(57)【要約】【課題】本発明は、密閉を必要としない簡単な構造によって、固体燃料を直接気相化しつつ燃料電池の燃料にして発電できる固体酸化物型燃料電池発電装置を提供する。【解決手段】固体酸化物型燃料電池発電装置は、カソード電極層２とアノード電極層３が形成された平板状の固体電解質基板１を有する固体酸化物型燃料電池Ｃ１とＣ２とを有し、固体酸化物型燃料電池Ｃ１のアノード電極層と固体酸化物型燃料電池Ｃ２のアノード電極層との間に、固体燃料Ｆを挟み込んだ燃料電池対を構成し、該燃料電池対を加熱する熱供給装置を備えている。この加熱によって、固体燃料が直接気相化されて燃料種を発生し、この燃料種がアノード電極層に供給され、固体酸化物型燃料電池が発電する。【選択図】図１
2007180023.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソード電極層とアノード電極層が形成された固体電解質基板を有する第１及び第２固体酸化物型燃料電池と、
前記第１及び第２固体酸化物型燃料電池を加熱する熱供給装置と、を備え、
前記第１固体酸化物型燃料電池の前記アノード電極層と前記第２固体酸化物型燃料電池の前記アノード電極層との間に、固体燃料を挟み込んだことを特徴とする固体酸化物型燃料電池発電装置。
【請求項２】
前記固体燃料を挟み込んだ前記第１固体酸化物型燃料電池及び前記第２固体酸化物型燃料電池による第１燃料電池対が、断熱容器内に収納され、
前記断熱容器の下部に、前記熱供給装置が配置され、該下部から空気が供給されることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物型燃料電池発電装置。
【請求項３】
前記第１燃料電池対が、前記断熱容器内で垂直に配置され、
前記熱供給装置が、前記第１燃料電池対の下方に配置されたことを特徴とする請求項３２に記載の固体酸化物型燃料電池発電装置。
【請求項４】
前記第１燃料電池対の複数組が、互いに間隔を保持して前記断熱容器内に収納されることを特徴とする請求項３に記載の固体酸化物型燃料電池発電装置。
【請求項５】
前記間隔を保持する加圧固定部材が、前記複数組の第１燃料電池対の間に挿入されていることを特徴とする請求項４に記載の固体酸化物型燃料電池発電装置。
【請求項６】
高熱伝導体層が、前記断熱容器の内面に形成されていることを特徴とする請求項３乃至５のいずれか一項に記載の固体酸化物型燃料電池発電装置。
【請求項７】
前記第１燃料電池対の上方に、前記第１固体酸化物型燃料電池及び前記第２固体酸化物型燃料電池のみによる第２燃料電池対が配置されることを特徴とする請求項３乃至６のいずれか一項に記載の固体酸化物型燃料電池発電装置。
【請求項８】
前記熱供給装置は、火炎による熱を前記第１燃料電池対に供給す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酸化物型燃料電池発電装置。
【請求項９】
前記熱供給装置は、前記第１燃料電池対の下方に配置された固体酸化物型燃料電池のアノード電極層を直接曝す火炎を供給することを特徴とする請求項８に記載の固体酸化物型燃料電池発電装置。
【請求項１０】
前記固体燃料は、細かく粉砕され水中に分散された有機固形物を耐熱性ネットに略一定厚さに、且つ、前記アノード電極層の表面形状に合わせた大きさに付着させることにより平板状に作成されることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の固体酸化物型燃料電池発電装置。
【請求項１１】
前記第１及び第２固体酸化物型燃料電池の各々は、前記固体電解質基板の全周縁部で前記カソード電極層の端縁部から前記アノード電極層の端縁部に渡って被覆し、該端縁部から所定幅を有する酸化物枠体を有し、
前記カソード電極層と前記アノード電極層の少なくとも一方の全面にメッシュ状金属又はワイヤ状金属が埋設又は固着され、
前記各酸化物枠体は、当該固体酸化物型燃料電池を保持する保持部を備えていることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の固体酸化物型燃料電池発電装置。
【請求項１２】
前記カソード電極層と前記アノード電極層とに埋設又は固着された前記メッシュ状金属又はワイヤ状金属は、第１集電電極及び第２集電電極であり、該第１集電電極及び第２集電電極に接続されたリード線から、発電出力が取出されることを特徴とする請求項１１に記載の固体酸化物型燃料電池発電装置。
【請求項１３】
前記メッシュ状金属又はワイヤ状金属は、前記酸化物枠体に延びて埋設されていることを特徴とする請求項１２に記載の固体酸化物型燃料電池発電装置。
【請求項１４】
前記酸化物枠体は、固体電解質材料で作成され、又は、多孔質に形成されることを特徴とする請求項１１乃至１３のいずれか一項に記載の固体酸化物型燃料電池発電装置。
【請求項１５】
前記保持部は、複数の孔を有し、
前記第１及び第２固体酸化物型燃料電池は、断熱容器内の保持枠に設けられたガイドレールが前記孔の各々に挿通されることによって、前記断熱容器内に垂直に配置され、
前記固体燃料は、前記断熱容器内において前記第１固体酸化物型燃料電池と前記第２固体酸化物型燃料電池との間に垂直に挿入されることを特徴とする請求項１１乃至１４のいずれか一項に記載の固体酸化物型燃料電池発電装置。
【請求項１６】
前記ガイドレールは、前記固体燃料を前記第１及び第２固体酸化物型燃料電池で挟み込んで圧接する加圧固定部材を備え、
前記加圧固定部材は、前記固体燃料の交換時に、前記ガイドレールに沿って可動であることを特徴とする請求項１５に記載の固体酸化物型燃料電池発電装置。
【請求項１７】
前記保持部は、前記酸化物枠体の４隅に設けられた孔を有し、
前記ガイドレールが前記孔の各々に挿通されることを特徴とする請求項１５又は１６に記載の固体酸化物型燃料電池発電装置。
【請求項１８】
前記固体燃料は、該固体燃料を付着した耐熱性ネットの上端部に設けられた係合具が断熱容器内の保持棒に係合されることによって、前記断熱容器内において前記第１固体酸化物型燃料電池と前記第２固体酸化物型燃料電池との間に垂直に挿入されることを特徴とする請求項１１乃至１４のいずれか一項に記載の固体酸化物型燃料電池発電装置。
【請求項１９】
前記固体燃料は、該固体燃料を付着した耐熱性ネットの下端が、断熱容器内の保持枠に設けられた下部ガイドレールによって支持され、前記保持枠に設けられた上部ガイドレールによって面方向を規制されて、前記断熱容器内において前記第１固体酸化物型燃料電池と前記第２固体酸化物型燃料電池との間に垂直に挿入されることを特徴とする請求項１１乃至１４のいずれか一項に記載の固体酸化物型燃料電池発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物型燃料電池を用いた発電装置に関し、特に、カソード電極層とアノード電極層が形成された固体電解質基板を有する２枚の固体酸化物型燃料電池の間に固体燃料を挟み込み、この燃料電池対を加熱できるようにし、密閉を必要としない簡単な構造によって、固体燃料を気相化し燃料電池の燃料にして発電できる固体電解質燃料電池発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年においては、種々の発電形式の燃料電池が開発されており、この中に、固体電解質を用いた形式の固体酸化物型燃料電池がある。この固体酸化物型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電極層を、そして、その反対面にアノード電極層を形成し、このカソード電極層側に酸素又は酸素含有気体が供給され、さらに、アノード電極層には、メタン等の燃料ガスが供給されるようになっている。
