(57)【要約】      （修正有）【課題】積層型固体酸化物形燃料電池を複数個並列に接続し、直接火炎を用いて発電するのに適した、リード線接続構造を提供する。【解決手段】各チップ状素子の対向する一対の面の一方にアノード側端子電極を、他方にカソード側端子電極を備え、アノード側端子電極同士、カソード側端子電極同士をそれぞれ接合し、アノード側端子電極と接続する表面電極をカソード側端子電極近傍で第１リード線と接続し、カソード側端子電極を第２リード線と接続し、アノード側端子電極に接続した第１リード線を炎の反対側から取り出す構造をとる。【選択図】図１
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【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
一対のリード線を備えた複数の積層型固体酸化物形燃料電池を並列に接続するリード線接続構造であって、
各々の前記積層型固体酸化物形燃料電池は、アノードとカソードを固体酸化物からなる電解質を介して交互に積層した直方体形状を成すチップ状素子であり、対向する一対の面に第１端子電極および第２端子電極を備えており、
前記アノードは、前記チップ状素子の対向する一対の面の一方に露出し、
前記カソードは、前記対向する一対の面の他方に露出しており、
前記第１端子電極は、前記アノードに電気的に接続し、
前記第２端子電極は、前記カソードに電気的に接続しており、
各々の前記積層型固体酸化物形燃料電池は、それぞれの前記第１端子電極同士が第１端子間接続部により接続しており、かつ、それぞれの前記第２端子電極同士が第２端子間接続部で接続しており、
表面電極が、前記第１端子電極の一つに接続し、前記第２端子電極近傍まで形成され、
前記表面電極は、前記第２端子電極近傍において、第１リード線と接続し、
前記第２端子電極の一つは、第２リード線と接続する
ことを特徴とする積層型固体酸化物形燃料電池のリード線接続構造。
【考案の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本考案は、炎を用いて発電する際の、複数の素子を並列に接続する積層型固体酸化物形燃料電池のリード線接続構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体酸化物形燃料電池は他の方式の燃料電池に比べエネルギー効率が高く、また、触媒として貴金属を使用しなくとも動作可能であるので、低コストで製造できるといった利点がある。
【０００３】
固体酸化物形燃料電池の構成の一例としては、電解質としての平板状の固体酸化物基板（以下、電解質としての固体酸化物を「固体電解質」ということがある）の一面にカソード(空気極)が、その反対面にアノード(燃料極)が形成され、固体酸化物基板、カソードおよびアノードによって、一つの固体酸化物形燃料電池セルが構成される。
【０００４】
通常、固体酸化物形燃料電池セル(以下、電解質を介してカソードおよびアノードが対向する構成を「単セル」ということがある)１個当たりの発電量は小さいので、インターコネクタ等を用いて単セルを集積化することで発電装置が形成される。しかし、単セルを集積化することにより、アノードおよびカソードからの集電構造、ならびに、燃料ガス配管および酸素（もしくは空気等酸素含有ガス）配管の取り回しが複雑化し、また、小型化することが困難となるという問題がある。
【０００５】
これに対し、直接火炎を用いた比較的単純な固体酸化物形燃料電池システムが提案されている。炎の中には未燃焼の可燃性ガスが残存しているため、炎は安定的に供給される燃料ガス源と考えることができる。またその炎の近傍には酸素を十分に含む新鮮な空気が存在している。さらに、炎は１０００℃以上の部分を持つ高温場でもある。ゆえに、固体酸化物形燃料電池の発電に必要な要素をすべて満たしているため、直接火炎を利用した固体酸化物形燃料電池による小型の発電システムが成り立っている。
【０００６】
