(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用いて燃焼室と反応室を形成し、複数の有底筒状の固体電解質形燃料電池セルを、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に開口するようにそれぞれ挿入し固定してなり、酸素含有ガス又は燃料ガスを前記固体電解質形燃料電池セル内にそれぞれ供給し、かつ、燃料ガス又は酸素含有ガスを前記反応室内の前記固体電解質形燃料電池セル間に供給して反応させ、前記反応室内の余剰の燃料ガス又は酸素含有ガスを前記燃焼室仕切板に形成された余剰ガス通気孔から前記燃焼室へ通過させ、前記燃焼室内の酸素含有ガス又は燃料ガスと反応させて燃焼させる固体電解質形燃料電池であって、前記燃焼室仕切板において、前記複数の固体電解質形燃料電池セルの集合体の周りにのみ、前記余剰ガス通気孔が設けられていることを特徴とする固体電解質形燃料電池。
【請求項２】
前記反応容器内の前記燃焼室仕切板よりもセル底部側に、前記燃焼室仕切板と所定間隔を置いて複数の固体電解質形燃料電池セル間にほぼ均一に燃料ガス又は酸素含有ガスを分散させるガス分散用仕切板を設け、該ガス分散用仕切板に形成されたセル挿入孔を、前記固体電解質形燃料電池セルが挿通していることを特徴とする請求項１記載の固体電解質形燃料電池。
【請求項３】
前記燃焼室仕切板の前記セル挿入孔と前記固体電解質形燃料電池セルとの隙間が封止されていることを特徴とする請求項１又は２記載の固体電解質形燃料電池。
【請求項４】
前記ガス分散用仕切板の前記セル挿入孔と前記固体電解質形燃料電池セルとの間に隙間が形成されており、該隙間を燃料ガス又は酸素含有ガスが通過することを特徴とする請求項２又は３記載の固体電解質形燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体電解質形燃料電池に関し、特に、燃焼室仕切板を用いて燃焼室及び反応室を形成した固体電解質形燃料電池に関する。
【０００２】
【従来技術】
従来の固体電解質形燃料電池について、図７を用いて説明する。固体電解質形燃料電池は、図７に示すように、反応容器５１内に、空気室仕切板５６、燃焼室仕切板６２、燃料ガス室仕切板５５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。
【０００３】
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形燃料電池セル５２は、燃焼室仕切板６２に形成された複数のセル挿入孔にそれぞれ挿入固定されており、その開口部は燃焼室仕切板６２から燃焼室Ｂ内に突出しており、その内部には、空気室仕切板５６に固定された空気導入管５９の一端が挿入されている。
【０００４】
燃焼室仕切板６２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通気孔（図示せず）が形成されており、燃料ガス室仕切板５５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。
【０００５】
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５３、空気を導入する空気導入口５７、燃焼室Ｂ内で燃焼したガスを排出するための排気口５８が形成されている。
【０００６】
このような固体電解質形燃料電池は、空気室Ａからの空気を固体電解質形燃料電池セル５２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形燃料電池セル５２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５８から外部に排出される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の固体電解質形燃料電池は、図７に示すように、有底筒状の固体電解質形燃料電池セル５２の開口部が燃焼室仕切板６２から燃焼室Ｂ内に突出しており、この開口部付近の燃焼室仕切板６２に余剰燃料ガス通気孔が集中して設けてあり、この余剰燃料ガス通気孔から、もしくは燃焼室仕切板６２のセル挿入孔とセル５２との隙間から余剰の燃料ガスが噴出されるため、即ち、複数のセル５２の集合体内で余剰の燃料ガスが噴出されるため、セル５２の開口部付近に燃焼領域が集中し、燃焼室Ｂに突出したセル５２の開口部付近がスポット的に高温にさらされ、熱応力によって割れるという問題があった。この開口部の割れに起因してセル全体が破損し、発電性能が劣化する虞があった。
