(57)【要約】【課題】小型・大出力で効率がよく、かつ起動特性及び負荷変動特性に優れた固体電解質型燃料電池を提供する。【解決手段】四角形のセル断面を有するハニカム構造体からなる燃料電池であって、該燃料電池の燃料極セル３を構成するハニカムセルの各々の壁面にと隣接するセルを空気極セル５、該燃料極セルのハニカムセル壁面の角部に隣接しかつ該角部の両側に位置する空気極セルのそれぞれの一つの壁面に隣接するセルを冷却空気セル６とすることにより、燃料極セル、空気極セル及び冷却空気セルがそれぞれ１セル飛びに縦方向及び横方向に１列に碁盤目配列されており、かつ前記ハニカム構造体１のコーナー部に位置するセルが該燃料極セル３になっていることを特徴とする内部冷却再生式ハニカム型固体電解質燃料電池。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
四角形のセル断面を有するハニカム構造体からなる燃料電池であって、該燃料電池の燃料極セルを構成するハニカムセルの各々の壁面にと隣接するセルを空気極セル、該燃料極セルのハニカムセル壁面の角部に隣接しかつ該角部の両側に位置する空気極セルのそれぞれの一つの壁面に隣接するセルを冷却空気セルとすることにより、燃料極セル、空気極セル及び冷却空気セルがそれぞれ１セル飛びに縦方向及び横方向に１列に碁盤目配列されており、かつ前記ハニカム構造体のコーナー部に位置するセルが該燃料極セルになっていることを特徴とする内部冷却再生式ハニカム型固体電解質燃料電池。
【請求項２】
前記ハニカム構造体が矩形状の断面を有し、その外周の各面にハニカム構造体の材質と異なる材料で形成したカバーが設けられており、該カバーは内部に空気極通路及び冷却空気通路を有し、該空気極通路が、燃料極セルの壁面を形成している、ハニカム構造体の外周面に隣接するように配置されている請求項１に記載のハニカム型固体電解質燃料電池。
【請求項３】
前記ハニカム構造体が矩形状の断面を有し、その外周の各面にハニカム構造体の材質と異なる材料で形成したカバーが設けられており、該カバーは内部に空気極通路を有し、該空気極通路が前記ハニカム構造体の外周面に接している請求項１に記載のハニカム型固体電解質燃料電池。
【請求項４】
前記空気極通路に隣接するハニカム構造体の外周面に、空気極が設けられている請求項２又は３に記載のハニカム型固体電解質燃料電池。
【請求項５】
前記カバーがアルミナ、ジルコニア、ムライト、コーディエライト、炭化ケイ素、窒化ケイ素などのセラミックス、又はステンレス鋼、インコネルなどの耐熱鋼から形成されている請求項２、３又は４に記載のハニカム型固体電解質燃料電池。
【請求項６】
前記ハニカム構造体は、固体電解質材料、燃料極材料又は空気極材料の何れかにより形成されており、ハニカム構造体が固体電解質材料から形成されているときには、燃料極セルハニカムの内面に燃料極を形成し、空気極セル各々のの内面に空気極を形成してなる請求項１〜５のいずれかに記載の内部冷却再生式ハニカム型固体電解質燃料電池。
【請求項７】
セル断面が同一形状の正方形である請求項１〜６のいずれかに記載のハニカム型固体電解質燃料電池。
【請求項８】
燃料極セルのセル断面が正方形であり、各々の空気極セルのセル断面が燃料極セルの各々の壁面を長辺とする長方形であり、該冷却空気セルのセル断面が空気極セルの短辺を一辺とする正方形もしくは短辺を直径とする円形である請求項１〜７のいずれかに記載のハニカム型固体電解質燃料電池。
【請求項９】
四角形のセル断面を有する燃料極セル、空気極セル及び冷却空気セルのそれぞれの壁面の一部もしくは全部が湾曲又は波状である請求項１〜８のいずれかに記載のハニカム型固体電解質燃料電池。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれかのハニカム型固体電解質燃料電池を、２以上積層して燃料電池セル群となし、相互に連接結する該燃料電池の燃料極と空気極とをインターコネクターで接続して直列接続となし、前記セル群の両端部に設けた集電体より電気を取り出すようにしたことを特徴とする内部冷却再生式ハニカム型固体電解質燃料電池。
【請求項１１】
燃料電池セル群の一方の端部に位置するハニカム型燃料電池の端部に、燃料極セル閉止面を備えかつ空気極セルの流路及び冷却空気セルの流路が貫通した第一集電体を接続して、該第一集電体に冷却空気導管が貫通した空気入出ユニットを接続し該集電体に冷却用空気流路が貫通した排気集合室を接続して、該排気集合室に空気入口室もしくは空気入口管を接続し、
前記セル群の他方の端部に位置するハニカム型燃料電池構造体の端部に、燃料極セルの流路、空気極セルの流路及び冷却空気セルの流路が貫通した第二集電体を接続し、該第二集電体に空気反転室、及び燃料供給管が貫通した排気燃料排気集合室を順次に接続して、該燃料排気集合室に燃料を供給するための燃料供給ヘッダーを接続し、
該排気燃料排気集合室の端面から空気反転室及び第二集電体をそれぞれ貫通して、燃料極セルの空気入出側端面近傍まで延出した燃料供給管を、燃料極セル内にセル内面との間に隙間を設けて挿入してなる請求項１０に記載の内部冷却再生式ハニカム型固体電解質燃料電池。
【請求項１２】
冷却空気セルを流れる空気と空気極セルを流れる反応空気の向きを逆にして対向流とする請求項１〜１１のいずれかに記載の内部冷却再生式ハニカム型固体電解質燃料電池。
【請求項１３】