【０００３】
この燃料電池内では、カソード電極層に供給された酸素（Ｏ2）が、カソード電極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電極層に伝導され、アノード電極層に供給された、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、カソード電極層とアノード電極層との間に電位差が生じる。そこで、カソード電極層とアノード電極層とにリード線を取り付ければ、アノード電極層の電子が、リード線を介してカソード電極層側に流れ、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。
【０００４】
しかし、この形式の燃料電池による発電装置では、カソード電極層側に、酸素又は酸素含有ガス供給チャンバーを、そして、アノード電極層側に、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、燃料電池としての耐久性を向上することが困難であった。
【０００５】
一方、固体電解質層の対向した面に、カソード電極層とアノード電極層とを設けた固体酸化物型燃料電池を形成し、この燃料電池を、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置いて、カソード電極層とアノード電極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、カソード電極層とアノード電極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、固体酸化物型燃料電池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、燃料電池の耐久性を向上できる。
【０００６】
しかし、このシングル型チャンバーの燃料電池による発電装置においても、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の発電装置が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。
【０００７】
一方、この提案された燃料電池の発電装置は、チャンバー内に収納された複数の固体酸化物型燃料電池によって積層構成された形式のものであったが、固体酸化物型燃料電池を火炎中、或いは、その近傍に配置し、火炎の熱によって固体酸化物型燃料電池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。
【０００８】
ところで、上述のシングル型チャンバーの燃料電池による発電装置では、従来の固体酸化物型燃料電池の発電装置のように、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、複数の板状固体酸化物型燃料電池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、板状固体酸化物型燃料電池によるシングル型チャンバーの燃料電池発電装置は、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発電装置の稼動に際しては、高温になるまで徐々に昇温して、固体酸化物型燃料電池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。
【０００９】
これに対して、上述の発電装置における固体酸化物型燃料電池では、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。
【００１０】
しかしながら、この形態の燃料電池発電装置では、管状の固体電解質層の外面にアノード電極層が形成されているので（例えば、特許文献２を参照）、主に、そのアノード電極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電極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。
【００１１】
そこで、この発電効率を高めた固体酸化物型燃料電池による発電装置が提案されている（例えば、特許文献３を参照）。この提案された発電装置が、図１２に示されている。ここで利用される固体酸化物型燃料電池Ｃの具体的構成について説明する。固体酸化物型燃料電池Ｃは、固体電解質基板１の一面側にカソード電極層２が、他面側にアノード電極層３が設けられ、全体が平板状に形成されている。
【００１２】
この様に、カソード電極層２とアノード電極層３とが、平板状の固体電解質基板１に形成されているので、アノード電極層３が、ガスバーナー４によって発生された火炎ｆで晒される側となれば、アノード電極層３側が燃料リッチ状態になり、必然的に、カソード電極層２は、大気側に向くことになり、酸素リッチ状態となる。発電した出力は、カソード電極層２に取り付けられたリード線Ｌ１と、アノード電極層３に取り付けられたリード線Ｌ２との間から取り出される。
【００１３】
そのため、管状の固体電解質燃料電池の場合に比べて、この固体酸化物型燃料電池Ｃは、平板状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、アノード電極層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、例えば、炭化水素、水素、ラジカル（ＯＨ、ＣＨ、Ｃ2、Ｏ2Ｈ、ＣＨ3）などを燃料種として有効に利用しやすくしている。
【００１４】
以上に説明した固体酸化物型燃料電池の発電装置では、ガスバーナーによって発生した火炎ｆが直接、アノード電極層３を晒すことにより、火炎ｆが、固体酸化物型燃料電池Ｃの作動温度を維持する加熱源となるとともに、固体酸化物型燃料電池の発電に必要な燃料種の供給源になっている。ここで、火炎ｆは、予混気体の燃焼によって発生されているが、図１３に示されるように、固体燃料を燃焼させて、この火炎ｆを発生するようにしても、固体酸化物型燃料電池を発電装置に適用することもできる。
【００１５】
図１３の発電装置に使用される固体酸化物型燃料電池Ｃには、図１２に示された固体酸化物型燃料電池を用いることができ、固体酸化物型燃料電池Ｃは、平板状の固体電解質基板１と、その両面に形成されたカソード電極層（空気極層）２とアノード電極層（燃料極層）３とが形成される。そして、その固体酸化物型燃料電池Ｃは、燃焼装置５の上部に載置されるようになっている。
【００１６】
この燃焼装置５は、その内部に、固体燃料Ｆを収容できる燃焼室を備え、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６が設けられている。図１３では、固体燃料として、木質材が供給されている。そして、燃焼装置５の上部は、固体酸化物型燃料電池Ｃを支持し、アノード電極層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が備えられている。また、燃焼装置５の前面には、固体燃料Ｆを燃焼室内に供給するための固体燃料供給開口部が開けられ、さらに、固体燃料保持体６の下側に、空気を供給するための空気取入開口部も開けられている。
