(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池セル積層体（２）の周縁部（２０′）に後燃え室（４）を有し、
各燃料電池セルが空気又は酸素を含むガスの導入口（２５）を少なくとも１つ周縁部（２０′）に有するとともに、燃料ガスの排出用開口部及び空気又は酸素を含むガスの排出用開口部（２７ａ，２７ｂ）を少なくとも１つ周縁部（２０′）に有しており、
アフターバーニングは、燃料電池セル積層体（２）の周囲の環状空間（１１）内部の前記後燃え室（４）にて行われる燃料電池において、
前記導入口（２５）並びに前記燃料ガスの排出用開口部及び空気又は酸素を含むガスの排出用開口部（２７ａ，２７ｂ）が、燃料電池セル積層体（２）に沿って軸方向に沿って配設され、かつ、前記導入口（２５）が、燃料電池セル積層体（２）に対して直接に接する少なくとも１つの空気室（１１５）を介して接続され、
前記空気室（１１５）は後燃え室（４）と分離され、前記後燃え室（４）は、前記燃料ガスの排出用開口部及び空気又は酸素を含むガスの排出用開口部（２７ａ，２７ｂ）を壁（４０）で覆って燃料電池セル積層体（２）に沿って軸方向に連通する空間として形成されることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
各燃料電池セルが円板型連結器（２２）及び、コーティングが施される薄型固形電解質と２つの電極とによって構成された電気化学的能動素子であるＰＥＮ（２１）を備え、前記連結器（２２ａ，２２ｂ）が２層より構成され、前記連結器が含む通路（２５０′，２５０，２６０）を介して燃料ガスを中央の導入口（２６，２６′）より前記ＰＥＮ（２１）を介して燃料電池の周縁部（２０′）へ、他方で空気又は酸素を含むガスを空気室（１１５）から中央部（２６）へ、さらに中央部（２６）からＰＥＮ（２１）を介して燃料電池の周縁部（２０′）へ還流させ、それぞれ前記連結器（２２）を通じた燃料ガス及び空気又は酸素を含むガスの導入又は排出のため別個に配設された開口部（２５，２７ａ，２７ｂ）が燃料電池（２）の周縁部（２０′）に設けられている請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記連結器（２２）が含む前記通路（２５０′，２６０，２５０）は、燃料ガス用の第１の通路（２６０）と空気又は酸素を含むガス用の第２の通路（２５０）とを有し、前記第１及び第２の通路（２６０，２５０）は前記連結器（２２）の両側面にそれぞれ設けられ、前記ＰＥＮ（２１）が、前記連結器（２２）の両側面にそれぞれ開口する前記第１及び第２の通路（２６０，２５０）を被覆し、前記第１及び第２の通路（２６０，２５０）の各々が螺旋又は曲流形状を有することにより、燃料電池の作動中に前記ＰＥＮ（２１）の２つの電極がそれぞれ燃料ガス及び空気又は酸素を含むガスと均一に触れることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記連結器（２２）の各層（２２ａ，２２ｂ）が前記ＰＥＮ（２）と同じ熱膨張特性を有し、かつ金属粉末から焼成によって成形されていること、かつ２つの前記層（２２ａ，２２ｂ）が組み合わされて前記連結器（２２）を構成していることを特徴とする請求項２又は３に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記連結器（２２）及び前記ＰＥＮ（２１）が交互に配列されて燃料電池セル積層体（２）を構成し、かつ燃料電池セル積層体が緊張装置（３）により軸方向に圧迫されていることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池。
【請求項６】
空気又は酸素を含むガスが燃料電池セル積層体（２）周囲の環状空間（１１）を経由して燃料電池セル積層体へ供給され、かつ複数の通路形の後燃え室（４）により前記環状空間が均等な幅を有する空気室（１１５）に分割されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項７】
