JP3894842B2 - 燃料電池 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、軸長方向にガス通過可能な内側電極の表面に、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を有する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℃程度で発電される。
【０００３】
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、特開平８−２８７９４０号公報には、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。
【０００４】
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、特開平６−３４９５１４号公報には、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。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した特開平８−２８７９４０号公報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。
【０００６】
また、特開平６−３４９５１４号公報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、製造工程が多いという問題があった。
【０００７】
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。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料電池は、軸長方向にガス通過可能な内側電極の表面に、固体電解質、外側電極を順次形成してなる燃料電池セルと、該燃料電池セルの軸長方向端部が挿入固定されるセラミック製の取付治具と、複数の前記燃料電池セルの内側電極にガスを供給するためのタンク側貫通孔を有するガスタンクと、整列した前記複数の燃料電池セルにそれぞれ取り付けられた取付治具の両端部を前記ガスタンク側に押圧して固定する枠状の押圧部材とを具備することを特徴とする。
【０００９】
本発明の燃料電池では、燃料電池セルが、この燃料電池セルに取り付けられた取付治具の両端部を枠状の押圧部材でガスタンク側に押圧固定することにより、ガスタンクに直接取り付けられるため、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、取付治具、押圧部材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ができ、さらに、複数の燃料電池セルの取付治具の両端部を枠状の押圧部材でガスタンク側に押圧固定してガスタンクに一挙に取り付けるため、燃料電池の構造を簡略化でき、製造が容易となる。
【００１０】
また、燃料電池セルはガスタンク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。
【００１１】
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が不要であるため、その分、内側電極、固体電解質、外側電極の形成面積を増加でき、燃料電池セルの発電領域を拡大することができる。
【００１２】
さらにまた、セラミック製の取付治具に、燃料電池セルの軸長方向端部が挿入固定されるため、燃料電池セルの電極（内側電極、外側電極）と、取付治具との間の導通を確実に阻止できる。さらに、取付治具が金属からなる場合よりも熱膨張係数が小さく、燃料電池セルの熱膨張係数に近づけることができるため、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。
【００１３】
また、本発明の燃料電池は、セラミック製の取付治具がＺｒＯ2を主成分とすることを特徴とする。このような燃料電池では、燃料電池セルは通常、ＺｒＯ2からなる固体電解質の熱膨張係数に近い熱膨張係数を有しているが、取付治具がＺｒＯ2を主成分とするため、取付治具の熱膨張係数が燃料電池セルの熱膨張係数に近づき、熱膨張係数差による破損を防止できる。
【００１４】
さらに、本発明の燃料電池は、取付治具とガスタンクとの間にはガスシール材が介装されており、該ガスシール材には、前記ガスタンクのタンク側貫通孔と燃料電池セルのガス通過孔に連通するシール板側貫通孔が形成されていることを特徴とする。ガスシール材のシール板側貫通孔により、燃料電池セルのガス通過孔とガスタンクのタンク側貫通孔を連通できるとともに、ガスタンク内のガスが、取付治具とガスタンクとの間や取付治具と燃料電池セル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。
【００１５】
さらに、本発明の燃料電池は、燃料電池セルが扁平状であることを特徴とする。扁平状の燃料電池セルは、そのガス通過孔とガスタンクのタンク側貫通孔とを連通させた状態で固定することが困難であるため、本発明を用いる意義が大きい。また、この場合には、燃料電池セルの幅広の側面間距離を狭めることができ、燃料電池セル間に配置される集電部材による電位降下を小さくできるとともに、複数の燃料電池セルが占める容積を小さくしてコンパクトな燃料電池を得ることができる。
【００１６】
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、該内側電極のガス通過孔及びガスタンクのタンク側貫通孔が開口し、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。このような燃料電池では、内側電極のガス通過孔をガスタンクのタンク側貫通孔に位置合わせすることなく、内側電極のガス通過孔にガスタンク内のガスを供給することができる。これにより、例えば、内側電極に複数のガス通過孔が形成されていても、これらのガス通過孔に均一にかつ確実にガスを供給できる。
【００１７】
さらに、本発明の燃料電池は、燃料電池セルには、固体電解質及び外側電極が形成されていない内側電極表面に形成され、隣設する燃料電池セルの外側電極側に向けて露出するインターコネクタが設けられ、該インターコネクタと前記隣設する燃料電池セルの外側電極との間には集電部材が設けられていることを特徴とする。
【００１８】
このような燃料電池では、隣設する燃料電池セル間における取付治具の燃料電池セル外面からの突出量を小さくすることにより、隣接する燃料電池セル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。
【００１９】
例えば、扁平状の燃料電池セルでは、隣設する燃料電池セル間における取付治具の燃料電池セル側面からの突出量を小さくし、燃料電池セルの幅方向における取付治具の燃料電池セル外面からの突出量をある程度多くして、この燃料電池セルの幅方向の突出量が多い取付治具の両端部を枠状の押圧部材でガスタンク側に押圧固定することができる。
【００２０】