【００１７】
固体燃料としては、木質材の他に、手軽に入手が可能な、例えば、木質材のチップ又はペレットや、パラフィン、オレフィン、アルコールなどが挙げられる。ここで、燃焼装置５の燃焼室内に固体燃料Ｆ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、開口部に臨む固体酸化物型燃料電池Ｃのアノード電極層３にあたり、カソード電極層２には、外気の空気が供給される。これにより、火炎ｆ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、固体酸化物型燃料電池利用の発電装置として機能する。
【００１８】
【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
【特許文献３】特開２００４−１３９９３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
ところで、上述した固体酸化物型燃料電池利用の発電装置では、通常、燃料極には、気相燃料が供給される。シングル型チャンバーの発電装置に収納された固体酸化物型燃料電池であれば、混合燃料ガスが供給され、火炎直接利用の固体酸化物型燃料電池発電装置の場合にあっては、アノード電極層に、気体燃料又は固体燃料の燃焼により発生した火炎の中に含まれる燃焼ガス又は未燃焼ガスが供給されている。
【００２０】
しかしながら、シングル型チャンバーによる発電装置の場合のように、装置に供給する混合ガスに含める燃料ガスを固体燃料から生成しようとすると、時間とエネルギーを要し、特別な生成装置を用意しなければならない。また、火炎直接利用の固体酸化物型燃料電池発電装置の場合にあっては、固体燃料を燃焼させた火炎を発電に利用する点では、シングル型チャンバーによる発電装置の場合より、手軽で、簡単に、固体燃料を装置内で気相化できて有利であるが、固体燃料の燃焼による火炎の安定化、燃料極への燃料供給効率に問題がある。そして、発電装置内に燃焼装置を設けなければならない点で、発電装置の小型化に問題があり、発電出力アップを図ることができない。
【００２１】
そこで、本発明は、カソード電極層とアノード電極層が形成された固体電解質基板を有する２枚の固体酸化物型燃料電池の間に固体燃料を挟み込み、この燃料電池対を加熱できるようにし、密閉を必要としない簡単な構造によって、固体燃料を直接気相化しつつ燃料電池の燃料にして発電できる固体酸化物型燃料電池発電装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
以上の課題を解決するために、本発明の固体酸化物型燃料電池発電装置では、カソード電極層とアノード電極層が形成された固体電解質基板を有する第１及び第２固体酸化物型燃料電池と、前記第１及び第２固体酸化物型燃料電池を加熱する熱供給装置とが、備えられ、前記第１固体酸化物型燃料電池の前記アノード電極層と前記第２固体酸化物型燃料電池の前記アノード電極層との間に、固体燃料を挟み込むこととした。
【００２３】
そして、前記固体燃料を挟み込んだ前記第１固体酸化物型燃料電池及び前記第２固体酸化物型燃料電池による第１燃料電池対が、断熱容器内に収納され、該断熱容器の下部に、前記熱供給装置が配置され、該下部から空気が供給されることとした。
【００２４】
前記第１燃料電池対が、垂直に配置され、前記熱供給装置が、前記燃料電池対の下方に配置されることとし、さらには、前記第１燃料電池対の複数組が、互いに間隔を保持して前記断熱容器に収納され、該間隔を保持する加圧固定部材が、前記複数組の燃料電池対の間に挿入されることとした。
【００２５】
また、高熱伝導体層が、前記断熱容器の内面に形成されることとし、さらに、前記燃料電池対の上方に、前記第１固体酸化物型燃料電池及び前記第２固体酸化物型燃料電池のみによる第２燃料電池対が配置されることとした。
【００２６】
また、前記熱供給装置は、火炎による熱を前記燃料電池対に供給するようにし、前記熱供給装置は、前記第１燃料電池対の下方に配置された固体酸化物型燃料電池のアノード電極層を直接曝す火炎を供給することとした。
【００２７】
本発明に用いられる前記固体燃料は、細かく粉砕され水中に分散された有機固形物を耐熱性ネットに略一定厚さに、且つ、前記アノード電極層の表面形状に合わせた大きさに付着させることにより平板状に作成されることとした。
【００２８】
また、本発明の固体酸化物型燃料電池発電装置では、前記第１及び第２固体酸化物型燃料電池の各々は、前記固体電解質基板の全周縁部で前記カソード電極層の端縁部から前記アノード電極層の端縁部に渡って被覆し、該端縁部から所定幅を有する酸化物枠体を有し、前記カソード電極層と前記アノード電極層の少なくとも一方の全面にメッシュ状金属又はワイヤ状金属が埋設又は固着され、前記各酸化物枠体は、当該固体酸化物型燃料電池を保持する保持部を備えていることとした。
【００２９】
前記カソード電極層と前記アノード電極層とに埋設又は固着された前記メッシュ状金属又はワイヤ状金属は、第１集電電極及び第２集電電極であり、該第１集電電極及び第２集電電極に接続されたリード線から、発電出力が取出されることとした。
【００３０】
前記メッシュ状金属又はワイヤ状金属は、前記酸化物枠体に延びて埋設されていることとし、前記酸化物枠体は、固体電解質材料で作成され、又は、多孔質に形成されることとした。
【００３１】
前記保持部は、複数の孔を有し、前記第１及び第２固体酸化物型燃料電池は、断熱容器内の保持枠に設けられたガイドレールが前記孔の各々に挿通されることによって、前記断熱容器内に垂直に配置され、前記固体燃料は、前記断熱容器内において前記第１固体酸化物型燃料電池と前記第２固体酸化物型燃料電池との間に垂直に挿入されることとした。
【００３２】
前記ガイドレールは、前記固体燃料を前記第１及び第２固体酸化物型燃料電池で挟み込んで圧接する加圧固定部材を備え、前記加圧固定部材は、前記固体燃料の交換時に、前記ガイドレールに沿って可動であることとし、前記保持部は、前記酸化物枠体の４隅に設けられた孔を有し、前記ガイドレールが前記孔の各々に挿通されることとした。
【００３３】
また、本発明の固体酸化物型燃料電池発電装置では、前記固体燃料は、該固体燃料を付着した耐熱性ネットの上端部に設けられた係合具が断熱容器内の保持棒に係合されることによって、前記断熱容器内において前記第１固体酸化物型燃料電池と前記第２固体酸化物型燃料電池との間に垂直に挿入されることとした。
【００３４】
また、本発明の固体酸化物型燃料電池発電装置では、前記固体燃料は、該固体燃料を付着した耐熱性ネットの下端が、断熱容器内の保持枠に設けられた下部ガイドレールによって支持され、前記保持枠に設けられた上部ガイドレールによって面方向を規制されて、前記断熱容器内において前記第１固体酸化物型燃料電池と前記第２固体酸化物型燃料電池との間に垂直に挿入されることとした。
【発明の効果】
【００３５】
以上のように、本発明の固体酸化物型燃料電池発電装置によれば、カソード電極層とアノード電極層が形成された固体電解質基板を有する２枚の固体酸化物型燃料電池の間に固体燃料を挟み込み、この燃料電池対を加熱できるようにしたので、密閉を必要としない簡単な構造によって、固体燃料を気相化しつつ燃料電池の燃料にして発電できる。
【００３６】
