JP2003282132A

JP2003282132A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2003282132A
Application number: JP2002081052A
Authority: JP
Inventors: Takashi Ono; 孝小野; Akira Okaji; 彰小梶
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2002-03-22
Filing date: 2002-03-22
Publication date: 2003-10-03
Anticipated expiration: 2022-03-22
Also published as: JP3894817B2

Abstract

(57)【要約】【課題】ガス封止を確実に行うことができるとともに、
ガス供給信頼性を向上できる簡単な構造の燃料電池を提
供する。【解決手段】軸長方向に複数のガス通過孔３４を有する
燃料側電極３３ａの表面に、固体電解質３３ｂ、酸素側
電極３３ｃを順次形成してなる複数の燃料電池セル３３
と、該燃料電池セル３３の一端部が収容される保持固定
用貫通孔４７ａを有する支持板４７と、該支持板４７が
載置され、燃料電池セル３３の燃料側電極３３ａに形成
されたガス通過孔３４と連通する貫通孔５１ａを有する
ガスタンク５０とを具備する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池セルへの
ガス供給が簡単な燃料電池に関するものである。

【０００２】

【従来技術】次世代エネルギーとして、近年、固体電解
質型燃料電池セルを収納容器内に複数収容した燃料電池
が種々提案されている。固体電解質型燃料電池セルは、
例えば、酸素側電極の表面に固体電解質、燃料側電極を
順次形成して構成されており、燃料側電極側に燃料（水
素）を流し、酸素側電極側に空気（酸素）を流して６０
０〜１０００℃で発電される。

【０００３】従来、燃料電池セル内部へのガスの供給
は、ガスタンクに設けられた配管を、複数の燃料電池セ
ルの内部にそれぞれ挿入して行われていた。

【０００４】一方、燃料電池セルに複数のガス通過孔を
軸長方向に形成し、ガスを燃料電池セルの一端から導入
し、他端から導出するように構成し、この燃料電池セル
の一端部を、ガスタンクを構成する壁の凹部に挿入して
固定し、かつ凹部にガスタンク内に連通する一つの貫通
孔を形成したものが知られている（特開平５−３４９５
１５号公報参照）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ガスタ
ンクに設けられた配管をセル内部に挿入した燃料電池で
は、配管数が多く、手間がかかるという問題があった。

【０００６】また、燃料電池セルがガスタンクを構成す
る壁の凹部に挿入され、この状態でガラス等により封止
した燃料電池では、ガスタンクの凹部には一つの大きな
貫通孔が形成されているため、封止面積が少なく、ガス
封止信頼性に欠けるという問題があった。

【０００７】また、複数の燃料電池セルにガスを供給す
るには、ガスタンクの圧力を高くしてそれぞれのセルに
均一に流れるようにしなければならないが、上記公報の
燃料電池では、一つの大きな貫通孔を介してガスが直接
燃料電池セルに供給されることになるため、ガスタンク
の内圧が十分に上昇せず、複数の燃料電池セルへのガス
供給量が不均一になる可能性があるとともに、燃料電池
セルの端面にガスタンクの凹部から押し出すような力が
大きく作用し、ガス封止信頼性が低下する傾向にあっ
た。

【０００８】本発明は、ガス封止を確実に行うことがで
きるとともに、ガス供給信頼性を向上できる簡単な構造
の燃料電池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、軸
長方向に複数のガス通過孔を有する内側電極の表面に、
固体電解質、外側電極を順次形成してなる複数の燃料電
池セルと、該燃料電池セルの一端部が収容される保持固
定用貫通孔を有する支持板と、該支持板が載置され、前
記燃料電池セルの内側電極に形成されたガス通過孔と連
通する貫通孔を有するガスタンクとを具備することを特
徴とする。

