JP2003297397A - 燃料電池 - Google Patents
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- H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
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- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 メタン等の燃料と酸素との混合燃料ガスを用
い、混合燃料ガスの爆発を防止し、使用する燃料電池用
セルの発電効率を向上できるように、酸素濃度を高めた
混合燃料ガスを使用し得る燃料電池を提供する。 【解決手段】 容器２０内に収容された燃料電池用セル
にメタン等の燃料ガス及び酸素を含む混合燃料ガスを供
給して発電し、前記燃料電池用セルを通過したガスを排
ガスとして容器２０から排出する燃料電池において、該
燃料電池用セルを除いた、前記混合燃料ガスや排ガスが
流動する容器２０内の空間部２２，２６内に充填物が充
填されて成る充填層２６ａ，２６ｂの充填物間の間隙
が、前記燃料電池を駆動した際に、充填層２６ａ，２６
ｂ内に発火限界内の混合燃料ガスが存在しても発火し得
ない間隙に形成され、且つ充填層２６ｂから排出された
排ガスを燃焼する燃焼部１８が、充填層２６ｂの排ガス
出口の直近に設けられていることを特徴とする。
い、混合燃料ガスの爆発を防止し、使用する燃料電池用
セルの発電効率を向上できるように、酸素濃度を高めた
混合燃料ガスを使用し得る燃料電池を提供する。 【解決手段】 容器２０内に収容された燃料電池用セル
にメタン等の燃料ガス及び酸素を含む混合燃料ガスを供
給して発電し、前記燃料電池用セルを通過したガスを排
ガスとして容器２０から排出する燃料電池において、該
燃料電池用セルを除いた、前記混合燃料ガスや排ガスが
流動する容器２０内の空間部２２，２６内に充填物が充
填されて成る充填層２６ａ，２６ｂの充填物間の間隙
が、前記燃料電池を駆動した際に、充填層２６ａ，２６
ｂ内に発火限界内の混合燃料ガスが存在しても発火し得
ない間隙に形成され、且つ充填層２６ｂから排出された
排ガスを燃焼する燃焼部１８が、充填層２６ｂの排ガス
出口の直近に設けられていることを特徴とする。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は燃料電池に関し、更
に詳細には容器内に収容された燃料電池用セルにメタン
等の燃料ガス及び酸素を含む混合燃料ガスを供給して発
電し、前記燃料電池用セルを通過したガスを排ガスとし
て前記容器から排出する燃料電池に関する。
に詳細には容器内に収容された燃料電池用セルにメタン
等の燃料ガス及び酸素を含む混合燃料ガスを供給して発
電し、前記燃料電池用セルを通過したガスを排ガスとし
て前記容器から排出する燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】燃料電池は、火力発電等の発電効率に比
較して、高効率の発電効率が期待できるため、現在、多
くの研究がなされている。かかる燃料電池には、図４に
示す様に、イットリア（Ｙ2Ｏ3）が添加された安定化ジ
ルコニアから成る焼成体を酸素イオン伝導型の固体電解
質層１００として用い、この固体電解質層１００の一面
側にカソード層１０２が形成されていると共に、固体電
解質層１００の他面側にアノード層１０４が形成された
燃料電池用セル１０６が配設されている。この燃料電池
用セル１０６のカソード層１０２側には、酸素又は酸素
含有気体が供給される。他方のアノード層１０４側に
は、メタン等の燃料ガスが供給される。
較して、高効率の発電効率が期待できるため、現在、多
くの研究がなされている。かかる燃料電池には、図４に
示す様に、イットリア（Ｙ2Ｏ3）が添加された安定化ジ
ルコニアから成る焼成体を酸素イオン伝導型の固体電解
質層１００として用い、この固体電解質層１００の一面
側にカソード層１０２が形成されていると共に、固体電
解質層１００の他面側にアノード層１０４が形成された
燃料電池用セル１０６が配設されている。この燃料電池
用セル１０６のカソード層１０２側には、酸素又は酸素
含有気体が供給される。他方のアノード層１０４側に
は、メタン等の燃料ガスが供給される。
【０００３】かかる図４に示す燃料電池用セル１０６の
カソード層１０２側に供給された酸素（Ｏ2）は、カソ
ード層１０２と固体電解質層１００との境界で酸素イオ
ン（Ｏ2-）にイオン化され、この酸素イオン（Ｏ2-）
は、固体電解質層１００によってアノード層１０４に伝
導される。アノード層１０４に伝導された酸素イオン
（Ｏ2-）は、アノード層１０４に供給されたメタン（Ｃ
Ｈ４ ）ガスと反応し、水（Ｈ2Ｏ）、二酸化炭素（Ｃ
Ｏ2）、水素（Ｈ2）、一酸化炭素（ＣＯ）が生成され
る。かかる反応の際に、酸素イオンが電子を放出するた
め、カソード層１０２とアノード層１０４との間に電位
差が生じる。このため、カソ−ド層１０２とアノード層
１０４を取出線１０８によって電気的に接続することに
より、アノード層１０４の電子はカソード層１０２の方
向（矢印の方向）に取出線１０８を流れ、燃料電池から
電気を取り出すことができる。尚、かかる図４に示す燃
料電池の作動温度は、約１０００℃である。
カソード層１０２側に供給された酸素（Ｏ2）は、カソ
ード層１０２と固体電解質層１００との境界で酸素イオ
ン（Ｏ2-）にイオン化され、この酸素イオン（Ｏ2-）
は、固体電解質層１００によってアノード層１０４に伝
導される。アノード層１０４に伝導された酸素イオン
（Ｏ2-）は、アノード層１０４に供給されたメタン（Ｃ
Ｈ４ ）ガスと反応し、水（Ｈ2Ｏ）、二酸化炭素（Ｃ
Ｏ2）、水素（Ｈ2）、一酸化炭素（ＣＯ）が生成され
る。かかる反応の際に、酸素イオンが電子を放出するた
め、カソード層１０２とアノード層１０４との間に電位
差が生じる。このため、カソ−ド層１０２とアノード層
１０４を取出線１０８によって電気的に接続することに
より、アノード層１０４の電子はカソード層１０２の方
向（矢印の方向）に取出線１０８を流れ、燃料電池から
電気を取り出すことができる。尚、かかる図４に示す燃
料電池の作動温度は、約１０００℃である。
【０００４】しかし、図４に示す燃料電池用セル１０６
は、約１０００℃もの高温下で、カソード層１０２側は
酸化性雰囲気に晒されていると共に、アノード層１０４
側は還元性雰囲気に晒されているため、燃料電池用セル
１０６の耐久性を向上することは困難であった。一方、
SCIENCE，Vol.288（2000），p2031-2033には、図５に示
す様に、固体電解質層１００の両面側にカソード層１０
２とアノード層１０４とが形成された燃料電池用セル１
０６を、メタンガスと酸素とが混合された混合燃料ガス
内に載置しても、燃料電池用セル１０６に起電力が発生
することが報告されている。
は、約１０００℃もの高温下で、カソード層１０２側は
酸化性雰囲気に晒されていると共に、アノード層１０４
側は還元性雰囲気に晒されているため、燃料電池用セル
１０６の耐久性を向上することは困難であった。一方、
SCIENCE，Vol.288（2000），p2031-2033には、図５に示
す様に、固体電解質層１００の両面側にカソード層１０
２とアノード層１０４とが形成された燃料電池用セル１
０６を、メタンガスと酸素とが混合された混合燃料ガス
内に載置しても、燃料電池用セル１０６に起電力が発生
することが報告されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】図５に示す燃料電池の
様に、燃料電池用セル１０６を混合燃料ガス内に載置す
ることによって、燃料電池用セル１０６の全体を実質的
に同一雰囲気とすることができ、両面の各々を異なる雰
囲気に晒す図４に示す燃料電池用セル１０６に比較し
て、その耐久性の向上を図ることができる。しかしなが
ら、図５に示す燃料電池には、約１０００℃もの高温下
でメタンガスと酸素とが混合された混合燃料ガスを供給
するため、混合燃料ガスは、爆発の危険性を回避すべ
