JP5461290B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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Description

本発明は、火炎に曝される固体電解質型燃料電池を用いた燃料電池システムに関する。
近年、低公害の発電手段としての燃料電池が様々な分野で実用化されている。燃料電池には種々形式のものがあるが、高い発電効率、長寿命化、低コスト化等が可能である点で、固体電解質型燃料電池が優れていると言われる。
この固体電解質型燃料電池において、電池セルを火炎に曝して、火炎中の水素、一酸化炭素、メタン等の燃料種を燃料極に供給すると共に、燃料電池セルを動作温度に加熱する形式のものがある。この種の燃料電池の場合、火炎を利用しているので、起電時間の短縮が可能である。
特許文献1の「燃焼装置」には、固体電解質管の外側に燃料極が形成され、固体電解質管の内側に空気極が形成された燃料電池が開示されている。この燃料電池が火炎に曝された場合、燃料極には還元炎中の炭化水素、水素、ラジカル等が供給される。また、空気極には火炎とは遮断された経路を介して空気が供給されるようになっている。
特許文献2の燃料電池の発電方法では、燃料極が対向するように一対の固体電解質型燃料電池の電池セルが配置されている。また、この燃料極に還元炎が当たるように、ガスバーナの炎口部が配置されている。そして、固体電解質を挟んで燃料極とは反対側の空気極には還元炎が当たらないようになっている。
特開平6−196176号公報 特開2007−42354号公報
特許文献1では、第5実施例に示されているように、固体電解質管に対する加熱は、水平方向に配置された管の下部に当る火炎や、横部又は上部へ回り込む火炎により行われている。このように、火炎による加熱状態が部位により異なるため、固体電解質管の上部と下部との間には温度差が生じ易い。そして、異なる熱応力の発生により、固体電解質管は破壊され易い状態に置かれている。また、下部と上部とでは還元炎の濃度が異なるため、燃料極の外周全体に対して十分な還元炎が供給され難い。従って、この固体電解質管による発電効率には改善の余地があると思われる。
また、この固体電解質管による電気の出力を高めるためには、管の全長を長くしたり、管の直径を大きくしたりして、燃料極の面積を広くする必要がある。しかし、管の全長を長くすれば、集電抵抗が大きくなるので燃料極にも空気極にも集電材を設ける必要があり、このためコストが嵩む。また、管の直径を大きくすれば、管の上下において、温度差が大きくなったり、還元炎の濃度が異なったりして、上記の問題が強まることになる。
更に、直管状の固体電解質管を還元炎に曝すことができるように、還元炎の炎口が直線状に配置されている。従って、炎口が環状に配置されているものに対しては、固体電解質管を、環状配置の炎口に対応させた曲管とする必要がある。しかし、固体電解質管はセラミック等で形成されることが一般的であるため、この材料を曲管に形成することには、製造上の問題が多い。このため、この燃料電池は、炎口の配置に制限がある。
特許文献2のガス器具は、燃料極側と空気極側とを、分離したガス炎で加熱することにより発電させる高温作動型燃料電池用ガスバーナを備えている。このガス器具における空気極には、ガス燃焼室内の空気が供給されるか、空気の割合が高い主炎の酸化性ガスが供給されるようになっている。ガス燃焼室内の空気は、その酸素の一部がガスの燃焼に費やされる。また、酸化性ガス中の酸素濃度は低い。従って、空気極に供給される酸素は必ずしも十分とは言えないため、発電効率が低下せざるを得ない。
本発明は、このような問題に着目してなされたものであり、その目的とするところは、燃料極が火炎に曝されることにより効率よく加熱されると共に、燃料極には十分な燃料種が供給され、また、空気極には十分な酸素濃度の空気が供給される燃料電池システムを提供することにある。
