JP2005346988A - 燃料電池組立体及び燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】固体電解質型の燃料電池セル３の内部ガス流路を通過した燃料ガスＦＧが排出される上部空間において、燃料ガスＦＧ及び空気ＡＧの相互移動を抑制して、両ガスの流れを定常状態に保つ。
【解決手段】燃料電池セル３の内部ガス流路を通過した燃料ガスＦＧと、前記燃料電池セル３の外部を流れる空気ＡＧとが、燃料電池セル３の出口側端面の上部空間で混合する構造を有し、前記燃料電池セル３の出口側端部の外周面に、ガスの流れを迂回させるための環状部材３ａを装着した。
【効果】燃料ガスＦＧと空気極との接触、あるいは空気ＡＧと燃料極との接触を防止することができ、燃料電池セル３の酸化、還元に起因する破損を防止することができる。
【選択図】図６

Description

本発明は、固体電解質型燃料電池セルを集積した燃料電池セルスタックと、該燃料電池セルスタックに酸素を含む酸化剤ガス及び燃料ガスを供給するための供給路とを具備する燃料電池組立体及び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、種々の形式の燃料電池が提案されている。このような燃料電池には、固体高分子形、リン酸形、溶融炭酸塩形、固体電解質形など、各種のものが知られているが、中でも固体電解質形燃料電池(ＳＯＦＣ；Solid Oxide Fuel Cell)は、作動温度が８００〜１０００℃と高いものの、発電効率が高く、また排熱利用ができるなどの利点を有しており、その研究開発が推し進められている。

前記固体電解質形燃料電池の発電素子を「燃料電池セル」という。燃料電池セルは、単一若しくは複数の内部ガス流路が軸長方向に貫通する多孔質の内側電極に、固体電解質及び外側電極を順次積層した構造となっている。
前記内側電極には、固体電解質及び外側電極が形成されていない部位もあり、その部位には、内側電極の上にインターコネクタが形成されている。この燃料電池セルを複数用意し、ガスマニホールドの上壁に並行に固定し、発電・燃焼室内に収納する。

前記内部ガス流路を燃料ガスが流れる構造であれば、発電・燃焼室内には酸素を含むガス（空気）が供給され、前記内部ガス流路を空気が流れる構造であれば、発電・燃焼室内には燃料ガスが供給される。
前記燃料電池セルに供給される燃料ガスと空気とは、前記内側電極及び外部電極を通って固体電解質まで輸送され、ここで電極反応を生じ発電が行われる。これらの燃料電池セルを直列に接続して、高い電圧を取り出すことができる。

前記燃料電池セルに供給されたガスで、発電に使用されなかったガスは、前記燃料電池セルから上方に流動し、発電・燃焼室内の雰囲気中で燃焼される。燃焼炎は、燃料電池セルの上部空間に生じる。この燃料ガスの燃焼熱と、燃料電池セルにおける発電で発生するジュール熱とによって、発電・燃焼室内は、例えば１０００℃程度の高温になる。
特開2001-110435号公報 特開平11-162497号公報 特開2003-282129号公報

この燃料電池セルでは、燃料電池セルの上部空間で空気と燃料ガスとの流れのバランス状態が崩れると、空気が優勢になって燃料電池セルの上部端面から燃料極側に入り込むか、あるいは燃料ガスが優勢になって燃料電池セルの上部端面から空気極側に入り込むことになる。例えば、燃料ガスが空気極側に流入すると、空気極が還元され、それと同時に体積が変化して、燃料電池セルにヒビが入ったり破損したりするという問題が生じることがある。空気が燃料極側に流入すると、燃料極が酸化され、体積が変化して、この場合も燃料電池セルにヒビが入ったり破損したりするという問題が生じることがある。

このような破損を防止するために、特許文献１の燃料電池では、燃料電池セルの端部に、当該端部を越えて延びるスリーブが外嵌されており、このスリーブにより、水素と空気極との接触を防ぐようになっている。
しかしながら、特許文献１では、スリーブを燃料電池セルの端部に挿入しているため、スリーブの分だけ燃料電池セルが長くなり、しかも横幅も大きくなり、燃料電池が大型化するという問題もあった。

本発明は、大型化することなく、燃料電池セルから噴出されるガスの流れ及び燃料電池セルの外側を流れるガスの流れを整えることができ、燃料電池セルの酸化や還元に伴う損傷を防止できる燃料電池組立体及び燃料電池を提供することを目的とする。

