(57)【要約】      （修正有）【課題】出力を稼ぐため積層型ＳＯＦＣ素子が複数連なったモジュール構造体を提供する。【解決手段】複数の積層型ＳＯＦＣ素子１が、それぞれカソード側外部電極１２に隣り合う面にカソード側外部電極１２と電気的に接続するカソード側側面電極１４を持ち、それぞれアノード側外部電極１１に隣り合う面で且つ、カソード側側面電極１４と対向する面にアノード側外部電極１１と電気的に接続するアノード側側面電極１３を持ち、複数の積層型ＳＯＦＣ素子１が無電極面を向かい合わせにし、アノード側外部電極１１とカソード側外部電面１２の形成面がそれぞれ同方向を向くように並べられ、各積層型ＳＯＦＣ素子１がアノード側側面電極１３とカソード側側面電極１４を導電性挟持板２１，２２で挟持されることにより、複数の積層型ＳＯＦＣ素子１が物理的且つ電気的並列に接続されたＳＯＦＣモジュール２０。【選択図】図１
2013222565.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の積層型ＳＯＦＣ素子と、対向する一対の導電性挟持板とを備えるＳＯＦＣモジュールにおいて、
前記複数の積層型ＳＯＦＣ素子のそれぞれは、６面体形状をなし、内部に複数のアノードと複数のカソードとを有し、対向する端面に前記複数のアノードに接続するアノード側外部電極と前記複数のカソードに接続するカソード側外部電極を有し、前記カソード側外部電極の面に隣り合う４面のいずれか１面に前記カソード側外部電極と電気的に接続するカソード側側面電極を有し、前記カソード側側面電極の面と対向する面に前記アノード側外部電極と電気的に接続するアノード側側面電極を有しており、
前記複数の積層型ＳＯＦＣ素子が、少なくとも前記アノード側側面電極の面と前記カソード側側面電極の面とがそれぞれ同方向を向き、前記アノード側外部電極と前記カソード側外部電極とがそれぞれＳＯＦＣモジュールにおいて同一側となるように並べられ、前記一対の導電性挟持板間に側面電極が形成された面で挟持され、前記アノード側側面電極同士が前記導電性挟持板の一方と接続し、前記カソード側側面電極同士が前記導電性挟持板の他方と接続していることを特徴とするＳＯＦＣモジュール。
【請求項２】
前記アノード側外部電極の面と前記カソード側外部電極の面と前記カソード側側面電極の面と前記アノード側側面電極の面の全てがそれぞれ同方向を向くように並べられ、前記一対の導電性挟持板間に側面電極が形成された面で挟持され、前記アノード側側面電極同士が前記導電性挟持板の一方と接続し、前記カソード側側面電極同士が前記導電性挟持板の他方と接続していることを特徴とする請求項１に記載のＳＯＦＣモジュール。
【請求項３】
前記複数の積層型ＳＯＦＣ素子が直線状に並べられ、前記一対の導電性挟持板が直線状であることを特徴とする請求項２に記載のＳＯＦＣモジュール。
【請求項４】
前記複数の積層型ＳＯＦＣ素子がＬ字状に並べられ、前記一対の導電性挟持板がＬ字状であることを特徴とする請求項１記載のＳＯＦＣモジュール。
【請求項５】
前記複数の積層型ＳＯＦＣ素子が円弧状に並べられ、前記一対の導電性挟持板が円弧状であることを特徴とする請求項１に記載のＳＯＦＣモジュール。
【請求項６】
前記導電性挟持板は、貴金属素材、あるいは耐熱ステンレス鋼基材を貴金属でコートされた素材からなることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載のＳＯＦＣモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の積層型ＳＯＦＣ素子を電気的並列に接続して高い電力を得ことができるＳＯＦＣモジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガス器具の熱源近傍に熱発電素子を配して熱エネルギーを電力回収（エナジーハーベスト）し、得られた電力を使ってファンやセンサ、電子表示機器などガス器具に付随する電子機器を電池レスで駆動させたいという要望がある。その要望の実現を狙い、熱発電素子付きのガス器具の実用化が検討されている。たとえば特許文献１には、固体電解質層を介して燃料極と空気極を対向配置する平板型の固体酸化物形燃料電池（以下、ＳＯＦＣ（Solid  Oxide  Fuel  Cell）という）セルをガスバーナ火炎に並行に配して電力回収する技術が提案されている。
【０００３】
特許文献１によれば平板型ＳＯＦＣセルの燃料極がガスバーナ火炎に当たり、空気極が火炎に当たらないように炎口周辺に平板型ＳＯＦＣセルを立設する。こうすることにより、ガスバーナの火炎の燃焼熱によって燃料電池をその作動温度まで昇温させると共に、燃焼ガスを燃料極に供給することによって固体電解質の燃料極側と空気極側との間に酸素ポテンシャル勾配を生じさせ、その酸素ポテンシャル勾配に応じた電力を得ることが出来る。また、炎口周辺に複数個並べることや大面積化することが示唆されている。