また、特許文献１に記載の固体酸化物形燃料電池は、従来の平板型の固体酸化物形燃料電池とは異なり、複数のアノードと複数のカソードとが、固体電解質を介して交互に積層されて一体化されたチップ形状としていることを特徴としている。以下、この構成を積層型固体酸化物形燃料電池と呼ぶ。この構造をとることで、薄い単セル１枚から成る従来の平板型の固体酸化物形燃料電池に比べ、耐熱衝撃性に優れたチップ状素子が得られることになる。また、この積層型固体酸化物形燃料電池は電気回路的には複数の単セルが並列に接続したものであり、複数のアノードと複数のカソードとが、固体電解質を介して交互に積層されて一体化されているので、その積層数を増やすことにより、単位体積あたりの単セルの表面積を大きくすることが可能となる。
【０００７】
特許文献１に記載の積層型固体酸化物形燃料電池を用いて発電を行うには、積層型固体酸化物形燃料電池のアノード側の端子に燃料ガスを供給し、カソードの端子に空気を供給すればよい。さらに、直接火炎を用いて発電を行う場合には、アノード側の端子のみを火炎中に配置し、カソード側の端子を火炎の外に出せばよい。なお、片方の端子のみを火炎中に配置した場合においても、熱伝導により積層型固体酸化物形燃料電池全体が加熱されるため、発電に必要な温度は十分に得ることが出来る。
【０００８】
特許文献１に記載の積層型固体酸化物形燃料電池は、耐熱衝撃性に優れるため、直接火炎を用いた場合においても、平板型の固体酸化物形燃料電池に比べ割れが生じにくいという利点がある。また積層型固体酸化物形燃料電池は、電極（アノードおよびカソード）を複数積層することにより、単位体積当たりの電極面積が大きく取れるため、チップ状素子が小さくても比較的大きな発電量が得られることが期待される。さらに、積層型固体酸化物形燃料電池はこのチップ状素子を複数個集積することで発電量を増やすことが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１１−３４６８８号公報
【考案の概要】
【考案が解決しようとする課題】
【００１０】
特許文献１に記載の積層型固体酸化物形燃料電池とリード線の接続方法を考える場合、ごく一般的には、アノード側とカソード側の両端からリード線を反対方向に引き出す構造、すなわちアキシャル（Ａｘｉａｌ）構造が考えられる。その際、リード線は、炎の外側(外炎)および中心付近（内炎）両方を通過することになるが、外炎は１０００℃以上の高温であり、内炎は還元雰囲気であるためリード線を構成する金属は還元劣化しやすい。ゆえに火炎中にあるリード線は断線の懸念が大きい。例えばφ０．１ｍｍのリード線では比較的低温の拡散炎中であっても容易に断線を生じてしまう。特にリード線に力がかかる状態で加熱された場合は断線が生じやすい。ゆえに、複数個集積することで発電量を増やす目的で、１対のリード線に複数個の積層型固体酸化物形燃料電池を接続した場合は、その重みのため、単数個の接続時に比べ、断線がさらに生じやすくなる。
【００１１】
上記の問題に対する対策としては、太いリード線の使用が考えられるが、リード線が太いほどリード線を通じ積層型固体酸化物形燃料電池から熱が大きく奪われ、発電特性が低下するという問題があるため、むやみに太いリード線を使うことには問題がある。また、リード線の部材を多く使用することにより、コスト増につながるという問題も生じる。
【００１２】
本考案は、上記に鑑みてなされたものであって、炎を用いて発電するのに適した、複数の積層型固体酸化物形燃料電池を並列に接続するためのリード線接続構造を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記問題を解決するため本考案に係る積層型固体酸化物形燃料電池のリード線接続構造は一対のリード線を備えた複数の積層型固体酸化物形燃料電池を並列に接続するリード線接続構造であって、各々の積層型固体酸化物形燃料電池は、アノードとカソードを固体酸化物からなる電解質を介して交互に積層した直方体形状を成すチップ状素子であり、対向する一対の面に第１端子電極および第２端子電極を備えており、アノードは、チップ状素子の対向する一対の面の一方に露出し、カソードは、対向する一対の面の他方に露出しており、第１端子電極は、アノードに電気的に接続し、第２端子電極は、カソードに電気的に接続しており、各々の積層型固体酸化物形燃料電池は、それぞれの第１端子電極同士が第１端子間接続部により接続しており、かつ、それぞれの第２端子電極同士が第２端子間接続部で接続しており、表面電極が、第１端子電極の一つに接続し、第２端子電極近傍まで形成され、表面電極は、第２端子電極近傍において、第１リード線と接続し、第２端子電極の一つは、第２リード線と接続している。
