(57)【要約】本発明は、外側管状固体酸化物形燃料電池と、該外側燃料電池の内部に配され、その内側電極層に取り付けられる固相多孔質マトリクスと、該マトリクスに埋設される少なくとも１個の内側管状固体酸化物形燃料電池とを含む燃料電池システムに関する。前記外側燃料電池は、第１の反応液を受容する形状を有する内側電極層と、第２の反応液を受容する形状を有する外側電極層と、前記電極層に挟持される電解質層とを有する。前記内側燃料電池は、第１の反応液を受容する形状を有する外側電極層と、第２の反応液を受容する形状を有する内側電極層と、前記内側および外側電極層に挟持される電解質層とを有する。前記マトリクスは、前記内側燃料電池を支持するのに十分な機械的強度と、第１の反応液が前記マトリクスを通って、前記外側および内側燃料電池にそれぞれ流れることを可能にするのに十分な多孔度を有する。
2005531107.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）第１の反応液を受容する形状を有する内側電極層と、第２の反応液を受容する形状を有する外側電極層と、前記電極層に挟持される電解質層とを含む外側管状固体酸化物形燃料電池と、
（ｂ）前記外側燃料電池の内部に配置され、その内側電極層に取り付けられる固相多孔質マトリクスと、
（ｃ）前記外側燃料電池の実質的に内側の前記マトリクスに埋設され、第１の反応液を受容する形状を有する外側電極層と、第２の反応液を受容する形状を有する内側電極層と、前記内側電極層および外側電極層に挟持される電解質層とを有する少なくとも１つの内側管状固体酸化物形燃料電池とを含む燃料電池システムであって、
前記マトリクスは、前記内側燃料電池を前記外側燃料電池内で支持するのに十分な機械的強度と、第１の反応液が、マトリクスを通って前記外側燃料電池の内側電極層および前記内側燃料電池の外側電極層に流れることを可能にするのに十分な多孔度とを有する、燃料電池システム。
【請求項２】
前記マトリクスは固体多孔質発泡体である、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記発泡体は電子導電性材料または混合（電子およびイオン）導電性材料であり、前記内部および外側燃料電池の陰極に電気的に結合される、請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記発泡体の組成は、マンガン酸ランタン・ストロンチウム、Ｌａ１−ｘＳｒｘＣｒＯ３、Ｌａ１−ｘＣａｘＣｒＯ３、Ｌａ１−ｘＭｇｘＣｒＯ３、ＬａＣｒ（Ｍｇ）Ｏ３、ＬａＣａ１−ｘＣｒｙＯ３、Ｌａ１−ｘＳｒｘＦｅＯ３、（Ｌａ１−ｘＳｒｘ）（Ｆｅ１−ｙＣｏｙ）Ｏ３、ステンレス鋼３１６および３１６Ｌ、Ｎｉ−イットリア安定化ジルコニア、Ｎｉおよびドープ・ジルコニアサーメット、Ｎｉドープ・ＣｅＯ２サーメット、Ｃｕドープ・セリアサーメット、銀−（Ｂｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ）−酸化物サーメット、銀−（Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ）−酸化物サーメット、銀合金−（Ｂｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ）−酸化物サーメット、銀合金−（Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ）−酸化物サーメット、銀およびその合金、インコネル鋼およびスーパーアロイ全般、フェライト鋼、ＳｉＣおよびＭｏＳｉ２からなるグループから選択される１種または２種以上の材料を含む、請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記マトリクスは、金属メッシュと、金属、セラミックまたはサーメットのウール結束体と、金属、セラミックまたはサーメットの絡まった繊維結束体からなるグループから選択される、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記内側燃料電池の内側電極層が陽極であり、前記内側燃料電池の外側電極層が陰極であり、前記外側燃料電池の内側電極層が陰極であり、前記外側燃料電池の外側電極層が陽極であり、第１の反応物が燃料であり、第２の反応物ｆが酸化剤である、請求項２ないし５のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記内側燃料電池の直径は１０μｍないし１０，０００μｍである、請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記内側燃料電池の直径が１０μｍないし５，０００μｍである、請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記マトリクスは、前記内側および外側燃料電池の陰極への酸化剤の送達を促進するための細長い空隙を少なくとも１つ含む、請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
酸化剤供給源に流体連通可能な入口と、前記マトリクスに流体連通可能な複数の出口とを有する酸化剤拡散器をさらに含む、請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記内側燃料電池の外側電極層および電解質層とを貫通し、前記内側燃料電池の長さ方向に間隔を置いて配置される複数のタブ開口と、
前記内側燃料電池の内側電極層に電気的に結合され、外部回路に電気的に接続可能な各開口の中に配置され、前記各開口を密閉する、ガス非透過性で導電性のあるタブとを含む、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
各タブはＳＯＦＣ稼働条件下での使用に適する不活性金属被膜である、請求項１１に記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記マトリクスに埋設され、外部回路に電気的に接続可能な前記タブの少なくとも１つに電気的に結合される少なくとも１つの集電体ロッドを含む、請求項１１に記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
前記外側燃料電池の内側の前記マトリクスに横方向に埋設された少なくとも１つの集電体板であって、前記集電体板および前記マトリクスとの間の高温断熱材により、あるいは前記集電体板と前記マトリクスとの間の隙間によって前記マトリクスから電気的に絶縁または隔離され、前記内側燃料電池を受容する開口と、反応液が前記内側燃料電池の前記外側電極層と前記外側燃料電池の前記内側電極層へ流れることを可能にするパーフォレーションとを有し、前記タブの少なくとも１つに電気的に接続され外部回路に電気的に接続可能な、少なくとも１つの集電体板を含む、請求項１１に記載の燃料電池システム。
【請求項１５】
未改質燃料供給源に流体連通される燃料入口と、前記内側および外側燃料電池の陽極に流体連通される燃料出口とを有し、前記燃料電池の反応によって発生した熱が未改質燃料の改質に利用されるように、前記燃料電池の少なくとも１つと熱的に結合される、改質チャンバを含む燃料改質装置を含む、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項１６】
前記改質チャンバは二重壁カップであり、前記燃料電池は前記カップの空洞内に配置される、請求項１５に記載の燃料電池システム。
【請求項１７】
前記改質チャンバの内側にある、触媒コーティングされた固体多孔質マトリクスを含む、請求項１５に記載の燃料電池システム。
【請求項１８】
前記改質チャンバは前記外側燃料電池の周りにコイル状に巻かれた改質チューブであり、該改質チューブの両端に前記燃料入口および燃料出口がある、請求項１５に記載の燃料電池システム。
【請求項１９】
前記改質チューブは、該改質チューブの内側に沿って分散された触媒材料を含む、請求項１８に記載の燃料電池システム。
【請求項２０】
前記内側燃料電池は、該内側燃料電池の内側に配置され、その内側電極層に電気的に結合される多孔質導電性集電体を含み、該多孔質導電性集電体は、第２の反応液が前記多孔質導電性集電体を通って前記内側燃料電池の内側電極層に流れることを可能にするのに十分な多孔度を有する、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項２１】
（ａ）第１の反応液を受容する形状を有する外側電極層と、第２の反応液を受容する形状を有する内側電極層と、前記電極層に挟持される電解質層とを含む、少なくとも１つの管状固体酸化物形燃料電池と、
（ｂ）前記燃料電池の内側に配置され、前記内側電極層に電気的に結合される、多孔質導電性集電体であって、第２の反応液が該多孔質導電性集電体を通って前記内側電極層に流れることを可能にするのに十分な多孔度を有する多孔質導電性集電体と、
（ｃ）前記燃料電池が埋設される固相多孔質支持マトリクスであって、前記燃料電池をシステム内に支持するのに十分な機械的強度と、第１の反応液が前記固相多孔質支持マトリクスを通って前記外側電極層に流れることを可能にするのに十分な多孔度とを有する、固相多孔質支持マトリクスとを含む、燃料電池システム。
【請求項２２】
前記集電体は、前記内側電極層の表面の少なくとも一部を裏打ちする固体多孔質マトリクスである、請求項２１に記載の燃料電池システム。
【請求項２３】
前記集電体マトリクスは固体発泡体である、請求項２２に記載の燃料電池システム。
【請求項２４】
前記集電体発泡体は、マンガン酸ランタン・ストロンチウム、Ｌａ１−ｘＳｒｘＣｒＯ３、Ｌａ１−ｘＣａｘＣｒＯ３、Ｌａ１−ｘＭｇｘＣｒＯ３、ＬａＣｒ（Ｍｇ）Ｏ３、ＬａＣａ１−ｘＣｒｙＯ３、Ｌａ１−ｘＳｒｘＦｅＯ３、（Ｌａ１−ｘＳｒｘ）（Ｆｅ１−ｙＣｏｙ）Ｏ３、ステンレス鋼３１６および３１６Ｌ、Ｎｉ−イットリア安定化ジルコニア、Ｎｉおよびドープ・ジルコニアサーメット、Ｎｉドープ・ＣｅＯ２サーメット、Ｃｕドープ・セリアサーメット、銀−（Ｂｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ）−酸化物サーメット、銀−（Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ）−酸化物サーメット、銀合金−（Ｂｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ）−酸化物サーメット、銀合金−（Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ）−酸化物サーメット、銀およびその合金、インコネル鋼およびスーパーアロイ全般、フェライト鋼、ＳｉＣおよびＭｏＳｉ２からなるグループから選択される１種または２種以上の材料で作られる、請求項２３に記載の燃料電池システム。
【請求項２５】
前記集電体は、金属繊維、導電性セラミックまたは導電性サーメット繊維が重なり合った結束体である、請求項２１に記載の燃料電池システム。
【請求項２６】
