(57)【要約】【課題】小型・薄型化することが可能で、かつ、作動による昇温又は停止による降温において生じる熱応力に起因するモジュールの損傷を防止する固体酸化物形燃料電池、その冷却方法、及び固体酸化物形燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池１は、インターコネクタ３の外周部に形成された貫通孔５５に、燃料又は空気を給排気するための給排気孔７ａを有したガス供給管７が間隙５８を有して備えられてスタック化されている。そして、燃料電池１は、作動温度時において、ガス供給管７の外周面と貫通孔５５の内周面が密着するように構成されている。作動温度時に、ガス供給管７の外周面と貫通孔５５の内周面は、ガス供給管７とインターコネクタ３の熱膨張によってかしめられて密着するため、ガス供給管７とインターコネクタ３の熱膨張による損傷が防止される。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質層と、その電解質層上に形成された燃料極層と、前記電解質層上の前記燃料極層とは反対の面に形成された空気極層とを有するセルと、
一方の面である第一面側と他方の面である第二面側とに前記セルを配置するインターコネクタと、を備え、
前記セルと前記インターコネクタとが交互に積層されたスタックが形成され、
さらに、前記スタック内における空気及び燃料の流路を形成する流路形成部材は、互いの密着性が温度によって異なり、作動温度時に各流路形成部材の熱膨張差によって各流路形成部材間の密着性が向上して熱膨張シール部が形成され、
前記熱膨張シール部は、前記スタック内を流通する前記空気及び前記燃料が外部に漏出することを防止する固体酸化物形燃料電池。
【請求項２】
前記インターコネクタは、前記燃料および前記空気を前記セルのそれぞれの極に給排気する通路部と、外周部に、前記通路部に連通しかつ高さ方向に貫通する貫通孔とを有し、
前記セルと前記インターコネクタとが交互に積層され、前記通路部に前記燃料又は前記空気を給排気するための給排気孔を有したガス供給管が前記貫通孔に間隙を有して備えられて前記スタック構造が形成され、
さらに、前記作動温度時に前記間隙が無くなって、前記ガス供給管の外周面と前記貫通孔の内周面が密着して前記熱膨張シール部が形成される請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項３】
前記ガス供給管の前記外周面と前記貫通孔の前記内周面は、前記作動温度時に、前記ガス供給管と前記インターコネクタの熱膨張差によってかしめられて密着する請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項４】
前記セルの外周部が前記インターコネクタの外周部の前記第一面と前記第二面とに挟まれた状態で、前記セルと前記インターコネクタとが交互に積層されて前記スタック構造が形成され、
前記インターコネクタの前記第一面側には、空気が流通する空気流通部、前記第二面側には、燃料が流通する燃料流通部が形成され、
さらに、前記セルの前記外周部の表裏の面と、前記インターコネクタの前記外周部の前記第一面、前記第二面との密着性が温度によって異なり、前記作動温度時に熱膨張差によって密着性が向上して前記熱膨張シール部が形成される請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項５】
前記セルと前記インターコネクタとが積層された前記スタックの側面に、前記空気流通部を流通する前記空気及び前記燃料流通部を流通する前記燃料が外部に漏出することを防止するシール部材が配置された請求項４に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項６】
前記シール部材は、多孔質の骨材にガラスを含浸した複合材によって形成された請求項５に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項７】
前記シール部材の外側にセラミックが接合された請求項５または６に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項８】
電解質層と、その電解質層上に形成された燃料極層と、前記電解質層上の前記燃料極層とは反対の面に形成された空気極層とを有するセルと、一方の面である第一面側と他方の面である第二面側とに前記セルを配置するインターコネクタとを備え、前記セルと前記インターコネクタとが交互に積層されたスタックが形成された固体酸化物形燃料電池の冷却方法であって、
前記固体酸化物形燃料電池の作動停止時に、作動温度から、前記作動温度よりも低く常温よりも高い予め定められた設定温度まで、水素ガスを前記スタックに供給して冷却する固体酸化物形燃料電池の冷却方法。
【請求項９】
前記設定温度以下において、空気を前記スタックに供給して冷却する請求項８に記載の固体酸化物形燃料電池の冷却方法。
【請求項１０】
