JP2006140097A

JP2006140097A - 燃料電池セル及び燃料電池

Info

Publication number: JP2006140097A
Application number: JP2004330606A
Authority: JP
Inventors: Kazuto Matsugami; 和人松上; Yuji Suenaga; 雄二末永
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2004-11-15
Filing date: 2004-11-15
Publication date: 2006-06-01
Anticipated expiration: 2024-11-15
Also published as: JP4748971B2

Abstract

【課題】変形を抑制できる燃料電池セル及び燃料電池を提供する。
【解決手段】支持基板内部に軸長方向にガス流路を有し、かつ支持基板の一方側主面にガス流路形成方向に連続して設けられた固体電解質層を有するとともに、支持基板の他方側主面に設けられたインターコネクタ３５を有する燃料電池セルであって、インターコネクタ３５が、ガス流路形成方向に複数に分割された分割インターコネクタ３５ａから構成されている。
【選択図】図４

Description

本発明は、燃料電池セル及び燃料電池に関し、特に支持基板内部に軸長方向にガス流路が形成され、支持基板の一方側主面にガス流路形成方向に連続して形成された固体電解質層を有する縦縞型の燃料電池セル及び燃料電池に関するものである。

次世代エネルギーとして、近年、燃料電池セルのスタックを収納容器内に収容した燃料電池が種々提案されている。

図５は従来の中空平板型の固体電解質形燃料電池セルのセルスタックを示すもので、このセルスタックは、複数の燃料電池セル１３（１３ａ、１３ｂ）を集合させ、一方の燃料電池セル１３ａと他方の燃料電池セル１３ｂとの間に金属フェルトなどからなる集電部材１５を介在させ、一方の燃料電池セル１３ａの内側電極（酸素側電極）１７と他方の燃料電池セル１３ｂの外側電極（燃料側電極）１８とを電気的に接続して構成されていた。

燃料電池セル１３（１３ａ、１３ｂ）は、扁平状の内側電極１７の外周面に、固体電解質１９、外側電極１８を順次設けて構成されており、固体電解質１９、外側電極１８から露出した内側電極１７には、外側電極１８に接続しないようにインターコネクタ２０が設けられている。内側電極１７内にはガス流路を構成する複数のガス通過孔２２が形成されている。

一方の燃料電池セル１３ａと他方の燃料電池セル１３ｂとの電気的接続は、一方の燃料電池セル１３ａの内側電極１７を、該内側電極１７に設けられたインターコネクタ２０、集電部材１５を介して、他方の燃料電池セル１３ｂの外側電極１８に接続することにより行われていた（例えば特許文献１、２参照）。
特開平１−１６９８７８号公報特開平２００４−２３４９６９号公報

しかしながら、上記燃料電池セルでは、内側電極２７の一方側主面には、ガス流路形成方向に連続して固体電解質２９が形成され、他方側主面には、固体電解質２９と対向するように、ガス流路形成方向に連続してインターコネクタ３０が形成されているため、発電中に燃料電池セルが、インターコネクタ３０側が背となるように反るという問題があった。

即ち、燃料電池セルは、通常、大気中にて焼結して作製され、発電時には還元性ガスに晒されるが、通常用いられるＬａＣｒＯ_３系からなるインターコネクタ材料は、還元雰囲気において寸法変化を起こすことが知られており、この還元雰囲気における寸法変化のために、燃料電池セルが変形するといった問題があった。

つまり、内側電極２７の一方側主面に形成された、ZｒＯ_２系、ＣｅＯ_２系、ランタンガレート系等からなる固体電解質２９は還元雰囲気における寸法変化が小さいのに対し、他方側主面に設けられたインターコネクタ３０は還元雰囲気において寸法変化が大きいため、図４（ａ）に示すように、インターコネクタ側を背に（インターコネクタ側が凸となるように）燃料電池セルが反るという問題点があった。この燃料電池セルの反りは、図４（ａ−２）に示すように、長さ方向に弓なりに反る場合のみならず、図４（ａ−３）に示すように、幅方向においても発生し、特に、セル一本当たりの発電量を大きくするため、燃料電池セルの長さを長くすると長さ方向に弓なりに反り易く、燃料電池セルの幅を大きくすると、幅方向に反り易いという問題があった。

また、セルスタックは、複数の燃料電池セルを集電部材により連結して作製されるが、上記したように燃料電池セルが反ると、複数の燃料電池セルの集電部材による電気的接続が解除され、複数の燃料電池セルから集電することができなくなるという問題があった。

一方、焼成時においても、固体電解質材料とインターコネクタ材料の熱膨張係数差により変形するという問題があった。

本発明は、変形を抑制できる燃料電池セル及び燃料電池を提供することを目的とする。

本発明の燃料電池セルは、一方側面に連続して設けられた固体電解質層が、前記一方側面と対向する他方側面にインターコネクタが設けられた燃料電池セルであって、前記インターコネクタが、複数に分割された分割インターコネクタから構成されていることを特徴とする。

