(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応容器内に、内部に空気が供給される複数の有底筒状の燃料電池セルを所定間隔を置いて立設して収容するとともに、前記反応容器の一方側面に、前記燃料電池セルの長さ方向に所定間隔をおいて、前記燃料電池セルの側方へ燃料ガスを供給する供給孔を複数形成し、前記反応容器の前記一方側面に対向する他方側面に、前記燃料電池セルの長さ方向に所定間隔をおいて、前記燃料電池セルの側方からの燃料ガスを排出する排出孔を複数設け、燃料ガスが前記燃料電池セルの長さ方向と直交する方向に流れることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
複数の燃料電池セルの集合体であるスタックから電力を取り出すための一対の集電体が、燃料ガスの供給孔または排出孔に対向して設けられており、前記集電体に流通孔が形成されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池に関し、特に、反応容器内に複数の有底筒状の燃料電池セルを所定間隔を置いて立設して収容した燃料電池に関する。
【０００２】
【従来技術】
従来の固体電解質型燃料電池は、図５に示すように、反応容器５１内に、空気室仕切板５３、燃焼室仕切板５５、燃料ガス室仕切板５７を用いて空気室Ａ、燃焼室Ｂ、反応室Ｃ、燃料ガス室Ｄが形成されている。
【０００３】
反応容器５１内に収容された複数の有底筒状の固体電解質型燃料電池セル５９は、燃焼室仕切板５５に形成された複数のセル挿入孔６０にそれぞれ挿入固定されており、その開口部６１は燃焼室仕切板５５から燃焼室Ｂ内に突出しており、その内部には、空気室仕切板５３に固定された空気導入管６３の一端が挿入されている。
【０００４】
燃焼室仕切板５５には、余剰の未反応燃料ガスを反応室Ｃから燃焼室Ｂに排出するために、複数の排気孔６４が形成されており、燃料ガス室仕切板５７には、燃料ガスを燃料ガス室Ｄから反応室Ｃに供給するために、複数の給気孔が形成されている。
【０００５】
また、反応容器５１には、例えば水素からなる燃料ガスを導入する燃料ガス導入口６５、空気を導入する空気導入口６７、燃焼室Ｂ内で燃焼したガスを排出するための排気口６９が形成されている。
【０００６】
このような固体電解質型燃料電池は、空気室Ａからの空気を、空気導入管６３を介して固体電解質型燃料電池セル５９内にそれぞれ供給し、かつ、燃料ガス室Ｄからの燃料ガスを、燃料ガス室仕切板５７の給気孔を介して複数の固体電解質型燃料電池セル５９間に供給し、反応室Ｃにて反応させ発電し、余剰の空気と未反応燃料ガスを燃焼室Ｂにて燃焼させ、燃焼したガスが排気口６９から外部に排出される。
【０００７】
しかしながら、従来の固体電解質型燃料電池は、燃料電池セル５９の底部側に新鮮な燃料ガスを供給して、燃料電池セル５９の軸方向に沿って燃料を消費していたため、１本の燃料電池セル５９の両端で、雰囲気ガス中の燃料分圧が９０％から１５％程度と極端に異なっていた。
【０００８】
そして、燃料電池セル５９の起電力は、燃料ガスの燃料分圧に影響されるため、上記したように、燃料電池セル５９の両端で起電力が異なることにより、１本の燃料電池セル５９内に、異なる起電力の電池を並列接続したときと等価な回路が形成され、電力損失を生じるという問題があった。
【０００９】
このような問題を解決するため、例えば、特開平４−２９４０６８号公報に開示されるように、燃料ガスを燃料電池セルの側方へ供給した燃料電池が知られている。
【００１０】
この公報に開示された燃料電池は、図６に示すように、反応容器８１の対向する両側面に、燃料ガスを供給する供給孔８２を設けるとともに、反応容器８１の底面に供給孔８３を設け、反応容器８１内に収容された燃料電池セル８５の側方および下方から燃料ガスを供給し、余剰の燃料ガスを燃料電池セル８５と仕切板８７との隙間から排出していた。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平４−２９４０６８号公報に開示された燃料電池では、反応容器８１の対向する両側面の供給孔８２から、および反応容器８１の底面の供給孔８３から燃料ガスを供給していたため、供給孔８２、８３近傍の燃料電池セル８５では起電力差が低減されるものの、余剰の燃料ガスを燃料電池セル８５と仕切板８７との隙間から、つまり反応容器８１の上方から排出していたため、中央部に配置された燃料電池セル８５では従来と同様、１本の燃料電池セル８５の両端で起電力差が大きく、１本の燃料電池セル８５内に、異なる起電力の電池を並列接続したときと等価な回路が形成され、未だ電力損失が大きいという問題があった。
