単室型燃料電池
【課題】発電に供される複数の電極対を有する単室型燃料電池において、各電極対への反応ガスの配流性を向上する技術を提供する。
【解決手段】単室型燃料電池１００は、電解質１０がアノード２０とカソード３０とに挟持された複数の発電体１３０を空間的に連続した筐体部１１０に収容している。各発電体１３０は、互いに同じ電極同士が対向するように配置され、各電極間にガス流路部材４０が介装される。これにより、アノード２０に面したアノードガス流路と、カソード３０に面したカソードガス流路とが構成される。各発電体１３０は、反応ガスを誘導するための流路壁として機能し、各アノードガス流路に接続された各ガス供給口１０１から供給される水素と酸素とを含む反応ガスは、各発電体１３０の電極面に沿ってアノードガス流路からカソードガス流路へと誘導されてガス排出口１０２から排出される。
【解決手段】単室型燃料電池１００は、電解質１０がアノード２０とカソード３０とに挟持された複数の発電体１３０を空間的に連続した筐体部１１０に収容している。各発電体１３０は、互いに同じ電極同士が対向するように配置され、各電極間にガス流路部材４０が介装される。これにより、アノード２０に面したアノードガス流路と、カソード３０に面したカソードガス流路とが構成される。各発電体１３０は、反応ガスを誘導するための流路壁として機能し、各アノードガス流路に接続された各ガス供給口１０１から供給される水素と酸素とを含む反応ガスは、各発電体１３０の電極面に沿ってアノードガス流路からカソードガス流路へと誘導されてガス排出口１０２から排出される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池として、単室型燃料電池が知られている。単室型燃料電池は、電解質に配置されたアノード及びカソードが、空間的に連続した単室内に配置されており、当該単室内に反応ガスとして燃料ガスと酸化ガスとがともに供給されることにより発電する（特許文献１等）。
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−２４３４１２号公報
【特許文献２】特開２００５−１７４６６２号公報
【特許文献３】特開２００６−１１４３６８号公報
【特許文献４】特開２００７−３０５２９号公報
【０００４】
ところで、単室型燃料電池では、通常、単室内に設けられた複数組のアノード及びカソード（電極対）を直列または並列に接続し、各電極対ごとに発電された電気を集電して出力する。各電極対ごとの発電量を一定のレベルに保持するためにも、各電極対に対する反応ガスの配流性が向上されることが好ましい。
【０００５】
しかし、一般に、燃料ガスと酸化ガスとの重さが水素と酸素のように著しく異なる場合には、燃料ガスと酸化ガスとが単室内において互いに偏在してしまい、反応ガスの配流性が低下してしまう可能性がある。また、各電極対ごとの発電量に応じて消費されるガス量は異なるため、単室内に供給された反応ガスに含まれる燃料ガスと酸化ガスとの濃度比が、各電極対の配置される領域ごとに不均一となり、さらに反応ガスの配流性が低下してしまう可能性がある。特に、燃料ガスとして水素を用いる場合には、こうした反応ガスの配流性が低いほど、局所的に反応ガス中の水素濃度が水素の爆発限界を超えてしまう可能性が高くなる。これまで、こうした問題に対して十分な工夫がなされてこなかったのが実情であった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、発電に供される複数の電極対を有する単室型燃料電池において、各電極対への反応ガスの配流性を向上する技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００８】
［適用例１］
燃料ガスと酸化ガスとの供給を受けて発電する単室型燃料電池であって、電解質に配置される第１の電極と第２の電極とを含む複数組の電極対と、前記複数組の電極対を収納する空間的に連続した単室と、前記第１の電極に面して設けられた第１のガス流路と、前記第２の電極に面して設けられた第２のガス流路と、前記第１のガス流路と前記第２のガス流路との間に設けられた前記反応ガスを誘導するための流路壁と、前記第１のガス流路に接続され、前記燃料ガスと前記酸化ガスとを反応ガスとして供給するための複数のガス供給口と、前記第２のガス流路に接続され、反応に供されることのなかったガスを含む排ガスを排出するための複数のガス排出口とを備え、前記反応ガスは、前記流路壁に沿って前記第１のガス流路から前記第２のガス流路へと誘導される、単室型燃料電池。
この単室型燃料電池によれば、各ガス供給口から各電極対ごとに第１の電極に面した第１のガス流路へと反応ガスが供給され、第１のガス流路から第２のガス流路へと反応ガスが順に誘導される。これによって、単室内における反応ガスの流れが整流され、単室内において燃料ガスと酸化ガスとが互いに偏在してしまうことを抑制できる。従って、発電に供される複数の電極対を有する単室型燃料電池において、各電極対への反応ガスの配流性を向上することができる。
【０００９】
［適用例２］
適用例１に記載の単室型燃料電池であって、前記電解質は複数の電解質を含み、前記複数の電解質はそれぞれ、前記第１の電極と前記第２の電極によって挟持されて複数の発電体を構成し、前記複数の発電体のそれぞれは、前記単室内において前記１の電極同士又は前記第２の電極同士が対向し合うように並列に配置され、前記複数の発電体のそれぞれが前記流路壁として機能する、単室型燃料電池。
この単室型燃料電池によれば、各発電体の配置構成により容易に単室内にガス流路を構成でき、反応ガスの流れを整流することができる。従って、発電に供される複数の発電体を有する単室型燃料電池において、各発電体への反応ガスの配流性を向上することができる。
【００１０】
［適用例３］
適用例１または適用例２に記載の単室型燃料電池であって、前記燃料ガスは水素を含み、前記反応ガスは、爆発下限界値以下の水素濃度で前記単室内に供給され、前記第１の電極はアノードとして機能し、前記第２の電極はカソードとして機能する、単室型燃料電池。
この単室型燃料電池によれば、各発電体への反応ガスの配流性を向上させるとともに、水素をアノードガス流路で酸素より先に消費させるため、単室内において局所的に水素濃度が水素の爆発下限界値よりも大きくなってしまうことを抑制できる。
【００１１】
［適用例４］
適用例１または適用例２に記載の単室型燃料電池であって、前記燃料ガスは水素を含み、前記反応ガスは、爆発上限界値以上の水素濃度で前記単室内に供給され、前記第１の電極はカソードとして機能し、前記第２の電極はアノードとして機能する、単室型燃料電池。
この単室型燃料電池によれば、各発電体への反応ガスの配流性を向上させるとともに、酸素をカソードガス流路で水素よりも先に消費させるため、単室内において局所的に水素濃度が水素の爆発上限界値よりも小さくなってしまうことを抑制できる。
【００１２】
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池、その燃料電池を備えた燃料電池システム、その燃料電池システムを搭載した車両等の形態で実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
A．第１実施例：
図１は本発明の一実施例としての燃料電池システムの構成を示す概略図である。この燃料電池システム１０００は、水素と空気との混合ガスを反応ガスとして単室型燃料電池１００（後述）に供給して、単室型燃料電池１００の発電電力を出力する発電システムである。燃料電池システム１０００は、単室型燃料電池１００と、水素タンク２００と、エアコンプレッサ３００とを備える。
