(57)【要約】【課題】燃料利用率上昇や負荷応答性の向上、炭化水素燃料の内部改質発電に対する問題を解決するために、各燃料電池へ燃料を有効に供給することを可能にした直列型燃料電池を提供すること。【解決手段】燃料極１１・・・、電解質１２・・・及び空気極１３・・・の積層からなるセルを複数個インターコネクタ１４・・・を介して電気的に直列に接続し、これら個々のセル及びインターコネクタが多孔質の基体管６上に形成された直列型燃料電池において、基体管６内に燃料を分配するための多段の円筒形燃料導入機構７０を備え、多段の円筒形燃料導入機構７０の各段に設けられた燃料排出口７１・・・が各燃料極１１・・・の直前に位置するように構成したことを特徴とする直列型燃料電池である。【選択図】図３
2007080646.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極、電解質及び空気極の積層からなるセルを複数個インターコネクタを介して電気的に直列に接続し、これら個々のセル及びインターコネクタが多孔質の基体上に形成された直列型燃料電池において、前記各燃料極に燃料を分配するための燃料導入機構を備えることを特徴とする直列型燃料電池。
【請求項２】
燃料極、電解質及び空気極の積層からなるセルを複数個インターコネクタを介して電気的に直列に接続し、これら個々のセル及びインターコネクタが多孔質の基体管上に形成された直列型燃料電池において、前記基体管内に燃料を分配するための多段の円筒形燃料導入機構を備え、該多段の円筒形燃料導入機構の各段に設けられた燃料排出口が各燃料極の直前に位置するように構成したことを特徴とする直列型燃料電池。
【請求項３】
燃料極、電解質及び空気極の積層からなるセルを複数個インターコネクタを介して電気的に直列に接続し、これら個々のセル及びインターコネクタが多孔質の基体管上に形成された直列型燃料電池において、前記基体管内に燃料を分配するための円筒形燃料導入機構を備え、該円筒形燃料導入機構の燃料供給方向に沿って設けられた複数の燃料排出孔が各燃料極の直前にそれぞれ位置するように構成したことを特徴とする直列型燃料電池。
【請求項４】
前記円筒形燃料導入機構は、燃料下流側に行くに従って大きくなっていくテーパー形状に構成したことを特徴とする請求項３に記載の直列型燃料電池。
【請求項５】
燃料極、電解質及び空気極の積層からなるセルを複数個インターコネクタを介して電気的に直列に接続し、これら個々のセル及びインターコネクタが多孔質の一端を閉じた基体管上に形成された直列型燃料電池において、前記基体管内に燃料を分配するための多段の円筒形燃料導入機構を備え、該多段の円筒形燃料導入機構の各段に設けられた燃料排出口が各燃料極の直前に位置するように構成したことを特徴とする直列型燃料電池。
【請求項６】
燃料極、電解質及び空気極の積層からなるセルを複数個インターコネクタを介して電気的に直列に接続し、これら個々のセル及びインターコネクタが多孔質の一端を閉じた基体管上に形成された直列型燃料電池において、前記基体管内に燃料を分配するための円筒形燃料導入機構を備え、該円筒形燃料導入機構の燃料供給方向に沿って設けられた複数の燃料排出孔が各燃料極の直前にそれぞれ位置するように構成したことを特徴とする直列型燃料電池。
【請求項７】
前記円筒形の燃料導入機構は、燃料下流側に行くに従って小さくなっていくテーパー形状に構成したことを特徴とする請求項６に記載の直列型燃料電池。
【請求項８】
燃料極、電解質及び空気極の積層からなるセルを複数個インターコネクタを介して電気的に直列に接続し、これら個々のセル及びインターコネクタが多孔質の基体板上に形成された直列型燃料電池において、前記基体板上の燃料導入側に燃料を分配するための仕切板を備え、該仕切板間の開口部が各燃料極の直前に位置するように構成したことを特徴とする直列型燃料電池。
【請求項９】
燃料極、電解質及び空気極の積層からなるセルを複数個インターコネクタを介して電気的に直列に接続し、これら個々のセル及びインターコネクタが多孔質の基体板上に形成された直列型燃料電池において、前記基体板上の燃料導入側に燃料を分配するための仕切板及び燃料排出側に燃料を排出するための仕切板を備え、前記燃料導入側の仕切板間の開口部は各燃料極の直前にあり、前記燃料排出側の仕切板間の開口部は各燃料極の下流側に位置するように構成したことを特徴とする直列型燃料電池。
【請求項１０】
燃料極、電解質及び空気極の積層からなるセルを複数個インターコネクタを介して電気的に直列に接続し、これら個々のセル及びインターコネクタが多孔質の基体板上に形成された直列型燃料電池において、前記基体板の前記燃料極とは反対側に燃料を分配するための多段の板状形の燃料導入機構を備え、該多段の燃料導入機構の各段に設けられた燃料排出口が各燃料極の直前に位置するように構成したことを特徴とする直列型燃料電池。
【請求項１１】
燃料極、電解質及び空気極の積層からなるセルを複数個インターコネクタを介して電気的に直列に接続し、これら個々のセル及びインターコネクタが多孔質の基体板上に形成された直列型燃料電池において、前記基体板の前記燃料極とは反対側に燃料を分配するための箱状形の燃料導入機構を備え、該箱状形の燃料導入機構の燃料供給方向に沿って設けられた複数の燃料排出口が各燃料極の直前にそれぞれ位置するように構成したことを特徴とする直列型燃料電池。
