JP2011175968A - 燃料電池セル、それを用いたセルスタック装置、燃料電池モジュールおよび燃料電池装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 インターコネクタと固体電解質層との剥離を抑制できる燃料電池セルならびにそれを備えたセルスタック装置、燃料電池モジュールおよび燃料電池装置を提供する。
【解決手段】 本発明の燃料電池セル１は、インターコネクタ６の端部が固体電解質層４の端部上に重なって接合されており、かつ固体電解質層４および内側電極層３のうち少なくとも一方の端部の導電性支持体２側にインターコネクタ６の端部の一部が介在していることから、インターコネクタ６と、固体電解質層４や内側電極層３との接合面積を大きくすることができ、インターコネクタ６と、固体電解質層４や内側電極層３との接合を強固にすることができる。それにより、インターコネクタ６と、固体電解質層４や内側電極層３とが剥離することを抑制でき、長期信頼性の向上した燃料電池セル１とすることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池セル、それを用いたセルスタック装置、燃料電池モジュールおよび燃料電池装置に関する。

近年、次世代エネルギーとして、燃料電池セルを電気的に直列に複数個接続してなるセルスタック装置を、収納容器内に収容してなる燃料電池装置が種々提案されている。

このようなセルスタック装置を構成する燃料電池セルとしては、ガス流路を内部に有する導電性支持体の一方の主面上に多孔質な内側電極層、緻密質な固体電解質層および多孔質な外側電極層がこの順に積層され、他方の主面上に緻密質なインターコネクタが設けられているとともに、内側電極層および固体電解質層の両端部が他方側の主面まで延設され、該延設された固体電解質層の両端部に、インターコネクタの両端部がそれぞれ重畳され、接合されている燃料電池セルが知られている（特許文献１参照。）。

また、このような燃料電池セルの複数個を集電部材を介して電気的に直列に接続してなるセルスタック装置が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。

特開２００５−１５８５２９号公報 特開２００８−１３５３０４号公報

ところで、燃料電池セルの作製時等において、インターコネクタ層と固体電解質層とが剥離する場合があり、燃料電池セルの長期信頼性が低下するおそれがある。

それゆえ、本発明は、インターコネクタと固体電解質層との剥離を抑制できる燃料電池セルならびにそれを備えたセルスタック装置、燃料電池モジュールおよび燃料電池装置を提供することにある。

本発明の燃料電池セルは、固体電解質層の両端部にインターコネクタ層の両端部をそれぞれ接合して、内部にガスが流通するガス流路を形成するとともに、前記固体電解質層の外側に外側電極層を、内側に内側電極層を形成してなる固体酸化物形燃料電池セルであって、前記インターコネクタ層の両端部がそれぞれ二股に分かれて二股部が形成されており、該インターコネクタ層の前記二股部で前記固体電解質層の端部が挟まれていることを特徴とする。

このような燃料電池セルにおいては、インターコネクタ層の端部における二股部で固体電解質層の端部が挟まれているため、インターコネクタ層と固体電解質層との接合強度が向上し、インターコネクタ層と固体電解質層との剥離を抑制できる。

本発明の燃料電池セルは、柱状の導電性支持体の外周面の一の領域にインターコネクタが設けられており、前記外周面のうち前記一の領域と対向する他の一の領域に、内側電極
層、固体電解質層および外側電極層がこの順に積層された積層体が設けられているとともに、該積層体のうち前記内側電極層および前記固体電解質層の端部が前記インターコネクタと隣接するように配置されている燃料電池セルであって、前記インターコネクタの端部が前記固体電解質層の端部上に重なって接合しており、かつ前記固体電解質層および前記内側電極層のうち少なくとも一方の端部の前記導電性支持体側に前記インターコネクタの端部の一部が介在していることを特徴とする。

このような燃料電池セルにおいては、インターコネクタの端部が固体電解質層の端部上に重なって接合しており、かつ固体電解質層および内側電極層のうち少なくとも一方の端部の導電性支持体側にインターコネクタの端部の一部が介在していることから、インターコネクタと、固体電解質層や内側電極層との接合面積を大きくすることができ、インターコネクタと、固体電解質層や内側電極層との接合を強固にすることができる。それにより、インターコネクタと、固体電解質層や内側電極層とが剥離することを抑制でき、長期信頼性の向上した燃料電池セルとすることができる。

また、本発明の燃料電池セルは、固体電解質層および内側電極層のうち少なくとも一方の端部の端面が、上端が下端よりもインターコネクタ側に突出した傾斜面であることが好ましい。

このような燃料電池セルにおいては、固体電解質層および内側電極層のうち少なくとも一方の端部の端面が、上端が下端よりもインターコネクタ側に突出した傾斜面であることから、インターコネクタと、固体電解質層や内側電極層との接合面積を大きくすることができ、インターコネクタと、固体電解質層や内側電極層との接合を強固なものとすることができる。

さらに、本発明の燃料電池セルは、固体電解質層および内側電極層のうち少なくとも一方の端面が、上端が下端よりもインターコネクタに突出した傾斜面であることから、固体電解質層または内側電極層の導電性支持体側にインターコネクタの端部の一部を介在させることができ、よりインターコネクタと、固体電解質層や内側電極層との接合面積を大きくすることができる。それにより、インターコネクタが導電性支持体から剥離することを抑制することができ、長期信頼性の向上した燃料電池セルとすることができる。

また、本発明の燃料電池セルは、前記内側電極層の端部の端面が、上端が下端よりも前記インターコネクタ側に突出した傾斜面であるとともに、前記固体電解質層の端部の端面が、下端が上端よりも前記インターコネクタ側に突出した傾斜面であることが好ましい。

このような燃料電池セルにおいては、内側電極層の端部の端面が、上端が下端よりもインターコネクタ側に突出した傾斜面であるとともに、固体電解質層の端部の端面が、下端が上端よりもインターコネクタ側に突出した傾斜面であることから、固体電解質層の端部上に配置されているインターコネクタに過剰な応力が生じることを抑制することができる。それにより、固体電解質層の端部上に配置されているインターコネクタと固体電解質層との剥離を抑制することができ、長期信頼性の向上した燃料電池セルとすることができる。

また、本発明の燃料電池セルは、前記導電性支持体が互いに平行な一対の主面と一対の該主面同士を接続する一対の弧状面とを有する形状であり、一方の前記主面に前記積層体が設けられ、他方の前記主面に前記インターコネクタが設けられていることが好ましい。

このような燃料電池セルにおいては、導電性支持体が互いに平行な一対の主面と一対の主面同士を接続する一対の弧状面とを有する形状であり、一方の主面上に積層体が設けら
れ、他方の主面にインターコネクタが設けられていることから、より応力が集中しやすい弧状面近傍においてもインターコネクタと、固体電解質層や内側電極層との剥離が生じることを抑制することができる。

また、固体電解質層の上面に重なって接合されているインターコネクタに過剰な応力が生じることをさらに抑制することができる。それにより、インターコネクタと固体電解質層との剥離をさらに抑制することができ、長期信頼性の向上した燃料電池セルとすることができる。

本発明のセルスタック装置は、上記のうちいずれかに記載の燃料電池セルを、集電部材を介して立設させた状態で複数個配列し、電気的に直列に接続してなるセルスタックと、前記燃料電池セルの一端部を固定するとともに、前記燃料電池セルに燃料ガスを供給するためのマニホールドとを具備することを特徴とする。

このようなセルスタック装置においては、インターコネクタと、固体電解質層や内側電極との剥離を抑制することができる燃料電池セルを複数個配列してなることから、長期信頼性の向上したセルスタック装置とすることができる。

