JPH10189023A

JPH10189023A - ハニカム一体構造の固体電解質型燃料電池

Info

Publication number: JPH10189023A
Application number: JP8354848A
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

Abstract

(57)【要約】【課題】固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の構造を
積層体ではなく、ハニカム一体構造とすることにより構
造強度に優れることはもとより、接触抵抗による電力ロ
スの低減等を図ることのできるハニカム一体構造の固体
電解質型燃料電池を提供すること。【解決手段】断面正方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イットリア安定化
ジルコニア（ＹＳＺ）から成るハニカム構造体の内壁
に、燃料極（Ｎｉ−ＹＳＺ）が設けられた燃料極チャネ
ル列１４，１４…と、ハニカムチャネル内壁面に空気極
（Ｌａ_1-xＳｒ_xＭｎＯ₃）が設けられた空気極チャネル
列１６，１６…と、ハニカムチャネル内壁面にインター
コネクタ（ＬａＣｒＯ₃）が設けられたインターコネク
タチャネル列１８，１８…とが順次積層状に形成され
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、イ
ンターコネクタ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、ＳＯ
ＦＣ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
１３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（Ｙ₂Ｏ₃ ＳｔａｂｉｌｉｚｅｄＺｒＯ₂）材料
あるいはスカンジア安定化ジルコニア（Ｓｃ₂Ｏ₃ Ｓｔ
ａｂｉｌｉｚｅｄＺｒＯ₂）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ＳＯＦ
Ｃ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】

【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ＳＯＦ
Ｃの場合、各単電池は電子ビーム蒸着（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Ｓ
ＯＦＣ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６０−２３３０
１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６０−２３３０
１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】本発明の解決しようとする課題は、固体電
解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の構造を積層体ではなく、
ハニカム一体構造とすることにより構造強度に優れるこ
とはもとより、接触抵抗による電力ロスの低減等を図る
ことのできる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。

【００１２】

【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列とが順次積層
状に形成されていることを要旨とするものである。

【００１３】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（ＹＳ
Ｚ）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。
また、前記ハニカム一体構造は、このジルコニア（Ｚｒ
Ｏ₂）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。

【００１４】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
る形態のものも挙げられる。

【００１５】またこの各ハニカムチャネルの断面多角形
状は、各チャネル列毎にその形状単独であっても組み合
わせたものであってもよいものである。例えばハニカム
構造体の燃料極チャネル列と空気極チャネル列の各ハニ
カムチャネルの断面形状は三角形であって、インターコ
ネクタチャネル列の各ハニカムチャネルは斜め四角形あ
るいは菱形形状のものが燃料極チャネル列あるいは空気
極チャネル列の間に配列されたものであってもよい。

【００１６】さらに、燃料極チャネル列、空気極チャネ
ル列及びインターコネクタチャネル列の各ハニカムチャ
ネルの断面形状は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
いるものであってもよい。この場合には燃料極、空気極
のトータルの表面積が多く取れて、より高い出力電圧が
得られることが期待されるものである。

【００１７】そしてこのジルコニアハニカム構造体の燃
料極チャネル列、空気極チャネル列及びインターコネク
タチャネル列は、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、燃料極チャネル列の形成に際し
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に
ニッケル−イットリア安定化ジルコニア（Ｎｉ−ＹＳ
Ｚ）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列が形成される。

【００１８】また、空気極チャネル列の形成に際して
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にランタンストロン
チウムマンガナイト（Ｌａ_1-xＳｒ_xＭｎＯ₃：ｘ＝０．
１〜０．４）のスラリーを流す等して付着させ、乾燥
・焼成により形成される。インターコネクタチャネル列
も同様で、ハニカムチャネルの内壁面にランタンクロマ
イト（ＬａＣｒＯ₃）あるいはランタンクロマイト系に
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_y
Ｏ₃：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。
焼成は最後に一度に行うようにしてもよい。

【００１９】

【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。

【００２０】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（Ｙ₂Ｏ₃ Ｓｔａ
ｂｉｌｉｚｅｄＺｒＯ₂）あるいはスカンジア安定化
ジルコニア（Ｓｃ₂Ｏ₃ ＳｔａｂｉｌｉｚｅｄＺｒＯ
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、空気極及びインターコネクタ極が設けられるこ
とにより形成されるものである。

