JP4959138B2 - 燃料電池 - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池に関し、さらに詳しく述べると、燃料電池セルを火炎の内部もしくはその近傍に配置してその火炎にさらして発電を行う方式や、燃料電池セルをガス燃料と酸素もしくは酸素含有ガスとの混合燃料ガス雰囲気中に配置して、アノード層とカソード層の間で発生する電位差に基づいて発電を行う方式において有利に実施できる固体電解質型燃料電池に関する。本発明の燃料電池は特に、耐熱衝撃性及び体積発電密度が高く、小型かつ軽量であり、設計の自由度が高く、生産性に優れ、しかも低コストであるので、いろいろな分野において発電装置として有利に利用することができる。
従来から、火力発電などに代わる低公害の発電手段として、あるいはガソリンなどを燃料とするエンジン自動車に代わる電気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。特に最近では、燃料電池の高効率化、低コスト化を目指して多くの研究がなされている。
周知の通り、燃料電池には種々の発電形式があるけれども、なかでも固体電解質を用いた形式の燃料電池、すなわち、固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）は、最も高い発電効率が期待され、長寿命化、低コスト化が可能であるので、いろいろな技術分野において着目されている。
固体電解質型燃料電池の一例を示すと、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。固体電解質層、アノード層及びカソード層から形成される燃料電池セルをチャンバに収納して燃料電池が完成する。
この燃料電池では、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り付ければ、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。しかし、この種の、いわゆるセパレートチャンバタイプの燃料電池は、通常約１０００℃もの高温下で運転され、しかもカソード層側が酸化性雰囲気にさらされ、かつアノード層側が還元性雰囲気にさらされているため、燃料電池セルを長期間にわたって安定に使用することができず、したがって、耐久性に乏しいという欠点がある。
一方、非特許文献１は、図１４に模式的に示すように、固体電解質層１００の両面にそれぞれカソード層１０２とアノード層１０４とが形成された燃料電池用セル１０６をチャンバ１１０内に収容した、いわゆるシングルチャンバタイプの燃料電池を提案している。この燃料電池の場合、メタンガスと酸素とが混合された混合燃料ガスを導管１１０ａを介してチャンバ１１０に導入し、その混合燃料ガスの作用により燃料電池用セル１０６において起電力が発生する。使用済みの排ガスは、導管１１０ｂを介してチャンバ外に排出される。しかし、この燃料電池の場合、チャンバ内に１個の燃料電池セルしか収容されていないため、取り出される電圧が実使用に不十分であるという欠点がある。
また、上述の燃料電池では燃料電池セルがチャンバ内に収容されているけれども、構造の簡略化、小型軽量化、低コスト化などをねらって、固体電解質燃料電池セルを火炎の中、あるいは火炎の近傍に配置し、火炎の熱によって燃料電池セルをその動作温度に保持させて、発電を行う方式の燃料電池、いわゆる直接火炎型燃料電池も提案されている。特にこの種の燃料電池の場合、火炎を直接利用しているので、起電時間が短縮できるという効果もある。
火炎を利用した固体電解質型燃料電池の一例を示すと、特許文献１は、管状の固体電解質型燃料電池を備えた燃料電池を開示している。図１５は、この燃焼装置の一例を示したものであり、燃料電池セル２０３は、ジルコニア固体電解質管２１２ａと、管２１２ａの外側に形成された燃料極であるアノード層２２２と、管２１２ａの内側に形成された空気極であるカソード層（図示せず）とからなる。この固体電解質の燃料電池セル２０３を、燃料ガスが供給される燃焼装置２０１から発生する火炎２０２の還元炎部分２２３に、アノード層２２２をさらした状態で設置する。このように燃料電池セル２０３を火炎２０２内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て発電を行うことが可能である。
ところで、以下において詳述するように、本発明においては燃料電池の支持構造が重要である。本発明による新規な支持構造の理解を容易なものとなすため、従来の電極支持型燃料電池の典型例を以下にまとめて説明する。
固体電解質型燃料電池の実用段階での構造として、平板型が検討されている。そこでは、カソード／固体電解質／アノードの３層構造体をセルとして、カソード側には空気、アノード側には燃料が流れるチャネル構造をもたせたインターコネクト部材（セパレーター）で、セルからの集電とガス分離を行っている。従って、インターコネクト部材には、電子伝導性とガスタイト性が要求される。これらの構造は、例えば非特許文献２及び非特許文献３に示されている。
一方、燃料電池セルにはそれ自体を扱う上でも機械的強度が必要である。従来、一般的に固体電解質層となるジルコニアやセリア系セラミック基板を作製し、その両面に其々カソード層、アノード層を形成してセルを作製していた。固体電解質層には燃料と空気の混合を防ぐガスタイト性が要求され、一方、カソード層とアノード層は各反応種が充分拡散できるように一定以上の気孔率が必要となる。そのため、この製造方法はこれら密度の差を実現する上でも好都合であった（先ず、電解質を高い温度で焼成し、電極材を塗布後、それより低い温度で追加焼成すれば、高密度電解質層に低密度電極層を形成できる）。
しかし、燃料電池セルの内部抵抗を低減する目的には、電解質層を薄くすることが効果的であり、電解質を数十μｍレベルにする検討がなされている。この場合、当然ながら電解質層では充分な強度が得られないため、どちらかの電極層を厚くして一定以上の強度を確保する必要がある。そこで、アノード（燃料極）支持か、カソード（空気極）支持の構造が採用されている。非特許文献４は、２００２年のＳＯＦＣ関係の国際学会のブロシーディングであり、電解質支持か電極支持かが、一つのセッションで報告・討論されている。その中の最初の論文に背景の説明が簡単にされている。また、非特許文献５にはアノード支持型セルの実験が紹介されており、非特許文献６にはカソード支持型セルの実験が紹介されている。
以上のように、セルの支持部分は、電解質層か電極層かであるが、支持目的ではなく、電気的な接続の目的に、実験レベルでは金属メッシュが使われることが多い。実験レベルで単セルを評価する場合は、上記のインターコネクト部材を使った大掛かりな構造で評価するのではなく、もっと簡単に各電極から配線を引き出すのが一般的である。このあたりは最近の文献ではあまり細かく記述されることがないが、銀や金あるいは白金などのリード線を、それらのメッシュと接続して電極材層に埋め込むことが行われる。非特許文献７には白金メッシュをアノード材（Ｎｉ−サーメット）を用いて電極層に接続した例が記述されており、部分的な各層の断面構造が示されている。また、非特許文献８には、同様な接続において、電極が直径１３ｍｍであるのに対し、使われている白金メッシュサイズが２ｍｍ角であることが示されている。メッシュを使わずに金属リードだけで電極層に接続することも可能であるが、取り付け強度が著しく低いため、このようにメッシュが多用されている。これらは、単セルを実験レベルで評価する場合に行われることであり、実用レベルではインターコネクト部材が使われることになる。
特開平６−１９６１７６号公報（特許請求の範囲、図５） SCIENCE, Vol.288(2000), p2031-2033 セラミック、30(1995), No.4. p329-332 Journal of The Electrochemical Society, 150(9), A1188A-A1201(2003) Joep Hujismans, Fifth European Solid Oxide Fuel Cell Forum, Proceedings Vol.1, 2002 July, p116-117 Journal of the Electrochemical Society, 151(8), A1128-A1133(2004) 第９回ＳＯＦＣ研究発表会、講演要旨集、２０００年１２月、ＳＯＦＣ研究会、ｐ３７−４０ J. Electrochem. Soc., Vol.145, No.5, 1998 May. p1696-1701 Materials Transactions, JIM, Vol.41, No.12(2000), p1621-1625
