JP4545014B2

JP4545014B2 - 燃料電池セル及びこれを用いた燃料電池セルスタック、燃料電池

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Publication number: JP4545014B2
Application number: JP2005045984A
Authority: JP
Inventors: 昌彦東
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2005-02-22
Filing date: 2005-02-22
Publication date: 2010-09-15
Anticipated expiration: 2025-02-22
Also published as: JP2006236625A

Description

本発明は、内側電極、固体電解質層、外側電極の積層構造からなる発電部を具備する細長平板状の燃料電池セル及びこれを用いた燃料電池セルスタック、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（複数の燃料電池セルを集電部材を介して直列に接続してなる束）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。

従来の燃料電池セル３は、図５に示すように、内部に複数のガス流路を備えた扁平で幅
広の多孔性内側電極（空気電極）３１と、この多孔性内側電極３１の外周面に一部を除き積層された固体電解質層３２と、この固体電解質層３２の外側に積層された外側電極（燃料電極）３３と、露出する多孔性内側電極（空気電極）３１を覆うように設けられた電子伝導性相互接続材料（インターコネクタ）３４から構成されている。

そして、燃料電池セルスタックは、図６に示すように、上記の燃料電池セル３（３ａ、３ｂ）を複数個集合させ、一方の燃料電池セル３ａと他方の燃料電池セル３ｂとの間に金属フェルトなどからなる集電部材３５を介在させ、一方の燃料電池セル３ａのインターコネクタ３４と他方の燃料電池セル３ｂの外側電極（燃料電極）３３とを電気的に接続して構成されている（例えば特許文献１参照）。
特開平１−１６９８７８号公報

ここで、支持板の一方側平坦部に設けられた固体電解質層３２としては、ＺｒＯ_２系、ＣｅＯ_２系、ランタンガレート系等の材料からなり、他方側平坦部に設けられたインターコネクタ３４としては、一般にＬａＣｒＯ_３系材料が採用されている。このインターコネクタ材料としてのＬａＣｒＯ_３系材料は、酸化・還元に強く、緻密であり、導電性に優れることから、現在のところ、インターコネクタ３４に最も適した材料として採用されているものである。

ところが、これらの材料を採用した燃料電池セルは、還元雰囲気において図７に示すようにインターコネクタ３４側を背に（インターコネクタ３４側が凸となるように）燃料電池セル３が反ってしまうという問題が生じていた。つまり、燃料電池セル３は、通常、発電時には還元性ガスに晒されるが、このとき、ＺｒＯ_２系、ＣｅＯ_２系、ランタンガレート系等からなる固体電解質層は還元雰囲気における寸法変化が小さいのに対し、インターコネクタは還元雰囲気において寸法変化が大きいため、上述のように反ってしまうのである。

このように、燃料電池セルが反り変形をおこしてしまうと、隣り合う燃料電池セルに介在された集電部材との接触が悪くなり、最悪の場合、電気的接続が解除され、複数の燃料電池セルから集電することができなくなるという問題があった。

本発明は、還元雰囲気における反り変形の抑制された燃料電池セル及びこれを用いた燃料電池セルスタック、燃料電池を提供することを目的とする。

本発明者は、鋭意検討の結果、発電に寄与しない部位に補強材を固着することにより、上記目的を達成することを見出し、本発明に到達した。

すなわち本発明は、長手方向に沿って内部に複数のガス流路を有し、対向する両平坦部と該平坦部同士を接続する一対の円弧状部とからなる支持板を具備するとともに、該支持板の一方側平坦部に少なくとも固体電解質層と外側電極とをこの順に積層してなり、前記支持体の他方側平坦部にＬａＣｒＯ _３系酸化物を含んでなるインターコネクタを具備してなる細長平板状の燃料電池セル本体と、前記円弧状部上に、前記支持板の長手方向に沿って固着された補強材とからなることを特徴とする燃料電池セルである。

このように対向する両平坦部と該平坦部同士を接続する一対の円弧状部とからなる支持板を備える燃料電池セルの円弧状部上に、支持板の長手方向に沿って補強材を固着することにより、燃料電池セルが発電中に還元雰囲気に晒されたとしても、燃料電池セルが反ることを強制的に防ぐことができる。特に、酸化・還元雰囲気に晒されたり、振動や熱応力などの影響により、クラックが発生しやすい円弧状部に補強材を固着することで、クラックの問題も解消することができる。