固体電解質がイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、スカンジウム安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ）、ランタンガレート系固体電解質又はＣ１２Ａ７(１２ＣａＯ・７Ａｌ2Ｏ3)などのＯ-、Ｏ2-等のイオン電導性を有する固体電解質又はＨ+、Ｈ-イオンを伝導する固体電解質である請求項１〜１２のいずれかに記載のハニカム型固体電解質燃料電池。
【請求項１４】
ランタンガレート系固体電解質がＬａ０．８Ｓｒ０．２Ｇａ０．８Ｍｇ０．２Ｏｘ
、Ｌａ０．９Ｓｒ０．１Ｇａ０．８Ｍｇ０．２Ｏｘ
、Ｌａ０．８Ｓｒ０．２Ｇａ０．８Ｍｇ０．１５Ｃｏ０．０５Ｏｘ又はＬａ０．９Ｓｒ０．１Ｇａ０．８Ｍｇ０．１５Ｃｏ０．０５Ｏｘ）である請求項１３に記載の内部冷却再生式ハニカム型固体電解質燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体電解質材料、燃料極材料もしくは空気極材料の何れかをハニカム構造体に用いたハニカム型固体電解質燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、リン酸水溶液及び溶融炭酸塩等の液体基質を用いた第一世代の燃料電池から、固体高分子型燃料電池（以下、ＰＥＦＣとする）及び固体電解質型燃料電池（以下、ＳＯＦＣとする）等の第二世代に移行しつつある。これら第二世代の燃料電池の内、ＰＥＦＣは、電解質にフッ素系又は炭化水素系高分子電解質膜を用いるものであるが、燃料が純水素（Ｈ２）に限定されること、極めて狭い範囲の温度制御（６５〜８５℃）を要すること、電解質膜中の水分（Ｈ２Ｏ）含有量の微妙なコントロールが必要なこと、高価な白金触媒を大量に使用すること、耐久性が２０００〜３０００時間程度に留まること、凍結不可であるため凍結の恐れのある寒冷地では使用できないことなど多くの欠点がある。
【０００３】
更に、燃料が純水素に限定されるため、既存の社会インフラ（ガス、ＬＰＧ、石油など）を全面的に水素システムに再構築する必要があり、膨大な社会インフラ投資を必要とする。これらの費用は水素製造コストに上乗せされ、単位発熱量当たり単価の増大を招く。
【０００４】
加えて、作動温度が低く、従って排気温度も低いため、例えば熱電併給システム（コージェネレーヨン）では有効に廃熱回収することが難しく、熱需要が電力需要を上回る場合は高価な水素燃料による助燃を必要とし、熱バランスの観点から必ずしも最適な省エネルギーシステム構成とならない欠点がある。
【０００５】
またＰＥＦＣは高価な純水素燃料に限定されるため、水素製造コストを含めた効率の観点からは、既存の熱機関及びハイブリッド車等に比べ必ずしも優位性があるとは云い難い。
【０００６】
一方、ＳＯＦＣは、純水素以外の多種多様な炭化水素系燃料が使用可能で、かつ全ての燃料電池の中で最も高い理論発電効率を持つ。しかし、従来のＳＯＦＣは電解質にイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）を用いていたため、１０００℃程度の高温で作動させる必要があり、燃料電池本体のみならず、構造体の多くの部分に耐熱性のセラミックスが使用されていた。このため、温度分布の不均一によって発生する熱応力による破損を防ぐため、数時間から十数時間かけて起動する必要があった。また、急激な負荷変動にも追従できない欠点があった。
【０００７】
近年、スカンジウム安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ）及びランタンガレード系固体電解質（ＬＳＧＭ）など、６５０〜８００℃で１０００℃のＹＳＺと同等の酸素イオン伝導度を有する固体電解質材料が開発され、構造体の多くの部分に金属材料が使えるようになり、構造設計の自由度は大幅に向上しつつある。しかしながら、ＳＯＦＣ本体の構造は、円筒形チューブ群もしくは平板型による構成が採用されているため、構造体各部に発生する熱応力を充分に低減することができず、起動時間を充分には短縮できない欠点があった。
【０００８】
更に従来のＳＯＦＣは、発電性能を維持し材料及び構造体に加わる熱応力による破損を防止するため、システム内部の温度を略１０００℃の高温状態に均一に保持する必要があり、供給する燃料ガス及び空気ともベンチュリー等で排気ガスを吸引して混合し、強制循環しなければならなかった。このため、燃料濃度及び酸素濃度ともに希釈されて低濃度の状態で供給されることとなり、燃料電池の単位面積当りの出力密度を上げることができない欠点があった。
【０００９】
これらをより詳細に説明するために、円筒型セルユニットを用いた従来の典型的なＳＯＦＣ料電池のシステム構成と機能について図８を用いて説明する。
【００１０】
燃料は燃料入口６１から供給され、円筒形の内部改質部器６２を通る間にり、昇温され、端部で反転して燃料極に沿い矢印６３の方向に流れる。未反応燃料を含む燃料排気ガスは戻りライン６４を通った後り、燃料入口ベンチュリー６５によりから吸引されて燃料供給ラインに戻される。、余剰の燃料排気ガスは、燃料排気管６６を通り燃焼器７４に供給される。
【００１１】
一方、酸化剤である空気は、空気入口７７から供給され、空気ヘッダー６８から矢印６９の方向に流れる間にて予熱され、セルユニットの端部で反転して空気極７０の方向に流れ、燃料電池に酸素を供給する。燃料電池に酸素を供給した後の空気は、空気排気管を矢印７１の方向に流れ、空気入口ベンチュリー７２によりから吸引されて空気供給ラインに戻される。、余剰の空気排気は排気管を矢印７３の方向に流れ、燃焼器７４で燃料排気ガスと混合し燃焼して排気管７５を通って排気口７６から排気される。
