JP2005063932A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構造で製造が容易な燃料電池を提供する。
【解決手段】軸長方向にガス通過孔を有する複数の燃料電池セル３３と、該複数の燃料電池セル３３のガス通過孔にガスを供給するためのガスタンク３５とを収納容器３１内に収納してなるとともに、複数の燃料電池セル３３が整列した状態でそれらの軸長方向一端部が電気絶縁性シール材により一体的に接合固定され、複数の燃料電池セル３３が支持板５３に立設しており、該支持板５３がガスタンク３５に設けられていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は燃料電池に関し、特に、軸長方向にガス通過孔を有する複数の燃料電池セルと、該複数の燃料電池セルのガス通過孔にガスを供給するためのガスタンクとを具備する燃料電池に関するものである。

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６００〜１０００℃程度で発電される。

固体電解質型燃料電池セルは、上記したように、２種のガスを用い、しかも高温に曝されるため、高温においてもガスが漏出しないように、ガスの供給管やセルにおけるシール性について種々の改良がなされている。例えば、収納容器内のガスタンクにガス供給管を気密に接続する構造が開示されており、ガスは燃料電池セル内にガス供給管により供給されている。燃料電池セルは、一般に収納容器内に配置された隔壁に支持固定されている（例えば、特許文献１参照）。

また、燃料電池セルのガス通過孔にガスを供給する方法として、軸長方向にガス通過孔を有する燃料電池セルの両端部が、収納容器内に所定間隔をおいて配置された一対の隔壁にガラス等により接合された燃料電池が開示されており、この燃料電池では、一方の隔壁がガスタンク壁とされ、ガス供給管を用いることなく、ガスタンクのガスを燃料電池セルのガス通過孔に供給できる（例えば、特許文献２参照）。
特開平８−２８７９４０号公報 特開平６−３４９５１４号公報

しかしながら、上記した特許文献１に開示された燃料電池では、ガス供給管をガスタンクにガス封止した状態で接続するとともに、燃料電池セル自体も隔壁に固定する必要があり、ガス供給法が複雑であり、燃料電池自体が複雑化し、製造工程が多いという問題があった。

また、上記した特許文献２に開示された燃料電池では、燃料電池セルの両端部を隔壁に固定する必要があり、燃料電池が複雑化し、製造工程が多く、また起動時の熱応力が緩和されにくいという問題があった。

本発明は、簡単な構造で製造が容易な燃料電池を提供することを目的とする。

本発明の燃料電池は、軸長方向にガス通過孔を有する複数の燃料電池セルと、該複数の燃料電池セルのガス通過孔にガスを供給するためのガスタンクとを具備するとともに、前記複数の燃料電池セルが整列した状態でそれらの軸長方向一端部が電気絶縁性シール材により一体的に接合固定され、前記複数の燃料電池セルが支持板に立設しており、該支持板が前記ガスタンクに設けられていることを特徴とする。

本発明の燃料電池では、複数の燃料電池セルを整列させ、この状態で、整列した複数の燃料電池セルの軸長方向一端部が電気絶縁性シール材により一体的に接合固定され、セルスタックが構成されているため、複数の燃料電池セルの軸長方向一端部が支持板に一挙に、かつ気密に接合固定され、このセルスタックの支持板をガスタンクに設けるだけで燃料電池の主要部を形成でき、従来のような燃料電池セルの内側電極にガスを供給するためのガス供給管を不要とすることができ、また、燃料電池セルは支持板によりガスタンクに立設しているため、何ら支持されることなくガスタンクに立設することもでき、さらに、複数の燃料電池セルをガスタンクに一挙に取り付けることができるため、燃料電池の構造を簡略化でき、製造が容易となる。また、後述する分割セルスタックを用いず、これらが一体となった、即ち、ガスタンクには一つの分割されていないセルスタックを設ける場合には、組立性をさらに向上できるとともに、ガスシール性も向上できる。

また、複数の燃料電池セルの一端部は電気絶縁性シール材により一体的に接合固定されているため、燃料電池セルの電極（内側電極、外側電極）と、ガスタンクとの間の導通等、燃料電池セル間の支持板を介しての電気的接続を確実に阻止できる。また、電気絶縁性シール材として耐熱性のものを選択することにより高温の発電温度下における耐久性も向上できる。さらに、従来のような燃料電池セルを支持固定するための隔壁を不要とすることもできるため、その分、燃料電池セルの発電領域を拡大することも可能となる。

また、電気絶縁性シール材として、燃料電池セルの熱膨張係数に近い材料を選択することにより、燃料電池の起動停止を繰り返す場合等の熱サイクル印加時における破損を防止できる。

また、本発明の燃料電池は、ガスタンクには、所定数の燃料電池セルが整列した状態でそれらの軸長方向一端部が電気絶縁性シール材により一体的に接合固定された分割セルスタックが複数設けられていることを特徴とする。言い換えれば、ガスタンクには、複数の分割セルスタックの支持板が設けられているとともに、前記分割セルスタックが、複数の燃料電池セルが整列した状態でそれらの軸長方向一端部が電気絶縁性シール材により一体的に接合固定され、前記複数の燃料電池セルを支持板に立設してなることを特徴とする。

このような燃料電池では、複数の分割セルスタックにより一つのセルスタックを構成することになり、このような複数の分割セルスタックの支持板が一つのガスタンクに設けられる。このため、１つの分割セルスタックに設けられる燃料電池セルの数が比較的少なくなる。そのため、多少の燃料電池セルの変形があったとしても累積される変形量が小さくなるため、支持板と燃料電池セルとの接合も、さらに容易になり、また、仮に、何らかの問題により接合が不完全であったとしても、複数の分割セルスタックのうち一部を取り替えることで対処可能なため、製造コストを低くすることができる。

