JP2007250368A - 横縞型燃料電池セルおよび燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池セルの支持体の強度を高めるとともに、前記燃料電池セルの一方側主面と他方側主面との間での漏れ電流の発生を防止でき、発電性能を向上することができる横縞型燃料電池セルを提供することである。
【解決手段】ガス流路１２を内部に備えた電気絶縁性の支持体１１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１３を複数備え、一方の発電素子１３の内側電極と、該一方の発電素子１３に隣接する他方の発電素子１３の外側電極とが電気的に接続され、前記複数の発電素子１３が直列に接続されている横縞型燃料電池セルにおいて、前記支持体１１は緻密質であり、前記支持体１１には前記ガス流路１２から前記内側電極にガスを供給するための複数の貫通孔１０が形成されている。
【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。

従来の固体電解質形燃料電池セルは、図９に示すように、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、内側電極としての燃料極層３ａ、固体電解質３ｂおよび外側電極としての空気極層３ｃが順次積層された多層構造の発電素子部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部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、一方の発電素子部３の燃料極層３ａと他方の発電素子部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。支持体１の内部にはガス流路７が形成されている。
このような燃料電池セルでは、前記多孔質支持体１の内部にある複数のガス流路７内に水素などを含む燃料ガスを流して支持体１を還元雰囲気に曝し、かつ、空気極層３ｃの表面に空気などの酸素含有ガスを流して空気極層３ｃを酸化雰囲気に曝すことにより、燃料極層３ａおよび空気極層３ｃで、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（例えば、特許文献１参照）。
特開平１０−００３９３２号公報

しかし、従来の横縞型燃料電池セルにおいて、前記支持体１は、上記のように、ガス流路７内の燃料ガスを燃料極層３ａの表面まで導入する必要があるため、多孔質の材質からなり、その開気孔率は、例えば、２５％〜４５％の範囲に設定されている。このため、前記多孔質支持体１は脆くて強度が低いといった問題があった。
本発明の課題は、燃料電池セルの支持体を緻密質の材料から構成することにより、燃料電池セルの機械的強度を高めるとともに、高い発電性能を保持することができる横縞型燃料電池セルを提供することである。

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、ガス流路を内部に備えた緻密質の絶縁支持体を用いて、該表裏両主面に発電素子を複数並設し、前記ガス流路と前記発電素子部との間における支持体に複数の貫通孔を形成することにより、燃料電池セルの支持体の強度を高めるとともに、前記燃料電池セルの表裏両主面間での漏れ電流の発生を防止でき、発電性能を向上できることを見出して、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および燃料電池は、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であって、前記支持体は緻密質であり、該支持体には前記ガス流路から前記内側電極にガスを供給するための複数の貫通孔が形成されていることを特徴とする横縞型燃料電池セル。
（２）前記支持体が板状形状を有しており、該支持体の両主面にそれぞれ前記発電素子が長さ方向に複数並設され、前記両主面の前記発電素子間における前記支持体は露出していることを特徴とする上記（１）に記載の横縞型燃料電池セル。
（３）前記貫通孔は、前記ガス流路と外側電極とで挟まれる領域内で前記ガス流路から前記内側電極まで貫通されていることを特徴とする上記（１）または（２）に記載の横縞型燃料電池セル。
（４）上記（１）〜（３）のいずれかに記載の燃料電池セルが収納容器内に複数収納されてなる燃料電池。

本発明の横縞型燃料電池セルは、（１）によれば、支持体が、電気絶縁性の緻密質であることにより、支持体の強度を高めることができる。また、ガス流路から該ガス流路に対向する内側電極まで複数の貫通孔が形成されているため、ガス流路を流れるガスが貫通孔を通して内側電極に流入するので、該ガスの内側電極への供給が可能となり、その結果、高い発電性能を保持することができる。
（２)によれば、支持体の両主面に発電素子が長さ方向に複数並設されている板状の横縞型燃料電池セルにおいて、支持体が電気絶縁性の緻密質であるため、従来のような緻密な固体電解質で被覆することなく燃料ガスと酸素含有ガスを緻密な支持体で分離でき、前記横縞型燃料電池セルの両主面間での絶縁性が高まり、固体電解質にて被覆する必要がないため前記両主面の発電素子間での漏れ電流の発生を防止でき、発電性能を向上することができる。
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。

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３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破断斜視図であり、図２は、その縦断面図である。
図１および図２において、横縞型燃料電池セルは、支持体１１表面に、水平方向に延びる、発電素子部１３を備えている。横縞型燃料電池セルにおいて、発電素子部１３は、長手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、発電素子部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、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、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。

