(57)【要約】【課題】小型軽量で発電性能が高く、低温で使用できさらに安価な固体電解質燃料電池を提供すること。【解決手段】ハニカム構造体の基体が少なくとも一方の流体の電極物質からなり、前記ハニカム構造体を構成するチャンネルが、前記電極物質が内壁面に露出したチャンネルと、内壁面に固体電解質膜と他方の電極物質が積層されたチャンネルからなり、一方のチャンネルが他方のチャンネルの周囲に隣接することを特徴とするハニカム構造体からなるインターコネクターを有さない固体酸化物燃料電池。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハニカム構造体の基体が少なくとも一方の流体の電極物質からなり、前記ハニカム構造体を構成するチャンネルが、前記電極物質が内壁面に露出したチャンネルと、内壁面に固体電解質膜と他方の電極物質が積層されたチャンネルからなり、一方のチャンネルが他方のチャンネルの周囲に隣接することを特徴とするハニカム構造体からなるインターコネクターを有さない固体酸化物燃料電池。
【請求項２】
上記のハニカム構造体を構成する電極が空気極であって、ハニカム内壁に積層された電極が燃料極である事を特徴とする請求項１記載のハニカム構造で構成された固体酸化物燃料電池。
【請求項３】
上記のハニカム構造体を構成する電極が燃料極であって、ハニカム内壁に積層された電極が空気極である事を特徴とする請求項１記載のハニカム構造で構成された固体酸化物燃料電池。
【請求項４】
燃料極チャンネルと空気極チャンネルを集合してなる前記ハニカム構造体の、燃料極チャンネルに流す燃料ガスと空気極チャンネルに流す空気とを相対向して流通させる事を特徴とする請求項１、請求項２、請求項３記載のハニカム構造で構成された固体酸化物燃料電池における流体供給方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ハニカム構造の固体電解質燃料電池に関し詳しくはハニカム構造体の基体が一方の電極で構成された固体酸化物燃料電池、および固体酸化物燃料電池における流体供給方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在、固体電解質燃料電池（ＳＯＦＣ）の開発が進められている。従来の固体電解質燃料電池の構造は一般に単セルを集合した集合構造が用いられている。集合方法としては円筒形の空気極に電解質、燃料極薄膜を形成したいわゆる円筒形ＳＯＦＣや、平板を積層して形成したいわゆる平板型ＳＯＦＣが知られている。その他の構造としては、ハニカム構造の燃料電池も提案されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、円筒型、平板型の単セルでは、一定の機械的強度が必要であり電極、電解質のいずれかに機械的強度を持たせるために、厚みを数ｍｍとする必要がある。このためセルが重くなり、また材料費も高くなる。加えて、電極、電解質共に厚くすることで内部の電気抵抗並びに拡散抵抗が大きくなり、電池の発電性能を低下させる。更に、電気抵抗は使用温度が低くなるにつれて大きくなるため、電極、電解質共に薄くすることは、より低い温度での使用を可能にし電池の構成を単純にしコストダウンにつながる。
【０００４】
また、従来のハニカム構造の燃料電池としては、（特許文献１参照）（特許文献２参照）等のようなものが知られているが、これらは共にインターコネクターを使用しており特に（特許文献３参照）ではハニカムを構成する部材にインターコネクターを使用している。
【０００５】
インターコネクターは一般に高温の使用に耐えるためにランタンカルシウムクロメート等のセラミックが使用されるがこれらのセラミックは重量が重く、又高価である。（特許文献１）ではハニカム構造の部材は電極だけであるが一方の電極で構成されている為、ハニカムのチャンネルを流すガスは、燃料または空気のどちらか一方であり小型化には限界があった。
【０００６】
本発明は、小型軽量で発電性能が高く、低温で使用できさらに安価な固体電解質燃料電池を提供すると共に、当該燃料電池における燃料ガス、空気などの流体の供給方法に関するものである。
【０００７】
【特許文献１】
特開平１０−１９９５４９
【特許文献２】
