(57)【要約】【課題】火炎を利用した燃料電池であって、火炎の熱を効率的に用いることができ且つカソード層側に充分な空気を対流によって供給できる燃料電池を提案する。【解決手段】固体電解質層１２ａの一面側にアノード層１２ｂが形成されていると共に、固体電解質層１２ａの他面側にカソード層１２ｃが形成された、内径の異なる二個の燃料電池セル１０ａ，１０ｂから成る燃料電池セル部１０を具備する燃料電池において、該二個の燃料電池セル１０ａ，１０ｂが、燃料電池セル１０ａを形成するアノード層１２ｂと燃料電池セル１０ｂを形成するアノード層１２ｂとが対向するように配設され、アノード層１２ｂ、１２ｂが対向する空間１４内で且つアノード層１２ｂの延出方向に火炎１８が形成されるように、空間１４の下端側に気体燃料を吐出するノズル１６が設けられている【選択図】        図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体電解質層の一面側にアノード層が形成されていると共に、前記固体電解質層の他面側にカソード層が形成された少なくとも二個の燃料電池セルから成る燃料電池セル部を具備する燃料電池において、
該少なくとも二個の燃料電池セルが、前記燃料電池セルの一方のアノード層と他方の燃料電池セルを形成するアノード層とが対向するように配設され、
前記アノード層が対向する空間内で且つ前記アノード層の延出方向に火炎が形成されるように、前記空間の下端側に燃料供給手段が設けられている燃料電池。
【請求項２】
燃料電池セル部が、少なくとも二個の筒状の燃料電池セルが同心状に配設されて形成されている請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
燃料供給手段が、気体燃料を供給する燃料供給手段である請求項１又は請求項２記載の燃料電池。
【請求項４】
燃料供給手段が、液体燃料を供給する燃料供給手段である請求項１又は請求項２記載の燃料電池。
【請求項５】
アノード層が、Ｌｉが固溶されたＮｉＯを主成分とする焼成体によって形成されている請求項１〜４のいずれか一項記載の燃料電池。
【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、更に詳細には固体電解質層の一面側にアノード層が形成されていると共に、前記固体電解質層の他面側にカソード層が形成された少なくとも二個の燃料電池セルから成る燃料電池セル部を具備する燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池セルを火炎中に配して発電を行う燃料電池は、例えば下記特許文献１において提案されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平６−１９６１７６号公報（〔００１９〕、図５）
【０００４】
特許文献１に記載された燃料電池の概要を、図８に示す。図８に示す燃料電池は、燃料電池セル１００は、円筒状であって、ジルコニアから成る円筒状の固体電解質層の内周面側にカソード層が形成されていると共に、この固体電解質層の外周面側にアノード層が形成されている。
かかる燃料電池セル１００は、燃焼装置１０２で着火された火炎１０４の還元炎１０６内にアノード層が位置するように配設する。
この様に、還元炎１０６内にアノード層が位置するように配設された円筒状の燃料電池セル１００では、カソード層が形成された内周面側に火炎１０４の対流によって送り込まれる空気中の酸素と、アノード層が形成された外周面が晒される還元炎１０６内に存在する炭化水素、水素、種々のラジカル等とを利用し、発電することができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
図８に示す燃料電池では、燃料電池セル１００を加熱するための外部電力を必要とせず、予期せぬ停電等に対応できる。
しかし、図８に示す燃料電池は、火炎１０４の還元炎１０６を利用するため、燃料電池セル１００の外周面を可及的に幅広く還元炎１０６と接触させることが必要となり、火炎１０４に対して直交するように配設される。
