(57)【要約】【課題】外周面が多数の平面からなる多角管型支持体を採用することにより、ガスシールが不要であるうえ、優れた性能を有する固体酸化物燃料電池、および固体酸化物燃料電池 バンドルの提供。【解決手段】外周面が多数の平面からなる多角管型支持体と、前記多数の平面のうちいずれか一平面に形成された外部連結材と、前記一平面を除いた２つ以上の他の平面にそれぞれ形成された多数の単位電池と、前記多数の単位電池と前記外部連結材とを直列に連結する内部連結材とを含んでなる多数の燃料電池を含み、一つの燃料電池の前記外部連結材が他の燃料電池の前記単位電池と結合することにより、前記多数の燃料電池がそれぞれ直列に連結される。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外周面が多数の平面からなる多角管型支持体と、
前記多数の平面のうちいずれか一平面に形成された外部連結材と、
前記一平面を除いた２つ以上の他の平面にそれぞれ形成された多数の単位電池と、
前記多数の単位電池と前記外部連結材とを直列に連結する内部連結材とを含んでなることを特徴とする、固体酸化物燃料電池。
【請求項２】
前記多数の単位電池は、
前記管型支持体の角を除いた前記２つ以上の他の平面から第１電極、電解質、第２電極の順に形成され、
前記内部連結材は、
前記単位電池の他端と前記外部連結材の一端に隣接している一角を除いた前記管型支持体の角の両側に形成された前記第１電極の一端と前記第２電極の他端、または前記第１電極の一端と前記外部連結材の他端を互いに連結することを特徴とする、請求項１に記載の固体酸化物燃料電池。
【請求項３】
前記電解質は、前記第１電極の他側面を覆うように他端が前記管型支持体の方向に延長され、
前記第２電極は、延長された前記電解質の他端を覆うように他端が前記管型支持体の方向に延長されることを特徴とする、請求項２に記載の固体酸化物燃料電池。
【請求項４】
前記第２電極は、一端が内部連結材から離隔されるように形成されたことを特徴とする、請求項２に記載の固体酸化物燃料電池。
【請求項５】
前記第１電極は燃料極であり、前記第２電極は空気極であることを特徴とする、請求項２に記載の固体酸化物燃料電池。
【請求項６】
前記第１電極は空気極であり、前記第２電極は燃料極であることを特徴とする、請求項２に記載の固体酸化物燃料電池。
【請求項７】
前記管型支持体は、多孔性および絶縁性を有する物質で形成されたことを特徴とする、 請求項１に記載の固体酸化物燃料電池。
【請求項８】
前記管型支持体はアルミナ系セラミック材料で形成されたことを特徴とする、請求項１に記載の固体酸化物燃料電池。
【請求項９】
外周面が多数の平面からなる多角管型支持体と、
前記多数の平面のうちいずれか一平面に形成された外部連結材と、
前記一平面を除いた２つ以上の他の平面にそれぞれ形成された多数の単位電池と、
前記多数の単位電池と前記外部連結材とを直列に連結する内部連結材とを含んでなる多数の燃料電池を含み、
一つの燃料電池の前記外部連結材が他の燃料電池の前記単位電池と結合することにより、前記多数の燃料電池がそれぞれ直列に連結されることを特徴とする、固体酸化物燃料電池バンドル。
【請求項１０】
前記多数の単位電池は、
前記管型支持体の角を除いた前記２つ以上の他の平面から第１電極、電解質、第２電極の順に形成され、
前記内部連結材は、
前記単位電池の他端と前記外部連結材の一端に隣接している一角を除いた前記管型支持体の角の両側に形成された前記第１電極の一端と前記第２電極の他端、または前記第１電極の一端と前記外部連結材の他端を互いに連結することを特徴とする、請求項９に記載の 固体酸化物燃料電池バンドル。
【請求項１１】
前記電解質は、前記第１電極の他側面を覆うように他端が前記管型支持体の方向に延長され、
前記第２電極は、延長された前記電解質の他端を覆うように他端が前記管型支持体の方向に延長されることを特徴とする、請求項１０に記載の固体酸化物燃料電池バンドル。
【請求項１２】
前記第２電極は、一端が内部連結材から離隔されるように形成されたことを特徴とする、請求項１０に記載の固体酸化物燃料電池バンドル。
【請求項１３】
前記第１電極は燃料極であり、前記第２電極は空気極であることを特徴とする、請求項１０に記載の固体酸化物燃料電池バンドル。
【請求項１４】
前記第１電極は空気極であり、前記第２電極は燃料極であることを特徴とする、請求項１０に記載の固体酸化物燃料電池バンドル。
【請求項１５】
前記管型支持体は外周面が６つの平面からなる六角管型支持体であり、
前記多数の単位電池は５つの他の平面にそれぞれ形成され、
前記多数の燃料電池は、
前記一角の反時計方向に外部連結材が形成された多数の第１燃料電池、および前記一角の時計方向に外部連結材が形成された多数の第２燃料電池を含み、
前記一つの第１燃料電池の外部連結材と前記一つの第２燃料電池の一角の反時計方向に形成された単位電池との結合、および前記一つの第２燃料電池の外部連結材と前記他の第１燃料電池の一角の時計方向に形成された単位電池との結合が連続して２段に積層されることを特徴とする、請求項１０に記載の固体酸化物燃料電池バンドル。
【請求項１６】
前記管型支持体は外周面が３つの平面からなる三角管型支持体であり、
前記多数の単位電池は２つの他の平面にそれぞれ形成され、
前記多数の燃料電池は、
前記一角の反時計方向に外部連結材が形成された多数の第１燃料電池、および前記一角の時計方向に外部連結材が形成された多数の第２燃料電池を含み、
前記一つの第１燃料電池の外部連結材と前記一つの第２燃料電池の一角の反時計方向に形成された単位電池との結合、および前記一つの第２燃料電池の外部連結材と前記他の第１燃料電池の一角の時計方向に形成された単位電池との結合が連続して１段に積層されることを特徴とする、請求項１０に記載の固体酸化物燃料電池バンドル。
【請求項１７】
前記管型支持体は外周面が６つ以上の偶数であるＮ個の平面からなり、
前記外部連結材は前記Ｎ個の平面のうちいずれか一平面に形成され、
前記単位電池は前記一平面から一方向に連続した（Ｎ＋２）／２個の他の平面にそれぞれ（Ｎ＋２）／２個形成され、
前記内部連結材は前記単位電池と前記外部連結材とを直列に連結し、
前記管型支持体、前記外部連結材および前記内部連結材を含む前記燃料電池はＮ個であり、
前記Ｎ個の燃料電池で取り囲まれた管型空洞が形成されるように、一つの燃料電池の前記外部連結材と他の燃料電池の一平面から一方向へ（Ｎ＋２）／２番目の他の平面に形成された前記単位電池との結合がＮ−１回連続することにより、前記Ｎ個の燃料電池がそれぞれ直列に連結されることを特徴とする、請求項９に記載の固体酸化物燃料電池バンドル。
【請求項１８】
前記（Ｎ＋２）／２個の単位電池は、
前記管型支持体の角を除いた前記（Ｎ＋２）／２個の他の平面から第１電極、電解質、第２電極の順に形成され、
前記内部連結材は、
前記単位電池の形成された前記（Ｎ＋２）／２個の他の平面間の角の両側に形成された前記第１電極の一端と、前記第２電極の他端とを連結し、前記一平面と前記一平面の一方向に隣接している前記他の平面間の角の両側に形成された前記第１電極の一端と、前記外部連結材の他端とを連結することを特徴とする、請求項１７に記載の固体酸化物燃料電池バンドル。
【請求項１９】
前記一つの燃料電池の前記外部連結材と前記他の燃料電池の前記単位電池とは、金属フォーム、金属フェルトまたは金属ペーストを用いて結合することを特徴とする、請求項９に記載の固体酸化物燃料電池バンドル。
【請求項２０】
前記管型支持体の角を成す前記平面間の角度は同一であることを特徴とする、請求項１０に記載の固体酸化物燃料電池バンドル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物燃料電池および固体酸化物燃料電池バンドルに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池とは、燃料（水素、ＬＮＧ、ＬＰＧなど）と空気の化学エネルギーを電気化学的反応によって電気および熱に直接変換させる装置である。燃料電池は、燃料燃焼過程、蒸気発生過程、タービン駆動過程および発電機駆動過程を取る既存の発電技術とは異なり、燃焼過程および駆動装置がないので、効率が高いうえ、環境問題を誘発しない新しい概念の発電技術である。このような燃料電池は、例えばＳＯｘやＮＯｘなどの大気汚染物質を殆ど排出せず、二酸化炭素の発生も少なくて無公害発電であり、低騒音、無振動などの利点もある。
