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JP6865993B1 - 燃料電池システム、核融合発電システムおよびそれらを構成する密閉容器 - Google Patents

燃料電池システム、核融合発電システムおよびそれらを構成する密閉容器 Download PDF

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Abstract

長期間安定的に電力を供給することが可能な燃料電池システムを提供する。燃料電池システム１０は、平板状の電極複合体２０と負極燃料物質体３０と密閉容器４０とを有する。平板状の電極複合体２０は、放電時に水素ガスを水蒸気に酸化する燃料極２２を備える。負極燃料物質体３０は、水蒸気と反応して水素ガスを生成し、自らは酸化物となる。密閉容器４０は、負極燃料物質体３０を気密に収容する内部空間４２を備える。電極複合体２０及び負極燃料物質体３０は、それぞれの所定の温度に加熱維持される。密閉容器４０は、金属製であり、酸化層４８を備えると共に、ガラス膜５０を備える。酸化層４８は、密閉容器４０の壁の表面に大気焼成によって形成される。ガラス膜５０は、酸化層４８の内、密閉容器４０の壁の外側表面及び内側表面の内の少なくとも一方の表面に形成された酸化層４８を覆う。

Description

本発明は、据え置き用あるいは自動車等の移動体用の電源として有用な燃料電池システムに関するものであり、特に鉄粉を用いて系内で燃料ガスを再生する固体酸化物形燃料電池システムに関するものである。
燃料電池は、燃料気体を供給することで発電体に電力を発生させる手段である。燃料電池の中でも酸素イオン伝導性の無機固体電解質を用いた固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ、Solid Oxide Fuel Cell）は、クリーンで発電効率の高い優れた発電装置であることが知られている。また、燃料電池の放電によって消費された燃料気体を復元させる仕組みを持ち、二次電池として使用できる燃料電池システムが開発されている。
特許文献１には、シンプルかつコンパクトで、しかも電池容量及びエネルギ密度が十分大きい構成の固体酸化物形燃料電池システムが記載されている。しかしながら、この燃料電池システムには、密閉容器を水素が透過するため、エネルギの損失という問題があり、また、密閉容器の内部圧力の低下による固体酸化物形燃料電池の破損という問題があった。この問題を解消する技術の１つとして、特許文献２には、改質器やセルスタックから遊離する水素が真空断熱構造の壁を透過して内部に浸入し、内圧を上げて断熱性を低下させるという問題を解消する技術が記載されている。
ＷＯ２０１７／１３５４５１ 特許第４３５９０７９号
特許文献２には、一般にガラスが金属に比べて水素透過が少ないことが記載されていたので、確認実験を行ったところ、予め設定した目標範囲内の水素透過抑制性能を達成することができないので、長期間安定的に電力を供給することができないという問題があった。
本発明は、従来のこのような問題点に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、長期間安定的に電力を供給することが可能な燃料電池システムを提供することにある。
また、本発明の他の目的は、上記目的に加え、従来と同等以上に一定期間継続的に電力を供給すること及び燃料電池システムの集合体を柔軟に構築することが可能な燃料電池システムを提供することにある。
さらに、本発明の他の目的は、上記目的に加え、透過による水素同位体の漏出を抑制することが可能な密閉容器を提供することにある。
本発明者は、上記目的を達成するために、鋭意研究を重ねた結果、まず、平板状の電極複合体と負極燃料物質体と金属製の密閉容器とを有する燃料電池システムにおいて、密閉容器の外側表面及び内側表面の内の少なくとも一方の表面に形成された酸化層を覆うガラス膜を備えることによって、水素透過抑制性能を向上させることができることを見出した。
また、本発明者は、密閉容器の表面とガラス膜との間に大気焼成によって形成された酸化層を備えることによって、長期間安定的に電力を供給することができることを見出し、本発明に至ったものである。
即ち、本発明の第１形態は、放電時に水素ガスを水蒸気に酸化する燃料極を備えた平板状の電極複合体と、水蒸気と反応して水素ガスを生成し、自らは酸化物となる負極燃料物質体と、負極燃料物質体が気密に収容される内部空間を備えると共に、内部空間を構成する壁の一部に、内部空間の中の水素ガスを燃料極の表面に接触させるための開口部及び開口部を塞ぐために電極複合体が気密に固定される外周部を備えた密閉容器と、を有し、電極複合体及び負極燃料物質体は、それぞれの所定の温度に加熱維持されるものであり、密閉容器は、金属製であり、密閉容器の壁の表面に大気焼成によって形成された酸化層を備えると共に、酸化層の内、密閉容器の壁の外側表面及び内側表面の内の少なくとも一方の表面に形成された酸化層を覆うガラス膜を備えた燃料電池システムを提供するものである。
ここで、上記においては、電極複合体は、さらに、燃料極の一方の表面に配置され、かつ充放電時に酸素イオンを伝導する平板状の気密性の固体電解質体を備え、固体電解質体は、セラミックス製であり、密閉容器は、固体電解質体に対して０．８〜２．０倍の熱膨張率を有する金属で構成されるのが好ましい。
外周部は、固体電解質体の燃料極を備えた表面の外周部分を支持する外周台部と、固体電解質体の端面を覆う外周壁部と、を有し、外周壁部は、シール材を使用して固体電解質体の端面に固定されるのが好ましい。
外周部は、燃料極の固体電解質体の反対側の表面の外周部分を支持する外周台部と、燃料極の端面を覆う外周壁部と、を有し、外周壁部は、シール材を使用して燃料極の端面に固定されるのが好ましい。
電極複合体は、さらに、固体電解質体の燃料極の反対側の表面に配置され、かつ放電時に空気中の酸素を酸素イオンに還元する空気極を備え、外周部は、固体電解質体の燃料極を備えた表面の外周部分を支持する外周台部と、固体電解質体の端面及び空気極の端面を覆う外周壁部と、を有し、外周壁部は、シール材を使用して固体電解質体の端面及び空気極の端面に固定されるのが好ましい。
電極複合体は、さらに、燃料極の固体電解質体の反対側の表面に配置され、かつ充放電時に水素ガスを透過する多孔金属板を備え、外周部は、多孔金属板の燃料極の反対側の表面の外周部分を支持する外周台部と、多孔金属板の端面を覆う外周壁部と、を有し、外周壁部は、シール材を使用して多孔金属板の端面に固定されるのが好ましい。