前記設定温度が、３００℃以上５００℃以下の範囲である請求項８または９に記載の固体酸化物形燃料電池の冷却方法。
【請求項１１】
電解質層と、その電解質層上に形成された燃料極層と、前記電解質層上の前記燃料極層とは反対の面に形成された空気極層とを有するセルと、一方の面である第一面側と他方の面である第二面側とに前記セルを配置するインターコネクタとを備え、前記セルと前記インターコネクタとが交互に積層されたスタックが形成された固体酸化物形燃料電池と、
その固体酸化物形燃料電池に空気を供給する空気供給部と、
前記固体酸化物形燃料電池に燃料を供給する燃料供給部と、
前記固体酸化物形燃料電池の温度を測定する温度センサと、
その温度センサによって測定した前記固体燃料電池の温度が作動温度から予め定められた設定温度まで、前記燃料供給部を制御して水素ガスを前記スタックに供給して冷却する制御部と、
を含む固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項１２】
前記制御部は、前記設定温度以下において、前記空気供給部を制御して空気を前記スタックに供給して冷却する請求項１１に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体電解質を用いた固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）、その冷却方法、固体酸化物形燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯機器の多機能化に伴い電力消費量が高まり、その結果バッテリーの持続時間が急速に短くなっている。バッテリーの種類として、１次電池、２次電池があるが、持続時間はいずれもユーザーの要求を満たすものではない。そこで、未だ製品化されていないものの、エネルギー密度が高く持続時間が長いという点で、マイクロ燃料電池に対する期待が高まっている。
【０００３】
マイクロ燃料電池の形態としては、放熱・作動温度の観点から、一般に高分子電解質形燃料電池（ＰＥＦＣ）が主流で開発されてきており、形状としては、基板内に流路溝を設けたものや積層型が知られている。しかし、高分子電解質形燃料電池は、発電効率が低く、また貴金属の触媒を多量に使用する観点から望ましいとは言えない。
【０００４】
他方、従来から開発が進められてきた比較的大型の燃料電池として、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）がある。従来の固体酸化物形燃料電池は、大出力を得たいことから、燃料電極と空気極とが電解質を介して配置された、複数の同一形態のセルを用いてスタック化していた（例えば、特許文献１）。
【０００５】
固体酸化物形燃料電池は、発電効率が高く、携帯機器への適用が有望視されているが、作動温度が高いことがネックとされてきた。しかし、昨今の研究開発により、従来の１０００℃から６００〜８００℃へと作動温度の低温化が進み、高効率なマイクロ燃料電池としての利用の実現可能性がでてきた。
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−１３２９３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、固体酸化物形燃料電池は、セルが比較的大きく、携帯機器への適用のためには、最低限の出力を確保しつつ、燃料電池本体のサイズをできるだけ小さくする必要がある。つまり、固体酸化物形燃料電池は、その使用目的から「小型」「急速起動」を可能とする素子設計が求められており、従来より開発が進められてきた比較的大型の定置型固体酸化物形燃料電池では、検討されていない新しい課題が生じた。
【０００８】
固体酸化物形燃料電池において、実用上十分な発電量を得るために、インターコネクタを用いてセルを複数個電気的に接続するスタック化を行っているが、セルを積層してスタックを構成する場合において、作動温度が高温であるために、構成する部材間の熱応力に起因して接合部が損傷することが問題となる。また、セルやインターコネクタにクラックが生じ、発電が不能になる場合もある。従来の定置型固体酸化物形燃料電池では、サイズ上強度を維持することも可能であるが、サイズを小型化しつつも、作動による昇温又は停止による降温において生じる熱応力に起因する部材の損傷を防止することは困難であった。
【０００９】
本発明の課題は、小型・薄型化することが可能で、かつ、作動による昇温又は停止による降温において生じる熱応力に起因するモジュールの損傷を防止する固体酸化物形燃料電池、また固体酸化物形燃料電池の損傷を防止する冷却方法、及び固体酸化物形燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するため、本発明によれば、電解質層と、その電解質層上に形成された燃料極層と、電解質層上の燃料極層とは反対の面に形成された空気極層とを有するセルと、一方の面である第一面側と他方の面である第二面側とにセルを配置するインターコネクタと、を備え、セルとインターコネクタとが交互に積層されたスタックが形成され、さらに、スタック内における空気及び燃料の流路を形成する流路形成部材は、互いの密着性が温度によって異なり、作動温度時に各流路形成部材の熱膨張差によって各流路形成部材間の密着性が向上して熱膨張シール部が形成され、熱膨張シール部は、スタック内を流通する空気及び燃料が外部に漏出することを防止する固体酸化物形燃料電池が提供される。
