JP2012114032A - 燃料電池セル、燃料電池セル装置、燃料電池モジュールおよび燃料電池装置 - Google Patents

Abstract

【課題】長期信頼性の向上した燃料電池セル、燃料電池セル装置、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】燃料電池セル１は、電力取り出し部９を有する支持体２と、電力取り出し部９と隣接して支持体２の表面に設けられた固体電解質４と、支持体２の電力取り出し部９上から固体電解質層４上にかけて設けられるインターコネクタ６とを備え、支持体２の電力取り出し部９がインターコネクタ６側に突出しており、インターコネクタ６と接続されていることから、長期信頼性の向上した燃料電池セル１、燃料電池セル装置、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。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池セル、燃料電池セル装置、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、燃料ガス（水素含有ガス）と空気（酸素含有ガス）とを用いて電力を得る燃料電池セルを、複数個立設してなるセルスタックを収納してなるセルスタック装置や、セルスタック装置を収納容器に収納してなる燃料電池モジュール、さらには燃料電池モジュールを外装ケース内にしてなる燃料電池装置が種々提案されている。（例えば、特許文献１参照。）。

燃料電池セルとしては、燃料ガスを流すためのガス流路を内部に有する導電性支持体の一方側の主面上に多孔質の燃料極層、緻密質な固体電解質層および空気極層がこの順に積層され、他方側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、固体電解質層の両端部が一方側の主面まで延設され、インターコネクタの両端部とそれぞれ重畳している燃料電池セルが提案されている（特許文献２参照。）。

特開２００７−０５９３７７号公報 特開２００８−１３５３０４号公報

しかしながら、燃料極層および固体電解質層の両端部がインターコネクタの両端部とそれぞれ重畳している燃料電池セルにおいては、燃料極層および固体電解質層と支持体とに生じた段差に起因して重畳部近傍におけるインターコネクタに応力が生じ、燃料電池セルの作製時や燃料電池装置の作動時にインターコネクタの重畳部近傍にクラックが生じるおそれがある。

本発明の燃料電池セルは、電力取り出し部を有する支持体と、電力取り出し部と隣接して支持体の表面に設けられた固体電解質層と、支持体の電力取り出し部上から固体電解質層上にかけて設けられるインターコネクタとを備え、支持体の電力取り出し部がインターコネクタ側へ突出しており、インターコネクタと接続されている。

本発明の燃料電池セル装置は、上記に記載の燃料電池セルの複数個を電気的に直列に接続してなる。

本発明の燃料電池モジュールは、上記に記載の燃料電池セル装置を収納容器に収納してなる。

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、それ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。

本発明の燃料電池セルによれば、燃料極層および固体電解質層と支持体とに生じた段差を解消することができるため、インターコネクタに生じる応力を低減することができ、インターコネクタの重畳部近傍にクラックが生じることを抑えることができる。

本発明の燃料電池セルの一実施形態を示す斜視図である。 本発明の燃料電池セルの他の実施形態を示す斜視図である。 （ａ）は本発明の燃料電池セル装置の一実施形態を示す側面図、（ｂ）は一部を拡大して示す平面図である。 本発明の燃料電池モジュールの一実施形態を示す外観斜視図である。 本発明の燃料電池装置の一実施形態を示す分解斜視図である。

＜第１の実施形態＞
図１を用いて燃料電池セル１を説明する。

燃料電池セル１は、中空平板型の形状をしており、全体的に見て柱状の導電性支持体２（以下、支持体２と略す場合がある。）を備えている。支持体２の内部には、所定の間隔をあけて長手方向の一端から他端にかけて貫通した複数個のガス流路７が形成されており、燃料電池セル１はこの支持体２上に各種の部材が設けられた構造を有している。

支持体２は、図１に示されているように、対向する一対の平坦部ｎと、一対の平坦部ｎをそれぞれ接続する弧状部（側面）ｍとにより構成されている。

支持体２の一方の平坦部ｎには、電力取り出し部９が設けられており、電力取り出し部９はインターコネクタ６側に突出した突出部１０が形成されている。そして、突出した電力取り出し部９はインターコネクタ６と接続されている。電力取り出し部９と隣接した状態で、インターコネクタ６が設けられていない他方の平坦部ｎおよび両弧状部ｍに内側電極層としての多孔質な燃料極層３と、燃料極層３の外面を覆うように緻密質な固体電解質層４が設けられている。そして、他方の平坦部ｎに燃料極層３に対向するように外側電極層としての多孔質な空気極層５が積層されており、一方側の平坦部ｎ上に、電力取り出し部９から固体電解質層４上にかけてインターコネクタ６が設けられている。

