JP2014096223A - 燃料電池および燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】小型で、効率的に加熱でき、繰り返し使用することのできる燃料電池を提供する。
【解決手段】固体電解質体３と、固体電解質体３の一方の面に形成された負極４と、固体電解質体３の他方の面に形成された正極２と、負極燃料物質体５と、固体電解質体３および負極燃料物質体５を所定の温度以上に加熱維持するための加熱部７と、固体電解質体３に設置され、固体電解質体３および加熱部７と共に、負極２および負極燃料物質体５を密閉する密閉空間１３を形成する繰り返し開閉可能な密閉部１６とを有し、密閉空間１３のヘリウムリーク速度が１×１０^-２Ｐａ・ｍ^３／ｓｅｃ以下に保たれる。
【選択図】図１

Description

本発明は、据え置き用あるいは自動車等の移動体用の電源、および携帯用電源として有用な燃料電池に関するものであり、特に燃料ガスの再生装置を有する燃料電池およびそれを用いた燃料電池システムに関するものである。

燃料電池は、燃料気体を供給することで発電体に電力を発生させる手段である。据え置き型の中型エネルギー貯蔵装置として、もしくは、電気自動車やハイブリッド自動車の駆動源としての応用が期待されているほか、軽量化、小型化することによって、携帯電話やノートブック型コンピュータ等の携帯可能な機器向けの電力源とするための研究開発が進んでいる。

燃料電池は、原理的に取り出せる電力エネルギーの効率が高いため、省エネルギーになるだけでなく、環境負荷の低い発電方式であり、地球規模でのエネルギーや環境問題解決の切り札として期待されている。

また、燃料電池の中でも酸素電導性の無機固体電解質を用いた固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ、 Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）は、クリーンで発電効率の高い優れた発電装置であることが知られている。

しかしながら、燃料電池は、その燃料ガスである例えば水素や一酸化炭素などを供給するための、パイプラインや高圧ガスボンベ設備など、大規模なインフラ整備が必要である。また、燃料ガス源として比較的入手が容易なメタノールにおいても、その流通には年月を要するといった問題がある。

そこで、このような問題に対応するため、特許文献１では、水を反応させることで水素を発生する鉄などの水素発生部材を燃料電池本体に設け、水素発生部材で発生した水素を燃料極に供給し、かつ、充電により水素発生部材を還元させ、ガス供給のインフラ設備を不要とし、かつ繰り返し利用可能な固体酸化物形燃料電池が提案されている。
また、特許文献２では、固体炭素を燃料電池本体の燃料極側に設置し、発電によって固体炭素を酸化することで発生した二酸化炭素を一酸化炭素に変換し、変換された一酸化炭素を再び燃料極に供給する固体酸化物形燃料電池が提案されている。

特許文献１および特許文献２のように、鉄粉や炭素を用いて系内で燃料ガスを再生する新しい固体酸化物形燃料電池が提案されており、これらのように系内で燃料ガスを再生する構成を備える固体酸化物形燃料電池を独立型ＳＯＦＣと呼ぶ。
特許第４８２１９３７号 特開２０１１−４０２８５

特許文献１、２においては、燃料供給のインフラが必要ないので燃料電池の小型化が容易である点が述べられている。しかし、実際には、これらの電池は高温型電池であるので、発電機構だけでなく加熱機構、保温機構を必要としており、これらが大きなスペースを占めるという課題が残っている。
また、特許文献１においては、燃料極と水素発生部材との間を完全な閉鎖空間とすることで、水素および水を外部から補充することなく、繰り返し利用可能な燃料電池を実現できる旨が開示されている。ここでいう「完全な閉鎖空間」といった、気密性に関する厳密な要求は、従来の燃料電池には必要のなかったものである。これは、従来の燃料電池においては、燃料ガスは連続的に供給されるものであり、燃料ガスが系外に多少漏れた場合でも、発電能力への影響が少なかったためである。

ところが、特に３００℃〜１０００℃程度の高温で稼働させる、固体酸化物型燃料電池においては、燃料ガスが漏れない気密な閉鎖空間を実現することは、現実的に非常に困難である。３００℃超の高温領域においては、気密な閉鎖空間を実現するために通常用いられる耐熱ゴムや有機物ガスケットなどを用いることができず、利用可能なシール手段が金属ガスケットやセラミクスペーストなどに限られる。発明者らは、特許文献１にもとづき、金属ガスケット、セラミクスペーストあるいは溶融ガラスを用いて燃料極と水素発生部材間を閉鎖空間とした固体酸化物型燃料電池を構成し、閉鎖空間内を水素ガスで見たし、開回路電圧を測定したところ、ガス注入から約５時間後に、電圧が０Ｖ付近にまで急降下した。これは、高温領域における金属ガスケットやセラミクスペーストが数時間程度しか気密性を確保できないことを示している。高温領域における気密性の確保が困難な理由として、接続する材料、およびシール材の熱膨張係数が互いに異なるため、温度を高温にした場合に、シール材の膨張、破損により気密性が損なわれることが挙げられる。また、燃料電池は室温における休止期間と高温における作動期間とが断続的に行われて運用されるものであり、その使用期間は数年を超える。金属やセラミクス、あるいは溶融ガラスなどをつかって高温部をシールする従来の気密維持方法は、材料の膨張、収縮の繰り返しにより気密性が損なわれる可能性が高く、信頼性に欠ける。
また、固体酸化物形燃料電池を３００°Ｃ〜１０００°Ｃ程度の高温で繰り返し稼働させると、固体酸化物自身が熱衝撃に耐えられず割れが発生することが多々あった。シール材と同様、固体酸化物自身に割れが生じると、閉鎖空間の気密性が損なわれる。

特許文献１に開示される燃料電池においては、燃料電池セルでの充放電における電気化学的な酸化還元反応、および、水素発生部材における化学的な酸化還元反応が、同時に起こるものである。水または水素は、そのどちらの反応にも関与しており、水または水素の、閉鎖空間からの漏れにより、各反応の反応速度や平衡状態が変化するため、内部気体の漏れが、燃料電池としての特性に大きな影響を与える。また、特許文献２に開示される燃料電池においても、放電時において発生した二酸化炭素を一酸化炭素に変換して再利用しており、特許文献１と同様、二酸化炭素の閉鎖空間からの漏れが燃料電池としての特性に影響を与える。従って、内部気体の漏れをどの程度に抑えることで、実用に耐える充電池とすることができるか、という知見が、特許文献１，２に記載の燃料電池を実用に耐えるものとする上で、非常に重要である。実際に、発明者は特許文献１，２に開示される燃料電池を研究のために設計し、試験を行ったところ、燃料極および水素発生部材の気密性により、燃料電池のサイクル寿命や容量などの特性が著しく変化することを見出した。

また、上述の燃料電池は密閉系であるが故に内部圧力の変化により機械的故障に至りやすく、そして、従来の発明では負極燃料物質として鉄分や固体炭素などが提案されているが、もっと容易に入手できる家庭ゴミなどの金属屑や固体有機物を負極燃料物質に使いたいという要望があった。

上記の課題を鑑み、この発明は、効率的に加熱することができ、断熱材がしめるスペースを小さくしたコンパクトな燃料電池を提供することを第１の目的とする。また、この発明は、高温領域においてガスの閉鎖空間の密閉を可能とし、また、繰り返し開閉可能な密閉部を備える燃料電池を提供することを第２の目的とする。また、この発明は、動作時におけるガスの閉鎖空間の圧力を所定の範囲に保つことができる圧力調整機構を有する燃料電池を提供することを第３の目的とする。また、この発明は、外部から投入された金属くずやゴミなどの固体または液体の有機化合物および水を負極燃料物質とし、発電を行うことのできる燃料電池を提供することを第４の目的とする。

この発明は、酸素イオンを伝導する気密性の固体電解質体と、固体電解質体の一方の面に形成され、放電時に還元性ガスを酸化ガスに酸化する負極と、固体電解質体の他方の面に形成され、放電時に酸素を酸素イオンに還元する正極と、酸化ガスと反応して還元性ガスを生成し、自らは酸化物となる負極燃料物質体と、固体電解質体および負極燃料物質体を所定の温度以上に加熱維持するための加熱部と、固体電解質体に設置され、固体電解質体および加熱部と共に、負極および負極燃料物質体を密閉する密閉空間を形成する繰り返し開閉可能な密閉部とを有し、密閉空間のヘリウムリーク速度が１×１０^-２Ｐａ・ｍ^３／ｓｅｃ以下に保たれることを特徴とする燃料電池を提供する。

また、固体電解質体は筒状であり、正極は、筒状の固体電解質体の外面に筒状に形成され、負極は、筒状の固体電解質体の内面に筒状に形成され、負極燃料物質体は、筒状であって、負極の内側に配置され、加熱部は、柱状であり、筒状の負極燃料物質体の内側に配置され、筒状の固体電解質体は、その内側に、筒状の負極、筒状の負極燃料物質体、及び筒状の負極燃料物質体の内側の柱状の加熱部を収容しており、筒状の固体電解質体の一端が閉塞され、筒状の固体電解質体の他端が柱状の加熱部により貫通されると共に柱状の加熱部の外面と密着する密閉部によって密閉されることが好ましい。

また、密閉部は、ロウ付け、レーザー溶接、ティグ溶接、半田溶接、超音波溶接、ガスケットシールおよびＯリングシールのいずれかまたはそれら組み合わせによって筒状の固体電解質体の端部に接続される封止栓からなることが好ましい。

また、還元性ガスは、水素、一酸化炭素、一酸化窒素またはこれらの混合ガスであることが好ましく、また、負極燃料物質体は、鉄粒子もしくは鉄粉末と、酸化アルミニウム、二酸化ケイ素、酸化マグネシウム、酸化ジルコニウムを含む難焼結性材料、またはこれらの混合物からなる形態保持材料とからなり、負極燃料物質体の表面の少なくとも一部が形態保持材料で覆われており、負極燃料物質体に対する形態保持材料の質量比は、０．１％以上５％以下であることが好ましい。

また、負極が、充電時に酸化ガスを還元性ガスに還元し、正極が、充電時に酸素イオンを酸素に酸化し、負極燃料物質体の酸化物が、還元性ガスと可逆的に反応して酸化ガスを生成し、自らは負極燃料物質体となることが好ましい。

また、負極燃料物質体が、リチウム、ナトリウム、マグネシウム、カルシウム、アルミニウム、ケイ素、亜鉛、鉄、鉛、錫、ニッケルおよび炭素、ならびにこれらの１種以上の元素を主体とする物質からなる群から選択される少なくとも１種の物質であることが好ましい。

また、固体電解質体は、フルオライト構造を有する酸化物、ペロブスカイト構造を有する酸化物、アパタイト構造を有する酸化物のいずれかまたはその組み合わせであるか、または、イットリア安定化ジルコニア、セリウム−ガドリニウム酸化物、Ｂｉ_２ＭｘＶ_１−ｘＯ_{５．５−３ｘ／２−δ}（Ｍは遷移金属）で表されるＢＩＭＥＶＯＸ化合物、ガリウム酸ランタン、セリウム酸バリウム、Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＧａ_１−ｙＭｇ_ｙＯ_３−δのいずれかまたはその組み合わせであることが好ましい。

