(57)【要約】【課題】メタノール等の高エネルギー密度を有する液体燃料を燃料として使用することができるＳＯＦＣモジュールを備えた燃料電池システムを提供する。【解決手段】固体酸化物形燃料電池素子を複数接続した燃料電池モジュールへ水素および一酸化炭素を含む燃料ガスを供給する燃料改質槽と、前記燃料電池モジュール内で空気ブロワーから供給された酸化剤と前記燃料改質槽から供給された燃料ガスとが発電反応することによって生成した水蒸気と二酸化炭素と熱とを含む排気ガスが流れる排ガス流路と、気体燃料を貯えた第一の燃料タンクと、液体燃料液を貯えた第二の燃料タンクと、前記第一の燃料タンクに貯えられた燃料を加熱および加湿して前記燃料改質槽へ供給する加熱加湿槽と、前記第二の燃料タンクに貯えられた燃料液を、前記排ガス流路からの熱によって気化させて前記燃料改質槽へ供給する気化槽と、を備えたことを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体酸化物形燃料電池素子を複数接続した燃料電池モジュールと、前記燃料電池モジュールへ酸化剤を供給する空気ブロワーと、前記燃料電池モジュールへ水素および一酸化炭素を含む燃料ガスを供給する燃料改質槽と、前記燃料電池モジュール内で前記空気ブロワーから供給された酸化剤と前記燃料改質槽から供給された燃料ガスとが発電反応することによって生成した水蒸気と二酸化炭素と熱とを含む排気ガスが流れる排ガス流路と、常温・常圧で気体となる燃料を貯えた第一の燃料タンクと、常温・常圧で液体となる燃料液を貯えた第二の燃料タンクと、前記第一の燃料タンクに貯えられた燃料を加熱および加湿して前記燃料改質槽へ供給する加熱加湿槽と、前記第二の燃料タンクに貯えられた燃料液を、前記排ガス流路からの熱によって気化させて前記燃料改質槽へ供給する気化槽と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記加熱加湿槽における加熱および加湿は、前記第一の燃料タンクに貯えられた燃料と、前記空気ブロワーから供給された酸化剤と、の化学反応によって生じることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記第一の燃料タンクに貯えられた燃料は、前記排ガス流路からの熱によって加温されて前記加熱加湿槽へ供給されることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記空気ブロワーから供給された酸化剤は、前記排ガス流路からの熱によって加温されて、前記燃料電池モジュールおよび前記加熱加湿槽に供給されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記第二の燃料タンクには、前記燃料電池モジュールの発電によって生じる電気によって作動する燃料液供給ポンプを有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記空気ブロワーは、前記燃料電池モジュールの発電によって生じる電気によって作動することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記第二の燃料タンクに貯えられた常温・常圧で液体となる燃料液は、メタノールであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記第一の燃料タンクに貯えられた常温・常圧で気体となる燃料は、ジメチルエーテルであることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記燃料改質槽から前記燃料電池モジュールへ供給される燃料の温度が４００℃〜９５０℃であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記燃料改質槽から前記燃料電池モジュールへ供給される燃料の温度が４００℃〜６５０℃であることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
常温・常圧で気体となる燃料が貯えられた第一の燃料タンクのバルブを開放し前記燃料を燃料改質槽に供給する手段と、前記燃料改質槽において４００℃以上の温度に達したら水素および一酸化炭素を含む燃料を燃料電池モジュールに供給する手段と、前記燃料電池モジュールにおいて発電反応を起こさせる手段と、前記発電反応によって生じる電気によって常温・常圧で液体となる燃料液が貯えられた第二の燃料タンクの燃料液供給ポンプおよび空気ブロワーを作動する手段と、前記燃料液を前記燃料電池モジュール反応で発生した熱によって気化する手段と、前記燃料電池モジュールにおいて発電反応が起こり電気と熱を発生する手段と、を備えた燃料電池システム。
【請求項１２】
