(57)【要約】【課題】耐久性が高い燃料電池システムを提供する。【解決手段】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、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を循環させるための循環用配管と、前記循環用配管上に配置され、前記燃料発生部材から排出されるガスを前記燃料電池部の燃料極に供給する第１の状態と、前記燃料発生部材から排出されるガスを外部に排出し、外部から導入したガスを前記燃料電池部の燃料極に供給する第２の状態とのいずれかに流路を切り替える切替部とを備える。【選択図】図１Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項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、
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を循環させるための循環用配管と、
前記循環用配管上に配置され、前記燃料発生部材から排出されるガスを前記燃料電池部の燃料極に供給する第１の状態と、前記燃料発生部材から排出されるガスを外部に排出し、外部から導入したガスを前記燃料電池部の燃料極に供給する第２の状態とのいずれかに流路を切り替える切替部とを備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記第２の状態が、前記燃料発生部材から排出されるガスを外部に排出し、外部から導入したガスを前記燃料電池部の燃料極に供給し、さらに、外部から導入したガスを前記燃料発生部材に供給し、前記燃料電池部の燃料極から排出されるガスを外部に排出する状態である請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記第２の状態において、外部から導入したガスの前記燃料発生部材への供給及び前記燃料発生部材から排出されるガスの外部への排出と、外部から導入したガスの前記燃料電池部の燃料極への供給及び前記燃料電池部の燃料極から排出されるガスの外部への排出とが同時に行われる請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
第１のコネクタ、前記第１のコネクタと対になる第２のコネクタ、第３のコネクタ、及び前記第３のコネクタと対になる第４のコネクタを前記循環用配管上にさらに備え、
第１の開閉バルブが前記第１のコネクタと前記燃料発生部材との間であって前記第１のコネクタの近傍に配置され、
第２の開閉バルブが前記第２のコネクタと前記燃料電池部との間であって前記第２のコネクタの近傍に配置され、
第３の開閉バルブが前記第３のコネクタと前記燃料発生部材との間であって前記第３のコネクタの近傍に配置され、
第４の開閉バルブが前記第４のコネクタと前記燃料電池部との間であって前記第４のコネクタの近傍に配置され、
前記第１の開閉バルブ、前記第２の開閉バルブ、前記第３の開閉バルブ、及び前記第４の開閉バルブが前記切替部に含まれる請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表平１１−５０１４４８号公報
【特許文献２】国際公開第２０１２／０９８９４５号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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）
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
本発明は、上記の状況に鑑み、耐久性が高い燃料電池システム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】
【００１５】
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、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を循環させるための循環用配管と、前記循環用配管上に配置され、前記燃料発生部材から排出されるガスを前記燃料電池部の燃料極に供給する第１の状態と、前記燃料発生部材から排出されるガスを外部に排出し、外部から導入したガスを前記燃料電池部の燃料極に供給する第２の状態とのいずれかに流路を切り替える切替部とを備える構成（第１の構成）とする。なお、上記第２の状態は、前記燃料発生部材から排出されるガスの外部への排出と、外部から導入したガスの前記燃料電池部の燃料極への供給とが同時に行われる状態によって構成されてもよく、互いに切り替わる、前記燃料発生部材から排出されるガスの外部への排出が行われる状態と、外部から導入したガスの前記燃料電池部の燃料極への供給が行われる状態とによって構成されてもよい。
【００１６】
上記第１の構成の燃料電池システムにおいて、前記第２の状態が、前記燃料発生部材から排出されるガスを外部に排出し、外部から導入したガスを前記燃料電池部の燃料極に供給し、さらに、外部から導入したガスを前記燃料発生部材に供給し、前記燃料電池部の燃料極から排出されるガスを外部に排出する状態である構成（第２の構成）としてもよい。
【００１７】
上記第２の構成の燃料電池システムにおいて、外部から導入したガスの前記燃料発生部材への供給及び前記燃料発生部材から排出されるガスの外部への排出と、外部から導入したガスの前記燃料電池部の燃料極への供給及び前記燃料電池部の燃料極から排出されるガスの外部への排出とが前記第２の状態において同時に行われる構成（第３の構成）としてもよい。
【００１８】