【請求項１２】
前記基体管を構成する材料が、多孔質セラミックスであることを特徴とする請求項２乃至請求項７のいずれか１つの請求項に記載の直列型燃料電池。
【請求項１３】
前記基体管を構成する材料が、熱伝導性の高い多孔質の金属材料からなり、かつその表面に電気絶縁性の高い酸化物が形成されていることを特徴とする請求項２乃至請求項７のいずれか１つの請求項に記載の直列型燃料電池。
【請求項１４】
前記基体管を構成する材料が、熱伝導性が高く多孔質であって、炭化水素に対する分解活性の高い材料を含まない金属材料からなり、かつその表面に電気絶縁性の高い酸化物が形成されていることを特徴とする請求項２乃至請求項７のいずれか１つの請求項に記載の直列型燃料電池。
【請求項１５】
前記基体板を構成する材料が、多孔質セラミックスであることを特徴とする請求項８乃至請求項１１のいずれか１つの請求項に記載の直列型燃料電池。
【請求項１６】
前記基体板を構成する材料が、熱伝導性の高い多孔質の金属材料からなり、かつその表面に電気絶縁性の高い酸化物が形成されていることを特徴とする請求項８乃至請求項１１のいずれか１つの請求項に記載の直列型燃料電池。
【請求項１７】
前記基体板を構成する材料が、熱伝導性が高く多孔質であって、炭化水素に対する分解活性の高い材料を含まない金属材料からなり、かつその表面に電気絶縁性の高い酸化物が形成されていることを特徴とする請求項８乃至請求項１１のいずれか１つの請求項に記載の直列型燃料電池。
【請求項１８】
前記燃料極に供給される燃料が、炭化水素系燃料であって、前記円筒形燃料導入機構の燃料供給方向に沿って設けられた各燃料排出孔直前の円筒部内に、前記炭化水素燃料の燃料処理用触媒を介在させたことを特徴とする請求項２乃至請求項７のいずれか１つの請求項に記載の直列型燃料電池。
【請求項１９】
前記燃料極に供給される燃料が、炭化水素系燃料であって、前記基体板上の燃料導入側に燃料を分配するための仕切板の直前に、前記炭化水素燃料の燃料処理用触媒を介在させたことを特徴とする請求項８または請求項９に記載の直列型燃料電池。
【請求項２０】
前記燃料極に供給される燃料が、炭化水素系燃料であって、前記燃料導入機構の各燃料排出口直前に、前記炭化水素燃料の燃料処理用触媒を配備したことを特徴とする請求項１０または請求項１１に記載の直列型燃料電池。
【請求項２１】
前記燃料極に供給される燃料が、炭化水素系燃料であって、前記燃料極に至るまでの燃料通過経路において前記炭化水素系燃料と３００℃以上の高温で接触する材料として、前記炭化水素系燃料に対する分解活性の高い材料を用いないことを特徴とする請求項１乃至請求項２０のいずれか１つの請求項に記載の直列型燃料電池。
【請求項２２】
前記炭化水素系燃料に対する分解活性の高い材料が、ニッケル、白金、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、イリジウム、オスミウム、バナジウム、モリブデンのいずれか１つまたは複数を含む材料であることを特徴とする請求項２１に記載の直列型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、通称、円筒横縞、箱型横縞型燃料電池といわれる直列型燃料電池(Segment in series type fuel cell)に関する。
【背景技術】
【０００２】
通常、燃料電池は、電解質板の片側に酸化剤となる空気を供給し、電解質板の他の片側に燃料が供給されるように構成されている。燃料電池では、空気と燃料を有効に利用できるように、発電部分に空気及び燃料を適正に供給しなければならない。
本発明は、空気と燃料に挟まれた発電部位において、複数の燃料電池(個々の燃料電池をセルと称する)が１つの基体管または基体板上に直列に接続された燃料電池の燃料導入に関るものである。
【０００３】
図１及び図２は、従来技術に係る直列型燃料電池の構成を示す図であり、直列に接続された燃料電池での導電経路は、基体６上に、燃料極１１／電解質１２／空気極１３／インターコネクト１４／燃料極２１／電解質２２／空気極２３／インターコネクト２４／燃料極３１／・・・・というように構成される。なお、図２において、（ａ）は各セル１，２，・・・において加算される電位の様子を示す図、（ｂ）は電流密度（電解質を透過する酸素量）を示す図、（ｃ）は各セル１，２，・・・で発生する電位を示す図、（ｄ）は空気極１３，２３・・・における酸素量の推移を示す図、（ｅ）は燃料極１１、２１・・・での酸素分圧の推移を示す図、（ｆ）は燃料極１１，２１・・・での燃料濃度の推移を示す図である。
【特許文献１】特開２００２−５６８５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