ここで、補強材の少なくとも表面が絶縁性セラミックスからなるのが好ましい。これにより、上述のように円弧状部に補強材が設けられる際の空気極とインターコネクタがショートするおそれがなくなる。

また本発明は、上記の燃料電池セルを、集電部材を介して直列に複数個接続してなることを特徴とする燃料電池セルスタックである。さらに本発明は、上記の燃料電池セルスタック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である。このような燃料電池セルスタック及び燃料電池により、電圧低下の少ない長期信頼性に優れた燃料電池を得ることができる。

本発明の燃料電池セルによれば、インターコネクター材料の還元時の寸法変化による反りを抑えることができる。また、補強材は発電部以外に固着されるため、発電効率は低下することなく維持することができる。

本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。
本発明の燃料電池セルは、図１に示すように、長手方向に沿って内部に複数のガス流路２１１を有し、対向する両平坦部と該両平坦部同士を接続する一対の円弧状部とからなる支持板２１を具備するとともに、該支持板２１の一方側平坦部に内側から順次形成された内側電極（燃料極２２）、固体電解質層２３、外側電極（空気極２４）の積層構造からなる発電部を具備し、前記支持板２１の他方側平坦部にＬａＣｒＯ _３系酸化物を含んでなるインターコネクタ２５を具備してなる細長平板状の燃料電池セル本体２０と、円弧状部上に、支持板２１の長手方向に沿って固着された補強材１１とからなることを特徴とするものである。

（支持板２１）
支持板２１は、図１及び図３に示すように、細長平板状であって、その横断面形状からわかるように平坦部Ａと、平坦部Ａ両端の円弧状部Ｂとから構成されている。そして、支持板２１の内部には、複数のガス流路２１１が適当な間隔で長手方向に沿って設けられており、本実施形態においてはガス流路２１１には燃料ガスが通過するようになっている。

ここで、支持板２１には、燃料ガスを後述の燃料極２２まで透過させるためにガス透過性であること、後述のインターコネクタ２５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り固体電解質層２３などのクラックや剥離を生じさせることのないこと等が要求される。さらに、このような要求に加え、還元・酸化サイクルにおける支持板２１の体積膨張に起因した固体電解質層２３などのクラックを抑制する必要もある。そこで、支持板２１は、触媒金属及びその酸化物のいずれかと、触媒金属及びその酸化物との反応物を生成しない無機骨材、例えば、金属酸化物である固体電解質又は少なくとも一種の希土類元素を含有する希土類元素酸化物とを含有せしめて構成される。

触媒金属としてはＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉなどの鉄族成分があり、金属単体であってもよいし、また酸化物、合金もしくは合金酸化物であってもよい。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を含有していることが好ましい。

また、無機骨材としては、所謂三相界面（固体電解質／触媒金属／気相の界面）を増やして後述の（２）式で示される電極反応を促進するために、固体電解質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同等の材料を用いても良いし、熱膨張係数を下げて固体電解質と近似させるために希土類酸化物を用いても良い。後者には特にＳｃ、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種の希土類元素を含む酸化物が使用される。このような希土類酸化物の具体例としては、Ｓｃ_２Ｏ_３、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、さらにはＹ_２Ｏ_３が好適である。

支持板２１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。

そして、支持板２１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、支持板２１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。

尚、このような支持板の熱膨張係数は約１１．５×１０^−６／℃であり、ヤング率は３０〜５０ＧＰａ程度である。

（燃料極２２）
内側電極としての燃料極２２は、図３に示すように、支持板２１の一部を残して被覆するように支持板２１の外側に積層されている。具体的には、支持板２１の平坦部Ａの一方側とその両端の円弧状部Ｂを被覆するように燃料極２２が積層され、支持板２１の平坦部Ａの他方側は被覆されずに露出している（ただし、露出する部分は、後述のインターコネクタ２５で被覆され、図面上は燃料極２２がインターコネクタ２５の両サイドまで延びるように形成されている）。燃料極２２は、後述の式（２）の電極反応を生じせしめるものであり、多孔質の導電性セラミックス、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、後述の固体電解質層２３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２２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％であるのが好ましい。さらに、この燃料極２２の開気孔率は、１５％以上、特に２０〜４０％の範囲にあるのが好ましい。尚、燃料極２２の厚みは、固体電解質層２３と燃料極２２との間の熱膨張差による剥離のおそれや燃料極２２の性能を考慮して、１〜３０μｍであることが望ましい。

