CN101868875B - 横条纹型固体氧化物形燃料电池单元组及燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明的横条纹型固体氧化物形燃料电池单元组，包括：在内部具有气体流道的电绝缘性多孔支撑体和在该支撑体的表面并列设置了多个的燃料电池单元。所述燃料电池单元为如下多层结构，即具有第一内侧电极层、在该第一内侧电极层上并列设置的集电体和第二内侧电极层、以及在该第二内侧电极层上依次层叠的固体电解质层和外侧电极层，并且所述固体电解质层延伸设置并经由中间层与所述集电体接合而成多层结构。所述多个燃料电池单元串联连接。并且，所述集电体与所述第二内侧电极层在所述第一内侧电极层上隔开规定的间隙而配置。本发明的燃料电池在收纳容器内收纳有多个所述横条纹型固体氧化物形燃料电池单元组而成。

Description

横条纹型固体氧化物形燃料电池单元组及燃料电池
技术领域
本发明涉及横条纹型固体氧化物形燃料电池单元组及使用该电池单元组的燃料电池。
背景技术
近年来，作为下一代能源，提出了各种燃料电池。该燃料电池是通过在收纳容器中收纳多个燃料电池单元组而形成。各燃料电池单元组通过将多个燃料电池单元串联电连接而形成。作为这样的燃料电池单元，已知固体高分子形、磷酸形、熔融碳酸盐形、固体氧化物形等。特别是固体氧化物形燃料电池单元，发电效率高，工作温度高达700～1000℃，因此具有可以利用其排热等优点，正在推进其研究开发。
图8所示的固体氧化物形燃料电池单元组是称为所谓“横条纹型”的燃料电池单元组，具备支撑体100和多个燃料电池单元102。支撑体100为电绝缘性且多孔，呈中空平板状。支撑体100的内部形成有气体流道106。
燃料电池单元102具有：在集电燃料极层101上并列设置活性燃料极层102a和集电体(内部连线：interconnector)103、并在活性燃料极层102a上依次层叠固体电解质层102b和空气极层102c的多层结构。另外，集电体103与固体电解质层102b为实现密封性通过中间层(接着层)105而接合。该燃料电池单元102在支撑体100的表面上沿该支撑体100的长度方向以规定间隔并列设置多个。
相互邻接的燃料电池单元102分别通过单元间连接构件104串联电连接。即，一个燃料电池单元102的集电体103与另一个燃料电池单元102的空气极层102c通过单元间连接构件104连接。
在上述横条纹型固体氧化物形燃料电池单元组(以下有时称为“燃料电池单元组”)中，固体电解质层102b的氧离子传导性在600℃以上时增高。在这样的温度下，如果在空气极层102c中通入含有氧的气体，在活性燃料极层102a及集电燃料极层101中通入含有氢的气体，则空气极层102c与活性燃料极层102a的氧浓度差增大，在空气极层102c与活性燃料极层102a之间产生电位差。
由于该电位差，氧离子从空气极层102c穿过固体电解质层102b向活性燃料极层102a移动。移动的氧离子在活性燃料极层102a中与氢结合而形成水，同时在活性燃料极层102a中产生电子。即，在空气极层102c中，发生下式(i)的电极反应，在活性燃料极层102a中，发生下式(ii)的电极反应。
空气极层102c：1/2O2+2e-→O2-            …(i)
活性燃料极层102a：O2-+H2→H2O+2e-       …(ii)
此外，通过将活性燃料极层102a(集电体103)与空气极层102c电连接，发生电子从活性燃料极层102a向空气极层102c的移动，在两极间产生电动势。这样，在固体氧化物形燃料电池单元组中，通过供给氧和氢，使所述反应连续发生，从而产生电动势来发电(例如参考专利文献1)。
在此，特别是在横条纹型的固体氧化物形燃料电池单元组中，通过在支撑体100的表面上沿长度方向并列设置多个发生上述反应的燃料电池单元102，并且将它们串联连接，具有所谓以少数的燃料电池单元组得到高电压的优点。
但是，为了并列设置多个多层结构的燃料电池单元102，必须在支撑体100的表面上将各构成构件、即集电燃料极层101、活性燃料极层102a、固体电解质层102b、空气极层102c、集电体103和中间层105以高密度层叠配置。各构成构件由于其厚度、面积等的不同，因此在层叠时非常容易发生剥离、裂纹等不良情况。另外，由于各燃料电池单元102串联电连接，因此，如果在一个燃料电池单元102的集电燃料极层101和活性燃料极层102a(内侧电极层)、固体电解质层102b中沿阻断电流的方向发生剥离、裂纹等，则燃料电池单元组整体的电输出消失。