【００１０】このような燃料電池では、燃料電池セルの
一端部を支持板の保持固定用貫通孔内に収容して保持固
定できるため、シール剤を燃料電池セルの端部外周面と
支持板の貫通孔内壁面との間に介在させるとともに、支
持板とガスタンクとの間にシール剤を介在させることに
より、簡単にかつ確実にガスシールすることができる。
従って、燃料電池セルの端面に支持板の保持固定用貫通
孔から押し出すような力が生じたとしても、ガス封止信
頼性を向上できる。

【００１１】また、燃料電池セルのガス通過孔とガスタ
ンクの貫通孔との位置合わせは、支持板とガスタンクの
相対位置をずらすことによって対応することができる。
さらに、位置合わせできない場合には、支持板のみを代
えることにより対応することができる。

【００１２】特に、燃料電池セルは扁平状である場合
や、支持板の保持固定用貫通孔に、それぞれガスタンク
の貫通孔が複数開口している場合には位置合わせが困難
であるため、本発明を好適に用いることができる。

【００１３】また、本発明の燃料電池は、燃料電池セル
のガスタンク側における内側電極端に、前記内側電極の
ガス通過孔及び前記ガスタンクの貫通孔が開口するとと
もに、前記ガスタンクからのガスが一旦収容されるガス
収容空間が設けられていることを特徴とする。

【００１４】このような燃料電池では、ガスタンクのガ
スは貫通孔を介してガス収容空間に一旦収容され、この
ガス収容空間から内側電極のガス通過孔に流入するた
め、燃料電池セルの内側電極に複数のガス通過孔が形成
され、ガスタンクに複数の貫通孔が形成されていたとし
ても、ガスタンクの貫通孔に燃料電池セルのガス通過孔
を位置合わせすることなく、ガスを燃料電池セルのガス
通過孔に確実に供給できる。

【００１５】また、複数の燃料電池セルにガスを供給す
るには、ガスタンクの圧力を高くしてそれぞれのセルに
均一に流れるようにしなければならないが、上記したよ
うに、ガスタンクのガスがガス収容空間に一旦収容さ
れ、このガス収容空間から内側電極のガス通過孔に流入
するため、ガスタンクの圧力よりもガス収容空間の圧力
が小さくなり、これにより、燃料電池セルの端面を押し
出すような力を小さくでき、ガス封止信頼性を向上でき
る。また、ガスタンクに小径の貫通孔を複数形成するこ
とにより、ガスタンクの内圧を十分高めることができ、
複数の燃料電池セルに均一にかつ十分に供給できる。

【００１６】ガス収容空間は、支持板の保持固定用貫通
孔内にスペーサを配置し、このスペーサに燃料電池セル
端を当接せしめることにより容易に形成できる。また、
支持板の保持固定用貫通孔内に、燃料電池セルの挿入量
を規定するストッパを形成することにより容易に形成で
きる。さらに、燃料電池セル端面にガス通過孔が開口す
る凹部を形成し、前記燃料電池セル端面をガスタンクに
当接せしめることにより容易に形成できる。

【００１７】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の燃料電池の一形
態を示すもので、符号３１は断熱構造を有する収納容器
を示している。この収納容器３１の内部には、複数の燃
料電池セル３３が集合したセルスタック３５と、セルス
タック３５の上方に隣接した燃焼室３７と、この燃焼室
３７を挿通する酸素含有ガス供給管３９と、燃焼室３７
の上方に設けられた熱交換部４１とから構成されてい
る。

【００１８】収納容器３１は、耐熱性金属からなる枠体
３１ａと、この枠体３１ａの内面に設けられた断熱材３
１ｂとから構成されている。

【００１９】セルスタック３５は、例えば、図２に示す
ように、複数の燃料電池セル３３を３列に整列させ、隣
設した２列の最外部の燃料電池セル３３の電極同士が導
電部材４２で接続され、これにより３列に整列した複数
の燃料電池セル３３が電気的に直列に接続している。
尚、図１では、複数の燃料電池セル３３を４列に整列さ
せている。

