(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハニカム状構造をなす気密質の固体電解質材料を隔壁とし、複数の第１のガス流路、複数の第２ガス流路、前記第１のガス流路に面する第１の電極、前記第２のガス流路に面する第２の電極を備えた固体酸化物形燃料電池において、
単一又は複数の第１のガス流路、単一又は複数の第２ガス流路、第１の電極、第２の電極、第１の電極のガス流路末端に設けられた第１の電極端子、第１の電極端子とは反対側に設けた第２の電極端子からなる前記固体酸化物形燃料電池の一部分のうち、電気的に一つにつながれた全ての第１の電極、電気的に一つにつながれた全ての第２の電極、前記第１の電極が面する第１のガス流路、前記第２の電極が面する第２ガス流路、前記第１の電極を電気的に一つにつなぐ第１の電極端子、前記第２の電極を電気的に一つにつなぐ第２の電極端子を一単位の電気化学セルとし、該電気化学セル複数個を同一平面上に並置したものであり、且つ、複数個の電気化学セルの固体電解質材料は互いに分離されずに一体構造をなし、
並置に当り隣り合う二つの電気化学セルを第１の電極端子または第２の電極端子、そのどちらかが電気的に接続され、電気化学セル複数個が直列接続されたものであることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記一単位の電気化学セルが複数の第１のガス流路および複数の第２ガス流路を有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は固体酸化物形燃料電池において、単位起電力を発生させる電気化学セルの配列に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は、構成材料が固体であること、動作環境が高温であることに特徴がある。古くは平板型、円筒型の固体酸化物形燃料電池により実用化が図られた。しかしながら、円筒型ＳＯＦＣには単位体積当たりの出力密度が低いと言う難点、平板型ＳＯＦＣにはシール方法等に困難な問題が有った。
【０００３】
その為、近年ハニカム形状のＳＯＦＣについての発明が複数なされている。特許文献１として、特開平１０−４０９３４号公報を例示し、その特許請求の範囲、発明の詳細な説明の段落０００６から００１２および図面を示す。また、特許文献２として、特開２００３−５１３１９号公報を例示し、その特許請求の範囲、発明の詳細な説明の段落０００７から００１５および同公報図面の図１、図３を示す。この出願の背景技術特許の調査範囲はＦターム５Ｈ０２６、ＡＡ０６、ＣＶ０４またはＣＶ０６とし、これらの中から抽出した。
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−４０９３４号公報
【特許文献２】特開２００３−５１３１９号公報
【０００５】
特許文献１には、ハニカム構造を有する電気化学セルの基本的な配置構造についての記載があり。ハニカム構造を有するＳＯＦＣが単位体積当たり電極面積が大きく、効率が高いことが説明されている。
特許文献２の請求項２には、発電効率を高めるために、混合ガスを使用した、発電出力が大きくなる燃料電池を、固体電解質層を燃料極層と空気極層で挟持してなる電池要素部を２以上備え、一つセル板に電池要素部を複数直列配置形成した発明が開示されていた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
