JP4484850B2 - 燃料電池用ガスタンク及び燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池の発電に用いられるガスを供給するための燃料電池用ガスタンクおよび燃料電池に関する。

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。

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。

一方、燃料電池が発電するまでの起動時間を短くするため、従来、収納容器内にバーナーが設けられた燃料電池が知られている（特許文献１参照）。
特開平５−４１２４１号公報

しかしながら、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、上記公報に開示された固体電解質型燃料電池においては、複数の燃料電池セルが直接ガスタンクに固定されているため、ガスタンクの圧力が十分に上昇せず、複数の燃料電池セルへのガス供給が不均一になる傾向があった。

また燃料電池を起動するにあたり、燃料電池セルの温度を上昇させる必要があり、燃料電池セルの起動に時間がかかるという問題もあった。

本発明は、ガス供給信頼性を向上できるとともに、燃料電池の起動時間を短縮することが可能な、燃料電池用ガスタンクを提供することを目的とする。

本発明の燃料電池用ガスタンクは、箱状のガスタンクの天板に軸長方向にガス通過孔を有する複数の燃料電池セルの軸長方向端部が保持固定されるとともに、前記ガスタンクの内部に前記燃料電池セルに燃料ガスを供給するための燃料電池セル用燃料ガス室と、前記燃料電池セルを加熱するためのバーナー用燃料ガス室とを具備してなり、前記天板にバーナー用燃料ガス貫通孔を設けて該バーナー用燃料ガス貫通孔と前記バーナー用燃料ガスとを連通するとともに、前記燃料電池セルのガス通過孔と前記燃料電池セル用燃料ガス室とを連通してなることを特徴とする。

このような燃料電池用ガスタンクでは、ガスタンクの内部に燃料電池セルに燃料ガスを供給するための燃料電池セル用燃料ガス室とは別に、バーナー用燃料ガス室を設けていることから、バーナー用燃料ガス室より供給されるバーナー用燃料ガスを天板のバーナー用貫通孔から噴出させ燃焼させることで、燃料電池セルを直接加熱することができる。それにより、燃料電池セルを加熱して発電する温度まで急速に加熱でき、燃料電池の起動時間を短縮できる。

また、燃料電池用ガスタンクの内部に、燃料電池セルに燃料ガスを供給するための燃料電池セル用燃料ガス室と、燃料電池セルを加熱するためのバーナー用燃料ガス室とを別途設けたことから、例えば、燃料ガスの供給量を別々に制御することができ、また、燃料電池セル用燃料ガスとバーナー用燃料ガスとを異なる種類のガスとすることができるほか、燃料電池用ガスタンクを小型化することができる。

また、本発明の燃料電池用ガスタンクは、前記燃料電池セルに複数の前記ガス通過孔が設けられているとともに、前記天板に前記ガス通過孔と連通した複数の貫通孔が設けられていることが好ましい。

このような燃料電池用ガスタンクでは、天板に燃料電池セルにガスを供給するための小さい径の貫通孔を複数設けたことにより、燃料電池セル用燃料ガス室の圧力をより上昇することができ、複数の燃料電池セルに均一にガスを供給することができる。さらには、貫通孔を通過した燃料ガスが天板に保持固定される燃料電池セルの端面を押し出すような力を小さくすることができ、燃料電池セルと燃料電池用ガスタンクとのガス封止信頼性を向上できる。

また、本発明の燃料電池は、上記いずれかに記載の燃料電池用ガスタンクを収納容器内に収納してなることを特徴とする。

このような燃料電池では、燃料電池用ガスタンクに設けられる燃料電池セルに燃料ガスを供給するための燃料電池セル用燃料ガス室とは別に、バーナー用燃料ガス室より供給されるバーナー用燃料ガスを燃焼させることで、燃料電池セルを加熱して発電する温度まで急速に加熱できることから、起動時間を短縮できる燃料電池を提供することができる。

また、燃料電池セルに燃料ガスを供給する燃料ガスと、バーナー用燃料ガスの供給を別途も受けたことから、燃料ガスの供給を別々に制御することができ、燃料電池の発電や燃料電池の起動を、より効率よく行うことができる。

