JP2006253016A - 固体酸化物燃料電池装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、固体酸化燃料電池セルの発電に燃料の無炎燃焼を利用し、小型、軽量で、携帯又は移動中であっても発電できる固体酸化物燃料電池装置を提供する。
【解決手段】 板状の固体酸化物基板と、該基板の一方の面に形成されたカソード電極層と、該一方の面と反対側の面に形成されたアノード電極層とを有する固体酸化物燃料電池セルＣを、アノード電極層を温熱器具の触媒酸化体１３に対向させて配置する。燃料蓄積容器１０から供給された燃料が触媒酸化体で触媒酸化により無炎燃焼され、燃料電池セルＣに、触媒酸化体から熱が伝道され、作動温度に維持される。同時に、生成された燃料の酸化燃料成分がアノード電極層に供給され、カソード電極層には、空気が供給され、燃料電池セルが発電する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、固体酸化物燃料電池装置に関し、特に、固体酸化物基板にカソード電極層とアノード電極層を形成し、密閉を必要としない簡単な構造によって、小型化、薄型化を図った固体酸化物燃料電池セルを備え、燃料の触媒酸化による無炎燃焼を利用して発電でき、携帯、運搬などの取り扱いが簡単な固体酸化物燃料電池装置に関する。

従来から、火力発電などに替わる低公害の発電手段として、或いは、ガソリンなどを燃料とするエンジンに取って代わる電動自動車の電気エネルギー源として、燃料電池が開発され、実用化されるに至っている。さらに、パーソナルコンピュータなどの電源としての利用も図られている。この燃料電池に対しては、高効率化、低コスト化を目指して多くの研究がなされている。

この燃料電池には、種々の発電形式があるが、この中に、固体電解質を用いた形式の燃料電池がある。この固体電解質による燃料電池の一例として挙げると、イットリア（Ｙ₂Ｏ₃）が添加された安定化ジルコニアからなる焼成体を酸素イオン伝導型の固体酸化物基板として用いたものがある。この固体酸化物基板の一面にカソード電極層を、そして、その反対面にアノード電極層を形成し、このカソード電極層側に酸素又は酸素含有気体が供給され、さらに、アノード電極層には、メタン等の燃料ガスが供給されるようになっている。

この燃料電池内では、カソード電極層に供給された酸素（Ｏ₂）が、カソード電極層と固体酸化物基板との境界で、酸素イオン（Ｏ^2-）にイオン化され、この酸素イオンが、固体酸化物基板によってアノード電極層に伝導され、アノード電極層に供給された、例えば、メタン（ＣＨ₄）ガスと反応し、そこで、水（Ｈ₂Ｏ）、二酸化炭素（ＣＯ₂）、水素（Ｈ₂）、一酸化炭素（ＣＯ）が生成される。この反応において、酸素イオンが、電子を放出するため、カソード電極層とアノード電極層との間に電位差が生じる。そこで、カソード電極層とアノード電極層とにリード線を取り付ければ、アノード電極層の電子が、リード線を介してカソード電極層側に流れ、燃料電池として発電することになる。なお、この燃料電池の駆動温度は、約１０００℃である。

しかし、この形式の燃料電池では、カソード電極層側に、酸素又は酸素含有ガス供給チャンバーを、そして、アノード電極層側に、燃料ガス供給チャンバーを夫々分離したセパレート型チャンバーを用意しなければならず、しかも、高温下で、酸化性雰囲気と還元性雰囲気とに晒されるため、燃料電池セルとしての耐久性を向上することが困難であった。

一方、固体酸化物基板の対向した面に、カソード電極層とアノード電極層とを設けて燃料電池セルを形成し、この燃料電池セルを、燃料ガス、例えば、メタンガスと、酸素ガスとが混合された混合燃料ガス中に置いて、カソード電極層とアノード電極層との間に起電力を発生させる形式の燃料電池が開発されている。この形式の燃料電池では、カソード電極層とアノード電極層との間に起電力を発生する原理は、上述したセパレート型チャンバー形式の燃料電池の場合と同様であるが、燃料電池セル全体を実質的に同一雰囲気にすることができるため、混合燃料ガスが供給されるシングル型チャンバーとすることができ、燃料電池セルの耐久性を向上できる。

しかし、このシングル型チャンバーの燃料電池においても、約１０００℃の高温下で駆動しなければならないので、混合燃料ガスの爆発の危険性がある。この危険性を回避するために、酸素濃度を発火限界よりも低い濃度にすると、メタン等の燃料の炭化が進み、電池性能が低下するという問題が生じた。そのため、混合燃料ガスの爆発を防止しつつ、燃料の炭化の進行を防止し得る酸素濃度の混合燃料ガスを使用できるシングル型チャンバーの燃料電池が開発されている。

一方、以上に述べた燃料電池は、密封構造を有するチャンバー内に収納された燃料電池セルによって構成された形式のものであるが、固体酸化物燃料電池セルを火炎中、或いは、その近傍に配置し、火炎の熱によって固体酸化物燃料電池セルをその動作温度に保持させて、発電を行う装置が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。この発電装置の構成を、図４に示した。