また、本発明の燃料電池は、支持板は、押圧部材によりガスタンク側に押圧されて固定されていることを特徴とする。これにより、支持板を確実に且つ容易にガスタンクに取り付けることができるとともに、押圧部材として燃料電池セルの熱膨張係数に近い部材を選択することにより、支持板に与える影響を小さくできる。さらに、支持板とガスタンクとの間にガスシール材を介装することにより、ガスタンク内のガスが支持板とガスタンクとの間を介して燃料電池セル外に漏出することを防止できる。

特に、押圧部材として、複数の燃料電池セルの周囲を囲む枠状である場合には、支持板を確実に且つ容易にガスタンクに取り付けることができるとともに、ガスタンク内のガスが支持板とガスタンクとの間を介して燃料電池セル外に漏出することを防止できる。

さらに、本発明の燃料電池は、支持板がガスタンク側に接合されていることを特徴とする。この場合には、上記したような押圧部材を用いることなく、容易にかつ確実に支持板をガスタンクに接合できる。

また、本発明の燃料電池は、支持板がガスタンクに締め付け固定されていることを特徴とする。この場合には、上記したような押圧部材を用いることなく、容易にかつ確実に支持板をガスタンクに接合できる。さらに、支持板とガスタンクとの間にガスシール材を介装することにより、ガスタンク内のガスが支持板とガスタンクとの間を介して燃料電池セル外に漏出することを防止できる。

さらに、本発明の燃料電池は、燃料電池セルが内側電極、固体電解質、外側電極を順次積層してなり、前記内側電極と電気的に接続されるインターコネクタが外部に露出しており、一方の燃料電池セルのインターコネクタと、他方の燃料電池セルの外側電極とが集電部材により電気的に接続されていることを特徴とする。

このような燃料電池では、隣設する燃料電池セル間の間隔を自在に設定した状態で支持板により接合一体化できることから、インターコネクタと隣設する燃料電池セルの外側電極との距離を狭めることができ、この間に配置される集電部材の厚み（電流経路）を小さくでき、これにより集電部材における電位降下を小さくでき、発電性能を向上できるとともに、コンパクトな燃料電池を得ることができる。また、隣設する燃料電池セル間に集電部材を介装した状態で、それらの一端部を支持板により接合一体化することができるため、作製も容易になり、かつ電気的接続を容易にかつ確実に行うことができる。

また、本発明の燃料電池は、支持板は、ガスタンクの天板を構成していることを特徴とする。このような燃料電池では、燃料電池の構造を簡略化できるとともに、容易に形成できる。ここで、支持板は、上面が開口するガスタンク本体の壁に係合し、接合されていることが望ましい。この場合には、ガスタンク内のガス、例えば水素の漏出を防止できる。尚、支持板をガスタンクの開口部に配置し、接合する場合もガス漏出を防止できる。また、支持板には燃料電池セルとの接合性に、支持板とガスタンクとを接合するシール剤には支持板及びガスタンク材質との接合性に優れたものをそれぞれ選択することにより、確実に燃料電池セル、支持板、ガスタンクを一体化し燃料電池を作製することができる。

さらに、本発明の燃料電池は、支持板は、ガスタンク側に形成された第1層と、該第1層を被覆する第2層を具備するとともに、前記第1層よりも前記第2層が緻密であることを特徴とする。このような燃料電池では、複数の燃料電池セルを接合して支持板を形成する場合、第1層により仮に固定しておき、第2層により確実に固定でき、製造が容易となるとともに、表面の方が緻密であるため、支持板の第1層表面のわずかな欠陥や第1層の緻密不足によりガス漏れが生じるような場合においても、ガスタンク内のガスが燃料電池セル外に漏出することを確実に防止できる。ここで、第1層はセラミックからなり、第2層はガラスからなることが望ましい。

本発明の燃料電池は、支持板は、表面に水蒸気による侵食を防止する侵食防止層を有することを特徴とする。このような燃料電池では、発電時に燃料電池セルの周辺に水蒸気が発生するが、このような水蒸気が発生したとしても、支持板の侵食を防止でき、ガスタンク内のガスの漏出を防止できる。

また、本発明の燃料電池は、支持板は、複数の整列された燃料電池セルの一端部を型枠内に挿入し、該型枠内に電気絶縁性シール材を流し込み、加熱することにより形成されていることを特徴とする。このような燃料電池では、複数の燃料電池セルの一端部に支持板を容易に形成できる。

本発明の燃料電池では、従来のような燃料電池セルの内側電極にガスを供給するためのガス供給管を不要とすることができ、また、何ら支持されることなくガスタンクに立設することもでき、さらに、複数の燃料電池セルをガスタンクに一挙に取り付けることができるため、燃料電池の構造を簡略化でき、製造が容易となるとともに、燃料電池セルはガスタンクに機械的な方法、または耐熱性シール材にて固定され、しかも上記したようにガス供給管が不要であり、ガス封止個所を減少できるため、ガス封止信頼性を向上できる。

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と、これらの燃料電池セル３３が立設される燃料ガスタンク３５と、複数の燃料電池セル３３間に挿入された酸素含有ガス供給管３９と、燃料電池セル３３の上方に設けられた熱交換部４１とが設けられている。

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３１ｂとから構成されている。

収納容器３１内の燃料電池セル３３は、図２に示すように、３列に整列しており、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されている。尚、図１では４列に整列した状態を記載した。

具体的に説明すると、燃料電池セル３３は断面が扁平状で、全体的に見て楕円柱状（平板状）であり、その内部には複数のガス通過孔３４が軸長方向に形成されている。この燃料電池セル３３は、断面が扁平状で、全体的に見て板状の多孔質な金属を主成分とする支持体３３ａの外面に、燃料側電極（内側電極、図示せず）、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（外側電極）３３ｃを順次積層し、酸素側電極３３ｃと反対側の支持体３３ａの外面にインターコネクタ３３ｄを形成して構成されている。