密閉容器は、ＳＵＳ４３０製であり、酸化層は、密閉容器を６８０〜１０２０℃で５８〜８６時間大気焼成した後、徐冷することによって形成されるのが好ましい。
密閉容器は、ＳＵＳ４３０製であり、酸化層は、Ｆｅが濃化した外層とＣｒが濃化した内層とを有するのが好ましい。
酸化層の厚さは、１０ｎｍ〜１０μｍであるのが好ましい。
ガラス膜は、結晶化ガラスの膜であるのが好ましい。
電極複合体の所定の温度は、４５０〜１０００℃であり、負極燃料物質体の所定の温度は、３００〜１０００℃であるのが好ましい。
さらに、密閉容器及び電極複合体から成る筐体の外側及び内側の少なくとも一方に配置され、電極複合体及び負極燃料物質体を加熱維持するためのヒータを有するのが好ましい。
また、本発明の第２形態は、内部空間を備えた外壁を有し、内部空間は、水素ガスを気密に収容するものであり、外壁は、所定の温度に加熱維持された金属製のものであり、外壁の表面に大気焼成によって形成された酸化層を備えると共に、酸化層の内、外壁の外側表面及び内側表面の内の少なくとも一方の表面に形成された酸化層を覆うガラス膜を備えた密閉容器を提供するものである。
ここで、上記においては、外壁は、ＳＵＳ４３０製であり、酸化層は、外壁を６８０〜１０２０℃で５８〜８６時間大気焼成した後、徐冷することによって形成されるのが好ましい。
外壁は、ＳＵＳ４３０製であり、酸化層は、Ｆｅが濃化した外層とＣｒが濃化した内層とを有するのが好ましい。
酸化層の厚さは、１０ｎｍ〜１０μｍであるのが好ましい。
ガラス膜は、結晶化ガラスの膜であるのが好ましい。
外壁の所定の温度は、５５０〜７５０℃であるのが好ましい。
また、本発明の第３形態は、本発明の第２形態の密閉容器を有する燃料電池システムを提供するものである。
また、本発明の第４形態は、本発明の第２形態の密閉容器を有する核融合発電システムを提供するものである。
本発明の第１、第３および第４形態によれば、長期間安定的に電力を供給することができる。
また、本発明の第１、第３および第４形態によれば、上記効果に加え、従来と同等以上に一定期間継続的に電力を供給すること及び燃料電池システムの集合体を柔軟に構築することができる。
また、本発明の第２形態によれば、透過による水素同位体の漏出を抑制することができる。
本発明の燃料電池システムを模式的に示す正面図である。 図１の燃料電池システムの密閉容器の断面を模式的に示す図である。 密閉した容器の内部圧力と経過時間との関係を示すグラフである。 図１の燃料電池システムの変形例１を模式的に示す正面図である。 図４の燃料電池システムの変形例２を模式的に示す正面図である。 図４の燃料電池システムの変形例３を模式的に示す正面図である。 図４の燃料電池システムの変形例４を模式的に示す正面図である。 水素透過量測定装置を模式的に示す正面図である。 水素同位体透過量測定装置を模式的に示す正面図である。
以下に、本発明の第１形態の燃料電池システムを添付の図面に示す好適実施形態に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明の燃料電池システムを模式的に示す正面図であり、図２は、図１の燃料電池システムの密閉容器の断面を模式的に示す図である。
本発明の燃料電池システム１０は、平板状の電極複合体２０と負極燃料物質体３０と密閉容器４０とを有する。平板状の電極複合体２０は、放電時に水素ガスを水蒸気に酸化する燃料極２２（負極、アノード層ともいう）を備えたものである。負極燃料物質体３０は、水蒸気と反応して水素ガスを生成し、自らは酸化物となるものである。密閉容器４０は、内部空間４２を備えると共に、開口部４４及び外周部４６を備えたものである。内部空間４２は、負極燃料物質体３０を気密に収容するものである。開口部４４は、内部空間４２を構成する壁の一部に備えられ、内部空間４２の中の水素ガスを燃料極２２の表面に接触させるためのものである。外周部４６は、内部空間４２を構成する壁の一部に備えられ、開口部４４を塞ぐために電極複合体２０を気密に固定するものである。電極複合体２０及び負極燃料物質体３０は、それぞれの所定の温度に加熱維持されるものである。密閉容器４０は、金属製であり、酸化層４８を備えると共に、ガラス膜５０を備えたものである。酸化層４８は、密閉容器４０の壁の表面に大気焼成によって形成されたものである。ガラス膜５０は、酸化層４８の内、密閉容器４０の壁の外側表面及び内側表面の内の少なくとも一方の表面に形成された酸化層４８を覆うものである。なお、所定の温度とは、予め設定された温度を意味し、大気焼成とは、特別なガスを使用せず、大気雰囲気中で焼成することを意味する。
このような構成とすることで、本発明の燃料電池システム１０は、予め設定した目標範囲内の水素透過抑制性能を達成することができるので、長期間安定的に電力を供給することができる。
次に、予め設定した目標値について詳細に説明する。図３は、密閉した容器の内部圧力と経過時間との関係を示すグラフである。
密閉した容器の中に加圧した水素ガスを充填して置いておくと、時間の経過と共に水素透過による内部圧力の低下が発生する。この内部圧力の低下速度が遅い場合（直線ＬＳ）には、長期間燃料の水素が燃料極に供給されるので、長期間安定的に電力を供給することができる。逆に、この内部圧力の低下速度が速い場合（直線ＨＳ）には、燃料の水素が短期間で不足するようになるので、電力を供給できる期間が短くなる。従って、電力を供給できる期間が十分長くなる内部圧力の低下速度として、１０Ｐａ／Ｈ以下という目標範囲を設定した。
一方、上記の内部圧力の低下速度の評価には以下の課題があることが判明した。すなわち、第１に評価開始から終了まで時間が掛かること、第２に室温の変化により密閉容器の温度および内部圧力が時々刻々変動するため、内部圧力の低下速度もその変動の影響を確実に受けることである。これらの課題を解消するために別の測定装置を使用して重水素ガスの透過係数を比較することとし、１．００Ｅ−１３以下という目標範囲を設定した。
本発明の燃料電池システム１０を構成する電極複合体２０の所定の温度は、４５０〜１０００℃であり、負極燃料物質体３０の所定の温度は、３００〜１０００℃であっても良い。即ち、電極複合体２０の温度が４５０℃未満又は負極燃料物質体３０の温度が３００℃未満の場合には、燃料電池システム１０が作動しない可能性がある。電極複合体２０の温度が１０００℃超又は負極燃料物質体３０の温度が１０００℃超の場合には、負極燃料物質体３０の凝集に伴う出力低下が生じる可能性がある。また、密閉容器４０の壁の所定の温度は、５５０〜７５０℃であるのが好ましい。密閉容器４０の壁の温度が５５０℃未満または７５０℃超の場合には、水素透過抑制性能が低下する可能性がある。
このような構成とすることで、本発明の燃料電池システム１０は、安定的な作動に必要な温度条件を満たすので、一定期間継続的に電力を供給することができる。