专利文献1：日本特开平10-003932号公报
发明内容
本发明的课题在于，提供能够抑制内侧电极层等的剥离或裂纹等的发生、且高输出、可靠性高的横条纹型固体氧化物形燃料电池单元组及使用该电池单元组的燃料电池。
本发明人为解决上述课题反复进行了深入研究，结果发现了以下的见解。即，在支撑体的表面层叠内侧电极层、固体电解质层、集电体及中间层时，根据各构成构件的配置的不同，剥离或裂纹的发生情况不同。
具体而言，在第一内侧电极层(集电燃料极层)上层叠第二内侧电极层(活性燃料极层)、固体电解质层、集电体及中间层时，根据各构成构件是否相互接触的状态、或者特定的构成构件间是否隔开若干的间隙而形成的差异，内侧电极层等的剥离、裂纹的发生程度产生显著的差异。
这些现象的原因之一在于，各构成构件在干燥和/或热处理情况下的收缩行为不同。另外，另一原因在于，根据各第一内侧电极层(集电燃料极层)上层叠的第二内侧电极层(活性燃料极层)、集电体及中间层之间的收缩行为的不同，有残余应力增大和减小的情况。
基于这些见解，进一步进行了深入研究，结果发现，各构成构件中，通过在第一内侧电极层上隔开规定的间隙形成集电体和第二内侧电极层，能够减小烧成时在各构成构件的边界部产生的残余应力，从而抑制剥离或裂纹的发生，并且能够使各燃料电池单元间的电流稳定，进一步抑制燃料电池单元组的性能波动，使横条纹型固体氧化物形燃料电池单元组的输出高且可靠性高。
即，本发明的横条纹型固体氧化物形燃料电池单元组具备：在内部具有气体流道的电绝缘性多孔支撑体和在该支撑体的表面并列设置了多个的燃料电池单元。所述燃料电池单元为如下的多层结构：具有第一内侧电极层、在该第一内侧电极层上并列设置的集电体和第二内侧电极层、在该第二内侧电极层上依次层叠的固体电解质层和外侧电极层，并且所述固体电解质层延伸设置并经由中间层与所述集电体接合。一个上述燃料电池单元的集电体、与和该一个燃料电池单元邻接的另一个所述燃料电池单元的所述外侧电极层，经由所述一个燃料电池单元所具备的所述集电体电连接，所述多个燃料电池单元被串联连接。并且，所述集电体与所述第二内侧电极层在所述第一内侧电极层上隔开规定的间隙而配置。
本发明的燃料电池通过在收纳容器内收纳多个所述横条纹型固体氧化物形燃料电池单元组而形成。
本发明的横条纹型固体氧化物形燃料电池单元组的制造方法，包括以下(I)～(IV)的工序。
(I)得到在内部具有气体流道的电绝缘性多孔支撑体的工序。
(II)在得到的所述支撑体的表面上并列设置多个第一内侧电极层，并在各第一内侧电极层上隔开规定的间隙并列设置集电体和第二内侧电极层的工序。
(III)在所述集电体上设置中间层，在所述第二内侧电极层上层叠固体电解质层并达到所述中间层上，并在该固体电解质层上层叠外侧电极层，由此在所述支撑体的表面并列设置多个具有多层结构的燃料电池单元的工序。
(IV)将所述一个燃料电池单元的所述集电体与和该一个燃料电池单元邻接的另一个所述燃料电池单元的所述外侧电极层电连接的工序。
根据本发明的横条纹型固体氧化物形燃料电池单元组及其制造方法，能够抑制层叠时各构件(例如，第二内侧电极层等)的剥离、各构件间的裂纹产生，并且能够使其在结构上和供电上均保持稳定。其结果，能够提供高输出、可靠性高的横条纹型固体氧化物形燃料电池单元组。
根据本发明的燃料电池，通过使用多个高输出化的横条纹型固体氧化物形燃料电池单元组，还能够实现容量的小型化，能够以少数的横条纹型固体氧化物形燃料电池单元组得到高发电量。
附图说明
图1是表示本发明的一个实施方式的横条纹型固体氧化物形燃料电池单元组的局部断裂立体图。
图2是表示本发明的一个实施方式的横条纹型固体氧化物形燃料电池单元组的局部放大纵向截面图。
图3是表示本发明的一个实施方式的燃料电池的示意截面图。
图4是表示本发明的一个实施方式的支撑体的纵向截面图。
图5的(a)～(d)是表示本发明的一个实施方式的横条纹型固体氧化物形燃料电池单元组的制造方法的工序图。
图6的(e)～(h)是表示本发明的一个实施方式的横条纹型固体氧化物形燃料电池单元组的制造方法的工序图。
图7是表示实施例的剥离部位及泄漏部位的说明图。