【００２０】具体的に説明すると、燃料電池セル３３は
扁平状であり、その内部には複数の燃料ガス通過孔３４
が形成されている。この燃料電池セル３３は、楕円柱状
（扁平状）の多孔質な金属を主成分とする燃料側電極３
３ａの外面に、緻密質な固体電解質３３ｂ、多孔質な導
電性セラミックスからなる酸素側電極３３ｃを順次積層
し、酸素側電極３３ｃと反対側の燃料側電極３３ａの外
面にインターコネクタ３３ｄを形成して構成されてお
り、燃料側電極３３ａが支持体となっている。

【００２１】一方の燃料電池セル３３と他方の燃料電池
セル３３との間には、金属フェルト及び／又は金属板か
らなる集電部材４３を介在させ、一方の燃料電池セル３
３の燃料側電極３３ａを、該燃料側電極３３ａに設けら
れたインターコネクタ３３ｄ、集電部材４３を介して他
方の燃料電池セル３３の酸素側電極３３ｃに電気的に接
続して、セルスタック３５が構成されている。

【００２２】複数の燃料電池セル３３の上端部は、図１
に示したように支持板４５で、下端部は支持板４７に支
持固定されている。支持板４５、４７は、収納容器３１
を上下方向に仕切る隔壁の役割を兼ねており、支持板４
５、４７間における燃料電池セル３３の部分が発電する
部分であり、支持板４５、４７間が発電室４９とされて
いる。

【００２３】支持板４７の下面には、燃料ガスをセルス
タック３５に供給するための燃料ガスタンク５０が当接
して設けられ、この燃料ガスタンク５０には、燃料電池
セル３３内部に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給
管５２、及び後述するガスバーナへ燃料ガスを供給する
ためのバーナー用ガス供給管５３が設けられている。

【００２４】即ち、図３に示すように、燃料ガスタンク
５０の天板５１には、燃料電池セル３３の燃料側電極３
３ａに形成されたガス通過孔３４と連通する複数の貫通
孔５１ａ、及びガスバーナー用燃料ガスを反応室４９内
に供給するためのバーナー用貫通孔５１ｂが形成されて
おり、支持板４７には、燃料電池セル３３の下端部が収
容される保持固定用貫通孔４７ａ、及びバーナー用貫通
孔４７ｂが形成されている。

【００２５】燃料電池セル３３の保持固定用貫通孔４７
ａに挿入される燃料側電極３３ａの端面には、図３
（ｃ）に示すように、所定間隔を置いて一列に配列した
ガス通過孔３４が開口する凹部５４が形成されており、
燃料電池セル３３端面をガスタンク５０の天板５１に当
接することにより、凹部５４とガスタンク５０の天板５
１との間にガス収容空間５５が形成されている。

【００２６】燃料ガスタンク５０の天板５１に形成され
た複数の貫通孔５１ａはガス収容空間５５に開口してお
り、バーナー用貫通孔５１ｂは、支持板４７のバーナー
用貫通孔４７ｂと連通している。

【００２７】燃料ガスタンク５０の天板５１内面には、
仕切板５６により複数のセル列毎に貫通孔５１ａが開口
する燃料ガス室５６ａが設けられており、これらの燃料
ガス室５６ａにはそれぞれ燃料ガス供給管５２が接続さ
れている。燃料ガスタンク５０の燃料ガス室５６ａ以外
はバーナー用燃料ガス室とされ、このバーナー用燃料ガ
ス室にはバーナー用ガス供給管５３が接続されている。

【００２８】支持板４７は、ガラス等のシール剤を介し
て燃料ガスタンク５０の天板５１にねじ止めされ、支持
板４７の保持固定用貫通孔４７ａの内面と燃料電池セル
３３外面との間にもガラス等のシール剤が介在され、接
合されている。これにより、簡単にかつ確実にガスシー
ルすることができる。

