JP2022022555A - 固体酸化物形燃料電池発電機 - Google Patents

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Sadanori Nakamura
政博 古谷
Masahiro Furuya
雄哉 赤木
Yuya Akagi
誠 森澤
Makoto Morisawa
直樹 内山
Naoki Uchiyama
正剛 中林
Masatake Nakabayashi
靖之 内山
Yasuyuki Uchiyama
哲也 川田
Tetsuya Kawada
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Abstract

Figure 2022022555000001
【課題】脱硫装置を要しなくとも硫黄を含む燃料ガスを使用しつつ固体酸化物形燃料電池の発電能力が低下することを抑えることができる固体酸化物形燃料電池発電機を提供すること。
【解決手段】固体酸化物形燃料電池発電機１１は、燃料ガスと酸化ガスとで発電する固体酸化物形の燃料電池部２６と、燃料電池部２６に酸化ガスを送る酸化ガス供給部２１と、酸化ガスを燃料電池部２６の空気極１３ｂに導く空気極用酸化ガス供給路１６ｂと、酸化ガスを燃料電池部２６の燃料極１３ａに導く燃料極用酸化ガス供給路１６ａと、ガス容器１２に収容された燃料ガスを燃料電池部２６に導く燃料ガス供給路１５と、燃料ガスを利用し燃料電池部２６を加熱する加熱手段１７と、酸化ガスと燃料ガスとを所定比率で燃料極１３ａに供給する制御を実行する制御部５８と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cell）を備える発電機に関する。
固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は、連続的に供給された燃料ガス（水素（Ｈ２）、一酸化炭素（ＣＯ））と酸化ガス（空気など酸素（Ｏ２）を含む混合ガス）とで生ずる電気化学反応により電気エネルギーを生成する。電力を発生させる燃料電池部は、アノード（燃料極）と、カソード（空気極）と、を有する。アノードには、燃料ガスを供給する燃料ガス供給路が接続されている。カソードには、酸化ガスを供給する酸化ガス供給路が接続されている。
特許文献１には、固体酸化物形の燃料電池部と、脱硫装置と、改質器と、を備えた固体酸化物形燃料電池発電システムが開示されている。特許文献１に記載された固体酸化物形燃料電池発電システムは、燃料ガスとして、ガス容器に充填されたブタンガスなどを主とする炭化水素燃料（カートリッジガス）を利用している。
ここで、カートリッジガスや都市ガスやＬＰＧ（液化石油ガス）などの化石燃料ガスは、着臭剤として硫黄成分を含んでいる。硫黄成分は、固体酸化物形燃料電池のセルに悪影響を及ぼす。例えば、燃料ガスに含まれる硫黄成分は、固体酸化物形燃料電池のセルに付着し、固体酸化物形燃料電池のセルに炭素を析出させる。炭素が固体酸化物形燃料電池のセルに析出すると、炭素がセルと燃料ガスとの化学反応を阻害し十分な発電が行われず、固体酸化物形燃料電池の発電能力が低下する。そのため、特許文献１に記載された固体酸化物形燃料電池発電システムのように、固体酸化物形燃料電池を備える発電機は、一般的に、燃料ガスから硫黄成分を除去する脱硫装置を備える。そして、改質器は、脱硫装置により硫黄成分を除去された燃料ガスを水素（Ｈ２）および一酸化炭素（ＣＯ）などに改質してから水素（Ｈ２）および一酸化炭素（ＣＯ）を燃料電池部のアノードに供給する。
しかし、脱硫装置および改質器が設けられると、固体酸化物形燃料電池を備える発電機が複雑化し大型化する。また、脱硫装置および改質器のメンテナンスが必要になる。そのため、固体酸化物形燃料電池を備える発電機を持ち運ぶことが困難になるという点において改善の余地がある。固体酸化物形燃料電池を備える発電機に対しては、商用電源が供給されてない屋外や被災地現場などにおいて、例えばスマートフォンやタブレット端末などの電気製品を充電したり、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）照明器などの電気製品を使用したりするために必要な電力の発生能力が望まれている。
特開２０１７－２７７６６号公報
本発明は、前記課題を解決するためになされたものであり、脱硫装置を要しなくとも硫黄を含む燃料ガスを使用しつつ固体酸化物形燃料電池の発電能力が低下することを抑えることができる固体酸化物形燃料電池発電機を提供することを目的とする。
前記課題は、燃料ガスと酸化ガスとで発電する固体酸化物形の燃料電池部と、前記燃料電池部に前記酸化ガスを送る酸化ガス供給部と、前記酸化ガス供給部から送られた前記酸化ガスを前記燃料電池部の空気極に導く空気極用酸化ガス供給路と、前記酸化ガス供給部から送られた前記酸化ガスを前記燃料電池部の燃料極に導く燃料極用酸化ガス供給路と、ガス容器に収容された前記燃料ガスを前記燃料電池部に導く燃料ガス供給路と、前記燃料ガス供給路により導かれた前記燃料ガスを利用し前記燃料電池部を加熱する加熱手段と、前記燃料極用酸化ガス供給路を通して導かれた前記酸化ガスと前記燃料ガス供給路を通して導かれた前記燃料ガスとを所定比率で前記燃料極に供給する制御を実行する制御部と、を備えたことを特徴とする本発明に係る固体酸化物形燃料電池発電機により解決される。