本発明の燃料電池モジュールは、上記に記載のセルスタック装置を収納容器に収納してなることから、長期信頼性の向上した燃料電池モジュールとすることができる。

本発明の燃料電池装置は、上記に記載の燃料電池モジュールと、燃料電池モジュールを動作させるための補機とを外装ケース内に収納してなることから、長期信頼性の向上した燃料電池装置とすることができる。

本発明の燃料電池セルでは、インターコネクタと、固体電解質層や内側電極層との接合を強固にすることができる。それにより、インターコネクタと、固体電解質層や内側電極層とが剥離することを抑制でき、長期信頼性の向上した燃料電池セルとすることができる。また、上記の燃料電池セルを備えることで、長期信頼性の向上したセルスタック装置、燃料電池モジュールおよび燃料電池装置とすることができる。

本発明の燃料電池セルの一例を示したものであり、（ａ）はその横断面図、（ｂ）は（ａ）の斜視図である。 （ａ）は、図１に示す燃料電池セルの要部を概略的に示した断面図であり、（ｂ）および（ｃ）は、それぞれ本発明の燃料電池セルの他の一例の要部を概略的に示した断面図である。 （ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、それぞれ本発明の燃料電池セルのさらに他の一例の要部を概略的に示した断面図である。 （ａ）および（ｂ）は、本発明の燃料電池セルのさらに他の一例の要部を概略的に示した断面図である。 本発明の燃料電池セルの他の例を示したもので、（ａ）は横断面図、（ｂ）は（ａ）の側面図である。 図５の要部を概略的に示した断面図であり、（ａ）はインターコネクタ層の二股部で、固体電解質層、燃料極層、中間層を挟んだ状態を示す断面図、（ｂ）はインターコネクタ層の二股部で挟まれた燃料極層の部分が緻密質となっている状態を示す断面図である。 本発明のセルスタック装置の一例を示し、（ａ）はセルスタック装置を概略的に示す側面図、（ｂ）は（ａ）のセルスタック装置の破線枠で囲った部分の一部を拡大した平面図である。 本発明の燃料電池モジュールの一例を示す外観斜視図である。 本発明の燃料電池装置の一例を示す分解斜視図である。

図１は、本発明の燃料電池セルの一例を示すものであり、（ａ）は横断面図、（ｂ）は（ａ）の斜視図である。なお、両図面において、燃料電池セル１の各構成を一部拡大等して示している。また、同一の部材に関しては同一の符号を付するものとし、以下同様とする。

燃料電池セル１は、中空平板形の形状をしており、全体的に見て柱状（より詳しくは楕円柱状）の導電性支持体２を備えている。導電性支持体２の内部には、所定の間隔で長手方向の一端から他端まで貫通した複数のガス通路７が形成されており、燃料電池セル１はこの導電性支持体２上に各種の部材が設けられて構成されている。

導電性支持体２は、図１に示されている形状から理解されるように、互いに平行な一対の主面（平坦面）ｎと、一対の主面ｎをそれぞれ接続する側面（弧状面）ｍとで構成されている。

導電性支持体２の一方の主面（平坦面）ｎには、緻密質なインターコネクタ６が導電性支持体２の長手方向の一端から他端にかけて設けられており、他方の主面（平坦面）ｎには、内側電極としての燃料極層３、固体電解質層４および外側電極としての空気極層５がこの順に積層された積層体が設けられている。そして、燃料極層３は、インターコネクタ６が設けられていない他方の主面（平坦面）ｎおよび両側面ｍに設けられ、燃料極層３の外面を覆うように固体電解質層４が設けられており、燃料極層３と固体電解質層４とがインターコネクタ６と隣接するように配置されている。なお図１に示す燃料電池セル１においては、導電性支持体２の他方の主面ｎにおける固体電解質層４上には中間層８を介して、燃料極層３（より詳しくはインターコネクタ６）と対面するように空気極層５が積層されている。

ここで、燃料電池セル１は、内側電極（燃料極層３）と外側電極（空気極層５）との対面している部分が電極として機能することにより発電する。即ち、空気極層５の外側に空気等の酸素含有ガスを流し、且つ導電性支持体２内のガス流路７に燃料ガス（水素含有ガス）を流し、所定の作動温度まで加熱することにより発電する。かかる発電によって生じた電流は、導電性支持体２の表面に設けられたインターコネクタ６を介して集電される。なお、以降の説明においては、特に記載のない限り内側電極を燃料極層３、外側電極を空気極層５として説明する。

図１に示す燃料電池セル１においては、燃料極層３および固体電解質層４の端部は、側面ｍを経由してインターコネクタ６の幅方向の両側部まで延設されており、インターコネクタ６が、固体電解質層４の端部上に重なって配置されており、固体電解質層４の端部と接合されるとともに、燃料極層３および固体電解質層４の少なくとも一方の端部の導電性支持体２側にインターコネクタ６の端部の一部が介在した構成となっている。言い換えると、固体電解質層４の端部が、その上面に設けられた部分のインターコネクタ６と、固体電解質層４および燃料極層３の端部の導電性支持体２側とに設けられた部分のインターコネクタ６により挟持された構成となっており、内部に燃料ガス流路が形成されている。そのため、導電性支持体２の表面が外部に露出しない構成となっている。

以下に、本発明の燃料電池セル１を構成する各部材について説明する。

導電性支持体２は、ガス通路７の内部を流れる燃料ガスを燃料極層３まで透過させるためにガス透過性であること、インターコネクタ６を介して集電を行うために導電性であることが要求されることから、例えば、ＮｉおよびＮｉＯのうち少なくとも一方と、無機酸化物、例えば、特定の希土類酸化物とにより形成されることが好ましい。

特定の希土類酸化物とは、導電性支持体２の熱膨張係数を固体電解質層４の熱膨張係数に近づけるために使用されるものであり、Ｙ、Ｌｕ（ルテチウム）、Ｙｂ、Ｔｍ（ツリウム）、Ｅｒ（エルビウム）、Ｈｏ（ホルミウム）、Ｄｙ（ジスプロシウム）、Ｇｄ、Ｓｍ、Ｐｒ（プラセオジム）からなる群より選択される少なくとも１種の元素を含む希土類酸化物が、ＮｉおよびＮｉＯのうち少なくとも一方との組み合わせで使用することができる。このような希土類酸化物の具体例としては、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、ＮｉおよびＮｉＯのうち少なくとも一方との固溶、反応が殆どなく、また、熱膨張係数が固体電解質層４とほとんど同程度であり、かつ安価であるという点から、Ｙ_２Ｏ_３、Ｙｂ_２Ｏ_３が好ましい。

また、本発明においては、導電性支持体２の良好な導電率を維持し、かつ熱膨張係数を固体電解質層４と近似させるという点で、焼成−還元後における体積比率が、Ｎｉ：希土類元素酸化物（例えば、Ｎｉ：Ｙ_２Ｏ_３）が３５：６５〜６５：３５（Ｎｉ／（Ｎｉ＋Ｙ）がモル比で６５〜８６ｍｏｌ％）の範囲にあることが好ましい。なお、導電性支持体２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。

また、導電性支持体２は、ガス透過性を有していることが必要であるため、通常、気孔率が３０％以上、特に３５〜５０％の範囲にあることが好ましい。また、導電性支持体２の導電率は、５０Ｓ／ｃｍ以上、より好ましくは３００Ｓ／ｃｍ以上、特に好ましくは４４０Ｓ／ｃｍ以上とすることがよい。

なお、導電性支持体２の平坦面ｎの長さ（導電性支持体２の幅方向の長さ）は、通常、１５〜３５ｍｍ、弧状面ｍの長さ（弧の長さ）は、２〜８ｍｍであり、導電性支持体２の厚み（平坦面ｎ間の厚み）は１．５〜５ｍｍであることが好ましい。それにより、ある程度の強度を維持しつつ集電性を確保することができる。

