(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の燃料電池セルが集合したセルスタックを収納容器内に収納してなり、前記セルスタックに酸素含有ガス及び燃料ガスを供給して発電する燃料電池において、前記収納容器内に、前記セルスタックに隣接して設けられ、前記セルスタックから導出された余剰の酸素含有ガス及び燃料ガスが燃焼して燃焼ガスが発生する燃焼室と、該燃焼室に隣設して設けられ、前記燃焼室からの燃焼ガス及び酸素含有ガスが導入されて熱交換する熱交換部と、前記燃焼室を挿通し、前記熱交換部で加熱された酸素含有ガスを前記セルスタックに供給する酸素含有ガス供給管とを設けてなるとともに、前記セルスタック及び前記燃焼室の側方における前記収納容器の内側の側壁に、外部から供給される酸素含有ガスの側壁流通路を設け、該側壁流通路内の酸素含有ガスが前記熱交換部を介して前記セルスタックに供給されることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
起動時には、予熱された酸素含有ガスが前記側壁流通路に供給され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、複数の燃料電池セルが集合したセルスタックを収納容器内に収納してなる燃料電池に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
次世代エネルギーとして、近年、燃料電池セルのスタックを収納容器内に収納した燃料電池が種々提案されている。
【０００３】
固体電解質型燃料電池は、複数の燃料電池セルからなるセルスタックを収納容器内に収納して構成されており、発電はセルスタックに酸素含有ガス及び燃料ガスを供給して６００〜１０００℃程度の高温で行われていた。
【０００４】
しかしながら、固体電解質を用いた燃料電池は作動温度が６００〜１０００℃と高いため、この温度まで燃料電池セルを加熱する必要があり、実質的に発電するまでの時間が長いという問題があった。このような問題を解決するため、従来、収納容器の外部に酸素含有ガス（空気）を予熱する予熱器を設け、この予熱器で酸素含有ガスを加熱した後、セルスタックに供給し、これによりセルを加熱し、起動時間を短縮させることが提案されている。
【０００５】
また、発電に用いられなかった燃料ガスと酸素含有ガスを燃焼させ、この高温の燃焼ガスを収納容器外部まで配管により引き回し、酸素含有ガスを収納容器内部に供給するための配管に沿わせて熱交換を行い、燃焼ガスを用いて酸素含有ガスを予熱することが提案されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記種々の方法によれば、通常運転時には収納容器内が高温となるが、この熱は、一般にガスにより外部に放出されたり、収納容器を介して外部に放出され、収納容器内の熱の有効利用が十分ではなかった。
【０００７】
また、上記方法は、燃料電池の起動時に、加熱した酸素含有ガスをセルスタックに導入し、加熱した酸素含有ガスにより燃料電池セルを加熱するもので、セルの加熱効率が低く、未だ起動に時間がかかるという問題があった。
【０００８】
本発明は、熱を有効利用できる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】
本発明の燃料電池は、複数の燃料電池セルが集合したセルスタックを収納容器内に収納してなり、前記セルスタックに酸素含有ガス及び燃料ガスを供給して発電する燃料電池において、前記収納容器内に、前記セルスタックに隣接して設けられ、前記セルスタックから導出された余剰の酸素含有ガス及び燃料ガスが燃焼して燃焼ガスが発生する燃焼室と、該燃焼室に隣設して設けられ、前記燃焼室からの燃焼ガス及び酸素含有ガスが導入されて熱交換する熱交換部と、前記燃焼室を挿通し、前記熱交換部で加熱された酸素含有ガスを前記セルスタックに供給する酸素含有ガス供給管とを設けてなるとともに、前記セルスタック及び前記燃焼室の側方における前記収納容器の内側の側壁に、外部から供給される酸素含有ガスの側壁流通路を設け、該側壁流通路内の酸素含有ガスが前記熱交換部を介して前記セルスタックに供給されることを特徴とする。
