JP4405196B2 - 固体電解質燃料電池 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体電解質燃料電池に関し、特に、固体電解質基板上にカソード層とアノード層を複数形成して、密閉を必要としない簡単な構造によって、小型化、薄型化、高出力化を図ることができる固体電解質燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、火力発電などに替わる低公害の発電手段として、或いは、ガソリンなどを燃料とするエンジンに取って代わる電動自動車の電気エネルギー源として、燃料電池が開発され、実用化されるに至っている。そして、この燃料電池に対しては、高効率化、低コスト化を目指して多くの研究がなされている。
【０００３】
この燃料電池には、種々の発電形式があるが、この中に、固体電解質を用いた形式の燃料電池がある。この固体電解質による燃料電池の一例として挙げると、イットリア（Ｙ２Ｏ３）が添加された安定化ジルコニアからなる焼成体を酸素イオン伝導型の固体電解質層として用いたものがある。この固体電解質層の一面にカソード層を、そして、その反対面にアノード層を形成し、このカソード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。
【０００４】
この燃料電池内では、カソード層に供給された酸素（Ｏ２）が、カソード層と固体電解質層の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、固体電解質層によってアノード層に伝導され、アノード層に供給された、例えば、メタン（ＣＨ４）ガスと反応し、そこで、最終的には、水（Ｈ２Ｏ）、二酸化炭素（ＣＯ２）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、カソード層とアノード層との間に電位差が生じる。そこで、カソード層とアノード層とにリード線を取付ければ、アノード層の電子が、リード線を介してカソード層側に流れ、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。
【０００５】
しかし、この形式の燃料電池では、カソード層側に、酸素又は酸素含有ガス供給チャンバーを、そして、アノード層側に、燃料ガス供給チャンバーを夫々分離したセパレート型チャンバーを用意しなければならず、しかも、高温下で、酸化性雰囲気と還元性雰囲気とに晒されるため、燃料電池セルとしての耐久性を向上することが困難であった。
【０００６】
一方、固体電解質層の対向した面に、カソード層とアノード層とを設けて燃料電池セルを形成し、この燃料電池セルを、燃料ガス、例えば、メタンガスと、酸素ガスとが混合された混合燃料ガス中に置いて、カソード層とアノード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、カソード層とアノード層との間に起電力を発生する原理は、上述したセパレート型チャンバー形式の燃料電池の場合と同様であるが、燃料電池セル全体を実質的に同一雰囲気にすることができるため、混合燃料ガスが供給されるシングル型チャンバーとすることができ、燃料電池セルの耐久性を向上できる。
【０００７】
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提案されている（例えば、特許文献１を参照）。
【０００８】
この提案されたシングル型チャンバーの燃料電池の構成を、図５に示した。図５（ａ）に示された燃料電池は、固体電解質層を含む燃料電池セルが、混合燃料ガスの流れに対して平行に積層された構造になっている。燃料電池セルは、緻密構造の固体電解質層１と、固体電解質層１の両面に形成された多孔質層のカソード層２とアノード層３とで構成され、同じ構成の複数の燃料電池セルＣ１乃至Ｃ４が、セラミック製の容器４内に積層される。そして、燃料電池セルは、充填物７、８を介して端板９、１０によって、容器４内に密封される。
【０００９】
容器４には、メタン等の燃料と酸素とを含む混合燃料ガスの供給配管５や排ガスの排出配管６が設けられる。容器４内の燃料電池セルを除く部分であって、混合燃料ガスや排ガスが流動する容器４内の空間部に、充填物７、８が充填され、適宜の間隔とすることにより、燃料電池として駆動されたとき、発火限界内の混合燃料ガスが存在しても発火することがなくなる。
【００１０】
また、図５（ｂ）に示された燃料電池では、その基本的構成は、図５（ａ）に示したシングル型チャンバーの燃料電池と同様であるが、固体電解質層を含む燃料電池セルが、混合燃料ガスの流れに対して直交して容器４の軸方向に積層された構造になっている。この場合には、燃料電池セルは、多孔質層の固体電解質層１と、固体電解質層１の両面に形成された多孔質層のカソード層２とアノード層３とで構成され、同じ構成の複数の燃料電池セルＣ１乃至Ｃ５が、容器４内に積層される。
【００１１】
一方、以上に述べた燃料電池は、チャンバー内に収納された燃料電池セルによって構成された形式のものであったが、固体電解質燃料電池セルを火炎中、或いは、その近傍に配置し、火炎の熱によって固体電解質燃料電池セルをその動作温度に保持させて、発電を行う装置が提案されている（例えば、特許文献２を参照）。この発電装置の構成を、図６に示した。
【００１２】
図６に示した発電装置の燃料電池セルは、ジルコニア固体電解質層１から成る管体と、その管体の外側に形成された燃料極であるアノード層３と、管体内側に形成された空気極であるカソード層とからなる。この固体電解質の燃料電池セルを、燃料ガスが供給される燃焼装置５から発生する火炎ｆの還元炎部分に、アノード層３を晒した状態で設置している。この様に設置することにより、還元炎中に存在するラジカル成分等を燃料として利用し、菅内部のカソード層２には、対流又は拡散によって、空気が供給され、燃料電池セルとして発電が行われる。
【００１３】
【特許文献１】
特開２００３−９２１２４号公報
【特許文献２】
特開平６−１９６１７６号公報
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図５に示されたシングル型チャンバーの燃料電池では、従来の固体電解質燃料電池のように、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、複数の板状固体電解質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、板状固体電解質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。
【００１５】
これに対して、図６に示された管状の固体電解質燃料電池セルでは、火炎を直接利用する形態が採用されており、この形態の燃料電池は、固体電解質燃料電池セルを密封構造の容器に収容する必要がなく、開放型であるという特徴を持っている。そのため、この燃料電池では、起電時間が短縮でき、構造が簡単なので、燃料電池の小型軽量化、低コスト化に有利であるといえる。そして火炎を直接利用する点で、一般の燃焼装置や焼却装置等に組み込むことが可能となり、電力供給装置として利用することが期待されている。
【００１６】
しかしながら、この形態の燃料電池では、管状の固体電解質層の外面にアノード層が形成されているので、主に、そのアノード層の上半分に火炎によるラジカル成分が供給されず、管状の固体電解質層の外面に形成されたアノード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、固体電解質燃料電池セルが、火炎で直接加熱されるので、急激な温度変化によってひび割れが発生しやすく、ひび割れの生じた固体電解質燃料電池セルは、その後、バラバラに壊れてしまい、発電することができなくなるという問題があった。
【００１７】
