(57)【要約】  シンプルかつコンパクトで、しかも電池容量およびエネルギー密度が十分大きい構成の燃料電池の提供を目的とする。本発明の燃料電池１０は、筒状の電極複合体１２と負極燃料物質体１４とヒータ１６と密閉容器２０とを有する。電極複合体１２は、筒状の気密性の固体電解質体１２ａと正極１２ｂと負極１２ｃとから成る。固体電解質体１２ａは、酸素イオンを伝導し、正極１２ｂは、固体電解質体１２ａの内側の面に形成され、放電時に空気中の酸素を酸素イオンに還元し、負極１２ｃは、固体電解質体１２ａの外側の面に形成され、放電時に水素ガスを水蒸気に酸化する。負極燃料物質体１４は、水蒸気と反応して水素ガスを生成し、自らは酸化物となる。ヒータ１６は、密閉容器２０の外側および電極複合体１２の内側の少なくとも一方に配置される。密閉容器２０は、電極複合体１２の外側に配置され、電極複合体１２と共に、負極燃料物質体１４を内部に密閉する。
2017135451.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素イオンを伝導する筒状の気密性の固体電解質体、前記固体電解質体の内側の面に形成され、放電時に空気中の酸素を酸素イオンに還元する正極、および前記固体電解質体の外側の面に形成され、放電時に水素ガスを水蒸気に酸化する負極から成る筒状の電極複合体と、
前記水蒸気と反応して前記水素ガスを生成し、自らは酸化物となる負極燃料物質体と、
前記電極複合体の外側に配置され、前記電極複合体の周囲を取り囲む外壁を備え、前記電極複合体と共に、前記負極燃料物質体を内部に密閉する密閉容器と、
前記密閉容器の外側および前記電極複合体の内側の少なくとも一方に配置され、前記固体電解質体および前記負極燃料物質体を所定の温度以上に加熱維持するためのヒータと、を有する燃料電池。
【請求項２】
前記電極複合体の内側に供給された空気は、前記ヒータによって加熱されて上昇し、前記電極複合体の上端開口から排出されることによって、前記電極複合体の下端開口から自然に空気が流入するように、前記電極複合体は、前記下端開口から前記上端開口まで空気が連続的に上昇する内側流路を有する請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
さらに、前記電極複合体の内側に強制的に空気が供給されるように、前記電極複合体の上端開口または下端開口に接続されたポンプを有する請求項１に記載の燃料電池。
【請求項４】
さらに、前記電極複合体の内側の空気温度を計測する温度計測手段と、前記正極と前記負極との間の開放電圧を計測する電圧計測手段と、前記電極複合体の一方の端に接続され、前記温度計測手段によって計測された空気温度および前記電圧計測手段によって計測された開放電圧の少なくとも一方に基づいて前記電極複合体の内側に供給される空気の流量を調整する流量調整手段と、を有する請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項５】
さらに、前記電圧計測手段によって計測された開放電圧に基づいて前記密閉容器への水の注入量を制御する水注入量制御手段を有する請求項４に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記密閉容器は、さらに、前記外壁の開口方向の少なくとも一方の端に配置された端壁と、前記電極複合体の両端のそれぞれに接合される筒状の２つの電極支持体と、を備え、
前記固体電解質体の材料は、セラミックスであり、前記密閉容器の材料は、ステンレスを含み、
前記端壁の外周は、前記外壁の開口方向の一方の端に接合され、前記端壁の内周は、前記電極支持体の一方に接合され、
前記端壁および前記電極支持体の少なくとも一方は、前記固体電解質体および前記外壁の熱膨張率の違いを吸収するための弾性変形部を有する請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記密閉容器は、さらに、前記負極のリード線の短絡を防ぎかつ前記密閉容器の気密性を保つための接続部材を有する請求項６に記載の燃料電池。
【請求項８】
前記密閉容器は、さらに、前記外壁の開口方向の少なくとも一方の端に配置された端壁と、前記電極複合体の両端のそれぞれに接合される筒状の２つの電極支持体と、を備え、
前記固体電解質体および前記密閉容器の材料は、セラミックスであり、
前記端壁の外周は、前記外壁の開口方向の一方の端に接合され、前記端壁の内周は、前記電極支持体の一方に接合される請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項９】
前記密閉容器は、さらに、前記外壁の開口方向の少なくとも一方の端に配置された端壁を備え、
前記固体電解質体および前記密閉容器の材料は、セラミックスであり、
前記端壁の外周は、前記外壁の開口方向の一方の端に接合され、前記端壁の内周は、前記電極複合体に接合される請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記密閉容器は、さらに、前記負極燃料物質体を入れ換えるためのカバープレートを備え、
前記カバープレートは、前記外壁または前記端壁に着脱自在に固定される請求項６〜９のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項１１】
前記密閉容器は、さらに、前記外壁の開口方向の少なくとも一方の端に配置された端壁と、前記電極複合体の両端のそれぞれに接合される筒状の２つの電極支持体と、前記負極燃料物質体を入れ換えるためのキャップと、を備え、
前記端壁の外周は、前記キャップに当接し、前記外壁の開口方向の一方の端に対して前記キャップを着脱自在に螺合することによって、前記キャップを介して前記外壁の開口方向の一方の端に接合され、前記端壁の内周は、前記電極支持体の一方の端面に当接する請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項１２】