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は、両端の弧状部ｍを経由して一方の平坦部ｎの両側部まで、延設されている。そして、燃料極層３および固体電解質層４の両端部上にインターコネクタ６の両端部が積層されており、重畳部となっている。このように、燃料極層３は、インターコネクタ６の両端部に重畳するように支持体２を取り巻くように設けてもよく、また、空気極層５と対面する領域にのみ設けて、その他の領域は固体電解質層４にて覆う構成としてもよい。

ここで、燃料電池セル１は、燃料極層３と空気極層５との対向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、かつ支持体２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、支持体２の平坦部ｎに設けられた電力取り出し部９およびインターコネクタ６を介して集電される。

燃料電池セル１としては、各種燃料電池セルが知られているが、発電効率のよい燃料電池セル１とする上で、３００〜８５０℃の高温下で発電する固体酸化物形燃料電池セルとすることができる。それにより、単位電力に対して燃料電池装置を小型化することができるとともに、家庭用燃料電池で求められる変動する負荷に追従する負荷追従運転を行なうことができる。

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。

支持体２は、一方の平坦部ｎ上に電力取り出し部９が設けられており、電力取り出し部９がインターコネクタ６側に突出している。言い換えると、電力取り出し部９が支持体２の外側へ向けて突出した形状となっており、突出部１０を形成している。

電力取り出し部９は、平坦部ｎの幅方向のほぼ全域にわたって設けられており、長手方向においては支持体２の一端から他端にわたって設けられている。電力取り出し部９の支持体２の幅方向の側部は、燃料極層３および固体電解質層４と隣接しており、図１においては燃料極層３および固体電解質層４と接している。つまり、電力取り出し部９は、支持体２上の固体電解質層４が設けられていない領域を示し、電力取り出し部９を介在させてインターコネクタ６と支持体２とが接続されることにより、集電を行なっている。

支持体２は、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を通じ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、特定の希土類元素酸化物とにより形成されることが好ましい。

特定の希土類元素酸化物とは、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元素酸化物が、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、Ｙ₂Ｏ₃、Ｌｕ₂Ｏ₃、Ｙｂ₂Ｏ₃、Ｔｍ₂Ｏ₃、Ｅｒ₂Ｏ₃、Ｈｏ₂Ｏ₃、Ｄｙ₂Ｏ₃、Ｇｄ₂Ｏ₃、Ｓｍ₂Ｏ₃、Ｐｒ₂Ｏ₃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、反応がほとんどなく、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、Ｙ₂Ｏ₃、Ｙｂ₂Ｏ₃が好ましい。

また、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：Ｙ₂Ｏ₃）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、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、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、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。

支持体２の各種寸法について説明すると、支持体２の平坦部ｎの長さ（支持体２の幅方向の長さ）は、通常、１５〜３５ｍｍ、弧状部ｍの長さ（弧の長さ）は、２〜８ｍｍであり、支持体２の厚み（平坦部ｎ間の厚み）は１．５〜５ｍｍであることが好ましい。

突出部１０の突出高さ（厚み）は、支持体２と固体電解質層４との段差を解消するように後述する燃料極層３および固体電解質層４の厚みにより適宜設定することができ、例えば、３０〜７０μｍとすることができる。

内側電極層としての燃料極層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ＺｒＯ₂とから形成することができる。なお、希土類元素としては、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ＺｒＯ₂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ＺｒＯ₂（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、２０〜４０μｍ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、また厚みが厚いと、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した部分安定化あるいは安定化ＺｒＯ₂からなる緻密質なセラミックスを用いることができる。希土類元素としては、Ｙを用いることで燃料電池セル１の製造コストを低減することができる。また、上述したＧｄやＳｍが固溶したＣｅやランタンガレート系のペロブスカイト型酸化物により形成することもできる。

固体電解質層４の厚みは、発電出力を向上させるために、１０〜４０μｍとすることができ、燃料電池セル１においては固体電解質層４の平坦部ｎと弧状部ｍとが等しい厚みとなっている。

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低減する目的で中間層を備えることもできる。上述した中間層としては、例えば、ＧｄやＳｍが固溶したＣｅ（セリウム）により作製することができる。

