JP4236298B2

JP4236298B2 - ハニカム一体構造の固体電解質型燃料電池

Info

Publication number: JP4236298B2
Application number: JP10296098A
Authority: JP
Inventors: 安伸水谷; 雅之河合
Original assignee: Toho Gas Co Ltd
Current assignee: Toho Gas Co Ltd
Priority date: 1998-04-14
Filing date: 1998-04-14
Publication date: 2009-03-11
Anticipated expiration: 2018-04-14
Also published as: JPH11297344A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ハニカム一体構造の固体電解質型燃料電池に関し、さらに詳しくは、断面多角形状をした多数のハニカムチャネルが縦横に列設されるハニカム構造体を固体電解質材料により一体的に形成し、各ハニカムチャネル内壁面に燃料極、空気極を設けるようにしたハニカム一体構造の固体電解質型燃料電池（以下、「ＳＯＦＣ」と称する）に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）は、電解質材料としてリン酸水溶液や溶融炭酸塩等といった液体状材料の代わりにイオン導電性を有する固体材料が用いられたものであり、他の燃料電池に比べて発電効率がよく、排熱温度が高いという特性を有している。これによれば、効率的な利用が可能な発電システムを構築できるため、固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）は、近年特に注目を浴びている。
【０００３】
このＳＯＦＣの構造としては、単電池を多数積層した積層構造が一般的であるが、これは各単電池の電圧が１Ｖ以下と低いためである。したがって、ＳＯＦＣを実用化するためには、各単電池が複数直列に接続された積層構造にする必要があるが、さらに電池を大容量化するためには、積層段数を増やす他、多数の電池を並列に接続して集積化することが必要になる。この集積構造としては、平板型ＳＯＦＣ及び円筒型ＳＯＦＣが周知の技術としてよく知られている。
【０００４】
このうち、平板型ＳＯＦＣは、一般的に図１２に示す全体構造を有しており、このＳＯＦＣを構成する各単電池の構造としては、イットリア安定化ジルコニア（Ｙ_２Ｏ_３ＳｔａｂｉｌｉｚｅｄＺｒＯ_２）材料あるいはスカンジア安定化ジルコニア（Ｓｃ_２Ｏ_３ＳｔａｂｉｌｉｚｅｄＺｒＯ_２）材料による固体電解質板１００の両面にニッケル−サーメット系材料による燃料極１０２及びランタンストロンチウムマンガナイト系材料による空気極１０４の薄膜がコーティングされた単電池１０６がランタンクロマイト系セラミックス材料もしくは耐熱金属材料によるセパレータ１０８を介して積層された多層構造のものが良好な導電機能を有するものとして既に提案されている。
【０００５】
そしてこの多層構造を利用して大容量の燃料電池を得るには、さらに多数の単電池及びこれらの単電池を積層するための電気的な接続部材（平板型ＳＯＦＣではセパレータ、円筒型ＳＯＦＣではＮｉフェルトが用いられている）が必要になる。
【０００６】
しかしながら、このように従来一般に知られる積層タイプのＳＯＦＣでは単電池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、コストアップにつながるという欠点がある。また、平板型ＳＯＦＣの場合、各単電池の接続部材（セパレータ）にガス通路が設けられるがその形状は複雑なため、製造工程にコストがかかり、結果としてセパレータが高価になるという問題がある。また、円筒型ＳＯＦＣの場合、各単電池は電気化学蒸着（ＥＶＤ）等の高価な薄膜製造プロセスにより製造されるため、単電池そのものが極めて高価なものになるという問題がある。
【０００７】
さらに、上述の平板型ＳＯＦＣにあってはセパレータのガス通路が複雑になると、圧力損失が大きくなる上、各単電池がジルコニアの薄板により形成されるため、構造強度が弱くなってしまう。また、円筒型ＳＯＦＣにあっては各単電池が多孔質空気極の円筒により形成されるため、やはり構造強度が弱くなってしまう。加えて、平板型／円筒型ＳＯＦＣの各単電池間の電気的接続は接触のみであるため、この接触抵抗による電力ロスが大きく、また、長期的にはこの部分での信頼性が低下するという問題も指摘されている。
【０００８】
また、平板型ＳＯＦＣの場合、積層構造にする製造上の都合から、各単電池とその接続部材（セパレータ）の熱膨張係数を一致させる必要があるとともに、ガスシールが難しいという欠点がある。
【０００９】
