(57)【要約】【課題】セルチューブの端部に有するリード部を含めて、迅速にかつ確実に還元することによって、セルチューブ全体の還元速度を高める。【解決手段】基体管１０６の外周面に発電を行う燃料電池セル１０８が複数形成された素子部１０２と、燃料電池セルで発電した電力を集電するリード部１０４とを備えるセルチューブ１００からなる固体酸化物型燃料電池の還元方法であって、リード部に含まれるＮｉＯをＮｉに還元する予備還元工程Ｓ１０と、予備還元工程が終了してから素子部に含まれるＮｉＯをＮｉに還元する本還元工程Ｓ２２と、を含むことを特徴とする。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体管の外周面に発電を行う燃料電池セルが複数形成された素子部と、前記燃料電池セルで発電した電力を集電するリード部とを備えるセルチューブからなる固体酸化物型燃料電池の還元方法であって、
前記リード部に含まれるＮｉＯをＮｉに還元する予備還元工程と、
前記予備還元工程が終了してから前記素子部に含まれるＮｉＯをＮｉに還元する本還元工程と、を含むことを特徴とする固体酸化物型燃料電池の還元方法。
【請求項２】
前記予備還元工程は、
前記セルチューブに金属チューブを被せてから水素ガスを供給する還元ガス供給工程と、
高周波加熱コイルで加熱される加熱部を前記金属チューブの外側から当接して、前記リード部を加熱するリード部加熱工程と、
前記リード部加熱工程の開始後に、前記金属チューブの前記加熱部が設けられる端部と反対側の端部に設けられる水素検出センサによって水素を検出して、前記リード部の還元が終了したことを検出する予備還元終了検出工程と、を含むことを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物型燃料電池の還元方法。
【請求項３】
前記リード部加熱工程では、前記加熱部で前記リード部を７００〜８００℃に加熱することを特徴する請求項２に記載の固体酸化物型燃料電池の還元方法。
【請求項４】
前記本還元工程では、前記加熱部で前記素子部を７００〜８００℃に加熱することを特徴する請求項３に記載の固体酸化物型燃料電池の還元方法。
【請求項５】
前記予備還元工程は、一方のリード部に含まれるＮｉＯをＮｉに還元したら、前記加熱部を移動させて、他方のリード部に含まれるＮｉＯをＮｉに還元することを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の固体酸化物型燃料電池の還元方法。
【請求項６】
基体管の外周面に発電を行う燃料電池セルが複数形成された素子部と、前記燃料電池セルで発電した電力を集電するリード部とを備えるセルチューブからなる固体酸化物型燃料電池の還元装置であって、
前記セルチューブを覆う金属チューブと、
前記金属チューブに水素ガスを供給する還元ガス供給装置と、
前記金属チューブの外側から当接して、前記リード部を７００〜８００℃に加熱する加熱部と、
前記金属チューブの前記加熱部が設けられる端部と反対側の端部に設けられた水素検出センサと、を備えることを特徴とする固体酸化物型燃料電池の還元装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、円筒横紋型の固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ：solid oxide fuel cell）の円筒型セルチューブの還元操作を行う固体酸化物型燃料電池の還元方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体酸化物型燃料電池は、酸化物を固体電解質として使用する燃料電池であり、高い効率が得られるという利点から、広く研究・開発が進められている。固体酸化物型燃料電池の一態様として、円筒横縞型のセルチューブがある。この円筒横縞型のセルチューブは、筒形状をなす基体管の外周面に、燃料極、固体酸化物の電解質、空気極を積層して発電素子を形成し、この発電素子を基体管の軸方向に複数配置し、複数の発電素子をインターコネクタにより直列に接続して構成される。
【０００３】
上記構成のＳＯＦＣでは、基体管内に燃料ガスが供給され、空気極に酸素が供給されると、空気極に供給された酸素がイオン化されて電解質膜を透過し、燃料極に達する。そして、燃料極に達した酸素と燃料ガスとの電気化学的反応により、燃料極と空気極との間に電位差が発生して、この電位差を外部に取り出すことで発電が行われる。
