(57)【要約】【課題】電極の電気抵抗を増加することなく、熱応力を緩和した固体酸化物形燃料電池を提供する。【解決手段】固体電解質と、固体電解質に囲まれた領域に設けられた内側電極及び気体流路と、固体電解質の外面に設けられた外側電極とを有し、内側電極と電気的に接続され固体電解質及び外側電極を貫通する複数個のインターコネクタを有し、隣り合うインターコネクタの間の内側電極又は外側電極には、内側電極又は外側電極の隙間を設け、隙間は、隣り合うインターコネクタの対称軸の位置に設けた固体酸化物形燃料電池を用いた。【選択図】図１Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１個又は複数個の単セルである固体酸化物形燃料電池と、燃料供給配管と、空気供給配管とを備え、前記固体酸化物形燃料電池は、固体電解質と、前記固体電解質に囲まれた領域に設けられた内側電極及び気体流路と、前記固体電解質の外面に設けられた外側電極とを有し、前記内側電極と電気的に接続され前記固体電解質及び前記外側電極を貫通する複数個のインターコネクタを有し、隣り合う前記インターコネクタの間の前記内側電極又は前記外側電極には、前記内側電極又は前記外側電極の隙間を設け、前記隙間は、隣り合う前記インターコネクタの対称軸の位置に設けたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記隙間には、熱応力緩和材を設置したことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記熱応力緩和材は、熱膨張係数が１０×１０−６以下若しくはヤング率が１００×１０９Ｎ／ｍ２以下のいずれか又は両方を満たす材料で形成されていることを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記隙間のうち少なくとも燃料ガスの入口に最も近いものの幅は、他の前記隙間の幅に比べ５〜２０％広いことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記固体酸化物形燃料電池は、扁平筒形状であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項６】
固体電解質と、前記固体電解質に囲まれた領域に設けられた内側電極及び気体流路と、前記固体電解質の外面に設けられた外側電極とを有し、前記内側電極と電気的に接続され前記固体電解質及び前記外側電極を貫通する複数個のインターコネクタを有し、隣り合う前記インターコネクタの間の前記内側電極又は前記外側電極には、前記内側電極又は前記外側電極の隙間を設け、前記隙間は、隣り合う前記インターコネクタの対称軸の位置に設けたことを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
【請求項７】
前記隙間には、熱応力緩和材を設置したことを特徴とする請求項６記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項８】
前記熱応力緩和材は、熱膨張係数が１０×１０−６以下若しくはヤング率が１００×１０９Ｎ／ｍ２以下のいずれか又は両方を満たす材料で形成されていることを特徴とする請求項７記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項９】
前記隙間のうち少なくとも燃料ガスの入口に最も近いものの幅は、他の前記隙間の幅に比べ５〜２０％広いことを特徴とする請求項６記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項１０】
全体の形状が扁平筒形状であることを特徴とする請求項６記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項１１】
固体酸化物型燃料電池ユニットと、ガスタービンと、このガスタービンによって駆動する発電機とを備え、固体酸化物型燃料電池ユニットは、１個又は複数個の単セルである固体酸化物形燃料電池と、燃料供給配管と、空気供給配管とを備え、前記固体酸化物形燃料電池は、固体電解質と、前記固体電解質に囲まれた領域に設けられた内側電極及び気体流路と、前記固体電解質の外面に設けられた外側電極とを有し、前記内側電極と電気的に接続され前記固体電解質及び前記外側電極を貫通する複数個のインターコネクタを有し、隣り合う前記インターコネクタの間の前記内側電極又は前記外側電極には、前記内側電極又は前記外側電極の隙間を設け、前記隙間は、隣り合う前記インターコネクタの対称軸の位置に設けたことを特徴とするコージェネレーションシステム。