本発明の燃料電池組立体は、内側電極、固体電解質及び外側電極を備え、内部ガス流路が形成された燃料電池セルと、前記燃料電池セルの内部ガス流路にガスを供給するための内部ガス供給手段と、前記燃料電池セル外部に他の種類のガスを供給するための外部ガス供給手段とを具備し、前記内部ガス流路を通過した内部ガスと、前記燃料電池セルの外部を流れるガスとが、燃料電池セルの出口側端面の上部空間で混合する構造を有する燃料電池組立体であって、前記燃料電池セル内部を通過した内部ガスと燃料電池セルの外部を通過した外部ガスが合流する燃料電池セルの出口側端部の外周面又は内部ガス流路の出口側端部の内周面に、環状部材を装着してなることを特徴とする。

燃料電池セル内部を通過した内部ガスと燃料電池セルの外部を通過した外部ガスとが合流する燃料電池セル端部の外周面又は内部ガス流路の出口側端部の内周面に環状部材を装着することにより、酸化剤ガスと燃料極の接触、あるいは燃料ガスと空気極の接触を防止でき、燃料電池セルの酸化、還元による劣化と、それに起因する破損を防止することができる。

本発明の環状部材は、無機材料からなる緻密質を用いることができる。燃料電池セルの出口側端部の外周面に緻密質からなる環状部材を設けることにより、燃料電池セルの内部ガス流路に流入しようとする外部ガスを迂回させることができる。また、内部ガス流路の出口側端部の内周面に緻密質からなる環状部材を設けることにより、内部ガス流路が狭められ、内部ガス流路から排出される内部がスの流速が大きくなり、外部ガスの内部ガス流路内への流入を抑制でき、しかも外部から内部ガス流路に流入したとしても環状部材により外部ガスとの直接的な接触を防止できる。また、環状部材を、開気孔を有する多孔質材料等のように、内部にガスを滞留させる機能を有する材料で形成できる。この環状部材は、環状部材内部の燃料ガス又は酸化剤ガスの圧力を定常状態に保ち、環状部材を通しての燃料ガス、及び酸化剤ガスの移動を抑制する作用、すなわち、環状部材に流れ込もうとするガスを迂回させる作用があるものである。

前記環状部材は、例えば燃料電池セルの出口側端部の外周面及び／又は内部ガス流路の出口側端部の内周面に設置することができる。特に、内部ガス流路の出口側端部の内周面に設置する場合は、前記内部ガス流路の出口側端部の内周面から突出したパイプ状部材としてもよい。このパイプ状部材は緻密質からなることが望ましい。これにより、内部ガス流路が狭められ、内部ガス流路から排出される内部がスの流速が大きくなり、外部ガスの内部ガス流路内への流入を抑制でき、しかも外部から内部ガス流路に流入したとしても環状部材により外部ガスとの直接的な接触を防止できる。

この環状部材を燃料ガスと酸化剤ガスが合流する部分に配置することにより、燃料ガスが空気極に接触したり、あるいは酸化剤ガスが燃料極に接触したりするのを防止することができ、燃料電池セルの酸化、還元に起因する破損を防止することができる。
また、環状部材がガスの流れを整えて、余剰の酸化剤ガスと余剰の燃料ガスの流れの状態が安定するため、両ガスの混合により生じる燃焼状態が安定する。したがって、燃料電池セルの、両ガスの出口側端面の温度分布が安定し、温度変化によるクラックの発生を抑制する効果もある。

前記環状部材は絶縁性の無機材料からなることが好ましい。絶縁性の無機材料を使用することにより、環状部材と隣設する燃料電池セルとが接触した場合にも、短絡による装置破壊を防止することができる。
無機材料としては、ガス滞留効果に優れた多孔性無機材料を使用することができる。さらに多孔質無機材料は熱伝導率が低く、断熱性、耐熱性に優れたセラミック繊維やセラミック製断熱材等からなるものを使用するのが好ましい。

また、燃料電池セルを隣接して設置した状態で、隣接する環状部材の間隔は、隣接する環状部材の間を流れる空気が定常的な流れに到達しやすいように、隣接する燃料電池セルの間隔の１／２以上になるように前記環状部材の厚みが設定されていることが好ましい。
さらに、本発明の燃料電池は、前記燃料電池組立体をハウジング内に収容したものであり、信頼性の向上、寿命の長期化を実現することができる。

本発明の燃料電池組立体は、燃料電池セル内部を通過した内部ガスと燃料電池セルの外部を通過した外部ガスとが合流する燃料電池セル端部の外周面又は内部ガス流路の出口側端部の内周面に環状部材を装着することにより、酸化剤ガスと燃料極の接触、あるいは燃料ガスと空気極の接触を防止でき、燃料電池セルの酸化、還元に起因する破損を防止することができる。

