JP2005149927A

JP2005149927A - 燃料電池セル及び電解質層の製造方法

Info

Publication number: JP2005149927A
Application number: JP2003386432A
Authority: JP
Inventors: Noritoshi Sato; 文紀佐藤; Keiko Kushibiki; 圭子櫛引; Yasushi Nakajima; 靖志中島
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-11-17
Filing date: 2003-11-17
Publication date: 2005-06-09

Abstract

【課題】積層してスタックとするために十分な強度を有する燃料電池セルを得る。
【解決手段】電解質層２の一方の面に燃料極６、もう一方の面に空気極５がそれぞれ形成された平板状の燃料電池セル１であって、電解質層２が、固体酸化物から形成される複数の電解質部４と、セラミック材料から形成され電解質部４を支持する支持板３、支持部３ａとを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池セル及び燃料電池セルに用いられる電解質層の製造方法に関し、特に固体酸化物型燃料電池セルに関する。

燃料電池は、使用する電解質の種類によって、リン酸型（以下、ＰＡＦＣと表記する。）、溶融炭酸塩型（以下、ＭＣＦＣと表記する。）、固体高分子型（以下、ＰＥＦＣと表記する。）、及び固体酸化物型（以下、ＳＯＦＣと表記する。）に区分されている。

この中で、ＳＯＦＣは、電解質材料としてリン酸水溶液や溶融炭酸塩のような液体状材料の代わりにイオン導電性を有する固体酸化物電解質材料を用いたものであり、９００〜１０００[℃]でイオン導電性が最も高くなる。このように、高い温度で電極反応を進めることができるため各燃料電池の中では発電効率が最も高く、また、高温度の排熱が得られることからオンサイト用コージェネレーションシステムへの適用が期待されている。

ここで、ＳＯＦＣの代表的かつ具体的な燃料電池スタックを構成する燃料電池セルの構造としては、例えば、平行平板型を挙げることができる。この平行平板型の構造はＰＡＦＣやＭＣＦＣの燃料電池セルの構造と基本的に同様の構造であり、電解質層を構成する基板の一方に燃料極層を他方に空気極層が積層された平面状の電解質板と、一方に燃料ガス流路を、他方に空気流路を形成したセパレータ兼インターコネクタとを交互に貼りあわせることにより形成されている。この燃料電池セルを複数枚直列に積層することによって燃料電池スタックが形成されており、燃料電池スタックの大容量、高出力化を図るためには、燃料電池セルの電解質層をできる限り薄くして出力密度を向上させるとともに、燃料電池セルの面積を大きくする必要がある。

従来より、ＳＯＦＣには、電解質としてイットリア安定化ジルコニア（以下、ＹＳＺと表記する。）を用いている。この場合、作動温度は約１０００[℃]と高温であり、燃料電池を含む発電装置全体を高価なセラミックスで作製する必要がある。また、この温度に到達するまでに時間がかかり、自動車などに使う場合に起動時間を短縮できない、システムが大がかりになる、高温材料しか使えないためシーリングが難しく熱サイクルで割れやすい等の問題がある。このように、ＳＯＦＣにとっては作動温度をいかに下げるかが最重要開発課題である。

近年、この作動温度を６００〜８００[℃]まで低温化して金属材料の使用を可能にした安価なＳＯＦＣの開発が試みられている。しかし、ＹＳＺは、このような温度域でのイオン伝導度が低く、十分な出力が得られない。このため、この温度域でのイオン伝導度に優れた材料として、ベロブスカイト型酸化物、特に、ランタンガレート系酸化物（Ｌａ_１−ｓＳｒ_ｓＧａ_１−ｍＭｇ_ｍＯ_ｘ：以下ＬＳＧＭと表記する。）の適用が進められている。

しかし、ＬＳＧＭは、材料強度が非常に低く薄膜の形成が困難である。また、大面積のセルを作製するだけではなく、燃料電池セルを積層してスタック化した場合に加わる応力により燃料電池セルを薄くすることが困難であることから、ＳＯＦＣの作動温度を下げることは困難な状況にある。

