JP2006179291A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 液体燃料を使用して効率的に発電することができ、しかも携帯性に優れた固体電解質燃料電池を提供すること。
【解決手段】 液体燃料を使用し携帯性に優れた本発明の燃料電池５０は、固体電解質材料により形成された筒状中空体５１の内面にアノード層５２を積層し、外面にカソード層５３を積層した積層体により構成される燃料電池セル５４と、ガス化した液体燃料を燃焼させてアノード層５２に火炎５５を供給する液体燃料燃焼器５６とを有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池に関し、より詳しく言えば、液体燃料を使用する携帯性に優れた固体電解質燃料電池に関する。

従来から、火力発電などに替わる低公害の発電手段として、あるいはガソリンなどを燃料とするエンジンに取って代わる電動自動車の電気エネルギー源として、燃料電池が開発され、実用化されるに至っている。

この燃料電池には、種々の発電形式があるが、この中に、固体電解質を用いた形式の燃料電池がある。この固体電解質による燃料電池の一例として、イットリア（Ｙ₂Ｏ₃）が添加された安定化ジルコニアからなる焼成体を酸素イオン伝導型の固体電解質層として用いたものがある。この固体電解質層の一面にカソード層を、その反対面にアノード層を形成し、そしてカソード層側に酸素又は酸素含有気体を供給し、アノード層にメタン等の燃料ガスを供給して、発電が行われる。

この燃料電池内では、カソード層側に供給された酸素（Ｏ₂）がカソード層と固体電解質層との境界で酸素イオン（Ｏ^2-）にイオン化される。この酸素イオンは、固体電解質層によってアノード層に伝導されて、アノード層側に供給された燃料ガス、例えばメタン（ＣＨ₄）ガスと反応し、そこで最終的には水（Ｈ₂Ｏ）と二酸化炭素（ＣＯ₂）が生成される。この反応において、酸素イオンが電子を放出するため、カソード層とアノード層との間に電位差が生じる。そこで、カソード層とアノード層とにリード線を取付ければ、アノード層の電子がリード線を介してカソード層側に流れ、燃料電池として発電することになる。なお、この燃料電池の駆動温度は約１０００℃である。

しかし、この形式の燃料電池は、カソード層側に酸素又は酸素含有ガス供給チャンバーを、そしてアノード層側に燃料ガス供給チャンバーを、別々に用意しなければならず（セパレート型チャンバー形式の燃料電池）、しかも、高温下で酸化性雰囲気と還元性雰囲気とにさらされるため、燃料電池セルとしての耐久性を向上することが困難であった。

一方、固体電解質層の対向した面にカソード層とアノード層とを設けて形成した燃料電池セルを、メタンガスなどの燃料ガスと酸素ガスとが混合された混合燃料ガス中に置いて、カソード層とアノード層との間に起電力を発生させる形式の燃料電池が開発されている。この形式の燃料電池では、カソード層とアノード層との間に起電力を発生する原理は上述したセパレート型チャンバー形式の燃料電池の場合と同様であるが、燃料電池セル全体を実質的に同一雰囲気中に配置することができるため、燃料ガスと酸素含有気体の混合燃料ガスが供給されるシングル型チャンバー形式の燃料電池とすることができ、燃料電池セルの耐久性を向上できる。

しかし、このシングル型チャンバー形式の燃料電池においても、約１０００℃の高温下で駆動しなければならないので、混合燃料ガスの爆発の危険性がある。この危険性を回避するために、酸素濃度を発火限界よりも低い濃度にすると、メタン等の燃料の炭化が進み、電池性能が低下するという問題が生じた。そのため、混合燃料ガスの爆発を防止しつつ、燃料の炭化の進行を防止し得る酸素濃度の混合燃料ガスを使用できるシングル型チャンバー形式の燃料電池が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。

この提案されたシングル型チャンバー形式の燃料電池の構成を、図９（ａ）に示した。この燃料電池は、固体電解質層を含む燃料電池セルが、混合燃料ガスの流れに対して平行に積層された構造である。燃料電池セルは、緻密構造の固体電解質層１と、固体電解質層１の両面に形成された多孔質層のカソード層２とアノード層３とで構成され、同じ構成の複数の燃料電池セルＣ１が、セラミック製の容器４内に積層される。容器４内の燃料電池セルは、充填物７、８を介して端板９、１０により密封される。

