JP2014110077A - 燃料電池システムへのガス導入方法 - Google Patents

Abstract

【課題】導入したガスに起因して固体酸化物型燃料電池の性能が低下することを防止することができる燃料電池システムへのガス導入方法を提供する。
【解決手段】燃料電池システムに、還元性ガスＲＧの分圧比がＰ(ＲＧ)であり、前記還元性ガスＲＧを酸化して得られる酸化性ガスＯＧとの分圧比がＰ(ＯＧ)であるガスをｆ＞ｖ₁Ｗ／｛Ｐ₀(Ｔ₂)−Ｐ(ＯＧ)｝を満たすように導入する。ただし、ｆ：燃料電池システムに導入するガスの流量［ｓｃｃｍ］、ｖ₁：温度Ｔ₁［Ｋ］である燃料発生部材が還元性ガスＲＧによって還元されるときの反応速度［ｓｃｃｍ／ｇ］、Ｗ：燃料発生部材の酸化していない状態での質量［ｇ］、Ｐ₀(Ｔ₂) ：温度Ｔ₂［Ｋ］である固体酸化物型燃料電池部の燃料極に用いる金属と酸化性ガスＯＧとの酸化反応及びその逆反応の平衡状態における酸化性ガスＯＧの分圧比
【選択図】図１

Description

本発明は、酸化反応により燃料ガスを発生し、還元反応により再生可能な燃料発生部材と、酸素を含む酸化剤ガスと前記燃料発生部材から供給される燃料ガスとの反応により発電を行う固体酸化物型燃料電池部とを備える燃料電池システムへのガス導入方法に関する。

固体酸化物型燃料電池は、例えばイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）やランタンガレート系（例えば一般式ＬａＳｒＭｇＧａＯで表されるＬＳＧＭ）を用いた固体酸化物電解質膜を、燃料極（アノード）と酸化剤極（カソード）とで両側から挟み込んだものを１つのセル構成としている。そして、燃料極に燃料ガス（例えば水素）を供給する燃料ガス流路と、酸化剤極に酸化剤ガス（例えば酸素や空気）を供給する酸化剤ガス流路とが設けられ、これらの流路を介して燃料ガス、酸化剤ガスがそれぞれ燃料極、酸化剤極に供給されることにより発電が行われる。

固体酸化物型燃料電池は、固体高分子型燃料電池よりも動作温度を高くする必要があるものの、固体高分子型燃料電池よりも発電効率が高いという利点を有している。

特表平１１−５０１４４８号公報 国際公開第２０１２／０９８９４５号

特許文献１には、固体酸化物型燃料電池と鉄（水素発生部材）を組み合わせた燃料電池システムが開示されている。上記燃料電池システムでは、システムの発電動作時に鉄（水素発生部材）が水蒸気との酸化反応により水素を発生し、システムの充電動作時に酸化鉄（酸化した水素発生部材）が水素との還元反応により再生される。

特許文献１には、上記燃料電池システムの運転時の動作や条件等については記載されているが、上記燃料電池システムの組み立てやメンテナンス等については記載されていない。

例えばメンテナンスによって配管等の交換等が行われることを考えた場合、当該作業は作業容易性の観点から大気中で行われるのが一般的である。そして、配管等が大気中で外されれば、鉄（水素発生部材）は空気に晒されるため、空気中の酸素によってＦｅ₂Ｏ₃にまで酸化される。

メンテナンス終了後に再び上記燃料電池システムを発電動作可能な状態にするためには、Ｆｅ₂Ｏ₃（酸化した水素発生部材）を還元して再生する必要がある。

ここで、Ｆｅ₂Ｏ₃（酸化した水素発生部材）を還元する方法としては、Ｆｅ₂Ｏ₃（酸化した水素発生部材）と固体酸化物型燃料電池の燃料極側との間でガスを循環させるためのガス流路内の空気を水蒸気で置換した後、上記燃料電池システムを特許文献１に記載されているエネルギー貯蔵モードで動作させることにより固体酸化物型燃料電池で水蒸気を電気分解し、電気分解により生成された水素でＦｅ₂Ｏ₃（酸化した水素発生部材）を還元する方法、または、Ｆｅ₂Ｏ₃（酸化した水素発生部材）と固体酸化物型燃料電池の燃料極側との間でガスを循環させるためのガス流路内の空気を水素で置換してＦｅ₂Ｏ₃（酸化した水素発生部材）を還元する方法がある。

