(57)【要約】【課題】内燃機関やガスタービン等の本来の運転をしながら発電できる燃焼装置を提供する。【解決手段】実質的に壁で囲まれ、供給された燃料及び空気の混合ガスに着火されて燃焼する燃焼室１６内に、平板状の燃料電池セル３０，３０が配設されていることを特徴とする。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
実質的に壁で囲まれ、供給された燃料及び空気の混合ガスに着火されて燃焼する燃焼室内に、平板状の燃料電池セルが配設されていることを特徴とする燃焼装置。
【請求項２】
燃料電池セルが、燃焼室の内壁面に配設されている請求項１記載の燃焼装置。
【請求項３】
燃料電池セルが、固体電解質基板の燃焼室に臨む面に、その平面方向に複数の帯状のアノード層が所定の間隙を介して配設されていると共に、前記アノード層間の間隙に帯状のカソード層が配設されている請求項１又は請求項２記載の燃焼装置。
【請求項４】
燃料電池セルのアノード層が、Ｌｉが固溶されたＮｉＯを主成分とする焼成体によって形成されている請求項１〜３のいずれか一項記載の燃焼装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃焼装置に関し、更に詳細には燃料電池セルが配設された燃焼装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃焼装置に発電機能を付加すべく、燃料電池セルが設けられた燃焼装置については、例えば下記特許文献１に提案されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平６−１９６１７６号公報（〔００１９〕、図５）
【０００４】
特許文献１に記載された燃焼装置に用いられている燃料電池の概要を、図８に示す。図８に示す燃料電池は、燃料電池セル１００が、円筒状であって、ジルコニアから成る円筒状の固体電解質層の内周面側にカソード層が形成されていると共に、この固体電解質層の外周面側にアノード層が形成されている。
かかる燃料電池セル１００は、燃焼装置１０２で着火された火炎１０４の還元炎１０６内にアノード層が位置するように配設する。
この様に、還元炎１０６内にアノード層が位置するように配設された円筒状の燃料電池セル１００では、カソード層が形成された内周面側に火炎１０４の対流によって送り込まれる空気中の酸素と、アノード層が形成された外周面が晒される還元炎１０６内に存在する炭化水素、水素、種々のラジカル等とを利用し、発電することができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
図８に示す燃料電池が設けられた燃焼装置は、暖房用や給湯用に用いることができ、予期せぬ停電等にも対応できる。
しかし、図８に示す燃料電池は、燃料電池セル１００が円筒形であり、充分な量の空気を燃料電池セル１００の内周面側に送り込むためには、送風機等によって強制的に空気を送り込むことを要する。
このため、火炎１０４を開放空間内に形成することが必要となり、内燃機関やガスタービンの燃焼室の様に、実質的に壁で囲まれて限られた空間の燃焼室内に燃料電池セル１００を載置することはできない。
唯、内燃機関やガスタービン等の燃焼室内には、燃料及び空気の混合ガスが供給され且つ高温に維持されているため、燃焼室内に燃料電池セルを装着できれば、内燃機関等の本来の運転をしながら発電も行うことができる。
そこで、本発明の課題は、内燃機関やガスタービン等の本来の運転をしながら発電できる燃焼装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、前記課題を解決すべく検討した結果、平板状の燃料電池セルを用いることによって、内燃機関の燃焼室内に燃料電池セルを配設できることを見出し、本発明に到達した。
すなわち、本発明は、実質的に壁で囲まれ、供給された燃料及び空気の混合ガスに着火されて燃焼する燃焼室内に、平板状の燃料電池セルが配設されていることを特徴とする燃焼装置にある。
かかる本発明において、燃料電池セルを燃焼室の内壁面に配設することによって、燃料電池セルの固着を容易に行うことができる。
この燃料電池セルとして、固体電解質基板の燃焼室側に臨む面に、その平面方向に複数の帯状のアノード層が所定の間隙を介して配設されていると共に、前記アノード層間の間隙に帯状のカソード層が配設されている燃料電池セルを用いることによって、燃料電池セルを燃焼室の内壁面に容易に配設できる。
また、燃料電池セルのアノード層を、Ｌｉが固溶されたＮｉＯを主成分とする焼成体によって形成することにより、燃焼室の燃焼が希薄燃料による場合であっても発電を行うことができる。
【０００７】
本発明では、燃料電池セルとして、平面状の燃料電池セルを用いることによって、限られた空間の燃焼室内にも燃料電池セルを設置でき、且つ燃料電池セルは、燃料ガスと酸素との混合ガス中に載置されても、混合ガスに着火された火炎中に載置されて発電できる。
