固体酸化物型燃料電池発電装置
【課題】集電構造が簡易であって製造コストが低く、電気的に並列接続または直列接続することが容易であり、且つ発電密度の高い開放型の固体酸化物型燃料電池発電装置を提供すること。
【解決手段】本発明の固体電解質燃料電池発電装置は、カソード電極層２とアノード電極層３とが固体電解質基板１の両面に形成された複数の固体酸化物型燃料電池Ｃを備え、隣り合う固体酸化物型燃料電池Ｃのそれぞれのアノード電極層３が対向するように、複数の固体酸化物型燃料電池Ｃが配置されている。対向する各アノード電極層３の間には、該各アノード電極層３に接触し、通気性を有する第１の導電体４が挟持されている。この第１の導電体４は、各アノード電極層３を超えて延出する第１の延出部４１を有しており、該第１の導電体４がアノード電極層３の集電部となっている。
【解決手段】本発明の固体電解質燃料電池発電装置は、カソード電極層２とアノード電極層３とが固体電解質基板１の両面に形成された複数の固体酸化物型燃料電池Ｃを備え、隣り合う固体酸化物型燃料電池Ｃのそれぞれのアノード電極層３が対向するように、複数の固体酸化物型燃料電池Ｃが配置されている。対向する各アノード電極層３の間には、該各アノード電極層３に接触し、通気性を有する第１の導電体４が挟持されている。この第１の導電体４は、各アノード電極層３を超えて延出する第１の延出部４１を有しており、該第１の導電体４がアノード電極層３の集電部となっている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物型燃料電池発電装置に関する。特に、カソード電極層およびアノード電極層が形成された固体電解質基板を有する固体酸化物型燃料電池を備え、密閉を必要としない構造を有する固体酸化物型燃料電池発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年においては、種々の発電形式の燃料電池が開発されており、この中に、固体電解質を用いた形式の固体酸化物型燃料電池がある。この固体酸化物型燃料電池の一例を挙げると、イットリア（Ｙ2Ｏ3）が添加された安定化ジルコニアからなる焼成体を酸素イオン伝導型の固体電解質層として用いたものがある。この固体電解質層の一面にカソード電極層を、そして、その反対面にアノード電極層を形成し、このカソード電極層側に酸素又は酸素含有気体が供給され、さらに、アノード電極層には、メタン等の燃料ガスが供給されるようになっている。
【０００３】
この固体酸化物型燃料電池内では、カソード電極層に供給された酸素（Ｏ2）が、カソード電極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電極層に伝導され、アノード電極層に供給された、例えば、メタン（ＣＨ4）ガスと反応し、そこで、水（Ｈ2Ｏ）、二酸化炭素（ＣＯ2）、水素（Ｈ2）、一酸化炭素（ＣＯ）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、カソード電極層とアノード電極層との間に電位差が生じる。そこで、カソード電極層とアノード電極層とにリード線を取り付ければ、アノード電極層の電子が、リード線を介してカソード電極層側に流れ、固体酸化物型燃料電池として発電することになる。なお、この固体酸化物型燃料電池の駆動温度は、約１０００℃である。
【０００４】
しかし、この形式の固体酸化物型燃料電池による発電装置では、カソード電極層側に、酸素又は酸素含有ガス供給チャンバーを、そして、アノード電極層側に、燃料ガス供給チャンバーを夫々分離したセパレート型チャンバーを用意しなければならず、しかも、高温下で、酸化性雰囲気と還元性雰囲気とに晒されるため、固体酸化物型燃料電池としての耐久性を向上することが困難であった。
【０００５】
一方、固体電解質層の対向した面に、カソード電極層とアノード電極層とを設けた固体酸化物型燃料電池を形成し、この固体酸化物型燃料電池を、燃料ガス、例えば、メタンガスと、酸素ガスとが混合された混合燃料ガス中に置いて、カソード電極層とアノード電極層との間に起電力を発生させる形式の固体酸化物型燃料電池が開発されている。この形式の固体酸化物型燃料電池では、カソード電極層とアノード電極層との間に起電力を発生する原理は、上述したセパレート型チャンバー形式の固体酸化物型燃料電池の場合と同様であるが、固体酸化物型燃料電池全体を実質的に同一雰囲気にすることができるため、混合燃料ガスが供給されるシングル型チャンバーとすることができ、固体酸化物型燃料電池の耐久性を向上できる。
【０００６】
しかし、このシングル型チャンバーの固体酸化物型燃料電池による発電装置においても、約１０００℃の高温下で駆動しなければならないので、混合燃料ガスの爆発の危険性がある。この危険性を回避するために、酸素濃度を発火限界よりも低い濃度にすると、メタン等の燃料の炭化が進み、電池性能が低下するという問題が生じた。そのため、混合燃料ガスの爆発を防止しつつ、燃料の炭化の進行を防止し得る酸素濃度の混合燃料ガスを使用できるシングル型チャンバーの固体酸化物型燃料電池の発電装置が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。
【０００７】
ところで、上述のシングル型チャンバーの固体酸化物型燃料電池による発電装置では、従来の固体酸化物型燃料電池の発電装置のように、燃料と空気を厳粛に分離する必要がない代わりに、気密封止構造を採用せざるを得ない。そして、高温下で駆動できるように、複数の板状固体酸化物型燃料電池が耐熱性高電気伝導性を有するインターコネクト材を用いて積層接続され、起電力を上げていた。そのため、板状固体酸化物型燃料電池によるシングル型チャンバーの燃料電池発電装置は、大掛かりな構造となり、コストが嵩むという問題がある。また、このシングル型チャンバーの燃料電池発電装置の稼動に際しては、高温になるまで徐々に昇温して、固体酸化物型燃料電池の割れを防止しているので、起電するまでの時間が長く、手間がかかるものである。
【０００８】
そこで、固体酸化物型燃料電池を密封構造の容器に収容する必要がない、開放型の固体酸化物型燃料電池発電装置が提案されている（例えば、特許文献２）。特許文献２には、燃料電池排ガスによる防爆を図りつつ、排ガスの安全な処理を図れ、しかも、排ガスの燃焼によって、固体酸化物型燃料電池の近傍を燃料電池の駆動温度に容易に加熱することができる開放型の固体酸化物燃料電池発電装置が開示されている。
【０００９】
特許文献２には、図１０に示すように、複数の固体酸化物型燃料電池Ｃの各面を垂直に配置し、該固体酸化物型燃料電池Ｃを囲んで収納する容器１１と、該容器１１の上側から固体酸化物型燃料電池Ｃに空気及び燃料を供給する混合燃料ガス供給装置１２と、該固体酸化物型燃料電池Ｃの下端から排出される排ガスを容器１１の下側で燃焼した熱で、固体酸化物型燃料電池Ｃを加熱する燃焼装置１３とを備えた開放型の固体酸化物型燃料電池発電装置１０が提案されている。
【００１０】
【特許文献１】特開２００３−９２１２４号公報
【特許文献２】特開２００６−２５３０９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ところで、図１０に記載の固体酸化物型燃料電池発電装置１０では、複数の固体酸化物型燃料電池Ｃが積層されてなる固体酸化物型燃料電池群Ｃ１０が２つ備えられており、２つの該固体酸化物型燃料電池群Ｃ１０の間は、電気絶縁性介在層１００により電気的に分離されている。各固体酸化物型燃料電池群Ｃ１０では、隣り合う固体酸化物型燃料電池Ｃの間に、ガス透過性の導電層１０１が挿入されており、全体として各固体酸化物型燃料電池群Ｃ１０は、電気的に直列接続されている。そして、２つの固体酸化物型燃料電池群Ｃ１０は、電気的に並列接続されることによって、出力容量の増加を図ることができる。しかし、その接続方法は、具体的に示されていない。また、用途によっては、出力電流を増加するために、各固体酸化物型燃料電池Ｃを並列接続する必要があるが、特許文献２には、固体酸化物型燃料電池群Ｃ１０において、各固体酸化物型燃料電池Ｃを並列接続するための集電方法についても示されていない。
【００１２】
特許文献２に記載の固体酸化物燃料電池発電装置１０では、上述したような固体酸化物型燃料電池Ｃの積層構造により、体積当りの発電密度の向上が図られているが、より高出力な燃料電池発電装置が求められており、更なる発電密度の向上が期待されている。また、燃料電池発電装置の普及に向けて、製造コストの更なる低減も期待されている。
【００１３】
従って、本発明の目的は、集電構造が簡易であって製造コストが低く、電気的に並列接続または直列接続することが容易であり、且つ発電密度の高い開放型の固体酸化物型燃料電池発電装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
以上の課題を解決するために、本発明の固体酸化物型燃料電池発電装置は、カソード電極層とアノード電極層とが固体電解質基板の両面に形成された固体酸化物型燃料電池の複数を備えた固体酸化物型燃料電池発電装置において、隣り合う前記固体酸化物型燃料電池のそれぞれの前記アノード電極層が対向するように、複数の前記固体酸化物型燃料電池が配置され、対向する前記各アノード電極層の間には、該各アノード電極層に接触し、通気性を有する第１の導電体が挟持され、前記第１の導電体は、前記各アノード電極層を超えて延出した第１の延出部を有し、該第１の導電体が前記アノード電極層の集電部となることとした。
【００１５】
そして、隣り合う前記固体酸化物型燃料電池のそれぞれの前記カソード電極層が対向し、対向する該カソード電極層の間には、該各カソード電極層に接触し、通気性を有する第２の導電体が挟持され、該第２の導電体は、前記各カソード電極層を超えて延出した第２の延出部を有し、該第２の導電体が前記カソード電極層の集電部となり、前記第１の延出部と前記第２の延出部とは、該第１の延出部および該第２の延出部の面方向にずれた位置に形成されることとし、さらには、前記第１の延出部と前記第２の延出部は、互いに反対方向にずれた位置で延出することとした。
【００１６】
また、前記第１の導電体および前記第２の導電体は、凹凸形状を有することとした。
【００１７】
また、前記第１の導電体と前記アノード電極層との間、および、前記第２の導電体と前記カソード電極層との間に、それぞれ、通気性を有する第３の導電体が挟持されることとした。
【００１８】
また、前記第１の導電体、前記第２の導電体または前記第３の導電体が、金属製メッシュまたは多孔質体により形成されることとし、さらには、対向する前記各アノード電極層の間に配置された前記金属製メッシュが、ニッケル、または、ニッケルと銅との合金により形成されることとした。
【００１９】
また、複数の前記第１の延出部同士および複数の前記第２の延出部同士のそれぞれが、第１および第２の接続体を有することとし、さらには、複数の前記固体酸化物型燃料電池が前記第１の導電体および前記第２の導電体を挟持して積層された燃料電池積層体が形成され、該燃料電池積層体が複数配置され、複数の前記燃料電池積層体のそれぞれにおける前記第１の接続体と前記第２の接続体とにより、該各燃料電池積層体が、電気的に並列接続または直列接続されることとし、または、複数の前記固体酸化物型燃料電池が前記第１の導電体および前記第２の導電体を挟持して積層された燃料電池積層体が形成され、該燃料電池積層体が、一対の支持板により挟持され、該各支持板は、表面が無機酸化物で被覆された金属板であることとした。
【発明の効果】
【００２０】
以上のように、本発明の固体酸化物型燃料電池発電装置によれば、電気的に集電構造が簡易であって、製造コストが低く、並列接続または直列接続することが容易であり、且つ発電密度が高い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の固体酸化物型燃料電池発電装置の実施形態について、その好ましい第１乃至第４実施形態に基づいて、図面を参照しながら説明する。
【００２２】
（第１実施形態）
本実施形態の固体酸化物型燃料電池発電装置１０（以下、単に本装置とも称す）は、図１〜６に示すように、カソード電極層２とアノード電極層３とが固体電解質基板１の両面に形成された複数の固体酸化物型燃料電池Ｃを備えている。
また本装置１０では、隣り合う固体酸化物型燃料電池Ｃのそれぞれのアノード電極層３が対向するように、複数の固体酸化物型燃料電池Ｃが配置されている。対向する各アノード電極層３の間には、該各アノード電極層３に接触し、通気性を有する第１の導電体４が挟持されている。この第１の導電体４は、各アノード電極層３を超えて延出する第１の延出部４１を有しており、該第１の導電体４がアノード電極層３の集電部となっている。
【００２３】
本装置１０は、図１に示すように、複数の固体酸化物型燃料電池Ｃが積層されて形成された燃料電池ユニットＣ１と、該燃料電池ユニットＣ１が収納されている断熱性の容器１１と、燃料電池ユニットＣ１へ燃料ガスと酸化剤ガスとの混合燃料ガスを供給する混合燃料ガス供給装置１２と、容器１１の下端において混合燃料ガスを燃焼する燃焼装置１３とを備えている。
【００２４】
本装置１０について、以下にさらに説明する。図１（ａ）は、本装置１０の縦断面を模式的に示しており、図１（ｂ）は、本装置１０の横断面を模式的に示している。
容器１１は、図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、下側に開口部を有した円筒形状を有している。容器１１の上側は、密閉されている。容器１１の内部に収納されている燃料電池ユニットＣ１の周囲には、断熱材１１ａが充填されている。
このように、本装置１０は、複数の固体酸化物型燃料電池Ｃが積層された燃料電池ユニットＣ１を、いわゆるシングル型チャンバーに収納した開放型の燃料電池発電装置である。
【００２５】
容器１１の上部には、燃料電池ユニットＣ１の上方に、混合燃料ガス供給装置１２が配置されている。この混合燃料ガス供給装置１２によって、燃料電池ユニットＣ１の上端から、各固体酸化物型燃料電池Ｃへ混合燃料ガスが供給される。この燃料電池ユニットＣ１で消費されなかった混合燃料ガスは、燃料電池ユニットＣ１を通過して、その下端に形成された空間に排出される。混合燃料ガス供給装置１２へは、容器１１の上方側部に設けられた供給管を通して、混合燃料ガスが容器１１の外部から供給される。
【００２６】
燃料電池ユニットＣ１の下端に形成された空間には、燃焼装置１３が配置されている。燃料電池ユニットＣ１の下端から排出された混合燃料ガスは、燃焼装置１３により燃焼され、その空間に、火炎Ｆが生成される。
【００２７】
