专利名称：蜂窝型固体电解质燃料电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及将固体电解质材料、燃料极材料或空气极材料的任一种用于结构体的蜂窝型固体电解质燃料电池。
背景技术：
燃料电池，正从使用磷酸水溶液和熔融碳酸盐等液体基质的第一代燃料电池，逐渐步入固体高分子型燃料电池下称PEFC)和固体电解质型燃料电池(下称SOFC)等第二代。在这些第二代燃料电池中，PEFC使用氟类或烃类高分子电解质膜作为电解质，存在燃料局限于纯氢气(H2)；要求极窄范围的温度控制(65～85℃)；需要电解质膜中水分(H2O)含量的精细控制；大量使用昂贵的铂催化剂；耐久性只有2000～3000小时的程度；由于不能冻结，无法在可能冻结的寒冷地区使用等许多缺点。
此外，由于燃料局限于纯氢气，需要将现有的社会基础(天然气、液化石油气、石油等)全面地重建为氢气系统，必须有巨大的社会基础投资。这些费用使氢气制造成本上升，招致单位发热量的单价增加。
还有，工作温度低，相应地排气温度也低，所以例如废热发电系统(cogeneration system)中，难以有效回收废热，当热需求大于电力需求时需要用昂贵的氢气燃料助燃，从热平衡的角度来看，未必成为最理想的节能系统构成，有这样的缺点。
另外，PEFC局限于昂贵的纯氢气燃料，所以从包含氢气制造成本的效率的角度看，也难说比现有的热机和混合动力型汽车(hybrid car)等有优越性。
另一方面，SOFC可使用除纯氢气外多种多样的烃类燃料，而且具有所有燃料电池中最高的理论发电效率。但是，以往的SOFC由于使用三氧化二钇稳定化二氧化锆(YSZ)，需要在1000℃的高温下工作，不仅燃料电池本身，结构体的多数部分使用耐热性的陶瓷。因此，为了防止由温度分布不均引起的热应力造成的损坏，需要启动数小时到十数小时。另外，也存在无法应对急剧的负荷变化的缺点。
近年来，钪稳定化二氧化锆(ScSZ)和没食子酸镧类固体电解质(LSGM)等，在650～800℃具有与1000℃的YSZ同等氧离子传导性的固体电解质被开发出来，结构体的多数部分变得可以使用金属材料，结构设计的自由度不断地大幅度上升。然而，由于SOFC本身的结构采用圆筒形筒群或者圆盘层积型构造，因此，有这样的缺点，即无法充分降低结构体各部分产生的热应力，无法充分缩短启动时间。
而且，以往的SOFC，为了维持发电性能，防止加于材料和结构体的热应力造成的损坏，需要将系统内部的温度均一地保持在约1000℃的高温状态，供给的燃料气体和空气都必须和通过文氏管等抽吸的废气混合，进行强制循环。因此，有这样的缺点，即燃料浓度和氧气浓度都被稀释，只能在低浓度的状态下供给，无法提高燃料电池单位面积的输出功率密度。
为了更详细的说明这些，对于使用圆筒形电池单元的，过去典型的SOFC系统结构和功能，通过图7进行说明。
燃料从燃料入口61供给，在通过圆筒形的内部改性机构62时升温，到顶部反转，沿燃料极按箭头63方向流动。含未反应燃料的燃料废气通过回收管线64后，由燃料入口文氏管65吸入，回到燃料供给管线。剩余的燃料废气通过燃料排气管66，供给燃烧器74。
另一方面，作为氧化剂的空气，从空气入口77供给，从空气集气管68按箭头69方向流动时预热，到电池单元的顶部反转，沿空气极70方向流动，为燃料电池供给氧气。向燃料电池供给了氧气后的空气，从空气排气管沿箭头71方向流动，通过空气入口文氏管72吸回空气供给管线。剩余的空气从排气管沿箭头73方向流动，在燃烧器74与燃料废气混合燃烧，经排气管75从排气口76排气。