本発明の目的は、上記したような従来の燃料電池の欠点を改良すること、とりわけシングルチャンバ型燃料電池及び直接火炎型燃料電池において、耐久性、耐熱衝撃性及び体積発電密度を高め、小型化、軽量化及び低コスト化を実現し、燃料電池設計の自由度を高め、さらには生産性の向上を図ることにある。
また、本発明の目的は、特に直接火炎型燃料電池において、起電時間を短縮し、かつ構造の簡略化により燃料電池の小型軽量化、低コスト化をさらに容易に達成することにある。
本発明の上記した目的やその他の目的は、以下の詳細な説明から容易に理解することができるであろう。
本発明者らは、上記した目的を達成すべく鋭意研究した結果、固体電解質型燃料電池において、従来の技術では肉厚であるかもしくは支持体を併用した固体電解質層によってアノード層及びカソード層を支持することによって自立性（自己支持性）の燃料電池セルを完成していたところを、燃料電池セルの自立性をアノード層及びカソード層に委ね、固体電解質層をできる限り薄い膜あるいは層となすことが有効であるということを発見し、本発明を完成した。
すなわち、本発明は、導電性メッシュ及び該メッシュに担持されたアノード形成材料からなるアノード層と、
導電性メッシュ及び該メッシュに担持されたカソード形成材料からなるカソード層と、
前記アノード層と前記カソード層の間に配置され、かつそれらの層によって支持された薄膜状の固体電解質層とから形成された燃料電池セルを含む固体電解質型燃料電池にある。
本発明によれば、以下の詳細な説明から理解されるように、とりわけシングルチャンバ型燃料電池及び直接火炎型燃料電池において、そのアノード層及びカソード層をそれぞれ導電性メッシュを担体として使用して形成し、かつそれらの電極層で薄膜の固体電解質層を支持するように構成したので、今までまったく予想されなかったことであるが、燃料電池の耐久性、耐熱衝撃性及び体積発電密度を同時に高めることができ、燃料電池の小型化、軽量化及び低コスト化を実現することができ、燃料電池を設計するに当たってはその自由度を高めることができ、さらには燃料電池の生産性の向上を図ることができる。
また、直接火炎型燃料電池においては、火炎を使用したことによって起電時間を短縮できるばかりでなく、構造を簡略化することができるので、装置の小型軽量化、低コスト化を容易に達成することができる。
さらに、直接火炎型燃料電池において、その燃焼室の室壁を燃料電池セルで規定し、かつ固体燃料を使用することによって、十分な電力量及び起電力を同時に達成することができ、かつ起電力において連続性を保証することができる。また、燃料電池のサイズは、燃料処理量に応じて任意に変更することができるので、いろいろな利用分野の応じてニーズにあった燃料電池を提供することができる。
さらにまた、直接火炎型燃料電池においてガス燃料を使用し、その燃焼室の室壁を燃料電池セルで規定し、かつ燃焼室に供給される新鮮な空気が燃料電池セルの外周面を案内され、加熱されるように構成することによって、カソード側の酸素分圧を常に大気レベルで維持することができ、よって、高出力な状態を達成し、かつ安定に維持することができる。また、この方法によると、新鮮な空気を予備加熱した後に燃焼室に供給し、かつ燃焼室の底部で火炎に対向させてことで、供給される空気をカソード反応に有利に利用することができる。さらに、燃焼系において、強制的な空気の流れが発生し、しかもその流れが一様であるので、拡散過電圧を低減することができる。
さらにまた、本発明では、燃料電池を燃料電池ユニットの形で構成し、２個もしくはそれ以上の燃料電池ユニットを１つのケーシングに組み入れることで、燃料電池の空間を有効利用し、小型かつコンパクトであるにもかかわらずより高出力な燃料電池を提供することができる。
一方、混合燃料ガスを使用したシングルチャンバ型燃料電池の場合には、複数個の燃料電池セルを積層した形でチャンバ内に配置することによって、単一の燃料電池セルを収容した場合に比較してより高い所望の電圧を取り出すことができる。また、このような構造の燃料電池において、チャンバ内に形成された空間部に特定の充填物を装填することによって、混合燃料ガスの不所望な爆発や燃料の炭化の進行を防止することができる。
本発明の燃料電池は、いろいろな形態で有利に実施することができる。以下、本発明の燃料電池をその好ましい実施形態について記載するが、本発明は、以下に列挙する実施形態に限定されるものではない。
本発明による燃料電池は、特にその燃料電池セルの構成に特徴がある。すなわち、本発明の燃料電池で使用される燃料電池セルは、
（１）導電性メッシュ及び該メッシュに担持されたアノード形成材料からなるアノード層（燃料極）、
（２）導電性メッシュ及び該メッシュに担持されたカソード形成材料からなるカソード層（空気極）、及び
（３）前記アノード層と前記カソード層の間に配置され、かつそれらの層によって支持された薄膜状の固体電解質層
を含むことを特徴とする。
特に本発明では、アノード層及びカソード層がそれぞれ導電性メッシュによって支持されており、かつアノード層及びカソード層の間に薄膜状の固体電解質層が形成されていることが重要である。ここで、アノード層及びカソード層の支持体として使用される導電性メッシュは、支持体としての本来の機能の他に、集電性の向上、機械的強度の向上に寄与することができる。また、一般的に電極材料や固体電解質材料より熱伝導性が高いため、燃料電池セルの均熱性を向上させ、結果として耐熱衝撃性を向上させる効果も高い。導電性メッシュは、上記のような多機能を奏し、かつ得られる燃料電池セルの機能などに悪影響を与えない限り、いろいろな導電性材料から、いろいろな形態及び寸法で使用することができる。但し、使用する導電性メッシュを決定するに当たっては、カソード層及びアノード層との熱膨張係数の調和や、耐熱性を考慮することが必要である。また、「導電性メッシュ」とは、本来網目構造を有するかもしくは編織されて網目構造を付与された導電性材料を一般的に指すけれども、同様な機能を奏するならば、フェルトあるいはそれに類似の構造の導電性材料であってもよい。
導電性メッシュは、通常、金属材料のメッシュ、炭素質材料のメッシュなどである。これらのメッシュは、例えば強化機能の向上などに有効であるならば、２種類もしくはそれ以上のメッシュを組み合わせて、例えば重ね合わせるなどして、使用してもよい。また、メッシュは、それを編織によって形成する場合、例えば、平織り、綾織り、撚線織り、平畳織り、スダレ織りなどで形成することができる。
導電性メッシュを金属材料から形成する場合、適当な金属材料としては、以下に列挙するものに限定されるわけではないけれども、例えば、白金、鉄、銅、ニッケル、チタンもしくはその合金、ステンレス鋼、例えばＳＵＳ３００番代（３０４、３１６等）あるいはＳＵＳ４００番代（４３０等）のステンレス鋼、ニクロム、モネル、ハステロイ、インコネルなどを挙げることができる。また、メッシュの形成に適当な炭素質材料としては、例えば、カーボン繊維、グラファイト繊維などを挙げることができる。
本発明の実施において、導電性メッシュは、その使用形態やアノード層及びカソード層の形成方法などに応じていろいろな目合いで使用することができる。導電性メッシュの目合いは、通常、約８０〜５００メッシュであり、好ましくは約３００〜４００メッシュである。
同様に、導電性メッシュを編織で作製する場合、導電性メッシュの線径は、導電性メッシュの性能等、編織方法などに応じて広い範囲で変更することができる。導電性メッシュの線径は、通常、約０．０２〜２．００ｍｍであり、好ましくは約０．０２〜０．０４ｍｍである。
また、導電性メッシュは、いろいろな厚さで使用することができるというものの、本発明の実施の場合、それを支持体として機能させることなどを考慮して、アノード層及びカソード層のそれぞれの層の厚さの実質的な部分を占めるような厚さであることが好ましい。特に、導電性メッシュの厚さは、それによって担持されたアノード層又はカソード層の厚さと比較して、それぞれの層の全厚の少なくとも３０％、特に少なくとも５０％を占めることが好ましい。通常、導電性メッシュは、約５０〜３００μｍの厚さを有していることが好ましく、さらに好ましくは、約５０〜１００μｍの厚さである。