このような燃料電池セルでは、インターコネクタが複数に分割されているため、発電中に還元雰囲気に晒されたとしても、インターコネクタ材料の還元による寸法変化が分散され、寸法変化による応力が緩和され、燃料電池セルの反り量を減少することができる。また、燃料電池セルの製造時においても、固体電解質層とインターコネクタの熱膨張差による変形を減少することが出来る。

本発明の燃料電池セルは、支持基板内部に軸長方向にガス流路を有し、かつ前記支持基板の一方側主面にガス流路形成方向に連続して設けられた固体電解質層を有するとともに、前記支持基板の他方側主面に設けられたインターコネクタを有する燃料電池セルであって、前記インターコネクタが、ガス流路形成方向に複数に分割された分割インターコネクタから構成されていることを特徴とする。

このような燃料電池セルでは、インターコネクタがガス流路形成方向に複数に分割されているため、発電中に還元雰囲気に晒されたとしても、インターコネクタ材料の還元による寸法変化が分散され、寸法変化による応力が緩和され、燃料電池セルの反り量、特に燃料電池セルの長さ方向における反り量を減少することができる。また、燃料電池セルの製造時においても、固体電解質層とインターコネクタの熱膨張差による変形を減少することが出来る。

本発明の燃料電池セルは、支持基板内部に軸長方向にガス流路を有し、かつ前記支持基板の一方側主面にガス流路形成方向に連続して設けられた固体電解質層を有するとともに、前記支持基板の他方側主面に設けられたインターコネクタを有する燃料電池セルであって、前記インターコネクタが、前記ガス流路とほぼ直交する方向に複数に分割された分割インターコネクタから構成されていることを特徴とする。

このような燃料電池セルでは、インターコネクタがガス流路とほぼ直交する方向に複数に分割されているため、発電中に還元雰囲気に晒されたとしても、インターコネクタ材料の還元による寸法変化が分散され、寸法変化による応力が緩和され、燃料電池セルの反り量、特に燃料電池セルの幅方向における反り量を減少することができる。また、燃料電池セルの製造時においても、固体電解質層とインターコネクタの熱膨張差による変形を減少することが出来る。

また、本発明の燃料電池セルは、支持基板が導電性を有するとともに、該導電性支持基板の一方側主面に電極層を介して固体電解質層が形成されていることを特徴とする。この場合、導電性支持基板の一方側主面に形成された電極層は、燃料極層であることを特徴とする。

このような燃料電池セルでは、ガス透過性が要求される支持基板、及びガスとの反応性が要求される電極層を、別個に形成するため、それぞれの機能に対応した材料、組織等とすることができ、また集電も容易に行うことができ、最適な燃料電池セルを作製できる。導電性支持基板の一方側主面に形成された電極層が、酸素極層である場合も同様な効果を有する。

さらに、本発明の燃料電池セルは、支持基板が電極として機能するとともに、該支持基板の一方側主面に固体電解質層が形成されていることを特徴とする。このような中空平板型燃料電池セルでは、支持基板を燃料極又は酸素極として併用できるため、簡易な構造となり製造上も有利となる。

また、本発明の燃料電池セルは、インターコネクタが、ガス流路形成方向に複数に分割された分割インターコネクタから構成されており、ガス流路形成方向の一方側端の分割インターコネクタの面積が、他方側端の分割インターコネクタの面積よりも大きいことを特徴とする。このような中空平板型燃料電池セルでは、燃料電池を構成した場合に、ガスの入口側における分割インターコネクタの形成面積を、出口側の分割インターコネクタの形成面積よりも小さくすることができ、還元雰囲気のより強い入口側においても変形による応力が緩和され、反り量を減少することができる。

また、本発明の燃料電池セルは、長さが１２０ｍｍ以上であることを特徴とする。このような燃料電池セルでは、長さが長いため、セルを長さ方向に見た場合に、インターコネクタ側を背にして弓なりに反り易くなるため、本発明を有効に用いることができる。また、燃料電池セルの厚みが８ｍｍ以下であることを特徴とする。このような燃料電池セルでは、厚み、即ち、対向する主面間の距離が薄いため、長さ方向や幅方向に反り易くなるため、本発明を有効に用いることができる。さらに、燃料電池セルの幅が２０ｍｍ以上であることを特徴とする。このような燃料電池セルでは、セルの幅方向に反り易くなるため、即ち、燃料電池セルを幅方向に見た場合に、インターコネクタ側を背にして三日月状に反り易くなるため、本発明を有効に用いることができる。

さらに、本発明の燃料電池セルは、分割インターコネクタ間には緻密質材料が充填されていることを特徴とする。このような燃料電池セルでは、分割インターコネクタ、緻密質材料及び固体電解質層により、還元性ガス（例えば水素）と酸素含有ガス（例えば空気）とを確実に遮断できる。ここで、分割インターコネクタ間の緻密質材料は、固体電解質材料であることを特徴とする。このような燃料電池セルでは、製造が容易となるとともに、支持基板の両主面に電解質材料が形成されることになり、支持基板の両主面における材料構成を近づけることができ、より変形を抑制できる。

本発明の燃料電池は、上記燃料電池セルを収納容器内に収納してなることを特徴とする。このような燃料電池では、燃料電池セルの反りを抑制できるため、例えば、一方の燃料電池セルと他方の燃料電池セルとを集電部材により確実に接続でき、電気的接続信頼性を向上できる。