この燃焼装置１３と燃料電池ユニットＣ１との間には、通気性を有する平板状の電気絶縁性多孔質体１５が配置されている。電気絶縁性多孔質体１５は、その面の向きを混合燃料ガスの流れ方向と略直交するように配置されている。混合燃料ガスは、電気絶縁性多孔質体１５を介して、燃料電池ユニットＣ１側から燃焼装置１３側へ通過する。電気絶縁性多孔質体１５は、混合燃料ガスの流れを整えて、安定した燃焼が生じる働きを有している。
【００２８】
次に、本装置１０の燃料電池ユニットＣ１について、以下にさらに説明する。図２（ａ）には、燃料電池ユニットＣ１が上方から見た上面図で示され、図２（ｂ）には、燃料電池ユニットＣ１が一部破断による側面図で示されている。
燃料電池ユニットＣ１は、図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、複数の固体酸化物型燃料電池Ｃが第１の導電体４および後述する第２の導電体６を挟持して積層されて形成された燃料電池積層体Ｃ２が、絶縁性の一対の支持板９１，９２に挟持された構成を有している。また、燃料電池積層体Ｃ２および一対の支持板９１，９２は、電気導電性の複数の固定手段７で固定されている。
【００２９】
燃料電池積層体Ｃ２では、図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、複数の固体酸化物型燃料電池Ｃが垂直になるように、容器１１の縦方向に面方向を揃えられ、且つ、それらの外形状の輪郭が揃えられて、厚さ方向に積層されている。そのため、燃料電池積層体Ｃ２および燃料電池ユニットＣ１の上下方向は、容器１１の上下方向と一致している。これは、各固体酸化物型燃料電池Ｃに混合燃料ガスを均一に供給し易くし、燃焼装置１３からの熱が上方に伝わり易くしている。なお、本発明に用いられる固体酸化物型燃料電池の詳細については後述する。
そこで、燃料電池積層体Ｃ２の上端から供給された混合燃料ガスは、図３（ａ）および図３（ｂ）に示される構成を有する固体酸化物型燃料電池Ｃの面に沿って、燃料電池積層体Ｃ２の下端へ向かって通過する。
【００３０】
燃料電池積層体Ｃ２では、隣り合う固体酸化物型燃料電池Ｃのそれぞれのアノード電極層３が対向し、且つ、隣り合う固体酸化物型燃料電池Ｃのそれぞれのカソード電極層２が対向するように、複数の固体酸化物型燃料電池Ｃが積層されている。燃料電池積層体Ｃ２において、対向する該アノード電極層３の間には、図４に示すように、該各アノード電極層３に接触し、通気性を有する平板状の第１の導電体４が挟持されている。同様に、対向する該カソード電極層２間には、該各カソード電極層２に接触し、通気性を有する平板状の第２の導電体６が挟持されている。
【００３１】
なお、燃料電池積層体Ｃ２において、積層される固体酸化物型燃料電池Ｃの数は、用途に応じた出力特性に対応させて、適宜設計することができる。
【００３２】
第１の導電体４は、図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、該第１の導電体４を挟持する両側の各アノード電極層３を超えて延出した第１の延出部４１を有している。同様に、第２の導電体６は、該第２の導電体６を挟持する両側の各カソード電極層２を超えて延出した第２の延出部６１を有している。
【００３３】
本装置１０の燃料電池積層体Ｃ２では、積層された固体酸化物型燃料電池Ｃの両側にも、図２（ａ）に示すように、第１の導電体４および第２の導電体６それぞれが配置されている。このように、燃料電池積層体Ｃ２は、各固体酸化物型燃料電池Ｃが、第１の導電体４と第２の導電体６との間に挟持された構成を有している。
【００３４】
第１の導電体４は、アノード電極層３に接触して集電部となっており、同様に、第２の導電体６はカソード電極層２に接触して集電部となっている。そして、第１の延出部４１と第２の延出部６１とは、図２（ｂ）に示すように、第１の延出部４１および第２の延出部６１の面方向にずれた位置に形成されている。本装置１０では、第１の延出部４１と第２の延出部６１は、互いに反対方向にずれた位置で、燃料電池積層体Ｃ２の上下方向（以下、上下方向ともいう）と直交する方向（以下、単に横方向ともいう）に延出している。
【００３５】
また、本装置１０では、第１の導電体４および第２の導電体６のそれぞれは、図２（ａ）および図４に示すように、凹凸形状を有している。具体的には、該凹凸形状は、例えば、周期的な波形状とすることもできる。
このように、第１の導電体４および第２の導電体６のそれぞれが、凹凸形状を有しているので、面方向および該面と垂直な方向における弾性および柔軟性が高められており、固体酸化物型燃料電池Ｃを面方向に適度に押圧する力が高められ、その凸形状において、アノード電極層３またはカソード電極層２の面に接触する。
【００３６】
第１の導電体４および第２の導電体６それぞれは、図４に示すように、波形状の凸部が畝状に周期的に形成されており、該凸部同士の間には、溝状の凹部が該凸部と平行に形成されている。燃料電池ユニットＣ１として組み立てられた状態で、上記凸部と上記凹部それぞれの頂点間を、第１の導電体４または第２の導電体６の面と垂直な方向に測定した長さは、０．３〜０．５ｍｍであることが、固体酸化物型燃料電池Ｃの保持性および通気性の観点から好ましい。
【００３７】
次に、第１の導電体４について、さらに説明する。
第１の導電体４は、該第１の導電体４を挟持する両側のアノード電極層３と物理的および電気的に接している。第１の導電体４は、両側のアノード電極層３へ混合燃料ガスを供給する観点から、その面方向に通気性を有していることが好ましい。この面方向の通気性とは、第１の導電体４自身がその面方向に通気性を有していることと、第１の導電体４が両側に位置するアノード電極層３に挟持された状態で生じた隙間等により、面方向に通気性を有していることとを含む概念である。
【００３８】
また、第１の導電体４は、第１の導電体４を挟んで対向する一対のアノード電極層３の間における燃料ガス等の移動を可能とする観点から、その面と垂直な方向に通気性を有していることが好ましい。
【００３９】
この理由を以下に説明する。
燃料ガスとして炭化水素を用いる場合には、アノード電極層３では、燃料ガスが改質されて改質物質が生成され、消費されている。第１の導電体４を挟んで対向する一対のアノード電極層３のそれぞれにおいて、改質物質の生成速度または消費速度に差がある場合には、該アノード電極層３の間において、燃料ガスまたは改質物質の移動を可能することにより、燃料ガス濃度が高い方から低い方へ燃料ガスの移動が可能となり、また、改質物質濃度の高い方から低い方へ改質物質の移動が可能となり、結果として、固体酸化物型燃料電池Ｃの体積あたりの発電効率を高めることができる。
【００４０】
第１の導電体４の寸法は、集電効率および固体酸化物型燃料電池Ｃの保持性の観点から、アノード電極層３の全体を覆う大きさであることが好ましい。図２（ａ）に示した例では、第１の導電体４の上下方向の寸法は、アノード電極層３のそれと同等である。第１の導電体４の横方向の寸法は、アノード電極層３の横方向の全体を覆っており且つ該横方向の一方へ向かって延出した大きさを有している。
【００４１】
第２の導電体６については、アノード電極層３の間ではなく、カソード電極層２の間に挟持されていることを除いて、上述した第１の導電体４の説明が適用される。ただし、第２の導電体６が、対向するカソード電極層２の間の通気性を有することが好ましい理由は、酸化剤ガスの移動を可能とするためである。
【００４２】
第１の導電体４および第２の導電体６の形成材料としては、固体酸化物型燃料電池Ｃを挟持した状態を維持できる剛性または弾性を有していることが好ましい。また、該材料は、固体酸化物型燃料電池Ｃの発電時に使用される温度および雰囲気における耐熱性および耐久性を有していることが好ましい。さらに、該材料は、上述した通気性を有していることが好ましい。
【００４３】
このような観点から、第１の導電体４および第２の導電体６は、金属製メッシュ、金属発泡体、導電性の多孔質体、波形状を有する金属製板、波形状を有する金属製板であって多数の孔部を有するもの、またはカーボングラファイト製メッシュにより形成されていることが好ましい。
図４に示すように、本装置１０では、第１の導電体４および第２の導電体６が、コストおよび加工性の観点から、金属製メッシュから形成されている。
【００４４】
本装置１０の周期的な波形状を有する第１の導電体４または第２の導電体６は、例えば、図４および図５（ａ）に示す波形状の押圧断面を有する一対の押型の間に、金属製メッシュを挟んで押圧成型して得ることができる。
【００４５】
また、図５（ｂ）に、金属製メッシュの変形例を示す。本変形例のように、第１の導電体４または第２の導電体６には、さらに細かい凹凸が形成されていても良い。本変形例では、図５（ａ）に示す波形状が、基本波形状の周期より短い周期を有する波形状が重畳された形状を有している。
【００４６】
本変形例では、第１の導電体４または第２の導電体６が、細かな凹凸を有しているため、その柔軟性が増加すると共に、アノード電極層３またはカソード電極層２の表面が全くの平坦でなくとも、該両電極層との物理的および電気的な接触点が増加する。そのため、固体酸化物型燃料電池Ｃの保持性および該両電極層との電気的な接触状態が更に向上している。
【００４７】
図５（ｂ）に示す第１の導電体４または第２の導電体６は、例えば、図４および図５（ａ）に示す波形状の押圧断面を有する一対の押型よりも、さらに短い周期を有する波形状の押圧断面を有する一対の押型により、金属製メッシュを挟んで押圧成型した後、図４および図５（ａ）に示す波形状の押圧断面を有する一対の押型により押圧成型して得ることができる。
【００４８】
上述した第１の導電体４または第２の導電体６は、周期的な波形状の凹凸を有しているが、第１の導電体４または第２の導電体６は、ディンプル状の凹凸が規則的またはランダムに形成されていても良い。
【００４９】
金属製メッシュにおけるメッシュの寸法は、挟持される固体酸化物型燃料電池Ｃを固定することができる大きさであって、混合燃料ガスに含まれる燃料ガスおよび酸化剤ガスを容易に通す大きさであることが好ましい。
【００５０】
具体的には、金属製メッシュにおけるメッシュの寸法は、メッシュを構成する金属線の線径が３０〜１５０μｍ、６０〜５００メッシュであることが好ましい。特に線径が７０〜１３０μｍ、７０〜１３０メッシュであることが、固体酸化物型燃料電池Ｃの保持性、集電効率および加工性の観点から好ましい。本装置１０では、線径が１００μｍ、１００メッシュの金属製メッシュを用いている。
【００５１】
また、金属製メッシュの形成材料としては、ニッケル、ニッケル合金、ステンレススティールまたは耐熱耐腐食性合金が好ましい。ステンレススティールとしては、ＳＵＳ３１０またはＳＵＳ４３０等が好ましい。
【００５２】
特に、燃料ガスとして、Ｃ−Ｈ結合を有する炭化水素の燃料ガスを用いる場合には、固体酸化物型燃料電池Ｃの各アノード電極層３の間に配置された金属製メッシュが、ニッケル、または、ニッケル合金により形成されていることが、燃料分子のＣ−Ｈ結合を切断する触媒として働く上で好ましい。特に、金属製メッシュがニッケル合金により形成される場合には、該合金は、ニッケルと銅との合金であることが、ニッケルによる煤生成を促進しない観点から好ましい。
【００５３】
金属製メッシュがニッケル合金から形成されている場合には、該合金中のニッケルの割合が、６０質量％以上１００質量％未満、特に８０質量％以上１００質量％未満であることが、触媒作用を有すると共に、煤生成を促進しない上で好ましい。また、該合金中のニッケルは、その表面に存在していることが好ましい。第１の導電体４または第２の導電体６が、上述した導電性の多孔質体または金属製板から形成されている場合も同様である。
【００５４】
次に、燃料電池ユニットＣ１を形成するための一対の支持体９１，９２について、さらに説明する。
本装置１０では、燃料電池積層体Ｃ２が、図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、その両側に配置された絶縁性の一対の支持板９１，９２に挟持固定されている。一対の支持板９１，９２それぞれの寸法は、固体酸化物型燃料電池Ｃよりも大きいことが、燃料電池積層体Ｃ２の保持性を高める上で好ましい。本装置１０では、一対の支持板９１，９２それぞれは、図２（ｂ）に示すように、４角形状を有し、固体酸化物型燃料電池Ｃよりも大きな寸法を有している。そして、燃料電池積層体Ｃ２は、支持板９１，９２の縁から内方で挟持されている。
【００５５】
一対の支持板９１，９２それぞれを形成する材料は、燃料電池積層体Ｃ２を挟持した状態を維持できる剛性を有していることが好ましい。また、該材料は、燃料電池積層体Ｃ２が発電時に使用される温度および雰囲気において、電気的な絶縁性、耐熱性および耐久性を有していることが好ましい。
【００５６】
具体的には、一対の支持板９１，９２それぞれは、表面が無機酸化物で被覆された金属板により形成されていることが好ましい。無機酸化物としては、例えば、セラミックスや、柔軟性を有する無機酸化物シートが好ましい。セラミックスとしては、例えば、アルミナ系セラミックス、ムライト系セラミックス、コージライト系セラミックス、ホルスライト系セラミックスなどが挙げられる。また、柔軟性を有する無機酸化物シートとしては、例えば、石英、ガラス、アルミナベース系セラミックスの繊維から形成された布または不織布であることが好ましい。金属板を被覆する無機酸化物を、柔軟性を有する無機酸化物シートにより形成することは、耐衝撃性を向上する観点から好ましい。
【００５７】
また、本装置１０では、一対の支持板９１，９２それぞれは、金属板の表面に、上述したセラミックスを溶射して形成されていても良い。金属板は、セラミックスから形成されている固体酸化物型燃料電池Ｃよりも、熱伝導性が高いため、支持板の熱伝導性が、固体酸化物型燃料電池Ｃよりも高い。このような構成の支持板を採用することにより、後述するように、燃料電池ユニットＣ１の駆動に要する時間の短縮が図られている。
【００５８】
次に、以上に説明された燃料電池ユニットＣ１に用いられるのに好適な固体酸化物型燃料電池Ｃについて、以下に、図３（ａ）および図３（ｂ）を参照して説明する。
固体酸化物型燃料電池Ｃは、平板状の固体電解質基板１を有し、該基板の一方の面には、平板状にカソード電極層２が形成されており、他方の面には、平板状にアノード電極層３が形成されている。固体酸化物型燃料電池Ｃは、全体として、平板状である。
【００５９】
固体酸化物型燃料電池Ｃの平面視形状は、用途に応じて任意の形状とすることができるが、所定の空間に複数の固体酸化物型燃料電池Ｃを積層配置する観点および加工性の観点から、本装置１０では、固体電解質基板１、カソード電極層２およびアノード電極層３共に４角形状を有している。また、カソード電極層２およびアノード電極層３は、同じ寸法で形成されており、固体電解質基板１よりも若干小さく形成されている。
