(57)【要約】【課題】モジュール化した固態酸化物燃料電池ブロックの提供。【解決手段】主に少なくとも１個のカセット式単電池組、空気室、燃料室、導電片組を含む。該空気室は空気を供給し、該カセット式単電池組を収容し、該燃料室は燃料を供給する。該導電片組は該カセット式単電池組と接続し、電池ブロック外部に電流を導引する。該カセット式単電池組は平板状の単電池組と該単電池組を収容可能なボックス体により構成する。該平板状の単電池組は２個の膜電極組により陽極相対の方式により連結し、該２個の膜電極組間には延伸部分を具えたニッケル網を具える。【選択図】図１
2007134298.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
主に少なくとも１個のカセット式単電池組、空気室、燃料室、導電片組を含み、
該カセット式単電池組は平板状の単電池組と該単電池組を収容可能な前後単に貫通した中空構造ボックス体により構成し、
該空気室は空気を供給し、主空気室を含み、該カセット式単電池組を収容し、
該燃料室は燃料を供給し、
該導電片組は該カセット式単電池組と接続し、電池ブロック外部に電流を導引することを特徴とするモジュール化した固態酸化物燃料電池ブロック。
【請求項２】
請求項１記載のモジュール化した固態酸化物燃料電池ブロックにおいて、前記平板状の単電池組は２個の膜電極組、ニッケル網を含み、
該膜電極組は陽極、固態電解質、陰極により構成し、かつ該２個の膜電極組は陽極対応方式で連結し、
該ニッケル網は２個の膜電極組間に設置し、該ニッケル網はニッケル網と該膜電極組外に延伸する延伸部分を具え、
該単電池組をボックス体に設置し、該ボックス体と該膜電極組の陰極は相互に接触し、しかも該ニッケル網の延伸部分は該ボックス体外に延伸することを特徴とするモジュール化した固態酸化物燃料電池ブロック。
【請求項３】
請求項２記載のモジュール化した固態酸化物燃料電池ブロックにおいて、前記カセット式単電池組は複数が直列し、該直列方式は相互に隣り合った２個のカセット式単電池組を利用し、そのうち、１個のカセット式単電池組のニッケル網の延伸部分はもう一つのカセット式単電池組のボックス体と相互に接触し構成し、燃料電池ブロックの出力電圧を高めることを特徴とするモジュール化した固態酸化物燃料電池ブロック。
【請求項４】
請求項２記載のモジュール化した固態酸化物燃料電池ブロックにおいて、前記ボックス体前端には直径がより大きな連接板を具え、該連接板と単電池組の接合位置には気密層を設置することを特徴とするモジュール化した固態酸化物燃料電池ブロック。
【請求項５】
請求項１記載のモジュール化した固態酸化物燃料電池ブロックにおいて、前記ボックス体上下両側面には複数の該ボックス体を貫通する流道を具え、空気を導引し該カセット式単電池組の陰極面において均一に散布することを特徴とするモジュール化した固態酸化物燃料電池ブロック。
【請求項６】
請求項１記載のモジュール化した固態酸化物燃料電池ブロックにおいて、前記ボックス体はステンレスなどの非金属材料、或いは高ニッケル合金Ｉｎｃｏｎｅ１６００、６２５などの耐高温材料、或いは該単電池組の熱膨張係数と近接しかつ導電性を具えた材料とすることを特徴とするモジュール化した固態酸化物燃料電池ブロック。
【請求項７】
請求項１記載のモジュール化した固態酸化物燃料電池ブロックにおいて、前記空気室は少なくとも１本の空気導管、中空構造の空気分配室を含み、
該空気導管は高温空気を送り込み、
該空気分配室は該空気室の主空気室と該空気導管間に設置し、該空気分配室は該主空気室の面上に向かい複数の空気分配孔を設置することを特徴とするモジュール化した固態酸化物燃料電池ブロック。
【請求項８】
請求項１記載のモジュール化した固態酸化物燃料電池ブロックにおいて、前記燃料室は中空構造の燃料分配室を含み、該燃料分配室の片側は燃料導管に通じ高温燃料を送り込み、該燃料導管に連接する燃料分配室の反対側に対応し複数の燃料分配孔を設置することを特徴とするモジュール化した固態酸化物燃料電池ブロック。
【請求項９】
請求項１記載のモジュール化した固態酸化物燃料電池ブロックにおいて、前記空気室と該カセット式単電池組の陰極は空気反応通路を形成し、該燃料室と該カセット式単電池組の陽極は燃料反応通路を形成し、該空気反応通路と燃料反応通路は相互間に気密絶縁構造を設置し気密絶縁状態を形成することを特徴とするモジュール化した固態酸化物燃料電池ブロック。
【請求項１０】
請求項１記載のモジュール化した固態酸化物燃料電池ブロックにおいて、前記空気室はオフガス継続燃焼室を含み、空気と未反応の残余燃料を内部において燃焼させることを特徴とするモジュール化した固態酸化物燃料電池ブロック。