本発明の燃料電池システム１０を構成する電極複合体２０の形状は、特に制限的ではなく、円柱でも直方体でも良いが、スペース効率を考慮すると直方体が好ましい。また、電極複合体２０の寸法及び色は、特に制限的ではない。
本発明の燃料電池システム１０を構成する負極燃料物質体３０は、水蒸気と反応して水素ガスを生成し、自らは酸化物となる物質であれば、特に制限的ではないが、鉄粒子又は鉄粉末と形態保持材料とから成るペレット状のものであるのが好ましい。形態保持材料は、難焼結性材料又はその混合物から成る。難焼結性材料は、例えば、酸化アルミニウム、二酸化ケイ素、酸化マグネシウム、酸化ジルコニウムである。負極燃料物質体３０の表面の少なくとも一部は、形態保持材料で覆われ、負極燃料物質体３０に対する形態保持材料の質量比は、０．１％以上５％以下である。この質量比が０．１％未満の場合には、負極燃料物質体３０の表面が焼結して酸化還元反応が生じない状態になる可能性があり、５％超の場合には、酸化還元速度を抑制し過ぎる可能性がある。ペレットの直径は、例えば、２〜１０ｍｍである。
本発明の燃料電池システム１０を構成する密閉容器４０の形状は、特に制限的ではなく、円筒でも中空直方体でも良いが、スペース効率を考慮すると直方体が好ましい。また、密閉容器４０の寸法及び色は、特に制限的ではない。
本発明の燃料電池システム１０は、さらに、ヒータ６０を有するものであっても良い。その場合、ヒータ６０は、密閉容器４０及び電極複合体２０から成る筐体の外側及び内側の少なくとも一方に配置され、電極複合体２０及び負極燃料物質体３０を加熱維持するためのものである。即ち、電極複合体２０及び負極燃料物質体３０を加熱維持することさえできれば、ヒータを他の装置に兼用で１つ設けても良く、また、本発明の燃料電池システム１０の専用のヒータを設ける場合でも、ヒータを複数の燃料電池システム１０に兼用で１つ設けても良いが、ヒータ６０のようにヒータを各燃料電池システム１０に個別に設けるのが好ましい。なお、密閉容器４０及び電極複合体２０から成る筐体の内側に電気ヒータを配置する場合には、電気ヒータ用の配線の短絡を防ぎかつ筐体の気密性を保つために、配線が筐体の壁を貫通する部分に、例えば、ＩＢＰテクノロジー株式会社のコナックスシーリンググランドを使用しても良い。
このような構成とすることで、モジュール化することができるので、本発明の燃料電池システム１０は、燃料電池システムの集合体を柔軟に構築することができる。
本発明の燃料電池システム１０を構成する電極複合体２０は、さらに、平板状の気密性の固体電解質体２４を備えたものであっても良い。その場合、固体電解質体２４は、燃料極２２の一方の表面に配置され、かつ充放電時に酸素イオンを伝導するものである。また、固体電解質体２４は、セラミックス製であっても良い。本発明の燃料電池システム１０を構成する電極複合体２０は、さらに、空気極２６（正極、カソード層ともいう）を備えたものであっても良い。その場合、空気極２６は、固体電解質体２４の燃料極２２の反対側の表面に配置され、かつ放電時に空気中の酸素を酸素イオンに還元するものである。
次に、密閉容器の材料について詳細に説明する。
密閉容器４０は、固体電解質体２４に対して０．８〜２．０倍の熱膨張率を有する金属で構成されるものであっても良い。即ち、固体電解質体２４の材料として使用したセラミックスの熱膨張率は、約１００×１０−７／℃であるのに対して、密閉容器４０の材料の熱膨張率は、約（８０〜２００）×１０−７／℃であっても良い。そのような条件に該当する材料として、例えば、マルテンサイト系のＳＵＳ４０３及びＳＵＳ４１０、フェライト系のＳＵＳ４０５及びＳＵＳ４３０がある。しかしながら、マルテンサイト系のステンレススチールは、溶接性が良くないので、密閉容器４０の材料として適さない。従って、フェライト系のＳＵＳ４０５、ＳＵＳ４３０が好ましく、熱膨張率が１００×１０−７／℃に近いＳＵＳ４３０の方がより好ましい。また、密閉容器４０は、熱膨張率が極めて近い複数の異なる金属を接合して構成しても良い。
このような構成とすることで、本発明の燃料電池システム１０は、温度変化による後述のシール材の破損とそれに伴う水素漏れを防止することができるので、一定期間継続的に電力を供給することができる。
次に、密閉容器の表面処理方法について詳細に説明する。
本発明の燃料電池システム１０を構成する密閉容器４０は、金属製であれば、特に制限的ではないが、ステンレススチール製であるのが好ましく、フェライト系ステンレススチール製であるのがより好ましく、ＳＵＳ４３０製であるのがより一層好ましい。その場合、酸化層４８は、密閉容器４０を６８０〜１０２０℃で５８〜８６時間大気焼成した後、徐冷することによって形成されるものであっても、Ｆｅが濃化した外層とＣｒが濃化した内層とを有するものであっても良い。また、ガラス膜５０は、結晶化ガラスの膜であっても良いが、熱膨張率が約（８０〜２００）×１０−７／℃の結晶化ガラスの膜であるのが好ましく、主成分がＬａ２Ｏ３、Ｂ２Ｏ３、ＭｇＯの結晶化ガラスの膜であるのがより好ましい。即ち、密閉容器４０の大気焼成条件が、６８０℃未満の温度又は５８時間未満の時間の場合には、酸化層４８の厚さが不十分で、水素透過抑制性能が低下する可能性がある。また、密閉容器４０の大気焼成条件が、１０２０℃超の温度又は８６時間超の時間の場合には、過剰な熱処理に伴うエネルギロスが生じる可能性がある。なお、徐冷とは、冷却速度を管理しながら時間を掛けてゆっくり冷却することを意味する。また、結晶化ガラスとは、ガラスを加熱して結晶を析出させて作ったものを意味する。
酸化層４８の厚さは、１０ｎｍ〜１０μｍであっても良い。即ち、密閉容器４０の酸化層４８の厚さが１０ｎｍ未満の厚さの場合には、酸化層４８の厚さが不十分で、水素透過抑制性能が低下する可能性がある。また、密閉容器４０の酸化層４８の厚さが１０μｍの厚さの場合には、過剰な熱処理に伴うエネルギロスが生じる可能性がある。
このような構成とすることで、本発明の燃料電池システム１０は、予め設定した目標範囲内の水素透過抑制性能を達成することができるので、長期間安定的に電力を供給することができる。
次に、本発明の燃料電池システムの変形例１について説明する。図４は、図１の燃料電池システムの変形例１を模式的に示す正面図である。
本発明の燃料電池システム７０は、燃料電池システム１０と比較すると、外周部４６の代わりに外周部７４を有する点以外は同一の構成を有するものであるので、同一の構成要素には、同一の参照符号を付し、その説明を省略する。