前記集電体は、金属、導電性セラミックまたは導電性サーメットのウールの結束体である、請求項２１に記載の燃料電池システム。
【請求項２７】
前記集電体は、辺縁で内側電極層の表面に取り付けられる、パーフォレーション処理された複数のシートである、請求項２１に記載の燃料電池システム。
【請求項２８】
前記集電体は、前記燃料電池の内部を通って長手方向に伸びる導電性ロッドまたはワイヤと、該集電体ロッドと前記内側電極層との間に概ね横方向に伸びる複数の導電性フィラメントとを含む、請求項２１に記載の燃料電池システム。
【請求項２９】
前記集電体の多孔度は２５ないし９５％である、請求項２１ないし２８のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項３０】
前記集電体の多孔度は４０ないし９５％である、請求項２９に記載の燃料電池システム。
【請求項３１】
前記集電体の多孔度は約６０％である、請求項３０に記載の燃料電池システム。
【請求項３２】
前記集電体は触媒材料でコーティングされる、請求項２１ないし２８のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項３３】
前記燃料電池の内側の集電体マトリクスに埋設され、外部回路に電気的に接続可能な端を少なくとも１つ有する少なくとも１つの集電体ロッドまたはワイヤを含む、請求項２２に記載の燃料電池システム。
【請求項３４】
前記集電体マトリクスは、該集電体マトリクスを通る反応物の流れを促進するための細長い空隙を少なくとも１つ含む、請求項２２に記載の燃料電池システム。
【請求項３５】
前記支持マトリクスは固体発泡体である、請求項２１に記載の燃料電池システム。
【請求項３６】
前記支持発泡体は、電子導電性材料または混合（電子およびイオン）導電性材料で作られ、前記外側燃料電池の内側電極層および前記内側燃料電池の外側電極層に電気的に結合される、請求項３５に記載の燃料電池システム。
【請求項３７】
前記支持発泡体は、マンガン酸ランタン・ストロンチウム、Ｌａ１−ｘＳｒｘＣｒＯ３、Ｌａ１−ｘＣａｘＣｒＯ３、Ｌａ１−ｘＭｇｘＣｒＯ３、ＬａＣｒ（Ｍｇ）Ｏ３、ＬａＣａ１−ｘＣｒｙＯ３、Ｌａ１−ｘＳｒｘＦｅＯ３、（Ｌａ１−ｘＳｒｘ）（Ｆｅ１−ｙＣｏｙ）Ｏ３、ステンレス鋼３１６および３１６Ｌ、Ｎｉ−イットリア安定化ジルコニア、Ｎｉおよびドープ・ジルコニアサーメット、Ｎｉドープ・ＣｅＯ２サーメット、Ｃｕドープ・セリアサーメット、銀−（Ｂｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ）−酸化物サーメット、銀−（Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ）−酸化物サーメット、銀合金−（Ｂｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ）−酸化物サーメット、銀合金−（Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ）−酸化物サーメット、銀およびその合金、インコネル鋼およびスーパーアロイ全般、フェライト鋼、ＳｉＣおよびＭｏＳｉ２からなるグループから選択される１種または２種以上の材料で作られる、請求項３６に記載の燃料電池システム。
【請求項３８】
前記マトリクスは実質的に前記外側燃料電池の内部を充填している、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３９】
前記集電体マトリクスは実質的に前記燃料電池の内部を充填している、請求項２２に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は管状固体酸化物形燃料電池の積層体を有する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は、セラミックの固相電解質で隔てられた、１対の電極（陽極および陰極）を含む。かかるセラミック電解質において適切なイオン導電性を達成するため、ＳＯＦＣは、典型的には、約１０００°Ｃ台の高温で稼働する。典型的なＳＯＦＣ電解質の材料は、負荷電酸素（酸化物）イオンの高温での優れた導電体である、高密度（すなわち、非多孔質）イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）である。また、典型的なＳＯＦＣ陽極は多孔質ニッケル／ジルコニア・サーメットから作られ、典型的な陰極は、マグネシウム・ドープ・マンガン酸ランタン（ＬａＭｎＯ３）またはストロンチウム・ドープ・マンガン酸ランタン（マンガン酸ランタン・ストロンチウム（ＬＳＭ）ともいう）から作られる。稼働時には、陽極上を通過する燃料流の中の水素または一酸化炭素（ＣＯ）が、電解質中を伝導した酸素イオンと反応し、水および／またはＣＯ２と電子とを生成する。前記電子は陽極から外部回路を経由して燃料電池の外部に出て、前記回路上の負荷を経て陰極に戻り、そこで空気流の中の酸素に受け取られ、酸化物イオンに変換された後、電解質中に注入される。このとき進行するＳＯＦＣ反応は、下記の通りである。
【０００３】
2005531107.tif 000003
【０００４】
既知のＳＯＦＣの設計は、平板型燃料電池と管型燃料電池とを含む。本願出願人自身の特許文献１は、電解析出（ＥＰＤ）法による管型燃料電池の製造方法を説明している。前記燃料電池は、複数の同心円状層、すなわち内側電極層と中間電解質層と外側電極層とを含む。前記内側電極層および外側電極層は、それぞれ陽極および陰極であることが適当で、かかる場合、燃料は管を通って陽極に供給され、前記管の外面を通って陰極に供給される。
【特許文献１】国際出願第ＰＣＴ／ＣＡ０１／００６３４号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
また、電気出力を増大させるために、複数の管型燃料電池をアレイ状または「積層体」状に配置することも知られている。直径が比較的大きく（≧５ｍｍ）肉厚の、本質的に自立型の管型燃料電池を互いに積層するためのデザインが提唱されてきた。例えば、大口径の管型燃料電池を格子状パターンに積層し、前記燃料電池をニッケル・フェルト・スペーサーで相互に連結することが知られている。これおよびその他の既知の大口径自立型管型燃料電池のデザインは、小口径（≦５ｍｍ）燃料電池には特別適してはおらず、特にかかる小口径燃料電池が密に詰め込まれたアレイ状に配列される場合には適さない。したがって、複数の小口径燃料電池を密に配列することを可能にする新たな積層デザインと、かかる積層体用のシステムとが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の１つの側面によれば、外側管状固体酸化物形燃料電池と、該外側燃料電池の内部に配置され、その内側電極層に取り付けられる固相多孔質マトリクスと、前記外側燃料電池の実質的に内側の前記マトリクスに埋め込まれる、少なくとも１つの内側管状固体酸化物形燃料電池とを含む燃料電池システムが提供される。前記外側燃料電池は、第１の反応液を受容するような形状を有する内側電極層と、第２の反応液を受容するような形状を有する外側電極層と、前記電極層に挟持される電解質層とを有する。前記内側燃料電池は、第１の反応液を受容する外側電極層と、第２の反応液を受容する内側電極層と、これら内側および外側電極層に挟持される電解質層とを有する。前記マトリクスは、前記外側燃料電池の中の前記内側燃料電池を支持するのに十分な機械的強度と、第１の反応液が、マトリクスを通過して、外側燃料電池の内側電極層と内側燃料電池の外側電極層とに流れることを可能にするのに十分な多孔度とを有する。
【０００７】
前記マトリクスは、固体多孔質発泡体または金属メッシュとすることができる。前記マトリクスが発泡体のとき、電子導電性または混合（電子およびイオン）導電性を有する材料の場合があり、内側および外側の燃料電池の陰極に電気的に結合することができる。発泡体の組成は、マンガン酸ランタン・ストロンチウム、Ｌａ１−ｘＳｒｘＣｒＯ３、Ｌａ１−ｘＣａｘＣｒＯ３、Ｌａ１−ｘＭｇｘＣｒＯ３、ＬａＣｒ（Ｍｇ）Ｏ３、ＬａＣａ１−ｘＣｒｙＯ３、ステンレス鋼３１６および３１６Ｌ、Ｎｉ−イットリア安定化ジルコニア、Ｎｉおよびドープ・ジルコニアサーメット、Ｎｉドープ・ＣｅＯ２サーメット、Ｃｕドープ・セリアサーメット、銀−（Ｂｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ）−酸化物サーメット、銀−（Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ）−酸化物サーメット、銀合金−（Ｂｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ）−酸化物サーメット、銀合金−（Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ）−酸化物サーメット、銀およびその合金、インコネル鋼およびスーパーアロイ全般、フェライト鋼、ＳｉＣおよびＭｏＳｉ２からなるグループから選択される１腫または２腫以上の材料を含む場合がある。
【０００８】
前記内側燃料電池の内側電極層は陽極とすることができ、この場合の外側電極層は陰極となる。これに対応して、前記外側燃料電池の内側電極層は陰極となり、その外側電極層は陽極となる。かかる構成では、第１の反応液は燃料で、第２の反応液は酸化剤である。
【０００９】
前記内側燃料電池の直径は、１０μｍないし１０，０００μｍか、あるいは、より具体的には、１０μｍないし５，０００μｍかの場合がある。
【００１０】
前記マトリクスは、前記内側および外側の燃料電池の陰極への酸化剤の送達を増強するための少なくとも１個の細長い空隙を有してもよい。酸化剤供給源に流体連通可能な入口と、前記マトリクスに流体連通可能な複数の出口とを有する酸化剤拡散器があってもよい。
【００１１】
前記燃料電池システムは、前記内側燃料電池の外側電極および電解質を貫通する複数のタブ開口と、各開口の中に配置され該開口をシールするガス非透過性導電性タブとを備えていてもよい。前記タブ開口は、前記内側燃料電池の長さ方向に沿って間隔を置いて設置される。各タブは、前記内側燃料電池の内側電極層に電気的に結合され、外部回路に電気的に接続可能である。各タブは、ＳＯＦＣ稼働条件下での使用に適した不活性金属被膜の場合がある。少なくとも１個の集電体ロッドは前記マトリクスに埋設され、少なくとも１個のタブに電気的に接続され、外部回路に接続可能な場合がある。代替的には、集電体板が前記外側燃料電池の内側のマトリクスに横方向に埋設される場合がある。前記集電体板は、該集電体板および前記マトリクスの間の高温断熱材により、あるいは、前記集電体板と前記マトリクスとの間の間隙によって前記マトリクスから電気的に絶縁すなわち分離されている。前記集電体板は、前記内側燃料電池を受容する開口と、反応液が前記内側燃料電池の外側電極層と前記外側燃料電池の内側電極層とへ流れることを可能にするパーフォレーション（ｐｅｒｆｏｒａｔｉｏｎ）とを有する。この場合の集電体板は、前記タブの少なくとも１個に電気的に接続され、かつ、外部回路に電気的に接続可能である。