そこで、多数の単電池をより効率的に集積する構造として、各単電池間に接続部材を介設することなくハニカム構造体としたものが特公昭６０−２３３０１号公報に開示されている。このハニカム構造体は、ハニカム形状の固体電解質材料による各隔壁の両面に電極が設けられるとともに、各隔壁によって区切られた各空間をそれぞれ陽極層又は陰極層として機能させることにより所望の容量が得られるようにしたものである。
【００１０】
しかしながら、この特公昭６０−２３３０１号公報に開示されたハニカム構造体によれば、各隔壁によって交互に配置される陽極層と陰極層とを電気的に接続する接続部材に相当する構成部材が介設されていないため、個々に独立して隣接するはずの各単位電池の同極層同士がその間にある異極層に対して該同極の機能をもって作用するという不都合が発生することがある。そうするとその同極層同士は互いに電流が反対方向に流れるように機能することになり、結果として所望の電流及び電圧が取り出せなくなるという問題が発生する。また、端部で電気的接続を行った場合には、電流経路が長くなるため、高い発電性能は期待できない。
【００１１】
そこで、上述のような問題を解決するために、本願発明者は、特願平８−３５４８４８号において、断面多角形状をした多数のハニカムチャネルが縦横に列設されるハニカム構造体を固体電解質材料により一体的に形成すると共に、ハニカムチャネル内壁面に燃料極が設けられた燃料極チャネル列と、ハニカムチャネル内壁面に空気極が設けられた空気極チャネル列と、ハニカムチャネル内壁面にセパレータ（インターコネクタ）が設けられたセパレータ（インターコネクタ）チャネル列とを順次積層状に形成した固体電解質型燃料電池を提案している。
【００１２】
特願平８−３５４８４８号に開示された方法によれば、各単位電池は、セパレータチャネルで電気的に連結されるので、各単位電池を白金等の電極により連結する必要がなくなり、各単位電池の同極層同士がその間にある異極層に対して該同極の機能をもって作用するという不都合や、電流経路が長くなることに起因する発電性能の低下という不都合を回避できるものである。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ハニカム構造体の内壁面に単に燃料極、空気極、及びセパレータ材をコーティングし、燃料極チャネル列と、空気極チャネル列と、セパレータチャネル列とを縦方向に順次積層状に形成した固体電解質型燃料電池では、電池として動作するのは、燃料極チャネル列と空気極チャネル列とを仕切る横方向の隔壁のみとなるので、電池の有効面積が小さくなり、発電性能が低いという問題がある。
【００１４】
本発明の解決しようとする課題は、ハニカムチャネル内壁面に燃料極が設けられた燃料極チャネルと、ハニカムチャネル内壁面に空気極が設けられた空気極チャネルとを形成したハニカム一体構造の固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）において、横方向の隔壁及び縦方向の隔壁の全てを電池として動作させることにより、有効面積を増大させ、発電性能の高いハニカム一体構造の固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するために本発明に係るハニカム一体構造の固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）は、断面多角形状をした多数のハニカムチャネルが縦横に列設されるハニカム構造体を固体電解質材料により一体的に形成し、該ハニカム構造体のハニカムチャネル内壁面に燃料極が設けられた燃料極チャネルとハニカムチャネル内壁面に空気極が設けられた空気極チャネルとを隔壁を介して互いに隣り合うように交互に配設し、該ハニカム構造体の一方の開口端面には、各燃料極を電気的に結合し、該ハニカム構造体の他方の開口端面には、各空気極を電気的に結合したことを要旨とするものである。
【００１６】
その場合に前記固体電解質材料としては、従来一般に知られるイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）の他、本願出願人による特開平７−６７７４号公報等に示されるスカンジア安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ）やセリア（ＣｅＯ_２）等を適用することが最適である。また、前記ハニカム一体構造は、このジルコニア（ＺｒＯ_２）を押し出し成形することにより成形される断面多角形状をした多数のハニカムチャネルが一体的に成形されたジルコニアハニカム成形体とされた後、焼成処理を経てジルコニアハニカムとして得られるものである。
【００１７】
