JP4412994B2 - 燃料電池セル用支持基板及び燃料電池セル並びに燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池セル用支持基板及び燃料電池セル並びに燃料電池に関するものである。

次世代エネルギーとして、近年、燃料電池セルのスタックを収納容器内に収容した燃料電池が種々提案されている。

図３は、従来の固体電解質形燃料電池のセルスタックを示すもので、このセルスタックは、複数の燃料電池セル１を整列集合させ、隣り合う一方の燃料電池セル１ａと他方の燃料電池セル１ｂとの間に金属フェルトからなる集電部材５を介在させ、一方の燃料電池セル１ａの燃料極７と他方の燃料電池セル１ｂの酸素極（空気極）１１とを電気的に接続して構成されていた。

燃料電池セル１（１ａ、１ｂ）は、円筒状のサーメットからなる燃料極７（内部が燃料ガス通路となる）の外周面に、固体電解質９、導電性セラミックスからなる酸素極１１を順次設けて構成されており、固体電解質９や酸素極１１によって覆われていない燃料極７の表面には、インターコネクタ１３が設けられている。図３から明らかなように、このインターコネクタ１３は、酸素極１１に接続しないように燃料極７と電気的に接続されている。

インターコネクタ１３は、燃料ガス及び空気等の酸素含有ガスで変質しにくい導電性セラミックスにより形成されているが、この導電性セラミックスは、燃料極７の内部を流れる燃料ガスと酸素極１１の外側を流れる酸素含有ガスとを確実に遮断するために、緻密なものでなければならない。

また、互いに隣り合う燃料電池セル１ａ、１ｂの間に設けられる集電部材５は、インターコネクタ１３を介して一方の燃料電池セル１ａの燃料極７に電気的に接続され、且つ他方の燃料電池セル１ｂの酸素極１１に接続されており、これにより、隣り合う燃料電池セルは、直列に接続されている。

燃料電池は、上記の構造を有するセルスタックを収納容器内に収容して構成され、燃料極７の内部に燃料ガス（水素）を流し、酸素極１１に空気（酸素）を流して１０００℃程度で発電される。

上述した燃料電池を構成する燃料電池セルにおいては、一般に、燃料極７が、Ｎｉと、Ｙ_２Ｏ_３を含有するＺｒＯ_２（ＹＳＺ）とから形成され、固体電解質９がＹ_２Ｏ_３を含有するＺｒＯ_２（ＹＳＺ）から形成され、酸素極１１はランタンマンガネート系のペロブスカイト型複合酸化物から構成されている（例えば、特許文献１参照）。

このような燃料電池セルを製造する方法としては、燃料極７と固体電解質９とを同時焼成により形成する、いわゆる共焼結法が知られている。この共焼結法は、非常に簡単なプロセスで製造工程数も少なく、セルの製造時の歩留まり向上、コスト低減に有利である。
特開２００３−３０３６０３号公報

しかしながら、固体電解質９は、熱膨張係数が１０．８×１０^−６／℃のＹ_２Ｏ_３含有ＺｒＯ_２から形成されているが、固体電解質９を支持している燃料極７は、熱膨張係数が１６．３×１０^−６／℃とＹＳＺに比して著しく大きいＮｉを含有しているため、同時焼成に際して、固体電解質９とこれを支持している燃料極７との熱膨張差が大きく、燃料極７でのクラックの発生や固体電解質９の剥離という問題を生じていた。

この問題を解決するために、本願出願人は、ＺｒＯ_２よりも熱膨張係数の低い希土類酸化物（Ｙ_２Ｏ_３やＹｂ_２Ｏ_３など）とＮｉとを組み合わせた支持基板に、燃料電極、固体電解質、酸素極層を形成した燃料電池セルを開発した（特願２００３−４９３３２号）。

上記燃料電池セルによれば、支持基板の熱膨張係数を固体電解質の熱膨張係数に近づけることができるため、同時焼成に際しての燃料極でのクラック発生や、固体電解質の燃料極からの剥離を抑制できる。

しかしながら、同時焼成した後、発電する際や燃料極や支持基板中の鉄族金属酸化物を還元する際には、支持基板に形成された燃料ガス通路内に燃料ガス（水素）が供給されるため、支持基板内部が還元雰囲気に曝されるが、支持基板が最初に還元雰囲気に曝された時に支持基板が膨張し、固体電解質にクラックが発生することがあった（以後、還元膨張によるクラックと略することがある）。

