JP2007134230A - 燃料電池セル、燃料電池セルスタック及び燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】セルあたりの発電電圧が高く、かつ燃料ガスの流れがどのセルに対しても均等になるような構造を備えることにより、発電能力に優れた燃料電池セルを提供する。
【解決手段】燃料電池セルは、ガス流路を内部に備える電気絶縁性の多孔質支持体と、前記多孔質支持体の表面に、縦縞状に複数形成され、それぞれが内側電極、固体電解質及び外側電極を積層した構造を有する発電素子部１３と、前記発電素子部１３の内側電極と、隣接する発電素子部１３の外側電極とを直列につなぐ素子間接続部材とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体電解質形燃料電池セル、燃料電池セルを集積した燃料電池セルスタック、及び当該燃料電池セルスタックを具備する燃料電池に関するものである。

近年、次世代エネルギーとして、燃料電池セルを複数接続してなる燃料電池セルスタックを、収納容器に収容した燃料電池が種々提案されている。このような燃料電池セルとしては、固体高分子形燃料電池セル、リン酸形燃料電池セル、溶融炭酸塩形燃料電池セル、固体電解質形燃料電池セルなど、各種のものが知られている。とりわけ、固体電解質形燃料電池セルは、発電効率が高く、また、作動温度が７００℃〜１０００℃と高いため、その排熱を利用ができるなどの利点を有しており、研究開発が推し進められている。

図７は、従来公知の固体電解質形燃料電池セルの一部を示す拡大縦断面である（例えば、特許文献１参照）。この固体電解質形燃料電池セルは、「横縞型」といって、多孔質絶縁体である円筒状の支持体２１の表面に、燃料極２３ａ、固体電解質２３ｂ及び空気極２３ｃが順次積層された多層構造の発電素子部２３を、図７に示す発電素子部２３の短辺の延びる方向（図７の矢印Ｇの方向）に所定間隔をおいて複数形成することにより構成されている。

互いに隣接する発電素子部２３は、それぞれ素子間接続部材（インターコネクタ）２４により電気的に直列に接続されている。すなわち、一方の発電素子部２３の燃料極２３ａと他方の発電素子部２３の空気極２３ｃとが、素子間接続部材２４により接続されている。
また、支持体２１に絶縁体を用いて、各発電素子部２３間の電気的ショートを防いでいる。また、支持体２１の内部には１本又は複数本のガス流路２７が支持体２１の軸長方向Ｇに沿って形成されている。この軸長方向Ｇは、ガス流れ方向でもある。

前記燃料電池セルにおいて、固体電解質２３ｂの酸素イオン伝導性が、６００℃以上で高くなるため、このような温度で前記燃料電池セルの周囲に酸素を含むガス（空気）を流し、ガス流路２７に水素を含むガス（燃料ガス）を流すことにより、空気極２３ｃと燃料極２３ａとの酸素濃度差が大きくなり、空気極２３ｃと燃料極２３ａとの間で電位差が発生する。

この電位差により、酸素イオンは、空気極２３ｃから固体電解質２３ｂを通じて燃料極２３ａへ移動する。移動した酸素イオンが、燃料極２３ａで水素と結合して水となり、同時に燃料極２３ａで電子が発生する。
すなわち、空気極２３ｃでは、下記式（１）の電極反応を生じ、燃料極２３ａでは、下記式（２）の電極反応を生じる。

空気極２３ｃ： １／２Ｏ₂＋２ｅ^- →Ｏ^2- （１）
燃料極２３ａ： Ｏ^2-＋Ｈ₂ → Ｈ₂Ｏ＋２ｅ^- （２）
そして、燃料極２３ａと空気極２３ｃとを負荷に接続することにより、燃料極２３ａから空気極２３ｃへの電子の移動が起こり、両極間で起電力が生じる。
このように、固体電解質形燃料電池セルでは、酸素（空気）と水素（燃料ガス）を供給することにより、前記の反応を連続して起こし、起電力を生じさせて発電する。

