(57)【要約】【課題】本発明は、複数枚の板状固体電解質基板の夫々で燃料電池セルを形成し、電池密閉構造を有しない燃料電池とし、異形状への形状変更ができ、耐久性の向上、発電効率の向上とを図れる固体電解質燃料電池を提供する。【解決手段】複数の小片による板状固体電解質基板１を使用し、個々の板状固体電解質基板１の両面に、カソード層２とアノード層３を形成し、複数の燃料電池セルＣ１１乃至Ｃ３３を形成する。これらの燃料電池セルのカソード層同士を配線Ｅ１で、アノード層同士を配線Ｅ２で電気接続される。各アノード層全体が、燃料を燃焼した火炎によって晒され、各カソード層には、空気が供給され、平面的な一つの燃料電池となる。【選択図】      図１
2005063692.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の固体電解質基板を有し、
前記固体電解質基板の夫々における一方の面にカソード層と、該一方の面と反対側の面にアノード層とが形成され、
前記固体電解質基板と対向する前記カソード層及び前記アノード層とで複数の燃料電池セルが形成され、前記カソード層同士及び前記アノード層同士が電気接続される固体電解質燃料電池。
【請求項２】
前記固体電解質基板の各々は、平板からなることを特徴とする請求項１に記載の固体電解質燃料電池。
【請求項３】
前記電気接続は、前記カソード層の表面又は前記アノード層の表面に固着された金属線によって行われることを特徴とする請求項１又は２に記載の固体電解質燃料電池。
【請求項４】
前記複数の燃料電池セルが２以上の燃料電池グループに分けられ、
当該燃料電池グループにおける燃料電池セルの前記カソード層又は前記アノード層と、他の燃料電池グループにおける燃料電池セルの前記アノード層又は前記カソード層とが電気接続されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の固体電解質燃料電池。
【請求項５】
前記複数の燃料電池セルの間に、前記金属線に接続された金属支持体を配置したことを特徴とする請求項３又は４に記載の固体電解質燃料電池。
【請求項６】
前記金属支持体は、２以上の前記燃料電池セル分の間隔で配置されることを特徴とする請求項５に記載の固体電解質燃料電池。
【請求項７】
前記カソード層又は前記アノード層が形成される前記平板は、０．３ｍｍ角以上で１０ｍｍ角以下の大きさであることを特徴とする請求項２乃至６に記載の固体電解質燃料電池。
【請求項８】
前記複数の燃料電池セルが、平面、曲面又は球面をなすように形成されることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の固体電解質燃料電池。
【請求項９】
前記複数の燃料電池セルは、燃料ガス及び酸素を含む混合燃料ガス中に置かれることを特徴とする請求項１乃至８にいずれか一項に記載された固体電解質燃料電池。
【請求項１０】
前記複数の燃料電池セルにおける前記アノード層は、燃料の燃焼による火炎に晒され、前記カソード層には、空気が供給されることを特徴とする請求項１乃至８にいずれか一項に記載された固体電解質燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体電解質燃料電池に関し、特に、小さく分割した複数の固体電解質基板にカソード層とアノード層を形成した複数の燃料電池セルを備え、密閉を必要としない簡単な構造によって、小型化、薄型化を図るとともに、耐熱衝撃性向上、異形状対応性向上を図ることができる固体電解質燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、火力発電などに替わる低公害の発電手段として、或いは、ガソリンなどを燃料とするエンジンに取って代わる電動自動車の電気エネルギー源として、燃料電池が開発され、実用化されるに至っている。そして、この燃料電池に対しては、高効率化、低コスト化を目指して多くの研究がなされている。
【０００３】
この燃料電池には、種々の発電形式があるが、この中に、固体電解質を用いた形式の燃料電池がある。この固体電解質による燃料電池の一例として挙げると、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層を、そして、その反対面にアノード層を形成し、このカソード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。
【０００４】
