JP4031674B2 - 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、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、燃料電池セルのスタックを収納容器内に収容した燃料電池が種々提案されている。
【０００３】
図９は従来の固体電解質型燃料電池セルのセルスタックを示すもので、このセルスタックは、複数の燃料電池セル１（１ａ、１ｂ）を集合させ、一方の燃料電池セル１ａと他方の燃料電池セル１ｂとの間に金属フェルト５を介在させ、一方の燃料電池セル１ａの内側電極７と他方の燃料電池セル１ｂの外側電極１１とを電気的に直列に接続して構成されていた。
【０００４】
燃料電池セル１（１ａ、１ｂ）は、円筒状の内側電極７の外周面に、固体電解質９、外側電極１１を順次設けて構成されており、固体電解質９、外側電極１１から露出した内側電極７には、外側電極１１に接続しないようにインターコネクタ１３が設けられている。
【０００５】
このインターコネクタ１３は、内側電極７の内部を流れるガスと、外側電極１１の外側を流れるガスとを確実に遮断するため、また、燃料ガス及び酸素含有ガスで変質しにくい緻密な導電性セラミックスが用いられている。
【０００６】
一方の燃料電池セル１ａと他方の燃料電池セル１ｂとの電気的接続を具体的に説明すると、一方の燃料電池セル１ａの内側電極７を、該内側電極７に設けられたインターコネクタ１３、金属フェルト５を介して、他方の燃料電池セル１ｂの外側電極１１に接続することにより行われていた。
【０００７】
図１０は、扁平状の固体電解質型燃料電池セルのセルスタックを示すもので、このセルスタックは、複数の燃料電池セル３（３ａ、３ｂ）を集合させ、一方の燃料電池セル３ａと他方の燃料電池セル３ｂとの間に金属フェルト１５を介在させ、一方の燃料電池セル３ａの内側電極１７と他方の燃料電池セル３ｂの外側電極１９とを電気的に接続して構成されていた。
【０００８】
燃料電池セル３（３ａ、３ｂ）は、扁平状の内側電極１７の外周面に、固体電解質２１、外側電極１９を順次設けて構成されており、固体電解質２１、外側電極１９から露出した内側電極１７には、外側電極１９に接続しないようにインターコネクタ２３が設けられている。内側電極１７内には複数のガス通過孔２５が形成されている。
【０００９】
一方の燃料電池セル３ａと他方の燃料電池セル３ｂとの電気的接続は、一方の燃料電池セル３ａの内側電極１７を、該内側電極１７に設けられたインターコネクタ２３、金属フェルト１５を介して、他方の燃料電池セル３ｂの外側電極１９に接続することにより行われていた。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図９の燃料電池セルでは、インターコネクタ１３が形成された部分は発電しないため、全周の約２０％が発電に寄与しないという欠点がある。
【００１１】
また、図１０の扁平状の燃料電池セルでは、図９のセルと比較すると単セルを大きくできるため単セル当たりの発電量は増加するが、インターコネクタ２３が形成された部分は発電しないため、全周の約４０％は発電に寄与せず、この形状の利点を十分に利用していなかった。
【００１２】
さらに、図９、図１０の燃料電池セルでは、インターコネクタ１３、２３を有しているが、インターコネクタ１３、２３は、内側電極７、１７の内部を流れるガスと、外側電極１１、１９の外側を流れるガスとを確実に遮断し、また燃料ガス及び酸素含有ガスで変質しないという特性が要求されるため、製造に手間がかかり、また、ガス漏出等の可能性も捨てきれず、長期信頼性が低いという問題があった。
【００１３】
また、従来、一方の燃料電池セル１ａ、３ａのインターコネクタ１３、２３と他方の燃料電池セル１ｂ、３ｂの外側電極１１、１９とを金属フェルト５、１５を介して電気的に接続していたが、金属フェルト５、１５のセル間への配置に手間がかかるとともに、本来電気的に接続してはならない部分が導通してしまう虞があった。
【００１４】
本発明は、単セル当たりの発電量を向上できるとともに、製造が容易で、信頼性を向上できる燃料電池を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料電池は、ガスが通過可能な内側電極の外面に、該内側電極を取り巻くように環状の固体電解質を設け、該固体電解質の外面に、該固体電解質を取り巻くように環状の外側電極を設けてなる複数の燃料電池セルを立設した状態でセル支持板の孔に前記各燃料電池セルの下端部を挿入固定してなり、互いに隣設する一方の前記燃料電池セルの下端部にある前記内側電極と、他方の前記燃料電池セルの下端部にある前記外側電極とを、前記セル支持板の下面もしくは内部に設けられた導電部材により電気的に接続したセルスタックを収納容器内に収納してなることを特徴とする。
【００１６】
本発明の燃料電池では、燃料電池セルが、内側電極の外面に環状の固体電解質、外側電極を順次形成し、インターコネクタを形成しない形状としたので、製造が容易であり、また、セル全周を発電部とすることができ、セル全周を有効に用いて発電させ、燃料電池セル１本当たりの発電量が増加し、その結果、所定発電量当たりに必要となるセル数を減少させることができる。また、セル本数が減少することに伴い、セル間の接続の総数が減少することになり故障発生の原因となりうる接続部の総数を減らすことができるため信頼性が向上する。
【００１７】
また、互いに隣設する一方の燃料電池セルの下端部にある内側電極と、他方の燃料電池セルの下端部の外側電極とを電気的に接続することにより、燃料電池セル相互間が電気的に直列に接続できる。さらに、燃料電池セルの一方の下端部から出力電圧を取り出すようにしても、燃料電池セルの長さを短くすることにより電圧降下が小さくなり、燃料電池としての発電量を大きくできる。
【００１８】
また、インターコネクタを形成する必要がなく、セル間に金属フェルトを配置する必要がないため、製造が容易であり、電気的接続信頼性を向上できる。
【００１９】
さらにまた、燃料電池セルの長さを短くすることにより、小型の燃料電池とでき、例えば、ピクニック等の屋外で使用する発電機として利用できる、持ち運びが容易な燃料電池を得ることができる。
【００２０】
また、本発明の燃料電池は、前記収納容器内に前記燃料電池セルの前記内側電極にガスを供給するガスタンクが収納され、前記セル支持板が前記ガスタンクの一部を構成していることを特徴とする。このような燃料電池では燃料電池の小型化を図ることができる。さらに、燃料電池セルの内側電極が燃料側電極、外側電極が酸素側電極であり、ガスタンクが内側電極に燃料ガスを供給する燃料ガスタンクであることから、燃料ガスタンク内に水素等の還元ガスが供給されるため、接続用の導電部材が酸化することを防止でき、導通抵抗を小さくでき、集電性能を向上できる。
【００２１】
また、本発明の燃料電池は、ガスが通過可能な内側電極の外面に、該内側電極を取り巻くように環状の固体電解質を設け、該固体電解質の外面に、該固体電解質を取り巻くように環状の外側電極を設けてなる複数の燃料電池セルを立設した状態でセル支持板の孔に前記各燃料電池セルの下端部を挿入固定してなり、互いに隣設する一方の前記燃料電池セルの下端部にある前記内側電極と、他方の前記燃料電池セルの下端部にある前記外側電極とを、前記セル支持板の下面もしくは内部に設けられた導電部材により電気的に接続したセルスタックの複数を、一の前記セルスタックを形成する前記燃料電池セルの上端部上に他の前記セルスタックの前記セル支持板が位置するように積層した状態で収納容器内に収納してなることを特徴とする。
【００２２】
このような燃料電池では、上記と同様、製造が容易であり、所定発電量当たりに必要となるセル数を減少させることができ、信頼性を向上できるともに、燃料電池セルの一方の下端部同士を接続しても、燃料電池セルの長さを短くすることにより電圧降下が小さくなり、燃料電池としての発電量を大きくできる。さらに、この燃料電池では、複数の燃料電池セルが集合したセルスタックを、一のセルスタックを形成する燃料電池セルの上端部上に他のセルスタックのセル支持板が位置するように複数積層しているため、少々大型化するものの、発電量を大きくすることができる。