このような問題の解決策として、ＬＳＧＭに１．５〜６[ｗｔ％]程度のアルミナを添加することでＬＳＧＭ強度を高めることが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２０００−４４３４０号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載された方法においても、その強度は２０〜５０[％]程度、曲げ強度としては２１０〜２７０[ＭＰａ]程度の向上であった。これは、従来からの一般的な固体酸化物電解質であるイットリア８[ｍｏｌ％]添加ジルコニア（以下、８ＹＳＺと表記する。）の強度よりも低く、さらに、イオン伝導度に劣るがより強度に優れたイットリア３[ｍｏｌ％]添加ジルコニア（以下、３ＹＳＺと表記する。）の数分の１以下でしかなく、積層してスタックとするためには強度が十分ではないという問題点があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、第１の発明である燃料電池セルは、電解質層の一方の面に燃料極、もう一方の面に空気極がそれぞれ形成された平板状の燃料電池セルであって、前記電解質層が、固体酸化物から形成される複数の電解質部と、セラミック材料から形成され前記電解質部を支持する支持部とを備えることを要旨とする。

また、第２の発明である電解質層の製造方法は、燃料電池セルに用いられる電解質層の製造方法であって、複数の固体酸化物電解質部と該固体酸化物電解質部を一体に支持する支持部とを熱処理により結合したことを要旨とする。

第１の発明によれば、十分な強度を有する燃料電池セルが得られるため、固体電解質を薄膜化して出力密度を向上させると共に、燃料電池セルを大面積化することができる。

また、第２の発明によれば、固体酸化物電解質部と支持部とを確実に結合させることができる。

以下、本発明の実施の形態を図１〜図１３を用いて説明する。

以下、図１〜６を用いて実施例１について説明する。この実施例は本発明を電解質支持型の並行平板型固体酸化物型燃料電池に適用した例である。

図１（ａ）は、本発明の実施例１を示す平面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）のIb-Ib線に沿って切断した断面図である。図１（ｃ）は、図１（ｂ）のIｃ部拡大断面図である。

図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、本実施例の燃料電池セル１は、電解質層２と、電解質層２を挟むように形成されている空気極５と燃料極６によって平板状に形成されている。電解質層２は、固体酸化物から形成される複数（実施例１では４個）の電解質部４と、電解質部４の周囲を支持する支持板３及び支持部３ａから形成されている。支持部３ａは、図１（ａ）において破線で示しているように、支持板３の内側に十字状に形成されて電解質部４の周囲を梁状に支えている。

燃料電池セル１の外径は、例えば１００[ｍｍ]×１００[ｍｍ]角、電解質部４の大きさは３６[ｍｍ]×３６[ｍｍ]、厚さは８０[μｍ]程度である。電解質部４は、ＬＳＧＭ（Ｌａ_０．９Ｓｒ_０．１Ｇａ_０．８Ｍｇ_０．２Ｏ_ｘ）から形成されている。支持板３及び支持部３ａは、セラミック材料、たとえば３ＹＳＺによって形成されている。そして、電解質層２の上面には空気極５、下面には燃料極６が電解質層２を挟むように形成されている。

また、支持板３には、燃料電池セル１を積層した場合に、各燃料電池セル１へ空気又は燃料ガスを供給、排気するためのマニホールド７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄが形成されている。７ａは、各燃料電池セル１に空気を供給するための空気供給マニホールドである。７ｂは、各燃料電池セル１に供給された燃料ガスを排気するための燃料ガス排気マニホールドである。７ｃは、各燃料電池セル１に供給された空気を排気するための空気排気マニホールドである。７ｄは、各燃料電池セル１に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給マニホールドである。

図２は、実施例１における燃料電池スタック１Ａの一部を示す断面図である。図２（ａ）は、空気供給マニホールド７ａ、空気排気マニホールド７ｃを結ぶ線で燃料電池スタック１Ａを切断した空気流路部断面図である。図２（ｂ）は、燃料ガス供給マニホールド７ｄ、燃料ガス排気マニホールド７ｂを結ぶ線で燃料電池スタック１Ａを切断した燃料ガス流路部断面図である。