【００１４】
水素タンク２００とエアコンプレッサ３００とは、配管２１０，３１０，４００を介して単室型燃料電池１００と接続される。具体的には、以下のような構成で接続される。水素タンク２００は水素配管２１０と接続され、エアコンプレッサ３００は空気配管３１０と接続される。水素配管２１０と空気配管３１０とはその下流側が混合ガス配管４００の上流側の同一端部に接続される。混合ガス配管４００は、下流側が複数の分岐配管４０２に分岐しており、各分岐配管４０２が、単室型燃料電池１００に設けられた複数のガス供給口１０１に接続される。この構成により、単室型燃料電池１００には、複数のガス供給口１０１を介して、水素タンク２００に貯蔵された水素とエアコンプレッサ３００が出力する高圧空気との混合ガスが供給される。
【００１５】
単室型燃料電池１００は、さらに、ガス排出配管４１０と接続されている。具体的には、単室型燃料電池１００に設けられた複数のガス排出口１０２と、ガス排出配管４１０の複数の分岐配管４１２とが接続される。このガス排出配管４１０を介して、単室型燃料電池１００で燃料電池反応に供されることのなかった排ガスや、燃料電池反応によって生成された水分が外部へと排出される。
【００１６】
なお、水素配管２１０の上流側には水素遮断弁２１１が設けられ、その下流側には水素の圧力を調整するための圧力調整弁２１２が設けられている。一方、空気配管３１０には、高圧空気の圧力を調整するための圧力調整弁３１１が設けられている。また、ガス排出配管４１０には遮断弁４１４が設けられている。この燃料電池システム１０００の制御部（図示せず）は、これらのバルブ２１１，２１２，３１１，４１４の開閉動作を制御することによって、混合ガスの混合比や供給量、排ガスの流れなどを制御することができる。
【００１７】
ところで、水素と酸素との混合気体は点火により爆発的な燃焼を発生する可能性があることが知られている。水素が他の気体と混合された場合に、水素が爆発的に燃焼する可能性が著しく高くなる水素濃度の範囲を一般に「水素の爆発限界」と呼ぶ。単室型燃料電池１００に供給される反応ガスの水素濃度は、水素の爆発限界から外れていることが好ましい。
【００１８】
図２は、水素の爆発限界を説明するための説明図であり、水素濃度を示す数直線に水素の爆発限界を図示してある。この数直線上に示された２つのハッチング領域Ａ１，Ａ２は、水素が爆発的に燃焼する可能性が低い濃度範囲を示しており、２つのハッチング領域Ａ１，Ａ２に挟まれた水素濃度の範囲が水素の爆発限界を示している。本明細書では、水素の爆発限界の２つの境界値ｘ１，ｘ２（ｘ１＜ｘ２）をそれぞれ、「爆発下限界値」及び「爆発上限界値」と呼ぶ。なお、一般に、空気中での水素の爆発限界は、２０℃、１気圧で、爆発下限界値が約４％であり、爆発上限界値が約７５％である。本実施例では、反応ガスの水素濃度を０％〜爆発下限界値ｘ１の範囲内の濃度ｄ１（０＜ｄ１≦ｘ１）で単室型燃料電池１００に供給する。
【００１９】
図３は、単室型燃料電池１００の構成を示す分解斜視図であり、単室型燃料電池１００の本体部１２０と、本体部１２０を収容する筐体部１１０とを便宜上分離して図示した図である。図３には、説明の便宜のために、互いに直交する３軸（ｘ軸，ｙ軸，ｚ軸）を図示してある。なお、紙面に向かって上下方向に沿った方向がｚ軸方向と一致する。
【００２０】
筐体部１１０は略直方体の中空の部材である。筐体部１１０は、ｘ−ｙ平面と平行な図に示されない底面が開口した開口部１１１を有する。筐体部１１０は、その開口部１１１から本体部１２０を収容することができる。筐体部１１０のｘ−ｚ平面と平行な２つの面のうちの１つの側面１１２には、反応ガスのための複数のガス供給口１０１と複数のガス排出口１０２とが交互に一列に設けられている。以下、この側面１１２を「配管接続面１１２」と呼ぶ。
【００２１】
本体部１２０は、複数の発電体１３０と、複数のガス流路部材４０と、固定基板１４０とを備える。複数の発電体１３０はそれぞれ、薄膜状の電解質１０と２つの電極（アノード２０とカソード３０）を備える。電解質１０は、アノード２０及びカソード３０によって挟持されている。電解質１０としては、例えば、イットリア安定化ジルコニアなどのジルコニア系固体電解質を用いることができる。各発電体１３０は、固定基板１４０（後述）に設けられた配線（図示せず）により互いに電気的に接続されている。
【００２２】
図４は、発電中の各発電体１３０における燃料電池反応及び各発電体の電気的な接続を説明するための説明図である。図４には、図３のｚ軸方向に沿って見たときの各発電体１３０が模式的に示してある。
【００２３】
各発電体１３０のアノード２０及びカソード３０にはそれぞれ、電解質１０と接触する面側に燃料電池反応を促進するための触媒が担持された触媒層が形成されている（図示せず）。アノード２０及びカソード３０に担持されている触媒は、それぞれ触媒活性が異なるため、各電極２０，３０に水素及び酸素の混合ガス（反応ガス）が供給されると、下記反応式（ａ），（ｂ）に示す燃料電池反応が各電極２０，３０で促進される。
アノード：Ｈ2＋Ｏ2-→Ｈ2Ｏ＋２ｅ- …（ａ）
カソード：１／２Ｏ2＋２ｅ-→Ｏ2- …（ｂ）
なお、酸素イオンは、各発電体１３０において電解質１０の内部をカソード３０からアノード２０へ向かって伝導する。各電極２０，３０は、直流電源ラインＤＣＬに並列に接続されており、各発電体１３０で発電された電気が集電されて直流電源ラインＤＣＬを介して外部負荷２０００へと出力される。
【００２４】
ガス流路部材４０（図３）は、単室型燃料電池１００に供給された反応ガスの流路として機能する部材である。ガス流路部材４０は、供給された反応ガスを、その厚み方向および面に沿った方向に拡散・透過することができるガス透過性を有する板状部材である。ガス流路部材４０は各発電体１３０の間に介装され、本体部１２０が筐体部１１０に収容されたときに、ガス供給口１０１又はガス排出口１０２と直接的に接続する。これにより、ガス流路部材４０は、反応ガスを発電体１３０の各電極２０，３０の全面に渡って供給する。ガス流路部材４０としては、例えば、カーボンペーパや発泡金属などの多孔質部材や、いわゆるエキスパンドメタルやパンチングメタルなどの加工部材などによって構成できる。
【００２５】
固定基板１４０は、単室型燃料電池１００の底面部を構成する板状部材であり、その面積は筐体部１１０の開口部１１１とほぼ一致する。固定基板１４０の面上には、各発電体１３０とガス流路部材４０とが交互に積層された積層体１５０がその積層方向を図中のｘ軸方向として固定的に配置される。なお、本体部１２０が筐体部１１０に収容されたときに、積層体１５０と筐体部１１０の配管接続面１１２に対向する面１１３（以後、「配管対向面１１３」と呼ぶ）との間には空隙１６０が生じる。この空隙１６０は各ガス流路部材４０の端面に面しており、各ガス流路部材４０からの反応ガスが集合するガス流路として機能する。以後、この空隙１６０を「集合ガス流路１６０」と呼ぶ。なお、集合ガス流路１６０にもガス流路部材が配置されるものとしても良い。
【００２６】
図５は、単室型燃料電池１００の内部における反応ガスの流れを説明するための説明図である。図５は、図３のｚ軸方向に沿って単室型燃料電池１００を見たときの概略断面図であり、便宜上、ガス流路部材４０の図示が省略されている。なお、図５には、図３のｘ軸、ｙ軸、ｚ軸に対応するｘ軸、ｙ軸、ｚ軸が図示してある。