この燃料電池内では、カソード層に供給された酸素（Ｏ２）が、カソード層と固体電解質層の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層に伝導され、アノード層に供給された、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、カソード層とアノード層との間に電位差が生じる。そこで、カソード層とアノード層とにリード線を取り付ければ、アノード層の電子が、リード線を介してカソード層側に流れ、燃料電池として発電することになる。なお、この燃料電池の駆動温度は、約１０００℃である。
【０００５】
しかし、この形式の燃料電池では、カソード層側に、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、燃料電池セルとしての耐久性を向上することが困難であった。
【０００６】
一方、固体電解質層の対向した面に、カソード層とアノード層とを設けて燃料電池セルを形成し、この燃料電池セルを、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、カソード層とアノード層との間に起電力を発生させる形式の燃料電池が開発されている。この形式の燃料電池では、カソード層とアノード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燃料電池の場合と同様であるが、燃料電池セル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、燃料電池セルの耐久性を向上できる。
【０００７】
しかし、このシングル型チャンバーの燃料電池においても、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燃料電池が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。
【０００８】
この提案されたシングル型チャンバーの燃料電池の構成を、図７に示した。図７（ａ）に示された燃料電池は、固体電解質層を含む燃料電池セルが、混合燃料ガスの流れに対して平行に積層された構造になっている。燃料電池セルは、緻密構造の固体電解質層１と、固体電解質層１の両面に形成された多孔質層のカソード層２とアノード層３とで構成され、同じ構成の複数の燃料電池セルＣ１乃至Ｃ４が、セラミック製の容器４内に積層される。そして、燃料電池セルは、充填物７、８を介して端板９、１０によって、容器４内に密封される。
【０００９】
容器４には、メタン等の燃料と酸素とを含む混合燃料ガスの供給配管５や排ガスの排出配管６が設けられる。容器４内の燃料電池セルを除く部分であって、混合燃料ガスや排ガスが流動する容器４内の空間部に、充填物７、８が充填され、適宜の間隔とすることにより、燃料電池として駆動されたとき、発火限界内の混合燃料ガスが存在しても発火することがなくなる。
【００１０】
また、図７（ｂ）に示された燃料電池では、その基本的構成は、図７（ａ）に示したシングル型チャンバーの燃料電池と同様であるが、固体電解質層を含む燃料電池セルが、混合燃料ガスの流れに対して直交して容器４の軸方向に積層された構造になっている。この場合には、燃料電池セルは、多孔質層の固体電解質層１と、固体電解質層１の両面に形成された多孔質層のカソード層２とアノード層３とで構成され、同じ構成の複数の燃料電池セルＣ１乃至Ｃ５が、容器４内に積層される。
【００１１】
一方、以上に述べた燃料電池は、チャンバー内に収納された燃料電池セルによって構成された形式のものであったが、固体電解質燃料電池セルを火炎中、或いは、その近傍に配置し、火炎の熱によって固体電解質燃料電池セルをその動作温度に保持させて、発電を行う装置が提案されている（例えば、特許文献２を参照）。この発電装置の構成を、図８に示した。
【００１２】
図８に示した発電装置の燃料電池セルは、ジルコニア固体電解質層１から成る管体と、その管体の外側に形成された燃料極であるアノード層３と、管体内側に形成された空気極であるカソード層とからなる。この固体電解質の燃料電池セルを、燃料ガスが供給される燃焼装置５から発生する火炎ｆの還元炎部分に、アノード層３を晒した状態で設置している。この様に設置することにより、還元炎中に存在するラジカル成分等を燃料として利用し、菅内部のカソード層２には、対流又は拡散によって、空気が供給され、燃料電池セルとして発電が行われる。
【００１３】
【特許文献１】
特開２００３−９２１２４号公報
【特許文献２】
特開平６−１９６１７６号公報
