JPH11297344A - Solid electrolyte type fuel cell of honeycomb integrated structure - Google Patents
Solid electrolyte type fuel cell of honeycomb integrated structureInfo
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- JPH11297344A JPH11297344A JP10102960A JP10296098A JPH11297344A JP H11297344 A JPH11297344 A JP H11297344A JP 10102960 A JP10102960 A JP 10102960A JP 10296098 A JP10296098 A JP 10296098A JP H11297344 A JPH11297344 A JP H11297344A
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Abstract
Description
【0001】[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。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a solid electrolyte fuel cell having a honeycomb integral structure, and more particularly, to a honeycomb structure in which a large number of honeycomb channels having a polygonal cross section are arranged vertically and horizontally by a solid electrolyte material. The present invention relates to a solid electrolyte fuel cell (hereinafter, referred to as "SOFC") having a honeycomb integral structure in which a fuel electrode and an air electrode are formed integrally and provided on the inner wall surface of each honeycomb channel.
【0002】[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。2. Description of the Related Art Solid oxide fuel cells (SOFCs)
A solid material with ionic conductivity is used as an electrolyte material instead of a liquid material such as a phosphoric acid aqueous solution or a molten carbonate, and has higher power generation efficiency and higher exhaust heat temperature than other fuel cells It has the characteristic. According to this, a power generation system that can be used efficiently can be constructed, and therefore, solid oxide fuel cells (SOFCs) have received particular attention in recent years.
【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。The structure of this SOFC is generally a stacked structure in which a number of unit cells are stacked, because the voltage of each unit cell is as low as 1 V or less. Therefore, SO
In order to put FC into practical use, it is necessary to have a stacked structure in which a plurality of cells are connected in series. However, in order to further increase the capacity of the battery, in addition to increasing the number of stacked layers, a large number of batteries are connected in parallel. To be integrated. As the integrated structure, a flat plate type SOFC and a cylindrical type SOFC are well known as well-known technologies.
【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(Y2O3 Stabilized ZrO2)
材料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。[0004] Among them, the flat type SOFC generally has the entire structure shown in FIG. 12, and the structure of each cell constituting the SOFC is yttria-stabilized zirconia (Y 2 O 3 Stabilized ZrO). 2 )
Material or scandia stabilized zirconia (Sc 2 O 3
A single cell 106 in which a thin film of a fuel electrode 102 made of a nickel-cermet material and a thin film of an air electrode 104 made of a lanthanum strontium manganite material is coated on both surfaces of a solid electrolyte plate 100 made of a Stabilized ZrO 2 ) material is made of a lanthanum chromite ceramic material or heat-resistant. A multilayer structure having a multilayer structure laminated via a separator 108 made of a metal material has already been proposed as having a good conductive function.
【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。In order to obtain a large-capacity fuel cell using this multilayer structure, a larger number of cells and electric connecting members (flat SOFs) for stacking these cells are required.
C requires a separator, and a cylindrical SOFC uses Ni felt).
【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SOF
C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。However, as described above, in the conventional stack type SOFC, the unit cell and the separator are separate members, and not only the assembling process is required, but also a fuel gas supply pipe, an air supply pipe, and the like. There is a drawback that a large number of members are required due to the necessity of the arrangement, which leads to an increase in cost. In addition, flat type SOF
In the case of C, a gas passage is provided in the connection member (separator) of each unit cell, but the shape is complicated, so that there is a problem that the manufacturing process is expensive, and as a result, the separator is expensive. Further, in the case of a cylindrical SOFC, since each unit cell is manufactured by an expensive thin film manufacturing process such as electrochemical deposition (EVD), there is a problem that the unit cell itself becomes extremely expensive.
【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。Further, in the above-mentioned flat type SOFC, if the gas passage of the separator becomes complicated, the pressure loss becomes large, and since each unit cell is formed of a thin plate of zirconia, the structural strength becomes weak. . In addition, cylindrical type S
In the OFC, since each unit cell is formed by a porous air electrode cylinder, the structural strength is also weakened.
In addition, since the electric connection between each unit cell of the flat / cylindrical SOFC is only contact, power loss due to this contact resistance is large, and reliability in this part is reduced in the long term. Problems have also been pointed out.
【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。Further, in the case of a flat-plate SOFC, it is necessary to match the thermal expansion coefficients of each unit cell and its connecting member (separator) from the viewpoint of manufacturing into a laminated structure, and it is difficult to perform gas sealing. is there.
【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。Therefore, as a structure for efficiently integrating a large number of unit cells, a unit having a honeycomb structure without interposing a connecting member between the unit cells is disclosed in Japanese Patent Publication No. 60-2330.
