(57)【要約】【課題】発電効率および耐久性に優れており、製造コストが低い直接火炎を利用する開放型の固体酸化物型燃料電池発電装置を提供すること。【解決手段】本発明の固体電解質燃料電池発電装置１０は、カソード電極層２とアノード電極層３とが形成された固体電解質基板１を有する平板状の固体酸化物型燃料電池Ｃと、該アノード電極層３に平面火炎Ｆを供給する燃焼部１１とを備え、燃焼部１１は、アノード電極層３と略平行に、且つ所定距離だけ離間して配置される燃焼バーナ面１２を有し、平面火炎Ｆは、燃焼バーナ面１２に供給された予混合燃料の燃焼により生成され、燃焼バーナ面１２には、アノード電極層３と対向する領域Ｐに、複数の燃料噴出口１６が形成されている。【選択図】図１
2008159524.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソード電極層とアノード電極層とが形成された固体電解質基板を有する固体酸化物型燃料電池と、
前記アノード電極層に平面火炎を供給する燃焼部とを備えたことを特徴とする固体酸化物型燃料電池発電装置。
【請求項２】
前記燃焼部は、前記アノード電極層と略平行に、且つ所定距離だけ離間して配置される燃焼バーナ面を有し、
前記平面火炎は、前記燃焼バーナ面に供給された予混合燃料の燃焼により生成され、
前記燃焼バーナ面には、前記アノード電極層と対向する領域に、複数の燃料噴出口が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物型燃料電池発電装置。
【請求項３】
複数の前記燃料噴出口は、前記燃焼バーナ面に均一に分布して形成されていることを特徴とする請求項２に記載の固体電解質燃料電池発電装置。
【請求項４】
複数の前記燃料噴出口は、前記燃焼バーナ面の中心点を軸として、３回回転対称以上の回転対称性を有して形成されていることを特徴とする請求項２または３に記載の固体酸化物型燃料電池発電装置。
【請求項５】
前記アノード電極層が、前記平面火炎の内部であって還元炎の直上に配置されることを特徴とする請求項２から４の何れか一項に記載の固体酸化物型燃料電池発電装置。
【請求項６】
前記予混合燃料における燃料成分と酸化剤成分の当量比は、１．０から１．５に調整されることを特徴とする請求項２から５の何れか一項に記載の固体酸化物型燃料電池発電装置。
【請求項７】
複数の前記燃料噴出口のそれぞれは、０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ未満の直径を有する円形であることを特徴とする請求項２から６の何れか一項に記載の固体酸化物型燃料電池発電装置。
【請求項８】
複数の前記燃料噴出口の開口部をすべて合わせた開口面積は、前記アノード電極層と対向する前記燃焼バーナ面の前記領域の面積に対して１５％以上４０％未満であることを特徴とする請求項２から７の何れか一項に記載の固体酸化物型燃料電池発電装置。
【請求項９】
前記予混合燃料は、気体燃料と、酸素または酸素を含有する気体とが予め混合されたものであることを特徴とする請求項２から８の何れか一項に記載の固体酸化物型燃料電池発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物型燃料電池発電装置に関する。特に、カソード電極層およびアノード電極層が形成された固体電解質基板を有し、平面火炎を燃料とする直接火炎型の固体酸化物型燃料電池を備え、密閉を必要としない構造を有する固体酸化物型燃料電池発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年においては、種々の発電形式の燃料電池が開発されており、この中に、固体電解質を用いた形式の固体酸化物型燃料電池がある。この固体酸化物型燃料電池の一例を挙げると、イットリア（Ｙ2Ｏ3）が添加された安定化ジルコニアからなる焼成体を酸素イオン伝導型の固体電解質層として用いたものがある。この固体電解質層の一面にカソード電極層を、そして、その反対面にアノード電極層を形成し、このカソード電極層側に酸素又は酸素含有気体が供給され、さらに、アノード電極層には、メタン等の燃料ガスが供給されるようになっている。
【０００３】
この固体酸化物型燃料電池内では、カソード電極層に供給された酸素（Ｏ2）が、カソード電極層と固体電解質層との境界で酸素イオン（Ｏ2-）にイオン化され、この酸素イオンが、固体電解質層によってアノード電極層に伝導され、アノード電極層に供給された、例えば、メタン（ＣＨ4）ガスと反応し、そこで、水（Ｈ2Ｏ）、二酸化炭素（ＣＯ2）、水素（Ｈ2）、一酸化炭素（ＣＯ）が生成される。この反応において、酸素イオンが、電子を放出するため、カソード電極層とアノード電極層との間に電位差が生じる。そこで、カソード電極層とアノード電極層とにリード線を取り付ければ、アノード電極層の電子が、リード線を介してカソード電極層側に流れ、固体酸化物型燃料電池として発電することになる。なお、この固体酸化物型燃料電池の駆動温度は、約１０００℃である。
【０００４】
しかし、この形式の固体酸化物型燃料電池による発電装置では、カソード電極層側に、酸素又は酸素含有ガス供給チャンバーを、そして、アノード電極層側に、燃料ガス供給チャンバーを夫々分離したセパレート型チャンバーを用意しなければならず、しかも、高温下で、酸化性雰囲気と還元性雰囲気とに晒されるため、固体酸化物型燃料電池としての耐久性を向上することが困難であった。
【０００５】