【００１２】
前記燃料電池システムは、未改質燃料供給源に流体連通するための燃料入口と、前記内側および外側燃料電池の陽極に流体連通される燃料出口とを備えた改質チャンバを有する燃料改質装置を含む場合がある。前記改質チャンバは、前記燃料電池で生成した熱を未改質燃料の改質に利用するように、前記燃料電池の少なくとも１つに熱的に結合される。前記改質チャンバは二重壁カップ状とすることができ、この場合には前記燃料電池は前記カップの空洞内に配置される。触媒コーティングされた固体多孔質マトリクスが前記改質チャンバの内側に配置することができる。代替的に前記改質チャンバは、前記外側燃料電池の周りをコイル状に取り巻く改質チューブとすることができ、前記燃料入口および燃料出口は前記チューブの両端に位置する。前記改質チューブはその内側に沿って分散された触媒材料を含む場合がある。
【００１３】
前記内側燃料電池は多孔質導電性集電体を含む場合があり、該多孔質導電性集電体は、前記内側燃料電池の内側に配置され、その内側電極層に電気的に結合され、第２の反応液が前記集電体を通って前記内側燃料電池の内側電極層に流れることができるのに十分な多孔度を有する
【００１４】
本発明の別の側面によれば、少なくとも１個の管状固体酸化物形燃料電池と、該燃料電池の内側に配置される多孔質導電性集電体と、前記燃料電池が埋設される固相多孔質支持マトリクスとを含む燃料電池システムが提供される。前記燃料電池は、第１の反応液を受容する形状を有する外側電極層と、第２の反応液を受容する形状を有する内側電極層と、前記電極層に挟持される電解質層とを有する。前記集電体は、前記内側電極層に電気的に結合され、第２の反応液が前記集電体を通って前記内側電極層に流れることを可能にするのに十分な多孔度を有する。前記支持マトリクスは、前記システムの内部にある前記燃料電池を支持するのに十分な機械的強度と、第１の反応液が前記マトリクスを通って前記外側電極層に流れることを可能にするのに十分な多孔度とを有する。
【００１５】
前記集電体は、前記内側電極層の表面の少なくとも一部を裏打ちする固体多孔質マトリクスの場合がある。代替的には、前記集電体は、
・重なり合う金属、セラミックまたはサーメット繊維の結束体か、
・金属、導電性セラミックまたはサーメット・ウールの結束体、
・辺縁で前記内側電極層の表面に取り付けられる複数のパーフォレーションシート、
・前記燃料電池の内部を長手方向に通って伸びる導電性ロッドまたはワイヤと、、集電体の前記ロッドと前記内側電極層との間に概ね横方向に伸びる複数の導電性フィラメントと
のうちの１つである。
【００１６】
前記集電体の多孔度は２５ないし９５％、より具体的には４０ないし９５％、さらに具体的には約６０％とすることができる。
【００１７】
前記集電体は触媒材料でコーティングされる場合がある。少なくとも１つの集電体ロッドまたはワイヤが、前記燃料電池の内側の集電体マトリクスに埋設される場合がある。前記集電体ロッドまたはワイヤは、外部回路に電気的に接続可能なを少なくとも１個の端を有する場合がある。前記集電体マトリクスは、該マトリクスを通じた反応物の流れを増強するための細長い空隙を少なくとも１個有する場合がある。
【００１８】
前記集電体発泡体は固体発泡体の場合があり、前記発泡体は、マンガン酸ランタン・ストロンチウム、Ｌａ１−ｘＳｒｘＣｒＯ３、Ｌａ１−ｘＣａｘＣｒＯ３、Ｌａ１−ｘＭｇｘＣｒＯ３、ＬａＣｒ（Ｍｇ）Ｏ３、ＬａＣａ１−ｘＣｒｙＯ３、Ｌａ１−ｘＳｒｘＦｅＯ３、（Ｌａ１−ｘＳｒｘ）（Ｆｅ１−ｙＣｏｙ）Ｏ３、ステンレス鋼３１６および３１６Ｌ、Ｎｉ−イットリア安定化ジルコニア、Ｎｉおよびドープ・ジルコニアサーメット、Ｎｉドープ・ＣｅＯ２サーメット、Ｃｕドープ・セリアサーメット、銀−（Ｂｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ）−酸化物サーメット、銀−（Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ）−酸化物サーメット、銀合金−（Ｂｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ）−酸化物サーメット、銀合金−（Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ）−酸化物サーメット、銀およびその合金、インコネル鋼およびスーパーアロイ全般、フェライト鋼、ＳｉＣおよびＭｏＳｉ２からなるグループから選択される１種または２種以上の材料から作られる場合がある。
【００１９】
前記支持マトリクスは固体発泡体の場合がある。前記支持発泡体は、電子導電性材料または混合（電子およびイオン）導電性材料で作られる場合があり、前記外側燃料電池の内側電極層と前記内側燃料電池の外側電極層とに電気的に結合される場合がある。前記支持発泡体は、前記集電体発泡体と同じ材料でつくられる場合がある。
【００２０】
本発明の別の側面によれば、
（ａ）複数の管型固体酸化物形燃料電池と、該燃料電池のそれぞれに取り付けられた積層体支持構造とを含み、前記燃料電池はそれぞれ陽極と、陰極と、前記陽極および陰極の間に挟持される電解質とを含む、燃料電池積層体と、
（ｂ）燃料供給源に流体連通可能な改質装置燃料入口と、少なくとも１個の燃料電池の陽極に流体連通される改質装置燃料出口とを有する改質チャンバを含む燃料改質チューブと、
（ｃ）少なくとも１個の前記燃料電池の前記陽極および陰極に電気的に結合され、外部電気回路に電気的に結合可能な外部回路通電リード線線と、
（ｄ）前記積層体および改質チューブを収容し、改質装置燃料入口に流体連通される燃料入口と、少なくとも１個の前記燃料電池の陽極に流体連通される燃料出口と、少なくとも１個の前記燃料電池の陰極に流体連通される酸化剤入口および出口とを含む熱容器容組立体を含む燃料電池システムが提供される。
【００２１】
本発明のさらに別の側面によれば、少なくとも１個の管型固体酸化物型燃料電池と、外部回路に電気的に結合される導電性タブと、前記燃料電池のそれぞれに取り付けられる積層体支持構造とを含む燃料電池システムが提供される。前記燃料電池は、内側電極層と、外側電極層と、該電極層に挟持される電解質と、前記外側電極層およびその下の前記電解質層を貫通するタブ開口とを含む。前記タブは、前記内側電極層の露出部分をコーティングする導電性材料を含む。
【００２２】
定義
本発明を説明するとき、以下の用語は特記しないかぎり、以下の意味に使用する。ここに定義されない用語については、それらの技術分野において通常認識されている意味で用いるものとする。
【００２３】
「繊維」または「フィラメント」は、繊維状材料の１本を指すものとし、「繊維トウ」または「繊維束」は、多フィラメントによる撚り糸または繊維の配列を指し、「繊維コア」は、繊維、フィラメント、繊維トウ、または繊維束を指す。全ての場合で前記繊維コアは、電極として使用できるように、導電性であるか、あるいは、導電性を付与する処理が施されている。
【００２４】
「セラミック」とは、金属酸化物（アルミニウム、シリコン、マグネシウム、ジルコニウム、チタン、クロム、ランタン、ハフニウム、イットリウムの酸化物およびこれらの混合物）を含むがこれらに限定されない、優勢な共有結合またはイオン結合を有する無機非金属固体材料と、（チタン、タングステン、ホウ素、シリコンのような）カーバイド、（モリブデン・シリサイドのような）シリサイド、（ホウ素、アルミニウム、チタン、シリコンのような）窒化物、（タングステン、チタン、ウランのような）ホウ化物およびこれらの混合物、スピネル、（バリウム・チタネート、鉛チタネート、鉛ジルコニウム・チタネート、ストロンチウム・チタネート、鉄チタネートのような）チタネート、セラミック超伝導体、ゼオライト、および（イットリア安定化ジルコニア、β−アルミナおよびセラートのような）セラミック固体イオン導電体を含むが、これらに限定されない、非酸化物型化合物とを指す。
【００２５】
「サーメット」とは、典型的には焼結金属であるが必ずしもこれに限らない金属と組み合わされたセラミックを含み、典型的には温度、腐食および摩擦に対して優れた耐性を示す、複合材料を指す。
【００２６】
中空のセラミック、金属およびサーメットの膜およびマトリクスについて用語「多孔質」は、前記材料が細孔（空隙）を含むことを意味する。したがって、前記多孔質材料の密度は該材料の理論密度よりも低い。前記多孔質膜およびマトリクスの空隙は、連通している場合（すなわち、チャネル型）も、分断されている場合（すなわち、孤立型）もある。多孔質中空膜またはマトリクスにおいては、空隙の大部分は連通している。膜に関してここでで多孔質と考えられるためには、膜は前記材料の理論密度の最大約９５％の密度を有するべきである。多孔度は、多孔質体のバルク密度の測定値と、多孔質体の材料の理論密度とから決定することができる。多孔質体における細孔サイズおよびその分布は、当業者に周知の水銀式または非水銀式の多孔度計、ＢＥＴまたは微細構造画像解析により測定することができる。
【００２７】
本明細書において、底部、頂部、上向き、下向き等のような方向に関連する用語は、便宜的に言及するためだけに用いられ、ここに説明される装置の組立または使用に対する限定として解釈されるべきではないことを理解されるべきである。
【００２８】
図１を参照して、小口径管型固体酸化物形燃料電池１２は、互いに連続的に接触して多層膜構造を形成する同心状の３つの中空無機膜（ＨＩＭ）を含む。内側膜層は陽極１４、外側膜は陰極１６、中間膜は電解質１８である。陽極１４または陰極１６の膜は、当該技術分野において知られているとおり、単層構造であっても多層構造であってもよい。後者の場合前記多層構造は、機能的または電気化学的に活性な電極サブ層と、電極集電体サブ層（いずれも図示せず）を含む場合がある。前記集電体サブ層は電極サブ層の全面を覆っていてもよいし、帯状に形成されていてもよい。前記集電体サブ層は、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｇ、ＡｕまたはＣｕ−Ｎｉ合金、Ａｇ−Ｎｉ合金または他のいずれかの金属または電子導電体から作られる場合がある。
【００２９】
電極としての役割を果たすために、内側膜１４および外側膜１６は、多孔質で、触媒作用、電気導電性およびイオン導電性を有する材料で作られる。これは、電極１４、１６が集電し、反応物を電解質１８へ流れさせ、電気化学反応を促進し、電解質１８を透過してイオンを伝導させることを可能にする。本実施態様では、陽極１４はニッケルおよびジルコニア・サーメットで作られる。陽極１４は任意的に、２層陽極構造が設けられるように、サーメット層の表面にニッケルの薄層を有する場合がある。陰極１６はＬＳＭで作られる。電解質１８はジルコニア・セラミック材料で作られる。陽極１４の厚さは１μｍないし８００μｍであることが好ましい。陰極１６の厚さは１μｍないし２００μｍであることが好ましい。電解質１８の厚さは０．５μｍないし２５μｍであることが好ましい。燃料電池１２の全直径は１０μｍないし３０００μｍであることが好ましいが、最大１０，０００μｍである。また、上記燃料電池の長さは直径の５０倍以上である。
【００３０】
