JP5588689B2

JP5588689B2 - 固体酸化物形燃料電池

Info

Publication number: JP5588689B2
Application number: JP2010019961A
Authority: JP
Inventors: 忠幸曽木; 勝己檜垣
Original assignee: Osaka Gas Co Ltd
Current assignee: Osaka Gas Co Ltd
Priority date: 2010-02-01
Filing date: 2010-02-01
Publication date: 2014-09-10
Anticipated expiration: 2030-02-01
Also published as: JP2011159485A

Description

本発明は、燃料ガスを燃料として発電を行う燃料電池セルスタックを備えた固体酸化物形燃料電池に関する。

従来より、酸化物イオンを伝導する膜として固体電解質を用いた燃料電池セルスタックを備えた固体酸化物形燃料電池が知られている。この固体酸化物形燃料電池では、一般的に、固体電解質としてイットリアをドープしたジルコニアが用いられており、この固体電解質の一方側には燃料ガス（例えば、天然ガス）を酸化するための燃料極が設けられ、その他方側には酸化剤（例えば、空気中の酸素）を還元するための空気極が設けられている。燃料電池セルスタックの作動温度は約７００〜１０００℃と高く、このような高温下において、改質された燃料ガス中の水素、一酸化炭素、炭化水素等と酸化剤としての空気中の酸素とが電気化学反応を起こすことによって発電が行われる。

燃料ガスは改質器にて改質（例えば、水蒸気を用いた水蒸気改質）され、改質された燃料ガスが燃料電池セルスタックの燃料極側に送給される。この改質器に送られる燃料ガス、例えば都市ガス、ＬＰガスには、ガス漏洩時に知覚できるように付臭剤が含有され、この付臭剤は硫黄成分を含んでいる。付臭剤中の硫黄成分は改質触媒に悪影響を及ぼし、改質触媒の性能劣化を引き起こす原因になり、それ故に、改質器に送給する前に燃料ガス中の付臭剤、特にその硫黄成分を除去する必要がある。

このために、改質器の上流側に脱硫器が配設され（例えば、特許文献１参照）、脱硫器内の脱硫剤によって燃料ガス中の硫黄成分が取り除かれ、硫黄成分が除去された燃料ガスが改質器に送給される。

特開２００６−３１３６８７号公報

燃料ガス中に含まれる付臭剤（硫黄成分）を除去するために、一般的な脱硫剤（例えば、常温脱硫剤などの物理吸着型の脱硫剤）を使用しているが、このような一般的な脱硫剤は、吸着性能が低く、交換頻度が増えるという問題があったり、燃料ガス中の水分の影響を受け易く、露点が高い燃料ガスでは吸着性能が著しく劣化する問題がある。

このようなことから、脱硫剤として一般的なものに代えて、超高次脱硫剤を用いることが考えられる。この超高次脱硫剤は使用に際して所定条件を維持する必要があるが、吸着性能が高く、また燃料ガス中の水分の影響を受けないために、家庭用をターゲットとした燃料電池では１０年間の交換不要のメリットが得やすくなる。

本発明の目的は、超高次脱硫剤を用いて燃料ガス中の硫黄成分を長期にわたって除去することができる固体酸化物形燃料電池を提供することである。

本発明の請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池は、燃料ガス供給源からの燃料ガスを燃料ガス供給流路を通して供給するための燃料ガス供給手段と、前記燃料ガス供給流路を通して供給される燃料ガス中の硫黄成分を除去するための脱硫器と、脱硫された燃料ガスを改質するための改質器と、前記改質器にて改質された改質燃料ガス及び酸化剤の酸化及び還元によって発電を行う燃料電池セルを複数個備えた燃料電池セルスタックと、該燃料電池セルスタックの前記燃料ガス排出側に配設された燃焼室と、前記改質器、前記燃料電池セルスタック及び前記燃焼室を収容するための電池収容ハウジングとを備えた固体酸化物形燃料電池であって、
前記電池収容ハウジングは、金属製の電池ハウジング本体と、前記電池ハウジング本体の内側に配設された内側断熱部材とを備えており、
前記脱硫器は、超高次脱硫剤を収容した脱硫ハウジングを備え、前記脱硫ハウジングが前記電池ハウジング本体の外面に近接乃至接触して配設され、前記脱硫器に関連して、改質燃料ガスを前記燃料ガス供給流路に戻すためのリサイクル流路が設けられており、
また、前記燃料ガス供給流路には、前記脱硫器の上流側に燃料ガスを昇圧して供給するための昇圧ポンプが配設され、前記リサイクル流路は、前記燃料ガス供給流路における前記昇圧ポンプの配設部位より上流側に接続され、前記燃料ガス供給流路における前記リサイクル流路との接続部位より上流側に、更に、前記リサイクル流路との接続部位に流れる燃料ガスの圧力を調整するための圧力調整手段が設けられ、前記圧力調整手段は、前記リサイクル流路との前記接続部位を流れる燃料ガスの圧力を大気圧よりも低くなるよう調整することを特徴とする。