【請求項１２】
さらに、圧縮機を備えたことを特徴とする請求項１１記載のコージェネレーションシステム。
【請求項１３】
前記隙間には、熱応力緩和材を設置したことを特徴とする請求項１１記載のコージェネレーションシステム。
【請求項１４】
前記熱応力緩和材は、熱膨張係数が１０×１０−６以下若しくはヤング率が１００×１０９Ｎ／ｍ２以下のいずれか又は両方を満たす材料で形成されていることを特徴とする請求項１３記載のコージェネレーションシステム。
【請求項１５】
前記隙間のうち少なくとも燃料ガスの入口に最も近いものの幅は、他の前記隙間の幅に比べ５〜２０％広いことを特徴とする請求項１１記載のコージェネレーションシステム。
【請求項１６】
前記固体酸化物形燃料電池は、扁平筒形状であることを特徴とする請求項１１記載のコージェネレーションシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム及びこれに用いる固体酸化物形燃料電池並びに当該固体酸化物形燃料電池を用いたコージェネレーションシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電解質を挟むようにアノード（燃料極）及びカソード（空気極）を備え、アノード側には燃料ガスを、カソード側には酸化剤ガスを供給し、電解質を介して燃料と酸化剤とを電気化学的に反応させることにより発電する発電装置である。
【０００３】
燃料電池の種類の一つである固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は、電解質にイットリア（Ｙ２Ｏ３）や酸化ネオジム（Ｎｄ２Ｏ３）のような酸化物イオン導電性を備えた固体酸化物材料を用い、燃料極にはＬａ（Ｓｒ）ＭｎＯやＬａ（Ｓｒ）ＣｏＯなどのペロブスカイト構造の酸化物材料を、 空気極にはＮｉと電解質材との多孔性サーメットを用いている。また、ＳＯＦＣは、６００〜１０００℃の高温で動作する燃料電池であるため、排熱を利用して、ガスタービンなどとのハイブリッド化が可能であり、高い発電効率が期待できる。しかしながら、高温動作型であるため、熱応力によるセル構成要素の亀裂や剥離などの問題がある。特に、固体電解質に亀裂が発生すると、燃料ガスが空気極側に漏れ出し、燃焼するため、発電効率の著しい低下をもたらす。熱応力による亀裂や剥離の問題は、セルを構成する材料の熱膨張率の違いが大きな要因と考えられる。
【０００４】
この問題を解決するため、従来、第１電解質層と燃料極との間に第２電解質層を、第１電解質層と空気極との間に第３電解質層を配置した構成をとり、第２電解質層及び第３電解質層の曲げ強度を大きくすることで、熱応力に起因する亀裂（クラック）、割れ等の発生を抑制する技術（特許文献１）や、電極に微小な無数の亀裂を備え、この亀裂に電極よりも熱膨張率の低い中間材料を含浸し焼成することで、電極層としての有効面積を確保しつつ各構成材料の熱膨張率の違いに起因する亀裂や層間剥離の発生防止する技術（特許文献２）が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−１９２４８３号公報
【特許文献２】特開２００７−１８９５９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に記載のように電解質層を追加する手法は、電解質層の厚さが増加するため、イオン伝導率が低下し、性能低下の原因となる。
【０００７】
また、特許文献２に記載の亀裂は、電気抵抗が増大する原因となり、性能低下のおそれがある。
【０００８】
