JP2007157370A - 横縞型燃料電池セルおよび燃料電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】複数の発電素子間の抵抗を小さくし、発電性能を向上することができる横縞型燃料電池セルおよび燃料電池を提供することである。
【解決手段】横縞型燃料電池セルは、ガス流路を内部に備えた電気絶縁性の多孔質支持体の表面に、内側電極、固体電解質および外側電極が順次積層された多層構造を有する発電素子を複数備え、一方の発電素子の内側電極と、該一方の発電素子に隣接する他方の発電素子の外側電極とが、素子間接続部材を介して電気的に接続され、前記複数の発電素子が直列に接続されている横縞型燃料電池セルにおいて、前記一方の発電素子の内側電極が、該内側電極よりも高い導電率を有する高導電率層を介して、前記素子間接続部材に接続されている。
【選択図】図１
【解決手段】横縞型燃料電池セルは、ガス流路を内部に備えた電気絶縁性の多孔質支持体の表面に、内側電極、固体電解質および外側電極が順次積層された多層構造を有する発電素子を複数備え、一方の発電素子の内側電極と、該一方の発電素子に隣接する他方の発電素子の外側電極とが、素子間接続部材を介して電気的に接続され、前記複数の発電素子が直列に接続されている横縞型燃料電池セルにおいて、前記一方の発電素子の内側電極が、該内側電極よりも高い導電率を有する高導電率層を介して、前記素子間接続部材に接続されている。
【選択図】図１
Description
本発明は、横縞型燃料電池セルおよび燃料電池に関する。
近年、次世代エネルギーとして、燃料電池セルを複数接続されてなるセルスタックを、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１２は、従来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。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１の表面に、燃料極層３ａ、固体電解質３ｂおよび空気極層３ｃが順次積層された多層構造の発電素子３を、支持体１の軸長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３は、それぞれ素子間接続部材４（「インターコネクタ」ともいう。）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３の燃料極層３ａと他方の発電素子３の空気極層３ｃとが、素子間接続部材４により接続されている。
また、支持体１の内部にはガス流路７が形成されている。
前記横縞型燃料電池セルにおいて、固体電解質３ｂの酸素イオン伝導性が６００℃以上で高くなるため、このような温度で空気極層３ｃに酸素を含むガスを流し、燃料極層３ａに水素を含むガスを流すことにより、空気極層３ｃと燃料極層３ａとの酸素濃度差が高くなり、空気極層３ｃと燃料極層３ａ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、空気極層３ｃから固体電解質３ｂを通じて燃料極層３ａへ移動する。移動した酸素イオンが、燃料極層３ａで水素と結合して水となり、同時に燃料極層３ａで電子が発生する。
すなわち、空気極層３ｃでは、下記式（１）の電極反応を生じ、燃料極層３ａでは、下記式（２）の電極反応を生じる。
空気極層３ｃ： １／２Ｏ2＋２ｅ- →Ｏ2- ・・（１）
燃料極層３ａ： Ｏ2-＋Ｈ2 → Ｈ2Ｏ＋２ｅ- ・・（２）
そして、燃料極層３ａと空気極層３ｃとを電気的に接続することにより、燃料極層３ａから空気極層３ｃ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、固体電解質形型燃料電池セルでは、酸素と水素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（例えば、特許文献１参照）。
特開平１０−００３９３２号公報
また、支持体１の内部にはガス流路７が形成されている。
前記横縞型燃料電池セルにおいて、固体電解質３ｂの酸素イオン伝導性が６００℃以上で高くなるため、このような温度で空気極層３ｃに酸素を含むガスを流し、燃料極層３ａに水素を含むガスを流すことにより、空気極層３ｃと燃料極層３ａとの酸素濃度差が高くなり、空気極層３ｃと燃料極層３ａ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、空気極層３ｃから固体電解質３ｂを通じて燃料極層３ａへ移動する。移動した酸素イオンが、燃料極層３ａで水素と結合して水となり、同時に燃料極層３ａで電子が発生する。
すなわち、空気極層３ｃでは、下記式（１）の電極反応を生じ、燃料極層３ａでは、下記式（２）の電極反応を生じる。
空気極層３ｃ： １／２Ｏ2＋２ｅ- →Ｏ2- ・・（１）
燃料極層３ａ： Ｏ2-＋Ｈ2 → Ｈ2Ｏ＋２ｅ- ・・（２）
そして、燃料極層３ａと空気極層３ｃとを電気的に接続することにより、燃料極層３ａから空気極層３ｃ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、固体電解質形型燃料電池セルでは、酸素と水素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（例えば、特許文献１参照）。
しかし、従来の横縞型燃料電池セルにおいては、未だ発電性能が低いという問題があった。この点について、本発明者らは、鋭意検討した結果、一方の発電素子３で発電した電流は、一方の発電素子３の燃料極層３ａ、素子間接続部材４を介して他方の発電素子３の空気極層３ｃに流れるが、燃料極層３ａは、水素を固体電解質へ供給するために多孔質であるため、発電素子間の燃料極層の抵抗が未だ大きく、発電性能が低いということがわかった。
本発明は、複数の発電素子間の抵抗を小さくし、発電性能を向上することができる横縞型燃料電池セルおよび燃料電池を提供することを目的とする。
本発明は、複数の発電素子間の抵抗を小さくし、発電性能を向上することができる横縞型燃料電池セルおよび燃料電池を提供することを目的とする。
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、発電素子間を高導電率層を介して接続することにより、発電素子間における抵抗が小さくなり、発電性能が高まることを見出して、本発明を完成させるに至った。
すなわち、本発明における横縞型燃料電池セルは、以下の構成を有する。
（１）ガス流路を内部に備えた電気絶縁性の多孔質支持体の表面に、内側電極、固体電解質および外側電極が順次積層された多層構造を有する発電素子を複数備え、一方の発電素子の内側電極と、該一方の発電素子に隣接する他方の発電素子の外側電極とが、素子間接続部材を介して電気的に接続され、前記複数の発電素子が直列に接続されている横縞型燃料電池セルにおいて、前記一方の発電素子の内側電極が、該内側電極よりも高い導電率を有する高導電率層を介して、前記素子間接続部材に接続されていることを特徴とする横縞型燃料電池セル。
（２）前記内側電極は、前記外側電極と対向しない位置で前記高導電率層に接続されていることを特徴とする（１）に記載の横縞型燃料電池セル。
（３）前記高導電率層は、内側電極材料より形成され、前記内側電極よりも緻密質であることを特徴とする（１）または（２）に記載の横縞型燃料電池セル。
（４）前記高導電率層は、内側電極材料より形成され、前記内側電極よりもＮｉ量が多いことを特徴とする（１）〜（３）のいずれかに記載の横縞型燃料電池セル。
（５）前記内側電極が燃料極層であり、該燃料極層の多孔質支持体側には、導電体層が設けられていることを特徴とする（１）〜（４）のいずれかに記載の横縞型燃料電池セル。
（６）前記導電体層が、該導電体層よりも高い導電率を有する高導電率層を介して前記素子間接続部材に電気的に接続されていることを特徴とする（１）〜（５）のいずれかに記載の横縞型燃料電池セル。
（７）前記多孔質支持体が、中空の板状形状を有している（１）〜（６）のいずれかに記載の横縞型燃料電池セル。
（８）ガス流路を内部に備えた電気絶縁性の多孔質支持体の表面に、内側電極、固体電解質および外側電極が順次積層された多層構造を有する発電素子を複数備え、一方の発電素子の内側電極と、該一方の発電素子に隣接する他方の発電素子の外側電極とが、素子間接続部材を介して電気的に接続され、前記複数の発電素子が直列に接続されている横縞型燃料電池セルにおいて、前記一方の発電素子の内側電極に、該内側電極よりも高い導電率を有する高導電率層を設け、該高導電率層を前記素子間接続部材に接続してなることを特徴とする横縞型燃料電池セル。
