(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応容器内に複数の燃料電池セルを収容してなり、前記反応容器と前記複数の燃料電池セルの集合体との間に、該集合体に対向して輻射熱反射板を設けてなるとともに、前記輻射熱反射板は、金属板の前記集合体側表面にガラスを被覆してなることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記輻射熱反射板は、前記集合体を囲むように設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。
【請求項３】
前記輻射熱反射板は、反応容器の内壁面に設けられていることを特徴とする請求項１又は２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、反応容器内に複数の燃料電池セルを収容してなる燃料電池に関し、特に、高温で作動する固体電解質型の燃料電池に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
従来の燃料電池は、図５に示すように、反応容器５１内に、空気室仕切板６１、燃焼室仕切板６３、燃料ガス室仕切板５５を用いて、空気室Ａ、燃焼室Ｂ、反応室Ｃ、燃料ガス室Ｄが形成されている。
【０００３】
反応容器５１内に収容された複数の有底筒状の固体電解質型燃料電池セル５２は、燃焼室仕切板６３に形成されたセル挿入孔に挿入固定されており、また、その内部には空気室仕切板６１に固定された空気導入管５９の一端が挿入されている。燃焼室仕切板６３には、余剰の燃料ガスを燃焼室Ｂに導入するための燃料ガス噴出孔が形成されており、燃料ガス室仕切板５５には、燃料ガスを反応室Ｃ内に供給するための供給孔が形成されている。
【０００４】
また、反応容器５１には、例えば水素からなる燃料ガスを導入する燃料ガス導入口５３、空気を導入する空気導入口５７、燃焼室Ｂ内で燃焼したガスを排出するための排気口６７が形成されている。
【０００５】
このような固体電解質型燃料電池は、空気室Ａからの空気を、空気導入管５９を介して固体電解質型燃料電池セル５２内にそれぞれ供給し、かつ、燃料ガス室Ｄからの燃料ガスを複数の固体電解質型燃料電池セル５２間に供給し、反応室Ｃにて反応させ、余剰の空気と燃料ガスを燃焼室Ｂにて燃焼させ、燃焼したガスが排気口６７から外部に排出される。
【０００６】
ところで、固体電解質型燃料電池は約１０００℃の温度で発電する。このため、固体電解質型燃料電池セル５２を１０００℃にまで加熱するための設備、あるいは１０００℃に一定に保つための設備が必要になる。
【０００７】
従来、外部で空気を予熱し、この加熱した空気を空気導入管５９を介して燃料電池セル５２内に供給することにより、セル５２を温め、セル５２の温度が６００℃程度になると発電を開始する一方、その反応熱でセル５２を１０００℃程度まで上昇させたり、あるいはセル５２をバーナーで直接加熱し、昇温する方法等が用いられていた。
【０００８】
また、セル５２での発電を有効に行うためには、セル５２を１０００℃程度に保持する必要があるため、反応容器５１の内壁面に断熱材を設け、熱を逃がさないような構造になっている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来の燃料電池では、起動時にセル５２を加熱したとしても、加熱したセル５２から輻射熱が放出され、加熱効率が悪く、起動までの時間が長くなるという問題があった。また、一旦、セル５２が加熱され、発電を開始したとしても、セル５２から輻射熱が放出され、保温性が低く、エネルギー効率が低いという問題があった。
【００１０】
即ち、固体電解質型燃料電池は他から熱を供給されることなく、自立して発電を行う装置であり、熱自立運転するために、酸化ガス（空気）と燃料ガスの燃焼で生じた熱や発電時の反応熱を利用し、動作させなければならない。しかしながら、エネルギー効率を考えた場合、酸化ガスと燃料ガスの燃焼は、直接発電に寄与しない無駄なガスの燃焼であるため、燃料電池の保温性を向上し、酸化ガスと燃料ガスの燃焼による燃料消費を抑えなければならない。
【００１１】
従来では、反応容器は内壁面に断熱材が設けられているとしても、保温性が低いことに起因して、低下したセルの温度を高くするために発電用の燃料ガスを用いる必要があり、エネルギー効率が低いといった問題や、起動に時間がかかり、その分だけ燃料ガスを消費してしまうという問題があった。特に小型の固体電解質型燃料電池では、セル自体も小型になり、セル集合体のセル発熱に対して、セル集合体の表面積の割合が大きくなり、起動や保温の問題が顕著であった。