図１及び図２に示すような直列型燃料電池の場合は、各電解質１２，２２・・・を流れる電流はすべて等しく、電解質を流れる電流と電解質を空気極から燃料極まで透過する酸化物イオン（Ｏ２−）の量は等価なため、直列に接続されたすべてのセルにおいて同じ量の酸化物イオンが電解質を透過する。他方、燃料を直列接続した方向に対して同方向に導入した場合、セル１で燃料の一部が電極反応により消費され、その後セル２、セル３・・・でも同じ量の燃料が消費される。このため、燃料導入部から下流に行くに従って燃料濃度は減少する。各セルで発生する電位は、燃料濃度の低下と共に小さくなることから、後段のセルになるに従って発生電位も小さくなる。１つのセルの両端での電位差は、発生する電位から材料内部の抵抗や電極反応に起因する電圧降下分を差し引いたものである。直列にセルをつないだこの方式では、一連の直列につながれたセルの集合体で発生する電位は各セルで発生する電位差の和となる。従って、この方式では、１平面内に１セルを配置し、各セルを積層させる方式に比べ、高い電位差が容易に得られるという長所がある。反面、後段のセルでは燃料濃度が低いにもかかわらず他のセルと同量の酸化物イオンが供給されつづけることから、後段における電位差の減少及び電極の劣化(例えば、固体酸化物形燃料電池における燃料極として利用されるニッケル電極のニッケル金属の酸化)が起こる可能性が高くなる。この方式の燃料電池では、その構成の特徴から、１つのセルの破損が即、燃料電池の発電停止につながるため、燃料極の破壊は必ず避けなければならない。そのため、直列型燃料電池では、燃料利用率を高くできない、負荷応答性が悪くなる、といった欠点が発生する。
【０００５】
また、固体酸化物形燃料電池では、水素だけでなく、炭化水素燃料も燃料極上で内部改質を行うことで燃料として利用される。炭化水素の内部改質発電では、燃料導入部で炭化水素の熱分解や水蒸気改質反応が起こる。その際、熱分解による炭素の析出及びそれに伴う燃料極の破壊、改質反応が吸熱反応であることによる温度勾配の発生といった問題が発生する。直列型燃料電池では、多段のセルに必要な量の燃料を供給する構成上、これらの燃料処理反応が最上流に位置するセルの燃料極上で集中して起こる。そのため、最上流の燃料極の炭素析出による破壊が起こりやすい、炭素析出による破壊を防止するため水蒸気の添加量が多くなり発電効率が減少する、改質反応による温度低下が最上流セルで集中して起こり急激な温度勾配の発生による燃料電池の効率低下や破壊が起こる、と言った問題点が発生する。そのため、直列型燃料電池での内部改質発電は非常に難しい技術である。
【０００６】
本発明の目的は、燃料利用率上昇や負荷応答性の向上、炭化水素燃料の内部改質発電に対する問題の解決など、直列型燃料電池に存在する欠点を改善する方法として、各燃料電池へ燃料を有効に供給することを可能にした直列型燃料電池を提供することにある。
具体的には、燃料極側に燃料分配機構を有する燃料仕切板、燃料導入管を採用し、高燃料利用率条件下でも、下流のセルに適切な大きさの電位が発生し、セルの破損が起きない程度の燃料が行き渡るようにするため、燃料分配量を板間隔や管径、孔径を調節することで可能にした直列型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】
【０００７】
本発明は、上記の課題を解決するために、下記の手段を採用した。
第１の手段は、燃料極、電解質及び空気極の積層からなるセルを複数個インターコネクタを介して電気的に直列に接続し、これら個々のセル及びインターコネクタが多孔質の基体上に形成された直列型燃料電池において、前記各燃料極に燃料を分配するための燃料導入機構を備えることを特徴とする直列型燃料電池である。
第２の手段は、燃料極、電解質及び空気極の積層からなるセルを複数個インターコネクタを介して電気的に直列に接続し、これら個々のセル及びインターコネクタが多孔質の基体管上に形成された直列型燃料電池において、前記基体管内に燃料を分配するための多段の円筒形燃料導入機構を備え、該多段の円筒形燃料導入機構の各段に設けられた燃料排出口が各燃料極の直前に位置するように構成したことを特徴とする直列型燃料電池である。
第３の手段は、燃料極、電解質及び空気極の積層からなるセルを複数個インターコネクタを介して電気的に直列に接続し、これら個々のセル及びインターコネクタが多孔質の基体管上に形成された直列型燃料電池において、前記基体管内に燃料を分配するための円筒形燃料導入機構を備え、該円筒形燃料導入機構の燃料供給方向に沿って設けられた複数の燃料排出孔が各燃料極の直前にそれぞれ位置するように構成したことを特徴とする直列型燃料電池である。
第４の手段は、第３の手段において、前記円筒形燃料導入機構は、燃料下流側に行くに従って大きくなっていくテーパー形状に構成したことを特徴とする直列型燃料電池である。
第５の手段は、燃料極、電解質及び空気極の積層からなるセルを複数個インターコネクタを介して電気的に直列に接続し、これら個々のセル及びインターコネクタが多孔質の一端を閉じた基体管上に形成された直列型燃料電池において、前記基体管内に燃料を分配するための多段の円筒形燃料導入機構を備え、該多段の円筒形燃料導入機構の各段に設けられた燃料排出口が各燃料極の直前に位置するように構成したことを特徴とする直列型燃料電池である。
第６の手段は、燃料極、電解質及び空気極の積層からなるセルを複数個インターコネクタを介して電気的に直列に接続し、これら個々のセル及びインターコネクタが多孔質の一端を閉じた基体管上に形成された直列型燃料電池において、前記基体管内に燃料を分配するための円筒形燃料導入機構を備え、該円筒形燃料導入機構の燃料供給方向に沿って設けられた複数の燃料排出孔が各燃料極の直前にそれぞれ位置するように構成したことを特徴とする直列型燃料電池である。
第７の手段は、第６の手段において、前記円筒形の燃料導入機構は、燃料下流側に行くに従って小さくなっていくテーパー形状に構成したことを特徴とする直列型燃料電池である。