本発明の燃料電池は、上記の横縞型燃料電池セルが、収納容器内に複数収納されてなるものである。
（１）ガス流路を内部に備えた電気絶縁性の多孔質支持体の表面に、内側電極、固体電解質および外側電極が順次積層された多層構造を有する発電素子を複数備え、一方の発電素子の内側電極と、該一方の発電素子に隣接する他方の発電素子の外側電極とが、素子間接続部材を介して電気的に接続され、前記複数の発電素子が直列に接続されている横縞型燃料電池セルにおいて、前記一方の発電素子の内側電極が、該内側電極よりも高い導電率を有する高導電率層を介して、前記素子間接続部材に接続されていることを特徴とする横縞型燃料電池セル。
（２）前記内側電極は、前記外側電極と対向しない位置で前記高導電率層に接続されていることを特徴とする（１）に記載の横縞型燃料電池セル。
（３）前記高導電率層は、内側電極材料より形成され、前記内側電極よりも緻密質であることを特徴とする（１）または（２）に記載の横縞型燃料電池セル。
（４）前記高導電率層は、内側電極材料より形成され、前記内側電極よりもＮｉ量が多いことを特徴とする（１）〜（３）のいずれかに記載の横縞型燃料電池セル。
（５）前記内側電極が燃料極層であり、該燃料極層の多孔質支持体側には、導電体層が設けられていることを特徴とする（１）〜（４）のいずれかに記載の横縞型燃料電池セル。
（６）前記導電体層が、該導電体層よりも高い導電率を有する高導電率層を介して前記素子間接続部材に電気的に接続されていることを特徴とする（１）〜（５）のいずれかに記載の横縞型燃料電池セル。
（７）前記多孔質支持体が、中空の板状形状を有している（１）〜（６）のいずれかに記載の横縞型燃料電池セル。
（８）ガス流路を内部に備えた電気絶縁性の多孔質支持体の表面に、内側電極、固体電解質および外側電極が順次積層された多層構造を有する発電素子を複数備え、一方の発電素子の内側電極と、該一方の発電素子に隣接する他方の発電素子の外側電極とが、素子間接続部材を介して電気的に接続され、前記複数の発電素子が直列に接続されている横縞型燃料電池セルにおいて、前記一方の発電素子の内側電極に、該内側電極よりも高い導電率を有する高導電率層を設け、該高導電率層を前記素子間接続部材に接続してなることを特徴とする横縞型燃料電池セル。
本発明の燃料電池は、上記の横縞型燃料電池セルが、収納容器内に複数収納されてなるものである。
本発明の横縞型燃料電池セルは、上記（１）によれば、発電素子間を高導電率層を介して接続するため、発電素子間における抵抗が小さくなり、発電性能を高めることができる。
上記（２）によれば、発電素子面積が削減されることなく、発電素子間を高導電率層を介して接続するため、発電素子間における抵抗が小さくなり、発電性能を高めることができる。
また、上記（３）および（４）によれば、高導電率層は、内側電極よりも緻密質であり、また、内側電極よりもＮｉ量が多いため、内側電極よりも高い導電率を得ることができ、発電素子間における抵抗が小さくなり、発電性能を高めることができる。
さらに、上記（５）によれば、導電体層を設けることにより、発電させるのに必要な燃料極層と、発生した電流を流すための導電体層を別個に設けるため、それぞれの機能に適した組織や構造の選択幅が大きくなり、機能設計の自由度が高まって、発電性能を向上できる。
上記（６）によれば、導電体層が、該導電体層よりも高い導電率を有する高導電率層を介して素子間接続部材に電気的に接続されることにより、高い導電率をもった層が厚くなるため、燃料極層だけに高導電率層を有する場合よりもさらに素子間における抵抗が小さくなり、発電性能を向上できる。
また、上記（７）によれば、前記多孔質支持体が、中空の板状形状を有することにより、発電素子におけるガスとの接触面積が増加し、体積あたりの発電量を大きくすることができる。
上記（８）によれば、前記一方の発電素子の内側電極に、該内側電極よりも高い導電率を有する高導電率層を設け、該高導電率層を前記素子間接続部材に接続してなるため、一方の発電素子で発電した電流は、高導電率層を介して隣接する他方の発電素子の素子間接続部材に流れ、発電素子間における抵抗が小さくなり、発電性能を高めることができる。
本発明の燃料電池によれば、発電性能の向上した燃料電池セルを複数用いることにより、少数の燃料電池セルで高い発電量を得ることができる。
上記（２）によれば、発電素子面積が削減されることなく、発電素子間を高導電率層を介して接続するため、発電素子間における抵抗が小さくなり、発電性能を高めることができる。
また、上記（３）および（４）によれば、高導電率層は、内側電極よりも緻密質であり、また、内側電極よりもＮｉ量が多いため、内側電極よりも高い導電率を得ることができ、発電素子間における抵抗が小さくなり、発電性能を高めることができる。
さらに、上記（５）によれば、導電体層を設けることにより、発電させるのに必要な燃料極層と、発生した電流を流すための導電体層を別個に設けるため、それぞれの機能に適した組織や構造の選択幅が大きくなり、機能設計の自由度が高まって、発電性能を向上できる。
上記（６）によれば、導電体層が、該導電体層よりも高い導電率を有する高導電率層を介して素子間接続部材に電気的に接続されることにより、高い導電率をもった層が厚くなるため、燃料極層だけに高導電率層を有する場合よりもさらに素子間における抵抗が小さくなり、発電性能を向上できる。
また、上記（７）によれば、前記多孔質支持体が、中空の板状形状を有することにより、発電素子におけるガスとの接触面積が増加し、体積あたりの発電量を大きくすることができる。
上記（８）によれば、前記一方の発電素子の内側電極に、該内側電極よりも高い導電率を有する高導電率層を設け、該高導電率層を前記素子間接続部材に接続してなるため、一方の発電素子で発電した電流は、高導電率層を介して隣接する他方の発電素子の素子間接続部材に流れ、発電素子間における抵抗が小さくなり、発電性能を高めることができる。
本発明の燃料電池によれば、発電性能の向上した燃料電池セルを複数用いることにより、少数の燃料電池セルで高い発電量を得ることができる。
次に、本発明の横縞型燃料電池セルの一実施形態について、図１から図４を参照して、説明する。
図１は、横縞型燃料電池セルの一実施形態であって、その一部を拡大して示す縦断面図であり、図２は、その横断面図であり、図３は平面図である。尚、この図３では、後述する第１集電層の記載は省略した。
図１〜図３において、横縞型燃料電池セルは、多孔質支持体１１表面に、水平方向に延びる、発電素子１３を備えている。横縞型燃料電池セルにおいて、発電素子１３は、支持体１１の軸長方向に隣接して複数形成されている。
図１および図２に示すように、発電素子１３は、内側電極としての燃料極層１３ａ、固体電解質１３ｂ、および、外側電極としての空気極層１３ｃが、多孔質支持体１１表面に順次積層する積層構造を有している。
固体電解質１３ｂと空気極層１３ｃとの間には反応防止層２０が形成されており、燃料極層１３ａは、多孔質支持体１１表面に、拡散防止層１１ａ、導電体層２３を介して、この導電体層２３表面に形成されている。
本発明の横縞型燃料電池セルは、前記した発電素子の内側電極としての燃料極層１３ａが、該燃料極層よりも高い導電率を有する高導電率層３３を介して、素子間接続部材１７に接続された横縞型燃料電池セルである。素子間接続部材１７は、第１集電層１４と第２集電層１６とから構成されている。
図１は、横縞型燃料電池セルの一実施形態であって、その一部を拡大して示す縦断面図であり、図２は、その横断面図であり、図３は平面図である。尚、この図３では、後述する第１集電層の記載は省略した。
図１〜図３において、横縞型燃料電池セルは、多孔質支持体１１表面に、水平方向に延びる、発電素子１３を備えている。横縞型燃料電池セルにおいて、発電素子１３は、支持体１１の軸長方向に隣接して複数形成されている。
図１および図２に示すように、発電素子１３は、内側電極としての燃料極層１３ａ、固体電解質１３ｂ、および、外側電極としての空気極層１３ｃが、多孔質支持体１１表面に順次積層する積層構造を有している。
固体電解質１３ｂと空気極層１３ｃとの間には反応防止層２０が形成されており、燃料極層１３ａは、多孔質支持体１１表面に、拡散防止層１１ａ、導電体層２３を介して、この導電体層２３表面に形成されている。
本発明の横縞型燃料電池セルは、前記した発電素子の内側電極としての燃料極層１３ａが、該燃料極層よりも高い導電率を有する高導電率層３３を介して、素子間接続部材１７に接続された横縞型燃料電池セルである。素子間接続部材１７は、第１集電層１４と第２集電層１６とから構成されている。
（多孔質支持体）
多孔質支持体１１は中空板状であり、その内部には、複数のガス流路１２が、隔壁５１（図２参照）で隔てられて軸長方向に延びるようにして貫通して設けられている。前記ガス流路の数は、発電性能および構造強度の点から、例えば２〜１４個が好ましく、６〜１０個であるのがより好ましい。
