筒型の固体酸化物形燃料電池
【課題】平板型固体酸化物形燃料電池は、発電に伴う発熱で電極間の温度差に起因する熱応力が不均一であり、円筒型固体酸化物形燃料電池及び角筒型固体酸化物形燃料電池は面積当たりの出力が平板型電池セルに劣るので、熱応力に優れ、単位体積当たりの発電量に優れた筒型の固体酸化物形燃料電池を提供する。
【解決手段】空気極層、電解質層及び燃料極層を順次積層してなる積層壁体で形成された筒型電池セルの多数個を連結してなる固体酸化物形燃料電池において、中央部に配置された中央部筒型電池セルと、同筒型電池セルの縦側面に沿って平行に接合された複数本の側部筒型電池セルとからなり、かつ前記各側部筒型電池セルは前記中央部筒型電池セルの縦側面に線接触状態で一箇所のみが接合されてなる構成の筒型の固体酸化物形燃料電池による。
【解決手段】空気極層、電解質層及び燃料極層を順次積層してなる積層壁体で形成された筒型電池セルの多数個を連結してなる固体酸化物形燃料電池において、中央部に配置された中央部筒型電池セルと、同筒型電池セルの縦側面に沿って平行に接合された複数本の側部筒型電池セルとからなり、かつ前記各側部筒型電池セルは前記中央部筒型電池セルの縦側面に線接触状態で一箇所のみが接合されてなる構成の筒型の固体酸化物形燃料電池による。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物形燃料電池に係り、冷態時からの急速起動が可能で、かつ耐久性に優れ、比出力の高いコンパクトな筒型の固体酸化物形燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
化石燃料を動力に変換する機構として、１９世紀は固体燃料である石炭と蒸気機関、２０世紀は液体燃料である石油と内燃機関に対し、２１世紀は、気体燃料と燃料電池へと変化しつつある。
中でも固体酸化物形燃料電池（以後、ＳＯＦＣと記述）は、燃料選択性がなく水素や一酸化炭素が同時に燃料として利用でき、貴金属の使用もなく、かつ排熱温度も高い等、他の燃料電池システムに比べて、多くのメリットがあり、その実用化に向けて開発が世界中で進められている。
ＳＯＦＣは、気体を通さない電解質層とその両面に配置されたポーラス構造の燃料極層及び空気極層で構成（以後、両者を合わせて示す場合は両極層と記述）され、空気極層からの酸素は酸素イオンとして電解質中を移動し、燃料極層で燃料と反応し電気を発生する。
【０００３】
電解質層内の酸素イオン導電率を大きくし、また、各極層での反応速度を高めるためにＳＯＦＣの作動温度は高く設定される。この高温に対応するため、電解質層を含め主構成要素にはセラミック材が使用される。
【０００４】
燃料の酸化反応で生ずるエネルギーを１００％電気に変換することは熱力学的にみて不可能であり、一定負荷運転状態でも、発電により燃料極層側で熱が発生する。 そして両極層周辺の熱容量、熱伝達率、質量等の不均一な分布が、電池セルに不均一な温度分布をもたらし、熱応力を生じさせる。
特に、急速起動、運転中の急激な負荷変動により両極層周辺の温度の不均一な分布はさらに大きくなり、定常運転時より高い熱応力が発生する。
一方、セラミック材の臨界応力係数が金属に比しほぼ１／１００と小さく、セラミック部材にかかる熱応力と熱変形の低減がＳＯＦＣ実現の大きな課題である。
【０００５】
さらに、燃料極層及び空気極層が、気体を通過させるためのマクロなポーラス構造であるとすれば、酸素イオンを通過させるために格子内に空房をもつ電解質層は、分子レベルでのミクロなポーラス構造を有すると言える。
先に記述した臨界応力係数の低さと相まって、ミクロ及びマクロなポーラス構造への対応もセラミックで形成されるＳＯＦＣ実用化への課題と言いうる。
【０００６】
ＳＯＦＣは、固体酸化物形電解質膜で空間を２分し、電解質膜のそれぞれの側に電極を設けて異なる気体を通流し発電するシステムと言える。
現在開発されている空間を２分する方式のＳＯＦＣとしては、大別して図９に示す板状電解質層の両面に、また図１０に示す筒状の電解質層の内面、外面に、それぞれ電解質層を挟んで燃料極層と空気極層とを配置して発電する平板型ＳＯＦＣと円筒型ＳＯＦＣとがある。
【０００７】
平板型ＳＯＦＣセル１００は、図９にその一例を示すように、
電解質層１０２と、該電解層１０２の両面にそれぞれ接触する燃料極、あるいは空気極を備え、かつ両極の周辺を外部からシールする２枚のインターコネクタ１０１と、前記電解層１０２とインターコネクタ１０１との間に挟設され両極周辺をシールする２枚のガスケット１０３とで構成されている。そして電池セルに設けられた４つの穴の対角線上にあるそれぞれ２つの穴で燃料又は空気の通路を形成し、それぞれの通路から供給される燃料と空気との反応により発電される。
【０００８】
この平板型ＳＯＦＣセル１００は、構成部品が主に平面であるため、大きな製造上のメリットを有する。
【０００９】
図１０に筒型ＳＯＦＣセルの一例としての円筒型ＳＯＦＣセル１５０を示す。
円筒型ＳＯＦＣセル１５０は、図１０に示すように、円筒形の電解質層１５２の外周面に空気極層１５４を、内周面に燃料極層１５３を配設して電池セルが構成されてなり、かつ前記電解質層１５２及びその外周面に配設された空気極層１５４には軸線に沿ってスリットが穿設され、該スリットから前記電解質層の内周面に配設された燃料極層１５３に接続されたインターコネクタが電池セルから突出させて設けられている。
そして円筒型ＳＯＦＣ１５０の中空部に燃料を、外周部に空気通流させることによって発電を行っている。
【００１０】
円筒型ＳＯＦＣセル１５０は、前記平板型ＳＯＦＣセル１００と異なり、閉じた壁で構成されており、電池セルの燃料極層１５３と空気極層１５４との間で平板型ＳＯＦＣセル１００と同じ温度差が生じた場合でも、その熱応力は平板型ＳＯＦＣセルより小さい。
さらに、円筒型ＳＯＦＣセル１５０は、平板型ＳＯＦＣセルに見られる大きなインターコネクタがなく、したがって、両端のガスシール部を除けば発電部の熱容量分布は全域でほぼ一定であり、特に暖気時の熱応力は平板型ＳＯＦＣセルに比べて小さい。
【００１１】
角筒型ＳＯＦＣセルの例として特許文献１に開示の発明を示す。
特許文献１の段落〔００２２〕には、ランタンマンガネート系のポーラスな角筒形状の空気極支持管２１１の外周面の３側面にＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）の固体電解質２１２を積層形成し、さらにこの固体電解質２１２の外周面にニッケル又はニッケル合金とＹＳＺとのサーメット製のポーラスな燃料極２１３を積層形成し、空気極支持管２１１の残る１側面にランタンクロマイト系酸化物（ＬａＣｒＯｎ）のインタコネクタ２１４を積層形成した図１１に示す構造の個体電解質燃料電池アセンブリが開示されている。
【００１２】
そして、特許文献１の〔請求項１〕には、上記個体電解質燃料電池アセンブリの製造方法として、「空気極若しくは燃料極とその保形体とを兼用する角筒形状の電極支持管の複数体をセパレータ上に等間隔で配列し、次に前記複数体の電極支持管それぞれの開放外周面に固体電解質を積層形成し、続いて前記固体電解質の外周に前記電極支持管と反対の極性の電極層を積層形成することによって、前記セパレータ上に等間隔に複数体の角筒式固体電解質燃料電池が列設された固体電解質燃料電池アセンブリユニットを製造する」と記載されている。
【００１３】
また、特許文献１の〔請求項２〕には、「請求項１の製造方法にて製造された固体電解質燃料電池アセンブリユニットの複数体を複数段に積層し、前記電極支持管それぞれの内部に酸化ガスと燃料ガスのいずれか一方を通流させ、前記角筒式固体電解質燃料電池の列間の間隙に酸化ガスと燃料ガスのいずれか他方を通流させる個体電解型燃料電池アセンブリ」と記載され、個体電解型質燃料電池への燃料ガス及び酸化ガスの供給方法が示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特許第３７２２９２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかし、平板型ＳＯＦＣセル１００は、前述のように燃料極及び空気極周辺部のガスシールのためインターコネクタ１０１と電解質層１０２とはガスケット１０３を介して固定又は半固定されており、電解質層１０２周辺部の変形が制限された状態にある。したがって、発電に伴う発熱による燃料極と空気極間の温度差に起因する熱応力は拡大されることになる。
【００１６】
また、平板型ＳＯＦＣセルの電解質層１０２の周辺部は、熱容量の大きいインターコネクタとガスケットに接しており、そのため電解質層１０２の発電に係わる部分と周辺部との熱容量分布の不均一となり、特に暖気途中などの時間的な温度変化が大きい場合は、内部に大きな温度差を生じ、高い熱応力が発生する。
近年、定常運転では安定した出力が得られる平板ＳＯＦＣセルの例は増加しているものの、まだ起動・停止の繰り返しで劣化が起きる例が見られる。この原因の一つにこの暖気途中の熱応力が考えられる。
【００１７】
さらに、平板型ＳＯＦＣセルのインターコネクタ１０１やガスケット１０３が燃料極及び空気極の周辺をシールしているため電池セルの周辺に発電に寄与しない領域が形成されており、今後さらに体積当たりの発電量の増加が求められると、この領域の存在が平板型電池セルの欠点になる可能性が高い。
【００１８】
前記円筒型ＳＯＦＣセル１５０は、円筒周囲の発電に係わる面積と円筒の体積の比は平板型ＳＯＦＣセルより小さく、体積当たりの出力は平板型ＳＯＦＣセルに劣る。
また、円筒型ＳＯＦＣセル１５０の直列連結は、その構造上、平面を介して行える平板型ＳＯＦＣセルに比べて複雑になる。
【００１９】
また図１１に示す構造の特許文献１に開示の個体電解質燃料電池アセンブリは、その明細書の段落「００２９」「００３０」に記載されているように、集電体をなすセパレータ２２１上にインタコネクタ２１４が同じ向きを向くようにして複数段、複数列のマトリクス配列に固体電解質燃料電池（以降角筒型ＳＯＦＣセルと記述）２００Ａをスタックし、下側のセパレータ２２１と角筒型ＳＯＦＣセル２００Ａとの間、上下の角筒型ＳＯＦＣセル２００Ａ、２００Ａ相互間、角筒型ＳＯＦＣセルＡと上側のセパレータ２２１との間には燃料改質作用と導電作用を行うニッケル又はニッケル合金のフェルト２２２を介在させている。そして各角筒型ＳＯＦＣセル２００Ａの長さ方向の端部には閉塞栓体（図示せず）を取り付け、外部から酸化ガスとしての空気を空気極支持管２１１内を通流させるように空気供給管をその閉塞栓体に接続し、また複数段にスタックされている角筒型ＳＯＦＣセル２００Ａの列間の空隙２２３に燃料ガスを通流させて発電を行わせている。
したがって、上下に積み重ねられた角筒型ＳＯＦＣセルの上面はインターコネクタ２１４によって上のセパレータ２２１または角筒型ＳＯＦＣセルに接続されており、この面には燃料極がなく、発電に寄与しない面となる。
そのため、セパレータとそ上の固体電解質燃料電池とが一体化したインターコネクタレスの固体電解質アセンブリユニットが形成できる製造方法に見るべき点はあるが、発電面積と角筒の体積の比、体積当たりの出力は円筒型電池セルより劣るという課題がある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明者は、上記に鑑み鋭意研究の結果、次の手段によりこの課題を解決した。
（１）空気極層、電解質層及び燃料極層を順次積層してなる積層壁体で形成された筒型電池セルの多数個を連結してなる固体酸化物形燃料電池において、