く、酸素濃度が発火限界よりも低濃度となるように（メ
タン濃度が発火限界を超える高濃度に）調整されて供給
される。この様に、著しく酸素量が不足する条件下で
は、燃料電池用セル１０６の発電効率が低く、メタン等
の燃料の炭化が進行して電池性能が更に低下することが
ある。そこで、本発明の課題は、メタン等の燃料と酸素
との混合燃料ガスを用い、混合燃料ガスの爆発を防止
し、使用する燃料電池用セルの発電効率を向上できるよ
うに、酸素濃度を高めた混合燃料ガスを使用し得る燃料
電池を提供することにある。
様に、燃料電池用セル１０６を混合燃料ガス内に載置す
ることによって、燃料電池用セル１０６の全体を実質的
に同一雰囲気とすることができ、両面の各々を異なる雰
囲気に晒す図４に示す燃料電池用セル１０６に比較し
て、その耐久性の向上を図ることができる。しかしなが
ら、図５に示す燃料電池には、約１０００℃もの高温下
でメタンガスと酸素とが混合された混合燃料ガスを供給
するため、混合燃料ガスは、爆発の危険性を回避すべ
く、酸素濃度が発火限界よりも低濃度となるように（メ
タン濃度が発火限界を超える高濃度に）調整されて供給
される。この様に、著しく酸素量が不足する条件下で
は、燃料電池用セル１０６の発電効率が低く、メタン等
の燃料の炭化が進行して電池性能が更に低下することが
ある。そこで、本発明の課題は、メタン等の燃料と酸素
との混合燃料ガスを用い、混合燃料ガスの爆発を防止
し、使用する燃料電池用セルの発電効率を向上できるよ
うに、酸素濃度を高めた混合燃料ガスを使用し得る燃料
電池を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明者等は、前記課題
を解決するには、容器内の燃料電池用セルを除く空間部
の防爆構造と、燃料電池用セルが収容された容器から排
出された排ガスの安全な処理とが重要と考え検討した結
果、この空間部に充填物を充填して形成した充填層の充
填物間の間隙を、発火限界内にある混合燃料ガスが充填
層内に存在していても発火し得ない間隙とすることによ
り、混合燃料ガスの防爆を図ることができること、及び
充填層から排出された排ガスを燃焼する燃焼部を設ける
ことにより、酸素と燃料ガスが混合された排ガスを安全
に処理できることを見出し、本発明に到達した。すなわ
ち、本発明は、容器内に収容された燃料電池用セルにメ
タン等の燃料ガス及び酸素を含む混合燃料ガスを供給し
て発電し、前記燃料電池用セルを通過したガスを排ガス
として前記容器から排出する燃料電池において、該燃料
電池用セルを除いた、前記混合燃料ガスや排ガスが流動
する容器内の空間部内に充填物が充填されて成る充填層
の充填物間の間隙が、前記燃料電池を駆動した際に、前
記充填層内に発火限界内の混合燃料ガスが存在しても発
火し得ない間隙に形成され、且つ前記充填層から排出さ
れた排ガスを燃焼する燃焼部が、前記充填層の排ガス出
口の直近又は近傍に設けられていることを特徴とする燃
料電池にある。
を解決するには、容器内の燃料電池用セルを除く空間部
の防爆構造と、燃料電池用セルが収容された容器から排
出された排ガスの安全な処理とが重要と考え検討した結
果、この空間部に充填物を充填して形成した充填層の充
填物間の間隙を、発火限界内にある混合燃料ガスが充填
層内に存在していても発火し得ない間隙とすることによ
り、混合燃料ガスの防爆を図ることができること、及び
充填層から排出された排ガスを燃焼する燃焼部を設ける
ことにより、酸素と燃料ガスが混合された排ガスを安全
に処理できることを見出し、本発明に到達した。すなわ
ち、本発明は、容器内に収容された燃料電池用セルにメ
タン等の燃料ガス及び酸素を含む混合燃料ガスを供給し
て発電し、前記燃料電池用セルを通過したガスを排ガス
として前記容器から排出する燃料電池において、該燃料
電池用セルを除いた、前記混合燃料ガスや排ガスが流動
する容器内の空間部内に充填物が充填されて成る充填層
の充填物間の間隙が、前記燃料電池を駆動した際に、前
記充填層内に発火限界内の混合燃料ガスが存在しても発
火し得ない間隙に形成され、且つ前記充填層から排出さ
れた排ガスを燃焼する燃焼部が、前記充填層の排ガス出
口の直近又は近傍に設けられていることを特徴とする燃
料電池にある。
【０００７】かかる本発明において、充填層の充填物間
の間隙を、燃料電池を駆動した際に、前記充填層内の混
合燃料ガスの消炎距離よりも狭くすることにより、充填
層内での混合燃料ガスの発火を確実に防止できる。更
に、充填物間の最大間隙を、燃料電池を駆動した際に、
充填層内の混合燃料ガスの爆轟を防止し得る消炎直径以
下とすることにより、充填層内で混合燃料ガスが発火し
ても爆轟を防止できる。また、燃料電池用セルを収容し
た収容部に加熱手段を設け、充填物を充填した空間部に
冷却手段を設けることによって、空間部の防爆作用を更
に向上できる。この燃料電池用セルが収容された収容部
を加熱する加熱手段として、排ガスを燃焼する燃焼部を
用いることによって、排ガスの燃焼によって生ずる熱の
有効利用を図ることができる。
の間隙を、燃料電池を駆動した際に、前記充填層内の混
合燃料ガスの消炎距離よりも狭くすることにより、充填
層内での混合燃料ガスの発火を確実に防止できる。更
に、充填物間の最大間隙を、燃料電池を駆動した際に、
充填層内の混合燃料ガスの爆轟を防止し得る消炎直径以
下とすることにより、充填層内で混合燃料ガスが発火し
ても爆轟を防止できる。また、燃料電池用セルを収容し
た収容部に加熱手段を設け、充填物を充填した空間部に
冷却手段を設けることによって、空間部の防爆作用を更
に向上できる。この燃料電池用セルが収容された収容部
を加熱する加熱手段として、排ガスを燃焼する燃焼部を
用いることによって、排ガスの燃焼によって生ずる熱の
有効利用を図ることができる。
【０００８】この様な、本発明で用いる充填物として
は、燃料電池の駆動条件で安定している金属又はセラミ
ックから成る粉粒体、多孔体又は細管を好適に使用でき
る。また、燃料電池用セルとしては、固体電解質層がカ
ソード層とアノード層とに挟み込まれて形成された複数
の単一燃料電池用セルを、互いに隣接するアノード層と
カソード層とを直接接合するように積層して形成した多
層燃料電池用セルとすることによって、所望電圧を取出
すことができる。この多層燃料電池用セルを、その単一
燃料電池用セルのアノード層及びカソード層を混合燃料
ガスの流動方向に対して平行となるように容器内に載置
する場合には、前記カソード層及びアノード層の各々
を、前記混合燃料ガスが通過し得る多数の微細孔が形成
された多孔質層とし、固体電解質層を、前記混合燃料ガ
スが実質的に通過することのない緻密構造とすることが
できる。一方、多層燃料電池用セルを、その単一燃料電
池用セルのアノード層及びカソード層を混合燃料ガスの
流動方向に対して直角に載置する場合には、アノード
層、カソード層及び固体電解質層の各々を、前記混合燃
料ガスが通過し得る多数の微細孔が形成された多孔質層
することにより、混合燃料ガスが多層燃料電池用セルを
通過でき、他の通路を形成することを要しない。
は、燃料電池の駆動条件で安定している金属又はセラミ
ックから成る粉粒体、多孔体又は細管を好適に使用でき
る。また、燃料電池用セルとしては、固体電解質層がカ
ソード層とアノード層とに挟み込まれて形成された複数
の単一燃料電池用セルを、互いに隣接するアノード層と
カソード層とを直接接合するように積層して形成した多
層燃料電池用セルとすることによって、所望電圧を取出
すことができる。この多層燃料電池用セルを、その単一
燃料電池用セルのアノード層及びカソード層を混合燃料
ガスの流動方向に対して平行となるように容器内に載置
する場合には、前記カソード層及びアノード層の各々
を、前記混合燃料ガスが通過し得る多数の微細孔が形成
された多孔質層とし、固体電解質層を、前記混合燃料ガ
スが実質的に通過することのない緻密構造とすることが
できる。一方、多層燃料電池用セルを、その単一燃料電
池用セルのアノード層及びカソード層を混合燃料ガスの
流動方向に対して直角に載置する場合には、アノード
層、カソード層及び固体電解質層の各々を、前記混合燃