多孔質支持体１１が中空板状形状を有することにより、横縞型燃料電池セルの体積当たりの発電素子１３の面積を増加し、横縞型燃料電池セル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横縞型燃料電池セルの個数を低減することができ、横縞型燃料電池セル間の接続箇所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、横縞型燃料電池セルの信頼性を向上することができる。
多孔質支持体１１は中空板状であり、その内部には、複数のガス流路１２が、隔壁５１（図２参照）で隔てられて軸長方向に延びるようにして貫通して設けられている。前記ガス流路の数は、発電性能および構造強度の点から、例えば２〜１４個が好ましく、６〜１０個であるのがより好ましい。
多孔質支持体１１が中空板状形状を有することにより、横縞型燃料電池セルの体積当たりの発電素子１３の面積を増加し、横縞型燃料電池セル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横縞型燃料電池セルの個数を低減することができ、横縞型燃料電池セル間の接続箇所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、横縞型燃料電池セルの信頼性を向上することができる。
このようなガス流路１２内に水素など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、空気極層１３ｃの表面に空気などの酸素含有ガスを流して空気極層１３ｃを酸化雰囲気に曝すことにより、燃料極層１３ａおよび空気極層１３ｃで、前記で説明した式（１）および式（２）で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、隣接する発電素子１３同士は、素子間接続部材１７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１３の燃料極層１３ａと隣接する他方の発電素子１３の空気極層１３ｃとが素子間接続部材１７により、支持体１１の軸長方向において、直列に接続された構造となっている。
このように発電素子１３は、素子間接続部材１７により直列に接続されているため、横縞型燃料電池セル当りの発電電圧を高くすることができる。そのため、高い電圧を少ないセル数で得ることができる。
また、隣接する発電素子１３同士は、素子間接続部材１７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１３の燃料極層１３ａと隣接する他方の発電素子１３の空気極層１３ｃとが素子間接続部材１７により、支持体１１の軸長方向において、直列に接続された構造となっている。
このように発電素子１３は、素子間接続部材１７により直列に接続されているため、横縞型燃料電池セル当りの発電電圧を高くすることができる。そのため、高い電圧を少ないセル数で得ることができる。
また、図２において、多孔質支持体１１の長径寸法Ｌ（両端の弧状部ｍ間の距離に相当）は、例えば、１５〜８０ｍｍ、その短径寸法Ｗ（２つの平坦部ｎ間の距離に相当）は、例えば、２〜４ｍｍ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％の範囲に設定される。これにより、ガス流路１２内の燃料ガスを、燃料極層１３ａの表面まで導入することができる。
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％の範囲に設定される。これにより、ガス流路１２内の燃料ガスを、燃料極層１３ａの表面まで導入することができる。
（燃料極層）
燃料極層１３ａは、多孔質の導電性サーメットから形成されている。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および／またはＮｉ酸化物（ＮｉＯなど）とからなっている。また、希土類元素が固溶しているＺｒＯ2（安定化ジルコニア）としては、後述する固体電解質１３ｂの材料と同様のものを用いることもできる。
燃料極層１３ａにおいて、安定化ジルコニアの配合割合は、燃料極層１３ａの総量に対して、３５〜６５体積％の範囲が好ましく、Ｎｉおよび／またはＮｉ酸化物の配合割合は、燃料極層１３ａの総量に対して、３５〜６５体積％の範囲が好ましい。また、燃料極層１３ａ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、厚さが、良好な集電性能を発揮させるため、例えば、１〜１００μｍの範囲である。
燃料極層１３ａは、多孔質の導電性サーメットから形成されている。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および／またはＮｉ酸化物（ＮｉＯなど）とからなっている。また、希土類元素が固溶しているＺｒＯ2（安定化ジルコニア）としては、後述する固体電解質１３ｂの材料と同様のものを用いることもできる。
燃料極層１３ａにおいて、安定化ジルコニアの配合割合は、燃料極層１３ａの総量に対して、３５〜６５体積％の範囲が好ましく、Ｎｉおよび／またはＮｉ酸化物の配合割合は、燃料極層１３ａの総量に対して、３５〜６５体積％の範囲が好ましい。また、燃料極層１３ａ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、厚さが、良好な集電性能を発揮させるため、例えば、１〜１００μｍの範囲である。
（固体電解質）
固体電解質１３ｂは、希土類またはその酸化物を固溶させたＺｒＯ2からなる安定化ＺｒＯ2からなる緻密質なセラミックスで構成されている。
ここで、固溶させる希土類元素また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、または、これらの酸化物などが挙げられ、好ましくは、Ｙ、Ｙｂ、または、これらの酸化物が挙げられる。また、固体電解質１３ｂは、８モル％のＹが固溶している安定化ＺｒＯ2（８ｍｏｌ％ Yttoria Stabilized Zirconia、以下、「８ＹＳＺ」という。）と熱膨張係数が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。 また、固体電解質１３ｂは、例えば、厚さが１０〜１００μｍ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１３ｂ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、燃料ガスまた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。
固体電解質１３ｂは、希土類またはその酸化物を固溶させたＺｒＯ2からなる安定化ＺｒＯ2からなる緻密質なセラミックスで構成されている。
ここで、固溶させる希土類元素また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、または、これらの酸化物などが挙げられ、好ましくは、Ｙ、Ｙｂ、または、これらの酸化物が挙げられる。また、固体電解質１３ｂは、８モル％のＹが固溶している安定化ＺｒＯ2（８ｍｏｌ％ Yttoria Stabilized Zirconia、以下、「８ＹＳＺ」という。）と熱膨張係数が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。 また、固体電解質１３ｂは、例えば、厚さが１０〜１００μｍ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１３ｂ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、燃料ガスまた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。
（空気極層）
空気極層１３ｃは、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、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およびＳｒが共存してもよく、また、ＢサイトにＦｅ、ＣｏおよびＭｎが共存してもよい。
このような空気極層１３ｃは、前記した式（１）の電極反応を生ずることができる。
また、空気極層１３ｃ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、空気極層１３ｃが良好なガス透過性を有することができる。