尚、本例における燃料極２２は、インターコネクタ２５の両サイドにまで延びているが、支持板２１の全周にわたって燃料極２２を形成し、この外側にインターコネクタ２５を積層するようにしてもよい。また、燃料極２２は、後述の空気極２４に対向する位置に存在していれば発電部としての機能を果たすため、空気極２４が設けられている側の平坦部Ａにのみ形成されてもよい。

また、燃料極２２は支持板２１と一体となっていてもよい。すなわち、支持板が燃料極を兼ねる（支持板が燃料極としての機能を有する）ようにしてもよい。

（固体電解質層２３）
固体電解質層２３は、燃料極２２の外側にこれを被覆するように積層されている。具体的には、支持板２１の平坦部Ａの一方側主面とその両端の円弧状部Ｂを被覆するように積層された燃料極２２の外側に、燃料極２２と同様に固体電解質層２３が積層され、支持板２１の平坦部Ａの他方側主面は被覆されずに露出している（ただし、露出する部分は、後述のインターコネクタ２５で被覆され、図面上は固体電解質層２３がインターコネクタ２５の両サイドまで延びるように形成されている）。

この固体電解質層２３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）からな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。また、この固体電解質層２３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。尚、固体電解質層２３の形成材料としては、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等から構成されていても良い。

尚、緻密質な固体電解質層で支持板の円弧状部Ｂを被覆することにより、燃料ガスのこの円弧状部Ｂからの漏れをなくすことができるが、多孔質の支持板と緻密質の固体電解質層が直接接触すると接合強度が弱い。そこで、本発明においては、支持板と固体電解質層の間の気孔率である燃料極が、支持板と固体電解質層の間に形成されることにより、この接合強度が高められている。

（空気極２４）
外側電極としての空気極２４は、一方側の平坦部Ａに設けられている。これにより、この一方側の平坦部Ａ、すなわち、空気極２４と、燃料極２２の固体電解質層２３を介して空気極２４に対向する部分との間で発電がなされる。

空気極２４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、空気極２４は、ガス透過性を有していなければならず、従って、空気極２４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。さらに、このような空気極２４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２５）
インターコネクタ２５は、支持板２１の燃料極２２及び固体電解質層２３で被覆されていない露出部分（他方側の平坦部Ａ）を被覆するように設けられている。このインターコネクタ２５は、燃料ガス（水素）及び酸素含有ガスと接触するため（図面上はインターコネクタの外側をＰ型半導体で被覆しているがこのものは多孔質であるため、インターコネクタが酸素含有ガスと接触する）、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、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、支持板２１の内部を通る燃料ガス及び支持板２１の外部を通る酸素含有ガスのリークを防止するため、かかるインターコネクタ２５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。また、ガスのリーク防止と電気抵抗という観点から、厚みが１０〜２００μｍであることが望ましい。一方、反り抑制という観点からは、１００μｍ以下が望ましい。

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２５の両サイドには、緻密質の固体電解質層２３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２５の両側面と固体電解質層２３との間に設けることもできる。

尚、多孔質の支持板と緻密質の固体電解質層の接合強度について前述したように、支持板とインターコネクタの間にも同様の接合強度の問題がある。したがって、支持板とインターコネクタの間に中間層、例えば熱膨張係数、導電率も考慮するとＮｉ＋ＹＳＺからなる中間層を介在させるのが好ましい。尚、この中間層は燃料極と配合比が異なるものである。

また、インターコネクタ２５は、図３のように、支持板２１の平坦部Ａの上に直接設けてもよいが、この部分にも燃料極２２を設け、即ち、燃料極２２を支持板２１の全周にわたって設け、燃料極２２上にインターコネクタ２５を設けるようにしてもよい。この場合には、支持板２１とインターコネクタ２５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となる。