図４に示した発電装置の燃料電池セルは、ジルコニアによる固体酸化物基板１から成る管体と、その管体の内側に形成された空気極であるカソード電極層２と、管体の外側に形成された燃料極であるアノード電極層３とからなる。この固体電解質の固体酸化物燃料電池セルを、燃料ガスが供給される燃焼装置５から発生する火炎ｆの還元炎部分に、アノード電極層３を晒した状態で設置している。この様に設置することにより、還元炎中に存在するラジカル成分等を燃料として利用でき、管体内側のカソード電極層２には、対流又は拡散によって、空気が供給され、固体酸化物燃料電池セルとして、発電が行われる。

ところで、上述したシングル型チャンバーの燃料電池では、従来の固体酸化物燃料電池のように、燃料と空気を厳粛に分離する必要がない代わりに、機密封止構造を採用せざるを得ない。そして、高温下で駆動できるように、複数の板状固体酸化物燃料電池セルが耐熱性高電気伝導性を有するインターコネクト材を用いて積層接続され、起電力を上げていた。そのため、板状固体酸化物燃料電池セルによるシングル型チャンバーの燃料電池は、大掛かりな構造となり、コストが嵩むという問題がある。

また、このシングル型チャンバーの燃料電池の稼動に際しては、高温になるまで徐々に昇温して、固体電解質燃料電池セルの割れを防止しているので、起電するまでの時間が長く、手間がかかるものである。

これに対して、図４に示された管状の固体電解質燃料電池セルでは、火炎を直接利用する形態が採用されており、この形態の燃料電池は、固体電解質燃料電池セルを密封構造の容器に収容する必要がなく、開放型であるという特徴を持っている。そのため、この燃料電池では、起電時間が短縮でき、構造が簡単なので、燃料電池の小型軽量化、低コスト化に有利であるといえる。そして火炎を直接利用する点で、一般の燃焼装置や焼却装置等に組み込むことが可能となり、電力供給装置として利用することが期待されている。

しかしながら、この形態の燃料電池では、管状の固体酸化物基板の外面にアノード電極層が形成されているので、主に、そのアノード電極層の下半分に火炎によるラジカル成分が供給されず、管状の固体酸化物基板の外面に形成されたアノード電極層全面を有効に利用することができない。そのため、発電効率が低いものであった。さらに、固体酸化物燃料電池セルが、火炎で直接に、しかも偏って加熱されるため、急激な温度変化によってひび割れが発生しやすいという問題があった。

そこで、燃料の燃焼による火炎を直接利用する形態の固体酸化物燃料電池を採用し、火炎が、平板状の固体酸化物基板上に形成されたアノード電極層の全面を晒すようにして、耐久性の向上と発電効率の向上、小型化、低コスト化を図った簡便な電力供給手段としての固体酸化物燃料電池による発電装置が提案されている（例えば、特許文献２を参照）。

その提案された固体酸化物燃料電池による発電装置が、図５に示されている。図５では、図４に示された発電装置における部分と同じ部分に、同じ符号が付されている。この発電装置に使用される固体酸化物燃料電池セルＣは、平板状に形成された固体酸化物基板１と、その基板の一方の面に形成されたカソード電極層２と、その一方の面と反対側の面に形成されたアノード電極層とを有している。カソード電極層２とアノード電極層３とが、固体酸化物基板１を介して対向配置されている。

以上のように構成された固体酸化物燃料電池セルＣを用い、この燃料電池セルＣのアノード電極層３を下側にして、燃料ガスが供給される燃焼装置４上に配置し、燃料による火炎ｆに曝して発電する発電装置とする。燃焼装置４には、火炎を伴って燃焼酸化する燃料が供給される。燃料としては、燐、硫黄、フッ素、塩素、及びこれらの化合物等でも良いが、排ガス処理が不要な有機物が好ましい。有機物燃料としては、例えば、メタン、エタン、プロパン、ブタン等のガス類、ヘキサン、へプタン、オクタン等のガソリン系液体、メタノール、エタノール、プロパノール等のアルコール、アセトン等のケトン、その他の有機溶剤各種、食用油、灯油、紙類、木材等が挙げられる。この中でも、特に、ガス類が好ましい。

さらに、火炎は拡散炎でも予混合火炎でも良いが、拡散炎は、炎が不安定であり、煤の発生によってアノード電極層の機能低下を招きやすいので、予混合火炎の方が好適である。予混合火炎は安定している上に、火炎サイズを調整しやすく、さらに燃料濃度を調整して、煤の発生を防止することができる。

