JP2008243751A - 固体酸化物形燃料電池管状単セル、固体酸化物形燃料電池バンドルおよび固体酸化物形燃料電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】従来に比較して、簡易な構造で、直列接続しやすいＳＯＦＣ管状単セルを提供する。これを用いたバンドルを提供する。
【解決手段】第１電極管と、第１電極管の一端部を露出させた状態で、第１電極管の外周に積層さた固体電解質層と、固体電解質層の一端部または両端部を露出させた状態で、固体電解質層の外周に積層された第２電極層とを有する管状単セルとする。第１板状絶縁体に形成された挿通孔に、隣り合うセルの一方の第１電極管の露出部分を挿通し、第２板状絶縁体に形成された挿通孔に、その第２電極層の部分を挿通する。また、第１板状絶縁体に形成された挿通孔に、隣り合うセルの他方の第２電極層の部分を挿通し、第２板状絶縁体に形成された挿通孔に、その第１電極管の露出部分を挿通する。各板状絶縁体側において、第１電極管の露出部分と第２電極層の表面とをインターコネクタを介して電気的に接続し、バンドルとする。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池管状単セル、固体酸化物形燃料電池バンドルおよび固体酸化物形燃料電池モジュールに関するものである。

固体酸化物形燃料電池（以下、「ＳＯＦＣ」ということがある。）は、電解質として酸素イオン導電性を有する固体電解質を用いた燃料電池である。ＳＯＦＣの基本的な要素は、空気極、固体電解質、燃料極であり、これら３つの要素を順に積層したものが、通常、単セルと称されている。また、必要に応じて、電極（空気極、燃料極）と固体電解質との間には、中間層を介在させることも行われている。

単セルの構造を幾何学的な形状により分類すると、平面型と管状型とに分類することができる。この内、管状単セルには、管の内側から外側に向かって空気極／固体電解質／燃料極が接合され、管の内側に酸化剤ガス、管の外側に燃料ガスを流す形式と、管の内側から外側に向かって燃料極／固体電解質／空気極が接合され、管の内側に燃料ガス、管の外側に酸化剤ガスを流す形式とが知られている。

この種のＳＯＦＣを用いて高効率で発電するためには、高電圧、低電流で運転させることが望ましい。通常、単セルは、電圧が約１Ｖと低い。そのため、実際にシステム等で運転する際には、単セル同士を直列接続することにより、電圧を高める必要がある。

平面状単セルの場合、セル間にインターコネクタを挟んだ積層構造とすることによって比較的簡単にセル同士を直列接続することができる。

これに対し、管状単セルの場合、そのままの構造で集積することは困難である。そのため、特許文献１などに示されるように、縦縞型と呼ばれるセル構造が用いられることが多い。

図１１に示すように、縦縞型の管状単セル１００は、（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ_３などの材料からなる空気極管１０１の外側面に、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）などの材料からなる固体電解質層１０２が接合されている。さらにこの固体電解質層１０２の外側面には、Ｎｉ−ＹＳＺサーメットなどの材料からなる燃料極層１０３が接合されている。また、空気極管１０１の電流端子を管外に取り出すため、ＬａＣｒＯ_３などの材料からなるインターコネクタ１０４が、長手方向にわたってセル自体に組み込まれている。

この縦縞型の管状単セル１００を直列接続するには、図１２に示すように、管状単セル１００を複数個並べ、一方の管状単セル１００のインターコネクタ１０４と、他方の管状単セル１００の燃料極層１０３とを電気的に接続することになる。

特開２００３−１０９６４５号公報

しかしながら、縦縞型等の管状単セルは、外側電極である燃料極層とセル内に形成されるインターコネクタとを絶縁したり、内側電極である空気極管とインターコネクタとを接続したりするなど、セル自体に複雑な加工が必要になる。そのため、セル製造コストの増大を招きやすかった。

さらに、このような複雑な加工を要するため、セルの小型化を図る上で、非常に高度な技術が必要になる。それ故、セルを小型化し、当該セル同士を直列接続することが困難であった。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、従来に比較して、簡易な構造で、直列接続しやすいＳＯＦＣ管状単セルを提供することにある。また、このＳＯＦＣ管状単セルを複数直列に接続した構造を有するＳＯＦＣバンドルを提供することにある。また、このＳＯＦＣバンドルを複数個接続してモジュール化したＳＯＦＣモジュールを提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明に係るＳＯＦＣ管状単セルは、第１電極管と、
上記第１電極管の一端部を露出させた状態で、上記第１電極管の外周に積層された固体電解質層と、上記固体電解質層の一端部または両端部を露出させた状態で、上記固体電解質層の外周に積層された第２電極層とを有することを要旨とする。

この際、上記ＳＯＦＣ管状単セルは、その他端部側における、上記第１電極管の端面、または、上記第１電極管の端面および上記第１電極管の内周面の一部が、上記固体電解質層により被覆されていると良い。

上記ＳＯＦＣ管状単セルは、上記第１電極管が燃料極管であり、上記第２電極層が空気極層であっても良い。また、上記第１電極管が空気極管であり、上記第２電極層が燃料極層であっても良い。

