JP3894817B2

JP3894817B2 - 燃料電池

Info

Publication number: JP3894817B2
Application number: JP2002081052A
Authority: JP
Inventors: 孝小野; 彰小梶
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2002-03-22
Filing date: 2002-03-22
Publication date: 2007-03-22
Anticipated expiration: 2022-03-22
Also published as: JP2003282132A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池セルへのガス供給が簡単な燃料電池に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
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℃で発電される。
【０００３】
従来、燃料電池セル内部へのガスの供給は、ガスタンクに設けられた配管を、複数の燃料電池セルの内部にそれぞれ挿入して行われていた。
【０００４】
一方、燃料電池セルに複数のガス通過孔を軸長方向に形成し、ガスを燃料電池セルの一端から導入し、他端から導出するように構成し、この燃料電池セルの一端部を、ガスタンクを構成する壁の凹部に挿入して固定し、かつ凹部にガスタンク内に連通する一つの貫通孔を形成したものが知られている（特開平５−３４９５１５号公報参照）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ガスタンクに設けられた配管をセル内部に挿入した燃料電池では、配管数が多く、手間がかかるという問題があった。
【０００６】
また、燃料電池セルがガスタンクを構成する壁の凹部に挿入され、この状態でガラス等により封止した燃料電池では、ガスタンクの凹部には一つの大きな貫通孔が形成されているため、封止面積が少なく、ガス封止信頼性に欠けるという問題があった。
【０００７】
また、複数の燃料電池セルにガスを供給するには、ガスタンクの圧力を高くしてそれぞれのセルに均一に流れるようにしなければならないが、上記公報の燃料電池では、一つの大きな貫通孔を介してガスが直接燃料電池セルに供給されることになるため、ガスタンクの内圧が十分に上昇せず、複数の燃料電池セルへのガス供給量が不均一になる可能性があるとともに、燃料電池セルの端面にガスタンクの凹部から押し出すような力が大きく作用し、ガス封止信頼性が低下する傾向にあった。
【０００８】
本発明は、ガス封止を確実に行うことができるとともに、ガス供給信頼性を向上できる簡単な構造の燃料電池を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料電池は、軸長方向に複数のガス通過孔を有する内側電極の表面に、固体電解質、外側電極を順次形成してなる複数の燃料電池セルと、該燃料電池セルの一端部が収容される保持固定用貫通孔を有する支持板と、該支持板が載置され、前記燃料電池セルの内側電極に形成されたガス通過孔と連通する貫通孔を有するガスタンクとを具備するとともに、前記燃料電池セルのガスタンク側における内側電極端に、前記内側電極のガス通過孔及び前記ガスタンクの貫通孔が開口するとともに、前記ガスタンクからのガスが一旦収容されるガス収容空間が設けられていることを特徴とする。
【００１０】
このような燃料電池では、燃料電池セルの一端部を支持板の保持固定用貫通孔内に収容して保持固定できるため、シール剤を燃料電池セルの端部外周面と支持板の貫通孔内壁面との間に介在させるとともに、支持板とガスタンクとの間にシール剤を介在させることにより、簡単にかつ確実にガスシールすることができる。従って、燃料電池セルの端面に支持板の保持固定用貫通孔から押し出すような力が生じたとしても、ガス封止信頼性を向上できる。
【００１１】
また、燃料電池セルのガス通過孔とガスタンクの貫通孔との位置合わせは、支持板とガスタンクの相対位置をずらすことによって対応することができる。さらに、位置合わせできない場合には、支持板のみを代えることにより対応することができる。
【００１２】
特に、燃料電池セルは扁平状である場合や、支持板の保持固定用貫通孔に、それぞれガスタンクの貫通孔が複数開口している場合には位置合わせが困難であるため、本発明を好適に用いることができる。
【００１３】
また、本発明の燃料電池は、燃料電池セルのガスタンク側における内側電極端に、前記内側電極のガス通過孔及び前記ガスタンクの貫通孔が開口するとともに、前記ガスタンクからのガスが一旦収容されるガス収容空間が設けられていることを特徴とする。
【００１４】
このような燃料電池では、ガスタンクのガスは貫通孔を介してガス収容空間に一旦収容され、このガス収容空間から内側電極のガス通過孔に流入するため、燃料電池セルの内側電極に複数のガス通過孔が形成され、ガスタンクに複数の貫通孔が形成されていたとしても、ガスタンクの貫通孔に燃料電池セルのガス通過孔を位置合わせすることなく、ガスを燃料電池セルのガス通過孔に確実に供給できる。
【００１５】