本発明の目的は、電極の電気抵抗を増加することなく、熱応力を緩和した固体酸化物形燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の固体酸化物形燃料電池は、固体電解質と、固体電解質に囲まれた領域に設けられた内側電極及び気体流路と、固体電解質の外面に設けられた外側電極とを有し、内側電極と電気的に接続され固体電解質及び外側電極を貫通する複数個のインターコネクタを有し、隣り合うインターコネクタの間の内側電極又は外側電極には、内側電極又は外側電極の隙間を設け、隙間は、隣り合うインターコネクタの対称軸の位置に設けたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、電解質のイオン伝導率を低下させず、かつ、電極の電気抵抗の増加を伴うこともなく、熱応力に起因する亀裂や剥離等の発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１Ａ】実施例の固体酸化物型燃料電池を示す上面図である。
【図１Ｂ】図１ＡのＡ−Ａ断面図である。
【図２Ａ】スリットを設けない場合の電極内部の電流の分布を示す図である。
【図２Ｂ】スリットを設ける位置を検討するための電流分布図である。
【図３】他の実施例の固体酸化物型燃料電池を示す上面図である。
【図４Ａ】図３の固体酸化物型燃料電池の寸法を示す上面図である。
【図４Ｂ】図３の固体酸化物型燃料電池の寸法を示す正面図である。
【図５】実施例の固体酸化物型燃料電池の構成および作製工程を示す上面図である。
【図６】従来の固体酸化物型燃料電池を示す上面図である。
【図７Ａ】シミュレーションの対象とした固体酸化物型燃料電池の構成を示す上面図である。
【図７Ｂ】シミュレーションの結果である固体酸化物型燃料電池の温度分布を示す図である。
【図７Ｃ】スリットを設けない場合のシミュレーションの結果である固体酸化物型燃料電池の応力分布を示す図である。
【図７Ｄ】スリットを設けた場合のシミュレーションの結果である固体酸化物型燃料電池の応力分布を示す図である。
【図８】固体酸化物型燃料電池の変形例を示す上面図である。
【図９】固体酸化物型燃料電池の他の変形例を示す上面図である。
【図１０】固体酸化物型燃料電池システムに用いる燃料電池モジュールの例を示す断面図である。
【図１１】固体酸化物型燃料電池システムを用いたコージェネレーションシステムの例を示す模式構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明は、電解質を有する燃料電池に係り、特に固体酸化物形燃料電池に関する。
【００１３】
本発明は、電解質（固体電解質）で形成された閉空間の内部に内側電極及びガス流路を有し、電解質の外面に外側電極及び内側電極と電気的に接続された複数のインターコネクタを有するセルを備えた固体酸化物形燃料電池において、内側電極又は外側電極に、インターコネクタ間の中央に位置する場所に隙間（スリット）を設け、スリット中に熱応力緩和材を設けたことを特徴とする。スリット中に設けた熱応力緩和材は、電極の熱伸びによる応力を抑制し、隣接する電解質への影響を緩和することができる。
【００１４】
本発明の燃料電池システムは、１個又は複数個の単セルである固体酸化物形燃料電池と、燃料供給配管と、空気供給配管とを備え、固体酸化物形燃料電池は、固体電解質と、固体電解質に囲まれた領域に設けられた内側電極及び気体流路と、固体電解質の外面に設けられた外側電極とを有し、内側電極と電気的に接続され固体電解質及び外側電極を貫通する複数個のインターコネクタを有し、隣り合うインターコネクタの間の内側電極又は外側電極には、内側電極又は外側電極の隙間を設け、隙間は、隣り合うインターコネクタの対称軸の位置に設けたことを特徴とする。
【００１５】
本発明のコージェネレーションシステムは、固体酸化物型燃料電池ユニットと、ガスタービンと、このガスタービンによって駆動する発電機とを備え、固体酸化物型燃料電池ユニットは、１個又は複数個の単セルである固体酸化物形燃料電池と、燃料供給配管と、空気供給配管とを備え、固体酸化物形燃料電池は、固体電解質と、固体電解質に囲まれた領域に設けられた内側電極及び気体流路と、固体電解質の外面に設けられた外側電極とを有し、内側電極と電気的に接続され固体電解質及び外側電極を貫通する複数個のインターコネクタを有し、隣り合うインターコネクタの間の内側電極又は外側電極には、内側電極又は外側電極の隙間を設け、隙間は、隣り合うインターコネクタの対称軸の位置に設けたことを特徴とする。
【００１６】
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。
【実施例１】
【００１７】
図１Ａは、扁平円筒形状を有する固体酸化物型燃料電池（単セル）を模式的に示したものである。また、図１Ｂは、図１ＡのＡ−Ａ断面図である。