また、本発明の燃料電池は、ガス流路へのガス入口側における分割インターコネクタの面積が、出口側の分割インターコネクタの面積よりも小さいことを特徴とする。このよう燃料電池では、還元雰囲気のより強い入口側においても変形による応力が緩和され、反り量を減少することができる。

本発明の燃料電池セルでは、インターコネクター材料の還元による寸法変化による応力が緩和され、燃料電池セルの反り量を減少することができる。特に、中空平板型の燃料電池セルにおいて好適に用いることができる。

本発明の燃料電池セルの横断面を示す図１、斜視図を示す図２において、全体として３０で示す燃料電池セルは中空平板状であり、断面が扁平状で、全体的に見て細長基板状の支持基板３１を備えている。支持基板３１の内部には、適当な間隔で複数の燃料ガス通路３１ａ（ガス流路を形成する）が長さ方向（軸長方向）に貫通して形成されており、燃料電池セル３０は、この支持基板３１の主面上に各種の部材が設けられた構造を有している。このような燃料電池セル３０の複数を、図３に示すように、集電部材４０により互いに直列に接続することにより、燃料電池を構成するセルスタックを形成することができる。

支持基板３１は、図１、２に示されている形状から理解されるように、平坦部Ａと平坦部Ａの両端の弧状部Ｂとからなっており、平坦部Ａは主面を構成する。平坦部Ａの両主面は互いにほぼ平行に形成されており、平坦部Ａの一方の主面と両側の弧状部Ｂを覆うように燃料極層３２が設けられており、さらに、この燃料極層３２を覆うように、緻密質な固体電解質層３３が積層されており、この固体電解質層３３の上には、燃料極層３２と対面するように、平坦部Ａの一方の主面に酸素極３４が積層されている。燃料極層３２及び固体電解質層３３は、平坦部Ａの一方の主面に、ガス流路形成方向に連続して形成されている。

このような燃料電池セルは、支持基板３１が導電性を有するとともに、該導電性支持基板３１の一方側主面に燃料極層３２を介して固体電解質層３３を形成することにより、ガス透過性が要求される支持基板３１、及びガスとの反応性が要求される燃料極層３２を、別個に形成するため、それぞれの機能に対応した材料、組織等とすることができ、また集電も容易に行うことができ、最適な燃料電池セルを作製できる。

また、燃料極層３２及び固体電極層３３が積層されていない平坦部Ａの他方の主面には、インターコネクタ３５が形成されている。図１から明らかな通り、燃料極層３２及び固体電解質層３３は、インターコネクタ３５の両サイドにまで延びており、支持基板３１の表面が外部に露出しないように構成されている。

そして、本発明では、図１（ｂ）、図４（ｂ）に示すように、インターコネクタ３５は、ガス流路形成方向に複数、図４（ｂ）では４個に分割された分割インターコネクタ３５ａから構成されている。インターコネクタ３５がガス流路形成方向に複数に分割されているため、発電中に還元雰囲気に晒されたとしても、インターコネクタ材料の還元による寸法変化が分散され、寸法変化による応力が緩和され、燃料電池セル３０の反り量、特に燃料電池セルの長さ方向における反り量を減少することができる。また、燃料電池セルの製造時においても、固体電解質層３３とインターコネクタ３５との熱膨張差による変形を減少することが出来る。

これらの分割インターコネクタ３５ａは、ガス流路形成方向の一方側端、即ちガスの出口側における分割インターコネクタ３５の面積が、他方側端、即ちガスの入口側における分割インターコネクタ３５ａの面積よりも大きく形成されており、図４（ｂ）ではガスの入口側から出口側に向けて順次面積が大きくなっている。このような燃料電池セル３０を用いて燃料電池を構成した場合に、ガスの出口側における分割インターコネクタ３５ａの面積を、入口側の分割インターコネクタ３５ａの面積よりも小さくすることができ、還元雰囲気のより強い入口側においても変形による応力が緩和され、反り量を減少することができる。

尚、ガスの入口側から出口側に向けて順次面積が大きくする代わりに、図４（ｃ）に示すように、燃料電池セルのガス流路形成方向の長さは同一長さとし、分割インターコネクタ３５ａをガス出口側にいくほど幅広となるよう台形状に形成しても良い。この場合には、さらに応力が緩和され、反り量を減少することができる。

分割インターコネクタ３５ａ間には固体電解質と同一材料からなる緻密質材料が充填されている。これにより、分割インターコネクタ３５ａ及び固体電解質層３３により、還元性ガス（例えば水素）と酸素含有ガス（例えば空気）とを確実に遮断できる。ここで、分割インターコネクタ３５ａ間の緻密質材料は、固体電解質材料である必要はないが、固体電解質層３３と同一材料を用いることにより、製造が容易となるとともに、支持基板３１の両主面に電解質材料が形成されることになり、支持基板３１の両主面における材料構成を近づけることができ、より変形を抑制できる。

