は酸素含有気体とから前記予混気体を生成するガス生成装置に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の直接火炎型燃料電池による発電装置。
3. 前記火炎発生装置は、前記ガス燃焼の開口調節具を備え、
   前記開口調節具による燃焼部開口の大きさを変えて、放出する前記予混気体の流速を変更できることを特徴とする請求項１又は２に記載の直接火炎型燃料電池による発電装置。
4. 前記固体酸化物燃料電池は、前記火炎発生装置との間隔を調整できる架台に支持されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の直接火炎型燃料電池による発電装置。
5. 前記ガス生成装置は、前記燃料ガスと前記酸素含有気体との混合比率を変えた前記予混気体を生成することを特徴とする請求項２乃至４のいずれか一項に記載の直接火炎型燃料電池による発電装置。
6. 前記ガス生成装置は、前記発電の作動開始時には、前記酸素含有気体の比率を徐々に大きくした前記予混気体を生成し、前記固体酸化物燃料電池が所定状態になったとき、所定の混合比率の前記予混気体を生成することを特徴とする請求項５に記載の直接火炎型燃料電池による発電装置。
7. 前記ガス生成装置は、前記発電の作動停止時には、所定の混合比率に比べて前記酸素含有気体の比率を徐々に大きくした前記予混気体を生成し、前記燃料ガスの供給を停止することを特徴とする請求項５に記載の直接火炎型燃料電池による発電装置。
8. 前記ガス生成装置は、前記火炎発生装置に連結するガスバッファ容器を備え、
   前記発電の作動開始時には、最初に規定量の前記酸素含有気体を前記ガスバッファ容器に供給し、次に、規定量の前記燃料ガスを前記ガスバッファ容器に供給することにより、前記火炎発生装置に前記燃料ガスの濃度が規定濃度より低く、次いで所定の混合比率になる予混気体を前記火炎発生装置に供給することを特徴とする請求項５に記載の直接火炎型燃料電池による発電装置。
9. 前記ガス生成装置は、前記火炎発生装置に連結するガスバッファ容器を備え、
   前記発電の作動停止時には、最初に前記ガスバッファ容器への前記燃料ガスの供給を停止し、前記ガスバッファ容器に供給される予混気体の前記燃料ガスの濃度が該予混気体の燃焼限界以下になったとき、前記酸素含有気体の前記ガスバッファ容器への供給を停止することを特徴とする請求項５に記載の直接火炎型燃料電池による発電装置。

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