この場合に、押し出し成形により一体的に形成される多数のハニカムチャネルの断面多角形状は、三角形、四角形、六角形その他任意の形状からなるものである。例えば、四角形のハニカムチャネルが縦横に列設され、燃料極チャネル及び空気極チャネルが、ハニカム構造体の隔壁を介して互いに隣り合うように交互に配列したもの、あるいは三角形のハニカムチャネルを縦横に列設し、三角形の各辺を介して燃料極チャネルと空気極チャネルが隣り合うように、交互に列設したものなどが例として挙げられる。各ハニカムチャネルの断面形状が正方形である場合には、各ハニカムチャネルを斜め格子状とし、燃料極チャネル及び空気極チャネルを対角線方向に交互に設けた形態のものも挙げられる。
【００１８】
また、前記ハニカム構造体の一方の開口端面には燃料極側電極を設け、前記ハニカム構造体に形成された前記各燃料極と燃料極側電極とを電気的に結合し、さらに、前記ハニカム構造体の他方の開口端面には空気極側電極を設け、前記ハニカム構造体に形成された前記各空気極と空気極側電極とを電気的に結合するとよい。このように構成することにより、各単位電池が並列接続されると共に、ＳＯＦＣで発電された電気を、ハニカムチャネルの両端から取り出すことが可能となる。
【００１９】
さらに、前記ハニカム構造体の押し出し方向の厚さは、５ｃｍ以下であることが望ましい。ハニカム構造体の厚さが５ｃｍを越えると、電流経路が長くなり、固体電解質型燃料電池の内部抵抗が増加し、発電性能が低下するので好ましくない。また、開回路電圧の高い固体電解質型燃料電池とするには、上記のように構成されたハニカム一体構造体の固体電解質型燃料電池を押し出し方向に積層すればよい。
【００２０】
そしてこのジルコニアハニカム構造体の燃料極チャネル、及び空気極チャネルは、その一例として次のような手法により形成される。すなわち、燃料極チャネルの形成に際しては、空気極チャネルのチャネル孔をシールして塞ぎ、さらにチャネル孔の他端をロウ等で被覆しておいて、燃料極を形成するハニカムチャネルの内壁面にニッケル−イットリア安定化ジルコニア（Ｎｉ−ＹＳＺ）のスラリーを流すか、このスラリー材料中に浸漬してハニカムチャネルの内壁面、及びチャネル孔の一端にそのスラリーを付着させる。そしてそのスラリーを乾燥させた後、焼成することにより燃料極チャネル、及び燃料極側電極が形成される。
【００２１】
また、空気極チャネルの形成に際しては、同様に燃料極チャネルのチャネル孔を塞ぎ、さらに、チャネル孔の一端をロウ等で被覆しておいて、空気極を形成するハニカムチャネルの内壁面、及びチャネル孔の他端にランタンストロンチウムマンガナイト（Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＭｎＯ_３：ｘ＝０．１〜０．４）のスラリーを流す等して付着させ、乾燥・焼成により形成される。なお、焼成は最後に一度に行うようにしてもよい。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な一実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施の形態に係るハニカム一体構造の固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の外観斜視図である。
【００２３】
同図に示すＳＯＦＣ１０は、固体電解質材料であるイットリア安定化ジルコニア（Ｙ_２Ｏ_３ＳｔａｂｉｌｉｚｅｄＺｒＯ_２）あるいはスカンジア安定化ジルコニア（Ｓｃ_２Ｏ_３ＳｔａｂｉｌｉｚｅｄＺｒＯ_２）材料による押し出し成形処理、焼成処理を経て一体的に形成されたジルコニアハニカム構造体に、後述する燃料極及び空気極が設けられることにより形成されるものである。
【００２４】
これによりこのＳＯＦＣ１０は、断面四角形状をした両端が開放される多数のハニカムチャネル１２，１２…が縦横に列設された構造になっている。ハニカム構造体の肉厚は、押出成形により薄肉化が可能となり、０．１ｍｍ〜０．３ｍｍの厚みとなっている。
【００２５】
そしてこのジルコニアハニカム構造体には、横方向に燃料極チャネル１４、１４…と空気極チャネル１６、１６…とが交互に配置され、また、縦方向にも燃料極チャネル１４、１４…と空気極チャネル１６、１６…とが交互に配置された構成となっている。同図においては、ハニカムチャネル１２，１２…が縦に１１個、横に１０個配置された構造が示されている。
【００２６】
まず、燃料極チャネル１４，１４…は、ハニカムチャネル内壁面２０，２０…に燃料極（アノード：−極）としてニッケル−イットリア安定化ジルコニア（Ｎｉ−ＹＳＺ）のスラリーがコーティングされてなるものであり、このコーティングが施されたハニカムチャネル内壁面２０，２０…により形成される断面四角形状の空間は、水素（Ｈ_２）ガスが流れる燃料ガス流路２２，２２…としての機能を有している。
【００２７】
