JP2004207019A

JP2004207019A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2004207019A
Application number: JP2002374382A
Authority: JP
Inventors: Yoshiko Hishitani; 佳子菱谷; Keiko Kushibiki; 圭子櫛引; Itaru Shibata; 格柴田; Yasushi Nakajima; 靖志中島
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-12-25
Filing date: 2002-12-25
Publication date: 2004-07-22

Abstract

【課題】燃料ガスと酸化ガスからなる混合ガスの原料ガスをセル板全体に拡散させて発電させることにより、高出力で燃料利用率が高い燃料電池を提供する。
【解決手段】燃料極及び空気極を有する略円盤状のセル板１８を上下方向に間隔を隔てて複数積層させた略円柱状のセル積層体１１と、セル積層体１１を収容する収納容器１２と、収納容器１２の内部のセル積層体１１に燃料ガス及び酸化ガスを混合した原料ガス１４を供給するガス供給口１５と、セル積層体１１で発電に供された排気ガス１６を収納容器１２から排出するガス排出口１７とを備え、セル積層体１１を、その軸心を中心に回転自在に支持した燃料電池１０である。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池に関し、特に燃料ガスと酸化ガスとの混合ガスを原料ガスに用いる固体電解質型燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、燃料が有する化学エネルギーを熱エネルギーや機械エネルギーを経由することなく電気エネルギーに直接変換するため、高いエネルギー変換効率を得ることができる。ここで、原料ガスとして燃料ガスと酸化ガスとの混合ガスを用いる固体電解質型燃料電池（以下、ＳＯＦＣという）は、燃料ガスと酸化ガスとが混合しないように分離する必要がないため、ガスシールが不要であるなどのメリットを有する。
【０００３】
しかし、その一方、混合ガス導入タイプのＳＯＦＣは、通常のガス分離タイプに比較して低出力で、燃料利用率も低いなどの問題がある（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２-１５１０９８公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明は、混合ガスからなる原料ガスをセル板の全体に拡散させることにより、高出力で燃料利用率が高い燃料電池を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明に係る燃料電池は、略円盤状に形成されたセル板をその板厚方向に所定の間隔を隔てて複数積層させた略円柱状のセル積層体と、該セル積層体を収容する収納容器と、該収納容器内のセル積層体に対して燃料ガス及び酸化ガスを混合した混合ガスからなる原料ガスを供給するガス供給手段と、前記セル積層体で発電に供された排気ガスを収納容器から排出するガス排出手段とを備え、前記セル積層体を、セル板の径方向の中心部を軸支してセル板の周方向に回転自在に構成したことを特徴とする。
【０００７】
【発明の効果】
本発明によれば、燃料電池を構成するセル板の表面又は裏面の全体に原料ガスがまんべんなく行き渡るため、セル板の全体で効率的に発電が行われ、高出力で高い燃料利用効率が得られる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
【０００９】
[第１の実施形態]
図１は第１実施形態による燃料電池１０を示す斜視図である。
【００１０】
この燃料電池１０は、略円柱状に形成されたセル積層体１１と、該セル積層体１１を収容する収納容器１２と、セル積層体１１を回転させる駆動モーター１３とを備えており、収納容器１２の側面２０には、原料ガス１４を収納容器１２の内部に供給するガス供給口１５、及び発電に供されて排気ガス１６を排出するガス排出口１７が形成されている。
【００１１】
