JP3530834B2 - 燃料電池及び多層燃料電池用セル - Google Patents

燃料電池及び多層燃料電池用セル

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は燃料電池及び燃料電
池用セルに関し、更に詳細にはメタン等の燃料ガスと酸
素とを含む混合ガスが供給される燃料電池及び多層燃料
電池用セルに関する。
【０００２】
【従来の技術】燃料電池は、火力発電等の発電効率に比
較して、高効率の発電効率が期待できるため、現在、多
くの研究がなされている。かかる燃料電池には、図５に
示す様に、イットリア（Ｙ2Ｏ3）が添加された安定化ジ
ルコニアから成る焼成体を酸素イオン伝導型の固体電解
質層１００として用い、この固体電解質層１００の一面
側にカソード層１０２が形成されていると共に、固体電
解質層１００の他面側にアノード層１０４が形成された
燃料電池用セル１０６が配設されている。この燃料電池
用セル１０６のカソード層１０２側には、酸素又は酸素
含有気体が供給される。他方のアノード層１０４側に
は、メタン等の燃料ガスが供給される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】かかる図５に示す燃料
電池用セル１０６のカソード層１０２側に供給された酸
素（Ｏ2）は、カソード層１０２と固体電解質層１００
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（Ｏ2-）は、固体電解質層１００によってアノ
ード層１０４に伝導される。アノード層１０４に伝導さ
れた酸素イオン（Ｏ2-）は、アノード層１０４に供給さ
れたメタン（ＣＨ4）ガスと反応し、水（Ｈ2Ｏ）、二酸
化炭素（ＣＯ2）、水素（Ｈ2）、一酸化炭素（ＣＯ）が
生成される。かかる反応の際に、酸素イオンが電子を放
出するため、カソード層１０２とアノード層１０４との
間に電位差が生じる。このため、カソ−ド層１０２とア
ノード層１０４を取出線１０８によって電気的に接続す
ることにより、アノード層１０４の電子はカソード層１
０２の方向（矢印の方向）に取出線１０８を流れ、燃料
電池から電気を取り出すことができる。尚、かかる図５
に示す燃料電池の作動温度は、約１０００℃である。
【０００４】しかし、図５に示す燃料電池用セル１０６
は、約１０００℃もの高温下で、カソード層１０２側は
酸化性雰囲気に晒されていると共に、アノード層１０４
側は還元性雰囲気に晒されているため、燃料電池用セル
１０６の耐久性を向上することは困難であった。一方、
SCIENCE，Vol.288（2000），p2031-2033には、図６に示
す様に、固体電解質層１００の両面側にカソード層１０
２とアノード層１０４とが形成された燃料電池用セル１
０６を、メタンガスと酸素とが混合された混合ガス雰囲
気内に載置しても、燃料電池用セル１０６には起電力が
発生することが報告されている。この様に、燃料電池用
セル１０６を混合ガス雰囲気内に載置することによっ
て、燃料電池用セル１０６の全体を実質的に同一雰囲気
とすることができ、両面の各々を異なる雰囲気に晒す図
５に示す燃料電池用セル１０６に比較して、その耐久性
の向上を図ることができる。しかしながら、図６に示す
燃料電池では、単一の燃料電池用セル（以下、単一燃料
電池用セルと称することがある）１０６が容器２００内
に収容されているため、燃料電池から取り出すことので
きる電圧は不充分である。
【０００５】このため、燃料電池から所望の電圧を取り
出すには、図７に示す様に、複数枚の単一燃料電池用セ
ル１０６，１０６・・が積層された多層燃料電池用セル
が使用される。しかし、多層燃料電池用セルを構成する
単一燃料電池用セル１０６の各々は、ガス流路３０２，
３０２・・が複雑に形成されたセパレータ３００によっ
て分離されており、燃料電池の構造等を複雑化してい
る。しかも、この様に構造等が複雑化した燃料電池で
は、その作動温度における各部材の熱膨張率等のマッチ
