(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それぞれ挿入し固定してなり、空気を前記固体電解質型燃料電池セル内にそれぞれ供給し、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、前記反応室内における前記固体電解質型燃料電池セル間に、Ａｌ２Ｏ３またはＺｒＯ２を主成分とする絶縁体からなる有底円筒状のセラミックチューブを、その開口部が前記燃焼室仕切板側になるように配置してなることを特徴とする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し、特に、燃焼室仕切板を用いて燃焼室と反応室を形成した固体電解質型燃料電池に関する。
【０００２】
【従来技術】
固体電解質型燃料電池は、従来、図６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。
【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ており、また、セル５２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。
【０００４】
燃焼室仕切板６３には、余剰の燃料ガスを燃焼室Ｂに導入するための燃料ガス噴出孔が形成されており、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。
【０００６】
セル５２は、図２に示すように、例えば、支持管としての空気極７１と、この空気極７１の表面に形成された固体電解質７２と、固体電解質７２の表面に形成された燃料極７３と、空気極７１と電気的に接続されるインターコネクタ７４とから構成されている。
【０００７】
そして、図７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６に示したように、反応容器５１内に複数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。
【０００８】
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、反応室Ｃにて反応させ、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。
【０００９】
ところで、固体電解質型燃料電池において、燃料ガスはセル５２間の隙間を通って流れていく。一方、燃料ガスの消費は、セル５２の燃料極７３の部分で行われる。このため、少ないガス量で高出力の電力を得るためにはセル５２外周面に均等に燃料ガスを供給する必要がある。隙間が大きいとその空間を燃料ガスが流れるために燃料ガスの利用率が悪く、同じ燃料利用率では発電性能が悪くなってしまう。また、発電により消費されたガスを速やかに排除し、新しい燃料ガスを供給する必要もある。このためには燃料極７３の表面付近を流れる燃料ガスの流速が大きいことが望まれる。これは、同じ流量の燃料ガスを供給した場合、セル５２間の隙間が大きいと燃料ガスの流速が小さく、消費されたガスを排除する能力も小さく、発電性能が悪くなってしまうからである。
【００１０】
このような問題点に関して、近年においては、燃料ガスが、セルの外面近くを通過するように、反応室におけるセル間に、導電性のじゃま板を配置した固体電解質型燃料電池が知られている（特開平８−１６２１４２号公報参照）。
【００１１】
このような固体電解質型燃料電池では、導電性のじゃま板を用いることにより、燃料ガス流が制御され、大半の燃料ガスがセル外面と接触し、発電性能を向上させることができる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平８−１６２１４２号公報に開示された固体電解質型燃料電池では、金属製のじゃま板を用いていたため、じゃま板を介して燃料電池の陰極と陽極が接続され（じゃま板が燃料極と当接して）電気的なショートの原因となる危険性があり、発電性能さらには耐久性が劣化するという問題があった。
【００１３】
また、金属製のじゃま板では熱膨張率が基本的に燃料電池を構成するセラミック部材よりも大きく、装置内で温度差が生じるとセルとじゃま板との間に隙間が生じ、隙間の存在により十分な性能が得られない危険性がある。さらに、燃料電池の起動、停止といった熱サイクルによって、セルとじゃま板との間に隙間がますます大きくなることが考えられ、熱膨張差が大きいとセル破壊といった危険性もある。
【００１４】
さらに、じゃま板は金属製であり、筒状ではない（空洞ではない）ため、熱の伝導がよく、燃料ガスへの放熱が著しく、セルの動作温度中、燃料ガスの流量に応じて温度が変化しやすく、安定に作動するまで長時間を要するという問題があった。
【００１５】
さらにまた、装置立ち上げ時ではじゃま板が放熱板の役割をするため、保温性にかけ、発電状態までの早急な立ち上げが困難であるという問題があった。
【００１６】
本発明は、燃料ガス流を制御してセル外面との接触を促進し、発電性能を向上させることができるとともに、有底筒状のセラミックチューブを用いることにより、絶縁性を確保し、迅速に装置を立ち上げ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。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