【００１８】
本図において、固体酸化物型燃料電池１００（単セル）は、筒状（扁平筒形状）であり、内側のアノード１０１と、外側のカソード１０３と、これらの間に配置された固体電解質１０２とを含む。アノード１０１の内側は、燃料ガス流路１２０となっている。
【００１９】
アノード１０１には、インターコネクタ１０４が接続されている。インターコネクタ１０４は、固体電解質１０２及びカソード１０３に設けられている窓１１０を介して外部に露出するようになっている。インターコネクタ１０４は、アノード１０１の電流を取り出すための接続子である。インターコネクタ１０４とカソード１０３との間（窓１１０の隙間）には、これらが電気的に接続しないように絶縁材１０５が設置されている。
【００２０】
空気などの酸化剤ガスは、カソード１０３の外表面に供給される。酸化剤ガスは、カソード１０３で酸素イオンとなり、酸素イオンは、固体電解質１０２を通り抜け、アノード１０１で燃料である水素と反応し、電力を生成する。アノード１０１で生成された電力は、接続するインターコネクタ１０４を介して電流として取り出すことができる。
【００２１】
本図においては、筒状の単セルの輪切りにする方向にカソード１０３の隙間１０６、１０７（以下、スリットとも呼ぶ。）を設け、この隙間１０６、１０７に熱応力緩和材が設置されている。隙間１０６、１０７は、電極の切れ目と呼ぶこともできる。
【００２２】
なお、本図においては、セル形状を扁平筒形状としたが、本発明は、これに限定されるものではなく、平板形状、円筒形状、楕円形状、直方体形状、立方体形状等であってもよい。また、本図に示す単セルにおいては、内側にアノード１０１が、外側にカソード１０３が形成されているが、内側にカソード１０３が、外側にアノード１０１が形成された構成であってもよい。
【００２３】
図２Ａは、スリットを設けない場合の電極内部の電流の分布を示したものである。すなわち、アノード１０１における電流の向き及び大きさをベクトルで表し、部分的に拡大して示したものである。
【００２４】
本図から、アノード１０１とインターコネクタ１０４とが接触している部分の周辺部（近傍部）で電流量が大きくなっている（電流密度が低くなっている）ことがわかる。一方、隣り合うインターコネクタ１０４の間の領域の中央部は、電流量が小さくなっている。
【００２５】
拡大図においては、インターコネクタ１０４の長軸の端部が示されている。隣り合うインターコネクタ１０４の長軸の間の中央部（ＡとＡ’とを結ぶ線上）においては、電流の向きが当該長軸と平行になっている。一方、隣り合うインターコネクタ１０４の長軸の端部の間の中央部（ＢとＢ’とを結ぶ線上）においては、電流の流れを示すベクトルが点状となり、電流がほとんど流れていないことがわかる。
【００２６】
図２Ｂは、スリットを設ける位置を検討するための電流分布図である。電流分布は、図２Ａと同様である。
【００２７】
図２Ｂにおいて、線分Ｊ、Ｋ、Ｌ及びＭは、スリットを設ける位置の候補を示している。
【００２８】
線分Ｊの位置においては、上述のように、電流の向きがインターコネクタ１０４の長軸と平行になっている。よって、線分Ｊの位置にスリットを設けたとしても、電流が阻害されることがなく、アノード１０１における電気抵抗値に影響を与えない。
【００２９】
線分Ｊは、隣り合う２個のインターコネクタ１０４（図中の上下）が線対称の位置にある場合における対称の軸の位置に重なっている。
【００３０】
線分Ｋの位置においては、上述のように、電流がほとんど流れていない。よって、線分Ｋの位置にスリットを設けたとしても、電流が阻害されることがなく、アノード１０１における電気抵抗値に影響を与えない。
【００３１】
線分Ｋは、隣り合う２個のインターコネクタ１０４（図中の左右）が線対称の位置にある場合における対称の軸の位置に重なっている。
【００３２】
これに対して、線分Ｌ及びＭの位置にスリットを設けた場合、電流が阻害され、電気抵抗が上昇する。
【００３３】
したがって、隣り合う２個のインターコネクタ１０４が線対称の位置にある場合、対称の軸（対称軸）の位置にスリットを設けることにより、アノード１０１における電気抵抗値の増加を抑制することができる。さらに、当該スリットに熱応力緩和材を充填することにより、電気抵抗値の増加を抑制するとともに、アノード、固体電解質、カソード等の熱膨張率の差異に起因する熱応力を緩和することができる。また、熱応力緩和材がなくても、本発明の効果を得ることはできる。