【００２３】
さらに、本発明の燃料電池は、一の前記セルスタックを形成する前記燃料電池セルの上端部は、その上方に積層される他の前記セルスタックの前記セル支持板に固定されていることを特徴とする。このような燃料電池では、燃料電池セルの両端部を確実に固定できる。
【００２４】
また、本発明の燃料電池は、前記燃料電池セルの下端部には前記外側電極が形成された一の領域と、前記外側電極が形成されていない他の領域とを有し、前記一方の燃料電池セルの前記一の領域にある前記外側電極と、前記他方の燃料電池セルの前記他の領域にある前記内側電極とが前記導電部材により電気的に接続されていることを特徴とする。このような燃料電池では、燃料電池セル同士を確実に導電部材で直列に接続することができ、接続信頼性を向上できる。
【００２５】
さらに、本発明の燃料電池は、前記燃料電池セルの前記内側電極の内面及び／又は前記外側電極の外面に集電部材が接続されており、該集電部材が前記導電部材と電気的に接続されていることを特徴とする。
【００２６】
このような燃料電池では、燃料電池セルの内側電極の内面及び／又は外側電極の外面に、内側電極、外側電極よりも電気抵抗が小さな集電部材を接続し、この集電部材が導電部材と電気的に接続されている、すなわち集電部材を介してセル間が直列に接続されるため、燃料電池セルの長さを短くすることなく、電位降下を小さくできる。
【００２７】
また、本発明の燃料電池は、複数積層された前記セルスタックのうち、最も下側に位置する前記セルスタックが固定される前記支持板が、前記燃料電池セルの内側電極にガスを供給するガスタンクの一部を構成するとともに、前記セルスタックの上側に位置するセルスタックを固定する前記セル支持板が内部に空間が形成された二重構造であり、前記ガスタンクより供給される燃料ガスが、前記空間を介して、上側に位置する前記セルスタックに供給されることを特徴とする。このような燃料電池では、ガスタンクを一つにして、そのタンクから全ての燃料電池セルに燃料ガスを供給することができる。
【００２８】
さらに、本発明の燃料電池は、上記いずれかに記載の燃料電池の前記収納容器内に、前記燃料電池セルの長手方向に沿って設けられるガス通過孔を通過する燃料ガスと前記燃料電池セル間を通過した酸素含有ガスとを燃焼させる燃焼領域を有することを特徴とする。このような燃料電池では、発電するまでの起動時間を短縮できる。
【００２９】
【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からなるセルスタック３５と、複数の燃料電池セル３３間に配置された酸素含有ガス供給管３９と、セルスタック３５の上方に設けられた熱交換部４１とが設けられている。
【００３０】
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。
【００３１】
収納容器３１内のセルスタック３５は、図２に示すように、燃料電池セル３３を３列に整列して形成されている。尚、図１では４列に整列した状態を記載した。
【００３２】
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、その内部には長手方向に沿って複数のガス通過孔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を順次積層して構成されており、燃料側電極３３ａが支持体となっている。
【００３３】
即ち、燃料電池セル３３は、ガスが通過可能な燃料側電極３３ａの外面に、該燃料側電極３３ａを取り巻くように環状の固体電解質３３ｂを設け、該固体電解質３３ｂの外面に、該固体電解質３３ｂを取り巻くように環状の酸素側電極３３ｃを設けて構成されており、これらの燃料電池セル３３は、断面形状が、幅方向両端に設けられた弧状部Ａと、これらの弧状部Ａを連結する一対の平坦部Ｂとから構成されており、一対の平坦部Ｂ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Ｂは、燃料側電極３３ａの平坦部に固体電解質３３ｂ、酸素側電極３３ｃを形成して構成されている。
【００３４】
燃料側電極３３ａは、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｒｕのうちいずれか一種の金属又は金属酸化物、もしくはこれらの合金又は合金酸化物を主成分とするものであり、これら以外に、外面の固体電解質３３ｂへの接合強度を向上し、固体電解質３３ｂの熱膨張係数に近似させるため、固体電解質材料を含有することが望ましい。金属又は金属酸化物としては、コストの観点からＮｉ又はＮｉＯが望ましい。尚、燃料側電極３３ａを金属酸化物で形成した場合には、還元雰囲気で還元して発電することになる。
【００３５】
燃料電池セル３３の短径Ｒ１と長径Ｒ２の比率Ｒ２／Ｒ１は２以上であることが望ましい。これにより、所定量発電するために必要なセル本数を減少できる。特に、Ｒ２／Ｒ１は４以上、さらには８以上であることが望ましい。
【００３６】
尚、燃料電池セル３３は、上記したように、一対の平坦部Ｂと、これらの平坦部Ｂの両端を滑らかに連結する弧状部Ａとからなる扁平な楕円状に形成されているため、一対の平坦部Ｂ間の距離を短径Ｒ１とし、この短径Ｒ１に直交する方向の長さで最大距離を長径Ｒ２とした。
【００３７】
燃料電池セル３３の短径Ｒ１は１０ｍｍ以下であることが望ましい。これにより、燃料電池セル３３の容積を小さくでき、体積当たりの出力密度を向上できる。特に、８ｍｍ以下、さらには６ｍｍ以下が望ましい。
【００３８】
燃料側電極３３ａの外面に設けられた固体電解質３３ｂは、３〜１５モル％のＹ、希土類元素を含有した部分安定化あるいは安定化ＺｒＯ2からなる緻密質なセラミックスが用いられている。燃料側電極３３ａと固体電解質３３ｂとの間には、接合強度を向上するため緻密層からなる接合層を介在させても良い。この固体電解質３３ｂの厚みは、ガス透過を防止するという点から１０〜１００μｍであることが望ましい。
【００３９】
酸素側電極３３ｃは、ＬａＭｎＯ3系材料、ＬａＦｅＯ3系材料、ＬａＣｏＯ3系材料の少なくとも一種の多孔質の導電性セラミックスから構成されている。酸素側電極３３ｃは、６００〜１０００℃程度の比較的低温での電気伝導性が高いという点からＬａＦｅＯ3系材料が望ましい。酸素側電極３３ｃの厚みは、集電性という点から３０〜１００μｍであることが望ましい。
【００４０】
整列した複数の燃料電池セル３３の端部は、図３に示すように、立設した状態でセル支持板４５ａに挿入固定されており、一方の燃料電池セル３３の下端部にある燃料側電極３３ａと、該一方の燃料電池セル３３に、平坦部同士が対向する、隣設する他方の燃料電池セル３３の下端部にある酸素側電極３３ｃとが、電気的に接続されている。
【００４１】
収納容器３１内には燃料電池セル３３の燃料側電極３３ａに燃料ガスを供給する燃料ガスタンク４５が収納されており、セル支持板４５ａはガスタンク４５の天板を構成しており、ガスタンク４５の一部を構成している。尚、セル支持板４５ａはガスタンク４５の上面に載置しても良い。この場合には、燃料電池セル３３のガス通過孔３４に連通する孔を、ガスタンク４５の天板に形成する必要がある。
【００４２】
即ち、燃料電池セル３３の一方側面に該当する平坦部Ｂでは、燃料電池セル３３のセルの下端部から上端部まで酸素側電極３３ｃが形成され、他方側面に該当する平坦部Ｂでは、燃料電池セル３３のセル支持板の下端部以外に酸素側電極３３ｃが形成されている。つまり、燃料電池セル３３の下端部には、外側電極が形成された領域と、形成されていない領域とを有する。
【００４３】
