(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仕切板から前記燃焼室側に突出するようにそれぞれ挿入し固定してなり、前記燃焼室を貫通する空気導入管によ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、前記燃焼室仕切板の余剰燃料ガス噴出孔に、前記固体電解質型燃料電池セルの開口部よりも上方に突出する余剰燃料ガス噴出管を設けたことを特徴とする固体電解質型燃料電池。
【請求項２】
余剰燃料ガス噴出管の燃焼室仕切板からの突出長さが異なる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し、特に、燃焼室仕切板を用いて燃焼室および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】
従来の固体電解質型燃料電池は、燃焼室仕切板の余剰燃料ガス噴出孔に設けられる余剰燃料ガス噴出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。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の円筒状固体電解質型燃料電池は、図８に示すように、有底筒状の固体電解質型燃料電池セル５２の開口部６５が燃焼室仕切板６３から燃焼室Ｂ内に突出しており、この開口部６５付近に、燃焼室仕切板６３に形成された余剰燃料ガス噴出孔から余剰の燃料ガスが噴出されるため、しかも、構造上、複数の固体電解質型燃料電池セル５２の集合体からなるスタックと反応容器５１の内壁面との距離ｄを一定以上確保する必要があるため、この間の空間に空気が回り込み、セル５２の開口部６５の側方に燃料ガスと空気の混合領域Ｇ、即ち燃焼領域が形成されていた。このため、燃焼室Ｂに突出したセル５２の開口部６５側面がスポット的に高温にさらされ、熱応力によって割れるという問題があった。この開口部６５の割れに起因してセル全体が破損し、発電性能が劣化する虞があった。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記の課題に検討を加えた結果、燃焼室仕切板の余剰燃料ガス噴出孔に、セルの開口部よりも燃焼室仕切板から燃焼室に突出する余剰燃料ガス噴出管を設け、余剰燃料ガスをセルの開口部よりも上方に導入することにより、セルの開口部の側方の燃焼領域を無くすことができ、セルの開口部に作用する熱応力を効果的に低減できることを見出し、本発明に至ったのである。
【００１０】
即ち、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仕切板から前記燃焼室側に突出するようにそれぞれ挿入し固定してなり、前記燃焼室を貫通する空気導入管によ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、前記燃焼室仕切板の余剰燃料ガス噴出孔に、前記固体電解質型燃料電池セルの開口部よりも上方に突出する余剰燃料ガス噴出管を設けたものである。
【００１１】
ここで、余剰燃料ガス噴出管の燃焼室仕切板からの突出長さが異なることが望ましい。
【００１２】
【作用】
本発明の固体電解質型燃料電池では、燃焼室仕切板の余剰燃料ガス噴出孔に、固体電解質型燃料電池セルの開口部よりも上方に突出する余剰燃料ガス噴出管を設けたので、余剰の燃料ガスが、固体電解質型燃料電池セルの開口部よりも上方、例えば燃焼室の中央部に導入され、固体電解質型燃料電池セルの開口部から、余剰の燃料ガスが噴出される部分を離すことができ、燃焼室内の局所的な高温を抑制できる。
【００１３】
つまり、余剰の燃料ガスが、セルの開口部の上方に噴出されることになり、燃料ガスと空気の混合領域（燃焼領域）がセルの開口部の側方に形成されることがなく、スタックの最も外側に配列されたセルの開口部の側方が直接燃焼領域に曝され、スポット的に高温になる事態が発生せず、セル端部に作用する熱応力を効果的に低減できるとともに、燃焼室の各部材への熱的負荷を軽減できる。
【００１４】
また、余剰燃料ガス噴出管の燃焼室仕切板からの突出長さを異ならせることにより、余剰の燃料ガスが燃焼室の異なる高さ部分に噴出され、燃焼領域、即ち発熱源が分散され、燃焼室内の局所的な高温を抑制できる。これにより燃焼室の各部材への熱的負荷を軽減することができる。
【００１５】
【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、従来技術と同様の部材の場合には、従来技術と同一符号を付した。
【００１６】
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、反応室から燃焼室に余剰の燃料ガスを導入する余剰燃料ガス噴出管８３、セル５２と余剰燃料ガス噴出管８３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。
【００１７】
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が形成され、この余剰燃料ガス噴出孔には、図２に示すように、噴出口８２がセル５２の開口部６５よりも上方に位置する余剰燃料ガス噴出管８３が挿入固定されている。この余剰燃料ガス噴出管８３により、図１に示したように、余剰の燃料ガスはセル５２の開口部６５よりも上方の燃焼室Ｂの中央部に導入される。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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
そして、本発明の固体電解質型燃料電池では、図５、図６に示すように、燃焼室仕切板６３の余剰燃料ガス噴出孔に余剰燃料ガス噴出管８３をそれぞれ挿入固定し、この余剰燃料ガス噴出管８３の噴出口８２が燃焼室Ｂの中央部に位置しているものである。
【００２２】