一方、固体電解質層の対向した面に、カソード電極層とアノード電極層とを設けた固体酸化物型燃料電池を形成し、この燃料電池を、燃料ガス、例えば、メタンガスと、酸素ガスとが混合された混合燃料ガス中に置いて、カソード電極層とアノード電極層との間に起電力を発生させる形式の固体酸化物型燃料電池が開発されている。この形式の固体酸化物型燃料電池では、カソード電極層とアノード電極層との間に起電力を発生する原理は、上述したセパレート型チャンバー形式の固体酸化物型燃料電池の場合と同様であるが、固体酸化物型燃料電池全体を実質的に同一雰囲気にすることができるため、混合燃料ガスが供給されるシングル型チャンバーとすることができ、固体酸化物型燃料電池の耐久性を向上できる。
【０００６】
しかし、このシングル型チャンバーの固体酸化物型燃料電池による発電装置においても、約１０００℃の高温下で駆動しなければならないので、混合燃料ガスの爆発の危険性がある。この危険性を回避するために、酸素濃度を発火限界よりも低い濃度にすると、メタン等の燃料の炭化が進み、電池性能が低下するという問題が生じた。そのため、混合燃料ガスの爆発を防止しつつ、燃料の炭化の進行を防止し得る酸素濃度の混合燃料ガスを使用できるシングル型チャンバーの固体酸化物型燃料電池の発電装置が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。
【０００７】
ところで、上述のシングル型チャンバーの固体酸化物型燃料電池による発電装置では、従来の固体酸化物型燃料電池の発電装置のように、燃料と空気を厳粛に分離する必要がない代わりに、気密封止構造を採用せざるを得ない。そして、高温下で駆動できるように、複数の板状固体酸化物型燃料電池が耐熱性高電気伝導性を有するインターコネクト材を用いて積層接続され、起電力を上げていた。そのため、板状固体酸化物型燃料電池によるシングル型チャンバーの燃料電池発電装置は、大掛かりな構造となり、コストが嵩むという問題がある。また、このシングル型チャンバーの固体酸化物型燃料電池発電装置の稼動に際しては、高温になるまで徐々に昇温して、固体酸化物型燃料電池の割れを防止しているので、起電するまでの時間が長く、手間がかかるものである。
【０００８】
そこで、固体酸化物型燃料電池を密封構造の容器に収容する必要がない、開放型の固体酸化物型燃料電池発電装置が提案されている（例えば、特許文献２）。特許文献２に記載の固体電解質燃料電池発電装置では、図７（ａ）に示すように、固体酸化物型燃料電池Ｃへの燃料供給に、火炎ｆを直接利用する形態が開示されている。そのため、この固体酸化物型燃料電池発電装置１０は、起電時間が短縮でき、構造が簡単なので、固体酸化物型燃料電池発電装置の小型軽量化、低コスト化に有利であるといえる。そして火炎を直接利用する点で、一般の燃焼装置や焼却装置等に組み込むことが可能となり、電力供給装置として利用することが期待されている。
【０００９】
また、特許文献３には、図８（ａ）および図８（ｂ）に示すように、板状に形成された固体酸化物型燃料電池Ｃのアノード電極層３の全面に、燃焼による複数の火炎ｆが均一にあたるように、燃焼用の燃料を放出する複数の燃料噴出口１６が設けられた燃料供給管１００を配設して、固体酸化物型燃料電池Ｃの発電効率を向上させた固体酸化物型燃料電池発電装置１０が開示されている。
【００１０】
【特許文献１】特開２００３−９２１２４号公報
【特許文献２】特開２００４−１３９９３６号公報
【特許文献３】特開２００５−６３６８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ところで、図７（ａ）および図８（ａ）に記載の固体酸化物型燃料電池発電装置１０では、固体酸化物型燃料電池Ｃが、平板状の固体電解質基板１を有し、該基板の一方の面には平板状のカソード電極層２が形成されており、他方の面には平板状のアノード電極層３が形成されている。このアノード電極層３が、直接火炎ｆに晒されるため、発電装置の発電出力性能または耐久性等が、火炎ｆの形状に大きく影響を受ける。
【００１２】
例えば、特許文献２に記載の装置のように、燃焼部１１として、いわゆるブンゼンバーナを用いた場合には、火炎ｆの内部に位置する還元炎ｆａと、外部に位置する拡散炎ｆｂとから火炎ｆが構成されているので、該火炎ｆに晒されているアノード電極層３は、その内方の温度は低く、外方の温度が高くなっており、その面方向に同心円状の温度勾配を有している。そのため、固体酸化物型燃料電池Ｃの内部には、熱応力が発生し、ひび割れ等を引き起こして、固体酸化物型燃料電池Ｃの耐久性の低下を招く。
【００１３】
このようなブンゼンバーナにおいて、炭化水素を燃料として用いると、図７（ａ）および図７（ｂ）に示すように、アノード電極層３の内方には、上述した温度勾配および酸素不足によって環状の煤Ｓが生成する。この煤Ｓにより、アノード電極層３の性能が低下するので、やはり固体酸化物型燃料電池Ｃの耐久性の低下を招く。このような煤Ｓの生成は、燃料である炭化水素の有効利用を阻害すると共に、熱エネルギーの減少につながるので、固体酸化物型燃料電池Ｃの発電効率の低下を招く。
【００１４】
また、特許文献３に記載の発電装置１０は、蛇行する燃料供給管１００の間から空気が流入するので、燃焼状態が不安定になる。また、燃料供給管１００が所定の寸法を有するので、その蛇行方向には、燃料噴出口１６を高い密度で形成することができない。また、細長い燃料供給管１００を用いているので、圧力損失により、燃料供給管１００の位置によって、燃料の噴出量が異なり、火炎ｆの大きさが不均一となる。また、複数の火炎ｆが均一にアノード電極層３にあたるように、複数の燃料噴出口１６を形成するためには、製造コストがかかる。さらに、その構成上、小さな寸法の発電装置には適さない。