本発明は、還元膨張を抑制できる燃料電池セル用支持基板を提供することを目的とし、さらには、支持基板の熱膨張係数を固体電解質に合わせるよう制御することに影響なく、支持基板の還元膨張による固体電解質のクラックや剥離を有効に抑制できる燃料電池セル並びに燃料電池を提供することを目的とする。

本発明者等は、支持基板中のＮｉＯ等の鉄族金属酸化物を還元してＮｉ等の金属になれば、一般的には支持基板は体積収縮するはずであるが、支持基板では主に最初の還元時に体積膨張することを実験的に初めて見出し、本発明に至った。

本発明の燃料電池セル用支持基板は、鉄族金属及び／又は鉄族金属の酸化物と、少なくとも１種の希土類元素（Ｒ）を含む希土類酸化物と、Ｍｏ及び／又はＭｏ化合物とを含有してなるとともに、ガス透過性で且つ導電性を有し、燃料電池セル用支持基板中に、鉄族金属及び／又は鉄族金属の酸化物を鉄族金属換算で３０〜６５体積％含有し、希土類酸化物を３５〜７０体積％含有するとともに、Ｍｏ／（Ｍｏ＋Ｒ）比が０．１〜１０モル％であることを特徴とする。

本発明では、セルの容積のうち大部分を占める支持基板が、鉄族金属或いはその酸化物と、希土類酸化物とＭｏ金属或いは酸化物等のＭｏ化合物から構成されているため、同時焼成後の還元膨張を有効に抑制することが可能となる。

即ち、例えば、Ｍｏは焼成時や発電中における鉄族金属或いはその酸化物との固溶・反応をほとんど生じず、主に希土類酸化物に固溶・反応する。通常の希土類酸化物は酸化・還元雰囲気いずれにおいても６００〜１０００℃程度の発電温度では結晶学的には低温型構造である。しかしながら、Ｍｏが固溶した希土類酸化物は上記発電温度で還元雰囲気に曝されると高温型構造に、酸化雰囲気中に曝されると低温型構造に可逆的に相変態する。低温型構造の密度は５．０３２ｇ／ｃｍ^３であるのに対し、高温型構造の密度は５．１４ｇ／ｃｍ^３であるため、低温型から高温型に相変態すると約０．７％の体積収縮が起きる。

還元時における体積膨張の原因は明らかでないが、Ｎｉを入れなければこのような現象は起きないため、体積膨張に対するＮｉの影響は大きく、希土類酸化物の影響は小さいと考えられる。適量のＭｏが固溶した希土類酸化物は還元雰囲気中で高温型に相変態し、体積収縮することで、主に最初の還元時の支持基板全体としての体積膨張を相殺し抑制することができる。希土類酸化物は少量のＭｏが固溶しても熱膨張係数はほとんど変化しないため、熱膨張差に起因する固体電解質のクラックをも有効に制御できる。

さらに、本発明の燃料電池セル用支持基板は、希土類酸化物が、Ｙ_２Ｏ_３及び／又はＹｂ_２Ｏ_３であることを特徴とする。また、鉄族金属がＮｉであることを特徴とする。これにより安価な燃料電池セル用支持基板を提供できる。

本発明の燃料電池セルは、燃料ガス通路が内部に形成された上記燃料電池セル用支持基板と、該燃料電池セル用支持基板上に形成された燃料極層と、該燃料極層上に形成された固体電解質層と、該固体電解質層上に設けられた酸素極とを具備することを特徴とする。このような燃料電池セルでは、燃料電池セル用支持基板における還元膨張を抑制できるため、同時焼成後の還元膨張に起因した燃料極や固体電解質におけるクラックや剥離を有効に抑制することが可能となる。

また、支持基板中のＭｏ金属及び／又はＭｏ化合物は希土類酸化物と固溶・反応を生じるが、熱膨張係数はほとんど変わらないため、希土類酸化物の含有比率を制御することにより、支持基板の熱膨張係数を固体電解質層や燃料極層の熱膨張係数に近づけることができ、熱膨張差に起因するクラックの発生や剥離を有効に抑制することができる。

本発明の燃料電池は、上記燃料電池セルを複数収納容器内に収納してなることを特徴とする。このような燃料電池では、燃料電池セルのクラックや破損を抑制できるため、長期信頼性を向上できる。