また、負極燃料物質体は、カセット状、袋状または箱状のモジュールであり、着脱交換できることが好ましい。

また、負極燃料物質体は、負極と電気的に非接触であってもよく、また、負極と電気的に接触していてもよい。

また、密閉空間は、内部圧力を所定の範囲に保つためのベローズおよび／またはガス吸収剤からなる圧力吸収部を備えることが好ましい。

また、密閉部は、３００℃以下に保たれることが好ましい。

また、本発明は、上述の燃料電池が、直列、及び並列に複数接続されていることを特徴とする燃料電池システムを提供する。燃料電池システムは、共通に利用される負極燃料物質体を更に備えることが好ましい。

また、本発明は、酸素イオンを伝導する気密性の固体電解質体と、固体電解質体の一方の面に形成され、放電時に還元性ガスを酸化ガスに酸化する負極と、固体電解質体の他方の面に形成され、放電時に酸素を酸素イオンに還元する正極と、酸化ガスと反応して還元性ガスを生成し、自らは酸化物となる負極燃料物質体と、固体電解質体および負極燃料物質体を所定の温度以上に加熱維持するための加熱部と、固体電解質体に設置され、固体電解質体および加熱部と共に、負極および負極燃料物質体を密閉する密閉空間を形成する密閉型開閉口部とを有し、密閉空間は水素ガスもしくは一酸化炭素ガスなどの還元性ガスを含み、負極燃料物質体は、固体の有機化合物および水を含み、加熱部により加熱されることで炭化して炭素となり、密閉空間のヘリウムリーク速度が１×１０^-２Ｐａ・ｍ^３／ｓｅｃ以下に保たれることを特徴とする燃料電池を提供する。

また、本発明は、イオン伝導性及び気密性を持ち、外面から内面に酸素イオンを伝導する筒状の固体電解質体と、固体電解質体の外面に形成され、放電時に酸素を酸素イオンに還元する筒状の正極と、固体電解質体の内面に形成され、放電時に燃料となる還元性ガスを、固体電解質体の外面から内面まで伝導された酸素イオンによって酸化ガスに酸化する筒状の負極と、負極の内側に配置され、負極により酸化された酸化ガスと反応して、自らは酸化物となり、酸化ガスを還元して還元性ガスを発生させる筒状の負極燃料物質体と、負極燃料物質体の内側に配置され、固体電解質体の一部を所定温度以上に維持するために、少なくとも固体電解質体を加熱する柱状の加熱部とを備え、筒状の固体電解質体は、その内側に、筒状の負極、筒状の負極燃料物質体、及び筒状の負極燃料物質体の内側の柱状の加熱部を収容しており、筒状の固体電解質体の一端が閉塞され、筒状の固体電解質体の他端が最も内側の柱状の加熱部の外面と密着して閉塞されて、その内部が密閉空間を形成し、筒状の負極及び筒状の負極燃料物質体は、密閉空間内に密閉されることを特徴とする燃料電池を提供する。

また、筒状の固体電解質体の他端は、柱状の加熱部により貫通されると共に柱状の加熱部の外面と密着する密閉部により閉塞され、密閉部は筒状の固体電解質から取り外しが可能であり、密閉部を取り外すことで密閉空間を開放することができる。

また、本発明は、イオン伝導性及び気密性を持ち、外面から内面に酸素イオンを伝導する筒状の固体電解質体と、固体電解質体の外面に形成され、放電時に酸素を酸素イオンに還元する筒状の正極と、固体電解質体の内面に形成され、放電時に燃料となる還元性ガスを、固体電解質体の外面から内面まで伝導された酸素イオンによって酸化ガスに酸化する筒状の負極と、負極の内側に配置され、負極により酸化された酸化ガスと反応して、自らは酸化物となり、酸化ガスを還元して還元性ガスを発生させる柱状の負極燃料物質体と、正極の外側に配置され、固体電解質体の一部を所定温度以上に維持するために、少なくとも固体電解質体を加熱する筒状の加熱部とを備え、筒状の固体電解質体は、その内側に、筒状の固体電解質体の両端が共に閉塞され、筒状の負極及び柱状の負極燃料物質体が密閉された密閉空間を形成し、筒状の固体電解質体の両端の少なくとも一方は、密閉部により閉塞されており、密閉部は、繰り返し取り外しが可能であることを特徴とする燃料電池を提供する。

また、本発明は、イオン伝導性及び気密性を持ち、表面から裏面に酸素イオンを伝導する固体電解質体と、固体電解質体の表面に形成され、放電時に酸素を酸素イオンに還元する正極と、固体電解質体の裏面に形成され、放電時に燃料となる還元性ガスを、固体電解質体の表面から裏面まで伝導された酸素イオンによって酸化ガスに酸化する負極と、負極により酸化された酸化ガスと反応して、自らは酸化物となり、酸化ガスを還元して還元性ガスを発生させる負極燃料物質体と、固体電解質体の一部を所定温度以上に維持するために、少なくとも固体電解質体を加熱する加熱部と、固体電解質体と共に密閉空間を形成する少なくとも１つの密閉部とを備え、密閉空間は、その内部に負極及び負極燃料物質体を収容し、少なくとも１つの密閉部は、繰り返し取り外しが可能であることを特徴とする燃料電池を提供する。

また、イオン伝導性及び気密性を持ち、表面から裏面に酸素イオンを伝導する固体電解質体と、固体電解質体の表面に形成され、放電時に酸素を酸素イオンに還元する正極と、固体電解質体の裏面に形成され、放電時に燃料となる還元性ガスを、固体電解質体の表面から裏面まで伝導された酸素イオンによって酸化ガスに酸化する負極と、負極により酸化された酸化ガスと反応して、自らは酸化物となり、酸化ガスを還元して還元性ガスを発生させる負極燃料物質体と、固体電解質体の一部を所定温度以上に維持するために、少なくとも固体電解質体を加熱する加熱部と、固体電解質体と共に密閉空間を形成する少なくとも１つの密閉部とを備え、密閉空間は、その内部に負極及び負極燃料物質体を収容し、密閉空間内の圧力を所定の範囲に保つ圧力吸収部を備えることを特徴とする燃料電池を提供する。

本発明によれば、効率よく加熱でき、コンパクトな燃料電池を提供することができる。
また、本発明によれば、高温領域においてもガスの閉鎖空間の密閉性を保つことができ、また、繰り返し開閉できる密閉部を備える燃料電池を提供することができる。
また、本発明によれば、動作時におけるガスの閉鎖空間の圧力を所定の範囲に保つことができる。
また、本発明によれば、閉鎖空間に外部から投入された有機化合物および水を燃料とし、発電を行うことができる。

本発明の実施の形態１に係る燃料電池の全体構成を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る燃料電池の横方向の断面図である。 本発明の実施の形態１に係る燃料電池の動作説明図である。 本発明の実施の形態２に係る燃料電池の全体構成を示す図である。 本発明の実施の形態３に係る燃料電池の全体構成を示す図である。 図５において、温度遷移領域に断熱材を設置した場合と設置しない場合の温度勾配を比較したグラフである。 本発明の実施の形態３の変形例に係る燃料電池の全体構成を示す図である。 本発明の実施の形態４に係る燃料電池の全体構成を示す図である。 本発明の実施の形態４に係る燃料電池の横方向の断面図である。 本発明の実施の形態５に係る燃料電池の全体構成を示す図である。 本発明の実施の形態６に係る燃料電池の全体構成を示す図である。 本発明の実施の形態７に係る燃料電池の全体構成を示す図である。 本発明の実施の形態８に係る燃料電池の全体構成を示す図である。 本発明の実施の形態９に係る燃料電池の平面図である。 本発明の実施の形態９に係る燃料電池の全体構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態１０に係る燃料電池の全体構成を示す図である。 本発明の実施の形態１１に係る燃料電池の全体構成を示す図である。 （Ａ）は、本発明の実施の形態１１に係る燃料電池の動作説明図であり、（Ｂ）は、本発明の実施の形態１１に係る放電特性を示すグラフである。 （Ａ）および（Ｂ）は本発明の実施の形態１２に係る燃料電池の断面図であり、（Ｃ）は、その斜視図であり、（Ｄ）は、その燃料電池部の断面拡大図である。 実施例１にて作製した燃料電池のサイクルによる容量の変化を表す図である。

以下、この発明の実施の形態を添付の図面に基づいて説明する。
実施の形態１
図１に、この発明の実施の形態１にかかる燃料電池１の全体構成を示す。また、図２に、図１の燃料電池１をＡ−Ａ断面で切断した場合の断面図を示す。
図１および図２から明らかなように、燃料電池１は、外側から順に筒状に形成された正極２、固体電解質体３、負極４および負極燃料物質体５（および負極燃料ケース６）をそれぞれ備え、また、負極燃料物質体５の中心に加熱部７を備える。
正極２、固体電解質体３および負極４は、それぞれ密着しており、負極４と負極燃料物質体５（および負極燃料ケース６）との間には、互いに接触しないように所定の間隙が設けられている。
また、筒状の固体電解質体３の一端は閉塞されており、また、他端には、貫通孔１１を備える蓋部１２が設置され、貫通孔１１には加熱部７が隙間なく挿通されている。よって、筒状の固体電解質体３は、蓋部１２および加熱部７によってその内側に密閉空間１３を形成する。また、負極４および負極燃料物質体５は、密閉空間１３によって密閉される。
そして、密閉空間１３の内圧を所定の範囲に保つために、密閉空間１３と連絡路１４によって連絡された圧力吸収部１５が設置される。
なお、正極２には正極集電体２２が、負極４には負極集電体２３が、それぞれ接続され端子として引き出されている。

正極２は、例えばＬａ_１-ｘＳｒＭｎＯ_３、Ｌａ_１-ｘＳｒＣｏＯ_３（０＜ｘ＜３、好ましくはｘ＝０．１〜０．３程度）、Ｓｍ_０．５Ｓｒ_０．５ＣｏＯ_３等によって形成され、酸素還元および酸化反応に対する触媒機能のほか、電子伝導性、ガス透過性、酸化雰囲気での安定性を有する。