【００１２】
このような構成としているため、従来のＳＯＦＣは冷間状態から発電可能な高温状態まで、セルユニット全体の温度を均一にして熱応力による破損を回避しつつ、燃料ガス及び空気を強制循環させながら徐々に昇温する必要があり、このため装置を起動してフルパワーに至るまでのウオーミングアップに多くの時間を要し、利便性に欠ける欠点があった。
【００１３】
更に、従来のＳＯＦＣは燃料側及び空気側の何れも、ベンチュリーを用いて排気を吸引し、供給ガスと混合して希釈された状態で強制循環しされ、併せて余剰となった排気燃料と排気空気とを混合して燃焼させ大気放出する構成としているため、排気中に多くの未反応燃料及び未反応酸素を含み、発電効率を十分には上げられない欠点があった。
【００１４】
一方、固体電解質を用いたハニカム構成の燃料電池の例として、特許文献１及び特許文献２などがある。
【００１５】
これら特許文献に開示されている燃料電池特許は、何れもイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、スカンジウム安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ）を固体電解質として用いるハニカム構造体であるが、互いに隣接する燃料極セルと空気極セルを交互に配置する所謂市松模様を形成するハニカム型燃料電池であり、何れの場合もハニカムセル内部の発熱を効果的に除去する手段が設けられていない。このため従って、ハニカム内部に熱が蓄積されて内部温度が高くなる一方で、ハニカムの外周部分は放熱及び冷却により冷やされて、ハニカム中心部分と外周部分との間に大きな温度差が生じ、この温度差による熱応力でハニカムが破損する不具合があった。
【００１６】
このため、該燃料電池は、図８５に示す従来例と同様、燃料電池を構成するハニカムセルの内部に大きな熱応力が生じないように、燃料ガス及び空気ともベンチュリーを用いて排気を吸引して供給ガスと混合し、希釈されたガスを強制循環させる構成にするとともに、装置を起動して正常稼動フルパワーに至るまでのウオーミングアップに十分な時間をかけてゆっくり昇温する必要があり、利便性に欠ける欠点があった。
【００１７】
また、燃料ガス及び空気ともベンチュリーを用いて排気を吸引し・混合して強制循環するため、循環燃料ガス中の燃料、循環空気中の酸素とも希釈されて濃度が低下し、更に排気ガス中に含まれる未反応燃料ガスの濃度、未反応酸素濃度も高くなり、結果として発電効率を十分に高めることができない欠点があった。また単位面積当りの出力密度も上げられない欠点があった。
【特許文献１】特開平１０−１８９０２３号公報
【特許文献２】特開平１１−２９７３４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
本発明は上記の欠点を克服するためになされたもので、ハニカム内部を均一に冷却することにより、燃料電池の内外部に発生する温度差を低減して熱応力の発生を防止し、燃料及び空気とも希釈することなく高濃度のまま燃料電池に供給し、併せて燃料電池出口の排気燃料ガス中の残留未反応燃料及び排気空気中の残留未反応酸素とも十分に低濃度になるまで発電に利用し、小型で大出力で効率がよく、かつ起動特性及び負荷変動特性に優れたＳＯＦＣ型燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明者は、上記の目的を達成するためのハニカム型固体電解質燃料電池として、四角形のセル断面を有するハニカム構造体から燃料電池を構成し、該燃料電池の燃料極セルを構成するハニカムセルの各々の壁面にと隣接するセルを空気極セル、該燃料極セルのハニカムセル壁面の角部に隣接しかつ該角部の両側に位置する空気極セルのそれぞれの一つの壁面に隣接するセルを冷却空気セルとすることにより、燃料極セル、空気極セル及び冷却空気セルがそれぞれ１セル飛びに縦方向及び横方向に１列に碁盤目配列した内部冷却式のハニカム型固体電解質燃料電池を提案した。（特願２００３−７０８５４号参照）
【００２０】
そして、上記ハニカム型固体電解質燃料電池を性能面および経済面から更に検討した結果、その好ましい実施形態として、前記ハニカム構造体のコーナー部に位置するセルを該燃料極セルとし、さらに好ましくは断面が矩形状の該ハニカム構造体の外周の各面にハニカム構造体の材質と異なる材料で形成したカバーを設け、該カバー内に空気極通路等を設ける構造にすることによって、ハニカム構造体の外周面も発電に寄与し出力密度の大きいハニカム型固体電解質燃料電池が得られることを見出し、本発明に至ったものである。
【００２１】
すなわち、本発明は、四角形のセル断面を有するハニカム構造体からなる燃料電池であって、該燃料電池の燃料極セルを構成するハニカムセルのそれぞれの壁面と隣接するセルを空気極セル、該燃料極セルの壁面の角部に隣接しかつ該角部の両側に位置する空気極セルのそれぞれの一つの壁面に隣接するセルを冷却空気セルとすることにより、燃料極セル、空気極セル及び冷却空気セルがそれぞれ１セル飛びに縦及び横に並んだ碁盤目配列となっており、前記ハニカム構造体のコーナー部に位置するセルが該燃料極セルになっていることを特徴とするハニカム型固体電解質燃料電池を提供する。
【００２２】