また、複数の燃料電池セルにガスを供給するには、ガスタンクの圧力を高くしてそれぞれのセルに均一に流れるようにしなければならないが、上記したように、ガスタンクのガスがガス収容空間に一旦収容され、このガス収容空間から内側電極のガス通過孔に流入するため、ガスタンクの圧力よりもガス収容空間の圧力が小さくなり、これにより、燃料電池セルの端面を押し出すような力を小さくでき、ガス封止信頼性を向上できる。また、ガスタンクに小径の貫通孔を複数形成することにより、ガスタンクの内圧を十分高めることができ、複数の燃料電池セルに均一にかつ十分に供給できる。
【００１６】
ガス収容空間は、支持板の保持固定用貫通孔内にスペーサを配置し、このスペーサに燃料電池セル端を当接せしめることにより容易に形成できる。また、支持板の保持固定用貫通孔内に、燃料電池セルの挿入量を規定するストッパを形成することにより容易に形成できる。さらに、燃料電池セル端面にガス通過孔が開口する凹部を形成し、前記燃料電池セル端面をガスタンクに当接せしめることにより容易に形成できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
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が集合したセルスタック３５と、セルスタック３５の上方に隣接した燃焼室３７と、この燃焼室３７を挿通する酸素含有ガス供給管３９と、燃焼室３７の上方に設けられた熱交換部４１とから構成されている。
【００１８】
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。
【００１９】
セルスタック３５は、例えば、図２に示すように、複数の燃料電池セル３３を３列に整列させ、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している。尚、図１では、複数の燃料電池セル３３を４列に整列させている。
【００２０】
具体的に説明すると、燃料電池セル３３は扁平状であり、その内部には複数の燃料ガス通過孔３４が形成されている。この燃料電池セル３３は、楕円柱状（扁平状）の多孔質な金属を主成分とする燃料側電極３３ａの外面に、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３３ｃを順次積層し、酸素側電極３３ｃと反対側の燃料側電極３３ａの外面にインターコネクタ３３ｄを形成して構成されており、燃料側電極３３ａが支持体となっている。
【００２１】
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、金属フェルト及び／又は金属板からなる集電部材４３を介在させ、一方の燃料電池セル３３の燃料側電極３３ａを、該燃料側電極３３ａに設けられたインターコネクタ３３ｄ、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に電気的に接続して、セルスタック３５が構成されている。
【００２２】
複数の燃料電池セル３３の上端部は、図１に示したように支持板４５で、下端部は支持板４７に支持固定されている。支持板４５、４７は、収納容器３１を上下方向に仕切る隔壁の役割を兼ねており、支持板４５、４７間における燃料電池セル３３の部分が発電する部分であり、支持板４５、４７間が発電室４９とされている。
【００２３】
支持板４７の下面には、燃料ガスをセルスタック３５に供給するための燃料ガスタンク５０が当接して設けられ、この燃料ガスタンク５０には、燃料電池セル３３内部に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給管５２、及び後述するガスバーナへ燃料ガスを供給するためのバーナー用ガス供給管５３が設けられている。
【００２４】
即ち、図３に示すように、燃料ガスタンク５０の天板５１には、燃料電池セル３３の燃料側電極３３ａに形成されたガス通過孔３４と連通する複数の貫通孔５１ａ、及びガスバーナー用燃料ガスを反応室４９内に供給するためのバーナー用貫通孔５１ｂが形成されており、支持板４７には、燃料電池セル３３の下端部が収容される保持固定用貫通孔４７ａ、及びバーナー用貫通孔４７ｂが形成されている。
【００２５】
燃料電池セル３３の保持固定用貫通孔４７ａに挿入される燃料側電極３３ａの端面には、図３（ｃ）に示すように、所定間隔を置いて一列に配列したガス通過孔３４が開口する凹部５４が形成されており、燃料電池セル３３端面をガスタンク５０の天板５１に当接することにより、凹部５４とガスタンク５０の天板５１との間にガス収容空間５５が形成されている。
【００２６】
燃料ガスタンク５０の天板５１に形成された複数の貫通孔５１ａはガス収容空間５５に開口しており、バーナー用貫通孔５１ｂは、支持板４７のバーナー用貫通孔４７ｂと連通している。
【００２７】
燃料ガスタンク５０の天板５１内面には、仕切板５６により複数のセル列毎に貫通孔５１ａが開口する燃料ガス室５６ａが設けられており、これらの燃料ガス室５６ａにはそれぞれ燃料ガス供給管５２が接続されている。燃料ガスタンク５０の燃料ガス室５６ａ以外はバーナー用燃料ガス室とされ、このバーナー用燃料ガス室にはバーナー用ガス供給管５３が接続されている。
【００２８】
支持板４７は、ガラス等のシール剤を介して燃料ガスタンク５０の天板５１にねじ止めされ、支持板４７の保持固定用貫通孔４７ａの内面と燃料電池セル３３外面との間にもガラス等のシール剤が介在され、接合されている。これにより、簡単にかつ確実にガスシールすることができる。
