JP5664188B2 - Fuel cell module - Google Patents

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Description

本発明は、複数の固体酸化物型燃料電池を用いて電力を発生させる燃料電池モジュール及びこれを含んだ燃料電池発電システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell module that generates electric power using a plurality of solid oxide fuel cells and a fuel cell power generation system including the same.

熱、振動、電磁波等、様々な形態で環境中に存在するエネルギーを電力に変換するエネルギーハーベスティングという手法がある。これまで利用が考えられてこなかったガスコンロやろうそく、ライター等のように、家庭やレジャーで使用される炎には、未燃焼の可燃性ガスが残存している。このため、これらの炎は、安定的に供給される高熱の燃料源と考えることができる。エネルギーハーベスティングは、このような炎を燃料源として電力を得ることができる。エネルギーハーベスティングは、高効率を求めるのではなく、これまで使用できずに捨てられていた熱エネルギーを電気エネルギーとして少しでも取り出して使用し、エネルギーの有効活用を図ることができるという点で有利である。   There is a technique called energy harvesting that converts energy existing in the environment in various forms such as heat, vibration, electromagnetic waves, etc. into electric power. Unburned combustible gas remains in flames used at home and leisure, such as gas stoves, candles and lighters that have not been considered for use. For this reason, these flames can be considered as a high-heat fuel source that is stably supplied. Energy harvesting can obtain electric power using such a flame as a fuel source. Energy harvesting is advantageous in that it does not require high efficiency, but can extract and use as much of the heat energy that has been discarded because it could not be used so far as electrical energy, so that it can be used effectively. is there.

炎の熱を利用するのであれば、熱電素子による発電も可能である。しかし、熱電素子は、原理上温度勾配が必要であるため、小型化が難しいという問題がある。これに対し、固体酸化物型燃料電池は、温度勾配は不要であるため、小型化が可能である。また、固体酸化物型燃料電池はエネルギー効率が高く、また、貴金属を使用しなくとも動作可能なため、低コストで製造できるといった利点もある。   If the heat of the flame is used, power generation by a thermoelectric element is also possible. However, a thermoelectric element has a problem that it is difficult to reduce the size because a temperature gradient is necessary in principle. On the other hand, since the solid oxide fuel cell does not require a temperature gradient, it can be miniaturized. In addition, the solid oxide fuel cell has high energy efficiency and can be operated without using a noble metal, so that it can be manufactured at a low cost.

固体酸化物型燃料電池が発電する際には、燃料及び酸素が必要である。燃料は、未燃焼の可燃性ガスが残存している炎の中にあり、その近傍には酸素を十分に含む新鮮な空気が存在している。このため、炎を利用した固体酸化物型燃料電池による小型の発電システムは有効であると考えられる。例えば、特許文献１には、固体酸化物型燃料電池を利用した発電装置が記載されている。   When a solid oxide fuel cell generates electricity, fuel and oxygen are required. The fuel is in a flame in which unburned combustible gas remains, and there is fresh air sufficiently containing oxygen in the vicinity thereof. For this reason, it is considered that a small power generation system using a solid oxide fuel cell using a flame is effective. For example, Patent Document 1 describes a power generation device using a solid oxide fuel cell.

特開２００７−０２６９４２号公報JP 2007-026942 A

特許文献１に記載された発電装置は、直接火炎を利用した平板型の固体酸化物型燃料電池素子による発電装置であり、素子を複数組み合わせ、リード線で素子を任意の傾斜角で支持するものである。しかし、特許文献１の発電装置は、素子と炎との距離や、素子の配列形状を変更することはできず、一度設置した後は、炎の形状の変化に対応しにくく発電効率を低下させる場合があった。また、炎を発生する機器（ガスコンロやバーナー）等が変更された場合、変更された機器に対応させて発電することが困難であった。   The power generation device described in Patent Document 1 is a power generation device using a flat solid oxide fuel cell element using a direct flame, and is a combination of a plurality of elements and supports the element at an arbitrary inclination angle with a lead wire. It is. However, the power generation device of Patent Document 1 cannot change the distance between the element and the flame or the arrangement shape of the elements, and once installed, it is difficult to cope with the change in the shape of the flame and decreases the power generation efficiency. There was a case. In addition, when a device that generates a flame (gas stove or burner) or the like is changed, it is difficult to generate power corresponding to the changed device.

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、炎の形状の変化に合わせて固体酸化物型燃料電池の配置を適切に変更し効率のよい発電を行うこと、炎を発生する機器が変更された場合、変更された機器に容易に対応させて発電できること、の少なくとも１つを実現することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above, and it is possible to appropriately change the arrangement of a solid oxide fuel cell in accordance with a change in the shape of a flame to perform efficient power generation, and a device that generates a flame. It is an object of the present invention to realize at least one of being able to easily generate power corresponding to the changed device when changed.

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る燃料電池モジュールは、複数のアノードと複数のカソードとが、固体電解質を介して交互に積層されて一体化された複数の固体酸化物型燃料電池と、前記複数の固体酸化物型燃料電池を、相互の位置関係を互いに変更できるように支持する支持構造体と、を含むことを特徴とする。   In order to solve the above-described problems and achieve the object, a fuel cell module according to the present invention includes a plurality of solid bodies in which a plurality of anodes and a plurality of cathodes are alternately stacked through a solid electrolyte. It includes an oxide fuel cell, and a support structure that supports the plurality of solid oxide fuel cells so that mutual positional relations can be mutually changed.

本発明の望ましい態様として、前記支持構造体は、複数の棒状の部材がそれぞれの両端部で回動できるように連結された構造体であり、それぞれの前記固体酸化物型燃料電池は、前記棒状の部材同士が連結された部分に取り付けられることが好ましい。   As a desirable mode of the present invention, the support structure is a structure in which a plurality of rod-shaped members are connected so as to be rotatable at both ends, and each of the solid oxide fuel cells has the rod-shaped structure. It is preferable to be attached to a portion where the members are connected.

本発明の望ましい態様として、前記支持構造体は、フレキシブルチューブであり、それぞれの前記固体酸化物型燃料電池は、前記フレキシブルチューブに取り付けられることが好ましい。   As a desirable aspect of the present invention, it is preferable that the support structure is a flexible tube, and each of the solid oxide fuel cells is attached to the flexible tube.

本発明の望ましい態様として、前記支持構造体は、耐熱性を有する材料の長尺の網であり、それぞれの前記固体酸化物型燃料電池は、前記網に取り付けられることが好ましい。   As a desirable mode of the present invention, it is preferable that the support structure is a long net of a material having heat resistance, and each solid oxide fuel cell is attached to the net.

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る燃料電池発電システムは、前記燃料電池モジュールの固体酸化物型燃料電池が発電した電力を蓄える蓄電手段を含むことを特徴とする。   In order to solve the above-described problems and achieve the object, a fuel cell power generation system according to the present invention includes power storage means for storing electric power generated by a solid oxide fuel cell of the fuel cell module. .

本発明は、炎の形状の変化に合わせて固体酸化物型燃料電池の配置を適切に変更し効率のよい発電を行うこと、炎を発生する機器が変更された場合、変更された機器に容易に対応させて発電できること、の少なくとも１つを実現することができる。   According to the present invention, the arrangement of the solid oxide fuel cell is appropriately changed in accordance with the change in the shape of the flame to perform efficient power generation, and when the device generating the flame is changed, the changed device can be easily changed. It is possible to realize at least one of the ability to generate power corresponding to the above.

図１は、燃料電池の概略図である。FIG. 1 is a schematic view of a fuel cell. 図２は、燃料電池を用いて炎から電力を得る場合の概念図である。FIG. 2 is a conceptual diagram in the case where electric power is obtained from a flame using a fuel cell. 図３は、本実施形態に係る燃料電池モジュールを含む燃料電池発電システムの説明図である。FIG. 3 is an explanatory diagram of a fuel cell power generation system including the fuel cell module according to the present embodiment. 図４は、図３に示す燃料電池発電システムにおけるＳＯＦＣの接続例を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing an example of SOFC connection in the fuel cell power generation system shown in FIG. 図５は、本実施形態に係る燃料電池モジュールの支持構造体の構造を示す図である。FIG. 5 is a view showing the structure of the support structure of the fuel cell module according to this embodiment. 図６は、支持構造体の連結構造の説明図である。FIG. 6 is an explanatory diagram of the connection structure of the support structure. 図７は、支持構造体の連結構造の説明図である。FIG. 7 is an explanatory diagram of the connection structure of the support structure. 図８は、支持構造体の連結部の一例を示す図である。FIG. 8 is a diagram illustrating an example of a connecting portion of the support structure. 図９は、本実施形態の変形例に係る燃料電池モジュールを示す図である。FIG. 9 is a view showing a fuel cell module according to a modification of the present embodiment. 図１０は、本実施形態の変形例に係る燃料電池モジュールの使用態様を示す図である。FIG. 10 is a diagram illustrating a usage mode of the fuel cell module according to a modification of the present embodiment. 図１１は、本実施形態の変形例に係る支持構造体の端部の一例を示す図である。FIG. 11 is a diagram illustrating an example of an end portion of a support structure according to a modification of the present embodiment. 図１２は、本実施形態の変形例に係る燃料電池モジュールを示す図である。FIG. 12 is a view showing a fuel cell module according to a modification of the present embodiment. 図１３は、本実施形態に係るＳＯＦＣの構造を示す断面図である。FIG. 13 is a cross-sectional view showing the structure of the SOFC according to this embodiment. 図１４は、本実施形態に係るＳＯＦＣの製造方法の工程を示すフローチャートである。FIG. 14 is a flowchart showing the steps of the SOFC manufacturing method according to this embodiment. 図１５は、本実施形態に係るＳＯＦＣの製造方法の説明図である。FIG. 15 is an explanatory diagram of the SOFC manufacturing method according to this embodiment. 図１６は、本実施形態に係るＳＯＦＣの製造方法の説明図である。FIG. 16 is an explanatory diagram of the SOFC manufacturing method according to this embodiment. 図１７は、本実施形態に係るＳＯＦＣの製造方法の説明図である。FIG. 17 is an explanatory diagram of the SOFC manufacturing method according to this embodiment. 図１８は、本実施形態に係るＳＯＦＣの製造方法の説明図である。FIG. 18 is an explanatory diagram of the SOFC manufacturing method according to this embodiment. 図１９は、本実施形態に係るＳＯＦＣの製造方法の説明図である。FIG. 19 is an explanatory diagram of the SOFC manufacturing method according to this embodiment. 図２０は、本実施形態に係るＳＯＦＣの製造方法の説明図である。FIG. 20 is an explanatory diagram of the SOFC manufacturing method according to this embodiment. 図２１は、本実施形態に係るＳＯＦＣの製造方法の説明図である。FIG. 21 is an explanatory diagram of the SOFC manufacturing method according to this embodiment. 図２２は、本実施形態に係るＳＯＦＣの製造方法の説明図である。FIG. 22 is an explanatory diagram of the SOFC manufacturing method according to the present embodiment. 図２３は、本実施形態に係るＳＯＦＣの製造方法の説明図である。FIG. 23 is an explanatory diagram of the SOFC manufacturing method according to this embodiment.

以下、本発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、下記の発明を実施するための形態（以下実施形態という）により本発明が限定されるものではない。また、下記の実施形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。さらに、下記の実施形態における構成要素は適宜組み合わせることが可能である。   Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, this invention is not limited by the form (henceforth embodiment) for implementing the following invention. In addition, constituent elements in the following embodiments include those that can be easily assumed by those skilled in the art, those that are substantially the same, and those in a so-called equivalent range. Furthermore, the constituent elements in the following embodiments can be appropriately combined.

