JP4741815B2 - セルスタック及び燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、 内部に燃料の流通部を有する絶縁性の絶縁支持体の表面に発電素子部を設けた固体電解質形の燃料電池セル、セルスタック及び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、燃料電池が種々提案されている。このような燃料電池には、固体高分子形、リン酸形、溶融炭酸塩形、固体電解質形など、各種のものが知られているが、中でも固体電解質形燃料電池(ＳＯＦＣ；Solid Oxide Fuel Cell)は、作動温度が８００〜１０００℃と高いものの、発電効率が高く、また排熱利用ができるなどの利点を有しており、その研究開発が推し進められている。

固体電解質形燃料電池は、燃料電池セルを複数有し、これらの燃料電池セルを互いに電気的に接続してセルスタックとし、このセルスタックを収納容器内に収容したものである。燃料電池セルにおいては、その燃料電池セルに発電素子部をどのように配置するかによって、いわゆる「横縞形」のタイプが知られている。
この横縞形の燃料電池セルは、発電素子部を、セルの長手方向に沿って複数個配置し、それらを直列に接続したものである。発電素子部は１つあたり０．７Ｖの起電力しか得られないが、複数直列に接続することで、１セル当たり相当の起電力が得られる。

横縞形の燃料電池セルは、多孔質絶縁体である円筒状の絶縁支持体の表面に、発電素子部を軸長方向に所定間隔をおいて複数配置している。それぞれの発電素子部は、燃料極、固体電解質及び空気極を順次積層した層構造となっている。互いに隣り合う発電素子部は、それぞれインターコネクタにより直列に接続されている。すなわち、一方の発電素子部の燃料極と他方の発電素子部の空気極とが、インターコネクタにより接続されている。そして、絶縁支持体の内部にはガス流路が形成されている。

前記構造の横縞形の燃料電池セルの発電原理は、次のとおりである。
固体電解質の酸素イオン伝導性は６００℃程度から高くなるため、６００℃以上の温度域で、空気極に酸素を含むガスを、燃料極に水素を含むガスを各々供給することで、空気極と燃料極間の酸素濃度差が発生する。
空気極から固体電解質を通じて燃料極へ移動した酸素イオンは、燃料極で水素イオンと結合して水となる。このとき、空気極では、下記式（１）の電極反応を生じ、燃料極では、下記式（２）の電極反応を生じる。これにより電子の移動が起こり、発電する。

空気極： １／２Ｏ₂＋２ｅ^- → Ｏ^2-（固体電解質） …（１）
燃料極： Ｏ^2-（固体電解質）＋Ｈ₂ → Ｈ₂Ｏ＋２ｅ^- …（２）
横縞形の燃料電池セルでは、以上の反応を起こす発電素子部が、絶縁支持体表面に、軸長方向に複数形成され且つ互いに直列に接続されているために、少ないセル数で高い電圧を得られるという利点がある。
特開平１０−００３９３２号公報

前記横縞形の燃料電池セルを、他の燃料電池セルと接続する場合、セル間接続部材を用いて接続するが、接触面積が狭いと、燃料電池セル間の接続抵抗が増大し、燃料電池から発電電力を効率よく取り出せなくなる。また、接触の安定性も低下し、信頼性の高いセルスタック及び燃料電池が得られなくなる。
そこで本発明は、燃料電池セル同士の安定な接続が可能で、効率、信頼性に優れたセルスタック及び燃料電池を提供することを目的とする。

本発明のセルスタックは、単一若しくは複数の燃料ガス流路が、長手方向に形成された柱状の絶縁支持体の表面に、燃料極、固体電解質及び、空気極を順次積層してなる発電素子部を長手方向に所定間隔をおいて複数個設け、該複数の発電素子部をインターコネクタで直列に接続してなる燃料電池セルの複数を、セル間接続部材で電気的に接続してなるセルスタックであって、前記燃料電池セルは、燃料ガスマニホールドに最も近い発電素子部又は燃料ガスマニホールドに最も遠い発電素子部に設けられている前記セル間接続部材と接続するための前記インターコネクタの前記固体電解質からの露出幅が、前記発電素子部間に設けられている他の前記インターコネクタの前記固体電解質からの露出幅よりも広く形成されており、それぞれの前記燃料電池セル間の上端側又は下端側に前記セル間接続部材が挿入されているとともに、前記セル間接続部材が前記燃料電池セル間の下端側に配置されている当該燃料電池セル間の上端側に、絶縁物からなるダミーのセル間接続部材が配置されていることを特徴とする。

