JPH10189024A

JPH10189024A - ハニカム一体構造の固体電解質型燃料電池

Info

Publication number: JPH10189024A
Application number: JP8354849A
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】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を固体電解質
材料であるイットリア安定化ジルコニア材料によるもの
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
によるものとの同時押出成形により一体的かつ交互に形
成し、ハニカムチャネル内壁面に、燃料極（Ｎｉ−ＹＳ
Ｚ）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_xＭｎ
Ｏ₃）が設けられた空気極チャネル列１６，１６…とを
順次積層状に形成する。

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のハニカム構造壁を固体電解質材料
と導電性材料（インターコネクタ）とにより一体的に形
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１個
当たりの電圧が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。

【０００４】このうち、平板型ＳＯＦＣは、一般的に図
１１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
池にあっては、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の各ハニカムチ
ャネル列間のハニカム構造壁を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形成
し、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（Ｙ₂
Ｏ₃ ＳｔａｂｉｌｉｚｅｄＺｒＯ₂）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（Ｓｃ₂Ｏ₃ Ｓｔａｂｉｌｉｚ
ｅｄＺｒＯ₂）等を適用することが最適である。

【００１４】また、インターコネクタ材料としては、ハ
ニカムチャネルの内壁面にランタンクロマイト（ＬａＣ
ｒＯ₃）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（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）等を適用することが最適で
ある。

【００１５】前記ハニカム一体構造は、前記固体電解質
材料とインターコネクタ材料とをそれぞれ押出機の別々
の注湯口より金型（ダイス）へ押出すことにより固体電
解質材料によるハニカムチャネル壁とインターコネクタ
材料によるハニカムチャネル壁とが形成されるもので、
これが交互に積層状に形成される。そしてこのように断
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／ランタンクロマイトの２層構造か
ら成るハニカム成形体とされた後、焼成処理を経てジル
コニア／ランタンクロマイトのハニカム焼成体として得
られるものである。

【００１６】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。

【００１７】さらに、燃料極チャネル列及び空気極チャ
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。

【００１８】そしてこのジルコニアハニカム構造体の燃
料極チャネル列及び空気極チャネル列は、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−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。

【００１９】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
・焼成することにより形成される。なお、焼成は最後に
一度に行うようにしてもよい。

【００２０】

【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。

【００２１】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）材料から形成されるジルコニア構造壁１１，１１…
と、インターコネクタ材料であるランタンクロマイト
（ＬａＣｒＯ₃ ）材料から形成されるインターコネクタ
構造壁１８，１８…とが所定の肉厚で交互に形成された
ものが押し出し成形処理、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。

【００２２】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。

【００２３】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。

【００２４】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…とが順次積層状に交互に形
成された構成とされている。同図においてはインターコ
ネクタ構造壁１８，１８…を介して固体電解質材料（ジ
ルコニア）から成る単電池が５段積層された構造が示さ
れている。

【００２５】まず、ジルコニア構造壁１１，１１…の燃
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２０，２
０…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。

【００２６】また、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
（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２４，２４…としての機能を有している。

【００２７】インターコネクタ構造壁１８，１８…の材
料としては、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）が用いられる。

【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、ジルコニア構造壁１１，１１…とインターコネクタ
構造壁１８，１８…とにより挟まれる２列からなるハニ
カムチャネル列には燃料極チャネル列１４，１４…及び
空気極チャネル列１６，１６…が形成されている。そし
て燃料極チャネル列１４，１４…には燃料極がコーティ
ングされ、空気極チャネル列１６，１６…には空気極が
コーティングされている。また、同図には、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。

【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。

【００３０】次に、インターコネクタ材料の製造方法に
ついて説明する。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）の粉末粒子を調製する。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。

【００３１】このようにして、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）がセットされる押出
機により同時に別々の注湯口より押出す。これにより、
焼成後の大きさが縦横１０ｃｍ×１０ｃｍ程度の大きさ
になるように四角形状をした多数のハニカムチャネル１
２，１２…が押し出し成形される。このハニカムチャネ
ル１２，１２…は、焼成後にその肉厚が０．１〜０．３
ｍｍ程度でハニカムチャネルの一桝の大きさが１ｍｍ〜
５ｍｍ程度になるように成形される。