図１は、燃料電池の概略図である。図１を用いて、燃料電池の一般的な動作原理を説明する。本実施形態で対象とする燃料電池は固体酸化物型燃料電池（以下、必要に応じてＳＯＦＣ（Solid Oxide Fuel Cell）という）である。燃料電池ＦＣは、水の電気分解とは逆に燃料中の水素と空気中の酸素を電気化学的に反応させ、燃料のもつ化学的なエネルギーを直接電気エネルギーに変換する発電装置である。カソード（空気極）Ｃａでは、酸素（空気）Ａが外部回路から電子ｅ−を受け取り、酸素イオンＯ２−となって電解質Ｅを伝ってアノード（燃料極）Ａｎへ移動する。アノードＡｎでは、酸素イオンＯ２−と外部から供給された燃料Ｆ（水素Ｈ２）とが反応して、２個の電子ｅ−を電極へ送り出す。この電子ｅ−は、負荷Ｌを通って反対側のカソードＣａに流れる。そして、水素Ｈ２は、負の電荷を帯びた酸素イオンＯ２−と結合し、水となる。これを化学式で示せば、
カソード：１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｏ２−
アノード：Ｏ２−＋Ｈ２→Ｈ２Ｏ＋２ｅ−
全体：１／２Ｏ２＋Ｈ２→Ｈ２Ｏ
となる。電子ｅ−の流れる方向と反対方向に電流Ｉが流れる。 FIG. 1 is a schematic view of a fuel cell. The general operating principle of the fuel cell will be described with reference to FIG. The target fuel cell in this embodiment is a solid oxide fuel cell (hereinafter referred to as SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) as required). The fuel cell FC is a power generator that converts hydrogen in fuel and oxygen in the air electrochemically to convert the chemical energy of the fuel directly into electric energy, contrary to the electrolysis of water. In the cathode (air electrode) Ca, oxygen (air) A receives electrons e − from an external circuit, becomes oxygen ions O 2− , travels through the electrolyte E, and moves to the anode (fuel electrode) An. In the anode An, the oxygen ion O 2− and the fuel F (hydrogen H 2 ) supplied from the outside react to send out two electrons e − to the electrode. The electrons e − flow through the load L to the opposite cathode Ca. The hydrogen H 2 is combined with negatively charged oxygen ions O 2− and becomes water. If this is expressed in chemical formula,
Cathode: 1 / 2O 2 + 2e − → O 2−
Anode: O 2− + H 2 → H 2 O + 2e −
Overall: 1 / 2O 2 + H 2 → H 2 O
It becomes. A current I flows in a direction opposite to the direction in which the electrons e − flow.

図２は、燃料電池を用いて炎から電力を得る場合の概念図である。ガスバーナー等の炎は単なる高熱の場ではなく、未燃焼の可燃性ガスが残存している場であるため、安定して供給される高熱の燃料ガス源と考えることができる。燃料電池ＦＣは、発電する際に燃料Ｆ及び酸素Ａが必要であるが、燃料Ｆは炎の中にあり、その近傍には酸素Ａを十分に含む新鮮な空気が存在している。このため、ガスバーナー等の炎を燃料源として発電を行うことができる。この場合、図２に示すように、燃料電池ＦＣのアノードＡｎを炎ＦＬ内に配置し（特に、内芯部が好ましい）、カソードＣａを炎ＦＬの外部に配置する。このようにすることで、燃料電池ＦＣのアノードＡｎは、炎ＦＬから燃料Ｆの供給を受け、カソードＣａは外部の空気から酸素Ａの供給を受けて発電する。   FIG. 2 is a conceptual diagram in the case where electric power is obtained from a flame using a fuel cell. A flame such as a gas burner is not a mere high heat field, but a field where unburned combustible gas remains, and can be considered as a high-heat fuel gas source that is stably supplied. The fuel cell FC requires fuel F and oxygen A when generating power, but the fuel F is in a flame, and fresh air containing oxygen A is present in the vicinity thereof. For this reason, power generation can be performed using a flame such as a gas burner as a fuel source. In this case, as shown in FIG. 2, the anode An of the fuel cell FC is disposed in the flame FL (in particular, the inner core is preferable), and the cathode Ca is disposed outside the flame FL. By doing in this way, anode An of fuel cell FC receives supply of fuel F from flame FL, and cathode Ca receives supply of oxygen A from outside air, and generates electricity.

本実施形態においては、燃料電池ＦＣは固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）を用いる。ＳＯＦＣは、発電効率が高いという特徴がある。ＳＯＦＣは、電流を十分に取り出すためには電極有効面積の増加及び固体電解質の薄層化が必要とされている。本実施形態に係るＳＯＦＣは、単位体積あたりの電極有効面積を従来の平板型及び円筒型のＳＯＦＣと比較して大きくすることにより、大きな電流を取り出そうとするものである。このため、本実施形態に係るＳＯＦＣは、電極（アノード又はカソード）と固体電解質とを交互に積層して一体とした積層構造とすることにより、単位体積あたりの電極有効面積を増加させて発電効率を向上させるとともに、小型化を図るものである。次に、本実施形態に係るＳＯＦＣを組み合わせた燃料電池モジュール及びこの燃料電池モジュールを用いた燃料電池発電システムについて説明する。   In the present embodiment, the fuel cell FC uses a solid oxide fuel cell (SOFC). SOFC is characterized by high power generation efficiency. SOFCs require an increase in electrode effective area and a thin solid electrolyte in order to sufficiently extract current. The SOFC according to this embodiment attempts to extract a large current by increasing the electrode effective area per unit volume as compared with the conventional flat plate type and cylindrical type SOFC. For this reason, the SOFC according to the present embodiment has a laminated structure in which electrodes (anodes or cathodes) and solid electrolytes are alternately laminated to have an integrated laminated structure, thereby increasing the electrode effective area per unit volume and generating efficiency. This is intended to improve the size and reduce the size. Next, a fuel cell module combined with SOFC and a fuel cell power generation system using this fuel cell module according to the present embodiment will be described.

図３は、本実施形態に係る燃料電池モジュールを含む燃料電池発電システムの説明図である。図３に示すように、燃料電池モジュール２０は、複数のアノードと複数のカソードとが、固体電解質を介して交互に積層されて一体化された複数のＳＯＦＣ１と、複数のＳＯＦＣ１を、相互の位置関係を互いに変更できるように支持する支持構造体２０Ｓとを含んでいる。ＳＯＦＣ１は、上述した構造とすることにより、小型化を図りつつ発電効率を向上させることができるので、ガスバーナー等の炎を燃料源として発電を行うことに適している。ＳＯＦＣ１の構造については後述する。   FIG. 3 is an explanatory diagram of a fuel cell power generation system including the fuel cell module according to the present embodiment. As shown in FIG. 3, the fuel cell module 20 includes a plurality of SOFCs 1 in which a plurality of anodes and a plurality of cathodes are alternately stacked via a solid electrolyte and integrated, and a plurality of SOFCs 1 are positioned relative to each other. It includes a support structure 20S that supports the relationship so that the relationship can be changed. Since the SOFC 1 has the above-described structure, the power generation efficiency can be improved while achieving a reduction in size. Therefore, the SOFC 1 is suitable for generating power using a flame such as a gas burner as a fuel source. The structure of the SOFC 1 will be described later.

支持構造体２０Ｓは、複数の棒状の部材（棒状部材２１）がそれぞれの両端部で回動できるように連結された構造体であり、それぞれのＳＯＦＣ１は、棒状部材２１同士が連結された部分（連結部分２２）に取り付けられる。本実施形態では、ＳＯＦＣ１は、複数の連結部分２２に対して１個おきにＳＯＦＣ１が取り付けられる。このような構造により、燃料電池モジュール２０は、隣接する棒状部材２１同士の角度を調整することによって、複数のＳＯＦＣ１の相互の位置関係を互いに変更することができるので、ＳＯＦＣ１同士の角度、ＳＯＦＣ１同士の距離を容易に調整することができる。   The support structure 20S is a structure in which a plurality of rod-shaped members (bar-shaped members 21) are connected so as to be rotatable at both ends, and each SOFC 1 is a portion where the rod-shaped members 21 are connected to each other ( It is attached to the connecting part 22). In the present embodiment, every other SOFC 1 is attached to a plurality of connecting portions 22. With such a structure, the fuel cell module 20 can change the mutual positional relationship between the plurality of SOFCs 1 by adjusting the angle between the adjacent rod-shaped members 21. Can be easily adjusted.

図３に示す例は、支持構造体２０Ｓは複数の棒状部材２１を環状に組み合わせ、複数のＳＯＦＣ１が環状となった支持構造体２０Ｓの内側になるようにしている。そして、支持構造体２０Ｓは、例えば、ガスコンロ１１０の周りを取り囲むように複数のＳＯＦＣ１を配置している。支持構造体２０Ｓは、隣接する棒状部材２１同士の角度を調整することによって、複数のＳＯＦＣ１の相互の位置関係を互いに変更して、ガスコンロ１１０の炎とＳＯＦＣ１のアノードとの距離を調節することができる。このようにして、支持構造体２０Ｓは、ＳＯＦＣ１のアノードが炎の内芯部に当たるように、かつカソードが炎の外部に配置されるようにそれぞれのＳＯＦＣ１の位置を調整することができる。   In the example shown in FIG. 3, the support structure 20 </ b> S is formed by combining a plurality of rod-like members 21 in an annular shape so that the plurality of SOFCs 1 are located inside the support structure 20 </ b> S in an annular shape. In the support structure 20S, for example, a plurality of SOFCs 1 are arranged so as to surround the gas stove 110. The support structure 20S can adjust the distance between the flame of the gas stove 110 and the anode of the SOFC 1 by changing the mutual positional relationship between the plurality of SOFCs 1 by adjusting the angle between the adjacent rod-shaped members 21. it can. In this manner, the support structure 20S can adjust the position of each SOFC 1 so that the anode of the SOFC 1 hits the inner core of the flame and the cathode is disposed outside the flame.

ガスバーナー等の炎を燃料源として発電を行う場合、炎とアノード及びカソードとの位置関係がずれると発電効率が低下するが、燃料電池モジュール２０は、上述した構造により、複数のＳＯＦＣ１について、相互の位置関係を互いに変更できるので、ＳＯＦＣ１と炎との位置関係を適切な状態に設定し、その状態を維持できる。このため、燃料電池モジュール２０は、炎の燃焼状態が変化した場合でも支持構造体２０Ｓを動かすことにより、炎との関係が適切になるようにＳＯＦＣ１と炎との距離及び姿勢を調整することができる。その結果、燃料電池モジュール２０は、炎の燃焼状態が変化した場合でも、炎の形状に合わせて固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）の配置を適切に変更し、効率のよい発電ができる。このように、燃料電池モジュール２０は、炎を燃料源とした発電において、発電効率の低下を抑制できる。   When power generation is performed using a flame such as a gas burner as a fuel source, the power generation efficiency decreases if the positional relationship between the flame and the anode and the cathode is shifted. Since the positional relationship between the SOFC 1 and the flame can be set to an appropriate state, the state can be maintained. Therefore, the fuel cell module 20 can adjust the distance and posture between the SOFC 1 and the flame so that the relationship with the flame becomes appropriate by moving the support structure 20S even when the combustion state of the flame changes. it can. As a result, even when the combustion state of the flame changes, the fuel cell module 20 can appropriately change the arrangement of the solid oxide fuel cell (SOFC) in accordance with the shape of the flame and perform efficient power generation. Thus, the fuel cell module 20 can suppress a decrease in power generation efficiency in power generation using flame as a fuel source.

燃料電池モジュール２０を用いた燃料電池発電システム８０は、燃料電池モジュール２０が発電した電力を、導線５２、充電装置５０及び導線５３を介して蓄電手段である二次電池５１に導く。そして、二次電池５１に蓄えられた電力を利用する。蓄電手段は、二次電池５１に限定されるものではなく、キャパシタ等を用いてもよい。二次電池５１は、例えば、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池等を用いることができ、特定の二次電池に限定されるものではない。一般に、炎はその形が安定しないため、ＳＯＦＣ１からの出力は不安定になる傾向がある。このため、燃料電池発電システム８０は、燃料電池モジュール２０と蓄電手段とを組み合わせ、燃料電池モジュール２０が発電した電力を蓄電手段に一旦蓄えてから電力供給対象（例えば、電気、電子機器や充電が必要な二次電池等）に供給する。このようにすることで、燃料電池発電システム８０は、炎をＳＯＦＣ１の燃料源とした場合でも、安定して電力を供給することができるので、利便性が向上する。   The fuel cell power generation system 80 using the fuel cell module 20 guides the electric power generated by the fuel cell module 20 to the secondary battery 51 which is a power storage unit through the conductive wire 52, the charging device 50 and the conductive wire 53. And the electric power stored in the secondary battery 51 is utilized. The power storage means is not limited to the secondary battery 51, and a capacitor or the like may be used. As the secondary battery 51, for example, a lithium ion battery, a nickel metal hydride battery, or the like can be used, and the secondary battery 51 is not limited to a specific secondary battery. In general, since the shape of a flame is not stable, the output from the SOFC 1 tends to be unstable. For this reason, the fuel cell power generation system 80 combines the fuel cell module 20 and the power storage means, and once the power generated by the fuel cell module 20 is stored in the power storage means, the power supply target (for example, electricity, electronic equipment or charging is performed) To supply necessary secondary batteries). By doing so, the fuel cell power generation system 80 can supply power stably even when the flame is the fuel source of the SOFC 1, and convenience is improved.