【０００８】
本発明は、セルの開口部に作用する熱応力を効果的に低減し、固体電解質形燃料電池セルの開口部の割れに起因するセル全体の破損を防止して、高い発電性能を長期間維持できる固体電解質形燃料電池を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の固体電解質形燃料電池は、反応容器内に燃焼室仕切板を用いて燃焼室と反応室を形成し、複数の有底筒状の固体電解質形燃料電池セルを、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に開口するようにそれぞれ挿入し固定してなり、酸素含有ガス又は燃料ガスを前記固体電解質形燃料電池セル内にそれぞれ供給し、かつ、燃料ガス又は酸素含有ガスを前記反応室内の前記固体電解質形燃料電池セル間に供給して反応させ、前記反応室内の余剰の燃料ガス又は酸素含有ガスを前記燃焼室仕切板に形成された余剰ガス通気孔から前記燃焼室へ通過させ、前記燃焼室内の酸素含有ガス又は燃料ガスと反応させて燃焼させる固体電解質形燃料電池であって、前記燃焼室仕切板において、前記複数の固体電解質形燃料電池セルの集合体の周りにのみ、前記余剰ガス通気孔が設けられているものである。
【００１０】
このような固体電解質形燃料電池では、余剰ガス通気孔が、複数の固体電解質形燃料電池セルの集合体の周りにのみ設けられているので、余剰ガス通気孔を通過する余剰の燃料ガス又は酸素含有ガスは、セルの集合体の外側から燃焼室内に導かれ、燃焼室内の酸素含有ガス又は燃料ガスと反応して燃焼するため、燃焼位置がセルから離れ、セルの開口部の温度を低下でき、これにより、セルの開口部に発生する熱応力を低減でき、セル開口部の割れを防止でき、セル全体の破損を防止して高い発電性能を長期間維持できる。
【００１１】
また、本発明では、前記反応容器内の前記燃焼室仕切板よりもセル底部側に、前記燃焼室仕切板と所定間隔を置いて複数の固体電解質形燃料電池セル間にほぼ均一に燃料ガス又は酸素含有ガスを分散させるガス分散用仕切板を設け、該ガス分散用仕切板に形成されたセル挿入孔を、前記固体電解質形燃料電池セルが挿通していることが望ましい。
【００１２】
このような構成によれば、ガス分散用仕切板により、反応室内に導入される燃料ガス又は酸素含有ガスを複数の固体電解質形燃料電池セル間にほぼ均一に分散できるとともに、余剰の燃料ガス又は酸素含有ガスは、例えば、ガス分散用仕切板のセル挿入孔と固体電解質形燃料電池セルとの間の隙間からガス分散用仕切板と燃焼室仕切板との間のガス流制御室内に導入され、余剰の燃料ガス又は酸素含有ガスが、ガス流制御室をセルの集合体の周りにのみ設けられた余剰ガス通気孔から燃焼室内に強制的にガス流が制御されて導入されるため、上記したように、セルの集合体における開口部の温度を低下でき、これにより、セルの開口部に発生する熱応力を低減でき、セル開口部の割れを防止でき、セル全体の破損を防止して高い発電性能を長期間維持できる。
【００１３】
また、本発明では、前記燃焼室仕切板の前記セル挿入孔と前記固体電解質形燃料電池セルとの隙間が封止されていることが望ましい。このような構成を採用することにより、余剰の燃料ガス又は酸素含有ガスを、セルの集合体の周りのみ設けられた余剰ガス通気孔から燃焼室内により強制的に導入できる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の固体電解質形燃料電池を図１に基づいて説明する。尚、従来技術と同様の部材の場合には、従来の技術と同一符号を付した。
【００１５】
本発明の固体電解質形燃料電池は、図１に示すように、反応容器５１内に、複数の固体電解質形燃料電池セル５２を収容して構成されており、この反応容器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５３、燃料ガスを分散するための燃料ガス室仕切板５５、反応室Ｃから燃焼室Ｂに余剰燃料ガスを通気させるガス分散用仕切板６１と燃焼室仕切板６２、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５７、セル５２内に空気を導入する空気導入管５９、この空気導入管５９を固定する空気室仕切板５６とを具備して構成されている。