また、固体電解質燃料電池において、高い起電力を得ようとすると、図５に示されるように、固体電解質層の両面にカソード層とアノード層を形成した燃料電池セルの複数を用意し、それらを積層しなければならなかった。さらに、図６に示された管状の固体電解質層の内面と外面にカソード層とアノード層が形成された燃料電池セルの場合であっても、必要とする起電力の大きさに合わせた数の燃料電池セルを用意しなければならない。そのため、出力電流は、小さくてもよいが、高い起電力が必要であるような場合には、大掛かりな装置となってしまい、小型化、低コスト化を図ることができない。
【００１８】
そこで、本発明は、一枚の板状の固体電解質基板に複数の燃料電池セルを形成するようにして、密閉構造を有しない燃料電池とし、その小型化、低コスト化を図り、そして、耐久性の向上と、発電効率の向上とを図ることができる固体電解質燃料電池を提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するため、本発明では、一枚の固体電解質基板と、前記固体電解質基板の一方の面に形成された複数のカソード層と、前記固体電解質基板の前記一方の面と反対側の面に形成された複数のアノード層とを有し、前記カソード層と前記アノード層とが、又は、前記カソード層と前記アノード層と前記固体電解質基板とが、夫々多孔質に形成され、前記カソード層及び前記アノード層の少なくとも一方における各々の層において、メッシュ状金属又はワイヤ状金属が夫々埋設又は固着され、前記固体電解質基板を介して対向する前記アノード層と前記カソード層とで複数の燃料電池セルが形成され、前記アノード層は、燃料の燃焼による火炎に晒され、前記カソード層には、空気が供給されるようにした。
【００２０】
そして、当該燃料電池セルの前記アノード層と、隣接する燃料電池セルの前記カソード層が電気接続され、前記複数の燃料電池セルの直列出力が得られるようにし、前記電気接続は、前記固体電解質基板の周縁部を跨る金属線によることとし、或いは、前記電気接続は、前記固体電解質基板の両面間を貫通する孔を通して配線された金属線によることとした。
【００２１】
さらに、前記電気接続は、前記固体電解質基板の両面間を貫通する導電体に接続された金属線によることとし、或いは、前記固体電解質基板を貫通した孔に充填され焼結された金属又は導電性酸化物であることとした。また、前記固体電解質基板の両面間を貫通する導電体により、前記アノード層と前記カソード層が重なった部分で電気接続されることとした。
【００２２】
本発明による固体電解質燃料電池におけるアノード層は、燃料の燃焼による火炎に晒され、前記カソード層には、空気が供給されることとした。
【００２３】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の固体電解質燃料電池に係る実施形態について、図を参照しながら説明する。図１には、本実施形態による固体電解質燃料電池の構成が示されている。図１（ａ）では、その固体電解質燃料電池の概略構成による平面図が示され、図１（ｂ）には、その側面図が示されている。図１（ａ）及び（ｂ）に示された本実施形態の固体電解質燃料電池は、図６に示されるような、火炎直接利用する形態の固体電解質燃料電池の場合である。
【００２４】
従来技術による火炎直接利用の固体電解質燃料電池では、固体電解質層が、管状となっていたので、固体電解質層の外面に形成されたアノード層への火炎暴露効率が悪いものであり、しかも、一本の管状固体電解質層で、一つの燃料電池セルが形成されていた。そこで、本実施形態の固体電解質燃料電池においては、固体電解質層の形状を、板状とし、例えば、薄い平板による固体電解質基板を採用し、この固体電解質基板の片面に、複数のカソード層（空気極層）を、そして、他の反対面に、複数のアノード層（燃料極層）を夫々形成し、火炎が複数のアノード層の全面を晒すように、燃焼によって火炎を生成する流体燃料、例えば、気体燃料であれば、メタン等を、液体燃料であれば、メタノール等を供給できるようにした。
【００２５】
図１（ａ）及び（ｂ）に示されるように、本実施形態の固体電解質燃料電池は、平板による固体電解質基板１と、その片面に形成された複数、図１では、２つのカソード層２１、２２と、図１（ｂ）に示されるように、その反対面に形成された２つのアノード層３１、３２とからなり、カソード層２１とアノード層３１とで燃料電池セルＣ１が、そして、カソード層２２とアノード層３２とで燃料電池セルＣ２が形成されている。そしてカソード層２１に、起電力取出し用のリード線Ｗ１が取り付けられ、アノード層３２にも、起電力取出し用のリード線Ｗ２が取り付けられている。さらに、カソード層２２とアノード層３１とは、接続線Ｗ０で電気的に接続されている。リード線及び接続線としては、耐熱性のある白金製、或いは、白金を含む合金製のものが使用される。
【００２６】
そこで、固体電解質燃料電池セルＣ１、Ｃ２の下方には、所定距離だけ隔てて、燃料供給管１１が配設され、燃料供給管１１に設けられた複数の貫通孔から放出されるメタンガス等の燃料が燃焼して、火炎ｆが生成され、アノード層３１、３２の全面に供給される。燃料電池セルＣ１とＣ２とは、直列接続されているので、リード線Ｗ１とリード線Ｗ２との間には、燃料電池セルＣ１と燃料電池セルＣ２の起電力が足し合わされた大きさの出力が得られる。
【００２７】
本実施形態における燃料電池セルＣ１、Ｃ２のアノード層３１、３２は、平板形状に形成されているので、管状のものに比べて、ムラなく火炎を当てることが可能となる。さらに、アノード層３１、３２を火炎側に向けられるので、火炎中に存在する炭化水素、水素、ラジカル（ＯＨ、ＣＨ、Ｃ２、Ｏ２Ｈ、ＣＨ３）などを燃料として利用しやすくしている。
【００２８】
また、平板形であると、カソード層２１、２２を火炎から遮断することができるので、アノード層３１、３２を火炎側に向けた状態で、カソード層２１、２２を大気中に露出することができる。これにより、燃料電池セルＣ１、Ｃ２による燃料電池Ｃは、開放型形態のままで、カソード層２１、２２側では、大気中の酸素を利用しやすくなり、酸素リッチ状態を維持できる。なお、カソード層２１、２２がさらに効率良く酸素を利用できるように、カソード層２１、２２に向かって酸素を含有する気体（空気、酸素リッチガス等）を供給しても良い。
【００２９】
また、燃料電池セルＣ１、Ｃ２は、火炎の中、或いは、近傍に配置されるが、火炎の根元付近である還元炎中に配置されるとより好適である。還元炎中に配置されることで、還元炎中に存在する炭化水素、水素、ラジカル等を燃料として効率良く利用でき、さらに、酸化により劣化しやすいアノード層であっても良好に使用でき、耐久性を維持することができる。
【００３０】
燃焼のための燃料としては、火炎を伴って燃焼酸化するもの（燃えるもの）であれば良い。燐、硫黄、フッ素、塩素、又は、これらの化合物等でも良いが、排ガス処理が不要である有機物が好ましい。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、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、灯油等が挙げられる。この中でも、特に、ガスが好ましい。
【００３１】
さらに、火炎は、拡散炎でも予混炎でも良いが、拡散炎は、炎が不安定であり、煤の発生によってアノード層の機能低下を招きやすいので、予混炎の方が好適である。予混炎は安定している上に、火炎サイズを調整しやすいので有利であり、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。
【００３２】
固体電解質基板１には、例えば、公知のものを採用でき、次に示す材料を使用できる。
ａ） ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）、ＳｃＳＺ（スカンジア安定化ジルコニア）、これらにＣｅ、Ａｌ等をドープしたジルコニア系セラミックス
