JP5320946B2 - 単室型固体酸化物形燃料電池、及び、単室型固体酸化物形燃料電池スタック - Google Patents

Description

本発明は、単室型固体酸化物形燃料電池、及び、単室型固体酸化物形燃料電池スタックに関する。

従来より、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）のセルデザインとして、平板型、円筒型などが提案されている。平板型セルは、板状の電解質の表面及び裏面に燃料極及び空気極をそれぞれ配置したものであり、こうして形成されたセルはセパレーターを介して複数個積層された状態で使用される。セパレーターは各セルに供給される燃料ガスと酸化剤ガスとを分離する役割を果たしている。また、各セルとセパレーターとの間にはガスシールが施されている（例えば、特許文献１）。

一方、円筒型セルは、円筒形の電解質の外周面及び内周面に燃料極及び空気極をそれぞれ配置したものであり、円筒縦縞型、円筒横縞型などが提案されている（例えば、特許文献２）。
特開平５−３０４５号公報（第１頁、第６図） 特開平５−９４８３０号公報（第１頁、第１図）

上記のように、平板型及び円筒型の固体酸化物形燃料電池においては、複数のセルをスタックすることで、高い出力を得ることができるが、このように従来一般に知られる平板型及び円筒型の固体酸化物形燃料電池では単セルとセパレータとが別個の部材となり、これらの組立工程が必要になるばかりでなく、燃料ガス供給管や空気供給管なども配設する必要があることから多数の部材が必要になり、コストアップと大型化（コンパクトにできない）につながるという問題があった。また、単室型固体酸化物形燃料電池は、燃料ガスと酸化剤ガスの混合ガスで発電できるため、平板型で必要なガスシールが必要なく、スタック構造が簡素化する利点がある。しかし、燃料ガスと酸化剤ガスを分離した、いわゆる二室型よりも燃料ガスが希釈した状況で発電するため、低出力となる問題があり、スタックのセル段数が二室型よりも更に多くなるという問題があった。

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、単室型においても、スタック化したときにスタックのセル段数を抑え、小型でありながら、高出力化が可能な単室型固体酸化物形燃料電池及び単室型固体酸化物形燃料電池スタックを提供することを目的とする。

本発明に係る単室型固体酸化物形燃料電池は、上記問題を解決するためになされたものであり、同軸方向に延びる複数の多孔質隔壁で仕切られることにより、同軸方向に延びる複数の貫通孔が形成されている絶縁性の支持体と、前記複数の多孔質隔壁の表面に配置された燃料極及び空気極の一方からなる第１の電極と、前記第１の電極の表面に配置された多孔質の電解質と、前記電解質の表面に配置された燃料極及び空気極の他方からなる第２の電極とを備え、燃料ガスと酸化剤ガスとの混合ガスで発電する。

このような構成によれば、複数の多孔質隔壁により、同軸方向に延びる複数の貫通孔を形成すると共に、前記隔壁に燃料極、電解質、及び、空気極を積層している。そのため、各貫通孔に燃焼ガスと酸化剤ガスとの混合ガスを供給すると、この混合ガスが燃料極、電解質、及び、空気極を通過し、その過程で発電が行われる。また、混合ガスは、隔壁を通過して隣接する貫通孔に導入されるので、再び発電のために用いられる。このように、隔壁により複数の貫通孔を形成し、隔壁に燃料極、電解質、及び、空気極を形成しているので、隔壁及び貫通孔の数を増やすことにより電池性能の高出力化が可能となる。また、貫通孔を小さくすることで、燃料電池の小型化を図ることができる。さらに、上記単室型固体酸化物形燃料電池は、混合ガス中で発電するため、燃料ガスと空気ガス供給管とを各貫通孔に設ける必要がないため、小型化を図ることができる。また、小型化できるので、単室型固体酸化物形燃料電池を複数接続してスタック化したときに、スタックのセル段数を抑えることができる。

