(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応容器内に燃焼室仕切板を用いて燃焼室と反応室を形成し、複数の有底筒状の固体電解質型燃料電池セルを、前記燃焼室仕切板に形成された複数のセル挿入孔に、開口部が前記燃焼室側となるようにそれぞれ挿入し固定するとともに、前記固体電解質型燃料電池セル内に、空気導入管を、その下端の開口部が底面近傍に位置するように収容してなり、空気を前記空気導入管により前記固体電解質型燃料電池セル内に供給し、かつ、燃料ガスを前記反応室内の前記固体電解質型燃料電池セル間に供給して反応させ、余剰の燃料ガスを前記燃焼室仕切板に形成された複数の余剰燃料ガス噴出孔から前記燃焼室内に噴出させ、前記燃焼室内の空気と反応させて燃焼させる固体電解質型燃料電池であって、前記固体電解質型燃料電池セル内の空気導入管外面に、ガスリーク時の前記燃料ガスと前記空気の燃焼により、前記空気導入管が前記固体電解質型燃料電池セルの運転温度よりも高くなった場合に、該異常加熱により溶融し、前記空気導入管を閉塞する溶融材料を被覆したことを特徴とする固体電解質型燃料電池。
【請求項２】
空気導入管の下端部に、異常加熱により溶融した溶融材料を受けて溶融材料溜まりを形成する受け皿を設けたことを特徴とする請求項１記載の固体電解質型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は固体電解質型燃料電池に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
従来の固体電解質型燃料電池は、空気導入管を除いて本発明の固体電解質型燃料電池と同様であるため、図１を用いて説明する。
【０００３】
固体電解質型燃料電池は、図１に示すように、反応容器５１内に、空気室仕切板６１、燃焼室仕切板６３、燃料ガス室仕切板５５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。
【０００４】
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５２は燃焼室仕切板６３に形成された複数のセル挿入孔にそれぞれ挿入固定されており、その開口部６５は燃焼室仕切板６３から燃焼室Ｂ内に突出し、その内部には、空気室仕切板６１に固定された空気導入管５９の一端が挿入されている。
【０００５】
燃焼室仕切板６３には、余剰の燃料ガスを燃焼室Ｂに導入するための余剰燃料ガス噴出孔が複数形成されており、燃料ガス室仕切板５５には、燃料ガスを反応室Ｃ内に供給するための供給孔が複数形成されている。
【０００６】
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５３、空気を導入する空気導入口５７、燃焼室Ｂ内で燃焼したガスを排出するための排気口６７が形成されている。
【０００７】
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５９により固体電解質型燃料電池セル５２内にそれぞれ供給し、かつ、燃料ガス室Ｄからの燃料ガスを複数の固体電解質型燃料電池セル５２間に供給し、１０００℃程度に保持された反応室Ｃにて反応させるとともに、余剰の空気と燃料ガスを燃焼室Ｂにて燃焼させ、燃焼したガスが排気口６７から外部に排出される。
【０００８】
【本発明が解決しようとする課題】
固体電解質型燃料電池は大電力を必要とするため、複数の燃料電池セル５２から構成されている。このため、ガスリークが発生した燃料電池セル５２が一本でもあると空気（酸化ガス）が反応室Ｃ内に漏洩し、燃料ガスと反応し燃焼して消費してしまうと同時に、反応室Ｃ内の還元雰囲気も弱くなり、発電性能が劣化する。
【０００９】
また、反応室Ｃに面する燃料極や、反応室Ｃ内に配置される電気的な接合部材であるＮｉフェルト等が酸化されて電気抵抗が増加し、発電性能が劣化する。
【００１０】
さらに、ガスリーク部では燃料ガスと空気とが燃焼し、異常高温域ができるため、装置内の温度分布も当初の設計から変化し、運転温度に均一に保てなくなり、これらの異常が進行すると装置を停止せざるを得なくなる。
【００１１】