外側電極層としての空気極層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。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を形成する導電性セラミックするとしては、ランタンマンガナイト系ペロブスカイト型酸化物や、ランタンフェライト系ペロブスカイト型酸化物を用いることができる。

インターコネクタ６は、導電性セラミックスにより形成することができるが、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（ＬａＣｒＯ₃系酸化物）が使用され、特に支持体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、ＬａＣｒＯ₃系酸化物が用いられる。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。

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できる。燃料電池セル１を電気的に接続する集電部材を、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ＬａＭｎＯ₃系酸化物、ＬａＦｅＯ₃系酸化物、ＬａＣｏＯ₃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、空気極層５を形成するペロブスカイト型酸化物と同様のものを用いることができる。

図１に示すように燃料電池セル１は、支持体２の電力取り出し部９がインターコネクタ６側へ向けて突出しており、固体電解質層４の上面と電力取り出し部９とが平坦に形成されている。そのため、固体電解質層４と両端部が重畳するようにインターコネクタ６を設けたとしても、インターコネクタ６を塗布する領域（インターコネクタ６が設けられる領域）に大きな段差がなく、平坦部ｎにインターコネクタ６を形成することができる。

それにより、重畳部におけるインターコネクタ６に生じる応力を低減することができ、インターコネクタに生じるクラックの発生を抑えることができる。

また、突出部１０は支持体２の組成であるＮｉとＹ₂Ｏ₃とにより形成するため、Ｚｒを含有しないことから、インターコネクタ６に含まれるＬａとＺｒとが反応して、電気抵抗の高い反応生成物が生成しにくい。そのため、電力取り出し部９から効率よくインターコネクタ６に電流を取り出すことができる。

突出部１０の側部は燃料極層３および固体電解質層４と接している。そのため、突出部１０と熱膨張調整層３および固体電解質層４との間に空隙が生じることを低減することができ、ガスリークを抑えることができる。

支持体２が突出部１０を有することにより、電流取り出し部９と固体電解質層４の上端との高さが同じとなり、固体電解質層４と支持体２との段差は解消されることとなるが、完全に平坦にならなくともよい。例えば、固体電解質層４と支持体２との段差の高さ（燃料極層３の厚みと固体電解質層４の厚みの和）が、インターコネクタ６の厚みより大きい場合に、インターコネクタ６に大きな応力が生じてしまうが、固体電解質層４と支持体２との段差の高さがインターコネクタ６の厚みの２５％以下、より好ましくは１０％とすることにより、インターコネクタ６に生じる応力を低減することができる。

以上説明した本発明の第１の実施形態に係る燃料電池セル１の製造方法について説明する。

まず、ＮｉおよびＮｉＯの少なくとも一方の粉末と、Ｙ₂Ｏ₃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により平坦部ｎと弧状部ｍを有する支持体成形体を作製し、これを乾燥する。また、支持体成形体として、支持体成形体を７００〜１０００℃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、Ｙ₂Ｏ₃が固溶したＺｒＯ₂（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。

そして、希土類元素が固溶したＺｒＯ₂粉末に、トルエン、バインダー、市販の分散剤等を加えて固体電解質層用スラリーを作製し、２０〜５０μｍ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上述した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積層体成形体を形成し、この積層体成形体を、燃料極層成形体を下面として支持体成形体に積層する。

次に、ＮｉおよびＮｉＯの少なくとも一方の粉末と、Ｙ₂Ｏ₃などの希土類酸化物の粉末と、有機バインダーと、溶媒とを混合して支持体用スラリーを作成し、支持体成形体の固体電解質層成形体が設けられていない領域に塗布し乾燥して、突出部成形体を作製する。

続いて、インターコネクタ用材料（例えば、ＬａＣｒＯ₃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、インターコネクタ用シートを作製する。インターコネクタ用シートをインターコネクタが電力取り出し部と接続するように積層体成形体に巻きつけ、インターコネクタ成形体を積層体成形体に積層する。

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、１４００℃〜１６００℃にて２〜６時間、同時焼結（同時焼成）する。

次いで、空気極層用材料（例えば、ＬａＣｏＯ₃系酸化物粉末）、溶媒および造孔剤を含有するスラリーをスクリーン印刷等により固体電解質層４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、ＬａＣｏＯ₃系酸化物粉末）と溶媒を含むスラリーを、スクリーン印刷等により塗布し、１０００〜１３００℃で、２〜６時間焼き付けることにより、図１に示す本発明の第１の実施形態に係る燃料電池セル１を製造できる。また、燃料電池セル１は、その後、内部に水素ガスを流し、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。