【００１６】
燃料ガス室仕切板５５には、燃料ガスの反応室Ｃ導入時にセル５２間に均一に分散するために複数の分散孔（図示せず）が形成されおり、燃料ガス室仕切板５５にはセル５２の底部が支持されている。また、セル５２の底部は、保持部材６０により、複数のセル５２が所定間隔をおいて保持固定されている。
【００１７】
ガス分散用仕切板６１には、図２に示すように、セル挿入孔６５とセル５２の外面との間に隙間６７が設けられ、余剰燃料ガスが通過できるようにしてある。尚、セル挿入孔６５とセル５２の外面との間の隙間６７を封止して、ガス分散用仕切板６１に余剰燃料ガス通気孔を形成しても良いが、隙間６７を利用する事で、燃料ガス又は酸素含有ガスがセルの電気化学反応面に沿って流れる事と作製が容易という事から、セル挿入孔６５とセル５２の外面との間に隙間６７を設けることが望ましい。
【００１８】
ガス分散用仕切板６１と燃焼室仕切板６２との間は、余剰燃料ガスの流れを制御するガス流制御室Ｅが形成されている。燃焼室仕切板６２と空気室仕切板５６との間は、空気と水素が燃焼する燃焼室Ｂとされ、燃焼室仕切板６２には、図３に示すように、セル５２の集合体の周りにのみ余剰燃料ガスを燃焼室Ｂ内に導入する余剰ガス通気孔６３が複数設けられ、セル挿入孔６９とセル５２の隙間はガスシールされ、封止されている。尚、この隙間は完全に密封する必要はない。
【００１９】
燃焼室仕切板６２からのセル開口部の突出量、及び燃焼室仕切板６２とガス分散用仕切板６１の設置間隔は各々５ｍｍ以下とされており、セル開口端からの非発電領域が２０ｍｍ以下とされている。
【００２０】
複数のセル５２は燃焼室仕切板６２に形成された複数のセル挿入孔６９に挿入固定されており、空気導入管５９は、空気室仕切板５６に形成された空気導入管挿入孔（図示せず）に挿入固定されている。各仕切板５５、６１、６２、５６は、各室Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅにおけるガスの漏出を防止している。
【００２１】
燃焼室Ｂ内で燃焼したガスは反応容器５１に設けられた排気口５８を介して外部に排出される。
【００２２】
セル５２は、図４に示すように、例えば、支持管としてのＬａＭｎＯ3系空気極７１と、この空気極７１の表面に形成されたＹ2Ｏ3安定化ＺｒＯ2からなる固体電解質７２と、固体電解質７２の表面に形成されたＮｉ−ジルコニア系の燃料極７３と、空気極７１と電気的に接続されるＬａＣｒＯ3系よりなるインターコネクタ７４とから構成されている。
【００２３】
そして、図５に示すように、一方のセル５２のインターコネクタ７４が、Ｎｉ金属繊維等の接続部材７５を介して他方のセル５２の燃料極７３に接続されて、複数のセル５２が電気的に接続され、スタック７７が構成されており、このようなスタック７７が、図１に示したように、反応容器５１内に収容されて固体電解質形燃料電池が構成されている。
【００２４】
このような固体電解質形燃料電池の発電は、空気を空気導入口５７から空気導入管５９を介してセル５２内に導入するとともに、燃料ガス導入口５３から水素を導入し、燃料ガス室仕切板５５の複数の分散孔で均一に分散してセル５２の外部に導入し、セル５２を１０００℃に保持する事により行われ、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５８から外部に排出される。
【００２５】
図６に固体電解質形燃料電池セル５２一本のガスの流れを示す。水素ガス（燃料ガス）はセル５２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（酸素含有ガス）は空気導入管５９を介してセル５２上方よりセル内部下方へ導入され、折り返して、セル内部下方より上方へと流れる。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余剰の水素ガスと反応し、燃焼室Ｂ内で燃焼する。
【００２６】
本発明では、セル５２の外面とガス分散用仕切板６１のセル挿入孔６５との間に隙間６７が形成されているので、燃料ガス仕切板５５の分散孔から導入された燃料ガスは、セル５２間をほぼ均一にセル５２に沿って流れ、発電に寄与できなかった余剰燃料ガスが隙間６７を介してガス流制御室Ｅ内に導入されるが、燃焼室仕切板６２のセル挿入孔６９とセル５２の隙間はガスシールされているので、ガス流制御室Ｅの余剰燃料ガスが、燃焼室仕切板６２の外縁に、即ち、セル５２の集合体の周りにのみ設けられた余剰燃料ガスの余剰ガス通気孔６３から燃焼室Ｂ内に強制的に導入され、この燃焼室Ｂ内で空気と反応して燃焼する。
