(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燃焼室を形成し、複数の有底円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、前記燃料電池セル間に変形可能な導電性部材を介装し、前記複数の燃料電池セルの集合体を側面から押圧固定してなる燃料電池であって、前記セル挿入孔が、前記燃料電池セルの集合体の押圧方向を長軸とする楕円形状であることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
燃料電池セルの底部がセル底部固定板のセル底部挿入孔に挿入されて固定されており、該セル底部挿入孔が、前記燃料電池セルの集合体の押圧方向を長軸とする楕円形状であることを特徴とする請求項１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、複数の燃料電池セルの集合体を側面から押圧固定してなる燃料電池に関する。
【０００２】
【従来技術】
従来の燃料電池は、複数の燃料電池セル（以下、単にセルという）を固定する燃焼室仕切板およびセル底部固定板を除いて本願発明の燃料電池と同様であるため、図１を用いて説明する。
【０００３】
燃料電池は、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。
【０００４】
反応容器１内には複数の有底筒状のセル７が収容されている。これらのセル７は、図２に示すように、隣り合ったセル７との間に繊維性金属等の変形可能な導電性部材９を介して電気的に接続された状態で、反応容器１内に収容されている。尚、図１では導電性部材９は省略した。
【０００５】
即ち、セル７は、図３に示すように、例えば、支持管としてのＬａＭｎＯ３  系の空気極１１と、この空気極１１の表面に形成されたＹ２  Ｏ３  安定化ＺｒＯ２  からなる固体電解質１２と、固体電解質１２の表面に形成されたＮｉ−ジルコニア系の燃料極１３と、空気極１１と電気的に接続されるＬａＣｒＯ３  系よりなるインターコネクタ１４とから構成されている。
【０００６】
一方のセル７のインターコネクタ１４と他方のセル７の燃料極１３との間、および一方のセル７の燃料極１３と他方のセルの燃料極１３との間には、図２に示したようなＮｉからなる繊維性金属等の導電性部材９を配置した状態で、図１に示したように、セル７を、その開口部１９が上方に突出するように燃焼室仕切板３の円形状のセル挿入孔２１に挿入し、セル７の底部をセル底部固定板２３の円形状のセル底部挿入孔２５に挿入し突出させ、両端部を固定された複数のセル７の集合体（スタック）２７が形成され、このような集合体２７が反応容器１内に収容され、この集合体２７が、セル７間の導通を確実に行うため、反応室Ｃ内に配置された押圧用電極板２９により電極板３１に押圧され、反応容器１にセットされている。
【０００７】
押圧用電極板２９は、図２に示すように、セル７のインターコネクタ１４に変形可能な導電性部材９を介して接続され、電極板３１はセル７の燃料極１３に変形可能な導電性部材９を介して接続され、押圧用電極板２９および電極板３１により電力が取り出される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の燃料電池は、複数のセル７の集合体２７を反応容器１内に収容した後、押圧用電極板２９によりセル７の集合体２７の一方の側面を電極板３１に押圧していたため、隣り合ったセル７間の導電性部材９の歪み量が大きく、セル７間の距離が狭まり、燃焼室仕切板３のセル挿入孔２１およびセル底部固定板２３のセル底部挿入孔２５のエッジにセル７の側面が押圧され、セル７に曲げ応力が作用し、集合体２７のセット時、あるいは発電時にセル７が破損し、発電性能が劣化する虞があった。
【０００９】
本発明は、セルの破損を防止することができる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燃焼室を形成し、複数の有底円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、前記燃料電池セル間に変形可能な導電性部材を介装し、前記複数の燃料電池セルの集合体を側面から押圧固定してなる燃料電池であって、前記セル挿入孔が、前記燃料電池セルの集合体の押圧方向を長軸とする楕円形状とするものである。