【００２７】
図中の矢印に示すように、ガス供給口１０１から供給された反応ガスは、まず、アノード２０に面した流路（以後、「アノードガス流路」と呼ぶ）を通過する。その後、集合ガス流路１６０を介してカソード３０に面した流路（以後、「カソードガス流路」と呼ぶ）へと流入し、各ガス排出口１０２から外部へと排出される。即ち、この単室型燃料電池１００では、アノードガス流路とカソードガス流路とが各発電体１３０によって区分けられており、各発電体１３０が反応ガスを誘導するための流路壁として機能していると解釈することができる。
【００２８】
図６は、比較例としての単室型燃料電池１００ａを説明するための概略断面図である。図６は、筐体部１１０にガス供給口１０１ａ及びガス排出口１０２ａが側面１１２，１１３にそれぞれ１つずつ設けられており、各発電体１３０が配管接続面１１２から離れて配置されている点以外は、ほぼ図５と同じである。
【００２９】
この単室型燃料電池１００ａでは、図中の矢印に示すように、反応ガスは、ガス供給口１０１ａから流入した後に各発電体１３０ごとのアノードガス流路またはカソードガス流路へと分流する。この単室型燃料電池１００ａでは、各発電体１３０Ｄとガス供給口１０１ａとの間の距離がそれぞれ異なるため、筐体部１１０の内部で重量の軽い水素と重量の重い酸素との移動度の相違から互いに偏在してしまう可能性が高い。また、この単室型燃料電池１００ａでは、各発電体１３０ごとの反応ガスの消費量の差異により、各発電体１３０が配置された領域ごとに反応ガス中の水素と酸素との濃度比が不均一となってしまう可能性が高い。
【００３０】
即ち、本実施例の単室型燃料電池１００に比較して、この単室型燃料電池１００ａでは、各発電体１３０Ｄに対する反応ガスの配流性が低い。反応ガスの配流性が低いほど、各発電体１３０の発電量が不均一となり、発電効率の低下の原因となる。また、反応ガスの配流性の低下が著しい場合には、筐体部１１０内部において局所的に水素濃度が爆発限界を超えてしまう可能性が高くなる。
【００３１】
しかし、本実施例の単室型燃料電池１００（図５）の構成によれば、各発電体１３０ごとにガス供給口１０１からアノードガス流路に直接的に反応ガスが供給されるため、各発電体１３０に対する反応ガスの配流性が向上している。また、本実施例の単室型燃料電池１００では、各発電体１３０ごとにガス流路の上流側（即ち、アノードガス流路）で水素が酸素より先に消費される。即ち、反応ガス中の水素濃度は、アノードガス流路において、供給時よりさらに低下することとなる。従って、本実施例のように、爆発下限界値ｘ１より小さい水素濃度ｄ１の反応ガスが供給される場合（図２）、反応ガス中の水素の濃度がその流路において爆発下限値ｘ１より大きくなってしまう可能性が低減される。即ち、単室型燃料電池１００の内部で水素が爆発的に燃焼してしまう危険性が低減する。
【００３２】
このように、本実施例の単室型燃料電池１００によれば、各発電体１３０への反応ガスの配流性を向上できる。また、単室型燃料電池１００の内部において水素と酸素の濃度比の不均一性が増大することを抑制でき、単室型燃料電池１００の内部で局所的に反応ガス中の水素濃度が爆発限界を超えてしまうことを抑制できる。
【００３３】
B．第２実施例：
図７は本発明の第２実施例としての燃料電池システムの構成を示す概略図である。図７は、ガス供給口１０１とガス排出口１０２との配置が入れ替わっている点と、水素分離膜４１６と水素循環配管４２０とが追加されている点以外はほぼ図１と同じである。
【００３４】
水素分離膜４１６はガス排出配管４１０と接続されている。水素分離膜４１６は、ガス排出配管４１０から流入した排ガス中の水素を分離して水素以外の他のガスを大気中へと排出する。水素分離膜４１６は、さらに、水素循環配管４２０と接続されており、排ガスから分離した水素を水素循環配管４２０へと誘導する。水素循環配管４２０は、水素配管２１０に接続されており、排ガスから分離された水素を供給側へと循環させる。なお、水素循環配管４２０には、水素の逆流を防止するための逆止弁４２２が設けられている。
【００３５】
ところで、この燃料電池システム１０００Ｂでは、反応ガス中の水素濃度を図２で説明した爆発上限界値ｘ２〜１００％の範囲内である濃度ｄ２で単室型燃料電池１００に供給する。このように高い水素濃度で反応ガスが供給されるため、排ガス中の水素濃度も高くなる。そのため、この第２実施例では、上述した水素の循環流路を設けて、水素の利用効率を向上させるとともに、水素利用の安全性を向上させている。
【００３６】
図８は、第２実施例の単室型燃料電池１００Ｂの内部における反応ガスの流れを説明するための説明図である。図８は、ガス供給口１０１とガス排出口１０２との配置が入れ替わっており、反応ガスがカソード３０に面した流路に供給されてアノード２０に面した流路から排出されている点以外は、ほぼ図５と同じである。このように、供給時の反応ガス中の水素濃度が爆発上限界値ｘ２より高い場合には、カソード３０において先に酸素を消費させることにより、反応ガスの水素濃度が、その流路において爆発上限界値ｘ２より小さくなってしまうことを抑制できる。
【００３７】
このように、第２実施例の単室型燃料電池１００Ｂによれば、第１実施例と同様に各発電体１３０への反応ガスの配流性が向上されるとともに、局所的に反応ガス中の水素濃度が爆発上限界値より小さくなってしまうことを抑制できる。
【００３８】
C．第３実施例：
図９（Ａ），（Ｂ）は、本発明の第３実施例としての単室型燃料電池１００Ｃの構成を示す概略断面図である。図９（Ａ），（Ｂ）には、図８と同様に互いに直交する３軸（ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸）を図示してある。図９（Ａ）は、単室型燃料電池１００Ｃを図中のｙ軸方向に沿って見たときの概略断面図であり、図９（Ｂ）は、単室型燃料電池１００Ｃをｚ軸方向に沿って見たときの概略断面図である。なお、この単室型燃料電池１００Ｃは、以下に特に説明を付する点以外は、第１実施例で説明した単室型燃料電池１００と同様であり、第１実施例で説明した燃料電池システム１０００で用いることが可能である。
【００３９】
この単室型燃料電池１００Ｃでは、１つの薄膜状の電解質１０Ｃの一方の面上に複数組の略長方形のアノード２０およびカソード３０が配置されている。具体的には、各電極２０，３０は、電解質１０Ｃ上において、ｙ軸方向を長辺方向として、交互にｘ軸方向に並列に配置されている（図９（Ｂ））。このような構成であっても、各電極２０，３０に水素と酸素とを含む反応ガスが供給されると、電解質１０Ｃの内部を酸素イオンがカソード３０からアノード２０に向かって伝導することにより発電反応が生じる。
【００４０】
電解質１０Ｃおよび２つの電極２０，３０は、中空の略直方体である筐体部１１０に収容されるが、筐体部１１０には、各電極２０，３０の配置領域をそれぞれ区分けるための隔壁１１４が設けられている。筐体部１１０のｘ−ｚ平面に平行な配管接続面１１２には、隔壁１１４によって区分けられた各電極２０，３０の配置領域ごとにガス供給口１０１及びガス排出口１０２が、ｘ軸方向に交互に設けられている。なお、各隔壁１１４は、配管接続面１１２とは連接されているが、配管対向面１１３とは連接されていない。これによって、第１実施例の単室型燃料電池１００と同様に、ガス供給口１０１に接続するアノードガス流路と、ガス排出口１０２に接続するカソードガス流路と、アノードガス流路及びカソードガス流路に接続する集合ガス流路１６０とが形成される。
【００４１】