【００１１】
具体的には、インターコネクタは、燃料および空気をセルのそれぞれの極に給排気する通路部と、外周部に、通路部に連通しかつ高さ方向に貫通する貫通孔とを有し、セルとインターコネクタとが交互に積層され、通路部に燃料又は空気を給排気するための給排気孔を有したガス供給管が貫通孔に間隙を有して備えられてスタック構造が形成され、さらに、作動温度時に間隙が無くなって、ガス供給管の外周面と貫通孔の内周面が密着して熱膨張シール部が形成される固体酸化物形燃料電池が提供される。
【００１２】
本発明の固体酸化物形燃料電池において、より具体的には、ガス供給管の外周面と貫通孔の内周面は、作動温度時に、ガス供給管とインターコネクタの熱膨張差によってかしめられて密着するように構成する。
【００１３】
また上記課題を解決するために、本発明によれば、セルの外周部がインターコネクタの外周部の第一面と第二面とに挟まれた状態で、セルとインターコネクタとが交互に積層されてスタック構造が形成され、インターコネクタの第一面側には、空気が流通する空気流通部、第二面側には、燃料が流通する燃料流通部が形成され、さらに、セルの外周部の表裏の面と、インターコネクタの外周部の第一面、第二面との密着性が温度によって異なり、作動温度時に熱膨張差によって密着性が向上して熱膨張シール部が形成される固体酸化物形燃料電池も提供される。
【００１４】
この固体酸化物燃料電池において、セルとインターコネクタとが積層されたスタックの側面に、空気流通部を流通する空気及び燃料流通部を流通する燃料が外部に漏出することを防止するシール部材を配置することもできる。
【００１５】
そして、シール部材は、多孔質の骨材にガラスを含浸した複合材によって形成することができる。さらにシール部材の外側にセラミックを接合する構成とすることができる。
【００１６】
また上記課題を解決するために、本発明によれば、電解質層と、その電解質層上に形成された燃料極層と、電解質層上の燃料極層とは反対の面に形成された空気極層とを有するセルと、一方の面である第一面側と他方の面である第二面側とにセルを配置するインターコネクタとを備え、セルとインターコネクタとが交互に積層されたスタックが形成された固体酸化物形燃料電池の冷却方法であって、固体酸化物形燃料電池の作動停止時に、作動温度から、作動温度よりも低く常温よりも高い予め定められた設定温度まで、水素ガスをスタックに供給して冷却する固体酸化物形燃料電池の冷却方法が提供される。さらに、その後、設定温度から空気をスタックに供給して冷却するとよい。設定温度は、３００℃〜５００℃が好ましく、特に３５０℃〜４５０℃とすることが望ましい。
【００１７】
さらに、上記課題を解決するために、本発明によれば、電解質層と、その電解質層上に形成された燃料極層と、電解質層上の燃料極層とは反対の面に形成された空気極層とを有するセルと、一方の面である第一面側と他方の面である第二面側とにセルを配置するインターコネクタとを備え、セルとインターコネクタとが交互に積層されたスタックが形成された固体酸化物形燃料電池と、その固体酸化物形燃料電池に空気を供給する空気供給部と、固体酸化物形燃料電池に燃料を供給する燃料供給部と、固体酸化物形燃料電池の温度を測定する温度センサと、その温度センサによって測定した固体燃料電池の温度が作動温度から予め定められた設定温度まで、燃料供給部を制御して水素ガスをスタックに供給して冷却する制御部とを含む固体酸化物形燃料電池システムが提供される。さらに、制御部は、設定温度以下において、空気供給部を制御して空気をスタックに供給して冷却する構成とすることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の固体酸化物形燃料電池は、セルとインターコネクタとが交互に積層されたスタックが形成され、スタック内に空気及び燃料の流路を形成する部材の互いの密着性が温度によって異なり、作動温度時に各部材の熱膨張差によって各部材間の密着性が向上するように構成されているため、急速昇温により発生する熱応力を累積させず、低応力スタック構造とすることができる。作動温度時に各部材間の密着性が向上するため、熱膨張シール部が形成されて、スタック内を流通する空気及び燃料が外部に漏出することを防止することができる。
【００１９】
