(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応容器内を仕切板により複数の室に仕切るとともに、前記反応容器内に複数の燃料電池セルを収容してなる燃料電池において、前記仕切板が、セラミックスからなる多孔質部材の表面を緻密質セラミックスで被覆してなることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
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、酸素含有ガス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、前記固体電解質型燃料電池セル内に供給され前記燃焼室内に排出された酸素含有ガスと反応させて燃焼させることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
多孔質部材がＡｌ２Ｏ３、ＭｇＯおよびＺｒＯ２のうち少なくとも一種を主成分とし、緻密質セラミックスがＡｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＺｒＯ２および希土類元素酸化物のうち少なくとも一種を主成分とすることを特徴とする請求項１または２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、特に反応容器が仕切板により複数の室に仕切られた燃料電池に関する。
【０００２】
【従来技術】
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。
【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、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の一端部が挿入されている。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。
【０００４】
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、例えば、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。
【０００５】
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。
【０００６】
ところで、固体電解質型燃料電池では、空気および燃料ガスの２種類のガスを用いて発電させるものであるため、ガスの漏出による悪影響を防止しなければならない。このため、上記したように、空気室Ａ、燃焼室Ｂ、反応室Ｃ、燃料ガス室Ｄを構成するための空気室仕切板６１、セル５２の燃焼室仕切板６３、燃料ガス室仕切板５５が設けられ、それぞれの室を構成しており、これらの室に導入されるガスが制御されている。
【０００７】
つまり、空気室仕切板６１から空気が燃焼室Ｂ内に漏出しないように、また燃焼室仕切板６３から燃料ガスが燃焼室Ｂ内に漏出しないように、さらに空気室仕切板６１、燃焼室仕切板６３、燃料ガス室仕切板５５の外周面と反応容器５１の内壁面との間や、各仕切板５５、６１、６３自身より、ガスが漏出しないようにする必要がある。特に、空気室仕切板６１、燃焼室仕切板６３による気密性については十分留意する必要がある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、固体電解質型燃料電池には、セラミックス、金属等、様々な材料が用いられており、一方で固体電解質型燃料電池は動作温度が約１０００℃と高いために各部材間の熱膨張率が異なり、空気室仕切板６１、燃焼室仕切板６３、燃料ガス室仕切板５５と、セル５２や空気導入管５９、反応容器５１等と密接に接合するとセル５２や空気導入管５９等が破損する危険性があった。
【０００９】
そこで、従来、空気室仕切板６１、燃焼室仕切板６３、燃料ガス室仕切板５５として、熱膨張係数の観点からセル５２や空気導入管５９等が破損しないように、アルミナファイバーをバインダで固めた断熱ボードが用いられていた。しかしながら、断熱ボードはアルミナファイバーをバインダで固めただけであり、柔軟性を有していたため柔らかく、セル５２の外周面と燃焼室仕切板６３との間に隙間が生じ、その部分から燃料ガスが燃焼室Ｂ内に漏れ、セル５２の近傍で燃焼が起こり、セル近傍が加熱されて破損する虞があった。また、燃料ガスの漏出により燃料効率が悪くなり、発電性能が悪化するという問題があった。
【００１０】
一方、ガスの気密性を考慮して、空気室仕切板６１、燃焼室仕切板６３、燃料ガス室仕切板５５に金属材料を用いると固体電解質型燃料電池の動作温度が約１０００℃と高いことと、数万時間におよぶ連続稼働のために部材自身が変形あるいは蒸発してもたず、ガスが漏洩する危険性があった。
【００１１】
また、空気室Ａ、燃焼室Ｂ、反応室Ｃ、燃料ガス室Ｄといった各室を温度制御するためには他の室へ影響を及ぼし難い仕切板を用いる必要があるが、金属は熱伝導率が高いため、各室の保温性が低いという問題があった。即ち、例えば、燃焼室Ｂの熱が燃焼室仕切板６３を介して反応室Ｃに伝達し易く、このため反応室Ｃが異常に高温となり、反応室Ｃ内の固体電解質型燃料電池セル５２の上部と下部の温度が異なり、熱膨張により破損したり、セル５２の内部抵抗が小さくなり、以上に電流が流れ、セル性能が劣化しやすいという問題があった。
【００１２】