導電性メッシュは、いろいろな形状で使用することができるけれども、通常、加工性や燃料電池セルの形態などを考慮した、矩形の平面を有するのが好ましい。また、本発明の実施では、導電性メッシュが、それによって担持されたアノード層又はカソード層の領域から層外に延在した露出領域をさらに有していることが好ましい。以下に説明するように、この露出領域をリード線などの接続端子として使用したり、隣接する燃料電池セルとの接続手段として使用することができるからである。
本発明の実施において、導電性メッシュの露出部分の形状は特に限定されるものではなく、取り扱い性などを考慮して最適な形状を選択することができる。一般的には、アノード層及びカソード層がそれぞれ矩形の平面を有している場合、その四辺の少なくとも一辺から導電性メッシュが層外に延在して露出領域を形成していることが好ましい。例えば、アノード層及びカソード層の延長として露出部分も矩形とした場合、加工が有利である。
ここで、燃料電池セルの構成について説明する。燃料電池セルは、以下に説明するように、単一のセル部材からなっていてもよく、さもなければ２個もしくはそれ以上の区画されたセル部材の組み合わせからなっていてもよいけれども、いずれのセル部材も、基本的には、固体電解質基板と、その基板の主たる２つの面に対向して配置されたアノード層及びカソード層とからなる。アノード層及びカソード層は、それぞれ、それを支持した上述の導電性メッシュを有している。また、アノード層及びカソード層は、それぞれ、それに接続されたリード線を備えている。リード線は、例えば、銀、金、白金などから形成することができる。
固体電解質層は、本発明の実施において特に限定されるものではなく、例えば、次のような公知の材料から形成することができる。
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）、これらのジルコニアにさらにＣｅ、Ａｌ等をドープしたジルコニア系セラミックス。
ｂ）ＳＤＣ（サマリアドープドセリア）、ＧＤＣ（ガドリアドープドセリア）等のセリア系セラミックス。
ｃ）ＬＳＧＭ（ランタンガレート）、酸化ビスマス系セラミックス。
固体電解質層は、多孔質体として形成することが好ましい。従来の燃料電池セルでは、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。本発明では、固体電解質層が多孔質であることで、例えば直接火炎型燃料電池において発電を行う場合に、火炎の内部もしくはそ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。
多孔質の固体電解質層の気孔率は、いろいろに変更することができる。通常、気孔生成剤等の任意の添加剤を添加し、特に気孔生成剤の粉末の種類や配合割合を調整し、さらには焼成温度、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、固体電解質層に対して様々な気孔率を付与することができる。固体電解質層の気孔率は、通常、約１０〜６０％であることが好ましく、さらに好ましくは、約２０〜４０％である。固体電解質層の気孔率が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た。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。
また、従来の燃料電池セルでは、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、燃料電池セルの全体にひび割れが発生し、バラバラになるという不都合が発生していた。しかし、本発明に従い固体電解質基板を多孔質体として形成することによって、これらの欠点を有利に回避することができる。
さらに加えて、本発明では燃料電池セルの支持機能を固体電解質層に委ねていないので、固体電解質層を肉厚で形成したり、平板状の固体電解質層を使用することは不必要である。すなわち、固体電解質層は、通常、アノード層及びカソード層の厚さと比較して、それぞれの層の全厚よりも少なくとも小さい厚さで形成することができる。固体電解質層の厚さは、一般的に約１０〜１００μｍであり、好ましくは約２０〜５０μｍである。
固体電解質層は、薄膜、フィルム等の形成に慣用されている任意の技法を使用して形成することができる。例えば、固体電解質材料のペーストを所定のパターンで塗布し、乾燥後に焼成することによって固体電解質層を容易に形成することができる。ペーストの塗布には、例えば、スクリーン印刷法などの印刷法を有利に使用することができる。具体的には、導電性メッシュで支持されたアノード層及びカソード層を形成した後、それらの層の少なくとも一方の層の表面に固体電解質材料のペーストを所定のパターンで印刷し、積層後に乾燥及び焼成することによって固体電解質層を形成することができる。なお、ここで使用するアノード層及びカソード層は、それぞれ、未焼成の状態のものであり、固体電解質層の形成のための焼成工程で一括して焼成することが推奨される。このようなグリーンシートプロセスを採用することで、燃料電池セルの製造プロセスを飛躍的に短縮し、生産性を向上させ、製造コストの低減を図ることができるからである。
また、アノード層は、本発明の実施において特に限定されるものではなく、例えば、次のような公知の材料から形成することができる。
ａ）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。
ｂ）導電性酸化物を主成分（５０〜９９重量％）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）。
ｃ）上記ａ）及びｂ）の材料に、白金族元素からなる金属又はその酸化物を１〜１０重量％程度配合したもの。
上記した材料のなかで、ｂ）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あるいは発電不能、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、上記した材料に白金族元素からなる金属、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。
アノード層は、上記したように導電性メッシュによって支持されていること以外に、多孔質体として形成することが好ましい。アノード層は、導電性メッシュで支持されているために、耐熱衝撃性が高く、急激な温度変化によってもひび割れを生じることがないけれども、多孔性を付与することでその効果がさらに改善される。多孔質の固体電解質層の気孔率は、いろいろに変更することができるけれども、通常、約１０〜６０％であることが好ましく、さらに好ましくは、約２０〜４０％である。
また、アノード層の厚さ（導電性メッシュの厚さを含む）は、いろいろに変更することができるけれども、基本的には、固体電解質層の厚さよりも大である。アノード層の厚さは、通常、約６０〜２００μｍであり、好ましくは約８０〜１２０μｍである。アノード層が薄すぎると、導電性メッシュの存在によって集電効果を得、集電材の使用量を低減することができるにもかかわらず、アノード層本来の機能を得ることができなくなり、不十分なアノード反応の結果として出力の低下などの問題が引き起こされる。
アノード層は、薄膜、フィルム等の形成に慣用されている任意の技法を使用して形成することができる。例えば、所望の形態及び寸法をもった導電性メッシュを作製するかもしくは市販品から入手した後、アノード層形成性のペーストを所定のパターンで導電性メッシュの表面に塗布し、乾燥後に焼成することによってアノード層を容易に形成することができる。ペーストの塗布には、例えば、スクリーン印刷法などの印刷法を有利に使用することができる。なお、アノード層は、アノード層形成性ペーストを所定のパターンで印刷し、必要に応じて乾燥した後、その表面にさらに固体電解質材料のペーストを所定のパターンで印刷し、最後に未焼成のアノード層、固体電解質層及びカソード層を一括して焼成することで有利に製造することができる。上記したように、このようなグリーンシートプロセスは、燃料電池セルの製造プロセスを飛躍的に短縮するなどの注目すべき効果を導くからである。
上記したアノード層と同様に、カソード層は、本発明の実施において特に限定されるものではなく、例えば、公知の材料、例えばストロンチウム（Ｓｒ）が添加されたランタン等の周期律表第３族元素のマンガン酸化合物（例えば、ランタンストロンチウムマンガナイト）、コバルト酸化合物（例えば、ランタンストロンチウムコバルタイト、サマリウムストロンチウムコバルタイト）、ガリウム酸化合物などから形成することができる。
