(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質層(12a)とこの電解質層(12a)の両面に配設された燃料極層(12b)及び酸化剤極層(12c)とからなる発電セル(12)が（ｎ＋１）個（ｎは正の整数である。）積層された燃料電池であって、
前記ｉ番目（ｉ＝１，２，…，ｎ）の発電セル(12)の燃料極層(12b)とこの燃料極層(12b)に隣接する（ｉ＋１）番目の発電セル(12)の酸化剤極層(12c)との間に導電性材料により板状に形成されたセパレータ(16)がそれぞれ１枚ずつ合計ｎ枚介装され、
前記ｉ番目の発電セル(12)の燃料極層(12b)と前記ｊ番目（ｊ＝１，２，…，ｎ）のセパレータ(16)との間に導電性を有する多孔質の燃料極集電体(17)が介装され、
前記（ｉ＋１）番目の発電セル(12)の酸化剤極層(12c)と前記ｊ番目のセパレータ(16)との間に導電性を有する多孔質の酸化剤極集電体(18)が介装され、
前記１番目の発電セル(12)の酸化剤極層(12c)に酸化剤極集電体(18)を介して導電性材料により板状に形成された単一の第１端板(21)が積層され、
前記（ｎ＋１）番目の発電セル(12)の燃料極層(12b)に燃料極集電体(17)を介して導電性材料により板状に形成された単一の第２端板(22)が積層され、
前記ｎ枚のセパレータ(16)が燃料ガスをセパレータ(16)外周面から導入して前記セパレータ(16)の中心から前記燃料極集電体(17)に向って吐出させる燃料供給通路(23)と、酸化剤ガスを前記セパレータ(16)外周面から導入して前記セパレータ(16)の酸化剤極集電体(18)に対向する面から吐出させる酸化剤供給通路(24)とをそれぞれ有し、
前記単一の第１端板(21)が前記酸化剤ガスを前記第１端板(21)の酸化剤極集電体(18)に対向する面から吐出させる酸化剤供給通路(27)を有し、
前記単一の第２端板(22)が前記燃料ガスを前記第２端板(22)の中心から前記燃料極集電体(17)に向って吐出させる燃料供給通路(26)を有し、
前記燃料供給通路(23,26)に燃料用短管(28)を通して燃料ガスをそれぞれ供給する燃料用ディストリビュータ(13)が前記燃料電池(11)の側方に間隔をあけて設けられ、
前記酸化剤供給通路(24,27)に酸化剤用短管(29)を通して酸化剤ガスをそれぞれ供給する酸化剤用ディストリビュータ(14)が前記燃料電池(11)の側方に間隔をあけて設けられ、
前記第１端板(21)及び前記第２端板(22)に一対の電極端子(41,42)が電気的にそれぞれ接続され、
前記ｎ枚のセパレータ(16)に形成された各酸化剤供給通路(24)が酸化剤ガスを前記セパレータ(16)外周面から導入して前記セパレータ(16)の酸化剤極集電体(18)に対向する面からシャワー状に吐出させるように構成され、
前記単一の第１端板(21)に形成された酸化剤供給通路(27)が前記酸化剤ガスを前記第１端板(21)の酸化剤極集電体(18)に対向する面からシャワー状に吐出させるように構成された
ことを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項２】
燃料供給通路(23,26)及び酸化剤供給通路(24,27)のいずれにも連通しないようにｎ枚のセパレータ(16)、単一の第１端板(21)又は単一の第２端板(22)のいずれか１つ又は２つ以上に複数の挿入穴(16a)が形成され、前記複数の挿入穴(16a)に第１ヒータ(31)又は温度センサのいずれか一方又は双方が挿入された請求項１記載の燃料電池モジュール。
【請求項３】
燃料供給通路及び酸化剤供給通路のいずれにも連通しないようにｎ枚のセパレータ、単一の第１端板又は単一の第２端板のいずれか１つ又は２つ以上に複数の軽量化穴が形成された請求項１記載の燃料電池モジュール。
【請求項４】
燃料用ディストリビュータ(13)に燃料ガスを供給する燃料予熱管(43)が燃料電池(11)の外周面に巻回され、
酸化剤用ディストリビュータ(14)に酸化剤ガスを供給する酸化剤予熱管(44)が前記燃料電池(11)の外周面に巻回され、
前記燃料電池(11)が前記燃料予熱管(43)及び前記酸化剤予熱管(44)とともにインナケース(46)に収容され、
発電セル(12)から排出された前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスを前記インナケース(46)外に導く排気管(51)が前記インナケース(46)に接続され、
前記インナケース(46)の少なくとも内面が銀めっき、又はニッケル下地めっきを介する銀めっきされた請求項１ないし３いずれか１項に記載の燃料電池モジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料極層及び酸化剤極層にて電解質層を挟持して構成された発電セルを有する固体酸化物型の燃料電池モジュールに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の燃料電池として、特開平６−１３０８８号公報に記載された固体電解質型燃料電池が知られている。この固体電解質型燃料電池には、アノード、固体電解質体及びカソードの積層体からなる集合体と、反応ガス供給管が配されたセパレータとが交互に積層され、セパレータの一方の面に燃料ガスが通流する溝が形成され、セパレータの他方の面に酸化剤ガスが通流する溝が形成されたことが記載されている。この燃料電池では、反応ガス供給管が少なくとも一部がアルミナ磁器管等のセラミック管により形成された燃料ガス供給管と酸化剤供給管とからなる。燃料ガス供給管はセパレータの側面に接続されて燃料ガスの通流する溝に連通し、酸化剤供給管はセパレータの側面に接続されて酸化剤ガスの通流する溝に連通するように構成される。また燃料ガス供給管はセラミックにより形成された燃料ガス分配器に接続され、酸化剤供給管はセラミックにより形成された酸化剤ガス分配器に接続される。
このように構成された固体酸化物型燃料電池では、反応ガス供給管が各セパレータに個別に接続されるため、従来、集合体及びセパレータに形成された円形のガスマニホルドをシールする円形のガラスリングを不要にできるとともに、従来、集合体及びセパレータ間の外形をガスシールしていた四角形のガラスリングを不要にできるようになっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来の特開平６−１３０８８号公報に示された固体電解質型燃料電池では、セパレート板のリブ付多孔質基材には反応ガスを所定の方向に導くリブが形成されているため、発電に寄与する発電セルの表面積がリブのアノード又はカソードへの接触面積分だけ小さくなって、発電効率が低下する問題点があった。
また、上記従来の特開平６−１３０８８号公報に示された固体電解質型燃料電池では、アノード及びカソードとリブ付多孔質基板とがリブのみで接触しているため、アノード及びカソードのセパレート板との電子伝導性が低く、アノード及びカソードとリブとが接触する部分近傍のみで反応が起こり易い。即ち、上記リブ間の溝中央部分ではアノード及びカソードと接触していないため、反応により生成した電子がリブに到達する前に、アノード及びカソードの電気抵抗により消滅してしまい、発電セル全面で反応させることが難しい問題点もあった。