【００６０】
また、図２（ａ）および図２（ｂ）に示された例では、燃料電池ユニットＣ１において、燃料電池積層体Ｃ２が、その第１の導電体４および第２の導電体６を介して、一対の支持板９１，９２と共に、導電性の複数の固定手段７で固定されている。本装置１０では、左右３ヶ所ずつ、計６ヶ所の固定手段７を用いている。これらの固定手段７は、ボルト７１とナット７２とから構成されている。
【００６１】
本装置１０では、図２（ｂ）に示すように、第１の導電体４における第１の延出部４１の横方向の端部と、第２の導電体６における第２の延出部６１の横方向の端部と、一対の支持板９１，９２における横方向の両端部とに、それぞれ、上下方向に所定の間隔をあけて３つの孔が形成されている。そして、該孔のそれぞれにボルト７１が挿通された状態で、一対のナット７２をボルト７１の両端部に螺合させて、燃料電池積層体Ｃ２および一対の支持体９１，９２を押圧固定している。また、支持体９１、９２とナット７２との間には、絶縁性の座金７４が介在配置されている。
【００６２】
本装置１０では、燃料電池積層体Ｃ２における各固体酸化物型燃料電池Ｃの間に挟持されている第１の導電体４および第２の導電体６の有する弾性によって、固定手段７による押圧力に対抗する力が生じており、燃料電池積層体Ｃ２が、一対の支持体９１，９２により挟持された状態が確実に維持される。
【００６３】
一対の支持板９１，９２のうち少なくとも一方と、固定手段７とは、電気的な短絡を防ぐために、絶縁されていることが好ましい。本装置１０では、一対の支持板９１，９２と、固定手段７とは、座金７４により電気的に絶縁されている。本装置１０では、図６に示すように、絶縁性の座金７４には、支持体９１，９２側に延びる円筒上の垂直部７４１が形成されており、該垂直部７４１が、支持板９１，９２の孔に嵌合しており、この垂直部７４１の中をボルト７１が挿通されている。
【００６４】
本装置１０では、前述したように、支持板９１，９２の内部に、金属板が配置されているために、上述した絶縁構成を備える必要があるが、支持板９１，９２に金属板等の導体が含まれていない場合には、このような絶縁構成を備えていなくても良い。
【００６５】
固定手段７について更に説明すると、この固定手段７が、燃料電池積層体Ｃ２の電力の取り出し部となっている。第１の延出部４１のそれぞれに挿通されているボルト７１は、該第１の延出部４１と電気的に接した状態が形成されている。そのため、各アノード電極層３は、電気的に並列接続されている。
【００６６】
この電気的に接した状態を確実にするために、ボルト７１が挿通されている第１の延出部４１の孔の部分を、両側からナット７２を用いて、ボルト７１に固定しても良い。第２の延出部６１とボルト７１との電気的な接触状態についても、上述した第１の延出部４１と同様である。
【００６７】
本装置１０では、このように複数の第１の延出部４１および複数の第２の延出部６１それぞれが、ボルト７１に固定されて電気的に接続されており、燃料電池ユニットＣ１において、各固体酸化物型燃料電池Ｃが電気的に並列接続されている。
【００６８】
本装置１０では、上述したように構成された燃料電池ユニットＣ１が、図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、容器１１の内部に収納されている。
また、他の実施形態において後述するように、本発明の固体電解質燃料電池発電装置１０では、燃料電池ユニットＣ１または燃料電池積層体Ｃ２を単位として、これらを複数接続することにより、容易に電気的な並列接続または直列接続を実現することができる。
【００６９】
次に、固体酸化物型燃料電池Ｃの形成材料について、以下に説明する。
固体電解質基板１には、例えば、公知のものを採用でき、次に示す材料を使用できる。
ａ）ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）、ＳｃＳＺ（スカンジア安定化ジルコニア）、これらにＣｅ、Ａｌ等をドープしたジルコニア系セラミックス。
ｂ）ＳＤＣ（サマリアドープドセリア）、ＳＧＣ（ガドリアドープドセリア）等のセリア系セラミックス。
ｃ）ＬＳＧＭ（ランタンガレート）、酸化ビスマス系セラミックス。
このように本明細書では、固体酸化物は、固体電解質を含む概念である。
【００７０】
また、アノード電極層３は、多孔質体から形成されており、その形成材料としては、例えば、公知のものを採用でき、次に示す材料を使用できる。
ｄ）ニッケルと、イットリア安定化ジルコニア系、スカンジア安定化ジルコニア系、又は、セリア系（ＳＤＣ、ＧＤＣ、ＹＤＣ等）セラミックとのサーメット。
ｅ）導電性酸化物を主成分（５０質量％以上９９質量％以下）とする焼結体。導電性酸化物とは、例えば、リチウムが固溶された酸化ニッケル等である。
ｆ）また上記ｄ）、ｅ）に挙げたものに、白金族元素やレニウムから成る金属、または、その酸化物が１〜１０質量％程度配合されたもの。
上述した中でも、特にｄ）、ｅ）が好ましい。
【００７１】
上記ｅ）の導電性酸化物を主成分とする焼結体は、優れた耐酸化性を有するのでアノード電極層の酸化に起因して発生する、アノード電極層の電極抵抗の上昇による発電効率の低下、或いは、発電不能、アノード電極層の固体酸化物層からの剥離といった現象を防止できる。また、導電性酸化物としては、リチウムが固溶された酸化ニッケルが好適である。さらに、上記ｄ）、ｅ）に挙げたものに、白金族元素やレニウムから成る金属、またはその酸化物を配合することにより、高い発電性能を得ることができる。
【００７２】
カソード電極層２は、多孔質体により形成されており、その形成材料としては、公知のものを採用でき、例えば、ストロンチウム（Ｓｒ）が添加されたランタンやサマリウム等の周期律表第３族元素のマンガン（例えば、ランタンストロンチウムマンガナイト）、ガリウム又はコバルト酸化化合物（例えば、ランタンストロンチウムコバルタイトやサマリウムストロンチウムコバルタイト）等が挙げられる。
【００７３】
アノード電極層３とカソード電極層２とは、共に多孔質体で形成されるが、本装置１０における固体電解質基板１も多孔質に形成されていてもよい。従来では、基板を構成する固体電解質層は、緻密質に形成されていたが、耐熱衝撃性が低く、急激な温度変化によって、ひび割れが生じやすかった。また、一般に、固体電解質層は、アノード電極層及びカソード電極層よりも厚く形成されているので、固体電解質層のひび割れが引き金となり、固体酸化物型燃料電池の全体にひび割れが発生し、バラバラになってしまっていた。
【００７４】
本装置１０においても、個々の固体電解質基板が多孔質に形成されることで、発電時に、火炎中、或いは、火炎の近傍に配置されて、急激に温度変化を与えても、さらに、温度差の激しいヒートサイクルに対しても、ひび割れ等がさらに抑制され、耐熱衝撃性がより向上される。また、多孔質であっても、その気孔率が１０％未満のときは、耐熱衝撃性に著しい向上が認められなかったが、１０％以上であると良好な耐熱衝撃性が見られ、２０％以上であるとより好適である。
【００７５】
なお、先に提案された固体酸化物型燃料電池に対しては、メッシュ状金属やワイヤ状金属を、アノード電極層やカソード電極層に埋設、あるいは、固着することが行われていた。これは、熱履歴等によってひび割れした固体電解質基板がバラバラになって崩れないように、補強する対策であった。この対策によれば、固体電解質基板がバラバラにひび割れした後においても、そのひび割れした部分は発電性能を維持しているので、メッシュ状金属やワイヤ状金属は、それらのひび割れした部分を電気的に接続し、１枚の固体酸化物型燃料電池として電力を取り出すことができた。
【００７６】
ところで、本発明においては、メッシュ状金属やワイヤ状金属を、アノード電極層やカソード電極層に埋設、あるいは、固着させないで、固体酸化物型燃料電池Ｃを、アノード電極層３とカソード電極層２のそれぞれに接触して配置される第１の導電体４と第２の導電体６とで挟持する構成を採用しているので、例え、固体電解質基板１がバラバラにひび割れした場合であっても、それらのひび割れした部分は発電性能を維持したままで、第１の導電体４と第２の導電体６との間で保持される。そのため、第１の導電体４と第２の導電体６とが、それらのひび割れした部分を電気的に接続することとなり、１枚の固体酸化物型燃料電池として電力を取り出すことができる。
【００７７】
従って、本発明に採用される固体酸化物型燃料電池Ｃの製造にあたっては、先に提案された固体酸化物型燃料電池の製造工程より簡略化でき、製造コストの低減を図ることができる。
【００７８】
上述した本装置１０は、例えば、以下のようにして発電することができる。
まず、燃料電池ユニットＣ１を駆動する際には、混合燃料供給装置１２から混合燃料ガスを、燃料電池ユニットＣ１の上端へ供給し、該燃料電池ユニットＣ１の下端から排出された混合燃料ガスを、燃焼装置１３により燃焼して火炎Ｆを生成する。この火炎Ｆによって、燃料電池ユニットＣ１が発電駆動可能な温度にまで加熱される。
【００７９】
この際、燃料電池ユニットＣ１は、一対の支持板９１，９２に金属板が含まれているので、固体酸化物型燃料電池Ｃよりも熱伝導性が優れている。そのため、火炎により加熱されると、該固体酸化物型燃料電池Ｃよりも早く昇温する。その結果、昇温した一対の支持板９１，９２により、燃料電池ユニットＣ１の両側も下端から上端までが速やかに加熱されるため、本装置１０は、燃料電池ユニットＣ１の駆動に要する時間が短い。
【００８０】
燃料電池ユニットＣ１の発電開始後においては、燃料電池ユニットＣ１で消費仕切れなかった混合燃料ガスが、燃料電池ユニットＣ１の下端から排出されるので、排出された混合燃料ガスが、燃焼装置１２により安全に燃焼処理されると共に、燃料電池ユニットＣ１が駆動温度に維持される。
【００８１】
上述した本装置１０によれば、集電構造が簡易であるので、製造コストの低減が図れる。また、燃料電池ユニットＣ１または燃料電池積層体Ｃ２を単位として、容易に並列接続または直列接続することが可能であり、出力電圧または出力電流を用途に応じて適宜設計することができる。
【００８２】
また、本装置１０では、通気性を有する導電体を介在させて、隣り合う固体酸化物型燃料電池Ｃのアノード電極層３同士およびカソード電極層２同士が対向配置されているので、体積あたりの発電密度が高くなる。
【００８３】
さらに、本装置１０は、開放型の構成を有しており、密閉構造を必要としないため、簡易な構造とすることができる。
【００８４】
次に、本発明の他の実施形態の固体酸化物型燃料電池発電装置を、図７〜図９を参照しながら以下に説明する。他の実施形態において、上述の第１実施形態と共通する部分については、上述した実施形態に関して詳述した説明が適宜適用される。また、図７〜図９において、図１〜図６と同じ部材には同じ符号を付した。
【００８５】
（第２実施形態）
本発明の好ましい第２実施形態の固体酸化物型燃料電池発電装置１０が図７に示される。本装置１０では、図７の例に示すように、第１の導電体４とその両側に位置するアノード電極層３との間に、通気性を有する平板状の第３の導電体８が挟持されている。同様に、第２の導電体６とその両側に位置するカソード電極層２との間にも、通気性を有する平板状の第３の導電体８が挟持されている。本装置１０の燃料電池積層体Ｃ２では、積層された固体酸化物型燃料電池Ｃの両側にも、第１の導電体４とアノード電極層３との間、第２の導電体６とカソード電極層２との間に、それぞれ、第３の導電体８が挟持されている。
なお、図７では、本装置１０の構成を分かりやすくするために、一対の支持板および固定手段の図示を省略している。
【００８６】
第３の導電体８は平板状であり、平面視が４角形状であり、その寸法は、固体酸化物型燃料電池Ｃの両電極層２，３と同じである。このように、第３の導電体８は、アノード電極層３およびカソード電極層２と高い接触面積を有しており、該各電極層との電気的な接触状態が良好である。
その他の構成については、上述した第１実施形態と同様である。
【００８７】
各固体酸化物型燃料電池Ｃのアノード電極層３およびカソード電極層２と、平板状の第３の導電体８とは面接触しているので、該電極層２，３から第３の導電体８への電子伝導性が高い。一方、凹凸形状を有する第１の導電体４または第２の導電体６は、第３の導電体８と主に点接触または線接触しているが、どちらも導電体から形成されているので、両者間の電子伝導性は十分に確保されている。従って、本装置１０では、アノード電極層３およびカソード電極層２から、第１の導電体４または第２の導電体６への集電効率が高められている。
【００８８】
このような観点から、第３の導電体８が金属製メッシュから形成されている場合には、そのメッシュの寸法は、第１の導電体４および第２の導電体６よりも小さいものを採用することが、電気的な接触点の数を増やす上で好ましい。
【００８９】
本装置１０では、第３の導電体８も、上述した第１の導電体４または第２の導電体６と同様に、面方向および該面と垂直な方向に通気性を有している。
【００９０】
第３の導電体８の形成材料としては、第１の導電体４または第２の導電体６と同様のものを用いることができる。また、スチールウールのような金属製ウールを用いて良い。本装置１０では、第３の導電体８が、第１の導電体４および第２の導電体６と同様に、平板状の金属製メッシュから形成されている。
【００９１】
燃料ガスに炭化水素を用いる場合には、アノード電極層３に隣接して配置された金属製メッシュは、ニッケルまたはニッケル合金により形成されていることが、上述したように、燃料分子のＣ−Ｈ結合を切断する触媒として働く上で好ましい。
【００９２】
上述した本装置１０によれば、両電極層２，３それぞれからの集電効率が向上している。
【００９３】
（第３実施形態）
本発明の好ましい第３実施形態の固体酸化物型燃料電池発電装置１０が図８に示される。図８には、３つの燃料電池積層体の上面図を示している。本実施形態では、図８に示す例のように、３つの燃料電池積層体Ｃ２ａ、Ｃ２ｂ、Ｃ２ｃを備えている。複数の第１の延出部４１同士および複数の第２の延出部６１同士のそれぞれが、第１の接続体４２および第２の接続体６２を有している。各第１の延出部４１同士は、第１の接続体４２により、電気的に接続されている。同様に、各第２の延出部６１同士は、第２の接続体６２により、電気的に接続されている。
【００９４】
そして、３つの燃料電池積層体Ｃ２ａ、Ｃ２ｂ、Ｃ２ｃが配置され、３つの燃料電池積層体Ｃ２ａ、Ｃ２ｂ、Ｃ２ｃのそれぞれにおける第１の接続体４２と第２の接続体６２とにより、各燃料電池積層体Ｃ２ａ、Ｃ２ｂ、Ｃ２ｃが、電気的に直列接続されている。
【００９５】
３つの燃料電池積層体Ｃ２ａ、Ｃ２ｂ、Ｃ２ｃのそれぞれは、上述した第１実施形態と同様に、複数の固体酸化物型燃料電池Ｃが積層された構成を有しており、各固体酸化物型燃料電池Ｃは、第１の導電体４および第２の導電体６に挟持されている。
