(57)【要約】【課題】集電損失の低い円筒形多孔質金属基体の形状と導電率を規定し、この円筒形多孔質金属基体を用いて高出力、或いは、起動性に優れた固体酸化物燃料電池を提供する。【解決手段】本発明の固体酸化物燃料電池は、１３０Ｓ／ｃｍ以上の導電率を有し、いずれの箇所からも１００ｃｍを越えない位置に集電部を接続した円筒形多孔質金属基体を用い、この円筒形多孔質金属基体上に全周にわたり第１の電極、固体電解質層、第２の電極を形成することにより、セル形成が容易で集電損失の低い、即ち、耐久性に優れ、高出力の固体酸化物燃料電池が得られる。【選択図】      図８
2004356014.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒形の多孔質金属基体と、前記多孔質金属基体上に全周にわたり形成された第１の電極と、前記第１の電極上に全周にわたり形成された固体電解質層と、前記固体電解質上に全周にわたり形成された第２の電極と、を有する固体酸化物燃料電池セルと、
前記多孔質金属基体の少なくとも一部に接続され、前記第１の電極からの集電を行う第１の集電部と、
を備えることを特徴とする固体酸化物燃料電池。
【請求項２】
前記多孔質金属基体は１３０Ｓ／ｃｍ以上の導電率を有することを特徴とする請求項１記載の固体酸化物燃料電池。
【請求項３】
前記第１の集電部は、前記多孔質金属基体のいずれの箇所からも距離が１００ｃｍを超えない位置に接続されていることを特徴とする請求項２記載の固体酸化物燃料電池。
【請求項４】
請求項１から請求項３いずれかに記載の固体酸化物燃料電池セルの多孔質金属基体を、単一の前記第１の集電部に複数接続して構成したことを特徴とする固体酸化物燃料電池アセンブリ。
【請求項５】
前記複数の固体酸化物燃料電池セルを同一円周上に配置して各固体酸化物燃料電池セルの多孔質金属基体を前記第１の集電部に接続すると共に、
前記円周の中心に第２の集電部を配置し、前記各固体酸化物燃料電池セルの第２の電極に接触させたことを特徴とする請求項４記載の固体酸化物燃料電池アセンブリ。
【請求項６】
前記複数の固体酸化物燃料電池セルを一列に配置し、各固体酸化物燃料電池セルの多孔質金属基体を前記第１の集電部に接続した請求項４記載の固体酸化物燃料電池アセンブリを複数積層すると共に、隣接する各固体酸化物燃料電池アセンブリの固体酸化物燃料電池セルの方向が、相互に直交するようにしたことを特徴とする固体酸化物燃料電池モジュール。
【請求項７】
多孔質金属により形成された多孔質金属筐体と、
前記多孔質金属筐体に接続され、前記多孔質金属筐体へ燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記多孔質金属筐体外に設けられた燃焼室と、
前記燃焼室に接続され、前記燃焼室へ酸素を供給する酸素供給手段と、を備え、
請求項４から請求項６いずれかに記載の固体酸化物燃料電池アセンブリまたは固体酸化物燃料電池モジュールを前記多孔質金属筐体に格納し、各固体酸化物燃料電池セルの第２の電極を前記多孔質金属筐体と接触するように設けると共に、
前記多孔質金属筐体から前記燃焼室へ流出した燃料ガスを燃焼させることにより、前記固体酸化物燃料電池アセンブリまたは固体酸化物燃料電池モジュールを加熱することを特徴とする固体酸化物燃料電池発電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体酸化物燃料電池に関し、特に円筒形多孔質金属基体を備えた固体酸化物燃料電池の集電損失を考慮した形状及び構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の円筒形固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）５０としては、図１６に示すように、酸化剤極を兼ねる多孔質の円筒からなるカソードチューブ５２の上に、固体酸化物電解質層５４、燃料極５６を順に円弧状に形成し、その円弧の切れた部分に、カソードチューブ５２の外表面に接し、カソードチューブ５２の長手方向に延伸するインタコネクタ層５８を形成したタイプが一般的であった。導電率が高くない材料を用いてカソードチューブ５２を形成している場合、チューブの長手方向に延伸するインタコネクタ層５８を形成することにより酸化剤極側の集電を行う必要があったからである。このようなＳＯＦＣ５０は、円筒の内部に酸化剤ガスを、円筒の外周部に燃料ガスを通流させ、酸化剤極（５０）と燃料極５６との間の電気化学反応によって発電を行い、インタコネクタ層５８と燃料極５６から集電する構成となっていた。