ｂ） ＳＤＣ（サマリアドープドセリア）、ＳＧＣ（ガドリアドープドセリア）等のセリア系セラミックス
ｃ） ＬＳＧＭ（ランタンガレート）、酸化ビスマス系セラミックス
また、アノード層３１、３２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、白金族元素やレニウムから成る金属、又は、その酸化物が１〜１０重量％程度配合されたもの
等が挙げられ、この中でも、特にｄ）、ｅ）が好ましい。
【００３３】
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層の酸化に起因して発生する、アノード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、アノード層の固体電解質層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、白金族元素やレニウムから成る金属、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。
【００３４】
カソード層２１、２２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。
【００３５】
アノード層３１、３２とカソード層２１、２２とは、共に多孔質体で形成されるが、本実施形態における固体電解質基板も多孔質に形成されてもよい。従来では、固体電解質層は、緻密質に形成されていたが、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かった。また、一般に、固体電解質層は、アノード層及びカソード層よりも厚く形成されているので、固体電解質層のひび割れが引き金となり、固体電解質燃料電池セルの全体にひび割れが発生し、バラバラになってしまっていた。
【００３６】
固体電解質基板が多孔質に形成されることで、発電時に、火炎中、或いは、火炎の近傍に配置されて、急激に温度変化を与えても、さらに、温度差の激しいヒートサイクルに対しても、ひび割れ等がなくなり、耐熱衝撃性が向上する。また、多孔質であっても、その気孔率が１０％未満のときは、耐熱衝撃性に著しい向上が認められなかったが、１０％以上であると良好な耐熱衝撃性が見られ、２０％以上であるとより好適である。これは、固体電解質層が多孔質であると、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。
【００３７】
固体電解質燃料電池セルＣ１、Ｃ２は、例えば、次のように製造される。先ず、固体電解質層の材料粉末を所定配合割合で混合し、平板状に成形する。その後、これを焼成して焼結することで固体電解質層としての基板が作られる。このとき、気孔形成剤等の材料粉末の種類や配合割合、焼成温度、焼成時間、予備焼成等の焼成条件等を調整することによって、様々な気孔率の固体電解質層を作ることができる。こうして得られた固体電解質層としての基板の一面側に、カソード層２１、２２となる形状でペーストを、他面側にアノード層３１、３２となる形状でペーストを夫々塗布した後に、焼成を行うことにより、一枚の固体電解質基板に２つの固体電解質燃料電池セルＣ１、Ｃ２を製造することができる。
【００３８】
また、固体電解質燃料電池セルは、次に説明するように、さらに耐久性を向上することができる。この耐久性の向上手法としては、図１に示される平板形の燃料電池セルＣ１、Ｃ２におけるカソード層２１、２２とアノード層３１、３２とに、メッシュ状金属を埋設、或いは、固着させるものである。埋設する方法としては、各層の材料（ペースト）を固体電解質層に塗布し、メッシュ状金属をその塗布された材料中に埋め込んだ後に焼成を行う。固着する方法としては、メッシュ状金属を各層の材料によって完全に埋め込むことなく、接着させて焼結しても良い。
【００３９】
メッシュ状金属としては、これを埋設する、或いは、固着するカソード層、アノード層との熱膨張係数の調和や、耐熱性に優れたものが好適である。具体的には、白金や、白金を含む合金から成る金属でメッシュ状にしたものが挙げられる。ＳＵＳ３００番代（３０４、３１６等）、或いは、ＳＵＳ４００番代（４３０等）のステンレスでも良く、これらはコストの点で有利である。
【００４０】
また、メッシュ状金属を用いる代わりに、ワイヤ状金属をアノード層、カソード層に埋設或いは固着させてもよい。ワイヤ状金属は、メッシュ状の金属と同様の金属から成り、その数や配設形状等に限定はない。
【００４１】
メッシュ状金属やワイヤ状金属を、アノード層やカソード層に埋設、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電解質基板がバラバラになって崩れないように補強されることになり、さらに、メッシュ状金属やワイヤ状金属は、ひび割れした部分を電気的に接続することができる。
【００４２】
なお、これまで、固体電解質基板を多孔質性にした場合を説明したが、本実施形態の燃料電池セルの固体電解質基板に、緻密構造のものを使用することができ、この場合には、特に、熱履歴によるひび割れに対処するのに、カソード層及びアノード層にメッシュ状金属又はワイヤ状金属を埋め込み、或いは、埋設することは、有効な手段となる。
【００４３】
メッシュ状金属或いはワイヤ状金属は、アノード層とカソード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層に、メッシュ状金属又はワイヤ状金属が埋設されていれば、その発電能力を低下させることがなく、発電を継続することができる。固体電解質燃料電池セルの発電能力は、アノード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層にメッシュ状金属或いはワイヤ状金属を配設すると良い。
【００４４】
以上の様にして、図１に示されるように、一枚の固体電解質基板に、２つの固体電解質燃料電池セルが形成され、火炎を、同一面に形成されたアノード層に晒すことができ、カソード層側では、空気が、火炎と分離して供給される固体電解質燃料電池を作成することができる。図１に示された固体電解質燃料電池では、２つの燃料電池セルを直列接続するために、接続線Ｗ０が、固体電解質基板１の外側を渡って、カソード層２２とアノード層３１とを接続していた。
【００４５】
この接続線Ｗ０は、固体電解質基板の外側に飛び出した形状となっているため、接続線Ｗ０が邪魔である場合がある。そこで、固体電解質基板において、カソード層又はアノード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、カソード層とアノード層を接続することができる。この接続の仕方が、図２に示されている。
【００４６】
図２（ａ）では、固体電解質燃料電池の概略構成による平面図が示され、図２（ｂ）には、その側面図が示されている。ここで示された本実施形態の固体電解質燃料電池の構成は、図１の場合と同様であるが、接続線Ｗ０の設け方が異なっている。接続線Ｗ０が、燃料電池セルＣ１のアノード層３１と燃料電池セルＣ２のカソード層２２を接続することに、図１の場合と変わりがないが、本実施形態では、固体電解質基板１の端部において該基板を貫通して設けられた導電体であるビア１２を介して配線されている。この様にしたことによって、接続線Ｗ０が、固体電解質基板面上に沿った形状で配線されるので、小型化に適したものとなる。
【００４７】
なお、図２に示した固体電解質燃料電池では、ビア１２が固体電解質基板の端部に設けられていたが、このビアを、２つの燃料電池セルに係るカソード層又はアノード層との間の固体電解質基板に形成することもできる。さらに、固体電解質基板に電気接続に特別なビアを設けなくとも、単に貫通孔を開けておき、その貫通孔に接続線を通すようにしてもよい。また、２つの燃料電池セルに係るカソード層とアノード層との形成位置をずらしておき、例えば、カソード層２１とアノード層３２とが重なった部分にビアを設けて、カソード層２１とアノード層３２とを電気接続することもできる。