【請求項１１】
請求項１０記載のモジュール化した固態酸化物燃料電池ブロックにおいて、前記オフガス継続燃焼室内には多孔性セラミック材料を設置し、残余燃料と空気燃焼の効率と温度分布の均一性を増進することを特徴とするモジュール化した固態酸化物燃料電池ブロック。
【請求項１２】
請求項１記載のモジュール化した固態酸化物燃料電池ブロックにおいて、前記カセット式単電池組は燃料出口導管を具えた燃料出口室を接続し、該燃料出口室は残余燃料を集め、該燃料出口導管により空気室へと導引し、
該空気室は空気出口導管に接続し、該カセット式単電池組と反応後の空気を該空気室へと導出することを特徴とするモジュール化した固態酸化物燃料電池ブロック。
【請求項１３】
請求項１２記載のモジュール化した固態酸化物燃料電池ブロックにおいて、前記それぞれ導出された残余燃料と反応後の空気は、さらに一緒に該オフガス継続燃焼室に導入され燃焼を継続されることを特徴とするモジュール化した固態酸化物燃料電池ブロック。
【請求項１４】
請求項１３記載のモジュール化した固態酸化物燃料電池ブロックにおいて、前記オフガス継続燃焼室内には多孔性セラミック材料を設置し、残余燃料と空気の燃焼効率と温度分布の均一性を増進することを特徴とするモジュール化した固態酸化物燃料電池ブロック。
【請求項１５】
請求項１記載のモジュール化した固態酸化物燃料電池ブロックにおいて、前記導電片組は耐高温の金属材質で製造することを特徴とするモジュール化した固態酸化物燃料電池ブロック。
【請求項１６】
主に２個の膜電極組、ニッケル網、ボックス体を含み、
該２個の膜電極組は陽極、固態電解質、陰極により構成し、かつ該２個の膜電極組は陽極対応の方式により連結し、
該ニッケル網は該２個の膜電極組間に設置し、ニッケル網を延伸し、また該２個の膜電極組外に延伸する延伸部分を具え、
該ボックス体は前後に貫通した中空構造で、
該２個の膜電極組、ニッケル網は結合し平板状単電池組を結合構成後、該ボックス体に設置され、該ボックス体と該２個の膜電極組の陰極は相互に接触し、かつ該ニッケル網の延伸部分は該ボックス体外に伸び出ることを特徴とするモジュール化した固態酸化物燃料電池ブロックのカセット式単電池組。
【請求項１７】
請求項１６記載のモジュール化した固態酸化物燃料電池ブロックにおいて、前記２個のカセット式単電池組間は相互に直列接続し、その接続方式は相互に隣り合った２個のカセット式単電池組を利用し、その内の１個のカセット式単電池組のニッケル網の延伸部分と別の１個のカセット式単電池組のボックス体を相互に接触させ構成し、燃料電池ブロックの出力電圧を上げることを特徴とするモジュール化した固態酸化物燃料電池ブロックのカセット式単電池組。
【請求項１８】
請求項１６記載のモジュール化した固態酸化物燃料電池ブロックにおいて、前記ボックス体前端には直径がより大きい連接板を具え、該連接板と単電池組の接合部分には気密層を設置することを特徴とするモジュール化した固態酸化物燃料電池ブロックのカセット式単電池組。
【請求項１９】
請求項１６記載のモジュール化した固態酸化物燃料電池ブロックにおいて、前記カセット式単電池組上下両側面には複数の該ボックス体を貫通する流道を具えることを特徴とするモジュール化した固態酸化物燃料電池ブロックのカセット式単電池組。
【請求項２０】
請求項１６記載のモジュール化した固態酸化物燃料電池ブロックにおいて、前記がボックス体はステンレスなどの非金属材料、或いは高ニッケル合金Ｉｎｃｏｎｅ１６００、６２５などの耐高温材料、或いは該単電池組の熱膨張係数と近接しかつ導電性を具えた材料とすることを特徴とするモジュール化した固態酸化物燃料電池ブロックのカセット式単電池組。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一種のモジュール化した固態酸化物燃料電池ブロックに関する。特に一種の平板式固態酸化物燃料単電池組を分離式カセット内に設置しカセット式単電池組の電池ブロックを構成し、公知の平板式固態酸化物燃料電池ブロックが交換、メンテナンスが容易でなかった点を改善し、メンテナンスコストを大幅に引き下げることができるモジュール化した固態酸化物燃料電池ブロックに係る。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は低汚染、エネルギー転換効率が高いという特性を具えるため、近年注目を集めるエネルギー供給技術である。