本発明の燃料電池セル用支持基板では、支持基板の熱膨張係数を固体電解質層や燃料極層の熱膨張係数に近づけることができ、熱膨張差に起因するクラックの発生や剥離を有効に抑制することができると同時に、適量のＭｏを固溶したＹ_２Ｏ_３は還元雰囲気で高温型の結晶構造に相転移し、体積収縮するために、最初の還元時に生じる体積膨張を相殺することで、還元膨張も容易に有効に抑制できる。

また、支持基板を構成している鉄族金属或いはその酸化物及び希土類酸化物及びＭｏ金属或いはその酸化物及びその化合物は、何れも拡散しにくい。従って、支持基板と固体電解質層とを同時焼成した場合にも、固体電解質層のイオン伝導度等への悪影響を回避することができる。

本発明の燃料電池セルの横断面を示す図１において、全体として３０で示す燃料電池セルは、断面が扁平状で、全体的に見て楕円柱状の支持基板３１を備えている。支持基板３１の内部には、適当な間隔で複数の燃料ガス通路３１ａが長さ方向に貫通して形成されており、燃料電池セル３０は、この支持基板３１上に各種の部材が設けられた構造を有している。このような燃料電池セル３０の複数を、図２に示すように、集電部材４０により互いに直列に接続することにより、燃料電池を構成するセルスタックを形成することができる。

支持基板３１は、図１に示されている形状から理解されるように、平坦部Ａと平坦部Ａの両端の弧状部Ｂとからなっている。平坦部Ａの両面は互いにほぼ平行に形成されており、平坦部Ａの一方の面と両側の弧状部Ｂを覆うように燃料極層３２が設けられており、さらに、この燃料極層３２を覆うように、緻密質な固体電解質層３３が積層されており、この固体電解質層３３の上には、燃料極層３２と対面するように、平坦部Ａの一方の表面に酸素極３４が積層されている。

また、燃料極層３２及び固体電極層３３が積層されていない平坦部Ａの他方の表面には、インターコネクタ３５が形成されている。図１から明らかな通り、燃料極層３２及び固体電解質層３３は、インターコネクタ３５の両サイドにまで延びており、支持基板３１の表面が外部に露出しないように構成されている。

上記のような構造の燃料電池セルでは、燃料極層３２の酸素極３４と対面している部分が燃料極として作動して発電する。即ち、酸素極３４の外側に空気等の酸素含有ガスを流し、且つ支持基板３１内のガス通路３１ａに燃料ガス（水素）を流し、所定の作動温度まで加熱することにより、酸素極３４で下記式（１）の電極反応を生じ、また燃料極層３２の燃料極となる部分では例えば下記式（２）の電極反応を生じることによって発電する。

酸素極： １／２Ｏ_２＋２ｅ⁻ → Ｏ^２− （固体電解質） …（１）
燃料極： Ｏ^２− （固体電解質）＋ Ｈ_２ → Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻ …（２）
かかる発電によって生成した電流は、支持基板３１に取り付けられているインターコネクタ３５を介して集電される。

（支持基板３１）
上記のような構造を有する燃料電池セル３０において、支持基板３１は、燃料ガスを燃料極まで透過させるためにガス透過性であること、及びインターコネクタ３５を介しての集電を行うために導電性であること、同時焼成時の熱膨張差による固体電解質などのクラックや剥離がないことが要求されるが、このような要求を満たすと同時に、主に最初の還元時における支持基板３１の体積膨張に起因した固体電解質などのクラックを抑制する目的で、鉄属金属成分と希土類酸化物とＭｏ金属或いはその酸化物等の化合物とから支持基板３１を構成する。

鉄族金属成分は、支持基板３１に導電性を付与するためのものであり、鉄族金属単体であってもよいし、また鉄族金属酸化物、鉄族金属の合金もしくは合金酸化物であってもよい。鉄族金属には、鉄、ニッケル及びコバルトがあり、本発明では、何れをも使用することができるが、安価であること及び燃料ガス中で安定であることからＮｉ及び／またはＮｉＯを鉄族成分として含有していることが好ましい。