【００３４】
なお、図２Ａ及び２Ｂからわかるように、当該対称軸の位置の近傍は、電流密度が低いため、厳密に当該対称軸の位置にスリットを設けた場合だけでなく、当該対称軸の位置の近傍にスリットを設けた場合もほぼ同様の効果を得ることができる。よって、当該対称軸の位置の近傍にスリットを設けた場合も、本発明の思想を実現したものということができる。
【実施例２】
【００３５】
図３は、他の実施例の固体酸化物型燃料電池を示す上面図である。
【００３６】
本図において、固体酸化物型燃料電池２００（単セル）は、筒状（扁平筒形状）であり、内側のアノード２０１と、外側のカソード２０３と、これらの間に配置された固体電解質２０２とを含む。
【００３７】
アノード２０１には、インターコネクタ２０４が接続されている。インターコネクタ２０４は、固体電解質２０２及びカソード２０３に設けられている窓２０６を介して外部に露出するようになっている。インターコネクタ２０４は、アノード２０１の電流を取り出すための接続子である。インターコネクタ２０４とカソード２０３との間（窓２０６の隙間）には、これらが電気的に接続しないように絶縁材２０５が設置されている。
【００３８】
本図においては、筒状の単セルの輪切りにする方向にカソード２０３の隙間２０７、２０８、２０９、２１０（スリット）が設けてある。これらの隙間２０７、２０８、２０９、２１０には、熱応力緩和材が設置されている。本実施例においては、隙間２０７、２０８、２０９、２１０の幅はそれぞれ０．５ｍｍである。さらに、カソード２０３には、インターコネクタ２０４の長軸に平行な隙間２１１、２１２が設けてある。これらの隙間２０７、２０８、２０９、２１０（スリット）にも、熱応力緩和材が設置されている。本実施例においては、隙間２１１、２１２の幅はそれぞれ１．０ｍｍである。
【００３９】
本実施例においては、内側のアノード２０１にも、インターコネクタ２０４の長軸に平行な隙間２５１、２５２（スリット）が設けてある。
【００４０】
図４Ａは、図３の固体酸化物型燃料電池の寸法を示す上面図である。また、図４Ｂは、実施例の固体酸化物型燃料電池の寸法を示す正面図である。
【００４１】
図４Ａに示すように、固体酸化物型燃料電池４００の寸法は、幅５７ｍｍ、長さ２６０ｍｍである。また、固体酸化物型燃料電池４００の厚さは、図４Ｂに示すように、２ｍｍである。
【００４２】
図４Ａにおいて、符号４０１は、筒状に形成された内側のアノード４１１に沿って形成される燃料ガス流路の入口部であり、符号４０２は出口部である。
【００４３】
燃料ガス流路と直交する一点鎖線Ｂ、Ｃは、スリットの設置位置であり、インターコネクタ４０４の長軸方向に隣り合うインターコネクタ４０４の対称の軸の位置に重なっている。入口部４０１及び出口部４０２の近くには、一点鎖線Ｂ、Ｃと平行に、それぞれ、一点鎖線Ａ、Ｄの位置にスリットが設けてある。Ａ−Ｂ間、Ｂ−Ｃ間及びＣ−Ｄ間の長さはそれぞれ、８０．５ｍｍである。
【００４４】
一方、燃料ガス流路に沿って示された一点鎖線Ｅ、Ｆは、スリットの設置位置であり、隣り合うインターコネクタ４０４の対称の軸の位置に重なっている。一点鎖線Ｅ、Ｆで分けられた３つの領域の幅はそれぞれ、１９．０ｍｍである。
【００４５】
上記のスリットには、熱応力緩和材を設けることが望ましい。これにより、電流を妨げることなく、電気抵抗の上昇を抑制することができる。
【００４６】
図５は、図３の固体酸化物型燃料電池の構成及び作製工程を示したものである。
【００４７】
固体酸化物型燃料電池は、筒状の固体電解質内側に設置される内側電極または内側流路に設置される多孔質体を支持体とする。
【００４８】
以下、図５に従って説明する。
【００４９】
固体電解質内側に設置される内側流路５０１は、内側電極の中空部又は多孔質層である。
【００５０】
多孔質層とした場合、材料としては、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、ジルコニア（ＺｒＯ２）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、ムライト（３Ａｌ２Ｏ３・ＳｉＯ２）、コーディエライト（２ＭｇＯ・２Ａｌ２Ｏ３・５ＳｉＯ２）などの耐熱衝撃性に優れたファインセラミックスを用いる。この材料は、支持体としての強度を持つため、気孔率が３０％〜９５％であることが望ましい。ここでは、支持基板としての機能を持たせるため、厚さ１．９ｍｍ、幅７５ｍｍ、長さ２６０ｍｍの窒化ケイ素セラミックス多孔体を用いた。