容器４には、メタン等の燃料と酸素とを含む混合燃料ガスの供給配管５や排ガスの排出配管６が設けられる。このシングル型チャンバー形式の燃料電池では、容器４内の燃料電池セルを除く部分であって、混合燃料ガスや排ガスが流動する容器４内の空間部に、充填物７、８が充填され、適宜の間隔とすることにより、燃料電池として駆動されたとき、発火限界内の混合燃料ガスが存在しても発火することがなくなる。

もう一つのシングル型チャンバー形式の燃料電池を図９（ｂ）に示す。この図の燃料電池は、その基本的構成は図９（ａ）に示したシングル型チャンバー形式の燃料電池と同様であるが、固体電解質層を含む燃料電池セルＣ１が、混合燃料ガスの流れに対して直交して容器４の軸方向に積層された構造になっている。この場合には、燃料電池セルＣ１は、多孔質の固体電解質層１と、固体電解質層１の両面に形成された多孔質のカソード層２とアノード層３とで構成され、同じ構成の複数の燃料電池セルＣ１が、容器４内に積層される。

一方、以上に述べた燃料電池は、チャンバー内に収納された燃料電池セルによって構成された形式のものであったが、燃料電池セルを火炎中、あるいはその近傍に配置し、火炎の熱によって燃料電池セルをその動作温度に保持して、発電を行う装置が提案されている（例えば、特許文献２を参照）。この発電装置の構成を、図１０に示した。

図１０に示した発電装置の燃料電池セルは、ジルコニア固体電解質層１１からなる管体と、その管体の外側に形成された燃料極であるアノード層１３と、管体内側に形成された空気極であるカソード層１２とからなる。この固体電解質の燃料電池セルを、燃料ガスが供給される燃焼装置１５から発生する火炎ｆの還元炎部分に、アノード層１３をさらした状態で設置する。こうすることにより、還元炎中に存在するラジカル成分等を燃料として利用し、菅内部のカソード層１２には、対流又は拡散によって、空気が供給され、燃料電池セルとして発電が行われる。

特許文献３には、電力を必要とする燃焼機器と組み合わされ、燃焼機器に電力を供給する燃料電池が開示されている。この燃料電池では、図１１に示したように、多孔質管２１の外周にそれぞれ環状に設けた、カソード２２、固体電解質２３、アノード２５から構成される燃料電池セルが複数含まれ、それらは直列に接続される。最外周のアノード２５は燃焼機器の燃焼室内の火炎にさらされ、多孔質管２１内に導入された空気から多孔質管２１を介してカソード２２に酸素が供給される。

特許文献４には、液体燃料を燃焼のため気化させるヒータを備えた燃焼装置において、気化に必要な電力をまかなうために燃料電池を用いることが開示されている。燃料電池は、図１２に示したように、多孔質の基体管３０の周囲に順次形成したアノード層３１、固体電解質層３２、カソード層３３からなるセルで構成され、火炎を取り囲むように燃焼空間の周囲に配置される。

更に、特許文献５には、固体電解質層の一面側にカソード層、他面側にアノード層を形成した燃料電池セルを火炎中あるいはその近傍に配置した燃料電池であって、急激な温度変化によるクラック等の損傷を防止する固体電解質層を使用する燃料電池が開示されており、カソード層とアノード層の少なくとも一方でメッシュ状又はワイヤ状金属材料を使用することが記載されている。燃料電池セルは、火炎を燃料電池セルに均一に当てるために、平板状であるのが好適と記載されており、管状あるいは円筒状とすることは記載されていない。

特開２００３−９２１２４号公報 特開平６−１９６１７６号公報 特開昭６１−１０１９７２号公報 特開平５−６０３１０号公報 特開２００４−１３９９３６号公報

特許文献１に記載されたシングル型チャンバー形式の燃料電池（図９（ａ）、９（ｂ））では、従来の固体電解質燃料電池のように燃料と空気を厳密に分離する必要がない代わりに、気密封止構造を採用せざるを得ない。そして、高温下で駆動できるように、複数の板状固体電解質燃料電池セルが耐熱性や高電気伝導性を有するインターコネクト材を用いて積層接続され、起電力を上げていた。そのため、このような板状固体電解質燃料電池セルによるシングル型チャンバー形式の燃料電池は、大掛かりな構造となり、コストが嵩むという問題がある。また、このシングル型チャンバー形式の燃料電池の稼動に際しては、高温になるまで徐々に昇温して、固体電解質燃料電池セルの割れを防止しているので、起電するまでの時間が長く、手間がかかる。