【００４８】
これまで説明した図１及び図２に示された固体電解質燃料電池では、一枚の固体電解質基板に２つの燃料電池セルを形成して、一つの燃料電池としての起電力を高めたが、更にその起電力を高める場合について、図３及び図４を参照して説明する。
【００４９】
図３では、全体が矩形である一枚の平板状固体電解質基板１に、８つの燃料電池セルを形成した具体例が示されている。固体電解質基板１に個々の燃料電池セルを形成する仕方は、図１に示された固体電解質燃料電池の場合と同様であるが、固体電解質基板１の夫々の面上において、８つのカソード層２１乃至２８と、図示されていないが、これらに対応して８つのアノード層とが形成されている。
【００５０】
隣接する２つの燃料電池セルに関して、当該燃料電池セルのアノード層と、隣接した燃料電池セルのカソード層とが、接続線Ｗ０１、Ｗ０２、…、Ｗ０７によって接続される。そして、図示の例では、カソード層２１にリード線Ｗ１が、端部に形成された燃料電池セルのアノード層にリード線Ｗ２が取り付けられる。この様な電気接続により、８つの燃料電池セルが直列接続され、リード線Ｗ１とリード線Ｗ２との間に、高められた所望の起電力が発生する。
【００５１】
また、図３では、固体電解質基板１が矩形状の平板である場合であったが、図４に、固体電解質基板１が円形状の平板である場合について示した。図４に示された固体電解質燃料電池の具体例では、４つの燃料電池セルが形成されている。これらの燃料電池セルの形成方法は、図３の場合と同様であり、固体電解質基板１の形状が、矩形から円形に変更されただけである。そのため、図４の場合には、カソード層及びアノード層の形が、四分円形状となっている。
【００５２】
なお、図３では、８つの燃料電池セルを、そして、図４では、４つの燃料電池セルを、一枚の平板状固体電解質基板に形成することにより、燃料電池としての起電力を高めたが、この固体電解質基板に形成される燃料電池セルの数は、所望する起電力の大きさに応じて決められ、複数の燃料電池セルが電気的に直列接続されることから、これらの燃料電池セルにおける各層の面積は、同じにするとよい。
【００５３】
また、図３又は図４の場合の固体電解質燃料電池においても、形成された複数の燃料電池セルの電気接続には、図２に示されたビアによる電気接続を採用することができる。さらに、一枚の平板状固体電解質基板に形成された複数の燃料電池セルを複数グループに分け、グループ内の燃料電池セルを電気的に並列接続し、各グループを電気的に直列接続するようにして、燃料電池としての起電力を発生させてもよい。
【００５４】
さらに、燃料電池に用いられる固体電解質基板には、平板状の固体電解質基板を用いたが、この基板が、必ずしも平板状でなくとも、燃料の燃焼による複数の火炎が、基板上に形成された複数のアノード層全体に均一にあたるようであれば、曲面状又は球面状であってもよい。
【００５５】
これまでに説明した固体電解質燃料電池では、一枚の固体電解質基板の片面に形成された複数のアノード層に、火炎を直接晒して燃料供給がなされる場合であったが、本実施形態による固体電解質燃料電池の構成によれば、カソード層とアノード層との間に起電力を発生する原理は、図５に示された固体電解質燃料電池セルと同様であるので、一枚の固体電解質基板に形成された複数の燃料電池セルを、燃料ガス、例えば、メタンガスと、酸素ガスとが混合された混合燃料ガス中に配置することにより、カソード層とアノード層との間に起電力を発生させることができる。
【００５６】
以下に、これまでに説明した本実施形態の固体電解質燃料電池に係る実施例を示した。
（実施例１）
固体電解質基板として、厚さ２００μｍ、径１５ｍｍのサマリアドープドセリア（ＳＤＣ、Ｓｍ０．２Ｃe０．８Ｏ１ . ９セラミック）基板を用いた。このセラミック基板の一面側に、カソード層として、Ｓｍ０．５Ｓｒ０．５ＣｏＯ３を５０ｗｔ％添加したＳＤＣペーストを印刷し、その他面側に、アノード層として、５ｗｔ％Ｒｈ２Ｏ３を添加したＬｉドープドＮｉＯ２−４０ｗｔ％添加のＳＤＣペーストを印刷し、１２００℃で焼成した。カソード層とアノード層とは、夫々の面の位置が対応するように、１１ｍｍ径パッドを、０．９ｍｍ幅のスリットで２分割又は４分割した。
【００５７】
そして、集電は、白金リード線を溶接した白金メッシュを電極材とし、該白金メッシュを、各印刷面に埋め込み、大気中において１２００℃で１時間の焼成を行い、集電電極と割れ対策用として形成し、固体電解質燃料電池セルを作成した。そして、白金リード線で、アノード層−カソード層−アノード層となるように、形成される燃料電池セルを電気的に直列接続した。
【００５８】
こうして得られた固体電解質燃料電池セルの各アノード層に、ガスバーナーを用いて、ブタンガス燃焼による予混炎を、ガス流量４００ｍｌ／分で供給した。
【００５９】
このときの発電状況を測定したところ、２分割分のセルを直列接続した固体電解質燃料電池の場合には、開回路電圧は、１．６１Ｖであり、出力密度１６５ｍＷ／ｃｍ２が確認された。また、４分割分を直列接続した固体電解質燃料電池の場合には、開回路電圧は、３．５３Ｖであり、出力密度３１８ｍＷ／ｃｍ２が確認された。
【００６０】
さらに、アノード層にあてていた予混炎の点火と消火を繰り返して、固体酸化物型燃料電池セルに対してヒートサイクル試験を行ったところ、ひび割れは、発生しなかった。
【００６１】
【発明の効果】
以上のように、本発明では、一枚の板状の固体電解質基板における両面に複数のカソード層と複数のアノード層とを形成して複数の燃料電池セルを設けるようにし、供給される燃料を燃焼させた火炎を複数のアノード層全面にあてるようにしたので、効率よく発電することができ、密閉構造を有しない手軽な発電装置として利用できる。そして、複数の燃料電池セルを直列接続することにより、燃料電池としての起電力を簡単な構成で高めることができ、燃料電池の小型化、薄型化を実現できた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る固体電解質燃料電池の実施形態を説明する図である。
【図２】本発明に係る固体電解質燃料電池の別の実施形態を説明する図である。
【図３】本発明に係る固体電解質燃料電池の実施形態における具体例を説明する図である。
【図４】本発明に係る固体電解質燃料電池の実施形態における他の具体例を説明する図である。
【図５】従来技術による混合燃料ガス使用の固体電解質燃料電池の概略構成を説明する図である。
【図６】従来技術による火炎使用の固体電解質燃料電池の構成を説明する図である。
【符号の説明】
１…固体電解質体
２、２１〜２８…カソード層（空気極層）
３、３１、３２…アノード層（燃料極層）
１１…燃料供給管
１２…ビア
Ｃ１、Ｃ２…燃料電池セル
ｆ…火炎
Ｗ０、Ｗ０１〜Ｗ０７…接続線
Ｗ１、Ｗ２…リード線
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体電解質燃料電池に関し、特に、固体電解質基板上にカソード層とアノード層を複数形成して、密閉を必要としない簡単な構造によって、小型化、薄型化、高出力化を図ることができる固体電解質燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、火力発電などに替わる低公害の発電手段として、或いは、ガソリンなどを燃料とするエンジンに取って代わる電動自動車の電気エネルギー源として、燃料電池が開発され、実用化されるに至っている。そして、この燃料電池に対しては、高効率化、低コスト化を目指して多くの研究がなされている。
【０００３】
