(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
多層円筒状に積層された空気極、固体電解質層、燃料極、及び、インターコネクタを有する複数の円筒型セルの集合体と、
燃料ガス及び酸化剤ガスをそれぞれ円筒型セルの内周部又は外周部に供給する手段と、
セルでの未反応燃料ガスと酸化剤ガスを燃焼させる排気燃焼室と、
を備え、
さらに、前記セル集合体と前記排気燃焼室の間に設けられるガス流の分布を均一にする手段を具備し、
上記ガス流の分布を均一にする手段が、４本の円筒型セルを集合させたときに形成される中央のスキマに配置されたパイプと、セルとパイプとの間を塞ぐ充填物と、からなり、
前記充填物がセラミックスファイバーであることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
上記セル集合体に、複数の並列セル間で電気的導通を取る集電板が設けられており、
上記パイプが該集電板に取り付けられてい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、円筒型セルタイプの固体電解質型燃料電池（以下Ｔ−ＳＯＦＣともいう）に関する。特に余剰燃料燃焼部の温度を平準化でき、耐久性及び信頼性に優れたＴ−ＳＯＦＣに関する。
【０００２】
【従来の技術】
Ｔ−ＳＯＦＣは、特公平１−５９７０５号等に開示されている固体電解質型燃料電池の一タイプである。Ｔ−ＳＯＦＣは、多孔質支持管−空気極−固体電解質層−燃料極−インターコネクタで構成される円筒型セルを有する。空気極側に酸化剤ガス（酸素や空気）を流し、燃料極側にガス燃料（Ｈ2 、ＣＯ等）を流してやると、このセル内でＯ2-イオンが移動して化学的燃焼が起こり、空気極と燃料極の間に電位が生じ発電が行われる。なお、空気極が支持管を兼用する形式のものもある。Ｔ−ＳＯＦＣの実証試験は、１９９３年段階で２５kw級のもの（セル有効長５０cm、セル数１１５２本) までが進行中である。
【０００３】
現状の代表的なＴ−ＳＯＦＣの構成材料、厚さ及び製造方法は以下のとおりである（Proc. of the 3rd Int. Symp. on SOFC, 1993 ）。
支持管：ＺｒＯ2 （ＣａＯ）、厚さ１．２mm、押し出し
空気極：Ｌａ（Ｓｒ）ＭｎＯ3 、厚さ１．４mm、スラリーコート
固体電解質：ＺｒＯ2 （Ｙ2 Ｏ3 ）、厚さ４０μm 、ＥＶＤ
インターコネクタ：ＬａＣｒ（Ｍｇ）Ｏ3 、厚さ４０μm 、ＥＶＤ
燃料極：Ｎｉ−ＺｒＯ2 （Ｙ2 Ｏ3 ）、厚さ１００μm 、スラリーコート−
ＥＶＤ
【０００４】
図４は、従来知られている代表的なＴ−ＳＯＦＣの全体構造を示す図である。
図５は、図４の燃料電池のセルの構造を示す断面図である。（Ａ）は全体の縦断面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ断面を示す横断面図である。
この固体電解質型燃料電池１の中枢部分である円筒型セル集合体２は、細長い円筒状（寸法例、径１５mm×長さ５００mm）の多数のセル７から構成されている。円筒型セル７は、上端開放、下端閉のセラミックチューブである。円筒型セル７の断面は多層円筒状をしており（図５（Ｂ）参照）、空気極６１、固体電解質層６３、燃料極６５及びインターコネクタ６７の各層が積層されている。
円筒型セルの各層は、それぞれ必要な機能（導電性、通気性、固体電解質、電気化学触媒性等）を有する酸化物を主成分とする材料で構成されている。
【０００５】
円筒型セル７内には、空気を通すための細長い空気導入管４が通っている。空気導入管４は、燃料電池１上部の空気分配器３１から配管３３を通って下に出て、円筒型セル７チューブの底近くにまで達している。この空気導入管４によって、空気分配器３１内の空気が、円筒型セル７チューブ内に供給される。チューブ内（底）に供給された空気は、上述の発電反応に寄与しつつチューブ内を上方に向かい、セル上端２１から排気燃焼室３７に出る。この排気燃焼室３７において燃料ガス排気と空気排気とが混合され、円筒型セル７で未反応のまま排気された酸素と燃料成分が燃焼（一般的な燃焼）する。
【０００６】
円筒型セル７の外面には、燃料電池１の下部の燃料ヘッダー９から上方に向けて燃料ガスが供給され、上述の発電に供される。燃料ガスの未反応部分と、セル部での電気化学的燃焼生成物（ＣＯ2 、Ｈ2 Ｏ等）は、円筒型セル７上端外面のスキマ２２を通って排気燃焼室３７に入る。この排気燃焼室３７では、上述のように未反応燃料が燃焼し、燃焼排ガスは、排気口３５から排出される。この排ガスの顕熱は、燃料電池に供給される空気及び燃料ガスの予熱に用いられたり、あるいは、通常の蒸気ボイラー・タービンを用いる発電システムに送られて発電に利用される。
