JPH10189017A

JPH10189017A - ハニカム構造固体電解質型燃料電池のガスシール構造

Info

Publication number: JPH10189017A
Application number: JP8354850A
Authority: JP
Inventors: Yasunobu Mizutani; 安伸水谷; Masayuki Kawai; 雅之河合
Original assignee: Toho Gas Co Ltd
Current assignee: Toho Gas Co Ltd
Priority date: 1996-12-20
Filing date: 1996-12-20
Publication date: 1998-07-21
Anticipated expiration: 2016-12-20
Also published as: JP3516325B2

Abstract

(57)【要約】【課題】ＳＯＦＣが高温度で稼動されてもガスシール
部分が高温度に曝されないハニカム構造固体電解質型燃
料電池のガスシール構造を提供すること。【解決手段】断面多角形状をした多数のハニカムチャ
ネル１２，１２…が縦横に列設される長尺状のハニカム
構造体を単一のジルコニア材料により一体的に形成し、
各ハニカムチャネルを燃料極チャネル列１４，１４…、
空気極チャネル列１６，１６…と、インターコネクタチ
ャネル列１８，１８…とにより構成してＳＯＦＣ１０を
形成し、このＳＯＦＣ１０を炉壁２４に貫挿してその炉
外側端面に押え板２６、ガス供給板を当てがい、室温も
しくは炉温よりも低い温度でガスシールする。

Description

【発明の詳細な説明】

【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のガスシール構造に関し、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により固体電解質
型燃料電池を構成し、その燃料電池の一端を炉外でガス
シールす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）のガスシール
構造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、
単電池１個当りの電圧が１Ｖ以下と低いため、これを実
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。そして、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。

【０００３】図１６は、平板型ＳＯＦＣの一般的構成を
示している。このＳＯＦＣの構造としては、イットリア
安定化ジルコニア（Ｙ₂Ｏ₃ ＳｔａｂｉｌｉｚｅｄＺ
ｒＯ₂）材料あるいはスカンジア安定化ジルコニア（Ｓ
ｃ₂Ｏ₃ ＳｔａｂｉｌｉｚｅｄＺｒＯ₂）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１０
８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。

【０００４】図１７は、このような積層構造のＳＯＦＣ
におけるガスシール構造の一例を示している。この図に
よれば、単電池１０６を構成する固体電解質板１００の
上面及び下面の電極（燃料極１０２及び空気極１０４）
に当接していない部分に相当する端縁周辺部にガラスや
セラミックスファイバー等の材料によるガスシール材１
１０が配置され、これにより単電池１０６は、その上面
及び下面の端縁周辺部がこのガスシール材１１０を介し
てセパレータ１０８，１０８…により上下から加圧され
る構造になっている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】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に適用さ
れるガスシール構造によれば、以下（１）乃至（３）の
欠点が指摘されている。すなわち、（１）固体電解質板及びセパレータ材とガスシール材
との熱膨張係数の違いによって昇温時や降温時に夫々の
材料自身に、あるいは各材料間の接触面に応力が発生
し、ガスシール部に亀裂が入ることがある。このため、
サーマルサイクル条件下におけるガスシールの信頼性の
確保が困難である。

【０００６】（２）このＳＯＦＣは、作動温度１００
０℃以上の高温度で稼動されるため、ガスシール材がそ
の高温度の熱によって揮散することがあり、この揮散さ
れるガスシール材料が電極材や固体電解質材料と反応し
て電池の発電性能に悪影響を及ぼすことがある。（３）また、ガスシール性能を上げるため、積層電池
を上下から加圧すれば、単電池の特に固体電解質板にわ
ずかな歪や反りがあっても応力が発生するため、単電池
の割れにつながりやすいという問題もある。

【０００７】さらに、上記した図１６に示す従来のＳＯ
ＦＣは、別個の部材である単電池とセパレータとが多層
にわたって構成されるものであるため、燃料ガス供給管
や空気供給管なども配設する必要があり、また、各単電
池の接続部材（セパレータ）の上下両面にガス通路が設
けられるがその形状は複雑なため、やはり製造工程に高
度な技術が必要になる。したがって、多数の部材の購入
コストやセパレータの製造コストがかかることになる。