空気極チャネル１６，１６…は、ハニカムチャネル内壁面２０，２０…に空気極（カソード：＋極）としてランタンストロンチウムマンガナイト（Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＭｎＯ_３：ｘ＝０．１〜０．４）のスラリーがコーティングされてなるものであり、このコーティングが施されたハニカムチャネル内壁面２０，２０…により形成される断面四角形状の空間は、空気が流れる空気流路２４，２４…としての機能を有している。
【００２８】
図２は、図１に示したハニカム一体構造の固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の正面拡大図であり、燃料極チャネル１４，１４…、空気極チャネル１６，１６…、ハニカムチャネル内壁面２０，２０…、燃料ガス流路２２，２２…及び空気流路２４，２４…等が拡大して示されている。このように構成することにより、ハニカム構造体の全ての隔壁を電池として使用できるので、横方向の隔壁のみが電池として動作する従来の固体電解質型燃料電池と比較して、有効面積が６倍になる。よって、反応面積が増大し、電池を大面積化したのと同じ効果が得られ、発電性能を向上させることができる。
【００２９】
図３は、図１に示したハニカム一体構造の固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の側面断面図であり、燃料極チャネル１４，１４…と空気極チャネル１６，１６…とが、縦方向に交互に並んでいる状態を示してる。各燃料極チャネル１４、１４…の内壁面には、燃料極がコーティングされていると共に、固体電解質材料（ジルコニア）１１で囲まれたハニカムチャネルの一方の開口端面にも燃料極と同一の材料がコーティングされ、この部分が燃料極側電極（−極）１４ａとなっている。また、各燃料極は、燃料極側電極（−極）１４ａにより一体的に連結された構造になっている。
【００３０】
同様に、各空気極チャネル１６、１６…の内壁面には、空気極がコーティングされていると共に、固体電解質材料１１で囲まれたハニカムチャネルの他方の開口端面にも空気極と同一の材料がコーティングされ、この部分が空気極側電極（＋極）１６ａとなっている。また、各空気極は、空気極側電極（＋極）１６ａにより一体的に連結された構造になっている。
【００３１】
そのため、図１に示す構造では、各燃料極チャネル１４、１４…と各空気極チャネル１６、１６…との間の隔壁に形成される単位電池が並列接続されている構造になっている。従って、ハニカム構造体１つでは積層電池にはならないため、積層する場合には、図４に示すように、異極同士が隣り合うように、各ハニカム構造体を押し出し方向に積層させればよい。
【００３２】
なお、１つのハニカム構造体の厚さＤが大きくなると、電流の流れる経路が長くなり、内部抵抗が大きくなるので、ハニカム構造体の厚さＤを小さくした方が体積当たりの発電性能は高くなる。具体的には、ハニカム構造体の厚さＤは、５ｃｍ以内とすることが好ましく、１ｃｍ以下が特に好適である。
【００３３】
また、ＳＯＦＣ１０の界面抵抗を減少させるためには、燃料極チャネル１４、１４…、及び空気極チャネル１６、１６…の内壁に、パラジクロロアンミン白金等の白金錯体水溶液を利用して白金（Ｐｔ）薄膜を予めコーティングすればよい。
【００３４】
このような構成を有するＳＯＦＣ１０の製造方法について説明する。まず、このＳＯＦＣ１０に供される固体電解質材料の製造方法について説明すると、初めにその主材料であるジルコニア（ＺｒＯ_２）の粉末粒子と安定化材料であるイットリア（Ｙ_２Ｏ_３）の粉末粒子とを適当な配合比率で混合する。この混合粉末の平均粒径は３μｍ程度である。また、ジルコニア・イットリアの混合粉末を調整する方法として、ゾルゲル法や共沈法などの液相製造プロセスを適用すれば不純物が少なく、均一な混合粉末を得ることができる。
【００３５】
次にこの混合粉末に成形用バインダーを添加し、焼成後の断面が１０ｃｍ×１０ｃｍ程度の大きさを有し、長さが１ｃｍ程度となる直方体に成形し、その直方体の断面に四角形状をした多数のハニカムチャネル１２，１２…が両端開放状態で形成されるように押し出し成形する。このハニカムチャネル１２，１２…は、ハニカムチャネル間の壁の肉厚が上述と同様に焼成後に０．１〜０．３ｍｍ程度になるように成形される。
【００３６】
そしてこのジルコニアハニカム成形体を１５００℃〜１７００℃の温度で焼成すれば、イットリア（Ｙ_２Ｏ_３）がジルコニア（ＺｒＯ_２）中に固溶化されたイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）材料から成るジルコニアハニカムが得られる。
【００３７】