具体的には、本発明の固体酸化物形燃料電池は、インターコネクタに収容部を有することから、セルとインターコネクタとを交互に積層して形成される。また、インターコネクタに、燃料および空気をセルのそれぞれの極に給排気する通路部と、外周部に、通路部に連通しかつ高さ方向に貫通する貫通孔とを有することから、貫通孔に給排気孔を有したガス供給管を備えて、セルに空気及び燃料を供給することができる。さらに、ガス供給管が貫通孔に間隙を有して備えられ、ガス供給管の外周面と貫通孔の内周面が、作動温度時に密着して間隙が無くなるように構成されており、作動温度時に熱応力に起因する固体酸化物形燃料電池の損傷を防止することができる。ガス供給管とスタック（インターコネクタ）との接合部を強固に固定せず作動温度時においてシール化することで、急激な昇降温に対して高耐久な構造とすることができる。
【００２０】
さらに、本発明の固体酸化物形燃料電池は、セルの外周部がインターコネクタの外周部の第一面と第二面とに挟まれた状態で、セルとインターコネクタとが交互に積層されたスタック構造とすることができ、セルの外周部の表裏の面と、インターコネクタの外周部の第一面、第二面との密着性が温度によって異なるように構成することにより、作動温度時に熱膨張差によって密着性が向上して空気及び燃料の漏出を防ぐことができる。
【００２１】
本発明の固体酸化物形燃料電池の冷却方法は、固体酸化物形燃料電池の作動停止時に、作動温度から、作動温度よりも低く常温よりも高い予め定められた設定温度まで、水素ガスをスタックに供給して冷却することにより、セルに含まれるニッケルの酸化に伴う体積収縮によるセルの破壊を防止することができる。
【００２２】
本発明の固体酸化物形燃料電池システムは、温度センサを備え、制御部によって、作動温度から予め定められた設定温度まで、燃料供給部を制御して水素ガスをスタックに供給して冷却し、設定温度以下では、空気供給部を制御して空気をスタックに供給して冷却することができる。これにより、セルに含まれるニッケルの酸化に伴う体積変動によるセルの破壊を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、変更、修正、改良を加え得るものである。
【００２４】
図１に本発明の固体酸化物形燃料電池（以下、単に燃料電池ともいう）１の一部斜視図を示す。また、図２に図１の断面Ａにおける断面図を示す。燃料電池１は、セル２とインターコネクタ３とが交互に積層されてスタックが形成されている。
【００２５】
図２に示すように、セル２は、電解質層１１と、電解質層１１上に形成された燃料極層１２と、電解質層１１上の燃料極層１２とは反対の面に形成された空気極層１３とを有し、平板状に形成されている。セル２の燃料極層１２及び空気極層１３は、多孔質電極層として形成され、例えば、燃料極層１２は、Ｎｉ−ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）、空気極層１３は、ＬＳＭ（ランタンストロンチウムマンガナイト）、電解質層１１は、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）により形成することができる。
【００２６】
セル２は、グリーンシート法により作成した電解質層１１を構成する電解質焼成体（焼成条件：１４００℃・１時間）に、燃料極層１２を印刷法により形成し１４００℃・１時間にて焼成し、空気極層１３を同じく印刷法により形成した後１２００℃１時間にて焼成して形成される。なお、本発明においては、緻密なジルコニア電解質層１１を３０μｍ、その電解質層１１の両面に、燃料極層１２を２０μｍ、空気極層１３を２０μｍ形成し、基板厚（セル厚）は７０μｍ、基板サイズは３０ｍｍ×３０ｍｍとしてセル２を形成した。本発明は、後述するようなインターコネクタ３との接合構造を採用することにより、従来の酸化物形燃料電池に比べ大幅に小型化されており、携帯用電気機器のバッテリーに利用することができる。
【００２７】
図３に図２の部分拡大図を示す。図３に示すように、セル２とインターコネクタ３とが交互に積層されてスタック構造が形成されている。また、インターコネクタ３の材料としては、フェライト系ＳＵＳ、インコネル６００、ハステロイ等のＮｉ系耐熱合金を使用することができる。
【００２８】
図２及び図３に示すように、セル２及びインターコネクタ３を交互に積層してスタック化することにより、図１に示すような燃料電池１を形成することができる。この場合において、各セル２は、燃料極層１２が同一方向に（すなわち空気極層１３も同一方向に）配置されている。
【００２９】