更に、上記従来の特開平６−１３０８８号公報に示された固体電解質型燃料電池では、反応ガス供給管の一部又は全部を比較的脆いセラミック管により形成されているため、その組付作業を慎重に行わなければならず、組付作業時間が増大し、また燃料電池の発熱及び冷却の繰返しで反応ガス供給管に作用する熱応力により反応ガス供給管が損傷するおそれがあった。
【０００４】
本発明の第１の目的は、発電に寄与する発電セルの表面を全て発電に寄与させることにより発電効率を向上できる、燃料電池モジュールを提供することにある。
本発明の第２の目的は、酸化剤ガスを酸化剤極層の全体に略均一に流すことにより、発電セルを均一に加熱・冷却できる、燃料電池モジュールを提供することにある。
本発明の第３の目的は、燃料ガスの燃料極層内での流れを制御し、燃料ガスと燃料極層との衝突回数を増大することにより、発電効率を向上できる、燃料電池モジュール。
本発明の第４の目的は、起動時に昇温時間を短縮できるとともに、均一な昇温により発電セルの損傷を防止できる、燃料電池モジュールを提供することにある。
【０００５】
本発明の第５の目的は、燃料ガス及び酸化剤ガスを発電に適した温度で各発電セルに供給することにより、発電効率を向上できる、燃料電池モジュールを提供することにある。
本発明の第６の目的は、ステンレス鋼製のセパレータ、第１端板及び第２端板に燃料極集電体又は酸化剤極集電体のいずれか一方又は双方を接合し、接合部分が溶着されてその接合部分の酸化を防止することにより、セパレータ、第１端板又は第２端板と、燃料極集電体又は酸化剤極集電体との長期的な電気的導通が得られる、燃料電池モジュールを提供することにある。
本発明の第７の目的は、燃料ガスを改質するための改質器を不要にすることにより、部品点数を低減しかつ小型化を図ることができる、燃料電池モジュールを提供することにある。
【０００６】
請求項１に係る発明は、図１及び図２に示すように、電解質層１２ａとこの電解質層１２ａの両面に配設された燃料極層１２ｂ及び酸化剤極層１２ｃとからなる発電セル１２が（ｎ＋１）個（ｎは正の整数である。）積層された燃料電池であって、ｉ番目（ｉ＝１，２，…，ｎ）の発電セル１２の燃料極層１２ｂとこの燃料極層１２ｂに隣接する（ｉ＋１）番目の発電セル１２の酸化剤極層１２ｃとの間に導電性材料により板状に形成されたセパレータ１６がそれぞれ１枚ずつ合計ｎ枚介装され、ｉ番目の発電セル１２の燃料極層１２ｂとｊ番目（ｊ＝１，２，…，ｎ）のセパレータ１６との間に導電性を有する多孔質の燃料極集電体１７が介装され、（ｉ＋１）番目の発電セル１２の酸化剤極層１２ｃとｊ番目のセパレータ１６との間に導電性を有する多孔質の酸化剤極集電体１８が介装され、１番目の発電セル１２の酸化剤極層１２ｃに酸化剤極集電体１８を介して導電性材料により板状に形成された単一の第１端板２１が積層され、（ｎ＋１）番目の発電セル１２の燃料極層１２ｂに燃料極集電体１７を介して導電性材料により板状に形成された単一の第２端板２２が積層され、ｎ枚のセパレータ１６が燃料ガスをセパレータ１６外周面から導入してセパレータ１６の中心から燃料極集電体１７に向って吐出させる燃料供給通路２３と、酸化剤ガスをセパレータ１６外周面から導入してセパレータ１６の酸化剤極集電体１８に対向する面から吐出させる酸化剤供給通路２４とをそれぞれ有し、単一の第１端板２１が酸化剤ガスを第１端板２１の酸化剤極集電体１８に対向する面から吐出させる酸化剤供給通路２７を有し、単一の第２端板２２が燃料ガスを第２端板２２の中心から燃料極集電体１８に向って吐出させる燃料供給通路２６を有し、燃料供給通路２３，２６に燃料ガスをそれぞれ供給する燃料用ディストリビュータ１３が燃料電池１１の側方に間隔をあけて設けられ、酸化剤供給通路２４，２７に酸化剤ガスをそれぞれ供給する酸化剤用ディストリビュータ１４が燃料電池１１の側方に間隔をあけて設けられ、第１端板２１及び第２端板２２に一対の電極端子４１，４２が電気的にそれぞれ接続され、ｎ枚のセパレータ１６に形成された各酸化剤供給通路２４が酸化剤ガスをセパレータ１６外周面から導入してセパレータ１６の酸化剤極集電体１８に対向する面からシャワー状に吐出させるように構成され、単一の第１端板２１に形成された酸化剤供給通路２７が酸化剤ガスを第１端板２１の酸化剤極集電体１８に対向する面からシャワー状に吐出させるように構成されたことを特徴とする燃料電池モジュールである。
【０００７】
この請求項１に記載された燃料電池モジュールでは、燃料ガスを燃料用ディストリビュータ１３に導入すると、燃料ガスはセパレータ１６及び第２端板２２の燃料供給通路２３，２６を通って、セパレータ１６及び第２端板２２の中心から燃料極集電体１７の中心に向って吐出する。この吐出した燃料は燃料極集電体１７内を通過して燃料極層１２ｂの略中心から外周縁に向って流れる。同時に酸化剤ガスを酸化剤用ディストリビュータ１３に導入すると、酸化剤ガスはセパレータ１６及び第１端板２１の酸化剤供給通路２４，２７を通って、セパレータ１６及び第１端板２１の中心から酸化剤極集電体１８の中心に向って吐出する。この吐出した酸化剤ガスは酸化剤極集電体１８内を通過して酸化剤極層１２ｃ内を固体電解質層１１ａに沿って流れる。
酸化剤ガスは発電セル１２の全面にわたる酸化剤極集電体１８と接する部分の酸化剤極層１２ｃから電子を受け取って酸化物イオンにイオン化され、この酸化物イオンは固体電解質層１２ａ内を拡散移動して燃料極層１２ｂとの界面近傍に到達する。これにより酸化物イオンは燃料ガスと反応して反応生成物を生じ、燃料極層１２ｂに電子を放出するので、この電子を燃料極集電体１７の全面から取り出すことにより大電流が発生し、電力が得られる。（ｎ＋１）個の発電セル１２は導電性材料により形成されたセパレータ１６、燃料極集電体１７及び空気極集電体１８を介して直列に接続され、かつ両端に導電性材料により形成された第１端板２１及び第２端板２２が設けられているため、一対の電極端子４１，４２から大きな電力を取出すことができる。
【０００８】
酸化剤ガスが酸化剤供給通路２４，２７からシャワー状に酸化剤極集電体１８に向って略均一に吐出されるので、この酸化剤ガスにより発電セル１２を均一に加熱・冷却できる。また燃料電池１１の発電中におけるジュール熱の発生により、発電セル１２が加熱されて設定温度より上昇したときに、この設定温度より低い温度の酸化剤ガスを上記酸化剤供給通路２４，２７から吐出させることにより、発電セル１２を均一に冷却できるので、発電セル１２の局所的な加熱又は冷却による損傷を防止できる。
【０００９】
請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明であって、更に図２及び図３に示すように、燃料供給通路２３，２６及び酸化剤供給通路２４，２７のいずれにも連通しないようにｎ枚のセパレータ１６、単一の第１端板２１又は単一の第２端板２２のいずれか１つ又は２つ以上に複数の挿入穴１６ａが形成され、複数の挿入穴１６ａに第１ヒータ３１又は温度センサのいずれか一方又は双方が挿入されたことを特徴とする。