【００５１】
ステップ１においては、窒化ケイ素セラミックス粉末に焼結助剤を添加・混合し、焼却可能な短繊維の気孔形成材の粉体を加え、水系泥しょう鋳込みにより成型体を作製し、不活性ガス下で加熱し、分散した短繊維を焼却除去することにより、窒化ケイ素セラミックス多孔体である内側流路５０１を得た。窒化ケイ素セラミックス多孔体は、繊維状の貫通気孔及び所定の強度を有し、その気孔率は８５％である。
【００５２】
次に、ステップ２においては、内側流路５０１の周囲に、スリット中に熱応力緩和材を設置したアノード層５０２を作製した。
【００５３】
アノード層５０２は、Ｎｉとセラミック材料とのコンポジット材料（Ｎｉ−ＳｃＳＺサーメット）を有する複合電極である。図４の説明で述べたスリット設置に従い、流路方向（長軸方向）に幅０．５ｍｍ、長軸に直交する方向に幅１ｍｍのスリットが構成されるように、スリット形状の施されたマスクを用いてスクリーン印刷を行った。これにより、スラリー状に加工したアノード構成材料を厚さ５０μｍになるように内側流路５０１の周囲に形成した。その後、スリットの部分（凹部）に、固体電解質２０２と同じ材料、例えばイットリウム安定化ジルコニア（ＹＳＺ）のスラリー状の固体電解質構成材料を熱応力緩和材として設置し、内側流路５０１の周囲に、スリット中に熱応力緩和材を設置したアノード層５０２を作製した。
【００５４】
ここで、熱応力緩和材には、熱膨張係数が１０×１０−６以下（有効数字２桁）の低熱膨張セラミックス、例えばコーディエライト、チタン酸アルミニウム、リン酸ジルコニウムなども用いてもよい。また、内側流路５０１に用いた孔質層と同じ材料である、例えば窒化ケイ素セラミックス多孔体であってもよい。また、熱応力緩和材は、ＴｉＮ‐ＷＣ系サーメット、Ｃｒ３Ｃ２−Ｎｉ−Ｗ系サーメット、Ａｌ２Ｏ３系サーメットなど、高温で耐酸化性が強いサーメット材でもよく、また、これらのサーメットでコーティングされたセラミックス材でもよい。また、これらの材料の多孔質材を用いてもよく、気孔率制御によりヤング率を１００×１０９Ｎ／ｍ２以下の値（有効数字２桁）に設定することにより、弾力性を持たせ、熱ひずみを吸収しやすくしてもよい。
【００５５】
次に、ステップ３においては、アノード層５０２の周囲に固体電解質層５０３を形成した。この固体電解質層５０３は、厚さ１０μｍのイットリア（Ｙ２Ｏ３）や酸化ネオジウム（Ｎｄ２Ｏ３）のような酸化物イオン導電性を有する固体酸化物材料のスラリー状の固体電解質構成材料を用い、インターコネクタを設置するための窓が空いた形状のマスクを用いたスクリーン印刷法により形成した。その後、温度１４００℃、所定時間（例えば、１時間）高温状態に保持し、焼結を行うことにより、アノード層５０２と固体電解質層５０３との積層焼結体を得た。
【００５６】
ステップ４においては、アノード層５０２と同様に、ステップ３で作製したアノード層５０２と固体電解質層５０３の積層焼結体の周囲に、スリット中に熱応力緩和材を設置したカソード層５０４を作製した。
【００５７】
カソード層５０４には、Ｌａ（Ｓｒ）ＭｎＯやＬａ（Ｓｒ）ＣｏＯなどのペロブスカイト構造の酸化物材料を用いた。図４の説明で述べたスリット設置に従い、流路方向（長軸方向）に幅０．５ｍｍ、長軸に直交する方向に幅１ｍｍのスリットが構成されるように、スリット形状及びインターコネクタを設置するための窓が空いた形状からなるマスクを用いたスクリーン印刷を行った。これにより、スラリー状に加工したカソード構成材料を厚さ５０μｍになるようにステップ３で作製した積層焼結体の周囲に形成した。これを温度１２００℃、所定時間（例えば、１時間）高温状態に保持し、焼結を行うことにより、カソード層５０４の積層焼結体を得た。
【００５８】
ステップ５においては、Ｆｅ−２２Ｃｒを主成分としたフェライト系合金、ＳｒＴｉＯ３系ぺロブスカイト材又はランタンクロマイド材からなるインターコネクタ及びアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、シリカ（ＳｉＯ２）又はカルシア（ＣａＯ）を主成分とする結晶化ガラス材からなる絶縁材を配置し、温度９５０℃、所定時間（例えば、１時間）高温状態に保持し、絶縁材を結晶化させ、窓の隙間に密着させ、固体酸化物型燃料電池５０５を得た。