No. 1 discloses this. In this honeycomb structure, electrodes are provided on both surfaces of each partition wall made of a honeycomb-shaped solid electrolyte material, and a desired capacity is obtained by allowing each space partitioned by each partition to function as an anode layer or a cathode layer, respectively. It is like that.
【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。However, this Japanese Patent Publication No. Sho 60-2330
According to the honeycomb structure disclosed in Japanese Patent Publication No. 1 (1999), since a constituent member corresponding to a connecting member for electrically connecting an anode layer and a cathode layer alternately arranged by each partition is not provided, However, there may be a disadvantage that the same polar layers of the unit batteries which should be adjacent to each other independently act on the different polar layers between them with the same polar function. Then, the same polar layers function so that currents flow in opposite directions to each other, and as a result, a problem that a desired current and voltage cannot be taken out occurs. Also, when the electrical connection is made at the end, a high power generation performance cannot be expected because the current path becomes long.
【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。In order to solve the above-mentioned problem, the present inventor has disclosed in Japanese Patent Application No. 8-354848 a honeycomb structure in which a large number of honeycomb channels having a polygonal cross section are arranged vertically and horizontally. A fuel electrode channel row in which a fuel electrode is provided on the inner wall surface of the honeycomb channel, an air electrode channel row in which an air electrode is provided on the inner wall surface of the honeycomb channel, and a honeycomb channel inner wall formed integrally with the solid electrolyte material. Separator (interconnector)
Has been proposed in which a separator (interconnector) channel row provided with is sequentially formed in a laminated shape.
【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。According to the method disclosed in Japanese Patent Application No. 8-354848, since the unit cells are electrically connected by the separator channel, it is not necessary to connect the unit cells by electrodes such as platinum. This avoids the disadvantage that the same polarity layers of each unit cell act on the different polarity layers between them with the same polarity function, and the disadvantage that the power generation performance is reduced due to a longer current path. is there.
【0013】[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。However, the inner wall surface of the honeycomb structure is simply coated with the fuel electrode, the air electrode, and the separator material, and the fuel electrode channel row, the air electrode channel row, and the separator channel row are vertically arranged. In a solid oxide fuel cell formed sequentially in a stack in the direction, only the lateral partition walls separating the fuel electrode channel row and the air electrode channel row operate as a battery, so that the effective area of the battery is reduced. However, there is a problem that power generation performance is low.
【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。An object of the present invention is to provide a honeycomb integral structure in which a fuel electrode channel having a fuel electrode provided on the inner wall surface of a honeycomb channel and an air electrode channel having an air electrode provided on the inner wall surface of the honeycomb channel are formed. In the solid oxide fuel cell (SOFC) of the above, by operating all of the horizontal partition and the vertical partition as cells,
An object of the present invention is to provide a solid oxide fuel cell (SOFC) having a honeycomb integrated structure with a high effective area and high power generation performance.
【0015】[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。In order to solve this problem, a solid oxide fuel cell (SOFC) having a honeycomb integral structure according to the present invention has a large number of honeycomb channels having a polygonal cross section arranged in rows and columns. A honeycomb structure is integrally formed from a solid electrolyte material, and a fuel electrode channel provided with a fuel electrode on the inner wall surface of the honeycomb channel of the honeycomb structure and an air electrode channel provided with an air electrode on the inner wall surface of the honeycomb channel are formed. Arranged alternately so as to be adjacent to each other via a partition, each fuel electrode is electrically coupled to one open end face of the honeycomb structure, and each fuel electrode is electrically connected to the other open end face of the honeycomb structure. The gist is that the air electrode is electrically connected.
【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(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
(ZrO2) 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。In this case, the solid electrolyte material includes:
Conventionally known yttria-stabilized zirconia (YS
Z) and scandia-stabilized zirconia (ScSZ) disclosed in Japanese Unexamined Patent Publication No. 7-6774 filed by the present applicant.
It is most suitable to use ceria (CeO 2 ) or the like. Further, the honeycomb integral structure is formed by extruding this zirconia (ZrO 2 ) into a zirconia honeycomb molded body in which a large number of honeycomb channels having a polygonal cross section are integrally molded, and then subjected to a firing treatment. To obtain a zirconia honeycomb.