また、本発明の燃料電池セルでは、長さが１２０ｍｍ以上、厚みが８ｍｍ以下、幅が２０ｍｍ以上である場合に好適に用いることができる。即ち、中空平板型燃料電池セルでは、長さが長い場合、図４（ａ−２）に示すように、セルを長さ方向に見た場合に、インターコネクタ側を背にして弓なりに反り易くなるため、本発明を有効に用いることができ、また、幅が広くなると、図４（ａ−３）に示すように、セルの幅方向に、即ち、燃料電池セルを幅方向に見た場合に、インターコネクタ側を背にして三日月状に反り易くなるため、本発明を有効に用いることができる。

また、燃料電池セルの厚みが８ｍｍ以下である場合には、対向する主面間の距離が薄いため、長さ方向や幅方向に反り易くなるため、本発明を有効に用いることができる。

さらに、インターコネクタ３５を、図４（ｄ）に示すように、ガス流路とほぼ直交する方向に複数に分割された分割インターコネクタ３５ａから構成することによっても、インターコネクタ３５の寸法変化による応力が緩和され、燃料電池セルの反り量を減少することができるとともに、燃料電池セルの製造時においても、熱膨張差による変形を減少することが出来る。

この場合には、特に燃料電池セルの幅方向における反り量を低減できる。さらにまた、図４（ｅ）に示すように、燃料電池セルの長さ方向及び幅方向に、いわゆる格子状に複数に分割することにより、さらに反り量を低減できる。尚、図４では、分割インターコネクタ３５ａ上面のＰ型半導体層３９の記載は省略している。

上記のような構造の燃料電池セルでは、燃料極層３２の酸素極３４と対面している部分が燃料極として作動して発電する。即ち、酸素極３４の外側に空気等の酸素含有ガスを流し、且つ支持基板３１内のガス通路３１ａに燃料ガス（水素）を流し、所定の作動温度まで加熱することにより、酸素極３４で下記式（１）の電極反応を生じ、また燃料極層３２の燃料極となる部分では例えば下記式（２）の電極反応を生じることによって発電する。

酸素極：１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻ → Ｏ^２− （固体電解質） …（１）
燃料極：Ｏ^２− （固体電解質）＋Ｈ_２ → Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻…（２）
かかる発電によって生成した電流は、支持基板３１に取り付けられているインターコネクタ３５を介して集電される。

（支持基板３１）
上記のような構造を有する燃料電池セル３０において、支持基板３１は、燃料ガスを燃料極まで透過させるためにガス透過性であること、及びインターコネクタ３５を介しての集電を行うために導電性であること、同時焼成時の熱膨張差による固体電解質などのクラックや剥離がないことが要求されるが、このような要求を満たすと同時に、還元・酸化サイクルにおける支持基板３１の体積膨張に起因した固体電解質などのクラックを抑制する目的で、触媒活性金属及びその酸化物のいずれかと、触媒金属及びその酸化物との反応物を生成しない無機骨材、例えば、金属酸化物である固体電解質又は少なくとも一種の希土類元素を含有する希土類元素酸化物とを含有せしめて構成する。

触媒金属としてはＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉなどの鉄族成分があり、金属単体であってもよいし、また酸化物、合金もしくは合金酸化物であってもよい。本発明では、何れをも使用することができるが、安価であること及び燃料ガス中で安定であることからＮｉ及び／またはＮｉＯを含有していることが好ましい。

また、無機骨材としては、（２）の電極反応を促進するために、所謂三相界面（電解質／触媒金属／気相の界面）を増やすために、固体電解質層３３を形成している安定化ジルコニアやランタンガレート系ペロブスカイト型組成物等と同等の材料を用いても良いし、熱膨張係数を下げて固体電解質層３３と近似させるために希土類酸化物を用いても良い。後者には特にＳｃ，Ｙ，Ｌｕ，Ｙｂ，Ｔｍ，Ｅｒ，Ｈｏ，Ｄｙ，Ｇｄ，Ｓｍ，Ｐｒからなる群より選ばれた少なくとも１種の希土類元素を含む酸化物が使用される。このような希土類酸化物の具体例としては、Ｓｃ_２Ｏ_３、Ｙ_２Ｏ_３、Ｌｕ_２Ｏ_３、Ｙｂ_２Ｏ_３、Ｔｍ_２Ｏ_３、Ｅｒ_２Ｏ_３、Ｈｏ_２Ｏ_３、Ｄｙ_２Ｏ_３、Ｇｄ_２Ｏ_３、Ｓｍ_２Ｏ_３、Ｐｒ_２Ｏ_３を例示することができ、特に安価であるという点で、Ｙ_２Ｏ_３，Ｙｂ_２Ｏ_３、さらにはＹ_２Ｏ_３が好適である。

尚、支持基板３１中には、要求される特性が損なわれない限りの範囲で他の金属成分や酸化物成分を含有していてもよい。

上記のような支持基板３１は、燃料ガス透過性を有していることが必要であるため、通常、開気孔率が３０％以上、特に３５〜５０％の範囲にあることが好適である。また、支持基板３１の導電率は、３００Ｓ／ｃｍ以上、特に４４０Ｓ／ｃｍ以上であることが好ましい。

また、支持基板３１の平坦部Ａの長さは、２０〜３５ｍｍ、弧状部Ｂの長さ（弧の長さ）は、３〜８ｍｍ程度であり、支持基板３１の厚みは（平坦部Ａの両面の間隔）は２．５〜８ｍｍであることが望ましい。