【００９６】
３つの燃料電池積層体Ｃ２ａ、Ｃ２ｂ、Ｃ２ｃのそれぞれを構成する各固体酸化物型燃料電池Ｃは、図８に示すように、容器１１の上下方向と面方向を揃え且つそれらの外形状の輪郭が揃えられて、全体として厚さ方向に積層されている。
【００９７】
固体酸化物型燃料電池Ｃの積層方向（以下、単に積層方向とも称す）において、燃料電池積層体Ｃ２ｂは、燃料電池積層体Ｃ２ａと燃料電池積層体Ｃ２ｃとの間に挟持されている。燃料電池積層体Ｃ２ａと燃料電池積層体Ｃ２ｂとは、積層方向の端部に位置するアノード電極層３同士を対向させて配置されている。また、燃料電池積層体Ｃ２ｂと燃料電池積層体Ｃ２ｃとは、積層方向の端部に位置するカソード電極層２同士が対向するように配置されている。
【００９８】
燃料電池積層体Ｃ２ｂにおける各第１の延出部４１は、燃料電池積層体Ｃ２ａ、Ｃ２ｃとは、反対の方向に向かって延出している。また、燃料電池積層体Ｃ２ｂにおける各第２の延出部６１は、燃料電池積層体Ｃ２ａ、Ｃ２ｃとは、反対の方向に向かって延出している。
【００９９】
図８には図示していないが、燃料電池積層体Ｃ２ａおよび燃料電池積層体Ｃ２ｃにおける積層方向外方には、上述した第１実施形態と同様に、一対の支持板９１，９２が配置されており、３つの燃料電池積層体Ｃ２ａ、Ｃ２ｂ、Ｃ２ｃを挟持して、燃料電池ユニットＣ１が構成されている。また、３つの燃料電池積層体Ｃ２ａ、Ｃ２ｂ、Ｃ２ｃおよび一対の支持板９１，９２は、上述した第１実施形態と同様に、複数の固定手段７（図示せず）により固定されて、燃料電池ユニットＣ１を構成している。
この燃料電池ユニットＣ１は、上述した第１実施形態と同様に、容器１１（図示せず）に収納されている。
【０１００】
そして、第１の延出部４１および第２の延出部６１それぞれは、上述した第１実施形態と同様に、固定手段７により固定されているが、該固定手段７と、第１の延出部４１または第２の延出部６１とは、電気的に絶縁されている。この絶縁の方法としては、各種公知の方法を用いることができるが、本装置１０では、図６に示す座金７４と同様の方法が用いられている。具体的には、ボルト７１が挿通されている第１の延出部４１または第２の延出部６１の孔には、円筒状の垂直部を備えた座金が嵌合されており、その垂直部の中をボルト７１が挿通されている。
【０１０１】
そして、図８に示すように、燃料電池積層体Ｃ２ａの第１の接続体４２と、燃料電池積層体Ｃ２ｂの第２の接続体６２とが配線により接続されている。また、燃料電池積層体Ｃ２ｂの第１の接続体４２と、燃料電池積層体Ｃ２ｃの第２の接続体６２とが配線により接続されている。このようにして、３つの燃料電池積層体Ｃ２ａ、Ｃ２ｂ、Ｃ２ｃが電気的に直列接続されている。
【０１０２】
燃料電池積層体Ｃ２ａにおける接続された第２の接続体６２と、燃料電池積層体Ｃ２ｃにおける接続された第１の接続体４２から、本装置１０の電力の取り出し部が形成されている。
【０１０３】
また、本装置１０では、燃料電池積層体Ｃ２ａおよび燃料電池積層体Ｃ２ｂのそれぞれの対向するアノード電極層２同士の間に、図８に示すように、通気性を有する絶縁性のセパレータ１４ａが挟持されている。このセパレータ１４ａにより、燃料電池積層体Ｃ２ａと燃料電池積層体Ｃ２ｂとは、電気的に絶縁されている。同様に、燃料電池積層体Ｃ２ｂおよび燃料電池積層体Ｃ２ｃのそれぞれの対向するカソード電極層２同士の間には、通気性を有する絶縁性のセパレータ１４ｂが挟持されている。このセパレータ１４ｂにより、燃料電池積層体Ｃ２ｂと燃料電池積層体Ｃ２ｃとは、電気的に絶縁されている。
【０１０４】
セパレータ１４ａ、ｂは、上述した第１の導電体４または第２の導電体６と同様に、固体酸化物型燃料電池Ｃの面方向および該面と垂直な方向に通気性を有している。
【０１０５】
セパレータ１４ａ、ｂの面方向の寸法は、電極層２，３よりも大きく、且つ第１の導電体４および第２の導電体６と同等以上であることが、各燃料電池ユニット間を電気的に絶縁する上で好ましい。本装置１０では、セパレータ１４ａ、ｂの寸法は、第１の導電体４および第２の導電体６と同等である。
【０１０６】
このセパレータ１４ａ、ｂも複数のボルト７１に固定されて、燃料電池ユニットＣ１内に積層されている。
【０１０７】
セパレータ１４ａ、ｂの形成材料としては、固体酸化物型燃料電池Ｃが発電時に使用される温度および雰囲気において、電気的な絶縁性、耐熱性および耐久性を有していることが好ましい。このような観点から、セパレータ１４ａ、ｂは、無機酸化物の多孔質体から形成されていることが好ましい。この多孔質体の細孔は、互いに連通していることが好ましい。
【０１０８】
燃料ガスとして、Ｃ−Ｈ結合を有する炭化水素の燃料を用いる場合には、アノード電極層３の間に挟持されているセパレータ１４ａは、その多孔質体の細孔表面に白金、ロジウムまたはニッケル等のＣ−Ｈ結合を切断する触媒作用を有する金属の原子または微粒子が分散配置されていることが好ましい。
【０１０９】
セパレータ１４ａの細孔内に侵入した炭化水素分子は、上記金属の原子または微粒子により、Ｃ−Ｈ結合が切断されて改質物質への改質が促進される。
【０１１０】
このようなセパレータ１４ａは、例えば、無機酸化物からなる多孔質体を、ヘキサフルオロ白金酸等の水溶液に含浸し、その後、この多孔質体を熱処理して、ヘキサフルオロ白金酸等を熱分解し、細孔表面に白金等の金属を析出させて製造することができる。
【０１１１】
上述した本装置１０によれば、簡易な配線により、３つの燃料電池積層体Ｃ２ａ、Ｃ２ｂ、Ｃ２ｃが電気的に直列接続されている。また、改質作用を有するセパレータ１４ａを、燃料電池積層体Ｃ２ａおよび燃料電池積層体Ｃ２ｂそれぞれの対向するアノード電極層２同士の間に配置することにより、発電効率が高められている。
【０１１２】
また、本装置１０は、上述した実施形態では、３つの燃料電池積層体Ｃ２ａ、Ｃ２ｂ、Ｃ２ｃから構成されているが、用途に応じた必要な出力電圧を得るために、任意の数の燃料電池積層体を用意して、容易に直列接続することが可能である。さらに、このように構成した燃料電池積層体を、複数用意して並列接続しても良い。
【０１１３】
（第４実施形態）
本発明の好ましい第４実施形態の固体酸化物型燃料電池発電装置１０が図９に示される。図９は、３つの燃料電池積層体の上面図を示している。本装置１０は、３つの燃料電池積層体Ｃ２ａ、Ｃ２ｂ、Ｃ２ｃを備えている。そして、３つの燃料電池積層体Ｃ２ａ、Ｃ２ｂ、Ｃ２ｃが配置され、３つの燃料電池積層体Ｃ２ａ、Ｃ２ｂ、Ｃ２ｃのそれぞれにおける第１の接続体４２と第２の接続体６２とにより、各燃料電池積層体Ｃ２ａ、Ｃ２ｂ、Ｃ２ｃが、電気的に並列接続されている。
その他の構成は、上述した第３実施形態と同様である。
【０１１４】
３つの燃料電池積層体Ｃ２ａ、Ｃ２ｂ、Ｃ２ｃは、各第１の接続体４２同士が配線により電気的に接続されている。同様に、各第２の接続体６２同士が配線により電気的に接続されている。
【０１１５】
図９では、各燃料電池積層体Ｃ２ａ、Ｃ２ｂ、Ｃ２ｃにおける第１の延出部４同士および第２の延出部６同士が、第１の接続体４２および第２の接続体６２により接続されているが、固定手段のボルトとナットを用いて、接続しても良い。この場合には、絶縁性の座金を用いる必要はなく、第１の延出部４および第２の延出部６は、電気導電性のボルトにより固定されていて、電気的にも接続される。
【０１１６】
上述した本装置１０によれば、簡易な配線により、３つの燃料電池積層体Ｃ２ａ、Ｃ２ｂ、Ｃ２ｃが並列接続されている。
【０１１７】
また、本装置１０は、上述した実施形態では、３つの燃料電池積層体Ｃ２ａ、Ｃ２ｂ、Ｃ２ｃから構成されているが、用途に応じた必要な出力電流を得るために、複数の燃料電池積層体を用意して、容易に並列接続することが可能である。
【０１１８】
本発明の固体酸化物燃料電池発電装置は、上述した実施形態に制限されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更が可能である。
例えば、本発明の固体酸化物燃料電池発電装置は、各実施形態において、燃料電池ユニットＣ１内では、第１の延出部４１同士または第２の延出部６１同士が電気的に接続されており、各固体酸化物型燃料電池Ｃが並列接続されているが、燃料電池ユニットＣ１内においても、第１の延出部４１と第２の延出部６１とを直列接続していても良い。この場合には、第１の延出部４１と第２の延出部６１とが、面方向に重ならないように、同じ方向に向かって延出していることが、配線を簡易にする上で好ましい。
【０１１９】
また、各実施形態において、燃料電池ユニットＣ１の下方に配置された燃焼装置１３により混合燃料ガスが燃焼されて、各固体酸化物型燃料電池Ｃが加熱されているが、この固体酸化物型燃料電池Ｃを駆動するために所定の温度に加熱できれば、燃焼装置１３以外の公知の加熱方法を用いることができる。例えば、電気炉、ガスバーナまたは電気ヒータを用いることができる。
【０１２０】
また、上述した各実施形態では、燃料電池ユニットＣ１が、容器１１に収納されていたが、燃料電池ユニットＣ１が、混合燃料ガス雰囲気中に配置されていれば、燃料電池ユニットＣ１は、このような容器に収納されていなくても良い。
【０１２１】
さらに、上述した第４実施形態では、各燃料電池積層体間に、セパレータ１４ａ、ｂが配置されていたが、このセパレータ１４ａ、ｂを取り除いても良い。
【０１２２】
前述した一の実施形態のみが有する部分は、他の実施形態とすべて適宜相互に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【０１２３】
【図１】図１（ａ）は、本発明の固体酸化物型燃料電池発電装置の第１実施形態の縦断面の模式図であり、図１（ｂ）は、この発電装置の横断面の模式図である。
【図２】図２（ａ）は、図１の固体酸化物型燃料電池発電装置に組み込まれる燃料電池ユニットの上面図であり、図２（ｂ）は、その一部破断側面図である。
【図３】図３（ａ）は、図２の燃料電池ユニットに使用される固体酸化物型燃料電池を示す平面図であり、図３（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ線拡大断面図である。
【図４】図４は、図２の燃料電池ユニットにおける要部の分解斜視図である。
【図５】図５（ａ）は、図２の燃料電池ユニットにおける導電体の部分断面図であり、図５（ｂ）は、その導電体の変形例を示す。
【図６】図６は、図２（ｂ）のＹ−Ｙ線拡大断面図である。
【図７】図７は、本発明の固体酸化物型燃料電池発電装置の第２実施形態を示す図２（ａ）に相当する上面図である。
【図８】図８は、本発明の固体酸化物型燃料電池発電装置の第３実施形態を示す図２（ａ）に相当する上面図である。
【図９】図９は、本発明の固体酸化物型燃料電池発電装置の第４実施形態を示す図２（ａ）に相当する上面図である。
【図１０】図１０は、従来技術による固体酸化物型燃料電池発電装置における固体酸化物型燃料電池の積層した例を模式的に示す。
【符号の説明】
【０１２４】
１ 固体電解質基板
２ カソード電極層
３ アノード電極層
４ 第１の導電体
４１ 第１の延出部
４２ 第１の接続体
６ 第２の導電体
６１ 第２の延出部
６２ 第２の接続体
８ 第３の導電体
９１，９２ 支持板
１０ 固体酸化物型燃料電池発電装置
１１ 容器
１１ａ 断熱材
１２ 混合燃料ガス供給装置
１３ 燃焼装置
１４ セパレータ
１５ 電気絶縁性多孔質体
１００ 電気絶縁性介在層
１０１ 導電層
Ｃ 固体酸化物型燃料電池
Ｃ１ 燃料電池ユニット
Ｃ２ 燃料電池積層体
Ｃ１０ 固体酸化物型燃料電池郡
Ｆ 火炎
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物型燃料電池発電装置に関する。特に、カソード電極層およびアノード電極層が形成された固体電解質基板を有する固体酸化物型燃料電池を備え、密閉を必要としない構造を有する固体酸化物型燃料電池発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年においては、種々の発電形式の燃料電池が開発されており、この中に、固体電解質を用いた形式の固体酸化物型燃料電池がある。この固体酸化物型燃料電池の一例を挙げると、イットリア（Ｙ2Ｏ3）が添加された安定化ジルコニアからなる焼成体を酸素イオン伝導型の固体電解質層として用いたものがある。この固体電解質層の一面にカソード電極層を、そして、その反対面にアノード電極層を形成し、このカソード電極層側に酸素又は酸素含有気体が供給され、さらに、アノード電極層には、メタン等の燃料ガスが供給されるようになっている。
【０００３】
この固体酸化物型燃料電池内では、カソード電極層に供給された酸素（Ｏ2）が、カソード電極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電極層に伝導され、アノード電極層に供給された、例えば、メタン（ＣＨ4）ガスと反応し、そこで、水（Ｈ2Ｏ）、二酸化炭素（ＣＯ2）、水素（Ｈ2）、一酸化炭素（ＣＯ）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、カソード電極層とアノード電極層との間に電位差が生じる。そこで、カソード電極層とアノード電極層とにリード線を取り付ければ、アノード電極層の電子が、リード線を介してカソード電極層側に流れ、固体酸化物型燃料電池として発電することになる。なお、この固体酸化物型燃料電池の駆動温度は、約１０００℃である。
【０００４】
しかし、この形式の固体酸化物型燃料電池による発電装置では、カソード電極層側に、酸素又は酸素含有ガス供給チャンバーを、そして、アノード電極層側に、燃料ガス供給チャンバーを夫々分離したセパレート型チャンバーを用意しなければならず、しかも、高温下で、酸化性雰囲気と還元性雰囲気とに晒されるため、固体酸化物型燃料電池としての耐久性を向上することが困難であった。
【０００５】
一方、固体電解質層の対向した面に、カソード電極層とアノード電極層とを設けた固体酸化物型燃料電池を形成し、この固体酸化物型燃料電池を、燃料ガス、例えば、メタンガスと、酸素ガスとが混合された混合燃料ガス中に置いて、カソード電極層とアノード電極層との間に起電力を発生させる形式の固体酸化物型燃料電池が開発されている。この形式の固体酸化物型燃料電池では、カソード電極層とアノード電極層との間に起電力を発生する原理は、上述したセパレート型チャンバー形式の固体酸化物型燃料電池の場合と同様であるが、固体酸化物型燃料電池全体を実質的に同一雰囲気にすることができるため、混合燃料ガスが供給されるシングル型チャンバーとすることができ、固体酸化物型燃料電池の耐久性を向上できる。
【０００６】