このため、燃料電池セル１００の外周面に沿って火炎１０４を形成することが必要であるため、燃焼装置１０２が大型化する。
しかも、複数本の燃料電池セル１００を直列又は並列に結合して発電する際には、燃焼装置１０２を更に大型化せざるを得ず、燃料電池が更に大型化する。
更に、火炎１０４に対して直交するように配設された燃料電池セル１００の内周面側には、火炎１０４により発生する空気の対流によって送り込まれる空気量は少なく、充分な空気量を燃料電池セル１００の内周面側に送り込むためには、送風機等によって強制的に空気を送り込むことを要し、送風機等を駆動する駆動電力を要することになり、予期せぬ停電等に直ちに対応できない。
また、燃料電池セル１００の外周面側を火炎１０４で加熱していため、火炎１０４の熱の一部が燃料電池セル１００の加熱に使用されるに過ぎず、熱の大部分は燃料電池の系外に放熱されている。このため、燃料電池セル１００の加熱に対する熱効率が低い。
そこで、本発明の課題は、火炎を利用した燃料電池であって、火炎の熱を効率的に用いることができ且つカソード層側に充分な空気を対流によって供給できる燃料電池を提案することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、前記課題を達成すべく検討を重ねた結果、内径の異なる二個の円筒状の燃料電池セルの燃料電池セルを形成するアノード層と他方の燃料電池セルを形成するアノード層とが対向するように、二個の円筒状の燃料電池を同心円状に配設して形成した円柱状の燃料電池セル部を立設し、アノード層同士が対向する空間の下端側に火炎を形成することによって、円筒状の各燃料電池セルに形成されたカソード層に火炎による対流により充分な空気を供給できることを見出し、本発明に到達した。
すなわち、本発明は、固体電解質層の一面側にアノード層が形成されていると共に、前記固体電解質層の他面側にカソード層が形成された少なくとも二個の燃料電池セルから成る燃料電池セル部を具備する燃料電池において、該少なくとも二個の燃料電池セルが、前記燃料電池セルの一方のアノード層と他方の燃料電池セルを形成するアノード層とが対向するように配設され、前記アノード層が対向する空間内で且つ前記アノード層の延出方向に火炎が形成されるように、前記空間の下端側に燃料供給手段が設けられている燃料電池にある。
【０００７】
かかる本発明において、燃料電池セル部を、少なくとも二個の筒状の燃料電池セルを同心状に配設して形成することによって、発電に寄与する発電面積を可及的に広くできる。
更に、燃料供給手段として、気体燃料の供給手段を採用することによって、燃料供給手段を簡易化でき、或いは液体燃料の供給手段を採用することによって、燃料電池用の燃料を携帯でき、燃料電池を屋外で容易に用いることができる。
また、アノード層を、Ｌｉが固溶されたＮｉＯを主成分とする焼成体によって形成することにより、還元炎・酸化炎にかかわらず炎の全領域で発電を行うことができる。
【０００８】
本発明に係る燃料電池によれば、燃料電池セル部を構成する一方の燃料電池セルを形成するアノード層と他方の燃料電池セルを形成するアノード層とが対向する空間内で且つアノード層の延出方向に火炎が形成されるように、この空間の下端側に燃料供給手段が設けられている。このため、図８に示す燃料電池の如く、燃料電池セルに沿って火炎を形成することを要せず、燃焼装置の小型化を図ることができる。
更に、火炎は、アノード層の延出方向に形成され、火炎によって発生する空気の対流も火炎の形成方向に発生するため、カソード層側に対流のみで充分な空気量を供給でき、送風機等の空気の強制供給手段を省略できる。
また、火炎は、アノード層が対向する空間内で形成されるため、火炎からの熱を燃料電池セルの加熱に有効に利用でき、燃料電池セルを加熱するための加熱手段を設けることを要しない。
この様に、本発明に係る燃料電池では、燃焼装置の小型化を図ることができ、送風機等の空気の強制供給手段及び燃料電池セルを加熱するための加熱手段を省略できる結果、燃料電池の小型化及び簡易化を図ることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明に係る燃料電池を形成する燃料電池セル部の一例を図１に示す。図１に示す燃料電池セル部１０は、内径の異なる円筒状の二個の燃料電池セル１０ａ，１０ｂが、所定の空間１４を介して同心状に配設されて形成されているものである。