また、固体電解質体３は、３００°Ｃ以上で酸素イオン伝導性を示す無機材料によって形成される。このような無機材料の例としては、例えばフルオライト構造を有する酸化物、ペロブスカイト構造を有する酸化物、アパタイト構造を有する酸化物のいずれかまたはその組み合わせが挙げられる。特にフルオライト構造を有する酸化物における好適な材料例は、例えば（ＺｒＯ_２）_ｘ（Ｙ_２Ｏ_３）_１-ｘ（０＜ｘ＜１）で表されるイットリア安定化ジルコニア、Ｃｅ_１-ｘＧｄ_ｘＯ_２-ｓ（０＜ｘ＜１、ｓ＜２）で表されるセリウム-ガドリニウム酸化物、あるいはビスマスとバナジウムを含むＢｉ_２Ｍ_ｘＶ_１-ｘＯ_５．５-δ（ＭはＭｇ、Ｃｕ等の遷移金属、０＜x＜１、δ＜５．５）で表されるＢＩＭＥＶＯＸ化合物のいずれかまたはその組み合わせ等がある。またペロブスカイト構造を有する酸化物における好適な材料は、例えばガリウム酸ランタン、セリウム酸バリウム、もしくはＬａ_１-ｘＳｒ_ｘＧａ_１-ｙＭｇ_ｙＯ_３-δ（ＬＳＧＭ、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、δ＜３）で表される酸化物のいずれかまたはその組み合わせ等がある。
これらの物質は気密かつ水密であり水を透過させない。なおこれらの物質は常温ではほとんど酸素イオンを伝導しないため、固体電解質体３は、燃料電池１の作動時には３００°Ｃ超、好ましくは５００°Ｃから９００°Ｃに加熱保持されていることが好ましい。
なお、固体電解質体は、一般に還元性ガス、酸化ガスや空気を透過させない気密性を有するが、特に、本発明の固体電解質体３は、ヘリウムリークテストにおいて１×１０^-２Ｐａ・ｍ^３／ｓｅｃ以上の気密性を有する必要がある。また、固体電解質体３は、酸素イオンの伝導性を向上させるために、その形状が膜状、板状、箔状のいずれかまたはその組み合わせであることが好ましい。

また、負極４は、例えばニッケルやプラチナによって形成される。負極４は、水素や一酸化炭素などの燃料ガスの酸化および還元反応に対する触媒機能のほか、電子伝導性、ガス透過性、水蒸気存在下の還元雰囲気での安定性を有する。なおニッケルを単独で負極４に用いる場合、焼結の進行による性能劣化や固体電解質体３との熱膨張率の不一致が問題になるため、イットリア安定化ジルコニアとサーメットを形成して使用することが好ましい。

また、負極燃料物質体５は、例えばリチウム、ナトリウム、マグネシウム、カルシウム、アルミニウム、ケイ素、亜鉛、鉄、鉛、炭素並びにこれらの１種以上の元素を主体とする合金よりなる群から選択される少なくとも１種の粉末等により形成される。また、後述するように上述の粉末等にアルミニウム酸化物、アルミニウム水酸化物およびこれらの混合物等を形態保持材料として混合することにより形成されてもよい。アルミニウム、ケイ素、亜鉛、マグネシウムといった金属粉末や、アルミニウム、ケイ素、亜鉛、およびマグネシウムの中の1種以上の元素を主体とする合金粉末は、２０〜３０°Ｃの常温では水と反応しにくいが加熱することにより水との反応が容易となるため、水素を燃料ガスに用いる場合は特に有効である。
負極燃料物質体５の作動温度は特に限定しないが、還元性ガスとして水素を使った場合、負極燃料物質体５内が１００°Ｃ以上に加熱保持されていると、負極４において発生した水が水蒸気となって負極燃料物質体５の全体に拡散するため、水と負極燃料物質体５との反応がより効率的に行われる。また、負極燃料物質体５として、例えばアルミニウム、ケイ素、亜鉛、およびマグネシウムといった金属や、アルミニウム、ケイ素、亜鉛、およびマグネシウムの中の１種以上の元素を主体とする合金を用いる場合、負極燃料物質体５内が１００°Ｃ以上に加熱保持されていると水との反応が容易となるため水素発生反応がより効率的に行われる。

負極燃料物質体５は、酸化ガスの分圧が還元性ガスの分圧の１／１０００以上において常に酸化状態にあり、かつ融点が１０００°Ｃ以上の金属酸化物である形態保持材料により被覆されていることが好ましい。このような形態保持材料を被覆することで、負極燃料物質体の焼結が抑制され、酸化還元反応を繰り返し行うことが可能となる。負極燃料物質体５が含有する形態保持材料の質量比は、特に制限はないが、酸化還元速度を抑制しすぎないために、０．１％以上５％以下であることが好ましい。形態保持材料の好適な例としては、酸化アルミニウム、二酸化ケイ素、酸化マグネシウム、酸化ジルコニウムまたはこれらの混合物が挙げられる。これらは融点が特に高く、焼結抑制効果が高い。

また、鉄は安価な材料であり、かつ酸化還元が可逆に起こりやすいことから、負極燃料物質体５の好適な例である。鉄粉末に、酸化アルミニウム、二酸化ケイ素、酸化マグネシウム、酸化ジルコニウムまたはこれらの混合物からなる形態保持材料を被覆することで、鉄粉末の焼結が抑制され、酸化還元反応を繰り返し行うことが可能となる。鉄に形態保持材料を被覆する方法は特に限定はないが、鉄に酸化アルミニウムを被覆する方法としては、例えば、水やエタノールなどの溶媒に硝酸アルミニウムと鉄または酸化鉄を加え、撹拌しながら溶媒を加熱蒸発させた後、４００〜８００°Ｃで２時間程度焼成する方法がある。鉄に二酸化ケイ素を被覆する方法としては、例えば、水やエタノールなどの溶媒にオルトケイ酸テトラエチルと鉄または酸化鉄を加え、撹拌しながら溶媒を加熱蒸発させた後、２００〜８００°Ｃで２時間程度焼成する方法がある。

負極燃料ケース６は、負極燃料物質体５を保持する役割を有する。負極燃料物質体５と酸化ガスとの反応を促進するため、負極燃料ケース６はメッシュ状、あるいは多孔状であることが好ましい。負極燃料ケース６の好適な例としては、例えばセラミクスファイバー、セラミクスで被覆された金属メッシュ、低密度多孔性アルミナが挙げられる。負極燃料ケース６が多孔状である場合その多孔度は２０％以上であることが好ましい。負極燃料ケース６の多孔度により、燃料電池の出力特性は変動し、多孔度が高いほど、出力が向上するためである。
負極燃料ケース６は、縦方向に細長い円環形状を備え、負極燃料物質体５を内部に保持して加熱部７の周囲に設置される。

加熱部７は、発熱体８と、発熱体８の周囲に形成された発熱体ケース９とからなり、発熱体８には、配線１０ａ、１０ｂが接続される。発熱体８は、抵抗発熱体、アーク加熱、誘導加熱、誘電加熱、マイクロ波加熱、ガス加熱、プラズマ加熱、ランプヒーター、赤外線ヒーターからなり、なかでも抵抗発熱体にはNi-Cr、SiC、C、MoSi₂などがある。配線１０ａ、１０ｂは電力や温度情報などの伝達線である。また、セラミクスや金属による発熱体ケース９は、発熱体８を密閉し、発熱体８が、水素や水蒸気、その他有害物質やその蒸気と接触劣化することを防ぐ。
配線１０ａ、１０ｂから電力を供給されることで、発熱体８は、８５０℃〜１０００℃程度まで発熱することができる。なお、発熱体８は、実施例１においては、ニクロム線ヒーターによって構成され、発熱体ケース９はステンレススチール鋼によって構成されている。また、配線１０ａ、１０ｂは、対になった単数もしくは複数の電線群をしめしており、発熱体へのエネルギーを供給する経路として用いられる１対のパスのみを示している場合と、発熱体付近に設けられた熱電対の信号線を形成する１対のパスをあわせて示している場合がある。

また、加熱部７は、発熱体８を６５０℃〜１０００℃程度まで発熱させることで、燃料電池が所定の温度になるよう制御する役割を有する。加熱部７は、初期の運転立ち上げにおいて固体電解質体３を所定の温度に加熱保持する。また、燃料電池が定常運転状態になった場合には、加熱部７は、燃料電池を加温もしくは冷却するなどして定常運転温度を保ってもよい。なお、加熱部７には設定温度などの温度制御条件を外部から設定および変更することが可能な外部制御装置が付加されていてもよい。また、加熱部７には、発熱体８の温度を制御するコントローラが付加されていてもよく、これにより燃料電池の反応速度を加熱部７の温度によって自律的に制御できる。また、加熱部７の例としては、発熱体８および発熱体ケース９の組み合わせと、これらと送風機との組み合わせが挙げられる。なお、送風機は冷却器の役割を果たし、発熱体ケース９内に送風が行われることで発熱体８が冷却し、発熱体８の温度を制御する。

密閉空間１３は、一端が封止された筒状の固体電解質体３と、筒状の固体電解質体３の他端に設置され、加熱部７の通る貫通孔１１を備える蓋部１２と、加熱部７の発熱体ケース９とによって形成される。
蓋部１２は、エポキシ接着などにより固体電解質体３の他端に気密接合されており、蓋部１２の貫通孔１１も発熱体ケース９とエポキシ接着などにより気密接合されているため、固体電解質体３の密閉空間１３は蓋部１２および発熱体ケース９によって密閉されている。
密閉空間１３内には、負極４および負極燃料物質体５が存在し、密閉空間１３の気密度は、ヘリウムリークテストにおいて１×１０^-２Ｐａ・ｍ^３ｓｅｃ以上である必要がある。

また、燃料電池１には、密閉空間１３と連通するように連絡路１４が設けられ、連絡路１４と圧力吸収部１５とが接続される。圧力吸収部１５は、例えば金属製ベローズやダイヤフラムからなり、密閉空間１３内で発生する水蒸気によって引き起こされる圧力の変動を吸収し、密閉空間１３内の圧力を所定の範囲に保っている。

正極集電体２２の材料としては、特に制限はないが、酸化雰囲気中での安定性を有する物質が好ましく、例えばチタン、ステンレス、銀やこれを主体とする合金などがある。別の材料例としては、例えばニッケル、チタン、ステンレス、銀やこれを主体とする合金に、白金メッキや金メッキを施したものがある。

負極集電体２３の材料としては、特に制限はないが、酸化ガス分圧を還元ガス分圧で除した値の対数値が４．５以下となる分圧比領域において酸化されない金属が好ましく、例えば銀、プラチナ、金、銅、チタンステンレスやこれを主体とする合金が挙げられる。ここで主体とは、合金全体に対して８０質量％以上、より好ましくは９０質量%以上含有されていることを意味する。

次に、燃料電池１の動作について説明する。
図３は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池１の動作を模式的に示す図である。
燃料電池１は、正極２、固体電解質体３、負極４および負極燃料物質体５を備え、正極２、固体電解質体３および負極４は、それぞれが密着して接続され、負極４および負極燃料物質体５は、固体電解質体３によって形成される密閉空間１３内に設置される。
図３では図示しない加熱部７によって、正極２、固体電解質体３、負極４および負極燃料物質体５が、８５０℃〜１０００℃程度に加熱されると、外部の酸素（１／２Ｏ_２）が正極２に吸収され、正極２から負極４まで酸素イオン（Ｏ^２−）として固体電解質体３内を移動し、負極４において密閉空間内の水素（Ｈ_２）を酸化して水（Ｈ_２Ｏ）を生成させる。
この反応によって、酸素イオン（Ｏ^２−）の電荷２ｅ⁻が、負極４から配線を通じて正極２へ流れることで、正極２から負極４へ電流が流れる。
なお、生成された水（Ｈ_２Ｏ）は、水蒸気として負極燃料物質体５（ｘＭ）と反応し、負極燃料物質体５（ｘＭ）を酸化させて（Ｍ_ｘＯにして）再び水素（Ｈ_２）となる。
また、負極燃料物質体５において発生した水素（Ｈ_２）は、負極４において再び酸素イオン（Ｏ^２−）と反応して水（Ｈ_２Ｏ）となるので、負極燃料物質体５が酸化され尽くさない限り燃料電池１は放電が可能となる。