前記第一の燃料タンクに貯えられた常温・常圧で気体となる燃料がジメチルエーテルで、前記第二の燃料タンクに貯えられた常温・常圧で液体となる燃料液がメタノールであることを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体酸化物形燃料電池素子を複数接続した燃料電池モジュール（以下、ＳＯＦＣモジュールと示す。）を備えた燃料電池システムに関する。特には、可搬型機器や小型機器の電源に好適な燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、小型機器の電源として二次電池が用いられている。二次電池はこの１０年間で鉛蓄電池、ニッカド電池から、小型で高密度タイプのニッケル水素電池、リチウムイオン電池へとシフトしてきた。現在では、小型で高密度・高出力という観点から小型機器用の電源としては、主にリチウムイオン２次電池が用いられている。（例えば、非特許文献１参照。）
【０００３】
ノート型パソコン等の小型機器用燃料電池システムとして、水素燃料を用いた固体高分子型燃料電池（以下、ＰＥＦＣと示す。）を備えた電源システムが提案されている。（例えば、特許文献１参照。）
【０００４】
ノート型パソコン等の小型機器用燃料電池システムとして、メタノール燃料を用いた固体高分子型燃料電池（以下、ＤＭＦＣと示す。）を備えた電源システムが提案されている。（例えば、特許文献２参照。）
【０００５】
【非特許文献１】
［燃料電池Ｖｏｌ．２］  燃料電池開発情報センター出版、２００２年７月１日発行、Ｐ４−１６
【特許文献１】
特開平９−２１３３５９号公報（第１−第５頁、第一〜第二十図）
【特許文献２】
特開２００２−５６８５６号公報（第１−第６頁、第一〜第六図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
小型機器用電源のニーズとしては、例えば、ノートパソコンの通信源としての用途で考えると連続８時間以上稼動できる電源が要求される。これに対して、現状のリチウムイオン２次電池では、携帯電話の通話時間で連続２時間の通話が限界である。２次電池は、活物質の化学種を代えることで小型高性能化を達成してきたが、リチウム以上の高エネルギー化学種を見出すことはできない。すなわち、電池容量を変えずにエネルギー密度を４倍以上にすることはほぼ不可能であり、ニーズに応えるためには新たな電源システムが必要であった。
【０００７】
リチウム二次電池より高いエネルギー密度を有する新たな電源システムとして燃料電池を挙げることができる。燃料電池のエネルギー密度はメタノールを燃料として用いた場合で考えると、リチウムイオン二次電池のおおよそ１０倍のエネルギー密度を有しており、新しい小型機器用電源として期待される。小型機器用の燃料電池としては、特許文献１および特許文献２に示されるＰＥＦＣおよびＤＭＦＣと呼ばれる電解質が固体高分子タイプの燃料電池が有望視されている。
【０００８】
ＰＥＦＣは１００℃以下で使用されるため燃料極触媒として白金を含む触媒が使用される。白金を含む触媒は一酸化炭素を含む燃料が供給されると劣化するため、都市ガス等の炭化水素系の燃料を供給する場合、燃料改質層だけでなく一酸化炭素を二酸化炭素に完全に改質する改質槽を新たに設けなければならない。さらに、一酸化炭素を二酸化炭素に変える反応は、（１）式に示すような発熱反応であるため前記改質槽とＰＥＦＣ部との燃料供給流路に１００℃以下に冷却する機構を設けなければならない。それゆえ、システムをコンパクト化することができないことと、エネルギー効率が低いという問題があった。
ＣＯ  ＋  １／２Ｏ２  ＝  ＣＯ２  ＋  ２８４．７ｋＪ／ｍｏｌ            …  （１）
【０００９】
ＤＭＦＣでは、高濃度のメタノールを燃料として用いるとメタノールが電解質膜を透過するメタノールクロスオーバーという現象が生じ、出力性能が低下するという問題がある。このため、現状のＤＭＦＣにおけるメタノール燃料の濃度は１０％程度である。この濃度ではリチウムイオン二次電池のエネルギー密度と同程度であり、高濃度のメタノールで発電できる燃料電池システムの開発が課題とされてきた。
【００１０】
ＳＯＦＣでは、電気とともに高温の熱を発生させることができるため発電効率が高いことと、水素だけでなく一酸化炭素やメタンなどの気体燃料を燃料として使用することができるため、燃料多様性に優れているというメリットがある。しかし、メタノール等の高エネルギー密度を有する液体燃料を燃料として使用することが難しいという問題があった。
【００１１】
本発明の目的は、ＳＯＦＣの燃料多様性に優れることと、高温の熱を発生させることができるという２つのメリットを利用して、メタノール等の高エネルギー密度を有する液体燃料を燃料として使用することができるＳＯＦＣモジュールを備えた燃料電池システムを提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために第１の発明は、ＳＯＦＣモジュールと、前記ＳＯＦＣモジュールへ酸化剤を供給する空気ブロワーと、前記ＳＯＦＣモジュールへ水素および一酸化炭素を含む燃料ガスを供給する燃料改質槽と、前記ＳＯＦＣモジュール内で前記空気ブロワーから供給された酸化剤と前記燃料改質槽から供給された燃料ガスとが発電反応することによって生成した水蒸気と二酸化炭素と熱とを含む排気ガスが流れる排ガス流路と、常温・常圧で気体となる燃料を貯えた第一の燃料タンクと、常温・常圧で液体となる燃料液を貯えた第二の燃料タンクと、前記第一の燃料タンクに貯えられた燃料を加熱および加湿して前記燃料改質槽へ供給する加熱加湿槽と、前記第二の燃料タンクに貯えられた燃料液を、前記排ガス流路からの熱によって気化させて前記燃料改質槽へ供給する気化槽と、を備えることを特徴とする燃料電池システムを提供する。