この構造であれば、燃料電池セルの発電素子部と他の燃料電池セルの発電素子部とを電気的に接続するための前記セル間接続部材を用いて、前記の燃料電池セルの複数を、セル間接続部材を介して互いに電気的に接続してなるセルスタックが提供される。この構造によれば、燃料電池セル間の接続抵抗が小さいので、内部抵抗が小さく、大きな電力が取り出せるセルスタックが得られる。
特に、他の燃料電池セルとの接続用のインターコネクタの幅を広く形成することによって、セル間接続部材で他の燃料電池セルと電気的に接続したときに、接触面積を広くとれる。したがって、燃料電池セル間の接続抵抗が低下するので、セルスタック及び燃料電池の集電損失を小さくすることができる。また、接触面積が広くなることによって、接続の安定性も向上するので、信頼性の高いセルスタックが得られる。

前記セル間接続部材は、背板部と、この背板部より互いに異なる２方向に分岐する櫛歯部を備えるとともに、前記櫛歯部は隣接するそれぞれの燃料電池セルに接続するための接触部を備えることが望ましい。

以上に説明したセルスタックを収納容器に複数収納してなる燃料電池を構成すると、熱効率の高い燃料電池を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明のセルスタックを構成する燃料電池セル（以下、「セル」と略す場合がある）の構造を示す斜視図であり、図２はその正面図である。
この燃料電池セル１は、発電素子間接続部材７（図３参照）を塗布する前の状態を示している。
この燃料電池セル１は、中空かつ扁平板状の絶縁支持体２に、複数の発電素子部をセルの長手方向に沿って複数個配置し、それらをインターコネクタ６及び発電素子間接続部材７を介して直列に接続した「横縞形」といわれるものである。発電素子部は、絶縁支持体２の表面及び裏面にそれぞれ形成されている。

図１（ａ）は、セル表面の先端の発電素子部（図示せず）と、セル裏面の先端の発電素子部（図示せず）とが、セルを周回する金属バンド（図５参照）によって接続され、セル表面の電流の方向と、セル裏面の電流の方向とが反対になるタイプを示している。
図１（ｂ）は、セル表面の各発電素子部と、セル裏面の各発電素子部とが、セルを周回するインターコネクタ６によりそれぞれ接続されて、全体としてみればセル表面の発電素子部と、セル裏面の発電素子部とが、並列に接続されるタイプを示している。

図３は、図２のＡ−Ａ線で切った、発電素子部が形成された部分を示すセルの断面図である。
燃料電池セル１は、絶縁支持体２の表面に、その長手方向に所定間隔をおいて、複数の発電素子部を配列することにより構成されている。
それぞれの発電素子部は、集電燃料極３ａ、活性燃料極３ｂ（集電燃料極３ａ、活性燃料極３ｂを総称して「燃料極３」という）、固体電解質４及び空気極５を順次積層した層構造となっている。

隣り合う発電素子部は、インターコネクタ６及び発電素子間接続部材７により直列に接続されている。すなわち、一方の発電素子部の燃料極３の上にインターコネクタ６が形成され、このインターコネクタ６は、長手方向両端部が固体電解質４により被覆され、固体電解質４から帯状に露出している。このインターコネクタ６の露出した部分が発電素子間接続部材７により被覆され、この発電素子間接続部材７により、他方の発電素子部の空気極５が電気的に接続された構造となっている。