インターコネクタ３とセル２との接合について、図４（ａ）及び図４（ｂ）を用いて説明する。インターコネクタ３とセル２とは空気極層１３又は燃料極層１２にＮｉ−Ｍｎメタライズ層を形成した後、ロウ付けしても良いし、Ｔｉ等の活性金属を含んだ活性ロウ材を用いて直接接合しても良いが、図４（ａ）に示すように、セル２の外周部にロウ材６１を付着させて多孔質電極層（空気極層１３又は燃料極層１２）をロウ材６１により緻密化する。具体的には、セル２とインターコネクタ３との間に導電性物質を挟んだ状態において、セル２によって区切られたインターコネクタ３側の空間領域を減圧しつつ、導電性物質を溶解させることにより、図４（ｂ）に示すように、ロウ材６１を多孔質電極層に浸透させて多孔質電極層を緻密化し、セル２とインターコネクタ３とを接合することができる。また単に接合時に加圧することで、ロウ材６１を多孔質電極層に浸透させて多孔質電極層を緻密化させても良い。これにより、多孔質電極層の外周部をシール部２９とすることができる。なお、ロウ材６１によって、多孔質電極層を緻密化した後に、インターコネクタ３とセル２とを接合してもよいし、緻密化と接合とを同時に行ってもよい。また、ガラス材料を用いて多孔質電極層を緻密化しシール部２９としても良い。
【００３０】
燃料極層１２にニッケルを含む燃料電池１では、酸素雰囲気下において、酸化ニッケルへの変態が発生し、セル２の破壊を招きやすい。そのため、燃料極層１２のニッケルを還元後、セル２とインターコネクタ３とを導電性物質であるロウ材６１により接続するとよい。
【００３１】
ロウ材厚みは１０−３０μｍが良好な電気伝導性とシール性を得る観点から望ましい。ロウ付け雰囲気は１×１０−３Ｐａ以下の真空度で実施し、インターコネクタ３の内外の圧力差は５×１０−４Ｐａ以上設けることで、多孔質電極層内へロウ材６１を含浸させることができる。
【００３２】
なお、ロウ材としては、素子の作動環境が６００−８００℃の酸化雰囲気であることから、耐酸化性に優れたロウ材を選択することが望ましい。具体的には、Ａｇ系、Ｃｕ系、Ｎｉ系の材料があるが、耐酸化性の観点からＮｉ系が望ましい。具体的には米国ＷＥＳＧＯ社のＩｃｒｏｎｉｂｓｉ１３（製品名）やＣｒｏｎｉｓｉ（製品名）、米国ウォールコルモノイ社Ｎｉｃｒｏｂｒａｚ３１（製品名）が使用可能である。
【００３３】
インターコネクタ３は、燃料および空気をセル２のそれぞれの極に（つまり収容部２０に）給排気する通路部５６と、外周部に、通路部５６に連通しかつ高さ方向に貫通する貫通孔５５とを有する。
【００３４】
そして図５に示すように、インターコネクタ３の外周部に形成された貫通孔５５に、通路部５６に燃料又は空気を給排気するための給排気孔７ａを有したガス供給管７が間隙５８を有して備えられてスタック化されている。燃料電池１は、図２及び図３に示すように、インターコネクタ３とセル２の燃料極層１２との間に燃料流路部、インターコネクタ３とセル２の空気極層１３との間に空気流路部が形成されて、発電を行うことができる。なお、インターコネクタ３間は、ショート防止のために、間隙５９を有して積層されている。また、図２の断面図にも示されるように、燃料流路部３２と空気流路部３１とがスタック方向において、交互に形成されている。このように、スタック化されることにより、高電圧を得ることができる。
【００３５】
また、スタック化された燃料電池１は、図３に示すように、常温時において（作動前に）、ガス供給管７が貫通孔５５に間隙５８を有して備えられ、作動温度時において、図６に示すように、ガス供給管７の外周面と貫通孔５５の内周面が密着する。すなわち、作動温度時に、ガス供給管７の外周面と貫通孔５５の内周面は、ガス供給管７とインターコネクタ３の熱膨張差によってかしめられて密着する。このため、ガス供給管７とインターコネクタ３の熱膨張差による損傷を防止することができる。
【００３６】
言い換えると、スタック内に空気及び燃料の流路を形成する流路形成部材（本実施形態においては、ガス供給管７とインターコネクタ３）の互いの密着性が温度によって異なり、作動温度時に各流路形成部材の熱膨張差によって各流路形成部材間の密着性が向上してスタック内を流通する空気及び燃料が外部に漏出することを防止する熱膨張シール部３０が形成される。
【００３７】
本発明の燃料電池１は、図７に示すように、空気を供給する空気供給部６７、水素ガス等の燃料を供給する燃料供給部６８、燃料電池１の温度を測定する温度センサ６５、及び温度センサ６５の測定結果が入力され、空気供給部６７及び燃料供給部（改質器）６８を制御する制御部６６を備えた固体酸化物形燃料電池システム１００として構成されている。温度センサ６５は、作動温度（例えば、６００〜８００℃）における耐久性があるものであれば、接触式、非接触式等、特に限定されないが、例えば、マイクロ熱電対を挿入しても良いし、金属薄膜の電気抵抗の温度依存性等を利用することもできる。また、制御部６６には、予め定められた設定温度（３００℃以上５００℃以下の範囲にするとよいが、例えば４００℃）が記憶されている。
【００３８】
上記のような燃料電池１を含む固体酸化物形燃料電池システム１００では、システム停止時にモジュール内の冷却のために高温で酸素を含むガスを導入すると、セル２に含まれるニッケルから酸化ニッケルへの変態が急激に発生し、セル２の破壊を招くことがある。そこで、本発明の固体酸化物形燃料電池システム１００は、以下のように、設定温度までの冷却を水素ガスによって行い、その後空気を流すことでモジュールを冷却する。
【００３９】