中央部に配置された中央部筒型電池セルと、同筒型電池セルの縦側面に沿って平行に接合され、かつ相互に交差することのない複数本の側部筒型電池セルとからなり、かつ前記各側部筒型電池セルは前記中央部筒型電池セルの縦側面に線接触状態で一箇所のみが接合されてなる構成のものであることを特徴とする筒型の固体酸化物形燃料電池。
（２）前記筒型電池セルが、多角筒形のものであることを特徴とする前項（１）記載の筒型の固体酸化物形燃料電池。
（３）前記筒型電池セルが、円筒形のものであることを特徴とする前項（１）記載の筒型の固体酸化物形燃料電池。
（４）前記複数本の側部筒型電池セルが、中央部筒型電池セルの側面に等間隔で放射状に配設され、前記中央部筒型電池セル及び複数本の側部筒型電池セルのいずれもの内壁面が燃料極層、外壁面が空気極層、又は外壁面が燃料極層、内壁面が空気極層でなり、かつ前記各筒型電池セルの外壁面を構成する空気極層又は燃料極層が連続した一つの面で形成されてなることを特徴とする前項（１）〜（３）のいずれか１項に記載の筒型の固体酸化物形燃料電池。
（５）前記筒型電池セルが、その内壁面内側の中空部を内通路とし、外壁面外側の空間を外通路とし、それぞれの通路に、同通路の壁面を構成する燃料極層又は空気極層に対応する燃料又は空気が供給されてなることを特徴とする前項（１）〜（４）のいずれか１項に記載の筒型の固体酸化物形燃料電池。
【００２１】
（６）前項（１）〜（５）のいずれか１項に記載の筒型の固体酸化物形燃料電池の複数個を上下に積み重ねて電池セルスタックを構成してなり、各々の上部電池セルの燃料極層と下部電池セルの空気極層、あるいは上部電池セルの空気極層と下部電池セルの燃料極層とを各々導電とガスシールの機能を持つインターコネクタで直列接続してなることを特徴とする筒型の固体酸化物形燃料電池。
（７）前記電池セルスタックにおいて、直列接続された上下の電池セルの燃料極層同士、空気極層同士が接触するのを防止するために、各電池セルの積層壁体の基体部（構造体）となる層が電解質の場合は、それぞれ外壁面では上端部側壁面に、内壁面では下端部側壁面にそれぞれの極層が設けられていない環状のブランク部を設けてなることを特徴とする前項（６）に記載の筒型の固体酸化物形燃料電池。
（８）前記電池セルスタックにおいて、直列接続された上下の電池セルの燃料極層同士、空気極層同士が接触するのを防止するために、各電池セルの積層壁体の基体部（構造体）となる層が燃料極層あるいは空気極層の場合は、積層壁体の内側壁面として基体部となる極層を配設し、その外側面に電解質層を積層し、さらに前記電解質層を基体部となる極層の下端面と内壁面下端部に微小高さの折り返し部として構成されるように連続延伸させ、そして電解質層の外壁面に、前記基体部とし用いられたのとは別の極層となる空気極層又は燃料極層を設け、かつ前記電解質層外側面上部に当該極層が設けられていない環状のブランク部を設けてなることを特徴とする前項（６）に記載の筒型の固体酸化物形燃料電池。
（９）前記電池セルスタックが、その構成電池セルの内壁面が燃料極の場合、各内通路内に同内通路の形状に相似した柱形状スペーサを備えて内通路空間を狭め、燃料極との反応に寄与する量の燃料のみを通流させられるよう構成されてなることを特徴とする前項（６）〜（８）のいずれか１項に記載の筒型の固体酸化物形燃料電池。
（１０）前記電池セルスタックが、その構成電池セルの内壁面が燃料極の場合、同電池セルスタックの一端に燃料を供給するチャンバーと、各内通路内に同内通路の形状に相似した筒形状スペーサを備え、
前記チャンバーから供給された燃料が、前記筒形状スペーサの筒内気体通路を通流した後、同筒形状スペーサの他端部で反転し、反転された燃料がこの筒形状スペーサ外周面と前記構成電池セルの内壁面との間の狭められた空間に燃料極との反応に寄与する量の燃料のみを流通させた後に排出されるよう構成されてなることを特徴とする前項（６）〜（８）のいずれか１項に記載の筒型の固体酸化物形燃料電池。
【００２２】
（１１）前項（６）〜（１０）のいずれか１項に記載の電池セルスタックが複数個同一平面に並置され、それぞれが並列接続、又は直列接続され、あるいは直並列の組み合わせで接続されて電池セルモジュールを形成してなることを特徴とする筒型の固体酸化物形燃料電池。
（１２）前記電池セルモジュールが、前記電池セルスタック複数個を同一平面に平行格子状、又は千鳥格子状に並置してなることを特徴とする前項（１０）に記載の筒型の固体酸化物形燃料電池。
（１３）前記電池セルモジュール複数個が、同一平面に並置され、又は上下に積み重ねられて電気的に接続され、あるいは同一平面に並置されて電気的に接続されたものをさらに複数個上下に積み重ねて電気的に接続してなることを特徴とする前項（１１）又は（１２）に記載の筒型の固体酸化物形燃料電池。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、次のような効果が発揮される。
１．本発明の請求項１の発明によれば、
空気極層、燃料極層及び電解質層を順次積層してなる積層壁体で形成された筒型電池セルの多数個を連結してなる固体酸化物形燃料電池において、
中央部に配置された中央部筒型電池セルと、同筒型電池セルの縦側面に沿って平行に接合された複数本の側部筒型電池セルとからなり、かつ前記各側部筒型電池セルは前記中央部筒型電池セルの縦側面に線接触状態で一箇所のみが接合されてなる構成なので、
前記筒型の固体酸化物形燃料電池を構成する中央部筒型電池セル及び側部筒型電池セルは、その構造上、上下の端面を除きシール機能を必要としないこと、及び
中央部筒型電池セルと複数本の側部筒型電池セルとが線接触状態で一箇所のみ接合されていることから、内外両側面のほぼ全面を燃料極及び空気極とすることができ、かつ前記内外両側面のほぼ全面が燃料又は空気と接触可能なため、発電面積は他の形態の電池セルに比して大きくでき、したがって、体積当たりの発電量の増大が見込める。
【００２４】
各電池セルを構造的に剛性の高い筒型形状としたので、電解質層を挟んで対向配置した燃料極層及び空気極層間の発電に伴う発熱に起因する電池セルの変形を大幅に低減できる。
また膜構成電池セルを筒型にしたことによって平板型ＳＯＦＣセルに見られたようなインターコネクタやガスケットといった部材が不要となり、この部材と電解質層との間に生じる不均一な温度分布による熱応力発生を大幅に低減できる。
このため起動に伴う急速な暖気途中、あるいは負荷変動中の筒型の固体酸化物形燃料電池の温度は均一に保たれ、熱応力による変形を大幅に低減でき、したがって高温動作が可能なことから、高出力密度と高い発電効率が得られる。
【００２５】
前記中央部筒型電池セルと複数本の側部筒型電池セルとが中央部筒型電子セルの縦側面に線接触状態で一箇所のみ接合されているので、
互いに他の筒型電池セルの熱応力を受けにくく、このため起動に伴う急速な暖気途中、あるいは負荷変動中の各電池セル筒体温度が均一に保て、熱応力による変形をさらに低減することができる。
【００２６】
本発明の固体酸化物形燃料電池が、中央部筒型電池セルとその周辺に配置された複数本の側部筒型電池セルとで構成されているので、前記固体酸化物形燃料電池を積層構造とする際の支持スパンを、従来のシングル筒型電池セルに比べ、大きく取れ、安定した高積層構造の固体酸化物形燃料電池が得られる。
【００２７】
同一形状、同一構造の筒型電池セル複数個で固体酸化物形燃料電池セルを構成できるので、燃料極層、電解質層、あるいは空気極層の生成をスプレーコート法又はスラリーコート法等によって行え、しかも筒形状であるため外壁面への外部からのアクセスも容易で量産に適しており、かつ各層を生成するための製造機器も同一のものが使用でき、製造機器の低コスト化にも寄与する。
【００２８】
２．本発明の請求項２の発明によれば、
前記請求項１の効果に加えて、
前記筒型電池セルが多角形であるため、他の装置に組み込む燃料電池として、その収納許容スペースに応じて電池セルの形状が選択でき、装置としての設計自由度が広がり、かつ集積密度を高めることができる。
【００２９】
３．本発明の請求項３の発明によれば、
前記請求項１の効果に加えて、
前記筒型電池セルが、円筒形であるため、同一形状で、かつ同一構造の円筒筒体で電池セルを構成できるので、製造がきわめて容易であり、コンパクト、低コストでありながら高出力の電池セルを実現できる。さらに発電中の発熱反応による変形を大幅に低減できる。
【００３０】
４．本発明の請求項４の発明によれば、
前記請求項１〜３の効果に加えて、
前記複数本の側部筒型電池セルが、中央部筒型電池セルの側面に等間隔で放射状に配設され、前記中央部筒型電池セル及び複数本の側部筒型電池セルのいずれもの内壁面が燃料極層、外壁面が空気極層、又は外壁面が燃料極層、内壁面が空気極層であるため、
同一形状で、かつ同一構造の筒型電池セルがシンメトリーに配設されるので、特に発電中の発熱反応による電池セルの電解質層を挟んで対向配置した燃料極層及び空気極層間の温度差で発生する熱応力による変形が各筒型電池セルに均等に発生するため、熱応力による電池セルの変形・破損を防止できる。
【００３１】
また、前記各筒体の外壁面を構成する空気極層又は燃料極層が連続した一つの面で形成されているので、各筒型電池セルの外側面を接続する電極間接続構造物が不要で、コンパクト、低コストでありながら高出力の電池セルを実現できる。
【００３２】
５．本発明の請求項５の発明によれば、
前記請求項１〜４の効果に加えて、
前記筒型電池セルが、その内壁面内側の中空部を内通路とし、外壁面外側の空間を外通路とし、それぞれの通路に、その通路の壁面を構成している燃料極層又は空気極層に対応する燃料又は空気が供給できるので、
前記同一形状、同一構造の各筒型電池セルが、シンメトリーに配設されていることと相まって、燃料又は空気の供給通路が単純化され、そのため燃料又は空気の分配・供給装置もシンメトリーな構成で作ることができ、分配・供給装置を含めて、燃料極層及び空気極層間の温度差で発生する熱応力による変形が筒構造体、分配・供給装置に均等に発生するため、熱応力による変形・破損を防止できる。
【００３３】
６．本発明の請求項６の発明によれば、
請求項１〜５のいずれか１項に記載の筒型の固体酸化物形燃料電池セルの複数個を上下に積み重ね、各々の上部電池セルの燃料極層と下部電池セルの空気極層、あるいは上部電池セルの空気極層と下部電池セルの燃料極層とを各々導電とガスシールの機能を持つインターコネクタで直列接続して電池セルスタック構成しいるので、
前記請求項１〜５の効果に加えて、
前記筒型の固体酸化物形燃料電池セルを複数段直列接続して積み重ねることによって必要とする電源電圧に容易に対応でき、したがって高温動作による内部抵抗の低減と高電圧動作による電流損失の低減によって高効率な電池セルスタックを実現できる。
【００３４】
７．本発明の請求項７の発明によれば、
前記請求項６の効果に加えて、
前記電池セルスタックにおいて、直列接続された上下の電池セルの燃料極層同士、空気極層同士が接触するのを防止するために、各電池セルの積層壁体の基体部（構造体）となる層が電解質の場合は、それぞれ外壁面では上端部側壁面に、内壁面では下端部側壁面にそれぞれの極層が設けられていないブランク部を設けているので、
電池セルを導電性接着剤の利用により複数段積層する場合も、電極同士の接触は無く、容易に漏電を防止でき、またガスケット等の他の部材を必要とせず単純な構成のため低コストの電池セルスタックを生産することができる。
８．本発明の請求項８の発明によれば、
前記請求項６の効果に加えて、