なお、前記した燃料電池セルにおいては、燃料電池セルが直列につながれているため、総合起電力は、各燃料電池セルの起電力の和となり、燃料電池セルスタックから高い電圧が得られるのが特徴である。
特開平１０−００３９３２号公報

前述した横縞型燃料電池セルは、各発電素子部の配列方向と燃料ガスの流れとが同じ支持体２１の軸長方向Ｇである。
ところが、この構成では、燃料ガスの下流（図７の上方向）に位置する発電素子部に供給される水素量は、燃料ガスの上流（図７の下方向）に位置する発電素子部に供給される水素量よりも少なくなる。これは、上流の発電素子部によって水素が消費されるので、下流になるほど燃料ガスに含まれる水素量は減少していくからである。このため、下流の発電素子部では、水素量が不足する状態が生じる。この現象を「燃料枯れ」という。

発電素子部の特性として、燃料の供給量がある値を下回ると起電力が急激に低下して発電できなくなる。したがって、下流の発電素子部ほど発電能力が低下してしまう。
各発電素子部は、前述したように、互いに直列に接続されているため、一部の発電素子部の発電能力が低下すれば、セル全体の発電能力の低下につながる。
これは、燃料ガスの流れに対して、発電素子部の配置方向が同じ方向に設定されているために起こる問題である。

そこで、本発明は、セルあたりの発電電圧が高く、かつ燃料ガスの供給量がどの発電素子部に対しても均等になるような構造を備えることにより、発電能力に優れた燃料電池セル、燃料電池セルスタック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、ガス流路を内部に備える電気絶縁性の多孔質支持体と、前記多孔質支持体の表面に複数形成され、それぞれが内側電極、固体電解質及び外側電極を積層した構造を有する発電素子部と、前記発電素子部の内側電極と、同じ多孔質支持体に形成された隣接する発電素子部の外側電極とを直列につなぐための素子間接続部材とを備え、前記発電素子部間を流れる電流の向きが前記ガス流路の方向に対して垂直であることを特徴とする。

この構成によれば、電流の流れる方向は、燃料ガスの流れる方向とほぼ直角の方向になるので、言い換えれば、燃料ガスの流れる方向とほぼ直交する方向に複数の発電素子部が所定間隔をおいて配列され、さらに言い換えれば、燃料電池セルの軸長方向（燃料ガスの流れる方向）に伸びる発電素子部を、燃料ガスの流れる方向と直交する方向に所定間隔をおいて配列したので、ガス流路を流れる燃料ガスの下流側へのガス供給量が減少して発電素子部の一部の発電量が低下しても、それがボトルネックにならず、各発電素子部の発電量はほぼ同一になる。したがって、燃料電池セルにおける発電能力の低下を防止できるとともに、燃料電池セルの寿命を延ばすことができる。

前記発電素子部が、前記ガス流路の方向に延びた矩形形状を有していれば、多孔質支持体の上に、ガス流路形成方向と直行する方向に所定間隔をおいて互いに平行に配列することができ、発電素子部を前記多孔質支持体の上に高い密度で配置することができる。
また、前記発電素子部に、前記内側電極を発電素子部外に接続するための集電層が形成されていれば、この集電層と前記外側電極とから電気を外に取り出すことができ、複数の発電素子部を容易に直列接続できる。

前記多孔質支持体が、中空の板形状を有していれば、円筒タイプよりも燃料電池セルの体積当たりの発電素子部の面積を大きくし、その結果、燃料電池セルの体積当たりの発電量を大きくすることができる。また、中空形状であり、複数のガス流路をその内部に設けることが可能であるので、多孔質支持体の構造強度を向上させることができ、燃料電池セルの機械強度を高めることができる。

特に、前記発電素子部を、前記多孔質支持体の両面に設けていれば、発電素子部の総面積を最大にすることができ、しかも隣接する燃料電池セル同士を直列に接続することも簡単にできる。
前記素子間接続部材が接続されていない、両端の発電素子部には、セル間接続部材が接続されていることが好ましい。このセル間接続部材を介して、接続用の金属体を用いなくても、燃料電池セル同士を互いに接続することができる。