図４は、図３に示す燃料電池発電システムにおけるＳＯＦＣの接続例を示す図である。同図に示すように、例えば、燃料電池モジュール２０は、５個のＳＯＦＣ１を直列接続して１つのユニットとし、３ユニットを並列に接続したものである。ＳＯＦＣ１の接続やユニットの組み合わせにより燃料電池モジュール２０の端子電圧を任意に調整することができる。燃料電池発電システム８０は、このような燃料電池モジュール２０から充電装置５０を介して二次電池５１に電力を蓄える。ＳＯＦＣ１同士は耐熱性及び耐酸化性を有しており、導電性の高い金属線（例えば、白金等）によって互いに接続されている。   FIG. 4 is a diagram showing an example of SOFC connection in the fuel cell power generation system shown in FIG. As shown in the figure, for example, the fuel cell module 20 is formed by connecting five SOFCs 1 in series to form one unit and connecting three units in parallel. The terminal voltage of the fuel cell module 20 can be arbitrarily adjusted by connecting the SOFC 1 or combining units. The fuel cell power generation system 80 stores power from the fuel cell module 20 to the secondary battery 51 via the charging device 50. The SOFCs 1 have heat resistance and oxidation resistance, and are connected to each other by a highly conductive metal wire (for example, platinum).

図５は、本実施形態に係る燃料電池モジュールの支持構造体の構造を示す図である。図６、図７は、支持構造体の連結構造の説明図である。図６、図７に示すように、棒状部材２１は、板状の部材であり、長手方向における両端部をそれぞれ連結部分２２で連結されている。棒状部材２１は、例えば、金属板を用いて製造される。本実施形態では、耐熱合金（インコネル、ハステロイ、ステライト等）が用いられる。図６に示すように、棒状部材２１は、端部に孔２１Ｈを有する。そして、２つの棒状部材２１のそれぞれの孔２１Ｈに連結具２３が取り付けられて、２つの棒状部材２１が図５に示す回転軸Ｓを中心として互いに回動できるように両者が連結される。連結具２３と２つの孔２１Ｈとが連結部分２２となる。例えば、３１個の棒状部材２１を組み合わせることで、３０個の連結部分２２が得られる。   FIG. 5 is a view showing the structure of the support structure of the fuel cell module according to this embodiment. 6 and 7 are explanatory diagrams of the connection structure of the support structure. As shown in FIGS. 6 and 7, the rod-like member 21 is a plate-like member, and both end portions in the longitudinal direction are connected by connecting portions 22. The rod-shaped member 21 is manufactured using, for example, a metal plate. In the present embodiment, a heat-resistant alloy (Inconel, Hastelloy, Stellite, etc.) is used. As shown in FIG. 6, the rod-shaped member 21 has a hole 21H at the end. And the coupling tool 23 is attached to each hole 21H of the two rod-shaped members 21, and both are coupled so that the two rod-shaped members 21 can be rotated around the rotation axis S shown in FIG. The connecting tool 23 and the two holes 21 </ b> H serve as the connecting portion 22. For example, 30 connecting portions 22 can be obtained by combining 31 rod-shaped members 21.

図５に示すように、ＳＯＦＣ１は、連結部分２２の一つおきに配置される。ＳＯＦＣ１は、連結具２３に耐熱合金の支持体２４を介して取り付けられる。支持体２４は、例えばガラスあるいはアロンセラミック等の絶縁物で連結具２３に固定され、ＳＯＦＣ１は、支持体２４に、例えばガラスあるいはアロンセラミック等の絶縁物で固定される。支持体２４は、例えば、人間の力で変形させることができるものであり、例えば、耐熱合金の針金が用いられる。このように、支持体２４を変形させるようにすることで、燃料電池モジュール２０は、ＳＯＦＣ１と炎との距離を調整することができる。また、炎を発生する機器等の種類に応じて、燃料源となる炎の形態（配置、大きさ等）が変化した場合でも、支持構造体２０Ｓを調整することによって、ＳＯＦＣ１と炎との位置関係を適切に調整可能であるので、効率のよい発電が可能である。このため、燃料電池モジュール２０は、様々な炎を発生する機器や炎の種類に柔軟かつ容易に対応して、炎から電力を発生させる（発電する）ことができる。   As shown in FIG. 5, the SOFC 1 is disposed at every other connecting portion 22. The SOFC 1 is attached to the connector 23 via a support 24 made of a heat resistant alloy. The support 24 is fixed to the connector 23 with an insulator such as glass or Aron ceramic, and the SOFC 1 is fixed to the support 24 with an insulator such as glass or Aron ceramic. The support 24 can be deformed by human force, for example, and a heat-resistant alloy wire is used, for example. In this way, by deforming the support 24, the fuel cell module 20 can adjust the distance between the SOFC 1 and the flame. Moreover, even when the form (arrangement, size, etc.) of the flame that becomes the fuel source changes according to the type of the device that generates the flame, the position of the SOFC 1 and the flame is adjusted by adjusting the support structure 20S. Since the relationship can be adjusted appropriately, efficient power generation is possible. For this reason, the fuel cell module 20 can generate electric power (generate electric power) from the flame in a flexible and easy manner corresponding to various flame-generating devices and flame types.

図６に示すように、連結具２３は、孔２１Ｈの内径よりも外径が小さいシャフト２３Ｓと、シャフト２３Ｓの両端部に取り付けられる、孔２１Ｈの内径よりも外径が大きい頭部２３Ｈとを含む。シャフト２３Ｓが２つの棒状部材２１の孔２１Ｈに挿入され、シャフト２３Ｓの両端部に頭部２３Ｈが取り付けられることにより、２つの棒状部材２１は互いに回動できるように連結される。このような連結具２３としては、例えば、リベットが挙げられる。また、連結具２３は、ボルトとナットとであってもよい。   As shown in FIG. 6, the connector 23 includes a shaft 23S having an outer diameter smaller than the inner diameter of the hole 21H, and a head 23H attached to both ends of the shaft 23S and having an outer diameter larger than the inner diameter of the hole 21H. Including. The shaft 23S is inserted into the holes 21H of the two rod-shaped members 21, and the heads 23H are attached to both ends of the shaft 23S, so that the two rod-shaped members 21 are connected so as to be able to rotate with respect to each other. As such a connection tool 23, a rivet is mentioned, for example. Further, the connector 23 may be a bolt and a nut.

本実施形態においては、例えば、連結具２３のシャフト２３Ｓの線膨張係数を棒状部材２１の線膨張係数よりも大きくする。図７に示すように、シャフト２３Ｓを棒状部材２１の孔２１Ｈに挿入するときには、シャフト２３Ｓの外径ｄよりも孔２１Ｈの内径Ｄの方を大きくしておく。炎の熱でシャフト２３Ｓ及び棒状部材２１の温度が上昇した場合には、シャフト２３Ｓの膨張の方が孔２１Ｈの膨張よりも大きくなるので、シャフト２３Ｓの外径ｄが孔２１Ｈの内径Ｄに近づき、隙間が小さくなるので動きにくくなる。このため、シャフト２３Ｓと隣接する棒状部材２１とが固定される。その結果、燃料電池モジュール２０の使用時には、隣接する棒状部材２１同士が固定されるので、ＳＯＦＣ１と炎との位置関係をより確実に維持できる。燃料電池モジュール２０の使用が終了し、シャフト２３Ｓ及び棒状部材２１の温度が低下した場合には、孔２１Ｈの内径Ｄよりもシャフト２３Ｓの外径ｄの方が小さくなって、シャフト２３Ｓと棒状部材２１との固定が解除される。   In the present embodiment, for example, the linear expansion coefficient of the shaft 23 </ b> S of the connector 23 is made larger than the linear expansion coefficient of the rod-shaped member 21. As shown in FIG. 7, when the shaft 23S is inserted into the hole 21H of the rod-shaped member 21, the inner diameter D of the hole 21H is made larger than the outer diameter d of the shaft 23S. When the temperature of the shaft 23S and the rod-shaped member 21 rises due to the heat of the flame, the expansion of the shaft 23S becomes larger than the expansion of the hole 21H, so that the outer diameter d of the shaft 23S approaches the inner diameter D of the hole 21H. Because the gap is small, it becomes difficult to move. For this reason, the shaft 23S and the adjacent rod-shaped member 21 are fixed. As a result, when the fuel cell module 20 is used, the adjacent rod-shaped members 21 are fixed to each other, so that the positional relationship between the SOFC 1 and the flame can be more reliably maintained. When the use of the fuel cell module 20 ends and the temperature of the shaft 23S and the rod-shaped member 21 decreases, the outer diameter d of the shaft 23S becomes smaller than the inner diameter D of the hole 21H, and the shaft 23S and the rod-shaped member 21 is released.

また、棒状部材２１の線膨張係数を連結具２３のシャフト２３Ｓの線膨張係数よりも大きくする。そして、シャフト２３Ｓを棒状部材２１の孔２１Ｈに挿入するときには、シャフト２３Ｓの外径ｄよりも孔２１Ｈの内径Ｄの方を大きくするとともに、２つの頭部２３Ｈ間の距離、すなわちシャフト長さｈを棒状部材２１の厚みＨの２倍よりもやや大きくしておく。炎の熱でシャフト２３Ｓ及び棒状部材２１の温度が上昇した場合には、棒状部材２１の厚みＨの増加の方がシャフト２３Ｓの伸びよりも大きくなるので、２つの棒状部材２１の厚み２×Ｈが、シャフト長さｈに近づき、隙間が小さくなる。このため、シャフト２３Ｓと隣接する棒状部材２１とが固定される。その結果、燃料電池モジュール２０の使用時には、隣接する棒状部材２１同士が固定されるので、ＳＯＦＣ１と炎との位置関係をより確実に維持できる。燃料電池モジュール２０の使用が終了し、シャフト２３Ｓ及び棒状部材２１の温度が低下した場合には、２つの棒状部材２１の厚み２×Ｈの方が、シャフト長さｈよりも小さくなって、シャフト２３Ｓと棒状部材２１との固定が解除される。このように、棒状部材２１の線膨張係数と連結具２３のシャフト２３Ｓの線膨張係数とを異ならせておくことで、燃料電池モジュール２０の使用時には棒状部材２１同士を固定し、使用しないときには棒状部材２１同士の固定を解除することができる。   Further, the linear expansion coefficient of the rod-shaped member 21 is made larger than the linear expansion coefficient of the shaft 23S of the connector 23. When the shaft 23S is inserted into the hole 21H of the rod-shaped member 21, the inner diameter D of the hole 21H is made larger than the outer diameter d of the shaft 23S, and the distance between the two heads 23H, that is, the shaft length h. Is made slightly larger than twice the thickness H of the rod-shaped member 21. When the temperature of the shaft 23S and the rod-shaped member 21 rises due to the heat of the flame, the increase in the thickness H of the rod-shaped member 21 is greater than the elongation of the shaft 23S, so the thickness 2 × H of the two rod-shaped members 21 However, it approaches the shaft length h and the gap becomes smaller. For this reason, the shaft 23S and the adjacent rod-shaped member 21 are fixed. As a result, when the fuel cell module 20 is used, the adjacent rod-shaped members 21 are fixed to each other, so that the positional relationship between the SOFC 1 and the flame can be more reliably maintained. When the use of the fuel cell module 20 is finished and the temperature of the shaft 23S and the rod-like member 21 is lowered, the thickness 2 × H of the two rod-like members 21 becomes smaller than the shaft length h, and the shaft The fixing of 23S and the rod-shaped member 21 is released. Thus, by making the linear expansion coefficient of the rod-shaped member 21 different from the linear expansion coefficient of the shaft 23S of the connector 23, the rod-shaped members 21 are fixed to each other when the fuel cell module 20 is used, and the rod-shaped members 21 are not used. The fixation between the members 21 can be released.

