(57)【要約】【課題】本発明は、火炎が固体電解質基板上のアノード層全面を晒すようにして、耐久性の向上と、発電効率の向上と、簡単な熱利用とを図る固体電解質燃料電池を提供する。【解決手段】板状の固体電解質基板１の両面にカソード層２とアノード層３とを形成した燃料電池セルＣとし、燃料供給管Ｐから供給される燃料を燃焼させた複数の火炎ｆをアノード層の全面にあてるようにして、発電効率を向上した。燃料供給管の間に冷却媒体配管を設けると、燃料の燃焼による燃料供給管の加熱を抑制でき、その熱を廃熱利用することができる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体電解質基板と、
前記固体電解質基板の一方の面に形成されたカソード層と、
前記固体電解質基板の前記一方の面と反対側の面に形成されたアノード層とを有し、
前記アノード層には、流体燃料の燃焼による火炎が供給され、前記カソード層には、空気が供給されることにより発電する固体電解質燃料電池。
【請求項２】
前記カソード層及び前記アノード層が、多孔質であ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】
前記カソード層及び前記アノード層の表面には、メッシュ状金属又は線状金属が埋設又は固着されてい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】
複数の孔を備えた複数本の燃料供給配管が、前記アノード層の面に並行して配設され、
前記複数の孔において供給された前記流体燃料が燃焼されて前記火炎が生成され、前記アノード層の全面が該火炎によって晒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】
前記複数本の燃料供給配管は、連結されており、前記流体燃料の連続した流路を形成していることを特徴とする請求項４に記載の固体電解質燃料電池。
【請求項６】
前記複数本の燃料供給配管の間に、熱交換媒体供給配管が配設されていることを特徴とする請求項４又は５に記載の固体電解質燃料電池。
【請求項７】
前記固体電解質基板、前記カソード層及び前記アノード層による固体電解質燃料電池セルと、前記複数の燃料供給配管と前記複数の熱交換媒体供給配管を片面に備え、前記固体電解質燃料電池セルと所定距離だけ隔てられて配置された仕切り板とにより燃料電池ユニットを形成したことを特徴とする請求項４乃至６のいずれか一項に記載の固体電解質燃料電池。
【請求項８】
複数の前記燃料電池ユニットの夫々が、所定角度だけ傾斜され、所定間隔を置いて設置され、
当該燃料電池ユニットの前記仕切り板と隣接する燃料電池ユニットの前記カソード層とによる間隙が空気の流路となることを特徴とする請求項７に記載の固体電解質燃料電池。
【請求項９】
前記傾斜された前記燃料電池ユニットの少なくとも下端部が、閉塞されていることを特徴とする請求項８に記載の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、固体電解質基板にカソード層とアノード層を形成して、密閉を必要としない簡単な構造によって、小型化、薄型化を図り、さらに、発電効率を向上し、簡単に熱利用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６に示した。図６（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６（ｂ）に示された燃料電池では、その基本的構成は、図６（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７に示した。
【００１２】
図７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６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７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。
【００１７】
そこで、本発明は、燃料電池の小型化、低コスト化を図るため、火炎を直接利用する形態の固体電解質燃料電池を採用することとし、ひび割れの発生を防止しつつ、火炎が固体電解質層上に形成されたアノード層の全面を晒すようにして、耐久性の向上と、発電効率の向上と、簡単な熱利用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。
【００１８】
【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、固体電解質基板と、前記固体電解質基板の一方の面に形成されたカソード層と、前記固体電解質基板の前記一方の面と反対側の面に形成されたアノード層とを備えた固体電解質燃料電池とし、前記アノード層には、流体燃料の燃焼による火炎が供給され、前記カソード層には、空気が供給されることとした。
【００１９】
そして、前記カソード層及び前記アノード層が、多孔質であるとし、さらには、前記カソード層及び前記アノード層の表面には、メッシュ状金属又は線状金属が埋設又は固着されていることとした。
【００２０】
さらに、固体電解質燃料電池には、複数の孔を備えた複数本の燃料供給配管が、前記アノード層の面に並行して配設され、前記複数の孔において供給された前記流体燃料が燃焼されて前記火炎が生成され、前記アノード層の全面が該火炎によって晒されることとした。