なお、燃料電池セル１の製造方法は上記の方法に限定されるものではなく、燃料極層用スラリーを支持体成形体の所定位置に塗布し乾燥して、燃料極層成形体が外面に露出しないように固体電解質層成形体を支持体成形体（燃料極層成形体）に積層しても良く、支持体成形体に先に電力取り出し部をスラリー塗布して形成した後に、積層体成形体を支持体成形体に積層してもよい。

＜第２の実施形態＞
次に図２を用いて、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池セル１１について説明する。燃料電池セル１１は、第１の実施形態に係る燃料電池セル１と比較して、固体電解質層４とインターコネクタ６との重畳部の一部が突出部１０から延出したカバー部１０´にて覆われている点で燃料電池セル１と異なりその他の構成は同様である。以降の図において構成が同じ部材には同じ番号を付するものとする。

燃料電池セル１１は、固体電解質層４とインターコネクタ６とが重なる重畳部における電力取り出し部９に隣接する固体電解質層４とインターコネクタ６との間にカバー部１０´が設けられており、支持体２が配置されていることとなる。なお、電力取り出し部９とは、支持体２とインターコネクタ６とが接触する部位を示す。

固体電解質層４とインターコネクタ６との間にカバー部１０´が配置されていることから、インターコネクタ６に含まれるＬａと固体電解質層４に含まれるＺｒとが反応して電気抵抗の高い反応生成物を生成することを低減することができ、長期信頼性の向上した燃料電池セル１１とすることができる。

燃料電池セル１１の内部を流れる燃料ガスが、燃料電池セル１１の外部へガスリークすることを防止するために、カバー部１０´は緻密質とすることが好ましい。また、緻密質としない場合は、インターコネクタ６の両端部をさらに延在し、カバー部１０´を覆い固体電解質層４と接続するように設けることで、ガスシール性を向上させることができる。

支持体２と同様の材料にて緻密質な突出部１０およびカバー部１０´を作製する場合、例えば、支持体２の材料よりも粒径の小さいものを用いて突出部１０およびカバー部１０´を作製すればよく、種々の方法を用いて支持体２と気孔率の異なる突出部１０およびカバー部１０´を作製すればよい。

さらに、緻密質な突出部１０およびカバー部１０´を設けることにより、突出部１０およびカバー部１０´の電気抵抗を低下させることができ、電力取り出し部９に効率よく集電することができる。

突出部１０の高さ（厚み）は、燃料電池セル１の場合と同様の厚みとすることができるが、上述したように、インターコネクタ６を固体電解質層４に接続するように延在させる場合は、カバー部１０´の厚みは薄い方が好ましく、例えばインターコネクタ６の厚みの５０％以下、より好ましくは２０％以下とすることが好ましい。

燃料電池セル１１の製造方法としては、燃料電池セル１と同様の方法により支持体用スラリーを作製し、積層体成形体を支持体成形体に積層した後に、支持体用スラリーを塗布し乾燥して、インターコネクタを設ける領域を平坦にする。

そして、支持体成形体よりも緻密になるように、例えば、支持体成形体よりも粒径の小さい材料を用いてカバー部用スラリーを作製し、インターコネクタを設ける領域に塗布し乾燥して支持体成形体にカバー部成形体を作製する。

続いて、燃料電池セル１と同様の方法を用いて、インターコネクタ成形体を積層し、積層体成形体を同時焼成することにより、積層体を作製することができる。

また、積層体成形体を支持体成形体に積層した後に、支持体用スラリーを塗布し乾燥して、突出部成形体を設け、インターコネクタを設ける領域を平坦にし、その後突出部成形体を覆い固体電解質層成形体の両端部上にわたって支持体用スラリーを塗布し乾燥して突出部成形体およびカバー部成形体を作製することもできる。その後、突出部成形体を覆い固体電解質層の両端部上にわたってインターコネクタ成形体を積層体成形体に積層し、同時焼成することにより燃料電池セル１１を作製することができる。

なお、緻密質なカバー部用スラリーを、積層体成形体を支持体成形体に形成した後に、平坦となるように塗布し乾燥して、さらにカバー部用スラリーをインターコネクタを形成する領域に塗布し乾燥した後に、インターコネクタ成形体を積層してもよい。また、インターコネクタ成形体をスクリーン印刷等により作製してもよい。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池セル１を用いた燃料電池セル装置１２について図３を用いて説明する。