また、本発明の請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池では、前記圧力調整手段は、前記燃料ガス供給流路を流れる燃料ガスの流量を絞る絞り手段を含んでいることを特徴とする。

また、本発明の請求項３に記載の固体酸化物形燃料電池では、前記圧力調整手段は、燃料ガスの圧力を実質上大気圧に保つためのゼロガバナを含んでいることを特徴とする。

また、本発明の請求項４に記載の固体酸化物形燃料電池では、前記脱硫器の前記脱硫ハウジングは、相互に連通された第１及び第２ハウジング部を備え、前記第１及び第２ハウジング内に前記超高次脱硫剤が収容され、前記第１ハウジング部に燃料ガスが流入する流入部が設けられ、前記第２ハウジング部に、脱硫された燃料ガスが流出する流出部が設けられ、前記第１ハウジング部が前記電池ハウジング本体の片側部に近接乃至接触して配設され、前記第２ハウジング部が前記電池ハウジング本体の他側部に近接乃至接触して配設されていることを特徴とする。

更に、本発明の請求項５に記載の固体酸化物形燃料電池では、前記電池ハウジング本体と前記脱硫ハウジングの特定部位との間には、前記電池ハウジング本体からの熱を制御するための断熱材が介在されていることを特徴とする。

本発明の請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池によれば、脱硫剤として超高次脱硫剤が用いられ、この超高次脱硫剤が脱硫ハウジング内に収容され、脱硫ハウジングが電池収容ハウジングの金属製の電池ハウジング本体に近接乃至接触して配設されるので、この脱硫ハウジング内の温度、換言すると超高次脱硫剤の温度を脱硫作用に適した温度状態、即ち２００〜３００℃の温度状態に保つことができ、これによって、超高次脱硫剤の脱硫機能を発揮させて燃料ガス（例えば、都市ガス、ＬＰガス）中に含まれた硫黄成分を除去することができる。

また、燃料ガスを改質するための改質器が設けられ、改質された燃料ガスが燃料電池セルスタックに送給されるとともに、その一部がリサイクル流路を通して燃料ガス供給流路に戻されるので、改質燃料ガスの一部が燃料ガスに混合されて脱硫器に送給され、この改質燃料ガス中の水素ガスを脱硫ハウジング内の超高次脱硫剤に供給し続けることができ、これによって、超高次脱硫剤の脱硫機能を発揮させて燃料ガス中の硫黄成分を除去することができる。
更に、燃料ガス供給流路における昇圧ポンプの配設部位より上流側にリサイクル流路が接続されているので、リサイクル流路からの改質燃料ガスは、燃料ガス供給流路を流れる燃料ガスに混合された後に昇圧ポンプに送給される。従って、リサイクル流路からの改質燃料ガス（水素ガスを含むガス）を燃料ガスに混合して脱硫器の超高次脱硫剤に送給することができる。更にまた、燃料ガス供給流路におけるリサイクル流路との接続部位より上流側に圧力調整手段が設けられ、この圧力調整手段により燃料ガス流路におけるリサイクル流路との接続部位を流れる燃料ガスの圧力を大気圧よりも低くなるように調整するので、このリサイクル流路を通しての改質燃料ガスの逆流を防止することができる。

また、本発明の請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池によれば、圧力調整手段は絞り手段を含んでいるので、この絞り手段により昇圧ポンプに送給される燃料ガスの圧力を所要の通りに調整することができる。

また、本発明の請求項３に記載の固体酸化物形燃料電池によれば、圧力調整手段はゼロガバナを含んでいるので、このゼロガバナにより昇圧ポンプに送給される燃料ガスの圧力を所要の通りに調整することができる。更に、このゼロガバナと絞り手段を組み合わせて用いるのが望ましく、このように組み合わせて用いることによって、燃料ガス供給流路とリサイクル流路との接続部位における圧力を大気圧よりも幾分低い状態に保つことができる。

また、本発明の請求項４に記載の固体酸化物形燃料電池によれば、脱硫器の脱硫ハウジングは、相互に連通された第１及び第２ハウジング部を備え、これら第１及び第２ハウジング内に超高次脱硫剤が収容され、燃料ガスは第１ハウジング部及び第２ハウジングを通して流れるので、第１及び第２ハウジング内の超高次脱硫剤により燃料ガス中の硫黄成分を所要の通りに除去することができる。また、第１ハウジング部が電池ハウジング本体の片側部に近接乃至接触して配設され、第２ハウジング部が電池ハウジング本体の他側部に近接乃至接触して配設されているので、第１及び第２ハウジング内の超高次脱硫剤を所要の温度、即ち２００〜３００℃の温度状態に保つことができる。