また、貫通孔に供給された混合ガスは、まず、第２の電極（例えば、燃料極）と反応した後、電解質を通過して、第１の電極（例えば、空気極）に達する。したがって、混合ガスは、第１の電極（空気極）に流入するとき、空気ガスがリッチな状態になる。これにより、単室型の固体酸化物形燃料電池でありながら、空気ガスを空気極へ効率良く送ることができ、出力を向上させることができる。また、燃料極及び空気極の配置が上述とは反対の場合、すなわち、第１の電極が燃料極であり、第２の電極が空気極である場合には、混合ガスは、まず、空気極と反応した後、電解質を通過して、燃料極に達する。したがって、混合ガスは、燃料極に流入するとき、燃料ガスがリッチな状態になる。この場合も同様に、出力を向上させることができる。

上記の単室型固体酸化物形燃料電池は、支持体の一端部において貫通孔を閉塞するガス非透過性の閉塞部材を更に備えることができる。このような構成によれば、貫通孔を流れる混合ガスが閉塞部材に衝突することにより、貫通孔の径方向に拡散する。これにより、混合ガスが、確実に隔壁に向かって流れてゆく。したがって、混合ガスが、確実に燃料極、電解質、及び、空気極を通過するので、発電が確実に行われる。

また、上記の単室型固体酸化物形燃料電池は、支持体の外周に配置された燃焼触媒を更に備えることができる。このような構成によれば、混合ガスが隔壁を通過した後、燃焼触媒に接触することにより、熱エネルギーが発生する。これにより、単室型固体酸化物形燃料電池を高温に保つことができ、発電効率を上げることができる。

また、本発明に係る単室型固体酸化物形燃料電池スタックは、同軸方向に延びる複数の多孔質隔壁で仕切られることにより、同軸方向に延びる複数の貫通孔が形成されている絶縁性の支持体と、前記複数の多孔質隔壁の表面に配置された燃料極及び空気極の一方からなる第１の電極と、前記第１の電極の表面に配置された多孔質の電解質と、前記電解質の表面に配置された燃料極及び空気極の他方からなる第２の電極とを備える単室型固体酸化物形燃料電池を複数備え、前記第１の電極及び前記第２の電極のいずれか一方は、前記多孔質隔壁の軸方向一端部まで延びており、前記２つの電極における他方は、前記多孔質隔壁の軸方向他端部まで延びており、複数の前記単室型固体酸化物形燃料電池は、一端部と他端部とが互いに対向するように、前記貫通孔の軸方向に沿って配置されており、前記軸方向の一端に配置された前記単室型固体酸化物形燃料電池は、前記貫通孔を閉塞する閉塞部材を備え、隣接する前記単室型固体酸化物形燃料電池の間にそれぞれ配置され、前記第１の電極及び前記第２の電極を電気的に接続する少なくとも１つのインターコネクターとをさらに備える。

また、上記単室型固体酸化物形燃料電池スタックは、支持体の一端部において貫通孔を閉塞するガス非透過性の閉塞部材を更に備えることができる。また、支持体の外周に配置された燃焼触媒を更に備えることができる。また、インターコネクターをメッシュ状に形成することができる。

このような構成によれば、上述した単室型固体酸化物形燃料電池と同様の効果を得ることができる。さらに、複数の固体酸化物形燃料電池が接続されているため、高出力を得ることができる。

また、上記の単室型固体酸化物形燃料電池スタックにおいて、複数の前記単室型固体酸化物形燃料電池は、それぞれ、前記貫通孔の軸方向に直角な断面において、複数の前記貫通孔の総断面積が異なっていてもよい。さらに、複数の前記単室型固体酸化物形燃料電池は、前記軸方向の一方側から他方側に向かって、前記貫通孔の総断面積が順に大きくなるように配置されていてもよい。貫通孔の断面積とは、隔壁に第１の電極、電解質、及び、第２の電極が積層されることにより形成される空洞部分の断面積をいう。また、総断面積とは、１つの単室型固体酸化物形燃料電池における複数の貫通孔の断面積の総和をいう。