次にこのジルコニアハニカムに燃料極及び空気極、並びに燃料極側電極及び空気極側電極を形成するに当たっては、いわゆるスラリーコーティング法が採られる。すなわち、燃料極チャネル１４，１４…及び燃料極側電極１４ａの形成に際しては、空気極チャネルのチャネル孔をシールして塞いでおいて、燃料極を形成するハニカムチャネルの内壁面及びハニカムチャネルの一端面にニッケル（Ｎｉ）４０重量％−ジルコニア（ＺｒＯ_２）６０重量％のニッケル−イットリア安定化ジルコニア（Ｎｉ−ＹＳＺ）粉末を泥状にしたスラリーを５０μｍ程度の厚さになるように流すか、このスラリー材料中に浸漬してハニカムチャネルの内壁面及びハニカムチャネルの一端面にそのスラリーをやはりその厚さが５０μｍ程度になるように付着させる。そしてそのスラリーを乾燥させた後、１２００℃〜１４００℃の温度で焼成することにより燃料極側電極１４ａに一体的に連結された燃料極チャネル１４，１４…が形成される。
【００３８】
また、空気極チャネル１６，１６…及び空気極側電極１６ａの形成に際しては、同様に燃料極チャネルのチャネル孔を塞ぎ、空気極を形成するハニカムチャネルの内壁面及びハニカムチャネルの他端面にランタンストロンチウムマンガナイト（Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＭｎＯ_３：ｘ＝０．１〜０．４）のスラリーをその厚さが５０μｍ程度になるように流して付着させる。そして、それを乾燥し、１１５０℃〜１２００℃程度の温度で焼成すれば、空気極側電極１６ａに一体的に連結された空気極チャネル１６，１６…が形成される。尚、空気極の材料の配合比率としては、ランタン９０〜６０モル％に対し、ストロンチウム１０〜４０モル％程度とするのが適当である。
【００３９】
尚、焼成は、焼成温度の高い順序、すなわち、燃料極チャネル１４、１４…、及び空気極チャネル１６、１６…の順に行うようにすることが望ましいが、各チャネル列の内壁面に塗布する材料の組成によっては、予め全てのチャネル列にスラリーを塗布した後、最後に一度に行うようにしてもよい。
【００４０】
また、安定化材料としてスカンジウム（Ｓｃ）の粉末粒子を適用する場合には、特開平７−６７７４号公報に開示されているようにジルコニア（ＺｒＯ_２）とスカンジア（Ｓｃ_２Ｏ_３）とを、スカンジア（Ｓｃ_２Ｏ_３）の配合比率が８〜１５モル％になるように調整すればよい。
【００４１】
図５は、図１及び図２に示したハニカム一体構造のＳＯＦＣ１０が実際に燃料電池として使用されるときのその全体構成を示す分解斜視図である。同図に示すようにＳＯＦＣ１０は、上述のハニカム構造体の開放両端にそれぞれ押え板２６ａ，２６ｂを介して燃料ガスを排出し、かつ空気を供給するガス供給板２８ａと、燃料ガスを供給し、かつ空気を排出するガス供給板２８ｂが設けられ、逆方向から燃料ガス及び空気を供給するようになっている。
【００４２】
そして、押え板２６ａには、図６に示すように燃料ガス排出孔３０，３０…及び空気導入孔３２，３２…が、また、押え板２６ｂには、燃料ガス導入孔４２，４２…及び空気排出孔４４，４４…が、それぞれ図１に示したハニカム構造体の燃料極チャネル１４，１４…及び空気極チャネル１６，１６…に対応して交互に設けられている。
【００４３】
そして空気供給板２８ａには、このＳＯＦＣ１０に導入された燃料ガス（Ｈ_２）を排出するための燃料ガス排出管３４と、このＳＯＦＣ１０に空気ガス（Ａｉｒ）を導入するための空気導入管３６が取り付けられる。また、燃料供給板２８ｂには、このＳＯＦＣ１０に燃料ガス（Ｈ_２）を導入するための燃料ガス導入管３８と、このＳＯＦＣ１０に導入された空気を排出するための空気排出管４０がそれぞれ設けられている。
【００４４】
すなわち、前記燃料ガス排出孔３０，３０…は、各燃料極チャネル１４，１４…の燃料ガス流路２２，２２…に連通して設けられ、また、空気導入孔３２，３２…は、各空気極チャネル列１６，１６…の空気流路２４，２４…に連通して設けられている。同様にして、押え板２６ｂには、燃料ガス導入孔４２，４２…と空気排出孔４４，４４…とが各々燃料ガス流路２２，２２…と空気流路２４，２４…とに連通して設けられている。
【００４５】
また空気供給板２８ａには、図７に示すように、櫛歯状の燃料ガス排出路４６が斜めに設けられており、これは、燃料ガス流路２２，２２…から燃料ガス排出孔３０，３０…を介して燃料ガス排出管３４へ反応後のガスを排出するものである。また、このガス供給板２８ａには前記燃料ガス供給路４６と同様に、やはり櫛歯状の空気供給路４８が斜め設けられており、これにより、空気導入管３６を介して導入される空気が空気導入孔３２，３２…を介して各空気極チャネル１６，１６…内に形成される空気流路２４，２４…へ供給されるようになっている。
【００４６】
また、燃料供給板２８ｂには、同様に、燃料ガス導入管３８を介して導入される燃料ガス（Ｈ_２）を燃料ガス導入孔４２，４２…を介して各燃料極チャネル１４，１４…内に形成される燃料ガス流路２２，２２…へ供給する櫛歯状の燃料ガス供給路５０が斜めに設けられるとともに、空気流路２４，２４…から空気排出孔４４，４４…を介して空気排出管４０へ反応後の空気を排出するやはり櫛歯状の空気排出路５２が斜め設けられており、これにより、空気導入管３６や燃料ガス導入管３８を介して導入された空気や燃料ガスの反応後の各ガスが空気排出管４０及び燃料ガス排出管３４から排出されるようになっている。
