JP2008269986A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料の燃焼を利用する燃料電池でありながら、高出力の要求に応えるのを可能にする、出力／体積比の大きい新しい燃料電池を提供すること。
【解決手段】電解質層１０の片側にアノード層１２、他方の側にカソード層１４を形成した複数の燃料電池セル１６を、隣り合うセル１６の同種の電極層１２、１４どうしが対向するように、間隔をあけて平行多重配置した燃料電池スタック２を有し、対向するアノード層１２の間隔は、そこへ酸素又は酸素含有ガスとの混合ガスとして供給する燃料の消炎距離以内であり、且つアノード層１２が燃料の触媒燃焼を促進する触媒を含む燃料電池とする。
【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、アノード層を消炎距離以内の間隔をあけて対向するように配置し、触媒燃焼を利用して発電を行う、新しいタイプの固体酸化物型燃料電池に関する。

燃料電池は、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、種々のものが開発され、実用化されている。燃料電池の一つのタイプとして、固体電解質を用いた形式の固体酸化物型燃料電池は、発電効率が高く、燃料ガスから水素を取り出す改質器を簡素化できるなどの利点から、注目を集めている。

固体酸化物型燃料電池の一例として、２室型燃料電池が知られている。２室型燃料電池では、例えば図１３に示すように、イットリア（Ｙ₂Ｏ₃）が添加された安定化ジルコニアの焼成体である酸素イオン伝導型の固体電解質層１００の一面側にカソード層１０２、他面側にアノード層１０４が形成された燃料電池用セル１０６を使用し、この燃料電池用セル１０６のカソード層１０２側に酸素又は酸素含有気体が供給され、アノード層１０４側にメタン等の燃料ガスが供給される。このように、このタイプの燃料電池では、カソード側とアノード側に別々の室が設けられ、そこへそれぞれ酸素又は酸素含有ガスと燃料ガスが独立に供給される。

カソード層１０２側に供給された酸素（Ｏ₂）は、カソード層１０２と固体電解質層１００との境界で酸素イオン（Ｏ^2-）にイオン化され、この酸素イオン（Ｏ^2-）は、固体電解質層１００によってアノード層１０４に伝導される。アノード層１０４に伝導された酸素イオンは、アノード層１０４側に供給されたメタン（ＣＨ₄）ガスと約１０００℃の燃料電池作動温度において反応し、水（Ｈ₂Ｏ）、二酸化炭素（ＣＯ₂）、水素（Ｈ₂）、一酸化炭素（ＣＯ）が生成される。この反応の際に、酸素イオンが電子を放出するため、カソード層１０２とアノード層１０４との間に電位差が生じる。カソード層１０２とアノード層１０４を取出線１０８によって電気的に接続することにより、アノード層１０４の電子はカソード層１０２の方向（図中の矢印の方向）に取出線１０８を流れ、燃料電池から電気を取り出すことができる。

２室型燃料電池では、アノードに燃料のみを供給する燃料室と、カソードに空気のみを供給する空気室が設けられ、これらを気密に分離することが求められる。そのため、この燃料電池は製造に手間がかかり、気密劣化に起因する性能低下を招きやすかった。また、約１０００℃の高温の運転条件下で、カソード層１０２側は酸化性雰囲気にさらされ、アノード層１０４側は還元性雰囲気にさらされるため、燃料電池用セルｌ０６の耐久性を向上させるのが容易でなかった。更に、始動に当たって高い運転温度に加熱するのに外部加熱エネルギーの供給が必要で、しかも起動時間が長いという問題があった。

ＳＣＩＥＮＣＥ，Ｖｏｌ．２８８（２０００），ｐ２０３１−２０３３（非特許文献１）には、図１４に示すように、固体電解質層２００のおのおのの面側にカソード層２０２とアノード層２０４とを形成した燃料電池用セル２０６を、メタンと酸素の混合ガス雰囲気内に配置しても、燃料電池用セル２０６に起電力が発生することが報告されている。

単室型燃料電池と呼ばれるこのタイプの燃料電池では、燃料電池用セル２０６を一つの室２０８内の混合ガス雰囲気内に配置することによって、燃料電池用セル２０６の全体を実質的に同一雰囲気とすることができる。そのため、２室型燃料電池で問題であった両極間の気密性確保は解消された。また、固体電解質層のおのおのの面を異なる雰囲気（カソード層側は酸化性雰囲気、アノード層側は還元性雰囲気）にさらす図１３に示す２室型燃料電池用セルに比較して、耐久性が向上した。しかし、起動時に外部加熱エネルギーの供給が必要であるという問題、また、カソード側とアノード側で、電極の触媒選択性を確保しなければならないという問題があった。