【０００３】
燃料電池は、リン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ）、アルカリ型燃料電池（ＡＦＣ）、高分子電解質型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）、直接メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）などの多様な種類がある。これらの中でも、固体酸化物燃料電池(solid oxide fuel cell、ＳＯＦＣ）は、活性化分極に基づいた過電圧が低く、非可逆的損失が少ないので発電効率が高い。さらに、固体酸化物燃料電池は、水素だけでなく、炭素または炭化水素系を燃料として使用することができるため、燃料の選択幅が広く、電極における反応速度が高くて電極触媒として高い貴金属を必要としない。その上、発電に付随して排出される熱は、温度が非常に高くて利用価値が高い。固体酸化物燃料電池から発生した熱は、燃料の改質に利用されるうえ、熱併合発電において産業用または冷房用エネルギー源として利用することができる。よって、固体酸化物燃料電池は、向後の水素経済社会への進入のために必須的な発電技術である。
【０００４】
固体酸化物燃料電池（solid oxide fuel cell；ＳＯＦＣ）の基本的な動作原理を考察すると、固体酸化物燃料電池は、基本的に、水素およびＣＯの酸化反応により発電する装置であり、燃料極および空気極では下記反応式１の電極反応が行われる。
＜反応式１＞
燃料極：Ｈ２＋Ｏ２−→Ｈ２Ｏ＋２ｅ−
ＣＯ＋Ｏ２−→ＣＯ２＋２ｅ−
空気極：Ｏ２＋４ｅ−→２Ｏ２−
全反応：Ｈ２＋ＣＯ＋Ｏ２→Ｈ２Ｏ＋ＣＯ２
【０００５】
すなわち、前者は、外部回路を介して空気極に到達し、同時に空気極から発生した酸素イオンが電解質を介して燃料極へ伝達されるため、燃料極では水素またはＣＯが酸素イオンと結合して電子および水またはＣＯ２を生成する。
【０００６】
図１Ａおよび図１Ｂは従来の固体酸化物燃料電池を示す斜視図である。
図１Ａおよび図１Ｂに示すように、固体酸化物燃料電池は、平板型固体酸化物燃料電池１０と管型固体酸化物燃料電池２０に分類されている。
平板型固体酸化物燃料電池１０は、セパレータ１１、単位電池１３およびセパレータ１１の順に積層されてなる。平板型固体酸化物燃料電池１０は、管型固体酸化物燃料電池２０に比べて高い性能および電力密度を有し、製造工程が非常に簡単である。平板型固体酸化物燃料電池１０は、特に、テープキャスティング(tape casting)、ドクターブレード(doctor blade)、スクリーン印刷(screen printing)などによって平面上に電極および電解質を製造するので、製造コストが低いという利点がある。
【０００７】
ところが、平板型固定酸化物燃料電池１０は、反応ガスの供給と排出のために、大きい外部マニホールド(manifold)を必要とする。このような構造は、厳しいガスシールを要求する。よって、セパレータ１１と単位電池１３との間にはガスシールのためのシーリング部材１５を配置しなければならない。しかし、シーリング部材１５は、高温で耐久性が安定的ではないため、クラック(crack)が発生するという問題点がある。また、ガスシールのために、機械的圧縮密封やセメント密封、ガラス密封、ガラスとセラミックの複合密封技術などが開発されているが、依然として多くの問題点がある。機械的圧縮密封の場合はセラミック構成要素に不均一な応力分布をもたらして亀裂を発生させ、セメントとガラス密封の場合は高温で電池材料と反応して燃料電池に悪影響を及ぼす。
【０００８】
管型固体酸化物燃料電池２０は、空気極支持体２１の外部に電解質２３、燃料極２５の順に積層され、他の単位電池との連結のための連結材２７が空気極支持体２１の上部に形成される。管型固体酸化物燃料電池２０は、平板型固体酸化物燃料電池１０とは異なり別途のガスシールが不要なので、長期耐久性が良く、熱衝撃に安定的である。
【０００９】
しかし、管型固体酸化物燃料電池２０は、単位電池を連結してバンドル(bundle)を形成する際に多くの体積を占めるため、相対的に低い性能と電力密度を持つ。また、空気極支持体２１の外周面が曲面なので、平板型固体酸化物燃料電池１０に比べて均一な電極および電解質のコーティングが難しいという問題点がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
そこで、本発明は、上述した問題点を解決するためのもので、その目的とするところは、外周面が多数の平面からなる多角管型支持体を採用することにより、ガスシールが不要であるうえ、優れた性能を有する固体酸化物燃料電池を提供することにある。
本発明の他の目的は、前記固体酸化物燃料電池を用いてバンドルを形成することにより、最適の電力密度を有する固体酸化物燃料電池バンドルを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明のある観点によれば、外周面が多数の平面からなる多角管型支持体、前記多数の平面のうちいずれか一平面に形成された外部連結材、前記一平面を除いた２つ以上の他の平面にそれぞれ形成された多数の単位電池、および前記多数の単位電池と前記外部連結材とを直列に連結する内部連結材を含んでなる、固体酸化物燃料電池を提供する。
【００１２】
ここで、前記多数の単位電池は、前記管型支持体の角を除いた前記２つ以上の他の平面から第１電極、電解質、第２電極の順に形成され、前記内部連結材は、前記単位電池の他端と前記外部連結材の一端に隣接している一角を除いた前記管型支持体の角の両側に形成された前記第１電極の一端と前記第２電極の他端、または前記第１電極の一端と前記外部連結材の他端を互いに連結することを特徴とする。
【００１３】
また、前記電解質は、前記第１電極の他側面を覆うように、他端が前記管型支持体の方向に延長され、前記第２電極は、延長された前記電解質の他端を覆うように、他端が前記管型支持体の方向に延長されることを特徴とする。
また、前記第２電極は、一端が内部連結材から離隔されるように形成されたことを特徴とする。
また、前記第１電極は燃料極であり、前記第２電極は空気極であることを特徴とする。
また、前記第１電極は空気極であり、前記第２電極は燃料極であることを特徴とする。
また、前記管型支持体は、多孔性および絶縁性を有する物質で形成されたことを特徴とする。
また、前記管型支持体は、アルミナ系セラミック材料で形成されたことを特徴とする。
【００１４】
本発明の他の観点によれば、外周面が多数の平面からなる多角管型支持体、前記多数の平面のうちいずれか一平面に形成された外部連結材、前記一平面を除いた２つ以上の他の平面にそれぞれ形成された多数の単位電池、および前記多数の単位電池と前記外部連結材とを直列に連結する内部連結材を含んでなる多数の燃料電池を含み、一つの燃料電池の前記外部連結材が他の燃料電池の前記単位電池と結合することにより、前記多数の燃料電池がそれぞれ直列に連結されることを特徴とする、固体酸化物燃料電池バンドルを提供する。
【００１５】
ここで、前記多数の単位電池は、前記管型支持体の角を除いた前記２つ以上の他の平面から第１電極、電解質、第２電極の順に形成され、前記内部連結材は、前記単位電池の他端と前記外部連結材の一端に隣接している一角を除いた前記管型支持体の角の両側に形成された前記第１電極の一端と前記第２電極の他端、または前記第１電極の一端と前記外部連結材の他端を互いに連結することを特徴とする。
【００１６】
また、前記電解質は、前記第１電極の他側面を覆うように、他端が前記管型支持体の方向に延長され、前記第２電極は、延長された前記電解質の他端を覆うように、他端が前記管型支持体の方向に延長されることを特徴とする。
また、前記第２電極は、一端が内部連結材から離隔されるように形成されたことを特徴とする。
また、前記第１電極は燃料極であり、前記第２電極は空気極であることを特徴とする。
また、前記第１電極は空気極であり、前記第２電極は燃料極であることを特徴とする。