第８の手段は、 燃料極、電解質及び空気極の積層からなるセルを複数個インターコネクタを介して電気的に直列に接続し、これら個々のセル及びインターコネクタが多孔質の基体板上に形成された直列型燃料電池において、前記基体板上の燃料導入側に燃料を分配するための仕切板を備え、該仕切板間の開口部が各燃料極の直前に位置するように構成したことを特徴とする直列型燃料電池である。
第９の手段は、燃料極、電解質及び空気極の積層からなるセルを複数個インターコネクタを介して電気的に直列に接続し、これら個々のセル及びインターコネクタが多孔質の基体板上に形成された直列型燃料電池において、前記基体板上の燃料導入側に燃料を分配するための仕切板及び燃料排出側に燃料を排出するための仕切板を備え、前記燃料導入側の仕切板間の開口部は各燃料極の直前にあり、前記燃料排出側の仕切板間の開口部は各燃料極の下流側に位置するように構成したことを特徴とする直列型燃料電池である。
第１０の手段は、燃料極、電解質及び空気極の積層からなるセルを複数個インターコネクタを介して電気的に直列に接続し、これら個々のセル及びインターコネクタが多孔質の基体板上に形成された直列型燃料電池において、前記基体板の前記燃料極とは反対側に燃料を分配するための多段の板状形の燃料導入機構を備え、該多段の燃料導入機構の各段に設けられた燃料排出口が各燃料極の直前に位置するように構成したことを特徴とする直列型燃料電池である。
第１１の手段は、燃料極、電解質及び空気極の積層からなるセルを複数個インターコネクタを介して電気的に直列に接続し、これら個々のセル及びインターコネクタが多孔質の基体板上に形成された直列型燃料電池において、前記基体板の前記燃料極とは反対側に燃料を分配するための箱状形の燃料導入機構を備え、該箱状形の燃料導入機構の燃料供給方向に沿って設けられた複数の燃料排出口が各燃料極の直前にそれぞれ位置するように構成したことを特徴とする直列型燃料電池である。
第１２の手段は、第２の手段乃至第７の手段のいずれか１つの手段において、前記基体管を構成する材料が、多孔質セラミックスであることを特徴とする直列型燃料電池である。
第１３の手段は、第２の手段乃至第７の手段のいずれか１つの手段において、前記基体管を構成する材料が、熱伝導性の高い多孔質の金属材料からなり、かつその表面に電気絶縁性の高い酸化物が形成されていることを特徴とする直列型燃料電池である。
第１４の手段は、第２の手段乃至第７の手段のいずれか１つの手段において、前記基体管を構成する材料が、熱伝導性が高く多孔質であって、炭化水素に対する分解活性の高い材料を含まない金属材料からなり、かつその表面に電気絶縁性の高い酸化物が形成されていることを特徴とする直列型燃料電池である。
第１５の手段は、第８の手段乃至第１１の手段のいずれか１つの手段において、前記基体板を構成する材料が、多孔質セラミックスであることを特徴とする直列型燃料電池である。
第１６の手段は、第８の手段乃至第１１の手段のいずれか１つの手段において、前記基体板を構成する材料が、熱伝導性の高い多孔質の金属材料からなり、かつその表面に電気絶縁性の高い酸化物が形成されていることを特徴とする直列型燃料電池である。
第１７の手段は、第８の手段乃至第１１の手段のいずれか１つの手段において、前記基体板を構成する材料が、熱伝導性が高く多孔質であって、炭化水素に対する分解活性の高い材料を含まない金属材料からなり、かつその表面に電気絶縁性の高い酸化物が形成されていることを特徴とする直列型燃料電池である。
第１８の手段は、第２の手段乃至第７の手段のいずれか１つの手段において、前記燃料極に供給される燃料が、炭化水素系燃料であって、前記円筒形燃料導入機構の燃料供給方向に沿って設けられた各燃料排出孔直前の円筒部内に、前記炭化水素燃料の改質などを行う燃料処理用触媒を介在させたことを特徴とする直列型燃料電池である。
第１９の手段は、第８の手段または第９の手段において、前記燃料極に供給される燃料が、炭化水素系燃料であって、前記基体板上の燃料導入側に燃料を分配するための仕切板の直前に、前記炭化水素燃料の改質などを行う燃料処理用触媒を介在させたことを特徴とする直列型燃料電池である。
第２０の手段は、第１０の手段または第１１の手段において、前記燃料極に供給される燃料が、炭化水素系燃料であって、前記燃料導入機構の各燃料排出口直前に、前記炭化水素燃料の改質などを行う燃料処理用触媒を配備したことを特徴とする直列型燃料電池である。
第２１の手段は、第１の手段乃至第２０の手段のいずれか１つの手段において、前記燃料極に供給される燃料が、炭化水素系燃料であって、前記燃料極に至るまでの燃料通過経路において前記炭化水素系燃料と３００℃以上の高温で接触する材料として、前記炭化水素系燃料に対する分解活性の高い材料を用いないことを特徴とする直列型燃料電池である。
第２２の手段は、第２１の手段において、前記炭化水素系燃料に対する分解活性の高い材料が、ニッケル、白金、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、イリジウム、オスミウム、バナジウム、モリブデンのいずれか１つまたは複数を含む材料であることを特徴とする直列型燃料電池である。
【発明の効果】
【０００８】
