JP4227757B2 - 燃料電池 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池に関し、更に詳細には容器内に収容された燃料電池用セルにメタン等の燃料ガス及び酸素を含む混合燃料ガスを供給して発電し、前記燃料電池用セルを通過したガスを排ガスとして前記容器から排出する燃料電池に関する。
【0002】
【従来の技術】
燃料電池は、火力発電等の発電効率に比較して、高効率の発電効率が期待できるため、現在、多くの研究がなされている。
かかる燃料電池には、図4に示す様に、イットリア(Y2O3)が添加された安定化ジルコニアから成る焼成体を酸素イオン伝導型の固体電解質層100として用い、この固体電解質層100の一面側にカソード層102が形成されていると共に、固体電解質層100の他面側にアノード層104が形成された燃料電池用セル106が配設されている。
この燃料電池用セル106のカソード層102側には、酸素又は酸素含有気体が供給される。他方のアノード層104側には、メタン等の燃料ガスが供給される。
【0003】
かかる図4に示す燃料電池用セル106のカソード層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(O2-)にイオン化され、この酸素イオン(O2-)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(O2-)は、アノード層104に供給されたメタン(CH4)ガスと反応し、水(H2O)、二酸化炭素(CO2)、水素(H2)、一酸化炭素(CO)が生成される。かかる反応の際に、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。このため、カソ−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(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。
尚、かかる図4に示す燃料電池の作動温度は、約1000℃である。
【0004】
しかし、図4に示す燃料電池用セル106は、約1000℃もの高温下で、カソード層102側は酸化性雰囲気に晒されていると共に、アノード層104側は還元性雰囲気に晒されているため、燃料電池用セル106の耐久性を向上することは困難であった。
一方、SCIENCE,Vol.288(2000),p2031-2033には、図5に示す様に、固体電解質層100の両面側にカソード層102とアノード層104とが形成された燃料電池用セル106を、メタンガスと酸素とが混合された混合燃料ガス内に載置しても、燃料電池用セル106に起電力が発生することが報告されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
図5に示す燃料電池の様に、燃料電池用セル106を混合燃料ガス内に載置することによって、燃料電池用セル106の全体を実質的に同一雰囲気とすることができ、両面の各々を異なる雰囲気に晒す図4に示す燃料電池用セル106に比較して、その耐久性の向上を図ることができる。
しかしながら、図5に示す燃料電池には、約1000℃もの高温下でメタンガスと酸素とが混合された混合燃料ガスを供給するため、混合燃料ガスは、爆発の危険性を回避すべく、酸素濃度が発火限界よりも低濃度となるように(メタン濃度が発火限界を超える高濃度に)調整されて供給される。
この様に、著しく酸素量が不足する条件下では、燃料電池用セル106の発電効率が低く、メタン等の燃料の炭化が進行して電池性能が更に低下することがある。
そこで、本発明の課題は、メタン等の燃料と酸素との混合燃料ガスを用い、混合燃料ガスの爆発を防止し、使用する燃料電池用セルの発電効率を向上できるように、酸素濃度を高めた混合燃料ガスを使用し得る燃料電池を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、前記課題を解決するには、容器内の燃料電池用セルを除く空間部の防爆構造と、燃料電池用セルが収容された容器から排出された排ガスの安全な処理とが重要と考え検討した結果、この空間部に充填物を充填して形成した充填層の充填物間の間隙を、発火限界内にある混合燃料ガスが充填層内に存在していても発火し得ない間隙とすることにより、混合燃料ガスの防爆を図ることができること、及び充填層から排出された排ガスを燃焼する燃焼部を設けることにより、酸素と燃料ガスが混合された排ガスを安全に処理できることを見出し、本発明に到達した。