【００１７】
また、前記管型支持体は外周面が６つの平面からなる六角管型支持体であり、前記多数の単位電池は５つの他の平面にそれぞれ形成され、前記多数の燃料電池は、前記一角の反時計方向に外部連結材が形成された多数の第１燃料電池、および前記一角の時計方向に外部連結材が形成された多数の第２燃料電池を含み、前記一つの第１燃料電池の外部連結材と前記一つの第２燃料電池の一角の反時計方向に形成された単位電池との結合、および前記一つの第２燃料電池の外部連結材と前記他の第１燃料電池の一角の時計方向に形成された単位電池との結合が連続して２段に積層されることを特徴とする。
【００１８】
また、前記管型支持体は外周面が３つの平面からなる三角管型支持体であり、前記多数の単位電池は２つの他の平面にそれぞれ形成され、前記多数の燃料電池は、前記一角の反時計方向に外部連結材が形成された多数の第１燃料電池、および前記一角の時計方向に外部連結材が形成された多数の第２燃料電池を含み、前記一つの第１燃料電池の外部連結材と前記一つの第２燃料電池の一角の反時計方向に形成された単位電池との結合、および前記一つの第２燃料電池の外部連結材と前記他の第１燃料電池の一角の時計方向に形成された単位電池との結合が連続して１段に積層されることを特徴とする。
【００１９】
また、前記管型支持体は外周面が６つ以上の偶数であるＮ個の平面からなり、前記外部連結材は前記Ｎ個の平面のうち一平面に形成され、前記単位電池は前記一平面から一方向に連続した（Ｎ＋２）／２個の他の平面にそれぞれ（Ｎ＋２）／２個形成され、前記内部連結材は前記単位電池と前記外部連結材とを直列に連結し、前記燃料電池はＮ個であり、前記Ｎ個の燃料電池で取り囲まれた管型空洞が形成されるように、一つの燃料電池の前記外部連結材と他の燃料電池の一平面から一方向へ（Ｎ＋２）／２番目の他の平面に形成された前記単位電池との結合がＮ−１回連続することにより、前記Ｎ個の燃料電池がそれぞれ直列に連結されることを特徴とする。
【００２０】
また、前記（Ｎ＋２）／２個の単位電池は、前記管型支持体の角を除いた前記（Ｎ＋２）／２個の他の平面から第１電極、電解質、第２電極の順に形成され、前記内部連結材は、前記単位電池が形成された前記（Ｎ＋２）／２個の他の平面間の角の両側に形成された前記第１電極の一端と前記第２電極の他端とを連結し、前記一平面と前記一平面の一方向に隣接している前記他の平面間の角の両側に形成された前記第１電極の一端と前記外部連結材の他端とを連結することを特徴とする。
【００２１】
また、前記一つの燃料電池の前記外部連結材と前記他の燃料電池の前記単位電池は、金属フォーム、金属フェルトまたは金属ペーストを用いて結合することを特徴とする。
また、前記管型支持体の角を成す前記平面間の角度は同一であることを特徴とする。
【００２２】
本発明の特徴および利点らは、添付図面に基づいた次の詳細な説明からさらに明白になるであろう。
これに先立ち、本明細書および請求の範囲に使用された用語または単語は、通常的且つ辞典的な意味で解釈されてはならず、発明者が自分の発明を最善の方法で説明するために用語の概念を適切に定義することができるという原則に基づき、本発明の技術的思想に符合する意味と概念で解釈されなければならない。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、一つの燃料電池内に形成された多数の単位電池を直列に連結し、多数の燃料電池を直列に連結してバンドル(bundle)を形成することにより、優れた性能および高い単位体積当りの電力密度を持つことができ、集電の際に高い電圧を維持して電気抵抗による電力損失量を減少させることができるという効果がある。
また、本発明によれば、曲面ではなく平面に電極および電解質を形成するため、製造工程が簡単で製造コストが低くなり、基本的に管型支持体を使用するため、ガスシールが不要であって長期耐久性に優れるうえ、熱衝撃にも強いという利点がある。
【００２４】
また、本発明によれば、管型支持体の外周面を多様な形状に製作することができ、これにより最適の単位体積当りの電力密度を有するバンドルを製作することができるという効果がある。
また、本発明によれば、管型支持体をアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）系セラミック材料で製作し、従来の管型支持体に比べて価格競争力を強化することができるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１Ａ−１Ｂ】従来の固体酸化物燃料電池を示す斜視図である。
【図２−５】本発明の好適な第１実施例に係る固体酸化物燃料電池を示す斜視図である。
【図６】図３に示した固体酸化物燃料電池の要部拡大図である。
【図７−８】本発明の好適な第１実施例に係る固体酸化物燃料電池バンドルの斜視図である。
【図９−１０】本発明の好適な第２実施例に係る固体酸化物燃料電池の斜視図である。
【図１１】図１０に示した固体酸化物燃料電池の要部拡大図である。
【図１２−１３】本発明の好適な第２実施例に係る固体酸化物燃料電池バンドルの斜視図である。
【図１４−１５】本発明の好適な第３実施例に係る固体酸化物燃料電池バンドルの斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本発明の目的、特定の利点および新規の特徴は添付図面に連関する以下の詳細な説明と好適な実施例からさらに明白になるであろう。本発明において、各図面の構成要素に参照番号を付加するにおいて、同一の構成要素については、他の図面上に表示されても、出来る限り同一の番号を付することに留意すべきであろう。また、図面上に表示されたＯ２およびＨ２は燃料電池の作動過程を詳細に説明するための例示に過ぎず、燃料極および空気極に供給される気体の種類を制限するものではない。また、「一端」、「他端」、「他側面」、「一角」、「第１」、「第２」、「外部」などの用語は、一つの構成要素を他の構成要素から区別するために使用されるものである。これらの用語によって構成要素が制限されるのではない。そして、本発明を説明するにおいて、関連した公知の技術に対する具体的な説明が本発明の要旨を無駄に乱すおそれがあると判断される場合、その詳細な説明は省略する。
【００２７】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施例について詳細に説明する。
図２〜図５は本発明の好適な第１実施例に係る固体酸化物燃料電池の斜視図、図６は図３に示した固体酸化物燃料電池の要部拡大図である。
【００２８】
図２〜図６に示すように、本実施例に係る固体酸化物燃料電池１００、２００は、外周面が多数の平面からなる多角管型支持体１１０、多数の平面のうちいずれか一平面１１７に形成された外部連結材１４０、一平面１１７を除いた２つ以上の他の平面にそれぞれ形成された多数の単位電池１２０、および多数の単位電池１２０と外部連結材１４０とを直列に連結する内部連結材１３０とを含んで構成される。
【００２９】
本実施例に係る固体酸化物燃料電池は多様な形態で製作することができる。図２および図３は六角管型支持体１１０を用いた固体酸化物燃料電池１００であり、図４および図５は三角管型支持体１１０を用いた固体酸化物燃料電池２００である。この他にも、四角管型支持体を用いた固体酸化物燃料電池、五角管型支持体を用いた固体酸化物燃料電池などを製作することができる。
【００３０】
管型支持体１１０の外周面は、３つ、４つ、５つおよび６つの平面から構成できる。但し、これは例示的なものであり、前述した平面の数（Ｎ）には３つ以上から無限大未満まで（３≦Ｎ＜∞）の全ての自然数が含まれ得る。また、前述した平面の数Ｎは固体酸化物燃料電池の内部に直列連結された単位電池１２０の数を決定することができる。よって、必要な電圧の大きさを考慮して平面の数Ｎを決定する。そして、多数の平面が互いに接する角には内部連結材１３０が備えられるが、内部連結材１３０のクラック発生を防止するために、角をラウンド処理することが好ましい。
【００３１】