カソード層は、上記したように導電性メッシュによって支持されていること以外に、多孔質体として形成することが好ましい。カソード層は、導電性メッシュで支持されているために、耐熱衝撃性が高く、急激な温度変化によってもひび割れを生じることがないけれども、多孔性を付与することでその効果がさらに改善される。多孔質の固体電解質層の気孔率は、いろいろに変更することができるけれども、通常、約１０〜６０％であることが好ましく、さらに好ましくは、約２０〜４０％である。
また、カソード層の厚さ（導電性メッシュの厚さを含む）は、いろいろに変更することができるけれども、基本的には、固体電解質層の厚さよりも大である。カソード層の厚さは、通常、約６０〜２００μｍであり、好ましくは約８０〜１２０μｍである。カソード層が薄すぎると、導電性メッシュの存在によって集電効果を得、集電材の使用量を低減することができるにもかかわらず、カソード層本来の機能を得ることができなくなり、不十分なカソード反応の結果として出力の低下などの問題が引き起こされる。
カソード層は、薄膜、フィルム等の形成に慣用されている任意の技法を使用して形成することができる。例えば、所望の形態及び寸法をもった導電性メッシュを作製するかもしくは市販品から入手した後、カソード層形成性のペーストを所定のパターンで導電性メッシュの表面に塗布し、乾燥後に焼成することによってカソード層を容易に形成することができる。ペーストの塗布には、例えば、スクリーン印刷法などの印刷法を有利に使用することができる。なお、カソード層は、上記したアノード層と同様に、カソード層形成性ペーストを所定のパターンで印刷し、必要に応じて乾燥した後、その表面にさらに固体電解質材料のペーストを所定のパターンで印刷し、最後に未焼成のアノード層、固体電解質層及びカソード層を一括して焼成することで有利に製造することができる。上記したように、このようなグリーンシートプロセスは、燃料電池セルの製造プロセスを飛躍的に短縮するなどの注目すべき効果を導くからである。
さらに加えて、本発明の燃料電池では、燃料電池セルを単一の部材から完成してもよく、２個もしくはそれ以上の小さな部材を組み合わせて完成してもよい。すなわち、本発明の好ましい１態様において、燃料電池セルは、固体電解質層と、導電性メッシュ付きのアノード層と、導電性メッシュ付きのカソード層とを含む単一のセル部材から形成することができる。単一のセル部材から燃料電池セルの構成及び製造は、上記した説明から容易に理解することができるであろう。
本発明のもう１つの好ましい態様によると、燃料電池セルは、縦方向、横方向又は縦横両方向に分割して配置された、それぞれ固体電解質層と、導電性メッシュ付きのアノード層と、導電性メッシュ付きのカソード層とを含む複数個の区画セル部材の組み合わせからなることができる。かかる燃料電池セルの場合、それぞれの区画セル部材を相互に直列もしくは並列に電気的に接続して、目的とする燃料電池セルを完成することができる。
本発明の実施においては、隣接して配置された複数個の区画セル部材を直列もしくは並列に接続する場合、いろいろな方法で有利に実現することができる。例えば、ある区画セル部材のアノード層の導電性メッシュと、該区画セル部材に隣接する別の区画セル部材のカソード層の導電性メッシュとを、前記区画セル部材間の間隙を通過して延長して配置された導電性メッシュ（接続手段として）を介して有利に接続することができる。ここで、接続手段とした使用される導電性メッシュは、アノード層の導電性メッシュであってもよく、カソード層の導電性メッシュであってもよく、あるいはそれらの導電性メッシュとは異なる第３の導電性メッシュであってもよい。なお、導電性メッシュは、アノード層の導電性メッシュ、カソード層の導電性メッシュ及び接続手段としての導電性メッシュの３者が共通の形態及び寸法を有していることが、例えば加工性、製造コストなどの面から有利である。導電性メッシュどうしの接続は、導電性メッシュの材質などに応じて任意の結合方法を使用することができる。例えば、導電性メッシュが金属メッシュからなる場合、スポット溶接法などを有利に使用することができる。
上記したような構成を有する本発明の燃料電池セルは、いろいろなタイプの燃料電池に使用することができるけれども、本発明の実施に有利な燃料電池は、燃料電池セルを火炎の内部もしくはその近傍に配置してその火炎にさらして発電を行う直接火炎型燃料電池と、燃料電池セルをガス燃料と酸素もしくは酸素含有ガスとの混合燃料ガス雰囲気中に配置して、アノード層とカソード層の間で発生する電位差に基づいて発電を行うシングルチャンバ型燃料電池である。
最初に、燃料電池セルを固体燃料、液体燃料又はガス燃料の燃焼によって発生せしめられた火炎の内部もしくは火炎の近傍に配置してその火炎にさらして発電を行う直接火炎型燃料電池について説明する。ここで、「火炎の近傍」とは、使用する燃料に由来する火炎が燃料電池セルに均一に接触し、所期の発電を実現できるような位置関係を意味している。例えばガス燃料を使用する場合には、ガスバーナーの先端部が燃料電池セル、特にそのアノード層に近い位置にあり、燃焼口から放出された火炎が燃料電池セルに均一に接触し、所期の発電を実現できることを意味している。
例えば、本発明の実施に好適な固体燃料は、燃料として一般的に使用されているいろいろな燃料を包含する。適当な固体燃料の一例を示すと、木質材、バイオマス資源、パラフィン系固体燃料、アルコール系固形燃料などがあり、これらの燃料は、単独で使用してもよく、２種類以上の燃料を混合して使用してもよい。また、固体燃料は、いろいろな形態で使用することができ、例えば、ブロック、チップ、ペレット、粉末などがある。ウッドペレットなどは、安価であり、リサイクル性もあるので、本発明の実施に好適な固体燃料である。さらに、必要ならば、固体燃料の燃焼を補助するため、任意の液体燃料を補助的に組み合わせて使用してもよい。
また、本発明の実施に好適な液体燃料は、以下に列挙するものに限定されるわけではないけれども、例えばブタン、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、あるいはアセトン等のケトンなどである。これらの液体燃料も、必要ならば、混合して使用してもよい。
さらに、本発明の実施に好適なガス燃料は、以下に列挙するものに限定されるわけではないけれども、例えば、メタン、エタン、プロパン、ブタン等の炭化水素系ガスなどである。これらのガス燃料は、通常単独で使用されるけれども、必要ならば、２種類以上のガスを混合して使用してもよい。とりわけ、炭化水素系ガスがガス燃料として好適である。これらのガス燃料は、ガスボンベ、液化ガス容器、都市ガスラインなどから燃料電池に供給することができ、燃料電池に付属の燃焼器具、例えばガスバーナーで燃焼させることができる。
さらに、上述のような燃料の燃焼に由来する火炎は、拡散炎でも予混炎でもよいけれども、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。
本発明の燃料電池において、上記したような燃料は、燃焼室の任意の位置に配置して燃焼させることができる。例えば、燃焼室の底部に固体燃料や液体燃料を配置して燃焼させることができる。また、ガス燃料を使用する場合には、燃焼室の底部にノズルやバーナーを配置して燃焼させてもよく、さもなければ燃焼室の頂部にノズルやバーナーを下向きに配置して燃焼させてもよい。
また、燃料電池セルも、燃焼室の任意の位置に配置して発電を実施することができる。一般的には、燃焼室の火炎の内部もしくはその上方に燃料電池セルを配置するか、さもなければ燃焼室の側面に燃料電池セルを配置することができる。また、有利なことには、燃焼室を筒状体の形態とし、燃料電池セルによって燃焼室の室壁（側壁）を規定することができる。この場合、燃焼室の室壁そのものが燃料電池セルであってもよく、さもなければ例えばステンレス鋼などからできた室壁に燃料電池セルを貼り付けたり取り付けたりしてもよい。
本発明の実施において、燃料を燃焼させて火炎を生じさせる燃焼室が上述のように筒状体の形態を有していることが有利である。ここで、「筒状体」とは、通常円筒体の形をいうけれども、燃料電池のデザイン、用途などの面から必要であるならば、立方体やその他の形の筒状体であってもよい。基本的に、かかる筒状体は、燃焼時に発生する排気ガスの廃熱を有効利用する目的などを考慮すると、上部が開放された構造を有することが好ましい。上部開口は、燃焼室が円筒体であれば、円形である。