【０００３】
しかしながら、インタコネクタ層５８から集電を行う構成のＳＯＦＣ５０では、複数のセル５０をモジュール化する際に、構造が複雑になるほか、インタコネクタ層５８自体の形成が難しく、インタコネクタ層５８近傍の電解質層５４や燃料極５６には割れや剥離が生じやすいという問題が有った。
【０００４】
一方でＳＯＦＣは近年、作動温度の低温化（５００〜７００℃程度）を目指した研究が進んでおり、耐熱性の金属を用いた多孔質金属基体の開発も盛んに行われている。多孔質金属基体の開発に伴い、インタコネクタ層からではなく、集電を行うタイプのＳＯＦＣも提案されている。例えば、特許文献１では、導電性円筒形多孔質基体を用いた単セルを複数本並べ置きし、セパレータと交互に積層した円筒形ＳＯＦＣのスタックが提案されている。また、特許文献２では、金属支持体を有する円筒形単セルを集電体に接続部材を介して接続した固体電解質型燃料電池が提案されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１０−１２５３４６号公報
【０００６】
【特許文献２】
特開２００２−２８９２４９号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、円筒形多孔質金属基体を用いたＳＯＦＣにおいても、円筒形多孔質金属基体の内部抵抗に起因する集電損失が存在し、電流密度を確保するために基体の長さを単純に大きく設定することは、集電損失の増加させ、ＳＯＦＣの効率を悪化させる原因となっていた。
【０００８】
また、高温で運転するＳＯＦＣを、簡単な構造で、且つ、短時間で運転状態へ昇温できる方法について提案されたものはなかった。
【０００９】
本発明は上記のような問題を鑑みてなされたものであり、円筒形多孔質金属基体の理想的な形状と導電率を規定することにより、集電損失の低い円筒形多孔質金属基体を導出する。また、この円筒形多孔質金属基体を用いたＳＯＦＣのアセンブリの構造を提案することにより、高い出力を確保する、或いは、起動性に優れたＳＯＦＣを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、上記課題を解決するため鋭意研究を重ねた結果、基体材料に多孔質金属を用い、円筒形多孔質金属基体の形状及び燃料電池本体の構造を工夫することにより、課題を解決できることを知見し、本発明を完成するに至った。
【００１１】
すなわち、上記課題を解決するための本発明の請求項１の固体酸化物燃料電池は、円筒形の多孔質金属基体と、多孔質金属基体上に全周にわたり形成された第１の電極と、第１の電極上に全周にわたり形成された固体電解質層と、固体電解質上に全周にわたり形成された第２の電極と、を有する固体酸化物燃料電池セルと、多孔質金属基体の少なくとも一部に接続され、第１の電極からの集電を行う第１の集電部とを備えることを特徴とする。
【００１２】
請求項１の発明によれば、従来のようにインタコネクタ層を設けることなく、全周にわたって固体電解質層と第２の電極とが形成されているので、セルの形成が容易となり、インタコネクタ層近傍の固体電解質層や第２の電極から割れや剥離が生じるという問題を回避することができる。
【００１３】
また、インタコネクタ層から集電を行う構成の固体酸化物燃料電池では、複数のセルをモジュール化する際に、構造が複雑であったが、多孔質金属基体の少なくとも一部に接続された集電体を備えることにより、モジュール化が簡易にできるようになる。
【００１４】
本発明の請求項２の固体酸化物燃料電池は、請求項１記載の固体酸化物燃料電池において、多孔質金属基体は１３０Ｓ／ｃｍ以上の導電率を有することを特徴とする。
【００１５】
請求項２の発明によれば、多孔質金属基体の導電率が１３０Ｓ／ｃｍ以上であるので、多孔質金属基体の一部に接続された集電体から十分な集電を行うことができる。
【００１６】