即ち、燃料電池セル３３は、断面形状が、幅方向両端に設けられた弧状部と、これらの弧状部を連結する一対の平坦部とから構成されており、一対の平坦部は平坦であり、ほぼ平行に形成されている。これらの一対の平坦部は、支持体３３ａの平坦部にインターコネクタ３３ｄ、又は燃料側電極、固体電解質３３ｂ、酸素側電極３３ｃを形成して構成されている。

このように燃料電池セル３３が扁平状であるため、所定量発電するための燃料電池セル３３の容積を小さくでき、コンパクトな燃料電池を得ることができるとともに、燃料電池セル３３の先端近傍において燃焼する燃焼ガスの熱が、金属又は合金と希土類元素酸化物を含有する熱伝導が良好な支持体３３ａを伝導し、燃料電池セル３３を内側から加熱することができ、これにより、燃料電池セル３３が発電するまでの起動時間を短縮化できる。

一方の燃料電池セル３３と他方の燃料電池セル３３との間には板状集電部材４３が介在され、一方の燃料電池セル３３の支持体３３ａを、該支持体３３ａに設けられたインターコネクタ３３ｄ、板状集電部材４３を介して他方の燃料電池セル３３の酸素側電極３３ｃに電気的に接続されている。

板状集電部材４３は、矩形状板の一端部に複数のスリットを略平行に形成し、図３に示すように、スリット間の集電片４３ａを板状集電部材４３の両側に交互に突出させ、基部４３ｂの一端部に複数の集電片４３ａが形成された櫛歯形状とされ、複数の集電片４３ａが対向する燃料電池セル３３の外面にそれぞれ当接している。尚、図２では板状集電部材４３は簡略化して記載した。

即ち、集電片４３ａは、対向する燃料電池セル３３の平坦部であるインターコネクタ３３ｄと、酸素側電極３３ｃ間に配置され、燃料電池セル３３同士が直列に接続されている。燃料電池セル３３の平坦部に集電片４３ａが確実に当接するため、電気的接続を確実に行うことができる。また、複数の集電片４３ａは導電性セラミックスにより燃料電池セル３３に接合している。これらの板状集電部材４３は、対向する燃料電池セル３３間に複数配置されており、対向する燃料電池セル３３間に基部４３ｂから挿入され、基部４３ｂが下に位置している。これらの板状集電部材４３は、導電性を有するステンレスの表面を導電性セラミックスからなる耐酸化性物質で被覆して構成されている。

対向する燃料電池セル３３間には、図４に示す板状集電部材４４を介在せしめても良い。図４に示す板状集電部材４４は、複数のスリットを略平行に形成して形成された集電片４４ａ群を、長さ方向に所定間隔を置いて形成して構成され、基部４４ｂと集電片４４ａ群が交互に形成されている。図４に示すような板状集電部材４４では、図３の板状集電部材４３よりも燃料電池セル３３間への配置を簡単に行うことができる。

このような図３、図４に示す板状集電部材４３、４４を用いることにより、板状集電部材４３、４４のバネ性を有する集電片４３ａ、４４ａにより燃料電池セル３３間を機械的に接続しているため、燃料電池セル３３とは面接触となり、従来のようなフェルト状の集電部材よりも燃料電池セル３３に当接する面積が大きくなり、集電特性を向上できる。また、集電片４３ａ、４４ａは板状であるため弾性力も大きく、振動等が生じたとしても燃料電池セル３３との十分な接触を長期間確保できる。

また、集電片４３ａ、４４ａは板状であるため、収納容器３１内が高温となった場合でも、従来のフェルト状の集電部材よりも焼結しにくく、また、燃料電池セル３３との十分な接触を長期間確保できる。さらに、集電部材４３、４４が板状であるため、一方の燃料電池セル３３のインターコネクタ３３ｄと他方の燃料電池セル３３の酸素側電極３３ｃとの間に板状集電部材４３、４４を介装する際にも、一方の燃料電池セル３３と他方の燃料電池セル３３の酸素側電極３３ｃ同士の導通を確実に防止できる。尚、一般的に用いられるフェルト状の集電部材でも良いが、集電特性向上という点から、図３及び図４に示す板状集電部材４３、４４が望ましい。

燃料電池セル３３の下方には、図１に示したように、燃料ガスを燃料電池セル３３に供給するためのガスタンク３５が設けられ、このガスタンク３５には、外部から燃料ガスをガスタンク３５に供給するための燃料ガス供給管（図示せず）が接続されている。

ガスタンク３５には、図１、図５乃至図７に示すように、複数の燃料電池セル３３の下端部（軸長方向端部）に設けられた矩形板状の支持板５３が固定されている。支持板５３は、複数の整列された燃料電池セル３３の下端部を電気絶縁性シール材にて接合一体化することにより形成されており、これによりセルスタックが構成されている。支持板５３は、複数の整列された燃料電池セル３３の下端部を型枠内に挿入し、この型枠内に電気絶縁性シール材を流し込み、乾燥、加熱することにより形成される。尚、型枠は取り外してもよいが、そのまま残し、支持板５３の一部としても良い。

この電気絶縁性シール材としては、セラミック製接合材、例えばジルコニアを主成分とするシール材等が用いられており、燃料電池セル３３の熱膨張係数とほぼ一致するようになっている。このような電気絶縁性シール材が複数の燃料電池セル３３の一端部間に充填され、固化されて矩形状の支持板５３が形成され、複数の燃料電池セル３３が集合したセルスタックＳが構成されている。

燃料電池セル３３間の間隔を任意に設定した状態で一端部を接合固定するため、隣接する燃料電池セル３３間の距離を狭めることができることから、インターコネクタ３３ｄと隣設する燃料電池セル３３の酸素側電極３３ｃとの距離を狭めることができ、この間に配置される板状集電部材４３、４４の電流経路を短くして板状集電部材４３、４４における電位降下を小さくでき、発電性能を向上できる。また、燃料電池セル３３間の間隔を狭めることができることから、所定発電量を得るための複数の燃料電池セル３３が占める容積を小さくすることができ、コンパクトな燃料電池を作製できる。