また、充電では、放電の場合と逆の反応が起こる。燃料電池１の負極４において水（Ｈ_２Ｏ）が電荷を受けて、酸素イオン（Ｏ^２−）と水素（Ｈ_２）とに分解され、酸素イオン（Ｏ^２−）が負極４から固体電解質体３を通って正極２に移動すると共に、酸化された負極燃料物質体５（Ｍ_ｘＯ）が水素（Ｈ_２）によって還元され、酸化前の負極燃料物質体５（ｘＭ）と水（Ｈ_２Ｏ）とに戻る。また、発生した水（Ｈ_２Ｏ）は、更に負極４において電荷を受けて酸素イオン（Ｏ^２−）と水素（Ｈ_２）とに分解されるため、充電中は、酸化された負極燃料物質体５（Ｍ_ｘＯ）が全て還元されるまで上述の反応が繰り返される。

なお、加熱部７は、配線１０ａ、１０ｂから発熱体８へ電力が供給されることで発熱体８が発熱し、発熱体ケース９の周囲の負極燃料物質体５、負極４、固体電解質体３および正極２を加熱する。なお、加熱部７は所定の温度まで上昇した後、燃料電池の駆動に適した温度を保ち続ける。
また、密閉空間１３は、その内部気圧を図３では図示しない連絡路１４および圧力吸収部１５によって調整しているため、密閉空間１３内部の気圧が、加熱部７による加熱および負極４における水蒸気の発生によって異常に高くなることがなく、密閉空間１３の密閉性が保たれている。

以上より、実施の形態１に係る燃料電池１は、筒状に形成された燃料電池内部より加熱を行っているため、電池の体積エネルギー密度を高くすることで燃料電池自体をコンパクトにできる。

実施の形態２
実施の形態１では、一端が閉塞された筒状の固体電解質体３の他端を蓋部１２によって封止することで、負極４および負極燃料物質体５が密閉された密閉空間１３を形成している。
また、実施の形態１では、発電の際に、加熱部７によって燃料電池１（正極２、固体電解質体３、負極４および負極燃料物質体５）を８５０℃〜１０００℃程度まで加熱するため、開閉が簡単な密閉手段では、密閉空間１３を十分に維持することができない。
よって、例えば、実施の形態１の構成において、負極燃料物質体５の交換を前提とした密閉手段によって密閉空間１３を密閉した場合、密閉が不十分となり、燃料電池の寿命を短くしてしまう。

実施の形態２に係る燃料電池１０１は、上述の密閉手段についての課題に対応したもので、図４は、実施の形態２に係る燃料電池１０１の全体構成図である。実施の形態２と実施の形態１との構成の違いは、筒状の固体電解質体３を密閉する密閉部１６の構成である。
図４に示すように、燃料電池１０１の筒状の固体電解質体３を細長く形成し、点線間で示した加熱部７の発熱体８と他端の密閉部１６との間（温度遷移領域）の距離Ｌを十分に離間させる。
また、密閉部１６は、Ｏ−リング１７と金属製の封止栓１８とからなり、封止栓１８には、加熱部７の発熱体ケース９が通る貫通孔１１ａと、バルブ２０によって開閉が可能な供給路１９（ニードルバルブ）とが設けられ、貫通孔１１ａには発熱体ケース９が接地される。Ｏ−リング１７は、耐熱性のシリコンゴム等によって構成され、封止栓１８と筒状の固体電解質体３との間を密閉する。なお、十分な密閉を行うためにセラミクスペースト等の接着剤が同時に用いられてもよい。
放電前の状態においては、負極４および負極燃料物質体５が存在する密閉空間１３内は、還元性ガスで満たされている。還元性ガスの供給は、封止栓１８を通る供給路１９およびバルブ２０を経由して行われ、動作（放電）時にはバルブを閉じて閉鎖空間とされる。
還元性ガスは、酸化還元するガスであれば特に限定はないが、例えば、水素、一酸化炭素、一酸化窒素またはこれらの混合ガスが挙げられる。放電時の反応において、還元性ガスは、負極４において酸化されて酸化ガスとなる。この酸化ガスが、負極燃料物質体５と反応し、還元性ガスと負極燃料物質体の酸化物が形成される。この反応は、酸化ガスと負極燃料物質体との反応が停止するまで続く。なお、密閉空間内に注入するガスは、還元性ガスでなくても、酸化ガスでもよい。

実施の形態２に係る燃料電池１０１は、Ｏ−リング１７と封止栓１８とからなる密閉部１６によって密閉空間１３の密閉が行われており、密閉部１６の取り外しが容易であるため、反応の進んだ負極燃料物質体５を簡単に交換することができる。
なお、密閉部１６は、３００℃超になると密閉性が著しく落ちるため、密閉部１６の温度を３００℃未満とする必要がある。

実施の形態２では、燃料電池１０１が、上述のＯ−リング１７と封止栓１８とからなる密閉部１６を備えるため、密閉部１６を開放し、酸化ガスとの反応が進行し酸化が進んだ負極燃料物質体５を密閉空間１３から除去し、未使用の負極燃料物質体５を負極燃料ケース６に設置し直して、密閉部１６を閉止することで、酸化が進んだ負極燃料物質体５と未使用の負極燃料物質体５とを交換することができる。
また、本発明の燃料電池の充電時間を短縮したい場合に負極燃料物質体５を交換し、酸化ガスを供給するだけで新たに還元性ガスを得ることができ、いわゆるクイックチャージが可能となる。なお、負極燃料物質体５の交換や補充を容易にするためには、負極燃料物質体５を収容する負極燃料ケース６は、例えば有孔、多孔性、袋状の、セラミクス製、樹脂製または金属製の容器であることが好ましい。
また、負極燃料物質体５を交換する際、負極燃料ケース６内には還元性ガス、酸化ガスおよび未反応の負極燃料物質体５とが混在しているため、還元性ガスに例えば水素など爆発範囲の広いガスを利用した場合には、そのまま負極燃料ケース６を外部に解放すると外部の酸素と還元性ガスとが反応して爆発する可能性がある。この危険を避けるためには、例えば負極燃料ケース６内にフッ素オイル等の不活性液体を注入し、負極燃料ケース６内の負極燃料物質体５を不活性液体で覆うとともに冷却したのち、広い場所で開口することが望ましい。なお、負極燃料ケースは、モジュール化されてなり、カセット状、袋状または箱状の形状を備えてもよい。

実施の形態３
実施の形態２では、加熱部７（の発熱体８）と密閉部１６との間（温度遷移領域）を所定距離Ｌ離間させることで、燃料電池１０１本体の耐久性を向上させているが、更に、図５に示すように、実施の形態２の構成に加えて、燃料電池２０１において図５中に示されるように、正極２の端部（加熱部７の発熱体８付近）から他端の密閉部１６にかけての固体電解質体３を覆うように断熱材２６を設置してもよい。なお、図５の固体電解質体３において、発熱体８に対応する部分を加熱領域、発熱体８の端部から密閉部１６の端部までを温度遷移領域、密閉部１６に対応する部分が密閉領域となる。
断熱材２６は、例えば、セラミクス成形体、セラミクス遷移、グラスウールやロックウール等によって構成される。また、本実施の形態では、発熱体８は、オーステナイト系ステンレス鋼であるＳＵＳ３０４のケースに入っているが、さらに耐腐食性を高めるためにインコネルやセラミクスケースに入れてもよい。また、本実施の形態の発熱体８は、内部にシース状の熱電対を有しており、このため精密な温度コントロールが簡便にできる。
温度遷移領域付近から密閉領域にかけての固体電解質体３を覆うように断熱材２６を設けると、図６に示されるように温度遷移領域における温度勾配の傾きが小さくなり、固体電解質体３に加わる熱衝撃を十分に緩和でき、固体電解質体３の割れを防ぐことができる。
よって、実施の形態３に係る燃料電池２０１は、実施の形態２と比較して、加熱部７から密閉部１６にかけての固体電解質体３を断熱材２６によって保護することで、固体電解質体３の割れを防ぎ、燃料電池のサイクル寿命を維持または向上させることができる。
なお、実施の形態３の変形例として、図７に示されるように、固体電解質体３全体を覆うように断熱材２６ｂを配置することもできる。
加熱部７を固体電解質体３の内部に備える上述の燃料電池１、１０１、２０１は、固体電解質体３が外気に直接ふれて温度が急激に下がり熱衝撃によって固体電解質体３が割れるのを防ぐために、固体電解質体３の加熱部７に対応する部分に図示しない断熱材を備える。よって、加熱部７に対応する図示しない断熱材と温度遷移領域付近から密閉領域にかけての断熱材２６とを繋げて断熱材２６ｂとしてもよい。なお、この場合の図示しない断熱材および断熱材２６ｂは、固体電解質体３の周囲の正極２に酸素が行きわたらせる構成を備える。なお、負極集電体２３は、封止栓１８に接続して封止栓１８を負極端子として利用していたが、図７に示すように、封止栓１８を貫通するように負極端子２７を設置し、負極端子２７を封止栓１８にエポキシなどで気密固定してもよい。
固体電解質体３全体に断熱材２６ｂを配置することで、固体電解質体３の加熱部７に対応する部分の温度変化をも緩和でき、固体電解質体３に加わる熱衝撃を緩和できるため、固体電解質体３の割れを防ぐことができる。

実施の形態４
実施の形態１では、燃料電池内部より加熱を行っているが、燃料電池外部より加熱を行うこともできる。
図８は本発明の実施の形態４に係る燃料電池３０１の全体構成を示し、また、図９は、図８に示す燃料電池３０１をＢ−Ｂ断面で切断した場合の断面図を示す。
実施の形態４と実施の形態１との構成の違いは、負極燃料物質体５および負極燃料ケース６ａの形状および配置と、加熱部７ａの形状および配置と、蓋部１２ａの形状である。
図８および図９に示すように、実施の形態４では、ドーナツ形状の加熱部７ａが正極２を筒状に取り囲むように正極２の周囲に配置される。また、負極燃料物質体５を含む筒状の負極燃料ケース６ａが蓋部１２ａから延びて、負極燃料物質体５が密閉空間１３の中心に配置される。なお、蓋部１２ａは、貫通孔１１が無く、筒状の固体電解質体３の端部に気密接合されて密閉空間１３を密閉する。
実施の形態２に係る燃料電池３０１は、電力を供給され発熱した加熱部７ａが、その内側に設置された正極２、固体電解質体３、負極４および負極燃料物質体５を加熱するため、実施の形態１と同様に、電池の体積エネルギー密度を高くすることができる。よって、実施の形態１と同様、燃料電池自体を小型化することができる。