すなわち、本発明は、容器内に収容された燃料電池用セルに燃料ガス及び酸素を含む混合燃料ガスを供給して発電し、前記燃料電池用セルを通過したガスを排ガスとして前記容器から排出する燃料電池において、該燃料電池用セルを除いた、前記混合燃料ガスや排ガスが流動する容器内の空間部内に粉粒体、多孔体又は細管から成る充填物が充填されて成る充填層が設けられ、前記充填層の充填物間の平均間隙が、前記燃料電池を駆動した際に、前記充填層内の混合燃料ガスの消炎距離よりも狭い間隙に形成され、且つ前記充填層から排出された排ガスを燃焼する燃焼部が、前記充填層の排ガス出口の直近又は近傍に設けられていることを特徴とする燃料電池にある。
【0007】
かかる本発明において、充填物間の間隙に分布が存在する充填層であっても、前記充填物間の平均間隙を、燃料電池を駆動した際に、前記充填層内の混合燃料ガスの消炎距離よりも狭くし、且つ前記充填物間の最大間隙を、燃料電池を駆動した際に、前記充填層内の混合燃料ガスの爆轟を防止し得る消炎直径以下とすることにより、充填層内で混合燃料ガスが発火しても爆轟を防止できる。
また、燃料電池用セルを収容した収容部に加熱手段を設け、充填物を充填した空間部に冷却手段を設けることによって、空間部の防爆作用を更に向上できる。
更に、充填層から排出された排ガスを、前記燃料電池用セルが収容された収容部近傍に供給する配管を設け、前記配管から供給された排ガスを燃焼する燃焼部を、前記収容部を加熱する加熱手段として用いることによって、排ガスの燃焼によって生ずる熱の有効利用を図ることができる。
【0008】
この様な、本発明で用いる充填物としては、Ti,Cr,Te,Co,Ni,Cu,Al,Mo,Rh,Pd,Ag,W,Pt,Auから成る群から選ばれた一種又は二種以上の合金を含む金属、或いはMg,Al,Si,Zrから成る群から選ばれた一種又は二種以上のセラミックから成る粉粒体、多孔体又は細管を好適に使用できる。
また、燃料電池用セルとしては、固体電解質層がカソード層とアノード層とに挟み込まれて形成された複数の単一燃料電池用セルを、互いに隣接するアノード層とカソード層とを直接接合するように積層して形成した多層燃料電池用セルとすることによって、所望電圧を取出すことができる。
この多層燃料電池用セルを、その単一燃料電池用セルのアノード層及びカソード層を混合燃料ガスの流動方向に対して平行となるように容器内に載置する場合には、前記カソード層及びアノード層の各々を、前記混合燃料ガスが通過し得る多数の微細孔が形成された多孔質層とし、固体電解質層を、前記混合燃料ガスが通過することのない緻密構造とすることができる。
一方、多層燃料電池用セルを、その単一燃料電池用セルのアノード層及びカソード層を混合燃料ガスの流動方向に対して直角に載置する場合には、アノード層、カソード層及び固体電解質層の各々を、前記混合燃料ガスが通過し得る多数の微細孔が形成された多孔質層することにより、混合燃料ガスが多層燃料電池用セルを通過でき、他の通路を形成することを要しない。
【0009】
本発明によれば、容器の燃料電池用セルを除く空間部の防爆を図ると共に、排ガスを燃焼部で燃焼することによって、排ガスの安全な処理を図ることができ、混合燃料ガス中の酸素濃度を増加(燃料濃度を低下)できる。
その結果、燃料電池用セルの発電効率を向上でき、混合燃料ガス中の燃料の炭化による電池性能の更なる低下を防止できる。
【0010】
【発明の実施の形態】
本発明に係る燃料電池の一例を図1に示す。図1に示す燃料電池では、複数の単一燃料電池用セル16,16・・を積層した多層燃料電池用セルが、横断面形状が矩形又は円形の筒状容器20内に収容されている。