前記電池セルスタックにおいて、直列接続された上下の電池セルの燃料極層同士、空気極層同士が接触するのを防止するために、各電池セルの積層壁体の基体部（構造体）となる層が燃料極層あるいは空気極層の場合は、積層壁体の内側壁面として基体部となる極層を配設し、その外側面に電解質層を積層し、さらに前記電解質層を基体部となる極層の下端面と内壁面下端部に微小高さの折り返し部として構成されるように連続延伸させ、そして電解質層の外壁面に、前記基体部とし用いられたのとは別の極層となる空気極層又は燃料極層を設け、かつ前記電解質層外側面上部に当該極層が設けられていない環状のブランク部を設けているので、
電池セルを導電性接着剤の利用により複数段積層する場合も、電極同士の接触は無く、容易に漏電を防止でき、またガスケット等の他の部材を必要とせず単純な構成のため低コストの電池セルスタックを生産することができる。
【００３５】
９．本発明の請求項９の発明によれば、
前記請求項６及び７の効果に加えて、
前記電池セルスタックが、その構成電池セルの内壁面が燃料極の場合、各内通路内に同内通路の形状に相似した柱形状スペーサを備えて内通路空間を狭め、燃料極層との反応に寄与する量の燃料のみを通流させられるよう構成されているので、
筒型電池セルの形状が大きくなりその内通路が拡大することによって増加する燃料極層と接触することなく内通路の中心部を通流する無駄な燃料は前記柱形状スペーサによって無くなり、燃料効率のよい燃料電池が構成できる。
【００３６】
１０．本発明の請求項１０の発明によれば、
前記請求項６及び７の効果に加えて、
前記電池セルスタックが、その構成電池セルの内壁面が燃料極の場合、同電池セルスタックの一端に燃料を供給するチャンバーと、各内通路内に同内通路の形状に相似した筒形状スペーサを備え、
前記チャンバーから供給された燃料が、前記筒形状スペーサの筒内気体通路を通流した後、同筒形状スペーサの他端部で反転し、反転された燃料がこの筒形状スペーサ外周面と前記構成電池セルの内壁面との間の狭められた空間に燃料極との反応に寄与する量の燃料のみを流通させた後に排出されるよう構成されているので、
筒型電池セルの形状が大きくなりその内通路が拡大することによって増加する燃料極層と接触することなく内通路の中心部を通流する燃料を、まず前記筒形状スペーサの筒内気体通路を通流させた後に同筒形状スペーサの他端部で反転させ、前記筒形状スペーサの外周面と前記構成電池セルの内壁面との間狭められた空間に通流させることによって内通路に供給した燃料が無駄なく燃料極層に接触し、燃料効率のよい燃料電池が構成できる。
【００３７】
また、前記燃料を供給するチャンバーを前記電池セルスタックの下部に配設すれば、同チャンバーから供給された燃料が、前記筒形状スペーサの筒内気体通路を通流した後、同筒形状スペーサの他端部で反転し、反転された燃料はこの筒形状スペーサ外周面と前記複数の電池セル筒体内壁面間に狭められた内通路空間を流通した後排出されるので、軽い水素等の燃料滞留時間を延ばし、２酸化炭素等の重い反応ガスの排出を早められ、燃料効率のさらなる向上を図ることができる。
【００３８】
１１．本発明の請求項１１の発明によれば、
請求項６〜１０のいずれか１項に記載の電池セルスタックが複数個同一平面に並置され、それぞれが並列接続、又は直列接続され、あるいは直並列の組み合わせで接続されて電池セルモジュールを形成しているので、
前記請求項６〜１０の効果に加えて、
電池セルスタックの並列接続で大電流容量対応型の電池セルモジュールが、、直列接続で高電圧対応型の電池せるモジュールが、また両者の組み合わせで大電流容量・高電圧対応型の電池セルモジュールが容易に形成できる。
【００３９】
１２．本発明の請求項１２の発明によれば、
前記請求項１１の効果に加えて、
前記電池セルモジュールが、前記電池セルスタック複数個を同一平面に平行格子状、又は千鳥格子状に並置されているので、
燃料通路、空気通路を形成しやすく、特に千鳥格子状に電池セルスタックを並置すると各構成筒型電池セルの外壁面で囲まれて形成される各外通路空間はほぼ均一な断面積とすることができ、したがって外通路を通流する燃料又は空気は各構成筒型電池セルに均等に供給されることとなり、かつ燃料又は空気は各筒型電気セルの各極層に均一に接触し、高効率で安定した発電が行われる。
【００４０】
１３．本発明の請求項１３の発明によれば、
前記請求項１１及び１２の効果に加えて、
前記電池セルモジュールは、複数個同一平面に並置され、又は上下に積み重ねられて電気的に接続され、あるいは同一平面に並置されて電気的に接続されたものをさらに複数個上下に積み重ねて電気的に接続しているので、
前記したように、電池セルを複数段積層することで必要とする電源電圧に容易に対応することができ、したがって高温動作による内部抵抗の低減化と高電圧動作による電流損失の低減化によって高効率電池セルスタック複数個を電池セルモジュール化し、電池セルモジュールの並列接続で大電流容量対応型、直列接続で高電圧対応型、あるいはその組み合わせで接続した大電流容量で高電圧対応型ＳＯＦＣを容易に形成できる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明実施例の筒型の固体酸化物形燃料電池の積層壁体の基体部となる層が電解質層の場合の電池セル斜視図。
【図２】本発明実施例の筒型の固体酸化物形燃料電池のの積層壁体の基体部となる層が燃料極層あるいは空気極層の場合の電池セルの斜視図。
【図３】同発明実施例の筒型の固体酸化物形燃料電池の電池セルスタックの斜視図。
【図４】同発明実施例の電池セルスタックを構成する各電池セルを直列接続するためのインターコネクタ斜視図。
【図５】同発明実施例の電池セルスタックの電池セル筒体内に配設された筒形スペーサの説明図。
【図６】同発明実施例の平行格子状配置の電池セルモジュールの斜視図。
【図７】同発明実施例の千鳥格子状配置の電池セルモジュールの斜視図。
【図８】同発明実施例の燃料電池として最小限必要な機能を持つ電池モジュールシステムの斜視図。
【図９】従来例の平板型ＳＯＦＣセルの構造図。
【図１０】従来例の円筒型ＳＯＦＣセルの構造図。
【図１１】従来例の角筒型ＳＯＦＣセルの構造図。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
本発明の筒型の個体酸化物形燃料電池は、空気極層、電解質層及び燃料極層を順次積層してなる積層壁体で形成された筒型電池セルの多数個を一体化して一つのＳＯＦＣ電池セルを形成したものであり、特に中央部に配置された中央部筒型電池セルと、同中央部筒型電池セルの縦側面に沿って平行に接合され、かつ相互に交差することのない複数本の側部筒型電池セルとで形成され、各側部筒型電池セルは前記中央部筒型電池セルの縦側面に線接触状態で一箇所のみが接合されて構成されたものである。
なお、各筒型電池セルを構成する積層壁は、電解質層を基体部とし、この基体部となる電解質層を挟んで燃料極層と空気極層を対向配置したもの、あるいは燃料極層（又は空気極層）を基体部とし、その外側面に電解質層及び空気極層（又は燃料極層）を順次配置したもののいずれかが選択使用される。
【００４３】
さらに、前記複数本の側部筒型電池セルは、中央部筒型電池セルの側面に等間隔で放射状に配設され、前記中央部筒型電池セル及び複数の側部筒型電池セルのいずれもの内壁面が燃料極層、外壁面が空気極層、又は外壁面が燃料極層、内壁面が空気極層でなり、かつ前記各筒型電池セルの外壁面を構成する空気極層又は燃料極層が連続した一つの面で形成されている。
【００４４】
また、前記各筒型電池セルの内壁面内側の中空部を内通路とし、外壁面外側の空間を外通路とし、それぞれの通路に、同通路の壁面を構成する燃料極層又は空気極層に対応する燃料又は空気が供給される。
【実施例１】
【００４５】
本発明を実施するための形態を図に基づいて詳細に説明する。
本発明の筒型のＳＯＦＣ電池セル１を構成する各筒型電池セルは、正方形、長方形、菱形、多角形、円形、又は楕円形のいずれでもよいが、代表的な正４角形の断面形状の筒型電池セル５個で形成された筒型のＳＯＦＣについて実施例の図に基づいて説明する。
【００４６】
図１に示すように、電解質層４ａの基体部を挟んで燃料極層２と空気極層３を対向配置した積層壁、あるいは、図２に示すように、燃料極層（又は空気極層）３を基体部としその外側面に電解質層４ａ及び空気極層（又は燃料極層）２を順次配置した積層壁で形成された筒型電池セルを、中央部に配置された中央部筒型電池セル５と、同中央部筒型電池セル５の縦側面に線接触状態で一箇所のみが接合された、中央部筒型体５と同一形状、同一寸法で、かつ同一構造の４個の側部筒型電池セル６とを一体化して一つの電池セルを形成している。以降この構造の電池セルを筒型ＳＯＦＣ電池セル１と記述する。
【００４７】
前記筒型のＳＯＦＣ電池セル１の側部筒型電池セル６は、中央部筒型体５の側面に等間隔で放射状に上下、左右共にシンメトリーに配設され、前記筒型ＳＯＦＣ電池セル１を構成する。
１個の中央部筒型電池セル５及び４個の側部筒型電池セル６のいずれも、その内壁面が燃料極層２、外壁面が空気極層３であり、かつ前記各筒型電池セルの外壁面を構成する空気極層３は連続した一つの面で形成されている。
【００４８】
また、前記筒形ＳＯＦＣ電池セル１は、各筒型電池セルの内壁面内側の中空部を内通路７とし、外壁面外側の空間を外通路８とし、それぞれの内通路７には燃料を、外通路８には空気が通流される。
【００４９】
前記筒型のＳＯＦＣ電池セル１を上下に直列接続する場合を考慮し、上下に重なる筒型のＳＯＦＣ電池セル１の燃料極層２同士、及び空気極層３同士が接触するのを防止するため、図１に示した各筒型電池セルの積層壁体の基体部となる層が電解質層４ａの場合は、各筒型電池セルの外側壁面では上端部に、内側壁面では下端部にそれぞれの極層が設けられていないブランク部９を設けている。
また図２に示した各筒型電池セルの積層壁体の基体部となる層が燃料極層あるいは空気極層の場合は、積層壁体の内側壁面として基体部となる極層（図２では燃料極層２）を配設し、その外側面に電解質層４ａを積層し、さらに前記電解質層４を基体部となる極層２の下端面４ｃと内壁面下端部に微小高さの折り返し部４ｂとして構成されるように連続延伸させ、そして電解質層４ａの外壁面に、前記基体部とし用いられたのとは別の極層（図２では空気極層３）を設け、かつ前記電解質層外側面上部に当該極層が設けられていない環状のブランク部９を設けている。
【００５０】
本発明の筒型のＳＯＦＣ電池セル１の発電量と、平板型ＳＯＦＣセルの発電量を同一体積の電池セルの燃料極の発電面積で比較する。
本実施例の筒型のＳＯＦＣ電池セル１の正方形の筒体の内辺を６ｍｍ、高さを１０ｍｍ、積層壁厚を０．５ｍｍとし、その内壁面を燃料極層とすれば、発電面積は、
（６ｍｍ×１０ｍｍ×４面）×５個＝１２００ｍｍ2
となる。
一方、筒型電池セル５個で作る本発明の筒形ＳＯＦＣ電池セル１全体の一辺の長さは積層壁厚を含めて２０ｍｍであり、一辺が２０ｍｍの正方形の平板型ＳＯＦＣセルの厚みを３．３ｍｍとし、周辺シール幅を合計６ｍｍとすれば、一枚の平板型ＳＯＦＣセルの発電面積は（２０ｍｍ−６ｍｍ）2、本実施例の筒型ＳＯＦＣ電池セル１の高さ１０ｍｍは、平板型ＳＯＦＣセル３枚の厚みに相当することから、
（２０ｍｍ−６ｍｍ）2×３枚＝５８８ｍｍ2
となる。したがって、本発明の筒形ＳＯＦＣ電池セル１の発電面積は、平板型ＳＯＦＣセルの２倍強となる。
【００５１】
前記５個の筒型電池セルで構成された筒形ＳＯＦＣ電池セル１を１２個上下に積み重ねた電池セルスタック１０の実施例の斜視図を図３に示す。