絶縁支持体２は多孔質であり、さらにその内部には、内径の小さな複数の燃料ガス流路１２が軸方向に形成されている。このように、絶縁支持体２の内部にガス流路１２を複数形成することにより、絶縁支持体２の内部に大きなガス流路を１本形成する場合に比べて、絶縁支持体２を扁平板状とすることができ、燃料電池セル１の体積当たりの発電素子部の面積を増加し発電量を大きくすることができる。よって、必要とする発電量を得るためのセル本数を減らすことができる。また、セル間の接続箇所数を減少させることもできる。

この燃料ガス流路１２内に燃料ガス（水素ガス）を流し、かつ空気極５を空気等の酸素含有ガスに曝すことにより、燃料極３及び空気極５間で前述した式（１），（２）に示す電極反応が生じ、両極間に電位差が発生し、発電するようになっている。
図４は、上述した燃料電池セル１の発電素子部の配列パターンをさらに詳細に示す正面図である。

本発明の実施形態によれば、発電素子部の配列パターンとして、２つのパターンＡ，Ｂがある。
両パターンとも、長手方向に所定間隔をおいて、複数の発電素子部を配列していることは共通しているが、パターンＡは、燃料ガスマニホールドＭに接続される側（矢印Ｍで示す）に最も近い部分がインターコネクタ６になっており、パターンＢは、燃料ガスマニホールドＭに接続される側に最も近い部分が空気極５になっているところが相違している。

図１（ａ）の、セル表面の電流の方向とセル裏面の電流の方向とが反対になるタイプは、セル表面にパターンＡ（又はＢ）を搭載し、セル裏面にパターンＢ（又はＡ）を搭載している。
図１（ｂ）の、セル表面の電流の方向とセル裏面の電流の方向とが同一になるタイプでは、セル表面及び裏面ともにパターンＡ（又はＢ）を搭載している。

なお、図４で、燃料ガスマニホールドＭに最も近い発電素子部に形成されるインターコネクタ６の幅、及び燃料ガスマニホールドＭに最も遠い発電素子部に形成される他の燃料電池セル１との接続用のインターコネクタ６の幅（セル長手方向に沿った幅）をＤで表している。また、前記以外の発電素子部間を接続するために設けられたインターコネクタ６の幅（セル長手方向に沿った幅）をｄで表している。

本発明によれば、不等式Ｄ＞ｄが成り立つように設定されている。
インターコネクタ６の幅ｄは、一般に、３ｍｍ以下であることが望ましい。インターコネクタ６の幅ｄの部分は、発電に寄与しない部分であり、この幅ｄが３ｍｍより長くなると、燃料電池セル１の全長が伸びて、セルスタックの容積が大きくなるだけである。絶縁支持体２の幅ｂは、一般に、１５ｍｍ以上であり、好ましくは３０〜５０ｍｍである。その厚み（紙面垂直方向）は、一般に、２〜５ｍｍであることが望ましい。空気極５の幅ａは、一般に、８ｍｍ以上であり、より好ましくは２４〜４４ｍｍである。

図５及び図６は、本発明のセルスタックを構成する燃料電池セル１の接続構造を、タイプ別に示す斜視図である。
図５は、図１（ａ）のセル表面の電流の方向とセル裏面の電流の方向とが反対になるタイプのセル間接続構造を示す。
燃料電池セル１の燃料ガスマニホールドＭ側の発電素子部には、隣の燃料電池セル１との電気的接続を図るためのセル間接続部材８が配置されている。このセル間接続部材８は、一方のセルの燃料ガスマニホールドＭに最も近い発電素子部の空気極５と、他方のセルの燃料ガスマニホールドＭに最も近い発電素子部のインターコネクタ６とを接続する。インターコネクタ６は、図３に示すように、燃料極３に接続しているので、これにより、一方のセルの燃料ガスマニホールドＭに最も近い発電素子部の空気極５と、他方のセルの燃料ガスマニホールドＭに最も近い発電素子部の燃料極３とが接続されることになる。すなわち、一方のセルの正極と他方のセルの負極とが接続された形になり、セルスタックを構成するすべてのセルに形成された発電素子部が直列に接続され、高電圧が取り出せる。