これに対して、特許文献２に示された管状の固体電解質燃料電池セル（図１０）では、火炎を直接利用する形態が採用されており、この形態の燃料電池は、固体電解質燃料電池セルを密封構造の容器に収容する必要がなく、開放型であるという特徴を持っている。そのため、この燃料電池では、起電時間が短縮でき、構造が簡単なので、燃料電池の小型軽量化、低コスト化に有利であるといえる。

しかしながら、この形態の燃料電池では、管状の固体電解質層の外面にアノード層が形成されているので、そのアノード層の上半分に火炎によるラジカル成分が供給されず、管状の固体電解質層の外面に形成されたアノード層全面を有効に利用することができない。そのため、発電効率が低いものであった。さらに、固体電解質燃料電池セルが火炎で直接加熱されるので、急激な温度変化によってひび割れが発生しやすく、ひび割れの生じた固体電解質燃料電池セルは、その後バラバラに壊れてしまい、発電することができなくなるという問題があった。

多孔質管の外周に順次カソード層、固体電解質層、アノード層２５を環状に設けた特許文献３の燃料電池セル（図１１）でも、同じことが言える。

一方、多孔質の基体管の外周に順次アノード層、固体電解質層、カソード層を設けた特許文献４の燃料電池セル（図１２）では、アノード層の内側面が多孔質の基体管を介して全体的に火炎にさらされる点では、アノード層の有効活用がなされるものの、アノード層と火炎との間に介在する多孔質基体管のために、全体としての発電効率は向上しない。

特許文献５の平板状燃料電池セルの場合、十分な発電効率を得るためにセルの全体に火炎を当てることが必要になことから、特にセルの表面積が大きくなると、燃料電池の構造が複雑となりやすい。

一般に、従来の燃料電池は、据え置き型として利用され（例えば火力発電の代替手段として用いられる場合）、あるいは特定の電力消費装置類（例えば電気自動車、あるいは特許文献３、４に記載されるような燃焼装置）との組み合わせで利用されており、携帯用途向けで発電効率の高い燃料電池は知られていない。

本発明は、液体燃料を使用して効率的に発電することができ、しかも携帯性に優れた固体電解質燃料電池の提供を目的とするものである。

本発明による燃料電池は、固体電解質材料により形成された筒状中空体の内面にアノード層を積層し、外面にカソード層を積層した積層体により構成される燃料電池セルと、ガス化した液体燃料を燃焼させてアノード層に火炎を供給する液体燃料燃焼器とを有することを特徴とする。

液体燃料燃焼器は、火炎を下方に噴射する下向きの燃焼ノズルを有し、主に、燃料電池セルの内側のアノード層に沿って上昇する火炎により燃料電池セルを加熱することができる。
あるいは、液体燃料燃焼器は、先端が閉じ側面に複数の噴射孔を備えた燃焼ノズルを有し、このノズルから放射状に噴射する火炎により燃料電池セルを加熱してもよい。

燃料電池セルは、単一の積層体により形成することができる。あるいはまた、燃料電池セルは、複数の単位セルの集成体により形成してもよい。この場合、各単位セルは、固体電解質材料の基材と、当該集成体において内側となる面に形成したアノード層、外側となる面に形成したカソード層を含むようにすることができ、また、短冊状、環状、または矩形状等の、任意の形状であることができる。燃料電池セルにおいて、隣り合う単位セルは直列又は並列に接続することができ、あるいは単位セルの直列の接続と並列の接続が混在してもよい。