以下、本発明の燃料電池の構造を添付図面を参照して詳述する。
図１は、燃料電池に使用される発電ユニット集合体１ａ-１ｄを示す斜面図である。
発電ユニット集合体１ａ-１ｄは、一方向（図１において紙面左上から右下の方向）に細長く延びる直方体形状の燃料ガスマニホールド２ａ-２ｄを具備している。
燃料ガスマニホールド２ａ-２ｄの上壁には、複数の燃料電池セル３からなる燃料電池セルスタック４ａ-４ｄが装着されている。一枚の燃料電池セル３は、上下方向に細長く延びた板状をなしている。燃料電池セルスタック４ａ-４ｄは、このような燃料電池セル３を、燃料ガスマニホールドの一方向に沿って複数個縦列配置して構成されている。

燃料電池セル３の各々は、図２に断面を示すように、導電性支持体５の表面に、内側電極である燃料極６、固体電解質７、外側電極である空気極８を積層したものである。
導電性支持体５は、上下方向に細長く延びる板状片であり、平坦な表裏両面と断面半円形状の両側面とを有する。導電性支持体５にはこれを上下方向に貫通する複数個（図示の場合は６個）の燃料ガス通路１２が形成されている。

前記燃料ガスマニホールド２ａ-２ｄの上壁には短手方向に延びる複数個のスリットが形成されており、導電性支持体５の各々に形成されている燃料ガス通路１２がスリットを介して燃料ガスマニホールド２ａ-２ｄの燃料ガス室に連通している。
前記燃料電池セル３の各々は、燃料ガスマニホールド２ａ-２ｄの上壁に、耐熱性に優れたセラミック接着剤などによって接合される。

図２に示すように、燃料極６は導電性支持体５の片面及び両側面を覆う部分に配設されており、その両端はインターコネクタ１０に接合している。固体電解質７は燃料極６の全体を覆うように配設されている。空気極８は、導電性支持体５の一方側表面において固体電解質７を覆うよう配置されている。
隣接する燃料電池セル３同士の間には、１つの燃料電池セル３の空気極８と他の燃料電池セル３のインターコネクタ１０とを電気的に接続するための集電部材９が配設されている。

この集電部材９は、燃料電池セルスタック４ａ-４ｄの両端、すなわち図２において上端及び下端に位置する燃料電池セル３の片面及び他面にも配設されている。燃料電池セルスタック４ａ-４ｄの両端に位置する集電部材９には、燃料電池セルスタック４ａ-４ｄから発電電気を取り出すための導電電極１１が接続されており、かかる導電部材により、燃料電池セルスタック４ａ-４ｄは相互に直列接続される。

燃料電池セル３は、前記導電性支持体５、燃料極６及び／又は固体電解質７と同時焼成により製造される。
導電性支持体５は燃料ガスを燃料極６まで透過させるためにガス透過性であること、そしてまたインターコネクタ１０を介して集電するために導電性であることが要求される。かかる要求を満足するために多孔質の導電性セラミック（若しくはサーメット）が用いられる。

導電性支持体５は、鉄属金属成分と特定希土類酸化物とから形成することが好ましい。所要のガス透過性を備えるために開気孔率が３０％以上、特に３５から５０％の範囲にあるのが好適であり、また、その導電率は３００Ｓ／ｃｍ以上、特に４４０Ｓ／ｃｍ以上であるのが好ましい。
燃料極６は、多孔質の導電性セラミック、例えば希土類元素が固溶しているＺｒＯ₂（安定化ジルコニアと称される）とＮｉ及び／又はＮｉＯとから形成することができる。

固体電解質７は、電極間の電子の橋渡しをする電解質としての機能を有していると同時に、燃料ガスと空気とのリークを防止するためにガス遮断性を有するものであることが必要であり、通常、３〜１５モル％の希土類元素が固溶したＺｒＯ₂から形成されている。
空気極８は所謂ＡＢＯ₃型のペロブスカイト型酸化物からなる導電セラミックにより形成することができる。空気極８はガス透過性を有していることが必要であり、開気孔率が２０％以上、特に３０〜５０％の範囲にあることが好ましい。

インターコネクタ１０は導電性セラミックから形成することができるが、水素を含む燃料ガス及び空気と接触するため、耐還元性及び耐酸化性を有することが必要であり、このためにランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物（ＬａＣｒＯ₃系酸化物）が好適に使用される。インターコネクタ１０は、導電性支持体５に形成された燃料ガス通路１２を通る燃料ガス及び導電性支持体５の外側を流動する空気のリークを防止するために緻密質でなければならず、９３％以上、特に９５％以上の相対密度を有していることが望まれる。

集電部材９は、耐熱性、耐酸化性、電気伝導性という点から、Ｐｔ、Ａｇ、Ｎｉ基合金、Ｆｅ−Ｃｒ鋼合金の少なくとも一種からなることが望ましい。この集電部材９とインターコネクタ１０、集電部材９と空気極８の接続部に、ＡｇやＰｔ等の貴金属やＮｉ等の金属を含有するペーストを導電性接着剤として用いて、接続信頼性を向上させることもできる。