各室の保温性を向上させるために、熱伝導がよい金属ではなく、多孔質なセラミックスを用いる方法もあるが、ガスが部材自身から漏洩し、上記したように、燃料ガスが燃焼室Ｂ内に漏れ、セル５２の近傍で燃焼が起こり、セル近傍が加熱されてセルが破損する虞があった。また、燃料ガスの漏出により燃料効率が悪くなり、発電性能が悪化するという問題があった。
【００１３】
ガスの漏洩や保温性を向上し、しかも仕切板の強度を向上させるために、緻密質セラミックスを用いる方法もあるが、緻密質セラミックスでは、金属よりも熱伝導率は低いものの、多孔質なセラミックスよりも大きく、上記したように、例えば、燃焼室Ｂの熱を燃焼室仕切板６３を介して反応室Ｃに伝達し易く、これにより、固体電解質型燃料電池セル５２が破損したり、セル性能が劣化し易いという問題があった。
【００１４】
本発明は、各室の保温性を維持し、ガスの漏出を防止できるとともに、長期間使用可能な燃料電池を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料電池は、反応容器内を仕切板により複数の室に仕切るとともに、反応容器内に複数の燃料電池セルを収容してなる燃料電池において、仕切板が、セラミックスからなる多孔質部材の表面を緻密質セラミックスにより被覆してなるものである。
【００１６】
ここで、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、酸素含有ガス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、前記固体電解質型燃料電池セル内に供給され前記燃焼室内に排出された酸素含有ガスと反応させて燃焼させることが望ましい。
【００１７】
また、多孔質部材がＡｌ2 Ｏ3 、ＭｇＯおよびＺｒＯ2 のうち少なくとも一種を主成分とし、緻密質セラミックスがＡｌ2 Ｏ3 、ＭｇＯ、ＺｒＯ2 および希土類元素酸化物のうち少なくとも一種を主成分とすることが望ましい。
【００１８】
【作用】
本発明の燃料電池では、多孔質部材の表面を緻密質セラミックスにより被覆した仕切板により、反応容器内を複数の室に仕切ったので、表面の緻密質セラミックスの存在により、反応容器内を、例えば、空気室、燃焼室、反応室および燃料ガス室の各室に確実に仕切ることができ、不要なガスの漏出を防止することができ、異常燃焼によるセル等の破損を防止することができる。
【００１９】
また、仕切板の母材は、多孔質セラミックスや、繊維状セラミックスを加圧成形して所定形状に保持したもの等の多孔質部材であるため、金属や緻密質セラミックスよりも断熱性を有しており、例えば、燃焼室における熱の反応室内のセルへの伝達を抑制でき、反応室上下の温度差によるセルの破壊を防止できるとともに、仕切板を介する他の部材への熱伝達が小さくなり、燃焼室内の保温効果もよく熱の有効利用ができる。
【００２０】
また、多孔質部材としてＡｌ2 Ｏ3 、ＭｇＯおよびＺｒＯ2 のうち少なくとも一種を主成分とし、緻密質セラミックスとしてＡｌ2 Ｏ3 、ＭｇＯ、ＺｒＯ2 および希土類元素酸化物のうち少なくとも一種を主成分とするものを使用することにより、耐熱性を有し、保温性も良く、１０００℃での連続運転に使用でき、発電特性を長期間維持できる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明の燃料電池を図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、従来の技術と同一符号を付した。
【００２２】
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を収容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。燃料ガス室仕切板５５には、図２（ａ）に示すように燃料ガスをセル５２間に分散するための分散孔６４が形成されている。
【００２３】
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（ｂ）に示すように、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６５が形成され、燃焼室Ｂ内で燃焼したガスは反応容器５１設けられた排気口６７を介して外部に排出される。セル５２は燃焼室仕切板６３に形成されたセル挿入孔６８に挿入されている。空気導入管５９は、図２（ｃ）に示すように空気室仕切板６１に形成された空気導入管挿入孔６９に挿入されている。
【００２４】
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Ｚｒ2 Ｏ3 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。
【００２５】
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、他方のセル５２の燃料極７３に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を介して電力が取リ出される。
【００２６】
そして、本発明の燃料電池では、図５に示すように、空気室仕切板６１、燃焼室仕切板６３、燃料ガス室仕切板５５が、多孔質部材８１の表面を緻密質セラミックス８３により被覆して構成されている。尚、図５には、燃料ガス室仕切板５５を例に記載した。ここで、（ａ）は燃料ガスの分散孔６４の表面まで緻密質セラミックス８３で被覆した例を示す断面図、（ｂ）は分散孔６４の表面は多孔質部材８１が露出している例を示す断面図である。
【００２７】