ングを図ることが困難であり、各部材に加えられる熱ス
トレスの影響が大きくなり易い。そこで、本発明の課題
は、供給されたメタン等の燃料ガスと酸素とを含む混合
ガスを用い、簡単な構造で所望の電圧を取り出し得る燃
料電池及び多層燃料電池用セルを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明者等は、前記課題
を解決するには、図６に示す燃料電池に用いた複数枚の
単一燃料電池用セル１０６を、セパレータ３００を省略
して積層することによって形成した多層燃料電池用セル
を用いた燃料電池によれば、多層燃料電池用セル及び燃
料電池の構造を簡単化でき、所望の電圧を取り出すこと
ができることを見出し、本発明に到達した。すなわち，
本発明は、メタン等の燃料ガスと酸素とを含む混合ガス
の供給口と排出口とが形成された容器内に燃料電池用セ
ルが収容された燃料電池において、該燃料電池用セルと
して、前記混合ガスが実質的に通過することのない緻密
構造の固体電解質層がカソード層とアノード層とに挟み
込まれた複数枚の単一燃料電池用セルが、前記単一燃料
電池用セルのアノード層に他方の単一燃料電池用セルの
カソード層が直接接合されるように積層されて形成され
た多層燃料電池用セルが使用されていると共に、前記カ
ソード層及びアノード層の各々に、前記混合ガスが通過
し得る流路が形成され、且つ前記固体電解質層の外周面
近傍に、前記固体電解質層の一面側に沿って流れてきた
混合ガスが固体電解質層を通過して他面側に流れる貫通
孔が形成されていることを特徴とする燃料電池にある。
更に、本発明は、メタン等の燃料ガスと酸素とを含む混
合ガスの供給口と排出口とが形成された容器内に燃料電
池用セルが収容された燃料電池において、該燃料電池用
セルとして、前記混合ガスが実質的に通過することのな
い緻密構造の固体電解質層が、多孔質層のカソード層と
アノード層とに挟み込まれた複数枚の単一燃料電池用セ
ルが、前記単一燃料電池用セルのアノード層に他方の単
一燃料電池用セルのカソード層が直接接合されるように
積層されて形成された多層燃料電池用セルが使用され、
前記燃料電池セルの両端面が前記カソード層、アノード
層及び固体電解質層の各端面が露出する露出面であっ
て、前記露出面の一方側に供給された混合ガスが、前記
カソード層及びアノード層内を固体電解質層に沿って流
れて、他方側の露出面から排出されるように、前記燃料
電池セルが容器内に収容されていることを特徴とする燃
料電池でもある。
【０００７】また、本発明は、メタン等の燃料ガスと酸
素とを含む混合ガスが供給される燃料電池用セルが、前
記混合ガスが実質的に通過することのない緻密構造の固
体電解質層の一面側に形成されたカソード層と、前記固
体電解質層の他面側に形成されたアノード層とから構成
される複数枚の単一燃料電池用セルが、前記単一燃料電
池用セルのアノード層に他方の単一燃料電池用セルのカ
ソード層が直接接合されるように、積層された多層燃料
電池用セルであって、前記カソード層及びアノード層の
各々に、前記混合ガスが通過し得る流路が形成されてい
ると共に、前記固体電解質層の外周面近傍に、前記固体
電解質層の一面側に沿って流れてきた混合ガスが固体電
解質層を通過して他面側に流れる貫通孔が穿設されてい
ることを特徴とする多層燃料電池用セルにある。更に、
本発明は、メタン等の燃料ガスと酸素とを含む混合ガス
の供給口と排出口とが形成された容器内に燃料電池用セ
ルが収容された燃料電池において、該燃料電池用セル
が、前記混合ガスが実質的に通過することのない緻密構
造の固体電解質層がカソード層とアノード層とに挟み込
まれた複数枚の単一燃料電池用セルが、前記単一燃料電
池用セルのアノード層に他方の単一燃料電池用セルのカ
ソード層が直接接合されるように積層されて形成された
多層燃料電池用セルであって、前記燃料電池セルの両端
面が前記カソード層、アノード層及び固体電解質層の各
端面が露出する露出面であり、且つ前記露出面の一方側