（燃料極層３２）
本発明において、燃料極層３２は、前述した式（２）の電極反応を生じせしめるものであり、それ自体公知の多孔質の導電性セラミックスから形成される。例えば、希土類元素が固溶しているＺｒＯ_２と、Ｎｉ及び／またはＮｉＯとから形成される。この希土類元素が固溶しているＺｒＯ_２（安定化ジルコニア）としては、以下に述べる固体電解質層３３の形成に使用されているものと同様のものを用いるのがよい。

燃料極層３２中の安定化ジルコニア含量は、３５〜６５体積％の範囲にあるのが好ましく、またＮｉ或いはＮｉＯ含量は、６５〜３５体積％であるのがよい。さらに、この燃料極層３２の開気孔率は、１５％以上、特に２０〜４０％の範囲にあるのがよく、その厚みは、１〜３０μｍであることが望ましい。例えば、燃料極層３２の厚みがあまり薄いと、性能が低下するおそれがあり、またあまり厚いと、固体電解質層３３と燃料極層３２との間で熱膨張差による剥離等を生じるおそれがある。

また、図１の例では、この燃料極層３２は、インターコネクタ３５の両サイドにまで延びているが、酸素極３４に対面する位置に存在して燃料極が形成されていればよいため、例えば酸素極３４が設けられている側の平坦部Ａにのみ燃料極層３２が形成されていてもよい。さらには、支持基板３１の全周にわたって燃料極層３２を形成することも可能である。本発明においては、固体電解質層３３と支持基板３１との接合強度を高めるために、固体電解質層３３の全体が燃料極層３２上に形成されていることが好適である。

（固体電解質層３３）
この燃料極層３２上に設けられている固体電解質層３３は、一般に３〜１５モル％の希土類元素が固溶したＺｒＯ_２（通常、安定化ジルコニア）と呼ばれる緻密質なセラミックスから形成されている。希土類元素としては、Ｓｃ，Ｙ，Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｐｍ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂ，Ｌｕを例示することができるが、安価であるという点からＹ、Ｙｂが望ましい。

この固体電解質層３３を形成する安定化ジルコニアセラミックスは、ガス透過を防止するという点から、相対密度（アルキメデス法による）が９３％以上、特に９５％以上の緻密質であることが望ましく、且つその厚みが１０〜１００μｍであることが望ましい。固体電解質層３３としては、安定化ジルコニア以外に、ランタンガレート系ペロブスカイト型組成物から構成されていても良い。

（酸素極３４）
酸素極３４は、所謂ＡＢＯ_３型のペロブスカイト型酸化物からなる導電性セラミックスから形成される。かかるペロブスカイト型酸化物としては、遷移金属ペロブスカイト型酸化物、特にＡサイトにＬａを有するＬａＭｎＯ_３系酸化物、ＬａＦｅＯ_３系酸化物、ＬａＣｏＯ_３系酸化物の少なくとも１種が好適であり、６００〜１０００℃程度の作動温度での電気伝導性が高いという点からＬａＦｅＯ_３系酸化物が特に好適である。尚、上記ペロブスカイト型酸化物においては、ＡサイトにＬａと共にＳｒなどが存在していてもよいし、さらにＢサイトには、ＦｅとともにＣｏやＭｎが存在していてもよい。

また、酸素極３４は、ガス透過性を有していなければならず、従って、酸素極３４を形成する導電性セラミックス（ペロブスカイト型酸化物）は、開気孔率が２０％以上、特に３０〜５０％の範囲にあることが望ましい。

このような酸素極３４の厚みは、集電性という点から３０〜１００μｍであることが望ましい。

（インターコネクタ３５、分割インターコネクタ３５ａ）
上記の酸素極３４に対面する位置において、支持基板３１上に設けられているインターコネクタ３５（分割インターコネクタ３５ａ）は、導電性セラミックスからなるが、燃料ガス（水素）及び酸素含有ガスと接触するため、耐還元性、耐酸化性を有していることが必要である。このため、かかる導電性セラミックスとしては、一般に、ランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物（ＬａＣｒＯ_３系酸化物）が使用される。また、支持基板３１の内部を通る燃料ガス及び支持基板３１の外部を通る酸素含有ガスのリークを防止するため、かかる導電性セラミックスは緻密質でなければならず、例えば９３％以上、特に９５％以上の相対密度を有していることが好適である。

かかるインターコネクタ３５は、ガスのリーク防止と電気抵抗という点から、１０〜２００μｍであることが望ましい。即ち、この範囲よりも厚みが薄いと、ガスのリークを生じやすく、またこの範囲よりも厚みが大きいと、電気抵抗が大きく、電位降下により集電機能が低下してしまうおそれがあるからである。一方、反り抑制という観点からは、１００μｍ以下が望ましい。

また、図１から明らかな通り、ガスのリークを防止するために、インターコネクタ３５の両サイドには、緻密質の固体電解質層３３が密着しているが、シール性を高めるために、例えばＹ_２Ｏ_３などからなる接合層（図示せず）をインターコネクタ３５の両側面と固体電解質層３３との間に設けることもできる。