本発明の燃料電池セルスタックは、本発明の燃料電池セル同士が前記セル間接続部材を介して互いに接続されてなるものである。これにより、発電素子部が高密度に配置された、小型、高電圧、長寿命の燃料電池セルスタックを作製することができる。
本発明の燃料電池は、前記燃料電池セルスタックが、収納容器内に１又は複数収納されてなるものであり、信頼性の向上、寿命の長期化を実現することができる。

以下、本発明の実施の形態を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、燃料電池セル３の一実施形態を示す正面図であり、図２は、そのＡ−Ａ線断面図である。なお、図１では、セル間接続部材、素子間接続部材の記載は省略した。
図１及び図２において、燃料電池セル３は、細長い中空板状の多孔質支持体１１の表面に、この支持体１１の軸長方向すなわち燃料ガスの流れる方向に沿って、矩形形状の複数の発電素子部１３が形成されたものである。

この例では、発電素子部１３は、中空板状の多孔質支持体１１の片面に２個、他面に２個、合計４個形成されている。
複数の発電素子部１３は、それぞれ長辺と短辺とを有する細長い長方形状であり、その長辺の延びる方向が前記燃料ガスの流れる方向になっている。そして、隣り合う複数の発電素子部１３の長辺同士が対向している。

多孔質支持体１１は、図２に示すように、その内部に一流路以上（図中では６個）の独立したガス流路１２が発電素子部１３の長辺に沿った方向（図２の紙面に垂直な方向）、言い換えれば支持体１１の軸長方向に平行に設けられている。多孔質支持体１１は、発電素子部１３同士の電気的短絡を防止する観点から絶縁性である。
発電素子部１３は、内側電極としての燃料極１７、固体電解質１９、及び外側電極としての空気極１８が、多孔質支持体１１の表面に順次積層された構造を有しており、固体電解質１９を燃料極１７、空気極１８により挟持した部分が発電素子部とされている。前記固体電解質１９には発電素子部１３の長辺の方向に沿って開口部が設けられており、ここに導電性の集電層１４が形成されている。集電層１４は、燃料極１７の電荷を、隣接する発電素子部１３の表面に引き出す機能を有する。

発電素子部１３の詳細な構造について、図３を用いて説明する。図３は、発電素子部１３の詳細な構造を示す拡大断面図である。
多孔質支持体１１全体の表面には、支持体材料の拡散を防止するための拡散防止層１１ａが形成されている。その上に、発電素子部１３の形状に合わせて、水素ガスを透過させる燃料極１７が形成されている。燃料極１７は、この例では、集電燃料極１７ａと活性燃料極１７ｂとの２層で構成されている。

さらに燃料極１７の上には固体電解質１９が形成されている。この固体電解質１９は隣接する発電素子部１３との間にも形成され、隣接する発電素子部１３間を絶縁している。
固体電解質１９には発電素子部１３の長辺に沿った方向に延びる開口部が設けられており、この開口部に、燃料極１７から電気を取り出すための集電層１４が形成されている。集電層１４は、図３では、金属層１４ａと、ガラスの入った金属ガラス層１４ｂとの二層構造からなる。

なお、図３では、金属ガラス層１４ｂを用いたが、金属ガラス層１４ｂの代わりに従来公知の電気伝導性酸化物材料である、例えば、（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｒＯ₃、（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ₃、（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ₃等を用いることができる。
さらに、固体電解質１９の上には、空気極１８と固体電解質１９との反応を防止するための反応防止層２０を介して、空気極１８が形成されている。この空気極１８と前記集電層１４とから、発電素子部１３の正負の電気を取り出すので、空気極１８と集電層１４とは接触しないように配置される。

さらにこの上から、多孔質の素子間接続部材１５が形成されている。素子間接続部材１５は、１つの発電素子部１３の空気極１８と、これに隣接する他の発電素子部１３の集電層１４とを接続するための導電性の部材である。
この素子間接続部材１５は、発電素子部１３の長辺方向に沿って延びる一枚の部材であってもよく、発電素子部１３同士の複数箇所を接続する複数の部材からなっていてもよい。この素子間接続部材１５により、縦長の発電素子部１３同士が電気的に直列に接続される。