セル積層体１１は、円盤状のセル板１８をその板厚方向である上下方向に間隔を隔てて複数積層させることによって略円柱状に形成されている。このセル板１８は、一方の面が燃料極で他方の面が空気極になっている。即ち、最も上側のセル板１８ａは、上面が燃料極で下面が空気極に形成されており、上から２番目のセル板１８ｂも、上面が燃料極で下面が空気極に形成されている。このように、対向する面同士が異なる極になるように交互にセル板１８を積層させている。また、セル板１８は、上下に所定の間隔を隔てて配設されているため、隣接するセル板同士１８，１８の間には、隙間１９が形成されている。この隙間１９に原料ガス１４が流れ込んで、セル板１８に形成された空気極又は燃料極に供給されることによって発電が行われる。
【００１２】
一方、収納容器１２は略円筒状に形成され、前記セル積層体１１を収容している。この収納容器１２の側面２０の上部にはガス供給口１５が設けられ、該ガス供給口１５から、酸化ガスと燃料ガスとの混合ガスである原料ガス１４が収納容器１２の内部のセル積層体１１に供給される。前記酸化ガスとして酸素又は空気等を用いることができ、燃料ガスとしてメタンガス等の炭化水素ガスを好適に用いることができる。
【００１３】
また、収納容器１２の側面２０の下部にはガス排出口１７が形成されており、該ガス排出口１７からは、発電に供せられた排気ガス１６を排出するように構成されている。
【００１４】
セル積層体１１には、セル板１８の径方向の中心部に回転軸２１が取り付けられており、該回転軸２１は上下方向に延設されている。この回転軸２１の上端部２１ａはモータ１３に接続されており、該モータ１３によって回転軸２１が自由に回転するように構成されている。
【００１５】
図２は図１の燃料電池１０を概略的に示した斜視図であってセル積層体１１を構成するセル板１８を一枚のみ示したものである。この図２を用いて、第１実施形態による燃料電池１０の作用を簡単に説明する。
【００１６】
まず、前記ガス供給口１５から原料ガス１４が収納容器１２の内部に供給される。この原料ガス１４は、セル板１８とセル板１８とに形成された隙間１９に送られる。ここで、セル積層体１８はモータ１３によって図１，２の矢印方向Ｒに回転しているため、この回転によって原料ガス１４はセル板１８の表面全体又は裏面全体に拡散する。セル板１８の表面又は裏面には、空気極又は燃料極が形成されているため、セル板１８の全体に原料ガス１４が行き渡ることによって、発電を非常に効率的に行うことができる。
【００１７】
本実施形態によれば、原料ガス１４が燃料ガスと酸化ガスからなる混合ガスであるため、燃料ガスと酸化ガスを互いにシールする必要がなく、製造が容易な燃料電池１０を得ることができる。また、セル積層体１１が回転して原料ガス１４の拡散性が向上するため、燃料利用率が向上し、高い出力値を得ることができる。なお、燃料ガスとしては、例えば炭化水素ガスが好ましく、酸化ガスとしては、空気が好ましい。また、燃料電池１０の起動時には、電極表面で炭化水素が直接燃焼するため急速な昇温が可能であり、空気極側と燃料極側に同じガスを供給するため、電解質がガス分離性を有する必要がなく、上下電極がショートしない構造とし、電解質が多孔質でガスが透過しても良い。
【００１８】
[第２の実施形態]
次に第２実施形態について説明するが、第１実施形態と同一部位は同一符号を付して、同じ説明は省略する。
【００１９】
第２実施形態による燃料電池３０は、図３に示すように、第１実施形態に対して、セル積層体１１の回転をモータ駆動でなく原料ガス１４を吹き付けることによって行うように構成している。
【００２０】
収納容器１２の側面２０には、縦長に形成されたガス供給装置３１が配設され、該ガス供給装置３１によってセル積層体１１の側部に原料ガス１４を横方向から吹き付けている。ガス供給装置３１には、図示しない供給口が上下方向に並んで複数設けられており、図４に示すように、セル板１８及びセル積層体１１の側部のうち、中心部から外れた部位に向けて原料ガス１４を吹き付ける。また、セル積層体１１に固定された回転軸３２は、外方から回転力を受けると、自由に回転できるように支持されている。
【００２１】
前記第２実施形態による燃料電池３０の作用を簡単に説明する。
【００２２】
まず、図３，４に示すように、ガス供給装置３１からセル積層体１１の側部に向けて原料ガス１４を吹き付けると、セル板１８の側面に原料ガス１４が当たりガス流れの勢いによってセル積層体１１は矢印Ｒ方向に自由に回転する。また、原料ガス１４はセル板同士１８，１８の隙間１９に流れこんでセル板１８の表面又は裏面全体に行き渡るため、セル板１８の表面全体又は裏面全体に拡散する。ここで、セル板１８の表面又は裏面には、空気極又は燃料極が形成されているため、セル板１８の全体に原料ガス１４が行き渡ることによって、発電を非常に効率的に行うことができる。なお、セル積層体１１の回転に駆動装置等を用いることなく、原料ガス１４の供給によってセル積層体１１を効率的に回転させることができるため、コストが安価となる。