この筒状容器20の端部の一方は開放されているが、他方の端部を塞ぐ蓋19には、筒状容器20内にメタン等の燃料ガスを供給する燃料供給配管20a,20aと、空気を供給する空気供給配管20b,20bとが設けられている。
かかる燃料供給配管20a,20a及び空気供給配管20b,20bの各々には、筒状容器20内に供給する燃料ガス量及び空気量を調整する調整バルブ21a,21bが途中に設けられている。この燃料供給配管20a,20a及び空気供給配管20b,20bを経由して筒状容器20内に供給された燃料ガスと空気とは、筒状容器20内で混合されて混合燃料ガス(以下、混合ガスと称することがある)となる。
【0011】
かかる筒状容器20は、燃料電池の作動温度で充分に耐熱性を呈するように、1200℃程度まで耐熱性を有するセラミック等の耐熱材料によって形成され、多層燃料電池用セルを構成する単一燃料電池用セル16,16・・の各々は、緻密構造の固体電解質層10の一面側に形成された多孔質層のカソード層12と、この固体電解質層10の他面側に形成された多孔質層のアノード層14とから形成されている。
かかる単一燃料電池用セル16のアノード層14と、他の単一燃料電池用セル16のカソード層12とは、直接接合されて多層燃料電池用セルを形成する。この多層燃料電池用セルで発電された電力は、多層燃料電池用セルの最外層の一方に位置する単一燃料電池用セル16のカソード層12と、他方の最外層に位置する単一燃料電池用セル16のアノード層14とから引き出された引出線(図示せず)によって取出される。
【0012】
図1に示す単一燃料電池用セル16を形成する固体電解質層10は、酸素イオン誘導体であって、イットリウム(Y)やスカンジウム(Sc)等の周期律表第3族元素により部分安定化されたジルコニア酸化物、或いはサマリウム(Sm)やガドリウム(Gd)等がドープされたセリウム酸化物によって形成される。
更に、カソード層12は、ストロンチウム(Sr)等の周期律表第3族元素が添加されたランタンのマンガン、ガリウム又はコバルト酸化化合物から形成され、アノード層14は、固体電解質層10を形成する固体電解質が10〜30wt%添加されたニッケルサーメット又は白金担持体によって形成されている。
この様にして形成されたカソード層12及びアノード層14は、多孔質層であって、その開気孔率を20%以上、好ましくは30〜70%、特に40〜50%とすることが好ましい。
図1に示す多層燃料電池用セルは、予め焼成して形成した固体電解質層10に、所定形状の各層用のグリーンシートを積層した後、又は各積層用のペーストを所定形状に塗布した後、再焼成することによって得ることができる。
また、予め焼成して形成した単一燃料電池用セル16,16・・を積層して一体化することによっても、多層燃料電池用セルを得ることができる。
【0013】
図1に示す燃料電池で用いる多層燃料電池用セルのカソード層12とアノード層14とは、多孔質層であるため、燃料供給配管20a,20a及び空気供給配管20b,20bから供給された燃料ガスと空気とが混合された混合ガスは通過可能である。
このため、図1に示す燃料電池では、多層燃料電池用セルを、単一燃料電池用セル16を形成するカソード層12及びアノード層14が供給配管20a,20a・・から供給した混合ガスの流動方向と平行となるように、筒状容器20内に収容している。
その際に、筒状容器20内の混合ガスが多層燃料電池用セルのカソード層12及びアノード層14を経由して流れるように、多層燃料電池用セルの外周面の略全面を筒状容器20の内周面に密着し、筒状容器20内の混合ガスが、筒状容器20の内壁面と多層燃料電池用セルの外周面との間等からバイパスすることを防止している。
尚、必要に応じて筒状容器20の内壁面と多層燃料電池用セルの外周面との間に、例えばアルミナセメントや高融点ガラス等の低気孔率材料を用いて封止を施してもよい。
【0014】
この様に筒状容器20内に収容した多層燃料電池用セルと蓋19との間、及び多層燃料電池用セルと筒状容器20の開放端との間に、空間部22,24が形成される。かかる空間部22,24が、空状態の場合は、燃料電池の駆動温度である約1000℃の高温下において、混合ガスの発火を防止するには、混合ガス中の酸素濃度を発火限界よりも低濃度(メタン等の燃料ガスを発火限界よりも高濃度)とすることが必要である。