【００１５】
従って、本発明の目的は、上述した従来技術が有する欠点を解消し得る固体酸化物型燃料電池発電装置を提供することにある。特に、平面火炎を固体酸化物型燃料電池の燃料として供給し、発電効率および耐久性に優れており、製造コストが低い直接火炎を利用する開放型の固体酸化物型燃料電池発電装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
以上の課題を解決するために、本発明の固体酸化物型燃料電池発電装置は、カソード電極層とアノード電極層とが形成された固体電解質基板を有する固体酸化物型燃料電池と、前記アノード電極層に平面火炎を供給する燃焼部とを備えたこととした。
【００１７】
そして、前記燃焼部は、前記アノード電極層と略平行に、且つ所定距離だけ離間して配置される燃焼バーナ面を有し、前記平面火炎は、前記燃焼バーナ面に供給された予混合燃料の燃焼により生成され、前記燃焼バーナ面には、前記アノード電極層と対向する領域に、複数の燃料噴出口が形成されていることとした。
【００１８】
また、複数の前記燃料噴出口は、前記燃焼バーナ面に均一に分布して形成されていることとした。
【００１９】
また、複数の前記燃料噴出口は、前記燃焼バーナ面の中心点を軸として、３回回転対称以上の回転対称性を有して形成されていることとした。
【００２０】
また、前記予混合燃料における燃料成分と酸化剤成分の当量比は、１．０から１．５に調整されることとした。
【００２１】
また、複数の前記燃料噴出口のそれぞれは、０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ未満の直径を有する円形であることとし、さらには、複数の前記燃料噴出口の開口部をすべて合わせた開口面積は、前記アノード電極層と対向する前記燃焼バーナ面の前記領域の面積に対して１５％以上４０％未満であることとした。
【００２２】
また、前記予混合燃料は、気体燃料と、酸素または酸素を含有する気体とが予め混合されたものであることとした。
【発明の効果】
【００２３】
以上のように、本発明の固体酸化物型燃料電池発電装置によれば、発電効率および耐久性に優れており、製造コストが低い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明の固体酸化物型燃料電池発電装置をその好ましい一実施形態に基づいて、図面を参照しながら説明する。本実施形態は、固体酸化物型燃料電池の温度分布を均一にして、固体酸化物型燃料電池発電装置の耐久性および発電効率を向上するために、平面火炎を採用したものである。
【００２５】
本実施形態の固体酸化物型燃料電池発電装置１０（以下、単に、本装置１０とも称す）は、図１〜３に示すように、カソード電極層２とアノード電極層３とが形成された固体電解質基板１を有する平板状の固体酸化物型燃料電池Ｃと、アノード電極層３に平面火炎Ｆを供給する燃焼部としての燃焼バーナ本体１１とを備えている。
【００２６】
本装置１０は、アノード電極層３を平面火炎Ｆに直接晒して発電する、いわゆる直接火炎を利用する開放型の固体酸化物型燃料電池発電装置である。
固体酸化物型燃料電池Ｃで発電された電力は、アノード電極層３とカソード電極層２とからそれぞれ引き出されたリード線Ｌ１、Ｌ２によって取り出される。リード線としては耐熱性のある白金製、或いは、白金を含む合金製のものが使用される。
【００２７】
本装置１０は、平板状の固体酸化物型燃料電池Ｃが平面火炎Ｆに晒されるので、アノード電極層３にムラなく火炎を当てることができる。さらに、アノード電極層３を火炎側に向けて配置しているので、火炎中に存在する炭化水素、水素、ラジカル（ＯＨ、ＣＨ、Ｃ２、Ｏ２Ｈ、ＣＨ３）などを燃料として利用しやすくしている。
【００２８】
本実施形態において、平面火炎は、平面形状の広がりを持った火炎の形態をいう。該平面形状は、厳密な２次元形状を含むと共に、凹凸形状等の３次元的な広がりを有している形状を含む場合もあるが、該平面火炎に晒されている平板状の燃料電池の面内の温度分布が小さい火炎の形状をいう。具体的には、平面火炎にアノード電極層が晒されている燃料電池の面内の温度分布は、その面内の平均温度に対する温度のばらつきが、±３５℃以下であることが好ましく、特に±２０℃以下であることが好ましい。本実施形態では、このような火炎を平面火炎といい、このような火炎の形状を以下、平面形状とも称す。
【００２９】
次に、本装置１０に使用される固体酸化物型燃料電池Ｃについて、さらに説明する。図１には、本装置１０の模式図が示されており、図２には、本装置１０に使用される固体酸化物型燃料電池Ｃの上面図が示されている。
固体酸化物型燃料電池Ｃは、図１および図２に示すように、平板状の固体電解質基板１を有し、該基板の一方の面には平板状にカソード電極層２が形成されており、他方の面には平板状にアノード電極層３が形成されている。固体酸化物型燃料電池Ｃは、全体として、平板状である。
【００３０】
固体酸化物型燃料電池Ｃの平面視形状は、用途に応じて任意の形状とすることができるが、本装置１０では、図２に示すように、円形状としており、固体電解質基板１、カソード電極層２およびアノード電極層３それぞれが、円形状を有している。カソード電極層２およびアノード電極層３の寸法は、同等であり、固体電解質基板１よりも若干小さく形成されている。
【００３１】