インターコネクタ３５の外面（上面）には、Ｐ型半導体層３９が設けられている。集電部材４０を、Ｐ型半導体層３９を介してインターコネクタ３５に接続させることにより、両者の接触がオーム接触となり、電位降下を少なくし、集電性能の低下を有効に回避することが可能となり、例えば、一方の燃料電池セル３０の酸素極３４からの電流を、他方の燃料電池セル３０の支持基板３１に効率良く伝達できる。このようなＰ型半導体としては、遷移金属ペロブスカイト型酸化物を例示することができる。

具体的には、インターコネクタ３５を構成するＬａＣｒＯ_３系酸化物よりも電子伝導性が大きいもの、例えば、ＢサイトにＭｎ、Ｆｅ、Ｃｏなどが存在するＬａＭｎＯ_３系酸化物、ＬａＦｅＯ_３系酸化物、ＬａＣｏＯ_３系酸化物などの少なくとも一種からなるＰ型半導体セラミックスを使用することができる。このようなＰ型半導体層３９の厚みは、一般に、３０〜１００μｍの範囲にあることが好ましい。

また、インターコネクタ３５は、固体電解質層３３が設けられていない側の支持基板３１の平坦部分Ａ上に直接設けることもできるが、この部分にも燃料極材料が設けられ、この燃料極材料層３７上にインターコネクタ３５が設けられている。即ち、燃料極材料を支持基板３１の全周にわたって設け、燃料極材料層３７上にインターコネクタ３５を設けられており、この場合には、支持基板３１とインターコネクタ３５との間の界面での電位降下を抑制することができる上で有利である。

（燃料電池セルの製造）
以上のような構造を有する燃料電池セルは、以下のようにして製造される。先ず、Ｎｉ等の鉄族金属或いはその酸化物粉末と、例えばＹ_２Ｏ_３粉末と、有機バインダーと、溶媒とを混合して坏土を調製し、この坏土を用いての押出成形により、支持基板成形体を作製し、これを乾燥する。

次に、燃料側電極形成用材料（Ｎｉ或いはＮｉＯ粉末と安定化ジルコニア粉末）、有機バインダー及び溶媒を混合してスラリーを調製し、このスラリーを用いて燃料側電極用のシートを作製する。また、燃料側電極用のシートを作製する代りに、燃料極形成用材料を溶媒中に分散したペーストを、上記で形成された支持基板成形体の所定位置に塗布し乾燥して、燃料側電極用のコーティング層を形成してもよい。これを仮焼し、表面に燃料電極仮焼体が形成された支持基板仮焼体を作製する。この後、燃料側電極仮焼体の開気孔中に、樹脂材料を含浸することが望ましい。樹脂材料としては、アクリル系の樹脂などが用いられ、含浸させるには、樹脂を溶解した有機溶媒中に浸漬すれば良い。一方、インターコネクタが形成される部分にはマスクして、固体電解質が形成されないようにする。

この後、燃料側電極仮焼体の表面に浸漬塗布法により固体電解質を形成する。先ず、固体電解質材料を含有する浸漬液を作製し、この浸漬液に上記支持基板仮焼体を浸漬する。固体電解質材料としては、例えば希土類元素が固溶したＺｒＯ_２粉を用い、その他に、浸漬液中には、有機バインダーとしてアクリル系バインダーと、溶媒としてトルエンが添加混合されている。この浸漬液は、所定の粘度を有するように、有機成分が調整されている。

浸漬方向は、浸漬液中に支持基板仮焼体の長さ方向に浸漬するよりも、支持基板仮焼体の幅方向に浸漬することが望ましい。浸漬した後、引き上げる際に、支持基板仮焼体の燃料側電極に着肉し、固体電解質成形体を形成できる。

多孔質の支持基板仮焼体の表面に多孔質の燃料側電極仮焼体が形成され、燃料側電極仮焼体の開気孔中には樹脂材料が充填され、この燃料側電極仮焼体の表面に固体電解質成形体が形成される。燃料側電極仮焼体の開気孔中には、固体電解質材料が含浸されていない。

尚、支持基板仮焼体は、Ｎｉ等の鉄族金属或いはその酸化物粒子と、Ｙ_２Ｏ_３粒子とからなり、燃料側電極仮焼体は、Ｎｉ或いはＮｉＯ粒子と安定化ジルコニア粒子とからなり、固体電解質成形体は、安定化ジルコニア粉末と有機成分とから構成されている。

この後、インターコネクタ用材料（例えば、ＬａＣｒＯ_３系酸化物粉末）、有機バインダー及び溶媒を混合してスラリーを調製し、インターコネクタ用シートを作製する。このインターコネクタ用シートを、上記で得られた積層体の固体電解質層が形成されていない位置に積層し、焼成用積層体を作製する。

次いで、上記の焼成用積層体を脱バインダ処理し、酸素含有雰囲気中、１３００〜１６００℃で同時焼成し、得られた焼結体の所定の位置に、酸素側電極形成用材料（例えば、ＬａＦｅＯ_３系酸化物粉末）と溶媒を含有するペースト、及び必要により、Ｐ型半導体層形成用材料（例えば、ＬａＦｅＯ_３系酸化物粉末）と溶媒を含むペーストを、ディッピング等により塗布し、１０００〜１３００℃で焼き付けることにより、図１に示す構造の本発明の燃料電池セル３０を製造することができる。