これまでの直列型燃料電池では、下流側セルの破損や効率低下を防ぐため、燃料利用率を低く押さえる必要があったが、本発明によれば、高燃料利用率下でも下流側セルに未使用燃料(供給燃料の一部)を供給することができ、燃料極での酸素分圧を低く保つことができる。従って、燃料電池の破壊を考慮することなく燃料電池を運転することが可能となり、燃料利用率の向上を図ることができる。
また、直列型燃料電池では、導入された燃料が一連のセルすべてにわたり供給されるため、負荷変動の際、各燃料電池での発生電位の制御が困難であるが、本発明によれば、下流側燃料電池にも未使用燃料が供給されるため、各セル間の発生電位の差が小さくなり、負荷応答性の向上を図ることができる。
また、直列型燃料電池を高燃料利用率下で運転した場合、下流側セルでは燃料濃度が極めて低いにもかかわらず、上流側と同じ電流が流れるため、燃料極に用いている金属成分の酸化による燃料極の劣化、最終的には燃料電池の破壊に至り、直列型燃料電池の構成上、１つのセルの破壊は完全な発電性能の停止に直結するため、セルの破損は必ず避けなければならないが、本発明によれば、下流側セルに未使用燃料(供給燃料の一部)が供給され、燃料極は酸化されない雰囲気に保たれるため、上述の燃料利用率の向上効果と共に、燃料電池の長寿命化が可能となる。
また、これまでの直列型燃料電池では下流側セルへの燃料供給に関する制約により、燃料電池の大型化は困難であったが、本発明によれば、燃料供給に関する制約がなくなり、燃料電池の大型化が可能となる。
また、炭化水素燃料を内部改質により利用する場合、従来の燃料導入方法では、燃料導入部直近の燃料極上で熱分解反応及び改質反応が起こるため、この部分への負担が大きくなる。具体的には、最上流の燃料極の炭素析出による破壊が起こりやすい、炭素析出による破壊を防止するため水蒸気の添加量を多くする必要があり発電効率の減少する、改質反応が吸熱反応であるため改質反応による温度低下が最上流セルで集中して起こり急激な温度勾配の発生による燃料電池の破壊が起こる、と言った問題が発生していた。しかし、本発明によれば、炭化水素燃料は各セルに分配されて供給されるため、燃料導入経路内で行う熱分解などの燃料処理と燃料極上で行わせる改質反応などの燃料処理を分離し、別々に制御できるようになり、その結果として、改質反応の進行度、温度管理などの制御性が飛躍的に増大し、各アノード部で平均的に改質反応が進行することで温度勾配や特定アノードへの負担が減少し、効果的かつ効率的に燃料処理を進行することが可能となり、燃料電池での内部改質発電の可能性の増大及び発電の高効率化を図ることができる。
さらに、燃料分配管内に改質などの燃料処理用触媒を配置することで、吸熱反応である改質反応を、燃料電池運転温度と同じ高温で、発電時に発生する排熱を有効に利用しながら行うことも可能となり、これにより燃料極上での炭素析出による燃料極の破壊の心配がなくなり、かつ改質後の生成水素を用いた速やかな発電が可能となる。
また、プロパン以上の高級炭化水素を燃料とした場合、メタンを含む燃料まで改質するより、燃料を改質せずにニッケルアノードまで導入することで高い燃料利用率が得られることが報告されているが、燃料極以前の段階で燃料の分解反応や改質反応が起こらないよう、炭化水素の分解活性の高いニッケルなどの材料を燃料極以前に用いないことにより、高級炭化水素利用時に高い燃料利用率が得られることが期待される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明の第１の実施形態を図３を用いて説明する。
図３は、本実施形態の発明に係る直列型燃料電池の構成を示す断面図である。
同図において、１１，２１，３１・・・は燃料極、１２，２２，３２・・・は電解質、１３，２３，３３・・・は空気極、１４，２４，３４・・・はインターコネクタ、６は多孔質で形成された基体管、７０は基体管６内に設けられた円筒状の多段に形成された円筒形燃料導入機構、７１，７２，７３・・・は円筒形燃料導入機構７０に設けられた燃料排出口であり、この燃料排出口７１，７２，７３は各燃料極１１，２１，３１・・・の直前に設けられている。
なお、同図において、（ａ）は電流密度（電解質を透過する酸素量）を示す図、（ｂ）は各セル・・・において発生する電位の様子を示す図、（ｃ）は燃料極１１，２１・・・における酸素量の推移を示す図、（ｄ）は空気極１３、２３・・・の酸素分圧の推移を示す図、（ｅ）は空気極１３，２３・・・燃料濃度の推移を示す図である。
本実施形態の発明によれば、円筒状の多段に設けられた円筒形燃料導入機構７の各燃料排出口７１，７２，７３・・・が各燃料極５１，４１，３１・・・の直前に設けられ、この各燃料排出口７１，７２，７３・・・から各燃料極５１，４１，３１・・・に十分な燃料が供給されるように構成されている。その結果、図３（ｅ）に示すように、各燃料極１１，２１，３１・・・上の燃料濃度が、図２（ｆ）に示す従来技術に係る直列型燃料電池のように燃料供給方向に沿って減少することなく保持することができ、下流側のセルにおいても十分な電位を発生させることができる。
【００１０】
次に、本発明の第２の実施形態を図４及び図５を用いて説明する。
図４は、本実施形態の発明に係る直列型燃料電池の構成を示す断面図であり、図５は本実施形態の他の発明に係る直列型燃料電池の構成を示す断面図である。