【００１０】
このような燃料電池では、外部からの酸素含有ガスが、側壁流通路を介してセルスタックに供給されるため、通常運転時には、セルスタックの熱により側壁流通路の酸素含有ガスが加熱され、この加熱された酸素含有ガスがセルスタックに供給され、収納容器内で発生する熱を有効利用して発電効率を高めることができる。
【００１１】
一方、起動時には、側壁流通路内にある程度（例えば６００℃）予熱された酸素含有ガスを供給することにより、側壁流通路の側方に設けられたセルスタックの燃料電池セルを加熱できるとともに、側壁流通路の予熱された酸素含有ガスが、例えば、酸素含有ガス供給管を介してセルスタックの燃料電池セルに導入され、燃料電池セルを酸素含有ガスにより加熱することができ、酸素含有ガスの熱を有効利用して起動を迅速に行うことができる。
【００１２】
また、本発明では、セルスタックに隣接して設けられ、前記セルスタックから導出された余剰の酸素含有ガス及び燃料ガスが燃焼して燃焼ガスが発生する燃焼室と、該燃焼室に隣設して設けられ、前記燃焼室からの燃焼ガス及び側壁流通路の酸素含有ガスが導入されて熱交換する熱交換部と、前記燃焼室を挿通し、前記熱交換部で加熱された酸素含有ガスを前記セルスタックに供給する複数の酸素含有ガス供給管とを、収納容器内に設けてなることを特徴とする。
【００１３】
このような燃料電池では、セルスタックにおいて発電に用いられなかった余剰の燃料ガスと酸素含有ガスが燃焼室内に導入され、この燃焼室中で反応して燃焼し、この燃焼ガス及び側壁流通路内の酸素含有ガスを熱交換部に導入し、この熱交換部で燃焼ガスと酸素含有ガスとの間で熱交換し、酸素含有ガスを加熱することができ、この加熱された酸素含有ガスを酸素含有ガス供給管でセルスタックに供給することにより、発電効率を向上でき、また起動時には、燃料電池セル温度を発電する温度まで急速に加熱でき、実質的に発電するまでの起動時間を短縮できる。
【００１４】
さらに、酸素含有ガス供給管が燃焼室を挿通しているため、熱交換部で加熱された酸素含有ガスをさらに加熱できる。
【００１５】
また、収納容器内で、燃焼ガスと酸素含有ガスとを熱交換できるため小型化でき、しかも燃焼ガスを有効利用できるとともに、高温の燃焼ガスを収納容器内の熱交換部に直接導入できるため、燃焼ガス温度の低下を最小限に抑制し、簡単な構造で酸素含有ガスの加熱を効果的に行うことができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の燃料電池の一形態を示すもので、符号３１は断熱構造を有する収納容器を示している。この収納容器３１の内部には、複数の燃料電池セル３３が集合したセルスタック３５と、このセルスタック３５の上方に隣接した燃焼室３７と、この燃焼室３７を挿通する酸素含有ガス供給管３９と、燃焼室３７の上方に設けられた熱交換部４１が設けられている。
【００２０】
収納容器３１は、耐熱性金属からなる枠体３１ａと、この枠体３１ａの内面に設けられた断熱材３１ｂとから構成されている。
【００２１】
セルスタック３５は、例えば、図２に示すように、複数の燃料電池セル３３を３列に整列させ、隣設した２列の最外部の燃料電池セル３３の電極同士が導電部材４２で接続され、これにより３列に整列した複数の燃料電池セル３３が電気的に直列に接続している。
【００２２】
具体的に説明すると、燃料電池セル３３は断面が扁平状で、全体的に見て楕円柱状であり、その内部には複数の燃料ガス通路３４が形成されている。この燃料電池セル３３は、断面が扁平状で、全体的に見て楕円柱状の多孔質な金属を主成分とする燃料側電極３３ａの外面に、緻密質な固体電解質３３ｂ、多孔質な導電性セラミックスからなる酸素側電極３３ｃを順次積層し、酸素側電極３３ｃと反対側の燃料側電極３３ａの外面にインターコネクタ３３ｄを形成して構成されており、燃料側電極３３ａが支持体となっている。
