JP4416729B2

JP4416729B2 - 燃料電池

Info

Publication number: JP4416729B2
Application number: JP2005364655A
Authority: JP
Inventors: 孝小野; 彰小梶
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2005-12-19
Filing date: 2005-12-19
Publication date: 2010-02-17
Anticipated expiration: 2022-03-19
Also published as: JP2006128140A

Description

本発明は、燃料電池に関するものである。

次世代エネルギーとして、近年、固体電解質形燃料電池セルを収納容器内に複数収容した燃料電池が種々提案されている。固体電解質形燃料電池セルは、例えば、酸素側電極の表面に固体電解質、燃料側電極を順次形成して構成されており、燃料側電極側に燃料（水素）を流し、酸素側電極側に空気（酸素）を流して６００〜１０００℃程度で発電される。

固体電解質形燃料電池は作動温度が６００〜１０００℃と高いため、この温度まで固体電解質形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、固体電解質形燃料電池セルを複数個電気的に接続したセルスタックに供給し、これにより固体電解質形燃料電池セルを加熱し、起動時間を短縮させることが提案されている。

また、近年では、収納容器内に酸素含有ガスを加熱するバーナーを設け、このバーナーで酸素含有ガスを加熱し、この予熱された酸素含有ガスをセルスタックに供給することが行われている（特許文献１参照）。
特開２０００−１４９９７６号公報

しかしながら、酸素含有ガスを予熱し、この予熱された酸素含有ガスをセルスタックに供給して発電する場合には、固体電解質形燃料電池セルを間接的に加熱するに過ぎず、未だ起動時間が長いという問題があった。

本発明は、起動時間を大幅に短縮できる燃料電池を提供することを目的とする。

本発明の燃料電池セルは、複数のガスタンクに、長手方向にガス通過可能な複数の固体電解質形燃料電池セルが水平方向に一列に整列してなる固体電解質形燃料電池セル列をそれぞれ立設させるとともに、一対の前記ガスタンクが所定間隔をあけて対向してなる燃料電池において、一方の前記ガスタンクに立設している前記固体電解質形燃料電池セル列は、他方の前記ガスタンクに立設している前記固体電解質形燃料電池セル列と互いの水平方向に沿う側面同士が隣り合うように配置され、一方の前記ガスタンクに立設している前記固体電解質形燃料電池セルの長手方向の先端から吹き出したガスと、前記固体電解質形燃料電池セルの外部に供給されるガスとを燃焼させた燃焼ガスにより、他方の前記ガスタンクに立設している前記固体電解質形燃料電池セルの先端と反対の端部側を加熱するようにしてなることを特徴とする。

このような燃料電池では、一方のガスタンクに立設している固体電解質形燃料電池セル列が、他方のガスタンクに立設している固体電解質形燃料電池セル列と互いの水平方向に沿う側面同士が隣り合うように配置されていることから、コンパクトな燃料電池を提供できる。

また、起動時や定常運転時においては発電可能な温度まで加熱し、維持する必要があるが、一方のガスタンクに立設している固体電解質形燃料電池セルの長手方向の先端近傍の燃焼ガスにより、他方のガスタンクに立設している固体電解質形燃料電池セルの先端と反対の端部側を加熱するため、起動時には固体電解質形燃料電池セルを急速に加熱することができ、起動時間を大幅に短縮でき、また、定常運転時には固体電解質形燃料電池セルの温度を一定に保持することが可能となる。

また、固体電解質形燃料電池セル列を構成する燃料電池セルが、水平方向に配置されていることから、一方のガスタンクに立設している固体電解質形燃料電池セルの長手方向の先端近傍の燃焼炎により、他方のガスタンクに立設している固体電解質形燃料電池セルの先端と反対の端部側を直接的に加熱することが可能となり、固体電解質形燃料電池セルをさらに急速に加熱することができる。

本発明の燃料電池では、一方のガスタンクに水平方向に立設した固体電解質形燃料電池セル列が、他方のガスタンクに立設した固体電解質形燃料電池セル列と互いの水平方向に沿う側面同士が隣り合うように配置されることにより、コンパクトな燃料電池を作製できるとともに、起動時において、一方のガスタンクに立設している燃料電池セルの長手方向の先端近傍の燃焼ガスにより、他方のガスタンクに立設している燃料電池セルの先端と反対の端部側を加熱し、起動時には固体電解質形燃料電池セルを急速に加熱することができ、起動時間を大幅に短縮でき、また、定常運転時には固体電解質形燃料電池セルの温度を一定に保持することができる。

図１は、参考例の燃料電池を示すもので、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、複数の固体電解質形燃料電池セル３３（以下、燃料電池セルと略す場合がある。）と、これらの燃料電池セル３３の上方に形成された燃焼室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とが設けられている。

