燃料電池モジュール及び燃料電池発電システム
【課題】炎の形状の変化による発電効率の低下を抑制すること。
【解決手段】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、を含む。このような構造により、炎の形状が変化した場合には、それに応じて支持構造体２０を動かして、ＳＯＦＣ１と炎との関係を修正する。
【解決手段】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、を含む。このような構造により、炎の形状が変化した場合には、それに応じて支持構造体２０を動かして、ＳＯＦＣ１と炎との関係を修正する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−０２６９４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【発明の効果】
【００１３】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、燃料電池の概略図である。
【図２】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。
【図３】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４】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。
【図５】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６は、支持構造体の連結構造の説明図である。
【図７】図７は、支持構造体の連結構造の説明図である。
【図８】図８は、支持構造体の連結部の一例を示す図である。
【図９】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】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。
【図１１】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。
【図１２】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。
【図１３】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１４】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１５は、本実施形態に係るＳＯＦＣの製造方法の説明図である。
【図１６】図１６は、本実施形態に係るＳＯＦＣの製造方法の説明図である。
【図１７】図１７は、本実施形態に係るＳＯＦＣの製造方法の説明図である。
【図１８】図１８は、本実施形態に係るＳＯＦＣの製造方法の説明図である。
【図１９】図１９は、本実施形態に係るＳＯＦＣの製造方法の説明図である。
【図２０】図２０は、本実施形態に係るＳＯＦＣの製造方法の説明図である。
【図２１】図２１は、本実施形態に係るＳＯＦＣの製造方法の説明図である。
【図２２】図２２は、本実施形態に係るＳＯＦＣの製造方法の説明図である。
【図２３】図２３は、本実施形態に係るＳＯＦＣの製造方法の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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）。
【００７４】
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。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
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。
【符号の説明】
【００７６】
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
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−０２６９４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【発明の効果】
【００１３】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、燃料電池の概略図である。
【図２】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。
【図３】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４】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。
【図５】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６は、支持構造体の連結構造の説明図である。
【図７】図７は、支持構造体の連結構造の説明図である。
【図８】図８は、支持構造体の連結部の一例を示す図である。
【図９】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】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。
【図１１】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。
【図１２】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。
【図１３】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１４】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１５は、本実施形態に係るＳＯＦＣの製造方法の説明図である。
【図１６】図１６は、本実施形態に係るＳＯＦＣの製造方法の説明図である。
【図１７】図１７は、本実施形態に係るＳＯＦＣの製造方法の説明図である。
【図１８】図１８は、本実施形態に係るＳＯＦＣの製造方法の説明図である。
【図１９】図１９は、本実施形態に係るＳＯＦＣの製造方法の説明図である。
【図２０】図２０は、本実施形態に係るＳＯＦＣの製造方法の説明図である。
【図２１】図２１は、本実施形態に係るＳＯＦＣの製造方法の説明図である。
【図２２】図２２は、本実施形態に係るＳＯＦＣの製造方法の説明図である。
【図２３】図２３は、本実施形態に係るＳＯＦＣの製造方法の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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）。
【００７４】
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。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
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。
【符号の説明】
【００７６】
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
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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燃料電池モジュール。
【請求項２】
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請求項１に記載の燃料電池モジュール。
【請求項３】
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請求項１に記載の燃料電池モジュール。
【請求項４】
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請求項１に記載の燃料電池モジュール。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の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燃料電池発電システム。
【請求項１】
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燃料電池モジュール。
【請求項２】
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請求項１に記載の燃料電池モジュール。
【請求項３】
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請求項１に記載の燃料電池モジュール。
【請求項４】
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請求項１に記載の燃料電池モジュール。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の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燃料電池発電システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【公開番号】特開２０１２−１２３９５１（Ｐ２０１２−１２３９５１Ａ）
【公開日】平成２４年６月２８日（２０１２．６．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２７２０１９（Ｐ２０１０−２７２０１９）
【出願日】平成２２年１２月６日（２０１０．１２．６）
【出願人】（０００００３０６７）ＴＤＫ株式会社 (7,238)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年６月２８日（２０１２．６．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月６日（２０１０．１２．６）
【出願人】（０００００３０６７）ＴＤＫ株式会社 (7,238)
【Ｆターム（参考）】
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