JP3564364B2 - 固体電解質燃料電池 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体電解質燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体電解質燃料電池は、図１１に示すように、メタンなどの都市ガス１ａを改質装置１２１で改質された水素ガスなどの燃料ガス１と、エアコンプレッサ１２２からの空気２とが、スタック１１０内に供給されて電気化学的に反応し、起電力を発生させて負荷装置１３０を作動させる一方、反応に供された燃料ガス１および空気２が排ガス焼却炉１２３および冷却器１２４を介して外部に排出されている。
【０００３】
上記スタック１１０は、図１２，１３に示すように、固体電解質１１２を燃料極１１３と空気極１１４とで挟んだ発電膜１１１がセパレータ１１５およびインタコネクタ１１６を介して複数積層されたものであり、燃料極１１３側に燃料ガス１が供給されると共に空気極１１４側に空気２が供給されることにより、これらガス１，２が固体電解質１１２で電気化学的に反応し、インタコネクタ１１６を介して電力を外部に取り出すことができるようになっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前述したような固体電解質燃料電池において、何らかの原因でスタック１１０に割れやシール部分の劣化等のような損傷を生じてしまうと、燃料ガス１や空気２が漏出して反応効率が低下してしまい、出力電圧の低下を引き起こしたり、燃料ガス１と空気２とが直接的に接触して燃焼反応等を起こしてしまい、スタック１１０全体が修復不能となってしまう虞がある。このため、出力電圧の変化や排出ガスの温度変化などから、スタック１１０の健全性を確認し、異常が認められたら、運転を停止して修復作業を行うようにしている。しかしながら、出力電圧の変化や排出ガスの温度変化などを生じた時点では、スタック１１０の損傷がかなり大きくなってしまっており、修復に多大な手間がかかっていた。
【０００５】
このようなことから、本発明は、スタックの損傷を早期に発見することができる固体電解質燃料電池を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前述した課題を解決するための、本発明による固体電解質燃料電池は、固体電解質を燃料極および酸化剤極で挟んだ発電膜を複数積層したスタックの上記発電膜の上記燃料極側に燃料ガスを供給すると共に、当該スタックの上記発電膜の上記酸化剤極側に酸化剤ガスを供給することにより、当該燃料ガス当該酸化剤ガスとを電気的に反応させて電力を発生させる固体電解質燃料電池において、前記燃料ガスまたは前記酸化剤ガスのいずれか一方と共に前記スタックに標識ガスを供給する標識ガス供給手段と、発電に供された前記燃料ガス、発電に供された前記酸化剤ガスのうちの少なくとも一つのガス中の前記標識ガスの濃度および前記スタックの周囲の雰囲気ガス中の前記標識ガスの濃度を計測する標識ガス計測手段とを設けたことを特徴とする。
【０００７】
上述した固体電解質燃料電池において、前記標識ガス計測手段が前記標識ガスを検知するガス検知器またはガスクロマトグラフであることを特徴とする。
【０００８】
上述した固体電解質燃料電池において、前記標識ガスがヘリウム、アルゴン、キセノンのうちの少なくとも１種類であることを特徴とする。
【０００９】
上述した固体電解質燃料電池において、前記標識ガスと共に前記スタックに供給する前記ガスに対して当該標識ガスを０．５〜５ｖｏｌ．％の割合で供給することを特徴とする。
【００１０】
上述した固体電解質燃料電池において、前記雰囲気ガスが窒素または二酸化炭素であることを特徴とする。
【００１２】
上述した固体電解質燃料電池において、前記雰囲気ガスが前記スタックから排出された前記燃料ガスであり、少なくともその一部が当該スタックに再び供給されると共に、前記標識ガス供給手段が前記酸化剤ガスに前記標識ガスを供給し、前記標識ガス計測手段が少なくとも前記燃料ガス中の前記標識ガスの濃度を計測することを特徴とする。
【００１４】
上述した固体電解質燃料電池において、前記スタックが、前記発電膜を水平方向に沿って複数積層したサブスタックを水平方向に沿って複数組電気的に連結した貨車状横置型のものであり、前記標識ガス供給手段が前記酸化剤ガスに前記標識ガスを供給し、前記標識ガス計測手段が少なくとも前記スタックの前記サブスタックからそれぞれ排出される前記酸化剤ガス中の前記標識ガスの濃度を計測することを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明による固体電解質燃料電池の実施の形態を以下に説明するが、本発明は、これらの実施の形態に限定されるものではない。
【００１６】
［第一番目の実施の形態］
本発明による固体電解質燃料電池の第一番目の実施の形態を図１，２を用いて説明する。図１は、固体電解質燃料電池の概略構成図、図２は、図１のスタック部分の抽出拡大図である。
【００１７】
図１に示すように、断熱材からなる箱型のモジュール本体１１の内部は、多孔性の断熱材からなる仕切板１１ｃにより、上部室１１ａと下部室１１ｂとに仕切られている。モジュール本体１１の上部には、当該ケーシング１１の内部に窒素や二酸化炭素などの雰囲気ガスであるパージガス３を供給する供給管１１ｄおよび当該ケーシング１１内の上記パージガス３を送出する送出管１１ｅが設けられている。モジュール本体１１の上部室１１ａおよび下部室１１ｂの壁面には、加熱ヒータ１２が設けられている。
【００１８】
前記モジュール本体１１の上部室１１ａ内の仕切板１１ｃ上には、図２に示すように、固体電解質を燃料極と酸化剤極である空気極とで挟んだ発電膜１３を上下方向に複数積層したスタック１４が設置されている。このスタック１４の側面には、水素などの燃料ガス１を供給する燃料ガス供給マニホールド１５ａと、酸化剤ガスである空気２を供給する空気供給マニホールド１５ｂと、使用された燃料ガス１を排出する図示しない燃料ガス排出マニホールドと、使用された空気２を排出する図示しない空気排出マニホールドとがそれぞれ連結されている。
【００１９】
図１に示すように、前記燃料ガス供給マニホールド１５ａの下部には、燃料ガス供給管１６ａの一端側が仕切板１１ｃを貫通して連結されている。この燃料ガス供給管１６ａは、モジュール本体１１の下部室１１ｂ内を貫通して、当該モジュール本体１１の外部に配設された改質装置１８にその他端側が連結されている。この改質装置１８には、メタンなどの都市ガス１ａが一定流量で送給されるようになっている。
【００２０】
つまり、都市ガス１ａを改質装置１８内に送給すると、当該都市ガス１ａは、改質装置１８により燃料ガス１（水素ガス）に改質され、燃料ガス供給管１６ａおよび燃料ガス供給マニホールド１５ａを介してスタック１４内の燃料極側に一定の流量で供給されるようになっているのである。
【００２１】
前記空気供給マニホールド１５ｂの下部には、空気供給管１６ｂの一端側が仕切板１１ｃを貫通して連結されている。この空気供給管１６ｂは、モジュール本体１１の下部室１１ｂ内を貫通して、当該モジュール本体１１の外部に配設された図示しないエアコンプレッサにその他端側が連結されている。
【００２２】
つまり、前記エアコンプレッサを作動すると、空気２が空気供給管１６ｂおよび空気供給マニホールド１５ｂを介してスタック１４内の空気極側に一定の流量で供給されるようになっているのである。
【００２３】
前記燃料ガス排出マニホールドの下部には、燃料ガス排出管１６ｃの一端側が仕切板１１ｃを貫通して連結されている。この燃料ガス排出管１６ｃは、モジュール本体１１の下部室１１ｂ内を貫通して、当該モジュール本体１１の外部へ連絡している。前記空気排出マニホールドの下部には、空気排出管１６ｄの一端側が仕切板１１ｃを貫通して連結されている。この空気排出管１６ｄは、モジュール本体１１の下部室１１ｂ内を貫通して、当該モジュール本体１１の外部へ連絡している。