これらの図において、８０は基体管６内に設けられた燃料を分配するための円筒状に形成された円筒形燃料導入機構、８１，８２，８３・・・はそれぞれが円筒形燃料導入機構８の燃料供給方向に沿って各燃料極５１，４１，３１・・・の直前に設けられた円筒形燃料導入機構８０の燃料排出孔である。９０は基体管６内に設けられた燃料の下流側に行くに従って円筒形の直径が大きくなっていくテーパー状に構成された、燃料を分配するために形成された円筒型燃料導入機構、９１，９２，９３・・・はそれぞれが燃料導入機構９０の燃料供給方向に沿って設けられた燃料排出孔であり、各燃料排出孔９１，９２，９３は各燃料極５１，４１，３１・・・の直前に設けられている。
なお、その他の構成は図３に示した同符号の構成に対応するので説明を省略する。
本実施形態の発明によれば、図４に示す円筒形燃料導入機構８０を用いる場合は、各燃料排出孔８１，８２，８３・・・が各燃料極５１，４１，３１・・・の直前に設けられ、この各燃料排出孔８１，８２，８３・・・から各燃料極５１，４１，３１・・・に十分な燃料が供給されることになる。その結果、各燃料極５１，４１，３１・・・上の燃料濃度が、従来技術に係る直列型燃料電池のように燃料供給方向に沿って減少することなく保持することができ、下流側のセルにおいても十分電位を発生させることができる。
また、図５に示す燃料導入機構９０を用いる場合は、図４に示す円筒形燃料導入機構８０に比べて、下流側ではより燃料が利用しやすくなるので、より一層燃料下流側の燃料濃度の減少を防止することができる。
【００１１】
次に、本発明の第３の実施形態を図６を用いて説明する。
図６は、本実施形態の発明に係る直列型燃料電池の構成を示す断面図である。
同図において、１０は一端が閉じられた多孔質で形成された基体管、１１０は基体管１０内に設けられた円筒状の多段に形成された円筒形燃料導入機構、１１１，１１２，１１３・・・は円筒形燃料導入機構１１０に設けられた燃料排出口であり、この燃料排出口１１１，１１２，１１３・・・は各燃料極５１，４１，３１・・・の直前に設けられている。
なお、その他の構成は図３に示した同符号の構成に対応するので説明を省略する。
本実施形態の発明によれば、円筒形燃料導入機構１１０の各燃料排出口１１１，１１２，１１３・・・が各燃料極５１，４１，３１・・・の直前に設けられ、この各燃料排出口１１１，１１２，１１３・・・から各燃料極５１，４１，３１・・・に十分な燃料が供給されることになる。その結果、各燃料極５１，４１，３１・・・上の燃料濃度が、従来技術に係る直列型燃料電池のように燃料供給方向に沿って減少することなく保持することができ、下流側のセルにおいても十分電位を発生させることができる。
【００１２】
次に、本発明の第４の実施形態を図７及び図８を用いて説明する。
図７は、本実施形態の発明に係る直列型燃料電池の構成を示す断面図であり、図８は本実施形態の他の発明に係る直列型燃料電池の構成を示す断面図である。
これらの図において、１２０は基体管１０内に設けられた燃料を分配するための円筒状の円筒形燃料導入機構、１２１，１２２，１２３・・・はそれぞれが円筒形燃料導入機構１２０の燃料供給方向に沿って設けられた燃料排出孔であり、燃料排出孔１２１，１２２，１２３は各燃料極５１，４１，３１・・・の直前に設けられている。１３０は基体管１０内に設けられた燃料の下流側に行くに従って円筒形の直径が小さくなっていくテーパー状に構成された、燃料を分配するための形成された円筒形燃料導入機構、１３１，１３２，１３３・・・はそれぞれが円筒形燃料導入機構１３０の燃料供給方向に沿って設けられた燃料排出孔であり、各燃料排出孔１３１，１３２，１３３は各燃料極５１，４１，３１・・・の直前に設けられている。
なお、その他の構成は図６に示した同符号の構成に対応するので説明を省略する。
本実施形態の発明によれば、図７に示す円筒形燃料導入機構１２０を用いる場合は、各燃料排出口１２１，１２２，１２３・・・が各燃料極５１，４１，３１・・・の直前に設けられ、この各燃料排出口１２１，１２２，１２３・・・から各燃料極５１，４１，３１・・・に十分な燃料が供給されることになる。その結果、各燃料極５１，４１，３１・・・上の燃料濃度が、従来技術に係る直列型燃料電池のように燃料供給方向に沿って減少することなく保持することができ、下流側のセルにおいても十分電位を発生させることができる。
また、図８に示す円筒形燃料導入機構１３０を用いる場合は、図７に示す円筒形燃料導入機構１２０に比べて、より一層燃料下流側の燃料濃度の減少を防止することができる。
【００１３】
次に、本発明の第５の実施形態を図９を用いて説明する。
図９は、本実施形態の発明に係る直列型燃料電池の構成を示す斜視図である。
同図において、２０は多孔質で形成された大型平板状の基体板、１５，１６，１７・・・は基体板２０の裏側から見た燃料極、６０，６１，６２・・・は基体板２０上の燃料導入側に配置された燃料を分配するための仕切板、６５，６６，６７・・・は仕切板６０，６１，６２間に設けられ、各燃料極１５，１６，１７・・・の直前に位置するように設けられた開口部である。
本実施形態の発明によれば、仕切板６０，６１，６２・・・間の開口部６５，６６，６７・・・が各燃料極１５，１６，１７・・・の直前に設けられているので、この各開口部６５，６６，６７・・・から各燃料極１５，１６，１７・・・に十分な燃料が供給されることになる。その結果、各燃料極１５，１６，１７・・・上の燃料濃度が、従来技術に係る直列型燃料電池のように燃料供給方向に沿って減少することなく保持することができ、下流側のセルにおいても十分電位を発生させることができる。
