JP2007026779A - 固体酸化物型燃料電池 - Google Patents

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Abstract

【課題】 本発明は、火炎の急激加熱による熱衝撃を緩和して、固体酸化物基板のひび割れ発生を抑制した固体酸化物型燃料電池を提供する。
【解決手段】 固体酸化物型燃料電池Ｃは、固体酸化物基板１と、一方の面に形成されたカソード電極層２と、反対側の面に形成されたアノード電極層３とを有し、白金メッシュＭ１、Ｍ２がカソード電極層とアノード電極層とに埋設される。固体酸化物基板の周縁部分で、カソード電極層の端縁部からアノード電極層の端縁部に渡って被覆した酸化物層５によって、固体酸化物基板の周縁部分の熱衝撃が緩和される。また、白金メッシュを固体酸化物基板の全体の面積に拡げることにより、火炎の急速加熱時にも、基板全面が均一加熱され、ひび割れを生じない。
【選択図】 図１

Description

本発明は、発電装置に適用できる固体酸化物型燃料電池に関し、特に、固体酸化物基板に集電電極を有する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る固体酸化物型燃料電池であって、燃焼で形成される予混火炎を直接曝すことにより発電でき、火炎による急激な加熱の熱衝撃を緩和して、基板の周縁部におけるひび割れの発生を抑制した固体酸化物型燃料電池に関する。
従来から開発されている燃料電池には、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固体酸化物型燃料電池がある。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（Ｏ２−）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。
この様な形式の固体酸化物型燃料電池について、カソード電極層の側に、酸素又は酸素含有ガス供給チャンバーを、そして、アノード電極層の側に、燃料ガスが供給される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ない。そして、この燃料電池を駆動温度にするため、セパレート型チャンバーの外側に設けられたヒーターで加熱されるが、急速加熱によると、固体酸化物型燃料電池がひび割れを起こし、発電不能になるため、燃料電池の始動時においては、長時間を掛けて徐々に加熱する必要があった。しかも、高温下で、酸化性雰囲気と還元性雰囲気とに曝されるため、固体酸化物型燃料電池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を形成し、この燃料電池を、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、燃料電池の耐久性の向上が容易である。
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によって構成された形式のものであるが、固体酸化物型燃料電池を火炎中、或いは、その近傍に配置し、火炎の熱によって固体酸化物型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。
この提案され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とから構成されている。この固体電解質による固体酸化物型燃料電池セルを、燃料ガスが供給される燃焼装置から発生する火炎の還元炎部分に、アノード電極層を曝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、菅内部のカソード電極層には、対流又は拡散によって、酸素含有気体としての空気が供給され、固体酸化物型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、従来の固体酸化物型燃料電池のように、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型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、板状固体酸化物型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、既提案の管状の固体酸化物型燃料電池セルでは、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、固体酸化物型燃料電池セルが、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型燃料電池を採用し、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曝すようにして、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型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１を参照）。
その提案された固体酸化物型燃料電池による発電装置が、図４に示されている。図４に示された発電装置に利用される固体酸化物型燃料電池セルＣは、平板状で、円形又は矩形の固体酸化物基板１と、その基板の一方の面に形成された空気極であるカソード電極層２と、その一方の面と反対側の面に形成された燃料極であるアノード電極層３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型燃料電池セル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され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、予混火炎の方が好適である。予混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。