【０００４】
しかしながら平板型ＳＯＦＣセルの出力はファンなど電子機器を駆動するために十分な出力を持っていない。平板型ＳＯＦＣセルを高出力化するには固体電解質層の厚みをより薄く、かつ、より大面積化することが望ましい。そうすると平板型ＳＯＦＣセルが、セラミックスで構成されていることから、割れやすくなる。このように相反する関係にあることから、従来の平板型ＳＯＦＣセルでは、これをガスバーナ火炎等に配置して電子機器を駆動する仕組みは実用化されていないのが現状である。
【０００５】
また、高出力化を狙えば平板型ＳＯＦＣセルをインターコネクタやセパレータなどを介して複数スタックすることも考えられる。しかしながら、このようなスタック構成にすると、燃料及び空気の供給系統が複雑化・大型化してしまう。また、このようなスタック構成とした燃料電池をガス器具等に設置しようとすると、ガス器具本来の燃焼機能を阻害するだけでなく、ガス器具を高コスト化させることに成る。したがって、平板型ＳＯＦＣセルを複数スタックする構成では、ガス器具本来の燃焼機能を損なわず熱エネルギーを電力回収して利用するという目的に適していない。
【０００６】
一方で、インターコネクタやセパレータなどを使用せずに、対向する端面にアノード外部電極とカソード外部電極を有する６面体形状をなす積層構造のＳＯＦＣ素子が開示されている（特許文献２）。しかしながら特許文献２には、積層構造のＳＯＦＣ素子をコンロなどガスバーナ火炎にあてて発電する方法に関しては何も開示が無い。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−４２３５４号公報
【特許文献２】特開２０１１−３４６８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献２によれば、ＳＯＦＣ素子を特許文献２に記載のような積層構造とすることにより、発電効率の低下を抑制しつつ、素子の小型化を図ることができるとされている。この特許文献２に記載の積層型ＳＯＦＣ素子を、コンロ等のガスバーナの火炎にあてて発電することを考えると、アノード外部電極をガスバーナ火炎中に、カソード外部電極をガスバーナ火炎の外側に配することにより、ガスバーナの火炎の燃焼熱によって積層型ＳＯＦＣ素子をその作動温度まで昇温させると共に、積層型ＳＯＦＣ素子のアノード外部電極とカソード外部電極との間に酸素ポテンシャル勾配を生じさせ、その酸素ポテンシャル勾配に応じた電力を得る配置が考えられる。更に、特許文献２に開示の積層型ＳＯＦＣ素子は、アノードとカソードがそれぞれ素子内部に多数積層された構造であることから、高電力密度で耐熱衝撃性にも優れ、燃料及び空気の供給装置が要らないため、積層型ＳＯＦＣ素子単体での使用により小型化が可能となり、ガス器具の燃焼機能を損なわず熱エネルギーを電力として回収することが出来る。これは、特許文献２に開示の積層型ＳＯＦＣ素子が小型であるために、積層型ＳＯＦＣ素子のアノード外部電極部のみを火炎に晒し、ガス器具の燃焼機能を阻害しないような配置構成が可能となるためである。
【０００９】
しかしながら、特許文献２に記載の積層型ＳＯＦＣ素子を火炎で炙って発電する場合、電力密度は高いものの、素子寸法すなわち積層型ＳＯＦＣ素子の体積が小さく、素子一つでファンなど電子機器を駆動するのに十分な電力を得ることは難しい。一方で、積層型ＳＯＦＣ素子をガス器具等の火炎に適用しようとした場合、燃料ガスの取り込み効率の点から該積層型ＳＯＦＣ素子のアノード外部電極全体を火炎中の還元炎に晒すことが好ましく、よって積層型ＳＯＦＣ素子は単体で小型高出力である必要がある。積層型ＳＯＦＣ素子の積層数を大きく増やした場合や、長尺化した場合、アノード外部電極を火炎形状もしくはバーナ火炎口形状に合わせることが困難となる。さらには、使用時の素子内での温度分布の増大、熱応力の増大が予想されるため、大きな素子を作製することが出来ない。
【００１０】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、複数の積層型ＳＯＦＣ素子を用い、これらを電気的に並列に接続し、かつ火炎形状に適用できるような一体的構造とすることにより、ガス器具等に載置可能となり、かつファンなど電子機器を駆動するのに十分な電力の得られるＳＯＦＣモジュール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】
【００１１】