一方、管型支持体１１０の内部には、気体（燃料または空気）が供給されなければならない。よって、気体供給手段であるマニホールドとの結合信頼性を高め且つ結合部からの気体流出を防止するために、管型支持体１１０は内周面１１９が曲面からなる円筒状であることが好ましい。また、管型支持体１１０は、供給された気体（燃料または空気）を第１電極（燃料極または空気極）に伝達しなければならないので、多孔性物質で形成することが好ましい。
【００３２】
また、多数の平面上には多数の単位電池１２０が直列連結されるので、それぞれの単位電池１２０が互いに短絡されることを防止するために、管型支持体１１０は絶縁性物質で形成することが好ましい。したがって、管型支持体１１０は、通常使用されるイットリア安定化ジルコニア（Yttria-stabilized zirconia；ＹＳＺ）を含むセラミック材料を用いて成形することができ、さらに好ましくは、相対的に低廉なアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）系セラミック材料を用いて成形することにより、価格競争力を確保することができる。
【００３３】
本実施例では、第１電極を燃料極１２１と定義し、第２電極を空気極１２５と定義し、これを基準として単位電池１２０について詳細に説明する。
単位電池１２０は、電気エネルギーを生産する基本的な単位であって、燃料極１２１、電解質１２３および空気極１２５から構成される。前述したように、管型支持体１１０は、外周面が多数の平面からなるので、これを用いて多数の平面上に多数の単位電池１２０を形成する。よって、本発明に係る固体酸化物燃料電池は、従来の技術とは異なり、支持体の外周面に単位電池１２０を一体に形成させず、外部連結材１４０の形成される一平面１１７を除いた２つ以上の他の平面に独立の単位電池１２０を形成させる。この際、単位電池２００は、一平面１１７を除いた全ての他の平面に形成されることが高電圧を得ることができて好ましいが、燃料電池を用いて形成されるバンドルの構造に応じて全ての他の平面に単位電池１２０が形成されると、直列連結が不可能な場合があるので、他の平面の中には単位電池２００の形成されないダミー平面が存在しうる。
【００３４】
次に、単位電池１２０の形成過程についてさらに詳しく説明する。管型支持体１１０の角を除いた２つ以上の他の平面に多数の燃料極１２１が形成され、燃料極１２１の外部に部分的に多数の電解質１２３が形成され、電解質１２３の外部に部分的に多数の空気極１２５が形成される。燃料極１２１は管型支持体１１０から燃料の供給を受け、空気極１２５は燃料電池の外部から空気の供給を受けて電気エネルギーを生成する。
一方、電解質１２３は、非常に緻密であって気体非透過性を持つので、管型支持体１１０の内部から燃料極１２１へ伝達された燃料が外部に流出することを防止する。また、電解質１２３の形成されていない角と一平面１１７では、内部連結材１３０と外部連結材１４０がそれぞれ気体の流出を防ぐ。
【００３５】
内部連結材１３０は、管型支持体１１０に形成された多数の単位電池１２０と外部連結材１４０とを直列に連結する役割を果たし、外部連結材１４０は、直列連結された多数の単位電池１２０を他の燃料電池と直列に連結する役割を果たす。本発明に係る固体酸化物燃料電池は、従来の固体酸化物燃料電池とは異なり、一つの管型支持体１１０に多数の単位電池１２０が存在するので、これを直列連結するために内部連結材１３０を採用し、内部連結材１３０により直列連結された多数の単位電池１２０を他の燃料電池と直列連結するために外部連結材１４０を採用したのである。
【００３６】
次に、図６を参照して、さらに具体的に外部連結材１４０と内部連結材１３０を考察する。外部連結材１４０は管型支持体１１０の一平面１１７に形成され、内部連結材１３０は単位電池の他端２２５と外部連結材の一端１４１に隣接している一角１１５を除いた管型支持体１１０の角に形成される。内部連結材１３０は、一角１１５を除いた角において、燃料極の一端２２１と空気極の他端３２５、または燃料極の一端３２１と外部連結材の他端１４３を互いに電気的に連結する。この際、燃料極の一端２２１、３２１に連結される内部連結材１３０が空気極１２５の一端と接触する場合、短絡が発生する。よって、空気極１２５は一端が内部連結材１３０から離隔されるように形成することが好ましい。また、空気極の他端３２５に連結される内部連結材１３０が燃料極１２１の他端と接触する場合、短絡が発生する。よって、燃料極１２１の他側面を覆うように電解質１２３の他端を管型支持体１１０の方向に延長し、内部連結材１３０と燃料極１２１の他端間の接触を防止することが好ましい。そして、空気極の他端３２５を管型支持体１１０の方向に延長し、延長された電解質１２３の他端を覆うことにより、内部連結材１３０と空気極の他端３２間の電気的連結に対する信頼性を強化することができる。
【００３７】
この際、「一端」と「他端」は互いに対応する部分を説明するための相対的な概念であって、それぞれの意味する位置が入れ替わってもよい。よって、前述した説明から、図３および図４に示した固体酸化物燃料電池を製作することができるうえ、図２および図４に示した固体酸化物燃料電池を製作することができる。さらに詳しく考察すると、外部連結材１４０を基準とするとき、図３および図５に示した固体酸化物燃料電池は時計方向（矢印参照）に直列連結されているが、図２および図４に示した固体酸化物燃料電池は反時計方向（矢印参照）に直列連結されている。
【００３８】
一方、内部連結材１３０と外部連結材１４０は、電気的連結手段なので、電気伝導性物質で形成されなければならないのは勿論のこと、管型支持体１１０の内部から燃料極１２１へ伝達された燃料が一平面１１７と角から流出することを防止するために気体非透過性を持つことが好ましい。また、内部連結材１３０の形成されない一角１１５からの気体流出を防止するために、一角１１５に別途の気体非透過性物質（図示せず）を配置することが好ましい。また、他の平面の中にダミー平面が存在する場合、ダミー平面にも、気体流出を防止するための別途の気体非透過性物質（図示せず）を配置することが好ましい。
一方、外部連結材１４０は、他の燃料電池との容易な結合のために平板型に製作できるが、これに限定されず、形成しようとするバンドルの形態を考慮して様々な形状に製作できる。
【００３９】
以上、第１電極を燃料極１２１と定義し、第２電極を空気極１２５と定義して説明したが、これに限定されない。第１電極を空気極１２５と定義し、第２電極を燃料極１２１と定義して固体酸化物燃料電池を製作することもできる。
【００４０】
本発明は、従来の固体酸化物燃料電池とは異なり、一つの管型支持体１１０に多数の単位電池１２０を形成し、多数の単位電池１２０を直列連結して電気エネルギーを生成することができる。よって、単位体積当りの電力密度を高めることができ、集電の際に高い電圧を維持して電気抵抗による電力損失量を減少させることができる。例えば、管型支持体１１０の外周面が６つ（図２および図３参照）の平面からなり、それぞれの単位電池１２０が理想的な１．１Ｖの電圧を維持すると、本発明に係る固体酸化物燃料電池１００（全ての他の平面に単位電池１２０が形成された場合）は、電圧５．５Ｖの電気エネルギーを得ることができる。よって、従来の方式で製作された固体酸化物燃料電池より５倍高い電圧を同一の条件で得ることができるので、電気抵抗による電力損失量を減少させることができる。
【００４１】
本発明の好適な第１実施例に係る固体酸化物燃料電池の製造方法は、外周面が多数の平面からなる多角管型支持体１１０を準備する段階、多数の平面にそれぞれ多数の単位電池１２０および外部連結材１４０を形成する段階、および多数の単位電池１２０を直列に連結する内部連結材１３０を備える段階を含んでなる。
まず、外周面が多数の平面からなる多角管型支持体１１０を準備する段階である。管型支持体１１０の角には後述の段階で内部連結材１３０が備えられるが、内部連結材１３０のクラック発生を防止するために、角をラウンド処理することが好ましい。また、前述したように、管型支持体１１０は、短絡を防ぐために絶縁性を持つと同時に、燃料を燃料極１２１に伝達するために多孔性を持つ物質で形成することが好ましい。
【００４２】