図３に見られるように、上下に積み重ねられた１２個の電池セル１の間にはそれぞれインターコネクタ１１が配設され、このインターコネクタ１１により上部の電池セル１の燃料極層２と下部の電池セル１の空気極層３がそれぞれ電気的に接続される〔図５（ｂ）参照〕。
【００５２】
また、電池セルスタック１０の最上段の電池セル１及び最下段の電池セル１には電力を取り出すための集電プレート１２、１２が設けられ、さらに、電池セルスタック１０の下端部には電池セルスタック１０の５つの内通路に燃料を分配するチャンバー１４が、また上端部には、後述の筒形状スペーサ１８を備えた電池セルスタック１０において前記筒型スペーサ１８内側の気体通路を上昇してきた燃料を、電池セルスタックを構成する各筒形ＳＯＦＣ電池セル１の燃料極層に接触させ発電に寄与するよう反転させる機能を持つスタック・アッパー１３が配設されている。
【００５３】
図４に示すインターコネクタ１１は、コネクタ折り曲げ部１６ａ及び１６ｂを有し、これにより、構成電池セル１の外側面が空気極層３、内側面が燃料極層２場合、上部の筒形ＳＯＦＣ電池セル１の空気極層３と下部筒形ＳＯＦＣ電池セル１の燃料極層２を連結し、上下の各電池セルが電気的に直列接続される。
上下の各電池セル１の電気導通性と、各筒形ＳＯＦＣ電池セル１とインターコネクター１１との接合面でのガスシール性を確保するために、インターコネクター１１の全面に導電性接着剤を、その必要に応じて電池セルスタック１０の作成前に塗布する。
この場合、電池セルスタック１０の作成時、未凝固の導電性接着剤の接着部からのはみ出しによる、各電池セル１のインターコネクター１１との接合部での漏電は、図１及び図２のブランク部９及び図２の電解質層４ｃ、４ｂにより完全に防止される。
【００５４】
また、インターコネクタ１１には、上下に積み重ねられた筒形ＳＯＦＣ電池セル１の中央部筒型体５及び側部筒型体６の各内通路７を連通させ、気体を通流させるための通風口１７が５箇所に設けられている。
【００５５】
電池セルスタック１０の各内通路７内に配設された筒形状スペーサ１８の作用を、図５に示す実施例の外観図（ａ）とＸーＸ’断面図（ｂ）（ｃ）に基づいて説明する。
電池セルスタック１０の内通路７には、同内通路７の形状に相似した筒形状スペーサ１８が、また、電池セルスタック１０の上端部には最上段の筒形ＳＯＦＣ電池セル１の内通路７を覆うスタック・アッパー１３が配設されていている。
【００５６】
電池セルスタック１０の下部に備えたチャンバー１４から供給された矢印表示の燃料は、筒形状スペーサ１８の気体通路１９を通りスタック・アッパー１３に到達し、ここで反転され、電池セルスタック１０を構成する各筒形ＳＯＦＣ電池セル１の中央部筒型体５及び４個の側部筒型体６の内壁面と筒形状スペーサ１８の外周面間に狭められた内通路部分７を通流して燃料極層２と無駄なく反応しながら再び電池セルスタック１０の下方に到達し排出される。
【００５７】
ここで、前記筒形状スペーサ１８に代えて、図５（ｃ）に示すように内通路の形状に相似した柱形状スペーサ１８’を設けて内通路空間を狭め、チャンバー１４から供給された燃料を電池セルスタック１０を構成する各筒形ＳＯＦＣ電池セル１の燃料極２と無駄なく反応させ、電池セルスタック１０の上端に配設されたスタック・アッパー１３’の開口部１３ａから排出するようにしてもよい。
【００５８】
図６又は図７に示すように、前記電池セルスタック１０を複数個同一平面に並置し、それぞれを並列接続、又は直列接続し、あるいは直並列の組み合わせ接続によって電池セルモジュール２０を形成することができる。
【００５９】
前記筒形ＳＯＦＣ電池セル１の各筒型電池セルは、正方形、長方形、菱形、円形、又は楕円形のいずれか一つの断面形状を選択でき、かつ前記電池セルスタック１０を複数個同一平面に平行格子状に配設（図６）、又は千鳥格子状に配設（図７）して電池セルモジュール２０を形成できるので、設計自由度が高く、燃料電池が組み込まれる装置の燃料電池に許容されるスペースに合わせて筒形電池セルの形状を選択し、集積密度を高めることができる。
【００６０】
また、本例では正方形筒体ＳＯＦＣ５個で電池セル１を構成したが、これに限定されることなく５角形で６個構成の電池セル、又は６角形で７個構成等多角形筒型の電池セルとしてもよい。
また、上記説明において、筒体の内壁面が燃料極層２、外壁面が空気極層３としたが、これに代えて内壁面を空気極層３、外壁面を燃料極層２としてもよい。
【００６１】
図８に、燃料電池の一例としての電池セルモジュールシステム２１の外観図を示した。
この電池セルモジュールシステム２１は、アウターハウジング２２内に電池セルモジュール２０を収容してなり、最下部の燃料入口２３より供給された燃料は、前記電池セルモジュール２０のチャンバー１４を介して、筒型スペーサ１８の気体通路１９を通り、電池セルスタック１０の燃料極層２の上部に供給され、スタック・アッパー１３で反転され、燃料極層２において発電反応をしながら下降し、燃料出口２４から酸化物として排出される。
【００６２】
一方、空気極層に反応する空気は、アウターハウジング２２の上部に設けた空気入口２５に供給され、電池セルモジュール２０を構成する各電池セルスタック１０の外通路８を通流して燃料と反応した後、アウターハウジング２２下部に開放された空気出口２６から排出される。
【符号の説明】
【００６３】
１：筒形ＳＯＦＣ電池セル
２：燃料極層
３：空気極層
４：電解質層
４ａ：電解質１
４ｂ：電解質２
４ｃ：電解質３
５：中央部筒型電池セル
６：側部筒型電池セル
７：内通路
８：外通路
９：環状のブランク部
１０：電池セルスタック
１１：インターコネクタ
１２：集電プレート
１３、１３’：スタック・アッパー
１３ａ：開口部
１４：チャンバー
１６ａ、１６ｂ：折曲部
１７：通風口
１８：筒形状スペーサ
１８’：柱形状スペーサ
１９：気体通路
２０：電池セルモジュール
２１：電池セルモジュールシステム
２２：アウターカバー
２３：燃料入口
２４：燃料出口
２５：空気入口
２６：空気出口
１００：平板型ＳＯＦＣセル
１０１：インターコネクタ
１０２：電解質
１０３：ガスケット
１５０：円筒型ＳＯＦＣセル
１５１：インターコネクタ
１５２：電解質層
１５３：燃料極層
１５４：空気極層
２００Ａ：角筒型ＳＯＦＣセル
２１１：空気極支持管
２１２：固体電解質
２１３：燃料極
２１４：インターコネクタ
２２１：セパレータ
２２２：フェルト
２２３：空隙
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物形燃料電池に係り、冷態時からの急速起動が可能で、かつ耐久性に優れ、比出力の高いコンパクトな筒型の固体酸化物形燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
化石燃料を動力に変換する機構として、１９世紀は固体燃料である石炭と蒸気機関、２０世紀は液体燃料である石油と内燃機関に対し、２１世紀は、気体燃料と燃料電池へと変化しつつある。
中でも固体酸化物形燃料電池（以後、ＳＯＦＣと記述）は、燃料選択性がなく水素や一酸化炭素が同時に燃料として利用でき、貴金属の使用もなく、かつ排熱温度も高い等、他の燃料電池システムに比べて、多くのメリットがあり、その実用化に向けて開発が世界中で進められている。
ＳＯＦＣは、気体を通さない電解質層とその両面に配置されたポーラス構造の燃料極層及び空気極層で構成（以後、両者を合わせて示す場合は両極層と記述）され、空気極層からの酸素は酸素イオンとして電解質中を移動し、燃料極層で燃料と反応し電気を発生する。
【０００３】
電解質層内の酸素イオン導電率を大きくし、また、各極層での反応速度を高めるためにＳＯＦＣの作動温度は高く設定される。この高温に対応するため、電解質層を含め主構成要素にはセラミック材が使用される。
【０００４】
燃料の酸化反応で生ずるエネルギーを１００％電気に変換することは熱力学的にみて不可能であり、一定負荷運転状態でも、発電により燃料極層側で熱が発生する。 そして両極層周辺の熱容量、熱伝達率、質量等の不均一な分布が、電池セルに不均一な温度分布をもたらし、熱応力を生じさせる。
特に、急速起動、運転中の急激な負荷変動により両極層周辺の温度の不均一な分布はさらに大きくなり、定常運転時より高い熱応力が発生する。
一方、セラミック材の臨界応力係数が金属に比しほぼ１／１００と小さく、セラミック部材にかかる熱応力と熱変形の低減がＳＯＦＣ実現の大きな課題である。
【０００５】
さらに、燃料極層及び空気極層が、気体を通過させるためのマクロなポーラス構造であるとすれば、酸素イオンを通過させるために格子内に空房をもつ電解質層は、分子レベルでのミクロなポーラス構造を有すると言える。
先に記述した臨界応力係数の低さと相まって、ミクロ及びマクロなポーラス構造への対応もセラミックで形成されるＳＯＦＣ実用化への課題と言いうる。
【０００６】
ＳＯＦＣは、固体酸化物形電解質膜で空間を２分し、電解質膜のそれぞれの側に電極を設けて異なる気体を通流し発電するシステムと言える。
現在開発されている空間を２分する方式のＳＯＦＣとしては、大別して図９に示す板状電解質層の両面に、また図１０に示す筒状の電解質層の内面、外面に、それぞれ電解質層を挟んで燃料極層と空気極層とを配置して発電する平板型ＳＯＦＣと円筒型ＳＯＦＣとがある。
【０００７】
平板型ＳＯＦＣセル１００は、図９にその一例を示すように、
電解質層１０２と、該電解層１０２の両面にそれぞれ接触する燃料極、あるいは空気極を備え、かつ両極の周辺を外部からシールする２枚のインターコネクタ１０１と、前記電解層１０２とインターコネクタ１０１との間に挟設され両極周辺をシールする２枚のガスケット１０３とで構成されている。そして電池セルに設けられた４つの穴の対角線上にあるそれぞれ２つの穴で燃料又は空気の通路を形成し、それぞれの通路から供給される燃料と空気との反応により発電される。
【０００８】
この平板型ＳＯＦＣセル１００は、構成部品が主に平面であるため、大きな製造上のメリットを有する。
【０００９】
図１０に筒型ＳＯＦＣセルの一例としての円筒型ＳＯＦＣセル１５０を示す。
円筒型ＳＯＦＣセル１５０は、図１０に示すように、円筒形の電解質層１５２の外周面に空気極層１５４を、内周面に燃料極層１５３を配設して電池セルが構成されてなり、かつ前記電解質層１５２及びその外周面に配設された空気極層１５４には軸線に沿ってスリットが穿設され、該スリットから前記電解質層の内周面に配設された燃料極層１５３に接続されたインターコネクタが電池セルから突出させて設けられている。
そして円筒型ＳＯＦＣ１５０の中空部に燃料を、外周部に空気通流させることによって発電を行っている。
【００１０】
円筒型ＳＯＦＣセル１５０は、前記平板型ＳＯＦＣセル１００と異なり、閉じた壁で構成されており、電池セルの燃料極層１５３と空気極層１５４との間で平板型ＳＯＦＣセル１００と同じ温度差が生じた場合でも、その熱応力は平板型ＳＯＦＣセルより小さい。
さらに、円筒型ＳＯＦＣセル１５０は、平板型ＳＯＦＣセルに見られる大きなインターコネクタがなく、したがって、両端のガスシール部を除けば発電部の熱容量分布は全域でほぼ一定であり、特に暖気時の熱応力は平板型ＳＯＦＣセルに比べて小さい。
【００１１】
角筒型ＳＯＦＣセルの例として特許文献１に開示の発明を示す。