上記課題を解決するために本発明に係るＳＯＦＣモジュールは、複数の積層型ＳＯＦＣ素子と、対向する一対の導電性挟持板を備えるモジュールであり、前記複数の積層型ＳＯＦＣ素子のそれぞれは、６面体形状をなし、内部に複数のアノードと複数のカソードとを有し、対向する端面に前記複数のアノードに接続するアノード側外部電極と前記複数のカソードに接続するカソード側外部電極を有し、前記カソード側外部電極の面に隣り合う４面のいずれか１面に前記カソード側外部電極と電気的に接続するカソード側側面電極を有し、前記カソード側側面電極の面と対向する面に前記アノード側外部電極と電気的に接続するアノード側側面電極を有しており、前記複数の積層型ＳＯＦＣ素子が、少なくとも前記アノード側側面電極の面と前記カソード側側面電極の面とがそれぞれ同方向を向き、前記アノード側外部電極と前記カソード側外部電極とがそれぞれＳＯＦＣモジュールにおいて同一側となるように並べられ、前記一対の導電性挟持板間に側面電極が形成された面で挟持され、前記アノード側側面電極同士が前記導電性挟持板の一方と接続し、前記カソード側側面電極同士が前記導電性挟持板の他方と接続している構成とされている。このような構成にすることにより複数の積層型ＳＯＦＣ素子を用い、これらを電気的に並列に接続し、かつ火炎形状に適用できるような一体的構造とすることにより、ガス器具等に載置可能となり、かつファンなど電子機器を駆動するのに十分な電力の得られるＳＯＦＣモジュールを提供できる。
【００１２】
さらに、本発明に係るＳＯＦＣモジュールは、前記アノード側外部電極の面と前記カソード側外部電極の面と前記カソード側側面電極の面と前記アノード側側面電極の面の全てがそれぞれ同方向を向くように並べられ、前記一対の導電性挟持板間に側面電極が形成された面で挟持され、前記アノード側側面電極同士が前記導電性挟持板の一方と接続し、前記カソード側側面電極同士が前記導電性挟持板の他方と接続している構成としても良い。このような構成とすることにより、本発明に係るＳＯＦＣモジュールを、例えばバーナプレートの端部に沿うように好適に配置できる。
【００１３】
さらに、本発明に係るＳＯＦＣモジュールは、前記複数の積層型ＳＯＦＣ素子が直線状に並べられ、前記一対の導電性挟持板が直線状である構成としても良い。このような構成とすることにより、本発明に係るＳＯＦＣモジュールを、例えば直線状の炎口を有するバーナプレートに好適に配置できる。
【００１４】
さらに、本発明に係るＳＯＦＣモジュールは、前記複数の積層型ＳＯＦＣ素子がＬ字状に並べられ、前記一対の導電性挟持板がＬ字状である構成としても良い。このような構成とすることにより、本発明に係るＳＯＦＣモジュールを、例えば矩形のバーナプレートに端部２辺に沿うように好適に配置できる。
【００１５】
さらに、本発明に係るＳＯＦＣモジュールは、前記複数の積層型ＳＯＦＣ素子が円弧状に並べられ、前記一対の導電性挟持板が円弧状である構成としても良い。このような構成とすることにより、本発明に係るＳＯＦＣモジュールを、例えば円弧状の炎口を有するバーナプレートに好適に配置できる。
【００１６】
また、本発明に係るＳＯＦＣモジュールは、前記一対の導電性挟持板が、貴金属素材、あるいは耐熱ステンレス鋼基材を貴金属でコートした素材からなることが好ましい。
【発明の効果】
【００１７】
複数の積層型ＳＯＦＣ素子が、対向する一対の導電性挟持板で挟持されることにより複数のＳＯＦＣ素子が物理的且つ電気的並列に接続されたモジュールを提供することが出来、ガス器具の燃焼機能を損なうことなくファンなど電子機器を駆動するに十分な電力を得ることが出来る。
【００１８】
また、前記一対の導電性挟持板が、貴金属素材、あるいはステンレス鋼基材を貴金属でコートした素材からなることにより、挟持板の酸化による導電性の経時劣化を抑制することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施形態１に係るＳＯＦＣモジュールの構造を示す斜視図である。
【図２】ＳＯＦＣモジュールを利用する燃料電池発電システムの接続例を示す図である。
【図３】本発明の実施形態２に係るＳＯＦＣモジュールの構造を示す斜視図である。
【図４】本発明の実施形態３に係るＳＯＦＣモジュールの構造を示す斜視図である。
【図５】本発明の実施形態１に係るＳＯＦＣモジュールの使用例として、ＳＯＦＣモジュール付きバーナプレートを表した斜視図である。
【図６】バーナプレートとＳＯＦＣモジュールとの配置関係を示す部分平面図である。
【図７】バーナプレートとＳＯＦＣモジュールとの配置関係を示す部分断面図である。
【図８】ＳＯＦＣモジュールに使用される積層型ＳＯＦＣ素子の内部構造を示す断面図である。