前記固体電解質体の材料は、セラミックスであり、前記密閉容器の材料は、ステンレスであり、
前記端壁および前記電極支持体の少なくとも一方は、前記固体電解質体および前記外壁の熱膨張率の違いを吸収するための弾性変形部を有する請求項１１に記載の燃料電池。
【請求項１３】
前記固体電解質体および前記密閉容器の材料は、セラミックスである請求項１１に記載の燃料電池。
【請求項１４】
前記ヒータは、前記外壁と一体的に構成される請求項１〜１３のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項１５】
さらに、前記ヒータを前記電極複合体の内側に支持するヒータ支持体を備え、
前記ヒータ支持体は、前記電極複合体の内側に空気を供給するための孔を備える請求項１〜１３のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項１６】
前記負極燃料物質体は、鉄粒子もしくは鉄粉末と、酸化アルミニウム、二酸化ケイ素、酸化マグネシウム、酸化ジルコニウムを含む難焼結性材料、またはこれらの混合物からなる形態保持材料と、からなるペレット状のものであり、
前記負極燃料物質体の表面の少なくとも一部は、前記形態保持材料で覆われており、
前記負極燃料物質体に対する前記形態保持材料の質量比は、０．１％以上５％以下である請求項１〜１５のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項１７】
前記正極は、充電時に酸素イオンを酸素に酸化し、
前記負極は、充電時に前記水蒸気を前記水素ガスに還元し、
前記負極燃料物質体の酸化物は、前記水素ガスと可逆的に反応して前記水蒸気を生成し、自らは負極燃料物質体となる請求項１〜１６のいずれか１項に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、据え置き用あるいは自動車等の移動体用の電源、および携帯用電源として有用な燃料電池に関するものであり、特に鉄粉を用いて系内で燃料ガスを再生する固体酸化物形燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料気体を供給することで発電体に電力を発生させる手段である。据え置き型の中型エネルギー貯蔵装置として、もしくは、電気自動車やハイブリッド自動車の駆動源としての応用が期待されているほか、軽量化、小型化することによって、携帯電話やノートブック型コンピュータ等の携帯可能な機器向けの電力源とするための研究開発が進んでいる。【０００３】
燃料電池の中でも酸素電導性の無機固体電解質を用いた固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ、Solid Oxide Fuel Cell）は、クリーンで発電効率の高い優れた発電装置であることが知られている。【０００４】
特許文献１には、排出室内を貫通して筒状体を設けることにより、ガス給排構造を簡略化することができ、電池の小型化を図ることが可能なガス給排マニホールドおよびそれを備えた固体酸化物形燃料電池バンドルが記載されている。また、特許文献２には、水素発生装置と燃料電池の間にリザーブタンクを具備することにより、燃料電池の負荷が変化しても安定して水素を供給することが可能な燃料電池発電システムが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第５１８８２３６号
【特許文献２】特開２００４−２８１３９３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１の燃料電池バンドルは、燃料ガスとして、例えば水素を燃料電池バンドルに供給し続けない限り、連続的に電力を供給することができないという問題があった。また、特許文献２の燃料電池発電システムは、水素発生装置とリザーブタンクを備えているため、連続的に電力を供給することができるものの、燃料電池と水素発生装置とそれらの間のリザーブタンクというそれぞれ独立した３つの構成要素を接続して使用しなければならないので、全体が複雑かつ大規模になるという問題があった。【０００７】
本発明は、従来のこのような問題点に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、水素発生部を内蔵することにより、シンプルかつコンパクトで、しかも電池容量およびエネルギー密度が十分大きい構成の燃料電池を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、上記目的に加え、従来と同等以上に電力供給の安定性が高く、信頼性とメンテナンス性とエネルギー効率が良好な燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者は、上記目的を達成するために、鋭意研究を重ねた結果、まず、筒状の正極を固体電解質体の内面に形成し、筒状の負極を固体電解質体の外面に形成し、正極の内側を空気が自然対流または強制対流し、負極の外側に設けた密閉容器に負極燃料物質体と水を入れ、全体を加熱することによって、水素発生部を内蔵した燃料電池を、シンプルかつコンパクトで、しかも電池容量およびエネルギー密度が十分大きい構成にすることができることを見出した。【０００９】
また、本発明者は、正極の内側の空気の流量を、正極の内側の空気温度が高い場合には増加させ、低い場合には減少させると共に、正極と負極との間の開放電圧が高い場合には減少させ、低い場合には増加させることによって、また、正極の内側の空気の流量を増加させても正極と負極との間の開放電圧が上昇しない場合には、密閉容器に中に所定量の水を注入することによって、電力供給の安定性を高くできることを見出し、本発明に至ったものである。【００１０】