次に、一平面１１７に外部連結材１４０を形成し、一平面１１７を除いた２つ以上の他の平面にそれぞれ多数の単位電池１２０を形成する段階である。この際、外部連結材１４０は、管型支持体１１０の内部から燃料極１２１へ伝達された燃料が一平面１１７から流出することを防止するために、気体非透過性を持つことが好ましく、多数の単位電池１２０は、燃料極１２１、電解質１２３、空気極１２５の順に形成する。
【００４３】
まず、燃料極１２１を、管型支持体１１０の角を除いたそれぞれの他の平面に形成する。この際、それぞれの他の平面に形成された燃料極１２１は互いに接触しないように注意しなければならない。
燃料極１２１は、４０％〜６０％のジルコニア粉末を含む酸化ニッケル粉を焼結した材料（ニッケル／ＹＳＺサーメット）を使用することができる。ここで、酸化ニッケルは、電気エネルギーを生成するとき、水素によって金属ニッケルに還元されて電子伝導性を発揮する。
【００４４】
次に、電解質１２３を燃料極１２１の外部に部分的に形成する。この際、後述の段階で空気極の他端３２５に連結される内部連結材１３０が燃料極１２１の他端と接触して短絡が発生することを防止するために、電解質１２３の他端を管型支持体１１０の方向に延長して燃料極１２１の他側面を覆うことが好ましい。
【００４５】
電解質１２３は、管型支持体１１０の内部から燃料極１２１へ伝達された燃料が外部に流出することを防止する役割を果たさなければならないので、微小な間隙、気孔または傷が発生しないように注意しなければならない。電解質１２３は、ジルコニア（ＺｒＯ２）にイットリア（Ｙ２Ｏ３）を約３％〜１０％溶かしたイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）を使用することができる。ここで、ＹＳＺは４価ジルコニウムイオンの一部が３価のイットリウムイオンで代置されているので、イットリウムイオン２個当り１個の酸素イオン空孔が内部に発生し、高温ではこの空孔を介して酸素イオンが移動する。
【００４６】
次に、空気極１２５を電解質１２３の外部に部分的に形成する。この際、後述の段階で行われる空気極の他端３２５と内部連結材１３０との電気的連結に対する信頼性を強化するために、空気極の他端３２５を管型支持体１１０の方向に延長して電解質１２３の他端を覆うことが好ましい。また、短絡を防止するために、燃料極の一端２２１、３２１に連結される内部連結材１３０から離隔されるように空気極１２５の一端を形成することが好ましい。
【００４７】
空気極１２５は、ペロブスカイト型酸化物を使用することができ、特に電子伝導性の高いランタンストロンチウムマンガナイト（ＬＳ０．８４Ｓｒ０．１６-）ＭｎＯ３を使用することが好ましい。空気極１２５において、酸素はＬａＭｎＯ３によって酸素イオンに転換されて燃料極１２１へ伝達される。
【００４８】
一方、第１電極を空気極１２５と定義し、第２電極を燃料極１２１と定義した場合、燃料極１２１と空気極１２５の形成位置は入れ替わってもよい。
燃料極１２１、空気極１２５、電解質１２３を形成する製造工法は乾式法と湿式法に大別されるが、乾式法としてはプラズマスプレー法、電気化学蒸着法、スパッタリング法、イオンビーム法、イオン注入法などがあり、湿式法としてはテープキャスティング法、スプレーコーティング法、ディップコーティング法、スクリーン印刷法、ドクターブレード法などがある。本発明では、燃料極１２１、空気極１２５、電解質１２３を形成するとき、精密性および経済性を考慮して前述の工法のいずれか一つを、或いは２つ以上の組み合わせを使用することができる。例えば、電解質１２３を形成するとき、接着性マスクで管型支持体１１０の角および一平面１１７を塗布してディップコートした後、接着性マスクを除去し、角と一平面１１７を除いた第１電極の外部にのみ部分的に電解質１２３を形成することができる。また、空気極１２５、電解質１２３、燃料極１２１の順に単位電池１２０を形成するとき、空気極１２５の変形を防止しながら燃料極１２１を精密に形成するためにプラズマスプレー法を用いることが好ましい。
【００４９】
次に、多数の単位電池１２０と外部連結材１４０とを直列に連結する内部連結材１３０を備える段階である。さらに具体的に考察すると、一角１１５を除いた角の両側に形成された燃料極の一端２２１と空気極の他端３２５、または燃料極の一端３２１と外部連結材の他端１４３を互いに連結する内部連結材１３０を備える。また、内部連結材１３０は、管型支持体１１０の内部から燃料極１２１へ伝達された燃料が角から流出することを防止するために、気体非透過性を持つことが好ましく、内部連結材１３０が備えられていない一角１１５からの気体流出を防止するために、一角１１５に別途の気体非透過性物質（図示せず）を備えることが好ましい。また、他の平面の中にダミー平面が存在する場合、
ダミー平面にも、気体流出を防止するための別途の気体非透過性物質（図死せず）を配置することが好ましい。
【００５０】
本実施例において、第１電極を燃料極１２１と定義し、第２電極を空気極１２５と定義しているが、権利範囲はこれに限定されない。第１電極が空気極１２５で、第２電極が燃料極１２１である場合も、同一の方式で単位電池１２０が形成されるので、本発明の権利範囲に属するのは勿論である。但し、最外郭が空気極１２５の場合、内部連結材１３０と外部連結材１４０が酸化雰囲気に晒されるので、酸化に強い材質で製作することが好ましい。
【００５１】
図７および図８は本発明の好適な第１実施例に係る固体酸化物燃料電池バンドルの斜視図である。
図７および図８に示すように、本実施例に係る固体酸化物燃料電池バンドル３００、４００は、外周面が多数の平面からなる多角管型支持体１１０、多数の平面のうちいずれか一平面１１７に形成された外部連結材１４０、一平面１１７を除いた２つ以上の他の平面にそれぞれ形成された多数の単位電池１２０、および多数の単位電池１２０と前記外部連結材１４０とを直列連結する内部連結材１３０を含んでなる多数の燃料電池を含む構成であり、一つの燃料電池の外部連結材１４０が他の燃料電池の単位電池１２０と結合することにより、それぞれの燃料電池が直列に連結される。
【００５２】
すなわち、本実施例に係る固体酸化物燃料電池バンドル３００、４００は、前述した固体酸化物燃料電池を多数製作してバンドルを形成したのである。よって、前述した固体酸化物燃料電池についての説明において、既に記述された内容は省略し、その差異点を中心に記述する。
【００５３】
本実施例では、固体酸化物燃料電池の平面の個数を制限せず、固体酸化物燃料電池を多様な形態で製作することができ、これにより多様な形態の固体酸化物燃料電池バンドルを製作することができる。ここで、固体酸化物燃料電池バンドルは、一つの燃料電池の外部連結材１４０が他の燃料電池の単位電池１２０と結合することにより、多数の燃料電池が直列に連結されるのである。よって、燃料電池の内部で単位電池１２０が直列連結され、多数の燃料電池も互いに直列連結されるので、集電の際にさらに高い電圧を維持して電気抵抗による電力損失量を減少させることができる。
【００５４】
前述した外部連結材１４０と単位電池１２０間の結合には、確実な電気的連結と単位電池１２０への円滑な気体供給のために、電気伝導性および多孔性を持つ物質、例えば金属フォーム３２０、金属フェルトまたは金属ペーストなどを用いることが好ましい。
この際、単位電池２００は、管型支持体１１０の一平面１１７を除いた全ての他の平面に形成されることが高電圧を得ることができて好ましいが、燃料電池を用いて形成されるバンドルの構造に応じて全ての他平面に単位電池１２０が形成されると、直列連結が不可能な場合が在るので、他の平面の中に、単位電池２００の形成されないダミー平面が存在し得る。
【００５５】
図７を参照すると、本発明に係る固体酸化物燃料電池バンドル３００は、多数の燃料電池を２段に積層して形成することができる。ここで、管型支持体１１０は外周面が６つの平面からなる六角管型支持体１１０であり、単位電池１２０は５つの他の平面にそれぞれ形成される。また、多数の燃料電池は、内部連結材１３０の備えられていない一角１１５の反時計方向（矢印参照）に外部連結材１４０が形成された多数の第１燃料電池３３０と、一角１１５の時計方向（矢印参照）に外部連結材１４０が形成された多数の第２燃料電池３４０に区分される。すなわち、第１燃料電池３３０は、図２に示した燃料電池と同様に、外部連結材１４０を基準とするときに反時計方向（矢印参照）に直列連結されたものであり、第２燃料電池３４０は、図３に示した燃料電池と同様に、外部連結材１４０を基準とするときに時計方向（矢印参照）に直列連結されたものである。