に供給された混合ガスが、前記カソード層及びアノード
層内を固体電解質層に沿って流れ、他方側の露出面から
排出されるように、前記カソード層及びアノード層が多
孔質層であることを特徴とする多層燃料電池用セルでも
ある。
【０００８】本発明において、多層燃料電池用セルを収
容する容器の内壁面の少なくとも一部と、前記多層燃料
電池用セルの外周面の少なくとも一部とを、前記容器の
供給口から供給された混合ガスが多層燃料電池用セルを
バイパスして排出口から排出されないように密着又は封
止することによって、容器の供給口から供給された混合
ガスは必ず多層燃料電池用セルを通過するため、燃料電
池のラニングコストの低下を図ることができる。更に、
混合ガスが実質的に通過することのない緻密構造の固体
電解質層を挟み込むセルカソード層とアノード層との各
々を、混合ガスが通過し得る多数の微細孔が形成された
多孔質層とすることにより、燃料電池用セルを構成する
各層に混合ガスを流すことができる。かかる多孔質層の
アノード層及びカソード層の各々に、前記多孔質層を形
成する微細孔よりも大径の流路を、固体電解質層に対し
て平行に形成することによって、アノード層及びカソー
ド層に充分な混合ガスを供給できる。また、アノード層
及びカソード層を形成する多孔質層の開気孔率を、２０
％以上とすることが好ましい。尚、多層燃料電池用セル
の最外層に位置するアノード層及びカソード層に、燃料
電池で発電された電力を取り出す取出線を接続すること
によって、所望電圧の電力を燃料電池から取り出すこと
ができる。
【０００９】本発明に係る燃料電池に使用する多層燃料
電池用セルは、メタン等の燃料ガスと酸素との混合ガス
が実質的に通過することのない緻密構造の固体電解質層
がカソード層とアノード層とに挟み込まれた単一燃料電
池用セルのアノード層に他方の単一燃料電池用セルのカ
ソード層が直接接合されるように積層され、アノード層
及びカソード層の各々に混合ガスが通過し得る流路が形
成されていると共に、固体電解質層の外周面近傍に、固
体電解質層の一面側に沿って流れてきた混合ガスが固体
電解質層の他面側に向かって流れる貫通孔が穿設されて
いる。したがって、この多層燃料電池用セルでは、セパ
レータを用いることなく各層を混合ガスと接触させるこ
とができ、その構造の簡略化を図ることができる。しか
も、燃料電池の作動温度における各部材の熱膨張率のマ
ッチングを図ることも比較的容易となり、各部材に加え
られる熱ストレスの影響を可及的に軽減できる。
【００１０】
【発明の実施の形態】本発明に係る燃料電池の一例を図
１に示す。図１は、本発明に係る燃料電池の一例を説明
するための概略図である。図１に示す燃料電池では、単
一燃料電池用セル１６ａ，１６ｂを積層した多層燃料電
池用セルを、メタン等の燃料ガスと酸素とを含む混合ガ
スが供給される供給口２０ａと排ガスが排出される排出
口２０ｂとが形成された、横断面形状が矩形又は円形の
容器２０内に、供給口２０ａから供給された混合ガスが
バイパスして排出口２０ｂから排出されないように収容
している。つまり、多層燃料電池用セルは、その外周面
の略全面が容器２０の内周面に密着すように収容されて
おり、容器２０内に供給された混合ガスは、容器２０の
内壁面と多層燃料電池用セルの外周面との間等からバイ
パスすることを防止する。尚、必要に応じて容器２０の
内壁面と多層燃料電池用セルの外周面との間に、例えば
アルミナセメントや高融点ガラス等の低気孔率材料を用
いて封止を施してもよい。
【００１１】この容器２０は、燃料電池の作動温度で充
分に耐熱性を呈するように、１２００℃程度まで耐熱性
を有するセラミック等の耐熱材料によって形成され、多
層燃料電池用セルを構成する単一燃料電池用セル１６
ａ，１６ｂの各々は、緻密構造の固体電解質層１０の一
面側に形成された多孔質層のカソード層１２と、この固
体電解質層１０の他面側に形成された多孔質層のアノー
ド層１４とから形成されている。かかる単一燃料電池用
セル１６ａのアノード層１４と、単一燃料電池用セル１