上記第１〜第３のいずれかの構成の燃料電池システムにおいて、第１のコネクタ、前記第１のコネクタと対になる第２のコネクタ、第３のコネクタ、及び前記第３のコネクタと対になる第４のコネクタを前記循環用配管上にさらに備え、第１の開閉バルブが前記第１のコネクタと前記燃料発生部材との間であって前記第１のコネクタの近傍に配置され、第２の開閉バルブが前記第２のコネクタと前記燃料電池部との間であって前記第２のコネクタの近傍に配置され、第３の開閉バルブが前記第３のコネクタと前記燃料発生部材との間であって前記第３のコネクタの近傍に配置され、第４の開閉バルブが前記第４のコネクタと前記燃料電池部との間であって前記第４のコネクタの近傍に配置され、前記第１の開閉バルブ、前記第２の開閉バルブ、前記第３の開閉バルブ、及び前記第４の開閉バルブが前記切替部に含まれる構成（第４の構成）としてもよい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係る燃料電池システムによると、循環用配管上に配置される切替部によって、燃料発生部材から排出されるガスを燃料電池部の燃料極に供給する第１の状態から、燃料発生部材から排出されるガスを外部に排出し、外部から導入したガスを燃料電池部の燃料極に供給する第２の状態に流路を切り替えることができるので、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第２の状態にすることで、燃料発生部材から排出される高濃度の酸化性ガスが燃料電池部の燃料極に供給されることを防止することができる。したがって、高濃度の酸化性ガス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なくなる。すなわち、本発明によると、耐久性が高い燃料電池システムを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１Ａ】本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。
【図１Ｂ】本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。
【図２Ａ】本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。
【図２Ｂ】本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。
【図３Ａ】本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。
【図３Ｂ】本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。
【図４Ａ】本発明の第４実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。
【図４Ｂ】本発明の第４実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。
【図５Ａ】本発明の第５実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。
【図５Ｂ】本発明の第５実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。
【図５Ｃ】本発明の第５実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。
【図６Ａ】本発明の第６実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。
【図６Ｂ】本発明の第６実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。
【図６Ｃ】本発明の第６実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。
【図６Ｄ】本発明の第６実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
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。
【００２２】
＜第１実施形態＞
図１Ａ及び図１Ｂは本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。本実施形態に係る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１Ａ及び図１Ｂ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１Ａ及び図１Ｂ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。
【００２３】
本実施形態に係る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、四方弁９と、ガス導入口１０と、ガス排出口１１と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。
【００２４】
四方弁９は、循環用配管７上に配置され、燃料発生部材１から排出されるガスを燃料電池部２の燃料極に供給する第１の状態と、燃料発生部材１から排出されるガスを外部に排出し、外部から導入したガスを燃料電池部２の燃料極２Ｂに供給する第２の状態とのいずれかに流路を切り替える切替部として機能する。本実施形態に係る燃料電池システムの発電時及び充電時には、図１Ａに示すように、四方弁９によってガスの流路が第１の状態に切り替えられる。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、図１Ｂに示すように、四方弁９によってガスの流路が第２の状態に切り替えられる。
【００２５】
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。
【００２６】