燃料電池は電解質の違いにより、質子薄膜燃料電池(ＰＥＭＦＣ)、アルカリ性燃料電池(ＡＦＣ)、燐酸燃料電池(ＰＡＦＣ)、溶融炭酸塩燃料電池(ＭＣＦＣ)、固態酸化物燃料電池(ＳＯＦＣ)などに分類される。温度による分類では質子薄膜燃料電池(ＰＥＭＦＣ)、アルカリ性燃料電池(ＡＦＣ)、燐酸燃料電池(ＰＡＦＣ)は低温型に属し、溶融炭酸塩燃料電池(ＭＣＦＣ)は中温型、固態酸化物燃料電池(ＳＯＦＣ)は高温型に属する。また別にダイレクトメタノール式燃料電池(ＤＭＦＣ)と金属−空気混合型電池などもある。
これら燃料電池の内、固態酸化物燃料電池(以下、ＳＯＦＣと略称)は高いエネルギー効率と循環システムを具え、未反応の燃料と高温廃熱を利用可能であるなどの特性も持つ。このため、燃料電池研究の主要対象となっている。
【０００３】
ＳＯＦＣの操作原理は以下の通りである。
燃料と酸化剤(空気)をＳＯＦＣに注入前に、先ずＳＯＦＣの操作温度(６００〜１０００℃)近くにまで予熱する。この高温条件下において、燃料(メタノール)と水蒸気はＳＯＦＣの陽極において重組反応を生じ、メタノールは水素と酸化炭素に分解される。一酸化炭素はさらに水蒸気と水蒸気転移反応を生じ、さらに水素と二酸化炭素を生じる。
これと同時に陰極側の酸素は陰極板の電子と共に酸素イオンを形成する。この酸素イオンは固態電解質遊離を経て陽極側に至り、水素と電化学反応を生じ、電子、水、熱を放出する。電子は外回路を通ってパワーを発生し、ＳＯＦＣ出口が生じる７００℃以上に達する排気と残余燃料は継続して再利用される。
【０００４】
公知のＳＯＦＣ構造は大きく管式と平板式に分類される。管式はその幾何学構造により高温下でも良好な機密性を保持可能であるが、電力密度が低く、内部抵抗が過度に高いという欠点がある。
一方、平板式は高温における機密性に問題があるが、電力密度が高く、効率も優れるという特性があり、平板式電池組とすると、陰極、電解質、陽極により構成する膜電極組、燃料或いは空気を導引する流道板、高温下で運転可能な関連部品を含む。単一電池組の電圧は高くないため、実用性を考慮し、単一電池組を組合せ電池ブロックを形成する必要がある。
【０００５】
その代表的構造は特許文献１、特許文献２、特許文献３などが示す構造である。該構造では、各層単一電池組間、及び単一電池組と接続部品間に機密性を確保するため、適合操作温度が７００〜１０００℃に達するガラスセラミック塗布焼結を採用する。しかしガラスセラミックを機密材料として使用するため、電池ブロックは分解不能である。よって電池ブロック中の単一電池組が損壊すると、電池ブロック全体を交換しなければならないため、修理が困難で、メンテナンスコストの浪費にも繋がっている。
【０００６】
【特許文献１】アメリ力特許公告６，２９６，９６２Ｂ１号明細書
【特許文献２】アメリ力特許公告６６４９２９６Ｂ１号明細書
【特許文献３】アメリ力特許公告２００５/００８９７３１Ａ１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明は下記のモジュール化した固態酸化物燃料電池ブロックを提供し、そのカセット式単電池組構造は電池ブロックのメンテナンスを容易にし、公知構造がガラスセラミック気密材料の使用によりメンテナンス不能であった点に比較し、劇的な進歩で、公知の平板式固態酸化物燃料電池ブロックの交換、メンテナンスが不便であった欠点を克服し、維持コストを大幅に低下させることができ、
すなわちそれは少なくとも１個のカセット式単電池組、空気室、燃料室、導電組を含み、
該カセット式単電池組は平板状の単電池組と該単電池組を収容可能なボックス体により構成し、
該空気室は空気を供給し、該カセット式単電池組を収容し、
該燃料室は燃料を供給し、
該導電片は該カセット式単電池組と接続し、電池ブロック外部に電流を導引し、
該平板状の単電池組は２個の膜電極組により陽極相対の方式により連結し、該２個の膜電極組間には延伸部分を具えたニッケル網を具える。
【０００８】
該モジュール化した固態酸化物燃料電池ブロックは直列接続の複数のカセット式単電池組を具え、その直列方式は相互に隣り合った２個のカセット式単電池組を利用し、１個のカセット式単電池組のニッケル網の延伸部分はもう一つのカセット式単電池組のボックス体と相互に接触し構成し、燃料電池ブロックの出力電圧を高める。
【０００９】
該ボックス体は該ボックス体を貫通する複数の流道を具え、該カセット式単電池組の陰極面に空気を導引し均一に散布する。
【００１０】
該流道の数は単電池組の膜電極組の特性に応じて調整する。
【００１１】
該ボックス体はステンレスなどの非金属材料、或いは高ニッケル合金Ｉｎｃｏｎｅ１６００、６２５などの耐高温材料、或いは該単電池組の熱膨張係数と近接しかつ導電性を具えた材料とする。