なお、多孔質支持体１１の片面に設けられた発電素子部１３と、同じ多孔質支持体１１の裏面に設けられた発電素子部１３とは、図２に示すように、素子間接続部材１５の回り込みによって、接続される。本明細書では、このような多孔質支持体１１の表裏面に設けられた発電素子部１３であっても、それらが素子間接続部材１５で接続されるならば、互いに「隣接」した関係にあるという。

以上説明したように、本発明の実施形態の燃料電池セル３において、隣接する発電素子部１３同士は、素子間接続部材１５により電気的に接続されている。すなわち、一方の発電素子部１３の燃料極１７は集電層１４を通して、素子間接続部材１５により、隣接する発電素子部１３の空気極１８と接続される構造となっている。
なお、多孔質支持体１１の同じ面に設けられたもう一方の発電素子部１３（図２に１３′で示す）の集電層１４は、隣の燃料電池セルに接続されるための極となる。また、同じ多孔質支持体１１の裏面に設けられたもう一方の発電素子部１３（図２に１３″で示す）の空気極１８も、隣の燃料電池セルに接続されるための極となる。これらの極をつなぐために形成された接続部材を、セル間接続部材１６という。

このように、燃料電池セル３の発電素子部１３の長辺の延びる方向に沿って設けられた複数の発電素子部１３の長辺同士が、素子間接続部材１５やセル間接続部材１６により接続されているので、電流の流れる方向は、発電素子部１３の長辺の延びる方向すなわち燃料ガスの流れる方向とほぼ直角の方向になる。したがって、発電素子部１３の下流側へのガス供給量が減少する燃料枯れが起って、発電素子部１３の下流側の発電量が低下しても、全体として、電流の流れる経路は確保されることになる。したがって、直ちに全体の発電能力の低下に結びつくことはなくなり、燃料電池セル３の寿命が長くなる。

この燃料電池セル３では、ガス流路１２内に水素を含む燃料ガスを流して多孔質支持体１１を還元雰囲気に曝し、かつ、空気極１８の表面に空気などの酸素含有ガスを流して空気極１８を酸化雰囲気に曝すことにより、燃料極１７及び空気極１８で、前記で説明した式（１）及び式（２）に示す電極反応が生じ、両極間に電位差が発生し、発電することができる。

また、この燃料電池セル３は、１つのセルあたり、複数の発電素子部１３を形成しているので、その数に応じて、燃料電池セル３当りの発電電圧を高くすることができる。そのため、少ないセル数で高い電圧を得ることができる。
また、前記多孔質支持体１１は板状の形状を有し、発電素子部１３をその両面に配置しているので、燃料電池セル３の体積当たりの発電素子部１３の面積を大きくし、その結果、燃料電池セル３の体積当たりの発電量を大きくすることができる。そのため、必要とする発電量を得るための燃料電池セル３の個数を低減することができる。その結果、構造が簡易になり、組み立てが簡単になるとともに、燃料電池セル３の信頼性を向上することができる。

また、前記多孔質支持体１１は、中空形状であり、その内部には複数のガス流路１２を設けることが可能であるため、多孔質支持体１１の構造強度を向上させることができ、燃料電池セルの機械強度を高めることができる。そのため、燃料電池セルのハンドリングが容易になり、燃料電池セルスタックや燃料電池の組み立てが容易になるとともに、燃料電池セルの優れた信頼性を確保することができる。

なお、図１において、多孔質支持体１１の長径寸法（両端の弧状部間の距離に相当）Ｄは、例えば１５ｍｍ〜８０ｍｍ、好ましくは３０ｍｍ〜８０ｍｍの範囲であり、その高さ寸法Ｈは、例えば１００ｍｍ〜３００ｍｍ、好ましくは１５０ｍｍ〜２５０ｍｍの範囲である。
また、多孔質支持体１１は、その開気孔率が、例えば、２５％以上、好ましくは、３０％〜４５％の範囲に設定するとよい。これにより、ガス流路１２内の燃料ガスを、燃料極１７の表面まで導入することができる。