また希土類酸化物成分は、支持基板３１の熱膨張係数を、固体電解質層３３を形成している安定化ジルコニアやランタンガレート系ペロブスカイト型組成物等と近似させるために使用されるものであり、高い導電率を維持し且つ固体電解質層３３等への拡散を防止するために、特にＹ，Ｌｕ，Ｙｂ，Ｔｍ，Ｅｒ，Ｈｏ，Ｄｙ，Ｇｄ，Ｓｍ，Ｐｒからなる群より選ばれた少なくとも１種の希土類元素（Ｒ）を含む酸化物が、上記鉄族成分と組合せで使用される。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、特に安価であるという点で、Ｙ_２Ｏ_３，Ｙｂ_２Ｏ_３が好適である。特に支持基板３１の熱膨張係数を安定化ジルコニア等の固体電解質材料と近似させるという点で、上述した鉄族成分は、支持基板３１中に鉄族金属換算で３０〜６５体積％の量で含まれ、希土類酸化物は、支持基板３１中に３５〜７０体積％の量で含まれていることが好適である。

本発明においては特に還元膨張を抑制する目的でＭｏ金属或いはその酸化物等のＭｏ化合物が支持基板３１に、Ｍｏ／（Ｍｏ＋Ｒ）比で０．１〜１０モル％の量で含まれていることが好適である。特には、１．４〜６．４モル％であることが望ましい。Ｍｏは、支持基板中に金属Ｍｏ及び／又は希土類元素（Ｒ）との化合物として存在している。希土類元素（Ｒ）がＹの場合には、Ｍｏと希土類元素（Ｒ）との化合物としては、Ｙ_６ＭｏＯ_１２やＹＭｏＯ_４、Ｍｏが固溶したＹ_２Ｏ_３などが挙げられる。金属Ｍｏ及び／又は希土類元素（Ｒ）との化合物は主相であるＹ_２Ｏ_３や金属Ｎｉ及び／又はその酸化物とともに支持体の骨格を構成し、多孔質体を形成している。特に粒界への偏析はない方が望ましい。

尚、支持基板３１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。

上記のような支持基板３１は、燃料ガス透過性を有していることが必要であるため、通常、開気孔率が３０％以上、特に３５〜５０％の範囲にあることが好適である。また、支持基板３１の導電率は、３００Ｓ／ｃｍ以上、特に４４０Ｓ／ｃｍ以上であることが好ましい。

また、支持基板３１の平坦部Ａの長さは、通常、１５〜３５ｍｍ、弧状部Ｂの長さ（弧の長さ）は、３〜８ｍｍであり、支持基板３１の厚みは（平坦部Ａの両面の間隔）は２．５〜５ｍｍであることが望ましい。

（燃料極層３２）
本発明において、燃料極層３２は、前述した式（２）の電極反応を生じせしめるものであり、それ自体公知の多孔質の導電性セラミックスから形成される。例えば、希土類元素が固溶しているＺｒＯ_２と、Ｎｉ及び／またはＮｉＯとから形成される。この希土類元素が固溶しているＺｒＯ_２（安定化ジルコニア）としては、以下に述べる固体電解質層３３の形成に使用されているものと同様のものを用いるのがよい。

燃料極層３２中の安定化ジルコニア含量は、３５〜６５体積％の範囲にあるのが好ましく、またＮｉ或いはＮｉＯ含量は、６５〜３５体積％であるのがよい。さらに、この燃料極層３２の開気孔率は、１５％以上、特に２０〜４０％の範囲にあるのがよく、その厚みは、１〜３０μｍであることが望ましい。例えば、燃料極層３２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、固体電解質層３３と燃料極層３２との間で熱膨張差による剥離等を生じるおそれがある。

また、図１の例では、この燃料極層３２は、インターコネクタ３５の両サイドにまで延びているが、酸素極３４に対面する位置に存在して燃料極が形成されていればよいため、例えば酸素極３４が設けられている側の平坦部Ａにのみ燃料極層３２が形成されていてもよい。さらには、支持基板３１の全周にわたって燃料極層３２を形成することも可能である。本発明においては、固体電解質層３３と支持基板３１との接合強度を高めるために、固体電解質層３３の全体が燃料極層３２上に形成されていることが好適である。

（固体電解質層３３）
この燃料極層３２上に設けられている固体電解質層３３は、一般に３〜１５モル％の希土類元素が固溶したＺｒＯ_２（通常、安定化ジルコニア）と呼ばれる緻密質なセラミックスから形成されている。希土類元素としては、Ｓｃ，Ｙ，Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｐｍ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂ，Ｌｕを例示することができるが、安価であるという点からＹ、Ｙｂが望ましい。

