JP2007220548A

JP2007220548A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2007220548A
Application number: JP2006041386A
Authority: JP
Inventors: Toru Kato; 徹嘉藤; Ran Suuan Guen; ランスウアングェン; Takeo Honda; 武夫本多; Akira Negishi; 明根岸; Isao Aramaki; 勲荒巻; Toshihiko Saito; 俊彦斉藤
Original assignee: EIWA CORP; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: EIWA CORP; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2006-02-17
Filing date: 2006-02-17
Publication date: 2007-08-30
Anticipated expiration: 2026-02-17
Also published as: JP4899521B2

Abstract

【課題】従来のＳＯＦＣは大きい上に構成部材の交換がめんどうであった。
【解決手段】本発明によるＳＯＦＣ１０は、仕切り部材２２とで内部に第１のチャンバ２３を画成するセルカバー２４と、燃料を改質する改質器２０と、仕切り部材２２および改質器２０とで第２のチャンバ２５を画成する燃焼筒２６と、燃焼筒２６の周面に沿って形成されて第１のチャンバ２３内に連通する空気供給通路６８と、仕切り部材２２に形成されてセル本体２７の下端部が気密に嵌着される装着孔３４ｂと、第２のチャンバ２５および装着孔３４を貫通して改質器２０からの改質ガスをセル本体２７内に導く改質ガス供給管４８と、第１のチャンバ２３内に供給された空気を第２のチャンバ２５内に導く空気補給通路８０と、セル本体２７から第２のチャンバ２５内へと流れる改質ガスを燃焼させる燃焼触媒４４と、第２のチャンバ２５内の燃焼ガスを外部に導く燃焼ガス排出ポート４７とを有する。
【選択図】図４

Description

本発明は、固体酸化物形の燃料電池システムに関し、特にその特性を試験する場合に好適なものである。

燃料である水素と空気などの酸化剤とを化学的に反応させて発電する燃料電池は、一般的に発電効率が高く、既存の燃焼型熱機関サイクル装置に比べて排出ガスがクリーンであるという特徴を持っている。この燃料電池を使用する電解質で分類すると、アルカリ形，リン酸形，溶融炭酸塩形，固体高分子形，固体酸化物形のものに分けることができる。これらの燃料電池の中で、使用可能な燃料に多様性があり、作動温度が７００℃以上と比較的高く、多様な排熱利用が可能であることなどから、特許文献１に開示されたような発電効率の特に高い固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）が注目されている。

しかしながら、この固体酸化物形燃料電池（以下、ＳＯＦＣと記述する）は、実用化に向けて未だ開発段階にある技術である。このため、これを商用化する場合、燃料および酸化剤の安全な供給などの技術的課題の克服と同時に、メインテナンス性および排熱を利用した熱自立性の確立，高温に耐えるセル本体の開発など克服しなければならない多くの課題がある。さらに、電池性能のさらなる向上に加え、高温排出ガスを利用したガスタービンなど既存の熱機関サイクル装置とのコージェネレーションシステムの最適化ならびに低価格化なども達成する必要がある。

このような技術的課題を克服してＳＯＦＣの商用化を実証するため、試験用のＳＯＦＣが開発されている。このようなＳＯＦＣの技術的試験を行う場合、各種機能の検証のためにＳＯＦＣを構成するセル本体などの交換を容易に行えることが必要である。また、試験用であることから取り扱いの容易性のためにＳＯＦＣが小型軽量であることも好ましい。

特開２００５−１７４７０４号公報

試験用に開発された従来のＳＯＦＣは、以下に列挙するような不具合を抱えていた。すなわち、
（１）充分な断熱処理がなされていないため、高い熱応力を受ける部材が多く、比較的頻繁にこれらの部材を交換する必要がある。
（２）熱的劣化の早い部品には比較的大きなものが多く、その交換には多大の時間を要する。
（３）熱の拡散が充分に抑えられていないため、ＳＯＦＣの継続的な自立発電が行われる熱平衡条件の変動が大きく、再現性の良い高精度な試験を行うことができない。
（４）燃料および酸化剤をセル本体に供給するための供給装置が重い上にかさばり、実験室などにＳＯＦＣを配備する上で機動性や操作性に欠ける。
（５）複数のセル本体を用いた場合、燃料および酸化剤を各セル本体に均一に供給されず、その発電特性を正確に把握することができない。