图8是表示现有固体氧化物形燃料电池单元组的局部放大纵向截面图。
具体实施方式
以下，参考图1～图3对本发明的横条纹型固体氧化物形燃料电池单元组及燃料电池的一个实施方式进行详细说明。如图1所示，本实施方式的燃料电池单元组1包括中空平板状的电绝缘性多孔支撑体11和燃料电池单元13。该燃料电池单元组1中，在支撑体11的表面和背面沿支撑体11的长度方向并列设置多个燃料电池单元13，如图2所示，为经由单元间连接构件17将各燃料电池单元13串联连接的“横条纹型”。
燃料电池单元13具有如下多层结构：在支撑体11上设置的第一内侧电极层(以下，有时称为“集电燃料极层23”)、在该集电燃料极层23上并列设置的集电体2和第二内侧电极层(以下，有时称为“活性燃料极层13a”)、以及在该活性燃料极层13a上依次层叠的固体电解质层13b和空气极层13c(外侧电极层)；并且，固体电解质层13b延伸设置并经由中间层3(接合层)与集电体2接合。集电燃料极层23为具有集电功能的电极，活性燃料极层13a是对与固体电解质层13b的反应有贡献的活性电极。
相互邻接的燃料电池单元13之间通过单元间连接构件17串联电连接。即，在一个燃料电池单元13的集电体2的上面外周部形成有框形的中间层3。从该框形的中间层3露出的集电体2的上面由单元间连接构件17的一端覆盖，该单元间连接构件17的另一端侧形成于另一个燃料电池单元13的空气极层13c上。由此，将一个燃料电池单元13的集电体2与和一个燃料电池单元13邻接的另一个燃料电池单元13的空气极层13c电连接，使相互邻接的燃料电池单元13之间串联电连接。
支撑体11为多孔性，其内部形成有内径小的多个气体流道12(参考图1)。各气体流道12由间壁51隔开，以沿长度方向延伸、贯通的方式设置。从发电性能及结构强度的观点考虑，气体流道12的数量例如优选为2～40个、更优选6～20个。如果在支撑体11的内部形成多个气体流道12，则与在支撑体11的内部形成一条大的气体流道的情况相比，能够使支撑体11呈扁平板状。由此，能够增加燃料电池单元组1的单位体积的燃料电池单元13的面积，从而增大发电量。因此，能够减少用于得到所需发电量的燃料电池单元组1的数量。另外，也能够减少相互邻接的燃料电池单元组1间的连接部位的数量。
通过在该气体流道12内通入燃料气体(含氢气体)、并且使空气极层13c暴露于空气等含氧气体中，使活性燃料极层13a及空气极层13c间发生前述式(i)、(ii)所示的电极反应，从而在两极间产生电位差来发电。
在此，集电体2与活性燃料极层13a在集电燃料极层23上隔开规定的间隙d而配置。由此，能够抑制各构件的剥离、各构件间的裂纹产生。特别是能够抑制活性燃料极层13a及集电燃料极层23的剥离、活性燃料极层13a与集电体2的边界部的裂纹、中间层3与集电体2的边界部的剥离、裂纹的产生等。
间隙d为10～120μm、优选30～100μm是适当的。所述间隙d如果窄于10μm，则可能得不到设置间隙d的效果，如果宽于120μm，则燃料电池单元13(活性燃料极层13a)的面积减少，发电量降低，因此不优选。
间隙d处延伸设置有固体电解质层13b。由此，使燃料电池单元组1(燃料电池单元13)的结构稳定性进一步提高。另外，相互邻接的燃料电池单元13之间的间隙处也延伸设置有固体电解质层13b。由此，形成将相互邻接的燃料电池单元13之间电隔绝的绝缘部。
然后，由上述燃料电池单元组1构成本实施方式的燃料电池。首先，将多个燃料电池单元组1集合在一起。接着，在位于其排列方向的两端部的燃料电池单元组上安装用于将燃料电池单元组中产生的电力提取到燃料电池外的导电构件(未图示)，并收纳在收纳容器内。由此，构成本实施方式的燃料电池。
所述燃料电池如下所述进行发电。即，向收纳容器内导入空气等含氧气体，并通过导入管向图3所示的燃料气体总管(mainfold)50中导入含氢气体等燃料气体。导入的燃料气体被导入燃料电池单元组1(支撑体11)的气体流道12内部，在气体流道12内部从下方向上方流动，并从燃料电池单元组1的前端部放出残余的燃料气体。于是，如果将燃料电池单元组1加热至规定温度，则能够利用该燃料电池单元组1进行发电。使用的燃料气体及含氧气体排出至收纳容器外。
