JP2002124274A

JP2002124274A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2002124274A
Application number: JP2000315526A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Tsuji; 正辻
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2000-10-16
Filing date: 2000-10-16
Publication date: 2002-04-26

Abstract

(57)【要約】【課題】冷却空気量を低減することができ、耐圧性に
優れた燃料電池を提供することである。【解決手段】燃料電池装置は、第１の外壁（Ｋ１）
と、第１の伝熱部（Ｅａ）と、電解質膜（Ｃ）と、第２
の伝熱部（Ｅｆ）と、第２の外壁（Ｋ２）とを有し、前
記第１の外壁（Ｋ１）と前記第１の伝熱部（Ｅａ）とに
より空気往路（Ａ１）が定まり、前記第１の伝熱部（Ｅ
ａ）と前記電解質膜（Ｃ）とにより空気復路（Ａ２）が
定まり、前記第２の外壁（Ｋ２）と前記第２の伝熱部
（Ｅｆ）とにより燃料ガス往路（Ｆ１）が定まり、前記
第２の伝熱部（Ｅｆ）と前記電解質膜（Ｃ）とにより燃
料ガス復路（Ｆ２）が定まり、前記空気復路（Ａ２）内
の空気（ａ２）と前記燃料ガス復路（Ｆ２）内の燃料ガ
ス（ｆ２）との前記電解質膜（Ｃ）を介する反応により
電気が生成される燃料電池ユニット（Ｕ）を少なくとも
１つ備える。伝熱部は反応熱を伝達して反応部を冷却す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、発電発熱反応に伴
う熱が、供給される燃料ガスまたは／及び空気との熱交
換によって除去される燃料電池に関する。

【０００２】

【従来の技術】図２５に示されるような固体電解質型燃
料電池（ＳＯＦＣ）が開発されている。この固体電解質
型燃料電池では、燃料ガスを透過せず、酸素イオンだけ
を通す特性を有する板状の固体電解質膜Ｃが使用されて
いる。固体電解質膜Ｃは、例えば安定化ジルコニアのよ
うな酸素イオン導電性のセラミックである。固体電解質
膜Ｃの両側には、燃料極と空気極とが設けられ、燃料極
と空気極とにそれぞれ水素、一酸化炭素等からなる燃料
ガスと空気とが供給される。燃料ガスと空気とは、８０
０℃から１０００℃の温度で電気化学反応を起こし、発
電する。

【０００３】なお、上記燃料電池で使用される燃料ガス
は、燃料としてメタン等の炭化水素と水蒸気とが、ニッ
ケルと接触することによって水蒸気改質反応（吸熱反
応）が進行し、水素、一酸化炭素等からなる燃料ガスが
製造されている。

【０００４】また、燃料電池における電気化学反応は元
来発熱反応である。しかしながら、反応の開始のために
は、電気化学反応が起きる領域（発電発熱領域）Ｇを通
過するガスは反応開始温度以上に保持される必要があ
る。大量に供給される空気は、特に反応開始温度以上に
余熱される必要がある。また、固体電解質膜Ｃの酸素イ
オン導電性、発電効率の点で、空気及び燃料ガスができ
るだけ高温に保持されることが有利ではあるが、受熱す
る固体電解質膜Ｃ等の構成材料には耐熱性の点から温度
の制約がある。このため、燃料電池は、従来１０００℃
付近で運転されている燃料電池では、電気化学反応によ
る発熱のすべてが発電に使用されるわけではない。空気
及び燃料ガスの温度を保持するために使用される熱以外
の残りは水蒸気改質反応進行に利用される。また、固体
電解質膜Ｃ等の燃料電池を構成する部材や固体電解質膜
Ｃに接触するガスに伝達された後、最後は排ガス内の顕
熱として系外に持ち出され、あるいは燃料電池から放熱
される。

【０００５】従って、発電発熱領域Ｇからの熱が吸収さ
れないと、温度が適正作動温度を越えて上昇するおそれ
がある。その場合、燃料電池の構成部材からの熱除去
（冷却）し、適正作動温度を維持するために、燃料ガス
との電気化学反応に必要な量よりも過剰の空気（当量の
４−５倍）が供給されている。この過剰な空気の供給の
ため、大容量の空気圧縮機及びその駆動動力が必要であ
る。このため、システムとしての効率が低くなると言う
問題点がある。

【０００６】また、燃料電池は図２６に示されるよう
に、ガスタービンプラントと組み合わされることが考え
られており、エネルギの有効利用の上から好ましいこと
である。その場合、燃料電池冷却用の空気が燃料分に対
する当量よりも過剰に供給される必要があると、大容量
の圧縮機が必要となり、ひいてはガスタービンシステム
が大きくなってします。この結果、システム全体におけ
る燃料電池の発生電極の比率が低くなり、燃料電池の特
徴である装置コスト、効率、環境保全などの有利性が減
殺されるという問題点がある。

【０００７】燃料電池におけるガスの供給と排出のため
の構造として特開平８−４５５２０号公報、特開平１０
−２８４０９４号公報に記載された構造が知られてい
る。これらの従来例では、一角から供給されるガスは渦
巻き状に中心部に進み、折り返されて渦巻きの外部に向
かって進んでいる。ガスが供給される角と対抗する角か
ら排出されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の目的
は、冷却空気量を低減することができる燃料電池あるい
は燃料電池装置を提供することである。

【０００９】本発明の他の目的は、大容量の空気圧縮機
及びその駆動動力を必要とせず、効率が高い燃料電池ユ
ニットを備える燃料電池あるいは燃料電池装置を提供す
ることである。

【００１０】本発明の他の目的は、耐圧性に優れた燃料
電池あるいは燃料電池装置を提供することである。

【００１１】本発明の他の目的は、ガスの供給端と排出
端の制約が少ない燃料電池あるいは燃料電池装置を提供
することである。

【００１２】本発明の他の目的は、コンパクトに構成す
ることができる燃料電池あるいは燃料電池装置を提供す
ることである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】以下、この項における説
明で現れる（）内の符号は以下の実施の形態での説明で
使用される対応する構成要件に付与される符号である。
しかしながら、その符号は、発明の理解を助ける目的で
付与されたものであり、特許請求の範囲に記載の発明の
解釈に用いてはならない。