燃料極層３は、電極反応を生じさせるものであり、鉄族金属であるＮｉおよびＮｉＯのうち少なくとも一方と、希土類元素が固溶したＺｒＯ_２とから形成することができる。なお、希土類元素としては、導電性支持体２において例示した希土類元素（Ｙ等）を用いることができる。

燃料極層３において、ＮｉおよびＮｉＯのうち少なくとも一方と、希土類元素が固溶したＺｒＯ_２の含有量は、焼成−還元後における体積比率が、Ｎｉ：希土類元素が固溶したＺｒＯ_２（例えば、ＮｉＯ：ＹＳＺ）が３５：６５〜６５：３５の範囲にあるのが好ましい。さらに、この燃料極層３は多孔質で、その気孔率は１５％以上、特に２０〜４０％の範囲にあるのが好ましく、その厚みは、１〜３０μｍであるのが好ましい。例えば、燃料極層３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、後述する固体電解質層４と燃料極層３との間で熱膨張係数差等による剥離やクラックを生じるおそれがある。

固体電解質層４は、３〜１５モル％のＹ（イットリウム）、Ｓｃ（スカンジウム）、Ｙｂ（イッテルビウム）等の希土類元素を含有する部分安定化あるいは安定化ＺｒＯ_２からなる緻密質なセラミックスを用いるのが好ましい。また、希土類元素としては、安価であ
るという点からＹが好ましい。さらに、固体電解質層４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、かつその厚みが５〜５０μｍであることが好ましい。固体電解質層４は、ランタンガレート系材料、セリア系材料から構成されていても良い。

なお、固体電解質層４と後述する空気極層５の間に、固体電解質層４と空気極層５との接合を強固とするとともに、固体電解質層４の成分と空気極層５の成分とが反応して電気抵抗の高い反応層が形成されることを抑制する目的で中間層８を備えることもでき、図１に示した燃料電池セル１においては中間層８を備えた例を示している。

ここで、中間層８は、Ｃｅ（セリウム）と他の希土類元素とを含有する組成にて形成することができ、例えば、（ＣｅＯ_２）_１−ｘ（ＲＥＯ_１．５）_ｘ（ＲＥはＳｍ、Ｙ、Ｙｂ、Ｇｄの少なくとも１種であり、ｘは０＜ｘ≦０．３を満足する数。）で表される組成を有していることが好ましい。さらには、電気抵抗を低減するという点から、ＲＥとしてＳｍやＧｄを用いることが好ましく、例えば１０〜２０モル％のＳｍＯ_１．５またはＧｄＯ_１．５が固溶したＣｅＯ_２からなることが好ましい。なお、中間層８は例えば２層より構成することもでき、この場合１層目を固体電解質層４と同時焼成により設けた後に、同時焼成よりも２００℃以上低い温度にて２層目を別途焼成することが好ましい。

また、空気極層５は、ガス透過性を有する必要があり、従って、空気極層５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、気孔率が２０％以上、特に３０〜５０％の範囲にあることが好ましい。さらに、空気極層５の厚みは、集電性という点から３０〜１００μｍであることが好ましい。

空気極層５を構成する導電性セラミックスとしては、いわゆるＡＢＯ_３型のペロブスカイト型複合酸化物を主成分とする焼結体からなる導電性を有するセラミックスにより形成されるのが好ましく、遷移金属ペロブスカイト型酸化物、特にＡサイトにＳｒ（ストロンチウム）とＬａ（ランタン）が共存するＬａＳｒＣｏＦｅＯ_３系酸化物（例えばＬａＳｒＣｏＦｅＯ_３）、ＬａＭｎＯ_３系酸化物（例えばＬａＳｒＭｎＯ_３）、ＬａＦｅＯ_３系酸化物（例えばＬａＳｒＦｅＯ_３）、ＬａＣｏＯ_３系酸化物（例えばＬａＳｒＣｏＯ_３）の少なくとも１種が好ましく、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ＬａＳｒＣｏＦｅＯ_３系酸化物が特に好ましい。なお、上記ペロブスカイト型酸化物においては、Ｂサイトに、Ｃｏ（コバルト）とともにＦｅ（鉄）やＭｎ（マンガン）が存在しても良い。

インターコネクタ６は、緻密質な導電性セラミックスにより形成されることが好ましいが、燃料ガス（水素含有ガス）およ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、耐還元性、耐酸化性を有す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、特に導電性支持体２と固体電解質層４との熱膨張係数を近づける目的から、ＬａＣｒＯ_３系酸化物が用いられる。

また、インターコネクタ６の厚みは、ガスのリーク防止と電気抵抗という点から、１０〜５０μｍであることが好ましい。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。

また、図示していないが、インターコネクタ６の外面（上面）には、Ｐ型半導体層を設けることが好ましい。集電部材（図示せず）を、Ｐ型半導体層を介してインターコネクタ６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、電位降下を少なくでき、集
電性能の低下を有効に回避することが可能となる。

このようなＰ型半導体層としては、遷移金属ペロブスカイト型酸化物からなる層を例示することができる。具体的には、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型半導体層の厚みは、一般に、３０〜１００μｍの範囲にあることが好ましい。

ところで、従来の燃料電池セルにおいては、燃料電池セルの作製時に、インターコネクタ６と、固体電解質層４や燃料極層３との剥離を生じる場合があり、燃料電池セル１の長期信頼性が低下するおそれがある。

図1に示す燃料電池セル１は、インターコネクタ６の端部が固体電解質層４の端部の上
面（端部上）に重なって接合されており、固体電解質層４および燃料極層３（内側電極）の導電性支持体２側にインターコネクタ６の端部の一部が介在するように設けられている。そのため、インターコネクタ６と固体電解質層４や燃料極層３との接合面積を増加させることができる。それにより、インターコネクタ６と固体電解質層４や燃料極層３との接合が強固なものとなり、インターコネクタ６と固体電解質層４や燃料極層３との剥離を抑制することができ、燃料電池セル１の長期信頼性を向上させることができる。

図２は、（ａ）は、図１に示す燃料電池セルの要部を概略的に示した断面図であり、（ｂ）および（ｃ）は、それぞれ本発明の燃料電池セルの他の一例の要部を概略的に示した断面図である。

図２の（ａ）に示す燃料電池セル１は、固体電解質層４および燃料極層３の端部の導電性支持体２に沿った端面のそれぞれの上端が、下端（導電性支持体側）よりもインターコネクタ６側に突出しており、上端と下端とを結ぶ端面が傾斜面となっている。それにより、固体電解質層４および燃料極層３の端部における端面が導電性支持体２に対して垂直に設けられた従来の燃料電池セルに比べてインターコネクタ６と固体電解質層４および燃料極層３の端部との接合面積を大きくすることができるため、インターコネクタ６と固体電解質層４および燃料極層３との剥離を抑制することができる。

また、燃料電池セル１は、固体電解質層４および燃料極層３の端部の導電性支持体２側（より詳しくは固体電解質層４および燃料極層３の端部と導電性支持体２との間の領域）にインターコネクタ６の端部を介在させることが、インターコネクタ６が還元変形した場合においても、インターコネクタ６と導電性支持体２との剥離を抑制することができる。そのため、長期信頼性が向上した燃料電池セル１とすることができる。

図２（ｂ）に示す燃料電池セル１は、固体電解質層４の端部の導電性支持体２に沿った端面の上端が、下端よりもインターコネクタ６側に突出しており、上端と下端とを結ぶ端面が傾斜面となっており、燃料極層３の端部の導電性支持体２に沿った端面は、上端及び下端がインターコネクタ６側に突出していない構成となっている。