如图3所示，相互邻接的燃料电池单元组1之间经由在下端部配置的燃料电池单元组间连接构件19电连接。即，在一个燃料电池单元组1的下端部设有单元间连接构件17。该单元间连接构件17，与构成一个燃料电池单元组1的燃料电池单元13的集电燃料极层23和活性燃料极层13a导通。另外，该单元间连接构件17经由燃料电池单元组间连接构件19与构成另一个燃料电池单元组1的燃料电池单元13的空气极层13c导通。
这样，在收纳有多个燃料电池单元组1而形成的燃料电池中，相互邻接的燃料电池单元组1之间经由燃料电池单元组间连接构件19电连接，因此，能够较密地配置燃料电池单元组1，从而能够减少单位发电量的燃料电池单元组1的数量。因此，能够提供小型且热效率高的燃料电池。另外，本发明中，燃料电池单元组1的前端部是指与连接总管50侧相反的一侧的燃料电池单元组1的端部，换言之，是指位于燃料气体的下游侧(放出侧)的燃料电池单元组1的端部。
以下，详细说明构成燃料电池单元组1的各构件的材质。
[支撑体11]
支撑体11含有Ni或Ni氧化物(NiO)、Mg氧化物(MgO)的碱土元素氧化物及稀土元素氧化物。作为构成稀土元素氧化物的稀土元素，可以列举：Y、La、Yb、Tm、Er、Ho、Dy、Gd、Sm、Pr等，优选Y2O3、Yb2O3，特别优选Y2O3。
关于支撑体11中Ni或NiO的含量，以NiO换算计在10～25体积％、特别是15～20体积％的范围内即可。NiO在发电时通常被含氢气体还原，以Ni的形式存在。
支撑体11的热膨胀系数通常为10.5～12.5×10-6(1/K)左右。支撑体11的热膨胀系数可以将支撑体11和标准试样设置在测定用炉内并升高温度，可以通过支撑体11与标准试样的热膨胀差和标准试样的热膨胀值来计算。
为防止燃料电池单元13间的电短路，支撑体11为电绝缘性，通常，优选具有105Ω·cm以上的电阻率。如果Ni的含量以NiO换算计超过所述范围，则电阻率容易下降。另外，如果Ni的含量以NiO换算计小于所述范围，则有难以调节与燃料电池单元13的热膨胀系数的倾向。另外，电阻率可以通过在方柱形的试样片的两端部连接电压、电流的两端子的四端子法来测定。
支撑体11为多孔性。具体而言，优选为能够将在气体流道12内流动的燃料气体导入至活性燃料极层13a的表面的程度的多孔。支撑体11的开气孔率为25％以上、特别是30～40％的范围即可。所述开气孔率可以根据阿基米德法计算。开气孔率的调节例如可以通过调节后述的制作支撑体的成形体时添加的烧损材料(造孔剂)等的量来任意地进行。作为所述烧损材料，例如可以列举丙烯酸类树脂、聚乙烯类树脂等有机系树脂。所述烧损材料优选为球形，其平均粒径优选为5～30μm。
[燃料极层]
燃料极层(内侧电极层)是发生所述式(ii)的电极反应的层。本实施方式的燃料极层由固体电解质层13b侧的活性燃料极层13a和支撑体11侧的集电燃料极层23的双层结构形成。
(活性燃料极层13a)
活性燃料极层13a由其本身公知的多孔的导电性陶瓷形成。例如，含有固溶有稀土元素的ZrO2(稳定化氧化锆)及Ni和/或NiO。作为该固溶有稀土元素的稳定化氧化锆，使用与后述的固体电解质层13b中使用的稳定化氧化锆相同的材料即可。
活性燃料极层13a中的稳定化氧化锆含量优选在35～65体积％的范围，另外，关于Ni的含量，为了发挥良好的集电性能，以NiO换算计在65～35体积％的范围即可。另外，活性燃料极层13a的开气孔率为15％以上、特别是20～40％的范围即可。
活性燃料极层13a的热膨胀系数通常为12.3×10-6(1/K)左右。另外，活性燃料极层13a的厚度优选在5～15μm的范围。由此，能够吸收由于与固体电解质层13b的热膨胀差所产生的热应力，从而抑制活性燃料极层13a的剥离或裂纹等。
(集电燃料极层23)
集电燃料极层23为Ni或NiO、与稀土元素氧化物的混合物。关于稀土元素氧化物中Ni或NiO的含量，以NiO换算计为30～60体积％的范围即可。通过在该范围内进行调节，能够使支撑体11与集电燃料极层23的热膨胀差为2×10-5(1/K)以下。NiO在发电时通常被含氢气体还原，以Ni的形式存在。
集电燃料极层23为了不损害电流的流动而优选为导电性，并且优选具有400S/cm2以上的导电率。从具有良好的电导率的观点考虑，Ni的含量以NiO换算计优选为30体积％以上。需要说明的是，导电率的测定可以与电阻率的测定方法同样通过四端子法测定。