また、本発明においては、燃焼室が従来の燃料電池のように単なる燃焼室として機能するのではなくて、その燃焼室の室壁をもって燃料電池の心臓部とも言うべき「燃料電池セル」が規定されていることが有利である。燃料電池セルは、上記したように、導電性メッシュ付きのアノード層と、導電性メッシュ付きのカソード層と、これらの電極層にサンドイッチされて保持された薄膜状の固体電解質層とから構成される。本発明に従い燃料電池セルをもって燃焼室の室壁を構成することで、今までに予想されなかったいろいろな作用や効果を期待することができる。例えば、燃焼室の室壁のほぼ全体に燃料電池セルを配置した構造を採用することで、起電時間を短縮でき、構造を簡略化し、装置の小型化、低コスト化を達成できることは言うまでもなく、さらには、火炎と燃料電池セルの間のアノード反応を非常に効率よく実施できるという効果がある。燃料電池セルのアノード層に火炎をむらなく接触させ、火炎中に存在する炭化水素、水素、ラジカル（ＯＨ、ＣＨ、Ｃ2、Ｏ2Ｈ、ＣＨ3等）などを効率よく利用することができるからである。
さらに、本発明の実施において、燃焼室の室壁が、従来の燃料電池に一般的に採用されている単一壁構造の代わりに、層間において空気の流通を可能ならしめる間隙が形成された少なくとも２層の複合壁構造を有するように構成するのが有利である。このような複合壁構造を採用した場合、燃焼室の室壁を構成する複数の壁のうち燃焼室に接する最内層の壁が少なくとも本発明の燃料電池セルからなることが好ましい。また、本発明の燃料電池の場合、室壁が２層以上の複合構造を有しているので、室壁を構成する最外層の壁の外部に存在する新鮮な空気を、隣接する壁の間に形成された空気案内路を通過させ、加熱した後に燃焼室に供給することができる。
燃焼室の複合壁構造についてさらに説明すると、本発明の燃料電池の場合、燃焼室に接する最内層の壁が少なくとも燃料電池セルからなることが好ましく、また、所望ならば、内側から数えて第２、第３、…の層（壁）も、燃料電池セルからなってもよい。いずれにしても、かかる複合壁構造の場合、隣接した壁の間には、外部から導入されてきた空気の流通を可能ならしめるのに十分なサイズの間隙をもった空気案内路が形成されていることが必要であり、このように構成したことによって、空気案内路を通過する間に空気が徐々に加温されて燃焼室の送り込まれるので、燃焼室内に冷たい空気が直接的に送り込まれ、燃料電池セルを急冷するという不都合を回避するとともに、予備加熱された空気をカソード反応に有利に利用することができる。
本発明による燃料電池において、燃料電池セルを燃焼室の室壁で使用する場合、その燃焼室を本発明の範囲内でいろいろに変更し、燃料電池の構造、性能などを改善することができる。例えば、燃焼室は、燃料の燃焼に関与し、かつアノード層に供給される空気を十分に取り入れ可能とするため、任意の位置に１個もしくはそれ以上の空気供給口を備えてもよい。空気供給口は、通常、燃焼室（筒状体）の室壁の下端部に設けることが好ましい。
また、燃焼室の室壁は、上記のような空気供給口を備えるばかりでなく、空気の供給を補助するため、１個もしくはそれ以上の空気侵入孔又はスリットを有していてもよい。例えば、空気侵入孔は、室壁の任意の位置に複数個の細孔を間隔をあけて貫通させることによって形成することができる。同様に、スリットも、室壁の任意の位置に複数個の細長い切り欠き部を間隔をあけて切削することによって形成することができる。また、燃料電池セルを複数個の区画セル部材の組み合わせから構成する場合、相隣れる区画セル部材間の間隙をスリットとして利用することもできる。
さらに、燃焼室に対する空気の供給を補助し、特に常に新鮮な空気が供給されるようにするため、燃焼室に送気機構、例えば空気ファン、ブロアなどを装備するのが好ましい。送気機構は、空気の強制的な供給を保証するため、空気取り入れ口の近傍に配置することが好ましい。
さらにまた、上記した燃料電池セルを規定する燃焼室の室壁は、その室壁や底壁を取り囲んだ筒状の断熱壁をさらに有していてもよい。断熱壁は、いろいろな断熱材から任意の厚さで形成することができ、燃焼室の外壁に固着材で貼り付けたり、機械的手段で取り付けたりすることができる。適当な断熱材として、例えば、グラスウールなどを挙げることができる。
上記したように、本発明による燃料電池は、燃料電池セルをガス燃料と酸素もしくは酸素含有ガスとの混合燃料ガス雰囲気中に配置して、アノード層とカソード層の間で発生する電位差に基づいて発電を行うシングルチャンバ型燃料電池であってもよい。かかるシングルチャンバ型燃料電池も、上記した直接火炎型燃料電池と同様に、いろいろな形態で有利に実施することができる。特に、シングルチャンバ型燃料電池において、燃料電池セルの複数個が１つのチャンバ内に積層して多層セル構造体の形で収容されており、かつ互いに隣接するアノード層とカソード層とが直接接合されていることが好ましい。
１つの好ましい態様に従うと、燃料電池セルが、それぞれの燃料電池セルのアノード層及びカソード層が混合燃料ガスの流動方向に対して平行となるようにチャンバ内に収容されており、カソード層及びアノード層の各々が、混合燃料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り、かつ固体電解質層が、混合燃料ガスが実質的に通過することのない緻密構造を有している。
また、もう１つの好ましい態様に従うと、燃料電池用セルが、それぞれの燃料電池セルのアノード層及びカソード層が混合燃料ガスの流動方向に対して直角となるようにチャンバ内に収容されており、アノード層、カソード層及び固体電解質層の各々が、混合燃料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。
さらに、上記したような多層燃料電池セルを有する燃料電池において、チャンバ内の多層燃料電池セルを除く空間部に充填物を充填し、充填物間の間隙を、発火限界内にある混合燃料ガスが存在していても発火し得ない間隙とすることにより、混合燃料ガスの防爆を図ることが有利である。すなわち、メタン等の燃料ガス及び酸素を含む混合燃料ガスや排ガスの給排口が形成されたチャンバ内に燃料電池セルが収容された燃料電池において、チャンバ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チャンバ内の空間部に充填物が充填され、充填物間の間隙が、燃料電池を駆動した際に、その空間部内に発火限界内の混合燃料ガスが存在しても発火し得ない間隙であることが好ましい。
この燃料電池では、チャンバ内の空間部に充填した充填物の間隙を、燃料電池を駆動した際に、その空間部の混合燃料ガスの消炎距離よりも狭くすることにより、空間部内で混合燃料ガスの発火を確実に防止できる。さらに、充填物間の最大間隙を、燃料電池を駆動した際に、空間部内の混合燃料ガスの爆轟を防止し得る消炎直径以下とすることにより、空間部内で混合燃料ガスが発火しても爆轟を防止できる。また、燃料電池用セルを収容した収容部に加熱手段を設け、充填物を充填した空間部に冷却手段を設けることによって、空間部の防爆作用を更に向上できる。なお、適当な充填物としては、例えば、燃料電池の駆動条件で安定な金属材料又はセラミック材料からなる粉粒体、多孔体又は細管を挙げることができる。
また、この燃料電池では、上述のように、複数個の燃料電池セルを互いに隣接するアノード層とカソード層とを直接接合するように積層して形成した多層燃料電池セルを使用することによって、所望とする高電圧を取り出すことができる。また、この多層燃料電池セルを、そのそれぞれの燃料電池セルのアノード層及びカソード層を混合燃料ガスの流動方向に対して平行となるようにチャンバ内に配置する場合には、カソード層及びアノード層の各々を、混合燃料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し、固体電解質層を、混合燃料ガスが実質的に通過することのない緻密構造とすることができる。一方、多層燃料電池セルを、そのそれぞれの燃料電池セルのアノード層及びカソード層を混合燃料ガスの流動方向に対して直角に配置する場合には、アノード層、カソード層及び固体電解質層の各々を、混合燃料ガスが通過し得る多数の微細孔が形成された多孔質層することにより、混合燃料ガスが多層燃料電池セルを通過でき、他の通路を形成することを要しない。
燃料電池を上記のように構成すれば、したがって、チャンバの燃料電池セルを除く空間部の防爆を図ることができ、混合燃料ガスの燃料の炭化が発生しない程度に、混合燃料ガス中の酸素濃度を増加すること、換言すると、燃料濃度を低下させることができる。その結果、混合燃料ガス中の燃料の炭化が進行することに起因する電池性能の低下を防止できる。