また、複数の燃料電池セル３３の一端部を支持板５３に一挙に接合一体化することができるとともに、例えば、燃料電池セル３３がセル製造工程で少々変形した場合でも、燃料電池セル３３をその平坦部方向に傾斜させた状態で接合一体化することにより、燃料電池セル３３の平坦部間の距離をほぼ一定に調整することができ、金属板等の導電性板からなる集電部材４３、４４を燃料電池セル３３間に容易に介装することができる。

そして、支持板５３は、矩形枠状の押圧部材５５により支持体５３の外周が押圧され、ガスシール材５７を介してガスタンク３５の天板に押圧固定されており、これにより、燃料電池セル３３が何等支持されることなくガスタンク３５にそれぞれ立設している。押圧部材５５は、ガスタンク３５にネジ止めされている。

押圧部材５５はセラミック製であり、燃料電池セル３３の熱膨張係数と近づけるという点からＺｒＯ_２を主成分とすることが望ましい。特にはＺｒＯ_２からなることが望ましい。

ガスシール材５７は、ガスタンク３５の天板にある程度弾性を有し、高温でも変質しない雲母ガラス等からなり、押圧部材５５により支持板５３をガスタンク３５側に押圧固定することにより、燃料電池セル３３のガス通過孔３４はガスタンクに開口し、ガス流の閉塞を防止できる。

尚、支持板５３を形成する際の型枠を取り外すことなく、支持板５３と一体化し、この支持板５３の型枠部分を押圧部材５５により押圧するようにしても良い。この場合、支持板５３に押圧力が直接作用することなく、型枠に作用するため、支持板５３の破損を抑制できる。尚、型枠を支持板５３に一体化する場合には、型枠はセラミック製であり、燃料電池セル３３の熱膨張係数と近づけるという点からＺｒＯ_２を主成分とすることが望ましい。

また、燃料ガスタンク３５の天板には、燃料電池セル３３のガス通過孔３４と連通するスリット状のタンク側貫通孔３５ａが形成され、ガスシール材５７にも、タンク側貫通孔３５ａより大きく、タンク側貫通孔３５ａ、燃料電池セル３３のガス通過孔３４に連通するシール材側貫通孔５７ａが形成されている。このシール材側貫通孔５７ａには、タンク側貫通孔３５ａ及び燃料電池セル３３のガス通過孔３４が開口しており、燃料電池セル３３のガスタンク３５側における支持体３３ａ端側に、ガスタンク３５からのガスが一旦収容されるガス収容空間５９が設けられている。尚、シール材側貫通孔５７ａは、燃料電池セル３３のガス通過孔３４に連通するものであれば良い。

燃料電池セルの一端部を接合一体化する電気絶縁性シール材は、その厚みが薄い程シール性が高いため、隣接する燃料電池セル間の距離を狭めることが望ましい。これによりインターコネクタ３３ｄと隣設する燃料電池セル３３の酸素側電極３３ｃとの距離を狭めることができる。

また、酸素含有ガス供給管３９は、図１に示したように、その先端部が燃料電池セル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、燃料電池セル３３間を通って燃料電池セル３３の上方に流れ、発電で用いられなかった余剰の燃料ガスは、燃料電池セル３３のガス通過孔３４を通って燃料電池セル３３の上方から吹き出し、燃料電池セル３３の上端（軸長方向端部）近傍において、燃料ガスと酸素含有ガスが反応して燃焼するように構成され、酸素含有ガス供給管３９は燃焼領域を挿通している。

燃料電池セル３３の酸素側電極３３ｃに酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給管３９が、燃料電池セル３３と同一室に配置されているため、燃焼ガスにより酸素含有ガス供給管３９全体を加熱することができ、酸素含有ガス供給管３９内の酸素含有ガスを十分に加熱して、燃料電池セル３３を外側から加熱し、燃料電池セル３３が発電するまでの起動時間を短縮化できる。

熱交換部４１は、熱交換器４１ａと酸素含有ガス収容室４１ｂとから構成されている。熱交換器４１ａは、図８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８（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８（ｃ）に示すように形成されている。

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４１ａの上方へ排出され、一方、酸素含有ガスは、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。

尚、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。

酸素含有ガス収容室４１ｂは、図９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、即ち燃料電池セル３３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。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の一端が開口し、連通している。

このように、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燃料電池セル３３間に確実に供給できる。

また、図１に示したように、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。

燃焼ガスは、燃料電池セル３３の先端近傍から、燃焼ガス導入口７１、熱交換部４１に導出されるため、燃料電池セル３３間に供給される酸素含有ガスと燃焼ガスとの混合を抑制し、燃料電池セル３３間に新鮮な酸素含有ガスを十分に供給でき、燃料電池の発電量を増加できる。

また、燃料電池セル３３のセルスタックＳ間には、バーナー用ガスタンク８１がそれぞれ配置されており、これらのバーナー用ガスタンク８１にはバーナ８３が立設し、燃料電池セル３３を直接加熱できるようになっている。このようなバーナ８３は、燃料電池の起動時に燃焼され、燃料電池セル３３を直接的に加熱し、燃料電池セル３３が発電するまでの起動を飛躍的に早めることができる。

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）を酸素含有ガス管７３を介して熱交換器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を介して燃料電池セル３３間に噴出させるとともに、燃料ガス（例えば水素）を燃料ガス供給管を介して燃料ガスタンク３５に一旦収容し、ガスタンク３５のタンク側貫通孔３５ａ、ガスシール材５７のシール材側貫通孔５７ａで形成されるガス収容空間５９を介して、燃料電池セル３３のガス通過孔３４内に供給し発電させる。