燃料電池スタック１Ａは、燃料電池セル１を複数枚積層したものである。また、燃料電池スタック１Ａには、燃料電池セル１間の電気的導通をはかるとともに、所要の電圧を得る際の各燃料電池セル１間を接続し（積層化機能）、更に各燃料電池セル１の燃料ガスと空気を分離するために、導電体であるセパレータ８が配置されている。セパレータ８は、隔壁板、インターコネクタ、バイポーラプレート等とも呼ばれ、空気や燃料ガスを流す溝を有した構造であり、例えばフェライト系ステンレス鋼等の耐熱金属で形成されている。

また、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、各燃料電池セル１には、セパレータ８に形成された間隙と支持板３に形成された空気供給マニホールド７ａ、空気排気マニホールド７ｃによって空気流路９、１０が形成されている。また、セパレータ８に形成された間隙と支持板３に形成された燃料ガス排気マニホールド７ｂ、燃料ガス供給マニホールド７ｄによって燃料ガス流路１２、１３が形成されている。

なお、空気極５及び燃料極６の外側には、集電体１１が配置されている。この部分は一般に空気極５及び燃料極６に熱圧着されて一体化されたものとして作られており、空気極５及び燃料極６に電気的に接続されている。

次に、図３〜６を用いて、本実施例における燃料電池セル１の作製方法を説明する。

まず、３ＹＳＺの原料粉と適当なバインダー、例えばポリビニルブチラール及び例えばエチルセルロース等から形成される分散媒からなるスラリーを作製し、ドクターブレード法によってスラリーをキャリアフィルム上に薄く引き伸ばして所定の厚さのシートに成形する。次に、このシートを赤外線ヒーターとファンにより分散媒を揮発させて乾燥させ、グリーンシートを作製する。そして、このグリーンシートを切断・パンチング等により適当なサイズに揃え、マニホールド７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ及び、後の工程で電解質の原料を塗布するための開口部１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄを形成する。開口部１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄは四角形であり、支持板３の内側に４ヶ所設けられている。次に、数１００〜１０００[℃]程度の熱処理を行い、図３（ａ）に示すように、支持部３ａと四角形の開口部１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄを４ヶ所を備えた１０[ｃｍ]四方、厚さ１００[μｍ]程度の支持板３の仮焼体を形成する。なお、図３（ｂ）は、図３（ａ）のIIIb-IIIb線に沿って切断した断面図である。

次に、ＬＳＧＭの原料粉と適当なバインダー、例えばポリビニルブチラール及び例えばエチルセルロース等から形成される分散媒からなるスラリーを作製する。そして、支持板３の仮焼体を多孔質の型に設置してスラリーを滴下し、型に分散媒を吸収させた後、型から支持板３の仮焼体を外して乾燥させる。この工程により、図４（ａ）に示すように、支持板３の仮焼体の内側に電解質４のスラリーが塗布された状態になる。図４（ｂ）は、図４（ａ）のIVb-IVb線に沿って切断した断面図であり、開口部１４ｃ、１４ｄに電解質が塗布されて電解質部４ｄ、４ｃが形成されたとともに、支持部３ａ及び電解質部４ｄ、４ｃの上面にも電解質４が塗布されていることが示されている。

そして、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、余分な電解質４を削り取り成型した後、１５００[℃]程度にて焼成を行い電解質部４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄを作製する。

最後に、図６（ａ）、（ｂ）に示すように、電解質層２の燃料極６となる面（下面）に支持部３ａ及び電解質部４ｄ、４ｃの下面を覆うようにＮｉＯとジルコニアからなるＮｉ−サーメット材料を５０[μｍ]程度塗布し、１０００〜１２００[℃]程度の温度で焼成して燃料極６を作製する。次に、空気極５となる面（上面）にＬａ_ｘＳｒ_１−ｘＣｏＯ_３（以下、ＬＳＣと表記する。）を５０[μｍ]程度塗布し、８００〜９００[℃]程度で焼成して空気極５を作製することにより、燃料電池セル１とする。

以上示したように、実施例１では、機械的強度に優れる３ＹＳＺを支持板３及び支持部３ａに用い、発電に寄与する電解質部４にのみイオン伝導度の優れたＬＳＧＭを用いている。従来は、高いイオン伝導度が求められる電解質部分も、イオン伝導度は要求されず強度が求められる外周部やマニホールド部分等も単一の材質で形成していた。しかし、本発明によれば燃料電池セル１を積層して燃料電池スタック１Ａを形成する際に、ガスシール性の確保等の理由により強い応力のかかる外周部である支持板３やマニホールド７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ周辺、支持部３ａを強度に優れた３ＹＳＺにて構成し、高いイオン伝導度が求められる電解質部４のみをＬＳＧＭで形成することにより、発電特性に優れ、かつ強度にも優れた電解質層２が得られ、更には発電特性及び強度にも優れた燃料電池セル１が得られる。

