JP4018921B2

JP4018921B2 - 燃料電池

Info

Publication number: JP4018921B2
Application number: JP2002087274A
Authority: JP
Inventors: 彰小梶; 孝小野
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2002-03-27
Filing date: 2002-03-27
Publication date: 2007-12-05
Anticipated expiration: 2022-03-27
Also published as: JP2003282128A

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円筒型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。円筒型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、内部の酸素側電極側に空気（酸素）を、外部の燃料側電極側に燃料（水素）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、燃料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複数の円筒型燃料電池セルと、該複数の円筒型燃料電池セルの軸長方向一端部にそれぞれ取り付けられた管継手と、該管継手が螺着して取り付けられ、外部からのガスを前記複数の円筒型燃料電池セルに供給するガス供給体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、燃料電池セルは管継手によりガスタンクやガス配管に機械的な方法で直接取り付けられ、何ら支持されることなくガスタンクやガス配管に立設す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、燃料電池セルの内側電極にガスを供給するためのガス供給管が不要であり、ガス封止個所を殆どなくすことができるため、ガス封止信頼性を向上できる。
【００１０】
また、本発明の燃料電池では、収納容器の一室に、複数の燃料電池セルがガス供給体に立設した状態で収納され、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、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できる。
【００１１】
さらに、本発明の燃料電池では、内側電極を通過したガスと、円筒型燃料電池セル間を通過したガスが反応して、前記円筒型燃料電池セルの先端で燃焼することを特徴とする。このような燃料電池では、燃焼ガスが発生する室に燃料電池セルが存在するため、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温度まで迅速に加熱でき、起動時間を短縮できる。
【００１２】
【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、複数の円筒型燃料電池セル３３と、これらの燃料電池セル３３が設けられる燃料ガスタンク（ガス供給体）３５と、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の上方の熱交換部４１とが設けられている。
【００１３】
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。
【００１４】
収納容器３１内の燃料電池セル３３は、図２に示すように、円筒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、固体電解質３３ｂ及び酸素側電極３３ｃから露出した燃料側電極３３ａの外面に、インターコネクタ３３ｄ、Ｐ型半導体３３ｅを順次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。
【００１５】
即ち、燃料側電極３３ａ外面の一部には、その軸長方向に固体電解質３３ｂ及び酸素側電極３３ｃが形成されていない部分を有しており、この固体電解質３３ｂ及び酸素側電極３３ｃから露出した燃料側電極３３ａの外面には、導電性セラミックスからなるインターコネクタ３３ｄが形成されている。
この燃料側電極３３ａの内部には、燃料側電極３３ａの軸長方向に同心円状に形成された一つの燃料ガス通過孔３３ｆが形成されている。尚、燃料ガス通過孔３３ｆを複数形成しても良いことは勿論であり、連続気孔体からなる３次元網目構造であっても良い。
【００１６】
このような燃料電池セル３３が収納容器３１内に複数集合しており、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、金属フェルト及び／又は金属板からなる集電部材４２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、Ｐ型半導体３３ｅ、集電部材４２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構成されている。集電部材４２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。
【００１７】
燃料電池セル３３は、図２に示したように、２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（図示せず）で接続され、これにより２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。
【００１８】
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がセル列毎に設けられており、これらの燃料ガスタンク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）がそれぞれ接続されている。
【００１９】
燃料ガスタンク３５には、図１、図３及び図４に示すように、燃料電池セル３３の下端部（軸長方向端部）が管継手５３を介してそれぞれ取り付けられており、これにより、燃料電池セル３３が燃料ガスタンク３５に何ら支持されることなくそれぞれ立設している。
【００２０】
即ち、管継手５３としては、例えば、図４に示すようなＳＷＡＧＥＬＯＫチューブ継手（商品名）が用いられている。具体的に説明すると、管継手５３は、燃料ガスタンク３５に一端が螺着する継手本体５３ａと、この継手本体５３ａの他端に螺着するナット５３ｂと、燃料電池セル３３端部に密着して固定される密着リング５３ｃと、この密着リング５３ｃを継手本体５３ａ内部に形成されたテーパに押圧して縮径させる押圧リング５３ｄとから構成され、燃料電池セル３３端部がナット５３ｂ、押圧リング５３ｄ、密着リング５３ｃを挿通した状態で、ナット５３ｂを締め付けることにより、燃料電池セル３３の一端部が管継手５３に気密に取り付けられている。
【００２１】
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３３ｆ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）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ている。
【００２２】
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。
【００２３】
熱交換器４１ａは、図５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５（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５（ｃ）に示すように形成されている。
【００２４】
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。
【００２５】
酸素含有ガス収容室４１ｂは、図６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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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、管継手５３を介して燃料電池セル３３の燃料ガス通過孔３３ｆ内に供給し発電させる。
【００３０】
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。
【００３１】
そして、本発明の燃料電池では、燃料電池セル３３が、管継手５３を介してガスタンク３５に機械的に直接取り付けられるため、燃料電池セル３３の下端部をガスタンク３５に強固に固定できるとともに、燃料電池セル３３は管継手５３を介してガスタンク３５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３５に立設しているため、燃料電池の構造を簡略化でき、製造が容易となる。
【００３２】
また、従来のように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、ガス封止する個所を殆どなくすことができるため、ガス封止信頼性を向上できる。尚、多少、構造は複雑となるが、燃料電池セル３３の上部を支持する支持板を設けても良い。
【００３３】
さらに、本発明の燃料電池では、燃焼ガスが発生する室に燃料電池セル３３が存在するため、燃焼ガスにより燃料電池セル３３全体を加熱でき、燃料電池セル３３が起動するまでの時間を短縮できる。
【００３４】
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、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。
【００３５】
さらに、燃料電池セル３３の上方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。
【００３６】
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。
【００３７】
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燃料電池セル３３間に確実に供給できる。
【００３８】
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、上記例では熱交換器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。
【００３９】
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３３ｃを内側電極としても良い。さらにガスタンク３５の代わりにガス配管を用いても良い。
【００４０】
【発明の効果】
本発明の燃料電池では、燃料電池セルは管継手によりガスタンクやガス配管に機械的な方法で直接取り付けられ、何ら支持されることなくガスタンクやガス配管に立設することができ、しかも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、管継手により燃料電池セルがガスタンクに直接気密に取り付けられ、また従来のようなガス燃料供給パイプを不要とすることができ、ガス封止する個所を殆どなくすことができ、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、燃料電池セルの発電領域を拡大できる。
【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】ガスタンクに燃料電池セルを管継手により取り付けた状態を示す斜視図である。
【図４】管継手を示すもので、（ａ）は一部切欠断面図、（ｂ）は分解斜視図である。
【図５】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６】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）
３５・・・ガスタンク（ガス供給体）
５３・・・管継手

Claims

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円筒型燃料電池セルと、該複数の円筒型燃料電池セルの軸長方向一端部にそれぞれ取り付けられた管継手と、該管継手が螺着して取り付けられ、外部からのガスを前記複数の円筒型燃料電池セルに供給するガス供給体とを具備することを特徴とする燃料電池。
前記ガス供給体がガスタンク又はガス配管であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
収納容器の一室に、前記複数の燃料電池セルが前記ガス供給体に立設した状態で収納されていることを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池。
前記内側電極を通過したガスと、前記円筒型燃料電池セル間を通過したガスが反応して、前記円筒型燃料電池セルの先端で燃焼す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。