本発明の請求項３の固体酸化物燃料電池は、請求項２記載の固体酸化物燃料電池において、第１の集電部は多孔質金属基体のいずれの箇所からも距離が１００ｃｍを超えない位置に接続することを特徴とする。
【００１７】
請求項３の発明によれば、多孔質金属基体のいずれの箇所からも１００ｃｍを超えない位置に第１の集電部を設けるので、より一層実用的な集電を行うことができる。
【００１８】
本発明の請求項４の固体酸化物燃料電池アセンブリは、請求項１から請求項３いずれかに記載の固体酸化物燃料電池セルの多孔質金属基体を単一の前記第１の集電部に複数接続して構成したことを特徴とする。
【００１９】
請求項４の発明によれば、複数の固体酸化物燃料電池セルを容易にアセンブリすることが可能となり、任意の出力を有する固体酸化物燃料電池アセンブリを形成することができる。
【００２０】
本発明の請求項５の固体酸化物燃料電池アセンブリは、複数の固体酸化物燃料電池セルを同一円周上に配置して各固体酸化物燃料電池セルの多孔質金属基体を第１の集電部材に接続すると共に、円周の中心に第２の集電部を配置し、各固体酸化物燃料電池セルの第２の電極に接触させたことを特徴とする。
【００２１】
請求項５の発明によれば、円周上に配置した各固体酸化物燃料電池セルの第２の電極に接触するように第２の集電部を設けているので、第２の電極から効率的に集電を行うことが可能となる。
【００２２】
本発明の請求項６の固体酸化物燃料電池モジュールは、複数の固体酸化物燃料電池セルを一列に配置し、各固体酸化物燃料電池セルの多孔質金属基体を第１の集電部に接続した請求項４記載の固体酸化物燃料電池アセンブリを複数積層すると共に、隣接する各固体酸化物燃料電池アセンブリの固体酸化物燃料電池セルの方向が、相互に直交するようにしたことを特徴とする。
【００２３】
請求項６の発明によれば、固体酸化物燃料電池アセンブリをコンパクトにモジュール化できるほか、固体酸化物燃料電池の電極が複数点で他の固体酸化物燃料電池の電極と接触するので、固体酸化物燃料電池間での電極の電位を均一に保持することができ、効率の良い固体酸化物燃料電池モジュールが得られる。
【００２４】
本発明の請求項７の固体酸化物燃料電池発電装置は、多孔質金属により形成された多孔質金属筐体と、多孔質金属筐体に接続され、多孔質金属筐体へ燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、多孔質金属筐体外に設けられた燃焼室と、燃焼室に接続され、燃焼室へ酸素を供給する酸素供給手段と、を備え、請求項４から請求項６いずれかに記載の固体酸化物燃料電池アセンブリまたは固体酸化物燃料電池モジュールを多孔質金属筐体に格納し、各固体酸化物燃料電池セルの第２の電極を多孔質金属筐体と接触するように設けると共に、多孔質金属筐体から燃焼室へ流出した燃料ガスを燃焼させることにより、固体酸化物燃料電池アセンブリまたは固体酸化物燃料電池モジュールを加熱することを特徴とする。
【００２５】
請求項７の発明によれば、燃料極にて発電に寄与しなかった燃料ガスが、多孔質金属筐体から燃焼室へ流出し、燃焼するので、固体酸化物燃料電池へ多孔室金属筐体を介して熱が供給され、短時間で固体酸化物燃料電池の運転温度域まで昇温することが可能となり、起動性に優れた固体酸化物燃料電池発電装置が得られる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳細に説明する。
【００２７】
本発明の固体酸化物燃料電池の円筒形多孔質金属基体を形成する金属材料は耐熱性金属である。この単セルは、約８００〜１１００℃で作成され、５００℃以上で運転されるので、円筒形多孔質金属基体を形成する金属材料は、空気中においてこれらの温度領域において安定である耐熱性金属を用いる必要がある。
【００２８】
具体的には、少なくともセル運転中、円筒形多孔質金属基体の酸化に伴う単位面積あたりの質量増加が１時間当たり０．０１ｍｇ／ｃｍ２程度以下の耐酸化性を示す耐熱性金属を用いる必要がある。
【００２９】
また、単セル作成時や、燃料電池の起動・停止に伴う温度変化時に電極や電解質層が破損しないよう、熱膨張率はこれらと整合していることが望ましく、１０×１０−６〜１４×１０−５Ｋ−１の範囲にあることが望ましい。