しかし、このシングル型チャンバーの固体酸化物型燃料電池による発電装置においても、約１０００℃の高温下で駆動しなければならないので、混合燃料ガスの爆発の危険性がある。この危険性を回避するために、酸素濃度を発火限界よりも低い濃度にすると、メタン等の燃料の炭化が進み、電池性能が低下するという問題が生じた。そのため、混合燃料ガスの爆発を防止しつつ、燃料の炭化の進行を防止し得る酸素濃度の混合燃料ガスを使用できるシングル型チャンバーの固体酸化物型燃料電池の発電装置が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。
【０００７】
ところで、上述のシングル型チャンバーの固体酸化物型燃料電池による発電装置では、従来の固体酸化物型燃料電池の発電装置のように、燃料と空気を厳粛に分離する必要がない代わりに、気密封止構造を採用せざるを得ない。そして、高温下で駆動できるように、複数の板状固体酸化物型燃料電池が耐熱性高電気伝導性を有するインターコネクト材を用いて積層接続され、起電力を上げていた。そのため、板状固体酸化物型燃料電池によるシングル型チャンバーの燃料電池発電装置は、大掛かりな構造となり、コストが嵩むという問題がある。また、このシングル型チャンバーの燃料電池発電装置の稼動に際しては、高温になるまで徐々に昇温して、固体酸化物型燃料電池の割れを防止しているので、起電するまでの時間が長く、手間がかかるものである。
【０００８】
そこで、固体酸化物型燃料電池を密封構造の容器に収容する必要がない、開放型の固体酸化物型燃料電池発電装置が提案されている（例えば、特許文献２）。特許文献２には、燃料電池排ガスによる防爆を図りつつ、排ガスの安全な処理を図れ、しかも、排ガスの燃焼によって、固体酸化物型燃料電池の近傍を燃料電池の駆動温度に容易に加熱することができる開放型の固体酸化物燃料電池発電装置が開示されている。
【０００９】
特許文献２には、図１０に示すように、複数の固体酸化物型燃料電池Ｃの各面を垂直に配置し、該固体酸化物型燃料電池Ｃを囲んで収納する容器１１と、該容器１１の上側から固体酸化物型燃料電池Ｃに空気及び燃料を供給する混合燃料ガス供給装置１２と、該固体酸化物型燃料電池Ｃの下端から排出される排ガスを容器１１の下側で燃焼した熱で、固体酸化物型燃料電池Ｃを加熱する燃焼装置１３とを備えた開放型の固体酸化物型燃料電池発電装置１０が提案されている。
【００１０】
【特許文献１】特開２００３−９２１２４号公報
【特許文献２】特開２００６−２５３０９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ところで、図１０に記載の固体酸化物型燃料電池発電装置１０では、複数の固体酸化物型燃料電池Ｃが積層されてなる固体酸化物型燃料電池群Ｃ１０が２つ備えられており、２つの該固体酸化物型燃料電池群Ｃ１０の間は、電気絶縁性介在層１００により電気的に分離されている。各固体酸化物型燃料電池群Ｃ１０では、隣り合う固体酸化物型燃料電池Ｃの間に、ガス透過性の導電層１０１が挿入されており、全体として各固体酸化物型燃料電池群Ｃ１０は、電気的に直列接続されている。そして、２つの固体酸化物型燃料電池群Ｃ１０は、電気的に並列接続されることによって、出力容量の増加を図ることができる。しかし、その接続方法は、具体的に示されていない。また、用途によっては、出力電流を増加するために、各固体酸化物型燃料電池Ｃを並列接続する必要があるが、特許文献２には、固体酸化物型燃料電池群Ｃ１０において、各固体酸化物型燃料電池Ｃを並列接続するための集電方法についても示されていない。
【００１２】
特許文献２に記載の固体酸化物燃料電池発電装置１０では、上述したような固体酸化物型燃料電池Ｃの積層構造により、体積当りの発電密度の向上が図られているが、より高出力な燃料電池発電装置が求められており、更なる発電密度の向上が期待されている。また、燃料電池発電装置の普及に向けて、製造コストの更なる低減も期待されている。
【００１３】
従って、本発明の目的は、集電構造が簡易であって製造コストが低く、電気的に並列接続または直列接続することが容易であり、且つ発電密度の高い開放型の固体酸化物型燃料電池発電装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
以上の課題を解決するために、本発明の固体酸化物型燃料電池発電装置は、カソード電極層とアノード電極層とが固体電解質基板の両面に形成された固体酸化物型燃料電池の複数を備えた固体酸化物型燃料電池発電装置において、隣り合う前記固体酸化物型燃料電池のそれぞれの前記アノード電極層が対向するように、複数の前記固体酸化物型燃料電池が配置され、対向する前記各アノード電極層の間には、該各アノード電極層に接触し、通気性を有する第１の導電体が挟持され、前記第１の導電体は、前記各アノード電極層を超えて延出した第１の延出部を有し、該第１の導電体が前記アノード電極層の集電部となることとした。
【００１５】
そして、隣り合う前記固体酸化物型燃料電池のそれぞれの前記カソード電極層が対向し、対向する該カソード電極層の間には、該各カソード電極層に接触し、通気性を有する第２の導電体が挟持され、該第２の導電体は、前記各カソード電極層を超えて延出した第２の延出部を有し、該第２の導電体が前記カソード電極層の集電部となり、前記第１の延出部と前記第２の延出部とは、該第１の延出部および該第２の延出部の面方向にずれた位置に形成されることとし、さらには、前記第１の延出部と前記第２の延出部は、互いに反対方向にずれた位置で延出することとした。
【００１６】
また、前記第１の導電体および前記第２の導電体は、凹凸形状を有することとした。
【００１７】
また、前記第１の導電体と前記アノード電極層との間、および、前記第２の導電体と前記カソード電極層との間に、それぞれ、通気性を有する第３の導電体が挟持されることとした。
【００１８】
また、前記第１の導電体、前記第２の導電体または前記第３の導電体が、金属製メッシュまたは多孔質体により形成されることとし、さらには、対向する前記各アノード電極層の間に配置された前記金属製メッシュが、ニッケル、または、ニッケルと銅との合金により形成されることとした。
【００１９】
また、複数の前記第１の延出部同士および複数の前記第２の延出部同士のそれぞれが、第１および第２の接続体を有することとし、さらには、複数の前記固体酸化物型燃料電池が前記第１の導電体および前記第２の導電体を挟持して積層された燃料電池積層体が形成され、該燃料電池積層体が複数配置され、複数の前記燃料電池積層体のそれぞれにおける前記第１の接続体と前記第２の接続体とにより、該各燃料電池積層体が、電気的に並列接続または直列接続されることとし、または、複数の前記固体酸化物型燃料電池が前記第１の導電体および前記第２の導電体を挟持して積層された燃料電池積層体が形成され、該燃料電池積層体が、一対の支持板により挟持され、該各支持板は、表面が無機酸化物で被覆された金属板であることとした。
【発明の効果】
【００２０】
以上のように、本発明の固体酸化物型燃料電池発電装置によれば、電気的に集電構造が簡易であって、製造コストが低く、並列接続または直列接続することが容易であり、且つ発電密度が高い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の固体酸化物型燃料電池発電装置の実施形態について、その好ましい第１乃至第４実施形態に基づいて、図面を参照しながら説明する。
【００２２】
（第１実施形態）
本実施形態の固体酸化物型燃料電池発電装置１０（以下、単に本装置とも称す）は、図１〜６に示すように、カソード電極層２とアノード電極層３とが固体電解質基板１の両面に形成された複数の固体酸化物型燃料電池Ｃを備えている。
また本装置１０では、隣り合う固体酸化物型燃料電池Ｃのそれぞれのアノード電極層３が対向するように、複数の固体酸化物型燃料電池Ｃが配置されている。対向する各アノード電極層３の間には、該各アノード電極層３に接触し、通気性を有する第１の導電体４が挟持されている。この第１の導電体４は、各アノード電極層３を超えて延出する第１の延出部４１を有しており、該第１の導電体４がアノード電極層３の集電部となっている。
【００２３】
本装置１０は、図１に示すように、複数の固体酸化物型燃料電池Ｃが積層されて形成された燃料電池ユニットＣ１と、該燃料電池ユニットＣ１が収納されている断熱性の容器１１と、燃料電池ユニットＣ１へ燃料ガスと酸化剤ガスとの混合燃料ガスを供給する混合燃料ガス供給装置１２と、容器１１の下端において混合燃料ガスを燃焼する燃焼装置１３とを備えている。
【００２４】
本装置１０について、以下にさらに説明する。図１（ａ）は、本装置１０の縦断面を模式的に示しており、図１（ｂ）は、本装置１０の横断面を模式的に示している。
容器１１は、図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、下側に開口部を有した円筒形状を有している。容器１１の上側は、密閉されている。容器１１の内部に収納されている燃料電池ユニットＣ１の周囲には、断熱材１１ａが充填されている。
このように、本装置１０は、複数の固体酸化物型燃料電池Ｃが積層された燃料電池ユニットＣ１を、いわゆるシングル型チャンバーに収納した開放型の燃料電池発電装置である。
【００２５】
容器１１の上部には、燃料電池ユニットＣ１の上方に、混合燃料ガス供給装置１２が配置されている。この混合燃料ガス供給装置１２によって、燃料電池ユニットＣ１の上端から、各固体酸化物型燃料電池Ｃへ混合燃料ガスが供給される。この燃料電池ユニットＣ１で消費されなかった混合燃料ガスは、燃料電池ユニットＣ１を通過して、その下端に形成された空間に排出される。混合燃料ガス供給装置１２へは、容器１１の上方側部に設けられた供給管を通して、混合燃料ガスが容器１１の外部から供給される。
【００２６】
燃料電池ユニットＣ１の下端に形成された空間には、燃焼装置１３が配置されている。燃料電池ユニットＣ１の下端から排出された混合燃料ガスは、燃焼装置１３により燃焼され、その空間に、火炎Ｆが生成される。
【００２７】
この燃焼装置１３と燃料電池ユニットＣ１との間には、通気性を有する平板状の電気絶縁性多孔質体１５が配置されている。電気絶縁性多孔質体１５は、その面の向きを混合燃料ガスの流れ方向と略直交するように配置されている。混合燃料ガスは、電気絶縁性多孔質体１５を介して、燃料電池ユニットＣ１側から燃焼装置１３側へ通過する。電気絶縁性多孔質体１５は、混合燃料ガスの流れを整えて、安定した燃焼が生じる働きを有している。
【００２８】
次に、本装置１０の燃料電池ユニットＣ１について、以下にさらに説明する。図２（ａ）には、燃料電池ユニットＣ１が上方から見た上面図で示され、図２（ｂ）には、燃料電池ユニットＣ１が一部破断による側面図で示されている。
燃料電池ユニットＣ１は、図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、複数の固体酸化物型燃料電池Ｃが第１の導電体４および後述する第２の導電体６を挟持して積層されて形成された燃料電池積層体Ｃ２が、絶縁性の一対の支持板９１，９２に挟持された構成を有している。また、燃料電池積層体Ｃ２および一対の支持板９１，９２は、電気導電性の複数の固定手段７で固定されている。
【００２９】
燃料電池積層体Ｃ２では、図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、複数の固体酸化物型燃料電池Ｃが垂直になるように、容器１１の縦方向に面方向を揃えられ、且つ、それらの外形状の輪郭が揃えられて、厚さ方向に積層されている。そのため、燃料電池積層体Ｃ２および燃料電池ユニットＣ１の上下方向は、容器１１の上下方向と一致している。これは、各固体酸化物型燃料電池Ｃに混合燃料ガスを均一に供給し易くし、燃焼装置１３からの熱が上方に伝わり易くしている。なお、本発明に用いられる固体酸化物型燃料電池の詳細については後述する。
そこで、燃料電池積層体Ｃ２の上端から供給された混合燃料ガスは、図３（ａ）および図３（ｂ）に示される構成を有する固体酸化物型燃料電池Ｃの面に沿って、燃料電池積層体Ｃ２の下端へ向かって通過する。
【００３０】
燃料電池積層体Ｃ２では、隣り合う固体酸化物型燃料電池Ｃのそれぞれのアノード電極層３が対向し、且つ、隣り合う固体酸化物型燃料電池Ｃのそれぞれのカソード電極層２が対向するように、複数の固体酸化物型燃料電池Ｃが積層されている。燃料電池積層体Ｃ２において、対向する該アノード電極層３の間には、図４に示すように、該各アノード電極層３に接触し、通気性を有する平板状の第１の導電体４が挟持されている。同様に、対向する該カソード電極層２間には、該各カソード電極層２に接触し、通気性を有する平板状の第２の導電体６が挟持されている。
【００３１】
なお、燃料電池積層体Ｃ２において、積層される固体酸化物型燃料電池Ｃの数は、用途に応じた出力特性に対応させて、適宜設計することができる。
【００３２】
第１の導電体４は、図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、該第１の導電体４を挟持する両側の各アノード電極層３を超えて延出した第１の延出部４１を有している。同様に、第２の導電体６は、該第２の導電体６を挟持する両側の各カソード電極層２を超えて延出した第２の延出部６１を有している。
【００３３】
本装置１０の燃料電池積層体Ｃ２では、積層された固体酸化物型燃料電池Ｃの両側にも、図２（ａ）に示すように、第１の導電体４および第２の導電体６それぞれが配置されている。このように、燃料電池積層体Ｃ２は、各固体酸化物型燃料電池Ｃが、第１の導電体４と第２の導電体６との間に挟持された構成を有している。
【００３４】
第１の導電体４は、アノード電極層３に接触して集電部となっており、同様に、第２の導電体６はカソード電極層２に接触して集電部となっている。そして、第１の延出部４１と第２の延出部６１とは、図２（ｂ）に示すように、第１の延出部４１および第２の延出部６１の面方向にずれた位置に形成されている。本装置１０では、第１の延出部４１と第２の延出部６１は、互いに反対方向にずれた位置で、燃料電池積層体Ｃ２の上下方向（以下、上下方向ともいう）と直交する方向（以下、単に横方向ともいう）に延出している。
【００３５】
また、本装置１０では、第１の導電体４および第２の導電体６のそれぞれは、図２（ａ）および図４に示すように、凹凸形状を有している。具体的には、該凹凸形状は、例えば、周期的な波形状とすることもできる。
このように、第１の導電体４および第２の導電体６のそれぞれが、凹凸形状を有しているので、面方向および該面と垂直な方向における弾性および柔軟性が高められており、固体酸化物型燃料電池Ｃを面方向に適度に押圧する力が高められ、その凸形状において、アノード電極層３またはカソード電極層２の面に接触する。
【００３６】