図８は、支持構造体の連結部の一例を示す図である。支持構造体２０Ｓは、隣接する棒状部材２１同士をボルト２３Ｂとナット２３Ｎとで連結し、両者を取付及び取り外しを自由とした連結部分２２を一部に有していてもよい。このようにすれば、隣接する棒状部材２１同士の連結を解除することで、燃料電池モジュール２０を環状のみならず円弧状あるいは直線状等にすることができるので、燃料源の炎の形態に合わせて適切な状態にＳＯＦＣ１を配置することができる。図５で示されているように、連結具２３に支持体２４を介して取り付けられているＳＯＦＣ１は、耐熱性及び耐酸化性を有しており、導電性の高い金属線（例えば白金等）によって、例えば図４のモジュール回路になるように互いに接続されている。   FIG. 8 is a diagram illustrating an example of a connecting portion of the support structure. The support structure 20S may have a connecting portion 22 that connects adjacent rod-shaped members 21 with bolts 23B and nuts 23N and allows both to be attached and detached freely. In this way, by releasing the connection between the adjacent rod-shaped members 21, the fuel cell module 20 can be made not only circular but also arcuate or linear, so that it matches the form of the fuel source flame. Therefore, the SOFC 1 can be arranged in an appropriate state. As shown in FIG. 5, the SOFC 1 attached to the connector 23 via the support 24 has heat resistance and oxidation resistance, and has a highly conductive metal wire (for example, platinum). For example, they are connected to each other so as to form the module circuit of FIG.

図９は、本実施形態の変形例に係る燃料電池モジュールを示す図である。図１０は、本実施形態の変形例に係る燃料電池モジュールの使用態様を示す図である。燃料電池モジュール２０ａは、ＳＯＦＣ１と、蛇腹構造のフレキシブルチューブ３１及び支持体３２を含む支持構造体３０とを有する。ＳＯＦＣ１は、フレキシブルチューブ３１の外周面に取り付けられた支持体３２を介してフレキシブルチューブ３１に取り付けられる。フレキシブルチューブ３１は、例えば、外径が１ｃｍ程度の金属の蛇腹を用いることができる。フレキシブルチューブ３１は、短い蛇腹を複数組み合わせてもよい。このような構造により、フレキシブルチューブ３１は、伸縮及び曲げ伸ばし自在となる。   FIG. 9 is a view showing a fuel cell module according to a modification of the present embodiment. FIG. 10 is a diagram illustrating a usage mode of the fuel cell module according to a modification of the present embodiment. The fuel cell module 20a includes the SOFC 1 and a support structure 30 including a flexible tube 31 having a bellows structure and a support 32. The SOFC 1 is attached to the flexible tube 31 via a support 32 attached to the outer peripheral surface of the flexible tube 31. As the flexible tube 31, for example, a metal bellows having an outer diameter of about 1 cm can be used. The flexible tube 31 may combine a plurality of short bellows. With such a structure, the flexible tube 31 can be stretched and bent.

フレキシブルチューブ３１及び支持体３２は、例えば、耐熱合金（インコネル、ハステロイ、ステライト等）が用いられる。支持体３２は、例えばガラスあるいはアロンセラミック等の絶縁物でフレキシブルチューブ３１に固定され、ＳＯＦＣ１は、支持体３２に、例えばガラスあるいはアロンセラミック等の絶縁物で固定される。支持体３２は、例えば、人間の力で変形させることができるものであり、例えば、耐熱合金の針金が用いられる。このように、支持体３２を変形させるようにすることで、燃料電池モジュール２０ａは、ＳＯＦＣ１と炎との距離を調整することができる。   For the flexible tube 31 and the support 32, for example, a heat-resistant alloy (Inconel, Hastelloy, Stellite, etc.) is used. The support 32 is fixed to the flexible tube 31 with an insulator such as glass or Aron ceramic, and the SOFC 1 is fixed to the support 32 with an insulator such as glass or Aron ceramic. The support body 32 can be deformed by, for example, human power, and for example, a heat-resistant alloy wire is used. In this way, by deforming the support 32, the fuel cell module 20a can adjust the distance between the SOFC 1 and the flame.

図１０に示すように、燃料電池モジュール２０ａは、フレキシブルチューブ３１を環状にして、ガスコンロ１１０の周りに複数のＳＯＦＣ１を配置する。ガスコンロ１１０の炎がＳＯＦＣ１のアノードに接し、カソードが炎の外に配置されるように、支持構造体３０のフレキシブルチューブ３１及び支持体３２が調整される。このように、燃料電池モジュール２０ａは、複数のＳＯＦＣ１について、相互の位置関係を互いに変更できるので、ＳＯＦＣ１と炎との位置関係を適切な状態に設定できる。また、炎を生成する器具の形状や寸法に合わせて複数のＳＯＦＣ１と炎との位置関係を調整できる。このため、燃料電池モジュール２０ａは、炎を燃料源とした発電において、発電効率の低下を抑制できる。   As shown in FIG. 10, the fuel cell module 20 a has a flexible tube 31 in an annular shape, and a plurality of SOFCs 1 are arranged around the gas stove 110. The flexible tube 31 and the support body 32 of the support structure 30 are adjusted so that the flame of the gas stove 110 is in contact with the anode of the SOFC 1 and the cathode is disposed outside the flame. Thus, since the fuel cell module 20a can mutually change the positional relationship between the plurality of SOFCs 1, the positional relationship between the SOFC 1 and the flame can be set to an appropriate state. Further, the positional relationship between the plurality of SOFCs 1 and the flame can be adjusted in accordance with the shape and size of the instrument that generates the flame. For this reason, the fuel cell module 20a can suppress a decrease in power generation efficiency in power generation using a flame as a fuel source.

図１１は、本実施形態の変形例に係る支持構造体の端部の一例を示す図である。フレキシブルチューブ３１は、一方の端部３１ＴＴに連結部材３３を取り付け、他方の端部３１ＴＨに連結部材３３を差し込むことにより、環状にすることができる。また、他方の端部３１ＴＨから連結部材３３を取り外すことにより、フレキシブルチューブ３１を円弧状あるいは直線上等の形状にすることもできる。このようにすることで、図９に示す燃料電池モジュール２０ａは、燃料源の炎の形態に合わせて適切な状態にＳＯＦＣ１を配置することができる。   FIG. 11 is a diagram illustrating an example of an end portion of a support structure according to a modification of the present embodiment. The flexible tube 31 can be formed into an annular shape by attaching the connecting member 33 to one end portion 31TT and inserting the connecting member 33 into the other end portion 31TH. Further, by removing the connecting member 33 from the other end portion 31TH, the flexible tube 31 can be formed into an arc shape or a straight line shape. By doing in this way, the fuel cell module 20a shown in FIG. 9 can arrange | position SOFC1 in a suitable state according to the form of the flame of a fuel source.

図１２は、本実施形態の変形例に係る燃料電池モジュールを示す図である。燃料電池モジュール２０ｂが有する支持構造体４０は、耐熱性を有する材料の長尺の網４１と、支持体４２を含んでいる。長尺とは、網４１において、横方向の寸法に対する縦方向（ＳＯＦＣ１が配列されている方向）の寸法の比が５以上のことをいう。そして、それぞれのＳＯＦＣ１は、支持体４２を介して網４１に取り付けられる。網４１及び支持体４２は、例えば、耐熱合金（インコネル、ハステロイ、ステライト等）が用いられる。支持体４２は、例えばガラスあるいはアロンセラミック等の絶縁物で網４１に固定され、ＳＯＦＣ１は、支持体４２に、例えばガラスあるいはアロンセラミック等の絶縁物で固定される。支持体４２及び網４１は、例えば、人間の力で変形させることができるものであり、例えば、耐熱合金の針金が用いられる。このように、支持体４２及び網４１を変形させるようにすることで、燃料電池モジュール２０ｂは、ＳＯＦＣ１と炎との距離を容易に調整することができる。燃料電池モジュール２０ｂは、網４１を用いるので、上述した２つの例と比較して支持構造体４０の変形の自由度が大きい。このため、燃料電池モジュール２０ｂは、ガスコンロのみならず、ライターや蝋燭等の炎を利用して発電することができる。次に、上述した例で用いるＳＯＦＣ１について、より詳細に説明する。   FIG. 12 is a view showing a fuel cell module according to a modification of the present embodiment. The support structure 40 included in the fuel cell module 20 b includes a long net 41 made of a heat-resistant material and a support 42. In the net 41, the ratio of the dimension in the vertical direction (direction in which the SOFCs 1 are arranged) to the horizontal dimension in the net 41 is 5 or more. Each SOFC 1 is attached to the net 41 via the support 42. For the net 41 and the support 42, for example, a heat-resistant alloy (Inconel, Hastelloy, Stellite, etc.) is used. The support 42 is fixed to the net 41 with an insulator such as glass or Aron ceramic, and the SOFC 1 is fixed to the support 42 with an insulator such as glass or Aron ceramic. The support body 42 and the net 41 can be deformed by human force, for example, and a heat-resistant alloy wire is used, for example. Thus, by deforming the support 42 and the net 41, the fuel cell module 20b can easily adjust the distance between the SOFC 1 and the flame. Since the fuel cell module 20b uses the net 41, the degree of freedom of deformation of the support structure 40 is greater than in the two examples described above. For this reason, the fuel cell module 20b can generate electricity using not only a gas stove but also a flame such as a lighter or a candle. Next, the SOFC 1 used in the above example will be described in more detail.

図１３は、本実施形態に係るＳＯＦＣの構造を示す断面図である。図１３に示すように、ＳＯＦＣ１は、複数のアノード２と、複数のカソード３と、少なくともアノード２とカソード３との間に配置される固体電解質４と、隣接する固体電解層同士の間に配置される仕切り部５ａ、５ｃとを含む。   FIG. 13 is a cross-sectional view showing the structure of the SOFC according to this embodiment. As shown in FIG. 13, the SOFC 1 is disposed between a plurality of anodes 2, a plurality of cathodes 3, a solid electrolyte 4 disposed at least between the anodes 2 and the cathode 3, and adjacent solid electrolyte layers. Partition portions 5a and 5c.

本実施形態において、複数のアノード２と、複数のカソード３と、固体電解質４と、仕切り部５ａ、５ｃとは、一体で構成されてＳＯＦＣ１となる。ここで、本実施形態において、ＳＯＦＣ１は、複数のアノード２と電気的に接続される第１電極１１及び複数のカソード３と電気的に接続される第２電極１２とをさらに有する。このように、ＳＯＦＣ１は、第１電極１１及び第２電極１２をさらに含んでいてもよい。   In the present embodiment, the plurality of anodes 2, the plurality of cathodes 3, the solid electrolyte 4, and the partition portions 5a and 5c are integrally configured to be the SOFC 1. Here, in the present embodiment, the SOFC 1 further includes a first electrode 11 that is electrically connected to the plurality of anodes 2 and a second electrode 12 that is electrically connected to the plurality of cathodes 3. As described above, the SOFC 1 may further include the first electrode 11 and the second electrode 12.

図１３に示すように、ＳＯＦＣ１を構成する複数のアノード２及び複数のカソード３は、それぞれ固体電解質４の厚みに由来する所定間隔を設けて配列されるとともに、アノード２とカソード３との一部が重ならない非重なり部６を有して交互に積層される。また、アノード２とカソード３とは、対向して配置される。図１３に示すように、固体電解質４は、少なくともアノード２とカソード３との間に配置される。また、ＳＯＦＣ１は、隣接する固体電解質４同士の間であって非重なり部６側に仕切り部５ａ、５ｃが配置される。ここで、仕切り部５ａは第１電極１１側の非重なり部６に設けられ、仕切り部５ｃは第２電極１２側の非重なり部６に設けられる。複数のアノード２は、第１電極１１と電気的に接続されており、複数のカソード３は、第２電極１２と電気的に接続されている。   As shown in FIG. 13, the plurality of anodes 2 and the plurality of cathodes 3 constituting the SOFC 1 are arranged at predetermined intervals derived from the thickness of the solid electrolyte 4, and part of the anode 2 and the cathode 3. Are stacked alternately with non-overlapping portions 6 that do not overlap. Further, the anode 2 and the cathode 3 are disposed to face each other. As shown in FIG. 13, the solid electrolyte 4 is disposed at least between the anode 2 and the cathode 3. Further, the SOFC 1 has partition portions 5a and 5c arranged between adjacent solid electrolytes 4 and on the non-overlapping portion 6 side. Here, the partition part 5a is provided in the non-overlapping part 6 on the first electrode 11 side, and the partition part 5c is provided in the non-overlapping part 6 on the second electrode 12 side. The plurality of anodes 2 are electrically connected to the first electrode 11, and the plurality of cathodes 3 are electrically connected to the second electrode 12.