このような構成では、複数の単室型固体酸化物形燃料電池において、それぞれ、複数の貫通孔の総断面積が異なっているので、混合ガスが接触する電極の面積が相違する。これにより、各単室型固体酸化物形燃料電池における出力が相違する。すなわち、貫通孔の総断面積が相対的に小さい単室型固体酸化物形燃料電池では、電極面積が相対的に小さいので、出力を相対的に抑制することができる。一方、貫通孔の総断面積が相対的に大きい単室型固体酸化物形燃料電池では、電極面積が相対的に大きいので、出力を相対的に上げることができる。したがって、このような構成によれば、混合ガスを前記軸方向の一方側における単室型固体酸化物形燃料電池から供給することにより、濃度が高い状態の混合ガスを、出力が相対的に低い単室型固体酸化物形燃料電池に供給できる。そして、混合ガスの濃度が低くなった後に、この混合ガスを、出力が相対的に高い単室型固体酸化物形燃料電池に供給できる。これにより、混合ガスの濃度に応じて、単室型固体酸化物形燃料電池の出力を調整できるので、単室型固体酸化物形燃料電池スタック全体でバランス良く発電を行うことができる。そのため、単室型固体酸化物形燃料電池スタック全体の温度を均一にすることができるので、単室型固体酸化物形燃料電池の破壊を防止することができる。

上記単室型固体酸化物形燃料電池スタックにおいて、インターコネクターは種々の構造にすることができるが、例えば、メッシュ状に形成すると、混合ガスが透過するので、単室型固体酸化物形燃料電池の両端面の全面に配置することができる。そのため、集電効率が高くなり、高出力を得ることができる。

本発明によれば、単室型においても、スタックのセル段数を抑え、小型でありながら、高出力化が可能となる。

以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。まず、単一の単室型固体酸化物形燃料電池、すなわち、単セルについて説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る単室型固体酸化物形燃料電池（以下単に、燃料電池という）の斜視図である。図１における（ａ）は、燃料電池の一方面を手前に向けた状態の斜視図であり、（ｂ）は、燃料電池の他方面を手前に向けた状態の斜視図である。また、図２は、（ａ）図１におけるＸ−Ｘ断面図、及び、（ｂ）図１におけるＹ−Ｙ断面図である。

図１及び図２に示すように、燃料電池１は、絶縁性の支持体２を備えている。支持体２は、同軸方向に延びる複数の隔壁２０を備えている。複数の隔壁２０は、多孔質の材料から構成されており、格子状に配置されている。また、支持体２は、複数の隔壁２０で仕切られることにより形成された複数の貫通孔３を備えており、この貫通孔３は、隔壁２０と同軸方向に延びている。本実施形態では、支持体２は格子状に配置された４つの四角形状の貫通孔３を有している。

各隔壁２０の表面には、燃料極４（第１の電極）が配置されている。図２に示すように、燃料極４は、隔壁２０の側面を被覆しており、この側面から隔壁２０の一端部（図２（ａ）では、下端面）まで延びている。これにより、支持体２の一端面は、燃料極４により被覆され、燃料極４が露出した状態となっている。

燃料極４の表面には、多孔質の材料からなる電解質５が配置されている。図２に示すように、電解質５は、隔壁２０の側面側において燃料極４を被覆しており、そこから隔壁２０の他端部（図２（ａ）では、上端面）まで延びている。また、電解質５は、燃料極４と空気極６とが接触しないように、燃料極４の側面及び端部を被覆している。

電解質５の表面には、空気極６（第２の電極）が配置されている。図２に示すように、空気極６は、隔壁２０の側面側において電解質５を被覆しており、そこから隔壁２０の他端部（図２（ａ）では、上端面）まで延びている。これにより、支持体２の他端部は、空気極６により被覆され、空気極６が露出した状態となっている。

上述した隔壁２０、燃料極４、電解質５、及び、空気極６は、いずれも、ガス透過性を有している。

次に、複数の燃料電池を備える構成、すなわち、単室型固体酸化物形燃料電池スタックについて説明する。図３は、本発明の一実施形態に係る単室型固体酸化物形燃料電池スタック（以下単に、燃料電池スタックという）の斜視図である。図３では、燃料電池スタックの各構成を分かり易く示すために、各部材を離間させた状態で示している。また、図４は、図３のＸ−Ｘ断面図である。図４では、燃料電池スタックの各部材が結合した状態を示している。