【００２１】
前記複数本の燃料供給配管は、連結されており、前記流体燃料の連続した流路を形成し、前記複数本の燃料供給配管の間に、熱交換媒体供給配管が配設されていることとした。
【００２２】
また、前記固体電解質基板、前記カソード層及び前記アノード層による固体電解質燃料電池セルと、前記複数の燃料供給配管と前記複数の熱交換媒体供給配管を片面に備え、前記固体電解質燃料電池セルと所定距離だけ隔てられて配置された仕切り板とにより燃料電池ユニットを形成し、複数の前記燃料電池ユニットの夫々が、所定角度だけ傾斜され、所定間隔を置いて設置され、当該燃料電池ユニットの前記仕切り板と隣接する燃料電池ユニットの前記カソード層とによる間隙が空気の流路となるようにした。そして、前記傾斜された前記燃料電池ユニットの少なくとも下端部が、閉塞されていることとした。
【００２３】
【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、その直角方向から見た側面図が示されている。
【００２４】
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った。そこで、本実施形態の固体電解質燃料電池においては、固体電解質層の形状を、板状とし、例えば、薄い平板による固体電解質基板を採用した。そして、この固体電解質基板の両面に、カソード層（空気極層）とアノード層（燃料極層）が形成され、火炎がアノード層の全面を晒すように、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。
【００２５】
図１に示されるように、本実施形態の燃料電池における固体電解質燃料電池セルＣは、平板による固体電解質基板１と、その両面に形成されたカソード層２とアノード層３とからなり、そしてカソード層２とアノード層の夫々には、起電力取出し用のリード線Ｌ１、Ｌ２が設けられている。固体電解質燃料電池セルＣの下方には、所定距離だけ隔てて、複数の燃料供給管Ｐ１乃至Ｐ５が、並行して配設されている。燃料供給管Ｐ１乃至Ｐ５の夫々には、複数の貫通孔が設けられ、この貫通孔から放出されるメタンガス等の燃料が燃焼して、火炎ｆ又はｆ１乃至ｆ５が生成される。
【００２６】
ここで、燃料供給管Ｐの本数又はその設置間隔、貫通孔の数又はその配置間隔、燃料電池セルＣと燃料供給管Ｐとの距離などは、燃焼で生成された複数の火炎がアノード層の全面を均一に晒し、火炎中のラジカル成分がアノード層に最適状態で供給されるように選択される。
【００２７】
次に、本実施形態の固体電解質燃料電池において用いた燃料電池セルＣの具体的構成について説明する。図１に示されるように、本実施形態の固体電解質燃料電池セルＣは、固体電解質基板１の一面側にカソード層２が、他面側にアノード層３が設けられ、平板形に形成されている。そして、アノード層３が、燃料供給管Ｐに対抗した状態で、火炎ｆ中、或いは、火炎ｆの近傍に配置され、燃料電池セルＣが発電を行う。
【００２８】
固体電解質燃料電池セルＣで発電された電力は、アノード層３とカソード層２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。
【００２９】
本実施形態の燃料電池セルＣは、平板形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可能となる。さらに、アノード層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。
【００３０】
また、平板形であると、図１に示すように、火炎を完全に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を大気中に露出することができる。これにより、燃料電池Ｃが開放型形態のままで、カソード層２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２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。
【００３１】
また、燃料電池セルＣ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。
【００３２】
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。
【００３３】
さらに、火炎は、拡散炎でも予混合火炎でも良いが、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、予混合火炎の方が好適である。予混合火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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
カソード層２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。
【００３７】
アノード層３、カソード層２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も多孔質に形成されている。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。
