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JP5624791B2 - 発電装置 - Google Patents

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Description

本発明は、燃料ガスを燃料電池の燃料極に供給して発電するための発電装置に関するものである。
燃料電池は、電解質を介した燃料極及び空気極からなっている。ここに燃料ガス等を供給して発電が行われる。特に固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）は、固体酸化物からなる電解質に燃料極（水素極）と空気極（酸素極）とを接合等したもので、燃料極に燃料ガスを、空気極に空気等をそれぞれ供給して、高出力の電力を発生することができる。また、固体酸化物型燃料電池は、水素ガスだけでなく、一酸化炭素を多量に含むガス（例えば自動車等の内燃機関により駆動する車両の排ガス）も燃料ガスとして使用できる。
このような固体酸化物型燃料電池を円筒型としたものが、特許文献１に記載されている。特許文献１の燃料電池は、燃料電池に直接管継手を螺着させ、ガスタンクと接続するものである。
しかしながら、燃料電池の電極は燃料極でも空気極でも多孔質体が用いられるので、この電極を直接他の部材と接触させることは、強度的に問題がある。すなわち、長期間の使用で電極が破損することがある。
特開２００３−２８２１２８号公報
本発明は、上記従来技術を考慮したものであって、管状（筒型）の燃料電池を他の部材と接続して使用する場合であっても、取付強度の向上あるいは耐久性の向上を図ることができ、さらに外側の電極に対しても所定の流速で燃料又は空気を供給することができる発電装置を提供することを目的とする。
前記目的を達成するため、請求項１の発明では、水素及び酸素が混入した燃料ガスの供給を受ける内外の電極で電解質層を挟み込み、内部が前記燃料ガスの内側流通路として形成された管状の燃料電池と、該燃料電池の外側に前記外電極と間隔を存して配置されるとともに、前記燃料電池と協働して二重管構造を形成するカバー管と、前記燃料電池と前記カバー管との一端部同士及び他端部同士を接続し、前記燃料電池の外側に前記間隔を利用して前記燃料ガスの外側流通路を確保する接続部材と、前記カバー管の両端部に接続され、前記外側流通路を含む前記燃料ガスの流通経路を前記カバー管とともに形成しつつ、前記内側流通路を含む前記燃料ガスの流通経路を前記燃料電池とともに形成し、前記燃料電池とは非接触な燃料ガス管とを備えたことを特徴とする発電装置を提供する。
請求項２の発明では、請求項１の発明において、前記間隔は、前記燃料電池の内径より小さいことを特徴としている。
請求項３の発明では、請求項１の発明において、前記接続部材は、前記外側流通路の上流端及び下流端を塞ぐべくそれぞれ配置され、前記外側流通路を通じての前記燃料ガスの流通を確保するための貫通孔を有することを特徴としている。
請求項１の発明によれば、カバー管が燃料ガス管と接続されるため、直接燃料電池と燃料ガス管が接触して接続されることはない。したがって、カバー管の材質を適宜変更することにより、取り付けるべき燃料ガス管の構造、材質に応じてその取付強度及び耐久性を確保することができる。また、燃料電池とカバー管で二重管構造を形成するので、燃料電池の外側に位置する電極（アノード又はカソード）にも所定の流速で燃料ガスを供給することができる。
請求項２の発明によれば、燃料電池とカバー管との間の間隔を流れる燃料ガスの流速をさらに高速にすることができ、燃料電池の外側に位置する電極に対する燃料ガスの供給量を増加させることができる。
請求項３の発明によれば、外側流通路の上流端及び下流端に接続部材が配置されるので、燃料電池又はカバー管、あるいはその両方がその両端において互いに接続される。したがって、互いの接続を安定させることができる。接続部材には、貫通孔が設けられているので、外側流通路を通じての燃料ガスの流通が妨げられることはない。
本発明に係る発電装置の概略断面図である。 スタックの例を示す概略断面図である。 スタックの別の例を示す概略正面図である。
図１に示すように、本発明に係る発電装置１は、燃料電池２と、カバー管９と、接続部材１３と、燃料ガス管１２とを備えている。燃料電池２は、管状に形成されている。このように管状に形成された燃料電池２はチューブ型とも呼ばれる。図の例では、内側に内電極として燃料極（アノード）５が配置され、外側に外電極として空気極（カソード）６が配置されている。これら燃料極５及び空気極６で固体酸化物からなる電解質層７が挟み込まれている。すなわち、燃料電池２はＳＯＦＣである。カバー管９は、燃料電池２の外側に間隔を存して配置されている。このカバー管９も管状であるため、同じく管状の燃料電池２と協働して二重管構造を形成している。図の例では、燃料電池２とカバー管９はその長さが略同等であるため、それぞれの両端部において接続部材１３で接続されている。このように燃料電池２とカバー管９とを両端部で接続することで、互いに安定して接続することができる。なお、接続部材１３の位置は適宜変更可能である。