【００１３】
本発明によれば、常温・常圧で気体となる燃料を用いて、燃料の改質に必要な熱と水蒸気を発生させ、高エネルギー密度を有する常温・常圧で液体となる燃料液をＳＯＦＣモジュールの発電によって生じた熱によって気化させた後、燃料改質槽で水素および一酸化炭素を含む燃料に改質させる機構なので、コンパクトで高効率な燃料電池システムを提供することができる。
【００１４】
この理由は、燃料改質に必要な熱を得るためのヒーターや、水タンクおよび水蒸気気化器等を設ける必要がないのでシステムをコンパクトにできることと、高エネルギー密度を有する燃料液を本システムで発生した熱によって気化させ、これを燃料として使用しているためＳＯＦＣモジュールの発電性能を向上させることができるためである。
【００１５】
上記目的を達成するために第２の発明は、加熱加湿槽における加熱および加湿は、第一の燃料タンクに貯えられた燃料と、空気ブロワーから供給された酸化剤と、の化学反応によって生じることをを提供する。
【００１６】
本発明によれば、加熱および加湿を空気ブロワーで取り込まれた酸化剤の一部を用いて行うので、コンパクトな燃料電池システムを提供することができる。
【００１７】
この理由は、１つの空気ブロワーで酸化剤をＳＯＦＣモジュールおよび加熱加湿槽へ供給することができるためである。
【００１８】
上記目的を達成するために第３の発明は、第一の燃料タンクに貯えられた燃料は、排ガス流路からの熱によって加温されて加熱加湿槽へ供給されることを提供する。
【００１９】
本発明によれば、ＳＯＦＣモジュールから出る熱の排熱を有効活用して温める機構を有するので高効率な燃料電池システムを提供することができる。
【００２０】
この理由は、温められた気体燃料を燃料改質槽に供給した方が燃料改質反応を効率良く行うことができるためである。
【００２１】
上記目的を達成するために第４の発明は、空気ブロワーから供給された酸化剤は、排ガス流路からの熱によって加温されて、ＳＯＦＣモジュールおよび加熱加湿槽に供給されることを提供する。
【００２２】
本発明によれば、酸化剤を本発明におけるＳＯＦＣモジュール発電で生じた熱のによって温める機構を有するので高効率な燃料電池システムを提供することができる。
【００２３】
この理由は、ＳＯＦＣモジュールの熱によって酸化剤を加温できるため、ＳＯＦＣモジュールおよび加熱加湿槽に供給される酸化剤を新たにヒーター等を設けて温める必要がないためである。
【００２４】
上記目的を達成するために第５の発明は、第二の燃料タンクには、ＳＯＦＣモジュールの発電によって生じる電気によって作動する燃料液供給ポンプを有することを提供する。
【００２５】
本発明によれば、第二の燃料タンクには、ＳＯＦＣモジュールの発電によって生じる電気によって作動する燃料供給ポンプを有するので高効率な燃料電池システムを提供することができる。
【００２６】
この理由は、常温・常圧で液体となる燃料液は、気体燃料と異なり低圧であるためタンクを開けても燃料は流れないためポンプ等で供給する必要があるが、これを外部電源を必要とせず、ＳＯＦＣモジュールの発電によって作動させることができるためである。
【００２７】
上記目的を達成するために第６の発明は、空気ブロワーは、ＳＯＦＣモジュールの発電によって生じる電気によって作動することを提供する。
【００２８】
本発明によれば、空気ブロワーをＳＯＦＣモジュールによって作動させることができるため高効率な燃料電池システムを提供することができる。
【００２９】
この理由は、空気ブロワーを作動させるための外部電源が不要となるためである。
【００３０】
上記目的を達成するため第７の発明は、第二の燃料タンクに貯えられた常温・常圧で液体となる燃料液は、メタノールであることを提供する。
【００３１】
本発明によれば、第二の燃料タンクに貯えられた燃料液がメタノールであるので高効率な燃料電池システムを提供することができる。
【００３２】
この理由は、メタノール燃料は、リチウムイオン二次電池よりエネルギー密度が１０倍程度有する高エネルギー密度を有するためである。また、ＳＯＦＣモジュールで発生する熱を利用して、気化させることができるため高エネルギー密度の状態の燃料として使用することができるためである。さらに、メタノールは水蒸気と反応して、（２）式に示されるように一酸化炭素と水素を生成するが、ＳＯＦＣの場合は一酸化炭素を燃料として使用することができるため、ＳＯＦＣモジュールの発電効率を向上させることができるためである。
ＣＨ３ＯＨ  ＋  Ｈ２Ｏ  ＝  ＣＯ  ＋  ３Ｈ２  −４９．８ｋＪ／ｍｏｌ          …  （２）
【００３３】
上記目的を達成するため第８の発明は、第一の燃料タンクに貯えられた常温・常圧で気体となる燃料は、ジメチルエーテルであることを提供する。
【００３４】
本発明によれば、第一の燃料タンクにおける燃料がジメチルエーテルなのでコンパクトで高効率な燃料電池システムを提供することができる。