本発明に係る固体酸化物形燃料電池発電機によれば、制御部は、燃料極用酸化ガス供給路を通して導かれた酸化ガスと、燃料ガス供給路を通して導かれた燃料ガスと、を所定比率で燃料極に供給する。そのため、例えば、制御部は、燃料ガスを酸化ガスで薄めて燃料ガスに含まれる硫黄成分の濃度を所定濃度以下に抑え、所定濃度以下の硫黄成分を含む燃料ガスを燃料電池部の燃料極に供給することができる。あるいは、例えば、制御部は、燃料ガスを酸化ガスで薄めて燃料ガスに含まれる硫黄成分の濃度を極めて低い濃度以下に抑え、燃料電池部の燃料極を酸化ガスでパージすることができる。そのため、燃料ガスに含まれる硫黄成分が固体酸化物形の燃料電池部のセルに付着することを抑えることができる。そのため、炭素が固体酸化物形の燃料電池部のセルに析出することを抑え、燃料電池部のセルと燃料ガスとの化学反応が炭素により阻害されることを抑えることができる。これにより、本発明に係る固体酸化物形燃料電池発電機は、脱硫装置を要しなくとも硫黄を含む燃料ガスを使用しつつ固体酸化物形の燃料電池部の発電能力が低下することを抑えることができる。また、脱硫装置が不要となるため、固体酸化物形燃料電池発電機の小型化、軽量化およびメンテナンスフリー化を図ることができる。これにより、可搬型の固体酸化物形燃料電池発電機を提供することができる。
本発明に係る固体酸化物形燃料電池発電機において、好ましくは、前記制御部は、所定時間おきに、前記燃料ガス供給路を通して導かれた前記燃料ガスの供給を停止して前記燃料極用酸化ガス供給路を通して導かれた前記酸化ガスのみを前記燃料極に供給する制御を実行することを特徴とする。
本発明に係る固体酸化物形燃料電池発電機によれば、制御部は、所定時間おきに、燃料ガス供給路を通して導かれた燃料ガスの供給を停止して燃料極用酸化ガス供給路を通して導かれた酸化ガスのみを燃料極に供給する。これにより、制御部は、所定時間おきに燃料電池部の燃料極を酸化ガスでパージすることができる。例えば、制御部は、燃料ガスに含まれる硫黄成分が固体酸化物形の燃料電池部のセルに付着したり堆積したりする前に、燃料電池部の燃料極を酸化ガスで定期的にパージすることができる。そのため、燃料ガスに含まれる硫黄成分が固体酸化物形の燃料電池部のセルに付着することをより一層抑えることができる。そのため、炭素が固体酸化物形の燃料電池部のセルに析出することをより一層抑え、燃料電池部のセルと燃料ガスとの化学反応が炭素により阻害されることをより一層抑えることができる。これにより、本発明に係る固体酸化物形燃料電池発電機は、脱硫装置を要しなくとも硫黄を含む燃料ガスを使用しつつ固体酸化物形の燃料電池部の発電能力が低下することをより一層抑えることができる。
本発明に係る固体酸化物形燃料電池発電機において、好ましくは、前記制御部は、前記燃料電池部で発生した電力を受け前記電力に関する情報に基づいて、前記燃料ガス供給路を通して導かれた前記燃料ガスの供給を停止して前記燃料極用酸化ガス供給路を通して導かれた前記酸化ガスのみを前記燃料極に供給する制御を実行することを特徴とする。
本発明に係る固体酸化物形燃料電池発電機によれば、制御部は、燃料電池部で発生した電力を受け、その電力に関する情報に基づいて、燃料ガス供給路を通して導かれた燃料ガスの供給を停止し、燃料極用酸化ガス供給路を通して導かれた酸化ガスのみを燃料極に供給する。これにより、制御部は、燃料電池部で発生した電力に関する情報に基づいて、燃料電池部の燃料極を酸化ガスでパージすることができる。例えば、制御部は、燃料電池部で発生した電力量や、燃料電池部で発生した電力量の初期電力量に対する低下率などに基づいて、燃料電池部の燃料極を酸化ガスでパージすることができる。そのため、燃料ガスに含まれる硫黄成分が固体酸化物形の燃料電池部のセルに付着することをより一層抑えることができる。そのため、炭素が固体酸化物形の燃料電池部のセルに析出することをより一層抑え、燃料電池部のセルと燃料ガスとの化学反応が炭素により阻害されることをより一層抑えることができる。これにより、本発明に係る固体酸化物形燃料電池発電機は、脱硫装置を要しなくとも硫黄を含む燃料ガスを使用しつつ固体酸化物形の燃料電池部の発電能力が低下することをより一層抑えることができる。
本発明に係る固体酸化物形燃料電池発電機は、好ましくは、前記燃料極用酸化ガス供給路と前記燃料ガス供給路とに接続され、前記酸化ガスおよび前記燃料ガスの両方を前記燃料極に導く状態と、前記酸化ガスのみを前記燃料極に導く状態と、を切り替え可能な分岐弁をさらに備え、前記制御部は、前記分岐弁を制御することにより前記比率を調整することを特徴とする。
本発明に係る固体酸化物形燃料電池発電機によれば、制御部は、燃料極用酸化ガス供給路と燃料ガス供給路とに接続された分岐弁を制御することにより、燃料電池部に供給する酸化ガスと燃料ガスとの比率を調整することができる。つまり、制御部は、１つの分岐弁を制御することにより、燃料電池部に供給する酸化ガスと燃料ガスとの比率を容易に調整することができる。これにより、燃料極用酸化ガス供給路と燃料ガス供給路とのそれぞれに弁が設けられた場合と比較して、１つの分岐弁で酸化ガスと燃料ガスとの比率を容易に調整することができるとともに脱硫装置および改質器などの付帯設備を省略することができ、固体酸化物形燃料電池発電機のより一層の小型化および軽量化を図ることができる。