【００４７】
したがって、空気導入管３６、空気供給路４８、空気導入孔３２、空気流路２４，２４…、空気排出孔４４，４４…、空気排出路５２、空気排出管４０は連通して設けられて空気流路を構成することになり、一方、燃料ガス導入管３８、燃料ガス供給路５０、燃料ガス導入孔４２，４２…、燃料ガス流路２２，２２…、燃料ガス排出孔３０，３０…、燃料ガス排出路４６、燃料ガス排出管３４もやはり連通して設けられて燃料ガス流路を構成することになる。
【００４８】
そして実際に使用される際には、例えば、図５に矢示するＡ方向に電流が取り出されることになるが、この場合にはＳＯＦＣ１０の両端に位置する押え板２６ａが、空気極側電極１６ａと接して正極となり、押さえ板２６ｂが、燃料極側電極１４ａと接して負極となる。
【００４９】
上記した構成において、固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の発電メカニズムは次の通りである。すなわち、空気導入管３６から導入される空気が空気供給路４８、空気導入孔３２，３２…を経てＳＯＦＣ１０の空気極チャネル１６，１６…の空気極（Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＯ_３）と接触すると、その空気極チャネル１６，１６…で酸素イオン（Ｏ^２−）が生成される。
【００５０】
そうするとこの空気極チャネル１６，１６…の空気極で発生した酸素イオン（Ｏ^２−）が対応する燃料極チャネル１４，１４…の対応するハニカムチャネル内の燃料極に向けてハニカムチャネル１２，１２…の壁内部を移動し、その対応する燃料極チャネル１４，１４…の燃料極に到達する。
【００５１】
一方、燃料極チャネル１４，１４…の燃料ガス流路２２，２２…には、やはり、燃料ガス導入管３８から導入される水素ガス（Ｈ_２）が燃料供給板２８ｂの燃料ガス供給路５０を経て流れているので、空気極チャネル１６，１６…から移動してきた酸素イオン（Ｏ^２−）がその水素ガス（Ｈ_２）と反応して水蒸気（Ｈ_２Ｏ）となり、電子が放出される。これにより発電状態が得られる。そして反応後の空気及び燃料ガスは、各々空気排出管４０及び燃料ガス排出管３４を通って排出される。
【００５２】
図８は、上述のハニカム一体構造の固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）を適用した２ｋＷモジュールの分解斜視図であり、断面四角形状のＳＯＦＣ１０（１０ｃｍ×１０ｃｍ×１ｃｍ）を１０層に積層したもの（１０ｃｍ×１０ｃｍ×１０ｃｍ）が４つ組み合わされて構成されている。その出力電力は１つ当り５００Ｗであり、図１に示したものと同様な発電メカニズムによって発電状態が得られるものである。図８に示すようにＳＯＦＣ１０の押し出し方向の両端面には、空気極側電極１６ａ（＋極）及び燃料極側電極１４ｂ（−極）が設けられており、発電された電気は、同図においてＳＯＦＣ１０の下部に図示する部材及び上部に図示する部材を端子として、例えば矢示するＢ方向に取り出されるようになっている。
【００５３】
すなわち、同図においてＳＯＦＣ１０の下部に図示する部材には燃料ガス排出路４６や空気供給路４８の他、空気導入管３６や燃料ガス排出管３４等が設けられ、上述した押え板２６ａと空気供給板２８ａとを組み合わせたような構成になっている。さらに、ＳＯＦＣ１０の上部に図示する部材には、空気排出管４０や燃料ガス導入管３８の他、図示せぬ燃料ガス供給路５０や空気排出路５２等が設けられ、上述した押え板２６ｂと燃料供給板２８ｂとを組み合わせたような構成になっている。
【００５４】
ＳＯＦＣ１０を適用してさらに大容量の電力を得るには、図９に示すように、図８に示した２ｋＷモジュールを空気／燃料ガス流路に沿った方向に５つ積層して１０ｋＷモジュールとし、これにより得られた１０ｋＷモジュールを積層した方向の大きさが変わらないように４つ組み合わせてさらに大きな断面四角形状を呈する構成にする。各モジュールを組み合わせる際にはブスバー５８等の各種の接続部材を用いたり、空気導入管３６や空気排出管４０に接続部材としての機能をもたせるようにすることができる。
【００５５】
次に、本発明の他のハニカム構造の断面形態についての実施例について図１０及び図１１を参照して説明する。これら図１０及び図１１に示されるハニカム一体構造は、いずれも図１に示したものと同様に押し出し成形処理及び焼成処理を経て一体的に成形されるものである。
【００５６】
図１０に示したものは断面多角形状として三角形にしたものの例である。この場合、三角形の各辺を介して、燃料極チャネル１４、１４…と空気極チャネル１６、１６が隣り合うように交互に配列されており、ジルコニアハニカム構造体の全ての隔壁が単電池を構成しているものである。
【００５７】