特許文献１の段落〔００２２〕には、ランタンマンガネート系のポーラスな角筒形状の空気極支持管２１１の外周面の３側面にＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）の固体電解質２１２を積層形成し、さらにこの固体電解質２１２の外周面にニッケル又はニッケル合金とＹＳＺとのサーメット製のポーラスな燃料極２１３を積層形成し、空気極支持管２１１の残る１側面にランタンクロマイト系酸化物（ＬａＣｒＯｎ）のインタコネクタ２１４を積層形成した図１１に示す構造の個体電解質燃料電池アセンブリが開示されている。
【００１２】
そして、特許文献１の〔請求項１〕には、上記個体電解質燃料電池アセンブリの製造方法として、「空気極若しくは燃料極とその保形体とを兼用する角筒形状の電極支持管の複数体をセパレータ上に等間隔で配列し、次に前記複数体の電極支持管それぞれの開放外周面に固体電解質を積層形成し、続いて前記固体電解質の外周に前記電極支持管と反対の極性の電極層を積層形成することによって、前記セパレータ上に等間隔に複数体の角筒式固体電解質燃料電池が列設された固体電解質燃料電池アセンブリユニットを製造する」と記載されている。
【００１３】
また、特許文献１の〔請求項２〕には、「請求項１の製造方法にて製造された固体電解質燃料電池アセンブリユニットの複数体を複数段に積層し、前記電極支持管それぞれの内部に酸化ガスと燃料ガスのいずれか一方を通流させ、前記角筒式固体電解質燃料電池の列間の間隙に酸化ガスと燃料ガスのいずれか他方を通流させる個体電解型燃料電池アセンブリ」と記載され、個体電解型質燃料電池への燃料ガス及び酸化ガスの供給方法が示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特許第３７２２９２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかし、平板型ＳＯＦＣセル１００は、前述のように燃料極及び空気極周辺部のガスシールのためインターコネクタ１０１と電解質層１０２とはガスケット１０３を介して固定又は半固定されており、電解質層１０２周辺部の変形が制限された状態にある。したがって、発電に伴う発熱による燃料極と空気極間の温度差に起因する熱応力は拡大されることになる。
【００１６】
また、平板型ＳＯＦＣセルの電解質層１０２の周辺部は、熱容量の大きいインターコネクタとガスケットに接しており、そのため電解質層１０２の発電に係わる部分と周辺部との熱容量分布の不均一となり、特に暖気途中などの時間的な温度変化が大きい場合は、内部に大きな温度差を生じ、高い熱応力が発生する。
近年、定常運転では安定した出力が得られる平板ＳＯＦＣセルの例は増加しているものの、まだ起動・停止の繰り返しで劣化が起きる例が見られる。この原因の一つにこの暖気途中の熱応力が考えられる。
【００１７】
さらに、平板型ＳＯＦＣセルのインターコネクタ１０１やガスケット１０３が燃料極及び空気極の周辺をシールしているため電池セルの周辺に発電に寄与しない領域が形成されており、今後さらに体積当たりの発電量の増加が求められると、この領域の存在が平板型電池セルの欠点になる可能性が高い。
【００１８】
前記円筒型ＳＯＦＣセル１５０は、円筒周囲の発電に係わる面積と円筒の体積の比は平板型ＳＯＦＣセルより小さく、体積当たりの出力は平板型ＳＯＦＣセルに劣る。
また、円筒型ＳＯＦＣセル１５０の直列連結は、その構造上、平面を介して行える平板型ＳＯＦＣセルに比べて複雑になる。
【００１９】
また図１１に示す構造の特許文献１に開示の個体電解質燃料電池アセンブリは、その明細書の段落「００２９」「００３０」に記載されているように、集電体をなすセパレータ２２１上にインタコネクタ２１４が同じ向きを向くようにして複数段、複数列のマトリクス配列に固体電解質燃料電池（以降角筒型ＳＯＦＣセルと記述）２００Ａをスタックし、下側のセパレータ２２１と角筒型ＳＯＦＣセル２００Ａとの間、上下の角筒型ＳＯＦＣセル２００Ａ、２００Ａ相互間、角筒型ＳＯＦＣセルＡと上側のセパレータ２２１との間には燃料改質作用と導電作用を行うニッケル又はニッケル合金のフェルト２２２を介在させている。そして各角筒型ＳＯＦＣセル２００Ａの長さ方向の端部には閉塞栓体（図示せず）を取り付け、外部から酸化ガスとしての空気を空気極支持管２１１内を通流させるように空気供給管をその閉塞栓体に接続し、また複数段にスタックされている角筒型ＳＯＦＣセル２００Ａの列間の空隙２２３に燃料ガスを通流させて発電を行わせている。
したがって、上下に積み重ねられた角筒型ＳＯＦＣセルの上面はインターコネクタ２１４によって上のセパレータ２２１または角筒型ＳＯＦＣセルに接続されており、この面には燃料極がなく、発電に寄与しない面となる。
そのため、セパレータとそ上の固体電解質燃料電池とが一体化したインターコネクタレスの固体電解質アセンブリユニットが形成できる製造方法に見るべき点はあるが、発電面積と角筒の体積の比、体積当たりの出力は円筒型電池セルより劣るという課題がある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明者は、上記に鑑み鋭意研究の結果、次の手段によりこの課題を解決した。
（１）空気極層、電解質層及び燃料極層を順次積層してなる積層壁体で形成された筒型電池セルの多数個を連結してなる固体酸化物形燃料電池において、
中央部に配置された中央部筒型電池セルと、同筒型電池セルの縦側面に沿って平行に接合され、かつ相互に交差することのない複数本の側部筒型電池セルとからなり、かつ前記各側部筒型電池セルは前記中央部筒型電池セルの縦側面に線接触状態で一箇所のみが接合されてなる構成のものであることを特徴とする筒型の固体酸化物形燃料電池。
（２）前記筒型電池セルが、多角筒形のものであることを特徴とする前項（１）記載の筒型の固体酸化物形燃料電池。
（３）前記筒型電池セルが、円筒形のものであることを特徴とする前項（１）記載の筒型の固体酸化物形燃料電池。
（４）前記複数本の側部筒型電池セルが、中央部筒型電池セルの側面に等間隔で放射状に配設され、前記中央部筒型電池セル及び複数本の側部筒型電池セルのいずれもの内壁面が燃料極層、外壁面が空気極層、又は外壁面が燃料極層、内壁面が空気極層でなり、かつ前記各筒型電池セルの外壁面を構成する空気極層又は燃料極層が連続した一つの面で形成されてなることを特徴とする前項（１）〜（３）のいずれか１項に記載の筒型の固体酸化物形燃料電池。
（５）前記筒型電池セルが、その内壁面内側の中空部を内通路とし、外壁面外側の空間を外通路とし、それぞれの通路に、同通路の壁面を構成する燃料極層又は空気極層に対応する燃料又は空気が供給されてなることを特徴とする前項（１）〜（４）のいずれか１項に記載の筒型の固体酸化物形燃料電池。
【００２１】
（６）前項（１）〜（５）のいずれか１項に記載の筒型の固体酸化物形燃料電池の複数個を上下に積み重ねて電池セルスタックを構成してなり、各々の上部電池セルの燃料極層と下部電池セルの空気極層、あるいは上部電池セルの空気極層と下部電池セルの燃料極層とを各々導電とガスシールの機能を持つインターコネクタで直列接続してなることを特徴とする筒型の固体酸化物形燃料電池。
（７）前記電池セルスタックにおいて、直列接続された上下の電池セルの燃料極層同士、空気極層同士が接触するのを防止するために、各電池セルの積層壁体の基体部（構造体）となる層が電解質の場合は、それぞれ外壁面では上端部側壁面に、内壁面では下端部側壁面にそれぞれの極層が設けられていない環状のブランク部を設けてなることを特徴とする前項（６）に記載の筒型の固体酸化物形燃料電池。
（８）前記電池セルスタックにおいて、直列接続された上下の電池セルの燃料極層同士、空気極層同士が接触するのを防止するために、各電池セルの積層壁体の基体部（構造体）となる層が燃料極層あるいは空気極層の場合は、積層壁体の内側壁面として基体部となる極層を配設し、その外側面に電解質層を積層し、さらに前記電解質層を基体部となる極層の下端面と内壁面下端部に微小高さの折り返し部として構成されるように連続延伸させ、そして電解質層の外壁面に、前記基体部とし用いられたのとは別の極層となる空気極層又は燃料極層を設け、かつ前記電解質層外側面上部に当該極層が設けられていない環状のブランク部を設けてなることを特徴とする前項（６）に記載の筒型の固体酸化物形燃料電池。
（９）前記電池セルスタックが、その構成電池セルの内壁面が燃料極の場合、各内通路内に同内通路の形状に相似した柱形状スペーサを備えて内通路空間を狭め、燃料極との反応に寄与する量の燃料のみを通流させられるよう構成されてなることを特徴とする前項（６）〜（８）のいずれか１項に記載の筒型の固体酸化物形燃料電池。
（１０）前記電池セルスタックが、その構成電池セルの内壁面が燃料極の場合、同電池セルスタックの一端に燃料を供給するチャンバーと、各内通路内に同内通路の形状に相似した筒形状スペーサを備え、
前記チャンバーから供給された燃料が、前記筒形状スペーサの筒内気体通路を通流した後、同筒形状スペーサの他端部で反転し、反転された燃料がこの筒形状スペーサ外周面と前記構成電池セルの内壁面との間の狭められた空間に燃料極との反応に寄与する量の燃料のみを流通させた後に排出されるよう構成されてなることを特徴とする前項（６）〜（８）のいずれか１項に記載の筒型の固体酸化物形燃料電池。
【００２２】
（１１）前項（６）〜（１０）のいずれか１項に記載の電池セルスタックが複数個同一平面に並置され、それぞれが並列接続、又は直列接続され、あるいは直並列の組み合わせで接続されて電池セルモジュールを形成してなることを特徴とする筒型の固体酸化物形燃料電池。
（１２）前記電池セルモジュールが、前記電池セルスタック複数個を同一平面に平行格子状、又は千鳥格子状に並置してなることを特徴とする前項（１０）に記載の筒型の固体酸化物形燃料電池。
（１３）前記電池セルモジュール複数個が、同一平面に並置され、又は上下に積み重ねられて電気的に接続され、あるいは同一平面に並置されて電気的に接続されたものをさらに複数個上下に積み重ねて電気的に接続してなることを特徴とする前項（１１）又は（１２）に記載の筒型の固体酸化物形燃料電池。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、次のような効果が発揮される。
１．本発明の請求項１の発明によれば、
空気極層、燃料極層及び電解質層を順次積層してなる積層壁体で形成された筒型電池セルの多数個を連結してなる固体酸化物形燃料電池において、
中央部に配置された中央部筒型電池セルと、同筒型電池セルの縦側面に沿って平行に接合された複数本の側部筒型電池セルとからなり、かつ前記各側部筒型電池セルは前記中央部筒型電池セルの縦側面に線接触状態で一箇所のみが接合されてなる構成なので、
前記筒型の固体酸化物形燃料電池を構成する中央部筒型電池セル及び側部筒型電池セルは、その構造上、上下の端面を除きシール機能を必要としないこと、及び
中央部筒型電池セルと複数本の側部筒型電池セルとが線接触状態で一箇所のみ接合されていることから、内外両側面のほぼ全面を燃料極及び空気極とすることができ、かつ前記内外両側面のほぼ全面が燃料又は空気と接触可能なため、発電面積は他の形態の電池セルに比して大きくでき、したがって、体積当たりの発電量の増大が見込める。
【００２４】
各電池セルを構造的に剛性の高い筒型形状としたので、電解質層を挟んで対向配置した燃料極層及び空気極層間の発電に伴う発熱に起因する電池セルの変形を大幅に低減できる。
また膜構成電池セルを筒型にしたことによって平板型ＳＯＦＣセルに見られたようなインターコネクタやガスケットといった部材が不要となり、この部材と電解質層との間に生じる不均一な温度分布による熱応力発生を大幅に低減できる。