また、固体酸化物型燃料電池Ｃの寸法は、必要とされる発電特性に応じて適宜設計されることが好ましい。
【００３２】
次に、本装置１０に備えられた燃焼バーナ本体１１について、以下にさらに説明する。
燃焼バーナ本体１１は、図１に示すように、アノード電極層３と略平行に、且つ所定距離だけ離間して配置される燃焼バーナ面１２を有している。燃焼バーナ面１２は、燃焼バーナ本体１１の端面に形成されている。
【００３３】
平面火炎Ｆは、燃焼バーナ面１２に供給された予混合燃料の燃焼により、該燃焼バーナ面１２上に生成されるものである。本装置１０では、この予混合燃料は、気体燃料と酸素または酸素を含有する気体とが予め混合された混合燃料ガスである。この混合燃料ガスは、図示していない混合燃料ガス供給装置により、燃焼バーナヘッド１７へ供給される。この混合燃料ガス供給装置は公知のものを用いることができる。
【００３４】
燃焼バーナヘッド１７と、前記混合燃料ガス供給装置とは、熱絶縁体からなる配管（図示せず）を介して結合されていることが、燃焼バーナヘッド１７よりも上流の配管内部で、混合燃料ガスの加熱による発火を防ぐ観点から好ましい。または、前記混合燃料ガス供給装置から燃焼バーナヘッド１７へ向かって延びる配管に、冷却手段を設けて、燃焼バーナヘッド１７における燃焼による熱が、燃焼バーナヘッド１７よりも上流の部分に伝わらないようにしても良い。
【００３５】
また、本装置１０は、固体酸化物型燃料電池Ｃを保持固定する保持手段（図示せず）を備えている。固体酸化物型燃料電池Ｃは、前記保持手段により、そのアノード電極層３の中心と燃焼バーナ面１２の中心とを略一致させて、アノード電極層３が、燃焼バーナ面１２に対して略平行な状態が保持されている。
【００３６】
次に、燃焼バーナ面１２について、さらに以下に説明する。
本装置１０の燃焼バーナ面１２には、図３に示すように、アノード電極層３と対向する領域Ｐに、複数の燃料噴出口１６が形成されている。この領域Ｐは、アノード電極層３と同じ形状を有していることが好ましく、本装置１０では、アノード電極層３が円形状であるため、これに合わせて領域Ｐも円形状を有している。
従って、燃焼バーナ面１２に生成する平面火炎Ｆの平面視形状も、アノード電極層３と同形となり、発電効率が高められている。
【００３７】
燃焼バーナヘッド１７を製造する上で、断面が円形状の管を用いることは、製造コストおよび加工性の観点から好ましく、本装置１０では、このような管を用いて、燃焼バーナヘッド１７を製造しており、燃焼バーナヘッド１７の端面である燃焼バーナ面１２も円形状を有している。
本装置１０では、円形状の前記領域Ｐの中心点は、燃焼バーナ面１２の中心点と一致している。
【００３８】
複数の燃料噴出口１６は、燃焼バーナ面１２に均一に分布して形成されていることが、平面火炎を生成する上で好ましい。本実施形態では、複数の燃料噴出口１６の燃焼バーナ面１２における均一分布には、各燃料噴出口１６が燃焼バーナ面１２に等間隔に分布している場合を含むと共に、各燃料噴出口１６が等間隔ではないが、隣り合う燃料噴出口１６から噴出される燃料の燃焼で生成される火炎同士が重なり合って平面火炎が形成される程度に分布している状態も含むものとする。
本装置１０では、図３に示すように、３０個の燃料噴出口１６が燃焼バーナ面１２に均一に形成されている。
【００３９】
このように形成された燃料噴出口１６により生成される個々の火炎は、隣り合う燃料噴出口１６により生成される火炎と重なり合って連続的な平面火炎を形成する。従って、燃焼バーナ面１２に形成されている燃料噴出口１６間の間隔は、上述したように、隣り合う燃料噴出口１６から生成される火炎同士が重なり合う長さであることが、平面火炎を形成する上で好ましい。この間隔は、混合燃料ガスの流量および燃料噴出口１６の開口面積によって、適宜調整されて設計されることが好ましい。
【００４０】
また、複数の燃料噴出口１６は、燃焼バーナ面１２の中心点を軸として、３回回転対称以上の回転対称性を有して形成されていることが、安定した平面火炎を形成する上で好ましい。図３に示す燃焼バーナ面１２に形成された複数の燃料噴出口１６は、３回回転対称を有している。
【００４１】
図３に示す燃焼バーナ面１２の変形例を図４（ａ）および図４（ｂ）に示す。図４（ａ）に示す変形例では、１５個の燃料噴出口１６が、５回回転対称性を有するように形成されている。また、図４（ｂ）に示す変形例では、３個の燃料噴出口１６が、３回回転対称性を有するように形成されている。
【００４２】
燃焼バーナ面１２の中心には、燃料噴出口１６を設けないことが、固体酸化物型燃料電池Ｃの温度分布を均一にする上で好ましい。燃焼バーナ面１２の中心は、外方へ向かって熱が逃げる量が少なく、一方周囲からは内方へ向かって熱が伝わってくるため、燃焼バーナ面１２の外方の部位と比べて、温度が高くなりやすい。そこで、燃焼バーナ面１２の中心には、燃料噴出口１６を設けないことにより、このような温度上昇を防ぐことができる。
【００４３】
図３に示す燃焼バーナ面１２では、その外方の方が、内方よりも燃料噴出口１６同士の周方向の間隔が大きくなっている。これは、燃焼バーナ面１２の外方では、燃焼バーナヘッド１７周囲の空気が火炎に巻き込まれて、該外方における火炎の温度が、内方よりも上昇するので、その分、燃焼バーナ面１２の外方における燃料噴出口１６同士の間隔を、内方よりも大きくして、アノード電極層３の平面火炎による加熱の面内における温度分布が均一になるようにしているためである。
【００４４】