前記固体酸化物型燃料電池セルが平板状に形成されているので、燃焼装置４からの火炎ｆを固体酸化物型燃料電池セルＣのアノード電極層３に均一にあてることができ、管状のものに比べて、ムラなく火炎ｆを当てることができる。さらに、アノード電極層３を火炎ｆ側に向けて配置され、火炎中に存在する炭化水素、水素、一酸化炭素、ラジカル（ＯＨ、ＣＨ、Ｃ₂、Ｏ₂Ｈ、ＣＨ₃）などを酸化還元反応に基づく発電の燃料として利用しやすくなる。また、カソード電極層２が、酸素を含有する気体、例えば、空気中に露出されるので、カソード電極層２から酸素を利用しやすくなり、さらに、カソード電極層２に向かって酸素を含有する気体が吹きつけられると、より効率良く、カソード電極層側を酸素リッチ状態にすることができる。

固体酸化物型燃料電池セルＣで発電された電力は、カソード電極層２とアノード電極層３からそれぞれ引き出されたリード線Ｌ１、Ｌ２によって取り出される。リード線Ｌ１、Ｌ２としては、耐熱性のある白金製、或いは、白金を含む合金製のものが使用される。

特開平６−１９６１７６号公報 特開２００４−１３９９３６号公報

以上に説明したように、これまでに提案された固体酸化物燃料電池による発電装置では、チャンバー型のものにあっては、固体酸化物燃料電池セルを駆動温度まで昇温させる電気炉や、燃料ガスと酸素又は空気とを供給する供給装置などが必要であり、装置自体が複雑で、嵩張るものであったため、発電装置として、人が携帯することはできなかった。

これに対して、提案されている直接火炎利用型の固体酸化物燃料電池セルによる発電装置では、燃料を燃焼して火炎を生成する燃焼装置を必要とするが、燃焼装置として、例えば、ローソク、ライターなどの火炎を利用できるため、小型、軽量で、コンパクトな発電装置を実現できる。しかしながら、この発電装置では、火炎を利用することから、装置を携帯しながら、或いは、移動させながら発電させると、火炎が安定しないなどの理由で、使用することが困難であった。

そこで、本発明は、固体酸化燃料電池セルを利用して発電するとき、安定した燃料供給を行うことができる無炎燃焼を使用して、小型、軽量で、定置されている場合だけでなく、携帯又は移動中であっても発電電できる固体酸化物燃料電池装置を提供することを目的とする。

以上の課題を解決するため、本発明による固体酸化物燃料電池装置では、板状の固体酸化物基板と、該基板の一方の面に形成されたカソード電極層と、該一方の面と反対側の面に形成されたアノード電極層とを有する固体酸化物燃料電池セルと、前記固体酸化物燃料電池セルの下方に配置され、燃料が供給される触媒酸化体と、を備え、前記アノード電極層に、前記触媒酸化体で生成された前記燃料の酸化燃料成分が供給され、前記カソード電極層には、空気が供給されることにより発電するようにした。

そして、前記固体酸化物燃料電池セルは、前記触媒酸化体と離間して設置されることとし、前記触媒酸化体は、温熱器具における燃料蓄積容器の燃料出口に備えられ、該温熱器具の熱源とした。

前記触媒酸化体に供給される燃料は、前記燃料蓄積容器内に蓄積された有機物液体又は気体燃料とし、該有機物液体は、特に、ベンジン、エタノール、ホワイトガソリンのいずれかとした。

前記固体酸化物燃料電池セルは、前記固体酸化物基板の前記一方の面に形成された複数のカソード電極層と、該固体酸化物基板の前記反対側の面に形成された複数のアノード電極層とを有し、前記固体酸化物基板を介して対向する前記アノード電極層と前記カソード電極層とにより、複数の燃料電池セルが形成されることとした。

以上のように、本発明による固体酸化物燃料電池装置では、板状の固体酸化物基板と、カソード電極層と、アノード電極層とを有する固体酸化物燃料電池セルを使用して、該アノード電極層に、触媒酸化体で生成された燃料の酸化燃料成分が供給され、前記カソード電極層に空気が供給されることにより発電するようにしたので、燃料の燃焼による火炎を発生させることなく、燃料の触媒酸化による無炎燃焼で熱を発生することができ、この熱で固体酸化物燃料電池セルを駆動温度に維持し、また、燃料の触媒酸化による無炎燃焼で発生する部分酸化燃料成分を燃料電池燃料とすることができる。

そのため、触媒酸化による無炎燃焼を熱源とする温熱器具に、固体酸化物燃料電池セルを組み込むことにより、小型、軽量、コンパクトの構成することができ、しかも、携帯が容易で、携帯又は移動中にあっても、安定して発電し続けることができる。

次に、本発明による固体酸化物燃料電池装置の実施形態について、図１乃至図３を参照しながら、説明する。ここで、本実施形態の固体酸化物燃料電池装置に使用することができる固体酸化物燃料電池セルについて、以下に説明する。

本実施形態に使用される固体酸化物燃料電池セルは、基本的には、図５に示された固体酸化物燃料電池セルＣと同様の構成であり、固体酸化物基板１、カソード電極層２及びアノード電極層３を有している。