【００１２】
該空気室は少なくとも１本の空気導管、中空構造の空気分配室を含み、
該空気導管は高温空気を送り込み、
該空気分配室は該空気室の主空気室と該空気導管間に設置し、該空気分配室は該主空気室の面上に向かい複数の空気分配孔を設置する。
【００１３】
該燃料室は中空構造の燃料分配室を含み、該燃料分配室の片側は燃料導管に通じ高温燃料を送り込み、該燃料導管に連接する燃料分配室の単電池組側の面上には複数の燃料分配孔を設置する。
【００１４】
該空気室と該カセット式単電池組の陰極は空気反応通路を形成し、該燃料室と該カセット式単電池組の陽極は燃料反応通路を形成し、該空気反応通路と燃料反応通路は相互間に気密絶縁構造を設置し気密絶縁状態を形成する。
【００１５】
該機密絶縁構造はガラスセラミック焼結或いは雲母材質のワッシャとする。
【００１６】
該空気室はオフガス継続燃焼室を含み、空気と未反応の残余燃料を内部において燃焼させる。
【００１７】
該オフガス継続燃焼室内には多孔性セラミック材料を設置し、残余燃料と空気燃焼の効率と温度分布の均一性を増進する。
【００１８】
該カセット式単電池組は燃料出口導管を具えた燃料出口室を接続し、該燃料出口室は残余燃料を集め、該燃料出口導管により空気室へと導引し、該空気室は空気出口導管に接続し、該カセット式単電池組と反応後の空気を該空気室へと導出する。
【００１９】
該それぞれ導出された残余燃料と反応後の空気は、さらに一緒に該オフガス継続燃焼室に導入され燃焼を継続される。
【００２０】
該オフガス継続燃焼室内には多孔性セラミック材料を設置し、残余燃料と空気の燃焼効率と温度分布の均一性を増進する。
【００２１】
該導電片組は耐高温の金属材質で製造することを特徴とするモジュール化した固態酸化物燃料電池ブロックである。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
請求項１の発明は、主に少なくとも１個のカセット式単電池組、空気室、燃料室、導電片組を含み、
該カセット式単電池組は平板状の単電池組と該単電池組を収容可能な前後単に貫通した中空構造ボックス体により構成し、
該空気室は空気を供給し、主空気室を含み、該カセット式単電池組を収容し、
該燃料室は燃料を供給し、
該導電片組は該カセット式単電池組と接続し、電池ブロック外部に電流を導引することを特徴とするモジュール化した固態酸化物燃料電池ブロックとしている。
請求項２の発明は、請求項１記載のモジュール化した固態酸化物燃料電池ブロックにおいて、前記平板状の単電池組は２個の膜電極組、ニッケル網を含み、
該膜電極組は陽極、固態電解質、陰極により構成し、かつ該２個の膜電極組は陽極対応方式で連結し、
該ニッケル網は２個の膜電極組間に設置し、該ニッケル網はニッケル網と該膜電極組外に延伸する延伸部分を具え、
該単電池組をボックス体に設置し、該ボックス体と該膜電極組の陰極は相互に接触し、しかも該ニッケル網の延伸部分は該ボックス体外に延伸することを特徴とするモジュール化した固態酸化物燃料電池ブロックとしている。
請求項３の発明は、請求項２記載のモジュール化した固態酸化物燃料電池ブロックにおいて、前記カセット式単電池組は複数が直列し、該直列方式は相互に隣り合った２個のカセット式単電池組を利用し、そのうち、１個のカセット式単電池組のニッケル網の延伸部分はもう一つのカセット式単電池組のボックス体と相互に接触し構成し、燃料電池ブロックの出力電圧を高めることを特徴とするモジュール化した固態酸化物燃料電池ブロックとしている。
請求項４の発明は、請求項２記載のモジュール化した固態酸化物燃料電池ブロックにおいて、前記ボックス体前端には直径がより大きな連接板を具え、該連接板と単電池組の接合位置には気密層を設置することを特徴とするモジュール化した固態酸化物燃料電池ブロックとしている。
請求項５の発明は、請求項１記載のモジュール化した固態酸化物燃料電池ブロックにおいて、前記ボックス体上下両側面には複数の該ボックス体を貫通する流道を具え、空気を導引し該カセット式単電池組の陰極面において均一に散布することを特徴とするモジュール化した固態酸化物燃料電池ブロックとしている。
請求項６の発明は、請求項１記載のモジュール化した固態酸化物燃料電池ブロックにおいて、前記ボックス体はステンレスなどの非金属材料、或いは高ニッケル合金Ｉｎｃｏｎｅ１６００、６２５などの耐高温材料、或いは該単電池組の熱膨張係数と近接しかつ導電性を具えた材料とすることを特徴とするモジュール化した固態酸化物燃料電池ブロックとしている。