【００１２】
本発明は、燃料電池セルからの輻射熱を燃料電池セル側に反射してエネルギー効率の高い燃料電池を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料電池は、反応容器内に複数の燃料電池セルを収容してなり、前記反応容器と前記複数の燃料電池セルの集合体との間に、該集合体に対向して輻射熱反射板を設けてなるとともに、前記輻射熱反射板は、金属板の前記集合体側表面にガラスを被覆してなるものである。
【００１４】
このような燃料電池では、起動時に、空気導入管により予熱した空気を燃料電池セル内に供給したり、セルをバーナーで直接加熱して、セルを加熱すると、加熱したセルは輻射熱を放出するが、反応容器と複数の燃料電池セルの集合体との間に輻射熱反射板を設けたので、セルからの輻射熱は輻射熱反射板によりセル集合体側に反射され、熱の放散を抑制でき、起動までの時間を短縮できる。
【００１５】
また、反応容器と複数の燃料電池セルの集合体との間に輻射熱反射板を設けたので、発電中においても熱を有効に閉じ込め、セル温度の低下を防止でき、これにより外部から加える熱が少なくてすみ、高効率な発電が行える。
【００１６】
また、本発明では、輻射熱反射板は、複数の燃料電池セルの集合体を囲むように設けられていることが望ましい。これにより、燃料電池セルからの輻射熱をさらに抑制でき、熱を有効に閉じ込めることができる。
【００１７】
さらに、本発明では、輻射熱反射板を、反応容器の内壁面に設けることにより、燃料電池セルの集合体の周りに輻射熱反射板を容易に形成できる。このような輻射熱反射板は、複数の燃料電池セルの集合体に対向する金属板の、前記燃料電池セルの集合体側表面にガラスを被覆してなるものである。
【００１８】
即ち、輻射熱反射板は鏡のように電磁波を反射するため、燃料電池セルの集合体側表面に金属板（本発明では金属膜を含む概念である）が形成されていることが望ましい。一方、反応容器内は１０００℃と高温であるため、耐熱材であるガラス及び／又はセラミックを支持基板とし、その表面に金属板を被覆して用いることが望ましい。
【００１９】
また、金属板のセル集合体側表面には耐久性を向上させるためにガラスを被覆して形成する。このセル集合体側に形成されたガラスは透明度が高いことが望ましい。
【００２０】
輻射熱は金属板の表面に被覆されたガラスを透過し、金属板で反射される。金属板は、１０００℃でも溶融することがなく反射が大きいＮｉ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｒｕのいずれかを主成分とすることが望ましい。ガラスについては１０００℃で溶融することがなく透過性が良好なＮａ、Ｃａ、Ｓｉ、Ｐｂ、Ｂ、Ａｌを主成分とすることが望ましい。支持基板としてのセラミックスは、耐熱性と断熱性の点からＳｉ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｚｒ、希土類のいずれかを主成分とすることが望ましい。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明の燃料電池は、輻射を防止する構造を除いて実質的に従来と同様の構造を有している。本発明の燃料電池を、図１に基づいて説明する。尚、従来の技術で述べた構造と同様の構造の場合には、従来の技術と同一符号を付した。
【００２２】
即ち、本発明の燃料電池は、図１に示すように、反応容器５１内に、複数の有底筒状の固体電解質型燃料電池セル５２を収容して構成されており、この反応容器５１には、例えば水素からなる燃料ガスを導入する燃料ガス導入口５３、燃料ガスを分散するための燃料ガス室仕切板５５、空気を導入する空気導入口５７、およびセル５２内に空気を導入する空気導入管５９、この空気導入管５９を固定する空気室仕切板６１、セル５２を固定する燃焼室仕切板６３とを具備して構成されている。
【００２３】
セル５２は、図２に示すように、例えば、支持管としてのＬａＭｎＯ3系空気極７１と、この空気極７１の表面に形成されたＹ2Ｏ3安定化ＺｒＯ2からなる固体電解質７２と、固体電解質７２の表面に形成されたＮｉ一ジルコニア系の燃料極７３と、空気極７１と電気的に接続されるＬａＣｒＯ3系よりなるインターコネクタ７４とから構成されている。
【００２４】