燃料電池セル装置１２は、燃料電池セル１の複数個を、それぞれの燃料電池セル１の間に集電部材１４を介して立設させた状態で配列し、複数個の燃料電池セル１を両端から集電部材１４を介して挟持するように電流を外部に引き出すための導電部材１６が配置されており、電気的に直列に接続してセルスタック１３を形成している。各燃料電池セル１の下端部は、シール材（図示せず）により燃料電池セル１に燃料ガス（水素含有ガス）または空気（酸素含有ガス）を供給するガスタンク１５に固定されている。以下、燃料電池セル装置１２を、セルスタック装置１２と称する場合がある。

それぞれの燃料電池セル１同士を電気的に直列に接続する集電部材１４は、燃料電池セル１の変形に追従するために弾性を有する金属または合金からなる部材あるいは金属繊維または合金繊維からなるフェルトに所要の表面処理を加えた部材から構成することができる。

また、集電部材１４の長手方向の長さおよび幅方向の長さは、発電部の長手方向の長さおよび幅方向の長さと同等以上の長さとすることができる。それにより、発電により生じた電流を効率よく集電することができる。

電流を外部に引き出すための導電部材１６は、平板部１６ａと外部へ電流を引き出すための電流引出部１６ｂとを有しており、セルスタック１３を両端から挟持するように集電部材１４を介して配置されている。電流引出部１６ｂは、燃料電池セル１の配列方向（以下、セル配列方向と略す場合がある。）に沿って外側に向けて設けられている。導電部材１６は、集電部材１４と同様に弾性を有する金属または合金からなる部材により作製することができる。

ここで、燃料電池装置は、発電中において、高温の酸化雰囲気に曝されることから、集電部材１４および導電部材１６は、耐酸化性および耐熱性を備える合金により作製することが好ましく、具体的にはＣｒを含有する合金を用いて作製することができる。さらに、集電部材１４や導電部材１６の表面の一部、好ましくは全体を希土類元素を含有するペロブスカイト型酸化物等を用いてコーティングしてもよい。それにより、Ｃｒを含有する合金からＣｒの拡散を低減することができ、セルスタック１３の信頼性を向上することができる。

ガスタンク１５は、底部が開口し、上面にセル挿入孔（図示せず）が設けられ、セル配列方向の一端部に反応ガス供給管（図示せず）が接合されたセル保持部材（図示せず）と、セル保持部材の底部の開口と接合された蓋部材（図示せず）とにより構成されており、箱状の形状を有している。

ガスタンク１５の内部は中空のガス収集部となっており、反応ガス供給管から供給された燃料ガスが、ガスタンク１５の内部にて収集され、セルスタック１３を構成する各燃料電池セル１に供給されることとなる。

シール材として、絶縁性を有するガラス等を用いることができ、絶縁性のガラスとしては、アルカリ土類金属の酸化物を主成分として、ＳｉＯ₂、Ｂ₂Ｏ₃、ＣａＯ、ＭｇＯ、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｚｒ₂Ｏ₃またはＬａ₂Ｏ₃を含有する非晶質または結晶化したガラスを用いることができる。

このようなセルスタック装置１２は、燃料電池装置の作動時においてもインターコネクタ６にクラックが生じることを低減した燃料電池セル１により構成されていることから、長期信頼性を向上したセルスタック装置１２とすることができる。

図４を用いてセルスタック装置１２を収納容器２１に収納した燃料電池モジュール２０を説明する。

燃料電池モジュール２０は、直方体状の収納容器２１の内部に、セルスタック装置１２を収納して構成されている。

また、燃料電池セル１にて使用する燃料ガス（第１の反応ガス）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をセルスタック装置１２の上方に配置している。そして、改質器２２で生成された燃料ガスは、反応ガス供給管２３を介してガスタンク１５に供給され、ガスタンク１５を介して燃料電池セル１の内部に設けられたガス流路（図示せず）に供給される。

図４において、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。図４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。それにより、容易に収納容器２１内にセルスタック装置１２を収納することができる。

また、収納容器２１の内部には、燃料電池セル１に酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス導入部材２４が設けられており、図４に示す燃料電池モジュール２０においては、ガスタンク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、燃料ガスの流れにあわせて、燃料電池セル１の側方を下端部側から上端部側に向かって流れるように、燃料電池セル１の下端部側に酸素含有ガスを供給するように構成されている。