更に、本発明の請求項５に記載の固体酸化物形燃料電池によれば、電池ハウジング本体と脱硫ハウジングの特定部位との間には断熱材が介在されているので、この断熱材によって、燃料電池セルスタックからの熱の伝達を抑え、脱硫ハウジング内の超高次脱硫剤をほぼ均一な所要の温度状態に保つことができる。

本発明に従う固体酸化物形燃料電池の第１の実施形態を示す概略図。図１の固体酸化物形燃料電池を示す断面図。本発明に従う固体酸化物形燃料電池の第２の実施形態を示す概略図。本発明に従う固体酸化物形燃料電池の第３の実施形態を示す概略図。図４の固体酸化物形燃料電池における脱硫器及びそれに関連する構成を示す概略図。圧力調整手段の他の変形形態を示す概略図。

以下、添付図面を参照して、本発明に従う固体酸化物形燃料電池の各種実施形態について説明する。

第１の実施形態
まず、図１及び図２を参照して、固体酸化物形燃料電池の第１の実施形態について説明する。図１において、図示の固体酸化物形燃料電池２は、燃料ガス（例えば、都市ガス、ＬＰガスなど）を消費して発電を行うものであり、燃料ガスを改質するための改質器４と、改質器４にて改質された燃料ガス及び酸化剤としての空気の酸化及び還元によって発電を行う固体酸化物形の燃料電池セルスタック６と、を備えている。

燃料電池セルスタック６は、燃料電池反応によって発電を行うための複数の固体酸化物形の燃料電池セルを集電部材を介して積層して構成されており、図示していないが、酸素イオンを伝導する固体電解質と、この固体電解質の一方側に設けられた燃料極と、固体電解質の他方側に設けられた空気極とを備え、固体電解質として例えばイットリアをドープしたジルコニアが用いられる。

この実施形態では、所定方向（図１において紙面に垂直な方向、図２において左右方向）に間隔をおいて一対の燃料電池セルスタック６が設けられ、それらの一方の上方に改質器４が配設され、それらの他方の上方に気化器１２が配設されている。この燃料電池セルスタック６は、一つ又は３つ以上設けるようにしてもよい。

燃料電池セルスタック６の燃料極の導入側は、改質燃料ガス送給流路８を介して改質器４に接続され、この改質器４は、ガス・水蒸気送給流路１０を介して気化器１２に接続されている。気化器１２は、燃料ガス供給流路１４を介して燃料ガスを供給するための燃料ガス供給源１６（例えば、埋設管や貯蔵タンクなど）に接続されているとともに、水供給流路１８を介して改質用水供給源２０（例えば、水道管、水タンクなど）に接続されている。燃料ガス供給源１６及び燃料ガス供給流路１４は燃料ガス供給手段を構成し、また水供給源２０及び水供給流路１８は水供給手段を構成する。

改質器４には改質触媒が収容され、改質触媒として例えばアルミナにルテニウムを担持させたものが用いられ、この改質触媒によって燃料ガス供給手段から供給される燃料ガスが後述するように水蒸気改質される。また、気化器１２は、水供給手段から供給される水を気化して水蒸気を発生する。

尚、この実施形態では、改質器４と気化器１２とを別体に構成しているが、これらを一体的に構成するようにしてもよい。また、この実施形態では、燃料ガス供給手段からの燃料ガスを気化器１２に送給しているが、この気化器１２に代えて、改質器４に直接的に送給するようにしてもよい。

燃料ガス供給流路１４には、脱硫器２２、昇圧ポンプ２４、流量センサ２６及び開閉弁２８が配設されている。脱硫器２２は、燃料ガスに含まれる硫黄成分（付臭剤中の硫黄成分）を除去する。この脱硫器２２及びこれに関連する構成については、後に詳述する。昇圧ポンプ２４は、燃料ガス供給流路１４を流れる燃料ガスを昇圧し、燃料ガス供給源１６からの燃料ガスを気化器１２に送給する。また、流量センサ２６は、燃料ガス供給流路１４を通して送給される燃料ガスの流量を測定し、開閉弁２８は、その開閉によって燃料ガス供給流路１４を通しての燃料ガスの供給、供給停止を行う。

この燃料電池セルスタック６の空気極の導入側は、空気供給流路３０を介して送風手段３２に接続されている。送風手段３２は、例えば送風ブロアから構成され、この送風ブロアの回転数を制御することによって、空気供給流路３０を通して供給される空気の供給量が制御される。この空気供給流路３０及び送風手段３２は、発電用の空気を供給するための空気供給手段を構成し、空気中の酸素が酸化剤として作用する。