本発明の目的は、各種構成部材の交換が従来のものよりも容易かつ迅速に行い得る小型軽量なＳＯＦＣを提供することにある。

本発明による燃料電池システムは、仕切り部材と、この仕切り部材によって塞がれる開口を下端に有し、当該仕切り部材とで内部に第１のチャンバを画成するセルカバーと、燃料が供給され、この燃料を改質する改質器と、前記仕切り部材によって塞がれる開口を上端に有すると共に前記改質器によって塞がれる開口を下端に有し、これら仕切り部材および改質器とで内部に第２のチャンバを画成する燃焼筒と、一端が酸化ガス供給源に連通すると共に他端が前記仕切り部材を貫通して前記第１のチャンバ内に連通し、前記燃焼筒の周面に沿って形成された酸化ガス供給通路と、上端部が半球状をなし、外周面に正極が形成されると共に内周面に負極が形成されたセル本体と、前記第１のチャンバと前記第２のチャンバとを連通するように前記仕切り部材に形成され、前記セル本体が前記仕切り部材から前記第１のチャンバ内に突出するように前記セル本体の下端部が気密に嵌着される装着孔と、前記改質器に基端部が連結されると共に前記第２のチャンバおよび前記装着孔を貫通し、上端が前記セル本体内の上端部に開口して前記改質器からの改質ガスを前記セル本体内に導く改質ガス供給管と、前記第１のチャンバと前記第２のチャンバとを連通して前記第１のチャンバ内に供給された酸化ガスを前記第２のチャンバ内に導く酸化ガス補給通路と、前記セル本体から前記第２のチャンバ内へと流れる改質ガスを燃焼させる改質ガス燃焼手段と、前記燃焼筒に形成されて前記第２のチャンバ内に介在する燃焼ガスを外部に導く燃焼ガス排出ポートとを具えたことを特徴とするものである。

本発明においては、改質器に供給される燃料が改質器により水素ガスを含む改質ガスとなり、改質ガス供給管からセル本体の内周面の負極全体に供給される。一方、酸化ガス供給源から供給される酸化ガスは、酸化ガス供給通路を通って第１のチャンバ内に導かれ、セル本体の周囲に供給される。これによりセル本体にて改質ガス中の水素と酸化ガス中の酸素とが反応して水を生成し、これに伴って正極と負極との間で電子の移動が起こる。反応後の改質ガスは第２のチャンバ側に流れ込み、同様に反応後の酸化ガスも酸化ガス補給通路を介して第１のチャンバから第２のチャンバ内に流動する。第２のチャンバ内では、改質ガス燃焼手段、例えば燃焼触媒により、ここに流れ込んだ改質ガスが酸化ガスによって燃焼し、燃焼ガス排出管から外部に排出される。第２のチャンバ内での改質ガスの燃焼により、ここを通過する先の改質ガス供給管内を流れる改質ガスおよび酸化ガス供給通路内を流れる酸化ガスも加熱され、セル本体での化学的発電反応の促進に寄与する。

本発明による燃料電池システムにおいて、改質器がこの改質器に供給される燃料の改質を促進させるための加熱手段、例えば燃焼ガスバーナなどを有するものであってよい。

セル本体が所定間隔で相互に平行に複数本配設され、酸化ガス供給通路は、第１のチャンバ内でこれらセル本体の外周面に対して酸化ガスを均一に流すための均一供給手段を含むものであってよい。この場合、均一供給手段は、各セル本体の真上に下向きに開口する酸化ガス噴射ノズルをそれぞれ有するものであってよい。あるいは、この均一化手段は、複数のセル本体を囲み、仕切り部材によって塞がれる開口を下端に有すると共にセルカバーの上端部に形成された天板部に近接する開口を上端に有する遮蔽筒を含み、この遮蔽筒は、その下端部に複数のセル本体が挿通されてこれらセル本体の外周面との間に環状の空隙をそれぞれ画成する複数の開口が形成された仕切り壁部を有し、この仕切り壁部と仕切り部材との間に酸化ガス補給通路の一端が連通する第３のチャンバが画成され、遮蔽筒とセルカバーとの間に仕切り部材に形成された酸化ガス供給通路の開口端が位置するものであってよい。

酸化ガス補給通路の途中に組み込まれて第２のチャンバ内への酸化ガスの供給量を制御する流量制御弁と、セル本体内に供給される改質ガス中の酸素分圧を測定するＯ_２センサと、このＯ_２センサによる測定結果に基づいて流量制御弁による酸化ガスの供給量を制御する弁制御手段とをさらに具えることができる。この場合、Ｏ_２センサは、複数のセル本体のうちの１つに代えて仕切り部材に取り付けられるものであってよい。

燃焼筒の周囲を囲んで内側を保温するための断熱カバーをさらに具えることができる。

燃焼ガス排出管に連結されて燃焼ガス排出管内を流れる高温の燃焼ガスによる排熱を回収する排熱回収手段、例えばガスタービンなどを用いた発電機器をさらに具えることができる。

セルカバーを囲んで第１のチャンバ内に供給される酸化ガスを加熱するための電気ヒータをさらに具えることができる。

仕切り部材は、ベースと、このベースの上に重ねられる電気絶縁性のセルホルダとを有し、このセルホルダは締結部材を介して取り外し可能にベースに固定され、セル本体の下端部はこのセルホルダの装着孔に対して取り外し可能に気密に嵌着されているものであってよい。