６ｂのカソード層１２とは、直接接合されて多層燃料電
池用セルを形成し、多層燃料電池用セルで発電された電
力を取出す取出線１８，１８は、多層燃料電池用セルの
最外層に位置する単一燃料電池用セル１６ａのカソード
層１２と、単一燃料電池用セル１６ｂのアノード層１４
とに接続されている。
【００１２】この単一燃料電池用セル１６ａ，１６ｂの
各々を形成する固体電解質層１０は、酸素イオン誘導体
であって、イットリウム（Ｙ）やスカンジウム（Ｓｃ）
等の周期律表第３族元素により部分安定化されたジルコ
ニア酸化物、或いはサマリウム（Ｓｍ）やガドリウム
（Ｇｄ）等がドープされたセリウム酸化物によって形成
される。更に、カソード層１２は、ストロンチウム（Ｓ
ｒ）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、ガリウム又はコバルト酸化化合物から形成さ
れ、アノード層１４は、固体電解質層１０を形成する固
体電解質が１０〜３０wt％添加されたニッケルサーメッ
ト又は白金担持体によって形成されている。
【００１３】また、容器２０内に収容された多層燃料電
池用セルを構成する各層には、混合ガスが通過する流路
が形成されている。すなわち、単一燃料電池用セル１６
ａのカソード層１２には、流路として、多孔質層のカソ
ード層１２を形成する微細孔と、この微細孔よりも大径
のスリット状の流路２２，２２・・とが形成されてい
る。スリット状の流路２２，２２・・は、固体電解質層
１０に沿って形成され、容器２０の供給口２０ａから供
給された混合ガスを、固体電解質層１０に沿って排出口
２０ｂの方向に流す。更に、固体電解質層１０には、カ
ソード層１２の微細孔及びスリット状の流路２２，２２
・・を通過した混合ガスを、アノード層１４に流下する
貫通孔２４が穿設されている。アノード層１４には、流
路として、多孔質層のアノード層１４を形成する微細孔
と、この微細孔よりも大径のスリット状の流路２６，２
６・・とが形成されている。スリット状の流路２６，２
６・・は、固体電解質層１０に沿って形成され、貫通孔
２４から流下された混合ガスを、固体電解質層１０に沿
って排出口２０ｂの方向に流す。また、単一燃料電池用
セル１６ａに接合されている単一燃料電池用セル１６ｂ
にも、単一燃料電池用セル１６ａと同様に、単一燃料電
池用セル１６ｂを通過する混合ガスの流路として、多孔
質層のカソード層１２及びアノード層１４には、多孔質
層を形成する微細孔と、微細孔よりも大径のスリット状
の流路２８，３２とが形成され、固体電解質層１０に
は、カソード層１２を通過した混合ガスをアノード層１
４に流下する貫通孔３０が形成されている。この様に、
図１に示す燃料電池では、単一燃料電池用セル１６ａ，
１６ｂを、図８に示すセパレータ３００等を用いること
なく直接接合した多層燃料電池用セルを用いている。こ
のため、多層燃料電池用セルの構造の簡略化及び薄層化
を図ることができ、かかる多層燃料電池用セルを用いた
燃料電池の構造の簡略化も図ることができる。
【００１４】また、図１に示す燃料電池では、容器２０
の内壁面に外周面が密着されて多層燃料電池用セルが収
容されている。このため、供給口２０ａから供給された
混合ガスは、多層燃料電池用セルをバイパスすることな
く、その各層に形成されたスリット状の流路２２，２
４，２８，３２を通過してから排出口２０ｂから排出さ
れる。したがって、図１に示す燃料電池は、容器２０内
に供給された混合ガスを、図７に示す燃料電池に比較し
て、発電に有効に用いることができる。この様に、混合
ガスがスリット状の流路２２，２６，２８，３２を通過
する際に、混合ガスはカソード層１２及びアノード層１
４を形成する微細孔内に拡散し、固体電解質層１０の表
面に到達する。固体電解質層１０の表面に到達した混合
ガスのうち、メタン等の可燃性ガスと固体電解質層１０
を通過した酸素イオンとが電気化学的に反応し、水（Ｈ
2Ｏ）、二酸化炭素（ＣＯ2）、水素（Ｈ2）、一酸化炭