そして、燃料ガスタンク４５内で、一方の燃料電池セル３３の下端部にある燃料側電極３３ａと、一方の燃料電池セル３３に隣設する他方の燃料電池セル３３の下端部にある酸素側電極３３ｃが導電部材４６により電気的に接続されている。この導電部材４６は、燃料ガスタンク４５の内壁面に形成された金属から構成されており、導電部材４６は、燃料ガスタンク４５内の還元ガスに曝されている。
【００４４】
燃料電池セル３３の長手方向長さは、燃料電池セル３３の下端から電流が取り出されるため、燃料側電極３３ａ、酸素側電極３３ｃの電位降下が小さい方が良いが、一本当たりの発電量と電位降下との兼ね合いから決定される。即ち、燃料電池セル３３の長手方向長さは短い程、電位降下は小さくなり、発電された電流を効果的に取り出すことができるが、燃料電池セル３３一本当たりの発電量が小さくなる。
【００４５】
燃料ガスタンク４５には、図１に示したように、外部から燃料ガスを燃料ガスタンク４５に供給するための燃料ガス供給管５１が接続されている。
【００４６】
燃料ガスタンク４５には、図１、図３に示すように、燃料電池セル３３の下端部（軸長方向端部）が固定されており、これにより、燃料電池セル３３が燃料ガスタンク４５にそれぞれ立設している。燃料電池セル３３のガス通過孔３４は、燃料ガスタンク４５に連通するように構成されている。
【００４７】
また、図１に示したように、酸素含有ガス供給管３９は、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ている。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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５１を介して燃料ガスタンク４５に一旦収容し、燃料電池セル３３のガス通過孔３４内に供給し発電させる。
【００５５】
発電に用いられなかった余剰の燃料ガスはガス通過孔３４の上端から噴出し、発電に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。
【００５６】
そして、本発明の燃料電池では、燃料電池セル３３を、燃料側電極３３ａの外周面に環状の固体電解質３３ｂ、酸素側電極３３ｃを順次形成し、インターコネクタを形成しない形状としたので、製造が容易であり、また、セル全周を発電部とすることができ、燃料電池セル１本当たりの発電量が増加し、その結果、所定発電量当たりに必要となるセル数を減少させることができる。また、セル本数が減少することに伴い、セル間の接続の総数が減少することになり故障発生の原因となりうる接続部の総数を減らすことができるため信頼性が向上する。
【００５７】
また、平坦部Ｂ同士が対向する燃料電池セル３３同士を、セル支持板４５ａのタンク内側面に設けられた導電部材４６により電気的に接続することにより、燃料電池セル３３相互間を電気的に直列に接続できるとともに、従来のようにインターコネクタが不要であり、セルの外周面同士を金属フェルトで接続する必要がないので、製造が容易で、セル同士の接続信頼性を向上できる。
【００５８】
さらに、燃料電池セル３３の下端部から出力電圧を取り出すようにしても、燃料電池セル３３の長さを短くすることにより電圧降下が小さくなり、燃料電池としての発電量を大きくできるとともに、持ち運びが容易な燃料電池を得ることができる。
【００５９】
また、収納容器３１内に燃料電池セル３３の燃料側電極３３ａにガスを供給するガスタンク４５が収納され、セル支持板４５ａがガスタンク４５の一部を構成しているため、燃料電池の小型化を図ることができる。さらに、一方の燃料電池セル３３の燃料側電極３３ａと、他方の燃料電池セル３３端部の酸素側電極３３ｃを、燃料ガスタンク４５内で導電部材４６で電気的に接続することにより、燃料ガスタンク４５内に水素等の還元ガスが供給されるため、接続用の導電部材４６が酸化することを防止でき、導通抵抗を小さくでき、集電性能を向上できる。尚、セル支持板４５ａ内部に導電部材４６を埋設し、セル同士を接続しても良い。また、ガスタンク４５の外側で導電部材４６を介して接続しても良いが、導電部材４６を酸化し難い材料で形成する必要がある。
【００６０】
また、従来のように燃料電池セル３３の燃料側電極３３ａにガスを供給するための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減少できる。
【００６１】
また、燃料電池セル３３はガスタンク４５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４５に立設しており、しかも上記したように燃料供給パイプが不要であり、ガス封止個所を減少できるため、燃料電池の構造を簡略化でき、製造が容易となる。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。
【００６２】
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が燃料電池セル３３間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。
【００６３】
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、燃料電池セル３３上方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。
【００６４】
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。
【００６５】
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セル間に確実に供給できる。
【００６６】
尚、図６に示すように、燃料側電極３３ａの内面及び酸素側電極３３ｃの外面に、その長手方向にそれぞれ集電部材７１、７３を接続し、一方の燃料電池セル３３の下端部の燃料側電極３３ａと、該一方の燃料電池セル３３に隣設する他方の燃料電池セル３３の下端部の酸素側電極３３ｃとを、これらに接続された集電部材７１、７３を導電部材４６により接続し、これにより、燃料電池セル３３を直列に接続しても良い。
【００６７】
即ち、燃料電池セル３３は、図７（ｂ）、（ｃ）に示すように、燃料側電極３３ａの燃料ガス通過孔３４内中央部に内側長尺状集電部材７１が挿入され、この内側長尺状集電部材７１と燃料側電極３３ａ内面との間には、内側長尺状集電部材７１と燃料側電極３３ａとを導通させる接続用導電部材７２が設けられている。
【００６８】
内側長尺状集電部材７１は、導電性を有する棒状、又は板状とされ、接続用導電部材７２はＮｉフェルトから形成され、燃料ガスが通過できるようになっている。尚、内側長尺状集電部材７１、接続用導電部材７２は必ずしもＮｉで形成する必要はない。
【００６９】
また、燃料電池セル３３の平坦部Ｂに該当する酸素側電極３３ｃの外面には、外側長尺状集電部材７３が設けられ、電気的に接続している。外側長尺状集電部材７３は、平坦部Ｂの一部に形成してもよく、全面に形成しても良い。
【００７０】
隣接する燃料電池セル３３同士は、一方の燃料電池セル３３の内側長尺状集電部材７１と、他方の燃料電池セル３３の外側長尺状集電部材７３を導電部材４６で接続することにより、燃料電池セル３３が集電部材７１、７３、導電部材４６を介して電気的に直列に接続されている。
【００７１】
外側長尺状集電部材７３は、発電時において、耐熱性、耐酸化性、電気伝導性を有するという点から、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。
【００７２】
尚、図７（ａ）に示すように、内側長尺状集電部材を挿入することなく、燃料側電極３３ａの燃料ガス通過孔３４内に、Ｎｉフェルトからなる接続用導電部材７２を設けても良いが、集電性という観点から、図７（ｂ）に示すように内側長尺状集電部材７１を挿入することが望ましい。
【００７３】
尚、複数のガス通過孔３４の全てに内側長尺状集電部材７１を挿入しても良く、一部のガス通過孔３４に挿入しても良い。
