(57)【要約】本発明は、固体燃料の燃焼による火炎を直接利用する形態の平板状の固体電解質燃料電池を電力供給手段として利用した発電装置に関する。固体電解質燃料電池セルは、平板状固体電解質基板の片方の面に形成されたカソード層と、その反対側の面に形成されたアノード層とを有する。固体燃料である木片を燃焼させたことによる火炎が、アノード層の全面を晒す。カソード層は、火炎とは反対の大気側を向き、空気が供給される。火炎中のラジカル成分と空気中の酸素とが反応し、起電力が発生する。
2005020364.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
板状の固体電解質基板と、該基板の一方の面に形成されたカソード層と、該一方の面と反対側の面に形成されたアノード層とを有する固体電解質燃料電池セルと、
前記固体電解質燃料電池セルの下方に配置された固体燃料とを備え、
前記アノード層に、前記固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による発電装置。
【請求項２】
前記固体燃料は、木質材、パラフィンによる固形燃料、又は、アルコールによる固形燃料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による発電装置。
【請求項３】
前記固体燃料の燃焼部分に空気が供給され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による発電装置。
【請求項４】
前記固体燃料は、前記アノード層に前記火炎を供給する開口部を有する燃焼装置に収納されることを特徴とする請求項３に記載の固体電解質燃料電池による発電装置。
【請求項５】
前記燃焼装置は、空気取入開口部を有す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による発電装置。
【請求項６】
前記固体燃料が固形パラフィンである場合、該固形パラフィン内を貫通する管により、前記燃焼部分に空気が供給され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による発電装置。
【請求項７】
前記燃焼装置は、前記固体燃料を加熱する加熱手段と、該燃焼装置内に空気を供給する空気供給手段とを有し、
前記空気の存在下で前記固体燃料が加熱されて揮発性化合物が発生され、該揮発性化合物の燃焼による火炎が前記固体電解質燃料電池セルに供給され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による発電装置。
【発明の詳細な説明】
技術の分野
本発明は、固体電解質燃料電池による発電装置に関し、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、密閉を必要としない簡単な構造によって、小型化、薄型化を図った燃料電池セルを備え、固体燃料の燃焼による火炎で発電でき、保存、運搬などの取り扱いが簡単な固体電解質燃料電池による発電装置に関する。
技術の背景
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。
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。
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。
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。
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。
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、例えば、特開２００３−９２１２４号公報で提案されている。
一方、この提案された燃料電池は、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。この様な発電装置が、例えば、特開平６−１９６１７６号公報で提案されている。
ところで、上述の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。
これに対して、上述の発電装置における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。
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。
そこで、本発明は、固体燃料の燃焼による火炎を直接利用する形態の固体電解質燃料電池を採用し、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、小型化、低コスト化を図った簡便な電力供給手段としての固体電解質燃料電池による発電装置を提供することを目的とする。
【発明の開示】
以上の課題を解決するため、本発明は、固体電解質燃料電池による発電装置であって、板状の固体電解質基板と、該基板の一方の面に形成されたカソード層と、該一方の面と反対側の面に形成されたアノード層とを有する固体電解質燃料電池セルとし、前記固体電解質燃料電池セルの下方に配置された固体燃料を備え、前記アノード層に、前記固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発電装置とし、前記固体燃料は、木質材、パラフィンによる固形燃料、又は、アルコールによる固形燃料を用いることとした。
そして、前記固体燃料の燃焼部分には、空気が供給されるようにされており、前記固体燃料は、前記アノード層に前記火炎を供給する開口部を有する燃焼装置に収納されることとし、前記燃焼装置に、空気取入開口部を備えた。
さらに、前記固体燃料が固形パラフィンである場合、該固形パラフィン内を貫通する管により、前記燃焼部分に空気が供給されるようにした。
また、前記燃焼装置は、前記固体燃料を加熱する加熱手段と、該燃焼装置内に空気を供給する空気供給手段とを有し、前記空気の存在下で前記固体燃料が加熱されて揮発性化合物が発生され、該揮発性化合物の燃焼による火炎が前記固体電解質燃料電池セルに供給されるようにした。
【図面の簡単な説明】  本発明は、添付の図面を参照しながら、以下に説明される。
図１Ａ及び１Ｂは、本発明に係る固体電解質燃料電池を利用した発電装置の実施形態を説明する図である。