即ち、本発明は、酸素イオンを伝導する筒状の気密性の固体電解質体、固体電解質体の内側の面に形成され、放電時に空気中の酸素を酸素イオンに還元する正極、および固体電解質体の外側の面に形成され、放電時に水素ガスを水蒸気に酸化する負極から成る筒状の電極複合体と、水蒸気と反応して水素ガスを生成し、自らは酸化物となる負極燃料物質体と、電極複合体の外側に配置され、電極複合体の周囲を取り囲む外壁を備え、電極複合体と共に、負極燃料物質体を内部に密閉する密閉容器と、密閉容器の外側および電極複合体の内側の少なくとも一方に配置され、固体電解質体および負極燃料物質体を所定の温度以上に加熱維持するためのヒータと、を有する燃料電池を提供するものである。【００１１】
ここで、上記においては、電極複合体の内側に供給された空気は、ヒータによって加熱されて上昇し、電極複合体の上端開口から排出されることによって、電極複合体の下端開口から自然に空気が流入するように、電極複合体は、下端開口から上端開口まで空気が連続的に上昇する内側流路を有するのが好ましい。
さらに、電極複合体の内側に強制的に空気が供給されるように、電極複合体の上端開口または下端開口に接続されたポンプを有するのが好ましい。
さらに、電極複合体の内側の空気温度を計測する温度計測手段と、正極と負極との間の開放電圧を計測する電圧計測手段と、電極複合体の一方の端に接続され、温度計測手段によって計測された空気温度および電圧計測手段によって計測された開放電圧の少なくとも一方に基づいて電極複合体の内側に供給される空気の流量を調整する流量調整手段と、を有するのが好ましい。【００１２】
さらに、電圧計測手段によって計測された開放電圧に基づいて密閉容器への水の注入量を制御する水注入量制御手段を有するのが好ましい。
密閉容器は、さらに、外壁の開口方向の少なくとも一方の端に配置された端壁と、電極複合体の両端のそれぞれに接合される筒状の２つの電極支持体と、を備え、固体電解質体の材料は、セラミックスであり、密閉容器の材料は、ステンレスを含み、端壁の外周は、外壁の開口方向の一方の端に接合され、端壁の内周は、電極支持体の一方に接合され、端壁および電極支持体の少なくとも一方は、固体電解質体および外壁の熱膨張率の違いを吸収するための弾性変形部を有するのが好ましい。
密閉容器は、さらに、負極のリード線の短絡を防ぎかつ密閉容器の気密性を保つための接続部材を有するのが好ましい。【００１３】
密閉容器は、さらに、外壁の開口方向の少なくとも一方の端に配置された端壁と、電極複合体の両端のそれぞれに接合される筒状の２つの電極支持体と、を備え、固体電解質体および密閉容器の材料は、セラミックスであり、端壁の外周は、外壁の開口方向の一方の端に接合され、端壁の内周は、電極支持体の一方に接合されるのが好ましい。
密閉容器は、さらに、外壁の開口方向の少なくとも一方の端に配置された端壁を備え、固体電解質体および密閉容器の材料は、セラミックスであり、端壁の外周は、外壁の開口方向の一方の端に接合され、端壁の内周は、電極複合体に接合されるのが好ましい。
密閉容器は、さらに、負極燃料物質体を入れ換えるためのカバープレートを備え、カバープレートは、外壁または端壁に着脱自在に固定されるのが好ましい。【００１４】
密閉容器は、さらに、外壁の開口方向の少なくとも一方の端に配置された端壁と、電極複合体の両端のそれぞれに接合される筒状の２つの電極支持体と、負極燃料物質体を入れ換えるためのキャップと、を備え、端壁の外周は、キャップに当接し、外壁の開口方向の一方の端に対してキャップを着脱自在に螺合することによって、キャップを介して外壁の開口方向の一方の端に接合され、端壁の内周は、電極支持体の一方の端面に当接するのが好ましい。
固体電解質体の材料は、セラミックスであり、密閉容器の材料は、ステンレスであり、端壁および電極支持体の少なくとも一方は、固体電解質体および外壁の熱膨張率の違いを吸収するための弾性変形部を有するのが好ましい。
固体電解質体および密閉容器の材料は、セラミックスであるのが好ましい。
ヒータは、外壁と一体的に構成されるのが好ましい。【００１５】
さらに、ヒータを電極複合体の内側に支持するヒータ支持体を備え、ヒータ支持体は、電極複合体の内側に空気を供給するための孔を備えるのが好ましい。
負極燃料物質体は、鉄粒子もしくは鉄粉末と、酸化アルミニウム、二酸化ケイ素、酸化マグネシウム、酸化ジルコニウムを含む難焼結性材料、またはこれらの混合物からなる形態保持材料と、からなるペレット状のものであり、負極燃料物質体の表面の少なくとも一部は、形態保持材料で覆われており、負極燃料物質体に対する形態保持材料の質量比は、０．１％以上５％以下であるのが好ましい。
正極は、充電時に酸素イオンを酸素に酸化し、負極は、充電時に水蒸気を水素ガスに還元し、負極燃料物質体の酸化物は、水素ガスと可逆的に反応して水蒸気を生成し、自らは負極燃料物質体となるのが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、シンプルかつコンパクトで、しかも電池容量およびエネルギー密度が十分大きい構成にすることができる。
また、本発明によれば、上記効果に加え、従来と同等以上に電力供給の安定性を高く、信頼性とメンテナンス性とエネルギー効率を良好にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１Ａは、本発明の第１の実施形態の燃料電池を模式的に示す正面図であり、図１Ｂは、その一部の変形例である。
【図２】本発明の第１の実施形態の燃料電池の変形例１を模式的に示す正面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態の燃料電池の変形例２を模式的に示す正面図である。
【図４】図４Ａは、本発明の第２の実施形態の燃料電池を模式的に示す正面図であり、図４Ｂは、その一部の変形例である。
【図５】本発明の第３の実施形態の燃料電池を模式的に示す正面図である。