この固体電解質層３３を形成する安定化ジルコニアセラミックスは、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、且つその厚みが１０〜１００μｍであることが望ましい。固体電解質層３としては、安定化ジルコニア以外に、ランタンガレート系ペロブスカイト型組成物から構成されていても良い。

（酸素極３４）
酸素極３４は、所謂ＡＢＯ_３型のペロブスカイト型酸化物からなる導電性セラミックスから形成される。かかるペロブスカイト型酸化物としては、遷移金属ペロブスカイト型酸化物、特にＡサイトにＬａを有するＬａＭｎＯ_３系酸化物、ＬａＦｅＯ_３系酸化物、ＬａＣｏＯ_３系酸化物の少なくとも１種が好適であり、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ＬａＦｅＯ_３系酸化物が特に好適である。尚、上記ペロブスカイト型酸化物においては、ＡサイトにＬａと共にＳｒなどが存在していてもよいし、さらにＢサイトには、ＦｅとともにＣｏやＭｎが存在していてもよい。

また、酸素極３４は、ガス透過性を有していなければならず、従って、酸素極３４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、開気孔率が２０％以上、特に３０〜５０％の範囲にあることが望ましい。

このような酸素極３４の厚みは、集電性という点から３０〜１００μｍであることが望ましい。

（インターコネクタ３５）
上記の酸素極３４に対面する位置において、支持基板３１上に設けられているインターコネクタ３５は、導電性セラミックスからなるが、燃料ガス（水素）及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、かか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）が使用される。また、支持基板３１の内部を通る燃料ガス及び支持基板３１の外部を通る酸素含有ガスのリークを防止するため、かかる導電性セラミックスは緻密質でなければならず、例えば９３％以上、特に９５％以上の相対密度を有していることが好適である。

かかるインターコネクタ３５は、ガスのリーク防止と電気抵抗という点から、１０〜２００μｍであることが望ましい。即ち、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からである。

また、図１から明らかな通り、ガスのリークを防止するために、インターコネクタ３５の両サイドには、緻密質の固体電解質層３３が密着しているが、シール性を高めるために、例えばＹ_２Ｏ_３などからなる接合層（図示せず）をインターコネクタ３５の両側面と固体電解質層３３との間に設けることもできる。

インターコネクタ３５の外面（上面）には、Ｐ型半導体層３９を設けることが好ましい。即ち、この燃料電池セルから組み立てられるセルスタック（図２参照）では、インターコネクタ３５には、導電性の集電部材４０が接続されるが、集電部材４０を直接インターコネクタ３５に直接接続すると、非オーム接触により、電位降下が大きくなってしまい、集電性能が低下してしまう。

しかるに、集電部材４０を、Ｐ型半導体層３９を介してインターコネクタ３５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、電位降下を少なくし、集電性能の低下を有効に回避することが可能となり、例えば、一方の燃料電池セル３０の酸素極３４からの電流を、他方の燃料電池セル３０の支持基板３１に効率良く伝達できる。このようなＰ型半導体としては、遷移金属ペロブスカイト型酸化物を例示することができる。

具体的には、インターコネクタ３５を構成するＬａＣｒＯ_３系酸化物よりも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３９の厚みは、一般に、３０〜１００μｍの範囲にあることが好ましい。

また、インターコネクタ３５は、固体電解質層３３が設けられていない側の支持基板３１の平坦部分Ａ上に直接設けることもできるが、この部分にも燃料極層３２を設け、この燃料極層３２上にインターコネクタ３５を設けることもできる。即ち、燃料極層３２を支持基板３１の全周にわたって設け、この燃料極層３２上にインターコネクタ３５を設けることができる。即ち、燃料極層３２を介してインターコネクタ３５を支持基板３１上に設けた場合には、支持基板３１とインターコネクタ３５との間の界面での電位降下を抑制することができる上で有利である。

（燃料電池セルの製造）
以上のような構造を有する燃料電池セルは、以下のようにして製造される。

先ず、Ｎｉ等の鉄族金属或いはその酸化物粉末と、Ｙ_２Ｏ_３などの希土類酸化物の粉末と、ＭｏＯ_３などのＭｏ含有化合物の粉末と、有機バインダーと、溶媒とを混合してスラリーを調製し、このスラリーを用いての押出成形により、支持基板成形体を作製し、これを乾燥する。