実施の形態５
実施の形態１および４では、一端が閉じられた筒状の固体電解質体３の他端を蓋部１２および１２ａによって封止することで、負極４および負極燃料物質体５が密閉された密閉空間１３を形成している。
また、実施の形態１および４では、発電の際に、加熱部７および７ａによって燃料電池１および３０１（正極２、固体電解質体３、負極４および負極燃料物質体５）を８５０℃〜１０００℃程度まで加熱するため、開閉が簡単な密閉部では、密閉空間１３を十分に維持することができない。
よって、例えば、実施の形態１および４において、負極燃料物質体５の交換を前提とした密閉部によって密閉空間１３を密閉した場合、密閉が不十分となり、燃料電池の寿命を短くしてしまっていた。

実施の形態５に係る燃料電池４０１は、実施の形態２と同じく、上述の密閉手段についての課題に対応したもので、図１０は、実施の形態５に係る燃料電池４０１の全体構成図である。実施の形態４と実施の形態５との構成の違いは、筒状の固体電解質体３を密閉する密閉部１６の構成である。
図１０に示すように、燃料電池４０１の筒状の固体電解質体３を細長く形成し、点線間で示した加熱部７ａの発熱体８ａ部分と他端の密閉部１６との間（温度遷移領域）の距離Ｌを十分に離間させる。
また、密閉部１６は、Ｏ−リング１７と金属製の封止栓１８とからなり、封止栓１８には、供給路１９およびバルブ２０が設置される。Ｏ−リング１７は、耐熱性のシリコンゴム等によって構成され、封止栓１８と筒状の固体電解質体３との間を密閉する。なお、十分な密閉を行うためにセラミクスペースト等の接着剤が同時に用いられても良い。
放電前の状態においては、負極４および負極燃料物質体５が存在する密閉空間１３内は、還元性ガスで満たされている。還元性ガスの供給は、封止栓１８を通る供給路１９およびバルブ２０を経由して行われ、動作（放電）時にはバルブを閉じて閉鎖空間とされる。
還元性ガスは、酸化還元するガスであれば特に限定はないが、例えば、水素、一酸化炭素、一酸化窒素またはこれらの混合ガスが挙げられる。放電時の反応において、還元性ガスは、負極４において酸化されて酸化ガスとなる。この酸化ガスが、負極燃料物質体５と反応し、還元性ガスと負極燃料物質体の酸化物が形成される。この反応は、酸化ガスと負極燃料物質体との反応が停止するまで続く。なお、密閉空間内に注入するガスは、還元性ガスでなくても、酸化ガスでもよい。

実施の形態５に係る燃料電池４０１は、Ｏ−リング１７と封止栓１８とからなる密閉部１６によって密閉空間１３の密閉が行われており、密閉部１６の取り外しが容易であるため、反応の進んだ負極燃料物質体５を簡単に交換することができる。
なお、密閉部１６は、３５０℃以上になると密閉性が著しく落ちるため、密閉部１６の温度を３５０℃未満とする必要がある。

以下の表１は、燃料電池４０１において、実験により得られた、加熱部７ａ（の発熱体８ａ）から密閉部１６にかけての温度勾配および圧力吸収部１５の有無と燃料電池のサイクル寿命との関係を示す。
燃料電池４０１は、後述する実施例１と同じく、固体電解質体として、外径１２．７ｍｍ、内径９．５ｍｍ、長さ３００ｍｍのイットリア安定化ジルコニア保護管に正極および負極を設置したもので構成され、固体電解質体の表面に熱電対を設置して加熱部７ａから密閉部１６の端部までの温度勾配を図ったものである。
なお、表１に示す燃料電池Ａ〜Ｄ間の違いは、加熱部７ａと密閉部１６との間（温度遷移領域）の距離Ｌと、圧力吸収部１５の有無である。

加熱部７ａ（および発熱体８ａ）は電熱線等からなる発熱体の発熱によって８５０℃〜１０００℃程度となり、また、密閉部１６は、３００℃以下である必要があるため、温度勾配は、５５０〜７００（℃）／Ｌ（ｃｍ）で計算できる。
よって、表１より、加熱部７が１０００℃程度に保たれる場合には、温度勾配が１００℃／ｃｍ程度になるように発熱体８と密閉部１６との間の距離Ｌは、７．０ｃｍ以上であることが好ましい。

実施の形態５では、実施の形態２と同様に、燃料電池４０１が、上述のＯ−リング１７と封止栓１８とからなる密閉部１６を備えるため、密閉部１６を開放し、酸化ガスとの反応が進行し酸化が進んだ負極燃料物質体５を密閉空間１３から除去し、未使用の負極燃料物質体５を負極燃料ケース６に設置し直して、密閉部１６を閉止することで、酸化が進んだ負極燃料物質体５と未使用の負極燃料物質体５とを交換することができる。
また、本発明の燃料電池の充電時間を短縮したい場合に負極燃料物質体５を交換し、酸化ガスを供給するだけで新たに還元性ガスを得ることができ、いわゆるクイックチャージが可能となる。なお、負極燃料物質体５の交換や補充を容易にするためには、負極燃料物質体５を収容する負極燃料ケース６は、例えば有孔、多孔性、袋状の、セラミクス製、樹脂製または金属製の容器であることが好ましい。
また、負極燃料物質体５を交換する際、負極燃料ケース６内には還元性ガス、酸化ガスおよび未反応の負極燃料物質体５とが混在しているため、還元性ガスに例えば水素など爆発範囲の広いガスを利用した場合には、そのまま負極燃料ケース６を外部に解放すると外部の酸素と還元性ガスとが反応して爆発する可能性がある。この危険を避けるためには、例えば負極燃料ケース６内にフッ素オイル等の不活性液体を注入し、負極燃料ケース６内の負極燃料物質体５を不活性液体で覆うとともに冷却したのち、広い場所で開口することが望ましい。

実施の形態６
実施の形態５では、加熱部７ａ（の発熱体８ａ）と密閉部１６との間を所定距離Ｌ離間させることで、燃料電池１０１本体の耐久性を向上させているが、更に、実施の形態３と同じく図１１に示すように、実施の形態５の構成に加えて、燃料電池５０１の点線間で示した加熱部７ａの発熱体８ａと他端の密閉部１６との間（温度遷移領域）の固体電解質体３部分に断熱材２６ａを設置してもよい。なお、断熱材２６ａは、図１１に示すように、密閉部１６に対応する固体電解質体３部分も覆うのが好ましい。
断熱材２６ａは、例えば、グラスウールやロックウール等によって構成される。発熱体８ａと他端の密閉部１６との間の固体電解質体３部分に断熱材２６ａを設けることで熱衝撃による固体電解質体３の割れを防ぐことができる。また、加熱部７ａ（の発熱体８ａ）と密閉部１６との間を距離Ｌを実施の形態５よりも短くすることができる。
よって、実施の形態６に係る燃料電池５０１は、実施の形態５と比較して、加熱部７ａと密閉部１６との間の固体電解質体３を断熱材２６ａによって保護することで、固体電解質体３の割れを防ぎ、燃料電池のサイクル寿命を維持または向上させつつ、燃料電池自体をよりコンパクトにすることができる。

実施の形態７
実施の形態１〜６では、筒状の固体電解質体３の一端が閉塞されており、筒状の固体電解質体３の他端が開いており、蓋部１２、１２ａや密閉部１６によって密閉されていたが、筒状の固体電解質体３の両端が開いており、両端がそれぞれ蓋部１２、１２ａや密閉部１６によって密閉される構成であってもよい。
例えば、図１２に示すように、燃料電池６０１の一方の端部は、加熱部７ａから十分に離間され、Ｏ−リング１７および封止栓１８ａで密閉された密閉部１６ａを備える。また、他方の端部もまた、加熱部７ａから十分に離間され、Ｏ−リング１７および封止栓１８で密閉された密閉部１６を備える。なお、実施の形態３と同じく、他方の端部の密閉部１６は、封止栓１８を通る供給路１９およびバルブ２０が設置される。
実施の形態７に係る燃料電池６０１は、両端部を開放することができるため、反応が終了した負極燃料物質体５をより簡単に交換をすることができる。

実施の形態８
また、例えば、図１３に示すように、燃料電池７０１において密閉空間１３を形成するために、封止材２１を利用してもよい。
図１３に示すように、実施の形態８に係る燃料電池７０１は、中空筒状の多孔性セラミクス管２４を備え、多孔性セラミクス管２４の該表面に、筒状の負極４、筒状の固体電解質体３、および筒状の正極２をそれぞれ順に備える。なお、負極４の外表は固体電解質体３によって完全に覆われている。
なお、固体電解質体３は、燃料ガスや空気を透過させない気密性を有している。なお、図１３に示す固体電解質体３は薄膜状に形成される。
また、多孔性セラミクス管２４の両端は、Ｏ−リング１７および金属製の封止栓１８、１８ａからなる密閉部１６、１６ａによって封止されており、封止栓１８、１８ａと固体電解質体３との間の多孔性セラミクス管２４部分に封止材２１が塗布され、これにより多孔性セラミクス管２４内部の密閉空間１３が実現される。
なお、封止材２１は、温度勾配を緩和する断熱層としての役割も果たすことが好ましく、封止材２１を設けることで、加熱部７ａと密閉部１６、１６ａとの間の距離Ｌを短くすることができ、燃料電池自体をコンパクトにすることができる。
また、正極２には正極集電体２２が、負極４には負極集電体２３が、それぞれ接続しており、正極集電体２２は一方の封止栓１８ａに、負極集電体２３は他方の封止栓１８に、それぞれ封止材２１内を貫通して接続している。従って、２つの封止栓１８、１８ａは、燃料電池の負極端子および正極端子として利用することができる。
実施の形態８に係る燃料電池７０１は、固体電解質体３を貫通する負極集電体２３の周囲が、封止材２１により気密に保たれるため、実施の形態７の燃料電池６０１より密閉空間１３の気密の状態が保たれる。
また、実施の形態８の燃料電池７０１は、実施の形態１〜７と比較して、固体電解質体３を薄く形成することができるため、酸素イオンの透過性能を向上させることができ、燃料電池の発電性能を向上させることができる。