【００３５】
この理由は、ジメチルエーテルは数気圧にすると液化するため、液体として容易に燃料タンクに詰めることができるので、燃料タンクを小さくすることができることと、常温・常圧で気化するので燃料タンクを開けると即気化することと、揮発性が高く酸素と燃焼反応を低温で起こすことができ、容易に燃料電池システムを稼動させることができるためである。さらに、ジメチルエーテルには硫黄などの成分がほとんど含まれていないためシステム内に脱硫装置を設ける必要がなく、コンパクトにすることができるためである。
【００３６】
上記目的を達成するため第９の発明は、燃料改質槽からＳＯＦＣモジュールへ供給される燃料の温度が４００℃〜９５０℃であることを提供する。
【００３７】
本発明によれば、ＳＯＦＣモジュールへ供給される燃料の温度が４００℃〜９５０℃であるので高効率な燃料電池システムを提供することができる。
【００３８】
この理由は、ＳＯＦＣモジュールへ供給される燃料の温度が４００℃未満であるとＳＯＦＣモジュールにおける温度が５００℃未満となり電池素子から得られる出力が低いので、トータルの燃料電池モジュールで得られる出力が低くなるためで、一方、９５０℃より高温になるとＳＯＦＣモジュールの温度は１０００℃を超える可能性があり、ＳＯＦＣから得られる出力が低下することと、高温を維持するために断熱材の厚みを厚くしなければならないので、システムが大きくなってしまうためである。
【００３９】
上記目的を達成するため第１０の発明は、ＳＯＦＣモジュールへ供給される燃料の温度が４００℃〜６５０℃であることを提供する。
【００４０】
本発明によれば、ＳＯＦＣモジュールへ供給される燃料の温度が４００℃〜６５０℃であるのでコンパクトな燃料電池システムを提供することができる。
【００４１】
この理由は、ＳＯＦＣモジュールへ供給される燃料の温度が４００℃〜６５０℃程度であると、ＳＯＦＣモジュール前段で必要な熱量を減らすことができるので燃料タンク等をよりコンパクトにできることと、放熱が小さいため断熱材の厚みを薄くすることができ、システム全体をコンパクトにすることができるためである。
【００４２】
上記目的を達成するため第１１の発明は、常温・常圧で気体となる燃料が貯えられた第一の燃料タンクのバルブを開放し前記燃料を燃料改質槽に供給する手段と、前記燃料改質槽において４００℃以上の温度に達したら水素および一酸化炭素を含む燃料ガスをＳＯＦＣモジュールに供給する手段と、前記ＳＯＦＣモジュールにおいて発電反応を起こさせる手段と、前記発電反応によって生じた電気によって常温・常圧で液体となる燃料液が貯えられた第二の燃料タンクに備えられた燃料液供給ポンプおよび空気ブロワーを作動する手段と、前記燃料液を前記ＳＯＦＣモジュール反応で発生した熱によって気化する手段と、前記ＳＯＦＣモジュールにおいて発電反応が起こり電気と熱を発生する手段と、を備えた燃料電池システムを提供する。
【００４３】
本発明によれば、常温・常圧で気体となる燃料が貯えられた第一の燃料タンクのバルブを開放しただけで燃料電池システムが自動的に立ち上がるため高効率な燃料電池システムを提供することができる。
【００４４】
この理由は、第一の燃料タンクのバルブを触ること以外は自動的に作動するため複雑な操作が不要であることと、システム外部から電源や熱源を必要としないためである。
【００４５】
上記目的を達成するため第１２の発明は、第一の燃料タンクに貯えられた常温・常圧で気体となる燃料がジメチルエーテルで、前記第二の燃料タンクに貯えられた常温・常圧で液体となる燃料液がメタノールであることを提供する。
【００４６】
本発明によれば、ジメチルエーテルで起動させ、メタノールを改質した燃料でＳＯＦＣモジュールを発電させるため、短時間が起動しかつ高効率な燃料電池システムを提供することができる。
【００４７】
この理由は、ジメチルエーテルは空気中の酸素と低温で燃焼反応を起こすことができるため短時間で温度を上げることができることと、高エネルギー密度を有するメタノールを改質した燃料を使用するのでＳＯＦＣモジュールで得られる発電性能が向上するためである。
【００４８】
【発明の実施形態】
本発明における燃料電池システムは、電動自転車やノート型パソコン等の小型機器の電源として好適なもので、ＳＯＦＣモジュールを備える。このＳＯＦＣモジュールは、水素や一酸化炭素を含む燃料と、空気に含まれる酸化剤とを利用した電気化学反応によって電気エネルギーを生じる。電気エネルギーを得る（１），（３）式の反応は発熱反応であるため、本発明の燃料電池システムは電気と熱の両方を提供することができる。
ＣＯ  ＋  １／２Ｏ２  ＝  ＣＯ２  ＋  ２８４．７ｋＪ／ｍｏｌ          …  （１）
Ｈ２  ＋  １／２Ｏ２  ＝  Ｈ２Ｏ  ＋  ２５０ｋＪ／ｍｏｌ          …  （３）
【００４９】
本システムは電気と熱を提供できるので可搬型の小型機器だけでなく、暖房便座付きトイレや洗浄機能付きトイレなどにも好適である。
【００５０】