【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。In this case, the polygonal cross section of a large number of honeycomb channels integrally formed by extrusion molding is as follows:
It consists of a triangle, a quadrangle, a hexagon or any other shape. For example, square honeycomb channels are arranged vertically and horizontally, and fuel electrode channels and air electrode channels are alternately arranged so as to be adjacent to each other via partition walls of the honeycomb structure, or triangular honeycomb channels are arranged vertically and horizontally. For example, the fuel electrode channel and the air electrode channel are arranged alternately so as to be adjacent to each other via each side of the triangle. When the cross-sectional shape of each honeycomb channel is a square, a form in which each honeycomb channel is formed in an oblique lattice shape and the fuel electrode channel and the air electrode channel are provided alternately in a diagonal direction may be used.
【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。Further, a fuel electrode side electrode is provided on one open end surface of the honeycomb structure, and the fuel electrodes formed on the honeycomb structure are electrically coupled to the fuel electrode side electrode. Preferably, an air electrode is provided on the other open end surface of the honeycomb structure, and the air electrodes and the air electrode formed on the honeycomb structure are electrically coupled. With such a configuration, the unit cells can be connected in parallel, and electricity generated by the SOFC can be extracted from both ends of the honeycomb channel.
【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
されたハニカム構造体を押し出し方向に積層すればよ
い。Further, the thickness of the honeycomb structure in the extrusion direction is preferably 5 cm or less. If the thickness of the honeycomb structure exceeds 5 cm, the current path becomes longer, the internal resistance of the solid oxide fuel cell increases, and the power generation performance deteriorates. In addition, in order to obtain a solid oxide fuel cell having a high open circuit voltage, the honeycomb structure configured as described above may be stacked in the extrusion direction.
【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。The fuel electrode channel and the air electrode channel of the zirconia honeycomb structure are formed by the following method as an example. That is, when forming the fuel electrode channel, the channel hole of the air electrode channel is sealed and closed, and the other end of the channel hole is covered with a braze or the like, and nickel is formed on the inner wall surface of the honeycomb channel forming the fuel electrode. -Yttria stabilized zirconia (Ni
-YSZ) is flowed or immersed in the slurry material to adhere the slurry to the inner wall surface of the honeycomb channel and one end of the channel hole. After drying the slurry, the slurry is fired to obtain a fuel electrode channel,
And a fuel electrode side electrode are formed.
【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(La1−x
SrxMnO3: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。In forming the air electrode channel,
Similarly, the channel hole of the fuel electrode channel is closed, and one end of the channel hole is covered with a braze or the like. La 1-x
A slurry of Sr x MnO 3 (x = 0.1 to 0.4) is applied by flowing or the like, and is formed by drying and firing. In addition, you may make it bake at once at the end.
【0022】[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。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is an external perspective view of a solid oxide fuel cell (SOFC) having a honeycomb integral structure according to an embodiment of the present invention.
【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(Y2O3 St
abilized ZrO2) 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。The SOFC 10 shown in FIG. 1 is a solid electrolyte material of yttria-stabilized zirconia (Y 2 O 3 St).
available ZrO 2 ) or scandia stabilized zirconia (Sc 2 O 3 Stabilized)
ZrO 2 ) A zirconia honeycomb structure integrally formed through an extrusion molding process and a firing process using a material,
It is formed by providing a fuel electrode and an air electrode described later.
【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。As a result, the SOFC 10 has a large number of honeycomb channels 1 each having a rectangular cross section and both ends being open.
Are arranged in rows and columns. The thickness of the honeycomb structure can be reduced by extrusion, and is 0.1 mm to 0.3 mm.
【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。In this zirconia honeycomb structure, the fuel electrode channels 14, 14,... And the air electrode channels 16, 16,... Are alternately arranged in the horizontal direction, and the fuel electrode channels 14, 14,. And the cathode channel 16,
16 are alternately arranged. In the figure, the honeycomb channels 12, 12,...
1 and 10 are shown.
【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(H2 )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。First, the fuel electrode channels 14, 14,... Are formed by coating a slurry of nickel-yttria stabilized zirconia (Ni-YSZ) as a fuel electrode (anode: negative electrode) on inner wall surfaces 20, 20,. are those, sectional rectangular space the coating is formed by the honeycomb channel wall 20, 20 which has been subjected, hydrogen (H 2) have a function as a fuel gas passage 22 which the gas flows ... doing.
【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 (L
a1− xSrxMnO3: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。The air electrode channels 16, 16,... Are provided on the inner wall surfaces 20, 20,.
Lanthanum strontium manganite (L)
a 1− x Sr x MnO 3 : x = 0.1 to 0.4) is coated, and the coated honeycomb channel inner wall surfaces 20, 20,...
Have a function as air flow paths 24 through which air flows.
【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1
6,16…、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。FIG. 2 is an enlarged front view of the solid electrolyte fuel cell (SOFC) having a honeycomb integral structure shown in FIG.