この請求項２に記載された燃料電池モジュールでは、燃料電池１１の起動時に、第１ヒータ３１に通電することにより発電セル１２を速やかに昇温できるので、昇温時間を短縮できる。また発電セル１２が均一に昇温し、発電セル１２の中心と外周縁との温度差がなくなって均一に熱膨張するため、発電セル１２の損傷を防止できる。更に温度センサの検出出力に基づいて第１ヒータを制御すれば、セパレータ等の温度をきめ細かく制御できる。
【００１０】
請求項３に係る発明は、請求項１に係る発明であって、更に燃料供給通路及び酸化剤供給通路のいずれにも連通しないようにｎ枚のセパレータ、単一の第１端板又は単一の第２端板のいずれか１つ又は２つ以上に複数の軽量化穴が形成されたことを特徴とする。
この請求項３に記載された燃料電池では、軽量化穴の形成によりセパレータ、第１端板又は第２端板の重量を小さくできるので、燃料電池の軽量化を図ることができる。
【００１３】
請求項４に係る発明は、請求項１ないし３いずれか１項に係る発明であって、更に図１に示すように、燃料用ディストリビュータ１３に燃料ガスを供給する燃料予熱管４３が燃料電池１１の外周面に巻回され、酸化剤用ディストリビュータ１４に酸化剤ガスを供給する酸化剤予熱管４４が燃料電池１１の外周面に巻回され、燃料電池１１が燃料予熱管４３及び酸化剤予熱管４４とともにインナケース４６に収容され、発電セル１２から排出された燃料ガス及び酸化剤ガスをインナケース４６外に排出する排気管５１がインナケース４６に接続され、インナケース４６の少なくとも内面が銀めっき、又はニッケル下地めっきを介する銀めっきされたことを特徴とする。
この請求項４に記載された燃料電池モジュールでは、燃料予熱管４３内を通る燃料ガスが発電セル１２から排出される高温の排ガス（燃料ガス及び酸化剤ガスより生成された水蒸気やＣＯ2）により加熱されて燃料用ディストリビュータ１３に供給され、酸化剤予熱管４４内を通る酸化剤ガスも発電セル１２から排出される上記高温の排ガスにより加熱されて酸化剤用ディストリビュータ４４に供給される。このため燃料ガス及び酸化剤ガスが発電に適した温度で各発電セル１２に供給されるので、発電効率を向上できる。
また燃料電池１１の運転中に発電セル１２が発生する輻射熱を利用することにより、発電セル１２及びセパレータ１６の保温効果を更に高めることができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１に示すように、燃料電池モジュール１０は積層された（ｎ＋１）個の発電セル１２を有する燃料電池１１と、この燃料電池１１の近傍にそれぞれ設けられた単一の燃料用ディストリビュータ１３及び単一の空気用ディストリビュータ１４（酸化剤用ディストリビュータ）とを備える。ここで、ｎは正の整数である。発電セル１２は円板状の固体電解質層１２ａと、この固体電解質層１２ａの両面に配設された円板状の燃料極層１２ｂ及び空気極層１２ｃ（酸化剤極層）とからなる。ｉ番目（ｉ＝１，２，…，ｎ）の発電セル１２の燃料極層１２ｂとこの燃料極層１２ｂに隣接する（ｉ＋１）番目の発電セル１２の空気極層１２ｃとの間には導電性材料により正方形板状に形成されたセパレータ１６がそれぞれ１枚ずつ合計ｎ枚介装される。またｉ番目の発電セル１２の燃料極層１２ｂとｊ番目（ｊ＝１，２，…，ｎ）のセパレータ１６との間には円板状に形成されかつ導電性を有する多孔質の燃料極集電体１７が介装され、（ｉ＋１）番目の発電セル１２の空気極層１２ｃとｊ番目のセパレータ１６との間には円板状に形成されかつ導電性を有する多孔質の空気極集電体１８（酸化剤極集電体）が介装される。更に１番目の発電セル１２の空気極層１２ｃには空気極集電体１８を介して導電性材料により正方形板状に形成された単一の第１端板２１が積層され、（ｎ＋１）番目の発電セル１２の燃料極層１２ｂには燃料極集電体１７を介して導電性材料により正方形板状に形成された単一の第２端板２２が積層される。
【００３１】
なお、固体電解質層、燃料極層、空気極層、燃料極集電体及び空気極集電体は円板状ではなく、四角形板状、六角形板状、八角形板状等の多角形板状に形成してもよい。また、セパレータ、第１端板及び第２端板は正方形板状ではなく、円板状、或いは長方形板状、六角形板状、八角形板状等の多角形板状に形成してもよい。この場合、燃料ガスを発電セル１２の略中心より均等に外周方向へ流すために、後述する燃料供給通路２３の第２燃料穴２３ｂは１個とは限らず、略中心に２個或いは３個以上であってもよい。
【００３２】
また発電セルの積層方向が鉛直方向と一致するように、即ち各発電セルが水平方向に延びるように燃料電池を設置した場合、燃料ガスはセパレータの略中心から吐出させることが好ましいけれども、発電セルの積層方向が水平方向と一致するように、即ち各発電セルが鉛直方向に延びるように燃料電池を設置した場合、燃料ガスはセパレータの中心より幾分下方にずらした部分から吐出させることが好ましい。この理由は、各発電セルが鉛直方向に延びるように燃料電池を設置した状態で、水素又はメタンである燃料ガスをセパレータの中心から吐出させると、重力の影響により水素又はメタンが上昇して、発電セルの上部が下部に比較して電池反応が活発になるためである。そこで各発電セルが鉛直方向に延びるように燃料電池を設置した場合、上述のように発電セルの全面において均一に発電させるために、第２燃料穴の位置をセパレータの中心より多少下方にずらすことが好ましい。
【００３３】
更に後述する空気供給通路２４の第３空気穴２４ｃをシャワー状（縦横に多数並んだ状態）に形成する場合、発電セル１１全面に空気を均等に流すために、セパレータ１６の外周部分に比べ中央部分に第３空気穴２４ｃを多く（密に）形成することが好ましい。これは、シャワー状の第３空気穴２４ｃを均等間隔で形成すると、セパレータ１６の中央部分より外周部分で多くの空気が吐出してしまうためである。
【００３４】
固体電解質層１２ａは酸化物イオン伝導体により形成される。具体的には、一般式（１）：Ｌｎ１ Ａ Ｇａ Ｂ１ Ｂ２ Ｂ３ Ｏで示される酸化物イオン伝導体である。但し、上記一般式（１）において、Ｌｎ１はＬａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ及びＳｍからなる群より選ばれた１種又は２種以上の元素であって４３．６〜５１．２重量％含まれ、ＡはＳｒ，Ｃａ及びＢａからなる群より選ばれた１種又は２種以上の元素であって５．４〜１１．１重量％含まれ、Ｇａは２０．０〜２３．９重量％含まれ、Ｂ１はＭｇ，Ａｌ及びＩｎからなる群より選ばれた１種又は２種以上の元素であり、Ｂ２はＣｏ，Ｆｅ，Ｎｉ及びＣｕからなる群より選ばれた１種又は２種以上の元素であり、Ｂ３はＡｌ，Ｍｇ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｆｅ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｍｎ及びＺｒからなる群より選ばれた１種又は２種以上の元素であり、Ｂ１とＢ３又はＢ２とＢ３がそれぞれ同一の元素でないとき、Ｂ１は１．２１〜１．７６重量％含まれ、Ｂ２は０．８４〜１．２６重量％含まれ、Ｂ３は０．２３〜３．０８重量％含まれ、Ｂ１とＢ３又はＢ２とＢ３がそれぞれ同一の元素であるとき、Ｂ１の含有量とＢ３の含有量の合計が１．４１〜２．７０重量％であり、Ｂ２の含有量とＢ３の含有量の合計が１．０７〜２．１０重量％である。