また、空気極層１３ｃは、その厚さが、例えば、３０〜１００μｍの範囲に設定される。前記した範囲内にあれば、空気極層１３ｃが良好な集電性を有することができる。
（導電体層）
導電体層２３は、主に発電した電流を第１集電層１４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。
空気極層１３ｃは、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、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およびＳｒが共存してもよく、また、ＢサイトにＦｅ、ＣｏおよびＭｎが共存してもよい。
このような空気極層１３ｃは、前記した式（１）の電極反応を生ずることができる。
また、空気極層１３ｃ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、空気極層１３ｃが良好なガス透過性を有することができる。
また、空気極層１３ｃは、その厚さが、例えば、３０〜１００μｍの範囲に設定される。前記した範囲内にあれば、空気極層１３ｃが良好な集電性を有することができる。
（導電体層）
導電体層２３は、主に発電した電流を第１集電層１４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。
（素子間接続部材）
素子間接続部材１７は、一方の発電素子１３の燃料極層１３ａと隣接する他方の発電素子１３の空気極層１３ｃとを電気的に接続するものであり、第１集電層１４と第２集電層１６とから構成され、これらは電気的に接続されている。
第１集電層１４は、例えばＡｇ−Ｐｄから構成されており、多孔質層とされている。また、第２集電層１６は、金属層１６ａと、ガラスの入った金属ガラス層１６ｂとの二層構造からなる。金属層１６ａは、例えば、ＡｇとＮｉの合金からなり、金属ガラス層１６ｂは、Ａｇとガラスからなる。金属ガラス層１６ｂにより、多孔質支持体１１内のガス流路１２を通る燃料ガスの第１集電層１４へのリーク、および空気極層１３ｃの外部を通る酸素含有ガスの金属層１６ａへのリークを有効に防止することができる。
素子間接続部材１７は、一方の発電素子１３の燃料極層１３ａと隣接する他方の発電素子１３の空気極層１３ｃとを電気的に接続するものであり、第１集電層１４と第２集電層１６とから構成され、これらは電気的に接続されている。
第１集電層１４は、例えばＡｇ−Ｐｄから構成されており、多孔質層とされている。また、第２集電層１６は、金属層１６ａと、ガラスの入った金属ガラス層１６ｂとの二層構造からなる。金属層１６ａは、例えば、ＡｇとＮｉの合金からなり、金属ガラス層１６ｂは、Ａｇとガラスからなる。金属ガラス層１６ｂにより、多孔質支持体１１内のガス流路１２を通る燃料ガスの第１集電層１４へのリーク、および空気極層１３ｃの外部を通る酸素含有ガスの金属層１６ａへのリークを有効に防止することができる。
なお、前記した実施形態において、多孔質支持体１１の表面に形成される発電素子１３で、内側電極が燃料極層１３ａであって、外側電極が空気極層１３ｃ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、空気極層、固体電解質、燃料極層を順次積層された発電素子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層の表面には、水素などの燃料ガスが流される。
（横縞型燃料電池セル）
本発明の横縞型燃料電池セルは、一方の発電素子１３の燃料極層１３ａが、該燃料極層１３ａよりも高い導電率を有する高導電率層３３を介して、素子間接続部材１７の第２集電層１６に接続されている。即ち、発電が行われるのは、固体電解質１３ｂを空気極層１３ｃと燃料極層１３ａで挟持した３層が重畳した部分（図１におけるｙで示す部分）であり、前記燃料極層１３ａに、高導電率層３３が前記重畳部に含まれない位置で接続して形成され、該高導電率層３３は第２集電層１６の金属層１６ａに接続されている。これにより、重畳部ｙで発電した電流は、燃料極層１３ａから高導電率層３３を介して、金属層１６ａ、金属ガラス層１６ｂ、第１集電層１４に流れ、隣接する他方の発電素子１３の空気極層１３ｃに流れることになる。従って、従来、重畳部ｙから燃料極層１３ａが延設され、この燃料極層１３ａが直接素子間接続部材１７に接続されていたが、本発明では、重畳部ｙと素子間接続部材１７との間が、燃料極層１３ａよりも高い導電率を有する高導電率層３３とされ、これにより接続されているため、各発電素子１３で発電した電流を、従来よりも効率良く直列接続することができ、発電性能を向上することができる。
本発明の横縞型燃料電池セルは、一方の発電素子１３の燃料極層１３ａが、該燃料極層１３ａよりも高い導電率を有する高導電率層３３を介して、素子間接続部材１７の第２集電層１６に接続されている。即ち、発電が行われるのは、固体電解質１３ｂを空気極層１３ｃと燃料極層１３ａで挟持した３層が重畳した部分（図１におけるｙで示す部分）であり、前記燃料極層１３ａに、高導電率層３３が前記重畳部に含まれない位置で接続して形成され、該高導電率層３３は第２集電層１６の金属層１６ａに接続されている。これにより、重畳部ｙで発電した電流は、燃料極層１３ａから高導電率層３３を介して、金属層１６ａ、金属ガラス層１６ｂ、第１集電層１４に流れ、隣接する他方の発電素子１３の空気極層１３ｃに流れることになる。従って、従来、重畳部ｙから燃料極層１３ａが延設され、この燃料極層１３ａが直接素子間接続部材１７に接続されていたが、本発明では、重畳部ｙと素子間接続部材１７との間が、燃料極層１３ａよりも高い導電率を有する高導電率層３３とされ、これにより接続されているため、各発電素子１３で発電した電流を、従来よりも効率良く直列接続することができ、発電性能を向上することができる。
前記高導電率層３３は、燃料極層１３ａと同一材料により形成され、この燃料極層１３ａよりも緻密質とすることにより、または燃料極層１３ａよりもＮｉ又はＮｉＯ量を多くすることにより、燃料極層１３ａよりも高導電率とすることができる。
また、前記高導電率層３３は、前記重畳部ｙに含まれない部分で形成されていればよく、好ましくは、前記重畳部ｙの境界位置から隣接する他の発電素子１３の素子間接続部材１７（第２集電層１６が対向する部分）まで設ける。言い換えれば、従来の燃料極層のうち、重畳部ｙ以外の燃料極層の部分が高導電率層３３とされ、この高導電率層３３が第２集電層１６の金属層１６ａの下面まで延設されている。これにより発電面積を最大とできるとともに、発電素子間の接続抵抗を最小限とすることができる。
また、前記高導電率層３３は、前記重畳部ｙに含まれない部分で形成されていればよく、好ましくは、前記重畳部ｙの境界位置から隣接する他の発電素子１３の素子間接続部材１７（第２集電層１６が対向する部分）まで設ける。言い換えれば、従来の燃料極層のうち、重畳部ｙ以外の燃料極層の部分が高導電率層３３とされ、この高導電率層３３が第２集電層１６の金属層１６ａの下面まで延設されている。これにより発電面積を最大とできるとともに、発電素子間の接続抵抗を最小限とすることができる。
また、本発明の横縞型燃料電池セルでは、前記燃料極層１３ａの多孔質支持体１１側に、多孔質の導電体層２３が設けられている。この導電体層２３を設けることにより、発電させるのに必要な活性な燃料極層１３ａと、発生した電流を流すための導電体層２３とを別個に設けることができ、それぞれの機能に適した組織や構造の選択幅が大きくなり、機能設計の自由度が高まって、発電性能を向上できる。
さらに、前記導電体層２３は、図４に示すように、高導電率層３３が重畳する導電体層２３の部分が、導電体層２３よりも高い導電率を有する高導電率層３５とされ、この高導電率層３５を介して前記素子間接続部材１７に電気的に接続されている。このため、高い導電率をもった層が厚くなるため、燃料極層１３ａだけに高導電率層３３を有する場合よりもさらに素子間における抵抗が小さくなり、発電性能を向上できる。
さらに、前記導電体層２３は、図４に示すように、高導電率層３３が重畳する導電体層２３の部分が、導電体層２３よりも高い導電率を有する高導電率層３５とされ、この高導電率層３５を介して前記素子間接続部材１７に電気的に接続されている。このため、高い導電率をもった層が厚くなるため、燃料極層１３ａだけに高導電率層３３を有する場合よりもさらに素子間における抵抗が小さくなり、発電性能を向上できる。
本発明の横縞型燃料電池セルでは、前記導電体層２３の多孔質支持体１１側に拡散防止層１１ａを設けることができる。この拡散防止層１１ａは、多孔質支持体１１から発電素子１３への元素拡散を抑制するためのものであり、絶縁層形成による性能低下を防止することができる。この拡散防止層１１ａは、好ましくは、Ｌａが固溶したＣｅＯ2、またはＣｅが固溶したＬａ2Ｏ3、あるいはそれらの混合体、若しくはＮｉＯとＹＳＺの混合体から形成することができる。