次に、燃料極層形成用材料（Ｎｉ或いはＮｉＯ粉末と安定化ジルコニア粉末）、有機バインダー及び溶媒を混合してスラリーを調製し、このスラリーを用いて燃料極層用のシートを作製する。また、燃料極層用のシートを作製する代りに、燃料極形成用材料を溶媒中に分散したペーストを、上記で形成された支持基板成形体の所定位置に塗布し乾燥して、燃料極層用のコーティング層を形成してもよい。

さらに、安定化ジルコニア粉末と、有機バインダーと、溶媒とを混合してスラリーを調製し、このスラリーを用いて固体電解質層用シートを作製する。

上記のようにして形成された支持基板成形体、燃料極用シート及び固体電解質層用シートを、例えば図１に示すような層構造となるように積層し、乾燥する。この場合、支持基板成形体の表面に燃料極層用のコーティング層が形成されている場合には、固体電解質層用シートのみを支持基板成形体に積層し、乾燥すればよい。

この後、インターコネクタ用材料（例えば、ＬａＣｒＯ_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、インターコネクタ用シートを作製する。

このインターコネクタ用シートを、上記で得られた積層体の所定位置にさらに積層し、焼成用積層体を作製する。

次いで、上記の焼成用積層体を脱バインダ処理し、酸素含有雰囲気中、１３００〜１６００℃で同時焼成し、得られた焼結体の所定の位置に、酸素極形成用材料（例えば、ＬａＦｅＯ_３系酸化物粉末）と溶媒を含有するペースト、及び必要により、Ｐ型半導体層形成用材料（例えば、ＬａＦｅＯ_３系酸化物粉末）と溶媒を含むペーストを、ディッピング等により塗布し、１０００〜１３００℃で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３０を製造することができる。

尚、支持基板３１や燃料極層３２の形成にＮｉ単体を用いた場合には、酸素含有雰囲気での焼成により、Ｎｉが酸化されてＮｉＯとなっているが、必要により、還元処理することにより、Ｎｉに戻すことができる。また、発電中に還元雰囲気に曝されるため、この時にもＮｉに還元されることになる。その最初の還元時の体積膨張はＹ_２Ｏ_３などの希土類酸化物の相変態による体積収縮により相殺することで抑制できる。

本発明の燃料電池セルでは、Ｎｉ等の鉄族金属或いはその酸化物と、Ｙ_２Ｏ_３等の特定の希土類酸化物と、Ｍｏ金属或いはその酸化物或いはその化合物とを用いて形成された支持基板上に、燃料極層、固体電解質層及び酸素極を設けることにより、熱膨張差による同時焼成時の固体電解質層の剥離やクラックの発生などの不都合を有効に回避すると同時に、主に最初の還元時における支持基板の体積膨張をも抑制することができるため、本発明の燃料電池セルは、安価に且つ高収率な製造をすることができる。

また、支持基板中に存在するＭｏ元素は、同時焼成に際して固体電解質層に拡散しにくく、固体電解質のイオン伝導度や酸素側電極の導電率等に悪影響を及ぼすことがない。

尚、本発明の燃料電池セルは、支持基板中にＭｏ及び／又はＭｏ化合物を含有する以外は、上記した特願２００３−４９３３２号を参照できる。

（セルスタック）
セルスタックは、図２に示すように、上述した燃料電池セル３０が複数集合して、上下に隣接する一方の燃料電池セル３０と他方の燃料電池セル３０との間に、金属フェルト及び／又は金属板からなる集電部材４０を介在させ、両者を互いに直列に接続することにより構成されている。即ち、一方の燃料電池セル３０の支持基板３１は、インターコネクタ３５、Ｐ型半導体層３９、集電部材４０を介して、他方の燃料電池セル３０の酸素極３４に電気的に接続されている。また、このようなセルスタックは、図２に示すように、サイドバイサイドに配置されており、隣接するセルスタック同士は、導電部材４２によって直列に接続されている。

