JP2003045464A - 燃料電池及びその発電方法 - Google Patents

燃料電池及びその発電方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】発電するまでの立ち上げ時間を大幅に短縮でき
る燃料電池及びその発電方法を提供する。 【解決手段】反応容器１内に、一対のセル固定板５、１
３を用いて複数の有底筒状の燃料電池セル２の開口端部
と底部を固定し、該燃料電池セル２が開口する燃焼室Ｂ
と、燃料電池セル２の側面部が位置する反応室Ｃと、燃
料ガスが供給される燃料ガス室Ｄとを形成するととも
に、酸素含有ガスを燃料電池セル２内にそれぞれ供給
し、かつ、燃料ガスを燃料ガス室Ｄを介して反応室Ｃ内
の燃料電池セル２間に供給して反応させ、発電する燃料
電池であって、燃料ガス室Ｄ内に、該燃料ガス室Ｄ内を
燃焼させるための着火源２３が設けられている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池及びその
発電方法に関し、特に、反応容器内で燃焼させ燃料電池
セルを直接暖め起動させる燃料電池及びその発電方法に
関する。
【０００２】
【従来技術】固体電解質型燃料電池セルを用いた燃料電
池は、図２に示すように、反応容器５１内に、空気室仕
切板６１、セル固定板５５、６３を用いて空気室Ａ、燃
焼室Ｂ、反応室Ｃ、燃料ガス室Ｄが形成されている。反
応容器５１内に収容された複数の有底筒状の固体電解質
型燃料電池セル５２は、セル固定板６３に形成されたセ
ル挿入孔に挿入固定されており、また、その内部には空
気室仕切板６１に固定された空気導入管５９の一端が挿
入されている。
【０００３】セル固定板６３には、余剰の燃料ガスを燃
焼室Ｂに導入するための燃料ガス噴出孔が形成されてお
り、セル固定板５５には、水素（燃料ガス）を反応室Ｃ
内に供給するための供給孔が形成されている。
【０００４】また、反応容器５１には、例えば水素から
なる燃料ガスを導入する燃料ガス導入口５３、空気（酸
素含有ガス）を導入する空気導入口５７、燃焼室Ｂ内で
燃焼したガスを排出するための排気口６７が形成されて
いる。
【０００５】このような燃料電池は、空気室Ａからの空
気を固体電解質型燃料電池セル５２内にそれぞれ供給
し、かつ、燃料ガス室Ｄからの燃料ガスを複数の固体電
解質型燃料電池セル５２間に供給し、反応室Ｃにて反応
させ、余剰の空気と燃料ガスを燃焼室Ｂにて燃焼させ、
燃焼したガスが排気口６７から外部に排出される。
【０００６】ところで、上記のような燃料電池の発電を
有効に開始するためには、燃料電池セル５２を例えば１
０００℃程度まで加熱する必要があるが、従来、空気を
外部で温め、その空気を空気導入口５７、空気導入管５
９を介してセル５２内に供給し、これによりセル５２が
発電可能な温度までセル５２を温める。その後、反応室
Ｃにて反応発電させ、反応室Ｃにて反応しきれなかった
余剰の燃料ガスを燃焼室Ｂ内に導入し、この燃料ガスと
空気を用いて燃焼室Ｂで燃焼させ、燃焼室Ｂ中の空気導
入管５９を暖め、その空気導入管５９中の空気を加熱す
ることと、上記した燃焼室Ｂの燃焼により、その後は外
部から熱を供給することなしに、約１０００℃の動作温
度を保ち、電力を発生できる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】ところが、このような
燃料電池では、立上げの際、空気を温める装置が必要で
あり、起動時には必要だが発電開始後は不要になるとい
う問題と、空気を温めその空気によってセル５２を暖め
るという工程を経るため、熱交換のロスが大きく、立上
げまでの時間が長くなるという問題があった。
【０００８】本発明では、発電するまでの立ち上げ時間
を大幅に短縮できる燃料電池及びその発電方法を提供す
ることを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明の燃料電池は、反