【００３０】
このような円筒形多孔質金属基体は上記耐熱性金属材料からなる粒径数十〜数百μｍ程度の粉末をバインダーと混合→混練→押出し成形→乾燥→脱脂→真空中焼結という公知の方法により作製される。
【００３１】
ここで焼結度の制御は重要である。焼結度が高いとガス透過性が低くなり、電池特性が低くなる。焼結度が低いと、運転中に円筒形多孔質金属基体の強度低下（破損しやすくなる）、熱伝導性低下の問題が生じる。
【００３２】
これは、円筒形多孔質金属基体が高温の空気雰囲気にさらされることにより、材料の表面に厚さ数μｍから数十μｍの酸化物層が形成され、粒子の焼結度が低いと、この酸化物層が円筒形多孔質金属基体の全体に広がり、ミクロな金属粒子同士のつながりが切断されるためである。
【００３３】
このため、円筒形多孔質金属基体の気孔率は３０〜７０％程度、望ましくは４０〜６０％程度、平均気孔径は数μｍ〜数百μｍ程度が望ましいことが分かっている。そこで、後述する実施例において作製した単セルでは、円筒形多孔質金属基体の気孔率４０％、外径は２０ｍｍとした。
【００３４】
【実施例１】
図１に示すように、円筒形多孔質金属基体１０の端の集電部１２から集電を行う場合、円筒形多孔質金属基体１０長手方向の電気抵抗に起因する集電損失が発生する。ここで、円筒形多孔質金属基体１０の導電率と集電損失の関係について、パラメータを以下の通りに設定すると、谷口他Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ    ６８，Ｎｏ．５（２０００）ｐｐ３３７−３４０に記載の方法と同様に計算ができる。
【００３５】
Ｌ（ｃｍ）：円筒形多孔質金属基体の長さ（但し、両端から集電を行う場合は、円筒形多孔質金属基体長さの１／２）
σ（Ｓ／ｃｍ）：円筒形多孔質金属基体の導電率
ｔ（ｃｍ）：円筒形多孔質金属基体の管厚
ρ（Ω／ｃｍ）：１／（σ（Ｓ／ｃｍ）×ｔ（ｃｍ）×１（ｃｍ））
Ｒｅ（Ωｃｍ２）：（電解質抵抗＋アノード反応抵抗＋カソード反応抵抗）
Ｖｏｃｖ（Ｖ）：開回路電圧
平均電流密度Ｉ（Ａ／ｃｍ２）におけるセル電圧Ｖ（Ｖ）は、
【数１】
2004356014.tif 000003
集電損失は、集電損失がゼロの場合のセル電圧（Ｖｏｃｖ−Ｒｅ×Ｉ）との差であり、
【数２】
2004356014.tif 000004
となる。
【００３６】
集電損失は発電効率に大きく影響する。すなわち、燃料電池の理論起電力が１Ｖ程度であるので、集電損失が０．０５Ｖあると仮定すると、発電効率は約５％低下することになる。従って、集電損失の許容値としては０．０５Ｖ程度、さらに厳しい発電効率を求められる場合には０．０１Ｖ程度であると考えられる。そこで、０．０５、０．０１Ｖの２段階に条件を設定し、円筒形多孔質金属基体の導電率、長さ、平均電流密度の関係を求める。
【００３７】
〔条件１：集電損失０．０５Ｖ〕
ｔ＝０．２ｃｍ、Ｒｅ＝０．７Ωｃｍ２と仮定し、数２の値が０．０５Ｖとなるように導電率σと円筒形多孔質金属基体長さＬの関係を求めた。結果を図２、３に示す。図３は、図２のｘ座標において２０００Ｓ／ｃｍまでの部分を拡大したグラフである。
【００３８】
実用的な円筒形多孔質金属基体の長さは５ｃｍ程度以上、電流密度は０．１Ａ／ｃｍ２以上であるので、許容される集電損失が０．０５Ｖである場合には、図２より円筒形多孔質金属基体の導電率は１３０Ｓ／ｃｍ以上必要であることがわかる。ここで、電流密度を０．２Ａ／ｃｍ２以上とする必要がある場合には導電率は４３０Ｓ／ｃｍ以上、電流密度を０．３Ａ／ｃｍ２以上とする場合には導電率は９００Ｓ／ｃｍ以上必要であることがわかる。
【００３９】
図４には数２の値が０．０５Ｖとなるように円筒形多孔質金属基体長さＬと電流密度Ｉの関係を求めた結果を示す。なお、円筒形多孔質金属基体の導電率を最高５００００Ｓ／ｃｍとした理由は、金属バルク（緻密体）の導電率が１０００００Ｓ／ｃｍ程度であり、気孔率４０〜５０％の円筒形多孔質金属基体の場合は、その１／２以下になるためである。
【００４０】
