(57)【要約】  【課題】  筒状固体酸化物形燃料電池セルへの熱応力や酸化等を抑制・防止して発電性能を平均化し、筒状固体酸化物形燃料電池セルの耐久性能を向上した信頼性を高めた安全な筒状固体酸化物形燃料電池を提供する。  【解決手段】  容器内に少なくとも空気極と電解質と燃料極を有する筒状固体酸化物形燃料電池セルを備えた固体酸化物形燃料電池であって、前記筒状固体酸化物形燃料電池セルの上方端から排出される酸化剤ガスと未反応燃料ガスとを燃焼させる燃焼室と、未反応燃料ガスが充填されている発電室と、前記燃焼室と発電室を分ける仕切り部材と、を有し、前記仕切り部材の上部に少なくとも前記酸化剤ガスと、未反応燃料ガスとを分割して排出するガス整流配管を備えていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池。  【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
容器内に少なくとも空気極と電解質と燃料極を有する筒状固体酸化物形燃料電池セルを備えた固体酸化物形燃料電池であって、
前記筒状固体酸化物形燃料電池セルの上方端から排出される酸化剤ガスと未反応燃料ガスとを燃焼させる燃焼室と、
未反応燃料ガスが充填されている発電室と、
前記燃焼室と発電室を分ける仕切り部材と、を有し、
前記仕切り部材の上部に少なくとも前記酸化剤ガスと、未反応燃料ガスとを分割して排出するガス整流配管を備えていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
【請求項２】
前記ガス整流配管が、ハニカム構造であって、前記筒状固体酸化物形燃料電池セルの開口端近傍に備えられたことを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項３】
前記ガス整流配管が、前記筒状固体酸化物形燃料電池セルの開口端近傍で酸化剤ガスあるいは未反応燃料ガスの一方を整流する配管であることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項４】
前記ガス整流配管が、ダンパーであることを特徴とする請求項３に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項５】
前記ダンパーが、前記ガス整流配管の側面に複数の孔を有する２重管であることを特徴とする請求項３または４に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項６】
前記ガス整流配管の少なくとも酸化剤ガスあるいは未反応燃料ガスの送風手段を備えていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項７】
前記燃焼室における燃焼ガスの排気を、強制排気する手段を備えたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項８】
前記筒状固体酸化物形燃料電池セルと前記ガス整流配管との間に、ガスシール部材を備えたことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の固体酸化物形燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物形燃料電池に関し、さらに詳しくは、筒状固体酸化物形燃料電池の燃焼室と発電室の仕切り構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
筒状固体酸化物形燃料電池は、複数の隣り合う筒状固体酸化物形燃料電池セルの直列側をインターコネクタと燃料極の間、並列側を燃料極と燃料極の間にニッケルフェルトからなる導電性部材を配置し、所定の温度で熱処理して構成することができる。このような固体酸化物形燃料電池において、燃料電池容器内に燃焼室仕切り板を設けて発電室と燃焼室を形成し、この燃焼室仕切り板は燃料ガスを発電室から燃焼室へ排出する排出孔を有し、かつ筒状固体酸化物形燃料電池セルの開口端が発電室に奥まって位置して形成されたものが開示されている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００３】