集电燃料极层23的热膨胀系数通常为11.5×10-6(1/K)左右。另外，集电燃料极层23的厚度从提高电导率的观点考虑，优选为80μm以上。
如上所述，如果是使燃料极层形成为固体电解质层13b侧的活性燃料极层13a和支撑体11侧的集电燃料极层23这两层的结构，则通过以NiO换算计在30～60体积％的范围内调节支撑体11侧的集电燃料极层23中所含的Ni量，能够不损害与构成燃料电池单元13的各构件的接合性而使其热膨胀系数接近后述的固体电解质层13b的热膨胀系数。例如，可以使两者的热膨胀差小于2×10-6/(1/K)。因此，在燃料电池单元组1的制作时、加热时、冷却时，能够减小由于集电燃料极层23与固体电解质层13b的热膨胀差所产生的热应力，从而能够抑制燃料极层的剥离或裂纹等。因此，即使在通入燃料气体(含氢气体)进行发电的情况下，也能够稳定地维持与支撑体11的热膨胀系数的匹配性，有效地避免因热膨胀差造成的缺陷不良。
[固体电解质层13b]
固体电解质层13b由致密的陶瓷构成，所述陶瓷包含含有由固溶有稀土类或其氧化物的ZrO2的稳定化ZrO2。作为固溶的稀土元素，可以列举：Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu等、或者它们的氧化物等，优选列举Y、Yb或它们的氧化物。另外，作为固体电解质层13b，可以列举：固溶有8摩尔％Y的稳定化ZrO2(8摩尔％Yttoria Stabilized Zirconia，以下称为“8YSZ”)或热膨胀系数与8YSZ基本相等的镓酸镧系(LaGaO3系)等。
固体电解质层13b的厚度例如为10～100μm，通过阿基米德法测得的相对密度例如设定为93％以上、优选为95％以上的范围。这样的固体电解质层13b具有作为对电极间的电子架桥的电解质的功能，并且为了抑制燃料气体或含氧气体的泄漏(透气)而优选具有阻气性。
另外，在燃料电池单元13的制作时，固体电解质层13b例如可以如下形成：在活性燃料极层13a上设置第一层，在该第一层上按照与中间层3接合的方式设置第二层，烧成后第一层和第二层一体化而成为固体电解质层13b，由此形成。该情况下，活性燃料极层13b上设置的第一层与中间层不连接，因此，例如，即使在燃料电池单元13的制作时集电燃料极层23b沿与集电体2相反的方向收缩等的情况下，也能够抑制对中间层3施加应力，从而能够抑制中间层3与集电体2产生剥离、裂纹等。
[空气极层13c]
空气极层13c由导电性陶瓷形成。作为导电性陶瓷，例如，可以举出ABO3型的钙钛矿型氧化物，作为这样的钙钛矿型氧化物，例如，可以举出过渡金属型钙钛矿氧化物，优选LaMnO3系氧化物、LaFeO3系氧化物、LaCoO3系氧化物等特别是A位上有La的过渡金属型钙钛矿氧化物。从600～1000℃左右的较低温度下的导电性高的观点考虑，进一步优选举出LaCoO3系氧化物。另外，在所述的钙钛矿型氧化物中，A位上La及Sr可以共存，另外，B位上Fe、Co及Mn可以共存。
这样的空气极层13c可以发生所述的式(i)的电极反应。另外，空气极层13c的开气孔率例如设定为20％以上、优选为30～50％的范围。开气孔率如果在上述范围内，则空气极层13c具有良好的透气性。另外，空气极层13c的厚度例如设定在30～100μm的范围。厚度如果在上述的范围内，则空气极层13c具有良好的集电性。
[集电体2、单元间连接构件17及中间层3]
集电体2用于将相互邻接的燃料电池单元13之间串联连接。集电体2将一个燃料电池单元13的集电燃料极层23及活性燃料极层13a与另一个燃料电池单元13的空气极层13c电连接，这些集电体2由导电性陶瓷形成。另外，集电体2与燃料气体(含氢气体)及空气等含氧气体接触，因此，优选具有耐还原性、耐氧化性。
因此，作为集电体2，例如可以使用导电性陶瓷、金属、含有玻璃的金属玻璃等，作为导电性陶瓷，使用铬酸镧系的钙钛矿型氧化物(LaCrO3系氧化物)。该导电性陶瓷优选致密，例如优选具有93％以上、特别是95％以上的相对密度(阿基米德法)。由此，能够抑制通过支撑体11内的气体流道12的燃料气体与通过空气极层13c的外部的空气等含氧气体的泄漏。