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。

収納容器３１内の燃料電池セル３３は、図２に示すように、３列に整列しており、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７８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を電気的に直列に接続している。尚、図１では４列に整列した状態を記載した。

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過孔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（内側電極）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（外側電極）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。

即ち、燃料電池セル３３は、断面形状が、幅方向両端に設けられた弧状部と、これらの弧状部を連結する一対の平坦部とから構成されており、一対の平坦部は平坦であり、ほぼ平行に形成されている。これらの一対の平坦部は、燃料側電極３３ａの平坦部にインターコネクタ３３ｄ、又は固体電解質３３ｂ、酸素側電極３３ｃを形成して構成されている。

一方の燃料電池セル３３と他方の燃料電池セル３３との間には板状集電部材４３が介在され、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と、集電部材４３とを介して他方の燃料電池セル３３の酸素側電極３３ｃに電気的に接続されている。

板状集電部材４３は、矩形状板の一端部に複数のスリットを略平行に形成し、図３に示すように、スリット間の集電片４３ａを板状集電部材４３の両側に交互に突出させ、基部４３ｂの一端部に複数の集電片４３ａが形成された櫛歯形状とされ、複数の集電片４３ａが対向する燃料電池セル３３の外面にそれぞれ当接している。尚、図２では板状集電部材４３は簡略化して記載した。

即ち、集電片４３ａは、対向する燃料電池セル３３の平坦部であるインターコネクタ３３ｄと、酸素側電極３３ｃとの間に配置され、燃料電池セル３３同士が直列に接続されている。燃料電池セル３３の平坦部に集電片４３ａが確実に当接するため、電気的接続を確実に行うことができる。また、複数の集電片４３ａはＡｇペーストにより燃料電池セル３３に接合している。このＡｇペーストは発電時に焼き付けられ、集電片４３ａが燃料電池セル３３のインターコネクタ３３ｄまたは酸素側電極３３ｃに接合し、これにより、集電片４３ａと燃料電池セル３３との電気的接続を十分にとることができる。

これらの板状集電部材４３は、対向する燃料電池セル３３の間に複数配置されており、対向する燃料電池セル３３の間に、基部４３ｂが下に位置するよう挿入されている。これらの板状集電部材４３は、導電性を有するステンレスの表面をＡｇからなる耐酸化性物質で被覆して構成されている。

対向する燃料電池セル３３の間には、図４に示す板状集電部材４４を介在せしめても良い。図４に示す板状集電部材４４は、複数のスリットを略平行に設けて形成された集電片４４ｂ群を、板状集電部材４４の長手方向に所定間隔を置いて形成して構成され、基部４４ａと集電片４４ｂが交互に形成されている。図４に示すような板状集電部材４４では、図３の板状集電部材４３よりも燃料電池セル間への配置を簡単に行うことができる。尚、一般的に用いられるフェルト状の集電部材でも良いが、集電特性向上という点から、図３及び図４に示す板状集電部材４３、４４が望ましい。

燃料電池セル３３の下方には、図１に示したように、燃料ガスを燃料電池セル３３に供給するためのガスタンク４５が設けられ、このガスタンク４５には、外部から燃料ガスをガスタンク４５に供給するための燃料ガス供給管５１が接続されている。

ガスタンク４５には、図１、図３乃至図５に示すように、燃料電池セル３３のガスタンク４５側の下端部（長手方向端部）が取付治具５３により取り付けられており、これにより、燃料電池セル３３がガスタンク４５にそれぞれ立設している。燃料電池セル３３と取付治具５３によりセル装置が構成されている。

即ち、取付治具５３は、燃料電池セル３３の下端部に取り付けられたセル端部側取付治具５３ａと、両端部がセル端部側取付治具５３ａ及びガスタンク４５にそれぞれ螺着する中空の連結部材５３ｂとから構成されており、連結部材５３ｂの両端部には向きが逆のねじ部が形成され、連結部材５３ｂを一方側に回転させると、両端部がセル端部側取付治具５３ａ及びガスタンク４５にそれぞれ螺着するように形成されている。

セル端部側取付治具５３ａには、図５に示したように、凹部５３ａ１が形成されており、この凹部５３ａ１に燃料電池セル３３のガス通過方向の端部が挿入され、気密性を確保するため、凹部５３ａ１と燃料電池セル３３との間にはガラス等のシール材が介在されている。

この凹部５３ａ１の底面には、燃料電池セル３３の端面との間にガス収容空間Ｓを形成するため、凹部５３ａ２が形成されており、この凹部５３ａ２内に、燃料電池セル３３の燃料ガス通過孔３４が開口している。また、ガス収容空間Ｓには、連結部材５３ｂに形成された貫通孔５３ｂ１が開口しており、ガスタンク４５と燃料電池セル３３の燃料ガス通過孔３４とが連通するように構成されている。このように燃料電池セル３３の端面との間にガス収容空間Ｓを形成することにより、燃料ガス通過孔３４に確実にかつ均一に燃料ガスを供給することができる。