燃料ガスは、燃料ガス管１２の上流側から矢印Ｂ方向に流通する。そして、燃料電池２を通過する際に、燃料電池内側に形成された内側流通路３と、燃料電池外側に形成された外側流通路４を通る。外側流通路４には、接続部材１３を貫通する流入孔（貫通孔）１０を通って流入する。燃料ガスは、そのまま矢印Ａ方向に流通し、接続部材１３を貫通する流出孔（貫通孔）１１から流出する。図の例では、接続部材１３が外側流通路４の上流端及び下流端を塞いでいるが、接続部材１３の流入孔１０及び流出孔１１が設けられているので、燃料ガスの流通が妨げられることはない。なお、少なくとも接続部材１３で外側流通路４の下流端を塞ぐことにより、内側流通路３を通る燃料ガスの流速で流出孔１１内に負圧を生じさせ、外側流通路４内に燃料ガスの流れを形成することができる。
燃料ガスには、水素と酸素が混入している。燃料ガスが排ガスの場合は、排ガス中のメタンガス等や一酸化炭素等に含まれる水素や酸素が電極との反応物質となる。これにより、空気極６は酸素を還元し、還元された酸素イオンが電解質７を通り、燃料極５で燃料ガス中の水素と反応して水を生成する。このとき、燃料極５で生じた電子が回路（不図示）を移動して、空気極６で再び酸素をイオン化するとともに、回路に電流が流れて発電される。
燃料ガス管１２と燃料電池２は、カバー管９を介して接続されている。すなわち、燃料ガス管１２にはカバー管９が直接接触して気密に接続される。これにより、直接燃料電池２と燃料ガス管１２が接触して接続されることはない。したがって、カバー管９の材質を適宜変更することにより、取り付けるべき燃料ガス管１２の構造、材質に応じてその取付強度及び耐久性を確保することができる。これにより、燃料ガス管が車両の排ガス管である場合に、車両の移動による振動にも長期間耐えることができる。さらに、燃料電池２とカバー管９で二重管構造を形成するので、燃料電池２の外側に位置する空気極６にも所定の流速で燃料ガスを供給することができる。すなわち、外側流通路４の幅を狭くすることで、ガスの流速を速め、空気極６への燃料ガスの供給量を増加することができる。この幅（燃料電池２とカバー管９との間隔）をさらに狭くして、内側流通路の半径よりも小さくすれば、内側流通路３をある程度広く確保できるとともに、外側流通路４の流速も向上させることができるため、好ましい。燃料ガスを排ガスとした場合は、電極と反応する成分の濃度が低いため、このように流速を高めることが極めて重要となる。排ガスを用いる場合、上流側に燃料改質材（不図示）を設けておくことが好ましい。この燃料改質材は、排ガス中の炭化水素や水等を水素に変換するためのものであり、水素濃度を向上させるものである。
このような発電装置１を複数用いると、図２又は図３に示すようなスタック８となる。図２の例では、縦に４つの発電装置を並べたものであるが、中間に位置する２つに関して本発明に係る発電装置１を用いている。図３の例では、発電装置を６×５の計３０個用いたスタック８を示している。この場合は、中間に位置する４×３の計１２個の発電装置に関して本発明に係る発電装置１を用いている。燃料電池２とカバー管９とを用いて二重管構造とし、取付強度の向上と流速の高速化を図ったことで、このようなスタック８としたときの内側に配する発電装置として特に好ましく適用できる。外側に配置される発電装置１４は、従来用いられているチューブ型の燃料電池を用いてよい。図２では、外側の発電装置１４も燃料電池２とカバー管９との二重管構造とし、外側流通路の取り入れ口１５をカバー管９に設け、外部に空気から取り入れることにしている。このように、外側に配置される発電装置１４に関しては、空気極６に供給するガスとして外気を用いることが好ましい。
１ 発電装置
２ 燃料電池
３ 内側流通路
４ 外側流通路
５ 燃料極
６ 空気極
７ 電解質
８ スタック
９ カバー管
１０ 流入孔
１１ 流出孔
１２ 燃料ガス管
１３ 接続部材
１４ 発電装置
１５ 取り入れ口

Claims (3)

  1. 水素及び酸素が混入した燃料ガスの供給を受ける内外の電極で電解質層を挟み込み、内部が前記燃料ガスの内側流通路として形成された管状の燃料電池と、
    該燃料電池の外側に前記外電極と間隔を存して配置されるとともに、前記燃料電池と協働して二重管構造を形成するカバー管と、
    前記燃料電池と前記カバー管との一端部同士及び他端部同士を接続し、前記燃料電池の外側に前記間隔を利用して前記燃料ガスの外側流通路を確保する接続部材と、
    前記カバー管の両端部に接続され、前記外側流通路を含む前記燃料ガスの流通経路を前記カバー管とともに形成しつつ、前記内側流通路を含む前記燃料ガスの流通経路を前記燃料電池とともに形成し、前記燃料電池とは非接触な燃料ガス管とを備えたことを特徴とする発電装置。
  2. 前記間隔は、前記燃料電池の内径より小さいことを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
  3. 前記接続部材は、前記外側流通路の上流端及び下流端を塞ぐべくそれぞれ配置され、前記外側流通路を通じての前記燃料ガスの流通を確保するための貫通孔を有することを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
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