このため起動に伴う急速な暖気途中、あるいは負荷変動中の筒型の固体酸化物形燃料電池の温度は均一に保たれ、熱応力による変形を大幅に低減でき、したがって高温動作が可能なことから、高出力密度と高い発電効率が得られる。
【００２５】
前記中央部筒型電池セルと複数本の側部筒型電池セルとが中央部筒型電子セルの縦側面に線接触状態で一箇所のみ接合されているので、
互いに他の筒型電池セルの熱応力を受けにくく、このため起動に伴う急速な暖気途中、あるいは負荷変動中の各電池セル筒体温度が均一に保て、熱応力による変形をさらに低減することができる。
【００２６】
本発明の固体酸化物形燃料電池が、中央部筒型電池セルとその周辺に配置された複数本の側部筒型電池セルとで構成されているので、前記固体酸化物形燃料電池を積層構造とする際の支持スパンを、従来のシングル筒型電池セルに比べ、大きく取れ、安定した高積層構造の固体酸化物形燃料電池が得られる。
【００２７】
同一形状、同一構造の筒型電池セル複数個で固体酸化物形燃料電池セルを構成できるので、燃料極層、電解質層、あるいは空気極層の生成をスプレーコート法又はスラリーコート法等によって行え、しかも筒形状であるため外壁面への外部からのアクセスも容易で量産に適しており、かつ各層を生成するための製造機器も同一のものが使用でき、製造機器の低コスト化にも寄与する。
【００２８】
２．本発明の請求項２の発明によれば、
前記請求項１の効果に加えて、
前記筒型電池セルが多角形であるため、他の装置に組み込む燃料電池として、その収納許容スペースに応じて電池セルの形状が選択でき、装置としての設計自由度が広がり、かつ集積密度を高めることができる。
【００２９】
３．本発明の請求項３の発明によれば、
前記請求項１の効果に加えて、
前記筒型電池セルが、円筒形であるため、同一形状で、かつ同一構造の円筒筒体で電池セルを構成できるので、製造がきわめて容易であり、コンパクト、低コストでありながら高出力の電池セルを実現できる。さらに発電中の発熱反応による変形を大幅に低減できる。
【００３０】
４．本発明の請求項４の発明によれば、
前記請求項１〜３の効果に加えて、
前記複数本の側部筒型電池セルが、中央部筒型電池セルの側面に等間隔で放射状に配設され、前記中央部筒型電池セル及び複数本の側部筒型電池セルのいずれもの内壁面が燃料極層、外壁面が空気極層、又は外壁面が燃料極層、内壁面が空気極層であるため、
同一形状で、かつ同一構造の筒型電池セルがシンメトリーに配設されるので、特に発電中の発熱反応による電池セルの電解質層を挟んで対向配置した燃料極層及び空気極層間の温度差で発生する熱応力による変形が各筒型電池セルに均等に発生するため、熱応力による電池セルの変形・破損を防止できる。
【００３１】
また、前記各筒体の外壁面を構成する空気極層又は燃料極層が連続した一つの面で形成されているので、各筒型電池セルの外側面を接続する電極間接続構造物が不要で、コンパクト、低コストでありながら高出力の電池セルを実現できる。
【００３２】
５．本発明の請求項５の発明によれば、
前記請求項１〜４の効果に加えて、
前記筒型電池セルが、その内壁面内側の中空部を内通路とし、外壁面外側の空間を外通路とし、それぞれの通路に、その通路の壁面を構成している燃料極層又は空気極層に対応する燃料又は空気が供給できるので、
前記同一形状、同一構造の各筒型電池セルが、シンメトリーに配設されていることと相まって、燃料又は空気の供給通路が単純化され、そのため燃料又は空気の分配・供給装置もシンメトリーな構成で作ることができ、分配・供給装置を含めて、燃料極層及び空気極層間の温度差で発生する熱応力による変形が筒構造体、分配・供給装置に均等に発生するため、熱応力による変形・破損を防止できる。
【００３３】
６．本発明の請求項６の発明によれば、
請求項１〜５のいずれか１項に記載の筒型の固体酸化物形燃料電池セルの複数個を上下に積み重ね、各々の上部電池セルの燃料極層と下部電池セルの空気極層、あるいは上部電池セルの空気極層と下部電池セルの燃料極層とを各々導電とガスシールの機能を持つインターコネクタで直列接続して電池セルスタック構成しいるので、
前記請求項１〜５の効果に加えて、
前記筒型の固体酸化物形燃料電池セルを複数段直列接続して積み重ねることによって必要とする電源電圧に容易に対応でき、したがって高温動作による内部抵抗の低減と高電圧動作による電流損失の低減によって高効率な電池セルスタックを実現できる。
【００３４】
７．本発明の請求項７の発明によれば、
前記請求項６の効果に加えて、
前記電池セルスタックにおいて、直列接続された上下の電池セルの燃料極層同士、空気極層同士が接触するのを防止するために、各電池セルの積層壁体の基体部（構造体）となる層が電解質の場合は、それぞれ外壁面では上端部側壁面に、内壁面では下端部側壁面にそれぞれの極層が設けられていないブランク部を設けているので、
電池セルを導電性接着剤の利用により複数段積層する場合も、電極同士の接触は無く、容易に漏電を防止でき、またガスケット等の他の部材を必要とせず単純な構成のため低コストの電池セルスタックを生産することができる。
８．本発明の請求項８の発明によれば、
前記請求項６の効果に加えて、
前記電池セルスタックにおいて、直列接続された上下の電池セルの燃料極層同士、空気極層同士が接触するのを防止するために、各電池セルの積層壁体の基体部（構造体）となる層が燃料極層あるいは空気極層の場合は、積層壁体の内側壁面として基体部となる極層を配設し、その外側面に電解質層を積層し、さらに前記電解質層を基体部となる極層の下端面と内壁面下端部に微小高さの折り返し部として構成されるように連続延伸させ、そして電解質層の外壁面に、前記基体部とし用いられたのとは別の極層となる空気極層又は燃料極層を設け、かつ前記電解質層外側面上部に当該極層が設けられていない環状のブランク部を設けているので、
電池セルを導電性接着剤の利用により複数段積層する場合も、電極同士の接触は無く、容易に漏電を防止でき、またガスケット等の他の部材を必要とせず単純な構成のため低コストの電池セルスタックを生産することができる。
【００３５】
９．本発明の請求項９の発明によれば、
前記請求項６及び７の効果に加えて、
前記電池セルスタックが、その構成電池セルの内壁面が燃料極の場合、各内通路内に同内通路の形状に相似した柱形状スペーサを備えて内通路空間を狭め、燃料極層との反応に寄与する量の燃料のみを通流させられるよう構成されているので、
筒型電池セルの形状が大きくなりその内通路が拡大することによって増加する燃料極層と接触することなく内通路の中心部を通流する無駄な燃料は前記柱形状スペーサによって無くなり、燃料効率のよい燃料電池が構成できる。
【００３６】
１０．本発明の請求項１０の発明によれば、
前記請求項６及び７の効果に加えて、
前記電池セルスタックが、その構成電池セルの内壁面が燃料極の場合、同電池セルスタックの一端に燃料を供給するチャンバーと、各内通路内に同内通路の形状に相似した筒形状スペーサを備え、
前記チャンバーから供給された燃料が、前記筒形状スペーサの筒内気体通路を通流した後、同筒形状スペーサの他端部で反転し、反転された燃料がこの筒形状スペーサ外周面と前記構成電池セルの内壁面との間の狭められた空間に燃料極との反応に寄与する量の燃料のみを流通させた後に排出されるよう構成されているので、
筒型電池セルの形状が大きくなりその内通路が拡大することによって増加する燃料極層と接触することなく内通路の中心部を通流する燃料を、まず前記筒形状スペーサの筒内気体通路を通流させた後に同筒形状スペーサの他端部で反転させ、前記筒形状スペーサの外周面と前記構成電池セルの内壁面との間狭められた空間に通流させることによって内通路に供給した燃料が無駄なく燃料極層に接触し、燃料効率のよい燃料電池が構成できる。
【００３７】
また、前記燃料を供給するチャンバーを前記電池セルスタックの下部に配設すれば、同チャンバーから供給された燃料が、前記筒形状スペーサの筒内気体通路を通流した後、同筒形状スペーサの他端部で反転し、反転された燃料はこの筒形状スペーサ外周面と前記複数の電池セル筒体内壁面間に狭められた内通路空間を流通した後排出されるので、軽い水素等の燃料滞留時間を延ばし、２酸化炭素等の重い反応ガスの排出を早められ、燃料効率のさらなる向上を図ることができる。
【００３８】
１１．本発明の請求項１１の発明によれば、
請求項６〜１０のいずれか１項に記載の電池セルスタックが複数個同一平面に並置され、それぞれが並列接続、又は直列接続され、あるいは直並列の組み合わせで接続されて電池セルモジュールを形成しているので、
前記請求項６〜１０の効果に加えて、
電池セルスタックの並列接続で大電流容量対応型の電池セルモジュールが、、直列接続で高電圧対応型の電池せるモジュールが、また両者の組み合わせで大電流容量・高電圧対応型の電池セルモジュールが容易に形成できる。
【００３９】
１２．本発明の請求項１２の発明によれば、
前記請求項１１の効果に加えて、
前記電池セルモジュールが、前記電池セルスタック複数個を同一平面に平行格子状、又は千鳥格子状に並置されているので、
燃料通路、空気通路を形成しやすく、特に千鳥格子状に電池セルスタックを並置すると各構成筒型電池セルの外壁面で囲まれて形成される各外通路空間はほぼ均一な断面積とすることができ、したがって外通路を通流する燃料又は空気は各構成筒型電池セルに均等に供給されることとなり、かつ燃料又は空気は各筒型電気セルの各極層に均一に接触し、高効率で安定した発電が行われる。
【００４０】
１３．本発明の請求項１３の発明によれば、
前記請求項１１及び１２の効果に加えて、
前記電池セルモジュールは、複数個同一平面に並置され、又は上下に積み重ねられて電気的に接続され、あるいは同一平面に並置されて電気的に接続されたものをさらに複数個上下に積み重ねて電気的に接続しているので、
前記したように、電池セルを複数段積層することで必要とする電源電圧に容易に対応することができ、したがって高温動作による内部抵抗の低減化と高電圧動作による電流損失の低減化によって高効率電池セルスタック複数個を電池セルモジュール化し、電池セルモジュールの並列接続で大電流容量対応型、直列接続で高電圧対応型、あるいはその組み合わせで接続した大電流容量で高電圧対応型ＳＯＦＣを容易に形成できる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明実施例の筒型の固体酸化物形燃料電池の積層壁体の基体部となる層が電解質層の場合の電池セル斜視図。
【図２】本発明実施例の筒型の固体酸化物形燃料電池のの積層壁体の基体部となる層が燃料極層あるいは空気極層の場合の電池セルの斜視図。
【図３】同発明実施例の筒型の固体酸化物形燃料電池の電池セルスタックの斜視図。
【図４】同発明実施例の電池セルスタックを構成する各電池セルを直列接続するためのインターコネクタ斜視図。
【図５】同発明実施例の電池セルスタックの電池セル筒体内に配設された筒形スペーサの説明図。
【図６】同発明実施例の平行格子状配置の電池セルモジュールの斜視図。
【図７】同発明実施例の千鳥格子状配置の電池セルモジュールの斜視図。
【図８】同発明実施例の燃料電池として最小限必要な機能を持つ電池モジュールシステムの斜視図。
【図９】従来例の平板型ＳＯＦＣセルの構造図。
【図１０】従来例の円筒型ＳＯＦＣセルの構造図。
【図１１】従来例の角筒型ＳＯＦＣセルの構造図。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