, The honeycomb channel inner wall surfaces 20, 20, the fuel gas flow paths 22, 22, the air flow paths 24, 24, etc. are shown in an enlarged manner. With this configuration, all the partition walls of the honeycomb structure can be used as a battery, so that the effective area is six times as large as that of a conventional solid oxide fuel cell in which only horizontal partition walls operate as a battery. Become. Therefore, the reaction area is increased, and the same effect as that obtained by increasing the area of the battery is obtained, so that the power generation performance can be improved.
【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1
6,16…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。FIG. 3 is a side sectional view of the solid oxide fuel cell (SOFC) having a honeycomb integral structure shown in FIG.
, 16,... Are arranged alternately in the vertical direction. The inner wall surface of each fuel electrode channel 14 is coated with a fuel electrode, and the same material as the fuel electrode is also formed on one open end face of a honeycomb channel surrounded by a solid electrolyte material (zirconia) 11. This portion is coated as a fuel electrode side electrode (-electrode) 14a. Each fuel electrode has a structure integrally connected by a fuel electrode side electrode (-pole) 14a.
【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。Similarly, the inner wall surface of each of the cathode channels 16, 16,... Is coated with an cathode,
The other opening end face of the honeycomb channel surrounded by the solid electrolyte material 11 is also coated with the same material as the air electrode, and this portion serves as the air electrode side (+ electrode) 16a. Each air electrode has a structure integrally connected by an air electrode side (+ electrode) 16a.
【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。Therefore, in the structure shown in FIG. 1, each of the anode channels 14, 14,... And each of the cathode channels 16, 16,.
And the unit cells formed on the partition wall between them are connected in parallel. Therefore, since a single honeycomb structure does not form a stacked battery, when stacking, as shown in FIG. 4, the respective honeycomb structures may be stacked in the extrusion direction such that different electrodes are adjacent to each other. .
【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。When the thickness D of one honeycomb structure is increased, the current flow path becomes longer and the internal resistance is increased. Therefore, the smaller the thickness D of the honeycomb structure, the smaller the power generation performance per unit volume. Will be higher. Specifically, the thickness D of the honeycomb structure is preferably 5 cm or less, and particularly preferably 1 cm or less.
【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。Further, in order to reduce the interfacial resistance of the SOFC 10, the inner walls of the fuel electrode channels 14, 14,... And the air electrode channels 16, 16,. (Pt) A thin film may be coated in advance.
【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(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。A method of manufacturing the SOFC 10 having such a configuration will be described. First, a method for manufacturing a solid electrolyte material provided for the SOFC 10 will be described.
First, powder particles of zirconia (ZrO 2 ) as a main material and powder particles of yttria (Y 2 O 3 ) as a stabilizing material are mixed at an appropriate mixing ratio. The average particle size of this mixed powder is about 3 μm. In addition, when a liquid phase manufacturing process such as a sol-gel method or a coprecipitation method is applied as a method for adjusting the mixed powder of zirconia / yttria, a uniform mixed powder having few impurities can be obtained.
【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。Next, a binder for molding is added to this mixed powder, and the cross section after firing is formed into a rectangular parallelepiped having a size of about 10 cm × 10 cm and a length of about 1 cm. Are extruded so as to form a large number of honeycomb channels 12, 12... Having both ends open. The honeycomb channels 12, 12,... Are formed such that the wall thickness between the honeycomb channels becomes about 0.1 to 0.3 mm after firing in the same manner as described above.
【0036】そしてこのジルコニアハニカム成形体を1
500℃〜1700℃の温度で焼成すれば、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。Then, this zirconia honeycomb formed body was
By firing at a temperature of 500 ° C. to 1700 ° C., a zirconia honeycomb made of a yttria-stabilized zirconia (YSZ) material in which yttria (Y 2 O 3 ) is dissolved in zirconia (ZrO 2 ) is obtained.
【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(Zr
O2 )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5
0μm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5
0μm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。Next, in forming the fuel electrode, the air electrode, and the fuel electrode and the air electrode on the zirconia honeycomb, a so-called slurry coating method is employed. That is, when forming the fuel electrode channels 14, 14,... And the fuel electrode side electrode 14a, the channel hole of the air electrode channel is sealed and closed, and the inner wall surface of the honeycomb channel forming the fuel electrode and one of the honeycomb channels are formed. Nickel (Ni) 40% by weight-zirconia (Zr
O 2 ) A slurry obtained by converting 60% by weight of nickel-yttria-stabilized zirconia (Ni-YSZ) powder into
The slurry is flown so as to have a thickness of about 0 μm, or immersed in the slurry material, and the slurry is applied to the inner wall surface of the honeycomb channel and one end surface of the honeycomb channel.