前記の固体酸化物型燃料電池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、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。
ところで、特許文献１に開示された発電装置における固体酸化物型燃料電池では、直接に火炎に曝されることによりひび割れが発生しても、固体酸化物型燃料電池として発電機能を低下させないために、固体酸化物型燃料電池のカソード電極、アノード電極層の少なくとも一方に、メッシュ状金属又はワイヤ状金属を埋め込み、或いは、固着しておくことが提案されている。
図５に、提案された固体酸化物型燃料電池Ｃが、円形状に形成された例として、その上面図と断面図とで示されている。固体酸化物型燃料電池の耐久性を向上するために、燃料電池におけるカソード電極層２とアノード電極層３とに、メッシュ状金属又はワイヤ状金属Ｍ１、Ｍ２とが埋設、或いは、固着されている。このメッシュ状金属又はワイヤ状金属を、固体酸化物型燃料電池の集電電極とし、集電効率をも向上している。
さらに、カソード電極層２とアノード電極層３とは、固体酸化物基板１の面積より小さく形成されている。そして、メッシュ状金属又はワイヤ状金属Ｍ１、Ｍ２は、カソード電極層２とアノード電極層３の面積より小さく形成され、或いは、その一部分に形成されることがある。従って、固体酸化物基板１の周縁部では、基板表面が所定幅をもって露出している。矩形上の固体酸化物型燃料電池の場合でも、同様である。
この様に、１枚の固体酸化物基板に、一の固体酸化物型燃料電池が形成されるが、固体酸化物型燃料電池として、１枚の固体酸化物基板に複数の燃料電池を形成する場合もあり、さらに、小面積を有する複数枚の固体酸化物基板の各々に固体酸化物型燃料電池を形成し、個々の燃料電池を配線で電気的に接続して一の燃料電池とする場合もある。これらの場合であっても、各燃料電池におけるカソード電極、アノード電極層の少なくとも一方に、メッシュ状金属又はワイヤ状金属を埋め込み、或いは、固着しておくことが提案され（例えば、特許文献２、３を参照）、ひび割れが発生しても、固体酸化物型燃料電池として発電機能を低下させないようにしている。
特開２００４−１３９９３６号公報 特開２００５−７１６２８号公報 特開２００５−６３６９２号公報
以上に説明したように、これまでに提案された発電装置に利用される固体酸化物型燃料電池では、直接に火炎に曝されることによりひび割れが発生しても、固体酸化物型燃料電池として発電機能を低下させないようにするために、固体酸化物型燃料電池のカソード電極、アノード電極層の少なくとも一方に、メッシュ状金属又はワイヤ状金属を埋め込み、或いは、固着しておいた。このメッシュ状金属又はワイヤ状金属が存在することによって、小片にひび割れた個々の燃料電池が、電気的に並列接続される結果、固体酸化物型燃料電池の全体としては、発電に影響しないというものであった。
しかしながら、図５に示されるように、各電極層にメッシュ状金属又はワイヤ状金属が配設された場合においても、小片にひび割れた個々の燃料電池が、メッシュ状金属又はワイヤ状金属によって電気的に並列接続され、発電機能が維持されるが、上述したように、固体酸化物基板１の周縁部では、基板表面が所定幅をもって露出しているため、各電極層が形成されていない固体酸化物基板の周縁部分にも、ひび割れが発生し、結果として、固体酸化物型燃料電池を使用できなくなるという問題があった。
そこで、本発明は、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る固体酸化物型燃料電池であって、燃焼で形成される予混火炎を直接曝すことにより発電でき、固体酸化物基板の周縁部分にひび割れが発生しない対策を施して、火炎による急激な加熱の熱衝撃を緩和し、基板全体のひび割れの発生を抑制した固体酸化物型燃料電池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、本発明の固体酸化物型燃料電池では、固体酸化物基板の一方の面に形成されたカソード電極層と、前記固体酸化物基板の前記一方の面と反対側の面に形成されたアノード電極層と、前記固体酸化物基板の全周縁部で、前記カソード電極層の端縁部から前記アノード電極層の端縁部に渡って被覆する酸化物層と、を備え、前記カソード電極層と前記アノード電極層の少なくとも一方にメッシュ状金属又はワイヤ状金属が埋設又は固着され、燃焼による火炎が前記アノード電極層に供給され、酸素を含有する気体が前記カソード電極層に供給されて、発電できるようにした。
そして、前記カソード電極層及び前記アノード電極層の面積は、前記固体酸化物基板の前記面より小さく形成され、前記カソード電極層と前記アノード電極層とに埋設又は固着された前記メッシュ状金属又はワイヤ状金属は、第１集電電極及び第２集電電極であり、該第１集電電極及び第２集電電極に接続されたリード線から、発電出力が取出されることとした。
前記メッシュ状金属又はワイヤ状金属は、前記カソード電極層又は前記アノード電極層の全面に設けられ、前記酸化物層は、固体電解質、或いは、多孔質に形成されることとした。
また、前記固体酸化物基板の一方の面に、前記第１集電電極を埋設又は固着された複数のカソード電極層が形成され、前記固体酸化物基板の前記一方の面と反対側の面に、前記第２集電電極を埋設又は固着された複数のアノード電極層が形成され、前記固体酸化物基板に複数の固体酸化物型燃料電池が形成された固体酸化物型燃料電池であって、前記複数のカソード電極層の間及び前記複数のアノード電極層の間における前記固体酸化物基板の面上を、前記酸化物層で被覆するようにした。
また、本発明の固体酸化物型燃料電池では、前記メッシュ状金属又はワイヤ状金属は、前記カソード電極層又は前記アノード電極層の全面を超える面積を有し、前記超えたメッシュ状金属又はワイヤ状金属部分は、前記酸化物層で被覆されることとした。