素（ＣＯ）を生成すると共に、酸素イオンが電子を放出
する。この電気化学的反応によって生成した水（Ｈ
2Ｏ）、二酸化炭素（ＣＯ2）、水素（Ｈ2）、一酸化炭
素（ＣＯ）は排出口２０ｂから排出される。
【００１５】混合ガスは、多層燃料電池用セルに形成さ
れたスリット状の流路２２，２６，２８，３２に沿って
流れるに従って酸素量が減少し、水（Ｈ2Ｏ）、二酸化
炭素（ＣＯ2）、水素（Ｈ2）、一酸化炭素（ＣＯ）が増
加するが、混合ガス中の組成は実質的に同一である。図
１の燃料電池に供給する混合ガスとしては、メタンの他
に、水素ガス、エタン，プロパン等の可燃性ガスと空気
とを混合した混合ガスを好適に用いることができ、通
常、可燃性ガスの酸素に対する濃度を爆発限界以上の濃
度に調整して容器２０内に供給する。図１に示す多層燃
料電池用セルは、予め焼成して形成した固体電解質層１
０に、所定形状の各層用のグリーンシートを積層した
後、又は各層用のペーストを所定形状に塗布した後、再
焼成することによって得ることができる。また、予め焼
成して形成した単一燃料電池用セル１６ａ，１６ｂを積
層して一体化することによっても、多層燃料電池用セル
を得ることができる。尚、図１に示す燃料電池では、多
層燃料電池用セルの最外層のカソード層１２側から混合
ガスを供給しているが、最外層のアノード層１４側から
混合ガスを供給してもよい。
【００１６】図１に示す多層燃料電池用セルでは、単一
燃料電池用セル１６ａのアノード層１４に形成したスリ
ット状の流路２６，２６・・と、単一燃料電池用セル１
６ｂのカソード層１２に形成したスリット状の流路２
８，２８・・とは、互いに独立して形成されているが、
図２に示す様に、単一燃料電池用セル１６ａのアノード
層１４と単一燃料電池用セル１６ｂのカソード層１２と
に連通する連通孔としてもよい。図２に示す連通孔は、
単一燃料電池用セル１６ａのアノード層１４に形成した
スリット状の流路２６，２６・・と、単一燃料電池用セ
ル１６ｂのカソード層１２に形成したスリット状の流路
２８，２８・・とを重ね合わせて形成したものである。
【００１７】図１及び図２に示す多層燃料電池用セルで
は、カソード層１２及びアノード層１４にスリット状の
流路２２，２６，２８，３２を形成しているが、カソー
ド層１２及びアノード層１４は多孔質層であるため、図
３に示すカソード層４２及びアノード層４４の様に、ス
リット状の流路２２，２６，２８，３２を形成しなくて
もよい。このカソード層４２及びアノード層４４を形成
する多孔質層の開気孔率を、２０％以上、好ましくは３
０〜７０％、特に４０〜５０％とすることが好ましい。
但し、固体電解質層１０は、緻密構造であるため、図３
に示す様に、アノード層４２及びカソード層４４の一方
から他方に混合ガスを流す貫通孔２４，３０を形成す
る。図３に示す燃料電池の単一燃料電池用セル４６ａ
（４６ｂ）では、カソード層４２内に形成された微細孔
を通過した混合ガスは、固体電解質層１０の貫通孔２４
（３０）を通過して多孔質層のアノード層４４に供給さ
れる。
【００１８】図３に示す多層燃料電池用セルは、所定形
状に形成した各層のグリーンシートを積層した積層体を
同時焼成することによって得ることができ、予め焼成し
て形成した固体電解質層１０に、所定形状の各層用のグ
リーンシートを積層した後、又は各層用のペーストを所
定形状に塗布した後、再焼成することによって得る図１
及び図２に示す多層燃料電池用セルに比較して、製造コ
スト等を安価とすることができる。また、図３に示す燃
料電池では、多層燃料電池用セルの外周面の実質的に全
面が、容器２０の内壁面に密着されているが、図４に示
す様に、多孔質層を具備する多層燃料電池用セルを用い
る場合には、その外周面の一部を形成する側周面を容器
２０の内壁面に密着して収容してもよい。
【００１９】図４に示す燃料電池では、緻密構造に形成
された固体電解質層１０が多孔質層のカソード層４２及
びアノード層４４の間に挟み込まれた単一燃料電池用セ
ル４６ａ，４６ｂを積層した多層燃料電池用セルを用い