本発明における燃料電池システムについて図１を用いて説明する。図１は、ＳＯＦＣモジュール７と、ＳＯＦＣモジュール７へ酸化剤を供給する空気ブロワー９と、ＳＯＦＣモジュール７へ水素および一酸化炭素を含む燃料ガスを供給する燃料改質槽６と、ＳＯＦＣモジュール７内で空気ブロワー９から供給された酸化剤と燃料改質槽６から供給された燃料ガスとが発電反応することによって生成した水蒸気と二酸化炭素と熱とを含む排気ガスが流れる排ガス流路１０６と、常温・常圧で気体となる燃料を貯えた第一の燃料タンク２と、常温・常圧で液体となる燃料液を貯えた第二の燃料タンク３と、第一の燃料タンク２に貯えられた燃料を加熱および加湿して燃料改質槽６へ供給する加熱加湿槽５と、第二の燃料タンク３に貯えられた燃料液を排ガス流路１０６からの熱によって気化させて燃料改質槽６へ供給する気化槽１２と、を備え、さらに第二の燃料タンク３に燃料液を供給する燃料液供給ポンプ８と、第一の燃料タンク２に燃料供給用のバルブ４と、第一の燃料タンク２に貯えられた燃料を排ガス流路１０６からの熱によって温めて燃料改質槽６へ供給する熱交換槽１１と、空気ブロワー９からの酸化剤を排ガス流路１０６からの熱によって温めてＳＯＦＣモジュール７および加熱加湿槽５へ供給する熱交換槽１３と、を備えている。
【００５１】
図２は、本発明における燃料電池システムに関する制御手段を説明するためのフローチャートである。図２のフローチャートについて第一の燃料タンク２に貯えられた燃料としてジメチルエーテルを、第二の燃料タンク３に貯えられた燃料液としてメタノールを用いた場合を例にとり、図１に示すシステムを用いて説明する。
【００５２】
まずは、第一の燃料タンク２に備えられたバルブ４を開く。バルブ４は、ジメチルエーテルを供給するとともに着火の機構を有する。バルブ４の着火機構によってジメチルエーテルは（４）式に示す燃焼反応を引き起こし、発熱する。
ＣＨ３ＯＣＨ３  ＋  ３Ｏ２  ＝  ３Ｈ２Ｏ  ＋  ２ＣＯ２  ＋  ７７８．８  ＫＪ／ｍｏｌ          …  （４）
（４）式で発生した熱とともに未反応のジメチルエーテルはさらに加熱加湿槽５において、酸素と反応して（５）または（６）の反応を起こし、さらに発熱する。
ＣＨ３ＯＣＨ３  ＋  ２Ｏ２  ＝  Ｈ２Ｏ  ＋  ２Ｈ２  ＋  ２ＣＯ２  ＋  ２７８．８  ＫＪ／ｍｏｌ          …  （５）
ＣＨ３ＯＣＨ３  ＋  Ｏ２  ＝  Ｈ２Ｏ  ＋  ２Ｈ２  ＋  ２ＣＯ  ＋  ２０４．８  ＫＪ／ｍｏｌ          …  （６）
（５）または（６）の反応で発生した熱と、水素および一酸化炭素と水蒸気を含む燃料とともに燃料改質槽６へ供給される。燃料改質槽６においては、未反応ジメチルエーテルが存在すれば水蒸気と反応し、（７）式に示す反応が生じるが加熱加湿槽５でほとんどのジメチルエーテルが反応するため（７）式での吸熱反応は無視できる程度である。
ＣＨ３ＯＣＨ３  ＋  Ｈ２Ｏ  →  ４Ｈ２  ＋  ２ＣＯ  −  ２０４．８  ＫＪ／ｍｏｌ          …  （７）
上記（４）〜（７）の反応によって４００℃以上の温度に達したら、水素および一酸化炭素を含む燃料がＳＯＦＣモジュール７に供給され（１），（３）式に示す発電反応を起こし、電気と熱を生成する。なお、ジメチルエーテルは発熱量が大きいことと低温で（５），（６）の反応を起こすので４００℃以上の温度には容易に達することから起動時の制御は特に無くても良い。
ＳＯＦＣモジュール７の発電によって、第二の燃料タンク３に設けられた燃料液供給ポンプ８と空気ブロワー９が稼動し、第二の燃料タンク３からメタノールが、空気ブロワーから酸化剤が供給される。メタノールは、ＳＯＦＣモジュール７の発電で生じた熱によって気化槽１２で気化され、メタノールガスとして燃料改質槽６へ供給される。燃料改質槽６において、メタノールガスが（２）式に示す改質反応を起こし、水素および一酸化炭素を含む燃料としてＳＯＦＣモジュール７へ供給される。
ＣＨ３ＯＨ  ＋  Ｈ２Ｏ  ＝  ＣＯ  ＋  ３Ｈ２  −４９．８ｋＪ／ｍｏｌ          …  （２）
一方、空気ブロワー９から酸化剤が燃料電池システム内に供給され、ＳＯＦＣモジュール７で発電反応が行われる。
【００５３】
本発明における第二の燃料タンクに貯えられる燃料液は、常温・常圧で液体となる燃料であれば良く、特に限定はないが、エネルギー密度の観点からメタノール、エタノールなどのアルコール系燃料が好ましい。燃料タンクをコンパクトにするという観点から液体燃料はエネルギー密度が大きいので好ましい。
【００５４】
アルコール系燃料として最もエネルギー密度が高いのがメタノールである。電解質膜が高分子膜タイプの燃料電池では、高濃度メタノールを使用するとメタノールクロスオーバーという現象により電池が劣化するため使うことができないが、本発明の電池はＳＯＦＣであるためメタノールクロスオーバーという問題はなく、高濃度で使用することができる。ＳＯＦＣではメタノールガスを（２）式に示す反応により水素と一酸化炭素に改質できるので、メタノールの１００％を燃料として使用でき、本発明の燃料電池システムは高効率となりより好ましい。
【００５５】