この様に、酸素濃度が低濃度の混合ガスを用いる場合、燃料電池用セルの発電効率が低く、メタン等の燃料の炭化が進行して電池性能が更に低下することがある。
一方、混合ガス中の酸素濃度を、燃料ガスが炭化することがなく且つ燃料電池用セルの発電効率を向上し得る濃度にすると、空間部22中の混合ガスの組成が発火限界内に入り、爆発の危険性が著しく高くなる。
【0015】
この点、図1の燃料電池では、空間部22,24に充填物を充填して充填層26a,26bを形成し、充填物間の平均間隙を、燃料電池を駆動した際に、充填層26a,26b内に酸素濃度(燃料ガス濃度)が発火限界内の混合ガスが存在していても発火し得ない距離としている。
具体的には、充填物間の平均間隙を、燃料電池を駆動した際に、充填層26a,26b内に存在する発火限界内の混合ガスの消炎距離よりも狭くなるように、充填物を充填している。
このため、筒状容器20に供給する混合ガス中の酸素濃度を、メタン等の燃料ガスが発火する発火限界内まで高めても、充填層26a,26bでの発火を回避できる。
ここで言う「混合ガスの消炎距離」とは、「化学便覧(応用化学編II)」(社団法人日本化学会編、昭和63年11月15日第2刷発行)の第407頁に規定されており、混合ガスの発火が起こり得る最小電極間距離のことである。この距離よりも狭い電極間距離では、エネルギーをいくら大きくして発火が起こらない。
かかる消炎距離は、混合ガス中の酸素濃度や圧力等に応じて変化するため、燃料電池を駆動した際に、充填層26a,26b内に存在する混合ガスの消炎距離を実験的に求めておくことが好ましい。
【0016】
また、充填層26a,26bの充填物間の間隙は、一様ではなく分布を有している。このため、充填物間の平均間隙が、燃料電池を駆動した際に、充填層26a,26b内に存在する混合ガスの消炎距離よりも狭いものの、充填物間の間隙の最大間隙が混合ガスの消炎距離よりも広くなる場合がある。この場合、混合ガスが発火したとき、爆轟に繋がるおそれがあるため、充填物間の最大間隙を、燃料電池を駆動した際に、充填層26a,26b内に存在する混合燃料ガスの爆轟を防止し得る消炎直径以下とすることによって、例え混合ガスに着火しても爆轟を防止できる。
尚、「消炎直径」とは、筒から吹出す混合気体に着火しても、筒内に燃焼波が浸入できない限界の直径をいい、メタンと酸素との混合気体の消炎直径は、0.1〜3mmである。
【0017】
図1に示す燃料電池の空間部22,24に充填する充填物26としては、燃料電池の駆動条件で安定している金属又はセラミックから成る粉粒体、多孔体又は細管を用いることができる。
かかる粉粒体、多孔体又は細管としては、Ti,Cr,Te、Co、Ni,Cu,Al,Mo,Rh,Pd,Ag,W,Pt,Auから成る群から選ばれた一種又は二種以上の合金を含む金属によって形成された粉粒体、多孔体又は細管、或いはMg,Al,Si,Zrから成る群から選ばれた一種又は二種以上のセラミックによって形成された粉粒体、多孔体又は細管を好適に用いることができる。
また、粉粒体としては、粒径が50〜1000μmの粉粒体が好ましく、多孔体としては、開気孔率が50%以上の多孔体が好ましい。細管としては、内径100〜200μmの細管が好適に使用でき、長い細管を空間部22,24に混合ガスの流動方向に並べて充填してもよく、短管状の細管を空間部22,24にランダムに充填してもよい。
【0018】
図1に示す燃料電池では、多層燃料電池用セルよりも出口側の空間部24に形成した充填層26bの充填物間の間隙は、燃料電池を駆動した際に、酸素濃度(燃料ガス濃度)が発火限界内の混合ガスが存在していても発火し得ない距離に形成されている。このため、充填層26bの排ガス出口の直近、すなわち筒状容器20の開放端に排ガスを燃焼する燃焼部18を設けても、燃焼部18から充填層26b内の混合ガスに引火することはない。
この様に、充填層26bの排ガス出口の直近に排ガスを燃焼する燃焼部18を設けることによって、防爆構造とし難い配管で排ガスを燃料電池外に排出する場合に比較して、排ガスを安全に処理できる。