【００１４】
次に、本発明の第６の実施形態を図１０を用いて説明する。
図１０は、本実施形態の発明に係る直列型燃料電池の構成を示す斜視図である。
同図において、１００，１０１，１０２・・・は基体板２０上の燃料排出側に燃料を排出するための仕切板、１０５，１０６，１０７・・・は仕切板１００，１０１，１０２・・・間に設けられ、各燃料極１５，１６，１７・・・の直後に位置するように設けられた開口部である。
なお、その他の構成は図９に示した同符号の構成に対応するので説明を省略する。
本実施形態の発明によれば、仕切板６０，６１，６２・・・間の開口部６５，６６，６７・・・が各燃料極１５，１６，１７・・・の直前に設けられ、仕切板１００，１０１，１０２・・・間の開口部１０５，１０６，１０７・・・が各燃料極１５，１６，１７・・・の直後に設けられているので、この各開口部６５，６６，６７から各開口部１０５，１０６，１０７・・・を通って燃料が各燃料極１５，１６，１７・・・に十分供給されることになる。その結果、各燃料極１５，１６，１７・・・上の燃料濃度が、従来技術に係る直列型燃料電池のように燃料供給方向に沿って減少することなく保持することができ、下流側のセルにおいても十分電位を発生させることができる。
【００１５】
次に、本発明の第７の実施形態を図１１を用いて説明する。
図１１は、本実施形態の発明に係る直列型燃料電池の構成を示す断面図である。
同図において、１４０は燃料極１１，２１，３１・・・とは反対側の基体板２０上に設けられた平板状の多段に形成された平板形燃料導入機構、１４１，１４２，１４３・・・は平板形燃料導入機構１４０に設けられた燃料排出口であり、この燃料排出口１４１，１４２，１４３・・・は各燃料極５１，４１，３１・・・の直前に設けられている。
なお、その他の構成は図３及び図９に示す同符号の構成に対応するので説明を省略する。
本実施形態の発明によれば、平板状の多段に形成された平板形燃料導入機構１４０の各燃料排出口１４１，１４２，１４３・・・のそれぞれが各燃料極５１，４１，３１・・・の直前に設けられ、この各燃料排出口１４１，１４２，１４３・・・から各燃料極５１，４１，３１・・・に十分な燃料が供給されるように構成されている。その結果、各燃料極５１，４１，３１・・・上の燃料濃度が燃料供給方向に沿って減少することなく保持することができ、下流側のセルにおいても十分な電位を発生させることができる。
【００１６】
次に、本発明の第８の実施形態を図１２を用いて説明する。
図１２は、本実施形態の発明に係る直列型燃料電池の構成を示す断面図である。
同図において、１５０は燃料極１１，２１，３１・・・とは反対側の基体板２０上に設けられた箱形状に形成された箱形燃料導入機構、１５１，１５２，１５３・・・は箱形燃料導入機構１５０の燃料供給方向に沿って設けられた燃料排出口であり、この燃料排出口１５１，１５２，１５３・・・は各燃料極５１，４１，３１・・・の直前に設けられている。
なお、その他の構成は図１１に示す同符号の構成に対応するので説明を省略する。
本実施形態の発明によれば、箱形燃料導入機構１５０の各燃料排出口１５１，１５２，１５３・・・のそれぞれが各燃料極５１，４１，３１・・・の直前に設けられ、この各燃料排出口１５１，１５２，１５３・・・から各燃料極５１，４１，３１・・・に十分な燃料が供給されるように構成されている。その結果、各燃料極５１，４１，３１・・・上の燃料濃度が燃料供給方向に沿って減少することなく保持することができ、下流側のセルにおいても十分な電位を発生させることができる。
【００１７】
次に、本発明の第９の実施形態を図１３を用いて説明する。
図１３は、本実施形態の発明に係る直列型燃料電池の構成を示す断面図である。
同図において、１６０は基体管６内に設けられた燃料を分配するための円筒状に形成された円筒形燃料導入機構、１６１，１６２，１６３・・・はそれぞれが円筒形燃料導入機構１６０の燃料供給方向に沿って各燃料極５１，４１，３１・・・の直前に設けられた円筒形燃料導入機構１６０の燃料排出口、１６５は円筒形燃料導入機構１６０の燃料供給方向に沿って、各燃料排出口１６１，１６２，１６３直前の円筒内部に設けられた炭化水素燃料の改質などを行う燃料処理用触媒である。
なお、その他の構成は図４に示した同符号の構成に対応するので説明を省略する。
本実施形態の発明によれば、図４に示した第２の実施形態に係る直列型燃料電池の効果に加えて、円筒形燃料導入機構１６０に燃料処理用触媒１６５を介在させることにより、吸熱反応である改質反応を燃料電池運転温度と同じ高温で、発電時に発生する排熱を有効に利用しながら行うことが可能となる。
【００１８】
次に、本発明の第１０の実施形態を図１４を用いて説明する。
図１４は、本実施形態の発明に係る直列型燃料電池の構成を示す斜視図である。
１６６は基体板２０上の開口部６５，６６，６７・・・の直前に設けられた炭化水素燃料の改質などを行う燃料処理用触媒である。
なお、その他の構成は図１０に示した同符号の構成に対応するので説明を省略する。