本発明に係るＳＯＦＣバンドルは、第１板状絶縁体とこれに対向する第２板状絶縁体との間に、上記管状単セルが、互いに離間された状態で、互い違い向きに平行に複数本並べられた部分を備え、隣り合う管状単セルの一方は、第１板状絶縁体に形成された挿通孔に、その第１電極管の露出部分が挿通されるとともに、第２板状絶縁体に形成された挿通孔に、その第２電極層の部分が挿通されており、隣り合う管状単セルの他方は、第１板状絶縁体に形成された挿通孔に、その第２電極層の部分が挿通されるとともに、第２板状絶縁体に形成された挿通孔に、その第１電極管の露出部分が挿通されており、各板状絶縁体側において、上記第１電極管の露出部分と上記第２電極層の表面とがインターコネクタを介して電気的に接続された構造を有していることを要旨とする。

ここで、上記ＳＯＦＣバンドルは、上記各板状絶縁体の外側において、上記インターコネクタによる電気的な接続がなされていると良い。

また、上記インターコネクタは、上記各板状絶縁体の表面にパターニングされて一体的に接合されていると良い。

また、上記第１板状絶縁体または上記第２板状絶縁体の何れか一方の外側には、各管状単セルの第１電極管内に流すガスを供給するマニホールドが設けられており、上記マニホールド内における各管状単セルの端部手前側には、圧損材料が配置されていると良い。

また、上記第１板状絶縁体または上記第２板状絶縁体の何れか一方の外側には、各管状単セルの第１電極管内を流れたガスを排出するマニホールドが設けられており、上記マニホールドの外部に、上記インターコネクタの取り出し電極が突出されていると良い。

本発明に係るＳＯＦＣモジュールは、上記ＳＯＦＣバンドルが複数個並べられ、各バンドルが、直列もしくは並列あるいは直列と並列とを組み合わせて接続されていることを要旨とする。

本発明に係るＳＯＦＣ管状単セルは、第１電極管と、第１電極管の一端部を露出させた状態で、第１電極管の外周に積層された固体電解質層と、固体電解質層の一端部または両端部を露出させた状態で、固体電解質層の外周に積層された第２電極層とを有している。

そのため、本発明に係るＳＯＦＣ管状単セルは、従来の縦縞型等の管状単セルに比較して、その構造が簡易である。したがって、セル製造時に、複雑で高い加工精度が要求されることがない。また、これにより、セル製造コストを抑制することが可能になる。また、簡易な構造であるので、小型化も図りやすい。

そして、このような構造を採用することにより、ＳＯＦＣ管状単セルの第１電極管の露出部分と、別のＳＯＦＣ管状単セルの第２電極層の表面とを、インターコネクタを介して電気的に接続するなどすれば、セル同士を比較的容易に直列接続することが可能になる。

また、ＳＯＦＣ管状単セルの第１電極管の露出部分と、別のＳＯＦＣ管状単セルの第１電極管の露出部分、さらに、ＳＯＦＣ管状単セルの第２電極層の表面と、別のＳＯＦＣ管状単セルの第２電極層の表面とを、インターコネクタを介して電気的に接続するなどすれば、セル同士を比較的容易に並列接続することもできる。

この際、ＳＯＦＣ管状単セルの他端部側において、第１電極管の端面、または、第１電極管の端面および第１電極管の内周面の一部が、固体電解質層により被覆されている場合には、第２電極層と第１電極管との距離が近くても、両者の絶縁性が高い。そのため、セル内における短絡の危険性がより小さくなる。

本発明に係るＳＯＦＣバンドルは、第１板状絶縁体とこれに対向する第２板状絶縁体との間に、上記管状単セルが、互いに離間された状態で、互い違い向きに平行に複数本並べられた部分を備え、隣り合う管状単セルの一方は、第１板状絶縁体に形成された挿通孔に、その第１電極管の露出部分が挿通されるとともに、第２板状絶縁体に形成された挿通孔に、その第２電極層の部分が挿通されており、隣り合う管状単セルの他方は、第１板状絶縁体に形成された挿通孔に、その第２電極層の部分が挿通されるとともに、第２板状絶縁体に形成された挿通孔に、その第１電極管の露出部分が挿通されており、各板状絶縁体側において、第１電極管の露出部分と第２電極層の表面とがインターコネクタを介して電気的に接続された構造を有している。

従来技術では、セル自体に精密な加工を施すことによって、直列接続を達成していた。これに対し、本発明に係るＳＯＦＣバンドルによれば、簡易な構成の管状単セルを用いて、上記のような接続構造を採用することにより直列接続を達成することができる。また、上記構造を基本にし、単セルの配置、向き、インターコネクタの接続パターンを変えることにより、様々なサイズ、電圧のバンドルを構築することができ、幅広い応用が可能となる。

この際、上記各板状絶縁体の外側において、前記インターコネクタによる電気的な接続がなされている場合には、発電された電気を外部に取り出しやすくなる。

また、上記インターコネクタが、上記各板状絶縁体の表面にパターニングされて一体的に接合されている場合には、１つの部材が、絶縁体とインターコネクタとの両方の機能を兼ね備えている。そのため、部品点数を削減することができ、バンドルの組立性などを向上させることができる。この種の一体部材としては、例えば、ＬＴＣＣ（Low Temperature Co-fired Ceramics）などを好適に用いることができる。

また、上記第１板状絶縁体または上記第２板状絶縁体の何れか一方の外側に、各管状単セルの第１電極管内に流すガスを供給するマニホールドが設けられており、マニホールド内における各管状単セルの端部手前側に、圧損材料が配置されている場合には、次の利点がある。

管状単セルの第１電極管は、その製造時における寸法精度などに起因して、個々の第１電極管同士ではガスの圧損バラツキがある。しかし、上記構成を採用し、第１電極管内にガスを導入する手前で圧力損失をつけることにより、ガスが均圧化される。そのため、個々の第１電極管同士の圧損バラツキの影響を緩和することが可能になる。