【０００７】
図４に示されている６列の円筒型セル７は、互いに電気的に接続されている。すなわち、右側の円筒型セルのインターコネクタ６７が、その左側の円筒型セルの外面（外面電極、この場合燃料極）に、Ｎｉフェルト８を介して接続されているので、結局、図４の６本の円筒型セルは、直列に接続されていることになる。通常の固体電解質型燃料電池にあっては、円筒型セル１本における発電電圧は約１ボルトなので、多数の円筒型セルを直列に接続して所要の電圧を得る。円筒型セル集合体２の最外列の外側には、集電板５ａ、５ｂが、円筒型セル７に接して（Ｎｉフェルト８を介して）設けられている。この集電板５と、それに接続されている集電棒４１から、セル集合体２で発電された電力を外部へ取り出す。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、Ｔ−ＳＯＦＣの組立体において、未反応の燃料ガスは、円筒型セル７上端外面と隔壁３９やセル間のスキマ２２を通って排気燃焼室３７に入り、この排気燃焼室３７で燃料ガス排気と空気排気とが混合され燃焼する。
ここで、円筒型セル７上端外面相互間や隔壁３９のスキマ２２がすべてのセルの外面で同じ間隔にはなっていないため、局部的に燃料排ガスが多く流れ、ヒートスポットを生じていた。このため、セルへの熱衝撃が大きくなり、セルの上端部を破損することもあった。
【０００９】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたもので、燃料ガス排出の流量を平準化でき、ヒートスポットに起因するクラック等を防止してセルの耐久性及び信頼性を向上できるＴ−ＳＯＦＣ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】
上記課題を解決するため、本発明のベースとなる燃料電池は、  多層円筒状に積層された空気極、固体電解質層、燃料極、及び、インターコネクタを有する複数の円筒型セルの集合体と、  燃料ガス及び酸化剤ガスをそれぞれ円筒型セルの内周部又は外周部に供給する手段と、  セルでの未反応燃料ガスと酸化剤ガスを燃焼させる排気燃焼室と、を備え、  さらに前記セル集合体と前記排気燃焼室の間に設けられるガス流の分布を均一にする手段を具備することを特徴とする。
排気燃焼室に流入するガス流の分布を均一にする手段により、排気燃焼室における局部的に活発な燃焼が起こらなくなり、ヒートスポットを解消することができる。そのため、セルの熱衝撃を緩和でき、破損を防止できる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の１実施例に係るＴ−ＳＯＦＣの排気パイプ周辺の構造を示す断面図である。
図２は、図１のＴ−ＳＯＦＣの模式的横断面図である。
図３は、図１のＴ−ＳＯＦＣの排気パイプと集電板の取り付け関係を示す側面図である。
なお、図１〜３において、図４、５の従来例のＳＯＦＣと同様の部分は同一の符号で示されている。
図１の燃料電池の特徴は、燃料ガス排気を通す排気パイプ１１を有する中間集電板１５が設けられていることである。なお、セル集合体の一番外側の集電板５にも排気パイプ１１が設けられている。
【００１２】
排気パイプ１１は、隣り合うセル７の間、及び、一番端のセルと隔壁３９の間のスキマ２２に、セル７と平行にそれぞれ配置されている。パイプ１１の上端はセル上端２１よりもやや高くなっている。排気パイプ１１とセル７や隔壁３９の間には、セラミックファイバー１３が充填されている。
排気パイプ１１は、図３に示すように集電板１５の上端部の切り欠き１５ａに嵌め込まれている。排気パイプ１１は集電板１５に対して溶接固定されている。切り欠き１５ａは、パイプ１１の下端面よりも少し下に延びている。
なお、この例では、排気パイプは外径４mm×内径２mmのインコネル（登録商標）製のパイプである。なおセル７の外径は２２mm、セル間のピッチは３２mmである。
【００１３】
セル７の外面を上に流れる燃料ガス及び酸化ガスは、セル７の上端部まで上がった後、パイプ１１の中を通って排気燃焼室３７内に入る。パイプ１１の周囲はセラミックファイバー１３が充填されているのでガスの流れ抵抗が高く、殆どのガスはパイプ１１内を選択的に流れる。パイプ１１の上端から排気燃焼室３７内に入ったガスは、セル上端から排気燃焼室３７に入った気体中の残存酸素と反応して燃焼する（炎３８）。排気パイプ１１の先端はセル７よりもやや上に出ているので、炎３８によりセル先端部２１が局部的に過熱されにくいようになっている。また、パイプ１１の径及びピッチは各部で同一であり、またセル間はセラミックファイバーが充填されているので、排気燃焼室各部でほぼ均一な排ガス燃焼状態となる。