燃料電池セルを室内に収納する２室型あるいは単室型の燃料電池と異なり、燃料電池セルを火炎中、あるいはその近傍に配置し、火炎の熱によってセルをその動作温度に保持し、発電を行う装置（直接火炎型燃料電池）が提案されている（例えば、特許文献１）。図１５に示したこのタイプの装置の燃料電池セルは、ジルコニア固体電解質層３００からなる管体と、その管体３００の外側に形成された燃料極であるアノード層３０３と、管体内側に形成された空気極であるカソード層３０２とからなる。この燃料電池セルを、燃料ガスが供給される燃焼装置３０５から発生する火炎ｆの還元炎部分に、アノード層３０３をさらした状態で設置する。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、管内部のカソード層３０２には、対流又は拡散により空気を供給して、発電が行われる。
特開平６−１９６１７６号公報 ＳＣＩＥＮＣＥ，Ｖｏｌ．２８８（２０００），ｐ２０３１−２０３３

従来の直接火炎型燃料電池では、アノードに直接火炎を当てて発電するため、２室型又は単室型の燃料電池で必要であった起動時の外部加熱エネルギーが不要となり、カソード側とアノード側で電極の触媒選択性を確保しなければならない問題が解決された。しかし、直接火炎型燃料電池では火炎の占める空間容積が大きくなることから、高密度のセルモジュールの実現が難しく、高出力の要求に対応することができなかった。

本発明の目的は、燃料の燃焼を利用する燃料電池でありながら、高出力の要求に応えるのを可能にする、出力／体積比の大きい新しい燃料電池を提供することである。

本発明の燃料電池は、電解質層の片側にアノード層、他方の側にカソード層を形成した複数の燃料電池セルを、隣り合うセルの同種の電極層どうしが対向するように、間隔をあけて平行多重配置した燃料電池スタックを使用し、対向するアノード層の間隔は、そこへ酸素又は酸素含有ガスとの混合ガスとして供給する燃料の消炎距離以内であり、且つアノード層が燃料の触媒燃焼を促進する触媒を含むことを特徴とする。

アノード層は、発明者らが燃料ガスの触媒燃焼に対し高い触媒活性を示すことを見いだした、ランタンストロンチウムフェライト（ＬＳＦ）、ランタンストロンチウムコバルタイト（ＬＳＣ）、ランタンストロンチウムコバルトフェライト（ＬＳＣＦ）、又はそれらの混合物で製作してもよい。

より好ましくは、アノード層は、気孔壁に触媒物質を担持した多孔質材料で製作される。ここでの触媒物質は、金属の白金、ロジウム、ルテニウム、パラジウム、ニッケル、コバルト、マンガンもしくはセリウム、又はこれらの金属の酸化物であることができる。

隣り合うアノード層の間の空間であるアノード空間及び隣り合うカソード層の間の空間であるカソード空間には、立体的に成形されたガス透過性の部材を挿入してもよい。

好ましい一つの態様では、隣り合うアノードの端部どうしを連結する部材を、アノード空間に供給するガスの方向と一致する方向に配設し、且つ、隣り合うカソードの端部どうしを連結する部材を、カソード空間に供給するガスの方向と一致する方向に配設して、アノード空間に供給するガスの方向とカソード空間に供給するガスの方向とが直交するようにすることができる。
好ましいもう一つの態様では、アノード空間とカソード空間のそれぞれに、特定の方向にガスを流すよう立体的に成形されたガス不透過性の部材を配置して、アノード空間に供給するガスの方向とカソード空間に供給するガスの方向とが直交するようにすることができる。
どちらの態様においても、カソード空間へのガスを、カソード空間から排出されたガスとの熱交換及びアノード空間からの燃焼排ガスとの熱交換の少なくとも一方により加熱してからカソード空間に供給する熱交換手段を設けることができる。

別の好ましい態様では、アノード空間に燃料ガスを供給する供給口を燃料電池スタックの各セルのアノード空間の下方に配設し、燃料ガスを酸素又は酸素含有ガスと予混合して該供給口からアノード空間へ供給するか、あるいは該供給口からの燃料ガスを空気と混合してアノード空間へ供給するようにすることができる。燃料電池スタックと燃料ガス供給口の一方又は両方は垂直方向に可動式であってもよい。