また、図1に示す燃料電池には、多層燃料電池用セルが収容された部分を加熱する加熱手段としての加熱ヒータ50を設け、充填層26a,26bには、冷却手段としての冷却管52を設けている。この様に、充填層26a,26b内に存在する混合ガスを冷却することによって、充填層26a,26b内に存在する混合ガスの消炎直径を大きくできる。充填層26a,26bを強制冷却する場合には、充填層26a,26bを形成する充填物を、伝熱性が良好な金属とすることが好ましい。
更に、筒状容器20内には、燃料ガス及び空気の各々を分散して複数個所から供給する。この様に、燃料ガス及び空気の各々を分散して筒状容器20内に供給することにより、筒状容器20内での燃料ガスと空気との極端な偏流を防止できる。
尚、筒状容器20内に供給する燃料ガス及び空気の供給量は、調整バルブ21a,21bを調整して行うことができる。
【0019】
筒状容器20のガス供給側に充填された充填層26aに供給され混合された混合ガスは、充填された充填物間の間隙を通過して多層燃料電池用セルに到達し、多孔質層のカソード層12及びアノード層14を充填層26bの方向に流動する。この際に、混合ガスは、カソード層12及びアノード層14を形成する微細孔内に拡散し、固体電解質層10の表面に到達する。
固体電解質層10の表面に到達した混合ガスのうち、メタン等の可燃性ガスと固体電解質層10を通過した酸素イオンとが電気化学的に反応し、水(H2O)、二酸化炭素(CO2)、水素(H2)、一酸化炭素(CO)を生成すると共に、酸素イオンが電子を放出する。この電気化学的反応によって生成した水(H2O)、二酸化炭素(CO2)、水素(H2)、一酸化炭素(CO)は、充填層26bから排出される。
【0020】
混合ガスの組成は、多層燃料電池用セルのカソード層12及びアノード層14を流れるに従って酸素量が減少し、水(H2O)、二酸化炭素(CO2)、水素(H2)、一酸化炭素(CO)が増加するが、多層燃料電池用セルの面積や効率により未反応の燃料ガスが排ガス中に含まれる。このため、充填層26bから排出される排ガス中の燃料ガス成分の濃度は、燃焼範囲内(発火限界内)にあり、充分に燃焼可能である。従って、充填層26bの排ガス出口の直近に設けられた燃焼部18で着火すると、排ガスは燃焼する。
この様に、充填層26bの排ガス出口に設けられた燃焼部18で排ガスを燃焼することにより、安全に処理できる。
また、充填層26bの排ガス出口に設けられた燃焼部18で排ガスを燃焼しても、充填層26b内に燃焼が進行しない。このことは、充填層26bの充填物間の間隙が、酸素濃度(燃料ガス濃度)が発火限界内の混合ガスが存在していても発火し得ない距離に形成されていることの証左でもある。
また、燃焼部18に加熱コイル等の熱回収手段を設け、燃焼部18で排ガスが燃焼されて発生する熱を回収してもよい。
尚、図1の燃料電池に供給する燃料ガスとしては、メタンの他に、水素ガス、エタン,プロパン等の可燃性ガスを好適に用いることができる。
【0021】
図1に示す燃料電池では、燃焼部18に設けた加熱コイル等の熱回収手段によって、排ガスの燃焼によって発生する熱の一部を回収することは可能ではあるが、図2に示す燃料電池の様に、燃焼部18を、燃料電池用セルを収容した筒状容器20の収容部を加熱する加熱手段として用いることにより、燃料電池用セルの近傍を燃料電池の駆動温度に容易に加熱可能である。
この筒状容器20の収容部を加熱する燃焼部18には、充填層26bから排出された排ガスが複数本の配管32,32・・によって分散されて導かれる。この配管32,32・・は、筒状容器20の両端部を塞ぐ蓋19,23のうち、蓋23の裏側直近から筒状容器20の収容部近傍まで延出されている。
図2に示す燃料電池では、燃焼部18が筒状容器20の収容部に収容した燃料電池用セルの混合ガス入口側の近傍に位置するように、配管32,32・・の各先端を、燃料電池用セルの混合ガス入口側に相当する部分を収容した収容部の下端近傍まで延出している。
尚、配管32内には、配管32内の排ガスへの着火を確実に防止すべく、充填物を充填してもよい。