【００２４】
前記下部室１１ｂ内の燃料ガス供給管１６ａおよび空気排出管１６ｄの途中部分には、熱交換器１７ａが設けられており、燃料ガス供給管１６ａ内を流通する燃料ガス１と空気排出管１６ｄ内を流通する使用済みの高温の空気２との間で熱交換させることができるようになっている。また、下部室１１ｂ内の空気供給管１６ｂおよび燃料ガス排出管１６ｃの途中部分には、熱交換器１７ｂが設けられており、空気供給管１６ｂ内を流通する空気２と燃料ガス排出管１６ｃ内を流通する使用済みの高温の燃料ガス１との間で熱交換させることができるようになっている。
【００２５】
前記スタック１４の上端および下端には、集電板１９ａ，１９ｂが取り付けられている。これら集電板１９ａ，１９ｂは、モジュール本体１１の外部の負荷装置１３０に集電棒２０ａ，２０ｂを介して連結されている。
【００２６】
前記改質装置１８の都市ガス１ａの供給口部分には、ヘリウムやアルゴンやキセノン等の不活性ガスなどのように、燃料ガス１や空気２中の酸素と反応せずにパージガス３と種類の異なる標識ガス４を一定流量で供給できる標識ガス供給手段２１が連結されている。一方、モジュール本体１１の前記送出管１１ｅと前記排出管１６ｃ，１６ｄのモジュール本体１１の外部部分には、当該管１１ｅ，１６ｃ，１６ｄ内を流通する前記ガス１〜３中に含まれる標識ガス４の濃度を計測する標識ガス計測手段２２が連結されている。
【００２７】
ここで、標識ガス供給手段２１としては、標識ガス４を充填されたガスボンベ等が挙げられる。また、標識ガス計測手段２２としては、標識ガスを検知するガス検知器やガスクロマトグラフなどが挙げられる。
【００２８】
このような固体電解質燃料電池においては、モジュール本体１１の内部にパージガス３を供給管１１ｄから供給して上部室１１ａおよび下部室１１ｂ内をパージガス雰囲気に置換し、加熱ヒータ１２を作動してモジュール本体１１内を規定の温度に保持すると共に、前記エアコンプレッサを作動して空気供給管１６ｂおよび空気供給マニホールド１５ｂを介して空気２をスタック１４の各発電膜１３の空気極側に一定流量で供給する一方、都市ガス１ａを改質装置１８に供給して改質した燃料ガス１を燃料ガス供給管１６ａおよび燃料ガス供給マニホールド１５ａを介してスタック１４の各発電膜１３の空気極側に一定流量で供給する（例えば１×１０５ ｃｍ３ ／ｍｉｎ）と同時に、標識ガス供給手段２１を作動して上記燃料ガス１と共に標識ガス４をスタック１４内に一定流量で供給する（例えば５×１０２ ｃｍ３ ／ｍｉｎ）。
【００２９】
スタック１４内に供給された燃料ガス１および空気２は、発電膜１３上で電気化学的に反応して起電力を生じる。この電力は、集電板１９ａ，１９ｂおよび集電棒２０ａ，２０ｂを介して負荷装置１３０の作動に供される。
【００３０】
スタック１４内で反応に供された空気２は、前記空気排出マニホールドおよび空気排出管１６ｄを介して熱交換器１７ｂ内を流通し、前記燃料ガス供給管１６ａ内を流通する燃料ガス１を加熱した後に外部へ排出される。一方、スタック１４内で反応に供された燃料ガス１は、前記燃料ガス排出マニホールドおよび燃料ガス排出管１６ｃを介して熱交換器１７ａ内を流通し、前記空気供給管１６ｂ内を流通する空気２を加熱した後に外部へ排出される。また、スタック１４内に供給された標識ガス４は、燃料ガス１や発電膜１３の燃料極等と反応することなく当該燃料ガス１と共に外部へ排出される。
【００３１】
このようにして発電運転を行っている際に、スタック１４に何らかの原因で割れやシール部分の劣化等のような損傷を生じると、前記標識ガス４が発電膜１３の燃料極側から当該損傷部分を介して空気極側や上部室１１ａ内に漏出するため、燃料ガス排出管１６ｃから排出される燃料ガス１中の標識ガス４の濃度の低下および空気排出管１６ｄから排出される空気２中や送出管１１ｅから送出されるパージガス３中の標識ガス４の混在が標識ガス計測手段２２により計測される。
【００３２】
すなわち、図３に示すように、燃料ガス１と共にスタック１４に標識ガス供給手段２１から標識ガス４を供給すれば、スタック１４の損傷に伴って、標識ガス４が空気２やパージガス３中に混入するようになるので、排出されたこれらガス１〜３中の標識ガス４の濃度を標識ガス計測手段２２によってｐｐｍ単位で計測することにより、スタック１４の損傷を検知できるようにしたのである。
【００３３】
したがって、このような固体電解質燃料電池によれば、スタック１４に小さな損傷を生じても、当該損傷を即時に検知することができるので、スタック１４の損傷を早期に修復することができる。
【００３４】
ここで、スタック１４に供給する標識ガス４の燃料ガス１に対する濃度は、０．５〜５ｖｏｌ．％が好ましい。なぜなら、上記濃度が０．５ｖｏｌ．％に満たないと、検出感度が不十分になってしまう虞があり、上記濃度が５ｖｏｌ．％を超えると、標識ガス４が過剰となり、無駄を生じてしまうからである。
【００３５】
なお、本実施の形態では、標識ガス４を継続的に供給して当該ガス４の検出を連続的に行うようにしたが、例えば、運転立ち上げ時には、標識ガス４を継続的に供給して当該ガス４の検出を連続的に行い、運転状態が一定となったら、一定の間隔ごとに標識ガス４を供給して当該ガス４の検出を間欠的に行うようすることも可能である。
【００３６】
また、本実施の形態では、スタック１４内に標識ガス４を燃料ガス１と共に供給するようにしたが、図４に示すように、スタック１４内に標識ガス４を空気２と共に供給するようにしても、上述と同様な効果を得ることができる。
【００３７】
また、本実施の形態では、モジュール本体１１から送出されるパージガス３とスタック１４から排出される燃料ガス１および空気２中の標識ガス４の濃度を標識ガス計測手段２２で計測するようにしたが、スタック１４から排出される燃料ガス１中の標識ガス４の濃度の計測を省略し、モジュール本体１１から送出されるパージガス３とスタック１４から排出される空気２中の標識ガス４の濃度だけを標識ガス計測手段２２で計測するようにしても、スタック１４の損傷を検知することができ、さらに、モジュール本体１１から送出されるパージガス３中の標識ガス４の濃度の計測を省略し、スタック１４から排出される空気２中の標識ガス４の濃度だけを標識ガス計測手段２２で計測するようにしても、スタック１４に多大な影響を及ぼす損傷を検知することができる。
【００３８】
［第二番目の実施の形態］
本発明による固体電解質燃料電池の第二番目の実施の形態を図５〜７を用いて説明する。図５は、固体電解質燃料電池の概略構成図、図６は、図５のＶＩ−ＶＩ線断面矢視図、図７は、図５の矢線ＶＩＩ部の抽出拡大図である。ただし、前述した実施の形態と同様な部材等については、前述した実施の形態の説明で用いた符号と同様な符号を図面に付すことによりその説明を省略し、前述した実施の形態の場合と異なる部分について説明する。
【００３９】
図５に示すように、モジュール本体１１は、その上部が閉塞されている。図６に示すように、燃料ガス排出マニホールド１５ｃの壁面には、流出穴１５ｃａが形成されており、スタック１４から排出された燃料ガス１の一部をモジュール本体１１内に送出して当該ケーシング１１内の雰囲気を燃料ガス１とする、すなわち、還元雰囲気とすることができるようになっている。図５，７に示すように、前記燃料ガス供給管１６ａの熱交換器１７ａの上方部分には、エゼクタ１６ａａが設けられており、当該エゼクタ１６ａａは、熱交換器１７ａを介して供給されてきた新規の燃料ガス１の流速により、モジュール本体１１内の雰囲気ガス（使用済みの燃料ガス１）を吸い込んで新規な燃料ガス１と共に燃料ガス供給マニホールド１５ａ内に再び供給することができるようになっている。
【００４０】