前者の方法では、ガス流路内の空気を水蒸気で置換してから固体酸化物型燃料電池が電気分解を行う迄の期間（主として固体酸化物型燃料電池を常温から電気分解の動作温度（例えば８００℃程度）に昇温するのに要する期間）、ガス流路内に高濃度の水蒸気が満たされていることになる。そして、高濃度の水蒸気によって固体酸化物型燃料電池の燃料極が酸化し、酸化による体積膨張等のために燃料極の割れや剥がれが生じて固体酸化物型燃料電池の性能が低下するおそれがあった。

また、後者の方法では、Ｆｅ₂Ｏ₃（酸化した水素発生部材）は、下記の（１）式の還元反応によってＦｅ₃Ｏ₄へと還元され、さらに下記の（２）式の還元反応によってＦｅへと還元される。
３Ｆｅ₂Ｏ₃＋Ｈ₂→２Ｆｅ₃Ｏ₄＋Ｈ₂Ｏ …（１）
Ｆｅ₃Ｏ₄＋４Ｈ₂→３Ｆｅ＋４Ｈ₂Ｏ …（２）

しかしながら、上記の（１）式での還元速度は非常に速く、また、上記（１）式における化学平衡の水蒸気と水素とのガス組成比はほぼ１００：０であるため、ガス流路内の水素は速やかに消費され、水蒸気が生成されるため、後者の方法においてもやはりガス流路内に高濃度の水蒸気が満たされていることになる。そして、高濃度の水蒸気によって固体酸化物型燃料電池の燃料極が酸化し、酸化による体積膨張等のために燃料極の割れや剥がれが生じて固体酸化物型燃料電池の性能が低下するおそれがあった。

また、特許文献２には、水素発生部と発電・電気分解部とを組み合わせた燃料電池システムであって、水素発生部と発電・電気分解部との間を循環する水素及び水蒸気を含むガスが存在する空間に水を補給する水補給部を備える燃料電池システムが開示されている。しかしながら、水素発生部と発電・電気分解部との間を循環する水素及び水蒸気を含むガスが存在する空間に水補給部によって水が補給されると、当該空間の水蒸気濃度が高くなるため、高濃度の水蒸気によって固体酸化物型燃料電池の燃料極が酸化し、酸化による体積膨張等のために燃料極の割れや剥がれが生じて固体酸化物型燃料電池の性能が低下するおそれがあった。

本発明は、上記の状況に鑑み、導入したガスに起因して固体酸化物型燃料電池の性能が低下することを防止することができる燃料電池システムへのガス導入方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明に係る燃料電池システムへのガス導入方法は、酸化反応により燃料ガスを発生し、還元反応により再生可能な燃料発生部材と、酸素を含む酸化剤ガスと前記燃料発生部材から供給される燃料ガスとの反応により発電を行う固体酸化物型燃料電池部と、を備え、前記燃料発生部材と前記燃料電池部の燃料極との間でガスの流通が可能な燃料電池システムへのガス導入方法であって、前記燃料発生部材が温度Ｔ₁［Ｋ］であり前記固体酸化物型燃料電池部が温度Ｔ₂［Ｋ］である状態の前記燃料電池システムに、還元性ガスＲＧの分圧比がＰ(ＲＧ)であり、前記還元性ガスＲＧを酸化して得られる酸化性ガスＯＧの分圧比がＰ(ＯＧ)であるガスを下記の条件式を満たすように導入する。
ただし、
ｆ：前記燃料電池システムに導入するガスの流量［ｓｃｃｍ］
ｖ₁：温度Ｔ₁［Ｋ］である前記燃料発生部材が前記還元性ガスＲＧによって還元されるときの反応速度［ｓｃｃｍ／ｇ］
Ｗ：前記燃料発生部材の酸化していない状態での質量［ｇ］
Ｐ₀(Ｔ₂) ：温度Ｔ₂［Ｋ］である前記固体酸化物型燃料電池部の燃料極に用いる金属と前記酸化性ガスＯＧとの酸化反応及びその逆反応の平衡状態における前記酸化性ガスＯＧの分圧比