（支持体）
本発明の支持体１１は、電気絶縁性の緻密質の無機材料からなる。緻密質とすることにより支持体１１の機械的強度を高めることができる。「緻密質」とは、実質的にガスを透過させず、相対密度（アルキメデス法による）が９４％以上であることを意味する。また、本発明の支持体１１は、板状であり、その内部には、複数のガス流路１２が、隔壁５１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１２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。
また、本発明の支持体１１には、前記ガス流路１２から該ガス流路１２に対向する前記燃料極層１３ａにガスを供給するための複数の貫通孔１０が形成されている。言い換えれば、貫通孔１０は、ガス流路１２から導電体層２３のガス流路１２側表面まで貫通している。なお、導電体層２３にも貫通孔１０を形成してもよい。この場合には、導電体層２３を緻密質とすることができ、発電素子間の電気抵抗を小さくできるため、発電性能を向上できる。支持体１１を緻密質にしたことにより、前記ガス流路１２から燃料極１３ａへのガスの供給は、貫通孔１０を通して行われる。すなわち、ガス流路１２を流れる燃料ガスが前記複数の貫通孔１０から燃料極層１３ａに流入していくため、燃料ガスの燃料極層１３ａへの供給を十分確保でき、その結果、燃料電池セルの高い発電性能を保持することができる。

一方、図８に示すように、前記支持体１１の両主面に発電素子部１３を支持体１１の長手方向に複数並設した従来の平板状の横縞型燃料電池セルにおいては、燃料ガスと空気とのリークを防止するために、前記支持体１１の幅方向両側部（以下、Ｒ部ともいう。）には固体電解質１３ｂが形成されていた。しかしながら、電気的接続において、一方側主面と他方側主面とを直列に接続する構成をとる場合には、一方側主面の高電圧部の発電素子１３と対向する他方側主面の発電素子１３との間には高い電位差が生じており、前記固体電解質１３ｃの電気絶縁性が十分高くない場合、一方側主面の発電素子から、前記Ｒ部の固体電解質１３ｂを介して他方側主面の発電素子に短絡電流が発生する。このため、発電時に電流ロスによる発電性能の低下をもたらすといった問題があった。
また、前記従来の平板状の横縞型燃料電池セルにおいては、燃料ガスを燃料極に拡散しやすくするため、支持体１１には多孔質の材料を用いていた。

本発明の支持体１１は、上記したように、電気絶縁性の緻密質体からなる。これにより、支持体１１の機械的強度が高まり、前記ガスリークを防止できるため、前記Ｒ部に固体電解質１３ｃを形成する必要がなくなった。これにより、前記燃料電池セルの一方側主面と他方側主面との発電素子１３間での漏れ電流を防止することができ、燃料電池セルスタックの発電性能を向上することができる。

本発明の支持体１１は、図１において、長径寸法Ｌ（両端のＲ部ｍ−ｍ間の距離に相当）が、例えば、１５〜８０ｍｍ、その短径寸法Ｗ（２つの平坦部ｎ−ｎ間の距離に相当）が、例えば、２〜４ｍｍの範囲である。
また、前記支持体１１は、絶縁性材料、例えば、絶縁性セラミックス等を用いて形成することができる。絶縁性セラミックスとしては、マグネシア、イットリア、アルミナ、アルミナ−シリカ、ジルコニア、ＹＳＺ等を単独、又は混合して用いることができる。前記絶縁性材料の体積抵抗率は１×１０⁴Ω・ｃｍ以上であるのが好ましい。
前記支持体１１は、前記絶縁性セラミックスを緻密質にすることにより、高い機械的強度を有し、また十分な耐熱性、耐酸化性、耐還元性を有し、大気中で焼成でき、製造コストを低減することができる。また、電極や固体電解質と近似した熱膨張係数に調整することにより、熱膨張係数差による電極、固体電解質の剥離等を防止できる。
前記支持体１１は、機械的強度において、ＪＩＳＫ６９１１に基づく評価で、曲げ強度が３０〜９０ＭＰａであるのが好ましい。また、相対密度（アルキメデス法による）は９４以上であるのが好ましい。

本発明の横縞型燃料電池セルは、隣接する発電素子１３同士が、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が、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。

（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、厚さは、前記貫通孔１０からの燃料ガスを拡散を良くし、良好な集電性能を発揮させるため、例えば、１〜１００μｍの範囲であり、燃料極層１３ａの厚さは、燃料ガスの拡散という点から厚い方が望ましい。

（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、電極間の酸素イオン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、電極反応を良好に促進することができる。
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。
また、図１、２に示すように、燃料極層１３ａ、導電体層２３の端面は、上記ガスリークを有効に防止するため、電解質材料にて被覆されている。

なお、前記した実施形態において、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、支持体１１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、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、一方の発電素子部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２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部１３の空気極層１３ｃに流れることになる。従って、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、各発電素子部１３で発電した電流を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部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、燃料極層１３ａ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、発電素子部１３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。

本発明の横縞型燃料電池セルでは、前記導電体層２３の支持体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、支持体１１から発電素子部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、少量のＮｉ又はＮｉＯと８ＹＳＺとの混合体で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。

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４を参照して説明する。図４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４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、セルスタックの一端部において、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、該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。