単室型燃料電池１００Ｃの構成によれば、発電に供される各電極対（１組のアノード２０とカソード３０）に対する反応ガスの配流性を向上できる。また、局所的に反応ガス中の水素濃度が水素の爆発限界を超えてしまうことを抑制できる。
【００４２】
D．第４実施例：
図１０（Ａ），（Ｂ）は、本発明の第４実施例としての単室型燃料電池１００Ｄの構成を示す概略図である。図１０（Ａ），（Ｂ）には、図９（Ａ），（Ｂ）と同様に、互いに直交する３軸が図示してある。図１０（Ａ）は、単室型燃料電池１００Ｄを図中のｚ軸方向に沿って見たときの概略断面図であり、図１０（Ｂ）は、単室型燃料電池１００Ｄをｙ軸方向に沿って見たときの概略断面図である。なお、この単室型燃料電池１００Ｄは、以下に特に説明を付する点以外は、第３実施例で説明した単室型燃料電池１００Ｃと同様である。
【００４３】
この単室型燃料電池１００Ｄは複数の円筒形状の発電体１３０Ｄが中空の略直方体の筐体部１１０に収容されている。発電体１３０Ｄは、円筒形状の電解質１０の内周面を被覆するようにアノード２０が設けられ、その外周面を被覆するようにカソード３０が設けられている。各発電体１３０Ｄは、各ガス供給口１０１がアノード２０に囲まれ、各ガス排出口１０２が各発電体１３０Ｄの外周側に存在するように、筐体部１１０の配管接続面１１２に接触して配置される。即ち、各発電体１３０Ｄの内周側がアノードガス流路を構成し、外周側がカソードガス流路を構成する。なお、各発電体１３０Ｄの端部と配管対向面１１３との間には空隙が設けられており、集合ガス流路１６０を構成する。
【００４４】
このような構成により、この単室型燃料電池１００Ｄでも、各発電体１３０Ｄごとにガス供給口１０１から反応ガスが供給され、各発電体１３０Ｄが流路壁として機能して反応ガスの流れが整流される。これによって、各発電体１３０Ｄへの反応ガスの配流性を向上させることができる。また、局所的に反応ガス中の水素濃度が水素の爆発限界を超えてしまうことを抑制できる。
【００４５】
E．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００４６】
E1．変形例１：
上記実施例において、ガス排出口１０２は各発電体１３０ごとに設けられていたが、ガス排出口１０２は、各発電体１３０ごとに設けられていなくとも良い。例えば、ガス排出口１０２は、配管対向面１１３に１つのみ設けられているものとしても良い。ただし、各発電体１３０の各電極２０，３０に対応してガス供給口１０１又はガス排出口１０２が設けられていれば、上記実施例のように、アノードガス流路にもカソードガス流路にも良好にガスを誘導することが可能となるため好ましい。
【００４７】
E2．変形例２：
上記実施例において、反応ガスとして水素及び高圧空気が単室型燃料電池１００に供給されていたが、他のガスが供給されるものとしても良い。例えば、水素に換えて炭化水素ガスが供給されるものとしても良い。この場合には、アノード２０には、炭化水素の改質反応を促進する触媒が担持されることが好ましい。
【００４８】
さらに、上記実施例の単室型燃料電池１００では、燃料ガスと酸化ガスとが混合されてガス供給口１０１から供給されていたが、燃料ガスと酸化ガスとがそれぞれ別々の供給口から供給されるものとしても良い。
【００４９】
E3．変形例３：
上記実施例において、各発電体１３０は、電気的に並列に接続されていたが、直列に接続されるものとしても良い。
【００５０】
E4．変形例４：
上記第３実施例及び第４実施例の単室型燃料電池１００Ｃ，１００Ｄでは、第１実施例の単室型燃料電池１００と同様に、水素濃度ｄ１の反応ガスが供給される燃料電池システム１０００に用いられていた。しかし、単室型燃料電池１００Ｃ，１００Ｄのガス供給口１０１とガス排出口１０２とを入れ替えることにより、第２実施例で説明した燃料電池システム１０００Ｂに単室型燃料電池１００Ｃ，１００Ｄを用いることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】第１実施例の燃料電池システムの構成を示す概略図。
【図２】水素の爆発限界を説明するための説明図。
【図３】単室型燃料電池の概略構成を示す分解斜視図。
【図４】単室型燃料電池の各発電体の電気的な接続を示す説明図。
【図５】第１実施例の単室型燃料電池内部における反応ガスの流れを示す説明図。
【図６】比較例の単室型燃料電池内部における反応ガスの流れを示す説明図。
【図７】第２実施例の燃料電池システムの構成を示す概略図。
【図８】第２実施例の単室型燃料電池内部における反応ガスの流れを示す説明図。
【図９】第３実施例の単室型燃料電池の構成及びその内部における反応ガスの流れを示す説明図。
【図１０】第４実施例の単室型燃料電池の構成及びその内部における反応ガスの流れを示す説明図。
【符号の説明】
【００５２】
１０，１０Ｃ…電解質
２０…アノード
３０…カソード
４０…ガス流路部材
１００，１００ａ，１００Ｂ，１００Ｃ，１００Ｄ…単室型燃料電池
１０１，１０１ａ…ガス供給口
１０２，１０２ａ…ガス排出口
１１０…筐体部
１１１…開口部
１１２…配管接続面
１１３…配管対向面
１１４…隔壁
１２０…本体部
１３０，１３０Ｄ…発電体
１４０…固定基板
１５０…積層体
１６０…集合ガス流路
２００…水素タンク
２１０…水素配管
２１１，２１２，３１１，４１４…バルブ
３００…エアコンプレッサ
３１０…空気配管
４００…混合ガス配管
４０２…分岐配管
４１０…ガス排出配管
４１２…分岐配管
４１６…水素分離膜
４２０…水素循環配管
４２２…逆止弁
１０００，１０００Ｂ…燃料電池システム
２０００…外部負荷
Ａ１，Ａ２…ハッチング領域
ＤＣＬ…直流電源ライン
ｄ１，ｄ２…水素濃度
ｘ１，ｘ２…水素爆発限界値
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池として、単室型燃料電池が知られている。単室型燃料電池は、電解質に配置されたアノード及びカソードが、空間的に連続した単室内に配置されており、当該単室内に反応ガスとして燃料ガスと酸化ガスとがともに供給されることにより発電する（特許文献１等）。
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−２４３４１２号公報
【特許文献２】特開２００５−１７４６６２号公報
【特許文献３】特開２００６−１１４３６８号公報
【特許文献４】特開２００７−３０５２９号公報
【０００４】
ところで、単室型燃料電池では、通常、単室内に設けられた複数組のアノード及びカソード（電極対）を直列または並列に接続し、各電極対ごとに発電された電気を集電して出力する。各電極対ごとの発電量を一定のレベルに保持するためにも、各電極対に対する反応ガスの配流性が向上されることが好ましい。
【０００５】
しかし、一般に、燃料ガスと酸化ガスとの重さが水素と酸素のように著しく異なる場合には、燃料ガスと酸化ガスとが単室内において互いに偏在してしまい、反応ガスの配流性が低下してしまう可能性がある。また、各電極対ごとの発電量に応じて消費されるガス量は異なるため、単室内に供給された反応ガスに含まれる燃料ガスと酸化ガスとの濃度比が、各電極対の配置される領域ごとに不均一となり、さらに反応ガスの配流性が低下してしまう可能性がある。特に、燃料ガスとして水素を用いる場合には、こうした反応ガスの配流性が低いほど、局所的に反応ガス中の水素濃度が水素の爆発限界を超えてしまう可能性が高くなる。これまで、こうした問題に対して十分な工夫がなされてこなかったのが実情であった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、発電に供される複数の電極対を有する単室型燃料電池において、各電極対への反応ガスの配流性を向上する技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００８】