【００７４】
このような燃料電池では、燃料側電極３３ａ、酸素側電極３３ｃよりも電気抵抗が小さな集電部材７１、７３を軸長方向に接続し、図６に示したように、集電部材７１、７３、導電部材４６を介してセル間が直列に接続されるため、電位降下を小さくできる。
【００７５】
尚、燃料側電極３３ａは支持体となっているため電位降下は小さいが、酸素側電極３３は薄層であるため、電位降下が大きい。このため、酸素側電極３３ｃにのみ集電部材７３を接続しても良い。
【００７６】
図８は、本発明の他の形態の燃料電池を示すもので、この燃料電池は、図３に示すようなセルスタック３５を、燃料電池セル３３の長手方向に複数積層した状態で収納容器３１内に収納して構成されている。
【００７７】
即ち、整列した複数の燃料電池セル３３を、立設した状態でセル支持板４５ａ、９１に挿入固定し、一方の燃料電池セル３３の下端部にある燃料側電極３３ａと、該一方の燃料電池セル３３に隣設する他方の燃料電池セル３３の下端部にある酸素側電極３３ｃとを電気的に接続してなるセルスタック３５が複数形成され、これらのセルスタック３５が燃料電池セル３３の長手方向に複数積層した状態で収納容器３１内に収納して構成されている。
【００７８】
セル支持板４５ａに下端部が固定された燃料電池セル３３の上端部は、その上方の燃料電池セル３３の下端部が固定されるセル支持板９１に固定されている。このセル支持板９１は内部に空間が形成された二重構造とされており、セル支持板９１の下側部分には、燃料電池セル３３の上端部が固定され、上側部分には、積層された燃料電池セル３３の下端部が固定されている。
【００７９】
また、一方の燃料電池セル下端部にある燃料側電極３３ａと、他方の燃料電池セル下端部にある酸素側電極３３ｃとが、上記と同様、セル支持板９１の空間内で、導電部材４６により電気的に接続されている。
【００８０】
複数積層されたセルスタック３５の燃料電池セル３３の燃料側電極３３ａは、その長手方向に連通している。また、最も下側に位置するガスタンク４５のみに、燃料ガス供給パイプ５１が接続されており、セル支持板９１の空間には、最も下側のガスタンク４５に供給された燃料ガスが供給され、セル支持板９１の空間内の導電部材４６の酸化を抑制できる。
【００８１】
尚、燃料電池セル３３の下端部のみならず、両端部から電流を取り出しても良い。また、セル支持板９１の空間内に直接燃料ガスを供給するようにしても良い。
【００８２】
このような燃料電池では、複数の燃料電池セル３３が集合したセルスタック３５を、燃料電池セル３３の長手方向に複数積層しているため、少々大型化するものの、発電量を大きくすることができる。
【００８３】
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、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。
【００８４】
また、上記形態では、図２に示したような扁平状で複数のガス通過孔３４を有する燃料電池セル３３を用いて説明したが、燃料電池セルは円筒状で、ガス通過孔が一つであっても良く、燃料電池セルの形状、ガス通過孔数は特に限定されるものではない。
【００８５】
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。
【００８６】
さらに、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、ガスタンクをセル列毎に設けても良い。
【００８７】
【発明の効果】
本発明の燃料電池では、燃料電池セルを、内側電極の外面に環状の固体電解質、外側電極を順次形成し、インターコネクタを形成しない形状としたので、製造が容易であり、また、セル全周を発電部とすることができ、セル全周を有効に用いて発電させ、燃料電池セル１本当たりの発電量が増加し、その結果、所定発電量当たりに必要となるセル数を減少させることができる。また、セル本数が減少することに伴い、セル間の接続の総数が減少することになり故障発生の原因となりうる接続部の総数を減らすことができるため信頼性が向上する。
【００８８】
また、一方の燃料電池セルの下端部にある内側電極と、該一方の燃料電池セルに隣設する他方の燃料電池セルの下端部にある外側電極とを電気的に接続することにより、燃料電池セル相互間が電気的に直列に接続できる。さらに、燃料電池セルの下端部から出力電圧を取り出すようにしても、燃料電池セルの長さを短くすることにより電圧降下が小さくなり、燃料電池としての発電量を大きくできる。これにより、小型の燃料電池とでき、例えば、ピクニック等の屋外で使用する発電機として利用できる、持ち運びが容易な燃料電池を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池を示す断面図である。
【図２】本発明のセルスタックを示す断面図である。
【図３】燃料電池セルの接続構造を説明するための一部切欠斜視図である。
【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】燃料電池セル間の他の接続構造を説明するための断面図である。
【図７】（ａ）はガス通過孔内に接続用導電部材を挿入した燃料電池セルの縦断面図、（ｂ）はガス通過孔内に内側長尺状導電部材及び接続用導電部材を配置した燃料電池セルの縦断面図、（ｃ）は内側長尺状導電部材を両側に突出させた燃料電池セルの縦断面図である。
【図８】セルスタックを積層した本発明の他の形態を示す断面図である。
【図９】インターコネクタが形成された円筒状の燃料電池セルを複数接続した従来のセルスタックを示す横断面図である。
【図１０】インターコネクタが形成された扁平状の燃料電池セルを複数直列に接続した従来のセルスタックを示す横断面図である。
【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
３５・・・セルスタック
４５・・・ガスタンク
４５ａ、９１・・・セル支持板
４６・・・導電部材
７１・・・内側長尺状集電部材
７３・・・外側長尺状集電部材
Ａ・・・セルの弧状部
Ｂ・・・セルの平坦部
【発明の属する技術分野】
本発明は、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、燃料電池セルのスタックを収納容器内に収容した燃料電池が種々提案されている。
【０００３】
図９は従来の固体電解質型燃料電池セルのセルスタックを示すもので、このセルスタックは、複数の燃料電池セル１（１ａ、１ｂ）を集合させ、一方の燃料電池セル１ａと他方の燃料電池セル１ｂとの間に金属フェルト５を介在させ、一方の燃料電池セル１ａの内側電極７と他方の燃料電池セル１ｂの外側電極１１とを電気的に直列に接続して構成されていた。
【０００４】
燃料電池セル１（１ａ、１ｂ）は、円筒状の内側電極７の外周面に、固体電解質９、外側電極１１を順次設けて構成されており、固体電解質９、外側電極１１から露出した内側電極７には、外側電極１１に接続しないようにインターコネクタ１３が設けられている。
【０００５】
このインターコネクタ１３は、内側電極７の内部を流れるガスと、外側電極１１の外側を流れるガスとを確実に遮断するため、また、燃料ガス及び酸素含有ガスで変質しにくい緻密な導電性セラミックスが用いられている。
【０００６】
一方の燃料電池セル１ａと他方の燃料電池セル１ｂとの電気的接続を具体的に説明すると、一方の燃料電池セル１ａの内側電極７を、該内側電極７に設けられたインターコネクタ１３、金属フェルト５を介して、他方の燃料電池セル１ｂの外側電極１１に接続することにより行われていた。
【０００７】
図１０は、扁平状の固体電解質型燃料電池セルのセルスタックを示すもので、このセルスタックは、複数の燃料電池セル３（３ａ、３ｂ）を集合させ、一方の燃料電池セル３ａと他方の燃料電池セル３ｂとの間に金属フェルト１５を介在させ、一方の燃料電池セル３ａの内側電極１７と他方の燃料電池セル３ｂの外側電極１９とを電気的に接続して構成されていた。