この場合においても、固体電解質層４とインターコネクタ６との接合面積を大きくすることができ、インターコネクタ６と固体電解質層４との剥離を抑制することができる。

また、燃料極層３の端部よりも固体電解質層４の端部がインターコネクタ６側に突出しているため、さらに固体電解質層４とインターコネクタ６との接合面積を大きくすることができる。

図２（ｃ）に示す燃料電池セル１は、燃料極層３の端部の形状は、図２（ａ）に示す燃料電池セル１と同様であるが、固体電解質層４の端部がインターコネクタ６側に突出しておらず、固体電解質層４の端部よりも燃料極層３の端部がインターコネクタ６側に突出した構成となっている。

この場合においても、燃料極層３とインターコネクタ６との接合面積を大きくすることができ、インターコネクタ６と燃料極層３との剥離を抑制することができる。

なお、本発明の燃料電池セル１は、固体電解質層４の端部が、その上面に設けられた部分のインターコネクタ６と、固体電解質層４および燃料極層３の端部の導電性支持体２側とに設けられた部分のインターコネクタ６により挟持された構成となっておればよく、固体電解質層４および燃料極層３の端部の配置等は、適宜設定すればよい。

図３（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、それぞれ本発明の燃料電池セルのさらに他の一例の要部を概略的に示した断面図である。図３に示す燃料電池セル９は、固体電解質層４の端部の上端が、下端よりもインターコネクタ６側に突出しており、燃料極層３の端部の下端が、上端よりもインターコネクタ６側に突出している。それにより、固体電解質層４のインターコネクタ６側の端面が、上端がインターコネクタ６側に突出している傾斜面となっているとともに、燃料極層３のインターコネクタ６側の端面が、下端がインターコネクタ６側に突出している傾斜面となっている。そのため、従来の燃料電池セルに比べてインターコネクタ６と固体電解質層４および燃料極層３との接合面積を大きくすることができ、インターコネクタ６と固体電解質層４および燃料極層３との接合を強固にすることができる。

図３（ｂ）に示す燃料電池セル９は、固体電解質層４および燃料極層３の端部の形状は図３（ａ）に示す燃料電池セル９と同様であるが、燃料極層３の端部よりも固体電解質層４の端部がインターコネクタ６側に突出した構成となっている。

この場合においても、固体電解質層４とインターコネクタ６とのさらに接合面積を大きくすることができ、インターコネクタ６と固体電解質層４との剥離を抑制することができる。

図３（ｃ）に示す燃料電池セル９は、固体電解質層４および燃料極層３の端部の形状は図３（ａ）に示す燃料電池セル９と同様であるが、固体電解質層４の端部よりも燃料極層３の端部がインターコネクタ６側に突出した構成となっている。

この場合においても、固体電解質層４とインターコネクタ６との接合面積を大きくすることができ、インターコネクタ６と固体電解質層４との剥離を抑制することができる。

図４（ａ）および（ｂ）は、本発明の燃料電池セルのさらに他の一例の要部を概略的に示した断面図である。図４に示す燃料電池セル１０は、固体電解質層４の端部の下端が上端よりもインターコネクタ６側に突出しており、燃料極層３の端部の上端が下端よりもインターコネクタ６側に突出している。それにより、固体電解質層４のインターコネクタ６側の端面が、下端がインターコネクタ６側に突出している傾斜面となっているとともに、燃料極層３のインターコネクタ６側の端面が、上端がインターコネクタ６側に突出している傾斜面となっている。そのため、従来の燃料電池セルに比べてインターコネクタ６と固体電解質層４および燃料極層３との接合面積を大きくすることができ、インターコネクタ６と固体電解質層６および燃料極層３との接合を強固にすることができる。

ここで、固体電解質層４のインターコネクタ６側の端面と固体電解質層４の端部の上面（以下、端部上と略す場合がある。）とにより形成される角度が鋭角である場合に、固体電解質層４の端部における上面の上方に位置するインターコネクタ６に過剰な応力が集中し、固体電解質層４とインターコネクタ６との剥離や、端部上のインターコネクタ６にクラックが生じるおそれがある。

図４に示す燃料電池セル１０は、固体電解質層４の端の傾斜面の角度（図４においてθで示す角度）が鈍角となっている。そのため、固体電解質層４の端部上に配置された（特には、固体電解質層４の端部上の角部の上方に配置された。）インターコネクタ６に過剰な応力が生じることを抑制することができる。それにより、固体電解質層４の上面に配置されたインターコネクタ６と固体電解質層４との剥離や、インターコネクタ６にクラックが生じることを抑制することができ、長期信頼性の向上した燃料電池セル１０とすることができる。

なお、詳細は後述するが、固体電解質層４および燃料極層３の端部の形状は、固体電解質層用シートや燃料極層用シートをブレードにより切断する際にブレードの刃の角度等を変更することや、シート成形の積層方法により適宜調整することができる。

図４（ｂ）に示す燃料電池セル１０は、固体電解質層４および燃料極層３の端部の形状は図４（ａ）に示す燃料電池セル１０と同様であるが、燃料極層３の端部よりも固体電解質層４の端部がインターコネクタ６側に突出した構成となっている。

この場合においても、固体電解質層４とインターコネクタ６とのさらに接合面積を大きくすることができ、インターコネクタ６と固体電解質層４との剥離を抑制することができる。

なお、固体電解質層４および燃料極層３のインターコネクタ６側の端面において突出部を有する場合、突出部が突出していない部位に比べて１０μｍ以上突出することが好ましい。それにより、インターコネクタ６と固体電解質層４や燃料極層３との接合面積を大きくすることができるとともに、インターコネクタ６が還元変形した場合においても導電性支持体２から剥離することを抑制することができる。

また、導電性支持体２とインターコネクタ６との間には、インターコネクタ６と導電性支持体２との間の熱膨張係数差を軽減する等のために密着層（図示せず）を設けることもできる。

密着層は、例えば、希土類元素酸化物、希土類元素が固溶したＺｒＯ_２、希土類元素が固溶したＣｅＯ_２のうち少なくとも１種と、ＮｉおよびＮｉＯのうち少なくとも一方とから形成することができる。より具体的には、例えばＹ_２Ｏ_３とＮｉおよびＮｉＯのうち少なくとも一方からなる組成や、Ｙが固溶したＺｒＯ_２（ＹＳＺ）とＮｉおよびＮｉＯのうち少なくとも一方からなる組成、Ｙ、Ｓｍ、Ｇｄ等が固溶したＣｅＯ_２とＮｉおよびＮｉＯのうち少なくとも一方からなる組成から形成することができる。なお、希土類元素酸化物や希土類元素が固溶したＺｒＯ_２（ＣｅＯ_２）と、ＮｉおよびＮｉＯのうち少なくとも一方とは、焼成−還元後における体積比率が４０：６０〜６０：４０の範囲となるように形成することが好ましい。

なお、密着層を設ける場合においては、密着層の厚みを適宜設定して、固体電解質層４および燃料極層３の導電性支持体２側にインターコネクタ６の端部が介在するように設けることで、インターコネクタ６と固体電解質層４や燃料極層３とが剥離を生じることを抑制することができる。

以上説明した本発明の燃料電池セル１の作製方法について説明する。

先ず、ＮｉおよびＮｉＯの少なくとも一方の粉末と、Ｙ_２Ｏ_３などの希土類酸化物の粉末と、有機バインダーと、溶媒とを混合して坏土を調製し、この坏土を用いて押出成形法により導電性支持体成形体を作製し、これを乾燥する。なお、導電性支持体成形体として、導電性支持体成形体を９００〜１０００℃にて２〜６時間仮焼した仮焼体を用いてもよい。