また、上記第１板状絶縁体または上記第２板状絶縁体の何れか一方の外側に、各管状単セルの第１電極管内を流れたガスを排出するマニホールドが設けられており、マニホールドの外部に、インターコネクタの取り出し電極が突出されている場合には、より温度の低いところでバンドル同士を接続することが可能になる。そのため、接触抵抗、電気抵抗が少ないところでのモジュール化が可能になり、接続ロスを低減することが可能になる。

本発明に係るＳＯＦＣモジュールは、上記ＳＯＦＣバンドルが複数個並べられ、これらが直列もしくは並列あるいはその組み合わせで接続されている。そのため、このＳＯＦＣモジュールによれば、従来より低コストで、比較的小型のモジュールを実現可能になる。

以下に、本発明の一実施形態に係るＳＯＦＣ管状単セル（以下、「本管状単セル」ということがある。）、ＳＯＦＣバンドル（以下、「本バンドル」ということがある。）、および、ＳＯＦＣモジュール（以下、「本モジュール」ということがある）について詳細に説明する。

１．本管状単セル
図１は、本管状単セルの一例を模式的に示した図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は長手方向の断面図である。

管状単セル１０ａは、第１電極管１２と、固体電解質層１４と、第２電極層１６とを有している。

第１電極管１２は、第１電極材料より管状に形成された多孔質体である。第１電極管１２は、第１電極としての機能を有するとともに支持管としての機能も兼ね備えている。

第１電極管１２は、具体的には、燃料極材料より形成された燃料極管、または、空気極材料より形成された空気極管の何れか一方である。

燃料極材料としては、例えば、Ｎｉ、ＮｉＯ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｒｕ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｄなどの触媒を用いることができる。好ましくは、Ｎｉ、ＮｉＯ、Ｃｏ、Ｃｕなどである。より好ましくは、他の金属と比べ安価であり、燃料ガスとの反応性が良いなどの観点から、Ｎｉ、ＮｉＯなどである。また、触媒と固体電解質との複合材料を用いることもできる。この場合、固体電解質としては、例えば、Ｙ_２Ｏ_３、Ｓｃ_２Ｏ_３などで安定化されたジルコニア（ＹＳＺ、ＳｃＳＺなど）、ＣｅＯ_２、Ｙ_２Ｏ_３などの第二元素の酸化物を含むスカンジア安定化ジルコニア（ＳｃＣｅＳＺ、ＳｃＹＳＺなど、Ｓｍ_２Ｏ_３、Ｇｄ_２Ｏ_３などの酸化物を含むＣｅＯ_２（ＳＤＣ、ＧＤＣなど）、ＬａＳｒＧａＭｇＯ_３（ＬＳＧＭ）などが挙げられる。触媒と固体電解質との混合比（重量％）は、８０：２０〜３０：７０の範囲が好ましい。より好ましくは、７０：３０〜４０：６０の範囲であると良い。

一方、空気極材料としては、例えば、ＬａＳｒＭｎＯ_３、ＬａＣａＭｎＯ_３、ＬａＭｇＭｎＯ_３、ＬａＳｒＣｏＯ_３、ＬａＣａＣｏＯ_３、ＬａＳｒＦｅＯ_３、ＬａＳｒＣｏＦｅＯ_３、ＬａＳｒＮｉＯ_３、ＬａＮｉＦｅＯ_３、ＳｍＳｒＣｏＯ_３などの遷移金属ペロブスカイト型酸化物を用いることができる。また、遷移金属ペロブスカイト型酸化物と固体電解質との複合材料を用いることもできる。この場合、固体電解質としては、例えば、ＹＳＺ、ＳｃＳＺ、ＳｃＣｅＳＺ、ＳｃＹＳＺ、ＳＤＣ、ＧＤＣ、ＬＳＧＭなどが挙げられる。遷移金属ペロブスカイト型酸化物と固体電解質との混合比（重量％）は、９０：１０〜５０：５０の範囲が好ましい。より好ましくは、９０：１０〜８０：２０の範囲であると良い。

第１電極管１２が燃料極管である場合、その管内には、水素、一酸化炭素、メタンなどの燃料ガスが供給される。一方、第１電極管１２が空気極管である場合、その管内には、空気、酸素などの酸化剤ガスが供給される。

燃料極管は、例えば、各種触媒の粉末、または、各種触媒の粉末と各種固体電解質の粉末とを所定比率で混合し、この混合粉末に、メチルセルロース、ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラールなどの結合剤、炭素粉末などの気孔生成剤などを加えて水で練り、得られた塑性物を押し出し成形法などを用いて、所定の管径、管長さ、管厚みの管状成形体とし、これを組成に応じた最適な温度で焼成するなどして製造することができる。

一方、空気極管は、各種遷移金属ペロブスカイト型酸化物の粉末、または、各種遷移金属ペロブスカイト型酸化物の粉末と各種固体電解質の粉末とを所定比率で混合した混合粉末に、上記結合剤、気孔生成剤などを加えて水で練り、得られた塑性物を押し出し成形法などを用いて、所定の管径、管長さ、管厚みの管状成形体とし、これを組成に応じた最適な温度で焼成するなどして製造することができる。