また、図５に示すように、空気供給管１６ｂのモジュール本体１１の外部部分には、標識ガス供給手段２１が連結されている。
【００４１】
このような固体電解質燃料電池においては、都市ガス１ａを改質装置１８に供給して改質した燃料ガス１を燃料ガス供給管１６ａおよび燃料ガス供給マニホールド１５ａを介してスタック１４の各発電膜１３の空気極側に一定流量で供給する一方、前記エアコンプレッサを作動して空気供給管１６ｂおよび空気供給マニホールド１５ｂを介して空気２をスタック１４の各発電膜１３の空気極側に一定流量で供給すると同時に、標識ガス供給手段２１を作動して上記空気２と共に標識ガス４をスタック１４内に一定流量で供給すると共に、加熱ヒータ１２を作動してモジュール本体１１内を規定の温度に保持する。
【００４２】
スタック１４内に供給された燃料ガス１および空気２は、発電膜１３上で電気化学的に反応して起電力を生じる。この電力は、集電板１９ａ，１９ｂおよび集電棒２０ａ，２０ｂを介して負荷装置１３０の作動に供される。
【００４３】
スタック１４内で反応に供された燃料ガス１は、その一部が燃料ガス排出マニホールド１５ｃの流出穴１５ｃａからモジュール本体１１内に流出し、モジュール本体１１内を還元雰囲気にして、モジュール本体１１内の金属製の部材の酸化劣化を防止し、前記燃料ガス供給管１６ａのエゼクタ１６ａａから吸い込まれてスタック１４内に再び供給される一方、その他の残りが燃料ガス排出マニホールド１５ｃおよび燃料ガス排出管１６ｃを介して熱交換器１７ａ内を流通し、前記空気供給管１６ｂ内を流通する空気２を加熱した後に外部へ排出される。
【００４４】
一方、スタック１４内で反応に供された空気２は、空気排出マニホールド１５ｄおよび空気排出管１６ｄを介して熱交換器１７ｂ内を流通し、前記燃料ガス供給管１６ｂ内を流通する燃料ガス１を加熱した後に外部へ排出される。また、スタック１４内に供給された標識ガス４は、空気２中の酸素や発電膜１３の空気極等と反応することなく当該空気２と共に外部へ排出される。
【００４５】
このようにして発電運転を行っている際に、スタック１４に何らかの原因で割れやシール部分の劣化等のような損傷を生じると、前記標識ガス４が発電膜１３の空気極側から当該損傷部分を介して燃料極側や上部室１１ａ内に漏出するため、空気排出管１６ｄから排出される空気２中の標識ガス４の濃度の低下および燃料ガス排出管１６ｃから排出される燃料ガス１中の標識ガス４の混在が標識ガス計測手段２２により計測される。
【００４６】
すなわち、図８に示すように、空気２と共に標識ガス４をスタック１４に供給すれば、スタック１４の損傷に伴って、標識ガス４が燃料ガス１中に混入するようになるので、排出されたこれらガス１，２中の標識ガス４の濃度をｐｐｍ単位で計測することにより、スタック１４の損傷を検知できるようにしたのである。
【００４７】
なぜなら、本実施の形態では、スタック１４で反応に供された燃料ガス１の一部をモジュール本体１１の内部に流出させて当該ケーシング１１内を還元雰囲気にすると共に前記エゼクタ１６ａａで吸引して再利用するようにしているため、前述した実施の形態の場合のように、標識ガス４を燃料ガス１と共にスタック１４内に供給するようにすると、スタック１４に損傷等を何ら生じていない場合であっても、燃料ガス排出管１６ｃ内から排出される標識ガス４の濃度が逐次変動してしまうからである。
【００４８】
したがって、このような固体電解質燃料電池によれば、前述した実施の形態の場合と同様に、スタック１４に小さな損傷を生じても、当該損傷を即時に検知することができるので、スタック１４の損傷を早期に修復することができる。
【００４９】
［第三番目の実施の形態］
本発明による固体電解質燃料電池の第三番目の実施の形態を図９，１０を用いて説明する。図９は、固体電解質燃料電池の概略構成図、図１０は、図９のスタックの概略構成を表す斜視図である。ただし、前述した実施の形態と同様な部材等については、前述した実施の形態の説明で用いた符号と同様な符号を図面に付すことによりその説明を省略し、前述した実施の形態の場合と異なる部分について説明する。
【００５０】
図９に示すように、モジュール本体１１の下部室１１ａ内には、多孔質体のセラミックス製の箱型のキャニスタ２３が載置されている。キャニスタ２３の内部には、図１０に示すように、発電膜１３を水平方向に沿って複数積層したサブスタック２４ａを水平方向に沿って複数組電気的に連結したいわゆる貨車状横置型のスタック２４が配設されている。サブスタック２４ａの一方の側面には、空気供給マニホールド１５ｂがそれぞれ取り付けられている。サブスタック２４ａの他方の側面には、空気排出マニホールド１５ｄがそれぞれ取り付けられている。これらマニホールド１５ｂ，１５ｄは、サブスタック２４ａの連結方向で交互に配列されている。
【００５１】
図９，１０に示すように、前記空気供給マニホールド１５ｂの上部には、空気供給管１６ｂがそれぞれ連結されている。これら空気供給管１６ｂは、仕切板１１ｃおよび上部室１１ａを貫通してモジュール本体１１の外部に位置するエアコンプレッサ２５に接続されている。一方、前記空気排出マニホールド１５ｄの上部には、空気排出管１６ｄがそれぞれ接続されている。これら空気排出管１６ｄは、仕切板１１ｃおよび上部室１１ａを貫通してモジュール本体１１の外部に連絡している。
【００５２】
図９に示すように、キャニスタ２３の内部の底面には、スタック２４に燃料ガス１を供給する燃料ガス供給マニホールド２３ａが形成されている。この燃料ガス供給マニホールド２３ａは、モジュール本体１１の外部に位置する燃料ガス供給源２６に接続されている。
【００５３】
前記空気供給管１６ｂの前記エアコンプレッサ２５の近傍部分には、標識ガス供給手段２１が連結されている。各前記空気排出管１６ｄのモジュール本体１１の外側部分および燃料ガス供給源２６と前記燃料ガス供給マニホールド２３ａとの間のモジュール本体１１の外側部分には、標識ガス計測手段２２がそれぞれ連結している。
【００５４】
なお、図９中、２７ａはモジュール本体１１内に送出された使用済みの燃料ガス１を取り込んで新規の燃料ガス１と熱交換させる熱交換器、２７ｂは使用済みの空気２と新規の空気２との間で熱交換させる熱交換器、２８ａは燃料ガス１を部分燃焼させて加熱させる加熱器、２８ｂは空気２を部分燃焼させて加熱させる加熱器、２９はモジュール本体１１の内部を加熱する燃焼式の加熱ヒータ、３０は燃料ガス１中の水蒸気を凝縮させて除去する凝縮器である。
【００５５】
このような固体電解質燃料電池においては、燃料供給源２６からの燃料ガス１を凝縮器３０、熱交換器２７ａ、加熱器２８ａ、燃料ガス供給マニホールド２３ａを介して各サブスタック２４ａの発電膜１３の燃料極側に供給する一方、エアコンプレッサ２５からの空気２を熱交換器２７ｂ、加熱器２８ｂ、空気供給マニホールド１５ｂを介して各サブスタック２４ａの発電膜１３の空気極側に供給すると同時に、標識ガス供給手段２１を作動して上記空気２と共に標識ガス４を各サブスタック２４ａの発電膜１３の空気極側に供給する。
【００５６】
各サブスタック２４ａ内に供給された燃料ガス１および空気２は、発電膜１３上で電気化学的に反応して起電力を生じる。この電力は、集電板１９ａ，１９ｂおよび集電棒２０ａ，２０ｂを介して負荷装置１３０の作動に供される。
【００５７】
各サブスタック２４ａ内で反応に供された燃料ガス１は、モジュール本体１１内に送出され、モジュール本体１１内を還元雰囲気にしてモジュール本体１１内の金属製の部材の酸化劣化を防止し、前記熱交換器２７ａに流入して新規の燃料ガス１に熱を与えた後、新規の燃料ガス１と共に凝縮器３０で水分を取り除かれてから燃料ガス供給マニホールド２３ａ内に再び供給される。
【００５８】