【図６】本発明の第４の実施形態の燃料電池を模式的に示す正面図である。
【図７】図６に示す燃料電池の平面図である。
【図８】図６に示す燃料電池の側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下に、本発明の燃料電池を添付の図面に示す好適実施形態に基づいて詳細に説明する。
まず、本発明の第１の実施形態の燃料電池について説明する。図１Ａは、本発明の第１の実施形態の燃料電池を模式的に示す正面図であり、図１Ｂは、その一部の変形例である。
【００１９】
本発明の燃料電池１０は、筒状の電極複合体１２と負極燃料物質体１４とヒータ１６と密閉容器２０とを有する。電極複合体１２は、筒状の気密性の固体電解質体１２ａと正極１２ｂ（空気極、カソードともいう）と負極１２ｃ（燃料極、アノードともいう）とから成り、正極リード線１２ｐと負極リード線１２ｎとを備える。固体電解質体１２ａは、酸素イオンを伝導し、正極１２ｂは、固体電解質体１２ａの内側の面に形成され、放電時に空気中の酸素を酸素イオンに還元し、負極１２ｃは、固体電解質体１２ａの外側の面に形成され、放電時に水素ガスを水蒸気に酸化する。
【００２０】
図１には、電極複合体１２が１本しか示されていないが、１つの密閉容器の中に複数本の電極複合体が存在しても良い。この場合、複数の電極複合体は、正極リード線１２ｐおよび負極リード線１２ｎを用いて互いに並列または直列に接続される。
【００２１】
負極燃料物質体１４は、水蒸気と反応して水素ガスを生成し、自らは酸化物となる。ヒータ１６は、密閉容器２０の外側および電極複合体１２の内側の少なくとも一方に配置され、固体電解質体１２ａおよび負極燃料物質体１４を所定の温度以上に加熱維持するためのものである。密閉容器２０は、電極複合体１２の外側に配置され、電極複合体１２の周囲を取り囲む外壁２２を備え、電極複合体１２と共に、負極燃料物質体１４を内部に密閉する。また、必要に応じて、ヒータ１６の外側に断熱体１８を配置することができる。断熱体１８の材料は、発泡材や真空容器などの熱伝導率の低いものが好ましい。
【００２２】
電極複合体には、固体電解質体の内側に負極、外側に正極が形成されたタイプ（以下、内側負極タイプという）および固体電解質体の内側に正極、外側に負極が形成されたタイプ（内側正極タイプという）が存在する。内側負極タイプの電極複合体を使用した燃料電池は、内側から外側に、負極燃料物質体、負極、固体電解質体、正極、空気エリア、ヒータの順、または、ヒータ、負極燃料物質体、負極、固体電解質体、正極、空気エリアの順に配置されるため、負極燃料物質体は、多重筒状構造の内側から１番目または２番目になる。
【００２３】
これに対して、本発明の燃料電池１０は、内側正極タイプの電極複合体を使用するので、内側から外側に、空気エリア、正極１２ｂ、固体電解質体１２ａ、負極１２ｃ、負極燃料物質体１４、ヒータ１６の順に配置されるため、負極燃料物質体１４は、多重筒状構造の内側から５番目になる。
【００２４】
筒が内側から外側に配置された多重筒状構造では、１つの筒とそのすぐ外側の筒とで形成された環状空間の体積を大きくするのが、中心に近いほど困難で、中心から遠いほど容易になるので、本発明の燃料電池１０の負極燃料物質体１４は、その体積を内側負極タイプの電極複合体を使用した燃料電池の負極燃料物質体の体積よりも大きくすることができる。従って、このような構成とすることで、本発明の燃料電池１０は、シンプルかつコンパクトで、しかも電池容量およびエネルギー密度が十分大きい構成にすることができる。
【００２５】
本発明の燃料電池１０では、電極複合体１２の中を空気が自然対流するように、電極複合体１２は、下端開口から上端開口まで空気が連続的に上昇する内側流路を有しても良い。この場合には、電極複合体１２の内側に供給された空気は、ヒータ１６によって加熱されて上昇し、電極複合体１２の上端開口から排出されることによって、電極複合体１２の下端開口から自然に空気が流入する。
【００２６】
本発明の燃料電池１０では、電極複合体１２の中を空気が強制対流するように、燃料電池１０は、さらに、電極複合体１２の上端開口または下端開口に接続されたポンプ（図示せず）を有しても良い。この場合には、電極複合体１２の内側に強制的に空気が供給される。
【００２７】
本発明の燃料電池１０は、さらに、温度計測手段４２と電圧計測手段４４と流量調整手段４６とを有しても良い。温度計測手段４２は、電極複合体１２の内側の空気温度を計測する。電圧計測手段４４は、正極１２ｂと負極１２ｃとの間の開放電圧を計測する。流量調整手段４６は、例えば、流量調整バルブであり、電極複合体１２の一方の端に接続され、温度計測手段４２によって計測された空気温度および電圧計測手段４４によって計測された開放電圧の少なくとも一方に基づいて電極複合体１２の内側に供給される空気の流量を調整する。
【００２８】
即ち、流量調整手段４６は、正極１２ｂと負極１２ｃとの間の開放電圧が低下した場合には、電極複合体１２の内側の空気流量を増加させる。この場合、電極複合体１２の内側の空気温度が低下し過ぎないように考慮し、この空気温度が高いほど増分量が多くなり、この空気温度が低いほど増分量が少なくなるように流量調整バルブを開く。従って、このような構成とすることで、本発明の燃料電池１０は、従来と同等以上に電力供給の安定性を高くすることができる。
【００２９】
本発明の燃料電池１０は、さらに、密閉容器２０の給水部３２ａに接続された水注入量制御手段４８を有しても良い。水注入量制御手段４８は、電圧計測手段４４によって計測された開放電圧に基づいて密閉容器２０への水の注入量を制御する。即ち、水注入量制御手段４８は、流量調整手段４６による空気流量の調整後も引き続き正極１２ｂと負極１２ｃとの間の開放電圧が低下した場合には、開放電圧を見ながら密閉容器２０に所定量の水を断続的に注入する。１回あたりの水注入量は、密閉容器の大きさと耐圧に基づいて設定される。なお、注入された水は、必要に応じて、密閉容器２０の排水部３２ｂから排水される。