好ましくは、アノード層とカソード層は、それらに埋設又は固着されたメッシュ状の金属材料を含む。

好ましくは、燃料電池は、燃料電池セルの外側に設けた保護具を更に有する。

好ましくは、液体燃料燃焼器は、液体燃料対空気比が燃焼の化学量論組成以上となる液体燃料濃度でガス化した液体燃料と空気との混合物の供給を受ける。

本発明の燃料電池は、液体燃料容器に直接結合して使用することができる。また、二次電池と組み合わせて使用することもできる。

本発明の燃料電池は、極めて簡単な構造であり、小型化が可能であることから、液体燃料を使用する、特に可搬式あるいは携帯式の、燃料電池として利用することができる。

本発明の一つの態様の燃料電池を、図１（ａ）の上面図と図１（ｂ）の部分断面図に示す。この態様の燃料電池５０は、固体電解質材料で製作した円筒状の中空体５１の内側（内面）にアノード層５２、外側（外面）にカソード層５３を設けた中空積層体の燃料電池セル５４を有し、そしてガス化した液体燃料の燃焼により生じた火炎５５（図１（ｂ）にのみ図示）を燃料電池セル５４の内側のアノード層５２に円筒状の中空体５１の一方の開口端側から供給する液体燃料燃焼器５６を有する。カソード層５３は酸素を含む外気にさらされる。

円筒状中空体５１を構成する固体電解質材料としては、燃料電池で使用される公知の固体電解質を使用することができ、例として、次のものを挙げることができる。
（ａ）ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）、ＳｃＳＺ（スカンジア安定化ジルコニア）、これらにＣｅ、Ａｌ等をドープしたジルコニア系セラミックス。
（ｂ）ＳＤＣ（サマリアドープドセリア）、ＧＤＣ（ガドリアドープドセリア）等のセリア系セラミックス。
（ｃ）ＬＳＧＭ（ランタンガレート）。
（ｄ）酸化ビスマス系セラミックス。

アノード層５２を形成する材料も、公知の材料を使用することができ、例として、次のものを挙げることができる。
（ａ）ニッケルと、イットリア安定化ジルコニア系、スカンジア安定化ジルコニア系、又はセリア系（ＳＤＣ、ＧＤＣ、ＹＤＣ等）セラミックとのサーメット。
（ｂ）導電性酸化物、例えばリチウムが固溶された酸化ニッケル等、を主成分（５０重量％以上９９重量％以下）とする焼結体。
（ｃ）（ａ）、（ｂ）に挙げたものに、白金族元素からなる金属、又はその酸化物が１〜１０重量％程度配合されたもの。

これらのうち、特に（ａ）、（ｂ）が好ましい。
（ｂ）の導電性酸化物を主成分とする焼結体は、優れた耐酸化性を有するので、アノード層の酸化に起因して発生する、アノード層の電極抵抗の上昇による発電効率の低下、あるいは発電不能、アノード層の固体電解質層からの剥離といった現象を防止できる。また、導電性酸化物としては、先に例示したリチウムが固溶された酸化ニッケルが好適である。更に、上記（ａ）、（ｂ）に挙げたものに白金族元素から成る金属、又はその酸化物を配合した材料を使用することにより、高い発電性能を得ることができる。

カソード層５３の材料も、やはり公知のものを使用することができ、例えば、ストロンチウム（Ｓｒ）等の周期律表第３族元素が添加されたランタンの、マンガン酸化合物（例えばランタンストロンチウムマンガナイト）、ガリウム酸化合物、又はコバルト酸化合物（例えばランタンストロンチウムコバルタイト）等が挙げられる。

アノード層５２とカソード層５３は、ともに多孔質体で形成される。

固体電解質の中空体５１は、緻密質でも多孔質でもよい。緻密質の固体電解質層は一般に、耐熱衝撃性が低く、急激な温度変化によってひび割れが生じやすい。また、一般に、固体電解質層はアノード層及びカソード層よりも厚く形成されるので、固体電解質層のひび割れが引き金となり、燃料電池セルの全体にひび割れが波及することもある。従って、固体電解質の中空体５１は多孔質であるのがより好ましい。

固体電解質の中空体５１が多孔質に形成されることで、発電時に火炎中あるいは火炎の近傍に位置する燃料電池セルは急激な温度変化を受けても、また、温度差の激しいヒートサイクルにさらされても、ひび割れ等がなくなり、耐熱衝撃性が向上する。これは、固体電解質層が多孔質であると、加熱による熱膨張が空隙部分で緩和されるためと考えられる。多孔質の固体電解質中空体は、その気孔率が１０％未満のときは耐熱衝撃性に著しい向上が認められず、１０％以上であると良好な耐熱衝撃性が見られ、２０％以上であるとより好適である。