上記問題を解決するために請求項1に記載の燃料電池システムの発明は、火炎に曝されて発電する固体電解質型燃料電池を用いた燃料電池システムにおいて、筒状の固体電解質基板の内面に燃料極が形成されると共に外面に空気極が形成された複数の燃料電池セルが、管状に形成された殻体に備えられ、前記燃料電池セルは、前記殻体の長手方向に直交する方向に前記燃料電池セルの軸心が平行となるように、且つ、前記燃料電池セルの両端部が前記殻体外へ開口するように配置されると共に、前記燃料極を火炎に曝す位置に配置され、一方、前記空気極が、前記殻体により前記火炎から隔離されると共に、その殻体内の空気が外気に連通していることを特徴とするものである。なお、「外気」とは、火炎を伴う燃焼に酸素が消費されることがない空気を指し、例えば、燃焼室又は燃焼域外の空気を意味する。
上記構成によれば、複数の燃料電池セルが、その内面の燃料極を火炎に曝すと共に、その外面の空気極を火炎から隔離する位置に配置されている。また、空気極は外気に連通する空気に触れている。このため、燃料極は加熱されながら燃料種が供給されると共に、火炎から隔離された空気極は、大気と同等の酸素濃度の空気に触れている。従って、この固体電解質型の燃料電池セルは効率的に発電することができる。
請求項2に記載の発明は、火炎に曝されて発電する固体電解質型燃料電池を用いた燃料電池システムにおいて、筒状の固体電解質基板の内面に燃料極が形成されると共に外面に空気極が形成された複数の燃料電池セルが、扁平円管状に形成されその両端部が前記外気に対し開口している殻体に備えられ、前記燃料電池セルは、前記燃料電池セルの両端部が前記殻体外へ開口するように配置されると共に、前記燃料極を火炎に曝す位置に配置され、一方、前記空気極が、前記殻体により前記火炎から隔離されると共に、その殻体内の空気が外気に連通していることを特徴とするものである。
請求項3に記載の発明は、請求項に記載の燃料電池システムにおいて、前記殻体は扁平円管状に形成されその両端部が前記外気に対し開口していることを特徴とするものである。
請求項4に記載の発明は、火炎に曝されて発電する固体電解質型燃料電池を用いた燃料電池システムにおいて、筒状の固体電解質基板の内面に燃料極が形成されると共に外面に空気極が形成された複数の燃料電池セルが、天板、底板及び外側板により形成されその外側板には外気に連通する空気流通口が形成された殻体に備えられ、前記燃料電池セルは、前記底板に直交する方向に前記燃料電池セルの軸心が平行となるように、且つ、前記燃料電池セルの両端部が前記殻体外へ開口するように配置されると共に、前記燃料極を火炎に曝す位置に配置され、一方、前記空気極が、前記殻体により前記火炎から隔離されると共に、その殻体内の空気が外気に連通していることを特徴とするものである。
請求項5に記載の発明は、請求項4に記載の燃料電池システムにおいて、前記天板及び底板のそれぞれの中央には孔が形成され、前記火炎が前記天板と底板との間に進入しないように、それぞれの前記孔を連結する内側板が設けられたことを特徴とするものである。
本発明によれば、燃料極が火炎に曝されて効率よく加熱されると共に、燃料極には十分な燃料種が供給され、また、火炎から隔離された空気極には十分な酸素濃度の空気が供給されるので、効率的な発電が可能な燃料電池システムを提供することができる。
第1実施形態の燃料電池システムを示す一部断面図。 図1のA矢視図。 図1のB−B矢視断面図。 第1実施形態の燃料電池システムが設置された湯沸器を示す概略図。 図4のC−C矢視断面図。 第1実施形態の燃料電池システムの変形例を示す平面図。 図6のD−D矢視断面図。 第2実施形態の燃料電池システムを示す平面図。 図8のE−E矢視断面図。 第2実施形態の燃料電池システムが設置されたガスコンロを示す概略図。
(第1の実施形態)
以下、本発明を具体化した実施形態を図1〜図7を用いて説明する。
図1〜図3に示すように、本実施形態の燃料電池システム1は、セラミック製筒状の殻体3と、その殻体3の長手方向に沿って所定間隔に配置された複数(本実施形態では4個)の燃料電池セル2と、図示しないリード線とより構成されている。この殻体3の断面形状は、一対の半円形部分と、それらの各端部を連結する一対の直線部とよりなる。即ち、殻体3は扁平円管状をなしている。そして、上下の平面部3c、3dのそれぞれに形成された孔3a、3bを連結するように燃料電池セル2が配置されている。