本発明によれば、脱硫装置を要しなくとも硫黄を含む燃料ガスを使用しつつ固体酸化物形燃料電池の発電能力が低下することを抑えることができる固体酸化物形燃料電池発電機を提供することができる。
本発明の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池発電機を表す斜視図である。 本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池発電機の要部構成を表すブロック図である。 本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池発電機の要部構成の具体例を例示するブロック図である。 本発明者が実施した試験の条件を表す表である。 着臭剤を含む燃料ガスと着臭剤を含まない燃料ガスとで実施した試験の結果の一例を表すグラフである。 アノードを酸化ガスでパージした場合とアノードを酸化ガスでパージしなかった場合とで実施した試験の結果の一例を表すグラフである。
以下に、本発明の好ましい実施形態を、図面を参照して詳しく説明する。
なお、以下に説明する実施形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限られるものではない。また、各図面中、同様の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
図１は、本発明の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池発電機を表す斜視図である。
図２は、本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池発電機の要部構成を表すブロック図である。
図３は、本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池発電機の要部構成の具体例を例示するブロック図である。
本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池発電機１１は、ブタンガスなどを主とする燃料ガス（炭化水素燃料）を充填したガス容器１２を使用し、電力を必要とする様々な時に、必要とする場所に移動して発電できる発電機である。言い換えれば、本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池発電機１１は、ガス容器１２に収容された燃料ガスを利用し、商用電源が供給されてない屋外や被災地現場などにおいて利用可能とされた可搬型の発電機である。ガス容器１２に収容されたブタンガスなどを主とする炭化水素燃料は、着臭剤として硫黄成分を含んでいる。
図１～図３に表したように、本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池発電機１１は、燃料電池部２６と、酸化ガス供給部２１と、酸化ガス供給路１６と、燃料極用酸化ガス供給路１６ａと、空気極用酸化ガス供給路１６ｂと、燃料ガス供給路１５と、バーナ１７と、制御部５８と、を備える。固体酸化物形燃料電池発電機１１は、熱電発電部６１をさらに備えていてもよい。本実施形態の説明では、固体酸化物形燃料電池発電機１１が熱電発電部６１を備える場合を例に挙げる。但し、熱電発電部６１は、必ずしも設けられていなくともよい。図１に表したように、燃料電池部２６と、酸化ガス供給部２１と、バーナ１７と、熱電発電部６１と、制御部５８と、は、筐体６３に設けられている。
燃料電池部２６は、燃料ガスと酸化ガスとで発電する固体酸化物形の燃料電池部である。すなわち、燃料電池部２６は、燃料ガス（水素（Ｈ２）および一酸化炭素（ＣＯ））と酸化ガス（空気など酸素（Ｏ２）を含む混合ガス）とで生ずる電気化学反応により電気エネルギーを生成する固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cell）を有する。
燃料電池部２６は、複数のセルモジュールを有する。図１に表したように、本実施形態の燃料電池部２６は、第１セルモジュール２７ａと、第２セルモジュール２７ｂと、第３セルモジュール２７ｃと、第４セルモジュール２７ｄと、を有する。セルモジュールは、セルスタックなどとも呼ばれる。なお、燃料電池部２６が有するセルモジュールの数は、４つに限定されるわけではなく、３つ以下であってもよく、５つ以上であってもよい。本実施形態の説明では、燃料電池部２６が４つのセルモジュール２７ａ、２７ｂ、２７ｃ、２７ｄを有する場合を例に挙げる。
図２に表したように、各セルモジュール２７ａ、２７ｂ、２７ｃ、２７ｄは、燃料電池部２６の最小単位として複数のセル１３を有する。燃料電池部２６のセル１３は、酸化反応が起こるアノード（燃料極）１３ａと、還元反応が起こるカソード（空気極）１３ｂと、イオン伝導体である電解質１３ｃと、を有する。本実施形態のアノード１３ａは、本発明の「燃料極」の一例である。本実施形態のカソード１３ｂは、本発明の「空気極」の一例である。アノード１３ａは、混合ガス供給路２８および分岐弁６５を介して燃料極用酸化ガス供給路１６ａおよび燃料ガス供給路１５に接続されている。カソード１３ｂは、空気極用酸化ガス供給路１６ｂに接続されている。アノード１３ａでは、水素（Ｈ２）および一酸化炭素（ＣＯ）の少なくともいずれかが燃料として使用される。カソード１３ｂでは、空気（酸素）が酸化剤として使用される。