また、図１に示したように、酸素含有ガスを燃料電池セル３３の外部に供給するため、燃焼室３７を挿通する酸素含有ガス供給管３９は、その先端部が燃料電池セル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、燃料電池セル３３の間を通って燃料電池セル３３の上方に流れ、発電で用いられなかった余剰の燃料ガスは、燃料電池セル３３の燃料ガス通過孔３４を通って燃料電池セル３３の上方から吹き出し、燃料電池セル３３の上端（長手方向の先端）近傍において、燃料ガスと酸素含有ガスが反応して燃焼するように構成されている。

熱交換部４１は、熱交換器４１ａと酸素含有ガス収容室４１ｂとから構成されている。

熱交換器４１ａは、図６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６（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６（ｃ）に示すように形成されている。

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。

酸素含有ガス収容室４１ｂは、図７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、即ち燃料電池セル３３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。

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。

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。

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７３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を介して燃料電池セル３３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を介してガスタンク４５に一旦収容し、連結部材５３ｂの貫通孔５３ｂ１、セル端部側取付治具５３ａのガス収容空間Ｓを介して、燃料電池セル３３の燃料ガス通過孔３４内に供給し発電させる。

発電に用いられなかった余剰の燃料ガスは燃料ガス通過孔３４の上端から燃焼室３７内に噴出し、発電に用いられなかった余剰の酸素含有ガスは燃料電池セル３３間を通って燃焼室３７内に流れ、余剰の燃料ガスと余剰の酸素含有ガスを燃焼させた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。

そして、このような燃料電池では、燃料電池セル３３が、取付治具５３を介してガスタンク４５に機械的に直接取り付けられるため、燃料電池セル３３の下端部をガスタンク４５に強固に固定できるとともに、従来のように燃料電池セルの内側電極にガスを供給するための燃料供給パイプを不要とすることができ、ガス封止する個所を減少できる。

また、燃料電池セル３３は取付治具５３を介してガスタンク４５に立設しているため、何ら支持されることなくガスタンク４５に立設しており、しかも上記したように燃料供給パイプが不要であり、ガス封止個所を減少できるため、燃料電池の構造を簡略化でき、製造が容易となる。尚、多少、構造は複雑となるが、燃料電池セル３３の上部を支持する支持板を設けても良い。

また、取付治具５３の連結部材５３ｂの両端部に向きが逆のねじ部を形成したので、連結部材の両端部のねじ部を、セル端部側取付治具５３ａの雌ねじ部とガスタンク４５の雌ねじ部に螺合し、燃料電池セル３３を回転させることなく、連結部材５３ｂを一方方向に回転させることにより、燃料電池セル３３をガスタンク４５に螺着することができる。これにより、扁平状の燃料電池セル３３を回転させることなくガスタンク４５に螺着することができるため、燃料電池セル３３間の間隔を狭めることができ、所定発電量に得るための複数の燃料電池セル３３が占める容積を小さくすることができ、コンパクトな燃料電池を作製できる。

さらに、板状集電部材４３のバネ性を有する集電片４３ａにより燃料電池セル３３間を機械的に接続しているため、燃料電池セル３３とは面接触となり、従来のようなフェルト状の集電部材よりも燃料電池セル３３に当接する面積が大きくなり、集電特性を向上できる。また、集電片４３ａは板状であるため弾性力も大きく、振動等が生じたとしても燃料電池セル３３との十分な接触を長期間確保できる。

さらに、集電片４３ａは板状であるため、収納容器３１内が高温となった場合でも、従来のフェルト状の集電部材よりも焼結しにくく、また、燃料電池セル３３との十分な接触を長期間確保できる。さらに、集電部材４３が板状であるため、一方の燃料電池セル３３のインターコネクタ３３ｄと他方の燃料電池セル３３の酸素側電極３３ｃとの間に板状集電部材４３を介装する際にも、一方の燃料電池セル３３と他方の燃料電池セル３３の酸素側電極３３ｃ同士の導通を確実に防止できる。

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を熱交換させ、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短縮できる。

さらに、燃料電池セル３３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。

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。

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。

尚、燃料電池は上記形態に限定されるものではなく、そ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に示したような扁平状で複数の燃料ガス通過孔３４を有する燃料電池セル３３を用いて説明したが、燃料電池セルは円筒状で、燃料ガス通過孔が一つであっても良く、燃料電池セルの形状、燃料ガス通過孔数は特に限定されるものではない。