さらに加えて、本発明による燃料電池は、単一の燃料電池のみからなってもよく、さもなければ、それぞれ本発明の燃料電池として機能することのできる２個もしくはそれ以上の燃料電池ユニットの組み合わせからなってもよい。特に本発明の燃料電池は、複数個の燃料電池ユニットを組み合わせることで、所定のサイズにおいて出力の増加などを容易に達成することができる。
本発明の燃料電池は、それを複数個の燃料電池ユニットの組み合わせから構成する場合、いろいろな組み合わせで実施することができる。例えば、複数個の燃料電池ユニットを１個のケーシング内に一括して並べて配置することができる。組み合わせて使用する複数個の燃料電池ユニットは、それぞれ、同一の形状、構成及び寸法を有していてもよく、さもなければ、互いに異なる形状、構成及び寸法を有していてもよい。もちろん、所望であるあらならば、いろいろな燃料電池ユニットを任意に組み合わせて、かつ任意の配置パターンで使用してもよい。また、複数個の燃料電池ユニットをケーシングに収納して使用することは一例であり、例えば共通の基板に固定して使用することなど、その他の手法で使用してもよい。
本発明による燃料電池は、小型・軽量、低価格であり、メンテナンスが容易であるので、いろいろな分野において有利に製造することができる。例えば、本発明の燃料電池は、ＬＥＤの点灯、ＬＣＤの表示、携帯ラジオ又は携帯情報機器の駆動などに使用することができる。また、非常・停電時、野外活動中などの電源として使用することも可能である。
引き続いて、本発明の燃料電池を添付の図面を参照して説明する。なお、図示の燃料電池は一例であって、当業者に容易に理解されるように、本発明の範囲内で構造、寸法等をいろいろに変更可能である。なお、燃料電池を構成する部材の形成に好適な材料などの説明は、すでに上記してあるので、ここでの説明を省略する。
図１は、本発明による固体電解質型燃料電池の好ましい１形態を示した正面図（燃料電池セルのみ断面図）であり、図２は、図１に示した燃料電池セルの拡大断面図であり、図３は、図２に示した燃料電池セルの平面図である（図２は、図３の線分II−IIに沿った断面図である）。
図１及び図２を参照して説明すると、本発明の燃料電池１０は、単一の平板状燃料電池セル（本発明では、「セル部材」ともいう）５を備える。燃料電池セル５は、固体電解質層１と、固体電解質層１の火炎側の面に形成されたアノード層２と、固体電解質層１のアノード層２とは反対側の面に形成されたカソード層３とからなる。また、以下に詳細に説明するけれども、アノード層２は、導電性メッシュ（本例では、金属メッシュ）２Ｍによって支持されており、また、カソード層３は、金属メッシュ３Ｍによって支持されている。燃料電池セル５は、図示されるように、ガスバーナー１６からの火炎６にアノード層２を向けた状態で、火炎６の内部かもしくは火炎６の近傍に配設して発電を行う。燃料電池セル５で発電された電力は、アノード層２の金属メッシュ２Ｍとカソード層３の金属メッシュ３Ｍからそれぞれ引き出されたリード線（図示せず）によって取り出される。リード線としては、耐熱性を考慮して、白金もしくはその合金のワイヤを有利に使用することができる。
図示の燃料電池１０の場合、燃料電池セル５が平板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できる。さらに、アノード層２を火炎側に向けて配置すると、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なるので有利である。また、燃料電池セルが平板状であると、図１に示すように火炎を完全に遮断することができるので、アノード層２を火炎側に向けた状態で、カソード層３を大気中に露出することができる。これにより、カソード層３は大気中の酸素を利用しやすくなる。
また、燃料電池セル５は、火炎の内部もしくは火炎の近傍に配置されるけれども、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よく利用でき、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。
図２及び図３を参照すると、アノード層２は、金属メッシュ２Ｍによって支持されるとともに、その一辺がアノード層領域から領域外に延在し、露出している。同様に、カソード層３は、金属メッシュ３Ｍによって支持されるとともに、その一辺がカソード層領域から領域外に延在し、露出している。このようなタブの形の露出領域は、上記したようにリード線を接続したり、以下に詳細に説明するけれども、複数個の燃料電池セル（セル区画部材）どうしを接続したりするのに有用である。
図４にカソード層３を参照して説明するように、本発明の燃料電池セルの場合、アノード層及びカソード層のそれぞれにおいて、金属メッシュをいろいろな形で電極領域外に延在させて露出領域を形成することができる。例えば、図４（Ａ）に示すように、矩形のカソード層３において、その相対する２辺から金属メッシュ３Ｍを延在させて露出領域を形成することができる。また、図４（Ｂ）に示すように、カソード層３において、その隣接する２辺から金属メッシュ３Ｍを延在させて露出領域を形成してもよい。さらに、図４（Ｃ）に示すように、カソード層３において、その隣接する３辺から金属メッシュ３Ｍを延在させて露出領域を形成してもよい。さもなければ、図４（Ｄ）に示すように、カソード層３において、その４辺のすべてから金属メッシュ３Ｍを延在させて露出領域を形成してもよい。
図５は、本発明の燃料電池で使用される燃料電池セルのもう１つの好ましい形態を示した断面図である。図１〜図３の燃料電池では、単一の燃料電池セルの使用について説明した。しかし、燃料電池セルは、必要ならば、図５に示すように、２個もしくはそれ以上の部材に分割して、複数個の区画セル部材の組み合わせの形で構成してもよい。この場合、それぞれの区画セル部材は、燃料電池セルとして機能させるため、図示されるように相互に電気的に接続することが必要である。
さらに詳しく述べると、図５では、合計４個の区画セル部材から燃料電池セルを構成した場合に、それぞれの区画セル部材を相互に接続する方法を説明したものである。なお、それぞれの図面において、説明の簡略化のために区画セル部材を平板の形で示してあるけれども、前記したように燃焼室を筒状体とする場合には、その筒状体を形成するのに十分なように湾曲した形に加工することが推奨される。
燃料電池セル５は、図示されるように、複数個の区画セル部材Ｃ1、Ｃ2、…をそれぞれ独立したものとして構成するとともに、アノード層及びカソード層をそれぞれ同一の材料からなる金属メッシュで支持し、かつ隣接する区画セル部材のアノード層（金属メッシュ）とカソード層（金属メッシュ）を区画セル部材の間隙に通した同じく同一の材料からなる金属メッシュで接続している。
すなわち、燃料電池セル５は、複数個の区画セル部材Ｃ1、Ｃ2、…から構成される。また、それぞれの区画セル部材は、固体電解質層と、金属メッシュ付きのアノード層と、金属メッシュ付きのカソード層とを有している。例えば区画セル部材Ｃ1を参照すると、固体電解質層１1の片面に金属メッシュ２Ｍ1で支持されたアノード層２1があり、他方の面に金属メッシュ３Ｍ1で支持されたカソード層３1がある。この区画セル部材Ｃ1の金属メッシュ２Ｍ1と、その隣りの区画セル部材Ｃ2の金属メッシュ３Ｍ ２ とを、それらの金属メッシュどうし（図では、便宜上、参照番号２４で示す）を介して接続する。すなわち、金属メッシュ２Ｍ1及び３Ｍ1の先端どうしを例えばスポット溶接によって接続する。なお、金属メッシュ２４は、区画セル部材Ｃ1及びＣ2の間の隙間（スリット）１５を案内される。このようにして複数個の区画セル部材Ｃ1、Ｃ2、…が直列に接続され、また、最初に配置された区画セル部材Ｃ1のカソード層３1と、最後に配置された区画セル部材のアノード層には、それぞれリード線Ｗ1とリード線Ｗ2が接続される。
図６は、本発明の燃料電池で使用される燃料電池セルのさらにもう１つの好ましい形態を示した断面図である。図示の燃料電池セル５は、アノード層はアノード層どうしで直列に接続され、かつカソード層はカソード層どうしで直列に接続されている相違点を除いて、図５を参照して上記した燃料電池セルに同じである。理解されるように、本発明の燃料電池は、複数個の区画セル部材から燃料電池セルを構成することで、設計の自由度が広がる、等の効果を得ることができる。