【図９】ＳＯＦＣモジュールに使用される積層型ＳＯＦＣ素子の電極構成を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、下記の発明を実施するための形態（以下実施形態という）により本発明が限定されるものではない。また、下記の実施形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。さらに、下記の実施形態における構成要素は適宜組み合わせることが可能である。
【００２１】
本実施形態においては、燃料電池は積層型固体酸化物形燃料電池素子（以下、「積層型ＳＯＦＣ素子」という）を用いる。積層型ＳＯＦＣ素子は、発電効率が高いという特徴がある。積層型ＳＯＦＣ素子は、電流を十分に取り出すためには電極有効面積の増加及び固体電解質層の薄層化が必要とされている。本実施形態に係る積層型ＳＯＦＣ素子は、単位体積あたりの電極有効面積を従来の平板型及び円筒型のＳＯＦＣと比較して大きくすることにより、大きな電流を取り出そうとするものである。このため、本実施形態に係る積層型ＳＯＦＣ素子は、電極（アノード又はカソード）と固体電解質層とを交互に積層して一体とした積層構造とすることにより、単位体積あたりの電極有効面積を増加させて発電効率を向上させるとともに、小型化を図るものである。尚、本明細書で発電効率とは、消費された燃料ガス（発電に使われた燃料ガス＋発電に使われなかった燃料ガス）に対する発電量のことを言う。
【００２２】
次に、上述した例で用いる積層型ＳＯＦＣ素子１について、概略を説明する。
【００２３】
図８は、本実施形態に係るＳＯＦＣモジュールに使用される積層型ＳＯＦＣ素子の内部構造を示す断面図である。図８に示すように、積層型ＳＯＦＣ素子１は、複数のアノード２と、複数のカソード３と、少なくともアノード２とカソード３との間に配置される固体電解質層４と、隣接する固体電解層同士の間に配置される仕切り部５ａ、５ｃとを含み、一体的に構成されて６面体状となる。ここで、積層型ＳＯＦＣ素子１は、対向する端面に複数のアノード２に接続するアノード側外部電極１１と複数のカソード電極３に接続するカソード側外部電極１２を有している。積層型ＳＯＦＣ素子１は、カソード側外部電極１２に隣り合う４面のいずれか１面にカソード側外部電極１２と電気的に接続するカソード側側面電極１４と、カソード側側面電極１４が形成された面と対向する面にアノード側外部電極１１と電気的に接続するアノード側側面電極１３とをさらに有する。このように、積層型ＳＯＦＣ素子１は、アノード側外部電極１１とアノード側側面電極１３とを接続することにより断面Ｌ字状の電極を備える。また、カソード側外部電極１２とカソード側側面電極１４とを接続することにより断面Ｌ字状の電極を備える。尚、アノード側側面電極１３およびカソード側側面電極１４は、それぞれ側面の一部に形成されていれば良い。このように複数のアノード２は、アノード側外部電極１１を介してアノード側側面電極１３と電気的に接続されており、複数のカソード３は、カソード側外部電極１２を介してカソード側側面電極１４と電気的に接続されている。
【００２４】
図９は、ＳＯＦＣモジュールに使用される積層型ＳＯＦＣ素子の電極構成を示す斜視図である。本実施形態において積層型ＳＯＦＣ素子１は図９に示すように、６面体形状の積層型ＳＯＦＣ素子１の複数のアノード２および複数のカソード３の電極延出する方向Ｎの両側にアノード側外部電極１１、及びカソード側外部電極１２を、それとクロスする方向Ｍの両側にアノード側側面電極１３、およびカソード側側面電極１４を形成する。すなわち、積層型ＳＯＦＣ素子１は、カソード側外部電極１２に隣り合う４面のいずれか１面にカソード側外部電極１２と電気的に接続するカソード側側面電極１４と、カソード側側面電極１４と対向する面にアノード側外部電極１１と電気的に接続するアノード側側面電極１３とを有する。このように、積層型ＳＯＦＣ素子１は、アノード側外部電極１１とアノード側側面電極１３とを接続することにより断面Ｌ字状の電極を備える。また、カソード側外部電極１２とカソード側側面電極１４とを接続することにより断面Ｌ字状の電極を備える。これにより、後述するＳＯＦＣモジュールは、複数の素子のアノード側側面電極１３とカソード側側面電極１４とを後述する導電性挟持板によって接続でき、電気的並列に接続し、電力を外部負荷に出力することができる。なお、図９では、複数のアノード２および複数のカソード３の電極延出する方向Ｎとクロスする方向Ｍの両側にアノード側側面電極１３、およびカソード側側面電極１４を形成しているが、方向Ｍと方向Ｎとにクロスする方向の両側に形成してもよい。
【００２５】