【００５６】
この際、固体酸化物燃料電池バンドル３００は、第１燃料電池３３０の外部連結材１４０と第２燃料電池３４０の一角１１５の反時計方向に形成された単位電池１２０との結合、および第２燃料電池３４０の外部連結材１４０と他の第１燃料電池３３０の一角１１５の時計方向に形成された単位電池１２０との結合が連続することにより形成できる。
電流は、前述した結合によって、第１燃料電池３３０の一角１１５の時計方向に形成された単位電池１２０から第１燃料電池３３０の外部連結材１４０、第２燃料電池３４０の一角１１５の反時計方向に形成された単位電池１２０、第２燃料電池３４０の外部連結材１４０、他の第１燃料電池３３０の一角１１５の時計方向に形成された単位電池１２０を順次経て他の第１燃料電池３３０の外部連結材１４０まで流れる。また、前述した結合を繰返し行うと、燃料電池の個数の制限なく、２段に平行に固体酸化物燃料電池バンドル３００を形成することができる。よって、燃料電池の個数を調節してバンドルを形成することにより、所望の電圧を得ることができる。
【００５７】
例えば、図７に示すように六角管型支持体１１０を用いた燃料電池６つによって固体酸化物燃料電池バンドル３００を形成し、それぞれの単位電池１２０が理想的な１．１Ｖの電圧を維持すると、本実施例に係る固体酸化物燃料電池バンドル３００から電圧３３Ｖ（５．５Ｖ×６個）の電気エネルギーを得ることができる。
【００５８】
一方、本実施例で注意すべき点は、一つの燃料電池の単位電池１２０と隣接の他の燃料電池の単位電池１２０とが接触すれば短絡が発生して全体的な直列連結が不可能になり、単位電池１２０の空気極１２５に対して気体供給が難しくなるという問題点がある。よって、外部連結材１４０を単位電池１２０より厚く形成してそれぞれの第１燃料電池３３０間の空間とそれぞれの第２燃料電池３４０間の空間を離隔させることにより、単位電池１２０間の接触を防止することが好ましい。また、固体酸化物燃料電池バンドル３００の安定的構造を維持し且つ円滑な気体供給を行うために、平行に配置される隣接のそれぞれの第１燃料電池３３０間の空間および隣接のそれぞれの第２燃料電池３４０間の空間に、絶縁性および多孔性を持つ物質、例えば多孔性セラミックプレート３１０、セラミックフォーム、ガラスファイバー、ガラス綿などを配置することが好ましい。
【００５９】
図８を参照すると、本発明に係る固体酸化物燃料電池バンドル４００は、多数の燃料電池を１段に積層して形成することができる。ここで、管型支持体１１０は外周面が３つの平面からなる三角管型支持体１１０であり、単位電池１２０は２つの他の平面にそれぞれ形成される。また、多数の燃料電池は、内部連結材１３０の備えられていない一角１１５の反時計方向（矢印参照）に外部連結材１４０が形成された多数の第１燃料電池４３０と、一角１１５の時計方向（矢印参照）に外部連結材１４０が形成された多数の第２燃料電池４４０に区分される。すなわち、第１燃料電池４３０は、図４に示した燃料電池と同様に、外部連結材１４０を基準とするときに反時計方向（矢印参照）に直列連結されたものであり、第２燃料電池４４０は、図５に示した燃料電池と同様に、外部連結材１４０を基準とするときに時計方向（矢印参照）に直列連結されたものである。
【００６０】
この際、固体酸化物燃料電池バンドル４００は、第１燃料電池４３０の外部連結材１４０と第２燃料電池４４０の一角１１５の反時計方向に形成された単位電池１２０間との結合、および第２燃料電池４４０の外部連結材１４０と他の第１燃料電池４３０の一角１１５の時計方向に形成された単位電池１２０との結合が連続することにより形成できる。
【００６１】
電流は、前述した結合によって、第１燃料電池４３０の一角１１５の時計方向に形成された単位電池１２０から第１燃料電池４３０の外部連結材１４０、第２燃料電池４４０の一角１１５の反時計方向に形成された単位電池１２０、第２燃料電池４４０の外部連結材１４０、他の第１燃料電池４３０の一角１１５の時計方向に形成された単位電池１２０を順次経て他の第１燃料電池４３０の外部連結材１４０まで流れる。また、前述した結合を繰返し行うと、燃料電池の個数の制限なく、１段に平行に固体酸化物燃料電池バンドル４００を形成することができる。よって、燃料電池の個数を調節して所望の電圧を得ることができる。
【００６２】
例えば、図８のように三角管型支持体１１０を用いた燃料電池３つから固体酸化物燃料電池バンドル４００を形成し、それぞれの単位電池１２０が理想的な１．１Ｖの電圧を維持すると、本実施例に係る固体酸化物燃料電池バンドル４００から電圧６．６Ｖ（２．２Ｖ×３つ）の電気エネルギーを得ることができる。
また、前述したように安定で平行な構造で固体酸化物バンドルを形成するために、管型支持体１１０の角を成す平面間の角度は同一であることが好ましい。例えば、六角管型支持１１０の場合、角を成す平面間の内角が１２０°であることが好ましく、三角管型支持体１１０の場合、角を成す平面間の内角が６０°であることが好ましい。
【００６３】
図９および図１０は本発明の好適な第２実施例に係る固体酸化物燃料電池の斜視図、図１１は図１０に示した固体酸化物燃料電池の要部拡大図である。
図９〜図１１に示すように、本実施例に係る固体酸化物燃料電池５００、７００は、外周面が６つ以上の偶数であるＮ個の平面からなる多角管型支持体１１０、Ｎ個の平面のうちいずれか一平面１１７に形成された外部連結材１４０、一平面１１７から一方向に連続した（Ｎ＋２）／２個の他の平面にそれぞれ形成された（Ｎ＋２）／２個の単位電池１２０、および単位電池１２０と外部連結材１４０とを直列に連結する内部連結材１３０を含んでなる。
【００６４】
本実施例に係る固体酸化物燃料電池は様々な形態で製作することができる。図９および図１０は六角管型支持体１１０を用いた固体酸化物燃料電池５００、７００である。この他にも、八角管型支持体１１０を用いた固体酸化物燃料電池（図１４および図１５参照）、十角管型支持体１１０を用いた固体酸化物燃料電池などを製作することができる。
管型支持体１１０の外周面は６つ、８つまたは１０つの平面から構成できる。但し、これは例示的なものであり、前述した平面の数（Ｎ）には、６以上の偶数は全て含まれ得る。ここで、平面の数（Ｎ）を６以上の偶数に制限する理由は、固体酸化物燃料電池バンドル６００、８００、９００、１０００が構成できるようにするためであり、その詳細な説明は後述する。
【００６５】
本実施例では、第１電極を燃料極１２１と定義し、第２電極を空気極１２５と定義し、これを基準として単位電池１２０について詳細に説明する。
単位電池１２０は、電気エネルギーを生産する基本的な単位であって、燃料極１２１、電解質１２３および空気極１２５から構成される。前述したように、管型支持体１１０は、外周面が６以上の偶数であるＮ個の平面からなり、後述の固体酸化物燃料電池バンドル６００、８００、９００、１０００を構成するために（Ｎ＋２）／２個の平面上に（Ｎ＋２）／２個の単位電池１２０を形成する。よって、本発明に係る固体酸化物燃料電池５００、７００は、従来の技術とは異なり、支持体の外周面に単位電池を一体に形成させず、外部連結材１３４０の形成される一平面１１７から一方向に連続した（Ｎ＋２）／２個の他の平面にそれぞれ独立の単位電池１２０を形成させる。この際、一方向は、単位電池１２０の横断面を基準として時計方向（図１０参照）または反時計方向（図９参照）を意味する。外部連結材１４０の形成される一平面１１７を除いた全ての他の平面に単位電池１２０が形成されない理由は、後述の固体酸化物燃料電池バンドル６００、８００、９００、１０００を形成するためであり、他の平面のうち、単位電池１２０の形成されていない平面をダミー平面１１８と定義する。
【００６６】
次に、単位電池１２０の形成過程についてさらに詳しく考察する。管型支持体１１０の角を除いたそれぞれの他の平面に（Ｎ＋２）／２個の燃料極１２１が形成され、燃料極１２１の外部に部分的に（Ｎ＋２）／２個の電解質１２３が形成され、電解質１２３の外部に部分的に（Ｎ＋２）／２個の空気極１２５が形成される。燃料極１２１は管型支持体１１０から燃料の供給を受け、空気極１２５は燃料電池の外部から空気の供給を受けて電気エネルギーを生成する。