また、本発明の横縞型燃料電池セルでは、前記空気極層１３ｃの固体電解質１３ｂ側に反応防止層２０を設けることができる。該反応防止層２０を、空気極層１３ｃと固体電解質１３ｂとの間に介在させることにより、空気極層１３ｃから固体電解質１３ｂへの元素拡散を遮断することができ、併せてＯ2ガスのイオン化反応を促進させうる触媒的作用も持合わせている。これにより絶縁層形成による性能低下を防止することができる。この反応防止層２０は、イオン伝導性や電子伝導性材料（例えばＣｅ酸化物）から形成することができる。
本発明の横縞型燃料電池セルでは、また、前記高導電率層３３は、第２集電層１６を介して第１集電層１４と接続することができる。前記第２集電層１６は、Ａｇ／Ｎｉからなる金属層１６ａおよびＡｇとガラスからなる金属ガラス層１６ｂの２層構造を有するのが好ましく、金属層１６ａが前記高導電率層３３と、金属ガラス層１６ｂが前記第１集電層１４と接続するのが好ましい。高導電率層３３は、金属層１６ａおよび金属ガラス層１６ｂの２層からなる第２集電層１６を介して第１集電層１４と接続しているため、素子間における抵抗が小さくなり、発電性能を向上できる。
次に、前記した横縞型燃料電池セルを用いて組み立てられるセルスタックについて、図５を参照して説明する。
図５は、前記した横縞型燃料電池セルを複数（２個）組み合わせたセルスタックの端部の接続構造を拡大して示す縦断面図である。
図５に示すように、横縞型燃料電池セルは、集電部材１９を介して互いに電気的に接続されている。
すなわち、セルスタックの端部において、一方の横縞型燃料電池セルの端部にセル接続材１５が設けられ、一方の横縞型燃料電池セルの燃料極層１３ａと導通している。また、セル接続材１５は、他方の横縞型燃料電池セルの端部において、集電部材１９を介して、他方の横縞型燃料電池セルの空気極層１３ｃと導通している。
このように、セルスタックは、前記した横縞型燃料電池セルが、集電部材１９を介して互いに電気的に接続されていれば、横縞型燃料電池セルを密に配置することができるため、発電量当たりのセルスタックの体積を小さくすることができる。そのため、小型で、熱効率の高いセルスタックを提供することができる。
図５は、前記した横縞型燃料電池セルを複数（２個）組み合わせたセルスタックの端部の接続構造を拡大して示す縦断面図である。
図５に示すように、横縞型燃料電池セルは、集電部材１９を介して互いに電気的に接続されている。
すなわち、セルスタックの端部において、一方の横縞型燃料電池セルの端部にセル接続材１５が設けられ、一方の横縞型燃料電池セルの燃料極層１３ａと導通している。また、セル接続材１５は、他方の横縞型燃料電池セルの端部において、集電部材１９を介して、他方の横縞型燃料電池セルの空気極層１３ｃと導通している。
このように、セルスタックは、前記した横縞型燃料電池セルが、集電部材１９を介して互いに電気的に接続されていれば、横縞型燃料電池セルを密に配置することができるため、発電量当たりのセルスタックの体積を小さくすることができる。そのため、小型で、熱効率の高いセルスタックを提供することができる。
セル接続材１５は、前記した電極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、第１集電層１４と同様の材料から形成される。
集電部材１９は、他方の横縞型燃料電池セルの空気極層１３ｃと導通し、前記した一方のセル接続材１５と他方の空気極層１３ｃと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、耐熱性金属、導電性セラミックスなどから形成される。
また、集電部材１９と、セル接続材１５および空気極層１３ｃ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、集電部材１９の接続信頼性を向上させることもできる。なお、燃料極層１３ａが、外部電極として形成されている場合には、集電部材１９としては、好ましくは、Ｎｉフェルトなどから形成することができる。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。
集電部材１９は、他方の横縞型燃料電池セルの空気極層１３ｃと導通し、前記した一方のセル接続材１５と他方の空気極層１３ｃと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、耐熱性金属、導電性セラミックスなどから形成される。
また、集電部材１９と、セル接続材１５および空気極層１３ｃ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、集電部材１９の接続信頼性を向上させることもできる。なお、燃料極層１３ａが、外部電極として形成されている場合には、集電部材１９としては、好ましくは、Ｎｉフェルトなどから形成することができる。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。
また、図５に示すように、複数の横縞型燃料電池セルを接続する場合には、一方の横縞型燃料電池セルの発電素子１３と、他方の横縞型燃料電池セルの発電素子１３とが、軸長方向において、ずれて形成されて接続されていてもよい。
図６は、前記した横縞型燃料電池セルを複数（３個）組み合わせたセルスタックを示す縦断面図である。ただし、図６では、燃料極層１３ａおよび空気極層１３ｃを含めて簡略化して示す。
一方の横縞型燃料電池セルの端部のセル接続材１５と、他方の横縞型燃料電池セルの端部の空気極層１３ｃとの間に、集電部材１９を介在させ、一方の横縞型燃料電池セルの多孔質支持体１１表面に形成された燃料極層１３ａを、セル接続材１５、集電部材１９を介して、他方の横縞型燃料電池セルの空気極層１３ｃに、電気的に接続されている。なお、前記集電部材１９と接続しているセル接続材１５は、該セル接続材１５が多孔質支持体１１を介して対向する一方のセル接続材１５と電気的に接続されている。また、同様に、前記集電部材１９と接続している空気極層１３ｃも、該空気極層１３ｃが多孔質支持体１１を介して対向する一方の空気極層１３ｃと電気的に接続されている。これにより、一方の多孔質支持体１１の両面の各発電素子で発生した電流を集電することができ、この集電された電流を隣接する他の多孔質支持体１１の両面の各発電素子へ送ることができる。
図６において、集電部材１９としては、例えば、金属フェルトおよび／または耐熱金属板、無機材料などが挙げられ、耐熱性、耐酸化性、電気伝導性という点から、好ましくは、Ｐｔ、Ａｇ、Ｎｉ合金およびＦｅ−Ｃｒ鋼合金の少なくとも一種からなる。
また、図６において、２１は、セルスタックで発生した電力を、セルスタック外に取り出すための導電部材である。また、このようなセルスタックを複数接続する場合には、導電部材２１は複数のセルスタックを電気的に接続することもできる。
一方の横縞型燃料電池セルの端部のセル接続材１５と、他方の横縞型燃料電池セルの端部の空気極層１３ｃとの間に、集電部材１９を介在させ、一方の横縞型燃料電池セルの多孔質支持体１１表面に形成された燃料極層１３ａを、セル接続材１５、集電部材１９を介して、他方の横縞型燃料電池セルの空気極層１３ｃに、電気的に接続されている。なお、前記集電部材１９と接続しているセル接続材１５は、該セル接続材１５が多孔質支持体１１を介して対向する一方のセル接続材１５と電気的に接続されている。また、同様に、前記集電部材１９と接続している空気極層１３ｃも、該空気極層１３ｃが多孔質支持体１１を介して対向する一方の空気極層１３ｃと電気的に接続されている。これにより、一方の多孔質支持体１１の両面の各発電素子で発生した電流を集電することができ、この集電された電流を隣接する他の多孔質支持体１１の両面の各発電素子へ送ることができる。
図６において、集電部材１９としては、例えば、金属フェルトおよび／または耐熱金属板、無機材料などが挙げられ、耐熱性、耐酸化性、電気伝導性という点から、好ましくは、Ｐｔ、Ａｇ、Ｎｉ合金およびＦｅ−Ｃｒ鋼合金の少なくとも一種からなる。
また、図６において、２１は、セルスタックで発生した電力を、セルスタック外に取り出すための導電部材である。また、このようなセルスタックを複数接続する場合には、導電部材２１は複数のセルスタックを電気的に接続することもできる。
本発明の燃料電池の一実施形態は、図６に示すセルスタックが、収納容器内に収容されて構成されている。