燃料電池セル積層体（２）を伸張する軸方向の棒材（３）がすべての又は幾つかの空気室（１１５）に配列されていることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池。
【請求項８】
軸方向の棒材（３）の少なくとも１本が燃料電池で発生する電気エネルギーの直流電流導体として配設されていることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池。
【請求項９】
燃料電池セルが円板状の形状をなし、燃料ガスが燃料電池の中央孔により構成された通路（２６）を介して個々の燃料電池セルに配分されることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項１０】
燃料電池（１）の外壁（１０）と燃料電池セル積層体（２）周囲の環状空間（１１）との間に断熱装置（１２）が配設され、前記断熱装置中に空気（５）の通路が配設されること、及び前記断熱装置中に多孔質で空気透過性の部材が含まれることの少なくとも一つにより、燃料電池の作動中に前記断熱装置（１２）を通じて流入する空気により熱吸収を通じて燃料電池セル積層体（２）への逆方向への伝熱が可能となり、かつ前記断熱装置（１２）を通じて流入する空気のために燃料電池セル積層体（２）の周縁部（２０′）の空気室（１１５）に対して均等に配分され、空気の代わりに酸素を含むガスを供給することもできることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池セル積層体の周縁部に後燃え室を有し、電池にあっては各セルが空気又は酸素を含む他のガスの導入口を少なくとも１つ有し、アフターバーニングにあってはセル積層体の周囲の環状空間内部にて行われる燃料電池セル積層体の周縁部にてアフターバーニングを行う燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高温燃料電池を具備する装置は、中央を軸に左右対称をなすセル積層体及び断熱筒を備える欧州特許出願公開第０５０８９１８号より知られている。後燃え室はセル積層体と断熱筒の間に位置する。燃料電池の空気供給部は後燃え室と多くの箇所で交差しており、セル積層体の周囲に配設されている。
【０００３】
各燃料電池は２つの部分、すなわち円板型連結器及び所謂ＰＥＮ（陽極／固体電解質／陰極）を備える。ＰＥＮは連結器の間に２枚の電極板を具備する薄型の固体電解質の形で配設された電気化学的能動素子である。連結器により隣接するセルのＰＥＮ電極の間が電気的に接続されている。連結器はガス導出装置を含み、同装置により燃料ガスが中央の導入口からＰＥＮに沿ってセル積層体の周囲まで移送される一方で、空気又は酸素を含むガスが（空気を加熱する目的で）空気室から中央部に運ばれ、さらにそこからＰＥＮに沿って連結器の周縁部に運ばれる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
電池への空気供給部は数が多い結果、費用が高くなる。本発明の目的は、燃料電池への空気供給部に関してより経済的な燃料電池を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、本発明における燃料電池は、燃料電池セル積層体の周縁部に後燃え室を有し、各燃料電池セルが空気又は酸素を含むガスの導入口を少なくとも１つ周縁部に有するとともに、燃料ガスの排出用開口部及び空気又は酸素を含むガスの排出用開口部を少なくとも１つ周縁部に有しており、アフターバーニングは、燃料電池セル積層体の周囲の環状空間内部の前記後燃え室にて行われる燃料電池において、前記導入口並びに前記燃料ガスの排出用開口部及び空気又は酸素を含むガスの排出用開口部が、燃料電池セル積層体に沿って軸方向に沿って配設され、かつ、前記導入口が、燃料電池セル積層体に対して直接に接する少なくとも１つの空気室を介して接続され、前記空気室は後燃え室と分離され、前記後燃え室は、前記燃料ガスの排出用開口部及び空気又は酸素を含むガスの排出用開口部を壁で覆って燃料電池セル積層体に沿って軸方向に連通する空間として形成されることを特徴とする。
【０００６】