本実施形態に係る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、本実施形態に係る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＋Ｏ2-→Ｈ2Ｏ＋２ｅ-  …（３）
【００２７】
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-→Ｏ2-  …（４）
【００２８】
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、本実施形態に係る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。
【００２９】
上記の（３）式及び（４）式より、本実施形態に係る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）
【００３０】
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、本実施形態に係る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）
【００３１】
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、本実施形態に係る燃料電池システムを充電することができる。
【００３２】
本実施形態に係る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、本実施形態に係る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）
【００３３】
本実施形態では、燃料発生部材１及び燃料電池部２は、本実施形態に係る燃料電池システムの発電時と充電時の両方において、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。
【００３４】
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、外部から水素をガス導入口１０に導入し、燃料発生部材１から排出されるガスをガス排出口１１から外部に排出する。これにより、燃料発生部材１と燃料電池部２の燃料極２Ｂ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することができるとともに、酸化された燃料発生部材１が還元されて高濃度の水蒸気が発生した場合でも高濃度の水蒸気が燃料電池部２の燃料極２Ｂに供給されない。したがって、高濃度の水蒸気によって燃料電池部２の燃料極２Ｂが酸化し、酸化による体積膨張等のために燃料極２Ｂの割れや剥がれが生じて燃料電池部２の性能が低下するおそれがなくなる。すなわち、耐久性が向上する。
【００３５】
＜第２実施形態＞
図２Ａ及び図２Ｂは本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。図２Ａ及び図２Ｂにおいて、図１Ａ及び図１Ｂと同一の部分には同一の符号を付す。以下、本実施形態と本発明の第１実施形態との相異点を主として説明し、本実施形態と本発明の第１実施形態との共通点については適宜説明を省略する。
【００３６】
本実施形態に係る燃料電池システムは、第１実施形態に係る燃料電池システムから四方弁９を取り除き、四方弁９の代わりに開閉バルブ１３〜１５を設けた構成である。開閉バルブ１４は循環用配管７とガス導入口１０との間に設けられ、開閉バルブ１５は循環用配管７とガス排出口１１との間に設けられ、開閉バルブ１３は開閉バルブ１４と開閉バルブ１５との間に設けられる。
【００３７】
開閉バルブ１３〜１５は、循環用配管７上に配置され、燃料発生部材１から排出されるガスを燃料電池部２の燃料極に供給する第１の状態と、燃料発生部材１から排出されるガスを外部に排出し、外部から導入したガスを燃料電池部２の燃料極２Ｂに供給する第２の状態とのいずれかに流路を切り替える切替部として機能する。
【００３８】
図２Ａ及び図２Ｂにおいて、開閉バルブ１３〜１５それぞれの白塗りは開状態を示し、開閉バルブ１３〜１５それぞれの黒塗りは閉状態を示している。本実施形態に係る燃料電池システムの発電時及び充電時には、図２Ａに示すように、開閉バルブ１３が開状態になり、開閉バルブ１４及び１５が閉状態になってガスの流路が第１の状態に切り替えられる。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、図２Ｂに示すように、開閉バルブ１３が閉状態になり、開閉バルブ１４及び１５が開状態になってガスの流路が第２の状態に切り替えられる。
【００３９】
本実施形態に係る燃料電池システムは、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムと同様の効果を奏する。
【００４０】
＜第３実施形態＞
図３Ａ及び図３Ｂは本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。図３Ａ及び図３Ｂにおいて、図１Ａ及び図１Ｂと同一の部分には同一の符号を付す。以下、本実施形態と本発明の第１実施形態との相異点を主として説明し、本実施形態と本発明の第１実施形態との共通点については適宜説明を省略する。
【００４１】
本実施形態に係る燃料電池システムは、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムから四方弁９とガス導入口１０とガス排出口１１を取り除き、それらの代わりに四方弁１６及び１７と燃料極側ガス導入口１８と燃料極側ガス排出口１９と燃料発生部材側ガス導入口２０と燃料発生部材側ガス排出口２１とを設けた構成である。
【００４２】