本発明は、矩形状の断面を有する上記ハニカム構造体の外周面に、ハニカム構造体の材質と異なる材料で形成したカバーを設け、該カバー内に空気極通路や冷却空気通路を形成し、該空気極通路がハニカム構造体の外周部に位置する燃料極セルの壁面に隣接している上記ハニカム型固体電解質燃料電池を提供する。
【００２３】
本発明は、前記ハニカム構造体が、固体電解質材料、燃料極材料又は空気極材料の何れかにより形成されており、ハニカム構造体が固体電解質材料から形成されているときには、燃料極セルハニカムの内面に燃料極を形成し、空気極セル各々のの内面に空気極を形成してなる上記内部冷却再生式ハニカム型固体電解質燃料電池を提供する。
【００２４】
また、本発明は、上記ハニカム型燃料電池を２以上積層して燃料電池セル群となし、相互に連結する該ハニカム型燃料電池の燃料極と空気極とをインターコネクターで接続して直列接続となし、該セル群の両端部に設けた集電体により電気を取り出すことを特徴とするハニカム型固体電解質燃料電池を提供する。
【００２５】
さらに、本発明は、上記燃料電池セル群の一方の端部に位置するハニカム型燃料電池の端部に、燃料極セル閉止面を備えかつ空気極セルの流路及び冷却空気セル流路が貫通した第一集電体を接続し、該集電体に冷却用空気流路が貫通した排気集合室を接続して、該排気集合室に空気入口室もしくは空気入口管を接続し、前記セル群の他方の端部に位置するハニカム構造体の端部に、燃料極セル流路、空気極セル流路及び冷却空気セル流路が貫通した第二集電体を接続し、該集電体に空気反転室、及び燃料供給管が貫通した燃料排気集合室を順次に接続して、該燃料排気集合室に燃料供給室又は燃料供給管を接続し、該燃料排気集合室端面から、燃料排気集合室、空気反転室及び第二集電体をそれぞれ貫通して、燃料極セルの空気入出側端面近傍まで延出した燃料供給管を、燃料極セル内面と隙間を設けて挿入することを特徴とするハニカム型固体電解質燃料電池を提供する。
【００２６】
本発明は、空気入口室もしくは空気入口管、排気集合室、一端部側集電体、ハニカム型燃料電池セル、他端部側集電体、空気反転室、反応生成物集合室、燃料供給管、及び燃料供給室もしくは燃料供給管の複数の機能部分を一体的に成形するか、もしくは接合して一体化し、複数の機能を併せ持つようになした上記ハニカム型固体電解質燃料電池を提供する。
【００２７】
また、本発明は、上記ハニカム型固体電解質燃料電池において、燃料供給管の内部に燃料改質触媒を充填し、燃料供給管内で燃料改質を行うことを特徴とする。
【００２８】
本発明は、上記ハニカム型固体電解質燃料電池のハニカム構造体を、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、スカンジウム安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ）、ランタン・ストロンチウム系固体電解質又はＣ１２Ａ７(１２ＣａＯ・７Ａｌ2Ｏ3)などのＯ-、Ｏ2-、Ｈ+、Ｈ-等のイオン伝導を有する固体電解質で構成することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、従来技術のように燃料及び反応用空気とも、排空気及び排燃料ガスを吸引して希釈し循環使用することが無いので、濃度の高い燃料及び酸素濃度の高い空気を用いることができ、単位表面積当りの発電出力が向上し、小型化・軽量化に寄与する。
【００３０】
また、燃料電池から排気される排燃料ガス中の未反応燃料濃度及び排気する空気中の酸素濃度とも大幅に低減でき、かつハニカム構造体の内部で発生する熱を奪い温度が上昇した冷却空気は方向を反転して空気極セルに送られ、燃料電池として機能するための反応用空気として用いられるため熱回収がなされ、発電効率が大幅に向上する。
【００３１】
さらに、ハニカム構造体の内部まで均一に冷却できるため、ハニカム構造体の内部と外周部との温度差が無くなり、熱応力を大幅に低減できるので、急速起動が可能となり、かつ急激な負荷変動に対しても迅速に追従できる。加えて、従来技術のようにベンチュリーを駆動するために燃料ガス及び空気とも高圧にする必要がなく、燃料電池を機能させる上で必要な動力を最小限に押さえることができる。併せて、燃料電池出口の排気燃料ガス中の残留未反応燃料及び排気空気中の残留未反応酸素とも十分に低濃度になるまで発電に利用できる。
【００３２】
さらに、本発明は、燃料電池を構成する断面が矩形状のハニカム構造体のコーナー部に位置するセルを燃料極セルにすることにより、ハニカム構造体の外周面も発電に寄与できるので、同じ大きさのハニカム構造体であっても発電出力を大幅に向上できる。
【００３３】
また、ハニカム構造体の外周面にカバーを設け、該カバー内に空気極通路や冷却空気通路を形成することによりハニカム構造体の外周に配置されるセルの冷却が得られるので、ハニカム構造体の拡大化を抑えることができ、さらに該カバーはハニカム構造体の材質より廉価な材質で形成できるため、燃料電池のコストを低減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
本発明に拘わるハニカム型固体電解質燃料電の構造及び機能について、図１乃至図３を参照して更に詳細に説明する。図面は、本発明の好ましい実施形態を例示したものであり、本発明はこれに限定されない。
【００３５】
本発明において、ハニカム構造体は、固体電解材料、燃料極材料又は空気極材料の何れからも形成できるが、通常は固体電解材料が好ましい。燃料極材料又は空気極材料によりハニカム構造体を形成した場合も、燃料極又は空気極の何れか一方が電解質膜及び電極膜の２重膜構造となる点を除き全て同一であるので、以下の説明は全てハニカム構造体を固体電解質で形成した例により説明する。