図８を用いて、固体酸化物形燃料電池システム１００における作動停止処理について説明する。制御部６６は、システムの作動が停止されるかを監視する（Ｓ１）。システムの作動が停止されると（Ｓ１：ＹＥＳ）、引き続き燃料供給部６８によって水素ガスを供給する（Ｓ２）。
【００４０】
制御部６６は、温度センサ６５からの信号により、モジュールの温度が４００℃以下となるかを監視する（Ｓ３）。モジュールの温度が４００℃以下となれば（Ｓ３：ＹＥＳ）、制御部６６は、水素ガスの供給を停止して、空気の供給を開始する（Ｓ４）。
【００４１】
さらに、制御部６６は、温度センサ６５からの信号により、モジュールの温度が常温となるかを監視し（Ｓ５）、モジュールの温度が充分に冷却されれば（常温近傍、例えば１００℃）（Ｓ５：ＹＥＳ）、空気の供給を停止する（Ｓ６）。
【００４２】
以上のように、設定温度（例えば、４００℃）まで、水素ガスによって冷却し、その温度以下において、空気によって冷却することにより、セル２に含まれるニッケルの酸化に伴う体積変動によるセル２の破壊を防止することができる。
【００４３】
また、上記構成において、インターコネクタ１に段差部を有する収容部を設けて、その収容部にセル２が収容されるように構成してもよい。すなわち、第一収容部及び第二収容部が、底面部２３と周壁部とによって窪んだ形状に形成されて、周壁部に段差部が形成され、段差部にセル２を配置することにより、段差部と接するセル２の外周部がシール部２９とされて、空気極層１３と底面部２３との間隙が空気流通部３１、燃料極層１２と底面部２３との間隙が燃料流通部３２とされた構成とすることもできる。さらに、シール部２９の少なくとも一部が電気導通部とされて、セル２とインターコネクタ３とが電気的に接続された構成とすることもできる。具体的には、多孔質電極層として形成された燃料極層１２及び空気極層１３が導電性物質により緻密化されて形成される。導電性物質としては、ロウ材を使用することができる。
【００４４】
以上に説明したガス供給管とインターコネクタとに間隙を形成する燃料電池１、冷却方法、固体酸化物形燃料電池システムは、図９に示すような円形の実施形態にも適用するこことができる。
【００４５】
セル２は、前述の実施形態と同様に、電解質層１１と、電解質層１１上に形成された燃料極層１２と、電解質層１１上の燃料極層１２とは反対の面に形成された空気極層１３とを有して形成されている。燃料及び空気を流通させるために、セル貫通孔１５が形成されている。
【００４６】
インターコネクタ３は、一方の面である第一面側と他方の面である第二面側とに、セル２を配置するために窪んだ形状に形成された第一収容部２０ａ及び第二収容部２０ｂが形成され、第一収容部２０ａに燃料極層１２が内側とされてセル２が収容され、第二収容部２０ｂに空気極層１３が内側とされてセル２が収容され、セル２とインターコネクタ３とが交互に積層されてスタック構造が形成されている。詳細は、前述の実施形態と同様であるため、説明を省略する。
【００４７】
設定温度まで水素ガスによって冷却する前述の冷却方法は、前述の燃料電池１に限られない。次に、前述の冷却方法を適用することのできる燃料電池１の他の実施形態を図１０〜図１４を用いて説明する。
【００４８】
図１０に他の実施形態における燃料電池１の一部破断斜視図、図１１に、組み立てを示す斜視図を示す。燃料電池１は、セル２とインターコネクタ３とが交互に積層されて、スタック構造とされている。また図１２は、インターコネクタ３を示す断面図である。
【００４９】
図１１及び図１２に示すように、インターコネクタ３は、一方の面である第一面側と他方の面である第二面側とに、セル２を配置するために窪んだ形状に形成された収容部２０である第一収容部２０ａ及び第二収容部２０ｂが形成され、第一収容部２０ａに空気極層１３が内側とされてセル２が収容され、第二収容部２０ｂに燃料極層１２が内側とされてセル２が収容され、セル２とインターコネクタ３とが交互に積層されてスタック構造が形成されている。
【００５０】
インターコネクタ３の第一収容部２０ａ及び第二収容部２０ｂは、底面部２３と周壁部２４とによって窪んだ形状に形成され、周壁部２４に段差部２５が形成されている。そして、インターコネクタ３は、段差部２５からさらに中央方向に延出して形成された延出段差部２６が設けられ、その延出段差部２６にコネクタ貫通孔２８が形成されている。インターコネクタ３の延出段差部２６は、第一収容部２０ａ側と第二収容部側２０ｂとの対向しない対角線上の位置に対として形成されている。
【００５１】
図１１に示すように、セル２及びインターコネクタ３を交互に積層してスタック化することにより、図１０に示すような燃料電池１を形成することができる。この場合において、各セル２は、燃料極層１２が同一方向に（すなわち空気極層１３も同一方向に）、セル貫通孔１５の並びが互い違いになるように配置されている。また、インターコネクタ３は、延出段差部２６の位置が互い違いになるように配置されている。このようにすることにより、空気及び燃料が、第一収容部２０ａ、第二収容部２０ｂ内を広く流通することができるため、発電効率を高くすることができる。