第１の導電体４および第２の導電体６それぞれは、図４に示すように、波形状の凸部が畝状に周期的に形成されており、該凸部同士の間には、溝状の凹部が該凸部と平行に形成されている。燃料電池ユニットＣ１として組み立てられた状態で、上記凸部と上記凹部それぞれの頂点間を、第１の導電体４または第２の導電体６の面と垂直な方向に測定した長さは、０．３〜０．５ｍｍであることが、固体酸化物型燃料電池Ｃの保持性および通気性の観点から好ましい。
【００３７】
次に、第１の導電体４について、さらに説明する。
第１の導電体４は、該第１の導電体４を挟持する両側のアノード電極層３と物理的および電気的に接している。第１の導電体４は、両側のアノード電極層３へ混合燃料ガスを供給する観点から、その面方向に通気性を有していることが好ましい。この面方向の通気性とは、第１の導電体４自身がその面方向に通気性を有していることと、第１の導電体４が両側に位置するアノード電極層３に挟持された状態で生じた隙間等により、面方向に通気性を有していることとを含む概念である。
【００３８】
また、第１の導電体４は、第１の導電体４を挟んで対向する一対のアノード電極層３の間における燃料ガス等の移動を可能とする観点から、その面と垂直な方向に通気性を有していることが好ましい。
【００３９】
この理由を以下に説明する。
燃料ガスとして炭化水素を用いる場合には、アノード電極層３では、燃料ガスが改質されて改質物質が生成され、消費されている。第１の導電体４を挟んで対向する一対のアノード電極層３のそれぞれにおいて、改質物質の生成速度または消費速度に差がある場合には、該アノード電極層３の間において、燃料ガスまたは改質物質の移動を可能することにより、燃料ガス濃度が高い方から低い方へ燃料ガスの移動が可能となり、また、改質物質濃度の高い方から低い方へ改質物質の移動が可能となり、結果として、固体酸化物型燃料電池Ｃの体積あたりの発電効率を高めることができる。
【００４０】
第１の導電体４の寸法は、集電効率および固体酸化物型燃料電池Ｃの保持性の観点から、アノード電極層３の全体を覆う大きさであることが好ましい。図２（ａ）に示した例では、第１の導電体４の上下方向の寸法は、アノード電極層３のそれと同等である。第１の導電体４の横方向の寸法は、アノード電極層３の横方向の全体を覆っており且つ該横方向の一方へ向かって延出した大きさを有している。
【００４１】
第２の導電体６については、アノード電極層３の間ではなく、カソード電極層２の間に挟持されていることを除いて、上述した第１の導電体４の説明が適用される。ただし、第２の導電体６が、対向するカソード電極層２の間の通気性を有することが好ましい理由は、酸化剤ガスの移動を可能とするためである。
【００４２】
第１の導電体４および第２の導電体６の形成材料としては、固体酸化物型燃料電池Ｃを挟持した状態を維持できる剛性または弾性を有していることが好ましい。また、該材料は、固体酸化物型燃料電池Ｃの発電時に使用される温度および雰囲気における耐熱性および耐久性を有していることが好ましい。さらに、該材料は、上述した通気性を有していることが好ましい。
【００４３】
このような観点から、第１の導電体４および第２の導電体６は、金属製メッシュ、金属発泡体、導電性の多孔質体、波形状を有する金属製板、波形状を有する金属製板であって多数の孔部を有するもの、またはカーボングラファイト製メッシュにより形成されていることが好ましい。
図４に示すように、本装置１０では、第１の導電体４および第２の導電体６が、コストおよび加工性の観点から、金属製メッシュから形成されている。
【００４４】
本装置１０の周期的な波形状を有する第１の導電体４または第２の導電体６は、例えば、図４および図５（ａ）に示す波形状の押圧断面を有する一対の押型の間に、金属製メッシュを挟んで押圧成型して得ることができる。
【００４５】
また、図５（ｂ）に、金属製メッシュの変形例を示す。本変形例のように、第１の導電体４または第２の導電体６には、さらに細かい凹凸が形成されていても良い。本変形例では、図５（ａ）に示す波形状が、基本波形状の周期より短い周期を有する波形状が重畳された形状を有している。
【００４６】
本変形例では、第１の導電体４または第２の導電体６が、細かな凹凸を有しているため、その柔軟性が増加すると共に、アノード電極層３またはカソード電極層２の表面が全くの平坦でなくとも、該両電極層との物理的および電気的な接触点が増加する。そのため、固体酸化物型燃料電池Ｃの保持性および該両電極層との電気的な接触状態が更に向上している。
【００４７】
図５（ｂ）に示す第１の導電体４または第２の導電体６は、例えば、図４および図５（ａ）に示す波形状の押圧断面を有する一対の押型よりも、さらに短い周期を有する波形状の押圧断面を有する一対の押型により、金属製メッシュを挟んで押圧成型した後、図４および図５（ａ）に示す波形状の押圧断面を有する一対の押型により押圧成型して得ることができる。
【００４８】
上述した第１の導電体４または第２の導電体６は、周期的な波形状の凹凸を有しているが、第１の導電体４または第２の導電体６は、ディンプル状の凹凸が規則的またはランダムに形成されていても良い。
【００４９】
金属製メッシュにおけるメッシュの寸法は、挟持される固体酸化物型燃料電池Ｃを固定することができる大きさであって、混合燃料ガスに含まれる燃料ガスおよび酸化剤ガスを容易に通す大きさであることが好ましい。
【００５０】
具体的には、金属製メッシュにおけるメッシュの寸法は、メッシュを構成する金属線の線径が３０〜１５０μｍ、６０〜５００メッシュであることが好ましい。特に線径が７０〜１３０μｍ、７０〜１３０メッシュであることが、固体酸化物型燃料電池Ｃの保持性、集電効率および加工性の観点から好ましい。本装置１０では、線径が１００μｍ、１００メッシュの金属製メッシュを用いている。
【００５１】
また、金属製メッシュの形成材料としては、ニッケル、ニッケル合金、ステンレススティールまたは耐熱耐腐食性合金が好ましい。ステンレススティールとしては、ＳＵＳ３１０またはＳＵＳ４３０等が好ましい。
【００５２】
特に、燃料ガスとして、Ｃ−Ｈ結合を有する炭化水素の燃料ガスを用いる場合には、固体酸化物型燃料電池Ｃの各アノード電極層３の間に配置された金属製メッシュが、ニッケル、または、ニッケル合金により形成されていることが、燃料分子のＣ−Ｈ結合を切断する触媒として働く上で好ましい。特に、金属製メッシュがニッケル合金により形成される場合には、該合金は、ニッケルと銅との合金であることが、ニッケルによる煤生成を促進しない観点から好ましい。
【００５３】
金属製メッシュがニッケル合金から形成されている場合には、該合金中のニッケルの割合が、６０質量％以上１００質量％未満、特に８０質量％以上１００質量％未満であることが、触媒作用を有すると共に、煤生成を促進しない上で好ましい。また、該合金中のニッケルは、その表面に存在していることが好ましい。第１の導電体４または第２の導電体６が、上述した導電性の多孔質体または金属製板から形成されている場合も同様である。
【００５４】
次に、燃料電池ユニットＣ１を形成するための一対の支持体９１，９２について、さらに説明する。
本装置１０では、燃料電池積層体Ｃ２が、図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、その両側に配置された絶縁性の一対の支持板９１，９２に挟持固定されている。一対の支持板９１，９２それぞれの寸法は、固体酸化物型燃料電池Ｃよりも大きいことが、燃料電池積層体Ｃ２の保持性を高める上で好ましい。本装置１０では、一対の支持板９１，９２それぞれは、図２（ｂ）に示すように、４角形状を有し、固体酸化物型燃料電池Ｃよりも大きな寸法を有している。そして、燃料電池積層体Ｃ２は、支持板９１，９２の縁から内方で挟持されている。
【００５５】
一対の支持板９１，９２それぞれを形成する材料は、燃料電池積層体Ｃ２を挟持した状態を維持できる剛性を有していることが好ましい。また、該材料は、燃料電池積層体Ｃ２が発電時に使用される温度および雰囲気において、電気的な絶縁性、耐熱性および耐久性を有していることが好ましい。
【００５６】
具体的には、一対の支持板９１，９２それぞれは、表面が無機酸化物で被覆された金属板により形成されていることが好ましい。無機酸化物としては、例えば、セラミックスや、柔軟性を有する無機酸化物シートが好ましい。セラミックスとしては、例えば、アルミナ系セラミックス、ムライト系セラミックス、コージライト系セラミックス、ホルスライト系セラミックスなどが挙げられる。また、柔軟性を有する無機酸化物シートとしては、例えば、石英、ガラス、アルミナベース系セラミックスの繊維から形成された布または不織布であることが好ましい。金属板を被覆する無機酸化物を、柔軟性を有する無機酸化物シートにより形成することは、耐衝撃性を向上する観点から好ましい。
【００５７】
また、本装置１０では、一対の支持板９１，９２それぞれは、金属板の表面に、上述したセラミックスを溶射して形成されていても良い。金属板は、セラミックスから形成されている固体酸化物型燃料電池Ｃよりも、熱伝導性が高いため、支持板の熱伝導性が、固体酸化物型燃料電池Ｃよりも高い。このような構成の支持板を採用することにより、後述するように、燃料電池ユニットＣ１の駆動に要する時間の短縮が図られている。
【００５８】
次に、以上に説明された燃料電池ユニットＣ１に用いられるのに好適な固体酸化物型燃料電池Ｃについて、以下に、図３（ａ）および図３（ｂ）を参照して説明する。
固体酸化物型燃料電池Ｃは、平板状の固体電解質基板１を有し、該基板の一方の面には、平板状にカソード電極層２が形成されており、他方の面には、平板状にアノード電極層３が形成されている。固体酸化物型燃料電池Ｃは、全体として、平板状である。
【００５９】
固体酸化物型燃料電池Ｃの平面視形状は、用途に応じて任意の形状とすることができるが、所定の空間に複数の固体酸化物型燃料電池Ｃを積層配置する観点および加工性の観点から、本装置１０では、固体電解質基板１、カソード電極層２およびアノード電極層３共に４角形状を有している。また、カソード電極層２およびアノード電極層３は、同じ寸法で形成されており、固体電解質基板１よりも若干小さく形成されている。
【００６０】
また、図２（ａ）および図２（ｂ）に示された例では、燃料電池ユニットＣ１において、燃料電池積層体Ｃ２が、その第１の導電体４および第２の導電体６を介して、一対の支持板９１，９２と共に、導電性の複数の固定手段７で固定されている。本装置１０では、左右３ヶ所ずつ、計６ヶ所の固定手段７を用いている。これらの固定手段７は、ボルト７１とナット７２とから構成されている。
【００６１】
本装置１０では、図２（ｂ）に示すように、第１の導電体４における第１の延出部４１の横方向の端部と、第２の導電体６における第２の延出部６１の横方向の端部と、一対の支持板９１，９２における横方向の両端部とに、それぞれ、上下方向に所定の間隔をあけて３つの孔が形成されている。そして、該孔のそれぞれにボルト７１が挿通された状態で、一対のナット７２をボルト７１の両端部に螺合させて、燃料電池積層体Ｃ２および一対の支持体９１，９２を押圧固定している。また、支持体９１、９２とナット７２との間には、絶縁性の座金７４が介在配置されている。
【００６２】
本装置１０では、燃料電池積層体Ｃ２における各固体酸化物型燃料電池Ｃの間に挟持されている第１の導電体４および第２の導電体６の有する弾性によって、固定手段７による押圧力に対抗する力が生じており、燃料電池積層体Ｃ２が、一対の支持体９１，９２により挟持された状態が確実に維持される。
【００６３】
一対の支持板９１，９２のうち少なくとも一方と、固定手段７とは、電気的な短絡を防ぐために、絶縁されていることが好ましい。本装置１０では、一対の支持板９１，９２と、固定手段７とは、座金７４により電気的に絶縁されている。本装置１０では、図６に示すように、絶縁性の座金７４には、支持体９１，９２側に延びる円筒上の垂直部７４１が形成されており、該垂直部７４１が、支持板９１，９２の孔に嵌合しており、この垂直部７４１の中をボルト７１が挿通されている。
【００６４】
本装置１０では、前述したように、支持板９１，９２の内部に、金属板が配置されているために、上述した絶縁構成を備える必要があるが、支持板９１，９２に金属板等の導体が含まれていない場合には、このような絶縁構成を備えていなくても良い。
【００６５】
固定手段７について更に説明すると、この固定手段７が、燃料電池積層体Ｃ２の電力の取り出し部となっている。第１の延出部４１のそれぞれに挿通されているボルト７１は、該第１の延出部４１と電気的に接した状態が形成されている。そのため、各アノード電極層３は、電気的に並列接続されている。
【００６６】
この電気的に接した状態を確実にするために、ボルト７１が挿通されている第１の延出部４１の孔の部分を、両側からナット７２を用いて、ボルト７１に固定しても良い。第２の延出部６１とボルト７１との電気的な接触状態についても、上述した第１の延出部４１と同様である。
【００６７】
本装置１０では、このように複数の第１の延出部４１および複数の第２の延出部６１それぞれが、ボルト７１に固定されて電気的に接続されており、燃料電池ユニットＣ１において、各固体酸化物型燃料電池Ｃが電気的に並列接続されている。
【００６８】
本装置１０では、上述したように構成された燃料電池ユニットＣ１が、図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、容器１１の内部に収納されている。
また、他の実施形態において後述するように、本発明の固体電解質燃料電池発電装置１０では、燃料電池ユニットＣ１または燃料電池積層体Ｃ２を単位として、これらを複数接続することにより、容易に電気的な並列接続または直列接続を実現することができる。
【００６９】
次に、固体酸化物型燃料電池Ｃの形成材料について、以下に説明する。
固体電解質基板１には、例えば、公知のものを採用でき、次に示す材料を使用できる。
ａ）ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）、ＳｃＳＺ（スカンジア安定化ジルコニア）、これらにＣｅ、Ａｌ等をドープしたジルコニア系セラミックス。
ｂ）ＳＤＣ（サマリアドープドセリア）、ＳＧＣ（ガドリアドープドセリア）等のセリア系セラミックス。
ｃ）ＬＳＧＭ（ランタンガレート）、酸化ビスマス系セラミックス。
このように本明細書では、固体酸化物は、固体電解質を含む概念である。
【００７０】
また、アノード電極層３は、多孔質体から形成されており、その形成材料としては、例えば、公知のものを採用でき、次に示す材料を使用できる。
ｄ）ニッケルと、イットリア安定化ジルコニア系、スカンジア安定化ジルコニア系、又は、セリア系（ＳＤＣ、ＧＤＣ、ＹＤＣ等）セラミックとのサーメット。