燃料電池セルスタック６の燃料極及び空気極の各排出側には燃焼室３４が設けられ、燃料電池セルの一端から排出された反応燃料ガス（余剰の燃料ガスを含んでいる）と空気極側から排出された空気（酸素を含んでいる）とがこの燃焼室３４に送給されて燃焼される。この燃焼室３４は排気ガス排出流路（図示せず）を介して大気に開放され、燃焼室３４からの排気ガスが大気に排出される。尚、この排気ガスを利用して、空気供給流路３０を通して燃料電池セルスタック６に供給される空気を加温するようにしてもよい。

この実施形態では、改質器４、燃料電池セルスタック６、気化器１２及び燃焼室３４が電池収容ハウジング３６に収容されている。図示の電池収容ハウジング３６は、金属製（例えば、ステンレス鋼製）の電池ハウジング本体３７を備え、箱状の電池ハウジング本体３７の内面（上面を除く全域）を覆うように内側断熱部材３９が配設され、内側断熱部材３９の内側に高温室３８が規定され、改質器４、燃料電池セルスタック６、気化器１２、脱硫器２２が高温室３８内で高温状態に保たれ、高温室３８内の熱を利用して、気化器１２において改質用水の気化が行われ、また改質器４において燃料ガスの改質（この実施形態では、水蒸気改質）が行われる。

この電池収容ハウジング３６は、更に、電池ハウジング本体３７の外面（外面の全域）を覆うように外側断熱部材４１が設けられている。この形態では、外側断熱部材４１は、電池ハウジング本体３７の外側面を覆う第１外断熱部材４３と、この第１外断熱部材４３及び電池ハウジング本体３７の上面を覆う第２外断熱部材４５と、電池ハウジング本体３７の底面を覆う第３外断熱部材４７と、第２外断熱部材４５の上面を覆う第４外断熱部材４９とを備えている。

この実施形態では、燃料ガス供給流路１４における脱硫器２２の配設部位より下流側（気化器１２の配設部位より上流側）に、第１冷却用熱交換器４２及び電磁弁４４が配設されている。第１冷却用熱交換器４２は、脱硫器２２から気化器１２に送給される燃料ガス（脱硫された燃料ガス）を大気との熱交換により冷却する。また、電磁弁４４は、燃料ガス供給流路１４を開閉するためのものであり、開状態のときに燃料ガス供給流路１４を通しての燃料ガスの供給を許容し、また燃料電池セルスタック６の発電停止後などに閉状態になり、気化器１２から燃料ガス供給流路１４を通しての水蒸気などの逆流を防止する。尚、第１冷却用熱交換器４２は、燃料ガスが高温状態で電磁弁４４を通して流れるのを防止するためのものであり、高温状態の燃料ガスが流れても電磁弁４４が破損するおそれがないときには、この第１冷却用熱交換器４２を省略することができる。

この固体酸化物形燃料電池２では、脱硫器２２にて燃料ガス中の硫黄成分を脱硫するために、超高次脱硫剤が用いられている。更に説明すると、脱硫器２２は箱状の脱硫ハウジング４６を備え、この脱硫ハウジング４６内に超高次脱硫剤が収容されている。この超高次脱硫剤としては、例えば銅−亜鉛系脱硫剤、銅−亜鉛ーアルミニウム系脱硫剤などを用いることができ、これらの超高次脱硫剤については例えば特許第２７６１６３６号公報などを参照されたい。

このような超高次脱硫剤は、２００〜３００℃（例えば２５０〜３００℃）の高温状態で優れた脱硫作用を発揮することから、脱硫ハウジング４６は電池収容ハウジング３６の電池ハウジング本体３７の外面に近接乃至接触して配設される。この形態では、電池収容ハウジング３６の第１外断熱部材４３の所定部位には収容開口５１が設けられ、脱硫ハウジング４６はこの第１外断熱部材４３の収容開口５１に収容されている。固体酸化物形の燃料電池セルスタック６の作動温度は７００〜１０００℃と高温であり、このような高温状態の燃料電池セルスタック６を収容する電池収容ハウジング３６の電池ハウジング本体３７の所定部位（この形態では、その内面に内側断熱部材３９が配設されている部位）に近接乃至接触して脱硫ハウジング４６を配置することにより、脱硫ハウジング４６に収容された超高次脱硫剤を２００〜３００℃の高温状態に保つことができる。尚、図１においては、燃料電池セルスタック６と脱硫器２２との配置関係が明確となるように、電池収容ハウジング３６の手前側の部分を省略して示している。

また、脱硫剤として超高次脱硫剤を用いることに関連して、改質器４にて改質された燃料ガスの一部が燃料ガス供給流路１４に戻されるように構成されている。この実施形態では、改質燃料ガスを戻すためのリサイクル流路４８が設けられ、リサイクル流路４８の一端側が改質燃料ガス送給流路８に接続され、その他端側が燃料ガス供給流路１４、具体的には昇圧ポンプ２４の配設部位と流量センサ２６の配設部位との間の部位に接続されている。従って、改質器４から改質燃料ガス送給流路８を通して流れる改質燃料ガスの一部がリサイクル流路４８を通して燃料ガス供給流路１４に戻される。