尚、支持基板３１や燃料側電極３２の形成にＮｉ単体を用いた場合には、酸素含有雰囲気での焼成により、Ｎｉが酸化されてＮｉＯとなっているが、必要により、還元処理することにより、Ｎｉに戻すことができる。

（セルスタック）
セルスタックは、図３に示すように、上述した燃料電池セル３０が複数集合して、上下に隣接する一方の燃料電池セル３０と他方の燃料電池セル３０との間に、金属フェルト及び／又は金属板からなる集電部材４０を介在させ、両者を互いに直列に接続することにより構成されている。即ち、一方の燃料電池セル３０の支持基板３１は、インターコネクタ３５、Ｐ型半導体層３９、集電部材４０を介して、他方の燃料電池セル３０の酸素極３４に電気的に接続されている。また、このようなセルスタックは、図３に示すように、サイドバイサイドに配置されており、隣接するセルスタック同士は、導電部材４２によって直列に接続されている。

本発明の燃料電池は、図３のセルスタックを、収納容器内に収容して構成される。この収納容器には、外部から水素等の燃料ガスを燃料電池セル３０に導入する導入管、及び空気等の酸素含有ガスを燃料電池セル３０の外部空間に導入するための導入管が設けられており、燃料電池セルが所定温度（例えば、６００〜９００℃）に加熱されることにより発電し、使用された燃料ガス、酸素含有ガスは、収納容器外に排出される。

この場合、燃料電池セルは、ガス流路へのガス入口側における分割インターコネクタ３５ａの面積が、出口側の分割インターコネクタ３５ａの面積よりも小さくなるように、収納容器内に収納する。

尚、本発明は上記形態に限定されるものではなく、発明の要旨を変更しない範囲で種々の変更が可能である。例えば、上記形態では、支持基板３１上に燃料極層３２を形成した場合について説明したが、支持基板自体に燃料極としての機能を付与し、支持基板に固体電解質、酸素極層を形成しても良い。また、上記形態では、支持基板３１上に燃料極層３２を形成した場合について説明したが、支持基板に酸素極層を形成したセルや、支持基板自体に酸素極としての機能を付与し、支持基板に固体電解質、燃料極層を形成しても良い。

平均粒径０．５μｍのＮｉＯ粉末と、Ｙ_２Ｏ_３粉末（平均粒径は０．６〜０．９μｍ）を、焼成後におけるＮｉＯがＮｉ換算で４８体積％、Ｙ_２Ｏ_３が５２体積％になるようにして混合し、この混合粉末に、ポアー剤、有機バインダーと、水（溶媒）とを混合して形成した支持基板用坏土を押出成形し、これを乾燥し、脱バインダー処理し、扁平状の支持基板用成形体を作製し、これを乾燥した。この後、１０００℃で仮焼し、支持基板仮焼体を作製した。

次に、８モル％Ｙ_２Ｏ_３を含有するＺｒＯ_２（ＹＳＺ）粉末と、ＮｉＯ粉末と、有機バインダーと、溶媒とを混合したスラリーを用いて燃料極層形成用シートを作製し、これを支持基板仮焼体の所定位置に積層し、１０００℃で仮焼し、支持基板仮焼体の表面に燃料極仮焼体を形成した。

この後、図４（ｂ）の位置に分割インターコネクタを形成するように、分割インターコネクタ形成位置にマスクする。一方、上記ＹＳＺ粉末と、有機バインダー（アクリル樹脂）と、トルエンからなる溶媒とを混合した浸漬液を作製し、この浸漬液中に支持基板仮焼体を浸漬し、引き上げることにより燃料側電極仮焼体の表面に固体電解質材料の塗布膜を形成し、乾燥することにより固体電解質成形体を形成した。

次に、平均粒径２μｍのＬａＣｒＯ_３系酸化物粉末と、有機バインダーと、溶媒とを混合したスラリーを用いて、分割インターコネクタ用シートを作製し、これらのシートを、上記積層シートのマスクを剥離した部分に積層し、支持基板仮焼体、燃料極仮焼体、分割インターコネクタ用シート、固体電解質成形体からなる焼結用積層シートを作製した。次に、この焼結用積層シートを脱バインダ処理し、大気中にて１５００℃で同時焼成した。

得られた焼結体を、平均粒径２μｍのＬａ_０．６Ｓｒ_０．４Ｃｏ_０．２Ｆｅ_０．８Ｏ_３粉末と、溶媒をからなるペースト中に浸漬し、焼結体に形成されている固体電解質層の表面に酸素側電極用コーティング層を設け、同時に、上記ペーストを焼結体に形成されている分割インターコネクタの外面に塗布し、Ｐ型半導体用コーティング層を設け、さらに、１１５０℃で焼き付け、図１に示すような燃料電池セルを作製した。