図４より、許容される集電損失が０．０５Ｖである場合、最も高い導電率（５００００Ｓ／ｃｍ）を示す円筒形多孔質金属基体を用いても、円筒形多孔質金属基体の長さは１００ｃｍ以下にする必要がある。ここで、電流密度を０．２Ａ／ｃｍ２以上とする必要がある場合には円筒形多孔質金属基体長さは５４ｃｍ以下、電流密度を０．３Ａ／ｃｍ２以上とする場合には円筒形多孔質金属基体長さは３７ｃｍ以下にする必要があることがわかる。また、円筒形多孔質金属基体の導電率が低い場合、これに応じて長さも短くする必要がある。但し、円筒形多孔質金属基体の両端から集電を行う場合には、円筒形多孔質金属基体長さを２倍にすることが可能となる。
【００４１】
〔条件２：集電損失０．０１Ｖ〕
ｔ＝０．２ｃｍ、Ｒｅ＝０．７Ωｃｍ２と仮定し、数２の値が０．０１Ｖとなるように導電率σと円筒形多孔質金属基体長さＬの関係を求めた。結果を図５に示す。
【００４２】
実用的な円筒形多孔質金属基体の長さは５ｃｍ程度以上、電流密度は０．１Ａ／ｃｍ２以上であるので、許容される集電損失が０．０１Ｖである場合には、図４より円筒形多孔質金属基体の導電率は２４００Ｓ／ｃｍ以上必要であることがわかる。ここで、電流密度を０．２Ａ／ｃｍ２以上とする必要がある場合には導電率は９２００Ｓ／ｃｍ以上、電流密度を０．３Ａ／ｃｍ２以上とする場合には導電率は２００００Ｓ／ｃｍ以上必要であることがわかる。
【００４３】
図６には数２の値が０．０１Ｖとなるように円筒形多孔質金属基体長さＬと電流密度の関係を求めた結果を示す。図６より、許容される集電損失が０．０１Ｖである場合、最も高い導電率（５００００Ｓ／ｃｍ）を示す円筒形多孔質金属基体を用いても、円筒形多孔質金属基体の長さは２３ｃｍ以下にする必要がある。
【００４４】
ここで、電流密度を０．２Ａ／ｃｍ２以上とする必要がある場合には円筒形多孔質金属基体長さは１２ｃｍ以下、電流密度を０．３Ａ／ｃｍ２以上とする場合には円筒形多孔質金属基体長さは８ｃｍ以下にする必要があることがわかる。また、円筒形多孔質金属基体の導電率が低い場合、これに応じて長さも短くする必要がある。但し、円筒形多孔質金属基体の両端から集電を行う場合に、円筒形多孔質金属基体長さを２倍にすることが可能となるのは、条件１と同様である。
【００４５】
本実施例の結果を踏まえ、従来のようにインタコネクタ層を形成しない固体酸化物燃料電池のアセンブル方法について、以下の実施例にて提案する。
【００４６】
【実施例２】
図７、８は本発明における一実施例の構成を示す斜視図と断面図であり、１２は第１の集電部材（金属板）、１４は固体酸化物燃料電池の単セル、１６は第２の集電部材（集電管）である。単セル１４の円筒形多孔質金属基体１８は、日立金属（株）製ＨＲＥ５（登録商標。Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ系）からなる粒径１０〜１００μｍ程度の合金粉末をバインダーと混合→混練→押出し成形→乾燥→脱脂→真空中焼結という方法により、気孔率４０％となるように作製した。この円筒形多孔質金属基体の導電率ρは１００００Ｓ／ｃｍであったので、円筒形多孔質金属基体１８は外径２０ｍｍ、管厚さ１．５ｍｍ、長さ３０ｃｍとした。この円筒形多孔質金属基体１８を用い、下記の方法により円筒形多孔質金属基体１８上に酸化剤極２０、電解質層２２、燃料極２４を形成した。
【００４７】
〔セルの作製方法〕
スラリー溶媒の作製
エタノール、テルピネオール、エチルセルロース、消泡剤、分散剤を重量比５６：３７：６．８：０．１：０．１の割合で混合したものをスラリー溶媒とした。
酸化剤極スラリーの作製
平均粒径２μｍのＬａ０．８５Ｓｒ０．１５ＭｎＯ３粉末と平均粒径０．５μｍのＹＳＺ（８ｍｏｌ％Ｙ２Ｏ３−９２ｍｏｌ％ＺｒＯ２）を重量比８：２の割合で混合した粉末と、上記スラリー溶媒とを重量比３：７の割合で混合することにより酸化剤極スラリーを作製した。
電解質スラリーの作製
平均粒径０．５μｍのＹＳＺ粉末と上記スラリー溶媒とエタノールとを重量比２０：５０：３０の割合で混合することにより電解質スラリーを作製した。
燃料極スラリーの作製
平均粒径３μｍの酸化ニッケル粉末と平均粒径０．５μｍのＹＳＺ粉末を重量比９：１の割合で混合した粉末と、上記スラリー溶媒とを重量比１：１の割合で混合することにより燃料極スラリーを作製した。
電極、電解質層の作製
