JP2006236989A

JP2006236989A - 燃料電池用単電池セル

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Publication number: JP2006236989A
Application number: JP2006016120A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Orishima; 寛折島
Original assignee: Sumitomo Precision Products Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Precision Products Co Ltd
Priority date: 2005-01-25
Filing date: 2006-01-25
Publication date: 2006-09-07
Anticipated expiration: 2026-01-25
Also published as: JP5093833B2

Abstract

【課題】セルスタックへの積層接合作業が容易で、しかも接合部での局部的な電流集中を回避できる燃料電池用単電池セルを提供する。セルスタック製造のための加熱コストを節減できる燃料電池用単電池セルを提供する。電池性能試験での歩留りを改善できる燃料電池用単電池セルを提供する。
【解決手段】固体電解質層１１ｂの両面側に燃料電極層１１ａ及び空気電極層１１ｃが積層された３層構造のセル本体１１を、両面側から金属製の支持基板１２，１２で支持した両面金属支持型の単電池セル１０を構成する。支持基板１２，１２は、発電のためのガス流通を阻害しないように、板厚方向の貫通孔を多数形成されたパンチングメタルなどからなる。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池に使用される単電池セルに関する。

代表的な燃料電池の一つとして、固体酸化物型燃料電池〔ＳＯＦＣ（Solid Oxide Fuel Cells）〕がある。この燃料電池では、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）などの焼結体からなる薄く脆い固体電解質層の一方の表面に燃料電極層を形成し、他方の表面に空気電極層を形成した３層構造の積層体が、単電池セルとして使用される。燃料電極としてはＮｉとＹＳＺのサーメット、空気電極としてはランタンストロンチウムマンガナイト（ＬＳＭ）などが使用される。いずれも多孔質の焼結体である。

この単電池セルは、起電力が１Ｖ以下と低いために、通常は複数枚を厚み方向へ積層し、直列に接続して使用される。より具体的には、単電池セルの両面側に反応空間が形成されるように、単電池セルを間に挟みながらインターコネクタを板厚方向へ積層することにより、セルスタックが構成される。インターコネクタは、ステンレス鋼等の金属板からなり、隣接する単電池セルとの間に反応空間を形成するためのガス分配溝をセル対向面に有している。セルスタックの形状としては角柱タイプや円柱タイプがあり、燃料ガス及び酸化ガスの供給孔の位置によってこれらが単電池セルの電池反応領域外にある外部マニホールド型、これらが単電池セルの中心部に設けられた内部マニホールド型、更には内外部に設けられた内外部マニホールド型などに分かれる。

運転では、セルスタックの中心部に水素リッチの燃料ガスと空気などの酸化ガスを供給する。セルスタック内に供給された燃料ガスは、単電池セルの一面側に形成された燃料電極側の反応空間を内周部から外周部へ流通する。また酸化ガスは、単電池セルの他面側に形成された空気電極側の反応空間を内周部から外周部へ流通する。こうして固体電解質層を挟んで両ガスが内周部から外周部へ流通することにより、各単電池セルで発電が行なわれる。

このような燃料電池用の単電池セルは、機械構成上の主体となる部材の違いによって電極支持型と電解質支持型とに大別され、前者の電極支持型は更に燃料電極支持型と空気電極支持型の２種類に分かれる。燃料電極支持型では、基本構成部材である薄板状の燃料電極層の一方の表面に固体電解質層が成膜により薄く形成され、更にその上に空気電極層が成膜により薄く形成される。また、空気電極支持型では、基本構成部材である薄板状の空気電極層の一方の表面に固体電解質層が成膜により薄く形成され、更にその上に燃料電極層が成膜により薄く形成される。一方、電解質支持型では、基本構成部材である薄板状の固体電解質層の一方の表面に燃料電極層が成膜により薄く形成され、他方の表面に空気電極層が成膜により薄く形成される。

実際の燃料電池では、耐熱性が高く熱膨張係数が比較的小さいフェライト系ステンレス鋼がインターコネクタに多用されており、そのような燃料電池では、インターコネクタとの熱膨張係数を合わせるために、燃料電極支持型が比較的多く採用されている。この形式の単電池セル及びこれを使用したセルスタックは例えば特許文献１に記載されている。