燃料電池スタックの少なくとも一部は断熱材で覆うのが好ましい。

本発明によれば、隣り合う燃料電池セルのアノード間の間隔をそこへ供給する燃料の消炎距離以下の距離まで接近させて構成した燃料電池スタックを使用するため、セルの集成密度を、火炎を直接アノード層に当てる従来の直接火炎型燃料電池の場合と比較して格段に高くすることができ、それにより出力／体積比の大きな燃料電池を実現することができる。

例えばブタンなどの炭素数の多い燃料を使用する場合、通常の燃料電池ではアノードで燃料の炭化が発生して発電効率を低下させる原因となり、これを回避するために燃料の改質器（部分酸化装置）が必要になる。それに対し、本発明の場合、燃料は火炎を伴わずに低温で燃焼を持続して炭化の懸念のない触媒燃焼で消費されるので、改質器を必要としない燃料電池を実現できる。

また、本発明によれば、アノードでの触媒燃焼により発生する熱をカソードへの供給ガスの予熱に回収することにより熱効率を高くすることもできる。

本発明の燃料電池は、図１に模式的に示したように、固体電解質層１０の片側にアノード層１２、他方の側にカソード層１４を設けた、複数の燃料電池セル１６を、隣り合うセル１６のアノード層１２が対向する（同様に、隣り合うセル１６のカソード層１４も対向する）ように、間隔をあけて平行多重配置して構成される燃料電池スタック２を使用する。この燃料電池スタック２の構成において、隣り合って対向するアノード層１２の間にアノード空間１２ａ、同じように隣り合って対向するカソード層１４の間にカソード空間１４ａが形成される。図には示していないが、アノード層１２とカソード層１４には、燃料電池から電気を取り出すための取出線が接続される。

アノード空間１２ａには、燃料ガスを酸素又は空気のような酸素含有ガスと混合した混合ガスが供給される。カソード空間１４ａには、空気などの酸素含有ガスが供給される。燃料ガスとしては、天然ガス、合成ガスや、水素、一酸化炭素、炭素数１〜４程度の炭化水素（メタン、エタン、プロパン、ブタン）ガスや、それらの混合物を使用することができる。

隣り合って対向するアノード層１２の間隔は、それらの間のアノード空間１２ａに供給される燃料の消炎距離以内に保持される。また、アノード層は、供給される燃料の触媒燃焼を促進することができる触媒物質を含む材料で作られる。

高速流を形成している火炎は別として、一般的な火炎（層流火炎）は、不活性で温度の低い固体表面に到達できない。これは主に、固体表面近傍で、熱エネルギーを奪われることによる火炎の冷却と反応活性種の失括が起きることにより、燃焼反応の連鎖が断たれるためである。同じ理由で、消炎距離と呼ばれる一定間隔以内に配置された固体平行平板間には、火炎が形成できず、それゆえ実質的に燃料の消費が起こらず、固体平板の温度は上昇しない。この場合、固体平板の温度を充分高くすれば、平板間で燃焼が起き、燃料消費が進み、平板間温度は高く維持されるが、初期の温度管理と系全体の断熱が十分でなければ、安定な燃焼系は得られない。燃料電池の場合、そのような環境下では安定な発電状態を維持できない。

本発明の燃料電池では、アノード層で触媒燃焼を起こすことにより、隣り合うアノード層間の距離を消炎距離以内にしてセルを高密度配置しても安定な燃焼が維持できるようにした。触媒燃焼は、非常に大きな表面積を持つ触媒活性を有する物質表面で、火炎を伴うことなく進み、通常の火炎を伴う燃焼（火炎燃焼）より低い温度から安定的に開始して維持できる。また、断熱・保温条件が充分であれば、燃料の供給だけで燃焼反応が維持できる（通常の火炎燃焼では、一度消炎すると燃料供給とともに着火エネルギーが必要）。