【００２９】
発電時には、支持板４７のバーナー用貫通孔４７ｂから噴出されるガスが燃焼することになる。このため、発電室４９には、起動時にバーナー用貫通孔４７ｂから噴出される燃料ガスに着火するため着火源（図示せず）が設けられている。また、燃焼室３７においても、起動時に着火するための着火源（図示せず）が設けられている。
【００３０】
また、図１に示したように、燃焼室３７を挿通する酸素含有ガス供給管３９は支持板４５を挿通し、その先端部が発電室４９の下部であって燃料電池セル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、支持板４５に設けられた余剰ガス噴出孔５７から燃焼室３７内に噴出するように構成されている。
【００３１】
熱交換部４１は、熱交換器４１ａと、燃焼室３７を介してセルスタック３５に対向して設けられた酸素含有ガス収容室４１ｂとから構成されている。
【００３２】
熱交換器４１ａは、図４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４（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４（ｃ）に示すように形成されている。
【００３３】
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、酸素含有ガスは配管７３により、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。
【００３４】
酸素含有ガス収容室４１ｂは、図５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、即ちセルスタック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。
【００３５】
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が連通している。
【００３６】
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、燃焼室３７中の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。
【００３７】
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）を配管７３により熱交換器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を介して発電室４９のセル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５２、ガスタンク５０の燃料ガス室５６ａを介して燃料電池セル３３の燃料ガス通過孔３４内に供給し、発電室４９におけるセル３３において発電させる。
【００３８】
発電に用いられなかった余剰の燃料ガスは燃料ガス通過孔３４の上端から燃焼室３７内に噴出し、発電に用いれらなかった余剰の酸素含有ガスは、余剰ガス噴出孔５７から燃焼室３７内に噴出し、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。
【００３９】
本発明の燃料電池では、ガスタンク５０内の燃料ガス室５６ａのガスは、ガスタンク５０の天板５１の貫通孔５１ａを介してガス収容空間５５に一旦収容され、このガス収容空間５５から燃料側電極３３ａのガス通過孔３４に流入するため、ガスタンク５０の貫通孔５１ａに燃料電池セル３３のガス通過孔３４を位置合わせすることなく、ガスを燃料電池セル３３のガス通過孔３４に確実に供給できる。
【００４０】
また、ガスタンク５０のガスがガス収容空間５５に一旦収容され、このガス収容空間５５から燃料側電極３３ａのガス通過孔３４に流入するため、ガスタンク５０の圧力よりもガス収容空間５５の圧力が小さくなり、これにより、燃料電池セル３３の端面を押し出すような力を小さくでき、ガス封止信頼性を向上できるとともに、小径の貫通孔５１ａを複数形成することで所定量の燃料ガス供給に対応したので、ガスタンク５０の内圧を十分に高めることができ、複数の燃料電池セル３３へのガス供給を均一にかつ十分に行うことができる。
【００４１】
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燃焼室３７内に導入され、この燃焼室３７中で反応して燃焼し、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し、酸素含有ガスを予熱することができるため、燃料電池セル３３を加熱して実質的に発電するまでの起動時間を大幅に短縮できる。
【００４２】
さらに本発明では、セルスタック３５の上部に燃焼室３７、酸素含有ガス収容室４１ｂ、熱交換器４１ａが隣接して形成されているため、燃焼室３７で燃焼した高温の燃焼ガスを、配管等を用いることなく熱交換器４１ａに直接導入でき、簡単な構造で酸素含有ガスの予熱効率を大きくできる。
【００４３】
また、収納容器３１内で、燃焼ガスと酸素含有ガスとを熱交換できるため、酸素含有ガスの予熱を行うためのバーナーを別途設ける必要がなく、小型にでき、しかも燃焼ガスを有効利用できる。
【００４４】