【００２３】
一方の燃料電池セル３３と他方の燃料電池セル３３との間には、金属フェルト及び／又は金属板からなる集電部材４３を介在させ、一方の燃料電池セル３３の燃料側電極３３ａを、該燃料側電極３３ａに設けられたインターコネクタ３３ｄ、集電部材４３を介して他方の燃料電池セル３３の酸素側電極３３ｃに電気的に接続して、セルスタック３５が構成されている。
【００２４】
複数の燃料電池セル３３の上下端部は、図１に示したように支持部材４５、４７に支持固定され、これによりセルスタック３５が構成されている。支持部材４５、４７は、収納容器３１を上下方向に仕切る隔壁の役割を兼ねており、支持部材４５、４７間において、燃料側電極３３ａ、固体電解質３３ｂ、酸素側電極３３ｃが重畳した部分が発電する部分であり、支持部材４５、４７間が発電室４９とされている。
【００２５】
燃料側電極３３ａ、固体電解質３３ｂ、酸素側電極３３ｃが重畳した部分は、発電室４９の中央部に存在し、燃料電池セル３３の両端部には、固体電解質３３ｂの上面に酸素側電極３３ｃが形成されていない領域が形成されており、燃料電池セル３３の両端部は発電に寄与していない。この酸素側電極３３ｃが形成されていない燃料電池セル３３の両端部が支持部材４５、４７に支持固定されている。また、緻密な固体電解質３３ｂにより、発電室４９内における固体電解質３３ｂの内外のガス混合を防止している。
【００２６】
セルスタック３５の下方には、燃料ガスをセルスタック３５に供給するための燃料ガス供給管５１が設けられ、この燃料ガス供給管５１には、燃料ガスを燃料電池セル３３のそれぞれの燃料ガス通路３４に供給する分岐管５２が形成されている。
【００２７】
また、燃料ガス供給管５１の下方には燃料電池セルを直接加熱するためのバーナー用ガス供給管５３が配置されており、このバーナー用ガス供給管５３には、発電室４９で燃焼するための複数のセル加熱用バーナ５５が設けられている。
【００２８】
セル加熱用バーナ５５の先端部は支持部材４７に固定されている。発電室４９には、起動時にセル加熱用バーナ５５から噴出されるガスに着火するため着火源（図示せず）が設けられている。
【００２９】
図３にセル加熱用バーナ５５及びその近傍を拡大して記載する。この図３に示すように、支持部材４７近傍の固体電解質３３ｂ上には酸素側電極３３ｃが形成されておらず、代わりにガラスからなる断熱層５６が形成されている。この断熱層５６はセル加熱用バーナ５５から噴出されるガスの燃焼領域Ｆ（破線で示す）の側方に形成されている。
【００３０】
断熱層５６はガラス以外にセラミックから構成されていても良いが、密着性が良好という点からガラスを用いることが望ましい。また、断熱層５６は、セル加熱用バーナ５５の燃焼による影響を最小限にするような範囲で形成されている。
【００３１】
また、図１に示したように、燃焼室３７を挿通する酸素含有ガス供給管３９は支持部材４５を挿通し、その先端部が発電室４９の下部であって燃料電池セル３３間に位置している。発電で用いられなかった余剰の酸素含有ガスは、支持部材４５に設けられた余剰ガス噴出孔５７から燃焼室３７内に噴出するように構成されている。燃焼室３７においても、起動時に着火するための着火源が設けられている。
【００３２】
熱交換部４１は、熱交換器４１ａと、燃焼室３７を介してセルスタック３５に対向して設けられた酸素含有ガス収容室４１ｂとから構成されている。
【００３３】
熱交換器４１ａは、図４に示すように、平板６１と波板６３を交互に積層したプレートフィン型構造とされており、酸素含有ガス収容室４１ｂと連通する通路を形成する波板６３ａは、図４（ｂ）に示すように形成され、また、燃焼ガスの排出用の通路を形成する波板６３ｂは、図４（ｃ）に示すように形成されている。
【００３４】