なお、前記燃料発生部材の温度Ｔ₁［Ｋ］と前記固体酸化物型燃料電池部の温度Ｔ₂［Ｋ］とは同一であってもよく、異なっていてもよい。また、Ｐ(ＯＧ)が零であってもよい、すなわち前記燃料電池システムに導入するガスに前記酸化性ガスＯＧが含まれていなくてもよい。

前記還元性ガスＲＧ、前記酸化性ガスＯＧ、及び前記固体酸化物型燃料電池部の燃料極に用いる金属の代表的な例として、Ｈ₂、Ｈ₂Ｏ、及びＮｉを挙げることができる。

また、前記燃料電池システムへのガス導入開始後に、前記燃料発生部材の温度を徐々に上昇させるとともに、前記燃料電池システムに導入するガスの流量を徐々に増加させるようにしてもよい。

本発明に係る燃料電池システムへのガス導入方法によると、燃料電池システムに導入したガスによって固体酸化物型燃料電池部の燃料極に用いる金属が酸化することを防止することができるので、燃料電池システムに導入したガスに起因して固体酸化物型燃料電池の性能が低下することを防止することができる。

本発明の一実施形態に係るガス導入方法によってガスが導入される燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係るガス導入方法によってガスが導入される燃料電池システムの他の概略構成を示す模式図である。

本発明の実施形態について図面を参照して以下に説明する。なお、本発明は、後述する実施形態に限られない。

本発明の一実施形態に係るガス導入方法によってガスが導入される燃料電池システムの概略構成を図１に示す。図１に示す燃料電池システムは、酸化反応により燃料ガスを発生し、還元反応により再生可能な燃料発生部材１と、酸素を含む酸化剤ガスと燃料発生部材１から供給される燃料ガスとの反応により発電を行う固体酸化物型燃料電池部２（以下、燃料電池部２と称する）とを備えている。燃料電池部２は、図１に示す通り、固体酸化物電解質膜２Ａの両面に燃料極２Ｂと酸化剤極２Ｃを接合したＭＥＡ構造(膜・電極接合体：Membrane Electrode Assembly)である。なお、図１では、ＭＥＡを１つだけ設けた構造を図示しているが、ＭＥＡを複数設けたり、さらに複数のＭＥＡを積層構造にしたりしてもよい。

図１に示す燃料電池システムは、燃料発生部材１を加熱するためのヒーター３と、燃料電池部２を加熱するためのヒーター４と、燃料発生部材１及びヒーター３を収容する容器５と、燃料電池部２及びヒーター４を収容する容器６と、燃料発生部材１と燃料極２Ｂとの間でガスを循環させるための循環用配管７と、容器５、容器６、循環用配管７、及び固体酸化物電解質膜２Ａで囲まれる空間内に存在するガスを燃料発生部材１と燃料極２Ｂとの間で循環させるポンプ８と、ガス導入口９と、ガス排出口１０と、開閉バルブ１１及び１２をさらに備えている。なお、ポンプ８の代わりにブロアやコンプレッサ等の他の循環器を用いてもよく、ポンプ８やそれに代わる他の循環器を設けなくてもよい。また、必要に応じて燃料発生部材１や燃料電池部２の周辺に温度センサ等を設けてもよい。

開閉バルブ１１は循環用配管７と燃料極側ガス導入口９との間に設けられ、開閉バルブ１２は循環用配管７と燃料発生部材側ガス導入口１０との間に設けられる。図１に示す燃料電池システムの発電時及び充電時には、開閉バルブ１１及び１２をともに閉状態にする。一方、例えばメンテナンス終了後に酸化した燃料発生部材を還元して再生する場合等には、開閉バルブ１１及び１２をともに開状態にする。