ており、単一燃料電池用セル４６ａのカソード層４２の
表面と、単一燃料電池用セル４６ｂのアノード層４４の
表面とが容器２０の内壁面に密着して収容されている。
かかる図４に示す燃料電池では、燃料電池用セルの各層
に平行方向に混合ガスが流れるように、混合ガスを供給
する。つまり、多層燃料電池用セルを構成する各層の端
面が露出している露出面の一方側に、混合ガスを供給す
ることによって、混合ガスは多孔質層のカソード層４２
及びアノード層４４内を、固体電解質層１０に沿って流
れつつ、電気化学的な反応を惹起し、他方の露出面側に
排出される。
【００２０】
【発明の効果】本発明に係る多層燃料電池用セルは、単
一燃料電池用セルをセパレータを用いることなく直接接
合して形成した多層燃料電池用セルを使用している。こ
のため、多層燃料電池用セルの構造の簡略化及び薄層化
を図ることができる。しかも、燃料電池の作動温度にお
ける各部材の熱膨張率のマッチングを図ることも比較的
容易となり、各部材に加えられる熱ストレスの影響を可
及的に軽減できる更に、かかる多層燃料電池用セルを用
いた燃料電池も、その構造の簡略化及び薄層化を図るこ
とができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池の一例を説明するための
断面図である。
【図２】本発明に係る燃料電池の他の例を説明するため
の断面図である。
【図３】本発明に係る燃料電池の他の例を説明するため
の断面図である。
【図４】本発明に係る燃料電池の他の例を説明するため
の断面図である。
【図５】従来の燃料電池の概略を説明するための概略図
である。
【図６】改良された燃料電池の概略を説明するため概略
図である。
【図７】従来の多層燃料電池用セルを説明するための斜
視図である。
【符号の説明】
１０，４０ 固体電解質層 １２，４２ カソード層 １４，４４ アノード層 １６ａ，１６ｂ，４６ａ，４６ｂ，４８ａ，４８ｂ 単
一燃料電池用セル ２０ 容器 ２０ａ 供給口 ２０ｂ 排出口 ２２，２６，２８、３２ スリット状の流路 ２４，３０ 貫通孔
フロントページの続き (72)発明者 山崎 修司 長野県長野市大字栗田字舎利田711番地 新光電気工業株式会社内 (56)参考文献 特開2002−151098（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01M 8/24 H01M 8/02 H01M 8/12

Claims (13)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 メタン等の燃料ガスと酸素とを含む混合
    ガスの供給口と排出口とが形成された容器内に燃料電池
    用セルが収容された燃料電池において、 該燃料電池用セルとして、前記混合ガスが実質的に通過
    することのない緻密構造の固体電解質層がカソード層と
    アノード層とに挟み込まれた複数枚の単一燃料電池用セ
    ルが、前記単一燃料電池用セルのアノード層に他方の単
    一燃料電池用セルのカソード層が直接接合されるように
    積層されて形成された多層燃料電池用セルが使用され、 前記多層燃料電池用セルには、そのカソード層及びアノ
    ード層の各々に、前記混合ガスが通過し得る流路が形成
    されていると共に、 前記固体電解質層の外周面近傍に、前記固体電解質層の
    一面側に沿って流れてきた混合ガスが固体電解質層を通
    過して他面側に流れる貫通孔が穿設されている ことを特
    徴とする燃料電池。
  2. 【請求項２】 多層燃料電池用セルを収容する容器の内
    壁面の少なくとも一部と、前記多層燃料電池用セルの外
    周面の少なくとも一部とが、前記容器の供給口から供給
    された混合ガスが多層燃料電池用セルをバイパスして排
    出口から排出されないように密着又は封止されている請
    求項１記載の燃料電池。