さらに、本発明の燃料電池は、収納容器の同一室に、整列した複数の燃料電池セルがガスタンクに立設した状態で収納されており、前記燃料電池セルの内側電極を通過したガスと、前記燃料電池セル間を通過したガスが反応して燃焼することを特徴とする。このような燃料電池では、燃料ガスにより燃料電池セル全体を直接加熱でき、燃料電池セルが発電するまでの起動時間を短縮できる。
【００２１】
【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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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、断面が扁平状で、全体的に見て楕円柱状の多孔質な金属を主成分とする燃料側電極（内側電極）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（外側電極）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。
【００２５】
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、燃料側電極３３ａの平坦部にインターコネクタ３３ｄ、又は固体電解質３３ｂ、酸素側電極３３ｃを形成して構成されている。
【００２６】
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、金属又は合金を主成分とする熱伝導が良好な支持体であり、燃料電池セル３３の大部分を占める燃料側電極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。
【００２７】
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、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。
【００２８】
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。
【００２９】
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Ａｇ−Ｐｔペーストにより燃料電池セル３３に接合している。このＡｇ−Ｐｔペーストは発電時に焼き付けられ、集電片４３ａが燃料電池セル３３のインターコネクタ３３ｄ、酸素側電極３３ｃに接合し、これにより、集電片４３ａと燃料電池セル３３との電気的接続を十分にとることができる。
【００３０】
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Ａｇからなる耐酸化性物質で被覆して構成されている。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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に供給するための燃料ガスタンク３５が設けられ、この燃料ガスタンク３５には、外部から燃料ガスを燃料ガスタンク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。
【００３５】
燃料ガスタンク３５には、図１、図５乃至図７に示すように、燃料電池セル３３の下端部（軸長方向端部）に取り付けられた取付治具５３が、押圧部材５５によりガスタンク３５側に押圧固定され、これにより、燃料電池セル３３が燃料ガスタンク３５にそれぞれ立設している。
【００３６】
即ち、取付治具５３は矩形状の枠体であり、中央部に貫通孔５３ａが形成され、この貫通孔５３ａ内に燃料電池セル３３の軸長方向端部が挿入され、ガラス等の封止材により固定されている。従って、燃料電池セル３３の軸長方向端部には、外部に突出する鍔部が形成されている。また、燃料電池セル３３の先端部は、取付治具５３から少々突出している。
【００３７】
取付治具５３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ＺｒＯ2を主成分とすることが望ましい。特にはＺｒＯ2からなることが望ましい。
【００３８】
この燃料電池セル３３の軸長方向端部に取り付けられた取付治具５３は、燃料ガスタンク３５の天板に固定された取付治具収納枠体５６内に、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るガスシール材５７を介して収納されている。取付治具収納枠体５６の厚みは、取付治具５３の厚みとガスシール材５７の合計厚みよりも少々薄くなるように形成され、押圧部材５５により取付治具５３が押圧され、この取付治具５３から突出した燃料電池セル３３の先端がガスシール材５７を押圧するように形成されている。
【００３９】
これにより、燃料電池セル３３のガス通過孔３４が開口する先端面が、より強くガスシール材５７を押圧し、燃料電池セル３３の先端面を燃料ガスタンク３５の天板に密接した状態で固定できる。これらの押圧部材５５、取付治具収納枠体５６はガスタンク３５の天板にねじ止めされている。
【００４０】
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に連通するシール板側貫通孔５７ａが形成されている。このシール板側貫通孔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側における燃料側電極３３ａ端に、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、シール板側貫通孔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。
【００４１】
取付治具収納枠体５６内に収容された取付治具５３の燃料電池セル３３の幅方向端部５３ｂは、押圧部材５５を取付治具収納枠体５６、ガスタンク３５に押し付けることにより、燃料ガスタンク３５の天板に押圧固定されている。
【００４２】
隣設する扁平状の燃料電池セル３３間における取付治具５３の燃料電池セル３３側面からの突出量ｈ１を小さくし、燃料電池セル３３の幅方向における取付治具５３の燃料電池セル３３外面からの突出量ｈ２をある程度多くして、この燃料電池セル３３の幅方向の突出量ｈ２が多い取付治具５３の両端部を押圧部材５５でガスタンク３５側に押圧固定することができる。
【００４３】
これにより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、所定発電量に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。
【００４４】
取付治具収納枠体５６と燃料ガスタンク３５の天板との間、及び押圧部材５５と取付治具収納枠体５６との間には、気密性を確保するためガラス等のシール材が介在されている。尚、上記例では、取付治具収納枠体５６を別体として設けたが、押圧部材５５に取付治具５３を収容する枠を一体に設けても良い。
【００４５】