本発明における第二の燃料タンクには燃料液供給ポンプ８を有することが好ましい。この理由は、液体燃料はバルブを開いただけでは液が流れないこととポンプを有することで流量を制御することができるためである。また、燃料液供給ポンプの電源は、本発明のＳＯＦＣモジュール７の発電反応で生じる電気によって作動するものが好ましい。この理由は、ＳＯＦＣモジュール７の発電で生じる電気によって作動すれば定置型だけでなく可搬型にも適応できるである。
【００５６】
本発明における第一の燃料タンクに貯えられる燃料は、常温・常圧で気体である燃料であれば良く特に限定はないが、都市ガス、天然ガスなどの炭化水素系燃料、ジメチルエーテルなどの合成燃料が好ましい。燃料タンクをコンパクトにするという観点から燃料タンクに液体として貯蔵できる燃料が好ましい。この理由は、液体で貯蔵することができると燃料タンクをコンパクトにすることができるので小型機器の電源として採用することができるためである。
【００５７】
都市ガス、天然ガスなどの炭化水素系燃料を用いる場合、硫黄成分が含まれるために脱硫装置を設けた方が好ましいことや炭素数の多い炭化水素系燃料では炭素析出防止のため多量の水蒸気が必要となり水蒸気発生器を設置した方が好ましいなど、システムの小型化を妨げる要因が含まれる。これに対し、ジメチルエーテルは硫黄成分がほとんど含まれず、高次炭素を含まないため炭素析出の問題もないことから脱硫装置や水蒸気発生器が無くてもシステムを稼動させることができる。また、ジメチルエーテルは、低温で（４）〜（６）の反応を起こすことができるため起動・立ち上げを早くすることができる。これら観点からは第一の燃料タンクに貯えられる燃料としてはジメチルエーテルがより好ましい。
【００５８】
本発明における第一の燃料タンクに備えられたバルブ４には着火機構が付いたものが好ましい。着火機構が無くても発電可能であるが、本システムの起動をより早く行うためにはあることが好ましい。
【００５９】
本発明における加熱加湿槽５は、燃料改質槽６で必要な熱源と水蒸気を得るために設けられた槽である。本システムの条件や用途に応じて（４）〜（６）のいずれかの反応を行うことができればよい。（４）〜（６）の反応は、供給される酸素の量を制御することで決まるため酸素の量を制御できる機構を設けることが好ましい。加熱加湿槽５に供給される酸素は空気ブロワー９から供給されることが好ましい。
【００６０】
本発明における加熱加湿槽５は、（４）〜（６）の反応を効率良く行うために触媒を含むことが好ましい。触媒としては、少なくともアルミナを含む多孔質担体に白金、パラジウム等の貴金属を担持させたものを挙げることができる。
【００６１】
本発明における燃料改質槽６は、ＳＯＦＣモジュール７において有用な水素および一酸化炭素を含む燃料に改質するために設けられた槽である。また、ＳＯＦＣモジュールを効率良く発電させるため４００℃以上の温度でＳＯＦＣモジュール７へ燃料を供給できることが好ましい。この観点から、燃料改質槽６には（２）式の反応を促進させる触媒を含むことが好ましい。触媒としては、少なくともアルミナを含む多孔質担体にニッケルを担持させたものなどを挙げることができる。
【００６２】
本発明における空気ブロワー９は、ＳＯＦＣモジュール７の発電による電気によって稼動するものであることが好ましい。この理由は、ＳＯＦＣモジュール７の発電によって稼動すれば定置型だけでなく可搬型にも適応可能となるためである。空気ブロワー９で供給される酸化剤はＳＯＦＣモジュール７の発電、加熱加湿槽での反応、ＳＯＦＣモジュール７の冷却等で使用されるため流量を制御する機構を設けた方が良い。
【００６３】
なお、ここで示すＳＯＦＣモジュール７の冷却とは、燃料電池モジュール内が１０００℃を越えた場合や所定の温度より高い場合にＳＯＦＣモジュール７に過剰の酸化剤を供給して冷却するというものである。
【００６４】
本発明における熱交換槽１１は、第一の燃料タンク２から供給される燃料を温めて効率良く燃料を加熱するために設けられた槽である。熱交換槽１１での熱源は本発明のＳＯＦＣモジュール７での熱を用いることが好ましい。この理由は、排熱を有効活用でき、高効率であるためである。
【００６５】
本発明における熱交換槽１３は、空気ブロワー９から供給される酸化剤を温めて効率良く発電および加熱加湿を行わせるために設けられた槽である。熱交換槽１３での熱源は本発明のＳＯＦＣモジュール７での熱を用いることが好ましい。この理由は、排熱を有効活用でき、高効率であるためである。
【００６６】
また、本発明においては排ガスに含まれる排熱を第一の燃料タンクに貯えられた燃料や酸化剤の加温のために用いることが好ましいとしているが、用途によっては熱をシステム外に使用しても良い。例えば、洗浄機能付きトイレに本システムを搭載する場合、ＳＯＦＣモジュール７の発電による電気で洗浄機能を作動させ、熱を利用して洗浄水を温めるという使い方がある。
【００６７】
本発明に係るＳＯＦＣモジュールの一例について図３を用いて説明する。ＳＯＦＣモジュール７内部にはＳＯＦＣ３１が積層された状態で保持されている。ＳＯＦＣモジュール７内の固体酸化物形燃料電池素子（以下、ＳＯＦＣと示す。）３１のそれぞれには空気導入管３２が挿入されている。空気導入管３２はＳＯＦＣ３１とは反対側の端部にて空気分配器３３に接合されており，空気分配器３３に供給された空気が空気導入管３２に均等に分配されてＳＯＦＣ３１に供給されるようになっている。ＳＯＦＣモジュール７は断熱構造になっている。断熱構造は略直方体の一面が開口部であり、開口部に相対する面には孔が一個もしくは複数個貫通しているような容器形状をしており、前記孔を通じて改質後の燃料がＳＯＦＣモジュール７に供給される。ＳＯＦＣモジュール７の電池反応で生成した二酸化炭素、水蒸気、未反応燃料および未反応空気は、排ガス流路１０６を通じて排気される。