【００１４】
この構造をとることで、いずれのリードも炎の外に置かれることになるため、リード線が、炎の中央付近の還元雰囲気にも、１０００℃以上の高温にも晒されることはない。
【考案の効果】
【００１５】
リード線の接続部分の最高温度を１０００℃以下に抑え、かつこの部分を炎の還元雰囲気からも遠ざけることで、リード線の断線を防ぎつつ、積層型固体酸化物形燃料電池素子を並列に接続し、発電量を増やすことが可能となる。本考案に係る積層型固体酸化物形燃料電池のリード線接続構造は、炎を利用した発電に有効である。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本考案の実施形態に係る複数の積層型固体酸化物形燃料電池とリード線の接続構造の外観図である。
【図２】本考案における個々の積層型固体酸化物形燃料電池の断面図である。
【図３】本考案におけるアノード側の端子電極とリード線の接続説明図である。
【図４】本考案におけるカソード側の端子電極とリード線の接続説明図である。
【考案を実施するための形態】
【００１７】
＜接続方法の全体構成＞
図１は、本考案による実施形態に係る複数の積層型固体酸化物形燃料電池（以下、「積層型ＳＯＦＣ」という）とリード線の接続構造の外観図である。複数の積層型ＳＯＦＣ１を並列に接続する構成を示している。ここでは３つのチップ状素子を接続する例を示す。複数の積層型ＳＯＦＣ１において、後述するように、第１端子電極１１同士が第１端子間接続部１８により接続され、また、第２端子電極１２同士が第２端子間接続部１９によって接続される。さらに図１において上側の積層型ＳＯＦＣ１の第１端子電極１１からカソード側の端子電極である第２端子電極１２近傍まで伸びる表面電極１３が積層型ＳＯＦＣ１のチップ状素子表面に形成され、さらに表面電極１３はカソード側の端子電極である第２端子電極１２近傍で第１リード線１６と第１接続部１４により接続される。また、第２リード線１７は図１において下側の積層型ＳＯＦＣ１の第２接続部１５で第２端子電極１２と接続される。この実施形態は第１リード線１６がある場所は炎の外になるので、炎の中央付近の還元雰囲気にも、１０００℃以上の高温に晒されることはなく、第１リード線１６の劣化は抑えられる。本実施形態にある第１リード線１６および第２リード線１７の接続構造をとった複数の積層型ＳＯＦＣ１を、支持体（図示しない）に取り付けることで、火炎を用いた発電に好適なモジュールを作製することが可能となる。
【００１８】
＜積層型固体酸化物形燃料電池（積層型ＳＯＦＣ）＞
図２は、本実施形態に用いる積層型ＳＯＦＣの断面図である。図２に示すように、積層型ＳＯＦＣ１は、複数のアノード２と、複数のカソード３と、各アノード２と各カソード３との間に配置される固体電解質４と、アノード２またはカソード３を介して隣接する固体電解質４同士の間に配置される仕切り部５ａおよび仕切り部５ｃとからなり、一体に構成されて積層型ＳＯＦＣ１となる。積層型ＳＯＦＣ１は、各アノード２および各カソード３が固体電解質４を介して交互に対向して積層されている。各アノード２および各カソード３の一部は、両者が重ならない非重なり部６を有して配置されている。また、積層型ＳＯＦＣ１は、略直方体形状に形成されており、各アノード２は前記略直方体の対向する端面の一方に引き出するように形成されており、各カソード３は前記略直方体の対向する端面に他方（すなわち各アノード２の引き出されている端面と対向する端面）に引き出すように形成されている。さらに、積層型ＳＯＦＣ１は、複数のアノード２の引き出された各端部と共通に電気的に接続される第１端子電極１１および複数のカソード３の引き出された各端部と共通に電気的に接続される第２端子電極１２とを有する。