実施の形態９
図１４は、本発明の実施の形態９に係る燃料電池８０１を真上から見た図であり、図１５は、実施の形態９に係る燃料電池８０１を真横から見た断面図である。
図１４および図１５において、燃料電池部分は、正極３２、固体電解質体３３、負極３４ならびに負極燃料物質体５および負極燃料ケース３６によって構成される。また、固体電解質体３３、Ｏ−リング３８および燃料電池ケース３９によって負極３４、負極燃料物質体５および負極燃料ケース３６が密封されている。そして、正極３２の上方に加熱部３７ａが、燃料電池ケース３９の下方に加熱部３７ｂがそれぞれ設置される。なお、燃料電池ケース３９は、底面部分と壁面部分とからなる金属製のケースであり、壁面部分に供給路１９を備え、供給路１９上にバルブ２０を備える。バルブ２０および供給路１９を経由して負極燃料物質体５のある密閉空間４０内に還元性ガスが供給される。正極集電体２２は正極３２から引き出されて正極端子として利用され、負極集電体２３は、負極３４から引き出されて燃料電池ケース３９に接続され、燃料電池ケース３９が負極端子として利用される。
なお、実施の形態９に係る燃料電池８０１の動作は、実施の形態１〜８と同様である。

実施の形態１０
また、実施の形態９の燃料電池ケース３９の代わりに、もう一つの燃料電池部分を備えてもよい。
実施の形態１０に係る燃料電池９０１は、図１６に示すとおり、正極３２、固体電解質体３３および負極３４からなる燃料電池部分を上下対称に備え、２つの固体電解質体３３、筒状ケース４１および２つのＯ−リング３８によって密閉空間４０が形成される。密閉空間４０内には、２つの負極３４と負極燃料物質体３５および負極燃料ケース３６とが配置される。また、２つの正極３２を上方および下方から挟むように加熱部３７ａおよび加熱部３７ｂがそれぞれ設置される。なお、筒状ケース４１は、壁面部分に供給路１９を備え、供給路１９上にバルブ２０を備える。バルブ２０および供給路１９を経由して負極燃料物質体３５のある密閉空間４０内に還元性ガスが供給される。
正極集電体２２は、それぞれ正極３２から引き出されて正極端子として利用され、負極集電体２３は、それぞれ負極３４から引き出されて筒状ケース４１に接続され、筒状ケース４１が負極端子として利用される。そのため、燃料電池８０１は、２つの燃料電池部分が並列接続された構成を備える。なお、少なくとも一方の負極集電体２３を筒状ケース４１に接続させない構成をとることもできる。
なお、実施の形態１０に係る燃料電池９０１の動作は、実施の形態１〜９と同様である。

実施の形態１１
実施の形態１１に係る燃料電池１００１は、図１７に示すとおり、実施の形態１〜１０と異なり、家庭ゴミや産業廃棄物などプラスチックや炭水化物など、プラスチックや炭水化物や繊維屑などの固体や液体の有機化合物、一般金属屑、および水を負極燃料物質体２５とする。なお、圧力吸収部１５やガス吸収材２８は、必要に応じて備えるものとする。

また、図１８（Ａ）は、実施の形態１１に係る燃料電池１００１の動作を模式的に示す図である。
燃料電池１００１は、正極２、固体電解質体３、負極４および負極燃料物質体２５を備え、正極２、固体電解質体３および負極４は、それぞれが密着して接続され、負極４および負極燃料物質体２５は、固体電解質体３によって形成される密閉空間１３内に設置される。

なお、燃料電池１００１は、発電時に発生する二酸化炭素を排出するための構成が必要であり、図１７に示されるような連絡路１４に接続されたベローズ、ダイヤフラム、または風船などからなる圧力吸収部１５、または、アルカリ化合部からなるガス吸収材２８、液体弁（液中に入れられたパイプなど）の二酸化炭素排出または二酸化炭素吸収のための構成を備える。

図１８（Ａ）では図示しない加熱部７によって、正極２、固体電解質体３、負極４および負極燃料物質体２５が、３００℃超の高温（好ましくは、８５０℃〜１０００℃）に加熱されると、固体の有機化合物が無酸素雰囲気化で高温水蒸気と反応して炭化して炭素（Ｃ）となり、炭素（Ｃ）が水（水蒸気：Ｈ_２Ｏ）と反応して一酸化炭素（ＣＯ）、二酸化炭素（ＣＯ_２）と水素（Ｈ_２）を生成する化学反応が起こる。同時に、燃料電池部分では、外部の酸素（１／２Ｏ_２）が正極２でイオン化し、正極２から負極４まで固体電解質体３内を移動してきた酸素イオン（Ｏ^２−）が、負極燃料物質体２５から生成した一酸化炭素（ＣＯ）と反応して二酸化炭素（ＣＯ_２）となり、また、水素（Ｈ_２）と反応して水（Ｈ_２Ｏ）になる燃料電池反応が起こる。なお、この燃料電池反応は、燃料電池１００１内で起こると考えられている反応の１つであり、詳細は明らかとなっていない。

負極燃料物質体２５にプラスチックや繊維など固体や液体の有機化合物を使った場合には、このような有機化合物の炭化反応とそれに続く化学反応によって水素ガスや一酸化炭素ガスなどの燃料ガスが発生するので、燃料電池反応（放電反応）が起こる。また、金属屑などを負極燃料物質体２５に混ぜると、高温化で水が金属によって還元され水素ガスが生成するので、この場合も燃料電池反応が起こる。そして、燃料電池反応によって生成する水（Ｈ_２Ｏ）は、水蒸気として再び負極燃料物質体２５と反応して燃料ガスを再生成し、この循環反応は、負極燃料物質体２５が酸化され尽くされない限り続けることが可能なため、燃料電池１００１は負極燃料物質体２５が酸化され尽くされない限り放電が可能である。

このような固体や液体の有機化合物と水を負極燃料物質体に用いた新しい燃料電池の放電特性を図１８（Ｂ）に示す。図１８（Ｂ）では、負極燃料物質体２５にバナナの皮を用いた。図１８（Ｂ）中のグラフａは、比較例のバナナの皮を配さない場合の放電カーブである。また図１８（Ｂ）中のグラフｂは、２０ｍｇのバナナの皮を配した場合の放電カーブである。これらの例では、最初に燃料電池内を５％水素−９５％アルゴンガスで満たした後、放電を開始している。このためバナナの皮が無い場合でも、当初からある水素ガスを消費して、約４．５ｍＡｈの放電ができたが、バナナの皮がある場合には、５０ｍＡｈ以上の放電が可能であった。
なお、図１８（Ｂ）のグラフから、燃料電池１００１において、（１）無酸素中で固体有機物が水素ガスと反応し、固体炭素と水蒸気を生成する第１の反応がおこり、（２）生成した固体炭素が無酸素下で高温水蒸気と反応して、一酸化炭素、二酸化炭素、水素ガスを生成する第２の反応が起こり、（３）その結果生成した一酸化炭素や水素ガスという燃料ガスが負極で酸素イオンと反応し、電子と水蒸気と二酸化炭素を生成する発電反応が起きていると考えられる。
このように本発明によれば、家庭ゴミを用いた直接発電が可能であるとわかった。
なお、充電では、負極燃料物質体２５および負極４において逆方向の反応が起こり、二酸化炭素（ＣＯ_２）が消費され、炭素（Ｃ）が析出するが、析出した炭素（Ｃ）が負極４の表面を覆うことで負極４表面での化学反応を阻害するため、二次電池として一時的に使用することはできるが、繰り返しの使用には適さない。

以上より、実施の形態１１に係る燃料電池１００１は、燃料電池内部より加熱を行っているため、電池の体積エネルギー密度を高くすることができる。よって、燃料電池自体を小型化することができる。
また、燃料電池１００１は、発電反応において炭素を利用し、炭素は有機化合物と水とを高温で加熱することで生成されるため、残飯や籾殻など有機化合物の廃棄物および不要物を負極燃料物質体２５として投入することで、事前処理等無しに、即座に有用なエネルギー源として用いることができる。

実施の形態１２
実施の形態１１では、１つの燃料電池１００１について説明したが、実施の形態１１に係る燃料電池部分を複数備えてもよい。
実施の形態１２に係る燃料電池１１０１は、断熱ユニット１１０１ａと燃料電池ユニット１１０１ｂとからなる。図１９に示されるように、（Ａ）および（Ｂ）は、複数の燃料電池部分を備える燃料電池１１０１の断面図であり、（Ｃ）は、その斜視図である。図１９（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、燃料電池は断熱ユニット１１０１ａと燃料電池ユニット１１０１ｂと備える。
断熱ユニット１１０１ａは、断熱材２６ｃで形成された箱状の部材であって、底面部分が大きく開いており、壁面部分に空気孔２９を複数備える。また、燃料電池ユニット１１０１ｂは、複数の燃料電池部４３を備え、複数の燃料電池部４３の内側に密閉空間４４を備える。密閉空間４４は、密閉部４５により繰り返し開閉可能に封止され、密閉空間４４には、燃料加熱部４６と燃料加熱部４６によって加熱される負極燃料物質体２５ａが設置される。
また、燃料電池部４３は、図１９（Ｄ）に示すように、筒状の正極２、一端部が閉塞された固体電解質体３、筒状の負極４および柱状の加熱部７からなり、正極２には正極集電体２２が、負極４には負極集電体２３が、それぞれ接続され端子として引き出されている。なお、柱状の加熱部７は、上述の実施の形態１、１１等と同様、発熱体８と発熱体８を覆う発熱体ケース９とによって構成され、発熱体８に電力を供給するための配線１０ａ、１０ｂを備え、また、燃料電池部４３の中央に配置されるように固定されている。

次に、実施の形態１２に係る燃料電池１１０１の動作を説明する。なお、個々の燃料電池部４３で起こる発電反応は、図１８で示す実施の形態１１の発電反応と同じである。
断熱ユニット１１０１ａと燃料電池ユニット１１０１ｂとが、図１９（Ａ）に示す配置から、図１９（Ｂ）に示すように設置されることで、各燃料電池部４３が外気から断熱される。なお、燃料電池部４３の正極２には、空気孔２９から酸素が供給される。
次に、燃料電池ユニット１１０１ｂの燃料加熱部４６は、配線１０ａ、１０ｂによって電力が供給されて発熱し、密閉空間４４内に設置された負極燃料物質体２５ａを加熱する。負極燃料物質体２５ａである有機化合物は、水とともに加熱されることによって炭化して炭素となり、炭素が水（水蒸気）と反応することで、還元性ガスである水素および一酸化炭素が発生する。
そして、発生した還元性ガスは、密閉空間４４に充満し、また、それらの分圧に応じて複数の燃料電池部４３のそれぞれに供給される。つまり、意図的な調整を行わなくとも、燃料電池部４３のそれぞれの内部に還元性ガスが等しく供給される。
また、図１９（Ｂ）および（Ｃ）に示されるように、断熱ユニット１１０１ａが燃料電池ユニット１１０１ｂに設置されると、図１９（Ｄ）に示されるように、配線１０により柱状の加熱部７へ電力が供給されて発熱し、燃料電池部４３を加熱する。
燃料電池部４３では、上述のとおり、還元性ガスを酸化して酸化ガスとすることで発電が行われる。
なお、密閉空間４４に、酸化ガスである二酸化炭素と反応する物質であるガス吸収材を設置するか、燃料電池ユニット１１０１ｂが二酸化炭素を外部に排出する構成を備えれば、密閉空間４４内部の圧力を所定の範囲に保ったまま長時間発電することができる。
また、燃料電池ユニット１１０１ｂは、密閉部４５により密閉空間４４を開放することができ、その際、反応し終わった負極燃料物質体２５ａの残部を排出し、新たな負極燃料物質体２５ａを設置することができるため、繰り返しの使用が可能である。なお、負極燃料物質体２５ａは図示しない負極燃料ケースに収納され、モジュール化されてなり、カセット状、袋状または箱状の形状を備えてもよい。
燃料電池１１０１のように、複数の燃料電池部４３を直並列に繋ぐことで高電圧・高容量のバッテリが簡便に構成できる。