【０００８】そこで、本発明者らは、このような問題点
に着目し、別の出願によりハニカム一体構造の固体電解
質型燃料電池を提案している。本発明の解決しようとす
る課題は、これをさらに一歩進めて、ＳＯＦＣが高温度
で稼動されてもガスシール部分が高温度に曝されないハ
ニカム構造固体電解質型燃料電池のガスシール構造を提
供することにある。これにより、サーマルサイクル条件
下におけるガスシールの信頼性の確保、電池の恒久的発
電性能の維持等を図らんとするものである。

【０００９】

【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長尺状のハニカム構造体が固体電
解質材料により一体的に形成され、該ハニカム構造体の
各ハニカムチャネルが、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、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、チャネル内壁面にインター
コネクタが設けられたインターコネクタチャネルとによ
り構成されるハニカム構造の固体電解質型燃料電池であ
って、そのハニカム構造体を炉壁に貫挿して該ハニカム
構造体の炉外側端面が室温でガスシールされていること
を要旨とするものである。

【００１０】本発明は、ハニカム構造体を異にする固体
電解質型燃料電池にも適用される。すなわち、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
長尺状のハニカム構造体の各ハニカムチャネル列間のハ
ニカム構造壁が固体電解質材料によるものとインターコ
ネクタ材料によるものとで交互にかつ一体的に形成さ
れ、該ハニカム構造体の各ハニカムチャネルが、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、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
が交互に順次積層状に形成された構成をなすハニカム構
造固体電解質型燃料電池にも適用されるものであり、こ
の場合にもそのハニカム構造体を炉壁に貫挿して該ハニ
カム構造体の炉外側端面が室温、もしくは炉内温度より
も低い温度でガスシールされるように構成されている。

【００１１】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
（ＣｅＯ₂ ）等を適用することが最適である。そして、
前記燃料極の材料としては、ニッケル−イットリア安定
化ジルコニア（Ｎｉ−ＹＳＺ）が好適なものとして挙げ
られ、前記空気極の材料としては、ランタンストロンチ
ウムマンガナイト（Ｌａ_1-xＳｒ_xＭｎＯ₃：ｘ＝０．１
〜０．４）が好適なものとして挙げられる。

【００１２】また、前記インターコネクタ材料として
は、ランタンクロマイト（ＬａＣｒＯ₃ ）の他、ランタ
ンクロマイト系材料に、ランタン（Ｌａ）やクロム（Ｃ
ｒ）の一部をアルカリ土類金属やニッケル（Ｎｉ）で置
換した酸化物（Ｌａ_1-xＣａ_xＣｒ_1-yＮｉ_yＯ₃：ｘ＝０
〜０．２、ｙ＝０〜０．１）を適用するとよい。

【００１３】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、上から順に燃料極チャネル列、空気極チャネル
列、インターコネクタチャネル列又はインターコネクタ
材料によるハニカム壁が形成されたもの、あるいは六角
形のハニカムチャネルが縦横に列設されたものでも、同
じように上から順に燃料極チャネル列、空気極チャネル
列、インターコネクタチャネル列又はインターコネクタ
材料によるハニカム壁が形成され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、各チャネル列の各ハニカムチャネルがそ
れぞれ斜め格子状に連設されている形態のもの等も挙げ
られる。

【００１４】

【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構造固体電解質型燃料電池
（ＳＯＦＣ）をガス燃料炉の炉壁に据付けした状態を示
す外観斜視図、図２は、そのＳＯＦＣのハニカム構造体
を説明するための断面拡大図である。

【００１５】図１に示す長尺状の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（Ｙ₂Ｏ₃
ＳｔａｂｉｌｉｚｅｄＺｒＯ₂）あるいはスカンジ
ア安定化ジルコニア（Ｓｃ₂Ｏ₃ Ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ
ＺｒＯ₂）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長尺状のジルコニアハニカム構
造体をその基本的な構成とするものであり、これによ
り、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…が縦横に列設される。その肉厚
は、押出成形による薄肉化により０．１ｍｍ〜０．３ｍ
ｍ程度となっている。

【００１６】そして、そのジルコニアハニカム構造体の
横一列に並んだハニカムチャネル１２，１２…を一つの
チャネル列として、燃料極チャネル列１４，１４…、空
気極チャネル列１６，１６…及びインターコネクタチャ
ネル列１８，１８…がこの順番で繰り返し多層にわたっ
て形成されることによって成るものである。これら燃料
極チャネル列１４，１４…、空気極チャネル列１６，１
６…及びインターコネクタチャネル列１８，１８…は、
各々のハニカムチャネル内壁面２０，２０…（図２参
照）のうちガス燃焼炉内で反応温度環境下に置かれるこ
とになる所定の部位に、各々、燃料極、空気極及びイン
ターコネクタが形成されることによって成るものであ
る。