また、電解質層２全体の強度の向上により、電解質層２の大口径化も可能となる。例えば、本実施例においてはＬＳＧＭの面積はセル板全体の約５２[％]、曲げ強度１７５[ＭＰａ]であるのに対し、３ＹＳＺによる支持部の面積は４８[％]、曲げ強度１２００[ＭＰａ]である。これらの値から換算すると平均６６７[ＭＰａ]となり、電解質層２全体をＬＳＧＭで形成する場合の４倍程度の強度を見込むことができる。

なお、本実施例では、電解質層２の作製を支持板３及び支持部３ａの仮焼体を形成した後にスラリー塗布を行う鋳込み成型法にした方法にて行っているが、作製方法はこれに限られるものではない。例えば、仮焼成した支持板３及び支持部３ａにやはり仮焼成焼成を行った電解質部４を配置し、必要によって接着用として支持板３及び支持部３ａの材料となっているスラリーを接合部に滴下、焼成を行っても良い。また、仮焼成した支持板３及び支持部３ａに既に１５００[℃]程度で焼成を行った電解質部４を配置し、必要によっては接着用として支持板３及び支持部３ａの材料となっているスラリーを接合部に滴下、焼成を行っても良い。また、支持板３及び支持部３ａと電解質部４をともに高温にて焼成を行った後、必要によって接着用として支持板３及び支持部３ａの材料となっているスラリーを接合部に滴下、焼成を行っても良い。これらは使用する原料、バインダー、熱膨張係数等使用する材料にあわせて最適化すれば良い。

次に、上記した実施の形態の変形例を示す。図７（ａ）は、本発明の変形例を示す平面図である。図７（ｂ）は、図７（ａ）のVIIb-VIIb線に沿って切断した断面図である。図７（ｃ）は、図７（ｂ）のVIIｃ部拡大断面図である。この変形例では、支持板３’及び支持部３ａ’、電解質部４ａ’、４ｂ’、４ｃ’、４ｄ’をそれぞれ高温にて焼成を行った後、電解質部４ａ’、４ｂ’、４ｃ’、４ｄ’を開口部に挿入し、接着用として支持部材料のスラリーを接合部に滴下、焼成を行って作製した燃料電池セル１’を示す。

図７（ｃ）に示すように、電解質部４ａ’、４ｂ’、４ｃ’、４ｄ’を配置する支持板３’に形成した開口部周辺には、電解質部４ａ’、４ｂ’、４ｃ’、４ｄ’を受け止めるための突起部３ｂ’、３ｃ’が形成されている。また、電解質部４ａ’、４ｂ’、４ｃ’、４ｄ’の挿入による押し付け応力を考慮すると、支持板３’及び支持部３ａ’の厚さは電解質部４ａ’、４ｂ’、４ｃ’、４ｄ’より厚く、燃料電池セル１’の状態では支持板３’表面は電解質部４ａ’、４ｂ’、４ｃ’、４ｄ’の表面より高いことが望ましい。このような形状にすることにより、燃料電池セル１’を積層してスタック化した場合に、電解質部４ａ’、４ｂ’、４ｃ’、４ｄ’の表面には直接応力がかからず、応力は支持板３’及び支持部３ａ’にのみかかる。このため、電解質部４ａ’、４ｂ’、４ｃ’、４ｄ’が破損することが防止される。

なお、本実施例では電解質としてＬＳＧＭを使用したが、電解質はこれに限るものではなく、ペロブスカイト系酸化物であるＣｏ添加ＬＳＧＭ等の他、ＳＤＣ（ＳｍドープＣｅＯ_２）、ＧＤＣ（ＧｄドープＣｅＯ_２）等も使用することが可能であり、当然ながらＳｃ_２Ｏ_３添加ＺｒＯ_２（以下、ＳｃＳＺと表記する。）等も使用可能である。