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の燃料ガス通過孔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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
燃焼ガスは、燃料電池セル３３の先端近傍から、燃料側電極３３ａの燃料ガス通過方向の、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。
【００５４】
また、燃料電池セル３３のセル列間には、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。
【００５５】
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、燃料ガスタンク３５のタンク側貫通孔３５ａ、ガスシール材５７のシール板側貫通孔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の燃料ガス通過孔３４内に供給し発電させる。
【００５６】
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。
【００５７】
そして、本発明の燃料電池では、燃料電池セル３３が、この燃料電池セル３３に取り付けられたセラミック製の取付治具５３を押圧部材５５でガスタンク３５側に押圧固定することにより、ガスタンク３５に直接取り付けられるため、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、複数の燃料電池セル３３の取付治具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。
【００５８】
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。
【００５９】
さらに、セラミック製の取付治具５３に、燃料電池セル３３の軸長方向端部が挿入固定されるため、燃料電池セル３３の燃料側電極３３ａ、酸素側電極３３ｃと、取付治具５３との間の導通を確実に阻止できる。さらに、取付治具５３が金属からなる場合よりも熱膨張係数が小さく、燃料電池セル３３の熱膨張係数に近づけることができるため、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、取付治具５３がＺｒＯ2を主成分とするため、取付治具５３の熱膨張係数を燃料電池セル３３の熱膨張係数に近づけることができ、熱膨張係数差による破損を防止できる。
【００６０】
さらに、燃料電池セル３３の上端近傍において燃焼する燃焼ガスの熱が、収納容器３１の燃料電池セル３３が収納されている室全体を加熱するため、燃料電池セル３３を迅速に加熱でき、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。
【００６１】
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。
【００６２】
さらに、燃料電池セル３３の上部に、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、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。
【００６３】
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収納容器３１内に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。
【００６４】
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燃料ガス通過孔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。
【００６５】
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３３ａ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。
【００６６】
【発明の効果】
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ができ、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で取り付けられ、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。
【００６７】
さらに、セラミック製の取付治具に、燃料電池セルの軸長方向端部が挿入固定されるため、燃料電池セルの電極（内側電極、外側電極）と、取付治具との間の導通を確実に阻止できるとともに、取付治具が金属からなる場合よりも熱膨張係数が小さく、燃料電池セルの熱膨張係数に近づけることができるため、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。
【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】（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。
【図４】（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。
【図５】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６】図５の断面図である。
【図７】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８】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９】本発明の熱交換部を説明するための斜視図である。
【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）
３３ｄ・・・インターコネクタ
３４・・・ガス通過孔
３５・・・ガスタンク
３５ａ・・・タンク側貫通孔
４３、４４・・・板状集電部材
５３・・・取付治具
５５・・・押圧部材
５７・・・ガスシール材
５７ａ・・・シール板側貫通孔
５９・・・ガス収容空間
【発明の属する技術分野】
本発明は、軸長方向にガス通過可能な内側電極の表面に、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を有する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℃程度で発電される。
【０００３】
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、特開平８−２８７９４０号公報には、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。
【０００４】
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、特開平６−３４９５１４号公報には、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。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した特開平８−２８７９４０号公報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。