固体電解質型燃料電池の起動停止には室温から１０００℃までの熱負荷が作用し、また、固体電解質型燃料電池は１０００℃程度の高温で数千時間にわたって運転され、しかも燃料電池セル５２自身も複数のセラミック材料から構成されているため、起動時、および運転中に破壊し、ガスリークが発生してしまう可能性がある。
【００１２】
このようなガスリークが発生した燃料電池セル５２が一本でも存在すると、その一本の耐久性によって固体電解質型燃料電池の耐久性が決定づけられてしまう。
【００１３】
即ち、発電性能の劣化は、空気の燃料ガス中へのガスリークにより、燃料ガスが消費されることや部材が酸化されることによる電気抵抗といった性能の低下が大きく、そのガスリークが発生した燃料電池セル５２が正常に作動しない以上に大きい。つまり、燃料電池セル５２は並列接続されているため、ガスリークした以外の燃料電池セル５２に電流が均等に分かれて流れ、空気がガスリークしなければ、さほどの性能低下はない。
【００１４】
一方、燃料電池セル５２を一本ずつ耐久性について評価することは、１０００℃で数千時間という動作条件を考えると実質的に不可能に近い。例えば、ガスリークを感知する方法としては、空気と燃料ガスの燃焼による温度を検出する方法があるが、この場合、装置内のあらゆる箇所に熱電対を設置し、監視しなければならず、多額の投資、稼働費用が必要になる。仮に感知できたとしてもどの燃料電池セルかを特定することは難しく、また特定できたとしてもその燃料電池セルへの空気供給を停止させる装置が必要になる。
【００１５】
本発明は、固体電解質型燃料電池セルにガスリークが発生した場合には、セル内への空気の供給を停止して、ガスリークが発生したセルの発電を自動的に停止することができる固体電解質型燃料電池を提供することを目的とする。
【００１６】
本発明の固体電解質型燃料電池は、反応容器内に燃焼室仕切板を用いて燃焼室と反応室を形成し、複数の有底筒状の固体電解質型燃料電池セルを、前記燃焼室仕切板に形成された複数のセル挿入孔に、開口部が前記燃焼室側となるようにそれぞれ挿入し固定するとともに、前記固体電解質型燃料電池セル内に、空気導入管を、その下端の開口部が底面近傍に位置するように収容してなり、空気を前記空気導入管により前記固体電解質型燃料電池セル内に供給し、かつ、燃料ガスを前記反応室内の前記固体電解質型燃料電池セル間に供給して反応させ、余剰の燃料ガスを前記燃焼室仕切板に形成された複数の余剰燃料ガス噴出孔から前記燃焼室内に噴出させ、前記燃焼室内の空気と反応させて燃焼させる固体電解質型燃料電池であって、前記固体電解質型燃料電池セル内の空気導入管外面に、ガスリーク時の前記燃料ガスと前記空気の燃焼により、前記空気導入管が前記固体電解質型燃料電池セルの運転温度よりも高くなった場合に、該異常加熱により溶融し、前記空気導入管を閉塞する溶融材料を被覆したものである。
【００１７】
ここで、空気導入管の下端部に、異常加熱により溶融した溶融材料を受けて、溶融材料溜まりを形成する受け皿を設けることが望ましい。
【００１８】
【作用】
本発明によれば、固体電解質型燃料電池セル内の空気導入管外面に、異常加熱により溶融する溶融材料を被覆したので、ガスリーク時の燃料ガスと空気の燃焼による異常加熱により溶融材料が溶融し、固体電解質型燃料電池セル内の底部に溜まり、この溶融材料溜まりにより空気導入管の下端の開口部が封止され、空気の固体電解質型燃料電池セル内への供給が停止され、ガスリークが発生したセルの発電が自動的に停止される。
【００１９】
これにより、リークした空気と燃料ガスとの燃焼による燃料ガスの消費がなくなり、また発電性能の劣化が抑制される。また、リークした空気により、接合部材であるＮｉフェルトや燃料極が酸化することがなく、発電性能の低下もなくなる。さらに、ガスリークを見地するセンサ等を設置することなく、自動的にセルへの空気供給を停止できる。このため、固体電解質型燃料電池を停止させ、燃料電池セルの交換も不要となる。
【００２０】
また、空気導入管の下端部に受け皿を設けたので、異常加熱により溶融した溶融材料が受け皿に溜まり、この溶融材料溜まりにより空気導入管の下端の開口部が封止され、空気の固体電解質型燃料電池セル内への供給が停止され、ガスリークが発生したセルの発電が自動的に停止される。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明の固体電解質型燃料電池を、図１で説明する。尚、従来技術の欄で説明した固体電解質型燃料電池と空気導入管を除いて同一であり、従来技術と同様の部材の場合には、従来技術と同一符号を付した。