また、本実施例では支持部の材料としては３ＹＳＺをあげたが、強度が高く熱膨張係数が近いセラミック材料であればこれに限るものではない。また、熱膨張係数の調整にあたり、他の金属酸化物セラミックス、例えばアルミナ、マグネシア、スピネル等を添加することも可能である。また、成型はグリーンシートを切断・パンチング等により行っているがプレス成型、鋳込み成型等の他の方法でももちろん可能である。

更に、実施例１及び変形例では、開口部を四角形として４ヶ所設けているが、この形状に限らず他の形状とすることが可能である。例えば、図８（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示すように、支持板３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄに形成した開口部１５、１６、１７、１８のような形状が上げられ、図８（ａ）、（ｂ）のように開口部１５、１６の角を落としたり、角をアール状にしても良い。この形状の場合には、電解質の角部の欠落、損傷を防ぐことができる。また、図８（ｂ）に示すように、開口部１６を小型・多数枚化することで電解質部にかかる応力を低減し、電解質の割れを防止することができる。更に、図８（ｃ）に示すように、開口部１７を電解質を方形ではなく円形とし接合部の応力分布を均一化することにより、電解質の割れ、損傷を防止することも可能である。また、図８（ｄ）に示すように、開口部１８を小型・多角形にて最密にレイアウトすることにより電解質の応力による割れ、損傷を防止するとともに、発電有効面積を大きくすることも可能である。

次に、図９、１０を用いて実施例２について説明する。この実施例における燃料電池セル２１は、図１０（ａ）に示すように、支持板２３の両面又はいずれか一方の面の支持部２３ａ上に凸部２３ｂが形成されている点において実施例１とは異なっている。

図９（ａ）は、本発明の実施例２を示す平面図である。図９（ｂ）は、図９（ａ）のIXb-IXb線に沿って切断した断面図である。図９（ａ）、（ｂ）に示すように、本実施例の燃料電池セル２１は、電解質層２２と、電解質層２２を挟むように形成されている空気極２５と燃料極２６によって平板状に形成されている。電解質層２２は、固体酸化物から形成される複数（実施例２では９個）の電解質部２４と、電解質部２４の周囲を支持する支持板２３及び支持部２３ａによって形成されている。支持部２３ａは、図１０（ａ）で示しているように、支持板２３の内側に形成されて電解質部２４の周囲を梁状に支えている。

また、この実施例における燃料電池セル２１は、図１０（ａ）に示すように、支持板２３の両面又はいずれか一方の面の支持部２３ａ上に凸部２３ｂが形成されている。凸部２３ｂ上に空気極２５が形成されて、この空気極２５が集電層を兼ねている。この実施例２では、図９（ｂ）に示すように、支持部２３ａの交点部分に凸部２３ｂが形成されており、その上には電解質上から連なった空気極２５が形成されている。

そして、支持板２３には、燃料電池セル２１を積層した場合に、各燃料電池セル２１へ空気又は燃料ガスを供給、排気するためのマニホールド２７ａ、２７ｂ、２７ｃ、２７ｄが形成されている。２７ａは、各燃料電池セル２１に空気を供給するための空気供給マニホールドである。２７ｂは、各燃料電池セル２１に供給された燃料ガスを排気するための燃料ガス排気マニホールドである。２７ｃは、各燃料電池セル２１に供給された空気を排気するための空気排気マニホールドである。２７ｄは、各燃料電池セル２１に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給マニホールドである。

図１０（ｂ）は、空気供給マニホールド２７ａ、空気排気マニホールド２７ｃを結ぶ線で燃料電池スタック２１Ａを切断した燃料電池スタック２１Ａの空気流路部断面図である。燃料電池スタック２１Ａは、燃料電池セル２１を複数枚積層したものである。また、各燃料電池スタック２１Ａ間には、導電体であるセパレータ２８が配置されている。また、図１０（ｂ）に示すように、各燃料電池セル２１には、セパレータ２８に形成された間隙と支持板２３に形成された空気供給マニホールド２７ａ、空気排気マニホールド２７ｃによって空気流路２８、２９が形成されている。また、燃料極２６の外側には、集電体３０が配置されている。