本発明の燃料電池システムによると、改質器の上に第２のチャンバを画成する燃焼筒を配し、さらにその上に仕切り部材を介して第１のチャンバを画成するセルカバーをかぶせ、第１のチャンバ内に収容されるセル本体を仕切り部材に形成された装着孔に対して気密に嵌着してあるので、燃料電池システムを上下方向にコンパクトにまとめてその設置スペースを削減することができる。また、最も高温にさらされる第１のチャンバが燃料電池システムの上端部に配されているため、熱劣化による交換が必要なセル本体を交換する場合、セルカバーを取り外すだけで容易かつ迅速に交換作業を行うことができる。

改質器がこの改質器に供給される燃料の改質を促進させるための加熱手段を有する場合、常温では改質が進みにくい燃料であっても、確実に水素を含む改質ガスに改質させることができる。

セル本体が所定間隔で相互に平行に複数本配設され、酸化ガス供給通路が第１のチャンバ内でこれらセル本体の外周面に対して酸化ガスを均一に流すための均一供給手段を含む場合、発生電圧の変更が可能となり、しかも出力の安定した発電を行うことができる。

均一供給手段が各セル本体の真上に下向きに開口する酸化ガス噴射ノズルをそれぞれ有する場合、セル本体の外周面に位置する正極全域に対して均一に酸化ガスを供給することかでき、より出力の安定した発電が可能となる。

均一供給手段は、複数のセル本体を囲み、仕切り部材によって塞がれる開口を下端に有すると共にセルカバーの上端部に形成された天板部に近接する開口を上端に有する遮蔽筒を含み、この遮蔽筒は、その下端部に複数のセル本体が挿通されてこれらセル本体の外周面との間に環状の空隙をそれぞれ画成する複数の開口が形成された仕切り壁部を有し、この仕切り壁部と仕切り部材との間に酸化ガス補給通路の一端が連通する第３のチャンバが画成され、遮蔽筒と前記セルカバーとの間に仕切り部材に形成された酸化ガス供給通路の開口端が位置している場合、セル本体の外周面に位置する正極全域に対して均一に酸化ガスを供給することができ、より出力の安定した発電が可能となる。

酸化ガス補給通路の途中に組み込まれて第２のチャンバ内への酸化ガスの供給量を制御する流量制御弁と、セル本体内に供給される改質ガス中の酸素分圧を測定するＯ_２センサと、このＯ_２センサによる測定結果に基づいて流量制御弁による酸化ガスの供給量を制御する弁制御手段とをさらに具えている場合、第２のチャンバ内に流入する改質ガス中の可燃成分の量に応じた酸化ガスを第２のチャンバ内に供給することができる。この結果、酸化ガス供給通路から酸化ガスを余分に流す必要がなくなるため、燃料電池の熱効率を最大に保つことが可能となる。特に、Ｏ_２センサが複数のセル本体のうちの１つに代えて仕切り部材に取り付けられる場合、そのための設置スペースが不要となり、燃料電池システムのコンパクト化を促進させることができる。

燃焼筒の周囲を囲んで内側を保温するための断熱カバーをさらに具えている場合、酸化ガスおよび改質ガスの温度低下を抑制することができ、発電反応を安定して行うことができる。

燃焼ガス排出管に連結されて燃焼ガス排出管内を流れる高温の燃焼ガスによる排熱を回収する排熱回収手段をさらに具えている場合、発電効率をさらに高めることができる。

セルカバーを囲んで第１のチャンバ内に供給される酸化ガスを加熱するための電気ヒータをさらに具えている場合、起動時の発電反応を迅速に立ち上げることができる。

仕切り部材がベースと、このベースの上に重ねられる電気絶縁性のセルホルダとを有し、このセルホルダが締結部材を介して取り外し可能にベースに固定され、セル本体の下端部がこのセルホルダの装着孔に対して取り外し可能に気密に嵌着されている場合、ベースに対してセルホルダの交換や、セルホルダに対するセル本体の交換をそれぞれ容易に行うことができる。

本発明による燃料電池システムをＳＯＦＣに応用した実施形態について、図１〜図８を参照しながら詳細に説明する。しかしながら、本発明はこのような実施形態のみに限らず、特許請求の範囲に記載された本発明の概念に包含されるあらゆる変更や修正が可能であり、従って本発明の精神に帰属する他の任意の技術にも当然応用することができる。

本実施形態における発電システムを図１に模式的に示し、その外観を図２に示し、架台部分を分解状態で図３に示し、主要部の内部構造を図４に断面状態で示す。すなわち、本実施形態のＳＯＦＣシステム１０は、ＳＯＦＣユニット１１と、このＳＯＦＣユニット１１を支持する架台部１２と、ＳＯＦＣユニット１１に水素ガスを含む燃料を供給するための燃料供給装置１３と、本発明における酸化ガスとしての空気を供給する空気供給装置１４と、窒素などの不活性ガスを安全のための防爆ガスとして供給する防爆ガス供給装置１５と、これらの作動を統合制御する図示しないコントローラとを具えている。