また、熱交換器４１ａとしてプレートフィン型を用いたが、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。

さらに、上記例では、燃料電池セル３３を直列に接続した例について説明したが、並列接続しても良いことは勿論である。また、燃料側電極３３ａを内側電極としたが、酸素側電極を内側電極としても良い。さらにガスタンクをセル列毎に設けても良い。

図８は、他の参考例を示すもので、この燃料電池では、セル端部側取付治具５３ａに連結部材５３ｂの一端部が螺着しており、他端部がガスタンク４５の天板に形成された貫通孔を挿通し、挿通した連結部材５３ｂの他端部にナット７５が螺合し、これにより、セル端部側取付治具５３ａの底面がガスタンク４５の上面に当接した状態で固定されている。

このような燃料電池では、上記と同様の作用効果を有するとともに、セル端部側取付治具５３ａの底面がガスタンク４５の上面に当接しているため、燃料電池セル３３をガスタンク４５に安定して立設することができる。

図９は、本発明の燃料電池における燃料電池セル３３により構成される燃料電池セル列と、ガスタンク７７との配置を示している。本発明の燃料電池では、図９に示すように、一対のガスタンク７７が対向して設けられ、それぞれのガスタンク７７には前記燃料電池セル３３が前記取付治具５３により、一列に整列してなる燃料電池セル列が立設されている。一方のガスタンク７７に立設している燃料電池セル列が、他方のガスタンク７７に立設している燃料電池セル列と互いの水平方向に沿う側面同士が隣り合うように配置されている。

そして、燃料電池セル３３の長手方向の先端から吹き出した余剰の燃料ガスと、燃料電池セル３３外部の余剰の酸素含有ガスとを燃焼させ、一方のガスタンク７７に立設している燃料電池セル３３の先端近傍の燃焼ガスにより、他方のガスタンク７７に立設している燃料電池セル３３を加熱できるように構成されている。

このような燃料電池では、一方のガスタンク７７に立設する燃料電池セル列を、他方のガスタンク７７に立設する燃料電池セル列と互いの水平方向に沿う側面同士が隣り合うように配置することができ、燃料電池セル３３が占める容積を小さくでき、コンパクトな燃料電池を作製できるとともに、起動時や定常運転時において、一方のガスタンク７７に立設している燃料電池セル３３の先端近傍の燃焼ガスにより、他方のガスタンク７７に立設している燃料電池セル３３を加熱し、起動時には燃料電池セル３３を急速に加熱することができ、起動時間を大幅に短縮でき、また、定常運転時には燃料電池セル温度を一定に保持することができる。

参考例の燃料電池を示す説明図である。図１のセルスタックを示す横断面図である。（ａ）は基部の一端部に複数の集電片が形成された櫛歯形状の板状集電部材を用いて、燃料電池セルを接続した状態を示す側面図、（ｂ）は板状集電体を示す斜視図である。（ａ）は複数の集電片群を長さ方向に所定間隔を置いて形成して構成した板状集電部材を用いて、燃料電池セルを接続した状態を示す側面図、（ｂ）は板状集電体を示す斜視図である。取付治具及びその近傍を示すもので、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図である。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。熱交換部を説明するための斜視図である。他の参考例の燃料電池を示す斜視図である。本発明の燃料電池の一部を破断して示す斜視図である。

符号の説明

３１・・・収納容器
３３・・・燃料電池セル
３３ａ・・・燃料側電極（内側電極）
３３ｂ・・・固体電解質
３３ｃ・・・酸素側電極（外側電極）
３３ｄ・・・インターコネクタ
４３、４４・・・板状集電部材
４５、７７・・・ガスタンク
５３・・・取付治具
５３ａ・・・セル端部側取付治具
５３ｂ・・・連結部材
７５・・・ナット
Ｓ・・・ガス収容空間

Claims

複数のガスタンクに、長手方向にガス通過可能な複数の固体電解質形燃料電池セルが水平方向に一列に整列してなる固体電解質形燃料電池セル列をそれぞれ立設させるとともに、一対の前記ガスタンクが所定間隔をあけて対向してなる燃料電池において、
一方の前記ガスタンクに立設している前記固体電解質形燃料電池セル列は、他方の前記ガスタンクに立設している前記固体電解質形燃料電池セル列と互いの水平方向に沿う側面同士が隣り合うように配置され、一方の前記ガスタンクに立設している前記固体電解質形燃料電池セルの長手方向の先端から吹き出したガスと、前記固体電解質形燃料電池セルの外部に供給されるガスとを燃焼させた燃焼ガスにより、他方の前記ガスタンクに立設している前記固体電解質形燃料電池セルの先端と反対の端部側を加熱するようにしてなることを特徴とする燃料電池。