さらに、前記アノード電極層又は前記カソード電極層に配設された前記メッシュ状金属又はワイヤ状金属が、隣接する他の固体酸化物型燃料電池のカソード電極層又はアノード電極層、或いは、アノード電極層又はカソード電極層に配設されたメッシュ状金属又はワイヤ状金属と接続されることとした。
以上のように、本発明の固体酸化物型燃料電池では、カソード電極層又はアノード電極層に、或いは、その双方に、メッシュ状金属又はワイヤ状金属が配設されており、固体酸化物基板の全周縁部において、カソード電極層の端縁部からアノード電極層の端縁部に渡って被覆する酸化物層が形成されているので、該固体酸化物型燃料電池を用いて発電を開始するとき、火炎により急激に曝されても、固体酸化物基板の全周縁部が、酸化物層で補強され、その周縁部における熱応力の発生を緩和することができる。そのため、固体酸化物型燃料電池の固体酸化物基板の周縁部における耐熱衝撃性を向上し、ひび割れを抑制できる。
また、本発明の固体酸化物型燃料電池では、集電電極となるメッシュ状金属又はワイヤ状金属が、カソード電極層又はアノード電極層の、或いは、その双方の全面を超える面積を有するようにし、さらに、その超えたメッシュ状金属又はワイヤ状金属部分が、固体酸化物基板の全周縁部とともに、酸化物層で被覆されるので、電極間の短絡を有効に防止しつつ、固体酸化物基板の耐熱衝撃性を向上することができる。
以上のような本発明の固体酸化物型燃料電池によれば、直接火炎型の燃料電池として、密閉を必要としない簡単な構造とすることができ、手軽に発電でき、取り扱いが簡単化されるだけでなく、耐熱衝撃性を向上しつつ、基板の周縁部におけるひび割れの発生を抑制できることは、火炎による急速加熱を実現でき、燃料電池の始動時間を短縮することに効果的である。
次に、本発明による固体酸化物型燃料電池に係る実施形態について、図１を参照しながら、説明する。ここで、本実施形態に使用することができる固体酸化物型燃料電池の基礎について、以下に説明する。
本実施形態に使用される固体酸化物型燃料電池は、基本的には、図４に示された固体酸化物型燃料電池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、円形状又は矩形状の平板であり、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、該基板の周縁部分を残して、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、燃料電池としての出力が取り出される。
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）、ＧＤＣ（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
等が挙げられる。この中でも、特にｄ）、ｅ）が好ましい。
また、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。本実施形態の固体酸化物型燃料電池では、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。
通常、固体酸化物基板１は、緻密質に形成されるが、多孔質に形成することもできる。緻密質に形成された固体酸化物基板は、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、固体酸化物型燃料電池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いが、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。
固体酸化物型燃料電池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、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電解質としての固体酸化物基板が作られる。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、乾燥させ、焼成を行うことにより、一枚の固体酸化物型燃料電池を製造することができる。
また、前述したように、固体酸化物型燃料電池の耐久性を向上する手法として、燃料電池におけるカソード電極層とアノード電極層とに、メッシュ状金属又はワイヤ状金属を埋設し、或いは、固着させることが、図５に示された。このメッシュ状金属又はワイヤ状金属を各電極層に埋設する方法としては、各電極層の材料（ペースト）を固体酸化物基板１に塗布し、乾燥させ、カソード電極層とアノード電極層を形成する。
次いで、カソード電極層上にメッシュ状金属又はワイヤ状金属Ｍ１を載せて、電極層の材料（ペースト）を塗布し、乾燥させる。さらに、アノード電極層上にメッシュ状金属又はワイヤ状金属Ｍ２を載せて、電極層の材料（ペースト）を塗布し、乾燥させる。その後に、全体の焼成を行って、メッシュ状金属又はワイヤ状金属を埋設されたカソード電極層２とアノード電極層３が形成される。
また、以上では、メッシュ状金属又はワイヤ状金属を各電極層となる塗布された材料中に埋め込んだ場合であったが、これらの金属を各電極層に固着する方法としては、カソード電極層２、アノード電極層３が、塗布された段階で、メッシュ状金属又はワイヤ状金属を各電極層の材料によって完全に埋め込むことなく、接着させる。その後、全体を焼成することにより、固着するようにしても良い。
メッシュ状金属又はワイヤ状金属としては、これが埋設される、或いは、固着されるカソード電極層、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又はワイヤ状にしたものが挙げられる。また、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も有利である。