しかしながら、従来の構成では、例えば、筒状固体酸化物形燃料電池セルの内側と外側に、それぞれ酸化剤ガスと燃料ガスを供給した場合、発電時において、筒状固体酸化物形燃料電池の中央部と外周部における筒状固体酸化物形燃料電池セルの放熱が中央部では少なく外周部では多くなる。このとき、発電室の中央部では温度・圧力が高く、燃料ガスの密度が薄くなるため、筒状固体酸化物形燃料電池セルに熱応力等を生じ易くなる。また、燃焼室の外周部では発電室から未反応燃料ガスが多く供給されるため、温度・圧力が高くなり筒状固体酸化物形燃料電池セルの開口部周辺が熱応力・酸化等による亀裂等を生じ易くなる。さらに、特許文献１記載の構成では、筒状固体酸化物形燃料電池セルと燃焼室仕切り部材との接合部に燃料ガスの漏れ量にバラツキを生じて燃焼が不均一に生じ、複数の筒状固体酸化物形燃料電池セルの開口部近傍では熱応力による亀裂等を生じ易くなるため、セルの寿命にバラツキを生じて信頼性が低くなり、発電性能が低下してしまうという課題があった。
【特許文献１】特開平１１−１６２４９９号広報（３〜６頁、図１〜３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は以上のような従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、筒状固体酸化物形燃料電池セルの開口部周辺において、燃焼で消費される未反応燃料ガスによる偏りで燃焼室内における燃焼位置や燃焼分布による燃焼の影響を軽減することにより、筒状固体酸化物形燃料電池セルの熱応力や酸化等による剥離・亀裂などを生じることを抑制・防止すると共に、セルの寿命を平均化して耐久性能を向上してより効率的な発電ができる信頼性を高めた安全な固体酸化物形燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
以上のような課題を解決する本発明は、容器内に少なくとも空気極と電解質と燃料極を有する筒状固体酸化物形燃料電池セルを備えた固体酸化物形燃料電池であって、前記筒状固体酸化物形燃料電池セルの上方端から排出される酸化剤ガスと未反応燃料ガスとを燃焼させる燃焼室と、未反応燃料ガスが充填されている発電室と、前記燃焼室と発電室を分ける仕切り部材と、を有し、前記仕切り部材の上部に少なくとも前記酸化剤ガスと、未反応燃料ガスとを分割して排出するガス整流配管を備えていることを特徴とする
これによって、筒状固体酸化物形燃料電池セルの内側と外側へ供給される酸化剤ガスと未反応燃料ガスは、発電室から仕切り部材を介して燃焼室へ排出された後、直ぐにガス整流配管により分割して排出されると共に燃焼位置を上方へ押し上げることができるため、筒状固体酸化物形燃料電池セルの開口部周辺では、燃焼量を抑えて熱応力等による破壊を防ぎ、セル寿命のバラツキを抑制して効率よく発電できる。したがって、固体酸化物形燃料電池は耐久性を維持することができ、高効率で信頼性の高い安全な発電を維持できる。
【０００６】
請求項２の発明は、前記ガス整流配管が、ハニカム構造であって、前記筒状固体酸化物形燃料電池セルの開口端近傍に備えられたことを特徴とする。
ハニカム構造にすることで容易にガス整流配管を形成することができる。酸化剤ガスと未反応燃料ガスが、筒状固体酸化物形燃料電池セルの開口端近傍で複数のガス整流配管により細かく整流されながらガスを分離できるため、筒状固体酸化物形燃料電池セルは開口端の燃焼反応を抑制できると共に、燃焼位置を上部へ押し上げることができる。ハニカムの基本単位は四角形でも六角形でもよい。
【０００７】
請求項３の発明は、前記ガス整流手段が、前記筒状固体酸化物形燃料電池セルの開口端近傍で酸化剤ガスあるいは未反応燃料ガスの一方を排出する配管であることを特徴とする。
これによって、筒状固体酸化物形燃料電池セルの内側に供給したガスは主にガス整流配管の内部へ排出でき、また筒状固体酸化物形燃料電池セルの外側に供給したガスは主にガス整流配管の外部へ排出して上端に達するまでガス密度のバラツキを緩和しながら排出できるため、筒状固体酸化物形燃料電池セルは開口部周辺の燃焼反応および燃焼分布を抑制できると共に、燃焼位置を上部へ押し上げることができる。
【０００８】
請求項４の発明は、前記ガス整流配管が、ダンパーであることを特徴とする。