消炎距離は、使用する燃料ガスの種類や、燃料ガスと酸素などの支燃性ガスとの混合比、温度、圧力などの燃焼条件に依存する。消炎距離のデータは、例えば、Ｂｅｒｎａｒｄ Ｌｅｗｉｓ ｅｔ ａｌ．， “Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ， Ｆｌａｍｅｓ ａｎｄ Ｅｘｐｌｏｓｉｏｎｓ ｏｆ Ｇａｓｅｓ”， ３ｒｄ Ｅｄ．， Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｒｅｓｓ， Ｉｎｃ． ｐｐ３４２−３４４（１９８７）などに記載されており、それらを参考にすることができる。本願発明における消炎距離としては、これらのデータを参考とすることができ、また必要に応じ実験によって求めてもよい。また、おおざっぱなデータとして、空気との混合ガスの場合で、水素（Ｈ₂）、メタン（ＣＨ₄）、プロパン（Ｃ₃Ｈ₈）のそれぞれの消炎距離は、およそ０．６ｍｍ、２．０ｍｍ、１．７ｍｍ程度と言われている。

本発明において触媒反応（触媒燃焼）が進むアノードは、触媒活性を有する多孔質材料で構成される。多孔質材料の気孔率は、少なくとも２０％以上が望ましく、５０％前後がより望ましい。同じ気孔率の場合、細かな気孔が分布する材料（気孔の数が多数）の方が、大きな気孔が分布する材料（気孔の数は小数）より優れる。多孔質材料における気孔の分布は一般に、焼結粒径に伴って変化することが多いが、同じ気孔率且つ同じ気孔径分布の材料を比較した場合、焼結粒径の細かい材料の方が優れる。

通常アノード材として多用されるニッケルには、触媒燃焼を促進する高い触媒活性があり、そのため、本発明ではアノード材料としてニッケル又はその酸化物を使用することが可能である。その一方、ニッケル以外の金属やその酸化物をアノード材として利用することもできる。例えば、白金、コバルト、ロジウム、ルテニウム、パラジウム等の金属は触媒燃焼に対し高い触媒活性を示す。酸化物であれば、ＬＳＭ（ランタンストロンチウムマンガナイト）などのマンガン酸化物、あるいは、ＬＳＦ（ランタンストロンチウムフェライト）、ＬＳＣ（ランタンストロンチウムコバルタイト）、ＬＳＣＦ（ランタンストロンチウムコバルトフェライト）などの鉄又はコバルト酸化物などを使用することができる。特にＬＳＦ、ＬＳＣ、又はＬＳＣＦをアノード材料として使用することは、これまでに知られていない。触媒燃焼活性のある２種以上の材料からアノードを形成することも可能である。

より高い触媒燃焼活性は、サーメットあるいは酸化物などの多孔質材の気孔壁に触媒活性の高い金属又はその塩を担持させることにより得ることができる。担持のさせ方は様々であるが、最も平易な方法は、触媒活性金属の塩の水溶液あるいはアルコール溶液を多孔質材に含浸させ、熱分解させるものである。触媒活性の高い金属としては、白金、ロジウム、ルテニウム、パラジウム、ニッケル、コバルト、マンガン、セリウム等が挙げられる。触媒活性の高い酸化物としては、これらの金属の酢酸塩、硝酸塩、塩酸塩などの塩を酸化・熱分解してできる酸化物を挙げることができる。触媒活性物質としては１種類に限らず、複数種を組み合わせて用いることもできる。

固体電解質層１０は、通常の燃料電池セルで用いられている固体電解質材料で作製することができる。例えば、固体電解質材料として、次の（ａ）、（ｂ）あるいは（ｃ）の材料を用いることができる。
（ａ）ＳＤＣ（サマリアドープドセリア）、又はＧＤＣ（ガドリアドープドセリア）等のセリア系セラミックス。
（ｂ）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）、又はこれらのジルコニアに更にＣｅ、Ａｌ等をドープしたジルコニア系セラミックス。
（ｃ）ＬＳＧＭ（ランタンガレート）、又は酸化ビスマス系セラミックス。

カソード層１４も、通常の燃料電池セルで用いられているカソード材料で作製することができる。例えば、ストロンチウム（Ｓｒ）が添加されたランタン、サマリウム等の希土類元素のコバルト酸化合物（例えば、サマリウムストロンチウムコバルタイト、ランタンストロンチウムコバルタイト）、ランタンのマンガン酸化合物、ガリウム酸化合物（例えば、ランタンストロンチウムマンガナイト）、又はフェライト系化合物（例えば、ランタンストロンチウムコバルトフェライト）を用いることができる。