請求項７の発明は、請求項１記載のモジュール化した固態酸化物燃料電池ブロックにおいて、前記空気室は少なくとも１本の空気導管、中空構造の空気分配室を含み、
該空気導管は高温空気を送り込み、
該空気分配室は該空気室の主空気室と該空気導管間に設置し、該空気分配室は該主空気室の面上に向かい複数の空気分配孔を設置することを特徴とするモジュール化した固態酸化物燃料電池ブロックとしている。
請求項８の発明は、請求項１記載のモジュール化した固態酸化物燃料電池ブロックにおいて、前記燃料室は中空構造の燃料分配室を含み、該燃料分配室の片側は燃料導管に通じ高温燃料を送り込み、該燃料導管に連接する燃料分配室の反対側に対応し複数の燃料分配孔を設置することを特徴とするモジュール化した固態酸化物燃料電池ブロックとしている。
請求項９の発明は、請求項１記載のモジュール化した固態酸化物燃料電池ブロックにおいて、前記空気室と該カセット式単電池組の陰極は空気反応通路を形成し、該燃料室と該カセット式単電池組の陽極は燃料反応通路を形成し、該空気反応通路と燃料反応通路は相互間に気密絶縁構造を設置し気密絶縁状態を形成することを特徴とするモジュール化した固態酸化物燃料電池ブロックとしている。
請求項１０の発明は、請求項１記載のモジュール化した固態酸化物燃料電池ブロックにおいて、前記空気室はオフガス継続燃焼室を含み、空気と未反応の残余燃料を内部において燃焼させることを特徴とするモジュール化した固態酸化物燃料電池ブロックとしている。
請求項１１の発明は、請求項１０記載のモジュール化した固態酸化物燃料電池ブロックにおいて、前記オフガス継続燃焼室内には多孔性セラミック材料を設置し、残余燃料と空気燃焼の効率と温度分布の均一性を増進することを特徴とするモジュール化した固態酸化物燃料電池ブロックとしている。
請求項１２の発明は、請求項１記載のモジュール化した固態酸化物燃料電池ブロックにおいて、前記カセット式単電池組は燃料出口導管を具えた燃料出口室を接続し、該燃料出口室は残余燃料を集め、該燃料出口導管により空気室へと導引し、
該空気室は空気出口導管に接続し、該カセット式単電池組と反応後の空気を該空気室へと導出することを特徴とするモジュール化した固態酸化物燃料電池ブロックとしている。
請求項１３の発明は、請求項１２記載のモジュール化した固態酸化物燃料電池ブロックにおいて、前記それぞれ導出された残余燃料と反応後の空気は、さらに一緒に該オフガス継続燃焼室に導入され燃焼を継続されることを特徴とするモジュール化した固態酸化物燃料電池ブロックとしている。
請求項１４の発明は、請求項１３記載のモジュール化した固態酸化物燃料電池ブロックにおいて、前記オフガス継続燃焼室内には多孔性セラミック材料を設置し、残余燃料と空気の燃焼効率と温度分布の均一性を増進することを特徴とするモジュール化した固態酸化物燃料電池ブロックとしている。
請求項１５の発明は、請求項１記載のモジュール化した固態酸化物燃料電池ブロックにおいて、前記導電片組は耐高温の金属材質で製造することを特徴とするモジュール化した固態酸化物燃料電池ブロックとしている。
請求項１６の発明は、主に２個の膜電極組、ニッケル網、ボックス体を含み、
該２個の膜電極組は陽極、固態電解質、陰極により構成し、かつ該２個の膜電極組は陽極対応の方式により連結し、
該ニッケル網は該２個の膜電極組間に設置し、ニッケル網を延伸し、また該２個の膜電極組外に延伸する延伸部分を具え、
該ボックス体は前後に貫通した中空構造で、
該２個の膜電極組、ニッケル網は結合し平板状単電池組を結合構成後、該ボックス体に設置され、該ボックス体と該２個の膜電極組の陰極は相互に接触し、かつ該ニッケル網の延伸部分は該ボックス体外に伸び出ることを特徴とするモジュール化した固態酸化物燃料電池ブロックのカセット式単電池組としている。
請求項１７の発明は、請求項１６記載のモジュール化した固態酸化物燃料電池ブロックにおいて、前記２個のカセット式単電池組間は相互に直列接続し、その接続方式は相互に隣り合った２個のカセット式単電池組を利用し、その内の１個のカセット式単電池組のニッケル網の延伸部分と別の１個のカセット式単電池組のボックス体を相互に接触させ構成し、燃料電池ブロックの出力電圧を上げることを特徴とするモジュール化した固態酸化物燃料電池ブロックのカセット式単電池組としている。
請求項１８の発明は、請求項１６記載のモジュール化した固態酸化物燃料電池ブロックにおいて、前記ボックス体前端には直径がより大きい連接板を具え、該連接板と単電池組の接合部分には気密層を設置することを特徴とするモジュール化した固態酸化物燃料電池ブロックのカセット式単電池組としている。