料ガスが通過し得る多数の微細孔が形成された多孔質層
することにより、混合燃料ガスが多層燃料電池用セルを
通過でき、他の通路を形成することを要しない。
【０００９】本発明によれば、容器の燃料電池用セルを
除く空間部の防爆を図ると共に、排ガスを燃焼部で燃焼
することによって、排ガスの安全な処理を図ることがで
き、混合燃料ガス中の酸素濃度を増加（燃料濃度を低
下）できる。その結果、燃料電池用セルの発電効率を向
上でき、混合燃料ガス中の燃料の炭化による電池性能の
更なる低下を防止できる。
除く空間部の防爆を図ると共に、排ガスを燃焼部で燃焼
することによって、排ガスの安全な処理を図ることがで
き、混合燃料ガス中の酸素濃度を増加（燃料濃度を低
下）できる。その結果、燃料電池用セルの発電効率を向
上でき、混合燃料ガス中の燃料の炭化による電池性能の
更なる低下を防止できる。
【００１０】
【発明の実施の形態】本発明に係る燃料電池の一例を図
１に示す。図１に示す燃料電池では、複数の単一燃料電
池用セル１６，１６・・を積層した多層燃料電池用セル
が、横断面形状が矩形又は円形の筒状容器２０内に収容
されいる。この筒状容器２０の端部の一方は開放されて
いるが、他方の端部を塞ぐ蓋１９には、筒状容器２０内
にメタン等の燃料ガスを供給する燃料供給配管２０ａ，
２０ａと、空気を供給する空気供給配管２０ｂ，２０ｂ
とが設けられている。かかる燃料供給配管２０ａ，２０
ａ及び空気供給配管２０ｂ，２０ｂの各々には、筒状容
器２０内に供給する燃料ガス量及び空気量を調整する調
整バルブ２１ａ，２１ｂが途中に設けられている。この
燃料供給配管２０ａ，２０ａ及び空気供給配管２０ｂ，
２０ｂを経由して筒状容器２０内に供給された燃料ガス
と空気とは、筒状容器２０内で混合されて混合燃料ガス
（以下、混合ガスと称することがある）となる。
１に示す。図１に示す燃料電池では、複数の単一燃料電
池用セル１６，１６・・を積層した多層燃料電池用セル
が、横断面形状が矩形又は円形の筒状容器２０内に収容
されいる。この筒状容器２０の端部の一方は開放されて
いるが、他方の端部を塞ぐ蓋１９には、筒状容器２０内
にメタン等の燃料ガスを供給する燃料供給配管２０ａ，
２０ａと、空気を供給する空気供給配管２０ｂ，２０ｂ
とが設けられている。かかる燃料供給配管２０ａ，２０
ａ及び空気供給配管２０ｂ，２０ｂの各々には、筒状容
器２０内に供給する燃料ガス量及び空気量を調整する調
整バルブ２１ａ，２１ｂが途中に設けられている。この
燃料供給配管２０ａ，２０ａ及び空気供給配管２０ｂ，
２０ｂを経由して筒状容器２０内に供給された燃料ガス
と空気とは、筒状容器２０内で混合されて混合燃料ガス
（以下、混合ガスと称することがある）となる。
【００１１】かかる筒状容器２０は、燃料電池の作動温
度で充分に耐熱性を呈するように、１２００℃程度まで
耐熱性を有するセラミック等の耐熱材料によって形成さ
れ、多層燃料電池用セルを構成する単一燃料電池用セル
１６，１６・・の各々は、緻密構造の固体電解質層１０
の一面側に形成された多孔質層のカソード層１２と、こ
の固体電解質層１０の他面側に形成された多孔質層のア
ノード層１４とから形成されている。かかる単一燃料電
池用セル１６のアノード層１４と、他の単一燃料電池用
セル１６のカソード層１２とは、直接接合されて多層燃
料電池用セルを形成する。この多層燃料電池用セルで発
電された電力は、多層燃料電池用セルの最外層の一方に
位置する単一燃料電池用セル１６のカソード層１２と、
他方の最外層に位置する単一燃料電池用セル１６のアノ
ード層１４とから引き出された引出線（図示せず）によ
って取出される。
度で充分に耐熱性を呈するように、１２００℃程度まで
耐熱性を有するセラミック等の耐熱材料によって形成さ
れ、多層燃料電池用セルを構成する単一燃料電池用セル
１６，１６・・の各々は、緻密構造の固体電解質層１０
の一面側に形成された多孔質層のカソード層１２と、こ
の固体電解質層１０の他面側に形成された多孔質層のア
ノード層１４とから形成されている。かかる単一燃料電
池用セル１６のアノード層１４と、他の単一燃料電池用
セル１６のカソード層１２とは、直接接合されて多層燃
料電池用セルを形成する。この多層燃料電池用セルで発
電された電力は、多層燃料電池用セルの最外層の一方に
位置する単一燃料電池用セル１６のカソード層１２と、
他方の最外層に位置する単一燃料電池用セル１６のアノ
ード層１４とから引き出された引出線（図示せず）によ
って取出される。
【００１２】図１に示す単一燃料電池用セル１６を形成
する固体電解質層１０は、酸素イオン誘導体であって、
イットリウム（Ｙ）やスカンジウム（Ｓｃ）等の周期律
表第３族元素により部分安定化されたジルコニア酸化
物、或いはサマリウム（Ｓｍ）やガドリウム（Ｇｄ）等
がドープされたセリウム酸化物によって形成される。更
に、カソード層１２は、ストロンチウム（Ｓｒ）等の周
期律表第３族元素が添加されたランタンのマンガン、ガ
リウム又はコバルト酸化化合物から形成され、アノード
層１４は、固体電解質層１０を形成する固体電解質が１
０〜３０wt％添加されたニッケルサーメット又は白金担
持体によって形成されている。この様にして形成された
カソード層１２及びアノード層１４は、多孔質層であっ
て、その開気孔率を２０％以上、好ましくは３０〜７０
％、特に４０〜５０％とすることが好ましい。図１に示
す多層燃料電池用セルは、予め焼成して形成した固体電
解質層１０に、所定形状の各層用のグリーンシートを積
層した後、又は各積層用のペーストを所定形状に塗布し
た後、再焼成することによって得ることができる。ま
た、予め焼成して形成した単一燃料電池用セル１６，１
６・・を積層して一体化することによっても、多層燃料
電池用セルを得ることができる。
する固体電解質層１０は、酸素イオン誘導体であって、
イットリウム（Ｙ）やスカンジウム（Ｓｃ）等の周期律
表第３族元素により部分安定化されたジルコニア酸化
物、或いはサマリウム（Ｓｍ）やガドリウム（Ｇｄ）等
がドープされたセリウム酸化物によって形成される。更
に、カソード層１２は、ストロンチウム（Ｓｒ）等の周
期律表第３族元素が添加されたランタンのマンガン、ガ
リウム又はコバルト酸化化合物から形成され、アノード
層１４は、固体電解質層１０を形成する固体電解質が１
０〜３０wt％添加されたニッケルサーメット又は白金担
持体によって形成されている。この様にして形成された
カソード層１２及びアノード層１４は、多孔質層であっ
て、その開気孔率を２０％以上、好ましくは３０〜７０
％、特に４０〜５０％とすることが好ましい。図１に示
す多層燃料電池用セルは、予め焼成して形成した固体電
解質層１０に、所定形状の各層用のグリーンシートを積
層した後、又は各積層用のペーストを所定形状に塗布し
た後、再焼成することによって得ることができる。ま
た、予め焼成して形成した単一燃料電池用セル１６，１
６・・を積層して一体化することによっても、多層燃料
電池用セルを得ることができる。
【００１３】図１に示す燃料電池で用いる多層燃料電池
用セルのカソード層１２とアノード層１４とは、多孔質
層であるため、燃料供給配管２０ａ，２０ａ及び空気供
給配管２０ｂ，２０ｂから供給された燃料ガスと空気と
が混合された混合ガスは通過可能である。このため、図
１に示す燃料電池では、多層燃料電池用セルを、単一燃
料電池用セル１６を形成するカソード層１２及びアノー
ド層１４が供給配管２０ａ，２０ａ・・から供給した混
合ガスの流動方向と平行となるように、筒状容器２０内
に収容している。その際に、筒状容器２０内の混合ガス
が多層燃料電池用セルのカソード層１２及びアノード層
１４を経由して流れるように、多層燃料電池用セルの外
周面の略全面を筒状容器２０の内周面に密着し、筒状容
器２０内の混合ガスが、筒状容器２０の内壁面と多層燃
料電池用セルの外周面との間等からバイパスすることを
防止している。尚、必要に応じて筒状容器２０の内壁面
と多層燃料電池用セルの外周面との間に、例えばアルミ
ナセメントや高融点ガラス等の低気孔率材料を用いて封
止を施してもよい。
用セルのカソード層１２とアノード層１４とは、多孔質
層であるため、燃料供給配管２０ａ，２０ａ及び空気供