図３は、集電部材９によるセル間接続構造を説明するための断面図である。
燃料電池セル３の表裏面には、隣接する燃料電池セル３との電気的接続を図るための前述した集電部材９が配置されている。この集電部材９は、一方の燃料電池セル３の空気極８と、他方の燃料電池セル３のインターコネクタ１０とを接続する電極である。インターコネクタ１０は、図２に示すように、燃料極３に接続しているので、これにより、一方の燃料電池セル３の空気極８と、他方の燃料電池セル３の燃料極３とが接続されることになる。すなわち、一方の燃料電池セル３の正極と他方の燃料電池セル３の負極とが接続された形になり、燃料電池セルスタックを構成するすべての燃料電池セル３が直列に接続され、高電圧が取り出せる。

図４は、本発明の集電部材９の形状の一例を示す斜視図である。集電部材９は、弾力性を有する板片に複数の切れ目をほぼ平行に、かつ板片の伸びる方向ｚから斜めの（つまり直角でない）角度θをつけて形成して集電片９２を作り、集電片９２を板片の表面側（＋ｘ）及び裏面側（-ｘ）に交互に突出させている。この集電片９２は、対向する燃料電池セル３の外面にそれぞれ当接される。バックボーンとなる１本のまっすぐに伸びた部分を背板片９１という。

前記折り曲げられた集電片９２は、燃料電池セル３の空気極８と、燃料電池セル３のインターコネクタ１０とに接触することにより、ｘｙ断面で見て湾曲する。集電部材９の弾力が強いので、集電部材９は、対向する燃料電池セル３に接触しているだけでも、自重で落下することはない。
前記燃料電池セルスタック４ａ-４ｄを複数集合して、発電ユニット集合体１ａ-１ｄを組み立てる。この発電ユニット集合体１ａ-１ｄに、発電ユニット集合体１ａ-１ｄで発生した電力を燃料電池外に取り出すための導電電極（図示せず）を取り付けて、ハウジング内に収容して、燃料電池を製作する。

図５は、発電ユニット集合体１ａ-１ｄをハウジング内に収容した状態を示す側断面図である。断面は、図２のＢーＢで切っている。
図５を参照して説明すると、燃料電池組立体は略直方体形状のハウジング２０を具備している。このハウジング２０の壁面には適宜の断熱材料から形成された断熱壁、すなわち上断熱壁２１、下断熱壁２２、右側断熱壁２３、左側断熱壁２４、前断熱壁（図示せず）及び後断熱壁（図示せず）が配設されている。

このハウジング２０内には発電・燃焼室２５が規定されている。
前断熱壁及び／又は後断熱壁は着脱自在あるいは開閉自在に装着されており、前断熱壁及び／又は後断熱壁を離脱あるいは開動せしめることによって発電・燃焼室２５内にアクセスすることができる。所望ならば、各断熱壁の外面に金属板などの外壁を配設することができる。

ハウジング２０内の比較的上部には空気室３１が配設されている。空気室３１は上下方向寸法が比較的小さい直方体形状のケース３２内に規定されている。
ハウジング２０には、空気供給管５４が設けられており、この空気供給管５４は、上断熱壁２１を貫通し、外部から室温程度の空気を後述する熱交換器３４に取り込むようになっている。

空気室３１の下面には、発電・燃焼室２５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３３が連通している。空気導入管３３は複数本あり、その形状は円筒や中空板構造などが考えられる。空気導入管３３は燃料電池セルスタック４ａ-４ｄ間に配置されており、その下端部は燃料電池セル３の比較的下部まで伸びて開口し、この開口部から空気が噴出する構造となっている。空気導入管３３はセラミックスなどの耐熱性の高い材料で作製するのが好適である。

ハウジング２０の両側部、更に詳しくは右側断熱壁２３の内側及び左側断熱壁２４の内側には、全体として平板形状である熱交換器３４が配設されている。熱交換器３４の各々は実質上鉛直に延在する中空平板形態の熱交換室３６から構成されている。かかる熱交換室３６の内側壁の上端部には燃焼ガスの排出開口４２が形成されている。熱交換室３６の上壁における外側部には空気室３１に連通している空気流出開口４８が形成されている。熱交換室３６の内部は、排出開口４２に連通する燃焼ガス排出路及び空気流出開口４８に連通する空気導入路が複数の仕切り壁によってジグザグ形態に区画されている。