請求項１９の発明は、請求項１６記載のモジュール化した固態酸化物燃料電池ブロックにおいて、前記カセット式単電池組上下両側面には複数の該ボックス体を貫通する流道を具えることを特徴とするモジュール化した固態酸化物燃料電池ブロックのカセット式単電池組としている。
請求項２０の発明は、請求項１６記載のモジュール化した固態酸化物燃料電池ブロックにおいて、前記がボックス体はステンレスなどの非金属材料、或いは高ニッケル合金Ｉｎｃｏｎｅ１６００、６２５などの耐高温材料、或いは該単電池組の熱膨張係数と近接しかつ導電性を具えた材料とすることを特徴とするモジュール化した固態酸化物燃料電池ブロックのカセット式単電池組としている。
【発明の効果】
【００２３】
上記のように、本発明は燃料導管により高温燃料を送り、空気導管をにより高温空気を送ることにより、陽極導電片と陰極導電片位置より電力を出力することができ、反応後の空気燃料は空気室後部のオフガス継続燃焼室に終結し、未反応の残余燃料をさらに燃焼させ、最後に高温の排気を燃料電池に排出し熱エネルギーの回収を行う。こうして取替え式のカセット式単電池組構造を構成し、電池ブロックのメンテナンスが容易になり、公知構造がガラスセラミック気密材料の使用によりメンテナンス不能であった点に比較し、劇的な進歩である。すなわち公知の平板式固態酸化物燃料電池ブロックの交換、メンテナンスが不便であった欠点を克服し、維持コストを大幅に低下させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
先ず図１、３に示すように、本発明は２組のカセット式単電池組５０、５０ａ、空気室６０、燃料室７０、導電片組８０により構成する。該カセット式単電池組５０、５０ａの構造は同一であるため、カセット式単電池組５０についてのみ説明する。図４〜６に示すように、該カセット式単電池組５０は単電池組３０、ボックス体４０を含む。
【００２５】
該単電池組３０は２個の膜電極組１０と該膜電極組１０間に設置する多孔式ニッケル網２０により組成する平板板状矩形構造体である。該膜電極組１０は陽極１１、固態電解質１２、陰極１３の三層構造を成す。
【００２６】
該ニッケル網２０は２個の該膜電極組１０間に挟む本体２１と該本体２１外に延伸する延伸部分２２を具える。該延伸部分２２上には孔２３を具えるため、該ニッケル網２０の主要な機能である、その材質の多孔性を利用した天然ガス、水素、或いはあらゆる固態酸化物燃料を均一に陽極表面に散布する機能を実現する。同時に還元状態にある気体中より酸化表層を生じることにより導電性に影響することがないよう、該ニッケル網２０は燃料反応後に生じる電子を導出する機能をも担当する。
【００２７】
図５に示すように、該膜電極組１０は陽極１１が対応する方式により、該ニッケル網２０と相互に結合し、該延伸部分２２は該膜電極組１０外に突出する。該延伸部分２２が位置する側辺は燃料進入端３１で、該燃料進入端３１に対応する該電池組３０の反対側は燃料出口端３２である。燃料は該燃料進入端３１中のニッケル網２０より進入し、反応後の燃料は該燃料出口端３２より離れる。燃料が側面より漏れることを防止するため、該燃料進入端３１と燃料出口端３２両側の側縁３３、３４は封鎖する。その封鎖方式はガラスセラミックを塗布し高温で焼結し、または雲母をワッシャとして採用する。
【００２８】
該ボックス体４０は前後端が貫通した中空構造で、該ボックス体４０前端には直径がやや大きい連接板４５を設置する。該連接板４５上には凹槽４３を設置する。該ボックス体４０はボックス体などの非金属材料、或いは高ニッケル合金Ｉｎｃｏｎｅ１６００、６２５などの耐高温材料、或いは該単電池組３０の熱膨張係数と近接しかつ導電性を具えた材料とし、内部空間４１を具え、単電池組３０を設置する。該ボックス体４０上下両側には複数の該ボックス体４０を貫通した流道４２を設置し、該流道４２の数と大きさは該膜電極組１０の特性に応じてそれぞれ調整し、最良の組合せとすることができる。
【００２９】
図５、６に示すように、該単電池組３０を該ボックス体４０に挿入し、該ニッケル網２０の延伸部分２２は該ボックス体４０外に露出し、該ボックス体４０内側は緊密に該単電池組３０の陰極１３と結合する。空気は該流道４２と該単電池３０の陰極１３を経由し接触反応し、空気が漏れ該単電池組３０の陽極１１に流入しないよう、該ボックス体４０と該単電池組３０の燃料進入端３１の隙間は機密処理を施す必要がある。図に示すように、該連接板４５と該単電池組３０の接触部分にガラスセラミックを塗布し、高温で焼結し機密層４４を形成する。
【００３０】