この発明では、燃料ガスと空気ガスの両者を用いた、単位電池要素当たりの出力電圧、出力電流が大きく得られる燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明の請求項１に記載する燃料電池では、ハニカム状構造をなす気密質の固体電解質材料を隔壁とし、複数の第１のガス流路、複数の第２ガス流路、前記第１のガス流路に面する第１の電極（以下、第１電極と言うこともある。）、前記第２のガス流路に面する第２の電極（以下、第２電極と言うこともある。）を備えた固体酸化物形燃料電池において、単一又は複数の第１のガス流路、単一又は複数の第２ガス流路、第１の電極、第２の電極、第１の電極のガス流路末端に設けられた第１の電極端子、第１の電極端子とは反対側に設けた第２の電極端子からなる前記固体酸化物形燃料電池の一部分のうち、電気的に一つにつながれた全ての第１の電極、電気的に一つにつながれた全ての第２の電極、前記第１の電極が面する第１のガス流路、前記第２の電極が面する第２ガス流路、前記第１の電極を電気的に一つにつなぐ第１の電極端子、前記第２の電極を電気的に一つにつなぐ第２の電極端子を一単位の電気化学セルとし、該電気化学セル複数個を同一平面上に並置したものであり、且つ、複数個の電気化学セルの固体電解質材料は互いに分離されずに一体構造をなし、並置に当り隣り合う二つの電気化学セルを第１の電極端子または第２の電極端子、そのどちらかが電気的に接続され、電気化学セル複数個が直列接続されたものであることを要旨としている。
【０００８】
この発明の請求項２に記載する燃料電池では、請求項１の発明に加え、請求項１記載の一単位の電気化学セルが複数の第１のガス流路および複数の第２ガス流路を有することことを要旨としている。
【発明の効果】
【０００９】
この出願の請求項１の発明によれば、出力電圧の大きな燃料電池を単位電池を積層することなく、簡単な構造に於いて得ることができる。この発明の燃料電池では、平板形燃料電池あるいは円筒形燃料電池では必要となるインターコネクターが不要となる。
【００１０】
請求項２の発明では、一単位の電気化学セルが複数の単位起電力を集合させたものとなり、単位容積当たりの出力電流を大きなものとすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下に、この発明の構成要素を順に説明する。
この発明の燃料電池は、気密質の固体電解質材料を隔壁とするハニカム状の燃料電池にあって、その電極配列に特徴を有するものである。
【００１２】
ハニカム状の燃料電池にあっては、ハニカムの穴に相当する部分を燃料ガス流路と空気ガス流路として利用される。この発明では、燃料ガス流路と空気ガス流路のことを、順不問の上、第１のガス流路および第２のガス流路と名称付けしている。また、ハニカムの壁に当たる部分には、気密質の固体電解質材料を隔壁とし、燃料ガス流路あるいは空気ガス流路に面する部分に陰極あるいは陽極を形成している。この発明では、複数の陰極あるいは陽極を第１の電極あるいは第２の電極と名称付けしている。
【００１３】
ハニカムの形状としては特に限定されないが、空間の利用効率の観点から、各開口の横断面形状が二等辺三角形、正三角形、長方形、正方形、正六角形など、平面を隙間無く充填できる形状が良い。また、正三角形と正六角形などの相異なる形状の開口が隣接するような設計も可能である。
【００１４】
固体電解質の材料としては、イットリア安定化ジルコニア又はイットリア部分安定化ジルコニアが好ましいが、他の材料を使用することもできる。またＮＯｘ分解セルの場合には、酸化セリウムも好ましい。
【００１５】
この発明において、燃料ガス流路と空気ガス流路のことを、順不問の上、第１のガス流路および第２のガス流路としているが、これは燃料ガス流路あるいは空気ガス流路を絶対的な座標位置に設定する必要がなく、燃料ガス流路と空気ガス流路が固体電解質材料の隔壁の両側に設定されていれば、起電力が発生することとなる。
【００１６】
燃料ガス流路に面することとなる陰極の主原料には、ランタンを含有するペロブスカイト型複合酸化物であることが好ましく、ランタンマンガナイト又はランタンコバルタイトであることが更に好ましく、ランタンマンガナイトが一層好ましい。ランタンクロマイト及びランタンマンガナイトは、ストロンチウム、カルシウム、クロム（ランタンマンガナイトの場合）、コバルト、鉄、ニッケル、アルミニウム等をドープしたものであってよい。また、パラジウム、白金、ルテニウム、白金−ジルコニア混合粉末、パラジウム−ジルコニア混合粉末、ルテニウム−ジルコニア混合粉末、白金−酸化セリウム混合粉末、パラジウム−酸化セリウム混合粉末、ルテニウム−酸化セリウム混合粉末であってもよい。