そして、図３に示すように、一方のセル５２のインターコネクタ７４を、他方のセル５２の燃料極７３にＮｉ金属繊維等の接続部材７５を介して、他方のセル５２の燃料極７３に接続し、また、一方のセル５２の燃料極７３を、他方のセル５２の燃料極７３にＮｉ金属繊維等の接続部材７５を介して接続し、複数のセル５２が電気的に接続され、スタック７７（セル５２の集合体）が構成されており、このようなスタック７７が、図１に示したように、反応容器５１内に収容されて燃料電池が構成されている。
【００２５】
尚、セル５２としては、肉厚の筒状燃料極の表面に固体電解質、空気極を積層して構成しても良く、これらの構造に限定されるものではない。
【００２６】
反応容器５１内には、セル５２のインターコネクタ７４に接続された電極（図示せず）と、他方のセル５２の燃料極７３に接続された電極（図示せず）が配置されており、これらの電極を介して電力が取リ出される。
【００２７】
そして、本発明の燃料電池では、図１に示したように、反応容器５１の内壁面と複数のセル５２の集合体との間に輻射熱反射板６６が設けられ、複数の輻射熱反射板６６は、セル５２の集合体を囲むように設けられている。
【００２８】
即ち、輻射熱反射板６６は、燃料ガス室仕切板５５、空気室仕切板６１、燃焼室仕切板６３に、セル５２の集合体の側面を囲むように設けられた側面側輻射熱反射板６６ａと、空気室仕切板６１、燃料ガス室仕切板５５のセル集合体側の面に形成された上下側輻射熱反射板６６ｂとから構成されており、セル集合体の周囲を囲むように輻射熱反射板６６が設けられている。尚、燃料ガス室仕切板５５上に設けられた上下側輻射熱反射板６６ｂには、燃料ガス室仕切板５５と同様に燃料ガスの流通孔が形成されている。
【００２９】
これらの輻射熱反射板６６ａ、６６ｂは、図４（ａ）に示すように、複数のセル５２の集合体に対向する金属板８１から構成されている。輻射熱反射板６６ａ、６６ｂとして、図４（ｂ）に示すように、金属板８１のセル５２の集合体側にガラス８３を被覆したもの、図４（ｃ）に示すように、金属板８１の反応容器５１の内壁面側にセラミック８５を形成したものを用いても良い。図示しないが、金属板８１のセル５２の集合体側にガラス８３を被覆し、金属板８１の反応容器５１の内壁面側にセラミック８５を形成したものを用いても良い。この金属板８１のセル５２の集合体側に形成されたガラス８３は、熱を透過させるという点から透明度の高い方が望ましい。本発明の燃料電池の輻射熱反射板６６ａ、６６ｂは、金属板８１のセル５２の集合体側にガラス８３を被覆してなるものである。
【００３０】
金属単体に比べてガラスやセラミックを支持基板として用いたものは高温での強度が強くなり、耐久性を向上できる。また、金属板８１のセル集合体側表面をガラス８３で被覆することにより、輻射を反射する金属面が劣化することなく耐久性を向上できる。
【００３１】
これらのうちでも、耐熱性、耐久性の点から、金属板８１のセル５２の集合体側に透明なガラス８３を被覆し、金属８１の反応容器５１の内壁面側にセラミック８５を形成したものが最も望ましい。
【００３２】
金属板８１の表面のガラス８３、セラミック８５は、板状のものを張り合わせてもよいし、ガラス又はセラミックに金属を被覆したものを用いてもよい。
【００３３】
金属板８１としてはＮｉ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｒｕのいずれかを主成分とすることが望ましい。これにより高温で変形しにくく、輻射の効率もよい。特にＮｉが望ましい。金属板８１は、板状のもの、メッシュ状のもの、ウール状のものであってもよい。ガラス８３は、セル５２の集合体側に形成することが望ましい。このようなガラス８３は、輻射を透過しやすく、高強度であるという点から、Ｎａ、Ｃａ、Ｓｉ、Ｐｂ、Ｂ、Ａｌのいずれかを主成分とすることが望ましい。尚、ガラス層を、金属板８１の収納容器内壁面側に形成すると支持基板として機能させることもできる。
【００３４】
セラミック８５は、金属板８１の収納容器内壁面側に形成することが望ましく、この場合支持基板として機能する。セラミック８５は、高温でも強度が強く、耐久性にも優れるという点から、Ｓｉ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｚｒ、希土類のいずれかを主成分とした酸化物であることが望ましい。
【００３５】