【００２２】
本発明の固体電解質型燃料電池は、図１に示すように、反応容器５１内に、複数の固体電解質型燃料電池セル５２を配置して構成されており、この反応容器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５３、燃料ガスを分散するための燃料ガス室仕切板５５、セル５２を固定する燃焼室仕切板６３、空気を導入する空気導入口５７、およびセル５２内に空気を導入する空気導入管５９、この空気導入管５９を固定する空気室仕切板６１が形成されている。
【００２３】
燃料ガス室仕切板５５には、燃料ガスを反応室Ｃ内のセル５２間に分散するための分散孔（図示せず）が形成されている。空気室仕切板６１とセル５２を固定する燃焼室仕切板６３との間は、空気と水素が燃焼する燃焼室Ｂとされ、燃焼室仕切板６３には、図２に示すように、セル５２間を通過した余剰の燃料ガスを燃焼室Ｂ内に導入する余剰燃料ガス噴出孔８３が形成されている。この余剰燃料ガス孔８３により余剰の燃料ガスは燃焼室Ｂ内に導入される。燃焼室Ｂ内で燃焼したガスは、反応容器５１に設けられた排気口６７を介して外部に排出される。
【００２４】
複数のセル５２は燃焼室仕切板６３に形成されたセル挿入孔に挿入固定され、空気導入管５９は、空気室仕切板６１に形成された空気導入管挿入孔に挿入固定され、その下端の開口部６０がセル５２内の底面近傍に位置している。各仕切板５５、６１、６３は各室Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄにおけるガスの漏出を防止している。
【００２５】
セル５２は、図３に示すように、例えば、支持管としてのＬａＭｎＯ3 系空気極７１と、この空気極７１の表面に形成されたＹ2 Ｏ3 安定化ＺｒＯ2 からなる固体電解質７２と、固体電解質７２の表面に形成されたＮｉ−ジルコニア系の燃料極７３と、空気極７１と電気的に接続されるＬａＣｒＯ3 系よりなるインターコネクタ７４とから構成されている。
【００２６】
そして、図４に示すように、一方のセル５２のインターコネクタ７４を、Ｎｉ金属繊維等の接続部材７５を介して、他方のセル５２の燃料極７３に接続して、複数のセル５２が電気的に接続され、スタック７７が構成されており、このようなスタック７７が、図１に示したように、反応容器５１内に収容されて固体電解質型燃料電池が構成されている。反応容器５１内には、一つのセル５２のインターコネクタ７４に接続された電極７８と、他方のセル５２の燃料極７３に接続された電極（図示せず）が配置されており、これらの電極７８を介して電力が取り出される。
【００２７】
そして、本発明の固体電解質型燃料電池では、図５（ａ）に示すように、空気導入管５９が、その下端の開口部６０をセル５２内の底面近傍に位置するように収容されており、セル５２内に位置する空気導入管５９外面には、異常加熱により溶融する溶融材料７９が被覆されている。空気導入管５９は、アルミナまたはジルコニアを主成分とするセラミックスから作製されている。
【００２８】
空気導入管５９の下端とセル５２内の底面との距離は、図５（ｂ）に示すように、溶融してセル５２内に溜まった溶融材料溜まり９１により空気導入管５９の開口部６０が埋設し、開口部６０からの空気の噴出が停止できる距離とされている。
【００２９】
異常加熱とは、発電は１０００℃程度で行なわれるため、例えば、１１００℃以上の温度であり、このような温度で溶融する溶融材料７９としては、金属、ガラス、金属とセラミックスとの複合材料、ガラスとセラミックスの複合材料がある。例えば、金属としては、Ｂｅ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｃａ、Ｔｉ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｇｅ、Ａｓ、Ｓｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｓｎ、Ｂａ及びこれらの合金があり、ガラスとしてはＮａ2 Ｏ−ＣａＯ−ＳｉＯ2 系、ＰｂＯ−Ｂ2 Ｏ3 −Ａｌ2 Ｏ3 −ＳｉＯ2 系、Ｎａ2 Ｏ−Ｂ2 Ｏ3 −Ａｌ2 Ｏ3 −ＳｉＯ系等のガラスを例示できる。
【００３０】