【０００８】
燃料電池セル３（３ａ、３ｂ）は、扁平状の内側電極１７の外周面に、固体電解質２１、外側電極１９を順次設けて構成されており、固体電解質２１、外側電極１９から露出した内側電極１７には、外側電極１９に接続しないようにインターコネクタ２３が設けられている。内側電極１７内には複数のガス通過孔２５が形成されている。
【０００９】
一方の燃料電池セル３ａと他方の燃料電池セル３ｂとの電気的接続は、一方の燃料電池セル３ａの内側電極１７を、該内側電極１７に設けられたインターコネクタ２３、金属フェルト１５を介して、他方の燃料電池セル３ｂの外側電極１９に接続することにより行われていた。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図９の燃料電池セルでは、インターコネクタ１３が形成された部分は発電しないため、全周の約２０％が発電に寄与しないという欠点がある。
【００１１】
また、図１０の扁平状の燃料電池セルでは、図９のセルと比較すると単セルを大きくできるため単セル当たりの発電量は増加するが、インターコネクタ２３が形成された部分は発電しないため、全周の約４０％は発電に寄与せず、この形状の利点を十分に利用していなかった。
【００１２】
さらに、図９、図１０の燃料電池セルでは、インターコネクタ１３、２３を有しているが、インターコネクタ１３、２３は、内側電極７、１７の内部を流れるガスと、外側電極１１、１９の外側を流れるガスとを確実に遮断し、また燃料ガス及び酸素含有ガスで変質しないという特性が要求されるため、製造に手間がかかり、また、ガス漏出等の可能性も捨てきれず、長期信頼性が低いという問題があった。
【００１３】
また、従来、一方の燃料電池セル１ａ、３ａのインターコネクタ１３、２３と他方の燃料電池セル１ｂ、３ｂの外側電極１１、１９とを金属フェルト５、１５を介して電気的に接続していたが、金属フェルト５、１５のセル間への配置に手間がかかるとともに、本来電気的に接続してはならない部分が導通してしまう虞があった。
【００１４】
本発明は、単セル当たりの発電量を向上できるとともに、製造が容易で、信頼性を向上できる燃料電池を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料電池は、ガスが通過可能な内側電極の外面に、該内側電極を取り巻くように環状の固体電解質を設け、該固体電解質の外面に、該固体電解質を取り巻くように環状の外側電極を設けてなる複数の燃料電池セルを立設した状態でセル支持板の孔に前記各燃料電池セルの下端部を挿入固定してなり、互いに隣設する一方の前記燃料電池セルの下端部にある前記内側電極と、他方の前記燃料電池セルの下端部にある前記外側電極とを、前記セル支持板の下面もしくは内部に設けられた導電部材により電気的に接続したセルスタックを収納容器内に収納してなることを特徴とする。
【００１６】
本発明の燃料電池では、燃料電池セルが、内側電極の外面に環状の固体電解質、外側電極を順次形成し、インターコネクタを形成しない形状としたので、製造が容易であり、また、セル全周を発電部とすることができ、セル全周を有効に用いて発電させ、燃料電池セル１本当たりの発電量が増加し、その結果、所定発電量当たりに必要となるセル数を減少させることができる。また、セル本数が減少することに伴い、セル間の接続の総数が減少することになり故障発生の原因となりうる接続部の総数を減らすことができるため信頼性が向上する。
【００１７】
また、互いに隣設する一方の燃料電池セルの下端部にある内側電極と、他方の燃料電池セルの下端部の外側電極とを電気的に接続することにより、燃料電池セル相互間が電気的に直列に接続できる。さらに、燃料電池セルの一方の下端部から出力電圧を取り出すようにしても、燃料電池セルの長さを短くすることにより電圧降下が小さくなり、燃料電池としての発電量を大きくできる。
【００１８】
また、インターコネクタを形成する必要がなく、セル間に金属フェルトを配置する必要がないため、製造が容易であり、電気的接続信頼性を向上できる。
【００１９】
さらにまた、燃料電池セルの長さを短くすることにより、小型の燃料電池とでき、例えば、ピクニック等の屋外で使用する発電機として利用できる、持ち運びが容易な燃料電池を得ることができる。
【００２０】
また、本発明の燃料電池は、前記収納容器内に前記燃料電池セルの前記内側電極にガスを供給するガスタンクが収納され、前記セル支持板が前記ガスタンクの一部を構成していることを特徴とする。このような燃料電池では燃料電池の小型化を図ることができる。さらに、燃料電池セルの内側電極が燃料側電極、外側電極が酸素側電極であり、ガスタンクが内側電極に燃料ガスを供給する燃料ガスタンクであることから、燃料ガスタンク内に水素等の還元ガスが供給されるため、接続用の導電部材が酸化することを防止でき、導通抵抗を小さくでき、集電性能を向上できる。
【００２１】
また、本発明の燃料電池は、ガスが通過可能な内側電極の外面に、該内側電極を取り巻くように環状の固体電解質を設け、該固体電解質の外面に、該固体電解質を取り巻くように環状の外側電極を設けてなる複数の燃料電池セルを立設した状態でセル支持板の孔に前記各燃料電池セルの下端部を挿入固定してなり、互いに隣設する一方の前記燃料電池セルの下端部にある前記内側電極と、他方の前記燃料電池セルの下端部にある前記外側電極とを、前記セル支持板の下面もしくは内部に設けられた導電部材により電気的に接続したセルスタックの複数を、一の前記セルスタックを形成する前記燃料電池セルの上端部上に他の前記セルスタックの前記セル支持板が位置するように積層した状態で収納容器内に収納してなることを特徴とする。
【００２２】
このような燃料電池では、上記と同様、製造が容易であり、所定発電量当たりに必要となるセル数を減少させることができ、信頼性を向上できるともに、燃料電池セルの一方の下端部同士を接続しても、燃料電池セルの長さを短くすることにより電圧降下が小さくなり、燃料電池としての発電量を大きくできる。さらに、この燃料電池では、複数の燃料電池セルが集合したセルスタックを、一のセルスタックを形成する燃料電池セルの上端部上に他のセルスタックのセル支持板が位置するように複数積層しているため、少々大型化するものの、発電量を大きくすることができる。
【００２３】
さらに、本発明の燃料電池は、一の前記セルスタックを形成する前記燃料電池セルの上端部は、その上方に積層される他の前記セルスタックの前記セル支持板に固定されていることを特徴とする。このような燃料電池では、燃料電池セルの両端部を確実に固定できる。
【００２４】
また、本発明の燃料電池は、前記燃料電池セルの下端部には前記外側電極が形成された一の領域と、前記外側電極が形成されていない他の領域とを有し、前記一方の燃料電池セルの前記一の領域にある前記外側電極と、前記他方の燃料電池セルの前記他の領域にある前記内側電極とが前記導電部材により電気的に接続されていることを特徴とする。このような燃料電池では、燃料電池セル同士を確実に導電部材で直列に接続することができ、接続信頼性を向上できる。
【００２５】
さらに、本発明の燃料電池は、前記燃料電池セルの前記内側電極の内面及び／又は前記外側電極の外面に集電部材が接続されており、該集電部材が前記導電部材と電気的に接続されていることを特徴とする。
【００２６】
このような燃料電池では、燃料電池セルの内側電極の内面及び／又は外側電極の外面に、内側電極、外側電極よりも電気抵抗が小さな集電部材を接続し、この集電部材が導電部材と電気的に接続されている、すなわち集電部材を介してセル間が直列に接続されるため、燃料電池セルの長さを短くすることなく、電位降下を小さくできる。
【００２７】