このように燃料電池は、セルスタックが、収納容器内に収容され構成されていれば、横縞型燃料電池セルを密に配置することができるため、発電量当たりの燃料電池の体積を小さくすることができる。そのため、小型で、熱効率の高い燃料電池を提供することができる。
この収納容器には、外部から水素などの燃料ガス、および、空気などの酸素含有ガスを、横縞型燃料電池セルに導入する導入管が設けられており、横縞型燃料電池セルが所定温度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。このような燃料電池では、容易に電圧を高めることができるとともに、発電素子１３間のショートや、熱による多孔質支持体１１の構造の変化を抑制することもができる。
このように燃料電池は、セルスタックが、収納容器内に収容され構成されていれば、横縞型燃料電池セルを密に配置することができるため、発電量当たりの燃料電池の体積を小さくすることができる。そのため、小型で、熱効率の高い燃料電池を提供することができる。
この収納容器には、外部から水素などの燃料ガス、および、空気などの酸素含有ガスを、横縞型燃料電池セルに導入する導入管が設けられており、横縞型燃料電池セルが所定温度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。このような燃料電池では、容易に電圧を高めることができるとともに、発電素子１３間のショートや、熱による多孔質支持体１１の構造の変化を抑制することもができる。
（製造方法）
次に、前記した横縞型燃料電池セルの製造方法について、図７および図８を参照して、説明する。
次に、前記した横縞型燃料電池セルの製造方法について、図７および図８を参照して、説明する。
まず、支持体成形体１１を作製する。支持体成形体１１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」という。）が０．１〜１０．０μｍのＭｇＯ粉末に、必要により熱膨張係数調整用または接合強度向上用として、Ｎｉ粉末、ＮｉＯ粉末、Ｙ2Ｏ3粉末、または、希土類元素安定化ジルコニア粉末（ＹＳＺ）などを所定の比率で配合して混合し、混合後の熱膨張係数が固体電解質１３ｂのそれとほぼ一致するように調整する。この混合粉末を、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混合し、押し出し成形して、図７に示すように、内部にガス流路１２を有する中空の板状形状で、扁平状の支持体成形体１１を作製し、これを乾燥後、９００℃〜１１００℃にて仮焼処理する。この支持体成形体１１の表面に、拡散防止層１１ａを塗布して乾燥する。
次いで、燃料極層、導電層および固体電解質を作製する。まず、例えば、ＮｉＯ粉末、Ｎｉ粉末と、ＹＳＺ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５０〜６０μｍの燃料極層テープ１３ａを作製する。また、燃料極層テープ１３ａよりも、ＮｉＯ粉末、Ｎｉ粉末添加量を増加させ、燃料極層テープ１３ａと同様にして、厚さ５０〜６０μｍの高導電率層テープ３３を作成する。
次に、図８（ａ）に示すように、これらの燃料極層テープ１３ａと高導電率層テープ３３の端部同士を当接させ、一枚のテープとする。
また、燃料極層テープ１３ａと同様にして、例えば、ＮｉＯ粉末、Ｎｉ粉末と、Ｙ2Ｏ3などの希土類元素酸化物とを混合し、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５０〜６０μｍの導電層テープ２３を作成する。この導電層テープ２３に前記燃料極層テープ１３ａと高導電率層テープ３３とからなるテープを貼り付ける（図８（ｂ））。当該張り合わせたテープを発電素子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８（ｃ））。
次に、図８（ａ）に示すように、これらの燃料極層テープ１３ａと高導電率層テープ３３の端部同士を当接させ、一枚のテープとする。
また、燃料極層テープ１３ａと同様にして、例えば、ＮｉＯ粉末、Ｎｉ粉末と、Ｙ2Ｏ3などの希土類元素酸化物とを混合し、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５０〜６０μｍの導電層テープ２３を作成する。この導電層テープ２３に前記燃料極層テープ１３ａと高導電率層テープ３３とからなるテープを貼り付ける（図８（ｂ））。当該張り合わせたテープを発電素子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８（ｃ））。
その後、図８（ｄ）に示すように、燃料極層テープ１３ａおよびこれと当接された高導電率層テープ３３からなるテープが貼り付けられた導電体層テープ２３を、前記仮焼した支持体成形体１１に、横縞状に貼り付ける。これを繰り返し行い、支持体成形体１１の表面に複数の導電体層テープ２３を貼り付ける。なお、このとき一方の導電体層テープ２３と、他方の導電体層テープ２３とは、幅３〜２０ｍｍの間隔をあけて配置する。次に、この導電体層テープ２３を貼り付けた状態で乾燥し、その後、９００〜１１００℃の温度範囲で仮焼する（図８（ｄ））。燃料極層１３ａおよび／または高導電率層３３の集電層１６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８（ｅ））。
次に、この積層体を、８ＹＳＺ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１３ｂの層が塗布されるとともに、前記図８（ｃ）で打ち抜いた空間にも絶縁体である固体電解質１３ｂが充填される。
この状態で、１１５０〜１２００℃、２〜４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１３ｂの層を除去することができる（図８（ｆ））。
この状態で、１１５０〜１２００℃、２〜４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１３ｂの層を除去することができる（図８（ｆ））。
次に、空気極層の形成部分に反応防止層２０を塗布して１４５０〜１５００℃、２〜５時間仮焼する（図８（ｇ））。この反応防止層２０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１０〜１００μｍの空気極層１３ｃを形成する。そして、９５０〜１１５０℃、２〜５時間焼き付ける（図８（ｈ））。
そして、第２集電層１６を形成したい部分にＡｇ／Ｎｉからなる金属層１６ａのシートを貼り付け、さらにＡｇとガラスを含む金属ガラス層１６ｂのシートを貼り付けて（図８（ｉ））、その後、１０００〜１２００℃で熱処理を行う。
最後に、第１集電層１４、セル間接続部材１５を所定位置に塗布して、横縞型燃料電池セルを得ることができる。
そして、第２集電層１６を形成したい部分にＡｇ／Ｎｉからなる金属層１６ａのシートを貼り付け、さらにＡｇとガラスを含む金属ガラス層１６ｂのシートを貼り付けて（図８（ｉ））、その後、１０００〜１２００℃で熱処理を行う。
最後に、第１集電層１４、セル間接続部材１５を所定位置に塗布して、横縞型燃料電池セルを得ることができる。
なお、前記した各層の積層方法については、テープ積層、ペースト印刷、ディップ、および、スプレー吹きつけのいずれの積層法を用いてもよい。好ましくは、積層時の乾燥工程が短時間であり、工程の短時間化の観点から、ディップにより各層を積層する。
また、横縞型燃料電池セルは、酸素含有雰囲気での焼成により、例えば、多孔質支持体１１や燃料極層１３ａのＮｉ成分がＮｉＯとなっているため、その後、還元処理により還元され、または、発電中に還元雰囲気に曝されて還元される。
さらに、燃料極層１３ａを第２集電層１６が形成される部分まで形成した後、Ｎｉを含有するペーストを燃料極層１３ａに塗布し、Ｎｉ含有量の多い高導電率層３３を形成しても良い。この場合には、高導電率層３３を容易に形成することができる。
さらに、燃料極層１３ａを第２集電層１６が形成される部分まで形成した後、Ｎｉを含有するペーストを燃料極層１３ａに塗布し、Ｎｉ含有量の多い高導電率層３３を形成しても良い。この場合には、高導電率層３３を容易に形成することができる。
（他の実施形態）
上記した実施形態の他に、図９および１０に示す横縞型燃料電池セルを用いてもよい。すなわち、前記した図１２に示す従来型横縞型燃料電池セルにおいて、一方の発電素子３の燃料極層３ａと他方の発電素子３の空気極層３ｃとが、前記燃料極層３ａよりも高い導電率を有する高導電率層３３を介して素子間接続部材４により接続された横縞型燃料電池セルである（図９、１０）。言い換えれば、図１の横縞型燃料電池セルの導電層２３を有しないタイプである。この横縞型燃料電池セルにおいても上記の形態と同様に、発電素子間における抵抗が小さくなり、発電性能が高まる。