メッシュ状金属又は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る場合、そのメッシュ度、メッシュ形状、その本数等は、必要に応じて選択される。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、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たままとし、小片の固体酸化物型燃料電池を並列接続することになる。
なお、以上のひび割れ後の対策は、固体酸化物基板を多孔質性にした場合でも適用できるが、燃料電池の固体酸化物基板に緻密質構造のものを使用した場合には、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、特に有効な手段となる。
また、アノード電極層、カソード電極層のそれぞれにおいて、メッシュ状金属又はワイヤ状金属が配設される範囲は、固体酸化物基板と各電極層との境界面積に対して、５０％以上で１００％以下の面積の範囲に配設されることが望ましい。特に、固体酸化物基板のひび割れしやすい部分を補強するよう、部分的に配設しても良い。そのため、図５の例では、メッシュ状金属又はワイヤ状金属が、各電極層の外周より内側に配設された状態が示されている。
メッシュ状金属又はワイヤ状金属は、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、或いは、固着されていれば、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。固体酸化物型燃料電池の発電能力は、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又はワイヤ状金属を配設すると良い。
しかしながら、以上のようにして形成された固体酸化物型燃料電池において、メッシュ状金属又はワイヤ状金属がカソード電極層とアノード電極層とに埋設し、或いは、固着されていても、図５に示されるように、固体酸化物基板の周縁部分には、メッシュ状金属又はワイヤ状金属が配設されていない。そのため、各電極層部分におけるひび割れがあっても、メッシュ状金属又はワイヤ状金属によって燃料電池の発電機能が低下することがないが、この固体酸化物基板の周縁部分では、火炎の急激な加熱による熱衝撃で、この周縁部分にひび割れが発生し、燃料電池として使用できない状態になる場合があった。
そこで、固体酸化物型燃料電池の固体酸化物基板の周縁部分におけるひび割れの対策について、固体酸化物基板の周縁部分に酸化物層を形成する第１実施形態と、メッシュ状金属又はワイヤ状金属をカソード電極層とアノード電極層の面積を超えた大きさに配設する第２実施形態とに分けて、以下に説明する。
〔第１実施形態〕
第１実施形態による固体酸化物型燃料電池の構成が、図１に示される。図１には、固体酸化物型燃料電池Ｃの断面図が示され、その固体酸化物型燃料電池Ｃは、図５に示された固体酸化物型燃料電池Ｃの構成を基本としており、同じ部分には、同じ符号が付されている。
図１に示された固体酸化物型燃料電池Ｃでも、固体酸化物型燃料電池の耐久性を向上するために、カソード電極層２とアノード電極層３とに、メッシュ状金属又はワイヤ状金属Ｍ１、Ｍ２とが埋設、或いは、固着されている。このメッシュ状金属又はワイヤ状金属を、固体酸化物型燃料電池の集電電極として機能し、図１では図示していないが、図５に示されたように、リード線Ｌ１、Ｌ２が接続され、発電出力が取出される。
さらに、カソード電極層２とアノード電極層３とは、固体酸化物基板１の面積より小さく形成され、そして、メッシュ状金属又はワイヤ状金属Ｍ１、Ｍ２は、カソード電極層２とアノード電極層３の面積より小さく形成されているため、固体酸化物基板１の周縁部分の表面上には、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。
図５に示された既提案の固体酸化物型燃料電池Ｃでは、アノード電極層３が火炎によって直接曝され、固体酸化物基板１が急速に加熱されたとき、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固体酸化物基板１の周縁部分にも熱衝撃が加わり、ひび割れが発生した。そこで、第１実施形態の固体酸化物型燃料電池では、この固体酸化物基板１の周縁部分におけるひび割れの発生を抑制するため、図１に示されるように、固体酸化物基板１の全外周縁部分について、カソード電極層２の端縁部からアノード電極層３の端縁部に渡った酸化物層５を形成した。固体酸化物型燃料電池Ｃが円形状であれば、その酸化物層５は、断面が略コの字型の環状体となる。
この酸化物層５は、電気絶縁性の酸化物であり、固体酸化物基板１を形成する固体電解質、例えば、ＳＤＣで形成することができ、また、緻密質構造だけでなく、多孔質構造にすることもできる。酸化物層の形成は、各電極層の材料（ペースト）を固体酸化物基板１に塗布し、乾燥させ、メッシュ状金属又はワイヤ状金属が埋め込まれ、或いは固着されたカソード電極層とアノード電極層が形成された後に行われる。固体酸化物基板１の電極層が形成されていない露出表面上に、例えば、ＳＤＣペーストを厚く塗布し、乾燥させる。その後、各電極層とともに、焼成されて、作製が完了する。
この様に、第１実施形態の固体酸化物型燃料電池では、固体酸化物基板１の各電極層が形成されていない露出表面上において、カソード電極層２の端縁部からアノード電極層３の端縁部に渡った酸化物層５が形成されているので、この酸化物層が形成された部分が厚くなり、熱衝撃に対する補強としての効果があり、固体酸化物基板の周縁部分におけるひび割れの発生を抑制できる。
次に、第１実施形態の固体酸化物型燃料電池の変形例について、図２を参照しながら説明する。これまでは、図５に示された固体酸化物型燃料電池Ｃを基本構成として、固体酸化物基板に一の燃料電池が形成された場合であった。この場合には、上述した図１の固体酸化物型燃料電池Ｃのように、酸化物層は、断面が略コの字型の環状体で形成されれば、固体酸化物基板の周縁部分におけるひび割れの発生を抑制できた。