【００３５】
また固体電解質層１２ａを一般式（２）：Ｌｎ１1-x Ａx Ｇａ1-y-z-w Ｂ１y Ｂ２z Ｂ３w Ｏ3-dで示される酸化物イオン伝導体により形成してもよい。但し、上記一般式（２）において、Ｌｎ１はＬａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ及びＳｍからなる群より選ばれた１種又は２種以上の元素であって、ＡはＳｒ，Ｃａ及びＢａからなる群より選ばれた１種又は２種以上の元素であって、Ｂ１はＭｇ，Ａｌ及びＩｎからなる群より選ばれた１種又は２種以上の元素であって、Ｂ２はＣｏ，Ｆｅ，Ｎｉ及びＣｕからなる群より選ばれた１種又は２種以上の元素であって、Ｂ３はＡｌ，Ｍｇ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｆｅ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｍｎ及びＺｒからなる群より選ばれた１種又は２種以上の元素であって、ｘは０．０５〜０．３、ｙは０．０２５〜０．２９、ｚは０．０１〜０．１５、ｗは０．０１〜０．１５、ｙ＋ｚ＋ｗは０．０３５〜０．３及びｄは０．０４〜０．３である。上記のような酸化物イオン伝導体にて固体電解質層１２ａを形成することにより、燃料電池１１の発電効率を低下させずに、発電運転を６５０±５０℃と比較的低温で行うことが可能となる。
【００３６】
燃料極層１２ｂはＮｉ等の金属により構成されたり、又はＮｉ−ＹＳＺ等のサーメットにより構成されたり、或いはＮｉと一般式（３）：Ｃｅ1-m Ｄm Ｏ2で表される化合物との混合体により多孔質に形成される。但し、上記一般式（３）において、ＤはＳｍ，Ｇｄ，Ｙ及びＣａからなる群より選ばれた１種又は２種以上の元素であり、ｍはＤ元素の原子比であり、０．０５〜０．４、好ましくは０．１〜０．３の範囲に設定される。
【００３７】
空気極層１２ｃは一般式（４）：Ｌｎ２1-x Ｌｎ３x Ｅ1-y Ｃｏy Ｏ3+dで示される酸化物イオン伝導体により多孔質に形成される。  但し、上記一般式（４）において、Ｌｎ２はＬａ又はＳｍのいずれか一方又は双方の元素であり、Ｌｎ３はＢａ，Ｃａ又はＳｒのいずれか一方又は双方の元素であり、ＥはＦｅ又はＣｕのいずれか一方又は双方の元素である。またｘはＬｎ３の原子比であり、０．５を越え１．０未満の範囲に設定される。ｙはＣｏ元素の原子比であり、０を越え１．０以下、好ましくは０．５以上１．０以下の範囲に設定される。ｄは−０．５以上０．５以下の範囲に設定される。
【００３８】
上記発電セル１２の製造方法の一例を下記に示す。先ず原料粉末として、Ｌａ2Ｏ3，ＳｒＣＯ3，Ｇａ2Ｏ3，ＭｇＯ，ＣｏＯの各粉末をＬａ0.8Ｓｒ0.2Ｇａ0.8Ｍｇ0.15Ｃｏ0.05Ｏ2.8となるように秤量して混合した後に、１１００℃で予備焼成して仮焼体を作製する。次いでこの仮焼体を粉砕した後に、所定のバインダ、溶剤などを加えて混合することによりスラリーを調製し、このスラリーをドクタブレード法によりグリーンシートを作製する。次にこのグリーンシートを空気中で十分に乾燥し、所定の寸法に切出した後に、１４５０℃で焼結することにより固体電解質層１２ａを得る。この固体電解質層１２ａの一方の面に、Ｎｉと（Ｃｅ0.8Ｓｍ0.2）Ｏ2が体積比で６：４となるように、ＮｉＯ粉末と（Ｃｅ0.8Ｓｍ0.2）Ｏ2粉末とを混合した後に、この混合粉末を１１００℃で焼付けることにより燃料極層１２ｂを形成する。更に上記固体電解質層１２ａの他方の面に（Ｓｍ0.5Ｓｒ0.5）ＣｏＯ3を１０００℃で焼付けることにより空気極層１２ｃを形成する。このようにして発電セル１２が作製される。
【００３９】
セパレータ１６はステンレス鋼、ニッケル基合金又はクロム基合金のいずれかにより形成されることが好ましい。例えば、ＳＵＳ３１６、インコネル６００、ハステロイＸ（Haynes Stellite社の商品名）、ヘインズアロイ２１４などが挙げられる。またセパレータ１６には燃料供給通路２３と、空気供給通路２４（酸化剤供給通路）と、複数の挿入穴１６ａが形成される（図２及び図３）。燃料供給通路２３はセパレータ１６の外周面から略中心に向う第１燃料穴２３ａと、第１燃料穴２３ａに連通しセパレータ１６の略中心から燃料極集電体１７に臨む第２燃料穴２３ｂとを有する。また空気供給通路２４はセパレータ１６の厚さ方向に直交する方向に延びて形成され基端がセパレータ１６外周面に開口しかつ先端が閉止された略Ｔ字状の第１空気穴２４ａと、セパレータ１６の厚さ方向に直交する方向に延びかつ互いに所定の間隔をあけて形成され第１空気穴２４ａに連通し更に両端が閉止された複数の第２空気穴２４ｂと、セパレータ１６の空気極集電体１８に対向する面に所定の間隔をあけかつ第２空気穴２４ｂに連通するように形成された多数の第３空気穴２４ｃとを有する。
【００４０】
第１空気穴２４ａは第１燃料穴２３ａと穴芯が同一のベース穴２４ｄと、このベース穴２４ｄに連通するとともに複数の第２空気穴２４ｂに連通し両端が閉止された分配穴２４ｅからなる。分配穴２４ｅはベース穴２４ｄの基端が形成されたセパレータ１６の一方の側面に隣接する側面からベース穴２４ｄに直交するように形成した後に、この隣接する側面に閉止板２５を接合することにより両端が閉止された長穴となる。また複数の第２空気穴２４ｂはベース穴２４ｄの基端が形成されたセパレータ１６の一方の側面からベース穴２４ｄに平行に形成した後に、この側面に閉止板２５を接合することにより両端が閉止された複数の長穴となる。複数の挿入穴１６ａは燃料供給通路２３及び空気供給通路２４のいずれにも連通しないように第１燃料穴２３ａ及び第２空気穴２４ｂに平行に形成され、これらの挿入穴１６ａには第１ヒータ３１がそれぞれ挿入される（図３）。またセパレータ１６の燃料極集電体１７に対向する面には３本のスリット１６ｂがセパレータ１６の略中心から渦巻き状にそれぞれ形成され（図４）、これらのスリット１６ｂの深さは全長にわたって同一となるように形成される。なお、上記スリットは３本ではなく、２本又は４本以上であってもよい。また、スリットの深さはセパレータの中心から離れるに従って次第に深く若しくは浅くなるように形成してもよい。
【００４１】