隣り合う同種の電極間には、立体的に成形されたガス透過性の部材を配置することができる。一例として、図２は、隣り合うアノード層１２の間のアノード空間１２ａに配置したガス透過性部材としてのメッシュ状の部材２２を示している。同様に、隣り合うカソード層１４の間のカソード空間１４aに立体的に成形されたガス透過性の部材２２を配置することもできる。隣り合う同種の電極間に挿入するこのようなガス透過性の部材２２は、隣り合う電極間のアノード空間１２ａ、カソード空間１４ａの間隔を保持するのに有効である。

本発明の燃料電池においては、アノード空間１２ａへの燃料と酸素又は酸素含有ガスとの混合ガス、及びカソード空間１４ａへの酸素含有ガスを、図１に示したように同じ方向に供給してもよく、あるいは逆の方向に供給してもよい。この場合、アノード空間１２ａ、カソード空間１４ａを流れるガスがそれらの流動方向からそれて外部へ流れ出すのを防ぐために、図３に模式的に示したように、アノード空間１２ａ（あるいはカソード空間１４ａ）をまたいで隣り合うアノード層１２（あるいはカソード層１４）の端部どうしを連結する部材（隣接電極端部連結部材）１８（２０）を、ガスの流動方向と同じ方向に配置することができる。こうして、流動方向からそれてアノード空間１２ａ、カソード空間１４ａから外部へガスが流れ出すのを防止することにより、燃料をアノードでの酸化反応に有効に利用することができ、酸素をカソードでの還元反応に有効に利用することができる。

アノード空間１２ａへの燃料と酸素又は酸素含有ガスとの混合ガス、及びカソード空間１４ａへの酸素含有ガスは、図４に模式的に示したように、直交する方向に供給してもよい。この場合も、図５に示したように、隣り合うセルの同種の電極の端部どうしを連結する部材１８（アノードどうしを連結する）、２０（カソードどうしを連結する）を設けることで、燃料及び酸素をそれぞれアノードでの酸化反応及びカソードでの還元反応に有効に利用しつつ、混合ガスと酸素含有ガスを直交する方向に供給することができる。２つのガス（アノード空間へのガス及びカソード空間へのガス）の供給と排出を考慮すると、このように互いに直交する方向に供給する方が好ましい。

隣り合う同種の電極間に、特定の方向にガスを流すよう立体的に成形されたガス不透過性の部材を配置することもできる。一例として、図６は、平行波状に成形し、電極のおのおのに接触した平行波状部材２６、２８を示している。具体的には、隣り合うアノード層１２の間のアノード空間１２ａに平行波状部材２６が配置され、カソード層１４の間のカソード空間１４ａ（図では、２つのカソード層のうちの一方を省略）に平行波状部材２８が配置されている。

これらの平行波状部材２６、２８も、アノード空間１２ａ、カソード空間１４ａの間隔を保持するのに有効である。更に、これらの「ガス不透過性」平行波状部材２６、２８には、ガスが確実にアノード空間１２ａ、カソード空間１４ａを流れるようにするという重要な役割も果たす。ガスは、波状部材において平行に走りガスの進路３０を規定する山３２又は谷３４の部分を横切ることができないので、進行方向を横切る方向からガスが進路に進入することが防がれる。

図６には、アノード空間１２ａとカソード空間１４ａに、それらにそれぞれ供給される燃料と酸素含有ガスとの混合ガス及び酸素含有ガスが直交する方向に流れるように配設した平行波状部材２６、２８を示しているが、波状部材２６、２８は、場合によっては混合ガス及び酸素含有ガスを同じ方向に流すように配置することも可能である。

上述の隣接電極端部連結部材１８、２０、隣接電極間に配置するガス透過性部材２２、やはり隣接電極間に配置するガス不透過性部材（平行波状部材）２６、２８は、導電性材料で製作してもよく、非導電性材料で製作してもよい。導電性材料の部材を使用した場合には、隣り合う同種の電極（アノード又はカソード）は電気的に直列に接続されることになる。導電性材料としては、例えば、ニッケル、ハステロイ（登録商標）、あるいはＳＵＳ３１０などのステンレス鋼などを挙げることができる。非導電性材料としては、例えば、アルミナ、ムライト、コージェライト等のセラミック材などを使用することができる。場合によっては、一つの燃料電池において、一部に導電性の部材、残りの部分に非導電性の部材を用いることも可能である。