これらの特性、特に、所望の寸法を備える管型燃料電池１２を提供するために、内側陽極層１４は、電解析出法（ＥＰＤ）を用いてサーメット材料を可燃性導電性コア（図示せず。一般に「析出電極」と呼ばれる）上に析出させることにより形成される場合がある。電解質層１８は、ＥＰＤによりＹＳＺ材料を内側電極層１４上に析出させることにより形成することができる。ＥＰＤによる内側電極および電解質の好適な１つの作成方法は、本願出願人による国際出願第ＰＣＴ／ＣＡ０１／００６３４号明細書に記載されている。外側電極層１６は、浸漬コーティング法または塗布により、あるいはＥＰＤにより、電解質１８上に形成することができる。その後、導電性コアを焼失させるために焼結工程を１回または２回以上行う。
【００３１】
一部の商業的な用途では、電力密度が比較的高い、すなわち、電力電圧比の大きい燃料電池システムを提供することが望ましい。かかる高電力密度は、燃料電池１２を互いに密着させて組み立て、燃料電池積層体１０を形成することによって達成される場合がある。また、高電力密度は、単位体積当たりの活性表面積を増大させることによっても達成することが可能であり、該単位体積当たりの活性表面積は、例えば各管型燃料電池１２の直径を縮小して規定の体積内に積層できる燃料電池１２の数を増やすことによって増大できる。したがって、直径１０−１０，０００μｍ、より好ましくは１０ないし５，０００μｍの小口径管型燃料電池１２を用いることが好ましい。かかる小口径の燃料電池１２は、特にセラミックまたはいずれかのセラミック複合材で作られる場合に壊れやすく、密に充填したアレイとして組み立てる場合に損傷しやすい。つまり、セラミック構造体は脆く、急激に崩壊しやすい。肉薄で細長いセラミック構造体は特に壊れやすく、前記セラミックの破壊応力を超えた曲げ力や振動に曝されると崩壊する場合がある。したがって燃料電池１２は、固相多孔質発泡体マトリクス２０（たとえば図６に示す。）に埋設される。本明細書中で用いられる「マトリクス」は、本実施態様で用いる固相発泡体か、金属メッシュかのような、別の材料がその中に埋設される固相材料を意味する。
【００３２】
マトリクス２０は、例えば鋼または超合金ような典型的なＳＯＦＣ稼働温度に耐える、セラミックまたは別の材料から作られる。マトリクス２０は、１０００°Ｃ付近までの温度で稼働し、集電し、酸素をイオン化して酸化物イオンを生成させ、これらのイオンを電解質に伝導ことを可能にするために、ＬＳＭで作られる場合がある。マトリクス２０は、燃料電池１２間の空間を埋め、各燃料電池１２の外表面、すなわち、各燃料電池１２の陰極層１６と接する。マトリクス２０は陰極層１６と同じ材料でできており、燃料電池１２間の連続的な導電経路を形成するため、マトリクス２０は陰極１６の有効表面積を増大させる役割を果たし、これにより電子を集め酸素をイオン化させる面積が増大する。
【００３３】
ＬＳＭの代わりに、マトリクス２０は、代替的に、いずれかの適当な電子導電性または混合（電子およびイオン）導電性の多孔質固体材料で作られる場合がある。電子導電性材料（例えば金属）から作られるとき、、マトリクス２０は電子の輸送により電気を伝える。また、混合導電性材料（例えばＬＳＭまたは金属／セラミック複合材料）から作られる場合、マトリクス２０は電子およびイオンの輸送により電気を伝える。イオン導電性材料（例えばイットリア−ドープ・ジルコニア）を用いる場合、マトリクス２０はイオンの輸送により電気を伝える。前記マトリクスの適当な代替的な材料は、ドープＬａＣｒＯ３  （例えばＬａ１−ｘＳｒｘＣｒＯ３、Ｌａ１−ｘＣａｘＣｒＯ３、Ｌａ１−ｘＭｇｘＣｒＯ３、ＬａＣｒ（Ｍｇ）Ｏ３、ＬａＣａ１−ｘＣｒｙＯ３）、ステンレス鋼（例えば３１６，３１６Ｌ）、Ｎｉ−イットリア安定化ジルコニア、Ｎｉおよびドープ・ジルコニアサーメット、Ｎｉドープ・ＣｅＯ２サーメット、Ｃｕドープ・セリアサーメット、銀−（Ｂｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ）−酸化物サーメット、銀−（Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ）−酸化物サーメット、銀合金−（Ｂｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ）−酸化物サーメット、銀合金−（Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ）−酸化物サーメット等のサーメット類、銀およびその合金、インコネル鋼または超合金、フェライト鋼、ＳｉＣ、およびＭｏＳｉ２を含む。代替的には、燃料電池の外表面が陽極１４の場合には、マトリクス２０は、Ｎｉ／ＹＳＺ、Ｎｉ／３価または２価カチオンドープ酸化セリウム、サーメット、Ｎｉ、Ｃｕ、またはＣｕ／ＹＳＺ、Ｃｕ／３価または２価カチオンドープ酸化セリウムから作られる場合がある。
【００３４】
マトリクス２０全体が鋼または超合金で作られるとき、単一の電池を一括保持するための機械的な支持体を提供する役割と、集電体の役割とを果たす。マトリクス２０が触媒コーティングされた鋼または超合金で作られる場合、マトリクス２０は、機械的支持を提供し、集電し、イオン化のような化学反応を促進する役割を果たす。マトリクス２０が触媒と、イオンまたは混合導電体とでコーティングされた鋼または超合金で作られる場合、機械的支持を提供し、集電し、化学反応を促進し、イオン導電経路を提供する役割を果たす。
【００３５】
マトリクス２０は、酸化剤が、積層体１０を通って、（外側層が陽極１４であり、マトリクス２０は、燃料が陽極１４へ流れることを可能にするのに十分な多孔度を有する実施態様の場合では）各燃料電池１２の外側陰極層１６に流れることを可能にするために、（チャネル型連通細孔を有する）多孔質である。マトリクス２０の多孔度は、酸化剤の十分な通過速度と、燃料電池積層体１０用の支持構造体としての役割を果たすにに十分な機械的強度を提供するように選択される。これと関連して、マトリクス２０は、２５ないし９５％、より好ましくは約６０％の多孔度を有する。本実施態様のマトリクス２０は、発泡剤を有する発泡体スラリーを焼結することによって作られる固体発泡体である。代替的には、各燃料電池１２の周りを覆う金属ワイヤか、金属、セラミックまたはサーメットで作られた、燃料電池を埋設するウールか、「綿飴」と視覚的に似ている複数のからまった繊維を含む繊維束（図示せず。）かのような他の構造が、マトリクス２０と置換される場合がある。
【００３６】
任意的には、図２を参照して、燃料電池１２はその内面が多孔質導電性陽極マトリクス２１によって裏打ちされている場合がある。陽極マトリクス２１は陽極の触媒作用と集電とを促進する役割を果たす。陽極マトリクス２１は、下記の材料を用いて構成することができる。
（ａ）発泡金属、例えば銀、ニッケル、銅、ステンレス鋼、超合金。主な機能：集電。
（ｂ）触媒で被覆された発泡金属。主な機能：集電、化学反応促進。
（ｃ）触媒コーティングされた発泡金属およびイオン導電性または混合導電性材料。主な機能：集電、化学反応促進、イオン導電経路の提供。
（ｄ）陽極材料、例えばニッケル／ジルコニア・サーメット。ここで、サーメットは陽極層よりも大きな多孔度を有し、その多孔度は燃料ガス流路を提供するに十分な大きさである。主な機能：集電、反応促進、イオン導電経路の提供。
【００３７】
本実施態様の燃料電池１２は細長い円筒管であるが、他の断面あるいは長手方向の形状、例えばＵ字状またはコイル状の形状を有する燃料電池１２も本発明の範囲に含まれることが理解されるべきである。円形の断面形状を有する細長い管のとき、燃料電池１２は、図１および図２に示すように、両端が開いていてもよいし、図３に示すように一方の端が閉じていてもよい。両端が開いている場合、燃料は燃料電池１２の入口端２２から供給され、この管の長さ方向に沿って流れる間に電気化学反応を起こす。未反応の燃料と反応生成物とは、燃料電池１２の反対側の出口端２４から排出される。一方の端だけが開いた管の場合、ＳＯＦＣ稼働条件に耐えうるニッケル、ステンレス鋼または超合金のような金属で作られた供給管２６が陽極マトリクス２１に埋設され、供給管２６は、燃料を受け入れる入口２８と、燃料電池１２の閉じた端の底部付近に出口２９とを有する。管２６は、ガスの送達と集電との役割を果たす。燃料は供給管入口２８から導入され、供給管２６の底部に向かって下降し、出口２９から排出され、管の頂部に向けて上昇して、燃料が上昇する間に、燃料が陽極１４で電気化学反応を起こす。未反応の燃料と反応生成物とは、燃料電池１２の頂部、すなわち燃料電池１２の開いた端から排出される。代替的には、供給管２６はセラミック材料（例えばアルミナ）で作られる場合があり、前記管の外側は、ＳＯＦＣ稼働条件に耐えるように選択された電子導電性材料でコーティングされる場合がある。かかる供給管２６は、ガス送達とともに集電の役割も果たす。
【００３８】
陽極層の一端あるいは両端は、電流を流すための外部回路に電気的に接続することができる。しかし集電中のＩ２Ｒ損失を低減するために、一連の集電体タブ３０が、燃料電池１２の長さ方向に沿って分散配置される。図４および図５を参照して、これらのタブ３０は、電気経路長を短縮し、これによって損失を低減するために、燃料電池１２の長さ方向に間隔を空けて配置される。タブ３０は、ＳＯＦＣ稼働条件下での使用に適する陽極層の露出部に形成された、銀その他の不活性金属による被膜である。タブ３０は、下記の様にして作製される。陽極層１４の上に電解質層１８を析出させた後であって、電解質１８上に外側陰極層１６を設ける前に、かつ、電解質１８を焼結する前に、該電解質層１８のセクションを除去して内側陽極層１４の一部を露出させる。この電解質層の部分は、乾燥状態であれば紙やすり、綿布等を用いて除去することができ、また完全に乾燥する前に、湿らせた、または乾いた綿布、紙等で軽くこすることにより除去することができる。陽極と電解質層１４，１８とを焼結した後、陽極の露出部を銀塗料（または、他の導電性材料）でコーティングする。このときのコーティングは、タブ開口がガス透過性を保持し得るように適用される。続いて、乾燥および焼結の工程を行い、銀を陽極表面に結合させる。次に、外側陰極層１６が電解質１８に適用され、タブを取り付けた燃料電池１２が７００ないし１３００°Ｃで焼結される。
【００３９】
燃料電池１２は、他の燃料電池１２とともにマトリクス２０に埋設され、燃料電池積層体１０を形成する場合がある。図６に示す１つの任意的な実施態様では、陽極集電体ロッド３２がマトリクス２０に埋設される場合もある。集電体ロッド３２は、ＳＯＦＣ稼働条件に耐える導電性の適当な材料から作られ、適当な材料は、ステンレス鋼、超合金および銀を含む。集電体ロッド３２は陽極タブ３０に電気的に結合される。集電体ロッド３２は、タブ３０から集電された電流を外部回路（図示せず。）に伝導するために、外部回路に接続できる。タブ３０およびロッド３２は、陰極１６および該陰極１６と電気的に接続するマトリクス２０の部分とからタブ３０およびロッド３２を電気的に絶縁するために、電気絶縁体３１に被覆される。
【００４０】