このように、ＳＯＦＣ１は、固体電解質４及び仕切り部５ａ、５ｃでアノード２とカソード３とが分離されるとともに、第１電極１１で複数のアノード２が電気的に接続され、また第１電極１１と対向して配置される第２電極で複数のカソード３が電気的に接続される。このため、燃料Ｆは第１電極１１に、酸素Ａは第１電極１１とは反対側に配置される第２電極１２に供給すればよい。これによって、燃料Ｆの供給系統と酸素Ａの供給系統とを簡易に形成できる。   As described above, in the SOFC 1, the anode 2 and the cathode 3 are separated by the solid electrolyte 4 and the partition portions 5 a and 5 c, and the plurality of anodes 2 are electrically connected by the first electrode 11. A plurality of cathodes 3 are electrically connected by a second electrode disposed opposite to the first electrode. For this reason, the fuel F may be supplied to the first electrode 11 and the oxygen A may be supplied to the second electrode 12 disposed on the side opposite to the first electrode 11. Thus, the fuel F supply system and the oxygen A supply system can be easily formed.

本実施形態において、固体電解質４は、Ｃｅ０．８５Ｓｍ０．１５Ｏ２−δに示すようなサマリアドープセリア（ＳＤＣ）等のセリア系、Ｚｒ０．８１Ｙ０．１９Ｏ２−δに示すようなイットリアドープジルコニア（ＹＳＺ）等の安定化ジルコニア系、Ｌａ０．８Ｓｒ０．２Ｇａ０．８Ｍｇ０．２Ｏ３−δに示すようなＬＳＧＭ等のペロブスカイト型酸化物系の材料を用いることができる。なお、固体電解質４の材料は、上述したものに限定されるものではなく、ＳＯＦＣの固体電解質として適用可能な材料全般を使用できる。 In the present embodiment, the solid electrolyte 4 is a ceria-based material such as samarium-doped ceria (SDC) such as Ce 0.85 Sm 0.15 O 2-δ , Zr 0.81 Y 0.19 O 2-δ . Stabilized zirconia-based materials such as yttria-doped zirconia (YSZ) as shown, and perovskite oxide-based materials such as LSGM as shown in La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Mg 0.2 O 3-δ Can be used. In addition, the material of the solid electrolyte 4 is not limited to what was mentioned above, The material in general applicable as a solid electrolyte of SOFC can be used.

本実施形態において、それぞれのアノード２及びカソード３は、白金（Ｐｔ）で構成された多孔質体である。また、第１電極１１及び第２電極１２は、アノード２及びカソード３と同じ材料、すなわち白金で構成された多孔質体である。ＳＯＦＣ１は、第１電極１１側から燃料Ｆ（例えば、水素）が供給され、また、第２電極１２側から酸素Ａ（本実施形態では空気）が供給されることにより作動する。第１電極１１側から供給された燃料Ｆ及び第２電極１２側から供給された酸素Ａをアノード２及びカソード３の内部に行き渡らせるため、第１電極１１及びアノード２、第２電極１２及びカソード３は、多孔質体で構成される。このような構造により、燃料Ｆ及び酸素Ａがアノード２及びカソード３の全体に行き渡って反応するので、より多くの電力が取り出される。   In the present embodiment, each of the anode 2 and the cathode 3 is a porous body made of platinum (Pt). The first electrode 11 and the second electrode 12 are porous bodies made of the same material as the anode 2 and the cathode 3, that is, platinum. The SOFC 1 operates when fuel F (for example, hydrogen) is supplied from the first electrode 11 side and oxygen A (air in the present embodiment) is supplied from the second electrode 12 side. In order to distribute the fuel F supplied from the first electrode 11 side and the oxygen A supplied from the second electrode 12 side to the inside of the anode 2 and the cathode 3, the first electrode 11 and the anode 2, the second electrode 12 and the cathode 3 is composed of a porous body. With such a structure, since the fuel F and the oxygen A react throughout the anode 2 and the cathode 3, more electric power is taken out.

アノード２は、白金の他、高温還元雰囲気で電子伝導性を示すものが使用できる。このような材料としては、ニッケル（Ｎｉ）、上述したＳＤＣやＹＳＺ等の固体電解質とニッケル（Ｎｉ）とのサーメット等がある。ここで、ＳＤＣとは、Ｃｅ０．８５Ｓｍ０．１５Ｏ２−δに示すような材料であり、ＹＳＺとは、Ｚｒ０．８１Ｙ０．１９Ｏ２−δに示すような材料である。また、カソード３は、白金の他、高温酸化雰囲気で電子伝導性を示すものが使用できる。このような材料としては、例えば、ＣｏＦｅ２Ｏ４、ＭｎＦｅ２Ｏ４、ＮｉＦｅ２Ｏ４、ＢＳＣＦ等がある。ここで、ＢＳＣＦとは、バリウム（Ｂａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）の酸化物である。なお、アノード２及びカソード３の材料は、上述したものに限定されるものではなく、ＳＯＦＣのアノード、カソードとして適用可能な材料全般を使用することができる。 As the anode 2, in addition to platinum, one that exhibits electron conductivity in a high-temperature reducing atmosphere can be used. Examples of such a material include nickel (Ni), the cermet of nickel (Ni) and a solid electrolyte such as SDC and YSZ described above. Here, SDC is a material as shown in Ce 0.85 Sm 0.15 O 2-δ , and YSZ is a material as shown in Zr 0.81 Y 0.19 O 2-δ. . In addition to platinum, cathode 3 that exhibits electron conductivity in a high-temperature oxidizing atmosphere can be used. Examples of such a material include CoFe 2 O 4 , MnFe 2 O 4 , NiFe 2 O 4 , BSCF, and the like. Here, BSCF is an oxide of barium (Ba), strontium (Sr), cobalt (Co), and iron (Fe). The materials of the anode 2 and the cathode 3 are not limited to those described above, and all materials applicable as SOFC anodes and cathodes can be used.

なお、アノード２は燃料Ｆを、カソード３は酸素Ａをそれぞれの内部に行き渡らせる機能を有していればよく、このような機能を有していれば、アノード２及びカソード３は多孔質でなくてもよい。例えば、アノード２又はカソード３が気体通路を持つ構造とすることができる。この場合、アノード２又はカソード３のいずれか一方には気体通路を持つ構造を用い、他方に多孔質材料を用いてもよい。   The anode 2 only needs to have the function of spreading the fuel F and the cathode 3 has the function of spreading oxygen A inside thereof. If such a function is provided, the anode 2 and the cathode 3 are porous. It does not have to be. For example, the anode 2 or the cathode 3 can have a gas passage structure. In this case, a structure having a gas passage may be used for either the anode 2 or the cathode 3, and a porous material may be used for the other.

また、本実施形態では、アノード２とカソード３とを同じ材料（多孔質の白金）としたが、アノード２とカソード３とは異なる材料であってもよい。さらに、第１電極１１は、複数のアノード２を電気的に接続していればよく、第２電極１２は、複数のカソード３を電気的に接続していればよい。このため、第１電極１１とアノード２とを異なる材料とし、第２電極１２とカソード３とを異なる材料としてもよい。これによって、アノード２や第１電極１１等に、より適切な材料を用いることができる。   In the present embodiment, the anode 2 and the cathode 3 are made of the same material (porous platinum), but the anode 2 and the cathode 3 may be made of different materials. Furthermore, the first electrode 11 only needs to electrically connect the plurality of anodes 2, and the second electrode 12 only needs to electrically connect the plurality of cathodes 3. For this reason, the first electrode 11 and the anode 2 may be made of different materials, and the second electrode 12 and the cathode 3 may be made of different materials. Thereby, a more appropriate material can be used for the anode 2, the first electrode 11, and the like.

上述したように、本実施形態において、仕切り部５ａ、５ｃは、積層方向に隣接する固体電解質４同士の間に設けられて、固体電解質４同士を接続する。このようにすることで、ＳＯＦＣ１に第１電極１１及び第２電極１２が形成されると、それぞれのカソード３と第１電極１１との間及びアノード２と第２電極１２との間に仕切り部５ａ、５ｃが配置されることになる。ここで、アノード２とカソード３との間で電子や気体（燃料Ｆや酸素Ａ）の漏れが発生すると、ＳＯＦＣ１の単位体積あたりの発電効率が低下する。このため、アノード２とカソード３との間にある固体電解質４及び仕切り部５ａ、５ｃは、電子を絶縁し、ガスタイト（気体を透過させないこと）であることが好ましい。   As described above, in the present embodiment, the partition portions 5a and 5c are provided between the solid electrolytes 4 adjacent to each other in the stacking direction and connect the solid electrolytes 4 to each other. In this way, when the first electrode 11 and the second electrode 12 are formed on the SOFC 1, the partition portions are provided between the cathode 3 and the first electrode 11 and between the anode 2 and the second electrode 12. 5a and 5c are arranged. Here, when leakage of electrons or gas (fuel F or oxygen A) occurs between the anode 2 and the cathode 3, the power generation efficiency per unit volume of the SOFC 1 is lowered. For this reason, it is preferable that the solid electrolyte 4 and the partition parts 5a and 5c between the anode 2 and the cathode 3 insulate electrons and are gas tight (not allowing gas to pass through).

本実施形態では、仕切り部５ａ、５ｃを、それぞれのカソード３と第１電極１１との間、及びそれぞれのアノード２と第２電極１２との間に配置するとともに、仕切り部５ａ、５ｃが、隣接する固体電解質４を接続する。これによって、ＳＯＦＣ１は、アノード２とカソード３との間における電子の絶縁及びガスタイトが確保される。仕切り部５ａ、５ｃは、電子の絶縁及びガスタイトを確保できる材料で構成される。本実施形態では、固体電解質４と同じ材料で仕切り部５ａ、５ｃが構成される。このようにすることで、電子の絶縁及びガスタイトを確保して、ＳＯＦＣ１の性能低下を抑制している。   In the present embodiment, the partition portions 5a and 5c are arranged between the respective cathodes 3 and the first electrodes 11 and between the respective anodes 2 and the second electrodes 12, and the partition portions 5a and 5c are Adjacent solid electrolytes 4 are connected. As a result, the SOFC 1 secures electron insulation and gas tightness between the anode 2 and the cathode 3. The partition portions 5a and 5c are made of a material that can secure electron insulation and gas tightness. In the present embodiment, the partition portions 5 a and 5 c are made of the same material as that of the solid electrolyte 4. By doing in this way, an electronic insulation and gas tightness are ensured and the performance fall of SOFC1 is controlled.

固体電解質４と仕切り部５ａ、５ｃとを同じ材料とすることにより、ＳＯＦＣ１の製造が容易になるという利点がある。なお、固体電解質４と仕切り部５ａ、５ｃとは異なる材料で構成してもよい。これによって、より電子の絶縁やガスタイトを確保しやすい材料を用いて、ＳＯＦＣ１の性能低下をさらに効果的に抑制することも可能である。   By using the same material for the solid electrolyte 4 and the partition portions 5a and 5c, there is an advantage that the SOFC 1 can be easily manufactured. The solid electrolyte 4 and the partition portions 5a and 5c may be made of different materials. Accordingly, it is possible to more effectively suppress the performance degradation of the SOFC 1 by using a material that can easily secure electron insulation and gas tightness.