円筒形多孔質金属基体１８を酸化剤極スラリー中へ浸漬し引き上げる方法（ディップ法）により、表面に酸化剤極スラリーを円筒形多孔質金属基体端部まで塗布した後、６０℃程度で乾燥させ、空気中１０００℃で２時間熱処理を行った。
【００４８】
円筒形多孔質金属基体内部へのスラリーの浸透深さはスラリーの粘度により調整可能であるが、この実施例での浸透深さは５０μｍ程度、酸化剤極２０の厚さは５０μｍ程度であった。
【００４９】
次に、この酸化剤極２０上に電解質スラリーを同様のディップ法により、端部の一部を除き塗布した後、６０℃程度で乾燥させ、空気中１０００℃で２時間熱処理を行った。電解質層２２の厚さは２０μｍ程度であった。
【００５０】
更に、この電解質層２２上に同様のディップ法により、電解質層の端部が全周に渡り見える位置まで燃料極スラリーを塗布した後、６０℃程度で乾燥させ、空気中１０００℃で２時間熱処理を行った。燃料極２４の厚さは５０μｍ程度であった。
【００５１】
上記の方法により作製された単セル１４の端部を、導電性を有する金属板１２、例えば、緻密体のＨＲＥ５（登録商標）からなる金属板１２とＴＩＧ溶接する（溶接部２６）等の方法により、機械的、電気的に接続することで酸化剤極２０側の集電が可能となる。
【００５２】
また、燃料極２４側の集電は、耐熱性金属を接触させることにより可能となる。図７、８では、複数のセル１４を円形に配置し、それぞれのセル１４の燃料極２４に接触するように配置した耐熱性の集電管１６を酸化剤極集電用の金属板１２とは電気的に接続されないように耐熱絶縁シール材２８、例えばマイカ等を挿入する。
【００５３】
このようにして構成された電池群を１アセンブリ３０として、アセンブリ３０を直列、若しくは並列に接続することにより、任意の電圧、電流密度を有するモジュールを形成することが可能となる。
本実施例において、導電性を有する金属板１２との接合方法として、ＴＩＧ溶接を行ったが、接合方法はＴＩＧ溶接に限定されるものではなく、この他に例えばロウ付けがある。接合部分は発電温度と同等の温度に曝されるため、高温用のロウ材を用いる必要があり、高温用のロウ材としては、例えばＴｉ−Ｃｕ−Ｎｉ系のロウ材を用いることによりロウ付けが可能となる。また、溶接やロウ付け等の溶着方法以外にも、図９に示すようなネジ固定方式、図１０のフランジ固定方式、図１１の嵌合固定方式等、発電温度と同等の温度での耐久性を得られる方法であれば、上記の方法に限定されない。
【００５４】
【実施例３】
図１２、１３は本発明における他の実施例の構成を示す斜視図と断面図であり、実施例２と同様のセル１４と導電性を有する２枚の金属板１２とが、円筒形多孔質金属基体１８を貫通して渡されたロッド３２によって、機械的、電気的に接続されることにより、円筒形多孔質金属基体１８上の酸化剤極２０側の集電を行う。
【００５５】
この場合、円筒形多孔質金属基体１８と２枚の金属板１２との間に導電性を有するシール材、例えば金リング３４を配置することにより、集電抵抗の低減をはかることができる。
【００５６】
【実施例４】
図１４は本発明における他の実施例の構成図で、実施例２と同様のセル１４を用い、複数のセル１４を１列に配置し、それぞれのセル１４と導電性を有する金属板１２とを実施例３と同様にロッド３２を用いて機械的、電気的に接続する。このようにして形成したアセンブリ３０を隣り合うアセンブリどうしが直交するように積層し、モジュール３６を作製する。
【００５７】
このようにモジュール３６を形成することにより、金属板１２より円筒形多孔質金属基体１８上の酸化剤極２０側の集電を行い、燃料極２４側は、隣り合うアセンブリ３０のセル１４の接続方向が直交するように、且つ、接触するように積層することにより、モジュール３６の端部、図１４ではモジュール３６の前面又は背面から集電を行うことができる。
【００５８】
また、酸化剤極２０若しくは燃料極２４の電極を形成する前に、すなわち、円筒形多孔質金属基体１８若しくは円筒形多孔質金属基体１８上に酸化剤極２０と電解質層２２を形成した段階で、モジュールを構成し、その後、電極を形成することで電気的接触がより保たれるため、起動停止時の熱膨張や酸化還元に伴う接触の低下を抑制することができ、モジュール化も容易となる。
【００５９】