また、本発明の固体酸化物型燃料電池発電装置によれば、固体燃料を挟み込んだ２枚の固体酸化物型燃料電池による燃料電池対を複数収納する断熱容器において、その内壁面に、熱伝導板が設けられるので、各燃料電池対の下部に供給された熱が、上方に早く伝導され、各燃料電池対の下部から加熱するだけでなく、各燃料電池対の上方において、側方からも加熱され、加熱時の熱衝撃の発生を緩和することができ、しかも、発電駆動の立ち上げを早くすることができる。
【００３７】
また、各燃料電池対の上側に、固体燃料が挟み込まれていない２枚の固体酸化物型燃料電池が、垂直にして配置され、アノード電極層同士が向かい合わせされ、カソード電極層が外側になるようにされるので、該アノード電極層には、下方に配置された対応する燃料電池対の固体燃料で生成された未利用の燃料種が供給され、燃料リッチ状態を維持でき、利用しきれなかった燃料種が有効に利用され、固体燃料の利用効率を向上することができる。
【００３８】
また、本発明の固体酸化物型燃料電池発電装置によれば、固体燃料を挟み込んだ２枚の固体酸化物型燃料電池による燃料電池対を加熱する熱供給装置に、手軽に扱えるバーナーによる火炎を使用することができる。さらに、固体酸化物型燃料電池が火炎に直接曝されて発電できるという特性を利用でき、火炎と燃料電池対との間に固体酸化物型燃料電池を介在させて、火炎によって該固体酸化物型燃料電池を加熱して、火炎に含まれる燃料種で発電するとともに、燃料電池対の加熱源として利用できるので、手軽な熱供給装置を構成することができる。
【００３９】
また、本発明の固体酸化物型燃料電池発電装置では、細かく粉砕され水中に分散された有機固形物を耐熱性ネットに略一定厚さに、且つ、前記アノード電極層の表面形状に合わせた大きさに付着させることにより作成された平板状の固体燃料としたので、燃料電池対のアノード電極層間において、安定した接触を実現でき、さらに、簡便に固体燃料の交換作業を行えるようになった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４０】
以下において、本発明による固体酸化物型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。図１は、本実施形態の固体酸化物型燃料電池発電装置の基本構成を示している。
【００４１】
図１３に示された固体酸化物型燃料電池利用の発電装置では、燃焼装置内で固体燃料を燃焼させ、火炎を発生させていた。そして、この火炎が固体酸化物型燃料電池を加熱するとともに、アノード電極層への燃料種を供給していた。そこで、本実施形態では、固体燃料を燃焼させて火炎を発生するのではなく、固体燃料を加熱して無炎燃焼させ、無炎燃焼で発生した燃料種を、直接、固体酸化物型燃料電池のアノード電極層に供給できるようにした。
【００４２】
図１に示されるように、カソード電極層２とアノード電極層３が形成された固体電解質基板１を夫々有し、平板状に作製された２枚の固体酸化物型燃料電池Ｃ１、Ｃ２が、各アノード電極層３を内側にして配置され、各アノード電極層３の間に、板状の固体燃料Ｆが挿入される。固体燃料Ｆが、固体酸化物型燃料電池Ｃ１とＣ２とで挟持され、各電極層に接触した燃料電池対が形成される。
【００４３】
図１に示された基本構成では、大気中に置かれた燃料電池対の下方から、図示されていないが、熱供給装置によって加熱されるようになっている。このとき、燃料電池対は、熱供給装置として、空気が供給される電気炉が使用されてもよく、この場合には、燃料電池対は、その内部に収容される。また、熱供給装置は、単に、火炎を発生できるガスバーナーでも、或いは、電気ヒーターでもよい。
【００４４】
ここで、固体燃料Ｆは、平板状に形成された固体酸化物型燃料電池Ｃ１、Ｃ２で挟み込まれる形態とすることが都合よいので、固体燃料Ｆも平板状にできるものが適している。そのため、固体燃料Ｆとしては、手軽に入手できる木板、ベニヤ板、紙、木質材のチップ集成体又はペレットなどが好適である。
【００４５】
図１では、燃料電池対は、垂直に配置されているが、必ずしも垂直に限られず、カソード電極層２に空気又は酸素含有気体が供給されるのであれば、どの様な配置の仕方、例えば、水平に配置されてもよい。熱供給装置は、固体酸化物型燃料電池が発電に必要な作動温度を維持できればよく、この作動温度であれば、上述した固体燃料を無炎燃焼させ、燃料種を発生させることができる。
【００４６】
本実施形態の発電装置に利用する固体酸化物型燃料電池について説明する。ここで利用される固体酸化物型燃料電池Ｃ１、Ｃ２には、図１２及び図１３に示された固体酸化物型燃料電池Ｃの構成と同様にものを採用することができる。
【００４７】
固体酸化物型燃料電池Ｃ１、Ｃ２は、平板状に形成され、固体電解質基板１の片面にカソード電極層２が、反対面にアノード電極層３が夫々配置されているので、アノード電極層３を燃料種供給側に向けると、カソード電極層２がその反対側に向くことになり、燃料リッチ状態と酸素リッチ状態を区分けすることができる。これにより、固体酸化物型燃料電池Ｃ１、Ｃ２が開放型形態のままで、カソード電極層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。
【００４８】
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）、ＧＤＣ（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
【００４９】
また、アノード電極層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。
【００５０】
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電極層の酸化に起因して発生する、アノード電極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、アノード電極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。
【００５１】
カソード電極層２には、公知のものを使用することができ、例えば、ストロンチウム（Ｓｒ）が添加されたランタン等の周期律表第３族元素の、マンガン酸化合物（例えば、ランタンストロンチウムマンガナイト）、ガリウム酸化合物、又はコバルト酸化合物（例えば、ランタンストロンチウムコバルタイト、サマリウムストロンチウムコバルタイト）等が挙げられる。
【００５２】
カソード電極層２とアノード電極層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酸化物型燃料電池Ｃ１、Ｃ２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酸化物型燃料電池の固体電解質基板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、アノード電極層及びカソード電極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、固体酸化物型燃料電池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。
【００５３】
固体電解質基板が多孔質に形成されることで、発電時に、熱供給装置の加熱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。
【００５４】