以下の説明では、燃料発生部材１として基材料（主成分）が鉄である微粒子圧縮体からなる燃料発生部材を用い、燃料ガスとして水素を用いた場合について説明する。

図１に示す燃料電池システムの発電時に燃料電池部２は外部負荷（不図示）に電気的に接続される。燃料電池部２では、図１に示す燃料電池システムの発電時に、燃料極２Ｂにおいて下記の（３）式の反応が起こる。
Ｈ₂＋Ｏ^2-→Ｈ₂Ｏ＋２ｅ^- …（３）

上記の（３）式の反応によって生成された電子は、外部負荷（不図示）を通って、酸化剤極２Ｃに到達し、酸化剤極２Ｃにおいて下記の（４）式の反応が起こる。
１／２Ｏ₂＋２ｅ^-→Ｏ^2- …（４）

そして、上記の（４）式の反応によって生成された酸素イオンは、固体酸化物電解質膜２Ａを通って、燃料極２Ｂに到達する。上記の一連の反応を繰り返すことにより、燃料電池部２が発電動作を行うことになる。また、上記の（３）式から分かるように、図１に示す燃料電池システムの発電動作時には、燃料極２Ｂ側においてＨ₂が消費されＨ₂Ｏが生成されることになる。

上記の（３）式及び（４）式より、図１に示す燃料電池システムの発電動作時における燃料電池部２での反応は下記の（５）式の通りになる。
Ｈ₂＋１／２Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ …（５）

一方、燃料発生部材１は、下記の（６）式に示す酸化反応により、図１に示す燃料電池システムの発電時に燃料電池部２の燃料極２Ｂ側で生成されたＨ₂Ｏを消費してＨ₂を生成する。
３Ｆｅ＋４Ｈ₂Ｏ→Ｆｅ₃Ｏ₄＋４Ｈ₂ …（６）

上記の（６）式に示す鉄の酸化反応が進むと、鉄から酸化鉄への変化が進んで鉄残量が減っていくが、上記の（６）式の逆反応（還元反応）により、燃料発生部材１を再生することができ、図１に示す燃料電池システムを充電することができる。

図１に示す燃料電池システムの充電時に燃料電池部２は外部電源（不図示）に接続される。燃料電池部２では、図１に示す燃料電池システムの充電時に、上記の（５）式の逆反応である下記の（７）式に示す電気分解反応が起こり、燃料極２Ｂ側においてＨ₂Ｏが消費されＨ₂が生成され、燃料発生部材１では、上記の（６）式に示す酸化反応の逆反応である下記（８）式に示す還元反応が起こり、燃料電池部２の燃料極２Ｂ側で生成されたＨ₂が消費されＨ₂Ｏが生成される。
Ｈ₂Ｏ→Ｈ₂＋１／２Ｏ₂ …（７）
Ｆｅ₃Ｏ₄＋４Ｈ₂→３Ｆｅ＋４Ｈ₂Ｏ …（８）

燃料発生部材１及び燃料電池部２は、図１に示す燃料電池システムの発電時と充電時の両方において、例えばヒーター３及び４によって６００℃程度に加熱されるようにする。

また、例えばメンテナンス終了後に酸化した燃料発生部材を還元して再生する場合等に、外部から水素を含むガスをガス導入口９に導入し、燃料発生部材１または燃料電池部２を通過したガスをガス排出口１０から外部に排出する。