本発明の燃料電池は、図２のセルスタックを、収納容器内に収容して構成される。この収納容器には、外部から水素等の燃料ガスを燃料電池セル３０に導入する導入管、及び空気等の酸素含有ガスを燃料電池セル３０の外部空間に導入するための導入管が設けられており、燃料電池セルが所定温度（例えば、６００〜９００℃）に加熱されることにより発電し、使用された燃料ガス、酸素含有ガスは燃焼し、収納容器外に排出される。

尚、本発明は上記形態に限定されるものではなく、発明の要旨を変更しない範囲で種々の変更が可能である。例えば、支持基板３１の形状を円筒状とすることも可能であるし、酸素極３４と固体電解質層３３との間に、適当な導電性を有する中間層を形成することも可能である。

平均粒径０．５μｍのＮｉＯ粉末と、Ｙ_２Ｏ_３粉末（平均粒径は０．６〜０．９μｍ）を、焼成後におけるＮｉＯがＮｉ換算で３０体積％、Ｙ_２Ｏ_３が７０体積％になるようにして混合した（試料Ｎｏ．１）。

次に、ＭｏＯ_３粉末（平均粒径０．７μｍ）を、上記の混合粉体１００質量部に対して表１に示す質量部になるように外添し、混合した（試料Ｎｏ．２〜８）。尚、試料Ｎｏ．７，８は、Ｙ_２Ｏ_３の代わりにＹｂ_２Ｏ_３を用いた。表１にはＭｏ／（Ｍｏ＋Ｙ）の比率も記載した。

上記の混合粉末に、ポアー剤、有機バインダー（ポリビニルアルコール）と、水（溶媒）とを混合して形成した支持基板用スラリーを直方体状に押出成形し、これを乾燥し、脱バインダー処理し、大気中にて１５００℃で焼成した。

得られた焼結体を高さ３ｍｍ、幅４ｍｍ、長手方向の長さ４０ｍｍに加工し、酸素分圧約１０^−１９Ｐａでの還元雰囲気中において８５０℃で還元処理し、還元前後の長手方向の長さを測定し、還元後の長さから還元前の長さを引いた長さを長手方向の伸びとして膨張率（（長手方向の伸び）／（還元前の長手方向の長さ））として求めた。さらに、導電率を酸素分圧約１０^−１９Ｐａでの還元雰囲気中において１０００℃で４端子法にて測定した。それらの結果を表１に記載した。

表１の結果から理解されるように、ＭｏＯ_３粉末を添加することにより、還元雰囲気における膨張を抑制できることが判る。また、ＭｏＯ_３量が多くなると膨張はマイナス（収縮）側に転じ、かつ支持基板の導電率が低下していくが、Ｍｏ／（Ｍｏ＋Ｙ）のモル比が０．１〜１０％の範囲内であれば、導電率の低下は小さいことが判る。尚、試料Ｎｏ．２〜８の焼結体中にはＭｏ化合物が生成していることを確認した。

また、本発明者等は、Ｙ_２Ｏ_３、Ｙｂ_２Ｏ_３の代わりに、Ｌｕ_２Ｏ_３、Ｔｍ_２Ｏ_３、Ｅｒ_２Ｏ_３、Ｈｏ_２Ｏ_３、Ｄｙ_２Ｏ_３、Ｇｄ_２Ｏ_３、Ｓｍ_２Ｏ_３、Ｐｒ_２Ｏ_３を用いた場合においても、Ｍｏ添加により、還元雰囲気における膨張を抑制できることを確認した。

また、実施例１で用いた各試料粉末を用いて、実施例１と同様に押出成形して、扁平状の支持基板用成形体を作製し、これを乾燥した。

次に、８モル％Ｙ_２Ｏ_３を含有するＺｒＯ_２（ＹＳＺ）粉末と、ＮｉＯ粉末と、有機バインダー（アクリル樹脂）と、溶媒（トルエン）とを混合したスラリーを用いて燃料極層形成用シートを作製し、また、上記ＹＳＺ粉末と、有機バインダー（アクリル樹脂）と、トルエンからなる溶媒とを混合したスラリーを用いて、固体電解質層用シートを作製し、これらのシートを積層した。

この積層シートを、上記支持基板用成形体に、その両端間が所定間隔をおいて離間するように（図１参照）巻き付け、乾燥した。

一方、平均粒径２μｍのＬａＣｒＯ_３系酸化物粉末と、有機バインダー（アクリル樹脂）と、溶媒（トルエン）とを混合したスラリーを用いて、インターコネクタ用シートを作製し、このシートを、上記積層シートにおける支持基板用成形体の露出部分に積層し、支持基板用成形体、燃料極層用シート、固体電解質層用シートからなる焼結用積層シートを作製した。

