(57)【要約】【課題】ガスシール性、接合強度および電気的接合性等を向上し得、かつ簡易に、安定して直列に接続され得る固体電解質形燃料電池を提供しうる。【解決手段】複数の固体電解質ハニカム構造体を直列に接続し、隔壁に電極を形成した固体電解質形燃料電池において、固体電解質ハニカム構造体が固体電解質ハニカム構造体の隔壁端部と嵌合しうる接続部材を用いて接続・封止されてなる。その接続部材は、該固体電解質ハニカム構造体の隔壁端部と嵌合しうる凹部および固体電解質ハニカム構造体の中空部に対応する中空部を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の固体電解質ハニカム構造体を直列に接続し、隔壁に電極を形成した固体電解質形燃料電池において、該固体電解質ハニカム構造体が該固体電解質ハニカム構造体の隔壁端部と嵌合しうる接続部材を用いて接続・封止されてなる固体電解質形燃料電池。
【請求項２】
接続部材が、該固体電解質ハニカム構造体の隔壁端部と嵌合しうる凹部および固体電解質ハニカム構造体の中空部に対応する中空部を有する請求項１記載の固体電解質形燃料電池。
【請求項３】
接続部材が、電子伝導性もしくは正孔伝導性を有する請求項１もしくは２記載の固体電解質形燃料電池。
【請求項４】
接続部材が、封止剤を用いて接続・封止されてなる請求項１〜３のいずれか記載の固体電解質形燃料電池。
【請求項５】
封止剤が金属ペーストおよび/またはセラミックペーストである請求項１〜４のいずれか記載の固体電解質形燃料電池。
【請求項６】
固体電解質が酸化物である請求項１〜５のいずれか記載の固体電解質形燃料電池。
【請求項７】
固体電解質がジルコニア系材料、セリア系材料もしくはランタンガレート系材料から選ばれる請求項１〜６のいずれか記載の固体電解質形燃料電池。
【請求項８】
ハニカム構造体が押出し成形により形成された請求項１〜７のいずれか記載の固体電解質形燃料電池。
【請求項９】
複数の固体電解質ハニカム構造体を直列に接続し、隔壁に電極を形成した固体電解質形燃料電池において、該固体電解質ハニカム構造体が該固体電解質ハニカム構造体の隔壁端部と嵌合しうる接続部材を用いて接続・封止されてなり、かつ該隔壁端部と該接続部材の嵌合がイオン伝導性および電子伝導性のない絶縁部を介して行われる固体電解質形燃料電池。
【請求項１０】
絶縁部が該隔壁端部および/または該接続部材の表面に形成される請求項９記載の固体電解質形燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は固体電解質形燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体電解質形燃料電池（ＳＯＦＣ）は、電解質材料としてイオン導電性を有する固体材料を用い、発電効率が高いため、特に注目されている。このような固体電解質形燃料電池においては、各単電池の電圧が１Ｖ以下と低いため単電池を多数積層した積層構造とするのが一般的である。したがって、固体電解質形燃料電池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。そこで、種々の構造が提案されており、多数の単電池をより効率的に集積する構造として、ハニカム構造体としたものが提案されている（たとえば特許文献１および２ならびに非特許文献１）。たとえば、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が知られている。そして、複数の固体電解質ハニカム構造体を直列に接続する場合には、ハニカム構造体の隔壁端部を、隔壁端部形状に対応する形状のニッケル等の平板状金属板を用いて接着剤等により接合されている。しかしながら、このような従来の接合方法では、ガスシール性、接合強度等において必ずしも十分とはいえない。特にＳＯＦＣにおいては、電解質の電気抵抗を減少させるため、隔壁を薄くしなければならず、ガスシール性に重大な問題を生じさせることがあった。また、接合面積が減少するために接合強度が低下し、電極との接続も困難になり得る。
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−０８０００６号公報
【特許文献２】特開２００４−１５２６４５号公報
【非特許文献１】M.Wetzko, et al.,“Solid oxide fuel cell stacks using extruded honeycomb type elements”, J. of Power Sources, 83 (1999)148-155