一般の燃料電池の設計においては、単電池の電圧はわずかに０.６〜０.９Ｖであるため、実用性を達成するために、数個の単電池を直列に組合せ電池ブロックを形成する必要がある。
【００３１】
図７、８に示すように、２組のカセット式単電池組５０、５０ａは直列式で、該カセット式単電池組５０、５０ａは上下配置の方式により空気室６０中に挿入し、ニッケル網の弾力性を利用し、その延伸部分２２、２２ａを下方へと折り曲げる。さらに、金属ネジ５１により該延伸部分２２が具える孔２３を通して該カセット式単電池組５０ａの連接板４５ａが対応位置に設置する凹層４３ａ内に螺合する。これにより、上方のカセット式単電池組５０に位置する陽極１１が生じる電子を該ニッケル網２０を通じて収集後、該延伸部分２２を通して下方のカセット式単電池組５０ａに位置する連接板４５ａに伝導し、さらに該ボックス体４０ａ全体に伝導する。こうして該陰極１３ａの反応に必要な電子を提供する。
【００３２】
本発明が提供する構造は２組のカセット式単電池組５０、５０ａに限定するものではなく、実際の必要に応じてその数を増やし、また対応する各部品の外形と大きさも実際に増やした数に応じて調整を行うことができる。
【００３３】
次に図３、８に示すように、該空気室６０、燃料室７０、導電片組８０の構造と該カセット式単電池組５０、５０ａの相互組合せ方式について説明する。
【００３４】
該空気室６０は主空気室６１を具え、該主空気室６１は該カセット式単電池組５０、５０ａを収容することができる。該空気室６０の前端には前端板６６を設置し、該空気質６０は空気導管６２を接続し、熱交換機出口の高温空気を受取る。該主空気室６１と該空気導管６２間には中空構造を設置する空気分配室６３を設置し、該空気分配室６３は該主空気室６１の面上に向かい複数の空気分配孔６４を設置する。高温空気は該空気分配室６３において拡張され流速を低下させられ、該空気分配室６４を通して均一に該主空気室６１に進入する。
【００３５】
該空気室６０の該燃料室７０から離れた一端にはオフガス継続燃焼室６５を設置する。該オフガス継続燃焼室６５は空気と未反応の残余燃料を内部において混合燃焼させる。空気と燃料は該カセット式単電池組５０、５０ａを流れ電化学反応を進行後、その温度は７００〜９００℃にまで上がっており、また未反応の残余燃料成分は主に水素であることから、空気と残余燃料が該オフガス継続燃焼室６５で集合すると燃焼反応が生じる。
【００３６】
該空気分配孔６４の大きさ或いは数は空気分配の均一性を最良化するために調整可能で、図２に示すように該空気導管６２の該空気室６０の反対側には空気導管６２ａを設置する。該空気導管６２ａと空気室６０の接続方式は該空気導管６２との方式と同一であるため、詳述しない。図２に示す実施例構造の主要な目的は該対称に設置する空気導管６２、６２ａは高温空気を該空気室６１に導入し、高温空気の分布の均一性を向上させることである。
【００３７】
図９、１０に示す別種の空気室構造では、空気室６００の最大の特徴は、残余燃料と空気の出口が分かれており、個別にオフガス継続燃焼室に入り燃焼を行うことである。こうして残余燃料と空気隔絶の目的を達成、これにより該主空気室６１０後部には燃料出口室６７０を設置する。該燃料出口室６７０の主空気室６１０に向かう面上には槽孔６７１を設置し、該カセット式単電池組の後部を接続する。こうして残余燃料は該槽孔６７１を通り完全に該燃料出口室６７０に入る。該槽孔６７１と該カセット式単電池組の接続部分は一層の雲母ワッシャ(図示なし)を設置し機密性を保持する。
【００３８】
残余燃料は該燃料出口室６７０に集結後、該燃料出口室６７０と通じる燃料出口導管６７２を経由し、オフガス継続燃焼室に送られる。空気は該空気導管６２０より該主空気室６１０に入り、カセット式単電池組と反応後、該空気出口導管６８０よりオフガス継続燃焼室に入る。こうして、残余燃料と空気は個別にオフガス継続燃焼室に入る。
【００３９】
図３、或いは図９がそれぞれ示す異なる構造の空気室６０、６００は共に接続する後部のオフガス継続燃焼室内において多孔式セラミック材料を設置し、燃焼効率と温度分布の均一性を増進し、局部高温の可能性を低下させることができる。
【００４０】
さらに図３、８に示すように、該空気室６０の前端板６６前には雲母材質のワッシャ９１、９２を設置する。該ワッシャ９１は該前端板６６の内枠６６１内に係合する。その作用は空気が該空気室６０の前端板６６と該カセット式単電池組５０、５０ａの組合せ部分の隙間から漏れないように防止するだけでなく、電子絶縁効果をも具え、該カセット式単電池組５０、５０ａが発生する電流が該空気室６０から遺失しないよう防止することができる。
【００４１】