ｅ）導電性酸化物を主成分（５０質量％以上９９質量％以下）とする焼結体。導電性酸化物とは、例えば、リチウムが固溶された酸化ニッケル等である。
ｆ）また上記ｄ）、ｅ）に挙げたものに、白金族元素やレニウムから成る金属、または、その酸化物が１〜１０質量％程度配合されたもの。
上述した中でも、特にｄ）、ｅ）が好ましい。
【００７１】
上記ｅ）の導電性酸化物を主成分とする焼結体は、優れた耐酸化性を有するのでアノード電極層の酸化に起因して発生する、アノード電極層の電極抵抗の上昇による発電効率の低下、或いは、発電不能、アノード電極層の固体酸化物層からの剥離といった現象を防止できる。また、導電性酸化物としては、リチウムが固溶された酸化ニッケルが好適である。さらに、上記ｄ）、ｅ）に挙げたものに、白金族元素やレニウムから成る金属、またはその酸化物を配合することにより、高い発電性能を得ることができる。
【００７２】
カソード電極層２は、多孔質体により形成されており、その形成材料としては、公知のものを採用でき、例えば、ストロンチウム（Ｓｒ）が添加されたランタンやサマリウム等の周期律表第３族元素のマンガン（例えば、ランタンストロンチウムマンガナイト）、ガリウム又はコバルト酸化化合物（例えば、ランタンストロンチウムコバルタイトやサマリウムストロンチウムコバルタイト）等が挙げられる。
【００７３】
アノード電極層３とカソード電極層２とは、共に多孔質体で形成されるが、本装置１０における固体電解質基板１も多孔質に形成されていてもよい。従来では、基板を構成する固体電解質層は、緻密質に形成されていたが、耐熱衝撃性が低く、急激な温度変化によって、ひび割れが生じやすかった。また、一般に、固体電解質層は、アノード電極層及びカソード電極層よりも厚く形成されているので、固体電解質層のひび割れが引き金となり、固体酸化物型燃料電池の全体にひび割れが発生し、バラバラになってしまっていた。
【００７４】
本装置１０においても、個々の固体電解質基板が多孔質に形成されることで、発電時に、火炎中、或いは、火炎の近傍に配置されて、急激に温度変化を与えても、さらに、温度差の激しいヒートサイクルに対しても、ひび割れ等がさらに抑制され、耐熱衝撃性がより向上される。また、多孔質であっても、その気孔率が１０％未満のときは、耐熱衝撃性に著しい向上が認められなかったが、１０％以上であると良好な耐熱衝撃性が見られ、２０％以上であるとより好適である。
【００７５】
なお、先に提案された固体酸化物型燃料電池に対しては、メッシュ状金属やワイヤ状金属を、アノード電極層やカソード電極層に埋設、あるいは、固着することが行われていた。これは、熱履歴等によってひび割れした固体電解質基板がバラバラになって崩れないように、補強する対策であった。この対策によれば、固体電解質基板がバラバラにひび割れした後においても、そのひび割れした部分は発電性能を維持しているので、メッシュ状金属やワイヤ状金属は、それらのひび割れした部分を電気的に接続し、１枚の固体酸化物型燃料電池として電力を取り出すことができた。
【００７６】
ところで、本発明においては、メッシュ状金属やワイヤ状金属を、アノード電極層やカソード電極層に埋設、あるいは、固着させないで、固体酸化物型燃料電池Ｃを、アノード電極層３とカソード電極層２のそれぞれに接触して配置される第１の導電体４と第２の導電体６とで挟持する構成を採用しているので、例え、固体電解質基板１がバラバラにひび割れした場合であっても、それらのひび割れした部分は発電性能を維持したままで、第１の導電体４と第２の導電体６との間で保持される。そのため、第１の導電体４と第２の導電体６とが、それらのひび割れした部分を電気的に接続することとなり、１枚の固体酸化物型燃料電池として電力を取り出すことができる。
【００７７】
従って、本発明に採用される固体酸化物型燃料電池Ｃの製造にあたっては、先に提案された固体酸化物型燃料電池の製造工程より簡略化でき、製造コストの低減を図ることができる。
【００７８】
上述した本装置１０は、例えば、以下のようにして発電することができる。
まず、燃料電池ユニットＣ１を駆動する際には、混合燃料供給装置１２から混合燃料ガスを、燃料電池ユニットＣ１の上端へ供給し、該燃料電池ユニットＣ１の下端から排出された混合燃料ガスを、燃焼装置１３により燃焼して火炎Ｆを生成する。この火炎Ｆによって、燃料電池ユニットＣ１が発電駆動可能な温度にまで加熱される。
【００７９】
この際、燃料電池ユニットＣ１は、一対の支持板９１，９２に金属板が含まれているので、固体酸化物型燃料電池Ｃよりも熱伝導性が優れている。そのため、火炎により加熱されると、該固体酸化物型燃料電池Ｃよりも早く昇温する。その結果、昇温した一対の支持板９１，９２により、燃料電池ユニットＣ１の両側も下端から上端までが速やかに加熱されるため、本装置１０は、燃料電池ユニットＣ１の駆動に要する時間が短い。
【００８０】
燃料電池ユニットＣ１の発電開始後においては、燃料電池ユニットＣ１で消費仕切れなかった混合燃料ガスが、燃料電池ユニットＣ１の下端から排出されるので、排出された混合燃料ガスが、燃焼装置１２により安全に燃焼処理されると共に、燃料電池ユニットＣ１が駆動温度に維持される。
【００８１】
上述した本装置１０によれば、集電構造が簡易であるので、製造コストの低減が図れる。また、燃料電池ユニットＣ１または燃料電池積層体Ｃ２を単位として、容易に並列接続または直列接続することが可能であり、出力電圧または出力電流を用途に応じて適宜設計することができる。
【００８２】
また、本装置１０では、通気性を有する導電体を介在させて、隣り合う固体酸化物型燃料電池Ｃのアノード電極層３同士およびカソード電極層２同士が対向配置されているので、体積あたりの発電密度が高くなる。
【００８３】
さらに、本装置１０は、開放型の構成を有しており、密閉構造を必要としないため、簡易な構造とすることができる。
【００８４】
次に、本発明の他の実施形態の固体酸化物型燃料電池発電装置を、図７〜図９を参照しながら以下に説明する。他の実施形態において、上述の第１実施形態と共通する部分については、上述した実施形態に関して詳述した説明が適宜適用される。また、図７〜図９において、図１〜図６と同じ部材には同じ符号を付した。
【００８５】
（第２実施形態）
本発明の好ましい第２実施形態の固体酸化物型燃料電池発電装置１０が図７に示される。本装置１０では、図７の例に示すように、第１の導電体４とその両側に位置するアノード電極層３との間に、通気性を有する平板状の第３の導電体８が挟持されている。同様に、第２の導電体６とその両側に位置するカソード電極層２との間にも、通気性を有する平板状の第３の導電体８が挟持されている。本装置１０の燃料電池積層体Ｃ２では、積層された固体酸化物型燃料電池Ｃの両側にも、第１の導電体４とアノード電極層３との間、第２の導電体６とカソード電極層２との間に、それぞれ、第３の導電体８が挟持されている。
なお、図７では、本装置１０の構成を分かりやすくするために、一対の支持板および固定手段の図示を省略している。
【００８６】
第３の導電体８は平板状であり、平面視が４角形状であり、その寸法は、固体酸化物型燃料電池Ｃの両電極層２，３と同じである。このように、第３の導電体８は、アノード電極層３およびカソード電極層２と高い接触面積を有しており、該各電極層との電気的な接触状態が良好である。
その他の構成については、上述した第１実施形態と同様である。
【００８７】
各固体酸化物型燃料電池Ｃのアノード電極層３およびカソード電極層２と、平板状の第３の導電体８とは面接触しているので、該電極層２，３から第３の導電体８への電子伝導性が高い。一方、凹凸形状を有する第１の導電体４または第２の導電体６は、第３の導電体８と主に点接触または線接触しているが、どちらも導電体から形成されているので、両者間の電子伝導性は十分に確保されている。従って、本装置１０では、アノード電極層３およびカソード電極層２から、第１の導電体４または第２の導電体６への集電効率が高められている。
【００８８】
このような観点から、第３の導電体８が金属製メッシュから形成されている場合には、そのメッシュの寸法は、第１の導電体４および第２の導電体６よりも小さいものを採用することが、電気的な接触点の数を増やす上で好ましい。
【００８９】
本装置１０では、第３の導電体８も、上述した第１の導電体４または第２の導電体６と同様に、面方向および該面と垂直な方向に通気性を有している。
【００９０】
第３の導電体８の形成材料としては、第１の導電体４または第２の導電体６と同様のものを用いることができる。また、スチールウールのような金属製ウールを用いて良い。本装置１０では、第３の導電体８が、第１の導電体４および第２の導電体６と同様に、平板状の金属製メッシュから形成されている。
【００９１】
燃料ガスに炭化水素を用いる場合には、アノード電極層３に隣接して配置された金属製メッシュは、ニッケルまたはニッケル合金により形成されていることが、上述したように、燃料分子のＣ−Ｈ結合を切断する触媒として働く上で好ましい。
【００９２】
上述した本装置１０によれば、両電極層２，３それぞれからの集電効率が向上している。
【００９３】
（第３実施形態）
本発明の好ましい第３実施形態の固体酸化物型燃料電池発電装置１０が図８に示される。図８には、３つの燃料電池積層体の上面図を示している。本実施形態では、図８に示す例のように、３つの燃料電池積層体Ｃ２ａ、Ｃ２ｂ、Ｃ２ｃを備えている。複数の第１の延出部４１同士および複数の第２の延出部６１同士のそれぞれが、第１の接続体４２および第２の接続体６２を有している。各第１の延出部４１同士は、第１の接続体４２により、電気的に接続されている。同様に、各第２の延出部６１同士は、第２の接続体６２により、電気的に接続されている。
【００９４】
そして、３つの燃料電池積層体Ｃ２ａ、Ｃ２ｂ、Ｃ２ｃが配置され、３つの燃料電池積層体Ｃ２ａ、Ｃ２ｂ、Ｃ２ｃのそれぞれにおける第１の接続体４２と第２の接続体６２とにより、各燃料電池積層体Ｃ２ａ、Ｃ２ｂ、Ｃ２ｃが、電気的に直列接続されている。
【００９５】
３つの燃料電池積層体Ｃ２ａ、Ｃ２ｂ、Ｃ２ｃのそれぞれは、上述した第１実施形態と同様に、複数の固体酸化物型燃料電池Ｃが積層された構成を有しており、各固体酸化物型燃料電池Ｃは、第１の導電体４および第２の導電体６に挟持されている。
【００９６】
３つの燃料電池積層体Ｃ２ａ、Ｃ２ｂ、Ｃ２ｃのそれぞれを構成する各固体酸化物型燃料電池Ｃは、図８に示すように、容器１１の上下方向と面方向を揃え且つそれらの外形状の輪郭が揃えられて、全体として厚さ方向に積層されている。
【００９７】
固体酸化物型燃料電池Ｃの積層方向（以下、単に積層方向とも称す）において、燃料電池積層体Ｃ２ｂは、燃料電池積層体Ｃ２ａと燃料電池積層体Ｃ２ｃとの間に挟持されている。燃料電池積層体Ｃ２ａと燃料電池積層体Ｃ２ｂとは、積層方向の端部に位置するアノード電極層３同士を対向させて配置されている。また、燃料電池積層体Ｃ２ｂと燃料電池積層体Ｃ２ｃとは、積層方向の端部に位置するカソード電極層２同士が対向するように配置されている。
【００９８】
燃料電池積層体Ｃ２ｂにおける各第１の延出部４１は、燃料電池積層体Ｃ２ａ、Ｃ２ｃとは、反対の方向に向かって延出している。また、燃料電池積層体Ｃ２ｂにおける各第２の延出部６１は、燃料電池積層体Ｃ２ａ、Ｃ２ｃとは、反対の方向に向かって延出している。
【００９９】
図８には図示していないが、燃料電池積層体Ｃ２ａおよび燃料電池積層体Ｃ２ｃにおける積層方向外方には、上述した第１実施形態と同様に、一対の支持板９１，９２が配置されており、３つの燃料電池積層体Ｃ２ａ、Ｃ２ｂ、Ｃ２ｃを挟持して、燃料電池ユニットＣ１が構成されている。また、３つの燃料電池積層体Ｃ２ａ、Ｃ２ｂ、Ｃ２ｃおよび一対の支持板９１，９２は、上述した第１実施形態と同様に、複数の固定手段７（図示せず）により固定されて、燃料電池ユニットＣ１を構成している。
この燃料電池ユニットＣ１は、上述した第１実施形態と同様に、容器１１（図示せず）に収納されている。
【０１００】
そして、第１の延出部４１および第２の延出部６１それぞれは、上述した第１実施形態と同様に、固定手段７により固定されているが、該固定手段７と、第１の延出部４１または第２の延出部６１とは、電気的に絶縁されている。この絶縁の方法としては、各種公知の方法を用いることができるが、本装置１０では、図６に示す座金７４と同様の方法が用いられている。具体的には、ボルト７１が挿通されている第１の延出部４１または第２の延出部６１の孔には、円筒状の垂直部を備えた座金が嵌合されており、その垂直部の中をボルト７１が挿通されている。
【０１０１】
そして、図８に示すように、燃料電池積層体Ｃ２ａの第１の接続体４２と、燃料電池積層体Ｃ２ｂの第２の接続体６２とが配線により接続されている。また、燃料電池積層体Ｃ２ｂの第１の接続体４２と、燃料電池積層体Ｃ２ｃの第２の接続体６２とが配線により接続されている。このようにして、３つの燃料電池積層体Ｃ２ａ、Ｃ２ｂ、Ｃ２ｃが電気的に直列接続されている。
【０１０２】
燃料電池積層体Ｃ２ａにおける接続された第２の接続体６２と、燃料電池積層体Ｃ２ｃにおける接続された第１の接続体４２から、本装置１０の電力の取り出し部が形成されている。
【０１０３】
また、本装置１０では、燃料電池積層体Ｃ２ａおよび燃料電池積層体Ｃ２ｂのそれぞれの対向するアノード電極層２同士の間に、図８に示すように、通気性を有する絶縁性のセパレータ１４ａが挟持されている。このセパレータ１４ａにより、燃料電池積層体Ｃ２ａと燃料電池積層体Ｃ２ｂとは、電気的に絶縁されている。同様に、燃料電池積層体Ｃ２ｂおよび燃料電池積層体Ｃ２ｃのそれぞれの対向するカソード電極層２同士の間には、通気性を有する絶縁性のセパレータ１４ｂが挟持されている。このセパレータ１４ｂにより、燃料電池積層体Ｃ２ｂと燃料電池積層体Ｃ２ｃとは、電気的に絶縁されている。
【０１０４】
セパレータ１４ａ、ｂは、上述した第１の導電体４または第２の導電体６と同様に、固体酸化物型燃料電池Ｃの面方向および該面と垂直な方向に通気性を有している。
【０１０５】
セパレータ１４ａ、ｂの面方向の寸法は、電極層２，３よりも大きく、且つ第１の導電体４および第２の導電体６と同等以上であることが、各燃料電池ユニット間を電気的に絶縁する上で好ましい。本装置１０では、セパレータ１４ａ、ｂの寸法は、第１の導電体４および第２の導電体６と同等である。
【０１０６】
このセパレータ１４ａ、ｂも複数のボルト７１に固定されて、燃料電池ユニットＣ１内に積層されている。
【０１０７】
セパレータ１４ａ、ｂの形成材料としては、固体酸化物型燃料電池Ｃが発電時に使用される温度および雰囲気において、電気的な絶縁性、耐熱性および耐久性を有していることが好ましい。このような観点から、セパレータ１４ａ、ｂは、無機酸化物の多孔質体から形成されていることが好ましい。この多孔質体の細孔は、互いに連通していることが好ましい。