一方、各サブスタック２４ａ内で反応に供された空気２は、空気排出マニホールド１５ｄおよび空気排出管１６ｄを介して熱交換器２７ｂ内を流通し、空気供給管１６ｂ内を流通する空気２を加熱した後に外部へ排出される。また、各サブスタック２４ａ内に供給された標識ガス４は、空気２中の酸素や発電膜１３の空気極等と反応することなく当該空気２と共に外部へ排出される。
【００５９】
このようにして発電運転を行っている際に、スタック２４の各サブスタック２４ａに何らかの原因で割れやシール部分の劣化等のような損傷を生じると、前記標識ガス４が発電膜１３の空気極側から当該損傷部分を介して燃料極側やモジュール本体１１内に漏出するため、空気排出管１６ｄから排出される空気２中の標識ガス４の濃度の低下および再利用される燃料ガス１中の標識ガス４の混在が標識ガス計測手段２２により計測される。
【００６０】
すなわち、前述した第二番目の実施の形態の場合と同様に、空気２と共に標識ガス４をスタック２４の各サブスタック２４ａに供給すれば、各サブスタック２４ａの損傷に伴って、標識ガス４が燃料ガス１中に混入するようになるので、排出されたこれらガス１，２中の標識ガス４の濃度をｐｐｍ単位で計測することにより、各サブスタック２４ａの損傷を検知できるようにしたのである。
【００６１】
したがって、このような固体電解質燃料電池によれば、前述した実施の形態の場合と同様に、各サブスタック２４ａに小さな損傷を生じても、当該損傷を即時に検知することができるので、各サブスタック２４の損傷を早期に修復することができる。
【００６２】
また、各サブスタック２４ａから排出される空気２中の標識ガス４の濃度を各サブスタック２４ａごとにそれぞれ計測するようにしたので、損傷を生じたサブスタック２４ａを特定することが容易にでき、修復作業をより迅速に行うことができる。
【００６３】
【発明の効果】
本発明による固体電解質燃料電池は、固体電解質を燃料極および酸化剤極で挟んだ発電膜を複数積層したスタックの上記発電膜の上記燃料極側に燃料ガスを供給すると共に、当該スタックの上記発電膜の上記酸化剤極側に酸化剤ガスを供給することにより、当該燃料ガス当該酸化剤ガスとを電気的に反応させて電力を発生させる固体電解質燃料電池において、前記燃料ガスまたは前記酸化剤ガスのいずれか一方と共に前記スタックに標識ガスを供給する標識ガス供給手段と、発電に供された前記燃料ガス、発電に供された前記酸化剤ガスのうちの少なくとも一つのガス中の前記標識ガスの濃度および前記スタックの周囲の雰囲気ガス中の前記標識ガスの濃度を計測する標識ガス計測手段とを設けたことから、発電運転を行っている際に、スタックに何らかの原因で割れやシール部分の劣化等のような損傷を生じると、標識ガスが漏出するので、標識ガス計測手段で標識ガスの濃度変化を計測することにより、スタックの損傷を検知することができる。その結果、スタックに小さな損傷を生じても、当該損傷を即時に検知することができるので、スタックの損傷を早期に修復することができる。
【００６４】
また、前記標識ガス計測手段が前記標識ガスを検知するガス検知器またはガスクロマトグラフであるので、標識ガスをｐｐｍ単位で計測することができ、わずかな損傷であっても確実に検知することができ、スタックの早期の修復をより確実に行うことができる。
【００６５】
また、前記標識ガスがヘリウム、アルゴン、キセノンのうちの少なくとも１種類であるので、燃料ガスや酸化剤ガスと反応することがなく、確実に計測することができる。
【００６６】
また、前記標識ガスと共に前記スタックに供給する前記ガスに対して当該標識ガスを０．５〜５ｖｏｌ．％の割合で供給するので、標識ガスを確実に計測することができると共に、標識ガスを無駄に使用することを抑えることができる。
【００６７】
また、前記雰囲気ガスが窒素または二酸化炭素であれば、金属部材の酸化劣化を防止することができる。
【００６９】
また、前記雰囲気ガスが前記スタックから排出された前記燃料ガスであり、少なくともその一部が当該スタックに再び供給されると共に、前記標識ガス供給手段が前記酸化剤ガスに前記標識ガスを供給し、前記標識ガス計測手段が少なくとも前記燃料ガス中の前記標識ガスの濃度を計測すれば、金属部材の酸化劣化をさらに確実に防止することができると共に、燃料ガスを有効に利用することができる。
【００７１】
また、前記スタックが、前記発電膜を水平方向に沿って複数積層したサブスタックを水平方向に沿って複数組電気的に連結した貨車状横置型のものであり、前記標識ガス供給手段が前記酸化剤ガスに前記標識ガスを供給し、前記標識ガス計測手段が少なくとも前記スタックの前記サブスタックからそれぞれ排出される前記酸化剤ガス中の前記標識ガスの濃度を計測するので、損傷を生じたサブスタックを特定することが容易にでき、修復作業をより迅速に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による固体電解質燃料電池の第一番目の実施の形態の概略構成図である。
【図２】図１のスタック部分の抽出拡大図である。
【図３】図１の固体電解質燃料電池の作用説明図である。
【図４】本発明による固体電解質燃料電池の第一番目の実施の形態の他の例の作用説明図である。
【図５】本発明による固体電解質燃料電池の第二番目の実施の形態の概略構成図である。
【図６】図５のＶＩ−ＶＩ線断面矢視図である。
【図７】図５の矢線ＶＩＩ部の抽出拡大図である。
【図８】図５の固体電解質燃料電池の作用説明図である。
【図９】本発明による固体電解質燃料電池の第三番目の実施の形態の概略構成図である。
【図１０】図９のスタックの概略構成を表す斜視図である。
【図１１】固体電解質燃料電池の概略構成図である。
【図１２】発電膜の構造を表す一部破断斜視図である。
【図１３】発電膜の構造を表す断面図である。
【符号の説明】
１ 燃料ガス
１ａ 都市ガス
２ 空気
３ パージガス
４ 標識ガス
１１ モジュール本体
１１ａ 上部室
１１ｂ 下部室
１１ｃ 仕切板
１１ｄ 供給管
１１ｅ 送出管
１２ 加熱ヒータ
１３ 発電膜
１４ スタック
１５ａ 燃料ガス供給マニホールド
１５ｂ 空気供給マニホールド
１５ｃ 燃料ガス排出マニホールド
１５ｄ 空気排出マニホールド
１６ａ 燃料ガス供給管
１６ｂ 空気供給管
１６ｃ 燃料ガス排出管
１６ｄ 空気排出管
１７ａ，１７ｂ 熱交換器
１８ 改質装置
１９ａ，１９ｂ 集電板
２０ａ，２０ｂ 集電棒
２１ 標識ガス供給手段
２２ 標識ガス計測手段
２３ キャニスタ
２３ａ 燃料ガス供給マニホールド
２４ スタック
２４ａ サブスタック
２５ エアコンプレッサ
２６ 燃料ガス供給源
２７ａ，２７ｂ 熱交換器
２８ａ，２８ｂ 加熱器
２９ 加熱ヒータ
３０ 凝縮器
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体電解質燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体電解質燃料電池は、図１１に示すように、メタンなどの都市ガス１ａを改質装置１２１で改質された水素ガスなどの燃料ガス１と、エアコンプレッサ１２２からの空気２とが、スタック１１０内に供給されて電気化学的に反応し、起電力を発生させて負荷装置１３０を作動させる一方、反応に供された燃料ガス１および空気２が排ガス焼却炉１２３および冷却器１２４を介して外部に排出されている。
【０００３】
