(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応容器内に燃焼室仕切板と燃料ガス室仕切板を設けて、燃焼室と反応室と燃料ガス室を形成し、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るとともに、前記固体電解質型燃料電池セルの底面と前記燃料ガス室仕切板との間に繊維状金属を介装し、かつ前記固体電解質型燃料電池セルの底面と前記繊維状金属との間にセラミック板を介装してなることを特徴とする固体電解質型燃料電池。
【請求項２】
セラミック板はＺｒＯ２、ＭｇＯ及びＡｌ２Ｏ３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記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項３】
セラミック板には、固体電解質型燃料電池セルの底部を収容する凹部が形成されていることを特徴とする請求項１または２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、燃焼室仕切板と燃料ガス室仕切板を用いて燃焼室と反応室と燃料ガス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、図７に示すように、反応容器５１内に、空気室仕切板５２、燃焼室仕切板５３、燃料ガス室仕切板５４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。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５５は、燃焼室仕切板５３に形成されたセル挿入孔５７に挿入固定されており、また、その内部には空気室仕切板５２に固定された空気導入管５９の一端が挿入されている。
【０００３】
燃焼室仕切板５３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５４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。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６１、空気を導入する空気導入口６２、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。
【０００４】
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５５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５５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６３から外部に排出される。
【０００５】
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、燃焼室Ｂを構成するための空気室仕切板５２、燃焼室仕切板５３、燃料ガス室仕切板５４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。
【０００６】
つまり、空気室仕切板５２と空気導入管５９との固定部から空気が燃焼室Ｂ内に漏出しないように、また、燃焼室仕切板５３とセル５５との固定部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５２、燃焼室仕切板５３、燃料ガス室仕切板５４の外周面と、反応容器５１の内壁面との間からガスが漏出しないようにする必要がある。特に、燃焼室仕切板５３による気密性については十分留意する必要がある。
【０００７】
【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５２、燃焼室仕切板５３、燃料ガス室仕切板５４と、セル５５や空気導入管５９、反応容器５１等とを密接に接合すると、セル５５や空気導入管５９等が破損する危険性があった。特に円筒形の固体電解質型燃料電池セルでは、その形状故に長さ方向の熱膨張が大きく、ガスの漏出の危険性が大きかった。
【０００８】
即ち、従来、セル５５は燃焼室仕切板５３に形成されたセル挿入孔５７に挿入固定されており、その底部は燃料ガス室仕切板５４に当接していたため、セル５５の両端部が固定された状態であり、高温となってセル５５が長さ方向に熱膨張するとセル５５が破損したり、燃焼室仕切板５３での固定が解除されてガスが漏出するという問題があった。
【０００９】
本発明は、固体電解質型燃料電池セルの熱膨張によるガスの漏出を防止でき、これにより発電性能、耐久性、熱サイクル特性を向上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。
【００１０】
【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と燃料ガス室仕切板を設けて、燃焼室と反応室と燃料ガス室を形成し、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るとともに、前記固体電解質型燃料電池セルの底面と前記燃料ガス室仕切板との間に繊維状金属を介装し、かつ前記固体電解質型燃料電池セルの底面と前記繊維状金属との間にセラミック板を介装してなるものである。ここで、セラミック板はＺｒＯ２、ＭｇＯ及びＡｌ２Ｏ３のうち少なくとも一種を主成分とすることが望ましい。