固体電解質層１４は、固体電解質材料より薄膜状に形成された緻密質体であり、第１電極管１２の外周に積層されている。この場合、固体電解質材料としては、例えば、ＹＳＺ、ＳｃＳＺ、ＳｃＣｅＳＺ、ＳｃＹＳＺ、ＳＤＣ、ＧＤＣ、ＬＳＧＭなどが挙げられる。

固体電解質層１４は、具体的には、図１に示すように、第１電極管１２の一端部側の外表面が露出するように第１電極管１２の外周に積層されている。したがって、固体電解質層１４の表面積は、第１電極管１２の表面積よりも小さくされている。

固体電解質層１４は、第１電極管１２（焼結体）または管状成形体（未焼成体）の所定位置に固体電解質材料を含むスラリーを付着させた後、これを組成に応じた最適な温度で焼成するなどして製造することができる。なお、管状成形体に固体電解質材料を含むスラリーを付着させて焼成（共焼結法）した場合には、製造コストを抑制することができるなどの利点がある。

固体電解質材料を含むスラリーを付着させる方法としては、具体的には、例えば、第１電極管１２（焼結体）または管状成形体（未焼成体）の端部を、焼成時に消失しうる物質（ポリマーなど）で密栓し、固体電解質材料を含むスラリー中に浸漬して引き抜くディッピング法、第１電極管１２（焼結体）または管状成形体（未焼成体）の所定位置にマスクを施し、スプレー法、ハケ塗り法、ロールコート法などを用いて、固体電解質材料を含むスラリーを塗布する方法などを例示することができる。

この際、管状単セル１０ａの他端部側において、第１電極管１２の端面と固体電解質層１４の端面とは、ともに一致していても良い。好ましくは、少なくとも第１電極管１２の端面が、固体電解質層１４により被覆されていると良い。第１電極管１２と第２電極層１６との絶縁性が高まり、短絡の危険性が小さくなるからである。

より好ましくは、上記効果を確実なものにするなどの観点から、図１（ｂ）に示すように、第１電極管１２の端面および第１電極管１２の内周面の一部が、固体電解質層１４により被覆されていると良い。

このような構造は、例えば、図１（ｂ）中の位置Ｓにポリマーなどを詰め、ディッピング法を適用するなどすれば得ることができる。

第２電極層１６は、第２電極材料より薄膜状に形成された多孔質体であり、固体電解質層１４の外周に積層されている。

管状単セル１０ａでは、具体的には、図１に示すように、第２電極層１６は、固体電解質層１４の一端部側の外表面が露出するように固体電解質層１４の外周に積層されている。したがって、第２電極層１６の表面積は、固体電解質層１４の表面積よりも小さくされている。

第２電極層１６は、第１電極管１２とは異なる電極種を構成する。つまり、第１電極管１２が燃料極管である場合、第２電極層１６は、空気極材料より形成された空気極層とされる。一方、第１電極管１２が空気極管である場合、第２電極層１６は、燃料極材料より形成された燃料極層とされる。

第２電極層１６が空気極層である場合、この層には、空気、酸素などの酸化剤ガスが供給される。一方、第２電極層１６が燃料極層である場合、この層には、水素、一酸化炭素、メタンなどの燃料ガスが供給される。

空気極材料、燃料極材料としては、例えば、ともに、第１電極管１２で説明した材料と同様の材料を挙げることができる。

第２電極層１６は、固体電解質層１４が成膜された第１電極管１２の所定位置に第２電極材料を含むスラリーを付着させた後、これを組成に応じた最適な温度で焼成するなどして製造することができる。

第２電極材料を含むスラリーとしては、具体的には、各種触媒の粉末、または、各種触媒の粉末と各種固体電解質の粉末とを含むスラリー（燃料極層の成膜時）、あるいは、各種遷移金属ペロブスカイト型酸化物の粉末、または、各種遷移金属ペロブスカイト型酸化物の粉末と各種固体電解質の粉末とを含むスラリー（空気極層の成膜時）を用いることができる。

第２電極材料を含むスラリーを付着させる方法としては、具体的には、例えば、
固体電解質層１４が成膜された第１電極管１２の所定位置にマスクを施し、スプレー法、ハケ塗り法、ロールコート法などを用いて、第２電極材料を含むスラリーを塗布する方法、固体電解質層１４が成膜された第１電極管１２の端部を焼成時に消失しうる物質（ポリマーなど）で密栓し、第２電極材料を含むスラリー中に浸漬して引き抜くディッピング法などを例示することができる。

図１に例示した管状単セル１０ａは、その一端部側において、固体電解質層１４、第２電極層１６の被覆位置がずらされている。そのため、管状単セル１０ａの一端部側には、段部１８が形成されている。一方、管状単セル１０ａの他端部側は、第１電極管１２の端面付近まで固体電解質層１４、第２電極層１６が成膜されている。そのため、管状単セル１０ａの他端部側には、段部１８は形成されていない。

図２は、管状単セルの他の一例を模式的に示した図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は長手方向の断面図である。この管状単セル１０ｂは、図１に示した管状単セル１０ａに比較して、その他端部側まで第２電極層１６が被覆されておらず、その他端部側において固体電解質層１４の外表面が露出されている点で大きく異なっている。つまり、固体電解質層１４は、その両端部が露出されている。そのため、管状単セル１０ｂの両端部に段部１８が形成されている。