【００３６】
本発明に係る固体電解質型燃料電池は、四角形のセル断面を有する両端部が開口した固体電解質のハニカム構造体１の内面に、コーティングもしくは接合して一体化し焼成して成る燃料極２を形成して燃料極セル３（図中、記号（ａ）で示す）とし、該燃料極セル３を構成する壁面に隣接するセルの内面に、コーティングもしくは接合して一体化し焼成して成る空気極４を形成して空気極セル５（記号（ｂ）で示す）とし、該燃料極セル３を構成する壁面の角部に隣接しかつ該角部の両側に位置する空気極セル５のそれぞれの一つの壁面に隣接するセルを冷却空気セル６（記号（ｃ）で示す）としている。このような構成にすることにより、前記ハニカム構造体１には、燃料極セル３、空気極セル５及び冷却空気セル６が、それぞれ１セル飛びに縦方向及び横方向に規則的に並列した碁盤目配列が得られる。
【００３７】
図１において、ハニカム構造体１の燃料極セル３、空気極セル５、冷却空気セル６は通路、全て同一のセル断面形状を有する正方形としているが、セルのこれらのセルは本発明の目的が達成できる形状であれば、全てのセル断面を同一にする必要はない。また、形状も概して四角形であればよい。好ましい実施形態の一つのハニカム体において、セル断面はセルの種類ａ、ｂ、ｃによって変えることができる。例えば、図４に示すようにセル断面はセルの種類ａ、ｂ、ｃによって変えることができる。すなわち、燃料極セル３のセル断面を正方形とし、空気極セル５断面ののセル断面を燃料極セル３の壁面を長辺とするした長方形とし、冷却空気セル６のセル断面を長方形断面の該空気極セル５の短辺を一辺とする正方形もしくは該空気極セル５の短辺を直径とする円形にして長方形断面を有するもよい。ここでセル断面は、ハニカム構造体１の各セルの通路に直交する方向の断面である。
【００３８】
ハニカム体１のセル断面をこのようにセルの種類によって変え、燃料極セル３のセル断面もしくは容積を相対的に大きくすることにより、燃料電池の単位同一容積のハニカム体における容積当たり出力を大きくできる。燃料極セル３のセル断面を拡大する結果、空気極セル５及び冷却空気セル６の各セル断面は燃料極セル３より縮小し、特に冷却空気セル６のセル断面は縮小するが、これらの各セルの断面比率を適正化すれば差し支えしない。
【００３９】
さらに、図５に例示するようにセル断面が四角形のセルの各辺の一部又は全部を湾曲または波状にした変形四角形としてもよい。セルの各辺をこのように湾曲又は波状にすると、電極面積が増加するため燃料電池の単位容積当たり出力を更に大きくすることができる。
【００４０】
上記ハニカム構造体１において、セル断面が四角形のセルを上記のように配置することにより、断面が矩形状のハニカム構造体１を容易に得ることができる。
この場合、ハニカム構造体１に配列するセルの配列数は限定されない。図１には、５行×５列に配列している例を示したが、セルの配列数は増減でき、また行、列の配列数を変えてもよい。この配列数としては、５〜１３行（列）が好ましく、特に実用的には７〜１１行（列）が好ましい。
【００４１】
本発明は、かかる燃料極セル３、空気極セル５及び冷却空気セル６の配列において、上記ハニカム構造体１のコーナー部に位置するセルを燃料極セル３にすることを特徴とする。通常は、ハニカム構造体１の単位面積当たりの出力密度を大きくするために、図１に示すようにハニカム構造体の４コーナー部に位置するセルを燃料極セルにするのが好ましい。
【００４２】
さらに、ハニカム構造体１の外周の各面には、ハニカム構造体１の材質と異なる材質からなるカバー７８が接合または締結等により設けられている。このカバー７８の内部には、空気極通路ｂ’および冷却空気通路ｃ’が仕切り壁によって交互に形成されており、該空気極通路ｂ’および冷却空気通路ｃ’は、ハニカム構造体１の外周面で形成される燃料極セル３および空気極セル５の一辺にそれぞれ隣接するように配置される。すなわち、空気極通路ｂ’は該燃料極セル３の壁面に隣接し、冷却空気通路ｃ’は前記空気極セル５の壁面に隣接している。そして、燃料極セル３の壁面に隣接する空気極通路ｂ’の一辺を構成するハニカム構造体１の外周面には、空気極４’が形成される。
【００４３】
カバー７８の内部に形成される空気極通路ｂ’および冷却空気通路ｃ’は、それぞれハニカム構造体１に配置される燃焼極セル３および空気極セル５の一部の辺のみに隣接しているため、ハニカム構造体１の空気極セル５および冷却空気セル６ほど大きな空気量及び冷却性能を必要としない。したがって、これら両流路の断面積はハニカム構造体１内の空気極セル５および冷却空気セル６の断面積の約半分または半分以下にすることができる。例えば、ハニカム構造体１のセル断面が正方形のとき、空気極通路ｂ’および冷却空気通路ｃ’は、長辺を燃料極セル３または空気極セル５の一辺と同一長さ、短辺をその約半分の長さとする長方形断面にできる。これにより、カバー７８を図１に示す如く全体的に薄い形体にでき、燃料電池の拡大化を防ぐと同時に材料の節減が図れる。
【００４４】
図６はカバー７８の他の実施形態を示す。図１のカバー７８は、前記したように空気極通路ｂ’および冷却空気通路ｃ’を交互に配置し、空気極通路ｂ’が隣接する燃料極の壁面に空気極４’を設けているが、本例のカバー７８は図６のようにカバー内部に空気極通路ｂ’のみを設け、ハニカム構造体１の外周面全体を空気極４’としている。これは、カバー７８の外周面を冷却面にすることができるため、あえてカバーの内部に冷却空気通路を設けなくても、ハニカム構造体１の外周面や該外周面に隣接するセルの温度上昇を抑えることができることによる。