【００１１】
このような構成を採用することにより、室温から１０００℃程度に温度上昇し、固体電解質型燃料電池セルが長さ方向に熱膨張したとしても、その熱膨張が繊維状金属により吸収され、特に燃焼室仕切板と固体電解質型燃料電池セル間に応力がほとんど作用せず、固体電解質型燃料電池セルの破損を防止できるとともに、燃焼室仕切板での固定が解除されることがなく、さらに繊維状金属により燃料ガスを、各固体電解質型燃料電池セル間に拡散できる。これにより固体電解質型燃料電池セルの熱膨張によるガスの漏出を防止できる。
【００１２】
また、繊維状金属は変形しやすいため、固体電解質型燃料電池セルを繊維状金属上に配置すると、自重のために沈みこみ、固体電解質型燃料電池セルの熱膨張を充分に吸収できなくなる虞があるが、固体電解質型燃料電池セルの底面と繊維状金属との間にセラミック板を介装することより、セルの自重等が、セラミック板を介して繊維状金属に作用するため、固体電解質型燃料電池セルの自重等が作用したとしても沈み込みを抑制することができるとともに、固体電解質型燃料電池セルの熱膨張を充分に吸収できる。
【００１３】
ここで、セラミック板に固体電解質型燃料電池セルの底部を収容する凹部を形成することにより、固体電解質型燃料電池セルの保持固定を確実に行うことができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の固体電解質型燃料電池では、図１に示すように、反応容器１内に、空気室仕切板２、燃焼室仕切板３、燃料ガス室仕切板４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。反応容器１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５は、燃焼室仕切板３に形成されたセル挿入孔７に挿入固定されており、また、その内部には空気室仕切板２に固定された空気導入管９の一端が挿入されている。
【００１５】
燃焼室仕切板３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４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。また、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１１、空気を導入する空気導入口１２、燃焼室Ｂ内で燃焼したガスを排出するための排気口１３が形成されている。
【００１６】
そして、本発明の固体電解質型燃料電池では、セル５の底面と燃料ガス室仕切板４との間に繊維状金属１５が介装されている。この繊維状金属１５はＮｉまたはＺｎを主成分とされている。これは１０００℃の還元雰囲気でも弾力性を失わないことと、発電性能を劣化させる硫黄分を燃料ガス中から除去することができるからである。
【００１７】
セル５は、図２に示すように、例えば、支持管としてのＬａＭｎＯ３  系空気極１７と、この空気極１７の表面に形成されたＹ２  Ｏ３  安定化ＺｒＯ２  からなる固体電解質１８と、固体電解質１８の表面に形成されたＮｉ−ジルコニア系の燃料極１９と、空気極１７と電気的に接続されるＬａＣｒＯ３  系よりなるインターコネクタ２１とから構成されている。
【００１８】
一方のセル５のインターコネクタ２１を、図３に示すように、他方のセル５の燃料極１９にＮｉ金属繊維等の接続部材２３を介して、他方のセル５の燃料極１９に接続して、複数のセル５が電気的に接続され、スタック２５が構成されており、このようなスタック２５が、図１に示したように、反応容器１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。
【００１９】
以上のように構成された固体電解質型燃料電池では、室温から１０００℃程度に温度上昇し、セル５が長さ方向に熱膨張したとしても、その熱膨張が繊維状金属１５により吸収され、燃焼室仕切板３とセル５間に応力がほとんど作用せず、セル５の破損を防止できるとともに、燃焼室仕切板３での固定が解除されることがなく、さらに繊維状金属１５により燃料ガスを、各セル５間に拡散できる。これによりセル５の熱膨張によるガスの漏出を防止できる。例えば、セル挿入孔７からの燃料ガスの燃焼室Ｂ内への漏出や、燃焼室仕切板３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とともに、各部材とセル５の熱膨張差による応力を緩和し、セル等の破損を防止することができる。
【００２０】
さらに、本発明の固体電解質型燃料電池では、図４に示すように、セル５の底面と燃料ガス室仕切板４との間に繊維状金属１５が介装されており、セル５の底面と繊維状金属１５との間に、それぞれセラミック板３１が介装されている。特に、図４に示したようにセル５の底面が球面形状の場合には、セル５の自重がセル５の先端部に集中するため、このようなセラミック板３１を用いることが望ましい。
【００２１】
セラミック板３１はＺｒＯ２  、ＭｇＯおよびＡｌ２  Ｏ３  のうち少なくとも一種を主成分とすることが望ましい。これは１０００℃の還元雰囲気でも材料的に安定であるためである。