熱交換器３４の各々の後方には上下方向に細長く延びる二重筒体５０（図５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５０は外側筒部材５２と空気供給管５４とから構成されている。外側筒部材５２と空気供給管５４との間に規定されている燃焼ガス排出路の下端部は、熱交換室３６の下部に連通されており、空気供給管５４内に規定されている空気供給路は、熱交換室３６の下端部に連通されている。空気供給管５４内に規定されている空気供給路から入った空気は、熱交換室３６を空気導入路を通ってジグザグに上昇していき、流出開口４８を介して空気室３１に入る。一方、燃焼ガスの排出開口４２から入った燃焼ガスは、熱交換室３６の燃焼ガス排出路をジグザグに下降していき、外側筒部材５２と空気供給管５４との間に規定されている燃焼ガス排出路から放出される。このように、空気と燃焼ガスとの混合を防ぎながら、空気が暖められ、燃焼ガスが冷やされ、両ガスの熱交換が行われる。

上述した発電・燃焼室２５の下部には４個の発電ユニット１ａ-１ｄが配置されている。発電ユニット１ａ-１ｄは、夫々、上述した空気導入管３３の間に位置せしめられている。言い換えれば、発電ユニット１ａ-１ｄ間に、空気導入管３３が配設されている。
一方、発電ユニット１ａ-１ｄの上部には、改質ケース１３ａ-１３ｄが設けられている。改質ケース１３ａ-１３ｄは、図１に示すように、燃料電池セルスタック４ａ-４ｄの上方を細長く延びるほぼ長方体形状の管である。

改質ケース１３ａの後面（「前」「後」の定義は図１に示す）には、被改質ガス供給管８２ａの一端が接続されている。被改質ガス供給管８２ａは改質ケースから下方に延び、ハウジング２０の下を通ってハウジング２０の外に延出している。
被改質ガス供給管８２ａは都市ガス等の炭化水素ガスなどの被改質ガス供給源（図示していない）に接続されており、被改質ガス供給管８２ａを介して改質ケース１３ａに被改質ガスが供給される。改質ケース１３ａ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。

改質ケース１３ａの前面には燃料ガス送給管８０ａの上端が接続されている。燃料ガス送給管８０ａ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８０ａの他端は上記燃料ガスマニホールド２ａの前面に接続されている。
被改質ガス供給管、燃料ガス送給管の配置に関しては、発電ユニット１ｃは上述した発電ユニット１ａと実質上同一であり、発電ユニット１ｂ及び１ｄは、発電ユニット１ａ及び１ｃに対して前後方向が逆に配置されているところが異なっている。すなわち、改質ケース１３ｂ及び１３ｄと燃料ガスマニホールド２ｂ及び２ｄ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８２ｂ及び８２ｄが改質ケースから下方に延び、ハウジング２０の下を通ってハウジング２０外に延出している。

上述した発電ユニット集合体１ａ-１ｄにおいて、被改質ガスが被改質ガス供給管８２ａ、８２ｂ、８２ｃ、８２ｄを介して改質ケース１３ａ、１３ｂ、１３ｃ及び１３ｄに供給され、改質ケース１３ａ、１３ｂ、１３ｃ及び１３ｄ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８０ａ、８０ｂ、８０ｃ、８０ｄを通して燃料ガスマニホールド２ａ、２ｂ、２ｃ及び２ｄ内に規定されている燃料ガス室に供給され、次いで燃料電池セルスタック４ａ、４ｂ、４ｃ及び４ｄを構成する各燃料電池セル３に供給される。

燃料電池セル３においては、空気極において、
１／２Ｏ₂＋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）＋Ｈ₂→Ｈ₂Ｏ＋２ｅ^-
の電極反応が生成されて、発電される。

発電に使用されないで燃料電池セル３から上方に流動した燃料ガス及び空気は、点火手段（図示していない）によって点火され、発電・燃焼室２５内で燃焼される。燃料電池セルスタック４ａ-４ｄにおける発電で発生するジュール熱に起因して、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２５内は、例えば１０００℃程度の高温になる。改質ケース１３ａ、１３ｂ、１３ｃ及び１３ｄは、発電・燃焼室２５内の比較的上方、燃料電池セルスタック４ａ-４ｄの直ぐ上方に位置されており、前記燃料ガスと空気との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２５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２５内に生成された燃焼ガスは、前述したように、熱交換器３４に形成されている排出開口４２から排出路に流入し、ジグザグ状に延在する熱交換室３６を流動した後に二重筒体５０の外側筒部材５２と空気供給管５４との間に規定されている排出路を通して排出される。
そしてまた、燃焼ガスが熱交換器３４の排出路をジグザグ状に流動せしめられる際には、二重筒体５０から導入された空気が熱交換器３４の流入路をジグザグ状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。