酸化ガス供給部２１は、酸化ガス供給路１６に接続されている。酸化ガス供給路１６は、熱交換器２３よりも下流側において、燃料極用酸化ガス供給路１６ａと、空気極用酸化ガス供給路１６ｂと、に分岐している。酸化ガス供給部２１は、酸化ガス供給路１６、燃料極用酸化ガス供給路１６ａおよび混合ガス供給路２８を通して燃料電池部２６のアノード１３ａに酸化ガスを送る。また、酸化ガス供給部２１は、酸化ガス供給路１６および空気極用酸化ガス供給路１６ｂを通して燃料電池部２６のカソード１３ｂに酸化ガスを送る。
例えば、酸化ガス供給部２１は、複数の送風機を有する。図３に表したように、本実施形態の酸化ガス供給部２１は、第１送風機２１ａと、第２送風機２１ｂと、を有する。第１送風機２１ａは、酸化ガス供給路１６、燃料極用酸化ガス供給路１６ａおよび混合ガス供給路２８を通して燃料電池部２６のアノード１３ａに酸化ガスを送る。第２送風機２１ｂは、酸化ガス供給路１６および空気極用酸化ガス供給路１６ｂを通して燃料電池部２６のカソード１３ｂに酸化ガスを送る。第１送風機２１ａおよび第２送風機２１ｂとしては、例えばエアポンプやファンなどが挙げられる。なお、酸化ガス供給部２１が有する送風機の数は、２つに限定されるわけではなく、１つであってもよく、３つ以上であってもよい。
酸化ガス供給路１６は、酸化ガス供給部２１に接続された流路であり、酸化ガス供給部２１から送られた酸化ガスを燃料電池部２６に導く。前述したように、酸化ガス供給路１６は、熱交換器２３よりも下流側において、燃料極用酸化ガス供給路１６ａと、空気極用酸化ガス供給路１６ｂと、に分岐している。燃料極用酸化ガス供給路１６ａは、分岐弁６５および混合ガス供給路２８を介して燃料電池部２６のアノード１３ａに接続されている。空気極用酸化ガス供給路１６ｂは、燃料電池部２６のカソード１３ｂに接続されている。
ガス容器１２は、例えば圧縮された液化ガスが収容されたカートリッジ式ガスボンベであり、燃料ガスを収容している。ガス容器１２から吐出された燃料ガスは、容器接続部６４（図１参照）の内部に設けられたガバナに入り圧力調整される。なお、ガス容器１２がカートリッジ式ガスボンベである場合には、ガス容器１２と容器接続部６４との着脱機構は、マグネット式とされている。これによれば、ガスボンベが加熱されてガスボンベの内部圧力が異常に上昇した時、安全機構が作動してガス容器１２と容器接続部６４との接続が外れる。
燃料ガス供給路１５は、容器接続部６４に接続された流路であり、ガス容器１２に充填されたブタンガスなどの燃料ガスを燃料電池部２６のアノード１３ａに導く。具体的には、図２および図３に表したように、燃料ガス供給路１５は、分岐弁６５を介して接続された混合ガス供給路２８を通して燃料ガスを燃料電池部２６のアノード１３ａに導く。ガス容器１２に収容されたブタンガスなどを主とする炭化水素燃料は、着臭剤として硫黄成分を含んでいる。
バーナ１７は、ガス容器１２から燃料ガス供給路１５を通して供給された燃料ガス（炭化水素燃料）を燃焼して燃料電池部２６を発電開始温度まで加熱する。具体的には、図２および図３に表したように、バーナ燃料供給路２２が、燃料ガス供給路１５から分岐され、バーナ１７に接続されている。ガス容器１２から容器接続部６４を介して供給される燃料ガスは、燃料ガス供給路１５とバーナ燃料供給路２２とガス・空気混合器（図示せず）とを通り、空気と混合されながらバーナ１７に導かれる。
バーナ１７の近傍には、電極（図示せず）が設けられている。利用者が操作摘まみ部（図示せず）を回転させると、イグナイタ（図示せず）が押されてパルス電圧が発生する。バーナ１７の近傍に設けられた電極は、操作摘まみ部の回転により発生したパルス電圧により放電し、ガス容器１２からバーナ１７に供給された燃料ガスを燃焼させ、バーナ１７に点火することができる。本実施形態のバーナ１７は、本発明の「加熱手段」の一例である。
熱電発電部６１は、高温部６１ａと、低温部６１ｂと、熱電素子６１ｃと、を有し、バーナ１７により加熱される。具体的には、高温部６１ａは、例えば燃料電池部２６に対向して設けられ、バーナ１７から放出される火炎および排ガスから伝わる熱により加熱される。高温部６１ａは、受熱部として機能し、バーナ１７から放出される火炎および排ガスから伝わる熱を効率的に受けて熱電素子６１ｃに伝える。低温部６１ｂは、熱電素子６１ｃを介して高温部６１ａから離れて設けられている。低温部６１ｂは、高温部６１ａに対向して配置され、高温部６１ａよりも低い温度に保持される。低温部６１ｂの冷却方式は、特に限定されるわけではなく、例えば自然空冷方式であってもよく強制空冷方式であってもよい。
熱電素子６１ｃは、高温部６１ａと低温部６１ｂとの間に挟設され、高温部６１ａと低温部６１ｂとの間に生ずる温度差に基づいて発電する。熱電素子６１ｃは、ゼーベック効果を利用して熱起電力を発生させる。熱電素子は、熱電変換素子あるいは熱電発電素子などとも呼ばれる。熱電素子６１ｃは、高温部６１ａと低温部６１ｂとの間に生ずる温度差が例えば約１００℃～１５０℃程度になると、より多くの熱起電力を発生させることができる。