【００３０】
この場合、電圧計測手段４４の代わりに密閉容器２０の内部圧力を計測する圧力計測手段を設け、圧力計測手段によって計測された内部圧力に基づいて密閉容器２０への水の注入量を制御するのは困難である。即ち、密閉容器内には水素と水蒸気とが混在しているため、圧力計測手段を設けても水素だけの圧力を計測することができないから、燃料電池の負荷が変化した場合に密閉容器内の水素圧力を所定の値に保つことはできない。
【００３１】
また、水の代わりに水素を注入すれば水と同様の作用が得られるが、水素を注入する場合には燃料電池に水素発生装置を取り付ける必要があるので、複雑化および大規模化する恐れがある。これに対して、本発明の燃料電池１０は、水を注入するので、複雑化および大規模化の恐れを解消できる。従って、このような構成とすることで、本発明の燃料電池１０は、シンプルかつコンパクトで、しかも従来と同等以上に電力供給の安定性を高くすることができる。
【００３２】
燃料電池１０は、さらに、密閉容器２０のリリーフ弁接続部３２ｃに接続されたリリーフ弁５２を有しても良い。リリーフ弁５２は、安全性を保つため、密閉容器２０の内圧を所定の値以下に保つためのものである。リリーフ弁５２は、一般的なものでも良いが、ラプチャーディスクのように気密構造を持ち、圧力上昇時には割けて圧力を開放するものの方がより好ましい。
【００３３】
本発明の燃料電池１０では、密閉容器２０は、さらに、端壁２４と筒状の２つの電極支持体２６とを備えても良い。端壁２４は、外壁２２の開口方向の少なくとも一方の端に配置される。筒状の２つの電極支持体２６は、電極複合体１２の両端のそれぞれに接合される。固体電解質体１２ａの材料は、セラミックスであり、電極支持体２６を含む密閉容器２０の材料は、ステンレスを含む。端壁２４の外周は、外壁２２の開口方向の一方の端に接合され、端壁２４の内周は、電極支持体２６の一方に接合される。端壁２４および電極支持体２６の少なくとも一方は、固体電解質体１２ａおよび外壁２２の熱膨張率の違いを吸収するための弾性変形部（図示せず）を有する。
【００３４】
即ち、端壁２４は、ダイヤフラムのような形状のステンレスの部品であり、外周と内周との間に弾性変形部を有しても良い。また、電極支持体２６は、電極複合体１２に接合されたステンレスの部分と端壁２４の内周に接合されたステンレスの部分との間にゴムなどの弾性変形部を挟み込み、接着などで一体化しても良い。
【００３５】
固体電解質体１２ａの材料がセラミックスで、密閉容器２０の材料がステンレスの場合には、ヒータ１６で加熱すると固体電解質体１２ａおよび外壁２２の熱膨張率の違いによって長さに差が生じ、亀裂が入ることによって気密性が低下する恐れがある。これに対して、本発明の燃料電池１０は、弾性変形部が上記長さの差を吸収するので、気密性低下の恐れを解消できる。従って、このような構成とすることで、本発明の燃料電池１０は、従来と同等以上に信頼性を良好にすることができる。
【００３６】
本発明の燃料電池１０では、密閉容器２０は、さらに、負極リード線１２ｎの短絡を防ぎかつ密閉容器２０の気密性を保つための接続部材３４を有しても良い。即ち、密閉容器２０の材料がステンレスの場合には、負極リード線１２ｎが密閉容器２０に短絡する恐れがある。これに対して、本発明の燃料電池１０は、接続部材３４を有するので、短絡の恐れを解消できる。従って、このような構成とすることで、本発明の燃料電池１０は、従来と同等以上に信頼性を良好にすることができる。この接続部材３４は、例えば、ＩＢＰテクノロジー株式会社のコナックスシーリンググランドである。
【００３７】
本発明の燃料電池１０では、密閉容器２０は、さらに、負極燃料物質体１４を入れ換えるためのカバープレート３０を備えても良い。カバープレート３０は、外壁２２または端壁２４に着脱自在に固定される。即ち、燃料電池１０を放電のみを行う一次電池として使用する場合には、酸化物となった負極燃料物質体１４を元の負極燃料物質体１４と入れ換える必要がある。従って、このような構成とすることで、本発明の燃料電池１０は、従来と同等以上にメンテナンス性を良好にすることができる。
【００３８】
次に、負極燃料物質体１４の材料と燃料電池１０との関係について説明する。
本発明の燃料電池１０では、負極燃料物質体１４は、鉄粒子もしくは鉄粉末と形態保持材料とからなるペレット状のものでも良い。形態保持材料は、難焼結性材料またはその混合物からなる。難焼結性材料は、酸化アルミニウム、二酸化ケイ素、酸化マグネシウム、酸化ジルコニウムを含む。負極燃料物質体１４の表面の少なくとも一部は、形態保持材料で覆われ、負極燃料物質体１４に対する形態保持材料の質量比は、０．１％以上５％以下である。ペレットの直径は、例えば、２〜１０ｍｍである。
【００３９】
負極燃料物質体１４は、酸化ガスの分圧が還元性ガスの分圧の１／１０００以上において常に酸化状態にあり、かつ融点が１０００℃以上の金属酸化物である形態保持材料によって被覆されていることが好ましい。形態保持材料を被覆することで、負極燃料物質体１４の焼結が抑制され、酸化還元反応を繰り返し行う、即ち、二次電池として放電と充電を繰り返し行うことが可能となる。上述の形態保持材料は、融点が特に高く、焼結抑制効果が高い。また、負極燃料物質体１４が含有する形態保持材料の質量比は、特に制限はないが、酸化還元速度を抑制しすぎないために、０．１％以上５％以下であるのが好ましい。
【００４０】
即ち、燃料電池１０を二次電池として使用する場合には、正極１２ｂと負極１２ｃが、放電時と充電時の反応をそれぞれ繰り返し行うと共に、負極燃料物質体１４が、酸化反応と還元反応を繰り返し行う必要がある。従って、このような構成とすることで、負極燃料物質体１４の入れ換えを不要にすることができるので、本発明の燃料電池１０は、従来と同等以上にメンテナンス性を良好にすることができる。
【００４１】