また、燃料電池システム1が設けられる装置の内外を区画する隔壁5において、殻体3の両端部は懸架されている。そして、殻体3の両端部は、装置外の空気に対して開口している。その開口部4において、殻体3内の空気と、外気との入れ替えが可能となっている。
なお、殻体3を形成する材料としては、シリカ、コージェライト、チタン酸アルミ、炭化珪素、窒化珪素等の耐熱性があるセラミックが挙げられる。
燃料電池セル2は、円筒状をなしている。また、燃料電池セル2は、それぞれの軸心が殻体3の上下の平面部3c、3dに直交する方向に平行に配置されている。また、燃料電池セル2の上下の端部2dは、平面部3c、3dの孔3a、3bの縁部に固定されると共に、孔3a、3bを介して殻体3外に開口している。
また、燃料電池セル2は、セラミック製円筒状の固体電解質基板2bの内外の両面にセラミック製の多孔質固体電解層が積層され、それぞれの電解層に空気極材料と燃料極材料とが付与されることにより、空気極2a及び燃料極2cが形成されている。なお、内面が燃料極2cであり、外面が空気極2aである。この多孔質固体電解層は、固体電解質基板2bに固体電解質の粉末を含む泡状スラリーを定着させた後に焼結して多孔質体としたものである。そして、空気極2a及び燃料極2cには、図示しないリード線が連結され、各燃料電池セル2において発電された電気を取り出せるようになっている。このリード線の連結は、各燃料電池セル2を、直列に連結したり並列に連結したりして、任意に行うことができる。
後述するように、火炎が燃料電池セル2内面の燃料極2cを加熱すると共に、火炎に含まれる燃料種が燃料極2cに供給される。一方、空気極2aは、殻体3内にあって、火炎から隔離されて、外気に連通した大気と同等の酸素濃度の空気に、言い換えれば、燃焼等により酸素が消費されていない空気に、触れている。また、燃料極2cに対する加熱により、燃料電池セル2の温度が上昇する。従って、十分な酸素が供給されると共に温度が上昇した空気極2aにおいて酸素イオンが発生する。その酸素イオンは、固体電解質基板2bを介して燃料極2cへ移動して、酸素イオンと燃料種との反応により水や二酸化炭素が生じる。この時、酸素イオンが電子を放出する。このため、空気極2aと燃料極2cとの間に電位差が生じるので、リード線により電気を取り出すことができる。従って、燃料極2cに対する十分な加熱及び燃料種の供給と、空気極2aに対する十分な加熱及び十分な酸素の供給とにより、本実施形態の燃料電池システム1においては、効率的な発電が行われることになる。
なお、固体電解質基板2bを形成する材料としては、公知のセラミック材料が挙げられる。このセラミック材料は、例えば、イットリア安定化ジルコニア(8YSZ)、イットリア部分安定化ジルコニア(3YSZ)、スカンジア安定化ジルコニア(ScSZ)、ガドリアドープドセリア(GDC)、サマリアドープドセリア(SDC)、ランタンガレート(LSGM)等である。また、多孔質固体電解層も、固体電解質基板2bと同様の材料を用いて形成することができる。
空気極2aの材料としては、Co、Fe、Cr、Mn、La、Sr、Ni、Sm等の複合酸化物又はこれらの混合物が挙げられる。また、燃料極2cの材料としては、Ni、Fe、Co、Pt、Pb、Ru、Ag等の酸化物の単独又は混合されたもの、或いは、これらと電解質材料とを混合してサーメットにしたものが挙げられる。本実施形態では、多孔質固体電解層の表面だけでなく内部の孔の内壁にも、これらの空気極材料及び燃料極材料が付着している。
次に、図4及び図5を用いて、燃料電池システム1が設置された湯沸器10を説明する。図4に示すように、本実施形態の湯沸器10においては、燃焼室17を区画する隔壁11内に、ガスバーナ13、燃料電池システム1及び熱交換器12が設けられている。隔壁11には、排気口16が設けられている。
ガスバーナ13の火炎の還元炎15は、燃料電池システム1の下部に当たると共に、燃料電池システム1の燃料電池セル2内に進入して、燃料極2c側を加熱すると共に、燃料極2cに燃料種を供給する。この時、燃料極2cは略均等に加熱されるので、不均一な加熱に起因する熱応力により破壊されることが防止される。そして、更に上昇した火炎は酸化炎14となって熱交換器12を加熱する。このため、熱交換器12内を流れる水は、加熱により湯となって湯沸器外へ供給される。