図２に戻って、燃料極集電体１７はステンレス鋼、ニッケル基合金又はクロム基合金、或いはニッケル、銀、銀合金、白金又は銅により多孔質に形成され、ステンレス鋼、ニッケル基合金又はクロム基合金により形成した場合、ニッケルめっき、銀めっき、ニッケル下地めっきを介する銀めっき若しくは銅めっきを施すことが好ましい。空気極集電体１８は銀めっき、ニッケル下地めっきを介する銀めっき又は白金めっきされたステンレス鋼、ニッケル基合金又はクロム基合金、或いは銀、銀合金又は白金により多孔質に形成され、ステンレス鋼、ニッケル基合金又はクロム基合金により形成した場合、銀めっき、ニッケル下地めっきを介する銀めっき若しくは白金めっきを施すことが好ましい。なお、燃料ガスとして炭化水素を用いた場合には、燃料極集電体はニッケルめっきされたステンレス鋼、ニッケル基合金又はクロム基合金、或いはニッケルにより形成され、燃料ガスとして水素を用いた場合には、燃料極集電体は銀めっき、ニッケル下地めっきを介する銀めっき若しくは銅めっきされたステンレス鋼、ニッケル基合金又はクロム基合金、或いは銀、銀合金、白金又は銅により形成される。上記燃料極集電体１３の製造方法の一例を下記に示す。先ずステンレス鋼などのアトマイズ粉末とＨＰＭＣ（水溶性樹脂結合剤）を混練した後に、蒸留水及び添加剤（ｎ−ヘキサン（有機溶剤）、ＤＢＳ（界面活性剤）、グリセリン（可塑剤）など）を加えて混練して混合スラリーを調製する。次にこの混合スラリーをドクタブレード法により成形体を作製した後に、所定の条件で発泡、脱脂及び焼結して多孔質板を得る。更にこの多孔質板を所定の寸法に切出して燃料極集電体１７を作製する。なお、ステンレス鋼のアトマイズ粉末を用いた場合には、表面にニッケルめっき、クロムめっき、銀めっき、ニッケル下地めっきを介する銀めっきが施される。また上記空気極集電体１８も上記燃料極集電体１７とほぼ同様にして作製される。
【００４２】
第１端板２１及び第２端板２２はセパレータ１６と同一材料により同一形状（正方形板状）に形成される。第１端板２１には空気供給通路２７及び複数の挿入穴（図示せず）が形成され、第２端板２２には燃料供給通路２６及び複数の挿入穴（図示せず）が形成される。空気供給通路２７は空気供給通路２３と同様に形成され、第１端板２１の厚さ方向に直交する方向に延びて形成され基端が第１端板２１外周面に開口しかつ先端が閉止されたＴ字状の第１空気穴２７ａと、第１端板２１の厚さ方向に直交する方向に延びかつ互いに所定の間隔をあけて形成され第１空気穴２７ａに連通し更に両端が閉止された複数の第２空気穴（図示せず）と、第１端板２１の空気極集電体１４に対向する面に所定の間隔をあけかつ第２空気穴に連通するように形成された多数の第３空気穴（図示せず）とを有する。また燃料供給通路２６は燃料供給通路２３と同様に形成され、第２端板２２の外周面から略中心に向う第１燃料穴２６ａと、第１燃料穴２６ａに連通し第２端板２２の略中心から燃料極集電体１３に臨む第２燃料穴２６ｂとを有する。
【００４３】
第１端板２１に形成された第１空気穴２７ａはベース穴２７ｄと、このベース穴２７ｄに連通するとともに複数の第２空気穴に連通し両端が閉止された分配穴２７ｅからなる。分配穴２７ｅはベース穴２７ｄの基端が形成された第１端板２１の一方の側面に隣接する側面からベース穴２４ｄに直交するように形成した後に、この隣接する側面に閉止板２５を接合することにより両端が閉止された長穴となる。複数の第２空気穴はベース穴２４ｄの基端が形成された第１端板２１の一方の側面からベース穴２７ｄに平行に形成した後に、この側面に閉止板を接合することにより両端が閉止された複数の長穴となる。また第１端板２１の複数の挿入穴は空気供給通路２７に連通しないように第２空気穴に平行に形成され、これらの挿入穴にはヒータ（図示せず）がそれぞれ挿入される。第２端板２２の複数の挿入穴は燃料供給通路２６に連通しないように第１燃料穴２６ａに平行に形成され、これらの挿入穴にはヒータ（図示せず）がそれぞれ挿入される。第２端板２２の上面、即ち第２端板２２の燃料極集電体１３への対向面には３本のスリット２２ｂが第２端板２２の略中心から渦巻き状に形成される（図２）。これらのスリット２２ｂの深さは全長にわたって同一となるように形成される。なお、上記スリットは３本ではなく、２本又は４本以上であってもよい。また、スリットの深さはセパレータの中心から離れるに従って次第に深く若しくは浅くなるように形成してもよい。
【００４４】
更にセパレータ１６、第１端板２１及び第２端板２２の四隅にはボルト（図示せず）を挿通可能な通孔１６ｃが形成される（図３及び図４）。（ｎ＋１）個の発電セル１２と、ｎ枚のセパレータ１６と、（ｎ＋１）個の燃料極集電体１７と、（ｎ＋１）個の空気極集電体１８と、単一の第１端板２１と、単一の第２端板２２とを積層したときに、上記セパレータ１６、第１端板２１及び第２端板２２の四隅に形成された通孔１６ｃにボルトをそれぞれ挿通した後に、これらのボルトの先端にナットをそれぞれ螺合することにより、燃料電池１１が上記積層した状態で固定されるようになっている。
【００４５】
図１に戻って、燃料用ディストリビュータ１３及び空気用ディストリビュータ１４は発電セル１２の積層方向に延びてそれぞれ設けられ、両端が閉止された筒状に形成される。燃料用ディストリビュータ１３は（ｎ＋１）本の燃料用短管２８を通ってｎ枚のセパレータ１６の燃料供給通路２３の第１燃料穴２３ａ及び単一の第２端板２２の燃料供給通路２６ａの第１燃料穴２６ａにそれぞれ連通接続され、空気用ディストリビュータ１４は（ｎ＋１）本の空気用短管２９を通ってｎ枚のセパレータ１６の空気供給通路２４の第１空気穴２４ａ及び単一の第１端板２１の空気供給通路２７の第１空気穴２７ａにそれぞれ連通接続される。この実施の形態では、燃料用ディストリビュータ１３、空気用ディストリビュータ１４、燃料用短管２８及び空気用短管２９はステンレス鋼、ニッケル基合金又はクロム基合金などの導電性材料により形成される。
【００４６】
燃料用短管２８と燃料用ディストリビュータ１３との電気的絶縁を確保するために、燃料用短管２８と燃料用ディストリビュータ１３との間にはアルミナ等の電気絶縁性材料により形成された燃料用絶縁管３６が介装され、これらの隙間はガラスやセメント等の電気絶縁性を有する燃料用封止部材３７により封止される。また空気用短管２９と空気用ディストリビュータ１４との電気的絶縁を確保するために、空気用短管２９と空気用ディストリビュータ１４との間にはアルミナ等の電気絶縁性材料により形成された空気用絶縁管３８が介装され、これらの隙間はガラスやセメント等の電気絶縁性を有する空気用封止部材３９により封止される。
【００４７】
第１端板２１の上面中央及び第２端板２２の下面中央には一対の電極端子４１，４２（この実施の形態では電極棒）が電気的にそれぞれ接続される。燃料用ディストリビュータ１３の上部外周面には燃料予熱管４３が接続され、この燃料予熱管４３は燃料電池１１の外周面から所定の間隔をあけかつ一対の電極端子４１，４２の軸線を中心とする螺旋状に巻回される。また空気用ディストリビュータ１４の外周面には空気予熱管４４（酸化剤予熱管）が接続され、この空気予熱管４４は燃料電池１１の外周面から所定の間隔をあけかつ一対の電極端子４１，４２の軸線を中心とする螺旋状に巻回される。更に燃料電池１１の外周面には第２ヒータ３２が燃料電池１１の外周面から所定の間隔をあけかつ一対の電極端子４１，４２の軸線を中心とする螺旋状に巻回される。上記燃料予熱管４３の螺旋半径は上記空気予熱管４４の螺旋半径より小さく形成され、第２ヒータ３２の螺旋半径は燃料予熱管４３の螺旋半径と空気予熱管４４の螺旋半径の中間の値になるように形成される。
【００４８】