図２に表したように、排気路１９が燃料電池部２６に接続されている。排気路１９は、燃料電池部２６から排出される高温の排気ガスを固体酸化物形燃料電池発電機１１の外部に排出する流路である。排気路１９には、ＣＯ除去器１８が設けられている。ＣＯ除去器１８は、内部に設けられた触媒を利用して２００℃以上の温度の排気ガスからＣＯを除去する。
また、図２に表したように、酸化ガス供給路１６および排気路１９には、熱交換器２３が設けられている。熱交換器２３は、酸化ガス供給路１６と排気路１９との間で熱交換を行う。本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池発電機１１では、２つの熱交換器２３、すなわち低温側熱交換器２３ａと高温側熱交換器２３ｂとが設けられている。
酸化ガス供給部２１から酸化ガス供給路１６に送られた酸化ガスは、低温側熱交換器２３ａを通り、低温側熱交換器２３ａにおける排気路１９を流れる排気ガスと熱交換を行い昇温する。続いて、低温側熱交換器２３ａを通過した酸化ガスは、高温側熱交換器２３ｂを通り、高温側熱交換器２３ｂにおける排気路１９を流れる排気ガスと熱交換を行いさらに昇温する。そして、低温側熱交換器２３ａおよび高温側熱交換器２３ｂを通過して高温になった酸化ガスは、燃料極用酸化ガス供給路１６ａを通してアノード１３ａに導かれるとともに、空気極用酸化ガス供給路１６ｂを通してカソード１３ｂに導かれる。
燃料電池部２６における発電で生ずる高温の排気ガスは、高温側熱交換器２３ｂを通り、高温側熱交換器２３ｂにおける酸化ガス供給路１６を流れる酸化ガスと熱交換を行い、温度を下げる。燃料電池部２６から排出され高温側熱交換器２３ｂを通過する前の排気ガスの温度は、例えば約６００℃以上である。高温側熱交換器２３ｂを通過し温度を下げた排気ガスの温度は、例えば約２００℃以上である。これにより、ＣＯ除去器１８の触媒は、排気ガスに対してより確実に作用する。続いて、高温側熱交換器２３ｂを通過した排気ガスは、ＣＯ除去器１８および低温側熱交換器２３ａを通り、低温側熱交換器２３ａにおける酸化ガス供給路１６を流れる酸化ガスと熱交換を行い、温度をさらに下げる。低温側熱交換器２３ａを通過し温度を下げた排気ガスの温度は、例えば約８０℃未満である。そして、高温側熱交換器２３ｂおよび低温側熱交換器２３ａを通過して低温になった排気ガスは、排気路１９の出口から排出される。
分岐弁６５は、燃料極用酸化ガス供給路１６ａと、燃料ガス供給路１５と、に接続されている。言い換えれば、分岐弁６５は、燃料極用酸化ガス供給路１６ａと、燃料ガス供給路１５と、を互いに連結させている。分岐弁６５は、いわゆる三方弁であり、燃料極用酸化ガス供給路１６ａを通して導かれた酸化ガスおよび燃料ガス供給路１５を通して導かれた燃料ガスの両方をアノード１３ａに導く状態と、燃料極用酸化ガス供給路１６ａを通して導かれた酸化ガスのみをアノード１３ａに導く状態と、燃料ガス供給路１５を通して導かれた燃料ガスのみをアノード１３ａに導く状態と、を切り替えることができる。
制御部５８は、本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池発電機１１の全体的な動作の制御を実行する。例えば、図２および図３に表したように、制御部５８は、燃料電池部２６および熱電発電部６１で発生した電力を受けて酸化ガス供給部２１に供給する。また、制御部５８は、燃料電池部２６および熱電発電部６１で発生した電力を受け、その電力に関する情報に基づいて分岐弁６５の動作を制御する。この詳細については、後述する。また、制御部５８は、電力変換装置５４を有する。電力変換装置５４は、燃料電池部２６で発生した電力を受け、直流電力を交流電力に変換する。
ここで、前述したように、ガス容器１２に収容されたブタンガスなどを主とする燃料ガス（炭化水素燃料）は、着臭剤として硫黄成分を含んでいる。硫黄成分は、燃料電池部２６のセル１３に悪影響を及ぼす。例えば、燃料ガスに含まれる硫黄成分は、燃料電池部２６のセル１３に付着し、燃料電池部２６のセル１３に炭素を析出させる。炭素が燃料電池部２６のセル１３に析出すると、炭素が燃料電池部２６のセル１３と燃料ガスとの化学反応を阻害し十分な発電が行われず、燃料電池部２６の発電能力が低下する。そのため、固体酸化物形燃料電池を備える発電機は、一般的に、燃料ガスから硫黄成分を除去する脱硫装置を備える。そして、脱硫装置よりも下流側に設けられた改質器が、脱硫装置により硫黄成分を除去された燃料ガスを水素（Ｈ２）および一酸化炭素（ＣＯ）などに改質してから水素（Ｈ２）および一酸化炭素（ＣＯ）を燃料電池部のアノードに供給する。
しかし、脱硫装置および改質器が設けられると、固体酸化物形燃料電池を備える発電機が複雑化し大型化する。また、脱硫装置および改質器のメンテナンスが必要になる。そのため、固体酸化物形燃料電池を備える発電機を持ち運ぶことが困難になる。
これに対して、本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池発電機１１の制御部５８は、燃料極用酸化ガス供給路１６ａを通して導かれた酸化ガスと、燃料ガス供給路１５を通して導かれた燃料ガスと、を所定比率で燃料電池部２６のアノード１３ａに供給する制御を実行する。具体的には、制御部５８は、分岐弁６５の開度を制御し、燃料極用酸化ガス供給路１６ａを通して導かれた酸化ガスと、燃料ガス供給路１５を通して導かれた燃料ガスと、を所定比率で混合ガス供給路２８を通して燃料電池部２６のアノード１３ａに供給する。本願明細書において「所定比率」とは、酸化ガスと燃料ガスとが混合された比率だけではなく、燃料ガスを含まず酸化ガスのみを含む場合の比率（酸化ガス１００％）および酸化ガスを含まず燃料ガスのみを含む場合の比率（燃料ガス１００％）を含むものとする。