【００２３】
[第３の実施形態]
第３の実施形態による燃料電池４０は、図５に示すように、基本的に第２の実施形態による燃料電池３０と同様の構成をしているが、セル板１８の上面に上方に延びる翼部４１が形成されている点で異なる。
【００２４】
この翼部４１は、図６に示すように、セル板１８の中心部から径方向の外方に向けて放射状に広がるように形成されており、平面視略への字状に湾曲して形成されている。なお、翼部４１は、セル板１８に一体に形成しても良く、別体に形成した翼をセル板１８に固定しても良い。
【００２５】
本実施形態による燃料電池４０による作用を説明する。まず、ガス供給装置３１からセル積層体１１の側部に向けて原料ガス１４が横方向に吹き付けられると、該原料ガス１４はセル板１８，１８の間隙１９に流れ込む。この原料ガス１４は、前記翼部４１に当たることによって、翼部４１にガス流れによる抵抗力を付与するため、セル積層体１１が矢印Ｒ方向に効率的に回転する。なお、本実施形態によれば、翼部４１で原料ガス１４の流れを効率的に受けるため、第２実施形態による燃料電池３０よりもセル積層体１１が効果的に回転し、原料ガス１４の拡散性が向上する。
【００２６】
[第４の実施形態]
第４の実施形態による燃料電池は、基本的に第２及び第３の実施形態による燃料電池と同様の構成をしているが、図７に示すように、セル板１８の側面にセル板１８の径方向に放射状に延びる翼部４２が形成されている点で異なる。
【００２７】
セル板１８は、前述したように所定の板厚を有する円盤状に形成されており、図８に示すように、このセル板１８の外周面である側面４３には、薄い一枚の板状の翼部４２が円周方向に一定のピッチを隔てて形成されている。翼部４２は、セル板１８の上面及び下面に対して斜め方向に傾斜して設けられており、下方に向かう原料ガス１４の流れによってセル板１８が回転する方向に抵抗を受けることができるように構成されている。なお、前記翼部４２は、セル板１８に一体に形成しても良いが、別体に作成したのちセル板１８に取り付けても良い。
【００２８】
本実施形態による燃料電池によれば、図示しないガス供給装置から下方に向けて原料ガス１４をセル積層体１１に対して吹き付けると、セル板１８の翼部４２にガス流が当たる。該翼部４２は、前述したように、セル板１８の表面及び裏面に対して傾斜して取り付けられているため、セル板１８に回転力が付与される。このため、セル積層体１１のガス流による回転効率が向上し、セル板１８の表面及び裏面全体に原料ガス１４が行き渡ることによって、ガス拡散性が向上し、効率的な発電を行うことができる。
【００２９】
[第５の実施形態]
第５の実施形態による燃料電池は、基本的に第４の実施形態による燃料電池と同様の構成をしているが、図９に示すように、一枚のセル板を円周方向に沿って複数の扇形状のセル部材４４に分割することによって、セル板４５を羽根車形状に形成している点で異なる。
【００３０】
このセル部材４４は、中央部に向かうにつれて徐々に先細り形状となる扇形状に形成されており、隣接するセル部材４４，４４は互いに一定の間隙を隔てて周方向に配設されている。また、それぞれのセル部材４４は、扇風機に取り付けられるファンの羽根のように一定の傾斜角度をもって回転軸３２に取り付けられている。
【００３１】
本実施形態による燃料電池による作用を説明する。まず、図示しないガス供給装置から下方に向けて原料ガス１４をセル積層体に対して吹き付けると、セル板４５のセル部材４４にガス流が当たる。このセル部材４４は、前述したように、一定角度に傾斜した状態で回転軸３２に固定されているため、原料ガスのガス流によってセル積層体が効率的に回転する。また、セル部材４４の表面及び裏面全体には、空気極及び燃料極が形成されているため、発電がセル板全体に亘って行われ、燃料利用率が向上して高い出力値を得ることができる。
【００３２】
[第６の実施形態]
第６の実施形態は、図１０に示すように、第１〜第５の実施形態による燃料電池１０，３０，４０を用いた燃料電池システム５０である。
【００３３】
この燃料電池システム５０においては、図１０に示すように、燃料電池５１にＡ／Ｆセンサー５２及び加湿器５３を介してガス混合機５４が接続され、Ａ／Ｆセンサー５５を介してバーナー５６を接続し、これらを図示しないガス流れ制御手段（コンピューター）によって制御できるように構成している。
【００３４】
この燃料電池システム５０においては、燃料ボンベ５７から供給される燃料ガスと外気５８からブロワー５９を介して得られる空気とを前記ガス混合機５４に送り、該ガス混合機５４内で混合する。また、空気と燃料ガスとの混合比は、ガス混合機５４の下流に配置されたＡ／Ｆセンサー５２で検知し、混合ガスに加湿が必要なときは、加湿器５３に混合ガスが流通するように分岐弁６０を切り替えるように構成されている。