上記の構成により、実施例２で必要であった燃料極２４側の集電管１６は不要となる。また、本実施例の場合、酸化剤極２０、燃料極２４の電位を均一に保ちつつ、集電を行うことができ、アセンブリの体積密度を向上させ、コンパクトなモジュールの形成が可能となる。
【００６０】
【実施例５】
図１５は本発明における他の実施例の構成図で、実施例２と同様のセル１４を用い、複数のセル１４を１列に配置し、それぞれのセル１４と導電性を有する金属板１２とを実施例３と同様にロッド３２を用いて機械的、電気的に接続する。
【００６１】
このように形成したアセンブリ３０内に、各セル１４の燃料極２４側と接触するように、円筒形多孔質金属基体１８と同様の多孔質な金属からなる筐体３８を設置する。この多孔質金属筐体３８とアセンブリ３０との間の空間に燃焼室４０を形成し、多孔質金属筐体３８に繋がる燃料ガス供給管４２と燃焼室４０に繋がる酸素供給管４４を接続した固体酸化物燃料電池発電装置４６を作製する。
【００６２】
多孔質金属筐体３８内部へ燃料ガス供給管４２より燃料ガスを供給すると、発電に寄与しなかった燃料ガスが多孔質金属筐体３８外部の燃焼室４０へ流出する。燃焼室４０へは酸素供給管４４より酸素が供給され、燃料ガスが燃焼室４０にて燃焼することにより多孔質金属筐体３８を加熱することが可能となる。
【００６３】
上記の構成により、燃焼室４０とセル１４との間の熱伝達が向上するため、固体酸化物燃料電池を短時間で起動することが可能となり、また、多孔質金属筐体３８を各セル１４の燃料極２４側と接触させているため、筐体３８をアースとしてとることができる。
【００６４】
実施例２〜５において、円筒形多孔質金属基体１８上に酸化剤極２０、電解質層２２、燃料極２４の順に形成したセル１４を使用したが、電極、電解質層の積層順は、燃料極、電解質層、酸化剤極でもよい。
【００６５】
【発明の効果】
本発明の請求項１の固体酸化物燃料電池は、円筒形の多孔質金属基体と、多孔質金属基体上に全周にわたり形成された第１の電極と、第１の電極上に全周にわたり形成された固体電解質層と、固体電解質上に全周にわたり形成された第２の電極と、を有する固体酸化物燃料電池セルと、多孔質金属基体の少なくとも一部に接続され、第１の電極からの集電を行う第１の集電部とを備えるので、従来のようにインタコネクタ層を設けることなく、全周にわたって固体電解質層と第２の電極とが形成されているため、セルの形成が容易となり、インタコネクタ層近傍の固体電解質層や第２の電極から割れや剥離が生じるという問題を回避することができる。
【００６６】
また、インタコネクタ層から集電を行う構成の固体酸化物燃料電池では、複数のセルをモジュール化する際に、構造が複雑であったが、円筒形多孔質金属基体の少なくとも一部に接続された集電体を有することにより、モジュール化が簡易にできるようになる。
【００６７】
本発明の請求項２の固体酸化物燃料電池は、請求項１記載の固体酸化物燃料電池において、円筒形多孔質金属基体は１３０Ｓ／ｃｍ以上の導電率を有するので、円筒形多孔質金属基体の一部に接続された集電体から十分な集電を行うことができる。
【００６８】
本発明の請求項３の固体酸化物燃料電池は、請求項２記載の固体酸化物燃料電池において、第１の集電部を多孔質金属基体のいずれの箇所からも距離が１００ｃｍを超えない位置に接続するので、より一層実用的な集電を行うことができる。
【００６９】
本発明の請求項４の固体酸化物燃料電池アセンブリは、請求項１から請求項３いずれかに記載の固体酸化物燃料電池セルの多孔質金属基体を単一の前記第１の集電部に複数接続して構成したので、複数の固体酸化物燃料電池をアセンブリすることが容易となり、任意の出力を有する固体酸化物燃料電池アセンブリを形成することができる。
【００７０】
本発明の請求項５の固体酸化物燃料電池アセンブリは、複数の固体酸化物燃料電池セルを同一円周上に配置して各固体酸化物燃料電池セルの多孔質金属基体を第１の集電部材に接続すると共に、円周の中心に第２の集電部を配置し、各固体酸化物燃料電池セルの第２の電極に接触させたので、第２の電極から効率的に集電を行うことが可能となる。
【００７１】