（Ｐ型半導体層２６）
インターコネクタ２５の外面（上面）には、Ｐ型半導体層２６が設けられている。図４に示す集電部材２７を、Ｐ型半導体層２６を介してインターコネクタ２５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の空気極２４からの電流を、他方の燃料電池セルの支持板２１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２５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２６の厚みは、一般に、３０〜１００μｍの範囲にあることが好ましい。

（補強材１１）
図１に示す補強材１１は、燃料電池セル本体２０に円弧状部Ｂに沿って固着されている。その形状は横断面が所定厚みの半円筒状若しくは長手方向に延びた瓦のような形状になっている。より具体的な形状は、図３に示してある。

この補強材１１は、燃料電池が６５０〜１０００℃という高温下及び空気中で使用されることから、耐熱性、耐酸化性が要求される。また、燃料電池セルの反りを防止するためのものであるから、高強度、高剛性が要求される。特にヤング率が１００ＧＰａ以上であるのが好ましい。支持板のヤング率が約３０〜５０ＧＰａであるので、補強材１１のヤング率が１００ＧＰａ以上であれば補強としての機能を果たすことができるからである。さらに、図３に示す形状のように、円弧状部Ｂをすべて覆いつくさずに所定の間隙を有して補強材１１を固着させるのであればよいが、円弧状部Ｂをさらに被覆して空気極２４とインターコネクタ２５に接触してしまうような形状とする場合には、燃料電池セルがショートしないように上記特性に加えてさらに絶縁性が要求される。

このような要求を満足する材質として、好ましくはジルコニア、フォルステライト、チタニア、アルミナ、窒化珪素、炭化珪素などのセラミックスが挙げられるが、これらに限らず、多孔質のセラミックスに金属を含浸させたものや耐熱金属の表面に、絶縁性セラミックスをコーティングしたものなども使用できる。

また補強材１１は、主としてガラスなどの耐熱接着剤を用いて燃料電池セル本体２０に接着されるので、補強材１１と燃料電池セル本体２０（特に支持板２１）との熱膨張係数は近いものが良く、その熱膨張係数差が３×１０^−６／℃以下、望ましくは、２×１０^−６／℃以下、さらには１×１０^−６／℃以下であるのが望ましい。支持板の熱膨張係数が１１．５×１０^−６／℃程度であるから、補強材の熱膨張係数は８．５〜１４．５×１０^−６／℃程度であるのがよく、後述の長手方向に複数に分割した形状（図２）ではなく長手方向に連続する形状（図１）の場合には１０．５〜１２．５×１０^−６／℃程度であるのが望ましい。この熱膨張係数差が３×１０^−６／℃を超えると、起動時、使用時の温度変化で補強材１１と燃料電池セル本体２０との間に発生する熱応力により燃料電池セルが破壊するおそれがあるからである。そこで、熱膨張係数差の大きなセラミックス又は金属を補強材１１として用いるときは、添加物としてのフィラーを含有させることにより熱膨張係数を調整して、燃料電池セル本体２０と補強材１１との熱膨張係数差を小さくしてもよい。尚、耐熱接着剤としてのガラスについては結晶化、非結晶化ガラスを限定するものではない。

このような補強材１１としては、図１に示すように、燃料電池セル本体２０と同じ長さのものを用いてもよいが、図２に示すように短い瓦状の部材を同列上に配置したような構成（長手方向に分割した形状）の補強材１２１、１２２、１２３を採用してもよい。この場合、それぞれの補強材１２１、１２２、１２３の長さが１０ｍｍ以上であり、それぞれの部材間の間隙が５ｍｍ以下であるのが好ましい。このような長さの補強材と間隙であれば、反りを抑制することができるからである。

補強材のない細長平板状の燃料電池セルでは、酸化・還元雰囲気に晒されたり、振動や熱応力などの影響により、円弧状部Ｂにクラックが発生してしまうことがあるが、図１及び図２に示す本発明においては、円弧状部Ｂに補強材を固着する構成となっているので、クラックの問題も解消することができる。