作为集电体2，可以使用铬酸镧系的钙钛矿型氧化物(LaCrO3系氧化物)、或者具有金属层和含有玻璃的金属玻璃层的双层结构的材料。金属层例如由Ag和Ni的混合物形成，金属玻璃层例如由Ag和玻璃形成。通过将集电体设定为金属层和金属玻璃层的双层结构，能够有效地抑制通过支撑体11内的气体流道12的燃料气体向单元间连接构件17的泄漏、及通过空气极层13c的外部的含氧气体向金属层的泄漏。
单元间连接构件17将一个燃料电池单元13的集电体2和邻接的另一个燃料电池单元13的空气极层13c电连接。作为单元间连接构件17，例如，可以使用由Ag-Pd构成的多孔层，也可以使用其它导电性陶瓷等。
作为中间层3，例如可以举出Y2O3、Y2O3与NiO的混合物等。通过经由中间层3将集电体2与固体电解质层13b接合，能够提高密封性。
集电体2的厚度为10～50μm、中间层3的厚度为10μm以下、优选5～10μm即可。由此，除了能够确保中间层3的致密性之外，也能够良好地确保固体电解质层13b与集电体2的密封性。
[燃料电池单元组间连接构件19]
燃料电池单元组间连接构件19与另一个燃料电池单元组1的空气极层13c导通，只要能够将一个单元间连接构件17与另一个燃料电池单元组1的空气极层13c电连接则没有特别限制，例如，可以由耐热性金属、导电性陶瓷等形成。
另外，通过在燃料电池单元组间连接构件19与单元间连接构件17及空气极层13c的连接部涂布含有Ag、Pt等贵金属的糊膏等导电性胶粘剂，也能够提高燃料电池单元组间连接构件19的连接可靠性。
接着，参考图4～图6对所述横条纹型的燃料电池单元组1的制造方法进行详细说明。首先，制作图4所示的支撑体成形体11’。作为该支撑体成形体11’的材料，在平均粒径(D50)(以下，仅称“平均粒径”)为0.1～10.0μm的MgO粉末中根据需要以规定的比率配合用于调节热膨胀系数或提高接合强度的Ni粉末、NiO粉末、Y2O3粉末或稀土元素稳定化氧化锆粉末(YSZ)等并混合，得到混合粉末。调节该混合粉末，使混合后的热膨胀系数与固体电解质层13b的热膨胀系数基本一致。
将该混合粉末与含有烧损材料、纤维素类有机粘合剂和水的溶剂混合并挤出成形，如图4所示，制作内部具有气体流道12’的中空板状且扁平状的支撑体成形体11’。将得到的支撑体成形体11’干燥后，在900～1200℃进行煅烧处理。
接着，制作内侧电极层(集电燃料极层23·活性燃料极层13a)、集电体2、中间层3及固体电解质层13b。首先，例如将NiO粉末、Ni粉末与YSZ粉末混合，在其中添加烧损材料，并混合丙烯酸类粘合剂和甲苯来制作活性燃料极层用糊膏。同样地，例如使用LaCrO3系氧化物的粉末来制作集电体用糊膏。进而，例如将NiO粉末与Y2O3粉末混合，同样地制作中间层用糊膏。
接着，制作作为集电燃料极层成形体的图5(a)所示的集电燃料极层用带23’(生片)。首先，将例如NiO粉末、Ni粉末与Y2O3等稀土元素氧化物混合，在其中添加烧损材料，并混合丙烯酸类粘合剂和甲苯而得到浆料。接着，通过刮刀法涂布该浆料并干燥，得到厚度80～120μm的集电燃料极层用带23’。
在该集电燃料极层用带23’上，使用规定的网版依次印刷活性燃料极层用、集电体用、中间层用的各糊膏并干燥。由此，如图5(a)所示，形成活性燃料极层成形体13a’、集电体成形体2’及中间层成形体3’。此时，在集电燃料极层用带23’上隔开规定的间隙d印刷集电体用糊膏和活性燃料极层用糊膏并干燥。
接着，如图5(b)所示，在集电燃料极层用带23’上冲裁出形成绝缘部的多个部位。需要说明的是，就在支撑体11的端部配置的燃料电池单元13而言，对集电燃料极层用带23’进行冲裁以使集电燃料极层23与活性燃料极层13a的各端部(支撑体11的端部侧的各端部)位于相同的位置。
然后，如图5(c)所示，将形成有活性燃料极层成形体13a’、集电体成形体2’及中间层成形体3’的集电燃料极层用带23’粘贴在煅烧后的支撑体成形体11’的表面。重复进行该工序，在支撑体成形体11’的表面，以横条纹状粘贴多个分别层叠有活性燃料极层成形体13a’、集电体成形体2’及中间层成形体3’的集电燃料极层用带23’。
接着，在该状态下干燥支撑体成形体11’，然后，在900～1300℃的温度范围内煅烧。接着，如图5(d)所示，在从煅烧后的中间层成形体3’露出的集电体成形体2’的表层部粘贴遮蔽胶带21。