因为这样的构成，以往的SOFC从冷却状态到可发电的高温状态，必需在使电池单元整体温度均一避免热应力引起的损坏的同时，一边将燃料气体和空气进行强制循环，一边慢慢升温，所以启动装置到达到全功率的预热需要许多时间，存在缺乏便利性的缺点。
此外，以往的SOFC为，燃料侧和空气侧都使用文氏管吸入废气，与供给气体混合稀释的状态下强制循环，同时剩余的燃料废气和空气废气混合燃烧，排入大气的构造，所以废气中还有大量未反应的燃料和氧气，存在无法充分提高发电效率的缺点。
另一方面，使用固体电解质的蜂窝结构燃料电池的例子，有日本专利特开平10-189023号公报和日本专利特开平11-297343号公报等。
这些文献所述的燃料电池，都是使用三氧化二钇稳定化二氧化锆(YSZ)、钪稳定化二氧化锆(ScSZ)作为固体电解质的蜂窝结构体，可是作为相互邻近的燃料电池的燃料极隔室和空气极隔室交替放置，形成所谓相间方格纹结构(checker board design)的蜂窝型燃料电池，都没有设计有效除去蜂窝电池内部发热的方法。因此，蜂窝内部热量集聚，内部温度不断升高，蜂窝的外周部分则因放热和冷却温度降低，蜂窝中心部分和外周部分之间产生巨大的温差，会发生由于该温差引起的热应力造成蜂窝损坏的情况。
因此，该燃料电池，与图7所示以往的例子同样，为了使构成燃料电池的蜂窝电池内部不产生巨大的热应力，具有燃料气体和空气都使用文氏管吸入废气，与供给气体混合，强制循环稀释气体的结构的同时，启动装置到达到正常运转的预热需要花费很长的时间慢慢升温，存在缺乏便利性的缺点。
另外，由于燃料气体和空气都使用文氏管吸入废气，混合，强制循环，因此，存在如下缺点，即循环燃料气体中的燃料和循环空气中的氧气都被稀释，浓度下降，而且废气中所含的未反应燃料气体的浓度、未反应氧气浓度增大，不能充分地提高发电效率，。另外，还有有无法提高单位面积的输出功率密度的缺点。
本发明是为了消除上述缺点而完成的，目的是以提供通过均一地冷却蜂窝内部，减小燃料电池内外产生的温差，防止热应力的产生，而且燃料和空气都不稀释，直接高浓度地提供燃料电池，同时通过在燃料电池出口的燃料废气中的残留未反应燃料和空气废气中的残留未反应氧气降至足够低的浓度之前将其利用于发电，小型大功率，效率高，且启动特性和负荷变化特性优异的SOFC型燃料电池。
发明的揭示本发明是为了实现上述目的而完成的，提供以下的蜂窝型固体电解质燃料电池。
(1)蜂窝型固体电解质燃料电池，其特征在于，是由固体电解质材料、燃料极材料或空气极材料的任一种形成的，具有矩形隔室截面的蜂窝结构体构成的燃料电池，通过将与构成该燃料电池燃料极隔室的室壁相接的隔室作为空气极隔室，将与燃料极隔室室壁角相接，且与空气极隔室的室壁相接的隔室作为冷却空气隔室，燃料极隔室、空气极隔室和冷却空气隔室各自在纵向和横向都隔一个隔室排列构成。
(2)蜂窝型固体电解质燃料电池，其特征在于，是由具有矩形隔室截面的蜂窝结构体构成，具有燃料极隔室、空气极隔室和冷却空气隔室，该蜂窝结构体由固体电解质材料、燃料极材料或空气极材料的任一种形成，把通过将与构成该燃料极隔室的室壁相接的隔室作为空气极隔室，将与燃料极隔室室壁角相接，且与空气极隔室的室壁相接的隔室作为冷却空气隔室，燃料极隔室、空气极隔室和冷却空气隔室各自在纵向和横向都隔一个隔室排列构成的燃料电池，堆叠为2层以上的燃料电池电池组，相互连接的蜂窝型燃料电池的燃料极和空气极通过内部连接器(inter-connector)连接，形成串联，电流由设于前述电池组两头的集电体导出。
(3)如上述(1)或(2)所述的蜂窝型固体电解质燃料电池，其特征在于，蜂窝结构体由固体电解质材料构成，燃料极隔室是在该蜂窝结构体的隔室内表面形成燃料极，空气极隔室是在与构成燃料极隔室的室壁相接的隔室内表面形成空气极。