【0022】
図2に示す燃料電池では、その運転を開始する際には、燃料電池用セルを作動温度まで昇温することが必要である。このため、燃料ガス及び空気を供給する調整バルブ21a,21bを調整し、燃料ガスが良好に燃焼する比率となるように両ガスを筒状容器20内に供給する。
燃料電池の運転開始の際には、燃料電池用セルが作動温度よりも低温であるため、混合ガスは燃料電池用セルで殆ど消費されることなく配管32,32・・に導かれ、筒状容器20の収容部近傍の燃焼部18に到達して燃焼される。
かかる燃焼部18での燃焼によって、燃料電池用セルが昇温されて作動温度に到達すると、混合ガスが消費されて発電されると共に発熱する。このため、調整バルブ21a,21bを調整し、燃料ガスと空気との混合比を発電効率が良好となる比率となるように調整する。
この様に、図2に示す燃料電池では、燃料電池用セルを加熱する図1に示す加熱ヒータ50を不要にできる。
尚、図2に示す燃料電池を形成する部材のうち、図1に示す燃料電池と同一部材については図1と同一符号を付して詳細な説明を省略した。
【0023】
図1及び図2に示す燃料電池では、多層燃料電池用セルを構成する固体電解質層10が緻密構造であるため、多層燃料電池用セルを、その単一燃料電池用セル16を形成するカソード層12及びアノード層14を供給配管20a,20a・・から供給した混合ガスの流動方向と平行となるように筒状容器20内に収容し、多孔質層であるカソード層12及びアノード層14を混合ガスの流路としている。かかる図1及び図2に示す燃料電池では、多層燃料電池用セルの外周面と筒状容器20の内周面との封止が困難となり易い傾向にある。
この点、図3に示す燃料電池の様に、複数の単一燃料電池用セル40,40・・が積層された多層燃料電池用セルを、単一燃料電池用セル40を形成するカソード層12及びアノード層14を、燃料供給配管20a,20aと、空気を供給する空気供給配管20b,20bとから供給した燃料ガスと空気とが混合された混合ガスの流動方向と直角となるように筒状容器20内に収容することによって、多層燃料電池用セルの外周面と筒状容器20の内周面との封止を容易とすることができる。
但し、混合ガスが多層燃料電池用セルを通過することを要するため、図3に示す多層燃料電池用セルを構成する単一燃料電池用セル40は、カソード層12、アノード層14及び固体電解質層30が多孔質層によって形成されている。
【0024】
図3に示す多層燃料電池用セルは、所定形状に形成した各層のグリーンシートを積層した積層体を同時焼成することによって得ることができる。このため、図3に示す多層燃料電池用セルは、予め焼成して形成した固体電解質層10に、所定形状の各層用のグリーンシートを積層した後、又は各層用のペーストを所定形状に塗布した後、再焼成することによって得る図1又は図2に示す多層燃料電池用セルに比較して、製造コスト等を安価とすることができる。
ここで、図3に示す燃料電池を形成する部材のうち、図1又は図2に示す燃料電池と同一部材については図1と同一番号を付して詳細な説明を省略する。
かかる図3に示す燃料電池の燃料供給配管20a,20aと、空気を供給する空気供給配管20b,20bとから供給した燃料ガスと空気とが混合された混合ガスは、多孔質層のカソード層12、アノード層14及び固体電解質層30内を流れつつ、電気化学反応を惹起し、充填層26bから排出される。
【0025】
以上、説明してきた図1〜図3においては、燃料電池用セルを収容する筒状容器20の収容部内に温度計測機構を設け、収容部内の温度を燃料電池用セルの最適温度となるように制御するようにしてもよい。収容部内の温度制御は、図1に示す燃料電池では、加熱ヒータ50を用いて制御でき、図2に示す燃料電池では、燃焼部18での燃焼程度を制御することによって制御できる。
更に、筒状容器20の燃料電池用セルを収容する収容部(加熱ヒータ50又は燃焼部18の燃焼で加熱する部分)を除く部分に、断熱材を設けてもよい。
また、図1〜図3に示す燃料電池では、多層燃料電池用セルを用いているが、燃料電池用セルと容器との間隙から混合ガスのバイパスを防止できれば、本発明を単一燃料電池用セルのみを容器内に収容した燃料電池にも適用できる。