燃料電池セル５４は、例えば、次のように製造される。まず、固体電解質材料のグリーンシートを加工して、例えば円筒状の、固体電解質中空体を製作する。その内側面にアノード層材料のペーストを塗布し、外側面にカソード層材料のペーストを塗布して、中空積層体を形成する。その後、中空積層体を焼成して焼結することで、中空の燃料電池セルが得られる。燃料電池セルの基材の役目を担う固体電解質の中空体、及びその内側面と外側面のアノード層とカソード層の気孔率は、グリーンシートあるいはペーストに添加する気孔形成剤を含めた材料粉末の種類や配合割合、また、焼成温度、焼成時間、予備焼成その他の焼成条件等により、調整することができる。

燃料電池セル５４のアノード層５２とカソード層５３には、メッシュ状の金属材料（図示せず）を埋設又は固着してもよい。この場合には、金属メッシュを、焼成前の固体電解質中空体に塗布したアノード層及びカソード層材料のペースト中に埋め込み、あるいはペーストに接触させて、それらと一緒に焼成することにより、その埋設または固着を行うことができる。

メッシュ状金属材料としては、これを埋設あるいは固着するカソード層、アノード層との熱膨張係数の調和や、耐熱性に優れたものが好適である。具体的には、白金や、白金を含む合金からなる金属材料をメッシュ状にしたものが理想的である。しかしながら、このような金属材料は高価であることから、実際上は、ＳＵＳ３００番代（３０４、３１６等）、あるいはＳＵＳ４００番代（４３０等）のステンレス鋼やハステロイ（商品名）等を使用することができ、これらはコストの点で有利である。

メッシュ状金属は、燃料電池で発電した電力を外部へ取り出すためアノード層５２とカソード層５３にそれぞれ接続されるリード線（金属線）（図示せず）の固定用に利用することができる。これだけにとどまらず、メッシュ状金属は、アノード層とカソード層の集電性の向上、機械的強度の向上にも寄与する。また、メッシュ状金属は、アノード層及びカソード層の電極材料や、電解質材料より熱伝導性が高いため、燃料電池セル５４の均熱性を向上させ、結果として燃料電池セルの耐熱衝撃性を向上させる効果も高い。メッシュ状金属を用いないセルは、低コストという利点があり、均一加熱で運転される燃料電池には有益であるが、不均一加熱や急加熱で運転される燃料電池では、固体電解質の中空体５１に温度分布を生じ、熱膨張部と非膨張部とができる結果、その応力で固体電解質中空体５１が割れやすいという欠点もある。

燃料電池セル５４は、複数の単位セルの集成体として構成してもよい。図２、３、４に示したように、この場合の中空積層体の燃料電池セル５４は、短冊状の単位セル５４ａ（図２）を円周方向に配列して構成し、あるいは環状の単位セル５４ｂ（図３）を軸線方向に配列して構成し、あるいは矩形等の単位セル５４ｃ（図４）を碁盤目ないし格子状に配置して全体として中空体を形成するようにして構成することができる。各単位セル５４ａ、５４ｂ、５４ｃは、図５の断面図に例示したように、図１の燃料電池セル５４と同様に固体電解質材料の基材５１’とその一面側のアノード層５２’及び他面側のカソード層５３’の積層体として形成される。単位セルは、互いに直列に接続してもよく、並列に接続してもよく、あるいは直列の接続と並列の接続を混在させてもよい。このように複数の単位セルで構成された燃料電池セルを用いる電池では、その組み合わせに応じて発電電圧と出力を得ることが可能になる。

図６に、短冊状の単位セル５４ａを円周方向にリング状に配置した燃料電池セル５４の上面図を示す。この態様の単位セル５４ａでは、アノード層５２’とカソード層５３’において金属メッシュを用いており、隣り合う単位セル５４ａどうしは、一方の単位セルのアノード層５２’の金属メッシュ５８をもう一方の単位セルのカソード層５３’の金属メッシュに結合することにより、接続される。こうして複数の単位セル５４ａが直列に接続され、そして最初の単位セルのカソード層５３’と最後の単位セルのアノード層５２’には、それぞれリード線ｗ１とリード線ｗ２が接続される。その結果、リード線ｗ１とリード線ｗ２との間には、複数の単位セル５４ａの起電力が足し合わされた大きさの出力が得られる。隣り合う単位セルどうしの結合は、一方の単位セルのアノード層の金属メッシュともう一方の単位セルのカソード層の金属メッシュとを金属線で結んで行うこともできる。