［適用例１］
燃料ガスと酸化ガスとの供給を受けて発電する単室型燃料電池であって、電解質に配置される第１の電極と第２の電極とを含む複数組の電極対と、前記複数組の電極対を収納する空間的に連続した単室と、前記第１の電極に面して設けられた第１のガス流路と、前記第２の電極に面して設けられた第２のガス流路と、前記第１のガス流路と前記第２のガス流路との間に設けられた前記反応ガスを誘導するための流路壁と、前記第１のガス流路に接続され、前記燃料ガスと前記酸化ガスとを反応ガスとして供給するための複数のガス供給口と、前記第２のガス流路に接続され、反応に供されることのなかったガスを含む排ガスを排出するための複数のガス排出口とを備え、前記反応ガスは、前記流路壁に沿って前記第１のガス流路から前記第２のガス流路へと誘導される、単室型燃料電池。
この単室型燃料電池によれば、各ガス供給口から各電極対ごとに第１の電極に面した第１のガス流路へと反応ガスが供給され、第１のガス流路から第２のガス流路へと反応ガスが順に誘導される。これによって、単室内における反応ガスの流れが整流され、単室内において燃料ガスと酸化ガスとが互いに偏在してしまうことを抑制できる。従って、発電に供される複数の電極対を有する単室型燃料電池において、各電極対への反応ガスの配流性を向上することができる。
【０００９】
［適用例２］
適用例１に記載の単室型燃料電池であって、前記電解質は複数の電解質を含み、前記複数の電解質はそれぞれ、前記第１の電極と前記第２の電極によって挟持されて複数の発電体を構成し、前記複数の発電体のそれぞれは、前記単室内において前記１の電極同士又は前記第２の電極同士が対向し合うように並列に配置され、前記複数の発電体のそれぞれが前記流路壁として機能する、単室型燃料電池。
この単室型燃料電池によれば、各発電体の配置構成により容易に単室内にガス流路を構成でき、反応ガスの流れを整流することができる。従って、発電に供される複数の発電体を有する単室型燃料電池において、各発電体への反応ガスの配流性を向上することができる。
【００１０】
［適用例３］
適用例１または適用例２に記載の単室型燃料電池であって、前記燃料ガスは水素を含み、前記反応ガスは、爆発下限界値以下の水素濃度で前記単室内に供給され、前記第１の電極はアノードとして機能し、前記第２の電極はカソードとして機能する、単室型燃料電池。
この単室型燃料電池によれば、各発電体への反応ガスの配流性を向上させるとともに、水素をアノードガス流路で酸素より先に消費させるため、単室内において局所的に水素濃度が水素の爆発下限界値よりも大きくなってしまうことを抑制できる。
【００１１】
［適用例４］
適用例１または適用例２に記載の単室型燃料電池であって、前記燃料ガスは水素を含み、前記反応ガスは、爆発上限界値以上の水素濃度で前記単室内に供給され、前記第１の電極はカソードとして機能し、前記第２の電極はアノードとして機能する、単室型燃料電池。
この単室型燃料電池によれば、各発電体への反応ガスの配流性を向上させるとともに、酸素をカソードガス流路で水素よりも先に消費させるため、単室内において局所的に水素濃度が水素の爆発上限界値よりも小さくなってしまうことを抑制できる。
【００１２】
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池、その燃料電池を備えた燃料電池システム、その燃料電池システムを搭載した車両等の形態で実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
A．第１実施例：
図１は本発明の一実施例としての燃料電池システムの構成を示す概略図である。この燃料電池システム１０００は、水素と空気との混合ガスを反応ガスとして単室型燃料電池１００（後述）に供給して、単室型燃料電池１００の発電電力を出力する発電システムである。燃料電池システム１０００は、単室型燃料電池１００と、水素タンク２００と、エアコンプレッサ３００とを備える。
【００１４】
水素タンク２００とエアコンプレッサ３００とは、配管２１０，３１０，４００を介して単室型燃料電池１００と接続される。具体的には、以下のような構成で接続される。水素タンク２００は水素配管２１０と接続され、エアコンプレッサ３００は空気配管３１０と接続される。水素配管２１０と空気配管３１０とはその下流側が混合ガス配管４００の上流側の同一端部に接続される。混合ガス配管４００は、下流側が複数の分岐配管４０２に分岐しており、各分岐配管４０２が、単室型燃料電池１００に設けられた複数のガス供給口１０１に接続される。この構成により、単室型燃料電池１００には、複数のガス供給口１０１を介して、水素タンク２００に貯蔵された水素とエアコンプレッサ３００が出力する高圧空気との混合ガスが供給される。
【００１５】
単室型燃料電池１００は、さらに、ガス排出配管４１０と接続されている。具体的には、単室型燃料電池１００に設けられた複数のガス排出口１０２と、ガス排出配管４１０の複数の分岐配管４１２とが接続される。このガス排出配管４１０を介して、単室型燃料電池１００で燃料電池反応に供されることのなかった排ガスや、燃料電池反応によって生成された水分が外部へと排出される。
【００１６】
なお、水素配管２１０の上流側には水素遮断弁２１１が設けられ、その下流側には水素の圧力を調整するための圧力調整弁２１２が設けられている。一方、空気配管３１０には、高圧空気の圧力を調整するための圧力調整弁３１１が設けられている。また、ガス排出配管４１０には遮断弁４１４が設けられている。この燃料電池システム１０００の制御部（図示せず）は、これらのバルブ２１１，２１２，３１１，４１４の開閉動作を制御することによって、混合ガスの混合比や供給量、排ガスの流れなどを制御することができる。
【００１７】
ところで、水素と酸素との混合気体は点火により爆発的な燃焼を発生する可能性があることが知られている。水素が他の気体と混合された場合に、水素が爆発的に燃焼する可能性が著しく高くなる水素濃度の範囲を一般に「水素の爆発限界」と呼ぶ。単室型燃料電池１００に供給される反応ガスの水素濃度は、水素の爆発限界から外れていることが好ましい。
【００１８】
図２は、水素の爆発限界を説明するための説明図であり、水素濃度を示す数直線に水素の爆発限界を図示してある。この数直線上に示された２つのハッチング領域Ａ１，Ａ２は、水素が爆発的に燃焼する可能性が低い濃度範囲を示しており、２つのハッチング領域Ａ１，Ａ２に挟まれた水素濃度の範囲が水素の爆発限界を示している。本明細書では、水素の爆発限界の２つの境界値ｘ１，ｘ２（ｘ１＜ｘ２）をそれぞれ、「爆発下限界値」及び「爆発上限界値」と呼ぶ。なお、一般に、空気中での水素の爆発限界は、２０℃、１気圧で、爆発下限界値が約４％であり、爆発上限界値が約７５％である。本実施例では、反応ガスの水素濃度を０％〜爆発下限界値ｘ１の範囲内の濃度ｄ１（０＜ｄ１≦ｘ１）で単室型燃料電池１００に供給する。
【００１９】
図３は、単室型燃料電池１００の構成を示す分解斜視図であり、単室型燃料電池１００の本体部１２０と、本体部１２０を収容する筐体部１１０とを便宜上分離して図示した図である。図３には、説明の便宜のために、互いに直交する３軸（ｘ軸，ｙ軸，ｚ軸）を図示してある。なお、紙面に向かって上下方向に沿った方向がｚ軸方向と一致する。