この実施の形態では、燃料予熱管４３及び空気予熱管４４はステンレス鋼、ニッケル基合金又はクロム基合金などにより形成される。また空気予熱管４４は空気用ディストリビュータ１４の長手方向の略中央に接続される。これは、発電中に燃料電池１１の内部抵抗によりジュール熱を発生し、燃料電池１１の積層方向の中央部分が最も熱くなり、この部分に空気予熱管４４及び空気用ディストリビュータ１４を通って比較的低い温度の酸化剤ガスを供給することにより、発電セル１２の均熱を保つためである。
【００４９】
上記燃料電池１１は螺旋状の燃料予熱管４３、螺旋状の空気予熱管４４及び螺旋状の第２ヒータ３２とともにインナケース４６に収容される。このインナケース４６の下部外周面及び上面には発電セル１２から排出された燃料ガス及び空気をインナケース４６外に導く第１排気管５１及び第２排気管５２がそれぞれ接続される。またインナケース４６の外面は断熱材４７により被覆されるとともに、インナケース４６の外周面には燃料予熱管４３、空気予熱管４４及び第１排気管５１がそれぞれ螺旋状に巻回される。この実施の形態では、第１排気管５１は燃料予熱管４３及び空気予熱管４４より大径に形成され、燃料予熱管４３及び空気予熱管４４を内部に遊挿した状態でインナケース４６の外周面から所定の間隔をあけて螺旋状に巻回される。なお、燃料予熱管及び空気予熱管を第１排気管の内部に遊挿するのではなく、第１排気管の外周面に密着させた状態でインナケースの外周面に螺旋状に巻回してもよい。
【００５０】
上記インナケース４６は螺旋状の第１排気管５１と、この第１排気管５１に遊挿された燃料予熱管４３及び空気予熱管４４と、断熱材４７とともにアウタケース４８に収容される。上記第１排気管５１はこの第１排気管５１に遊挿された燃料予熱管４３及び空気予熱管４４とともに、アウタケース４８の上部外周面からアウタケース４８外に突出し、燃料予熱管４３及び空気予熱管４４はこの突出した部分から第１排気管５１外に突出する。第１排気管５１から突出した燃料予熱管４３にはこの燃料予熱管４３内の燃料ガスに水蒸気を混合するための水供給管４９の先端が挿入され、この水供給管４９には噴霧器（図示せず）が接続される。上記水供給管の４９先端はアウタケース４８内に位置することが好ましい。なお、燃料ガスとしては、例えばメタンガス（ＣＨ4））が挙げられる。また図示しないが上記噴霧器から噴射された霧状の水は第２排気管５２内を通る排ガスの熱により気化されて水蒸気になるように構成される。燃料予熱管４３には燃料ガスが流通可能な密度で改質粒子（図示せず）が充填される。この改質粒子はＮｉ、ＮｉＯ、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、ＭｇＯ、ＣａＯ、Ｆｅ2Ｏ3、Ｆｅ3Ｏ4、Ｖ2Ｏ3、ＮｉＡｌ2Ｏ4、ＺｒＯ2、ＳｉＣ、Ｃｒ2Ｏ3、ＴｈＯ2、Ｃｅ2Ｏ3、Ｂ2Ｏ3、ＭｎＯ2、ＺｎＯ、Ｃｕ、ＢａＯ及びＴｉＯ2からなる群より選ばれた１種又は２種以上を含む元素又は酸化物により形成されることが好ましい。
【００５１】
燃料電池１１に螺旋状に巻回された燃料予熱管４３のうちインナケース４６内に位置する最下端には、水分離器５３が接続される。これは、燃料電池モジュール１０が停止して温度が低下し、水蒸気が液化して水になったときに、この水は水分離器５３に溜るように構成される。この結果、燃料電池モジュール１０を再始動しても、水が液体のまま発電セル１２に供給されないので、発電セル１２の性能は低下せず、発電セル１２は破損しないようになっている。なお、上記水分離器はインナケース外の燃料予熱管に接続してもよい。
【００５２】
また燃料電池１１に螺旋状に巻回された空気予熱管４４のうちインナケース４６内に位置する上端には、冷却空気（冷却酸化剤ガス）を空気予熱管４４に供給可能な冷却管５６が接続される。また空気予熱管４４のうち冷却管５６の接続部と空気用ディストリビュータ１４の接続部との間には、空気予熱管４４内の空気と冷却管５６内の冷却空気とを混合する混合部が接続される。この混合部には図示しないが上記空気及び冷却空気を混合するためにバッフル板や撹拌機等が内蔵される。また燃料電池１１にはこの燃料電池１１の温度を検出する温度センサ５８が挿入され、冷却管５６には冷却空気の流量を調整する流量調整弁５９が設けられる。温度センサ５８の検出出力はコントローラ（図示せず）の制御入力に接続され、コントローラの制御出力は流量調整弁５９に接続される。なお、図１の符号５４はインナケース４６及びアウタケース４８を一対の電極端子４１，４２から電気的に絶縁するための絶縁リングである。
【００５３】
このように構成された燃料電池モジュール１０の動作を説明する。
燃料ガス（例えば、メタンガス（ＣＨ4））を燃料予熱管４３に供給し、水（Ｈ2Ｏ）を水供給管４９から上記燃料予熱管４３に供給して水蒸気にし、この水蒸気を上記燃料ガスに混合する。一方、空気（酸化剤ガス）を空気予熱管４４に供給する。上記水蒸気を含む燃料ガスは第１排気管５１に挿入された燃料予熱管４３内でインナケース４６の外周面を螺旋状に回りながら高温の排ガス（発電セル１２から排出された燃料ガス及び酸化剤ガスの混合ガス）と熱交換することにより加熱され、上記空気は第１排気管５１に挿入された空気予熱管４４内でインナケース４６の外周面を螺旋状に回りながら高温の排ガスと熱交換することにより加熱される。また燃料予熱管４３及び空気予熱管４４が遊挿された第１排気管５１は断熱材４７により覆われているため、上記第１排気管５１内を通る排ガスは冷え難い。
【００５４】
インナケース４６の外周面を螺旋状に回りながら加熱された燃料ガス及び空気はインナケース４６内に入るときに第１排気管５１から出て燃料電池１１の外周面を螺旋状に回る。このとき燃料予熱管４３内を通る燃料ガスは発電セル１２から排出される高温の排ガス及び第２ヒータ３２により加熱される。上記燃料予熱管４３内には改質粒子が充填されているため、水蒸気を含む燃料ガスを上述のように加熱することにより、この水蒸気を含む燃料ガスは改質粒子により改質されて（例えば、水素ガス（Ｈ2）に改質される。）て、燃料用ディストリビュータ１３に供給される。また空気予熱管４４内を通る空気も上記高温の排ガス及び第２ヒータ３２により加熱されて空気用ディストリビュータ１４に供給される。
【００５５】
発電に最適な温度に加熱されかつ改質された燃料ガスを燃料用ディストリビュータ１３に導入すると、この燃料ガスは燃料用短管２８及び燃料供給通路２３，２６を通り、セパレータ１６及び第２端板２２の略中心から燃料極集電体１７の中心に向って吐出する。これにより燃料ガスは燃料極集電体１７内の気孔を通過して燃料極層１２ｂの略中心に速やかに供給され、更にスリット１６ｂ，２２ｂにより案内されて燃料極層１２ｂの略中心から外周縁に向って渦巻き状に流れる。同時に発電に最適な温度に加熱された空気を空気用ディストリビュータ１４に導入すると、この空気は空気用短管２９及び空気供給通路２４，２７を通り、セパレータ１６の多数の第３空気穴２４ｃ及び第１端板２１の多数の第３空気穴からシャワー状に空気極集電体１８に向って吐出する。これにより空気は空気極集電体１８内の気孔を通過して空気極層１１ｃに略均一に供給される。
【００５６】