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図７に示されたシングル型チャンバーの燃料電池では、従来の固体電解質燃料電池のように、燃料と空気を厳粛に分離する必要がない代わりに、機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、複数の板状固体電解質燃料電池セル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、板状固体電解質燃料電池セルによるシングル型チャンバーの燃料電池は、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燃料電池の稼動に際しては、高温になるまで徐々に昇温して、固体電解質燃料電池セル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。
【００１５】
これに対して、図８に示された管状の固体電解質燃料電池セルでは、火炎を直接利用する形態が採用されており、この形態の燃料電池は、固体電解質燃料電池セルを密封構造の容器に収容する必要がなく、開放型であるという特徴を持っている。そのため、この燃料電池では、起電時間が短縮でき、構造が簡単なので、燃料電池の小型軽量化、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。
【００１６】
しかしながら、この形態の燃料電池では、管状の固体電解質層の外面にアノード層が形成されているので、主に、そのアノード層の下半分に火炎によるラジカル成分が供給されず、管状の固体電解質層の外面に形成されたアノード層全面を有効に利用することができない。そのため、発電効率が低いものであった。さらに、固体電解質燃料電池セルが、火炎で直接加熱されるので、急激な温度変化によってひび割れが発生しやすく、ひび割れの生じた固体電解質燃料電池セルは、その後、バラバラに壊れてしまい、発電することができなくなるという問題があった。また、図７に示された固体電解質燃料電池の場合でも、発電開始時における昇温速度を緩やかにしても、運転に伴う熱履歴によって、固体電解質層にひび割れが発生し、同様の問題があった。
【００１７】
また、固体電解質燃料電池において、高い起電力を得ようとすると、図７に示されるように、固体電解質層の両面にカソード層とアノード層を形成した燃料電池セルの複数を用意し、それらを積層しなければならなかった。さらに、図８に示された管状の固体電解質層の内面と外面にカソード層とアノード層が形成された燃料電池セルの場合であっても、必要とする起電力の大きさに合わせた数の燃料電池セルを用意しなければならない。そのため、出力電流は、小さくてもよいが、高い起電力が必要であるような場合には、大掛かりな装置となってしまい、小型化、低コスト化を図ることができない。
【００１８】
さらに、シングル型チャンバーによる固体電解質燃料電池や、火炎直接利用の管状固体電解質燃料電池などでは、装置形状が固定化されたものであり、その利用形態に対応した形状に変更することができない。そのため、燃料電池としての利便性が悪いものであった。
【００１９】
そこで、本発明は、複数枚の板状固体電解質基板の夫々で燃料電池セルを形成するようにして、電池密閉構造を有しない一つの燃料電池とし、異形状への形状変更を容易にして、その小型化、低コスト化を図り、そして、耐久性の向上、発電効率の向上とを図ることができる固体電解質燃料電池を提供することを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するため、本発明では、複数の固体電解質基板を有し、前記固体電解質基板の夫々における一方の面にカソード層と、該一方の面と反対側の面にアノード層とが形成され、前記固体電解質基板と対向する前記カソード層及び前記アノード層とで複数の燃料電池セルが形成され、前記カソード層同士及び前記アノード層同士が電気接続される固体電解質燃料電池とし、特に、前記固体電解質基板の各々は、平板からなることとした。
【００２１】
そして、前記電気接続は、前記カソード層の表面又は前記アノード層の表面に固着された金属線によって行われ、前記複数の燃料電池セルが２以上の燃料電池グループに分けられ、当該燃料電池グループにおける燃料電池セルの前記カソード層又は前記アノード層と、他の燃料電池グループにおける燃料電池セルの前記アノード層又は前記カソード層とが電気接続されるようにした。
【００２２】