【００５２】
図１３に積層構造の断面図を示す。図１３に示すように、セル２がインターコネクタ３の第一収容部２０ａ及び第二収容部２０ｂに収容されて、セル２及びインターコネクタ３が交互に積層させてスタック化されている。段差部２５にセル２を配置することにより、段差部２５に接するセル２の外周部がシール部２９とされて、空気極層１３と底面部２３との間隙が空気流通部３１、燃料極層１２と底面部２３との間隙が燃料流通部３２とされている。
【００５３】
さらに、シール部２９の少なくとも一部が電気導通部とされて、セル２とインターコネクタ３とが電気的に接続されている。セル２の燃料極層１２及び空気極層１３は、多孔質電極層として形成され、電気導通部は、多孔質電極層が導電性物質により緻密化されて形成されている。具体的には、導電性物質としては、ロウ材６１を使用することができる。
【００５４】
以上のようにスタック化されて形成された燃料電池１は、図１４に示すように、インターコネクタ３とセル２の燃料極層１２との間に燃料流路部、インターコネクタ３とセル２の空気極層１３との間に空気流路部が形成されて、発電を行うことができる。なお、インターコネクタ３間は、ショート防止のために、間隙を有して積層されている。また、図１３の断面図にも示されるように、燃料流路部３２と空気流路部３１とがスタック方向において、交互に形成されている。このように、スタック化されることにより、高出力・高電圧を得ることができる。また、燃料流路部３２と空気流路部３１に集電部材、例えば金属メッシュを内装していても良い。
【００５５】
さらに、本発明の固体酸化物形燃料電池の他の実施形態について図１６、及び図１７を用いて説明する。図１６は、本実施形態の燃料電池１の一部破断斜視図、図１７は、断面図である。本実施形態の固体酸化物形燃料電池１は、電解質層１１と、その電解質層１１上に形成された燃料極層１２と、電解質層１１上の燃料極層１２とは反対の面に形成された空気極層１３とを有するセル２と、一方の面である第一面３ａ側と他方の面である第二面３ｂ側とにセル２を配置するインターコネクタ３と、を備え、セル２とインターコネクタ３とが交互に積層されたスタックが形成されている。
【００５６】
具体的には、セル２の外周部がインターコネクタ３の外周部の第一面３ａと第二面３ｂとに挟まれた状態で、セル２とインターコネクタ３とが交互に積層されてスタック構造が形成されており、インターコネクタ３の第一面３ａ側には、窪んだ形状の空気が流通する空気流通部３１、第二面３ｂ側には、窪んだ形状の燃料が流通する燃料流通部３２が形成されている。
【００５７】
さらに、セル２とインターコネクタ３とが積層されたスタックの側面１ｗに、空気流通部３１を流通する空気及び燃料流通部３２を流通する燃料が外部に漏出することを防止するシール部材８５を配置する構成とすることができる。シール部材８５は、多孔質の骨材（多孔質部）に低融点ガラスを含浸した複合材によって形成されたものを使用することができる。さらに、シール部材８５の外側にセラミック８６を接合してもよい。燃料電池１の作動温度の近傍の高温状態では、シール部材８５中のガラスが軟化することで、シール性を確保することができる。一方、熱応力は軟化ガラスによる開放効率を利用することもできるが、骨材である多孔質部が受けることで、セル２への応力付加を低減できる。また、セル２とインターコネクタ３の接合面にガラス接合部が配置されていてもよい。
【００５８】
図１８（ａ）及び図１８（ｂ）を用いて、燃料電池１の作動を説明する。図１８（ａ）に示すように、セル２の外周部の表裏の面と、インターコネクタ３の外周部の第一面３ａ、第二面３ｂとの密着性が温度によって異なるように構成されており、非作動時である常温時には、セル２の外周部の表裏の面とインターコネクタ３の外周部の第一面３ａ、第二面３ｂとの間に間隙６３が形成されている。
【００５９】
そして、図１８（ｂ）に示すように、作動温度時に熱膨張差によって、間隙６３がなくなって、セル２とインターコネクタ３との面が密着して熱膨張シール部６４が形成される。したがって、本実施形態において、セル２とインターコネクタ３は、流路形成部材であり、各流路形成部材間の密着性が向上して形成された熱膨張シール部６４は、スタック内を流通する空気及び燃料が外部に漏出することを防止する。
【００６０】
以上のように、スタック内に空気及び燃料の流路を形成する流路形成部材を常温では、強固な固定とせず、わずかな間隙６３を有するようにすることで、急速昇温により発生する熱応力を積層方向に累積させず、低応力スタック構造とすることができる。さらに、各流路形成部材の熱膨張差によって、作動温度時にシール性を確保することができる。
【００６１】
設定温度まで窒素ガスによって冷却する前述の冷却方法及び固体酸化物形燃料電池システムは、以上の図１０〜図１４、図１６〜図１８を用いて説明した燃料電池１についても適用することができる。さらに、前述の冷却方法及び固体酸化物形燃料電池システムは、以上に説明した実施形態の燃料電池１に限らず、熱応力により損傷を受けやすい燃料電池に適用することができる。