本発明の燃料電池システム７０を構成する密閉容器７２の外周部７４は、外周台部７６と外周壁部７８とを有するものであっても良い。その場合、外周台部７６は、固体電解質体２４の燃料極２２を備えた表面の外周部分を支持するものである。また、外周壁部７８は、固体電解質体２４の端面を覆い、かつシール材を使用して固体電解質体２４の端面に固定されるものである。即ち、シール材を使用して平坦な外周台部７６と固体電解質体２４の外周部分とを固定する場合には、固体電解質体２４と密閉容器４０との熱膨張率の差によって温度変化時にシール材に生じる力は、せん断方向の力になるので、シール材に亀裂が入りやすい。これに対して、シール材を使用して全周に渡ってほぼ等間隔に間を開けて互いに対向する外周壁部７８と固体電解質体２４の端面とを固定する場合には、この力は、引張方向又は圧縮方向の力になるので、シール材に亀裂が入りにくい。
このような構成とすることで、本発明の燃料電池システム７０は、温度変化によるシール材の破損とそれに伴う水素漏れを防止することができるので、一定期間継続的に電力を供給することができる。
次に、本発明の燃料電池システムの変形例２について説明する。図５は、図４の燃料電池システムの変形例２を模式的に示す正面図である。
本発明の燃料電池システム８０は、燃料電池システム７０と比較すると、電極複合体２０の代わりに電極複合体９０を有する点以外は同一の構成を有するものであるので、同一の構成要素には、同一の参照符号を付し、その説明を省略する。
本発明の燃料電池システム８０を構成する電極複合体９０は、燃料極９２と固体電解質体９４と空気極９６とを有するものであっても良い。その場合、外周台部７６は、燃料極９２の固体電解質体９４の反対側の表面の外周部分を支持するものである。また、外周壁部７８は、燃料極９２の端面を覆い、かつシール材を使用して燃料極９２の端面に固定されるものである。即ち、本発明の燃料電池システム７０と同様に、シール材を使用して平坦な外周台部７６と燃料極９２の外周部分とを固定する場合には、シール材に亀裂が入りやすいのに対して、シール材を使用して全周に渡ってほぼ等間隔に間を開けて互いに対向する外周壁部７８と燃料極９２の端面とを固定する場合には、シール材に亀裂が入りにくい。
このような構成とすることで、本発明の燃料電池システム８０は、温度変化によるシール材の破損とそれに伴う水素漏れを防止することができるので、一定期間継続的に電力を供給することができる。
次に、本発明の燃料電池システムの変形例３について説明する。図６は、図４の燃料電池システムの変形例３を模式的に示す正面図である。
本発明の燃料電池システム１００は、燃料電池システム７０と比較すると、電極複合体２０の代わりに電極複合体１１０を有する点以外は同一の構成を有するものであるので、同一の構成要素には、同一の参照符号を付し、その説明を省略する。
本発明の燃料電池システム１００を構成する電極複合体１１０は、燃料極１１２と固体電解質体１１４と空気極１１６とを有するものであっても良い。その場合、空気極１１６は、固体電解質体１１４の燃料極１１２の反対側の表面に配置され、かつ放電時に空気中の酸素を酸素イオンに還元するものである。また、外周台部７６は、固体電解質体１１４の燃料極１１２を備えた表面の外周部分を支持するものである。さらに、外周壁部７８は、固体電解質体１１４の端面及び空気極１１６の端面を覆い、かつシール材を使用して固体電解質体１１４の端面及び空気極１１６の端面に固定されるものである。即ち、本発明の燃料電池システム７０と同様に、シール材を使用して平坦な外周台部７６と固体電解質体１１４の外周部分とを固定する場合には、シール材に亀裂が入りやすいのに対して、シール材を使用して全周に渡ってほぼ等間隔に間を開けて互いに対向する外周壁部７８と固体電解質体１１４の端面及び空気極１１６の端面とを固定する場合には、シール材に亀裂が入りにくい。
このような構成とすることで、本発明の燃料電池システム１００は、温度変化によるシール材の破損とそれに伴う水素漏れを防止することができるので、一定期間継続的に電力を供給することができる。
次に、本発明の燃料電池システムの変形例４について説明する。図７は、図４の燃料電池システムの変形例４を模式的に示す正面図である。
本発明の燃料電池システム１２０は、燃料電池システム７０と比較すると、電極複合体２０の代わりに電極複合体１３０を有する点以外は同一の構成を有するものであるので、同一の構成要素には、同一の参照符号を付し、その説明を省略する。
本発明の燃料電池システム１２０を構成する電極複合体１３０は、燃料極１３２と固体電解質体１３４と空気極１３６と多孔金属板１３８とを有するものであっても良い。その場合、多孔金属板１３８は、燃料極１３２の固体電解質体１３４の反対側の表面に配置され、かつ充放電時に水素ガスを透過するものである。また、外周台部７６は、多孔金属板１３８の燃料極１３２の反対側の表面の外周部分を支持するものである。さらに、外周壁部７８は、多孔金属板１３８の端面を覆い、かつシール材を使用して多孔金属板１３８の端面に固定されるものである。即ち、本発明の燃料電池システム７０と同様に、シール材を使用して平坦な外周台部７６と多孔金属板１３８の外周部分とを固定する場合には、シール材に亀裂が入りやすいのに対して、シール材を使用して全周に渡ってほぼ等間隔に間を開けて互いに対向する外周壁部７８と多孔金属板１３８の端面とを固定する場合には、シール材に亀裂が入りにくい。なお、多孔金属板１３８は、水素ガスを透過することができれば、特に制限的ではないが、ＳＵＳ４３０製の多孔質板が好ましい。また、燃料極１３２の端面及び多孔金属板１３８の外部に露出した表面は、シール材で覆う必要がある。
このような構成とすることで、本発明の燃料電池システム１２０は、温度変化によるシール材の破損とそれに伴う水素漏れを防止することができるので、一定期間継続的に電力を供給することができる。
本発明の第１形態の燃料電池システムは、基本的に以上のように構成される。
次に、本発明の第２形態の密閉容器について詳細に説明する。
本発明の第２形態の密閉容器は、本発明の第１形態の燃料電池システムを構成する密閉容器４０と比較すると、燃料電池システムの密閉容器４０以外の構成要素を含まない点以外は同一の構成を有するものであるので、他の構成要素に関連しない特徴については説明を省略する。
密閉容器は、内部空間を備えた外壁を有する。内部空間は、水素同位体ガスを気密に収容するものである。外壁は、所定の温度に加熱維持された金属製のものであり、酸化層とガラス膜とを備えるものである。酸化層は、外壁の表面に大気焼成によって形成されるものである。ガラス膜は、酸化層の内、外壁の外側表面及び内側表面の内の少なくとも一方の表面に形成された酸化層を覆うものである。なお、密閉容器は、水素同位体の注入口（供給口）又は水素同位体を発生させる物質の投入口（供給口）を備えても良い。