以下、燃料電池セル３の材料・組成を説明する。
多孔質支持体１１の組成として、次のような例を挙げることができる。多孔質支持体１１は、Ｎｉを、ＮｉＯ換算で６〜２２ｍｏｌ％含有し、Ｙ及び／又はＹｂを、Ｙ₂Ｏ₃又はＹｂ₂Ｏ₃換算で５〜１５ｍｏｌ％含有し、Ｍｇを、ＭｇＯ換算で６８〜８４ｍｏｌ％含有している。このような組成としたのは、固体電解質との収縮率差を小さくでき、固体電解質の割れを防止することができるからである。

集電燃料極１７ａは、主に発電した電流を集電層１４、接続部材１５、１６に流すための機能を有するもので、多孔質の導電性サーメットから形成されている。この多孔質の導電性サーメットは、例えば、Ｎｉと希土類元素酸化物から構成されている。希土類元素酸化物としては、特にＹ₂Ｏ₃、Ｙｂ₂Ｏ₃が望ましい。
活性燃料極１７ｂは、多孔質の導電性サーメットから形成されている。この多孔質の導電性サーメットは、例えば、希土類元素が固溶しているＺｒＯ₂（安定化ジルコニア）と、Ｎｉ及び／又はＮｉ酸化物（ＮｉＯなど）とからなっている。また、安定化ジルコニアとしては、固体電解質１９の材料と同様のものを用いることもできる。

活性燃料極１７ｂにおいて、安定化ジルコニアの配合割合は、活性燃料極１７ｂの総量に対して、３５体積％〜６５体積％の範囲が好ましく、Ｎｉ及び／又はＮｉ酸化物の配合割合は、活性燃料極１７ｂの総量に対して、３５体積％〜６５体積％の範囲が好ましい。また、活性燃料極１７ｂは、その開気孔率が、例えば、１５％以上、好ましくは、２０％〜４０％の範囲であり、厚さは、良好な集電性能を発揮させるため、例えば、１μｍ〜１００μｍの範囲である。

固体電解質１９は、希土類又はその酸化物を固溶させた安定化ＺｒＯ₂からなる緻密質のセラミックスで形成されている。
ここで、固溶させる希土類元素又はその酸化物としては、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕなど、又は、これらの酸化物などが挙げられる。好ましくは、Ｙ、Ｙｂ、又は、これらの酸化物が挙げられる。

具体的には、固体電解質１９として、８モル％のＹが固溶している安定化ＺｒＯ₂（８ｍｏｌ％ Yttria Stabilized Zirconia、以下「８ＹＳＺ」とする）が挙げられる。また、収縮率が８ＹＳＺとほぼ等しいランタンガレート系（ＬａＧａＯ₃系）固体電解質を挙げることもできる。
固体電解質１９は、例えば、厚さが１０μｍ〜１００μｍであり、例えば、相対密度（アルキメデス法による）が９３％以上、好ましくは、９５％以上の範囲に設定される。

このような固体電解質１９は、電極間の電子の橋渡しをする電解質としての機能を有すると同時に、燃料ガス又は酸素含有ガスのリーク（ガス透過）を防止するためにガス遮断性を有している。
空気極１８は、多孔質の導電性セラミックスから形成されている。
導電性セラミックスとしては、例えば、ＡＢＯ₃型のペロブスカイト型酸化物が挙げられる。このようなペロブスカイト型酸化物としては、例えば、遷移金属型ペロブスカイト酸化物、好ましくは、ＬａＭｎＯ₃系酸化物、ＬａＦｅＯ₃系酸化物、ＬａＣｏＯ₃系酸化物など、特にＡサイトにＬａを有する遷移金属型ペロブスカイト酸化物を挙げることができる。さらに好ましくは、６００℃〜１０００℃程度の比較的低温での電気伝導性が高いという観点から、ＬａＣｏＯ₃系酸化物が挙げられる。また、前記したペロブスカイト型酸化物において、ＡサイトにＬａ及びＳｒが共存してもよく、また、ＢサイトにＦｅ、Ｃｏ及びＭｎが共存してもよい。