図２Ａ及び２Ｂは、本発明に係る固体電解質燃料電池を利用した発電装置の別の実施形態を説明する図である。
図３は、本発明に係る固体電解質燃料電池を利用した発電装置の他の実施形態を説明する図である。
図４は、本発明に係る固体電解質燃料電池を利用した発電装置における火炎の発生を改良した実施形態を説明する図である。
図５Ａ及び５Ｂは、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６は、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。
【発明を実施するための最良の形態】  以下において、本発明による固体電解質燃料電池を利用した発電装置の実施形態について、図を参照しながら説明する。しかし、本実施形態の固体電解質燃料電池を利用した発電装置を説明する前に、本実施形態における特徴と効果を明確なものとするために、本実施形態の固体電解質燃料電池を利用した発電装置の基礎となる従来技術による固体電解質燃料電池について説明する。
従来技術で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５Ａ及び５Ｂに示した。図５Ａ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。
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。
また、図５Ｂに示された燃料電池では、その基本的構成は、図５Ａ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。
一方、前述したように、シングル型チャンバー内に収納せず、火炎直接利用による燃料電池セルを使用した発電装置が、図６に示されている。図６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２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。
次に、本発明の固体電解質燃料電池利用の発電装置に係る実施形態について、図を参照しながら説明する。図１Ａ及び１Ｂには、本実施形態による固体電解質燃料電池利用の発電装置の構成が示されている。図１Ａでは、その発電装置の縦断面図が示され、図１Ｂには、その直角方向における縦断面図が示されている。
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、本実施形態の発電装置に用いられる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、該アノード層の下方に供給される固体燃料を燃焼させることとした。固体燃料としては、手軽に入手が可能な、例えば、木質材、木質材のチップ又はペレットや、パラフィン、オレフィン、アルコールなどの固体燃料が挙げられる。
図１Ａ及び１Ｂに示されるように、本実施形態の発電装置に使用され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（空気極層）２とアノード層（燃料極層）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。その固体電解質燃料電池セルＣは、燃焼装置１１の上部に載置されるようになっている。
この燃焼装置１１は、その内部に、固体燃料１３を収容できる燃焼室を備えており、燃焼室内には、固体燃料を保持するための火格子などの保持体１２が設けられている。図１Ａ及び１Ｂでは、固体燃料として、木質材が供給されている。そして、燃料電池セルＣを支持し、燃料電池セルＣのアノード層３を燃焼室に臨ませ、火炎で晒されるようにするための火炎開口部１４を備えている。また、燃焼装置１１の前面には、固体燃料１３を燃焼室内に供給するための固体燃料供給開口部１５が開けられ、さらに、固体燃料保持体１２の下側に、空気を供給するための空気取入開口部１６が開けられている。
ここで、燃焼装置１１の燃焼室内に固体燃料１３が供給され、この固体燃料の燃焼により、火炎ｆが発生される。この発生された火炎ｆが、開口部１４に臨む固体電解質燃料電池セルＣのアノード層３にあたり、カソード層２には、外気の空気が供給される。これにより、火炎中のラジカル成分と空気中の酸素とが反応して、リード線Ｌ１とリード線Ｌ２との間に起電力が発生し、固体電解質燃料電池利用の発電装置として機能する。このとき、火炎の発生状態は、燃焼で生成された火炎ｆが、アノード層３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。
次に、本実施形態の発電装置に利用される固体電解質燃料電池セルＣの具体的構成について説明する。図１Ａ及び１Ｂ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。この様に、カソード層２とアノード層３とが形成されているので、アノード層３が、固体燃料１３の燃焼によって発生した火炎ｆで晒される側となれば、必然的に、カソード層２は、大気側に向くことになる。
そのため、図６に示された管状の固体電解質燃料電池の場合に比べて、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、ムラなく火炎を当てることが可能となり、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。
また、平板形であると、図１Ａ及び１Ｂに示すように、火炎を完全に遮断することができるようになり、アノード層３を火炎側に向けると、カソード層２が大気側に露出することになる。これにより、燃料電池セル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。
また、燃料電池セルＣは、固体燃料１３の上方に配置されるが、そのアノード層２が、火炎の根元付近である還元炎に晒されるように配置されるとより好適である。アノード層３が還元炎に晒されるようにすると、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。
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。