外壁の所定の温度は、５５０〜７５０℃であるのが好ましい。外壁の温度が５５０℃未満または７５０℃超の場合には、水素同位体透過抑制性能が低下する可能性がある。水素同位体とは、水素、重水素および三重水素である。重水素とは、デューテリウム(deuterium)とも呼ばれ、質量数が２である水素の同位体、すなわち原子核が陽子１つと中性子１つとから構成される安定同位体である。三重水素とは、トリチウム(tritium)とも呼ばれ、質量数が３である水素の同位体、すなわち原子核が陽子１つと中性子２つとから構成され、半減期１２．３２年でＨｅへとβ崩壊する放射性同位体である。
このような構成とすることで、本発明の第２形態の密閉容器は、透過による水素同位体の漏出を抑制することができる。
本発明の第２形態の密閉容器は、基本的に以上のように構成される。
次に、本発明の第３形態の燃料電池システムについて詳細に説明する。
本発明の第３形態の燃料電池システムは、本発明の第２形態の密閉容器を有するものであり、本発明の第１形態の燃料電池システムと比較すると、燃料電池システムの平板状の電極複合体２０および負極燃料物質体３０が必須の構成要素ではない点以外は同一の構成を有するものであるので、説明を省略する。
このような構成とすることで、本発明の第３形態の燃料電池システムは、予め設定した目標範囲内の水素透過抑制性能を達成することができるので、長期間安定的に電力を供給することができる。
本発明の第３形態の燃料電池システムは、基本的に以上のように構成される。
次に、本発明の第４形態の核融合発電システムについて詳細に説明する。
本発明の第４形態の核融合発電システムは、本発明の第２形態の密閉容器を有するものである。
核融合発電システムは、プラズマからの中性子を受け止めて熱エネルギを発生する核融合炉と、核融合炉で加熱された冷却水で蒸気を発生させる蒸気発生器と、核融合炉と蒸気発生器との間で冷却水を循環させる循環ポンプと、蒸気発生器からの蒸気でタービンを回転させて発電するタービン発電機と、蒸気を冷却して水に戻す復水器と、復水器から蒸気発生器に水を供給する給水ポンプと、で構成される。
また、核融合発電システムは、核融合炉内に設置され、中性子増倍材およびトリチウム増殖材を用いて中性子からトリチウムを生産するブランケットと、核融合炉の排出ガスから重水素およびトリチウムを分離する分離装置と、重水素およびトリチウムを貯蔵する貯蔵装置と、ブランケットで囲まれた空間の中に核融合反応の燃料として重水素およびトリチウムを供給する供給装置と、で構成される。
核融合反応を起こすためには、燃料を加熱してプラズマにする必要がある。ブランケットは、プラズマの熱および中性子とトリチウム増殖材との反応熱によって高温になる。本発明の核融合発電システムを構成する密閉容器は、ブランケットを収容する容器に対応する。
このような構成とすることで、本発明の第４形態の核融合発電システムは、予め設定した目標範囲内の重水素および三重水素透過抑制性能を達成することができるので、長期間安定的に電力を供給することができる。
本発明の第４形態の核融合発電システムは、基本的に以上のように構成される。
次に、本発明の具体的実施例を挙げ、本発明についてより詳細に説明する。
＜Ａ．内部圧力の低下速度の評価＞
まず、実施例１として、以下の手順で円筒容器１４０を作製した。
１．（工程Ａ１）外径１９ｍｍ、内径１６ｍｍのＳＵＳ４３０製のＳＵＳ管１４２を電気炉にセットし、８５０℃で７２時間大気焼成した後、徐冷することによって、ＳＵＳ管１４２の外側及び内側の表面に酸化層を形成した。
２．（工程Ａ２）大気焼成後のＳＵＳ管１４２の外側表面に、へらを使用して、塗布しやすい粘度に予め調整しておいたガラスペーストを塗布した。使用したガラスペーストの材料は、熱膨張率が９７×１０−７／℃であり、かつ主成分がＬａ２Ｏ３、Ｂ２Ｏ３、ＭｇＯの結晶化ガラスである。
３．（工程Ａ３）ガラスペーストを塗布したＳＵＳ管１４２を電気炉にセットし、１００℃で１時間加熱して乾燥させ、４００℃で３０分間加熱して脱バインダ処理を行い、８５０℃で６時間加熱して固化させた後、徐冷することによって、大気焼成後のＳＵＳ管１４２の外側表面にガラス膜を形成した。
４．（工程Ａ４）ガラス膜を形成したＳＵＳ管１４２の容積を小さくするために、ＳＵＳ管１４２の一方の端からセラミック保護体１４４を挿入した。セラミック保護体１４４は、ＳＵＳ管１４２の内径よりも１ｍｍ小さい外径を持つアルミナ管の中に直径１ｍｍのジルコニアボールを入れ、アルミナ管の下端にニッケルメッシュをポリイミド製テープで固定し、アルミナ管の上端に綿状の高温用耐火繊維を詰めたものである。
５．（工程Ａ５）セラミック保護体１４４を挿入したＳＵＳ管１４２を電気炉にセットし、上記ガラスペーストを接着剤としてＳＵＳ管１４２の他方の端に塗布し、その上にＹＳＺ板１４６を置いた状態で８５０℃で６時間加熱して固化させ、ガラスシール１４８を形成した後、７００℃に保持した。
以上の工程で作製した円筒容器１４０において、セラミック保護体１４４を挿入したＳＵＳ管１４２は、本発明の燃料電池システム１０を構成する密閉容器４０の代替物であり、ＹＳＺ板１４６は、本発明の燃料電池システム１０を構成する電極複合体２０の代替物であり、ガラスシール１４８は、密閉容器４０と電極複合体２０とを固定するシール材の代替物である。なお、ＹＳＺ板を構成するＹＳＺ、即ち、イットリア安定化ジルコニアは、ジルコニアを元とした酸化物であり、酸化イットリウムを添加して、室温下でのジルコニアの結晶構造を安定化させたものである。
次に、比較例１として、以下の手順で円筒容器１４０ａを作製した。
１．上記工程Ａ１〜３を省略し、ガラス膜を形成したＳＵＳ管１４２の代わりに、酸化層もガラス膜も形成されていないＳＵＳ管１４２を使用して、上記工程Ａ４を行った。
２．上記工程Ａ５を行った。
次に、比較例２として、以下の手順で円筒容器１４０ｂを作製した。
１．上記工程Ａ１を省略し、大気焼成後のＳＵＳ管１４２の代わりに、酸化層が形成されていないＳＵＳ管１４２を使用して、上記工程Ａ２を行った。
２．上記工程Ａ３〜５を行った。
＜水素透過量測定＞
次に、水素透過量の測定手順について詳細に説明する。図８は、水素透過量測定装置を模式的に示す正面図である。
１．（手順Ａ１）円筒容器１４０を水素透過量測定装置１５０の電気炉１５２にセットし、円筒容器１４０のセラミック保護体１４４を挿入した側の端に配管部材１５４を接続し、７００℃に保持した状態で供給バルブ１５６ａ及び排出バルブ１５６ｂを開き、水素ガスを２４時間以上連続的に流すことによって円筒容器１４０の内部の気体を水素に置換した。
２．（手順Ａ２）水素ガスの供給開始から２４時間以上経過後に排出バルブ１５６ｂを閉じ、円筒容器１４０の内部の圧力を大気圧よりも０．０１ＭＰａ高い圧力にして供給バルブ１５６ａを閉じた。