さらに、前記複数の燃料電池セルの間に、前記金属線に接続された金属支持体を配置するようにし、特に、前記金属支持体は、２以上の前記燃料電池セル分の間隔で配置されるようにした。
【００２３】
前記カソード層又は前記アノード層が形成される前記平板は、０．３ｍｍ角以上で１０ｍｍ角以下の大きさであり、前記複数の燃料電池セルが、平面、曲面又は球面をなすように形成されることとした。
【００２４】
また、本発明による固体電解質燃料電池における前記複数の燃料電池セルは、燃料ガス及び酸素を含む混合燃料ガス中に置かれることとし、或いは、前記複数の燃料電池セルにおける前記アノード層が、燃料の燃焼による火炎に晒され、前記カソード層には、空気が供給されることとして、発電するようにした。
【００２５】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の固体電解質燃料電池に係る実施形態について、図を参照しながら説明する。図１には、本実施形態による固体電解質燃料電池の構成が示されている。図１（ａ）では、その固体電解質燃料電池の概略構成による側面図が示され、図１（ｂ）には、その平面図が示されている。図１（ａ）及び（ｂ）に示された本実施形態の固体電解質燃料電池は、図８に示されるような、火炎直接利用する形態の固体電解質燃料電池の場合である。
【００２６】
従来技術による火炎直接利用の固体電解質燃料電池では、固体電解質層が、管状となっていたので、固体電解質層の外面に形成されたアノード層への火炎暴露効率が悪いものであり、しかも、一本の管状固体電解質層で、一つの燃料電池セルが形成されていた。
【００２７】
そこで、この形態の固体電解質燃料電池における発電効率を改善するため、固体電解質層の表面に形成されたアノード層の全面に、火炎が均一に当たるように、固体電解質層の形状が管状であったのを平板状にして、アノード層も平坦化した。この様に、一枚の平板状固体電解質層の両面に、アノード層とカソード層とを形成した固体電解質燃料電池を用い、アノード層にメタン等の燃焼による火炎を晒して、発電実験を繰り返した。
【００２８】
しかし、この実験において、燃焼の点火、消火を繰り返すことによる熱履歴の影響で、固体電解質層がひび割れ、最後には、バラバラに分割して、発電不能に陥った。ところが、固体電解質層がバラバラに分割されて、分割片がある大きさになると、更なる分割の進行が止まる傾向を示すということが分かった。
【００２９】
そこで、この知見に基づいて、本実施形態の固体電解質燃料電池に使用される固体電解質層を最初から複数の小片に分割しておき、その小片の両面に、カソード層（空気極層）とアノード層（燃料極層）とを形成して、個々の別々の燃料電池セルとし、これらの燃料電池セルを電気的に接続することによって、一つの燃料電池を形成することにした。火炎が複数のアノード層の全部を晒すように、燃焼によって火炎を生成する流体燃料、例えば、気体燃料であれば、メタン等を、液体燃料であれば、メタノール等を供給できるようにした。このような構成とすることにより、個々のアノード層には、火炎が有効に供給されて、発電効率が向上され、さらに、熱履歴による固体電解質層の分割を抑制でき、燃料電池の耐久性も向上されるようにした。
【００３０】
なお、本実施形態の固体電解質燃料電池に使用される固体電解質基板の大きさは、上述した実験において、分割の進行が止まる傾向が表れる様子から見て、０．３ｍｍ角以上１０ｍｍ角以下の範囲から選択するのものとした。
【００３１】
図１（ａ）及び（ｂ）に示されるように、本実施形態の固体電解質燃料電池では、平板の小片による複数の固体電解質基板１が用意され、夫々の固体電解質基板１における片面にカソード層２と、その反対面にアノード層３とが形成される。そこで、カソード層２とアノード層３とで一つの燃料電池セルＣ１、Ｃ２、Ｃ３が、夫々独立して形成されている。
【００３２】
そして、カソード層２側には、起電力取出し用の金属配線Ｅ１が取り付けられ、アノード層３側にも、起電力取出し用の金属配線Ｅ２が取り付けられている。金属配線としては、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。なお、図では、９個の燃料電池セルＣ１１乃至Ｃ３３が形成されているが、この数は、任意数とすることができる。
【００３３】
そこで、固体電解質燃料電池セルＣ１１乃至Ｃ３３の下方には、所定距離だけ隔てて、燃料供給管１１が配設され、燃料供給管に設けられた複数の貫通孔から放出されるメタンガス等の燃料Ｆが燃焼して、火炎ｆが生成され、アノード層３の全部に供給される。全ての燃料電池セルが電気的に並列接続され、一つの燃料電池として機能している。