給配管２０ｂ，２０ｂから供給された燃料ガスと空気と
が混合された混合ガスは通過可能である。このため、図
１に示す燃料電池では、多層燃料電池用セルを、単一燃
料電池用セル１６を形成するカソード層１２及びアノー
ド層１４が供給配管２０ａ，２０ａ・・から供給した混
合ガスの流動方向と平行となるように、筒状容器２０内
に収容している。その際に、筒状容器２０内の混合ガス
が多層燃料電池用セルのカソード層１２及びアノード層
１４を経由して流れるように、多層燃料電池用セルの外
周面の略全面を筒状容器２０の内周面に密着し、筒状容
器２０内の混合ガスが、筒状容器２０の内壁面と多層燃
料電池用セルの外周面との間等からバイパスすることを
防止している。尚、必要に応じて筒状容器２０の内壁面
と多層燃料電池用セルの外周面との間に、例えばアルミ
ナセメントや高融点ガラス等の低気孔率材料を用いて封
止を施してもよい。
【００１４】この様に筒状容器２０内に収容した多層燃
料電池用セルと蓋１９との間、及び多層燃料電池用セル
と筒状容器２０の開放端との間に、空間部２２，２４が
形成される。かかる空間部２２，２４が、空状態の場合
は、燃料電池の駆動温度である約１０００℃の高温下に
おいて、混合ガスの発火を防止するには、混合ガス中の
酸素濃度を発火限界よりも低濃度（メタン等の燃料ガス
を発火限界よりも高濃度）とすることが必要である。こ
の様に、酸素濃度が低濃度の混合ガスを用いる場合、燃
料電池用セルの発電効率が低く、メタン等の燃料の炭化
が進行して電池性能が更に低下することがある。一方、
混合ガス中の酸素濃度を、燃料ガスが炭化することがな
く且つ燃料電池用セルの発電効率を向上し得る濃度にす
ると、空間部２２中の混合ガスの組成が発火限界内に入
り、爆発の危険性が著しく高くなる。
料電池用セルと蓋１９との間、及び多層燃料電池用セル
と筒状容器２０の開放端との間に、空間部２２，２４が
形成される。かかる空間部２２，２４が、空状態の場合
は、燃料電池の駆動温度である約１０００℃の高温下に
おいて、混合ガスの発火を防止するには、混合ガス中の
酸素濃度を発火限界よりも低濃度（メタン等の燃料ガス
を発火限界よりも高濃度）とすることが必要である。こ
の様に、酸素濃度が低濃度の混合ガスを用いる場合、燃
料電池用セルの発電効率が低く、メタン等の燃料の炭化
が進行して電池性能が更に低下することがある。一方、
混合ガス中の酸素濃度を、燃料ガスが炭化することがな
く且つ燃料電池用セルの発電効率を向上し得る濃度にす
ると、空間部２２中の混合ガスの組成が発火限界内に入
り、爆発の危険性が著しく高くなる。
【００１５】この点、図１の燃料電池では、空間部２
２，２４に充填物を充填して充填層２６ａ，２６ｂを形
成し、充填物間の間隙を、燃料電池を駆動した際に、充
填層２６ａ，２６ｂ内に酸素濃度（燃料ガス濃度）が発
火限界内の混合ガスが存在していても発火し得ない距離
としている。具体的には、充填物間の間隙を、燃料電池
を駆動した際に、充填層２６ａ，２６ｂ内に存在する発
火限界内の混合ガスの消炎距離よりも狭くなるように、
充填物を充填している。このため、筒状容器２０に供給
する混合ガス中の酸素濃度を、メタン等の燃料ガスが発
火する発火限界内まで高めても、充填層２６ａ，２６ｂ
での発火を回避できる。ここで言う「混合ガスの消炎距
離」とは、「化学便覧（応用化学編ＩＩ）」（社団法人
日本化学会編、昭和６３年１１月１５日第２刷発行）の
第４０７頁に規定されており、混合ガスの発火が起こり
得る最小電極間距離のことである。この距離よりも狭い
電極間距離では、エネルギーをいくら大きくして発火が
起こらない。かかる消炎距離は、混合ガス中の酸素濃度
や圧力等に応じて変化するため、燃料電池を駆動した際
に、充填層２６ａ，２６ｂ内に存在する混合ガスの消炎
距離を実験的に求めておくことが好ましい。
２，２４に充填物を充填して充填層２６ａ，２６ｂを形
成し、充填物間の間隙を、燃料電池を駆動した際に、充
填層２６ａ，２６ｂ内に酸素濃度（燃料ガス濃度）が発
火限界内の混合ガスが存在していても発火し得ない距離
としている。具体的には、充填物間の間隙を、燃料電池
を駆動した際に、充填層２６ａ，２６ｂ内に存在する発
火限界内の混合ガスの消炎距離よりも狭くなるように、
充填物を充填している。このため、筒状容器２０に供給
する混合ガス中の酸素濃度を、メタン等の燃料ガスが発
火する発火限界内まで高めても、充填層２６ａ，２６ｂ
での発火を回避できる。ここで言う「混合ガスの消炎距
離」とは、「化学便覧（応用化学編ＩＩ）」（社団法人
日本化学会編、昭和６３年１１月１５日第２刷発行）の
第４０７頁に規定されており、混合ガスの発火が起こり
得る最小電極間距離のことである。この距離よりも狭い
電極間距離では、エネルギーをいくら大きくして発火が
起こらない。かかる消炎距離は、混合ガス中の酸素濃度
や圧力等に応じて変化するため、燃料電池を駆動した際
に、充填層２６ａ，２６ｂ内に存在する混合ガスの消炎
距離を実験的に求めておくことが好ましい。
【００１６】また、充填層２６ａ，２６ｂの充填物間の
間隙は、一様ではなく分布を有している。このため、充
填物間の間隙が、平均では、燃料電池を駆動した際に、
充填層２６ａ，２６ｂ内に存在する混合ガスの消炎距離
よりも狭いものの、最大間隙が広くなる場合がある。こ
の場合、混合ガスが発火したとき、爆轟に繋がるおそれ
があるため、充填物間の最大間隙を、燃料電池を駆動し
た際に、充填層２６ａ，２６ｂ内に存在する混合燃料ガ
スの爆轟を防止し得る消炎直径以下とすることによっ
て、例え混合ガスに着火しても爆轟を防止できる。尚、
「消炎直径」とは、筒から吹出す混合気体に着火して
も、筒内に燃焼波が浸入できない限界の直径をいい、メ
タンと酸素との混合気体の消炎直径は、０．１〜３ｍｍ
である。
間隙は、一様ではなく分布を有している。このため、充
填物間の間隙が、平均では、燃料電池を駆動した際に、
充填層２６ａ，２６ｂ内に存在する混合ガスの消炎距離
よりも狭いものの、最大間隙が広くなる場合がある。こ
の場合、混合ガスが発火したとき、爆轟に繋がるおそれ
があるため、充填物間の最大間隙を、燃料電池を駆動し
た際に、充填層２６ａ，２６ｂ内に存在する混合燃料ガ
スの爆轟を防止し得る消炎直径以下とすることによっ
て、例え混合ガスに着火しても爆轟を防止できる。尚、
「消炎直径」とは、筒から吹出す混合気体に着火して
も、筒内に燃焼波が浸入できない限界の直径をいい、メ
タンと酸素との混合気体の消炎直径は、０．１〜３ｍｍ
である。
【００１７】図１に示す燃料電池の空間部２２，２４に
充填する充填物２６としては、燃料電池の駆動条件で安
定している金属又はセラミックから成る粉粒体、多孔体
又は細管を用いることができる。かかる粉粒体、多孔体
又は細管としては、Ｔｉ，Ｃｒ，Ｔｅ、Ｃｏ、Ｎｉ，Ｃ
ｕ，Ａｌ，Ｍｏ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ａｇ，Ｗ，Ｐｔ，Ａｕか
ら成る群から選ばれた一種又は二種以上を含む合金によ
って形成された粉粒体、多孔体又は細管、或いはＭｇ，
Ａｌ，Ｓｉ，Ｚｒから成る群から選ばれた一種又は二種
以上含むセラミックによって形成された粉粒体、多孔体
又は細管を好適に用いることができる。また、粉粒体と
しては、粒径が５０〜１０００μｍの粉粒体が好まし
く、多孔体としては、開気孔率が５０％以上の多孔体が
好ましい。細管としては、内径１００〜２００μｍの細
管が好適に使用でき、長い細管を空間部２２，２４に混
合ガスの流動方向に並べて充填してもよく、短管状の細
管を空間部２２，２４にランダムに充填してもよい。
充填する充填物２６としては、燃料電池の駆動条件で安
定している金属又はセラミックから成る粉粒体、多孔体
又は細管を用いることができる。かかる粉粒体、多孔体
又は細管としては、Ｔｉ，Ｃｒ，Ｔｅ、Ｃｏ、Ｎｉ，Ｃ
ｕ，Ａｌ，Ｍｏ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ａｇ，Ｗ，Ｐｔ，Ａｕか
ら成る群から選ばれた一種又は二種以上を含む合金によ
って形成された粉粒体、多孔体又は細管、或いはＭｇ，
Ａｌ，Ｓｉ，Ｚｒから成る群から選ばれた一種又は二種