なお、実施の形態１〜９、１１、１２では、負極４と負極燃料物質体５、２５、２５ａとの間に間隙が形成されているが、実施の形態１０のように、負極４と負極燃料物質体３５とを接触（電気的に接触）させたとしても、燃料電池として動作し得る。

なお、本発明は、上述の燃料電池１、１０１〜１１０１を直列接続または並列接続した燃料電池システムを構築してもよい。複数の燃料電池を直並列に繋ぐことで構成される燃料電池システムを構築することで、高電圧・高容量のバッテリが簡便に構成でき、大電圧および大電流を要するシステムに対しても対応することができる。

＜実施例１＞
（燃料電池部の作製）
実施例１として、図１０に示される実施の形態５に係る燃料電池４０１を作成した。
固体電解質体３として、外径１２．７ｍｍ、内径９．５ｍｍ、長さ３００ｍｍのイットリア安定化ジルコニア保護管を用いた。このイットリア安定化ジルコニア保護管は、図１０に示されるように、一端が閉塞されている。この保護管の内側に、負極４としてプラチナインクを、保護管の先端から５０ｍｍの領域に塗布した。またこの保護管の外側に、正極２としてランタンストロンチウムマンガナイト（ＬＳＭ）インクを、保護管の先端から５０ｍｍの領域に塗布した。その後、正極２および負極４に、銀ペーストを用いて銀ワイヤ２２、２３を接続した。保護管の根元部分（他端であって開放されている部分）に、Ｏリング１７付きステンレス製真空用継ぎ手１８（スウェージロック社Ｕｌｔｒａ-Ｔｏｒｒ）を取り付けた。負極と接続する銀ワイヤをＯリング１７付きステンレス製真空用継ぎ手１８の内側に銀ペーストを用いて接続し、真空用継ぎ手１８を負極端子とした。

（負極燃料物質体の作製）
粒径５０ｎｍのＦｅ_２Ｏ_３粉末（シグマアルドリッチ社）１１０重量部をエタノール３００重量部と混合し、スラリを調整した。スラリをビーカーに入れ、スターラーで撹拌しながら、オルトケイ酸テトラエチル（シグマアルドリッチ社）を３．８１重量部を添加し、加熱してエタノールを蒸発させた。残った粉末を２００°Ｃで２時間焼成し、１重量％二酸化ケイ素で被覆されたＦｅ_２Ｏ_３粉末を得、これを負極燃料物質体５とした。

（燃料電池の作製）
負極燃料物質体１０ｍｇをセラミクスファイバー（負極燃料ケース６）で包み、固体電解質体３であるイットリア安定化ジルコニア保護管内に挿入した。その後、Ｏリング１７付きステンレス製真空用継ぎ手１８の先にニードルバルブ１９、２０（スウェージロック社）を取り付けた。ニードルバルブ１９、２０の先にビニルチューブを取り付け、ビニルチューブの他端を５％水素９５％窒素混合ガスボンベに接続した。このとき、ニードルバルブ１９、２０とビニルチューブの間に僅かな隙間を設け、混合ガスのリーク孔とした。イットリア安定化ジルコニア保護管３の先端から１００ｍｍをチューブ炉内に設置し、チューブ炉を８５０°Ｃに加熱保持した。熱電対にて保護管３の温度を測定したところ、その温度は保護管の先端において８５０°Ｃ、先端から１００ｍｍにおいて８００°Ｃ、先端から２００ｍｍにおいて３００°Ｃ、先端から３００ｍｍ付近（真空用継ぎ手１８の接続部分）において１５０°Ｃであった。５％水素９５％窒素混合ガスボンベのバルブとニードルバルブ１９、２０を解放し、１０時間混合ガスを保護管３内に供給した後、ニードルバルブ１９、２０を閉じて保護管３内を密閉空間１３とした。

（充放電試験）
燃料電池４０１を充放電装置に接続し、２ｍＡ定電流、カットオフ電圧０．６Ｖで放電を行い、燃料電池の初期容量を測定したところ、７．７８ｍＡｈであった。その後、以下の条件で充放電試験を行った。（充放電試験）充電：４ｍＡ定電流、カットオフ１．２５Ｖ、放電：４ｍＡ定電流、カットオフ０．６５Ｖ。試験中、２１サイクルごとに、以下の条件で充放電を行い、初期容量に対する容量維持率を評価した。

（容量維持率測定試験）充電：２ｍＡ定電流、カットオフ１．２５Ｖ、放電：２ｍＡ定電流、カットオフ０．６Ｖ。図２０に、２１サイクルごとの容量維持率を示す。試験開始から２週間程度が経過した１２０サイクル後も容量の低下は見られず、繰り返しの充放電が可能であった。

以上、本発明の燃料電池について、実施の形態１〜１２、実施例１を基に詳細に説明したが、本発明は、上記実施の形態に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において、各種の改良や変更を行ってもよい。

１、１０１、２０１、３０１、４０１、５０１、６０１、７０１、８０１、９０１、１００１、１１０１ 燃料電池、 ２、３２ 正極、 ３、３３ 固体電解質体、 ４、３４ 負極、 ５、２５、２５ａ、３５ 負極燃料物質体、 ６、６ａ、３６ 負極燃料ケース、 ７、７ａ、３７ａ、３７ｂ 加熱部、 ８、８ａ 発熱体、 ９ 発熱体ケース、 １０、１０ａ、１０ｂ 配線（パス）、 １１、１１ａ 貫通孔、 １２、１２ａ 蓋部、 １３、４０、４４ 密閉空間、 １４ 連絡路、 １５ 圧力吸収部、 １６、１６ａ、４５ 密閉部、 １７、３８ Ｏ−リング、 １８、１８ａ 封止栓、 １９ 供給路、 ２０ バルブ、 ２１ 封止材、 ２２ 正極集電体、 ２３ 負極集電体、 ２４ 多孔性セラミクス管、 ２６、２６ａ、２６ｂ、２６ｃ 断熱材 、 ２８ ガス吸収材、 ２９ 空気孔、 ３９燃料電池ケース、 ４１ 筒状ケース、 ４３ 燃料電池部、 ４６ 燃料加熱部、 １１０１ａ 断熱ユニット、 １１０１ｂ 燃料電池ユニット、 Ｌ 距離。

この発明は、酸素イオンを伝導する気密性の固体電解質体と、固体電解質体の一方の面に形成され、放電時に還元性ガスを酸化ガスに酸化する負極と、固体電解質体の他方の面に形成され、放電時に酸素を酸素イオンに還元する正極と、酸化ガスと反応して還元性ガスを生成し、自らは酸化物となる負極燃料物質体と、固体電解質体および負極燃料物質体を所定の温度以上に加熱維持するための加熱部と、固体電解質体に設置され、固体電解質体および加熱部と共に、負極および負極燃料物質体を密閉する密閉空間を形成する繰り返し開閉可能な密閉部と有する燃料電池において、耐熱ゴムまたは有機物ガスケットを介して密閉空間を密閉して燃料電池を稼働させた場合、燃料電池の稼働中における密閉空間のヘリウムリーク速度が１×１０^−２Ｐａ・ｍ^３／ｓｅｃ以下に保たれるように、加熱部の発熱体と密閉部との間の距離Ｌを離間させたことを特徴とする燃料電池を提供する。

また、本発明は、イオン伝導性及び気密性を持ち、外面から内面に酸素イオンを伝導する筒状の固体電解質体と、固体電解質体の外面に形成され、放電時に酸素を酸素イオンに還元する筒状の正極と、固体電解質体の内面に形成され、放電時に燃料となる還元性ガスを、固体電解質体の外面から内面まで伝導された酸素イオンによって酸化ガスに酸化する筒状の負極と、負極の内側に配置され、負極により酸化された酸化ガスと反応して、自らは酸化物となり、酸化ガスを還元して還元性ガスを発生させる柱状の負極燃料物質体と、正極の外側に配置され、固体電解質体の一部を所定温度以上に維持するために、少なくとも固体電解質体を加熱する筒状の加熱部とを備え、筒状の固体電解質体は、その内側に、筒状の固体電解質体の両端が共に閉塞され、筒状の負極及び柱状の負極燃料物質体が密閉された密閉空間を形成し、筒状の固体電解質体の両端の少なくとも一方は、密閉部により閉塞されており、密閉部は、繰り返し取り外しが可能である燃料電池において、燃料電池の稼働中における密閉部の温度が３００℃未満になるように、加熱部の発熱体と密閉部との間の距離Ｌを離間させたことを特徴とする燃料電池を提供する。

また、本発明は、イオン伝導性及び気密性を持ち、表面から裏面に酸素イオンを伝導する固体電解質体と、固体電解質体の表面に形成され、放電時に酸素を酸素イオンに還元する正極と、固体電解質体の裏面に形成され、放電時に燃料となる還元性ガスを、固体電解質体の表面から裏面まで伝導された酸素イオンによって酸化ガスに酸化する負極と、負極により酸化された酸化ガスと反応して、自らは酸化物となり、酸化ガスを還元して還元性ガスを発生させる負極燃料物質体と、固体電解質体の一部を所定温度以上に維持するために、少なくとも固体電解質体を加熱する加熱部と、固体電解質体と共に密閉空間を形成する少なくとも１つの密閉部とを備え、密閉空間は、その内部に負極及び負極燃料物質体を収容し、少なくとも１つの密閉部は、繰り返し取り外しが可能である燃料電池において、燃料電池の稼働中における密閉部の温度が３００℃未満になるように、加熱部の発熱体と密閉部との間の距離Ｌを離間させたことを特徴とする燃料電池を提供する。

Claims (25)