固体酸化物型燃料電池Ｃ１、Ｃ２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電極層となるペーストを、他面側にアノード電極層となるペーストを塗布し、焼成を行うことで固体酸化物型燃料電池を製造することができる。
【００５５】
また、固体酸化物型燃料電池は、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、平板状の固体酸化物型燃料電池Ｃ１、Ｃ２におけるカソード電極層２とアノード電極層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。
【００５６】
メッシュ状金属としては、これを埋設する、或いは、固着するカソード電極層、アノード電極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。
【００５７】
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電極層、カソード電極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。
【００５８】
メッシュ状金属やワイヤ状金属を、アノード電極層やカソード電極層に埋設、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。
【００５９】
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、カソード電極層及びアノード電極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。
【００６０】
メッシュ状金属或いはワイヤ状金属は、アノード電極層とカソード電極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電極層に、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、アノード電極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電極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。
【００６１】
なお、図１においては図示を省略しているが、本実施形態の発電装置に使用される固体酸化物型燃料電池Ｃ１、Ｃ２の夫々に、図１２及び図１３に示されるように、カソード電極層２とアノード電極層３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。これらのリード線Ｌ１、Ｌ２の接続の仕方によって、固体酸化物型燃料電池Ｃ１とＣ２とが、電気的に並列接続され、或いは、直列接続されることになる。
【００６２】
次に、図１に示された本発明による基本構成を使用した第１実施形態の固体酸化物型燃料電池発電装置が、図２に示される。この第１実施形態では、２枚の固体酸化物型燃料電池の間に固体燃料を挟み込んだ燃料電池対の複数組が、断熱容器７内に、所定間隔を置いて、垂直に配置されている。図２の例では、燃料電池対が、３組配置されている。
【００６３】
第１の燃料電池対は、固体燃料Ｆ１及び固体酸化物型燃料電池Ｃ１とＣ２で形成され、第２の燃料電池対は、固体燃料Ｆ２及び固体酸化物型燃料電池Ｃ３とＣ４で形成され、そして、第３の燃料電池対は、固体燃料Ｆ３及び固体酸化物型燃料電池Ｃ５とＣ６で形成されている。断熱容器７の下部において、図示されていないが、熱供給装置から各燃料電池対を加熱するための熱が供給される。
【００６４】
断熱容器７の下部は、大気中に開放されているので、空気が熱供給装置によって加熱され、各燃料電池対の間を自然上昇し、各燃料電池対を構成する固体酸化物型燃料電池のカソード電極層に、空気が供給され、酸素リッチ状態が形成される。そのため、各燃料電池対は、空気の通路を確保するため、所定間隔を置いて配置される必要がある。なお、図２の断熱容器７は、上部が完全な開放状態になっているが、その上部を閉塞状態にし、排ガス及び上昇空気を通過させる開口を設けてもよい。
【００６５】
一方、固体燃料Ｆ１乃至Ｆ３は、下方から加熱されることにより、無炎燃焼状態とされ、炭化水素、水素、ラジカル（ＯＨ、ＣＨ、Ｃ2、Ｏ2Ｈ、ＣＨ3）などの燃料種を発生する。固体燃料Ｆ１乃至Ｆ３は、固体酸化物型燃料電池のアノード電極層に接触して配置されているので、固体燃料Ｆ１乃至Ｆ３から発生した燃料種は、直接に、各燃料電池対における固体酸化物型燃料電池のアノード電極層に供給され、アノード電極層を燃料リッチ状態に維持される。
【００６６】
次に、図２に示された第１実施形態の固体酸化物型燃料電池発電装置の具体例が、図３に示される。図２の場合で、各燃料電池対を構成する固体酸化物型燃料電池のカソード電極層を、酸素リッチ状態に維持するため、各燃料電池対は、空気の通路を確保するため、所定間隔を置いて配置される必要があった。そこで、図３に示された具体例は、各燃料電池対の間の所定間隔を確保する具体的手段を備えている。
【００６７】
図３に示された固体酸化物型燃料電池発電装置は、図２に示された発電装置と同様の構成を有している場合を例にしており、所定間隔を確保する具体的手段として、弾性部材Ｅ１乃至Ｅ４が、各燃料電池対との間に、そして、燃料電池対と断熱容器７の内壁面との間に挿入されている。弾性部材Ｅ１乃至Ｅ４は、例えば、バネなどのように、各燃料電池対を押圧しつつ、保持する役割を持っている。そして、燃料電池対に挟持された燃焼済の固体燃料を新しい固体燃料に交換するときにも、燃料電池対の断熱容器からの取り外しを容易にしている。
【００６８】
次に、本発明による固体酸化物型燃料電池発電装置の第２実施形態が、図４に示されている。第２実施形態の固体酸化物型燃料電池発電装置は、図２に示された第１実施形態の発電装置と同様の構成を基礎としているが、第２実施形態が、第１実施形態と異なる点は、断熱容器７の下部に備えられた熱供給装置として、火炎を発生するバーナーが使用されていることである。
【００６９】
図２に示された固体酸化物型燃料電池発電装置においても、熱供給装置として、火炎を発生するバーナーを用いることができ、この火炎によって、各燃料電池対を作動温度に加熱し、そして、固体燃料を無炎燃焼させることができ、発電機能を奏することができる。しかしながら、この火炎が直接固体燃料を曝す部分、即ち、固体燃料の下端部においては、固体燃料が燃焼することを避けることができない。そこで、第２実施形態の発電装置では、各燃料電池対には、作動温度を維持できる加熱がなされればよいことに注目することとし、固体酸化物型燃料電池自体が火炎直接利用による発電機能を有し、このとき、固体酸化物型燃料電池が発熱体となることを利用するようにした。
【００７０】
図４に示した第２実施形態の発電装置では、図２及び図３に示された第１実施形態の発電装置の構成を基礎にし、断熱容器７の下部に、熱供給装置として、固体酸化物型燃料電池Ｃ７、Ｃ８と、該燃料電池に火炎ｆを供給するバーナー４とが備えられている。バーナー４には、予混気体が供給され、予混気体の燃焼によって火炎ｆが発生される。
【００７１】
固体酸化物型燃料電池Ｃ７とＣ８は、それに形成されたアノード電極層３が、バーナー４で発生された火炎ｆによって曝されるように配置される。図４では、２枚の固体酸化物型燃料電池を備えた場合を示したが、１枚の固体酸化物型燃料電池が水平に配置されてもよい。さらに、複数枚の固体酸化物型燃料電池で火炎ｆを囲むようにしてもよいが、火炎ｆが加熱源となり、直接に燃料電池対を曝すことのないようにすればよい。