【００２１】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１
２，１２…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。

【００２２】そしてこのジルコニアハニカム構造体には
横方向に同極のハニカムチャネルあるいはインターコネ
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１
６，１６…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
れた構成とされている。同図においてはインターコネク
タチャネル列１８，１８…を介して単電池が４段積層さ
れた構造が示されている。

【００２３】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…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（Ｈ₂ ）ガスが流れる燃料ガス流路２
２，２２…としての機能を有している。

【００２４】空気極チャネル列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（Ｌ
ａ_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２４，２４…としての機能を有している。

【００２５】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…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 ）あるいはランタンクロ
マイト系に電子導電性、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_xＣ
ｒ_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。

【００２６】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、燃料極チャネル列１４，１４…、空気極チャネル列
１６，１６…、インターコネクタチャネル列１８，１８
…、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。

【００２７】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（ＹＳＺ）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（Ｃ
ｅ）、ネオジム（Ｎｄ）、イリジウム（Ｉｒ）、マンガ
ン（Ｍｎ）、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。

【００２８】また、図示はしないが、ＳＯＦＣ１０の界
面抵抗を減少させるためには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）薄膜が予め
コーティングされる。さらに、その直流抵抗を減らすよ
うにするには、空気極チャネル列１６，１６…にランタ
ンストロンチウムマンガナイト（Ｌａ_1-xＳｒ_xＭｎ
Ｏ₃）だけでなく、さらにその内壁にランタンストロン
チウムコバルタイト（Ｌａ₁ _-xＳｒ_xＣｏＯ₃）がコーテ
ィングされる。

【００２９】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（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。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。

【００３０】次にこの混合粉末に成形用バインダーを添
加し、焼成後の大きさが１０ｃｍ×１０ｃｍ程度の大き
さの断面で長さが２０ｃｍ程度の大きさとなる直方体に
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。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。これによりイットリ
ア（Ｙ₂Ｏ₃）がジルコニア（ＺｒＯ₂ ）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。

【００３１】次にこのジルコニアハニカムに燃料極ある
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。

【００３２】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にランタ
ンストロンチウムマンガナイト（Ｌａ_1-xＳｒ_xＭｎ
Ｏ₃：ｘ＝０．１〜０．４）のスラリーをその厚さが５
０μｍ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。

【００３３】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にラン
タンクロマイト（ＬａＣｒＯ₃ ）あるいはランタンクロ
マイト系に電子導電性、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。

【００３４】また、安定化材料としてスカンジウム（Ｓ
ｃ）の粉末粒子を適用する場合には、特開平７−６７７
４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（Ｓｃ₂Ｏ₃）とを、スカンジア（Ｓｃ
₂Ｏ₃）の配合比率が８〜１５モル％になるように調整す
る。

【００３５】図３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
スや空気を供給するガス供給板２８ａと燃料ガスや空気
を排出するガス排出板２８ｂが設けられている。そし
て、押え板２６ａにはそれぞれ図４に示すように燃料ガ
ス導入孔３０，３０…及び空気導入孔３２，３２…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列
１４，１４…のチャネル及び空気極チャネル列１６，１
６…のチャネルに対応して横一列に設けられている。

【００３６】そしてガス供給板２８ａの一側縁寄り部位
には、燃料ガス（Ｈ₂ ）をこのＳＯＦＣ１０に導入する
ための燃料ガス導入管３４が設けられ、他側縁寄り部位
には同じくこの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、
ガス排出板２８ｂの一側縁寄り部位には、このＳＯＦＣ
１０に導入された燃料ガス（Ｈ₂ ）を排出するための燃
料ガス排出管３８と、同じくこの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。

【００３７】すなわち、前記燃料ガス導入孔３０，３０
…は、燃料極チャネル列１４，１４…の各ハニカムチャ
ネルの燃料ガス流路２２，２２…に連通して設けられ、
また、空気導入孔３２，３２…は、空気極チャネル列１
６，１６…の各ハニカムチャネルの空気流路２４，２４
…に連通して設けられている。同様にして、押え板２６
ｂには、燃料ガス排出孔４２，４２…と空気排出孔４
４，４４…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。