また、従来例の燃焼部では、図８（ａ）および図８（ｂ）に示すように、蛇行する燃料供給管１００の間から空気が流入するので、燃焼状態が不安定になるが、本装置１０における燃焼バーナ面１２には、燃料噴出口１６と燃料噴出口１６との間の部分には開口部がなく、流入する空気により燃焼状態が不安定になることはない。
【００４５】
上述したように、本装置１０の燃焼バーナヘッド１７は、複数の燃料噴出口１６を有する燃焼バーナ面１２を備えた構成であり、その製造が容易である。
【００４６】
なお、燃焼バーナヘッド１７として、焼結金属のような金属多孔質体を用いることも可能である。金属多孔質体は、均一な細孔の開口部をその表面に有しており、混合燃料ガスが燃焼バーナ面から均一に噴出し、平面火炎を生成することができる。しかし、この金属多孔質体を用いた燃焼バーナヘッドは製造コストが高いため、上述したような本実施形態の燃焼バーナヘッド１７を用いることが、製造コストの低減を図る上で好ましい。
【００４７】
また、本装置１０では、燃焼バーナ本体１１により、平面火炎Ｆを生成する上で、燃料噴出口１６が、下記の寸法を有していることが好ましい。
複数の燃料噴出口１６のそれぞれは、０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ未満の直径を有する円形であることが好ましく、特に０．７ｍｍ以上１．２ｍｍ未満の直径を有する円形であることが好ましい。燃料噴出口１６の直径が０．５ｍｍ以上であることにより、アノード電極層３への燃料供給および固体酸化物型燃料電池Ｃの加熱を十分に行うことができると共に、加工性が良好となる。一方、燃料噴出口１６の直径が２．０ｍｍ以上であると、混合燃料ガスがその配管内で発火する現象、いわゆるバックファイアが生じて、安定した平面火炎が生成できない。
【００４８】
複数の燃料噴出口１６の開口をすべて合わせた開口面積は、アノード電極層３と対向する燃焼バーナ面１２の前記領域Ｐの面積に対して１５％以上４０％未満である。前記開口面積が、前記領域Ｐの面積に対して１５％以上であることにより、アノード電極層３への燃料供給および固体酸化物型燃料電池Ｃの加熱を十分に行うことができる。一方、前記開口面積が、前記領域Ｐの面積に対して４０％以上であると、安定した平面火炎が生成できない。
【００４９】
上述した範囲内において、燃料噴出口１６の数および配置を、適宜設計することができる。特に、前記開口面積の大きさが一定の場合は、燃料噴出口１６の数が多い程、固体酸化物型燃料電池Ｃの面内の温度分布をより均一にすることができる。
【００５０】
以上では、本装置１０の構成について説明をした。以下、本装置１０における主要な構成要素の形成材料について説明する。
上述した燃焼バーナヘッド１７および燃焼バーナ面１２の形成材料としては、発電時の燃焼による温度および雰囲気での耐久性を有していることが好ましい。このような形成材料として、例えば、真鍮等の金属、石英、セラミックスが挙げられる。
【００５１】
次に、固体酸化物型燃料電池Ｃの形成材料について、以下に説明する。
固体電解質基板１には、例えば、公知のものを採用でき、次に示す材料を使用できる。
ａ）ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）、ＳｃＳＺ（スカンジア安定化ジルコニア）、これらにＣｅ、Ａｌ等をドープしたジルコニア系セラミックス。
ｂ）ＳＤＣ（サマリアドープドセリア）、ＳＧＣ（ガドリアドープドセリア）等のセリア系セラミックス。
ｃ）ＬＳＧＭ系（ランタンガレート系セラミックス）、酸化ビスマス系セラミックス。
このように本明細書では、固体酸化物は、固体電解質を含む概念である。
【００５２】
また、アノード電極層３は、多孔質体から形成されており、その形成材料としては、例えば、公知のものを採用でき、次に示す材料を使用できる。
ｄ）ニッケル、コバルトと、イットリア安定化ジルコニア系、スカンジア安定化ジルコニア系、又は、セリア系（ＳＤＣ、ＧＤＣ、ＹＤＣ等）セラミックとのサーメット。
ｅ）導電性酸化物を主成分（５０質量％以上９９質量％以下）とする焼結体。導電性酸化物とは、例えば、リチウムが固溶された酸化ニッケル等である。
ｆ）また上記ｄ）、ｅ）に挙げたものに、白金族元素やレニウムから成る金属、または、その酸化物が１〜１０質量％程度配合されたもの。
上述した中でも、特にｄ）、ｅ）が好ましい。
【００５３】
上記ｄ）のニッケル-コバルトサーメットは優れた耐酸化性を有し、また硫黄被毒に対しても高い耐性をもつため、アノード電極機能の低下といった現象を防止できる。さらに、上記ｄ）、ｅ）に挙げたものに、白金族元素やレニウムから成る金属、またはその酸化物を配合することにより、高い発電性能を得ることができる。
【００５４】
カソード電極層２は、多孔質体から形成されており、その形成材料としては、公知のものを採用でき、例えば、ストロンチウムが添加されたランタン、サマリウム等の周期律表第３族元素が添加されたコバルト酸化合物（例えば、サマリウムストロンチウムコバルタイト、ランタンストロンチウムコバルタイト）、ランタンのマンガン酸化合物、ガリウム酸化合物（例えば、ランタンストロンチウムマンガンライト）、又はフェライト系化合物（例えば、ランタンストロンチウムコバルトフェライト）。さらに、必要に応じカソードに炭素系造孔材などを添加することにより高い発電特性を得ることができる。
【００５５】