【００１４】上記目的を達成するために、本発明の燃料
電池装置は、第１の外壁（Ｋ１）と、第１の伝熱部（Ｅ
ａ）と、電解質膜（Ｃ）と、第２の伝熱部（Ｅｆ）と、
第２の外壁（Ｋ２）とを有し、前記第１の外壁（Ｋ１）
と前記第１の伝熱部（Ｅａ）とにより空気往路（Ａ１）
が定まり、前記第１の伝熱部（Ｅａ）と前記電解質膜
（Ｃ）とにより空気復路（Ａ２）が定まり、前記第２の
外壁（Ｋ２）と前記第２の伝熱部（Ｅｆ）とにより燃料
ガス往路（Ｆ１）が定まり、前記第２の伝熱部（Ｅｆ）
と前記電解質膜（Ｃ）とにより燃料ガス復路（Ｆ２）が
定まり、前記空気復路（Ａ２）内の空気（ａ２）と前記
燃料ガス復路（Ｆ２）内の燃料ガス（ｆ２）との前記電
解質膜（Ｃ）を介する反応により電気が生成される燃料
電池ユニット（Ｕ）を少なくとも１つ備える。

【００１５】ここで、前記燃料電池ユニット（Ｕ）が渦
状に配置されていてもよい。この場合、第１の組は、前
記燃料電池ユニット（Ｕ）の前記空気往路（Ａ１）内に
前記空気（ａ）を供給するための空気供給端（Ａａ）と
前記空気復路（Ａ２）から前記空気（ａ２）を排気する
ための空気排気端（Ａｅ）とからなり、第２の組は、前
記燃料電池ユニットの前記燃料ガス往路（Ｆ１）内に前
記燃料ガスを供給するための燃料ガス供給端（Ｆｆ）と
前記燃料ガス復路（Ｆ２）から前記燃料ガスを排気する
ための燃料ガス排気端（Ｆｅ）とからなり、前記第１の
組と前記第２の組の少なくとも一方が前記渦の最外部に
設けられていてもよい。代わって、第１の組は、前記燃
料電池ユニット（Ｕ）の前記空気往路（Ａ１）内に前記
空気（ａ）を供給するための空気供給端（Ａａ）と前記
空気復路（Ａ２）から前記空気（ａ２）を排気するため
の空気排気端（Ａｅ）とからなり、第２の組は、前記燃
料電池ユニットの前記燃料ガス往路（Ｆ１）内に前記燃
料ガスを供給するための燃料ガス供給端（Ｆｆ）と前記
燃料ガス復路（Ｆ２）から前記燃料ガスを排気するため
の燃料ガス排気端（Ｆｅ）とからなり、前記第１の組と
前記第２の組の少なくとも一方が前記渦の最内部に設け
られていてもよい。

【００１６】また、燃料電池が複数の燃料電池ユニット
を具備し、前記複数の燃料電池ユニットが巴状に配置さ
れていてもよい。この場合、第１の組は、前記複数の燃
料電池ユニット（Ｕ）の各々の前記空気往路（Ａ１）内
に前記空気を供給するための空気供給端（Ａａ）と前記
空気復路（Ａ２）から前記空気を排気するための空気排
気端（Ａｅ）とからなり、第２の組は、前記複数の燃料
電池ユニットの各々（Ｕ）の前記燃料ガス往路（Ｆ１）
内に前記燃料ガスを供給するための燃料ガス供給端（Ｆ
ｆ）と前記燃料ガス復路から前記燃料ガスを排気するた
めの燃料ガス排気端（Ｆｅ）とからなり、前記第１の組
と前記第２の組の少なくとも一方が前記巴の外部に設け
られていてもよい。代わって、第１の組は、前記複数の
燃料電池ユニット（Ｕ）の各々の前記空気往路（Ａ１）
内に前記空気を供給するための空気供給端（Ａａ）と前
記空気復路（Ａ２）から前記空気を排気するための空気
排気端（Ａｅ）とからなり、第２の組は、前記複数の燃
料電池ユニットの各々（Ｕ）の前記燃料ガス往路（Ｆ
１）内に前記燃料ガスを供給するための燃料ガス供給端
（Ｆｆ）と前記燃料ガス復路から前記燃料ガスを排気す
るための燃料ガス排気端（Ｆｅ）とからなり、前記第１
の組と前記第２の組の少なくとも一方が前記巴の内部に
設けられていてもよい。

【００１７】また、燃料電池が前記燃料電池ユニットを
具備し、前記燃料電池ユニットが複数回折り返すように
配置されていてもよい。

【００１８】また、燃料電池が複数の燃料電池ユニット
を具備し、前記複数の燃料電池ユニット（Ｕ）のうちの
１つの前記第１の外壁（Ｋ１）が前記複数の燃料電池ユ
ニットのうちの他の燃料電池ユニットの前記第１の外壁
（Ｋ１）とが共用され、前記１つの燃料電池ユニットの
前記第２の外壁（Ｋ２）が前記複数の燃料電池ユニット
のうちの更に他の燃料電池ユニットの前記第２の外壁
（Ｋ２）とが共用されるように前記複数の燃料電池ユニ
ットが配置されていてもよい。

【００１９】また、燃料電池において、前記空気往路
（Ａ１）と前記燃料ガス往路（Ｆ１）との少なくとも一
方が少なくとも１回折り返されていてもよい。

【００２０】また、燃料電池において、前記空気往路
（Ａ１）を流れる前記空気は、前記燃料電池ユニット内
の、前記反応により加熱される部分（Ｇ）から前記第１
の伝熱部（Ｅａ）を介して吸熱して、前記加熱される部
分を冷却し、前記燃料ガス往路（Ｆ１）を流れる前記燃
料ガスは、前記燃料電池ユニット内の、前記加熱される
部分（Ｇ）から前記第２の伝熱部（Ｅｆ）を介して吸熱
して前記加熱される部分を冷却することが望ましい。