本発明の燃料電池１０では、正極１２ｂは、充電時に酸素イオンを酸素に酸化し、負極１２ｃは、充電時に水蒸気を水素ガスに還元し、負極燃料物質体１４の酸化物は、水素ガスと可逆的に反応して水蒸気を生成し、自らは負極燃料物質体１４となっても良い。即ち、燃料電池１０を二次電池として使用する場合には、同様に、正極１２ｂと負極１２ｃが、放電時と充電時の反応をそれぞれ繰り返し行うと共に、負極燃料物質体１４が、酸化反応と還元反応を繰り返し行う必要がある。従って、このような構成とすることで、負極燃料物質体１４の入れ換えを不要にすることができるので、本発明の燃料電池１０は、従来と同等以上にメンテナンス性を良好にすることができる。
【００４２】
次に、電極複合体１２の両端の状態について説明する。
固体電解質体１２ａと正極１２ｂと負極１２ｃが三層に積層された電極複合体１２と、材料がステンレスの電極支持体２６と、を接合する場合には、電極複合体１２を開口方向と直角に切断しただけで両端に正極１２ｂと負極１２ｃが露出した状態だと、電極支持体２６を介して正極１２ｂと負極１２ｃが短絡する。
【００４３】
この短絡を防ぐために、両端から所定の範囲の正極１２ｂと負極１２ｃが剥離され、さらに、正極１２ｂの両端の面に固体電解質体１２ａが被覆される。または、両端から所定の範囲の負極１２ｃだけが剥離される。この場合には、電極複合体１２の両端に正極１２ｂが露出した状態なので、電極支持体２６と正極１２ｂが導通する。従って、１つの密閉容器の中に複数本の電極複合体が存在する場合、複数の電極複合体は、互いに並列に接続される。
【００４４】
次に、セラミックスの接合方法について説明する。
セラミックスの接合方法は、大別すると、中間材法と直接的接合法と機械的接合法の３つがある。中間材法には、有機接着剤や無機接着剤を使用した接着、無機材料や金属材料を使用したろう付けがあり、圧着もある。直接的接合法には、拡散や焼結による固相接合、電子ビームやレーザによる溶接がある。機械的接合法には、焼ばめ、ボルト締め、クランプ締めなどがある。
【００４５】
図１Ａは、材料がセラミックスの固体電解質体１２ａと材料がステンレスの電極支持体２６とを管継手２８を使用して接合した例を示している。また、図１Ｂは、それらを中間材法と直接的接合法で接合した例を示しているが、それらの接合方法は、確実に接合できさえすれば特に限定的ではなく、上述のどの方法を採用しても良い。
【００４６】
次に、本発明の第１の実施形態の燃料電池の変形例１について説明する。図２は、本発明の第１の実施形態の燃料電池の変形例１を模式的に示す正面図である。
本発明の燃料電池１１０は、燃料電池１０と比較すると、断熱体１８の代わりに断熱体１１８を有する点、密閉容器２０の代わりに密閉容器１２０を有する点、ヒータ１６および外壁２２の代わりに外壁１２２を有する点以外は同一の構成を有するものであるので、同一の構成要素には、同一の参照符号を付し、その説明を省略する。また、断熱体１１８は、断熱体１８に対応するものであり、その形状は小径化しているが、基本的な機能は同一であるので、その説明を省略する。
【００４７】
本発明の燃料電池１１０では、ヒータは、外壁１２２と一体的に構成されても良い。即ち、燃料電池１１０は、ヒータを密閉容器１２０の外壁１２２に内蔵することによって、部品数を減らすと共に、外径と内径をより細くした断熱体１１８を備えたものである。従って、このような構成とすることで、本発明の燃料電池１１０は、シンプルかつコンパクトで、しかも電池容量およびエネルギー密度が十分大きい構成にすることができる。
【００４８】
次に、本発明の第１の実施形態の燃料電池の変形例２について説明する。図３は、本発明の第１の実施形態の燃料電池の変形例２を模式的に示す正面図である。
本発明の燃料電池２１０は、燃料電池１０と比較すると、ヒータ１６の代わりにリード線２１６ａとリード線２１６ｂとを備えたヒータ２１６および孔２３６ａを備えたヒータ支持体２３６を有する点、断熱体１８の代わりに断熱体２１８を有する点以外は同一の構成を有するものであるので、同一の構成要素には、同一の参照符号を付し、その説明を省略する。また、断熱体２１８は、断熱体１８に対応するものであり、その形状は小径化しているが、基本的な機能は同一であるので、その説明を省略する。
【００４９】
また、本発明の燃料電池２１０は、内側正極タイプの電極複合体を使用するので、内側から外側に、ヒータ２１６、空気エリア、正極１２ｂ、固体電解質体１２ａ、負極１２ｃ、負極燃料物質体１４の順に配置されるため、負極燃料物質体１４は、多重筒状構造の内側から６番目になる。
【００５０】
本発明の燃料電池２１０は、さらに、ヒータ支持体２３６を備えても良い。ヒータ支持体２３６は、ヒータ２１６を電極複合体１２の内側に支持し、電極複合体１２の内側に空気を供給するための孔２３６ａを備える。即ち、燃料電池２１０は、ヒータ２１６を電極複合体１２の内側に支持することによって、外径と内径をより細くした断熱体２１８を備えたものである。
【００５１】
固体電解質体１２ａの望ましい加熱維持温度は、８００℃以上であり、負極燃料物質体１４の望ましい加熱維持温度は、５５０℃以上であり、固体電解質体１２ａの方が負極燃料物質体１４よりもかなり高いので、図１Ａの燃料電池１０および図２の燃料電池１１０のように、負極燃料物質体１４の外側にヒータを配置すると、ヒータから近い負極燃料物質体１４を５５０℃以上に、ヒータから遠い固体電解質体１２ａを８００℃以上に加熱維持しなければならないため、エネルギー効率は悪化する。また、負極燃料物質体１４が過剰に加熱されるため、凝集による出力低下が生じる恐れがある。
【００５２】
これに対して、図３の燃料電池２１０のように、電極複合体１２の内側にヒータを配置すると、ヒータから遠い負極燃料物質体１４を５５０℃以上に、ヒータから近い固体電解質体１２ａを８００℃以上に加熱維持すれば良い。従って、このような構成とすることで、本発明の燃料電池２１０は、従来と同等以上にエネルギー効率を良好にすることができる。また、負極燃料物質体１４が過剰に加熱されないため、凝集による出力低下を避けることができる。