以上含むセラミックによって形成された粉粒体、多孔体
又は細管を好適に用いることができる。また、粉粒体と
しては、粒径が５０〜１０００μｍの粉粒体が好まし
く、多孔体としては、開気孔率が５０％以上の多孔体が
好ましい。細管としては、内径１００〜２００μｍの細
管が好適に使用でき、長い細管を空間部２２，２４に混
合ガスの流動方向に並べて充填してもよく、短管状の細
管を空間部２２，２４にランダムに充填してもよい。
【００１８】図１に示す燃料電池では、多層燃料電池用
セルよりも出口側の空間部２４に形成した充填層２６ｂ
の充填物間の間隙は、燃料電池を駆動した際に、酸素濃
度（燃料ガス濃度）が発火限界内の混合ガスが存在して
いても発火し得ない距離に形成されている。このため、
充填層２６ｂの排ガス出口の直近、すなわち筒状容器２
０の開放端に排ガスを燃焼する燃焼部１８を設けても、
燃焼部１８から充填層２６ｂ内の混合ガスに引火するこ
とはない。この様に、充填層２６ｂの排ガス出口の直近
に排ガスを燃焼する燃焼部１８を設けることによって、
防爆構造とし難い配管で排ガスを燃料電池外に排出する
場合に比較して、排ガスを安全に処理できる。また、図
１に示す燃料電池には、多層燃料電池用セルが収容され
た部分を加熱する加熱手段としての加熱ヒータ５０を設
け、充填層２６ａ，２６ｂには、冷却手段としての冷却
管５２を設けている。この様に、充填層２６ａ，２６ｂ
内に存在する混合ガスを冷却することによって、充填層
２６ａ，２６ｂ内に存在する混合ガスの消炎直径を大き
くできる。充填層２６ａ，２６ｂを強制冷却する場合に
は、充填層２６ａ，２６ｂを形成する充填物を、伝熱性
が良好な金属とすることが好ましい。更に、筒状容器２
０内には、燃料ガス及び空気の各々を分散して複数個所
から供給する。この様に、燃料ガス及び空気の各々を分
散して筒状容器２０内に供給することにより、筒状容器
２０内での燃料ガスと空気との極端な偏流を防止でき
る。尚、筒状容器２０内に供給する燃料ガス及び空気の
供給量は、調整バルブ２１ａ，２１ｂを調整して行うこ
とができる。
セルよりも出口側の空間部２４に形成した充填層２６ｂ
の充填物間の間隙は、燃料電池を駆動した際に、酸素濃
度（燃料ガス濃度）が発火限界内の混合ガスが存在して
いても発火し得ない距離に形成されている。このため、
充填層２６ｂの排ガス出口の直近、すなわち筒状容器２
０の開放端に排ガスを燃焼する燃焼部１８を設けても、
燃焼部１８から充填層２６ｂ内の混合ガスに引火するこ
とはない。この様に、充填層２６ｂの排ガス出口の直近
に排ガスを燃焼する燃焼部１８を設けることによって、
防爆構造とし難い配管で排ガスを燃料電池外に排出する
場合に比較して、排ガスを安全に処理できる。また、図
１に示す燃料電池には、多層燃料電池用セルが収容され
た部分を加熱する加熱手段としての加熱ヒータ５０を設
け、充填層２６ａ，２６ｂには、冷却手段としての冷却
管５２を設けている。この様に、充填層２６ａ，２６ｂ
内に存在する混合ガスを冷却することによって、充填層
２６ａ，２６ｂ内に存在する混合ガスの消炎直径を大き
くできる。充填層２６ａ，２６ｂを強制冷却する場合に
は、充填層２６ａ，２６ｂを形成する充填物を、伝熱性
が良好な金属とすることが好ましい。更に、筒状容器２
０内には、燃料ガス及び空気の各々を分散して複数個所
から供給する。この様に、燃料ガス及び空気の各々を分
散して筒状容器２０内に供給することにより、筒状容器
２０内での燃料ガスと空気との極端な偏流を防止でき
る。尚、筒状容器２０内に供給する燃料ガス及び空気の
供給量は、調整バルブ２１ａ，２１ｂを調整して行うこ
とができる。
【００１９】筒状容器２０のガス供給側に充填された充
填層２６ａに供給され混合された混合ガスは、充填され
た充填物間の間隙を通過して多層燃料電池用セルに到達
し、多孔質層のカソード層１２及びアノード層１４を充
填層２６ｂの方向に流動する。この際に、混合ガスは、
カソード層１２及びアノード層１４を形成する微細孔内
に拡散し、固体電解質層１０の表面に到達する。固体電
解質層１０の表面に到達した混合ガスのうち、メタン等
の可燃性ガスと固体電解質層１０を通過した酸素イオン
とが電気化学的に反応し、水（Ｈ2Ｏ）、二酸化炭素
（ＣＯ2）、水素（Ｈ2）、一酸化炭素（ＣＯ）を生成す
ると共に、酸素イオンが電子を放出する。この電気化学
的反応によって生成した水（Ｈ2Ｏ）、二酸化炭素（Ｃ
Ｏ2）、水素（Ｈ2）、一酸化炭素（ＣＯ）は、充填層２
６ｂから排出される。
填層２６ａに供給され混合された混合ガスは、充填され
た充填物間の間隙を通過して多層燃料電池用セルに到達
し、多孔質層のカソード層１２及びアノード層１４を充
填層２６ｂの方向に流動する。この際に、混合ガスは、
カソード層１２及びアノード層１４を形成する微細孔内
に拡散し、固体電解質層１０の表面に到達する。固体電
解質層１０の表面に到達した混合ガスのうち、メタン等
の可燃性ガスと固体電解質層１０を通過した酸素イオン
とが電気化学的に反応し、水（Ｈ2Ｏ）、二酸化炭素
（ＣＯ2）、水素（Ｈ2）、一酸化炭素（ＣＯ）を生成す
ると共に、酸素イオンが電子を放出する。この電気化学
的反応によって生成した水（Ｈ2Ｏ）、二酸化炭素（Ｃ
Ｏ2）、水素（Ｈ2）、一酸化炭素（ＣＯ）は、充填層２
６ｂから排出される。
【００２０】混合ガスの組成は、多層燃料電池用セルの
カソード層１２及びアノード層１４を流れるに従って酸
素量が減少し、水（Ｈ2Ｏ）、二酸化炭素（ＣＯ2）、水
素（Ｈ2）、一酸化炭素（ＣＯ）が増加するが、多層燃
料電池用セルの面積や効率により未反応の燃料ガスが排
ガス中に含まれる。このため、充填層２６ｂから排出さ
れる排ガス中の燃料ガス成分の濃度は、燃焼範囲内（発
火限界内）にあり、充分に燃焼可能である。従って、充
填層２６ｂの排ガス出口の直近に設けられた燃焼部１８
で着火すると、排ガスは燃焼する。この様に、充填層２
６ｂの排ガス出口に設けられた燃焼部１８で排ガスを燃
焼することにより、安全に処理できる。また、充填層２
６ｂの排ガス出口に設けられた燃焼部１８で排ガスを燃
焼しても、充填層２６ｂ内に燃焼が進行しない。このこ
とは、充填層２６ｂの充填物間の間隙が、酸素濃度（燃
料ガス濃度）が発火限界内の混合ガスが存在していても
発火し得ない距離に形成されていることの証左でもあ
る。また、燃焼部１８に加熱コイル等の熱回収手段を設
け、燃焼部１８で排ガスが燃焼されて発生する熱を回収
してもよい。尚、図１の燃料電池に供給する燃料ガスと
しては、メタンの他に、水素ガス、エタン，プロパン等
の可燃性ガスを好適に用いることができる。
カソード層１２及びアノード層１４を流れるに従って酸
素量が減少し、水（Ｈ2Ｏ）、二酸化炭素（ＣＯ2）、水
素（Ｈ2）、一酸化炭素（ＣＯ）が増加するが、多層燃
料電池用セルの面積や効率により未反応の燃料ガスが排
ガス中に含まれる。このため、充填層２６ｂから排出さ
れる排ガス中の燃料ガス成分の濃度は、燃焼範囲内（発
火限界内）にあり、充分に燃焼可能である。従って、充
填層２６ｂの排ガス出口の直近に設けられた燃焼部１８
で着火すると、排ガスは燃焼する。この様に、充填層２
６ｂの排ガス出口に設けられた燃焼部１８で排ガスを燃
焼することにより、安全に処理できる。また、充填層２
６ｂの排ガス出口に設けられた燃焼部１８で排ガスを燃
焼しても、充填層２６ｂ内に燃焼が進行しない。このこ
とは、充填層２６ｂの充填物間の間隙が、酸素濃度（燃
料ガス濃度）が発火限界内の混合ガスが存在していても
発火し得ない距離に形成されていることの証左でもあ
る。また、燃焼部１８に加熱コイル等の熱回収手段を設
け、燃焼部１８で排ガスが燃焼されて発生する熱を回収
してもよい。尚、図１の燃料電池に供給する燃料ガスと
しては、メタンの他に、水素ガス、エタン，プロパン等
の可燃性ガスを好適に用いることができる。
【００２１】図１に示す燃料電池では、燃焼部１８に設
けた加熱コイル等の熱回収手段によって、排ガスの燃焼
によって発生する熱の一部を回収することは可能ではあ
るが、図２に示す燃料電池の様に、燃焼部１８を、燃料
電池用セルを収容した筒状容器２０の収容部を加熱する
加熱手段として用いることにより、燃料電池用セルの近