これによって、例えば、筒状固体酸化物形燃料電池セルの内側に酸化剤ガス、外側に燃料ガスを供給した場合、固体酸化物形燃料電池の中央部と外周部との放熱差による発電室内のガスの密度分布が、燃焼室内の外周部でガス整流配管のダンパーにより少なくとも酸化剤ガスあるいは未反応燃料ガスの量を少なく制御して燃焼反応を緩和でき、筒状固体酸化物形燃料電池セルは開口部周辺の燃焼量・燃焼分布を抑制して熱応力等を緩和できる。
【０００９】
請求項５の発明は、前記ダンパーが、ガス整流配管の側面に複数の孔を有する２重管であることを特徴とする。
これによって、燃焼室の内部で複数の２重管の片側を上下することで、ダンパーの開度を変化させて酸化剤ガスあるいは未反応燃料ガスの量で燃焼反応を制御できる。
【００１０】
請求項６の発明は、前記ガス整流配管の少なくとも酸化剤ガスあるいは未反応燃料ガスの送風手段を備えていることを特徴とする。
これによって、筒状固体酸化物形燃料電池セルは開口部周辺の酸化剤ガスあるいは未反応燃焼ガスを不足させて燃焼反応を制御できるため、筒状固体酸化物形燃料電池セルは開口部周辺の燃焼量を抑制して熱応力等を緩和できる。
【００１１】
請求項７の発明は、前記燃焼室における燃焼ガスの排気を、強制排気する手段を備えたことを特徴とする。
これによって、燃焼室の内圧を減圧して燃焼反応を上方へ押し上げることができるため、筒状固体酸化物形燃料電池セルは開口部周辺における燃焼量を抑制して熱応力等を緩和できる。
【００１２】
請求項８の発明は、前記筒状固体酸化物形燃料電池セルと前記ガス整流配管との間に、ガスシール部材を備えたことを特徴とする。
これによって、酸化剤ガスと未反応燃料ガスが、筒状固体酸化物形燃料電池セルの開口端近傍で混ざらずに整流して排出でき、燃焼位置を上部へ押し上げることができるため、筒状固体酸化物形燃料電池セルは開口部周辺の燃焼を防止して熱応力等を緩和できる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、筒状固体酸化物形燃料電池セルの開口部周辺で燃焼室における酸化剤ガスと未反応燃料ガスとの燃焼量の分布を緩和でき、筒状固体酸化物形燃料電池セルの熱応力や酸化等による剥離・亀裂などを抑制・防止できると共に、セルの寿命を平均化して耐久性能を向上してより効率的な発電ができる信頼性を高めた筒状固体酸化物形燃料電池を形成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の好適な実施形態について図面を参照して具体的かつ詳細に説明を行う。図１は、本発明の一実施形態を示す筒状固体酸化物形燃料電池の燃焼室５の概略図である。ただし、これに、限定されるものではない。図１は、燃料電池容器１の中に、複数の筒状固体酸化物形燃料電池セル（以下、燃料電池セルという）２と、燃料電池セル２の開口部３の周辺で発電室４および燃焼室５を隔離する燃焼室仕切り板６と、ガス整流配管７と、酸化剤ガス供給管８と酸化剤ガス供給室９および酸化剤ガス導入管１０を有する酸化剤ガス分配器１１が収納されている。また、燃料電池セル２は燃焼室仕切り板６を貫通し、ガス整流配管７は燃料電池セル２の開口部３の真上に配置されている。ここで、燃料電池容器１は耐熱ステンレス鋼やインコネル等で、燃焼室仕切り板６は耐熱ステンレス鋼、インコネル等の金属材料やアルミナ等を主成分とするセラミック材料でそれぞれ形成できる。
【００１５】
図２は、図１のａ−ａ断面図である。複数のガス整流配管７の内部に、酸化剤ガス導入管１０と通気孔１３を形成している。
【００１６】
図３は、図１のｂ−ｂ断面図である。図３は、燃料電池セル２の開口部３が燃焼室仕切り板６を貫通し、また、燃料電池セル２の内部に酸化剤導入管１０が形成されている。
【００１７】
図４は、本発明の一実施形態に係わる燃料電池セル２の概略図である。ただし、これに、限定されるものではない。燃料電池セル２は、筒状の電解質１４の内面に空気極１５を、外面に燃料極１６が形成されており、空気極１５へ電気的に接続されたインターコネクタ１７が燃料極１６と通電せずに電気的に接続される構造を形成している。このとき、空気極１５は多孔質のＬａＣｏＯ３、ＬａＭｎＯ３、ＬａＦｅＯ３等のペロブスカイト型酸化物で形成される。、ＳｒやＣａ等をＬａサイトにドープしたものであってもよい。また、それらの複合材であってもよい。電解質１４はＹＳＺ等により形成されている。燃料極１６は多孔質のＮｉとＹＳＺのサーメット等により形成されている。インターコネクタ１７はＬａＣｒＯ３にＳｒやＣａ等をドープしたものにより形成されている。