(4)如上述(1)、(2)或(3)所述的蜂窝型固体电解质燃料电池，其特征在于，隔室截面是同一形状的正方形。
(5)如上述(1)、(2)或(3)所述的蜂窝型固体电解质燃料电池，其特征在于，燃料极隔室的隔室截面是正方形，空气极隔室的隔室截面是以燃料极隔室室壁为长边的长方形，冷却空气隔室的隔室截面是以空气极隔室的短边为一边的正方形或者以空气极隔室的短边为直径的圆形。
(6)如上述(1)～(5)中任一项所述的蜂窝型固体电解质燃料电池，其特征在于，具有矩形隔室截面的燃料极隔室、空气极隔室和冷却空气隔室的各个室壁部分或者全部是弯曲或波状的。
(7)如上述(2)～(6)中任一项所述的蜂窝型固体电解质燃料电池，其特征在于位于燃料电池电池组一端的蜂窝型燃料电池的端部连接有，具有燃料极隔室的封闭面，而且空气极隔室流路和冷却空气隔室流路贯穿的第一集电体，该第一集电体上连接冷却空气导管贯穿的空气进出单元；位于前述电池组另一端的蜂窝型燃料电池的端部连接有，燃料极隔室流路、空气极隔室流路和冷却空气隔室流路贯穿的第二集电体，该第二集电体上依次连接空气反转室、燃料供给管贯穿的燃料废气集合室，该燃料废气集合室连接供给燃料用的燃料供给集气管；从该燃料废气集合室的端面分别贯穿空气反转室和第二集电体，延伸至燃料极隔室的空气进出侧端面旁的燃料供给管，与隔室内表面之间留有间隙地插入在燃料极隔室内。
(8)如上述(1)～(7)中任一项所述的蜂窝型固体电解质燃料电池，其特征在于，流过冷却空气隔室的空气和流过空气极隔室的反应空气方向相反，形成对流。
(9)如上述(6)～(8)中任一项所述的蜂窝型固体电解质燃料电池，其特征在于，构成蜂窝型固体电解质燃料电池的蜂窝型燃料电池单体、第一集电体、第二集电体、空气反转室、燃料废气集合室、燃料供给管等结构部件的多个功能部分整体成型，或者接合后形成一体。
(10)如上述(7)所述的蜂窝型固体电解质燃料电池，其特征在于，燃料供给管内部充填燃料改性催化剂，在燃料供给管内进行燃料改性。
(11)如上述(1)～(10)中任一项所述的蜂窝型固体电解质燃料电池，其特征在于，固体电解质为三氧化二钇稳定化二氧化锆(YSZ)、钪稳定化二氧化锆(ScSZ)、没食子酸镧类固体电解质(LSGM、LSGMC)或者C12A7(12CaO·7Al2O3)之类具有O-、O2-等离子电导性的固体电解质或者传导H-、H+的固体电解质。
附图的简单说明
图1是本发明实施例所述的燃料电池的简略截面图。
图2是图1的I-I部分的简略截面图。
图3是本发明所述的层积的燃料电池单体在图1的I-I部分的简略截面图。
图4是使用根据本发明制造的层积的燃料电池单体构成燃料电池组的一个例子的鸟瞰示意图。
图5是本发明其他实施方式的燃料电池的简略隔室截面图。
图6是本发明其他别的实施方式的燃料电池的简略隔室截面图。
图7是根据以往技术制造的SOFC系统图兼截面图。
(标记的说明)1 蜂窝结构体 2 燃料极3 燃料极隔室 4 空气极5 空气极隔室 6 冷却空气隔室13 内部连接器部分 15 空气极内部连接器部分