Attach so as to be about 0 μm. After the slurry is dried, the slurry is fired at a temperature of 1200 ° C. to 1400 ° C. to form the fuel electrode channels 14 integrally connected to the fuel electrode 14a.
【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(La1−xSrxMn
O3: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。When the air electrode channels 16, 16,... And the air electrode 16a are formed, the channel hole of the fuel electrode channel is similarly closed, and the inner wall surface of the honeycomb channel forming the air electrode and the other end surface of the honeycomb channel are formed. Lanthanum strontium manganite (La 1-x Sr x Mn)
O 3 : x = 0.1 to 0.4) is applied by flowing the slurry so that its thickness becomes about 50 μm. And
If it is dried and baked at a temperature of about 1150 ° C. to 1200 ° C., the air electrode channels 16 are integrally connected to the air electrode 16a. The mixing ratio of the air electrode material is preferably about 10 to 40 mol% of strontium with respect to 90 to 60 mol% of lanthanum.
【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。It is desirable that the firing be performed in the order of higher firing temperatures, that is, in the order of the fuel electrode channels 14, 14,... And the air electrode channels 16, 16,.
Depending on the composition of the material applied to the inner wall surface of each channel row, the slurry may be applied to all the channel rows in advance, and then may be performed at once at the end.
【0040】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(ZrO2
)とスカンジア(Sc2O3)とを、スカンジア(S
c2O3)の配合比率が8〜15モル%になるように調
整すればよい。Scandium (S) is used as a stabilizing material.
When the powder particles of c) are applied, see JP-A-7-677.
As disclosed in Japanese Unexamined Patent Publication No. 4 (1999) -2004, zirconia (ZrO 2
) And scandia (Sc 2 O 3 ) are converted to scandia (S
mixing ratio of c 2 O 3) may be adjusted to 8-15 mol%.
【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28
b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。FIG. 5 is an exploded perspective view showing the overall structure of the SOFC 10 having the honeycomb integrated structure shown in FIGS. 1 and 2 when actually used as a fuel cell. As shown in the drawing, the SOFC 10 includes a gas supply plate 28a that discharges fuel gas and supplies air to both open ends of the above-described honeycomb structure via pressing plates 26a and 26b, respectively.
Gas supply plate 28 for supplying fuel gas and discharging air
b is provided to supply fuel gas and air from opposite directions.
【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4
2,42…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。As shown in FIG. 6, the holding plate 26a has fuel gas discharge holes 30, 30,.
.. Are provided in the holding plate 26b.
, And air discharge holes 44, 44, respectively, are connected to the anode channels 14, 14, respectively, of the honeycomb structure shown in FIG.
.. And the cathode channels 16, 16,...
【0043】そして空気供給板28aには、このSOF
C10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SOFC1
0に燃料ガス(H2 )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。The SOF is provided on the air supply plate 28a.
A fuel gas discharge pipe 34 for discharging the fuel gas (H 2 ) introduced into C10 and an air introduction pipe 36 for introducing air gas (Air) to the SOFC 10 are attached. The SOFC 1 is provided on the fuel supply plate 28b.
A fuel gas introduction pipe 38 for introducing the fuel gas (H 2 ) into the fuel cell 0 and an air discharge pipe 40 for discharging the air introduced into the SOFC 10 are provided.
【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2
2,22…に連通して設けられ、また、空気導入孔3
2,32…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22,2
2…と空気流路24,24…とに連通して設けられてい
る。That is, the fuel gas discharge holes 30, 30
Are the fuel gas flow paths 2 of the fuel electrode channels 14, 14,.
2, 22... And the air introduction holes 3
, 32 ... are provided in communication with the air flow paths 24, 24 ... of each air electrode channel row 16, 16 .... Similarly, the holding plate 26b has fuel gas introduction holes 42, 42, and air discharge holes 44, 44,.
.. And the air flow paths 24, 24,.
【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。As shown in FIG. 7, the air supply plate 28a is provided with a comb-shaped fuel gas discharge passage 46 obliquely, which is provided in the air supply plate 28a. The gas after the reaction is discharged to the fuel gas discharge pipe 34 through the holes 30, 30,. Further, similarly to the fuel gas supply passage 46, a comb-shaped air supply passage 48 is also obliquely provided in the gas supply plate 28a, so that air introduced through the air introduction pipe 36 can be introduced. Each of the cathode channels 16, 16,... Through the air introduction holes 32, 32,.