図６は、図１（ｂ）のセル表面の電流の方向とセル裏面の電流の方向とが同一になるタイプのセル間接続構造を示す。
この場合、セル間接続部材８は、一対のセル間の燃料ガスマニホールドＭ側の発電素子部を接続し、次の対となるセル間の先端側の発電素子部を接続し、さらに次の対となるセル間の燃料ガスマニホールドＭ側の発電素子部を接続するという具合に、セル間ごとに交互に配置される。この接続により、セルスタックを構成する全てのセルが直列に接続される。ただし、セル内では、表裏の発電素子部は並列に接続されていることは、前述したとおりである。

なお、図６に"Ｓ"で示したように、セル間接続部材８が挿入されないセル間には、絶縁物からなるダミーのセル間接続部材を挿入することが好ましい。これによって、セル同士の間隔が一定に保たれるので、セル間接続部材８が、セルの間から落下するのを防ぐことができる。
図７は、セル間接続部材８の形状の一例を示す斜視図である。セル間接続部材８は、弾力性を有する平櫛の歯８１を１本ずつ、交互に反対方向に折り曲げた形状をしている。さらに詳しく言えば、セル間接続部材８は、バックボーンとなる１本のまっすぐに伸びた背板部８０と、この背板部８０から互いに異なる２方向に交互に分岐する櫛歯部８１とからなり、前記分岐した櫛歯部８１同士は、途中で折れ曲がって互いに平行になる。この平行な部分を「接触部８２」という。

この接触部８２が、発電素子部Ｂのインターコネクタ６又は発電素子部の空気極５に接触して、両者の電気的導通を実現する。
図８は、セル間接続部材８により、図１（ａ）のセル表面の電流の方向とセル裏面の電流の方向とが反対になるタイプのセル間を接続する状態を示す断面図である。
セル間接続部材８の接触部８２は、一方のセルの、燃料ガスマニホールドＭに最も近い発電素子部のインターコネクタ６に接続すると同時に、他方のセルの、燃料ガスマニホールドＭに最も近い発電素子部の空気極５に接触している。

本実施形態の特徴は、セルの、燃料ガスマニホールドＭに最も近い発電素子部のインターコネクタ６の幅Ｄが、他の発電素子部のインターコネクタ６の幅ｄよりも広くなっていることである。このため、セル間接続部材８の接触部８２と、前記燃料ガスマニホールドＭに最も近い発電素子部のインターコネクタ６との接触面積を広げることができ、セル間接続部材８とインターコネクタ６との電気的な接触を安定化させ、その接触抵抗を下げることができる。したがって、燃料電池の内部抵抗を減らすことができ、セルで発生した電力を、燃料電池外に効率よく取り出すことができる。

図９は、セル間接続部材８により、図１（ｂ）のセル表面の電流の方向とセル裏面の電流の方向とが同一になるタイプのセル間を接続する状態を示す断面図である。
セル間接続部材８の接触部は、両方のセルの、燃料ガスマニホールドＭに最も近い発電素子部のインターコネクタ６に接触している。
本実施形態の特徴は、セルの、燃料ガスマニホールドＭに最も近い発電素子部のインターコネクタ６の幅Ｄが、他の発電素子部のインターコネクタ６の幅ｄよりも広くなっている。このため、セル間接続部材８の接触部８２と、前記燃料ガスマニホールドＭに最も近い発電素子部のインターコネクタ６との接触面積を広げることができ、セル間接続部材８とインターコネクタ６との電気的な接触を安定化させ、その接触抵抗を下げることができる。このため、燃料電池の内部抵抗を減らすことができ、セルで発生した電力を、燃料電池外に効率よく取り出すことができる。

前記燃料電池セル１が複数集合して、図５、図６に示すようなセルスタックを組み立てる。このセルスタックの両端に、セルスタックで発生した電力を燃料電池外に取り出すための導電部材（図示せず）を取り付けて、収納容器内に収容して、燃料電池を製作することができる。 この収納容器に空気等の酸素含有ガスを導入し、水素等の燃料ガスを導入管を通して燃料ガスマニホールドＭに導入する。燃料ガスを燃料ガスマニホールドＭを通して燃料電池セル１内部に導入し、燃料電池セル１を所定温度に加熱すれば、燃料電池セル１によって発電することができる。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。