【００２２】
このような固体電解質型燃料電池では、セル５の底面と繊維状金属１５との間にセラミック板３１を介装することより、セル５の自重等がセラミック板３１を介して繊維状金属１５に作用するため、セル５の自重等が作用したとしても沈み込みを抑制することができるとともに、繊維状金属１５によりセル５の熱膨張を充分に吸収できる。このセラミック板３１により、熱サイクル特性や、耐久性においても繊維状金属の弾力性を保つことができる。
【００２３】
また、セラミック板３１を、ＺｒＯ２  、ＭｇＯおよびＡｌ２  Ｏ３  のうち少なくとも一種を主成分としたので、１０００℃の還元雰囲気でも材料的に安定とできる。
【００２４】
尚、図５に示すように、セラミック板３１に凹部３５を形成し、この凹部３５内にセル５の底部を収容することにより、セル５の保持固定を確実に行うことができる。
【００２５】
また、図４では、各セル５毎にセラミック板３１を繊維状金属１５上に設けた例について説明したが、図６に示すように、複数のセル５共通のセラミック板４１を繊維状金属１５上に設けても良い。
【００２６】
【実施例】
先ず、反応容器１内に、Ａｌ２  Ｏ３  を主成分とするセラミック板からなる燃料ガス仕切板４を収容し、燃料ガス仕切板４上に繊維状金属１５を配置した。その後、図４に示すようにセラミック板３１を配置した。
【００２７】
次に、燃料ガス室仕切板４上に、図３に示したようなセル５を９本連結したスタック２５を４組を配置した。燃焼室仕切板３を反応容器１内に収容し、燃焼室仕切板３とセル５の外面との隙間、燃焼室仕切板３と反応容器１の内壁面との隙間に繊維状セラミックスを詰め込んだ。
【００２８】
次に、反応容器１内に断熱ボードからなる空気室仕切板２を収容し、空気室仕切板２と反応容器１の内壁面との隙間に上記繊維状セラミックスを詰め込んだ。そして、反応容器１内に白煙を導入し、目視にて空気導入管９以外から空気の流れがないことを確認した。
【００２９】
そして、空気および水素ガスを燃料ガスとして反応容器１内に供給し、１０００℃にて発電を行った。１０００時間後と４００〜１０００℃の熱サイクルを２０サイクルしたときの性能の劣化を、初期性能からの劣化の割合で示した。また、燃焼室仕切板３において燃料ガス噴出孔以外からのガスの漏れがないかを、熱電対による温度変化により確認した。
【００３０】
一方、燃料ガス室仕切板４上に繊維状金属１５やセラミック板３１を挿入しない図７の場合についても確認した。その結果を表１に示す。
【００３１】
【表１】
0003580734.tif 000002
【００３２】
この表１より、燃料ガス室仕切板上に繊維状金属やセラミック板を設けない従来の固体電解質型燃料電池では、セルの熱膨張により燃焼室仕切板に応力が生じ、燃焼室仕切板の封止部分から燃料ガスが漏出しており、初期性能が低く、しかも経時的に出力密度が低下していくことが判る。
【００３３】
一方、本発明の固体電解質型燃料電池ではセルの熱膨張を吸収するため、燃焼室仕切板に応力が生じず、燃料ガスの漏出することなく、初期性能が良好であり、しかも経時的に殆ど変化しないことが判る。尚、試料Ｎｏ．３のセラミック板には、図５に示すような凹部を形成した。
【００３４】
【発明の効果】
本発明の固体電解質型燃料電池では、固体電解質型燃料電池セルの底面と燃料ガス室仕切板との間に繊維状金属を介装したので、繊維状金属により、セルの熱膨張を吸収し、特に燃焼室仕切板とセル間の応力がほとんど作用せず、燃焼室と反応室の不要なガスの漏出を防止できる。さらに、繊維状金属は燃料ガスのセル内への供給を均一にし、発電性能を向上できる。また、プレート状のセラミック板をセルの底面と繊維状金属との間に介装することにより、セルと繊維状金属の接触面積を大きくし、セルの繊維金属への自重による沈み込みを防ぎ、熱サイクル特性や、耐久性においても繊維状金属の弾力性を損なうことなく、不要なガスの漏出を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の固体電解質型燃料電池の模式図である。
【図２】固体電解質型燃料電池セルの断面図である。
【図３】スタックを示す平面図である。
【図４】セラミック板をセル底面と繊維状金属との間に介装した模式図である。
【図５】セラミック板の凹部にセル底面が収容されている状態を示す模式図である。
【図６】セラミック板に３本のセルの底面が当接している状態を示す模式図である。
【図７】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】
１・・・反応容器
３・・・燃焼室仕切板
４・・・燃料ガス室仕切板
５・・・固体電解質型燃料電池セル
７・・・セル挿入孔
１５・・・繊維状金属
３１、４１・・・セラミック板
３５・・・凹部
【図１】
0003580734.tif 000003
【図２】
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【図３】
0003580734.tif 000005
【図４】
0003580734.tif 000006
【図５】
0003580734.tif 000007
【図６】
0003580734.tif 000008
【図７】
0003580734.tif 000009