【００５９】
次に、数値シミュレーションを用いた解析により、本発明の効果を検討する。
【００６０】
解析の対象は、図３の固体酸化物型燃料電池２００である。また、発明の効果を明らかにするため、アノード２０１及びカソード２０３にスリットを設けず、かつ、熱応力緩和材を設置しない、すなわち熱応力緩和手段を持たない場合である図６の固体酸化物型燃料電池６００の場合についても、同じ条件のもとで数値シミュレーションによる解析を実施した。
【００６１】
数値シミュレーションには、市販のシミュレータソフトであるＡＮＳＹＳ社の熱流体解析プログラムＦＬＵＥＮＴ及び構造解析プログラムＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬを用いた。
【００６２】
表１は、固体酸化物型燃料電池に用いる材料の物性値を示したものである。
【００６３】
熱応力緩和材は、スリットを設けた場合にスリット内（スリットの凹部）に充填するものである。ここでは、電極の熱膨張係数より小さい固体電解質と同じ材料を用いた。熱膨張係数の小さい材料を電極中のスリットに配置することにより、電極の熱膨張による歪みを低減し、隣接する固体電解質への引張り応力を低減することができる。
【００６４】
【表１】
2014096276.tif 000003
【００６５】
数値シミュレーションにおける解析条件は、次のとおりである。
【００６６】
運転電流密度は０．６Ａ／ｃｍ２とし、燃料ガスは水素及び窒素の混合ガスとし、酸化剤ガスは空気とした。燃料利用率は９０％とし、酸素利用率は２０％とし、燃料ガス及び空気の入口温度は７００℃とした。
【００６７】
図７Ａに示すように、固体酸化物型燃料電池８０１に流入する燃料ガスと空気とは対向流とした。壁面は断熱と仮定した。
【００６８】
まず、熱流体解析プログラムＦＬＵＥＮＴを用いて固体酸化物型燃料電池８０１の温度を解析した。
【００６９】
図７Ｂは、図６の固体酸化物型燃料電池６００の解析結果であり、固体酸化物型燃料電池６００の温度分布を示したものである。
【００７０】
図７Ｂから、燃料ガス流路の上流側の温度が約１０００℃に達していることがわかる。
【００７１】
この温度分布に基づいて、構造解析プログラムＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬを用いて、固体酸化物型燃料電池に生じる熱応力を計算した。
【００７２】
図７Ｃは、スリットを設けていない図６の固体酸化物型燃料電池６００における固体電解質部分の応力分布を示したものである。また、図７Ｄは、スリットを設け、そのスリットに熱応力緩和材を充填した構成を有する図３の固体酸化物型燃料電池２００における固体電解質部分の応力分布を示したものである。
【００７３】
本数値シミュレーションを用いた解析の結果、図３の固体酸化物型燃料電池２００（スリットあり）においては、最大応力が４７８ＭＰａであった。一方、図６の固体酸化物型燃料電池６００（スリットなし）においては、最大応力が５０８ＭＰａであった。よって、スリット及び熱応力緩和材を設けたことにより、本発明の効果として、約６％熱応力を低減できることがわかった。
【００７４】
図８は、固体酸化物型燃料電池の変形例を示す上面図である。
【００７５】
固体酸化物型燃料電池９００は、図１Ａの固体酸化物型燃料電池１００において、燃料ガス入口９０２に近い部分９０１にインターコネクタ９１１よりも長軸の短いインターコネクタ９１２を設け、隣り合うインターコネクタ９１２の間に、長軸に直交するスリット９１３を配置したものである。スリット９１３（隙間）の幅は、１．２ｍｍにし、他のスリット９１４の幅より５〜２０％ほど広くしてある。これにより、燃料ガス入口９０２に近い部分９０１について、スリット９１３及びスリット９１３の凹部に充填する熱応力緩和材を多くすることができる。
【００７６】
図７Ｂ〜７Ｄに示す解析結果から、燃料ガス入口９０２に近い部分９０１においては、セル温度が高くなり、固体電解質の熱応力が大きくなることがわかる。したがって、部分９０１に設けるインターコネクタを細かく分割し、スリット９１３及び熱応力緩和材の設置を増やすことにより、熱応力に対する抑制効果を大きくすることができる。