上記したように、本発明の燃料電池において、燃焼室を筒状体の形で形成し、その室壁を燃料電池セルに規定することによって発電効率の向上、装置の小型化、軽量化などを図ることができる。図７は、かかる実施形態の一例を示した斜視図である。説明の簡略化のために固体電解質層、アノード層及びカソード層の構成を省略しているけれども、図示の燃料電池セル５は、円筒形であり、この内部で燃料を燃焼させ、発電を実施する。
燃焼室を筒状体の形に形成する場合において、燃焼室の室壁を構成する燃料電池セルにいろいろな改良を加えることができる。例えば、所望ならば、燃焼室の室壁の下部領域に複数個の空気侵入孔を形成してもよい。室壁に空気侵入孔を備えることによって、燃料の燃焼に関与し、かつアノード層に供給される空気をより効率的に燃焼室に送り込むことができる。また、空気侵入孔に代えて、あるいはそれに組み合わせて、１本もしくはそれ以上のスリットを室壁に設けてもよい。例えば、室壁の任意の位置に縦長のスリットを切り込むことができる。
図８は、円筒形燃料電池セルのいまひとつの改良を示している。説明の簡略化のために固体電解質層、アノード層及びカソード層の構成を省略しているが、図示の燃料電池セル５は、それを縦方向に４分割し、区画セル部材５1、５2、５3及び５4から構成している。それぞれの区画セル部材は、図示しないが、先に図５を参照して説明した接続方法でアノード層とカソード層を相互に接続することができる。すなわち、接続手段は、アノード層及びカソード層のそれぞれを支持し、かつ相隣れる区画セル部材の間に形成された間隙（スリット）１５に通された金属メッシュである。また、間隙１５は、燃焼室に対する空気侵入口としても機能することができる。
図８を参照した上記の説明から理解できるように、区画セル部材は、縦方向に室壁を分割した形で形成されてもよく、横方向に分割した形で形成されてもよく、さもなければ、縦横両方向に分割した形で形成されてもよい。また、それぞれの区画セル部材は、相互に直列に接続されてもよく、あるいは並列に接続されてもよい。
図９は、図８の燃料電池セルをより具体的に説明するためのものであり、複数個の区画セル部材を、上記したようにリング状に配置して燃料電池セル５を完成した状態を示す断面図である。すなわち、隣接する区画セル部材間の接続部分を１８０°の平面ではなく、多少の角度を付けることで、区画セル部材の集合体（燃料電池セル）を全体として円筒状の配置構造とすることができる。
すなわち、本例の場合、燃料電池セルを複数個の区画セル部材Ｃ1、Ｃ2、…から構成するとともに、それぞれの区画セル部材を固体電解質層と、金属メッシュ付きのアノード層と、金属メッシュ付きのカソード層とから構成する。また、アノード層及びカソード層のそれぞれを支持した金属メッシュの先端どうしを隣接する区画セル部材の間に形成された間隙で突き合わせ、スポット溶接で接合する。具体的には、例えば区画セル部材Ｃ1の場合、固体電解質層１1の片面に金属メッシュ２Ｍ1で支持されたアノード層２1を形成し、他方の面に金属メッシュ３Ｍ1で支持されたカソード層３1を形成する。次いで、この区画セル部材Ｃ1の金属メッシュ２Ｍ1と、その隣りの区画セル部材Ｃ2の金属メッシュ３Ｍ ２ とを先端どうしで突き合わせ、スポット溶接で接合し、接続する。このようにして複数個の区画セル部材Ｃ1、Ｃ2、…が直列に接続され、また、最初に配置された区画セル部材Ｃ1のカソード層３1と、最後に配置された区画セル部材のアノード層には、それぞれリード線Ｗ1とリード線Ｗ2が接続される。
なお、図９に示す例では、円筒状の円周方向の部分で単一の区画セル部材を順次直列に接続しているが、円筒状の軸方向の部分で複数個の区画セル部材を配置し、それらの一部あるいはすべてを並列に接続するようにしてもよい。
図１０は、本発明による直接火炎型燃料電池の好ましい１形態を示した断面図である。図示の燃料電池１０の場合、燃料として固体燃料（木質材のペレット）２６を使用し、その燃焼によって生成した火炎６の上方に本発明による燃料電池セル５が水平に配置されている。燃料電池セル５は、先に図１〜図３を参照して詳細に説明したように、固体電解質層１と、その片面に形成された金属メッシュ２Ｍで支持されたアノード層２と、固体電解質層１の他方の面に形成された金属メッシュ３Ｍで支持されたカソード層３とから構成される。
図示の燃料電池１０は、アルミナセラミックなどの耐熱性材料から室壁１２が形成された燃焼室を備える。また、燃焼室の下部には、直接火炎型燃料電池でしばしば使用されている火格子の代りとして、多孔質部材２２が充填されている。さらに、燃焼室の室壁１２の上部外周には、加熱手段であるヒータ２３が設けられている。そして、燃料電池セル５は、そのアノード層２が下側になるように、燃焼室の上方の開口に配置されている。
固体燃料２６は、耐熱性の燃焼室内で多孔質部材２２の上に置かれて収納されている。ヒータ２３で固体燃料２６を加熱するとともに、燃焼室内に多孔質部材２２を介して空気を供給する。例えば、固体燃料２６に対して、適切量に調整された空気を供給しつつ、ヒータ２３を駆動して、５００℃程度まで加熱する。そして、固体燃料２６から発生した揮発性化合物を燃焼させて火炎６を生成し、この火炎６が燃料電池セル５のアノード層２にラジカル成分を供給する。
上述のように、固体燃料を収納した燃焼室の外周に加熱手段を設け、さらには適切な量に調整された空気が燃焼室内に供給されるように構成することで、固体燃料を改質するための大掛かりな装置を必要せず、固体燃料から燃焼できる揮発性化合物を有効に取り出すことができる。そのため、この揮発性化合物を燃焼させた火炎を燃料電池セルにさらすことができるので、燃料電池セルに供給されるラジカル成分の量を増加させ、燃料電池の発電量を増大することができる。
図１１は、本発明による直接火炎型燃料電池のもう１つの好ましい形態を示した断面図である。図示されるように、燃料電池１０は、単一の円筒形燃料電池セル５をもって燃焼室１１の室壁１２を構成している。燃料電池セル５は、本発明に従い、固体電解質層１と、固体電解質層１の燃焼室側の面に形成された金属メッシュ付きのアノード層２と、固体電解質層１のアノード層２とは反対側の面に形成された金属メッシュ付きのカソード層３とからなる。ここで、燃焼室１１は、円筒体であるけれども、所望ならば、立方体などであってもよい。
また、燃焼室１１は、その底面に鋳鉄製の火格子１７が取り付けられている。火格子１７は、固体燃料（図示の例では、木質材のペレット）２６を保持するとともに、外部の新鮮な空気を空気供給口１８を介して燃焼室１１に送り込むことができる。なお、図示の例では、固体燃料の灰を取り出しやすくするために横方向に長円形状の開口を有する空気供給口１８を備えているけれども、その他の形状の空気供給口であってもよい。固体燃料２６を燃焼させると、火炎６が発生し、その火炎が燃料電池セル５のアノード層２に接触する。その結果、火炎６に由来するアノード反応よって発電が行なわれる。
図１２及び図１３は、それぞれ、本発明によるシングルチャンバ型燃料電池の好ましい１形態を示した断面図である。
図１２に示した燃料電池１０は、それぞれ固体電解質層を含む４個の燃料電池セルＣ1、…、Ｃ4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。例えば燃料電池セルＣ1を参照して説明すると、燃料電池セルＣ1は、本発明に従い、固体電解質層１1と、固体電解質層１1の片面に形成された金属メッシュ２Ｍ1付きのアノード層２1と、固体電解質層１1のアノード層２1とは反対側の面に形成された金属メッシュ３Ｍ1付きのカソード層３1とからなる。また、燃料電池セルＣ1、…、Ｃ4は、セラミック製のチャンバ３０内に積層して収納される。さらに、チャンバ内であって、これらの燃料電池セルの両端部に形成された空間部には、充填物（セラミック粉粒体）３３及び３４が密封される。さらに、チャンバ３０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３１及び排ガスの排出配管３２が設けられる。チャンバ３０内の混合燃料ガスや排ガスが流動する空間部に充填物３３及び３４が適宜の間隔で充填されているので、燃料電池を駆動したとき、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。
また、図１３に示した燃料電池１０は、その基本的構成は図１２に示したシングルチャンバ型燃料電池１０と同様であるが、それぞれ固体電解質層を含む５個の燃料電池セルＣ1、…、Ｃ5が、混合燃料ガスの流れに対して直交してチャンバ３０の軸方向に積層された構造になっている。この燃料電池の場合にも、図１２の燃料電池と同様に、混合燃料ガスの発火を防止することができる。なお、図１２及び図１３に示した燃料電池の構成は、それぞれの燃料電池セルを本発明に従い変更した違いを除いて、基本的には特開２００３−９２１２４号公報に記載されている構成を利用することができる。