改質燃料ガスには水素が含まれており、このように改質燃料ガスをリサイクルすることにより、改質燃料ガス中の水素が燃料ガスに混合されて燃料ガス供給流路１４を通して脱硫器２２内の超高次脱硫剤に送給され、このような水素の使用条件下において超高次脱硫剤の使用が可能となる。

燃料ガスに含まれる水素は、０．７〜１．５％程度の濃度となるようにするのが好ましく、水素をこのような濃度にすることによって、優れた脱硫作用を発揮する状態で超高次圧脱硫剤を使用することができる。

このリサイクル流路４８には、オリフィス部材５０及びリサイクル電磁弁５２が配設されている。オリフィス部材５０には流路孔が設けられ、かかる流路孔によってリサイクル流路４８を通して戻される改質燃料ガスの流量を制御する。また、オリフィス部材５０の下流側に配設されるリサイクル電磁弁５２は、リサイクル流路４８を開閉し、開状態のときにはリサイクル流路４８を通しての改質燃料ガスのリサイクルを許容し、また起動時に空気送給流路５６を通して燃焼用空気を供給するときには閉状態となって燃料ガスのリサイクルを中止する。尚、起動時に空気送給流路５６を通して空気を送給しないときには、このリサイクル電磁弁５２を省略することができる。

このリサイクル流路４８には、更に、第２冷却用熱交換器５８及びリキッドドレイナ６０が配設されている。第２冷却用熱交換器５８はリサイクル流路４８を流れる改質燃料ガスを大気との熱交換により冷却し、この熱交換により凝縮された改質燃料ガス中の水分はリキッドドレイナ６０に溜まり、このリキッドドレイナ６０からのドレイン水は排水流路（図示せず）を通して外部に排出される。尚、リサイクル流路４８を流れる間に改質燃料ガスが冷却されて改質燃料ガス中の水分が凝縮して除去できるときには、この第２冷却用熱交換器５８を省略することができる。

この固体酸化物形燃料電池２では、改質燃料ガスがリサイクルされることに関連して、更に、次の通りに構成されている。燃料ガス供給流路１４におけるリサイクル流路４８との接続部位より上流側に（具体的には、リサイクル流路４８との接続部位と流量センサの配設部位との間に）、上流側に向けて圧力調整手段としてのニードル弁６２及びバッファ６４が配設されている。バッファ６４は所定のバッファ容量を有するバッファハウジングから構成され、燃料ガス供給源１６からの燃料ガスを一時的に貯える。また、ニードル弁６２は、その下流側の圧力を所定圧力となるように保持し、維持する所定圧力は、大気圧よりも幾分小さい圧力となるようにするのが望ましい。

このニードル弁６２により所定圧力となるように維持することによって、リサイクル流路４８の下流側が所定圧力に維持され、これによって、リサイクル流路４８の上流側と下流側との間に圧力差が生じ、この圧力差によって、改質燃料ガスの一部がリサイクル流路４８を通して燃料ガス供給流路１４に流れ、改質燃料ガスのリサイクル流路４８を通しての逆流を防止することができる。

次に、この固体酸化物形燃料電池２の発電運転について説明する。発電運転のときには、は、燃料ガス供給源１６からの燃料ガス（例えば、都市ガス、ＬＰガス）が、燃料ガス供給流路１６を通して供給され、供給される燃料ガスの流量が流量センサ２６にて計測される。ニードル弁６２の下流側においては、リサイクル流路４８を通してリサイクルされる改質燃料ガスが、燃料ガス供給流路１４を流れる燃料ガスに混合され、混合された燃料ガスが昇圧ポンプ２４に送給され、昇圧ポンプ２４により昇圧された混合燃料ガスが燃料ガス供給流路１４を通して脱硫器２２に送給される。

脱硫器２２においては、超高次脱硫剤によって混合燃料ガス中に含まれた硫黄成分が除去される。脱硫器２２の脱硫ハウジング４６が電池収容ハウジング３６の電池ハウジング本体３７に近接乃至接触して配設されるので、脱硫ハウジング４６内の超高次脱硫剤が２００〜３００℃の高温状態に保たれるとともに、脱硫すべき混合燃料ガス中には水素が０．７〜１．５％程度の濃度となるように含まれているので、超高次脱硫剤は優れた脱硫作用を安定して発揮し、混合燃料ガス中に含まれた硫黄成分を所望の通りに除去することができる。

脱硫器２２にて脱硫された燃料ガス（混合燃料ガス）は、燃料ガス供給流路１４を通して気化器１２に送給される。この気化器１２には、また、改質用水供給源２０からの水が水供給流路１８を通して供給され、かかる気化器１２にて気化されて水蒸気となり、発生した水蒸気及び燃料ガス（混合燃料ガス）がガス・水蒸気送給流路１０を通して改質器４に送給される。