特開２００２−３４３３７６号公報

このような単電池セルを積層して使用する従来の燃料電池では、その単電池セルの構造に起因して次のような問題がある。

セルスタックの組立においては、単電池セルとインターコネクタを交互に積層していく。この過程で両者の電気的接触を確保するが、単電池セル及びインターコネクタには厚みの分布にばらつきがあり、このばらつきのために、単電池セルとインターコネクタの間に部分的な隙間が発生する。この隙間は燃料ガス、酸化ガスの流れに影響しないほど微小でも電気的には絶縁された部分となる。この結果、単電池セルの電極全面からロスなく電気を取り出すことができなくなり、単電池セルの発電性能を十分に引き出せなくなる。そればかりか、電気的な接触が確保されている部分に電流が集中し、局部的に大電流が流れることにより、単電池セルの性能劣化が急速に進むおそれがある。

単電池セルには、厚みのばらつきだけでなく、構成材料の熱膨張係数の違いによる僅かな反りがあり、これも両者の間に隙間をつくる原因になっている。ちなみに、熱膨張係数が大きいのは燃料電極層であり、フェライト系ステンレス鋼並の熱膨張係数を示す。

単電池セルとインターコネクタの間の局部的な隙間による諸問題を解決するために、従来は単電池セルとインターコネクタの間に機械的接合材を兼ねる電気的コンタクト材を介在させていた。このコンタクト材としては、燃料電極とインターコネクタの間ではＮｉ粉などの金属粉末をバインダーと混合してペースト状にしたものが使用されており、空気電極とインターコネクタの間では銀粉末や銀合金粉末、電気伝導性の良い酸化物粉末（例えばＬＳＭなどのペロブスカイト型の酸化物粉末）をバインダーと混合してペースト状にしたものが使用されている。ただし、銀粉末、銀合金粉末などは焼結しやすく緻密な焼結体となるため、空気電極の多孔層を閉塞する危険がある。このため前述の酸化物と混合して使用され場合もあり、この場合は金属単体粉末時より焼結温度が高くなる傾向がある。

そして、セルスタックの組立作業において、これらのペーストを単電池セルの両面、或いはインターコネクタの表面にスクリーン印刷により塗布し、未乾燥の状態（流動状態）で単電池セルとインターコネクタを所定枚数交互に高く積み重ねていく。これにより、両者の各隙間がコンタクト材で充填され排除される。しかし、ペーストが流動状態であり、しかも積み重ね枚数が多いため、積層時に滑りが発生し位置ずれなどが生じやすい。また、ペーストが乾燥するより前に素早く積層作業を終える必要がある。これらのために、積層作業性が非常に悪い。これが第１の問題である。

積層作業後は、機械的接合材を兼ねる電気的コンタクト材であるペーストの機械的、電気的接合をより確実にするために高温下でペーストの焼結化を進める必要があるが、焼結化のための温度は燃料電池運転温度より高い。しかるに通常は、積層体を積層方向に締め付け固定し、そのまま燃料電池の装置内に組み込まれるため、積層作業後の温度は高々燃料電池運転温度までとなり、ペーストの焼結化温度としては不十分なものになっている。ペーストの焼結化を図るために、積層作業後にペーストの焼結化工程を設ける方法もあるが、締め付け治具に耐熱性を付与する必要がある上に、セルスタック全体を加熱するための大型炉が必要になる。これらのため、セルスタック製造のための加熱コストが嵩む。これが第２の問題である。

第３の問題は、電池性能検査での歩留りの悪さである。すなわち、従来の単電池セルは、セル単位では電池として機能せず、セルスタックに組み上げて始めて電池として完成する。したがって、セルスタックにならないと、電池性能検査を行うことができない。換言すれば、単電池セルの段階で電池性能検査を行うことができないのである。この制約のため、セルスタック中の１枚の単電池セルが不良でもセルスタック全体が不良となり、性能検査での歩留りが非常に悪くなる。