以下、セルを構成する各部材の材質を詳しく説明する。
前記絶縁支持体２は、Ｎｉ若しくはＮｉ酸化物（ＮｉＯ）と、希土類元素酸化物とからなっている。なお、希土類元素酸化物を構成する希土類元素としては、Ｙ，Ｌａ，Ｙｂ，Ｔｍ，Ｅｒ，Ｈｏ，Ｄｙ，Ｇｄ，Ｓｍ，Ｐｒなどを例示することができるが、好ましいものは、Ｙ₂Ｏ₃やＹｂ₂Ｏ₃、特にＹ₂Ｏ₃である。

前記ＮｉあるいはＮｉＯ（ＮｉＯは、発電時には、通常、水素ガスにより還元されてＮｉとして存在する）は、１０〜２５体積％、特に１５〜２０体積％の範囲で絶縁支持体２中に含有されているのがよい。
この絶縁支持体２の熱膨張係数は、通常、１０．５〜１１．０×１０^-6（1/K）程度である。

絶縁支持体２は、発電素子部間の電気的ショートを防ぐために電気絶縁性であることが必要であり、通常、１０Ω・ｃｍ以上の抵抗率を有していなければならない。Ｎｉ等の含量が前記範囲を超えると、電気抵抗値が低下し、電気絶縁性が損なわれてしまう。また、Ｎｉ等の含量が前記範囲よりも少ないと、希土類元素酸化物（例えばＹ₂Ｏ₃）を単独で用いた場合と変わらなくなってしまい、発電素子部との熱膨張係数の調整が困難となってしまうからである。

また、Ｎｉ等以外の残量の全ては、通常、希土類元素酸化物の少なくとも１種である。しかし、少量、例えば５重量％以下の範囲で、ＭｇＯやＳｉＯ₂などの他の酸化物、若しくは複合酸化物例えばジルコン酸カルシウムなどを含有していてもよい。
なお、前記絶縁支持体２は、燃料ガス流路１２内の燃料ガスを燃料極３の表面まで導入可能でなければならず、このため、多孔質であることが必要である。一般に、その開気孔率は２５％以上、特に３０乃至４０％の範囲にあるのがよい。

燃料極３は、前記式（２）の電極反応を生じせしめるものであり、本実施形態においては、固体電解質側の活性燃料極３ｂと、絶縁支持体２側の集電燃料極３ａとの二層構造に形成されている。
前記固体電解質側の活性燃料極３ｂは、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ＺｒＯ₂（安定化ジルコニア）と、Ｎｉ及び／又はＮｉ酸化物ＮｉＯ（以下、Ｎｉ等と呼ぶ）とからなる。この希土類元素が固溶した安定化ジルコニアとしては、後述する固体電解質４に使用されているものと同様のものを用いるのがよい。

活性燃料極３ｂ中の安定化ジルコニア含量は、３５〜６５体積％の範囲にあることが好ましく、またＮｉ等の含量は、良好な集電性能を発揮させるため、６５〜３５体積％の範囲にあるのがよい。
さらに活性燃料極３ｂの開気孔率は、１５％以上、特に２０〜４０％の範囲にあるのがよい。

この活性燃料極３ｂの熱膨張係数は、通常、１２．３×１０^-6（1/K）程度である。
また、活性燃料極３ｂの厚みは、５μｍ以上１５μｍ未満の範囲にあることが望ましい。厚み１５μｍ以上であれば、固体電解質４との熱膨張差に起因して発生する熱応力を吸収できないようになり、活性燃料極の割れや剥離などを生じるおそれがある。
燃料極３のうち、前記絶縁支持体２側の集電燃料極３ａは、絶縁支持体２と同様、Ｎｉ若しくはＮｉ酸化物と、希土類元素酸化物との混合体である。