【００３４】
本実施形態における燃料電池セルＣ１１乃至Ｃ３３の各アノード層３は、平板形状に形成されているので、管状のものに比べて、ムラなく火炎を当てることができ、各アノード層の全部が同じ条件で火炎に晒され、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。
【００３５】
また、平板形であると、カソード層２を火炎から遮断することができるので、アノード層３を火炎側に向けた状態で、カソード層２を大気に露出されることになる。これにより、複数の燃料電池セルＣ１１乃至Ｃ３３で形成される燃料電池は、開放型形態のままで、カソード層２側では、大気中の酸素を利用しやすくなり、酸素リッチ状態を維持できる。なお、カソード層２がさらに効率良く酸素を利用できるように、カソード層２１、２２に向かって酸素を含有する気体（空気、酸素リッチガス等）を供給しても良い。
【００３６】
また、燃料電池セルＣ１１乃至Ｃ３３は、火炎の中、或いは、近傍に配置されるが、火炎の根元付近である還元炎中に配置されるとより好適である。還元炎中に配置されることで、還元炎中に存在する炭化水素、水素、ラジカル等を燃料として効率良く利用でき、さらに、酸化により劣化しやすいアノード層であっても良好に使用でき、耐久性を維持することができる。
【００３７】
燃焼のための燃料としては、火炎を伴って燃焼酸化するもの（燃えるもの）であれば良い。燐、硫黄、フッ素、塩素、又は、これらの化合物等でも良いが、排ガス処理が不要である有機物が好ましい。有機物燃料としては、例えば、メタン、エタン、プロパン、ブタン等のガス、ヘキサン、へプタン、オクタン等のガソリン系液体、メタノール、エタノール、プロパノール等のアルコール、アセトン等のケトン、その他の有機溶剤各種、食用油、灯油等が挙げられる。この中でも、特に、ガスが好ましい。
【００３８】
さらに、火炎は、拡散炎でも予混炎でも良いが、拡散炎は、炎が不安定であり、煤の発生によってアノード層の機能低下を招きやすいので、予混炎の方が好適である。予混炎は安定している上に、火炎サイズを調整しやすいので有利であり、さらに燃料濃度を調整して、煤の発生を防止することができる。
【００３９】
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（ランタンガレート）、酸化ビスマス系セラミックス
また、アノード層３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。
ｄ）  ニッケルと、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重量％以上９９重量％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）  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、又は、その酸化物が１〜１０重量％程度配合されたもの
等が挙げられ、この中でも、特にｄ）、ｅ）が好ましい。
【００４０】
ｅ）の導電性酸化物を主成分とする焼結体は、優れた耐酸化性を有するのでアノード層の酸化に起因して発生する、アノード層の電極抵抗の上昇による発電効率の低下、或いは、発電不能、アノード層の固体電解質層からの剥離といった現象を防止できる。また、導電性酸化物としては、リチウムが固溶された酸化ニッケルが好適である。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。
【００４１】
カソード層２には、公知のものを採用でき、例えば、ストロンチウム（Ｓｒ）等の周期律表第３族元素が添加されたランタンのマンガン（例えば、ランタンストロンチウムマンガナイト）、ガリウム又はコバルト酸化化合物（例えば、ランタンストロンチウムコバルタイト）等が挙げられる。
【００４２】
アノード層３とカソード層２とは、共に多孔質体で形成されるが、本実施形態における固体電解質基板１も多孔質に形成されてもよい。従来では、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、アノード層及びカソード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、固体電解質燃料電池セル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。
【００４３】