仕切り部５ａ、５ｃに用いることができる材料としては、例えば、ジルコニア（二酸化ジルコニウム、ＺｒＯ２）、アルミナ（酸化アルミニウム、Ａｌ２Ｏ３）、シリカ（二酸化ケイ素、ＳｉＯ２）、マグネシア（酸化マグネシウム、ＭｇＯ）を用いることができる。特に、仕切り部５ａ、５ｃは、固体電解質４よりも電子伝導度が低い材料で構成することが発電効率を向上させる観点から好ましく、このような材料としては、ジルコニアが好ましい。 Examples of materials that can be used for the partition portions 5a and 5c include zirconia (zirconium dioxide, ZrO 2 ), alumina (aluminum oxide, Al 2 O 3 ), silica (silicon dioxide, SiO 2 ), magnesia (magnesium oxide, MgO) can be used. In particular, the partition portions 5a and 5c are preferably made of a material having a lower electronic conductivity than the solid electrolyte 4 from the viewpoint of improving the power generation efficiency. As such a material, zirconia is preferred.

固体電解質４の厚みは、できる限り小さい方が好ましく、５μｍ〜３５μｍ程度とすることができる。また、アノード２の厚み及びカソード３の厚みは、燃料Ｆや酸素Ａを通過させることから、あまり小さくすることができないため、２５μｍ〜５０μｍ程度とすることができる。さらに、仕切り部５ａ、５ｃは、アノード２の厚み及びカソード２の厚みと同等にすればよい。   The thickness of the solid electrolyte 4 is preferably as small as possible, and can be about 5 μm to 35 μm. Further, the thickness of the anode 2 and the thickness of the cathode 3 cannot be reduced so much because the fuel F and the oxygen A are allowed to pass therethrough, and can be set to about 25 μm to 50 μm. Furthermore, the partition portions 5 a and 5 c may be made equal to the thickness of the anode 2 and the thickness of the cathode 2.

後述するように、ＳＯＦＣ１は、固体電解質４のグリーンシート表面上に、アノード２又はカソード３を印刷し、仕切り部５ａ、５ｃをアノード２又はカソード３の余白部（非重なり部６）に印刷し、これらを必要数積層した後、焼成することにより得られる。したがって、固体電解質４の厚み、アノード２の厚み及びカソード３の厚みの制御及び薄膜化は比較的容易である。なお、このような製造プロセスにより、固体電解質４はアノード２及びカソード３と密着し、一体となっている。   As will be described later, the SOFC 1 prints the anode 2 or the cathode 3 on the surface of the green sheet of the solid electrolyte 4, and prints the partition portions 5a and 5c on the blank portion (non-overlapping portion 6) of the anode 2 or the cathode 3. These are obtained by laminating a necessary number of these and then firing them. Therefore, it is relatively easy to control and thin the thickness of the solid electrolyte 4, the thickness of the anode 2, and the thickness of the cathode 3. By such a manufacturing process, the solid electrolyte 4 is in close contact with the anode 2 and the cathode 3 and integrated.

ＳＯＦＣ１は、一つのアノード２と一つのカソード３と両者の間の固体電解質４との組み合わせ（以下、発電単位という）で電力を発生する。この発電単位の理論起電力は１．１４Ｖである。本実施形態において、ＳＯＦＣ１は、複数のアノード２及び複数のカソード３を備えるが、それぞれのアノード２は第１電極１１で電気的に接続され、それぞれのカソード３は第２電極１２で電気的に接続される。すなわち、ＳＯＦＣ１は、複数の発電単位を並列に接続したものとみなすことができる。このため、ＳＯＦＣ１での理論起電力は１．１４Ｖとなる。なお、ＳＯＦＣ１全体は、第１電極１１で電気的に接続された複数のアノード２と第２電極１２で電気的に接続された複数のカソード３との１ペアで構成されており、複数の発電単位間で、いわゆるインターコネクタに相当するものは有していない。このため、ＳＯＦＣ１は、一般的な燃料電池でいう単セル構造と見なすことができる。   The SOFC 1 generates electric power by combining one anode 2, one cathode 3, and a solid electrolyte 4 between them (hereinafter referred to as a power generation unit). The theoretical electromotive force of this power generation unit is 1.14V. In this embodiment, the SOFC 1 includes a plurality of anodes 2 and a plurality of cathodes 3. Each anode 2 is electrically connected by a first electrode 11, and each cathode 3 is electrically connected by a second electrode 12. Connected. That is, the SOFC 1 can be regarded as a plurality of power generation units connected in parallel. For this reason, the theoretical electromotive force in SOFC1 is 1.14V. The entire SOFC 1 is composed of a pair of a plurality of anodes 2 electrically connected by the first electrode 11 and a plurality of cathodes 3 electrically connected by the second electrode 12. There is no equivalent of a so-called interconnector between units. For this reason, the SOFC 1 can be regarded as a single cell structure in a general fuel cell.

ＳＯＦＣ１において、一つの発電単位において発電に寄与する面積（電極有効面積という）は、アノード２とカソード３とが重なり合う部分の面積である。ＳＯＦＣ１は、複数の発電単位を積層した構造であり、このような構造によって、ＳＯＦＣ１全体の電極有効面積を大きくすることができるので、ＳＯＦＣ１の体積に対して、ＳＯＦＣ１全体からは大きな電流（電力）を得ることができる。すなわち、ＳＯＦＣ１は、同じ体積であれば、平板型や円筒型等のＳＯＦＣと比較して、高い電力密度を実現できる。このため、ＳＯＦＣ１は、小型化を実現しつつ、単位体積あたりの発電効率を向上させることが可能になる。   In the SOFC 1, an area contributing to power generation in one power generation unit (referred to as an electrode effective area) is an area of a portion where the anode 2 and the cathode 3 overlap. The SOFC 1 has a structure in which a plurality of power generation units are stacked. With such a structure, the effective electrode area of the entire SOFC 1 can be increased. Therefore, the SOFC 1 has a large current (electric power) relative to the volume of the SOFC 1. Can be obtained. That is, if SOFC1 is the same volume, it can implement | achieve a high power density compared with SOFCs, such as a flat plate type and a cylindrical type. For this reason, the SOFC 1 can improve the power generation efficiency per unit volume while realizing miniaturization.

また、ＳＯＦＣ１は、それぞれ厚さが数十μｍのアノード２と、カソード３と、固体電解質４とを積層したものである。したがって、ＳＯＦＣ１は、積層数を増加させても積層方向における寸法の増加は比較的小さい。このため、ＳＯＦＣ１は、平板型のＳＯＦＣや円筒型のＳＯＦＣと比較して、単位体積あたりにおける電極有効面積を大きくできるので、単位体積あたりの電力密度も大きくなる。その結果、ＳＯＦＣ１全体としての発電効率も向上する。   The SOFC 1 is a laminate of an anode 2, a cathode 3 and a solid electrolyte 4 each having a thickness of several tens of μm. Therefore, SOFC1 has a relatively small increase in dimension in the stacking direction even when the number of stacks is increased. For this reason, the SOFC 1 can increase the electrode effective area per unit volume as compared with the flat plate type SOFC and the cylindrical type SOFC, so that the power density per unit volume is also increased. As a result, the power generation efficiency of the SOFC 1 as a whole is also improved.

また、ＳＯＦＣ１は、アノード２と、カソード３と、固体電解質４とが一体となって全体の強度を受け持つので、変形に対して強い構造となる。このため、固体電解質４を薄くしたとしても、複数のアノード２及びカソード３により、ＳＯＦＣ１全体の強度を確保できる。このように、ＳＯＦＣ１は、固体電解質４を薄くしやすい特性を有しているため、より大きな電流を取り出しやすい構造であるといえる。その結果、ＳＯＦＣ１は、全体の強度を確保しつつ固体電解質４を薄くすることにより、作動温度を低下させることができるという効果も得られる。具体的には、ＳＯＦＣ１は、３００℃から６００℃でも十分に電流を取り出すことができる。   Further, the SOFC 1 has a structure that is strong against deformation because the anode 2, the cathode 3, and the solid electrolyte 4 are integrated to take charge of the entire strength. For this reason, even if the solid electrolyte 4 is made thin, the plurality of anodes 2 and cathodes 3 can ensure the strength of the SOFC 1 as a whole. Thus, since the SOFC 1 has the characteristic that the solid electrolyte 4 is easily thinned, it can be said that the SOFC 1 has a structure in which a larger current can be easily taken out. As a result, the SOFC 1 also has an effect that the operating temperature can be lowered by thinning the solid electrolyte 4 while ensuring the overall strength. Specifically, the SOFC 1 can sufficiently extract current even at 300 ° C. to 600 ° C.

また、アノード２及びカソード３を多孔質とした場合には、加熱時において、空隙が熱膨張を吸収し、アノード２、カソード３、固体電解質４の間に働く応力を緩和する。ゆえに、アノード２及びカソード３を多孔質とした場合、アノード２と、カソード３と、固体電解質４とのそれぞれの材料の線膨張係数がある程度ばらついていても、アノード２、カソード３、固体電解質４の割れ等を抑制できる。   When the anode 2 and the cathode 3 are made porous, the air gap absorbs thermal expansion during heating, and the stress acting between the anode 2, the cathode 3 and the solid electrolyte 4 is relaxed. Therefore, when the anode 2 and the cathode 3 are made porous, even if the linear expansion coefficients of the materials of the anode 2, the cathode 3, and the solid electrolyte 4 vary to some extent, the anode 2, the cathode 3, and the solid electrolyte 4 Can be prevented from cracking.

さらに、ＳＯＦＣ１は、アノード２と、カソード３と、固体電解質４とをそれぞれ複数層積層させた構造なので、加熱時において、素子１０は、全体的には均一に熱膨張し、局所的に大きな変形が発生しにくくなる。このような構造によって、熱膨張を均一化できるので、全体の反りを抑制できる。これらの作用によって、ＳＯＦＣ１は、耐熱衝撃性に優れるという利点がある。このように、ＳＯＦＣ１は、耐熱衝撃性に優れるため、急な温度上昇に曝すことが可能となり、迅速な起動が可能になるという利点もある。次に、本実施形態に係るＳＯＦＣの製造方法を説明する。   Furthermore, the SOFC 1 has a structure in which a plurality of layers of the anode 2, the cathode 3, and the solid electrolyte 4 are laminated, so that the element 10 is thermally expanded uniformly throughout the heating, and greatly deformed locally. Is less likely to occur. With such a structure, thermal expansion can be made uniform, so that overall warpage can be suppressed. Due to these actions, SOFC1 has an advantage of excellent thermal shock resistance. Thus, since SOFC1 is excellent in thermal shock resistance, it can be exposed to a sudden temperature rise, and there is an advantage that quick start-up becomes possible. Next, a method for manufacturing the SOFC according to this embodiment will be described.

図１４は、本実施形態に係るＳＯＦＣの製造方法の工程を示すフローチャートである。図１５〜図２３は、本実施形態に係るＳＯＦＣの製造方法の説明図である。図１３に示すＳＯＦＣ１を作製する場合、まず、図１３に示す固体電解質４を形成するためのグリーンシートに、アノード２及びカソード３を形成するための電極層、及び仕切り部５ａ、５ｃを形成するための余白層を形成した単シートを作製する。そして、この単位シートを複数枚積層して積層体を形成した後、ＳＯＦＣ１の１部品単位の寸法に積層体を切断して乾燥させる。そして、乾燥後の積層体を焼成することにより、ＳＯＦＣ１が作製される。   FIG. 14 is a flowchart showing the steps of the SOFC manufacturing method according to this embodiment. 15 to 23 are explanatory diagrams of the SOFC manufacturing method according to the present embodiment. When the SOFC 1 shown in FIG. 13 is manufactured, first, the electrode layer for forming the anode 2 and the cathode 3 and the partition portions 5a and 5c are formed on the green sheet for forming the solid electrolyte 4 shown in FIG. A single sheet on which a blank layer for forming is formed. Then, after a plurality of unit sheets are laminated to form a laminated body, the laminated body is cut to a size of one component unit of SOFC 1 and dried. And SOFC1 is produced by baking the laminated body after drying.