【０００４】
ＳＯＦＣを起動させる際には、セルチューブが複数設けられる発電室の外部で加熱した空気を発電室内に供給し、その発熱を利用して作動温度まで昇温させる方法がとられている。上記構成のＳＯＦＣは、通常、複数のセルチューブの両端部がハステロイ（商標）やＳＵＳ３１０等の耐食性や耐熱性を高めた合金から形成される金属管板で支持されて、モジュール化されている。ＳＯＦＣを起動させる際に、より早く発電セルを作動温度まで昇温させる従来技術として、特許文献１には、発電室内の空気極側に、可燃限界濃度以下で可燃性燃料ガスを添加した所定温度の酸化剤を含む流体が酸化剤供給経路を介して供給される方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１２−０５９５０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に開示の方法では、ＳＯＦＣの還元操作は、図７に示すような複数の円筒型セルチューブ１２の両端を金属管板１４で支持して形成されるカートリッジ１０を作製し、カートリッジ１０内に還元ガスを流し、温度を高くして還元操作を行っている。特に、カートリッジ１０での還元操作では、金属管板１４の寿命の観点から、セルチューブ１２の端部の温度が上げにくく、還元に時間を要することが課題となっていた。
【０００７】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、セルチューブの端部を含めて迅速にかつ確実に還元することの可能な、新規かつ改良された固体酸化物型燃料電池の還元方法及び装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様は、基体管の外周面に発電を行う燃料電池セルが複数形成された素子部と、前記燃料電池セルで発電した電力を集電するリード部とを備えるセルチューブからなる固体酸化物型燃料電池の還元方法であって、前記リード部に含まれるＮｉＯをＮｉに還元する予備還元工程と、前記予備還元工程が終了してから前記素子部に含まれるＮｉＯをＮｉに還元する本還元工程と、を含むことを特徴とする。
【０００９】
本発明の一態様によれば、リード部を予備還元してから、素子部を還元するので、セルチューブの還元時間の短縮を図れる。
【００１０】
このとき、本発明の一態様では、前記予備還元工程は、前記セルチューブに金属チューブを被せてから水素ガスを供給する還元ガス供給工程と、高周波加熱コイルで加熱される加熱部を前記金属チューブの外側から当接して、前記リード部を加熱するリード部加熱工程と、前記リード部加熱工程の開始後に、前記金属チューブの前記加熱部が設けられる端部と反対側の端部に設けられる水素検出センサによって水素を検出して、前記リード部の還元が終了したことを検出する予備還元終了検出工程と、を含むこととしてもよい。
【００１１】
このようにすれば、還元ガス供給工程で高濃度の水素ガスをリード部に供給してから、リード部加熱工程に移行するので、より迅速にリード部の還元操作を進めることができる。
【００１２】
また、本発明の一態様では、前記リード部加熱工程では、前記加熱部で前記リード部を７００〜８００℃に加熱することとしてもよい。
【００１３】
このようにすれば、従来、６００℃程度で還元していたリード部の加熱温度を上昇させられるので、リード部の還元操作をより迅速に進めることができる。
【００１４】
また、本発明の一態様では、前記本還元工程では、前記加熱部で前記素子部を７００〜８００℃に加熱することとしてもよい。
【００１５】
このようにすれば、従来９００〜９５０℃程度で進めていた本還元工程における還元操作温度を低減できるので、空気極や金属管板の破損を防止できる。
【００１６】
また、本発明の一態様では、前記予備還元工程は、一方のリード部に含まれるＮｉＯをＮｉに還元したら、前記加熱部を移動させて、他方のリード部に含まれるＮｉＯをＮｉに還元することとしてもよい。
【００１７】
このようにすれば、双方のリード部の予備還元を行ってから、本還元に移行させることができる。
【００１８】
また、本発明の他の態様は、基体管の外周面に発電を行う燃料電池セルが複数形成された素子部と、前記燃料電池セルで発電した電力を集電するリード部とを備えるセルチューブからなる固体酸化物型燃料電池の還元装置であって、前記セルチューブを覆う金属チューブと、前記金属チューブに水素ガスを供給する還元ガス供給装置と、前記金属チューブの外側から当接して、前記リード部を７００〜８００℃に加熱する加熱部と、前記金属チューブの前記加熱部が設けられる端部と反対側の端部に設けられた水素検出センサと、を備えることを特徴とする。