【００６７】
内部連結材１３０は、管型支持体１１０に形成された（Ｎ＋２）／２個の単位電池１２０と外部連結材１４０とを直列に連結する役割を果たし、外部連結材１４０は、直列連結された多数の燃料電池１２０を他の燃料電池と直列に連結する役割を果たす。本発明に係る固体酸化物燃料電池５００、７００は、従来の固体酸化物燃料電池とは異なり、一つの管型支持体１１０に（Ｎ＋２）／２個の単位電池１２０が在るので、これを直列連結するために内部連結材１３０を採用し、内部連結材１３０により直列連結された（Ｎ＋２）／２個の単位電池１２０を他の燃料電池と直列連結するために外部連結材１４０を採用したのである。
【００６８】
次に、図１１を参照して、さらに具体的に外部連結材１４０と内部連結材１３０につて考察する。外部連結材１４０は、管型支持体１１０の一平面１１７に形成され、内部連結材１３０は、単位電池１２０の形成された（Ｎ＋２）／２個の他の平面間の角、および一平面１１７と一平面１１７の一方向（図１１では時計方向）に隣接している他の平面間の角に形成される。内部連結材１３０は、単位電池１２０の形成された（Ｎ＋２）／２個の他の平面間の角の両側に形成された燃料極の一端２２１と空気極の他端３２５とを電気的に連結し、一平面１１７と一平面１１７の一方向（図１１では時計方向）に隣接している他の平面間の角の両側に形成された燃料極の一端３２１と外部連結材の他端１４３とを電気的に連結する。この際、燃料極の一端２２１、３２１に連結される内部連結材１３０が空気極１２５の一端と接触する場合、短絡が発生する。よって、空気極１２５は、一端が内部連結材１３０から離隔されるように形成することが好ましい。また、空気極１２５の他端３２５に連結される内部連結材１３０が燃料極１２１の他端と接触する場合、短絡が発生する。よって、燃料極１２１の他側面を覆うように電解質１２３の他端を管型支持体１１０の方向に延長し、内部連結材１３０と燃料極１２１の他端間の接触を防止することが好ましい。そして、空気極の他端３２５を管型支持体１１０の方向に延長し、延長された電解質１２３の他端を覆うことにより、内部連結材１３０と空気極の他端３２５間の電気的連結に対する信頼性を強化することができる。
【００６９】
この際、「一方向」は、相対的な概念であって、前述したように時計方向または反時計方向を意味する。よって、外部連結材１４０を基準とするとき、図１０および図１１に示した固体酸化物燃料電池７００は時計方向（矢印参照）に直列連結されるが、図９に示した固体酸化物燃料電池５００は反時計方向（矢印参照）に直列連結される。
【００７０】
以上、第１電極を燃料極１２１と定義し、第２電極を空気極１２５と定義して説明したが、これに限定されない。第１電極を空気極１２５と定義し、第２電極を燃料極１２１と定義して固体酸化物燃料電池５００、７００を製作することもできる。
【００７１】
本発明は、従来の固体酸化物燃料電池とは異なり、一つの管型支持体１１０に（Ｎ＋２）／２個の単位電池１２０が形成され、（Ｎ＋２）／２個の単位電池１２０を直列連結して電気エネルギーを生成することができる。よって、単位体積当りの電力密度を高めることができ、集電の際に高い電圧を維持して電気抵抗による電力損失量を減少させることができる。例えば、管型支持体１１０の外周面が６つ（図９および図１０参照）の平面からなり、それぞれの単位電池１２０が理想的な１．１Ｖの電圧を維持すると、本発明に係る固体酸化物燃料電池５００、７００は電圧４．４Ｖの電気エネルギーを得ることができる。よって、従来の方式で製作された固体酸化物燃料電池より４倍高い電圧を同一の条件で得ることができるので、電気抵抗による電力損失量を減少させることができる。
【００７２】
図１２および図１３は本発明の好適な第２実施例に係る固体酸化物燃料電池バンドルの斜視図、図１４および図１５は本発明の好適な第３実施例に係る固体酸化物燃料電池バンドルの斜視図である。
図１２〜図１５に示すように、本発明に係る固体酸化物燃料電池バンドル６００、８００、９００、１０００は、外周面が６つ以上の偶数であるＮ個の平面からなる多角管型支持体１１０、Ｎ個の平面のうちいずれか一平面１１７に形成された外部連結材１４０、一平面１１７から一方向に連続した（Ｎ＋２）／２個の他の平面にそれぞれ形成された（Ｎ＋２）／２個の単位電池１２０、および単位電池１２０と外部連結材１４０とを直列に連結する内部連結材１３０を含んでなるＮ個の燃料電池を含む構成であり、Ｎ個の燃料電池で取り囲まれた管型空洞３６０が形成されるように、一つの燃料電池の外部連結材１４０と他の燃料電池の一平面１１７から一方向に（Ｎ＋２）／２番目の他の平面に形成された単位電池１２０との結合がＮ−１回連続することにより、前記Ｎ個の燃料電池がそれぞれ直列に連結されることを特徴とする。
【００７３】
すなわち、本発明に係る固体酸化物燃料電池バンドル６００、８００、９００、１０００は、前述した固体酸化物燃料電池５００、７００を多数製作してバンドルを形成したのである。よって、前述した固体酸化物燃料電池５００、７００についての説明において、既に記述された内容は省略し、その差異点を中心に記述する。
【００７４】
本発明に係る固体酸化物燃料電池バンドル６００、８００、９００、１０００は、一つの燃料電池の外部連結材１４０が他の燃料電池の単位電池１２０と結合することにより、多数の燃料電池が直列に連結されるものである。よって、燃料電池の内部で単位電池１２０が直列連結され、多数の燃料電池も互いに直列連結されるので、集電の際にさらに高い電圧を維持して電気抵抗による電力損失量を減少させることができる。
【００７５】
多角管型支持体１１０を備えた多数の燃料電池で完全に取り囲まれた管型空洞３００を形成するためには、幾何学的に管型支持体１１０の外周面は６つ以上の偶数であるＮ個の平面から構成されなければならない。また、平面がＮ個から構成された場合には、燃料電池がＮ個であれば管型空洞３６０を形成することができる。そして、Ｎ個の燃料電池が直列連結されるためには、管型空洞３６０を定義する平面には単位電池１２０が形成されなければならない。前述したように、単位電池１２０の形成されていない平面をダミー平面１１８と定義するとき、ダミー平面１１８は各燃料電池毎に（Ｎ−４）／２個存在する。よって、単位電池１２０は、外部連結材１４０の形成された一平面１１７とダミー平面１１８を除いた（Ｎ＋２）／２個の他の平面にそれぞれ形成される。
【００７６】
また、隣接している２つの燃料電池は、一つの燃料電池の外部連結材１４０と、他の燃料電池の一平面１１７から一方向に（Ｎ＋２）／２番目の他の平面に形成された単位電位１２０（すなわち、外部連結材１４０から一方向に最も遠い単位電池１２０）とが結合して直列連結される。前述した結合をＮ−１回繰返し行うと、Ｎ個の燃料電池で取り囲まれた管型空洞３６０を形成することができる。この際、前述した結合をＮ回行う場合、最初の燃料電池とＮ番目の燃料電池も直列連結され、実質的に燃料電池で生成した電気エネルギーを使用することができないため、Ｎ−１回繰り返し行うのである。但し、固体酸化物燃料電池バンドル６００、８００、９００、１０００の構造的安定のために、最初の燃料電池とＮ番目の燃料電池とを絶縁物質３５０で結合させることが好ましい。
【００７７】
一方、前述した外部連結材１４０と単位電池１２０間の結合は、確実な電気的連結と単位電池１２０への円滑な気体供給のために、電気伝導性および多孔性を持つ物質、例えば金属フォーム３２０、金属フェルトまたは金属ペーストなどを用いることが好ましい。
また、安定的な構造で固体酸化物バンドルを形成するために、管型支持体１１０の角を成す平面間の角度は同一であることが好ましい。例えば、六角管型支持体１１０の場合には、角を成す平面間の内角が１２０°であることが好ましく、八角管型支持体１１０の場合には、角を成す平面間の内角が１３５°であることが好ましい。
【００７８】
図１２および図１３を参照すると、本実施例に係る固体酸化物燃料電池バンドル６００、８００は、外周面が６つの平面からなる多角管型支持体１１０を備えた燃料電池５００、７００から構成される。６つの平面からなる角管型支持体１１０を用いるので、外部連結材１４０の形成された一平面１１７を除いた４つの他の平面に単位電池１２０が形成される。また、固体酸化物燃料電池バンドル６００、８００を形成するために、６つの燃料電池が必要である。