Are formed in the air passages 24, 24,.
【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2
2,22…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。Similarly, the fuel gas (H) introduced through the fuel gas introduction pipe 38 is supplied to the fuel supply plate 28b.
2 ) through the fuel gas introduction holes 42, 42,.
The fuel gas supply passage 50 in the form of a comb is provided diagonally to supply the fuel gas to the air discharge pipe 40 from the air flow paths 24, 24 through the air discharge holes 44, 44. A comb-shaped air discharge passage 52 for discharging air is also provided obliquely, so that the air introduced through the air introduction pipe 36 or the fuel gas introduction pipe 38 or the gas after the reaction of the fuel gas reacts with the air. The gas is discharged from the discharge pipe 40 and the fuel gas discharge pipe 34.
【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。Therefore, the air introduction pipe 36, the air supply path 48, the air introduction hole 32, the air flow paths 24, 24,..., The air discharge holes 44, 44,. The fuel gas introduction pipe 38, the fuel gas supply path 50, the fuel gas introduction holes 42, 42,..., The fuel gas flow paths 22, 22,. 30, the fuel gas discharge path 46 and the fuel gas discharge pipe 34 are also provided so as to communicate with each other to form a fuel gas flow path.
【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。When actually used, for example,
Current is taken out in the direction A shown by an arrow in FIG. 5, but in this case, the holding plates 26a located at both ends of the SOFC 10 come into contact with the air electrode 16a to serve as a positive electrode, and the holding plate 26b serves as a fuel. It becomes a negative electrode in contact with the pole side electrode 14a.
【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(La1−xS
rxO3) と接触すると、その空気極チャネル16,
16…で酸素イオン(O2−)が生成される。In the above configuration, the power generation mechanism of the solid oxide fuel cell (SOFC) is as follows.
That is, the air introduced from the air introduction pipe 36 passes through the air supply path 48 and the air introduction holes 32, 32,.
Of the air electrode channels 16, 16... (La 1-x S
r x O 3 ) upon contact with its cathode channel 16,
At 16 ..., oxygen ions ( O2- ) are generated.
【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(O2−)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14,1
4…の燃料極に到達する。Then, the cathode channels 16, 16
The oxygen ions (O 2− ) generated at the air electrode move within the walls of the honeycomb channels 12, 12... Toward the fuel electrodes in the corresponding honeycomb channels of the corresponding fuel electrode channels 14, 14,. Corresponding anode channel 14,1
The fuel electrode of 4 ... is reached.
【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3
8から導入される水素ガス(H2 )が燃料供給板28
b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(H2)と反応して水蒸気(H 2
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34を通って排出され
る。On the other hand, the fuel of the anode channels 14, 14,...
The gas flow paths 22, 22,...
Hydrogen gas (H2 ) Is the fuel supply plate 28
b through the fuel gas supply path 50,
The oxygen ions (O
2-) Is the hydrogen gas (H2) And react with water vapor (H 2
O), and electrons are emitted. As a result, the power generation state
can get. The air and fuel gas after the reaction are
Discharged through the gas exhaust pipe 40 and the fuel gas exhaust pipe 34.
You.
【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SOF
C10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。FIG. 8 is an exploded perspective view of a 2 kW module to which the above-described solid oxide fuel cell (SOFC) having a honeycomb integral structure is applied, and the SOFC 10 having a square cross section is shown.
(10 cm × 10 cm × 1 cm) are stacked in ten layers (10 cm × 10 cm × 10 cm). The output power is 500W per one
A power generation state can be obtained by a power generation mechanism similar to that shown in FIG. As shown in FIG. 8, an air electrode side electrode 16 a (+ electrode) and a fuel electrode side electrode 14 b (− electrode) are provided on both end surfaces in the pushing direction of the SOFC 10. SOF
The member illustrated at the lower part and the member illustrated at the upper part of C10 are taken out as terminals, for example, in the direction B indicated by an arrow.
【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、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。That is, in the figure, a member shown below the SOFC 10 is provided with an air introduction pipe 36, a fuel gas discharge pipe 34, and the like in addition to the fuel gas discharge path 46 and the air supply path 48. And an air supply plate 28a. Furthermore, SOF
The member illustrated above the C10 is provided with a fuel gas supply path 50, an air discharge path 52, and the like (not shown) in addition to the air discharge pipe 40 and the fuel gas introduction pipe 38. 28b.
【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。In order to obtain a larger electric power by applying the SOFC 10, as shown in FIG. 9, as shown in FIG.