四方弁１６及び１７は、循環用配管７上に配置され、燃料発生部材１から排出されるガスを燃料電池部２の燃料極に供給する第１の状態と、燃料発生部材１から排出されるガスを外部に排出し、外部から導入したガスを燃料電池部２の燃料極２Ｂに供給する第２の状態とのいずれかに流路を切り替える切替部として機能する。本実施形態に係る燃料電池システムの発電時及び充電時には、図３Ａに示すように、四方弁１６及び１７によってガスの流路が第１の状態に切り替えられる。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、図３Ｂに示すように、四方弁１６及び１７によってガスの流路が第２の状態に切り替えられる。
【００４３】
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、外部から水素を燃料極側ガス導入口１８に導入し、燃料電池部２の燃料極２Ｂ側から排出されるガスを燃料極側ガス排出口１９から外部に排出するとともに、外部から水素を燃料発生部材側ガス導入口２０に導入し、燃料発生部材１から排出されるガスを燃料発生部材側ガス排出口２１から外部に排出する
【００４４】
これにより、燃料発生部材１と燃料電池部２の燃料極２Ｂ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することができるとともに、酸化された燃料発生部材１が還元されて高濃度の水蒸気が発生した場合でも高濃度の水蒸気が燃料電池部２の燃料極２Ｂに供給されない。したがって、高濃度の水蒸気によって燃料電池部２の燃料極２Ｂが酸化し、酸化による体積膨張等のために燃料極２Ｂの割れや剥がれが生じて燃料電池部２の性能が低下するおそれがなくなる。すなわち、耐久性が向上する。また、燃料発生部材１側のガス流路と燃料電池部２の燃料極２Ｂ側のガス流路が完全に分離されているので、もしも何らかの原因でガスの逆流が行った場合でも、燃料発生部材１側で発生した高濃度の水蒸気が燃料電池部２の燃料極２Ｂに供給されるおそれがなくなる。
【００４５】
＜第４実施形態＞
図４Ａ及び図４Ｂは本発明の第４実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。図４Ａ及び図４Ｂにおいて、図３Ａ及び図３Ｂと同一の部分には同一の符号を付す。以下、本実施形態と本発明の第３実施形態との相異点を主として説明し、本実施形態と本発明の第３実施形態との共通点については適宜説明を省略する。
【００４６】
本実施形態に係る燃料電池システムは、本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムから四方弁１６及び１７を取り除き、四方弁１６の代わりに開閉バルブ２２〜２４を設け、四方弁１７の代わりに開閉バルブ２５〜２７を設けた構成である。開閉バルブ２３は循環用配管７と燃料極側ガス導入口１８との間に設けられ、開閉バルブ２４は循環用配管７と燃料発生部材側ガス導入口２０との間に設けられ、開閉バルブ２２は開閉バルブ２３と開閉バルブ２４との間に設けられる。また、開閉バルブ２６は循環用配管７と燃料極側ガス排出口１９との間に設けられ、開閉バルブ２７は循環用配管７と燃料発生部材側ガス排出口２１との間に設けられ、開閉バルブ２５は開閉バルブ２６と開閉バルブ２７との間に設けられる。
【００４７】
開閉バルブ２２〜２７は、循環用配管７上に配置され、燃料発生部材１から排出されるガスを燃料電池部２の燃料極に供給する第１の状態と、燃料発生部材１から排出されるガスを外部に排出し、外部から導入したガスを燃料電池部２の燃料極２Ｂに供給する第２の状態とのいずれかに流路を切り替える切替部として機能する。
【００４８】
図４Ａ及び図４Ｂにおいて、開閉バルブ２２〜２７それぞれの白塗りは開状態を示し、開閉バルブ２２〜２７それぞれの黒塗りは閉状態を示している。本実施形態に係る燃料電池システムの発電時及び充電時には、図４Ａに示すように、開閉バルブ２２及び２５が開状態になり、開閉バルブ２３、２４、２６、及び２７が閉状態になってガスの流路が第１の状態に切り替えられる。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、図４Ｂに示すように、開閉バルブ２２及び２５が閉状態になり、開閉バルブ２３、２４、２６、及び２７が開状態になってガスの流路が第２の状態に切り替えられる。
【００４９】
本実施形態に係る燃料電池システムは、本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムと同様の効果を奏する。
【００５０】
＜第５実施形態＞
図５Ａ、図５Ｂ、及び図５Ｃは本発明の第５実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。図５Ａ、図５Ｂ、及び図５Ｃにおいて、図３Ａ及び図３Ｂと同一の部分には同一の符号を付す。以下、本実施形態と本発明の第３実施形態との相異点を主として説明し、本実施形態と本発明の第３実施形態との共通点については適宜説明を省略する。
【００５１】
本実施形態に係る燃料電池システムは、本発明の第４実施形態に係る燃料電池システムから四方弁１６及び１７を取り除き、四方弁１６の代わりに三方弁２８を設け、四方弁１７の代わりに三方弁２９を設け、燃料極側ガス導入口１８及び燃料発生部材側ガス導入口２０の代わりにガス導入口１０を設け、燃料極側ガス排出口１９及び燃料発生部材側ガス排出口２１の代わりにガス排出口１１を設けた構成である。
【００５２】
三方弁２８は、循環用配管７上に配置され、燃料発生部材１から排出されるガスを燃料電池部２の燃料極に供給する第１の状態と、燃料発生部材１から排出されるガスを外部に排出し、外部から導入したガスを燃料電池部２の燃料極２Ｂに供給する第２の状態とのいずれかに流路を切り替える切替部として機能する。
【００５３】