【００１９】
本発明の他の態様によれば、高密度に水素ガスをリード部に接触させてから、リード部を金属チューブの外側から加熱するので、空気極や金属管板を破損させないで、より迅速にリード部の還元操作を進めることができる。
【発明の効果】
【００２０】
以上説明したように本発明によれば、セルチューブの端部を含めて確実に還元することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一実施形態における固体酸化物型燃料電池の還元方法で還元操作される固体酸化物型燃料電池の外観図である。
【図２】一実施形態の固体酸化物型燃料電池における部分断面図である。
【図３】一実施形態の固体酸化物形燃料電池モジュールを表す概略構成図である。
【図４】一実施形態の固体酸化物型燃料電池の還元装置の概略構成図である。
【図５】一実施形態の固体酸化物型燃料電池の還元方法のフローを示すフローチャートである。
【図６】一実施形態の固体酸化物型燃料電池の還元装置の比較例の概略構成図である。
【図７】ＳＯＦＣカートリッジの概略を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、以下に説明する本実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではなく、本実施形態で説明される構成の全てが本発明の解決手段として必須であるとは限らない。
【００２３】
図１は、本発明の一実施形態における固体酸化物型燃料電池の還元方法で還元操作される固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）１００の外観図である。本実施形態では、固体酸化物型燃料電池１００は、図１に示すように、円筒横縞型のセルチューブ式の燃料電池である。ＳＯＦＣ（セルチューブ）１００は、発電を行う電池部分となる素子部１０２と、該素子部１０２で発電された電力を集電し、固体酸化物型燃料電池１００の外部へ取り出すリード部（通電部）１０４とから構成されている。素子部１０２には、燃料電池セルとなる複数の発電素子１０８がチューブ形状の基体管１０６の外周面に設けられている。
【００２４】
次に、本実施形態の固体酸化物型燃料電池の要部の構成について説明する。図２は、本実施形態の固体酸化物型燃料電池における部分断面図である。本実施形態では、固体酸化物型燃料電池１００は、略円筒形状のＳＯＦＣであり、基材として使用される略円筒形状の基体管１０６上に、基体管１０６側から順に燃料極１１０、電解質１１２、空気極１１４を積層された燃料電池セルとなる発電素子１０８が形成されている。
【００２５】
発電素子１０８は、基体管１０６上に基体管１０６の長手方向に沿って複数形成されており、隣接する発電素子１０８同士がインターコネクタ１１６で連結されている。インターコネクタ１１６は、一つの発電素子１０８の燃料極１１０と、隣接する発電素子１０８の空気極１１４とを電気的に接続する。また、基体管１０６は、図１に示した素子部１０２だけでなく、リード部１０４まで延びて形成されている。リード部１０４には、導電性を確保するために、基体管１０６の外表面に主にＮｉＯとＹＳＺの混合物からなるリード膜（図示せず）が形成される。
【００２６】
基体管１０６の空気極１１４が設けられた側（外周側）は、酸素を含む気体雰囲気となっている。例えば、基体雰囲気として空気が挙げられる。一方、基体管１０６の内側（内周側）には、ＳＯＦＣ１００の運転中に燃料ガス（水素）が流れるようになっており、還元雰囲気になっている。
【００２７】
基体管１０６は、燃料ガスや酸素を通過させる必要があることから、例えば、カルシア安定化ジルコニア（ＣＳＺ）等の安定化ジルコニアを主成分として含み、所定の気孔率を確保した多孔質材料から形成される。また、基体管１０６の熱膨張係数は、１０〜１１（ｐｐｍ／Ｋ）とされる。
【００２８】
燃料極１１０は、Ｎｉとジルコニア系電解質材料との複合材で構成され、例えば、Ｎｉ／ＹＳＺが用いられている。また、燃料極１１０の熱膨張係数は、１１〜１１．５（ｐｐｍ／Ｋ）とされる。
【００２９】
電解質１１２は、電子絶縁性であり、ガスを通さない気密性と高温での高いイオン透過性とを有することが求められる。このため、電解質１１２には、例えば、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等が用いられている。また、電解質１１２の熱膨張係数は、１０〜１１（ｐｐｍ／Ｋ）とされる。