アノード電極層３とカソード電極層２とは、共に多孔質体で形成されるが、本装置１０における固体電解質基板１も多孔質に形成されていてもよい。従来では、基板を構成する固体電解質層は、緻密質に形成されていたが、耐熱衝撃性が低く、急激な温度変化によって、ひび割れが生じやすかった。また、一般に、固体電解質層は、アノード電極層及びカソード電極層よりも厚く形成されているので、固体電解質層のひび割れが引き金となり、固体酸化物型燃料電池の全体にひび割れが発生し、バラバラになってしまっていた。
【００５６】
本装置１０においても、個々の固体酸化物基板が多孔質に形成されることで、発電時に、火炎中、或いは、火炎の近傍に配置されて、急激に温度変化を与えても、さらに、温度差の激しいヒートサイクルに対しても、ひび割れ等がさらに抑制され、耐熱衝撃性がより向上される。また、多孔質であっても、その気孔率が１０％未満のときは、耐熱衝撃性に著しい向上が認められなかったが、１０％以上であると良好な耐熱衝撃性が見られ、２０％以上であるとより好適である。
【００５７】
固体酸化物型燃料電池Ｃは、例えば、次のように製造される。先ず、固体電解質層の材料粉末を所定配合割合で混合し、平板状に成形する。その後、これを焼成して焼結することで固体電解質層としての基板が作られる。このとき、気孔形成剤等の材料粉末の種類や配合割合、焼成温度、焼成時間、予備焼成等の焼成条件等を調整することによって、様々な気孔率の固体電解質層を作ることができる。こうして得られた固体電解質層としての基板の一面側にカソード電極層となるペーストを、他面側にアノード電極層となるペーストを塗布し、焼成を行うことで燃料電池を製造することができる。
【００５８】
また、固体酸化物型燃料電池Ｃは、次に説明するように、さらに耐久性を向上することができる。この耐久性の向上手法としては、図１に示される平板形の固体酸化物型燃料電池Ｃにおけるカソード電極層２とアノード電極層３とに、メッシュ状金属を埋設、或いは、固着させるものである。埋設する方法としては、各層の材料（ペースト）を固体電解質層に塗布し、メッシュ状金属をその塗布された材料中に埋め込んだ後に焼成を行う。固着する方法としては、メッシュ状金属を各層の材料によって完全に埋め込むことなく、接着させて焼結しても良い。
【００５９】
メッシュ状金属としては、これを埋設する、或いは、固着するカソード電極層、アノード電極層との熱膨張係数の調和や、耐熱性に優れたものが好適である。具体的には、白金や、白金を含む合金から成る金属でメッシュ状にしたものが挙げられる。ＳＵＳ３００番代（３０４、３１６等）、或いは、ＳＵＳ４００番代（４３０等）のステンレスでも良く、これらはコストの点で有利である。
【００６０】
また、メッシュ状金属を用いる代わりに、ワイヤ状金属をカソード電極層、アノード電極層に埋設或いは固着させてもよい。ワイヤ状金属は、メッシュ状の金属と同様の金属から成り、その数や配設形状等に限定はない。
【００６１】
メッシュ状金属やワイヤ状金属を、カソード電極層やアノード電極層に埋設、或いは、固着することにより、熱履歴等によってひび割れした固体電解質基板がバラバラになって崩れないように補強されることになり、さらに、メッシュ状金属やワイヤ状金属は、ひび割れした部分を電気的に接続することができる。
【００６２】
なお、これまで、固体電解質基板を多孔質性にした場合を説明したが、本実施形態の固体酸化物型燃料電池の固体電解質基板に、緻密構造のものを使用することができ、この場合には、特に、熱履歴によるひび割れに対処するのに、カソード電極層及びアノード電極層にメッシュ状金属又はワイヤ状金属を埋め込み、或いは、埋設することは、有効な手段となる。
【００６３】
メッシュ状金属或いはワイヤ状金属は、カソード電極層とアノード電極層の両方に配設しても良いし、どちらか一方に配設しても良い。また、メッシュ状金属とワイヤ状金属を組み合わせて配設しても良い。熱履歴によってひび割れが生じたときには、少なくともアノード電極層に、メッシュ状金属又はワイヤ状金属が埋設されていれば、その発電能力を低下させることがなく、発電を継続することができる。燃料電池の発電能力は、アノード電極層の燃料極としての有効面積に負うところが大きいので、少なくともアノード電極層にメッシュ状金属或いはワイヤ状金属を配設すると良い。
【００６４】
上述した本装置１０は、例えば、以下のようにして発電することができる。
まず、燃焼装置１１により着火されて生成した平面火炎Ｆは、還元炎Ｆａと拡散炎Ｆｂとから構成されている。還元炎Ｆaは、アノード電極層３が拡散炎Ｆｂの内部に配置される前後において、図１に示すように、略同じ平面形状を有している。
【００６５】
そして、アノード電極層３が、図１に示すように、平面火炎Ｆの内部であって還元炎Ｆａの直上に配置されることが、アノード電極層３への燃料供給および固体酸化物型燃料電池Ｃを効率的に加熱する上で好ましい。一方、アノード電極層３を、還元炎Ｆａの内部に配置すると、平面火炎Ｆが消えてしまう場合がある。
【００６６】
アノード電極層３と燃焼バーナ面１２との間を、該燃焼バーナ面１２と垂直な方向に測定した長さは、通常１０ｍｍ以下である。
【００６７】
そして、前記予混合燃料における燃料成分と酸化剤成分の当量比（または、等量比ともいう）は、１．０から１．５に調整されることが、安定した平面火炎を得る上で好ましい。発電方法のその他については、公知の常法が用いられる。
【００６８】
本装置１０の発電時には、複数の燃料噴出口１６から噴出した混合燃料ガスが燃焼して個々の火炎が形成され、各火炎が隣り合う火炎と重なり合って、図１に示すように、平面火炎Ｆが生成される。そして、アノード電極層３の全面は、還元炎Ｆａの直上に配置されて、平面火炎Ｆに晒される。
【００６９】