固体酸化物基板１は、例えば、矩形形状の平板であり、カソード電極層２とアノード電極層３とが、固体酸化物基板１を介して対向するように、その平面のほぼ全面に形成されている。そして、カソード電極層２には、リード線Ｌ１が接続され、アノード電極層３には、リード線Ｌ２が接続されており、リード線Ｌ１とＬ２とで、燃料電池出力が取り出される。なお、固体酸化物基板１は、板状に形成されていればよく、矩形形状に限られず、例えば、温熱器具の燃焼部に対向配置するように組み込むのに適した大きさに変形でき、任意の形状とすることができる。

固体酸化物基板１には、例えば、公知のものを採用でき、次に示す材料を使用できる。
ａ） ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）、ＳｃＳＺ（スカンジア安定化ジルコニア）、これらにＣｅ、Ａｌ等をドープしたジルコニア系セラミックス
ｂ） ＳＤＣ（サマリアドープドセリア）、ＳＧＣ（ガドリアドープドセリア）等のセリア系セラミックス
ｃ） ＬＳＧＭ（ランタンガレート）、酸化ビスマス系セラミックス
また、アノード電極層３には、例えば、公知のものを採用でき、次に示す材料を使用できる。
ｄ） ニッケルと、イットリア安定化ジルコニア系、スカンジア安定化ジルコニア系、又は、セリア系（ＳＤＣ、ＧＤＣ、ＹＤＣ等）セラミックとのサーメット
ｅ） 導電性酸化物を主成分（５０重量％以上９９重量％以下）とする焼結体（導電性酸化物とは、例えば、リチウムが固溶された酸化ニッケル等である）
ｆ） ｄ）、ｅ）に挙げたものに、白金族金属元素から成る金属、又は、その酸化物が１〜１０重量％程度配合されたもの
等が挙げられ、この中でも、特にｄ）、ｅ）が好ましい。

ｅ）の導電性酸化物を主成分とする焼結体は、優れた耐酸化性を有するのでアノード電極層の酸化に起因して発生する、アノード電極層の電極抵抗の上昇による発電効率の低下、或いは、発電不能、アノード電極層の固体酸化物基板からの剥離といった現象を防止できる。また、導電性酸化物としては、リチウムが固溶された酸化ニッケルが好適である。さらに、上記ｄ）、ｅ）に挙げたものに、白金族金属元素から成る金属、またはその酸化物を配合することにより、高い発電性能を得ることができる。

カソード電極層２は、公知のものを採用でき、例えば、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（例えば、ランタンストロンチウムマンガナイト）、ガリウム又はコバルト酸化化合物（例えば、ランタンストロンチウムコバルタイト）等が挙げられる。

カソード電極層２とアノード電極層３とは、共に多孔質体に形成される。これらの電極層は、多孔質体の開気孔率を、２０％以上、好ましくは、３０〜７０％、特に、４０〜５０％とすることが好ましい。本実施形態に使用される固体酸化物燃料電池セルでは、多孔質体に形成されたカソード電極層２とアノード電極層３とすることにより、カソード電極層２では、空気中の酸素を固体酸化物基板１との境界面の全面に供給しやすくし、また、アノード電極層３では、燃料を固体酸化物基板１との境界面の全面に供給しやすくしている。

固体酸化物基板１も多孔質に形成することもできる。固体酸化物基板は、緻密質に形成された場合には、耐熱衝撃性が低く、急激な温度変化によって、ひび割れが生じやすい。また、一般に、固体酸化物基板は、アノード電極層及びカソード電極層よりも厚く形成されるので、固体酸化物基板のひび割れが引き金となり、固体酸化物燃料電池セルの全体にひび割れが発生し、バラバラになることがある。

固体酸化物基板１が多孔質に形成されることで、発電時に、急激に温度変化を与えても、さらに、温度差の激しいヒートサイクルに対しても、ひび割れ等がなくなり、耐熱衝撃性が向上する。また、多孔質であっても、その気孔率が１０％未満のときは、耐熱衝撃性に著しい向上が認められなかったが、１０％以上であると良好な耐熱衝撃性が見られ、２０％以上であるとより好適である。これは、固体酸化物基板が多孔質であると、加熱による熱膨張が空隙部分で緩和されるためと考えられる。

固体酸化物燃料電池セルＣは、例えば、次のように製造される。先ず、固体酸化物基板の材料粉末を所定配合割合で混合し、平板状に成形する。その後、これを焼成して焼結することで固体酸化物層としての基板が作られる。このとき、気孔形成剤等の材料粉末の種類や配合割合、焼成温度、焼成時間、予備焼成等の焼成条件等を調整することによって、様々な気孔率の固体酸化物基板を作ることができる。こうして得られた固体酸化物層としての基板の一面側に、カソード電極層となる形状でペーストを、他面側にアノード電極層となる形状でペーストを夫々塗布した後に、焼成を行うことにより、一枚の固体酸化物燃料電池セルを製造することができる。

また、固体酸化物燃料電池セルは、さらに耐久性を向上することができる。この耐久性の向上手法としては、燃料電池セルにおけるカソード電極層とアノード電極層とに、メッシュ状金属を埋設、或いは、固着させるものである。埋設する方法としては、各層の材料（ペースト）を固体酸化物基板に塗布し、メッシュ状金属をその塗布された材料中に埋め込んだ後に焼成を行う。固着する方法としては、メッシュ状金属を各層の材料によって完全に埋め込むことなく、接着させて焼結しても良い。