発電に用いられなかった余剰の燃料ガスはガス通過孔３４の上端から噴出し、発電に用いれらなかった余剰の酸素含有ガスは燃料電池セル３３間を通って上方に流れ、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。

そして、本発明の燃料電池では、複数の燃料電池セル３３が整列した状態で、それらの一端部を電気絶縁性シール材により一体的に接合して支持板５３を形成し、この支持板５３をガスタンク３５に固定するため、内側電極にガスを供給するためのガス供給管を不要とすることができ、また、燃料電池セル３３は何ら支持されることなくガスタンク３５に立設することができ、さらに、支持板５３を押圧部材５５でガスタンク３５側に押圧固定してガスタンク３５に一挙に取り付けることができるため、燃料電池の構造を簡略化でき、製造が容易となる。

また、燃料電池セル３３はガスタンク３５に機械的な方法で取り付けられ、しかも上記したようにガス供給管や隔壁が不要であり、ガス封止個所を減少できるため、ガス封止信頼性を向上できる。

さらに、収納容器３１の同一室に、整列した複数の燃料電池セル３３がガスタンク３５に立設した状態で収納されており、燃料電池セル３３内を通過したガスと燃料電池セル３３間を通過したガスが反応して燃焼するため、燃料ガスにより燃料電池セル３３全体を直接加熱でき、燃料電池セル３３が発電するまでの起動時間を短縮できる。

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４１ａで燃焼ガスと酸素含有ガスとの間で熱交換させ、起動時に酸素含有ガスを予熱することができ、また、酸素含有ガス供給管３９が燃焼ガス中を挿通することにより、この燃焼ガスにより酸素含有ガス供給管３９内の酸素含有ガスをさらに加熱することができるため、加熱した酸素含有ガスにより燃料電池セル３３を間接的に加熱して実質的に発電するまでの起動時間を短縮できる。

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に示したような扁平状で複数のガス通過孔３４を有する燃料電池セル３３を用いて説明したが、燃料電池セルは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、燃料ガス通過孔数は特に限定されるものではない。

また、上記例では、燃料電池セル３３を直列に接続した例について説明したが、並列接続しても良いことは勿論である。また、燃料側電極を内側電極としたが、酸素側電極を内側電極としても良い。

尚、上記例では、支持板５３を押圧部材５５によりガスタンク３５側に押圧して固定した例について説明したが、本発明では、支持板をガスタンクに締め付け固定しても良い。例えば、支持板をガスタンクにネジ止めすることにより、固定することもできる。この場合には押圧部材を無くすことができる。また、型枠を支持板と一体化して用い、この型枠部分をガスタンクにネジ止めすることにより、支持板の破損を抑制できる。

本発明の燃料電池の他の形態を図１０を用いて説明する。上記形態では、燃料電池セル３３が立設した支持板５３を、ガスタンク３５の天板に接合した例について説明したが、図１０（ａ）に示すように、ガスタンク３５の天板に凹部９５を形成し、この凹部９５内に支持板５３を係合させて収容し、接合しても良い。この場合には、支持板５３がガスタンク３５の天板の一部を構成することになり、構造を簡略化でき、製造工程が簡単となり、押圧部材を不要とでき、締め付ける必要もない。

尚、タンク側貫通孔３５ａは、凹部９５底面に一つ形成されており、このタンク側貫通孔３５ａを介して、複数の燃料電池セル３３にガスを供給する。また、支持板５３をガスタンク３５の凹部９５内に接合する接合材としては、燃料電池セル３３の熱膨張係数と近づけるという点からＺｒＯ_２を主成分とすることが望ましい。

また、図１０（ｂ）に示すように、ガスタンクの天板が完全にない状態、即ち、上方が開口したガスタンク本体３５ａに、ガスタンク３５の天板として、燃料電池セル３３が立設した支持板５３をガスタンク本体３５ａの開口部分（立設壁の上端部）に接合しても良い。この場合、立設壁の上面に凹部９５を形成し、この凹部９５に支持板５３を収容接合すると、ガスシール性が向上し、ガス漏出をさらに防止できる。さらに、ガスタンク本体３５ａの開口部分には、図１０（ｂ）に示すような凹部９５を形成することなく、図１０（ｃ）に示すように、ガスタンク本体３５ａの立設壁の上端面に支持板５３を接合する場合であっても良い。

本発明の燃料電池のさらに他の形態を図１１、図１２を用いて説明する。上記形態では、ガスタンク３５に接合するセルスタックＳは一体物であったが、この形態では、図１１、図１２に示すように、セルスタックＳが複数の分割セルスタックＳ１，Ｓ２，Ｓ３から構成されている。分割セルスタックＳ１，Ｓ２，Ｓ３は、上記したセルスタックＳと同様にして形成されている。尚、図において、５３は支持板、５５は押圧部材、５７はガスシール材である。この形態の場合であっても、押圧部材を用いずに締め付けて形成でき、また、図１０に示すように、天板を形成するように接合することもできる。

このような燃料電池では、１つの分割セルスタックＳ１，Ｓ２，Ｓ３の燃料電池セル３３の数が比較的少なくなるため、多少の燃料電池セル３３の変形があったとしても累積される変形量が小さくなるため、支持板５３と燃料電池セル３３との接合も、さらに容易になり、また、仮に、何らかの問題により接合が不完全であったとしても、複数の分割セルスタックＳ１，Ｓ２，Ｓ３のうち一部を取り替えることで対処可能なため、製造コストを低くすることができる。