本発明の燃料電池では、アノードでの触媒燃焼（火炎を伴わない燃焼）を利用して発電が行われるので、運転温度は通常の燃料電池におけるように高温（例えば１０００℃程度）にはならないが、燃料電池スタック（複数のセルの集合体）部分においてアノードでの触媒燃焼による熱が発生する。また、触媒燃焼の排ガスは、この熱のために加熱された状態で排出される。本発明では、燃料電池スタック部分で発生する熱と、燃焼排ガスの熱を、カソード空間に流入する空気などの熱とを交換する（カソード空間への空気などを予熱する）ことが可能であり、これによってより良好な発電を維持することができる。

熱交換は、通常多用されるように、金属などの熱の良伝導体で切り離した一方の流路に一方のガス（例えば燃焼排ガス）を流し、他方にもう一方のガス（空気など）を流す熱交換手段（あるいは熱交換器）を利用して行うことができる。また、燃料電池スタックを通過後にその外側を流れるカソード側の排ガスと、燃料電池スタックへ供給前のカソード側ガス（空気など）を、金属などの熱の良伝導体を介して間接的に接触する別々の流路に流すことで、燃料電池スタック部分で発生した熱の一部を回収する熱交換を行うこともできる。

これらの熱交換を、燃料電池スタック４０を有する燃料電池を示す図７を参照して説明する。この図では、燃料電池スタック４０のカソード空間を通過する空気の流れが実線で、そしてスタック４０のアノード空間を通過する燃料を含む混合ガスの流れが破線で示されている。空気は、入口側のファン４２などで強制流入させてもよいし、排気側から吸引してもよい。ファンの運転には、燃料電池スタック４０で発生する電力の一部を利用してもよい。

燃料電池に供給された空気は、まず、スタック４０のカソード空間から排出されてスタック４０の側部に沿って流れる、スタック４０で使用後の空気の流れ（「側流」とも呼ばれる）と熱交換して、加温される。図中の４２が、側流と空気との熱交換領域を示している。空気は次いで、スタック４０のアノード空間からの燃焼排ガスとの熱交換で更に加温されて、スタック４０へ供給される。図中の４４が、スタック４０からの排ガスとの熱交換領域を示している。場合により、カソード空間から排出されたガスとの熱交換だけを利用してもよく、あるいはアノード空間からの燃焼排ガスとの熱交換だけを利用してもよい。

本発明の燃料電池においては、図７に示したように燃料電池スタックの少なくとも一部を断熱材４８で覆うことにより、スタックで発生する熱の回収利用の効率と発電効率を高めることもできる。

図７に模式的に示したように、スタック４０のアノード空間を流れる混合ガスとカソード空間を流れる空気とは、流れ方向が直角であるのが好ましい。例えば、燃料を含む混合ガスを下方から垂直方向に燃料電池スタックへ供給し、空気を水平方向にスタックへ供給することができる。

燃料を含む混合ガスを下方から垂直方向に供給する場合を例に説明すると、混合ガスを供給するアノード空間下部は、特に気密にシールする必要がない（触媒燃焼は触媒の存在するアノードでしか起こらない）ので、アノード空間へは、予め空気と混ぜた燃料ガス（予混燃料ガス）をノズルから供給してもよいし、燃料ガスだけをノズルから供給し、ノズル周囲の空気と混ぜてもよい。予混燃料ガスは、通常用いられている方法で好適に作ることができる。例えば、それは、供給ガスの圧力を一時的に低下させるため流路の一部の配管径をいったん小さくしてから通常径へ戻した部分に、大気を取り入れる開口部を設けることにより、容易に作ることができる。これは、トーチバーナーなどで広く利用されている一般的なやり方である。

図８に、予混燃料ガスの供給を示す。燃料を供給するノズル５０の先端近くに、大気を取り入れるための開口部５２が設けてあり、この開口部から取り入れた空気との予混燃料ガスがノズル５０の先端の供給口５０ａからアノード空間１２ａに供給される。図９に、燃料ガスだけをノズル５２の先端の供給口５２ａから供給する例を示す。どちらの図にもノズルは１つだけ示しているが、１つのアノード空間１２ａに均一にガスを供給するため、複数のノズルを使用することも可能である。

アノード空間に予混燃料ガスを供給する場合、アノード空間にガスを供給する個別のノズルごとに空気取り入れ用の開口部５２（図８）を設けてもよく、あるいは図１０と１１に示したように、開口部５６から取り入れた空気を燃料ガスの全体に混合してから個々のノズル５８、６０に分配することも可能である。これにより、予混燃料ガスがノズル５８、６０の先端の供給口５８ａ、６０ａから供給される。