16 燃料极内部连接器部分 17 蜂窝燃料电池17a 第1段蜂窝燃料电池17b 第2段蜂窝燃料电池17n 第n段蜂窝燃料电池18 层积型蜂窝燃料电池25 空气进出侧端面 26 空气进出侧集电绝缘单元29 第一集电体 30 绝缘体31 空气进出单元 32 冷却空气导管33 空间 34 排气口35 集气管部分 37 燃料供给侧端面38 第二集电体 39 绝缘体40 燃料供给侧集电绝缘单元 41 燃料供给侧端面42 燃料极导管 43 空气反转室44 空气反转单元 45 端面46 燃料供给管 47 燃料废气集合室48 燃料废气出 49 燃料废气单元51 燃料入口侧端面 52 燃料供给集气管61 燃料入口 62 内部改性机构64 回收管线 65 燃料入口文氏管66 燃料排气管 67 空气入口68 空气集气管 70 空气极71 空气排气管 72 空气入口文氏管74 燃烧器 75 排气管76 排气口 77 空气入口实施发明的最佳方式参照图1到图3进一步说明与本发明相关的蜂窝型固体电解质燃料电池的构造和功能。但是，以下的图解是为了让对本发明相关的燃料电池的理解变得容易而示例的，本发明并不局限于此。本发明中，蜂窝结构体(以下亦称蜂窝)，能够用固体电解质材料、燃料极材料或空气极材料的任一种形成，但是一般固体电解质材料是优选的。由燃料极材料或空气极材料形成蜂窝结构体的情况，除了燃料极或反应空气极中某一个形成电解质膜和电极膜的2重膜结构这一点外，都是相同的，所以，以下的说明都根据由固体电解质形成蜂窝结构体的例子进行。
与本发明相关的固体电解质燃料电池，如图1所示，其特征为在具有矩形截面两端开口的固体电解质蜂窝的内表面，通过包覆或接合后烧结成一体形成燃料极2，构成燃料极隔室3(图中以记号(a)表示)，在与构成该燃料极隔室3的室壁相接的隔室的内表面，通过包覆或接合后烧结成一体形成空气极4，构成空气极隔室5(图中以记号(b)表示)，将与构成该燃料极隔室3的室壁角相接，且与位于该角两侧的空气极隔室5的室壁相接的隔室作为冷却空气隔室6(图中以记号(c)表示)。
通过形成这样的结构，形成燃料极隔室3、空气极隔室5和冷却空气隔室6各自在纵向和横向都隔一个隔室队列状排列的阵列，可以在蜂窝1中得到如图1所示的前述隔室的规则的排列。
通过这样的燃料极隔室3、空气极隔室5和冷却空气隔室6的设置，燃料极隔室3中构成隔室的室壁全部与空气极隔室5相接，另一方面，冷却空气隔室6的室壁同样全部与空气极隔室5相接，因此可以确保能够将蜂窝1连内部都均匀冷却的冷却流路。图1中，将截面为矩形或正方形的隔室呈围棋棋盘状排列，但隔室截面也可以做成菱形。在这里，隔室截面是与蜂窝1的各隔室通道垂直的截面。另外，蜂窝1的截面形状也并不局限于示例的矩形。
图2，是图1中I-I的截面。燃料在燃料极隔室3从图2的箭头7向箭头8方向流动，另一方面，反应空气与燃料流动方向相反，从箭头9向箭头10方向流动，形成对流，籍此可以使燃料入口侧到出口侧局部化的电动势均一化。
另外，流过冷却空气隔室6的空气，为了有效地冷却由于内部发热引起温度上升的燃料极隔室3和空气极隔室5，使其与反应空气相反从箭头11向箭头12方向流动为佳。
在这样的隔室构造中，燃料极2中，在该燃料极的蜂窝1一端面侧(图2中的右侧)，沿着燃料极隔室3的室壁端延伸，设置四方凸缘型的燃料极内部连接器部分16，同时将蜂窝体1另一端面侧较蜂窝1全长缩短长度X。另外，空气极4中，与燃料极3相反，在蜂窝1另一端面侧，沿着空气极隔室4的室壁端延伸，设置四方凸缘型的空气极内部连接器部分15，将蜂窝体1一端面侧较蜂窝体1全长缩短长度Y。通过照这样形成燃料极2和空气极4，可以构成蜂窝燃料电池17。
长度X和长度Y，考虑蜂窝的材质、燃料的导电性来决定最佳长度，大概0.5～5.0mm为佳。通过在燃料极隔室3和空气极隔室5中，根据前述范围，这样分别设定不形成燃料极2和空气极4的区域(长度X和长度Y)，在后述层积多个蜂窝燃料电池17时，保证了相接的蜂窝燃料电池17的同极(燃料极和燃料极或空气极和空气极)之间的电绝缘。