図３及び図４に示すように、燃料電池スタック１０は、複数の燃料電池１（単セル）を接続することにより構成されている。複数の燃料電池１は、貫通孔３の軸方向に沿って並んで配置されており、隣接する燃料電池１の貫通孔３同士が連通するように配置されている。また、隣接する燃料電池１同士は、一方の燃料電池１の一端部に露出した燃料極４と、他方の燃料電池１の他端部に露出した空気極６とが互いに対向するように配置されている。図４に示す実施形態では、燃料電池１の端部に露出した燃料極４が右方向を向き、露出した空気極６が左方向を向くように配置されている。

隣接する燃料電池１の間にはインターコネクター７がそれぞれ配置されており、このインターコネクター７により隣接する燃料電池１同士が電気的に接続されている。より詳細には、インターコネクター７が、隣接する燃料電池１において、一方の燃料電池１の燃料極４と、他方の燃料電池１の空気極６とに接触している。複数の燃料電池１は、それぞれ直列に接続されている。インターコネクター７は、メッシュ状に形成されており、ガスが通過可能に構成されている。

複数の燃料電池１のうち、軸方向の一端部に配置された燃料電池１は、支持体２の一端部において貫通孔３を閉塞する閉塞部材１１を備えている。本実施形態では、図４において右端に配置された燃料電池１が閉塞部材１１を備えている。閉塞部材１１は、貫通孔３の一端を覆うように燃料電池１に固定されている。閉塞部材１１の固定は、図示しないシール材を用いてすることができる。

続いて、上記燃料電池を構成する材料について説明する。

支持体２の材料としては、絶縁性を有する材料であれば特に限定されず、例えば、アルミナ系材料、シリカ系材料、及び、ジルコニア系材料などのセラミックス材料を好ましく用いることができる。また、支持体２は、耐熱性を有することが好ましい。また、支持体２は、機械的強度を向上させる観点から、金属を上記のようなセラミックス材料で被覆することにより形成することもできる。この場合、金属としては、例えば、ＳＵＳを用いることができる。また、セラミックス材料の被覆は、例えば、溶射法等を用いて行うことができる。

電解質５の材料としては、単室型固体酸化物形燃料電池の電解質として公知のものを使用することができ、例えば、サマリウムやガドリニウム等をドープしたセリア系酸化物、ストロンチウムやマグネシウムをドープしたランタン・ガレード系酸化物、スカンジウムやイットリウムを含むジルコニア系酸化物などの酸素イオン伝導性セラミックス材料を用いることができる。また、電解質５は多孔質の材料から形成されている。

燃料極４及び空気極６は、セラミックス粉末材料により形成することができる。このとき用いられる粉末の平均粒径は、好ましくは１０ｎｍ〜１００μｍであり、さらに好ましくは５０ｎｍ〜５０μｍであり、特に好ましくは１００ｎｍ〜１０μｍである。なお、平均粒径は、例えば、ＪＩＳＺ８９０１にしたがって計測することができる。

燃料極４は、例えば、金属触媒と酸化物イオン導電体からなるセラミックス粉末材料との混合物を用いることができる。このとき用いられる金属触媒としては、ニッケル、鉄、コバルトや、貴金属（白金、ルテニウム、パラジウム等）等の還元性雰囲気中で安定で、水素酸化活性を有する材料を用いることができる。また、酸化物イオン導電体としては、蛍石型構造又はペロブスカイト型構造を有するものを好ましく用いることができる。蛍石型構造を有するものとしては、例えばサマリウムやガドリニウム等をドープしたセリア系酸化物、スカンジウムやイットリウムを含むジルコニア系酸化物などを挙げることができる。また、ペロブスカイト型構造を有するものとしてはストロンチウムやマグネシウムをドープしたランタン・ガレード系酸化物を挙げることができる。上記材料の中では、酸化物イオン導電体とニッケルとの混合物で、燃料極を形成することが好ましい。なお、酸化物イオン導電体からなるセラミックス材料とニッケルとの混合形態は、物理的な混合形態であってもよいし、ニッケルへの粉末修飾またはセラミックス材料へのニッケル修飾などの形態であってもよい。また、上述したセラミックス材料は、１種類を単独で、或いは２種類以上を混合して使用することができる。また、燃料極４は、金属触媒を単体で用いて構成することもできる。