【００１７】ここで、「所定の部位」とは、ＳＯＦＣ１
０の一側面に設けられる発電された電気を取り出すため
の電極端子板２２ａと該電極端子板２２ａに対向して他
側面に設けられる電極端子板２２ｂ（図示されず）とに
よって挟まれることになる部位、換言すれば、電極反応
が確保される反応温度環境下に置かれることになる部位
をいう。電極端子板２２ａは、カソード側（＋極）に割
り付けられ、電極端子板２２ｂは、アノード側（−極）
に割り付けられている。

【００１８】そしてこの長尺状のＳＯＦＣ１０は、断熱
材により構成される炉壁２４に貫挿して設けられ、炉外
側端面には、押え板２６を間に挟んでガス供給板２８が
設けられ、該ガス供給板２８には、円筒状の燃料ガス導
入管３０及び空気導入管３２が取り付けられている。な
お、燃料ガスや空気をガス燃焼炉外からガス燃焼炉内へ
導く流路となるＳＯＦＣ１０の貫挿部位に相当するハニ
カムチャネル１２，１２…のハニカムチャネル内壁面２
０，２０…には、反応温度環境下での所望の電極反応を
確保するために、燃料極、空気極、インターコネクタチ
ャネルの形成は必ずしも必要とされない構成になってい
る。

【００１９】次に、図２に示したＳＯＦＣ１０の断面構
造について説明すると、まず、燃料極チャネル列１４，
１４…は、ハニカムチャネル内壁面２０，２０…のうち
ガス燃焼炉内で反応温度環境下に置かれることになる燃
料極を形成すべき所定の部位に燃料極（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（Ｎ
ｉ−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（Ｈ₂ ）ガスが流れる燃料ガス流路３４，３
４…としての機能を有している。

【００２０】空気極チャネル列１６，１６…は、ハニカ
ムチャネル内壁面２０，２０…のうちガス燃焼炉内で反
応温度環境下に置かれることになる空気極を形成すべき
所定の部位に空気極（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_xＭｎＯ₃：
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３６，３６…と
しての機能を有している。

【００２１】インターコネクタチャネル列１８，１８…
は、ハニカムチャネル内壁面２０，２０…のうち炉内で
反応温度環境下に置かれることになる所定の部位に単電
池を直列に接続する導電体であるインターコネクタとし
てランタンクロマイト（ＬａＣｒＯ₃ ）材料、あるいは
ランタンクロマイト系材料に電子導電性、焼結性の改善
のため、ランタン（Ｌａ）やクロム（Ｃｒ）の一部をア
ルカリ土類金属やニッケル（Ｎｉ）で置換した酸化物
（Ｌａ_1-xＣａ_xＣｒ_1-yＮｉ_yＯ₃：ｘ＝０〜０．２，ｙ
＝０〜０．１）のスラリーがコーティングされてなるも
のである。このインターコネクタチャネル列１８，１８
…のイットリア安定化ジルコニア層に電子導電性を持た
せる場合には、チタン（Ｔｉ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル
（Ｎｉ）、テルビウム（Ｔｂ）、セリウム（Ｃｅ）、ネ
オジム（Ｎｄ）、イリジウム（Ｉｒ）、マンガン（Ｍ
ｎ）、バナジウム（Ｖ）等の一種類もしくは複数元素が
ドープされる。

【００２２】このような構成を有するＳＯＦＣ１０は、
次のように製造することができる。すなわち、まず、最
初にハニカム構造体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（ＺｒＯ₂ ）の粉末粒
子と安定化材料であるイットリア（Ｙ₂Ｏ₃）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。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。

【００２３】次にこの混合粉末に成形用バインダーを添
加した泥しょうを押出機にセットし、ハニカム構造体の
断面形状を有する金型（ダイス）より押し出すことによ
り焼成後に縦横１０ｃｍ×１０ｃｍ程度の大きさで各ハ
ニカムチャネルの肉厚が０．１ｍｍ〜０．３ｍｍ程度に
なるように押出品が得られる。これを奥行きが５０ｃｍ
〜２ｍ程度の長さに切断する。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
ることによりイットリア（Ｙ₂Ｏ₃）がジルコニア（Ｚｒ
Ｏ₂ ）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構造体が得
られる。