【０１０８】
燃料ガスとして、Ｃ−Ｈ結合を有する炭化水素の燃料を用いる場合には、アノード電極層３の間に挟持されているセパレータ１４ａは、その多孔質体の細孔表面に白金、ロジウムまたはニッケル等のＣ−Ｈ結合を切断する触媒作用を有する金属の原子または微粒子が分散配置されていることが好ましい。
【０１０９】
セパレータ１４ａの細孔内に侵入した炭化水素分子は、上記金属の原子または微粒子により、Ｃ−Ｈ結合が切断されて改質物質への改質が促進される。
【０１１０】
このようなセパレータ１４ａは、例えば、無機酸化物からなる多孔質体を、ヘキサフルオロ白金酸等の水溶液に含浸し、その後、この多孔質体を熱処理して、ヘキサフルオロ白金酸等を熱分解し、細孔表面に白金等の金属を析出させて製造することができる。
【０１１１】
上述した本装置１０によれば、簡易な配線により、３つの燃料電池積層体Ｃ２ａ、Ｃ２ｂ、Ｃ２ｃが電気的に直列接続されている。また、改質作用を有するセパレータ１４ａを、燃料電池積層体Ｃ２ａおよび燃料電池積層体Ｃ２ｂそれぞれの対向するアノード電極層２同士の間に配置することにより、発電効率が高められている。
【０１１２】
また、本装置１０は、上述した実施形態では、３つの燃料電池積層体Ｃ２ａ、Ｃ２ｂ、Ｃ２ｃから構成されているが、用途に応じた必要な出力電圧を得るために、任意の数の燃料電池積層体を用意して、容易に直列接続することが可能である。さらに、このように構成した燃料電池積層体を、複数用意して並列接続しても良い。
【０１１３】
（第４実施形態）
本発明の好ましい第４実施形態の固体酸化物型燃料電池発電装置１０が図９に示される。図９は、３つの燃料電池積層体の上面図を示している。本装置１０は、３つの燃料電池積層体Ｃ２ａ、Ｃ２ｂ、Ｃ２ｃを備えている。そして、３つの燃料電池積層体Ｃ２ａ、Ｃ２ｂ、Ｃ２ｃが配置され、３つの燃料電池積層体Ｃ２ａ、Ｃ２ｂ、Ｃ２ｃのそれぞれにおける第１の接続体４２と第２の接続体６２とにより、各燃料電池積層体Ｃ２ａ、Ｃ２ｂ、Ｃ２ｃが、電気的に並列接続されている。
その他の構成は、上述した第３実施形態と同様である。
【０１１４】
３つの燃料電池積層体Ｃ２ａ、Ｃ２ｂ、Ｃ２ｃは、各第１の接続体４２同士が配線により電気的に接続されている。同様に、各第２の接続体６２同士が配線により電気的に接続されている。
【０１１５】
図９では、各燃料電池積層体Ｃ２ａ、Ｃ２ｂ、Ｃ２ｃにおける第１の延出部４同士および第２の延出部６同士が、第１の接続体４２および第２の接続体６２により接続されているが、固定手段のボルトとナットを用いて、接続しても良い。この場合には、絶縁性の座金を用いる必要はなく、第１の延出部４および第２の延出部６は、電気導電性のボルトにより固定されていて、電気的にも接続される。
【０１１６】
上述した本装置１０によれば、簡易な配線により、３つの燃料電池積層体Ｃ２ａ、Ｃ２ｂ、Ｃ２ｃが並列接続されている。
【０１１７】
また、本装置１０は、上述した実施形態では、３つの燃料電池積層体Ｃ２ａ、Ｃ２ｂ、Ｃ２ｃから構成されているが、用途に応じた必要な出力電流を得るために、複数の燃料電池積層体を用意して、容易に並列接続することが可能である。
【０１１８】
本発明の固体酸化物燃料電池発電装置は、上述した実施形態に制限されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更が可能である。
例えば、本発明の固体酸化物燃料電池発電装置は、各実施形態において、燃料電池ユニットＣ１内では、第１の延出部４１同士または第２の延出部６１同士が電気的に接続されており、各固体酸化物型燃料電池Ｃが並列接続されているが、燃料電池ユニットＣ１内においても、第１の延出部４１と第２の延出部６１とを直列接続していても良い。この場合には、第１の延出部４１と第２の延出部６１とが、面方向に重ならないように、同じ方向に向かって延出していることが、配線を簡易にする上で好ましい。
【０１１９】
また、各実施形態において、燃料電池ユニットＣ１の下方に配置された燃焼装置１３により混合燃料ガスが燃焼されて、各固体酸化物型燃料電池Ｃが加熱されているが、この固体酸化物型燃料電池Ｃを駆動するために所定の温度に加熱できれば、燃焼装置１３以外の公知の加熱方法を用いることができる。例えば、電気炉、ガスバーナまたは電気ヒータを用いることができる。
【０１２０】
また、上述した各実施形態では、燃料電池ユニットＣ１が、容器１１に収納されていたが、燃料電池ユニットＣ１が、混合燃料ガス雰囲気中に配置されていれば、燃料電池ユニットＣ１は、このような容器に収納されていなくても良い。
【０１２１】
さらに、上述した第４実施形態では、各燃料電池積層体間に、セパレータ１４ａ、ｂが配置されていたが、このセパレータ１４ａ、ｂを取り除いても良い。
【０１２２】
前述した一の実施形態のみが有する部分は、他の実施形態とすべて適宜相互に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【０１２３】
【図１】図１（ａ）は、本発明の固体酸化物型燃料電池発電装置の第１実施形態の縦断面の模式図であり、図１（ｂ）は、この発電装置の横断面の模式図である。
【図２】図２（ａ）は、図１の固体酸化物型燃料電池発電装置に組み込まれる燃料電池ユニットの上面図であり、図２（ｂ）は、その一部破断側面図である。
【図３】図３（ａ）は、図２の燃料電池ユニットに使用される固体酸化物型燃料電池を示す平面図であり、図３（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ線拡大断面図である。
【図４】図４は、図２の燃料電池ユニットにおける要部の分解斜視図である。
【図５】図５（ａ）は、図２の燃料電池ユニットにおける導電体の部分断面図であり、図５（ｂ）は、その導電体の変形例を示す。
【図６】図６は、図２（ｂ）のＹ−Ｙ線拡大断面図である。
【図７】図７は、本発明の固体酸化物型燃料電池発電装置の第２実施形態を示す図２（ａ）に相当する上面図である。
【図８】図８は、本発明の固体酸化物型燃料電池発電装置の第３実施形態を示す図２（ａ）に相当する上面図である。
【図９】図９は、本発明の固体酸化物型燃料電池発電装置の第４実施形態を示す図２（ａ）に相当する上面図である。
【図１０】図１０は、従来技術による固体酸化物型燃料電池発電装置における固体酸化物型燃料電池の積層した例を模式的に示す。
【符号の説明】
【０１２４】
１ 固体電解質基板
２ カソード電極層
３ アノード電極層
４ 第１の導電体
４１ 第１の延出部
４２ 第１の接続体
６ 第２の導電体
６１ 第２の延出部
６２ 第２の接続体
８ 第３の導電体
９１，９２ 支持板
１０ 固体酸化物型燃料電池発電装置
１１ 容器
１１ａ 断熱材
１２ 混合燃料ガス供給装置
１３ 燃焼装置
１４ セパレータ
１５ 電気絶縁性多孔質体
１００ 電気絶縁性介在層
１０１ 導電層
Ｃ 固体酸化物型燃料電池
Ｃ１ 燃料電池ユニット
Ｃ２ 燃料電池積層体
Ｃ１０ 固体酸化物型燃料電池郡
Ｆ 火炎
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソード電極層とアノード電極層とが固体電解質基板の両面に形成された固体酸化物型燃料電池の複数を備えた固体酸化物型燃料電池発電装置において、
隣り合う前記固体酸化物型燃料電池のそれぞれの前記アノード電極層が対向するように、複数の前記固体酸化物型燃料電池が配置され、
対向する前記各アノード電極層の間には、該各アノード電極層に接触し、通気性を有する第１の導電体が挟持され、
前記第１の導電体は、前記各アノード電極層を超えて延出した第１の延出部を有し、該第１の導電体が前記アノード電極層の集電部となることを特徴とする固体酸化物型燃料電池発電装置。
【請求項２】
隣り合う前記固体酸化物型燃料電池のそれぞれの前記カソード電極層が対向し、対向する該カソード電極層の間には、該各カソード電極層に接触し、通気性を有する第２の導電体が挟持され、
前記第２の導電体は、前記各カソード電極層を超えて延出した第２の延出部を有し、該第２の導電体が前記カソード電極層の集電部となり、
前記第１の延出部と前記第２の延出部とは、該第１の延出部および該第２の延出部の面方向にずれた位置に形成されることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物型燃料電池発電装置。
【請求項３】
前記第１の延出部と前記第２の延出部は、互いに反対方向にずれた位置で延出することを特徴とする請求項２に記載の固体酸化物型燃料電池発電装置。
【請求項４】
前記第１の導電体および前記第２の導電体は、凹凸形状を有することを特徴とする請求項２または３に記載の固体酸化物型燃料電池発電装置。
【請求項５】
前記第１の導電体と前記アノード電極層との間、および、前記第２の導電体と前記カソード電極層との間に、それぞれ、通気性を有する第３の導電体が挟持されることを特徴とする請求項２から４の何れか一項に記載の固体酸化物型燃料電池発電装置。
【請求項６】
前記第１の導電体、前記第２の導電体または前記第３の導電体が、金属製メッシュまたは多孔質体により形成されることを特徴とする請求項５に記載の固体酸化物型燃料電池発電装置。
【請求項７】
対向する前記各アノード電極層の間に配置された前記金属製メッシュが、ニッケル、または、ニッケルと銅との合金により形成されることを特徴とする請求項６に記載の固体酸化物型燃料電池発電装置。
【請求項８】
複数の前記第１の延出部同士および複数の前記第２の延出部同士のそれぞれが、第１および第２の接続体を有することを特徴とする請求項２から７の何れか一項に記載の固体酸化物型燃料電池発電装置。
【請求項９】
複数の前記固体酸化物型燃料電池が前記第１の導電体および前記第２の導電体を挟持して積層された燃料電池積層体が形成され、
前記燃料電池積層体が複数配置され、
複数の前記燃料電池積層体のそれぞれにおける前記第１の接続体と前記第２の接続体とにより、該各燃料電池積層体が、電気的に並列接続または直列接続されることを特徴とする請求項８に記載の固体酸化物型燃料電池発電装置。
【請求項１０】
複数の前記固体酸化物型燃料電池が前記第１の導電体および前記第２の導電体を挟持して積層された燃料電池積層体が形成され、
前記燃料電池積層体が、一対の支持板により挟持され、
前記各支持板は、表面が無機酸化物で被覆された金属板であることを特徴とする請求項８に記載の固体酸化物型燃料電池発電装置。
【請求項１】
カソード電極層とアノード電極層とが固体電解質基板の両面に形成された固体酸化物型燃料電池の複数を備えた固体酸化物型燃料電池発電装置において、
隣り合う前記固体酸化物型燃料電池のそれぞれの前記アノード電極層が対向するように、複数の前記固体酸化物型燃料電池が配置され、
対向する前記各アノード電極層の間には、該各アノード電極層に接触し、通気性を有する第１の導電体が挟持され、
前記第１の導電体は、前記各アノード電極層を超えて延出した第１の延出部を有し、該第１の導電体が前記アノード電極層の集電部となることを特徴とする固体酸化物型燃料電池発電装置。
【請求項２】
隣り合う前記固体酸化物型燃料電池のそれぞれの前記カソード電極層が対向し、対向する該カソード電極層の間には、該各カソード電極層に接触し、通気性を有する第２の導電体が挟持され、
前記第２の導電体は、前記各カソード電極層を超えて延出した第２の延出部を有し、該第２の導電体が前記カソード電極層の集電部となり、
前記第１の延出部と前記第２の延出部とは、該第１の延出部および該第２の延出部の面方向にずれた位置に形成されることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物型燃料電池発電装置。
【請求項３】
前記第１の延出部と前記第２の延出部は、互いに反対方向にずれた位置で延出することを特徴とする請求項２に記載の固体酸化物型燃料電池発電装置。
【請求項４】
前記第１の導電体および前記第２の導電体は、凹凸形状を有することを特徴とする請求項２または３に記載の固体酸化物型燃料電池発電装置。
【請求項５】
前記第１の導電体と前記アノード電極層との間、および、前記第２の導電体と前記カソード電極層との間に、それぞれ、通気性を有する第３の導電体が挟持されることを特徴とする請求項２から４の何れか一項に記載の固体酸化物型燃料電池発電装置。
【請求項６】
前記第１の導電体、前記第２の導電体または前記第３の導電体が、金属製メッシュまたは多孔質体により形成されることを特徴とする請求項５に記載の固体酸化物型燃料電池発電装置。
【請求項７】
対向する前記各アノード電極層の間に配置された前記金属製メッシュが、ニッケル、または、ニッケルと銅との合金により形成されることを特徴とする請求項６に記載の固体酸化物型燃料電池発電装置。
【請求項８】
複数の前記第１の延出部同士および複数の前記第２の延出部同士のそれぞれが、第１および第２の接続体を有することを特徴とする請求項２から７の何れか一項に記載の固体酸化物型燃料電池発電装置。
【請求項９】
複数の前記固体酸化物型燃料電池が前記第１の導電体および前記第２の導電体を挟持して積層された燃料電池積層体が形成され、
前記燃料電池積層体が複数配置され、
複数の前記燃料電池積層体のそれぞれにおける前記第１の接続体と前記第２の接続体とにより、該各燃料電池積層体が、電気的に並列接続または直列接続されることを特徴とする請求項８に記載の固体酸化物型燃料電池発電装置。
【請求項１０】
複数の前記固体酸化物型燃料電池が前記第１の導電体および前記第２の導電体を挟持して積層された燃料電池積層体が形成され、
前記燃料電池積層体が、一対の支持板により挟持され、
前記各支持板は、表面が無機酸化物で被覆された金属板であることを特徴とする請求項８に記載の固体酸化物型燃料電池発電装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００８−１５９４４８（Ｐ２００８−１５９４４８Ａ）
【公開日】平成２０年７月１０日（２００８．７．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−３４８１２０（Ｐ２００６−３４８１２０）
【出願日】平成１８年１２月２５日（２００６．１２．２５）
【出願人】（０００１９０６８８）新光電気工業株式会社 (1,516)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年７月１０日（２００８．７．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１２月２５日（２００６．１２．２５）
【出願人】（０００１９０６８８）新光電気工業株式会社 (1,516)
【Ｆターム（参考）】
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