図７を参照して、マトリクス２０は、各燃料電池１２の陰極１６への酸化剤／空気の伝達を促進するために役立つ、多数の酸化剤分配チャネル３３を任意的に有する場合がある。かかる分配チャネル３３は、マトリクス２０の形成過程で細長い可燃性コアを前記マトリクスの材料中に挿入し、続いて前記コアを焼失させ、マトリクス２０中に細長い空隙を残すことにより形成される場合がある。酸化剤または空気は、拡散器３５を介して分配チャネル３３に供給される場合があり、かかる拡散器３５は、マトリクス２０内の積層体の一端で横方向に伸び、酸化剤供給源に接続される入口と、酸化剤または空気をマトリクス２０内に放出するとともに酸化剤または空気を分配チャネル３３内に放出する、パーフォレーションとを有する場合がある。使用済みの酸化剤と反応生成物とは、出口３７を通じて排出される。
【００４１】
図８ないし図１０を参照して、各燃料電池１２の陽極から集電するための代替的なアプローチが例示される。この代替的な実施態様では、一連の陽極集電板３４が、各燃料電池１２の長さ方向から横断方向に伸びるように、タブ３０に取り付けられている。陽極集電板３４は、で、ＳＯＦＣ稼働条件に耐える導電性の適当な材料で作られ、適当な材料は、ステンレス鋼、超合金および銀を含む。陽極集電板３４は、各燃料電池１２を受容するための間隔を置いて配置された開口（図示せず。）と、空気／酸化剤ガスが陽極集電板３４を通って流れることができるようにするパーフォレーションとを有する。陽極集電板３４はタブ３０から電気を集電し、その電流を陽極集電板３４の外側の辺に接続された外部回路（図示せず。）に伝達する役割を果たす。陽極集電板３４はかかる特性を備えて構築され、マトリクス２０によって提供される支持を補強する燃料電池１２への構造的支持を陽極集電板３４が提供するようなやり方で、陽極集電板３４が各燃料電池１２に物理的に取り付けられる場合もある（図８および図１０）。陽極集電板３４は、各陽極集電板３４の両面を被覆する多孔質電気絶縁体層３６によりマトリクス２０から電気的に絶縁される。したがってマトリクス２０は、各燃料電池１２の陰極のみに物理的および電気的に結合されるのに対し、陽極集電板３４は各燃料電池１２の陽極にのみ物理的および電気的に結合される。
【００４２】
代替的には、図９示すとおり、横方向の板が、燃料電池１２の構造的支持の全てを提供する役割を果たす、すなわち、前記横方向の板がマトリクス２０と置換する。この場合、陰極板３５は各燃料電池１２の陰極１６に物理的および電気的に接続するように提供される。陽極陽極集電板３４と同様に陰極板３５は、ＳＯＦＣ稼働条件に耐える導電性の適当な材料から作られ、燃料電池１２を受容するために間隔を置いて配置された開口と、空気／酸化剤ガスが陰極板３５を通って伝達されるためのパーフォレーションとを有する。陰極板３５は、電流を電気化学的過程のために外部回路を通って各燃料電池１２の陰極１６に戻すために、外部回路に電気的に接続される。
【００４３】
図１１ないし２５を参照して、複数の燃料電池１２が、商業的に有用な電力レベルを発生するために、積層体１０に組み立てられる場合がある。これらの図は、特定の要求性能に特に適する積層体の構成を示す。
【００４４】
図１１を参照して、燃料電池積層体１０は、マトリクス２０に埋設された複数の燃料電池１２を含む場合がある。マトリクス２０は、導電性があり、積層体１０の各燃料電池１２の陰極１６に電気的に結合されているので、この積層体１０の中の各燃料電池１２は電気的に並列接続されている。その結果、積層体１０の有効電圧は、最大電圧を有する積層体１０中の単一の燃料電池１２の電圧に等しく、積層体１０の有効電流は、各燃料電池１２により発生する電流の加法和である。
【００４５】
別の積層体の構成が図１２に示される。ここでは、燃料電池積層体１０は、マトリクス２０に全て埋設されている、個別の燃料電池１２と、燃料電池サブ積層体４０との混成体を含む。燃料電池サブ積層体４０は、サブ積層体４０が積層体１０中の他のサブ積層体４０または燃料電池１２と電気的に直列に接続されているやり方で、積層体１０中の他の燃料電池１２から電気的に絶縁された１個または２個以上の燃料電池１２である。各サブ積層体４０は、電気絶縁体または熱および電気の絶縁体４２に収容される。絶縁体４２は、サブ積層体４０内部のマトリクス２０（サブ積層体マトリクス）がサブ積層体４０の外部のマトリクス２０（積層体マトリクス）と電気的に接続することを防止し、これによってサブ積層体４０内部の燃料電池１２が、積層体１０中の他の燃料電池１２またはサブ積層体４０と短絡することを防止する。電流は各燃料電池１２の端から集電される場合がある。
【００４６】
絶縁体４２はサブ積層体４０の周りを覆う可撓性のシートであり、該シートは燃料電池１２の長さ方向に伸び、Ａｌ２Ｏ３（稠密または多孔質）、セラミック・フェルト、または、外側の金属シェルと、内側の絶縁セラミックの裏打ちとの複合材料で作られる場合がある。代替的には、絶縁体４２は、外側のセラミック層と内側の導電性金属の裏打ちを有する剛性２層シェルの場合がある。
【００４７】
別の積層体の構成が図１３に示される。ここでは積層体４４は、図１１に示したと同様の、並列接続された状態でマトリクス２０に埋設される複数の小口径管型燃料電池１２を含む。しかしこの積層体の構成は、小口径燃料電池１２（内側燃料電池）が大口径燃料電池１３（外側燃料電池）の内部に配されている点で、図１１に示された構成と異なる。外側燃料電池１３は、内側燃料電池と同じ材料および方法（後述）、あるいは、大口径燃料電池を作るための当業者に知られた材料および方法、例えば押出成型によって作ることができる場合がある。外側燃料電池１３は、内側電極層が陰極１６であり、物理的・電気的にマトリクス２０に接続され、外側電極層が陽極１４である点で、内側燃料電池１２と異なる。容器４６は、容器内壁と外側燃料電池１３の陽極表面との間に空間が設けられ、燃料が外側燃料電池１３の陽極表面へ流れるための燃料分配チャネル４８を形成するやり方で、外側燃料電池１３を収容する。スペーサ（図示せず。）が、積層体１０を容器４６に固定するために設けられる場合がある。
【００４８】
図１４に示す燃料電池積層体５０は、多孔質マトリクスが燃料分配チャネル４８中のスペーサで置き換えられた点を除いて、図１３に示した積層体４４と同じである。
【００４９】
容器４６が図１３および１４の燃料電池積層体１０から除去される場合には、積層体１０は「入れ子式の管（ｔｕｂｅ−ｗｉｔｈｉｎ−ａ−ｔｕｂｅ）」型の燃料電池組立体に似ており、既知の燃料電池システムに用いられる大口径管型燃料電池に置き換わる場合がある。大口径燃料電池１３内に複数の小口径燃料電池１２が配置されるため、入れ子式の管型の燃料電池組立体は、従来の単管型大口径燃料電池よりも大きな電力出力を提供することが期待される。
【００５０】
図１５および１６は、別の１対の積層構成５２，５４が示される。基本的にこれらは入れ子式の管が追加された入れ子式の管型デザインであるが、ここでは小口径燃料電池１２は図１２に示すのと同じやり方で配置される。図１５に示す積層体１０はスペーサにより容器４６に取り付けられ、図１６に示す積層体１０は前記多孔質マトリクス材料により容器４６に取り付けられている。
【００５１】
図１７および１８には、別の入れ子式の管型の燃料電池組立体５６、５８を示す。入れ子式の管型の燃料電池組立体５６，５８は、複数の小口径燃料電池１２と燃料電池サブ積層体６０とが概ね図１５および１６に示したと同じやり方で配置されている。しかし本構成におけるサブ積層体６０は、下記の点で図１５および１６に示したサブ積層体４０と異なっている。すなわち、燃料電池１２を取り囲む絶縁体４２の代わりに、各サブ積層体６０は、大口径外側燃料電池１３よりも小さい直径で小口径内側燃料電池１２よりは大きい直径の中口径燃料電池１５の内側に収容されている。
【００５２】
燃料電池積層体５６，５８は、それぞれ上記積層体５２，５４と同様に容器４６の内側に配置される。代替的には、容器４６のない積層体５６，５８が、入れ子式の管型の燃料電池組立体の役割を果たして、上述したように従来の大口径管型燃料電池システムにおける他の積層体とともに組立てられる場合がある。図１９は、図１７および１８の燃料電池組立体を大型の熱容器に直列または並列に配置した積層体を示す。
【００５３】
図２０ないし２４を参照して、小口径燃料電池１２は、積層体１０の長さ方向に伸び、各内側燃料電池１２の端部が該積層体１０の端部に向けてマトリクス材料に覆われることなく開放され、外部回路に電気的に接続される場合がある。図２１および２２を参照して、マトリクス２０は、（図７にも示すように）マトリクス２０を通って各小口径燃料電池１２の電極表面への反応物の流れを促進する分配チャネル３３が設けられる場合がある。図２１は、小口径燃料電池１２と実質的に平行な長手方向の一連の分配チャネル３３を示し（図２４も参照）、図２２は、小口径燃料電池１２に対して実質的に垂直な一連の横方向分配チャネル３３を示す。後述するように、これらチャネル３３は、焼結処理により焼失した後にチャネル３３を残す可燃部材を挿入することにより、あるいは、図２３に示すように燃料電池１２の長さ方向に沿って不連続な多孔質マトリクスによって残される間隙から形成される場合がある。長手方向に伸び、燃料電池１２の中に分散配置される一連のチャネル３３の平面図が図２４に示される。
【００５４】
図２５を参照して、２５個のサブ積層体を有する六角形の燃料電池積層体６２が提供される。各サブ積層体６４は７個の単燃料電池１２を有する。例示として、各燃料電池の定格を０．７Ｖ、１．４３Ａおよび１Ｗとすると、７個のサブ積層体６４の各々は７Ｗを発電する。前記７個のサブ積層体６４中の単電池は並列に接続されるので、サブ積層体６４の電圧出力は単電池１２の電圧出力、すなわち、０．７Ｖと等しく、電流は各電池１２で発生する電流の加法和、すなわち１．４３ｘ７＝１０Ａとなる。
【００５５】
ここで、サブ積層体６４が互いに電気的に絶縁されているとすると、積層体６２は電気的接続方法を変えることによって出力を変化させることができる。この電気的接続は各電池の端部にて、公知の方法で達成される。
【００５６】
１つの実施態様として、２５個全てのサブ積層体６４を並列接続することができ、この場合、積層体の定格は下記のとおりとなる。
積層体電力      ７Ｗ  ×  ２５  サブ積層体  ＝  １７５Ｗ
積層体電圧      ０．７Ｖ
積層体電流      １０Ａ  ×  ２５サブ積層体  ＝  ２５０Ａ
【００５７】
別の実施態様として、上記積層体６２を電気的に絶縁された５個のサブグループに分割し、各グループが５個のサブ積層体を有してもよい。各グループ内の５個のサブ積層体は並列に接続され、５個のグループは直列に接続される。この場合、各サブ積層体の定格は７Ｗ、０．７Ｖおよび１０Ａとなり、各グループの定格は３５Ｗ、０．７Ｖおよび５０Ａとなり、積層体の定格は下記のとおりとなる。
積層体電力      ３５Ｗ  ×  ５  グループ＝  １７５Ｗ
積層体電圧      ０．７Ｖ  ×  ５  グループ  ＝  ３．５Ｖ
積層体電流      ５０Ａ
【００５８】
別の実施態様では、各グループの５個のサブ積層体が直列に接続され、各グループの定格は電力出力３５Ｗ、電圧３．５Ｖおよび電流１０Ａとなる。これらグループを直列にすると、積層体の定格は下記のとおりとなる。