【００７９】
図１２を参照してさらに詳細に説明すると、単位電池１２０は、外部連結材１４０の形成された一平面１１７から反時計方向に連続した４つの他の平面に単位電池１２０が形成される。また、隣接している２つの燃料電池５００は、一つの燃料電池の外部連結材１４０と、他の燃料電池の一平面１１７から反時計方向に４番目の他の平面に形成された単位電池１２０とが結合する。前述した結合は、５回連続して、６つのダミー平面１１８によって定義された管型空洞３６０を形成する。この際、構造的安定のために、前述した結合が行われていない２つの燃料電池同士間を絶縁物質３５０で結合させることが好ましい。ここで、電流は、燃料電池５００を基準とするときに反時計方向（矢印参照）に流れ、固体酸化物燃料電池バンドル６００を基準とするときにも反時計方向に流れる。
【００８０】
図１３を参照してさらに詳しく説明すると、単位電池１２０は、外部連結材１４０の形成された一平面１１７から時計方向に連続した４つの他の平面に単位電池１２０が形成される。また、隣接している２つの燃料電池７００は、一つの燃料電池の外部連結材１４０と、他の燃料電池の一平面１１７から時計方向に４番目の他の平面に形成された単位電池１２０とが結合し、前述した結合は、５回連続して、６つのダミー平面１１８によって定義された管型空洞３６０を形成する。この際、構造的安定のために、前述した結合の行われていない２つの燃料電池同士間を絶縁物質３５０で結合させることが好ましい。ここで、電流は、燃料電池７００を基準とするときに時計方向（矢印参照）に流れ、固体酸化物燃料電池バンドル８００を基準とするときにも時計方向に流れる。
【００８１】
図１４および図１５を参照すると、本実施例に係る固体酸化物燃料電池バンドル９００、１０００は、外周面が８つの平面からなる多角管型支持体１１０を備えた燃料電池から構成される。８つの平面からなる多角管型支持体１１０を用いるので、外部連結材１４０の形成された一平面１１７を除いた５つの他の平面に単位電池１２０が形成される。また、固体酸化物燃料電池バンドル９００、１０００を形成するために、８つの燃料電池が必要である。
【００８２】
図１４を参照してさらに詳細に説明すると、単位電池１２０は、外部連結材１４０の形成された一平面１１７から反時計方向に連続した５つの他の平面に単位電池１２０が形成される。また、隣接している２つの燃料電池は、一つの燃料電池の外部連結材１４０と、他の燃料電池の一平面１１７から反時計方向に５番目の他の平面に形成された単位電池１２０とが結合し、前述した結合は、７回連続して、１６（２×８）個のダミー平面１１８によって定義された管型空洞３６０を形成する。この際、構造的安定のために、前述した結合の行われていない２つの燃料電池同士間を絶縁物質３５０で結合させることが好ましい。ここで、電流は、燃料電池を基準とするときに反時計方向（矢印参照）に流れ、固体酸化物燃料電池バンドル９００を基準とするときにも反時計方向に流れる。
【００８３】
図１５を参照してさらに詳細に説明すると、単位電池１２０は、外部連結材１４０の形成された一平面１１７から時計方向に連続した５つの他の平面に単位電池１２０が形成される。また、隣接している２つの燃料電池は、一つの燃料電池の外部連結材１４０と、他の燃料電池の一平面１１７から時計方向に５番目の他の平面に形成された単位電池１２０とが結合し、前述した結合は、７回連続して、１６（２×８）個のダミー平面１１８によって定義された管型空洞３６０を形成する。この際、構造的安定のために、前述した結合の行われていない２つの燃料電池同士間を絶縁物質３５０で結合させることが好ましい。ここで、電流は、燃料電池を基準とするときに時計方向（矢印参照）に流れ、固体酸化物燃料電池バンドル１０００を基準とするときにも時計方向に流れる。
【００８４】
本実施例に係る固体酸化物燃料電池バンドルは、燃料電池の数Ｎを制限するのではないが、燃料電池の数Ｎが増加するほど、燃料電池の体積に比べて管型空洞３６０の体積が増加するので、６つ、８つまたは１０つの燃料電池を用いることが好ましく、これに対応し、管型支持体１１０は外周面が６つ、８つまたは１０つの平面からなることが好ましい。
【００８５】
以上、本発明を具体的な実施例によって詳細に説明したが、これらの実施例は本発明を具体的に説明するためのものに過ぎない。本発明に係る固体酸化物燃料電池および固体酸化物燃料電池バンドルは、これに限定されず、本発明の技術的思想内において、当該分野における通常の知識を有する者によってその変形または改良を加え得るのは明白であろう。
本発明の単純な変形または変更はいずれも本発明の領域に属し、本発明の具体的な保護範囲は特許請求の範囲によって明確になるであろう。
【符号の説明】
【００８６】
１００、２００、５００、７００    固体酸化物燃料電池
１１０    管型支持体
１１５    一角
１１７    一平面
１１８    ダミー平面
１１９    内周面
１２０    単位電池
１２１    燃料極 
１２３    電解質
１２５    空気極
１３０    内部連結材
１４０    外部連結材
１４１    外部連結材の一端
１４３    外部連結材の他端
２２１、３２１    燃料極の一端
２２５    単位電池の他端
３２５    空気極の他端
３１０    多孔性セラミックプレート
３２０    金属フォーム
３３０、４３０    第１燃料電池
３４０、４４０    第２燃料電池
３５０    絶縁物質
３６０    管型空洞
３００、４００、６００、８００、９００、１０００    固体酸化物燃料電池バンドル
【図１Ａ】
2011060748.tif 000003
【図１Ｂ】
2011060748.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2011060748.tif 000008
【図６】
2011060748.tif 000009
【図７】
2011060748.tif 000010
【図８】
2011060748.tif 000011
【図９】
2011060748.tif 000012
【図１０】
2011060748.tif 000013
【図１１】
2011060748.tif 000014
【図１２】
2011060748.tif 000015
【図１３】
2011060748.tif 000016
【図１４】
2011060748.tif 000017
【図１５】
2011060748.tif 000018
【手続補正書】
【提出日】平成21年12月11日(2009.12.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２５】
【図１Ａ】従来の固体酸化物燃料電池を示す斜視図である。
【図１Ｂ】従来の固体酸化物燃料電池を示す斜視図である。
【図２】本発明の好適な第１実施例に係る固体酸化物燃料電池を示す斜視図である。
【図３】本発明の好適な第１実施例に係る固体酸化物燃料電池を示す斜視図である。
【図４】本発明の好適な第１実施例に係る固体酸化物燃料電池を示す斜視図である。
【図５】本発明の好適な第１実施例に係る固体酸化物燃料電池を示す斜視図である。
【図６】図３に示した固体酸化物燃料電池の要部拡大図である。
【図７】本発明の好適な第１実施例に係る固体酸化物燃料電池バンドルの斜視図である。
【図８】本発明の好適な第１実施例に係る固体酸化物燃料電池バンドルの斜視図である。
【図９】本発明の好適な第２実施例に係る固体酸化物燃料電池バンドルの斜視図である。
【図１０】本発明の好適な第２実施例に係る固体酸化物燃料電池バンドルの斜視図である。
【図１１】図１０に示した固体酸化物燃料電池の要部拡大図である。
【図１２】本発明の好適な第２実施例に係る固体酸化物燃料電池バンドルの斜視図である。
【図１３】本発明の好適な第２実施例に係る固体酸化物燃料電池バンドルの斜視図である。
【図１４】本発明の好適な第３実施例に係る固体酸化物燃料電池バンドルの斜視図である。
【図１５】本発明の好適な第３実施例に係る固体酸化物燃料電池バンドルの斜視図である。