メッシュ状金属としては、これを埋設する、或いは、固着するカソード電極層、アノード電極層との熱膨張係数の調和や、耐熱性に優れたものが好適である。具体的には、白金や、白金を含む合金から成る金属でメッシュ状にしたものが挙げられる。ＳＵＳ３００番代（３０４、３１６等）、或いは、ＳＵＳ４００番代（４３０等）のステンレスでも良く、これらはコストの点で有利である。

また、メッシュ状金属を用いる代わりに、ワイヤ状金属をアノード電極層、カソード電極層に埋設或いは固着させてもよい。ワイヤ状金属は、メッシュ状の金属と同様の金属から成り、その数や配設形状等に限定はない。メッシュ状金属やワイヤ状金属を、アノード電極層やカソード電極層に埋設、或いは、固着することにより、熱履歴等によってひび割れした固体酸化物基板がバラバラになって崩れないように補強されることになり、さらに、メッシュ状金属やワイヤ状金属は、ひび割れした部分を電気的に接続している。

なお、これまで、固体酸化物基板を多孔質性にした場合を説明したが、燃料電池の固体酸化物基板に、緻密構造のものを使用することができ、この場合には、特に、熱履歴によるひび割れに対処するのに、カソード電極層及びアノード電極層にメッシュ状金属又はワイヤ状金属を埋め込み、或いは、埋設することは、有効な手段となる。

メッシュ状金属或いはワイヤ状金属は、アノード電極層とカソード電極層の両方に配設しても良いし、どちらか一方に配設しても良い。また、メッシュ状金属とワイヤ状金属を組み合わせて配設しても良い。熱履歴によってひび割れが生じたときには、少なくともアノード電極層に、メッシュ状金属又はワイヤ状金属が埋設されていれば、その発電能力を低下させることがなく、発電を継続することができる。固体酸化物燃料電池セルの発電能力は、アノード電極層の燃料極としての有効面積に負うところが大きいので、少なくとも、アノード電極層にメッシュ状金属、或いは、ワイヤ状金属を配設すると良い。

このようにして形成された固体酸化物燃料電池セルが、本実施形態の固体酸化物燃料電池装置の燃料電池セルＣとして使用される。本実施形態では、この固体酸化物燃料電池セルに形成されたアノード電極層３に供給される燃料として、安定した状態で燃料を燃焼することができる触媒酸化による無炎燃焼で発生した部分酸化燃料成分を利用することとした。そして、この無炎燃焼で発生する熱の温度が、３００〜６００度程度であるので、この温度は、直接火炎型の固体酸化物燃料電池が作動可能な温度になっている。そのため、燃料の触媒酸化による無炎燃焼が、固体酸化物燃料電池セルに対する燃料供給源として、さらには、駆動熱源として適したものである。

ここで、触媒酸化による無炎燃焼について説明する。触媒酸化に用いられる触媒金属には、大きく分けて、白金・パラジウムなどの貴金属系と、マンガン・鉄などの卑金属系とがあるが、貴金属系の金属は、各種ガス成分に対して活性が高いため、燃料の無炎燃焼には、例えば、白金カイロと称される温熱器具に見られるように、触媒金属として白金が多く使用されており、白金を付着させたガラス綿によって触媒酸化体を形成している。

この触媒酸化体に、燃料として、例えば、ベンジン、エチルアルコール、ホワイトガソリンなどの有機物液体、又は、メタン、プロパンなどの有機物気体が供給されると、白金の触媒作用により、３００〜６００度程度の低温度で、燃料Ｃ_xＨ_yＯ_zが、酸素Ｏ₂と反応し、二酸化炭素ＣＯ₂と水Ｈ₂Ｏとが生成され、燃料が酸化分解される。この燃料の酸化分解の際に、反応熱が放出される。ここで、この酸化分解反応が、無炎燃焼となるものであり、この反応に寄与する酸素は、触媒酸化体の外部から供給される必要がある。この反応熱が、温熱器具の場合には、周囲を暖める熱源となり、さらには、燃料の気化を助け、酸化触媒反応の維持を行っている。

ところで、触媒酸化体による燃料の酸化触媒反応においては、理論的な酸化分解が行われれば、燃料の全てが、二酸化炭素ＣＯ₂と水Ｈ₂Ｏとに分解されることになるが、実際には、触媒酸化の効率や、温度の高さなどの理由で、燃料の一部が、発電に寄与する活性種を含む部分酸化燃料成分となって、触媒酸化体から放出される。この部分酸化燃料成分は、上述した固体酸化物燃料電池セルの燃料として利用することができる。