まず、固体電解質４を形成するためのスラリー（固体電解質用スラリー）と、アノード２及びカソード３を形成するためのスラリー（電極用スラリー）とを作製する（ステップＳ１０１）。固体電解質用スラリーは、固体電解質４の原料となる粉末を粉砕用ボールとともにナイロン製ポットに入れ、これに溶剤、バインダー及び可塑剤を添加して１０〜２０時間混合して得られる。溶剤、バインダー及び可塑剤の含有量には制限はないが、例えば、溶剤の含有量は１０質量％以上５０質量％以下、バインダーの含有量は１質量％以上１０質量％以下程度の範囲で設定することができる。スラリー中には、必要に応じて分散剤等を１０質量％以下の範囲で含有させてもよい。   First, a slurry for forming the solid electrolyte 4 (solid electrolyte slurry) and a slurry for forming the anode 2 and the cathode 3 (electrode slurry) are prepared (step S101). The slurry for the solid electrolyte is obtained by putting the powder as a raw material of the solid electrolyte 4 into a nylon pot together with a grinding ball, adding a solvent, a binder and a plasticizer thereto and mixing for 10 to 20 hours. Although there is no restriction | limiting in content of a solvent, a binder, and a plasticizer, For example, content of a solvent is 10 mass% or more and 50 mass% or less, and content of a binder is set in the range of about 1 mass% or more and 10 mass% or less. can do. In the slurry, a dispersant or the like may be contained in a range of 10% by mass or less as necessary.

電極用スラリーは、導電性粉末粒子及び空隙形成剤を混合し、これに溶剤及びバインダーを添加して作製する。溶剤及びバインダーの含有量には制限はないが、例えば、溶剤の含有量は１０質量％以上５０質量％以下、バインダーの含有量は１質量％以上１０質量％以下程度の範囲で設定することができる。電極用スラリー中には、必要に応じて分散剤等を１０質量％以下の範囲で含有させてもよい。   The electrode slurry is prepared by mixing conductive powder particles and a void forming agent, and adding a solvent and a binder thereto. Although there is no restriction | limiting in content of a solvent and a binder, For example, content of a solvent is 10 mass% or more and 50 mass% or less, and content of a binder can be set in the range of about 1 mass% or more and 10 mass% or less. it can. In the slurry for electrodes, you may contain a dispersing agent etc. in 10 mass% or less as needed.

固体電解質用スラリー及び電極用スラリーの作製に用いる溶剤としては、例えば、アセトン、トルエン、イソブチルアルコール、メチルエチルケトン、ターピネオール等の有機溶剤を用いることができる。また、バインダーとしては、例えば、ブチラール系樹脂、アクリル系樹脂等を用いることができる。固体電解質の原料となる粉末は、上述した固体電解質の材料の粉末であり、導電性粉末粒子は、上述したアノード及びカソードの材料の粉末である。本実施形態では、固体電解質の原料となる粉末としてＳＤＣの粉末を用い、導電性粉末粒子としてアノード、カソードともにＰｔの粉末を用いた。また、電極用スラリーに用いる空隙形成剤には、例えば、アクリル系のポリマー等、焼成時に消失するものを用いることができる。このように、焼成時に消失する空隙形成剤を用いることにより、多孔質のアノードやカソードを簡単に作製できる。   As a solvent used for preparation of the slurry for solid electrolytes and the slurry for electrodes, organic solvents, such as acetone, toluene, isobutyl alcohol, methyl ethyl ketone, terpineol, can be used, for example. Moreover, as a binder, a butyral resin, an acrylic resin, etc. can be used, for example. The powder that is the raw material of the solid electrolyte is a powder of the above-described solid electrolyte material, and the conductive powder particles are the powder of the above-described anode and cathode materials. In the present embodiment, SDC powder was used as the powder as a raw material for the solid electrolyte, and Pt powder was used as the conductive powder particles for both the anode and the cathode. Further, as the void forming agent used for the electrode slurry, for example, an acrylic polymer or the like that disappears upon firing can be used. Thus, a porous anode or cathode can be easily produced by using a void forming agent that disappears upon firing.

固体電解質用スラリー及び電極用スラリーが得られたら、固体電解質用スラリーを用いてグリーンシート（未焼成シート）を作製する（ステップＳ１０２）。例えば、固体電解質用スラリーを、図１５に示すポリエステルフィルム等の支持体１３０上に、例えば、ドクターブレード法等で塗布した後乾燥させることにより、厚さ１μｍから１００μｍのグリーンシート１２０を作製する。   When the solid electrolyte slurry and the electrode slurry are obtained, a green sheet (unfired sheet) is prepared using the solid electrolyte slurry (step S102). For example, the slurry for solid electrolyte is applied on a support 130 such as a polyester film shown in FIG. 15 by, for example, a doctor blade method, and then dried to produce a green sheet 120 having a thickness of 1 μm to 100 μm.

次に、得られたグリーンシート１２０上に、余白部１２２を残して電極層１２１を形成する（ステップＳ１０３）。例えば、図１５に示すグリーンシート１２０の表面に電極用スラリーをスクリーン印刷等で印刷した後乾燥させて、厚さ１０μｍから１００μｍの電極層１２１を作製する。本実施形態において、隣接する電極層１２１間における余白部１２２の寸法ｇは、図１３に示す第１電極１１から第２電極１２へ向かう方向と平行な方向（以下、電極延出方向という）における仕切り部５ａ、５ｃの寸法の約２倍である。なお、図１５の矢印Ｎが、電極延出方向である。余白部１２２は、少なくとも電極延出方向において設ければよい。なお、本実施形態において、余白部は、電極延出方向と直交する方向にも設けてある。   Next, the electrode layer 121 is formed on the obtained green sheet 120 while leaving the blank portion 122 (step S103). For example, an electrode slurry is printed on the surface of the green sheet 120 shown in FIG. 15 by screen printing or the like and then dried to produce an electrode layer 121 having a thickness of 10 μm to 100 μm. In the present embodiment, the size g of the blank portion 122 between the adjacent electrode layers 121 is in a direction parallel to the direction from the first electrode 11 to the second electrode 12 shown in FIG. 13 (hereinafter referred to as an electrode extending direction). It is about twice the dimension of the partition parts 5a and 5c. In addition, the arrow N of FIG. 15 is an electrode extension direction. The blank portion 122 may be provided at least in the electrode extending direction. In the present embodiment, the blank portion is also provided in a direction orthogonal to the electrode extending direction.

ここで、電極延出方向において隣接する電極層１２１間の距離、すなわち余白部１２２の寸法ｇの１／２は、電極延出方向における仕切り部５ａ、５ｃの寸法となる。仕切り部５ａ、５ｃは、後述するように、余白部１２２に形成される余白層によって作製されるが、電極層１２１や余白層はスクリーン印刷等により形成される。このため、余白層や電極層１２１のエッジはシャープにならないので、電極延出方向における余白部１２２の寸法ｇが小さいと、余白層及び仕切り部５ａ、５ｃの形成が不完全になるおそれがある。   Here, the distance between the electrode layers 121 adjacent in the electrode extending direction, that is, ½ of the dimension g of the blank portion 122, is the dimension of the partition parts 5a and 5c in the electrode extending direction. As will be described later, the partition portions 5a and 5c are formed by a blank layer formed in the blank portion 122, and the electrode layer 121 and the blank layer are formed by screen printing or the like. For this reason, since the edge of the blank layer or the electrode layer 121 is not sharp, if the dimension g of the blank portion 122 in the electrode extending direction is small, the formation of the blank layer and the partition portions 5a and 5c may be incomplete. .

これを回避するため、電極延出方向において隣接する電極層１２１間における余白部１２２の寸法ｇを、電極層１２１の厚さの２倍以上とすることが好ましい。このようにすれば、電極延出方向における仕切り部５ａ、５ｃの寸法は、電極層１２１の厚さ程度を確保できる。その結果、仕切り部５ａ、５ｃが確実に形成されて、アノードとカソードとの間における電子や気体の漏れをより確実に回避できる。   In order to avoid this, it is preferable that the dimension g of the blank portion 122 between the electrode layers 121 adjacent in the electrode extending direction is at least twice the thickness of the electrode layer 121. If it does in this way, about the thickness of the electrode layer 121 can be ensured as the dimension of the partition parts 5a and 5c in the electrode extending direction. As a result, the partition portions 5a and 5c are reliably formed, and leakage of electrons and gas between the anode and the cathode can be avoided more reliably.

図１６〜図１８は、ＳＯＦＣ１のアノード又はカソードに気体通路を形成する場合の工程の一例を示している。この場合、図１６に示すように、まず、気体通路を形成するための気体通路形成剤１２７を、所定の本数グリーンシート１２０の表面に載置する。気体通路形成剤１２７は、空隙形成剤と同じ材料を用いることができる。気体通路形成剤１２７は、気体通路の内形形状に沿った形状である。   FIGS. 16-18 has shown an example of the process in the case of forming a gas channel in the anode or cathode of SOFC1. In this case, as shown in FIG. 16, first, a gas passage forming agent 127 for forming a gas passage is placed on the surface of a predetermined number of green sheets 120. The gas passage forming agent 127 can be made of the same material as the gap forming agent. The gas passage forming agent 127 has a shape along the inner shape of the gas passage.

次に、図１７、図１８に示すように、得られたグリーンシート１２０上であって気体通路形成剤１２７を載置した部分に、余白部１２２を残して電極層１２１を形成する。図１８は、図１７のＺ−Ｚ断面を示すが、気体通路形成剤１２７上に電極層１２１を形成することにより、電極層１２１の内部に気体通路形成剤１２７が埋め込まれる。気体通路形成剤１２７は焼成時に喪失するものなので、アノード又はカソードに気体通路を簡単に作製できる。   Next, as shown in FIGS. 17 and 18, the electrode layer 121 is formed on the obtained green sheet 120 on the portion where the gas passage forming agent 127 is placed, leaving the blank portion 122. FIG. 18 shows a ZZ cross section of FIG. 17, and the gas passage forming agent 127 is embedded inside the electrode layer 121 by forming the electrode layer 121 on the gas passage forming agent 127. Since the gas passage forming agent 127 is lost during firing, a gas passage can be easily formed in the anode or the cathode.

次に、図１９に示すように、余白部１２２（図１５）に余白層１２３を形成する（ステップＳ１０４）。これは、図１３に示す仕切り部５ａ、５ｃを形成するとともに、電極層１２１間の段差を減少させるためである。余白層１２３は、余白用スラリーをスクリーン印刷等で印刷し乾燥させることにより形成される。本実施形態において、仕切り部５ａ、５ｃは、図１３に示す固体電解質４と同じ材料で構成するので、余白用スラリーは、固体電解質用スラリーを用いる。余白部１２２への印刷においては、余白層１２３に必要な厚さに応じて、余白用スラリーの粘度やスクリーン印刷の製版や印刷回数等を調整することができる。   Next, as shown in FIG. 19, a margin layer 123 is formed in the margin portion 122 (FIG. 15) (step S104). This is for forming the partition parts 5a and 5c shown in FIG. 13 and reducing the step between the electrode layers 121. The blank layer 123 is formed by printing and drying a blank slurry by screen printing or the like. In this embodiment, since the partition parts 5a and 5c are comprised with the same material as the solid electrolyte 4 shown in FIG. 13, the slurry for solid electrolytes uses the slurry for solid electrolytes. In printing on the blank portion 122, the viscosity of the blank slurry, screen printing plate making, the number of times of printing, and the like can be adjusted according to the thickness required for the blank layer 123.

なお、仕切り部５ａ、５ｃを、固体電解質４とは異なる材料で構成する場合、余白用スラリーを固体電解質用スラリーとは別個に作製する。この場合、余白用スラリーは、仕切り部５ａ、５ｃの原料粉末粒子に溶剤及びバインダーを添加して作製する。溶剤及びバインダーの含有量には制限はないが、例えば、溶剤の含有量は１０質量％以上５０質量％以下、バインダーの含有量は１質量％以上１０質量％以下程度の範囲で設定することができる。余白用スラリーの作製に使用できる溶剤及びバインダーは、固体電解質用スラリーの作製に使用できるものと同じである。   In addition, when the partition parts 5a and 5c are comprised with the material different from the solid electrolyte 4, the slurry for blanks is produced separately from the slurry for solid electrolytes. In this case, the blank slurry is prepared by adding a solvent and a binder to the raw material powder particles of the partition portions 5a and 5c. Although there is no restriction | limiting in content of a solvent and a binder, For example, content of a solvent is 10 mass% or more and 50 mass% or less, and content of a binder can be set in the range of about 1 mass% or more and 10 mass% or less. it can. The solvent and binder that can be used for preparing the blank slurry are the same as those that can be used for preparing the solid electrolyte slurry.