本発明の筒型の個体酸化物形燃料電池は、空気極層、電解質層及び燃料極層を順次積層してなる積層壁体で形成された筒型電池セルの多数個を一体化して一つのＳＯＦＣ電池セルを形成したものであり、特に中央部に配置された中央部筒型電池セルと、同中央部筒型電池セルの縦側面に沿って平行に接合され、かつ相互に交差することのない複数本の側部筒型電池セルとで形成され、各側部筒型電池セルは前記中央部筒型電池セルの縦側面に線接触状態で一箇所のみが接合されて構成されたものである。
なお、各筒型電池セルを構成する積層壁は、電解質層を基体部とし、この基体部となる電解質層を挟んで燃料極層と空気極層を対向配置したもの、あるいは燃料極層（又は空気極層）を基体部とし、その外側面に電解質層及び空気極層（又は燃料極層）を順次配置したもののいずれかが選択使用される。
【００４３】
さらに、前記複数本の側部筒型電池セルは、中央部筒型電池セルの側面に等間隔で放射状に配設され、前記中央部筒型電池セル及び複数の側部筒型電池セルのいずれもの内壁面が燃料極層、外壁面が空気極層、又は外壁面が燃料極層、内壁面が空気極層でなり、かつ前記各筒型電池セルの外壁面を構成する空気極層又は燃料極層が連続した一つの面で形成されている。
【００４４】
また、前記各筒型電池セルの内壁面内側の中空部を内通路とし、外壁面外側の空間を外通路とし、それぞれの通路に、同通路の壁面を構成する燃料極層又は空気極層に対応する燃料又は空気が供給される。
【実施例１】
【００４５】
本発明を実施するための形態を図に基づいて詳細に説明する。
本発明の筒型のＳＯＦＣ電池セル１を構成する各筒型電池セルは、正方形、長方形、菱形、多角形、円形、又は楕円形のいずれでもよいが、代表的な正４角形の断面形状の筒型電池セル５個で形成された筒型のＳＯＦＣについて実施例の図に基づいて説明する。
【００４６】
図１に示すように、電解質層４ａの基体部を挟んで燃料極層２と空気極層３を対向配置した積層壁、あるいは、図２に示すように、燃料極層（又は空気極層）３を基体部としその外側面に電解質層４ａ及び空気極層（又は燃料極層）２を順次配置した積層壁で形成された筒型電池セルを、中央部に配置された中央部筒型電池セル５と、同中央部筒型電池セル５の縦側面に線接触状態で一箇所のみが接合された、中央部筒型体５と同一形状、同一寸法で、かつ同一構造の４個の側部筒型電池セル６とを一体化して一つの電池セルを形成している。以降この構造の電池セルを筒型ＳＯＦＣ電池セル１と記述する。
【００４７】
前記筒型のＳＯＦＣ電池セル１の側部筒型電池セル６は、中央部筒型体５の側面に等間隔で放射状に上下、左右共にシンメトリーに配設され、前記筒型ＳＯＦＣ電池セル１を構成する。
１個の中央部筒型電池セル５及び４個の側部筒型電池セル６のいずれも、その内壁面が燃料極層２、外壁面が空気極層３であり、かつ前記各筒型電池セルの外壁面を構成する空気極層３は連続した一つの面で形成されている。
【００４８】
また、前記筒形ＳＯＦＣ電池セル１は、各筒型電池セルの内壁面内側の中空部を内通路７とし、外壁面外側の空間を外通路８とし、それぞれの内通路７には燃料を、外通路８には空気が通流される。
【００４９】
前記筒型のＳＯＦＣ電池セル１を上下に直列接続する場合を考慮し、上下に重なる筒型のＳＯＦＣ電池セル１の燃料極層２同士、及び空気極層３同士が接触するのを防止するため、図１に示した各筒型電池セルの積層壁体の基体部となる層が電解質層４ａの場合は、各筒型電池セルの外側壁面では上端部に、内側壁面では下端部にそれぞれの極層が設けられていないブランク部９を設けている。
また図２に示した各筒型電池セルの積層壁体の基体部となる層が燃料極層あるいは空気極層の場合は、積層壁体の内側壁面として基体部となる極層（図２では燃料極層２）を配設し、その外側面に電解質層４ａを積層し、さらに前記電解質層４を基体部となる極層２の下端面４ｃと内壁面下端部に微小高さの折り返し部４ｂとして構成されるように連続延伸させ、そして電解質層４ａの外壁面に、前記基体部とし用いられたのとは別の極層（図２では空気極層３）を設け、かつ前記電解質層外側面上部に当該極層が設けられていない環状のブランク部９を設けている。
【００５０】
本発明の筒型のＳＯＦＣ電池セル１の発電量と、平板型ＳＯＦＣセルの発電量を同一体積の電池セルの燃料極の発電面積で比較する。
本実施例の筒型のＳＯＦＣ電池セル１の正方形の筒体の内辺を６ｍｍ、高さを１０ｍｍ、積層壁厚を０．５ｍｍとし、その内壁面を燃料極層とすれば、発電面積は、
（６ｍｍ×１０ｍｍ×４面）×５個＝１２００ｍｍ2
となる。
一方、筒型電池セル５個で作る本発明の筒形ＳＯＦＣ電池セル１全体の一辺の長さは積層壁厚を含めて２０ｍｍであり、一辺が２０ｍｍの正方形の平板型ＳＯＦＣセルの厚みを３．３ｍｍとし、周辺シール幅を合計６ｍｍとすれば、一枚の平板型ＳＯＦＣセルの発電面積は（２０ｍｍ−６ｍｍ）2、本実施例の筒型ＳＯＦＣ電池セル１の高さ１０ｍｍは、平板型ＳＯＦＣセル３枚の厚みに相当することから、
（２０ｍｍ−６ｍｍ）2×３枚＝５８８ｍｍ2
となる。したがって、本発明の筒形ＳＯＦＣ電池セル１の発電面積は、平板型ＳＯＦＣセルの２倍強となる。
【００５１】
前記５個の筒型電池セルで構成された筒形ＳＯＦＣ電池セル１を１２個上下に積み重ねた電池セルスタック１０の実施例の斜視図を図３に示す。
図３に見られるように、上下に積み重ねられた１２個の電池セル１の間にはそれぞれインターコネクタ１１が配設され、このインターコネクタ１１により上部の電池セル１の燃料極層２と下部の電池セル１の空気極層３がそれぞれ電気的に接続される〔図５（ｂ）参照〕。
【００５２】
また、電池セルスタック１０の最上段の電池セル１及び最下段の電池セル１には電力を取り出すための集電プレート１２、１２が設けられ、さらに、電池セルスタック１０の下端部には電池セルスタック１０の５つの内通路に燃料を分配するチャンバー１４が、また上端部には、後述の筒形状スペーサ１８を備えた電池セルスタック１０において前記筒型スペーサ１８内側の気体通路を上昇してきた燃料を、電池セルスタックを構成する各筒形ＳＯＦＣ電池セル１の燃料極層に接触させ発電に寄与するよう反転させる機能を持つスタック・アッパー１３が配設されている。
【００５３】
図４に示すインターコネクタ１１は、コネクタ折り曲げ部１６ａ及び１６ｂを有し、これにより、構成電池セル１の外側面が空気極層３、内側面が燃料極層２場合、上部の筒形ＳＯＦＣ電池セル１の空気極層３と下部筒形ＳＯＦＣ電池セル１の燃料極層２を連結し、上下の各電池セルが電気的に直列接続される。
上下の各電池セル１の電気導通性と、各筒形ＳＯＦＣ電池セル１とインターコネクター１１との接合面でのガスシール性を確保するために、インターコネクター１１の全面に導電性接着剤を、その必要に応じて電池セルスタック１０の作成前に塗布する。
この場合、電池セルスタック１０の作成時、未凝固の導電性接着剤の接着部からのはみ出しによる、各電池セル１のインターコネクター１１との接合部での漏電は、図１及び図２のブランク部９及び図２の電解質層４ｃ、４ｂにより完全に防止される。
【００５４】
また、インターコネクタ１１には、上下に積み重ねられた筒形ＳＯＦＣ電池セル１の中央部筒型体５及び側部筒型体６の各内通路７を連通させ、気体を通流させるための通風口１７が５箇所に設けられている。
【００５５】
電池セルスタック１０の各内通路７内に配設された筒形状スペーサ１８の作用を、図５に示す実施例の外観図（ａ）とＸーＸ’断面図（ｂ）（ｃ）に基づいて説明する。
電池セルスタック１０の内通路７には、同内通路７の形状に相似した筒形状スペーサ１８が、また、電池セルスタック１０の上端部には最上段の筒形ＳＯＦＣ電池セル１の内通路７を覆うスタック・アッパー１３が配設されていている。
【００５６】
電池セルスタック１０の下部に備えたチャンバー１４から供給された矢印表示の燃料は、筒形状スペーサ１８の気体通路１９を通りスタック・アッパー１３に到達し、ここで反転され、電池セルスタック１０を構成する各筒形ＳＯＦＣ電池セル１の中央部筒型体５及び４個の側部筒型体６の内壁面と筒形状スペーサ１８の外周面間に狭められた内通路部分７を通流して燃料極層２と無駄なく反応しながら再び電池セルスタック１０の下方に到達し排出される。
【００５７】
ここで、前記筒形状スペーサ１８に代えて、図５（ｃ）に示すように内通路の形状に相似した柱形状スペーサ１８’を設けて内通路空間を狭め、チャンバー１４から供給された燃料を電池セルスタック１０を構成する各筒形ＳＯＦＣ電池セル１の燃料極２と無駄なく反応させ、電池セルスタック１０の上端に配設されたスタック・アッパー１３’の開口部１３ａから排出するようにしてもよい。
【００５８】
図６又は図７に示すように、前記電池セルスタック１０を複数個同一平面に並置し、それぞれを並列接続、又は直列接続し、あるいは直並列の組み合わせ接続によって電池セルモジュール２０を形成することができる。
【００５９】
前記筒形ＳＯＦＣ電池セル１の各筒型電池セルは、正方形、長方形、菱形、円形、又は楕円形のいずれか一つの断面形状を選択でき、かつ前記電池セルスタック１０を複数個同一平面に平行格子状に配設（図６）、又は千鳥格子状に配設（図７）して電池セルモジュール２０を形成できるので、設計自由度が高く、燃料電池が組み込まれる装置の燃料電池に許容されるスペースに合わせて筒形電池セルの形状を選択し、集積密度を高めることができる。
【００６０】
また、本例では正方形筒体ＳＯＦＣ５個で電池セル１を構成したが、これに限定されることなく５角形で６個構成の電池セル、又は６角形で７個構成等多角形筒型の電池セルとしてもよい。
また、上記説明において、筒体の内壁面が燃料極層２、外壁面が空気極層３としたが、これに代えて内壁面を空気極層３、外壁面を燃料極層２としてもよい。
【００６１】
図８に、燃料電池の一例としての電池セルモジュールシステム２１の外観図を示した。
この電池セルモジュールシステム２１は、アウターハウジング２２内に電池セルモジュール２０を収容してなり、最下部の燃料入口２３より供給された燃料は、前記電池セルモジュール２０のチャンバー１４を介して、筒型スペーサ１８の気体通路１９を通り、電池セルスタック１０の燃料極層２の上部に供給され、スタック・アッパー１３で反転され、燃料極層２において発電反応をしながら下降し、燃料出口２４から酸化物として排出される。
【００６２】
一方、空気極層に反応する空気は、アウターハウジング２２の上部に設けた空気入口２５に供給され、電池セルモジュール２０を構成する各電池セルスタック１０の外通路８を通流して燃料と反応した後、アウターハウジング２２下部に開放された空気出口２６から排出される。
【符号の説明】
【００６３】
１：筒形ＳＯＦＣ電池セル
２：燃料極層
３：空気極層
４：電解質層
４ａ：電解質１
４ｂ：電解質２
４ｃ：電解質３
５：中央部筒型電池セル
６：側部筒型電池セル
７：内通路
８：外通路
９：環状のブランク部
１０：電池セルスタック
１１：インターコネクタ
１２：集電プレート
１３、１３’：スタック・アッパー
１３ａ：開口部
１４：チャンバー
１６ａ、１６ｂ：折曲部
１７：通風口
１８：筒形状スペーサ
１８’：柱形状スペーサ
１９：気体通路
２０：電池セルモジュール
２１：電池セルモジュールシステム
２２：アウターカバー
２３：燃料入口
２４：燃料出口
２５：空気入口
２６：空気出口
１００：平板型ＳＯＦＣセル
１０１：インターコネクタ
１０２：電解質
１０３：ガスケット
１５０：円筒型ＳＯＦＣセル
１５１：インターコネクタ
１５２：電解質層
１５３：燃料極層
１５４：空気極層
２００Ａ：角筒型ＳＯＦＣセル
２１１：空気極支持管