本実施形態においても、個々の固体電解質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、ひび割れ等が更に抑制され、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。
【００４４】
固体電解質燃料電池セルＣ１１乃至Ｃ３３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、カソード層２となるペーストを、他面側にアノード層３となるペーストを夫々塗布した後に、焼成を行うことにより、固体電解質基板１に固体電解質燃料電池セルを製造することができる。
【００４５】
また、固体電解質燃料電池セルは、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燃料電池セルＣ１１乃至Ｃ３３における各カソード層２と各アノード層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。
【００４６】
メッシュ状金属としては、これを埋設する、或いは、固着するカソード層、アノード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。また、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。
【００４７】
また、メッシュ状金属を用いる代わりに、ワイヤ状金属をアノード層、カソード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。
【００４８】
メッシュ状金属やワイヤ状金属を、アノード層やカソード層に埋設、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。
【００４９】
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、本実施形態の燃料電池セル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、カソード層及びアノード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。
【００５０】
メッシュ状金属或いはワイヤ状金属は、アノード層とカソード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。固体電解質燃料電池セルの発電能力は、アノード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。
【００５１】
以上の様にして、図１に示されるように、個々の固体電解質基板に、固体電解質燃料電池セルが形成され、火炎を、同一面に形成されたアノード層に晒すことができ、カソード層側では、空気が、火炎と分離して供給される固体電解質燃料電池を作成することができる。図１に示された固体電解質燃料電池では、カソード層２に配設されたメッシュ状金属或いはワイヤ状金属に配線Ｅ１が取り付けられ、また、アノード層３に配設されたメッシュ状金属或いはワイヤ状金属に配線Ｅ２が取り付けられ、複数の燃料電池セルＣ１１乃至Ｃ３３が並列接続される。
【００５２】
なお、これまでに説明した本実施形態の固体電解質燃料電池においては、複数の小片による個々の固体電解質基板に夫々燃料電池セルを形成するようにしたが、大きい一枚の固体電解質基板の両面に、カソード層とアノード層とを形成した後に、所定の大きさに分割して、複数の燃料電池セルを作成してもよい。また、図１に示した固体電解質燃料電池では、固体電解質基板１の形状を、どれも同じとしたが、形成された燃料電池セルが並列接続される場合には、全て同じ面積を有する必要はなく、夫々異なっていてもよい。
【００５３】
また、配線Ｅ１と配線Ｅ２とは、図１に示されるように、各燃料電池セルＣ１１乃至Ｃ３３において、配線Ｅ１と配線Ｅ２とが直交するように設けられることに限られない。図２に示された固体電解質燃料電池の具体例のように、各燃料電池セルＣ１１乃至Ｃ３３において、配線Ｅ１と配線Ｅ２が平行に設けられている。
【００５４】
図１及び図２に示された固体電解質燃料電池の実施形態では、分割されて形成された複数の燃料電池セルを並列接続して、一つの燃料電池としての出力を取り出せるようにしたが、取り出せる起電力を高めることが必要な場合がある。これに対処するため、図３に示されるように、形成された複数の燃料電池セルＣ１１乃至Ｃ４３を複数のグループに分け、例えば、燃料電池セルＣ１１乃至Ｃ２３と、燃料電池セルＣ３１乃至Ｃ４３との２グループに分ける。