【００３８】
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、ひび割れ等がなくなり、耐熱衝撃性が向上する。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。これは、固体電解質層が多孔質であると、加熱による熱膨張が空隙部分で緩和されるためと考えられる。
【００３９】
固体電解質燃料電池セルは、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―ド層となるペーストを、他面側にアノード層となるペーストを塗布し、焼成を行うことで固体電解質燃料電池セルを製造することができる。
【００４０】
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Ｃにおけるカソード層２とアノード層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。
【００４１】
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。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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
以上では、図１に示されるように、燃料電池セルの発電効率を向上させるため、板状に形成された固体電解質燃料電池セルのアノード層の全面に、燃焼による複数の火炎が均一にあたるように、燃焼用の燃料を放出する複数の貫通孔が設けられた燃料供給管を配設した。次に、本実施形態の固体電解質燃料電池セルによる燃料電池における簡単な熱利用の仕方について、説明する。
【００４７】
図２に、本実施形態の固体電解質燃料電池における熱利用の具体例を示した。同図に示された固体電解質燃料電池は、基本的には、図１に示した燃料電池の構成と同様であり、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とが形成された燃料電池セルＣを有し、燃料電池セルＣのアノード層３側に、燃料供給管Ｐ１乃至Ｐ５が配設され、供給された燃料の燃焼による火炎ｆ１乃至ｆ５がアノード層３にあてられている。
【００４８】
ところで、火炎ｆ１乃至ｆ５を生成するため、燃料供給管Ｐ１乃至Ｐ５から供給される燃料が燃焼することによって、燃料供給管Ｐ１乃至Ｐ５自体が加熱され、温度が上昇する結果となる。燃料電池セルＣがある程度加熱されることは、発電効果を向上するために都合の良いことであるが、燃料供給管自体の加熱は、好ましいものではない。そこで、この燃料供給管に加熱された熱を吸収して、燃料供給管自体の温度を下げることとし、この吸収した熱を燃料電池外に輸送するようにした。
【００４９】
図２に示されるように、燃料供給管Ｐ１乃至Ｐ５の間に、燃料供給管の持つ熱を吸収できるように、水等の冷却媒体を流せる冷却媒体配管Ｗ１乃至Ｗ５を配設した。図３に、冷却媒体配管Ｗの配設の一例が示されている。図２の場合には、複数の燃料供給管と複数の冷却媒体配管とが、燃料供給管と冷却媒体配管とが交互に個別的に配設されていたが、図３の場合は、燃料供給管Ｐと冷却媒体配管Ｗとが、夫々一本に連なった状態で配設されている。
【００５０】
図３（ａ）では、それらの配設状態が、上面から見た構成で示されている。図３（ｂ）では、それらの配設状態を横から見た構成で示している。図３（ｂ）には、燃料供給管Ｐと冷却媒体配管Ｗとの曲部の様子が示され、２本の管が重なるため、曲部においては、どちらかの管が上方に曲げられて収まりがよくなっている。この様にして、燃料電池セルＣの下方において、燃料供給管Ｐに、燃料ｆが供給され、また、冷却媒体配管Ｗの一端においては、水ｗが送り込まれ、その他端から、温度上昇した水ｗが取り出される。
【００５１】
一方、図４には、燃料供給管Ｐと冷却媒体配管Ｗの他の配設状態の例が示されている。この例の場合では、複数の燃料供給管が、図１に示された場合と同様に、燃料電池セルＣの下方に配設されており、その一端は閉塞され、その他端において、燃料供給管Ｐに連結されている。燃料ｆは、図示されるように、燃料供給管Ｐに供給される。また、冷却媒体配管Ｗは、一本の管で形成され、その管が折り曲げられて、櫛歯状に配設された燃料供給管を挟み込むように設けられている。この構成によって、冷却媒体配管Ｗの一端から送られた水ｗが、燃料供給管から熱を効率的に吸収し、そして、その他端から、温度が上昇した水ｗが取りだされる。
【００５２】
次に、図２又は図３に示された本実施形態の固体電解質燃料電池を使用して、燃料電池としての発電出力を増大する手段について説明する。図５に、その発電出力を増大させた固体電解質燃料電池の構成が示されている。同図に示された固体電解質燃料電池では、図２に示されたものと同様に、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とを形成した燃料電池セルＣと、複数の燃料供給管及び複数の冷却媒体配管とからなる燃料電池ユニットが使用され、その燃料電池ユニットを複数段積み重ねて、発電出力を増大させている。
【００５３】