【００２４】次にこのジルコニアハニカム構造体に燃料
極あるいは空気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
ャネル列１４，１４…の形成に際しては、他のチャネル
列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の所定の部位にニッケ
ル（Ｎｉ）４０重量％−ジルコニア（ＺｒＯ₂ ）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の所定の部位にそのスラリー
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チャネル
列１４，１４…が形成される。

【００２５】また、空気極チャネル列１６，１６…の形
成に際しては、同様に他のチャネル列のチャネル孔を塞
ぎ空気極を形成するハニカムチャネルの内壁面の所定の
部位にランタンストロンチウムマンガナイト（Ｌａ_1-x
Ｓｒ_xＭｎＯ₃：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℃程度の温度で焼成すれ
ば、空気極チャネル列１６，１６…が形成される。尚、
空気極の材料の配合比率としては、ランタンマンガナイ
ト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。

【００２６】さらに、インターコネクタチャネル列１
８，１８…も同様で、ハニカムチャネルの内壁面の所定
の部位にランタンクロマイト（ＬａＣｒＯ₃ ）材料、あ
るいはランタンクロマイト系材料に電子導電性、焼結性
の改善のため、ランタン（Ｌａ）やクロム（Ｃｒ）の一
部をアルカリ土類金属やニッケル（Ｎｉ）で置換した酸
化物（Ｌａ_1-xＣａ_xＣｒ_1-yＮｉ_yＯ₃：ｘ＝０〜０．
２、ｙ＝０〜０．１）のスラリーを流す等した後、乾
燥・焼成することにより形成される。尚、焼成は最後に
一度に行うようにしてもよい。

【００２７】図３には、図１に示す押え板２６の平面構
造を示す。この押え板２６には、燃料ガス導入孔３８，
３８…と空気導入孔４０，４０…とが、各々、燃料極チ
ャネル列１４，１４…と空気極チャネル列１６，１６…
の各ハニカムチャネルに対応するように横一列に交互に
設けられている。

【００２８】また、図４は、ガス供給板２８の平面図で
あるが、この図に示すようにガス供給板２８には、その
一側縁寄り部位に燃料ガス導入管３０を取り付けるため
の燃料ガス導入管取付部４２が設けられ、他側縁寄り部
位に空気導入管３２を取り付けるための空気導入管取付
部４４が設けられている。そして、この燃料ガス導入管
取付部４２に連通して、櫛歯状の燃料ガス供給路４６が
設けられ、これにより、燃料ガス導入管３０を介して導
入される燃料ガス（Ｈ₂）が燃料ガス導入孔３８，３８
…を介して燃料極チャネル列１４，１４…の各チャネル
内に形成される燃料ガス流路３４，３４…へ供給され
る。

【００２９】また、空気導入管取付部４４に連通して、
やはり櫛歯状の空気供給路４８が前記燃料ガス供給路４
６と互い違いに交差して設けられ、これにより、空気導
入管３２を介して導入される空気が空気導入孔４０，４
０…を介して空気極チャネル列１６，１６…の各チャネ
ル内に形成される空気流路３６，３６…へ供給される。

【００３０】したがって、空気導入管３２、空気供給路
４８、空気導入孔４０，４０…、空気流路３６，３６…
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３０、燃料ガス供給路４６、燃料
ガス導入孔３８，３８…、燃料ガス流路３４，３４…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。そして実際に使用される際には、上述した電極
端子板２２ａ，２２ｂから電気が取り出される。

【００３１】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、室温環境下におかれた空気導入管３２から導
入される空気は、やはり室温環境下におかれた空気供給
路４８、空気導入孔４０，４０…を経てＳＯＦＣ１０の
空気極チャネル列１６，１６…の入口付近へ到達し、空
気流路３６，３６…を流れてやがて、炉壁１９を越えて
ガス燃焼炉内へ流れ込み、電極反応が起こる温度環境に
維持された部位へ到達する。

【００３２】そして、電極反応部位へ到達した空気は、
該空気極チャネル列１６，１６…の電極反応の温度環境
下におかれた空気極（Ｌａ_1-xＳｒ_xＯ₃ ）へ到達して、
その空気極と接触し、その空気極チャネル列１６，１６
…で酸素イオン（Ｏ^2-）が生成される。そうするとこの
空気極チャネル列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列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列１４，１４…の燃料極に到達す
る。