３．（手順Ａ３）供給バルブ１５６ａを閉じた時（測定開始時）からの経過時間を記録すると共に、圧力センサ１５８ｐ及び温度センサ１５８ｔを使用して円筒容器１４０の内部圧力及び外部温度を同時に記録した。
４．（手順Ａ４）毎日の気温変動に伴って上下する円筒容器１４０の外部温度から、特定の１つの温度を決め、その温度になった時の経過時間が２５０時間を超えた時の円筒容器１４０の内部圧力を測定した。
５．（手順Ａ５）上記手順Ａ１〜４と同じ手順で円筒容器１４０ａ、１４０ｂの各内部圧力を測定した。
以上の測定結果及び供給バルブ１５６ａを閉じた時の内部圧力を表１に示す。
Figure 0006865993
実施例１の円筒容器１４０では、測定開始時の内部圧力Ｐ０と経過時間が５００時間を超えた時の内部圧力Ｐ２との差を５００時間で割って算出した内部圧力の低下速度が６．０Ｐａ／Ｈになったので、予め設定した１０Ｐａ／Ｈ以下という目標範囲に含まれるのに対して、比較例１の円筒容器１４０ａでは、内部圧力Ｐ０と内部圧力Ｐ１との差を２５０時間で割って算出した内部圧力の低下速度が１６４．０Ｐａ／Ｈになったので、予め設定した目標範囲の外側になり、また、比較例２の円筒容器１４０ｂでは、内部圧力Ｐ０と内部圧力Ｐ２との差を５００時間で割って算出した内部圧力の低下速度が１４．０Ｐａ／Ｈになったので、予め設定した目標範囲の外側になった。この結果から、実施例１の円筒容器１４０と同様に燃料電池システムを構成することによって、長期間安定的に電力を供給することができるのは明らかである。
＜Ｂ．重水素ガスの透過係数の評価＞
次に、実施例２として、以下の手順で測定サンプル１６０を作製した。
１．（工程Ｂ１）２５ｍｍ角で厚さ０．５ｍｍのＳＵＳ４３０製のＳＵＳ板の一方の表面にパラジウム膜を形成した。
２．（工程Ｂ２）パラジウム膜を形成したＳＵＳ板を電気炉にセットし、８５０℃で７２時間大気焼成した後、徐冷することによって、ＳＵＳ板の他方の表面に酸化層を形成した。
３．（工程Ｂ３）大気焼成後のＳＵＳ板の酸化層の表面に、へらを使用して、塗布しやすい粘度に予め調整しておいたガラスペーストを塗布した。使用したガラスペーストの材料は、実施例１と同じ結晶化ガラスである。
４．（工程Ｂ４）ガラスペーストを塗布したＳＵＳ板を電気炉にセットし、１００℃で１時間加熱して乾燥させ、４００℃で３０分間加熱して脱バインダ処理を行い、８５０℃で６時間加熱して固化させた後、徐冷することによって、大気焼成後のＳＵＳ板の酸化層の表面にガラス膜を形成し、測定サンプル１６０を得た。
以上の工程で作製した測定サンプル１６０は、本発明の燃料電池システム１０を構成する密閉容器４０の代替物である。
次に、比較例３として、上記工程Ｂ２〜４を省略し、ＳＵＳ板の他方の表面にもパラジウム膜を形成して測定サンプル１６０ａを作製した。
次に、比較例４として、上記工程Ｂ３、Ｂ４を省略して測定サンプル１６０ｂを作製した。
次に、比較例５として、上記工程Ｂ２を省略し、大気焼成後のＳＵＳ板の代わりに、酸化層が形成されていないＳＵＳ板を使用して、上記工程Ｂ３、Ｂ４を行って測定サンプル１６０ｃを作製した。
＜水素透過量測定＞
次に、水素透過量の測定装置について詳細に説明する。図８は、水素同位体透過量測定装置を模式的に示す正面図である。
水素同位体透過量測定装置１７０は、一次側容器１８０と二次側容器１９０と電気炉２００とを備える。一次側容器１８０は、一端が一次側容器１８０に接続された一次側連結管部１８０ａと一次側連結管部１８０ａの他端に設けられた一次側フランジ部１８０ｂとを有する。また、一次側容器１８０は、一次側容器１８０の内部を高圧レンジで排気する一次側ロータリーポンプ１８２ａ、低圧レンジで排気する一次側ターボ分子ポンプ１８２ｂ、一次側容器１８０の内部排気するしないを切り換える一次側排気バルブ１８２ｃ、一次側容器１８０の内部圧力を高圧レンジで測定する一次側高圧レンジ圧力計１８４、低圧レンジで測定する一次側低圧レンジ圧力計１８６、一次側容器１８０の内部に水素ガスを供給する水素ガス供給管１８８、および水素ガスの供給するしないを切り換える水素ガス供給バルブ１８８ａを備える。なお、一次側高圧レンジ圧力計１８４の測定レンジは、１．３Ｅ０〜１．３Ｅ５Ｐａであり、一次側低圧レンジ圧力計１８６の測定レンジは、１．０Ｅ−７〜１．０Ｅ５Ｐａである。
二次側容器１９０は、一端が二次側容器１９０に接続された二次側連結管部１９０ａと二次側連結管部１９０ａの他端に設けられた二次側フランジ部１９０ｂとを有する。また、二次側容器１９０は、二次側容器１９０の内部を高圧レンジで排気する二次側ロータリーポンプ１９２ａ、低圧レンジで排気する二次側ターボ分子ポンプ１９２ｂ、二次側容器１９０の内部排気するしないを切り換える二次側排気バルブ１９２ｃ、二次側容器１９０の内部圧力を低圧レンジで測定する二次側圧力計１９４、二次側容器１９０の内部の水素ガス量を精密に測定する質量分析計１９６、二次側容器１９０の容積を測定するための容積測定用容器１９８、および二次側容器１９０の容積測定するしないを切り換える容積測定用バルブ１９８ａを備える。なお、二次側圧力計１９４の測定レンジは、１．０Ｅ−７〜１．０Ｅ５Ｐａである。
質量分析計１９６は、イオンを電磁気的に質量分離し，質量別にイオン量を測定する機器であり、実施例２の評価に使用した四重極質量分析計以外に、飛行時間型質量分析計、高周波質量分析計、イオンサイクロトロン共鳴(ICR)質量分析計などがある。イオンは、高真空中を飛行させないと、他の気体分子による散乱などの影響を受けるため、イオンの流路を高真空にしておく必要がある。なお、質量分析計１９６は、分子量２の水素ガスと分子量２の単原子分子のヘリウムガスを分離して測定できず、分子量２の測定値の中に大気中のヘリウムガスが混じってしまう。そのため、水素同位体透過量測定装置１７０を使用した水素透過量測定では、分子量２の水素ガスではなく分子量４の重水素(deuterium)ガスを使用することとした。材料内の水素同位体透過挙動を調査するために、水素および三重水素の代用として重水素を使用して透過量測定を行うことは良く知られた一般的なことである。
電気炉２００は、測定サンプル１６０を所定の温度まで加熱するものである。一次側フランジ部１８０ｂと二次側フランジ部１９０ｂとの間に固定された測定サンプル１６０、一次側連結管部１８０ａの他端側の一部、一次側フランジ部１８０ｂ、二次側連結管部１９０ａの他端側の一部、および二次側フランジ部１９０ｂは、電気炉２００の内部に設置される。一方、一次側連結管部１８０ａの一端側の残部および二次側連結管部１９０ａの一端側の残部は、電気炉２００の外部に設置される。
次に、水素透過量の測定手順について詳細に説明する。