また、発電効率を向上するためには、混合燃料ガスにおける、燃料成分と酸化剤成分との比率を、上述したように化学量論的に設定することが好ましい。また、燃料噴出口１６の寸法、数に応じて、混合燃料ガスの流量を適宜調節して、安定した平面火炎を設計することが好ましい。
【００７０】
上述した本装置１０によれば、アノード電極層３が、直接平面火炎に晒されて発電されるので、発電効率が良い。また、平面火炎を用いることにより、固体酸化物型燃料電池Ｃの面内の温度分布が均一となり、熱応力および煤の生成が防止されるので、固体酸化物型燃料電池Ｃの耐久性が向上する。
【００７１】
また、本装置１０は、燃焼バーナ面１２からの空気の流入がないので、平面火炎の燃焼状態が安定する。また、燃焼バーナ面１２には、高い密度で燃料噴出口１６を形成することができる。また、各燃料噴出口１６により生成される火炎の大きさが均一である。また、固体酸化物型燃料電池Ｃの寸法に応じて、燃焼バーナ面１２の寸法を適宜設計できるので、小さな平面火炎から大きな平面火炎まで生成することができる。
【００７２】
本発明の固体酸化物燃料電池発電装置は、上述した実施形態に制限されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更が可能である。
例えば、本発明の固体酸化物燃料電池発電装置１０は、燃焼バーナ面１２の平面視形状は、円形であったが、該燃焼バーナ面１２の形状は、固体酸化物型燃料電池Ｃの形状に対応させて適宜変更することができる。例えば、固体酸化物型燃料電池Ｃが４角形であれば、燃焼バーナ面１２も４角形にすることが好ましい。
【００７３】
また、本発明では、複数の固体酸化物型燃料電池Ｃを平面方向に配置して、それぞれのアノード電極層３を平面火炎に晒して発電しても良い。そして、各固体酸化物型燃料電池Ｃを、用途に応じて直列接続または並列接続しても良い。
【実施例】
【００７４】
以下、本発明の実施例としての具体例を用いて更に説明する。ただし、本発明の範囲はかかる具体例に制限されるものではない。
【００７５】
[具体例]
以下に述べるように、燃焼バーナヘッド１７および固体酸化物型燃料電池Ｃを作成して、本発明の固体酸化物型燃料電池発電装置の具体例とした。
【００７６】
まず、図３に示す燃焼バーナヘッド１７の作成を、以下のように行った。
燃焼バーナヘッド１７の形成材料として真鍮を用いた。燃焼バーナ面１２の直径は１３ｍｍであり、直径１．２ｍｍの燃料噴出口１６を、図３に示すように、燃焼バーナ面１２の中心点を軸として、３回回転対称を有するように３０個形成した。
【００７７】
次に、固体酸化物型燃料電池Ｃの作成を、以下のように行った。
固体電解質基板１として直径１５ｍｍ、厚さ１８０μｍのＳＤＣ（サマリアドープドセリア：Ｓｍ０．２Ｃｅ０．８Ｏ１．９）基板を用いた。この固体電解質基板１の一方の面には、アノード電極層３の形成材料として、ＳＤＣおよびＲｈ２Ｏ３を添加したＮｉ０．９Ｃｏ０．１Ｏｘのペーストを１．３ｃｍ２の面積に印刷した。固体電解質基板１の他方の面には、カソード電極層２の形成材料として、ＳＤＣを添加したＳＳＣ（サマリウムストロンチウムコバルトタイト：Ｓｍ０．５Ｓｒ０．５ＣｏＯ３）のペーストを１．３ｃｍ２の面積に印刷した。その後、両面に各ペーストが印刷された固体電解質基板１を１２００℃で焼成した。
【００７８】
そして、白金線を溶接してメッシュ状に形成した白金メッシュを、各ペースト印刷面に埋め込み、大気中において１２００℃で１時間の焼成を行い、集電電極と割れ対策用として形成し、固体酸化物型燃料電池発電装置１０の固体酸化物型燃料電池Ｃを作成した。
【００７９】
そして、燃焼バーナヘッド１７に、円筒状の配管を用いて、公知の混合燃料ガス供給装置を接続した。前記配管には、冷却手段を設けた。混合燃料ガスは、燃料成分としてｎ−ブタンを用い、酸化剤成分として空気を用いた。混合燃料ガス中のｎ−ブタン濃度は４％であった。また、混合燃料ガスの流量は、混合燃料ガス供給装置により６００ｓｃｃｍに調節した。なお、ｓｃｃｍとは、１気圧（大気圧、１０１４ｈＰａ）、０℃で測定された１分間あたりの流量をｃｃ（１０−３リットル）で表したものである。
【００８０】
上述した具体例を用いて、燃焼バーナ本体１１の燃焼バーナ面１２に平面火炎Ｆを生成した。アノード電極層３は、平面火炎Ｆの内部であって還元炎Ｆａの直上に配置した。固体酸化物型燃料電池Ｃのアノード電極層３と燃焼バーナ面１２との間は１０ｍｍ以下であった。
【００８１】
また平面火炎Ｆは、燃焼バーナ面１２中央の火炎の高さが一番高くて、周囲の火炎の高さが中央よりも低くなっていた。これは、前記配管内における混合燃料ガスの流速が、中央部が一番速くて、周囲の流速が中央部よりも遅いためと考えられる。また、各燃料噴出口１６の位置に対応して、平面火炎Ｆには凸部が形成されており、平面火炎Ｆは全体として、中央部が最も高い凹凸形状を有していた。
【００８２】
[比較例]
燃焼バーナヘッドとして、図７（ａ）に示すような、燃料噴出口が直径４ｍｍのブンゼンバーナを用い、混合燃料ガス中のｎ−ブタン濃度を６．５％として、混合燃料ガスの流量を、混合燃料ガス供給装置により４００ｓｃｃｍに調節した以外は、上述した具体例と同様にして、比較例を得た。
【００８３】
[固体酸化物型燃料電池の面内温度分布の評価]
固体酸化物型燃料電池Ｃの発電中におけるカソード電極層２表面の温度分布の測定を、具体例および比較例を用いて行った。温度の測定は、非接触型表面温度計（ＮＥＣ三栄株式会社製）を用いた。温度分布の測定は、カソード電極層２の中心点を通る直径方向の直線について、円形状のカソード電極層２における一方の端縁から他方の端縁までの部分で行った。