【００７２】
図４に示された第２実施形態の発電装置においては、２枚の固体酸化物型燃料電池Ｃ７とＣ８が、アノード電極層３を内側にし、そして、その上端部を閉じて内部に空間を形成する。この空間に、バーナー４で発生した火炎ｆが供給され、この火炎ｆによって、２枚の固体酸化物型燃料電池Ｃ７とＣ８が加熱され、この加熱された固体酸化物型燃料電池が各燃料電池対を加熱する熱源となる。さらに、火炎ｆは、固体酸化物型燃料電池Ｃ７とＣ８のアノード電極層３を直接曝して燃料種を供給し、固体酸化物型燃料電池Ｃ７とＣ８の発電に寄与する。この様な熱供給装置の構成とすれば、発生される火炎ｆを有効利用することができる。
【００７３】
次に、図５に、本発明による固体酸化物型燃料電池発電装置の第３実施形態を示した。第３実施形態の発電装置は、図４に示された第２実施形態の固体酸化物型燃料電池発電装置の構成を基礎にしており、第３実施形態が、第２実施形態と異なる点は、断熱容器７の内壁面に、熱伝導板８を配設したことと、各燃料電池対の上側に、さらに複数枚の固体酸化物型燃料電池を配置したことである。
【００７４】
図５に示されるように、熱伝導板８が断熱容器７の内壁面に設けられることにより、各燃料電池対の下部に供給された熱が、上方に早く伝導されるので、各燃料電池対の下部から加熱するだけでなく、各燃料電池対の上方において、側方からも加熱され、加熱時の熱衝撃の発生を緩和することができ、しかも、発電駆動の立ち上げを早くすることができる。なお、この熱伝導板は、図２及び図３の第１実施形態の発電装置、さらには、図４の第２実施形態の発電装置にも適用することができる。
【００７５】
また、図５に示されるように、第３実施形態の発電装置では、各燃料電池対の上側において、該第１燃料電池対の各々に対応して、固体燃料が挟み込まれていない２枚の固体酸化物型燃料電池が、垂直にして配置されている。固体燃料Ｆ１及び固体酸化物型燃料電池Ｃ１とＣ２で形成され第１の燃料電池対に対応して、固体酸化物型燃料電池Ｃ１１、Ｃ２１が配置され、固体燃料Ｆ２及び固体酸化物型燃料電池Ｃ３とＣ４で形成された第２の燃料電池対に対しては、固体酸化物型燃料電池Ｃ３１、Ｃ４１が配置され、そして、固体燃料Ｆ３及び固体酸化物型燃料電池Ｃ５とＣ６で形成された第３の燃料電池対に対しては、固体酸化物型燃料電池Ｃ３１、Ｃ４１が配置されている。
【００７６】
断熱容器７の上部に配置された各２枚の固体酸化物型燃料電池は、対応する燃料電池対と同様に、アノード電極層同士を向かい合わせにし、カソード電極層が外側になるようにされる。この様に固体酸化物型燃料電池Ｃ１１乃至Ｃ６１を配置することにより、例えば、固体酸化物型燃料電池Ｃ１１とＣ２１のアノード電極層には、下方に配置された対応する燃料電池対の固体燃料で生成された未利用の燃料種が供給され、燃料リッチ状態を維持できる。そして、固体酸化物型燃料電池Ｃ１１とＣ２１のカソード電極層には、下方から加熱空気が供給され、酸素リッチ状態とすることができる。他の固体酸化物型燃料電池Ｃ３１乃至Ｃ６１についても、同様である。
【００７７】
図２及び図３の第１実施形態の場合や、図４の第２実施形態の場合では、燃料電池対に挟持された固体燃料から生成された燃料種が固体酸化物型燃料電池で利用しきれないときには、上部に散逸してしまう。そこで、図５に示された第３実施形態の発電装置では、各燃料電池対に対応して、複数枚の固体酸化物型燃料電池が配置されているので、各燃料電池対で生成され、利用しきれなかった燃料種が有効に利用されることになり、燃料の利用効率を向上することができる。なお、図２及び図３の第１実施形態の発電装置に、固体燃料が挟持されていない燃料電池対を配置することができ、第３実施形態の場合と同様に、燃料の利用効率を向上することができる。
【００７８】
以上に説明された第１乃至第３実施形態に係る発電装置においては、平板状に形成された２枚の固体酸化物型燃料電池間に挟み込まれる固体燃料Ｆとして、手軽に入手できる木板、ベニヤ板、紙、木質材のチップ集成体又はペレットなどが好適であることを上述した。ここで、固体燃料Ｆとして、別の形態のものを利用できることについて、図６を参照しながら、その具体例を以下に説明する。
【００７９】
図６は、その固体燃料Ｆの製造工程を示している。先ず、図６（ａ）に示されるように、撹拌用容器１０に、例えば、生ゴミなどの有機固形物を水と共に収納し、撹拌して有機固形物を粉砕する。次に、図６（ｂ）に示されるように、撹拌用容器１０の底板を金属等の耐熱性ネットＭに置き換えて、容器内の水分を抜き取り、粉砕された有機固形物による固体燃料層を付着させる。そして、図６（ｃ）に示されるように、耐熱性ネットに有機固形物が付着された平板状の固体燃料Ｆが完成する。
【００８０】
ここで、水分は、有機固形物を撹拌し易くするものであり、粉砕された有機固形物をネット上に、均一厚さに、且つ、固体酸化物型燃料電池のアノード電極層の形状に合わせて付着させるのに役立っている。完成した固体燃料Ｆは、完全に乾燥されても、ネットに付着時の形状を保っており、発電時に使用することができるが、固体燃料Ｆの中に水分が残っていても、発電に使用することができる。固体燃料Ｆがこの様な生乾きの状態である場合には、寧ろ、その水分によって燃料としての改質が進むことが確認されているので、この生乾き状態の固体燃料の使用が好ましい。また、この固体燃料の作成の仕方は、生ゴミに限られず、紙、木質材のチップ集成体又はペレットの場合にも適用することができる。
【００８１】
以上では、第１乃至第３実施形態に係る発電装置の断熱容器内における固体酸化物型燃料電池の配置の仕方を中心に説明された。次に、図３に示された第１実施形態による固体酸化物型燃料電池発電装置を例にして、断熱容器内への固体酸化物型燃料電池の装着に係る具体例を説明する。ここで、この断熱容器内への装着に適した構成を有する固体酸化物型燃料電池について、図７に示した。
【００８２】
図７（ａ）に示された固体酸化物型燃料電池Ｃにおいては、メッシュ状金属又はワイヤ状金属ｍ１、ｍ２をカソード電極層２とアノード電極層３の範囲を超えた大きさに配設した場合である。この固体酸化物型燃料電池Ｃは、図１２に示された固体酸化物型燃料電池Ｃの構成を基本としており、同じ部分には同じ符号が付されている。
【００８３】
ここで、固体酸化物型燃料電池におけるメッシュ状金属の配設の仕方を変えて、加熱用火炎による固体電解質基板におけるひび割れの発生について実験を行った。なお、上述した固体酸化物型燃料電池におけるカソード電極層とアノード電極層は、通常、多孔質で形成されており、しかも、固体電解質基板の厚さより薄いので、熱伝導上では、無視できるものとして、この実験においては、ＳＤＣで形成され、直径が２０ｍｍ、厚さが０．２ｍｍであり、のカソード電極層とアノード電極層を有しない固体電解質基板を用意した。
【００８４】
ここで、ａ）両面共にメッシュ状金属を固着しない固体電解質基板、ｂ）片面のみに、また両面に、直径１５ｍｍのメッシュ状金属を固着した２種類の固体電解質基板、ｃ）片面のみに、また両面に、直径２０ｍｍのメッシュ状金属を固着した２種類の固体電解質基板、ｄ）片面に直径１５ｍｍのメッシュ状金属を、また他方の面に直径２０ｍｍのメッシュ状金属を固着した固体電解質基板を、それぞれ形成した。
【００８５】