【００１９】
積層型ＳＯＦＣ１を動作させるには、燃料ガスを複数のアノード２に、酸素を複数のカソード３にそれぞれ供給する供給系統が必要である。本実施形態の積層型ＳＯＦＣ1では、複数のアノード２が第１端子電極１１に、複数のカソード３が第１端子電極１１とは反対側に配置される第２端子電極１２に接続されている。これによって、燃料ガスの供給系統と酸素の供給系統とを簡便に形成することができる。
【００２０】
本実施形態に用いる積層型ＳＯＦＣ１において、固体電解質４の材料は、Ｚｒ０．８１Ｙ０．１９Ｏ２−δに示すようなイットリアドープジルコニア（ＹＳＺ）を用いる。固体電解質４の材料としてはＹＳＺ等の安定化ジルコニア系のほか、Ｃｅ０．８５Ｓｍ０．１５Ｏ２−δに示すようなサマリアドープセリア（ＳＤＣ）等のセリア系、Ｌａ０．８Ｓｒ０．２Ｇａ０．８Ｍｇ０．２Ｏ３−δに示すようなＬＳＧＭ等のペロブスカイト型酸化物系の材料を用いることができる。なお、固体電解質４の材料は、上述したものに限定されるものではなく、固体酸化物形燃料電池の固体電解質として適用可能な材料全般を使用できる。
【００２１】
＜アノードおよびカソード＞
本実施形態に用いる積層型ＳＯＦＣ１において、複数のアノード２および複数のカソード３の材料は、白金（Ｐｔ）で構成された多孔質材料を用いる。各アノード２は燃料ガスを、各カソード３は酸素をそれぞれの内部に行き渡らせる必要があるため、多孔質体や気体通路を持つ構造である必要がある。また、各アノード２および各カソード３を多孔質体とするために、アノード用およびカソード用ペーストは電子伝導性を示す材料のほかに空隙形成剤を含むと良い。空隙形成剤は、例えばアクリル系のポリマー等、焼成時に消失するものを用いることができる。このように、焼成時に消失する空隙形成剤を用いることにより、多孔質体のアノードやカソードを簡単に作製できる。尚、アノード２とカソード３とは異なる材料であってもよい。
【００２２】
各アノード２は、Ｐｔの他、高温還元雰囲気で電子伝導性を示す材料が使用できる。このようなアノード２の材料としては、ニッケル（Ｎｉ）、上述したＹＳＺやＳＤＣ等の固体電解質とＮｉとのサーメット等がある。各カソード３は、Ｐｔの他、高温酸化雰囲気で電子伝導性を示すものが使用できる。このようなカソード３の材料としては、例えば、ＣｏＦｅ２Ｏ４、ＭｎＦｅ２Ｏ４、ＮｉＦｅ２Ｏ４、ＢＳＣＦ等がある。ここで、ＢＳＣＦとは、バリウム（Ｂａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）の酸化物である。なお、アノード２およびカソード３の材料は、上述したものに限定されるものではなく、固体酸化物形燃料電池のアノードおよびカソードとして適用可能な材料全般を使用することができる。
【００２３】
＜第１端子電極および第２端子電極＞
本実施形態に用いる積層型ＳＯＦＣ１において、第１端子電極１１は、複数のアノード２を電気的に接続しており、第２端子電極１２は複数のカソード３を電気的に接続している。これにより複数のアノード２および複数のカソード３はそれぞれ並列に接続したものとみなすことができる。また、第１端子電極１１および第２端子電極１２は、Ｐｔ多孔質体で構成される。これは、第１端子電極１１側から供給された燃料ガスを各アノード２の内部に、第２端子電極１２側から供給された酸素を各カソード３の内部にそれぞれ行き渡らせるためである。また、第１端子電極１１および第２端子電極１２を多孔質体とするために、第１端子電極用および第２端子電極用ペーストは導電性粉末粒子のほかに空隙形成剤を含むと良い。空隙形成剤は、例えばアクリル系のポリマー等、焼成時に消失するものを用いることができる。このように、焼付け時に消失する空隙形成剤を用いることにより、多孔質体の第１端子電極１１および第２端子電極１２を簡単に作製できる。
【００２４】