前記Ｎｉ或いはＮｉ酸化物（ＮｉＯは、発電時には、通常、水素ガスにより還元されてＮｉとして存在する）は、３０〜６０体積％の範囲で希土類元素酸化物中に含有されているのがよい。この範囲で調整することにより、絶縁支持体２と集電燃料極３ａとの熱膨張差を２×１０^-5／°Ｃ以下とすることができる。
集電燃料極３ａは、電流の流れを損なわないように、導電性であることが必要であり、通常、４００Ｓ／ｃｍ以上の導電率を有していなければならない。Ｎｉ等の含量が前記範囲を下回ると、電気抵抗値が上昇し、電気伝導度が損なわれてしまう。

この集電燃料極３ａの熱膨張係数は、通常、１１．５×１０^-6（1/K）程度である。
また、この集電燃料極３ａの厚みは、８０μｍ以上であることが望ましい。８０μｍ未満であれば、長手方向に電流が流れるときの抵抗が増加して、燃料電池セル１内部に無視できない電圧降下が発生してしまう。
以上のように、燃料極３を固体電解質側の活性燃料極３ｂと、絶縁支持体側の集電燃料極３ａと二層に形成した構造であれば、絶縁支持体側の集電燃料極のＮｉ換算でのＮｉ量或いはＮｉＯ量を４０〜７０体積％の範囲内で調整することにより、発電素子部との接合性を損なうことなく、その熱膨張係数を、後述する固体電解質の熱膨張係数に近づけることができ、例えば両者の熱膨張差を、２×１０^-6／℃未満とすることができる。
したがって、燃料電池セル１の作製時、加熱時、冷却時において両者の熱膨張差に起因して発生する熱応力を小さくすることができるため、燃料極の割れや剥離などを抑制することができる。このため、燃料ガス（水素ガス）を流して発電を行う場合においても、絶縁支持体２との熱膨張係数の整合性は安定に維持され、熱膨張差による割れを有効に回避することができる。

固体電解質４は、電極間の電子の橋渡しをする電解質としての機能を有すると同時に、燃料ガスと空気等の酸素含有ガスとのリークを防止するためにガス遮断性を有していることが必要である。従って、固体電解質４としては、このような特性を備えている緻密質なセラミックス、例えば、３〜１５モル％の希土類元素が固溶した安定化ＺｒＯ₂を用いるのが好ましい。この安定化ＺｒＯ₂中の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で、Ｙ，Ｙｂが好適である。また、８ＹＳＺ（８モル％のＹが固溶している安定化ＺｒＯ₂）と熱膨張係数がほぼ等しいランタンガレート系固体電解質なども好適に用いることができる。

前記の固体電解質４は、ガス透過を防止するという点から１０〜１００μｍの厚みを有し、さらに相対密度（アルキメデス法による）が９３％以上、特に９５％以上であることが望ましい。
固体電解質４上に形成される空気極５は、前述した式（１）の電極反応を生じせしめるものであり、いわゆるＡＢＯ₃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。このようなペロブスカイト型酸化物としては、遷移金属型ペロブスカイト酸化物、特にＡサイトにＬａを有するＬａＭｎＯ₃系酸化物、ＬａＦｅＯ₃系酸化物、ＬａＣｏＯ₃系酸化物の少なくとも一種が好適であり、６００〜１０００℃程度の比較的低温での電気伝導性が高いという点から、ＬａＦｅＯ₃系酸化物が特に好適である。

なお、前記の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が存在していてもよいし、さらにＢサイトには、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｍｎが共存していてもよい。
また、前記の空気極５は、ガス透過性を有していなければならず、その開気孔率は２０％以上、特に３０乃至５０％の範囲にあるのがよい。さらに、その厚みは、集電性という点から３０〜１００μｍであることが望ましい。