このような構造とした場合には、第２電極層１６と第１電極管１２との距離が遠くなる。そのため、絶縁性が増し、短絡の危険性がより小さくなる。

また、図２（ｂ）では、管状単セル１０ｂの他端部側において、第１電極管１２の端面と固体電解質１４の端面とは、ともに一致している。

好ましくは、バンドル化時に、隣り合う管状単セル１０ｂの第１電極管１２同士の短絡の危険性が小さくなるなどの観点から、図２（ｂ）においても、図１（ｂ）と同様に、第１電極管１２の端面、または、第１電極管１２の端面および第１電極管１２の内周面の一部が、固体電解質層１４により被覆されていると良い。

なお、管状単セル１０ａ、１０ｂにおいて、第１電極管１２、固体電解質層１４および第２電極層１６の露出量は、後述するバンドル構成を採ることができれば、特に限定されるものではない。

また、管状単セル１０ａ、１０ｂにおける、第１電極管１２、固体電解質層１４および第２電極層１６の厚みなどは、特に限定されるものではなく、セルの大きさ、バンドルの大きさ、発電特性などを考慮して最適な値を選択することができる。

２．本バンドル
以下では、説明を簡略化するため、第１電極管１２が燃料極管、第２電極層１６が空気極層の場合を前提にして説明を行う。第１電極管１２が空気極管、第２電極層１６が燃料極層の場合については、以下の説明を反対に解釈して適用すれば良い。

図３は、本バンドルの一例を模式的に示した正面図である。図４は、本バンドルが有する接続構造の一部を拡大して示した図である。図５は、図３に示した本バンドルの側面図であり、（ａ）は左側面図、（ｂ）は右側面図である。なお、以下の図において、管状単セル１０ａにおける第１電極管１２は、管内部が詰まった状態に図示されており、ガス流路孔が図示されていないが、これは単に便宜上のものである。

本バンドル２０ａは、第１板状絶縁体２２と、第１板状絶縁体２２に対向する第２板状絶縁体２４と、これら板状絶縁体２２、２４との間に配置された複数本の管状単セル１０ａとを有している。

本バンドル２０ａにおいて、各管状単セル１０ａは、互いに離間された状態で平行に並べられている。また、隣り合う管状単セル１０ａ同士は、図５に示すように、行方向および列方向にわたって、互い違い向き方向となるように配置されている。

なお、図３〜図５では、各管状単セル１０ａが６行×６列の配列とされている場合について例示しているが、この配列に特に限定されるものではない。例えば、各管状単セル１０ａが複数行×複数列、単数行×複数列、複数行×単数列など配列されていても良い。

本バンドル２０ａでは、上記状態で、各管状単セル１０ａの両端部が、第１板状絶縁体２２、第２板状絶縁体２４に支持されている。以下、管状単セル１０ａと、各板状絶縁体２２、２４との接続構造について、詳細に説明する。

第１板状絶縁体２２、第２板状絶縁体２４は、例えば、アルミナ、ジルコニアなどの絶縁セラミックス、ガラスセラミックス、ガラスペースト、ガラスシートなどの絶縁材料により、所定の厚みを有する板状に形成されている。なお、第１板状絶縁体２２、第２板状絶縁体２４の厚みは、管状単セル１０ａにおける第１電極管１２における露出部分の長さよりも薄くされている。

第１板状絶縁体２２、第２板状絶縁体２４には、それぞれ、各管状単セル１０ａの配置に対応して、各管状単セル１０ａの端部を挿通可能な挿通孔（図示せず）が複数形成されている。

上記形状を有する第１板状絶縁体２２、第２板状絶縁体２４は、例えば、板状の絶縁材料を打ち抜いてそれぞれの挿通孔を形成するなどして製造することができる。

本バンドル２０ａでは、各管状単セル１０ａの両端部が、それぞれ第１板状絶縁体２２、第２板状絶縁体２４の各挿通孔に挿通されて支持されている。

ここで、図４に拡大して示すように、隣り合う管状単セル１０ａの一方は、第１板状絶縁体２２に形成された挿通孔に、その第１電極管１２の露出部分が挿通されている。また、隣り合う管状単セル１０ａの他方は、第１板状絶縁体２２に形成された挿通孔に、その第２電極層１６の部分が挿通されている。

また、拡大して示さないが、上記と同様に、隣り合う管状単セル１０ａの一方は、第２板状絶縁体２４に形成された挿通孔に、その第２電極層１６の部分が挿通されている。また、隣り合う管状単セル１０ａの他方は、第２板状絶縁体２４に形成された挿通孔に、その第１電極管１２の露出部分が挿通されている。

このように、本バンドル２０ａでは、管状単セル１０ａの片端側が第１電極管１２の露出部分で固定され、管状単セル１０ａの反対の片端側が第２電極層１６の部分で固定されている。

なお、図４等では、管状単セル１０ａにおいて、第１電極管１２の露出部分と固体電解質層１４との境界部分は、第１板状絶縁体２２（第２板状絶縁体２４）の厚み部分に存在しているが、これに限定されるものではない。

例えば、シールを施せば、当該境界部分は、第１板状絶縁体２２（第２板状絶縁体２４）の内側に存在していても良い。好ましくは、ガスリークの心配が小さくなるなどの観点から、当該境界部分は、第１板状絶縁体２２（第２板状絶縁体２４）の厚み部分に存在しているか、あるいは、第１板状絶縁体２２（第２板状絶縁体２４）の外側に存在していると良い。

また、第１板状絶縁体２２、第２板状絶縁体２４の外側に突出させる管状単セル１０ａの突出量は、特に限定されるものではなく、後述するインターコネクタとの接続性、ガスの給排性などを考慮して調節することができる。