【００１８】
次に、このように構成された筒状固体酸化物形燃料電池の動作について、酸化剤ガスに空気を用いた場合について簡単に説明を行う。空気は、酸化剤ガス供給管８と酸化剤ガス供給室９および酸化剤ガス導入管１０を介して燃料電池セル２の先端内部に流れて空気極１５へ供給される。また、燃料ガスは、燃料電池セルの外側に流れて燃料極１６に供給される。このとき、電解質１４の両側で電気化学反応が起こり、電力と熱と水を発生する。この反応は水の電気化学反応の逆反応である。未反応燃料ガスは燃焼室仕切り板６の仕切り板排出孔（図示しない）から主にガス整流配管７自体へ、一部はガス整流配管７の内部の通気孔１３へ流れ込んで燃焼室５に排出される。一方排空気は、燃料電池セル２の開口部３の上端部から主にガス整流配管７の内部の通気孔１３へ、一部ガス整流配管７自体へ流れ込んで燃焼室５に排出される。燃焼室５では未反応燃料ガスと排空気に含まれる残留酸素が混合して燃焼し、燃焼ガスは排気ガスダクト１２を通じて排出される。固体酸化物形燃料電池の発電反応温度は約１０００℃であり、発電室４の温度も発電反応温度に近い温度になっている。発電室４では、内部の燃料電池セル２と外周部に比べ放熱量が少なくなるため、温度・圧力・ガス密度・熱応力等の分布を生じてしまう。燃焼室５では、発電室４の分布の影響により外周部で燃焼量が多くなる傾向にあるが、主な未反応燃料ガスは燃料電池セル２の開口部３からガス整流配管７を通り、主な残留酸素は複数のガス整流配管７における内部の通気孔１３でそれぞれ分離して燃料電池セル２の開口端から離れた位置に排出されるため、燃料電池セル２は開口部３の周辺の燃焼量を抑えて熱応力等による破壊を防ぎ、セル寿命のバラツキを抑制して効率よく発電性能を維持できる。このとき、ガス整流配管７は、燃料電池セル２の開口部３での燃焼による熱応力分布を効果的に抑制するため、燃料電池セル２の開口端と同じか数ｍｍ程度上方へ配置し、燃焼位置を燃料電池セル２の開口端から離すことが好ましい。
【００１９】
このとき、ガス整流配管７は、耐熱ステンレス鋼、インコネル等の金属材料によるハニカム構造で形成されていることが好ましい。これによって、固体酸化物形燃料電池の組み立て時、容易に形成することができる。また、未反応燃料ガスと残留酸素が燃料電池セル２の開口端近傍で複数の配管により細かく整流されながらガスを分離できるため、燃料電池セル２は開口端の燃焼反応を抑制できると共に、燃焼位置を上部へ押し上げることができる。また、ハニカム構造のガス整流配管７の側面に複数の分散孔（図示せず）を設けたり、ガス整流配管７の高さ（ハニカムへの凹凸を設ける）を変化させたりし、通気孔１３とガス整流配管７が気密に形成され、未反応燃料ガスの密度分布を緩和することで、より燃料電池セル２の開口部３での燃焼による熱応力分布を緩和できる。
【００２０】
図５は、本発明の他の実施形態を示す筒状固体酸化物形燃料電池の燃焼室５の概略図であり、ガス整流配管７として、燃料電池セル２の近傍で酸化剤ガスあるいは未反応燃料ガスの一方を排出する配管を採用した例である。ただし、これに限定されるものではない。図５は、燃料電池容器１の中に、複数の燃料電池セル２と、燃料電池セル２の開口部３の周辺で発電室４および燃焼室５を隔離する燃焼室仕切り板６と、未反応燃料ガスの隔壁排出孔１８を有し、酸化剤ガスのガス整流配管７を固定するガス整流管固定隔壁１９と、酸化剤ガス供給管８と酸化剤ガス供給室９および酸化剤ガス導入管１０を有する酸化剤ガス分配器１１が収納されている。また、燃料電池セル２は燃焼室仕切り板６を貫通し、ガス整流配管７は燃料電池セル２の開口端の真上に配置されている。このとき、燃料電池セル２の内側に供給した空気が、燃料電池セル２の開口端の真上でガス整流配管７により燃料電池セル２の開口端から離れた位置に排出されると共に、未反応燃料ガスが、ガス整流管固定隔壁１９の隔壁排出孔１８を介してガス密度のバラツキを緩和しながらガス整流配管７の入口での反応を最小限にして排出でき、燃料電池セル２は開口部３の周辺における燃焼反応および燃焼分布を抑制できると共に、燃焼位置を上部へ押し上げることができる。したがって、燃料電池セル２は開口部３の燃焼量を抑えて熱応力等による破壊を防ぎ、セル寿命のバラツキを抑制して効率よく発電性能を維持できる。
【００２１】
図６は、図５のｃ−ｃ断面図である。図６は、燃料電池セル２の開口端の真上にガス整流配管７を配置し、隔壁排出孔１８を有するガス整流管固定隔壁１９によってガス整流配管７が固定されている。