この予熱された空気は、流出開口４８を通過して、空気室３１に一旦貯留され、空気導入管３３を通って燃焼・発電室２５の燃料電池セルスタック間に供給される。この際、空気導入管３３は燃料電池セルスタック６０の燃料電池セル３の上端で燃焼する燃焼ガス雰囲気中を通過する際に加熱され、さらに高温に暖められ、燃焼・発電室２５内に供給される。

図６は、本発明の燃料電池セル３の形状の一例を示す外観斜視図であり、図７は、図１のＤ-Ｄ線断面図である。
前記燃料電池セル３の外壁を通過した空気ＡＧは、燃料電池セル３の上部端面付近で、燃料電池セル３の内部の燃料ガス通路１２を通過した燃料ガスＦＧと合流するが、この燃料電池セル３の上端部の外周面に環状部材３ａを外嵌している。

この環状部材３ａは、燃料電池セル３の上部端面から、外側に向けて設けられている。隣接する環状部材３ａの間隔ｎは、隣接する燃料電池セル３の間隔ｐの１／２又はそれよりも大きくなるように設定することが好ましい。
この環状部材３ａの存在により、燃料電池セル３の表面に沿って下から上に上がってくる空気ＡＧは、燃料電池セル３の上部端面付近で、環状部材３ａの外側を迂回して流れるようになる。これにより、燃料ガス通路１２の上端から噴出する燃料ガスＦＧの流れに合流しようとする空気ＡＧの横方向（ｘ方向）の流れが弱くなり、空気ＡＧは主に上方向に、乱れることなく定常的に流れるようになる。

その結果、燃料電池セル３の上部端面において、空気ＡＧが燃料極６や支持体５に接触したり、支持体５の燃料ガス通路１２内に空気ＡＧが流入したりすることを防止でき、燃料電池セル３の酸化に起因する破損を防止することができる。
なお、環状部材３ａを設置しない場合には、空気の流量あるいは供給圧の変動によりガスの流れが乱され易く、所期の効果は得られない。

本発明で、多孔質からなる環状部材を使用することにより、環状部材３ａの中に滞留しているガスが、空気の流動や供給圧の変動等の外乱に対する緩衝作用をするためと考えられる。
また、環状部材として緻密質体を用いることで、内部ガス流路内に流れ込もうとするガスを迂回させることができる。

また、環状部材３ａの幅を、隣接する環状部材３ａの間隔ｎが、隣接する燃料電池セル３の間隔ｐの１／２以上になるように規定したのは、１／２よりも狭くすると、隣接する環状部材３ａの間を流れる空気ＡＧが定常的な流れに達するのに時間がかかるからである。
環状部材３ａの材質は特に規定するものではないが、燃料電池セル３の内表面又は外表面に接触して装着されることから絶縁性であることが望ましい。また、燃料電池セル３から熱を奪わないように熱伝導率は低い方がよい。燃料電池セル３から熱が奪われると、発電効率が低下したり、燃料電池セル３に生じた温度分布により燃料電池セル３が破損する恐れがある。

耐高温性を有し、かつ絶縁性、低熱伝導性という点から、環状部材３ａは、無機材料、特にセラミックスボード、セラミックス繊維等の多孔質無機材料であることが好ましく、軽量性、加工性等を考慮するとセラミック製断熱材が好適である。環状部材３ａが多孔質であることが好ましいのは、多孔質であれば、内部にガスを滞留する効果が良好に得られるためである。

セラミック製断熱材としては、一例をあげれば、シリカ、アルミナ、マグネシア、ジルコニア等の成分、あるいはこれらの混合成分を含むセラミックスの短繊維、あるいは長繊維を成形した成形断熱材や、これらを綿状に集合させた不定形断熱材等があるが、環状部材３ａの形状や、耐熱温度等を考慮して、好適のものを選択すれば良い。環状部材３ａは燃料電池セル３よりも熱伝導率が低いことが望ましい。これにより、環状部材３ａの伝熱、あるいは放熱作用による燃料電池セル３の温度が低下するおそれが少なく、安定した発電が可能となる。

次に、導電性支持体５を上下方向に延びる円筒状とし、これを上下方向に貫通する１つの燃料ガス通路１２ａを設けた燃料電池セル３について、本発明の実施の形態を説明する。
図８は、円筒型燃料電池セル３の形状の一例を示す外観斜視図である。
前記燃料電池セル３の内部の燃料ガス通路１２を通過した燃料ガスＦＧと、燃料電池セル３の外壁を通過した空気ＡＧとは燃料電池セル３の上部端面付近で合流するが、この燃料電池セル３の上端部の外周面に、環状部材３ａを設置している。図６との相違は、燃料電池セル３の形状が円筒型であることと、それに伴って、環状部材３ａの形状も円環状になっていることである。