【００１２】
本発明は、燃料電池セル全面でほぼ同等の起電力を発生できる燃料電池を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料電池は、反応容器内に、内部に空気が供給される複数の有底筒状の燃料電池セルを所定間隔を置いて立設して収容するとともに、前記反応容器の一方側面に、前記燃料電池セルの長さ方向に所定間隔をおいて、前記燃料電池セルの側方へ燃料ガスを供給する供給孔を複数形成し、前記反応容器の前記一方側面に対向する他方側面に、前記燃料電池セルの長さ方向に所定間隔をおいて、前記燃料電池セルの側方からの燃料ガスを排出する排出孔を複数設け、燃料ガスが前記燃料電池セルの長さ方向と直交する方向に流れるものである。
【００１４】
このような構成を採用することにより、反応室内の燃料分圧の分布を、燃料電池セルの長さ方向ではなく、反応容器の側面方向（燃料電池セルの幅方向）に生じさせることができ、１本の燃料電池セルに供給される燃料ガスの燃料分圧はほぼ均一となり、１本の燃料電池セル内での極端な起電力の分布を抑制できる。言い換えれば、１本の燃料電池セル内での起電力を均等にできる。
【００１５】
即ち、燃料電池セルのスタックの側方から供給された燃料ガスが、燃料電池セルのスタック集合体の側方の反応容器から排出し、燃料電池セルの長さ方向に対して一様な濃度の燃料ガスが供給されることになり、このため、１本の燃料電池セル内で、極端に異なる起電力が生じることを抑制でき、燃料電池セルのスタックでは、異なる起電力の電池を並列接続ではなく、直列接続した回路と等価にでき、電力損失を大きく低減できる。従って、従来のような異なる起電力の電池を並列接続したものと等価な回路を除去できるため、電力損失を大きく低減して、出力電力を大きく向上できる。
【００１６】
また、燃料ガスの供給孔と排出孔を、反応容器の対向する側面に形成することにより、燃料電池セルのスタックに対して、最も効果的に燃料ガスを供給することができる。
【００１７】
さらに、燃料電池セルのスタックから電力を取り出すための一対の集電体を、燃料ガスの供給孔または排出孔に対向して設け、集電体に流通孔を形成することにより、燃料ガスの分散を確実に行うことができ、１本の燃料電池セル内での起電力をさらに均等にできる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の燃料電池は、図１に示すように、反応容器１内に、空気室仕切板３、燃焼室仕切板５を用いて空気室Ａ、燃焼室Ｂ、反応室Ｃが形成されている。
【００１９】
反応容器１内には複数の有底筒状の固体電解質型燃料電池セル９が収容されており、その上端部は、燃焼室仕切板５に形成された複数のセル挿入孔１０にそれぞれ挿入固定されており、その開口部は燃焼室仕切板５から燃焼室Ｂ内に突出しており、その内部には、空気室仕切板３に端部が固定された酸素含有ガス導入管１１の一端が挿入されている。
【００２０】
反応容器１の一方側面にはダクト１２が設けられ、その一端が、例えば水素からなる燃料ガスを導入する燃料ガス導入口１３とされ、その内部が、燃料ガスを分散して反応室Ｃ内へ供給する燃料ガス分散室Ｄとされている。燃料ガス分散室Ｄ内における反応容器１の側面には、複数の燃料ガスの供給孔１４が形成されている。
【００２１】
また、反応容器１の他方側面にはダクト１７が設けられ、その内部が燃料ガス排気室Ｅとされている。ダクト１７には、余剰の燃料ガスを燃焼室Ｂへ供給するための連通孔１８が形成されている。燃料ガス排気室Ｅにおける反応容器１の側面には、複数の排出孔１９が形成されている。燃料ガスの供給孔１４と排出孔１９は、反応容器１の対向する側面に形成されている。
【００２２】
さらに、反応容器１には、燃焼室Ｂ内で燃焼したガスを外部に排出する排気口２０、空気を導入する空気導入口２１が形成されている。
【００２３】