【００２１】また、燃料電池において、前記第１の伝熱
部（Ｅａ）と前記第２の伝熱部（Ｅｆ）の少なくとも一
方には、前記空気または燃料ガスによる前記吸熱を制御
するように、複数の孔が形成されていてもよい。また、
前記第１の伝熱部（Ｅａ）と前記第２の伝熱部（Ｅｆ）
の少なくとも一方には、前記吸熱を制御するように、波
形形状部が形成されていてもよい。更に、前記第１の伝
熱部（Ｅａ）と前記第２の伝熱部（Ｅｆ）の少なくとも
一方には、前記吸熱を制御するように、凸部が形成され
ていてもよい。

【００２２】また、上記のいずれかの燃料電池が第１の
容器（Ｖｃ、Ｖｒ）内に収容され、前記第１の容器の外
部から前記空気往路に前記空気と前記燃料ガス往路に前
記燃料ガスが供給され、前記空気復路から前記空気と前
記燃料ガス復路から前記燃料ガスを前記第１の容器の外
部へ排気されていてもよい。

【００２３】更に、前記第１の容器内の外周部は、前記
空気往路（Ａ１）に供給される前記空気により満たされ
ていてもよい。

【００２４】さらに、前記第１の容器は、更に球形の容
器に収容されていることが望ましい。

【００２５】

【発明の実施の形態】以下に、添付図面を参照して、本
発明の燃料電池及びそれを備える燃料電池装置を詳細に
説明する。

【００２６】図１は、本発明の燃料電池の基本原理を説
明するための燃料電池ユニットＵの断面図である。図１
を参照して、本発明の燃料電池で使用される燃料電池ユ
ニットは、空気側外壁Ｋ１、空気側伝熱部Ｅａ、固体電
解質膜Ｃ、燃料ガス側伝熱部Ｅｆ、燃料ガス側外壁Ｋ２
からなる。図１の右端部において、空気側外壁Ｋ１は固
体電解質膜Ｃに接続され、閉じられている。また、燃料
ガス側外壁Ｋ２は固体電解質膜Ｃに接続され、閉じられ
ている。一方、図１の左端部において、空気側外壁Ｋ１
は固体電解質膜Ｃに接続されておらず、開放されてい
る。また、燃料ガス側外壁Ｋ２は固体電解質膜Ｃに接続
されておらず、開放されている。

【００２７】また、空気側外壁Ｋ１と空気側伝熱部Ｅａ
とにより空気往路Ａ１が形成されている。空気側伝熱部
Ｅａと固体電解質膜Ｃとにより空気復路Ａ２が形成され
ている。空気側伝熱部Ｅａは、右端部において、空気側
外壁Ｋ１まで達していないので、空気は空気往路Ａ１を
進み、折り返して空気往路Ａ２を進むことができる。ま
た、燃料ガス側外壁Ｋ２と燃料ガス側伝熱部Ｅｆとによ
り燃料ガス往路Ｆ１が形成されている。燃料ガス側伝熱
部Ｅｆと固体電解質膜Ｃとにより燃料ガス復路Ｆ２が形
成されている。燃料ガス側伝熱部Ｅｆは、右端部におい
て、燃料ガス側外壁Ｋ２まで達していないので、燃料ガ
スは燃料ガス往路Ｆ１を進み、折り返して燃料ガス往路
Ｆ２を進むことができる。空気ａと燃料ガスｆが、それ
ぞれ、空気供給端Ａａと燃料ガス供給端Ｆｆから空気往
路Ａ１と燃料ガス往路Ｆ１に供給され、空気排出端Ａｅ
と、燃料ガス排出端Ｆｅから排出される。

【００２８】このように、燃料電池ユニットＵは、空気
ａが流れる空気流路Ａ（Ａ１，Ａ２）と燃料ガスｆが流
れる燃料ガス流路Ｆ（Ｆ１，Ｆ２）とを備えている。し
かも両ガス流路Ａ、Ｆは、途中で折り返され（Ｕター
ン）、その往路Ａ１とＦ１を流れる空気ａ１と燃料ガス
ｆ１と、それぞれ、折り返し後の復路Ａ２とＦ２を流れ
る空気ａ２と燃料ガスｆ２とは空気側伝熱部Ｅａと燃料
ガス側伝熱部Ｅｆと接している。空気側伝熱部Ｅａと燃
料ガス側伝熱部Ｅｆは、熱交換可能なセグメントサポー
ト（空気側）やインターコネクト（燃料ガス側）であ
り、固体電解質膜Ｃを含む発電発熱領域Ｇで発生した熱
を伝えることができる。

【００２９】また復路Ａ２、Ｆ２を流れる空気ａ２、燃
料ガスｆ２同士が発電可能に固体電解質膜Ｃに接してい
る。固体電解質膜Ｃを挟む空気側復路Ａ２と燃料ガス側
復路Ｆ２は、後述される空気極と燃料極としてそれぞれ
機能する。固体電解質膜Ｃとしては、例えばガスを透過
せず、酸素イオンだけを通す特性を有する安定化ジルコ
ニアのような酸素イオン導電性のセラミックが使用され
る。

【００３０】また、燃料ガス側の伝熱部Ｅｆとしては、
燃料ガスｆ１の水蒸気改質を促進するニッケルが使用さ
れてもよい。この場合、燃料ガスとして、例えば炭化水
素であるメタンと水蒸気との混合物が供給される。燃料
ガスは途中加熱されて水蒸気改質反応が進行し、その大
半は水素、一酸化炭素、炭酸ガス等に変換される。

【００３１】燃料電池ユニットＵの動作について説明す
る。例えば５００−６００℃の空気が空気流路ａの供給
端Ａａに導入された場合、往路Ａ１を通る間に発電発熱
領域Ｇからの発熱を受けて、電気化学反応のために必要
な温度（例えば８００−１０００℃）に余熱される。そ
の後、折り返し、復路Ａ２を通って排出端Ａｅから排出
される。

【００３２】同時に、空気と略同じ温度の燃料ガスｆが
燃料ガス流路に供給端Ｆｆから導入される。燃料ガスｆ
は、往路Ｆ１を通る間に、燃料ガス伝熱部Ｅｆを介して
発電発熱領域Ｇからの熱を受けて、８００−１０００℃
に余熱される。また、燃料ガス伝熱部Ｅｆにおける水蒸
気改質反応によって、その大半は水素、一酸化炭素、炭
酸ガスなどに変換される。