上記スタック１１０は、図１２，１３に示すように、固体電解質１１２を燃料極１１３と空気極１１４とで挟んだ発電膜１１１がセパレータ１１５およびインタコネクタ１１６を介して複数積層されたものであり、燃料極１１３側に燃料ガス１が供給されると共に空気極１１４側に空気２が供給されることにより、これらガス１，２が固体電解質１１２で電気化学的に反応し、インタコネクタ１１６を介して電力を外部に取り出すことができるようになっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前述したような固体電解質燃料電池において、何らかの原因でスタック１１０に割れやシール部分の劣化等のような損傷を生じてしまうと、燃料ガス１や空気２が漏出して反応効率が低下してしまい、出力電圧の低下を引き起こしたり、燃料ガス１と空気２とが直接的に接触して燃焼反応等を起こしてしまい、スタック１１０全体が修復不能となってしまう虞がある。このため、出力電圧の変化や排出ガスの温度変化などから、スタック１１０の健全性を確認し、異常が認められたら、運転を停止して修復作業を行うようにしている。しかしながら、出力電圧の変化や排出ガスの温度変化などを生じた時点では、スタック１１０の損傷がかなり大きくなってしまっており、修復に多大な手間がかかっていた。
【０００５】
このようなことから、本発明は、スタックの損傷を早期に発見することができる固体電解質燃料電池を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前述した課題を解決するための、本発明による固体電解質燃料電池は、固体電解質を燃料極および酸化剤極で挟んだ発電膜を複数積層したスタックの上記発電膜の上記燃料極側に燃料ガスを供給すると共に、当該スタックの上記発電膜の上記酸化剤極側に酸化剤ガスを供給することにより、当該燃料ガス当該酸化剤ガスとを電気的に反応させて電力を発生させる固体電解質燃料電池において、前記燃料ガスまたは前記酸化剤ガスのいずれか一方と共に前記スタックに標識ガスを供給する標識ガス供給手段と、発電に供された前記燃料ガス、発電に供された前記酸化剤ガスのうちの少なくとも一つのガス中の前記標識ガスの濃度および前記スタックの周囲の雰囲気ガス中の前記標識ガスの濃度を計測する標識ガス計測手段とを設けたことを特徴とする。
【０００７】
上述した固体電解質燃料電池において、前記標識ガス計測手段が前記標識ガスを検知するガス検知器またはガスクロマトグラフであることを特徴とする。
【０００８】
上述した固体電解質燃料電池において、前記標識ガスがヘリウム、アルゴン、キセノンのうちの少なくとも１種類であることを特徴とする。
【０００９】
上述した固体電解質燃料電池において、前記標識ガスと共に前記スタックに供給する前記ガスに対して当該標識ガスを０．５〜５ｖｏｌ．％の割合で供給することを特徴とする。
【００１０】
上述した固体電解質燃料電池において、前記雰囲気ガスが窒素または二酸化炭素であることを特徴とする。
【００１２】
上述した固体電解質燃料電池において、前記雰囲気ガスが前記スタックから排出された前記燃料ガスであり、少なくともその一部が当該スタックに再び供給されると共に、前記標識ガス供給手段が前記酸化剤ガスに前記標識ガスを供給し、前記標識ガス計測手段が少なくとも前記燃料ガス中の前記標識ガスの濃度を計測することを特徴とする。
【００１４】
上述した固体電解質燃料電池において、前記スタックが、前記発電膜を水平方向に沿って複数積層したサブスタックを水平方向に沿って複数組電気的に連結した貨車状横置型のものであり、前記標識ガス供給手段が前記酸化剤ガスに前記標識ガスを供給し、前記標識ガス計測手段が少なくとも前記スタックの前記サブスタックからそれぞれ排出される前記酸化剤ガス中の前記標識ガスの濃度を計測することを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明による固体電解質燃料電池の実施の形態を以下に説明するが、本発明は、これらの実施の形態に限定されるものではない。
【００１６】
［第一番目の実施の形態］
本発明による固体電解質燃料電池の第一番目の実施の形態を図１，２を用いて説明する。図１は、固体電解質燃料電池の概略構成図、図２は、図１のスタック部分の抽出拡大図である。
【００１７】
図１に示すように、断熱材からなる箱型のモジュール本体１１の内部は、多孔性の断熱材からなる仕切板１１ｃにより、上部室１１ａと下部室１１ｂとに仕切られている。モジュール本体１１の上部には、当該ケーシング１１の内部に窒素や二酸化炭素などの雰囲気ガスであるパージガス３を供給する供給管１１ｄおよび当該ケーシング１１内の上記パージガス３を送出する送出管１１ｅが設けられている。モジュール本体１１の上部室１１ａおよび下部室１１ｂの壁面には、加熱ヒータ１２が設けられている。
【００１８】
前記モジュール本体１１の上部室１１ａ内の仕切板１１ｃ上には、図２に示すように、固体電解質を燃料極と酸化剤極である空気極とで挟んだ発電膜１３を上下方向に複数積層したスタック１４が設置されている。このスタック１４の側面には、水素などの燃料ガス１を供給する燃料ガス供給マニホールド１５ａと、酸化剤ガスである空気２を供給する空気供給マニホールド１５ｂと、使用された燃料ガス１を排出する図示しない燃料ガス排出マニホールドと、使用された空気２を排出する図示しない空気排出マニホールドとがそれぞれ連結されている。
【００１９】
図１に示すように、前記燃料ガス供給マニホールド１５ａの下部には、燃料ガス供給管１６ａの一端側が仕切板１１ｃを貫通して連結されている。この燃料ガス供給管１６ａは、モジュール本体１１の下部室１１ｂ内を貫通して、当該モジュール本体１１の外部に配設された改質装置１８にその他端側が連結されている。この改質装置１８には、メタンなどの都市ガス１ａが一定流量で送給されるようになっている。
【００２０】
つまり、都市ガス１ａを改質装置１８内に送給すると、当該都市ガス１ａは、改質装置１８により燃料ガス１（水素ガス）に改質され、燃料ガス供給管１６ａおよび燃料ガス供給マニホールド１５ａを介してスタック１４内の燃料極側に一定の流量で供給されるようになっているのである。
【００２１】
前記空気供給マニホールド１５ｂの下部には、空気供給管１６ｂの一端側が仕切板１１ｃを貫通して連結されている。この空気供給管１６ｂは、モジュール本体１１の下部室１１ｂ内を貫通して、当該モジュール本体１１の外部に配設された図示しないエアコンプレッサにその他端側が連結されている。
【００２２】
つまり、前記エアコンプレッサを作動すると、空気２が空気供給管１６ｂおよび空気供給マニホールド１５ｂを介してスタック１４内の空気極側に一定の流量で供給されるようになっているのである。
【００２３】
前記燃料ガス排出マニホールドの下部には、燃料ガス排出管１６ｃの一端側が仕切板１１ｃを貫通して連結されている。この燃料ガス排出管１６ｃは、モジュール本体１１の下部室１１ｂ内を貫通して、当該モジュール本体１１の外部へ連絡している。前記空気排出マニホールドの下部には、空気排出管１６ｄの一端側が仕切板１１ｃを貫通して連結されている。この空気排出管１６ｄは、モジュール本体１１の下部室１１ｂ内を貫通して、当該モジュール本体１１の外部へ連絡している。
【００２４】
前記下部室１１ｂ内の燃料ガス供給管１６ａおよび空気排出管１６ｄの途中部分には、熱交換器１７ａが設けられており、燃料ガス供給管１６ａ内を流通する燃料ガス１と空気排出管１６ｄ内を流通する使用済みの高温の空気２との間で熱交換させることができるようになっている。また、下部室１１ｂ内の空気供給管１６ｂおよび燃料ガス排出管１６ｃの途中部分には、熱交換器１７ｂが設けられており、空気供給管１６ｂ内を流通する空気２と燃料ガス排出管１６ｃ内を流通する使用済みの高温の燃料ガス１との間で熱交換させることができるようになっている。
【００２５】
前記スタック１４の上端および下端には、集電板１９ａ，１９ｂが取り付けられている。これら集電板１９ａ，１９ｂは、モジュール本体１１の外部の負荷装置１３０に集電棒２０ａ，２０ｂを介して連結されている。
【００２６】
前記改質装置１８の都市ガス１ａの供給口部分には、ヘリウムやアルゴンやキセノン等の不活性ガスなどのように、燃料ガス１や空気２中の酸素と反応せずにパージガス３と種類の異なる標識ガス４を一定流量で供給できる標識ガス供給手段２１が連結されている。一方、モジュール本体１１の前記送出管１１ｅと前記排出管１６ｃ，１６ｄのモジュール本体１１の外部部分には、当該管１１ｅ，１６ｃ，１６ｄ内を流通する前記ガス１〜３中に含まれる標識ガス４の濃度を計測する標識ガス計測手段２２が連結されている。