燃焼ガスは、図１に一点鎖線で示したように熱交換器４１ａの下部側面から導入され、熱交換器４１ａの上方へ排出され、一方、酸素含有ガスは、図１に破線で示したように熱交換器４１ａの上部側面から導入され、熱交換器４１ａの下方へ導かれ、酸素含有ガス収容室４１ｂ内に導入される。
【００３５】
酸素含有ガス収容室４１ｂは、図５に示すように、熱交換器４１ａの酸素含有ガスが導入される側の端面、即ちセルスタック側端面に設けられており、波板６３ａの各通路を通過した酸素含有ガスが一旦収容されるようになっている。
【００３６】
酸素含有ガス収容室４１ｂには、複数の酸素含有ガス供給管３９の一端が開口し、連通している。
【００３７】
また、図１に示したように、酸素含有ガス収容室４１ｂの側面と断熱材３１ｂとの間、即ち酸素含有ガス収容室４１ｂの周囲は、燃焼室３７中の燃焼ガスを熱交換器４１ａに導入する燃焼ガス導入口７１とされている。この燃焼ガス導入口７１を介して燃焼ガスが熱交換器４１ａの波板６３ｂの通路へ導出される。
【００３８】
そして、本発明の燃料電池では、セルスタック３５の側方における収納容器３１の側壁に、外部からの酸素含有ガスの側壁流通路７３が設けられている。
【００３９】
即ち、収納容器３１の断熱材３１ｂの内部には、図１及び図６に示すように、セルスタック３５、燃焼室３７、酸素含有ガス収容室４１ｂの周りを取り囲むように、環状の側壁流通路７３が形成され、この側壁流通路７３には、断熱材３１ｂ内に形成された２本の配管７５が接続され、これらの配管７５により酸素含有ガスが熱交換器４１ａの上部まで導かれる。
【００４０】
尚、側壁流通路７３は、セルスタック３５の周りに環状に形成する必要はなく、例えば、セルスタック３５の周りの一部にのみ形成しても良いが、セルスタック３５との間で均一に熱の授受を行うという点から全周に形成されていることが望ましい。
【００４１】
また、側壁流通路７３は、セルスタック３５の側方のみに形成されていても良いが、側壁流通路７３の酸素含有ガスを燃焼ガスにより加熱するという点から、図１に示したように、燃焼ガスが熱交換器４１ａに導出される位置まで延設されていることが望ましい。
【００４２】
また、燃料ガス供給管５１の近傍には、側壁流通路７３に酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス管７７が設けられている。
【００４３】
以上のように構成された燃料電池では、外部からの酸素含有ガス（例えば空気）を酸素含有ガス管７７を介して熱交換器４１ａに導入し、酸素含有ガス収容室４１ｂに導入し、酸素含有ガス供給管３９を介して発電室４９のセル間に噴出させるとともに、燃料ガス（例えば水素）を燃料ガス供給管５１を介して燃料電池セル３３の燃料ガス通路３４内に供給し、発電室４９におけるセル３３において発電させる。
【００４４】
発電に用いられなかった余剰の燃料ガスは燃料ガス通路３４の上端から燃焼室３７内に噴出し、発電に用いれらなかった余剰の酸素含有ガスは、余剰ガス噴出孔５７から燃焼室３７内に噴出し、余剰の燃料ガスと余剰の酸素含有ガスを反応させて燃焼させ、燃焼ガスを発生させ、この燃焼ガスが燃焼ガス導入口７１を介して熱交換器４１ａに導出され、熱交換器４１ａの上端から排出される。
【００４５】
そして、本発明の燃料電池では、セルスタック３５の側方における収納容器３１の側壁に、外部から供給される酸素含有ガスの側壁流通路７３を設けたので、収納容器３１内が高温となった通常運転時には、側壁流通路７３内の酸素含有ガスが加熱され、この加熱された酸素含有ガスが配管７５を介して熱交換器４１ａに供給され、酸素含有ガス供給管３９を介してセルスタック３５に導入されるため、収納容器３１内で発生した熱を有効利用して発電効率を向上できる。
【００４６】