積層体電力      ３５Ｗ  ×  ５グループ＝  １７５Ｗ
積層体電圧      ３．５Ｖ  ×  ５グループ  ＝  １７．５Ｖ
積層体電流      １０Ａ
【００５９】
また、これらグループを並列に接続すると、積層体の定格は下記のとおりとなる。
積層体電力      ３５Ｗ  ×  ５  グループ＝  １７５Ｗ
積層体電圧      ３．５Ｖ
積層体電流      １７５Ｗ  ／  ３．５Ｖ  ＝  ５０Ａ
【００６０】
図２６ないし３０は、上記の燃料電池積層体の構成の１つを取り込むさまざまな燃料電池システムのデザインを示す。一般的に前記燃料電池システムは、酸化剤と燃料との送達および排出手段と、前記燃料電池積層体と、該積層体用の熱容器と、前記積層体を外部電気回路に接続するためのリード線とを含む。
【００６１】
図２６に、単一終端型燃料電池１２の積層体１０がマトリクス２０に埋設された、シンプルな燃料電池システム７０のデザインを示す。積層体１０は、エアロゲルのような適当なセラミックか、多孔質セラミックのような他の材料か、セラミック・フェルトまたはサフィル（Ｓａｆｆｉｌ）のような他の材料かで作られたカップ型の断熱層７２の内側に収容される。積層体１０および断熱層７２は、カップ型のケース７４の内部に収容される。ケース７４の適当な材料は、アルミナ、ジルコニア、アルミナ−ジルコニア複合体、スピネル、シリカ、セラミック・エアロゲル、または、前記細孔が分断された多孔質セラミックである。ケース７４は、鋼またはアルミナで作られる外層と、セラミックで作られる内層との２層を有する場合がある。空気導入管および送出管７６，７８が、積層体１０に対する空気／酸化剤の流出入を行うための断熱層７２およびケース７４を貫通して設けられる。
【００６２】
ケース７４は、ケース７４の縁の周りに沿って外向きに伸びる環状のリップ８０を有する。リップ８０は、蓋８２とケース７４との間に流体シールが形成されるやり方で、複数の非導電性ファスナ８４を介した蓋８２の装着を可能にする。蓋８２は、断熱層７２と類似の構成の絶縁断熱層８６と、該断熱層８６に接触隣接し反応物を透過させない導電性金属層８８とを有する。金属層８８は、陽極コネクタ９０を介して各燃料電池１２の陽極に電気的に接続され、陽極リード線９１を介して外部回路に電気的に接続される。ケース７４は、陰極リード線９２を介して外部回路に電気的に接続され、また、ケース７４とマトリクス２０とに電気的に接続された陰極コネクタ９４を介して各燃料電池１２の陰極に結合される。
【００６３】
ドーム状の燃料排出チャンバ・カバー９６が、カバー９６と蓋８２との間で流体シールを形成するために、蓋８２を越えてファスナ８４によって締められる。カバー９６が、各燃料電池１２の供給管２６を受容する開口と、燃料出口９８とともに設けられる。燃料排出チャンバ９９は、カバー９６と蓋８２との内側の空間によって画定される。チャンバ９９は、各燃料電池１２の燃料出口と流体連通する。
【００６４】
稼働中は、燃料が各燃料電池供給管２６の入口２８を介してシステム７０内の各燃料電池１２に供給される。酸化剤は酸化剤供給管７６を通じてマトリクス２０に供給される。燃料および酸化剤は、各燃料電池１２の陽極および陰極でそれぞれ電気化学反応を起こす。未使用の燃料および反応生成物は燃料電池１２から燃料排出チャンバ９９へ排出され、さらに燃料電池システムから燃料出口９８を通って排出される。未反応の酸化剤および反応生成物は、排出チャネル７８を通じて排出される。上記電気化学反応の結果生じた電流は、陽極リード線９１および陰極リード線９２を介して電気回路を導通する。
【００６５】
図２７を参照して、下記の点で顕著に異なることを除いて、図２６に示したシステム７０と同様の設計である燃料電池システム１００が提供される。第一に、空気／酸化剤入口１０２はシステム１００の頂部からマトリクス２０内部に伸びる。第二に、適当な供給ガス（例えば天然ガス）を水素に改質するための燃料ガス改質装置１０４が提供される。供給燃料は、改質装置１０４に流体連通される燃料供給導入管１０６を介して改質装置１０４に分配され、燃料供給導入管１０６は、上記改質装置１０４の底部に向けて燃料を排出する複数のパーフォレーションを含む排出部を有する。改質装置１０４はカップ型の層、すなわち、断熱層７２とカップ型の金属集電層１０８とに挟まれた空間である改質改質チャンバを有する。改質チャンバの頂部は蓋８２で閉じられている。前記チャンバは触媒コーティングされた発泡体様の多孔質マトリクス構造で満たされている。改質装置１０４の頂部の縁付近には、改質された燃料を改質チャンバから燃料供給管１１４（図２７に、改質装置出口１１０に結合された状態を破線で示す。）を介して燃料供給チャンバ１１２に向けて排出する改質装置出口１１０がある。燃料供給チャンバ１１２は、ドーム形状の燃料供給チャンバ・カバー１１６と燃料排出チャンバ・カバー９６との間の空洞である。
【００６６】
陰極集電層１０８は、燃料電池積層体１０に接触隣接し、より具体的には、支持構造２０と電気的に接続されている。また、陰極集電層１０８は陰極リード線９２にも電気的に接続されている。積層体１０、陰極集電層１０８、改質装置１０４および断熱層７２は、外側ケース７４と蓋８２との内側にすべて収容される。
【００６７】
稼働中は天然ガス（または別の適当な炭化水素燃料）供給燃料が、燃料導入管１０６により前記改質チャンバの底部に分配される。燃料が前記改質チャンバ内の前記触媒コーティングされたマトリクスを通って上昇する間に、前記燃料は水素に改質され、改質装置１０４から改質装置出口１１０を通って燃料供給チャンバ１１２に放出される。次に、燃料供給チャンバ１１２内の水素燃料は、供給管２６を通じて各燃料電池１２に供給される。電気化学反応からの熱が、天然ガス供給燃料を水素に改質され、これとの関連で、集電層１０８は熱の良導体である材料で作られる。改質反応は吸熱反応なので、改質装置１０４は上記積層体１０の冷却という、別の有用な機能も果たす。前記システムの動作の残る部分は、図２６に示したシステム７０と同様である。
【００６８】
別の燃料電池システム１２０が図２８に示される。このシステム１２０は、前記改質チャンバの周りを取り巻く改質装置チャネル１２２が設けられていることを除いて、図２７に示したシステムと同様である。この形状は、改質装置の流路長を長くするため意図的に選択されたものであり、これによって改質過程の効率を高めている。改質装置チャネル１２２の上流端に流体連通された燃料供給口１２４が、図２７に示された燃料供給口１０６に置換される。改質装置チャネル１２２の下流端は、燃料供給チャンバ１２２に流体連通される。
【００６９】
図２９に示す燃料電池システム１３０は、改質装置の筐体から改質装置チャネル１２２への熱伝導を改善するために改質装置チャネル１２２がマトリクス材料１３２に埋設されることを除いて、図２８に示したシステム１２０と同一である。
【００７０】
図３０は、マトリクス２０に埋設された、両端を有する細長い燃料電池１２の積層体１０を有する別の燃料電池システム１４０のデザインを示す。積層体１０の両端は、燃料分配マニホールド１４２と燃料排出マニホールド１４４とが冠着している。マニホールド１４２、１４４は、各燃料電池１２の内部と個々のマニホールド１４２、１４４との間に流体シールが形成されるように、積層体１０内の各燃料電池１２の各端を受容する開口を有する。これは、燃料が、酸化剤流路流体的に隔離された各燃料電池１２に対して入口１４５および出口１４７を通じて出入りすることを可能になる。酸化剤は酸化剤入口１４６および出口１４８をそれぞれ介して燃料電池積層体に供給および排出される。前記積層体は円筒形の断熱層７２および外側ケース７４に囲まれている。前記断熱層と金属陰極集電層１０８との間には、渦巻型の改質装置チャネル１２２がある。
【００７１】
製造
管型燃料電池１２の製造方法と、これら燃料電池１２を多孔質マトリクス２０に埋め込む方法が以下の段落で説明される。
【００７２】
Ａ．管型燃料電池の形成
上述したとおり、内側電極および電解質をＥＰＤによって製造する小口径管型ＳＯＦＣの製造方法は、本願出願人による国際出願第ＰＣＴ／ＣＡ０１／００６３４号明細書に説明される。前記燃料電池の外側電極層は、当業者に知られている浸漬コーティング法および塗布法のうちの１つか、ＥＰＤかによって、ＬＳＭ層を電解質１８に適用することにより形成される場合がある。
【００７３】
Ｂ．燃料電池の積層体およびサブ積層体の製作
燃料電池システムとして使用するために、複数の燃料電池１２が積層体１０あるいはサブ積層体４０に組み立てられる場合がある。燃料電池１２を固定するために、燃料電池１２は、剛性が比較的高く多孔質であり、支持構造体として機能する固体発泡体マトリクス２０に埋設される。ある種の材料で作られるとき、マトリクス２０は、集電し、酸素（酸化物）イオンを電解質１８へ伝導することによって、陰極１６として機能する場合もある。
【００７４】
燃料電池を多孔質マトリクスに埋め込むための異なる方法がある。１つの方法によると、図３１および図３２を参照して、マトリクス材料のスラリーに複数の燃料電池１２を浸漬させる装置１５２が提供される。装置１５２は、焼結に耐えうるセラミック、超合金あるいはその他の材料で作られた１対の端板１５４と、可燃性の可撓性シート１５６と、前記スラリーを前記容器（図示せず。）に供給する手段とを含む。端板１５４は、各々の主面の１つの上に複数の窪み１５８を有し、複数の窪み１５８は燃料電池１２の端部を受容できる形状および寸法を有する。可撓性シート１５６は、板紙または適当なプラスチック材料で作られる場合がある。焼結（後述）を行うと、可撓性シート１５６は焼失する。代替的には、可撓性シート１５６はアルミナやジルコニアのようなセラミクスか、金属かの不燃性の器壁（図示せず。）に置換される場合がある。かかる容器は、熱処理／焼結中にスラリーを収容する役割を果たすが、燃料電池積層体１０の一体となった部品として機能する場合もある。
【００７５】
各燃料電池１２のそれぞれの端は保護マスキング・テープ（図示せず。）または適当な可燃性コーティングで封止され、前記端へのスラリーの付着を防いでいる。また、各端板１５４は各燃料電池１２の各端に締結され、各燃料電池１２を保持固定する。可撓性シート１５６は、燃料電池１２の周りを覆い、燃料電池１２の周りを完全に覆い、各端板１５４に取り付けるのに十分な大きさを有する。覆われるとき、シート１５６と端板とは、燃料電池１２を収容する円筒形容器を形成する。スラリー注入口１６０が基板の１つに設けられる。
【００７６】