以上のように構成された燃料電池では、反応容器５１と複数のセル５２の集合体との間に輻射熱反射板６６を設けたので、起動時に、セル５２からの輻射熱は輻射熱反射板６６によりセル集合体側に反射され、熱の放散を抑制でき、起動を短時間に行うことができる。また、発電中においても熱を有効に閉じ込め、セル温度の低下を防止でき、これにより外部から加える熱が少なくてすみ、高効率な発電を行うことができる。
【００３６】
特に、セル集合体の容積が０．０２ｍ3以下の場合には、セルの発熱に対して、セル集合体の表面積が大きくなり、放熱量が多くなるため、本発明を好適に用いることができる。
【００３７】
尚、上記例では、セル集合体の周囲と上下に輻射熱反射板６６を設けた例について説明したが、セル集合体側面の周囲だけ輻射熱反射板を設けてもある程度の効果を有する。
【００３８】
また、上記例では、輻射熱反射板６６を、燃料ガス室仕切板５５、空気室仕切板６１、燃焼室仕切板６３を利用して設けた例について説明したが、反応容器の内壁面に輻射熱反射板を設けても、同様の効果を有する。
【００３９】
【実施例】
Ｎｉからなる厚み１ｍｍの金属板８１のセル集合体側に、厚み０．１ｍｍのＮａ−Ｃａ−Ｓｉ−Ｐｂ系の透明なガラス８３を被覆し、金属板８１の反応容器５１の内壁面側に、厚み５ｍｍのアルミナからなる板状のセラミック８５を設け、輻射熱反射板６６を形成した。
【００４０】
そして、図１に示す燃料電池の燃料ガス室仕切板５５、空気室仕切板６１、燃焼室仕切板６３に、側面側輻射熱反射板６６ａをセル５２の集合体の側面を囲むように設け、空気室仕切板６１、燃料ガス室仕切板５５のセル集合体側の面に上下面側輻射熱反射板６６ｂを取り付けた。
【００４１】
セル集合体の容積は、最外周のセルにより囲まれる容積とし、この容積を０．００８ｍ3、０．０２ｍ3、０．０３ｍ3とした燃料電池を作製した。セル集合体を構成する円筒状セルの直径は４ｍｍであり、セル集合体の容積は、同一寸法のセル本数を変化させることにより、セル集合体の容積を変化させた。
【００４２】
そして、輻射熱反射板６６を設けた本発明の燃料電池と、輻射熱反射板６６を設けない燃料電池に、空気導入管５９に６００℃に予熱した空気を導入し、６００℃までの起動時間と定常時の温度を比較した。起動時間を６００℃までとしたのは、６００℃以上で通電が可能となり、発電反応とジュール熱で温度が上がり、定格での発電が可能なためである。温度は、反応室中央部にて測定し、定常時の温度は、６００℃に達した後２４時間経過後の温度とした。これらの結果を表１に記載した。
【００４３】
【表１】
0003796171.tif 000002
【００４４】
この表１から、セル集合体の周囲全面を輻射熱反射板で囲った本発明の燃料電池では、セル集合体容積が０．００８ｍ3の時に、６００℃までの起動時間は３０分であり、定常時の温度は１０００℃であり、また、側面側輻射熱反射板のみでセルの集合体の側面を囲った本発明の燃料電池では、６００℃までの起動時間は６０分であり、定常時の温度は９５０℃であるのに対して、輻射熱反射板を設けない従来の燃料電池では起動時間は３００分であり、定常時の温度は８００℃と低いものであった。
【００４５】
また、セル集合体の容積が０．０２ｍ3以下の場合には、０．０２ｍ3よりも大きい場合と比較して６００℃までの起動時間が急激に長くなる傾向があるが、本発明によれば、セル集合体の容積減少に対する起動時間の増加率を小さくできることが判る。
【００４６】
【発明の効果】
本発明の固体電解質型燃料電池では、輻射熱反射板を設けることにより、セルからの輻射を防止し、セルを高温に保つことが可能となる。このため、温度を保つための外部の熱源が少なくてすみ、高効率な発電システムを構築することができる。また、保温性に優れるために起動時の熱量も少なくてすみ、急速な起動が可能となった。さらに、小型の固体電解質型燃料電池でも熱自立が可能となり、燃料電池の適合分野を広げることが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池の模式図である。
【図２】固体電解質型燃料電池セルの断面図である。
【図３】スタックを示す平面図である。
【図４】輻射熱反射板を示す断面図である。
【図５】従来の燃料電池を示す模式図である。
【符号の説明】
５１…反応容器
５２…燃料電池セル
６６…輻射熱反射板
８１・・・金属板
８３・・・ガラス
【図１】
0003796171.tif 000003
【図２】
0003796171.tif 000004
【図３】
0003796171.tif 000005
【図４】
0003796171.tif 000006
【図５】
0003796171.tif 000007