ところで、１枚の固体酸化物基板に複数の固体酸化物型燃料電池を形成した場合には、固体酸化物基板の周縁部分だけでなく、固体酸化物基板表面の内方部分でも、各電極層が形成されない表面露出部分が存在し、火炎によって直接曝されて、固体酸化物基板１が急速に加熱されたとき、固体酸化物基板の内方部分にも熱衝撃が加わり、ひび割れが発生した。
１枚の固体酸化物基板に複数の固体酸化物型燃料電池を形成した場合の例が、図２（ａ）に示される。図２（ａ）では、固体酸化物基板１の面上に、４つのカソード電極層２１〜２４と、その反対面に、４つのアノード電極層３１〜３４（図示なし）が形成されている。例えば、カソード電極層２１とアノード電極層３１とで、一の燃料電池が構成され、相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、１枚の固体酸化物基板に４個の固体酸化物型燃料電池Ｃ１〜Ｃ４が構成される。この様な４個の燃料電池の形成に限られず、必要に応じて、２以上の任意数に分割して形成できる。
そして、燃料電池の発電出力を取り出すため、カソード電極層２２に、リード線Ｌ１が、そして、アノード電極層３３にも、リード線Ｌ２が取り付けられている。さらに、複数の固体酸化物型燃料電池を直列接続するため、接続線Ｗ１〜Ｗ３が用意され、図２（ａ）に示されるように、例えば、接続線Ｗ１は、カソード電極層２１とアノード電極層３２とを電気的に接続する。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。リード線Ｌ１とリード線Ｌ２との間には、４つの燃料電池の起電力が足し合わされた大きさの出力が得られる。
なお、図２（ａ）に示された固体酸化物型燃料電池では、４つの燃料電池Ｃ１〜Ｃ４を直列接続するために、接続線Ｗ１〜Ｗ３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。これらの接続線は、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。
ここで、図２（ａ）の固体酸化物型燃料電池Ｃでも分かるように、複数の固体酸化物型燃料電池を共通の固体酸化物基板１上に形成する場合には、固体酸化物基板の内方部分に、図２（ａ）の例であれば、十字状に、各電極層が形成されない基板露出部分が存在する。このことは、火炎によって直接曝され、固体酸化物基板１が急速に加熱されたとき、固体酸化物基板の内方部分にも熱衝撃が加わり、この基板露出部分にも、ひび割れが発生する可能性がある。
そこで、第１実施形態の変形例では、図２（ｂ）に示されるように、図１で示したひび割れ発生の抑制対策として用いた酸化物層を、固体酸化物基板の内方に存在する基板露出部分にも、設けることとした。図２（ｂ）は、図２（ａ）に示されたＸ−Ｘ線における断面図を示している。図２（ｂ）の固体酸化物型燃料電池は、図１の固体酸化物型燃料電池を基本構成としているが、固体酸化物型燃料電池Ｃが、４個の固体酸化物型燃料電池Ｃ１〜Ｃ４に分割されて形成されている。
ここで、図２（ｂ）の固体酸化物型燃料電池が、図１の固体酸化物型燃料電池Ｃと異なるところは、複数の固体酸化物型燃料電池Ｃ１〜Ｃ４が形成されるときには、固体酸化物基板の内方部分に、各電極層が形成されない基板露出部分が存在することである。そのため、この第１実施形態の変形例では、固体酸化物基板１の周縁部分に、酸化物層５１を形成するとともに、基板内方の基板露出部分にも、酸化物層５２、５３を形成した。酸化物層５２は、カソード電極層側に存在する基板露出部分に形成され、酸化物層５３は、アノード電極層側に存在する基板露出部分に形成される。
この酸化物層５２、５３の形成は、酸化物層５１の形成と同様であり、それと同時に行われる。以上のようにすれば、火炎によって直接曝され、固体酸化物基板１が急速に加熱されたときに、固体酸化物基板の内方部分にも熱衝撃が加わっても、この熱衝撃にも耐えることができ、この基板露出部分にも、ひび割れの発生を抑制することができる。
〔第２実施形態〕
次に、本発明の固体酸化物型燃料電池について、メッシュ状金属又はワイヤ状金属をカソード電極層とアノード電極層の面積を超えた大きさに配設した場合の第２実施形態を、図３を参照しながら、以下に説明する。図３に示された固体酸化物型燃料電池は、図１に示された第１実施形態の固体酸化物型燃料電池Ｃを基本としており、同じ部分には同じ符号が付されている。
ここで、固体酸化物型燃料電池におけるメッシュ状金属の配設の仕方を変えて、加熱用火炎による固体酸化物基板におけるひび割れの発生について実験を行った。なお、上述した固体酸化物型燃料電池におけるカソード電極層とアノード電極層は、通常、多孔質で形成されており、しかも、固体酸化物基板の厚さより薄いので、熱伝導上では、無視できるものとして、この実験においては、ＳＤＣで形成され、直径が２０ｍｍ、厚さが０．２ｍｍであり、のカソード電極層とアノード電極層を有しない固体酸化物基板を用意した。
ここで、ａ）両面共にメッシュ状金属を固着しない固体酸化物基板、ｂ）片面のみに、また両面に、直径１５ｍｍのメッシュ状金属を固着した２種類の固体酸化物基板、ｃ）片面のみに、また両面に、直径２０ｍｍのメッシュ状金属を固着した２種類の固体酸化物基板、ｄ）片面に直径１５ｍｍのメッシュ状金属を、また他方の面に直径２０ｍｍのメッシュ状金属を固着した固体酸化物基板を、それぞれ形成した。
そこで、実験では、ａ）乃至ｄ）で形成されたそれぞれの固体酸化物基板の片面中央部分に、バーナーで生成された予混火炎を曝すことにより、初期において直径が約１０ｍｍの高熱部を形成し、ひび割れの観測を行った。ａ）の場合には、固体酸化物基板の中央部にひび割れが発生し、ｂ）の場合では、図４の場合に相当し、メッシュ状金属の外周にある固体酸化物基板の周縁部分において、ひび割れが発生したが、ｃ）及びｄ）の場合には、固体酸化物基板全面において、ひび割れが発生しなかった。