図６の燃料電池セルは、完全な円筒ではなく、１４の短冊状単位セルにより構成された断面が十四角形の筒状中空体に相当する。また、図５に例示した、矩形単位セルの集成により得られる電池セルも、断面多角形の筒状中空体に相当する。このように、本発明における燃料電池セルは、完全な円筒状の中空体はもちろん、断面多角形の筒状中空体として製作されてもよい。

短冊状の単位セル５４ａを円周方向にリング状に配置した図６の燃料電池セル５４は、例えば次の方法で製作することができる。各基材用のグリーンシートの焼成により作製した、固体電解質材料の同一形状の複数の平板状基材の一方の面にアノード層５２’となるペーストを、他面側にカソード層５３’となるペーストをそれぞれ印刷等の方法で塗布する。次に、リード線ｗ１が接続する最初の単位セルのカソード層５３’に埋設又は固着する金属メッシュ５９ａと、リード線ｗ２が接続する最後の単位セルのアノード層５２’に埋設又は固着する金属メッシュ５９ｂを除き、一つの単位セルのアノード層５２’と隣接する次の単位セルのカソード層５３’に、それらにまたがる金属メッシュ５８を埋設又は固着する作業をくり返して、未焼成の短冊状の単位セルを金属メッシュ５８で連結した集成体を作製し、ペーストを乾燥させる。その後、未焼成の単位セルの連結を維持した状態で集成体を焼成する。最後に、焼成した単位セルの集成体を円筒状にする。

本発明の燃料電池で使用する液体燃料燃焼器は、ガス化した液体燃料を燃焼させることができ、図１（ａ）、１（ｂ）に示した中空の燃料電池セル５４の内側のアノード層５２に万遍なく火炎５５を供給できるものであれば、どのようなものでもよい。例えば、屋外でのキャンプで調理や照明用に使用される各種の機器（パイトーチとして知られるアルコールバーナーや、ガソリン燃料を使用するストーブ、ランタンなど）で使用されるタイプのものと同様の燃焼器を使用することができる。

一例として、図１に５６で示した燃焼器のように、先端にガス化した液体燃料を燃焼させる燃焼ノズル５７を備え、燃焼ノズル５７に液体燃料供給源（図示せず）からの液体燃料を供給する燃料管６１を有する燃焼器を使用することができる。燃焼ノズル５７には、ガス化した燃料の燃焼を促進するのに有効な無機繊維質材料（図示せず）などを充填することができる。また、ノズル５７の出口に、無機繊維質材料の保持のため、また逆火の防止のために、金網（図示せず）を配置することもできる。燃焼器５６は、筒状の燃料電池セル５４の一方の開口端に位置するノズル５７から下方（セル５４の他方の開口端側）に噴射する火炎５５がアノード層５２の全体に当たるように配置される。

図７に、本発明の燃料電池で使用する液体燃料燃焼器のもう一つの態様を示す。この図の燃焼器７１は、燃料管７２に接続する燃焼ノズル７３の先端が閉じており、ノズル７３の側面に複数の噴射孔７４を備えている。火炎（図示せず）は、噴射孔７４から横方向に噴射されてアノード層に万遍なく供給される。この燃焼器７１の場合、噴射孔７４の数と位置を調整することにより、アノード層５２に火炎をより均一に供給することができる。

液体燃料燃焼器は、火炎の根元付近である還元炎の部分が燃料電池セル５４のアノード層５２に当たるように、火炎を供給するのが好ましい。アノード層５２が還元炎にさらされることで、還元炎中に存在する炭化水素、水素、ラジカル等を燃料として効率良く利用でき、更に、酸化により劣化しやすいアノード層であってもその危険を回避し、耐久性を維持することができる。