蜂窝燃料电池17的前述内部连接器部分15和16，可以各自使用与燃料极2和空气极4同样的构成材料。但是，邻接燃料极隔室3的一面是强还原环境，另一方面，邻接空气极隔室5的一面是强氧化环境，所以对氧化和还原都有耐受性的材料是优选的。这样的材料，可以使用例如LaCrO3、La0.8Ca0.2CrO3、La0.7Sr0.3CrO3等氧化物类材料；金(Au)或银(Ag)等贵金属；铬镍铁合金、不锈钢等耐热钢。
图3，表示本发明所述的固体电解质燃料电池的应用例的构造和功能。第1段蜂窝燃料电池17a的空气极内部连接器部分15a和第2段蜂窝燃料电池17b的燃料极内部连接器部分16b层积连接，以下同样操作，通过n段层积，能够得到n段蜂窝燃料电池17串联的层积型蜂窝燃料电池18。
位于层积面的空气极内部连接器15a和燃料极内部连接器16b的连接部分，通过压接或接合一体化，形成内部连接器部分13(参照图3)。
还有，空气极内部连接器部分15和燃料极内部连接器部分16层积的层积方法，可以是与图3所示构成左右相反的结构，即层积型蜂窝燃料电池18的左端面露出燃料极内部连接器部分16n，右端面露出空气极内部连接器部分15a的结构。
供给该层积型蜂窝燃料电池18的燃料，从图3所示IIIa面侧沿箭头19的方向供给到燃料极隔室(a)内，在燃料极通过电化学反应生成的水蒸气(H2O)、未反应氢气(H2)、二氧化碳(CO2)和氮气(N2)的混合气体，或者水蒸气、未反应氢气和二氧化碳的混合气体沿箭头20流出。
另一方面，用于冷却层积型蜂窝燃料电池18内部的冷却空气，从与燃料流入方向相同的IIIa面侧沿箭头21的方向供给到冷却空气隔室(c)内，冷却冷却空气隔室室壁，自身温度升高。冷却室壁后的空气，从端面IIIb沿箭头22方向流出。
从箭头22流出的高温空气反转方向，沿从端面IIIb向箭头23的方向流入空气极隔室(b)内，供给空气极4氧气，氧气浓度降低的同时，从空气极隔室(b)的端面IIIa沿箭头24方向流出。
还有，层积蜂窝燃料电池17形成的层积型蜂窝燃料电池18的层积层数，考虑构成蜂窝燃料电池17的隔室长度、必要的输出电压、选定的电解质材料、蜂窝的隔室大小、燃料废气中未反应燃料的比例、系统整体的热平衡以及系统整体的经济性，决定最适合的层数。所以，层积型蜂窝燃料电池18的层积层数非特定，但通常为3～10层。
用于蜂窝1的固体电解质材料，可以例举三氧化二钇稳定化二氧化锆(YSZ)、钪稳定化二氧化锆(ScSZ)、没食子酸镧类固体电解质材料(LSGM、LSGMC)或者C12A7(12CaO·7Al2O3)等。更具体地，LSGM可列举，La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2Ox和La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2Ox，另外，LSGMC可列举，La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.15Co0.05Ox和La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.15Co0.05Ox。而且，YSZ可以优选地使用例如ZrO2中掺入Y2O3的8摩尔％的Y2O3·ZrO2等，ScSZ可以优选地使用例如8摩尔％的Sc2O3·3ZrO2等。这些都是具有O-、O2-离子传导性的物质，近年来不断研究的具有传导H-、H+离子传导性的物质也包含在本发明定义的固体电解质材料之内。
另外，电极膜材料，可以使用公知的或众所周知的材料。作为各自优选的材料，可以列举例如用于阳极(燃料极)的Ni和Ni金属陶瓷，用于阴极(空气极)的LaMnO3、La0.8Sr0.2MnO3、LaCoO3、La0.5Sr0.5CoO3等。
