(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設けて反応室と該反応室よりも下方に燃焼室を形成し、複数の有底筒状の燃料電池セルを、前記燃焼室仕切板に形成された複数のセル挿入孔に、前記燃料電池セルの開口部が前記燃焼室に開口するようにそれぞれ挿入してなり、酸素含有ガスを前記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、該余剰の燃料ガスと前記燃焼室内の酸素含有ガスを燃焼させることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
燃焼室の燃焼ガスの排気口を前記燃焼室よりも上方に設けてなることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
燃料電池セルの底部に突起を形成するとともに、反応室にセル底部挿入孔が形成された燃料ガス室仕切板を設け、該燃料ガス室仕切板のセル底部挿入孔に前記燃料電池セルを挿入し、前記セル底部挿入孔近傍の燃料ガス室仕切板上面に、前記燃料電池セル底部の突起を係合せしめた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、燃焼室を反応室よりも下方に設けた燃料電池に関する。
【０００２】
【従来技術】
従来の燃料電池は、図５に示すように、反応容器５１内に、空気室仕切板５３、燃焼室仕切板５５、燃料ガス室仕切板５６を設けて、上から空気室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燃料電池セル５７は、燃焼室仕切板５５に形成されたセル挿入孔５８に挿入固定されており、また、その内部には空気室仕切板５３に固定された空気導入管５９の一端が挿入されている。燃焼室仕切板５５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（図示せず）が形成されており、燃料ガス室仕切板５６には、燃料ガスを反応室Ｃ内に供給するための供給孔（図示せず）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６０、空気を導入する空気導入口６１、燃焼室Ｂ内で燃焼したガスを排出するための排気口６３が形成されている。
【０００５】
このような燃料電池は、空気室Ａからの空気を空気導入管５９を介して燃料電池セル５７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燃料電池セル５７間に供給し、反応室Ｃにて反応させ、余剰の燃料ガスを燃焼室仕切板５５の燃料ガス噴出孔から燃料室Ｂ内に噴出せしめ、余剰の空気と燃料ガスを燃焼室Ｂにて燃焼させ、燃焼したガスを排気口６３から外部に排出する。
【０００６】
ところで、上記のような燃料電池では、発電時の未反応の空気および燃料ガスが、燃焼室Ｂにおいて燃焼し、この燃焼により燃焼室Ｂ中の空気導入管５９を暖め、空気室Ａから空気導入管５９を介して流れてきた空気の予熱を行なっている。この予熱と発電時に生じる反応熱により、外部から熱を供給することなしに、燃料電池を約１０００℃の動作温度に保ち、発電を行うことができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、小型の燃料電池では、トータルの反応熱が大型のものに比べ小さく、約１０００℃の動作温度を保てず、発電性能が低下する虞があった。
【０００８】
一方、約１０００℃の動作温度を保持すべく、発電で消費される燃料ガスを少なくし、その分を燃焼させるためのガスとして供給すると、今度は、発電時の燃料ガス利用効率が低下するという問題があった。
【０００９】
また、室温から動作温度である約１０００℃まで立ち上げる際は、発電状態でないため反応熱がなく、このため、反応を促進すべく外部において予め空気を暖めて供給する必要があり、空気の予熱時間が長くなるという問題があった。
【００１０】
さらに、燃焼室Ｂでの燃焼により燃料電池セル５７を加熱昇温しているため、燃焼室Ｂに近い燃料電池セル５７の開口部６５と、燃焼室Ｂから遠い燃料電池セル５７の底部６７とで温度差が大きくなるため、温度差により燃料電池セル５７が破壊する虞があった。特に急激に昇温すると破壊する虞が高くなるという問題があった。
【００１１】