その結果、内燃機関やガスタービン等の燃焼装置として、燃料電池を設けた燃焼室を具備する燃焼装置を採用でき、内燃機関やガスタービン等の本来の運転をしながら発電も行うことができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明に係る燃焼装置を、図１に示す発電装置に用いた燃焼装置で説明する。図１に示す発電装置は、ガスタービン１０、エアコンプレッサー１２及び発電機１４が直列に配列されており、ガスタービン１０で回転される回転軸１１によってエアコンプレッサー１２及び発電機１４が回転駆動される。
このガスタービン１０は、燃焼装置を構成する燃焼室１６に供給された燃料とエアコンプレッサー１２によって圧縮されて供給された圧縮空気とが燃焼した燃焼ガスによって回転駆動される。
【０００９】
図１に示す燃焼室１６は、図２に示す様に、圧縮空気と燃料との混合ガスを供給する供給配管２０、及び混合ガスに着火されて燃焼された燃焼ガスの排出配管２２が壁面に開口されているのみであり、実質的に壁で囲まれている。かかる燃焼室１６の壁面には、平板状の燃料電池セル３０，３０が配設されている。
この燃料電池セル３０は、図３（ａ）に示す様に、燃焼室１６を形成する壁１８の内壁面１８ａに固着されている。かかる燃料電池セル３０は、内壁面１８ａに固着された固体電解質基板３２の燃焼室側に臨む面に、その平面方向に複数の帯状のアノード層３４，３４・・が所定の間隙を介して配設されていると共に、アノード層３４，３４間の間隙に帯状のカソード層３６が配設されている。
かかる燃料電池セル３０のアノード層３４，３４・・は、図４に示す様に、その各一端部が連結されて櫛刃状に形成されており、カソード層３６，３６・・も、その各一端部が連結されて櫛刃状に形成されている。
尚、図４に示す燃料電池セル３０でも、発電可能であることは、Ｐｈｉｌｉｐｓ  Ｒｅｓ．  Ｒｅｐｔｓ  ２０，８１−６３（１９６５）に記載されており、火炎中に挿入された燃料電池セル３０が発電可能であることは、前述した特許文献１に記載されている。
【００１０】
図３（ａ）に示す燃料電池セル３０は、燃焼室１６を形成する壁１８の強度を低下させることなく設けることができる。このため、燃焼室１６が加圧状態で運転される場合に適しているが、カソード層３６側の酸素濃度が不足し易い。このため、燃焼室１６が大気圧近傍で運転される場合には、図３（ｂ）に示す様に、燃焼室１６を形成する壁１８を貫通して形成された穴部１９に、燃料電池セル３０を配設する。
この図３（ｂ）に示す燃料電池セル３０は、平板状の固体電解質基板３２の一面側にアノード層３４を設け、他面側にカソード層３６を設けたものである。かかる燃料電池セル３０は、アノード層３４が燃焼室１６に臨むように配設し、カソード層３６の表面を覆うように被着した多孔質支持板３８とボルト４０，４０とによって壁１８に固着する。
この様に、壁１８に固着された燃料電池セル３０は、大気中に配設されたカソード層３６が多孔質支持板３８によって覆われているため、多孔質支持板３８を通過した空気とカソード層３６とが接触でき、カソード層３６に充分な量の酸素を供給できる。
【００１１】
図３（ａ）（ｂ）に示す様に、内壁面に燃料電池セル３０を固着した燃焼室１６では、その固着強度を高強度にできるため、混合ガスの供給量が変動等して燃焼室１６に内圧変動が惹起されてもよい。
唯、この場合、燃料電池セル３０を固着できる燃焼室１６の内壁面の面積には限界が存在し、設置できる燃料電池セル３０の大きさや枚数等にも限界が存在する。
このため、燃焼室１６の内圧変動が少ない場合には、図５に示す様に、燃焼室１６の空間部に複数の燃料電池セル３０，３０・・を支柱４２，４２・・で支承して設けることによって、設置できる燃料電池セル３０の大きさや枚数等を、図２に示す燃焼室１６に比較して増加できる。
かかる図５に示す燃料電池セル３０としては、図６（ａ）〜図６（ｃ）に示す燃料電池セル３０を使用できる。
図６（ａ）〜図６（ｃ）に示す燃料電池セル３０のうち、図６（ａ）に示す燃料電池セル３０は、平板状の固体電解質基板３２の一面側にアノード層３４を設け、他面側にカソード層３６を設けたものである。
また、図６（ｂ）に示す燃料電池セル３０は、固体電解質基板３２の一面に、その平面方向に複数の帯状のアノード層３４，３４・・が所定の間隙を介して配設されていると共に、このアノード層３４，３４間の間隙に帯状のカソード層３６が配設されているものである。
更に、図６（ｃ）に示す燃料電池セル３０は、固体電解質基板３２の両面に、その各平面方向に複数の帯状のアノード層３４，３４・・が所定の間隙を介して配設されていると共に、このアノード層３４，３４間の間隙に帯状のカソード層３６が配設されているものである。
【００１２】
かかる図６（ａ）〜図６（ｃ）に示す燃料電池セル３０の一種又は二種以上を、図５に示す燃焼室１６内に配設できる。
図３〜図６に示す平板状の燃料電池セル３０が燃焼室１６内に設けられた図１に示す発電装置では、発電機１４による発電の他に、燃焼室１６内に設けられた燃料電池セル３０でも発電を行うことができ、その発電効率の向上を図ることができる。
【００１３】