本実施形態に係るＳＯＦＣモジュールに使用される積層型ＳＯＦＣ素子１においては、それぞれのアノード２及びカソード３は、白金（Ｐｔ）で構成された多孔質体である。また、アノード側外部電極１１及びカソード側外部電極１２は、アノード２及びカソード３と同じ材料、すなわち白金で構成された多孔質体である。積層型ＳＯＦＣ素子１は、アノード側外部電極１１側から燃料Ｆ（例えば、水素）が供給され、また、カソード側外部電極１２側から酸素Ａ（本実施形態では空気）が供給されることにより作動する。このため、燃料Ｆをアノード側外部電極１１に、酸素Ａをアノード側外部電極１１とは反対側に配置されるカソード側外部電極１２に供給すればよい。アノード側外部電極１１側から供給された燃料Ｆ及びカソード側外部電極１２側から供給された酸素Ａをアノード２及びカソード３の内部に行き渡らせるため、アノード側外部電極１１及びアノード２、カソード側外部電極１２及びカソード３は、多孔質体で構成される。このような構造により、燃料Ｆの供給系統と酸素Ａの供給系統とを簡易に形成でき、燃料Ｆ及び酸素Ａがアノード２及びカソード３の全体に行き渡って反応するので、より多くの電力が取り出される。なお、アノード２は燃料Ｆを、カソード３は酸素Ａをそれぞれの内部に行き渡らせる機能を有していればよく、このような機能を有していれば、アノード２及びカソード３は多孔質でなくてもよい。例えば、アノード２又はカソード３が気体通路を持つ構造とすることができる。この場合、アノード２又はカソード３のいずれか一方には気体通路を持つ構造を用い、他方に多孔質材料を用いてもよい。また、アノード２及びカソード３を多孔質とした場合には、加熱時において、空隙が熱膨張を吸収し、アノード２、カソード３、固体電解質層４の間に働く応力を緩和する。ゆえに、アノード２及びカソード３を多孔質とした場合、アノード２と、カソード３と、固体電解質層４とのそれぞれの材料の線膨張係数がある程度ばらついていても、アノード２、カソード３、固体電解質層４の割れ等を抑制できる。尚、アノード側外部電極と接続されるアノード側側面電極、およびカソード側外部電極と接続されるカソード側側面電極は、それぞれ対応する外部電極と同じ材料で形成すれば良いが、これに限定されない。側面電極は多孔質としなくても良い。
【００２６】
また、本実施形態で使用される積層型ＳＯＦＣ素子においては、アノード２とカソード３とを同じ材料（多孔質の白金）としたが、アノード２とカソード３とは異なる材料であってもよい。アノード２は、白金の他、高温還元雰囲気で電子伝導性を示すものが使用できる。このような材料としては、ニッケル（Ｎｉ）、ＳＤＣやＹＳＺ等の固体電解質とニッケル（Ｎｉ）とのサーメット等がある。ここで、ＳＤＣとは、Ｃｅ０．８５Ｓｍ０．１５Ｏ２−δに示すような材料であり、ＹＳＺとは、Ｚｒ０．８１Ｙ０．１９Ｏ２−δに示すような材料である。また、カソード３は、白金の他、高温酸化雰囲気で電子伝導性を示すものが使用できる。このような材料としては、例えば、ＣｏＦｅ２Ｏ４、ＭｎＦｅ２Ｏ４、ＮｉＦｅ２Ｏ４、ＢＳＣＦ等がある。ここで、ＢＳＣＦとは、バリウム（Ｂａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）の酸化物である。なお、アノード２及びカソード３の材料は、上述したものに限定されるものではなく、ＳＯＦＣのアノード、カソードとして適用可能な材料全般を使用することができる。
【００２７】
さらに、アノード側外部電極１１は、複数のアノード２を電気的に接続していればよく、カソード側外部電極１２は、複数のカソード３を電気的に接続していればよい。このため、アノード側外部電極１１とアノード２とを異なる材料とし、カソード側外部電極１２とカソード３とを異なる材料としてもよい。これによって、アノード２やアノード側外部電極１１等に、より適切な材料を用いることができる。
【００２８】
上述したように、本実施形態で使用される積層型ＳＯＦＣ素子１においては、仕切り部５ａ、５ｃは、積層方向に隣接する固体電解質層４同士の間に設けられて、固体電解質層４同士を接続する。このようにすることで、積層型ＳＯＦＣ素子１にアノード側外部電極１１及びカソード側外部電極１２が形成されると、それぞれのカソード３とアノード側外部電極１１との間及びアノード２とカソード側外部電極１２との間に仕切り部５ａ、５ｃが配置されることになる。ここで、アノード２とカソード３との間で電子や気体（燃料Ｆや酸素Ａ）の漏れが発生すると、積層型ＳＯＦＣ素子１の単位体積あたりの発電効率が低下する。このため、アノード２とカソード３との間にある固体電解質層４及び仕切り部５ａ、５ｃは、電子を絶縁し、ガスタイト（気体を透過させないこと）であることが好ましい。固体電解質層４と仕切り部５ａ、５ｃとを同じ材料とすることにより、積層型ＳＯＦＣ素子１の製造が容易になるという利点がある。なお、固体電解質層４と仕切り部５ａ、５ｃとは異なる材料で構成してもよい。これによって、より電子の絶縁やガスタイトを確保しやすい材料を用いて、積層型ＳＯＦＣ素子１の性能低下をさらに効果的に抑制することも可能である。