なお、以上では、触媒酸化体に、白金が付着されたガラス綿が採用されている場合について説明したが、触媒酸化体の構成は、これに限られるものではなく、大きなＳＶ値が取れること、圧力損失が低いこと、長い寿命を持っていること、目詰まりし難いことなどの条件を満たすものであれば、白金を付着させたガラス綿の代わりに、ハニカムタイプ、ペレットタイプ、金属発泡体などで構成することができる。

このように構成された触媒酸化体の上方に、適宜の間隔だけ離間させて、上述した固体酸化物燃料電池セルのアノード電極層を配置すると、該アノード電極層には、触媒酸化体で生成された部分酸化燃料成分が供給され、その反対側に形成されているカソード電極層は、自動的に空気中に曝され、酸素が供給される。このとき、アノード電極層の形状を、触媒酸化体の上面形状に合わせておくと、部分酸化燃料成分が、アノード電極層の全面に渡って一様に供給され、効率的である。

なお、触媒酸化体が、温熱器具のように、火口内に収納されている場合には、この触媒酸化体に酸化分解反応に必要な酸素が供給されなければならないので、触媒酸化体の上面とアノード電極層とを、密着させることなく、適宜の間隔を置いて離間させる。この離間によって、空気が十分に流通し、触媒酸化体に酸素を供給することができる。

以上のような触媒酸化体と、上述した平板状の固体酸化物燃料電池セルとを組み合わせて、直接火炎型の固体酸化物燃料電池装置を構成することにより、装置が定置されている場合だけでなく、携帯又は移動中であっても発電し続けることができ、その発電電力を簡単に取り出せる。次に、この触媒酸化体を利用した固体酸化物燃料電池装置の実施例を以下に説明する。

固体酸化物燃料電池セルに燃料を供給でき、しかも、その作動温度を維持する熱源として触媒酸化体を利用して、直接火炎型の固体酸化物燃料電池装置の実施例が、図１に示されている。図１に示された実施例では、温熱器具の代表例である白金カイロに備えられた触媒酸化体を利用している。

通常、携帯型の白金カイロは、燃料蓄積容器１０を有し、この燃料蓄積容器１０の上部に火口部Ａが備えられ、この火口部Ａには、燃料蓄積容器１０から燃料を供給できる燃料供給口１２と、供給された燃料を触媒酸化する触媒酸化体１３とが設けられている。そして、温熱器具としての安全性を確保するために、燃料点火後に、この火口部Ａを覆う保護カバー１１が装着される。この保護カバー１１には、触媒酸化体１３に酸素が供給されるように、複数の空気孔が設けられている。図１では、この保護カバー１１は、破線で示されている。

そこで、本実施例では、白金カイロの火口部Ａに、固体酸化物燃料電池セルＣを、セル保持具１４によって、触媒酸化体１３の上部に取り付けられるようにした。このセル保持具１４は、燃料供給口１２に着脱自在に装着される。固体酸化物燃料電池セルＣで発電された電力は、リード線Ｌによって、白金カイロの外部に取り出すことができる。

次に、図２（ａ）及び（ｂ）に、図１に示された火口部Ａの拡大図が示されている。図２（ａ）は、火口部Ａの側面図であり、図２（ｂ）は、火口部Ａの上面図である。図２（ａ）に示されるように、触媒酸化体１３は、燃料供給口１２の先端部内に収容され、その上部から僅かに外部に出ている。

固体産物燃料電池セルＣは、固体酸化物基板１、該基板の各面に形成されたカソード電極層２及びアノード電極層３で構成され、固体酸化物基板１の形状は、平板状であるが、燃料供給口１２の開口全面を覆う大きさとされ、図２の場合には、矩形形状になっている。そして、アノード電極層３は、触媒酸化体１３の拡がり面に対応した形状とし、図２では、触媒酸化体１３の拡がり面を矩形形状としているので、アノード電極層３も矩形形状としている。

一方、カソード電極層２は、触媒酸化体１３の反対側に置かれることになり、空気に直接曝される状態にあり、空気から酸素が供給される。この空気は、保護カバー１１の空気孔を介して自然対流によって供給される。カソード電極層２には、リードＬ１が接続され、アノード電極層３には、リード線Ｌ２が接続されているので、このリード線Ｌ１、Ｌ２が、図１に示されるように、リード線Ｌとなって、外部に発電電力が取り出される。

固体酸化物燃料電池セルＣは、セル保持具１４によって、燃料供給口１２に着脱自在に保持される。このセル保持具１４は、セル保持枠１４−１、支持体１４−２、そして、供給口係合体１４−３からなり、図２（ｂ）に示されるように、各々が固着されている。セル保持枠１４−１は、固体酸化物基板１を搭載するものであり、保持枠内の開口は、アノード電極層３が触媒酸化体１３に臨むように、セル保持枠１４−１には、開口が設けられている。

支持体１４−２は、固体酸化物燃料電池セルＣが触媒酸化体１３と適宜の間隔を維持して、該燃料電池セルＣを保持するためのものであり、供給口係合体１４−３は、燃料供給口１２に着脱自在に係合する機能を有し、支持体１４−２が固着されている。