また、内燃機関の燃焼室内に燃料電池セル３０を設置した例を図７に示す。図７（ａ）に示す内燃機関は、シリンダ５０内を矢印の方向に昇降するピストン５２が設けられている。このピストン５２の昇降に伴なって、シリンダ５０の内壁面とピストン５２の先端面とによって囲まれた燃焼室内に、燃料と空気との混合ガスの供給、圧縮、点火、及び燃焼ガスの排出がなされる。
かかる内燃機関の燃焼室を形成するピストン５２の上端面には、図７（ｂ）に示す様に、燃料電池セル３０が設けられており、この燃料電池セル３０で発電された電気は、ピストン５２中に配設された取出線５４を介して取り出される。
この燃料電池セル３０は、図３（ａ）に示す平板状の燃料電池セル３０、つまりピストン５２の先端面に固着された固体電解質基板３２の燃焼室側に臨む面に、その平面方向に複数の帯状のアノード層３４，３４・・が所定の間隙を介して配設されていると共に、アノード層３４，３４間の間隙に帯状のカソード層３６が配設されているものである。
かかる平板状の燃料電池セル３０は、内燃機関の燃焼室内に圧縮された混合ガスに点火されて爆発した際にも、ピストン５２の先端面からの剥離や破損を防止できる。
この様に、内燃機関の燃焼装置にも、燃料電池が配設された燃焼室を設けることによって、内燃機関の本来の運転をしつつ、燃料電池で発電した電気を取り出すことができる。
【００１４】
以上、説明してきた図１〜図７に示す燃料電池セル３０を構成する、固体電解質基板３２、アノード層３４及びカソード層３６は、公知のものを用いることができるが、固体電解質基板３２としては、酸素イオン伝導体であって、イットリウム（Ｙ）やスカンジウム（Ｓｃ）等の周期律表第３族元素により部分安定化されたジルコニア酸化物、或いはサマリウム（Ｓｍ）やガドリウム（Ｇｄ）等がドープされたセリウム酸化物によって形成することが好ましい。
また、アノード層３４としては、Ｌｉが固溶されたＮｉＯを主成分とする焼成体によって形成されているアノード層３４を採用することによって、燃焼室１６の燃焼が希薄燃料による場合であっても発電できる。この焼成体は、導電性を有するセラミックであって、Ｌｉ化合物をＮｉＯにＬｉ２Ｏ換算で１〜１５ｍｏｌ％添加し、焼成処理して得られる焼成体である。
かかるアノード層３４には、ロジウム、白金、ルテニウム、パラジウム、レニウム又はイリジウムから成る金属又はその酸化物が配合されている。この様な金属又はその酸化物が配合されたアノード層３４を具備する燃料電池セル３０によれば、ロジウム等の金属又はその酸化物が配合されていないアノード層を具備する燃料電池セルよりも高い発電性能を呈することができる。
このロジウム、白金、ルテニウム、パラジウム、レニウム又はイリジウムから成る金属又はその酸化物は、アノード層３４中に金属換算で１〜５０重量％となるように配合することが好ましい。
かかるアノード層３４を構成する副成分として、サマリアドープドセリア、スカンジア安定化ジルコニア、イットリア安定化ジルコニアのうちのいずれかが５０体積％以下含まれるようにすることによって、ロジウム、白金、ルテニウム、パラジウム、レニウム又はイリジウムから成る金属又はその酸化物と混合ガス等との接触面積を拡大できる。
更に、カソード層３６には、ストロンチウム（Ｓｒ）等の周期律表第３族元素が添加されたランタンのマンガン、ガリウム又はコバルト酸化化合物から形成されているカソード層３６を好適に採用できる。
【００１５】
【発明の効果】
本発明に係る燃焼装置を具備する内燃機関やガスタービン等では、その本来の運転をしながら発電できる。このため、燃料の有するエネルギーを機械的エネルギーに変換しつつ、電気エネルギーとしても取り出すことができ、燃料の有するエネルギーを可及的に有効に利用でき、省資源化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料装置を具備する発電機の概略を説明する概略図である。
【図２】図１に示す燃料装置を構成する燃焼室の一例を説明する断面図である。
【図３】図２に示す燃焼室に設けられた燃料電池セルについて説明する断面図である。
【図４】図３（ａ）に示す燃料電池セルについての斜視図である。
【図５】図１に示す燃料装置を構成する燃焼室の他の例を説明する断面図である。
【図６】図５に示す燃焼室に設けられた燃料電池セルについて説明する断面図である。
【図７】本発明に係る燃料装置を具備する内燃機関の概略及びその燃焼室内に燃料電池セルを設けた一例を説明する説明図である。
【図８】従来の燃焼装置について説明する概略図である。
【符号の説明】
１０  ガスタービン
１１  回転軸
１２  エアコンプレッサー
１４  発電機
１６  燃焼室
１８  壁
１９  穴部
２０  供給配管
２２  排出配管
３０  燃料電池セル
３２  固体電解質基板
３４  アノード層
３６  カソード層
３８  多孔質支持板
４０  ボルト
４２  支柱
５０  シリンダ
５２  ピストン
５４  取出線
【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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【図８】
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