かかる燃料電池セル部１０を構成する燃料電池セル１０ａ，１０ｂは、図２に示す燃料電池セル部１０の部分断面図に示す様に、固体電解質層１２ａ、アノード層１２ｂ及びカソード層１２ｃが同心状に積層されて形成されている。
かかる燃料電池セル１０ａ，１０ｂのうち、燃料電池セル１０ａは、燃料電池セル１０ｂよりも内径が小径であり、固体電解質層１２ａの外周側にアノード層１２ｂが形成されていると共に、固体電解質層１２ａの内周側にカソード層１２ｃが形成されている。
この燃料電池セル１０ａよりも内径が大径である燃料電池セル１０ｂは、固体電解質層１２ａの内周側にアノード層１２ｂが形成されていると共に、固体電解質層１２ａの外周側にカソード層１２ｃが形成されている。
この様に、燃料電池セル１０ａの外周面側にアノード層１２ｂが形成され、燃料電池セル１０ｂの内周面側にアノード層１２ｂが形成されている。このため、内径が大径の燃料電池セル１０ｂの内側に、内径が小径の燃料電池セル１０ａが挿入されて形成された燃料電池セル１０では、燃料電池セル１０ａの外周面側に形成されたアノード層１２ｂと、燃料電池セル１０ｂの内周面側に形成されたアノード層１２ｂとが対向する空間１４が形成される。
【００１０】
ここで、燃料電池セル１０ａ，１０ｂを形成する固体電解質層１２ａは、酸素イオン伝導体であって、イットリウム（Ｙ）やスカンジウム（Ｓｃ）等の周期律表第３族元素により部分安定化されたジルコニア酸化物、或いはサマリウム（Ｓｍ）やガドリウム（Ｇｄ）等がドープされたセリウム酸化物によって形成することが好ましい。
また、アノード層１２ｂとして、Ｌｉが固溶されたＮｉＯを主成分とする焼成体によって形成されているアノード層１２ｂを好適に採用できる。この焼成体は、導電性を有するセラミックであって、Ｌｉ化合物をＮｉＯにＬｉ２Ｏ換算で１〜１５ｍｏｌ％添加し、焼成処理して得られる焼成体である。
かかるアノード層１２ｂには、ロジウム、白金、ルテニウム、パラジウム、レニウム又はイリジウムから成る金属又はその酸化物が配合されている。この様な金属又はその酸化物が配合されたアノード層１２ｂを具備する燃料電池セル１０ａ，１０ｂから構成される燃料電池によれば、ロジウム等の金属又はその酸化物が配合されていないアノード層１２ｂを具備する燃料電池セル１０ａ，１０ｂから構成される燃料電池よりも高い発電性能を呈することができる。
このロジウム、白金、ルテニウム、パラジウム、レニウム又はイリジウムから成る金属又はその酸化物は、アノード層１２ｂ中に金属換算で１〜５０重量％となるように配合することが好ましい。
かかるアノード層１２ｂを構成する副成分として、サマリアドープドセリア、スカンジア安定化ジルコニア、イットリア安定化ジルコニアのうちのいずれかが５０体積％以下含まれるようにすることによって、ロジウム、白金、ルテニウム、パラジウム、レニウム又はイリジウムから成る金属又はその酸化物と混合燃料ガスとの接触面積を拡大できる。
更に、カソード層１２ｃは、ストロンチウム（Ｓｒ）等の周期律表第３族元素が添加されたランタンのマンガン、ガリウム又はコバルト酸化化合物から形成されている。
かかるアノード層１２ｂ及びカソード層１２ｃは、多孔質層であって、その開気孔率を２０％以上、好ましくは３０〜７０％、特に４０〜５０％とすることが好ましい。
【００１１】
図１及び図２に示す円筒状の燃料電池セル１０ａは、カソード層１２ｃと同質材を用いて形成した保形性を有する筒状体を芯材とし、この芯材の外周面側に固体電解質層１２ａとなる固体電解質用セル材とアノード層１２ｂとなるアノード層用セル材とを、この順序で巻き付けるか、或いはこれらのペーストを塗布した後、所定温度で焼成することによって得ることができる。
また、燃料電池セル１０ｂは、アノード層１２ｂと同質材を用いて形成した保形性を有する筒状体を芯材とし、この芯材の外周面側に固体電解質層１２ａとなる固体電解質用セル材とカソード層１２ｃとなるカソード層用セル材とを、この順序で巻き付けるか、或いはこれらのペーストを塗布した後、所定温度で焼成することによって、所望内径のものを得ることができる。