このように本実施例では、スタック化した際に凸部２３ｂ上の空気極２５がセパレータ２８に押し付けられることになるため、空気極２５が集電体の役割をはたすことになる。従って、製造工程等を増やすことなく、空気極２５側に特別に集電体を入れることなしに、燃料電池セル２１間の電気的な接続が可能となる。なお、本実施例ではこの凸部２３ｂを片面にのみ形成しているが、両面に形成することももちろん可能である。

次に、図１１を用いて実施例３について説明する。この実施例における燃料電池セル３１は、図１１（ａ）に示すように、支持板３３の両面又はいずれか一方の面の支持部３３ａ上に形成された凸部３３ｂによってガス流路が形成されている点において実施例２とは異なっている。

図１１（ａ）は、本発明の実施例３を示す平面図である。図１１（ｂ）は、図１１（ａ）のXIb-XIb線に沿って切断した断面図である。図１１（ｃ）は、図１１（ａ）のXIｃ-XIｃ線に沿って切断した断面図である。

図１１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、本実施例の燃料電池セル３１は、電解質層３２と、電解質層３２を挟むように形成されている空気極３５と燃料極３６によって平板状に形成されている。電解質層３２は、固体酸化物から形成される複数（実施例３では９個）の電解質部３４と、電解質部３４の周囲を支持する支持板３３及び支持部３３ａから形成されている。支持部３３ａは、図１１（ａ）において破線で示しているように、支持板３３の内側に形成されて電解質部３４の周囲を梁状に支えている。

また、この実施例における燃料電池セル３１は、図１１（ｃ）に示すように、支持板３３の両面又はいずれか一方の面の支持部３３ａ上に形成された流路板３３ｂがガス流路となっている。また、図１１（ｂ）、（ｃ）に示すように、流路板３３ｂ上に空気極３５が形成されて、この空気極３５が集電層を兼ねている。

そして、支持板３３には、燃料電池セル３１を積層した場合に、各燃料電池セル３１へ空気又は燃料ガスを供給、排気するためのマニホールド３７ａ、３７ｂ、３７ｃ、３７ｄが形成されている。３７ａは、各燃料電池セル３１に空気を供給するための空気供給マニホールドである。３７ｂは、各燃料電池セル３１に供給された燃料ガスを排気するための燃料ガス排気マニホールドである。３７ｃは、各燃料電池セル３１に供給された空気を排気するための空気排気マニホールドである。３７ｄは、各燃料電池セル３１に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給マニホールドである。

従来の燃料電池セルでは、ほぼ全面に電解質部が形成されているため、その表面にガス流路が形成されることはなく、通常セパレータ側にガス流路が形成されていた。しかし、この実施例においては、支持部３３ａを成型するときに、支持部３３ａ上に同時に流路板３３ｂを形成することが可能であり、工程を追加することなくセパレータの流路形成を省くことが可能となる。また、この実施例では、実施例２と同様に空気極３５上から連なる電極を流路板３３ｂ上にも形成しており、集電体の機能も兼ねている。なお、本実施例では、この流路板３３ｂを片面にのみ形成しているが、両面に形成することももちろん可能である。

図１２に実施例４を示す。この実施例における燃料電池セル４１は、図１２（ｃ）に示すように、支持板４３及び支持部４３ａと電解質部４４の間に、両者の熱膨張係数の間にあるセラミック材料が応力緩和層４８として挿入されている点において実施例１とは異なっている。

図１２（ａ）は、本発明の実施例４を示す平面図である。図１２（ｂ）は、図１２（ａ）のXIIb-XIIb線に沿って切断した断面図である。図１２（ｃ）は、図１２（ａ）のXIIｃ部拡大断面図である。

図１２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、本実施例の燃料電池セル４１は、電解質層４２と、電解質層４２を挟むように形成されている空気極４５と燃料極４６によって平板状に形成されている。電解質層４２は、固体酸化物から形成される複数（実施例４では９個）の電解質部４４と、電解質部４４の周囲を支持する支持板４３及び支持部４３ａから形成されている。支持部４３ａは、図１２（ａ）において破線で示しているように、支持板４３の内側に形成されて電解質部４４の周囲を梁状に支えている。