この環状部材３ａにより、空気ＡＧは上方向に定常的に流れるようになり、燃料電池セル３の外側を通過する空気ＡＧの流れを、燃料ガス通路１２の上端から噴出する燃料ガスＦＧの流れから隔てることができる。その結果、燃料電池セル３の上部端面において、空気ＡＧから燃料ガスＦＧへの接触量を減少することができ、燃料電池セル３の酸化に起因する破損を防止することができる。また、隣接する環状部材３ａの間隔が、隣接する燃料電池セル３の間隔の半分以上に設定することが好ましいのは、図６を用いて説明したのと同様である。

図９は、円筒型燃料電池セル３の外周及び内周に、それぞれ環状部材３ａ，３ｂを装着した例を示す外観斜視図である。
燃料ガス通路１２の先端部にも環状部材３ｂを設けたことにより、燃料ガス通路１２を通過する燃料ガスＦＧは、燃料電池セル３の上部端面付近で、環状部材３ｂを迂回して流れるようになる。しかも、燃料ガス通路１２の断面積が狭くなることにより、燃料ガスＦＧの流速も速くなる。これにより、燃料ガスＦＧが上方向に定常的に流れるようになり、燃料ガス通路１２の外周に沿って上昇してくる空気ＡＧの流れと隔てられる。空気ＡＧも、環状部材３ａのために、前述したように上方向に定常的に流れるようになるので、空気ＡＧと燃料ガスＦＧとの相互の流通が減少する。また、仮りに空気ＡＧが燃料ガス通路１２の内部に入り込んでも、燃料ガス通路１２には環状部材３ｂが内嵌されているので、空気ＡＧが直接燃料極に作用するのを防止できる。

したがって、燃料電池セル３の上部端面において、燃料ガスＦＧが空気極８に接触することを防止でき、かつ空気ＡＧが燃料極６に接触することを防止でき、燃料電池セル３の酸化、還元に起因する破損を防止することができる。
さらに、本発明により、空気ＡＧと燃料ガスＦＧとの流れが安定し、両ガスの混合により生じる燃焼状態が安定するため、燃料電池セル３の上部端面の温度分布が安定し、温度変化によるクラックの発生を抑制する効果もある。

図１０は、中空平板型燃料電池セル３の内部ガス流路１２の出口側端部の内周面に、突出したパイプ状部材６１を設置した例を示す斜視図(a)及び断面図(b)である。
このパイプ状部材６１は、図９を用いて説明した環状部材３ｂと同等の作用をするものである。
パイプ状部材６１は、支持体５の出口側端面から突出している。また、パイプ状部材６１の内径は、内部ガス流路１２の内径よりも細いため、内部ガス流路１２から排出される燃料ガスは、出口側で僅かに流速が速くなり、かつ圧力も高くなる。これにより、燃料ガスＦＧが上方向に定常的に流れるようになり、燃料ガス通路１２の外周に沿って上昇してくる空気ＡＧの流れと隔てられる。したがって、比較的低圧の外部空気ＡＧが、内部ガス流路１２に入り込んでくる可能性がさらに低くなる。また、仮りに空気ＡＧが燃料ガス通路１２の内部に入り込んでも、燃料ガス通路１２にはパイプ状部材６１が内嵌されているので、空気ＡＧが直接燃料極に作用するのを防止できる。

このパイプ状部材６１は、無機成分を主成分とするスラリーを用いて支持体５に接合する。前記無機成分は、ガラスやアルミナ、シリカ、ジルコンでも良いが、他の構成部材との熱膨張係数を一致させるという点から、固体電解質７と類似する組成が望ましく、特には、固体電解質７と同一材料からなることが望ましい。例えば、無機成分としてＺｒＯ₂を主成分とするものを用いる。

このパイプ状部材６１を導電性支持体５の燃料ガス通路１２に嵌合させるには、あらかじめ成形し焼結されたＺｒＯ₂製のセラミックパイプを、ＺｒＯ₂を主成分とするスラリーを用いて導電性支持体５の燃料ガス通路１２の内面に接合させる。このようにして、図１０に示す構造の燃料電池セル３を製造することができる。
図１１は、円筒型燃料電池セル３の内部のガス通路を空気ＡＧが流れ、円筒型燃料電池セル３の外部を燃料ガスＦＧが流れるような構造の燃料電池における、環状部材３ｃの設置例を示す外観斜視図である。

この燃料電池セル３は、支持体の表面に、内側電極である空気極、固体電解質、外側電極である燃料極を積層した構造となる。そして、この形態では、発電・燃焼室に燃料ガスを供給し、燃料電池セル３の各々を空気マニホールドの上壁に接合し、空気マニホールドから燃料電池セル３内部のガス通路を通して、空気を供給する。燃料電池セル３の外部を流れる燃料ガスＦＧは、燃料極から燃料電池セル３に取り込まれる。これらの空気と燃料ガスとが、固体電解質に供給され、発電される。