还有，根据图1到图3的说明，构成蜂窝1的材料全都是固体电解质材料，但是可以用空气极材料构成蜂窝1，在燃料极隔室的内表面先包覆或接合电解质材料，再包覆或接合燃料极材料形成2层。另外，也可以用燃料极材料构成蜂窝1，在空气极隔室的内表面先包覆或接合电解质材料，再包覆或接合空气极材料形成2层。
(实施例)根据图4对本发明所述的固体电解质燃料电池的实施例进行进一步的说明。还有，层积型蜂窝燃料电池18在图1至图3中是由5行×5列的隔室构成的蜂窝结构体，而图4中是更接近实用机型的7行×7列的构造，除此之外的构造和功能，与用图1至图3说明的内容实质上完全相同。
另外，图4是上下2段分开的图，这是为了方便图的放置而分成2段的，实际上所有的部分在一条中心线上串联连接。
层积型蜂窝燃料电池18中，空气进出侧端面25与只封闭燃料流路部分的蜂窝状空气进出侧集电绝缘单元26沿箭头28方向连接成一体。
具有第一集电体29和绝缘体30的空气进出侧集电绝缘单元26，还在其上游侧连接空气进出单元31。该空气进出单元31，具有与冷却空气隔室6(参照图1)连通的冷却空气导管32贯穿的空间33和排气口34，来自燃料电池的废气从排气口34沿箭头54方向排出。
冷却空气沿箭头36供给集气管部分35，在连通集气管部分35的冷却空气导管32中大致均等分配，通过集电绝缘单元26，供给层积型蜂窝燃料电池18。
另一方面，在层积型蜂窝燃料电池18的燃料供给侧端面37，连接隔室贯穿的，具有与层积型蜂窝燃料电池18同样隔室截面形状的，具有第二集电体38和绝缘体39的燃料供给侧集电绝缘单元40。在集电绝缘单元40的燃料供给侧端面41，连接具有与燃料极隔室连通的燃料极导管42贯穿的空气反转室43的空气反转单元44，通过了冷却空气隔室的空气，在空气反转室43集中后，反转，流入空气极隔室。
另外，在空气反转单元44的端面45连接燃料废气单元49。该燃料废气单元49，具有燃料供给管46、燃料废气集合室47和燃料废气出口48。前述燃料供给管46贯穿了贯穿空气反转单元44的燃料极导管42、连通集电绝缘单元40的燃料极和层积型蜂窝燃料电池18的燃料极隔室，与燃料极之间有适度的空隙，延伸至层积型蜂窝燃料电池18的空气进出侧端面25附近。
燃料废气，在层积型蜂窝燃料电池18的空气进出侧端面25反转，通过燃料供给管46和燃料极2(参照图1)的间隙，在其间与反应空气反应进行发电。结束发电的燃料废气，在燃料废气集合室47集中后，从燃料废气出口48沿箭头50方向排出。另外，在燃料废气集合室47的燃料入口侧端面51连接燃料供给集气管52，沿箭头53向燃料供给集气管52内供给的燃料在该燃料供给集气管52大致均等分配，供给燃料供给管46。还有，在燃料供给管46内部填充燃料改性催化剂，例如以陶瓷基质分散担载的Ni催化剂，由该催化剂将通过燃料供给管内的燃料气体改性为H2和CO的混合气体，从而能够无碳(C)析出地，供给燃料极改性气体。
沿箭头54排出的废空气和沿箭头50排出的燃料废气，通过未图示的管道或结构空间，在未图示的燃烧器中混合燃烧后，排入大气。
还有，在燃烧器中混合燃烧后的废气，可以通过未图示的热交换器预热冷却空气，实现热回收。此外，在燃烧器中混合燃烧后的废气，通过由空气压缩机和涡轮组成的未图示的气轮机加压冷却空气，将系统整体保持在加压状态，可以实现发电效率的提高和密集化。
另外，在如图4所示的固体电解质燃料电池中，蜂窝型燃料电池单体、第一集电体、第二集电体、空气反转室、燃料废气集合室、燃料供给管等构成固体电解质燃料电池的功能部分可以作为分开的部件制作，对于能够将多个功能部分一体成型，或者接合成一体的，可以不作为分开的部件制作，合理地整合。