【００２７】
ここで、標識ガス供給手段２１としては、標識ガス４を充填されたガスボンベ等が挙げられる。また、標識ガス計測手段２２としては、標識ガスを検知するガス検知器やガスクロマトグラフなどが挙げられる。
【００２８】
このような固体電解質燃料電池においては、モジュール本体１１の内部にパージガス３を供給管１１ｄから供給して上部室１１ａおよび下部室１１ｂ内をパージガス雰囲気に置換し、加熱ヒータ１２を作動してモジュール本体１１内を規定の温度に保持すると共に、前記エアコンプレッサを作動して空気供給管１６ｂおよび空気供給マニホールド１５ｂを介して空気２をスタック１４の各発電膜１３の空気極側に一定流量で供給する一方、都市ガス１ａを改質装置１８に供給して改質した燃料ガス１を燃料ガス供給管１６ａおよび燃料ガス供給マニホールド１５ａを介してスタック１４の各発電膜１３の空気極側に一定流量で供給する（例えば１×１０５ ｃｍ３ ／ｍｉｎ）と同時に、標識ガス供給手段２１を作動して上記燃料ガス１と共に標識ガス４をスタック１４内に一定流量で供給する（例えば５×１０２ ｃｍ３ ／ｍｉｎ）。
【００２９】
スタック１４内に供給された燃料ガス１および空気２は、発電膜１３上で電気化学的に反応して起電力を生じる。この電力は、集電板１９ａ，１９ｂおよび集電棒２０ａ，２０ｂを介して負荷装置１３０の作動に供される。
【００３０】
スタック１４内で反応に供された空気２は、前記空気排出マニホールドおよび空気排出管１６ｄを介して熱交換器１７ｂ内を流通し、前記燃料ガス供給管１６ａ内を流通する燃料ガス１を加熱した後に外部へ排出される。一方、スタック１４内で反応に供された燃料ガス１は、前記燃料ガス排出マニホールドおよび燃料ガス排出管１６ｃを介して熱交換器１７ａ内を流通し、前記空気供給管１６ｂ内を流通する空気２を加熱した後に外部へ排出される。また、スタック１４内に供給された標識ガス４は、燃料ガス１や発電膜１３の燃料極等と反応することなく当該燃料ガス１と共に外部へ排出される。
【００３１】
このようにして発電運転を行っている際に、スタック１４に何らかの原因で割れやシール部分の劣化等のような損傷を生じると、前記標識ガス４が発電膜１３の燃料極側から当該損傷部分を介して空気極側や上部室１１ａ内に漏出するため、燃料ガス排出管１６ｃから排出される燃料ガス１中の標識ガス４の濃度の低下および空気排出管１６ｄから排出される空気２中や送出管１１ｅから送出されるパージガス３中の標識ガス４の混在が標識ガス計測手段２２により計測される。
【００３２】
すなわち、図３に示すように、燃料ガス１と共にスタック１４に標識ガス供給手段２１から標識ガス４を供給すれば、スタック１４の損傷に伴って、標識ガス４が空気２やパージガス３中に混入するようになるので、排出されたこれらガス１〜３中の標識ガス４の濃度を標識ガス計測手段２２によってｐｐｍ単位で計測することにより、スタック１４の損傷を検知できるようにしたのである。
【００３３】
したがって、このような固体電解質燃料電池によれば、スタック１４に小さな損傷を生じても、当該損傷を即時に検知することができるので、スタック１４の損傷を早期に修復することができる。
【００３４】
ここで、スタック１４に供給する標識ガス４の燃料ガス１に対する濃度は、０．５〜５ｖｏｌ．％が好ましい。なぜなら、上記濃度が０．５ｖｏｌ．％に満たないと、検出感度が不十分になってしまう虞があり、上記濃度が５ｖｏｌ．％を超えると、標識ガス４が過剰となり、無駄を生じてしまうからである。
【００３５】
なお、本実施の形態では、標識ガス４を継続的に供給して当該ガス４の検出を連続的に行うようにしたが、例えば、運転立ち上げ時には、標識ガス４を継続的に供給して当該ガス４の検出を連続的に行い、運転状態が一定となったら、一定の間隔ごとに標識ガス４を供給して当該ガス４の検出を間欠的に行うようすることも可能である。
【００３６】
また、本実施の形態では、スタック１４内に標識ガス４を燃料ガス１と共に供給するようにしたが、図４に示すように、スタック１４内に標識ガス４を空気２と共に供給するようにしても、上述と同様な効果を得ることができる。
【００３７】
また、本実施の形態では、モジュール本体１１から送出されるパージガス３とスタック１４から排出される燃料ガス１および空気２中の標識ガス４の濃度を標識ガス計測手段２２で計測するようにしたが、スタック１４から排出される燃料ガス１中の標識ガス４の濃度の計測を省略し、モジュール本体１１から送出されるパージガス３とスタック１４から排出される空気２中の標識ガス４の濃度だけを標識ガス計測手段２２で計測するようにしても、スタック１４の損傷を検知することができ、さらに、モジュール本体１１から送出されるパージガス３中の標識ガス４の濃度の計測を省略し、スタック１４から排出される空気２中の標識ガス４の濃度だけを標識ガス計測手段２２で計測するようにしても、スタック１４に多大な影響を及ぼす損傷を検知することができる。
【００３８】
［第二番目の実施の形態］
本発明による固体電解質燃料電池の第二番目の実施の形態を図５〜７を用いて説明する。図５は、固体電解質燃料電池の概略構成図、図６は、図５のＶＩ−ＶＩ線断面矢視図、図７は、図５の矢線ＶＩＩ部の抽出拡大図である。ただし、前述した実施の形態と同様な部材等については、前述した実施の形態の説明で用いた符号と同様な符号を図面に付すことによりその説明を省略し、前述した実施の形態の場合と異なる部分について説明する。
【００３９】
図５に示すように、モジュール本体１１は、その上部が閉塞されている。図６に示すように、燃料ガス排出マニホールド１５ｃの壁面には、流出穴１５ｃａが形成されており、スタック１４から排出された燃料ガス１の一部をモジュール本体１１内に送出して当該ケーシング１１内の雰囲気を燃料ガス１とする、すなわち、還元雰囲気とすることができるようになっている。図５，７に示すように、前記燃料ガス供給管１６ａの熱交換器１７ａの上方部分には、エゼクタ１６ａａが設けられており、当該エゼクタ１６ａａは、熱交換器１７ａを介して供給されてきた新規の燃料ガス１の流速により、モジュール本体１１内の雰囲気ガス（使用済みの燃料ガス１）を吸い込んで新規な燃料ガス１と共に燃料ガス供給マニホールド１５ａ内に再び供給することができるようになっている。
【００４０】
また、図５に示すように、空気供給管１６ｂのモジュール本体１１の外部部分には、標識ガス供給手段２１が連結されている。
【００４１】
このような固体電解質燃料電池においては、都市ガス１ａを改質装置１８に供給して改質した燃料ガス１を燃料ガス供給管１６ａおよび燃料ガス供給マニホールド１５ａを介してスタック１４の各発電膜１３の空気極側に一定流量で供給する一方、前記エアコンプレッサを作動して空気供給管１６ｂおよび空気供給マニホールド１５ｂを介して空気２をスタック１４の各発電膜１３の空気極側に一定流量で供給すると同時に、標識ガス供給手段２１を作動して上記空気２と共に標識ガス４をスタック１４内に一定流量で供給すると共に、加熱ヒータ１２を作動してモジュール本体１１内を規定の温度に保持する。
【００４２】
スタック１４内に供給された燃料ガス１および空気２は、発電膜１３上で電気化学的に反応して起電力を生じる。この電力は、集電板１９ａ，１９ｂおよび集電棒２０ａ，２０ｂを介して負荷装置１３０の作動に供される。
【００４３】