そして、外部から水素を含むガスをガス導入口９に導入する際に、燃料発生部材１を温度Ｔ₁［Ｋ］とし、燃料電池部２を温度Ｔ₂［Ｋ］とし、 Ｈ₂の分圧比がＰ(Ｈ₂)であり、Ｈ₂Ｏの分圧比がＰ(Ｈ₂Ｏ)であるガスを下記の条件式を満たすように導入する。これにより、ガス導入口９に導入したガスによって燃料電池部２の燃料極２Ｂに用いるＮｉが酸化することを防止することができるので、ガス導入口９に導入したガスに起因して燃料電池部２の性能が低下することを防止することができる。なお、燃料発生部材１の温度Ｔ₁［Ｋ］は例えばヒーター３を用いて制御することができ、燃料電池部２の温度Ｔ₂［Ｋ］は例えばヒーター４を用いて制御することができる。
ただし、
ｆ：ガス導入口９に導入するガスの流量［ｓｃｃｍ］
ｖ₁：温度Ｔ₁［Ｋ］である燃料発生部材１がＨ₂によって還元されるときの反応速度［ｓｃｃｍ／ｇ］
Ｗ：燃料発生部材１の酸化していない状態での質量［ｇ］
Ｐ₀(Ｔ₂) ：温度Ｔ₂［Ｋ］である燃料電池部２の燃料極２Ｂに用いるＮｉとＨ₂Ｏとの酸化反応及びその逆反応の平衡状態におけるＨ₂Ｏの分圧比

上記の条件式の導出手順について説明する。

Ｈ₂の分圧比がＰ(Ｈ₂)であり、Ｈ₂Ｏの分圧比がＰ(Ｈ₂Ｏ)であるガスをｆ［ｓｃｃｍ］の流量でガス導入口９に導入した場合、Ｆｅ₂Ｏ₃にまで酸化されている燃料発生部材１は下記の（９）式に従って反応速度ｖ₁［ｓｃｃｍ／ｇ］で還元され、ｖ₁Ｗ［ｓｃｃｍ］のＨ₂を消費しながらｖ₁Ｗ［ｓｃｃｍ］のＨ₂Ｏを発生させる。
Ｆｅ₂Ｏ₃＋３Ｈ₂⇔２Ｆｅ＋３Ｈ₂Ｏ …（９）

したがって、Ｆｅ₂Ｏ₃にまで酸化されている燃料発生部材１の還元反応によって、ガス導入口９に導入したガスは、Ｈ₂の分圧比がＰ(Ｈ₂)から下記（１０）式に示すＰ (Ｈ₂) ’に減少し、Ｈ₂Ｏの分圧比がＰ(Ｈ₂Ｏ)から下記（１０）式に示すＰ(Ｈ₂Ｏ)’に増加する。
Ｐ (Ｈ₂) ’：Ｐ(Ｈ₂Ｏ)’＝ｆＰ(Ｈ₂)−ｖ₁Ｗ：ｆＰ(Ｈ₂Ｏ)＋ｖ₁Ｗ …（１０）

ここで、Ｐ(Ｈ₂) ’とＰ(Ｈ₂Ｏ)’の合計は、Ｐ(Ｈ₂)とＰ(Ｈ₂Ｏ)の合計と同様に１となる。したがって、上記の（１０）式から
Ｐ(Ｈ₂Ｏ)’＝｛ｆＰ(Ｈ₂Ｏ)＋ｖ₁Ｗ｝／ｆ …（１１）
となる。

このＰ(Ｈ₂Ｏ)’が、温度Ｔ₂［Ｋ］でのＮｉ＋Ｈ₂Ｏ⇔ＮｉＯ＋Ｈ₂の平衡状態におけるＨ₂Ｏの分圧比Ｐ₀(Ｔ₂)より小さければ、温度Ｔ₂［Ｋ］である燃料電池部２の燃料極２Ｂに用いるＮｉの酸化は起こらない。したがって、温度Ｔ₂［Ｋ］である燃料電池部２の燃料極２Ｂに用いるＮｉの酸化は起こらない条件は、上記の（１１）式から
｛ｆＰ(Ｈ₂Ｏ)＋ｖ₁Ｗ｝／ｆ＜Ｐ₀(Ｔ₂)
ｆ＞ｖ₁Ｗ／｛Ｐ₀(Ｔ₂)−Ｐ(Ｈ₂Ｏ)｝
となり、上述した条件式が得られる。