此外，本例说明的是，如图1所示，冷却空气隔室、燃料极隔室、空气极隔室全部具有相同截面形状的正方形蜂窝，但是只要是这些隔室能够达到本发明目的的形状，没有必要所有的隔室截面都相同。例如，如图5所示，隔室截面可以根据隔室的种类a、b、c改变。即，可以将燃料极隔室3的隔室截面做成正方形，将空气极隔室5的隔室截面做成以燃料极隔室3的室壁为长边的长方形，将冷却空气隔室6的隔室截面做成以该空气极隔室5短边为边长的正方形或者以该空气极隔室5短边为直径的圆形。还有，图5的I-I部分的截面图中，除了隔室大小根据隔室的种类不同外与图2实质上都相同，所以省略了图示。
通过将蜂窝1的隔室截面这样根据隔室的种类改变，使燃料极隔室3的隔室截面或者容积相对变大，可以提高燃料电池的单位容积的输出。增大燃料极隔室3隔室截面的结果，使空气极隔室5和冷却空气隔室6的各隔室截面较之燃料极隔室3缩小，尤其是冷却空气隔室6的隔室截面缩小。但是，根据冷却空气隔室6的温度分布分析和实验，能够实现冷却空气隔室6的截面在不影响燃料电池的工作的范围内缩小。
此外，如图6所示的一例，可以将隔室截面做成矩形隔室各边的一部分或全部呈弯曲或者波状的变形矩形。另外，也可以将该变形矩形和图5所示的异形矩形结合。通过这样增加蜂窝1的隔室截面的电极面积，可以进一步提高燃料电池单位容积的输出。
产业上利用的可能性如以上说明，根据本发明，没有像如图7所示以往的技术那样，燃料和反应用空气都是通过吸入废气和燃料废气稀释后，循环使用，所以可以使用浓度高的燃料和氧气浓度高的空气，提高单位容积的发电输出，使其小型化、轻型化。
另外，可以大幅降低从燃料电池排出的燃料废气中的未反应燃料浓度和排出的空气中的氧气浓度，而且吸收了蜂窝内部产生的热量温度上升的冷却空气反转方向送往空气极隔室，作为用做燃料电池运作的反应用空气，进行热回收，大幅提高发电效率。
此外，因为能够均一冷却到蜂窝内部，蜂窝内部和蜂窝外周部分的温度差消失，可以大幅降低热应力，所以能够快速启动，而且对剧烈的负荷变化也能迅速适应。
还有，和图7所示的以往技术一样，因为驱动文氏管，燃料气体和空气压力损失降低，可以将运行燃料电池的所需动力控制在最低限度。
权利要求
1.蜂窝型固体电解质燃料电池，它是由固体电解质材料、燃料极材料或空气极材料的任一种形成的，具有矩形隔室截面的蜂窝结构体构成的燃料电池，其特征在于，通过将与构成该燃料电池燃料极隔室的室壁相接的隔室作为空气极隔室，将与燃料极隔室的室壁角相接、且与空气极隔室的室壁相接的隔室作为冷却空气隔室，燃料极隔室、空气极隔室和冷却空气隔室各自在纵向和横向都隔一个隔室排列构成。
2.蜂窝型固体电解质燃料电池，其特征在于，由具有矩形隔室截面的蜂窝结构体构成，具有燃料极隔室、空气极隔室和冷却空气隔室，该蜂窝结构体由固体电解质材料、燃料极材料或空气极材料的任一种形成，把通过将与构成前述燃料极隔室的室壁相接的隔室作为空气极隔室，将与燃料极隔室室壁角相接、且与空气极隔室的室壁相接的隔室作为冷却空气隔室，燃料极隔室、空气极隔室和冷却空气隔室各自在纵向和横向都隔一个隔室排列构成的燃料电池堆叠为2层以上的燃料电池的电池组，相互连接的蜂窝型燃料电池的燃料极和空气极通过内部连接器连接，形成串联，电流由设于前述电池组两端部的集电体导出。
3.如权利要求1或2所述的蜂窝型固体电解质燃料电池，其特征在于，蜂窝结构体由固体电解质材料构成，燃料极隔室是在该蜂窝结构体的隔室内表面形成燃料极，空气极隔室是在与构成燃料极隔室的室壁相接的隔室内表面形成空气极。