また、燃料電池の起動時には、ある程度予熱された酸素含有ガスを、外部から酸素含有ガス管７７を介して側壁流通路７３内に供給することにより、この側壁流通路７３に隣接して設けられているセルスタック３５の燃料電池セル３３を、側壁流通路７３内の予熱された酸素含有ガスにより加熱することができ、起動を迅速に行うことができる。尚、起動後、通常運転となった場合には、収納容器３１外部での予熱を停止することができる。
【００４７】
また、側壁流通路７３は、セルスタック３５の側方だけでなく、燃焼室３７、酸素含有ガス収容室４１ｂの側方、即ち燃焼ガスが熱交換器４１ａに導出される位置まで延設されているため、側壁流通路７３の酸素含有ガスを燃焼ガスにより加熱することができ、より加熱された酸素含有ガスを熱交換器４１ａに導入することができ、これにより発電室４９内へより高温の酸素含有ガスを供給することができる。
【００４８】
さらに、側壁流通路７３は、セルスタック３５、燃焼室３７、酸素含有ガス収容室４１ｂの周りを取り囲むように環状に形成されているため、酸素含有ガスとセルスタック３５の燃料電池セル３３との間で均一な熱の授受を行うことができる。また、側壁流通路７３が、燃焼ガスが熱交換器４１ａに導出される位置まで延設されているため、側壁流通路７３内の酸素含有ガスを燃焼ガスで効率よく加熱することができる。
【００４９】
即ち、本発明の酸素含有ガスの熱授受について説明すると、例えば、起動時には、酸素含有ガスをある程度の温度まで予熱し、この予熱された酸素含有ガスが酸素含有ガス管７７で側壁流通路７３内に供給され、この側壁流通路７３の内方の燃料電池セル３３を加熱する。
【００５０】
この結果、側壁流通路７３の酸素含有ガス温度は少々低下するが、燃焼室３７の側方において燃焼ガスにより加熱され、この加熱された酸素含有ガスが配管７５を介して熱交換器４１ａに導入され、この熱交換器４１ａでさらに加熱され、発電室４９内に供給される。
【００５１】
そして、収納容器３１内が高温となり、通常運転となった場合には、外部での酸素含有ガスの予熱を停止し、室温の酸素含有ガスが側壁流通路７３に供給され、ここで、セルスタック３５からの熱、及び燃焼室３７からの熱が、側壁流通路７３の酸素含有ガスに伝達され、酸素含有ガスが加熱される。この後、側壁流通路７３の酸素含有ガスが熱交換部４１を介して発電室４９内に供給される。従って、酸素含有ガスの供給経路が最適に設計されているため、熱の授受が最適となり、発電効率を向上できるとともに、迅速な起動を行うことができる。
【００５２】
また、側壁流通路７３内への酸素含有ガスの供給を、燃料ガス供給管５１、バーナー用ガス供給管５３の近傍に設けられた酸素含有ガス管７７で行うため、外部からのガスの供給を一個所で行うことができ、コンパクトな燃料電池を提供できる。
【００５３】
また、本発明の燃料電池では、燃料電池セル３３近傍にセル加熱用バーナ５５を設けたので、燃料電池の起動時には、着火源によりセル加熱用バーナ５５が点火され、燃料電池セル３３を直接加熱することができ、燃料電池セル３３を発電する温度まで急速に加熱でき、起動時間を大幅に短縮できる。
【００５４】
さらに、セル加熱用バーナ５５で燃料電池セル３３を直接加熱したとしても、その燃焼領域Ｆの側方には断熱層５６が形成されているため、燃料電池セル３３への影響を殆どなくすことができる。さらに、燃料電池セル３３の外面には酸素側電極３３ｃが形成されているため、セル加熱用バーナ５５を燃焼させたとしても、酸素側電極３３ｃの酸化を心配する必要がない。
【００５５】
また、発電に寄与しなかった余剰の燃料ガスと酸素含有ガスが燃焼室３７内に導入され、この燃焼室３７中で反応して燃焼し、この燃焼ガス及び外部の酸素含有ガスを熱交換器４１ａに導入し、この熱交換器４１ａで燃焼ガスと酸素含有ガスとの間で熱交換させ、起動時に酸素含有ガスを予熱することができ、また、酸素含有ガス供給管３９が燃焼室３７を挿通することにより、燃焼ガスにより酸素含有ガス供給管３９内の酸素含有ガスをさらに加熱することができるため、加熱した酸素含有ガスにより燃料電池セル３３を間接的に加熱して実質的に発電するまでの起動時間をさらに短縮できる。