このように、燃料電池セル2は燃料極2c側から十分に加熱されるので、殻体3内の空気極2aも空気中の酸素と反応するために十分な高温となる。しかも、空気極2aは、還元炎15から隔離されている。また、例えば、空気A1が、図の右の開口部4から流入して図の左の開口部4から流出するように、常に殻体3内には大気と同等の酸素濃度の空気が存在する。このため、空気極2aにおける酸素イオンの発生が効率よく行われる。
なお、図5に示すように、本実施形態の湯沸器10においては、2ヶ所に燃料電池システム1が配置されている。そして、ガスバーナ13が2ヶ所の燃料電池システム1の直下及び2ヶ所の燃料電池システム1の間を含む複数ヶ所に設置されている。また、ガスバーナ13の炎口13aは、燃料電池セル2の数よりも多く設けられているので、燃料電池システム1の直下のガスバーナ13の一部の炎口13aの火炎は、燃料電池セル2内に進入することなく、殻体3の外側を回りこんで熱交換器12の加熱に供されることになる。
そして、燃料電池システム1で発電された電気は、湯沸器10の制御や、図示しない強制排気用ファンの作動のために用いられる。また、余剰の電気は、図示しない蓄電池に蓄電され、ガスバーナ13の着火装置の着火に用いられる。
なお、図6及び図7に示すように、燃料電池システム1を、殻体3よりも幅広の扁平円筒状の殻体30と、殻体30の長手方向に沿って配置された2列の複数の燃料電池セル2とより構成することもできる。
従って、上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
(1)上記実施形態では、燃料電池システム1を、セラミック製筒状の殻体3と、その殻体3の長手方向に沿って所定間隔に配置された複数の燃料電池セル2と、図示しないリード線とより構成した。このため、燃料電池セル2内面の燃料極2cは、全面が火炎に曝されることができるので、十分な加熱と燃料種の供給を受けることができる。また、燃料電池セル2外面の空気極2aは、火炎から隔離されると共に、外気に連通する空気に触れることができる。従って、固体電解質型の燃料電池セル2は効率的に発電することができる。
(2)上記実施形態では、燃料電池システム1が複数の燃料電池セル2を備えるようにした。このため、燃料電池セル2の数を増やすことにより、燃料電池システム1の1個当たりの発電力を高めることができる。ところが、特許文献1の固体電解質管においては、管当たりの発電力を高めるためには、例えば、燃料極及び空気極の全長を長くする必要があるが、長くなった燃料極及び空気極には集電抵抗が増大する。従って、燃料極及び空気極に集電材を設けるための技術的及びコスト的課題が生じる。一方、本実施形態の燃料電池システム1においては、上記の通り単に燃料電池セル2の数を増やせばよく、高出力化を容易に行うことができる。
(3)上記実施形態では、複数の燃料電池セル2を、殻体3の長手方向に沿って所定間隔に、また、それぞれの軸心が平行となるように配置した。このため、燃料電池セル2の軸心を火炎の上昇方向又は噴出方向に沿うように配置することが容易にできる。従って、燃料電池セル2の燃料極2cの全面に対して、火炎を略均等に当てることができるので、熱応力による燃料電池セル2の破壊を防止することができる。
(4)上記実施形態では、殻体3に複数の燃料電池セル2を配置した。そして、それぞれの燃料電池セル2には、リード線が連結され、各燃料電池セル2において発電された電気を取り出せるようにした。このため、各燃料電池セル2を、リード線により直列に連結したり並列に連結したりして、電気の取り出しを任意の態様で行うことができる。
(5)上記実施形態では、燃料電池システム1を湯沸器10のガスバーナ13上に設置した。このため、湯を沸かすことができると共に、燃料電池システム1により発電された電気を、湯沸器10の制御や、強制排気用ファンの作動に用いることができる。また、余剰の電気を、蓄電池に蓄電して、ガスバーナ13の着火装置の着火に用いることができる。
(第2の実施形態)
次に、本発明を具体化した第2実施形態を、第1実施形態と異なる部分を中心に図8〜図10を用いて説明する。