【００３８】またガス供給板２８ａには、図５に示すよ
うに、櫛歯状の燃料ガス供給路４６が設けられており、
これは、燃料ガス導入管３４を介して導入される燃料ガ
ス（Ｈ₂ ）を燃料ガス導入孔３０，３０…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２２，２２…へ供給するものである。ま
た、このガス供給板２８ａには前記燃料ガス供給路４６
と互い違いに交差するように、やはり櫛歯状の空気供給
路４８が設けられており、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２４，２４…へ供給されるようになっ
ている。

【００３９】また、ガス排出板２８ｂには、燃料ガス流
路２２，２２…から燃料ガス排出孔４２，４２…を介し
て燃料ガス排出管３８へ反応後のガスを排出する燃料ガ
ス排出路５０が設けられるとともに、空気流路２４，２
４…から空気排出孔４４，４４…を介して空気排出管４
０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３４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
３８から排出されるようになっている。

【００４０】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３４、燃料ガス供給路４６、燃料ガ
ス導入孔３０，３０…、燃料ガス流路２２，２２…、燃
料ガス排出孔４２，４２…、燃料ガス排出路５０、燃料
ガス排出管３８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。

【００４１】そして実際に使用される際には、例えば、
図３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の側面に図６に示すよう
な電極端子板５４，５６が取り付けられることになる。

【００４２】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
の空気極チャネル列１６，１６…の空気極（Ｌａ_1-xＳ
ｒ_xＯ₃）と接触すると、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。

【００４３】そうするとこの空気極チャネル列１６，１
６…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１
４，１４…の燃料極に到達する。

【００４４】一方、燃料極チャネル列１４，１４…の燃
料ガス流路２２，２２…には、やはり、燃料ガス導入管
３４から導入される水素ガス（Ｈ₂ ）がガス供給板２８
ａの燃料ガス供給路４６を経て流れているので、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（Ｈ₂
Ｏ）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３８を通って排出され
る。

【００４５】図６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×２０ｃｍ）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６に示すようにＳ
ＯＦＣ１０の外側表面には電極端子板５４，５６がそれ
ぞれ対向して設けられており、発電された電気はこれら
の電極端子板５４，５６から、例えば矢示するＢ方向に
取り出される。

【００４６】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供給路４６や空気供給路
４８の他、空気導入管３６や燃料ガス導入管３４等が設
けられ、上述した押え板２６ａとガス供給板２８ａとを
組み合わせたような構成になっている。さらに、ＳＯＦ
Ｃ１０の上部に図示する部材には、空気排出管４０や燃
料ガス排出管３８の他、図示せぬ燃料ガス排出路５０や
空気排出路５２等が設けられ、上述した押え板２６ｂと
ガス排出板２８ｂとを組み合わせたような構成になって
いる。

【００４７】ＳＯＦＣ１０を適用してさらに大容量の電
力を得るには、図７に示すように、図６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１
０ｋＷ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。

【００４８】図８は、上述したＳＯＦＣ１０をガスファ
ンヒーターのバーナ部分に適用した例を示す図である。
同図（ａ）は、バーナ６０の燃焼部分中央にＳＯＦＣ１
０を適用した全体概略構成を示した図であり、ガス管６
２を通って供給される都市ガス（あるいはプロパンガ
ス）の一部が分岐管６４によりＳＯＦＣ１０の燃料極チ
ャネル列１４，１４…へ供給され、一方、空気極チャネ
ル列１６，１６…へは上昇気流（ドラフト）によって空
気が供給される構成が示されている（同図（ｂ）参
照）。

【００４９】すなわち、燃料極チャネル列１４，１４…
に対応したメタンガスの供給管７０，７０…が分岐管６
４からさらに枝別れして単電池の積層段数分設けられ、
この供給管７０，７０…には同図（ｃ）に示すようにメ
タンガスがガスシールしない状態で直接燃料ガス流路２
２，２２…へ供給されるべく、その各々に、セラミック
パイプ６６，６６…が断面横一列のハニカムチャネルの
個数分設けられている。このような構造では、セラミッ
クパイプ６６，６６…からのメタンガスの噴出によって
ハニカムチャネルに空気が吸い込まれることはあっても
外に漏れることはない。