【0026】
【発明の効果】
本発明によれば、混合燃料ガスを用いた燃料電池において、酸素濃度が発火範囲内に入る混合燃料ガスを用いて安全に発電ができる。このため、酸素濃度を発電効率が良好となる濃度に調整した混合ガスを用いて発電でき、混合ガスを用いた燃料電池の発電効率を従来よりも向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係る燃料電池の一例を説明する縦断面図である。
【図2】 本発明に係る燃料電池の他の例を説明する縦断面図である。
【図3】 本発明に係る燃料電池の他の例を説明する部分縦断面図である。
【図4】 従来の燃料電池を説明する概略図である。
【図5】 改良された燃料電池を説明す概略図である。
【符号の説明】
10,30 固体電解質層
12 カソード層
14 アノード層
16,40 単一燃料電池用セル
18 燃焼部
20 筒状容器
20a 燃料供給配管
20b 空気供給配管
21a,21b 調整バルブ
22,24 空間部
26a,26b 充填層
32 配管
50 加熱ヒータ
52 冷却管
Claims (8)
- 容器内に収容された燃料電池用セルに燃料ガス及び酸素を含む混合燃料ガスを供給して発電し、前記燃料電池用セルを通過したガスを排ガスとして前記容器から排出する燃料電池において、
該燃料電池用セルを除いた、前記混合燃料ガスや排ガスが流動する容器内の空間部内に粉粒体、多孔体又は細管から成る充填物が充填されて成る充填層が設けられ、前記充填層の充填物間の平均間隙が、前記燃料電池を駆動した際に、前記充填層内の混合燃料ガスの消炎距離よりも狭い間隙に形成され、
且つ前記充填層から排出された排ガスを燃焼する燃焼部が、前記充填層の排ガス出口の直近又は近傍に設けられていることを特徴とする燃料電池。 - 充填物間の間隙に分布が存在する充填層であって、前記充填物間の平均間隙が、燃料電池を駆動した際に、前記充填層内の混合燃料ガスの消炎距離よりも狭く、且つ前記充填物間の最大間隙が、燃料電池を駆動した際に、前記充填層内の混合燃料ガスの爆轟を防止し得る消炎直径以下である請求項1記載の燃料電池。
- 燃料電池用セルが収容された収容部には、加熱手段が設けられ、充填物が充填された空間部には、冷却手段が設けられている請求項1又は請求項2記載の燃料電池。
- 充填層から排出された排ガスを、前記燃料電池用セルが収容された収容部近傍に供給する配管が設けられ、前記配管から供給された排ガスを燃焼する燃焼部が、前記収容部を加熱する加熱手段として用いられている請求項1〜3記載のいずれか一項記載の燃料電池。
- 充填物が、Ti,Cr,Te , Co,Ni,Cu,Al,Mo,Rh,Pd,Ag,W,Pt,Auから成る群から選ばれた一種又は二種以上の合金を含む金属、或いはMg,Al,Si,Zrから成る群から選ばれた一種又は二種以上のセラミックから成る粉粒体、多孔体又は細管である請求項1〜4のいずれか一項記載の燃料電池。
- 燃料電池用セルが、固体電解質層がカソード層とアノード層とに挟み込まれて形成された複数の単一燃料電池用セルが、互いに隣接するアノード層とカソード層とが直接接合されるように積層されて形成された多層燃料電池用セルである請求項1〜5のいずれか一項記載の燃料電池。
- 多層燃料電池用セルが、その単一燃料電池用セルのアノード層及びカソード層が混合燃料ガスの流動方向に対して平行となるように容器内に載置され、
前記カソード層及びアノード層の各々が、前記混合燃料ガスが通過し得る多数の微細孔が形成された多孔質層であり、固体電解質層が、前記混合燃料ガスが通過することのない緻密構造である請求項6記載の燃料電池。 - 多層燃料電池用セルが、その単一燃料電池用セルのアノード層及びカソード層が混合燃料ガスの流動方向に対して直角に載置され、
前記アノード層、カソード層及び固体電解質層の各々が、前記混合燃料ガスが通過し得る多数の微細孔が形成された多孔質層である請求項6記載の燃料電池。
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