前記スラリーは、マトリクス材料、水または有機溶媒、分散剤、発泡剤、有機モノマーおよび重合開始剤の懸濁液である。この場合の前記マトリクス材料はＬＳＭ（マンガン酸ランタン・ストロンチウム）であるが、ＬａＣｒＯ３（例えば、Ｌａ１−ｘＳｒｘＣｒＯ３、Ｌａ１−ｘＣａｘＣｒＯ３、Ｌａ１−ｘＭｇｘＣｒＯ３、ＬａＣｒ（Ｍｇ）Ｏ３、ＬａＣａ１−ｘＣｒｙＯ３）、ステンレス鋼（例えば３１６、３１６Ｌ）、Ｎｉ−イットリア安定化ジルコニア、Ｎｉおよびドープ・ジルコニアサーメット、Ｎｉドープ・ＣｅＯ２サーメット、Ｃｕドープ・セリアサーメット、銀−（Ｂｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ）−酸化物サーメット、銀−（Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ）−酸化物サーメット、銀合金−（Ｂｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ）−酸化物サーメット、銀合金−（Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ）−酸化物サーメットのようなサーメット、銀およびその合金、インコネル鋼またはいずれかのスーパーアロイ、フェライト鋼、ＳｉＣおよびＭｏＳｉ２のような、適切な性質を有するいずれかのセラミックおよび／または金属の粉であってもよい。また、前記有機モノマーは、メタクリル酸メチル、アクリル酸（ａｒｃｙｌａｔｅ）ブチル、アクリルアミド、その他のアクリル酸とすることができる。前記分散剤は、ポリアクリル酸を用いることができる。発泡剤としては、Ｔｅｒｇｉｔｏｎ  ＴＭＮ１０またはＴｒｉｔｏｎ  Ｘ１１４の場合がある。前記重合開始剤は、過硫化アンモニウム（ＡＰＳ）の場合がある。熱処理を行うとスラリーが発泡体を形成するが、前記細孔の多数は互いに連通して連続的な流体流路を形成している。焼結により、この発泡体は固体多孔質マトリクス２０になる。
【００７７】
発泡剤に代えて、またはこれに加え、ポリマー粉末、有機粉末、鋸屑および繊維のような可燃性添加剤を添加してもよい。前記可燃性添加剤を燃焼させるのに十分な温度で焼結を行うことにより、前記添加剤は焼失し、発泡体様の多孔質微細構造を有する固体マトリクス２０が後に残る。
【００７８】
発泡剤および可燃性添加剤の代わりに、またはこれらに加えて中空セラミック粒子を用いることによって、多孔質発泡体様微細構造が形成される場合がある。まず、市販のアルミナ・バブル（Ａｌ２Ｏ３）のような球状セラミック粒子に、スラリー浸漬、スラリー噴霧または無電解コーティング等によりマトリクス材料がコーティングされる。次にコーティングされた前記粒子が、複数の管型燃料電池が所望の積層構成で配置された容器内に配置される。前記容器は、管型燃料電池がしっかりと固定されるように、前記粒子で充填される。それから、蓋が前記容器の上に被せられ、充填された前記容器が焼結工程に供され、これにより、前記コーティングが粒前記子と結合して、前記粒子を物理的に相互に連結する。
【００７９】
前記スラリーは、前記容器がスラリーで満たされ、燃料電池１２がスラリーに浸漬されるまで、スラリー注入口１６０を通じて注射または注入される。前記スラリーは常温（または、約１２０°Ｃまでの高温）に放置し、完全に乾燥させる。
【００８０】
スラリーが乾燥した後、前記容器とその内容物は焼結される。焼結サイクルは、まず温度を常温から２００°Ｃに上昇させて１−１０時間保温し、続いて５００°Ｃに昇温して１−１０時間保温し、続いて６５０°Ｃに昇温して１−１０時間保温し、続いて９００°Ｃに昇温して１−１０時間保温し、最後に１０００−１４００°Ｃに昇温して５時間保温することを伴う。各段階の昇温速度は２０−３００°Ｃである。温度はその後、降温速度６０ないし３００°Ｃにて常温まで降下された。
【００８１】
焼結中に、可燃性可撓性シート５６は焼失し、その後に、固化した多孔質マトリクス２０中に該マトリクスがそれぞれの燃料電池の長さ方向を取り囲むように（燃料電池の両端はスラリーでコーティングされる前にマスクされているので、ここにはマトリクスが付着しない。）、燃料電池１２が埋設された燃料電池積層体１０またはサブ積層体４０が残る。その後、端板５４が外されて、積層体１０が他の部品と組み合わされて燃料電池システムを構成する準備ができるか、あるいは、サブ積層体４０が他のサブ積層体と組み合わされて積層体１０を構成する準備ができる。
【００８２】
本発明の代替的な実施態様（図示せず。）によると、前記積層体またはサブ積層体は、まず、各燃料電池をスラリーでコーティングし、次にスラリーでコーティングされた燃料電池を、各燃料電池状のスラリー被膜が隣接する燃料電池上のスラリー被膜と接触するように、プレート上に積層することによって、作製される場合がある。前記コーティングは、浸漬コーティング、噴霧、または知られた他の適当な手段により行うことができる。可燃性スペーサが積層の際に、積層体中の燃料電池間に所望の間隔を設けるために、燃料電池間に配置される場合がある。前記スペーサは、積層体の所望の幾何学的構成に応じてさまざまな形状を有する場合があり、例えば六角形のスペーサを挿入すれば、蜂の巣状構成の燃料電池積層体が形成される。そして、前記積層された電池は乾燥させられ、多孔質マトリクスに埋設された燃料電池を有するサブ積層体が形成されるように、前記焼結工程にしたがって焼結される。焼結の際に、前記可燃性スペーサは、残っている場合でも焼失する。代替的に、前記スペーサは金属のような不燃性材料から作られる場合がある。かかるスペーサは焼結後も燃料電池とともに残り、かかる場合には、前記スペーサを通って反応物が流れることができるチャネルとともに設けられる。
【００８３】
本発明の別の実施態様（図示せず。）では、積層体またはサブ積層体は、まず、各燃料電池をスラリーでコーティングし、次にスラリーでコーティングされた前記燃料電池を、各燃料電池のスラリー被膜が隣接する燃料電池上のスラリー被膜と接触するように、紙、プラスチックその他の適当な可撓性材料の可撓性シート上に積層することによって作製される場合がある。この場合も、可燃性スペーサは、燃料電池間に挿入される場合がある。次に、前記可撓性シートは折り畳むか、曲げるか、さもなくばサブ積層体の所望の形状に操作される場合があり、例えば前記シートは円筒形そのたの所望の形状にに曲げられて、積層体またはサブ積層体を形成する。次に、前記燃料電池、スラリー、およびシートは乾燥され、上述の各ステップにしたがって焼結される。前記シートは、焼結によって焼失する可燃性材料を用いて作られる場合がある。
【００８４】
本発明のさらに別の代替的な実施態様（図示せず。）では、積層体またはサブ積層体は、まずスラリーを容器に注ぎ、１本または２本以上の可燃性ロッド、その他の適当な細長い部材を前記スラリー中に浸漬することによって形成される場合がある。次に、前記スラリーとロッドは乾燥され、上述の各ステップにしたがって焼結され、前記ロッドが焼失し、焼失した前記ロッドに対応したチャネルを有する多孔質マトリクスが後に残る。次に、上記チャネルに形状と寸法とが対応した燃料電池が各チャネルに挿入される。燃料電池がチャネル内に確実に埋設されない場合は、前記燃料電池と前記チャネルとの間に追加のスラリーが注入され、追加の乾燥および焼結のステップが、スラリーを固化させ、該燃料電池を定位置に締結するために再度実施される場合がある。
【００８５】
上述のいずれのサブ積層体の製造方法は、前記スラリーがマトリクス中で固化するに十分な温度で該スラリーを乾燥および焼結し、さらにこれら可燃性の挿入物を焼失させることにより、該マトリクス中にチャネルを形成することができるように、乾燥前のスラリーに可燃性ロッド、フィラメント、繊維、トウその他の適当な細長い部材を挿入するステップを任意的に含む場合がある。これらのチャネルは上記燃料電池に対して平行、垂直、あるいはその他のいずれの方向を向いていてよい。
【００８６】
本発明のさらに別の代替的な実施態様（図示せず。）によると、積層体またはサブ積層体は、テンプレートによる加工法を用いて形成される場合がある。この技術は、まずスポンジ、カーボン・フェルト、グラファイト・フェルトのような適当なテンプレート材料に燃料電池がしっかりと固定されるように、前記燃料電池を挿入することを伴う。次に、前記テンプレート材料がスラリーに浸漬される。次に、テンプレートを含むスラリーおよび燃料電池が乾燥され、焼結される。焼結中に前記テンプレート材料は焼失し、発泡体様多孔質マトリクスが後に残る。
【００８７】
前記燃料電池が非常に壊れやすく、前記テンプレート材料へ直接挿入するに耐えない場合は、前記テンプレート材料中に金属またはプラスチックのチューブ（内径が前記燃料電池の外径と少なくとも同じもの）をまず挿入し、その後、前記燃料電池を前記チューブ内に挿入する。その後、前記チューブを前記テンプレート材料から引き抜くと、埋設された燃料電池が後に残る。代替的に、前記テンプレート材料中に可燃性チューブまたはロッドを挿入してもよい。前記テンプレートを続いてスラリーに浸漬し、乾燥し、焼結する。焼結時に前記可燃性チューブ／ロッドは焼失し、前記燃料電池をテンプレート材料に挿入可能とするチャネルが後に残る。前記燃料電池がこれらのチャネル内にしっかり保持されない場合には、スラリーを追加し、乾燥および焼結によって前記燃料電池を定位置に保持させてもよい。
【００８８】
前記テンプレートは、導電性金属フェルトのような不燃性材料であってもよい。積層体の性能を向上させるために、前記金属フェルトを、イオン導電性および／または触媒作用を有するスラリーに浸漬してもよい。この場合、結合用スラリーを前記フェルトと前記フェルト中に埋設される前記燃料電池との間に添加することができる。熱処理を行うと、前記結合用スラリーが前記燃料電池を前記金属フェルトに固定し、前記フェルトと前記燃料電池との間の導電性を改良する。前記結合用スラリーは、陰極材料またはフェルトと同じ金属でできている場合がある。また、結合用スラリーを添加する代わりに、あるいはこれに加えて、前記燃料電池を埋設したフェルトを断熱性および電気絶縁性を有する容器に収容し、前記フェルトと前記燃料電池とが適切に接触するまで前記容器を圧縮してもよい。
【００８９】
本発明のさらに他の実施態様では、各単電池に金属ワイヤを巻回することにより、小口径管型燃料の積層体を形成する。ここで、２個または３個以上の電池を１本の金属ワイヤで巻回することにより、機械的に相互連結することができる。前記金属ワイヤは燃料電池の支持構造体として機能するとともに、集電体でもある。前記金属ワイヤが触媒材料でコーティングされる場合には、前記金属ワイヤは燃料電池積層体の触媒作用を増強することができる。
【００９０】
本発明の他の実施態様では、各単電池に金属メッシュを巻回することにより、小口径管型燃料の積層体を形成する。ここで、２個または３個以上の電池を１本の金属メッシュで巻回することにより、機械的に相互連結することができる。前記金属メッシュは前記燃料電池の支持構造体として機能するとともに、集電体でもある。前記金属メッシュが触媒材料でコーティングされる場合には、前記金属メッシュが前記燃料電池積層体の触媒作用を増強することができる。
【００９１】
本発明のさらに他の実施態様では、図３３ないし４０を参照して、燃料電池１２の内側を多孔質集電体１６２で裏打ちする場合がある。特に、前記集電体は多孔質導電性内側発泡体１６２の場合がある。発泡体コア１６２は燃料電池１２の陽極表面１４に電気的に接続され、集電の機能を果たすとともに、燃料電池１２の機械的支持体となる。発泡体コア１６２の多孔度は、自身の内部に燃料を流通させ、燃料電池１２の陽極表面１４に到達させるに十分な程度に選択される。発泡体コア１６２は、電気化学反応を促進するために触媒材料でコーティングされていてもよい。図３６ないし３８を参照して、金属ワイヤ１６４の一端が燃料電池１２の外に突き出し、外部回路と接続可能となるように、金属ワイヤ１６４をコア１６２の中心部に埋設してもよい。かかる金属ワイヤ１６４は、集電の機能を果たす。あるいは図４１を参照して、電極表面において、複数の金属ワイヤ１６４を発泡体コア１６２中に埋設してもよい。また、複数の流路１６６をコア１６２中に形成し、反応物の流通を増進させてもよい。