１．（手順Ｂ１）事前準備として、予め質量を測定した容積測定用容器１９８の内部に液体を満たし、その液体による容積測定用容器１９８の質量の増分およびその液体の密度から容積測定用容器１９８の容積Ｖｃを算出した。
２．（手順Ｂ２）二次側容器１９０の二次側フランジ部１９０ｂにプレートを取り付けて二次側連結管部１９０ａの他端を塞ぎ、容積測定用バルブ１９８ａおよび二次側排気バルブ１９２ｃを開き、二次側ロータリーポンプ１９２ａおよび二次側ターボ分子ポンプ１９２ｂを起動して二次側容器１９０および容積測定用容器１９８を二次側圧力計１９４で測定可能なレベルの内部圧力に到達するまで排気し、二次側圧力計１９４で容積測定用容器１９８への気体の充填圧力Ｐ３を測定した。
３．（手順Ｂ３）容積測定用バルブ１９８ａを閉じ、二次側ロータリーポンプ１９２ａおよび二次側ターボ分子ポンプ１９２ｂを起動して二次側容器１９０を１．０Ｅ−６Ｐａレベルの内部圧力に到達するまで排気し、二次側排気バルブ１９２ｃを閉じ、二次側圧力計１９４で二次側容器１９０の内部圧力Ｐ４を測定した。
４．（手順Ｂ４）容積測定用バルブ１９８ａを開き、容積測定用バルブ１９８ａの内部の空気が二次側容器１９０の内部に流入した後に、二次側圧力計１９４で二次側容器１９０の内部圧力Ｐ５を測定した。
５．（手順Ｂ５）手順Ｂ１で算出した容積測定用容器１９８の容積Ｖｃ、手順Ｂ２で測定した充填圧力Ｐ３、手順Ｂ３で測定した内部圧力Ｐ４、および手順Ｂ４で測定した内部圧力Ｐ５から二次側容器１９０の容積Ｖを以下の計算式で算出した。ここまでが事前準備である。
（数１）
Ｖ＝Ｖｃ×（Ｐ３−Ｐ５）／（Ｐ５−Ｐ４）
６．（手順Ｂ６）一次側フランジ部１８０ｂと二次側フランジ部１９０ｂとの間に測定サンプル１６０を挟み、両フランジの貫通孔（図示せず）にボルト（図示せず）を通し、ボルトに嵌め合わせたナット（図示せず）で測定サンプル１６０を固定した。その際、二次側フランジ部１９０ｂの側には必ず測定サンプル１６０のパラジウム膜を形成した面を配置し、一次側フランジ部１８０ｂの側には測定サンプル１６０の他の面、すなわち酸化層およびガラス膜の少なくとも一方、またはパラジウム膜を形成した面を配置した。
７．（手順Ｂ７）手順Ｂ５で固定した測定サンプル１６０を電気炉２００の中に設置し、電気炉２００の電源を入れ、測定サンプル１６０を所定の温度Ｔまで加熱した。所定の温度とは、５００℃、６００℃、および７００℃である。
８．（手順Ｂ８）一次側排気バルブ１８２ｃおよび二次側排気バルブ１９２ｃを開き、一次側ロータリーポンプ１８２ａ、一次側ターボ分子ポンプ１８２ｂ、二次側ロータリーポンプ１９２ａ、および二次側ターボ分子ポンプ１９２ｂを起動して一次側容器１８０および二次側容器１９０を共に１．０Ｅ−６Ｐａレベルの内部圧力に到達するまで排気し、一次側排気バルブ１８２ｃおよび二次側排気バルブ１９２ｃを閉じ、一次側低圧レンジ圧力計１８６で一次側容器１８０の内部圧力Ｐ６をバックグラウンド値として測定した。
９．（手順Ｂ９）質量分析計１９６で二次側容器１９０の内部の重水素ガス量に対応する出力値Ｘ０をバックグラウンド値として測定した。
１０．（手順Ｂ１０）水素ガス供給バルブ１８８ａを開き、水素ガス供給管１８８から一次側容器１８０に重水素ガスを所定の内部圧力Ｐ７まで注入し、一次側低圧レンジ圧力計１８６でその時の一次側容器１８０の内部圧力を測定した。所定の圧力とは、１０〜８０ｋＰａである。
１１．（手順Ｂ１１）手順Ｂ１０の内部圧力Ｐ７を一定に保った状態で、質量分析計１９６で二次側容器１９０の内部の重水素ガス量に対応する出力値Ｘを測定した。
１２．（手順Ｂ１２）手順Ｂ５で算出した容積Ｖ、手順Ｂ７で到達した測定サンプル１６０の温度Ｔ、手順Ｂ８で測定した内部圧力Ｐ６、手順Ｂ９で測定した重水素ガス量に対応する出力値Ｘ０、手順Ｂ１０で測定した内部圧力Ｐ７、手順Ｂ１１で測定した重水素ガス量に対応する出力値Ｘ、および測定サンプル１６０の厚さｄと透過部分の面積Ａとモル気体定数Ｒ(8.31JK-1mol-1)から重水素ガスの透過係数Ｋを以下の計算式で算出した。
（数２）
Ｋ＝｛（Ｘ−Ｘ０）×Ｖ×ｄ｝／｛Ａ×Ｒ×Ｔ×√（Ｐ７−Ｐ６）｝
以上の算出結果を表２に示す。
Figure 0006865993
実施例２の測定サンプル１６０では、重水素ガスの透過係数が７００℃で２．１９Ｅ−１５、６００℃で２．１６Ｅ−１４になったので、予め設定した１．００Ｅ−１３以下という目標範囲に含まれるが、５００℃で１．３０Ｅ−１３になったので、予め設定した目標範囲の外側になった。これに対して、比較例３の測定サンプル１６０ａでは、重水素ガスの透過係数が７００℃で１．７８Ｅ−１０、６００℃で８．９２Ｅ−１１、５００℃で５．０７Ｅ−１１になったので、予め設定した目標範囲の外側になった。また、比較例４の測定サンプル１６０ｂでは、７００℃で６．７５Ｅ−１２、６００℃で２．５９Ｅ−１２、５００℃で２．８６Ｅ−１３になったので、予め設定した目標範囲の外側になった。また、比較例５の測定サンプル１６０ｃでは、７００℃で１．５８Ｅ−１３、６００℃で６．４１Ｅ−１２、５００℃で２．０３Ｅ−１３になったので、予め設定した目標範囲の外側になった。この結果から、実施例２の測定サンプル１６０と同様に密閉容器を構成することによって、透過による水素同位体の漏出を抑制することができるのは明らかである。
以上、本発明について実施例１および実施例２を挙げて詳細に説明したが、本発明は上記記載に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更をしても良いのはもちろんである。
本発明の第１および第３形態の燃料電池システムならびに第４形態の核融合発電システムは、長期間安定的に電力を供給することができるという効果に加え、従来と同等以上に一定期間継続的に電力を供給すること及び燃料電池システムの集合体を柔軟に構築することができるという効果もあり、本発明の第２形態の密閉容器は、透過による水素同位体の漏出を抑制することができるという効果があるので、産業上有用である。
１０、７０、８０、１００、１２０ 燃料電池システム
２０、９０、１１０、１３０ 電極複合体
２２、９２、１１２、１３２ 燃料極
２４、９４、１１４、１３４ 固体電解質体
２６、９６、１１６、１３６ 空気極
３０ 負極燃料物質体
４０、７２ 密閉容器
４２ 内部空間
４４ 開口部
４６、７４ 外周部
４８ 酸化層
５０ ガラス膜
６０ ヒータ
７６ 外周台部
７８ 外周壁部
１３８ 多孔金属板
１４０、１４０ａ、１４０ｂ 円筒容器
１４２ ＳＵＳ管
１４４ セラミック保護体
１４６ ＹＳＺ板
１４８ ガラスシール
１５０ 水素透過量測定装置
１５２ 電気炉
１５４ 配管部材
１５６ａ 供給バルブ
１５６ｂ 排出バルブ
１５８ｐ 圧力センサ