このような空気極１８は、前記した式（１）の電極反応を生ずることができる。
また、空気極１８は、その開気孔率が、例えば、２０％以上、好ましくは、３０％〜５０％の範囲に設定される。開気孔率が前記した範囲内にあれば、空気極１８が良好なガス透過性を有することができる。
また、空気極１８は、その厚さが、例えば、３０μｍ〜１００μｍの範囲に設定される。前記した範囲内にあれば、空気極１８が良好な集電性を有することができる。

集電層１４は、一方の発電素子部１３の燃料極１７と他方の発電素子部１３の空気極１８とを電気的に接続するものであり、集電層１４は、金属層１４ａと、ガラスの入った金属ガラス層１４ｂとの二層構造からなる。金属層１４ａは、例えば、ＡｇとＮｉの合金からなり、金属ガラス層１４ｂは、Ａｇとガラスからなる。金属ガラス層１４ｂにより、多孔質支持体１１内のガス流路１２を通る燃料ガスと空気極１８の外部を通る酸素含有ガスとのリークを有効に防止することができる。金属ガラス層１４ｂの代わりに、上記したように、従来公知の電気伝導性酸化物材料からなる層を用いることができる。

なお、前記した実施形態においては、発電素子部１３の内側電極が燃料極１７であって、外側電極が空気極１８である多層構造を有しているが、両電極の位置関係を逆としてもよい。すなわち、多孔質支持体の表面に、空気極、固体電解質、燃料極を順次積層された発電素子部を形成することもできる。この場合、多孔質支持体のガス流路内には、空気などの酸素含有ガスが流され、外側電極としての燃料極の表面には、水素などの燃料ガスが流されることになる。

次に、前記した燃料電池セル３（特に発電素子部１３）の製造方法について、図４（ａ）から図４（ｉ）を参照して説明する。なお、以下では焼成前の部材（成形体）であっても、焼成後でき上がった部材の名称・番号を付すことがある。
まず、支持体成形体を作製する。支持体成形体の材料として、体積基準での平均粒径（Ｄ₅₀）（以下、単に「平均粒径」とする。）が０．１μｍ〜１０．０μｍのＮｉＯ粉末、Ｙ₂Ｏ₃又はＹｂ₂Ｏ₃粉末、ＭｇＯ粉末を所定の比率で配合して混合する。この混合粉末に、ポアー剤と、セルロース系有機バインダーと、水とからなる溶媒とを混合し、押し出し成形して、内部にガス流路を有する中空の板状形状で、扁平状の支持体成形体を作製し、これを乾燥後、９００℃〜１１００℃にて仮焼処理して支持体成形体１１を作製する。

次いで、集電燃料極材料を用意する。例えば、ＮｉＯ粉末と、Ｙ₂Ｏ₃などの希土類元素酸化物粉末とを混合し、これにポアー剤を添加し、アクリル系バインダーとトルエンとを混合してスラリーとし、ドクターブレード法にてスラリーを塗布して乾燥し、厚さ５０μｍ〜６０μｍの集電燃料極テープ１７ａを作製する。この集電燃料極テープを、発電素子部１３の形状にあわせて切断し、絶縁体を形成する部分を打ち抜く（図４（ａ））。