Five modules were stacked in the direction along the air / fuel gas flow path to form a 10 kW module, and the 1
In order to keep the size in the direction in which the 0 kW modules are stacked, four are combined so as to form a configuration having a larger cross-sectional square shape. When assembling the modules, various connecting members such as a bus bar 58 can be used, or the air introducing pipe 36 and the air discharging pipe 40 can have a function as a connecting member.
【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。Next, another embodiment of the cross-sectional form of the honeycomb structure of the present invention will be described with reference to FIGS. Each of the honeycomb integrated structures shown in FIGS. 10 and 11 is integrally formed through an extrusion forming process and a firing process similarly to the one shown in FIG.
【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。FIG. 10 shows an example of a triangular cross-sectional polygonal shape. In this case, the anode channels 14, 14,... And the cathode channels 16, 16 are alternately arranged so as to be adjacent to each other via each side of the triangle.
All the partition walls of the zirconia honeycomb structure constitute unit cells.
【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14,1
4…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。FIG. 11 shows an example in which a polygonal cross section is formed into a diagonal lattice square shape. In this case, as in the case shown in FIG.
And the air electrode channels 16, 16 are alternately arranged so as to be adjacent to each other via the partition walls of the zirconia honeycomb structure, and all the partition walls of the zirconia honeycomb structure constitute a unit cell. .
【0058】さらに、図10及び図11に示したSOF
C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。Further, the SOF shown in FIGS.
C has an air electrode side electrode and a fuel electrode side electrode provided on both end surfaces in the pushing direction, respectively, as shown in FIG.
The generated electricity can be taken out from both ends of the honeycomb channel. Also, in order to secure a large voltage, the honeycomb structure shown in FIG. 10 or 11 may be laminated in the extrusion direction, similarly to the example shown in FIG.
【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。The shape of the honeycomb channel may be hexagonal. In this case, all the anode channels 14, 14,... And the cathode channels 16, 16,... Cannot be arranged "alternately" due to the nature of the shape. The fuel electrode channels 14, 14,..., And all other portions may be the cathode electrode channels 16, 16,. In this way, among the partitions of the zirconia honeycomb structure, the partitions other than the portion where the air electrode channels 16, 16... Are adjacent to each other constitute a unit cell.
【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。Although the embodiment of the present invention has been described above, as described above, by alternately arranging the fuel electrode channel and the air electrode channel, all the partition walls can be used as a battery, so that the effective area increases. Power generation performance is improved.
In addition, since the separator channel is not required, the output density per unit volume can be improved. Moreover,
Since the honeycomb structure is integrally formed of a single material, a contact portion of a component made of another material is not required in the stacked battery, and power loss due to contact resistance is reduced. In addition, since the fuel gas flow path and the air flow path in each stacked cell are linear flow paths, there is an advantage that pressure loss is reduced.
【0061】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。Further, a solid oxide fuel cell (SOF)
C) itself is a thin-walled structure composed of a large number of honeycomb channels, but being integrally formed of a single material contributes to extremely high structural strength. Therefore, a highly reliable structure is formed even with a material having relatively low strength such as ceria (CeO 2 ). As for the gas seal characteristics, the inner wall along the fuel gas flow path and air flow path is completely gas-sealed against the outside atmosphere, so no special structure for gas seal is required. There are advantages. On the other hand, both ends having a polygonal cross-section need gas seals, but since the parts to be sealed have a regular shape, gas seals are easy.
【0062】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。Moreover, yttria-stabilized zirconia (Y
Since the integrated structure of SZ) is used, there is an advantage that the material design in consideration of the difference in the coefficient of thermal expansion of each electrode material is not required unlike the related art. Therefore, application of other materials (for example, ceria (CeO 2 )) can be easily performed.
【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(Y2O3 Stabilized Zr
O2) あるいはスカンジア安定化ジルコニア(Sc 2
O3 Stabilized ZrO2 )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(S
m)、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(O2−)を透過する固
体電解質が一般に適用できる。The present invention is not limited to the above-described embodiment.
The scope of the present invention is not limited and does not depart from the gist of the present invention.
Various modifications are possible in the box. For example, in the above example
As a material for the honeycomb structure
Zirconia (Y2O3 Stabilized Zr
O2) Or Scandia stabilized zirconia (Sc 2
O3 Stabilized ZrO2 Apply
As mentioned above, without being limited to this, Ytterbium
Zirconia doped with (Yb) (ZrO2) Etc. solid
Electrolyte, cadmium (Gd), samarium (S
m), cerium oxide doped with yttrium (Y)
(CeO2 ), Oxygen ions (O2-) Penetrating solid
Body electrolytes are generally applicable.