【００３３】空気復路Ａ２を通る高温の空気ａ２中の酸
素の一部はイオン化されて、固体電子膜Ｃを通過する。
また、折り返し後の燃料ガス復路Ｆ２では、改質された
ガスｆ２の中の水素が固体電解質膜Ｃを通過した酸素イ
オンと電気化学反応を起こし、水に変換される。このと
き、発熱すると同時に、電気エネルギに変換される。す
なわち、空気復路Ａ２と燃料ガス復路Ｆ２は、それぞれ
燃料電池ユニットＵの空気極、燃料極として機能する。
また、この電気化学反応が発生する領域は発電発熱領域
Ｇと呼ばれる。

【００３４】従って、往路Ａ１とＦ１を通過する空気ａ
１と燃料ガスｆ１は、それぞれ、固体電解質膜Ｃが設け
られた発電発熱領域Ｇの熱を吸収して余熱される。結果
として、発電発熱領域Ｇは冷却される。余熱された空気
ａ１と燃料ガスｆ１は、それぞれ、電気化学反応の開始
の温度（８００−１０００℃）に到達して、発電発熱領
域Ｇに流入している。このため、何らの支障なく、電気
化学反応が開始し、進行し、発電が行われる。また、発
電発熱領域Ｇは、往路を通る空気と燃料ガスによって冷
却されている。結果として、その冷却に要する空気量が
従来に比較して著しく低減されている。このため、空気
圧縮のために圧縮機として小容量のものが使用されるこ
とができ、またそれの駆動のために必要な動力が低減さ
れることができる。結果として、システム効率が向上す
る。

【００３５】また、燃料電池装置がガスタービンプラン
トと組み合わされる場合、燃料電池の冷却用の空気の量
が低減されるので、圧縮機、ガスタービンが小さくな
り、システム全体の発生動力に対する燃料電池のそれの
比率が高くなり、燃料電池の特徴である装置コスト、効
率環境保全等の有利性が発揮される。

【００３６】次に本発明の第１の実施の形態による燃料
電池ユニットについて図２を参照して説明する。第１の
実施の形態の燃料電池は、基本的には図１に示される原
理的な燃料電池ユニットと同一であるが、ガス流路Ａと
Ｆが同一平面上に略円形の渦状に形成されている。ガス
流路の閉じられた部分が渦の中心部にはおかれ、最外周
に空気排出端Ａｅと燃料ガス排出端Ｆｅと空気供給端Ａ
ａと燃料ガス供給端Ｆａが設けられている。このとき、
隣接する流路間は隙間なく接続されていることが望まし
い。しかしながら、必ずしも接続されていなくともよい
ことはもちろんである。

【００３７】空気排出端Ａｅ、燃料ガス排出端Ｆｅにつ
ながる復路Ａ２とＦ２の間に固体電解質膜Ｃが設けられ
ている。発電発熱領域Ｇは、復路路Ａ２とＦ２と固体電
解質膜Ｃからなる領域である。また、燃料ガス復路Ｆ２
の内周には燃料ガス供給端Ｆａにつながる燃料ガス往路
Ｆ１があり、その内周には空気供給端Ａａにつながる空
気往路Ａ１が形成されている。空気往路Ａ１の内周には
空気復路Ａ２が形成されている。こうして、渦の中心部
では、往路から復路へガスが流れるように流路が閉じら
れている。空気の往復路同士また燃料ガス往復路同士は
それぞれ熱交換可能に伝熱部ＥａとＥｆを介して接して
いる。また、隣接する往路同士間には流路を分離する隔
壁が存在する。すなわち、空気側外壁Ｋ１と燃料ガス側
外壁Ｋ２が共用されている。なお、渦の形状は円形に限
定されるものではなく、楕円、多角形のいずれもよい。

【００３８】第１の実施の形態による燃料電池ユニット
ｈａＵでは、上述の基本構成における特徴に加えて、燃
料電池ユニットＵが渦の全長にわたって固体電解質膜Ｃ
を含む発電発熱領域Ｇとそれのための冷却領域（往路Ａ
１とＦ１）が設けられている。こうして、渦の最外部か
ら中心部に向かって発電発熱領域Ｇとそれのための冷却
領域が交互に多層にわたって存在する。しかもそれぞれ
排出端ＡｅとＦｅにつながる空気、燃料ガスの復路Ａ２
とＦ２が最外周に配置され、供給端ＡａとＦａにつなが
る往路Ａ１とＦ１がそのすぐ内側に配置されている。ま
た、折り返し点が渦の中央に配置されている。従って、
従来の多数の直線状の燃料電池ユニットの積層体よりな
るスタックに比して、単一のユニットからなり、単純か
つコンパクトであって、しかも耐圧性に優れている。

【００３９】第１の実施の形態の変形例を図３を参照し
て説明する。図３を参照して、燃料電池ユニットＵは、
渦の中心部分にガス供給端ＡａとＦａ、ガス排出端Ａｅ
とＦｅがそれぞれ設けられている。下方から空気と燃料
ガスが供給され、最外周部で折り返され、中心部で下方
に排出される。なお、それによって外周側はもちろん、
中央部分も構造を単純化することが可能である。

【００４０】次に、本発明の第２の実施の形態による燃
料電池を、図４と図５を参照して説明する。図４を参照
して、複数（図４と５では４個）の燃料電池ユニットＵ
が巴形状を構成するように配置されている。このとき、
隣接する燃料電池ユニット間は隙間なく接続されている
ことが望ましい。しかしながら、必ずしも接続されてい
なくともよいことはもちろんである。図４では、燃料電
池ユニットＵが流線状に巴形状を構成し、図５では燃料
電池ユニットＵが卍形状を構成するように配置されてい
る。巴形状の中心部で燃料電池ユニットの閉塞部が互い
に接合されている。ガス供給端ＡａとＦａ、ガス排出端
ＡｅとＦｅが最外周部に設けられている。

【００４１】また、各燃料電池ユニットＵは図１に示さ
れるように、各流路が平面的に存在するように巴形状を
構成してもよいが、図１に示される流路が垂直面内に存
在するように巴形状を構成してもよい。