本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池発電機１１によれば、例えば、制御部５８は、燃料ガスを酸化ガスで薄めて燃料ガスに含まれる硫黄成分の濃度を所定濃度以下に抑え、所定濃度以下の硫黄成分を含む燃料ガスを燃料電池部２６のアノード１３ａに供給することができる。あるいは、例えば、制御部５８は、燃料ガスを酸化ガスで薄めて燃料ガスに含まれる硫黄成分の濃度を極めて低い濃度以下に抑え、燃料電池部２６のアノード１３ａを酸化ガスでパージすることができる。そのため、燃料ガスに含まれる硫黄成分が燃料電池部２６のセル１３に付着することを抑えることができる。そのため、炭素が燃料電池部２６のセル１３に析出することを抑え、燃料電池部２６のセル１３と燃料ガスとの化学反応が炭素により阻害されることを抑えることができる。これにより、本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池発電機１１は、脱硫装置を要しなくとも硫黄を含む燃料ガスを使用しつつ燃料電池部２６の発電能力が低下することを抑えることができる。また、脱硫装置が不要となるため、固体酸化物形燃料電池発電機１１の小型化、軽量化およびメンテナンスフリー化を図ることができる。これにより、可搬型の固体酸化物形燃料電池発電機１１を提供することができる。
本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池発電機１１の動作をさらに詳細に説明すると、制御部５８は、分岐弁６５の開度を制御し、燃料ガス供給路１５を通して導かれた燃料ガスを燃料極用酸化ガス供給路１６ａを通して導かれた酸化ガスで希釈することにより、アノード１３ａに供給する酸化ガスと燃料ガスとの比率を調整する。本発明者の得た知見によれば、酸化ガスで希釈された燃料ガスの濃度は、２０％以下であることが好ましく、７％以下であることがさらに好ましい。
これにより、燃料ガスに含まれる硫黄成分の濃度を低下させることができる。そのため、燃料ガスに含まれる硫黄成分が燃料電池部２６のセル１３に付着することを抑えることができる。そのため、炭素が燃料電池部２６のセル１３に析出することを抑え、燃料電池部２６のセル１３と燃料ガスとの化学反応が炭素により阻害されることを抑えることができる。これにより、本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池発電機１１は、脱硫装置を要しなくとも硫黄を含む燃料ガスを使用しつつ燃料電池部２６の発電能力が低下することを抑えることができる。
あるいは、制御部５８は、所定時間おきに分岐弁６５の開度を制御して、燃料ガス供給路１５を通して導かれた燃料ガスの供給を停止して燃料極用酸化ガス供給路１６ａを通して導かれた酸化ガスのみをアノード１３ａに供給する。
これにより、制御部５８は、所定時間おきに燃料電池部２６のアノード１３ａを酸化ガスでパージすることができる。例えば、制御部５８は、燃料ガスに含まれる硫黄成分が燃料電池部２６のセル１３に付着したり堆積したりする前に、燃料電池部２６のアノード１３ａを酸化ガスで定期的にパージすることができる。そのため、燃料ガスに含まれる硫黄成分が燃料電池部２６のセル１３に付着することをより一層抑えることができる。そのため、炭素が燃料電池部２６のセル１３に析出することをより一層抑え、燃料電池部２６のセル１３と燃料ガスとの化学反応が炭素により阻害されることを抑えることができる。これにより、本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池発電機１１は、脱硫装置を要しなくとも硫黄を含む燃料ガスを使用しつつ燃料電池部２６の発電能力が低下することをより一層抑えることができる。
また、制御部５８は、燃料電池部２６で発生した電力を受け、その電力に関する情報に基づいて、分岐弁６５の開度を制御する。そして、制御部５８は、燃料ガス供給路１５を通して導かれた燃料ガスの供給を停止し、燃料極用酸化ガス供給路１６ａを通して導かれた酸化ガスのみをアノード１３ａに供給する。
これにより、制御部５８は、燃料電池部２６で発生した電力に関する情報に基づいて、燃料電池部２６のアノード１３ａを酸化ガスでパージすることができる。例えば、制御部５８は、燃料電池部２６で発生した電力量や、燃料電池部２６で発生した電力量の初期電力量に対する低下率などに基づいて、燃料電池部２６のアノード１３ａを酸化ガスでパージすることができる。そのため、燃料ガスに含まれる硫黄成分が燃料電池部２６のセル１３に付着することをより一層抑えることができる。そのため、炭素が燃料電池部２６のセル１３に析出することをより一層抑え、燃料電池部２６のセル１３と燃料ガスとの化学反応が炭素により阻害されることを抑えることができる。これにより、本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池発電機１１は、脱硫装置を要しなくとも硫黄を含む燃料ガスを使用しつつ燃料電池部２６の発電能力が低下することをより一層抑えることができる。