応容器内に、一対のセル固定板を用いて複数の有底筒状
の燃料電池セルの開口端部と底部を固定し、該燃料電池
セルが開口する燃焼室と、前記燃料電池セルの側面部が
位置する反応室と、燃料ガスが供給される燃料ガス室と
を形成するとともに、酸素含有ガスを前記燃料電池セル
内にそれぞれ供給し、かつ、燃料ガスを前記燃料ガス室
を介して前記反応室内の前記燃料電池セル間に供給して
反応させ、発電する燃料電池であって、前記燃料ガス室
内に、該燃料ガス室内のガスを燃焼させるための着火源
が設けられていることを特徴とする。
【００１０】本発明の燃料電池では、燃料ガス室内に供
給される酸素含有ガス及び燃料ガスの混合ガスを、着火
源にて着火し、燃焼できるため、燃料電池セルを、その
下方から直接ヒートアップでき、発電までの立ち上げ時
間を大幅に短縮できるとともに、熱交換に対するエネル
ギーロスも小さく、立上げまでに要するエネルギーも小
さくすることができ、さらに従来のように立上げ時のみ
必要な空気を予備加熱する装置等を不要とできる。
【００１１】また、本発明では、燃焼室と反応室を区切
るセル固定板には、反応室内に供給される燃料ガスの余
剰分が、燃焼室内に噴出するための燃料ガス噴出孔が形
成されており、前記燃焼室内に、前記燃焼室内に噴出し
た燃料ガスと前記燃焼室内の酸素含有ガスの混合ガスを
燃焼させるための着火源が設けられていることが望まし
い。
【００１２】このように、燃料電池セルの下方からの加
熱のみならず、燃料電池セルの上方に熱源があるために
セル全体をほぼ均一に加熱することができ、熱衝撃によ
るセル破損を抑制できるとともに、さらにセルの加熱を
促進できる。
【００１３】さらに、本発明では、反応室には温度セン
サが設けられていることが望ましい。これにより、反応
室内のセル温度を管理することができ、セル温度に対し
て燃料ガス室や燃焼室内での燃焼を制御することができ
る。
【００１４】また、本発明の燃料電池では、燃料ガス室
内に供給される燃料ガスと酸素含有ガスの混合比を制御
する混合比制御装置を有することが望ましい。例えば、
加熱する際には、混合比制御装置により燃料ガスと酸素
含有ガスを燃料ガス室内に供給して燃焼させ、所定温度
に達した後は、酸素含有ガスの供給を停止し、燃料ガス
のみを供給し、発電を開始することができる。
【００１５】さらに、燃料ガス量を酸素含有ガスよりも
多くして、燃料ガス室内を燃焼させるとともに、燃料ガ
ス室内で燃焼に用いられなかった燃料ガスを反応室内に
導入し、反応室内にて反応させて発電し、燃料電池セル
の加熱と発電を同時に行うこともできる。
【００１６】燃料電池セルの外径は１０ｍｍ以下である
ことが望ましい。このように小径のセルの場合には、燃
料電池セルの下方から直接かつ急激に加熱しても、高い
強度を有しているため、本発明の燃料電池に特に望まし
い。
【００１７】本発明の燃料電池の発電方法は、反応容器
内に、一対のセル固定板を用いて複数の有底筒状の燃料
電池セルの開口端部と底部を固定し、該燃料電池セルが
開口する燃焼室と、前記燃料電池セルの側面部が位置す
る反応室と、燃料ガスが供給される燃料ガス室とが形成
された燃料電池を所定温度まで加熱した後、発電する燃
料電池の発電方法であって、前記燃料ガス室内に燃料ガ
スとともに酸素含有ガスを供給して燃焼させ、前記燃料
電池セルを一定温度まで加熱した後、前記酸素含有ガス
の燃料ガス室内への供給を停止し、発電する方法であ
る。
【００１８】燃料電池セル内に酸素含有ガスが供給され
るとともに、燃料ガス室で燃焼しきれなかった燃料ガス
が、反応室を介して燃焼室内に供給され、該燃焼室内で
燃焼し、燃料電池セルの開口端部が加熱されることが望
ましい。
【００１９】従来は燃料電池内の温度制御は燃料電池セ
ル中の電流によって生じるジュール熱と未反応の燃料ガ
スの燃焼によって制御を行なっていた。しかしながら、
電流や未反応の燃料ガスは外部負荷（電流使用量）の変