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それぞれ挿入し固定してなり、空気を前記固体電解質型燃料電池セル内にそれぞれ供給し、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、前記反応室内における前記固体電解質型燃料電池セル間に、Ａｌ２Ｏ３またはＺｒＯ２を主成分とする絶縁体からなる有底円筒状のセラミックチューブを、その開口部が前記燃焼室仕切板側になるように配置したものである。
【００１９】
また、固体電解質型燃料電池セルの外径をＲ、配列された固体電解質型燃料電池セルの間隔をＸとした時、セラミックチューブの外径ｒが、
（（√２−１）Ｒ＋√２Ｘ）／２＜ｒ＜（√２−１）Ｒ＋√２Ｘ
を満足することが望ましい。また、セラミックチューブの開気孔率が５％以下であり、かつ肉厚ｙが外径ｒの１／３以下であることが望ましい。
【００２０】
【作用】
本発明の固体電解質型燃料電池では、反応室内における固体電解質型燃料電池セル間に、有底筒状のセラミックチューブを、その開口部が燃焼室仕切板側になるように配置したので、セル近傍まで均等に燃料ガスが供給される。このため、燃料ガスが均等に行き渡り、これにより燃料利用率を改善でき、発電性能を向上できる。
【００２１】
また、セラミックチューブを挿入することにより燃料ガスが流れる空間が小さくなるため、燃料ガスの流れる速度が速くなる。このため、発電により酸化された燃料ガスを素早く排除でき、新しい燃料ガスを供給でき、発電性能が向上する。つまり、言い換えると同じ発電性能を得る場合でも少ない燃料ガスですむ。
【００２２】
また、Ａｌ２  Ｏ３  またはＺｒＯ２  を主成分とするセラミックチューブを用いることにより、燃料ガス中でも安定であり、しかも絶縁体であるために電気的な絶縁も確保でき、燃料電池セルがショートする心配がない。即ち、例えば、反応容器内に収容されているセルは、陽極であるインターコネクタと陰極である燃料極の間隔が非常に狭い。このために、燃料電池セル間を接続している接合部材が、何らかの原因（たとえば発電前のセル挿入時、装置立ち上げ時、長期運転中など）でずれてしまうと電気的にショートする危険性があるが、本発明では、セラミックチューブ間に接合部材が配置されることになるためずれることがなく、耐久性を向上することができる。
【００２３】
さらに、セラミックチューブが、燃料電池セルの構成部材と同様に、アルミナまたはジルコニアを主成分とするため、燃料電池セルやその他の構成部材との熱膨張差が小さく、熱膨張差によるセルの破壊、接合部材のずれといった悪影響がない。また、これらは燃料ガス中の還元雰囲気でも材料的に安定である。
【００２４】
また、チューブ形状のセラミックを用いているため、中身の詰まったセラミックと比較して、上下方向の温度差に対しても破壊するといった心配がなく、燃料電池装置内の動作温度までの立ち上げの際の温度差、余剰ガスの燃焼によって生じる上下方向の温度差に対しても強い。
【００２５】
また、装置立ち上げの際には、従来のように、燃料ガスのじゃま板が金属であると燃料ガスに熱を奪われ易く、立ち上がりが遅いが、本発明では、セラミックチューブであり、中空であることから熱伝導性が悪く、動作中の保温性にも優れ、燃料ガスに熱を奪われにくく、電力が上下方向で均等に得られる。つまり、チューブ状にすることにより、熱が伝わりにくい断熱層を有する形状となり、燃料ガスへの熱の放出が抑制される。このことにより、燃料ガスへの熱の放出が小さくなり、温度分布も小さくできる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
本発明の固体電解質型燃料電池は、セル間に有底筒状のセラミックチューブを配置する以外は実質的に従来と同様の構造を有している。本発明の固体電解質型燃料電池を図１で説明する。尚、従来の技術で述べた構造と同様の構造の場合には、従来技術と同一符号を付した。
【００２７】
即ち、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、有底筒状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、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、セル５２を固定する燃焼室仕切板６３とから構成されている。
【００２８】
燃料ガス室仕切板５５には、燃料ガスをセル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にはセル５２間を通過した燃料ガスを燃焼室Ｂ内に導入する燃料ガス噴出孔（図示せず）が形成され、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。
【００２９】
セル５２は燃焼室仕切板６３に形成されたセル挿入孔（図示せず）に挿入され、この燃焼室仕切板６３には、余剰の燃焼ガスを燃焼室Ｂに導入するための導入孔が形成されている。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されている。燃焼室仕切板６３のセル挿入孔は、セル５２の外径よりも０．５〜３ｍｍ大きい方が良い。
【００３０】
セル５２は、図２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。
【００３１】
そして、図３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内に複数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。
【００３２】
そして、本発明の固体電解質型燃料電池では、図１および図３、図４に示すように、反応室Ｃ内におけるセル５２間に、有底筒状のセラミックチューブ８１が、その開口部８３が燃焼室仕切板６３側になるように配置されている。