本発明は、発電時の未反応ガスの燃焼により生じる熱の利用効率を高めることができる燃料電池を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料電池は、反応容器内に燃焼室仕切板を設けて反応室と該反応室よりも下方に燃焼室を形成し、複数の有底筒状の燃料電池セルを、前記燃焼室仕切板に形成された複数のセル挿入孔に、前記燃料電池セルの開口部が前記燃焼室に開口するようにそれぞれ挿入してなり、酸素含有ガスを前記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、該余剰の燃料ガスと前記燃焼室内の酸素含有ガスを燃焼させるものである。
【００１３】
ここで、燃焼室の燃焼ガスの排気口を前記燃焼室よりも上方に設けてなることが望ましい。また、燃料電池セルの底部に突起を形成するとともに、反応室にセル底部挿入孔が形成された燃料ガス室仕切板を設け、該燃料ガス室仕切板のセル底部挿入孔に前記燃料電池セルを挿入し、前記セル底部挿入孔近傍の燃料ガス室仕切板上面に、前記燃料電池セル底部の突起を係合せしめることが望ましい。
【００１４】
【作用】
本発明の燃料電池では、燃焼室において未反応ガスの燃焼が行われるが、燃焼室を反応室の下方に形成したので、燃焼室中の空気導入管を暖め、空気室から流れてきた空気導入管中の空気の予熱を行うと同時に、燃料電池セルの下方に熱源である燃焼室があるために、その熱により直接燃料電池セルを暖めることが可能になる。
【００１５】
また、燃焼室の燃焼ガスの排気口を燃焼室よりも上方に設けることにより、燃焼ガスを反応容器側面を介して排気口から排気させることができ、これにより反応容器全体を保温することも可能になる。このため、燃料電池起動時の昇温に関しても熱源が下方にあることと、その燃焼ガスにより燃料電池全体を昇温できるため、燃料電池において温度むらが少なく、温度差による燃料電池セルの破壊を防止できるとともに、急速な昇温が可能となる。
【００１６】
さらに、燃料電池セルの底部に突起を形成するとともに、反応室にセル底部挿入口が形成された燃料ガス室仕切板を設け、セル底部挿入孔近傍の燃料ガス室仕切板上面に、セル底部挿入孔に挿入された燃料電池セルの底部の突起を係合せしめることにより、燃料電池セルが燃料ガス室仕切板に吊り下げられた構造となり、燃料電池セルに自重による荷重が作用せず、昇温時の破壊や発電時の破壊をさらに抑制することができ、耐久性に優れた燃料電池を得ることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の燃料電池を図１に基づいて説明する。図において、符号１は反応容器を示している。この反応容器１内には、空気室仕切板２、燃焼室仕切板３、燃料ガス室仕切板５が設けられ、下から空気室Ａ、燃焼室Ｂ、反応室Ｃ、燃料ガス室Ｄが形成されている。
【００１８】
また、この反応容器１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６が燃料ガス室Ｄに開口しており、一方、例えば空気からなる酸素含有ガスを導入する空気導入口７が空気室Ａに開口している。
【００１９】
そして、反応容器１には、複数の有底筒状の燃料電池セル８の底部１２が燃料ガス室仕切板５のセル底部挿入孔１３に挿入され、また、開口部１５が燃焼室仕切板３のセル挿入孔１７に挿入されて支持されている。燃料電池セル８の底部１２には、図１および図２（ａ）に示すように、突起１９が形成されており、この突起１９がセル底部挿入孔１３近傍の燃料ガス室仕切板５に係合しており、これにより燃料電池セル８が吊り下げられている。
【００２０】
尚、突起１９は、図２（ｂ）に示すように円筒状のセルにキャップ２１を被せることにより形成するとともに、底部を封止しても良いし、また、図２（ｃ）に示すように有底筒状の燃料電池セル８の底部１２を突出して形成しても良い。
【００２１】
空気室仕切板２には、空気導入管２１が空気導入管挿入孔２３に挿入され固定されており、その上端部は、燃料電池セル８内に挿入されている。また、空気導入管２１には突起２５が形成されており、この突起２５が空気室仕切板２に係合し、空気導入管２１の落下を防止している。
【００２２】
また、燃焼室仕切板３には、燃料電池セル８間を通過した余剰の燃料ガスを燃焼室Ｂ内に導入する燃料ガス噴出口（図示せず）が形成され、さらに、燃料ガス室仕切板５には、燃料ガスを反応室Ｃ内に供給する燃料ガス噴出孔（図示せず）が形成されている。
【００２３】