改質器４においては、ガス・水蒸気送給流路１０を通して送給された水蒸気により燃料ガス（混合燃料ガス）が水蒸気改質され、水蒸気改質された改質燃料ガスが改質燃料ガス送給流路８を通して燃料電池セルスタック６の燃料極側に送給される。また、燃料電池セルスタック６の空気極側には空気供給流路３０を通して空気が送給される。

燃料電池セルスタック６においては、燃料極側を流れる改質燃料ガス及び空気極側を流れる空気（空気中の酸素）の酸化及び還元によって発電が行われ、発電により得られた電力は、例えば家庭用電力として消費される。

燃料電池セルスタック６の燃料極側から燃焼室３４に反応燃料ガス（余剰の燃料ガスを含んでいる）が排出されるともに、その空気極側から燃焼室３４に空気（酸素を含んでいる）が排出され、この燃焼室３４にて反応燃料ガスが空気により燃焼され、燃焼室３４からの排気ガスが排気ガス排出流路（図示せず）を介して大気に排出される。

一方、改質器４から改質燃料ガス送給流路８を通して流れる改質燃料ガスの一部は、リサイクル流路４８を通して流れ、第２冷却用熱交換器５８を通して流れる間に冷却され、かく冷却されることによって、改質燃料ガス中の水分が凝縮してリキッドドレイナ６０に溜まり、このリキッドドレイナ６０からから排水流路（図示せず）を通して外部に排出される。

第２の実施形態
次いで、図３を参照して、固体酸化物形燃料電池の第２の実施形態について説明する。尚、以下の実施形態において、上述した第１の実施形態と実質上同一の部材には同一の参照番号を付し、その説明を省略する。この第２の実施形態では、燃料ガス供給流路を流れる燃料ガスの圧力を調整するための圧力調整手段に改良が施されている。

図３（電池収容ハウジング３６の手前側の部分を省略して示している）において、この固体酸化物形燃料電池２Ａでは、燃料ガス供給流路１４にニードル弁６２及びバッファ６４に加えてゼロガバナ７２が配設されている。ゼロガバナ７２は、図３に示すように、バッファ６４と開閉弁２８との間に配設される。このゼロガバナ７２は、それ自体公知のもであり、その上流側の燃料ガスの圧力にかかわらずその下流側の燃料ガスの圧力を実質上大気圧に保つ（換言すると、大気圧との差圧を実質上ゼロに保つ）ものであり、このようにゼロガバナ７２を配設することにより、燃料ガス供給流路１４の特定部位（即ち、ゼロガバナ７２とニードル弁６２との間の部位）を流れる燃料ガスの圧力が大気圧に保たれる。第２の実施形態の固体酸化物形燃料電池２Ａのその他の構成は、上述した第１の実施形態と実質上同一である。

この固体酸化物形燃料電池２Ａでは、燃料ガス供給流路１４の上記特定部位を流れる燃料ガスの圧力が実質上大気圧に保たれるので、ニードル弁６２による圧力損失によって、このニードル弁６２の下流側（換言すると、リサイクル流路４８との接続部位）を流れる燃料ガスの圧力が大気圧よりも幾分低くなり、それ故に、リサイクル流路４８からの改質燃料ガスが燃料ガス供給流路１４を流れる燃料ガスに混合され、この改質燃料ガスがリサイクル流路４８を通して逆流することが防止される。

第３の実施形態
次に、図４及び図５を参照して、固体酸化物形燃料電池の第３の実施形態について説明する。この第３の実施形態では、燃料ガス供給流路を流れる燃料ガスの圧力を調整するための圧力調整手段に更に改良が施されているとともに、脱硫器にも改良が施されている。

図４（電池収容ハウジング３６の手前側の部分を省略して示している）及び図５において、この固体酸化物形燃料電池２Ｂでは、圧力調整手段のニード弁に代えて細管８２が用いられている。細管８２は内径が小さく、例えば内径が０．１〜０．５ｃｍ程度で、長さが５０〜１００ｃｍ程度のものを用いることができる。この細管８２の内径及び長さは、燃料ガス供給流路１４を通して供給される燃料ガスの流量などを考慮して適宜設定される。

また、脱硫器２２Ｂの脱硫ハウジング４６Ｂが第１及び第２ハウジング部８４，８６から構成され、これら第１及び第２ハウジング部８４，８６が連通部材８８を介して連通されている。第１及び第２ハウジング部８４，８６は箱状であり、それらの内部に超高次脱硫剤が収容されている。第１ハウジング部８４の上流端部には流入部９０が設けられ、この流入部９０が燃料ガス供給流路１４の上流側部に接続される。この第１ハウジング部８４は電池収容ハウジング３６の電池ハウジング本体３７の片側（この実施形態では、図４及び図５において右部）の外面に接触乃至近接して配設される。