（燃料電池セル）
本発明は、燃料電池セル本体２０の長さが１２０ｍｍ以上、平坦部Ａの長さが２０〜３５ｍｍ、弧状部Ｂの長さ（弧の長さ）が３〜８ｍｍ程度であり、燃料電池セル本体２０の厚みが２．５〜８ｍｍである場合に好適に用いることができる。このように細長く薄い（対向する平坦部Ａ間の距離が短い）場合には、インターコネクタ２５側を背にして弓なりに反り易いからである。

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、上記形態では、それぞれの機能に適した材料、組織等とするために支持板と内側電極を別個に形成した（支持板２１上に燃料極２２を形成した）が、支持板自体に燃料極としての機能を付与してもよい。これにより簡易な構造となり製造上も有利となる。また、燃料極と空気極の配置を逆にしてもよい。

（発電について）
上記のような構造の燃料電池セルでは、燃料極２２における空気極２４と対向する部位が発電に寄与する。即ち、空気極２４の外側に空気等の酸素含有ガスを流し、且つ支持板２１内のガス流路２１１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、空気極２４で下記式（１）の電極反応を生じ、また燃料極２２の発電に寄与す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。

空気極：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、支持板２１に取り付けられているインターコネクタ２５を介して集電される。

（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１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、希土類酸化物（例えばＹ_２Ｏ_３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、この坏土を用いての押出成形及び乾燥することにより、支持板成形体を作製する。

次に、燃料極形成用材料（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用のシートを作製する。尚、燃料極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板成形体の所定位置に塗布し乾燥して、燃料極用のコーティング層を形成してもよい。

このとき、後にインターコネクタが形成される部分には、予めマスクしておくのがよい。

この燃料極用シートを仮焼し、表面に燃料極仮焼体が形成された支持板仮焼体を作製する。ここで、この後、燃料極仮焼体の開気孔中に、樹脂材料を含浸することが望ましい。樹脂材料としては、アクリル系の樹脂などが用いられ、含浸させるには、樹脂を溶解した有機溶媒中に浸漬すれば良い。

そして、燃料極仮焼体の表面に浸漬塗布法により固体電解質層を形成する。先ず、固体電解質層材料を含有する浸漬液を作製し、この浸漬液に上記支持板仮焼体を浸漬する。固体電解質層材料としては、例えば希土類元素が固溶したＺｒＯ_２粉末（安定化ジルコニア粉末）を用い、その他に、浸漬液中には、有機バインダーとしてアクリル系バインダーと、溶媒としてトルエンが添加混合されている。この浸漬液は、所定の粘度を有するように、有機成分が調整されている。尚、燃料側電極仮焼体の開気孔中には、固体電解質層材料は含浸されていない。

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固体電解質層が形成されていない位置に積層し、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、空気極形成用材料（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、燃料電池セル本体を製造することができる。

尚、支持板や燃料極の形成に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。

一方、補強材を構成するＺｒＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３などの原料粉末をＩＰＡ（イソプロピルアルコール）やトルエン、アセトンなどの溶媒およびバインダーを添加し混合することにより補強材用のスラリーを作製する。このスラリーを用いて、押し出し成形により補強材用成形体を作製する。

この補強材用成形体を１０００〜１８００℃に熱することにより補強材成形体は補強材となる。これをすでに作製した燃料電池セル本体にガラスペーストを用いて接着させ、９００〜１０００℃に熱することにより、燃料電池セル本体と一体化させる。
（燃料電池セルスタック）
燃料電池セルスタックは、図４に示すように、上述した燃料電池セル２０を複数集合させて、隣接する一方の燃料電池セル２０と他方の燃料電池セル２０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２７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２０の支持板２１は、インターコネクタ２５、Ｐ型半導体層２６、集電部材２７を介して、他方の燃料電池セル２０の空気極２４に電気的に接続されている。また、このような燃料電池セルスタックは、図４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２８によって直列に接続されている。

（燃料電池）
本発明の燃料電池は、図４に示す燃料電池セルスタックを、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１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１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１が所定温度（例えば、６５０〜１０００℃）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。

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４８体積％、Ｙ_２Ｏ_３が５２体積％になるようにして混合し、この混合粉末に、ポアー剤、有機バインダーと、水（溶媒）とを混合して形成した支持板用坏土を押出成形し、これを乾燥し、脱バインダー処理し、細長平板状の支持板用成形体を作製し、これを乾燥した。この後、１０００℃で仮焼し、支持板仮焼体を作製した。