特開平１０−１８９０２３
【特許文献３】
特開平１０−１８９０２３
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、前記課題を解決することを目的として鋭意開発を続けた結果、以下の知見を得るに至った。すなわち、
【０００９】
［知見１］ハニカム構造体の基体が少なくとも一方の流体の電極物質からなり、前記ハニカム構造体を構成するチャンネルが、前記電極物質が内壁面に露出したチャンネルと、内壁面に固体電解質膜と他方の電極物質が積層されたチャンネルからなり、一方のチャンネルが他方のチャンネルの周囲に隣接することを特徴とするハニカム構造体からなるインターコネクターを有さない固体酸化物燃料電池であり、
【００１０】
また［知見２］上記のハニカム構造体を構成する電極が空気極であって、ハニカム内壁に積層された電極が燃料極である事を特徴とする知見１記載のハニカム構造で構成された固体酸化物燃料電池であり、
【００１１】
また［知見３］上記のハニカム構造体を構成する電極が燃料極であって、ハニカム内壁に積層された電極が空気極である事を特徴とする知見１記載のハニカム構造で構成された固体酸化物燃料電池であり、
【００１２】
また［知見４］燃料極チャンネルと空気極チャンネルを集合してなる前記ハニカム構造体の、燃料極チャンネルに流す燃料ガスと空気極チャンネルに流す空気とを相対向して流通させる事を特徴とする知見１、知見２、知見３記載のハニカム構造で構成された固体酸化物燃料電池における流体供給方法である。
【００１３】
本発明における空気極材料としては、ランタンを含有したペロブスカイト構造の複合酸化物が好ましく、例としてはランタンストロンマンガナイト、ランタンストロンチウムコバルタイト、ランタンストロンチウムガリウムオキサイド、ランタンストロンチウムガリウムマグネシウムコバルタイト等やサマリウムコバルタイトが好適に使用されるが、これらは本発明の実施の形態において適宜選択されるものであって特にこれらに限定されるものではない。
【００１４】
また、燃料極材料としては、酸化ニッケル、金属ニッケル、酸化ニッケル−イットリア安定化ジルコニア（ＮｉＯ−ＹＳＺ）、酸化ニッケル−セリウムサマリウムオキサイド（ＮｉＯ−ＳＤＣ）、酸化ニッケル−セリウムガドリニウムオキサイド（ＮｉＯ−ＧＤＣ）等が使用されるが特に限定されるものではない。固体電解質としてはイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、セリウムサマリウムオキサイド（ＳＤＣ）、セリウムガドリニウムオキサイド（ＧＤＣ）、ランタンストロンチウムガリウムマグネシウムオキサイド等が好適に使用されるが、これも空気極同様本発明の実施の形態において適宜選択されるものであって特にこれらに限定されるものではない。
【００１５】
本発明のハニカム構造体の成形方法としては、一般に押出成形がコスト、成型体の均質性の点からのぞましが、この他にもハニカム構造体を構成可能であれば適宜適用可能である。
【００１６】
また、電解質と電極のコーティングの方法は、デップ法やプラズマ溶射法が用いられるがこれも実施の形態に則して最適なものを適宜選択すればよい。
【００１７】
ここでチャンネルに対して最終的にコーティングされる電極材料を焼成して電極チャンネルとして形成する場合、最終的にコーティングされる電極材料の焼成温度は、ハニカム構造体の基体である電極材料の焼成温度、並びに電解質材料の焼成温度以下である事が、他の部材の結晶構造や焼成組織への影響が少ないことから望ましい。
【００１８】
なお、本発明のハニカム構造体においては、そのチャネルに構成される空気極、燃料極の位置関係は一方の極の周囲を他方の極が取り囲むように接する形態をとる事が発電の効率的からみて望ましい。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について精細に説明するが、本実施の形態は本発明の具体的形態の一例を示すものであり、本発明はその要旨の範囲で広く展開可能なものであることは言うまでもない。
【００２０】
以下の例はハニカム構造体を空気極で作成した場合のものである。図１は本発明のハニカム構造体の断面図であり図２はその一部分を拡大したものである。空気極１、６はランタンストロンチウムガリウムマグネシウムコバルタイトを押出成形後、焼成処理を行い形成される。