また、第２ハウジング部８６の上流端部には流出部９２が設けられ、この流出部９２が燃料ガス供給流路１４の下流側部に接続される。この第２ハウジング部８６は電池収容ハウジング３６の電池ハウジング本体３７の他側（この実施形態では、図４及び図５において左部）の外面に接触乃至近接して配設される。連通部材８８は脱硫ハウジング４６Ｂの下端部に配設され、その一端部が第１ハウジング部８４の下端部に接続され、その他端部が第２ハウジング部８６の下端部に接続されている。

この固体酸化物形燃料電池２Ｂでは、更に、電池ハウジング本体３７から脱硫ハウジング４６Ｂに伝達される熱を制御するために、電池ハウジング本体３７と脱硫ハウジング４６Ｂの特定部位（他の部位よりも温度が高くなる特定部位）との間に断熱材９４，９６が配設されている。断熱材９４，９６としては薄板状、綿状などのものを用いることができ、例えばセラミックスなどから形成されたもの（商品名：マイクロサーム）を好都合に用いることができる。

第１及び第２ハウジング部８４，８６に収容された超高次脱硫剤は、所定の温度、例えば２５０℃前後の温度に保つことによって優れた脱硫機能を発揮することから、第１及び第２ハウジング部８４，８６の高温部位に対応して、この断熱材９４，９６が配設される。この実施形態では、一方の断熱材９４は、第１ハウジング部８４の特定部位（この形態では、その上部）と電池ハウジング本体３７との間に介在され、他方の断熱材９６は、第２ハウジング部８６の特定部位（この形態では、その上部）と電池ハウジング本体３７との間に介在されている。このように断熱材９４，９６を介在させることにより、電池ハウジング本体３７から第１及び第２ハウジング部８４，８６に伝達される熱が実質上均一になり、第１及び第２ハウジング部８４，８６内に収容された超高次脱硫剤を実質上均一の温度状態に保つことができる。尚、このような断熱材９４，９６は厚さを厚くすることによって断熱効果を高める、換言すると第１及び第２ハウジング部８４，８６の温度状態を下げることができ、電池ハウジング本体３７からの熱伝達をコントロールするために、断熱材９４，９６の厚さを変える、或いは断熱材９４，９６を重ねて用いるなどするようにしてもよい。第３の実施形態の固体酸化物形燃料電池２Ｂでは、燃料ガス供給流路１４の第１冷却用熱交換器４２及びリサイクル流路４８の第２冷却用熱交換器が省略されているが、その他の構成は、上述した第２の実施形態と実質上同一である。

この固体酸化物形燃料電池２Ｂにおいては、ゼロガバナ７２により燃料ガス供給流路１４の上記特定部位を流れる燃料ガスの圧力が実質上大気圧に保たれるので、細管８２による圧力損失によって、この細管８２の下流側（換言すると、リサイクル流路４８との接続部位）を流れる燃料ガスの圧力が大気圧よりも幾分低くなり、それ故に、リサイクル流路４８からの改質燃料ガスが燃料ガス供給流路１４を流れる燃料ガスに混合され、この改質燃料ガスがリサイクル流路４８を通しての逆流を防止することができる。

また、燃料ガス供給流路１４の上流側部を通して供給される燃料ガスは、流入部９０から流入して第１ハウジング部８４内を下方に流れ、更に連通部材８８を通して第２ハウジング８６内に流入して上方に流れ、その流出部９０から燃料ガス供給流路１４の下流側部に流出する。このとき、高温室３８から電池収容ハウジング３６の電池ハウジング本体３７に伝達された熱によって、第１及び第２ハウジング部８４，８６内の超高次脱硫剤が所定の高温度状態に保たれるので、超高次脱硫剤の所望の脱硫効果が得られ、第１及び第２ハウジング部８４，８６内を流れる間に燃料ガス中に含まれた硫黄成分を除去することができる。そして、硫黄成分が除去された燃料ガスは燃料ガス供給流路１４の下流側部を通して気化器１２に送給される。

以上、本発明に従う固体酸化物形燃料電池の各種実施形態について説明したが、本発明はこれら実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変形乃至修正が可能である。

例えば、第１の実施形態では、圧力調整手段をニードル弁６２及びバッファ６４から構成しているが、圧力調整手段におけるニードル弁６２に代えて、図６に示すような流路切換手段１０２を用いるようにしてもよい。図６において、この流路切換手段１０２は、内径（流路断面積）が異なる３種類の細管、即ち第１〜第３細管１０４，１０６，１０８を備え、第１細管１０４を含む第１分岐流路１１０に第１電磁弁１１２が配設され、第２細管１０６を含む第２分岐流路１１４に第２電磁弁１１６が配設され、また第３細管１０８を含む第３分岐流路１１８に第３電磁弁１２０が配設されている。この変形形態では、第１細管１０４の内径（流路断面積）が最も大きく、その次に第２細管１０６が大きく、第３細管１０８の内径が最も小さくなっている。