本発明の目的は、セルスタックへの積層作業が容易で、しかも局部的な電流集中を回避できる燃料電池用単電池セルを提供することにある。

本発明の別の目的は、セルスタック製造のための加熱コストを節減できる燃料電池用単電池セルを提供することにある。

本発明の更に別の目的は、電池性能試験での歩留りを改善できる燃料電池用単電池セルを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の燃料電池用単電池セルは、セルスタックに積層される前の単電池セルであって、固体電解質層と、電解質層の一方の表面に形成された燃料電極層と、電解質層の他方の表面に形成された空気電極層と、両方の電極層の各表面に密着接合されており、且つ発電のためのガス流通を阻害しない一組の金属からなる支持基板とを具備している。

本発明の燃料電池用単電池セルにおいては、形態的には一方の支持基板、燃料電極層、固体電解質層、空気電極層及び他方の支持基板が順番に積層された５層構造が採用され、機械構造的には固体電解質層の両面側に燃料電極層及び空気電極層を積層した３層構造の積層焼結体が、両面側から金属支持基板で挟まれ固定された、両面金属支持型構造が採用される。この両面金属支持型の単電池セルは、例えば３層構造の積層焼結体の両面側に、接合材を兼ねるペースト状の電気的コンタクト材を介して支持基板を重ね合わせ、積層方向に加圧した状態で、ペースト焼結化のための加熱を行うことにより製造される。或いは一方の支持基板の上に、燃料電極層、固体電解質層及び空気電極層を順番に積層した後、その上に接合材を兼ねるペースト状の電気的コンタクト材を介して他方の支持基板を重ね合わせ、積層方向に加圧した状態で、ペースト焼結化のための加熱を行うことにより製造される。

これらの加熱は、通常は大気雰囲気で行われるが、燃料電極側にのみ水素などの還元ガスを通して還元雰囲気で行うこともできる。そして、ここにおける単電池セルの加熱は、重ね合わせ枚数が少なく、厚さも薄いため、小さな締め付け治具を用いて小さな加熱炉やベルト搬送型などの連続炉で簡単かつ確実に行うことができる。すなわち、単電池セル製造のために基板接合作業が必要になるものの、その作業は簡単で低コストである。

セルスタックへの組立では、インターコネクタと交互に積層し接合一体化するが、接合部が金属同士の接合となるため、その接合を低温・低荷重のろう付けなどで簡単かつ確実に行うことができる。また、金属は表面に平行な方向の通電が可能であるため、仮に部分的に接合不良の箇所ができても、接合部分に電流が集中するおそれはない。したがって、セルスタックの組立作業が簡単で低コストとなり、単電池セル製造のための基板接合作業を考慮しても、経済性及び品質が向上する。

両面側の金属支持基板が極板として機能するために、単電池セルの段階で電池として完成し、電池性能試験を行うことができ、不良セルをセルスタックに混入させる危険がない。このため、性能試験での歩留りが飛躍的に向上する。

これに加えて、両面金属支持型の単電池セルは、金属という同種材質の機械的な主要構成部材が両面側に対称的に配置され、両面側の主要構成部材の熱膨張係数が揃うため、反りが発生しにくい。更に、金属支持基板の熱膨張係数が燃料電極の熱膨張係数に近いことも、反りの発生を抑えるのに有利に働く。ちなみに、燃料電極支持型の単電池セルの場合は、燃料電極の熱膨張係数が固体電解質や空気電極の側よりも相当に大きく、両面側の熱膨張係数が不揃いとなるため、焼結後に常温へ戻したときに反りが発生する。

単電池セルの反りが少ないことは、積層時の密着性が上がり、作業性及び接合品質が向上する。また仮に接合が不十分であっても、これが製品品質に直接影響しないことは前述したとおりである。すなわち、本発明の燃料電池用単電池セルは、多種多様な方面から積層作業性及び積層品質を改善する。

本発明の燃料電池用単電池セルにおける支持基板は、例えば板厚方向の通ガス性を有する金属板とすることができる。具体的には、多数の貫通孔をエッチングやプレス加工などで設けた多孔板であり、或いは金属粒を焼結した多孔質の板体である。