【００４２】また、図３に示されるように、ガス供給端
ＡａとＦａ、ガス排出端ＡｅとＦｅが巴形状の中心に設
けられ、流路の閉塞部が最外周にあるように、巴形状を
構成してもよい。

【００４３】第２の実施の形態による燃料電池では、第
１の実施の形態と比べて、供給端、排出端、流路がそれ
ぞれ複数組となるので、構造が若干複雑にはなるが、単
位ガス量あたりの伝熱積や流路断面積を大きく変える必
要がなく、耐圧性に優れた単一の略円筒形その他の形状
を維持したまま容量を容易に大きくすることができる。

【００４４】次に、本発明の第３の実施の形態による燃
料電池について、図６乃至図１１を参照して説明する。
第３の実施の形態では図１から図５のいずれかに示され
る燃料電池ユニットＵが少なくとも円筒形容器Ｖｃに収
容されている。

【００４５】図６と図７に示される燃料電池では、第１
の実施の形態による燃料電池ユニットＵが円筒形容器Ｖ
ｃの中心部に収容されている。

【００４６】図６に示される燃料電池では、円筒形容器
Ｖｃの外周部が放射状の４つの仕切によって区画され、
空気供給室ＡＡ、燃料ガス供給室ＦＦ、空気排出室Ａ
Ｅ、及び燃料ガス排出室ＦＥが形成されている。燃料電
池ユニットＵの、空気供給端Ａａ、燃料ガス供給端Ｆ
ａ、空気排出端Ａｅ及び燃料ガス排出端Ｆｅはそれぞれ
空気供給室ＡＡ、燃料ガス供給室ＦＦ、空気排出室Ａ
Ｅ、及び燃料ガス排出室ＦＥに接続されている。円筒形
容器Ｖｃの外部から円筒容器の横方向に空気と燃料ガス
が供給され、円筒形容器Ｖｃの外部に円筒容器の横方向
にガスが排出される。

【００４７】これに対して、図７に示される燃料電池で
は、円筒形容器Ｖｃの外周部が放射状の４つの仕切によ
って区画され、空気供給室ＡＡ、燃料ガス供給室ＦＦ、
空気排出室ＡＥ、及び燃料ガス排出室ＦＥが形成されて
いる。燃料電池ユニットＵの、空気供給端Ａａ、燃料ガ
ス供給端Ｆａ、空気排出端Ａｅ及び燃料ガス排出端Ｆｅ
はそれぞれ空気供給室ＡＡ、燃料ガス供給室ＦＦ、空気
排出室ＡＥ、及び燃料ガス排出室ＦＥに接続されてい
る。円筒形容器Ｖｃの上面上方向から空気と燃料ガスが
供給され、円筒形容器Ｖｃの上面上方向にガスが排出さ
れる。

【００４８】図８に示される燃料電池では、円筒形容器
Ｖｃの中心部には第１の実施の形態あるいは第２の実施
の形態による燃料電池ユニットＵが置かれ、円筒形容器
Ｖｃ内の最外周部は空気供給室ＡＡとなっている。燃料
電池ユニットＵが置かた中心部と最外周部との間は放射
状の３つの仕切によって区画され、燃料ガス供給室Ｆ
Ｆ、空気排出室ＡＥ、及び燃料ガス排出室ＦＥが形成さ
れている。燃料電池ユニットＵの、空気供給端Ａａ、燃
料ガス供給端Ｆａ、空気排出端Ａｅ及び燃料ガス排出端
Ｆｅはそれぞれ空気供給室ＡＡ、燃料ガス供給室ＦＦ、
空気排出室ＡＥ、及び燃料ガス排出室ＦＥに接続されて
いる。円筒形容器Ｖｃの外部から円筒容器の横方向に空
気と燃料ガスが供給され、円筒形容器Ｖｃの外部に円筒
容器の横方向にガスが排出される。なお、燃料ガス供給
室ＦＦ、空気排出室ＡＥ、及び燃料ガス排出室ＦＥにつ
ながる管は、空気供給室ＡＡを貫通している。

【００４９】それに対して、図９に示される燃料電池で
は、円筒形容器Ｖｃの中心部には第１の実施の形態によ
る燃料電池ユニットＵが置かれ、円筒形容器Ｖｃ内の最
外周部は空気供給室ＡＡとなっている。燃料電池ユニッ
トＵが置かた中心部と最外周部との間は放射状の３つの
仕切によって区画され、燃料ガス供給室ＦＦ、空気排出
室ＡＥ、及び燃料ガス排出室ＦＥが形成されている。燃
料電池ユニットＵの、空気供給端Ａａ、燃料ガス供給端
Ｆａ、空気排出端Ａｅ及び燃料ガス排出端Ｆｅはそれぞ
れ空気供給室ＡＡ、燃料ガス供給室ＦＦ、空気排出室Ａ
Ｅ、及び燃料ガス排出室ＦＥに接続されている。円筒形
容器Ｖｃの上面上方向からあるいは底面下方から（図で
は上から）空気と燃料ガスが供給され、円筒形容器Ｖｃ
の上面上方向にガスが排出される。

【００５０】図１０に示されるように、円筒形容器Ｖｃ
の中心部には巴形状の燃料電池ユニットＵが１つ設置さ
れてもよい。あるいは、図１１に円筒形容器Ｖｃの中心
部には複数の巴形状の燃料電池ユニットＵが設置されて
もよい。これら場合、円筒形容器Ｖｃ内の燃料電池ユニ
ットＵの周辺部は空気供給室ＡＡとなっていることが好
ましい。各燃料電池ユニットＵの空気供給端Ａａは円筒
形容器Ｖｃ内で開放されている。また、各燃料電池ユニ
ットＵの燃料ガス供給端Ｆａ、空気排出端Ａｅ及び燃料
ガス排出端Ｆｅは、それぞれ、円筒形容器Ｖｃを貫通す
る燃料ガス供給管、空気排出管、及び燃料ガス排出管に
接続されている。