次に、例えば所定の調合組成に従いＮｉＯ、Ｙ_２Ｏ_３が固溶したＺｒＯ_２（ＹＳＺ）の素原料を秤量、混合する。この後、混合した粉体に、有機バインダーおよび溶媒を混合して燃料極層用スラリーを調製する。

さらに、希土類元素が固溶したＺｒＯ_２粉末に、トルエン、バインダー、市販の分散剤等を加えてスラリー化したものをドクターブレード等の方法により、７〜７５μｍの厚さに成形してシート状の固体電解質層成形体を作製する。得られたシート状の固体電解質層成形体上に燃料極層用スラリーを塗布して燃料極層成形体が形成されたシート状の積層体成形体を形成し、その後、作製されたシート状の積層体成形体をブレードにより所定の切断面となるように切断する。このシート状の積層体成形体を、燃料極層成形体を下面として導電性支持体成形体に積層する。

なお、図２に示す燃料電池セル１を得るためには、所定の傾斜角がついた（刃の角度が積層体成形体に垂直でない）ブレードを用いて切断し、導電性支持体成形体に積層して作製する。

また、図３、図４に示す燃料電池セル９、１０を得るためには、燃料極層用スラリーをシート状に成形して燃料極層成形体を作製し、固体電解質層成形体および燃料極層成形体を上述の方法によりブレードでそれぞれ切断した後に、これらのシートを積層したものを導電性支持体成形体に積層するか、もしくは、切断したそれぞれのシートを導電性支持体成形体に積層して作製する。

なお、図４に示す断面形状を得るために、図２の方法で導電性支持体成形体に積層した後、固体電解質層成形体の端部における上面の一部を切り欠くことにより作製することもできる。

続いて固体電解質層４と空気極層５との間に配置する中間層８成形体を形成する。

例えば、ＧｄＯ_１．５が固溶したＣｅＯ_２粉末を８００〜９００℃にて２〜６時間、熱処理を行い、その後、湿式解砕して凝集度を５〜３５に調整し、中間層成形体用の原料粉末を調整する。湿式解砕は溶媒を用いて１０〜２０時間ボールミルすることが望ましい。なお、中間層をＳｍＯ_１．５が固溶したＣｅＯ_２粉末より形成する場合も同様である。

そして、凝集度が調製された中間層成形体の原料粉末に、溶媒としてトルエンを添加し、中間層用スラリーを作製し、このスラリーを固体電解質層成形体上に塗布して中間層成形体を作製する。なお、シート状の中間層成形体を作製し、これを固体電解質層成形体上に積層してもよい。

続いて、インターコネクタ用材料（例えば、ＬａＣｒＭｇＯ_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、スクリーン印刷にて積層体成形体の導電性支持体成形体上に塗布した。なお、固体電解質層成形体の周方向における端部に重なる
ようにインターコネクタを設けた。

次いで、上記の積層体成形体を脱バインダー処理し、酸素含有雰囲気中、１４００℃〜１６００℃にて２〜６時間、同時焼結（同時焼成）する。

なお、中間層８を２層から形成する場合には、空気極層側の中間層は、同時焼成された中間層８（１層目）の上面に、上述の中間層用スラリーを塗布した後、上記同時焼成時の温度よりも２００℃以上低い温度にて焼成する。

次いで、空気極層用材料（例えば、ＬａＣｏＯ_３系酸化物粉末）、溶媒および増孔剤を含有するスラリーをディッピング等により中間層８上に塗布する。また、インターコネクタ６の所定の位置に、必要によりＰ型半導体層用材料（例えば、ＬａＣｏＯ_３系酸化物粉末）と溶媒を含むスラリーを、ディッピング等により塗布し、１０００〜１３００℃で、２〜６時間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１を製造できる。なお、燃料電池セル１は、その後、内部に水素ガスを流し、導電性支持体２および燃料極層３の還元処理を行なうのが好ましい。その際、例えば７５０〜１０００℃にて５〜２０時間還元処理を行なうのが好ましい。

以上のように、作製された燃料電池セル１は、インターコネクタ６の端部が固体電解質層４の端部上に重なって接合されており、固体電解質層４および燃料極層３のうち少なくとも一方の導電性支持体２側にインターコネクタ６の端部の一部を介在させることができる。それにより、インターコネクタ６と、固体電解質層４や燃料極層３との接合面積を大きくすることができ、インターコネクタ６と、固体電解質層４や燃料極層３との接合を強固にすることができる。そのため、インターコネクタ６と、固体電解質層４や燃料極層３との剥離を抑制することができ、長期信頼性の向上した燃料電池セル１とすることができる。

さらに、固体電解質層４および燃料極層３と導電性支持体２との間にインターコネクタ６の端部の一部が介在されていることから、インターコネクタ６が還元変形した場合においても、インターコネクタ６と導電性支持体２との剥離を抑制することができる。それにより、長期信頼性の向上した燃料電池セル1とすることができる。

図５は、本発明の燃料電池セルの他の例を示すものであり、（ａ）はその横断面図、（ｂ）は（ａ）の側面図である。

この燃料電池セルは多孔質の導電性支持体２を備えており、一方の平坦面ｎ（下面）と両側の弧状面ｍを覆うように多孔質な燃料極層３が設けられており、さらに、この燃料極層３を覆うように、緻密質な固体電解質層４が積層されている。また、固体電解質層４の表面には、中間層８を介して、燃料極層３と対面するように、多孔質な空気極層５が積層されている。また、燃料極層３および固体電解質層４が積層されていない他方の平坦面ｎ（上面）には、図示しないが、密着層を介してインターコネクタ層６が形成されている。

すなわち、燃料極層３および固体電解質層４は、両端の弧状面ｍを経由して他方の平坦面ｎ（上面）まで形成されており、ＺｒＯ_２系焼結体からなる固体電解質層４の両端部に、ＬａＣｒＯ_３系焼結体からなるインターコネクタ層６の両端部が中間層９を介してそれぞれ接合され、固体電解質層４とインターコネクタ層６で導電性支持体２を取り囲み、内部に燃料ガスが流通する燃料ガス流路が形成され、内部を流通する燃料ガスが外部に漏出しないように構成されている。

言い換えると、図５（ｂ）に示すように、平面形状が矩形状のインターコネクタ層６が
導電性支持体２の上端から下端まで形成されており、その左右両側端部が、固体電解質層４の両端部の表面に、中間層９を介して接合している。中間層９はＬａを含有して構成されている。なお、本発明は、中間層９を形成しない場合であっても良い。

このインターコネクタ層６は、図５および図６に示すように、両端部がそれぞれ二股に分かれて、二股部６ａが形成されており、該インターコネクタ層６の端部における二股部６ａで固体電解質層４の端部が挟まれている。

さらに詳細に説明すると、燃料極層３と導電性支持体２との間に、インターコネクタ層６の二股部６ａの内側の部分が潜り込み、さらに、二股部６ａの外側の部分が固体電解質層４の端部上面に、中間層９を介して積層され、固体電解質層４の端部は、燃料極層３の端部、中間層９とともに、インターコネクタ層６の二股部６ａで挟まれている。インターコネクタ層６の二股部６ａと固体電解質層４との間の燃料極層３は、インターコネクタ層６の二股部６ａから、インターコネクタ層６の成分が拡散し、開気孔率１５％以上である燃料極層３が開気孔率１０％以下の緻密質となっている。図６（ｂ）には、インターコネクタ層６の二股部６ａから、インターコネクタ層６の成分が拡散した緻密質な部分を符号３ａとして図示した。