【００２９】発電時には、支持板４７のバーナー用貫通
孔４７ｂから噴出されるガスが燃焼することになる。こ
のため、発電室４９には、起動時にバーナー用貫通孔４
７ｂから噴出される燃料ガスに着火するため着火源（図
示せず）が設けられている。また、燃焼室３７において
も、起動時に着火するための着火源（図示せず）が設け
られている。

【００３０】また、図１に示したように、燃焼室３７を
挿通する酸素含有ガス供給管３９は支持板４５を挿通
し、その先端部が発電室４９の下部であって燃料電池セ
ル３３間に位置している。発電で用いられなかった余剰
の酸素含有ガスは、支持板４５に設けられた余剰ガス噴
出孔５７から燃焼室３７内に噴出するように構成されて
いる。

【００３１】熱交換部４１は、熱交換器４１ａと、燃焼
室３７を介してセルスタック３５に対向して設けられた
酸素含有ガス収容室４１ｂとから構成されている。

【００３２】熱交換器４１ａは、図４に示すように、平
板６１と波板６３を交互に積層したプレートフィン型構
造とされており、酸素含有ガス収容室４１ｂと連通する
通路を形成する波板６３ａは、図４（ｂ）に示すように
形成され、また、燃焼ガスの排出用の通路を形成する波
板６３ｂは、図４（ｃ）に示すように形成されている。

【００３３】燃焼ガスは、図１に一点鎖線で示したよう
に熱交換器４１ａの下部側面から導入され、熱交換器４
１ａの上方へ排出され、一方、酸素含有ガスは配管７３
により、図１に破線で示したように熱交換器４１ａの上
部側面から導入され、熱交換器４１ａの下方へ導かれ、
酸素含有ガス収容室４１ｂ内に導入される。

【００３４】酸素含有ガス収容室４１ｂは、図５に示す
ように、熱交換器４１ａの酸素含有ガスが導入される側
の端面、即ちセルスタック側端面に設けられており、波
板６３ａの各通路を通過した酸素含有ガスが一旦収容さ
れるようになっている。

【００３５】酸素含有ガス収容室４１ｂには、複数の酸
素含有ガス供給管３９が連通している。

【００３６】酸素含有ガス収容室４１ｂの側面と断熱材
３１ｂとの間、即ち酸素含有ガス収容室４１ｂの周囲
は、燃焼室３７中の燃焼ガスを熱交換器４１ａに導入す
る燃焼ガス導入口７１とされている。この燃焼ガス導入
口７１を介して燃焼ガスが熱交換器４１ａの波板６３ｂ
の通路へ導出される。

【００３７】以上のように構成された燃料電池では、外
部からの酸素含有ガス（例えば空気）を配管７３により
熱交換器４１ａに導入し、酸素含有ガス収容室４１ｂに
導入し、酸素含有ガス供給管３９を介して発電室４９の
セル間に噴出させるとともに、燃料ガス（例えば水素）
を、燃料ガス供給管５２、ガスタンク５０の燃料ガス室
５６ａを介して燃料電池セル３３の燃料ガス通過孔３４
内に供給し、発電室４９におけるセル３３において発電
させる。

【００３８】発電に用いられなかった余剰の燃料ガスは
燃料ガス通過孔３４の上端から燃焼室３７内に噴出し、
発電に用いれらなかった余剰の酸素含有ガスは、余剰ガ
ス噴出孔５７から燃焼室３７内に噴出し、余剰の燃料ガ
スと余剰の酸素含有ガスを反応させて燃焼させ、燃焼ガ
スを発生させ、この燃焼ガスが燃焼ガス導入口７１を介
して熱交換器４１ａに導出され、熱交換器４１ａの上端
から排出される。