【００１２】
内径の異なる円筒状の二個の燃料電池セル１０ａ，１０ｂが所定空間１４を介して同心状に配設されて形成された燃料電池セル部１０は、図３に示す様に、立設された状態でアノード層１２ｂ，１２ｂが対向する空間１４の下端部に、ブタンやプロパン等の気体燃料を供給する燃料供給手段としてのノズル１６，１６・・が設けられている。
かかるノズル１６，１６・・の各々に、気体燃料が供給されて着火されると、火炎１８，１８・・は、アノード層１２，１２ｂの延出方向に形成される。このため、火炎１８，１８・・は、アノード層１２ｂ，１２ｂに囲まれるため、火炎１８，１８・・からの熱は、燃料電池セル１０ａ，１０ｂの加熱に充分利用でき、燃料電池セル１０ａ，１０ｂを加熱する外部加熱手段を不要にできる。
更に、火炎１８，１８・・によって生成される炭化水素、水素、種々のラジカル等は、火炎１８，１８・・を囲むアノード層１２ｂ，１２ｂによって発電に利用できる。特に、Ｌｉが固溶されたＮｉＯを主成分とする焼成体によって形成されたアノード層１２ｂを具備する燃料電池セル１０，１０ｂでは、火炎１８，１８・・の還元炎部分のみならず、酸化炎部分も発電に利用できる。
かかる火炎１８，１８・・は、アノード層１２ｂ，１２ｂの延出方向に形成されるため、火炎１８，１８・・によって惹起される空気の対流は、火炎１８，１８・・の延びる方向と同一方法となる。このため、空気は、空間１４内に供給されると共に、カソード層１２ｃ側にも供給され、火炎１８，１８・・に晒されるアノード層１２ｂとの間で起電力が発生する。
【００１３】
図３に示す燃料供給手段は、気体燃料を供給する燃料供給手段について説明したが、液体燃料を供給する燃料供給手段であってもよい。
液体燃料を供給する燃料供給手段の一例を図４に示す。図４は、エタノール等の液体燃料を供給する燃料供給手段を、立設された燃料電池セル部１０のアノード層１２ｂ，１２ｂが対向する空間１４の下端部に設けた状態を説明する部分断面図である。
図４に示す燃料電池セル部１０は、図３に示す燃料電池セル部１０と同一部材は同一番号を付して詳細な説明を省略する。
図３に示すエタノール等の液体燃料を供給する燃料供給手段は、エタノール等の液体燃料３２を貯留する貯留タンク３０と、貯留タンク３０内の液体燃料３２に一端が浸漬されていると共に、他端がアノード層１２ｂ，１２ｂが対向する空間１４の下端部に挿入された供給部材２０とから構成される。この供給部材２０は、液体燃料を毛細管現象で上端側に輸送する耐熱性を有する繊維状材が集束された部材を用いることができる。この供給部材２０は、上下方向に移動可能に設けられていてもよい。
かかる供給部材２０の上端からは液体燃料が気化し着火すると、図４に示すように、火炎２２，２２・・は、アノード層１２ｂ，１２ｂの延出方向に形成される。このため、図３に示す燃料電池と同様に、火炎２２，２２・・からの熱と炭化水素、水素、種々のラジカル等とを利用し、燃料電池セル１０ａ，１０ｂの加熱及び発電を行うことができる。
【００１４】
図１〜図４に示す燃料電池セル部１０は、二個の燃料電池セル１０ａ，１０ｂから成る。かかる燃料電池セル１０ａ，１０ｂの各々で発電された電気を個々に取り出してもよいが、図５に示す様に、導電線２４，２４によって燃料電池セル１０ａ，１０ｂを平行に結線し、或いは図６に示す様に、導電線２４，２４・・によって燃料電池セル１０ａ，１０ｂを直列に結線して電気を取り出すことが好ましい。
図１〜図６に示す燃料電池セル部１０は、二個の円筒状の燃料電池セル１０ａ，１０ｂを同心状に積層した形成したが、図７に示す様に、複数枚の平板状の燃料電池セルから成る燃料電池セル部４０であってもよい。
図７に示す燃料電池セル部４０は、四枚の平板状の燃料電池セル４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄが、所定の間隙の空間１４，１４を介して配設されている。