また、本発明の燃料電池は、複数積層された前記セルスタックのうち、最も下側に位置する前記セルスタックが固定される前記支持板が、前記燃料電池セルの内側電極にガスを供給するガスタンクの一部を構成するとともに、前記セルスタックの上側に位置するセルスタックを固定する前記セル支持板が内部に空間が形成された二重構造であり、前記ガスタンクより供給される燃料ガスが、前記空間を介して、上側に位置する前記セルスタックに供給されることを特徴とする。このような燃料電池では、ガスタンクを一つにして、そのタンクから全ての燃料電池セルに燃料ガスを供給することができる。
【００２８】
さらに、本発明の燃料電池は、上記いずれかに記載の燃料電池の前記収納容器内に、前記燃料電池セルの長手方向に沿って設けられるガス通過孔を通過する燃料ガスと前記燃料電池セル間を通過した酸素含有ガスとを燃焼させる燃焼領域を有することを特徴とする。このような燃料電池では、発電するまでの起動時間を短縮できる。
【００２９】
【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からなるセルスタック３５と、複数の燃料電池セル３３間に配置された酸素含有ガス供給管３９と、セルスタック３５の上方に設けられた熱交換部４１とが設けられている。
【００３０】
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。
【００３１】
収納容器３１内のセルスタック３５は、図２に示すように、燃料電池セル３３を３列に整列して形成されている。尚、図１では４列に整列した状態を記載した。
【００３２】
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、その内部には長手方向に沿って複数のガス通過孔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を順次積層して構成されており、燃料側電極３３ａが支持体となっている。
【００３３】
即ち、燃料電池セル３３は、ガスが通過可能な燃料側電極３３ａの外面に、該燃料側電極３３ａを取り巻くように環状の固体電解質３３ｂを設け、該固体電解質３３ｂの外面に、該固体電解質３３ｂを取り巻くように環状の酸素側電極３３ｃを設けて構成されており、これらの燃料電池セル３３は、断面形状が、幅方向両端に設けられた弧状部Ａと、これらの弧状部Ａを連結する一対の平坦部Ｂとから構成されており、一対の平坦部Ｂ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Ｂは、燃料側電極３３ａの平坦部に固体電解質３３ｂ、酸素側電極３３ｃを形成して構成されている。
【００３４】
燃料側電極３３ａは、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｒｕのうちいずれか一種の金属又は金属酸化物、もしくはこれらの合金又は合金酸化物を主成分とするものであり、これら以外に、外面の固体電解質３３ｂへの接合強度を向上し、固体電解質３３ｂの熱膨張係数に近似させるため、固体電解質材料を含有することが望ましい。金属又は金属酸化物としては、コストの観点からＮｉ又はＮｉＯが望ましい。尚、燃料側電極３３ａを金属酸化物で形成した場合には、還元雰囲気で還元して発電することになる。
【００３５】
燃料電池セル３３の短径Ｒ１と長径Ｒ２の比率Ｒ２／Ｒ１は２以上であることが望ましい。これにより、所定量発電するために必要なセル本数を減少できる。特に、Ｒ２／Ｒ１は４以上、さらには８以上であることが望ましい。
【００３６】
尚、燃料電池セル３３は、上記したように、一対の平坦部Ｂと、これらの平坦部Ｂの両端を滑らかに連結する弧状部Ａとからなる扁平な楕円状に形成されているため、一対の平坦部Ｂ間の距離を短径Ｒ１とし、この短径Ｒ１に直交する方向の長さで最大距離を長径Ｒ２とした。
【００３７】
燃料電池セル３３の短径Ｒ１は１０ｍｍ以下であることが望ましい。これにより、燃料電池セル３３の容積を小さくでき、体積当たりの出力密度を向上できる。特に、８ｍｍ以下、さらには６ｍｍ以下が望ましい。
【００３８】
燃料側電極３３ａの外面に設けられた固体電解質３３ｂは、３〜１５モル％のＹ、希土類元素を含有した部分安定化あるいは安定化ＺｒＯ2からなる緻密質なセラミックスが用いられている。燃料側電極３３ａと固体電解質３３ｂとの間には、接合強度を向上するため緻密層からなる接合層を介在させても良い。この固体電解質３３ｂの厚みは、ガス透過を防止するという点から１０〜１００μｍであることが望ましい。
【００３９】
酸素側電極３３ｃは、ＬａＭｎＯ3系材料、ＬａＦｅＯ3系材料、ＬａＣｏＯ3系材料の少なくとも一種の多孔質の導電性セラミックスから構成されている。酸素側電極３３ｃは、６００〜１０００℃程度の比較的低温での電気伝導性が高いという点からＬａＦｅＯ3系材料が望ましい。酸素側電極３３ｃの厚みは、集電性という点から３０〜１００μｍであることが望ましい。
【００４０】
整列した複数の燃料電池セル３３の端部は、図３に示すように、立設した状態でセル支持板４５ａに挿入固定されており、一方の燃料電池セル３３の下端部にある燃料側電極３３ａと、該一方の燃料電池セル３３に、平坦部同士が対向する、隣設する他方の燃料電池セル３３の下端部にある酸素側電極３３ｃとが、電気的に接続されている。
【００４１】
収納容器３１内には燃料電池セル３３の燃料側電極３３ａに燃料ガスを供給する燃料ガスタンク４５が収納されており、セル支持板４５ａはガスタンク４５の天板を構成しており、ガスタンク４５の一部を構成している。尚、セル支持板４５ａはガスタンク４５の上面に載置しても良い。この場合には、燃料電池セル３３のガス通過孔３４に連通する孔を、ガスタンク４５の天板に形成する必要がある。
【００４２】
即ち、燃料電池セル３３の一方側面に該当する平坦部Ｂでは、燃料電池セル３３のセルの下端部から上端部まで酸素側電極３３ｃが形成され、他方側面に該当する平坦部Ｂでは、燃料電池セル３３のセル支持板の下端部以外に酸素側電極３３ｃが形成されている。つまり、燃料電池セル３３の下端部には、外側電極が形成された領域と、形成されていない領域とを有する。
【００４３】
そして、燃料ガスタンク４５内で、一方の燃料電池セル３３の下端部にある燃料側電極３３ａと、一方の燃料電池セル３３に隣設する他方の燃料電池セル３３の下端部にある酸素側電極３３ｃが導電部材４６により電気的に接続されている。この導電部材４６は、燃料ガスタンク４５の内壁面に形成された金属から構成されており、導電部材４６は、燃料ガスタンク４５内の還元ガスに曝されている。
【００４４】
燃料電池セル３３の長手方向長さは、燃料電池セル３３の下端から電流が取り出されるため、燃料側電極３３ａ、酸素側電極３３ｃの電位降下が小さい方が良いが、一本当たりの発電量と電位降下との兼ね合いから決定される。即ち、燃料電池セル３３の長手方向長さは短い程、電位降下は小さくなり、発電された電流を効果的に取り出すことができるが、燃料電池セル３３一本当たりの発電量が小さくなる。
【００４５】
燃料ガスタンク４５には、図１に示したように、外部から燃料ガスを燃料ガスタンク４５に供給するための燃料ガス供給管５１が接続されている。
【００４６】
燃料ガスタンク４５には、図１、図３に示すように、燃料電池セル３３の下端部（軸長方向端部）が固定されており、これにより、燃料電池セル３３が燃料ガスタンク４５にそれぞれ立設している。燃料電池セル３３のガス通過孔３４は、燃料ガスタンク４５に連通するように構成されている。
【００４７】
また、図１に示したように、酸素含有ガス供給管３９は、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ている。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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５１を介して燃料ガスタンク４５に一旦収容し、燃料電池セル３３のガス通過孔３４内に供給し発電させる。
【００５５】
発電に用いられなかった余剰の燃料ガスはガス通過孔３４の上端から噴出し、発電に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。