【００５５】
そして、燃料電池セルＣ１１乃至Ｃ２３のグループにおける各カソード層同士を配線Ｅ１１で、燃料電池セルＣ３１乃至Ｃ４３のグループにおける各カソード層同士を配線Ｅ１２で電気接続する。さらに、燃料電池セルＣ１１乃至Ｃ２３のグループにおける各アノード層同士を配線Ｅ２１で、燃料電池セルＣ３１乃至Ｃ４３のグループにおける各アノード層同士を配線Ｅ２２で電気接続する。そこで、配線Ｅ１１と配線Ｅ２２とを連結し、配線Ｅ１２と配線Ｅ２１とから燃料電池としての出力を取り出せるようにする。これらの電気接続により、形成された燃料電池セルＣ１１乃至Ｃ４３について直並列接続が実現され、取り出せる起電力を高めることができる。
【００５６】
以上で説明された図１乃至図３に係る本実施形態の固体電解質燃料電池では、形成された複数の燃料電池セルが配線によって互いに接続されているだけであるので、複数の燃料電池セルによる一つの燃料電池として機能させるとき、装置としての強度が不足する場合がある。そこで、図４及び図５に、本実施形態の固体電解質燃料電池において、その強度を補強した具体例を示した。
【００５７】
図４（ａ）は、図１（ａ）と同様の固体電解質燃料電池に係る側面図を示し、図４（ｂ）は、その固体電解質燃料電池に係る平面図を示している。形成された複数の燃料電池セルＣ１１乃至Ｃ３３が、配線Ｅ１と配線Ｅ２とで、並列接続されている。そこで、図４（ａ）に示されるように、隣り合う燃料電池セルの間にある間隙に対応し、カソード層２側において、補強用金属Ｍを配線Ｅ１に溶接により取り付ける。図４（ｂ）には、補強用金属Ｍ１１乃至Ｍ２４が、燃料電池セルを囲むように、格子状に設けられた例が示されている。
【００５８】
また、図４（ｂ）に示されるように、補強用金属を、燃料電池セル毎に取り囲むような格子状に設けなくても、強度が持つ場合の例を、図５に示した。同図では、補強用金属Ｍ１１乃至Ｍ２２によって囲まれる燃料電池セルを、４個にしている。この個数は、燃料電池セルの大きさや、補強用金属の太さなどで決まり、任意に設計できる。
【００５９】
ここで、補強用金属の材料としては、固着するカソード層、アノード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。例えば、白金や、白金を含む合金から成る金属を使用することもできるが、ＳＵＳ３００番代（３０４、３１６等）、或いは、ＳＵＳ４００番代（４３０等）のステンレスが、コストの点で好適である。
【００６０】
以上の様に、本実施形態による固体電解質燃料電池では、一枚の大面積の平板状固体電解質基板を使用するのではなく、複数の小片による板状固体電解質基板を使用し、個々の板状固体電解質基板において燃料電池セルを形成し、これらの燃料電池セルを電気接続して一つの燃料電池を作成するようにしたので、耐熱衝撃性に優れたものとなり、さらに、可とう性を持たせた燃料電池とすることができ、例えば、設置場所の形状に合わせて、その形状変更を簡単に行えるものである。燃料電池を、平面の他に、曲面、球面、円筒形状などの異形状にすることも、簡単である。
【００６１】
例えば、図６に、本実施形態による固体電解質燃料電池を円筒形状に形成した場合を示した。図６では、図４及び図５に示された補強用金属線を有する固体電解質燃料電池の場合を示し、図を簡単化するため、補強用金属線のみで、燃料電池全体の外観を表した。従って、実際の燃料電池では、補強用金属線間に、固体電解質燃料電池セルが接続されている。固体電解質燃料電池セルのアノード層を内側にし、円筒内部に火災を発生させるようにする。
【００６２】
図６に示されるように、固体電解質燃料電池に、補強用金属線が取付けられている場合には、そのままで円筒形状、その他の異形状にすることができた。図１乃至図３に示された固体電解質燃料電池では、可とう性を持っているものの、自立性がないので、例えば、円筒形状の燃料電池を形成しようとする場合には、別途用意した円筒体の内壁面に、本実施形態の固体電解質燃料電池を貼り付けることで実現できる。
【００６３】
また、本実施形態による固体電解質燃料電池では、複数の燃料電池セルで構成されているので、どれか一つが故障しても、交換が容易であり、さらに、固体電解質燃料電池の製造においても、燃料電池セルの不良品を間単に除去でき、それを良品に交換することができるので、総合歩留まりを向上させることができる。
【００６４】