【００１１】
ここで、燃料電池セルの底部がセル底部固定板のセル底部挿入孔に挿入されて固定されており、該セル底部挿入孔が、前記燃料電池セルの集合体の押圧方向を長軸とする楕円形状であることが望ましい。また、燃焼室仕切板のセル挿入孔およびセル底部固定板のセル底部挿入孔のエッジにＲを設けることが望ましい。
【００１２】
【作用】
本発明の燃料電池では、セル挿入孔が、燃料電池セルの集合体の押圧方向を長軸とする楕円形状としたので、複数のセルの集合体を反応容器内に収容し、押圧用電極板によりセルの集合体の一方の側面を電極板に押圧し、隣り合ったセル間の導電性部材が歪み、セル間の距離が狭まった場合でも、燃焼室仕切板のセル挿入孔のエッジにセルの側面が接触することがなく、あるいは接触する場合でもセル接触面には殆ど応力集中することがなく、側面からの荷重はセルの側面に導電性部材を介して均等に作用し、セルの応力集中による破損を防止することができる。
【００１３】
また、隣り合ったセル間で電気的接続が良好となるとともに、緩衝材的な機能を有する繊維性金属等の変形可能な導電性部材の量を増やすことなく、セル挿入孔のエッジとセルの接触による応力集中を防止できるため、セル間のピッチを従来通りに維持でき、燃料電池の発電性能上重要である燃料利用率を損なうことがない。
【００１４】
さらに、セルの底部をセル底部固定板のセル底部挿入孔に挿入して固定し、該セル底部挿入孔を、セルの集合体の押圧方向を長軸とする楕円形状とすることにより、セルの固定をより確実に行うことができるとともに、セルの応力集中による破損を確実に防止することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の燃料電池を図１を用いて説明する。本発明の燃料電池は、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。
【００１６】
反応容器１内には複数の有底筒状のセル７が収容されている。これらのセル７は、図２のように隣り合ったセル７との間に繊維性金属等の変形可能な導電性部材９を介して電気的に接続された状態で、反応容器１内に収容されている。
【００１７】
即ち、セル７は、図３に示すように、例えば、支持管としてのＬａＭｎＯ３  系の空気極１１と、この空気極１１の表面に形成されたＹ２  Ｏ３  安定化ＺｒＯ２  からなる固体電解質１２と、固体電解質１２の表面に形成されたＮｉ−ジルコニア系の燃料極１３と、空気極１１と電気的に接続されるＬａＣｒＯ３  系よりなるインターコネクタ１４とから構成されている。
【００１８】
一方のセル７のインターコネクタ１４と他方のセル７の燃料極１３との間、および一方のセル７の燃料極１３と他方のセルの燃料極１３との間には、図２に示したようなＮｉからなる繊維性金属等の導電性部材９を配置した状態で、図１に示したように、セル７を、その開口部１９を上方に突出するように燃焼室仕切板３の円形状のセル挿入孔２１に挿入し、セル７の底部をセル底部固定板２３の円形状のセル底部挿入孔２５に挿入し、両端を固定された複数のセル７の集合体（スタック）２７が形成され、このような集合体２７が反応容器１内に収容され、この集合体２７が、セル７間の導通を確実に行うため、反応室Ｃ内に配置された押圧用電極板２９により電極板３１に押圧され、反応容器１にセットされている。
【００１９】
押圧用電極板２９は、図２に示すように、セル７のインターコネクタ１４に変形可能な導電性部材９を介して接続され、電極板３１はセル７の燃料極１３に変形可能な導電性部材９を介して接続され、押圧用電極板２９および電極板３１により電力が取り出される。
【００２０】
また、反応容器１の燃料ガス室Ｄ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３３が設けられ、また空気室Ａには、空気を導入する空気導入口３５が設けられ、さらに燃焼室Ｂには排気口３７が設けられている。
【００２１】
さらに、反応容器１内には、セル７内に空気室Ａから空気を導入する空気導入管３９が設けられ、この空気導入管３９は空気室仕切板２の孔に挿入固定されている。