【００４５】
カバー７８の材質としては、前記したようにハニカム構造体１の材質とは異なる、例えばアルミナ、ジルコニア、ムライト、コーディエライト、炭化ケイ素、窒化ケイ素などのセラミックス、又はステンレス鋼、インコネルなどの耐熱鋼が好ましく用いられる。これらの材料は、ハニカム構造体の高価な固体電解質材料に比べて廉価であり、さらに熱伝導性が良好であるので、カバーの外周面を冷却面として有効に利用できる。
【００４６】
このようなハニカム構造体１のセル配列とカバー７８の冷却流路により、ハニカム構造体１の内部に位置する燃料極セル３は、セルを構成する壁面全てが空気極セル５と隣接し、また冷却空気セル６は壁面全てが空気極セル５と隣接し、一方、ハニカム構造体１の外周部に位置する燃料極セル３および空気極セル５は、ハニカム構造体１の外周面によって形成される壁面がカバー７８の空気極通路ｂ’等と隣接するため、ハニカム構造体１の内部まで均一に冷却するための冷却流路を確保できる。
【００４７】
そして、本発明は、ハニカム構造体１の前記セルの配列構造とカバー７８による冷却構造の組み合わせにより、ハニカム構造体１の外周面を発電に有効利用できるため、ハニカム構造体１のコーナー部に位置するセルを燃料極セルにしない場合と比較すると、例えば同じ５列×５行のハニカム構造体１であるのにも拘わらず、燃料極セルの数を４個から９個に増やすことができ、発電出力を２．２５倍にすることができる。
【００４８】
図２は、図１のI―I断面である。燃料は、燃料極セル３を図２の矢印７から矢印８の方向に流れ、一方、反応空気は燃料の流れ方向とは逆に矢印９から矢印１０の方向に流れる対向流とすることにより、燃料の入口側から出口側に至るまでの局所的な起電力を均一化することができる。
【００４９】
また、冷却空気セル６を流れる空気は、内部発熱により温度が上昇する空気極セル５を効果的に冷却できるよう、反応空気とは逆に矢印１１から矢印１２の方向に流すことが望ましい。
【００５０】
このようなセル構造において、燃料極２は、該燃料極のハニカム構造体１の一端面側（図２では右側）を燃料極セル３隔壁端に沿って延出する角フランジ型の燃料極インターコネクター部１６を設け、ハニカム構造体１の他端面側をハニカム構造体１の全長より寸法Ｘだけ短くすると共に、空気極４は、ハニカム構造体１の他端面側を隔壁端に沿って延出する角フランジ型の空気極インターコネクター部１５を設け、ハニカム構造体１の一端部側をハニカム構造体１の全長より寸法Ｙだけ短くすることによりハニカム燃料電池１７を構成できる。
【００５１】
寸法Ｘ及び寸法Ｙは、ハニカム構造体１の材質、燃料の電気伝導度を考慮して最適な寸法が決められるが、概ね０．５〜５．０ｍｍとするのが望ましい。燃料極セル３及び空気極セル５にこのようにそれぞれ燃料極２及び空気極４を形成しない領域（寸法Ｘ及び寸法Ｙ）を、前記範囲で設けることにより、複数個のハニカム燃料電池１７を後述するように積層したとき、隣接するハニカム燃料電池１７の同極同志（燃料極と燃料極又は空気極と空気極）の間の電気的絶縁が保たれる。
【００５２】
ハニカム燃料電池１７の前記インターコネクター部１６及び１５は、それぞれ燃料極２及び空気極４の構成材料と同一としてもよい。しかし、燃料極セル３に接する面は強還元雰囲気であり、一方、空気極セル５に接する面は強酸化雰囲気であるため、酸化と還元の何れに対しても耐性のある材料が好ましい。この材料としては、例えばＬａＣｒＯ3、Ｌａ0.8Ｃａ0.2ＣｒＯ3、Ｌａ0.7Ｓｒ0.3ＣｒＯ3などの酸化物系材料、ＡｕやＡｇなどの貴金属、及びインコネル、ステンレス鋼などの耐熱鋼が用いられる。
【００５３】
図３は、本発明による固体電解質型燃料電池の応用例における構造と機能を示す。１段目ハニカム燃料電池１７ａの空気極インターコネクター部１５ａと２段目のハニカム燃料電池１７ｂの燃料極インターコネクター部１６ｂとが接続するように積層し、以下同様にｎ段積層し、ハニカム燃料電池１７をｎ段直列接続した積層型ハニカム燃料電池１８を得る。
【００５４】
積層面での空気極インターコネクター１５ａと燃料極インターコネクター部１６ｂとの接続は、圧着もしくは接合により一体化されてインターコネクター部１３（図３参照）を形成する。
【００５５】
なお、空気極インターコネクター部１５と燃料極インターコネクター部１６との積層方法は、図３に示す構成と左右勝手が反対となる構成、すなわち積層型ハニカム燃料電池１８の左端面に燃料極インターコネクター部１６ｎが露出し、右端面に空気極インターコネクター部１５ｎが露出する構成としてもよい。
【００５６】
この積層型ハニカム燃料電池１８に供給される燃料は、図３に示すIIIａ面側から燃料極セル（ａ）内に矢印１９の方向から供給され、燃料極で電気化学反応により生成した水蒸気（Ｈ2Ｏ）と、未反応水素（Ｈ2）、二酸化炭素（ＣＯ2）及び窒素（Ｎ２）との混合ガス、又は水蒸気と未反応水素及び二酸化炭素との混合ガスとなって矢印２０から流出する。
【００５７】
一方、積層型ハニカム燃料電池１８の内部を冷却するための冷却空気は、燃料の流入方向と同一のIIIａ面側から冷却空気セル（ｃ）内に矢印２１の方向に供給され、冷却空気セルのセル壁面を冷却し自身の温度を上昇する。セル壁面を冷却した後の空気は、端面IIIｂから矢印２２の方向に流出する。矢印２２から流出した高温空気は方向を反転し、反応空気セル（ｂ）を端面IIIｂから矢印２３の向きに流入し、空気極４に酸素を供給し、酸素濃度を低減しつつ空気極セル（ｂ）の端面IIIａから矢印２４の方向に流出する。