さらに、本発明では、図１３に示すように、支持板５３を、ガスタンクの内部側に形成されたセラミックスからなる第1層９８と、この第1層９８を被覆するガラスからなる第2層９９から構成し、表面に水蒸気による侵食を防止する侵食防止層１００を形成することができる。第2層９９は第1層９８よりも緻密とされている。このような燃料電池では、先ず、セラミックからなる第1層９８により複数の燃料電池セル３３の一端部を仮固定し、第1層９８の表面に緻密な第2層９９を形成し、その表面に侵食防止層１００を形成できるため、容易にセルスタックを形成できるとともに、ガスタンク内のガスの漏出を第2層により防止でき、また、発生する水蒸気による侵食を侵食防止層１００により防止できる。尚、第2層９９は、第1層９８のガスタンク内に露出している部分、ガスタンクとの接合部分以外は少なくとも形成する必要があり、さらに、侵食防止層１００は、第2層９９のガスタンク外に露出している部分は少なくとも形成する必要がある。

ここで、図１３は、ガスタンク本体３５ａの開口部に天板として支持板５３を接合したもので、（ａ）は立設壁の凹部に支持板５３を収容接合した形態、（ｂ）は立設壁の上面に支持板５３を接合した形態であるが、ガスタンクの天板に支持板を接合する形態、分割セルスタックを用いる形態においても、本発明の支持板構造を用いることができる。

さらに、本発明は、図１４乃至図１７に示すような燃料電池にも適用できる。この燃料電池を説明すると、ハウジング１０２の６個の壁面の外面には適宜の断熱材から形成された断熱壁（遮熱部材）、即ち上断熱壁１０４、下断熱壁１０６、右側断熱壁１０８、左側断熱壁１０９、前断熱壁１１０及び後断熱壁１１１が配設されている。ハウジング１０２内には発電・燃焼室１１２が規定されている。

ハウジング１０２内の上端部には空気室（ガス室）１１６が配設されている。空気室１１６は上下方向寸法が比較的小さい直方体形状のケース１１７内に規定されている。空気室１１６には、発電・燃焼室に向かって空気（酸素含有ガス）を送り込むための空気導入管（ガス供給手段）１２２の上端が連通している。空気導入管１２２は複数本あり、図では円筒の空気導入管１２２を記載した。空気導入管１２２は後述するセルスタック間に配置されており、セルの下端部において開口し、この開口部から空気が噴出する構造となっている。

空気室１１６には、低温ガス供給管１１８からなる低温ガス供給手段が設けられており、この低温ガス供給管１１８は、上断熱壁１０４を貫通し、外部に延設されている。

この低温ガス供給管１１８は、空気室１１６内に供給されるガスと同一種、即ち、低温の空気を空気室１１６内に供給するものであり、低温ガス供給管１１８により供給される空気は、予熱された空気の温度よりも低温である必要がある。

低温ガス供給管１１８は、図１５に示すように、発電ユニット１５６ａ、１５６ｂ、１５６ｃ及び１５６ｄ、即ち、燃料電池セル集合体の中央部を冷却するような空気室１６の位置に接続されている。言い換えれば、発電ユニット１５６ａ、１５６ｂ、１５６ｃ及び１５６ｄ間に配設された空気導入管１２２のケース１１７側板への開口部集合体中央に対して、対向するケース１１７側板の位置に開口するように低温ガス供給管１１８が設けられている。

ハウジング１０２の両側部、更に詳しくは右側断熱壁１０８の内側及び左側断熱壁１０９の内側には、全体として平板形状である熱交換器１２４が配設されている。熱交換器１２４の各々は実質上鉛直に延在する中空平板形態のケース１２６から構成されている。

かかるケース１２６内にはその横方向中間に位置する仕切板１２８が配設されており、ケース１２６内は内側に位置する排出路１３０と外側に位置する流入路１３２とに区画されている。排出路１３０内には上下方向に間隔をおいて３枚の仕切壁１３４及び１３６が配置されている。更に詳述すると、排出路１３０内には、その前縁はケース１２６の前壁（図示していない）から後方に離隔して位置するがその後縁はケース１２６の後壁（図示していない）に接続されている形態の仕切壁１３４と、その前縁はケース１２６の前壁に接続されているがその後縁はケース１２６の後壁から前方に離隔して位置せしめられている仕切壁１３６とが交互に配置されており、かくして燃焼ガス排出路１３０はジグザグ形態にせしめられている。なお、所望ならばジグザグ形態の流路以外の形態でも良い。

同様に、流入路１３２内にも上下方向に間隔をおいて３枚の仕切壁１３８及び１４０、即ちその前縁はケース１２６の前壁（図示していない）から後方に離隔して位置するがその後縁はケース１２６の後壁（図示していない）に接続されている形態の仕切壁１３８と、その前縁はケース１２６の前壁に接続されているがその後縁はケース１２６の後壁から前方に離隔して位置せしめられている仕切壁１４０とが交互に配置されており、かくして流入路１３２もジグザグ形態にせしめられている。なお、所望ならばジグザグ形態の流路以外の形態でも良い。

ケース１２６の内側壁の上端部には排出開口１４２が形成されており、排出路１３０は排出開口１４２を介して発電・燃焼室１１２と連通せしめられている。図示の実施形態においては、熱交換器１２４の各々の発電・燃焼室１１２側、即ち、燃料電池セル側、及び燃料電池セルの上下には、蓄熱材からなる蓄熱壁（遮熱部材）が配置されている。即ち右側蓄熱壁１４４ａ、左側蓄熱壁１４４ｂ、前蓄熱壁１４４ｃ及び後蓄熱壁１４４ｄ、上蓄熱壁１４４ｅ、下断熱壁１４４ｆが、セル集合体を取り囲むように配設されている。かかる右側蓄熱壁１４４ａ、左側蓄熱壁１４４ｂの上部には、排出開口１４２の下縁と実質上同高に位置して開口する開口部１４５が形成されており、排出開口１４２は開口部１４５を通して発電・燃焼室１１２に連通せしめられている。