これまでに説明した本実施形態による固体電解質燃料電池では、複数の平板状固体電解質基板夫々における片面に形成された複数のアノード層に、火炎を直接晒して燃料供給がなされる場合であったが、本実施形態による固体電解質燃料電池の構成によれば、カソード層とアノード層との間に起電力を発生する原理は、図７に示された固体電解質燃料電池セルと同様であるので、複数の平板状固体電解質基板の夫々に形成された燃料電池セルによる固体電解質燃料電池を、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配置することにより、カソード層とアノード層との間に起電力を発生させることができる。
【００６５】
以下に、これまでに説明した本実施形態の固体電解質燃料電池に係る実施例を示した。
（実施例１）
固体電解質基板として、厚さ２００μｍのサマリアドープドセリア（ＳＤＣ、Ｓｍ０．２Ｃｅ０．８Ｏ１．９セラミック）基板を用いた。このセラミック基板の一面側に、カソード層として、Ｓｍ０．５Ｓｒ０．５ＣｏＯ３を５０ｗｔ％添加したＳＤＣペーストを印刷し、その他面側に、アノード層として、５ｗｔ％Ｒｈ２Ｏ３を添加したＬｉドープドＮｉＯ２を添加したＳＤＣペーストを印刷し、１２００℃で焼成した。
【００６６】
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、固体電解質燃料電池セルを作成した。
【００６７】
こうして得られた固体電解質燃料電池セルのアノード層に、ガスバーナーを用いて、メタン、エタン、プロパン、ブタンの各ガスを燃料とし、ガス流量４００ｍｌ／分供給し、バーナーで生成された予混炎をあてた。
【００６８】
このとき、固体電解質燃料電池セルはひび割れすることなく発電することができ、その発電状況を調べたところ、メタンガスの場合には、開回路電圧は、０．８１Ｖであり、出力密度６１ｍＷ／ｃｍ２が確認された。エタンガスの場合には、開回路電圧は、０．８１Ｖであり、出力密度７１ｍＷ／ｃｍ２が確認された。プロパンガスの場合には、開回路電圧は、０．８２Ｖであり、出力密度６９ｍＷ／ｃｍ２が確認された。そして、ブタンガスの場合には、開回路電圧は、０．８６Ｖであり、出力密度７５ｍＷ／ｃｍ２が確認された。
【００６９】
さらに、アノード層にあてていた予混炎の点火と消火を繰り返して、固体電解質燃料電池セルに対して、ヒートサイクル試験を行ったところ、ひび割れは、発生しなかった。
【００７０】
【発明の効果】
以上の様に、本発明では、複数の小片による板状固体電解質基板を使用し、個々の板状固体電解質基板において燃料電池セルを形成し、これらの燃料電池セルを電気接続して一つの燃料電池を作成するようにしたので、耐熱衝撃性に優れたものとなり、さらに、可とう性を持たせた燃料電池とすることができ、設置場所の形状に合わせて、その形状変更を簡単に行えるようになり、或いは、燃料電池を、円筒形状などの異形状にすることも、簡単にできる。
【００７１】
また、本発明による固体電解質燃料電池では、複数の燃料電池セルで構成されているので、どれか一つが故障しても、交換が容易であり、さらに、固体電解質燃料電池の製造においても、燃料電池セルの不良品を間単に除去でき、それを良品に交換でき、総合歩留まりを向上させることができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る固体電解質燃料電池の実施形態を説明する図である。
【図２】本発明に係る固体電解質燃料電池の実施形態における具体例を説明する図である。
【図３】本発明に係る固体電解質燃料電池の実施形態における別の具体例を説明する図である。
【図４】本発明に係る固体電解質燃料電池の他の実施形態を説明する図である。
【図５】本発明に係る固体電解質燃料電池の他の実施形態における具体例を説明する図である。
【図６】本発明に係る固体電解質燃料電池を円筒形状に形成した場合を説明する外観図である。
【図７】従来技術による混合燃料ガス使用の固体電解質燃料電池の概略構成を説明する図である。
【図８】従来技術による火炎使用の固体電解質燃料電池の構成を説明する図である。
【符号の説明】
１…固体電解質体
２…カソード層（空気極層）
３…アノード層（燃料極層）
ｆ…火炎
Ｃ１〜Ｃ３、Ｃ１１〜Ｃ４３…燃料電池セル
Ｅ１、Ｅ２、Ｅ１１〜Ｅ２２…配線
Ｍ、Ｍ１１〜Ｍ２４…補強用金属線
【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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