空気極層１２ｃに供給された空気は空気極層１２ｃ内の気孔を通って固体電解質層１２ａとの界面近傍に到達し、この部分で空気中の酸素は空気極層１２ｃから電子を受け取って、酸化物イオン（Ｏ2-）にイオン化される。この酸化物イオンは燃料極層１２ｂの方向に向って固体電解質層１２ａ内を拡散移動し、燃料極層１２ｂとの界面近傍に到達すると、この部分で燃料ガスと反応して反応生成物（例えば、Ｈ2Ｏ）を生じ、燃料極層１２ｂに電子を放出する。この電子を燃料極集電体１７により取り出すことにより電流が発生し、電力が得られる。上記のように燃料ガスがセパレータ１６の略中央及び第２端板２２の略中央から吐出され、かつスリット１６ｂ，２２ｂにより案内されるので、燃料ガスの反応経路が長くなる。この結果、燃料ガスがセパレータ１６及び第２端板２２の外周縁に到達するまでに、燃料ガスが燃料極層１２ｂと極めて多く衝突するので、上記反応回数が増え、燃料電池１１の性能向上を図ることができる。従って、セパレータ１６及び第２端板２２の外径が大きくなればなるほど、燃料ガスの反応経路が長くなり、これに伴って反応回数が増え、燃料電池１１の出力向上に繋がる。なお、（ｎ＋１）個の発電セル１２は導電性材料により形成されたセパレータ１６、燃料極集電体１７及び空気極集電体１８を介して直列に接続され、かつ燃料電池１１の両端の第１端板２１及び第２端板２２には一対の電極端子４１，４２が設けられているため、これらの電極端子４１，４２から大きな電力を取出すことができる。
【００５７】
また従来の燃料電池、即ちアノードとカソードが接触する部分の近傍のみで反応が起こり発電効率が低下する、空気極集電体及び燃料極集電体を有しない構造の燃料電池と比較して、本発明の燃料電池モジュール１０では、発電セル１２の表面の全てが発電に寄与するので、発電効率が向上する。
また燃料電池モジュール１０の起動時には、第１ヒータ３１に通電することにより発電セル１２を速やかに昇温できるので、昇温時間を短縮できるとともに、発電セル１２が均一に昇温し、発電セル１２の中心と外周縁との温度差がなくなって均一に熱膨張するため、発電セル１２の損傷を防止できる。なお、挿入穴にヒータを挿入しない場合、即ち挿入穴を軽量化穴とした場合には、セパレータ、第１端板及び第２端板の重量を小さくできるので、燃料電池の軽量化を図ることができる。
【００５８】
またインナケース４６の両面及びアウタケース４８の内面には銀めっき、ニッケル下地めっきを介する銀めっき又は白金めっきが施され、更に燃料用短管２８、燃料用ディストリビュータ１３、燃料予熱管４３、空気用短管２９、空気用ディストリビュータ１４及び空気予熱管４４の外面には銀めっき、ニッケル下地めっきを介する銀めっき又は白金めっきが施されることが好ましい。これにより燃料電池１１の運転中に発電セル１２が発生する輻射熱を、燃料予熱管４３及び酸化剤予熱管４４の保温のために利用でき、発電セル１２及びセパレータ１６の保温効果を高めることができる。
また燃料予熱管４３、燃料用ディストリビュータ１３、燃料用短管２８、酸化剤予熱管４４、酸化剤用ディストリビュータ１４及び酸化剤用短管２７がステンレス鋼、ニッケル基合金又はクロム基合金のいずれかにより形成されかつ内面に銀めっき、ニッケル下地めっきを介する銀めっき又は白金めっきが施されることが好ましい。これにより酸化剤予熱管４４、酸化剤用ディストリビュータ１４及び酸化剤用短管２７の内部が酸化されず、酸化スケール（粉状の酸化物）の生成を抑制できる。一方、還元雰囲気である燃料予熱管４３、燃料用ディストリビュータ１３及び燃料用短管２８の内部には水蒸気が存在するけれども、この水蒸気による酸化スケールの発生を抑制できる。
また燃料予熱管４３、燃料用ディストリビュータ１３及び燃料用短管２８の内面にニッケルめっきが施されることが好ましい。これにより燃料予熱管４３、燃料用ディストリビュータ１３及び燃料用短管２８の内部で炭化水素の改質反応が可能となる。
【００５９】
一方、セパレータ１６の下面及び第１端板２１の下面には多数の第３空気穴２４ｃが所定の間隔をあけて並んで形成されているため、空気がセパレータ１６の下面及び第１端板２１の下面から略均一に吐出される。この結果、空気により発電セル１２を均一に加熱・冷却できる。特に、燃料電池モジュール１０の発電中におけるジュール熱の発生により、発電セル１２が加熱されて設定温度（例えば、６５０℃）より上昇したときに、この設定温度より僅かに低い温度（例えば、６３０）の空気を上記空気供給通路２４，２７から吐出させることにより、発電セル１２を均一に冷却できるので、発電セル１２の局所的な加熱又は冷却による損傷を防止できる。また上述の燃料電池１１の温度制御は温度センサ５８の検出出力に基づくコントローラの流量調整弁５９の制御により行うことができる。即ち、燃料電池１１の運転中に燃料電池１１が設定温度（例えば、６５０℃）を越えたことを温度センサ５８が検出すると、コントローラが温度センサ５８の検出出力に基づいて流量調整弁５９の開度を変え、空気予熱管４４を通る空気に冷却管５６を通る冷却空気を混ぜ、設定温度より低い温度（例えば、６３０℃）の空気を燃料電池１１に供給する。
【００６０】
更にステンレス鋼、ニッケル基合金又はクロム基合金製のセパレータ１６及び第２端板２２の上面に、ニッケルめっき、銀めっき、ニッケル下地めっきを介する銀めっき若しくは銅めっきが施されたステンレス鋼、ニッケル基合金又はクロム基合金、或いはニッケル、銀、銀合金、白金又は銅製の燃料極集電体１７をそれぞれ接合し、ステンレス鋼、ニッケル基合金又はクロム基合金製のセパレータ１６及び第２端板２２の下面に、銀めっき、ニッケル下地めっきを介する銀めっき若しくは白金めっきが施されたステンレス鋼、ニッケル基合金又はクロム基合金、或いは銀、銀合金又は白金製の空気極集電体１８をそれぞれ接合すれば、セパレータ１６及び第１端板２１が高温で空気に曝されても、即ちセパレータ１６及び第１端板２１が高温酸化雰囲気に曝されても、セパレータ１６及び空気極集電体１８の接合部分と、第１端板２２及び空気極集電体１８の溶着された接合部分が溶着されているため、これらの接合部分の酸化を防止できる。この結果、セパレータ１６及び燃料極集電体１７の電気的導通と、第２端板２２及び燃料極集電体１７の電気的導通のみならず、セパレータ１６及び空気極集電体１８の電気的導通と、第１端板２１及び空気極集電体１８の電気的導通を上記接合部分を通して長期間保持できるとともに、上記接合により燃料電池モジュール１０の組立作業時間を短縮し、組立作業性を向上できる。なお、上記接合方法としては銀ろう付け、スポット溶接又はレーザ溶接等が挙げられる。またステンレス鋼、ニッケル基合金又はクロム基合金製の上記セパレータ１６、第１端板２１及び第２端板２２にニッケルめっき、クロムめっき、銀めっき又はニッケル下地めっきを介する銀めっきを施せば、セパレータ１６、第１端板２１及び第２端板２２と、燃料極集電体１７及び空気極集電体１８との電気的導通を更に長期間保持できる。
【００６１】
なお、上記実施の形態では、酸化剤ガスとして空気を用いたが、酸素又はその他の酸化剤ガスを用いてもよい。
また、上記実施の形態では、燃料電池として、発電セルが燃料極層及び空気極層（酸化剤極層）にて固体電解質層を挟持して構成された固体酸化物型の燃料電池を挙げたが、固体高分子型燃料電池や炭酸溶融塩型燃料電池や燐酸型燃料電池などでもよい。