そこで、実験では、ａ）乃至ｄ）で形成されたそれぞれの固体電解質基板の片面中央部分に、バーナーで生成された予混火炎を曝すことにより、初期において直径が約１０ｍｍの高熱部を形成し、ひび割れの観測を行った。ａ）の場合には、固体電解質基板の中央部にひび割れが発生し、ｂ）の場合では、メッシュ状金属の外周にある固体電解質基板の周縁部分において、ひび割れが発生したが、ｃ）及びｄ）の場合には、固体電解質基板全面において、ひび割れが発生しなかった。
【００８６】
固体電解質基板の熱伝導率が、約２〔Ｗｍ-1Ｋ〕であるのに対し、メッシュ状金属が白金である場合には、その熱伝導率は、約７２〔Ｗｍ-1Ｋ〕であり、ＳＵＳ３０４のステンレスの場合には、約１６．３〔Ｗｍ-1Ｋ〕であり、ＳＵＳ４３０のステンレスの場合に、約２６．３〔Ｗｍ-1Ｋ〕である。
【００８７】
このことから、上述のひび割れの発生状況を勘案すると、メッシュ状金属の熱伝導率が、固体電解質基板の熱伝導率より高いため、メッシュ状金属が存在する部分では、固体電解質基板への熱伝播が早く、熱衝撃が少ないことが分かる。従って、少なくとも固体電解質基板の片面にメッシュ状金属をその全面に配設すると、火炎が直接かつ急激に基板を曝しても、基板にひび割れを発生させることがなくなる。
【００８８】
そこで、図７（ａ）に示した固体酸化物型燃料電池では、以上の知見に基づいて、火炎による急速加熱で固体電解質基板にひび割れが発生することを抑制するため、カソード電極層とアノード電極層を超えて拡がるメッシュ状金属又はワイヤ状金属を配設することとした。図７（ａ）の固体酸化物型燃料電池として、カソード電極層２とアノード電極層３を超えて、固体電解質基板１の全面に拡がるメッシュ状金属又はワイヤ状金属ｍ１、ｍ２を配設した例を示した。
【００８９】
図７（ａ）に示した固体酸化物型燃料電池の構成は、図１２に示された固体酸化物型燃料電池Ｃと同様であり、固体電解質基板１、カソード電極層２及びアノード電極層３からなり、カソード電極層２には、メッシュ状金属又はワイヤ状金属ｍ１が埋設され、或いは、固着されている。一方、アノード電極層３にも、メッシュ状金属又はワイヤ状金属ｍ２が埋設され、或いは、固着されている。ここで、図７（ａ）の固体酸化物型燃料電池Ｃにおいては、カソード電極層２とアノード電極層３の形成範囲を超えて、固体電解質基板１の外側にも拡がっている。そして、この外側の拡がり部には、所定幅を有する酸化物枠体１１が形成され、メッシュ状金属又はワイヤ状金属ｍ２が埋設され固定されている。
【００９０】
上述の実験例によれば、図７（ａ）に示した固体酸化物型燃料電池のメッシュ状金属又はワイヤ状金属の配設の仕方は、ｃ）における両方にメッシュ状金属を設けた場合に相当し、火炎による急激な加熱による熱衝撃が緩和され、固体電解質基板全体にひび割れ発生を抑制することができた。この場合、酸化物枠体１１は、電極間の短絡を防止すると共に、固体酸化物型燃料電池のひび割れ抑制対策としての効果が得られ、補強の役割を果たしている。そして、この酸化物枠体１１は、断熱容器内に固体酸化物型燃料電池を装着するときの保持部となる。
【００９１】
また、ｃ）における片方のみにメッシュ状金属を設けた場合も、固体電解質基板のひび割れ抑制対策としての効果が得られる。また、メッシュ状金属又はワイヤ状金属ｍ１、ｍ２を発電出力の取り出し電極とする場合には、図７（ａ）に示されるように、メッシュ状金属又はワイヤ状金属ｍ１、ｍ２の端部が酸化物枠体１１から露出するように延ばされているが、別途の取り出し電極をメッシュ状金属又はワイヤ状金属ｍ１、ｍ２に設ける場合には、それらの端部は、酸化物枠体１１の中で埋め込まれた状態とされる。
【００９２】
一方、図７（ｂ）には、図７（ａ）に示された固体酸化物型燃料電池Ｃと同様の構成であるが、酸化物枠体１１に、固体酸化物型燃料電池を保持するための孔を設けた例が示されている。図７（ｂ）に示された酸化物枠体１１では、固体酸化物型燃料電池Ｃを断熱容器内で垂直に配置し保持するため、水平に設けられたガイドレールが挿通される貫通孔Ｈ１、Ｈ２が設けられている。
【００９３】
ここで、酸化物枠体１１には、メッシュ状金属又はワイヤ状金属ｍ１、ｍ２が埋設されているので、ガイドレールが各孔Ｈ１、Ｈ２に挿通されたとき、メッシュ状金属又はワイヤ状金属ｍ１とｍ２とが短絡しないように工夫する。例えば、各孔Ｈ１、Ｈ２を設ける位置を避けて、メッシュ状金属又はワイヤ状金属ｍ１、ｍ２を埋設する、或いは、各孔Ｈ１、Ｈ２の内面を絶縁処理するとよい。なお、酸化物枠体は、固体電解質材料で作成されても、セラミック接着剤で形成されてもよく、また、多孔質に形成されてもよい。
【００９４】
次に、以上に説明した酸化物枠体を備えた固体酸化物型燃料電池を使用した装着の具体例について、図８乃至図１１を参照して説明する。先ず、図８には、図７（ｂ）に示された固体酸化物型燃料電池Ｃを使用した本実施形態の固体酸化物型燃料電池発電装置における装着例が示されている。
【００９５】
図８では、２枚の固体酸化物型燃料電池Ｃ１、Ｃ２が固体燃料Ｆを挟み込んだ形態で保持されている。ここでは、１組の燃料電池対を説明の都合上代表的に示しており、固体燃料Ｆには、図６に示された手順により作成された２枚の固体燃料Ｆ１、Ｆ２が使用され、これらの耐熱性ネットＭが内側になるように重ね合わせて１枚の固体燃料Ｆとしている。この固体燃料Ｆが固体酸化物型燃料電池Ｃ１とＣ２のアノード電極層との間に接触して保持される。なお、固体燃料Ｆとして、固体燃料Ｆ１、Ｆ２のいずれか１枚でもよい。
【００９６】
固体酸化物型燃料電池Ｃ１、Ｃ２を、固体燃料Ｆを挟み込んだ状態で、断熱容器（図８では、図示を省略。図２乃至図５における符号７に相当）内に垂直に装着するため、断熱容器内に設けられた保持枠に取り付けられたガイドレールＧ１、Ｇ２が用いられる。ガイドレールＧ１は、固体酸化物型燃料電池Ｃ１、Ｃ２の各酸化物枠体の上部に設けられた貫通孔に挿通され、また、ガイドレールＧ２は、同各酸化物枠体の下部に設けられた貫通孔に挿通される。
【００９７】
各ガイドレールＧ１、Ｇ２には、該ガイドレール上を摺動又は移動可能であり、ガイドレール上で固定されるナット、チャックなどの固定具Ｎ１１乃至Ｎ２２が備えられている。これらの各固定具は、バネ体Ｓ１１乃至Ｓ２２を介して酸化物枠体を保持する。図８では、固体酸化物型燃料電池Ｃ１、Ｃ２の酸化物枠体の貫通孔にガイドレールＧ１、Ｇ２が挿通された状態で、各固定具Ｎ１１乃至２２のそれぞれが、各バネ体Ｓ１１乃至Ｓ２２を介して、固体酸化物型燃料電池Ｃ１、固体燃料Ｆ、固体酸化物型燃料電池Ｃ２を積層状態で保持する。この固定具とバネ体とで、固体酸化物型燃料電池の加圧固定部材を形成している。
【００９８】
なお、各バネ体Ｎ１１乃至Ｎ２２は、固体酸化物型燃料電池Ｃ１、固体燃料Ｆ及び固体酸化物型燃料電池Ｃ２を安定的接触させて保持するだけでなく、発電時に、固体燃料Ｆから燃料種が放出されて固体燃料Ｆの体積が減少した場合でも、固体酸化物型燃料電池のアノード電極層を固体燃料Ｆに圧接させる役割を有し、アノード電極層への燃料種供給を安定化する。
【００９９】
また、図８に示された固体燃料Ｆの耐熱性ネットＭは、ガイドレールＧ１、Ｇ２に係合して保持されるようになっているが、この耐熱性ネットには、絶縁対策を施さなくてもよい。さらに、図８では、固体燃料Ｆを挟み込んだ１組の燃料電池対が示されているが、この１組の燃料電池対の複数組を断熱容器内で装着することができる。この場合には、固体酸化物型燃料電池のカソード電極層が、隣接する他の組の燃料電池対のカソード電極層と所定間隔を置くためのスペーサを介在させるとよい。