図8及び図9に示すように、本実施形態の燃料電池システム40は、円周上に配置された複数(本実施形態では8個)の燃料電池セル2を備えている。各燃料電池セル2は、それぞれの軸心が互いに平行となるように配置されている。
また、燃料電池システム40においては、上下に配置される天板41及び底板42と、円筒状の内側板43と、外側板44とにより殻体47が形成されている。内側板43は、両端部が、天板41及び底板42における孔41a、42aのそれぞれの縁部に固定されている。また、天板41及び底板42のそれぞれには、同一円周上の等間隔の8ヶ所に孔3a、3bが形成され、それらの孔3a、3bの縁部に燃料電池セル2の端部2dが固定されている。
更に、天板41及び底板42のそれぞれの外縁の2ヶ所において、一部が外方へ延出するように延出部41b、42bが形成されている。この、上下の延出部41b、42bを連結するように外側板44が配置されて、角筒状の開口部45が形成されている。従って、殻体47は、図8の左右両側の開口部45において、開口すると共に、殻体47内の空気が外気と入れ替え可能となっている。
次に、図10を用いて、燃料電池システム40が設置されたガスコンロ50を説明する。本実施形態のガスコンロ50においては、円周上に配置された炎口部52を囲むように円筒状の隔壁53が配置されている。この隔壁53により、ガスが燃焼する燃焼域が区画されている。また、隔壁53の上端には環状の天板部53aが設けられている。
そして、燃料電池システム40と炎口部52とのそれぞれの中心が上下方向において一致するように、燃料電池システム40が炎口部52の上方に配置されている。燃料電池システム40は、開口部45が隔壁53の図示しない開口部に嵌合されることにより支持されている。
このガスコンロ50において、炎口部52から出た火炎51の還元炎51bは、燃料電池セル2内の燃料極2cを加熱すると共に燃料極2cに燃料種を供給した後、酸化炎51aとなって、五徳54に載置された鍋や薬缶等を加熱する。また、一部の火炎51は、内側板43及び外側板44を伝って上昇し、酸化炎51aとなって鍋や薬缶等を加熱する。
また、燃料電池システム40の開口部45は、ガスの燃焼域外の空気に開口しているので、燃料電池システム40内には大気と同等の酸素濃度の空気が常に存在する。このため、燃料極2c側から加熱されて十分昇温した空気極2aにおいて、酸素イオンの発生が効率よく行われる。そして、燃料電池システム40は発電することができる。
このようにして発電された電気は、ガスコンロ50がシステムキッチンに設置された場合等、キッチンの照明や換気扇を制御する制御システムに用いられることができる。また、電気は、蓄電池に蓄電されて、着火装置に用いられるようにすることもできる。
そして、この第2実施形態においては、第1の実施形態における効果に加えて、以下の効果を得ることができる。
(6)上記実施形態では、複数の燃料電池セル2を円周上に配置した。このため、円周上に配置された炎口部からでる火炎の還元炎を、効率的に用いて発電する燃料電池システム40を提供することができる。
(7)上記実施形態では、燃料電池システム40をガスコンロ50に設置した。このため、鍋や薬缶等を加熱することができると共に、燃料電池システム40で発電された電気を、キッチンの照明や換気扇を制御する制御システムに用いることができる。また、電気を蓄電池に蓄電して、その電気を着火装置に用いることができる。
(変更例)
なお、上記実施形態は、次のように変更して具体化することも可能である。
・ 燃料電池セル2を円筒状としたが、多角筒状又は楕円筒状とすること。
・ 燃料極2cを筒状体としたが、筒状体の一端に外方へ延在したフランジ部を設けて、フランジ付き筒状体の燃料極2cとすること。
・ 火炎の上方に燃料電池セル2を配置したが、火炎の上方に限らず、火炎の噴出方向に軸心が沿うように燃料電池セル2を配置すること。
・ 第1実施形態において、殻体3に4個の燃料電池セル2を配置したが、4個以外の複数を配置すること。
・ 第1実施形態において、複数の燃料電池セル2を、それぞれの軸心が平行となるように配置したが、それぞれの軸心が傾くように配置すること。