本バンドル２０ａは、各板状絶縁体２２、２４側において、第１電極管１２の露出部分と第２電極層１６の外表面とがインターコネクタを介して電気的に接続された構造を有している。

インターコネクタ２６は、ＬａＣｒＯ_３、ＬａＣｏＯ_３などの導電性セラミックス、ステンレスなどの耐熱性合金材料などにより、所定の厚みを有する板状に形成されている。インターコネクタ２６には、各管状単セル１２ａの配置に対応して、各管状単セル１０ａを挿通可能な挿通孔（図示せず）が形成されている。

上記形状を有するインターコネクタ２６は、例えば、板状のインターコネクタ材料を打ち抜いて挿通孔を形成するなどして製造することができる。

本バンドル２０ａでは、図４などに示すように、第１板状絶縁体２２（第２板状絶縁体２４）の外側において、隣り合う一方の管状単セル１０ａの第１電極管１２の露出部分と、隣り合う他方の管状単セル１０ａの第２電極層１６の外表面とが、インターコネクタを介して電気的に接続されている。この際、上記電気的な接続は、インターコネクタ２６の挿通孔内に、管状単セル１２ａの端部が挿通されることにより行われている。

これにより、管状単セル１２ａ同士を直列接続することができる。また、第１板状絶縁体２２（第２板状絶縁体２４）の外側にインターコネクタ２６を配設した場合には、発電による電気を取り出しやすくなる利点がある。

なお、特に図示はしないが、本バンドル２０ａは、管状単セル１０ａの挿入孔への挿入具合を調節することにより、第１板状絶縁体２２（第２板状絶縁体２４）の内側において、隣り合う一方の管状単セル１０ａの第１電極管１２の露出部分と、隣り合う他方の管状単セル１０ａの第２電極層１６の外表面とを、インターコネクタを介して電気的に接続することも可能である。

また、本バンドル２０ａの組立時には、インタコネクタ２６の挿通孔内や、第１電極管１２の外表面、第２電極層１６の外表面などに、ペースト状の集電材料を予め塗布しておくと良い。このようにした場合には、第１電極管１２の外表面、第２電極層１６の外表面およびインターコネクタ２６の挿通孔の内周面との間の隙間を埋めやすくなる。そのため、接触抵抗が小さくなり、効率良く集電することが可能になる。また、上記集電材料は、塗布する部位に応じて、集電機能以外にガスシール性を兼ね備えていても良い。

なお、ガスリークを抑制しやすくするため、必要に応じて、例えば、第１板状絶縁体２２の内側面、および／または、第２板状絶縁体２４の内側面に、シール部材２８が積層されていても良い。

本バンドル２０ａでは、各板状絶縁体２２、２４とインターコネクタ２６とが別部材である場合について例示したが、各板状絶縁体２２、２４とそれぞれの側におけるインターコネクタ２６とは一体に接合された１つの部材であっても良い。

このような絶縁性および集電性（導電性）とを兼ね備えた一体部材は、例えば、各板状絶縁体２２、２４の少なくとも一方面に、図５に示すようなインターコネクタの配置を、印刷法などによりパターニングするなどして準備することができる。上記一体部材としては、より具体的には、例えば、ＬＴＣＣ（Low Temperature Co-fired Ceramics）などを好適に用いることができる。

以上説明した本バンドル２０ａによれば、図３に示すように、第１板状絶縁体２２の外側に配置された各管状単セル１０ａの管内に、燃料ガス供給用マニホールド（図示せず）から燃料ガスＦを供給すると、燃料ガスＦは、管状単セル１０ａの第１電極管１２内を流れて電池反応に使用される。電池反応に使用されなかった残余の燃料ガスＦは、第２板状絶縁体２４の外側に設けられた燃料ガス排出用マニホールド（図示せず）から排出される。

一方、酸化剤ガス供給用マニホールド（図示せず）から酸化剤ガスＡを供給すると、酸化剤ガスＡは、管接合電極部１４の内部を流れて電池反応に使用される。電池反応に使用されなかった残余の酸化剤ガスＡは、酸化剤ガス排出用マニホールド（図示せず）から排出される。なお、酸化剤ガス供給用マニホールドと酸化剤ガス排出用マニホールドとは、別ものではなく、一体とされた酸化剤ガス給排用マニホールドであっても良い。

そして、本バンドル２０ａは、図５に示すように、マイナスの出力電圧、プラスの出力電圧を出力することができる。

より具体的には、図３〜図５に示した例では、管状単セル１０ａが３６セル直列に接続されている。そのため、約１Ｖ×３６＝約３６Ｖの電圧を得ることができる。この場合、インターコネクタ２６の組み合わせによって、約１〜３６Ｖの間で電圧を調節することができる。なお、図５中、インターコネクタ２６上に記載した数字は、電流の流れる方向（順番）である。

図６は、図３〜図５に示した本バンドルの変形例を示したものであり、（ａ）は、変形例に係る本バンドルの左側面図、（ｂ）は、変形例に係る本バンドルの右側面図である。

変形例に係る本バンドル２０ｂでは、隣り合う管状単セル１０ａ同士は、図６に示すように、列方向にわたって、互い違い向き方向となるように並べられている。一方、隣り合う管状単セル１０ａ同士は、行方向については、互いに同方向に並べられている。

そして、行方向に並べられた管状単セル１０ａと、その隣りにある行方向に並べられた管状単セル１０ａとが、インターコネクタ３０を介して、上記接続構造にて電気的に接続されている。