動に対しても制御しなくてはならず、燃料電池内の温度
制御は非常に困難であり、燃料電池内部に温度ばらつき
が生じ、性能が低下するという問題があったが、本発明
の燃料電池では、外部負荷変動に対しても下方部での燃
焼に用いるガスに対して負荷変動分を考慮すればよく、
燃料電池内の温度制御を独立して行うことができ、制御
が容易となる。
【００２０】例えば、燃料電池で発生する電流を使用し
ない場合には発電する必要がないため、燃焼室内の燃焼
による温度保持能力が低下し、燃料電池の温度が低下す
るが、本発明では、燃料電池内の温度が低下した場合に
燃料電池セルを加熱することができ、温度制御を容易に
行うことができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】本発明の燃料電池は、図１に示す
ように、反応容器１内に、有底筒状の固体電解質型燃料
電池セル２を複数収容して構成されており、この反応容
器１には、発電時に、例えば水素からなる燃料ガスを導
入する燃料ガス導入口３、燃料電池セル２の底部を固定
するためのセル固定板５、空気等の酸素含有ガスを導入
する酸素含有ガス導入口７、セル２内に酸素含有ガスを
導入する導入管９、この導入管９を固定する仕切板１
１、セル２の開口端部を固定するセル固定板１３とを具
備して構成されている。
【００２２】反応容器１内は、仕切板１１、セル固定板
５、セル固定板１３により、酸素含有ガス室Ａ、燃焼室
Ｂ、反応室Ｃ、燃料ガス室Ｄが形成されている。
【００２３】セル固定板５には、燃料ガスをセル２間に
分散するための分散孔（図示せず）が形成されている。
仕切板１１とセル２の開口端部を固定するセル固定板１
３との間は、例えば酸素含有ガスとしての空気と燃料ガ
スとしての水素が燃焼する燃焼室Ｂとされ、セル固定板
１３には、セル２間を通過した余剰の燃料ガスを燃焼室
Ｂ内に導入する燃料ガス噴出孔（図示せず）が形成さ
れ、燃焼室Ｂ内で燃焼したガスは、排気口１７を介して
外部に排出される。
【００２４】導入管９は、仕切板１１に形成された導入
管挿入孔に挿入されており、その下端部はセル２内に挿
入されている。
【００２５】セル２はセル固定板１３に形成されたセル
挿入孔に挿入され、その底部がセル固定板５に支持固定
されている。
【００２６】そして、本発明の燃料電池では、燃料ガス
室Ｄ及び燃焼室Ｂ内に、燃料ガス室Ｄ及び燃焼室Ｂ内に
供給された空気と水素の混合ガスを燃焼させるための着
火源２３がそれぞれ設けられている。着火源２３として
は、放電により着火する装置や電流による熱源で着火す
る装置がある。
【００２７】この着火源２３には、燃料ガス室Ｄ及び燃
焼室Ｂ内に配置された燃焼感知機２４が接続されてお
り、この燃焼感知機２４は、燃料ガス室Ｄ及び燃焼室Ｂ
内の燃焼を感知する。この燃焼感知機２４は、反応容器
１の外部に設けられた着火制御装置２５に接続され、燃
焼感知機２４からの信号を受け取り、着火源２３を作動
させるように構成されている。燃焼感知機２４として
は、例えば、熱電対のような温度そのものをモニターす
るもの、光学系の温度モニター、あるいは、形状記憶合
金のように温度によってスイッチの動作を行うものがあ
る。
【００２８】また、燃料ガス導入口３には、燃料ガス室
Ｄにおける燃焼を制御するため、燃料ガスと酸素含有ガ
スの混合比を制御する混合比制御装置２６が設けられて
いる。この混合比制御装置２６は、バーナーのようなノ
ズルが複数備えられていてもよいし、ガスコンロのよう
に燃料ガスの噴出口が多数あるものであってもよい。燃
料ガス室Ｄ内に供給される燃料ガスと酸素含有ガスの割
合は、化学両論比よりも燃料ガスが多くなっていること
が望ましい。これにより、反応室Ｃ内での燃焼を抑制す
ることができ、セル２の燃料極やＮｉフェルトの酸化を
抑制することができ、発電時の耐久性を向上できる。
【００２９】反応室Ｃには温度を感知するための温度セ
ンサ２７が設けられており、この温度センサ２７は混合