ハウジング１０２の６個の壁面の外面に形成された断熱壁１０４、１０６、１０８、１０９、１１０、１１１は、アルミナ／シリカ系の汎用断熱材から形成されており、セル集合体を取り囲むように形成された蓄熱壁１４４ａ、１４４ｂ、１４４ｃ、１４４ｄ、１４４ｅ、１４４ｆは、密度が前記断熱材１０４、１０６、１０８、１０９、１１０より大きいアルミナ純度の高い断熱材から形成されている。

ケース１２６の上壁における外側部には流入開口１４８が形成されており、流入路１３２はかかる流入開口１４８を介して空気室１１６に連通せしめられている。熱交換器１２４、流入開口１４８は、ガス供給流路を構成している。流入路１３２の各々の後方には上下方向に細長く延びる二重筒体１５０（図１４にその上端部のみを図示している）が配設されており、かかる二重筒体１５０は外側筒部材１５２と内側筒部材１５４とから構成されている。排出路１３０の下端部は外側筒部材１５２と内側筒部材１５４との間に規定されている排出路の下端部に接続されており、流入路１３２の下端部は内側筒部材１５４内に規定されている流入路に接続されている。

上述した発電・燃焼室の下部には４個の発電ユニット１５６ａ、１５６ｂ、１５６ｃ及び１５６ｄが配置されている。発電ユニット１５６ａ、１５６ｂ、１５６ｃ及び１５６ｄは、夫々、上述した空気導入管１２２間に位置せしめられている。言い換えれば、発電ユニット１５６ａ、１５６ｂ、１５６ｃ及び１５６ｄ間に、空気導入管１２２が配設されている。図１４、１５と共に、図１６、１７を参照して説明を続けると、発電ユニット１５６ａは前後方向（図１において紙面に垂直な方向）に細長く延びる直方体形状の燃料ガスタンク１５８ａを具備している。

燃料ガス室を規定している燃料ガスタンク１５８ａの上面上にはセルスタック１６０ａが装着されている。セルスタック１６０ａは上下方向に細長く延びる直立セル１６２を燃料ガスタンク１５８ａの長手方向（即ち前後方向）に複数個縦列配置して構成されている。

図１７を参照して説明を続けると、発電ユニット１５６ａは、セルスタック１６０ａの上方を前後方向に細長く延びる長方体形状（或いは円筒形状）であるのが好都合である改質ケース１７８ａも具備している。改質ケース１７８ａの前面には燃料ガス送給管１８０ａの一端即ち上端が接続されている。

燃料ガス送給管１８０ａは下方に延び、次いで湾曲して後方に延び、燃料ガス送給管１８０ａの他端は上記燃料ガスタンク１５８ａの前面に接続されている。改質ケース１７８ａの後面には被改質ガス供給管１８２ａの一端が接続されている。被改質ガス供給管１８２ａは改質ケースから下方に延び、ハウジング１０２の下を通ってハウジング１０２外に延出している。

被改質ガス供給管１８２ａは都市ガス等の炭化水素ガスでよい被改質ガス供給源（図示していない）に接続されており、被改質ガス供給管１８２ａを介して改質ケース１７８ａに被改質ガスが供給される。改質ケース１７８ａ内には燃料ガスを水素リッチな燃料ガスに改質するための適宜の改質触媒が収容されている。

図示の実施形態においては、改質ケース１７８ａは燃料ガス送給管１８０ａを介して燃料ガスタンク１５８ａに接続され、これによって所要位置に保持されているが、所要ならば、図１７に二点鎖線で図示する如く、例えば上記被改質ガス供給管１８２ａの下面と燃料ガスタンク１５８ａの後端部下面或いは後面との間に適宜の支持部材１８４ａを付設することもできる。

図１６において説明すると、発電ユニット１５６ｃは上述した発電ユニット１５６ａと実質上同一であり、発電ユニット１５６ｂ及び１５６ｄは、発電ユニット１５６ａ及び１５６ｃに対して前後方向が逆に配置されていること、従って改質ケース１７８ｂ及び１７８ｄと燃料ガスタンク１５８ｂ及び１５８ｄとを接続する燃料ガス送給管（図示していない）が後側に配置され、被改質ガス供給管１８２ｂ及び１８２ｄが改質ケースから下方に延び、ハウジング１０２の下を通ってハウジング１０２外に延出している。

上述したとおりの燃料電池においては、被改質ガスが被改質ガス供給管１８２ａ、１８２ｂ、１８２ｃ、１８２ｄを介して改質ケース１７８ａ、１７８ｂ、１７８ｃ及び１７８ｄに供給され、改質ケース１７８ａ、１７８ｂ、１７８ｃ及び１７８ｄ内において水素リッチな燃料ガスに改質された後に、燃料ガス送給管１８０ａ、１８０ｂ、１８０ｃ、１８０ｄを通して燃料ガスタンク１５８ａ、１５８ｂ、１５８ｃ及び１５８ｄ内に規定されている燃料ガス室に供給され、次いでセルスタック１６０ａ、１６０ｂ、１６０ｃ及び１６０ｄに供給される。

セルスタック１６０ａ、１６０ｂ、１６０ｃ及び１６０ｄの各々においては、酸素極において、
１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２−（固体電解質）
の電極反応が生成され、燃料極において、
Ｏ^２−（固体電解質）＋Ｈ_２→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻
の電極反応が生成されて発電される。

発電に使用されることなくセルスタック１６０ａ、１６０ｂ、１６０ｃ及び１６０ｄから上方に流動した燃料ガス及び空気は、起動時に発電・燃焼室１１２内に配設されている点火手段（図示していない）によって点火されて燃焼される。周知の如く、セルスタック１６０ａ、１６０ｂ、１６０ｃ及び１６０ｄにおける発電に起因して、そしてまた燃料ガスと空気との燃焼に起因して発電・燃焼室１１２内は例えば１０００℃程度の高温になる。改質ケース１７８ａ、１７８ｂ、１７８ｃ及び１７８ｄは発電・燃焼室１１２内に配設され、セルスタック１６０ａ、１６０ｂ、１６０ｃ及び１６０ｄの直ぐ上方に位置せしめられており、燃焼炎によって直接的にも加熱され、かくして発電・燃焼室１１２内に生成される高温が被改質ガスの改質に効果的に利用される。