また、請求項２の発明では、請求項１において、各燃料電池セルが円板型連結器及び、コーティングが施される薄型固形電解質と２つの電極で構成された電気化学的能動素子であるＰＥＮを備え、前記連結器が２層より構成され、前記連結器が含む通路を介して燃料ガスを中央の導入口より前記ＰＥＮを介して燃料電池の周縁部へ、他方で空気又は酸素を含むガスを空気室から中央部へ、さらに中央部から前記ＰＥＮを介して燃料電池の周縁部へ還流させ、それぞれ連結器を通じた燃料ガス及び空気又は酸素を含むガスの導入又は排出のため別個に配設された開口部が燃料電池の周縁部に設けられている。
【０００７】
また、請求項３の発明では、請求項２において、前記連結器が含む前記通路は、燃料ガス用の第１の通路と空気又は酸素を含むガス用の第２の通路とを有し、前記第１及び第２の通路は前記連結器の両側面にそれぞれ設けられ、前記ＰＥＮが、前記連結器の両側面にそれぞれ開口する前記第１及び第２の通路を被覆し、前記第１及び第２の通路の各々が螺旋又は曲流形状を有することにより、燃料電池の作動中に前記ＰＥＮの２つの電極がそれぞれ燃料ガス及び空気又は酸素を含むガスと均一に触れることを特徴とする。
【０００８】
また、請求項４の発明では、請求項２又は３において、前記連結器の各層が前記ＰＥＮと同じ熱膨張特性を有し、かつ金属粉末から焼成によって成形されていること、かつ２つの前記層が組み合わされて前記連結器を構成していることを特徴とする。
【０００９】
また、請求項５の発明では、請求項４において、前記連結器及び前記ＰＥＮが交互に配列されて燃料電池セル積層体を構成し、かつ燃料電池セル積層体が緊張装置により軸方向に圧迫されていることを特徴とする。
【００１０】
また、請求項６の発明では、請求項１乃至５のいずれか１項において、空気又は酸素を含むガスが燃料電池セル積層体周囲の環状空間を経由して燃料電池セル積層体へ供給され、かつ複数の通路形の後燃え室により前記環状空間が均等な幅を有する空間に分割されていることを特徴とする。
【００１１】
また、請求項７の発明では、請求項６において、燃料電池セル積層体を伸張する軸方向の棒材がすべての又は幾つかの空気室に配列されていることを特徴とする。
【００１２】
また、請求項８の発明では、請求項７において、軸方向の棒材の少なくとも１本が燃料電池で発生する電気エネルギーの直流電流導体として配設されていることを特徴とする。
【００１３】
また、請求項９の発明では、請求項１乃至８のいずれか１項において、燃料電池セルが円板状の形状をなし、燃料ガスが燃料電池の中央孔により構成された通路を介して個々の燃料電池セルに配分されることを特徴とする。
【００１４】
また、請求項１０の発明では、請求項１乃至９のいずれか１項において、燃料電池の外壁と燃料電池セル積層体の周囲の環状空間との間に断熱装置が配設され、前記断熱装置中に空気通路が配設されること、及び多孔質で空気透過性の部材が含まれることの少なくとも一つにより、燃料電池の作動中に前記断熱装置を通じて流入する空気により熱吸収を通じて燃料電池セル積層体への逆方向への伝熱が可能となり、かつ断熱装置を通じて流入する空気のために燃料電池セル積層体の周縁部の空間に対して均等に配分され、空気の代わりに酸素を含むガスを供給することもできることを特徴とする。
【００１５】
従属請求項２乃至１０は本発明に記載の燃料電池の有利な実施の態様に関する。これらの実施の態様の１つについては、連結器が２層に形成されている。連結器の各層は、少なくともＰＥＮにほぼ類似する熱膨張特性を有し、大部分金属粉末から仕上げ部材の形に焼成した成形、塗布された本体からなる。この種の２層構造は、例えばはんだ付けにより一体の装置に組み合わされる。連結器の通路は、連結器の両側面にそれぞれ設けられている。ＰＥＮが連結器の両側面にそれぞれ開口する第１及び第２の通路を被覆する。第１及び第２の通路の各々は、例えば螺旋形状を有する。電池の作動中ＰＥＮ電極がガス（燃料ガス及び空気または酸素を含むガスの混合物）と一様に触れる。
【００１６】