作製した燃料電池セルの長さは１４５ｍｍ、幅は２６ｍｍ、厚みは３．２ｍｍ、燃料側電極の厚みは１０μｍ、酸素極の厚みは５０μｍ、分割インターコネクタの厚みは５０μｍ、Ｐ型半導体層の厚みは５０μｍであった。また、分割インターコネクタは、下流側から、長さ１１ｍｍ、２４ｍｍ、４８ｍｍ、５６ｍｍで、幅２０ｍｍ、間隔は２ｍｍであった。

作製した燃料電池セルについて、図４（ａ）に示すように、分割インターコネクタの形成側と反対側の面の上下端に直線状の定規を当て、この定規とセル表面との最大距離Ｌｈを求め、長さ方向の反り量とし、インターコネクタの形成側と反対側の面の幅方向両端に直線状の定規を当て、この定規とセル表面との最大距離Ｌｂを求め、幅方向の反り量とした。この結果、長さ方向の反り量は０．２ｍｍ、幅方向の反り量は０．１ｍｍであった。

さらに、得られた燃料電池セルを８５０℃の温度で水素ガスをガス通路３１ａ内に１２時間供給し、水素ガスを流しながら放冷した。その後、上記と同様にして長さ方向の反り量及び幅方向の反り量を求めたところ、長さ方向の反り量は０．５ｍｍ、幅方向の反り量は０．２ｍｍであった。

一方、比較例として、インターコネクタを分割しない図４（ａ）に示すような燃料電池セルを作製し作製後の反り量、及び上記還元処理後の反り量を測定したところ、焼成後においては、長さ方向の反り量は０．５ｍｍ、幅方向の反り量は０．３ｍｍであり、還元処理後では、長さ方向の反り量は１．８ｍｍ、幅方向の反り量は０．６ｍｍであった。従って、本発明の燃料電池セルでは、反り量を抑制できることがわかる。

本発明の燃料電池セルを示すもので、（ａ）は横断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿う縦断面図である。本発明の燃料電池セルの断面斜視図である。本発明の燃料電池セルのスタックを示す横断面図である。インターコネクタの形成状態を示す説明図で、（ａ）はインターコネクタが長さ方向に連続して形成された従来の縦縞型の燃料電池セルを示すもの、（ｂ）は長さ方向に分割して形成した場合、（ｃ）はガスの流れ方向に幅広に形成した場合、（ｄ）は幅方向に複数に分割した場合、（ｅ）は長さ方向及び幅方向に複数に分割した場合を示すものである。従来の燃料電池セルのスタックを示す横断面図である。

符号の説明

３１・・・支持基板（支持体）
３１ａ・・・燃料ガス通路
３２・・・燃料極層
３３・・・固体電解質
３４・・・酸素極層
３５・・・インターコネクタ
３５ａ・・・分割インターコネクタ
４０・・・集電部材

Claims

一方側面に連続して設けられた固体電解質層が、前記一方側面と対向する他方側面にインターコネクタが設けられた燃料電池セルであって、前記インターコネクタが、複数に分割された分割インターコネクタから構成されていることを特徴とする燃料電池セル。
支持基板内部に軸長方向にガス流路を有し、かつ前記支持基板の一方側主面にガス流路形成方向に連続して設けられた固体電解質層を有するとともに、前記支持基板の他方側主面に設けられたインターコネクタを有する燃料電池セルであって、前記インターコネクタが、ガス流路形成方向に複数に分割された分割インターコネクタから構成されていることを特徴とする燃料電池セル。
支持基板内部に軸長方向にガス流路を有し、かつ前記支持基板の一方側主面にガス流路形成方向に連続して設けられた固体電解質層を有するとともに、前記支持基板の他方側主面に設けられたインターコネクタを有する中空平板型燃料電池セルであって、前記インターコネクタが、前記ガス流路とほぼ直交する方向に複数に分割された分割インターコネクタから構成されていることを特徴とする燃料電池セル。
支持基板が導電性を有するとともに、該導電性支持基板の一方側主面に電極層を介して固体電解質層が形成されていることを特徴とする請求項２又は３記載の燃料電池セル。
導電性支持基板の一方側主面に形成された電極層は燃料極層であることを特徴とする請求項４記載の燃料電池セル。
支持基板が電極として機能するとともに、該支持基板の一方側主面に固体電解質層が形成されていることを特徴とする請求項２又は３記載の燃料電池セル。
インターコネクタが、ガス流路形成方向に複数に分割された分割インターコネクタから構成されており、ガス流路形成方向の一方側端の分割インターコネクタの面積が、他方側端の分割インターコネクタの面積よりも大きいことを特徴とする請求項１乃至６のうちいずれかに記載の燃料電池セル。
分割インターコネクタ間には緻密質材料が充填されていることを特徴とする請求項１乃至７のうちいずれかに記載の燃料電池セル。
分割インターコネクタ間の緻密質材料は、固体電解質材料であることを特徴とする請求項８記載の燃料電池セル。
請求項１乃至９のうちいずれかに記載の燃料電池セルを収納容器内に収納してなることを特徴とする燃料電池。
ガス流路へのガス入口側における分割インターコネクタの面積が、出口側の分割インターコネクタの面積よりも小さいことを特徴とする請求項１０記載の燃料電池。