【００２９】
固体電解質層４の厚みは、できる限り薄い方が好ましく、１μｍ〜５０μｍ程度とすることができる。また、アノード２の厚み及びカソード３の厚みは、燃料Ｆや酸素Ａを通過させることから、あまり薄くすることができないため、２０μｍ〜２００μｍ程度とすることができる。さらに、仕切り部５ａ、５ｃは、アノード２の厚み及びカソード２の厚みと同等にすればよい。
【００３０】
次に、本実施形態に係る積層型ＳＯＦＣ素子を組み合わせたＳＯＦＣモジュール及びこのＳＯＦＣモジュールを用いた燃料電池発電システムについて説明する。
【００３１】
＜実施形態１＞
図１は、本発明の実施形態１に係るＳＯＦＣモジュールの構造を示す斜視図である。図１に示すように、ＳＯＦＣモジュール２０は、図８、図９で説明したような複数の積層型ＳＯＦＣ素子１と、複数の積層型ＳＯＦＣ素子１を挟持するＩ字状（直線状）のアノード側挟持板２１およびカソード側挟持板２２を含んでいる。積層型ＳＯＦＣ素子１は、上述した構造とすることにより、Ｉ字状（直線状）に並べられた複数（図中では６個）の積層型ＳＯＦＣ素子１を電気的並列に接続し、固定することができ、小型化を図りつつ高い電力を得ることができるので、ガスバーナ等の炎を燃料源として発電を行うことに適している。複数の積層型ＳＯＦＣ素子１は、それぞれ無電極面すなわち側面電極が形成されていない面を向かい合わせにし、アノード側外部電極１１形成面とカソード側外部電極１２形成面とカソード側側面電面１４形成面とアノード側側面電面１３形成面の全てがそれぞれ同方向を向くように並べられている。
【００３２】
アノード側挟持板２１およびカソード側挟持板２２は、板状の導電性部材で構成されており、それぞれの積層型ＳＯＦＣ素子１のアノード側側面電極１３およびカソード側側面電極１４に重なるように配置される。本実施形態１では、アノード側挟持板２１およびカソード側挟持板２２により挟持された複数の積層型ＳＯＦＣ素子１は図示していないボルトおよびナットによって締め付け固定される。なお、ボルトおよびナットは、アノード側挟持板２１およびカソード側挟持板２２と電気的に絶縁される構成とする。例えば、絶縁性セラミックスよりなるボルトおよびナットを使用しても良い。このような構造により、ＳＯＦＣモジュール２０は、複数の積層型ＳＯＦＣ素子１を物理的かつ電気的並列に接続することが出来る。アノード側挟持板２１およびカソード側挟持板２２の端部にそれぞれリード線（不図示）を接続することにより、電力を外部負荷に出力することができる。
【００３３】
なお、アノード側挟持板２１およびカソード側挟持板２２は導電性があり、複数の積層型ＳＯＦＣ素子を挟持できればよく、板質は必ずしも板状緻密体（硬質）である必要はなく、これに限らず、弾性を備え、あるいは、通気性を備える金属箔や金属繊維、金属メッシュ等でも構わない。
【００３４】
図１に示す例では、アノード側挟持板２１およびカソード側挟持板２２の幅を、積層型ＳＯＦＣ素子１の複数のアノード２および複数のカソード３の電極延出する方向より短くなるようにしている。このような構成にすることにより、カソード側挟持板２２によるアノード側外部電極１１とカソード側側面電極１４との間、または、アノード側挟持板２１によるカソード側外部電極１２とアノード側側面電極１３との間のショートを防ぐことが出来る。
【００３５】
複数の積層型ＳＯＦＣ素子１をアノード側挟持板２１およびカソード側挟持板２２で挟む場合において、複数の積層型ＳＯＦＣ素子１とそれを挟むアノード側挟持板２１またはカソード側挟持板２２との間に導電性の金属繊維や金属メッシュ、導電性のバネ等の緩衝材（不図示）を挟んでも良い。それにより、これらの緩衝材が各積層型ＳＯＦＣ素子１のアノード側側面電極１３およびカソード側側面電極１４が対向する方向の寸法公差を吸収し、複数の積層型ＳＯＦＣ素子１を弾性的に挟持でき、物理的かつ電気的接続の不具合を解消することができる。
【００３６】
複数の積層型ＳＯＦＣ素子１をアノード側挟持板２１およびカソード側挟持板２２で挟む場合において、少なくともどちらか一方の導電性挟持板にざぐり（不図示）を設け、積層型ＳＯＦＣ素子１をざぐりに挿入しても良い。それにより積層型ＳＯＦＣ素子１の平面方向の動きが制限され、物理的衝撃や熱衝撃による積層型ＳＯＦＣ素子１のズレや脱落を防ぐことができる。
【００３７】
複数の積層型ＳＯＦＣ素子１をアノード側挟持板２１およびカソード側挟持板２２で挟む場合において、アノード側挟持板２１およびカソード側挟持板２２の外側に補強板としてセラミック板などの硬質な板（不図示）を重ねても良い。あるいは、アノード側挟持板２１およびカソード側挟持板２２の端部に立ち上がり部（不図示）を設け断面Ｌ字状としても良い。そうすることでアノード側挟持板２１およびカソード側挟持板２２の複数の積層型ＳＯＦＣ素子１の配列方向のたわみを抑制し、積層型ＳＯＦＣ素子１のズレや脱落を防ぐことができる。