また、中間層９は、後述するように、９０％以上の緻密質となっている。中間層９は、例えば、Ｌａを含有して構成されている。中間層９の厚みは１０〜４０μｍとされている。中間層９は、例えば、ＭｇＯを５０〜６８モル％と、Ｙ_２Ｏ_３を３０〜４７モル％と、Ｌａ_２Ｏ_３を３〜５モル％とを含有して構成されている。中間層９のＬａが、焼成時に固体電解質層４表面まで拡散して、固体電解質層４のＺｒと反応し、固体電解質層４に対する中間層９の接合強度を向上できる。

インターコネクタ層６の二股部６ａが、固体電解質層４の端部を挟みこみ、燃料極層３、中間層９を介して固体電解質層４の端部に強固に接合し、インターコネクタ層６と固体電解質層４との剥離を抑制できる。また、固体電解質層４および燃料極層３の端部の持ち上がり等の変形を抑制し、インターコネクタ層６におけるクラックの発生を防止できる。従って、インターコネクタ層６の厚みが、３０μｍ以下と薄い場合であっても、インターコネクタ層６におけるクラックの発生を防止できる。

そして、この場合には、固体電解質層１、燃料極層３の先端部の厚みは、その他の部分と殆ど同じであり、カーターで先端部をカットした場合よりも、先端部の強度を高めることができ、インターコネクタにおけるクラックの発生をさらに防止できる。

インターコネクタ層６の二股部６ａの作製方法について説明する。図１で示した燃料電池セルとほぼ同様の製法を用いることができる。すなわち、シート状の固体電解質層成形体上に燃料極層用スラリーを塗布して燃料極層成形体を形成し、固体電解質層成形体上に燃料極層成形体が形成されたシート状の積層成形体を作製し、このシート状の積層成形体の燃料極層成形体側の面を導電性支持体成形体に積層する。

例えば、インターコネクタ層用スラリーに用いた溶媒、例えばトルエンを、固体電解質層成形体の先端部に塗布し、燃料極層成形体と導電性支持体成形体との間に染みこませ、固体電解質層成形体上に燃料極層成形体を積層したシート状の積層成形体の両端部を、導電性支持体成形体から一部剥離させ、燃料極層成形体と導電性支持体成形体との間に隙間を形成する。

そして、インターコネクタ層用スラリーを、中間層成形体の上、および密着層成形体の上に塗布する。この際、シート状の積層成形体の端部が導電性支持体成形体から剥離した
隙間にインターコネクタ層用スラリーが浸入していき、焼成することにより、インターコネクタ層６の二股部６ａが固体電解質層４の端部を挟みこんだ構造を得ることができる。また、ＬａＣｒＯ_３系焼結体からなるインターコネクタ層６、中間層９のＬａが、焼成時に固体電解質層４表面まで拡散するとともに、インターコネクタ層６の構成元素が二股部６ａで挟まれた部分の燃料極層３に拡散し、中間層９および二股部６ａで挟まれた部分の燃料極層３（３ａ）が、その他の部分の燃料極層３よりも緻密化する。従って、二股部６ａにより、インターコネクタ層６と、固体電解質層４、燃料極層３および中間層９とを強固に接合できる。

図７は、上述した燃料電池セル１の複数個を、集電部材１４を介して電気的に直列に接続して構成されるセルスタック装置の一例を示したものであり、（ａ）はセルスタック装置１２を概略的に示す側面図、（ｂ）は（ａ）のセルスタック装置１２の一部拡大平面図であり、（ａ）で示した点線枠で囲った部分を抜粋して示している。なお、（ｂ）において（ａ）で示した点線枠で囲った部分に対応する部分を明確とするために矢印にて示している。

なお、セルスタック装置１２においては、各燃料電池セル１を集電部材１４を介して立設して配列することでセルスタック１３を構成しており、各燃料電池セル１の一端部（下端部）が、燃料電池セル１に燃料ガスを供給するためのマニホールド１５に、ガラスシール材等の接着剤により固定されている。また、燃料電池セル１の配列方向の両端から集電部材１４を介してセルスタック１３を挟持するように、マニホールド１５に下端が固定された弾性変形可能な導電部材１６を具備している。

また、図７に示す導電部材１６においては、燃料電池セル１の配列方向に沿って外側に向けて延びた形状で、セルスタック１３（燃料電池セル１）の発電により生じる電流を引出すための電流引出部１７が設けられている。

ここで、本発明のセルスタック装置１２においては、上述した燃料電池セル１を用いて、セルスタック１３を構成することにより、固体電解質層４および燃料極層３の下面にインターコネクタ６の端部の一部が介在されていることから、インターコネクタ６と固体電解質層４や燃料極層３との接合面積を大きくすることができ、インターコネクタ６と固体電解質層４や燃料極層３とが剥離を生じることを抑制することができる。そのため、長期信頼性の向上したセルスタック装置１２とすることができる。

なお、集電部材１４の集電部（図示せず）はインターコネクタ６の上面のうち平坦部に接合することが好ましい。それにより、インターコネクタ６と集電部材１４との接合を強固にすることができ、長期信頼性の向上したセルスタック装置１２とすることができる。また、前述したＰ型半導体層（図示せず）を設けることにより、さらにインターコネクタ６と集電部材１４との接合を強固にすることができる。

図８は、本発明のセルスタック装置１２を収納容器内に収納してなる燃料電池モジュール２０の一例を示す外観斜視図であり、直方体状の収納容器２１の内部に、図７に示したセルスタック装置１２を収納して構成されている。

なお、燃料電池セル１にて使用する燃料ガスを得るために、天然ガスや灯油等の原燃料を改質して燃料ガスを生成するための改質器２２がセルスタック１３の上方に配置されている。そして、改質器２２で生成された燃料ガスは、ガス流通管２３を介してマニホールド１５に供給され、マニホールド１５を介して燃料電池セル１の内部に設けられたガス通路７に供給される。

なお、図８においては、収納容器２１の一部（前後面）を取り外し、内部に収納されているセルスタック装置１２および改質器２２を後方に取り出した状態を示している。ここで、図８に示した燃料電池モジュール２０においては、セルスタック装置１２を、収納容器２１内にスライドして収納することが可能である。なお、セルスタック装置１２は、改質器２２を含むものとしても良い。

また収納容器２１の内部に設けられた酸素含有ガス導入部材２４は、図８においてはマニホールド１５に並置されたセルスタック１３の間に配置されるとともに、酸素含有ガスが燃料ガスの流れに合わせて、燃料電池セル１の側方を下端部から上端部に向けて流れるように、燃料電池セル１の下端部に酸素含有ガスを供給する。そして、燃料電池セル１の燃料ガス通路７より排出される燃料ガスと酸素含有ガスとを燃料電池セル１の上端部側で燃焼させることにより、燃料電池セル１の温度を上昇させることができ、セルスタック装置１２の起動を早めることができる。また、燃料電池セル１の上端部側にて、燃料電池セル１の燃料ガス通路７から排出される燃料ガスと酸素含有ガスとを燃焼させることにより、燃料電池セル１（セルスタック１３）の上方に配置された改質器２２を効率よく温めることができる。それにより、改質器２２で効率よく改質反応を行うことができる。

さらに、本発明の燃料電池モジュール２０においても、長期信頼性が向上した燃料電池セル１を用いて構成されるセルスタック装置１２を収納容器２１内に収納してなることから、長期信頼性が向上した燃料電池モジュール２０とすることができる。