傍を燃料電池の駆動温度に容易に加熱可能である。この
筒状容器２０の収容部を加熱する燃焼部１８には、充填
層２６ｂから排出された排ガスが複数本の配管３２，３
２・・によって分散されて導かれる。この配管３２，３
２・・は、筒状容器２０の両端部を塞ぐ蓋１９，２３の
うち、蓋２３の裏側直近から筒状容器２０の収容部近傍
まで延出されている。図２に示す燃料電池では、燃焼部
１８が筒状容器２０の収容部に収容した燃料電池用セル
の混合ガス入口側の近傍に位置するように、配管３２，
３２・・の各先端を、燃料電池用セルの混合ガス入口側
に相当する部分を収容した収容部の下端近傍まで延出し
ている。尚、配管３２内には、配管３２内の排ガスへの
着火を確実に防止すべく、充填物を充填してもよい。
けた加熱コイル等の熱回収手段によって、排ガスの燃焼
によって発生する熱の一部を回収することは可能ではあ
るが、図２に示す燃料電池の様に、燃焼部１８を、燃料
電池用セルを収容した筒状容器２０の収容部を加熱する
加熱手段として用いることにより、燃料電池用セルの近
傍を燃料電池の駆動温度に容易に加熱可能である。この
筒状容器２０の収容部を加熱する燃焼部１８には、充填
層２６ｂから排出された排ガスが複数本の配管３２，３
２・・によって分散されて導かれる。この配管３２，３
２・・は、筒状容器２０の両端部を塞ぐ蓋１９，２３の
うち、蓋２３の裏側直近から筒状容器２０の収容部近傍
まで延出されている。図２に示す燃料電池では、燃焼部
１８が筒状容器２０の収容部に収容した燃料電池用セル
の混合ガス入口側の近傍に位置するように、配管３２，
３２・・の各先端を、燃料電池用セルの混合ガス入口側
に相当する部分を収容した収容部の下端近傍まで延出し
ている。尚、配管３２内には、配管３２内の排ガスへの
着火を確実に防止すべく、充填物を充填してもよい。
【００２２】図２に示す燃料電池では、その運転を開始
する際には、燃料電池用セルを作動温度まで昇温するこ
とが必要である。このため、燃料ガス及び空気を供給す
る調整バルブ２１ａ，２１ｂを調整し、燃料ガスが良好
に燃焼する比率となるように両ガスを筒状容器２０内に
供給する。燃料電池の運転開始の際には、燃料電池用セ
ルが作動温度よりも低温であるため、混合ガスは燃料電
池用セルで殆ど消費されることなく配管３２，３２・・
に導かれ、筒状容器２０の収容部近傍の燃焼部１８に到
達して燃焼される。かかる燃焼部１８での燃焼によっ
て、燃料電池用セルが昇温されて作動温度に到達する
と、混合ガスが消費されて発電されると共に発熱する。
このため、調整バルブ２１ａ，２１ｂを調整し、燃料ガ
スと空気との混合比を発電効率が良好となる比率となる
ように調整する。この様に、図２に示す燃料電池では、
燃料電池用セルを加熱する図１に示す加熱ヒータ５０を
不要にできる。尚、図２に示す燃料電池を形成する部材
のうち、図１に示す燃料電池と同一部材については図１
と同一符号を付して詳細な説明を省略した。
する際には、燃料電池用セルを作動温度まで昇温するこ
とが必要である。このため、燃料ガス及び空気を供給す
る調整バルブ２１ａ，２１ｂを調整し、燃料ガスが良好
に燃焼する比率となるように両ガスを筒状容器２０内に
供給する。燃料電池の運転開始の際には、燃料電池用セ
ルが作動温度よりも低温であるため、混合ガスは燃料電
池用セルで殆ど消費されることなく配管３２，３２・・
に導かれ、筒状容器２０の収容部近傍の燃焼部１８に到
達して燃焼される。かかる燃焼部１８での燃焼によっ
て、燃料電池用セルが昇温されて作動温度に到達する
と、混合ガスが消費されて発電されると共に発熱する。
このため、調整バルブ２１ａ，２１ｂを調整し、燃料ガ
スと空気との混合比を発電効率が良好となる比率となる
ように調整する。この様に、図２に示す燃料電池では、
燃料電池用セルを加熱する図１に示す加熱ヒータ５０を
不要にできる。尚、図２に示す燃料電池を形成する部材
のうち、図１に示す燃料電池と同一部材については図１
と同一符号を付して詳細な説明を省略した。
【００２３】図１及び図２に示す燃料電池では、多層燃
料電池用セルを構成する固体電解質層１０が緻密構造で
あるため、多層燃料電池用セルを、その単一燃料電池用
セル１６を形成するカソード層１２及びアノード層１４
を供給配管２０ａ，２０ａ・・から供給した混合ガスの
流動方向と平行となるように筒状容器２０内に収容し、
多孔質層であるカソード層１２及びアノード層１４を混
合ガスの流路としている。かかる図１及び図２に示す燃
料電池では、多層燃料電池用セルの外周面と筒状容器２
０の内周面との封止が困難となり易い傾向にある。この
点、図３に示す燃料電池の様に、複数の単一燃料電池用
セル４０，４０・・が積層された多層燃料電池用セル
を、単一燃料電池用セル４０を形成するカソード層１２
及びアノード層１４を、燃料供給配管２０ａ，２０ａ
と、空気を供給する空気供給配管２０ｂ，２０ｂとから
供給した燃料ガスと空気とが混合された混合ガスの流動
方向と直角となるように筒状容器２０内に収容すること
によって、多層燃料電池用セルの外周面と筒状容器２０
の内周面との封止を容易とすることができる。但し、混
合ガスが多層燃料電池用セルを通過することを要するた
め、図３に示す多層燃料電池用セルを構成する単一燃料
電池用セル４０は、カソード層１２、アノード層１４及
び固体電解質層３０が多孔質層によって形成されてい
る。
料電池用セルを構成する固体電解質層１０が緻密構造で
あるため、多層燃料電池用セルを、その単一燃料電池用
セル１６を形成するカソード層１２及びアノード層１４
を供給配管２０ａ，２０ａ・・から供給した混合ガスの
流動方向と平行となるように筒状容器２０内に収容し、
多孔質層であるカソード層１２及びアノード層１４を混
合ガスの流路としている。かかる図１及び図２に示す燃
料電池では、多層燃料電池用セルの外周面と筒状容器２
０の内周面との封止が困難となり易い傾向にある。この
点、図３に示す燃料電池の様に、複数の単一燃料電池用
セル４０，４０・・が積層された多層燃料電池用セル
を、単一燃料電池用セル４０を形成するカソード層１２
及びアノード層１４を、燃料供給配管２０ａ，２０ａ
と、空気を供給する空気供給配管２０ｂ，２０ｂとから
供給した燃料ガスと空気とが混合された混合ガスの流動
方向と直角となるように筒状容器２０内に収容すること
によって、多層燃料電池用セルの外周面と筒状容器２０
の内周面との封止を容易とすることができる。但し、混
合ガスが多層燃料電池用セルを通過することを要するた
め、図３に示す多層燃料電池用セルを構成する単一燃料
電池用セル４０は、カソード層１２、アノード層１４及
び固体電解質層３０が多孔質層によって形成されてい
る。
【００２４】図３に示す多層燃料電池用セルは、所定形
状に形成した各層のグリーンシートを積層した積層体を
同時焼成することによって得ることができる。このた
め、図３に示す多層燃料電池用セルは、予め焼成して形
成した固体電解質層１０に、所定形状の各層用のグリー
ンシートを積層した後、又は各層用のペーストを所定形
状に塗布した後、再焼成することによって得る図１又は
図２に示す多層燃料電池用セルに比較して、製造コスト
等を安価とすることができる。ここで、図３に示す燃料
電池を形成する部材のうち、図１又は図２に示す燃料電
池と同一部材については図１と同一番号を付して詳細な
説明を省略する。かかる図３に示す燃料電池の燃料供給
配管２０ａ，２０ａと、空気を供給する空気供給配管２
０ｂ，２０ｂとから供給した燃料ガスと空気とが混合さ
れた混合ガスは、多孔質層のカソード層１２、アノード
層１４及び固体電解質層３０内を流れつつ、電気化学反
応を惹起し、充填層２６ｂから排出される。
状に形成した各層のグリーンシートを積層した積層体を
同時焼成することによって得ることができる。このた
め、図３に示す多層燃料電池用セルは、予め焼成して形
成した固体電解質層１０に、所定形状の各層用のグリー
ンシートを積層した後、又は各層用のペーストを所定形
状に塗布した後、再焼成することによって得る図１又は
図２に示す多層燃料電池用セルに比較して、製造コスト
等を安価とすることができる。ここで、図３に示す燃料
電池を形成する部材のうち、図１又は図２に示す燃料電