比制御装置２６に接続され、反応室Ｃ内の温度により燃
料ガスおよび酸素含有ガスの混合比率を直接制御できる
ようになっている。これにより、例えば、発電中に反応
室Ｃ内の温度が低下した場合などにおいても燃料ガス室
内を燃焼させ、セル２の温度を均一に保つことができ
る。
【００３０】以上のような燃料電池の発電方法について
説明する。まず、燃焼感知機２４からの信号により、燃
焼室Ｂ及び燃料ガス室Ｄ内が燃焼していないことが感知
され、この信号が混合比制御装置２６、着火制御装置２
５に伝達され、燃料ガス室Ｄ内に燃料ガスとともに酸素
含有ガスが導入され、着火制御装置２５により着火源２
３が作動し、燃焼室Ｂ及び燃料ガス室Ｄが燃焼する。
尚、燃料ガス室Ｄ内に導入される燃料ガス、酸素含有ガ
スは、完全燃焼しないように酸素含有ガスが少な目に導
入されるため、燃料ガスが不完全燃焼となり、この燃料
ガスが反応室Ｃ内を介して燃焼室Ｂ内に供給され、導入
管９を介して導入された酸素含有ガスと混合しているた
め、着火源２３の作動により燃焼室Ｂが燃焼することに
なる。
【００３１】そして、反応室Ｃ内の温度がある一定温度
まで上がると、温度センサ２７がこれを感知し、この信
号が混合比制御装置２６に伝達され、混合比制御装置２
６により酸素含有ガスの燃料ガス室Ｄ内への供給が停止
され、燃料ガスのみ供給し、発電が開始される。
【００３２】尚、混合比制御装置２６により、燃料ガス
室Ｄ内を燃焼させ、セル２を加熱しながら、燃料ガスを
反応室Ｃ内に導入し、この反応室Ｃで発電することもで
きる。この場合、ある程度、セル２の温度を上げた後
に、例えば６００度以上に上げた後に、上記のように、
発電とセル２の加熱を行うことが望ましい。
【００３３】さらに、発電中に、反応室Ｃ内の温度が低
下した場合においても燃料ガス室Ｄを燃焼させ、セル２
を加熱することもできる。
【００３４】以上のように構成された燃料電池では、熱
源が反応容器１内のセル２の下方にあり、セル２を直接
暖めることができるため、動作温度まで急激に温度を上
げることができ、機動性を向上できる。
【００３５】また、燃料ガス室Ｄ及び燃焼室Ｂの両方に
熱源を持つことになり、燃焼室Ｂ内の燃焼によりセル２
の開口端部近傍を直接加熱できるとともに、導入管９内
の酸素含有ガスを加熱し、セル２の内部から加熱するこ
とができ、セル２の温度が加熱段階において均一にな
り、セル２の破損を抑制できるとともに、セル２を迅速
に加熱することができ、早期な立ち上がりを実現でき
る。
【００３６】このようにセル２が急激に加熱されるた
め、セル２は熱衝撃に強いことが望ましく、特に直径が
１０ｍｍ以下のセル２を用いることが望ましい。また、
セル２は、発電に寄与しうる、即ち固体電解質の両側に
電極が形成された部分の有効長さが３０ｃｍ以下である
ことが望ましい。このような短いセル２において上下か
ら加熱することにより、セル２を均一に加熱することが
できる。
【００３７】また、従来では、セル２は、燃焼室Ｂに近
い方が温度が高い傾向があったが、本発明の燃料電池で
は燃料ガス室Ｄ及び燃焼室Ｂの両方に熱源を持つことに
なり、これにより、均一な発電ができ、発電効率を上げ
ることが可能となる。
【００３８】本発明の燃料電池では、起動から電流取り
出し（発電）の時間が１時間以内で行うことができる。
これにより、起動により消費される発電に寄与しない無
駄なエネルギーを抑制でき、総合的に効率のよいものと
なる。
【００３９】尚、上記例では、燃焼感知機２４を設け、
この信号により着火源２３の作動を制御したが、温度セ
ンサ２７の信号により着火源２３の作動を直接制御して
も良い。
【００４０】また、上記例では、燃料ガス室Ｄ及び燃焼
室Ｂの両方に熱源を有する場合について説明したが、本
発明では、燃料ガス室Ｄのみに熱源を有する場合であっ
ても、従来よりもセル２を迅速に加熱することができ
る。
【００４１】
【発明の効果】本発明の燃料電池では、燃料ガス室内に