上記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。
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。
カソード層２とアノード層３は、共に多孔質体で形成されるが、本実施形態に利用される固体電解質燃料電池セルＣおける固体電解質基板１も多孔質に形成されている。従来の様に、本実施形態に利用される固体電解質基板１を、緻密質に形成してもよいが、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。
固体電解質基板が多孔質に形成されることで、発電時に、火炎の点火、又は、消火による急激な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。
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ー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。
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１Ａ及び１Ｂ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。
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。
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。
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。
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。
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。
以上の様な構成を有する固体電解質燃料電池セルを、図１Ａ及び１Ｂに示された発電装置に固体電解質燃料電池セルＣとして組み込み、固体燃料の燃焼による火炎に晒すようにすると、密封構造を有しない開放型の発電手段として利用できる。そして、火炎供給に、固体燃料を用いているため、簡単な構成で、保存や運送が容易となり、発電装置としての取り扱いが簡便なものとなる。
この発電装置では、小電力を取り出す場合に有利であり、電流をそれ程必要とせず、電圧が重要であるような負荷を駆動する電源に適している。その負荷には、例えば、ＬＥＤの点灯、ＬＣＤの表示、携帯ラジオ又は携帯情報機器の駆動などが挙げられ、非常・停電時、野外活動中などの電源として使用することが可能である。
図１Ａ及び１Ｂに示された固体電解質燃料電池利用の発電装置においては、固体燃料として、木質材を使用した例であったが、図２Ａ及び２Ｂに、パラフィンの固体化燃料を使用した場合を示した。パラフィンによる固体化燃料の例としては、ローソクが挙げられる。図２Ａ及び２Ｂでは、図１Ａ及び１Ｂに示されてような燃焼装置１１を示していないが、燃えているローソクの炎に、固体電解質燃料電池セルＣを晒すだけで、発電装置とすることもできる。
図２Ａには、芯１８に点火されたローソク１７の上方に、固体電解質燃料電池セルＣを、アノード層３を下側にして配置させた状態が示されている。芯１８から発生した火炎ｆが、アノード層３の全面を晒すように、燃料電池セルＣの位置を調節する。そうすると、火炎Ｆ中に含まれるラジカル成分が、アノード層３に有効に供給され、カソード層２に供給された空気中の酸素と反応し、リード線Ｌ１とリード線Ｌ２との間に、起電力が発生する。
図２Ｂは、図２Ａの場合と同様に、固体燃料として、ローソクを利用した場合を示しているが、ローソク１７の芯１８の近傍に、下から延びる管１９の先端を配置している。この管１９に空気を送ることにより、ローソク１７における燃焼部の燃焼状態が変えられ、火炎ｆ中のラジカル成分を増やすことができる。これにより、発電効率を向上させることができる。
図２Ａ及び２Ｂでは、ローソクを固体燃料とした発電装置の例が示されたが、図３には、ローソクの代わりに、アルコールによる固形燃料を発電装置の固体燃料とした例を示した。この固形燃料の場合には、ローソクに比べて、煤が少なく、火炎ｆが安定しており、アノード層３の面積を大きくすることができるので、固体電解質燃料電池の長時間使用が可能となり、発電効率も上がる。
なお、本実施形態の発電装置に利用する固体電解質燃料電池の基板は、火炎がアノード層全面を有効にあたるような形状にされるとよい。火炎の形状に合わせて、例えば、固体燃料として、ローソクが選択される場合には、アノード層の形状を円形にすることが有利となり、これに合わせて、固体電解質基板も、円形にすることができる。
また、発電出力を上げたい場合には、面積の大きい固体電解質基板の燃料電池セルとし、その大きさに合わせた火炎を生成するようにする。さらに、燃料電池としての起電力を上げたい場合には、固体電解質基板の両面に形成されたカソード層とアノード層の夫々を複数に分割して、分割された一対のカソード層とアノード層で一つの燃料電池セルとし、複数の燃料電池セルを生成するようにする。そして、これらの燃料電池セルを金属線により直列接続するとよい。
これまで説明してきたように、固体燃料の燃焼によって固体電解質基板の燃料電池セルに供給される炎を図１Ｂに示した固体電解質基板の燃料電池を利用した発電装置では、燃焼装置１１の下部に、空気取入開口部１６が開けられている。この空気取入開口部１６からは、固体燃料１３が自然燃焼に必要とする空気が、燃焼装置１１内に供給され、つまり、この空気が、燃焼装置１１内に自然対流的に取り込まれている。そのため、この空気の供給によっては、燃料電池の発電に寄与する火炎中のラジカル成分を生成でき、或いは、固体燃料から燃料種を取り出せるが、燃焼で生成される火炎を燃料電池の発電に有効に寄与するように、最適化するための調整をすることはできない。
一方、図２Ｂでは、ローソク１７の芯１８の近傍に、管１９の先端が配置されている。この管１９から火炎ｆに空気が送られることにより、ローソク１７の燃焼部における燃焼状態が変えられ、火炎ｆ中のラジカル成分を増やすことができるので、燃料電池の発電効率を向上できる。ローソクの燃焼による火炎を用いる場合には、ローソク自体がパラフィンの固体化燃料であるため、管１９からの空気の供給を調整することによって、燃焼による火炎の状態を比較的容易に最適化することができる。