【００３０】
空気極１１４は、例えば、Ｌａ１−ｘＳｒｘＭｎＯ３で表される導電性ペロブスカイト型酸化物とジルコニア系電解質材料とを混合した材料等のランタン（Ｌａ）系化合物で構成され、空気から酸素イオンを生成するものとされる。
【００３１】
インターコネクタ１１６は、例えば、ＳｒＴｉＯ３系等のＭ１−ｘＬｘＴｉＯ３（Ｍはアルカリ土類金属元素、Ｌはランタノイド元素）で表される導電性ペロブスカイト型酸化物から構成され、燃料ガスと空気とが混合しないように緻密な膜となっている。また、インターコネクタ１１６は、一つの発電素子１０８の空気極１１４とその発電素子１０８と隣接する発電素子１０８の燃料極１１０とを電気的に繋ぐことにより、隣接する発電素子１０８同士を電気的に直列に接続している。
【００３２】
ＳＯＦＣ１００は、上記の構成とすることによって、基体管１０６の内側に水素等の燃料を供給し、基体管１０６の外側となる空気極１１４側に空気、酸素等の酸化剤を供給すると、作動温度約７００〜１０００℃で酸素イオン（Ｏ２−）が電解質１１２中を移動する。この際、燃料極１１０と空気極１１４との間に電位差が発生し、ＳＯＦＣ１００によって電力が生成される。
【００３３】
すなわち、酸化剤の供給により空気極１１４で電子を得た酸素イオンは、電解質１１２を通過し、燃料極１１０で水素と反応し水（Ｈ２Ｏ）を生成して電子を放出する。このとき、電流は、燃料極１１０、電解質１１２、空気極１１４を流れ、インターコネクタ１１６を流れて隣接する発電素子１０８の燃料極１１０へと流れる。このようにして、ＳＯＦＣ１００の運転時に電流が発生する。
【００３４】
次に、本実施形態における固体酸化物形燃料電池モジュールの構成について、図面を使用しながら説明する。図３は、本実施形態の固体酸化物形燃料電池モジュールを表す概略構成図である。
【００３５】
本実施形態の固体酸化物形燃料電池モジュール（以下「燃料電池モジュール」ともいう）１２０は、図３に示すように、断熱材であるケーシング１２２と、略円筒状に形成された複数のセルチューブ（燃料電池）１００と、セルチューブ１００の両端を支持する上下の金属管板１２３ａ、１２３ｂと、これら上下の金属管板１２３ａ、１２３ｂの間に配置された上下の断熱体１２４ａ、１２４ｂとから構成されている。
【００３６】
上下の断熱体１２４ａ、１２４ｂに挟まれた空間には、発電室１２５が形成されている。ケーシング１２２と上側金属管板１２３ａ（以下、上管板１２３ａと記載）との間には、燃料供給室１２６が形成されている。ケーシング１２２と下側金属管板１２３ｂ（以下、下管板１２３ｂと記載）との間には、燃料排出室１２７が形成されている。下管板１２３ｂと下断熱体１２４ｂとの間には、空気供給室１２８が形成されている。上管板１２３ａと上断熱体１２４ａとの間には、空気排出室１２９が形成されている。
【００３７】
上管板１２３ａは、ケーシング１２２の長手方向（図３の上下方向）の一方（上側）に配置された板状の部材であり、下管板１２３ｂは、ケーシング１２２の長手方向の他方（下側）に配置された板状の部材である。セルチューブ１００は、多孔質セラミックスから形成された略円筒状の管状部材であり、長手方向（図３の上下方向）における中央部に発電を行なう複数の燃料電池セル（発電素子）１０８が設けられている。セルチューブ１００は、一方の開口端が燃料供給室１２６に開口し、他方の開口端が燃料排出室１２７に開口するように、上下の金属管板１２３ａ、１２３ｂに支持されている。また、セルチューブ１００は、燃料電池セル（発電素子）１０８が発電室１２５内にのみ位置するように配置されている。
【００３８】
上断熱体１２４ａは、ケーシング１２２の長手方向の一方（上側）に配置され、断熱材料を用いてブランケット状又はボード状などに形成された部材である。下断熱材１２４ｂは、ケーシング１２２の長手方向の他方（下側）に配置され、断熱材料を用いてブランケット状又はボード状などに形成された部材である。各断熱体１２４ａ、１２４ｂには、セルチューブ１００が挿通される孔１３３ａ、１３１ｂが形成され、孔１３３ａ，１３１ｂの直径は、セルチューブ１００の直径よりも大きく形成されている。
【００３９】