このような流路切換手段１０２を用いた場合、燃料ガスの供給量に基づいて第１〜第３電磁弁１１２，１１６，１２０が切換制御され、燃料電池スタック６への燃料ガスの供給が多量であるときには、第１電磁弁１１２が付勢されて開状態となり、バッファ６４からの燃料ガスは第１分岐流路１１０を通して昇圧ポンプ２４に供給され、また燃料電池スタック６への燃料ガスの供給が少量（又は中量）であるときには、第３電磁弁１２０（又は第２電磁弁１１６）が付勢されて開状態となり、バッファ６４からの燃料ガスは第３分岐流路１２０（又は第２分岐流路１１４）を通して昇圧ポンプ２４に供給される。このように燃料ガスの供給量に基づいて第１〜第３細管１０４，１０６，１０８を切り換えることにより、燃料電池セルスタック６に必要量の燃料ガスを供給することができるとともに、燃料ガス供給流路１４におけるリサイクル流路４８との接続部位の圧力を大気圧よりも幾分低い圧力に保つことができ、リサイクル流路４８を通しての改質燃料ガスの逆流を防止することができる。

２，２Ａ，２Ｂ固体酸化物形燃料電池
４改質器
６燃料電池セルスタック
１０ガス・水蒸気送給流路
１２気化器
１４燃料ガス供給流路
１６燃料ガス供給源
２２，２２Ｂ脱硫器
３４燃焼室
３６電池収容ハウジング
３７電池ハウジング本体
３８高温室
３９内側断熱部材
４１外側断熱部材
４６，４６Ｂ脱硫ハウジング
４８リサイクル流路
６２ニードル弁
６４バッファ
７２ゼロガバナ
８２細管
８４，８６ハウジング部
９４，９６断熱材

Claims

燃料ガス供給源からの燃料ガスを燃料ガス供給流路を通して供給するための燃料ガス供給手段と、前記燃料ガス供給流路を通して供給される燃料ガス中の硫黄成分を除去するための脱硫器と、脱硫された燃料ガスを改質するための改質器と、前記改質器にて改質された改質燃料ガス及び酸化剤の酸化及び還元によって発電を行う燃料電池セルを複数個備えた燃料電池セルスタックと、該燃料電池セルスタックの前記燃料ガス排出側に配設された燃焼室と、前記改質器、前記燃料電池セルスタック及び前記燃焼室を収容するための電池収容ハウジングとを備えた固体酸化物形燃料電池であって、
前記電池収容ハウジングは、金属製の電池ハウジング本体と、前記電池ハウジング本体の内側に配設された内側断熱部材とを備えており、
前記脱硫器は、超高次脱硫剤を収容した脱硫ハウジングを備え、前記脱硫ハウジングが前記電池ハウジング本体の外面に近接乃至接触して配設され、前記脱硫器に関連して、改質燃料ガスを前記燃料ガス供給流路に戻すためのリサイクル流路が設けられており、
また、前記燃料ガス供給流路には、前記脱硫器の上流側に燃料ガスを昇圧して供給するための昇圧ポンプが配設され、前記リサイクル流路は、前記燃料ガス供給流路における前記昇圧ポンプの配設部位より上流側に接続され、前記燃料ガス供給流路における前記リサイクル流路との接続部位より上流側に、更に、前記リサイクル流路との接続部位に流れる燃料ガスの圧力を調整するための圧力調整手段が設けられ、前記圧力調整手段は、前記リサイクル流路との前記接続部位を流れる燃料ガスの圧力を大気圧よりも低くなるよう調整することを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
前記圧力調整手段は、前記燃料ガス供給流路を流れる燃料ガスの流量を絞る絞り手段を含んでいることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池。
前記圧力調整手段は、燃料ガスの圧力を実質上大気圧に保つためのゼロガバナを含んでいることを特徴とする請求項１又は２に記載の固体酸化物形燃料電池。
前記脱硫器の前記脱硫ハウジングは、相互に連通された第１及び第２ハウジング部を備え、前記第１及び第２ハウジング内に前記超高次脱硫剤が収容され、前記第１ハウジング部に燃料ガスが流入する流入部が設けられ、前記第２ハウジング部に、脱硫された燃料ガスが流出する流出部が設けられ、前記第１ハウジング部が前記電池ハウジング本体の片側部に近接乃至接触して配設され、前記第２ハウジング部が前記電池ハウジング本体の他側部に近接乃至接触して配設されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池。
前記電池ハウジング本体と前記脱硫ハウジングの特定部位との間には、前記電池ハウジング本体からの熱を制御するための断熱材が介在されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池。