接着，将该层叠体浸渍(dip)于在8YSZ中添加丙烯酸类粘合剂和甲苯而制成浆料的固体电解质溶液中。通过该浸渍，如图6(e)所示，在整个面上涂布固体电解质层成形体13b’，并且在间隙d及邻接单元间的绝缘部的部分、进而在支撑体成形体11’的端部侧也设置固体电解质层成形体13b’。
在该状态下、以600～1000℃、2～4小时的条件进行煅烧。煅烧后，如图6(f)所示，除去遮蔽胶带21及遮蔽胶带21上不要的固体电解质层成形体13b’。接着，在支撑体成形体11’上层叠有集电燃料极层用带23’、活性燃料极层成形体13a’、集电体成形体2’、中间层成形体3’及固体电解质层成形体13b’的状态下，以1450～1500℃、2～4小时的条件下进行烧成。
接着，将钴酸镧(LaCoO3)与异丙醇混合而成的浆料印刷到与活性燃料极层成形体13a’相对的固体电解质层成形体13b’上，如图6(g)所示，形成厚度10～100μm的外侧电极层(空气极层)成形体13c’。然后，将形成的空气极层成形体13c’在950～1150℃、2～5小时的条件下烧结。
最后，如图6(h)所示，在从固体电解质层13b及中间层3露出的集电体2的上部和空气极层13c上涂布单元间连接构件17，得到横条纹型固体氧化物形燃料电池单元组1。需要说明的是，在支撑体11的端部的燃料电池单元13的空气极层13c上也涂布单元间连接构件17。
构成燃料电池单元13的各层的层叠方法，可以使用带层叠、糊膏印刷、浸渍涂布及喷涂的任何一种层叠法。从层叠时的干燥工序的时间短、并且缩短工序时间的观点考虑，优选浸渍涂布。
以上，说明了本发明的优选实施方式，但本发明不限于上述实施方式，当然也可以应用于在不偏离本发明的主旨的范围进行变更或改良的发明。例如，在所述的一个实施方式中，支撑体11上形成的燃料电池单元13具有内侧电极层为活性燃料极层13a、集电燃料极层23而外侧电极层为空气极层13c的层叠结构，但两电极的位置关系也可以相反。即，也可以在支撑体11上依次层叠空气极层13c(内侧电极层)、固体电解质层13b、活性燃料极层13a·集电燃料极层23(外侧电极层)而形成燃料电池单元13。此时，在支撑体11的气体流道12内导入空气等含氧气体，含氢气体等燃料气体供给到作为外侧电极层的活性燃料极层13a(集电燃料极层23)的外面。
以下，举出实施例进一步详细说明本发明，但本发明不限于以下的实施例。
实施例
<燃料电池单元组的制作>
制作表1所示的试样No.1～3的各燃料电池单元组。具体而言，首先，制作支撑体成形体。该支撑体成形体的材料是在平均粒径为2.8μm的MgO粉末中配合NiO及Y2O3粉末并混合，进行调节使混合后的热膨胀系数与固体电解质层的热膨胀系数基本一致(即11.0×10-6(1/K))。
接着，将该混合粉末与含有烧损材料、纤维素类有机粘合剂和水的溶剂混合并挤出成形，制作内部具有气体流道的中空板状、扁平状的支撑体成形体(参考图4)。将得到的支撑体成形体干燥后，在1200℃进行煅烧处理。
接着，将NiO粉末与YSZ粉末混合，在其中添加烧损材料，并混合丙烯酸类粘合剂和甲苯制作活性燃料极层(第一内侧电极层)用糊膏。同样地，使用LaCrO3系氧化物的粉末，制作集电体用糊膏。进而，将NiO粉末与Y2O3粉末混合，同样地制作中间层用糊膏。
接着，将NiO粉末与稀土元素氧化物Y2O3混合，在其中添加烧损材料，并混合丙烯酸类粘合剂和甲苯得到浆料。通过刮刀法涂布该浆料并干燥，制作厚度130μm的集电燃料极层(第二内侧电极层)用带。在该集电燃料极层用带上，使用规定的网版依次印刷活性燃料极层用、集电体用、中间层用糊膏并干燥(参考图5(a))。
此时，印刷集电体用糊膏和活性燃料极层用糊膏并干燥，使它们在烧成后在集电燃料极层上隔开规定的间隙d而配置。即，在试样No.1中设定间隙d为0μm，在试样No.2中设定间隙d为30～50μm，在试样No.3中设定间隙d为80～100μm(参考表1)。
另外，干燥后的活性燃料极层的厚度为35μm，集电体的厚度为35μm，中间层的厚度为8μm。
接着，在集电燃料极层用带上冲裁出形成绝缘部的多个部位(参考图5(b))。需要说明的是，在端部侧的燃料电池单元中，对集电燃料极层用带进行冲裁，以使集电燃料极层与活性燃料极层的端部位于相同的位置。然后，将印刷有活性燃料极层用糊膏、集电体用糊膏及中间层用糊膏的集电燃料极层用带粘贴在煅烧后的支撑体成形体的表面(参考图5(c))。