【００１７】
空気ガス流路に面することとなる陽極の主原料には、ニッケル、パラジウム、白金、ニッケル−ジルコニア混合粉末、白金−ジルコニア混合粉末、パラジウム−ジルコニア混合粉末、ニッケル−酸化セリウム混合粉末、白金−酸化セリウム混合粉末、パラジウム−酸化セリウム混合粉末、ルテニウム、ルテニウム−ジルコニア混合粉末等が好ましい。
【００１８】
この発明において電気化学セルとは、単位起電力を発生させるための固体電解質材料を隔壁とし、第１のガス流路、第２ガス流路、前記第１のガス流路に面する第１の電極、前記第２のガス流路に面する第２の電極から構成されるものを言う。この電気化学セルは単一の第１のガス流路と単一の第２ガス流路により構成される場合があれば、複数の第１のガス流路、複数の第２ガス流路から構成されることも有る。また、第１あるいは第２の電極、第１のあるいは第２のガス流路と当該電極の周りの隔壁を纏めて、陰極の場合は燃料極セル、陽極の場合は空気極セルとも言う。
【００１９】
この発明では、陰極で発生した電子を取り出すためあるいは陽極に電子を返すために、ガス流路方向に対してその一端に電極端子を設ける。電極端子は陽極と陰極が反対位置となるように設けられる。請求項において、ガス流路末端と言う表現を用いているが、ガス流路の入口であっても良い。また、縦断面図によって示されるが、電極の形成はガス流路の全面ではなく電極の端子を設けない側においては、電極間に直接電流が流れないようにするため、所定距離だけは電極を形成しない。この所定距離は、固体電解質の材質、燃料、空気の電気伝導度を考慮して最適な寸法が決定される。採用される距離としては、概ね０．５〜５．０ｍｍである。このように第１の電極（例えば、陰極）と第２電極（例えば、陽極）のそれぞれの端において、電極端子を形成する。燃料極セルあるいは空気極セルが複数個より形成される場合には、電極端子において、起電力を集合させることとなる。
【００２０】
この発明では、電気化学セルを複数個、同一平面上に配置し、且つ、複数個の電気化学セルの固体電解質材料は互いに分離されずに一体構造をなすものとしている。この時、隣り合う二つの電気化学セルを第１の電極端子または第２の電極端子、そのどちらかが電気的に接続され、電気化学セル複数個が直列接続された形にしている。
【００２１】
この発明の燃料電池は、ハニカム状の固体電解質からなる隔壁、第１の電極、第２の電極の何れからも成形できるが、通常は隔壁部分より先に成形することが好ましい。
【００２２】
以下に、この発明を具体化した電気化学セルが複数個からなる燃料電池の電極配列に関する実施形態を、図と共に示し説明する。
図１では、実施例１の燃料電池のガス流路に直交する方向に切断したときの断面図を示している。なお、図は形状を模式的に表したものであり、実施に当たっては、電気化学セルを構成するセルの個数、電気化学セルの個数、寸法あるいは寸法比は調整の上採用することができる。
【００２３】
図１に示す実施例１の燃料電池では、第１と第２のガス流路及び電極を二つずつ持つ電気化学セル１０を縦横三個ずつ並べたものとなっている。単位となる一つの電気化学セルは、正方形断面の第１のガス流路と第２のガス流路を二つずつ、交差する位置に配したものであり、固体電解質からなるハニカム状隔壁によって区分されたものとなっている。図中符号１の第１のガス流路の周りには符号２の第１の電極が形成され、符号３の第２のガス流路の周りには符号４の第２の電極が形成されている。第１のガス流路に空気ガスを供給する場合には、第１の電極は陽極（空気極とも言う。）とし、第２のガス流路に燃料ガス（例えば、水素ガスを用いる。）を供給し、第２の電極は陰極（燃料極とも言う。）となる。符号５が固体電解質からなる隔壁である。図１においては、単位起電力を発生させる電気化学セル相互の境界を、断面図では本来は表れないが破線によって示すようにした。この実施例１では第１の電極と第２の電極が２つずつ有するものを一つの電気化学セルとし、電極端子にその電流を集めるようにしていることが、図２の平面図と図３の断面図を組み合わせることで理解できる。