連結器及びＰＥＮは、交互に連続して積層体を構成する。この燃料電池セル積層体は、例えば牽引バーのような緊張装置により積層体の軸方向に圧迫されている。別個に配設されたガスの導入及び導出配管が積層体の周縁部になされている。これらの配管の位置は通路の設計及び本発明に従って提供されるガスの導入及び導出により決定される。配管は焼成された連結器層において対応した形状に予め成形することが可能である。焼成手段により連結器２２を製造することにより非常に高次元の精度が可能となる。従って、空気又はガスの半径方向の流れに対して十分な不透過性を有する接触子を連結器２２と燃料電池セル積層体２のＰＥＮ電極の間の結合部に配設することが可能である。
【００１７】
すでに欧州特許出願公開第０５８０９１８号に公知記載の電池におけるように、断熱機能のほかに外部復熱装置の機能を具備する断熱材としての外筒を設けることができる。すなわち別の外部復熱装置で電池を加熱する電気化学的工程に必要な空気の代わりに、空気を熱吸収装置として用いて、燃料電池セル積層体から放出するプロセス熱が少なくとも部分的に外筒に吸収され、反応部位に導入される。
【００１８】
公知の外筒は多数の層より構成され、空気流の通路を有する。外筒の第１層を構成する外壁と外筒の内部の間に１番目の空洞があり、外筒を空気により冷却する。通路においては、通路と第１の空洞が隣接するため空気がさらに加熱される。通路の代替又は追加として、空気透過性を有する多孔質部材を外筒に組み込むことも可能である。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下において、図面を参照しながら本発明を説明する。
図１に図示の燃料電池１は以下の構成部品を備える。電池１の電極として設けられたカバープレート２０ａ及びベースプレート２０ｂの間の燃料電池セル積層体２。内部で後燃えが行われる、燃料電池セル積層体２の周縁部２０′の環状空間１１。外形のみを破線で図示の断熱筒１２。空気又は酸素を含むガス５を供給する連結スタブ１５を有する電池１の外壁１０。気化及び／又は改質後、中央の通路２６を介して個々の電池に気化して分配される液体燃料６の供給部１６。電池１から連結スタブ１７を介して導出される排ガス７の環状共通通路。さらに棒材３（ここでは１つのみ図示）及び２枚のプレート２０ａ、２０ｂを相互に引き寄せる寄せばね３２。環状空間１１に配設されているが図１には示さない後燃え室４（図２、４参照）は、ベースプレート２０ｂの開孔部４０′の上方を延びる共通通路４７に接続されている。電池内で生成する電流は、棒材３を緊張手段としての機能の他にカバープレート２０ａへの電気接続として用いることにより連結器８ａ，８ｂを介して取り出される。
【００２０】
各燃料電池は、図２に図示の円板型連結器２２及び図４に図示の薄型プレート状の電気化学的能動素子であるＰＥＮ２１を備え、固形電解質及び２つのコーティングが施された電極よりなる。連結器２２は、２つの層２２ａ，２２ｂにより構成される。同連結器は通路２５０、２６０を含み、同通路２５０，２６０を経由して燃料ガス６０を中央の導入口２６′からＰＥＮを介して矢印６０及び６４にて示すように積層体の周縁部２０′に移送する一方、空気５０（又は酸素を含むガス）は、積層体の周縁部２０′の空気室１１５から開口部２５を通じて中央部２６に移送され、ＰＥＮ２１を介して矢印５１，５２，５３及び５４にて示すように積層体の周縁部２０′に送り還される。燃料電池セル積層体２の周縁部２０′に空気５０の導入開口部２５、及び電極反応に用いられる燃料ガス及び空気５４，６４の排出口２７ａ，２７ｂが別個に配設されている。
【００２１】
カバープレート２０ａ及びベースプレート２０ｂは集電プレートである。電極板は、それぞれ陰極板又は陽極板として燃料電池の密閉部を構成し、それぞれＰＥＮ２１の最上部又は最下部に対応する集電プレート２０ａ，２０ｂの中間に好適に配設される。集電プレート及び電極プレートの間の接触面には酸化防止剤が塗布されており、それにより伝導性が長期間維持されると共に、集電プレート２０ａ，２０ｂが取り外し可能に接続される。金属製容器への溶射に使われるペロブスカイト化合物（ＬＣＭ）を塗布に使用することができる。
【００２２】