【００５８】
なお、ハニカム燃料電池１７を積層してなる積層型ハニカム燃料電池１８の積層数は、構成する単セルの長さ、必要とする出力電圧、選定する電解質の材料、ハニカム構造体のセルサイズ、排気燃料中の未反応燃料の割合、系統全体のヒートバランス、更には系統全体の経済性をも考慮し最適な積層数が決められる。したがって、積層型ハニカム燃料電池１８の積層数は特定されないが、通常は３〜１０個である。
【００５９】
ハニカム構造体１に用いられる固体電解質材料として、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、スカンジウム安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ）、ランタンガレード系固体電解質材（ＬＳＧＭ、ＬＳＧＭＣ）又はＣ１２Ａ７(１２ＣａＯ・７Ａｌ2Ｏ3) 等を挙げることができるがある。更に、ＬＳＧＭとしては、Ｌａ０．８Ｓｒ０．２Ｇａ０．８Ｍｇ０．２Ｏｘ及びＬａ０．９Ｓｒ０．１Ｇａ０．８Ｍｇ０．２Ｏｘ、またＬＳＧＭＣとしてはＬａ０．８Ｓｒ０．２Ｇａ０．８Ｍｇ０．１５Ｃｏ０．０５Ｏｘ及びＬａ０．９Ｓｒ０．１Ｇａ０．８Ｍｇ０．１５Ｃｏ０．０５Ｏｘが例示される。そして、ＹＳＺとしては、例えばＺｒＯ2にＹ２Ｏ３をドープした８モル％Ｙ2Ｏ3・ＺｒＯ２、ＳｃＳＺとしては８モル％Ｓｃ2Ｏ3・３ＺｒＯ2などが好ましく使用できる。これらは何れもＯ-、Ｏ2-イオン伝導性を有する物質であるが、近年研究されつつあるＨ+、Ｈ-イオン伝導性を有する物質も本発明で定義する固体電解質材に含まれる。
【００６０】
また、電極膜材料としては、公知又は周知のものを使用することができ、例えばアノード（燃料極）にはＮｉ及びＮｉサーメット、カソード（空気極）にはＬａＭｎＯ3、Ｌａ0.8Ｓｒ0.2ＭｎＯ3、ＬａＣｏＯ3、Ｌａ0.5Ｓｒ0.5ＣｏＯ3などをそれぞれ好ましい材料として挙げることができる。
【００６１】
なお、図１乃至図３による説明は全てハニカム構造体１を構成する材料を固体電解質材料としているが、ハニカム構造体１を空気極材料で構成し、燃料極セルの内面に電解質材料をコーティングもしくは接合し、更に燃料極材料をコーティングもしくは接合して２層に形成してもよい。また、ハニカム構造体１を燃料極材料で構成し、空気極セルの内面に電解質材料をコーティングもしくは接合し、更に空気極材料をコーティングもしくは接合して２層に形成してもよい。
【実施例】
【００６２】
本発明に係るハニカム型燃料電池の実施例を図７により更に詳細に説明する。なお、積層型ハニカム燃料電池１８は、図１乃至図３では５行×５列のセルから成るハニカム構造体であるのに対し、図７ではより実機に近い７行×７列の構成としているが、この点以外の他の構造及び機能は全て図１乃至図３で説明した内容と実質的に同じである。また、ハニカム構造体の外周の各面にはカバーが設けられているが、図示は省略している。
【００６３】
なお、図７は上下２段に分離した図となっているが、これは図の配置上便宜的に２段に分けたもので、実際は全ての部分が１中心線上に直列に接続されているものである。
【００６４】
積層型ハニカム燃料電池１８は、空気入出側端面２５に、燃料流路部分のみ閉止したハニカム状の空気入出側集電絶縁ユニット２６が矢印２８に沿って接続され一体化される。
【００６５】
第一集電体２９及び絶縁体３０を具備する空気入出側集電絶縁ユニット２６は、更にその上流側に空気入出ユニット３１が接続される。この空気入出ユニット３１は、冷却空気セル６（図１参照）と連通する冷却空気導管３２が貫通した空間３３及び排気口３４を有しており、燃料電池からの排空気は排気口３４から矢印５４の方向に排気される。
【００６６】
冷却空気はヘッダー部３５に矢印３６から供給され、ヘッダー部３５に連通した冷却空気導管３２に略均等に配分されて、集電絶縁ユニット２６を通り、積層型ハニカム燃料電池１８に供給される。
【００６７】
一方、積層型ハニカム燃料電池１８の燃料供給側端面３７には、セルが貫通し積層型ハニカム燃料電池１８と同一のセル断面形状を有する、第二集電体３８及び絶縁体３９を具備する燃料供給側集電絶縁ユニット４０が接続される。集電絶縁ユニット４０の燃料供給側端面４１には、燃料極セルと連通する燃料極導管４２が貫通した空気反転室４３を有する空気反転ユニット４４が接続され、冷却空気セルを通過した空気は、空気反転室４３に集合した後、反転して、反応空気極セルに流入する。
【００６８】
更に、空気反転ユニット４４の端面４５には、燃料ガス排気ユニット４９が接続される。この燃料ガス排気ユニット４９は、燃料供給管４６、燃料排気集合室４７及び燃料排気ガス出口４８を具備しており、前記燃料供給管４６は空気反転ユニット４４を貫通する燃料極導管４２、集電絶縁ユニット４０の燃料極に連通するセル及び積層型ハニカム燃料電池１８の燃料極セルを貫通し、燃料極との間に適度の隙間を有して、積層型ハニカム燃料電池１８の空気入出側端面２５近傍まで延出している。
【００６９】