また、前述したように、制御部５８は、分岐弁６５を制御することにより、燃料電池部２６に供給する酸化ガスと燃料ガスとの比率を容易に調整することができる。これにより、燃料極用酸化ガス供給路１６ａと燃料ガス供給路１５とのそれぞれに弁が設けられた場合と比較して、１つの分岐弁６５で酸化ガスと燃料ガスとの比率を容易に調整することができるとともに脱硫装置および改質器などの付帯設備を省略することができ、固体酸化物形燃料電池発電機１１のより一層の小型化および軽量化を図ることができる。
さらに、本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池発電機１１は、燃料電池部２６による発電と、熱電発電部６１による発電と、を組み合わせることができる。つまり、必要な電力のうち燃料電池部２６の高温稼動によって発生する電力の一部を熱電発電部６１の熱電素子６１ｃによって発生する電力で補うことができる。そのため、燃料電池部２６が単独で同じ電力量を発生させる場合と比較して、熱電発電部６１の熱電素子６１ｃによって発生する電力量の補助分だけ、固体酸化物形燃料電池発電機１１の全体の発電量を増加させることができるとともに、燃料ガスの使用量を低減し燃料ガスを節約することができる。また、燃料電池部２６が単独で発電する場合と比較して、燃料電池部２６の稼動温度を約６５０±５０℃程度に安定的に維持することができる。これにより、燃料電池部２６の耐久性を向上させることができるとともに、燃料電池部２６の周辺機器に与える熱の影響を抑えることができる。また、これにより、燃料電池部２６の周辺機器に採用可能な材料の選択幅を広げることができる。
なお、本実施形態では、分岐弁６５が燃料極用酸化ガス供給路１６ａと燃料ガス供給路１５との接続部に設けられた場合を例に挙げて説明している。但し、分岐弁６５は、必ずしも設けられていなくともよい。例えば、燃料極用酸化ガス供給路１６ａおよび燃料ガス供給路１５が、互いに異なる経路で燃料電池部２６のアノード１３ａに接続されていてもよい。そして、例えば、制御部５８は、酸化ガス供給部２１を制御したり酸化ガス供給路１６あるいは燃料極用酸化ガス供給路１６ａに設けられた電磁弁などを制御したりして酸化ガスの量を調整するとともに、燃料ガス供給路１５に設けられた電磁弁などを制御して燃料ガスの量を調整することにより、酸化ガスと燃料ガスとを所定比率で燃料電池部２６のアノード１３ａに供給してもよい。また、酸化ガス供給路１６が燃料極用酸化ガス供給路１６ａと空気極用酸化ガス供給路１６ｂとに分岐した分岐部には、分岐弁（すなわち三方弁）が設けられていてもよい。これによれば、制御部５８は、燃料極用酸化ガス供給路１６ａと空気極用酸化ガス供給路１６ｂとの分岐部に設けられた分岐弁の開度を制御することにより、アノード１３ａに供給する酸化ガスと、カソード１３ｂに供給する酸化ガスと、の比率を適宜調整することができる。
次に、本発明者が実施した試験の結果の一例を、図面を参照して説明する。
図４は、本発明者が実施した試験の条件を表す表である。
図５は、着臭剤を含む燃料ガスと着臭剤を含まない燃料ガスとで実施した試験の結果の一例を表すグラフである。
図６は、アノードを酸化ガスでパージした場合とアノードを酸化ガスでパージしなかった場合とで実施した試験の結果の一例を表すグラフである。
図５および図６の横軸は、試験装置の運転時間（ｈｏｕｒ）を表す。図５および図６の縦軸は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）で発生した電力量の初期電力量に対する低下率を表す。
まず、図４に表したように、本発明者は、本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池発電機１１を想定し、２０ｍｍ×５０ｍｍのサイズ（発電有効面積）のセル１３を有する固体酸化物形燃料電池を用意した。そして、６９０℃の炉内温度の電気炉に固体酸化物形燃料電池を入れ、７％の濃度のブタンガスを含む燃料ガスを９６ｍｌ／ｍｉｎの流量でアノード（燃料極）１３ａに供給するとともに、酸化ガスを２３１ｍｌ／ｍｉｎの流量でカソード（空気極）１３ｂに供給した。
続いて、まず、本発明者は、着臭剤としての硫黄成分の影響を検討するため、着臭剤（硫黄成分）を含む燃料ガスと、着臭剤（硫黄成分）を含まない燃料ガスと、で試験を実施した。その試験の結果の一例は、図５に表した通りである。すなわち、硫黄成分を含む燃料ガスがアノード１３ａに供給された場合における電力低下率の近似直線（回帰直線）の傾きの絶対値は、硫黄成分を含まない燃料ガスがアノード１３ａに供給された場合における電力低下率の近似直線（回帰直線）の傾きの絶対値よりも大きい。これにより、硫黄成分を含む燃料ガスがアノード１３ａに供給された場合における電力低下率が、硫黄成分を含まない燃料ガスがアノード１３ａに供給された場合における電力低下率よりも大きいことが分かる。また、本発明者によるセル１３の目視観察によれば、運転時間が８０時間を経過した後において、硫黄成分を含む燃料ガスがアノード１３ａに供給された場合のセル１３には炭素析出が確認された一方で、硫黄成分を含まない燃料ガスがアノード１３ａに供給された場合のセル１３には炭素析出が確認されなかった。