また、この支持基板は、金属であることにより、インターコネクタを兼ねる構成とすることができる。具体的には、一方の表面にインターコネクタ用のガス分配溝が形成されており、その溝形成面が電極層の表面に密着接合されると共に、反対側の表面同士が背中合わせに接合されてインターコネクタを構成するインターコネクタ兼用の金属板である。この支持基板を使用する場合は、従来から使用されているインターコネクタは不要になり、前述した板厚方向の通ガス性を有する金属板を省略することもできる。

支持基板の材質としては、燃料電池の運転温度に耐えることは勿論、基板接合のための高温加熱に耐える必要から、Ｆｅ−Ｃｒ合金やＮｉ系、Ｃｒ系などの耐熱金属が好ましい。

支持基板の厚みは１ｍｍ以下が好ましく、０．５ｍｍ以下が特に好ましい。なぜなら厚くなるとセルスタックの積層高さが大きくなり、また重量も増加するためである。支持基板の厚みの下限については機械的強度、特に剛性の確保の点から０．０２ｍｍ以上が好ましく、０．１ｍｍ以上が特に好ましい。

また、両側の支持基板は同じ厚さであることが望ましく、厚さが異なる場合も５倍程度までが好ましい。両側の支持基板の厚さが異なることにより剛性差が生じ、加圧して焼結するときに同じだけ変形せず、これが歪みとして残る可能性があるからである。

本発明の燃料電池用単電池セルは、固体電解質層の両面側に燃料電極層及び空気電極層を積層した３層構造の積層焼結体が、両面側から金属支持基板で挟まれ固定された、両面金属支持型構造を採用するため、セルスタックへの積層接合作業が容易で経済的である。しかも接合部での局部的な電流集中を回避でき、燃料電池寿命を延長することができる。また、セルスタック製造のための加熱コストを節減でき、この点からも経済性に優れる。更に、単電池セルの段階で電請能試験を実施できるため、電池性能試験での歩留りを改善することもできる。

以下に本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の一実施形態を示す燃料電池用単電池セルの縦断面図、図２は同単電池セルの構造を分解して示す縦断面図、図３は同単電池セルを使用したセルスタックの縦断面図である。

図１に示すように、本実施形態の単電池セル１０は、一方（図では下側）の円板状の支持基板１２の上に、円板状の燃料電極層１１ａ、円板状の固体電解質層１１ｂ、円板状の空気電極層１１ｃを順番に積層し、更にその上に他方（図では上側）の円板状の支持基板１２を積層した５層構造を採用しており、特に本実施形態では、図２に示すように、固体電解質層１１ｂの両面側に燃料電極層１１ａ及び空気電極層１１ｃをそれぞれ積層した３層構造のセル本体１１と、セル本体１１の両面側にそれぞれ接合固定された１組の金属からなる支持基板１２，１２とを組合せたサンドイッチ型の５層構造を採用している。

セル本体１１は、従来の燃料電極支持型単電池セルに相当するものであり、基板となる薄い円板状の燃料電極層１１ａの一方の表面に薄い固体電解質層１１ｂを積層し、更にその上に薄い空気電極層１１ｃを積層した円板形状の焼結体である。

燃料電極層１１ａは、例えばＮｉとＹＳＺのサーメットからなり、その厚みは０．５〜２ｍｍである。前記サーメットの熱膨張係数はフェライト系ステンレス鋼と同じ約１２×１０^-6Ｋ^-1である。固体電解質層１１ｂは例えばＹＳＺからなり、その厚みは５〜３０μｍである。ＹＳＺの熱膨張係数は前記サーメットより小さい約１０×１０^-6Ｋ^-1である。通常、燃料電極支持型の単電池セルでは燃料電極と固体電解質を同時に焼結する共焼結法が採用され、その焼結温度は１３００℃前後である。空気電極層１１ｃは、例えばＬＳＭからなり、その厚みは２０〜５０μｍである。ＬＳＭの焼成温度は９００℃程度、熱膨張係数は前記ＹＳＺと同等の約１０×１０^-6Ｋ^-1である。