【００３９】本発明の燃料電池では、ガスタンク５０内
の燃料ガス室５６ａのガスは、ガスタンク５０の天板５
１の貫通孔５１ａを介してガス収容空間５５に一旦収容
され、このガス収容空間５５から燃料側電極３３ａのガ
ス通過孔３４に流入するため、ガスタンク５０の貫通孔
５１ａに燃料電池セル３３のガス通過孔３４を位置合わ
せすることなく、ガスを燃料電池セル３３のガス通過孔
３４に確実に供給できる。

【００４０】また、ガスタンク５０のガスがガス収容空
間５５に一旦収容され、このガス収容空間５５から燃料
側電極３３ａのガス通過孔３４に流入するため、ガスタ
ンク５０の圧力よりもガス収容空間５５の圧力が小さく
なり、これにより、燃料電池セル３３の端面を押し出す
ような力を小さくでき、ガス封止信頼性を向上できると
ともに、小径の貫通孔５１ａを複数形成することで所定
量の燃料ガス供給に対応したので、ガスタンク５０の内
圧を十分に高めることができ、複数の燃料電池セル３３
へのガス供給を均一にかつ十分に行うことができる。

【００４１】また、発電に寄与しなかった余剰の燃料ガ
スと酸素含有ガスが燃焼室３７内に導入され、この燃焼
室３７中で反応して燃焼し、この燃焼ガス及び外部の酸
素含有ガスを熱交換器４１ａに導入し、この熱交換器４
１ａで燃焼ガスと酸素含有ガスとの間で熱交換し、酸素
含有ガスを予熱することができるため、燃料電池セル３
３を加熱して実質的に発電するまでの起動時間を大幅に
短縮できる。

【００４２】さらに本発明では、セルスタック３５の上
部に燃焼室３７、酸素含有ガス収容室４１ｂ、熱交換器
４１ａが隣接して形成されているため、燃焼室３７で燃
焼した高温の燃焼ガスを、配管等を用いることなく熱交
換器４１ａに直接導入でき、簡単な構造で酸素含有ガス
の予熱効率を大きくできる。

【００４３】また、収納容器３１内で、燃焼ガスと酸素
含有ガスとを熱交換できるため、酸素含有ガスの予熱を
行うためのバーナーを別途設ける必要がなく、小型にで
き、しかも燃焼ガスを有効利用できる。

【００４４】さらに、熱交換器４１ａに酸素含有ガス収
容室４１ｂを設けたので、熱交換器４１ａと酸素含有ガ
ス供給管３９との接続を酸素含有ガス収容室４１ｂを介
して行うことができ、熱交換器４１ａからの酸素含有ガ
スを発電室４９内に確実に供給できる。

【００４５】また、起動時に支持板４７のバーナー用貫
通孔４７ｂから噴出されるガスを燃焼させ、燃料電池セ
ル３３を直接加熱することができ、燃料電池セル３３を
直接加熱して発電する温度まで急速に加熱でき、起動時
間を短縮できる。

【００４６】尚、本発明は上記形態に限定されるもので
はなく、発明の要旨を変更しない範囲で種々の変更が可
能である。例えば、上記形態では、図２に示したような
楕円柱状で複数の燃料ガス通過孔３４を有する燃料電池
セル３３を用いてセルスタックを構成した例について説
明したが、燃料電池セルは円筒状で、燃料ガス通過孔が
一つであっても良く、燃料電池セルの形状は特に限定さ
れるものではない。

【００４７】また、熱交換器４１ａとしてプレートフィ
ン型を用いたが、本発明ではこれに限定されるものでは
なく、それ以外の熱交換器を用いても良いことは勿論で
ある。

【００４８】尚、図３では、燃料電池セル３３の端面に
凹部５４を形成することによりガス収容空間５５を形成
したが、図６に示すように、支持板４７の保持固定用貫
通孔４７ａ内に環状のスペーサ８１を配置し、このスペ
ーサ８１に燃料電池セル３３端を当接することにより、
環状のスペーサ８１内部にガス収容空間８３を形成して
も良い。この場合には、ガス収容空間８３を簡単に形成
できる。