【００３８】
複数の積層型ＳＯＦＣ素子１を挟んだアノード側挟持板２１およびカソード側挟持板２２を図示していないボルトおよびナットで締め付け固定する場合において、締め付け箇所をアノード側挟持板２１およびカソード側挟持板２２の両端だけでなく、その中間の複数ヶ所に増やしても良い。そうすることでアノード側挟持板２１およびカソード側挟持板２２のたわみを抑制し、積層型ＳＯＦＣ素子１の脱落を防ぐことができる。なお、ボルトおよびナットは、アノード側挟持板２１およびカソード側挟持板２２と電気的に絶縁されている必要がある。
【００３９】
複数の積層型ＳＯＦＣ素子１をアノード側挟持板２１およびカソード側挟持板２２の間に挟む場合において、各積層型ＳＯＦＣ素子１は間隔を置かずに設置したり、あるいは間に間隔規制板（不図示）のような構造物を挟んで設置して、積層型ＳＯＦＣ素子１同士の間に隙間を無くしても良い。そうすることで、火炎の回り込みによりアノード側外部電極とカソード側外部電極間の酸素ポテンシャル勾配が低下して出力が低下することを抑制できる。
【００４０】
複数の積層型ＳＯＦＣ素子１をアノード側挟持板２１およびカソード側挟持板２２で挟む場合において、積層型ＳＯＦＣ素子１のアノード側外部電極１１とカソード側側面電極１４との間およびカソード側外部電極１２とアノード側側面電極１３との間をカバーする範囲に絶縁板（不図示）を挟んでも良い。そうすることで挟持板を通じてアノード側外部電極１１とカソード側側面電極１４との間、およびカソード側外部電極１２とアノード側側面電極１３との間がショートして出力電圧が低下することを抑制できる。
【００４１】
ガスバーナ等の炎を燃料源として発電を行う場合、導電性挟持板は高温酸化され易い環境に晒され、導通不良を起こし易い。そのため導電性挟持板の素材を貴金属素材、あるいは耐熱ステンレス鋼基材を貴金属コートした素材とすることで導電性挟持板の酸化を抑制し、導通不良の発生を防ぐことが出来る。
【００４２】
図１に示すようなＳＯＦＣモジュール２０を固定したバーナプレートの燃焼サイクル試験を行った。その結果（導通不良発生数）を表１に示す。各実施例並びに比較例に示す導電性挟持板の素材を使用してＳＯＦＣモジュール２０を各々１０個ずつ用意した。ＳＯＦＣモジュール２０を固定したバーナプレートを着火し、１０分間経過したところで初期電力を測定した。さらに、バーナプレートを消火し、２０分間自然冷却後に再び点火して１０分間発電することを１サイクルとして１０００サイクル後の電力を測定した。初期電力と１０００サイクル後の電力との変化率が１０％未満のものを「○」（導通不良なし）、変化率が１０％以上のものを「×」（導通不良あり）とした。カソード側挟持板２２が高温酸化した比較例１のＦｅ、比較例２の耐熱ステンレス鋼基材で導通不良が発生していたのに対し、実施例１のＡｕ、実施例２のＡｇ、実施例３のＰｔ、実施例４のＰｔコートした耐熱ステンレス鋼基材では導通不良の発生を抑制できていた。
【００４３】
【表１】
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【００４４】
図２は、ＳＯＦＣモジュール２０を利用する燃料電池発電システム８０の接続例を示す図である。図２に示すように、例えば、ＳＯＦＣモジュール２０は、５個の積層型ＳＯＦＣ素子１を並列接続して１つのユニットとしモジュール化する。燃料電池発電システム８０は、それらＳＯＦＣモジュール２０を３つ直列に接続したものである。積層型ＳＯＦＣ素子１の接続やＳＯＦＣモジュール２０の組み合わせにより燃料電池発電システム８０の出力および端子電圧を任意に変更することができる。燃料電池発電システム８０は、このようなＳＯＦＣモジュール２０から充電装置５０を介して二次電池５１に電力を蓄える。
【００４５】
＜実施形態２＞
図３は、本発明の実施形態２に係るＳＯＦＣモジュール構造を示す斜視図である。図１の変形例である。アノード側挟持板２１およびカソード側挟持板２２は必ずしもＩ字状（直線状）である必要はない。図３に示すように、Ｌ字状のアノード側挟持板２１およびカソード側挟持板２２で挟持する。このようにすることによりＬ字状に並べられた複数（図中では７個）の積層型ＳＯＦＣ素子１を電気的並列に接続し、固定することができる。また、Ｌ字状のアノード側挟持板２１およびカソード側挟持板２２を２組のＳＯＦＣモジュール２０を組合せてロ字状に配置しても良い。このようにすることにより例えばバーナプレートの開口領域を取り囲むように配置するのに有用である。
【００４６】
＜実施形態３＞