一方、該ワッシャ９２は該前端６６の内縁６６２内に設置する。その作用は該連接板４５、４５ａと該空気質６０前端板６６の内縁６６２が直接接触し、電流が遺失することを防止することである。同時に、該ワッシャ９２内に水平に設置する隔片９２１により該連接板４５、４５ａを隔絶し、該連接板４５、４５ａが相互に接触しショートすることを防止することができる。
【００４２】
該燃料室７０は後端板７４により該空気室６０の前端板６６前に結合し、該カセット式単電池組５０、５０ａを該空気室６０内において封鎖する(図１参照)。該燃料室７０外には燃料導管７１を設置し、高温燃料を該燃料室７０内部の中空構造の燃料分配室７２に送る。該燃料分配室７２は該カセット式単電池組５０、５０ａの面上に向かい複数の燃料分配孔７３を設置し、該燃料室７０と該空気室６０の結合位置において雲母材質のワッシャを設置する。これにより該空気室７０と該燃料室６０組合せ時の気密と絶縁を達成する。
【００４３】
該導電片組８０は電流を電池ブロック外へと導引し、陽極片８１と陰極導電片８２を含む。該導電片組８０は耐高温の金属材質により製造するが、該ボックス体４０、４０ａと同一の材質を採用することができる。該陽極片８１は上部に開口８１１を具えたＹ字型構造で、図８に示すように、該開口８１１により下方に位置する該カセット式単電池組５０ａの延伸部分２２ａを挟持し、該カセット式単電池組５０ａの陽極１１ａが生じる電流を導出する。
【００４４】
該陰極導電片８２はネジ８２１により上方のカセット式単電池組５０の連接板４５上に設置するネジ孔４３に固定される。該燃料室７０と該ワッシャ９３間には雲母材質のワッシャ９４を設置する。該ワッシャ９３、９４により該陽極導電片８１と該陰極導電片８２をその中に挟持し(図示なし)、燃料が該導電片組８０より燃料電池外部に漏れないよう防止する。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の組合せ立体図である。
【図２】本発明の２本の空気導管を設置する実施例の組合せ立体図である。
【図３】本発明の分解立体図である。
【図４】本発明のカセット式単電池組の設置方式を示す図である。
【図５】本発明のカセット式単電池組の設置方式を示す図である。
【図６】本発明のカセット式単電池組の設置方式を示す図である。
【図７】本発明のカセット式単電池組と空気室設置を示す図である。
【図８】本発明のカセット式単電池組と空気室設置を示す図である。
【図９】別の形の空気室の構造立体図である。
【図１０】図９の実施例の背面構造立体図である。
【符号の説明】
【００４６】
１０  膜電極組            １１、１１ａ  陽極
１２  固態電解質          １３、１３ａ  陰極
２０  ニッケル網          ２１  本体
２２、２２ａ  延伸部分    ２３  孔
３０  単電池組            ３１  燃料進入端
３２  燃料出口端          ３３、３４  側縁
４０、４０ａ  ボックス体    ４１  内部空間
４２  流道                ４３、４３ａ  凹槽
４４  気密層              ４５、４５ａ  連接板
５０、５０ａ  カセット式単電池組    ５１  金属ネジ
６０、６００  空気室      ６１、６１０  主空気室
６２、６２ａ、６２０  空気導管      ６３  空気分配室
６４  空気分配孔          ６５  オフガス継続燃焼室
６６  前端板              ６６１  内枠
６６２  内縁              ６７０  燃料出口室
６７１  槽孔              ６７２  燃料出口導管
６８０  空気出口導管      ７０  燃料室
７１  燃料導管            ７２  燃料分配室
７３  燃料分配孔          ７４  後端板
８０  導電片組          ８１  陽極導電片
８１１  開口            ８２  陰極導電片
８２１  ネジ            ９１、９２、９３、９４  ワッシャ
９２１  隔片
【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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【図９】
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【図１０】
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