【００６８】
本発明に係るＳＯＦＣ３１について図４を用いて説明する。図４はＳＯＦＣ３１の断面図である。円筒状で支持体の機能を有する空気極４１上に帯状のインターコネクター４２、電解質４３、さらに電解質４３の上にインターコネクター４２と接触しないように燃料極４４が構成されている。空気極４１の内側に空気を流し、外側に燃料を流すと（８）式に示すように空気中の酸素が空気極と電解質の界面で電子と反応して、酸素イオンに変わり、この酸素イオンが電解質を通って燃料極に達する。そして、燃料ガスと酸素イオンが反応して水および二酸化炭素になる。これらの反応は（９），（１０）式で示される。燃料極４４とインターコネクター４２を接続することによって外部へ電気を取り出すことができる。
１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｏ２−          …  （８）
Ｈ２＋Ｏ２−→Ｈ２Ｏ＋２ｅ−          …  （９）
ＣＯ＋Ｏ２−→ＣＯ２＋２ｅ−            …  （１０）
【００６９】
図５は、空気極４１と電解質４３の間に空気側電極反応層４５を、そして電解質４３と燃料極４４の間に燃料側電極反応層４６を設けたタイプについて示した断面図である。空気側電極反応層４５は空気極側からの酸素ガスと電子から酸素イオンが生成する（８）式の反応を効率良く行うために設けられた層であり、この空気側電極反応層で生成した酸素イオンが電解質を通って燃料極側に移動する。そして、燃料側電極反応層４６で（９），（１０）式に示す反応が行われ、燃料極４４とインターコネクター４２を接続することで外部へ電気を取り出すことができる。
【００７０】
ＳＯＦＣは、電解質材料等の構成により適正温度が異なる。例えば、電解質材料においては、発電温度が９００〜１０００℃の場合は、イットリアあるいはスカンジアを固溶させたジルコニア、７００〜９００℃の場合は、スカンジアを固溶させたジルコニアや（Ｌａ１−ｘＳｒｘＧａ１−ｙＭｇｙＯ３）や（Ｌａ１−ｘＳｒｘＧａ１−ｙ―ｚＭｇｙＣｏｚＯ３）で表されるランタンガレート、５００〜７００℃の場合は、（ＣｅＯ２）１−２Ｘ（Ｂ２Ｏ３）Ｘ  （但し、Ｂ＝Ｓｍ，Ｇｄ，Ｙのいずれか一種、０．０５≦Ｘ≦０．１５）で表されるセリウム酸化物や（Ｌａ１−ｘＳｒｘＧａ１−ｙＭｇｙＯ３）や（Ｌａ１−ｘＳｒｘＧａ１−ｙ―ｚＭｇｙＣｏｚＯ３）で表されるランタンガレートを用いることが好ましい。ＳＯＦＣは５００〜１０００℃の範囲での発電が可能であるため、ＳＯＦＣモジュールへ供給する燃料の温度は４００〜９５０℃の範囲が好ましい。
【００７１】
本発明におけるＳＯＦＣの空気極はＳＯＦＣモジュールにおける空気雰囲気下において電子導電性が高く、酸素ガス透過性が高く、（８）式の反応が効率よく行えるものであることが好ましい。この観点から好ましい材料としてＬａＡＭｎＯ３（Ａ＝ＣａまたはＳｒのいずれか）で表されるランタンマンガナイト、ＬａＳｒＣｏＦｅＯ３で表されるランタンコバルタイト、ＬａＳｒＦｅＯ３、ＬａＳｒＦｅＣｏＯ３、ＬａＮｉＯ３、ＳｍＳｒＣｏＯ３、ＧｄＳｒＣｏＯ３などを挙げることができる。
【００７２】
（８）式の反応を効率よく行うことができ、出力性能を向上させるという観点からは空気極と電解質の間に空気側電極反応層と呼ばれる（８）式の反応を促進させる層を設けたものの方が好ましい。特に発電温度が低いほど（８）式の反応効率が低下するので空気側電極反応層の材料、微構造の適正化が重要となる。
【００７３】
空気側電極反応層は、（８）式の反応を効率良く行い、出力性能を向上させるために設けられた層であるので酸素イオン導電性と電子導電性が高いものが好ましい。さらに、電解質材料との熱膨張係数が近く、電解質および空気極との反応性が低く、密着性が良好である材料であることが好ましい。上記理由からＬａＡＭｎＯ３で表されるランタンマンガナイトとスカンジアを固溶させたジルコニアが均一に混合された層、ＬａＳｒＣｏＦｅＯ３で表されるランタンコバルタイト層、ＳｍＳｒＣｏＯ３層などを候補として挙げることができる。また、微構造としては酸素ガスを透過させなければならないので連通した開気孔を有することが好ましい。
【００７４】
本発明におけるＳＯＦＣの燃料極は燃料電池モジュールの燃料雰囲気において電子導電性が高い、水素ガスおよび一酸化炭素ガスの透過性が高いものであることが好ましい。この観点から燃料極材料としてはＮｉを含む材料が好ましい。Ｎｉは燃料電池発電において凝集するため燃料雰囲気で安定な材料を混合させたものが好ましい。この観点からＮｉとイットリアを固溶させたジルコニアが均一に混合させた層（以下、Ｎｉ／ＹＳＺと示す。）、Ｎｉとカルシウムを固溶させたジルコニアを均一に混合させた層（以下、Ｎｉ／ＣＳＺと示す。）、Ｎｉとセリウム酸化物を均一に混合させた層（以下、Ｎｉ／セリウム酸化物）などが好ましい。Ｎｉ／ＹＳＺ等のＮｉの含有量は５０〜９０重量部程度が好ましい。