本実施形態における架台部１２は、キャスタ１６が端部に取り付けられた十字型の脚部１７と、脚部１７の外周端部から立ち上がる縦壁状のフレーム１８と、これらフレーム１８の上端に連結された環状の受け環１９とを具えている。脚部１７の中央には、後述する改質器２０の一部を構成するガスバーナ２１が上向きに設置され、基端が図示しないガスボンベなどの燃焼ガス供給源に連結される図示しないガス供給管の先端部が取り外し可能に連結される。ガスバーナ２１に対する燃焼ガスの供給，燃焼ガスの点火，火力の調整などは、ガスバーナ２１と共に脚部１７に搭載される図示しない燃焼ガスコントローラにより、先のコントローラを介して行われる。架台部１２のフレーム１８には、先の燃料供給装置１３，空気供給装置１４，防爆ガス供給装置１５などが組み付けられ、受け環１９にはＳＯＦＣユニット１１が搭載される。

本実施形態におけるＳＯＦＣユニット１１は、仕切り部材２２と、この仕切り部材２２とで内部に第１のチャンバ２３を画成するセルカバー２４と、燃料を改質するための改質器２０と、この改質器２０および仕切り部材２２との間に第２のチャンバ２５を画成する燃焼筒２６と、上端部が半球状となって塞がれた円筒状のセル本体２７と、セルカバー２４を囲む電気ヒータ２８とを具えている。

仕切り部材２２は、外周縁部が受け環１９に載置されて複数の図示しない締結部材により受け環１９に対して一体的に固定される耐熱金属製の円板状をなすベース２９と、このベース２９の上に重ねられるセラミックスなどの電気絶縁材料、例えばアルミナにて形成されるセルホルダ３０と、このセルホルダ３０をベース２９に対して一体的に固定するための耐熱金属製の押さえ板３１とを有する。セルホルダ３０は、それぞればね座金３２が装着された複数本の締結ボルト３３により、押さえ板３１を介して取り外し可能にベース２９に固定される。

本実施形態におけるセル本体２７の取り付け部を抽出拡大して図５に示し、その分解状態を図６に示す。すなわち、仕切り部材２２の中央部には、第１のチャンバ２３と第２のチャンバ２５とを連通する複数（図示例では７個）の装着孔３４ａ〜３４ｃが所定間隔で形成され、セルホルダ３０に形成された装着孔３４ｂにはセル本体２７の下端部の後述する嵌合保持筒３５が気密に嵌着されるようになっている。なお、ベース２９および押さえ板３１にそれぞれ形成される装着孔３４ａ，３４ｃは、セルホルダ３０に形成された装着孔３４ｂよりも大径に設定され、セル本体２７に対して非接触状態に保たれる。また、ベース２９に形成された装着孔３４ｃの周囲には、環状のシール用突起３６が形成され、ベース２９とセルホルダ３０との対向面を機械的にシールしている。

金属製のセルカバー２４は、仕切り部材２２によって塞がれる開口を下端に有し、この下端部がセルホルダ３０に対して取り外し可能に嵌合され、この下端部に形成されたフランジ部３７が締結部材３８を介してセルホルダ３０に固定されるようになっている。セルホルダ３０に対するセルカバー２４の嵌合面およびそのフランジ部３７とセルホルダ３０との当接面は、図示しないシール材を介して気密にシールされている。

燃料供給装置１３の途中に組み込まれる本実施形態における改質器２０は、改質触媒３９を用いて都市ガスやジメチルエーテル(ＤＭＥ)などの炭化水素系燃料に燃料改質用の酸化剤、具体的には水(水蒸気)や二酸化炭素を添加することにより、水素ガスを含む改質ガスを得る形式のものである。内部に改質触媒３９が収容された改質器２０の底板部２０ａには、燃料導入ポート４０と防爆ガス導入ポート４１とが形成され、天板部２０ｂには改質ガスの供給ポート４２が形成されている。底板部２０ａの直下には、ガスバーナ２１による火炎を遮蔽する受熱板４３が底板部２０ａに連結されており、このＳＯＦＣシステム１０の起動時に受熱板４３を介して改質器２０の改質触媒３９を所定温度まで加熱することにより、燃料を効率よく改質ガスに変換することができる。燃焼筒２６内の温度が上昇すると、その熱の一部が改質器２０側に伝わり、ガスバーナ２１を用いずとも改質触媒３９を所定温度以上に昇温させることが可能となるため、この場合にはガスバーナ２１を消火することができる。このような観点から、改質器２０に改質触媒３９の温度を検出する温度センサを組み込み、この温度センサからの情報に基づいてコントローラが燃焼ガスコントローラの作動を自動的に制御することも可能である。