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、上記の課題を解決して、ガスシール性、接合強度および電気的接合性等を向上し得、かつ簡易に、安定して直列に接続され得る固体電解質形燃料電池を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上記の課題を解決するために以下の発明を提供する。
（１）複数の固体電解質ハニカム構造体を直列に接続し、隔壁に電極を形成した固体電解質形燃料電池において、該固体電解質ハニカム構造体が該固体電解質ハニカム構造体の隔壁端部と嵌合しうる接続部材を用いて接続・封止されてなる固体電解質形燃料電池；
（２）接続部材が、該固体電解質ハニカム構造体の隔壁端部と嵌合しうる凹部および固体電解質ハニカム構造体の中空部に対応する中空部を有する（１）記載の固体電解質形燃料電池；
（３）接続部材が、電子伝導性もしくは正孔伝導性を有する（１）もしくは（２）記載の固体電解質形燃料電池；
（４）接続部材が、封止剤を用いて接続・封止されてなる（１）〜（３）のいずれか記載の固体電解質形燃料電池；
（５）封止剤が金属ペーストおよび/またはセラミックペーストである（１）〜（４）のいずれか記載の固体電解質形燃料電池；
（６）固体電解質が酸化物である（１）〜（５）のいずれか記載の固体電解質形燃料電池；
（７）固体電解質がジルコニア系材料、セリア系材料もしくはランタンガレート系材料から選ばれる（１）〜（６）のいずれか記載の固体電解質形燃料電池；
（８）ハニカム構造体が押出し成形により形成された（１）〜（７）のいずれか記載の固体電解質形燃料電池；
（９）複数の固体電解質ハニカム構造体を直列に接続し、隔壁に電極を形成した固体電解質形燃料電池において、該固体電解質ハニカム構造体が該固体電解質ハニカム構造体の隔壁端部と嵌合しうる接続部材を用いて接続・封止されてなり、かつ該隔壁端部と該接続部材の嵌合がイオン伝導性および電子伝導性のない絶縁部を介して行われる固体電解質形燃料電池；ならびに
（１０）絶縁部が該隔壁端部および/または該接続部材の表面に形成される（１０）記載の固体電解質形燃料電池、
である。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、ガスシール性、接合強度および電気的接合性等を向上し得、かつ簡易に、安定して直列に接続され得る固体電解質形燃料電池を提供しうる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明の固体電解質形燃料電池においては、複数の固体電解質ハニカム構造体が、その固体電解質ハニカム構造体の隔壁端部と嵌合しうる接続部材を用いて直列に接続・封止されてなる。たとえば、接続部材は、固体電解質ハニカム構造体の隔壁端部と嵌合しうる凹部および固体電解質ハニカム構造体の中空部に対応する中空部を有するように構成される。
【０００８】
このような接続部材を図１により説明すると、図１は本発明において用いられる接続部材の一態様を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。図１において、（１）は固体電解質ハニカム構造体の隔壁端部と嵌合しうる凹部、（２）は固体電解質ハニカム構造体の中空部に対応する中空部、（３）は固体電解質ハニカム構造体の中空部と嵌合しうる凸部を示す。凹部（１）の形成により同時に形成される凸部（３）の外周壁面は、固体電解質ハニカム構造体の隔壁面に対応しており、固体電解質ハニカム構造体と接続部材は容易に嵌合しうる構成を有する。図１に示される接続部材においては、その片面に凹部（１）および凸部（３）が形成されているので、さらに固体電解質ハニカム構造体を順次接続する場合には、２つの接続部材の凹部（１）および凸部（３）が形成されていない片面を接着し、凹部（１）および凸部（３）が形成されている２つの片面を用いてそれぞれ固体電解質ハニカム構造体と嵌合することにより接続することができる。本発明のもう一つの態様においては、両面に図１に示すような凹部（１）および凸部（３）を設けた接続部材を用いることにより、上記の片面同士の接着を行うことなく、固体電解質ハニカム構造体を順次接続しうる。
【０００９】
このような接続部材は電子伝導性もしくは正孔伝導性を有するものであれば特に制限されないが、たとえばランタンクロマイト、白金、金、銀、およびこれらの元素を含む合金等が好適に使用される。
【００１０】
接続部材は、封止剤を用いて接続・封止されてなる。封止剤としては、ガスシール性、接着性、耐熱性が良好であれば特に制限されないが、たとえば金属ペーストもしくはセラミックペーストが好適に使用される。金属ペーストとしては銀、銅、ニッケルペースト等、セラミックペーストとしてはアルミナもしくはシリカ等のセラミックスと無機ポリマーを主成分とするものが好適である。これらは、使用に際して、それぞれ所定温度に加熱し封止される。