固体酸化物基板の熱伝導率が、約２〔Ｗｍ-1Ｋ〕であるのに対し、メッシュ状金属が白金である場合には、その熱伝導率は、約７２〔Ｗｍ-1Ｋ〕であり、ＳＵＳ３０４のステンレスの場合には、約１６．３〔Ｗｍ-1Ｋ〕であり、ＳＵＳ４３０のステンレスの場合に、約２６．３〔Ｗｍ-1Ｋ〕である。
このことから、上述のひび割れの発生状況を勘案すると、メッシュ状金属の熱伝導率が、固体酸化物基板の熱伝導率より高いため、メッシュ状金属が存在する部分では、固体酸化物基板への熱伝播が早く、熱衝撃が少ないことが分かる。従って、少なくとも固体酸化物基板の片面にメッシュ状金属をその全面に配設すると、火炎が直接かつ急激に基板を曝しても、基板にひび割れを発生させることがなくなる。
そこで、第２実施形態の固体酸化物型燃料電池では、以上の知見に基づいて、火炎による急速加熱で固体酸化物基板にひび割れが発生することを抑制するため、カソード電極層とアノード電極層を超えて拡がり、或いは、固体酸化物基板の全面に拡がるメッシュ状金属又はワイヤ状金属を配設することとした。図３に、第２実施形態の固体酸化物型燃料電池として、カソード電極層２とアノード電極層３を超えて、固体酸化物基板１の全面に拡がるメッシュ状金属又はワイヤ状金属Ｍ１、Ｍ２を配設した例を示した。
図３に示した固体酸化物型燃料電池の構成は、図１に示された固体酸化物型燃料電池と同様であり、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からなり、カソード電極層２には、メッシュ状金属又はワイヤ状金属Ｍ１が埋設され、或いは、固着されている。一方、アノード電極層３にも、メッシュ状金属又はワイヤ状金属Ｍ２が埋設され、或いは、固着されている。ここで、第２実施形態が、図１の固体酸化物型燃料電池におけるメッシュ状金属又はワイヤ状金属Ｍ１、Ｍ２と異なるところは、メッシュ状金属又はワイヤ状金属Ｍ１、Ｍ２が、拡がり部分ｍ１、ｍ２を有して、カソード電極層２とアノード電極層３の形成範囲を超えて、固体酸化物基板１の全面に拡がっていることである。そして、この拡がり部分ｍ１、ｍ２は、酸化物層５によって被覆され、固体酸化物基板１に固定されている。
上述の実験例によれば、図３に示した固体酸化物型燃料電池のメッシュ状金属又はワイヤ状金属の配設の仕方は、ｃ）における両方にメッシュ状金属を設けた場合に相当し、火炎による急激な加熱による熱衝撃が緩和され、固体酸化物基板全体にひび割れ発生を抑制することができた。この場合、酸化物層５は、電極間の短絡を防止している。一方、実験例のｄ）の場合からも分かるように、カソード電極層２に配設されたメッシュ状金属又はワイヤ状金属Ｍ１の拡がり部分ｍ１を省略しても、固体酸化物基板のひび割れ抑制対策としての効果が得られる。
また、ｃ）における片方のみにメッシュ状金属を設けた場合も、固体酸化物基板のひび割れ抑制対策としての効果が得られるが、この場合、第２実施形態の固体酸化物型燃料電池として適用するには、固体酸化物型燃料電池に供給される火炎が、アノード電極層側を曝すことになるので、熱伝導を考慮するならば、メッシュ状金属Ｍ１と拡がり部分ｍ１が省略され、アノード電極層側のみとし、メッシュ状金属Ｍ２と拡がり部分ｍ２が配設されると、効果的である。
図３に示した第２実施形態の固体酸化物型燃料電池Ｃでは、各電極層に配設されたメッシュ状金属Ｍ１、Ｍ２の拡がり部分ｍ１、ｍ２は、固体酸化物基板１の周縁端までの範囲に設けられ、各電極層が形成されていない基板部分の全てに対応させたが、該基板部分に熱伝道が円滑に行われれば、基板部分の全てでなくとも、メッシュ状金属が各電極層を超えて配設されているだけでも、固体酸化物基板のひび割れ抑制対策としての効果が得られる。
以上の第２実施形態の固体酸化物型燃料電池は、単体の燃料電池として発電装置に利用される場合について説明されたが、本実施形態の固体酸化物型燃料電池を複数接続して発電装置とし、発電出力の大きさを調整することができる。
複数の固体酸化物型燃料電池を直列接続する場合には、図３に示された構成を有する当該固体酸化物型燃料電池に備えられたアノード電極層３のメッシュ状金属又はワイヤ状金属Ｍ２を延長して、隣接する他の固体酸化物型燃料電池のカソード電極層のメッシュ状金属又はワイヤ状金属Ｍ１に接続し、更に他の固体酸化物型燃料電池があるときには、この接続を繰り返す。そして、当該固体酸化物型燃料電池のカソード電極層のメッシュ状金属又はワイヤ状金属Ｍ１と最後の他の固体酸化物型燃料電池のアノード電極層のメッシュ状金属又はワイヤ状金属Ｍ３とから、発電出力が取出される。この場合に、アノード電極層３のメッシュ状金属又はワイヤ状金属Ｍ２が延長されることによって、上述した拡がり部分ｍ２の効果がえられる。
また、複数の固体酸化物型燃料電池を並列接続する場合には、図３に示された構成を有する複数の固体酸化物型燃料電池に備えられた各々のアノード電極層３のメッシュ状金属又はワイヤ状金属Ｍ２を延長して、互いに接続し、さらに、各固体酸化物型燃料電池のカソード電極層２のメッシュ状金属又はワイヤ状金属Ｍ１を延長して、互いに接続する。そして、カソード電極層２のメッシュ状金属又はワイヤ状金属Ｍ１とアノード電極層３のメッシュ状金属又はワイヤ状金属Ｍ２とから、発電出力が取出される。この場合も、カソード電極層２のメッシュ状金属又はワイヤ状金属Ｍ１とアノード電極層３のメッシュ状金属又はワイヤ状金属Ｍ２が延長されることによって、上述した拡がり部分ｍ１、ｍ２の効果がえられる。
次に、上述した第２実施形態の固体酸化物型燃料電池に係る実施例について、以下に説明する。ここでは、図３に示された固体酸化物型燃料電池の構成に従い、固体酸化物型燃料電池を製作し、バーナーで生成された予混火炎を使用して発電実験を行った。