本発明の請求項６の固体酸化物燃料電池モジュールは、複数の固体酸化物燃料電池セルを一列に配置し、各固体酸化物燃料電池セルの多孔質金属基体を第１の集電部に接続した請求項４記載の固体酸化物燃料電池アセンブリを複数積層すると共に、隣接する各固体酸化物燃料電池アセンブリの固体酸化物燃料電池セルの方向が、相互に直交するようにしたので、固体酸化物燃料電池アセンブリをコンパクトにモジュール化できるほか、固体酸化物燃料電池の電極が複数点で他の固体酸化物燃料電池の電極と接触するので、固体酸化物燃料電池間での電極の電位を均一に保持することができ、効率の良い固体酸化物燃料電池モジュールが得られる。
【００７２】
本発明の請求項７の固体酸化物燃料電池発電装置は、多孔質金属により形成された多孔質金属筐体と、多孔質金属筐体に接続され、多孔質金属筐体へ燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、多孔質金属筐体外に設けられた燃焼室と、燃焼室に接続され、燃焼室へ酸素を供給する酸素供給手段と、を備え、請求項４から請求項６いずれかに記載の固体酸化物燃料電池アセンブリまたは固体酸化物燃料電池モジュールを多孔質金属筐体に格納し、各固体酸化物燃料電池セルの第２の電極を多孔質金属筐体と接触するように設けると共に、多孔質金属筐体から燃焼室へ流出した燃料ガスを燃焼させることにより、固体酸化物燃料電池アセンブリまたは固体酸化物燃料電池モジュールを加熱するので、燃料極にて発電に寄与しなかった燃料ガスが、多孔質金属筐体から燃焼室へ流出、燃焼し、固体酸化物燃料電池へ多孔室金属筐体を介して熱が供給されるため、短時間で固体酸化物燃料電池の運転温度域まで昇温することが可能となり、起動性に優れた固体酸化物燃料電池発電装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】円筒形多孔質金属基体の斜視模式図である。
【図２】集電損失を０．０５Ｖと仮定したときの各電流密度における導電率と円筒形多孔質金属基体の長さの関係を示すグラフである。
【図３】図２において導電率２０００Ｓ／ｃｍまでの範囲を拡大したグラフである。
【図４】集電損失を０．０５Ｖと仮定したときの円筒形多孔質金属基体長さと電流密度の関係を示すグラフである。
【図５】集電損失を０．０１Ｖと仮定したときの各電流密度における導電率と円筒形多孔質金属基体の長さの関係を示すグラフである。
【図６】集電損失を０．０１Ｖと仮定したときの円筒形多孔質金属基体長さと電流密度の関係を示すグラフである。
【図７】本発明の実施例２の固体酸化物燃料電池アセンブリを示す斜視模式図である。
【図８】本発明の実施例２の固体酸化物燃料電池アセンブリを示す断面模式図である。
【図９】本発明の実施例２の固体酸化物燃料電池アセンブリにおいて、金属板と円筒形多孔質金属基体とをネジ固定方式で接続する場合の接続部を拡大した模式図である。
【図１０】本発明の実施例２の固体酸化物燃料電池アセンブリにおいて、金属板と円筒形多孔質金属基体とをフランジ固定方式で接続する場合の接続部を拡大した模式図である。
【図１１】本発明の実施例２の固体酸化物燃料電池アセンブリにおいて、金属板と円筒形多孔質金属基体とを嵌合固定方式で接続する場合の接続部を拡大した模式図である。
【図１２】本発明の実施例３の固体酸化物燃料電池アセンブリを示す斜視模式図である。
【図１３】本発明の実施例３の固体酸化物燃料電池アセンブリを示す断面模式図である。
【図１４】本発明の実施例４の固体酸化物燃料電池モジュールを示す斜視模式図である。
【図１５】本発明の実施例５の固体酸化物燃料電池発電装置を示す斜視模式図である。
【図１６】従来の固体酸化物燃料電池を示す斜視模式図である。
【符号の説明】
１０  …円筒形多孔質金属基体
１２  …金属板（第１の集電部）
１４  …固体酸化物燃料電池セル
１６  …集電管（第２の集電部）
１８  …円筒形多孔質金属基体
２０  …酸化剤極
２２  …電解質層
２４  …燃料極
２６  …溶接部
２８  …耐熱絶縁シール材
３０  …アセンブリ
３２  …ロッド
３４  …金リング
３６  …モジュール
３８  …多孔質金属筐体
４０  …燃焼室
４２  …燃料ガス供給管
４４  …酸素供給管
【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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