  3. 【請求項３】 アノード層及びカソード層の各々が、混
    合ガスが通過し得る多数の微細孔が形成された多孔質層
    である請求項１又は請求項２記載の燃料電池。
  4. 【請求項４】 多孔質層のアノード層及びカソード層の
    各々には、前記多孔質層を形成する微細孔よりも大径の
    流路が、固体電解質層に対して平行に形成されている請
    求項３記載の燃料電池。
  5. 【請求項５】 メタン等の燃料ガスと酸素とを含む混合
    ガスの供給口と排出口とが形成された容器内に燃料電池
    用セルが収容された燃料電池において、 該燃料電池用セルとして、前記混合ガスが実質的に通過
    することのない緻密構造の固体電解質層が、多孔質層の
    カソード層とアノード層とに挟み込まれた複数枚の単一
    燃料電池用セルが、前記単一燃料電池用セルのアノード
    層に他方の単一燃料電池用セルのカソード層が直接接合
    されるように積層されて形成された多層燃料電池用セル
    が使用され、前記燃料電池セルの両端面が前記カソード層、アノード
    層及び固体電解質層の各端面が露出する露出面であっ
    て、前記露出面の一方側に供給された混合ガスが、前記
    カソード層及びアノード層内を固体電解質層に沿って流
    れて、他方側の露出面から排出されるように、前記燃料
    電池セルが容器内に収容されていることを特徴とする 燃
    料電池。
  6. 【請求項６】 多孔質層の開気孔率が、２０％以上であ
    る請求項３〜５のいずれか一項記載の燃料電池。
  7. 【請求項７】 多層燃料電池用セルの最外層に位置する
    アノード層及びカソード層に、前記多層燃料電池用セル
    内で発電された電力を取り出す取出線が接続されている
    請求項１〜６のいずれか一項記載の燃料電池。
  8. 【請求項８】 メタン等の燃料ガスと酸素とを含む混合
    ガスが供給される燃料電池用セルが、前記混合ガスが実
    質的に通過することのない緻密構造の固体電解質層の一
    面側に形成されたカソード層と、前記固体電解質層の他
    面側に形成されたアノード層とから構成される複数枚の
    単一燃料電池用セルが、前記単一燃料電池用セルのアノ
    ード層に他方の単一燃料電池用セルのカソード層が直接
    接合されるように、積層された多層燃料電池用セルであ
    って、 前記カソード層及びアノード層の各々に、前記混合ガス
    が通過し得る流路が形成されていると共に、 前記固体電解質層の外周面近傍に、前記固体電解質層の
    一面側に沿って流れてきた混合ガスが固体電解質層を通
    過して他面側に流れる貫通孔が穿設されている ことを特
    徴とする多層燃料電池用セル。
  9. 【請求項９】 アノード層及びカソード層の各々が、混
    合ガスが通過し得る多数の微細孔が形成された多孔質層
    である請求項８記載の多層燃料電池用セル。
  10. 【請求項１０】 多孔質層のアノード層及びカソード層
    の各々には、前記多孔質層を形成する微細孔よりも大径
    の流路が、固体電解質層に対して平行に形成されている
    請求項９記載の多層燃料電池用セル。
  11. 【請求項１１】 アノード層、カソード層及び固体電解
    質層の各々が、混合ガスが通過し得る多数の微細孔が形
    成された多孔質層である請求項８記載の多層燃料電池用
    セル。
  12. 【請求項１２】 メタン等の燃料ガスと酸素とを含む混
    合ガスの供給口と排出口とが形成された容器内に燃料電
    池用セルが収容された燃料電池において、 該燃料電池用セルが、前記混合ガスが実質的に通過する
    ことのない緻密構造の固体電解質層がカソード層とアノ
    ード層とに挟み込まれた複数枚の単一燃料電池用セル
    が、前記単一燃料電池用セルのアノード層に他方の単一
    燃料電池用セルのカソード層が直接接合されるように積