【００５１】次に、図１２に示されるように、図６から
図１１に示される燃料電池装置が球形容器Ｖｇに収容さ
れてもよい。

【００５２】本発明の第３の実施の形態による燃料電池
によれば、第１の実施の形態及び第２の実施の形態にお
ける特徴に加えて、少なくとも容器の耐圧性が十分であ
ればよい。内部の燃料電池あるいは燃料電池ユニットの
構成部材に対しては耐圧性についての格別の配慮は不要
である。特に図８乃至図１２に示すものは、いずれも耐
圧容器で囲まれた最高圧の空気供給室ＡＡの介在によっ
て、それぞれ外部への熱流出の防止、内部燃料ガスの外
部への漏れ防止、発電発熱領域Ｇの間接的冷却及び他の
３室への耐圧性に対する対策が不要になるという効果が
ある。

【００５３】次に、本発明の第４の実施の形態による燃
料電池ユニットについて図１３乃至図１５を参照して説
明する。

【００５４】図１３に示される燃料電池ユニットＵで
は、両ガス流路Ａ，Ｆが平行して適当な間隔でヘアピン
状に繰り返し折り返され、燃料電池ユニットＵが全体と
して略長方形状に形成されている。この場合、折り返し
部分では、図１の燃料電池ユニットのうち、第１の外壁
と第２の外壁とが共用されている。

【００５５】図１４に示される燃料電池ユニットＵで
は、特に断面が長方形の圧力容器Ｖｒ内に形成されてい
る。図１４では垂直な壁（図では左右の鉛直壁）からそ
れぞれ垂直に（図１４では水平）交互に仕切Ｓｐが延び
ていて、空気流路Ａ、燃料ガス通路Ｆは、図１３に示さ
れる例と同様に、適当な間隔でヘアピン状に繰り返し折
り返されている。すなわち、折り返しによる直線部分は
水平方向に延びている。このため、空気流路Ａ、燃料ガ
ス通路Ｆのうちの空気往路Ａ１と燃料ガス往路Ｆ１は容
器Ｖｒの壁に沿って延在する。空気流路Ａ、燃料ガス通
路Ｆのうちの空気復路Ａ２と燃料ガス復路Ｆ２は容器Ｖ
ｒの中心部に沿って延在する。燃料電池ユニットＵの空
気供給端Ａａ、燃料ガス供給端Ｆａ、空気排出端Ａｅ及
び燃料ガス排出端Ｆｅは、容器Ｖｒの横方向に延びてい
る。一方、図１５に示される燃料電池ユニットＵでは、
図１３の折り返しによる直線部分が鉛直に延びている。
また、燃料電池ユニットＵの空気供給端Ａａ、燃料ガス
供給端Ｆａ、空気排出端Ａｅ及び燃料ガス排出端Ｆｅ
は、容器Ｖｒの上部から上方向に延びている。これによ
り、容器Ｖｒが天井から懸垂可能になっている。

【００５６】第４の実施の形態による燃料電池ユニット
では、いずれも両方のガス流路が平行してヘアピン状に
折り曲げられていて、略直方体状に集約されているた
め、コンパクトである。特に図１４及び図１５に示され
るように、容器Ｖｒや仕切Ｓｐが空気往路Ａ１内の空気
及び燃料ガス往路Ｆ１内の燃料ガスにより冷却されるた
め、その必要耐熱度が緩和されることができる。また、
容器Ｖｒに耐圧性が付与されると、その他の燃料電池ユ
ニットの構成部材に対しては耐圧性についての格別の配
意は不要となる。特に、図１４に示される燃料電池ユニ
ットでは、枠と仕切を構造体として、そこに低温の空気
と燃料ガスが流されるので、応力設計が容易となってい
る。容器の長方形断面の代わりに円形断面の容器が用い
られてもよい。その場合、内部の隙間が増すが耐圧性は
一層高まる。

【００５７】次に、本発明の第５の実施の形態による燃
料電池について図１６を参照して説明する。第５実施の
形態による燃料電池では、複数の燃料電池ユニットが平
面上にガス流路が平行に配列されている。各燃料電池ユ
ニットＵは図１に示される燃料電池ユニットと同様であ
る。このとき、隣接する複数の燃料電池ユニットは、空
気流路が隣り合うように、あるいは燃料ガス流路が隣り
合うように配列される。こうして、図１における第１の
外壁Ｋ１あるいは第２の外壁ｋ２が共用されている。空
気供給端は隣合う燃料電池ユニットで共通化され、また
燃料ガス供給端は隣合う燃料電池ユニットで共通化され
ている。こうして、２つの隣接する燃料電池ユニットの
それぞれ空気供給端、燃料ガス供給端がそれぞれ１つに
まとめられ、簡略化される。

【００５８】そのため、異なる種類のガス流路である空
気流路の往路と燃料ガス流路の往路とが壁を介して接触
することはなく、たとえ壁にピンホールがあっても、異
なる種類のガス流路間のガス漏れは起こらない。

【００５９】次に、本発明の第６の実施の形態による燃
料電池ユニットについて図１７を参照して説明する。図
１７を参照して、少なくとも１つの燃料電池ユニットで
空気復路Ａ２と燃料ガス復路Ｆ２が発電可能に少なくと
も電解質膜を介して接する区間の他に、空気往路Ａ１と
燃料ガス往路Ｆ１のうち少なくとも一方で、その上流側
で途中少なくとも１回折り返されている。図１７では、
空気往路Ａ１と燃料ガス往路Ｆ１の両方が途中折り返さ
れている。折り返し部では、折り返し直前の往路Ａ１，
Ｆ１と折り返し後の往路Ａ１，Ｆ１が熱交換可能な伝熱
部Ｅａ、Ｅｆを介して接している。これにより、発電発
熱領域Ｇで発生された熱は、折り返し往路を介して伝達
される。こうして、発電発熱領域Ｇは十分に冷却される
ことができ、また、供給ガスが十分に余熱されることが
できる。

【００６０】次に、本発明の第７の実施の形態による燃
料電池ユニットについて図１８を参照して説明する。図
１８を参照して、上述のいずれかの実施の形態の燃料電
池ユニットあるいは燃料電池の構成に加えて、集電端子
としての固体電解質膜の端面全域とその固体電解質膜Ｃ
に対向する導電性伝熱部とが使用される。第７の実施の
形態によれば、端子に垂直な方向にのみ電流が流れる。
このため、集電のための導電パスが短くなり、抵抗が減
少し、性能が向上する。