しかし、固体燃料として、木質材、バイオマス資源などを用いる場合には、これらの固体燃料は、種々の成分で構成されているため、その燃焼が一様ではなく、しかも、燃料種として有効に利用できない。例えば、図１Ｂに示された燃焼装置内で、木質材１３を燃焼させても、燃焼しきれない煤が発生し、或いは、燃えカスなどの残留物が多く発生する。
そこで、固体燃料として、木質材、バイオマス資源などを用いる場合に、これらの固体燃料に含まれている種々の成分を揮発性化合物として取り出し、この揮発性化合物を燃焼させて火炎を生成する工夫をした。これにより、固体燃料に含まれる種々の成分を、改質することなく、燃料種として有効に利用でき、しかも、燃料種を改質することなく、火炎中のラジカル成分を増加させ、燃料電池セルの発電効率を向上できる。
例えば、一般の木質材によるペレットを空気中で加熱していったとき、ペレットの温度が約５００℃に近づくと、ペレットの総重量が、急激に減少することが、実験的に確認されている。この減少分のうち、約８０％が揮発性化合物であり、約１９％が不揮発性成分であることが分析されている。この不揮発性成分とは、タール、コークスなどである。ここで抽出された揮発性化合物を燃料種とし、これを燃焼させてラジカル成分を生成することとした。この揮発性化合物の燃焼に必要な空気量を調整して供給することにより、火炎中に生成されるラジカル成分を最適化することができる。
図４に、木質材を固体燃料に利用し、このペレットから発生する揮発性化合物を燃焼させた火炎を燃料電池セルに供給するようにした発電装置の具体例を示した。図１Ａ及び図１Ｂに示された発電装置では、火格子１２上に木質材１３を単純に置いただけであり、木質材１３は、空気取入開口部１６から供給される空気で燃焼するものであった。これに対して、図４の発電装置では、燃焼装置に対応するアルミナセラミックなどによる耐熱性容器２１が使用され、該容器内の下部に、火格子の代りとなる多孔質部材２２が配置され、燃焼室が形成される。さらに、耐熱性容器２１の上部外周に、加熱手段であるヒータ２３を設けている。そして、燃料電池セルＣは、そのアノード層３が下側になるように、耐熱性容器２１における上方の開口に配置される。
木質材１３は、耐熱性容器２１の燃焼室内で、多孔質部材２２の上に置かれて収納される。そこで、ヒータ２３で木質材１３を加熱し、燃焼室内に多孔質部材２２を介して、空気が供給される。例えば、木質材１３に対して、適切量に調整された空気を供給しつつ、ヒータ２３を駆動して、５００℃程度まで加熱する。そして、木質材１３から発生した揮発性化合物を燃焼させて火炎ｆを生成し、この火炎ｆが燃料電池セルＣのアノード層３にラジカル成分を供給する。
以上のように、図４に示された発電装置では、固体燃料を収納した燃焼装置の外周に加熱手段を設け、さらに、適切な量に調整された空気が該燃焼室に供給されるように構成されているので、大掛かりな改質するための装置を必要せず、固体燃料から燃焼できる揮発性化合物を有効に取り出せる。そのため、この揮発性化合物を燃焼させた火炎を燃料電池セルに晒すことができるので、燃料電池セルに供給されるラジカル成分の量を増加させ、燃料電池の発電量を増大することができる。
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よる発電装置の実施例を示した。
【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４０ｗｔ％添加したＳＤＣペーストを印刷し、１２００℃で焼成した。
そして、白金によるリード線を溶接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。
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、固体燃料としてローソクを用いて、このローソクで生成された火炎をあてて、特性評価を行ったところ、開回路電圧は、０．８４Ｖであり、出力密度１２ｍＷ／ｃｍ２が確認された。また、このローソクの芯近傍に、若干の空気を送った結果、開回路電圧は、０．７８Ｖであり、出力密度６２ｍＷ／ｃｍ２が確認された。固体燃料に乾燥木片を用いた場合には、開回路電圧は、０．７７Ｖであり、出力密度５ｍＷ／ｃｍ２が確認された。
【実施例２】  実施例２では、図４に示された固体電解質基板の燃料電池セルを用いた発電装置で実施した。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４０ｗｔ％添加したＳＤＣペーストを印刷し、１２００℃で焼成した。
そして、白金によるリード線を溶接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、固体電解質基板の燃料電池セルを作成した。
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、固体燃料として木質材によるペレットを用いて、燃焼室に３０００ｃｍ３／分の空気を供給しながら、ヒータでペレットを加熱した。このペレットから取り出された揮発性化合物を燃焼させ、その燃焼による火炎を燃料電池セルにあてて、特性評価を行った。開回路電圧は、０．８４Ｖであり、出力密度９９ｍＷ／ｃｍ２が確認された。
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固体電解質燃料電池セルを採用し、固体燃料を燃焼させた火炎をアノード層全面にあてる発電装置を構成するようにしたので、耐久性のある、小型化、低コスト化された燃料電池で発電することができ、固体燃料を使用することにより、保存や運送が容易となり、取り扱いが簡単な発電装置とすることができた。
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【図３】
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【図４】
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【図６】
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【国際調査報告】
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