１５８ｔ 温度センサ
１６０、１６０ａ、１６０ｂ、１６０ｃ 測定サンプル
１７０ 水素同位体透過量測定装置
１８０ 一次側容器
１８０ａ 一次側連結管部
１８０ｂ 一次側フランジ部
１８２ａ 一次側ロータリーポンプ
１８２ｂ 一次側ターボ分子ポンプ
１８２ｃ 一次側排気バルブ
１８４ 一次側高圧レンジ圧力計
１８６ 一次側低圧レンジ圧力計
１８８ 水素ガス供給管
１８８ａ 水素ガス供給バルブ
１９０ 二次側容器
１９０ａ 二次側連結管部
１９０ｂ 二次側フランジ部
１９２ａ 二次側ロータリーポンプ
１９２ｂ 二次側ターボ分子ポンプ
１９２ｃ 二次側排気バルブ
１９４ 二次側圧力計
１９６ 質量分析計
１９８ 容積測定用容器
１９８ａ 容積測定用バルブ
２００ 電気炉

Claims (20)

  1. 放電時に水素ガスを水蒸気に酸化する燃料極を備えた平板状の電極複合体と、
    前記水蒸気と反応して前記水素ガスを生成し、自らは酸化物となる負極燃料物質体と、
    前記負極燃料物質体が気密に収容される内部空間を備えると共に、前記内部空間を構成する壁の一部に、前記内部空間の中の前記水素ガスを前記燃料極の表面に接触させるための開口部及び前記開口部を塞ぐために前記電極複合体が気密に固定される外周部を備えた密閉容器と、を有し、
    前記電極複合体及び前記負極燃料物質体は、それぞれの所定の温度に加熱維持されるものであり、
    前記密閉容器は、金属製であり、前記密閉容器の壁の表面に大気焼成によって形成された酸化層を備えると共に、前記酸化層の内、前記密閉容器の壁の外側表面及び内側表面の内の少なくとも一方の表面に形成された酸化層を覆うガラス膜を備えた燃料電池システム。
  2. 前記電極複合体は、さらに、前記燃料極の一方の表面に配置され、かつ充放電時に酸素イオンを伝導する平板状の気密性の固体電解質体を備え、
    前記固体電解質体は、セラミックス製であり、前記密閉容器は、前記固体電解質体に対して０．８〜２．０倍の熱膨張率を有する金属で構成される請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 前記外周部は、前記固体電解質体の前記燃料極を備えた表面の外周部分を支持する外周台部と、前記固体電解質体の端面を覆う外周壁部と、を有し、
    前記外周壁部は、シール材を使用して前記固体電解質体の端面に固定される請求項２に記載の燃料電池システム。
  4. 前記外周部は、前記燃料極の前記固体電解質体の反対側の表面の外周部分を支持する外周台部と、前記燃料極の端面を覆う外周壁部と、を有し、
    前記外周壁部は、シール材を使用して前記燃料極の端面に固定される請求項２に記載の燃料電池システム。
  5. 前記電極複合体は、さらに、前記固体電解質体の前記燃料極の反対側の表面に配置され、かつ放電時に空気中の酸素を前記酸素イオンに還元する空気極を備え、
    前記外周部は、前記固体電解質体の前記燃料極を備えた表面の外周部分を支持する外周台部と、前記固体電解質体の端面及び前記空気極の端面を覆う外周壁部と、を有し、
    前記外周壁部は、シール材を使用して前記固体電解質体の端面及び前記空気極の端面に固定される請求項２に記載の燃料電池システム。
  6. 前記電極複合体は、さらに、前記燃料極の前記固体電解質体の反対側の表面に配置され、かつ充放電時に水素ガスを透過する多孔金属板を備え、
    前記外周部は、前記多孔金属板の前記燃料極の反対側の表面の外周部分を支持する外周台部と、前記多孔金属板の端面を覆う外周壁部と、を有し、
    前記外周壁部は、シール材を使用して前記多孔金属板の端面に固定される請求項２に記載の燃料電池システム。
  7. 前記密閉容器は、ＳＵＳ４３０製であり、前記酸化層は、前記密閉容器を６８０〜１０２０℃で５８〜８６時間大気焼成した後、徐冷することによって形成される請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  8. 前記密閉容器は、ＳＵＳ４３０製であり、前記酸化層は、Ｆｅが濃化した外層とＣｒが濃化した内層とを有する請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  9. 前記酸化層の厚さは、１０ｎｍ〜１０μｍである請求項１〜８のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  10. 前記ガラス膜は、結晶化ガラスの膜である請求項１〜９のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  11. 前記電極複合体の所定の温度は、４５０〜１０００℃であり、前記負極燃料物質体の所定の温度は、３００〜１０００℃である請求項１〜１０のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  12. さらに、前記密閉容器及び前記電極複合体から成る筐体の外側及び内側の少なくとも一方に配置され、前記電極複合体及び前記負極燃料物質体を加熱維持するためのヒータを有する請求項１〜１１のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  13. 内部空間を備えた外壁を有し、
    前記内部空間は、水素ガスを気密に収容するものであり、
    前記外壁は、所定の温度に加熱維持された金属製のものであり、前記外壁の表面に大気焼成によって形成された酸化層を備えると共に、前記酸化層の内、前記外壁の外側表面及び内側表面の内の少なくとも一方の表面に形成された酸化層を覆うガラス膜を備えた密閉容器。
  14. 前記外壁は、ＳＵＳ４３０製であり、前記酸化層は、前記外壁を６８０〜１０２０℃で５８〜８６時間大気焼成した後、徐冷することによって形成される請求項１３に記載の密閉容器。
  15. 前記外壁は、ＳＵＳ４３０製であり、前記酸化層は、Ｆｅが濃化した外層とＣｒが濃化した内層とを有する請求項１３に記載の密閉容器。
  16. 前記酸化層の厚さは、１０ｎｍ〜１０μｍである請求項１３〜１５のいずれか１項に記載の密閉容器。
  17. 前記ガラス膜は、結晶化ガラスの膜である請求項１３〜１６のいずれか１項に記載の密閉容器。
  18. 前記外壁の所定の温度は、５５０〜７５０℃である請求項１３〜１７のいずれか１項に記載の密閉容器。
  19. 請求項１３〜１８のいずれか１項に記載の密閉容器を有する燃料電池システム。
  20. 請求項１３〜１８のいずれか１項に記載の密閉容器を有する核融合発電システム。
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