本実施形態の発明によれば、図１０に示した第７の実施形態に係る直列型燃料電池の効果に加えて、基体板２０上に燃料処理用触媒１６６を介在させることにより、吸熱反応である改質反応を燃料電池運転温度と同じ高温で、発電時に発生する排熱を有効に利用しながら行うことが可能となる。
【００１９】
次に、本発明の第１１の実施形態を図１５を用いて説明する。
図１５は、本実施形態の発明に係る直列型燃料電池の構成を示す断面図である。
１７０は燃料極１１，２１，３１・・・とは反対側の基体板２０上に設けられた箱形状に形成された箱形燃料導入機構、１７１，１７２，１７３・・・は箱形燃料導入機構１７０の燃料供給方向に沿って設けられた燃料排出口であり、この燃料排出口１７１，１７２，１７３・・・は各燃料極５１，４１，３１・・・の直前に設けられている。１６７は箱形燃料導入機構１７０の燃料供給方向に沿って、各燃料排出口１７１，１７２，１７３直前の円筒内部に介在された、炭化水素燃料の改質などを行う燃料処理用触媒である。
なお、その他の構成は図１２に示した同符号の構成に対応するので説明を省略する。
本実施形態の発明によれば、図１２に示した第９の実施形態に係る直列型燃料電池の効果に加えて、箱形燃料導入機構１７０に燃料処理用触媒１６７を介在させることにより、吸熱反応である改質反応を燃料電池運転温度と同じ高温で、発電時に発生する排熱を有効に利用しながら行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】従来技術に係る直列型燃料電池の模式図(断面図)である。
【図２】従来技術に係る、発電時、全電位、各セルを透過する酸素量(電流量)、各セルでの発生電位、空気極側での酸素濃度、燃料極上での酸素分圧、燃料極上での燃料濃度を模式的に示した直列型燃料電池の模式図（断面図）である。
【図３】第１の実施形態の発明に係る、発電時、各セルを透過する酸素量(電流量)、各セルでの発生電位、空気極側での酸素濃度、燃料極上での酸素分圧、燃料極上での燃料濃度を模式的に示した直列型燃料電池の模式図（断面図）である。
【図４】第２の実施形態の発明に係る直列型燃料電池の模式図（断面図）である。
【図５】第２の実施形態の他の発明に係る直列型燃料電池の模式図（断面図）である。
【図６】第３の実施形態の発明に係る直列型燃料電池の模式図（断面図）である。
【図７】第４の実施形態の発明に係る直列型燃料電池の模式図（断面図）である。
【図８】第４の実施形態の他の発明に係る直列型燃料電池の模式図（断面図）である。
【図９】第５の実施形態の発明に係る直列型燃料電池の模式図（斜視図）である。
【図１０】第６の実施形態の発明に係る直列型燃料電池の模式図（斜視図）である。
【図１１】第７の実施形態の発明に係る直列型燃料電池の模式図（断面図）である。
【図１２】第８の実施形態の発明に係る直列型燃料電池の模式図（断面図）である。
【図１３】第９の実施形態の発明に係る直列型燃料電池の模式図（断面図）である。
【図１４】第１０の実施形態の発明に係る直列型燃料電池の模式図（斜視図）である。
【図１５】第１１の実施形態の発明に係る直列型燃料電池の模式図（断面図）である。
【符号の説明】
【００２１】
１１，２１，３１・・・  燃料極
１２，２２，３２・・・  電解質
１３，２３，３３・・・  空気極
１４，２４，３４・・・  インターコネクタ
６  基体管、
７０  円筒形燃料導入機構
７１，７２，７３・・・  燃料排出口
８０  円筒形燃料導入機構
８１，８２，８３・・・燃料排出孔  
９０  円筒型燃料導入機構
９１，９２，９３・・・  燃料排出孔
１０  基体管
１１０  円筒形燃料導入機構
１１１，１１２，１１３・・・  燃料排出口
１２０  円筒形燃料導入機構
１２１，１２２，１２３・・・  燃料排出孔
１３０  円筒形燃料導入機構
１３１，１３２，１３３・・・  燃料排出孔
２０  基体板
１５，１６，１７・・・  燃料極
６０，６１，６２・・・  仕切板
６５，６６，６７・・・  開口部
１００，１０１，１０２・・・  仕切板
１０５，１０６，１０７・・・  開口部
１４０  平板形燃料導入機構
１４１，１４２，１４３・・・  燃料排出口
１５０  箱形燃料導入機構
１５１，１５２，１５３・・・  燃料排出口
１６０  円筒形燃料導入機構
１６１，１６２，１６３・・・  燃料排出口
１６５，１６６，１６７  燃料処理用触媒
１７０  箱形燃料導入機構
１７１，１７２，１７３・・・  燃料排出口
【図１】
2007080646.tif 000003
【図２】
2007080646.tif 000004
【図３】
2007080646.tif 000005
【図４】
2007080646.tif 000006
【図５】
2007080646.tif 000007
【図６】
2007080646.tif 000008
【図７】
2007080646.tif 000009
【図８】
2007080646.tif 000010
【図９】
2007080646.tif 000011
【図１０】
2007080646.tif 000012
【図１１】
2007080646.tif 000013
【図１２】
2007080646.tif 000014
【図１３】
2007080646.tif 000015
【図１４】
2007080646.tif 000016
【図１５】
2007080646.tif 000017