【０００６】
また、特開平６−３４９５１４号公報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、製造工程が多いという問題があった。
【０００７】
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。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料電池は、軸長方向にガス通過可能な内側電極の表面に、固体電解質、外側電極を順次形成してなる燃料電池セルと、該燃料電池セルの軸長方向端部が挿入固定されるセラミック製の取付治具と、複数の前記燃料電池セルの内側電極にガスを供給するためのタンク側貫通孔を有するガスタンクと、整列した前記複数の燃料電池セルにそれぞれ取り付けられた取付治具の両端部を前記ガスタンク側に押圧して固定する枠状の押圧部材とを具備することを特徴とする。
【０００９】
本発明の燃料電池では、燃料電池セルが、この燃料電池セルに取り付けられた取付治具の両端部を枠状の押圧部材でガスタンク側に押圧固定することにより、ガスタンクに直接取り付けられるため、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、取付治具、押圧部材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ができ、さらに、複数の燃料電池セルの取付治具の両端部を枠状の押圧部材でガスタンク側に押圧固定してガスタンクに一挙に取り付けるため、燃料電池の構造を簡略化でき、製造が容易となる。
【００１０】
また、燃料電池セルはガスタンク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。
【００１１】
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が不要であるため、その分、内側電極、固体電解質、外側電極の形成面積を増加でき、燃料電池セルの発電領域を拡大することができる。
【００１２】
さらにまた、セラミック製の取付治具に、燃料電池セルの軸長方向端部が挿入固定されるため、燃料電池セルの電極（内側電極、外側電極）と、取付治具との間の導通を確実に阻止できる。さらに、取付治具が金属からなる場合よりも熱膨張係数が小さく、燃料電池セルの熱膨張係数に近づけることができるため、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。
【００１３】
また、本発明の燃料電池は、セラミック製の取付治具がＺｒＯ2を主成分とすることを特徴とする。このような燃料電池では、燃料電池セルは通常、ＺｒＯ2からなる固体電解質の熱膨張係数に近い熱膨張係数を有しているが、取付治具がＺｒＯ2を主成分とするため、取付治具の熱膨張係数が燃料電池セルの熱膨張係数に近づき、熱膨張係数差による破損を防止できる。
【００１４】
さらに、本発明の燃料電池は、取付治具とガスタンクとの間にはガスシール材が介装されており、該ガスシール材には、前記ガスタンクのタンク側貫通孔と燃料電池セルのガス通過孔に連通するシール板側貫通孔が形成されていることを特徴とする。ガスシール材のシール板側貫通孔により、燃料電池セルのガス通過孔とガスタンクのタンク側貫通孔を連通できるとともに、ガスタンク内のガスが、取付治具とガスタンクとの間や取付治具と燃料電池セル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。
【００１５】
さらに、本発明の燃料電池は、燃料電池セルが扁平状であることを特徴とする。扁平状の燃料電池セルは、そのガス通過孔とガスタンクのタンク側貫通孔とを連通させた状態で固定することが困難であるため、本発明を用いる意義が大きい。また、この場合には、燃料電池セルの幅広の側面間距離を狭めることができ、燃料電池セル間に配置される集電部材による電位降下を小さくできるとともに、複数の燃料電池セルが占める容積を小さくしてコンパクトな燃料電池を得ることができる。
【００１６】
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、該内側電極のガス通過孔及びガスタンクのタンク側貫通孔が開口し、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。このような燃料電池では、内側電極のガス通過孔をガスタンクのタンク側貫通孔に位置合わせすることなく、内側電極のガス通過孔にガスタンク内のガスを供給することができる。これにより、例えば、内側電極に複数のガス通過孔が形成されていても、これらのガス通過孔に均一にかつ確実にガスを供給できる。
【００１７】
さらに、本発明の燃料電池は、燃料電池セルには、固体電解質及び外側電極が形成されていない内側電極表面に形成され、隣設する燃料電池セルの外側電極側に向けて露出するインターコネクタが設けられ、該インターコネクタと前記隣設する燃料電池セルの外側電極との間には集電部材が設けられていることを特徴とする。
【００１８】
このような燃料電池では、隣設する燃料電池セル間における取付治具の燃料電池セル外面からの突出量を小さくすることにより、隣接する燃料電池セル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。
【００１９】
例えば、扁平状の燃料電池セルでは、隣設する燃料電池セル間における取付治具の燃料電池セル側面からの突出量を小さくし、燃料電池セルの幅方向における取付治具の燃料電池セル外面からの突出量をある程度多くして、この燃料電池セルの幅方向の突出量が多い取付治具の両端部を枠状の押圧部材でガスタンク側に押圧固定することができる。
【００２０】
さらに、本発明の燃料電池は、収納容器の同一室に、整列した複数の燃料電池セルがガスタンクに立設した状態で収納されており、前記燃料電池セルの内側電極を通過したガスと、前記燃料電池セル間を通過したガスが反応して燃焼することを特徴とする。このような燃料電池では、燃料ガスにより燃料電池セル全体を直接加熱でき、燃料電池セルが発電するまでの起動時間を短縮できる。
【００２１】
【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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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、断面が扁平状で、全体的に見て楕円柱状の多孔質な金属を主成分とする燃料側電極（内側電極）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（外側電極）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。
【００２５】