また、上記実施の形態では、セパレータをステンレス鋼、ニッケル基合金又はクロム基合金のいずれかにより形成したが、ランタンクロマイト（Ｌａ0.9Ｓｒ0.1ＣｒＯ3）等の導電性を有するセラミックにより形成してもよい。
また、上記実施の形態では、セパレータ、第１端板及び第２端板の挿入穴に第１ヒータをそれぞれ挿入したが、第１ヒータ及び温度センサ（温度測定用熱電対）を交互に挿入してもよい。この場合、温度センサの検出出力に基づいて第１ヒータを制御することにより、セパレータ等の温度をきめ細かく制御できる。
【００６２】
また、上記実施の形態では、燃料予熱管に水供給管の先端を挿入し、この水供給管に噴霧器を接続したが、燃料予熱管の上部に水供給管の先端を挿入し、この水供給管の基端にポンプを接続してもよい。この場合、燃料予熱管に供給された水は第２排気管内を通る排ガスの熱により、燃料予熱管を下るに従って気化される。
更に、発電セル１２から排出された燃料ガス及び酸化剤ガスをインナケース４６及びアウタケース４８外に導く排気管５１，５２を水蒸気タービンに接続してもよい。この場合、燃料電池モジュール１０から排出された高温の排ガスを利用して水を加熱し、圧縮水蒸気を発生させ、この圧縮水蒸気をタービンに噴射して回転させることにより、発電機を回転させて熱エネルギを電気エネルギに変換することができる。
【００６３】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、ｉ番目の発電セルの燃料極層と（ｉ＋１）番目の発電セルの酸化剤極層との間にセパレータを１枚ずつ介装し、燃料極層及びセパレータ間に多孔質の燃料極集電体を介装し、酸化剤極層及びセパレータ間に多孔質の酸化剤極集電体を介装し、各セパレータに燃料供給通路及び酸化剤供給通路を形成し、第１端板に酸化剤供給通路を形成し、第２端板に燃料供給通路を形成し、燃料供給通路に燃料ガスを供給する燃料用ディストリビュータを燃料電池の近傍に設け、酸化剤供給通路に酸化剤ガスを供給する酸化剤用ディストリビュータを燃料電池の近傍に設け、更に第１端板及び第２端板に一対の電極端子を電気的にそれぞれ接続したので、燃料用ディストリビュータに導入した燃料ガスが燃料供給通路及び燃料極集電体を通って燃料極層の略中心から外周縁に向って放射状に流れ、同時に酸化剤用ディストリビュータに導入された酸化剤ガスが酸化剤供給通路及び酸化剤極集電体を通って酸化剤極層の略中心から外周縁に向って放射状に流れる。この結果、発電セルの表面の全てが発電に寄与するので、燃料ガス及び燃料極層の衝突回数と、酸化剤ガス及び酸化剤ガスの衝突回数が多くなるので、発電効率が向上する。また各発電セルが導電性材料により形成されたセパレータ等を介して直列に接続されているので、一対の電極端子から大きな電力を取出すことができる。なお、本発明の燃料電池の外径を大きくするに従って反応経路が増大するので、発電性能の向上に繋がる。
【００６４】
またセパレータ又は第１端板に形成された各酸化剤供給通路が酸化剤ガスをセパレータ又は第１端板の外周面から導入してセパレータ又は第１端板の酸化剤極集電体に対向する面からシャワー状に略均一に吐出させるように構成すれば、酸化剤ガスが酸化剤供給通路からシャワー状に酸化剤極集電体に向って略均一に吐出されるので、この酸化剤ガスにより発電セルを均一に加熱・冷却できる。また燃料電池の発電中におけるジュール熱の発生により、発電セルが加熱されて設定温度より上昇したときに、この設定温度より僅かに低い温度の酸化剤ガスを上記酸化剤供給通路から吐出させることにより、発電セルを均一に冷却できるので、発電セルの局所的な加熱又は冷却による損傷を防止できる。
また燃料供給通路及び酸化剤供給通路のいずれにも連通しないようにｎ枚のセパレータ、単一の第１端板及び単一の第２端板のそれぞれに複数の挿入穴を形成し、これらの挿入穴に第１ヒータを挿入すれば、燃料電池の起動時に第１ヒータに通電することにより発電セルを速やかに昇温できるので、昇温時間を短縮できる。また発電セルが均一に昇温し、発電セルの中心と外周縁との温度差がなくなって均一に熱膨張するため、発電セルの損傷を防止できる。また複数の挿入穴に第１ヒータ及び温度センサを挿入すれば、温度センサの検出出力に基づいて第１ヒータを制御することにより、セパレータ等の温度をきめ細かく制御できる。
また燃料供給通路及び酸化剤供給通路のいずれにも連通しないようにｎ枚のセパレータ、単一の第１端板及び単一の第２端板のそれぞれに複数の軽量化穴を形成すれば、セパレータ、第１端板及び第２端板の重量を小さくできるので、燃料電池の軽量化を図ることができる。
【００６６】
また燃料用ディストリビュータに燃料ガスを供給する燃料予熱管を燃料電池の外周面に巻回し、酸化剤用ディストリビュータに酸化剤ガスを供給する酸化剤予熱管を燃料電池の外周面に巻回し、燃料電池を燃料予熱管及び酸化剤予熱管とともにインナケースに収容し、発電セルから排出された燃料ガス及び酸化剤ガスをインナケース外に導く排気管をインナケースに接続すれば、燃料予熱管内を通る燃料ガスが発電セルから排出される高温の排ガスにより加熱されて燃料用ディストリビュータに供給され、酸化剤予熱管内を通る酸化剤ガスも発電セルから排出される上記高温の排ガスにより加熱されて酸化剤用ディストリビュータに供給される。この結果、燃料ガス及び酸化剤ガスが発電に適した温度で各発電セルに供給されるので、発電効率を向上できる。
【００６７】
またインナケースの少なくとも内面に銀めっき、又はニッケル下地めっきを介する銀めっきを施せば、燃料電池の運転中に発電セルが発生した輻射熱を利用することにより、発電セル及びセパレータの保温効果を更に高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明実施形態の燃料電池モジュールの縦断面図。
【図２】その燃料電池の図３のＡ−Ａ線断面図。
【図３】図２のＢ−Ｂ線断面図。
【図４】図２のＣ−Ｃ線断面図。
【符号の説明】
１０  燃料電池モジュール
１１  燃料電池
１２  発電セル
１２ａ  固体電解質層
１２ｂ  燃料極層
１２ｃ  空気極層（酸化剤極層）
１３  燃料用ディストリビュータ
１４  空気用ディストリビュータ（酸化剤用ディストリビュータ）
１６  セパレータ
１６ａ  挿入穴
１６ｂ，２１ｂ，２２ｂ  スリット
１７  燃料極集電体
１８  空気極集電体（酸化剤極集電体）
２１  第１端板
２２  第２端板
２３，２６  燃料供給通路
２４，２７  空気供給通路（酸化剤供給通路）
２８  燃料用短管
２９  空気用短管（酸化剤用短管）
３１  第１ヒータ
３２  第２ヒータ
３６  燃料用絶縁管
３７  燃料用封止部材
３８  空気用絶縁管（酸化剤用絶縁管）
３９  空気用封止部材（酸化剤用封止部材）
４１，４２  電極端子
４３  燃料予熱管
４４  空気予熱管（酸化剤予熱管）
４６  インナケース
４７  断熱材
４８  アウタケース
５１  第１排気管
５２  第２排気管
５３  水分離器
５８  温度センサ
５９  流量調整弁
【図１】
0003925172.tif 000002
【図２】
0003925172.tif 000003
【図３】
0003925172.tif 000004
【図４】
0003925172.tif 000005