空気極６を形成するセラミックス粉末材料としては、例えば、ペロブスカイト型構造等を有するＣｏ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｒ又はＭｎ等からなる金属酸化物を用いることができる。具体的には（Ｓｍ，Ｓｒ）ＣｏＯ_３，（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ_３，（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ_３，（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｆｅ，Ｃｏ）Ｏ_３，（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ）Ｏ_３などの酸化物が挙げられ、好ましくは、（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｆｅ，Ｃｏ）Ｏ_３である。上述したセラミックス材料は、１種を単独で、或いは２種以上を混合して使用することができる。

上記燃料極４、電解質５、及び、空気極６は、例えば、ウエットコ−ティング法によって形成することができる。ウエットコ−ティング法としては、スプレー法、ディスペンサーコート法、ディップコート法等が例示できる。その際、燃料極４、電解質５、及び、空気極６は、ペースト状にする必要があり、上述した材料を主成分として、さらにバインダー樹脂、有機溶媒などが適量加えられることにより形成される。より詳細には、上記主成分とバインダー樹脂との混合において、上記主成分が５０〜９５重量％となるように、バインダー樹脂等を加えることが好ましい。

インターコネクター７は、例えば、Ｐｔ，Ａｕ，Ａｇ，Ｎｉ，Ｃｕ，ステンレス系材料等の導電性金属材料，又はＬａ（Ｃｒ，Ｍｇ）Ｏ_３，（Ｌａ，Ｃａ）ＣｒＯ_３，（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｒＯ_３などのランタン・クロマイト系等の導電性金属酸化物材料によって形成することができ、これらのうちの１種を単独で使用してもよいし、２種以上を混合して使用してもよい。

閉塞部材１１の材質としては、ガス非透過性を有していれば特に限定されず、例えば、ＳＵＳのような金属材料や、アルミナ系材料、シリカ系材料、及び、ジルコニア系材料などのセラミックス材料を好ましく用いることができる。また、閉塞部材１１は、耐熱性を有することが好ましい。

閉塞部材１１を燃料電池１に固定するためのシール材の材質としては、ガス非透過性を有していれば特に限定されず、例えば、パイレックスガラス（「パイレックス」は登録商標）やソーダガラス等のガラス材や、セラミックスボンドを使用することができる。

次に、上述のように構成された燃料電池の製造方法の一例を説明する。まず、支持体２の製造方法について説明する。まず、上述した支持体２の粉末材料とバインダーを混練し、複数の四角形状の貫通孔３を形成されるように押し出し成形を行う。その後、押し出し成形したものを所定の温度で焼結することにより、支持体２を作成する。

続いて、燃料極ペースト、電解質ペースト、及び、空気極ペーストをそれぞれ準備する。そして、支持体２の外周面と、空気極６を形成する面にマスキングをした後、燃料極ペーストを収容した容器に支持体２を一端部から浸漬し、燃料極ペーストを支持体２の表面に塗布する。その後、所定時間、所定温度で乾燥・焼結して燃料極４を形成する。

次に、燃料極４が形成された支持体２を、電解質ペーストが収容された容器に他端部から浸漬し、電解質ペーストを燃料極４の表面に塗布する。このとき、電解質ペーストを塗布しない部分には、マスキングをすることが好ましい。その後、所定時間、所定温度で乾燥・焼結して電解質５を形成する。

次に、電解質５が形成された支持体２を、空気極ペーストが収容された容器に他端部から浸漬し、空気極ペーストを電解質５の表面に塗布する。このとき、空気極ペーストを塗布しない部分には、マスキングをすることが好ましい。その後、所定時間、所定温度で乾燥・焼結して空気極６を形成する。こうして、燃料電池が完成する。