【００１１】
そして、本発明の好適な態様においては、上記の固体電解質ハニカム構造体の隔壁端部と接続部材の嵌合が絶縁部を介して行われる。このような絶縁部は隔壁端部および/または接続部材の表面に形成されうる。絶縁部は、イオン伝導性および電子伝導性のない材料からなり、このような材料としてはたとえばアルミナ、シリカ等が挙げられるが、特にアルミナが好適である。絶縁部を隔壁端部に設ける場合には、少なくとも接続部材の凹部に嵌合する部分をアルミナ等により表面コーティングするのが好適である。コーティング法は特に制限されない。あるいは、接続部材の凹部に嵌合する部分に対応する隔壁端部自体もしくはその中心部分を除く部分を上記の材料とすることもできる。また、絶縁部を接続部材に設ける場合には、たとえばスパッタ法により凹部表面にアルミナ等の皮膜を形成させることができ、マスキングにより目的とする領域のみ適宜選定しうる。この場合、接続部材の材質が柔らかく（たとえば銀）、スパッタによりアルミナ等が侵入するおそれがある場合には、白金等のバリア層を形成させた後に、上記の絶縁部をスパッタで形成しうる。これらの絶縁部の厚さは特に制限されないが、通常１〜１００μｍである。このような絶縁部を形成することによりショートサーキットの発生を防止し得、電池効率をさらに向上しうる。
【００１２】
固体電解質としては、酸化物が好適であり、たとえばジルコニア系材料、セリア系材料もしくはランタンガレート系材料から選ばれる。特に好ましくは、イットリア安定化ジルコ二ア材料（（Ｚｒ１−ｘＹｘ）Ｏ２−ｘ/２；ｘ＝０．０３〜０．２０程度）、セリア系材料（（Ｃｅ１−ｘＲＥｘ）Ｏ２−ｘ/２；ＲＥ＝Ｇｄ、Ｓｍ等）およびランタンガレート系材料（（Ｌａ１−ｘＳｒｘ）Ｇａ１−ｙＭｇｙ）Ｏ３−ｘ/２−ｙ/２；ｘ＝０．２、ｙ＝０．２程度）が挙げられる。
【００１３】
本発明において、ハニカム構造体のハニカムチャネルの断面多角形状は、たとえば三角形、四角形、六角形等の任意の形状とすることができる。このようなハニカム構造体は、常法により形成されうるが、多数の裏孔とスリットから構成される押出し口金を用いて、共沈法、ゾルゲル法等により調製された原料組成物を裏孔に圧入して、押出し成形する方法によるのが好適である。ここで、ハニカム構造体のハニカムチャネルは両端が開放状態になるように形成される。ハニカム構造体の押出し方向の厚さは１０ｃｍ以下とするのが好適である。５ｃｍを超えると、燃料電池の内部抵抗が増加するため発電効率が低下しやすいからである。得られたハニカム構造体は、ついで常法により焼成される。ハニカムチャネル間の隔壁の厚さは焼成後に０．１〜１ｍｍとなるように成形されるのが通常である。
【００１４】
得られるハニカム構造体は、ついで燃料電池とするために、隔壁に電極を配置される。たとえば、ハニカム構造体のハニカムチャネルの断面多角形状が四角形である場合、隔壁両面に交互にアノードおよびカソードを形成、配列し、それぞれより集電のための導線を埋め込むことができる。これらの形成自体は常法によることができる。アノード材料としては、ニッケル−ジルコニア、酸化ニッケル−ジルコニア、ニッケル−セリア、白金−ジルコニア等が挙げられ、カソード材料としては、ランタンマンガナイト、ランタンコバルタイト等のランタン含有複合酸化物が挙げられる。これらは、スラリーコーティング、ついで焼成することにより形成されるのが通常である。
【００１５】
このようにして電極等を設けられたハニカム構造体は、上記の接続部材により封止剤を用いて所望の数を直列に接続・封止される。また、もう1つの態様においては、隔壁端部および/または接続部材の表面に形成された絶縁部を介して、隔壁端部と接続部材を嵌合させて、所望の数を直列に接続・封止される。本発明において接続部材はインターコネクターの役割を果たし、ガスシール性、接合強度等を向上し得、かつ簡易に、安定して直列に接続するのに有効である。本発明によれば、従来よりも増加した開回路電圧を容易に達成しうる。
【産業上の利用可能性】
【００１６】
本発明は、ガスシール性、接合強度および電気的接合性等を向上し得、かつ簡易に、安定して直列に接続され得る固体電解質形燃料電池を提供しうる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明において用いられる接続部材の一態様を示す概略図。
【符号の説明】
【００１８】
１    固体電解質ハニカム構造体の隔壁端部と嵌合しうる凹部
２    固体電解質ハニカム構造体の中空部に対応する中空部
３    固体電解質ハニカム構造体の中空部と嵌合しうる凸部
【図１】
2008010371.tif 000003