この燃料電池には、種々の発電形式があるが、この中に、固体電解質を用いた形式の燃料電池がある。この固体電解質による燃料電池の一例として挙げると、イットリア（Ｙ２Ｏ３）が添加された安定化ジルコニアからなる焼成体を酸素イオン伝導型の固体電解質層として用いたものがある。この固体電解質層の一面にカソード層を、そして、その反対面にアノード層を形成し、このカソード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。
【０００４】
この燃料電池内では、カソード層に供給された酸素（Ｏ２）が、カソード層と固体電解質層の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、固体電解質層によってアノード層に伝導され、アノード層に供給された、例えば、メタン（ＣＨ４）ガスと反応し、そこで、最終的には、水（Ｈ２Ｏ）、二酸化炭素（ＣＯ２）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、カソード層とアノード層との間に電位差が生じる。そこで、カソード層とアノード層とにリード線を取付ければ、アノード層の電子が、リード線を介してカソード層側に流れ、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。
【０００５】
しかし、この形式の燃料電池では、カソード層側に、酸素又は酸素含有ガス供給チャンバーを、そして、アノード層側に、燃料ガス供給チャンバーを夫々分離したセパレート型チャンバーを用意しなければならず、しかも、高温下で、酸化性雰囲気と還元性雰囲気とに晒されるため、燃料電池セルとしての耐久性を向上することが困難であった。
【０００６】
一方、固体電解質層の対向した面に、カソード層とアノード層とを設けて燃料電池セルを形成し、この燃料電池セルを、燃料ガス、例えば、メタンガスと、酸素ガスとが混合された混合燃料ガス中に置いて、カソード層とアノード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、カソード層とアノード層との間に起電力を発生する原理は、上述したセパレート型チャンバー形式の燃料電池の場合と同様であるが、燃料電池セル全体を実質的に同一雰囲気にすることができるため、混合燃料ガスが供給されるシングル型チャンバーとすることができ、燃料電池セルの耐久性を向上できる。
【０００７】
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提案されている（例えば、特許文献１を参照）。
【０００８】
この提案されたシングル型チャンバーの燃料電池の構成を、図５に示した。図５（ａ）に示された燃料電池は、固体電解質層を含む燃料電池セルが、混合燃料ガスの流れに対して平行に積層された構造になっている。燃料電池セルは、緻密構造の固体電解質層１と、固体電解質層１の両面に形成された多孔質層のカソード層２とアノード層３とで構成され、同じ構成の複数の燃料電池セルＣ１乃至Ｃ４が、セラミック製の容器４内に積層される。そして、燃料電池セルは、充填物７、８を介して端板９、１０によって、容器４内に密封される。
【０００９】
容器４には、メタン等の燃料と酸素とを含む混合燃料ガスの供給配管５や排ガスの排出配管６が設けられる。容器４内の燃料電池セルを除く部分であって、混合燃料ガスや排ガスが流動する容器４内の空間部に、充填物７、８が充填され、適宜の間隔とすることにより、燃料電池として駆動されたとき、発火限界内の混合燃料ガスが存在しても発火することがなくなる。
【００１０】
また、図５（ｂ）に示された燃料電池では、その基本的構成は、図５（ａ）に示したシングル型チャンバーの燃料電池と同様であるが、固体電解質層を含む燃料電池セルが、混合燃料ガスの流れに対して直交して容器４の軸方向に積層された構造になっている。この場合には、燃料電池セルは、多孔質層の固体電解質層１と、固体電解質層１の両面に形成された多孔質層のカソード層２とアノード層３とで構成され、同じ構成の複数の燃料電池セルＣ１乃至Ｃ５が、容器４内に積層される。
【００１１】
一方、以上に述べた燃料電池は、チャンバー内に収納された燃料電池セルによって構成された形式のものであったが、固体電解質燃料電池セルを火炎中、或いは、その近傍に配置し、火炎の熱によって固体電解質燃料電池セルをその動作温度に保持させて、発電を行う装置が提案されている（例えば、特許文献２を参照）。この発電装置の構成を、図６に示した。
【００１２】
図６に示した発電装置の燃料電池セルは、ジルコニア固体電解質層１から成る管体と、その管体の外側に形成された燃料極であるアノード層３と、管体内側に形成された空気極であるカソード層とからなる。この固体電解質の燃料電池セルを、燃料ガスが供給される燃焼装置５から発生する火炎ｆの還元炎部分に、アノード層３を晒した状態で設置している。この様に設置することにより、還元炎中に存在するラジカル成分等を燃料として利用し、菅内部のカソード層２には、対流又は拡散によって、空気が供給され、燃料電池セルとして発電が行われる。
【００１３】
【特許文献１】
特開２００３−９２１２４号公報
【特許文献２】
特開平６−１９６１７６号公報
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図５に示されたシングル型チャンバーの燃料電池では、従来の固体電解質燃料電池のように、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、複数の板状固体電解質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、板状固体電解質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。
【００１５】
これに対して、図６に示された管状の固体電解質燃料電池セルでは、火炎を直接利用する形態が採用されており、この形態の燃料電池は、固体電解質燃料電池セルを密封構造の容器に収容する必要がなく、開放型であるという特徴を持っている。そのため、この燃料電池では、起電時間が短縮でき、構造が簡単なので、燃料電池の小型軽量化、低コスト化に有利であるといえる。そして火炎を直接利用する点で、一般の燃焼装置や焼却装置等に組み込むことが可能となり、電力供給装置として利用することが期待されている。
【００１６】
しかしながら、この形態の燃料電池では、管状の固体電解質層の外面にアノード層が形成されているので、主に、そのアノード層の上半分に火炎によるラジカル成分が供給されず、管状の固体電解質層の外面に形成されたアノード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、固体電解質燃料電池セルが、火炎で直接加熱されるので、急激な温度変化によってひび割れが発生しやすく、ひび割れの生じた固体電解質燃料電池セルは、その後、バラバラに壊れてしまい、発電することができなくなるという問題があった。
【００１７】
また、固体電解質燃料電池において、高い起電力を得ようとすると、図５に示されるように、固体電解質層の両面にカソード層とアノード層を形成した燃料電池セルの複数を用意し、それらを積層しなければならなかった。さらに、図６に示された管状の固体電解質層の内面と外面にカソード層とアノード層が形成された燃料電池セルの場合であっても、必要とする起電力の大きさに合わせた数の燃料電池セルを用意しなければならない。そのため、出力電流は、小さくてもよいが、高い起電力が必要であるような場合には、大掛かりな装置となってしまい、小型化、低コスト化を図ることができない。
【００１８】