【００３３】一方、燃料極チャネル列１４，１４…の電
極反応が起こる温度環境下に置かれた燃料ガス流路３
４，３４…には、やはり、燃料ガス導入管３０から導入
される水素ガス（Ｈ₂ ）がガス供給板２８の燃料ガス供
給路４６を経て流れているので、燃料極チャネル列１
４，１４…の燃料極で、空気極チャネル列１６，１６…
から移動してきた酸素イオン（Ｏ^2-）がその水素ガス
（Ｈ₂）と反応して水蒸気（Ｈ₂Ｏ）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。反応後の空気
及び燃料ガスは、そのまま、ＳＯＦＣ１０の炉内側端面
からそのまま排出される。そして、未反応ガスはその炉
内で燃焼させ、その燃焼熱をコージェネレーションやガ
スタービン発電に用いて有効に利用する。

【００３４】ＳＯＦＣ１０のハニカム構造の断面形態と
して種々の例が可能になる。これらについて図５乃至図
８を参照して説明する。例えば、図５は、ハニカム構造
体の各チャネルの断面形状を六角形としたものの例であ
り、図６それぞれ斜め格子状の正方形状にしたものの例
である。これらはいずれも図１及び図２に示したものと
同様、ジルコニアハニカム構造体には横一列に燃料極あ
るいは空気極のハニカムチャネル又はインターコネクタ
チャネルが配列され、縦方向に単電池を構成する燃料極
チャネル列１４，１４…と、空気極チャネル列１６，１
６…と、各単電池を電気的に接続するインターコネクタ
チャネル列１８，１８…とが順次積層状に形成されてい
る。

【００３５】図７に示したものは、燃料極チャネル列１
４，１４…と空気極チャネル列１６，１６…のハニカム
チャネル１２，１２…の断面形状は三角形であって、断
面形状が四角形あるいは菱形形状のインターコネクタチ
ャネル列１８，１８…が燃料極チャネル列１４，１４…
と空気極チャネル列１６，１６…との間に配列されたも
のである。

【００３６】また、図８に示したものは、燃料極チャネ
ル列１４，１４…、空気極チャネル列１６，１６…及び
インターコネクタチャネル列１８，１８…の各ハニカム
チャネルの断面形状がすべて三角形であって、それぞれ
のハニカムチャネルがそのチャネル壁を共用して連設さ
れているものであり、単位体積当りの燃料極及び空気極
の表面積が多く取れる構成になっている。そのため高い
発電特性が必要な場合に好適である。

【００３７】図９は、上述した本発明のハニカム構造固
体電解質型燃料電池に適用されるガスシール構造の適用
例を示す図である。同図に示すようにＳＯＦＣ１０は、
ガス燃焼炉５０の炉壁２４を貫挿して設けられており、
炉壁２４の貫挿孔５２とＳＯＦＣ１０とは、ガス燃焼炉
５０内の反応後の排出ガスが外部へ漏れないようにガス
シールされている。

【００３８】そしてＳＯＦＣ１０のガス燃焼炉内側端面
には、矢示する方向へ電極反応後のガスの流れをよくす
るためのガス案内板５４が設けられている。ガス案内板
５４にはセラミックフォーム等の多孔質セラミックスを
用いることができる。このガス案内板５４を介して排出
された反応後のガスは、反応ガス排出管５６からそのま
ま排出されるが、この反応ガス排出管５６から排出され
るガスのうち、未反応燃料を取り出して、再度、燃料ガ
ス導入管３０へ戻す場合には、図示せぬ熱交換器等が反
応ガス排出管５６と燃料ガス導入管３０あるいは空気導
入管３２との間に設けられる。

【００３９】次に、図１０乃至図１２は、ハニカム構造
体の他の構成例を示す。図１０に示すＳＯＦＣ６０のハ
ニカム構造体は、固体電解質材料であるイットリア安定
化ジルコニア材料あるいはスカンジア安定化ジルコニア
材料から形成されるジルコニア構造壁６２，６２…と、
インターコネクタ材料であるランタンクロマイト材料か
ら形成されるインターコネクタ構造壁６４，６４…とが
やはり０．１ｍｍ〜０．３ｍｍの肉厚で交互に、かつ一
体的に形成されている。そして、燃料極チャネル列１
４，１４…と空気極チャネル列１６，１６…とが交互に
形成され、燃料極チャネル列１４，１４…の各チャネル
には燃料ガスが貫流し、空気極チャネル列１６，１６…
には空気が貫流する。