【００３２】そしてこのジルコニア／ランタンクロマイ
トのハニカム成形体を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）材料及びランタンクロマイト材料から
成るジルコニア／ランタンクロマイトのハニカム焼成体
が得られる。

【００３３】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。

【００３４】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、ランタンマンガナイト９５〜
８５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。

【００３５】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％になるように調製す
る。

【００３６】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。

【００３７】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。

【００３８】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１６，１６…
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２６ｂには、燃
料ガス排出孔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。

【００３９】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。

【００４０】さらに、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，
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。

【００４１】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。

【００４２】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。

【００４３】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。

【００４４】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固体電解質材料で構成されるハ
ニカム構造の壁内部を移動し、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。

【００４５】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。

【００４６】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４ｋＷ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１ｋＷ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ＳＯ
ＦＣ１０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。

【００４７】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。

【００４８】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４ｋＷ
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２０ｋＷモジュールとし、これにより得られた２
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。

【００４９】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８乃至図１０を参照して
説明する。これら図８乃至図１０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。

【００５０】図８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９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
からなるジルコニア構造壁１１，１１…と各単電池を電
気的に接続するインターコネクタ構造壁１８，１８…と
が順次積層状に交互に形成された構成とされている。

【００５１】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８及び図９に線示する部位Ｃ，Ｄの
部分で発電される。

【００５２】次いで、図１０に示したものは、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である。これら燃料極チャ
ネル列１４，１４…と空気極チャネル列１６，１６…並
びにインターコネクタ構造壁１８，１８…は交互に順次
積層された構成になっている。各ハニカムチャネルの断
面形状が三角形であるため、単位体積当りの燃料極及び
空気極の表面積が多くなる。そのため高い発電特性が必
要な場合に好適である。

【００５３】こ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。

【００５４】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、ハニカム構造体はジルコニア及びラ
ンタンクロマイト材料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、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。

【００５５】さらに、ジルコニア／ランタンクロマイト
のハニカム構造体は、イットリア安定化ジルコニア（Ｙ
ＳＺ）あるいはスカンジア安定化ジルコニア（ＳｃＳ
Ｚ）のみから成るジルコニアハニカムよりも電池抵抗が
低く、高出力化が図られることになる。また、各積層体
の薄型化が図られれば、電池の発電電力密度が増加する
ことになるため、材料面及び構造面の両面から材料の高
性能化が図られることになる。

【００５６】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、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（Ｃｅ
Ｏ₂ ）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。

【００５７】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ジルコニア構造壁の材料とし
て、イットリア安定化ジルコニア（Ｙ₂Ｏ₃ Ｓｔａｂｉ
ｌｉｚｅｄＺｒＯ₂）あるいはスカンジア安定化ジル
コニア（Ｓｃ₂Ｏ₃ ＳｔａｂｉｌｉｚｅｄＺｒＯ₂）
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（Ｚｒ
Ｏ₂）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。

【００５８】

【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）はハニカム構造壁を固体電解質
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
交互に一体的に形成し、そこに燃料極チャネル列と空気
極チャネル列とを積層状に形成したものであるから、構
造強度に優れることはもとより、接触部を持たないこと
で、接触抵抗による電力ロスの低減、あるいはより一層
の高出力化等を図ることができる。また、このＳＯＦＣ
のハニカム構造体は２種類の材料の同時の押出成形によ
り一体的に製造され、また燃料極や空気極の形成も容易
であるから大量生産も図られることから、その実用化が
大いに期待されるものである。

【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４ｋＷ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８０ｋＷス
タックの組立構成図である。

【図８】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９】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】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）１１ジルコニア構造壁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インターコネクタ構造壁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の各ハニカムチ
ャネル列間のハニカム構造壁を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形成
し、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と
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断面形状は三角形であって、それ
ぞれのハニカムチャネル列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５】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。
【請求項６】前記ハニカム構造体のインターコネクタ
材料がランタンクロマイト又は該ランタンクロマイトの
ランタンやクロムの一部をアルカリ土類金属やニッケル
で置換した酸化物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。
【請求項７】前記ハニカム構造体が固体電解質材料と
インターコネクタ材料の二種類の材料により一体的に押
出成形されたものであることを特徴とする請求項１乃至
６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。