【００５３】
次に、本発明の第２の実施形態の燃料電池について説明する。図４Ａは、本発明の第２の実施形態の燃料電池を模式的に示す正面図であり、図４Ｂは、その一部の変形例である。
本発明の燃料電池３１０は、燃料電池１０と比較すると、電極複合体１２の代わりに固体電解質体３１２ａと正極３１２ｂと負極３１２ｃとから成りかつ正極リード線３１２ｐと負極リード線３１２ｎとを備えた電極複合体３１２を有する点、密閉容器２０、外壁２２、端壁２４、電極支持体２６、管継手２８の代わりに密閉容器３２０、外壁３２２、端壁３２４、電極支持体３２６、管継手３２８を有する点以外は同一の構成を有するものであるので、同一の構成要素には、同一の参照符号を付し、その説明を省略する。
【００５４】
電極複合体３１２は、三層に積層された固体電解質体３１２ａと正極３１２ｂと負極３１２ｃとを開口方向と直角に切断しただけで正極３１２ｂと負極３１２ｃが露出した状態の両端を有する。そして、図４Ａは、電極複合体３１２と電極支持体３２６とを管継手３２８を使用して接合した例を示している。また、図４Ｂは、それらを上述の中間材法と直接的接合法で接合した例を示しているが、それらの接合方法は、確実に接合できさえすれば特に限定的ではなく、上述のどの方法を採用しても良い。
【００５５】
本発明の燃料電池３１０では、密閉容器３２０は、さらに、端壁３２４と筒状の２つの電極支持体３２６とを備えても良い。端壁３２４は、外壁３２２の開口方向の少なくとも一方の端に配置される。筒状の２つの電極支持体３２６は、電極複合体３１２の両端のそれぞれに接合される。固体電解質体３１２ａおよび電極支持体３２６を含む密閉容器３２０の材料は、セラミックスである。端壁３２４の外周は、外壁３２２の開口方向の一方の端に接合され、端壁３２４の内周は、電極支持体３２６の一方に接合される。
【００５６】
即ち、図４Ａの燃料電池３１０の負極燃料物質体１４は、上述の図１Ａの燃料電池１０と同様に多重筒状構造の内側から５番目に、または上述の図３の燃料電池２１０と同様に６番目になるので、その体積を内側負極タイプの電極複合体を使用した燃料電池の負極燃料物質体の体積よりも大きくすることができる。従って、このような構成とすることで、本発明の燃料電池３１０は、シンプルかつコンパクトで、しかも電池容量およびエネルギー密度が十分大きい構成にすることができる。
【００５７】
次に、本発明の第３の実施形態の燃料電池について説明する。図５は、本発明の第３の実施形態の燃料電池を模式的に示す正面図である。
本発明の燃料電池４１０は、燃料電池１０と比較すると、電極複合体１２の代わりに固体電解質体４１２ａと正極４１２ｂと負極４１２ｃとから成りかつ正極リード線４１２ｐと負極リード線４１２ｎとを備えた電極複合体４１２を有する点、密閉容器２０、外壁２２、端壁２４の代わりに密閉容器４２０、外壁４２２、端壁４２４を有する点以外は同一の構成を有するものであるので、同一の構成要素には、同一の参照符号を付し、その説明を省略する。
【００５８】
電極複合体４１２は、三層に積層された固体電解質体４１２ａと正極４１２ｂと負極４１２ｃとを開口方向と直角に切断しただけで正極４１２ｂと負極４１２ｃが露出した状態の両端を有する。
【００５９】
本発明の燃料電池４１０では、密閉容器４２０は、さらに、端壁４２４を備えても良い。端壁４２４は、外壁４２２の開口方向の少なくとも一方の端に配置される。固体電解質体４１２ａおよび密閉容器４２０の材料は、セラミックスである。端壁４２４の外周は、外壁４２２の開口方向の一方の端に接合され、端壁４２４の内周は、電極複合体４１２に接合される。
【００６０】
即ち、図５の燃料電池４１０の負極燃料物質体１４は、上述の図１Ａの燃料電池１０と同様に多重筒状構造の内側から５番目に、または上述の図３の燃料電池２１０と同様に６番目になるので、その体積を内側負極タイプの電極複合体を使用した燃料電池の負極燃料物質体の体積よりも大きくすることができる。従って、このような構成とすることで、本発明の燃料電池４１０は、シンプルかつコンパクトで、しかも電池容量およびエネルギー密度が十分大きい構成にすることができる。
【００６１】
次に、本発明の第４の実施形態の燃料電池について説明する。図６は、本発明の第４の実施形態の燃料電池を模式的に示す正面図であり、図７は、図６に示す燃料電池の平面図であり、図８は、図６に示す燃料電池の側面図である。
本発明の燃料電池５１０は、燃料電池１０と比較すると、電極複合体１２の代わりに固体電解質体５１２ａと正極５１２ｂと負極５１２ｃとから成る電極複合体５１２を有する点、密閉容器２０、外壁２２、端壁２４、電極支持体２６の代わりに密閉容器５２０、外壁５２２、端壁５２４、電極支持体５２６ａ、５２６ｂ、キャップ５３８、排気管５３８ａを有する点以外は同一の構成を有するものであるので、同一の構成要素には、同一の参照符号を付し、その説明を省略する。また、負極燃料物質体５１４、ヒータ５１６、断熱体５１８は、負極燃料物質体１４、ヒータ１６、断熱体１８にそれぞれ対応するものであり、その形状は相違しているが、基本的な機能は同一であるので、その説明を省略する。なお、図７、図８は、燃料電池５１０からヒータ５１６、断熱体５１８が取り外された状態を示している。
【００６２】
電極複合体５１２は、電極複合体１２の代わりに固体電解質体５１２ａ（図示せず）と正極５１２ｂ（図示せず）と負極５１２ｃ（図示せず）とから成り、接合される電極支持体５２６ａ、５２６ｂの材料によって両端の状態が異なる。
【００６３】