さらに、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発電室４９内に確実に供給できる。
【００４５】
また、起動時に支持板４７のバーナー用貫通孔４７ｂから噴出されるガスを燃焼させ、燃料電池セル３３を直接加熱することができ、燃料電池セル３３を直接加熱して発電する温度まで急速に加熱でき、起動時間を短縮できる。
【００４６】
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に示したような楕円柱状で複数の燃料ガス通過孔３４を有する燃料電池セル３３を用いてセルスタックを構成した例について説明したが、燃料電池セルは円筒状で、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は特に限定されるものではない。
【００４７】
また、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。
【００４８】
尚、図３では、燃料電池セル３３の端面に凹部５４を形成することによりガス収容空間５５を形成したが、図６に示すように、支持板４７の保持固定用貫通孔４７ａ内に環状のスペーサ８１を配置し、このスペーサ８１に燃料電池セル３３端を当接することにより、環状のスペーサ８１内部にガス収容空間８３を形成しても良い。この場合には、ガス収容空間８３を簡単に形成できる。
【００４９】
また、図７に示すように、支持板４７の保持固定用貫通孔４７ａ内に、内方に突出するストッパ８５を形成し、このストッパ８５に燃料電池セル３３端を当接することにより、ガス収容空間８７を形成しても良い。
【００５０】
【発明の効果】
本発明の燃料電池は、燃料電池セルの端部を支持板の保持固定用貫通孔内に収容して保持固定できるため、シール剤を燃料電池セルの端部外周面と支持板の貫通孔内壁面との間に介在させるとともに、支持板とガスタンクとの間にシール剤を介在させることにより、簡単にかつ確実にガスシールすることができ、燃料電池セルの端面に支持板の保持固定用貫通孔から押し出すような力が生じたとしても、ガス封止信頼性を向上できるとともに、燃料電池セルのガス通過孔とガスタンクの貫通孔との位置合わせは、支持板とガスタンクの相対位置をずらすことによって対応することができ、さらに、位置合わせできない場合には、支持板のみを代えることにより対応することができる。また、燃料電池セルのガスタンク側における内側電極端に、内側電極の複数のガス通過孔及びガスタンクの複数の貫通孔が開口し、ガスタンクからのガスが一旦収容されるガス収容空間が設けられていることから、ガスタンクの貫通孔に燃料電池セルのガス通過孔を位置合わせすることなく、ガスを燃料電池セルのガス通過孔に確実に供給できる。さらには、ガスタンクの圧力よりもガス収容空間の圧力が小さくなり、これにより、燃料電池セルの端面を押し出すような力を小さくでき、ガス封止信頼性を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池を示す説明図である。
【図２】図１のセルスタックを示す横断面図である。
【図３】燃料電池セルと燃料ガスタンクとの接続を示すもので、（ａ）は断面図、（ｂ）は分解斜視図、（ｃ）は燃料電池セルの端面に形成された凹部を示す斜視図である。
【図４】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。
【図５】本発明の熱交換部を説明するための斜視図である。
【図６】燃料電池セルと燃料ガスタンクとの接続の他の例を示す断面図である。
【図７】燃料電池セルと燃料ガスタンクとの接続のさらに他の例を示す断面図である。
【符号の説明】
３１・・・収納容器
３３・・・燃料電池セル
３３ａ・・・燃料側電極（内側電極）
３３ｂ・・・固体電解質
３３ｃ・・・酸素側電極（外側電極）
３４・・・ガス通過孔
４７ａ・・・保持固定用貫通孔
４７・・・支持板
５０・・・ガスタンク
５１ａ・・・ガスタンクの貫通孔
５４・・・燃料電池セル端面の凹部
５５、８３、８７・・・ガス収容空間
８１・・・スペーサ
８５・・・ストッパ

Claims

軸長方向に複数のガス通過孔を有する内側電極の表面に、固体電解質、外側電極を順次形成してなる複数の燃料電池セルと、該燃料電池セルの一端部が収容される保持固定用貫通孔を有する支持板と、該支持板が載置され、前記燃料電池セルの内側電極に形成されたガス通過孔と連通する貫通孔を有するガスタンクとを具備するとともに、前記燃料電池セルのガスタンク側における内側電極端に、前記内側電極のガス通過孔及び前記ガスタンクの貫通孔が開口するとともに、前記ガスタンクからのガスが一旦収容されるガス収容空間が設けられていることを特徴とする燃料電池。
燃料電池セル端面にガス通過孔が開口する凹部を形成し、前記燃料電池セル端面をガスタンクに当接してなることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
支持板の保持固定用貫通孔内にスペーサを配置し、このスペーサに燃料電池セル端が当接していることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
支持板の保持固定用貫通孔内に、燃料電池セルの挿入量を規定するストッパが形成されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。