【００２１】
その後、空気極として使用されるチャンネル５，１０を塞ぎ、残りの燃料極チャンネルの内壁に固体電解質としてランタンストロンチウムガリウムオキサイドのスラリーを１００ミクロン〜１ｍｍ、コーティングし焼成して成形する（図１の２、図２の７）。
【００２２】
その後、固体電解質の上にさらに燃料極として酸化ニッケル−イットリア安定化ジルコニアをコーティングして焼成成形する（図１の３、図２の８）。成形後空気極として使用されるチャンネル５，１０をあけてハニカム構造体とする。
【００２３】
このとき、燃料極材料である酸化ニッケル−イットリア安定化ジルコニアの焼成成型温度は、前記電解質、および前記ハニカム構造体の基体である空気極よりも低温で焼成可能である。
【００２４】
図３はハニカムを横から見た断面図であり集電の為の構造である。図３の１１はハニカムを構成する空気極であり、図３の１２は電解質、図３の１３は燃料極であり、図３の１６は電気絶縁体である。
【００２５】
このような構造とすると図３の左側がアノード側となり図３の右側がアノードとなる。使用に際しては金属またはセラミックの容器（図３の１７）にハニカムを格納し燃料ガス導入用のマニフォールド（図３の１８）、燃料ガス排気用のマニフォールド（図３の１９）、空気導入用のマニフォールド（図３の２１）、空気排気用のマニフォールド（図３の２０）、を接続する。これにより燃料ガスと空気は、対向して流通する形で供給される。
【００２６】
燃料ガスは反応熱により入り口より出口側の方が温度が高くそのままでは、入り口側と出口側の熱膨張の差により構造にゆがみが生じて、最悪の場合は電池が破壊されてしまう。ところがより低温の空気を対向して流通させる事で熱交換が起こり温度の高くなる燃料ガスの出口側の温度を下げて、燃料電池入り口側の温度をあげる事が可能となる。これにより長期使用においてもハニカム構造体の形状は安定的に保たれ、ＳＯＦＣとても長期的な信頼性が確保される。
【００２７】
発電で生じた電力はカソード集電板（図３の２２）とアノード集電板（図３の２３）より取り出される。図４はこのハニカム構造体をななめから見た模式図である。この際、空気極、燃料極の各チャンネルの形状は自由であり、強度、各ガスの流量から決定される。図５はチャンネルの形状を替えた一例である。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明してきたように本発明の片方の電極で構成された固体電解質燃料電池は、構造体にインターコネクターを用いないので軽量で安価であり、又ガスを向流で流す事で信頼性の高い電池が作成可能となる。
また、空気極の周囲を燃料極で取り囲むように配置することで効率的な発電が可能となるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一つの実施形態に係るハニカム構造体固体電解質燃料電池の正面断面図である。
【図２】図１の一部分を説明の為に拡大した図である。
【図３】図１に示したハニカム構造体を使用した電池の構造を横から見た図である。
【図４】図１に示したハニカム構造体を横から斜め横から見た図である。
【図５】本発明の他の実施形態に係るハニカム構造の正面断面図である。
【符号の説明】
１、６、１１  燃料極（ハニカム構成材）
２、７、１２  固体電解質
３、８、１３  燃料極
４、９、１４  燃料ガス流路（チャンネル）
５、１０、１５  空気流路（チャンネル）
１６          電気絶縁体
１７          燃料電池容器
１８          燃料ガス入口マニホールド
１９          燃料ガス排気マニホールド
２０          空気出口マニホールド
２１          空気入口マニホールド
２２                    カソード集電板
２３                    アノード集電板
【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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