【００５０】したがって、ガスファンヒータの点火動作
がなされることにより、弁６８が開き分岐管６４から都
市ガスが供給される状態になると、ＳＯＦＣ１０の発電
状態が得られるとともに、バーナ６０においてはガス管
６２から供給される都市ガスに点火され、燃焼状態が得
られるものである。これによれば、空気ファンの電源が
必要なくなるため、電気が節約されるばかりでなく、電
源コードが不要となり、省スペースが実現される。ま
た、ガスファンヒータの既存の部品はそのまま使用でき
るため、コスト的にもその製造コストの低価格化が実現
される。

【００５１】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９乃至図１２を参照して
説明する。これら図９乃至図１２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。

【００５２】図９に示したものは断面多角形状として六
角形状にしたものの例であり、図１０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。これらはいずれも図１に示したものと同様、ジ
ルコニアハニカム構造体には横方向に同極のハニカムチ
ャネルあるい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１６，１６…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た構成とされている。

【００５３】この場合において、燃料極チャネル列１
４，１４…及び空気極チャネル列１６，１６…の電極は
図１に示したものと同様にハニカムチャネル内壁面２
０，２０…の全体に電極材料がコーティングされて形成
される。そして、図９及び図１０に線示する部位Ｃ，Ｄ
で発電される。

【００５４】次いで、図１１に示したものは、燃料極チ
ャネル列１４，１４…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１
４，１４…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。

【００５５】また、図１２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。

【００５６】図１１及び図１２の場合に取り付けられる
電極は上述のように各壁面全体にコーティングして形成
される。そして、これらの図に線示する部位Ｅ，Ｆに位
置する各ハニカムチャネルの内壁面において発電され
る。

【００５７】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、ハニカム構造体は単一材料で一体的
に構成されるため、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。

【００５８】さらに、固体電解質型燃料電池（ＳＯＦ
Ｃ）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（ＣｅＯ₂ ）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。

【００５９】しかも、イットリア安定化ジルコニア（Ｙ
ＳＺ）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（ＣｅＯ₂ ））の適用も容易に可能になる。

【００６０】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（Ｙ₂Ｏ₃ ＳｔａｂｉｌｉｚｅｄＺｒＯ
₂）あるいはスカンジア安定化ジルコニア（Ｓｃ₂Ｏ₃Ｓ
ｔａｂｉｌｉｚｅｄＺｒＯ₂ ）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（ＺｒＯ₂ ）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（ＣｅＯ₂ ）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。

【００６１】

【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たので、構
造強度に優れることはもとより、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（ＳＯＦ
Ｃ）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】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４】図３に示した押え板２６ａ，２６ｂの平面図で
ある。

【図５】図３に示したガス供給板２８ａ及びガス排出板
２８ｂの平面図である。

【図６】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７】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）をガス機器に適用
した例を示す図である。

【図９】本発明の他の実施の形態に係るハニカム構造
（六角形）を示す図である。

【図１０】本発明の他の実施の形態に係るハニカム構造
（斜め格子状）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
（三角形と斜め格子状との組合せ）を示す図である。

【図１２】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１３】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２２燃料ガス流路２４空気流路

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列とが順次積層状に
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。
【請求項２】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
ルの断面形状が正方形であって、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、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、
ハニカム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列がそれぞれ斜め格子状に
連設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。
【請求項４】前記ハニカム構造体の燃料極チャネル列
と空気極チャネル列の各ハニカムチャネルの断面形状は
三角形、インターコネクタチャネル列の各ハニカムチャ
ネルの断面形状は斜め格子状であって、前記燃料極チャ
ネル列と空気極チャネル列のハニカムチャネルは一辺を
共通として反対向きに設けられ、前記インターコネクタ
チャネル列のハニカムチャネルは前記燃料極チャネル列
及び空気極チャネル列の間に設けら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。
【請求項５】前記ハニカム構造体の燃料極チャネル
列、空気極チャネル列及びインターコネクタチャネル列
の各ハニカムチャネルの断面形状はすべて三角形であっ
て、それぞれのハニカムチャネル列のハニカムチャネル
はチャネル壁を共用して連設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。
【請求項６】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５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。