【００２２】
ガス整流配管７は、燃料室５の上下方向および平面方向において、未反応燃料ガスまたは酸化剤ガスを変化させて燃焼量を制御し、燃料電池セル２の開口部３の熱応力等を緩和するため、ダンパーを形成することが好ましい。
【００２３】
図７は、本発明の他の実施形態を示すダンパーの構造例を示す断面図である。ただし、これに、限定されるものではない。図７では、側面に複数の内側通気調整孔２０を有する内側ガス整流配管２１がガス整流管固定隔壁１９に固定され、側面に複数の外側通気調整孔２２を有する外側ガス整流配管２３が昇降隔壁２４に固定されている。燃焼室５の上下方向および平面方向において燃焼分布を緩和するため、中央部で開度を大きく外周部で開度を小さくし、昇降隔壁２４を上下することにより内側通気調整孔２０、外側通気調整孔２２を変化させ、燃焼量を調整することによって燃焼による熱応力分布等を緩和することが好ましい。
【００２４】
燃料電池セル２の開口端の酸化剤ガスあるいは未反応燃焼ガスを不足させることで燃焼量を抑制して熱応力等を緩和できるため、少なくとも酸化剤ガスあるいは未反応燃料ガスがガス供給量と同じ量で強制排気されていることが好ましい。
【００２５】
燃焼室５の内圧を減圧して燃焼反応を上方へ押し上げることができ、燃料電池セル２は開口部３の周辺における燃焼位置を制御して熱応力等を緩和できるため、燃焼ガスの排気が強制排気されていることが好ましい。
【００２６】
図８は、本発明の他の実施形態を示す図５のｄ部にガスシール部材２５が備えられた構造例を示す断面図である。ただし、これに、限定されるものではない。図８は、燃料電池セル２の上部へガスシール部材２５と、ガス整流管固定隔壁１９により固定されるガス整流配管７と、内部には酸化剤導入管１０を形成している。燃料電池セル２の開口端近傍で酸化剤ガスと未反応燃料ガスが、混ざらずに整流して排出されると共に、燃焼位置を上部へ押し上げることができ、燃料電池セル２は開口部３の周辺の燃焼量を防止して熱応力等を緩和できるため、燃料電池セル２とガス整流配管７の間とをガスシール部材２５でシール構造を形成することが好ましい。また、ガスシール部材は、セラミックや耐熱金属等で構成され、図８以外にも燃料電池セル２あるいはガス整流管７へはめ込まれて形成される形状等、各燃料電池セル２を一体でガスシール可能なシート形態等、で形成することもできる。
【００２７】
なお、前述の実施例にかかわらず、燃料ガスが燃料電池セル２の内側を流れ、酸化剤ガスが燃料電池セル２の外側に流れるように構成し、燃料ガスと酸化剤ガスを入れ替えても同様に形成することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の一実施形態を示す筒状固体酸化物形燃料電池の燃焼室の概略図である。
【図２】図１のａ−ａ断面図である。
【図３】図１のｂ−ｂ断面図である。
【図４】本発明の一実施形態に係わる筒状固体酸化物形燃料電池セルの側面図である。
【図５】本発明の他の実施形態を示す筒状固体酸化物形燃料電池の燃焼室の概略図である。
【図６】図５のｃ−ｃ側面図である。
【図７】本発明の他の実施形態をダンパーの構造例を示す断面図である。
【図８】本発明の他の実施形態を示す図５のｄ部にガスシール部材が備えられた構造例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００２９】
１  燃料電池容器
２  筒状固体酸化物形燃料電池セル
３  筒状固体酸化物形燃料電池セルの開口部
４  発電室
５  燃焼室
６  燃焼室仕切り板
７  ガス整流配管
８  酸化剤ガス供給管
９  酸化剤ガス供給室
１０  酸化剤ガス導入管
１１  酸化剤ガス分配器
１２  排気ガスダクト
１３  通気孔
１４  電解質
１５  空気極
１６  燃料極
１７  インターコネクタ
１８  隔壁排出孔
１９  ガス整流管固定隔壁
２０  内側通気調整孔
２１  内側ガス通気配管
２２  外側通気調整孔
２３  外側ガス通気配管
２４  昇降隔壁
２５  ガスシール部材
【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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