隣り合う発電素子部同士を直列に接続するために使用されるインターコネクタ６は、一方の発電素子部の燃料極３と他方の発電素子部の空気極５とを接続するものであり、導電性セラミックスから形成されるが、燃料ガス（水素ガス）及び空気等の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（ＬａＣｒＯ₃系酸化物）が使用される。また、絶縁支持体２内のガス流路１２を通る燃料ガスと空気極５の外部を通る空気等の酸素含有ガスと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（アルキメデス法）を有していることが好適である。なお、このインターコネクタ６の端面と、固体電解質４の端面との間には、適当な接合層（例えばＹ₂Ｏ₃）を介在させることにより、シール性を向上させることもできる。

なお、上述した例においては、絶縁支持体２上に形成される発電素子部は、内側電極が燃料極３であり、外側電極が空気極５となった層構造を有しているが、両電極の位置関係を逆とすることも勿論可能である。すなわち、絶縁支持体２上に、空気極５，固体電解質４、燃料極３をこの順に積層して発電素子部を形成することもできる。この場合、絶縁支持体２のガス流路１２内には、空気等の酸素含有ガスが導入され、燃料ガスは外側電極である燃料極３の外面に供給されることとなる。

セル間接続部材８は、耐熱性、耐酸化性、電気伝導性という点から、Ｐｔ、Ａｇ、Ｎｉ基合金、Ｆｅ−Ｃｒ鋼合金の少なくとも一種以上からなることが望ましい。このセル間接続部材８とインターコネクタ６、セル間接続部材８と空気極５の接続部に、ＡｇやＰｔ等の貴金属やＮｉ等の金属を含有するペーストを導電性接着剤として用いて、接続信頼性を向上させることもできる。

前述した燃料電池セル１は、例えば以下のようにして製造することができる。
先ず、絶縁支持体２の材料として、平均粒径が０．１〜１０μｍのＹ₂Ｏ₃粉末などの希土類元素酸化物粉末と、Ｎｉ粉末（ＮｉＯ粉末でもよい）とを用意し、これらの粉末を、所定の比率で混合し、混合後の熱膨張係数が固体電解質４とほぼ一致するようにする。この混合粉末に、ポアー剤と、セルロース系有機バインダーと、水とからなる溶媒とを混合し、押し出し成形して、内部に燃料ガス流路５２を有する中空の板状形状、扁平状の絶縁支持体成形体２を作成する。

以下、燃料電池セルの製造工程図である図１０を参照して説明する。
まず、絶縁支持体２側の集電燃料極を作製する。例えば、ＮｉＯ粉末、Ｎｉ粉末と、Ｙ₂Ｏ₃等の希土類元素酸化物が固溶したＺｒＯ₂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を加えてスラリーとし、ドクターブレード法にて、厚み５０〜６０μｍの集電燃料極テープ３ａを作製する。集電燃料極テープ３ａを発電素子部単位に切断する。

切断した集電燃料極テープ３ａにおいて、絶縁体を形成する部分を打ち抜く（図１０（ａ））。
次に、この集電燃料極テープ３ａ上のインターコネクタ形成部分に、活性燃料極３ｂを印刷する（図１０（ｂ））。このとき前述したように、燃料ガスマニホールドＭに最も近い発電素子部においては、活性燃料極の幅Ｄを、他の活性燃料極の幅ｄよりも広くとる。

さらに、活性燃料極３ｂ上に、インターコネクタ６を印刷する（図１０（ｃ））。
そしてもう一度、インターコネクタ６の中央部分を除いて活性燃料極３ｂを全体に印刷する（図１０（ｄ））。
次に、この状態で、燃料極テープ３ａを、支持体成形体２に横縞状に貼り付ける。その際の燃料極テープ３ａと他の燃料極テープ３ａとは、３ｍｍ程度の間隔をあけて配置する。そして、この積層体を乾燥し、９００〜１１００℃の温度範囲で仮焼する。（図１０（ｅ））。

インターコネクタ６の、前記活性燃料極３ｂを印刷しなかった中央部分に、有機物シート（マスキングテープ）１０を貼り付ける（図１０（ｆ））。
次に、この積層体を、８ＹＳＺ（８モル％のＹが固溶したＺｒＯ₂粉末）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に漬けて、固体電解質溶液から取り出す。このディップにより、積層体の一面に固体電解質４の層が塗布されるとともに、前記（ａ）で打ち抜いた空間に絶縁体である固体電解質４が充填される。