図４は、本発明の実施形態３に係るＳＯＦＣモジュール構造を示す斜視図である。図１の変形例である。アノード側挟持板２１およびカソード側挟持板２２は必ずしもＩ字状（直線状）である必要はない。図４に示すように、リング状あるいはリングを分割した形状となる円弧状のアノード側挟持板２１およびカソード側挟持板２２で挟持する。このようにすることにより円弧状に並べられた複数（図中では７個）の積層型ＳＯＦＣ素子１を電気的並列に接続し、固定することができるので、例えばガスコンロなど円弧状に火炎を噴射するガス器具などへＳＯＦＣモジュールを配置するのに有用である。
【００４７】
次に、本発明の実施形態１に係るＳＯＦＣモジュール２０の使用例を説明する。バーナプレートへ取り付けしたＳＯＦＣモジュールについて図５から図７を用いて説明する。図５は、ＳＯＦＣモジュール付きバーナプレートを表した斜視図である。本実施形態１のＳＯＦＣモジュール２０は、例えば図５に示すように複数の炎口３１が格子状に並ぶバーナプレート３０の周縁部に設置される。ＳＯＦＣモジュール２０は、複数の積層型ＳＯＦＣ素子１のアノード側外部電極(不図示)がバーナプレート３０の炎口３１から噴出される火炎に当たる程度の位置に固定する。こうすることにより簡便な作業により複数の積層型ＳＯＦＣ素子１を一括してバーナプレート３０上に設置することができ、並列接続した複数の積層型ＳＯＦＣ素子１のアノード側外部電極をバーナプレート３０の炎口３１から噴出される火炎（不図示）に一括して晒すことができる。アノード側挟持板２１およびカソード側挟持板２２の端部にそれぞれリード線２５を接続することにより、電力を外部負荷に出力することができる。
【００４８】
図６は、図５の使用例をバーナプレート３０とＳＯＦＣモジュール２０との配置関係を示す部分投影図である。図７は、図５の使用例につき、バーナプレート３０とＳＯＦＣモジュール２０との配置関係を示す部分断面図である。図６および図７に示すようにバーナプレート３０は、混合気供給面３６から燃焼面３７に貫通する複数の炎孔３２が形成された開口領域３３を持ち、開口領域３３の外側にある周縁領域３４にＳＯＦＣモジュール２０が配置される。ＳＯＦＣモジュール２０は、複数の積層型ＳＯＦＣ素子１をアノード側挟持板２１およびカソード側挟持板２２により挟持するとともに、各アノード側外部電極１１が開口領域３３の少なくとも一部に重なるように、かつ、カソード側外部電極１２が開口領域３３の外側に向くように配置する。このようにすることにより、ＳＯＦＣモジュール２０は、バーナプレート３０の炎孔３２から放出される火炎の燃焼熱及びプレートから伝わる輻射熱により作動温度まで昇温させると共に、燃焼ガスをアノード側外部電極１１に供給することが出来る。これによってアノード側外部電極１１とカソード側外部電極１２の間には酸素ポテンシャル勾配が生じ、その酸素ポテンシャル勾配に応じた電力を得ることが出来る。複数の積層型ＳＯＦＣ素子１で得られた電力は、アノード側外部電極１１−アノード側側面電極１３−アノード側挟持板２１の経路およびカソード側外部電極１２−カソード側側面電極１４−カソード側挟持板２２の経路を通じて充電装置や２次電池などの外部負荷に供給することが出来る。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明に係るＳＯＦＣモジュールおよびそれを搭載した発電装置（燃料電池発電システム）は、ファン付き赤外線ストーブ、小型給湯器、ビルトインコンロなどの火炎燃焼部を有するガス器具に使用することができる。こうすることによりガス器具に付随するファンやセンサ、電子表示機器など電子機器を電池レスで駆動させたいという要望を実現することが出来る。
【符号の説明】
【００５０】
１    積層型ＳＯＦＣ素子
２    アノード
３    カソード
４    固体電解質層
５    仕切り部
６    余白部
１１  アノード側外部電極
１２  カソード側外部電極
１３  アノード側側面電極
１４  カソード側側面電極
２０  ＳＯＦＣモジュール
２１  アノード側挟持板
２２  カソード側挟持板
２３  締め付けボルト
２４  ナット
２５  リード線
３０  バーナプレート
３１  炎口
３２  炎孔
３３  開口領域
３４  周縁領域
３５  火炎
３６  混合気供給面
３７  燃焼面
５０  充電装置
５１  ２次電池
８０  燃料電池発電システム
Ａ    酸素（空気）
Ｆ    燃料
Ｎ    電極延出方向
Ｍ    クロス方向
【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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