燃焼器で燃焼させる液体燃料としては、外部からの熱により比較的容易にガス化が可能な任意の液体燃料、例えば、ヘキサン、ヘプタン、オクタン等又はそれらの混合物などの液体炭化水素、ガソリン、灯油等の石油系液体燃料、メタノール、エタノール、プロパノール等のアルコール、アセトン等のケトンやその他の有機溶剤、といったものを使用することができる。

燃焼器により作られる火炎は、拡散炎でも予混炎でもよい。とは言え、拡散炎は炎が不安定であり、煤の発生によってアノード層の機能低下を招きやすいので、予混炎の方が好適である。予混炎は安定している上に、火炎サイズを調整しやすいので有利であり、更に燃料濃度を調整して、煤の発生を防止することができる。予混炎の場合、ガス化した液体燃料と空気との混合物は、液体燃料対空気比が燃焼の化学量論組成以上となる液体燃料濃度で燃料電池セルに供給するのが好ましい。

図１（ａ）、１（ｂ）に示したように、本発明の燃料電池５０においては、中空体の燃料電池セル５４の外側に、カソード層５３に酸素を供給できる十分な空気を存在させるようにするためカソード層５３との間隔をあけて、保護具６０を配置することができる。保護具６０は、燃料電池の周囲の人を思わぬ火傷から保護するとともに、燃料電池を保温しその温度低下を防ぐことで、発電効率の向上にも寄与する。カソード層５３と保護具６０との間隔は、少なくとも、カソード層５３の外側の空気がセル５４内の火炎５５の熱でセル５４を介し間接的に加熱されることで自然に循環するのを可能にするようなものであるのが好ましい。保護具６０は、任意の断熱材料で製作することができる。

図８に、本発明の燃料電池５０（図１）を使用した発電装置の例を示す。この装置では、燃料電池５０は液体燃料の入った燃料タンク８１の上に配置されていて、液体燃料燃焼器５６の燃料管６１が燃料タンク８１につながっている。燃料管６１には、燃料の供給を調節することで火炎５５の調整を可能にする調節器８２を設けてもよい。液体燃料は、火炎５５の熱により燃料タンク８１内でガス化させてノズル５７へ供給してもよく、あるいは、燃料管６１内のウィック材料（繊維質材料）による毛管吸収作用で管内を移動する液体燃料を火炎５５の熱で加熱してガス化させてもよい。燃料タンク８１には、必要に応じ、液体燃料を圧送するための加圧手段（図示せず）を装備することもできる。燃料電池５０と燃料タンク８１は、切り離し可能としてもよい。

このように、本発明の燃料電池は、それ自体簡便な構造で持ち運びが容易であり、且つ同様に持ち運びが容易な液体燃料源と組み合わせて使用することができることから、屋外の催し物や行楽の際、あるいは災害時などに有用な携帯型の発電装置として利用することができる。

更に、本発明の燃料電池は二次電池と組み合わせて使用することも可能である。

実施例により、本発明を更に具体的に説明するが、言うまでもなく、本発明はここで説明する例に限定されるものではない。

固体電解質のＳＤＣ（サマリアドープドセリア、Ｃｅ_0.8Ｓｍ_0.2Ｏ_1.9）のグリーンシートを加工して、内径約１８ｍｍ、長さ約５０ｍｍ、肉厚約０．２ｍｍの円筒状中空体を作製した。この中空体の内側面に、Ｒｈ₂Ｏ₃を５ｗｔ％添加した８ｍｏｌ％ＬｉドープＮｉ酸化物とＳＤＣの２５ｗｔ％−７０ｗｔ％組成のペーストを塗布し、外側面に、ＳＳＣ（サマリウムストロンチウムコバルタイト、Ｓｍ_0.5Ｓｒ_0.5ＣｏＯ₃）とＳＤＣの５０ｗｔ％−５０ｗｔ％組成のペーストを塗布した。次に、各面に塗布したペーストに白金線を接続した白金メッシュを埋め込んで未焼成の積層構造の燃料電池セルを作製し、これを大気中１２００℃で焼成して燃料電池セルを得た。