接着，在该状态下干燥支撑体成形体，然后，在900～1300℃的温度范围内进行煅烧。接着，在从煅烧后的中间层成形体露出的集电体成形体的表层部粘贴遮蔽胶带(参考图5(d))。
接着，将该层叠体浸渍于在8YSZ中添加丙烯酸类粘合剂和甲苯而制成浆料的固体电解质溶液中。通过该浸渍，在整个面上涂布固体电解质层用糊膏，并且在间隙d及邻接单元间的绝缘部的部分也涂布固体电解质层糊膏(参考图6(e))。
在该状态下，在900℃煅烧2小时。煅烧后，除去遮蔽胶带及遮蔽胶带上的不要的固体电解质层成形体(参考图6(f))。接着，在支撑体成形体上层叠有集电燃料极层成形体、活性燃料极层成形体、集电体成形体、中间层成形体及固体电解质层成形体的状态下，以1480℃、2小时的条件进行烧成。由此，得到表1所示的试样No.1～3的各燃料电池单元组。需要说明的是，试样No.1～3的各燃料电池单元组各制作五组。
<评价>
对得到的各试样进行燃料电池单元的剥离和气体泄漏的检查。各试样的剥离率、泄漏不良率及综合成品率的结果如表1所示。
另外，表1中，“单元数”是指燃料电池单元的数量。该燃料电池单元为未形成空气极层的状态。另外，各燃料电池单元组在支撑体的一面上并列设置7个、两面合计并列设置14个燃料电池单元。燃料电池单元组如上所述各制作五组，因此，各试样中评价的燃料电池单元数为70个。
气体泄漏的检查通过在将燃料电池单元组浸渍于水中的状态下在支撑体的气体流道内通入He气体来进行。剥离率由式：(已剥离的燃料电池单元数/70)×100来计算。泄漏不良率由式：(泄漏不良的燃料电池单元数/70)×100来计算。综合成品率由式：[1-(剥离、泄漏不良的燃料电池单元数/70)]×100来计算。
表1
由表1表明，活性燃料极层与集电体间的间隙d为0μm的本发明范围外的试样No.1，剥离、泄漏的发生频率均高，综合成品率显著降低至7.2％。剥离部位A及泄漏部位B如图7所示。
另一方面，活性燃料极层与集电体间的间隙d为30～50μm和80～100μm的本发明范围内的试样No.2、3，剥离及泄漏的发生少，综合成品率均为90％以上。由以上的结果可知，在活性燃料极层13a与集电体2之间隔开间隔，能够抑制燃料电池单元的结构不良，其结果，能够制作结构上、性能上均稳定的燃料电池单元组。

Claims (5)

1.一种横条纹型固体氧化物形燃料电池单元组，其特征在于，包括：
在内部具有气体流道的电绝缘性多孔支撑体，和
在该支撑体的表面并列设置了多个的燃料电池单元，
该燃料电池单元为如下多层结构：
具有第一内侧电极层、
在该第一内侧电极层上并列设置的集电体和第二内侧电极层、及
在该第二内侧电极层上依次层叠的固体电解质层和外侧电极层，
所述固体电解质层延伸设置并经由中间层与所述集电体接合而成的多层结构，
一个所述燃料电池单元的所述集电体与和该一个燃料电池单元邻接的另一个所述燃料电池单元的所述外侧电极层，经由所述一个燃料电池单元所具备的所述集电体而电连接，所述多个燃料电池单元串联连接，
所述集电体与所述第二内侧电极层在所述第一内侧电极层上隔开10～120μm的间隙而配置。
2.如权利要求1所述的横条纹型固体氧化物形燃料电池单元组，其中，所述支撑体为平板状，并且所述燃料电池单元在所述支撑体的表面和背面分别并列设置多个。
3.一种燃料电池，其特征在于，通过在收纳容器内收纳多个权利要求1所述的横条纹型固体氧化物形燃料电池单元组而形成。
4.一种燃料电池，其特征在于，通过在收纳容器内收纳多个权利要求2所述的横条纹型固体氧化物形燃料电池单元组而形成。
5.一种横条纹型固体氧化物形燃料电池单元组的制造方法，其特征在于，包括：
得到在内部具有气体流道的电绝缘性多孔支撑体的工序；
在得到的所述支撑体的表面上并列设置多个第一内侧电极层，并在各第一内侧电极层上按照烧成后隔开10～120μm的间隙的方式并列设置集电体和第二内侧电极层的工序；
在所述集电体上设置中间层，在所述第二内侧电极层上层叠固体电解质层并达到所述中间层上，进行烧成的工序；
在该固体电解质层上层叠外侧电极层，由此在所述支撑体的表面并列设置多个具有多层结构的燃料电池单元的工序；和
将一个所述燃料电池单元的所述集电体与和该燃料电池单元邻接的另一个所述燃料电池单元的所述外侧电极层电连接的工序。
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