【００１４】
本実施例の中間集電板１５は、Ｎｉ合金等の板金製であり、薄い板状の平板部は、その一面（図２の上面）がＮｉフェルト８を介して、上段列の発電セル７の外面電極（燃料極）６５と接している。平板部のほかの一面（図２の下面）は、下段列の発電セル７のインターコネクタ６７とＮｉフェルト８を介して接している。そのため、該外面電極６５と該インターコネクタ６７とは電気的に接続されており、上下の列の発電セル１は直列に接続されていることになる。
【００１５】
一方、横の列の各発電セル７は、中間集電板１５によって、並列に接続されていることとなる。このように構成することの利点としては、横列の発電セルを並列に接続するためのＮｉフェルトが不要となるため、このＮｉフェルトと接触することにより発電反応が不良となるような電池部分がなくなって、ＳＯＦＣの発電性能（発電量）が向上することである。
【００１６】
表１、２、３はセル上端外面にセラミックスを充填しただけの場合と、排気パイプを設けた場合のセル近傍の燃焼室内の温度を示す。この実験に用いた円筒型セル集合体は、円筒型セルを３並列×３直列に配置したものを用いた。
【００１７】
【表１】
0004424765.tif 000002
【００１８】
【表２】
0004424765.tif 000003
【００１９】
【表３】
0004424765.tif 000004
【００２０】
表１に示すように、排気パイプを設けなかったときには、中央部の２−Ｂセルと右上の３−Ａセルとで８２．９℃の温度差があった。しかし、排気パイプを設けると、表２のように、温度差は３４．１℃と大幅に低下した。
【００２１】
これから明らかなように、燃焼室の発熱量も平面内で均等になりヒートスポットを生じない。このためセルへの熱衝撃が少なくなり、セルにクラックが入る可能性が低くなる。また、排気パイプの開口部をセル上端よりさらに上部にすることにより、排気ガスの燃焼がセルから離れて起こるため、さらにセルへの熱衝撃を小さくすることができる。
【００２２】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、排ガスがセルから燃焼室に均一に流れるの流路を設けることにより、燃焼室内でのヒートスポットを解消することができ、セルへの熱衝撃を緩和することができる。その結果、余剰燃料燃焼部の温度を平準化でき、耐久性及び信頼性に優れたＴ−ＳＯＦＣを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施例に係るＴ−ＳＯＦＣの排気パイプ周辺の構造を示す断面図である。
【図２】図１のＴ−ＳＯＦＣの模式的横断面図である。
【図３】図１のＴ−ＳＯＦＣの排気パイプと集電板の取り付け関係を示す側面図である。
【図４】従来知られている代表的なＴ−ＳＯＦＣの全体構造を示す図である。
【図５】図４の燃料電池のセルの構造を示す断面図である。（Ａ）は全体の縦断面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ断面を示す横断面図である。
【符号の説明】
１  固体電解質型燃料電池          ２  セル集合体
４  空気導入管                    ５  集電板
７  円筒型セル                    ８  Ｎｉフェルト
９  燃料ヘッダー                １１  パイプ
１３  セラミックファイバー        １５  中間集電板
２１  セル上端                    ２２  スキマ
３１  空気分配器                  ３３  配管
３５  排気口                      ３７  排気燃焼室
３８  炎                          ３９  隔壁
４１  集電棒                      ６１  空気極
６３  固体電解質層                ６５  燃料極
６７  インターコネクタ
【図１】
0004424765.tif 000005
【図２】
0004424765.tif 000006
【図３】
0004424765.tif 000007
【図４】
0004424765.tif 000008
【図５】
0004424765.tif 000009