なお、孔１３３ａ、１３１ｂの内周面は、略円筒状に形成されていてもよいし、螺旋状又は直線状の凹部（溝）又は凸部（畝状突起）が形成されていてもよく、特に限定するものではない。このような構成にすることで、セルチューブ１００と孔１３３ｂとの間を通って発電室１２５に流入する空気に、排出燃焼ガス１３１ａ及び下断熱体１２４ｂの熱が伝達されやすくなり、発電室１２５の温度を高温に保ちやすくすることができる。同様にして、セルチューブ１００と孔１３３ａとの間を通って、発電室１２５から排出される排出空気１３２ａの熱を伝達することで、セルチューブ１００に導入される燃料ガス１３１を高温とすることができる。
【００４０】
ここで、上記構成からなる燃料電池モジュール１００の動作の概要を説明する。燃料電池モジュール１２０の空気供給室１２８には、空気１３２が流入する。当該空気１３２は、下断熱材１２４ｂの孔１３３ｂとセルチューブ１００との隙間を通って、発電室１２５内に供給される。一方、燃料供給室１２６には、燃料ガス１３１が流入する。当該燃料ガス１３１は、セルチューブ１００の基体管１０６の内部を通って発電室１２５内に供給される。空気１３２と燃料ガス１３１とは、燃料電池セル１０８において発電に利用される。その後、排出空気１３２ａは、空気排出室１２９に流入し、排出燃料ガス１３１ａは、燃料排出室１２７に流入し、それぞれ燃料電池モジュール１２０の外部に排出口１２１ａ、１２１ｂからそれぞれ排出される。
【００４１】
このとき、空気１２２と燃料ガス１２１とは、セルチューブ１００の内面又は外面を互いに逆向きに流れている。このことにより、発電に利用され高温となった燃料ガス及び空気が、発電に利用される前の空気及び燃料ガスとそれぞれ熱交換される。すなわち、セルチューブ１００の軸方向両端部であって燃料電池セル１０８が形成されていない上部熱交換部１２３ａ、下部熱交換部１２３ｂの熱交換領域において、燃料ガス１２１と空気１２２とが熱交換される。
【００４２】
上述したように燃料電池モジュール１００では、反応に利用されて高温となった排出燃料ガス１２１ａ及び排出空気１２２ａが熱交換により冷却された後、燃料排出室１２７及び空気排出室１２９に供給される。このことにより、金属部材を有する上管板１２３ａと下管板１２３ｂとが高温雰囲気に晒されることを抑制することができる。その結果、燃料電池モジュール１２０では、燃料電池セル１０８における運転温度を高温化、例えば、８００℃から９５０℃にすることを可能にしている。
【００４３】
次に、本実施形態の固体酸化物型燃料電池の還元装置の構成について図面を使用しながら説明する。図４は、一実施形態の固体酸化物型燃料電池の還元装置の概略構成図である。
【００４４】
本実施形態の還元装置１０は、固体酸化物形燃料電池をモジュール化したカートリッジでは、金属管板が被さるために高温加熱が出来なかったセルチューブ１００の端部側のリード部１０４を重点的に還元することを特徴とする。また、ＳＯＦＣをモジュール化する前の段階で、セルチューブ１００ごとにリード部１０４を重点的に還元操作することを特徴とする。
【００４５】
還元装置１０は、図４に示すように、金属チューブ１２と、還元ガス供給装置１４と、加熱部１８と、高周波発生装置２０と、水素検出センサ２２と、減圧装置２６とを備える。
【００４６】
金属チューブ１２は、ＳＵＳ等の熱伝導性を有する耐熱鋼で形成される管状部材であり、セルチューブ１００を還元操作する際に、セルチューブ１００の全体を覆うように、セルチューブ１００に被せられる。
【００４７】
還元ガス供給装置１４は、セルチューブ１００のリード部１０４を還元させるための還元ガスとなる水素ガスを、ガスチューブ１６を介して金属チューブ１２に供給する。還元ガス供給装置１４で水素ガスを供給する際のガス圧力に関しては、特に限定がないが、本実施形態では、還元ガス供給装置１４は、常圧で水素ガスを供給する。また、還元ガス供給装置１４は、水素ガスの濃度を調整できるので、水素ガス濃度を高めることによって、リード部１０４の還元速度を大きくすることができる。なお、水素ガス濃度は、爆発限界以下の濃度である４％以下であることが好ましい。
【００４８】
加熱部１８は、高周波発生装置２０で発生させた高周波によって加熱される高周波加熱コイルから構成され、金属チューブ１２の一方の端部１２ａの外側から当接して、一方のリード部１０４ａを７００〜８００℃に加熱する。本実施形態では、加熱部１８で端部１２ａを加熱する際に、セルチューブ１００の燃料電池セル１０８の空気極１１４（図２参照）の水素ガスの還元作用による分解を防ぐために、空気極１１４を高温にしすぎないように配慮する必要がある。換言すると、加熱部１８で端部１２ａを加熱する際に、空気極１１４を損傷させないために、リード部１０４以外を加熱しないように配慮する必要がある。このため、本実施形態では、加熱部１８として局所加熱が可能な高周波加熱コイルを使用する。なお、加熱部１８は、金属チューブ１２に当接しながら局所加熱できる装置であれば、高周波加熱コイル以外の他の加熱装置も適用可能である。