池と同一部材については図１と同一番号を付して詳細な
説明を省略する。かかる図３に示す燃料電池の燃料供給
配管２０ａ，２０ａと、空気を供給する空気供給配管２
０ｂ，２０ｂとから供給した燃料ガスと空気とが混合さ
れた混合ガスは、多孔質層のカソード層１２、アノード
層１４及び固体電解質層３０内を流れつつ、電気化学反
応を惹起し、充填層２６ｂから排出される。
【００２５】以上、説明してきた図１〜図３において
は、燃料電池用セルを収容する筒状容器２０の収容部内
に温度計測機構を設け、収容部内の温度を燃料電池用セ
ルの最適温度となるように制御するようにしてもよい。
収容部内の温度制御は、図１に示す燃料電池では、加熱
ヒータ５０を用いて制御でき、図２に示す燃料電池で
は、燃焼部１８での燃焼程度を制御することによって制
御できる。更に、筒状容器２０の燃料電池用セルを収容
する収容部（加熱ヒータ５０又は燃焼部１８の燃焼で加
熱する部分）を除く部分に、断熱材を設けてもよい。ま
た、図１〜図３に示す燃料電池では、多層燃料電池用セ
ルを用いているが、燃料電池用セルと容器との間隙から
混合ガスのバイパスを防止できれば、本発明を単一燃料
電池用セルのみを容器内に収容した燃料電池にも適用で
きる。
は、燃料電池用セルを収容する筒状容器２０の収容部内
に温度計測機構を設け、収容部内の温度を燃料電池用セ
ルの最適温度となるように制御するようにしてもよい。
収容部内の温度制御は、図１に示す燃料電池では、加熱
ヒータ５０を用いて制御でき、図２に示す燃料電池で
は、燃焼部１８での燃焼程度を制御することによって制
御できる。更に、筒状容器２０の燃料電池用セルを収容
する収容部（加熱ヒータ５０又は燃焼部１８の燃焼で加
熱する部分）を除く部分に、断熱材を設けてもよい。ま
た、図１〜図３に示す燃料電池では、多層燃料電池用セ
ルを用いているが、燃料電池用セルと容器との間隙から
混合ガスのバイパスを防止できれば、本発明を単一燃料
電池用セルのみを容器内に収容した燃料電池にも適用で
きる。
【００２６】
【発明の効果】本発明によれば、混合燃料ガスを用いた
燃料電池において、酸素濃度が発火範囲内に入る混合燃
料ガスを用いて安全に発電ができる。このため、酸素濃
度を発電効率が良好となる濃度に調整した混合ガスを用
いて発電でき、混合ガスを用いた燃料電池の発電効率を
従来よりも向上できる。
燃料電池において、酸素濃度が発火範囲内に入る混合燃
料ガスを用いて安全に発電ができる。このため、酸素濃
度を発電効率が良好となる濃度に調整した混合ガスを用
いて発電でき、混合ガスを用いた燃料電池の発電効率を
従来よりも向上できる。
【図１】本発明に係る燃料電池の一例を説明する縦断面
図である。
図である。
【図２】本発明に係る燃料電池の他の例を説明する縦断
面図である。
面図である。
【図３】本発明に係る燃料電池の他の例を説明する部分
縦断面図である。
縦断面図である。
【図４】従来の燃料電池を説明する概略図である。
【図５】改良された燃料電池を説明す概略図である。
１０，３０ 固体電解質層
１２ カソード層
１４ アノード層
１６，４０ 単一燃料電池用セル
１８ 燃焼部
２０ 筒状容器
２０ａ 燃料供給配管
２０ｂ 空気供給配管
２１ａ，２１ｂ 調整バルブ
２２，２４ 空間部
２６ａ，２６ｂ 充填層
３２ 配管
５０ 加熱ヒータ
５２ 冷却管
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 渡邊 美佐
長野県長野市大字栗田字舎利田711番地
新光電気工業株式会社内
(72)発明者 山崎 修司
長野県長野市大字栗田字舎利田711番地
新光電気工業株式会社内
Ｆターム(参考） 5H026 AA06 CC01 CV10 CX10 EE02
EE11
5H027 AA06 BA02
Claims (9)
- 【請求項１】 容器内に収容された燃料電池用セルにメ
タン等の燃料ガス及び酸素を含む混合燃料ガスを供給し
て発電し、前記燃料電池用セルを通過したガスを排ガス
として前記容器から排出する燃料電池において、 該燃料電池用セルを除いた、前記混合燃料ガスや排ガス
が流動する容器内の空間部内に充填物が充填されて成る
充填層の充填物間の間隙が、前記燃料電池を駆動した際
に、前記充填層内に発火限界内の混合燃料ガスが存在し
ても発火し得ない間隙に形成され、 且つ前記充填層から排出された排ガスを燃焼する燃焼部
が、前記充填層の排ガス出口の直近又は近傍に設けられ
ていることを特徴とする燃料電池。 - 【請求項２】 充填層の充填物間の間隙が、燃料電池を
駆動した際に、前記充填層内の混合燃料ガスの消炎距離
よりも狭い請求項１記載の燃料電池。 - 【請求項３】 充填物間の最大間隙が、燃料電池を駆動
した際に、充填層内の混合燃料ガスの爆轟を防止し得る
消炎直径以下である請求項１又は請求項２記載の燃料電
池。 - 【請求項４】 燃料電池用セルが収容された収容部に
は、加熱手段が設けられ、充填物が充填された空間部に
は、冷却手段が設けられている請求項１〜３記載のいず
れか一項記載の燃料電池。 - 【請求項５】 燃焼部が、燃料電池用セルが収容された
収容部を加熱する加熱手段として用いられている請求項
１〜４記載のいずれか一項記載の燃料電池。 - 【請求項６】 充填物が、燃料電池の駆動条件で安定し
ている金属又はセラミックから成る粉粒体、多孔体又は
細管である請求項１〜５のいずれか一項記載の燃料電
池。 - 【請求項７】 燃料電池用セルが、固体電解質層がカソ
ード層とアノード層とに挟み込まれて形成された複数の
単一燃料電池用セルが、互いに隣接するアノード層とカ
ソード層とが直接接合されるように積層されて形成され
た多層燃料電池用セルである請求項１〜６のいずれか一
項記載の燃料電池。 - 【請求項８】 多層燃料電池用セルが、その単一燃料電
池用セルのアノード層及びカソード層が混合燃料ガスの
流動方向に対して平行となるように容器内に載置され、 前記カソード層及びアノード層の各々が、前記混合燃料
ガスが通過し得る多数の微細孔が形成された多孔質層で
あり、固体電解質層が、前記混合燃料ガスが実質的に通
過することのない緻密構造である請求項７記載の燃料電
池。 - 【請求項９】 多層燃料電池用セルが、その単一燃料電
池用セルのアノード層及びカソード層が混合燃料ガスの
流動方向に対して直角に載置され、 前記アノード層、カソード層及び固体電解質層の各々
が、前記混合燃料ガスが通過し得る多数の微細孔が形成
された多孔質層である請求項７記載の燃料電池。
Priority Applications (4)
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|---|---|---|---|
| JP2002100036A JP4227757B2 (ja) | 2002-04-02 | 2002-04-02 | 燃料電池 |
| EP03007211A EP1353397B1 (en) | 2002-04-02 | 2003-03-29 | Fuel cell with mixed flow and ignition preventing packing |
| DE60324350T DE60324350D1 (de) | 2002-04-02 | 2003-03-29 | Mischgas betriebene Brennstoffzelle mit Zündsicherungsvorrichtung |
| US10/401,738 US7078120B2 (en) | 2002-04-02 | 2003-03-31 | Fuel cell |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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|---|---|
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| JP2003297397A5 JP2003297397A5 (ja) | 2005-08-11 |
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