本発明における改質ガス燃焼手段としての燃焼触媒４４、例えば多孔質のアルミナにパラジウムを担持させたものが収容された燃焼筒２６は、その上端の開口が仕切り部材２２のベース２９に対して気密に接合され、その下端の開口には改質器２０の天板部２０ｂとの間にバッファ室４５を画成する管板４６が気密に接合される。燃焼筒２６の下端の一部には燃焼ガス排出ポート４７が形成され、図示しない排気管をここに連結するようになっている。この排気管には、比較的高温の燃焼ガスが流れるため、本発明の排熱回収手段として図示しないガスタービンなどを用いた二次的な発電装置を接続し、その排熱を回収して発電効率を高めるように配慮することが好ましい。管板４６には、バッファ室４５に連通する複数の改質ガス供給管４８の下端がそれぞれ気密に接合され、これらは燃焼触媒４４を貫通して装着孔３４からセル本体２７の内側に入り、これらの上端がセル本体２７の上端部にまで達している。この場合、各改質ガス供給管４８がセル本体２７と同心状に配され、改質ガス供給管４８の上端からセル本体２７内に噴出する改質ガスをその内周面の全域に亙って均一に流下させることが特に望ましい。

図示しない燃料改質用酸化剤供給手段および先の改質ガス供給管４８を含む本実施形態の燃料供給装置１３は、図示しない燃料貯溜タンクから改質器２０の燃料導入ポート４０に至る燃料供給通路４９と、この燃料供給通路４９の途中に順に配される圧力調整器５０と、燃料供給通路４９内を流れる燃料中の異物を捕捉するフィルタ５１と、燃料供給通路４９の開閉を行うための手動開閉弁５２と、図示しないＳＯＦＣシステム１０のオン／オフスイッチに連動して燃料供給通路４９を自動的に開閉する自動開閉弁５３と、燃料供給通路４９内を流れる燃料の質量流量を所定値に保持するマスフローコントローラ５４と、燃料供給通路４９内の燃料の逆流を防止する逆止め弁５５とを有する。圧力調整器５０は、燃料供給通路４９内を流れる燃料の圧力を所定の圧力に調圧するためのものであり、自動開閉弁５２は手動開閉弁５２の開閉操作に対する安全装置として組み込まれている。

なお、燃料改質用酸化剤供給手段から供給される水(水蒸気)または二酸化炭素は、燃料供給通路４９内を流れる燃料と共に燃料導入ポート４０から改質器２０内に供給されるようになっている。

前記改質器２０および燃焼筒２６の周囲には、これらを囲んでその内側を保温するための断熱カバー５６が配され、その上端が仕切り部材２２のベース２９に一体的に固定されている。これにより、ＳＯＦＣシステム１０の運転温度、つまり第１のチャンバ２３内の温度が８５０℃であっても、断熱カバー５６の周囲の雰囲気温度を１００℃以下に抑えることができ、放熱に伴う損失を最小限にすることができる。

本実施形態におけるセル本体２７は、安定ジルコニア(ＹＺＳ)などのセラミックスにて形成される円筒状をなす多孔質の電解質体５７と、この電解質体５７の外周面に形成された多孔質の正極５８と、この正極５８に導通するように接合される図示しない白金導線と、電解質体５７の内周面に形成された多孔質の負極５９と、この負極５９が導通するように電解質体５７の下端部が気密に嵌着されるニッケルなどの耐熱金属にて形成された段付きの嵌合保持筒３５とを有する。各セル本体２７の嵌合保持筒３５がセルホルダ３０の装着孔３４ｂに対して気密に挿通されて第２のチャンバ２５内に位置する状態となる。本実施形態では、６本のセル本体２７が相互に平行に所定間隔でセルホルダ３０に環状に配設される。従って、何れか１つのセル本体２７の正極５８が図示しない白金導線を介して仕切り部材２２に組み込まれた集電端子６０に接続し、これに隣接する１つのセル本体２７の負極５９が図示しない白金導線を介して仕切り部材２２に組み込まれたもう一つの集電端子６１に接続し、これら２つのセル本体２７を含めて残りのセル本体２７の正極５８と負極５９とが図示しない白金導線を介して順に直列に接続されている。

このセル本体２７において、雰囲気温度を７５０℃以上に保持することにより、正極５８では空気中の酸素が酸素イオンとなって負極５９に移動し、負極５９ではこの酸素イオンによって改質ガス中の水素および一酸化炭素が酸化され、水および二酸化炭素に化学変化を起こす。この化学反応に伴い、電解質体５７を介して電子の移動が生じて周知の発電が行われることとなる。

第１のチャンバ２３内に供給される空気を加熱するための環状をなす電気ヒータ２８は、セルカバー２４を囲むように仕切り部材２２の上に配される断熱部材６２の内周に保持されており、第１のチャンバ２３内を所定温度、例えば７００℃以上に保持する。このＳＯＦＣシステム１０の始動時には第１のチャンバ２３内の温度が低いため、発電が円滑に立ち上がるまで電気ヒータ２８に通電を行い、第１のセル内が所定温度以上になった時点で電気ヒータ２８に対する通電を切るような使用方法を採用する。このため、第１のチャンバ２３内の温度を検出する温度センサを組み込み、この温度センサからの検出信号に応じてコントローラにより電気ヒータ２８に対する通電の制御を自動的に行うようにしてもよい。