そこで、本発明は、一枚の板状の固体電解質基板に複数の燃料電池セルを形成するようにして、密閉構造を有しない燃料電池とし、その小型化、低コスト化を図り、そして、耐久性の向上と、発電効率の向上とを図ることができる固体電解質燃料電池を提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するため、本発明では、一枚の固体電解質基板と、前記固体電解質基板の一方の面に形成された複数のカソード層と、前記固体電解質基板の前記一方の面と反対側の面に形成された複数のアノード層とを有し、前記カソード層と前記アノード層とが、又は、前記カソード層と前記アノード層と前記固体電解質基板とが、夫々多孔質に形成され、前記カソード層及び前記アノード層の少なくとも一方における各々の層において、メッシュ状金属又はワイヤ状金属が夫々埋設又は固着され、前記固体電解質基板を介して対向する前記アノード層と前記カソード層とで複数の燃料電池セルが形成され、前記アノード層は、燃料の燃焼による火炎に晒され、前記カソード層には、空気が供給されるようにした。
【００２０】
そして、当該燃料電池セルの前記アノード層と、隣接する燃料電池セルの前記カソード層が電気接続され、前記複数の燃料電池セルの直列出力が得られるようにし、前記電気接続は、前記固体電解質基板の周縁部を跨る金属線によることとし、或いは、前記電気接続は、前記固体電解質基板の両面間を貫通する孔を通して配線された金属線によることとした。
【００２１】
さらに、前記電気接続は、前記固体電解質基板の両面間を貫通する導電体に接続された金属線によることとし、或いは、前記固体電解質基板を貫通した孔に充填され焼結された金属又は導電性酸化物であることとした。また、前記固体電解質基板の両面間を貫通する導電体により、前記アノード層と前記カソード層が重なった部分で電気接続されることとした。
【００２２】
本発明による固体電解質燃料電池におけるアノード層は、燃料の燃焼による火炎に晒され、前記カソード層には、空気が供給されることとした。
【００２３】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の固体電解質燃料電池に係る実施形態について、図を参照しながら説明する。図１には、本実施形態による固体電解質燃料電池の構成が示されている。図１（ａ）では、その固体電解質燃料電池の概略構成による平面図が示され、図１（ｂ）には、その側面図が示されている。図１（ａ）及び（ｂ）に示された本実施形態の固体電解質燃料電池は、図６に示されるような、火炎直接利用する形態の固体電解質燃料電池の場合である。
【００２４】
従来技術による火炎直接利用の固体電解質燃料電池では、固体電解質層が、管状となっていたので、固体電解質層の外面に形成されたアノード層への火炎暴露効率が悪いものであり、しかも、一本の管状固体電解質層で、一つの燃料電池セルが形成されていた。そこで、本実施形態の固体電解質燃料電池においては、固体電解質層の形状を、板状とし、例えば、薄い平板による固体電解質基板を採用し、この固体電解質基板の片面に、複数のカソード層（空気極層）を、そして、他の反対面に、複数のアノード層（燃料極層）を夫々形成し、火炎が複数のアノード層の全面を晒すように、燃焼によって火炎を生成する流体燃料、例えば、気体燃料であれば、メタン等を、液体燃料であれば、メタノール等を供給できるようにした。
【００２５】
図１（ａ）及び（ｂ）に示されるように、本実施形態の固体電解質燃料電池は、平板による固体電解質基板１と、その片面に形成された複数、図１では、２つのカソード層２１、２２と、図１（ｂ）に示されるように、その反対面に形成された２つのアノード層３１、３２とからなり、カソード層２１とアノード層３１とで燃料電池セルＣ１が、そして、カソード層２２とアノード層３２とで燃料電池セルＣ２が形成されている。そしてカソード層２１に、起電力取出し用のリード線Ｗ１が取り付けられ、アノード層３２にも、起電力取出し用のリード線Ｗ２が取り付けられている。さらに、カソード層２２とアノード層３１とは、接続線Ｗ０で電気的に接続されている。リード線及び接続線としては、耐熱性のある白金製、或いは、白金を含む合金製のものが使用される。
【００２６】
そこで、固体電解質燃料電池セルＣ１、Ｃ２の下方には、所定距離だけ隔てて、燃料供給管１１が配設され、燃料供給管１１に設けられた複数の貫通孔から放出されるメタンガス等の燃料が燃焼して、火炎ｆが生成され、アノード層３１、３２の全面に供給される。燃料電池セルＣ１とＣ２とは、直列接続されているので、リード線Ｗ１とリード線Ｗ２との間には、燃料電池セルＣ１と燃料電池セルＣ２の起電力が足し合わされた大きさの出力が得られる。
【００２７】
本実施形態における燃料電池セルＣ１、Ｃ２のアノード層３１、３２は、平板形状に形成されているので、管状のものに比べて、ムラなく火炎を当てることが可能となる。さらに、アノード層３１、３２を火炎側に向けられるので、火炎中に存在する炭化水素、水素、ラジカル（ＯＨ、ＣＨ、Ｃ２、Ｏ２Ｈ、ＣＨ３）などを燃料として利用しやすくしている。
【００２８】
また、平板形であると、カソード層２１、２２を火炎から遮断することができるので、アノード層３１、３２を火炎側に向けた状態で、カソード層２１、２２を大気中に露出することができる。これにより、燃料電池セルＣ１、Ｃ２による燃料電池Ｃは、開放型形態のままで、カソード層２１、２２側では、大気中の酸素を利用しやすくなり、酸素リッチ状態を維持できる。なお、カソード層２１、２２がさらに効率良く酸素を利用できるように、カソード層２１、２２に向かって酸素を含有する気体（空気、酸素リッチガス等）を供給しても良い。
【００２９】
また、燃料電池セルＣ１、Ｃ２は、火炎の中、或いは、近傍に配置されるが、火炎の根元付近である還元炎中に配置されるとより好適である。還元炎中に配置されることで、還元炎中に存在する炭化水素、水素、ラジカル等を燃料として効率良く利用でき、さらに、酸化により劣化しやすいアノード層であっても良好に使用でき、耐久性を維持することができる。
【００３０】
燃焼のための燃料としては、火炎を伴って燃焼酸化するもの（燃えるもの）であれば良い。燐、硫黄、フッ素、塩素、又は、これらの化合物等でも良いが、排ガス処理が不要である有機物が好ましい。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、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、灯油等が挙げられる。この中でも、特に、ガスが好ましい。
【００３１】
さらに、火炎は、拡散炎でも予混炎でも良いが、拡散炎は、炎が不安定であり、煤の発生によってアノード層の機能低下を招きやすいので、予混炎の方が好適である。予混炎は安定している上に、火炎サイズを調整しやすいので有利であり、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。
【００３２】
固体電解質基板１には、例えば、公知のものを採用でき、次に示す材料を使用できる。
ａ） ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）、ＳｃＳＺ（スカンジア安定化ジルコニア）、これらにＣｅ、Ａｌ等をドープしたジルコニア系セラミックス
ｂ） ＳＤＣ（サマリアドープドセリア）、ＳＧＣ（ガドリアドープドセリア）等のセリア系セラミックス
ｃ） ＬＳＧＭ（ランタンガレート）、酸化ビスマス系セラミックス
また、アノード層３１、３２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、白金族元素やレニウムから成る金属、又は、その酸化物が１〜１０重量％程度配合されたもの
等が挙げられ、この中でも、特にｄ）、ｅ）が好ましい。
【００３３】
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層の酸化に起因して発生する、アノード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、アノード層の固体電解質層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、白金族元素やレニウムから成る金属、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。