ここで、図７に示すように、燃焼室仕切板６３から突出する余剰燃料ガス噴出管８３の突出長さＬを異ならせることにより、発熱源である燃焼領域Ｇを分散できるため望ましい。特に、図７に示したように、余剰燃料ガス噴出管８３の燃焼室仕切板６３からの突出長さＬが、排気口６７に向けて次第に短くすることにより、燃焼領域Ｇをさらに分散することができ、燃焼室Ｂ内の局所的な高温を抑制でき、燃焼室Ｂの各部材への熱的負荷を軽減することができる。
【００２３】
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。
【００２４】
以上のように構成された固体電解質型燃料電池では、燃焼室仕切板６３の余剰燃料ガス噴出孔に、セル５２の開口部６５よりも上方に突出する余剰燃料ガス噴出管８３を設けたので、余剰の燃料ガスをセル５２の開口部６５よりも上方の燃焼室Ｂの中央部に導入することができ、固体電解質型燃料電池セル５２の開口部６５から、余剰の燃料ガスが噴出される部分（燃焼領域Ｇ）を離すことができる。
【００２５】
即ち、余剰の燃料ガスが噴出される部分がセル５２の上方となり、燃焼領域Ｇがセル５２の開口部６５の側方に形成されることがなく、常に、セル５２から離れた燃焼室Ｂの中央部に形成されることになる。よって、スタックの最も外側に配列されたセル５２の開口部６５の側方が直接燃焼領域に曝され、スポット的に高温になる事態が発生せず、セル５２端部に作用する熱応力を効果的に低減できる。
【００２６】
【実施例】
空気極材料として純度９９．９％で平均粒径が５μｍのＬａ０．９  Ｓｒ０．１  ＭｎＯ３  を、固体電解質材料として純度が９９．９％の平均粒径が０．７μｍの１０モル％Ｙ２  Ｏ３  を含有したＺｒＯ２  を、インターコネクタ材料として純度９９．９％、平均粒径が１μｍのＬａ０．８  Ｃａ０．２２ＣｒＯ３  粉末を、燃料極材料として８０重量％Ｎｉを含有するＺｒＯ２  をそれぞれ準備した。
【００２７】
Ｌａ０．９  Ｓｒ０．１  ＭｎＯ３  粉末を押出成形にて、焼結後、外径が１８ｍｍ、厚みが２．３ｍｍ、長さが３００ｍｍになるような中空円筒状の空気極成形体を作製した。この後、１０モル％Ｙ２  Ｏ３  を含有したＺｒＯ２  粉末と、Ｌａ０．８  Ｃａ０．２２ＣｒＯ３  粉末を用いてドクターブレード法にて厚み１５０μｍの固体電解質シートおよびインターコネクタシートを作製した後、それぞれのシートを上記の空気極成形体に巻き付け、１５００℃で３時間焼成し空気極に焼き付けた。
【００２８】
さらに、固体電解質の表面に８０重量％Ｎｉを含有するＺｒＯ２  粉末からなるスラリーを塗布し、１４００℃で２時間焼き付けを行い、図３に示したような固体電解質型燃料電池セルを作製した。
【００２９】
１６本の円筒状固体電解質型燃料電池セルを４直４並列に接続してスタックを形成し、このスタックを図１に示すような反応容器内に配置した。尚、燃焼室仕切板からのセルの突出高さは１５ｍｍであった。そして、燃焼室仕切板の余剰燃料ガス噴出孔に余剰燃料ガス噴出管を挿入固定した本発明の固体電解質型燃料電池と、燃料ガス導入管を設けなかった従来の固体電解質型燃料電池を作製した。
【００３０】
余剰燃料ガス噴出管の燃焼室からの突出長さＬを６０ｍｍとした。
【００３１】
そして、空気極内部に４０ＳＬＭの空気を、燃料極側に６．３ＳＬＭの水素ガスを流して、発電炉の温度設定を１０００℃として発電した。この発電試験において５分経過後のセルの開口部付近と、燃焼ガスの排気口付近の温度を熱電対を用いて測定したところ、余剰燃料ガス噴出管を設けなかった従来の固体電解質型燃料電池ではセルの開口部付近が約１２３８℃、燃焼室排気口付近が１０８８℃であり、余剰燃料ガス噴出管を設けた本発明の固体電解質型燃料電池ではセルの開口部付近が約１０４３℃、燃焼室排気口付近が１０９５℃であった。このことから、セル端部に作用する熱応力を効果的に低減できることが判る。
【００３２】
また、余剰燃料ガス噴出管の燃焼室からの突出長さＬを、燃焼ガスの排気口に向けて６０ｍｍ〜３０ｍｍで次第に短くして、上記のような発電試験を行なったところ、発電試験後５分経過後のセルの開口部付近の温度は１０４８℃、燃焼室排気口付近が１０３２℃であった。これにより、燃焼領域をさらに分散することができ、燃焼室内の局所的な高温を抑制でき、燃焼室の各部材への熱的負荷を軽減できることが判る。
【００３３】
【発明の効果】
本発明の固体電解質型燃料電池では、余剰の燃料ガスが噴出される部分をセル開口部の上方に離すことができ、燃料ガスと空気の混合領域（燃焼領域）がセルの開口部の側方に形成されることがなく、燃焼室内の局所的な高温を抑制できる。よって、スタックの最も外側に配列されたセルの開口部の側方が直接燃焼領域に曝され、スポット的に高温になる事態が発生せず、セル端部に作用する熱応力を効果的に低減できるとともに、燃焼室の各部材への熱的負荷を軽減できる。
【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】余剰燃料ガス噴出管の配置状態を示す模式図である。
【図６】図５の平面図である。
【図７】長さの異なる余剰燃料ガス噴出管を配置した固体電解質型燃料電池の模式図である。
【図８】従来の固体電解質型燃料電池の模式図である。
【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
６５・・・セルの開口部
８２・・・余剰燃料ガス噴出管の噴出口
８３・・・余剰燃料ガス噴出管
Ａ・・・空気室
Ｂ・・・燃焼室
Ｃ・・・反応室
Ｄ・・・燃料ガス室
Ｌ・・・余剰燃料ガス噴出管の突出長さ
【図１】
0003585363.tif 000002
【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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【図７】
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【図８】
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