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、燃料側電極３３ａの平坦部にインターコネクタ３３ｄ、又は固体電解質３３ｂ、酸素側電極３３ｃを形成して構成されている。
【００２６】
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、金属又は合金を主成分とする熱伝導が良好な支持体であり、燃料電池セル３３の大部分を占める燃料側電極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。
【００２７】
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、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。
【００２８】
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。
【００２９】
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Ａｇ−Ｐｔペーストにより燃料電池セル３３に接合している。このＡｇ−Ｐｔペーストは発電時に焼き付けられ、集電片４３ａが燃料電池セル３３のインターコネクタ３３ｄ、酸素側電極３３ｃに接合し、これにより、集電片４３ａと燃料電池セル３３との電気的接続を十分にとることができる。
【００３０】
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Ａｇからなる耐酸化性物質で被覆して構成されている。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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に供給するための燃料ガスタンク３５が設けられ、この燃料ガスタンク３５には、外部から燃料ガスを燃料ガスタンク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。
【００３５】
燃料ガスタンク３５には、図１、図５乃至図７に示すように、燃料電池セル３３の下端部（軸長方向端部）に取り付けられた取付治具５３が、押圧部材５５によりガスタンク３５側に押圧固定され、これにより、燃料電池セル３３が燃料ガスタンク３５にそれぞれ立設している。
【００３６】
即ち、取付治具５３は矩形状の枠体であり、中央部に貫通孔５３ａが形成され、この貫通孔５３ａ内に燃料電池セル３３の軸長方向端部が挿入され、ガラス等の封止材により固定されている。従って、燃料電池セル３３の軸長方向端部には、外部に突出する鍔部が形成されている。また、燃料電池セル３３の先端部は、取付治具５３から少々突出している。
【００３７】
取付治具５３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ＺｒＯ2を主成分とすることが望ましい。特にはＺｒＯ2からなることが望ましい。
【００３８】
この燃料電池セル３３の軸長方向端部に取り付けられた取付治具５３は、燃料ガスタンク３５の天板に固定された取付治具収納枠体５６内に、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るガスシール材５７を介して収納されている。取付治具収納枠体５６の厚みは、取付治具５３の厚みとガスシール材５７の合計厚みよりも少々薄くなるように形成され、押圧部材５５により取付治具５３が押圧され、この取付治具５３から突出した燃料電池セル３３の先端がガスシール材５７を押圧するように形成されている。
【００３９】
これにより、燃料電池セル３３のガス通過孔３４が開口する先端面が、より強くガスシール材５７を押圧し、燃料電池セル３３の先端面を燃料ガスタンク３５の天板に密接した状態で固定できる。これらの押圧部材５５、取付治具収納枠体５６はガスタンク３５の天板にねじ止めされている。
【００４０】
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に連通するシール板側貫通孔５７ａが形成されている。このシール板側貫通孔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側における燃料側電極３３ａ端に、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、シール板側貫通孔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。
【００４１】
取付治具収納枠体５６内に収容された取付治具５３の燃料電池セル３３の幅方向端部５３ｂは、押圧部材５５を取付治具収納枠体５６、ガスタンク３５に押し付けることにより、燃料ガスタンク３５の天板に押圧固定されている。
【００４２】
隣設する扁平状の燃料電池セル３３間における取付治具５３の燃料電池セル３３側面からの突出量ｈ１を小さくし、燃料電池セル３３の幅方向における取付治具５３の燃料電池セル３３外面からの突出量ｈ２をある程度多くして、この燃料電池セル３３の幅方向の突出量ｈ２が多い取付治具５３の両端部を押圧部材５５でガスタンク３５側に押圧固定することができる。
【００４３】
これにより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、所定発電量に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。
【００４４】
取付治具収納枠体５６と燃料ガスタンク３５の天板との間、及び押圧部材５５と取付治具収納枠体５６との間には、気密性を確保するためガラス等のシール材が介在されている。尚、上記例では、取付治具収納枠体５６を別体として設けたが、押圧部材５５に取付治具５３を収容する枠を一体に設けても良い。
【００４５】
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の燃料ガス通過孔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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
燃焼ガスは、燃料電池セル３３の先端近傍から、燃料側電極３３ａの燃料ガス通過方向の、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。
【００５４】
また、燃料電池セル３３のセル列間には、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。
【００５５】
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、燃料ガスタンク３５のタンク側貫通孔３５ａ、ガスシール材５７のシール板側貫通孔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の燃料ガス通過孔３４内に供給し発電させる。
【００５６】
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。