次に、例えば、ＮｉＯ粉末と、Ｙ₂Ｏ₃などの希土類元素酸化物が固溶したＺｒＯ₂粉末とを混合し、これにポアー剤を添加し、アクリル系バインダーとトルエンとを混合してスラリーとし、このスラリーを集電燃料極テープ１７ａ上に塗布し、活性燃料極１７ｂを印刷する（図４（ｂ））。
その後、図４（ｃ）に示すように、活性燃料極１７ｂが印刷された矩形状の集電燃料極テープ１７ａを、仮焼した支持体成形体１１に、拡散防止層１１ａを介して貼り付ける。これを繰り返し行い、支持体成形体１１の表面に複数の集電燃料極テープ１７ａを貼り付ける。なお、このとき一方の集電燃料極テープ１７ａと、他方の集電燃料極テープ１７ａとは、幅３ｍｍ〜２０ｍｍの間隔をあけて配置する。

次に、この集電燃料極テープ１７ａを貼り付けた状態で、支持体成形体１１を乾燥し、その後、９００℃〜１２００℃の温度範囲で仮焼する（図４（ｃ））。
燃料極１７の、集電層１４を形成したい部分に、マスキングテープ２１を貼り付ける（図４（ｄ））。
次に、この積層体を、８ＹＳＺ（８モル％のＹが固溶したＺｒＯ₂粉末）にアクリル系バインダーとトルエンを加えてスラリーとした固体電解質溶液に漬けて、固体電解質溶液から取り出す。このディップにより、全面に固体電解質１９の層が塗布されるとともに、前記（ａ）で打ち抜いた空間にも絶縁体である固体電解質１９が充填される。

この状態で、８００℃、１時間仮焼する。この仮焼中に、マスキングテープ２１とその上に塗布された固体電解質４の層を除去することができる（図４（ｅ））。
次に空気極の形成部分に反応防止層２０を塗布して１４８０℃で、２時間焼成する（図４（ｆ））。
その反応防止層１１の上から、ランタンコバルタイト（ＬａＣｏＯ₃）とイソプロピルアルコールとを混合したスラリーを印刷し、厚さ１０μｍ〜１００μｍの空気極１８を形成する。そして、１０５０℃、２時間焼き付ける（図４（ｇ））。

そして、集電層１４を形成したい部分にＡｇ／Ｎｉからなる金属層１４ａを貼り付け、さらにＡｇとガラスからなる金属ガラス層１４ｂを貼り付け（図４（ｈ））、その後、１０００℃〜１２００℃で熱処理を行う。
最後に、素子間接続部材１５、セル間接続部材１６を所定位置に塗布して、燃料電池セル３を得ることができる。

次に、前記した燃料電池セル３を用いて組み立てられる燃料電池セルスタック４について、図５、図６を参照して説明する。
図５は、前記した燃料電池セル３を複数組み合わせた燃料電池セルスタック４の接続構造を示す断面図であり、図６は、燃料ガスマニホールド２に装着された燃料電池セルスタック４の斜視図である。

図５に示すように、燃料電池セル３は、千鳥状に配設されており、隣接するセル同士は、表裏面に形成されたセル間接続部材１６を介して接続されている。
即ち、一方の燃料電池セル３の端部に設けられたセル間接続部材１６は、他方の燃料電池セル３の端部に設けられたセル間接続部材１６と、集電用の金属部材を介することなく直接に接触し導通している。

このようなセル間接続部材１６を介した接続が、複数の燃料電池セル３に対して行われる結果、燃料電池セルスタック４は、燃料電池セル３同士が直列に接続された構造となる。
このように、前記した燃料電池セル３が、セル間接続部材１６を介して直接に接続されているので、セル間を接続するための集電用金属部材が必要なくなるので、燃料電池セル３を密に配置することができる。このため、単位発電量当たりの燃料電池セルスタック４の体積を小さくすることができ、小型で、熱効率の高い燃料電池セルスタック４を提供することができる。

セル間接続部材１６の材質は、前記した燃料電池セル３同士を電気的に接続するものであれば特に制限されず、例えば、素子間接続部材１５と同様の材料から形成される。
なお、セル間接続部材１６とセル間接続部材１６との接続部に、ＡｇやＰｔなどの貴金属を含有するペーストなどの導電性接着剤を塗布することにより、接続信頼性を向上させることもできる。また、導電性接着剤としては、経済的な観点から、好ましくは、Ｎｉ金属を含有するペーストが挙げられる。