【００３３】
このセラミックチューブ８１の外径ｒは、図５に示すように、セル５２の外径をＲ、配列されたセル５２の間隔をＸ（セル５２間に挟まれた接合部材７５の厚み）とした時、〔（√２−１）Ｒ＋√２Ｘ〕／２＜ｒ＜（√２−１）Ｒ＋√２Ｘを満足することが望ましい。
【００３４】
これは、セラミックチューブ８１の外径ｒが、（√２−１）Ｒ＋√２Ｘと同一またはそれ以上であると、セル５２間に挿入できないか、ぴったりと挿入することになり、運転時の熱応力によって燃料電池セルが破壊する危険性があるからである。
【００３５】
一方、外径ｒが〔（√２−１）Ｒ＋√２Ｘ〕／２よりも小さいと燃料ガスのセル近傍への流通を促進できなくなり、発電性能向上の効果が小さいからである。
【００３６】
セラミックチューブ８１の外径ｒは、（（√２−１）Ｒ＋√２Ｘ）２／３＜ｒ＜（√２−１）Ｒ＋√２Ｘを満足することが特に望ましい。
【００３７】
また、セラミックチューブ８１は少なくとも一端を封止してあり、開気孔率が５％以下の緻密質であることが望ましい。一端を封止してなく緻密質でないと燃料ガスがこのセラミックチューブを抜けてしまう。特に望ましい範囲は開気孔率３％以下である。
【００３８】
また、セラミックチューブ８１はＡｌ２  Ｏ３  またはＺｒＯ２  を主成分とすることが望ましい。このようなＡｌ２  Ｏ３  またはＺｒＯ２  を主成分とするセラミックスは、水素等の燃料ガス中でも安定であり、また絶縁体であるために電気的な絶縁も維持でき、セル５２間でショートすることがない。また、固体電解質型燃料電池の構成部材や燃料電池セルとの熱膨張差が小さく、熱膨張差によるセルの破壊、接合部材のずれといった悪影響がない。
【００３９】
さらに、セラミックチューブ８１の肉厚ｙは、セラミックチューブ８１の外径ｒの１／３以下であることが望ましい。これよりも肉厚ｙが大きくなると、セラミックチューブ８１の熱容量が大きくなり、セル５２の温度を均熱に保てなくなり、発電性能が低下するからである。
【００４０】
【実施例】
図１に示すような固体電解質型燃料電池を作製した。先ず、反応容器５１内に、Ａｌ２  Ｏ３  を主成分とするセラミックス板からなる燃料ガス室仕切板５５を収容した。図３に示したようなセル５２を９本連結するとともに、セル５２間に、開気孔率１％で、表１に示すような材質、寸法のセラミックチューブ８１を挿入したスタック７７を４組作製し、これらのスタック７７を燃料ガス室仕切板５５上に載置した。
【００４１】
この後、Ａｌ２  Ｏ３  を主成分とする燃焼室仕切板６３を反応容器５１内に収容し、セル５２の上端を燃焼室仕切板６３のセル挿入孔から突出させた。
【００４２】
次に、反応容器５１内にＡｌ２  Ｏ３  を主成分とする空気室仕切板６１を収容し、空気室仕切板６１の空気導入管挿入孔を挿通する空気導入管５９の下端をセル５２内に挿入した。
【００４３】
そして、空気および水素ガスを燃料ガスとして反応容器５１内に供給し、１０００℃にて発電を行い、２００時間後の出力を測定した。尚、燃料利用率（消費された燃料ガス／投入した燃料ガス×１００）は８０％で固定して実験を行った。その結果を表１に示す。
【００４４】
【表１】
0003610223.tif 000002
【００４５】
本発明の固体電解質型燃料電池では１．００ｋＷ以上の出力が得られ、いずれもセラミックチューブ８１を挿入しなかった比較例Ｎｏ．１よりも大きい出力であることが判る。また、セラミックチューブ８１の外径ｒが小さい実施例Ｎｏ．５、肉厚ｙが大きい実施例Ｎｏ．８では、他の実施例よりも出力は低下するものの、比較例Ｎｏ．１よりも高いことが判る。
【００４６】
【発明の効果】
本発明の固体電解質型燃料電池は、燃料電池セル近傍まで均等に燃料ガスが供給され、燃料ガスが均等に行き渡り、これにより燃料の利用率を改善でき、同じ燃料利用率の基では燃料電池の発電性能が向上する。また、セラミックチューブを挿入することにより燃料ガスが流れる空間が小さくなるため、燃料ガスの流れる速度が速くなり、発電により酸化された燃料ガスを素早く排除でき、新しい燃料ガスを供給できる。さらに、セル間の絶縁性を確保でき、迅速に装置を立ち上げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の固体電解質型燃料電池を示す説明図である。
【図２】図１の固体電解質型燃料電池セルを示す断面図である。
【図３】スタックを示す平面図である。
【図４】固体電解質型燃料電池セル間にセラミックチューブを挿入した状態を示す側面図である。
【図５】セルとセラミックチューブとの関係を示す説明図である。
【図６】従来の固体電解質型燃料電池を示す説明図である。
【図７】図６のスタックを示す平面図である。
【符号の説明】
５１・・・反応容器
５２・・・固体電解質型燃料電池セル
５５・・・燃料ガス室仕切板
６１・・・空気室仕切板
６３・・・燃焼室仕切板
８１・・・セラミックチューブ
８３・・・開口部
Ａ・・・空気室
Ｂ・・・燃焼室
Ｃ・・・反応室
Ｄ・・・燃料ガス室
Ｒ・・・固体電解質型燃料電池セルの外径
Ｘ・・・セル間の距離
ｒ・・・セラミックチューブの外径
ｙ・・・セラミックチューブの肉厚
【図１】
0003610223.tif 000003
【図２】
0003610223.tif 000004
【図３】
0003610223.tif 000005
【図４】
0003610223.tif 000006
【図５】
0003610223.tif 000007
【図６】
0003610223.tif 000008
【図７】
0003610223.tif 000009