また、この実施例における燃料電池セル４１は、図１２（ｂ）、（ｃ）に示すように、電解質部４４と支持板４３及び支持部４３ａとの間に、電解質部４４外周を被うように応力緩和層４８が形成されている。この応力緩和層４８は電解質部４４の熱膨張係数と支持板４３及び支持部４３ａの熱膨張係数との間の熱膨張係数を有するセラミック材料で形成されている。

そして、支持板４３には、燃料電池セル４１を積層した場合に、各燃料電池セル４１へ空気又は燃料ガスを供給、排気するためのマニホールド４７ａ、４７ｂ、４７ｃ、４７ｄが形成されている。４７ａは、各燃料電池セル４１に空気を供給するための空気供給マニホールドである。４７ｂは、各燃料電池セル４１に供給された燃料ガスを排気するための燃料ガス排気マニホールドである。４７ｃは、各燃料電池セル４１に供給された空気を排気するための空気排気マニホールドである。４７ｄは、各燃料電池セル４１に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給マニホールドである。

本実施例では、熱膨張係数差に起因する応力を応力緩和層４８により緩和できるため、支持板４３及び支持部４３ａの材質の自由度が増え、より高強度な材料を支持板４３及び支持部４３ａに使用することが可能となる。

図１３に実施例５を示す。この実施例における燃料電池セル１１は、図１３（ｂ）、（ｃ）に示すように、セラミック材料からなる支持部５３ａの外周に、耐熱金属製のフレーム部５８が形成されている点において実施例１とは異なっている。

図１３（ａ）は、本発明の実施例５を示す平面図である。図１３（ｂ）は、図１３（ａ）のXIIIb-XIIIb線に沿って切断した断面図である。図１３（ｃ）は、図１３（ａ）のXIIIｃ部拡大断面図である。

図１３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、本実施例の燃料電池セル５１は、電解質層５２と、電解質層５２を挟むように形成されている空気極５５と燃料極５６によって平板状に形成されている。電解質層５２は、固体酸化物から形成される複数（実施例５では９個）の電解質部５４と、電解質部５４の周囲を支持する支持板５３及び支持部５３ａから形成されている。支持部５３ａは、図１３（ａ）において破線で示しているように、支持板５３の内側に形成されて電解質部５４の周囲を梁状に支えている。

また、この実施例における燃料電池セル５１は、図１３（ｂ）、（ｃ）に示すように、支持部５３ａの外周と支持板５３との間に、耐熱金属製のフレーム部５８が形成されている。支持部５３ａとフレーム部５８は、例えば、珪素酸化物を主成分としたガラス等によって形成された接合剤５９によって接合されている。なお耐熱金属としては、例えばフェライト系ステンレス鋼を使用することが可能である。

そして、支持板５３には、燃料電池セル５１を積層した場合に、各燃料電池セル５１へ空気又は燃料ガスを供給、排気するためのマニホールド５７ａ、５７ｂ、５７ｃ、５７ｄが形成されている。５７ａは、各燃料電池セル５１に空気を供給するための空気供給マニホールドである。５７ｂは、各燃料電池セル５１に供給された燃料ガスを排気するための燃料ガス排気マニホールドである。５７ｃは、各燃料電池セル５１に供給された空気を排気するための空気排気マニホールドである。５７ｄは、各燃料電池セル５１に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給マニホールドである。

これまでにも、燃料電池セルを積層してスタック化するにあたり、その締め付け応力を緩和するために電解質層に金属フレームを接合する手法がとられていた。しかし、従来のＬＳＧＭ等の電解質材料ではその強度が低いため、接合材から発生する応力に電解質材料が耐えられず、破損する等の問題があった。しかし、本実施例においては、強度の高いセラミック材料からなる支持部５３ａに耐熱金属製のフレーム部５８を接合することにより、発電性能に優れながらこれまで強度が低いために使用できなかった電解質材料を使用することが可能となる。