【００４９】
水素検出センサ２２は、金属チューブ１２の加熱部１８が設けられる端部１２ａと反対側の端部１２ｂに設けられ、金属チューブ１２の端部１２ｂの水素ガスを検出する。本実施形態では、加熱部１８で金属チューブ１２の一方の端部１２ａを加熱しながら、水素ガスを供給することによって、一方のリード部１０４ａを還元させるので、水素検出センサ２２が水素ガスを検出することによって、一方のリード部１０４ａの還元操作が終了した旨を検知できる。水素検出センサ２２の種類に関しては、特に限定がないが、「接触燃焼式」、「半導体式」、「熱電式」等のガス検知センサとして使用されるものが適用される。
【００５０】
減圧装置２６は、金属チューブ１２の加熱部１８が設けられる端部１２ａと反対側の端部１２ｂ側にガスチューブ２４を介して設けられ、還元装置１０での還元操作の際に発生する水蒸気等の排ガスや窒素等の不活性ガスを吸い込む。
【００５１】
本実施形態の還元装置１０では、一方のリード部１０４ａの還元操作をしてリード部１０４の健全性の確認が終了したら、加熱部１８を金属チューブ１２の他方の端部１２ｂに移動させる。そして、同様にして、加熱部１８で端部１２ｂを加熱しながら、還元ガス供給装置１４で水素ガスを供給して、他方のリード部１０４ｂの還元操作を行う。
【００５２】
このように、本実施形態では、セルチューブ１００に金属チューブ１２を被せながら金属チューブ１２の内部に水素ガスを供給して、リード部１０４を金属チューブ１２の外側から加熱して還元操作を行っている。このため、高密度に水素ガスをリード部１０４に接触させてから、リード部１０４を加熱することができるので、リード部１０４の還元速度を高めることができる。
【００５３】
また、従来では、カートリッジ単位で還元操作していた際に、金属管板１２３ａ、１２３ｂ（図３参照）の金属特性等により、金属管板１２３ａ、１２３ｂで覆われるリード部１０４の加熱温度が６００℃程度に制限されていた。これに対して、本実施形態では、セルチューブ単位でリード部１０４の還元操作をするので、金属管板１２３ａ、１２３ｂによる温度制限を外して、７００〜８００℃程度の高温環境下で還元操作を進めることができるので、リード部１０４の還元速度を高められる。
【００５４】
本実施形態では、セルチューブ１００の双方のリード部１０４ａ、１０４ｂの還元操作が終了したら、素子部１０２の燃料電池セル１０８の本還元操作を行う。なお、燃料電池セル１０８の本還元操作は、本実施形態の還元装置１０を用いて、加熱部１８を金属チューブ１２に沿って移動させながら行うことも可能であり、また、リード部１０４（１０４ａ、１０４ｂ）の還元操作が終了したら、モジュール化して、従来のようにカートリッジ単位で還元操作をするようにしてもよい。
【００５５】
次に、本実施形態の固体酸化物型燃料電池の還元方法のフローについて図面を使用しながら説明する。図５は、本実施形態の固体酸化物型燃料電池の還元方法のフローを示すフローチャートである。
【００５６】
本実施形態の還元方法は、ＳＯＦＣカートリッジでは、金属管板が被さるために高温加熱が出来なかったセルチューブ１００の端部側のリード部１０４を、ＳＯＦＣをモジュール化する前の段階でセルチューブ１００ごとに重点的に還元操作することを特徴とする。すなわち、リード部１０４に含まれるＮｉＯをＮｉに還元する予備還元工程Ｓ１０を経てから、素子部１０８に含まれるＮｉＯをＮｉに還元する本還元工程を行うことを特徴とする。
【００５７】
本実施形態では、予備還元工程Ｓ１０として、まず、セルチューブ１００に金属チューブ１２を被せてから水素ガスを供給する（還元ガス供給工程Ｓ１２）。還元ガス供給工程Ｓ１２では、金属チューブ１２をセルチューブ１００に被せてから、水素ガスを供給するので、セルチューブ１００の全体に水素ガスが行き渡るので、効率的に還元操作を進めることができる。また、還元ガス供給装置１４によって、水素ガスの濃度が調整されるので、水素ガス濃度を高めて、リード部１０４の還元速度を大きくすることができる。
【００５８】