環状部材３ｃは、ガス通路１２の内周先端部に設けている。この構造により、ガス通路１２を通過する空気ＡＧは、燃料電池セル３の上部端面付近で、環状部材３ｃを迂回して流れるようになり、これにより、ガス通路１２の上端から噴出する燃料ガスＦＧの流れに合流しようとする空気ＡＧの横方向（ｘ方向）の流れが弱くなり、空気ＡＧは主に上方向に定常的に速度を速めて流れるようになる。その結果、燃料電池セル３の上部端面において、空気ＡＧが燃料極に接触することを防止でき、燃料電池セル３の酸化に起因する破損を防止することができる。

以上で、本発明の実施の形態を説明したが、本発明の実施は、前記の形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変更を施すことが可能である。

本発明の燃料電池に使用される発電ユニット集合体１ａ-１ｄを示す斜面図である。 燃料電池セルスタック４ａ-４ｄを示す図１のＡーＡ断面図である。 集電部材９を使ってセル間を接続した構造を説明するための図２のＣーＣ断面図である。 集電部材９の形状を示す斜視図である。 発電ユニット集合体１ａ-１ｄをハウジング２０内に収容した状態を示す図２のＢーＢ断面図である。 環状部材３ａが巻き付けられた燃料電池セル３の形状の一例を示す外観斜視図である。 環状部材３ａが巻き付けられた燃料電池セル３の設置状態を示す断面図である。 円筒型燃料電池セル３の形状の一例を示す外観斜視図である。 円筒型燃料電池セル３の導電性支持体５の外周及び内周に、それぞれ環状部材３ａ，３ｂを装着した例を示す外観斜視図である。 中空平板型燃料電池セル内部の複数のガス通路内にそれぞれパイプを内嵌して突出せしめた状態を示す斜視図である。 円筒型燃料電池セル３の内部のガス通路を空気が流れ、円筒型燃料電池セル３の外部を燃料ガスが流れるような構造の燃料電池における、環状部材３ｃの設置例を示す外観斜視図である。

符号の説明

１ａ-１ｄ 発電ユニット集合体
２ａ-２ｄ 燃料ガスマニホールド
３ 燃料電池セル
３ａ，３ｂ，３ｃ 環状部材
４ａ-４ｄ 燃料電池セルスタック
５ 導電性支持体
６ 燃料極
７ 固体電解質
８ 空気極
９ 集電部材
１０ インターコネクタ
１２ 内部ガス流路
６１ パイプ状部材

Claims (10)

1. 内側電極、固体電解質及び外側電極を備え、内部ガス流路が形成された燃料電池セルと、前記燃料電池セルの内部ガス流路にガスを供給するための内部ガス供給手段と、前記燃料電池セル外部に他の種類のガスを供給するための外部ガス供給手段とを具備し、前記内部ガス流路を通過した内部ガスと、前記燃料電池セルの外部を流れるガスとが、燃料電池セルの出口側端面の上部空間で混合する構造を有する燃料電池組立体であって、
   前記燃料電池セル内部を通過した内部ガスと燃料電池セルの外部を通過した外部ガスが合流する燃料電池セルの出口側端部の外周面及び／又は内部ガス流路の出口側端部の内周面に、環状部材を装着してなることを特徴とする燃料電池組立体。
2. 前記環状部材が、前記内部ガス流路の出口側端部の内周面から突出したパイプ状部材である請求項１記載の燃料電池組立体。
3. 前記燃料電池セルの内部ガス流路を流れるガスが燃料ガスであり、前記燃料電池セル外部を流れるガスが酸化剤ガスである請求項１又は請求項２記載の燃料電池組立体。
4. 前記燃料電池セルの内部ガス流路を流れるガスが酸化剤ガスであり、前記燃料電池セル外部を流れるガスが燃料ガスである請求項１又は請求項２記載の燃料電池組立体。
5. 前記環状部材が絶縁性の無機材料からなる請求項１から請求項４のいずれかに記載の燃料電池組立体。
6. 前記環状部材が緻密質である請求項５記載の燃料電池組立体。
7. 前記環状部材が多孔質である請求項５記載の燃料電池組立体。
8. 前記環状部材が、セラミック繊維又はセラミック製断熱材からなる請求項５記載の燃料電池組立体。
9. 前記燃料電池セルが、中空平板型又は円筒型である請求項１から請求項８のいずれかに記載の燃料電池組立体。
10. 請求項１から請求項９のいずれかに記載の燃料電池組立体をハウジング内に収容した燃料電池。

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