発電・燃焼室１１２内に生成された燃焼ガスは熱交換器１２４に形成されている排出開口１４２から排出路１３０に流入し、ジグザグ状に延在する排出路１３０を流動した後に二重筒体１５０の外側筒部材１５２と内側筒部材１５４との間に規定されている排出路を通して排出される。燃焼ガスが二重筒体１５０における排出路を流動する際には、二重筒体１５０における流入路を空気が流動し、燃焼ガスと空気との間で熱交換が行われる。

そしてまた、燃焼ガスが熱交換器１２４の排出路１３０をジグザグ状に流動せしめられる際には、空気が熱交換器１２４の流入路１３２をジグザグ状に対向するように流動せしめられる。かくして燃焼ガスと空気との間で効果的に熱交換されて空気が予熱される。

本発明の燃料電池を示す説明図である。 図１のセルスタックを示す横断面図である。 （ａ）は基部の一端部に複数の集電片が形成された櫛歯形状の板状集電部材を用いて、燃料電池セルを接続した状態を示す側面図、（ｂ）は板状集電部材を示す斜視図である。 （ａ）は複数の集電片群を長さ方向に所定間隔を置いて形成して構成した板状集電部材を用いて、燃料電池セルを接続した状態を示す側面図、（ｂ）は板状集電部材を示す斜視図である。 燃料電池セルのガスタンクへの接続構造を示す一部断面斜視図である。 図５の断面図である。 燃料電池セルを燃料ガスタンクに取り付ける状態を示す分解斜視図である。 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。 本発明の熱交換部を説明するための斜視図である。 （ａ）は燃料電池セルが立設した支持板をガスタンク本体に接合する状態を示す分解斜視図、（ｂ）は支持板をガスタンク本体の内壁面に天板として係合接合した状態を示す断面図、（ｃ）は支持板をガスタンクの壁上面に接合した状態を示す断面図である。 （ａ）は複数の分割セルスタックがガスタンクに設けられた状態を示す断面図、（ｂ）は分割セルスタックをガスタンクに設ける状態を示す分解斜視図である。 複数の分割セルスタックをガスタンクに設ける状態を示す分解斜視図である。 支持板を３層構造とした状態を示すもので、（ａ）は支持板をガスタンク本体の内壁面に天板として係合接合した状態を示す断面図、（ｂ）は支持板をガスタンクの壁上面に支持板を接合した状態を示す断面図である。 本発明を適用できる他の形態の燃料電池を示す断面図である。 図１４の平面図である。 図１４の燃料電池に使用されている発電ユニット集合体を示す斜視図である。 図１６の発電ユニットを示す斜視図である。

符号の説明

３１・・・収納容器
３３，１６２・・・燃料電池セル
３３ｂ・・・固体電解質
３３ｃ・・・酸素側電極（外側電極）
３３ｄ・・・インターコネクタ
３４・・・ガス通過孔
３５、１５８・・・ガスタンク
４３、４４・・・板状集電部材
５３・・・支持板
５５・・・押圧部材
Ｓ、１６０・・・セルスタック
Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３・・・分割セルスタック
９８・・・第１層
９９・・・第２層
１００・・・侵食防止層

Claims (13)

1. 軸長方向にガス通過孔を有する複数の燃料電池セルと、該複数の燃料電池セルのガス通過孔にガスを供給するためのガスタンクとを具備するとともに、前記複数の燃料電池セルが整列した状態でそれらの軸長方向一端部が電気絶縁性シール材により一体的に接合固定され、前記複数の燃料電池セルが支持板に立設しており、該支持板が前記ガスタンクに設けられていることを特徴とする燃料電池。
2. ガスタンクには、所定数の燃料電池セルが整列した状態でそれらの軸長方向一端部が電気絶縁性シール材により一体的に接合固定された分割セルスタックが複数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. 支持板は、押圧部材によりガスタンク側に押圧されて固定さ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. 押圧部材は、複数の燃料電池セルの周囲を囲む枠状であることを特徴とする請求項３記載の燃料電池。
5. 支持板はガスタンクに接合さ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。
6. 支持板はガスタンクに締め付け固定さ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。
7. 燃料電池セルが内側電極、固体電解質、外側電極を順次積層してなり、前記内側電極と電気的に接続されるインターコネクタが外部に露出しており、一方の燃料電池セルのインターコネクタと、他方の燃料電池セルの外側電極とが集電部材により電気的に接続されていることを特徴とする請求項１乃至６のうちいずれかに記載の燃料電池。
8. 支持板は、ガスタンクの天板を構成していることを特徴とする請求項１乃至７のうちいずれかに記載の燃料電池。
9. 支持板は上面が開口するガスタンク本体の壁に係合し、接合されていることを特徴とする請求項８記載の燃料電池。
10. 支持板は、ガスタンク側に形成された第1層と、該第1層を被覆する第2層を具備するとともに、前記第1層よりも前記第2層が緻密であることを特徴とする請求項１乃至９のうちいずれかに記載の燃料電池。
11. 第1層はセラミックからなり、第2層はガラスからなることを特徴とする請求項１０記載の燃料電池。
12. 支持板は、表面に水蒸気による侵食を防止する侵食防止層を有することを特徴とする請求項１乃至１１のうちいずれかに記載の燃料電池。
13. 支持板は、複数の整列された燃料電池セルの一端部を型枠内に挿入し、該型枠内に電気絶縁性シール材を流し込み、加熱することにより形成されていることを特徴とする請求項１乃至１２のうちいずれかに記載の燃料電池。

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