次に、水素ガスを供給しながら、高周波加熱コイルで加熱される加熱部１８を金属チューブ１２の一方の端部１２ａの外側から当接して、一方のリード部１０４ａを加熱する（リード部加熱工程Ｓ１４）。本実施形態では、ＳＯＦＣをカートリッジ単位でなくセルチューブ単位で還元操作を行うので、従来のような金属管板による６００℃の上限温度の制約がなく、リード部１０４ａを７００〜８００℃に加熱するので、リード部１０４ａの還元速度を大きくできる。
【００５９】
金属チューブ１２の端部１２ａを加熱しながら水素ガスを供給することによって、リード部１０４ａの還元操作を進めてから、その後、リード部１０４ａの還元操作が終了したか否かを検出する（予備還元終了検出工程Ｓ１６）。本実施形態では、水素検出センサ２２が金属チューブ１２の加熱部１８が設けられる端部１２ａと反対側の端部１２ｂに設けられ、当該水素検出センサ２２によって、水素ガスを検出したら、リード部１０４ａの還元が終了したことを検知する。
【００６０】
予備還元終了検出工程Ｓ１６で水素ガスを検出して、リード部１０４ａの還元が終了したことを検知したら、次に、加熱部１８を移動させて、他方のリード部１０４ｂを加熱して、他方のリード１０４ｂ部に含まれるＮｉＯをＮｉに還元する予備還元を行う（工程Ｓ１８）。
【００６１】
その後、金属チューブ１２の他方の端部１２ｂを加熱しながら水素ガスを供給することによって、他方のリード部１０４ｂの還元操作を進めてから、リード部１０４ｂの還元操作が終了したか否かを検出する（工程Ｓ２０）。本実施形態では、水素検出センサ２２によって、水素ガスを検出したら、リード部１０４ｂの還元が終了したことを検知する。
【００６２】
本実施形態では、双方のリード部１０４ａ、１０４ｂの予備還元が終了してから、素子部１０２の燃料電池セル１０８に含まれるＮｉＯをＮｉに還元する（本還元工程Ｓ２２）。本還元操作を行う際には、還元装置１０を用いて加熱部１８を金属チューブ１２に沿って移動させてもよく、また、リード部１０４ａ、１０４ｂの還元操作が終了したら、セルチューブ１００をモジュール化して、従来のようにカートリッジ単位で還元操作をするようにしてもよい。
【００６３】
また、本実施形態の本還元工程Ｓ２２では、リード部１０４を還元させる予備還元が終了してから素子部１０２の還元操作が行われるので、加熱部１８での加熱温度を従来の９００〜９５０℃から７００〜８００℃までに低減できる。すなわち、従来のカートリッジでの還元操作では、リード部１０４が金属管板１２３ａ、１２３ｂに被覆されていたので、リード部１０４が昇温され難くかった。このため、還元に必要な最低温度である６００℃程度まで上げるのに、素子部１０２の加熱温度を９００〜９５０℃程度まで上げる必要があり、燃料電池セル１０８の空気極１１４や金属管板１２３ａ、１２３ｂの破損を招くリスクがあった。
【００６４】
これに対して、本実施形態では、素子部１０２の本還元を行う前に、リード部１０４の還元操作を行う予備還元を行う。このため、リード部１０４の還元操作が終了してから、本還元を行うので、本還元操作中の加熱温度を７００〜８００℃程度に抑えることができる。すなわち、予備還元でリード部１０４の還元操作が終了しているので、従来９００〜９５０℃程度で進めていた本還元工程における還元操作温度を７００〜８００℃程度まで低減できるので、空気極や金属管板の破損を防止できる。
【００６５】
このように、本実施形態では、セルチューブ１００を１本ずつ還元でき、かつ、カートリッジを組み上げる前に還元できることから、より確実にセルチューブ１００の健全性を確保することができる。また、本実施形態では、従来のカートリッジ還元では、還元操作が進み難かったセルチューブ１００の端部にあるリード部１０４のみを先に予備還元してから、素子部１０２の本還元を行う。このため、セルチューブ１００全体の還元速度を大きくして、還元操作の効率化が図れるようになる。
【００６６】
次に本実施形態の固体酸化物型燃料電池の還元装置の比較例について、図面を使用しながら説明する。図６は、本実施形態の固体酸化物型燃料電池の還元装置の比較例の概略構成図である。
【００６７】
本比較例の還元装置２１０は、ＳＯＦＣをモジュール化する前の段階で、セルチューブ１００ごとに１本１本を還元操作することを特徴とする。還元装置２１０は、図６に示すように、還元ガス供給装置２１４と、加熱部２１８と、高周波発生装置２２０と、水素検出センサ２２２と、排ガス処理装置２２４と、減圧装置２２８とを備える。
【００６８】