【００８４】
その結果、具体例におけるカソード電極層２表面の平均温度は、６７６．８℃であり、表面温度のばらつきは、平均温度に対して±２０℃であった。一方、比較例におけるカソード電極層２表面の平均温度は、５９４．４℃であり、表面温度のばらつきは、平均温度に対して±４０℃であった。
【００８５】
このように、具体例におけるカソード電極層２表面の平均温度は、比較例よりも約８０度高く、一方表面温度のばらつき幅は、４０℃小さいことが分かった。発電に使用された混合燃料ガス中のｎ−ブタンの総量は、具体例の方が少ないことから、燃料に対する発電効率は、具体例の方が優れていることが分かった。
従って、具体例の燃料に対する発電効率は、比較例よりも高く、且つ具体例の燃料電池の面内温度分布は、比較例よりも優れていることが分かった。
【００８６】
[アノード電極層表面における煤生成の評価]
固体酸化物型燃料電池Ｃの発電中におけるアノード電極層３表面における煤生成の評価を、具体例および比較例を用いて行った。１０時間発電後の固体酸化物型燃料電池Ｃにおけるアノード電極層３の表面を目視で観察して、煤の有無を調べた。
【００８７】
その結果、具体例のアノード電極層３には、煤は存在せず、煤生成は確認されなかった。一方、比較例のアノード電極層３には、図７（ｂ）に示すような環状の煤が確認された。この比較例のアノード電極層３に生成した煤を、燃焼させて取り除いた所、アノード電極層３には、凹んで荒らされたような部分が現れた。これは、アノード電極層３が、煤生成中、または、煤の燃焼中に、劣化したことを示している。
従って、具体例のアノード電極層表面には煤が生成しないが、比較例では煤が生成することが分かった。
【００８８】
[発電出力特性の評価]
固体酸化物型燃料電池発電装置の発電出力特性の評価を、具体例および比較例を用いて行った。具体的には、電圧ー電流特性および電力ー電流特性の初期特性を測定した。
その結果を図５に示す。電圧ー電流特性および電力ー電流特性共に、具体例と比較例とは同等の結果を示した。発電に使用された混合燃料ガス中のｎ−ブタンの総量は、具体例の方が少ないことから、燃料に対する発電効率は、具体例の方が優れていることが分かった。
従って、具体例の発電出力特性の初期特性は、比較例よりも優れていることが分かった。
【００８９】
[発電出力特性の耐久性の評価]
固体酸化物型燃料電池発電装置の発電出力特性の耐久性の評価を、具体例および比較例を用いて行った。具体的には、電圧ー時間特性を測定した。測定は、固体酸化物型燃料電池Ｃのカソード電極層２およびアノード電極層３から取り出したリード線Ｌ１，Ｌ２間に流れる電流が、定電流４００ｍＡ／ｃｍ２となるように負荷を加えた状態で、リード線Ｌ１，Ｌ２間における電圧の経時変化を調べた。
【００９０】
その結果を図６に示す。比較例における電圧の経時変化は、測定開始後約２０時間まではゆるやかに単調減少し、この２０時間目以降は、大きな傾きで減少した。一方、具体例における電圧の経時変化は、測定開始後約１０時間まではゆるやかに増加した後、この１０時間目以降は、ゆるやかに単調減少した。具体例および比較例の電圧の値は、測定開始直後は同等であったが、その後具体例の電圧の方が、比較例よりも高くなり、測定時間内では、常に具体例の電圧の方が比較例よりも高かった。
従って、具体例の発電出力特性の耐久性は、比較例よりも優れていることが分かった。比較例の電圧が、２０時間目以降に急激な減少した理由は、アノード電極層３表面に生成した煤および熱応力によるひび割れ等が原因と考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【図１】図１は、本発明の固体酸化物型燃料電池発電装置の一実施形態を示す模式図である。
【図２】図２は、図１の固体酸化物型燃料電池の上面図である。
【図３】図３は、図１の燃焼バーナ面を示す平面図である。
【図４】図４（ａ）は、図３の燃焼バーナ面の変形例を示す上面図であり、図４（ｂ）は、また他の変形例を示す上面図である。
【図５】図５は、具体例および比較例の発電出力特性を示す図である。
【図６】図６は、具体例および比較例の発電出力特性の耐久性を示す図である。
【図７】図７（ａ）は、従来技術による固体酸化物型燃料電池発電装置を模式的に示しており、図７（ｂ）は、固体酸化物型燃料電池のアノード電極層に生成した煤を示す図である。
【図８】図８（ａ）は、従来技術による他の固体酸化物型燃料電池発電装置を模式的に示しており、図８（ｂ）は、（ａ）の燃料供給管の平面図である。
【符号の説明】
【００９２】
１    固体電解質基板
２    カソード電極層
３    アノード電極層
１０    固体酸化物型燃料電池発電装置
１１    燃焼バーナ本体（燃焼部）
１２    燃焼バーナ面
１３    混合燃料ガス供給装置
１６    燃料噴出口
１７    燃焼バーナヘッド
１００    燃料供給配管
Ｃ    固体酸化物型燃料電池
Ｆ    平面火炎
ｆ    火炎
Ｓ    煤
【図１】
2008159524.tif 000003
【図２】
2008159524.tif 000004
【図３】
2008159524.tif 000005
【図４】
2008159524.tif 000006
【図５】
2008159524.tif 000007
【図６】
2008159524.tif 000008
【図７】
2008159524.tif 000009
【図８】
2008159524.tif 000010