この状態で、８００°Ｃ、１時間仮焼きする。この仮焼き中に、有機物シート１０とその上に塗布された固体電解質４の層を除去することができる（図１０（ｇ））。
次に空気極の形成部分に反応防止層１１を塗布して１４８０°Ｃ、２時間焼成する（図１０（ｈ））。その反応防止層１１の上から、空気極５を印刷し１０５０°Ｃ、２時間焼き付ける（図１０（ｉ））。

最後に、１つの発電素子部のインターコネクタ６と、これに隣接する発電素子部の空気極５とを接続するための発電素子接続部材７を貼り付けて（図１０（ｊ））、燃料電池セルが完成する。
以上で、本発明の実施の形態を説明したが、本発明の実施は、前記の形態に限定されるものではない。例えば、前記の例では絶縁支持体２は、中空の板状で内部に複数のガス流路１２を有するものとして説明したが、絶縁支持体２は、円筒状でもよく、ガス流路１２の数は一つでもよく、さらに絶縁体であればその材質も問わない。その他、本発明の範囲内で種々の変更を施すことが可能である。

本発明のセルスタックを構成する燃料電池セルの構造を示す斜視図である。（ａ）はセル表面の電流の方向とセル裏面の電流の方向とが反対になるタイプを示し、（ｂ）はセル表面の電流の方向とセル裏面の電流の方向とが同一になるタイプを示す。 燃料電池セルの正面図である。 燃料電池セルの接続構造を拡大して示す縦断面図である。 燃料電池セルの発電素子部の配列パターンを示す正面図である。 燃料電池セル表面の電流の方向と裏面の電流の方向とが反対になるタイプの燃料電池セル間接続構造を示す斜視図である。 燃料電池セル表面の電流の方向と裏面の電流の方向とが同一になるタイプの燃料電池セル間接続構造を示す斜視図である。 セル間接続部材の形状の一例を示す斜視図である。 燃料電池セル表面の電流の方向と裏面の電流の方向とが反対になるタイプの燃料電池セル間を接続する状態を示す断面図である。 燃料電池セル表面の電流の方向と裏面の電流の方向とが同一になるタイプの燃料電池セル間を接続する状態を示す断面図である。 燃料電池セルの製造工程図である。

符号の説明

１ 燃料電池セル
２ 絶縁支持体
３ 燃料極
４ 固体電解質
５ 空気極
６ インターコネクタ
７ 発電素子間接続部材
８ セル間接続部材
１２ 燃料ガス流路

Claims (3)

1. 単一若しくは複数の燃料ガス流路が、長手方向に形成された柱状の絶縁支持体の表面に、燃料極、固体電解質及び、空気極を順次積層してなる発電素子部を長手方向に所定間隔をおいて複数個設け、該複数の発電素子部をインターコネクタで直列に接続してなる燃料電池セルの複数を、セル間接続部材で電気的に接続してなるセルスタックであって、
   前記燃料電池セルは、燃料ガスマニホールドに最も近い発電素子部又は燃料ガスマニホールドに最も遠い発電素子部に設けられている前記セル間接続部材と接続するための前記インターコネクタの前記固体電解質からの露出幅が、前記発電素子部間に設けられている他の前記インターコネクタの前記固体電解質からの露出幅よりも広く形成されており、
   それぞれの前記燃料電池セル間の上端側又は下端側に前記セル間接続部材が挿入されているとともに、前記セル間接続部材が前記燃料電池セル間の下端側に配置されている当該燃料電池セル間の上端側に、絶縁物からなるダミーのセル間接続部材が配置されていることを特徴とするセルスタック。
2. 前記セル間接続部材は、背板部と、この背板部より互いに異なる２方向に分岐する櫛歯部を備えるとともに、前記櫛歯部は隣接するそれぞれの燃料電池セルに接続するための接触部を備える請求項１記載のセルスタック。
3. 請求項１又は請求項２記載のセルスタックを収納容器内に複数収納してなる燃料電池。

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