【００３４】
カソード層２１、２２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。
【００３５】
アノード層３１、３２とカソード層２１、２２とは、共に多孔質体で形成されるが、本実施形態における固体電解質基板も多孔質に形成されてもよい。従来では、固体電解質層は、緻密質に形成されていたが、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かった。また、一般に、固体電解質層は、アノード層及びカソード層よりも厚く形成されているので、固体電解質層のひび割れが引き金となり、固体電解質燃料電池セルの全体にひび割れが発生し、バラバラになってしまっていた。
【００３６】
固体電解質基板が多孔質に形成されることで、発電時に、火炎中、或いは、火炎の近傍に配置されて、急激に温度変化を与えても、さらに、温度差の激しいヒートサイクルに対しても、ひび割れ等がなくなり、耐熱衝撃性が向上する。また、多孔質であっても、その気孔率が１０％未満のときは、耐熱衝撃性に著しい向上が認められなかったが、１０％以上であると良好な耐熱衝撃性が見られ、２０％以上であるとより好適である。これは、固体電解質層が多孔質であると、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。
【００３７】
固体電解質燃料電池セルＣ１、Ｃ２は、例えば、次のように製造される。先ず、固体電解質層の材料粉末を所定配合割合で混合し、平板状に成形する。その後、これを焼成して焼結することで固体電解質層としての基板が作られる。このとき、気孔形成剤等の材料粉末の種類や配合割合、焼成温度、焼成時間、予備焼成等の焼成条件等を調整することによって、様々な気孔率の固体電解質層を作ることができる。こうして得られた固体電解質層としての基板の一面側に、カソード層２１、２２となる形状でペーストを、他面側にアノード層３１、３２となる形状でペーストを夫々塗布した後に、焼成を行うことにより、一枚の固体電解質基板に２つの固体電解質燃料電池セルＣ１、Ｃ２を製造することができる。
【００３８】
また、固体電解質燃料電池セルは、次に説明するように、さらに耐久性を向上することができる。この耐久性の向上手法としては、図１に示される平板形の燃料電池セルＣ１、Ｃ２におけるカソード層２１、２２とアノード層３１、３２とに、メッシュ状金属を埋設、或いは、固着させるものである。埋設する方法としては、各層の材料（ペースト）を固体電解質層に塗布し、メッシュ状金属をその塗布された材料中に埋め込んだ後に焼成を行う。固着する方法としては、メッシュ状金属を各層の材料によって完全に埋め込むことなく、接着させて焼結しても良い。
【００３９】
メッシュ状金属としては、これを埋設する、或いは、固着するカソード層、アノード層との熱膨張係数の調和や、耐熱性に優れたものが好適である。具体的には、白金や、白金を含む合金から成る金属でメッシュ状にしたものが挙げられる。ＳＵＳ３００番代（３０４、３１６等）、或いは、ＳＵＳ４００番代（４３０等）のステンレスでも良く、これらはコストの点で有利である。
【００４０】
また、メッシュ状金属を用いる代わりに、ワイヤ状金属をアノード層、カソード層に埋設或いは固着させてもよい。ワイヤ状金属は、メッシュ状の金属と同様の金属から成り、その数や配設形状等に限定はない。
【００４１】
メッシュ状金属やワイヤ状金属を、アノード層やカソード層に埋設、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電解質基板がバラバラになって崩れないように補強されることになり、さらに、メッシュ状金属やワイヤ状金属は、ひび割れした部分を電気的に接続することができる。
【００４２】
なお、これまで、固体電解質基板を多孔質性にした場合を説明したが、本実施形態の燃料電池セルの固体電解質基板に、緻密構造のものを使用することができ、この場合には、特に、熱履歴によるひび割れに対処するのに、カソード層及びアノード層にメッシュ状金属又はワイヤ状金属を埋め込み、或いは、埋設することは、有効な手段となる。
【００４３】
メッシュ状金属或いはワイヤ状金属は、アノード層とカソード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層に、メッシュ状金属又はワイヤ状金属が埋設されていれば、その発電能力を低下させることがなく、発電を継続することができる。固体電解質燃料電池セルの発電能力は、アノード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層にメッシュ状金属或いはワイヤ状金属を配設すると良い。
【００４４】
以上の様にして、図１に示されるように、一枚の固体電解質基板に、２つの固体電解質燃料電池セルが形成され、火炎を、同一面に形成されたアノード層に晒すことができ、カソード層側では、空気が、火炎と分離して供給される固体電解質燃料電池を作成することができる。図１に示された固体電解質燃料電池では、２つの燃料電池セルを直列接続するために、接続線Ｗ０が、固体電解質基板１の外側を渡って、カソード層２２とアノード層３１とを接続していた。
【００４５】
この接続線Ｗ０は、固体電解質基板の外側に飛び出した形状となっているため、接続線Ｗ０が邪魔である場合がある。そこで、固体電解質基板において、カソード層又はアノード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、カソード層とアノード層を接続することができる。この接続の仕方が、図２に示されている。
【００４６】
図２（ａ）では、固体電解質燃料電池の概略構成による平面図が示され、図２（ｂ）には、その側面図が示されている。ここで示された本実施形態の固体電解質燃料電池の構成は、図１の場合と同様であるが、接続線Ｗ０の設け方が異なっている。接続線Ｗ０が、燃料電池セルＣ１のアノード層３１と燃料電池セルＣ２のカソード層２２を接続することに、図１の場合と変わりがないが、本実施形態では、固体電解質基板１の端部において該基板を貫通して設けられた導電体であるビア１２を介して配線されている。この様にしたことによって、接続線Ｗ０が、固体電解質基板面上に沿った形状で配線されるので、小型化に適したものとなる。
【００４７】
なお、図２に示した固体電解質燃料電池では、ビア１２が固体電解質基板の端部に設けられていたが、このビアを、２つの燃料電池セルに係るカソード層又はアノード層との間の固体電解質基板に形成することもできる。さらに、固体電解質基板に電気接続に特別なビアを設けなくとも、単に貫通孔を開けておき、その貫通孔に接続線を通すようにしてもよい。また、２つの燃料電池セルに係るカソード層とアノード層との形成位置をずらしておき、例えば、カソード層２１とアノード層３２とが重なった部分にビアを設けて、カソード層２１とアノード層３２とを電気接続することもできる。
【００４８】
これまで説明した図１及び図２に示された固体電解質燃料電池では、一枚の固体電解質基板に２つの燃料電池セルを形成して、一つの燃料電池としての起電力を高めたが、更にその起電力を高める場合について、図３及び図４を参照して説明する。
【００４９】
図３では、全体が矩形である一枚の平板状固体電解質基板１に、８つの燃料電池セルを形成した具体例が示されている。固体電解質基板１に個々の燃料電池セルを形成する仕方は、図１に示された固体電解質燃料電池の場合と同様であるが、固体電解質基板１の夫々の面上において、８つのカソード層２１乃至２８と、図示されていないが、これらに対応して８つのアノード層とが形成されている。
【００５０】