第１端子電極１１に用いることが出来る材料としては、アノード２に使用できる材料のほか、貴金属（例えば、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ）が好適である。また、第２端子電極１２に用いることが出来る材料としては、カソード３に使用できる材料のほか、貴金属（例えば、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ）が好適である。
【００２５】
＜仕切り部＞
アノード２とカソード３との間で電流や気体（燃料ガスや酸素）の漏れが発生すると、積層型ＳＯＦＣ１の単位体積あたりの発電効率が低下する。これを防止するため、図２に示すように、アノード２とカソード３との間にある固体電解質４および隣接する固体電解質４同士の間に配置される仕切り部５ａ、５ｃは、電流を絶縁し、ガスタイト（気体を透過させない構造）であることが好ましい。
【００２６】
仕切り部５ａ、５ｃに用いることができる材料としては、固体電解質４の材料以外では、例えば、ジルコニア（二酸化ジルコニウム、ＺｒＯ２）、アルミナ（酸化アルミニウム、Ａｌ２Ｏ３）、シリカ（二酸化ケイ素、ＳｉＯ２）、マグネシア（酸化マグネシウム、ＭｇＯ）を用いることができる。特に、仕切り部５ａ、５ｃは、固体電解質４よりも電子伝導度が低い材料で構成することが発電効率を向上させる観点から好ましく、このような材料としては、ジルコニアが好ましい。
【００２７】
＜各部材の大きさ＞
固体電解質４の厚みは、できる限り薄い方が好ましく、１μｍ〜５０μｍ、より好ましくは１μｍ〜２０μｍとすることができる。また、アノード２の厚みおよびカソード３の厚みは、燃料ガスや酸素を通過させる必要があることから、あまり薄くすることができないため、１０μｍ〜１００μｍ程度とすることができる。さらに、仕切り部５ａ、５ｃは、アノード２の厚みおよびカソード３の厚みと同等になるようにすればよい。
【００２８】
積層型ＳＯＦＣ１は、第１端子電極１１から第２端子電極１２までの端面方向の距離を長さＬ、積層方向の距離を厚みＴ、端面方向並びに積層方向と直行する方向の距離を幅Ｗとすることがある。チップ状素子の形状として外形寸法を例えば長さＬを４．５ｍｍ、幅Ｗを３．２ｍｍ、厚みＴを１．０ｍｍとすることが出来る。そして、チップ状素子の内部のアノード２およびカソード３の枚数をそれぞれ２枚とすることが出来る。この形状をとる場合、アノード２とカソード３との間の固体電解質４の枚数は３枚となるため、本実施形態における発電単位は３組とみなすことが出来る。また、アノード２とカソード３との重なり合う面積（電極有効面積）は３０ｍｍ２とした。
【００２９】
＜接続方法＞
本実施形態においては、複数の積層型ＳＯＦＣ１を並列に接続する構成を示している。ここでは３つのチップ状素子を接続する例を示す。まず、３個の積層型ＳＯＦＣ１同士を図１のように接続する。第１端子電極同士は、第１端子間接続部１８において、第２端子電極同士は第２端子接続部１９において、それぞれ接続される。
【００３０】
図３は、アノード側の端子電極とリード線の接続方法を示した図である。図１において上側の積層型ＳＯＦＣ１のアノード側の端子電極である第１端子電極１１からカソードの端子電極である第２端子電極１２の近傍まで伸びる表面電極１３が積層型ＳＯＦＣ１のチップ状素子表面に形成されている。表面電極１３はカソードの端子電極である第２端子電極１２の近傍でアノード側の第１リード線１６と第１接続部１４により接合される。第１リード線１６はカソード側に伸張し引き出されている。これにより第１リード線１６は、直接火炎に晒されることがなくなる。
【００３１】
また、図４は、カソード側の端子電極とリード線の接続方法を示した図である。第２リード線１７は、図１において下側の積層型ＳＯＦＣ１のカソード側の端子電極である第２端子電極１２と第２接続部１５で接合される。
【００３２】