反応容器１には、図２に示すような複数の燃料電池セル９のスタック（集合体）２２が収容されており、セル９は、図３に示すように、例えばＹ2 Ｏ3 安定化ＺｒＯ2 からなる円筒状の固体電解質２３の、内面側にＬａＭｎＯ3 系からなる空気極２４、外面側にＮｉ−ＺｒＯ2 系からなる燃料極２５を有し、内面側の空気極２４と電気的に接続されて円筒外面に表出する、ＬａＣｒＯ3 系よりなるインターコネクタ２６を有するように構成されている。
【００２４】
スタック２２は、図２に示すように、複数の燃料電池セル９を、隣り合うセル９の燃料極２５とインターコネクタ２６が、Ｎｉ金属繊維等の接続部材２７を介して電気的に接続するように構成されている。
【００２５】
また、図１および図２に示したように、反応容器１には、スタック２２の最外列に位置し燃料極２５と接続部材２７を介して接する集電体３７と、スタック２２の最外列に位置しインターコネクタ２６と接続部材２７を介して接する集電体３８とが収容され、これらの集電体３７と集電体３８は、スタック２２を挟んで対向している。図２に集電体３７と集電体３８でスタック２２を挟持した状態を示す。このような集電体３７と集電体３８を介して電力が取り出される。
【００２６】
即ち、燃料電池セル９のスタック２２から電力を取り出すための一対の集電体３７、３８が、燃料ガスの供給孔１４または排出孔１９に対向して設けられており、集電体３７、３８に複数の流通孔４１が形成されている。この流通孔４１により、燃料ガスの分散を効率良く行うことができる。
【００２７】
以上のように構成された燃料電池では、燃料電池セル９のスタック２２の側方から、燃料ガスが反応容器１の供給孔１４を介して供給され、余剰の燃料ガスが、燃料電池セル９のスタック２２の側方の反応容器１から排出孔１９を介して、燃料ガス排気室Ｅへ排出され、余剰の燃料ガスが連通孔１８を介して燃焼室Ｂ内に入る。
【００２８】
一方、酸素含有ガスとしての空気は、酸素含有ガス導入管１１を介して燃料電池セル９に供給され、余分な空気が燃焼室Ｂ内に排出され、この燃焼室Ｂ内で、連通孔１８を介して供給された余剰の燃料ガスと反応して燃焼し、排気ガスとして外部に排出される。
【００２９】
図４に燃料電池セルにおけるガスの流れを示す。燃料ガスはセル側方から導入され、セル側面で発電により酸化されながら進む。一方空気は酸素含有ガス導入管１１を介してセル上方よりセル内部下方へ導入され、セル内部下方より上部へと、酸素を消費しながら流れる。セル上部より排出された空気は、発電で消費されなかった燃料ガスと反応し、燃焼室Ｂ内で燃焼する。
【００３０】
以上のように構成された燃料電池では、燃料ガスはセル側方から導入され、セル側面で発電により酸化されながら進み、燃料電池セル９の長さ方向に対して一様な濃度の燃料ガスが供給されることになり、このため、１本の燃料電池セル９内で均等に起電力が生じ、燃料電池セル９のスタック２２では、異なる起電力の電池を並列接続ではなく、直列接続した回路と等価にでき、電力損失を大きく低減できる。
【００３１】
【発明の効果】
本発明の燃料電池では、反応容器の一方側面に、燃料電池セルの側方へ燃料ガスを供給する供給孔を形成し、反応容器の他方側面に、燃料電池セルの側方からの燃料ガスを排出する排出孔を設けたので、燃料電池セルのスタックの側方から供給された燃料ガスが、燃料電池セルのスタックの側方の反応容器から排出し、燃料電池セルの長さ方向に対して一様な濃度の燃料ガスが供給されることになり、このため、１本の燃料電池セル内で均等に起電力が生じ、燃料電池セルのスタックでは直列接続した回路と等価にでき、電力損失を大きく低減できる。従って、従来のような異なる起電力の電池を並列接続したものと等価な回路を除去できるため、電力損失を大きく低減して、出力電力を大きく向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池の模式図である。
【図２】スタックを示す平面図である。
【図３】燃料電池セルの断面図である。
【図４】燃料電池セルのガスの流れを説明するための説明図である。
【図５】従来の燃料電池を示す模式図である。
【図６】従来の他の燃料電池を示す模式図である。
【符号の説明】
１・・・反応容器
９・・・固体電解質型燃料電池セル
１４・・・給気孔
１９・・・排気孔
２２・・・スタック
３７、３８・・・集電体
４１・・・流通孔
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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