先ず、固体酸化物基板には、固体電解質として、サマリアドープドセリア（ＳＤＣ、Ｓｍ０．２Ｃｅ０．８Ｏ１.９セラミック）を用いた。グリーンシート法により、大気中において、１３００℃で焼成し、直径１５ｍｍのセラミック製基板を作製した。次いで、この基板の一方の面に、サマリアストロンチウムコバルタイト（ＳＳＣ、Ｓｍ０．５Ｓｒ０．５ＣｏＯ３）とＳＤＣの５０重量％・５０重量％混合物からなるペーストを基板より小さい直径１３ｍｍの円形状に印刷し、そのペーストを乾燥させた。
さらに、基板の他方の面に、リチウムを８ｍｏｌ％固溶した酸化ニッケルとＳＤＣの６０重量％・４０重量％混合物に、５重量％の酸化ロジウムを添加したペーストを、基板と同じ大きさの直径１３ｍｍに印刷し、それぞれの面に集電電極となる白金メッシュを埋め込み、乾燥させた。その後、周縁部分における白金メッシュの露出部分をＳＤＣペーストで厚く塗布し、乾燥させ、大気中において、１２００℃で焼成し、単体の円形の固体酸化物型燃料電池を作製した。
作成された本実施例の固体酸化物型燃料電池では、図３に示されるように、カソード電極層側及びアノード電極層側において、白金メッシュの面積が固体酸化物基板の面積と同じに形成され、固体酸化物基板の周縁部分では、白金メッシュの周縁部分を埋設する形で、酸化物層が設けられている。一方、比較のため、上述の作製手順と同様にして、図５に示された従来構成の固体酸化物型燃料電池も作製した。
ここで、本実施例の固体酸化物型燃料電池と、従来構成による固体酸化物型燃料電池とを、ブタンガスと空気による予混気をバーナーで燃焼させた予混火炎で、それぞれ急加熱した。その結果、従来構成による固体酸化物型燃料電池では、固体酸化物基板の周縁部分でひび割れ、欠けが発生したのに対し、本実施例の固体酸化物型燃料電池では、全くひび割れが発生せず、欠けも生じなかった。
本発明による第１実施形態の固体酸化物型燃料電池の概略構成を説明する図である。 第１実施形態の固体酸化物型燃料電池の変形例を説明する図である。 本発明による第２実施形態の固体酸化物型燃料電池の概略構成を説明する図である。 従来技術による固体酸化物型燃料電池の利用状態を説明する図である。 図４の固体酸化物型燃料電池の詳細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、２１〜２４ カソード電極層
３、３１〜３４ アノード電極層
５、５１〜５３ 酸化物層
Ｃ、Ｃ１〜Ｃ４ 固体酸化物型燃料電池
Ｌ１、Ｌ２ リード線
Ｍ１、Ｍ２ メッシュ状金属
Ｗ１〜Ｗ３ 接続線
ｆ 予混火炎

Claims (9)

  1. 固体酸化物基板の一方の面に形成されたカソード電極層と、
    前記固体酸化物基板の前記一方の面と反対側の面に形成されたアノード電極層と、
    前記固体酸化物基板の全周縁部で、前記カソード電極層の端縁部から前記アノード電極層の端縁部に渡って被覆する酸化物層と、を有し、
    前記カソード電極層と前記アノード電極層の少なくとも一方にメッシュ状金属又はワイヤ状金属が埋設又は固着され、
    燃焼による火炎が前記アノード電極層に供給され、酸素を含有する気体が前記カソード電極層に供給されて、発電することを特徴とする固体酸化物型燃料電池。
  2. 前記カソード電極層及び前記アノード電極層の面積は、前記固体酸化物基板の前記面より小さく形成されたことを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物型燃料電池。
  3. 前記カソード電極層と前記アノード電極層とに埋設又は固着された前記メッシュ状金属又はワイヤ状金属は、第１集電電極及び第２集電電極であり、該第１集電電極及び第２集電電極に接続されたリード線から、発電出力が取出され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型燃料電池。
  4. 前記メッシュ状金属又はワイヤ状金属は、前記カソード電極層又は前記アノード電極層の全面に設けられた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型燃料電池。
  5. 前記酸化物層は、固体電解質で形成されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の固体酸化物型燃料電池。
  6. 前記酸化物層は、多孔質に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型燃料電池。
  7. 前記固体酸化物基板の一方の面に、前記第１集電電極を埋設又は固着された複数のカソード電極層が形成され、
    前記固体酸化物基板の前記一方の面と反対側の面に、前記第２集電電極を埋設又は固着された複数のアノード電極層が形成され、
    前記固体酸化物基板に複数の固体酸化物型燃料電池が形成された固体酸化物型燃料電池であって、
    前記複数のカソード電極層の間及び前記複数のアノード電極層の間における前記固体酸化物基板の面上を、前記酸化物層で被覆したことを特徴とする請求項３乃至６のいずれか一項に記載の固体酸化物型燃料電池。
  8. 前記メッシュ状金属又はワイヤ状金属は、前記カソード電極層又は前記アノード電極層の全面を超える面積を有し、
    前記超えたメッシュ状金属又はワイヤ状金属部分は、前記酸化物層で被覆されることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の固体酸化物型燃料電池。
  9. 前記アノード電極層又は前記カソード電極層に配設された前記メッシュ状金属又はワイヤ状金属が、隣接する他の固体酸化物型燃料電池のカソード電極層又はアノード電極層、或いは、アノード電極層又はカソード電極層に配設されたメッシュ状金属又はワイヤ状金属と接続されることを特徴とする請求項８に記載の固体酸化物型燃料電池。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009119107A1 (ja) * 2008-03-28 2009-10-01 三菱マテリアル株式会社 平板型の固体酸化物形燃料電池