【００２４】
次に、図２では、図１で表された縦横三個ずつ電気化学セル１０に形成された符号６の電極端子の接続状態を説明するために、ガス流路の一方の端から見た平面図を示したものである。この平面の左上に位置する電気化学セルの第２の電極４を外部に接続したとき、第１の電極２はこの平面の反対側にて上段２個目の電気化学セルの第２電極４に接続され、図２の上段２個目の第１電極２は上段右にある電気化学セルの第２電極４に接続され、この平面の反対側では上段右の第１電極２が中段右にある電気化学セルの第２電極４に接続されている。同様にして、中段の電気化学セルを右から左に直列接続され、下段の電気化学セルを左から右に直列接続されている。この図２においても電気化学セルの一単位を明確にするために隔壁の間にある境界を実線をもって示すようにした。
【００２５】
また、図３では、図２のＡ−Ａ線断面であるハニカム状隔壁のガス流路に平行な方向に切断したときの断面図を示している。第１のガス流路に流れるガスを空気ガスとした場合には、第１のガス流路の内側には陽極を形成し、第２のガス流路に流れるガスを燃料ガスとした場合には、第２のガス流路の内側には陰極を形成しておくこととなる。
【００２６】
図１０として、この実施例１における電気化学セルの接続状態を示すための、モデル図を示す。この図１０では、第１電極を陽極、第２電極を陰極として利用した場合のモデルである。図では一個の電気化学セルを一個の電池として示している。この実施例１では、電気化学セルを縦横三個ずつ並べたものとなっているので、横一列の接続状態を示す回路を３行並べたものとしている。燃料電池により発生した電力を消費するものとして点線で囲われた抵抗を加えている。それぞれの電気化学セルは相対的に表裏が発生するので、図２の平面図に表れた側を便宜上ハニカム表面として示し、その反対側をハニカム裏面とした。この図から解されるように電気化学セル電極端子のどちらか一方が隣接する電気化学セルの電極端子と接続されていることとなる。
【００２７】
図４及び図５においては、実施例２おける平面図と図４中のＢ−Ｂ線断面図を示している。この実施例２では実施例１における電極端子となる部分を一部変更したものとなっている。実施例１と実施例２における電極端子の違いとしては、平面で比べた時、実施例１は電極端子を燃料極セルあるいは空気極セルの２辺に設けたものであるのに対して、実施例２では、電極端子を燃料極セルあるいは空気極セルの４辺に設けたものとなっている。
【００２８】
実施例１あるいは実施例２では、１個の電気化学セルを４個のハニカム状格子からなるものを例示したが、この個数は６個あるいは９個のように、より多くの個数よりなる電気無化学セルとしても良い。この場合は、１個の電気化学セルより発生する電流量をより大きなものとすることができる。また、図では第１のガス流路も第２のガス流路も断面積が同じものとして示しているが、起電力を大きくするためあるいは発電の制御にためにそれぞれのガス流路断面積に大小を設けることも可能である。
【００２９】
図６ないし図９では、実施例３を図面により示している。実施例３は、４個の電気化学セルの組合せであり、それぞれが５個のガス流路を有したものとなっている。電気化学セルの一つは、１個の第１のガス流路を中心置き、隔壁を隔てその４辺に４個の第２のガス流路を配置している。もう一方の電気化学セルでは、１個の第２のガス流路を中心置き、隔壁を隔てその４辺に４個の第１のガス流路を配置している。なお、ガス流路以外の流路は、冷却用の空気流が流れることができる冷却空気流路としている。燃料電池は、電気的にはその４つの電気化学セルが直列するように並んだものとなっている。図６は、ガス流路に対して直交する方向にて切断したときの断面図を示している。図６においては、単位起電力を発生させる電気化学セル相互の境界を、断面図では本来は表れないが破線によって示すようにした。図７では、ガス流路の一方の入口側から見た平面図を示している。この図７においても電気化学セルの一単位を明確にするために隔壁の間にある境界を実線をもって示すようにした。図８は、図６のＣ−Ｃ線断面図を示し、図９は図６のＤ−Ｄ線断面図を示している。