燃料電池ユニットが複数重ねられたとき、燃料供給管及び冷却媒体配管と、下に置かれる燃料電池ユニットのカソード層２とが近接してしまうと、カソード層２に対する酸素供給ができなくなる可能性があるので、そのカソード層２の上面における酸素供給を確保するため、上段に設けられる燃料電池ユニットの下面に、仕切り板１１を設けた。そして、この仕切り板１１とカソード層２とが所定間隔となるように、上下の燃料電池ユニットが設けられる。
【００５４】
一つの燃料電池ユニットにおいて、この仕切り板１１上に、燃料供給管と冷却媒体配管とが並べて取り付けられるようにされ、燃料電池セルＣ１乃至Ｃ３の夫々と仕切り板１１との間に、支持体１２が設けられ、燃料電池セルＣ１乃至Ｃ３と燃料供給管とが適切な距離を保持できるようにされる。
【００５５】
この様に、複数の燃料電池ユニットが重ねられ、夫々のリード線が接続されることにより、燃料電池としての発電出力を増大させることができる。しかし、各燃料電池ユニットが水平にして設けられた場合には、仕切り板１１とカソード層２とのの間に空隙が存在しても、カソード層２への酸素供給が十分でないことも有り得る。そこで、図５に示されるように、複数の燃料電池ユニットを、所定の角度を持たせて傾斜させて、並設させる。なお、図５では、燃料電池ユニットが３段重ねられた場合が示され、必要に応じて、さらに複数段を重ねて設けることができる。
【００５６】
各燃料電池ユニットを所定の角度だけ傾斜させることによって、仕切り板１１とカソード層２との間に存在する空隙において、燃料の燃焼による加熱により、図５において矢印で示したように、空気の自然対流が発生する。そのため、カソード層２には、常に新しい空気が供給されることになり、カソード層２の表面において、酸素リッチ状態が確保されて、燃料電池セルの発電効率が向上される。
【００５７】
さらに、各燃料電池ユニットを所定の角度だけ傾斜させて設けた場合、燃料電池セルＣ１乃至Ｃ３の夫々と仕切り板１１とで形成される空間を、少なくとも各燃料電池ユニットの下端部において、例えば、支持体１２によって閉塞させるようにすると、燃料電池セルＣ１乃至Ｃ３の夫々と仕切り板１１とで形成される各空間への空気の流入を抑制でき、燃料の燃焼による火炎の安定化を図れ、しかも、仕切り板１１とカソード層２との間に生じる自然対流を効率的に発生させることができる。これにより、燃料電池としての発電効率を向上できる。
【００５８】
なお、燃料電池における固体電解質燃料電池セルでは、平板状の固体電解質基板を用いたが、この基板が、必ずしも平板状でなくとも、複数の燃料供給管から供給される燃料の燃焼による複数の火炎が、基板に形成されたアノード層全面に均一にあたるようであれば、曲面状又は球面状であってもよい。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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、バーナーの予混炎をあてた。
【００６２】
このとき、固体酸化物型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。
【００６３】
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、固体酸化物型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。
【００６４】
【発明の効果】
以上のように、本発明では、板状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燃料電池セルとし、燃料供給管から供給される燃料を燃焼させた火炎をアノード層全面にあてるようにしたので、効率よく発電することができ、燃料供給管に冷却媒体配管を設けたので、燃料の燃焼による燃料供給管の加熱を抑制でき、しかも、その熱を廃熱利用することが可能となった。
【００６５】
また、板状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燃料電池セルと、燃料供給管と冷却媒体配管と設けた仕切り板とを含む燃料電池ユニットを複数段、傾斜させて重ねることにより、燃料電池セルの発電効率を向上させつつ、燃料電池としての発電出力を増大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に冷却媒体配管を備えた実施形態を説明する図である。
【図３】本実施形態の固体電解質燃料電池に冷却媒体配管の配設に係る具体例を説明する図である。
【図４】本実施形態の固体電解質燃料電池に冷却媒体配管の配設に係る他の具体例を説明する図である。
【図５】本発明に係る冷却媒体配管を備えた固体電解質燃料電池を積層した場合の実施形態を説明する図である。
【図６】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７】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）
１１…仕切り板
１２…支持体
ｆ、ｆ１〜ｆ５…火炎
Ｃ、Ｃ１〜Ｃ３…燃料電池セル
Ｌ１、Ｌ２…リード線
Ｐ、Ｐ１〜Ｐ５…燃料供給配管
Ｗ、Ｗ１〜Ｗ５…冷却媒体配管
【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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