以上のように、本実施例の固体酸化物燃料電池装置を構成することができるが、実際に、この固体酸化物燃料電池装置を作動させるには、まず、火口部Ａを燃料蓄積容器１０から外し、燃料供給口１２から燃料蓄積容器１０内に、適宜量の、例えば、ベンジンを注入する。そして、火口部Ａを装着後、触媒酸化体１３に着火する。触媒酸化体１３には、燃料蓄積容器１０内のベンジンが気化されて供給され、さらに、カイロの外部から空気が供給される。

この触媒酸化体１３において、気化されたベンジンが、空気中の酸素で触媒酸化され、この触媒酸化反応で熱を発生する。この熱が、固体酸化物燃料電池セルＣに供給され、作動温度まで上昇させる。また、この触媒酸化反応で二酸化炭素と水に変換されなかった残りのベンジンが、部分酸化燃料成分となって、アノード電極層３に供給される。この様にして、固体酸化物燃料電池セルＣに、触媒酸化体１３から、熱と部分酸化燃料成分とが供給されると、カソード電極層２には、空気から酸素が供給されるので、リード線Ｌ１、Ｌ２から起電力を得ることができる。

なお、触媒酸化体１３で発生された熱が固体酸化物燃料電池セルＣに効率的に伝達されるには、固体酸化物燃料電池セルＣが触媒酸化体１３に接触した状態が最もよい。しかしながら、この接触状態にある場合には、触媒酸化体１３における触媒酸化反応に必要な酸素が十分に供給されない。そこで、固体酸化物燃料電池セルＣと触媒酸化体１３との間隔は、触媒酸化体１３からの熱伝導が有効に行われるが、触媒酸化体１３には十分に空気が供給されるような距離に保持される必要がある。そのため、セル保持具１４の支持体１４−２の長さは、固体酸化物燃料電池セルＣと触媒酸化体１３とを適宜の間隔に調整されている。

以上に説明した実施例に使用された固体酸化物燃料電池セルＣでは、固体酸化物基板１の各面に、一枚のカソード電極層２とアノード電極層３が形成され、一つの燃料電池セルを構成したが、図３に示されるように、平板による固体酸化物基板１の片面に、複数ずつのカソード電極層２−１〜２−４、アノード電極層３−１〜３−４（図示なし）を形成し、燃料電池全体として、複数の燃料電池セルを構成することもできる。図３では、４つの燃料電池セルが形成される例である。

図３では、基板１の面上に、４つのカソード電極層２−１〜２−４と、その反対面に、４つのアノード電極層３−１〜３−４（図示なし）が形成されている。例えば、カソード電極層２−１とアノード電極層３−１とで、一個の燃料電池セルが構成され、対向する一組のカソード電極層とアノード電極層により、一枚の固体酸化物基板に複数の固体酸化物燃料電池セルが構成される。そして、カソード電極層２−１に、起電力取出し用のリード線Ｌ１が取り付けられ、アノード電極層３−４にも、起電力取出し用のリード線Ｌ２が取り付けられている。さらに、図３に示されるように、例えば、カソード電極層２−２とアノード電極層２−１とは、接続線Ｌ０で電気的に接続されている。リード線及び接続線としては、耐熱性のある白金製、或いは、白金を含む合金製のものが使用される。

そこで、４つの固体酸化物型燃料電池セルの下方で、触媒酸化体１３で燃料が無炎燃焼して、熱及び部分酸化燃料成分が生成されると、アノード電極層３−１〜３−４の全面がそれらに曝される。４つの燃料電池セルは、接続線Ｌ０で直列接続されるので、リード線Ｌ１とリード線Ｌ２との間には、４つの燃料電池セルの起電力が足し合わされた大きさの出力が得られる。

構成された燃料電池セルのアノード電極層３−１〜３−４は、図３に示されるように、全体として楕円形状に形成され、互いに分離されている。図３の場合には、電極層全体が楕円形状に形成されている例を示したが、上述したように、電極層全体が矩形形状であってもよく、電極層全体の形状は、触媒酸化体１３の上部形状に合わせて決められると、効率面で有効である。また、固体酸化物基板が平板形であると、カソード電極層側を燃料リッチ状態にしやすく、カソード電極層側を空気中に露出し、空気中の酸素を利用しやすくなり、酸素リッチ状態を維持できる。

以上の様にして、一枚の固体酸化物基板に、複数の燃料電池セルが構成され、同一面に形成されたアノード電極層を無炎燃焼に晒すことができ、カソード電極層側では、空気が分離して供給される固体酸化物燃料電池セルを作成することができる。図３に示された固体酸化物燃料電池セルでは、４つの燃料電池セルを直列接続するために、接続線Ｌ０が、固体酸化物基板１の外側を渡って、カソード電極層とアノード電極層とを接続していた。この接続線Ｌ０は、固体酸化物基板の外側に飛び出した形状となっているため、接続線Ｌ０が邪魔である場合がある。そこで、固体酸化物基板１において、カソード電極層又はアノード電極層が形成されていない部分に、ビアを設け、このビアを介して、カソード電極層とアノード電極層を接続することもできる。