【００６２】
ところで、更なる高出力・高電圧化に対して、セル２の積層数を増大させて対応することは好ましくない。その理由は発電セルのスタック数が増えれば、スタック内の接続部での信頼性確保、ガスの使用率の観点から限界があるものと考えるからである。望ましいスタック数は１０層程度であり、その為高出力化・高電圧化に対しては、複数のスタックを配列して対応することが望ましい。
【００６３】
そこで、図１５（ａ）、及び図１５（ｂ）に、発電セル７０を複数配列した燃料電池１の実施形態を示す。図１５（ａ）、及び図１５（ｂ）に示す燃料電池１は、セル２とインターコネクタ３とがスタック化された発電セル７０がケース７２に断熱部７１によって断熱されて収容され、複数の発電セル７０によって構成されている。断熱部７１は、真空断熱であってもよいし、断熱材を使用した断熱であってもよい。なお図１５（ｂ）は、ケース７２内に、２つの発電セル７０が断熱部７１によって断熱されて収容されている。
【００６４】
複数のスタック（発電セル７０）を有することで、１つのスタックに故障が発生しても、残りスタックへの燃料供給量を上げることで、系全体での出力を確保することが可能である。また、急速起動の観点からも、急速起動時に出力を得るための堅牢なスタックを準備して対応すればよく、定常運転時は別に用意した高出力なスタックを運転して対応できる。特性に合わせたスタックを別々に用意することで、系全体として高性能な燃料電池システムとすることができる。このように構成することにより、高出力・高電圧化することができ、携帯電子機器への適用のみならず、より大型の電子機器へ適用することも可能である。
【００６５】
以上で説明した本発明は、急速起動に対する熱衝撃性を有する種々の燃料電池に適用可能であり、例えば、固体電解質がプロトン伝導体からなる燃料電池へも適用可能である。プロトン伝導体の例としては、リン酸塩系プロトン伝導体（作動温度：１５０〜３５０℃）が挙げられる。したがって、固体酸化物形燃料電池に用いる固体酸化物からなる電解質は、燃料電池の作動温度により適宜選択されればよく、また、固体電解質について伝導するイオンも、酸素イオンに限定されるものではない。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
本発明の固体酸化物形燃料電池は、小型・薄型化することが可能で、かつ、セルとインターコネクタとの電気的接続に優れており、携帯電話やノートＰＣ等の携帯用電気機器のバッテリーとして利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の燃料電池の一実施形態を示す一部斜視図である。
【図２】図１の断面Ａにおける断面図である。
【図３】図２の部分拡大図である。
【図４】インターコネクタとセルの接合を説明する図である。
【図５】燃料電池の組み立てを示す図である。
【図６】作動温度時におけるインターコネクタとガス供給管との密着を説明する図である。
【図７】固体酸化物形燃料電池システムを示すブロック図である。
【図８】本発明の冷却方法を説明するフローチャートである。
【図９】円形状の燃料電池の実施形態を示す図である。
【図１０】本発明の冷却方法を提供することのできる燃料電池の他の実施形態を示す斜視図である。
【図１１】燃料電池の組み立て前を示す斜視図である。
【図１２】インターコネクタを示す断面図である。
【図１３】インターコネクタとセルの組み合わせを説明する図である。
【図１４】燃料と空気の流通を説明する図である。
【図１５】複数の発電セルを配列した実施形態を示す図である。
【図１６】燃料電池の他の実施形態を示す斜視図である。
【図１７】図１６に示す燃料電池の断面図である。
【図１８】図１６に示す燃料電池の作動を説明する図である。
【符号の説明】
【００６８】
１：燃料電池（スタック）、１ｗ：側面、２：セル、３：インターコネクタ、３ａ：第一面、３ｂ：第二面、７：ガス供給管、７ａ：給排気孔、１１：電解質層、１２：燃料極層、１３：空気極層、２０：収容部、２０ａ：第一収容部、２０ｂ：第二収容部、２３：底面部、２４：周壁部、２５：段差部、２６：延出段差部、２８：コネクタ貫通孔、２９：シール部、３０：熱膨張シール部、３１：空気流通部、３２：燃料流通部、５８：（インターコネクタとガス供給管との）間隙、５９：（インターコネクタ間の）間隙、６１：ロウ材、６４：熱膨張シール部、６５：温度センサ、６６：制御部、６７：空気供給部、６８：燃料供給部、７０：発電セル、７１：断熱部、７２：ケース、８５：シール部材、８６：セラミック、１００：固体酸化物形燃料電池システム。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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