次に、８モル％Ｙ_２Ｏ_３を含有するＺｒＯ_２（ＹＳＺ）粉末と、ＮｉＯ粉末と、有機バインダーと、溶媒とを混合したスラリーを用いて燃料極形成用シートを作製し、これを支持板仮焼体の所定位置に積層し、１０００℃で仮焼し、支持板仮焼体の表面に燃料極仮焼体を形成した。

この後、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浸漬液を作製し、この浸漬液中に支持板仮焼体を浸漬し、引き上げることにより燃料側電極仮焼体の表面に固体電解質層材料の塗布膜を形成し、乾燥することにより固体電解質層成形体を形成した。

次に、平均粒径２μｍのＬａＣｒＯ_３系酸化物粉末と、有機バインダーと、溶媒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、これらのシートを、上記積層シートのマスクを剥離した部分に積層し、支持板仮焼体、燃料極仮焼体、インターコネクタ用シート、固体電解質層成形体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空気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、燃料電池セル本体を作製した。

作製した燃料電池セル本体の長さは１４５ｍｍ、幅は２６ｍｍ、厚みは３．２ｍｍ、燃料極の厚みは１０μｍ、空気極の厚みは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であった。

尚、燃料電池セル本体は、焼成後であって還元雰囲気に晒される前であっても若干の反りが確認される。このとき、図７に示すようにインターコネクタの形成側と反対側の面の上下端に直線状の定規を当て、この定規とセル表面との最大距離Ｌを求めた値を反り量とすると、この反り量は０．５ｍｍであった。

この作製した燃料電池セル本体の円弧状部に、ＺｒＯ_２粉末と溶媒及びバインダーを混合することにより得られたスラリーを押し出し成形し焼成してなる補強材を、ホウケイ酸系のガラスペーストにより取り付けた。そのあと、９００℃に熱することにより完全に燃料電池セル本体と補強材とを接着させ、図１に示すような燃料電池セルを作製した。

得られた燃料電池セルを８５０℃の温度で水素ガスをガス流路内に１２時間供給し、水素ガスを流しながら放冷した。その後、反り量（最大距離Ｌ）を求めたところ、この反り量は０．６ｍｍであった。

一方、比較例として、補強材を接着させてない燃料電池セルを作製し、上記還元処理後の反り量（最大距離Ｌ）を測定したところ、１．８ｍｍであった。

従って、本発明の燃料電池セルでは、反り量を抑制できることがわかる。

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。図１に示す燃料電池セル１の説明図である。図３に示す燃料電池セルを複数個直列に配置してなる本発明の燃料電池セルスタックの説明図である。従来の燃料電池セルの説明図である。従来の燃料電池セルスタックの説明図である。燃料電池セルの反りに関する説明図である。

符号の説明

１・・・燃料電池セル
１１，１２１，１２２，１２３，１３・・・補強材
２０・・・燃料電池セル本体
２１・・・支持板
２１１・・・ガス流路
Ａ・・・平坦部
Ｂ・・・円弧状部
２２・・・燃料極
２３・・・固体電解質層
２４・・・空気極
２５・・・インターコネクタ
２６・・・Ｐ型半導体
２７・・・集電部材
２８・・・導電部材

Claims

長手方向に沿って内部に複数のガス流路を有し、対向する両平坦部と該平坦部同士を接続する一対の円弧状部とからなる支持板を具備するとともに、該支持板の一方側平坦部に少なくとも固体電解質層と外側電極とをこの順に積層してなり、前記支持体の他方側平坦部にＬａＣｒＯ _３系酸化物を含んでなるインターコネクタを具備してなる細長平板状の燃料電池セル本体と、前記円弧状部上に、前記支持板の長手方向に沿って固着された補強材とからなることを特徴とする燃料電池セル。
前記補強材の少なくとも表面が絶縁性セラミックスからなることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セル。
請求項１または請求項２に記載の燃料電池セルを、集電部材を介して直列に複数個接続してなることを特徴とする燃料電池セルスタック。
請求項３に記載の燃料電池セルスタック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。