【００２０】
筐体部１１０は略直方体の中空の部材である。筐体部１１０は、ｘ−ｙ平面と平行な図に示されない底面が開口した開口部１１１を有する。筐体部１１０は、その開口部１１１から本体部１２０を収容することができる。筐体部１１０のｘ−ｚ平面と平行な２つの面のうちの１つの側面１１２には、反応ガスのための複数のガス供給口１０１と複数のガス排出口１０２とが交互に一列に設けられている。以下、この側面１１２を「配管接続面１１２」と呼ぶ。
【００２１】
本体部１２０は、複数の発電体１３０と、複数のガス流路部材４０と、固定基板１４０とを備える。複数の発電体１３０はそれぞれ、薄膜状の電解質１０と２つの電極（アノード２０とカソード３０）を備える。電解質１０は、アノード２０及びカソード３０によって挟持されている。電解質１０としては、例えば、イットリア安定化ジルコニアなどのジルコニア系固体電解質を用いることができる。各発電体１３０は、固定基板１４０（後述）に設けられた配線（図示せず）により互いに電気的に接続されている。
【００２２】
図４は、発電中の各発電体１３０における燃料電池反応及び各発電体の電気的な接続を説明するための説明図である。図４には、図３のｚ軸方向に沿って見たときの各発電体１３０が模式的に示してある。
【００２３】
各発電体１３０のアノード２０及びカソード３０にはそれぞれ、電解質１０と接触する面側に燃料電池反応を促進するための触媒が担持された触媒層が形成されている（図示せず）。アノード２０及びカソード３０に担持されている触媒は、それぞれ触媒活性が異なるため、各電極２０，３０に水素及び酸素の混合ガス（反応ガス）が供給されると、下記反応式（ａ），（ｂ）に示す燃料電池反応が各電極２０，３０で促進される。
アノード：Ｈ2＋Ｏ2-→Ｈ2Ｏ＋２ｅ- …（ａ）
カソード：１／２Ｏ2＋２ｅ-→Ｏ2- …（ｂ）
なお、酸素イオンは、各発電体１３０において電解質１０の内部をカソード３０からアノード２０へ向かって伝導する。各電極２０，３０は、直流電源ラインＤＣＬに並列に接続されており、各発電体１３０で発電された電気が集電されて直流電源ラインＤＣＬを介して外部負荷２０００へと出力される。
【００２４】
ガス流路部材４０（図３）は、単室型燃料電池１００に供給された反応ガスの流路として機能する部材である。ガス流路部材４０は、供給された反応ガスを、その厚み方向および面に沿った方向に拡散・透過することができるガス透過性を有する板状部材である。ガス流路部材４０は各発電体１３０の間に介装され、本体部１２０が筐体部１１０に収容されたときに、ガス供給口１０１又はガス排出口１０２と直接的に接続する。これにより、ガス流路部材４０は、反応ガスを発電体１３０の各電極２０，３０の全面に渡って供給する。ガス流路部材４０としては、例えば、カーボンペーパや発泡金属などの多孔質部材や、いわゆるエキスパンドメタルやパンチングメタルなどの加工部材などによって構成できる。
【００２５】
固定基板１４０は、単室型燃料電池１００の底面部を構成する板状部材であり、その面積は筐体部１１０の開口部１１１とほぼ一致する。固定基板１４０の面上には、各発電体１３０とガス流路部材４０とが交互に積層された積層体１５０がその積層方向を図中のｘ軸方向として固定的に配置される。なお、本体部１２０が筐体部１１０に収容されたときに、積層体１５０と筐体部１１０の配管接続面１１２に対向する面１１３（以後、「配管対向面１１３」と呼ぶ）との間には空隙１６０が生じる。この空隙１６０は各ガス流路部材４０の端面に面しており、各ガス流路部材４０からの反応ガスが集合するガス流路として機能する。以後、この空隙１６０を「集合ガス流路１６０」と呼ぶ。なお、集合ガス流路１６０にもガス流路部材が配置されるものとしても良い。
【００２６】
図５は、単室型燃料電池１００の内部における反応ガスの流れを説明するための説明図である。図５は、図３のｚ軸方向に沿って単室型燃料電池１００を見たときの概略断面図であり、便宜上、ガス流路部材４０の図示が省略されている。なお、図５には、図３のｘ軸、ｙ軸、ｚ軸に対応するｘ軸、ｙ軸、ｚ軸が図示してある。
【００２７】
図中の矢印に示すように、ガス供給口１０１から供給された反応ガスは、まず、アノード２０に面した流路（以後、「アノードガス流路」と呼ぶ）を通過する。その後、集合ガス流路１６０を介してカソード３０に面した流路（以後、「カソードガス流路」と呼ぶ）へと流入し、各ガス排出口１０２から外部へと排出される。即ち、この単室型燃料電池１００では、アノードガス流路とカソードガス流路とが各発電体１３０によって区分けられており、各発電体１３０が反応ガスを誘導するための流路壁として機能していると解釈することができる。
【００２８】
図６は、比較例としての単室型燃料電池１００ａを説明するための概略断面図である。図６は、筐体部１１０にガス供給口１０１ａ及びガス排出口１０２ａが側面１１２，１１３にそれぞれ１つずつ設けられており、各発電体１３０が配管接続面１１２から離れて配置されている点以外は、ほぼ図５と同じである。
【００２９】
この単室型燃料電池１００ａでは、図中の矢印に示すように、反応ガスは、ガス供給口１０１ａから流入した後に各発電体１３０ごとのアノードガス流路またはカソードガス流路へと分流する。この単室型燃料電池１００ａでは、各発電体１３０Ｄとガス供給口１０１ａとの間の距離がそれぞれ異なるため、筐体部１１０の内部で重量の軽い水素と重量の重い酸素との移動度の相違から互いに偏在してしまう可能性が高い。また、この単室型燃料電池１００ａでは、各発電体１３０ごとの反応ガスの消費量の差異により、各発電体１３０が配置された領域ごとに反応ガス中の水素と酸素との濃度比が不均一となってしまう可能性が高い。
【００３０】
即ち、本実施例の単室型燃料電池１００に比較して、この単室型燃料電池１００ａでは、各発電体１３０Ｄに対する反応ガスの配流性が低い。反応ガスの配流性が低いほど、各発電体１３０の発電量が不均一となり、発電効率の低下の原因となる。また、反応ガスの配流性の低下が著しい場合には、筐体部１１０内部において局所的に水素濃度が爆発限界を超えてしまう可能性が高くなる。
【００３１】
しかし、本実施例の単室型燃料電池１００（図５）の構成によれば、各発電体１３０ごとにガス供給口１０１からアノードガス流路に直接的に反応ガスが供給されるため、各発電体１３０に対する反応ガスの配流性が向上している。また、本実施例の単室型燃料電池１００では、各発電体１３０ごとにガス流路の上流側（即ち、アノードガス流路）で水素が酸素より先に消費される。即ち、反応ガス中の水素濃度は、アノードガス流路において、供給時よりさらに低下することとなる。従って、本実施例のように、爆発下限界値ｘ１より小さい水素濃度ｄ１の反応ガスが供給される場合（図２）、反応ガス中の水素の濃度がその流路において爆発下限値ｘ１より大きくなってしまう可能性が低減される。即ち、単室型燃料電池１００の内部で水素が爆発的に燃焼してしまう危険性が低減する。
【００３２】
このように、本実施例の単室型燃料電池１００によれば、各発電体１３０への反応ガスの配流性を向上できる。また、単室型燃料電池１００の内部において水素と酸素の濃度比の不均一性が増大することを抑制でき、単室型燃料電池１００の内部で局所的に反応ガス中の水素濃度が爆発限界を超えてしまうことを抑制できる。
【００３３】
B．第２実施例：