また、セルスタック装置１２は、燃料電池セル１のガス流路より排出される余剰の燃料ガスを燃料電池セル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、高温に維持することができ、セルスタック装置１２の起動を早めることができるほか、発電効率を向上することができる。また、燃料電池セル１の上端部側にて、燃料電池セル１のガス流路から排出される燃料ガスを燃焼させることにより、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。

このような燃料電池モジュール２０においては、上述したように、長期信頼性の向上した燃料電池セル１を備えるセルスタック装置１２を収納容器２１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モジュール２０とすることができる。

図５は、外装ケース内に図４で示した燃料電池モジュール２０と、燃料電池モジュール２０を動作させるための補機（図示せず）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。図５においては一部構成を省略している。

図５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を収納する補機収納室３０として構成されている。図５においては、補機収納室３０に収納する補機を省略している。

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は、上述したように、長期信頼性の向上した燃料電池モジュール２０をモジュール収納室２９に収納し、燃料電池モジュール２０を動作させるための補機を補機収納室３０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、本発明の実施の形態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、上述した燃料電池セル１においては、燃料電池セル１内のガス流路７に燃料ガスを供給し、燃料電池セル１の外側に酸素含有ガスを供給する例を示しているが、ガス流路７に酸素含有ガスを供給し、燃料電池セル１の外側に燃料ガスを供給する構成としてもよい。その場合においては、内側電極層を空気極層５とし、外側電極層を燃料極層３とする構成の燃料電池セル１とすればよい。それに併せて、燃料電池モジュール２０および燃料電池装置２５の構成を適宜変更すればよい。

なお、ガスタンクが１つからなるセルスタック装置の例を示したが、複数のガスタンクを有するセルスタック装置としてもよい。例えば、１つのセルスタックが接合されたガスタンクを複数備えるセルスタック装置としてもよい。また、複数のセルスタック装置を収納容器内に配置して、燃料電池モジュールを構成してもよい。

複数のセルスタックを燃料電池モジュールに収納する場合は、燃料電池セル１に酸素含有ガスを供給する酸含有ガス導入部材２４を図４のようにセルスタックの間に配置すればよいが、１つのセルスタックを燃料電池モジュールに収納する場合は、酸素含有ガス導入部材２４をセルスタックの両側方に設け、燃料電池セル１に酸素含有ガスを供給すればよい。

まず、平均粒径０．５μｍのＮｉＯ粉末と、平均粒径０．９μｍのＹ₂Ｏ₃粉末を焼成−還元後における体積比率が、ＮｉＯが４８体積％、Ｙ₂Ｏ₃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、マイクロトラック法による粒径が０．８μｍの８ｍｏｌ％のＹが固溶したＺｒＯ₂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固体電解質層用スラリーを作製した。そして、ドクターブレード法にて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Ｙ₂Ｏ₃が固溶したＺｒＯ₂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積層体成形体を作製した。

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成形体を１０００℃にて３時間仮焼処理した。

次に、平均粒径０．５μｍのＮｉＯ粉末と、平均粒径０．９μｍのＹ₂Ｏ₃粉末を焼成−還元後における体積比率が、ＮｉＯが４８体積％、Ｙ₂Ｏ₃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試料Ｎｏ．１、２用の突出部用スラリーを作製した。また、平均粒径０．１μｍのＮｉＯ粉末と、平均粒径０．２μｍのＹ₂Ｏ₃粉末を焼成−還元後における体積比率が、ＮｉＯが４８体積％、Ｙ₂Ｏ₃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試料Ｎｏ．３、４用の突出部用スラリーを作製した。

続いて、ＬａＣｒＯ₃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、ドクターブレード法にて厚み４０μｍのインターコネクタ用シートを作製した。このインターコネクタ用シートの一方側表面に、上述の突出部用スラリーをそれぞれ塗布し、乾燥して、その突出部用スラリーを塗布した面を、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積層し、積層体を作製した。そして、これらの各層が積層された積層体を、大気中１５１０℃にて３時間同時焼成した。なお、比較例として、突出部用のスラリーを塗布していない試料Ｎｏ．５を作製した。