【００４０】この場合のハニカム構造体の製造方法とし
てイットリア安定化ジルコニア材料とランタンクロマイ
ト材料とを、ハニカム構造体の断面形状を有する金型
（ダイス）別々にセットし、押出機により同時にやはり
別々の注湯口より押出し、これにより、二種類の材料か
らなる縦横１０ｃｍ×１０ｃｍ程度の大きさの四角形状
をした多数のハニカムチャネル１２，１２…が一体的に
押し出し成形されるので、これを奥行きが５０ｃｍ〜２
ｍ程度の長さに切断して焼成すると、ジルコニア／ラン
タンクロマイトのハニカム構造体が得られる。

【００４１】かくしてこのように構成されるＳＯＦＣ６
０の場合も、図示はしないが、図１に示される場合と同
様に、ガス燃焼炉の炉壁２４を貫挿して据付けられ、そ
の炉外側端面は、図１１に示す押え板６６及び図１２に
示すガス供給板６８によりガスシールされている。ちな
みに押え板６６には、図１１に示すように燃料ガス導入
孔３８，３８…及び空気導入孔４０，４０…がそれぞれ
図１０に示したハニカム構造体の燃料極チャネル列１
４，１４…の各チャネル及び空気極チャネル列１６，１
６…の各チャネルに対応して縦方向に交互に設けられて
いる。

【００４２】また、ガス供給板６８には、図１２に示す
ように燃料ガス導入管３０を取り付けるための燃料ガス
供給管取付部４２と、空気導入管３２を取り付けるため
の空気導入管取付部４４とが両側縁寄り部位に設けられ
るとともに、ＳＯＦＣ１０と同様に櫛歯状の燃料ガス供
給路４６及び空気供給路４８が前記燃料ガス供給路４６
と互い違いに交差して設けられている。

【００４３】図１３乃至図１５は、ハニカム構造体の他
のさまざまな形態を適用することができる。図１３には
ハニカム構造体の各チャネルの断面形状を六角形とした
ものの例が、図１４にはそれぞれ斜め格子状の正方形状
にしたものの例が、そして図１５には燃料極チャネル列
１４，１４…及び空気極チャネル列１６，１６…の各ハ
ニカムチャネルの断面形状がすべて三角形であって、そ
れぞれのハニカムチャネルがそのチャネル壁を共用して
連設されているものの例が示されている。

【００４４】図１３乃至図１５に示すハニカム形態にお
いても、燃料極チャネル列１４，１４…及び空気極チャ
ネル列１６，１６…の電極はＳＯＦＣ１０と同様にハニ
カムチャネル内壁面２０，２０…の断面全体に電極材料
がコーティングされて形成したものである。

【００４５】以上本発明の各実施例について説明した
が、上述のように、ハニカム構造体が単一のジルコニア
材料により、あるいはジルコニア材料とインターコネク
タ材料とを用いて一体的に構成されるため、積層電池内
に別個の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、いずれも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。

【００４６】そしてこのハニカム構造体のガスシール部
分が両端部のみとなり、その部分を炉外に導出して熱影
響を受けない状態でガスシールするようにしたものであ
るから、特殊な（耐熱性）のシール材を必要とせず、ガ
スシールの確実性が担保される。

【００４７】また、固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）
の電池部分にはシール構造に伴う熱応力を受けないので
ハニカムチャネル壁を薄肉の構造体とすることができ、
構造的強度が得られる。さらに以下（１）乃至（３）に
示す効果が期待される。（１）ガス／空気導入部は室温状態が維持されるから
ハニカム構造体とガスシール部材との熱膨張係数を一致
させるための設計上の制限が解除され、また、サーマル
サイクル条件下においてもガスシールの高い信頼性が維
持可能であるという利点がある。

【００４８】（２）炉外側端面の室温状態が維持され
ることによりガスシール材が高温にならないため、ガス
シール材の揮散等による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦ
Ｃ）への悪影響がないという利点がある。（３）また、従来のもののように各単電池を上下から
加圧する構成によってガスシールしないため、固体電解
質型燃料電池（ＳＯＦＣ）に応力がかからなくなり、Ｓ
ＯＦＣの割れが防止できるという利点がある。