【００４９】また、図７に示すように、支持板４７の保
持固定用貫通孔４７ａ内に、内方に突出するストッパ８
５を形成し、このストッパ８５に燃料電池セル３３端を
当接することにより、ガス収容空間８７を形成しても良
い。

【００５０】

【発明の効果】本発明の燃料電池は、燃料電池セルの端
部を支持板の保持固定用貫通孔内に収容して保持固定で
きるため、シール剤を燃料電池セルの端部外周面と支持
板の貫通孔内壁面との間に介在させるとともに、支持板
とガスタンクとの間にシール剤を介在させることによ
り、簡単にかつ確実にガスシールすることができ、燃料
電池セルの端面に支持板の保持固定用貫通孔から押し出
すような力が生じたとしても、ガス封止信頼性を向上で
きるとともに、燃料電池セルのガス通過孔とガスタンク
の貫通孔との位置合わせは、支持板とガスタンクの相対
位置をずらすことによって対応することができ、さら
に、位置合わせできない場合には、支持板のみを代える
ことにより対応することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の燃料電池を示す説明図である。

【図２】図１のセルスタックを示す横断面図である。

【図３】燃料電池セルと燃料ガスタンクとの接続を示す
もので、（ａ）は断面図、（ｂ）は分解斜視図、（ｃ）
は燃料電池セルの端面に形成された凹部を示す斜視図で
ある。

【図４】図１の熱交換器の概念を説明するための図であ
り、（ａ）は熱交換器の斜視図、（ｂ）は酸素含有ガス
の通路を形成するための波板を示す斜視図、（ｃ）は燃
焼ガスの通路を形成するための波板を示す斜視図であ
る。

【図５】本発明の熱交換部を説明するための斜視図であ
る。

【図６】燃料電池セルと燃料ガスタンクとの接続の他の
例を示す断面図である。

【図７】燃料電池セルと燃料ガスタンクとの接続のさら
に他の例を示す断面図である。

【符号の説明】

３１・・・収納容器３３・・・燃料電池セル３３ａ・・・燃料側電極（内側電極）３３ｂ・・・固体電解質３３ｃ・・・酸素側電極（外側電極）３４・・・ガス通過孔４７ａ・・・保持固定用貫通孔４７・・・支持板５０・・・ガスタンク５１ａ・・・ガスタンクの貫通孔５４・・・燃料電池セル端面の凹部５５、８３、８７・・・ガス収容空間８１・・・スペーサ８５・・・ストッパ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】軸長方向に複数のガス通過孔を有する内側
電極の表面に、固体電解質、外側電極を順次形成してな
る複数の燃料電池セルと、該燃料電池セルの一端部が収
容される保持固定用貫通孔を有する支持板と、該支持板
が載置され、前記燃料電池セルの内側電極に形成された
ガス通過孔と連通する貫通孔を有するガスタンクとを具
備することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】燃料電池セルは扁平状であることを特徴と
する請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】支持板の保持固定用貫通孔には、それぞれ
ガスタンクの貫通孔が複数開口し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。
【請求項４】燃料電池セルのガスタンク側における内側
電極端に、前記内側電極のガス通過孔及び前記ガスタン
クの貫通孔が開口するとともに、前記ガスタンクからの
ガスが一旦収容されるガス収容空間が設けられているこ
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。
【請求項５】燃料電池セル端面にガス通過孔が開口する
凹部を形成し、前記燃料電池セル端面をガスタンクに当
接してなることを特徴とする請求項４記載の燃料電池。
【請求項６】支持板の保持固定用貫通孔内にスペーサを
配置し、このスペーサに燃料電池セル端が当接している
ことを特徴とする請求項４記載の燃料電池。
【請求項７】支持板の保持固定用貫通孔内に、燃料電池
セルの挿入量を規定するストッパが形成されていること
を特徴とする請求項４記載の燃料電池。