【００７７】
図９は、固体酸化物型燃料電池の他の変形例を示す上面図である。
【００７８】
本図において、固体酸化物型燃料電池１０００は、図１Ａに示す固体酸化物型燃料電池１００のインターコネクタ１０４の配置を基準とすると、長軸に直交する方向に隣り合うインターコネクタ１００４を長軸方向にずらした位置に配置し、屈曲した隙間１００１及び１００２を設けたものである。これにより、熱応力緩和材を設置できる領域（面積）が増え、熱応力を抑制する効果を大きくすることができる。
【００７９】
なお、これらの隙間１００１及び１００２は、固体酸化物型燃料電池１０００の裏面に設けた隙間と重ならないようにすることが望ましい。隙間に沿って固体酸化物型燃料電池１０００全体が破断することを防止するためである。
【００８０】
図１０は、固体酸化物型燃料電池システム（固体酸化物型燃料電池ユニット）に用いる燃料電池モジュールの例を示す断面図である。
【００８１】
本図に示す燃料電池モジュール１１００は、４個の固体酸化物型燃料電池１１０１（単セル）を直列に接続し、これらを２列並列に接続したものである。燃料電池モジュール１１００は、コレクタ１１０２、１１０３によって挟み込まれ、容器１１０４に封入されている。
【００８２】
本図においては、計８個の固体酸化物型燃料電池１１０１によって燃料電池モジュール１１００を構成したが、これに限定されるものではない。１個の固体酸化物型燃料電池で燃料電池モジュールを構成してもよい。
【００８３】
図１１は、固体酸化物型燃料電池ユニットを用いたコージェネレーションシステムの例を示す模式構成図である。
【００８４】
本図において、コージェネレーションシステム１２００は、圧縮機１２０２と、固体酸化物型燃料電池ユニット１２０４と、ガスタービン１２０６と、発電機１２０７とを備えている。
【００８５】
圧縮機１２０２は、ガスタービン１２０６と同軸で回転する構成である。ガスタービン１２０６が回転することにより、発電機１２０７及び圧縮機１２０２が駆動する。圧縮機１２０２は、配管１２０１から外気（空気）を吸引し、配管１２０３を介して固体酸化物型燃料電池ユニット１２０４に高圧の空気を送り込むようになっている。空気の圧力が高いほど、固体酸化物型燃料電池ユニット１２０４の効率が向上する。
【００８６】
また、固体酸化物型燃料電池ユニット１２０４には、配管１２０５を介して燃料ガスが供給され、この燃料ガスと空気との反応により電気を発生する。固体酸化物型燃料電池ユニット１２０４で発生した高圧の排気ガスは、ガスタービン１２０６に送られ、ガスタービン１２０６を駆動する。ガスタービン１２０６を通過した排気ガスは、配管１２０８を介して大気中に排出される。
【００８７】
なお、図示していないが、ガスタービン１２０６を通過した排気ガスの熱により水を加熱して水蒸気を発生させ、蒸気タービンを駆動することにより、更に発電することもできる。
【００８８】
コージェネレーションシステム１２００の構成は、本図に示すものに限定されるものではなく、種々の組み合わせに適用し得る。
【符号の説明】
【００８９】
１００、１１０１：固体酸化物型燃料電池、１０１：アノード、１０２：固体電解質、１０３：カソード、１０４：インターコネクタ、１０５：絶縁材、１０６、１０７、２０７、２０８、２０９、２１０、２１１、２１２：隙間、１１０：窓、１２０：燃料ガス流路、１１００：燃料電池モジュール、１１０２、１１０３：コレクタ、１１０４：容器、１２００：コージェネレーションシステム、１２０２：圧縮機、１２０４：固体酸化物型燃料電池ユニット、１２０６：ガスタービン、１２０７：発電機。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
2014096276.tif 000007
【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
2014096276.tif 000014
【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
2014096276.tif 000016
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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