【００２２】
燃料ガス室仕切板４には、燃料ガスをセル７間に分散するための分散孔（図示せず）が形成され、燃焼室仕切板３には、図４（ａ）（ｂ）に示すように、セル７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４１が形成され、これにより、余分な燃料ガスは燃焼室Ｂに導入される。
【００２３】
そして、本発明の燃料電池では、図４（ｂ）に示すように、燃焼室仕切板３のセル挿入孔２１を、セル７を反応容器１にセットする際に加えられる荷重方向Ｘが長軸ｍとなる楕円形状とし、セル挿入孔２１のエッジにＲが設けられている。
【００２４】
セル７とセル挿入孔２１との隙間は、Ｎｉ金属繊維等の導電部材９が充填され、燃料ガスの漏出が低減されている。セル底部固定板２３のセル底部挿入孔２５にも、荷重方向Ｘが長軸ｍとなる楕円形状とし、セル底部挿入孔２５のエッジにＲが設けられている。セル７の直径は、例えば１５ｍｍとされ、セル挿入孔２１およびセル底部挿入孔２５の長軸ｍは１６．５ｍｍ、短軸は１６ｍｍとされている。
【００２５】
このような燃料電池は、空気を空気導入口３５から空気導入管３９を介してセル７内に空気を導入するとともに、燃料ガス導入口３３から水素を導入し、燃料ガス室仕切板４の分散孔で分散してセル７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３７から外部に排出される。
【００２６】
図４（ａ）にセル７におけるガスの流れを示す。水素ガス（燃料ガス）はセル７の下方から導入され、発電により酸化されながら上方へと進む。一方空気（酸化ガス）は空気導入管３９を介してセル上方よりセル内部下方へ導入される。そしてセル内部下方より上部へと流れる。セル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。
【００２７】
以上のように構成された燃料電池では、燃焼室仕切板３のセル挿入孔２１とセル底部固定板２３のセル底部挿入孔２５を、セル７を反応容器１にセットする際に加える荷重方向Ｘが長軸ｍとなる楕円形状としたので、複数のセル７の集合体２７を、側面の一方向から荷重を加えて反応容器１にセットする際、隣り合ったセル７間に介した繊維性金属等の導電性部材９の歪み量が大きく、荷重を加えた方向にセル間距離が狭まっても、燃焼室仕切板３のセル挿入孔２１およびセル底部固定板２３のセル底部挿入孔２５のエッジに、セル７の側面が接触しないため、あるいは接触しても殆ど応力集中することがなく、常に、荷重はセル７の側面に導電性部材９を介して均等に作用することになる。従って、セル７が曲げ応力状態となり、応力集中により破損することを防止することができる。
【００２８】
また、押圧固定するため隣り合ったセル７間で電気的接続を図ることができ、緩衝材的な機能を有する繊維性金属等の導電性部材９の量を増やすことなく、セル挿入孔２１やセル底部挿入孔２５のエッジとセル７の接触を防止でき、セル７間のピッチを従来通りに維持でき、燃料電池の発電性能上重要である燃料利用率を損なうことがない。
【００２９】
さらに、燃焼室仕切板３のセル挿入孔２１およびセル底部固定板２３のセル底部挿入孔２５のエッジにＲを設けたので、セル挿入孔２１やセル底部挿入孔２５のエッジとセル７が接触したとしても、応力集中を確実に防止できる。
【００３０】
【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％で平均粒径が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％で平均粒径が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。
【００３１】
Ｌａ０．９  Ｓｒ０．１  ＭｎＯ３  粉末をそれぞれ押し出し成形にて、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に巻き付け、１５００℃で３時間焼成し空気極に焼き付けた。さらに、固体電解質の表面に８０重量％ＮｉＯ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に示したようなセルを作製した。固体電解質の厚みは１００μｍであり、セルの最大外径は１５ｍｍであった。