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、まず始めに三方弁２８及び２９を図５Ａに示す状態から図５Ｂに示す状態に切り替え、その切り替え完了後に外部から水素をガス導入口１０に導入し、燃料電池部２の燃料極２Ｂ側から排出されるガスをガス排出口１１から外部に排出し、その後、三方弁２８及び２９を図５Ｂに示す状態から図５Ｃに示す状態に切り替え、その切り替え完了後に再度外部から水素をガス導入口１０に導入し、燃料発生部材１から排出されるガスをガス排出口１１から外部に排出する。
【００５４】
本実施形態に係る燃料電池システムは、本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムと基本的に同様の効果を奏するが、第２の状態が図５Ｂに示す状態と図５Ｃに示す状態とによって構成されるので、第２の状態を開始してから終了するまでに要する時間が本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムよりも長くなる。
【００５５】
＜第６実施形態＞
図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃ、及び図６Ｄは本発明の第６実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃ、及び図６Ｄにおいて、図５Ａ、図５Ｂ、及び図５Ｃと同一の部分には同一の符号を付す。以下、本実施形態と本発明の第５実施形態との相異点を主として説明し、本実施形態と本発明の第５実施形態との共通点については適宜説明を省略する。
【００５６】
本実施形態に係る燃料電池システムは、本発明の第５実施形態に係る燃料電池システムから三方弁２８及び２９を取り除き、三方弁２８の代わりに開閉バルブ３０〜３２を設け、三方弁２９の代わりに開閉バルブ３３〜３５を設け、さらに、互いに対となる第１のコネクタ３６及び第２のコネクタ３７と、互いに対となる第３のコネクタ３８及び第４のコネクタ３９とを新たに設けた構成である。開閉バルブ３２は循環用配管７とガス導入口１０との間に設けられ、開閉バルブ３０は燃料発生部材１と開閉バルブ３２との間に設けられ、開閉バルブ３１は燃料電池部２と開閉バルブ３２との間に設けられ、開閉バルブ３５は循環用配管７とガス排出口１１との間に設けられ、開閉バルブ３３は燃料発生部材１と開閉バルブ３５との間に設けられ、開閉バルブ３４は燃料電池部２と開閉バルブ３５との間に設けられる。
循環用配管７上に設けられる第１〜４のコネクタ３６〜３９は循環用配管７同士の接続及び分離を可能とするコネクタであって、開閉バルブ３０の近傍に第１のコネクタ３６が設けられ、開閉バルブ３１の近傍に第２のコネクタ３７が設けられ、開閉バルブ３３の近傍に第３のコネクタ３８が設けられ、開閉バルブ３４の近傍に第４のコネクタ３９が設けられる。
【００５７】
開閉バルブ３０〜３５は、循環用配管７上に配置され、燃料発生部材１から排出されるガスを燃料電池部２の燃料極に供給する第１の状態と、燃料発生部材１から排出されるガスを外部に排出し、外部から導入したガスを燃料電池部２の燃料極２Ｂに供給する第２の状態とのいずれかに流路を切り替える切替部として機能する。
【００５８】
図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃ、及び図６Ｄにおいて、開閉バルブ３０〜３５それぞれの白塗りは開状態を示し、開閉バルブ３０〜３５それぞれの黒塗りは閉状態を示している。本実施形態に係る燃料電池システムの発電時及び充電時には、図６Ａに示すように、開閉バルブ３０、３２、３３、及び３４が開状態になり、開閉バルブ３２及び３５が閉状態になってガスの流路が第１の状態に切り替えられる。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、まず始めに開閉バルブ３０〜３５を図６Ａに示す状態から図６Ｂに示す状態に切り替え、その切り替え完了後に外部から水素をガス導入口１０に導入し、燃料電池部２の燃料極２Ｂ側から排出されるガスをガス排出口１１から外部に排出し、その後、開閉バルブ３０〜３５を図６Ｂに示す状態から図６Ｃに示す状態に切り替え、その切り替え完了後に再度外部から水素をガス導入口１０に導入し、燃料発生部材１から排出されるガスをガス排出口１１から外部に排出する。
【００５９】
本実施形態に係る燃料電池システムは、本発明の第５実施形態に係る燃料電池システムと同様の効果を奏する。
【００６０】
さらに、本実施形態に係る燃料電池システムは、図６Ｄに示すように燃料発生部材側モジュール１００と燃料電池部側モジュール２００とに分離することができるので、モジュール単位での交換やメンテナンス等が可能となる。そして、開閉バルブ３０、３１、３３、及び３４がモジュール内のガス流路にガスを封入しておくためのバルブとしても用いることができるので、部品点数の増加を抑えることができる。
【００６１】
＜その他＞
【００６２】
上述した各実施形態では、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。
【符号の説明】
【００６３】
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  容器
７  循環用配管
８  ポンプ
９、１６、１７  四方弁
１０  ガス導入口
１１  ガス排出口
１３〜１５、２２〜２７、３０〜３５  開閉バルブ
１８  燃料極側ガス導入口
１９  燃料極側ガス排出口
２０  燃料発生部材側ガス導入口
２１  燃料発生部材側ガス排出口
２８、２９  三方弁
３６  第１のコネクタ
３７  第２のコネクタ
３８  第３のコネクタ
３９  第４のコネクタ
１００  燃料発生部材側モジュール
２００  燃料電池部側モジュール
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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