次に、本実施例の固体酸化物燃料電池装置の具体的発電例について説明する。使用された白金カイロは、元々備えられた火口部Ａが変更され、固体酸化物燃料電池セルを設置しやすいように、図１に示された構成を有している。白金カイロに装着された触媒酸化体に適宜間隔を置いて対向するように、固体酸化物燃料電池セルが配置されている。この白金カイロを着火すると、触媒酸化体の温度は、３００〜６００度程度になり、直接火炎型の固体酸化物燃料電池セルの作動可能な温度になっていることが確認された。

ここで、固体酸化物燃料電池セルに関して、固体酸化物基板は、ＳＤＣ（サマリアドープセリア）で形成され、カソード電極層は、ＳＳＣ（サマリウム・ストロンチウム・コバルト）５０ｗｔ％とＳＤＣ５０ｗｔ％で形成され、アノード電極層は、Ｒｈ₂Ｏ₃５ｗｔ％、８ｍｏｌＬｉ−ＮｉＯ７５ｗｔ％、ＳＤＣ２０ｗｔ％で形成されている。

そこで、この固体酸化物燃料電池セルと触媒酸化体との距離を変えながら、固体酸化物燃料電池セルで発生する起電力を測定すると、次のようであった。なお、燃料電池セルの起電力は、開回路電圧である。
距離 セル直下温度 セル上面温度 セル起電力
１０ｍｍ ５２０〜５４０℃ １５０〜１６０℃ ０．１６Ｖ
５ｍｍ ４２０〜４４０℃ ２３０〜２４０℃ ０．２１Ｖ
２ｍｍ ３３０〜３４０℃ ２４０〜２５０℃ ０．２２Ｖ
０ｍｍ ３３０℃ ２００〜２１０℃ ０．２４Ｖ

発生した起電力の値は、数時間の後においても同じ値を示し、安定して発電していることが確認された。上の結果から分かるように、セル起電力は、最大で０．２４Ｖであるが、距離が０ｍｍのときであり、これは、燃料電池セルと触媒酸化体が接触状態にあり、触媒酸化体への酸素供給が不足し、燃料の触媒酸化が妨げられていることを示している。この温度低下は、温熱器具にとっては適したものではないため、燃料の種類、触媒の種類や担持量に応じて、燃料電池セルと触媒酸化体との距離は適切に選択される。

上述の例では、燃料にベンジンを使用したが、エタノールを燃料にして燃料電池セルの起電力を測定すると、燃料電池セルと触媒酸化体との距離が１０ｍｍの場合、セル温度は、３８０〜４００度程度になり、このときの起電力は、０．２１Ｖであった。

本発明による無炎燃焼利用の固体酸化物燃料電池装置の概略構成を説明する図である。 図１に示された固体酸化物燃料電池装置の詳細を説明する無炎燃焼部近傍の拡大図である。 固体酸化物燃料電池装置に用いられる固体酸化物燃料電池セルの変形例を説明する図である。 従来技術による火炎使用の管型固体酸化物燃料電池の構成を説明する図である。 従来技術による火炎使用の平板型固体酸化物燃料電池の構成を説明する図である。

符号の説明

１ 固体酸化物基板
２ カソード電極層
３ アノード電極層
４ 燃焼装置
１０ 燃料蓄積容器
１１ 保護カバー
１２ 燃料供給口
１３ 触媒酸化体
１４ セル保持具

Claims (6)

1. 板状の固体酸化物基板と、該基板の一方の面に形成されたカソード電極層と、該一方の面と反対側の面に形成されたアノード電極層とを有する固体酸化物燃料電池セルと、
   前記固体酸化物燃料電池セルの下方に配置され、燃料が供給される触媒酸化体と、を備え、
   前記アノード電極層に、前記触媒酸化体で生成された前記燃料の酸化燃料成分が供給され、前記カソード電極層には、空気が供給されることにより発電する固体酸化物燃料電池装置。
2. 前記固体酸化物燃料電池セルは、前記触媒酸化体と離間して設置されることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物燃料電池装置。
3. 前記触媒酸化体は、温熱器具における燃料蓄積容器の燃料出口に備えられ、該温熱器具の熱源であることを特徴とする請求項１又は２に記載の固体酸化物燃料電池装置。
4. 前記触媒酸化体に供給される燃料は、前記燃料蓄積容器内に蓄積された有機物液体又は気体であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の固体酸化物燃料電池装置。
5. 前記有機物液体は、ベンジン、エタノール、ホワイトガソリンのいずれかであることを特徴とする請求項４に記載の固体酸化物燃料電池装置。
6. 前記固体酸化物燃料電池セルは、前記固体酸化物基板の前記一方の面に形成された複数のカソード電極層と、該固体酸化物基板の前記反対側の面に形成された複数のアノード電極層とを有し、
   前記固体酸化物基板を介して対向する前記アノード電極層と前記カソード電極層とにより、複数の燃料電池セルが形成されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の固体酸化物燃料電池装置。

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