隣接する２つの燃料電池セルに関して、当該燃料電池セルのアノード層と、隣接した燃料電池セルのカソード層とが、接続線Ｗ０１、Ｗ０２、…、Ｗ０７によって接続される。そして、図示の例では、カソード層２１にリード線Ｗ１が、端部に形成された燃料電池セルのアノード層にリード線Ｗ２が取り付けられる。この様な電気接続により、８つの燃料電池セルが直列接続され、リード線Ｗ１とリード線Ｗ２との間に、高められた所望の起電力が発生する。
【００５１】
また、図３では、固体電解質基板１が矩形状の平板である場合であったが、図４に、固体電解質基板１が円形状の平板である場合について示した。図４に示された固体電解質燃料電池の具体例では、４つの燃料電池セルが形成されている。これらの燃料電池セルの形成方法は、図３の場合と同様であり、固体電解質基板１の形状が、矩形から円形に変更されただけである。そのため、図４の場合には、カソード層及びアノード層の形が、四分円形状となっている。
【００５２】
なお、図３では、８つの燃料電池セルを、そして、図４では、４つの燃料電池セルを、一枚の平板状固体電解質基板に形成することにより、燃料電池としての起電力を高めたが、この固体電解質基板に形成される燃料電池セルの数は、所望する起電力の大きさに応じて決められ、複数の燃料電池セルが電気的に直列接続されることから、これらの燃料電池セルにおける各層の面積は、同じにするとよい。
【００５３】
また、図３又は図４の場合の固体電解質燃料電池においても、形成された複数の燃料電池セルの電気接続には、図２に示されたビアによる電気接続を採用することができる。さらに、一枚の平板状固体電解質基板に形成された複数の燃料電池セルを複数グループに分け、グループ内の燃料電池セルを電気的に並列接続し、各グループを電気的に直列接続するようにして、燃料電池としての起電力を発生させてもよい。
【００５４】
さらに、燃料電池に用いられる固体電解質基板には、平板状の固体電解質基板を用いたが、この基板が、必ずしも平板状でなくとも、燃料の燃焼による複数の火炎が、基板上に形成された複数のアノード層全体に均一にあたるようであれば、曲面状又は球面状であってもよい。
【００５５】
これまでに説明した固体電解質燃料電池では、一枚の固体電解質基板の片面に形成された複数のアノード層に、火炎を直接晒して燃料供給がなされる場合であったが、本実施形態による固体電解質燃料電池の構成によれば、カソード層とアノード層との間に起電力を発生する原理は、図５に示された固体電解質燃料電池セルと同様であるので、一枚の固体電解質基板に形成された複数の燃料電池セルを、燃料ガス、例えば、メタンガスと、酸素ガスとが混合された混合燃料ガス中に配置することにより、カソード層とアノード層との間に起電力を発生させることができる。
【００５６】
以下に、これまでに説明した本実施形態の固体電解質燃料電池に係る実施例を示した。
（実施例１）
固体電解質基板として、厚さ２００μｍ、径１５ｍｍのサマリアドープドセリア（ＳＤＣ、Ｓｍ０．２Ｃe０．８Ｏ１ . ９セラミック）基板を用いた。このセラミック基板の一面側に、カソード層として、Ｓｍ０．５Ｓｒ０．５ＣｏＯ３を５０ｗｔ％添加したＳＤＣペーストを印刷し、その他面側に、アノード層として、５ｗｔ％Ｒｈ２Ｏ３を添加したＬｉドープドＮｉＯ２−４０ｗｔ％添加のＳＤＣペーストを印刷し、１２００℃で焼成した。カソード層とアノード層とは、夫々の面の位置が対応するように、１１ｍｍ径パッドを、０．９ｍｍ幅のスリットで２分割又は４分割した。
【００５７】
そして、集電は、白金リード線を溶接した白金メッシュを電極材とし、該白金メッシュを、各印刷面に埋め込み、大気中において１２００℃で１時間の焼成を行い、集電電極と割れ対策用として形成し、固体電解質燃料電池セルを作成した。そして、白金リード線で、アノード層−カソード層−アノード層となるように、形成される燃料電池セルを電気的に直列接続した。
【００５８】
こうして得られた固体電解質燃料電池セルの各アノード層に、ガスバーナーを用いて、ブタンガス燃焼による予混炎を、ガス流量４００ｍｌ／分で供給した。
【００５９】
このときの発電状況を測定したところ、２分割分のセルを直列接続した固体電解質燃料電池の場合には、開回路電圧は、１．６１Ｖであり、出力密度１６５ｍＷ／ｃｍ２が確認された。また、４分割分を直列接続した固体電解質燃料電池の場合には、開回路電圧は、３．５３Ｖであり、出力密度３１８ｍＷ／ｃｍ２が確認された。
【００６０】
さらに、アノード層にあてていた予混炎の点火と消火を繰り返して、固体酸化物型燃料電池セルに対してヒートサイクル試験を行ったところ、ひび割れは、発生しなかった。
【００６１】
【発明の効果】
以上のように、本発明では、一枚の板状の固体電解質基板における両面に複数のカソード層と複数のアノード層とを形成して複数の燃料電池セルを設けるようにし、供給される燃料を燃焼させた火炎を複数のアノード層全面にあてるようにしたので、効率よく発電することができ、密閉構造を有しない手軽な発電装置として利用できる。そして、複数の燃料電池セルを直列接続することにより、燃料電池としての起電力を簡単な構成で高めることができ、燃料電池の小型化、薄型化を実現できた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る固体電解質燃料電池の実施形態を説明する図である。
【図２】本発明に係る固体電解質燃料電池の別の実施形態を説明する図である。
【図３】本発明に係る固体電解質燃料電池の実施形態における具体例を説明する図である。
【図４】本発明に係る固体電解質燃料電池の実施形態における他の具体例を説明する図である。
【図５】従来技術による混合燃料ガス使用の固体電解質燃料電池の概略構成を説明する図である。
【図６】従来技術による火炎使用の固体電解質燃料電池の構成を説明する図である。
【符号の説明】
１…固体電解質体
２、２１〜２８…カソード層（空気極層）
３、３１、３２…アノード層（燃料極層）
１１…燃料供給管
１２…ビア
Ｃ１、Ｃ２…燃料電池セル
ｆ…火炎
Ｗ０、Ｗ０１〜Ｗ０７…接続線
Ｗ１、Ｗ２…リード線
Claims (6)
- 一枚の固体電解質基板と、
前記固体電解質基板の一方の面に形成された複数のカソード層と、
前記固体電解質基板の前記一方の面と反対側の面に形成された複数のアノード層とを有し、
前記カソード層と前記アノード層とが、又は、前記カソード層と前記アノード層と前記固体電解質基板とが、夫々多孔質に形成され、
前記カソード層及び前記アノード層の少なくとも一方における各々の層において、メッシュ状金属又はワイヤ状金属が夫々埋設又は固着され、
前記固体電解質基板を介して対向する前記アノード層と前記カソード層とで複数の燃料電池セルが形成され、当該燃料電池セルの前記アノード層と、隣接する燃料電池セルの前記カソード層が電気的に接続されて、該複数の燃料電池セルが直列接続され、
前記アノード層は、燃料の燃焼による火炎に晒され、前記カソード層には、空気が供給される固体電解質燃料電池。 - 前記電気接続は、前記固体電解質基板の周縁部を跨る金属線によることを特徴とする請求項１に記載の固体電解質燃料電池。
- 前記電気接続は、前記固体電解質基板の両面間を貫通する孔を通して配線された金属線によることを特徴とする請求項１に記載の固体電解質燃料電池。
- 前記電気接続は、前記固体電解質基板の両面間を貫通する導電体に接続された金属線によることを特徴とする請求項１に記載の固体電解質燃料電池。
- 前記導電体は、前記固体電解質基板を貫通した孔に充填され焼結された金属又は導電性酸化物であることを特徴とする請求項４に記載の固体電解質燃料電池。
- 前記固体電解質基板の両面間を貫通する導電体により、前記アノード層と前記カソード層が重なった部分で電気接続されることを特徴とする請求項１に記載の固体電解質燃料電池。
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