【００２７】
以上のように構成された固体電解質形燃料電池では、セル５２の集合体の周りのみに該当する燃焼室仕切板６２に、余剰燃料ガスの余剰ガス通気孔６３を設けたので、余剰ガス通気孔６３を通過する余剰燃料ガスは、セル５２の集合体の外側から燃焼室Ｂ内に導かれ、燃焼室Ｂ内の空気と反応して燃焼し、セル５２の集合体の周りが最も高温となる一方で、セル５２の開口部の温度を低下でき、これにより、セル５２の開口部に発生する熱応力を低減でき、セル開口部の割れを防止でき、セル全体の破損を防止して高い発電性能を長期間維持できる。
【００２８】
また、燃焼室仕切板６２と所定間隔を置いてガス分散用仕切板６１を設け、該ガス分散用仕切板６１に形成されたセル挿入孔６５を、固体電解質形燃料電池セル５２が挿通しているため、余剰燃料ガスの燃焼室Ｂ内への導入は、燃焼室仕切板６２とガス分散用仕切板６１との間のガス流制御室Ｅを介して余剰ガス通気孔６３からセル５２から遠ざかった反応容器５１の壁側に供給され、セル５２から離れた位置で燃焼させることができるとともに、余剰燃料ガスはガス分散用仕切板６１のセル挿入孔６５とセル５２の隙間６７を通るので、反応室Ｃでは燃料ガスがセル５２に沿って、セル５２間を均一に流れ、発電性能を向上できる。
【００２９】
さらに、燃焼室仕切板６２のセル挿入孔６９とセル５２との隙間が封止されているので、余剰燃料ガスを、ガス流制御室Ｅを介して余剰ガス通気孔６３から、セル５２から遠ざかった反応容器５１の壁側に確実に供給できる。
【００３０】
また、燃焼室仕切板６２でのセル開口部の突出量、及び、燃焼室仕切板６２とガス分散用仕切板６１の設置間隔を各々５ｍｍ以下とし、セル開口端側の非発電領域を２０ｍｍ以下としたセルを使用するので、セル表面における発電領域を拡大でき、燃料利用率を増加でき、これにより余剰燃料ガスを減らすことができ、燃焼室Ｂ内での燃焼温度を下げることができる。従って、燃焼室Ｂ内の燃焼領域をセル開口部付近から遠ざけ、且つ、燃焼温度を低下でき、セルの開口部に作用する熱応力を効果的に低減することができる。
【００３１】
尚、上記例では、空気極７１の外面に固体電解質７２、燃料極７３を形成し、セル５２の外側に燃料ガスを、内側に空気を流したが、セルを、燃料極の外面に固体電解質、空気極を形成し、セルの外側に空気を、内側に燃料ガスを流しても同様の効果を得ることができる。
【００３２】
【発明の効果】
本発明の固体電解質形燃料電池では、余剰ガス通気孔を、複数の固体電解質形燃料電池セルの集合体の周りにのみ設けたので、余剰ガス通気孔を通過する余剰の燃料ガス又は酸素含有ガスは、セルの集合体の外側から燃焼室内に導かれ、燃焼室内の酸素含有ガス又は燃料ガスと反応して燃焼するため、燃焼位置がセルから離れ、セルの開口部の温度を低下でき、これにより、セルの開口部に発生する熱応力を低減でき、セル開口部の割れを防止でき、セル全体の破損を防止して高い発電性能を長期間維持できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の固体電解質形燃料電池の模式図である。
【図２】ガス分散用仕切板の平面図である。
【図３】燃焼室仕切板の平面図である。
【図４】固体電解質形燃料電池セルの断面図である。
【図５】スタックを示す断面図である。
【図６】固体電解質形燃料電池セルのガスの流れを示す説明図である。
【図７】従来の固体電解質形燃料電池の模式図である。
【符号の説明】
５１・・・反応容器
５２・・・固体電解質形燃料電池セル
６１・・・ガス分散用仕切板
６２・・・燃焼室仕切板
６３・・・余剰ガス通気孔
６５・・・ガス分散用仕切板のセル挿入孔
６７・・・隙間
６９・・・燃焼室仕切板のセル挿入孔
Ｂ・・・燃焼室
Ｃ・・・反応室
【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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【図６】
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【図７】
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