本発明の燃料電池５１０では、密閉容器５２０は、さらに、端壁５２４と筒状の２つの電極支持体５２６ａ、５２６ｂと負極燃料物質体５１４を入れ換えるためのキャップ５３８とを備えても良い。端壁５２４は、外壁５２２の開口方向の少なくとも一方の端に配置される。筒状の２つの電極支持体５２６ａ、５２６ｂは、電極複合体５１２の両端のそれぞれに接合される。端壁５２４の外周は、キャップ５３８に当接し、外壁５２２の開口方向の一方の端に対してキャップ５３８を着脱自在に螺合することによって、キャップ５３８を介して外壁５２２の開口方向の一方の端に接合され、端壁５２４の内周は、電極支持体５２６ｂの端面に当接する。キャップ５３８は、水注入量制御手段４８に接続された給水部５３２ａと、注入された水が必要に応じて排水される排水部５３２ｂと、電極複合体５１２の内側の空気を排気する排気管５３８ａと、を備える。
【００６４】
即ち、図６の燃料電池５１０の負極燃料物質体５１４は、上述の図１Ａの燃料電池１０と同様に多重筒状構造の内側から５番目に、または上述の図３の燃料電池２１０と同様に６番目になるので、その体積を内側負極タイプの電極複合体を使用した燃料電池の負極燃料物質体の体積よりも大きくすることができる。また、燃料電池５１０を放電のみを行う一次電池として使用する場合には、酸化物となった負極燃料物質体５１４を元の負極燃料物質体５１４と入れ換える必要がある。従って、このような構成とすることで、本発明の燃料電池５１０は、シンプルかつコンパクトで、しかも電池容量およびエネルギー密度が十分大きい構成にすることができると共に、従来と同等以上にメンテナンス性を良好にすることができる。
【００６５】
本発明の燃料電池５１０では、固体電解質体５１２ａの材料は、セラミックスであり、密閉容器５２０の材料は、ステンレスであっても良い。この場合には、端壁５２４および電極支持体５２６ａ、５２６ｂの少なくとも一方は、固体電解質体５１２ａおよび外壁５２２の熱膨張率の違いを吸収するための弾性変形部（図示せず）を有する。
【００６６】
即ち、端壁５２４は、ダイヤフラムのような形状のステンレスの部品であり、外周と内周との間に弾性変形部を有しても良い。また、電極支持体５２６ｂは、電極複合体５１２に接合されたステンレスの部分と端壁５２４の内周に接合されたステンレスの部分との間にゴムなどの弾性変形部を挟み込み、接着などで一体化しても良い。
【００６７】
固体電解質体５１２ａの材料がセラミックスで、密閉容器５２０の材料がステンレスの場合には、ヒータ５１６で加熱すると固体電解質体５１２ａおよび外壁５２２の熱膨張率の違いによって長さに差が生じ、亀裂が入ることによって気密性が低下する恐れがある。これに対して、本発明の燃料電池５１０は、弾性変形部が上記長さの差を吸収するので、気密性低下の恐れを解消できる。従って、このような構成とすることで、本発明の燃料電池５１０は、従来と同等以上に信頼性を良好にすることができる。なお、この場合の電極複合体５１２と電極支持体５２６ａ、５２６ｂとの接合方法は、上述の図１Ａ、図１Ｂの燃料電池１０と同様なので、その説明を省略する。
【００６８】
本発明の燃料電池５１０では、固体電解質体５１２ａおよび電極支持体５２６ａ、５２６ｂを含む密閉容器５２０の材料は、セラミックスであっても良い。この場合の電極複合体５１２と電極支持体５２６ａ、５２６ｂとの接合方法は、上述の図４Ａ、図４Ｂの燃料電池３１０と同様なので、その説明を省略する。
本発明の燃料電池は、基本的に以上のように構成される。
【００６９】
以上、本発明の燃料電池について詳細に説明したが、本発明は上記記載に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更をしても良いのはもちろんである。なお、本発明の第１の実施形態の燃料電池の変形例１、２は、第１の実施形態だけでなく第２〜４の実施形態にも適用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
本発明の燃料電池は、シンプルかつコンパクトで、しかも電池容量およびエネルギー密度が十分大きい構成にすることができるという効果に加え、従来と同等以上に電力供給の安定性を高く、信頼性とメンテナンス性とエネルギー効率を良好にすることができるという効果もあるので、産業上有用である。
【符号の説明】
【００７１】
１０、１１０、２１０、３１０、４１０、５１０  燃料電池
１２、３１２、４１２、５１２  電極複合体（ＳＯＦＣチューブ）
１２ａ、３１２ａ、４１２ａ  固体電解質体
１２ｂ、３１２ｂ、４１２ｂ  正極
１２ｃ、３１２ｃ、４１２ｃ  負極
１２ｐ、３１２ｐ、４１２ｐ  正極リード線
１２ｎ、３１２ｎ、４１２ｎ  負極リード線
１４、５１４  負極燃料物質体
１６、２１６、５１６  ヒータ
１８、１１８、２１８、５１８  断熱体
２０、１２０、３２０、４２０、５２０  密閉容器
２２、１２２、３２２、４２２、５２２  外壁
２４、３２４、４２４、５２４  端壁
２６、３２６、５２６ａ、５２６ｂ  電極支持体
２８、３２８  管継手
３０  カバープレート
３２ａ、５３２ａ  給水部
３２ｂ、５３２ｂ  排水部
３２ｃ  リリーフ弁接続部
３４  接続部材
４２  温度計測手段
４４  電圧計測手段
４６  流量調整手段
４８  水注入量制御手段
５２  リリーフ弁
２１６ａ、２１６ｂ  リード線
２３６  ヒータ支持体
２３６ａ  孔
５３８  キャップ
５３８ａ  排気管
【図１】
2017135451.tif 000003
【図２】
2017135451.tif 000004
【図３】
2017135451.tif 000005
【図４】
2017135451.tif 000006
【図５】
2017135451.tif 000007
【図６】
2017135451.tif 000008
【図７】
2017135451.tif 000009
【図８】
2017135451.tif 000010
【国際調査報告】
2017135451.tif 000011
2017135451.tif 000012
2017135451.tif 000013
2017135451.tif 000014