KR20160144988A (ko) 2014-04-18 2016-12-19 하마마츠 포토닉스 가부시키가이샤 거리 화상 센서
USRE49950E1 (en) 2007-12-21 2024-04-30 Leddartech Inc. Distance detection method and system

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110111309A1 (en) * 2009-11-10 2011-05-12 Point Source Power, Inc. Fuel cell system
KR101144610B1 (ko) 2011-08-02 2012-05-11 한국기계연구원 투명 전극의 전도성 메쉬 매설 방법
WO2013127085A1 (zh) * 2012-03-02 2013-09-06 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 一种阳极支撑平板式固体氧化物燃料电池无压电堆
KR102198390B1 (ko) * 2019-01-30 2021-01-06 충북대학교 산학협력단 급속 구동 조건에서 안정한 직접 연소형 고체산화물 연료전지

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0729580A (ja) * 1993-07-16 1995-01-31 Sanyo Electric Co Ltd 燃料電池
JPH087900A (ja) * 1994-06-15 1996-01-12 Murata Mfg Co Ltd 固体電解質型燃料電池
JP2005071628A (ja) * 2003-08-22 2005-03-17 Shinko Electric Ind Co Ltd 固体電解質燃料電池

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4033284A1 (de) * 1990-10-19 1991-02-14 Asea Brown Boveri Anordnung von brennstoffzellen auf der basis eines hochtemperatur-feststoffelektrolyten
US5750279A (en) * 1992-02-28 1998-05-12 Air Products And Chemicals, Inc. Series planar design for solid electrolyte oxygen pump
DE19502391C1 (de) * 1995-01-26 1996-05-23 Fraunhofer Ges Forschung Membranelektrodeneinheit gebildet durch die Zusammenfassung von flächigen Einzelzellen und deren Verwendung
DE19718687C2 (de) * 1997-05-02 2002-04-11 Forschungszentrum Juelich Gmbh Brennstoffzellenanordnung zur Erhöhung der Spannung
US6127058A (en) * 1998-10-30 2000-10-03 Motorola, Inc. Planar fuel cell
US6428920B1 (en) * 2000-05-18 2002-08-06 Corning Incorporated Roughened electrolyte interface layer for solid oxide fuel cells
KR100424194B1 (ko) * 2001-11-01 2004-03-24 한국과학기술연구원 다공성 이온 전도성 세리아 막 코팅으로 삼상 계면이 확장된 미세구조의 전극부 및 그의 제조방법
WO2003092046A2 (en) * 2002-04-24 2003-11-06 The Regents Of The University Of California Planar electrochemical device assembly
JP4104418B2 (ja) 2002-10-21 2008-06-18 新光電気工業株式会社 燃料電池
JP2005063692A (ja) 2003-08-13 2005-03-10 Shinko Electric Ind Co Ltd 固体電解質燃料電池

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0729580A (ja) * 1993-07-16 1995-01-31 Sanyo Electric Co Ltd 燃料電池
JPH087900A (ja) * 1994-06-15 1996-01-12 Murata Mfg Co Ltd 固体電解質型燃料電池
JP2005071628A (ja) * 2003-08-22 2005-03-17 Shinko Electric Ind Co Ltd 固体電解質燃料電池

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
USRE49950E1 (en) 2007-12-21 2024-04-30 Leddartech Inc. Distance detection method and system
WO2009119107A1 (ja) * 2008-03-28 2009-10-01 三菱マテリアル株式会社 平板型の固体酸化物形燃料電池
KR20160144988A (ko) 2014-04-18 2016-12-19 하마마츠 포토닉스 가부시키가이샤 거리 화상 센서

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