このようにして、図１９に示すように、グリーンシート１２０上に電極層１２１及び余白層１２３が形成された単位シート１２５が作製される。ここで、単位シート１２５は複数枚作製される（ステップＳ１０５）。次に、図２０に示すように、複数の単位シート１２５−１、１２５−２、１２５−３、・・・１２５−ｎを積層台１３１上で積層して、図２１に示す積層体１２６を作製する（ステップＳ１０６）。ここで、図２０の矢印Ｎは、電極延出方向である。また、単位シートを示す符号２５に付される数字１、２、３・・・ｎは、積層される単位シート１２５の枚数を示す番号である。   In this way, as shown in FIG. 19, a unit sheet 125 in which the electrode layer 121 and the blank layer 123 are formed on the green sheet 120 is produced. Here, a plurality of unit sheets 125 are produced (step S105). Next, as shown in FIG. 20, a plurality of unit sheets 125-1, 125-2, 125-3,... 125-n are stacked on the stacking base 131, and the stacked body 126 shown in FIG. It is produced (step S106). Here, an arrow N in FIG. 20 is an electrode extending direction. Further, numerals 1, 2, 3,..., N added to the reference numeral 25 indicating the unit sheets are numbers indicating the number of unit sheets 125 to be stacked.

複数の単位シート１２５−１、１２５−２等を積層する場合、電極延出方向Ｎに向かって隣接する単位シート１２５−１、１２５−２及び隣接する単位シート１２５−２、１２５−３の位置を交互にずらした態様で、積層体１２６を構成する。なお、本実施形態において、最も上に載置されるもの、すなわち、単位シート１２５を積層する工程で最後に積層される単位シート（図２１に示す例では単位シート１２５−４）の上には、図２１に示すように、グリーンシート１２０が載置される。   When laminating a plurality of unit sheets 125-1 and 125-2, etc., the positions of the unit sheets 125-1 and 125-2 adjacent in the electrode extending direction N and the adjacent unit sheets 125-2 and 125-3 The laminated body 126 is configured in such a manner that the positions are alternately shifted. In the present embodiment, the topmost sheet, that is, the unit sheet (unit sheet 125-4 in the example shown in FIG. 21) that is stacked last in the step of stacking the unit sheets 125 is placed on the top. As shown in FIG. 21, the green sheet 120 is placed.

次に、図２１に示す積層体１２６を積層方向（図２１の矢印Ｋで示す方向）に向かって加圧する（ステップＳ１０７）。これによって、複数の単位シート１２５を圧着して一体化させる。その後、部品単位、すなわち、一つのＳＯＦＣ１単位で積層体１２６を切断する（ステップＳ１０８）。本実施形態においては、電極延出方向Ｎにおける余白層１２３の中央部（図２１の点線）で切断するとともに、電極延出方向Ｎとは直交する方向における余白層の中央部で切断する。これによって、図２２に示す部品単位積層体１２８が得られる。図２２に示すように、部品単位積層体１２８は、電極層１２１が電極延出方向Ｎにおける両側に、積層方向Ｋに向かって交互に露出する。そして、露出している側とは反対側が、余白層１２３及びグリーンシート１２０によって部品単位積層体１２８の内部に封入されることになる。   Next, the laminated body 126 shown in FIG. 21 is pressurized toward the lamination direction (direction shown by the arrow K in FIG. 21) (step S107). As a result, the plurality of unit sheets 125 are pressed and integrated. Thereafter, the stacked body 126 is cut in parts, that is, in one SOFC 1 unit (step S108). In the present embodiment, cutting is performed at the center portion (dotted line in FIG. 21) of the blank layer 123 in the electrode extending direction N, and cutting is performed at the center portion of the blank layer in a direction orthogonal to the electrode extending direction N. Thereby, a component unit laminate 128 shown in FIG. 22 is obtained. As shown in FIG. 22, in the component unit laminated body 128, the electrode layers 121 are alternately exposed on both sides in the electrode extending direction N toward the lamination direction K. Then, the side opposite to the exposed side is enclosed in the component unit laminate 128 by the blank layer 123 and the green sheet 120.

次に、部品単位積層体１２８に脱バインダー処理を施す（ステップＳ１０９）。そして、乾燥させて脱バインダー処理をした部品単位積層体１２８を焼成することにより（ステップＳ１１０）、部品単位積層体１２８の焼結体が得られる。部品単位積層体１２８は、アノード、カソード、固体電解質及び仕切り部材が焼結されて一体となった焼結体である。   Next, a binder removal process is performed on the component unit laminate 128 (step S109). And the sintered body of the component unit laminated body 128 is obtained by baking the component unit laminated body 128 dried and debindered (step S110). The component unit laminate 128 is a sintered body in which an anode, a cathode, a solid electrolyte, and a partition member are sintered and integrated.

部品単位積層体１２８の脱バインダー処理及び焼成の条件は、使用する固体電解質の材料や電極の材料で異なるが、例えば、白金の粒子を電極層１２１として部品単位積層体１２８を焼成する場合、部品単位積層体１２８を大気中で４００℃から６００℃で１時間から２時間加熱保持して部品単位積層体１２８からバインダーを除去する。その後、大気中で１３５０℃から１５００℃で３時間から５時間、部品単位積層体１２８を焼成し、焼結体を得る。部品単位積層体１２８の焼結体は、必要に応じて後処理が施される（ステップＳ１１１）。後処理は、例えば、大気雰囲気中における焼き鈍し処理である。これによって、図２３に示すように、アノード２と固体電解質４とカソード３とが交互に積層され、かつこれらと隣接する固体電解質４の間に設けられる仕切り部とが焼結によって一体化された積層構造を有するＳＯＦＣ１が完成する（ステップＳ１１２）。   The binder removal treatment and firing conditions of the component unit laminate 128 are different depending on the solid electrolyte material and electrode material used. For example, when the component unit laminate 128 is fired using the platinum particles as the electrode layer 121, the component The unit laminate 128 is heated and held in the atmosphere at 400 ° C. to 600 ° C. for 1 to 2 hours to remove the binder from the component unit laminate 128. Thereafter, the component unit laminate 128 is fired in the atmosphere at 1350 ° C. to 1500 ° C. for 3 hours to 5 hours to obtain a sintered body. The sintered body of the component unit laminate 128 is post-processed as necessary (step S111). The post treatment is, for example, an annealing treatment in an air atmosphere. As a result, as shown in FIG. 23, the anodes 2, the solid electrolytes 4 and the cathodes 3 are alternately stacked, and the partition portions provided between the solid electrolytes 4 adjacent thereto are integrated by sintering. The SOFC 1 having a laminated structure is completed (step S112).

なお、上記手順では、図１３に示す第１電極１１及び第２電極１２は形成されないので、図２３に示すように、ＳＯＦＣ１の電極延出方向Ｎの両側に第１電極１１及び第２電極１２を形成する。これは、例えば、上述した電極用スラリーをＳＯＦＣ１の電極延出方向Ｎの両側に塗布して、乾燥、脱バインダー処理を施した後、所定の条件で焼成する。これによって、複数のアノード２を電気的に接続する第１電極１１と、複数のカソード３を電気的に接続する第２電極１２とが焼結によって一体化されて、第１電極１１と第２電極１２とをさらに有するＳＯＦＣ１が完成する。本実施形態に係るＳＯＦＣの製造方法によれば、製造プロセスが比較的簡単であり、また、小さいデバイスも製造しやすいので、低コストで小型のＳＯＦＣ１を作製できる。   In the above procedure, since the first electrode 11 and the second electrode 12 shown in FIG. 13 are not formed, the first electrode 11 and the second electrode 12 are formed on both sides of the SOFC 1 in the electrode extending direction N as shown in FIG. Form. For example, the electrode slurry described above is applied to both sides of the SOFC 1 in the electrode extending direction N, dried and debindered, and then fired under predetermined conditions. Accordingly, the first electrode 11 that electrically connects the plurality of anodes 2 and the second electrode 12 that electrically connects the plurality of cathodes 3 are integrated by sintering, and the first electrode 11 and the second electrode 11 are integrated. The SOFC 1 further having the electrode 12 is completed. According to the SOFC manufacturing method according to the present embodiment, the manufacturing process is relatively simple, and a small device can be easily manufactured. Therefore, a small SOFC 1 can be manufactured at low cost.

以上のように、本発明に係る燃料電池モジュール及び燃料電池発電システムは、炎を利用したエネルギーハーベスティングに有用である。   As described above, the fuel cell module and the fuel cell power generation system according to the present invention are useful for energy harvesting using a flame.

１ ＳＯＦＣ（固体酸化物型燃料電池）
２ アノード
３ カソード
４ 固体電解質
５ａ、５ｃ 仕切り部
６ 非重なり部
１０ 素体
１１ 第１電極
１２ 第２電極
２０、２０ａ、２０ｂ 燃料電池モジュール
２０Ｓ、３０、４０ 支持構造体
２１ 棒状部材
２１Ｈ 孔
２２ 連結部分
２３ 連結具
２３Ｓ シャフト
２３Ｂ ボルト
２３Ｈ 頭部
２３Ｎ ナット
２４、３２、４２ 支持体
３１ フレキシブルチューブ
３１ＴＨ、３１ＴＴ 端部
３３ 連結部材
４１ 網
５０ 充電装置
５１ 二次電池
５２、５３ 導線
８０ 燃料電池発電システム
１１０ ガスコンロ
１２０ グリーンシート
１２１ 電極層
１２２ 余白部
１２３ 余白層
１２５、１２５−１、１２５−２、１２５−３、・・・１２５−ｎ 単位シート
１２６ 積層体
１２７ 気体通路形成剤
１２８ 部品単位積層体
１３０ 支持体
１３１ 積層台
ＦＣ 燃料電池
Ａ 空気（酸素）
Ｆ 燃料
ＦＬ 炎 1 SOFC (solid oxide fuel cell)
2 Anode 3 Cathode 4 Solid electrolyte 5a, 5c Partition 6 Non-overlapping part 10 Element body 11 First electrode 12 Second electrode 20, 20a, 20b Fuel cell module 20S, 30, 40 Support structure 21 Rod member 21H Hole 22 Connection Portion 23 Connecting tool 23S Shaft 23B Bolt 23H Head 23N Nut 24, 32, 42 Support 31 Flexible tube 31TH, 31TT End 33 Connecting member 41 Net 50 Charging device 51 Secondary battery 52, 53 Lead 80 Fuel cell power generation system 110 Gas stove 120 Green sheet 121 Electrode layer 122 Blank part 123 Blank layer 125, 125-1, 125-2, 125-3, ... 125-n Unit sheet 126 Laminate 127 Gas passage forming agent 128 Component unit laminate 130 Support Body 131 Stacking stand FC fuel cell A Air (oxygen)
F Fuel FL Flame

Claims (3)

複数のアノードと複数のカソードとが、固体電解質を介して交互に積層されて一体化された複数の固体酸化物型燃料電池と、
前記複数の固体酸化物型燃料電池を、相互の位置関係を互いに変更できるように支持する支持構造体と、を有し、
前記支持構造体は、複数の棒状部材がそれぞれの両端部で回動できるように連結し、環状に形成した構造体であり、
前記複数の固体酸化物形燃料電池が、前記支持構造体の前記棒状部材の連結部に１個おきに取り付けられていることを特徴とする燃料電池モジュール。 A plurality of solid oxide fuel cells in which a plurality of anodes and a plurality of cathodes are alternately stacked via a solid electrolyte and integrated;
A support structure for supporting the plurality of solid oxide fuel cells so that mutual positional relations can be mutually changed ;
The support structure is a structure in which a plurality of rod-like members are connected so as to be rotatable at both ends, and are formed in an annular shape,
The fuel cell module, wherein the plurality of solid oxide fuel cells are attached to every other connecting portion of the rod-shaped member of the support structure . 前記複数の固体酸化物型燃料電池は、環状に形成された前記支持構造体の内側に取り付けられていることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池モジュール。2. The fuel cell module according to claim 1, wherein the plurality of solid oxide fuel cells are attached to an inner side of the support structure formed in an annular shape. 3. 前記複数の固体酸化物型燃料電池は、互いに導電性の高い金属線によって接続されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の燃料電池モジュール。The fuel cell module according to claim 1 or 2, wherein the plurality of solid oxide fuel cells are connected to each other by metal wires having high conductivity.
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