次に、平均粒径２μｍのＬａＳｒＣｏＦｅＯ₃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、積層焼結体のインターコネクタと支持体を挟んで対向する表面に噴霧塗布し、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、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（平坦部ｎ間の厚み）は２ｍｍ、燃料極層の厚さは１０μｍ、固体電解質層の厚さは３０μm、インターコネクタの厚みは４０μm、空気極層の厚みは５０μｍであった。また、試料Ｎｏ．１の支持体の突出部における気孔率は４５％、支持体の突出部の厚みは４０μｍ、Ｎｏ．２の支持体の突出部における気孔率は４５％、支持体の突出部の厚みは３５μｍ、試料Ｎｏ．３の支持体の突出部における気孔率は５％、支持体の突出部の厚みは３０μm、支持体のカバー部における気孔率は５％、支持体のカバー部の厚みは３０μｍ、試料Ｎｏ．４の支持体の突出部における気孔率は５％、支持体の突出部における厚みは５０μｍ、支持体のカバー部における気孔率は５％、支持体のカバー部の厚みは１０μｍ、試料Ｎｏ.５の支持体の気孔率は４５％であった。ここで、気孔率は、燃料電池セルを切断し、断面の写真を画像処理することで求めた。

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

ここで、各試料につき１０本の燃料電池セルを作製し、各燃料電池セルのインターコネクタにおけるクラック発生の有無を確認した。

クラックの検出方法としては、インターコネクタを断面視できるように切断し、切断面をＳＥＭ（走査線型電子顕微鏡）にて観察することで、クラック発生の有無を確認することができる。本試験においては、１本のセルに対して任意の３箇所の面を切断しクラックの有無を確認した。

続いて、クラックの確認をしなかったすべての燃料電池セルにガスリークの発生の有無を確認した。

ガスリークの検出方法としては、燃料電池セルのガス流路の一端に空気を一定の流量で供給し、燃料電池セルを水中に沈めることでガスリークを検出することができる。これらの試験の結果を表１に示す。

支持体の電力取り出し部を突出させた試料Ｎｏ．１〜４は、インターコネクタにクラックが生じた燃料電池セル１０本中を１本以下にすることができ、燃料電池セル１０本中ガスリークが発生した燃料電池セルを１本以下にすることができた。

特に、支持体の電力取り出し部と固体電解質層とが平坦な試料Ｎｏ．１においては、クラックおよびガスリークのどちらも発生していなかった。

突出部およびカバー部を設けた試料Ｎｏ．３、４も、クラックおよびガスリークの発生を１本以下にすることができ、特に、重畳部における突出部の厚みが１０μｍの試料Ｎｏ．４においては、クラックおよびガスリークのどちらも発生していなかった。

ここで、クラックおよびガスリークが生じていない試料Ｎｏ．１と試料Ｎｏ．４の燃料電池セルのガス流路に燃料ガスを流通させ、燃料電池セルの外側に酸素含有ガスを流通させ、燃料電池セルを、電気炉を用いて７５０℃まで加熱し、電流密度０．３Ａ／ｃｍ²の条件にて１０００時間発電試験を行った。

その結果、試料Ｎｏ．１の平均発電出力が７７４ｍＶであったのに対し、試料Ｎｏ．４の平均発電出力が８０３ｍＶであり、突出部を緻密質とすることにより、発電出力が向上させることができた。

１、１１：燃料電池セル
２：導電性支持体
３：内側電極層
４：固体電解質層
５：外側電極層
６：インターコネクタ
７：ガス流路
９：電力取り出し部
１０：突出部
１０´：カバー部
１２：燃料電池セル装置
２０：燃料電池モジュール
２５：燃料電池装置

Claims (6)

1. 電力取り出し部を有する支持体と、
   前記電力取り出し部と隣接して前記支持体の表面に設けられた固体電解質層と、
   前記支持体の前記電力取り出し部上から前記固体電解質層上にかけて設けられるインターコネクタとを備え、
   前記支持体の前記電力取り出し部が前記インターコネクタ側へ突出しており、前記インターコネクタと接続されていることを特徴とする燃料電池セル。
2. 前記電力取り出し部の前記インターコネクタ側へ突出している部位の側面が、隣接する前記固体電解質層に接していることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セル。
3. 前記支持体の前記電力取り出し部に隣接する前記固体電解質層上に、前記支持体が設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池セル。
4. 請求項１に記載の燃料電池セルの複数個を電気的に直列に接続してなることを特徴とする燃料電池セル装置。
5. 請求項４に記載の燃料電池セル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。
6. 請求項５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備えてなることを特徴とする燃料電池装置。

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