・ 第1実施形態における湯沸器10においては、2ヶ所に燃料電池システム1を配置したが、1ヶ所又は3ヶ所以上に配置すること。
・ 第1実施形態において、殻体3を扁平円筒状としたが、円筒状又は角筒状とすること。
・ 第2実施形態において、円周上に配置された複数の燃料電池セル2に対応するように炎口部52を配置したが、炎口部52の内側に別の炎口部を設けて、その炎口部から出る火炎が、内側板43内を通過して鍋や薬缶等を加熱するようにすること。
さらに、上記実施形態より把握できる技術的思想について、それらの効果と共に以下に記載する。
(イ)給湯器、焼却炉等に備えられたことを特徴とする請求項1乃至の何れか1項に記載の燃料電池システム。このように構成した場合、湯を沸かすことができると共に、燃料電池システムにより発電された電気を、湯沸器の制御や、強制排気用ファンの作動に用いることができる。また、電気を、蓄電池に蓄電して他の電気機器に用いることができる。
(ロ)ガスコンロに備えられたことを特徴とする請求項5に記載の燃料電池システム。このように構成した場合、鍋や薬缶等を加熱することができると共に、燃料電池システムで発電された電気を、キッチンの照明や換気扇を制御する制御システムに用いることができる。また、電気を蓄電池に蓄電して、その電気を着火装置に用いることができる。
A1…空気、1,40…燃料電池システム、2…燃料電池セル、2a…空気極、2b…固体電解質基板、2c…燃料極、2d…端部、3,30,47…殻体、3a,3b,41a,41b…孔、41…天板、42…底板、43…内側板、44…外側板、51…火炎。

Claims (5)

  1. 火炎に曝されて発電する固体電解質型燃料電池を用いた燃料電池システムにおいて、
    筒状の固体電解質基板の内面に燃料極が形成されると共に外面に空気極が形成された複数の燃料電池セルが、管状に形成された殻体に備えられ、
    前記燃料電池セルは、前記殻体の長手方向に直交する方向に前記燃料電池セルの軸心が平行となるように、且つ、前記燃料電池セルの両端部が前記殻体外へ開口するように配置されると共に、前記燃料極を火炎に曝す位置に配置され、一方、前記空気極が、前記殻体により前記火炎から隔離されると共に、その殻体内の空気が外気に連通していることを特徴とする燃料電池システム。
  2. 火炎に曝されて発電する固体電解質型燃料電池を用いた燃料電池システムにおいて、
    筒状の固体電解質基板の内面に燃料極が形成されると共に外面に空気極が形成された複数の燃料電池セルが、扁平円管状に形成されその両端部が前記外気に対し開口している殻体に備えられ、
    前記燃料電池セルは、前記燃料電池セルの両端部が前記殻体外へ開口するように配置されると共に、前記燃料極を火炎に曝す位置に配置され、一方、前記空気極が、前記殻体により前記火炎から隔離されると共に、その殻体内の空気が外気に連通していることを特徴とする燃料電池システム。
  3. 前記殻体は扁平円管状に形成されその両端部が前記外気に対し開口していることを特徴とする請求項に記載の燃料電池システム。
  4. 火炎に曝されて発電する固体電解質型燃料電池を用いた燃料電池システムにおいて、
    筒状の固体電解質基板の内面に燃料極が形成されると共に外面に空気極が形成された複数の燃料電池セルが、天板、底板及び外側板により形成されその外側板には外気に連通する空気流通口が形成された殻体に備えられ、
    前記燃料電池セルは、前記底板に直交する方向に前記燃料電池セルの軸心が平行となるように、且つ、前記燃料電池セルの両端部が前記殻体外へ開口するように配置されると共に、前記燃料極を火炎に曝す位置に配置され、一方、前記空気極が、前記殻体により前記火炎から隔離されると共に、その殻体内の空気が外気に連通していることを特徴とする燃料電池システム。
  5. 前記天板及び底板のそれぞれの中央には孔が形成され、前記火炎が前記天板と底板との間に進入しないように、それぞれの前記孔を連結する内側板が設けられたことを特徴とする請求項4に記載の燃料電池システム。
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