燃料供給ノズルは、予混燃料ガス用のものでも燃料ガス専用のものでも、垂直に平行多重配置した複数のセルを含む燃料電池スタックの各アノード空間の下方に配置することができる。図１２に、このような場合の一例を示し、ここでは例えば図１０又は図１１に示したようなノズル５８（又は６０）を、それらのガス供給口５８ａ（又は６０ａ）がセル１６間のアノード空間１２ａの下方に位置するように配置している。スタックとノズル５８（又は６０）のいずれか一方又は両方を垂直方向に可動式にしてもよい。こうすることにより、燃料電池の始動時にはセル１６の下面とノズル５８（又は６０）のガス供給口５８ａ（又は６０ａ）との間隔を火炎が形成できる距離とし、その後それを消炎できる距離まで移動させることができる。

次に、実施例により本発明を更に説明するが、本発明はそれらに限定されるものではない。

（実施例１）
ＳＳＣ（サマリウムストロンチウムコバルタイト）とＳＤＣ（サマリアドープドセリア）の混合物で形成したカソード層（厚み約０．１ｍｍ）、ＳＤＣで形成した固体電解質層（厚み約０．２ｍｍ）、ＮｉＯとＣｏＯの９：１混合物に更にＳＤＣを混合し、その結果得られた混合物に白金をヘキサクロロ白金酸水溶液で含浸担持して、７０℃で乾燥後５００℃で熱分解して形成した気孔率約４０％のアノード層（厚み約０．１ｍｍ）を用いて、直径１５ｍｍのディスク状の燃料電池セル（セルＡ）を作製した。比較のために、白金を担持しないアノード層を用いたことを除いて、同じ構成の燃料電池セル（セルＢ）を準備した。

セルＡの２枚を、約２ｍｍの間隔でアノードどうしが対向するように配置し、並列に接続して、燃料電池Ａを作製した。同様に、セルＢの２枚をアノード間を約２ｍｍにして並列に接続して、燃料電池Ｂを作製した。

燃料電池ＡとＢの下方からセル間にブタンと空気の予混火炎を供給した結果、ヘキサクロロ白金酸で処理したアノード層の電池Ａでは、セルが赤く光り、約０．８Ｖの開回路電圧で１Ａ以上の短絡電流を確認できた。一方、ヘキサクロロ白金酸で処理しなかったアノード層の電池Ｂでは、セルは赤熱せず、開回路電圧は０．１Ｖ以下で安定せず、短絡電流は１０ｍＡ以下であった。

（実施例２）
実施例１で作製したヘキサクロロ白金酸で処理したアノード層のセルＡを１２枚、やはり約２ｍｍの間隔でアノードどうしが対向するように配置し、直列に接続して作った電池について、各対向アノード間に下方からブタンの拡散火炎を供給した結果、約９Ｖの開回路電圧を確認できた。

（実施例３）
ＳＳＣ（サマリウムストロンチウムコバルタイト）とＳＤＣ（サマリアドープドセリア）の混合物で形成したカソード層（厚み約０．１ｍｍ）、ＳＤＣで形成した固体電解質層（厚み約０．２ｍｍ）、ＮｉＯとＣｏＯの９：１混合物に更にＳＤＣを混合し、その結果得られた混合物に白金をヘキサクロロ白金酸水溶液で含浸担持して、７０℃で乾燥後５００℃で水を除去して形成した気孔率約４０％のアノード層（厚み約０．１ｍｍ）を用いて、１ｃｍ×１．３ｃｍの大きさの矩形燃料電池セルを作製した。

得られたセルの２枚を、約２ｍｍの間隔でアノードどうしが対向するように配置し、直列に接続して燃料電池を作製して、この電池をセル間の空間が垂直になるように配置した。セルの下方に開口寸法が約１ｍｍ×６ｍｍのノズルを付けたバーナーを配置し、８％ブタン−空気の予混火炎を形成した。続いてバーナーノズルを上方に上げていくと、セルの下約１ｍｍのところで火炎が消え、アノード面での触媒燃焼による燃焼に移行した。このときの開回路電圧は約１．６Ｖで、最大出力は約７００ｍＷであった。