連結器２２の燃料ガス通路２５０又は空気通路２６０はそれぞれ両側面においてＰＥＮ２１により被覆され、螺旋形状をなしており、燃料電池１の作動中にＰＥＮ電極がそれぞれ燃料ガス６０及び空気５３と均一に大部分で触れる。
【００２３】
連結器２２の各層２２ａ，２２ｂは、少なくともＰＥＮにほぼ類似する熱膨張特性を有する焼成、塗布された本体を備える（欧州特許出願公開第９８８１０１２５．９号）。同種の２つの層２２ａ，２２ｂが組み合わされることにより連結器を構成する。連結器は、それぞれ燃料ガス及び空気の導入又は排出用の開口部２５，２７ａ，２７ｂが適切な位置にくるように、すなわち本発明に記載の形状に成形される。複数の空気導入口２５は、少なくとも１つの空気室１１５を介して集合的に連通するように接続されており、同空気室は燃料電池セル積層体２に沿って水平に広がり、同燃料電池セル積層体２に対して直接に接する。各空気室１１５は壁４０により後燃え室４から分離されており、後燃え室も同様に、燃料電池セル積層体に沿って軸方向に通路を有する空間を形成する。その結果、接続する環状の後燃え室を仕切るための個々の空気供給装置はまったく必要とされない。これにより個別の空気室の費用が不要になる。
【００２４】
本発明に記載の燃料電池１の図３の断面図において、環状空間１１を取り囲む断熱装置が断面として示されている。同断熱装置は、図示の例では二重壁で真空部分を含みうる外壁１０、及び通気用の半径方向の通路１２５が配設された断熱材料からなる層１２を備える。層１２は、また均質に空気透過性を有する多孔質材料からも構成されるため、通路１２５は省略することができる。図３においても、中央ガス分散通路２６を伴う燃料電池セル積層体２のＰＥＮ２１、後燃え室４、及び同後燃え室４の間に配設された緊張装置３が視認される。加熱前の空気５０の供給、及び電流供給による電極反応に利用された後の空気５４及び燃料ガス６４の排出を破線矢印で図示する。
【００２５】
部分図として図示の燃料電池セル積層体の側面図は、垂直方向に群単位に配設された空気導入部の開口部２５、及び空気又は燃料ガスそれぞれの排出用開口部２７ａ，２７ｂを示す。各々の場合において、開口部２５は連結器２２の２つの層２２ａ，２２ｂの境界部に位置する。開口部２７ａ，２７ｂは各々の場合においてＰＥＮの２つの面に配設され、二重の開口部２７を構成する。環状空間１１の外側の境界は破線にて図示されている。
【００２６】
図２に示す連結器２２において、ＰＥＮのプレートに接する通路２５０，２６０はそれぞれ螺旋形状を有する。空気のための空洞５１は開口部２５から内部方向へ通路孔２５′に続き、例えば図５に示した曲流形の通路系統をも含む。空気５０，５１は、リブ２５２の間の通路２５０′を介して導入される。中央ガス通路２６の外側端部２５１、リブ２５２及び端部２５３は、共通平面の属する表面を構成する。１つの層２２ａは、端部２５１，２５３ではんだ付けにより対をなす層２２ｂと一体化される。外側通路２５０，２６０についても曲流形が提供される。
【００２７】
連結器の通路系統は、空気５０が開口部２５の垂直的集合のみを介して燃料電池セル積層体２に供給される設計も可能である。空気及び燃料ガスを後燃え室４に導入する二重開口部２７についても同様である。これらの場合には１つの後燃え室だけがあればよい。
【００２８】
【発明の効果】
本発明によれば、燃料電池への空気供給部に関してより経済的な燃料電池が可能となる効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  中央を軸に左右対称をなす燃料電池セル積層体を備える燃料電池を示す図。
【図２】  本発明による燃料電池の連結器の部分図。
【図３】  燃料電池の断面図。
【図４】  本発明による燃料電池セル積層体の部分図。
【図５】  曲流形状を持つ連結器の通路系統図。
【符号の説明】
１…燃料電池、２…燃料電池セル積層体、４…後燃え室、５…空気、１１…環状空間、２０′…積層体周縁部、２５…導入口、４０…壁、５０…空気、１１５…空気室。
【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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