かかる燃料電池セル４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄの各々は、固体電解質層４２ａの一面側にアノード層４２ｂが形成され、固体電解質層４２ａの他面側にカソード層４２ｃが形成されている。
これらの燃料電池セル４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄのうち、燃料電池セル４０ａ，４０ｂと燃料電池セル４０ｃ，４０ｄとは、そのアノード層４２ｂ，４２ｂが対向するように配設される。
【００１５】
図７に示す燃料電池セル部４０では、アノード層４２ｂ，４２ｂが対向する空間１４，１４に、図３又は図４に示す様に、気体燃料又は液体燃料を供給する燃料供給手段が設けられる。
図７に示す燃料電池セル部４０を構成する燃料電池セル４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄは、図１〜図６に示す燃料電池セル１０ａ，１０ｂと同一材料で形成されており、ここでは詳細な説明を省略する。
また、燃料電池セル４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄは、予め焼成して形成した固体電解質層４２ａに、所定形状の各層用のグリーンシートを積層した後、又は各積層用のペーストを所定形状に塗布した後、再焼成することによって得ることができる。
更に、燃料電池セル４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄで発電された電気は、各燃料電池セルから単独で取り出してもよいが、燃料電池セル４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄを平行又は直列に結線して取り出してもよい。
【００１６】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池によれば、火炎の熱を効率的に用いることができ且つカソード層側に充分な空気を対流によって供給できる。このため、アノード層側の火炎によって燃料電池セルを加熱しつつ、この火炎によって生成される炭化水素、水素や各種のラジカル等とアノード層側の空気中の酸素とを有効に利用して発電できる。
その結果、燃料電池を小型化できると共に、燃料電池セルを発電可能温度まで昇温する外部加熱手段を不要にでき、キャンプや災害地等の屋外においても、携帯タンク等から燃料を供給することによって燃料電池を使用できる。
また、燃料電池で生じた熱は、部屋内の暖房にも使用でき、省エネルギーを図ることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池を構成する燃料電池セル部を説明する斜視図である。
【図２】図１に示す燃料電池セル部の部分断面図である。
【図３】図１に示す燃料電池セル部に気体燃料を供給する燃料供給手段の一例を説明する部分断面図である。
【図４】図１に示す燃料電池セル部に液体燃料を供給する燃料供給手段の一例を説明する部分断面図である。
【図５】図１に示す燃料電池セル部を構成する二個の燃料電池セルを並列に結線した状態を説明する部分断面図である。
【図６】図１に示す燃料電池セル部を構成する二個の燃料電池セルを直列に結線した状態を説明する部分断面図である。
【図７】本発明に係る燃料電池を構成する燃料電池セル部の他の例を説明する斜視図である。
【図８】従来の燃料電池について説明する概略図である。
【符号の説明】
１０，４０      燃料電池セル部
１０ａ，１０ｂ，４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄ  燃料電池セル
１２ａ，４２ａ  固体電解質層
１２ｂ，４２ｂ    アノード層
１２ｃ，４２ｃ    カソード層
１４    空間
１６  ノズル
１８，２２  火炎
２０    供給部材
２４  導電線
３０    貯留タンク
３２    液体燃料
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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