なお、反応速度ｖ₁［ｓｃｃｍ／ｇ］は一般的に
で表される。Ａは定数、Ｒは気体定数、Ｅａは上記の（９）式における活性化エネルギー、Ｋｐ₁は上記の（９）式における温度Ｔ₁［Ｋ］での圧平衡定数である。

さらに、上記の（９）式において、Ｔ₁［Ｋ］におけるギブスの自由エネルギーをΔＧ_Fe1、Ｔ₁［Ｋ］におけるギブスの標準自由エネルギーをΔＧ_Fe1 ⁰［ｋＪ／ｍｏｌ］、Ｆｅ₂Ｏ₃、Ｈ₂、Ｆｅ、Ｈ₂Ｏの各々の活量をａＦｅ₂Ｏ₃、ａＨ₂、ａＦｅ、ａＨ₂Ｏとすると、
となる。上記の（９）式での酸化還元反応が平衡状態であるときはΔＧ_Fe1＝０であり、固体であるＦｅ₂Ｏ₃、Ｆｅの活量ａＦｅ₂Ｏ₃、ａＦｅは１とみなすことができ、ガスであるＨ₂、Ｈ₂Ｏの活量ａＨ₂、ａＨ₂Ｏは分圧とみなせるためａＨ₂Ｏ³／ａＨ₂ ³を温度Ｔ₁［Ｋ］での圧平衡定数Ｋｐ₁で表すことができるので、
となる。

したがって、一般的なアレニウスプロット（実測された反応速度とそのときの絶対温度の逆数を片対数グラフにプロットしたもの）から活性化エネルギーＥａを算出し、ギブスの標準自由エネルギーΔＧ_Fe1 ⁰［ｋＪ／ｍｏｌ］を熱力学のデータベースから得ることにより、反応速度ｖ₁［ｓｃｃｍ／ｇ］を求めることができる。定数Ａもまた、アレニウスプロットから求めることができる。

また、温度Ｔ₂［Ｋ］でのＮｉ＋Ｈ₂Ｏ⇔ＮｉＯ＋Ｈ₂の平衡状態におけるＨ₂Ｏの分圧比Ｐ₀(Ｔ₂)は次のようにして求めることができる。Ｎｉ＋Ｈ₂Ｏ⇔ＮｉＯ＋Ｈ₂の反応式において、Ｔ₂［Ｋ］におけるギブスの自由エネルギーをΔＧ_Ni2、Ｔ₂［Ｋ］におけるギブスの標準自由エネルギーをΔＧ_Ni2 ⁰［ｋＪ／ｍｏｌ］、Ｎｉ、ＮｉＯ、Ｈ₂Ｏ、Ｈ₂の各々の活量をａＮｉ、ａＮｉＯ、ａＨ₂Ｏ、ａＨ₂とすると、
となる。Ｎｉ＋Ｈ₂Ｏ⇔ＮｉＯ＋Ｈ₂での酸化還元反応が平衡状態であるときはΔＧ_Ni2＝０であり、固体であるＮｉ、ＮｉＯの活量ａＮｉ、ａＮｉＯは１とみなすことができ、ガスであるＨ₂Ｏ、Ｈ₂の活量ａＨ₂、ａＨ₂Ｏは分圧とみなせるためａＨ₂／ａＨ₂Ｏを温度Ｔ₂［Ｋ］でのＮｉ＋Ｈ₂Ｏ⇔ＮｉＯ＋Ｈ₂の平衡状態におけるＨ₂Ｏの分圧比Ｐ₀(Ｔ₂)で表すことができるので、
となる。

したがって、ギブスの標準自由エネルギーΔＧ_Ni2 ⁰［ｋＪ／ｍｏｌ］を熱力学のデータベースから得ることにより、温度Ｔ₂［Ｋ］でのＮｉ＋Ｈ₂Ｏ⇔ＮｉＯ＋Ｈ₂の平衡状態におけるＨ₂Ｏの分圧比Ｐ₀(Ｔ₂)を求めることができる。