本実施形態においては、この断熱部材６２を囲む保護カバー６３が仕切り部材２２の外周縁部に締結ボルト６４を介して取り外し可能に接合されており、セルカバー２４との間に防爆ガスを介在させるための防爆チャンバ６５を仕切り部材２２と共に画成する。仕切り部材２２には、この防爆チャンバ６５に連通する防爆ガス導入通路６６と、防爆ガス補給通路６７とが形成されており、これらの通路６６，６７は防爆ガス供給装置１５の一部を構成する。

本実施形態における空気供給装置１４は、基端が本発明における酸化ガス供給源としての図示しない高圧エアタンクに連通すると共に他端が仕切り部材２２を貫通して第１のチャンバ２３内に連通し、燃焼筒２６の周面に沿って形成された空気供給通路６８と、この空気供給通路６８の途中に順に配される圧力調整器６９と、空気供給通路６８内を流れる空気中の異物を捕捉するフィルタ７０と、空気供給通路６８の開閉を行うための手動開閉弁７１と、図示しないＳＯＦＣシステム１０のオン／オフスイッチに連動して空気供給通路６８を自動的に開閉する自動開閉弁７２と、空気供給通路６８内を流れる空気、つまり酸素の質量流量を所定値に保持するマスフローコントローラ７３と、空気供給通路６８内の空気の逆流を防止する逆止め弁７４と、第１のチャンバ２３内でこれらセル本体２７の外周面に対して空気を均一に流すための均一供給手段７５とを有する。圧力調整器６９は、空気供給通路６８内を流れる空気の圧力を所定の圧力に調圧するためのものであり、自動開閉弁７２は手動開閉弁７１の開閉操作に対する安全装置として組み込まれている。本実施形態における空気供給通路６８を画成する空気供給配管７６は、上述した断熱カバー５６の内側では燃焼筒２６を囲むように螺旋状に配され、仕切り部材２２を気密に貫通し、第１のチャンバ２３内にてセル本体２７を囲むように螺旋状に配され、その上端が均一供給手段７５に接続している。

燃焼筒２６を内筒とこれよりも大径の外筒とが同心状に配された二重管構造とし、内筒の内側を第２のチャンバ２５として用いると共に内筒と外筒との間を空気供給通路６８として利用することも可能である。

本実施形態における均一供給手段７５の部分を模式的に図７に示す。すなわち、本実施形態における均一供給手段７５は、空気供給配管７６の上端に連通して各セル本体２７の真上にバッファ室７７を画成する分配部材７８と、各セル本体２７の真上に位置するようにこの分配部材７８から下向きに開口する複数のエア噴射ノズル７９とを有する。この場合、各セル本体２７の正極５８の全域に亙って均一に空気が供給されるように、各エア噴射ノズル７０の開口径や開口形状などが設定されており、基本的には空気供給配管７６に近いエア噴射ノズル７９ほど開口径が大きく設定されている。

第１のチャンバ２３と第２のチャンバ２５とに連通して第１のチャンバ２３内に供給された空気を第２のチャンバ２５内に導く本発明の酸化ガス補給通路としての空気補給通路８０は、仕切り部材２２に形成されており、セル本体２７内から第２のチャンバ２５内に流下する改質ガスの燃焼に必要な酸素が第２のチャンバ２５内に供給される。この空気補給通路８０の途中には、仕切り部材２２のベース２９に取り付けられた流量制御弁８１が組み込まれており、改質ガス中に含まれる未燃成分の量に応じた適切な量の空気が流量制御弁８１によって設定される。このため、本実施形態では、仕切り部材２２の中央に形成された装着孔３４に装着されるセル本体２７に代え、改質ガス供給管４８から供給される改質ガス中の酸素分圧を測定する図示しないＯ_２センサがこの装着孔３４に装着され、その検出情報をコントローラに出力するようになっている。コントローラは、このＯ_２センサからの検出情報に基づいて空気補給通路８０の通路断面積を調整して適切な量の空気が第２のチャンバ２５内に供給されるようになっている。このように、セル本体２７用の装着孔３４を利用してＯ_２センサを装着することにより、Ｏ_２センサのための独立した取り付け部を形成する必要を無くすことができる。余剰の空気は、流量制御弁８１から外部に排出することも可能であるが、比較的高温の空気であることから、これを再び空気供給通路６８に戻すようにしてもよい。