以上の試験の結果より、本発明者は、着臭剤としての硫黄成分がセル１３に付着し、その硫黄成分を起点としてセル１３に炭素を析出させることにより、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）で発生した電力量が運転時間の経過とともに低下すると考えた。
そこで、続いて、本発明者は、硫黄成分を含む燃料ガスをアノード１３ａに供給するとともに、運転時間の２時間おきにアノード１３ａを酸化ガスで１０分間パージした場合と、アノード１３ａを酸化ガスでパージしなかった場合と、で試験を実施した。その試験の結果の一例は、図６に表した通りである。すなわち、所定時間（本試験では２時間）おきにアノード１３ａを酸化ガスで所定時間（本試験では１０分間）パージした場合における電力低下率が、アノード１３ａを酸化ガスでパージしなかった場合における電力低下率よりも小さいことが分かる。特に、運転時間が８０時間を経過したタイミング（図６に表した矢印Ａ１の部分）において、アノード１３ａを酸化ガスでパージした場合における電力低下率が、アノード１３ａを酸化ガスでパージしなかった場合における電力低下率と比較して改善していることが分かる。
なお、本試験では、運転時間の２時間おきにアノード１３ａを酸化ガスで１０分間パージしたが、図１～図３に関して前述したように、固体酸化物形燃料電池で発生した電力に関する情報に基づいて、アノード１３ａを酸化ガスでパージしてもよい。例えば、固体酸化物形燃料電池で発生した電力の初期電力量に対する低下率すなわち図６に表した電力低下率が所定の閾値以下になったとき、アノード１３ａを酸化ガスでパージしてもよい。この場合においても、アノード１３ａを酸化ガスでパージした場合における電力低下率が、アノード１３ａを酸化ガスでパージしなかった場合における電力低下率と比較して改善することが見込まれる。
以上、本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明は、上記実施形態に限定されず、特許請求の範囲を逸脱しない範囲で種々の変更を行うことができる。上記実施形態の構成は、その一部を省略したり、上記とは異なるように任意に組み合わせたりすることができる。
１１：固体酸化物形燃料電池発電機、 １２：ガス容器、 １３：セル、 １３ａ：アノード、 １３ｂ：カソード、 １３ｃ：電解質、 １５：燃料ガス供給路、 １６：酸化ガス供給路、 １６ａ：燃料極用酸化ガス供給路、 １６ｂ：空気極用酸化ガス供給路、 １７：バーナ、 １８：ＣＯ除去器、 １９：排気路、 ２１：酸化ガス供給部、 ２１ａ：第１送風機、 ２１ｂ：第２送風機、 ２２：バーナ燃料供給路、 ２３：熱交換器、 ２３ａ：低温側熱交換器、 ２３ｂ：高温側熱交換器、 ２６：燃料電池部、 ２７ａ：第１セルモジュール、 ２７ｂ：第２セルモジュール、 ２７ｃ：第３セルモジュール、 ２７ｄ：第４セルモジュール、 ２８：混合ガス供給路、 ５４：電力変換装置、 ５８：制御部、 ６１：熱電発電部、 ６１ａ：高温部、 ６１ｂ：低温部、 ６１ｃ：熱電素子、 ６３：筐体、 ６４：容器接続部、 ６５：分岐弁

Claims (4)

  1. 燃料ガスと酸化ガスとで発電する固体酸化物形の燃料電池部と、
    前記燃料電池部に前記酸化ガスを送る酸化ガス供給部と、
    前記酸化ガス供給部から送られた前記酸化ガスを前記燃料電池部の空気極に導く空気極用酸化ガス供給路と、
    前記酸化ガス供給部から送られた前記酸化ガスを前記燃料電池部の燃料極に導く燃料極用酸化ガス供給路と、
    ガス容器に収容された前記燃料ガスを前記燃料電池部に導く燃料ガス供給路と、
    前記燃料ガス供給路により導かれた前記燃料ガスを利用し前記燃料電池部を加熱する加熱手段と、
    前記燃料極用酸化ガス供給路を通して導かれた前記酸化ガスと前記燃料ガス供給路を通して導かれた前記燃料ガスとを所定比率で前記燃料極に供給する制御を実行する制御部と、
    を備えたことを特徴とする固体酸化物形燃料電池発電機。
  2. 前記制御部は、所定時間おきに、前記燃料ガス供給路を通して導かれた前記燃料ガスの供給を停止して前記燃料極用酸化ガス供給路を通して導かれた前記酸化ガスのみを前記燃料極に供給する制御を実行することを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池発電機。
  3. 前記制御部は、前記燃料電池部で発生した電力を受け前記電力に関する情報に基づいて、前記燃料ガス供給路を通して導かれた前記燃料ガスの供給を停止して前記燃料極用酸化ガス供給路を通して導かれた前記酸化ガスのみを前記燃料極に供給する制御を実行することを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池発電機。
  4. 前記燃料極用酸化ガス供給路と前記燃料ガス供給路とに接続され、前記酸化ガスおよび前記燃料ガスの両方を前記燃料極に導く状態と、前記酸化ガスのみを前記燃料極に導く状態と、を切り替え可能な分岐弁をさらに備え、
    前記制御部は、前記分岐弁を制御することにより前記比率を調整することを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の固体酸化物形燃料電池発電機。

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