スタック１４内で反応に供された燃料ガス１は、その一部が燃料ガス排出マニホールド１５ｃの流出穴１５ｃａからモジュール本体１１内に流出し、モジュール本体１１内を還元雰囲気にして、モジュール本体１１内の金属製の部材の酸化劣化を防止し、前記燃料ガス供給管１６ａのエゼクタ１６ａａから吸い込まれてスタック１４内に再び供給される一方、その他の残りが燃料ガス排出マニホールド１５ｃおよび燃料ガス排出管１６ｃを介して熱交換器１７ａ内を流通し、前記空気供給管１６ｂ内を流通する空気２を加熱した後に外部へ排出される。
【００４４】
一方、スタック１４内で反応に供された空気２は、空気排出マニホールド１５ｄおよび空気排出管１６ｄを介して熱交換器１７ｂ内を流通し、前記燃料ガス供給管１６ｂ内を流通する燃料ガス１を加熱した後に外部へ排出される。また、スタック１４内に供給された標識ガス４は、空気２中の酸素や発電膜１３の空気極等と反応することなく当該空気２と共に外部へ排出される。
【００４５】
このようにして発電運転を行っている際に、スタック１４に何らかの原因で割れやシール部分の劣化等のような損傷を生じると、前記標識ガス４が発電膜１３の空気極側から当該損傷部分を介して燃料極側や上部室１１ａ内に漏出するため、空気排出管１６ｄから排出される空気２中の標識ガス４の濃度の低下および燃料ガス排出管１６ｃから排出される燃料ガス１中の標識ガス４の混在が標識ガス計測手段２２により計測される。
【００４６】
すなわち、図８に示すように、空気２と共に標識ガス４をスタック１４に供給すれば、スタック１４の損傷に伴って、標識ガス４が燃料ガス１中に混入するようになるので、排出されたこれらガス１，２中の標識ガス４の濃度をｐｐｍ単位で計測することにより、スタック１４の損傷を検知できるようにしたのである。
【００４７】
なぜなら、本実施の形態では、スタック１４で反応に供された燃料ガス１の一部をモジュール本体１１の内部に流出させて当該ケーシング１１内を還元雰囲気にすると共に前記エゼクタ１６ａａで吸引して再利用するようにしているため、前述した実施の形態の場合のように、標識ガス４を燃料ガス１と共にスタック１４内に供給するようにすると、スタック１４に損傷等を何ら生じていない場合であっても、燃料ガス排出管１６ｃ内から排出される標識ガス４の濃度が逐次変動してしまうからである。
【００４８】
したがって、このような固体電解質燃料電池によれば、前述した実施の形態の場合と同様に、スタック１４に小さな損傷を生じても、当該損傷を即時に検知することができるので、スタック１４の損傷を早期に修復することができる。
【００４９】
［第三番目の実施の形態］
本発明による固体電解質燃料電池の第三番目の実施の形態を図９，１０を用いて説明する。図９は、固体電解質燃料電池の概略構成図、図１０は、図９のスタックの概略構成を表す斜視図である。ただし、前述した実施の形態と同様な部材等については、前述した実施の形態の説明で用いた符号と同様な符号を図面に付すことによりその説明を省略し、前述した実施の形態の場合と異なる部分について説明する。
【００５０】
図９に示すように、モジュール本体１１の下部室１１ａ内には、多孔質体のセラミックス製の箱型のキャニスタ２３が載置されている。キャニスタ２３の内部には、図１０に示すように、発電膜１３を水平方向に沿って複数積層したサブスタック２４ａを水平方向に沿って複数組電気的に連結したいわゆる貨車状横置型のスタック２４が配設されている。サブスタック２４ａの一方の側面には、空気供給マニホールド１５ｂがそれぞれ取り付けられている。サブスタック２４ａの他方の側面には、空気排出マニホールド１５ｄがそれぞれ取り付けられている。これらマニホールド１５ｂ，１５ｄは、サブスタック２４ａの連結方向で交互に配列されている。
【００５１】
図９，１０に示すように、前記空気供給マニホールド１５ｂの上部には、空気供給管１６ｂがそれぞれ連結されている。これら空気供給管１６ｂは、仕切板１１ｃおよび上部室１１ａを貫通してモジュール本体１１の外部に位置するエアコンプレッサ２５に接続されている。一方、前記空気排出マニホールド１５ｄの上部には、空気排出管１６ｄがそれぞれ接続されている。これら空気排出管１６ｄは、仕切板１１ｃおよび上部室１１ａを貫通してモジュール本体１１の外部に連絡している。
【００５２】
図９に示すように、キャニスタ２３の内部の底面には、スタック２４に燃料ガス１を供給する燃料ガス供給マニホールド２３ａが形成されている。この燃料ガス供給マニホールド２３ａは、モジュール本体１１の外部に位置する燃料ガス供給源２６に接続されている。
【００５３】
前記空気供給管１６ｂの前記エアコンプレッサ２５の近傍部分には、標識ガス供給手段２１が連結されている。各前記空気排出管１６ｄのモジュール本体１１の外側部分および燃料ガス供給源２６と前記燃料ガス供給マニホールド２３ａとの間のモジュール本体１１の外側部分には、標識ガス計測手段２２がそれぞれ連結している。
【００５４】
なお、図９中、２７ａはモジュール本体１１内に送出された使用済みの燃料ガス１を取り込んで新規の燃料ガス１と熱交換させる熱交換器、２７ｂは使用済みの空気２と新規の空気２との間で熱交換させる熱交換器、２８ａは燃料ガス１を部分燃焼させて加熱させる加熱器、２８ｂは空気２を部分燃焼させて加熱させる加熱器、２９はモジュール本体１１の内部を加熱する燃焼式の加熱ヒータ、３０は燃料ガス１中の水蒸気を凝縮させて除去する凝縮器である。
【００５５】
このような固体電解質燃料電池においては、燃料供給源２６からの燃料ガス１を凝縮器３０、熱交換器２７ａ、加熱器２８ａ、燃料ガス供給マニホールド２３ａを介して各サブスタック２４ａの発電膜１３の燃料極側に供給する一方、エアコンプレッサ２５からの空気２を熱交換器２７ｂ、加熱器２８ｂ、空気供給マニホールド１５ｂを介して各サブスタック２４ａの発電膜１３の空気極側に供給すると同時に、標識ガス供給手段２１を作動して上記空気２と共に標識ガス４を各サブスタック２４ａの発電膜１３の空気極側に供給する。
【００５６】
各サブスタック２４ａ内に供給された燃料ガス１および空気２は、発電膜１３上で電気化学的に反応して起電力を生じる。この電力は、集電板１９ａ，１９ｂおよび集電棒２０ａ，２０ｂを介して負荷装置１３０の作動に供される。
【００５７】
各サブスタック２４ａ内で反応に供された燃料ガス１は、モジュール本体１１内に送出され、モジュール本体１１内を還元雰囲気にしてモジュール本体１１内の金属製の部材の酸化劣化を防止し、前記熱交換器２７ａに流入して新規の燃料ガス１に熱を与えた後、新規の燃料ガス１と共に凝縮器３０で水分を取り除かれてから燃料ガス供給マニホールド２３ａ内に再び供給される。
【００５８】
一方、各サブスタック２４ａ内で反応に供された空気２は、空気排出マニホールド１５ｄおよび空気排出管１６ｄを介して熱交換器２７ｂ内を流通し、空気供給管１６ｂ内を流通する空気２を加熱した後に外部へ排出される。また、各サブスタック２４ａ内に供給された標識ガス４は、空気２中の酸素や発電膜１３の空気極等と反応することなく当該空気２と共に外部へ排出される。
【００５９】
このようにして発電運転を行っている際に、スタック２４の各サブスタック２４ａに何らかの原因で割れやシール部分の劣化等のような損傷を生じると、前記標識ガス４が発電膜１３の空気極側から当該損傷部分を介して燃料極側やモジュール本体１１内に漏出するため、空気排出管１６ｄから排出される空気２中の標識ガス４の濃度の低下および再利用される燃料ガス１中の標識ガス４の混在が標識ガス計測手段２２により計測される。
【００６０】
すなわち、前述した第二番目の実施の形態の場合と同様に、空気２と共に標識ガス４をスタック２４の各サブスタック２４ａに供給すれば、各サブスタック２４ａの損傷に伴って、標識ガス４が燃料ガス１中に混入するようになるので、排出されたこれらガス１，２中の標識ガス４の濃度をｐｐｍ単位で計測することにより、各サブスタック２４ａの損傷を検知できるようにしたのである。
【００６１】
したがって、このような固体電解質燃料電池によれば、前述した実施の形態の場合と同様に、各サブスタック２４ａに小さな損傷を生じても、当該損傷を即時に検知することができるので、各サブスタック２４の損傷を早期に修復することができる。