なお、ガス導入口９へのガス導入開始後に、燃料発生部材１の温度Ｔ₁［Ｋ］を徐々に上昇させるとともに、ガス導入口９に導入するガスの流量を徐々に増加させるようにしてもよい。これにより、ガス導入口９へのガス導入開始直後は、図１に示す燃料電池システム内部の圧力がガスの導入によって急激に上昇することを防ぐことができ、圧力の急激な上昇による破損を防止することができる。また、ガス導入口９に導入するガスの流量を増加させたときに、燃料発生部材１の温度Ｔ₁［Ｋ］を上昇させるので、燃料発生部材１の無駄な加熱を防止でき、省エネルギー化を図ることができる。

また、燃料電池部２の温度Ｔ₂［Ｋ］を燃料発生部材１の温度Ｔ₁［Ｋ］よりも低くすることが好ましい。これにより、燃料電池部２の温度調整のために消費されるエネルギーを小さくし、省エネルギー化を図ることができる。

また、図１に示す燃料電池システムは燃料発生部材１と燃料電池部２とが別々の容器に収容されている構成であったが、図２に示すような燃料発生部材１と燃料電池部２とが同一の容器１３に収容されている構成の燃料電池システムに対して本発明に係るガス導入方法を適用してもよい。

上述した説明では、燃料電池部２の燃料ガスを水素にしているが、一酸化炭素や炭化水素など水素以外の還元性ガスを燃料電池部２の燃料ガスとして用いても構わない。そして、例えばメンテナンス終了後に酸化した燃料発生部材を還元して再生する場合等に、燃料ガスと同一のガスを外部から導入すればよい。

また、燃料電池部２の燃料極２Ｂに用いる金属としては、Ｎｉ以外に例えばＮｉ−Ｆｅ合金を挙げることができる。

１ 燃料発生部材
２ 固体酸化物型燃料電池部
２Ａ 固体酸化物電解質膜
２Ｂ 燃料極
２Ｃ 酸化剤極
３、４ ヒーター
５、６、１３ 容器
７ 循環用配管
８ ポンプ
９ ガス導入口
１０ ガス排出口
１１、１２ 開閉バルブ

Claims (3)

1. 酸化反応により燃料ガスを発生し、還元反応により再生可能な燃料発生部材と、
   酸素を含む酸化剤ガスと前記燃料発生部材から供給される燃料ガスとの反応により発電を行う固体酸化物型燃料電池部と、を備え、前記燃料発生部材と前記燃料電池部の燃料極との間でガスの流通が可能な燃料電池システムへのガス導入方法であって、
   前記燃料発生部材が温度Ｔ₁［Ｋ］であり前記固体酸化物型燃料電池部が温度Ｔ₂［Ｋ］である状態の前記燃料電池システムに、
   還元性ガスＲＧの分圧比がＰ(ＲＧ)であり、前記還元性ガスＲＧを酸化して得られる酸化性ガスＯＧの分圧比がＰ(ＯＧ)であるガスを下記の条件式を満たすように導入することを特徴とする燃料電池システムへのガス導入方法。
   ただし、
   ｆ：前記燃料電池システムに導入するガスの流量［ｓｃｃｍ］
   ｖ₁：温度Ｔ₁［Ｋ］である前記燃料発生部材が前記還元性ガスＲＧによって還元されるときの反応速度［ｓｃｃｍ／ｇ］
   Ｗ：前記燃料発生部材の酸化していない状態での質量［ｇ］
   Ｐ₀(Ｔ₂) ：温度Ｔ₂［Ｋ］である前記固体酸化物型燃料電池部の燃料極に用いる金属と前記酸化性ガスＯＧとの酸化反応及びその逆反応の平衡状態における前記酸化性ガスＯＧの分圧比
2. 前記還元性ガスＲＧがＨ₂であり、前記酸化性ガスＯＧがＨ₂Ｏであり、前記固体酸化物型燃料電池部の燃料極に用いる金属がＮｉであ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へのガス導入方法。
3. 前記燃料電池システムへのガス導入開始後に、前記燃料発生部材の温度を徐々に上昇させるとともに、前記燃料電池システムに導入するガスの流量を徐々に増加させる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へのガス導入方法。