【００５６】
そして、本発明の燃料電池では、燃料電池セル３３を、燃料側電極３３ａの外周面に環状の固体電解質３３ｂ、酸素側電極３３ｃを順次形成し、インターコネクタを形成しない形状としたので、製造が容易であり、また、セル全周を発電部とすることができ、燃料電池セル１本当たりの発電量が増加し、その結果、所定発電量当たりに必要となるセル数を減少させることができる。また、セル本数が減少することに伴い、セル間の接続の総数が減少することになり故障発生の原因となりうる接続部の総数を減らすことができるため信頼性が向上する。
【００５７】
また、平坦部Ｂ同士が対向する燃料電池セル３３同士を、セル支持板４５ａのタンク内側面に設けられた導電部材４６により電気的に接続することにより、燃料電池セル３３相互間を電気的に直列に接続できるとともに、従来のようにインターコネクタが不要であり、セルの外周面同士を金属フェルトで接続する必要がないので、製造が容易で、セル同士の接続信頼性を向上できる。
【００５８】
さらに、燃料電池セル３３の下端部から出力電圧を取り出すようにしても、燃料電池セル３３の長さを短くすることにより電圧降下が小さくなり、燃料電池としての発電量を大きくできるとともに、持ち運びが容易な燃料電池を得ることができる。
【００５９】
また、収納容器３１内に燃料電池セル３３の燃料側電極３３ａにガスを供給するガスタンク４５が収納され、セル支持板４５ａがガスタンク４５の一部を構成しているため、燃料電池の小型化を図ることができる。さらに、一方の燃料電池セル３３の燃料側電極３３ａと、他方の燃料電池セル３３端部の酸素側電極３３ｃを、燃料ガスタンク４５内で導電部材４６で電気的に接続することにより、燃料ガスタンク４５内に水素等の還元ガスが供給されるため、接続用の導電部材４６が酸化することを防止でき、導通抵抗を小さくでき、集電性能を向上できる。尚、セル支持板４５ａ内部に導電部材４６を埋設し、セル同士を接続しても良い。また、ガスタンク４５の外側で導電部材４６を介して接続しても良いが、導電部材４６を酸化し難い材料で形成する必要がある。
【００６０】
また、従来のように燃料電池セル３３の燃料側電極３３ａにガスを供給するための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減少できる。
【００６１】
また、燃料電池セル３３はガスタンク４５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４５に立設しており、しかも上記したように燃料供給パイプが不要であり、ガス封止個所を減少できるため、燃料電池の構造を簡略化でき、製造が容易となる。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。
【００６２】
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が燃料電池セル３３間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。
【００６３】
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、燃料電池セル３３上方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。
【００６４】
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。
【００６５】
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セル間に確実に供給できる。
【００６６】
尚、図６に示すように、燃料側電極３３ａの内面及び酸素側電極３３ｃの外面に、その長手方向にそれぞれ集電部材７１、７３を接続し、一方の燃料電池セル３３の下端部の燃料側電極３３ａと、該一方の燃料電池セル３３に隣設する他方の燃料電池セル３３の下端部の酸素側電極３３ｃとを、これらに接続された集電部材７１、７３を導電部材４６により接続し、これにより、燃料電池セル３３を直列に接続しても良い。
【００６７】
即ち、燃料電池セル３３は、図７（ｂ）、（ｃ）に示すように、燃料側電極３３ａの燃料ガス通過孔３４内中央部に内側長尺状集電部材７１が挿入され、この内側長尺状集電部材７１と燃料側電極３３ａ内面との間には、内側長尺状集電部材７１と燃料側電極３３ａとを導通させる接続用導電部材７２が設けられている。
【００６８】
内側長尺状集電部材７１は、導電性を有する棒状、又は板状とされ、接続用導電部材７２はＮｉフェルトから形成され、燃料ガスが通過できるようになっている。尚、内側長尺状集電部材７１、接続用導電部材７２は必ずしもＮｉで形成する必要はない。
【００６９】
また、燃料電池セル３３の平坦部Ｂに該当する酸素側電極３３ｃの外面には、外側長尺状集電部材７３が設けられ、電気的に接続している。外側長尺状集電部材７３は、平坦部Ｂの一部に形成してもよく、全面に形成しても良い。
【００７０】
隣接する燃料電池セル３３同士は、一方の燃料電池セル３３の内側長尺状集電部材７１と、他方の燃料電池セル３３の外側長尺状集電部材７３を導電部材４６で接続することにより、燃料電池セル３３が集電部材７１、７３、導電部材４６を介して電気的に直列に接続されている。
【００７１】
外側長尺状集電部材７３は、発電時において、耐熱性、耐酸化性、電気伝導性を有するという点から、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。
【００７２】
尚、図７（ａ）に示すように、内側長尺状集電部材を挿入することなく、燃料側電極３３ａの燃料ガス通過孔３４内に、Ｎｉフェルトからなる接続用導電部材７２を設けても良いが、集電性という観点から、図７（ｂ）に示すように内側長尺状集電部材７１を挿入することが望ましい。
【００７３】
尚、複数のガス通過孔３４の全てに内側長尺状集電部材７１を挿入しても良く、一部のガス通過孔３４に挿入しても良い。
【００７４】
このような燃料電池では、燃料側電極３３ａ、酸素側電極３３ｃよりも電気抵抗が小さな集電部材７１、７３を軸長方向に接続し、図６に示したように、集電部材７１、７３、導電部材４６を介してセル間が直列に接続されるため、電位降下を小さくできる。
【００７５】
尚、燃料側電極３３ａは支持体となっているため電位降下は小さいが、酸素側電極３３は薄層であるため、電位降下が大きい。このため、酸素側電極３３ｃにのみ集電部材７３を接続しても良い。
【００７６】
図８は、本発明の他の形態の燃料電池を示すもので、この燃料電池は、図３に示すようなセルスタック３５を、燃料電池セル３３の長手方向に複数積層した状態で収納容器３１内に収納して構成されている。
【００７７】
即ち、整列した複数の燃料電池セル３３を、立設した状態でセル支持板４５ａ、９１に挿入固定し、一方の燃料電池セル３３の下端部にある燃料側電極３３ａと、該一方の燃料電池セル３３に隣設する他方の燃料電池セル３３の下端部にある酸素側電極３３ｃとを電気的に接続してなるセルスタック３５が複数形成され、これらのセルスタック３５が燃料電池セル３３の長手方向に複数積層した状態で収納容器３１内に収納して構成されている。
【００７８】
セル支持板４５ａに下端部が固定された燃料電池セル３３の上端部は、その上方の燃料電池セル３３の下端部が固定されるセル支持板９１に固定されている。このセル支持板９１は内部に空間が形成された二重構造とされており、セル支持板９１の下側部分には、燃料電池セル３３の上端部が固定され、上側部分には、積層された燃料電池セル３３の下端部が固定されている。
【００７９】
また、一方の燃料電池セル下端部にある燃料側電極３３ａと、他方の燃料電池セル下端部にある酸素側電極３３ｃとが、上記と同様、セル支持板９１の空間内で、導電部材４６により電気的に接続されている。
【００８０】