燃料排氣ガスは、積層型ハニカム燃料電池１８の空気入出側端面２５において反転して燃料改質管燃料供給管４６と燃料極２（図１参照）の隙間を通り、この間に反応空気と反応して発電を行う。発電を終えた燃料排氣ガスは、燃料排気集合室４７で集合した後、燃料排気ガス出口４８から矢印５０の方向に排気される。また、燃料排気集合室４７の燃料入口側端面５１には燃料供給ヘッダー５２が接続されており、矢印５３から燃料供給ヘッダー５２内に供給された燃料は、該燃料供給ヘッダー５２で略均等に配分されて、燃料改質管燃料供給管４６に供給される。更に、燃料供給管４６の内部に燃料改質触媒、例えばニッケル（Ｎｉ）をセラミック基体に分散担持した触媒を充填し、燃料供給管内を通る燃料ガスを該触媒によってＨ２及びＣＯの混合ガスに改質することにより、カーボン（Ｃ）を析出することなく、改質ガスを燃料極に供給できる。
【００７０】
矢印５４から排気された排空気及び矢印５０から排気された燃料排ガスは、図示しない配管もしくは構造空間を通り図示しない燃焼器で混合・燃焼し、大気に放出される。
【００７１】
なお、燃焼器で混合・燃焼した排ガスは図示しない熱交換器により冷却空気を予熱して熱回収を図ってもよい。更に、燃焼器で混合・燃焼した排ガスは、空気圧縮機とタービンから成る図示しないガスタービンにより冷却空気を加圧して系統全体を加圧状態に保ち、発電効率の向上及びコンパクト化を図ってもよい。
また、図７に例示する固体電解質燃料電池では、ハニカム型燃料電池セル、第一集電体、第二集電体、空気反転室、排気燃料反応生成物集合室、燃料供給管などの、固体電解質燃料電池を構成する機能部分を別部材として製作しているが、複数の機能部分を一体的に成形するか、又は接合して一体化することができるものについては、別部材として製作しないで適宜一体化してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
本発明は、ハニカム内部を均一に冷却することにより、燃料電池の内外部に発生する温度差を低減して熱応力の発生を防止し、燃料及び空気とも希釈することなく高濃度のまま燃料電池に供給し、併せて燃料電池出口の排気燃料ガス中の残留未反応燃料及び排気空気中の残留未反応酸素とも十分に低濃度になるまで発電に利用し、小型で大出力で効率がよく、かつ起動特性及び負荷変動特性に優れたＳＯＦＣ型燃料電池に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明の実施例に係る燃料電池の簡略化した断面図。
【図２】本発明の実施例に係る燃料電池単セルの図１及び図６のI−Iにおける断面図。
【図３】本発明による積層された燃料電池セルの図１のI−I断面と同様な断面図。
【図４】本発明の他の実施例に係る燃料電池セルのハニカム構造体の断面図。
【図５】本発明の他の別の実施例に係る燃料電池セルのハニカム構造体の部分断面図。
【図６】本発明の他の実施例に係る燃料電池の簡略化した断面図。
【図７】本発明による積層された燃料電池セルを用いて燃料電池ユニットを構成した一例を示す鳥瞰図。
【図８】従来技術による固体電解質型燃料電池の系統図。
【符号の説明】
【００７４】
１  ハニカム構造体                  ２  燃料極
３  燃料極セル                      ４  空気極
５  空気極セル                      ６  冷却空気セル
１３  インターコネクター部          １５  空気極インターコネクター部
１６  燃料極インターコネクター部    １７  ハニカム燃料電池
１７ａ  １段目ハニカム燃料電池      １７ｂ  ２段目ハニカム燃料電池
１７ｎ  ｎ段目ハニカム燃料電池      １８  積層型ハニカム燃料電池
２５  空気入出側端面                ２６  空気入出側集電絶縁ユニット
２９  第一集電体                    ３０  絶縁体
３１  空気入出ユニット              ３２  冷却空気導管
３３  空間                          ３４  排気口
３５  ヘッダー部                    ３７  燃料供給側端面
３８  第二集電体                    ３９  絶縁体
４０  集電絶縁ユニット              ４１  燃料供給側端面
４２  燃料極導管                    ４３  空気反転室
４４  空気反転ユニット              ４５  端面
４６  燃料改質管                    ４７  排気燃料集合室
４８  排気燃料排気口                ４９  排気ユニット
５１  燃料入口側端面                ５２  燃料供給ヘッダー
６１  燃料入口                      ６２  内部改質部器
６４  戻りライン                    ６５  燃料入口ベンチュリー
６６  燃料排気管                    ６７  空気入口
６８  空気ヘッダー                  ７０  空気極
７１  空気排気管                    ７２  空気入口ベンチュリー
７４  燃焼器                        ７５  排気管
７６  排気口                        ７７  空気入口
７８  カバー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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