この本バンドル２０ｂによれば、本バンドル２０ａと同数の管状単セル１０ａを用いているが、約１Ｖ×６＝約６Ｖの電圧を得ることができる。なお、図６中、インターコネクタ３０上に記載した数字は、電流の流れる方向（順番）である。

このように、本バンドルによれば、上記図４に例示されるような接続構造を基本にし、管状単セル１０ａの配置（向きなども含む）やインターコネクタの接続パターンを変えることにより、様々なサイズ、電圧のバンドルを構築することができる。

図７は、図６に示す本バンドルにマニホールドを取り付けた一例を模式的に示した図である。図７に示すように、本バンドル２０ｂは、第１板状絶縁体２２の外側に、燃料ガス供給用マニホールド３２が取り付けられている。燃料ガス供給用マニホールド３２は、一端面が開口されているとともに、その内部が空洞になっており、第１板状絶縁体２２の外側に配置されている各管状単セル１０ａの全ての端部を覆い、管内に燃料ガスＦを同時に供給することができる。

一方、本バンドル２０ｂは、第２板状絶縁体２４の外側に、燃料ガス排出用マニホールド３４が取り付けられている。燃料ガス排出用マニホールド３４は、一端面が開口されているとともに、その内部が空洞になっており、第２板状絶縁体２４の外側に配置されている各管状単セル１０ａの全ての端部を覆い、電池反応に使用されなかった残余の燃料ガスＦを外部に排出することができる。

なお、各板状絶縁体２２、２４の間には、酸化剤ガス給排用マニホールド３６、が取り付けられている。これらにより、管状単セル１０ａの第２電極層１６に酸化剤ガスＡを供給するとともに、電池反応に使用されなかった残余の酸化剤ガスＡを外部に排出することができる。

ここで、燃料ガス供給用マニホールド３２内には、各管状単セル１０ａの端部手前側に、圧損材料３８が配置されている。圧損材料３８を配置した場合には、各管状単セル１０ａに均一に燃料ガスＦを供給しやすくなる。また、酸化剤ガス給排用マニホールド３６の供給口３７と管状単セル１０ａとの間の空間にも、圧村材料（図示せず）が配置されていても良い。このようにした場合には、管状単セル１０ａに供給される前に酸化剤ガスを均圧化することが可能になる。

用いる圧損材料３８としては、例えば、Ｎｉフェルトなどの発泡金属、多孔質セラミックス、ガラスファイバー、セラミックファイバー、金属メッシュ、ジルコニアボール、アルミナボールなどを例示することができる。なお、第１電極管１２が空気極管であり、第２電極層１６が燃料極層である場合には、圧損材料３２は、マニホールド内において酸化剤ガスＡによる高温酸化雰囲気に曝される。そのため、酸化雰囲気下で安定な材料を用いることが好ましく、例えば、多孔質セラミックス、ガラスファイバー、セラミックファイバー、ジルコニアボール、アルミナボールなどを適用すると良い。なお、酸化剤ガス給排用マニホールド内に配置する圧損材料についても、同様の考え方により、上記材料を適宜適用することができる。

また、燃料ガス排出用マニホールド３４側には、燃料ガス排出用マニホールド３４の外部に、インターコネクタ３０の取り出し電極（＋）４０、取り出し電極（−）４２が突出されている。

上記構成とした場合には、より温度の低いところでバンドル同士を接続することが可能になる。そのため、接触抵抗、電気抵抗が少ないところでのモジュール化が可能になり、接続ロスを低減することができる。

なお、取り出し電極４０、４２は、燃料ガス排出用マニホールド３４の外部ではなく、燃料ガス供給用マニホールド３２の外部に突出されていても良い。

３．本モジュール
図８は、本バンドルを複数直列に接続した本モジュールの一例を模式的に示した図である。

本モジュール５０は、本バンドル２０ｂが、各管状単セル１０ａの軸とほぼ垂直な同一平面内に複数個並べられている。

そして、各本バンドル２０ｂが有する取り出し電極４０（＋）と、取り出し電極４２（−）とが電気的に接続されることにより、直列接続されている。

この際、取り出し電極４０、４２間は、例えば、金属線などの導電性部材（図示しない）を溶接するなどして電気的に接続することができる。なお、各本バンドル２０ｂが有する取り出し電極４０（＋）同士、取り出し電極４２（−）同士を電気的に接続すれば、並列接続を構成することができる。また、上記直列と並列との組み合わせも可能である。

本モジュール５０は、図７に示したように、本モジュール５０が有する本バンドル２０ｂ毎に各マニホールドが取り付けられていても良いが、好ましくは、図８に示すように、本モジュール５０に対して、燃料ガス供給用マニホールド５２、燃料ガス排出用マニホールド５４、酸化剤ガス給排用マニホールド５６が、それぞれ一つずつ取り付けられていると良い。なお、燃料ガス供給用マニホールド５２内や酸化剤ガス給排用マニホールド５６内には、本バンドル２０ｂと同様にして圧損材料を配置しても良い。

この場合、燃料ガス供給用マニホールド５２、燃料ガス排出用マニホールド５４は、図９に示すように、本モジュール５０が有する本バンドル２０ｂ毎に嵌め込み穴５８が形成されておれば、各マニホールドの取り付けを容易にすることができる。