なお、前記他の実施形態に係る横縞型燃料電池セルは、導電層の形成を除いて上記した実施形態の横縞型燃料電池セルと同様にして製造することができる。
（さらに他の実施形態）
本発明では、図１１に示すように、発電素子１３の燃料極層１３ａに、電流の流れ方向に複数条の高導電率層５３を形成し、この高導電率層５３を、第２集電層１６の金属層１６ａに接続することもできる。言い換えれば、重畳部ｙの燃料極層１３ａに高導電率層５３を形成し、この高導電率層５３を第２集電層１６の下面まで直線状に延設し、金属層１６ａに接続することもできる。
高導電率層５３は、燃料極層１３ａを複数に分割し、その間に形成することができる。また、燃料極層１３ａを作製し、この燃料極層１３ａに、Ｎｉを含有するペーストを直線状に塗布し、燃料極層１３ａにＮｉ含有量の多い直線状の高導電率層５３を形成することもできる。
この場合においても発電素子間の抵抗を小さくでき、発電性能を向上できる。また、高導電率層５３を燃料極層１３ａのみならず、導電層２３にも形成することにより、さらに発電素子間抵抗を小さくできる。さらにまた、燃料極層１３ａには高導電率層５３を形成せず、導電層２３にのみ高導電率層を形成することもできる。この場合には、発電部分に高導電率層による影響を無くすことができる。
上記した実施形態の他に、図９および１０に示す横縞型燃料電池セルを用いてもよい。すなわち、前記した図１２に示す従来型横縞型燃料電池セルにおいて、一方の発電素子３の燃料極層３ａと他方の発電素子３の空気極層３ｃとが、前記燃料極層３ａよりも高い導電率を有する高導電率層３３を介して素子間接続部材４により接続された横縞型燃料電池セルである（図９、１０）。言い換えれば、図１の横縞型燃料電池セルの導電層２３を有しないタイプである。この横縞型燃料電池セルにおいても上記の形態と同様に、発電素子間における抵抗が小さくなり、発電性能が高まる。
なお、前記他の実施形態に係る横縞型燃料電池セルは、導電層の形成を除いて上記した実施形態の横縞型燃料電池セルと同様にして製造することができる。
（さらに他の実施形態）
本発明では、図１１に示すように、発電素子１３の燃料極層１３ａに、電流の流れ方向に複数条の高導電率層５３を形成し、この高導電率層５３を、第２集電層１６の金属層１６ａに接続することもできる。言い換えれば、重畳部ｙの燃料極層１３ａに高導電率層５３を形成し、この高導電率層５３を第２集電層１６の下面まで直線状に延設し、金属層１６ａに接続することもできる。
高導電率層５３は、燃料極層１３ａを複数に分割し、その間に形成することができる。また、燃料極層１３ａを作製し、この燃料極層１３ａに、Ｎｉを含有するペーストを直線状に塗布し、燃料極層１３ａにＮｉ含有量の多い直線状の高導電率層５３を形成することもできる。
この場合においても発電素子間の抵抗を小さくでき、発電性能を向上できる。また、高導電率層５３を燃料極層１３ａのみならず、導電層２３にも形成することにより、さらに発電素子間抵抗を小さくできる。さらにまた、燃料極層１３ａには高導電率層５３を形成せず、導電層２３にのみ高導電率層を形成することもできる。この場合には、発電部分に高導電率層による影響を無くすことができる。
以下、実施例および比較例を挙げて、本発明の横縞型燃料電池セルをさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例のみに限定されるものではない。
（支持体の作製）
平均粒径０．１〜１０μｍのＭｇＯ粉末と、平均粒径０．１〜５μｍのＮｉＯ粉末と、平均粒径０．８μｍのＹ2Ｏ3粉末とを、モル比が７４：１７：９となるように配合して混合した。これらの混合物１００質量％に、平均粒径３０μｍのポアー剤１５質量％と、ＰＶＡからなる有機バインダー１５質量％と、水２５質量％とからなる溶媒とを配合して混合し、支持体材料を得た。得られた支持体材料を、押出成形して、内部にガス流路を円柱形状で有し、横断面が扁平状の支持体成形体を作製し、これを乾燥した後、１０５０℃で仮焼して支持体成形体を作製した。
平均粒径０．１〜１０μｍのＭｇＯ粉末と、平均粒径０．１〜５μｍのＮｉＯ粉末と、平均粒径０．８μｍのＹ2Ｏ3粉末とを、モル比が７４：１７：９となるように配合して混合した。これらの混合物１００質量％に、平均粒径３０μｍのポアー剤１５質量％と、ＰＶＡからなる有機バインダー１５質量％と、水２５質量％とからなる溶媒とを配合して混合し、支持体材料を得た。得られた支持体材料を、押出成形して、内部にガス流路を円柱形状で有し、横断面が扁平状の支持体成形体を作製し、これを乾燥した後、１０５０℃で仮焼して支持体成形体を作製した。
（燃料極層および導電体層の作製）
平均粒径０．５μｍのＮｉＯ粉末と、平均粒径０．５μｍの８ＹＳＺ粉末とを、Ｎｉ粉末と８ＹＳＺ粉末との重量比が４８：５２となるように配合して混合した。この混合物１００質量％に、ポアー剤２０質量％と、アクリル系バインダー３０質量％と、トルエン４０質量％とを混合したスラリーをドクターブレード法にて塗布して乾燥し、厚さ約１０μｍの燃料極層テープを作製した（表１に示す試料Ｎｏ.１）。
次に、平均粒径０．５μｍのＮｉＯ粉末と、平均粒径０．５μｍの８ＹＳＺ粉末とを用いて、表１に示すようにその重量比が４８：５２となる混合粉末を作製し、該混合粉末１００質量％にポアー剤１０質量％、アクリル系バインダー３０質量％、可塑剤１５質量％を配合して、焼成後の開気孔率が２０％となる試料Ｎｏ.２の高導電率層テープを、前記した燃料極層テープと同様にして作製した。試料Ｎｏ.３〜５の高導電率層テープは、表１に示す重量比の前記２種類の混合粉末に、ポアー剤（試料Ｎｏ.３は５質量％、試料Ｎｏ.４および５は２０質量％）、アクリル系バインダー３０質量％、可塑剤１５質量％を配合して、前記した燃料極層テープと同様にして作製した。
次に、前記の得られた燃料極層テープと高導電率層テープの端部同士を当接させ、一枚のテープとした（図８（ａ）参照）。
また、平均粒径０．５μｍのＮｉＯ粉末と、平均粒径０．５μｍのＹ2Ｏ3粉末とを、Ｎｉ粉末とＹ2Ｏ3粉末との重量比が４８：５２となるように配合して混合した。この混合物１００質量％に、ポアー剤１０質量％と、アクリル系バインダー３０質量％と、トルエン１００質量％とを混合したスラリーをドクターブレード法にて塗布して乾燥し、厚さ５０μｍの導電体層テープを作製した。得られた導電体層テープに前記燃料極層テープ（試料Ｎｏ.１）と前記燃料極層テープと高導電率層テープとからなるテープ（試料Ｎｏ.２〜５）とをそれぞれ貼り付けた（図８（ｂ）参照）。当該張り合わせたテープを発電素子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いた（図８（ｃ）参照）。
次に、前記で得られた導電体層テープを、前記仮焼した支持体成形体に横縞状に幅４ｍmの間隔をあけて７個配置して貼り付けた。この導電体層テープを貼り付けた状態で、支持体形成体１１を乾燥し、その後、１０５０℃の温度で仮焼した（図８（ｄ）参照）。
平均粒径０．５μｍのＮｉＯ粉末と、平均粒径０．５μｍの８ＹＳＺ粉末とを、Ｎｉ粉末と８ＹＳＺ粉末との重量比が４８：５２となるように配合して混合した。この混合物１００質量％に、ポアー剤２０質量％と、アクリル系バインダー３０質量％と、トルエン４０質量％とを混合したスラリーをドクターブレード法にて塗布して乾燥し、厚さ約１０μｍの燃料極層テープを作製した（表１に示す試料Ｎｏ.１）。
次に、平均粒径０．５μｍのＮｉＯ粉末と、平均粒径０．５μｍの８ＹＳＺ粉末とを用いて、表１に示すようにその重量比が４８：５２となる混合粉末を作製し、該混合粉末１００質量％にポアー剤１０質量％、アクリル系バインダー３０質量％、可塑剤１５質量％を配合して、焼成後の開気孔率が２０％となる試料Ｎｏ.２の高導電率層テープを、前記した燃料極層テープと同様にして作製した。試料Ｎｏ.３〜５の高導電率層テープは、表１に示す重量比の前記２種類の混合粉末に、ポアー剤（試料Ｎｏ.３は５質量％、試料Ｎｏ.４および５は２０質量％）、アクリル系バインダー３０質量％、可塑剤１５質量％を配合して、前記した燃料極層テープと同様にして作製した。
次に、前記の得られた燃料極層テープと高導電率層テープの端部同士を当接させ、一枚のテープとした（図８（ａ）参照）。
また、平均粒径０．５μｍのＮｉＯ粉末と、平均粒径０．５μｍのＹ2Ｏ3粉末とを、Ｎｉ粉末とＹ2Ｏ3粉末との重量比が４８：５２となるように配合して混合した。この混合物１００質量％に、ポアー剤１０質量％と、アクリル系バインダー３０質量％と、トルエン１００質量％とを混合したスラリーをドクターブレード法にて塗布して乾燥し、厚さ５０μｍの導電体層テープを作製した。得られた導電体層テープに前記燃料極層テープ（試料Ｎｏ.１）と前記燃料極層テープと高導電率層テープとからなるテープ（試料Ｎｏ.２〜５）とをそれぞれ貼り付けた（図８（ｂ）参照）。当該張り合わせたテープを発電素子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いた（図８（ｃ）参照）。