【００５６】
さらに、セルスタック３５の上部に燃焼室３７、酸素含有ガス収容室４１ｂ、熱交換器４１ａが隣接して形成されているため、燃焼室３７で燃焼した高温の燃焼ガスを、配管等を用いることなく熱交換器４１ａに直接導入でき、簡単な構造で酸素含有ガスの予熱効率を大きくできる。
【００５７】
また、収納容器３１内で、燃焼ガスと酸素含有ガスとを熱交換できるため、酸素含有ガスの予熱を行うためのバーナーを収納容器３１内に別途設ける必要がなく、小型にでき、しかも燃焼ガスを有効利用できる。
【００５８】
さらに、熱交換器４１ａに酸素含有ガス収容室４１ｂを設けたので、熱交換器４１ａと酸素含有ガス供給管３９との接続を酸素含有ガス収容室４１ｂを介して行うことができ、熱交換器４１ａからの酸素含有ガスを発電室４９内に確実に供給できる。
【００５９】
尚、本発明は上記形態に限定されるものではなく、発明の要旨を変更しない範囲で種々の変更が可能である。例えば、上記形態では、図２に示したような楕円柱状で複数の燃料ガス通路３４を有する燃料電池セル３３を用いてセルスタックを構成した例について説明したが、燃料電池セルは円筒状で、燃料ガス通路が一つであっても良く、燃料電池セルの形状は特に限定されるものではない。
【００６０】
また、熱交換器４１ａとしてプレートフィン型を用いたが、本発明ではこれに限定されるものではなく、それ以外の熱交換器を用いても良いことは勿論である。
【００６１】
さらに、上記した側壁流通路７３に、酸素含有ガスを迂回させながら流通させる邪魔板を設けることにより、側壁流通路７３内の酸素含有ガスと、セルスタック、燃焼ガスとの熱交換効率をさらに向上できる。
【００６２】
また、側壁流通路７３を、セルスタック３５、燃焼室３７の周りに螺旋状に形成することにより、側壁流通路７３内の酸素含有ガスと、セルスタック、燃焼ガスとの熱交換効率をさらに向上できる。
【００６３】
【発明の効果】
本発明の燃料電池では、セルスタックの側方における収納容器の側壁に、外部からの酸素含有ガスの側壁流通路を設けたので、外部からの酸素含有ガスが、側壁流通路を介してセルスタックに供給されるため、通常運転時には、セルスタックの熱により側壁流通路内の酸素含有ガスが加熱され、この加熱された酸素含有ガスがセルスタックに供給され、収納容器内で発生する熱を有効利用して発電効率を高めることができる。
【００６４】
一方、燃料電池の起動時には、側壁流通路内に、ある程度予熱された酸素含有ガスを供給することにより、側壁流通路の側方に設けられたセルスタックの燃料電池セルを加熱できるとともに、側壁流通路の予熱された酸素含有ガスが、例えば、酸素含有ガス供給管を介してセルスタックの燃料電池セルに導入され、燃料電池セルを酸素含有ガスにより加熱することができ、起動を迅速に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池を示す縦断面図である。
【図２】図１のセルスタックを示す横断面図である。
【図３】燃料電池セル近傍にセル加熱用バーナを設けた状態を示す断面図である。
【図４】図１の熱交換器の概念を説明するための図であり、（ａ）は熱交換器の斜視図、（ｂ）は酸素含有ガスの通路を形成するための波板を示す斜視図、（ｃ）は燃焼ガスの通路を形成するための波板を示す斜視図である。
【図５】本発明の熱交換部を説明するための斜視図である。
【図６】セルスタック及びその近傍の横断面図である。
【符号の説明】
３１・・・収納容器
３３・・・燃料電池セル
３５・・・セルスタック
３７・・・燃焼室
３９・・・酸素含有ガス供給管
４１・・・熱交換部
５１・・・燃料ガス供給管
５５・・・セル加熱用バーナ
７３・・・側壁流通路
７７・・・酸素含有ガス管
【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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