直接火炎型燃料電池の製造
縦：約１５ｍｍ、横：約１０ｍｍ及び厚さ：約１００μｍを有する矩形のステンレス鋼製金網（ＳＵＳ３０４、４００メッシュ）を用意し、その表面にカソード形成材料のペーストを縦：約１０ｍｍ及び横：約１０ｍｍの矩形でスクリーン印刷した。ここで使用したペーストは、ＳＳＣ（サマリウムストロンチウムコバルタイト：Ｓｍ0.5Ｓｒ0.5ＣоＯ3）−ＳＤＣ（サマリアドープドセリア：Ｃｅ0.8Ｓｍ0.2Ｏ19）混合ペースト（組成比：５０重量％−５０重量％）であった。印刷後、十分に乾燥したところ、約１８０μｍの厚さをもったカソードメッシュが得られた。
一方、上記と同じ材料及びサイズのステンレス鋼製金網の表面にアノード形成材料のペーストを縦：約１０ｍｍ及び横：約１０ｍｍの矩形でスクリーン印刷した。ここで使用したペーストは、ＮｉＯ−ＳＤＣ混合ペースト（組成比：６０重量％−４０重量％）であった。印刷後、十分に乾燥したところ、約１８０μｍの厚さをもったアノードメッシュが得られた。
その後、固体電解質層を形成するため、乾燥後のカソードメッシュの表面（ペースト塗布領域）に、ＳＳＣ（サマリウムストロンチウムコバルタイト：Ｓｍ0.5Ｓｒ0.5ＣоＯ3）−ＳＤＣ（サマリアドープドセリア：Ｃｅ0.8Ｓｍ0.2Ｏ19）混合ペースト（組成比：１０重量％−９０重量％）を縦：約１０ｍｍ及び横：約１０ｍｍの矩形で上記カソード面が完全に覆れるようにスクリーン印刷し、乾燥した。次いで、乾燥後の固体電解質ペーストの上にいま一度、上記と同じＳＳＣ−ＳＤＣ混合ペーストをスクリーン印刷し、乾燥した。乾燥後の固体電解質層の厚さは、約７０μｍであった。
引き続いて、固体電解質層を形成した後のカソードメッシュの上に、そのペースト塗布領域に位置合わせして、乾燥後のアノードメッシュを貼り合せ、再び乾燥した。乾燥後、得られたカソードメッシュ−アノードメッシュ集合体を焼成炉に入れ、大気中で約９００℃の温度で約３時間にわたって焼成した。図２及び図３に模式的に示したような燃料電池セルが得られた。
得られた燃料電池セルをアルコールランプの火炎の上に配置し、燃料電池セルのアノード層に火炎をほぼ均一にかつ連続してかざした。この状態で燃料電池セルの発電挙動を調査した結果、開回路電圧は約０．５Ｖであり、短絡電流は約１３０ｍＡであり、しかも安定であることが確認された。これらの測定結果から、本例の燃料電池は、安定して電力供給できるということがわかる。
本発明による直接火炎型燃料電池の好ましい１形態を示した側面図である。 図１に示した燃料電池の燃料電池セルの拡大断面図である。 図２に示した燃料電池セルの平面図である。 本発明の燃料電池で使用される燃料電池セルの好ましい形態を示した平面図である。 本発明の燃料電池で使用される燃料電池セルのもう１つの好ましい形態を示した断面図である。 本発明の燃料電池で使用される燃料電池セルのさらにもう１つの好ましい形態を示した断面図である。 本発明の燃料電池で使用される円筒形燃料電池セルの好ましい１形態を示した斜視図である。 本発明の燃料電池で使用される円筒形燃料電池セルのもう１つの好ましい形態を示した斜視図である。 複数個の区画セル部材の組み合わせによって形成された円筒形燃料電池セルの好ましい１形態を示した断面図である。 本発明による直接火炎型燃料電池のもう１つの好ましい形態を示した断面図である。 本発明による直接火炎型燃料電池のさらにもう１つの好ましい形態を示した断面図である。 本発明によるシングルチャンバ型燃料電池の好ましい１形態を示した断面図である。 本発明によるシングルチャンバ型燃料電池のもう１つの好ましい形態を示した断面図である。 従来のシングルチャンバ型燃料電池の一例を示した断面図である。 従来の直接火炎型燃料電池の一例を示した斜視図である。
符号の説明
１ 固体電解質層
２ アノード層
３ カソード層
５ 燃料電池セル
６ 火炎
８ 空気侵入孔
１０ 燃料電池
１１ 燃焼室
１２ 燃焼室の室壁
１５ スリット（間隙）
１６ ガスバーナー
１７ 火格子
１８ 空気供給口
２４ 導電性メッシュ（露出領域）
２６ 固体燃料
Ｍ 導電性メッシュ
Ｃ 区画セル部材

Claims (12)

  1. 燃料電池セルを含む固体電解質型燃料電池であって、
    該燃料電池は、前記燃料電池セルを固体燃料、液体燃料又はガス燃料の燃焼によって発生せしめられた火炎の内部もしくは火炎の近傍に配置してその火炎にさらして発電を行う直接火炎型燃料電池であり、
    前記燃料電池セルは、導電性メッシュ及び該メッシュに担持されたアノード形成材料からなるアノード層と、
    導電性メッシュ及び該メッシュに担持されたカソード形成材料からなるカソード層と、
    前記アノード層と前記カソード層の間に配置され、かつそれらの層によって支持された薄膜状の固体電解質層とから形成され、かつ前記導電性メッシュが、それによって担持されたアノード層又はカソード層の領域から層外に延在した露出領域をさらに有しており、
    筒状体の形態をした燃焼室を備え、
    前記燃料電池セルを複数個の区画セル部材の組み合わせから構成し、ある区画セル部材のアノード層の導電性メッシュと、該区画セル部材に隣接する別の区画セル部材のカソード層の導電性メッシュとを、前記区画セル部材間の間隙を通過して延長して配置された前記アノード層及び（又は）前記カソード層の導電性メッシュを介して接続することで、該燃料電池セルによって前記燃焼室の室壁を規定している、固体電解質型燃料電池。
  2. 前記導電性メッシュが、金属材料のメッシュ、炭素質材料のメッシュ又はその組み合わせであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
  3. 前記金属材料が、白金、鉄、銅、ニッケル、チタンもしくはその合金、ステンレス鋼、ニクロム、モネル、ハステロイ又はインコネルであることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
  4. 前記炭素質材料が、カーボン繊維又はグラファイト繊維であることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
  5. 前記導電性メッシュが、８０〜５００メッシュの目合いを有していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池。
  6. 前記導電性メッシュが、０．０２〜２．００ｍｍの線径を有していることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池。
  7. 前記導電性メッシュの厚さが、それによって担持されたアノード層又はカソード層の厚さと比較して、それぞれの層の全厚の少なくとも３０％を占めることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池。
  8. 前記導電性メッシュが、５０〜３００μｍの厚さを有していることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池。
  9. 前記アノード層及びカソード層がそれぞれ矩形の平面を有しており、その四辺の少なくとも一辺から前記導電性メッシュが層外に延在していることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の燃料電池。
  10. 前記固体電解質層が、多孔質であり、かつその気孔率が１０〜６０％であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の燃料電池。
  11. 前記固体電解質層の厚さが、前記アノード層又はカソード層の厚さと比較して、それぞれの層の全厚よりも小さいことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の燃料電池。
  12. 前記燃料電池が、それぞれが燃料電池として機能する２個もしくはそれ以上の燃料電池ユニットの組み合わせからなることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の燃料電池。
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