上記のように構成された燃料電池、及び、燃料電池スタックでは、次のように発電が行われる。まず、図３及び図４に示すように、混合ガスＧを、燃料電池スタック１０の一端側（図４では、左側）から、左端の燃料電池１の貫通孔３に供給する。混合ガスＧは、水素、又はメタン、エタンなどの炭化水素からなる燃料ガスと、空気などの酸化剤ガスとを混合したものである。供給された混合ガスＧの一部は、貫通孔３の径方向に拡散し、図４において矢印で示すように、空気極６、電解質５、燃料極４、及び、隔壁２０を通過してゆく。そして、混合ガスＧの一部は隣接する貫通孔３に導入され、他の一部は燃料電池１の外部に流出する。この過程において、混合ガスＧが空気極６及び燃料極４で消費され、空気極６と燃料極４との間で、電解質１を介した酸素イオン伝導が起こり、発電が行われる。混合ガスＧは、空気極６で酸化剤ガスが消費された後、燃料極４に供給されるので、燃料極４では燃料ガスの割合が高くなっている。したがって、出力を高めることができる。

また、貫通孔３内の混合ガスＧの一部は、貫通孔３の軸方向に直進してゆき、メッシュ状のインターコネクター７を通過して、軸方向に隣接する貫通孔３に導入される。そして、上述と同様に、貫通孔３内の混合ガスＧの一部は、貫通孔３の径方向に拡散し、図４において矢印で示すように、空気極６、電解質５、燃料極４、及び、隔壁２０を通過してゆく。これにより、隣接する燃料電池１においても発電が行われる。また、貫通孔３の軸方向に流れる混合ガスＧは、最終的に閉塞部材１１に衝突することにより、貫通孔３の径方向に拡散してゆく。

本実施形態に係る燃料電池１及び燃料電池スタック１０によれば、上述のように、隔壁２０により複数の貫通孔３を形成し、隔壁２０に燃料極４、電解質５、及び、空気極６を形成しているので、隔壁２０及び貫通孔３の数を増やすことにより出力の向上が可能となる。また、貫通孔３を小さくすることで、燃料電池１及び燃料電池スタック１０の小型化を図ることができる。

また、閉塞部材１１を備えることにより、混合ガスＧがこの閉塞部材１１に衝突して貫通孔３の径方向に拡散するので、混合ガスＧを隔壁２０に向かって確実に流すことができる。これにより、発電を確実に行うことができる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明の具体的な態様は、上記実施形態に限定されるものではない。

例えば、本実施形態では、隔壁２０の表面に配置される第１の電極が、燃料極４によって構成されて、電解質５の表面に配置される第２の電極が、空気極６によって構成されていたが、この構成に限定されるものではなく、燃料極４及び空気極６の位置を入れ替えて配置してもよい。すなわち、空気極６（第１の電極）が隔壁２０の表面に配置され、燃料極４（第２の電極）が電解質５の表面に配置されていてもよい。

また、本実施形態では、支持体２の外形は直方体であったが、形状は適宜変更可能であり、円筒型、又は、五角形や六角形の筒状体などでもよい。さらに、貫通孔３も四角形状であったが、例えば、各開口の横断面形状が二等辺三角形、正三角形、正五角形、正六角形などでもよい。また、正三角形と正六角形などの相異なる形状の開口が隣接するような設計も可能である。また、貫通孔３の数は特に限定されるものではない。

また、貫通孔３の断面積は、適宜変更可能である。図５は、本発明の他の実施形態に係る燃料電池スタックの横断面図である。図５において、図４と同様の構成部分については、同一の符号を付して説明を省略する。また、図６は、（ａ）図５におけるＸ−Ｘ断面図、（ｂ）図５におけるＹ−Ｙ断面図、（ｃ）図５におけるＺ−Ｚ断面図である。図５及び図６では、貫通孔３の軸方向に沿って配置された複数の燃料電池のうち、軸方向一端側（図５及び図６では、左側）に配置された燃料電池を第１燃料電池ｃ１とし、他端側（図５及び図６では、右側）に配置された燃料電池を第３燃料電池ｃ３とし、それらの中間に配置された燃料電池を第２燃料電池ｃ２としている。

図５及び図６に示すように、第１燃料電池ｃ１、第２燃料電池ｃ２、及び、第３燃料電池ｃ３では、貫通孔３の断面積が異なっている。本明細書において、貫通孔３の断面積とは、隔壁２０に燃料極４、電解質５、及び、空気極６積層することにより形成される空洞部分の断面積をいう。すなわち、第２の電極（本実施形態では、空気極６）の内面より内側に形成される空洞部分の断面積をいう。