図９は、外装ケース内に図８で示した燃料電池モジュール２０と、燃料電池セルスタック装置１２を動作させるための補機とを収納してなる本発明の燃料電池装置の一例を示す分解斜視図である。なお、図９においては一部構成を省略して示している。

図９に示す燃料電池装置２５は、支柱２６と外装板２７から構成される外装ケース内を仕切板２８により上下に区画し、その上方側を上述した燃料電池モジュール２０を収納するモジュール収納室２９とし、下方側を燃料電池モジュール２０を動作させるための補機類を収納する補機収納室３０として構成されている。なお、補機収納室２８に収納する補機類を省略して示している。

また、仕切板２８には、補機収納室３０の空気をモジュール収納室２９側に流すための空気流通口３１が設けられており、モジュール収納室２９を構成する外装板２７の一部に、モジュール収納室２９内の空気を排気するための排気口３２が設けられている。

このような燃料電池装置２５においては、上述したように、長期信頼性を向上することができる燃料電池モジュール２０をモジュール収納室２９に収納して構成されることにより、長期信頼性の向上した燃料電池装置２５とすることができる。

以上、本発明について詳細に説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。

例えば、本発明の燃料電池セル１においては、中空平板形状のものについて示したが、円筒状の燃料電池セルにおいても本発明を用いることができる。また、本発明の燃料電池セル１においては、インターコネクタ６が設けられている領域以外のほぼ全域に積層体を備える例を示したが、固体電解質層４および燃料極層３の上面および下面にインターコネクタ６の端部が介在していればよいため、積層体の形成面積については特に限定されるものではない。

また、ガス通路７の内部に燃料ガスを流し内側電極を燃料極層３とし、燃料電池セル１の外部に酸素含有ガスを流し外側電極を空気極層５とする構成について説明したが、ガス通路７の内部に酸素含有ガスを流し内側電極を空気極層５とし、燃料電池セル１の外部に燃料ガスを流し外側電極を燃料極層３とする構成としてもよい。

さらに、図面において、固体電解質層４および燃料極層３の少なくとも一方の端部の端面が傾斜面となっている例を示したが、固体電解質層４および燃料極層３のうち少なくとも一方の端部が、インターコネクタ６側に突出していればよい。それにより、固体電解質層４および燃料極層３のうち少なくとも一方の導電性支持体２側にインターコネクタ６の端部を介在させることができ、インターコネクタ６と、固体電解質層４および燃料極層３との接触面積を大きくすることができる。

先ず、平均粒径０．５μｍのＮｉＯ粉末と、平均粒径０．９μｍのＹ_２Ｏ_３粉末を焼成−還元後における体積比率が、ＮｉＯが４８体積％、Ｙ_２Ｏ_３が５２体積％になるように混合し、有機バインダーと溶媒にて作製した坏土を押出成形法にて成形し、乾燥、脱脂して導電性支持体成形体を作製した。

次に、８ｍｏｌ％のＹが固溶したマイクロトラック法による粒径が０．８μｍのＺｒＯ_２粉末（固体電解質層原料粉末）と有機バインダーと溶媒とを混合して得られたスラリーを用いて、ドクターブレード法にて厚み３０μｍの固体電解質層用シートを作製した。

次に平均粒径０．５μｍのＮｉＯ粉末とＹ_２Ｏ_３が固溶したＺｒＯ_２粉末と有機バインダーと溶媒とを混合した燃料極層用スラリーを作製し、固体電解質層用シート上に燃料極層用スラリーを塗布して燃料極層成形体を形成したシート状の積層体成形体を形成し、このシート状の積層体成形体のインターコネクタ側の端部が表１に示すような構成となるように積層体成形体をブレードを用いて切断し、試料Ｎｏ．１〜３の積層体成形体を作製した。試料Ｎｏ．４、５においては、固体電解質層用シートおよび燃料極層用シートを作製した後に、表１に示す構成となるようにブレードを用いて切断し、固体電解質層用シートと、燃料極層用シートとを積層させ、積層体成形体を作製した。続いて、燃料極層成形体側の面を下にして導電性支持体成形体の所定位置に積層した。

続いて、上記のように燃料極層成形体および固体電解質層成形体を積層した積層体成形体を１０００℃にて３時間仮焼処理した。

ここで、試料Ｎｏ．６については、固体電解質層成形体の周方向における端部の上面の一部を研磨して切り欠いた。

次に、ＣｅＯ_２を８５モル％、他の希土類元素の酸化物（ＧｄＯ_１．５）を１５モル％含む複合酸化物を、溶媒としてイソプロピルアルコール（ＩＰＡ）を用いて振動ミル又はボールミルにて粉砕し、９００℃にて４時間仮焼処理を行い、再度ボールミルにて解砕処理し、セラミック粒子の凝集度を調整し、中間層用の原料粉末を得た。この粉末にアクリル系バインダーとトルエンとを添加し、混合して作製した中間層用のスラリーを得られた積層仮焼体の固体電解質層仮焼体上に、スクリーン印刷法にて塗布し、中間層成形体を作製した。

続いて、ＬａＣｒＯ_３系酸化物と、有機バインダーと溶媒とを混合したインターコネクタ用スラリーを用いて、燃料極層成形体および固体電解質層成形体が形成されていない導電性支持体成形体の他方側の平坦部上に、インターコネクタの両端部が固体電解質層上に位置するように、スクリーン印刷によりインターコネクタを設けた。

そして、これらの各層が積層された試料Ｎｏ．１〜６の各積層体を、大気中１５１０℃にて３時間同時焼成（焼結）した。

次に、平均粒径２μｍのＬａＳｒＣｏＦｅＯ_３の粉末と、イソプロピルアルコールとからなる混合液を作製し、積層焼結体の中間層の表面に噴霧塗布し、空気極層成形体を形成し、１１００℃にて４時間で焼き付け、空気極層を形成し、表１に示す構成の燃料電池セルを作製した。

なお、作製した燃料電池セルの寸法は２５ｍｍ×２００ｍｍで、導電性支持体の厚み（平坦面ｎ間の厚み）は２ｍｍ、気孔率３５％、燃料極層の厚さは１０μｍ、気孔率２４％、空気極層の厚みは５０μｍ、気孔率４０％、固体電解質層の相対密度は９７％であった。

ここで、各試料につき１０個の燃料電池セルを作製し、燃料電池セルのうち、インターコネクタと固体電解質層や燃料極層との界面を含む任意の３箇所の断面を走査型電子顕微鏡にて観察し、インターコネクタと固体電解質層や燃料極層との剥離の有無を確認した。

表１の結果より、固体電解質層および燃料極層の端部がインターコネクタ側に突出していない試料Ｎｏ．１、２は、固体電解質層および燃料極層のうち少なくとも一方の端部が、その上面に設けられた部分のインターコネクタと、固体電解質層および燃料極層の端部の導電性支持体側とに設けられた部分のインターコネクタにより挟持されていないため、インターコネクタと、固体電解質層や燃料極層との接合面積が小さく、１０個中８個以上の燃料電池セルにおいてインターコネクタと固体電解質層や燃料極層が剥離していた。

しかしながら、固体電解質層の端部の上端がインターコネクタ側に突出した試料Ｎｏ．３と、燃料極層の端部の上端がインターコネクタ側に突出した試料Ｎｏ．４は、インターコネクタと固体電解質層や燃料極層との剥離が１０個中３個以下であり、インターコネクタと固体電解質層や燃料極層との剥離を抑制することができた。

これは、固体電解質層の端部上と、固体電解質層および燃料極層のうち少なくとも一方の端部の導電性支持体側とにインターコネクタの端部を介在させることで、インターコネクタと、固体電解質層や燃料極層との剥離を抑制できたものと考えられる。