このようなセル本体１１は、燃料電極層１１ａと固体電解質層１１ｂが同時に焼結され、その後に空気電極層１１ｃがスクリーン印刷等で固体電解質層１１ｂの表面に塗布され、燃料電極層１１ａと固体電解質層１１ｂの共焼結温度よりも低い温度で焼結されることにより製造される。特に、燃料電極層１１ａと固体電解質層１１ｂを焼結した後、熱膨張差により常温に戻したときに反りが発生することは前述したとおりである。反りの方向は熱膨張係数が大きい燃料電極層１１ｃが厚く伸縮に支配的となるため、この燃料電極層１１ａが冷却過程で大きく縮み、空気電極層１１ｃの方向へ凸となる。

セル本体１１の中心部には、燃料ガス及び酸化ガスをそれぞれ通過させるために２種類の貫通孔が設けられており、同様の貫通孔は、後述する支持基板１２，１２にも設けられている。

支持基板１２，１２は、セル本体１１より大径の円形金属板からなり、板厚方向のガス流通機能を付与するために電池反応領域に板厚方向の貫通孔を多数有した多孔板とされている。電池反応領域以外の領域においては、前記貫通孔の部分を除き、板厚方向の貫通孔は設けられていない。支持基板１２，１２の材質はセル本体１１との接合温度に耐える必要からＦｅ−Ｃｒなどの耐熱合金とされている。板厚は０．１〜０．５ｍｍであり、貫通孔の孔径は０．０２〜１．０ｍｍで開口率は３０〜６０％である。貫通孔の形状は対向する２つの内面間の距離が０．０２〜１．０ｍｍで開口率が３０〜６０％の六角孔でもよく、その形状を限定するものではない。熱膨張係数はＦｅ−Ｃｒの場合で１２〜１３×１０^-5Ｋ^-1である。

両側の支持基板１２，１２は同じ厚みであり、機械的接合材を兼ねる電気的コンタクト材１３，１３を介してセル本体１１の両表面にそれぞれ密着接合されている。電気的コンタクト材１３，１３としては、燃料電極層１１ａと同側の支持基板１２との間ではＮｉ粉などの金属粉末をバインダーと混合したペーストが使用され、空気電極層１１ｃと同側の支持基板１２との間では銀粉末や銀合金粉末、電気伝導性の良い酸化ニオブなどの酸化物粉末、ＬＳＭなどのペロブスカイト型の酸化物粉末をバインダーと混合したペーストが使用され、金属粉の場合は酸化物と混合使用される。

そして、これらのペーストを支持基板１２，１２の各接合面、或いはセル本体１１の両表面、若しくはそれらの両方に塗布し、そのペーストが乾燥しない流動状態の間に支持基板１２、セル本体１１及び支持基板１２を積層し、締め付け治具のエンドプレート間に挟んで積層方向に加圧し仮固定する。この加圧固定により、ペーストが隙間に充填される。加圧後は積層体を加熱炉に入れ、ペーストを焼結化するための高温加熱を行う。このようにして、両側の支持基板１２，１２はセル本体１１の両表面に電気的コンタクト材１３，１３を介して密着接合される。なお、大気中の加熱では、燃料電極層１１ａに含まれるＮｉは通常、酸化ニッケルとなっているが、電気的コンタクト材１３により接合可能である。

ペーストの焼結温度は、燃料電極層１１ａと同側の支持基板１２との間に塗布されるＮｉ粉型の電気的コンタクト材１３、及び空気電極層１１ｃと同側の支持基板１２との間に塗布されるＬＳＭ型のペロブスカイト型の電気的コンタクト材１３の焼結が促進される温度であり、具体的には電池運転温度よりも５０〜２００℃高い８５０〜９５０℃程度である。支持基板１２，１２はこの焼結温度に耐える材質で構成される。ちなみに、当該燃料電池の運転温度は７００〜８００℃程度である。

セル本体１１の両面への支持基板１２，１２の密着接合により、両面金属支持型の単電池セル１０が完成する。支持基板１２，１２を接合する手順としては、燃料電極側の支持基板１２の上にセル本体１１を形成して先ず片面金属支持型の単電池セルを作製し、その空気電極層１１ｃの表面に空気電極側の支持基板１２を接合する順序でもよく、セル本体１１を焼成する段階で両側の支持基板１２，１２を同時に接合する順序でもよい。これらの場合は、基板接合温度より高いセル本体１１の焼成温度に耐える材質が支持基板１２，１２に必要となる。