こうして得られた中空体の燃料電池セルを、無機繊維体を充填した金属管を経由して燃料タンクに接続された直径約１０ｍｍの燃焼ノズルを中心として、燃料電池セルとノズルとの間隔が一定になるように、燃料電池セルの２本の白金線で吊る形で垂直配置した。燃料に白ガソリンを使用して、下向きに噴射してセルの内側のアノード層に沿って上昇する火炎を作り、セルの発電挙動を調べた。開回路電圧は０．７４Ｖであり、出力は最高１７０ｍＷであった。この実験では、セルの大きさからすると出力が小さかったが、電極層、特にセルの内面に位置するアノード層の厚さ均一性や、メッシュとの接続性を最適化することで、より高い出力を得ることが期待できる。

本発明の燃料電池は、例えば屋外の催し物や行楽、あるいは災害時などに有用である、携帯に便利な可搬式の燃料電池として利用可能である。

本発明の燃料電池の一つの態様を示す図であり、（ａ）はその上面図、（ｂ）は部分断面図である。 複数の短冊状単位セルにより構成される燃料電池セルを説明する斜視図である。 複数の環状単位セルにより構成される燃料電池セルを説明する斜視図である。 複数の矩形単位セルにより構成される燃料電池セルを説明する斜視図である。 図２〜４に示した単位セルの構造を説明する断面図である。 短冊状単位セルを使って作製される燃料電池セルをより具体的に説明する上面図である。 本発明の燃料電池で使用するもう一つの態様の燃焼器を説明する図である。 本発明の燃料電池を利用する発電装置を説明する模式図である。 従来技術の燃料電池の一つを説明する図である。 従来技術の別の燃料電池を説明する図である。 従来技術のもう一つの燃料電池を説明する図である。 従来技術の更に別の燃料電池を説明する図である。

符号の説明

５０ 燃料電池
５１ 固体電解質材料の円筒状中空体
５１’ 固体電解質材料の基材
５２、５２’ アノード層
５３、５３’ カソード層
５４ 燃料電池セル
５４ａ、５４ｂ、５４ｃ 単位セル
５５ 火炎
５６ 液体燃料燃焼器
５７ 燃焼ノズル
５８、５９ａ、５９ｂ 金属メッシュ
６０ 保護具
６１ 燃料管
７１ 液体燃料燃焼器
７２ 燃料管
７３ 燃焼ノズル
７４ 噴射孔
８１ 燃料タンク

Claims (12)

1. 固体電解質材料により形成された筒状中空体の内面にアノード層を積層し、外面にカソード層を積層した積層体により構成される燃料電池セルと、ガス化した液体燃料を燃焼させてアノード層に火炎を供給する液体燃料燃焼器とを有することを特徴とする燃料電池。
2. 前記液体燃料燃焼器が火炎を下方に噴射する下向きの燃焼ノズルを有する、請求項１記載の燃料電池。
3. 前記液体燃料燃焼器が、先端が閉じ側面に複数の噴射孔を備えた燃焼ノズルを有する、請求項１記載の燃料電池。
4. 前記燃料電池セルが単一の積層体により形成される、請求項１から３までのいずれか一つに記載の燃料電池。
5. 前記燃料電池セルが複数の単位セルの集成体により形成され、各単位セルが固体電解質材料の基材と、当該集成体において内側となる面に形成したアノード層、外側となる面に形成したカソード層を含む、請求項１から３までのいずれか一つに記載の燃料電池。
6. 前記単位セルが、短冊状、環状、または矩形状である、請求項５記載の燃料電池。
7. 前記燃料電池セルにおいて、隣り合う前記単位セルが直列に又は並列に接続され、あるいは単位セルの直列の接続と並列の接続が混在する、請求項５又は６記載の燃料電池。
8. 前記アノード層とカソード層が、それらに埋設又は固着されたメッシュ状の金属材料を含む、請求項１から７までのいずれか一つに記載の燃料電池。
9. 前記燃料電池セルの外側に設けた保護具を更に有する、請求項１から８までのいずれか一つに記載の燃料電池。
10. 前記液体燃料燃焼器が、液体燃料対空気比が燃焼の化学量論組成以上となる液体燃料濃度でガス化した液体燃料と空気との混合物の供給を受ける、請求項１から９までのいずれか一つに記載の燃料電池。
11. 液体燃料容器に直接結合される、請求項１から１０までのいずれか一つに記載の燃料電池。
12. 二次電池と組み合わされる、請求項１から１１までのいずれか一つに記載の燃料電池。

Images