本実施形態において、表面電極１３、第１接続部１４、第２接続部１５、第１端子間接続部１８及び第２端子間接続部１９にはＡｇを使用する。表面電極１３、第１接続部１４、第２接続部１５、第１端子間接続部１８および第２端子間接続部１９に使用できる材料としては、貴金属（例えば、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ）が好ましい。上記のほか少量（４０ｖｏｌ％以下）のガラスやセラミックスを混合しても良い。これらは、炎の中央付近の還元雰囲気にも、炎の外側の酸化雰囲気にも強く、炎のどこにおいても安定に存在し得るので好適である。
【００３３】
本実施形態において第１リード線１６および第２リード線１７はφ０．１ｍｍのＰｔ線を使用する。Ｐｔ線のほか、耐熱性および耐酸化性を有する導電性の高い金属線（例えば、貴金属である、Ａｕ、Ａｇ）や、導電性は前述の金属に比べ劣るが、耐熱合金（インコネル（登録商標）、ハステロイ（登録商標）、ステライト（登録商標）等）も使用可能である。
【００３４】
以上の手法により、図１のように、１対のリード線に対し、複数の積層型ＳＯＦＣ１を並列に接続する構造が得られる。
【００３５】
＜使用形態＞
発電時には各積層型ＳＯＦＣ１の各第１端子電極１１が炎の中央付近に挿入される必要があるが、本実施形態においては、第１リード線１６が表面電極１３を介して接続されているので、直接炎に晒されることは無い。第１リード線１６がある場所は炎の外にあるので、炎の中央付近の還元雰囲気にも、１０００℃以上の高温に晒されることはなく、第１リード線１６の劣化は抑えられる。本実施形態にある第１リード線１６および第２リード線１７の接続構造をとった各積層型ＳＯＦＣ１を、支持体に取り付けることで、炎を用いた発電に好適なモジュールを作製することが可能となる。
【００３６】
＜評価方法＞
ライターとガスバーナー、二種類の炎におけるリード線断線までの時間を計測した。ライターの炎はブタンガス流量：１０ｍｌ／ｍｉｎの拡散炎とし、ガスバーナーの炎はブタンガス流量：１０ｍｌ／ｍｉｎと空気流量：９０ｍｌ／ｍｉｎとの予混合炎とした。各第１端子電極１１を、炎の中央部分に配置し、第１リード線１６および第２リード線１７をテスターに接続して抵抗を測定することによって断線の有無を判断した。第１リード線１６の劣化が進むにつれて抵抗が上昇し、断線し抵抗値が無限大とる時間を計測した。第１端子電極１１を炎に晒すことによって、積層型ＳＯＦＣ１が破壊されることはいずれにおいても確認されなかった。
【００３７】
上限を１８０分として実験を行ったが、ライターの炎、ガスバーナーの炎いずれにおいても、第１リード線１６および第２リード線１７に断線は見られなかった。
【００３８】
以上の結果から、リード線の接続構成において上記の実施形態をとることにより、炎を用いて発電するのに適したリード線接続構造を得ることができ、リード線の断線が防止され、複数の積層型固体酸化物形燃料電池とリード線接続するモジュールの寿命が著しく延びることが確認された。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
以上のように、本考案に係る積層型固体酸化物形燃料電池のリード線接続構造は、炎を利用した発電に有効である。複数の積層型固体酸化物形燃料電池のモジュールを搭載した発電装置、さらにこの発電装置を搭載する赤外線ストーブ、小型給湯器、ビルトインコンロなどの火炎燃焼部を有するガス器具において、ガス器具に付随するファンやセンサ、電子表示機器など電子機器を電池レスで駆動させたいという要望なども実現出来る。
【符号の説明】
【００４０】
１  積層型ＳＯＦＣ（積層型固体酸化物形燃料電池）
２  アノード
３  カソード
４  固体電解質
５ａ、５ｃ  仕切り部
６  非重なり部
１１  第１端子電極
１２  第２端子電極
１３  表面電極
１４  第１接続部
１５  第２接続部
１６  第１リード線
１７  第２リード線
１８  第１端子間接続部
１９  第２端子間接続部
【図１】
0003174602.tif 000003
【図２】
0003174602.tif 000004
【図３】
0003174602.tif 000005
【図４】
0003174602.tif 000006