（ａ）本発明の実施例１を示す平面図である。（ｂ）図１（ａ）のIb-Ib線に沿って切断した断面図である。（ｃ）図１（ｂ）のIｃ部拡大断面図である。（ａ）空気供給マニホールド７ａ、空気排気マニホールド７ｃを結ぶ線で燃料電池スタック１Ａを切断した空気流路部断面図である。（ｂ）燃料ガス供給マニホールド７ｄ、燃料ガス排気マニホールド７ｂを結ぶ線で燃料電池スタック１Ａを切断した燃料ガス流路部断面図である。（ａ）支持板の仮焼体を示す平面図である。（ｂ）図３（ａ）のIIIb-IIIb線に沿って切断した断面図である。（ａ）支持板の仮焼体の内側に電解質のスラリーが塗布された状態を示す平面図である。（ｂ）図４（ａ）のIVb-IVb線に沿って切断した断面図である。（ａ）余分な電解質を削り取り成型した後、焼成して電解質部を作製した状態を示す平面図である。（ｂ）図５（ａ）のVb-Vb線に沿って切断した断面図である。（ａ）完成した燃料電池セル１を示す平面図である。（ｂ）図６（ａ）のVIb-VIb線に沿って切断した断面図である。（ａ）本発明の変形例を示す平面図である。（ｂ）図７（ａ）のVIIb-VIIb線に沿って切断した断面図である。（ｃ）図７（ｂ）のVIIｃ部拡大断面図である。（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）本発明の支持板の他の例を示す平面図である。（ａ）本発明の実施例２を示す平面図である。（ｂ）図９（ａ）のIXb-IXb線に沿って切断した断面図である。（ａ）支持板を示す平面図である。（ｂ）空気供給マニホールド２７ａ、空気排気マニホールド２７ｃを結ぶ線で燃料電池スタック２１Ａを切断した空気流路部断面図である。（ａ）本発明の実施例３を示す平面図である。（ｂ）図１１（ａ）のXIb-XIb線に沿って切断した断面図である。（ｃ）は、図１１（ａ）のXIｃ-XIｃ線に沿って切断した断面図である。（ａ）本発明の実施例４を示す平面図である。（ｂ）図１２（ａ）のXIIb-XIIb線に沿って切断した断面図である。（ｃ）図１２（ａ）のXIIｃ部拡大断面図である。（ａ）本発明の実施例５を示す平面図である。（ｂ）図１３（ａ）のXIIIb-XIIIb線に沿って切断した断面図である。（ｃ）図１３（ａ）のXIIIｃ部拡大断面図である。

符号の説明

１燃料電池セル
２電解質層
３支持板
３ａ支持部
４電解質部
５空気極
６燃料極

Claims

電解質層の一方の面に燃料極、もう一方の面に空気極がそれぞれ形成された平板状の燃料電池セルであって、
前記電解質層が、固体酸化物から形成される複数の電解質部と、セラミック材料から形成され前記電解質部を支持する支持部とを備えることを特徴とする燃料電池セル。
前記電解質部と前記支持部が熱処理により結合されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セル。
前記電解質部の形状が、四角形、六角形又は円形であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載された燃料電池セル。
前記電解質部が、前記支持部の内側で最密になるように配置されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載された燃料電池セル。
前記電解質層の両面又はいずれか一方の面において、前記支持部上に凸部が形成され、かつ電極部に電気的に接続された集電層が前記凸部上に形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載された燃料電池セル。
前記燃料極又は前記空気極が前記集電層を兼ねていることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池セル。
前記電解質層の両面又はいずれか一方の面において、前記凸部によってガス流路が形成されていることを特徴とする請求項５又は請求項６に記載された燃料電池セル。
前記集電層が、前記凸部上に形成されていることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池セル。
前記電解質部と前記支持部との間に前記電解質部外周を被うように応力緩和層が形成されており、前記応力緩和層は前記電解質部の熱膨張係数と前記支持部の熱膨張係数との間の熱膨張係数を有する材料で形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項８の何れか一項に記載された燃料電池セル。
前記支持部の外周部に、耐熱金属製のフレーム部が形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項９の何れか一項に記載された燃料電池セル。
燃料電池セルに用いられる電解質層の製造方法であって、
複数の固体酸化物電解質部と該固体酸化物電解質部を一体に支持する支持部とを熱処理により結合したことを特徴とする電解質層の製造方法。
予め複数の開口部を有するセラミック材料からなる支持部を仮焼結する工程と、
前記支持部の前記開口部を前記固体酸化物電解質部の原料で埋める工程と、
前記開口部が埋められた前記支持部を焼結して前記支持部と前記複数の電解質部とを一体化させる工程と、を備えたことを特徴とする請求項１１に記載の電解質層の製造方法。