本発明の燃料電池用ガスタンクは、箱状のガスタンクの天板に軸長方向にガス通過孔を有する複数の燃料電池セルの軸長方向端部が保持固定されるとともに、前記ガスタンクの内部に前記燃料電池セルに燃料ガスを供給するための燃料電池セル用燃料ガス室と、前記燃料電池セルを加熱するためのバーナー用燃料ガス室とを具備してなり、前記天板にバーナー用燃料ガス貫通孔を設けて該バーナー用燃料ガス貫通孔と前記バーナー用燃料ガス室とを連通するとともに、前記燃料電池セルのガス通過孔と前記燃料電池セル用燃料ガス室とを連通してなることから、燃料電池セルに燃料ガスを供給できるとともに、バーナー用燃料ガス室より供給されるバーナー用燃料ガスを燃焼させることで、燃料電池セルを加熱して発電する温度まで急速に加熱でき、燃料電池の起動時間を短縮できる。さらには、燃料電池セルに燃料ガスを供給するための燃料電池セル用燃料ガス室と、燃料電池セルを加熱するためのバーナー用燃料ガス室とを別途設けたことから、例えば、燃料ガスの供給量を別々に制御することができ、また、燃料電池セル用燃料ガスとバーナー用燃料ガスとを異なる種類のガスとすることができるほか、燃料電池用ガスタンクを小型化することができる。

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。

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。

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。

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。

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。

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、下端部は燃料ガスタンク５０の天板５０ａに支持固定されている。支持板４５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と燃料ガスタンク５０の天板５０ａ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と天板５０ａとの間が発電室４９とされている。

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５１、及び後述するガスバーナーへの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。

即ち、燃料ガスタンク５０の天板５０ａには、図３（ａ）に示すように、燃料電池セル３３の下端部が収容される保持固定用凹部５０ａ１が形成され、この保持固定用凹部５０ａ１の底面には、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５０ａ２が形成され、さらに、保持固定用凹部５０ａ１が形成されていない天板５０ａの部分には、ガスバーナー用燃料ガスを発電室４９内に供給するためのバーナー用貫通孔５０ａ３が形成されている。

保持固定用凹部５０ａ１に挿入される燃料電池セル３３の燃料側電極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の保持固定用凹部５０ａ１底面に当接することにより、凹部５４と保持固定用凹部５０ａ１底面との間にガス収容空間５５が形成されている。

燃料ガスタンク５０の保持固定用凹部５０ａ１底面に形成された複数の貫通孔５０ａ２、及び燃料電池セル３３の複数のガス通過孔３４が一つのガス収容空間５５に開口しており、バーナー用貫通孔５０ａ３は、発電室４９内に開口している。

燃料ガスタンク５０の天板５０ａ内面には、仕切板５６により複数のセル列毎に貫通孔５０ａ２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５１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。

天板５０ａの保持固定用貫通孔５０ａ１の内面と燃料電池セル３３外面との間にはガラス等のシール剤が介在され、接合されている。

発電時には、燃料ガスタンク５０の天板５０ａに形成されたバーナー用貫通孔５０ａ３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５０ａ３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。

また、図１に示すように、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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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５１、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。

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、発電に用いられ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。

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５０ａの複数の貫通孔５０ａ２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の複数の貫通孔５０ａ２に燃料電池セル３３の複数のガス通過孔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。

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の複数のガス通過孔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。また、ガスタンク５０の貫通孔５０ａ２は小さいため、ガスタンク５０内の圧力が高くなり、複数の燃料電池セル３３に均一に燃料ガスを供給できる。

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。

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。

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。

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。

また、起動時にガスタンク５０の天板５０ａに形成されたバーナー用貫通孔５０ａ３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、起動時間をさらに短縮できる。

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。

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。

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、天板５０ａの保持固定用凹部５０ａ１内にスペーサ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、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。

また、図７に示すように、天板５０ａの保持固定用凹部５０ａ１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。

燃料電池を示す説明図である。 図１のセルスタックを示す横断面図である。 本発明の燃料ガスタンクと燃料電池セル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。 熱交換部を説明するための斜視図である。 本発明の燃料ガスタンクと燃料電池セルとの接続の他の例を示す断面図である。 本発明の燃料ガスタンクと燃料電池セル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
５０・・・ガスタンク
５０ａ・・・ガスタンクの天板
５０ａ１・・・保持固定用凹部
５０ａ２・・・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 (3)

1. 箱状のガスタンクの天板に軸長方向にガス通過孔を有する複数の燃料電池セルの軸長方向端部が保持固定されるとともに、前記ガスタンクの内部に前記燃料電池セルに燃料ガスを供給するための燃料電池セル用燃料ガス室と、前記燃料電池セルを加熱するためのバーナー用燃料ガス室とを具備してなり、前記天板にバーナー用燃料ガス貫通孔を設けて該バーナー用燃料ガス貫通孔と前記バーナー用燃料ガス室とを連通するとともに、前記燃料電池セルのガス通過孔と前記燃料電池セル用燃料ガス室とを連通してなることを特徴とする燃料電池用ガスタンク。
2. 前記燃料電池セルに複数の前記ガス通過孔が設けられているとともに、前記天板に前記ガス通過孔と連通した複数の貫通孔が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用ガスタンク。
3. 請求項１または請求項２に記載の燃料電池用ガスタン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。

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