なお、本発明に係るセルスタックは、一方の横縞型燃料電池セルの前記集電部材１９に接続していない長手方向の他の一端部において、前記集電部材１９と接続している側主面の空気極層１３ｃと該主面に対向する他の主面（裏面）の燃料極層１３ａとがセル接続材１５を介して接続されている。これにより、一方の支持体１１の一方の主面の各発電素子部１３で発生した電流を他方の主面（裏面）の各発電素子部１３へ送ることができる。すなわち、一方の支持体１１の両主面間の発電素子部１３を電気的に直列の接続とすることができる。

上記した実施形態の他に、図５に示す接続方法を用いてもよい。すなわち、発電素子部１３の配列の向きを両主面とも長手方向に同じ向きに揃えた配置とする。そして、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と接続している他の一方の主面の空気極層１３ｃも、該空気極層１３ｃが支持体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、一方の支持体１１の両主面の各発電素子部１３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支持体１１の両主面の各発電素子部１３へ送ることができる。すなわち、一方の支持体１１の両主面間の発電素子部１３を電気的に並列の接続とすることができる。
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、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、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、外側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、セルスタックで発生した電力は、導電部材（図示しない）によりセルスタック外に取り出す。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（図示しない）により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４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、発電素子部１３間のショートや、熱による支持体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６および図７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。前記混合粉末を、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６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。
そして、この支持体成形体１１の表面から垂直に対向するガス流路１２に向けて複数の貫通孔１０を形成する。貫通孔１０の径は１０〜５０μｍが好ましく、ガス流路１２に対向する支持体成形体１１に燃料電池セルの長手方向に０．５〜１ｍｍの間隔で形成する。ガス流路１２の貫通孔１０の形成には、機械的ドリルやレーザーによるレーザードリル等を用いることができる。その後、次工程で支持体成形体１１表面に積層される高導電率材料等が貫通孔１０内に侵入することを防ぐために、前記貫通孔１０に樹脂を埋め込む。貫通孔１０に埋め込むのに用いる樹脂としては、セルロース等が挙げられる。そして、拡散防止層１１ａを塗布して乾燥する。

次いで、燃料極層１３ａ、高導電率層３３および固体電解質１３ｂ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７（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１００〜１２０μｍ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７（ｂ））。当該張り合わせた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７（ｃ））。

その後、図７（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。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７（ｄ））。また、このとき貫通孔１０に埋め込んだ樹脂を、昇温途中の４５０〜６００℃の温度域で一定時間保持し、その後前記所定の温度まで熱処理し、貫通孔１０に埋め込んだ樹脂と前記テープの貼付け後の仮焼を同時に行う。
そして燃料極層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７（ｅ））。

次に、この積層体の上を、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で塗布し、固体電解質１３ｂの層を形成するとともに、前記図７（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。さらに、図１のセル幅方向の燃料極層１３ａ端面、導電体層２３端面が被覆される。
この後、１１５０〜１２００℃、２〜４時間仮焼する。マスキングテープ２１を除去し、１１５０〜１２００℃、２〜４時間仮焼する。（図７（ｆ））。

次に、空気極層１３ｃ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７（ｇ））。この反応防止層２０の上に、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７（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７（ｉ））、その後、９００〜９５０℃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、本発明の横縞型燃料電池セルを得ることができる（図７（ｊ））。

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。

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。

本発明の一実施形態にかかる横縞型燃料電池セルの一部破断斜視図である。 図１の縦断面図である。 図１の平面図である。 図１の横縞型燃料電池セルの端部接続構造を拡大して示す縦断面図である。 図４の他の実施形態の端部接続構造を拡大して示す縦断面図である。 図１の横縞型燃料電池セルの支持体の製造工程を示し、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は平面図である。 図１の横縞型燃料電池セルの発電素子部の製造工程を示す縦断面図である。 従来の横縞型燃料電池セルの一実施形態の一部破断斜視図である。 従来の横縞型燃料電池セルの他の実施形態の一部縦断面図である。

符号の説明

１０ 貫通孔
１１ 支持体
１２ ガス流路
１３ 発電素子部
１３ａ 燃料極層
１３ｂ 固体電解質
１３ｃ 空気極層
１７ 素子間接続部材
１９ 集電部材
３３ 高導電率層

Claims (4)

1. ガス流路を内部に備えた電気絶縁性の支持体の表面に、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であって、前記支持体は緻密質であり、該支持体には前記ガス流路から前記内側電極にガスを供給するための複数の貫通孔が形成されていることを特徴とする横縞型燃料電池セル。
2. 前記支持体が板状形状を有しており、該支持体の両主面にそれぞれ前記発電素子が長さ方向に複数並設され、前記両主面の前記発電素子間における前記支持体は露出し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。
3. 前記貫通孔は、前記ガス流路と外側電極とで挟まれる領域内で前記ガス流路から前記内側電極まで貫通されてい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。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池セルが収納容器内に複数収納されてなる燃料電池。
   
   

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