【００４９】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、炉内の未反応ガスを燃焼させコージェネレー
ションやガスタービン発電に用いて廃熱利用するように
したが、燃料／空気の出口から未反応ガスを取り出し
て、未反応ガスを燃料の入口に供給するようにすれば燃
料ガスの利用率の向上を図ることもできることになる。

【００５０】

【発明の効果】本発明のハニカム構造固体電解質型燃料
電池（ＳＯＦＣ）のガスシール構造によれば、ハニカム
構造体をガス燃焼炉の炉壁に貫挿して該ハニカム構造体
の炉外側端面を室温もしくは炉温よりも低い温度でガス
シールするようにしたので、ＳＯＦＣが高温度で稼動さ
れてもガスシール部分が高温度に曝されることがない。
これにより、サーマルサイクル条件下におけるガスシー
ルの信頼性が確保され、電池の恒久的発電性能の維持等
が図られる。

【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構造固体
電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）のガスシール構造の外観
斜視図である。

【図２】図１に示したＳＯＦＣ１０のハニカム構造体を
説明するための断面拡大図である。

【図３】図１に示したＳＯＦＣ１０の押え板２６の平面
図である。

【図４】図１に示したＳＯＦＣ１０のガス供給板２８の
平面図である。

【図５】図１に示したＳＯＦＣ１０の他のハニカム形状
（六角形）を示した断面図である。

【図６】図１に示したＳＯＦＣ１０の他のハニカム形状
（斜め格子状）を示した断面図である。

【図７】図１に示したＳＯＦＣ１０の他のハニカム形状
（三角形と斜め格子状との組合せ）を示した断面図であ
る。

【図８】図１に示したＳＯＦＣ１０の他のハニカム形状
（三角形）を示した断面図である。

【図９】本発明に係るガスシール構造を排出ガス再利用
構造に適用した例を示した概念図である。

【図１０】図１に示したＳＯＦＣ６０のハニカム構造体
を説明するための断面拡大図である。

【図１１】図１に示した押え板６６の平面図である。

【図１２】図１に示したガス供給板６８の平面図であ
る。

【図１３】図１に示したＳＯＦＣ６０の他のハニカム形
状（六角形）を示した断面図である。

【図１４】図１に示したＳＯＦＣ６０の他のハニカム形
状（斜め格子状）を示した断面図である。

【図１５】図１に示したＳＯＦＣ６０の他のハニカム形
状（三角形）を示した断面図である。

【図１６】従来一般的に知られる積層構造による固体電
解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の外観斜視図である。

【図１７】図１６に示した線Ａ−Ａ’の部分断面図であ
る。

【符号の説明】

１０，６０固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）１２ハニカムチャネル１４燃料極チャネル列１６空気極チャネル列１８インターコネクタチャネル列２０ハニカムチャネル内壁面２２ａ，２２ｂ電極端子板２４炉壁２６，６６押え板２８，６８ガス供給板３０燃料ガス導入管３２空気導入管３４燃料ガス流路３６空気流路３８燃料ガス導入孔４０空気導入孔４２燃料ガス導入管取付部４４空気導入管取付部４６燃料ガス供給路４８空気供給路５０ガス燃焼炉６２ジルコニア構造壁６４インターコネクタ構造壁６６押え板６８ガス供給板

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】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長尺状のハニカム構造体が固体
電解質材料により一体的に形成され、該ハニカム構造体
の各ハニカムチャネルが、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、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、チャネル内壁面にインタ
ーコネクタが設けられたインターコネクタチャネルとに
より構成され、該ハニカム構造体を炉壁に貫挿して該ハ
ニカム構造体の炉外側端面が室温でガスシールされてい
ることを特徴とするハニカム構造固体電解質型燃料電池
のガスシール構造。
【請求項２】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長尺状のハニカム構造体の各ハ
ニカムチャネル列間のハニカム構造壁が固体電解質材料
によるものとインターコネクタ材料によるものとで交互
にかつ一体的に形成され、該ハニカム構造体の各ハニカ
ムチャネルが、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、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が交互に順次積層状に形成された
構成をなし、該ハニカム構造体を炉壁に貫挿して該ハニ
カム構造体の炉外側端面が室温、もしくは炉内温度より
も低い温度でガスシールされていることを特徴とするハ
ニカム構造固体電解質型燃料電池のガスシール構造。
【請求項３】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又は２に記載さ
れるハニカム構造固体電解質型燃料電池のガスシール構
造。
【請求項４】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乃至３に記載されるハニカム
構造固体電解質型燃料電池のガスシール構造。