なお、セル本体１１の外周側にはシールリング１４が設けられている。シールリング１４は酸化マグネシウム系スピネルなどの電気的絶縁材からなり、シリカ系の結晶化ガラスなどからなるシール材１５，１５により支持基板１２，１２の外周部対向面に接合されている。このシールリング１４はペーストの焼結前に組み込まれ、ペーストの焼結化と同時にシール材１５，１５の焼結化も行うことにより接合固定され、燃料電池の運転中にセル本体１１の特に燃料電極層１１ａが外周部から酸化するのを防止する。

完成した両面金属支持型の単電池セル１０は、図３に示すセルスタックに組み立てられる。このセルスタックでは、金属からなる所定枚数のインターコネクタ２０，２０・・を、各間に単電池セル１０を挟みながら積み重ね、燃料電池運転温度でも緻密な焼結化を期待できる銀、銀合金、ニッケル合金などの金属粉ペーストやろう材、更には溶接などで接合固定することにより構成されている。

インターコネクタ２０，２０・・は、単電池セル１０と同じ外径の金属円板であり、単電池セル１０の貫通孔に対応する燃料ガス用及び酸化ガス用の各貫通孔を中心部に有している。インターコネクタ２０，２０・・の材質は例えばフェライト系ステンレス鋼であり、その厚みは０．５〜１．５ｍｍである。

インターコネクタ２０，２０・・は、単電池セル１０の両面側に反応空間を形成するためのもので、所定枚数の単電池セル１０，１０・・を直列接続するための導電性連結板を兼ねており、エンドプレートを兼ねる両端のものを除き同じ構造である。すなわち、２枚のインターコネクタ２０，２０間に挟まれるものは全て同じ構造であり、単電池セル１０の燃料電極側の表面に対向する表面には、燃料ガスを中心部の貫通孔から外周部へ拡散させながら流通させる燃料ガス用のガス分配溝２１が設けられている。また、単電池セル１０の空気電極側の表面に対向する表面には、空気等の酸化ガスを中心部の貫通孔から外周部へ拡散させながら流通させる酸化ガス用のガス分配溝２２が設けられている。

両端のインターコネクタ２０，２０の一方は、単電池セル１０の燃料電極側の支持基板１２に接合されており、その接合面には、燃料ガスを中心部の貫通孔から外周部へ拡散させながら流通させる燃料ガス用のガス分配溝２１が設けられている。他方は単電池セル１０の空気電極側の支持基板１２に接合されており、その接合面には、酸化ガスを中心部の貫通孔から外周部へ拡散させながら流通させる酸化ガス用のガス分配溝２２が設けられている。

セルスタックを組み立てるための単電池セル１０とインターコネクタ２０の接合は、金属同士の接合（例えばＦｅ−Ｃｒ合金とフェライト系ステンレス鋼の接合）となるため、前述したように、燃料電池運転温度でも緻密な焼結が可能な銀ペーストなどの汎用材料、及びろう付けや溶接などの汎用技術を利用できる。

このような構成の単電池セル１０及びこれを用いたセルスタックの特徴は以下のとおりである。

単電池セル１０は両面側に機械的な主要構成部材である金属製の支持基板１２，１２を対称的に配置した両面金属支持構造を採用しているため、製造過程での反りが少ない。支持基板１２，１２を接合する作業が必要なものの、セル単位の作業となるため、確実にかつ経済的に行うことができる。

単電池セル１０をセルスタックに組み立てる場合、単電池セル１０とインターコネクタ２０と接合が金属同士の接合となるため、その接合が簡単かつ確実であり、単電池セル１０における基板接合作業を考慮しても経済性が高い。具体的には、接合面に焼結しやすい金属粉ペーストやろう材をコーティングしておき、単電池セル１０とインターコネクタ２０を重ねて、燃料電池運転温度で焼結を進めるか、或いは比較的低温で加熱しろう付けすればよく、溶接でもよい。

また、単電池セル１０とインターコネクタ２０との間の接合が確実となるため、この間に不良箇所が生じ難い。しかも、支持基板及びインターコネクタを構成する金属は単電池セル１０におけるセル本体１１と異なり表面に平行な方向に電気が通じるため、接合不良箇所が生じても、これが電気的導通の支障になることはなく、ために部分的な溶接接合も可能になる。したがって、接合品質の高いセルスタックが製造される。