さらに、固体電解質層の端部における上面の一部を切り欠いた試料Ｎｏ．６は、燃料電池セル作製時において、インターコネクタと固体電解質層や燃料極層との剥離が生じていなかった。

先ず、平均粒径０．５μｍのＮｉＯ粉末と、平均粒径０．９μｍのＹ_２Ｏ_３粉末を焼成−還元後における体積比率が、ＮｉＯが４８体積％、Ｙ_２Ｏ_３が５２体積％になるように
混合し、有機バインダーと溶媒にて作製した坏土を押出成形法にて成形し、乾燥、脱脂して導電性支持体成形体を作製した。

次に、８ｍｏｌ％のＹが固溶したマイクロトラック法による粒径が０．８μｍのＺｒＯ_２粉末（固体電解質層原料粉末）と有機バインダーと溶媒とを混合して得られたスラリーを用いて、ドクターブレード法にて厚み３０μｍの固体電解質層用シートを作製した。

次に平均粒径０．５μｍのＮｉＯ粉末とＹ_２Ｏ_３が固溶したＺｒＯ_２粉末と有機バインダーと溶媒とを混合した燃料極層用スラリーを作製し、固体電解質層用シート上に塗布して燃料極層成形体を形成し、シート状の積層成形体を作製した。このシート状の積層成形体の燃料極層成形体側の面を下にして導電性支持体成形体の所定位置に積層した。

次に、ＣｅＯ_２を８５モル％、他の希土類元素の酸化物（ＧｄＯ_１．５）を１５モル％含む複合酸化物を、溶媒としてイソプロピルアルコール（ＩＰＡ）を用いて振動ミル又はボールミルにて粉砕し、９００℃にて４時間仮焼処理を行い、再度ボールミルにて解砕処理し、セラミック粒子の凝集度を調製し、反応防止層原料粉末を得た。この粉体にアクリル系バインダーとトルエンとを添加し、混合して作製した反応防止層用のスラリーを、固体電解質層成形体上に、スクリーン印刷法にて塗布し、反応防止層成形体を作製した。

続いて、Ｌａ（Ｍｇ_０．３Ｃｒ_０．７）_０．９６Ｏ_３と、有機バインダーと溶媒（トルエン）とを混合したインターコネクタ用スラリーを作製した。

ＮｉとＹＳＺとからなる原料を混合して乾燥し、有機バインダーと溶媒とを混合して密着層用スラリーを調整した。調整した密着層用スラリーを、導電性支持体の燃料極層（および固体電解質層）が形成されていない部位（導電性支持体が露出した部位）に塗布して密着層成形体を積層した。

インターコネクタ層用スラリーに用いた溶媒、トルエンを、固体電解質層成形体の先端に塗布し、燃料極層成形体と導電性支持体成形体との間に染みこませ、固体電解質層成形体上に燃料極層成形体を積層したシート状の積層成形体の端部を、導電性支持体成形体から剥離させる。

固体電解質層成形体の両端部に、ＬａとＺｒ成分からなる中間層形成材料を含有するスラリーを塗布して厚さ５μｍの中間層成形体を作製し、この中間層成形体および密着層成形体の上に、インターコネクタ層用スラリーを塗布し、シート状の積層成形体の端部が、導電性支持体成形体から剥離した隙間にインターコネクタ層用スラリーを浸入させた。

次いで、上記の積層成形体を脱バインダー処理し、酸素含有雰囲気中で１４５０℃にて２時間同時焼成した。

次に、平均粒径２μｍのＬａ_０．６Ｓｒ_０．４Ｃｏ_０．２Ｆｅ_０．８Ｏ_３粉末と、イソプロピルアルコールとからなる混合液を作製し、積層焼結体の反応防止層の表面に噴霧塗布し、空気極層成形体を形成し、１１００℃にて４時間で焼き付け、空気極層を形成し、図５に示す燃料電池セルを作製した。

なお、作製した燃料電池セルの寸法は２５ｍｍ×２００ｍｍで、導電性支持体の厚み（平坦面ｎ間の厚み）は２ｍｍ、開気孔率３５％、燃料極層の厚さは１０μｍ、開気孔率２４％、空気極層の厚みは５０μｍ、開気孔率４０％、固体電解質層の相対密度は９７％であった。
インターコネクタ層の厚み（平坦面ｎ上の厚み）は３０μｍ、相対密度は９５％であった
。

次に、この燃料電池セルの内部に水素ガスを流し、８５０℃で１０時間、導電性支持体および燃料極層の還元処理を施した。

作製した燃料電池セル１０個全てについて、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により、インターコネクタ層の端部における二股部で固体電解質層の端部が挟まれていることを確認した。さらに、１０個の試料全てにおいて、固体電解質層の端部上にインターコネクタ層の端部が接合しており、また、固体電解質層上に形成されたインターコネクタ層の部分と、導電性支持体上に形成されたインターコネクタ層の部分との間には、クラックは発生していなかった。

１、９、１０：燃料電池セル
２：導電性支持体
３：燃料極層
４：固体電解質層
５：空気極層
６：インターコネクタ
６ａ：二股部
７：ガス通路
８：中間層
１２：セルスタック装置
２０：燃料電池モジュール
２５：燃料電池装置

Claims (8)

1. 固体電解質層の両端部にインターコネクタ層の両端部をそれぞれ接合して、内部にガスが流通するガス流路を形成するとともに、前記固体電解質層の外側に外側電極層を、内側に内側電極層を形成してなる固体酸化物形燃料電池セルであって、前記インターコネクタ層の両端部がそれぞれ二股に分かれて二股部が形成されており、該インターコネクタ層の前記二股部で前記固体電解質層の端部が挟まれていることを特徴とする燃料電池セル。
2. 柱状の導電性支持体の外周面の一の領域にインターコネクタが設けられており、前記外周面のうち前記一の領域と対向する他の一の領域に、内側電極層、固体電解質層および外側電極層がこの順に積層された積層体が設けられているとともに、該積層体のうち前記内側電極層および前記固体電解質層の端部が前記インターコネクタと隣接するように配置されている燃料電池セルであって、
   前記インターコネクタの端部が前記固体電解質層の端部上に重なって接合しており、かつ前記固体電解質層および前記内側電極層のうち少なくとも一方の端部の前記導電性支持体側に前記インターコネクタの端部の一部が介在していることを特徴とする燃料電池セル。
3. 前記固体電解質層および前記内側電極層のうち少なくとも一方の端部の端面は、上端が下端よりも前記インターコネクタ側に突出した傾斜面であることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池セル。
4. 前記内側電極層の端部の端面は、上端が下端よりも前記インターコネクタ側に突出した傾斜面であるとともに、前記固体電解質層の端部の端面は、下端が上端よりも前記インターコネクタ側に突出した傾斜面であることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池セル。
5. 前記導電性支持体が互いに平行な一対の主面と一対の該主面同士を接続する一対の弧状面とを有する形状であり、一方の前記主面に前記積層体が設けられ、他方の前記主面に前記インターコネクタが設けられていることを特徴とする請求項２乃至４のうちいずれかに記載の燃料電池セル。
6. 請求項１乃至５のうちいずれかに記載の燃料電池セルを、集電部材を介して立設させた状態で複数個配列し、電気的に直列に接続してなるセルスタックと、前記燃料電池セルの一端部を固定するとともに、前記燃料電池セルに燃料ガスを供給するためのマニホールドとを具備することを特徴とするセルスタック装置。
7. 請求項６に記載のセルスタック装置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モジュール。
8. 請求項７に記載の燃料電池モジュールと、該燃料電池モジュールを動作させるための補機とを外装ケース内に収納してなることを特徴とする燃料電池装置。

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