また、図１０は、本モジュールを燃料ガスＦおよび酸化剤ガスＡのＩＮ方向から見た断面を模式的に示した図である。但し、酸化剤ガス側のマニホールドなどは省略されている。

図１０に示すように、燃料ガス供給用マニホールド５２、燃料ガス排出用マニホールド５４の嵌め込み穴５８の縁部に、本バンドル２０ｂの各板状絶縁体２２、２４の縁部が嵌合する溝部６０が形成されていると良い。

上記溝部６０が形成されている場合には、ガスリークの抑制に寄与しやすくなる。

以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は、上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。

本管状単セルの一例を模式的に示した図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は長手方向の断面図である。 本管状単セルの他の一例を模式的に示した図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は長手方向の断面図である。 本バンドルの一例を模式的に示した正面図である。 本バンドルが有する接続構造の一部を拡大して示した図である。 図３に示した本バンドルの側面図であり、（ａ）は左側面図、（ｂ）は右側面図である。 図３〜図５に示した本バンドルの変形例を示したものであり、（ａ）は、変形例に係る本バンドルの左側面図、（ｂ）は、変形例に係る本バンドルの右側面図である。 図６に示す本バンドルにマニホールドを取り付けた一例を模式的に示した図である。 本バンドルを複数直列に接続した本モジュールの一例を模式的に示した図である。 本モジュールが有する本バンドル毎に嵌め込み穴が形成されたマニホールドの一例を模式的に示した図である。 本モジュールを燃料ガスＦおよび酸化剤ガスＡのＩＮ方向から見た断面を模式的に示した図である。 従来の縦縞型の管状単セルを模式的に示した図である。 縦縞型の管状単セルを直列接続した図である。

符号の説明

１０ａ 本管状単セル
１０ｂ 本管状単セル
１２ 第１電極管
１４ 固体電解質層
１６ 第２電極層
１８ 段部
２０ａ 本バンドル
２０ｂ 本バンドル
２２ 第１板状絶縁体
２４ 第２板状絶縁体
２６ インターコネクタ
２８ シール部材
３０ インターコネクタ
３２ 燃料ガス供給用マニホールド
３４ 燃料ガス排出用マニホールド
３６ 酸化剤ガス供排用マニホールド
３７ 供給口
３８ 圧損材料
４０ 取り出し電極（＋）
４２ 取り出し電極（−）
５０ 本モジュール
５２ 燃料ガス供給用マニホールド
５４ 燃料ガス排出用マニホールド
５６ 酸化剤ガス給排用マニホールド
５８ 嵌め込み穴
６０ 溝部

Claims (10)

1. 第１電極管と、
   前記第１電極管の一端部を露出させた状態で、前記第１電極管の外周に積層された固体電解質層と、
   前記固体電解質層の一端部または両端部を露出させた状態で、前記固体電解質層の外周に積層された第２電極層と、
   を有する固体酸化物形燃料電池管状単セル。
2. その他端部側における、前記第１電極管の端面、または、前記第１電極管の端面および前記第１電極管の内周面の一部が、前記固体電解質層により被覆されていることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池管状単セル。
3. 前記第１電極管は燃料極管であり、前記第２電極層は空気極層であることを特徴とする請求項１または２に記載の固体酸化物形燃料電池管状単セル。
4. 前記第１電極管は空気極管であり、前記第２電極層は燃料極層であることを特徴とする請求項１または２に記載の固体酸化物形燃料電池管状単セル。
5. 第１板状絶縁体とこれに対向する第２板状絶縁体との間に、請求項１から４の何れかに記載の管状単セルが、互いに離間された状態で、互い違い向きに平行に複数本並べられた部分を備え、
   隣り合う管状単セルの一方は、第１板状絶縁体に形成された挿通孔に、その第１電極管の露出部分が挿通されるとともに、第２板状絶縁体に形成された挿通孔に、その第２電極層の部分が挿通されており、
   隣り合う管状単セルの他方は、第１板状絶縁体に形成された挿通孔に、その第２電極層の部分が挿通されるとともに、第２板状絶縁体に形成された挿通孔に、その第１電極管の露出部分が挿通されており、
   各板状絶縁体側において、前記第１電極管の露出部分と前記第２電極層の表面とがインターコネクタを介して電気的に接続された構造を有していることを特徴とする固体酸化物形燃料電池バンドル。
6. 前記各板状絶縁体の外側において、前記インターコネクタによる電気的な接続がなされていることを特徴とする請求項５に記載の固体酸化物形燃料電池バンドル。
7. 前記インターコネクタは、前記各板状絶縁体の表面にパターニングされて一体的に接合されていることを特徴とする請求項５または６に記載の固体酸化物形燃料電池バンドル。
8. 前記第１板状絶縁体または前記第２板状絶縁体の何れか一方の外側に、各管状単セルの第１電極管内に流すガスを供給するマニホールドが設けられており、
   前記マニホールド内における各管状単セルの端部手前側に、圧損材料が配置されていることを特徴とする請求項５から７の何れかに記載の固体酸化物形燃料電池バンドル。
9. 前記第１板状絶縁体または前記第２板状絶縁体の何れか一方の外側に、各管状単セルの第１電極管内を流れたガスを排出するマニホールドが設けられており、
   前記マニホールドの外部に、前記インターコネクタの取り出し電極が突出されていることを特徴とする請求項５から８の何れかに記載の固体酸化物形燃料電池バンドル。
10. 請求項５から９の何れかに記載の固体酸化物形燃料電池バンドルが複数個並べられ、各バンドルが、直列もしくは並列あるいは直列と並列とを組み合わせて接続されていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池モジュール。

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