還元ガス供給装置２１４は、ガスチューブ２１６を介してセルチューブ１００のリード部１０４ａを還元させるための還元ガスとなる水素ガスをセルチューブ１００に供給する。このときの水素ガス濃度は、爆発限界以下の濃度である４％以下が好ましい。本比較例では、ガスチューブ２１６がリード部１０４ａの上端と無機系接着剤で固定されるが、ガスチューブ２１６とリード部１０４ａとの接着手段として、無機系のガスケットシールによって接着させることも可能である。
【００６９】
加熱部２１８は、高周波発生装置２２０で発生させた高周波によって加熱される高周波加熱コイルから構成され、セルチューブ１００の下端から挿入されて、セルチューブ１００を６００℃程度に加熱する。
【００７０】
水素検出センサ２２２は、水素ガスが供給されるセルチューブ１００の上端側と反対側に設けられる排ガス処理装置２２４の近傍に設置され、セルチューブ１００の端部１０４ｂの水素ガスを検出する。本比較例では、加熱部２１８でセルチューブ１００を加熱しながら、水素ガスを供給することによって、セルチューブ１００を還元させるので、水素検出センサ２２２が水素ガスを検出することによって、セルチューブ１００の還元操作が終了した旨を検知できる。
【００７１】
減圧装置２２８は、排ガス処理装置２２４側にガスチューブ２２６を介して設けられ、排ガス処理装置２２４を介して還元装置２１０での還元操作の際に発生する水蒸気等の排ガスを吸い込む。
【００７２】
本比較例では、高周波発生装置２２０を起動させて、加熱部２１８でセルチューブ１００を加熱して、６００℃程度に達したら、セルチューブ１００の還元が始まる。セルチューブ１００の還元が始まると、水素ガスが全て消費されるため、下端側に水素ガスが排出されなくなる。
【００７３】
その後、下端側に設けられる水素検出センサ２２２から水素が検出されたら、加熱部２１８の２／３幅を移動させて、セルチューブ１００の次の還元場所に移動させる。このように、セル全体に対して、加熱しながら上端側から水素ガスを供給して、下端側のセンサ２２２で水素の検出を行う操作を繰り返すことによって、セルチューブ１００の全体の還元操作を終了する。
【００７４】
また、本比較例でリード部１０４のみの還元操作を行う場合には、セル全体に加熱部２１８を動かすのでなく、リード部１０４のみを走査する。このように、本比較例では、任意の部分のみを還元操作することができる。
【００７５】
還元操作が終了したセルチューブ１００は、ガスチューブ２１６から切断して切り離すか、ガスケットを解体して取り外す。そして、ガスケットを取り外した後のセルチューブ１００は、不要部分を切除して、各種の検査を実施する。
【００７６】
このように、本比較例では、セルチューブ１００の任意の部分を還元操作することができるものの、還元ガス供給装置２１４から供給される水素ガスの供給管となるガスチューブ２１６と接続するためのガスケットの部分の還元操作が難しいという課題が残る。
【００７７】
なお、上記のように本発明の各実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項及び効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは、当業者には、容易に理解できるであろう。従って、このような変形例は、全て本発明の範囲に含まれるものとする。
【００７８】
例えば、明細書又は図面において、少なくとも一度、より広義又は同義な異なる用語と共に記載された用語は、明細書又は図面のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換えることができる。また、固体酸化物型燃料電池の還元装置の構成、動作も本発明の各実施形態で説明したものに限定されず、種々の変形実施が可能である。
【符号の説明】
【００７９】
１０      （固体酸化物型燃料電池の）還元装置
１２      金属チューブ
１４      還元ガス供給装置
１８      加熱部
２０      高周波発生装置
２２      水素検出センサ
１００    固体酸化物型燃料電池（セルチューブ）
１０２    素子部
１０４    リード部（通電部）
１０６    基体管
１０８    発電素子（燃料電池セル）
１１０    燃料極
１１２    電解質
１１４    空気極
１１６    インターコネクタ
１２０    固体酸化物形燃料電池モジュール
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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