【００９２】
また、図３９を参照して、前記集電体は内側発泡体コア１６２ではなく、各燃料電池１２の内部に挿入され、燃料電池１２の機械的支持体として機能するとともに集電も行う一連の金属シート１６８であってもよい。前記金属シートは、燃料電池１２の陽極壁の長手方向に取り付けられる。
【００９３】
また、図４０を参照して、前記集電体は内側発泡体コア１６２ではなく、長手方向（燃料電池１２と平行）に伸びる中心金属ワイヤ１７２に巻回される複数の金属フィラメント１７０であってもよく、前記フィラメントは横方向に前記中心金属ワイヤに伸びて、前記陽極内壁と接触する。かかるコアは、「ワイヤ・ブラシ」に似ている。
【００９４】
以上、本発明の好ましい実施例について例示し説明したが、本発明の範囲および趣旨を逸脱しない限りにおいてさまざまな変更を加えることが可能であることが了解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００９５】
【図１】管型固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）の模式的縦断面図。
【図２】燃料電池の内側に多孔質マトリクス・ライニングを有する管型ＳＯＦＣの模式的縦断面図。
【図３】一端が閉じた管型ＳＯＦＣの模式的縦断面図。
【図４】両端が開放され、複数の導電性陽極タブを有する管型ＳＯＦＣの模式的縦方向側面図。
【図５】複数の導電性陽極タブを有する図３の管型ＳＯＦＣの模式的縦方向側面図。
【図６】多孔質マトリクスに埋設された一対の管型ＳＯＦＣおよび陽極  集電体ロッドの模式的側断面図。
【図７】分岐酸化剤供給チャネルを有する多孔質マトリクスに埋設された一対の管型ＳＯＦＣを備えた燃料電池システムの模式的側断面図。
【図８】多孔質マトリクスに埋設され、横断陽極集電体板に取り付けられる一対の燃料電池の模式的側断面図。
【図９】横断陽極集電体板と横断陰極集電体板とに取り付けられる一対の燃料電池の模式的側断面図。
【図１０】横断陽極集電体板と横断陰極集電体板とに取り付けられ、多孔質マトリクスに埋設される一対の燃料電池の模式的側断面図。
【図１１】マトリクスに埋設された複数の管型燃料電池から成る燃料電池積層体の模式的端面図。
【図１２】マトリクスに埋設された複数の燃料電池および燃料電池のサブ積層体から成る燃料電池積層体の模式的端面図。
【図１３】発泡体様多孔質マトリクスに埋設され、外側燃料電池の内側に設けられた複数の内側管型燃料電池から成る燃料電池積層体の一構成例を示す模式的端面図。
【図１４】発泡体様多孔質マトリクスに埋設され、外側燃料電池の内側に設けられた複数の内側管型燃料電池から成る燃料電池積層体の他の構成例を示す模式的端面図。
【図１５】発泡体様多孔質マトリクスに埋設され、外側燃料電池の内側に設けられた複数の燃料電池サブ積層体と内側燃料電池とから成る燃料電池積層体の一構成例を示す模式的端面図。
【図１６】発泡体様多孔質マトリクスに埋設され、外側燃料電池の内側に設けられた複数の燃料電池サブ積層体と内側燃料電池とから成る燃料電池積層体の他の構成例を示す模式的端面図。
【図１７】発泡体様多孔質マトリクスに埋設され、大口径外側管型燃料電池の内側に設けられた複数の小口径燃料電池と中口径燃料電池とからなる燃料電池積層体の一構成例を示す模式的端面図。
【図１８】発泡体様多孔質マトリクスに埋設され、大口径外側管型燃料電池の内側に設けられた複数の小口径燃料電池と中口径燃料電池とからなる燃料電池積層体の他の構成例を示す模式的端面図。
【図１９】図１７の燃料電池積層体の複数から成る燃料電池システムの模式的端面図。
【図２０】多孔質発泡体様マトリクスに埋設された複数の内側管型燃料電池から成る燃料電池積層体の模式的縦断面図。
【図２１】マトリクス中に複数の縦方向流体流路を備える図２０の燃料電池積層体の模式的縦断面図。
【図２２】マトリクス中に複数の横方向流体流路を備える図２０の燃料電池積層体の模式的縦断面図。
【図２３】不連続多孔質発泡体様マトリクス中に埋設された複数の管型燃料電池を備える燃料電池積層体の模式的縦断面図。
【図２４】多孔質発泡体様マトリクスに埋設された複数の管型燃料電池と、該マトリクス中の複数の縦方向流体流路とを備える燃料電池積層体の模式的端面図。
【図２５】複数の管型燃料電池を各々の内部に有する複数の六角形のサブ積層体を備える燃料電池積層体の模式的端面図。
【図２６】各々一端部が閉鎖された管型ＳＯＦＣの積層体と、システム底部に酸化剤導入チャネルを備える燃料電池システムの模式的横断面図。
【図２７】各々一端部が閉鎖された管型ＳＯＦＣの積層体と、該積層体を囲繞する燃料ガス改質装置とを備える燃料電池システムの模式的横断面図。
【図２８】各々一端部が閉鎖された管型ＳＯＦＣの積層体と、該積層体を巻回する燃料ガス改質装置とを備える燃料電池システムの模式的横断面図。
【図２９】熱伝導性マトリクス構造体中に埋設された改質チューブを備える  図３０のシステムの模式的横断面図。
【図３０】各々両端部が開放された管型ＳＯＦＣの積層体と、該積層体を巻回する燃料ガス改質チューブとを備える燃料電池システムの模式的横断面図。
【図３１】燃料電池群をマトリクスに埋め込む装置の上面図である。
【図３２】燃料電池群をマトリクスに埋め込む装置の側面図である。
【図３３】多孔質発泡体様内側コアを備える燃料電池の模式的縦断面図。
【図３４】図３３の内側コアの模式的端面図。
【図３５】反応物流路が分散配置された図３４の内側コアの模式的断面図。
【図３６】内側コアに埋設された導電性ワイヤをさらに備える図３３の燃料電池の模式的側面図。
【図３７】図３６の内側コアの模式的断面図。
【図３８】反応物流路が分散配置された図３７の内側コアの模式的断面図。
【図３９】電極内表面に物理的および電気的に接続し、縦方向に延在する一群の板を備える内側コアの模式的端面図。
【図４０】中心導体ロッドと、該ロッドに巻回される複数のフィラメントとを備え、電極内表面に物理的および電気的に接続する内側コアの模式的縦方向図。
【図４１】複数の導電性ワイヤが埋設された図３４の内側コアの模式的端面図。
【符号の説明】
【００９６】
１０、４４、５２、５４、５８、６２    積層体
１２、７０、１００、１２０、１３０、１４０    燃料電池
１３    外側燃料電池
１４    陽極
１５    中口径燃料電池
１６    陰極
１８    電解質
２０    マトリクス
２１    陽極マトリクス
２２    入口端    
２４    出口端
２６    供給管
２８、１４５、１４６    入口
２９、３７、１４７、１４８    出口
３０    集電体タブ
３１    電気絶縁体
３２    ロッド
３３    分配チャネル
３４    陽極集電板
３５    拡散器
４０、６０、６４    サブ積層体
４２    絶縁体
４６    容器
４８    燃料分配チャネル
５０    燃料電池積層体
５６    可燃性可撓性シート
７２    断熱層
７４    ケース
７６    空気導入管
７８    排出管
８０    リップ
８２    蓋
８４    ファスナ
８６    断熱絶縁体
８８    金属層
９０    陽極コネクタ
９１    陽極リード
９２    陰極リード
９４    陰極コネクタ
９６    カバー
９８    燃料排出口
９９    燃料排出チャンバ
１０２    空気／酸化剤入口
１０４    改質装置
１０６    燃料供給導入管
１０８    金属集電層
１１０    改質装置出口
１１２    燃料供給チャンバ
１１４    燃料供給管
１１６    燃料供給チャンバ・カバー
１２２    改質装置チャネル
１２４    燃料供給入口
１３２    マトリクス材料
１４２    燃料分配マニホールド
１４４    燃料排出マニホールド
１５２    装置
１５４    プレート
１５６    可撓性シート
１５８    凹部
１６０    スラリー注入口
１６２    発泡体コア／コア
１６６    流路
2005531107.tif 000004
【図３】
2005531107.tif 000005
【図４】
2005531107.tif 000006
【図５】
2005531107.tif 000007
【図６】
2005531107.tif 000008
【図７】
2005531107.tif 000009
【図８】
2005531107.tif 000010
【図９】
2005531107.tif 000011
【図１０】
2005531107.tif 000012
【図１１】
2005531107.tif 000013
【図１２】
2005531107.tif 000014
【図１３】
2005531107.tif 000015
【図１４】
2005531107.tif 000016
2005531107.tif 000017
【図１７】
2005531107.tif 000018
【図１９】
2005531107.tif 000019
【図２０】
2005531107.tif 000020
【図２１】
2005531107.tif 000021
【図２２】
2005531107.tif 000022
【図２３】
2005531107.tif 000023
【図２４】
2005531107.tif 000024
【図２５】
2005531107.tif 000025
【図２６】
2005531107.tif 000026
【図２７】
2005531107.tif 000027
【図２８】
2005531107.tif 000028
【図２９】
2005531107.tif 000029
【図３０】
2005531107.tif 000030
【図３１】
2005531107.tif 000031
【図３２】
2005531107.tif 000032
【図３３】
2005531107.tif 000033
【図３４】
2005531107.tif 000034
【図３５】
2005531107.tif 000035
【図３６】
2005531107.tif 000036
【図３７】
2005531107.tif 000037
【図３８】
2005531107.tif 000038
【図３９】
2005531107.tif 000039
【図４０】
2005531107.tif 000040
【図４１】
2005531107.tif 000041
【国際調査報告】
2005531107.tif 000042
2005531107.tif 000043
2005531107.tif 000044
2005531107.tif 000045
2005531107.tif 000046
2005531107.tif 000047
2005531107.tif 000048