２１２：固体電解質
２１３：燃料極
２１４：インターコネクタ
２２１：セパレータ
２２２：フェルト
２２３：空隙
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気極層、電解質層及び燃料極層を順次積層してなる積層壁体で形成された筒型電池セルの多数個を連結してなる固体酸化物形燃料電池において、
中央部に配置された中央部筒型電池セルと、同筒型電池セルの縦側面に沿って平行に接合され、かつ相互に交差することのない複数本の側部筒型電池セルとからなり、かつ前記各側部筒型電池セルは前記中央部筒型電池セルの縦側面に線接触状態で一箇所のみが接合されてなる構成のものであることを特徴とする筒型の固体酸化物形燃料電池。
【請求項２】
前記筒型電池セルが、多角筒形のものであることを特徴とする請求項１記載の筒型の固体酸化物形燃料電池。
【請求項３】
前記筒型電池セルが、円筒形のものであることを特徴とする請求項１記載の筒型の固体酸化物形燃料電池。
【請求項４】
前記複数本の側部筒型電池セルが、中央部筒型電池セルの側面に等間隔で放射状に配設され、前記中央部筒型電池セル及び複数本の側部筒型電池セルのいずれもの内壁面が燃料極層、外壁面が空気極層、又は外壁面が燃料極層、内壁面が空気極層でなり、かつ前記各筒型電池セルの外壁面を構成する空気極層又は燃料極層が連続した一つの面で形成されてなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の筒型の固体酸化物形燃料電池。
【請求項５】
前記筒型電池セルが、その内壁面内側の中空部を内通路とし、外壁面外側の空間を外通路とし、それぞれの通路に、同通路の壁面を構成する燃料極層又は空気極層に対応する燃料又は空気が供給されてなることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の筒型の固体酸化物形燃料電池。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の筒型の固体酸化物形燃料電池の複数個を上下に積み重ねて電池セルスタックを構成してなり、各々の上部電池セルの燃料極層と下部電池セルの空気極層、あるいは上部電池セルの空気極層と下部電池セルの燃料極層とを各々導電とガスシールの機能を持つインターコネクタで直列接続してなることを特徴とする筒型の固体酸化物形燃料電池。
【請求項７】
前記電池セルスタックにおいて、直列接続された上下の電池セルの燃料極層同士、空気極層同士が接触するのを防止するために、各電池セルの積層壁体の基体部（構造体）となる層が電解質の場合は、それぞれ外壁面では上端部側壁面に、内壁面では下端部側壁面にそれぞれの極層が設けられていない環状のブランク部を設けてなることを特徴とする請求項６に記載の筒型の固体酸化物形燃料電池。
【請求項８】
前記電池セルスタックにおいて、直列接続された上下の電池セルの燃料極層同士、空気極層同士が接触するのを防止するために、各電池セルの積層壁体の基体部（構造体）となる層が燃料極層あるいは空気極層の場合は、積層壁体の内側壁面として基体部となる極層を配設し、その外側面に電解質層を積層し、さらに前記電解質層を基体部となる極層の下端面と内壁面下端部に微小高さの折り返し部として構成されるように連続延伸させ、そして電解質層の外壁面に、前記基体部とし用いられたのとは別の極層となる空気極層又は燃料極層を設け、かつ前記電解質層外側面上部に当該極層が設けられていない環状のブランク部を設けてなることを特徴とする請求項６に記載の筒型の固体酸化物形燃料電池。
【請求項９】
前記電池セルスタックが、その構成電池セルの内壁面が燃料極の場合、各内通路内に同内通路の形状に相似した柱形状スペーサを備えて内通路空間を狭め、燃料極との反応に寄与する量の燃料のみを通流させられるよう構成されてなることを特徴とする請求項６〜８のいずれか１項に記載の筒型の固体酸化物形燃料電池。
【請求項１０】
前記電池セルスタックが、その構成電池セルの内壁面が燃料極の場合、同電池セルスタックの一端に燃料を供給するチャンバーと、各内通路内に同内通路の形状に相似した筒形状スペーサを備え、
前記チャンバーから供給された燃料が、前記筒形状スペーサの筒内気体通路を通流した後、同筒形状スペーサの他端部で反転し、反転された燃料がこの筒形状スペーサ外周面と前記構成電池セルの内壁面との間の狭められた空間に燃料極との反応に寄与する量の燃料のみを流通させた後に排出されるよう構成されてなることを特徴とする請求項６〜８のいずれか１項に記載の筒型の固体酸化物形燃料電池。
【請求項１１】
請求項６〜１０のいずれか１項に記載の電池セルスタックが複数個同一平面に並置され、それぞれが並列接続、又は直列接続され、あるいは直並列の組み合わせで接続されて電池セルモジュールを形成してなることを特徴とする筒型の固体酸化物形燃料電池。
【請求項１２】
前記電池セルモジュールが、前記電池セルスタック複数個を同一平面に平行格子状、又は千鳥格子状に並置してなることを特徴とする請求項１１に記載の筒型の固体酸化物形燃料電池。
【請求項１３】
前記電池セルモジュール複数個が、同一平面に並置され、又は上下に積み重ねられて電気的に接続され、あるいは同一平面に並置されて電気的に接続されたものをさらに複数個上下に積み重ねて電気的に接続してなることを特徴とする請求項１１又は１２に記載の筒型の固体酸化物形燃料電池。
【請求項１】
空気極層、電解質層及び燃料極層を順次積層してなる積層壁体で形成された筒型電池セルの多数個を連結してなる固体酸化物形燃料電池において、
中央部に配置された中央部筒型電池セルと、同筒型電池セルの縦側面に沿って平行に接合され、かつ相互に交差することのない複数本の側部筒型電池セルとからなり、かつ前記各側部筒型電池セルは前記中央部筒型電池セルの縦側面に線接触状態で一箇所のみが接合されてなる構成のものであることを特徴とする筒型の固体酸化物形燃料電池。
【請求項２】
前記筒型電池セルが、多角筒形のものであることを特徴とする請求項１記載の筒型の固体酸化物形燃料電池。
【請求項３】
前記筒型電池セルが、円筒形のものであることを特徴とする請求項１記載の筒型の固体酸化物形燃料電池。
【請求項４】
前記複数本の側部筒型電池セルが、中央部筒型電池セルの側面に等間隔で放射状に配設され、前記中央部筒型電池セル及び複数本の側部筒型電池セルのいずれもの内壁面が燃料極層、外壁面が空気極層、又は外壁面が燃料極層、内壁面が空気極層でなり、かつ前記各筒型電池セルの外壁面を構成する空気極層又は燃料極層が連続した一つの面で形成されてなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の筒型の固体酸化物形燃料電池。
【請求項５】
前記筒型電池セルが、その内壁面内側の中空部を内通路とし、外壁面外側の空間を外通路とし、それぞれの通路に、同通路の壁面を構成する燃料極層又は空気極層に対応する燃料又は空気が供給されてなることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の筒型の固体酸化物形燃料電池。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の筒型の固体酸化物形燃料電池の複数個を上下に積み重ねて電池セルスタックを構成してなり、各々の上部電池セルの燃料極層と下部電池セルの空気極層、あるいは上部電池セルの空気極層と下部電池セルの燃料極層とを各々導電とガスシールの機能を持つインターコネクタで直列接続してなることを特徴とする筒型の固体酸化物形燃料電池。
【請求項７】
前記電池セルスタックにおいて、直列接続された上下の電池セルの燃料極層同士、空気極層同士が接触するのを防止するために、各電池セルの積層壁体の基体部（構造体）となる層が電解質の場合は、それぞれ外壁面では上端部側壁面に、内壁面では下端部側壁面にそれぞれの極層が設けられていない環状のブランク部を設けてなることを特徴とする請求項６に記載の筒型の固体酸化物形燃料電池。
【請求項８】
前記電池セルスタックにおいて、直列接続された上下の電池セルの燃料極層同士、空気極層同士が接触するのを防止するために、各電池セルの積層壁体の基体部（構造体）となる層が燃料極層あるいは空気極層の場合は、積層壁体の内側壁面として基体部となる極層を配設し、その外側面に電解質層を積層し、さらに前記電解質層を基体部となる極層の下端面と内壁面下端部に微小高さの折り返し部として構成されるように連続延伸させ、そして電解質層の外壁面に、前記基体部とし用いられたのとは別の極層となる空気極層又は燃料極層を設け、かつ前記電解質層外側面上部に当該極層が設けられていない環状のブランク部を設けてなることを特徴とする請求項６に記載の筒型の固体酸化物形燃料電池。
【請求項９】
前記電池セルスタックが、その構成電池セルの内壁面が燃料極の場合、各内通路内に同内通路の形状に相似した柱形状スペーサを備えて内通路空間を狭め、燃料極との反応に寄与する量の燃料のみを通流させられるよう構成されてなることを特徴とする請求項６〜８のいずれか１項に記載の筒型の固体酸化物形燃料電池。
【請求項１０】
前記電池セルスタックが、その構成電池セルの内壁面が燃料極の場合、同電池セルスタックの一端に燃料を供給するチャンバーと、各内通路内に同内通路の形状に相似した筒形状スペーサを備え、
前記チャンバーから供給された燃料が、前記筒形状スペーサの筒内気体通路を通流した後、同筒形状スペーサの他端部で反転し、反転された燃料がこの筒形状スペーサ外周面と前記構成電池セルの内壁面との間の狭められた空間に燃料極との反応に寄与する量の燃料のみを流通させた後に排出されるよう構成されてなることを特徴とする請求項６〜８のいずれか１項に記載の筒型の固体酸化物形燃料電池。
【請求項１１】
請求項６〜１０のいずれか１項に記載の電池セルスタックが複数個同一平面に並置され、それぞれが並列接続、又は直列接続され、あるいは直並列の組み合わせで接続されて電池セルモジュールを形成してなることを特徴とする筒型の固体酸化物形燃料電池。
【請求項１２】
前記電池セルモジュールが、前記電池セルスタック複数個を同一平面に平行格子状、又は千鳥格子状に並置してなることを特徴とする請求項１１に記載の筒型の固体酸化物形燃料電池。
【請求項１３】
前記電池セルモジュール複数個が、同一平面に並置され、又は上下に積み重ねられて電気的に接続され、あるいは同一平面に並置されて電気的に接続されたものをさらに複数個上下に積み重ねて電気的に接続してなることを特徴とする請求項１１又は１２に記載の筒型の固体酸化物形燃料電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−１４８５８（Ｐ２０１２−１４８５８Ａ）
【公開日】平成２４年１月１９日（２０１２．１．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１４７４１７（Ｐ２０１０−１４７４１７）
【出願日】平成２２年６月２９日（２０１０．６．２９）
【出願人】（５０９３１００６０）
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１月１９日（２０１２．１．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年６月２９日（２０１０．６．２９）
【出願人】（５０９３１００６０）
【Ｆターム（参考）】
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