本発明の燃料電池を説明する模式図である。 隣り合う同種の電極間に配置した、立体的に成形されたガス透過性の部材を例示する図である。 アノード空間又はカソード空間におけるガスの流動方向を定める隣接電極端部連結部材を説明する図である。 直交する方向に供給される、アノード空間へのガスの流れ及びカソード空間へのガスの流れを説明する図である。 アノード空間とカソード空間におけるガスの流動方向が直交するように、隣り合うアノードどうし及び隣り合うカソードどうしを連結する隣接電極端部連結部材を示す図である。 アノード空間とカソード空間で使用する並行波状部材を説明する図である。 本発明の燃料電池における熱交換を説明する図である。 予混燃料ガスを供給するノズルを説明する図である。 燃料ガスだけを供給するノズルを説明する図である。 空気との予混燃料ガスを分配するノズルを説明する図である。 空気との予混燃料ガスを分配する別のノズルを説明する図である。 垂直に平行多重配置した複数のセルを含む燃料電池スタックの各アノード空間の下方に配置したガス供給のずるを示す図である。 従来技術の２室型燃料電池を説明する図である。 従来技術の単室型燃料電池を説明する図である。 従来技術の直接火炎型燃料電池を説明する図である。

符号の説明

２ 燃料電池スタック
１０ 電解質層
１２ アノード層
１２ａ アノード空間
１４ カソード層
１４ａ カソード空間
１６ 燃料電池セル
１８、２０ 隣接電極端部連結部材
２２ ガス透過性部材（メッシュ部材）
２６、２８ ガス不透過性部材（平行波状部材）

Claims (11)

1. 電解質層の片側にアノード層、他方の側にカソード層を形成した複数の燃料電池セルを、隣り合うセルの同種の電極層どうしが対向するように、間隔をあけて平行多重配置した燃料電池スタックを使用し、対向するアノード層の間隔は、そこへ酸素又は酸素含有ガスとの混合ガスとして供給する燃料の消炎距離以内であり、且つアノード層が燃料の触媒燃焼を促進する触媒を含むことを特徴とする燃料電池。
2. 前記アノード層が、ランタンストロンチウムフェライト（ＬＳＦ）、ランタンストロンチウムコバルタイト（ＬＳＣ）、ランタンストロンチウムコバルトフェライト（ＬＳＣＦ）、又はそれらの混合物で製作されている、請求項１記載の燃料電池。
3. 前記アノード層が、気孔壁に触媒物質を担持した多孔質材料で製作されている、請求項１記載の燃料電池。
4. 前記触媒物質が、金属の白金、ロジウム、ルテニウム、パラジウム、ニッケル、コバルト、マンガンもしくはセリウム、又はこれらの金属の酸化物である、請求項３記載の燃料電池。
5. 隣り合うアノード層の間のアノード空間及び隣り合うカソード層の間のカソード空間に立体的に成形されたガス透過性の部材が挿入されている、請求項１から４までのいずれか一つに記載の燃料電池。
6. 隣り合うアノードの端部どうしを連結する部材が、隣り合うアノード層間のアノード空間に供給するガスの方向と一致する方向に配設され、且つ、隣り合うカソードの端部どうしを連結する部材が、隣り合うカソード層間のカソード空間に供給するガスの方向と一致する方向に配設されており、アノード空間に供給するガスの方向とカソード空間に供給するガスの方向とが直交している、請求項１から４までのいずれか一つに記載の燃料電池。
7. 隣り合うアノード層間のアノード空間と隣り合うカソード層間のカソード空間のそれぞれに、特定の方向にガスを流すよう立体的に成形されたガス不透過性の部材が配置されており、アノード空間に供給するガスの方向とカソード空間に供給するガスの方向とが直交している、請求項１から４までのいずれか一つに記載の燃料電池。
8. カソード空間へのガスを、カソード空間から排出されたガスとの熱交換及びアノード空間からの燃焼排ガスとの熱交換の少なくとも一方により加熱してからカソード空間に供給する熱交換手段を有する、請求項６又は７記載の燃料電池。
9. 隣り合うアノード層間のアノード空間に燃料ガスを供給する供給口が燃料電池スタックの各セルのアノード空間の下方に配設されており、燃料ガスを酸素又は酸素含有ガスと予混合して該供給口からアノード空間へ供給するか、あるいは該供給口からの燃料ガスを空気と混合してアノード空間へ供給する、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. 燃料電池スタックと燃料ガスの供給口の一方又は両方が垂直方向に可動式である、請求項９記載の燃料電池。
11. 燃料電池スタックの少なくとも一部を断熱材で覆っている、請求項１から１０までのいずれか一つに記載の燃料電池。

Images