図７は本発明の第２実施例としての燃料電池システムの構成を示す概略図である。図７は、ガス供給口１０１とガス排出口１０２との配置が入れ替わっている点と、水素分離膜４１６と水素循環配管４２０とが追加されている点以外はほぼ図１と同じである。
【００３４】
水素分離膜４１６はガス排出配管４１０と接続されている。水素分離膜４１６は、ガス排出配管４１０から流入した排ガス中の水素を分離して水素以外の他のガスを大気中へと排出する。水素分離膜４１６は、さらに、水素循環配管４２０と接続されており、排ガスから分離した水素を水素循環配管４２０へと誘導する。水素循環配管４２０は、水素配管２１０に接続されており、排ガスから分離された水素を供給側へと循環させる。なお、水素循環配管４２０には、水素の逆流を防止するための逆止弁４２２が設けられている。
【００３５】
ところで、この燃料電池システム１０００Ｂでは、反応ガス中の水素濃度を図２で説明した爆発上限界値ｘ２〜１００％の範囲内である濃度ｄ２で単室型燃料電池１００に供給する。このように高い水素濃度で反応ガスが供給されるため、排ガス中の水素濃度も高くなる。そのため、この第２実施例では、上述した水素の循環流路を設けて、水素の利用効率を向上させるとともに、水素利用の安全性を向上させている。
【００３６】
図８は、第２実施例の単室型燃料電池１００Ｂの内部における反応ガスの流れを説明するための説明図である。図８は、ガス供給口１０１とガス排出口１０２との配置が入れ替わっており、反応ガスがカソード３０に面した流路に供給されてアノード２０に面した流路から排出されている点以外は、ほぼ図５と同じである。このように、供給時の反応ガス中の水素濃度が爆発上限界値ｘ２より高い場合には、カソード３０において先に酸素を消費させることにより、反応ガスの水素濃度が、その流路において爆発上限界値ｘ２より小さくなってしまうことを抑制できる。
【００３７】
このように、第２実施例の単室型燃料電池１００Ｂによれば、第１実施例と同様に各発電体１３０への反応ガスの配流性が向上されるとともに、局所的に反応ガス中の水素濃度が爆発上限界値より小さくなってしまうことを抑制できる。
【００３８】
C．第３実施例：
図９（Ａ），（Ｂ）は、本発明の第３実施例としての単室型燃料電池１００Ｃの構成を示す概略断面図である。図９（Ａ），（Ｂ）には、図８と同様に互いに直交する３軸（ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸）を図示してある。図９（Ａ）は、単室型燃料電池１００Ｃを図中のｙ軸方向に沿って見たときの概略断面図であり、図９（Ｂ）は、単室型燃料電池１００Ｃをｚ軸方向に沿って見たときの概略断面図である。なお、この単室型燃料電池１００Ｃは、以下に特に説明を付する点以外は、第１実施例で説明した単室型燃料電池１００と同様であり、第１実施例で説明した燃料電池システム１０００で用いることが可能である。
【００３９】
この単室型燃料電池１００Ｃでは、１つの薄膜状の電解質１０Ｃの一方の面上に複数組の略長方形のアノード２０およびカソード３０が配置されている。具体的には、各電極２０，３０は、電解質１０Ｃ上において、ｙ軸方向を長辺方向として、交互にｘ軸方向に並列に配置されている（図９（Ｂ））。このような構成であっても、各電極２０，３０に水素と酸素とを含む反応ガスが供給されると、電解質１０Ｃの内部を酸素イオンがカソード３０からアノード２０に向かって伝導することにより発電反応が生じる。
【００４０】
電解質１０Ｃおよび２つの電極２０，３０は、中空の略直方体である筐体部１１０に収容されるが、筐体部１１０には、各電極２０，３０の配置領域をそれぞれ区分けるための隔壁１１４が設けられている。筐体部１１０のｘ−ｚ平面に平行な配管接続面１１２には、隔壁１１４によって区分けられた各電極２０，３０の配置領域ごとにガス供給口１０１及びガス排出口１０２が、ｘ軸方向に交互に設けられている。なお、各隔壁１１４は、配管接続面１１２とは連接されているが、配管対向面１１３とは連接されていない。これによって、第１実施例の単室型燃料電池１００と同様に、ガス供給口１０１に接続するアノードガス流路と、ガス排出口１０２に接続するカソードガス流路と、アノードガス流路及びカソードガス流路に接続する集合ガス流路１６０とが形成される。
【００４１】
単室型燃料電池１００Ｃの構成によれば、発電に供される各電極対（１組のアノード２０とカソード３０）に対する反応ガスの配流性を向上できる。また、局所的に反応ガス中の水素濃度が水素の爆発限界を超えてしまうことを抑制できる。
【００４２】
D．第４実施例：
図１０（Ａ），（Ｂ）は、本発明の第４実施例としての単室型燃料電池１００Ｄの構成を示す概略図である。図１０（Ａ），（Ｂ）には、図９（Ａ），（Ｂ）と同様に、互いに直交する３軸が図示してある。図１０（Ａ）は、単室型燃料電池１００Ｄを図中のｚ軸方向に沿って見たときの概略断面図であり、図１０（Ｂ）は、単室型燃料電池１００Ｄをｙ軸方向に沿って見たときの概略断面図である。なお、この単室型燃料電池１００Ｄは、以下に特に説明を付する点以外は、第３実施例で説明した単室型燃料電池１００Ｃと同様である。
【００４３】
この単室型燃料電池１００Ｄは複数の円筒形状の発電体１３０Ｄが中空の略直方体の筐体部１１０に収容されている。発電体１３０Ｄは、円筒形状の電解質１０の内周面を被覆するようにアノード２０が設けられ、その外周面を被覆するようにカソード３０が設けられている。各発電体１３０Ｄは、各ガス供給口１０１がアノード２０に囲まれ、各ガス排出口１０２が各発電体１３０Ｄの外周側に存在するように、筐体部１１０の配管接続面１１２に接触して配置される。即ち、各発電体１３０Ｄの内周側がアノードガス流路を構成し、外周側がカソードガス流路を構成する。なお、各発電体１３０Ｄの端部と配管対向面１１３との間には空隙が設けられており、集合ガス流路１６０を構成する。
【００４４】
このような構成により、この単室型燃料電池１００Ｄでも、各発電体１３０Ｄごとにガス供給口１０１から反応ガスが供給され、各発電体１３０Ｄが流路壁として機能して反応ガスの流れが整流される。これによって、各発電体１３０Ｄへの反応ガスの配流性を向上させることができる。また、局所的に反応ガス中の水素濃度が水素の爆発限界を超えてしまうことを抑制できる。
【００４５】
E．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００４６】
E1．変形例１：
上記実施例において、ガス排出口１０２は各発電体１３０ごとに設けられていたが、ガス排出口１０２は、各発電体１３０ごとに設けられていなくとも良い。例えば、ガス排出口１０２は、配管対向面１１３に１つのみ設けられているものとしても良い。ただし、各発電体１３０の各電極２０，３０に対応してガス供給口１０１又はガス排出口１０２が設けられていれば、上記実施例のように、アノードガス流路にもカソードガス流路にも良好にガスを誘導することが可能となるため好ましい。
【００４７】
E2．変形例２：
上記実施例において、反応ガスとして水素及び高圧空気が単室型燃料電池１００に供給されていたが、他のガスが供給されるものとしても良い。例えば、水素に換えて炭化水素ガスが供給されるものとしても良い。この場合には、アノード２０には、炭化水素の改質反応を促進する触媒が担持されることが好ましい。
【００４８】
さらに、上記実施例の単室型燃料電池１００では、燃料ガスと酸化ガスとが混合されてガス供給口１０１から供給されていたが、燃料ガスと酸化ガスとがそれぞれ別々の供給口から供給されるものとしても良い。
【００４９】
E3．変形例３：