供給される酸素含有ガス及び燃料ガスの混合ガスを、着
火源にて着火し、燃焼できるため、燃料電池セルを、そ
の下方から直接ヒートアップでき、発電までの立ち上げ
時間を大幅に短縮できるとともに、熱交換に対するエネ
ルギーロスも小さく、立上げまでに要するエネルギーも
小さくすることができ、さらに従来のように立上げ時の
み必要な空気を予備加熱する装置等を不要とできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池の模式図である。
【図２】従来の燃料電池の模式図である。
【符号の説明】
１・・・反応容器 ２・・・燃料電池セル ５、１３・・・セル固定板 ２３・・・着火源 ２６・・・混合比制御装置 ２７・・・温度センサ Ｂ・・・燃焼室 Ｃ・・・反応室 Ｄ・・・燃料ガス室

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】反応容器内に、一対のセル固定板を用いて
    複数の有底筒状の燃料電池セルの開口端部と底部を固定
    し、該燃料電池セルが開口する燃焼室と、前記燃料電池
    セルの側面部が位置する反応室と、燃料ガスが供給され
    る燃料ガス室とを形成するとともに、酸素含有ガスを前
    記燃料電池セル内にそれぞれ供給し、かつ、燃料ガスを
    前記燃料ガス室を介して前記反応室内の前記燃料電池セ
    ル間に供給して反応させ、発電する燃料電池であって、
    前記燃料ガス室内に、該燃料ガス室内のガスを燃焼させ
    るための着火源が設けられていることを特徴とする燃料
    電池。
  2. 【請求項２】燃焼室と反応室を区切るセル固定板には、
    反応室内に供給される燃料ガスの余剰分が、前記燃焼室
    内に噴出するための燃料ガス噴出孔が形成されており、
    前記燃焼室内に、前記燃焼室内に噴出した燃料ガスと前
    記燃焼室内の酸素含有ガスとの混合ガスを燃焼させるた
    めの着火源が設けられていることを特徴とする請求項１
    記載の燃料電池。
  3. 【請求項３】反応室には温度センサが設けられているこ
    とを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池。
  4. 【請求項４】燃料ガス室内に供給される燃料ガスと酸素
    含有ガスの混合比を制御する混合比制御装置を有するこ
    とを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれかに記載の
    燃料電池。
  5. 【請求項５】燃料電池セルの外径が１０ｍｍ以下である
    ことを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれかに記載
    の燃料電池。
  6. 【請求項６】反応容器内に、一対のセル固定板を用いて
    複数の有底筒状の燃料電池セルの開口端部と底部を固定
    し、該燃料電池セルが開口する燃焼室と、前記燃料電池
    セルの側面部が位置する反応室と、燃料ガスが供給され
    る燃料ガス室とが形成された燃料電池を所定温度まで加
    熱した後、発電する燃料電池の発電方法であって、前記
    燃料ガス室内に燃料ガスとともに酸素含有ガスを供給し
    て燃焼させ、前記燃料電池セルを一定温度まで加熱した
    後、前記酸素含有ガスの燃料ガス室内への供給を停止
    し、発電することを特徴とする燃料電池の発電方法。
  7. 【請求項７】燃料電池セル内に酸素含有ガスが供給され
    るとともに、燃料ガス室で燃焼しきれなかった燃料ガス
    を、反応室を介して燃焼室内に供給し、該燃焼室内で燃
    焼させ、燃料電池セルの開口端部を加熱することを特徴
    とする請求項６記載の燃料電池の発電方法。
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