1. 酸素イオンを伝導する気密性の固体電解質体と、
   前記固体電解質体の一方の面に形成され、放電時に還元性ガスを酸化ガスに酸化する負極と、
   前記固体電解質体の他方の面に形成され、放電時に酸素を酸素イオンに還元する正極と、
   前記酸化ガスと反応して前記還元性ガスを生成し、自らは酸化物となる負極燃料物質体と、
   前記固体電解質体および前記負極燃料物質体を所定の温度以上に加熱維持するための加熱部と、
   前記固体電解質体に設置され、前記固体電解質体および前記加熱部と共に、前記負極および前記負極燃料物質体を密閉する密閉空間を形成する繰り返し開閉可能な密閉部と
   を有し、
   前記密閉空間のヘリウムリーク速度が１×１０^-２Ｐａ・ｍ^３／ｓｅｃ以下に保たれることを特徴とする燃料電池。
2. 前記固体電解質体は筒状であり、
   前記正極は、筒状の前記固体電解質体の外面に筒状に形成され、
   前記負極は、前記筒状の固体電解質体の内面に筒状に形成され、
   前記負極燃料物質体は、筒状であって、前記負極の内側に配置され、
   前記加熱部は、柱状であり、前記筒状の負極燃料物質体の内側に配置され、
   前記筒状の固体電解質体は、その内側に、前記筒状の負極、前記筒状の負極燃料物質体、及び前記筒状の負極燃料物質体の内側の前記柱状の加熱部を収容しており、
   前記筒状の固体電解質体の一端が閉塞され、前記筒状の固体電解質体の他端が前記柱状の加熱部により貫通されると共に前記柱状の加熱部の外面と密着する前記密閉部によって密閉されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記密閉部は、ロウ付け、レーザー溶接、ティグ溶接、半田溶接、超音波溶接、ガスケットシールおよびＯリングシールのいずれかまたはそれら組み合わせによって前記筒状の固体電解質体の端部に接続される封止栓からなることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
4. 前記還元性ガスが、水素、一酸化炭素、一酸化窒素またはこれらの混合ガスである、請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池。
5. 前記負極燃料物質体は、鉄粒子もしくは鉄粉末と、酸化アルミニウム、二酸化ケイ素、酸化マグネシウム、酸化ジルコニウムを含む難焼結性材料、またはこれらの混合物からなる形態保持材料とからなり、
   前記負極燃料物質体の表面の少なくとも一部が前記形態保持材料で覆われており、
   前記負極燃料物質体に対する前記形態保持材料の質量比は、０．１％以上５％以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池。
6. 前記負極が、充電時に前記酸化ガスを前記還元性ガスに還元し、
   前記正極が、充電時に酸素イオンを酸素に酸化し、
   前記負極燃料物質体の酸化物が、前記還元性ガスと可逆的に反応して前記酸化ガスを生成し、自らは負極燃料物質体となることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池。
7. 前記負極燃料物質体は、リチウム、ナトリウム、マグネシウム、カルシウム、アルミニウム、ケイ素、亜鉛、鉄、鉛、錫、ニッケルおよび炭素、ならびにこれらの１種以上の元素を主体とする物質からなる群から選択される少なくとも１種の物質であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池。
8. 前記固体電解質体は、フルオライト構造を有する酸化物、ペロブスカイト構造を有する酸化物、アパタイト構造を有する酸化物のいずれかまたはその組み合わせであることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の燃料電池。
9. 前記固体電解質体は、イットリア安定化ジルコニア、セリウム−ガドリニウム酸化物、Ｂｉ_２ＭｘＶ_１−ｘＯ_{５．５−３ｘ／２−δ}（Ｍは遷移金属）で表されるＢＩＭＥＶＯＸ化合物、ガリウム酸ランタン、セリウム酸バリウム、Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＧａ_１−ｙＭｇ_ｙＯ_３−δのいずれかまたはその組み合わせであることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の燃料電池。
10. 前記負極燃料物質体は、カセット状、袋状または箱状のモジュールであり、着脱交換できることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の燃料電池。
11. 前記負極燃料物質体は、前記負極と電気的に非接触であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の燃料電池。
12. 前記負極燃料物質体は、前記負極と電気的に接触していることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の燃料電池。
13. 前記密閉空間は、内部圧力を所定の範囲に保つためのベローズおよび／またはガス吸収剤からなる圧力吸収部を備えることを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載の燃料電池。
14. 前記密閉部は、３００℃以下に保たれることを特徴とする請求項１〜１３のいずれかに記載の燃料電池。
15. 請求項１〜１４のいずれかに記載の燃料電池が、直列、及び並列に複数接続されていることを特徴とする燃料電池システム。
16. 共通に利用される負極燃料物質体を更に備えることを特徴とする請求項１５に記載の燃料電池システム。
17. 酸素イオンを伝導する気密性の固体電解質体と、
    前記固体電解質体の一方の面に形成され、放電時に還元性ガスを酸化ガスに酸化する負極と、
    前記固体電解質体の他方の面に形成され、放電時に酸素を酸素イオンに還元する正極と、
    前記酸化ガスと反応して前記還元性ガスを生成し、自らは酸化物となる負極燃料物質体と、
    前記固体電解質体および前記負極燃料物質体を所定の温度以上に加熱維持するための加熱部と、
    前記固体電解質体に設置され、前記固体電解質体および前記加熱部と共に、前記負極および前記負極燃料物質体を密閉する密閉空間を形成する密閉型開閉口部と
    を有し、
    前記密閉空間は水素ガスもしくは一酸化炭素ガスなどの還元性ガスを含み、
    前記負極燃料物質体は、固体の有機化合物および水を含み、
    前記密閉空間のヘリウムリーク速度が１×１０^-２Ｐａ・ｍ^３／ｓｅｃ以下に保たれることを特徴とする燃料電池。
18. イオン伝導性及び気密性を持ち、外面から内面に酸素イオンを伝導する筒状の固体電解質体と、
    該固体電解質体の前記外面に形成され、放電時に酸素を前記酸素イオンに還元する筒状の正極と、
    前記固体電解質体の前記内面に形成され、放電時に燃料となる還元性ガスを、前記固体電解質体の前記外面から前記内面まで伝導された前記酸素イオンによって酸化ガスに酸化する筒状の負極と、
    前記負極の内側に配置され、前記負極により酸化された前記酸化ガスと反応して、自らは酸化物となり、前記酸化ガスを還元して前記還元性ガスを発生させる筒状の負極燃料物質体と、
    該負極燃料物質体の内側に配置され、前記固体電解質体の一部を所定温度以上に維持するための柱状の加熱部とを備え、
    前記筒状の固体電解質体は、その内側に、前記筒状の負極、前記筒状の負極燃料物質体、及び前記筒状の負極燃料物質体の内側の前記柱状の加熱部を収容しており、
    前記筒状の固体電解質体の一端が閉塞され、前記筒状の固体電解質の他端が最も内側の前記柱状の加熱部の外面と密着して閉塞されて、その内部が密閉空間を形成し、
    前記筒状の負極及び前記筒状の負極燃料物質体は、前記密閉空間内に密閉されることを特徴とする燃料電池。
19. 前記筒状の固体電解質体の他端は、前記柱状の加熱部により貫通されると共に前記柱状の加熱部の外面と密着する密閉部により閉塞され、前記密閉部は前記筒状の固体電解質から取り外しが可能であり、前記密閉部を取り外すことで前記密閉空間を開放することができる請求項１８に記載の燃料電池。
20. 前記密閉部は、ロウ付け、レーザー溶接、ティグ溶接、半田溶接、超音波溶接、ガスケットシールおよびＯリングシールのいずれかまたはそれら組み合わせによって前記筒状の固体電解質体の端部に接続される封止栓からなることを特徴とする請求項１９に記載の燃料電池。
21. イオン伝導性及び気密性を持ち、外面から内面に酸素イオンを伝導する筒状の固体電解質体と、
    該固体電解質体の前記外面に形成され、放電時に酸素を前記酸素イオンに還元する筒状の正極と、
    前記固体電解質体の前記内面に形成され、放電時に燃料となる還元性ガスを、前記固体電解質体の前記外面から前記内面まで伝導された前記酸素イオンによって酸化ガスに酸化する筒状の負極と、
    前記負極の内側に配置され、前記負極により酸化された前記酸化ガスと反応して、自らは酸化物となり、前記酸化ガスを還元して前記還元性ガスを発生させる柱状の負極燃料物質体と、
    前記正極の外側に配置され、前記固体電解質体の一部を所定温度以上に維持するために、少なくとも前記固体電解質体を加熱する筒状の加熱部とを備え、
    前記筒状の固体電解質体は、その内側に、前記筒状の固体電解質体の両端が共に閉塞され、前記筒状の負極及び前記柱状の負極燃料物質体が密閉された密閉空間を形成し、
    前記筒状の固体電解質体の前記両端の少なくとも一方は、密閉部により閉塞されており、前記密閉部は、繰り返し取り外しが可能であることを特徴とする燃料電池。
22. 前記密閉部は、ロウ付け、レーザー溶接、ティグ溶接、半田溶接、超音波溶接、ガスケットシールおよびＯリングシールのいずれかまたはそれら組み合わせによって前記筒状の固体電解質体の端部に接続される封止栓からなることを特徴とする請求項２１に記載の燃料電池。
23. イオン伝導性及び気密性を持ち、表面から裏面に酸素イオンを伝導する固体電解質体と、
    該固体電解質体の前記表面に形成され、放電時に酸素を前記酸素イオンに還元する正極と、
    前記固体電解質体の前記裏面に形成され、放電時に燃料となる還元性ガスを、前記固体電解質体の前記表面から前記裏面まで伝導された前記酸素イオンによって酸化ガスに酸化する負極と、
    前記負極により酸化された前記酸化ガスと反応して、自らは酸化物となり、前記酸化ガスを還元して前記還元性ガスを発生させる負極燃料物質体と、
    前記固体電解質体の一部を所定温度以上に維持するために、少なくとも前記固体電解質体を加熱する加熱部と、
    前記固体電解質体と共に密閉空間を形成する少なくとも１つの密閉部とを備え、
    前記密閉空間は、その内部に前記負極及び前記負極燃料物質体を収容し、
    少なくとも１つの前記密閉部は、繰り返し取り外しが可能であることを特徴とする燃料電池。
24. 前記密閉部は、ロウ付け、レーザー溶接、ティグ溶接、半田溶接、超音波溶接、ガスケットシールおよびＯリングシールのいずれかまたはそれら組み合わせによって前記密閉空間を形成することを特徴とする請求項２３に記載の燃料電池。
25. イオン伝導性及び気密性を持ち、表面から裏面に酸素イオンを伝導する固体電解質体と、
    該固体電解質体の前記表面に形成され、放電時に酸素を前記酸素イオンに還元する正極と、
    前記固体電解質体の前記裏面に形成され、放電時に燃料となる還元性ガスを、前記固体電解質体の前記表面から前記裏面まで伝導された前記酸素イオンによって酸化ガスに酸化する負極と、
    前記負極により酸化された前記酸化ガスと反応して、自らは酸化物となり、前記酸化ガスを還元して前記還元性ガスを発生させる負極燃料物質体と、
    前記固体電解質体の一部を所定温度以上に維持するために、少なくとも前記固体電解質体を加熱する加熱部と、
    前記固体電解質体と共に密閉空間を形成する少なくとも１つの密閉部とを備え、
    前記密閉空間は、その内部に前記負極及び前記負極燃料物質体を収容し、前記密閉空間内の圧力を所定の範囲に保つ圧力吸収部を備えることを特徴とする燃料電池。