図６に示すように、第１燃料電池ｃ１では、貫通孔３の軸方向に直角な断面（図５のＸ−Ｘ断面）において、１つの貫通孔３が、断面積ｍ１を有している。また、第１燃料電池ｃ１は、４個の貫通孔３を備えているので、貫通孔３の軸方向に直角な断面における複数の貫通孔３の総断面積Ｍ１は、（１つの貫通孔３の断面積：ｍ１）×（貫通孔３の数：４）となる。

また、第２燃料電池ｃ２も同様に、貫通孔３の軸方向に直角な断面（図５のＹ−Ｙ断面）において、１つの貫通孔３が、断面積ｍ２を有している。また、貫通孔３の軸方向に直角な断面における複数の貫通孔３の総断面積Ｍ２は、（１つの貫通孔３の断面積：ｍ２）×（貫通孔３の数：４）となる。さらに、第３燃料電池ｃ３も同様に、貫通孔３の軸方向に直角な断面（図５のＺ−Ｚ断面）において、１つの貫通孔３が、断面積ｍ３を有している。また、貫通孔３の軸方向に直角な断面における複数の貫通孔３の総断面積Ｍ３は、（１つの貫通孔３の断面積：ｍ３）×（貫通孔３の数：４）となる。

第１燃料電池ｃ１、第２燃料電池ｃ２、及び、第３燃料電池ｃ３における貫通孔３の総断面積Ｍ１、Ｍ２、及び、Ｍ３は、この順で広くなっている。すなわち、Ｍ１＜Ｍ２＜Ｍ３である。

また、第１燃料電池ｃ１、第２燃料電池ｃ２、及び、第３燃料電池ｃ３は、貫通孔３の軸方向の一方側から他方側に向かって順に配置されている。すなわち、複数の燃料電池は、前記軸方向の一方側から他方側に向かって、貫通孔３の総断面積が順に大きくなるように配置されている。また、混合ガスＧは、第１燃料電池ｃ１から供給される。

このような構成によれば、第１燃料電池ｃ１、第２燃料電池ｃ２、及び、第３燃料電池ｃ３の順で貫通孔３の総断面積が大きくなるので、混合ガスＧが接触する電極の面積も順に大きくなる。これにより、第１燃料電池ｃ１では、第２燃料電池ｃ２、及び、第３燃料電池ｃ３に対して、混合ガスＧが接触する電極の面積を相対的に小さくすることができる。また、第２燃料電池ｃ２、及び、第３燃料電池ｃ３では、第１燃料電池ｃ１に対して、混合ガスＧが接触する電極の面積を相対的に順に大きくすることができる。したがって、混合ガスＧの上流側では、相対的に小さい電極面積で発電を行うことができ、下流側では、相対的に大きい電極面積で発電を行うことができる。これにより、混合ガスＧの濃度が高い上流側では、下流側に対して相対的に出力を抑制することができる。一方、濃度が低い下流側では、上流側に対して相対的に出力を高めることができる。このように、混合ガスＧの濃度に応じて相対的な出力を調整することができるので、燃料電池スタック１０全体でバランス良く発電を行うことができる。そのため、燃料電池スタック１０全体の温度を均一にすることができるので、燃料電池１の破壊を防止することができる。

また、図７は、本発明の更に他の実施形態に係る燃料電池スタックの横断面図である。燃料電池１は、図７に示すように、支持体２の外周に配置された燃焼触媒１２を備えていてもよい。燃焼触媒１２は、支持体２の外周面に塗布されている。燃焼触媒１２の材質としては、触媒表面で混合ガスＧを空気中の酸素と反応させて熱エネルギーを発生できるものが好ましく、具体的には、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｐｔ、Ｒｈ等の金属触媒が好ましい。これらの金属触媒は、アルミナ等の担体で担持した状態で用いることができる。この燃焼触媒１２は、例えば、スプレーコート法によって形成することができる。すなわち、まず、燃料電池１において燃焼触媒１２を形成しない部分にマスキングを施す。続いて、燃焼触媒ペーストを準備し、燃料電池１にスプレーにより、燃焼触媒ペーストを塗布する。燃焼触媒ペーストは、燃焼触媒１２の材料であるＰｔ等の粉末にバインダー、溶剤を混合することにより製造することができる。その後、所定時間、所定温度で乾燥・焼結して燃焼触媒１２を形成する。