単電池セル１０は両側に極板として機能する支持基板１２，１２を有しているので、セルスタックに組み立てる前のセル単独状態で電池性能試験を実施することができ、この段階で不良品を排除することができる。このため、セルスタックには良品のみを使用することが可能となり、単電池セル１０の不良に起因するセルスタックの不良が生じなくなり、セルスタックの製造における歩留りが飛躍的に向上する。

図４は本発明の他の実施形態を示す単電池セル及びこれを用いたセルスタックの縦断面図である。

本実施形態は、図１〜図３に示した実施形態と比べて次の点が相違する。単電池セル１０における支持基板１２，１２の構造が相違し、インターコネクタ２０を兼ねるものになっている。このため、セルスタックにおいては、インターコネクタ２０は省略されている。

インターコネクタ２０を兼ねる支持基板１２，１２について説明すると、支持基板１２，１２はセル本体１１の両面に密着接合されている。支持基板１２，１２の中心部には、前述した単電池セル１０の支持基板１２，１２と同様に、燃料ガス及び酸化ガスをそれぞれ通過させるために２種類の貫通孔が設けられている。

燃料電極層１１ａに接合される支持基板１２の接合面には、燃料ガスを中心部の貫通孔から外周部へ拡散させながら流通させる燃料ガス用のガス分配溝１２ａが設けられている。反対側の表面は平坦面である。空気電極層１１ｃに接合される支持基板１２の接合面には、空気等の酸化ガスを中心部の貫通孔から外周部へ拡散させながら流通させる酸化ガス用のガス分配溝１２ｂが設けられている。反対側の表面は平坦面である。

セルスタックの組立においては、インターコネクタ２０を使用せずに、単電池セル１０のみを同じ向きに所定枚数積層し接合する。隣接する単電池セル１０，１０の間では、燃料電池側の支持基板１２と空気電極側の支持基板１２の平坦面同士が接合され、インターコネクタ２０が形成される。ここにおける接合は支持基板１２，１２同士の接合、すなわち同種金属同士の接合（例えばステンレス鋼板同士の接合）となり、前述した単電池セル１０とインターコネクタ２０との接合（例えばばＦｅ−Ｃｒ合金とフェライト系ステンレス鋼の接合）よりも更に簡単かつ確実となる。

更にインターコネクタ２０としての独立した部材が不要となり、図２に示したセルスタックと比べて、部品点数の低減及びこれによる接合工数の低減、経済性の向上が可能になる。

他の利点については図１〜図３に示した単電池セル及びセルスタックと同じである。

本発明の一実施形態を示す燃料電池用単電池セルの縦断面図である。同単電池セルの構造を分解して示す縦断面図である。同単電池セルを使用したセルスタックの縦断面図である。本発明の他の実施形態を示す単電池セル及びこれを用いたセルスタックの縦断面図である。

符号の説明

１０単電池セル
１１セル本体
１１ａ燃料電極層
１１ｂ固体電解質層
１１ｃ空気電極層
１２支持基板
１２ａ，１２ｂガス分配溝
１３電気的コンタクト材
１４シールリング
１５シール材
２０インターコネクタ
２１，２２ガス分配溝

Claims

セルスタックに積層される前の単電池セルであって、固体電解質層と、電解質層の一方の表面に形成された燃料電極層と、電解質層の他方の表面に形成された空気電極層と、両方の電極層の各表面に密着接合されており、且つ発電のためのガス流通を阻害しない一組の金属からなる支持基板とを具備することを特徴とする燃料電池用単電池セル。
前記支持基板は、板厚方向の通ガス性を有する金属板である請求項１に記載の燃料電池用単電池セル。
前記支持基板は、一方の表面にインターコネクタ用のガス分配溝が形成されており、その溝形成面が前記電極層の表面に密着接合されると共に、反対側の表面同士が背中合わせに接合されてインターコネクタを構成するインターコネクタ兼用の金属板である請求項１に記載の燃料電池用単電池セル。
前記支持基板は厚みが１ｍｍ以下である請求項１に記載の燃料電池用単電池セル。