【００６１】次に、本発明の第８の実施の形態による燃
料電池ユニットについて図１９と図２０を参照して説明
する。図１９を参照して、空気往路Ａ１または燃料ガス
往路Ｆ１の少なくとも一方（図１９では空気往路Ａ１）
と関連する伝熱部Ｅａの少なくとも一部に孔Ｐが開けら
れている。この結果、空気往路Ａ１内の空気の一部は孔
Ｐを通って空気往路Ａ２に流れ込む。図２０に示される
ように、各孔の径と、孔間の間隔ｌとピッチｐ、密度
は、発電発熱領域Ｇでの温度、反応速度、冷却能力等に
基づいて決定される。

【００６２】そのため、孔の径と単位面積当たりの孔の
分布に基づいて、伝熱部を短絡して流れるガスの速度、
量、流れの乱れに分布が生じる。それによって発電発熱
領域Ｇに対する冷却能力や反応速度の分布が生じるた
め、均一な温度分布が制御可能である。

【００６３】次に、本発明の第９の実施の形態による燃
料電池ユニットＵについて図２１乃至図２４を参照して
説明する。図２１を参照して、空気または燃料ガスの少
なくともいずれか一方（図では両方）に対応する伝熱部
Ｅａ、Ｅｆの少なくとも一方（図では両方）が、平板状
でなく波打つように形成されている。波の高さｈと波と
波の間のピッチＬは、図２２に示されるように決定され
ている。また、波の方向は一方向とは限らず、図２３に
示されるように、直交する方向に波打つように伝熱部が
形成されてもよい。また、図２４に示されるように、伝
熱部に小さい突起が形成されてもよい。

【００６４】伝熱部Ｅａ、Ｅｆの伝熱面積の増加及び流
れの分布に乱れが生じ、熱伝達速度の分布が変化する。
それによって、発電発熱領域Ｇに対する冷却能力や反応
速度の分布が生じるため、その温度分布の制御が可能で
ある。

【００６５】

【発明の効果】上記のように、本発明の燃料電池および
燃料電池装置によれば、冷却効率が向上しているので、
冷却空気量を低減することができる。また、冷却効率の
向上に大容量の空気圧縮機及びその駆動動力を必要とせ
ず、効率が高い燃料電池ユニットを備える燃料電池ある
いは燃料電池装置を提供することができる。

【００６６】また、本発明によれば、燃料電池ユニット
の構造そのもの、及び外部の容器の使用を通して耐圧性
に優れた燃料電池あるいは燃料電池装置が提供される。
また、このとき、ガスの供給端と排出端の制約が少な
い。結果として、コンパクトな燃料電池あるいは燃料電
池装置が提供される。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明の燃料電池の基本原理を説明す
るための燃料電池ユニットＵの断面図である。

【図２】図２は、本発明の第１の実施の形態による燃料
電池ユニットの構成を示す断面図である。

【図３】図３は、本発明の第１の実施の形態による燃料
電池ユニットの変形例の構成を示す断面図である。

【図４】図２は、本発明の第２の実施の形態による燃料
電池の構成を示す断面図である。

【図５】図５は、本発明の第２の実施の形態による燃料
電池の変形例の構成を示す断面図である。

【図６】図６は、第１の実施の形態による燃料電池ユニ
ットを使用する本発明の第３の実施の形態による燃料電
池の構成を示す断面図である。

【図７】図７は、第１の実施の形態による燃料電池ユニ
ットを使用する本発明の第３の実施の形態による燃料電
池の変形例の構成を示す断面図である。

【図８】図８は、第１、２の実施の形態による燃料電池
ユニットを使用する本発明の第３の実施の形態による燃
料電池の変形例の構成を示す断面図である。

【図９】図９は、第１、２の実施の形態による燃料電池
ユニットを使用する本発明の第３の実施の形態による燃
料電池の変形例の構成を示す断面図である。

【図１０】図１０は、第２の実施の形態による燃料電池
ユニットを使用する本発明の第３の実施の形態による燃
料電池の変形例の構成を示す断面図である。

【図１１】図１１は、第２の実施の形態による燃料電池
ユニットを使用する本発明の第３の実施の形態による燃
料電池の変形例の構成を示す断面図である。

【図１２】図１２は、図６乃至図１１の燃料電池を使用
する本発明の第３の実施の形態による燃料電池の変形例
の構成を示す断面図である。

【図１３】図１３は、本発明の第４の実施の形態による
燃料電池の構成を示す断面図である。

【図１４】図１４は、本発明の第４の実施の形態による
燃料電池の変形例の構成を示す断面図である。

【図１５】図１５は、本発明の第４の実施の形態による
燃料電池の変形例の構成を示す断面図である。

【図１６】図１６は、本発明の第５の実施の形態による
燃料電池の構成を示す断面図である。

【図１７】図１７は、本発明の第６の実施の形態による
燃料電池の構成を示す断面図である。

【図１８】図１８は、本発明の第７の実施の形態による
燃料電池の構成を示す断面図である。

【図１９】図１９は、本発明の第８の実施の形態による
燃料電池の構成を示す断面図である。

【図２０】図２０は、本発明の第８の実施の形態による
燃料電池の伝熱部のさん孔状態を示す断面図である。

【図２１】図２１は、本発明の第９の実施の形態による
燃料電池の構成を示す断面図である。

【図２２】図２２は、本発明の第９の実施の形態による
燃料電池の伝熱部の波打ち状態を示す断面図である。

【図２３】図２３は、伝熱部の波打ち状態を示す斜視図
である。

【図２４】図２４は、本発明の第９の実施の形態による
燃料電池の伝熱部に形成される凹凸の状態を示す図であ
る。

【図２５】従来の燃料電池の構成と動作原理を説明する
図である。

【図２６】従来の燃料電池とガスタービンのコンバイン
を示す図である。

【符号の説明】

ａ：空気ｆ：燃料ガスＫ１：空気側外壁Ｅａ：空気側伝熱部Ｃ：固体電解質膜Ｅｆ：燃料ガス側伝熱部Ｋ２：燃料ガス側外壁Ａ１：空気往路Ａ２：空気復路Ｆ１：燃料ガス往路Ｆ２：燃料ガス復路Ｕ：燃料電池ユニットＶｃ、Ｖｒ、Ｖｇ：容器Ｇ：発電発熱領域