そして、反応容器１両側面には燃焼室Ｂ内で燃焼した排ガスを上方に導く排気用通路３１が形成され、燃料ガス室Ｄの側方には排気口３３が形成されている。
【００２４】
また、燃料電池セル８は、図３に示すように、例えば、支持管としてのＬａＭｎＯ３  系空気極４１と、この空気極４１の表面に形成されたＹ２  Ｏ３  安定化ＺｒＯ２  からなる固体電解質４２と、固体電解質４２の表面に形成されたＮｉ一ジルコニア系の燃料極４３と、空気極４１と電気的に接続されるＬａＣｒＯ３  系よりなるインターコネクタ４４とから構成されている。
【００２５】
この燃料電池セル８は、図４に示すように、一方の燃料電池セル８のインターコネクタ４４を、他方の燃料電池セル８の燃料極４３にＮｉ金属繊維等の接続部材４５を介して接続し、複数の燃料電池セル８が電気的に接続され、スタック４７が構成されており、このようなスタック４７が、図１に示したように、反応容器１内に複数収容されて燃料電池が構成されている。
【００２６】
反応容器１内には、一つの燃料電池セル８のインターコネクタ４４に接続された電極（図示せず）と、他方の燃料電池セル８の燃料極４３に接続された電極（図示せず）が配置されており、これらの電極を介して電力が取り出される。
【００２７】
以上のように構成された燃料電池では、空気室Ａからの空気を空気導入管２１を介して燃料電池セル８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燃料電池セル８間に供給し、反応室Ｃにて反応させ、余剰の燃料ガスを燃焼室仕切板３の燃料ガス噴出孔から燃料室Ｂ内に噴出せしめ、余剰の空気と燃料ガスを燃焼室Ｂにて燃焼させ、燃焼ガスを排気用通路３１を介して、燃料ガス室Ｄの側方まで導き、排気口３３から排出される。
【００２８】
従って、本発明の燃料電池では、反応室Ｃの下方に燃焼室Ｂが位置する構造であるため、燃焼室Ｂにおける未反応ガスの燃焼により、燃焼室Ｂ中の空気導入管２１を暖め、空気導入管２１中の空気の予熱を行うと同時に、燃料電池セル８の下方に熱源があるために、その熱により直接燃料電池セル８を暖めることができる。
【００２９】
また、燃焼ガスの排気口３３を燃焼室Ｂよりも上方の反応室Ｄの側方に設けることにより、燃焼ガスを反応容器１の側面に形成された排気用通路３１を介して排気口３３から排気させることができ、これにより反応容器１全体を保温することができる。このため、燃料電池起動時の昇温に関しても熱源が下方にあることと、その排ガスにより燃料電池全体を昇温できるため、燃料電池において温度むらが少なく、温度差による燃料電池セル８の破壊を防止できるとともに、急速に昇温できる。
【００３０】
さらに、燃料電池セル８の底部１２に突起１９を形成するとともに、反応室Ｃにセル底部挿入孔１３が形成された燃料ガス室仕切板５を設け、セル底部挿入孔１３近傍の燃料ガス室仕切板５に、セル底部挿入孔１３に挿入された燃料電池セル８の底部１２の突起１９を係合せしめることにより、燃料電池セル８が燃料ガス室仕切板５に吊り下げられた構造となり、燃料電池セル８自身の自重による応力から開放され、燃料電池セル８に無理な荷重が作用せず、昇温時破壊や発電時破壊を防止することができ、耐久性に優れた燃料電池を得ることができる。
【００３１】
【発明の効果】
本発明の燃料電池では、反応容器下方に燃焼室を形成するため、燃焼ガスを利用し、保温性と同時に燃料電池内の温度むらを減少させ、小型の燃料電池でも、外部からの熱の供給なしに動作させることができるとともに、燃料電池の均熱化と保温性を向上できる。さらに燃料電池セルを吊り下げる構造としたため、自重等による応力の発生が小さく、急速立ち上げに対応できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池の模式図である。
【図２】本発明の燃料電池セルの突起を説明するための断面図である。
【図３】燃料電池セルを示す断面図である。
【図４】燃料電池セルのスタックを示す断面図である。
【図５】従来の燃料電池の模式図である。
【符号の説明】
１・・・反応容器
２・・・空気室仕切板
３・・・燃焼室仕切板
５・・・燃料ガス室仕切板
８・・・燃料電池セル
１９・・・突起
２１・・・空気導入管
３３・・・排気口
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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