【００３２】
この後、１６本のセルを、図２に示したようなＮｉからなる繊維性金属を介して４直４並列に電気的に接続した状態で、燃焼室仕切板のセル挿入孔、およびセル底部固定板のセル底部挿入孔に挿入固定し、集合体を形成し、図４（ｂ）に示したように燃焼室仕切板とセル底部固定板を固定した状態で、集合体の側面に、一方向から１００ｋｇｆの荷重を加えて、荷重とセル集合体の歪み量を測定した。歪み量は、荷重を加えた押圧用電極板におけるセル集合体中央部の移動量とした。
【００３３】
尚、燃焼室仕切板のセル挿入孔、およびセル底部固定板のセル底部挿入孔を、押圧方向Ｘが長軸ｍとなるような楕円形状（短軸１６ｍｍ、長軸１６．５ｍｍ）とした本発明の燃料電池に用いられる集合体と、セル挿入孔およびセル底部挿入孔を円形状（直径１６ｍｍ）とした従来の燃料電池に用いられる集合体を作製し、評価した。
【００３４】
従来と本発明の集合体の荷重−歪み線図を図５に示す。セル挿入孔およびセル底部挿入孔が円形である従来の集合体の荷重−歪み線図は、曲線が２段になっている。１段目は、荷重をセルと繊維性金属のみで支えて、均一に荷重がかかっている状態、２段目は、セルが燃焼室仕切板のセル挿入孔、およびセル底部固定板のセル底部挿入孔のエッジに接触し、接触部分を支点とする曲げ荷重がかかっている状態、即ち、応力集中が生じている状態となることが判る。
【００３５】
これに対し、セル挿入孔およびセル底部挿入孔が楕円形である本発明の集合体の荷重−歪み線図は、曲線が１段である。即ちセルに均一に荷重がかかっている状態を示している。
【００３６】
次に、本発明と従来の集合体を反応容器にセットした。ここで集合体をセットする際に一方向に加える荷重は、集合体の歪み量が２ｍｍとなるようにした。
【００３７】
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、反応容器の温度設定を１０００℃として発電した。この発電試験において従来の燃料電池ではセル昇温途中で破損したが、本発明の燃料電池では、セルを１０００℃で３０分保持しても破損しなかった。
【００３８】
【発明の効果】
本発明の燃料電池では、セル挿入孔を、燃料電池セルの集合体の押圧方向を長軸とする楕円形状としたので、複数のセルの集合体を反応容器内に収容し、押圧用電極板によりセルの集合体の一方の側面を電極板に押圧し、隣り合ったセル間の導電性部材が歪み、セル間の距離が狭まった場合でも、燃焼室仕切板のセル挿入孔のエッジにセルの側面が接触しないか、あるいは接触した場合でも接触面には殆ど応力集中することがなく、側面からの荷重はセルの側面に導電性部材を介して均等に作用し、セルの応力集中による破損を防止することができる。
【００３９】
また、隣り合ったセル間で電気的接続を良好とできるとともに、緩衝材的な機能を有する繊維性金属等の変形可能な導電性部材の量を増やすことなく、セル挿入孔のエッジとセルの接触による応力集中を防止できるため、セル間のピッチを従来通りに維持でき、燃料電池の発電性能上重要である燃料利用率を損なうことがない。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料電池の模式図である。
【図２】セルの集合体を示す平面図である。
【図３】セルの断面図である。
【図４】セルの集合体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５】本発明と従来のセルの集合体の荷重−歪み線図である。
【符号の説明】
１・・・反応容器
２・・・空気室仕切板
３・・・燃焼室仕切板
４・・・燃料ガス室仕切板
７・・・燃料電池セル
９・・・導電性部材
１９・・・開口部
２１・・・セル挿入孔
２３・・・セル底部固定板
２５・・・セル底部挿入孔
２９・・・押圧用電極板
３１・・・電極板
Ａ・・・空気室
Ｂ・・・燃焼室
Ｃ・・・反応室
Ｄ・・・燃料ガス室
【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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