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| EP (1) | EP1353397B1 (ja) |
| JP (1) | JP4227757B2 (ja) |
| DE (1) | DE60324350D1 (ja) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1703576A2 (en) | 2005-03-14 | 2006-09-20 | Shinko Electric Industries Co., Ltd. | Power generating apparatus using solid oxide fuel cell |
| JP2007087756A (ja) * | 2005-09-21 | 2007-04-05 | Toto Ltd | 固体酸化物型燃料電池 |
| JP2007141767A (ja) * | 2005-11-22 | 2007-06-07 | Nissan Motor Co Ltd | 燃料電池 |
| JP2007317390A (ja) * | 2006-05-23 | 2007-12-06 | Shinko Electric Ind Co Ltd | 固体酸化物燃料電池 |
| JP2010232094A (ja) * | 2009-03-27 | 2010-10-14 | Dainippon Printing Co Ltd | 単室型固体酸化物形燃料電池 |
| CN110137546A (zh) * | 2018-02-09 | 2019-08-16 | 丰田自动车株式会社 | 燃料电池*** |
| TWI711212B (zh) * | 2017-10-25 | 2020-11-21 | 日商杰富意鋼鐵股份有限公司 | 燃料電池之分隔件用之不鏽鋼鋼板之製造方法 |
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|---|---|---|---|---|
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| WO2007022467A2 (en) * | 2005-08-19 | 2007-02-22 | Gibbard Research & Development Corp. | Mixed reactant fuel cell system with vapor recovery and method of recovering vapor |
| US7810319B2 (en) * | 2006-02-14 | 2010-10-12 | Ford Global Technologies, Llc | Catalytic device with fuel cell portion and catalytic conversion portion |
| US8691464B2 (en) * | 2007-05-25 | 2014-04-08 | Massachusetts Institute Of Technology | Three dimensional single-chamber fuel cells |
| US10886548B2 (en) | 2014-05-07 | 2021-01-05 | L3 Open Water Power, Inc. | Hydrogen management in electrochemical systems |
Family Cites Families (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4248941A (en) * | 1979-12-26 | 1981-02-03 | United Tecnologies Corporation | Solid electrolyte electrochemical cell |
| JPS61203572A (ja) * | 1985-03-06 | 1986-09-09 | Hitachi Ltd | 燃料電池 |
| US6232005B1 (en) * | 1997-11-20 | 2001-05-15 | General Motors Corporation | Fuel cell system combustor |
| ATE218754T1 (de) * | 1997-11-25 | 2002-06-15 | Sulzer Hexis Ag | Brennstoffzellenmodul mit integrierter zusatzheizung |
| AU4259001A (en) * | 2000-03-24 | 2001-10-08 | Scient Generics Ltd | Mixed reactant fuel cells with flow through porous electrodes |
| JP3860733B2 (ja) * | 2001-09-17 | 2006-12-20 | 新光電気工業株式会社 | 燃料電池 |
| US6699612B2 (en) * | 2001-12-26 | 2004-03-02 | Utc Fuel Cells, Llc | Fuel cell power plant having a reduced free water volume |
| US6733915B2 (en) * | 2001-12-27 | 2004-05-11 | E. I. Du Pont De Nemours And Company | Gas diffusion backing for fuel cells |
-
2002
- 2002-04-02 JP JP2002100036A patent/JP4227757B2/ja not_active Expired - Fee Related
-
2003
- 2003-03-29 DE DE60324350T patent/DE60324350D1/de not_active Expired - Lifetime
- 2003-03-29 EP EP03007211A patent/EP1353397B1/en not_active Expired - Fee Related
- 2003-03-31 US US10/401,738 patent/US7078120B2/en not_active Expired - Lifetime
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|---|---|---|---|---|
| EP1703576A2 (en) | 2005-03-14 | 2006-09-20 | Shinko Electric Industries Co., Ltd. | Power generating apparatus using solid oxide fuel cell |
| JP2006253090A (ja) * | 2005-03-14 | 2006-09-21 | Shinko Electric Ind Co Ltd | 固体酸化物型燃料電池 |
| US7659021B2 (en) | 2005-03-14 | 2010-02-09 | Shinko Electric Industries Co., Ltd. | Power generating apparatus using solid oxide fuel cell |
| JP2007087756A (ja) * | 2005-09-21 | 2007-04-05 | Toto Ltd | 固体酸化物型燃料電池 |
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| TWI711212B (zh) * | 2017-10-25 | 2020-11-21 | 日商杰富意鋼鐵股份有限公司 | 燃料電池之分隔件用之不鏽鋼鋼板之製造方法 |
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