尚、金属としては１０００℃以下で溶融するものもあるが、ガスリークしない場合には、一般に金属の酸化物を構成しており、１０００℃では溶融せず、ガスリークした場合には、燃料ガスがセル５２内に流入してきて、金属酸化物が還元されて金属となり、異常加熱により溶融するものである。
【００３１】
これらの溶融材料７９は、例えば、セル５２内に挿入される空気導入管５９部分に、メッキ、溶射、ディップ等により被覆され形成される。
【００３２】
このような固体電解質型燃料電池は、空気を空気導入口５７から空気導入管５９の開口部６０を介してセル５２内の底面側に向けて噴出し、燃料ガス導入口５３から水素を導入し、燃料ガス室仕切板５５の分散孔で分散してセル５２の外部に導入することにより行われ、余剰の空気と燃料ガスは燃焼室Ｂ内で燃焼させられ、排気口６７から外部に排出される。
【００３３】
以上のように構成された固体電解質型燃料電池では、セル５２内の空気導入管５９外面に、異常加熱により溶融する溶融材料７９を被覆したので、図５（ｂ）に示すように、セル５２に亀裂９０が発生し、ガスリークが発生した時は、燃料ガスと空気の燃焼による異常加熱により溶融材料７９が溶融し、セル５２内の底部に溜まり、この溶融材料溜まり９１により空気導入管５９の下端の開口部６０が封止され、空気のセル５２内への噴出が停止され、ガスリークが発生したセル５２の発電が自動的に停止できる。これにより、リークした空気と燃料ガスとの燃焼による燃料ガスの消費がなくなり、また発電性能の劣化が抑制される。また、リークした空気により、接合部材７５や燃料極７３が酸化することがなく、発電性能の低下もなくなる。このため、固体電解質型燃料電池を停止させ、セル５２の交換も不要とできる。
【００３４】
尚、図６に示すように、空気導入管５９の下端部に受け皿９５を設けても良い。受け皿９５は、ガスリークが発生していない場合には空気をセル５２内に供給できる構造とされている。そして、ガスリークが発生した場合には、異常加熱により溶融した溶融材料７９が受け皿９５に溜まり、この溶融材料溜まり９１により空気導入管５９の下端の開口部６０が封止され、空気のセル５２内への噴出が停止され、ガスリークが発生したセル５２の発電が自動的に停止できる。この場合には、空気導入管５９の下端の開口部６０を、セル５２内の底面近傍に配置する必要がなくなる。
【００３５】
受け皿９５は、空気導入管５９と一体に形成されているか、セル５２内の下部にセル５２と一体に形成されているか、あるいは受け皿９５のみ単独に形成されていてもかまわない。受け皿９５はアルミナまたはジルコニアを主成分とするセラミックスからなることが望ましい。
【００３６】
【発明の効果】
本発明によれば、固体電解質型燃料電池内に、ガスリークが発生する燃料電池セルが含まれていたり、あるいはガスリークの原因がセルに運転中に生じた場合でも、セルへの空気の供給を自動的に停止でき、ガスリークしたセルによる発電を停止でき、酸化ガスの漏洩による発電性能の劣化を抑制し、装置停止や燃料電池セルの交換回数を低減することができ、装置全体の稼働時間を延長でき、耐久性を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】固体電解質型燃料電池の模式図である。
【図２】燃焼室仕切板およびその近傍を示すもので、（ａ）は側面図、（ｂ）は平面図である。
【図３】固体電解質型燃料電池セルの断面図である。
【図４】スタックを示す平面図である。
【図５】セルおよび空気導入管を示すもので、（ａ）は断面図、（ｂ）は溶融材料溜まりが形成された状態を示す断面図である。
【図６】空気導入管に受け皿を設けた状態を示す断面図である。
【符号の説明】
５１・・・反応容器
５２・・・固体電解質型燃料電池セル
５９・・・空気導入管
６０・・・空気導入管の開口部
６３・・・燃焼室仕切板
６５・・・セルの開口部
７９・・・溶融材料
９１・・・溶融材料溜まり
９５・・・受け皿
Ａ・・・空気室
Ｂ・・・燃焼室
Ｃ・・・反応室
Ｄ・・・燃料ガス室
【図１】
0003652106.tif 000002
【図２】
0003652106.tif 000003
【図３】
0003652106.tif 000004
【図４】
0003652106.tif 000005
【図５】
0003652106.tif 000006
【図６】
0003652106.tif 000007