    層されて形成された多層燃料電池用セルであって、前記燃料電池セルの両端面が前記カソード層、アノード
    層及び固体電解質層の各端面が露出する露出面であり、
    且つ前記露出面の一方側に供給された混合ガスが、前記
    カソード層及びアノード層内を固体電解質層に沿って流
    れ、他方側の露出面から排出されるように、前記カソー
    ド層及びアノード層が多孔質層であることを特徴とする
    多層燃料電池用セル。
  13. 【請求項１３】 多孔質層の開気孔率が、２０％以上で
    ある請求項９〜１２のいずれか一項記載の多層燃料電池
    用セル。
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Families Citing this family (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4104418B2 (ja) * 2002-10-21 2008-06-18 新光電気工業株式会社 燃料電池
US7014929B2 (en) * 2003-01-23 2006-03-21 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Fuel cell
JP4405196B2 (ja) 2003-08-22 2010-01-27 新光電気工業株式会社 固体電解質燃料電池
US20080022514A1 (en) * 2004-10-08 2008-01-31 Harlan Anderson Method of making a solid oxide fuel cell having a porous electrolyte
JP4959138B2 (ja) * 2005-01-07 2012-06-20 新光電気工業株式会社 燃料電池
JP5098202B2 (ja) * 2006-03-31 2012-12-12 大日本印刷株式会社 固体酸化物形燃料電池
JP5124992B2 (ja) * 2006-05-31 2013-01-23 大日本印刷株式会社 固体酸化物形燃料電池のスタック構造の製造方法
JP5205731B2 (ja) * 2006-09-28 2013-06-05 大日本印刷株式会社 固体酸化物形燃料電池及びそのスタック構造
JP5151191B2 (ja) * 2007-03-09 2013-02-27 大日本印刷株式会社 インターコネクタ及びこれを用いた単室型固体酸化物形燃料電池のスタック構造
JP5119713B2 (ja) * 2007-03-30 2013-01-16 大日本印刷株式会社 単室型固体酸化物形燃料電池及びそのスタック構造
CN114566690A (zh) * 2022-02-10 2022-05-31 浙江氢邦科技有限公司 一种用于平管式电池堆燃料气进出的结构及其制造方法

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4248941A (en) * 1979-12-26 1981-02-03 United Tecnologies Corporation Solid electrolyte electrochemical cell
JPH0630253B2 (ja) * 1985-03-22 1994-04-20 株式会社日立製作所 燃料電池
US5252410A (en) * 1991-09-13 1993-10-12 Ballard Power Systems Inc. Lightweight fuel cell membrane electrode assembly with integral reactant flow passages
JP4037448B2 (ja) * 1995-05-25 2008-01-23 本田技研工業株式会社 燃料電池

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