図１１に示したものは断面多角形状として斜め格子状の正方形状にしたものの例である。この場合は、図１に示したものと同様、燃料極チャネル１４，１４…と、空気極チャネル１６，１６…とがジルコニアハニカム構造体の隔壁を介して互いに隣り合うように交互に配列しており、ジルコニアハニカム構造体の全ての隔壁が単電池を構成している。
【００５８】
さらに、図１０及び図１１に示したＳＯＦＣは、図１に示したものと同様、押し出し方向の両端面にそれぞれ空気極側電極及び燃料極側電極が設けられ、ハニカムチャネルの両端から発電した電気を取り出せるようになっている。そして、大電圧を確保するためには、図１０又は図１１に示すハニカム構造体を押し出し方向に積層すればよい点も、図１に示す例と同様である。
【００５９】
また、ハニカムチャネルの形状は、六角形でもよい。この場合、形状の性質上、全ての燃料極チャネル１４、１４…と空気極チャネル１６、１６…とを「交互」に配置することはできないが、例えば、正三角形の頂点に位置するハニカムチャネルを燃料極チャネル１４、１４…とし、その他の部分を全て空気極チャネル１６、１６…とすればよい（図示せず）。このようにすれば、ジルコニアハニカム構造体の各隔壁の内、空気極チャネル１６、１６…同士が隣り合う部分以外の隔壁は、全て単電池を構成することになる。
【００６０】
以上本発明の実施の形態について説明したが、上述のように、燃料極チャネルと空気極チャネルを交互に配列することにより全ての隔壁を電池として利用できるので、有効面積が増大し、発電性能が向上する。また、セパレータチャネルが不要となるので、単位体積当たりの出力密度を向上させることができる。しかも、ハニカム構造体は単一材料で一体的に構成されているため、積層電池内に他材料からなる構成部材の接触部が必要なくなり、接触抵抗による電力ロスが少なくなる。また、各積層電池内の燃料ガス流路や空気流路は、直線状の流路になるから圧力損失が少なくなるという利点がある。
【００６１】
さらに、固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）自体は、多数のハニカムチャネルから構成される薄肉の構造体であるが、単一材料で一体的に構成されることが極めて高い構造強度に寄与している。このため、セリア（ＣｅＯ_２）などのように比較的強度が低い材料でも信頼性が高い構造体が形成される。また、ガスシール特性に関しては、燃料ガス流路や空気流路に沿った内壁面は外雰囲気に対して完全にガスシールが実現されるからガスシールのための特別な構造は必要なくなるという設計上の利点がある。一方、断面多角形状をした両端面はガスシールが必要であるが、シールされる部位は規則的な形状をしているからガスシールは容易である。
【００６２】
しかも、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）の一体構造であるから従来のように各電極材料の熱膨張係数の差を考慮した材料設計が必要なくなるという利点がある。したがって、他の材料（たとえば、セリア（ＣｅＯ_２））の適用も容易に可能になる。
【００６３】
尚、本発明は、上記した実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。例えば、上記の実施例においてはハニカム構造体の材料として、イットリア安定化ジルコニア（Ｙ_２Ｏ_３ＳｔａｂｉｌｉｚｅｄＺｒＯ_２）あるいはスカンジア安定化ジルコニア（Ｓｃ_２Ｏ_３ＳｔａｂｉｌｉｚｅｄＺｒＯ_２）を適用するようにしたが、これに限られる事なく、イッテルビウム（Ｙｂ）をドープしたジルコニア（ＺｒＯ_２）等の固体電解質や、カドリニウム（Ｇｄ）、サマリウム（Ｓｍ）、イットリウム（Ｙ）をドープした酸化セリウム（ＣｅＯ_２）等、酸素イオン（Ｏ^２−）を透過する固体電解質が一般に適用できる。
【００６４】
【発明の効果】
本発明のハニカム一体構造の固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）によれば、断面多角形状をした多数のハニカムチャネルが縦横に列設されるハニカム構造体を固体電解質材料により一体的に形成し、該ハニカム構造体のハニカムチャネル内壁面に燃料極が設けられた燃料極チャネルと、ハニカムチャネル内壁面に空気極が設けられた空気極チャネルとが隔壁を介して互いに隣り合うように交互に配置したので、構造強度に優れ、接触抵抗による電力ロスの低減等を図ることができることはもとより、ハニカム構造体の隔壁の全てを電池として使用することができるので、燃料極チャネル列と、空気極チャネル列とセパレータチャネル列とを縦方向に順次積層する従来の構造に比べて電池の有効面積が６倍となり、発電性能を向上させることが可能となる。このＳＯＦＣによればハニカム構造体は単一材料で製造されるため、生産コストの低廉化はもとより大量生産が図られることになる。したがって、このような固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）を生産することは産業上極めて有益である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係るハニカム一体構造の固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の外観斜視図である。