多孔質部材８１としては、多孔質セラミックスや、繊維状セラミックスを加圧成形して所定形状に保持したもの等があり、多孔質部材８１は、Ａｌ2 Ｏ3 、ＭｇＯおよびＺｒＯ2 のうち少なくとも一種を主成分とし、緻密質セラミックス８３は、Ａｌ2 Ｏ3 、ＭｇＯ、ＺｒＯ2 および希土類元素酸化物のうち少なくとも一種を主成分とすることが望ましい。これらのＡｌ2 Ｏ3 、ＭｇＯ、ＺｒＯ2 および希土類元素酸化物のうち少なくとも一種を主成分とするものは、高温下での耐熱性がよく、形状を維持でき、また成分が蒸発し難いため、燃料電池の性能劣化を維持でき、燃料電池自体の構造上の耐久性を向上することができるという特徴がある。
【００２８】
尚、Ａｌ2 Ｏ3 、ＭｇＯ、ＺｒＯ2 を主成分とする多孔質部材８１としては、上記セラミック粉末に多量のバインダーを加えて加圧成形し、焼成して多孔質化したＡｌ2 Ｏ3 磁器、ＭｇＯ磁器およびＺｒＯ2 磁器等があり、これらの耐熱性を評価する耐火度が２０００℃以上であるため耐熱性が良好であり、また、熱の保温性を表す熱伝導度が４ｋｃａｌ／ｍｈ℃以下であるため熱を保温することができる。
【００２９】
また、Ａｌ2 Ｏ3 、ＭｇＯ、ＺｒＯ2 を主成分とする緻密質セラミックス８３としては、ディッピングやスパッタ等により形成されたＡｌ2 Ｏ3 膜、ＭｇＯ膜、ＺｒＯ2 膜がある。
【００３０】
希土類元素酸化物を主成分とする緻密質セラミックス８３としては、Ｙ2 Ｏ3 膜、Ｙｂ2 Ｏ3 膜等があり、燃料電池セルと接触する部分での化学的反応をなくすことができる。
【００３１】
多孔質部材８１と緻密質セラミックス８３は同一材料からなることが、熱膨張係数を一致させる点から望ましい。また、多孔質部材８１の表面に緻密質セラミックス８３を被覆する方法としては、多孔質部材８１を緻密質セラミックス８３を含有するスラリー中にディッピングする方法、スパッタ等の薄膜法により形成する方法等、公知の製法を用いることができる。さらに、図５に示した仕切板については、消費されたガス（Ｈ2 Ｏを含む）を早く排出するという点から（ａ）が望ましい。
【００３２】
尚、反応容器５１を構成する内壁についても、多孔質部材８１の表面に緻密質セラミックス８３を被覆して形成することが、上記理由から望ましい。
【００３３】
このような固体電解質型燃料電池の発電は、空気を空気導入口５７から空気導入管５９を介してセル５２内に空気を導入するとともに、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６４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。図６に固体電解質型燃料電池セルー本のガスの流れを示す。水素ガス（燃料ガス）はセル５２下方から導入され、発電によリ酸化されながら上方へと進む。
【００３４】
一方、空気（酸化ガス）は空気導入管５９を介してセル５２上方よリセル５２内部下方へ導入される。そしてセル５２内部下方より上部へと流れる。セル５２上部より排出された空気は発電で消費されなかった水素ガスと反応し、燃焼室Ｂ内で燃焼する。
【００３５】
以上のように構成された固体電解質型燃料電池では、空気室仕切板６１、燃焼室仕切板６３、燃料ガス室仕切板５５が、多孔質部材８１の表面を緻密質セラミックス８３により被覆して構成されているため、反応容器５１内の空気室Ａ、燃焼室Ｂ、反応室Ｃ、燃料ガス室Ｄを確実に仕切ることができ、不要なガスの漏出、例えば、燃焼室仕切板６３からの燃料ガスの燃焼室Ｂ内への漏出や燃焼室仕切板６３自体からの空気の反応室Ｃ内への漏出を防止することができる。
【００３６】
また、多孔質セラミックスや、繊維状セラミックスを加圧成形して所定形状に保持したもの等からなる多孔質部材８１は、金属や緻密質セラミックス８３よりも断熱性を有しており、例えば、燃焼室Ｂにおける熱の反応室Ｃ内のセル５２への伝達を抑制でき、反応室Ｃの上下の温度差によるセル５２の破壊を防止できるとともに、仕切板を介する他の部材への熱伝達が小さくなり、燃焼室の保温効果もよく熱の有効利用ができる。
【００３７】
【発明の効果】
本発明の燃料電池では、反応容器内を仕切板により複数の各室に確実に仕切ることができ、不要なガスの漏出を防止でき、異常燃焼によるセル等の破損を防止することができる。また、仕切板の多孔質部材が断熱構造を有しているため、例えば、燃焼室における熱の反応室内のセルへの伝達を抑制でき、温度差によるセルの破壊を防止できるとともに、外部への熱の漏洩も少ないために、装置内の保温効果も良く、熱の有効利用ができる。
【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】仕切板を示す図で、（ａ）は燃料ガス室仕切板の平面図、（ｂ）は燃焼室仕切板の平面図、（ｃ）は空気室仕切板の平面図である。
【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】仕切板を示す断面図である。
【図６】固体電解質型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。
【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・・・多孔質部材
８３・・・緻密質セラミックス
Ａ・・・空気室
Ｂ・・・燃焼室
Ｃ・・・反応室
Ｄ・・・燃料ガス室
【図１】
0003686781.tif 000002
【図２】
0003686781.tif 000003
【図３】
0003686781.tif 000004
【図４】
0003686781.tif 000005
【図５】
0003686781.tif 000006
【図６】
0003686781.tif 000007