【００３０】
図６以下においては、符号１〜符号５までは、実施例１あるいは実施例２と同じものを示している。符号７は、冷却空気流路を示している。図７に示す上段左の電気化学セルの中央に位置する第２電極を電極端子により外部への取り出し端子としたとき、図７の反対面にある第１電極の電極端子は、上段右の電気化学セルに於ける第２電極の電極端子に接続されている。また、上段右の電気化学セルに於ける中央に位置する第１電極は平面図表れる下段右の電気化学セルに於ける中央の第２電極に接続されている。そして、下段右の電気化学セルの第１電極は図７の反対面にある第２電極に接続されている。
【００３１】
実施例３では、１つの電気化学セルを９個のハニカム状格子からなるものにより例示したが、この電気化学セルはより多くの個数からなる電気化学セルから構成されるもの（例えば、５行×５列とする２５個のハニカム状格子あるいは７行×７列とする４９個のハニカム状格子からなるものがある。）に変更しても良い。この場合は、１個の電気化学セルより発生する電流量をより大きなものとすることができる。また、図では第１のガス流路、第２のガス流路あるいは冷却空気流路も断面積がほぼ同じものとして示しているが、起電力を大きくするためあるいは発電の制御にためにそれぞれの流路断面積に大小を設けることも可能である。
【００３２】
この発明の燃料電池は、上記図１〜図３あるいは図６〜図９に示される複数の電気化学セルの集合体を多段に積層させて使用することも可能である。積層数は一段を構成する電気化学セルのセルの長さ、必要とする出力電圧、選定する固体電解質の材質、ハニカム状セルのサイズ、全体のヒートバランス、経済性などを考慮した上で設計される。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】この発明の実施例１の燃料電池において、ガス流路に直交する方向に切断したときの断面図を示すものである。
【図２】実施例１の燃料電池において、ガス流路の一方の端から見た平面図を示している。
【図３】図２のＡ−Ａ線断面であるハニカム状隔壁のガス流路に平行な方向に切断したときの断面図を示している。
【図４】この発明の実施例２の燃料電池において、ガス流路の一方の端から見た平面図を示している。
【図５】図４のＢ−Ｂ線断面であるハニカム状隔壁のガス流路に平行な方向に切断したときの断面図を示している。
【図６】この発明の実施例３の燃料電池において、ガス流路に対して直交する方向にて切断したときの断面図を示している。
【図７】実施例３の燃料電池において、ガス流路の一方の端から見た平面図を示している。
【図８】図６のＣ−Ｃ線断面図を示している。
【図９】図６のＤ−Ｄ線断面図を示している。
【図１０】実施例１における電気化学セルの接続状態を示すためのモデル図である。
【符号の説明】
【００３４】
１…第１のガス流路
２…第１の電極
３…第２のガス流路
４…第２の電極
５…隔壁
６…電極端子
７…冷却空気流路
１０…電気化学セル
【図１】
0004654079.tif 000002
【図２】
0004654079.tif 000003
【図３】
0004654079.tif 000004
【図４】
0004654079.tif 000005
【図５】
0004654079.tif 000006
【図６】
0004654079.tif 000007
【図７】
0004654079.tif 000008
【図８】
0004654079.tif 000009
【図９】
0004654079.tif 000010
【図１０】
0004654079.tif 000011