【0064】[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SO
FC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。According to the solid oxide fuel cell (SOFC) having a honeycomb integral structure of the present invention, a honeycomb structure in which a large number of honeycomb channels having a polygonal cross section are arranged vertically and horizontally is integrally formed of a solid electrolyte material. So that the fuel electrode channel in which the fuel electrode is provided on the honeycomb channel inner wall surface of the honeycomb structure and the air electrode channel in which the air electrode is provided on the honeycomb channel inner wall surface are adjacent to each other via the partition wall. Since they are arranged alternately, they are excellent in structural strength and can not only reduce power loss due to contact resistance, etc., but also can use all of the partition walls of the honeycomb structure as a battery. The effective area of the battery is six times that of the conventional structure in which the air electrode channel row and the separator channel row are sequentially stacked in the vertical direction, and the power generation performance is improved. It is possible to. This SO
According to FC, the honeycomb structure is manufactured from a single material, so that not only the production cost can be reduced but also mass production can be achieved. Therefore, producing such a solid oxide fuel cell (SOFC) is extremely beneficial in industry.
【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。FIG. 1 is an external perspective view of a solid oxide fuel cell (SOFC) having a honeycomb integral structure according to an embodiment of the present invention.
【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。FIG. 2 is an enlarged front view of the solid oxide fuel cell (SOFC) having a honeycomb integral structure shown in FIG.
【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。FIG. 3 is a side sectional view of the solid oxide fuel cell (SOFC) having a honeycomb integral structure shown in FIG.
【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。FIG. 4 is a view showing a state where the solid oxide fuel cells (SOFC) having a honeycomb integral structure shown in FIG. 1 are stacked in the extrusion direction.
【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。FIG. 5 is an exploded perspective view of a solid oxide fuel cell (SOFC) having a honeycomb integral structure according to an embodiment of the present invention.
【図6】図3に示した押え板26a,26bの平面図で
ある。6 is a plan view of the holding plates 26a and 26b shown in FIG.
【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。FIG. 7 is a plan view of an air supply plate 28a and a fuel supply plate 28b shown in FIG.
【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。FIG. 8 is an exploded perspective view of a 2 kW module using a solid oxide fuel cell (SOFC) having a honeycomb integral structure according to an embodiment of the present invention.
【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。FIG. 9 is an assembly configuration diagram of a 40 kW stack using a solid oxide fuel cell (SOFC) having a honeycomb integral structure according to an embodiment of the present invention.
【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。FIG. 10 is a diagram showing a honeycomb structure (triangle) according to another embodiment of the present invention.
【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。FIG. 11 is a view showing a honeycomb structure (oblique lattice shape) according to another embodiment of the present invention.
【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。FIG. 12 is an external perspective view of a conventionally known solid oxide fuel cell (SOFC) having a laminated structure.
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 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Solid oxide fuel cell (SOFC) 12 Honeycomb channel 14 Fuel electrode channel 14a Fuel electrode side electrode 16 Air electrode channel 16a Air electrode side electrode 20 Honeycomb channel inner wall surface 22 Fuel gas flow path 24 Air flow path
Claims (5)
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特徴とするハニ
カム一体構造の固体電解質型燃料電池。1. A honeycomb structure in which a large number of honeycomb channels having a polygonal cross section are arranged vertically and horizontally by a solid electrolyte material, and a fuel electrode is provided on a honeycomb channel inner wall surface of the honeycomb structure. The fuel electrode channel and the air electrode channel having an air electrode provided on the inner wall surface of the honeycomb channel are alternately arranged so as to be adjacent to each other with a partition wall interposed therebetween. A solid electrolyte fuel cell having an integral honeycomb structure, wherein the electrodes are electrically coupled to each other and the air electrodes are electrically coupled to the other open end face of the honeycomb structure.
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。2. The solid electrolyte fuel according to claim 1, wherein a cross-sectional shape of each honeycomb channel of the honeycomb structure is a triangle, a quadrangle, a hexagon, or any other shape. battery.
さが、5cm以下であ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一体構造の固体電解質型燃料電
池。3. The solid oxide fuel cell having a honeycomb integral structure according to claim 1, wherein the thickness of the honeycomb structure in the extrusion direction is 5 cm or less.
層したことを特徴とする請求項3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。4. The solid electrolyte fuel cell according to claim 3, wherein the honeycomb structures are stacked in an extrusion direction.
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4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。5. The honeycomb integrated body according to claim 1, wherein the solid electrolyte material of the honeycomb structure is one selected from yttria-stabilized zirconia, scandia-stabilized zirconia, and ceria. Solid electrolyte fuel cell with structure.
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