【００７５】
（９），（１０）式の反応を効率良く行うことができ、出力性能を向上させるという観点からは電解質と燃料極の間に燃料側電極反応層を設けることが好ましい。特に発電温度が低いほど（９）、（１０）式の反応効率が低下するので燃料側電極反応層の材料、微構造の適正化が重要となる。
【００７６】
燃料側電極反応層としては、ＳＯＦＣモジュールの燃料雰囲気で電子導電性と酸素イオン導電性の両方の特性に優れるＮｉ／ＹＳＺ、Ｎｉとスカンジアを固溶させたジルコニアが均一に混合された層（以下、Ｎｉ／ＳＳＺと示す。）、Ｎｉ／セリウム酸化物、セリウム酸化物などが好ましい。Ｎｉ／ＹＳＺ等のＮｉの含有量は、１０〜５０重量部程度が好ましい。また、微構造としては水素ガス、一酸化炭素ガスを透過させなければならないので連通した開気孔を有することが好ましい。
【００７７】
本発明におけるＳＯＦＣのインターコネクターは燃料電池モジュールの空気雰囲気および燃料雰囲気において電子導電性が高い、ガス透過性が無い、酸素イオン導電性が無いものであることが好ましい。この観点からＣａ，Ｓｒ，Ｍｇのいずれかを固溶させたランタンクロマイトが好ましい。
【００７８】
小型機器用のＳＯＦＣの大きさとしてはマイクロチューブと呼ばれる外径の小さいタイプの固体酸化物形電池素子が好ましい。マイクロチューブ電池の外径としては２〜１０ｍｍ程度が好ましい。この理由は、２ｍｍより小さいと円筒部の極率が大きくなり、例えば、図４に示すタイプの燃料電池素子の場合、燃料極を成膜する際に電解質との間で剥がれを生じる可能性があるためで、一方、１０ｍｍより大きいと燃料電池モジュールに効率良く燃料電池素子を接続させることができないためである。
【００７９】
本発明における燃料電池システムにおけるＳＯＦＣのタイプとしては、円筒縦縞形を例に挙げて説明しているが、円筒横縞形、平板型などであっても良い。
【００８０】
平板型の場合は、インターコネクターはセパレータと呼ばれ、Ｃａ，Ｓｒ，Ｍｇのいずれかを固溶させたランタンクロマイトの他にフェライト系の耐熱性ステンレス等が用いられる。燃料電池モジュールの発電温度が８００℃以下の場合は、金属でも十分な耐久性があるのでランタンクロマイトより安価なフェライト系の耐熱性ステンレス等の金属であっても良い。
【００８１】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、ＳＯＦＣモジュール７と、前記ＳＯＦＣモジュールへ酸化剤を供給する空気ブロワーと、ＳＯＦＣモジュールへ水素および一酸化炭素を含む燃料ガスを供給する燃料改質槽と、前記ＳＯＦＣモジュール内で前記空気ブロワーから供給された酸化剤と前記燃料改質槽から供給された燃料ガスとが発電反応することによって生成した水蒸気と二酸化炭素と熱とを含む排気ガスが流れる排ガス流路と、常温・常圧で気体となる燃料を貯えた第一の燃料タンクと、常温・常圧で液体となる燃料液を貯えた第二の燃料タンクと、前記第一の燃料タンクに貯えられた燃料を加熱および加湿して前記燃料改質槽へ供給する加熱加湿槽と、前記第二の燃料タンクに貯えられた燃料液を、前記排ガス流路からの熱によって気化させて前記燃料改質槽へ供給する気化槽と、を備えることを特徴とする燃料電池システムを提案したので、メタノール等の高エネルギー密度を有する液体燃料を燃料として使用することができるＳＯＦＣモジュールを備えた燃料電池システムを提供することをできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池システムについて説明する図である。
【図２】本発明に係る燃料電池システムの制御手段を説明するためのフローチャートである。
【図３】本発明に係る燃料電池モジュールについて説明する図である。
【図４】本発明に係る固体酸化物形燃料電池素子について説明する図である。
【図５】本発明に係る固体酸化物形燃料電池素子について説明する図である。
【符号の説明】
１…燃料電池システム
２…第一の燃料タンク
３…第二の燃料タンク
４…バルブ
５…加熱加湿槽
６…燃料改質槽
７…ＳＯＦＣモジュール
８…燃料液供給ポンプ
９…空気ブロワー
１０…空気分岐槽
１１…熱交換槽
１２…気化槽
１３…熱交換槽
１０１…第一の燃料タンクから燃料改質槽に通じる燃料流路
１０２…第二の燃料タンクから燃料改質槽に通じる燃料流路
１０３…燃料改質槽からＳＯＦＣモジュールへ通じる燃料流路
１０４…空気ブロワーからＳＯＦＣモジュールへ通じる酸化剤流路
１０５…空気流路から加熱加湿槽に通じる酸化剤流路
１０６…排ガス流路
３１…固体酸化物形燃料電池素子（ＳＯＦＣ）
３２…  空気導入管
３３…  空気分配器
４１…空気極
４２…インターコネクター
４３…電解質
４４…燃料極
４５…空気側電極反応層
４６…燃料側電極反応層
【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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