このような構成によれば、混合ガスＧが隔壁２０を通過した後、燃焼触媒１２に接触することにより、熱エネルギーが発生する。これにより、燃料電池１を高温に保つことができ、発電効率を上げることができる。

本発明の一実施形態に係る単室型固体酸化物形燃料電池の斜視図である。 （ａ）図１におけるＸ−Ｘ断面図、及び、（ｂ）図１におけるＹ−Ｙ断面図である。 本発明の一実施形態に係る燃料電池スタックの斜視図である。 本発明の一実施形態に係る燃料電池スタックの断面図である。 本発明の他の実施形態に係る燃料電池スタックの断面図である。 （ａ）図５におけるＸ−Ｘ断面図、（ｂ）図５におけるＹ−Ｙ断面図、（ｃ）図５におけるＺ−Ｚ断面図である。 本発明の更に他の実施形態に係る燃料電池スタックの斜視図である。

符号の説明

Ｇ 混合ガス
１ 単室型固体酸化物形燃料電池
２ 支持体
３ 貫通孔
４ 燃料極
５ 電解質
６ 空気極
７ インターコネクター
１１ 閉塞部材
１２ 燃焼触媒
２０ 隔壁

Claims (6)

1. 同軸方向に延びる複数の多孔質隔壁で仕切られることにより、同軸方向に延びる複数の貫通孔が形成されている絶縁性の支持体と、
   前記複数の多孔質隔壁の表面に配置された燃料極及び空気極の一方からなる第１の電極と、
   前記第１の電極の表面に配置された多孔質の電解質と、
   前記電解質の表面に配置された燃料極及び空気極の他方からなる第２の電極とを備え、燃料ガスと酸化剤ガスとの混合ガスで発電する単室型固体酸化物形燃料電池。
2. 前記支持体の一端部において前記貫通孔を閉塞するガス非透過性の閉塞部材を更に備える、請求項１に記載の単室型固体酸化物形燃料電池。
3. 前記支持体の外周に配置された燃焼触媒を更に備える、請求項１又は２に記載の単室型固体酸化物形燃料電池。
4. 同軸方向に延びる複数の多孔質隔壁で仕切られることにより、同軸方向に延びる複数の貫通孔が形成されている絶縁性の支持体と、前記複数の多孔質隔壁の表面に配置された燃料極及び空気極の一方からなる第１の電極と、前記第１の電極の表面に配置された多孔質の電解質と、前記電解質の表面に配置された燃料極及び空気極の他方からなる第２の電極とを備える単室型固体酸化物形燃料電池を複数備え、
   前記第１の電極及び前記第２の電極のいずれか一方は、前記多孔質隔壁の軸方向一端部まで延びており、前記２つの電極における他方は、前記多孔質隔壁の軸方向他端部まで延びており、
   複数の前記単室型固体酸化物形燃料電池は、一端部と他端部とが互いに対向するように、前記貫通孔の軸方向に沿って配置されており、
   隣接する前記単室型固体酸化物形燃料電池の間にそれぞれ配置され、前記第１の電極及び前記第２の電極を電気的に接続する少なくとも１つのインターコネクターをさらに備える、単室型固体酸化物形燃料電池スタック。
5. 複数の前記単室型固体酸化物形燃料電池は、それぞれ、前記貫通孔の軸方向に直角な断面において、複数の前記貫通孔の総断面積が異なっており、かつ、前記軸方向の一方側から他方側に向かって、前記貫通孔の総断面積が順に大きくなるように配置されている、請求項４に記載の単室型固体酸化物形燃料電池スタック。
6. 前記インターコネクターは、メッシュ状に形成されている、請求項４又は５に記載の単室型固体酸化物形燃料電池スタック。

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