本実施形態における防爆ガス供給装置１５は、基端が防爆ガス供給源としての図示しない高圧窒素タンクに連通すると共に他端が仕切り部材２２を貫通して防爆チャンバ６５内に連通する防爆ガス供給通路８２と、この防爆ガス供給通路８２の途中に順に配される圧力調整器８３と、防爆ガス供給通路８２内を流れる窒素ガス中の異物を捕捉するフィルタ８４と、防爆ガス供給通路８２の開閉を行うための手動開閉弁８５と、図示しないＳＯＦＣシステム１０のオン／オフスイッチに連動して防爆ガス供給通路８２を自動的に開閉する自動開閉弁８６と、防爆ガス供給通路８２内を流れる窒素の質量流量を所定値に保持するマスフローコントローラ８７と、防爆ガス供給通路８２内を流れる窒素の流量を調整するための流量調整弁８８と、防爆ガス供給通路８２内の窒素の逆流を防止する逆止め弁８９とを有する。圧力調整器８３は、防爆ガス供給通路８２内を流れる窒素の圧力を所定の圧力に調圧するためのものであり、自動開閉弁８６は手動開閉弁８５の開閉操作に対する安全装置として組み込まれている。

なお、本実施形態では防爆ガスの一部を改質器２０および第２のチャンバ２５内にそれぞれ供給することができるようにしてあり、マスフローコントローラ８７と流量調整弁８８との間の防爆ガス供給通路８２から分岐して改質器２０の防爆ガス導入ポート４１に連通する分岐通路９０と、仕切り部材２２に形成されて防爆チャンバ６５と空気補給通路８０とに連通する防爆ガス補給通路６７とをさらに具えている。

上述した実施形態では、均一供給手段７５として、各セル本体２７の真上にエア噴射ノズル７９を下向きに配したが、他の構成を採用することも可能である。図８はこのような本発明における均一供給手段７５の他の実施形態の概略構造を示している。すなわち、この実施形態における均一供給手段７５は、複数のセル本体２７を囲み、仕切り部材２２によって塞がれる開口を下端に有すると共にセルカバー２４の天板部２４ａに近接する開口を上端に有する遮蔽筒９１を具えている。この遮蔽筒９１は、その下端部に複数のセル本体２７が挿通されてこれらセル本体２７の外周面との間に環状の空隙９２をそれぞれ画成する複数の開口が形成された仕切り壁部９３を有する。仕切り壁部９３と仕切り部材２２との間に空気補給通路８０の一端が連通する第３のチャンバ９４が画成される。遮蔽筒９１とセルカバー２４との間で空気供給通路６８を画成する図示しない空気供給配管が仕切り部材２２を気密に貫通している。仕切り壁部９３に形成された開口とセル本体２７の嵌合保持筒３５との間の環状の間隙９２を絞ることにより、遮蔽筒９１の上端からその内側に流入する空気をセル本体２７の正極５８全域に亙って均一に流すことが可能となる。

本発明による燃料電池システムをＳＯＦＣに応用した一実施形態のシステム概念図である。図１に示した実施形態おけるＳＯＦＣの外観を表す立体投影図である。図２に示したＳＯＦＣの架台部分を分解状態で表す立体投影図である。図２に示したＳＯＦＣの主要部の内部構造を模式的に表す断面図である。図４に示したセル本体の部分の抽出拡大断面図である。図５に示したセル本体の部分を分解状態で表す断面図である。図４に示した酸化ガス供給通路の末端部分の抽出拡大断面図である。酸化ガス供給通路の他の実施形態の概略構造を表す断面図である。

符号の説明

１０ＳＯＦＣシステム
１１ＳＯＦＣユニット
１２架台部
１３燃料供給装置
１４空気供給装置
１５防爆ガス供給装置
１６キャスタ
１７脚部
１８フレーム
１９受け環
２０改質器
２０ａ底板部
２０ｂ天板部
２１ガスバーナ
２２仕切り部材
２３第１のチャンバ
２４セルカバー
２４ａ天板部
２５第２のチャンバ
２６燃焼筒
２７セル本体
２８電気ヒータ
２９ベース
３０セルホルダ
３１押さえ板
３２ばね座金
３３締結ボルト
３４ａ〜３４ｃ装着孔
３５嵌合保持筒
３６シール用突起
３７フランジ部
３８締結部材
３９改質触媒
４０燃料導入ポート
４１防爆ガス導入ポート
４２供給ポート
４３受熱板
４４燃焼触媒
４５バッファ室
４６管板
４７燃焼ガス排出ポート
４８改質ガス供給管
４９燃料供給通路
５０圧力調整器
５１フィルタ
５２手動開閉弁
５３自動開閉弁
５４マスフローコントローラ
５５逆止め弁
５６断熱カバー
５７電解質体
５８正極
５９負極
６０，６１集電端子
６２断熱部材
６３保護カバー
６４締結ボルト
６５防爆チャンバ
６６防爆ガス導入通路
６７防爆ガス補給通路
６８空気供給通路
６９圧力調整器
７０フィルタ
７１手動開閉弁
７２自動開閉弁
７３マスフローコントローラ
７４逆止め弁
７５均一供給手段
７６空気供給配管
７７バッファ室
７８分配部材
７９エア噴射ノズル
８０空気補給通路
８１流量制御弁
８２防爆ガス供給通路
８３圧力調整器
８４フィルタ
８５手動開閉弁
８６自動開閉弁
８７マスフローコントローラ
８８流量調整弁
８９逆止め弁
９０分岐通路
９１遮蔽筒
９２空隙
９３仕切り壁部
９４第３のチャンバ