【００６２】
また、各サブスタック２４ａから排出される空気２中の標識ガス４の濃度を各サブスタック２４ａごとにそれぞれ計測するようにしたので、損傷を生じたサブスタック２４ａを特定することが容易にでき、修復作業をより迅速に行うことができる。
【００６３】
【発明の効果】
本発明による固体電解質燃料電池は、固体電解質を燃料極および酸化剤極で挟んだ発電膜を複数積層したスタックの上記発電膜の上記燃料極側に燃料ガスを供給すると共に、当該スタックの上記発電膜の上記酸化剤極側に酸化剤ガスを供給することにより、当該燃料ガス当該酸化剤ガスとを電気的に反応させて電力を発生させる固体電解質燃料電池において、前記燃料ガスまたは前記酸化剤ガスのいずれか一方と共に前記スタックに標識ガスを供給する標識ガス供給手段と、発電に供された前記燃料ガス、発電に供された前記酸化剤ガスのうちの少なくとも一つのガス中の前記標識ガスの濃度および前記スタックの周囲の雰囲気ガス中の前記標識ガスの濃度を計測する標識ガス計測手段とを設けたことから、発電運転を行っている際に、スタックに何らかの原因で割れやシール部分の劣化等のような損傷を生じると、標識ガスが漏出するので、標識ガス計測手段で標識ガスの濃度変化を計測することにより、スタックの損傷を検知することができる。その結果、スタックに小さな損傷を生じても、当該損傷を即時に検知することができるので、スタックの損傷を早期に修復することができる。
【００６４】
また、前記標識ガス計測手段が前記標識ガスを検知するガス検知器またはガスクロマトグラフであるので、標識ガスをｐｐｍ単位で計測することができ、わずかな損傷であっても確実に検知することができ、スタックの早期の修復をより確実に行うことができる。
【００６５】
また、前記標識ガスがヘリウム、アルゴン、キセノンのうちの少なくとも１種類であるので、燃料ガスや酸化剤ガスと反応することがなく、確実に計測することができる。
【００６６】
また、前記標識ガスと共に前記スタックに供給する前記ガスに対して当該標識ガスを０．５〜５ｖｏｌ．％の割合で供給するので、標識ガスを確実に計測することができると共に、標識ガスを無駄に使用することを抑えることができる。
【００６７】
また、前記雰囲気ガスが窒素または二酸化炭素であれば、金属部材の酸化劣化を防止することができる。
【００６９】
また、前記雰囲気ガスが前記スタックから排出された前記燃料ガスであり、少なくともその一部が当該スタックに再び供給されると共に、前記標識ガス供給手段が前記酸化剤ガスに前記標識ガスを供給し、前記標識ガス計測手段が少なくとも前記燃料ガス中の前記標識ガスの濃度を計測すれば、金属部材の酸化劣化をさらに確実に防止することができると共に、燃料ガスを有効に利用することができる。
【００７１】
また、前記スタックが、前記発電膜を水平方向に沿って複数積層したサブスタックを水平方向に沿って複数組電気的に連結した貨車状横置型のものであり、前記標識ガス供給手段が前記酸化剤ガスに前記標識ガスを供給し、前記標識ガス計測手段が少なくとも前記スタックの前記サブスタックからそれぞれ排出される前記酸化剤ガス中の前記標識ガスの濃度を計測するので、損傷を生じたサブスタックを特定することが容易にでき、修復作業をより迅速に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による固体電解質燃料電池の第一番目の実施の形態の概略構成図である。
【図２】図１のスタック部分の抽出拡大図である。
【図３】図１の固体電解質燃料電池の作用説明図である。
【図４】本発明による固体電解質燃料電池の第一番目の実施の形態の他の例の作用説明図である。
【図５】本発明による固体電解質燃料電池の第二番目の実施の形態の概略構成図である。
【図６】図５のＶＩ−ＶＩ線断面矢視図である。
【図７】図５の矢線ＶＩＩ部の抽出拡大図である。
【図８】図５の固体電解質燃料電池の作用説明図である。
【図９】本発明による固体電解質燃料電池の第三番目の実施の形態の概略構成図である。
【図１０】図９のスタックの概略構成を表す斜視図である。
【図１１】固体電解質燃料電池の概略構成図である。
【図１２】発電膜の構造を表す一部破断斜視図である。
【図１３】発電膜の構造を表す断面図である。
【符号の説明】
１ 燃料ガス
１ａ 都市ガス
２ 空気
３ パージガス
４ 標識ガス
１１ モジュール本体
１１ａ 上部室
１１ｂ 下部室
１１ｃ 仕切板
１１ｄ 供給管
１１ｅ 送出管
１２ 加熱ヒータ
１３ 発電膜
１４ スタック
１５ａ 燃料ガス供給マニホールド
１５ｂ 空気供給マニホールド
１５ｃ 燃料ガス排出マニホールド
１５ｄ 空気排出マニホールド
１６ａ 燃料ガス供給管
１６ｂ 空気供給管
１６ｃ 燃料ガス排出管
１６ｄ 空気排出管
１７ａ，１７ｂ 熱交換器
１８ 改質装置
１９ａ，１９ｂ 集電板
２０ａ，２０ｂ 集電棒
２１ 標識ガス供給手段
２２ 標識ガス計測手段
２３ キャニスタ
２３ａ 燃料ガス供給マニホールド
２４ スタック
２４ａ サブスタック
２５ エアコンプレッサ
２６ 燃料ガス供給源
２７ａ，２７ｂ 熱交換器
２８ａ，２８ｂ 加熱器
２９ 加熱ヒータ
３０ 凝縮器
Claims (7)
- 固体電解質を燃料極および酸化剤極で挟んだ発電膜を複数積層したスタックの上記発電膜の上記燃料極側に燃料ガスを供給すると共に、当該スタックの上記発電膜の上記酸化剤極側に酸化剤ガスを供給することにより、当該燃料ガス当該酸化剤ガスとを電気的に反応させて電力を発生させる固体電解質燃料電池において、
前記燃料ガスまたは前記酸化剤ガスのいずれか一方と共に前記スタックに標識ガスを供給する標識ガス供給手段と、
発電に供された前記燃料ガス、発電に供された前記酸化剤ガスのうちの少なくとも一つのガス中の前記標識ガスの濃度および前記スタックの周囲の雰囲気ガス中の前記標識ガスの濃度を計測する標識ガス計測手段と
を設けたことを特徴とする固体電解質燃料電池。 - 請求項１に記載の固体電解質燃料電池において、
前記標識ガス計測手段が前記標識ガスを検知するガス検知器またはガスクロマトグラフである
ことを特徴とする固体電解質燃料電池。 - 請求項１または２に記載の固体電解質燃料電池において、
前記標識ガスがヘリウム、アルゴン、キセノンのうちの少なくとも１種類である
ことを特徴とする固体電解質燃料電池。 - 請求項１から３のいずれかに記載の固体電解質燃料電池において、
前記標識ガスと共に前記スタックに供給する前記ガスに対して当該標識ガスを０．５〜５vol.％の割合で供給する
ことを特徴とする固体電解質燃料電池。 - 請求項１から４のいずれかに記載の固体電解質燃料電池において、
前記雰囲気ガスが窒素または二酸化炭素である
ことを特徴とする固体電解質燃料電池。 - 請求項１から４のいずれかに記載の固体電解質燃料電池において、
前記雰囲気ガスが前記スタックから排出された前記燃料ガスであり、
少なくともその一部が当該スタックに再び供給されると共に、
前記標識ガス供給手段が前記酸化剤ガスに前記標識ガスを供給し、
前記標識ガス計測手段が少なくとも前記燃料ガス中の前記標識ガスの濃度を計測する
ことを特徴とする固体電解質燃料電池。 - 請求項６に記載の固体電解質燃料電池において、
前記スタックが、前記発電膜を水平方向に沿って複数積層したサブスタックを水平方向に沿って複数組電気的に連結した貨車状横置型のものであり、
前記標識ガス供給手段が前記酸化剤ガスに前記標識ガスを供給し、
前記標識ガス計測手段が少なくとも前記スタックの前記サブスタックからそれぞれ排出される前記酸化剤ガス中の前記標識ガスの濃度を計測する
ことを特徴とする固体電解質燃料電池。
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