【０１００】
図８は、固体燃料を挟み込んだ燃料電池対を断熱容器内に垂直に装着した場合、つまり、固体酸化物型燃料電池が発電状態にある場合を示しているが、図９に、固体燃料の交換時の様子を示した。図９では、固定具Ｎ１１乃至Ｎ２２の各々が操作され、それらがガイドレールＧ１及びＧ２上を摺動又は移動された状態が示されている。
【０１０１】
これによって、バネ体Ｓ１１乃至Ｓ２２の圧縮状態が解除され、固体酸化物型燃料電池Ｃ１、固体燃料Ｆ、固体酸化物型燃料電池Ｃ２の夫々の間に隙間ができる。ここで、固体酸化物型燃料電池Ｃ１、固体燃料Ｆ、固体酸化物型燃料電池Ｃ２の夫々の間に隙間ができた段階で、使用済みの固体燃料を取り出して、新しい固体燃料Ｆを挿入する。次いで、固定具Ｎ１１乃至Ｎ２２の各々を操作して、バネ体Ｓ１１乃至Ｓ２２を圧縮状態にした位置で固定すればよい。
【０１０２】
次に、固体燃料Ｆの他の装着例について、図１０に示した。図１０の装着例は、発電装置の断熱容器内の縦平面で示され、固体酸化物型燃料電池Ｃ１、Ｃ２には、図８の固体酸化物型燃料電池の構成と同様のものが使用され、酸化物枠体１１に４個の貫通孔Ｈ１乃至Ｈ４が設けられている。これらの貫通孔の各々に、ガイドレールＧ１乃至Ｇ４が個々に挿通されている。
【０１０３】
図８又は図９で示した固体燃料の装着では、固体燃料を付着した耐熱性ネットがガイドレールに直接係合されていた。これに対して、図１０に示された固体燃料の装着例では、ガイドレールとは別の保持棒Ｇ５を断熱容器内に用意し、固体燃料Ｆの耐熱性ネットＭに取り付けられたフック１２が保持棒Ｇ５に引っ掛けられるようにして、固体燃料Ｆを保持した。
【０１０４】
固体燃料Ｆは、ガイドレールＧ１乃至Ｇ４とは係合せずに、ガイドレールＧ１乃至Ｇ４によって面方向の動きを規制されて、保持される。フック１２は、保持棒Ｇ５に対して着脱自在であるため、固体燃料Ｆの交換作業は簡便に行われる。
【０１０５】
一方、固体燃料Ｆの別の装着例について、図１１に示した。図１１の装着例は、図１０の場合と同様に、発電装置の断熱容器内の縦平面で示され、固体酸化物型燃料電池Ｃ１、Ｃ２には、図８の固体酸化物型燃料電池の構成と同様のものが使用され、酸化物枠体１１に４個の貫通孔Ｈ１乃至Ｈ４が設けられている。これらの貫通孔の各々に、ガイドレールＧ１乃至Ｇ４が個々に挿通されている。
【０１０６】
ここで、図１０に示されたように、貫通孔Ｈ１乃至Ｈ４は、固体酸化物型燃料電池の酸化物枠体の４隅に設けられたが、図１１の装着例では、上部の貫通孔Ｈ１及びＨ４が、酸化物枠体の上部両隅に設けられ、下部の貫通孔Ｈ２及びＨ３が下部の両隅から内側にずらされている点が特徴である。
【０１０７】
ここで、図１１に示されるように、固体燃料Ｆは、その固体燃料Ｆの耐熱性ネットＭの下端部がガイドレールＧ２及びＧ３に直接に当接して保持される。この場合には、固体燃料Ｆは、ガイドレールＧ１及びＧ４によって面方向の動きが規制されて、保持される。固体燃料Ｆの交換時には、上方から、ガイドレールＧ１とＧ４の間で挿入することができ、固体燃料Ｆの交換作業は簡便に行われる。
【０１０８】
図１１に示された固体燃料の装着例では、下部のガイドレールＧ２及びＧ３の配置間隔は、加圧固定部材で燃料電池対を保持したとき、固体酸化物型燃料電池のアノード電極層が固体燃料に適切に圧接されるように調整され、下部のガイドレールの本数も適宜選択することができる。
【０１０９】
以上により、固体燃料を２枚の固体酸化物型燃料電池で挟持した燃料電池対を加熱することにより、固体燃料から生成された燃料種を燃料として発電する固体酸化物型燃料電池発電装置の実施形態が説明されたが、以下に、本発明による固体酸化物型燃料電池発電装置の実施例を示す。
【実施例】
【０１１０】
サマリウムドープドセリア（Ｃｅ0.8Ｓｍ0.2Ｏ1.9、ＳＤＣ）粉末とポリビニルブチラール、ジブチルフタレートを含む混合物をボールミル法にてスラリー化し、厚さ約０．２ｍｍのグリーンシートを作製し、ディスク状に打ち抜いて板体を作成した。その後、該板体を、大気中において、１３００℃で焼成し、径約１５ｍｍの固体電解質基板を得た。
【０１１１】
その固体電解質基板の一方の面に、サマリウムストロンチウムコバルタイト（ＳＳＣ）とＳＤＣの５０重量％混合物ペーストを印刷し、その他方の面に、ＮｉＯ−ＣｏＯ−ＳＤＣの１５：４５：４０重量比混合物ペーストを印刷し、白金ワイヤを溶接した白金製メッシュ（８０番）を埋め込み、大気中において、１２００℃で焼成した。
【０１１２】
この様にして作製した固体酸化物型燃料電池の一対に、アノード電極層が面するように、約０．５ｇの木片を挟み、両カソード電極層側からスプリング加圧できるように、セラミック製管の内部に収納した。この管を電気炉に挿入して、発電機能を評価した。ここで、短絡電流は、６９０℃において、最大４４ｍＡで、約２０分間にわたり、電流の取出しができた。
【０１１３】
また、同様にして、厚さ０．３ｍｍの厚紙８枚（約０．４ｇ）を、一対の固体酸化物型燃料電池間に挟み込み、発電機能を評価した。ここで、短絡電流は、６２０℃において、最大８６ｍＡで、約１５分間にわたり、電流の取出しができた。
【図面の簡単な説明】
【０１１４】
【図１】本発明による固体酸化物型燃料電池発電装置に係る基本構成を説明する図である。
【図２】本発明による固体酸化物型燃料電池発電装置の第１実施形態を説明する図である。
【図３】第１実施形態の固体酸化物型燃料電池発電装置の具体例を説明する図である。
【図４】本発明による固体酸化物型燃料電池発電装置の第２実施形態を説明する図である。
【図５】本発明による固体酸化物型燃料電池発電装置の第３実施形態を説明する図である。
【図６】本発明による固体酸化物型燃料電池発電装置に用いることができる固体燃料の作成手順を説明する図である。
【図７】本発明による固体酸化物型燃料電池発電装置に用いることができる固体酸化物型燃料電池の具体例を説明する図である。
【図８】本発明による固体酸化物型燃料電池発電装置における固体酸化物型燃料電池の装着例を説明する図である。
【図９】図８に示した固体酸化物型燃料電池の装着例における固体燃料の交換を説明する図である。
【図１０】本発明による固体酸化物型燃料電池発電装置における固体燃料の他の装着例を説明する図である。
【図１１】本発明による固体酸化物型燃料電池発電装置における固体燃料の別の装着例を説明する図である。
【図１２】火炎直接利用により発電する固体酸化物型燃料電池発電装置を説明する図である。
【図１３】固体燃料の燃焼による火炎を直接利用する固体酸化物型燃料電池発電装置を説明する図である。
【符号の説明】
【０１１５】
１    固体電解質基板
２    カソード電極層（空気極層）
３    アノード電極層（燃料極層）
４    バーナー
７    断熱容器
８    熱伝導板
１０    攪拌用容器
１１    酸化物枠体
１２    フック
Ｃ、Ｃ１〜Ｃ８、Ｃ１１〜Ｃ６１    固体酸化物型燃料電池
ｆ    火炎
Ｆ、Ｆ１〜Ｆ３    固体燃料
Ｇ１〜Ｇ５    ガイドレール
Ｈ１〜Ｈ４    孔
ｍ１、ｍ２    金属メッシュ／金属ワイヤ
Ｍ    耐熱性ネット
Ｎ１１〜Ｎ２２    ナット
Ｓ１１〜Ｓ２２    バネ体
【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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