【００３５】
さらに、燃料電池５１の下流にあるＡ／Ｆセンサー５５で燃料電池排気中の未反応燃料ガスの濃度を検知する。このとき、未反応燃料ガスが一定値（例えば、３０％）以上であるときは、未反応燃料ガスを前記バーナー５６に送って燃焼処理を行う。また、燃料電池システム５０の起動時には、燃料ガスと空気をバーナー５６に送って燃焼させ、燃料電池５１を加熱する。
【００３６】
前記構成を有する燃料電池システム５０によれば、燃料利用率が５０〜８０％と良好であり、発電出力が向上する。また、電解質が独立しているので、短絡が防止され、さらに、ガス流路を分離しないため、ガスシールが不要になり、構造が大幅に簡素化され、小型化及び低コスト化が可能となる。そして、起動時には、電極表面で炭化水素等の燃料ガスが直接燃焼するため、急速昇温が可能である。なお、空気極及び燃料極に同じ原料ガスを流通するため、電解質はガス分離性を有する必要がないという効果も得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態による燃料電池を示す斜視図である。
【図２】図１のセル積層体を構成するセルを一枚のみ示した燃料電池の斜視図である。
【図３】第２実施形態による燃料電池を示す斜視図である。
【図４】図３の燃料電池を構成するセル積層体を上方から見た概略図である。
【図５】第３実施形態による燃料電池を示す斜視図である。
【図６】図５の燃料電池を構成するセル積層体を上方から見た概略図である。
【図７】第４実施形態による燃料電池のセル積層体を斜め上方から見た概略図である。
【図８】図７のセル板を側方から見た拡大側面図である。
【図９】第５実施形態による燃料電池のセル積層体を上方から見た概略図である。
【図１０】第６実施形態による燃料電池システムの全体構成を概略的に示す回路図である。
【符号の説明】
１０，３０，４０燃料電池
１１セル積層体
１２収納容器
１３モータ（駆動手段）
１４原料ガス
１５ガス供給口（ガス供給手段）
１７ガス排出口（ガス排出手段）
１８，４５セル板
３１ガス供給装置（ガス供給手段）
４１，４２翼部
４４セル部材

Claims

燃料極及び空気極を有する略円盤状のセル板を板厚方向に所定の間隔を隔てて複数積層させてなる略円柱状のセル積層体と、該セル積層体を収容する収納容器と、該収納容器内のセル積層体に燃料ガス及び酸化ガスを混合した原料ガスを供給するガス供給手段と、前記セル積層体で発電に供されたガスを収納容器から排出するガス排出手段とを備えた燃料電池であって、
前記セル積層体を、その軸心を中心に回転自在に支持したことを特徴とする燃料電池。
前記セル積層体を駆動手段によって回転するように構成したことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
前記ガス供給手段で、原料ガスをセル積層体の側部に吹き付けることによって前記セル積層体を回転するように構成したことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
前記セル積層体を構成するセル板に、セル積層体の側部に吹き付けるガス流に対して抵抗を受ける翼部を形成し、前記ガス供給手段で原料ガスをセル積層体の側部に吹き付けて前記翼部にガス流を当てることにより、前記セル積層体を回転するように構成したことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池。
前記ガス供給手段で、原料ガスをセル積層体に軸心方向に沿って吹き付けることによって前記セル積層体を回転するように構成したことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
前記セル積層体を構成するセル板の外周に、セル積層体の軸心方向のガス流に対して抵抗を受ける翼部を形成し、前記ガス供給手段で原料ガスをセル積層体に軸心方向に沿って吹き付けて前記翼部にガス流を当てることにより、前記セル積層体を回転するように構成したことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池。
前記セル積層体を構成するセル板を、複数に分割したセル部材によって羽根車形状に構成し、前記ガス供給手段で原料ガスをセル積層体に軸心方向に沿って吹き付けて前記セル部材にガス流を当てることにより、前記セル積層体を回転するように構成したことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池。