Claims

仕切り部材と、
この仕切り部材によって塞がれる開口を下端に有し、当該仕切り部材とで内部に第１のチャンバを画成するセルカバーと、
燃料が供給され、この燃料を改質する改質器と、
前記仕切り部材によって塞がれる開口を上端に有すると共に前記改質器によって塞がれる開口を下端に有し、これら仕切り部材および改質器とで内部に第２のチャンバを画成する燃焼筒と、
一端が酸化ガス供給源に連通すると共に他端が前記仕切り部材を貫通して前記第１のチャンバ内に連通し、前記燃焼筒の周面に沿って形成された酸化ガス供給通路と、
上端部が半球状をなし、外周面に正極が形成されると共に内周面に負極が形成されたセル本体と、
前記第１のチャンバと前記第２のチャンバとを連通するように前記仕切り部材に形成され、前記セル本体が前記仕切り部材から前記第１のチャンバ内に突出するように前記セル本体の下端部が気密に嵌着される装着孔と、
前記改質器に基端部が連結されると共に前記第２のチャンバおよび前記装着孔を貫通し、上端が前記セル本体内の上端部に開口して前記改質器からの改質ガスを前記セル本体内に導く改質ガス供給管と、
前記第１のチャンバと前記第２のチャンバとを連通して前記第１のチャンバ内に供給された酸化ガスを前記第２のチャンバ内に導く酸化ガス補給通路と、
前記セル本体から前記第２のチャンバ内へと流れる改質ガスを燃焼させる改質ガス燃焼手段と、
前記燃焼筒に形成されて前記第２のチャンバ内に介在する燃焼ガスを外部に導く燃焼ガス排出ポートと
を具えたことを特徴とする燃料電池システム。
前記改質器は、この改質器に供給される燃料の改質を促進させるための加熱手段を有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
前記セル本体が所定間隔で相互に平行に複数本配設され、前記酸化ガス供給通路は、前記第１のチャンバ内でこれらセル本体の外周面に対して酸化ガスを均一に流すための均一供給手段を含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
前記均一供給手段は、各セル本体の真上に下向きに開口する酸化ガス噴射ノズルをそれぞれ有することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
前記均一供給手段は、前記複数のセル本体を囲み、前記仕切り部材によって塞がれる開口を下端に有すると共に前記セルカバーの上端部に形成された天板部に近接する開口を上端に有する遮蔽筒を含み、この遮蔽筒は、その下端部に前記複数のセル本体が挿通されてこれらセル本体の外周面との間に環状の空隙をそれぞれ画成する複数の開口が形成された仕切り壁部を有し、この仕切り壁部と前記仕切り部材との間に前記酸化ガス補給通路の一端が連通する第３のチャンバが画成され、前記遮蔽筒と前記セルカバーとの間に前記仕切り部材に形成された前記酸化ガス供給通路の開口端が位置していることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
前記酸化ガス補給通路の途中に組み込まれて前記第２のチャンバ内への酸化ガスの供給量を制御する流量制御弁と、
前記セル本体内に供給される前記改質ガス中の酸素分圧を測定するＯ_２センサと、
このＯ_２センサによる測定結果に基づいて前記流量制御弁による酸化ガスの供給量を制御する弁制御手段と
をさらに具えたことを特徴とする請求項１から請求項５の何れかに記載の燃料電池システム。
前記Ｏ_２センサは、前記複数のセル本体のうちの１つに代えて前記仕切り部材に取り付けられることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。
前記燃焼筒の周囲を囲んで内側を保温するための断熱カバーをさらに具えたことを特徴とする請求項１から請求項７の何れかに記載の燃料電池システム。
前記燃焼ガス排出管に連結されて燃焼ガス排出管内を流れる高温の燃焼ガスによる排熱を回収する排熱回収手段をさらに具えたことを特徴とする請求項１から請求項８の何れかに記載の燃料電池システム。
前記セルカバーを囲んで前記第１のチャンバ内に供給される酸化ガスを加熱するための電気ヒータをさらに具えたことを特徴とする請求項１から請求項９の何れかに記載の燃料電池システム。
前記仕切り部材は、ベースと、このベースの上に重ねられる電気絶縁性のセルホルダとを有し、このセルホルダは締結部材を介して取り外し可能に前記ベースに固定され、前記セル本体の下端部はこのセルホルダの前記装着孔に対して取り外し可能に気密に嵌着されていることを特徴とする請求項１から請求項１０の何れかに記載の燃料電池システム。