次に、この焼結用積層シートを脱バインダ処理し、大気中にて１５００℃で同時焼成した。

得られた焼結体を、平均粒径２μｍのＬａ_０．６Ｓｒ_０．４Ｃｏ_０．２Ｆｅ_０．８Ｏ_３粉末と、溶媒（ノルマルパラフィン）をからなるペースト中に浸漬し、焼結体に形成されている固体電解質層の表面に酸素極用コーティング層を設け、同時に、上記ペーストを焼結体に形成されているインターコネクタの外面に塗布し、Ｐ型半導体用コーティング層を設け、さらに、１１５０℃で焼き付け、図１に示すような燃料電池セルを作製した（試料Ｎｏ．９〜１６）。

作製した燃料電池セルにおいて、支持基板の平坦部Ａの長さは２６ｍｍ、弧状部Ｂの長さは３．５ｍｍ、厚みは２．８ｍｍ、燃料極層の厚みは１０μｍ、固体電解質層の厚みは４０μｍ、酸素極の厚みは５０μｍ、インターコネクタの厚みは５０μｍ、Ｐ型半導体層の厚みは５０μｍとした。

得られた燃料電池セルの固体電解質層の断面をＥＰＭＡにより分析し、支持基板からの拡散元素を確認した。また、支持基板のガス通路内に水素ガスを流し、更に燃料電池セルの外側（酸素極の外面）に空気を流し、８５０℃で１６時間発電した後、還元雰囲気のまま放置して冷却した後、燃料電池セル内部を加圧して水中に浸し、ガス漏れの有無を観察し、支持基板、固体電解質層のクラックや、支持基板からの固体電解質層、燃料極層の剥離を観察した。

また、８５０℃において１００時間後の、燃料電池セル１本当たりの発電性能を測定し、表２に記載した。

表２の結果から理解されるように、本発明の燃料電池セル試料Ｎｏ．１０〜１６では、燃料極層、固体電解質層のクラックや、支持基板からの固体電解質層、燃料極層の剥離は見られなかった。また、拡散元素も見られず、発電性能も０．３０Ｗ／ｃｍ^２以上と良好であった。

一方、試料Ｎｏ．９では、支持基板の膨張が０．１６％と大きいために、燃料極層、固体電解質層にクラックが発生した。

本発明の燃料電池セルを示す横断面図である。 複数の燃料電池セルにより形成されたセルスタックを示す横断面図である。 従来の燃料電池セルからなるセルスタックを示す横断面図である。

符号の説明

３１・・・支持基板
３１ａ・・・燃料ガス通路
３２・・・燃料極層
３３・・・固体電解質層
３４・・・酸素極
３５・・・インターコネクタ
４０・・・集電部材

Claims (5)

1. 鉄族金属及び／又は鉄族金属の酸化物と、少なくとも１種の希土類元素（Ｒ）を含む希土類酸化物と、Ｍｏ及び／又はＭｏ化合物とを含有してなるとともに、ガス透過性で且つ導電性を有する燃料電池セル用支持基板であって、該燃料電池セル用支持基板中に、前記鉄族金属及び／又は鉄族金属の酸化物を鉄族金属換算で３０〜６５体積％含有し、前記希土類酸化物を３５〜７０体積％含有するとともに、Ｍｏ／（Ｍｏ＋Ｒ）比が０．１〜１０モル％であることを特徴とする燃料電池セル用支持基板。
2. 前記希土類酸化物が、Ｙ_２Ｏ_３及び／又はＹｂ_２Ｏ_３であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セル用支持基板。
3. 前記鉄族金属がＮｉであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池セル用支持基板。
4. 燃料ガス通路が内部に形成された請求項１乃至請求項３のうちいずれかに記載の燃料電池セル用支持基板と、該燃料電池セル用支持基板上に形成された燃料極層と、該燃料極層上に形成された固体電解質層と、該固体電解質層上に設けられた酸素極とを具備することを特徴とする燃料電池セル。
5. 請求項４に記載の燃料電池セルを複数収納容器内に収納してなることを特徴とする燃料電池。

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