【００５７】
そして、本発明の燃料電池では、燃料電池セル３３が、この燃料電池セル３３に取り付けられたセラミック製の取付治具５３を押圧部材５５でガスタンク３５側に押圧固定することにより、ガスタンク３５に直接取り付けられるため、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、複数の燃料電池セル３３の取付治具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。
【００５８】
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。
【００５９】
さらに、セラミック製の取付治具５３に、燃料電池セル３３の軸長方向端部が挿入固定されるため、燃料電池セル３３の燃料側電極３３ａ、酸素側電極３３ｃと、取付治具５３との間の導通を確実に阻止できる。さらに、取付治具５３が金属からなる場合よりも熱膨張係数が小さく、燃料電池セル３３の熱膨張係数に近づけることができるため、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、取付治具５３がＺｒＯ2を主成分とするため、取付治具５３の熱膨張係数を燃料電池セル３３の熱膨張係数に近づけることができ、熱膨張係数差による破損を防止できる。
【００６０】
さらに、燃料電池セル３３の上端近傍において燃焼する燃焼ガスの熱が、収納容器３１の燃料電池セル３３が収納されている室全体を加熱するため、燃料電池セル３３を迅速に加熱でき、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。
【００６１】
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。
【００６２】
さらに、燃料電池セル３３の上部に、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、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。
【００６３】
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収納容器３１内に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。
【００６４】
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燃料ガス通過孔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。
【００６５】
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３３ａ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。
【００６６】
【発明の効果】
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ができ、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で取り付けられ、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。
【００６７】
さらに、セラミック製の取付治具に、燃料電池セルの軸長方向端部が挿入固定されるため、燃料電池セルの電極（内側電極、外側電極）と、取付治具との間の導通を確実に阻止できるとともに、取付治具が金属からなる場合よりも熱膨張係数が小さく、燃料電池セルの熱膨張係数に近づけることができるため、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。
【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】（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。
【図４】（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。
【図５】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６】図５の断面図である。
【図７】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８】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９】本発明の熱交換部を説明するための斜視図である。
【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）
３３ｄ・・・インターコネクタ
３４・・・ガス通過孔
３５・・・ガスタンク
３５ａ・・・タンク側貫通孔
４３、４４・・・板状集電部材
５３・・・取付治具
５５・・・押圧部材
５７・・・ガスシール材
５７ａ・・・シール板側貫通孔
５９・・・ガス収容空間
Claims (6)
- 軸長方向にガス通過可能な内側電極の表面に、固体電解質、外側電極を順次形成してなる燃料電池セルと、該燃料電池セルの軸長方向端部が挿入固定されるセラミック製の取付治具と、複数の前記燃料電池セルの内側電極にガスを供給するためのタンク側貫通孔を有するガスタンクと、整列した前記複数の燃料電池セルにそれぞれ取り付けられた取付治具の両端部を前記ガスタンク側に押圧して固定する枠状の押圧部材とを具備することを特徴とする燃料電池。
- セラミック製の取付治具はＺｒＯ2を主成分とすることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
- 取付治具とガスタンクとの間にはガスシール材が介装されており、該ガスシール材には、前記ガスタンクのタンク側貫通孔と燃料電池セルのガス通過孔に連通するシール板側貫通孔が形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池。
- 燃料電池セルが扁平状であることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれかに記載の燃料電池。
- 燃料電池セルのガスタンク側における内側電極端に、該内側電極のガス通過孔及びガスタンクのタンク側貫通孔が開口し、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請求項１乃至４のうちいずれかに記載の燃料電池。
- 燃料電池セルには、固体電解質及び外側電極が形成されていない内側電極表面に形成され、隣設する燃料電池セルの外側電極側に向けて露出するインターコネクタが設けられ、該インターコネクタと前記隣設する燃料電池セルの外側電極との間には集電部材が設けられていることを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれかに記載の燃料電池。
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