【図２】図１に示したハニカム一体構造の固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の正面拡大図である。
【図３】図１に示したハニカム一体構造の固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の側面断面図である。
【図４】図１に示したハニカム一体構造の固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）を押し出し方向に積層した状態を示す図である。
【図５】本発明の一実施の形態に係るハニカム一体構造の固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の分解斜視図である。
【図６】図３に示した押え板２６ａ，２６ｂの平面図である。
【図７】図３に示した空気供給板２８ａ及び燃料供給板２８ｂの平面図である。
【図８】本発明の一実施の形態に係るハニカム一体構造の固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）による２ｋＷモジュールの分解斜視図である。
【図９】本発明の一実施の形態に係るハニカム一体構造の固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）による４０ｋＷスタックの組立構成図である。
【図１０】本発明の他の実施の形態に係るハニカム構造（三角形）を示す図である。
【図１１】本発明の他の実施の形態に係るハニカム構造（斜め格子状）を示す図である。
【図１２】従来一般的に知られる積層構造の固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の外観斜視図である。
【符号の説明】
１０固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）
１２ハニカムチャネル
１４燃料極チャネル
１４ａ燃料極側電極
１６空気極チャネル
１６ａ空気極側電極
２０ハニカムチャネル内壁面
２２燃料ガス流路
２４空気流路

Claims

断面多角形状をした多数のハニカムチャネルが縦横に列設されるハニカム構造体を固体電解質材料により一体的に形成し、
該ハニカム構造体のハニカムチャネル内壁面に燃料極が設けられた燃料極チャネルとハニカムチャネル内壁面に空気極が設けられた空気極チャネルとを隔壁を介して互いに隣り合うように交互に配設し、
該ハニカム構造体の一方の開口端面上に燃料極側電極を設け、各燃料極と燃料極側電極とを電気的に結合するとともに、
該ハニカム構造体の他方の開口端面上に空気極側電極を設け、各空気極と空気極側電極とを電気的に結合し、
前記燃料極および前記燃料極側電極は、前記燃料極を形成するハニカムチャネル内壁面およびハニカムチャネルの一端面にコーティングされた燃料極スラリー材料が焼成されて形成されており、
前記空気極および前記空気極側電極は、前記空気極を形成するハニカムチャネル内壁面およびハニカムチャネルの他端面にコーティングされた空気極スラリー材料が焼成されて形成されていることを特徴とするハニカム一体構造の固体電解質型燃料電池。
前記各燃料極は、前記燃料極側電極により一体的に連結されており、前記各空気極は、前記空気極側電極により一体的に連結されていることを特徴とする請求項１に記載されるハニカム一体構造の固体電解質型燃料電池。
前記ハニカム構造体の各ハニカムチャネルの断面形状は、三角形、四角形、六角形その他任意の形状からなることを特徴とする請求項１または２に記載されるハニカム一体構造の固体電解質型燃料電池。
前記ハニカム構造体の押し出し方向の厚さが、５ｃｍ以下であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載されるハニカム一体構造の固体電解質型燃料電池。
前記ハニカム構造体の固体電解質材料がイットリア安定化ジルコニア又はスカンジア安定化ジルコニアあるいはセリアのいずれか選択された一種であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載されるハニカム一体構造の固体電解質型燃料電池。
請求項１から５のいずれか１項に記載されるハニカム一体構造の固体電解質型燃料電池を、異極同士が隣り合うように、押し出し方向に複数積層したことを特徴とするハニカム一体構造の固体電解質型燃料電池。