次に、前記で得られた導電体層テープを、前記仮焼した支持体成形体に横縞状に幅４ｍmの間隔をあけて７個配置して貼り付けた。この導電体層テープを貼り付けた状態で、支持体形成体１１を乾燥し、その後、１０５０℃の温度で仮焼した（図８（ｄ）参照）。
（固体電解質の作製）
平均粒径０．５μｍの８ＹＳＺ粉末１００質量％に、アクリル系バインダー３００質量％とトルエン２００質量％とを混合してスラリーとした固体電解質溶液を作製した。この固体電解質溶液に前記で得られた支持体形成体を浸漬した後、取り出した。このディップにより、前記支持体形成体の全面に固体電解質の層を塗布した。この状態で、８００℃、１時間仮焼して固体電解質を形成した（図８（ｅ）参照）。
平均粒径０．５μｍの８ＹＳＺ粉末１００質量％に、アクリル系バインダー３００質量％とトルエン２００質量％とを混合してスラリーとした固体電解質溶液を作製した。この固体電解質溶液に前記で得られた支持体形成体を浸漬した後、取り出した。このディップにより、前記支持体形成体の全面に固体電解質の層を塗布した。この状態で、８００℃、１時間仮焼して固体電解質を形成した（図８（ｅ）参照）。
（空気極層の作製）
ランタンコバルタイト（ＬａＣｏＯ3）１００質量％とイソプロピルアルコール２００質量％とを混合したスラリーを、前記で得られた固体電解質上に印刷し、１０５０℃で、２時間焼き付けて、厚さ２０μｍの空気極層を形成した（図８（ｈ）参照）。
ランタンコバルタイト（ＬａＣｏＯ3）１００質量％とイソプロピルアルコール２００質量％とを混合したスラリーを、前記で得られた固体電解質上に印刷し、１０５０℃で、２時間焼き付けて、厚さ２０μｍの空気極層を形成した（図８（ｈ）参照）。
（第２集電層の作製）
第２集電層１６を形成する部分にＡｇ／Ｎｉからなる金属層１４ａのテープを貼り付け、さらにＡｇとガラスからなる金属ガラス層１４ｂのテープを貼り付け（図８（ｉ））、その後、乾燥し、マスキングテープを除去した後、１１００℃で処理を行い、横縞型燃料電池セルを得た。
第２集電層１６を形成する部分にＡｇ／Ｎｉからなる金属層１４ａのテープを貼り付け、さらにＡｇとガラスからなる金属ガラス層１４ｂのテープを貼り付け（図８（ｉ））、その後、乾燥し、マスキングテープを除去した後、１１００℃で処理を行い、横縞型燃料電池セルを得た。
（評価試験および評価方法）
次に、試料Ｎｏ.１〜５のそれぞれを用いて作製した横縞型燃料電池セルを用い、ガスリーク試験と発電出力密度の評価を行った。
（ガスリーク試験）
耐熱性試験後の横縞型燃料電池セルにおいて、各ガス流路の一方の端部を封止し、次いで、他方の端部からガス流路に、Ｈｅガスを２気圧で導入しながら、横縞型燃料電池セルを水中に浸して、泡の発生（ガスリーク）の有無を目視により観察した。結果を表２に示す。
（抵抗測定試験）
発電素子と第２集電層を接続する表１の試料Ｎｏ．１〜５の高導電率層の抵抗を抵抗測定器にて測定した。測定は、燃料極還元雰囲気中７５０℃にて行った。その結果を表１に示す。
（発電評価）
横縞型燃料電池セルの内部に還元ガスとして水素ガス、外部に酸化ガスとして空気を導入し、発電温度７００℃、燃料利用率８５％、電流密度０．２Ａ／ｃｍ2の条件下で発電出力密度の評価を行った。結果を表３に示す。
表２の結果から、ガスリーク試験による泡の発生は、いずれの本発明品（試料Ｎｏ．２〜５）においても確認できず、このことから本発明にかかる燃料極層および高導電率層の種類によって内部にピンホール、クラック等の発生が無いことが示唆できる。
また、表１の抵抗値の結果から、高導電率層を形成することにより、従来の高導電率層を形成しない試料Ｎｏ．１よりも抵抗値が低下し、発電素子間の抵抗が小さくなることが判る。従って、表３に示す出力密度でも、本発明品は比較試料（Ｎｏ．１）よりも高い発電出力密度が発現し、このことから高い導電性能を有していることが確認できた。
次に、試料Ｎｏ.１〜５のそれぞれを用いて作製した横縞型燃料電池セルを用い、ガスリーク試験と発電出力密度の評価を行った。
（ガスリーク試験）
耐熱性試験後の横縞型燃料電池セルにおいて、各ガス流路の一方の端部を封止し、次いで、他方の端部からガス流路に、Ｈｅガスを２気圧で導入しながら、横縞型燃料電池セルを水中に浸して、泡の発生（ガスリーク）の有無を目視により観察した。結果を表２に示す。
（抵抗測定試験）
発電素子と第２集電層を接続する表１の試料Ｎｏ．１〜５の高導電率層の抵抗を抵抗測定器にて測定した。測定は、燃料極還元雰囲気中７５０℃にて行った。その結果を表１に示す。
（発電評価）
横縞型燃料電池セルの内部に還元ガスとして水素ガス、外部に酸化ガスとして空気を導入し、発電温度７００℃、燃料利用率８５％、電流密度０．２Ａ／ｃｍ2の条件下で発電出力密度の評価を行った。結果を表３に示す。
表２の結果から、ガスリーク試験による泡の発生は、いずれの本発明品（試料Ｎｏ．２〜５）においても確認できず、このことから本発明にかかる燃料極層および高導電率層の種類によって内部にピンホール、クラック等の発生が無いことが示唆できる。
また、表１の抵抗値の結果から、高導電率層を形成することにより、従来の高導電率層を形成しない試料Ｎｏ．１よりも抵抗値が低下し、発電素子間の抵抗が小さくなることが判る。従って、表３に示す出力密度でも、本発明品は比較試料（Ｎｏ．１）よりも高い発電出力密度が発現し、このことから高い導電性能を有していることが確認できた。
１１ 多孔質支持体
１２ ガス流路
１３ 発電素子
１３ａ 燃料極層
１３ｂ 固体電解質
１３ｃ 空気極層
１４ 素子間接続部材（第１集電層）
１９ 集電部材
２３ 導電体層
３３ 高導電率層
１２ ガス流路
１３ 発電素子
１３ａ 燃料極層
１３ｂ 固体電解質
１３ｃ 空気極層
１４ 素子間接続部材（第１集電層）
１９ 集電部材
２３ 導電体層
３３ 高導電率層
Claims (9)
- ガス流路を内部に備えた電気絶縁性の多孔質支持体の表面に、内側電極、固体電解質および外側電極が順次積層された多層構造を有する発電素子を複数備え、一方の発電素子の内側電極と、該一方の発電素子に隣接する他方の発電素子の外側電極とが、素子間接続部材を介して電気的に接続され、前記複数の発電素子が直列に接続されている横縞型燃料電池セルにおいて、前記一方の発電素子の内側電極が、該内側電極よりも高い導電率を有する高導電率層を介して、前記素子間接続部材に接続されていることを特徴とする横縞型燃料電池セル。
- 前記内側電極は、前記外側電極と対向しない位置で前記高導電率層に接続されていることを特徴とする請求項１記載の横縞型燃料電池セル。
- 前記高導電率層は、内側電極材料より形成され、前記内側電極よりも緻密質であることを特徴とする請求項１または２記載の横縞型燃料電池セル。
- 前記高導電率層は、内側電極材料より形成され、前記内側電極よりもＮｉ量が多いことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の横縞型燃料電池セル。
- 前記内側電極が燃料極層であり、該燃料極層の多孔質支持体側には、導電体層が設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の横縞型燃料電池セル。
- 前記導電体層が、該導電体層よりも高い導電率を有する高導電率層を介して前記素子間接続部材に電気的に接続されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の横縞型燃料電池セル。
- 前記多孔質支持体が、中空の板状形状を有している請求項１〜６のいずれかに記載の横縞型燃料電池セル。
- ガス流路を内部に備えた電気絶縁性の多孔質支持体の表面に、内側電極、固体電解質および外側電極が順次積層された多層構造を有する発電素子を複数備え、一方の発電素子の内側電極と、該一方の発電素子に隣接する他方の発電素子の外側電極とが、素子間接続部材を介して電気的に接続され、前記複数の発電素子が直列に接続されている横縞型燃料電池セルにおいて、前記一方の発電素子の内側電極に、該内側電極よりも高い導電率を有する高導電率層を設け、該高導電率層を前記素子間接続部材に接続してなることを特徴とする横縞型燃料電池セル。
- 請求項１〜８のいずれかに記載の横縞型燃料電池セルを収納容器内に複数収納されてなる燃料電池。
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