燃料電池セルスタック４は、図６に示すように、一方向に細長く延びる直方体形状の燃料ガスマニホールドに挿入され固定されている。
前記燃料ガスマニホールド２の上壁は、耐熱性のガラス等で形成されている。この燃料ガスマニホールド２の上壁には短手方向に延びる複数個のスリットが形成されており、多孔質支持体１１の各々に形成されている燃料ガス通路１２がスリットを介して燃料ガスマニホールド２内の燃料ガス室に連通している。前記燃料電池セルの各々は、燃料ガスマニホールド２の上壁を構成する前記耐熱ガラスに対して、耐熱性に優れたセラミック接着剤などによって接合される。前記耐熱ガラスの材料として、例えばホウケイ酸ガラスを用いる。

この燃料ガスマニホールド２を含む燃料電池セルスタック４を複数集合して、発電ユニット集合体を組み立てる。この発電ユニット集合体に、発電ユニット集合体で発生した電力を燃料電池外に取り出すための電極を取り付けて、収容容器に収容して、燃料電池を製作する。
燃料電池の使用時、水素を含む燃料ガスを、導入管を通して燃料ガスマニホールドに導入する。一方、燃料電池セルスタック４の表面には、酸素を含む空気を導入する。燃料電池セル３を所定温度に加熱すれば、直列に接続された燃料電池セル３によって効率よく発電することができる。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。

以上で、本発明の実施の形態を説明したが、本発明の実施は、前記の形態に限定されるものではない。たとえば、図１に示した燃料電池セルでは、多孔質支持体１１は、中空板状以外に中空円筒状などの形状をしていてもよい。また、中空板状の多孔質支持体１１の片面に２個、他面に２個、合計４個形成されていたが、この数に限定されるものではない。

燃料電池セル３の一実施形態を示す正面図である。 図１の燃料電池セル３のＡ−Ａ線横断面図である。 発電素子部１３の詳細な構造を示す拡大断面図である。 発電素子部の製造工程を示す断面図である。 前記燃料電池セル３を複数組み合わせた燃料電池セルスタック４の接続構造を示す断面図である。 燃料電池セルスタック４の斜視図である。 従来公知の固体電解質形燃料電池セルの一部を示す拡大縦断面である。

符号の説明

２ 燃料ガスマニホールド
３ 燃料電池セル
４ セルスタック
１１ 多孔質支持体
１２ ガス流路
１３，１３′，１３″ 発電素子部
１４ 集電層
１５ 素子間接続部材
１６ セル間接続部材
１７ 燃料極
１８ 空気極
１９ 固体電解質

Claims (7)

1. ガス流路を内部に備える、電気絶縁性の多孔質支持体と、
   前記多孔質支持体の表面に複数形成され、それぞれが内側電極、固体電解質及び外側電極を積層した構造を有する発電素子部と、
   前記発電素子部の内側電極と、同じ多孔質支持体に形成された隣接する発電素子部の外側電極とを直列につなぐための素子間接続部材とを備え、
   前記発電素子部間を流れる電流の向きが前記ガス流路の方向に対して垂直である、燃料電池セル。
2. 前記発電素子部は、前記ガス流路の方向に延びた矩形形状を有し、互いに平行に配列されている請求項１記載の燃料電池セル。
3. 前記多孔質支持体が、中空の板形状を有している請求項１又は請求項２記載の燃料電池セル。
4. 前記発電素子部は、前記多孔質支持体の両面に設けられている請求項３記載の燃料電池セル。
5. 前記多孔質支持体にはセル間接続部材が設けられ、
   前記素子間接続部材が接続されていない、両端の発電素子部には、当該セル間接続部材が接続されている請求項１から請求項４のいずれかに記載の燃料電池セル。
6. 請求項５記載の燃料電池セルが、前記セル間接続部材を介して互いに電気的に接続されてなる燃料電池セルスタック。
7. 請求項６記載の燃料電池セルスタックが、収納容器内に１又は複数収納されてなる燃料電池。

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