複数積層されたセルスタック３５の燃料電池セル３３の燃料側電極３３ａは、その長手方向に連通している。また、最も下側に位置するガスタンク４５のみに、燃料ガス供給パイプ５１が接続されており、セル支持板９１の空間には、最も下側のガスタンク４５に供給された燃料ガスが供給され、セル支持板９１の空間内の導電部材４６の酸化を抑制できる。
【００８１】
尚、燃料電池セル３３の下端部のみならず、両端部から電流を取り出しても良い。また、セル支持板９１の空間内に直接燃料ガスを供給するようにしても良い。
【００８２】
このような燃料電池では、複数の燃料電池セル３３が集合したセルスタック３５を、燃料電池セル３３の長手方向に複数積層しているため、少々大型化するものの、発電量を大きくすることができる。
【００８３】
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、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。
【００８４】
また、上記形態では、図２に示したような扁平状で複数のガス通過孔３４を有する燃料電池セル３３を用いて説明したが、燃料電池セルは円筒状で、ガス通過孔が一つであっても良く、燃料電池セルの形状、ガス通過孔数は特に限定されるものではない。
【００８５】
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。
【００８６】
さらに、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、ガスタンクをセル列毎に設けても良い。
【００８７】
【発明の効果】
本発明の燃料電池では、燃料電池セルを、内側電極の外面に環状の固体電解質、外側電極を順次形成し、インターコネクタを形成しない形状としたので、製造が容易であり、また、セル全周を発電部とすることができ、セル全周を有効に用いて発電させ、燃料電池セル１本当たりの発電量が増加し、その結果、所定発電量当たりに必要となるセル数を減少させることができる。また、セル本数が減少することに伴い、セル間の接続の総数が減少することになり故障発生の原因となりうる接続部の総数を減らすことができるため信頼性が向上する。
【００８８】
また、一方の燃料電池セルの下端部にある内側電極と、該一方の燃料電池セルに隣設する他方の燃料電池セルの下端部にある外側電極とを電気的に接続することにより、燃料電池セル相互間が電気的に直列に接続できる。さらに、燃料電池セルの下端部から出力電圧を取り出すようにしても、燃料電池セルの長さを短くすることにより電圧降下が小さくなり、燃料電池としての発電量を大きくできる。これにより、小型の燃料電池とでき、例えば、ピクニック等の屋外で使用する発電機として利用できる、持ち運びが容易な燃料電池を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池を示す断面図である。
【図２】本発明のセルスタックを示す断面図である。
【図３】燃料電池セルの接続構造を説明するための一部切欠斜視図である。
【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】燃料電池セル間の他の接続構造を説明するための断面図である。
【図７】（ａ）はガス通過孔内に接続用導電部材を挿入した燃料電池セルの縦断面図、（ｂ）はガス通過孔内に内側長尺状導電部材及び接続用導電部材を配置した燃料電池セルの縦断面図、（ｃ）は内側長尺状導電部材を両側に突出させた燃料電池セルの縦断面図である。
【図８】セルスタックを積層した本発明の他の形態を示す断面図である。
【図９】インターコネクタが形成された円筒状の燃料電池セルを複数接続した従来のセルスタックを示す横断面図である。
【図１０】インターコネクタが形成された扁平状の燃料電池セルを複数直列に接続した従来のセルスタックを示す横断面図である。
【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
３５・・・セルスタック
４５・・・ガスタンク
４５ａ、９１・・・セル支持板
４６・・・導電部材
７１・・・内側長尺状集電部材
７３・・・外側長尺状集電部材
Ａ・・・セルの弧状部
Ｂ・・・セルの平坦部
Claims (9)
- ガスが通過可能な内側電極の外面に、該内側電極を取り巻くように環状の固体電解質を設け、該固体電解質の外面に、該固体電解質を取り巻くように環状の外側電極を設けてなる複数の燃料電池セルを立設した状態でセル支持板の孔に前記各燃料電池セルの下端部を挿入固定してなり、互いに隣設する一方の前記燃料電池セルの下端部にある前記内側電極と、他方の前記燃料電池セルの下端部にある前記外側電極とを、前記セル支持板の下面もしくは内部に設けられた導電部材により電気的に接続したセルスタックを収納容器内に収納してなることを特徴とする燃料電池。
- 前記収納容器内に前記燃料電池セルの前記内側電極にガスを供給するガスタンクが収納され、前記セル支持板が前記ガスタンクの一部を構成していることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
- 前記燃料電池セルの前記内側電極が燃料側電極、前記外側電極が酸素側電極であり、前記ガスタンクが前記内側電極に燃料ガスを供給する燃料ガスタンクであることを特徴とする請求項２記載の燃料電池。
- ガスが通過可能な内側電極の外面に、該内側電極を取り巻くように環状の固体電解質を設け、該固体電解質の外面に、該固体電解質を取り巻くように環状の外側電極を設けてなる複数の燃料電池セルを立設した状態でセル支持板の孔に前記各燃料電池セルの下端部を挿入固定してなり、互いに隣設する一方の前記燃料電池セルの下端部にある前記内側電極と、他方の前記燃料電池セルの下端部にある前記外側電極とを、前記セル支持板の下面もしくは内部に設けられた導電部材により電気的に接続したセルスタックの複数を、一の前記セルスタックを形成する前記燃料電池セルの上端部上に他の前記セルスタックの前記セル支持板が位置するように積層した状態で収納容器内に収納してなることを特徴とする燃料電池。
- 一の前記セルスタックを形成する前記燃料電池セルの上端部は、その上方に積層される他の前記セルスタックの前記セル支持板に固定されていることを特徴とする請求項４記載の燃料電池。
- 前記燃料電池セルの下端部には前記外側電極が形成された一の領域と、前記外側電極が形成されていない他の領域とを有し、前記一方の燃料電池セルの前記一の領域にある前記外側電極と、前記他方の燃料電池セルの前記他の領域にある前記内側電極とが前記導電部材により電気的に接続さ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。
- 前記燃料電池セルの前記内側電極の内面及び／又は前記外側電極の外面に集電部材が接続されており、該集電部材が前記導電部材と電気的に接続されていることを特徴とする請求項１乃至６のうちいずれかに記載の燃料電池。
- 前記複数積層された前記セルスタックのうち、最も下側に位置する前記セルスタックが固定される前記支持板が、前記燃料電池セルの内側電極にガスを供給するガスタンクの一部を構成するとともに、前記セルスタックの上側に位置するセルスタックを固定する前記セル支持板が内部に空間が形成された二重構造であり、前記ガスタンクより供給される燃料ガスが、前記空間を介して、上側に位置する前記セルスタックに供給されることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の燃料電池。
- 請求項１乃至請求項８のうちいずれかに記載の燃料電池の前記収納容器内に、前記燃料電池セルの長手方向に沿って設けられるガス通過孔を通過する燃料ガスと前記燃料電池セル間を通過した酸素含有ガスとを燃焼させる燃焼領域を有することを特徴とする燃料電池。
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