上記実施例において、各発電体１３０は、電気的に並列に接続されていたが、直列に接続されるものとしても良い。
【００５０】
E4．変形例４：
上記第３実施例及び第４実施例の単室型燃料電池１００Ｃ，１００Ｄでは、第１実施例の単室型燃料電池１００と同様に、水素濃度ｄ１の反応ガスが供給される燃料電池システム１０００に用いられていた。しかし、単室型燃料電池１００Ｃ，１００Ｄのガス供給口１０１とガス排出口１０２とを入れ替えることにより、第２実施例で説明した燃料電池システム１０００Ｂに単室型燃料電池１００Ｃ，１００Ｄを用いることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】第１実施例の燃料電池システムの構成を示す概略図。
【図２】水素の爆発限界を説明するための説明図。
【図３】単室型燃料電池の概略構成を示す分解斜視図。
【図４】単室型燃料電池の各発電体の電気的な接続を示す説明図。
【図５】第１実施例の単室型燃料電池内部における反応ガスの流れを示す説明図。
【図６】比較例の単室型燃料電池内部における反応ガスの流れを示す説明図。
【図７】第２実施例の燃料電池システムの構成を示す概略図。
【図８】第２実施例の単室型燃料電池内部における反応ガスの流れを示す説明図。
【図９】第３実施例の単室型燃料電池の構成及びその内部における反応ガスの流れを示す説明図。
【図１０】第４実施例の単室型燃料電池の構成及びその内部における反応ガスの流れを示す説明図。
【符号の説明】
【００５２】
１０，１０Ｃ…電解質
２０…アノード
３０…カソード
４０…ガス流路部材
１００，１００ａ，１００Ｂ，１００Ｃ，１００Ｄ…単室型燃料電池
１０１，１０１ａ…ガス供給口
１０２，１０２ａ…ガス排出口
１１０…筐体部
１１１…開口部
１１２…配管接続面
１１３…配管対向面
１１４…隔壁
１２０…本体部
１３０，１３０Ｄ…発電体
１４０…固定基板
１５０…積層体
１６０…集合ガス流路
２００…水素タンク
２１０…水素配管
２１１，２１２，３１１，４１４…バルブ
３００…エアコンプレッサ
３１０…空気配管
４００…混合ガス配管
４０２…分岐配管
４１０…ガス排出配管
４１２…分岐配管
４１６…水素分離膜
４２０…水素循環配管
４２２…逆止弁
１０００，１０００Ｂ…燃料電池システム
２０００…外部負荷
Ａ１，Ａ２…ハッチング領域
ＤＣＬ…直流電源ライン
ｄ１，ｄ２…水素濃度
ｘ１，ｘ２…水素爆発限界値
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化ガスとの供給を受けて発電する単室型燃料電池であって、
電解質に配置される第１の電極と第２の電極とを含む複数組の電極対と、
前記複数組の電極対を収納する空間的に連続した単室と、
前記第１の電極に面して設けられた第１のガス流路と、
前記第２の電極に面して設けられた第２のガス流路と、
前記第１のガス流路と前記第２のガス流路との間に設けられた前記反応ガスを誘導するための流路壁と、
前記第１のガス流路に接続され、前記燃料ガスと前記酸化ガスとを反応ガスとして供給するための複数のガス供給口と、
前記第２のガス流路に接続され、反応に供されることのなかったガスを含む排ガスを排出するための複数のガス排出口と、
を備え、
前記反応ガスは、前記流路壁に沿って前記第１のガス流路から前記第２のガス流路へと誘導される、単室型燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の単室型燃料電池であって、
前記電解質は複数の電解質を含み、
前記複数の電解質はそれぞれ、前記第１の電極と前記第２の電極によって挟持されて複数の発電体を構成し、
前記複数の発電体のそれぞれは、前記単室内において前記１の電極同士又は前記第２の電極同士が対向し合うように並列に配置され、前記複数の発電体のそれぞれが前記流路壁として機能する、単室型燃料電池。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の単室型燃料電池であって、
前記燃料ガスは水素を含み、
前記反応ガスは、爆発下限界値以下の水素濃度で前記単室内に供給され、
前記第１の電極はアノードとして機能し、前記第２の電極はカソードとして機能する、単室型燃料電池。
【請求項４】
請求項１または請求項２に記載の単室型燃料電池であって、
前記燃料ガスは水素を含み、
前記反応ガスは、爆発上限界値以上の水素濃度で前記単室内に供給され、
前記第１の電極はカソードとして機能し、前記第２の電極はアノードとして機能する、単室型燃料電池。
【請求項１】
燃料ガスと酸化ガスとの供給を受けて発電する単室型燃料電池であって、
電解質に配置される第１の電極と第２の電極とを含む複数組の電極対と、
前記複数組の電極対を収納する空間的に連続した単室と、
前記第１の電極に面して設けられた第１のガス流路と、
前記第２の電極に面して設けられた第２のガス流路と、
前記第１のガス流路と前記第２のガス流路との間に設けられた前記反応ガスを誘導するための流路壁と、
前記第１のガス流路に接続され、前記燃料ガスと前記酸化ガスとを反応ガスとして供給するための複数のガス供給口と、
前記第２のガス流路に接続され、反応に供されることのなかったガスを含む排ガスを排出するための複数のガス排出口と、
を備え、
前記反応ガスは、前記流路壁に沿って前記第１のガス流路から前記第２のガス流路へと誘導される、単室型燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の単室型燃料電池であって、
前記電解質は複数の電解質を含み、
前記複数の電解質はそれぞれ、前記第１の電極と前記第２の電極によって挟持されて複数の発電体を構成し、
前記複数の発電体のそれぞれは、前記単室内において前記１の電極同士又は前記第２の電極同士が対向し合うように並列に配置され、前記複数の発電体のそれぞれが前記流路壁として機能する、単室型燃料電池。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の単室型燃料電池であって、
前記燃料ガスは水素を含み、
前記反応ガスは、爆発下限界値以下の水素濃度で前記単室内に供給され、
前記第１の電極はアノードとして機能し、前記第２の電極はカソードとして機能する、単室型燃料電池。
【請求項４】
請求項１または請求項２に記載の単室型燃料電池であって、
前記燃料ガスは水素を含み、
前記反応ガスは、爆発上限界値以上の水素濃度で前記単室内に供給され、
前記第１の電極はカソードとして機能し、前記第２の電極はアノードとして機能する、単室型燃料電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１０−９８９５（Ｐ２０１０−９８９５Ａ）
【公開日】平成２２年１月１４日（２０１０．１．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１６６６８８（Ｐ２００８−１６６６８８）
【出願日】平成２０年６月２６日（２００８．６．２６）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１月１４日（２０１０．１．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年６月２６日（２００８．６．２６）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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