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１の外壁と、第１の伝熱部と、電解質膜
と、第２の伝熱部と、第２の外壁とを有し、前記第１の
外壁と前記第１の伝熱部とにより空気往路が定まり、前
記第１の伝熱部と前記電解質膜とにより空気復路が定ま
り、前記第２の外壁と前記第２の伝熱部とにより燃料ガ
ス往路が定まり、前記第２の伝熱部と前記電解質膜とに
より燃料ガス復路が定まり、前記空気復路内の空気と前
記燃料ガス復路内の燃料ガスとの前記電解質膜を介する
反応により電気が生成される燃料電池ユニットを少なく
とも１つ備える燃料電池。
【請求項２】請求項１に記載の燃料電池において、前記第１の外壁と前記第２の外壁が共用されるように前
記燃料電池ユニットが渦状に配置されている燃料電池。
【請求項３】請求項２に記載の燃料電池において、第１の組は、前記燃料電池ユニットの前記空気往路内に
前記空気を供給するための空気供給端と前記空気復路か
ら前記空気を排気するための空気排気端とからなり、第２の組は、前記燃料電池ユニットの前記燃料ガス往路
内に前記燃料ガスを供給するための燃料ガス供給端と前
記燃料ガス復路から前記燃料ガスを排気するための燃料
ガス排気端とからなり、前記第１の組と前記第２の組の少なくとも一方が前記渦
の最外部に設けられている燃料電池。
【請求項４】請求項２に記載の燃料電池において、第１の組は、前記燃料電池ユニットの前記空気往路内に
前記空気を供給するための空気供給端と前記空気復路か
ら前記空気を排気するための空気排気端とからなり、第２の組は、前記燃料電池ユニットの前記燃料ガス往路
内に前記燃料ガスを供給するための燃料ガス供給端と前
記燃料ガス復路から前記燃料ガスを排気するための燃料
ガス排気端とからなり、前記第１の組と前記第２の組の少なくとも一方が前記渦
の最内部に設けられている燃料電池。
【請求項５】請求項１に記載の燃料電池において、複数の燃料電池ユニットを具備し、前記複数の燃料電池
ユニットが巴状に配置されている燃料電池。
【請求項６】請求項５に記載の燃料電池において、第１の組は、前記複数の燃料電池ユニットの各々の前記
空気往路内に前記空気を供給するための空気供給端と前
記空気復路から前記空気を排気するための空気排気端と
からなり、第２の組は、前記複数の燃料電池ユニットの各々の前記
燃料ガス往路内に前記燃料ガスを供給するための燃料ガ
ス供給端と前記燃料ガス復路から前記燃料ガスを排気す
るための燃料ガス排気端とからなり、前記第１の組と前記第２の組の少なくとも一方が前記巴
の外部に設けられている燃料電池。
【請求項７】請求項５に記載の燃料電池において、第１の組は、前記複数の燃料電池ユニットの各々の前記
空気往路内に前記空気を供給するための空気供給端と前
記空気復路から前記空気を排気するための空気排気端と
からなり、第２の組は、前記複数の燃料電池ユニットの各々の前記
燃料ガス往路内に前記燃料ガスを供給するための燃料ガ
ス供給端と前記燃料ガス復路から前記燃料ガスを排気す
るための燃料ガス排気端とからなり、前記第１の組と前記第２の組の少なくとも一方が前記巴
の内部に設けられている燃料電池。
【請求項８】請求項１に記載の燃料電池において、前記燃料電池ユニットを具備し、前記燃料電池ユニット
が複数回折り返すように配置されている燃料電池。
【請求項９】請求項１に記載の燃料電池において、複数の燃料電池ユニットを具備し、前記複数の燃料電池
ユニットのうちの１つの前記第１の外壁が前記複数の燃
料電池ユニットのうちの他の燃料電池ユニットの前記第
１の外壁とが共用され、前記１つの燃料電池ユニットの
前記第２の外壁が前記複数の燃料電池ユニットのうちの
更に他の燃料電池ユニットの前記第２の外壁とが共用さ
れるように前記複数の燃料電池ユニットが配置されてい
る燃料電池。
【請求項１０】請求項１に記載の燃料電池において、前記空気往路と前記燃料ガス往路との少なくとも一方が
少なくとも１回折り返されている燃料電池。
【請求項１１】請求項１乃至１０のいずれかに記載の燃
料電池において、前記空気往路を流れる前記空気は、前記燃料電池ユニッ
ト内の、前記反応により加熱される部分から前記第１の
伝熱部を介して吸熱して、前記加熱される部分を冷却
し、前記燃料ガス往路を流れる前記燃料ガスは、前記燃
料電池ユニット内の、前記加熱される部分から前記第２
の伝熱部を介して吸熱して前記加熱される部分を冷却す
る燃料電池。
【請求項１２】請求項１１に記載の燃料電池において、前記第１の伝熱部と前記第２の伝熱部の少なくとも一方
には、前記空気または燃料ガスによる前記吸熱を制御す
るように、複数の孔が形成されている燃料電池。
【請求項１３】請求項１１に記載の燃料電池において、前記第１の伝熱部と前記第２の伝熱部の少なくとも一方
には、前記吸熱を制御するように、波形形状部が形成さ
れている燃料電池。
【請求項１４】請求項１１に記載の燃料電池において、前記第１の伝熱部と前記第２の伝熱部の少なくとも一方
には、前記吸熱を制御するように、凸部が形成されてい
る燃料電池。
【請求項１５】請求項１乃至１４のいずれかに記載の燃
料電池が第１の容器内に収容され、前記第１の容器の外
部から前記空気往路に前記空気と前記燃料ガス往路に前
記燃料ガスが供給され、前記空気復路から前記空気と前
記燃料ガス復路から前記燃料ガスを前記第１の容器の外
部へ排気する燃料電池装置。
【請求項１６】請求項１５に記載の燃料電池装置におい
て、前記第１の容器内の外周部は、前記空気往路に供給され
る前記空気により満たされている燃料電池装置。
【請求項１７】請求項１５または１６に記載の燃料電池
装置において、前記第１の容器は、更に球形の容器に収容されている燃
料電池装置。