4.如权利要求1～3中任一项所述的蜂窝型固体电解质燃料电池，其特征在于，隔室截面是同一形状的正方形。
5.如权利要求1～3中任一项所述的蜂窝型固体电解质燃料电池，其特征在于，燃料极隔室的隔室截面是正方形，空气极隔室的隔室截面是以燃料极隔室室壁为长边的长方形，冷却空气隔室的隔室截面是以空气极隔室的短边为一边的正方形或者以短边为直径的圆形。
6.如权利要求1～5中任一项所述的蜂窝型固体电解质燃料电池，其特征在于，具有矩形隔室截面的燃料极隔室、空气极隔室和冷却空气隔室的各个室壁部分或者全部是弯曲或波状的。
7.如权利要求2～6中任一项所述的蜂窝型固体电解质燃料电池，其特征在于，位于燃料电池电池组一端的蜂窝型燃料电池的端部连接有具备燃料极隔室的封闭面、且空气极隔室流路和冷却空气隔室流路贯穿的第一集电体，该第一集电体上连接了冷却空气导管贯通的空气进出单元；位于前述电池组另一端的蜂窝型燃料电池的端部连接有燃料极隔室流路、空气极隔室流路和冷却空气隔室流路贯穿的第二集电体，该第二集电体上依次连接了空气反转室及燃料供给管贯穿的燃料废气集合室，该燃料废气集合室连接了供给燃料用的燃料供给集气管；从该燃料废气集合室的端面分别贯穿空气反转室和第二集电体，延伸至燃料极隔室的空气进出侧端面旁的燃料供给管，与燃料极隔室的隔室内表面之间留有间隙地插入在燃料极隔室内。
8.如权利要求1～7中任一项所述的蜂窝型固体电解质燃料电池，其特征在于，流过冷却空气隔室的空气和流过空气极隔室的反应空气方向相反，形成对流。
9.如权利要求7或8所述的蜂窝型固体电解质燃料电池，其特征在于，构成蜂窝型固体电解质燃料电池的蜂窝型燃料电池单体、第一集电体、第二集电体、空气反转室、燃料废气集合室、燃料供给管等结构部件的多个功能部分整体成型，或者接合后形成一体。
10.如权利要求7所述的蜂窝型固体电解质燃料电池，其特征在于，燃料供给管内部充填燃料改性催化剂，在燃料供给管内进行燃料改性。
11.如权利要求1～10中任一项所述的蜂窝型固体电解质燃料电池，其特征在于，固体电解质为三氧化二钇稳定化二氧化锆(YSZ)、钪稳定化二氧化锆(ScSZ)、没食子酸镧类固体电解质或者C12A7(12CaO·7Al2O3)之类具有O-、O2-等的离子电导性的固体电解质或者传导H-、H+的固体电解质。
12.如权利要求11所述的蜂窝型固体电解质燃料电池，其特征在于，没食子酸镧类固体电解质为La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2Ox、La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2Ox、La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.15Co0.05Ox或La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.15Co0.05Ox。
全文摘要
提供小型的、大输出、高效率，而且有优良启动特性和负荷变化特性的SOFC型燃料电池。由具有矩形隔室截面的蜂窝结构体构成，通过将与构成燃料极隔室(a)的室壁相接的隔室作为空气极隔室(b)，将与该燃料极隔室室壁角相接，且与空气极隔室的室壁相接的隔室作为冷却空气隔室(c)，燃料极隔室、空气极隔室和冷却空气隔室各自在纵向和横向都隔一个隔室呈列状排列构成的蜂窝型固体电解质燃料电池。
文档编号H01M8/06GK1757129SQ20048000600
公开日2006年4月5日 申请日期2004年3月12日 优先权日2003年3月14日
发明者鸟山彰 申请人:凤凰智囊团有限公司